(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元繊維構造体で構成された基板部と、三次元繊維構造体で構成された補強リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体であって、
前記補強リブはほぼ直角に屈曲された状態で連続する板状部を有し、前記板状部の一つが前記基板部に垂直となるように基板部に結合されるとともに、前記補強リブと前記基板部とを結合する厚さ方向糸は、前記補強リブと前記基板部との平面部が対応する位置においては、前記基板部の厚さ方向と平行に配列され、前記補強リブの屈曲部と対応する位置においては、前記基板部の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通するように配列されている三次元繊維構造体。
【請求項２】
前記補強リブは少なくとも前記基板部との結合部付近がＴ字状に形成されている請求項１に記載の三次元繊維構造体。
【請求項３】
前記基板部及び前記補強リブは、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内３軸以上の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸とを含む少なくとも４軸で構成されている請求項１又は請求項２に記載の三次元繊維構造体。
【請求項４】
前記基板部、補強リブ及び厚さ方向糸が全てカーボン糸で形成されている請求項３に記載の三次元繊維構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は三次元繊維構造体に係り、詳しくは補強リブを有する板状の三次元繊維構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化複合材（ＦＲＰ複合材）は軽量の構造材料として広く使用されている。複合材用補強基材として三次元織物（三次元繊維構造体）がある。この三次元織物を骨格材として、樹脂あるいは無機物をマトリックスとした複合材はロケット、航空機、自動車、船舶及び建築物の構造材として幅広い用途が期待されている。
【０００３】
そして、航空機の胴体等に使用されるスティフナー付プレートを、三次元繊維構造体を骨格材とした耐衝撃性に優れた三次元繊維構造体複合材で製作することが考えられている。例えば、ＮＡＳＡ（米国航空宇宙局）の報告書ＮＡＳＡ／ＴＰ−９７−２０６２３４には、図１６（ａ）に示すように、ユニ・ウィーブ織物（Uni-Weave fabric）を複数枚積層して形成したＴ字状の補強リブ７０と、図１６（ｂ）に示すように、ユニ・ウィーブ織物を複数枚積層して形成した平板７１とを結合糸で縫い合わせて製造した三次元繊維構造体Ｗ（図１６（ｃ）に図示）が開示されている。補強リブ７０及び基板７１はそれぞれ配向角が０°、４５°、−４５°及び９０°のユニ・ウィーブ織物を複数枚積層して面内４軸とし、結合糸を含めて５軸構成となっている。
【０００４】
特開平１−２０７４６５号公報には、平板部上に断面Ｔ字状やＩ字状の突条部が複数本形成された異形断面の三次元織物と、その製造方法が開示されている。この三次元織物は、三次元織物の断面形状に対応して多数本の長さ方向糸を複数行、複数列に配列し、幅方向糸を隣接する長さ方向糸群の行間に、長さ方向糸と直交する状態で幅方向に往復させながら挿入する工程と、垂直方向糸を長さ方向糸の列間に長さ方向糸と直交する状態で上下方向に往復させながら挿入する工程とを繰り返して製造される。
【０００５】
特開平３−２８６８４１号公報には、平板状のプリプレグと、ほぼＬ字状に屈曲させた２枚のプリプレグを接合してほぼＴ字状に形成したプリプレグとを図１６と同様に接合した状態でファイバで縫合する複合材構造物の製造方法が開示されている。
【０００６】
特開平６−１８４９０６号公報には、複数の板状部が接続部において屈曲状態で連続する形状に形成された三次元繊維構造体が開示されている。この三次元繊維構造体は隣接する板状部の接続部の強度を高めるため、両板状部に跨がって連続する糸をその構成要素として持っている。この三次元繊維構造体は屈曲状態で連続する板状部を構成するように、糸の配列方向が異なる糸層が所定数積層形成された積層糸群を厚さ方向糸で結合して構成する。また、二つの三次元繊維構造体を合体して異なる断面形状の三次元繊維構造体を製造する方法が開示されている。例えば、コ字形の三次元繊維構造体を背中合わせに合体させてＨ状断面の三次元繊維構造体を製造することが開示されている。
【０００７】
また、特開平４−２８９２４３号公報には、複数の板状部がＴ字状に接合された接合部を有する形状に形成され、各板状部がその厚さ方向の成分を含む少なくとも３軸で構成され、隣接する板状部の接合部と交差する方向に延びるとともに各板状部の厚さ方向と直交する面に沿って配列され、かつ接合部を挟む両板状部に跨って連続する糸をその構成要素として持つ三次元織物（三次元繊維構造体）が開示されている。この三次元織物は図１７に示すように、多数の規制部材７２に貫通された状態で断面Ｌ字状に形成された積層糸群７３，７４と、平板状の積層糸群７５を組み合わせ、各積層糸群７３〜７５を貫通する規制部材７２を順次厚さ方向糸ｚと順次置換して積層糸群７３〜７５を結合することにより形成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１−２０７４６５号公報に開示された三次元織物は、平板部や突条部が面内２軸で厚さ方向の糸を含めても３軸構成で、かつ屈曲状態で連続する面に跨って配列される糸がないため、複合材を形成した時の物性が不十分となる。
【０００９】
その他の従来技術の三次元繊維構造体（三次元織物）は、各板状部が少なくとも面内３軸で構成され、かつ屈曲状態で連続する面に跨って配列される糸が存在する。従って、特開平１−２０７４６５号公報に開示された三次元織物を骨格材とした複合材より物性（特に強度や耐衝撃性）の優れた複合材を形成することができる。
【００１０】
しかし、前記従来の三次元繊維構造体は、平板部と補強リブとを結合する結合糸（厚さ方向糸）は、いずれも平板部の厚さ方向と平行に配列されるため、平板部及び補強リブの平面が対向する位置においてのみ両者を貫いて結合に寄与する。従って、補強リブの屈曲部と平板部とが対向する箇所、即ち、図１７において鎖線で囲んだ領域では、両者を貫いて結合に寄与する結合糸が存在しない。その結果、複合材を製造したときに、応力集中が生じやすい箇所の強度が不十分となり、それを補うため三次元繊維構造体全体の強度を高める必要が生じて、三次元繊維構造体が厚くなるという問題がある。
【００１１】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は基板部と補強リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体の、補強リブと基板部との接続部の強度を大きくして、同じ要求物性であれば複合材を薄くできる三次元繊維構造体を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、三次元繊維構造体で構成された基板部と、三次元繊維構造体で構成された補強リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体であって、前記補強リブはほぼ直角に屈曲された状態で連続する板状部を有し、前記板状部の一つが前記基板部に垂直となるように基板部に結合されるとともに、前記補強リブと前記基板部とを結合する厚さ方向糸は、前記補強リブと前記基板部との平面部が対応する位置においては、前記基板部の厚さ方向と平行に配列され、前記補強リブの屈曲部と対応する位置においては、前記基板部の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通するように配列されている。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記補強リブは少なくとも前記基板部との結合部付近がＴ字状に形成されている。
請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記基板部及び前記補強リブは、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内３軸以上の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸とを含む少なくとも４軸で構成されている。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発明において、前記基板部、補強リブ及び厚さ方向糸が全てカーボン糸で形成されている。
請求項１に記載の発明の三次元繊維構造体では、補強リブの屈曲部と対応する位置において、基板部の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通するように配列された厚さ方向糸が存在する。従って、補強リブに横方向からの力が作用したとき、前記厚さ方向糸がその力を担うため、強度が高くなる。
【００１５】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、補強リブは少なくとも基板部との結合部付近がＴ字状に形成されているため、横方向のどちら側から力が作用しても曲げに対して良好な強度を確保できる。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、基板部及び補強リブは、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内３軸以上の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸とを含む少なくとも４軸で構成されているため、物性（特に強度や耐衝撃性）の優れた複合材を得ることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発明において、前記基板部、補強リブ及び厚さ方向糸が全てカーボン糸で形成されているため、他の材質製の糸やカーボン糸と他の材質製の糸とを組み合わせて使用した場合に比較して、複合材としたときの物性が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１〜図１２に従って説明する。図１及び図２に示すように、三次元繊維構造体Ｗは基板部１と補強リブ２とが厚さ方向糸ｚにより結合されて構成されている。基板部１は平板状に形成され、補強リブ２は基板部１との結合部付近がＴ字状となる断面形状に形成されている。この実施の形態では補強リブ２はＬ字状断面の三次元繊維構造体ＷＬを接合して、全体の断面形状がＴ字状に形成されている。補強リブ２はほぼ直角に屈曲された状態で連続する板状部２ａ，２ｂ，２ｃを有し、板状部２ａ，２ｂ，２ｃのうちの一つの板状部２ａが基板部１に垂直となるように基板部１に結合されている。補強リブ２は互いに平行に複数（この実施の形態では２個）設けられている。
【００１９】
基板部１及び補強リブ２は、それぞれ複数の糸層（ｘ糸層、ｙ糸層及びバイアス糸層）を積層して形成された面内４軸の配向となる積層糸群３と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸ｚとを含む５軸の三次元繊維構造体で構成されている。図３（ａ）〜（ｄ）はＬ字状断面の三次元繊維構造体ＷＬの積層糸群３を構成する各糸層の糸の配列を示す模式図である。
【００２０】
図３（ｂ）に示すように、ｘ糸層は三次元繊維構造体の厚さ方向と直交する面内において、幅方向又は長さ方向の一方（この実施の形態では幅方向）に沿って配列された第１の面内配列糸ｘからなり、１本の糸が折り返し状に配列されて形成されている。図３（ａ）に示すように、ｙ糸層はｘ糸層と平行な面内で第１の面内配列糸ｘと直交する方向に配列された第２の面内配列糸ｙからなり、１本の糸が折り返し状に配列されて形成されている。図３（ｃ），（ｄ）に示すように、バイアス糸層はｘ糸層と平行な面内で両面内配列糸ｘ，ｙに対して所定の角度（この実施の形態では４５°及び−４５°）で交差するように折り返し状に平行に配列されたバイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 からなる。バイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 は屈曲部４と交差する状態で両板状部２ａ，２ｂに跨がって連続するように配列されている。また、基板部１を構成するｘ糸層、ｙ糸層及びバイアス糸層も同様に構成されている。即ち、基板部１及び補強リブ２は、配向角が９０°の第１の面内配列糸ｘと、配向角が０°の第２の面内配列糸ｙと、配向角が４５°のバイアス糸Ｂ1 と、配向角が−４５°のバイアス糸Ｂ2 とで積層糸群３が構成されている。なお、配向角とは糸が三次元繊維構造体Ｗの長手方向となす角度を意味する。
【００２１】
図１に示すように、補強リブ２と基板部１とはその平面部が対応する位置においては、厚さ方向糸ｚが基板部１の厚さ方向と平行に配列されている。また、補強リブ２の屈曲部４と対応する位置においては、厚さ方向糸ｚは基板部１の厚さ方向に対して交差する状態で、屈曲部４及び基板部１を貫通するように配列されている。基板部１の厚さ方向と交差するように配列される厚さ方向糸ｚが基板部１となす角度θは、４０°〜７０°の範囲が好ましい。厚さ方向糸ｚは基板部１の表面側（補強リブ２が接合される面と同じ側）で折り返すように底面側から挿入されるとともに、表面側において幅方向に配列された抜け止め糸（図示せず）により抜け止めされている。厚さ方向糸ｚが抜け止め糸と共同で各糸層を締め付けることにより、各糸層が結合されている。
【００２２】
なお、各糸を構成する繊維の材質としては複合材の用途に応じてカーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、ポリアラミド繊維等種々のものが使用される。この実施の形態においては、各糸としてカーボン糸が使用されている。カーボン糸にはカーボン繊維のロービング（トウ）が使用されている。ロービング（トウ）とは細い単繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。
【００２３】
前記のように構成された三次元繊維構造体Ｗは繊維強化複合材の強化材（骨格材）として使用され、マトリックスとして樹脂や無機物が使用される。例えば、カーボン／カーボン複合材を構成する場合は、三次元繊維構造体Ｗに樹脂を含浸、硬化させた後、焼成して製作する。
【００２４】
前記のように構成された三次元繊維構造体Ｗを骨格材とした複合材の補強リブに横方向からの荷重（力）が作用した場合、補強リブ２の屈曲部４（コーナ部）に大きな応力が作用する。第２の面内配列糸ｙ及びバイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 が屈曲部４と交差する方向に延びるとともに両板状部２ａ，２ｂ、２ａ，２ｃに跨がって配列されているため、それらの糸が屈曲部４に作用する応力に耐える方向の力を分担するように有効に寄与する。また、屈曲部４及び基板部１を貫通するように配列された厚さ方向糸ｚも、屈曲部４に作用する応力に補強リブに作用する力が作用したとき、前記厚さ方向糸ｚがその力に耐える方向の力を分担するため、複合材の強度が向上する。
【００２５】
次に前記のように構成された三次元繊維構造体Ｗの製造方法の一例を説明する。三次元繊維構造体Ｗを製造する場合、図４に示すようなほぼＬ字状の枠体５を使用して、本願出願人が先に提案した方法（特開平９−１３７３３６号公報）でＬ字状の三次元織物（三次元繊維構造体）を２体製作する。また、四角形状の枠体を使用して基板部１となる平板状の積層糸群３を１体製作する。
【００２６】
Ｌ字状の枠体５は厚さ方向糸ｚの挿入区域と対応する領域６を囲むように形成された本体５ａと、本体５ａの外側に取り外し可能に所定ピッチで立設された多数の規制部材としてのピン７と、枠体５のコーナ部に取り外し可能にねじ（図示せず）により固定された支持バー８とから構成されている。支持バー８の角部にもピン７が取り外し可能に嵌合されている。四角形状の枠体は四角形の枠体本体に、所定ピッチでピンが取り外し可能に立設されている。
【００２７】
積層糸群３に厚さ方向糸ｚを挿入する厚さ方向糸挿入装置は、特開平８−２１８２４９号公報、特開平９−１３７３３６号公報で本願出願人が提案した装置と基本的に同様に構成されている。次に厚さ方向糸挿入装置を図６に従って説明する。図６は厚さ方向糸挿入装置９の概略部分平面図である。
【００２８】
厚さ方向糸挿入装置９は積層糸群３が配列された枠体５を取付け部材１０を介して一対の支持ブラケット１１間（片側のみ図示）に支持し、厚さ方向糸ｚを１列ずつ同時に挿入するようになっている。取付け部材１０はボルトにより枠体５に固定されるとともに、支持ブラケット１１の支持片１２にボルト１３により固定されるようになっている。
【００２９】
厚さ方向糸挿入装置９のベースプレート１４の前側（図６の下側）には支持テーブル１５が図６の左右方向に移動可能に配設され、支持テーブル１５上に支持ブラケット１１が立設されている。支持テーブル１５は図示しない送り装置により所定ピッチずつ移動されるようになっている。なお、図６に示す支持テーブル１５の位置は、厚さ方向糸ｚの挿入がほとんど終了に近づいた時点における位置である。
【００３０】
ベースプレート１４には支持テーブル１５より後側に一対のブラケット１６（一方のみ図示）が立設され、両ブラケット１６間には一対のガイドロッド１７が支持テーブル１５の移動方向と平行に架設されている。ガイドロッド１７には支持プレート１８が摺動可能に支持されている。支持プレート１８はブラケット１６に固定されたエアシリンダ１９のピストンロッド１９ａに連結され、エアシリンダ１９の作動により所定の距離を往復移動可能となっている。
【００３１】
支持プレート１８の前後両端には一対の支持ブラケット２０が立設され、支持ブラケット２０間に平行に架設されたガイドロッド（図示せず）に移動体２１が摺動可能に支持されている。移動体２１の前端には針支持体２２が固定され、針支持体２２の前部に厚さ方向糸挿入針（以下、単に挿入針という）２３がピン７の配列ピッチと対応する所定ピッチで１列に水平に固定されている。針支持体２２は前側の支持ブラケット２０に形成された孔（図示せず）を貫通する状態で配設されている。
【００３２】
移動体２１はモータ２４により駆動されるボールネジ機構２５の作動により、針支持体２２とともに待機位置と作用位置とに移動される。挿入針２３は待機位置では支持ブラケット１１に支持された積層糸群３と係合不能となり、作用位置では針孔２３ａ（図１１に図示）が積層糸群３の反対側となる位置まで積層糸群３を貫通する。
【００３３】
支持ブラケット２０には上下一対の支持ロッド２６が支持ブラケット２０を貫通した状態で摺動可能に支持されている。支持プレート１８には後側の支持ブラケット２０寄りに、ブラケット２７を介してエアシリンダ２８が前後方向に延びるように固定されている。両支持ロッド２６は後端側が連結板２９を介して互いに連結され、連結板２９がエアシリンダ２８のピストンロッド２８ａに連結されている。両支持ロッド２６の前端には穿孔針支持体３０が固定され、穿孔針支持体３０には穿孔針３１が挿入針２３と対応した所定ピッチで１列に固定されている。穿孔針３１の列はエアシリンダ１９の作動時における支持プレート１８の移動距離と等しい間隔を保って挿入針２３の列と平行に配置されている。エアシリンダ２８の作動により穿孔針支持体３０は穿孔針３１が支持ブラケット１１に支持された積層糸群３と係合不能な待機位置と、積層糸群３を貫通する作用位置とに移動される。
【００３４】
ベースプレート１４上には前側の支持ブラケット２０の近傍にエアシリンダ３２が前後方向に延びるように配設され、そのピストンロッド３２ａの先端にブラケット３３を介して押圧部材３４が固定されている。押圧部材３４は挿入針２３列の配列方向に沿って延びる断面Ｌ字状に形成され、挿入針２３あるいは穿孔針３１の通過を許容する櫛歯部を備え、挿入針２３あるいは穿孔針３１を挟んだ状態で積層糸群３を押圧可能となっている。
【００３５】
押圧部材３４は支持ブラケット１１に支持された積層糸群３に対して挿入針２３及び穿孔針３１の待機位置側に配設され、挿入針２３列の挿入位置近傍において挿入針２３列の移動方向に沿って移動可能に配設されている。エアシリンダ３２の作動により押圧部材３４は支持ブラケット１１に支持された積層糸群３と係合して積層糸群３を挿入針２３列の前進側へ押圧する作用位置と、積層糸群３と係合不能な待機位置とに移動される。
【００３６】
支持ブラケット１１に支持された積層糸群３を挟んで押圧部材３４と反対側には、一対のプレスブロック３５，３６が配設されている。両プレスブロック３５，３６は積層糸群３との接触部の幅がピン７の配列ピッチより広く形成され、各プレスブロック３５，３６は積層糸群３の上方において別個に揺動可能に支持された一対のレバー（図示せず）の先端にそれぞれ固定されている。両プレスブロック３５，３６は押圧部材３４と対向する位置でかつ、挿入針２３又は穿孔針３１の進入を許容する隙間が生じるように互いに近接して配設されている。そして、図示しないエアシリンダの作動による前記各レバーの揺動により、各プレスブロック３５，３６が積層糸群３を針列の後退側へ押圧する作用位置と、積層糸群３と係合不能な待機位置とに移動される。
【００３７】
積層糸群３の支持位置の下方には挿入針２３列が積層糸群３を貫通する位置と対応する位置に、抜け止め糸挿通用針（以下、単に抜け止め糸針という）３７が挿入針２３列の配列方向に沿って移動可能に配設されている（図１１にその一部を図示）。抜け止め糸針３７は先端にベラを有し、図示しない駆動装置により往復動されて、作用位置に配置されたときの挿入針２３列に連なる厚さ方向糸ｚのループを貫通する作用位置と、積層糸群３と対応する位置から退避した待機位置とに配置されるようになっている。
【００３８】
なお、図示の都合上、図１及び図２に示す概略図と、図４、図１０及び図１１等とでは、厚さ方向糸ｚの挿入ピッチと、枠体に立設されたピン７のピッチや本数、あるいは三次元繊維構造体Ｗの長さと幅との比等が異なる。
【００３９】
次に前記のように構成された枠体５及び厚さ方向糸挿入装置９を使用して補強リブ２を有する三次元繊維構造体Ｗを製造する手順を説明する。
枠体５を支持ブラケットに固定した状態で、第１の面内配列糸ｘ、第２の面内配列糸ｙ及びバイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 がそれぞれピン７と係合する状態で折り返すようにして、図３（ａ）〜（ｄ）に示すようにそれぞれ配列される。そして、図５に示すように、枠体５の外側にｘ糸層、ｙ糸層及びバイアス糸層が所定の複数層積層された積層糸群３が形成される。また、四角形状の枠体上に第１の面内配列糸ｘ、第２の面内配列糸ｙ及びバイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 がそれぞれピンと係合する状態で折り返すようにして配列され、ｘ糸層、ｙ糸層及びバイアス糸層が所定の複数層積層された平板状の積層糸群３が形成される。
【００４０】
なお、積層糸群３の密度を高めるとともに厚さを調整するため、各糸層の配列が完了するたび、あるいは適宜の糸層が形成された時点毎に、糸層が上から押圧部材で押圧されて積層糸群３が圧縮される。
【００４１】
次に厚さ方向糸挿入装置９を使用して、Ｌ字状の両積層糸群３に厚さ方向糸ｚが公知の方法で挿入される。ただし、厚さ方向糸ｚはハンドリングを可能にする程度の粗い間隔で予備的に挿入される。そして、図７に示すように、厚さ方向糸ｚが粗く挿入されたＬ字状の三次元繊維構造体ＷＬが２体作成される。
【００４２】
次に２体の三次元繊維構造体ＷＬを接合させて、ほぼＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴを形成する。このとき、二つの枠体５に挿通されているピン７の一部を共通化して、図８に示すように、２個の枠体５で三次元繊維構造体を支持した状態で、２体の三次元繊維構造体ＷＬの接合部に、正規の密度で厚さ方向糸ｚが挿入される。Ｌ字状の積層糸群３に厚さ方向糸ｚを挿入するときと、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴに厚さ方向糸ｚを挿入するときとで、枠体５を支持するのに異なる形状の支持片１２が使用される。
【００４３】
なお、一部のピン７を共通化する際、図７に示すように、一方の枠体５のピン７としてパイプを使用し、他方の枠体５のピン７として先端が尖ったピンを使用し、尖ったピン７をパイプ製のピン７に当接させて押し出すと、作業が容易になる。
【００４４】
次にＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴの端部を基板部１に接合するサイズに合わせて所定の位置で切断して枠体５から取り外すと、図９に示すように、基板部１との接合部に粗いピッチで厚さ方向糸ｚが挿入されたＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴが得られる。なお、三次元繊維構造体ＷＴを切断する際に積層糸群３を構成する糸が乱れないように、切断部近傍の厚さ方向糸ｚの挿入密度を高めておくのが好ましい。
【００４５】
次に図１０（ａ）に示すように、平板状の積層糸群３が形成された枠体３８に治具３９，４０を使用して、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴを基板部１に対する補強リブ２の所定の接合位置に取り付ける。治具３９はほぼ門型に形成されるとともに、その両端にボルト挿通孔（図示せず）が形成された取付部３９ａを備えている。また、治具４０を介して三次元繊維構造体ＷＴの中央の板状部２ａを挟持する挟持部３９ｂが所定間隔で形成されている。治具４０は図１１に示すように、三次元繊維構造体ＷＴとほぼ同じ長さの平板で形成されている。そして、図１０（ａ）に示すように、各三次元繊維構造体ＷＴはそれぞれ一対の治具４０に挟まれた状態で治具３９の挟持部３９ｂに挟持される。治具３９は六角穴付きボルト４１により枠体３８に固定される。
【００４６】
次に枠体３８を厚さ方向糸挿入装置９の支持ブラケット１１に固定して、厚さ方向糸ｚの挿入を行う。図１１は厚さ方向糸ｚの挿入状態を示す模式斜視図である。このとき、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴあるいはＬ字状の積層糸群３への厚さ方向糸ｚの挿入時に使用されたプレスブロック３５，３６と異なる形状のプレスブロック４２，４３が使用される。図１１に示すように、プレスブロック４２，４３には積層糸群３と対向する側に、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴ及び治具４０と干渉しないための凹部４４が形成されている。
【００４７】
そして、支持テーブル１５が挿入開始位置に配置され、挿入針２３、穿孔針３１、押圧部材３４及びプレスブロック４２，４３が待機位置に配置された状態から積層糸群３及びＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴの積層糸群３との接合部への厚さ方向糸ｚの挿入作業が開始される。
【００４８】
先ずエアシリンダ３２が作動されて押圧部材３４が作用位置に配置される。次に両プレスブロック４２，４３が作用位置に配置され、押圧部材３４及び両プレスブロック４２，４３により積層糸群３は穿孔針３１列と対応する箇所が圧縮状態に保持される。その状態でエアシリンダ２８が作動されて穿孔針３１が積層糸群３を貫通する位置まで前進した後、元の位置まで後退する。穿孔針３１は押圧部材３４及び両プレスブロック４２，４３にガイドされながら移動し、穿孔針３１が多少曲がっていても穿孔針３１は積層糸群３に対して垂直に挿通される。積層糸群３は押圧部材３４及び両プレスブロック４２，４３によって押圧されているため、穿孔針３１の前進時に各糸の配列が乱れることはない。積層糸群３を構成する繊維が押圧部材３４及び両プレスブロック４２，４３の圧縮作用によりある程度密に配置された状態にあるため、穿孔針３１の抜き跡に孔が形成される。
【００４９】
次にエアシリンダ１９が突出作動されて支持プレート１８とともに穿孔針３１列及び挿入針２３列が移動され、挿入針２３列が穿孔針３１の抜き跡の孔と対向する位置に配置される。その状態でプレスブロック４２が待機位置に配置された後、モータ２４が作動され、挿入針２３が前進して作用位置に配置される。挿入針２３は針孔２３ａが積層糸群３の前方に出るまで積層糸群３に挿通される。挿入針２３が前進端に達した後、モータ２４が逆転されて挿入針２３がわずかに後退させられる。その結果、積層糸群３から針孔２３ａに連なる厚さ方向糸ｚが抜け止め糸針３７の通過を許容するループを形成した状態となる。
【００５０】
次に抜け止め糸針３７が作動され、抜け止め糸（図示せず）が前記ループに挿通される。その後、モータ２４が逆転されて挿入針２３が後退し、積層糸群３から離脱して待機位置に配置される。また、プレスブロック４２が再び作用位置に配置される。この状態で張力調整部（図示せず）の作用により厚さ方向糸ｚが引き戻され、積層糸群３内に挿入された厚さ方向糸ｚが抜け止め糸により抜け止めされた状態で締付けられる。次にエアシリンダ１９が作動され、支持プレート１８とともに穿孔針３１列及び挿入針２３列が初期位置に戻される。また、エアシリンダ３２が作動されて押圧部材３４が待機位置に配置され、プレスブロック４２，４３も待機位置に配置される。以上により厚さ方向糸ｚの１回の挿入サイクルが完了する。そして、平板状の積層糸群３及びＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴの積層糸群３との接合部に対して、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴの屈曲部４と対応する位置を除いた幅方向全域にわたって厚さ方向糸ｚが１列分挿入される。
【００５１】
なお、図１１では挿入針２３及び穿孔針３１の各ピッチが模式的に等ピッチに図示されているが、屈曲部４と対応する位置では、挿入針２３及び穿孔針３１は針支持体２２及び穿孔針支持体３０から取り外されている。
【００５２】
次に支持テーブル１５が厚さ方向糸ｚの挿入ピッチ分移動され、穿孔針３１が積層糸群３への次回の厚さ方向糸挿入位置と対向する状態となる。以下、前記と同様にして順次厚さ方向糸ｚの挿入サイクルが実行される。そして、図１０（ｂ）に示すように、平板状の積層糸群３とＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴとが、その屈曲部４と対応する位置を除いた箇所において厚さ方向糸ｚで結合された三次元繊維構造体が形成される。
【００５３】
次に基板部１及び補強リブ２の屈曲部４と対応する位置への厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。このとき、図１２に示すように、治具３９，４０を取り外し、枠体３８を支持する支持ブラケット１１と支持テーブル１５の間に規制治具４５を挟んだ状態で、支持ブラケット１１を支持テーブル１５に固定する。規制治具４５は枠体３８の角度を厚さ方向糸ｚの挿入角度と対応するように規制する役割を果たす。そして、屈曲部４と対応する位置に基板部１の厚さ方向に対して交差する状態で、厚さ方向糸ｚを屈曲部４及び基板部１を貫通するように挿入する。なお、治具３９，４０を取り付けたままで、厚さ方向糸ｚの挿入を行ってもよい。図１２の角度で厚さ方向糸ｚの挿入を行った後、規制治具４５を１８０°反転させた状態で支持ブラケット１１を支持し、図１２の状態に対して、枠体３８が支持テーブル１５と垂直な面に対して対称となる状態で、再び屈曲部４と対応する位置に厚さ方向糸ｚを挿入する。そして、厚さ方向糸ｚの挿入が終了した後、各ピン７が枠体３８から取り外されて、基板部１の周縁が所定の位置で切断されて三次元繊維構造体Ｗの製造が完了する。
【００５４】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）  三次元繊維構造体Ｗの補強リブ２の屈曲部４と対応する位置においては、厚さ方向糸ｚが基板部１の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部４及び基板部１を貫通するように配列されている。従って、補強リブ２を単に接着あるいは一体成形した場合に比較して、基板部１と補強リブ２とが厚さ方向糸ｚにより結合された三次元繊維構造体Ｗの、補強リブ２と基板部１との接続部の強度が大きくなり、同じ要求物性であれば三次元繊維構造体Ｗを骨格材とした複合材を薄くできる。
【００５５】
（２）  厚さ方向糸ｚによって結合される積層糸群３を構成する各糸層の糸が、ピン７（規制部材）を基準として折り返し状に配列されるため、糸を緊張した状態で配列でき、かつその状態で厚さ方向糸ｚが挿入される。従って、クロス（平面上の織物）を積層してステッチ縫いで各クロスを結合した三次元繊維構造体に比較して、糸の真直度が良好で高品質（物性が良い）の三次元繊維構造体Ｗが得られる。
【００５６】
（３）  補強リブ２は少なくとも基板部１との結合部付近がＴ字状に形成されているため、横方向のどちら側から力が作用しても曲げに対して良好な強度を確保できる。
【００５７】
（４）  三次元繊維構造体Ｗは基板部１及び補強リブ２とも、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内３軸以上（面内４軸）の配向となる積層糸群３と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸ｚとを含む４軸以上（５軸）で構成されている。従って、物性（特に強度や耐衝撃性）の優れた複合材を得ることができる。
【００５８】
（５）  補強リブ２と基板部１とを一体にして製織する方法では面内３軸以上の三次元織物を製造するには、機構が非常に複雑になり、効率良く三次元織物を製造するのが難しい。しかし、複数の糸層を積層して形成された面内３軸以上（面内４軸）の配向となる積層糸群３を厚さ方向糸ｚで結合した、三次元繊維構造体Ｗの場合は、面内４軸であっても、比較的容易に製造できる。
【００５９】
（６）  基板部１、補強リブ２及び厚さ方向糸ｚが全てカーボン糸で形成されているため、他の材質製の糸やカーボン糸と他の材質製の糸とを組み合わせて使用した場合に比較して、複合材としたときの物性が向上する。例えば、糸としてガラス繊維製の糸を使用すると、カーボン糸に比較して重量が大きくなる。また、ポリアラミド繊維は吸水率が大きく、複合材を形成する際に物性低下の要因となる。
【００６０】
（７）  三次元繊維構造体Ｗを構成するバイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 が、第１及び第２の面内配列糸ｘ，ｙに対してほぼ±４５°の角度で交差するように配列されている。従って、他の角度で配列した場合に比較して、斜め方向からの力に対して最も有効に機能する。
【００６１】
（８）  各糸層を構成する糸として、少なくとも当該糸層内で連続した１本の糸が使用されているため、各糸を適切な張力を付与した状態で配列するのが容易となり、複合材としたときの物性の向上に寄与する。
【００６２】
（９）  厚さ方向糸ｚの挿入時に、枠体３に保持された積層糸群３が、押圧部材３４により位置決めされた状態で、押圧部材３４と、プレスブロック４２，４３とにより押圧される。従って、押圧部材３４がガイドとしての役割を果たし、穿孔針３１による積層糸群３の所定位置への孔の形成が容易になる。
【００６３】
（１０）  補強リブ２用のＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴを製作する際、厚さ方向糸ｚがハンドリングを可能にする程度の粗い間隔で予備的に挿入されたＬ字状の三次元繊維構造体ＷＬを２体製作して、それを組み合わせた後、正規のピッチで厚さ方向糸ｚを挿入する。従って、予備的な厚さ方向糸ｚの挿入を行わずにＬ字状の積層糸群３を接合して、厚さ方向糸ｚの挿入を行う場合に比較して、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴの製作、及び基板部１との接合のための厚さ方向糸ｚの挿入作業が容易になる。
【００６４】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を図１３に従って説明する。この実施の形態では基板部１と補強リブ２用のＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴとを結合する厚さ方向糸ｚの挿入方法が前記実施の形態と異なっている。前記実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【００６５】
前記実施の形態ではＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴの長手方向と直交する方向に一列ずつ、厚さ方向糸ｚが順次挿入されたが、この実施の形態ではＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴの長手方向と平行に一列ずつ、厚さ方向糸ｚが順次挿入される。三次元繊維構造体ＷＴを挟持する治具４０は三次元繊維構造体ＷＴより長く形成され、その両端が枠体３８のピン７の間を通って積層糸群３の幅より外側に配置された状態で治具３９の挟持部３９ｂに挟持される。そして、プレスブロック４２，４３を使用せず、治具４０及び押圧部材３４によって、積層糸群３及び三次元繊維構造体ＷＴの押圧が行われる。また、治具３９は取付部３９ａを突設せずに、治具３９の支柱の底部にネジ穴（図示せず）が形成され、枠体３８側に形成されたボルト挿通孔（図示せず）を貫通するボルトにより、枠体３８に固定されるようになっている。
【００６６】
従って、この実施の形態においても、前記実施の形態の（１）〜（１０）の効果が得られる。また、前記実施の形態の厚さ方向糸挿入装置９に比較して、プレスブロック４２，４３を省略できるため、構造が簡単になるとともに、挿入工程数も少なくなって、厚さ方向糸ｚの挿入に必要な時間の短縮が図れる。
【００６７】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  補強リブ２の形状は三次元繊維構造体Ｗの長手方向あるいは幅方向と平行に延びる構成に限らず、図１４に示すように、基板部１との接合部がＴ字状で、かつ全体として格子に形成されたものであってもよい。このような補強リブ２を備えた三次元繊維構造体Ｗを形成する場合は、先ず、第１の実施の形態と同様にして所定の長さのＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴを製作する。次に、その一部を切断して、図１５に示す形状の三次元繊維構造体ＷＴを製作する。また、同様にして、図１５に示す形状の三次元繊維構造体ＷＴと組み合わせることにより、図１４に示す形状の三次元繊維構造体ＷＴが構成される三次元繊維構造体ＷＴを所定の長さのＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴの一部を切断して形成する。そして、適切な治具を使用して基板部１に接合した状態で支持して、厚さ方向糸ｚを挿入することにより、三次元繊維構造体Ｗが得られる。
【００６８】
○  三次元繊維構造体Ｗを構成する基板部１及び補強リブ２は、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内３軸以上の配向となる積層糸群３と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸ｚとを含む少なくとも４軸で構成されていればよい。例えば、配向角が０°、６０°及び−６０°に配列した糸で面内３軸の積層糸群３を構成したり、面内４軸の積層糸群３を構成する場合にバイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 の配向角を±４５°以外の配向角としてもよい。
【００６９】
○  補強リブ２の形状は基板部１から垂直に突出する部分が単純な平板に限らず、先端側がＴ字状やＬ字状であってもよい。また、基板部１との接合部がＴ字状に限らず、Ｌ字状としてもよい。
【００７０】
○  厚さ方向糸ｚの配列は抜け止め糸と共同で各糸層を締め付ける配列のものに限らず、例えば特開平６−１８４９０６号公報に開示された繊維構造体のように、チェーンステッチ方式で厚さ方向糸ｚ自身が抜け止め機能を果たすように各糸層を貫通して締め付ける構成としてもよい。また、厚さ方向糸ｚが積層糸群３の表側から裏側へ挿通される工程と、裏側から表側へ挿通される工程とが交互に繰り返された配列方法としてもよい。
【００７１】
○  基板部１は必ずしも平板に限らず、曲率の小さな円弧面であってもよい。
○  積層糸群３の厚さや繊維の種類によっては穿孔針３１による孔開けを行わずに、直接挿入針２３を挿入して厚さ方向糸ｚを挿入してもよい。この場合は穿孔針３１及びその駆動装置が不要な分、厚さ方向糸挿入装置９の構成が簡単になる。
【００７２】
○  基板部１の幅が広い場合は、厚さ方向糸ｚの挿入を１列同時に行わずに、複数回に分けて行ってもよい。
○  積層糸群３に対して挿入針２３の突出側に配置されるプレスブロック４２，４３は２個一組に限らず、１個でもよい。１個とする場合はプレスブロックが作用位置に配置された状態で挿入針２３が積層糸群３に挿通されたとき、挿入針２３の突出側における厚さ方向糸ｚのループの形成に支障を来さない側に配置する。
【００７３】
○  基板部１及び補強リブ２を積層糸群３を厚さ方向糸ｚで結合した三次元繊維構造体で形成する代わりに、クロス（好ましくはユニ・ウィーブ織物）を複数枚積層して形成したものを厚さ方向糸ｚで結合した三次元繊維構造体で形成してもよい。また、基板部１及び補強リブ２の一方をクロスから形成した三次元繊維構造体で形成し、他方を積層糸群３から形成した三次元繊維構造体で形成してもよい。
【００７４】
前記各実施の形態から把握できる請求項記載以外の技術的思想（発明）について、以下にその効果とともに記載する。
（１）  請求項３に記載の発明において、前記積層糸群は互いに直交する状態で配列される第１及び第２の面内配列糸と、前記第１及び第２の面内配列糸に対してほぼ±４５°の角度で交差するように配列されているバイアス糸とにより面内４軸で構成されている。この場合、バイアス糸を他の角度で配列した場合に比較して、斜め方向からの力に対して最も有効に機能し、複合材としたときの物性が向上する。
【００７５】
（２）  三次元繊維構造体で構成された基板部と、三次元繊維構造体で構成されるとともに基板部との結合部がほぼＴ字状となる補強リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体の製造方法において、
Ｌ字状に形成された積層糸群を２体形成するとともにハンドリングが可能な程度の粗さで予備的に厚さ方向糸を挿入し、その後、２体を接合するとともに接合部に正規のピッチで厚さ方向糸ｚを挿入したＴ字状の三次元繊維構造体を形成し、その三次元繊維構造体を基板部を構成する平板状の積層糸群の所定位置に、治具を使用して配置した状態に保持し、補強リブの屈曲部と対応する位置以外の箇所に所定ピッチで厚さ方向糸を挿入し、その後、補強リブの屈曲部と対応する位置に基板部の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通するように厚さ方向糸を挿入する三次元繊維構造体の製造方法。この場合、基板部との結合部がほぼＴ字状となる補強リブを有する三次元繊維構造体を、全体を同時に製織する方法に比較的して簡単に製造できる。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１〜請求項４に記載の発明によれば、基板部と補強リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体の、補強リブと基板部との接続部の強度が大きくなり、同じ要求物性であれば三次元繊維構造体を骨格材とした複合材を薄くできる。
【００７７】
請求項２に記載の発明によれば、補強リブは少なくとも基板部との結合部付近がＴ字状に形成されているため、横方向のどちら側から力が作用しても曲げに対して良好な強度を確保できる。
【００７８】
請求項３に記載の発明では、基板部及び補強リブは、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内３軸以上の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸とを含む少なくとも４軸で構成されているため、物性（特に強度や耐衝撃性）の優れた複合材を得ることができる。
【００７９】
請求項４に記載の発明では、基板部、補強リブ及び厚さ方向糸が全てカーボン糸で形成されているため、他の糸やカーボン糸と他の糸とを組み合わせて使用した場合に比較して、複合材としたときの物性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は第１の実施の形態の三次元繊維構造体の模式断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。
【図２】  同じく模式斜視図。
【図３】  積層糸群を構成する糸の配列状態を示す模式斜視図。
【図４】  積層糸群の形成に使用する枠体の概略斜視図。
【図５】  枠体上に積層糸群を形成した状態の概略斜視図。
【図６】  厚さ方向糸挿入装置の概略部分平面図。
【図７】  Ｌ字状三次元繊維構造体の支持状態を示す模式端面図。
【図８】  Ｔ字状三次元繊維構造体の支持状態を示す模式端面図。
【図９】  Ｔ字状三次元繊維構造体の模式図。
【図１０】  （ａ）はＴ字状三次元繊維構造体の支持治具を示す模式断面図、（ｂ）は同じく厚さ方向糸挿入後の状態を示す模式断面図。
【図１１】  厚さ方向糸挿入装置の作用を説明する模式斜視図。
【図１２】  厚さ方向糸挿入装置の作用を説明する一部破断模式側面図。
【図１３】  別の実施の形態の治具の作用を説明する模式斜視図。
【図１４】  別の三次元繊維構造体の模式斜視図。
【図１５】  同じく製作途中の補強リブを示す模式斜視図。
【図１６】  従来の三次元織物の製造方法を示す模式斜視図。
【図１７】  別の従来の三次元織物の製造方法を示す模式断面図。
【符号の説明】
１…基板部、２…補強リブ、２ａ，２ｂ，２ｚ…板状部、３…積層糸群、４…屈曲部、ｘ…第１の面内配列糸、ｙ…第２の面内配列糸、ｚ…厚さ方向糸、Ｂ1 ，Ｂ2 …バイアス糸、Ｗ，ＷＴ…三次元繊維構造体。
【図１】
0003656395.tif 000002
【図２】
0003656395.tif 000003
【図３】
0003656395.tif 000004
【図４】
0003656395.tif 000005
【図５】
0003656395.tif 000006
【図６】
0003656395.tif 000007
【図７】
0003656395.tif 000008
【図８】
0003656395.tif 000009
【図９】
0003656395.tif 000010
【図１０】
0003656395.tif 000011
【図１１】
0003656395.tif 000012
【図１２】
0003656395.tif 000013
【図１３】
0003656395.tif 000014
【図１４】
0003656395.tif 000015
【図１５】
0003656395.tif 000016
【図１６】
0003656395.tif 000017
【図１７】
0003656395.tif 000018