(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元組みひも組織で構成されると共にほぼ三角形断面を有する繊維構造体であって、その断面積が該繊維構造体の長手方向に一定の比率又は段階的に変化するように形成されている空隙部充填用繊維構造体。
【請求項２】
前記繊維構造体はその長手方向に沿って真っ直ぐに延びる芯糸を含まない請求項１に記載の空隙部充填用繊維構造体。
【請求項３】
前記繊維構造体はその断面積が該繊維構造体の長手方向に段階的に変化するように形成され、かつ三角柱の一つの側面が基準面として面一に形成され、他の二つの側面が段差を有するように形成されている請求項１又は請求項２に記載の空隙部充填用繊維構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の部材を結合して異形断面の繊維強化複合材を製造する際に、複数の部材の結合部間あるいは屈曲部に生じる空隙に充填する空隙部充填用繊維構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機、ロケット、スペースシャトル等の高強度で軽量の構成部材の一部に繊維強化複合材が使用されている。例えば、断面がＴ型のビーム材では、製作技術上の理由から図８に示すように、２個のＬ字状の部材５１と、１個の平板状の部材５２とを結合してＴ型のビーム材５３が形成されている。Ｌ字状の部材５１はそのコーナー部の極率を大きくするのが難しいため、３個の部材５１，５２の結合部に楔状空間５４が形成される。この楔状空間５４をそのまま残した状態でビーム材５３を使用すると、楔状空間５４の介在部位に強度不足等に起因して剥離や亀裂が発生する。この不都合を解消するため、従来、図９（ａ）〜（ｃ）に示すような、インサートピース５５，５６，５７を充填することが提案されている（例えば、特開平８−１６５３６３号公報）。
【０００３】
図９（ａ）に示すインサートピース５５は、連続した糸条の集束体からなる複数の芯材５８と、外被部材５９とから形成されている。芯材５８は楔状空間５４の形状と一致するように積層形態が調整されている。外被部材５９は炭素繊維の連続した糸条の織成布から形成され、芯材５８の外周面を囲繞し、かつ芯材５８の長手方向全域に沿って延びるように３個の鋭角状頂点を持つ三角形状の中空体として形成されている。
【０００４】
図９（ｂ）に示すインサートピース５６は、補強用の繊維を一方向にのみ配列した一方向プリプレグからなるシート材６０が三角柱状に巻かれ形成されている。また、図９（ｃ）に示すインサートピース５７は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸の三次元織物で形成されている。
【０００５】
また、特開平９−１７６９３３号公報には、図１０に示すように、鋭角状の屈曲部（コーナ部）を有する三次元繊維構造体６１が提案されている。三次元繊維構造体６１を構成する積層糸群６２はコーナ部６３においてフィラー繊維６４を挟んで、内側層６２ａと外側層６２ｂとに分かれている。積層糸群６２は厚さ方向糸ｚにより結合されるとともに、コーナ部６３には内側層６２ａ、フィラー繊維６４及び外側層６２ｂと交差するように配列されたコーナ部用糸ｃ１，ｃ２が設けられている。そして、フィラー繊維６４として組物を使用することも開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記各インサートピース５５〜５７は真っ直ぐで、かつ断面形状が一定の楔状空間５４の充填材としてはさほど支障はない。しかし、断面積が連続的又は段階的に変化する形状の楔状空間、あるいは断面積が変化するとともに曲線状に延びる楔状空間の充填材とした場合は問題がある。なぜならば、両インサートピース５５，５６はいずれも長手方向に沿って断面積を変化させることが難しく、断面積が一定の充填材を使用すると空隙が多く残り、強度低下や剥離の問題が発生し易くなる。また、インサートピース５６は異方性が強く繊維の配列方向の剛性が繊維と直角方向の剛性に比べて極端に大きいため、成形時の樹脂収縮に伴う変形に追従できなくなり、周囲の部材間に割れが発生し易くなる。また、インサートピース５７は補強用の繊維が真っ直ぐに延びる状態で拘束されているため、曲線状に延びる楔状空間に合わせて湾曲させ難いという問題がある。即ちこれらのインサートピース５５〜５７は直線状に延びる楔状空間の充填に使用することのみを前提として構成されている。
【０００７】
一方、特開平９−１７６９３３号公報には、三次元繊維構造体を航空機及びロケット等のレドームやフェアリングカバー等の機体外表面構成部品で空気力学的性能が強く要求される部品として、三次元繊維構造体を骨格材とした複合材に使用することが開示されている。そして、端部内側にフランジが形成された回転体形状のものに適用してもよい旨が記載されている。しかし、フィラー繊維は断面積が一定であり、明細書にはフィラー繊維としてその断面積が段階的あるいは連続的に変化する組物や組物以外の三次元繊維構造体を使用することを示唆する記載はない。
【０００８】
しかし、例えば航空機のノーズコーン及びレドームの形状は単純な回転体形状に限らず、回転体をその回転軸と斜めに交差する平面で切断した端面を有する形状とする場合もある。この場合、フィラー繊維充填材の充填が必要な空隙の断面積は連続的に変化する。このように断面積が連続的に変化する空隙に一定断面積のフィラー繊維充填材を充填する場合、充填材として断面積が空隙の中間部の断面積に対応した物を使用すると、断面積が小さな側では充填材が圧縮されて繊維密度が大きくなり、断面積が大きな側では空隙部が多く残る。その結果、強度低下や剥離の問題が発生し易くなる。
【０００９】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は複数の部材を結合して異形断面の繊維強化複合材を製造する際に、複数の部材の結合部間あるいは屈曲部に生じる断面積が段階的又は連続的に変化する空隙部の充填に適した空隙部充填用繊維構造体を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、三次元組みひも組織で構成されると共にほぼ三角形断面を有する繊維構造体であって、その断面積が該繊維構造体の長手方向に一定の比率又は段階的に変化するように形成されている。
【００１１】
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、前記繊維構造体はその長手方向に沿って真っ直ぐに延びる芯糸を含まない。
【００１２】
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、前記繊維構造体はその断面積が該繊維構造体の長手方向に段階的に変化するように形成され、かつ三角柱の一つの側面が基準面として面一に形成され、他の二つの側面が段差を有するように形成されている。
【００１３】
請求項１〜請求項３に記載の発明の空隙部充填用繊維構造体は、複数の部材を結合して異形断面の繊維強化複合材を製造する際に、複数の部材の結合部間あるいは屈曲部に生じる断面積が段階的又は連続的に変化する空隙部に充填される。
充填材の断面積が空隙部の断面積の変化に対応して変化するため、空隙部内にできるだけ隙間なく一定の密度で繊維が充填される。
【００１４】
また、前記繊維構造体は三次元組みひも組織（組物）で構成されているため、空隙部が曲線状に延びる場合でも、無理な力を加えることなく空隙部の延びる状態に沿った形状に変形し易い。
【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、前記繊維構造体はその長手方向に沿って真っ直ぐに延びる芯糸を含まないため、空隙部の延びる状態に沿った形状に、より変形し易くなる。
【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、前記繊維構造体は三角柱の一つの側面が基準面として面一に形成され、かつ他の二つの側面が段差を有するように形成されているため、三つの側面が段差を有するように形成されるものより、製造が簡単になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図６に従って説明する。図１は空隙部充填用繊維構造体（以下、単に充填用繊維構造体と称す）１の模式斜視図である。充填用繊維構造体１は三次元組みひも組織（組物）で構成されている。充填用繊維構造体１は断面三角形状に形成され、その断面積が充填用繊維構造体１の長手方向に段階的に変化するように形成されている。この実施の形態では断面積が３段階に変化するように形成されている。充填用繊維構造体１は三角柱の一つの側面が基準面２として面一に形成され、他の二つの側面３，４が段差を有するように形成されている。
【００１８】
充填用繊維構造体１は多数の糸条５が充填用繊維構造体１の表面で折り返すとともに、所定の配向角をなすように配列されている。配向角とは糸条５が充填用繊維構造体１の長手方向となす角度であり、その値は±５°〜８０°の範囲で適宜設定される。また、断面積が異なる三つの部位１ａ〜１ｃは、それぞれ糸条５の本数が異なっている。この実施の形態では部位１ａは４７本、部位１ｂは４０本、部位１ｃは３３本の糸条５でそれぞれ構成されている。
【００１９】
各糸条５を構成する繊維としては、高強度、高弾性率の繊維が使用され、複合材の用途に応じてカーボン繊維、ガラス繊維、ポリアラミド繊維、セラミック繊維等種々のものが使用される。この実施の形態では例えば炭素繊維のロービング（多数本の繊維からなる繊維束）が使用されている。従って、糸条５は三次元組みひも組織に製織された状態では扁平になる。
【００２０】
充填用繊維構造体１は、例えば特開平２−２５９１４８号公報、特開平２−３０７９４９号公報等に開示されている三次元ブレーダ（ロータ・キャリア方式三次元織物織機）により製織される。三次元ブレーダは図４に示すように、キャリア軌道面に沿って多数行、多数列に配列されたキャリア駆動ユニット６を備え、該駆動ユニット６により、図示しないボビンを支承する糸条キャリア７（図５に図示）に所要の軌跡を走行するように運動を与え、それらのボビンから解じょした糸条を製織するものである。
【００２１】
キャリア駆動ユニット６は、図５に示すように、それぞれ独立したアクチュエータ８により駆動されるロータ９を備えている。ロータ９は隣接するロータ９との間で糸条キャリア７を挟持するための凹部１０を外周の４箇所に備えている。凹部１０は隣接するロータ９の回転軸を中心とする円弧状に形成され、隣接するロータ９の一方が回転するときに、他方のロータ９の凹部１０が糸条キャリア７のガイドとして機能するように配設されている。なお、図４に示すように、複数行、複数列に配設されたキャリア駆動ユニット６の周囲には糸条キャリア７と係合する凹部１１ａを有する固定ガイド１１が配設されている。
【００２２】
図５に示すように、糸条キャリア７はロータ９の凹部１０と対応する一対の円弧面１２ａ（一方のみ図示）を備えた保持部１２と、保持部１２の両端に形成されたフランジ１３と、ボビン１４が嵌合固定される支持軸（図示せず）とを備えている。そして、糸条キャリア７は保持部１２がロータ９間あるいはロータ９及び固定ガイド１１間に挟持されるようになっている。
【００２３】
次に前記構成の三次元ブレーダで充填用繊維構造体１を製織する方法を説明する。先ずキャリア駆動ユニット６のロータ９に対して、最も断面積の大きな部分で必要な糸条５の本数と同じ数の糸条キャリア７を充填用繊維構造体１の断面形状に対応した形状で配置する。この実施の形態では最初は４７個の糸条キャリア７と、１８個のロータ９とを使用し、糸条キャリア７を図６（ａ）に示す状態に配置する。そして、その状態で三次元ブレーダを運転する。なお、図６（ａ）〜（ｃ）においては、製織に使用されるロータ９の外側に隣接して配置された使用されないロータ９が固定ガイドの役割を果たす。そして、図６（ａ）〜（ｃ）では固定ガイドが仮に配置されている状態で図示している。
【００２４】
製織に際しては、ロータ配列の行及び列内において互いに隣接しないロータ９同士を一つの群として全体を２群に分け、異なる群のロータ９が同時に駆動されることがないようにロータ９が駆動される。なお、図６（ａ）〜（ｃ）において斜線を付したロータ９と、斜線を付していないロータ９によって二つの群を区別している。そして、製織は少なくとも一方の群のロータを非回転の固定ガイドとして、所定のロータ９を時計方向又は反時計方向に９０°又は１８０°回転させ、次いで先に回転させたロータ９を固定ガイドとして別のロータ９を回転させる動作を順次繰り返すことで、任意のボビン１４が糸条キャリア７とともに任意の位置へ搬送される。
【００２５】
糸条キャリア７は、製織時に糸条キャリア７の配列範囲内で比較的単純な規則性の下で、閉ループを形成して移動し、糸条５が充填用繊維構造体１の各表面で折り返すように配列された三次元組みひも組織からなる充填用繊維構造体１が製織される。１８個のロータ９と４７個の糸条キャリア７を使用して部位１ａの長さ分が組みあげられた時点からは、図６（ｂ）に示す位置に配置された１５個のロータ９と、４０個の糸条キャリア７を使用して充填用繊維構造体１が製織される。このとき使用されない糸条キャリア７に支持されたボビン１４に連なる糸条５は、部位１ｂの外側に残る。
【００２６】
そして、部位１ｂの長さ分が組みあげられた時点からは、図６（ｃ）に示す位置に配置された１２個のロータ９と、３３個の糸条キャリア７を使用して充填用繊維構造体１が製織され、所定長さの部位１ｃが製織された時点で製織が終了する。このとき使用されない糸条キャリア７に支持されたボビン１４に連なる糸条５は、部位１ｃの外側に残る。製織終了後、部位１ｂ，１ｃの外側に残った糸条５を切断除去すると、図１に示す充填用繊維構造体１が得られる。
【００２７】
このように製織された充填用繊維構造体１は、例えば、図２に示すような形状のノーズコーン１５を繊維強化複合材で形成する際に、骨格材として使用される三次元繊維構造体の一部に使用される。ノーズコーン１５の形状は単純な回転体形状ではなく、回転体をその回転軸と斜めに交差する平面で切断した端面を有する形状となっている。三次元繊維構造体は全体がノーズコーンの形状と対応する形状に形成されるとともに、その端面にフランジを有する形状に形成される。従って、三次元繊維構造体のフランジと、周面の成す角度は一定ではなくほぼ連続的に変化する。
【００２８】
そして、三次元繊維構造体１６は図３（ａ），（ｂ）に示すように、内側積層材１７及び外側積層材１８を有し、コーナ部１９において内側積層材１７及び外側積層材１８との間に形成される空隙部２０に充填用繊維構造体１が充填されている。三次元繊維構造体１６の屈曲部外面の曲率を大きくするため、外側積層材１８は内側積層材１７より厚さが薄く形成されている。図３（ａ）は内側積層材１７の曲げ角θ、即ちフランジ１７ａと周面１７ｂとの成す角度θが小さいコーナ部１９の断面を示し、図３（ｂ）は内側積層材１７の曲げ角θが大きいコーナ部１９の断面を示す。コーナ部１９の曲率を大きくするため、曲げ角θを小さくすると空隙部２０の断面積は大きくなり、コーナ部１９の曲率が小さくなると空隙部２０の断面積は小さくなる。従って、空隙部２０の断面積は連続的に変化する。
【００２９】
空隙部２０に充填される充填用繊維構造体１は断面形状が段階的に変化しているため、従来の断面積が一定のインサートピースに比較して空隙部２０に残る隙間が少ない状態で一定の密度で繊維が充填される。空隙部２０の断面積の大きさが最小の部分と最大の部分とで大幅に違う場合は、異なる断面積の複数本の充填用繊維構造体１が使用される。
【００３０】
充填用繊維構造体１が充填された三次元繊維構造体１６は、コーナ部１９を除いた箇所は図示しない厚さ方向糸ｚにより内側積層材１７及び外側積層材１８が結合され、コーナ部１９は図示しないコーナ糸により内側積層材１７、充填用繊維構造体１及び外側積層材１８が結合される。
【００３１】
前記三次元繊維構造体１６を強化材（骨材）として繊維強化樹脂製のノーズコーン１５を製造する場合は、三次元繊維構造体１６を成形金型内にセットして熱硬化性樹脂を注入して含浸させた後、加熱硬化させることにより形成される。熱硬化性樹脂には例えばフェノール樹脂が使用される。ノーズコーン１５がスペースシャトルに使用される場合は、非常に高い耐熱性（１０００°Ｃ以上）が必要となるため、含浸させた樹脂を炭化した炭素／炭素複合材として使用される。
【００３２】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）  充填用繊維構造体１の断面積が空隙部２０の断面積の変化に対応して変化するため、断面積が変化する空隙部２０に対して、従来の断面積が一定のインサートピースに比較して空隙部２０に残る隙間が少ない状態で一定の密度で繊維が充填される。従って、複数の部材を結合して異形断面の繊維強化複合材を製造する際に、複数の部材の結合部間あるいは屈曲部（コーナ部）に生じる断面積が段階的又は連続的に変化する空隙部の充填に適する。また、この充填用繊維構造体１を使用した強化材で繊維強化複合材を製造したときに、繊維強化複合材のコーナ部における強度低下や剥離が発生し難くなる。
【００３３】
（２）  充填用繊維構造体１が三次元組みひも組織で構成されているため、直線状の充填用繊維構造体１を曲線状の空隙部２０の形状に合わせて湾曲させる際に所定形状に円滑に変形させることができる。また、充填用繊維構造体１を構成する各糸条５が三次元的に絡み合っているため、繊維束の芯材を外被部材で被覆したインサートピースや、一方向プリプレグからなるシート材を巻いて形成したインサートピースを湾曲させた場合に発生する糸間や層間の剥がれに起因する不都合を回避できる。
【００３４】
（３）  充填用繊維構造体１はその長手方向に沿って真っ直ぐに延びる芯糸を含まないため、空隙部２０の延びる状態に沿った形状に、より変形し易くなる。
（４）  充填用繊維構造体１は三角柱の一つの側面が基準面２として面一に形成され、かつ他の二つの側面３，４が段差を有するように形成されているため、三つの側面が段差を有するように形成されるものより、製造が簡単になる。また、基準面２を内側積層材１７の外面に当接させた状態で空隙部２０に配置することにより、充填用繊維構造体１が内側積層材１７の屈曲部の外面形状に沿った状態に変形し易く、内側積層材１７との間に残る空隙を少なくできる。
【００３５】
（５）  充填用繊維構造体１は三次元ブレーダにより製織され、製織途中で使用する糸条キャリア７及びロータ９の数を変更することにより、断面積が段階的に変化する充填用繊維構造体１を簡単に製造できる。
【００３６】
（６）  充填用繊維構造体１を構成する糸条５に炭素繊維のロービングが使用されている。従って、スペースシャトルのノーズコーンのように大きな耐熱性が要求される部品を炭素／炭素複合材で製造するための、中間部材である繊維強化樹脂用の強化材の充填材として支障無く使用できる。
【００３７】
なお、実施の形態は前記に限定されるものでなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  図７に示すように、充填用繊維構造体１を三角柱の三つの側面が順次段差を有するように形成する。この充填用繊維構造体１を製造する際は、最初に使用する糸条キャリア７及びロータ９の数を多く設定し、所定の断面積の部位１ａを製織したのち、それより小さな断面積の部位１ｂを製織するときに、外側に配列されている糸条キャリア７及びロータ９を使用せずに製織を行う。以下、同様に断面積を減らす際には、それまで使用されていた外側に配列されている糸条キャリア７及びロータ９を使用せずに製織を行う。この充填用繊維構造体１も前記実施の形態の（１）〜（３）及び（５）の効果を有する。
【００３８】
○  充填用繊維構造体１の断面積をほぼ一定の比率で変化するように形成してもよい。この場合は、空隙部２０に充填用繊維構造体１を充填した際に、残る隙間がより少なくなる。
【００３９】
○  充填用繊維構造体１は必ずしもノーズコーンのコーナ部のように空隙部がリング状に形成された部材に限らず、空隙部が直線状に延びる部材に使用してもよい。この場合、充填用繊維構造体として、その長手方向に沿って真っ直ぐに延びる芯糸を含むものを使用してもよい。芯糸を含む充填用繊維構造体を使用すると、充填用繊維構造体に長手方向に対して引っ張り力が作用した際の強度が向上する。また、この場合は、充填用繊維構造体として三次元組みひも組織に代えて、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸三次元織物あるいはバイアス糸を有する５軸三次元織物を使用してもよい。芯糸を含む三次元組みひも組織は、三次元ブレーダとしてロータ９の中心及びアクチュエータ８に孔が形成されたものを使用し、製織時に芯糸を配列すべき箇所と対応するロータの孔を通して糸条を導出した状態に張設した状態で三次元ブレーダを運転することにより製織される。
【００４０】
○  リング状あるいは円弧状に延びる空隙部２０に使用する充填用繊維構造体１の場合にも、芯糸を有する三次元組みひも組織を使用してもよい。芯糸は空隙部２０に充填用繊維構造体１を充填する際に、充填用繊維構造体１が湾曲されたときの中立面となる箇所に配置するのが好ましい。この場合は、充填用繊維構造体１を湾曲させる際に芯糸は悪影響を及ぼさず、引っ張り強度が向上する。
【００４１】
前記実施の形態から把握できる請求項記載以外の発明（技術思想）について、以下にその効果とともに記載する。
（１）  請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記繊維構造体は炭素繊維のロービングで形成されている。この場合、スペースシャトルのノーズコーンのように大きな耐熱性が要求される部品を炭素／炭素複合材で製造するための、中間部材である繊維強化樹脂用の強化材の充填材として支障無く使用できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述したように各請求項に記載の発明によれば、複数の部材を結合して異形断面の繊維強化複合材を製造する際に、複数の部材の結合部間あるいは屈曲部に生じる断面積が段階的又は連続的に変化する空隙部の充填に適する。
【００４３】
また、直線状の充填用繊維構造体を曲線状の空隙部の形状に合わせて湾曲させる際に、所定形状に円滑に変形させることができる。
請求項２に記載の発明によれば、充填用繊維構造体はその長手方向に沿って真っ直ぐに延びる芯糸を含まないため、空隙部の延びる状態に沿った形状に、より変形し易くなる。
【００４４】
請求項３に記載の発明によれば、充填用繊維構造体は三角柱の一つの側面が基準面として面一に形成され、かつ他の二つの側面が段差を有するように形成されているため、三つの側面が段差を有するように形成されるものより、製造が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の充填用繊維構造体の模式斜視図。
【図２】ノーズコーンの形状を示す模式斜視図。
【図３】三次元繊維構造体の部分模式断面図。
【図４】同じく充填用繊維構造体の製織（組織）状態の模式斜視図。
【図５】三次元ブレーダのキャリア駆動ユニットの斜視図。
【図６】製織時のロータと糸条キャリアの配置を説明する模式図。
【図７】別の実施の形態の充填用繊維構造体の模式斜視図。
【図８】結合部に楔状空間を有するＴ型ビーム材の模式断面図。
【図９】従来のインサートピースを示す模式斜視図。
【図１０】別の従来技術の三次元繊維構造体の模式部分断面図。
【符号の説明】
１…充填用繊維構造体、２…基準面、３，４…側面。
【図１】
0003591347.tif 000002
【図２】
0003591347.tif 000003
【図３】
0003591347.tif 000004
【図４】
0003591347.tif 000005
【図５】
0003591347.tif 000006
【図６】
0003591347.tif 000007
【図７】
0003591347.tif 000008
【図８】
0003591347.tif 000009
【図９】
0003591347.tif 000010
【図１０】
0003591347.tif 000011