JPH0450408B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利倫分野］ 本発明は、主として回転体シエル形状等を有す
るの構造用複合材料の補強材として用いる立体賦
形用織物及びその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 0゜，90゜の強化繊維配向角を有する複合材料は、
熱伝導率、熱膨張係数等、特性が２階のテンソル
で表わされ物性値を等方化するが、４階のテンソ
ルで表わされる弾性率に関しては顕著な異方性を
示すことが知られており、弾性率を等方化するた
めには、0゜，±60゜の３軸が必要なことが理論的に
導かれている。特性が等方性であることが必ずし
も要求されるわけではないが、材料特性の設計が
可能であるという複合材料の長所を生かすには、
一方向強化材から等方体までの間の任意の異方性
が実現できることが好ましく、弾性率の等方化を
実現するために、構造用複合材料の補強用に通常
の平織、しゆす織平面布の他に、0゜，±60゜の配向
角を有する３軸平面布及びその製造装置がバーバ
ーコールマン社（USP 4040451，USP 4105052）
によつて開発販売されている。

このような平面布は、平板状や可展面から成る
曲面板状の複合材料を製造するには有用である
が、それを一般曲面に使用した場合に、配向軸に
歪を与えたり、補強布を切り貼りしたりしなけれ
ば使用できないため、強度、剛性、寸法精度等の
特性の低下を避けることはできない。従つて、複
合材料用の補強材として、立体形状または配向角
等に格別の変動を与えることなく立体形状に容易
に変形可能な組織を有する織布が、直接製造でき
れば好ましいのであるが、現在までのところ、平
織り、ニツト編みにその例が若干見られるのみ
で、弾性率の等方化が可能な0゜，±60゜の配向角構
成の３軸織物の開発には至つていない。

また、強化繊維を一方向に並べて未硬化の樹脂
を含浸させたプリプレーグを、必要とする角度だ
けずらせて積層する方法もとられているが、これ
を曲面体に賦形する場合にも配向角にゆがみを生
じさせたり、場合によつては切り貼りを必要とす
る事情は、平面布を補強材とする場合と同様であ
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上記のような問題点を解消し、弾性
率の等方化が可能な３軸織物であつて、回転体曲
面のような立体形状、または配向角等に格別の変
動を与えることなく同立体形状に容易に変形可能
な組織を有する複合材料の補強用織布、及びその
織物を容易に製造できるようにした製造方法を得
ることを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明の立体賦形用
織物は、中央から放射方向に伸びる多数の斜め方
向糸と、円周方向に渦巻き状に織り込まれた周方
向糸からなり、上記斜め方向糸は、左右に隣接す
る糸同士を交互に絡ませ、その斜め方向糸を絡ま
せるごとにそれらの糸の間に周方向糸を織り込
み、それによつて３軸の可展面でない織物として
製織される。

また、本発明の織物製造方法は、中央から放射
方向に伸びる多数の斜め方向糸の隣接する糸を交
互に上下に開口させ、この斜め方向糸の開口間
に、各斜め方向糸の上下位置を逐次逆にして周方
向糸を織り込むという動作の繰り返しにより、斜
め方向糸と周方向糸の製織を行うに際し、左右に
隣接する斜め方向糸同士を交互に絡ませ、その斜
め方向糸を絡ませるごとに上記斜め方向糸の上下
位置を逆にして、周方向糸を織り込み、それによ
つて３軸の可展面でない織物を製織することを特
徴とするものである。

［作用］ 斜め方向糸と周方向糸からなり、左右に隣接す
る斜め方向糸同士を交互に絡ませて形成した３軸
織物は、各糸が互いに交差する３軸方向に配向さ
れるため、面内特性の等方化が可能となり、多軸
荷重を受ける部材に適すると同時に、回転体曲面
のような立体形状、または配向角等に格別の変動
を与えることなく同立体形状に容易に変形可能な
組織を有する複合材料の補強用織布として適して
いる。

また、各糸の張力を制御することにより、配向
角の乱れが少なく、糸密度の変動が必要最少限に
おさえられるために、特性の部材内での変動が少
なく高度な特性の安定性を要求される部材として
有効に利用できる。

上記織物の製織に際しては、左右に隣接する斜
め方向糸同士を交互に絡ませ、その斜め方向糸を
絡ませるごとに斜め方向糸の上下位置を逆にして
周方向糸を織り込むという簡単な手段により、上
述した特性を有する３軸織物が製織される。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例を図面を参照しながら
詳述する。

第１図は、本発明に係る立体賦形用の３軸織物
の構成を模式的に示している。この３軸織物は、
回転体シエル等の立体形状を有する複合材料の補
強材として用いるもので、一般的には炭素繊維や
ガラス繊維等により形成されるが、必要に応じて
他の各種繊維を用いることもできる。

上記３軸織物の組織は、中央部から放射方向に
伸び、且つ左右に隣接する糸同士を交互に絡ませ
た多数の斜め方向糸１と、その斜め方向糸１同士
を絡ませるごとにそれらに対して円周方向に織り
込まれた周方向糸２からなり、それによつて周方
向糸２を斜め方向糸１に対して渦巻状に織り込ん
で製織されている。この斜め方向糸１がつくる交
差角は、後述する製織により、60゜±30゜の範囲で
安定した角を形成することが可能である。

上記斜め方向糸１は、各製織半径における糸密
度の偏差が一定の範囲内に収まるように、製織半
径に比例して糸本数が増加せしめられ、望ましく
は、斜め方向糸の糸密度の偏差が常に±10％の範
囲内に収まるように、製織半径の増加に比例して
斜め方向糸１が逐次追加される。また、上記周方
向糸２は、斜め方向糸と同程度の糸密度及び同程
度の糸密度の偏差をもつようにして、斜め方向糸
１に対し渦巻状に織り込み、それによつて複合材
料用３軸織物が製織されている。

上記３軸織物は、予め回転体シエル形状等に賦
形して製織することもできるが、平面状に製織
し、複合材料化に際して回転体シエル等の立体形
状に成形してもよく、特に斜め方向糸と周方向糸
により製織しているので、複合材料化に際して回
転体シエル形状程度の立体形状への賦形を行つて
も、糸密度に格別大きな変動は生じない。

第２図は、上記３軸織物を回転体シエル形状の
立体布として製織するための装置の構成を示すも
ので、この３軸織物製造装置は、機枠１０の中心
に製織すべき立体布の形状を規定する型１１を備
え、この型１１を、モータ１２で駆動されて昇降
する昇降軸１３により昇降可能に設置している。
斜め方向糸１は、その一端が上記型１１の中心に
固定され、他端がゴムやばね等の弾性体を介して
一定張力でシヤトル１４に取付けられ、後述する
操作により型１１の表面形状に添う３軸織物が製
織される。この斜め方向糸１は、織物の最外周に
おいて最終的に必要とする本数だけ取付けられ
る。

斜め方向糸１の先端に取付けたシヤトル１４
は、交互に上下のスピンドルチヤツク１６，１７
に把持される。上側のスピンドルチヤツク１６
は、機枠１０上に備えたモータ１８で上下駆動さ
れる上側テーブル１９の周囲に取付けられ、この
上側テーブル１９はそれと共に上下駆動されるモ
ータ取付台２０上の回転駆動用モータ２１により
回転可能に設置されている。一方、下側のスピン
ドルチヤツク１７は、下側テーブル２３の周囲に
おける上記上側のスピンドルチヤツク１６との対
応位置に取付けられ、下側テーブル２３は機枠１
０に固定的に設置されたモータ取付台２４上の回
転駆動用モータ２５により回転可能に設置されて
いる。各スピンドルチヤツク１６，１７は、図示
しないシーケンサーで開閉が制御され、上側テー
ブル１９の下降とスピンドルチヤツク１６，１７
の開閉により、斜め方向糸１を取付けたシヤトル
１４の上下持ち替えが可能なものである。また、
回転駆動用モータ２１，２５は、上記シーケンサ
ーで回転が制御され、後述するように、スピンド
ルチヤツク１６，１７の対応位置を所定の順序で
円周方向に移動させて、組も紐の原理により斜め
方向糸の絡みあいが形成される。

一方、周方向糸２は、ボビン２７に捲回され、
モータ２８により前述した型１１の昇降軸１３の
周囲で回転するアーム２９の先端のホルダー３０
に保持させている。従つて、周方向糸２の先端を
上下に開いた斜め方向糸１の間に位置させてモー
タ２８を回転させ、型１１の周囲においてボビン
２７を回転させると、周方向糸２が斜め方向糸１
の間に挿入される。上記ホルダー３０は、ボビン
２７から導出された周方向糸２に与える張力を調
整可能にするため、その内部に張力調整機構を備
えたものである。この張力調整機構としては、例
えば、摩擦により動力を伝達する部材を備え、外
部からの電気的信号によりその部材間の摩擦力を
調整して、周方向糸２の張力と調節可能にした機
構等が適し、上記電気的信号としては、織り口の
半径に比例した信号が、その織り口の位置やホル
ダー３０の回転数の検出結果に基づいて与えられ
る。

上記構成を有する織物製造装置においては、製
織に際して、型１１の中心に多数の斜め方向糸１
の一端が固定され、それらの斜め方向糸１の他端
が弾性体を介してシヤトル１４に取付けられ、各
斜め方向糸１の張力がほぼ一定に保持され、さら
に各シヤトル１４は、隣接する斜め方向糸１がそ
れぞれ上下逆になるようにスピンドルチヤツク１
６，１７に保持せしめられる。

このようにして、シヤトル１４により斜め方向
糸１が上下の糸に分離された状態で、モータ２８
によりアーム２９を回転させ、それによつて型１
１の周囲にボビン２７を回転させると、先端が上
記型１１の中心に保持された周方向糸２が上下の
斜め方向糸１の間に挿入される。次に、上下のス
ピンドルチヤツク１６，１７におけるシヤトル１
４の持ち替えを行わせるが、この持ち替えは、以
下に説明する態様でスピンドルチヤツク１６，１
７を上下の回転駆動用モータ２１，２５により円
周方向に移動させながら実施し、それによつて隣
接する斜め方向糸１の絡み合いを行わせる。持ち
替え動作自体は、モータ１８で上側テーブル１９
を下降させ、上下のスピンドルチヤツク１６，１
７におけるシヤトル１４を持ち替えた後、上側テ
ーブル１９を復帰させることにより行われる。

第３図ａ〜ｆは、上記の絡み合い形成の原理を
説明するためのもので、上下のスピンドルチヤツ
ク１６，１７を11個づつ取出して○印により示し
ている。図中、Ａ，Ｂ…の記号が入つたものと斜
線を付したものが、シヤトル１４を把持したスピ
ンドルチヤツクであり、○印だけで示したものは
シヤトル１４を把持してないものである。

製織に際しては、まず、同図ａの初期状態から
下側のスピンドルチヤツク１７に把持されたシヤ
トル１４をスピンドルチヤツク２個分だけ円周方
向に移動させ、同図ｂの状態とする。続いて、同
図ｃのように上下のチヤツクによるシヤトル１４
の持ち替えを行い、その状態で周方向糸２が挿入
される。そして、同図ｄのように、上側のスピン
ドルチヤツク１６を前と逆方向にスピンドルチヤ
ツク４個分だけ移動させた後、同図ｅのように周
方向糸２を挿入して上下の糸を持ち替え、その後
下方のスピンドルチヤツク１７を同図ｆのように
移動させて、同図ａの初期状態に復帰する。この
ような動作により、例えば、Ｂの斜め方向糸１の
まわりをＡの糸が回転すると共に、Ｂのいとのま
わりをＣの糸が回転し、それによつて隣接する斜
め方向糸１が順次絡み合うことになる。

斜め方向糸１の配向角θの制御は、周方向糸２
の張力による斜め方向糸１の絡みあい点の半径方
向への移動で行われるが、その角度は周方向糸と
斜め方向糸の張力の釣り合いで決定される。斜め
方向糸を50本使用した試織では、織口半径100mm
で、周方向糸張力を1200ｇ、斜め方向糸張力を
150ｇとすることにより、0゜，±60゜の配向構成が
実現した。また、斜め方向糸張力を、150ｇで一
定にし、周方向糸の張力を上昇させれば、２本の
斜め方向糸間の夾角δを増加させることができ、
減少させればδを減少させることができ、例え
ば、周方向張力2000ｇでθ＝78゜、600ｇでθ＝
47゜であつた。

このようにして得られる３軸織物は、モータ１
２の駆動で型１１を上下動させることによる織り
口の上下移動と、周方向糸２の張力による織物の
絞り込みにより、型１１の表面形状に添つた形状
に賦形される。

また、斜め方向糸１及び周方向糸２の糸密度
は、上記の製織において、織り口の半径に応じた
斜め方向糸１の追加、及びボビン２７の回転に対
する抵抗力を制御して周方向糸２の張力を調整す
ることにより設定される。

そのため、斜め方向糸１は予め織物の最外周部
において必要な本数だけ用意され、それらのシヤ
トル１４がスピンドルチヤツク１６，１７に取付
けられる。ただし、シヤトル１４は織り口半径に
比例した本数のみ製織動作させ、他のものは上部
のチヤツク１６に固定したままにする。下部のチ
ヤツク１７に必要外の斜め方向糸のシヤトル１４
を残すことも可能であるが、この場合は、その必
要外の斜め方向糸１が製織される立体布の形状を
乱すことになるため、上部チヤツク１６に保持し
ておく方が好ましい。

製織においては、織り口半径に比例して、その
増加と共に製織動作を行うスピンドルチヤツクの
数を増加させるが、上記織り口の半径は例えば、
周方向糸２の挿入回数により、あるいは織り口の
位置検出器等を設けて検知し、それに基づいて作
動するスピンドルチヤツク数を増加させればよ
い。なお、作動するチヤツクの数を増加する度に
全てのスピンドルチヤツクの制御を逐次変更する
必要はない。

以下に、スピンドルチヤツクを円周上に等間隔
で100本づつ３列に、従つて合計300本のチヤツク
を設置し、12段階に分けて作動スピンドルチヤツ
クの増加を行つて製織する場合を例示する。この
場合、スピンドルチヤツクは、12段階で上下に分
かれるので、24系統に分割して制御すればよい。

第４図は、上述した300個のスピンドルチヤツ
クを10等分して30個だけ示したものである。この
図の左右両側にこの図と同じ繰り返しが並び、一
周のスピンドルチヤツクが形成される。同図で
は、便宜上スピンドルチヤツクを３列で図示した
が、横方向に等間隔に並んでいる場合と何ら変わ
るところがない。図中の多数の円はそれぞれスピ
ンドルチヤツクを示し、円の中の数字は挿入順序
を示している。即ち、初期段階では、０と表示し
たスピンドルチヤツクのみが作動し、これに保持
されらシヤトル１４につながる斜め方向糸のみが
製織動作を行う。そして、次の段階では１と表示
した２本のスピンドルチヤツクが製織動作に加わ
り、あとは２，３，４，…順次製織動作を行うス
ピンドルチヤツクを増加させる。

スピンドルチヤツクの動作制御を単純化するた
めには、斜め方向糸の追加に際して、第４図に示
したように、２本づつまとめて製織動作を開始さ
せる必要がある。即ち、隣り合う斜め方向糸は異
なる配向角を持ち、この周期を乱さないで斜め方
向糸を追加するためには、偶数個の挿入が必要に
なる。なお、このように偶数本づつまとめて斜め
方向糸を追加しても、円周方向糸の挿入に際して
斜め方向糸の間隔が自動的に均等化され、部分的
に大きな糸密度の変動が生じるようなことはな
い。

斜め方向糸の糸密度は、上記のようにスピンド
ルチヤツクの製織動作の開始で決定されるが、周
方向糸の糸密度を均一化するには、周方向糸の張
力を織り口半径に比例して増加すればよく、さら
に一般的には、斜め方向糸の張力を周方向糸の張
力の比を織り口半径に比例して増加すればよいこ
とが、実験的に確かめられている。例えば、作動
スピンドルチヤツクの増加と時に張力の増加も行
うとして、12段階の周方向糸張力の増加を行つた
結果では、目標値に対して最大で±７％の糸密度
の変動におさえることが可能であつた。

このようにして、斜め方向糸及び周方向糸の糸
密度の偏差を±10％以内に抑えると、外観におい
ても密度が非常に均一化された織物が得られ、ま
た第５図及び第６図によつて以下に説明するとこ
ろからもわかるように、特に立体曲面の織物にお
ける特性の改善に極めて有効である。

第５図及び第６図は、球表面の一部で、中心か
らの迎角θの立体曲面（第７図参照）の複合材料
の熱膨張係数を、上述したところに従つて製織し
た３軸織物の場合と、配向のゆがみを均一化する
ために平面平織布を45゜ずらせて積層の後賦形し
た複合材料との、熱膨張係数と弾性率を比較した
ものである。見積りに当たり、平面平織布では糸
の交点が相対移動せず、配向角のみが変化すると
し、一方、上記実施例の３軸曲面布では、各方向
糸の配向は乱れず、糸密度の偏差のみが特性のば
らつきの要因になると仮定し、いずれも平均繊維
含有率V_fは50％としている。図中、α_L，α_T及び
E_L，E_Tは、平面布を用いたときの経線及び緯線
方向の熱膨張係数及び弾性率を示し、点線及び破
線は、３軸曲面布で周方向糸の１回及び３回の挿
入ごとに斜め方向糸の追加を行つた場合の変動を
示したもので、変動が最大になる経線上での見積
り結果を表示している。

同図から明らかなように、上記実施例の立体布
を用いた複合材料は、熱膨張係数、弾性率とも
に、迎角θが30゜以上で従来のものより特性の優
れるものが製造可能である。

例えば、球面の一部より成るアンテナリフレク
ターでは、外部じよう乱に対し形状保持性が良
く、且つ高度の熱構造安定性が要求されるため、
弾性率が面内等方性で、低熱膨張係数、しかも特
性のばらつきの少ないものが要求されるが、上述
した曲面立体布を補強材として用いれば、従来材
料では達成困難なこれら諸要求が容易に達成可能
になる。

なお、第２図に示した織物製造装置では、製織
される立体布の形状を球面の一部としたが、同図
に示す型の形状を適宜選択することにより、円
錐、パラボラ、円筒等の各種回転体シエル形状の
立体布が製織可能である。このような製織におい
ては、円周方向糸の張力を調整することにより筬
打ちの必要がないが、筬打ちを行うことを否定す
るものではなく、それによつて一層密度の制御を
高精度化し、あるいは部分的な筬打ちにより回転
体シエル形状に若干の変形を与えた立体布を製織
することもできる。

［発明の効果］ 以上に詳述した本発明によれば、簡易に３軸織
物が得られ、しかも配向角の制御、糸密度の均一
化も可能であるため、これを複合材料用の補強材
として用いることにより、弾性率と熱膨張係数に
関し、面内等方性のものが得られ、熱構造安定
性、寸法安定性に優れる高剛性の複合材料を得る
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る３軸織物の構成を模式的
に示した構成図、第２図は上記３軸織物を回転体
シエル形状の立体布として製織するための装置の
正面図、第３図ａ〜ｆは、斜め方向糸の絡み合い
形成の原理を説明する説明図、第４図は上記装置
におけるスピンドルチヤツクの配置と製織動作開
始順序を示す説明図、第５図及び第６図は３軸織
物の特性についての線図、第７図は第５図及び第
６図の立体布についての説明図である。 １…斜め方向糸、２周方向糸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中央から放射方向に伸びる多数の斜め方向糸
   と、円周方向に渦巻き状に織り込まれた周方向糸
   からなり、上記斜め方向糸は、左右に隣接する糸
   同士を交互に絡ませ、その斜め方向糸を絡ませる
   ごとにそれらの糸の間に周方向糸を織り込み、そ
   れによつて３軸の可展面でない織物として製織さ
   れたことを特徴とする立体賦形用織物。 ２ 斜め方向糸及び周方向糸の糸密度の偏差が±
   10％の範囲内にある特許請求の範囲第１項記載の
   立体賦形用織物。 ３ 中央から放射方向に伸びる多数の斜め方向糸
   の隣接する糸を交互に上下に開口させ、この斜め
   方向糸の開口間に、各斜め方向糸の上下位置を逐
   次逆にして周方向糸を織り込むという動作の繰り
   返しにより、斜め方向糸を周方向糸の製織を行う
   に際し、左右に隣接する斜め方向糸同士を交互に
   絡ませ、その斜め方向糸を絡ませるごとに上記斜
   め方向糸の上下位置を逆にして、周方向糸を織り
   込み、それによつて３軸の可展面でない織物を製
   織することを特徴とする立体賦形用織物の製造方
   法。 ４ 斜め方向糸の糸密度の偏差が常に一定の範囲
   内に収まるように、織り口半径に比例して斜め方
   向糸の糸本数を増加させると共に、周方向糸と斜
   め方向糸との張力の比を織り口半径に比例して増
   加させ、周方向糸の密度の偏差を一定の範囲内に
   収めることを特徴とする特許請求の範囲第３項記
   載の立体賦形用織物の製造方法。