JPH06207345A - 複合材料のための強化用三次元織物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｉ型やＴ型の断面を有するビーム状複合材
料、または板状複合材料の強化用三次元織物において、
長手方向の必要な個所の強度増大による変形防止をはか
り、さらに、そのような三次元織物の簡単な製織方法を
得る。 【構成】 実質的にビーム状部材として形成され、その
長さ方向に伸び垂直な第１の面部材２１と、該面部材に
直交し且つその長さ方向に伸びる第２の面部材２２とを
備える。両面部材には少なくとも数層の平面状織物相当
の厚さをもたせる。これらの両面部材は糸条により一体
的に製織する。第１及び第２の面部材２１，２２は、糸
条を三次元織物２０の長さ方向に対して±１５〜６０°
傾斜させて配向し、各糸条を織物表面で折り返すことに
より上記長さ方向に連続するものとして製織する。第２
の面部材２２は、その全体または一部に、ビーム状をな
す三次元織物２０の長さ方向に直線的に配向された芯糸
２３を織り込む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｉ型やＴ型の断面を有
するビーム状、あるいは上下面の面部材の間に間隔保持
用の面部材を挟んだ板状の複合材料を製造するために用
いる強化用の三次元織物及びそれらを製造するための方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明者らは、先に特開平２−３０７９
４９号によってビーム状複合材料を製造するために用い
る強化用の三次元織物及びその製造方法を提案してい
る。この既提案の三次元織物は、従来の複合材料用の三
次元織物（例えば、特開昭６２−１１７８４２号公報参
照）が基本的に平面状をなす織物の積層により形成され
ているのに対し、曲げ荷重が作用する場合の主応力の方
向またはそれに近い方向（±１５〜６０°）に糸条を配
向して、曲げ荷重に対する強度を有効に発揮するように
した点において有利なものである。しかしながら、上述
したような糸条の配向では、三次元織物の変形の許容度
が大きく、特にビーム状の複合材料の長手方向に外力が
作用する場合などに対処して、効果的に強度を補うと同
時に変形を防ぐことが望まれる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、Ｉ型やＴ型の断面を有するビーム状複合材料、ある
いは板状の複合材料の強化用三次元織物において、長手
方向の必要な個所の強度を効果的に増大させて変形を防
ぐようにし、さらに、そのような三次元織物を簡単に製
織する方法を得ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の第１の強化用三次元織物は、実質的にビーム
状をなす部材として形成され、そのビーム状部材の長さ
方向に伸びる垂直な第１の面部材と、その第１の面部材
に対して直交し且つ上記第１の面部材の長さ方向に伸び
る第２の面部材とを備え、両面部材には少なくとも数層
の平面状織物に相当する厚さをもたせ、これらの両面部
材を糸条により一体的に製織したビーム状の三次元織物
であって、上記三次元織物における第１及び第２の面部
材は、糸条を三次元織物の長さ方向に対して±１５〜６
０°傾斜させて配向し、且つ各糸条を織物表面で折り返
すことにより上記長さ方向に連続するものとして製織
し、第２の面部材における全体または一部に、ビーム状
をなす三次元織物の長さ方向に直線的に配向された芯糸
を織り込んだことを特徴とするものである。

【０００５】また、本発明の第２の強化用三次元織物
は、実質的に面状をなす板状部材として形成され、上下
面を形成する面部材と、それらの面部材に対して直交し
且つ上記両面部材間に挟まれる間隔保持用の面部材とを
備え、各面部材に少なくとも数層の平面状織物に相当す
る厚さをもたせ、これらの面部材を一体的に製織した板
状の三次元織物であって、上記三次元織物における各面
部材は、糸条を三次元織物の強度を必要とする長さ方向
に対して±１５〜６０°傾斜させて配向し、且つ各糸条
を織物表面で折り返すことにより上記長さ方向に連続す
るものとして製織し、上下面を形成する面部材の少なく
とも一方に、上記強度を必要とする方向に直線的に配向
された芯糸を織り込んだことを特徴とするものである。

【０００６】一方、これらの強化用三次元織物を製造す
るための本発明の方法は、隣接するロータとの間に糸条
キャリアを挟持する多数のロータを、互いに隣接させて
多数行多数列に配列し、隣接する各ロータの四周に設け
た凹部間に、三次元織物の製織形状に対応する糸条キャ
リアを挟持させ、隣接する一方のロータが回転する際に
他方のロータの凹部をガイドとして糸条キャリアを移動
させ、これを繰返すことにより、ビーム状あるいは板状
の三次元織物を製織するに際し、三次元織物の長さ方向
の強度を必要とする部分において上記ロータの中心部分
から該三次元織物の長さ方向に芯糸を導出し、さらに、
多数のロータのうち、上記行及び列内において互いに隣
接しないロータを一つの群として、全体を２群に分け、
一つの群のロータを非回転の固定ガイドとして他の群を
１方向に９０°または１８０°回転させ、次いで、先に
回転させた１群のロータを固定ガイドとして他の群を上
記とは逆の方向に９０°または１８０°回転させ、これ
を順次繰り返すことにより、糸条を±１５〜６０°傾斜
させ、且つ補強を必要とする部分に上記芯糸を挿通した
三次元織物を製織することを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】一般的に、ビーム状材料等に曲げ荷重を作用さ
せた場合、例えば上下のフランジ部（第２の面部材）の
間をウエブ部（第１の面部材）で連結したＩビームの場
合には、両フランジ部に圧縮または引張り応力が作用
し、ウエブ部には長さ方向に対して±15〜60°程度の方
向に主応力が作用する。このような問題を考慮し長手方
向に対して±15〜60°の方向に糸条を配向させた芯糸の
ない既提案の三次元４軸織物（前記特開平２−３０７９
４９号）は、引張り、圧縮に対して柔軟な構造をもつ反
面、斜め方向のずれの力である剪断応力に対し伸縮が小
さい特徴をもっている。これに対し、芯糸を入れた三次
元織物は、芯糸方向の引張り、圧縮に対して伸びが少な
く、剪断応力に対しても強いという特徴がある。

【０００８】その引張り・圧縮に対する性質と剪断に対
する性質は、４軸方向の糸条と芯糸の割合、４軸方向の
糸条の配向角等の要因によって決定される。前述したよ
うに、ビーム状材料は一般的に曲げ応力を受ける材料と
して使用される場合が多く、そのフランジ部には主に引
張りまたは圧縮応力がかかり、ウエブの部分は剪断力が
作用するため、芯糸を通したフランジ部と芯糸のないウ
エブの構成が極めて効果的なものとなる。

【０００９】また、上記三次元織物の製織に際しては、
一つの群のロータを固定ガイドとして他の群を１方向に
９０°または１８０°回転させ、次いで、先に回転させ
た１群のロータを固定ガイドとして他の群を上記とは逆
の方向に９０°または１８０°回転させ、これを順次繰
り返すが、その際に、上記ロータの中心部分から三次元
織物の長さ方向に芯糸を導出しておくだけの簡単な手段
で、補強を必要とする部分に上記芯糸を挿通した三次元
織物を製織することが可能である。この製織において
は、筬打ちの程度と製織した三次元織物の導出速度を調
整することにより、糸条の傾斜角度を調整することが可
能である。

【００１０】

【実施例】図１の (A)〜(C) 及び図２は、本発明に係る
三次元織物の第１実施例の組織を説明するためのもので
ある。この三次元織物は、構造材として用いる断面Ｔ型
のビーム状複合材料の強化用として用いるもので、その
使用に際してはマトリックスにより各糸条間が結合され
る。上記三次元織物を構成するビーム状の部材１は、そ
の長さ方向に伸び、且つ通常のＴ型ビームの外力の作用
方向である垂直方向に向けて配置される第１の面部材１
ａと、その面部材１ａに対して直交し且つ上記第１の面
部材の長さ方向に伸びる第２の面部材１ｂとを備え、両
面部材１ａ，１ｂには少なくとも数層の平面状織物に相
当する厚さをもたせ、これらの両面部材１ａ，１ｂが一
体的に製織されている。なお、ここでは断面形状がＴ型
のものを示しているが、上記第１及び第２の面部材の単
数または複数を適宜連結したＩ型その他の断面形状に形
成することができる。

【００１１】また、上記第２の面部材１ｂには、ビーム
状をなす三次元織物の長さ方向に直線的に配向された芯
糸３を織り込んでいる。この芯糸３は、強度を高め、外
力による部材の伸縮を抑制する必要がある部分に配向さ
せるもので、例えば、第２の面部材１ｂの全体または一
部に織り込むことができ、また三次元織物の断面形状が
Ｉ型の場合には、一方の第２の面部材１ｂのみに織り込
むこともできる。

【００１２】図１ (A)〜(C) 及び図２においては、三次
元織物における糸条２ａ，２ｂ及び芯糸３の織込み態様
を示しているが、理解を容易にするために、その一部の
糸条のみについて互いに直交する３方向から見た状態及
び斜視状態を示している（図２では芯糸を省略）。この
三次元織物を構成する多数の糸条２ａ，２ａ，・・及び
２ｂ，２ｂ，・・は、後述するような方法で、それぞれ
図示の糸条と実質的に同じような態様で織込まれ、それ
によって三次元織物が製織される。なお、図１(A)(C)及
び図２中に記入した丸付きの数字は、相互に対応位置で
あることを示している。

【００１３】三次元織物を構成するビーム状部材１内の
上記糸条２ａは、第１の面部材１ａにおいて垂直面内で
三次元織物の長さ方向に対して±１５〜６０°傾斜さ
せ、また第２の面部材１ｂにおける糸条２ａも同程度に
傾斜させて配向し、一方、第１及び第２の面部材１ａ，
１ｂにおける糸条２ｂは、上記糸条２ａの場合と同程度
ではあるが水平面内において傾斜させている。これらの
糸条２ａ，２ｂは、ビーム状部材１を構成する三次元織
物の表面で折り返すことにより、ビームの長さ方向に連
続するものとし、相互に製織したものである。

【００１４】図３ (A)〜(C) 及び図４は、本発明に係る
三次元織物の第２実施例の組織を説明するためのもの
で、上記第１実施例の場合と同様に、三次元織物を構成
するビーム状の部材１１は、第１の面部材１１ａと、そ
れに対して直交する第２の面部材１１ｂとを備え、両面
部材１１ａ，１１ｂには少なくとも数層の平面状織物に
相当する厚さをもたせ、これらの両面部材１１ａ，１１
ｂが一体的に製織されている。また、上記第２の面部材
１１ｂには、ビーム状をなす三次元織物の長さ方向に直
線的に配向された芯糸１３を織り込んでいる。この芯糸
１３は、第１実施例と同様に、第２の面部材１１ｂの全
体または一部に織り込むことができる。

【００１５】図３ (A)〜(C) は上記図１ (A)〜(C) に対
応し、図４は上記図２に対応するもので、上記三次元織
物における単一の糸条１２の織込み態様のみを示してい
る。この三次元織物を構成する他の糸条１２，１２，・
・は、それぞれ図示の糸条と実質的に同じような態様で
織込まれ、それによって三次元織物が製織される。この
第２実施例においてビーム状部材１１を構成する各糸条
１２，１２，・・は、第１の面部材１１ａを構成する面
内において、三次元織物の長さ方向に対して±１５〜６
０°傾斜させ、且つ第２の面部材１１ｂを構成する面内
においても同程度に傾斜させて配向し、これらの糸条１
２，１２，・・はビーム状部材１１の表面で折り返すこ
とにより、ビームの長さ方向に連続するものとして、相
互に製織している。

【００１６】ビーム状の部材では、曲げ荷重が作用した
場合、上述した第１の面部材１ａ，１１ａにおいて、ビ
ームの長さ方向に対し±４５°を中心として±１５〜６
０°程度の方向に主応力が作用するが、上記第１及び第
２実施例の三次元織物の第１の面部材においては、糸条
２ａ，１２をできるだけ±４５°の方向またはそれに近
い方向に傾斜させ、しかも各糸条２ａ，２ｂ，１２を織
物表面で折り返し、それらをビームの長さ方向に連続さ
せているので、各糸条がビーム状複合材料の強度を高め
るために有効に作用する。しかも、第２の面部材１ｂ，
１１ｂにおける全体または一部には、三次元織物の長さ
方向に直線的に配向された芯糸３，１３を織り込んでい
るので、その部分での伸縮が拘束される。なお、上記糸
条２ａ，２ｂ，１２の傾斜角度は、後述する三次元織物
の製織において、筬打ちの程度と巻取速度を調整するこ
とにより、容易に調整することが可能である。

【００１７】図５及び図６は、図３ (A)〜(C) 及び図４
によって説明した組織を有し、断面Ｉ型に形成したビー
ム状三次元織物２０の外観における糸条の配向を例示し
たものである。図５の例では、垂直な第１の面部材２１
の上下に連接した第２の面部材２２，２２にそれぞれ芯
糸２３を低密度で織り込んでいるが、これをさらに高密
度に織り込むこともでき、このような構成は、上下の第
２の面部材２２，２２の変形を芯糸２３により拘束する
ので、湾曲を望まない部分での使用に有利である。ま
た、図６の例では、第１の面部材２６に連なる一方の第
２の面部材２７ａのみに高密度で芯糸２８を織り込んだ
場合を示しているが、このような三次元織物２５は、芯
糸２８を織り込んでいない第２面部材２７ｂを他の適宜
部材に接合してその補強に利用することができ、この場
合に、その接合すべき第２の面部材２７ｂに芯糸２８が
ないため、それ自体の変形が容易であるばかりでなく、
予め補強対象物の形状に合せて不等断面に製織すること
もできるので、第２の面部材２７ｂを容易に補強対象物
形状に適合させることができる。

【００１８】次に、図７ないし図９に基づいて、上記ビ
ーム状三次元織物を製織する方法について説明する。上
述したビーム状三次元織物を製織するに際しては、図７
に示すような製織装置が用いられる。この製織装置は、
キャリア軌道面に沿って多数配列したキャリア駆動ユニ
ット３１によって、図示しないボビンを支承する糸条キ
ャリア３２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舒した糸条３３を製織するもので
ある。

【００１９】キャリア駆動ユニット３１は、図８に示す
ようなロータ３４を備えている。このロータ３４は、隣
接するロータとの間に糸条キャリア３２を挟持するもの
で、その四周に糸条キャリア３２を挟持するための凹部
３５を凹設し、これらの凹部３５の内側面を、隣接する
ロータの回転軸を中心とする円弧状とし、互いに隣接す
る二つのロータ３４，３４の一方が回転するときに、他
方のロータの凹部３５を糸条キャリア３２のガイドとし
て機能させるようにして、各ロータ３４を互いに密に隣
接させ、それを糸条キャリア３２の移動域に複数行、複
数列に配列させている。また、各ロータ３４の中心の回
転軸３６には、その中心を貫通する芯糸挿通孔３７を設
け、この挿通孔３７を通して三次元織物の補強を必要と
する部分に芯糸２８を導出するようにしている。上記芯
糸２８は、例えばロータの中心にボビン等を配設して、
そこから導出することもでき、さらにロータの中心に張
力付与装置を介して取付けるようにしてもよい。なお、
図７において、３９は糸条キャリア３２の移動域の周囲
に囲設した固定ガイドを示している。

【００２０】一方、それらのロータ３４間に挟持される
糸条キャリア３２は、隣接する一対のロータ３４の凹部
３５に適合する二つの円筒面４１，４１で形成された保
持部４０を備え、それにボビンの支持軸４２を立設した
ものである。上述したロータ３４を備えた多数のキャリ
ア駆動ユニット３１によって糸条キャリア３２を駆動す
るに際し、上記糸条キャリア３２は、図７に示すよう
に、その移動域において、ビーム状の三次元織物２５の
第１の面部材２６と第２の面部材２７ａ，２７ｂとを一
体化した断面形状に適合させて配列させる。なお、図７
では、図６に示すような断面形状のビーム状三次元織物
２５を製織する場合を例示している。

【００２１】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３４を一つの群とし
て、全体を２群に分け、各群ごとのロータを一斉に駆動
するため、その駆動に必要な図示しない駆動手段が設け
られる。図９においては、斜線を付したロータとそれを
付していないロータによって、二つの群を区別して示し
ている。これらの両群の駆動手段は、各群のロータ３４
にそれぞれ同一方向の９０°または１８０°の間欠的な
回転駆動を与え、且つ両群の駆動手段を少なくとも互い
に逆方向に回転駆動可能なものである。以下の説明で
は、図９中において斜線を付したロータを時計方向に９
０°または１８０°の間欠回転を行うロータ（これらの
ロータ群を以下第１群と呼ぶ。）とし、斜線のないロー
タを、反時計方向に９０°または１８０°の間欠回転を
行うロータ（これらのロータ群を以下第２群と呼ぶ。）
とする。

【００２２】製織は、一つの群のロータ３４を非回転の
固定ガイドとして、他の群を１方向に９０°または１８
０°回転させ、次いで、先に回転させた１群のロータを
固定ガイドとして他の群を上記とは逆の方向に９０°ま
たは１８０°回転させ、これを順次繰り返すことによっ
て行うものであり、図９においては、第１群と第２群の
ロータが交互に回転駆動される。この製織時における糸
条キャリアの動きを観察すると、９０°及び１８０°の
いずれの場合も、糸条キャリア３２の配列範囲内で、比
較的単純な規則性の下で糸条キャリアが走行し、例え
ば、図７に示すようなロータ配列によって第１群及び第
２群のロータを正逆に９０°回転させた場合、図５に示
すような外観の三次元織物２０を得ることができ、この
場合には図３ (A)〜(C) 及び図４によって説明したよう
な組織になる。

【００２３】一方、第１群及び第２群のロータをそれぞ
れ１８０°回転させた場合には、図１の (A)〜(C) 及び
図２によって説明したような組織になる。これらの製織
においては、必要に応じて筬打ちを行うことができ、こ
の筬打ちの程度と製織した三次元織物の巻取速度を調整
することにより、前述した三次元織物における各糸条２
ａ，２ｂ，１２の傾斜角度を任意に調整することが可能
である。

【００２４】図１０は、上述した方法によって製織した
板状の三次元織物５０の構成を示している。この三次元
織物５０は、実質的に面状をなす板状部材として形成さ
れ、上下面を形成する面部材５１，５１と、それらの面
部材５１，５１に対して直交し、且つ上記両面部材５
１，５１間に挟まれる蜂の巣状の間隔保持用面部材５２
とを備え、各面部材に少なくとも数層の平面状織物に相
当する厚さをもたせ、これらの面部材を一体的に製織し
ている。

【００２５】この三次元織物５０における各面部材５
１，５２は、図１ないし図４において説明したように、
板状をなす三次元織物５０の面内において三次元織物の
長さ方向に対して±１５〜６０°傾斜させて配向した糸
条によって製織し、且つ上下面を形成する面部材５１，
５１における変形をおさえたい長さ方向に、直線的に配
向された芯糸５３を織り込んでいる。このような三次元
織物は、図７に示すような製織装置において、間隔保持
用の面部材５２の製織域を複数設けると同時にそれらを
製織の進行に伴って横移動させることによって得ること
ができる。

【００２６】

【発明の効果】以上に詳述した本発明によれば、Ｉ型や
Ｔ型の断面を有するビーム状複合材料あるいは板状の複
合材料の強化用三次元織物において、長手方向の必要な
個所の強度を効果的に増大させてその部分の伸縮・変形
を防ぐようにし、さらに、そのような三次元織物を簡単
に製織する方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(A)〜(C) は、本発明に係るビーム状複合材料
のための三次元織物の第１実施例の組織を互いに直交す
る３方向から見た状態において示す説明図である。

【図２】同組織を斜視状態において示す説明図である。

【図３】(A)〜(C) は同第２実施例の組織を互いに直交
する３方向から見た状態において示す説明図である。

【図４】同組織を斜視状態において示す説明図である。

【図５】上記第２実施例の組織を有し、断面Ｉ型に形成
したビーム状三次元織物の異種実施例の外観を示す斜視
図である。

【図６】上記第２実施例の組織を有し、断面Ｉ型に形成
したビーム状三次元織物の他の異種実施例の外観を示す
斜視図である。

【図７】上記ビーム状三次元織物の製織状態を示す斜視
図である。

【図８】そのキャリア駆動機構の詳細を示す要部斜視図
である。

【図９】ロータの回転駆動の態様に関する説明図であ
る。

【図１０】板状の三次元織物の一部破断斜視図である。

【符号の説明】

１，１１ ビーム状部材、 １ａ，１１ａ，２１，２６ 第１の面部材、 １ｂ，１１ｂ，２２，２７ａ，２７ｂ 第２の面部
材、 ２ａ，２ｂ，１２，３３ 糸条、 ３，１３，２３，２８，５３ 芯糸、 ２０，２５，５０ 三次元織物、 ３２ 糸条キャリア、 ３４ ロータ、 ３５ 凹部、 ５１ 上下の面部材、 ５２ 間隔保持用面部材。

フロントページの続き (72)発明者 福 多 健 二 茨城県つくば市千現二丁目１番地６ 株式 会社スリーデイコンポリサーチ内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実質的にビーム状をなす部材として形成さ
   れ、そのビーム状部材の長さ方向に伸びる垂直な第１の
   面部材と、その第１の面部材に対して直交し且つ上記第
   １の面部材の長さ方向に伸びる第２の面部材とを備え、
   両面部材には少なくとも数層の平面状織物に相当する厚
   さをもたせ、これらの両面部材を糸条により一体的に製
   織したビーム状の三次元織物であって、 上記三次元織物における第１及び第２の面部材は、糸条
   を三次元織物の長さ方向に対して±１５〜６０°傾斜さ
   せて配向し、且つ各糸条を織物表面で折り返すことによ
   り上記長さ方向に連続するものとして製織し、 第２の面部材における全体または一部に、ビーム状をな
   す三次元織物の長さ方向に直線的に配向された芯糸を織
   り込んだ、ことを特徴とする複合材料のための強化用三
   次元織物。
2. 【請求項２】実質的に面状をなす板状部材として形成さ
   れ、上下面を形成する面部材と、それらの面部材に対し
   て直交し且つ上記両面部材間に挟まれる間隔保持用の面
   部材とを備え、各面部材に少なくとも数層の平面状織物
   に相当する厚さをもたせ、これらの面部材を一体的に製
   織した板状の三次元織物であって、 上記三次元織物における各面部材は、糸条を三次元織物
   の強度を必要とする長さ方向に対して±１５〜６０°傾
   斜させて配向し、且つ各糸条を織物表面で折り返すこと
   により上記長さ方向に連続するものとして製織し、 上下面を形成する面部材の少なくとも一方に、上記強度
   を必要とする方向に直線的に配向された芯糸を織り込ん
   だ、ことを特徴とする複合材料のための強化用三次元織
   物。
3. 【請求項３】隣接するロータとの間に糸条キャリアを挟
   持する多数のロータを、互いに隣接させて多数行多数列
   に配列し、隣接する各ロータの四周に設けた凹部間に、
   三次元織物の製織形状に対応する糸条キャリアを挟持さ
   せ、隣接する一方のロータが回転する際に他方のロータ
   の凹部をガイドとして糸条キャリアを移動させ、これを
   繰返すことにより、ビーム状あるいは板状の三次元織物
   を製織するに際し、 三次元織物の長さ方向の強度を必要とする部分において
   上記ロータの中心部分から該三次元織物の長さ方向に芯
   糸を導出し、 さらに、多数のロータのうち、上記行及び列内において
   互いに隣接しないロータを一つの群として、全体を２群
   に分け、 一つの群のロータを非回転の固定ガイドとして他の群を
   １方向に９０°または１８０°回転させ、次いで、先に
   回転させた１群のロータを固定ガイドとして他の群を上
   記とは逆の方向に９０°または１８０°回転させ、 これを順次繰り返すことにより、糸条を±１５〜６０°
   傾斜させ、且つ補強を必要とする部分に上記芯糸を挿通
   した三次元織物を製織する、ことを特徴とする複合材料
   のための強化用三次元織物の製造方法。