JP2014105414A - 筒状繊維構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】フランジ部を有し、他部材に対する取り付けが容易な筒状繊維強化複合材の強化材として使用した際に、必要な強度を確保することができる筒状繊維構造体を提供する。
【解決手段】筒状繊維構造体１０は、織物基材１１を巻回して賦形され、筒状部１２の両側にフランジ部１３を有する。フランジ部１３は強化繊維が織り組織で構成され、筒状部１２は強化繊維が非織り組織で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒状繊維構造体に係り、詳しくは繊維強化複合材の強化材として適した筒状繊維構造体に関する。

自動車には衝突時における車体及び搭乗者の保護のため、一般に車体の前後に衝突時の衝撃エネルギーを吸収するバンパーが取り付けられている。バンパーは自動車が障害物と衝突した際に加わる大きな負荷に対して非可逆的にエネルギーを吸収する必要がある。そして、吸収エネルギーを大きくするため、従来からバンパーを略円筒状の繊維強化樹脂製のエネルギー吸収部材を介して支持する構成が提案されている。

その場合、図２６に示すように、バンパービーム８１を円筒状のエネルギー吸収部材８２を介してフレーム本体８３に支持する必要がある。しかし、エネルギー吸収部材８２はフランジが無いため、その両端をバンパービーム８１及びフレーム本体８３に対して取り付ける構造が複雑になる。

また、例えば、タービン翼に適用するセラミック基複合部材として、筒状部の両端にフランジ部を有するセラミック基複合部材が提案されている（特許文献１参照）。このセラミック基複合部材に使用されるセラミック繊維製の強化部材は、図２７に示すように、３軸組紐組織で形成された翼形筒状の翼部９１の両端部の一部に切り込み入れて折曲げた張出部９２を、セラミック繊維の平織り板９３で挟持して形成されている。即ち、このセラミック基複合部材は、筒状部の両端にフランジ部を有する構造である。

また、従来、ドーナツ状の円盤状本体部の内周から突出する円筒部を有する複合材製回転体及びその強化材用円盤状織物が提案されている（特許文献２参照）。図２８に示すように、円盤状織物９５は、その中心から放射状に延びる放射状方向糸９６と、中心を取り巻いて螺旋状（渦巻き状）に延びる周方向糸９７とよりなり、放射状方向糸９６と周方向糸９７とを織成して円盤状の本体部分９８を構成している。円盤状織物９５は、その中心部には周方向糸９７が織り込まれておらず、空孔が形成されており、放射状方向糸９６は、空孔の内周から長く突出して延長部９９を形成している。そして、この円盤状織物９５を複数枚重ねた状態で樹脂が含浸されて複合材製回転体が形成される。

特開２００３−１４８１０５号公報 特開平２−２３４９４４号公報

特許文献１の構成をエネルギー吸収部材に適用すれば、エネルギー吸収部材をフランジ部においてバンパービーム８１やフレーム本体８３に対して取り付けることにより取り付け構造が簡単になる。しかし、特許文献１の構成では、３軸組紐組織で形成された筒状部の両端に切り込みを入れるとともに、折り曲げてフランジ部を形成している。そのため、繊維強化樹脂の強化材に使用してエネルギー吸収部材を形成した場合、切り込みの部分から亀裂が発生し易く、エネルギー吸収効率が悪くなる。また、３軸組紐組織の場合、圧縮に対応するため軸方向糸の量を増やすと斜方向糸のうねり（クリンプ）が大きくなり、強度が低下する。

一方、特許文献２の円盤状織物９５を用いて片側にフランジ部を有するエネルギー吸収部材を形成する場合、筒状部を複数層に形成するためには中心部の空孔の径が異なる円盤状織物９５を層数に対応して形成する必要があり、製造工程が複雑になる。また、筒状部の強化繊維となる糸が自由状態のため、複合材を製造する場合に各糸を整然と配列するのが難しく、強度を高くするのが難しい。

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、フランジ部を有し、他部材に対する取り付けが容易な筒状繊維強化複合材の強化材として使用した際に、必要な強度を確保することができる筒状繊維構造体を提供することにある。

上記課題を解決する筒状繊維構造体は、織物基材を巻回して賦形され、筒状部の少なくとも片側にフランジ部を有する。ここで、「織物基材」とは、少なくとも配列方向が２方向となるように配列された糸で構成され、少なくとも一部に糸の織り部（交錯部）が存在するものを意味する。なお、この明細書では、「糸」とは、繊維束に撚りを掛けたものに限らず、撚りが掛けられていない繊維束をも含む意味で使用する。

この構成によれば、筒状繊維構造体は、巻回した織物基材の端部を賦形してフランジ部が形成されているため、筒状の組紐組織の端部に切り込みを入れてフランジ部を形成した場合と異なり、複合材を形成した場合に、フランジ部と筒状部との境界部から亀裂が発生することが防止される。また、全体が織物基材で構成されているため、繊維強化複合材の筒状部となる糸が自由状態の場合に比べて、複合材を製造する場合に各糸を整然と配列することができる。したがって、フランジ部を有し、他部材に対する取り付けが容易な筒状繊維強化複合材の強化材として使用した際に、必要な強度を確保することができる。

前記フランジ部は織り組織で構成され、前記筒状部は非織り組織で構成されていることが好ましい。この構成によれば、筒状部を構成する強化繊維にクリンプがないため、フランジ部及び筒状部が共に織り組織で構成されている場合に比べて、複合材を構成した場合に、複合材の強度、剛性に優れる。

前記筒状部の内側に、織物基材で形成された補強部が設けられていることが好ましい。この構成によれば、衝撃吸収用の複合材として使用した場合に、補強部が存在しない場合に比べて衝撃エネルギー吸収量の増加を図ることや座屈の防止を図ることができる。また、タービンブレードのように大きな空力を受ける状態で使用される複合材として使用した場合、空力による変形防止を図ることができる。

前記補強部の織物基材は、前記筒状部及び前記フランジ部を形成する前記織物基材の前記筒状部に対応する筒状部対応部の巻回内側端に連続していることが好ましい。この構成によれば、補強部を別体として形成した後、筒状部に一体化する構成に比べて、補強部を所定の位置に設けることが容易になる。

前記筒状部は、複数層に重なった前記織物基材がステッチ糸で縫い合わされて三次元化されていることが好ましい。この構成によれば、複数層に重なった織物基材がステッチ糸で縫い合わされていない構成に比べて、衝撃吸収用の複合材として使用した場合に、エネルギー吸収特性が向上する。また、タービンブレードのような筒状部内側の熱を外側へ伝達して逃がす必要がある複合材として使用した場合、板厚方向に延びる繊維が存在することにより、板厚方向への熱伝導が良くなって、高温側の熱を逃がし易くなる。

前記筒状部を形成する織物基材は、強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度のものと、強化繊維としての糸の配列角度が＋４５度及び−４５度のものとで構成されていることが好ましい。ここで、「糸の配列角度」とは、織物基材が巻回された状態における周方向に相当する方向と、糸の配列方向との成す角度を意味する。この構成によれば、筒状部を糸の配列角度が０度及び９０度の織物基材で形成した場合に比べて、面内の剛性を高めて座屈を抑制することができる。

前記フランジ部は、周方向に沿って配列される糸に、前記フランジ部の径方向外側に配列される糸ほど太い糸が使用されるか、周方向に沿って配列される糸の配列ピッチが径方向外側程密に形成されていることが好ましい。この構成によれば、フランジ部を構成する周方向に沿って配列される糸の密度が径方向外側程大きくなる。一方、フランジ部を構成する径方向に沿って配列される糸の密度は径方向外側程小さいため、結果としてフランジ部における糸の密度の粗密差を抑制することができる。

前記筒状部はテーパー状に形成されていることが好ましい。ここで、「テーパー状に形成されている」とは、筒状部の肉厚が一定で、径が一端側から他端側に向かって次第に変化する場合と、筒状部の内径が一定で、外径が段階的に変化することにより、肉厚が一端側から他端側に向かって段階的に変化する場合の両方を含む。この構成によれば、衝撃吸収用の複合材として使用した場合に、筒状部の径及び肉厚とも一定の構成に比べて、エネルギー吸収特性が良好になる。なお、前記筒状部は肉厚が一端側から他端側に向かって段階的に変化していることがより好ましい。

前記フランジ部より突出する位置決め筒部を有することが好ましい。この構成によれば、複合材を形成した場合に、位置決め筒部の箇所が複合材を取り付ける被取付け部に設けられた位置決め凸部あるいは位置決め凹部に嵌合して位置決めされた状態でフランジ部において取り付けられる。したがって、位置決め筒部が存在しない場合に比べて、複合部材を目的の位置に取り付けることが容易になる。

本発明によれば、フランジ部を有し、他部材に対する取り付けが容易な筒状繊維強化複合材の強化材として使用した際に、必要な強度を確保することができる。

第１の実施形態の筒状繊維構造体の模式斜視図。 織物基材の織り組織を示す概略平面図。 （ａ）は反物からの織物基材の切り出し状態を示す模式図、（ｂ）は切り出された織物基材の模式図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図。 （ａ）は織物基材の賦形に使用する治具の概略斜視図、（ｂ）は筒状繊維構造体のフランジ部の賦形状態を示す模式斜視図。 第２の実施形態の筒状繊維構造体の模式斜視図。 （ａ）は反物からの織物基材の切り出し状態を示す模式図、（ｂ）は切り出された織物基材の模式図。 （ａ）は治具の断面図、（ｂ）は筒状繊維構造体を形成する際の治具と織物基材との関係を示す模式断面図。 第３の実施形態の筒状繊維構造体の模式斜視図。 筒状部の厚さ方向に重なる繊維束とステッチ糸との関係を示す模式図。 筒状部をステッチ糸でステッチする状態を示す模式斜視図。 第４の実施形態を示し、（ａ）は反物から強化繊維の配列角度が±４５度の織物基材を切り出す状態を示す模式図、（ｂ）は切り出された織物基材の模式図。 （ａ）は同じく反物から強化繊維の配列角度が０／９０度の織物基材を切り出す状態を示す模式図、（ｂ）は切り出された織物基材の模式図。 第５の実施形態の筒状繊維構造体の模式斜視図。 （ａ）は反物から強化繊維の配列角度が０／９０度の織物基材を切り出す状態を示す模式図、（ｂ）は切り出された織物基材の模式図。 （ａ）は反物から強化繊維の配列角度が±４５度の織物基材を切り出す状態を示す模式図、（ｂ）は切り出された織物基材の模式図。 エネルギー吸収部材に適用した場合の荷重と変位の関係を示すグラフ。 別の実施形態の織物基材のフランジ部対応部の模式図。 別の実施形態の筒状繊維構造体の模式斜視図。 別の実施形態の筒状繊維構造体の模式斜視図。 別の実施形態の筒状繊維構造体の模式斜視図。 （ａ）は別の実施形態の筒状繊維構造体の模式斜視図、（ｂ）は織物基材の模式斜視図。 別の実施形態の織物基材の模式図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態の織物基材の模式図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態の織物基材の模式図。 別の実施形態の本縫いを示す模式図 エネルギー吸収部材の取り付け状態を示す模式斜視図。 従来技術を示す模式斜視図。 別の従来技術を示す模式斜視図。

（第１の実施形態）
以下、筒状繊維構造体の第１の実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、筒状繊維構造体１０は、織物基材１１を巻回して賦形され、筒状部１２の少なくとも片側にフランジ部１３を有する。この実施形態では、筒状部１２は円筒状に形成され、フランジ部１３を両側（両端）に有する。「織物基材」とは、少なくとも配列方向が２方向となるように配列された糸で構成され、少なくとも一部に糸の織り部（交錯部）が存在するものを意味する。

図２に示すように、織物基材１１は、織り組織１４と非織り組織１５とを有する。図３（ａ）に示すように、この実施形態の織物基材１１は、織物基材１１の幅方向の両側に織り組織１４を有し、両織り組織１４によって挟まれた幅方向中央側に非織り組織１５を有する。織り組織１４はフランジ部１３の幅に対応する所定幅で形成され、非織り組織１５は筒状部１２の軸方向の長さに対応する所定幅で形成されている。即ち、筒状繊維構造体１０は、筒状部１２が非織り組織１５で構成され、フランジ部１３が織り組織１４で構成されている。織り組織１４とは、複合材の強化繊維として機能する糸（繊維束）が、少なくとも配列方向が２方向となるように配列され、異なる配列方向の糸の交差部が織り部（交錯部）を構成しているものを意味する。

詳述すると、図２に示すように、この実施形態の織物基材１１は、糸の配列角度が０度の強化糸１６と、糸の配列角度が９０度の強化糸１７と、糸の配列角度が０度の補助糸１６ａと、糸の配列角度が９０度の補助糸１７ａとで構成されている。糸の配列角度とは、織物基材１１の長手方向と、糸の配列方向との成す角度であり、配列角度が０度とは糸の配列方向が織物基材１１の長手方向と平行であり、配列角度が９０度とは糸の配列方向が織物基材１１の長手方向と直交する。即ち、織物の経糸が配列角度０度の糸になり、緯糸が配列角度９０度の糸になる。

強化糸１６及び強化糸１７は、フランジ部１３と対応する部分が織り組織１４を構成し、筒状部１２と対応する部分が非織り組織１５を構成する。この実施形態では織り組織１４は平織りを構成している。強化糸１６及び強化糸１７は、筒状部１２と対応する部分では全ての強化糸１６が強化糸１７に対して同じ側で一平面上に配列され、強化糸１７も全ての強化糸１７が強化糸１６に対して同じ側で一平面上に配列されている。図２においては、強化糸１６が強化糸１７の上側に配列されている。

補助糸１６ａは、筒状部１２と対応する部分に、強化糸１６と隣り合うように配列されている。補助糸１７ａは、筒状部１２と対応する部分だけでなくフランジ部１３と対応する部分まで延びる状態で、強化糸１７と隣り合うように配列されている。補助糸１６ａは強化糸１７及び補助糸１７ａと交互に織り部（交錯部）を形成するように配列されている。補助糸１７ａは、フランジ部１３と対応する部分では強化糸１６と交互に織り部（交錯部）を形成するように配列され、筒状部１２と対応する部分では強化糸１６及び補助糸１６ａと交互に織り部（交錯部）を形成するように配列されている。そのため、筒状部１２を構成する強化糸１６及び強化糸１７は相互に織り部を形成していないが、補助糸１６ａが強化糸１７及び補助糸１７ａと交互に織り部（交錯部）を形成し、補助糸１７ａが強化糸１６及び補助糸１６ａと交互に織り部（交錯部）を形成するため、強化糸１６及び強化糸１７が所定の位置に保持される。

織物基材１１を構成する糸（繊維束）は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維等の無機繊維、あるいは、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ポリアリレート繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度の有機繊維であってもよく、要求性能に応じて適宜選択される。例えば、繊維強化複合材料に対する剛性・強度の要求性能が高い場合は、炭素繊維が好ましい。繊維束に安価なガラス繊維を用いると低コストとなる。

次に筒状繊維構造体１０の製造方法を説明する。
先ず、図３（ａ）に示すように、幅方向の両側に織り組織１４を有する反物５０から織物基材１１を切り出す。図３（ｂ）に示すように、織物基材１１は、矩形状の筒状部対応部１１ａの幅方向両側に台形状のフランジ部対応部１１ｂが連続する形状に形成される。各フランジ部対応部１１ｂの両端に存在する三角形状の部分は、図３（ｃ）に示すように、緯糸が除去されて経糸のみとなっている。ここで、フランジ部対応部１１ｂの緯糸とは、配列角度９０度の強化糸１７及び補助糸１７ａを意味し、フランジ部対応部１１ｂの経糸とは配列角度０度の強化糸１６を意味する。

織物基材１１の巻回及びフランジ部１３の賦形に使用する治具（賦形型）５１は、図４（ａ）に示すように、２分割可能な円筒状の外側治具５１ａと、外側治具５１ａの内側に配置されて、外側治具５１ａと共同して織物基材１１を挟持可能な円柱状の内側治具５１ｂとで構成されている。外側治具５１ａは内径が筒状繊維構造体１０の外径に対応して形成されており、内側治具５１ｂは外径が筒状繊維構造体１０の内径に対応して形成されている。

この治具５１を使用して、織物基材１１を円筒状に巻回するとともにフランジ部１３の賦形を行う。
先ず、内側治具５１ｂの外側に織物基材１１をその筒状部対応部１１ａにおいて巻回する。この状態では、フランジ部対応部１１ｂが内側治具５１ｂの両端から突出した状態になる。次に外側治具５１ａを内側治具５１ｂに巻回された織物基材１１の筒状部対応部１１ａの外側に被せて、筒状部対応部１１ａを内側治具５１ｂ及び外側治具５１ａによって挟持した状態で、治具５１を図示しない支持装置で保持する。支持装置は、内側治具５１ｂを内側治具５１ｂの端面に形成された図示しない凹部で支持し、外側治具５１ａを外側から支持する。

次に図４（ｂ）に示すように、治具５１に挟持された織物基材１１のフランジ部対応部１１ｂの賦形を行う。フランジ部対応部１１ｂの賦形は、例えば、マニピュレータにより、先ず治具５１の一方の端部から突出するフランジ部対応部１１ｂに対して、フランジ部対応部１１ｂを構成する強化糸１７及び補助糸１７ａの間隔を外径側程広くなるように拡げながら、外側に折り曲げることで行う。賦形が完了したフランジ部対応部１１ｂの端部の重なり部は、接着剤又はステッチにより固定される。次に他方の端部に対しても同様にフランジ部対応部１１ｂの賦形を行い、賦形が完了したフランジ部対応部１１ｂの端部の重なり部を接着剤又はステッチにより固定して、筒状繊維構造体１０の製造が完了する。

前記のように構成された筒状繊維構造体１０は、繊維強化複合材の強化材として使用される。筒状繊維構造体１０は、例えば、ＲＴＭ法によりマトリックス樹脂が含浸硬化されて繊維強化複合材となる。具体的には、外側治具５１ａ及び内側治具５１ｂが取り外された筒状繊維構造体１０を、成形型のキャビティに収容した状態で成型型のキャビティを閉じてキャビティ内を減圧する。次に、キャビティ内を真空に近い状態にした後、未硬化の熱硬化性樹脂をキャビティ内に注入し、樹脂の注入後に加熱して樹脂を硬化させることにより繊維強化複合材が製造される。熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を使用することができる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）筒状繊維構造体１０は、織物基材１１を巻回して賦形され、筒状部１２の少なくとも片側にフランジ部１３を有する。そのため、筒状の組紐組織の端部に切り込みを入れてフランジ部を形成した場合と異なり、複合材を形成した場合に、フランジ部１３と筒状部１２との境界部から亀裂が発生することが防止される。また、全体が織物基材１１で構成されているため、繊維強化複合材の筒状部となる糸が自由状態の場合に比べて、複合材を製造する場合に各糸を整然と配列することができる。したがって、フランジを有し、他部材に対する取り付けが容易な筒状繊維強化複合材の強化材として使用した際に、必要な強度を確保することができる。

（２）フランジ部１３は織り組織１４で構成され、筒状部１２は非織り組織１５で構成されている。そのため、筒状繊維構造体１０は、筒状部１２を構成する強化繊維（強化糸１６，１７）にクリンプがないため、フランジ部１３及び筒状部１２が共に織り組織１４で構成されている場合に比べて、複合材を構成した場合に、複合材の強度、剛性に優れる。

（３）筒状繊維構造体１０は、筒状部１２が両側にフランジ部１３を有し、筒状部１２を構成する強化糸１６，１７が非織り組織１５で構成されている。したがって、筒状繊維構造体１０を強化基材とした複合材（繊維強化樹脂）を衝撃吸収用の複合材、例えば、車両のバンパーを支持するエネルギー吸収部材として使用した場合、取り付けが容易で衝撃エネルギーを効率良く吸収することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図５〜図７にしたがって説明する。この実施形態は、筒状部１２の内側に、織物基材２１で形成された補強部１８が設けられている点が、第１の実施形態の筒状繊維構造体１０と異なっており、他の構成は、基本的に第１の実施形態の筒状繊維構造体１０と同じである。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図５に示すように、補強部１８の織物基材２１は、筒状部１２及びフランジ部１３を形成する織物基材１１の筒状部１２に対応する筒状部対応部１１ａの巻回内側端１１ｄに連続している。織物基材２１は、筒状部１２の径方向に延びるように設けられ、筒状部１２における織物基材１１の筒状部対応部１１ａに連続する側と反対側に、筒状部１２の内面に沿って固定される固定部２１ａを有する。固定部２１ａは、図示しない接着剤又はステッチにより筒状部１２の内面に固定されている。

次に筒状繊維構造体１０の製造方法を説明する。
図６（ａ），（ｂ）に示すように、筒状部１２及びフランジ部１３を構成する織物基材１１と、補強部１８を構成する織物基材２１とは反物５０から一体に切り出されて製作される。織物基材２１は、筒状部対応部１１ａと同じ幅で、筒状部対応部１１ａに連続して形成されている。織物基材２１は、筒状部１２の内径と、固定部２１ａの長さの和の長さに形成されている。

筒状繊維構造体１０を製造する場合、治具５１を構成する内側治具５１ｂの構造が第１の実施形態の内側治具５１ｂと異なっている。図７（ａ）に示すように、治具５１は、外側治具５１ａ及び内側治具５１ｂの両者ともに２分割されている。即ち、内側治具５１ｂは半円柱状に形成されるとともに、両端面に図示しない凹部が形成されている。

そして、図７（ｂ）に示すように、織物基材２１の固定部２１ａが内側治具５１ｂの周面に沿うように織物基材２１を２つの内側治具５１ｂで挟持した状態で、織物基材１１の筒状部対応部１１ａを２つの内側治具５１ｂの周面に巻回する。次に外側治具５１ａを内側治具５１ｂに巻回された織物基材１１の筒状部対応部１１ａの外側に被せて、筒状部対応部１１ａを内側治具５１ｂ及び外側治具５１ａによって挟持した状態で、治具５１を図示しない支持装置で保持する。次に、第１の実施形態と同様に、治具５１に挟持された織物基材１１のフランジ部対応部１１ｂの賦形を、例えば、マニピュレータにより行う。なお、図７（ｂ）においては、治具５１と織物基材１１及び織物基材２１との関係を分かり易くするため、治具５１と織物基材１１，２１との間及び織物基材１１の重なり部に隙間を設けている。

この実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（３）に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（４）筒状繊維構造体１０は、筒状部１２の内側に、織物基材２１で形成された補強部１８が設けられている。この構成によれば、筒状繊維構造体１０を衝撃吸収用の複合材として使用した場合に、補強部１８が存在しない場合に比べて衝撃エネルギー吸収量の増加を図ることや座屈の防止を図ることができる。

（５）補強部１８の織物基材２１は、筒状部１２及びフランジ部１３を形成する織物基材１１の筒状部対応部１１ａの巻回内側端１１ｄに連続している。この構成によれば、補強部１８を織物基材１１と別体の織物基材２１で形成した後、筒状部１２に一体化する構成に比べて、補強部１８を所定の位置に設けることが容易になる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を図８〜図１０にしたがって説明する。この実施形態では、筒状部１２の複数層に重なった織物基材１１がステッチ糸２２で縫い合わされて三次元化されている点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図８及び図９に示すように、筒状繊維構造体１０は、筒状部１２の複数層に重なった織物基材１１がステッチ糸２２による本縫いで縫い合わされて三次元化されている。図９に示すように、ステッチ糸２２は、織物基材１１の複数層に重なった部分を貫通して折り返す貫通糸２２ａと、織物基材１１の貫通糸２２ａが折り返す部分を貫通して配列されて貫通糸２２ａの織物基材１１からの抜け止めを行う抜け止め糸２２ｂとで構成されている。この実施形態では、貫通糸２２ａは、筒状部１２の周方向に沿って所定ピッチで縫い込まれ、抜け止め糸２２ｂは筒状部１２の内面側において筒状部１２の軸方向と平行に配列されている。なお、本縫いとは、第１糸（上糸）及び第２糸（下糸）の２本の糸を用い、第１糸のループに第２糸が交差する状態となる縫い方を意味し、この実施形態では貫通糸２２ａが第１糸を、抜け止め糸２２ｂが第２糸を構成する。

次に、ステッチ方法を説明する。筒状部１２の両端部にフランジ部１３を有する筒状繊維構造体１０を、図１０に示すように、筒状部１２が上下方向に延びる状態で図示しない支持装置により支持した状態でステッチを行う。

貫通糸２２ａの挿入装置は、筒状部１２の軸方向（図１０の上下方向）に１列に配列された複数本の貫通糸挿入針２３を備え、複数本の貫通糸挿入針２３が同時に往復移動されて、貫通糸２２ａが筒状部１２を外側から貫通した後、内側部にループ部（図示せず）を形成して折り返すように、貫通糸２２ａを複数本ずつ同時に挿入するようになっている。

また、抜け止め糸２２ｂの挿入装置は、１本の抜け止め糸針２４を備えている。抜け止め糸針２４は、筒状部１２の上方の待機位置に配置され、複数本の貫通糸挿入針２３により筒状部１２の内側に一列に形成された貫通糸２２ａのループ部を貫通して往復移動可能になっている。抜け止め糸針２４は、待機位置から貫通糸２２ａのループ部を貫通して往動し、復動時に筒状部１２の下方に設けられた抜け止め糸供給部２５に連なる抜け止め糸２２ｂを抜け止め糸針２４の先端に掛止した状態で移動して、抜け止め糸２２ｂを貫通糸２２ａのループ内に折り返し状に挿通する。その後、張力調整部（図示せず）の作用により貫通糸２２ａが引き戻され、筒状部１２に挿入された貫通糸２２ａが抜け止め糸２２ｂにより抜け止めされた状態で締付けられて、貫通糸２２ａの１回の挿入サイクルが完了する。貫通糸２２ａの１回の挿入サイクルが完了する毎に、筒状部１２と、貫通糸挿入針２３、抜け止め糸針２４及び抜け止め糸供給部２５とが相対回動されて、順次筒状部１２に対するステッチが行われ、図８に示す筒状繊維構造体１０が製造される。なお、抜け止め糸針２４はその先端に図示しないベラを有し、抜け止め糸針２４が貫通糸２２ａのループを貫通して移動する際に、ループを引っ掛けないようなっている。

この実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（３）に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（６）筒状部１２は複数層に重なった織物基材１１がステッチ糸２２で縫い合わされて三次元化されているため、複数層に重なった織物基材１１がステッチ糸２２で縫い合わされていない構成に比べて、衝撃吸収用の複合材として使用した場合に、エネルギー吸収特性が向上する。また、筒状部１２の内側の熱を外側へ伝達して逃がす必要がある複合材として使用した場合、板厚方向に延びる繊維が存在することにより、板厚方向への熱伝導が良くなって、高温側の熱を逃がし易くなる。

（７）ステッチ糸２２は、貫通糸２２ａ及び抜け止め糸２２ｂが、貫通糸２２ａのループに抜け止め糸２２ｂが交差する状態となる本縫い方式で織物基材１１を縫い合わせているため、単環縫いのように１本の糸で形成されたループが互いに連続して鎖目となる方式に比べて、ステッチ糸が簡単に縫い解けることが防止される。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を図１１及び図１２にしたがって説明する。この実施形態の筒状繊維構造体１０は、筒状部１２を形成する織物基材として、強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度のものと、強化繊維としての糸の配列角度が＋４５度及び−４５度のものとの２種類で構成されている点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

強化繊維としての糸の配列角度が＋４５度及び−４５度の織物基材３１は、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度の非織り組織１５で構成された反物６０から切り出されて形成される。織物基材３１は、織物基材３１の長手方向が反物６０の長手方向と４５度の角度をなす状態となるように切り出すことで形成される。織物基材３１は、その幅が図１２（ａ），（ｂ）に示す織物基材１１の筒状部対応部１１ａの幅と同じで、長さが筒状部対応部１１ａの長さと同じに形成されている。

強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度の織物基材１１は、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、幅方向の両側に織り組織１４を有し、両織り組織１４によって挟まれた幅方向中央側に非織り組織１５を有する反物５０から切り出されて形成される。この織物基材１１は、第１の実施形態の織物基材１１と同様に、筒状部対応部１１ａと、フランジ部対応部１１ｂとを有する。

筒状繊維構造体１０を製造する場合は、第１の実施形態の場合と同様な治具５１を用いて、先ず内側治具５１ｂに織物基材１１の筒状部対応部１１ａに織物基材３１を重ねた状態で、織物基材３１が外側になるように巻回する。次に外側治具５１ａを織物基材３１の外側に被せて、両織物基材１１，３１を外側治具５１ａ及び内側治具５１ｂで挟持する。そして、第１の実施形態と同様にして、治具５１の両端から突出しているフランジ部対応部１１ｂの賦形を行って筒状繊維構造体１０を形成する。その結果、得られた筒状繊維構造体１０は、強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度の層と、強化繊維としての糸の配列角度が＋４５度及び−４５度の層とが交互に積層された状態となる。

この実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（３）に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（８）筒状繊維構造体１０の筒状部は、強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度の織物基材１１と、強化繊維としての糸の配列角度が＋４５度及び−４５度の織物基材３１とで構成されている。この構成によれば、筒状部１２を強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度の織物基材１１のみで形成した場合に比べて、複合材を構成した場合に、面内の剛性を高めて座屈を抑制することができる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態を図１３〜図１６にしたがって説明する。この実施形態の筒状繊維構造体１０は、筒状部１２がテーパー状に形成されている点が第４の実施形態と異なっている。第４の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図１３に示すように、筒状繊維構造体１０は、筒状部１２の内径が一定で、外径が段階的に変化することにより、肉厚が一端側から他端側に向かって段階的に変化している。
筒状繊維構造体１０を構成する、強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度の織物基材１１は、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、幅方向の両側に織り組織１４を有し、両織り組織１４によって挟まれた幅方向中央側に非織り組織１５を有する反物５０から切り出されて形成される。この織物基材１１は、第４の実施形態の織物基材１１と同様に、筒状部対応部１１ａ及びフランジ部対応部１１ｂを有するとともに、一定幅の筒状部対応部１１ａに連続して幅が次第に狭くなるテーパー部対応部１１ｃを有する。

筒状繊維構造体１０を構成する、強化繊維としての糸の配列角度が＋４５度及び−４５度の織物基材３１は、図１５（ａ），（ｂ）に示すように、強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度の非織り組織１５で構成された反物６０から切り出されて形成される。織物基材３１は、織物基材３１の長手方向が反物６０の長手方向と４５度の角度をなす状態となるように切り出すことで形成される。織物基材３１は、その幅及び長さが織物基材１１の筒状部対応部１１ａと同じ筒状部対応部３１ａと、筒状部対応部３１ａに連続するテーパー部対応部３１ｃとを有し、テーパー部対応部３１ｃは、その幅及び長さが織物基材１１のテーパー部対応部１１ｃの幅及び長さと同じに形成されている。

筒状繊維構造体１０を製造する場合は、第１の実施形態の場合とほぼ同様な治具５１を用いて、先ず内側治具５１ｂに織物基材１１の筒状部対応部１１ａ及びテーパー部対応部１１ｃに織物基材３１の筒状部対応部３１ａ及びテーパー部対応部３１ｃを重ねた状態で、織物基材３１が外側になるように巻回する。次に外側治具５１ａを織物基材３１の外側に被せて、両織物基材１１，３１を外側治具５１ａ及び内側治具５１ｂで挟持する。そして、第１の実施形態と同様にして、治具５１の両端から突出しているフランジ部対応部１１ｂの賦形を行って筒状繊維構造体１０を形成する。その結果、得られた筒状繊維構造体１０の筒状部１２は、強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度の層と、強化繊維としての糸の配列角度が＋４５度及び−４５度の層とが交互に積層され、かつ筒状部１２の内径が一定で、外径が段階的に変化することにより、肉厚が一端側から他端側に向かって段階的に変化した状態となる。

この実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（３）及び第４の実施形態の（８）に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（９）筒状繊維構造体１０は、筒状部１２がテーパー状に形成されているため、衝撃吸収用の複合材として使用した場合に、筒状部１２の径及び肉厚とも一定の構成に比べて、エネルギー吸収特性が良好になる。具体的には、荷重と変位との関係が、図１６に示すグラフのように、圧縮荷重に比例して変位が次第に上昇した後、一定荷重で変位が大きくなる。

（１０）筒状部１２は、その内径が一定で、外径が段階的に変化することにより、肉厚が一端側から他端側に向かって段階的に変化することでテーパー状に形成されている。したがって、例えば、螺旋織物を巻回して肉厚が一定なテーパー状の筒状部１２を形成する場合と異なり、根元部（径の大きい側）に向かって繊維の密度が小さくならず、エネルギー吸収特性がより改善される。また、織物基材１１，３１が螺旋織物を使用せずに形成できるため、螺旋織物を使用する場合に比べて、製造が簡単になる。

実施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。
○ 織物基材１１のフランジ部対応部１１ｂを構成する強化糸１６，１７のうち、フランジ部１３が形成された状態において周方向に沿って配列される糸、即ち強化糸１６は、図１７に示すように、フランジ部１３の径方向外側（図１７の上側）に配列される糸ほど太い糸が使用された構成としてもよい。この構成によれば、フランジ部１３を構成する周方向に沿って配列される強化糸１６の密度が径方向外側程大きくなる。一方、フランジ部１３を構成する径方向に沿って配列される強化糸１７の密度は径方向外側程小さいため、結果としてフランジ部１３における強化糸１６，１７の密度の粗密差を抑制することができる。

○ フランジ部１３の周方向に沿って配列される糸、即ち強化糸１６の配列ピッチが径方向外側程密に配列された構成としてもよい。この場合も、フランジ部１３における強化糸１６，１７の密度の粗密差を抑制することができる。

○ 筒状部１２がテーパー状に形成されている筒状繊維構造体１０は、図１８に示すように、筒状部１２の肉厚が一定で、径が一端側から他端側に向かって次第に変化する構成としてもよい。この筒状繊維構造体１０は、織物基材として螺旋織物を使用することにより、製造することができる。なお、図１８においては、織物基材の重なり部の図示を省略している。

○ 筒状部１２は円筒状やテーパー筒状に限らず、筒状繊維構造体１０の使用目的に対応して適宜変更してもよい。例えば、筒状繊維構造体１０をタービンブレード用の複合材の強化材として使用する場合は、図１９に示すように、筒状部１２として一部に内側に凸の曲面部を有する形状としてもよい。この場合、３軸組紐組織で構成された場合に比べて、筒状部１２を構成する強化糸のクリンプ量が少ないため、複合材を構成した状態で表面の凹凸が小さくなり、座屈を抑制することができる。また、外力による変形量が小さいため、気流の安定した流れを確保することができる。また、複合材をＣＭＣ材（セラミック・マトリックス・コンポジット）とした場合、破壊までの歪み量の小さい（脆い）ＣＭＣ材の破壊を抑制することができる。

○ 図２０に示すように、筒状繊維構造体１０は、フランジ部１３より突出する位置決め筒部２６を有してもよい。筒状繊維構造体１０で複合材を形成した場合、複合材を他の部材に取り付けるには、複合材を所定の位置に位置決めした状態で固定する必要がある。筒状繊維構造体１０がフランジ部１３より突出する位置決め筒部２６を有していれば、複合材を被取付け部に取り付けるのに、位置決め筒部２６の箇所が被取付け部に設けられた位置決め凸部あるいは位置決め凹部に嵌合して位置決めされた状態でフランジ部において取り付けることができる。したがって、位置決め筒部が存在しない場合に比べて、複合部材を目的の位置に取り付けることが容易になる。

○ 第２の実施形態のように筒状部１２の内側に、織物基材２１で形成された補強部１８を設ける場合、図２１（ｂ）に示すように、固定部２１ａを有する織物基材２１を筒状部１２及びフランジ部１３を形成する織物基材１１と別体として形成した後、図２１（ａ）に示すように、固定部２１ａにおいて筒状部１２に一体化してもよい。補強部１８と筒状部１２との一体化は、接着剤やステッチによって行われる。この場合、筒状繊維構造体１０を形成した後に、必要に応じて補強部１８を取り付けることができる。

○ 織り組織１４と非織り組織１５とを有する織物基材１１は、非織り組織１５を構成する強化糸１６，１７が補助糸１６ａ，１７ａと織り組織を構成することにより所定の位置に保持する構成に限らない。例えば、図２２に示すように、補助糸１６ａ，１７ａを使用せずに、強化糸１６と強化糸１７とをその交差部においてバインダーにより接着してもよい。交差部の全てにおいてバインダーで接着する必要はなく、筒状繊維構造体１０を取り扱う際に、形状保持ができる状態であればよい。

○ 織物基材１１は、必ずしも強化糸１６，１７の非織り組織１５で構成される筒状部対応部１１ａと、強化糸１６，１７の織り組織１４で構成されるフランジ部１３とを備える必要はない。例えば、第４の実施形態において、図２３（ｂ）に示すように、強化糸１６，１７のみで平織りされた反物から織物基材１１を切り出し、その反物から図２３（ａ）に示すように、配列角度が＋４５度の強化糸１９ａと、配列角度が−４５度の強化糸１９ｂからなる織物基材３１を切り出してもよい。

○ 第４の実施形態や第５の実施形態において、図２４（ｂ）に示すように、強化糸１６，１７のみがバインダーで接着されて構成された反物から、図２４（ａ）に示すように、配列角度が＋４５度の強化糸１９ａと、配列角度が−４５度の強化糸１９ｂからなる織物基材３１を切り出してもよい。強化糸１６，１７は全ての交差部がバインダーで接着される必要はなく、筒状繊維構造体１０を取り扱う際に、形状保持ができる状態であればよい。

○ ステッチ糸２２が構成する本縫いは、下糸に相当する抜け止め糸２２ｂが真っ直ぐに延びる構成に限らず、図２５に示すように、一般的な本縫いのように上糸に相当する貫通糸２２ａと抜け止め糸２２ｂとが織物基材１１の厚さ方向の略中央で折り返す構成、即ち縫い目の表裏が同じ、かつ縫い目構成が１縫い目ごとに独立した縫い方としてもよい。

○ ステッチ糸２２に吸水性が無く、強度が高い繊維、例えば、ガラス繊維や炭素繊維を使用すると、吸水性の有る有機繊維を使用した場合に比べてエネルギー吸収特性が良くなる。

○ 筒状繊維構造体１０をタービンブレードに使用する場合、強化繊維及びステッチ糸２２にはセラミック繊維を使用するのが好ましい。そして、複合材はＣＭＣとなるため、成形時にマトリックスの収縮が大きく、特に角部に割れが発生し易いが、三次元化することで収縮による変形を抑え、成形時の割れを防止することができる。

○ 補強部１８は、筒状部１２の径方向に延びるプレート状の構造に限らない。例えば、補強部１８を波状に折り曲げられた織物基材で形成したり、織物基材を筒状に巻回したりしてもよい。

○ 筒状繊維構造体１０は、車両のバンパーを支持するエネルギー吸収部材やタービンブレードに限らず、他の目的で使用される繊維強化複合材の強化材に使用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

（１）請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の筒状繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材。

１０…筒状繊維構造体、１１，２１，３１…織物基材、１１ａ，３１ａ…筒状部対応部、１１ｄ…巻回内側端、１２…筒状部、１３…フランジ部、１４織り組織、１５…非織り組織、１８…補強部、２２…ステッチ糸、２６…位置決め筒部。

上記課題を解決する筒状繊維構造体は、織物基材を巻回して賦形され、筒状部の少なくとも片側にフランジ部を有し、前記フランジ部の周方向に沿って配列される糸が一周にわたって連続している。ここで、「織物基材」とは、少なくとも配列方向が２方向となるように配列された糸で構成され、少なくとも一部に糸の織り部（交錯部）が存在するものを意味する。なお、この明細書では、「糸」とは、繊維束に撚りを掛けたものに限らず、撚りが掛けられていない繊維束をも含む意味で使用する。

前記フランジ部は、前記周方向に沿って配列される糸に、前記フランジ部の径方向外側に配列される糸ほど太い糸が使用されるか、周方向に沿って配列される糸の配列ピッチが径方向外側程密に形成されていることが好ましい。この構成によれば、フランジ部を構成する周方向に沿って配列される糸の密度が径方向外側程大きくなる。一方、フランジ部を構成する径方向に沿って配列される糸の密度は径方向外側程小さいため、結果としてフランジ部における糸の密度の粗密差を抑制することができる。

Claims (11)

1. 織物基材を巻回して賦形され、筒状部の少なくとも片側にフランジ部を有することを特徴とする筒状繊維構造体。
2. 前記フランジ部は織り組織で構成され、前記筒状部は非織り組織で構成されている請求項１に記載の筒状繊維構造体。
3. 前記筒状部の内側に、織物基材で形成された補強部が設けられている請求項１又は請求項２に記載の筒状繊維構造体。
4. 前記補強部の織物基材は、前記筒状部及び前記フランジ部を形成する前記織物基材の前記筒状部に対応する筒状部対応部の巻回内側端に連続している請求項３に記載の筒状繊維構造体。
5. 前記筒状部は、複数層に重なった前記織物基材がステッチ糸で縫い合わされて三次元化されている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の筒状繊維構造体。
6. 前記筒状部を形成する織物基材は、強化繊維としての糸の配列角度が０度及び９０度のものと、強化繊維としての糸の配列角度が＋４５度及び−４５度のものとで構成されている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の筒状繊維構造体。
7. 前記フランジ部は、周方向に沿って配列される糸に、前記フランジ部の径方向外側に配列される糸ほど太い糸が使用される請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の筒状繊維構造体。
8. 前記フランジ部は、周方向に沿って配列される糸の配列ピッチが径方向外側程密に形成されている請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の筒状繊維構造体。
9. 前記筒状部はテーパー状に形成されている請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の筒状繊維構造体。
10. 前記筒状部は肉厚が一端側から他端側に向かって段階的に変化している請求項９に記載の筒状繊維構造体。
11. 前記フランジ部より突出する位置決め筒部を有する請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の筒状繊維構造体。