JP2006010578A

JP2006010578A - カーボンナノ材料の分布測定装置

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Publication number: JP2006010578A
Application number: JP2004190093A
Authority: JP
Inventors: Yoshitoshi Yamagiwa; 佳年山極; Yukihiko Takahashi; 幸彦高橋
Original assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】測定が短時間で済み、装置が小型でよく且つ三次元的立体物をも容易に測定することができる測定装置を提供することを課題とする。
【解決手段】測定装置１０は、三次元形状の複合成形品１１を囲うドーム型の絶縁性基板１３と、この絶縁性基板１３の内側の面に取付ける複数個のコイル１４と、これらのコイル１４から引き出した回路１５と、これらの回路１５を集約し、選択した１個のコイルの情報を出力するスイッチ手段１６と、選択した１個のコイル１４の情報からそのコイル１４のインピーダンス変化量を測定する電気的変化量測定手段１８とからなる。
【効果】複数個のコイルを複合成形品に沿って臨ませ、１個の電気的変化量測定手段とスイッチング手段とにより、複数個の情報を得ることができ、分布を知ることができる。コイルを走査する必要がないので、短時間で測定を実施することができ、生産性を高めることができる。コイルを精密に走査させる必要がないので、装置を小型にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンナノ材料の分布測定技術の改良に関する。

近年、カーボンナノ材料と称する特殊な炭素繊維を、プラスチックに混入することで導電性プラスチックにすることや、繊維強化プラスチックにする技術が注目を浴びている。

図１０はカーボンナノファイバのモデル図であり、カーボンナノファイバ１１０は、六角網目状に配列した炭素原子のシートを筒状に巻いた形態のものであり、直径Ｄが１．０ｎｍ（ナノメートル）〜１５０ｎｍであり、ナノレベルであるため、カーボンナノファイバ又はカーボンナノチューブと呼ばれる。なお、長さＬは数μｍ〜１００μｍである。

炭素原子が立方格子状に並んだものがダイヤモンドであって、ダイヤモンドは極めて硬い物質である。カーボンナノファイバ１１０は、ダイヤモンドと同様に規則的な結晶構造を有するために機械的強度は大きい。また、炭素は電気を良く通すため、電極などに用いられる。カーボンナノファイバやカーボンナノチューブ、その他のカーボンナノ物質をカーボンナノ材料と呼ぶ。

樹脂材料にカーボンナノ材料を混ぜて成形した複合成形品においては、カーボンナノ材料が樹脂中にどのように分布しているかが重要になる。分布にむらがあると、強度や特性にばらつきが発生し、品質の低下を招くからである。

複合成形品で添加物の分布を調べる手法として、サンプルを切断し、切断面を顕微鏡で拡大することが知られている。しかし、これでは測定に時間がかかり、且つ成形品を破断するため商品や製品には適用できない。
そこで、非破壊検査法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平５−６６２１８号公報（請求項１）

特許文献１は、複合成形品に接触させないようにして検出コイルを臨ませ、この検出コイルを走査させる。そして、検出コイルのインダクタンスの変化を調べて金属の有無を測定するというものである。

しかし、検出コイルを走査させるのでは、測定に時間がかかり、生産性の向上が難しい。さらには、金属が磁界内を通過した際のインダクタンスが変化する検出コイルが前提となっているため、検出コイルの走査速度を精密に制御するなどインダクタンスの変化を促す必要があり、装置が大型化する。

また、測定対象が平板である場合は、測定はそれほど難しくないが、測定対象が曲面などを含む三次元的立体物である場合は、検出コイルを曲面などに沿って移動しなければならず測定に技術を要する。

本発明は、測定が短時間で済み、装置が小型でよく且つ三次元的立体物をも容易に測定することができる測定装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、樹脂材料にカーボンナノ材料を混ぜて成形した複合成形品を測定対象にして、この複合成形品中のカーボンナノ材料の分布を計測する測定装置において、この測定装置は、前記複合成形品を囲う絶縁性基板と、この絶縁性基板に前記複合成形品に臨ませて取付ける複数個のコイルと、これらのコイルのインピーダンス変化量を測定する電気的変化量測定手段と、この電気的変化量測定手段と前記複数個のコイルとを結ぶ回路に介設し、順に選択した１個のコイルの変化量を電気的変化量測定手段へ伝達可能にするスイッチング手段と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、複合成形品は三次元的立体物であり、絶縁性基板はドーム型基板であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、複合成形品は平板であり、絶縁性基板は平板状基板であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、複数個のコイルを複合成形品に沿って臨ませ、１個の電気的変化量測定手段とスイッチング手段とにより、複数個の情報を得ることができ、分布を知ることができる。
コイルを走査する必要がないので、短時間で測定を実施することができ、生産性を高めることができる。
コイルを精密に走査させる必要がないので、装置を小型にすることができる。

請求項２に係る発明では、絶縁性基板はドーム型基板としたので、三次元的立体物を測定対象にすることができる。コイルを走査する必要がないので、測定に格別の技術は必要が無く、測定作業は容易になる。

請求項３に係る発明では、絶縁性基板は平板状基板としたので、平板状の測定対象に好適である。平板状基板は容易に得ることができ、装置コストを低減することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るカーボンナノ材料の分布を計測する測定装置の斜視図であり、カーボンナノ材料の分布を計測する測定装置１０（以下、測定装置１０という）は、樹脂材料にカーボンナノ材料を混ぜて成形した複合成形品１１を測定対象にして、複合成形品中のカーボンナノ材料の分布を計測する測定装置である。

測定装置１０は、複合成形品１１を載せる台１２と、三次元形状の複合成形品１１を囲うドーム型の絶縁性基板１３と、この絶縁性基板１３の内側の面に取付ける複数個のコイル１４・・・（・・・は複数個を示す。以下同じ）と、これらのコイル１４・・・から引き出した回路１５・・・と、これらの回路１５・・・を集約し、選択した１個のコイル１４の情報を出力するスイッチ手段１６と、このスイッチ手段１６を介して１個のコイル１４に交流を給電する交流給電プラグ１７と、選択した１個のコイル１４の情報からそのコイル１４のインピーダンス変化量を測定する電気的変化量測定手段１８と、測定したインピーダンス変化量を記憶し、整理し、表示する演算表示部１９とからなる。

図２は図１の２矢視図であり、ドーム型の絶縁性基板１３の内面に所定の間隔でコイル１４・・・を配列したことを示す。
図３は本発明に係るドーム型の絶縁性基板の断面図であり、ドーム型の絶縁性基板１３の内面に配列したコイル１４・・・から導線を引き出し、絶縁性基板１３の外面に回路１５・・・を形成したことを示す。
便宜上、回路１５・・・は絶縁性基板１３の外面に露出させたが、絶縁性基板１３に埋設することもできる。

図４はコイルの動作説明図であり、交流電源２１により交流電圧を印可するとコイル１４に電流ｉが流れ、この流れに伴って白抜き矢印の磁束２１、２１が発生する。この磁束２１、２１の影響を受けて複合成形品１１に渦電流が発生し、この渦電流の発生に伴って複合成形品１１側に磁束２２・・・が発生する。この磁束２２・・・の有無や大小が磁束２１、２１に影響を及ぼす。

コイル１４の巻き数、材質、形状によって定まる特性値がインダクタンスＬである。このインダクタンスＬに周波数ｆと２πを乗じたものが、リアクタンスＸである。
そして、リアクタンスＸの２乗と抵抗Ｒの２乗との和の平方根（（Ｒ^２＋Ｘ^２）^０．５）が、インピーダンスＺとなる。

図５は抵抗とリアクタンスとインピーダンスとの相関図である。
（ａ）において、横軸に抵抗Ｒ、縦軸にリアクタンスＸをとると、インピーダンスＺは右上がりのベクトルとして表すことができる。

（ｂ）において、ベクトルＺは、コイル１４単体によるインピーダンスであるとする。すなわち、図４において複合成形品１１なしで測定して得たインピーダンスＺである。
次に、図４において複合成形品１１をコイル１４に臨ませると、磁束２２，２２の影響を受け、図５（ｂ）に示すインピーダンスＺｅに変化する。
両ベクトルの差に相当するベクトルＺｃが、インピーダンスの変化量となる。

ところで、図４において複合成形品１１に含まれるカーボンナノ材料の量により渦電流が変化し、磁束２２、２２の大きさが変化する。
すなわち、インピーダンスＺｅは複合成形品１１に含まれるカーボンナノ材料の添加量に対応して変化するから、ベクトルＺｃを測ることでカーボンナノ材料の添加量を調べることができる。その具体例を次に説明する。

図６はカーボンナノ材料添加量と抵抗値との関係を調べたグラフであり、横軸はカーボンナノ材料添加量、縦軸は体積抵抗値を示す。
横軸の「０」は、カーボンナノ材料がゼロ、すなわちカーボンナノ材料の添加量がゼロの場合を示し、このときには抵抗値は大きい。そして、カーボンナノ材料の添加量を増加すると抵抗値が減少することが分かる。抵抗値はインピーダンスと密接な関係がある。

測定したインピーダンスの変化量を、体積抵抗値に換算し、換算した体積抵抗値を図６の縦軸に当てはめれば、そのときのカーボンナノ材料の添加量を知ることができる。

そこで、図１において、台１２に載せた三次元形状の複合成形品１１にドーム形の絶縁基板１３を被せ、スイッチ手段１６で、コイル１４を切り替えながらインピーダンスの変化量を調べた。その結果を、次に示す。

図７は複数のコイルにおけるインピーダンスの変化量を調べたグラフであり、横軸はコイル番号（Ｓ１〜Ｓ７）、縦軸はインピーダンスの変化量Ｚｃを示す。
Ｓ１〜Ｓ７の変化量Ｚｃを棒グラフ化すると共に、平均値及び標準偏差σを求め、平均値±σの範囲を許容範囲とした。すると、Ｓ５では下に外れ、Ｓ７では上に外れた。

すると、Ｓ５のコイルが臨む部位ではカーボンナノ材料の添加量が他の部位より小さいと判定でき、Ｓ７のコイルが臨む部位ではカーボンナノ材料の添加量が他の部位より大きいと判定できる。なお、測定時間は装置のセット時間とスイッチ手段の切換え時間との合計になるが、スイッチ手段の切換え時間はごく僅かである。
したがって、カーボンナノ材料の分布が均一であるか否かを短時間で判定することができる。

図８は図１の別実施例図であり、複合成形品１１は平板であり、絶縁性基板１３は平板状基板であることを特徴とする。その他の要素は図１の符号を流用し、詳細な説明は省略する。
図９は図８の９矢視図であり、コイル１４・・・を所定間隔で配列したことを示す。
平板状基板は容易に得ることができ、装置コストを低減することができる。

尚、本発明のドーム型絶縁基板の形状は、半球殻に限定するものではなく、三次元立体物である複合成形品の形状に倣った形状であればよい。

本発明は、プラスチックにカーボンナノ材料を添加してなる複合成形品を検査対象とし、カーボンナノ材料の分布を測定技術に好適である。

本発明に係るカーボンナノ材料の分布を計測する測定装置の斜視図である。図１の２矢視図である。本発明に係るドーム型の絶縁性基板の断面図である。コイルの動作説明図である。抵抗とリアクタンスとインピーダンスとの相関図である。カーボンナノ材料添加量と抵抗値との関係を調べたグラフである。複数のコイルにおけるインピーダンスの変化量を調べたグラフである。図１の別実施例図である。図８の９矢視図である。カーボンナノファイバのモデル図である。

符号の説明

１０…カーボンナノ材料の分布を計測する測定装置、１１…複合成形品、１３…絶縁基板、１４…コイル、１５…回路、１６…スイッチ手段、１８…電気的変化量測定手段。

Claims

樹脂材料にカーボンナノ材料を混ぜて成形した複合成形品を測定対象にして、この複合成形品中のカーボンナノ材料の分布を計測する測定装置において、
この測定装置は、前記複合成形品を囲う絶縁性基板と、この絶縁性基板に前記複合成形品に臨ませて取付ける複数個のコイルと、これらのコイルのインピーダンス変化量を測定する電気的変化量測定手段と、この電気的変化量測定手段と前記複数個のコイルとを結ぶ回路に介設し、順に選択した１個のコイルの変化量を電気的変化量測定手段へ伝達可能にするスイッチング手段と、からなることを特徴とするカーボンナノ材料の分布測定装置。
前記複合成形品は三次元的立体物であり、前記絶縁性基板はドーム型基板であることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノ材料の分布測定装置。
前記複合成形品は平板であり、前記絶縁性基板は平板状基板であることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノ材料の分布測定装置。