JP2007183292A - 複合材の配合比同定法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物を破壊せずに、測定対象物の配合比を迅速かつ簡便に同定する。
【解決手段】複合材に含まれる導電性物質の配合比を同定する方法であって、当該配合比を同定する対象となる対象複合材に、所定周波数の交流を流す電極を接触させてキャパシタンスを測定する測定ステップと、既知の配合比を持つ複数の標準複合材に対して、上記測定ステップと同様のステップを行うことによって得られた上記既知の配合比と上記キャパシタンスとの相関関係に、上記対象複合材を用いて得られたキャパシタンスを照合して、上記対象複合材の配合比を同定する配合比同定ステップとを有する複合材の配合比同定法とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、導電性物質を含む複合材であって、特に半導体よりも電気抵抗率が高い複合材の配合比を同定する方法に関する。

一般に、導体および半導体よりも電気抵抗率が高い複合材の配合比は、顕微鏡を用いた観察あるいは電気抵抗率の測定により同定されている。

顕微鏡を用いた観察は、配合比を測定する対象物の一部を切り出して、光学顕微鏡若しくは電子顕微鏡等の顕微鏡により観察される異種物質のコントラストの違いから配合比を同定する方法である。

また、電気抵抗率の測定は、４端子法若しくは体積抵抗法に代表される方法である（例えば、特許文献１を参照。）。この測定法は、予め既知の配合比を持つ標準サンプルの電気抵抗率を測定しておき、測定対象物の一部を切り出して、その表面に電極を接触させて測定した電気抵抗率を、標準サンプルの電気抵抗率と照合し、配合比を推定する方法である。

４端子法は、図２０に示すように、測定対象物の一部６０の表面に等間隔で４本の針状の電極６１を接触せしめ、表面の接触抵抗を排除した条件にて体積抵抗率を求める方法である。一方、体積抵抗法は、図２１に示すように、測定対象物の一部６０の両面に、平板電極６２，６２を接触せしめ、体積抵抗率を求める方法である。

一方、コイルのインピーダンスの変化を利用して導体あるいは半導体の導電率を測定する方法が知られている。この方法は、渦電流法として、導電率の測定のみならず、金属の探傷にも広く利用されている。

特開２００１−２８１２８０号公報（特許請求の範囲、要約書等）

しかし、上述のような従来の方法には、次のような問題がある。顕微鏡を用いた観察および電気抵抗率の測定を行う場合には、測定対象物を測定に供するために適切な大きさと形状に切り出す必要があり、前処理に多大な労力と時間が必要となる。

一方、上述の渦電流法は、１オーム・メートル以下の体積抵抗率を有する導体あるいは１〜１００オーム・メートルの体積抵抗率を有する一般的な半導体を対象とする場合には適しているが、１００オーム・メートル以上の体積抵抗率を有する材料の場合には、その体積抵抗率を正確に測定することはできない。特に、不導体に導体を混ぜた複合材の場合、不導体に対する導体の配合比が低い領域では、その配合比の同定は難しい。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、測定対象物を破壊せずに、測定対象物の配合比を迅速かつ簡便に同定することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、複合材に含まれる導電性物質の配合比を同定する方法であって、当該配合比を同定する対象となる対象複合材に、所定周波数の交流を流す電極を接触させてキャパシタンスを測定する測定ステップと、既知の配合比を持つ複数の標準複合材に対して、測定ステップと同様のステップを行うことによって得られた既知の配合比とキャパシタンスとの相関関係に、対象複合材を用いて得られたキャパシタンスを照合して、対象複合材の配合比を同定する配合比同定ステップとを有する複合材の配合比同定法としている。

このように、インピーダンスアナライザを用いて、複合材のキャパシタンスを測定することによっても、配合比を同定することが可能である。複合材のキャパシタンスは、電極を複合材に接触させて調べることができるので、複合材を加工する必要がなく、非破壊にて測定を実現できる。また、キャパシタンスを測定する時間は１秒以内であるため、極めて短時間で配合比を求めることができる。また、キャパシタンスは、複合材に占める導電性物質の割合（配合比）に敏感に検出できるため、配合比が低い範囲にあっても同定可能である。

また、別の本発明は、標準複合材における導電性物質の占める割合を、標準複合材の全重量に対して７．５〜２０．０重量部の範囲にある複合材の配合比同定法としている。

本発明では、既知の配合比を持つ標準複合材として種々の配合比を持つ複合材を適用できるが、導電性物質の占める割合が７．５以上２０．０重量部以下の範囲にある標準複合材を用いる方がより好ましい。配合比と、上述のキャパシタンスとの間に、より良好な相関関係がみられるからである。

なお、以下の方法を採用することもできる。すなわち、複合材に含まれる導電性物質の配合比を同定する方法であって、当該配合比を同定する対象となる対象複合材に、コイル単独の共振周波数よりも低い励振周波数または高い励振周波数の交流にて励振されたコイルを接近させて、コイルのインピーダンスの変化を測定する測定ステップと、Ｘ軸およびＹ軸をそれぞれインピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分とするＸＹ座標にインピーダンスの変化をベクトルとして表すインピーダンス変化ベクトルにおいて、その抵抗成分の値をリアクタンス成分の値で除した第１の値およびリアクタンス成分である第２の値をそれぞれＸ座標値およびＹ座標値とする座標をＸＹ座標上に表し、原点から当該座標までの距離を算出する距離算出ステップと、既知の配合比を持つ複数の標準複合材に対して、測定ステップおよび距離算出ステップと同様のステップを行うことによって得られた距離と既知の配合比との相関関係に、対象複合材を用いて算出された距離を照合して、対象複合材の配合比を同定する配合比同定ステップとを有する複合材の配合比同定法である。

このような同定法を採用し、未知の配合比を持つ複合材のインピーダンス特性を測定することにより、当該複合材の配合比を同定することができる。インピーダンスの変化はインピーダンスアナライザのコイルを複合材に接近させる動作で調べることができるので、複合材を加工する必要がなく、しかも非破壊にて測定を実現できる。また、インピーダンスの変化を測定する時間は１秒以内であるため、極めて短時間で配合比を求めることができる。また、インピーダンスの変化は、複合材に占める導電性物質の割合（配合比）に極めて敏感に検出できるため、配合比が０．１重量部以下であっても同定可能である。したがって、導電性物質の配合比が低い複合材であっても、その配合比を同定できることになる。

また、先の発明における低い励振周波数を、コイル単独の共振周波数よりも１０〜２０％低い周波数とする複合材の配合比同定法を採用することもできる。

コイル単独の共振周波数と測定に用いられる励振周波数との関係は、複合材の種類に依存する。ポリプロピレンにカーボンナノチューブを混ぜた複合材を用いる場合には、励振周波数をコイル単独の共振周波数よりも１０〜２０％程低い周波数を用いるのが好ましい。このような範囲の励振周波数を用いると、複合材に占めるカーボンナノチューブの配合比と、距離算出ステップにて得られる距離との間に、より良好な相関関係がみられる。

また、前述の高い励振周波数を、コイル単独の共振周波数よりも０．５〜１０％高い周波数とする複合材の配合比同定法を採用することもできる。

ポリプロピレンにカーボンナノチューブを混ぜた複合材を用いる場合には、励振周波数をコイル単独の共振周波数よりも０．５〜１０％程高い周波数を用いることもできる。このような範囲の励振周波数を用いると、複合材に占めるカーボンナノチューブの配合比と、距離算出ステップにて得られる距離との間に、より良好な相関関係がみられる。

また、複合材に含まれる導電性物質の配合比を同定する方法であって、当該配合比を同定する対象となる対象複合材に、コイル単独の共振周波数よりも高い励振周波数の交流にて励振されたコイルを接近させて、コイルのインピーダンスの変化を測定する測定ステップと、Ｘ軸およびＹ軸をそれぞれインピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分とするＸＹ座標に、インピーダンスの変化をベクトルとして表すインピーダンス変化ベクトルにおいて、その抵抗成分の値をリアクタンス成分の値で除した第１の値およびリアクタンス成分である第２の値をそれぞれＸ座標値およびＹ座標値とする座標をＸＹ座標上に表し、原点と当該座標を結ぶ直線のＸ軸若しくはＹ軸に対する傾きを算出する傾き算出ステップと、既知の配合比を持つ複数の標準複合材に対して、測定ステップおよび傾き算出ステップと同様のステップを行うことによって得られた傾きと既知の配合比との相関関係に、対象複合材を用いて算出された傾きを照合して、対象複合材の配合比を同定する配合比同定ステップとを有する複合材の配合比同定法を採用することもできる。

このような同定法を採用し、未知の配合比を持つ複合材のインピーダンス特性を測定することにより、当該複合材の配合比を同定することができる。インピーダンスの変化はインピーダンスアナライザーのコイルを複合材に接近させる動作で調べることができるので、複合材を加工する必要がなく、しかも非破壊にて測定を実現できる。また、インピーダンスの変化を測定する時間は１秒以内であるため、極めて短時間で配合比を求めることができる。また、インピーダンスの変化は、複合材に占める導電性物質の割合（配合比）に極めて敏感に検出できるため、配合比が０．１重量部以下であっても、同定可能である。したがって、導電性物質の配合比が低い複合材であっても、その配合比を同定できることになる。

また、前述の高い励振周波数を、コイル単独の共振周波数よりも０．５〜１０％高い周波数とする複合材の配合比同定法とすることもできる。

コイル単独の共振周波数と測定に用いられる励振周波数との関係は、複合材の種類に依存する。ポリプロピレンにカーボンナノチューブを混ぜた複合材を用いる場合には、励振周波数をコイル単独の共振周波数よりも０．５〜１０％程高い周波数を用いるのが好ましい。このような範囲の励振周波数を用いると、複合材に占めるカーボンナノチューブの配合比と、傾き算出ステップにて得られる傾きとの間に、より良好な相関関係がみられる。

また、前述の標準複合材における導電性物質の占める割合を、標準複合材の全重量に対して２０．０重量部以下とする複合材の配合比同定法とすることもできる。

本発明では、既知の配合比を持つ標準複合材として種々の配合比を持つ複合材を適用できるが、導電性物質の占める割合が０より大きく２０．０重量部以下の範囲にある標準複合材を用いる方がより好ましい。配合比と、上述の距離若しくは上述の傾きとの間に、より良好な相関関係がみられるからである。

また、インピーダンスの変化に基づいて配合比を同定する方法（これを、インピーダンス法と称する。）と、キャパシタンスに基づいて配合比を同定する方法（これを、キャパシタンス法と称する。）とを組み合わせることによって、対象複合材の配合比をより正確に同定することも可能である。インピーダンス法は、複合材に占める導電性物質の配合比が特に２０．０重量部以下の複合材に対してより好適に採用できる方法である。一方、キャパシタンス法は、複合材に占める導電性物質の配合比が特に７．５以上２０．０重量部以下の複合材に対してより好適に採用できる方法である。このため、例えば、配合比０．１以上７．５重量部以下の範囲にある標準複合材を用いてインピーダンス法による相関関係を求め、配合比７．５より大きく２０．０重量部以下の範囲にある標準複合材を用いてキャパシタンス法による相関関係を求めておくと、対象複合材の配合比が０．１以上２０．０重量部の範囲にあれば、インピーダンス法若しくはキャパシタンス法のいずれかに基づくデータによって正確な配合比を調べることができる。

本発明によれば、測定対象物を破壊せずに、測定対象物の配合比を迅速かつ簡便に同定することができる。

以下、本発明に係る複合材の配合比同定法の参考形態および実施の形態について説明する。

（参考形態）
まず、インピーダンスの変化を利用した配合比の同定方法について説明する。図１は、複合材の配合比同定法に使用する装置を示す図である。

この装置は、インピーダンスアナライザ１と、これに接続されるパーソナルコンピュータ（以後、「パソコン」という。）２とから構成される。インピーダンスアナライザ１には、コイル３が備えられている。交流電源に接続されるコイル３を複合材４に接近させることによって、複合材４に接近させる前後におけるコイル３のインピーダンスの変化を測定することができる。

図２は、インピーダンスアナライザ１を用いてインピーダンスの変化を測定する原理を説明するための図である。

いま、周波数ｆ（Ｈｚ）の交流ｉ（Ａ）によって励振されるコイル３に、コイル３を鎖交する磁束Φｃが発生しているものとする。このコイル３を複合材４に接近させると、複合材４に、磁束Φｃと鎖交する渦電流ｉｅ（Ａ）が流れる。この渦電流ｉｅ（Ａ）によって生成される磁束Φｅにより、コイル３の磁束Φｃが変化する。この結果、コイル３のインピーダンスが変化する。

図３は、複合材４にコイル３を接近させる前後におけるインピーダンスの変化を示す図である。横軸はインピーダンスの抵抗成分Ｒであり、縦軸はインピーダンスのリアクタンス成分ωＬである（ω：角周波数、Ｌ：コイル３のインダクタンス）。

コイル３と配線から成る交流回路の場合、インピーダンスは、抵抗成分Ｒとリアクタンス成分ωＬとをそれぞれＸ座標およびＹ座標とするＸＹ平面座標上のベクトルで表すことができる。この場合、インピーダンスの大きさは、（Ｒ^２＋（ωＬ）^２）^１／２と表すことができる。図３に示すように、コイル３を複合材４に接近させることによって、複合材４に接近する前のコイル３のインピーダンスベクトルＺがインピーダンスベクトルＺｅに変化すると、インピーダンスベクトルＺｅからインピーダンスベクトルＺを引くことによって、複合材４にコイル３を接近させたことによって変化した分のインピーダンス変化ベクトルＺｃを求めることができる。

図４は、パソコン２の内部構造を示すブロック図である。

パソコン２は、インピーダンスアナライザ１にて測定したインピーダンスに関するデータを処理する役割を有しており、そのために必要なプログラムを格納し、それを実行する。パソコン２は、その本体の内部に、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０と、Ｐ−ＲＯＭ（Programmable Read Only Memory）１１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２と、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）１３と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１４と、Ｉ／Ｆ（Interface）回路１５と、ビデオ回路１６とを備えている。これら１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６は、バス１７によって接続され、互いに信号の送受信が可能となっている。

ＣＰＵ１０は、パソコン２で行う各種処理を統括的に制御する部分であり、Ｐ−ＲＯＭ１１内の制御プログラムに基づく各種制御を実行する。Ｐ−ＲＯＭ１１は、ＣＰＵ１０用の制御プログラムを格納する読み出し専用のメモリである。ＲＡＭ１２は、各種処理を行うにあたり、データまたはプログラムを読み書き可能に格納しておくメモリである。ＥＥＰＲＯＭ１３は、データを一時的に記憶しておく、電気的に消去可能なメモリである。

ＨＤＤ１４は、オペレーティングシステム（Operating System：ＯＳ）の他、各種プログラムを格納する部分である。ＨＤＤ１４は、インピーダンスアナライザ１によって測定したデータを受け取り、これをデータ処理するためのプログラムを格納している。

ＣＰＵ１０は、このプログラムを実行して、既知の配合比を持つ標準複合材について、インピーダンス変化ベクトルの抵抗成分の値をリアクタンス成分の値で除した第１の値およびリアクタンス成分の値である第２の値をそれぞれＸ軸およびＹ軸にとって表すＸＹ座標上の座標から原点までの距離、および当該座標と原点とを結ぶ直線とＸ軸との傾きを求め、当該距離若しくは当該傾きと標準複合材の配合比との相関関係を求める処理を行う。

また、ＣＰＵ１０は、このプログラムを実行して、配合比を同定する対象となる対象複合材について、インピーダンス変化ベクトルの抵抗成分の値をリアクタンス成分の値で除した第１の値およびリアクタンス成分の値である第２の値をそれぞれＸ軸およびＹ軸にとって表すＸＹ座標上の座標から原点までの距離、および当該座標と原点とを結ぶ直線とＸ軸との傾きを求め、先に求めた相関関係のデータと照合して、対象複合材の配合比を同定する処理を行う。

Ｉ／Ｆ回路１５は、キーボードあるいはポインティングデバイス等の入力装置１８とパソコン２本体との間のデータのインターフェイスとなる回路である。また、Ｉ／Ｆ回路１５は、ＣＤ（Compact Disk）ドライブあるいはＤＶＤ（Digital Versatile Disk）ドライブといった各種のディスクドライブ１９との間でデータのインターフェイスとなる回路である。また、ビデオ回路１６は、ディスプレイ２０に、演算結果等を表示するための回路である。

次に、標準複合材および対象複合材を用いた配合比同定法の流れについて説明する。

図５は、標準複合材の配合比と、インピーダンス変化ベクトルの抵抗成分の値をリアクタンス成分の値で除した第１の値およびリアクタンス成分の値である第２の値をそれぞれＸ軸およびＹ軸にとって表すＸＹ座標上の座標から原点までの距離との相関関係を求めるまでの処理の流れを示すフローチャートである。

まず、既知の配合比を持つ複数種の標準複合材を試料として、その各々についてインピーダンスの変化を測定する（ステップＳ２１：測定ステップ）。標準複合材は、マトリックスとなる不導体に導電性物質を混ぜたものである。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン等をマトリックスとして、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、金属微粒子等の第２成分を混ぜた複合材を用いることができる。また、試料として用いる標準複合材の数は、２以上であれば、その数は限定されないが、５以上とする方が好ましい。

また、ここでは、コイル３を励振する交流の励振周波数を、コイル３単独の共振周波数よりも低い周波数としている。さらに、具体的には、励振周波数を、コイル３単独の共振周波数よりも1０〜２０％低い周波数としている。ただし、標準複合材の種類および導電性物質の量に応じて、励振周波数の値は任意に決定可能である。

インピーダンスの測定後、コイル３を標準複合材に接近させる前後で変化したインピーダンスをベクトルとして、パソコン２のディスプレイ２０に表示する（ステップＳ２２）。ただし、このインピーダンス変化ベクトルをディスプレイ２０に表示しなくても、ベクトルのデータを生成するだけでも、ベクトル表示ステップに含まれる。

次に、コイル３を接近させる前後でインピーダンスの抵抗成分Ｒをリアクタンス成分ωＬで除した値がどれだけ変化したかを示す値（第１の値：ΔＲ／ωＬ）と、コイル３を接近させる前後でインピーダンスのリアクタンス成分ωＬがどれだけ変化したかを示す値（第２の値：ΔωＬ／ωＬ）を算出する（ステップＳ２３）。

次に、図６に示すように、ΔＲ／ωＬおよびΔωＬ／ωＬをそれぞれＸ軸およびＹ軸にとって表すＸＹ座標上に、各標準複合材を用いて得られた座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）を表し、原点から当該座標までの距離を算出する（ステップＳ２４：距離算出ステップ）。

次に、各標準複合材の配合比と、各標準複合材についてステップＳ２４にて求めた距離との相関関係を表示する（ステップＳ２５）。この相関関係を求めるステップは、ディスプレイ２０にグラフ化して表示する場合も、表示しない場合も含む。

図７は、配合比を同定する対象となる対象複合材の配合比を同定するまでの処理の流れを示すフローチャートである。

まず、対象複合材についてインピーダンスの変化を測定する（ステップＳ３１：測定ステップ）。対象複合材は、先に述べた標準複合材と同じマトリックスおよび第２成分を有する。

インピーダンスの測定後、コイル３を対象複合材に接近させる前後で変化したインピーダンスをベクトルとして、パソコン２のディスプレイ２０に表示する（ステップＳ３２）。

次に、コイル３を接近させる前後でインピーダンスの抵抗成分Ｒをリアクタンス成分ωＬで除した値がどれだけ変化したかを示す値（第１の値：ΔＲ／ωＬ）と、コイル３を接近させる前後でインピーダンスのリアクタンス成分ωＬがどれだけ変化したかを示す値（第２の値：ΔωＬ／ωＬ）を算出する（ステップＳ３３）。

次に、図６に示したグラフと同様、ΔＲ／ωＬおよびΔωＬ／ωＬをそれぞれＸ軸およびＹ軸にとって表すＸＹ座標上に、対象複合材を用いて得られた座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）を表し、原点から当該座標までの距離を算出する（ステップＳ３４：距離算出ステップ）。

次に、ステップＳ３４にて求めた距離と、ステップＳ２５にて求めた相関関係とを照合して、対象複合材の配合比を同定する（ステップＳ３５：配合比同定ステップ）。

なお、図５および図７に示すフローチャートは、コイル３の励振周波数を、コイル３単独の共振周波数よりも低い周波数とした場合の処理の流れであるが、励振周波数を、コイル３単独の共振周波数よりも高い周波数とすることもできる。さらに、具体的には、励振周波数は、コイル３単独の共振周波数よりも０．５〜１０％高い周波数とすることができる。ただし、標準複合材の種類に応じて、励振周波数の値は任意に決定可能である。

励振周波数をコイル３単独の共振周波数よりも高くする場合には、ステップＳ２４において原点と座標とを結ぶ直線のＸ軸に対する傾きと、配合比との相関もみられる。したがって、ステップＳ２４およびステップＳ３４では、図６のグラフから傾きを算出し、ステップＳ３５において、対象複合材を用いて得られた傾きを、標準複合材の傾きと配合比との相関関係と照合して、対象複合材の配合比を同定することができる。なお、ステップＳ２４およびステップＳ３４において、傾きと距離とを両方算出するようにしても良い。

（実施の形態）
次に、キャパシタンスを利用した配合比の同定方法について説明する。図８は、本発明の実施の形態に係る複合材の配合比同定法に使用する装置を示す図である。

この装置は、インピーダンスアナライザ１と、これに接続されるパソコン２とから構成される。インピーダンスアナライザ１には、２枚の電極４０，４０が接続されている。これらの電極４０，４０により複合材４をはさむことによって、複合材４のキャパシタンスを測定することができる。

本発明の実施の形態におけるパソコン２の構成は、本発明の参考形態におけるパソコン２の構成と同様の構成であるため、当該構成の説明は省略する。ただし、実施の形態におけるデータの処理方法は、参考形態のそれと異なるため、異なる処理の内容について説明する。

ＣＰＵ１０は、ＨＤＤ１４に格納されるプログラムを実行して、既知の配合比を持つ複数の標準複合材に対して、所定周波数の交流電源に接続された電極を接触させて測定したキャパシタンスと各標準複合材の配合比との相関関係を求める。また、ＣＰＵ１０は、配合比を同定する対象となる対象複合材に対して測定したキャパシタンスと先の相関関係とを照合して、配合比の同定を行う。

次に、標準複合材および対象複合材を用いた配合比同定法の流れについて説明する。

図９は、標準複合材の配合比とキャパシタンスとの相関関係を求めるまでの処理の流れを示すフローチャートである。

まず、既知の配合比を持つ複数種の標準複合材を試料として、交流電源の周波数を変化させてキャパシタンスを測定する（ステップＳ４１：測定ステップ）。標準複合材は、マトリックスとなる不導体に導電性物質を混ぜた参考形態と同様の材料である。なお、標準複合材の種類および導電性物質の量は、上述のものに限定されない。

次に、ある１つの周波数における各標準複合材のキャパシタンスと、その各々の配合比と各標準複合材の配合比との相関関係を求める（ステップＳ４２）。この相関関係を求めるステップは、ディスプレイ２０にグラフ化して表示する場合も、表示しない場合も含む。ここで、「ある１つの周波数」は、配合比との相関関係が明確になる周波数として任意に選択できる。この選択は、パソコン２の処理により行っても良く、手動によって行っても良い。後者の場合には、図９のフローチャートのステップＳ４１とステップＳ４２との間に、「周波数の選択指示」というステップ（ステップＳ４１ａ）が実行される。

図１０は、配合比を同定する対象となる対象複合材の配合比を同定するまでの処理の流れを示すフローチャートである。

まず、対象複合材について、標準複合材のデータに使用された「ある１つの周波数」と同一の周波数の交流電源にてキャパシタンスを測定する（ステップＳ５１：測定ステップ）。対象複合材は、先に述べた標準複合材と同じマトリックスおよび第２成分を有する。

次に、測定の結果得られたキャパシタンスと、ステップＳ５１にて求めた相関関係とを照合して、対象複合材の配合比を同定する（ステップＳ５２：配合比同定ステップ）。

次に、本発明の配合比同定法により複合材の配合比を同定した例を説明する。

（参考例１）
「インピーダンス法による配合比の同定」
標準複合材として、ポリプロピレンをマトリックス材とし、気相成長カーボンナノファイバ（Vapor Grown Carbon nano-Fiber：ＶＧＣＦ）をフィラ材とする繊維強化プラスチックを用いた。ＶＧＣＦは、平均径１５０ｎｍ、平均長１０〜２０μｍのファイバである。また、測定に用いた標準複合材の配合比は、複合材の全重量に占めるＶＧＣＦの重量の割合が０、０．１、０．５、１．０、２．５、５．０、７．５、１０．０、１５．０および２０．０重量部とした。

インピーダンスの測定には、Agilent Technologies社製のインピーダンスアナライザ（機種Ｎｏ．４２９４Ａ）を用いた。各種配合比の標準複合材を用いたインピーダンスの変化の測定に先立ち、コイル３を励振する周波数ｆを４．０〜７．０ＭＨｚに変化させた時のインピーダンス特性を測定した。

図１１および図１２は、各種標準複合材のインピーダンス−周波数特性および位相−周波数特性を、それぞれ示すグラフである。各曲線を指す表示の内、アルファベットの部分（ＰＰ、ＰＱ等）は各標準複合材を区別する記号であり、その後ろのカッコ内の数字はＶＧＣＦの重量％である。以後の図においても同様である。なお、これらのインピーダンス特性に、コイル３の特性も含まれている。コイル３単独の共振周波数は、約５．４８ＭＨｚである。図１１および図１２から明らかなように、標準複合材の配合比が大きくなるほど、共振周波数が５．４８ＭＨｚより低い側にシフトしていくことがわかった。この結果より、コイル３の励振周波数を５．４８ＭＨｚより約１８％低い４．５１ＭＨｚとして、各種標準複合材を用いた際のインピーダンスの変化を調べた。

図１３は、配合比の違いによるインピーダンスグラフである。

図１３に示すグラフは、励振周波数４．５１ＭＨｚにより励振させたコイル３を各種標準複合材に接近させることによるインピーダンス変化を調べ、抵抗成分Ｒをリアクタンス成分ωＬで除した値の変化値（ΔＲ／ωＬ）をＸ軸にとり、リアクタンス成分ωＬの変化値（ΔωＬ／ωＬ）をＹ軸にとり、各種標準複合材の各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）をプロットしたものである。図１３（１３Ｂ）は、図１３（１３Ａ）の円で囲った部分Ｘを拡大して示すグラフである。

図１４は、図１３に示すインピーダンスグラフにおける各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）の原点からの距離と、各種標準複合材の配合比との関係を示すグラフである。

図１４に示すグラフから明らかなように、標準複合材の配合比が高くなる程、原点から座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）までの距離が非線形的に大きくなることがわかった。

次に、未知の配合比を持ち配合比同定の対象となる２種類の対象複合材（複合材Ａ、複合材Ｂ）を用いて、励振周波数４．５１ＭＨｚにて励振させたコイル３の接近前後におけるインピーダンスの変化から、図１３と同様のグラフ上の各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）の原点からの各距離を求めた。当該各距離を、図１４に示すグラフから求められる相関関係と照合すると、表１に示すように、複合材ＡおよびＢの配合比は、それぞれ約２．６重量部および約７．０重量部と同定できた。同じ複合材ＡおよびＢの配合比を４端子法により測定した電気伝導率から求めると、それぞれ２．７重量部および７．２重量部であった。この結果から、インピーダンスの変化に基づき、座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）の原点からの距離から配合比を同定する方法は、正確な配合比を求める１つの有効な方法であると考えられる。

（参考例２）
「インピーダンス法による配合比の同定」
用いた標準複合材およびインピーダンスアナライザ１は、参考例１と同一である。励振周波数は、コイル３単独の共振周波数５．４８ＭＨｚより約０．５％高い５．５ＭＨｚとした。

図１５は、配合比の違いによるインピーダンスグラフである。

図１５に示すグラフは、励振周波数５．５ＭＨｚにより励振させたコイル３を各種標準複合材に接近させることによるインピーダンス変化を調べ、抵抗成分Ｒをリアクタンス成分ωＬで除した値の変化値（ΔＲ／ωＬ）をＸ軸にとり、リアクタンス成分ωＬの変化値（ΔωＬ／ωＬ）をＹ軸にとり、各種標準複合材の各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）をプロットしたものである。

図１６は、図１５に示すインピーダンスグラフにおける各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）の原点からの距離と、各種標準複合材の配合比との関係を示すグラフである。

図１６に示すグラフから明らかなように、標準複合材の配合比が高くなる程、原点から座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）までの距離が大きくなることがわかった。

次に、未知の配合比を持ち配合比同定の対象となる２種類の対象複合材（複合材Ｃ、複合材Ｄ）を用いて、励振周波数５．５ＭＨｚにて励振させたコイル３の接近前後におけるインピーダンスの変化から、図１５と同様のグラフ上の各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）の原点からの各距離を求めた。当該各距離を、図１６に示すグラフから求められる相関関係と照合すると、表２に示すように、複合材ＣおよびＤの配合比は、それぞれ約８．０重量部および約０．１重量部と同定できた。同じ複合材ＣおよびＤの配合比を４端子法により測定した電気伝導率から求めると、それぞれ７．８重量部および０．１重量部であった。この結果から、インピーダンスの変化に基づき、座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）の原点からの距離から配合比を同定する方法は、正確な配合比を求める１つの有効な方法であると考えられる。

図１７は、図１５に示すインピーダンスグラフにおける各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）のＸ軸に対する傾き（ｔａｎθ値）と、各種標準複合材の配合比との関係を示すグラフである。

図１７に示すグラフから明らかなように、標準複合材の配合比が高くなる程、Ｘ軸に対する座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）の角度が小さくなることがわかった。

次に、未知の配合比を持ち配合比同定の対象となる２種類の対象複合材（複合材Ｃ、複合材Ｄ）を用いて、励振周波数５．５ＭＨｚにて励振させたコイル３の接近前後におけるインピーダンスの変化から、図１６と同様のグラフ上の各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）のＸ軸に対する角度を求めた。当該各角度を、図１７に示すグラフから求められる相関関係と照合すると、表３に示すように、複合材ＣおよびＤの配合比は、それぞれ約７．９重量部および約０．１重量部であると同定できた。この結果から、座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）と原点とを結ぶ直線のＸ軸に対する傾きから配合比を同定する方法は、正確な配合比を求める１つの有効な方法であると考えられる。

（実施例１）
「キャパシタンス法による配合比の同定」
用いた標準複合材およびインピーダンスアナライザ１は、参考例１および参考例２と同一である。キャパシタンス測定時の交流電源の周波数は、１〜１４ＭＨｚの範囲とした。

図１８は、配合比の違いによるキャパシタンス−周波数特性を示すグラフである。

図１８に示すグラフから、配合比が高くなるにつれて、キャパシタンスも大きくなることがわかった。また、配合比の高い標準複合材ほど、周波数の変化に対するキャパシタンスの変化も大きいことがわかった。

図１９は、周波数１０ＭＨｚにおける各標準複合材の配合比とキャパシタンスとの関係を示すグラフである。

図１９に示すように、標準複合材のキャパシタンスは、その配合比が高くなるにつれて大きくなる関係があることが認められた。

次に、未知の配合比を持ち配合比同定の対象となる２種類の対象複合材（複合材Ｅ、複合材Ｆ）を用いて、交流電源の周波数を１０ＭＨｚとした条件にてキャパシタンスを測定した。その結果、複合材Ｅのキャパシタンスは１２ピコファラッド（ｐＦ）であり、複合材Ｆのキャパシタンスは４２ピコファラッド（ｐＦ）であった。これらのキャパシタンスを図１９に示すグラフから求められる相関関係と照合すると、表４に示すように、複合材ＥおよびＦの配合比は、それぞれ約５．０重量部および約２０．０重量部であることがわかった。同じ複合材ＥおよびＦの配合比を４端子法により測定した電気伝導率から求めると、それぞれ４．９重量部および１９．８重量部であった。この結果から、キャパシタンスに基づき配合比を同定する方法は、正確な配合比を求める１つの有効な方法であると考えられる。

以上、本発明の各実施の形態および実施例について説明したが、本発明は、これらに限定されることなく、種々変形を施した形態にて実施可能である。

インピーダンスの変化に基づいて配合比を同定する方法において、コイル３の励振周波数は、コイル３単独の共振周波数よりも１０〜２０％低い周波数を用いたが、その範囲の周波数に限定されるものではない。複合材に混ぜる第２成分の種類および量に応じて、励振周波数を、共振周波数よりも０．５から１０％未満の範囲あるいは２０より大きく３０％以下の範囲の低い周波数とすることもできる。

また、同様に、コイル３の励振周波数をコイル３単独の共振周波数よりも高い値とする場合には、共振周波数よりも０．５〜１０％高い周波数を励振周波数とするのが好ましいが、その範囲の周波数に限定されるものではない。複合材に混ぜる第２成分の種類および量に応じて、励振周波数を、共振周波数よりも１０より大きく３０％以下の範囲の高い周波数とすることもできる。

配合比を調べる対象となる対象複合材に占める第２成分の配合比は、２０重量部以下の範囲ではなく、２０より大きく４０重量部以下の範囲でも良い。導電性の低い第２成分を混ぜた複合材の場合には、２０より大きく４０重量部以下の範囲で混ぜたものでも、精度良く、その配合比を求めることができる。

また、インピーダンス法において、座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）のＸ軸に対する傾きを採用したが、Ｙ軸に対する傾きを採用しても良い。また、傾きは、ｔａｎθ値で示される場合に限定されず、ラジアンで表しても良い。

また、インピーダンスアナライザ１とパソコン２とを一体化した装置を用いて、インピーダンスの変化を測定し、測定後のデータの処理を行うようにしても良い。また、本発明の配合比同定法におけるデータ処理に属する各ステップを記述したコンピュータプログラムをＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ等の情報記録媒体に格納して、業として第三者に譲渡することも可能である。この場合、当該情報記録媒体をパソコン２にセットして、内部のコンピュータプログラムをパソコン２にインストールしてから同コンピュータプログラムを実行することによって、本発明の配合比同定法のデータ処理を行うことができる。また、当該コンピュータプログラムの譲渡は、情報記録媒体を介さず、インターネット等の通信回線を利用して配布するとによっても可能である。

ポリプロピレンにＶＧＣＦを混ぜた複合材を試料とす場合、本発明の複合材の配合比同定法の内、インピーダンスの変化に基づく同定法は、複合材に占める第２成分の配合比が７．５重量部より低いと予想される場合に適している。一方、同試料を用いる場合、本発明の複合材の配合比同定法の内、キャパシタンスに基づく同定方法は、複合材に占める第２成分の配合比が７．５〜２０重量部の範囲にあると予想される場合に適している。このため、インピーダンス法とキャパシタンス法とを組み合わせることによって、２０．０重量部以下の配合比を有する複合材の配合比をより正確に同定することが可能となる。

本発明は、複合材を成形加工する際のモニタとして使用できるので、製品の品質管理に利用可能である。その他、本発明は、定期的に複合材のインピーダンスの変化を調べることにより、保守検査を行う非破壊検査手法としても利用できる。

本発明の参考形態に係る複合材の配合比同定法に使用する装置を示す図である。 図１に示すインピーダンスアナライザを用いてインピーダンスの変化を測定する原理を説明するための図である。 複合材にコイルを接近させる前後におけるインピーダンスの変化を示す図である。 図１に示すパーソナルコンピュータの内部構造を示すブロック図である。 本発明の参考形態にかかる複合材の配合比同定法において、標準複合材の配合比と、インピーダンス変化ベクトルの抵抗成分の値をリアクタンス成分の値で除した第１の値およびリアクタンス成分の値である第２の値をそれぞれＸ座標およびＹ座標にとってＸＹ座標上に示す座標から原点までの距離との相関関係を求めるまでの処理の流れを示すフローチャートである。 図５の処理において、ΔＲ／ωＬおよびΔωＬ／ωＬをそれぞれＸ座標およびＹ座標とするＸＹ座標上に、インピーダンス変化ベクトルの抵抗成分の値をリアクタンス成分の値で除した第１の値およびリアクタンス成分の値である第２の値を座標として示す図である。 本発明の参考形態にかかる複合材の配合比同定法において、配合比を同定する対象となる対象複合材の配合比を同定するまでの処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る複合材の配合比同定法に使用する装置を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる複合材の配合比同定法において、標準複合材の配合比とキャパシタンスとの相関関係を求めるまでの処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態にかかる複合材の配合比同定法において、配合比を同定する対象となる対象複合材の配合比を同定するまでの処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の参考例１において、各種標準複合材のインピーダンス−周波数特性を示すグラフである。 本発明の参考例１において、各種標準複合材の位相−周波数特性を示すグラフである。 本発明の参考例１において、配合比の違いによるインピーダンスグラフである。 図１３に示すインピーダンスグラフにおける各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）の原点からの距離と、各種標準複合材の配合比との関係を示すグラフである。 本発明の参考例２において、配合比の違いによるインピーダンスグラフである。 図１５に示すインピーダンスグラフにおける各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）の原点からの距離と、各種標準複合材の配合比との関係を示すグラフである。 図１５に示すインピーダンスグラフにおける各座標（ΔＲ／ωＬ，ΔωＬ／ωＬ）と原点とを結ぶ直線のＸ軸に対する傾きと、各種標準複合材の配合比との関係を示すグラフである。 本発明の実施例１において、配合比の違いによるキャパシタンス−周波数特性を示すグラフである。 本発明の実施例１において、周波数１０ＭＨｚにおける各標準複合材の配合比とキャパシタンスとの関係を示すグラフである。 従来の４端子法を説明するための図である。 従来の体積抵抗法を説明するための図である。

符号の説明

１ インピーダンスアナライザ
３ コイル
４ 複合材

Claims (2)

1. 複合材に含まれる導電性物質の配合比を同定する方法であって、
   当該配合比を同定する対象となる対象複合材に、所定周波数の交流を流す電極を接触させてキャパシタンスを測定する測定ステップと、
   既知の配合比を持つ複数の標準複合材に対して、上記測定ステップと同様のステップを行うことによって得られた上記既知の配合比と上記キャパシタンスとの相関関係に、上記対象複合材を用いて得られたキャパシタンスを照合して、上記対象複合材の配合比を同定する配合比同定ステップと、
   を有することを特徴とする複合材の配合比同定法。
2. 前記標準複合材における導電性物質の占める割合は、前記標準複合材の全重量に対して７．５〜２０．０重量部の範囲であることを特徴とする請求項１記載の複合材の配合比同定法。

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