JP2018165040A - ヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化させることなく、カーボン繊維のバンド幅を計測できる方法を提供すること。【解決手段】本発明にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法は、ライナー１３にヘリカル巻きされているカーボン繊維バンドのバンド幅を計測する方法である。カーボン繊維バンドが巻かれたライナー１３にレーザー光２１を照射し、レーザー光２１の照射領域からの反射光像を撮像するステップと、撮像された反射光像の長手方向と直交する方向がライナー１３の長手方向の軸となす角度を、カーボン繊維バンドの巻き角度として算出するステップと、巻き角度が切り替わる間隔と巻き角度からカーボン繊維バンドのバンド幅を算出するステップと、を備える。反射光像を撮像する工程において、カーボン繊維バンドが巻かれたライナー１３を回転させながらレーザー光２１を照射することによって、レーザー光２１の照射領域をライナー１３の周方向に移動させる。【選択図】図３

Description

本発明は、ヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法に関する。

高圧流体タンクの製造方法として、フィラメントワインディング（Filament Winding）法（以下「ＦＷ」法とも呼ぶ）が知られている。ＦＷ法とは、ライナーの外周に、予め熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を幾重にも巻き付け、熱硬化性樹脂を熱硬化させてタンクを製造する方法である。ＦＷ法を用いることで、ライナーの表層に高強度の繊維強化樹脂層を形成できる。

ＦＷ法を用いて高圧流体タンクを製造する場合、所望の強度を得るために、ライナーに巻き付ける繊維を適切な位置および角度で巻き付ける必要がある。しかし、たとえば繊維がライナー表面を滑るなどして、繊維が適切な位置からずれてしまうことがある。このような場合、繊維の間に空隙が生じ、ライナーの表層に所望の強度を得られなくなってしまう。そこで、最終製品に対し、レーザー光を用いたセンサーによって外観の形状を検査する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１０−０００６９３号公報

特許文献１では、ライナーの側面を撮像することでライナーの表層を検査する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１にかかる発明ではライナーの側面をライナーの長手方向に走査するための設備が必要であり、装置が大型化してしまうという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、装置を大型化させることなく、ヘリカル巻カーボン繊維バンドのバンド幅を計測できる方法を提供するものである。

本発明にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法は、基材にヘリカル巻きされているカーボン繊維バンドのバンド幅を計測する方法であって、前記カーボン繊維バンドが巻かれた前記基材にレーザー光を照射し、前記レーザー光の照射領域からの反射光像を撮像する工程と、撮像された前記反射光像の長手方向と直交する方向が前記基材の長手方向の軸となす角度を、前記カーボン繊維バンドの巻き角度として算出する工程と、前記巻き角度が切り替わる間隔と前記巻き角度から前記カーボン繊維バンドのバンド幅を算出する工程と、を備え、前記反射光像を撮像する工程において、前記カーボン繊維バンドが巻かれた前記基材を回転させながら前記レーザー光を照射することによって、前記レーザー光の照射領域を前記基材の周方向に移動させることを特徴としたものである。

この形態の計測方法によれば、ライナーを回転させながらレーザー光を照射することで、ライナーの側面をライナーの周方向に走査することができる。このため、レーザー光源をライナーの長手方向に走査させる設備を必要としない。よって装置を大型化させることなく、ヘリカル巻カーボン繊維バンドのバンド幅を計測できる。

本発明により、装置を大型化させることなく、ヘリカル巻カーボン繊維バンドのバンド幅を計測できる方法を提供することができる。

タンクの製造方法を示す模式図である。 計測されるタンクと、計測装置と、制御装置の概略構成を示す模式図である。 ヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法を示すフローチャートである。 光が照射されたカーボン繊維バンドから出る反射光を示す模式図である。 図２にかかるタンクについて外周線に沿って見たときのカーボン繊維の向きを模式的に示したものである。 図５にかかるカーボン繊維の巻き角度と、走査位置との関係を示したグラフである。 図５にかかるカーボン繊維バンド幅の求め方を示す説明図である。 図２と異なるヘリカル巻きパターンを用いたタンクについて外周線に沿って見たときのカーボン繊維の向きを模式的に示したものである。 図８にかかるカーボン繊維の巻き角度と、走査位置との関係を示したグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。
なお、当然のことながら、図１およびその他の図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。また、ｙ軸正方向からｚ軸正方向へ向かって回転する角度を周方向位相φと定義する。

＜実施の形態１＞
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法で計測されるタンク１の製造方法について説明する。タンク１は、高圧水素ガスなどの高圧流体を貯蔵するためのタンクである。図１は、製造途中のタンク１と、その製造方法を表した模式図である。
図１において、中心軸ＣＸはタンク１の回転軸を示し、ｘ軸と平行である。このとき、タンク１の周方向を一周する外周線ＣＲは、ｙｚ平面上に円を描く。

図１に示すように、タンク１は、基材となるライナー１３と、ライナー１３の外表面に巻かれた第１カーボン繊維バンド１１と、第２カーボン繊維バンド１２と、ライナー１３の長手方向の両端部に設けられた２つの口金部１４と、を備える。
また、タンク１の製造工程においては、ライナー１３を回転させる回転モーター１５と、第１カーボン繊維バンド１１および第２カーボン繊維バンド１２を形成するカーボン単繊維１００と、カーボン単繊維１００を繰り出すボビン１６と、を備える。

ライナー１３は、タンク１の内殻を構成する。本実施の形態において、ライナー１３は、低密度ポリエチレンで形成されている。図１に示すように、ライナー１３は、円筒部１３１と、円筒部１３１の両端に連なる２つのドーム部１３２と、を備える。円筒部１３１は円筒状の外観を有する。円筒部１３１の軸線は、タンク１の中心軸ＣＸに一致する。２つのドーム部１３２は、それぞれドーム状の外観形状を有し、それぞれの頂部に口金部１４が設けられている。口金部１４は、配管や弁を取り付けるために用いられる。
なおライナー１３は、低密度ポリエチレンに代えて、高密度ポリエチレンやリニアポリエチレンなどの他の樹脂材料、または金属材料により形成されていてもよい。

タンク１の製造工程において、ライナー１３は回転モーター１５によって、中心軸ＣＸまわりに、ｚ軸正方向側からｙ軸正方向側に向かうように回転される。この回転に伴って、ライナー１３の外表面には、ボビン１６から張られたカーボン単繊維１００が巻き付けられる。

カーボン単繊維１００は、直径が数μｍ程度のカーボン製の繊維であって、たとえばポリアクリロニトリル系カーボン繊維が用いられる。また、カーボン単繊維１００には熱硬化性樹脂が含浸されている。熱硬化性樹脂としては、たとえばエポキシ樹脂が用いられる。
なお、カーボン単繊維１００には、ポリアクリロニトリル系カーボン繊維に代えて、レーヨン系カーボン繊維やピッチ系カーボン繊維など、他の任意の種類のカーボン繊維を用いてもよい。また、カーボン単繊維１００には、熱硬化性樹脂に代えて紫外線硬化性樹脂が含浸されていてもよい。

タンク１の製造において、ライナー１３へのカーボン単繊維１００の巻き方として、ヘリカル巻きとフープ巻きとが用いられる。ヘリカル巻きでは、ライナー１３の全体に、ヘリカル状にカーボン単繊維１００が巻かれる。フープ巻きでは、ライナー１３のうち円筒部１３１に、外周線ＣＲと略平行にカーボン単繊維１００が巻かれる。ヘリカル巻きおよびフープ巻きにより、ライナー１３上に複数のカーボン単繊維１００の層が形成される。最終的には、カーボン単繊維１００が多数、たとえば２万本束ねられ、図２に示したようにライナー１３の外表面を覆う。束ねられた多数のカーボン単繊維１００は加熱処理で硬化され、補強層として形成される。
なお、カーボン単繊維１００はライナー１３の外表面を完全に覆わなくてもよい。

図１では、カーボン単繊維１００の巻き方の例として、ライナー１３にヘリカル状の第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２を巻いた様子を示している。第１カーボン繊維バンド１１は、ｘ軸に対して角度αの巻き角度で巻かれたカーボン単繊維１００の帯状の集合であり、第２カーボン繊維バンド１２は、ｘ軸に対して角度βの巻き角度で巻かれたカーボン単繊維１００の帯状の集合である。第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２は、それぞれ複数本ずつあって、交互に重なるように巻かれている。

次に、図２を参照して、本実施の形態にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法で用いる計測装置２と制御装置３の構成について説明する。
図２は、図１からさらに第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２が巻かれた後のタンク１と、タンク１に巻き付けられたカーボン繊維の形状を測定する計測装置２と、計測装置２を制御する制御装置３を表した模式図である。

制御装置３は、計測装置２全体を制御する。本実施の形態では、制御装置３は、コンピューターにより構成されている。制御装置３のＣＰＵは、メモリに予め格納されている制御プログラムを実行することにより、算出制御部３１、照明制御部３２、巻き角度算出部３３、位相制御部３４、および幅算出部３５として機能する。算出制御部３１は、照明制御部３２、巻き角度算出部３３、位相制御部３４、および幅算出部３５をそれぞれ制御して、カーボン繊維バンドの巻き角度や幅を算出する。

計測装置２は図示しないレーザー光源を備えており、所定波長のレーザー光２１をライナー１３の表面に向けて射出する。レーザー光２１の光軸はｙ軸と平行である。レーザー光２１には、たとえば波長が６３５ｎｍの赤色レーザー光や、５３２ｎｍの緑色レーザー光などが用いられる。また、レーザー光２１の光源は、多数の半導体レーザー素子からなるアレイにより構成されており、本実施の形態では、射出されるレーザー光２１の直径は、カーボン単繊維１００の直径のおよそ１／１０程度に設定されている。
なお、レーザー光２１の直径はカーボン単繊維１００の直径のおよそ１／１０に限定されず、第１カーボン繊維バンド１１や第２カーボン繊維バンド１２の幅よりも小さい任意の大きさに設定されてもよい。また、レーザー光２１の代わりに直線性を有する光を用いてもよい。

また計測装置２は、レーザー光２１の照射領域から出る反射光像を撮像する。このため計測装置２は、図示しない拡散板と、集光レンズ群と、撮像装置とを備えている。拡散板は、半透明の略円盤状の外観形状を有する。拡散板の中心部には、レーザー光源が配置されている。拡散板には、カーボン単繊維１００からの反射光２２が入射する。拡散板は、入射された反射光２２の直線的な透過を抑制させつつ反射光２２からなる反射光像を形成する。かかる画像は、帯状の明るい像として形成される。集光レンズ群は、拡散板により形成された像を表す光を、撮像装置における所定領域に集める。撮像装置は、撮像素子からなる二次元イメージセンサーを有する。このようなイメージセンサーとしては、ＣＣＤイメージセンサーや、ＣＭＯＳイメージセンサーを用いてもよい。撮像装置は、かかるイメージセンサーにより、拡散板により形成された像を撮像して撮像画像を得る。

計測装置２を構成する上述したレーザー光源、拡散板、集光レンズ群、および撮像装置は、互いに共通する光軸を有するように配置されている。図２に示すように、計測装置２は制御装置３と電気的に接続されており、計測装置２によって得られた撮像画像データは、制御装置３へと送信される。

なお、本実施の形態にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法に用いる計測装置２は、固定させていてもよいが、ｘ軸方向に移動できるようにすると、測定する領域を自由に選択できるため好ましい。

次に、図３を参照して、本実施の形態にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法について説明する。
図３は、制御装置３によって行われる、本実施の形態にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法を示すフローチャートである。

まず、本実施の形態にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測を開始するにあたり、回転モーター１５はライナー１３をｚ軸正方向側からｙ軸正方向側に向かうように回転させる。回転モーター１５は、回転エンコーダパルスを制御装置３に送る。

計測装置２は、所定波長のレーザー光２１をライナー１３の表面に向けて射出し、照射位置から出た反射光像を撮像する。計測の初めに、レーザー光２１が照射されるライナー１３の位置の周方向位相φをφ＝０°と規定する。ライナー１３の回転時において、レーザー光２１が照射されるライナー１３の位置の周方向位相φは、回転モーター１５から送られる回転エンコーダパルスをもとに、位相制御部３４によって求められる。計測装置２は制御装置３と電気的に接続されており、計測装置２によって得られた撮像画像データは、制御装置３へと送信される。レーザー光２１の照射は、照明制御部３２によって制御される（ステップＳ３０１）。

レーザー光２１が照射されたライナー１３の表面からは反射光２２が出る。後述するように、反射光２２は、照射されたカーボン単繊維１００の長手方向と直交する向きに広がる。このため、反射光２２の像の長手方向と、ライナー１３の長手方向の軸（ｘ軸）とがなす角度を計測することで、カーボン単繊維１００の巻き角度を求めることができる。巻き角度算出部３３は、計測装置２から受信する撮像画像を利用して、巻き角度を算出する（ステップＳ３０２）。

ライナー１３はｚ軸正方向からｙ軸正方向に向かって回転しているため、レーザー光２１が照射される位置は、ｙ軸正方向からｚ軸正方向に向かって回転するように変化する。換言すると、ライナー１３の回転に伴って、レーザー光２１の照射領域は、ライナー１３の周に沿って、周方向位相φが大きくなる方向に変化する。このため、カーボン単繊維１００の巻き角度を、ライナー１３の周方向に沿って追跡することができる。

たとえば図２の例では、レーザー光２１がライナー１３の外周線ＣＲに当たるように照射されている。ライナー１３はｚ軸正方向からｙ軸正方向に向かって回転しているため、レーザー光２１の照射位置は、外周線ＣＲの上を沿うように、周方向位相φが大きくなる方向に変化する。

ここで、レーザー光２１の照射位置が、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２の交差する位置に当たると、計測される巻き角度が切り替わる。このため、巻き角度が切り替わる位置を求めることで、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２の交差するポイントを求めることができる。

たとえば図２の例では、外周線ＣＲ上で第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２が交差するポイントは多数存在する。このうち、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２が織られるようにして重なっている箇所では、交差するポイントは密に存在する。このため、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２が重なっている領域をレーザー光２１が照射した場合は、計測される巻き角度がわずかな間隔をもって切り替わる。

一方、最外表面にある第１カーボン繊維バンド１１あるいは第２カーボン繊維バンド１２の上をレーザー光２１が照射するときは、そのバンドを横切るまで、巻き角度は切り替わらない。このため、巻き角度の切り替わる間隔が所定距離より長いかどうかを判断することで、レーザー光２１の照射しているカーボン繊維バンドが、最外表面にあるかどうかに該当するかを求めることができる（ステップＳ３０３）。

レーザー光２１の照射しているカーボン繊維バンドが最外表面にある場合、巻き角度の切り替わり間隔は、そのカーボン繊維バンドを外周線ＣＲに沿って横切った距離に相当する。幅算出部３５は、その巻き角度の切り替わり間隔を記録する。

後述するように、巻き角度の切り替わり間隔とカーボン繊維バンドの巻き角度を用いることで、そのカーボン繊維バンドのバンド幅を算出することができる。ここでバンド幅とは、第１カーボン繊維バンド１１および第２カーボン繊維バンド１２において、カーボン単繊維１００の巻き付け方向と垂直な方向の長さを意味する。幅算出部３５は、記録された巻き角度の切り替わり間隔と、巻き角度を用いて、カーボン繊維バンドのバンド幅を算出する（ステップＳ３０４）。

以上のように、ステップＳ３０１〜Ｓ３０４を踏まえることで、カーボン繊維バンドのバンド幅を計測することができる。
バンド幅の計測精度を高めるために、バンド幅の計測を複数回行って、その平均を出すのが好ましい。具体的には、ライナー１３が１回転するまで、ステップＳ３０１〜Ｓ３０４を繰り返せばよい。換言すると、周方向位相φが３６０°に到達するまで、ステップＳ３０１〜Ｓ３０４を繰り返せばよい（ステップＳ３０５）。

ここで、図４を参照して、ステップＳ３０２にかかる計測原理について説明する。
図４は、略平行に束ねられたカーボン単繊維１００にレーザー光２１が垂直方向から照射されたときの、反射光２２の出る方向について示した図である。図３には、互いに直交する右手系ａｂｃ座標が便宜的に表されている。カーボン単繊維１００の巻き付け方向はａ軸と平行であって、カーボン単繊維１００はｂ軸方向に束ねられ、バンドを形成している。
なお、ここで示したａ軸、ｂ軸、ｃ軸は、図１のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸とは異なる。

図４において、レーザー光２１がｃ軸から照射されると、その反射光２２は、カーボン単繊維１００の巻き付け方向（ａ軸方向）から見た場合に、レーザー光２１の照射位置を中心として広い範囲に広がっている。これは、カーボン単繊維１００の径方向の断面の輪郭形状が略円形であるため、レーザー光２１の照射位置の若干の相違により反射方向が大きく変化するためである。

一方、カーボン単繊維１００の束ねられた方向（ｂ軸方向）から見た場合は、反射光２２の広がりは、レーザー光２１の照射位置を中心として非常に狭い範囲に収まっている。これは、カーボン単繊維１００の巻き付け方向と直交する方向に見た場合に、各カーボン単繊維１００においてレーザー光２１が照射される部分は、略直線状であるため、レーザー光２１の照射位置の若干の相違による反射方向の相違が小さいことによる。以上のことから、反射光２２は、ｂｃ平面に平行な垂直面２３上を放射状に広がることになる。

このような反射光２２の広がりの特性によって、レーザー光２１の照射方向から見た場合、反射光２２はカーボン単繊維１００の巻き付け方向と直交する方向に延びる直線状の光として検出される。このため、反射光２２からなる像の長手方向と直交する方向がカーボン単繊維１００の巻き付け方向と一致する。すなわち、反射光２２からなる像の長手方向と直交する方向とライナー１３の長手方向の軸（中心軸ＣＸ）となす角度から、カーボン単繊維１００の巻き角度を求めることができる。

次に、図５〜図７を参照して、ステップＳ３０３〜Ｓ３０４にかかる計測原理について説明する。
図５は、図２で示したライナー１３を外周線ＣＲに沿って見たときのカーボン繊維の向きを模式的に示したものである。太枠で示す領域は、図２で外周線ＣＲ付近に太線で表した対象領域４と対応する。太枠内の細実線はカーボン単繊維１００の向きを模式的に表したものである。破線で表した横軸は外周線ＣＲに対応し、ライナー１３の周方向位相φは右に行くほど大きくなる。縦軸はｘ軸に対応する。ポイントＰ１，Ｐ２，・・・，Ｐ８は、外周線ＣＲ上における点であって、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２とが交わるポイントに対応する。

ｚ軸正方向からｙ軸正方向に向かって回転中のライナー１３にレーザー光２１を照射すると、レーザー光２１の照射位置は相対的に、ｙ軸正方向からｚ軸正方向に向かって回転するように変化する。換言すると、ライナー１３の回転に伴って、レーザー光２１の照射位置は、周方向位相φが大きくなる方向に変化する。このとき、ライナー１３の外表面は図４の左から右に向かって走査され、撮像される。

ポイントＰ１よりも左側の部分では、巻き角度が角度αの第１カーボン繊維バンド１１と、巻き角度が角度βの第２カーボン繊維バンド１２とが、交互に現れる。このため、巻き角度算出部３３が算出するカーボン単繊維１００の巻き角度は、角度αと角度βを交互に繰り返す。走査位置がポイントＰ１に達すると、巻き角度が角度βから角度αに切り替わり、ポイントＰ２に至るまで巻き角度は角度αのまま検出される。その後、走査位置がポイントＰ２に達すると巻き角度が角度αから角度βに切り替わり、再び角度αと角度βとが交互に算出される。さらにその後、走査位置がポイントＰ３に達すると、今度は巻き角度が角度αから角度βに切り替わり、ポイントＰ４に至るまで巻き角度は角度βのまま検出される。その後、走査位置がポイントＰ４に達すると巻き角度が角度βから角度αに切り替わり、再び角度αと角度βとが交互に算出される。

以上のように、外周線ＣＲに沿ってライナー１３の外表面を走査すると、カーボン単繊維１００の巻き角度を、周方向の走査位置の関数として検出できる。この関係性をグラフ化したものが図６である。図６の横軸は外周線ＣＲに沿った周方向の走査位置を表し、縦軸は算出されたカーボン単繊維１００の巻き角度を表す。

ステップＳ３０３では、巻き角度が切り替わる間隔が所定距離より長いか判断する。所定距離は、計測されるライナー１３の周長やカーボン繊維の巻き方によって、実施者が任意に設定してよく、たとえば周長２６０ｍｍのライナーに対して、所定距離を５ｍｍと設定することができる。

図６において、ポイントＰ１〜Ｐ２の間、ポイントＰ３〜Ｐ４の間、ポイントＰ５〜Ｐ６の間、およびポイントＰ７〜Ｐ８の間のみが、所定距離を上回っていたものとする。ここで、ポイントＰ１〜Ｐ２の間、およびポイントＰ５〜Ｐ６の間はいずれも巻き角度が角度αとして算出されているので、この間は第１カーボン繊維バンド１１を横切ったとして検出される。また、ポイントＰ３〜Ｐ４の間、およびポイントＰ７〜Ｐ８の間はいずれも巻き角度が角度βとして算出されているので、この間は第２カーボン繊維バンド１２を横切ったとして検出される。

すなわち、ポイントＰ１とポイントＰ２の間の距離｜Ｐ１−Ｐ２｜は、第１カーボン繊維バンド１１をｘ軸方向に横切ったときの長さである。また、ポイントＰ３とポイントＰ４の間の距離｜Ｐ３−Ｐ４｜は、第２カーボン繊維バンド１２をｘ軸方向に横切ったときの長さである。
以下、任意のポイントＰｎとポイントＰｍの間の距離を｜Ｐｎ−Ｐｍ｜のように表す。

ステップＳ３０４では、角度αや角度βのような巻き角度と、｜Ｐ１−Ｐ２｜や｜Ｐ３−Ｐ４｜のような、巻き角度の切り替わり間隔とを組み合わせ、第１カーボン繊維バンド１１および第２カーボン繊維バンド１２の幅を求める。
図７は、図５で示した対象領域４のうち、ポイントＰ１〜Ｐ２間の第１カーボン繊維バンド１１とポイントＰ３〜Ｐ４間の第２カーボン繊維バンド１２に着目した図である。図７に示すように、第１カーボン繊維バンド１１の幅は｜Ｐ１−Ｐ２｜ｃｏｓαとして求められ、第２カーボン繊維バンド１２の幅は｜Ｐ３−Ｐ４｜ｃｏｓβとして求められる。

ここで、ポイントＰ１，Ｐ２，・・・，Ｐ８間のそれぞれの距離は、それぞれの走査位置に対応するライナー１３の周方向位相φと、ライナー１３の周長から求められる。すなわち、ライナー１３の周長に、それぞれの走査位置に対応する周方向位相φの差を乗じて３６０°で割った値が、それぞれの走査位置間の距離として求まる。

たとえばポイントＰ１がφ＝０°、ポイントＰ２がφ＝２０°に対応し、タンクの周長が２６０ｍｍであった場合、｜Ｐ１−Ｐ２｜は２６０ｍｍ×（２０°−０°）／３６０°≒１４．４ｍｍと算出できる。加えて、このとき角度αが３０°と算出されていた場合は、第１カーボン繊維バンド１１の幅は１４．４ｍｍ×ｃｏｓ３０°≒１２．５ｍｍと算出できる。

以上のように、ライナー１３の外表面におけるカーボン繊維バンドをライナー１３の周方向に撮像し、撮像された像を解析することで、カーボン繊維バンド幅を算出することができる。本実施の形態にかかる計測方法では、計測装置２を固定した状態でもライナー１３の側面を周方向に沿って走査できる。よって、計測装置２を胴体方向に沿って走査させる設備を必要としない。このため装置を大型化させることなく、カーボン繊維バンド幅を算出することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法で計測されるタンク１の巻きパターンは、角度αの巻き角度で巻き付けた第１カーボン繊維バンド１１と、角度βの巻き角度で巻き付けた第２カーボン繊維バンド１２とを、交互に重なるように巻き付ける構造であった。このため、カーボン繊維バンドを横切るときには必ず巻き角度が切り替わり、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２とが交わるポイントをすべて検出することができた。
しかし、隣接するカーボン繊維バンドの巻き角度が同じになる場合は、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２とが交わるポイントを、巻き角度の切り替わりから直接求めることができない。そのような場合におけるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法を、実施の形態２にかかる計測方法として示す。

図８は、実施の形態２にかかるヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法で計測されるタンク１のカーボン繊維の向きを模式的に示したものである。太枠で示す領域は、図２で外周線ＣＲ付近に太線で表した対象領域４と対応する。太枠内の細実線はカーボン単繊維１００の向きを模式的に表したものである。破線で表した横軸は外周線ＣＲに対応し、ライナー１３の周方向位相φは右に行くほど大きくなる。縦軸はｘ軸に対応する。ポイントＱ１，Ｑ２，・・・，Ｑ１０は、外周線ＣＲ上における点であって、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２とが交わるポイントに対応する。

実施の形態１と同じように、ｚ軸正方向からｙ軸正方向に向かって回転中のライナー１３にレーザー光２１を照射すると、レーザー光２１の照射位置はｙ軸正方向からｚ軸正方向に向かって回転するように変化する。換言すると、レーザー光２１の照射位置は、ライナー１３の周方向に沿って、周方向位相φが大きくなる方向に変化する。このとき、ライナー１３の外表面は図８の左から右に向かって走査され、撮像される。

ポイントＱ１よりも左側の部分では、巻き角度が角度αの第１カーボン繊維バンド１１と、巻き角度が角度βの第２カーボン繊維バンド１２とが、交互に現れる。このため、巻き角度算出部３３が算出するカーボン単繊維１００の巻き角度は、角度αと角度βを交互に繰り返す。走査位置がポイントＱ１に達すると、巻き角度が角度βから角度αに切り替わり、ポイントＱ３に至るまで巻き角度は角度αのまま検出される。その後、走査位置がポイントＱ３に達すると巻き角度が角度αから角度βに切り替わり、再び角度αと角度βとが交互に算出される。さらにその後、走査位置がポイントＱ６に達すると、今度は巻き角度が角度αから角度βに切り替わり、ポイントＱ８に至るまで巻き角度は角度βのまま検出される。その後、走査位置がポイントＱ８に達すると巻き角度が角度βから角度αに切り替わり、再び角度αと角度βとが交互に算出される。

以上のように、外周線ＣＲに沿ってライナー１３の外表面を走査すると、カーボン単繊維１００の巻き角度を、周方向の走査位置の関数として検出できる。この関係性をグラフ化したものが図９である。図９の横軸は外周線ＣＲに沿った周方向の走査位置を表し、縦軸は算出されたカーボン単繊維１００の巻き角度を表す。

図９において、ポイントＱ１〜Ｑ３の間、およびポイントＱ６〜Ｑ８の間のみが、所定距離を上回っていたものとする。ここで、ポイントＱ１〜Ｑ３の間は巻き角度が角度αとして算出されているので、この間は第１カーボン繊維バンド１１を横切ったとして検出される。また、ポイントＱ６〜Ｑ８の間は巻き角度が角度βとして算出されているので、この間は第２カーボン繊維バンド１２を横切ったとして検出される。

すなわち、ポイントＱ１とポイントＱ３の間の距離｜Ｑ１−Ｑ３｜は、第１カーボン繊維バンド１１をｘ軸方向に横切ったときの長さと計測される。また、ポイントＱ６とポイントＱ８の間の距離｜Ｑ６−Ｑ８｜は、第２カーボン繊維バンド１２をｘ軸方向に横切ったときの長さと計測される。
以下、任意のポイントＱｎとポイントＱｍの間の距離を｜Ｑｎ−Ｑｍ｜のように表す。

しかし、図８に示す通り、第１カーボン繊維バンド１１をｘ軸方向に横切ったときの正しい長さは｜Ｑ１−Ｑ２｜である。このように、実施の形態１と同じ計測方法を用いると、第１カーボン繊維バンド１１の幅を｜Ｑ２−Ｑ３｜だけ長く見積もってしまうことになる。また、第２カーボン繊維バンド１２をｘ軸方向に横切ったときの長さについても｜Ｑ７−Ｑ８｜だけ長く見積もってしまうことになる。
そこで、図８のような巻き付けパターンの時は、バンド幅を求めるために補正を加える必要がある。

図８で示す巻き付けパターンは、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２が規則的に並んでいることから、以下の式（１）が成り立つ。
｜Ｑ２−Ｑ４｜＝｜Ｑ３−Ｑ５｜・・・（１）
また当然、以下の式（２）も成り立つ。
｜Ｑ１−Ｑ２｜＝｜Ｑ１−Ｑ４｜−｜Ｑ２−Ｑ４｜・・・（２）
式（１）と式（２）を組み合わせれば、
｜Ｑ１−Ｑ２｜＝｜Ｑ１−Ｑ４｜−｜Ｑ３−Ｑ５｜・・・（３）
となり、式（３）が導き出される。すなわち、｜Ｑ１−Ｑ４｜−｜Ｑ３−Ｑ５｜を第１カーボン繊維バンド１１をｘ軸方向に横切ったときの長さとして補正することで、正しい第１カーボン繊維バンド１１のバンド幅を得ることができる。同様の考えで、第２カーボン繊維バンド１２をｘ軸方向に横切ったときの長さは、式（４）のように求めればよい。
｜Ｑ６−Ｑ７｜＝｜Ｑ６−Ｑ９｜−｜Ｑ８−Ｑ１０｜・・・（４）

上述したようにカーボン繊維バンド幅を補正する必要があるかどうかは、撮像されたカーボン繊維バンドのパターンから判断すればよい。
図５のように、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２の境界で巻き角度が必ず入れ替わっている場合は、上述した補正をする必要はない。一方、図８のように、第１カーボン繊維バンド１１と第２カーボン繊維バンド１２の境界でも巻き角度が入れ替わっていない箇所がある場合は、上述のような補正を行う必要がある。
撮像画像から補正が必要な巻き付けパターンか否かを判断するのは、観測者が行ってもよいし、機械学習などのプログラムを制御装置３に組み込むことで行えるようにしてもよい。

以上のように、隣接するカーボン繊維バンドの巻き角度が同じになるようなカーボン繊維バンドの巻きパターンにおいても、上述した補正を加えることで、カーボン繊維バンド幅を算出することができる。

＜実施例＞
実施の形態２にかかるカーボン繊維バンド幅の計測方法を用いて、カーボン繊維が巻かれたタンクのカーボン繊維バンド幅を算出したところ、１４．２３±０．２８ｍｍと算出された。かかるタンクについて、ノギスを用いて手動でカーボン繊維バンド幅を３回計測したところ、１４．３９±０．２２ｍｍと計測された。
このようにして、実施の形態２にかかるカーボン繊維バンド幅の計測方法を用いたことにより、カーボン繊維バンド幅を、手計測と０．３６ｍｍ以内の誤差で算出できた。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ タンク
２ 計測装置
３ 制御装置
４ 対象領域
１１ 第１カーボン繊維バンド
１２ 第２カーボン繊維バンド
１３ ライナー
１４ 口金部
１５ 回転モーター
１６ ボビン
２１ レーザー光
２２ 反射光
２３ 垂直面
３１ 算出制御部
３２ 照明制御部
３３ 巻き角度算出部
３４ 位相制御部
３５ 幅算出部
１３１ 円筒部
１３２ ドーム部
ＣＲ 外周線
ＣＸ 中心軸
Ｐ１〜Ｐ８，Ｑ１〜Ｑ１０ ポイント

Claims (1)

1. 基材にヘリカル巻きされているカーボン繊維バンドのバンド幅を計測する方法であって、
   前記カーボン繊維バンドが巻かれた前記基材にレーザー光を照射し、前記レーザー光の照射領域からの反射光像を撮像する工程と、
   撮像された前記反射光像の長手方向と直交する方向が前記基材の長手方向の軸となす角度を、前記カーボン繊維バンドの巻き角度として算出する工程と、
   前記巻き角度が切り替わる間隔と前記巻き角度から前記カーボン繊維バンドのバンド幅を算出する工程と、を備え、
   前記反射光像を撮像する工程において、前記カーボン繊維バンドが巻かれた前記基材を回転させながら前記レーザー光を照射することによって、前記レーザー光の照射領域を前記基材の周方向に移動させる、
   ヘリカル巻カーボン繊維バンド幅の計測方法。

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