JP5730057B2 - 炭素繊維強化プラスチック構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、炭素繊維プリプレグの表面にレジン層が積層された炭素繊維強化プラスチック構造体に関するものである。
従来、航空機を構成する主翼等の構造体は、アルミ合金のような金属部材によって構成されるのが一般的であった。しかし近年、軽量化や高強度化の観点から、このような構造体を構成する材料として、炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＲＰ」と略す）等のいわゆる複合材が広く用いられている（例えば、特許文献１を参照）。
具体的には、炭素繊維に熱硬化性樹脂を染み込ませた樹脂を染み込ませたシートを複数枚積層してなる炭素繊維プリプレグを加熱し、熱硬化性樹脂を硬化させることによって所定形状の炭素繊維強化プラスチック構造体（以下、「ＣＦＲＰ構造体」と略す）を形成する。このようなＣＦＲＰ構造体は、炭素繊維プリプレグの加熱時に炭素繊維から染み出した熱硬化性樹脂によって、その表面にいわゆるレジン層が形成される。
ところで、このようなＣＦＲＰ構造体の表面に電子機器を設置する場合、電子機器に接続する信号線は、ＣＦＲＰ構造体の表面上に這わせるように配線するのが通常である。
特開平９−１９３２９６号公報
しかし、従来のＣＦＲＰ構造体では、その表面上に這わせるようにして信号線が配線されるため、構造体の構成が複雑化するとともに、信号線の太さ分だけ構造体全体が大型化するという問題があった。また、ＣＦＲＰ構造体の表面上に信号線が剥き出しとなることにより、外部の物体との接触によって信号線が損傷しやすく、またＣＦＲＰ構造体の美観が損なわれるという問題もあった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ＣＦＲＰ構造体に対し、その表面上に信号線を這わせることなく、電子機器を取り付けることを可能にする手段を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック構造体は、複数の炭素繊維プリプレグを積層してなる炭素繊維強化プラスチック構造体であって、前記炭素繊維強化プラスチック構造体の表面には、複数の信号線が埋め込まれたレジン層からなる信号線層が積層されていることを特徴とする。
このような構成によれば、信号線がレジン層に埋め込んで設けられ、ＣＦＲＰ構造体の表面上には露出しないので、ＣＦＲＰ構造体の構成を簡略化及び小型化することができる。また、信号線が外部の物体との接触によって損傷するのを防止することができる。更には、信号線が剥き出しに配線されることによってＣＦＲＰ構造体の美観が損なわれることもない。
また、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック構造体は、前記信号線の途中に、前記信号線層を貫通して前記信号線に接するポートを設けたことを特徴とする。
このような構成によれば、ＣＦＲＰ構造体の表面上に信号線が露出していないにも拘らず、信号線に接するポートを介して、信号線に入力される信号を外部へ取り出すことができる。
また、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック構造体は、前記信号線は、入力される信号の周波数に応じた相互間隔でそれぞれ配置されたことを特徴とする。
このような構成によれば、隣接する信号線同士の間に形成される静電容量（いわゆるＣ）は、信号線の間隔を開ければ小さくなり間隔を狭めれば大きくなるので、例えば使用周波数が高いほどＣを小さくして当該周波数における電気抵抗を維持することができる。
また、隣接する信号線同士が入力される信号の周波数に応じた間隔だけ離間してそれぞれ配置されるので、信号線がこれに隣接する信号線から発せられる電磁波の影響を受けることによってその信号にノイズが発生するという電磁干渉の問題を防止することができる。
本発明に係る炭素繊維強化プラスチック構造体によれば、ＣＦＲＰ構造体に対し、その表面上に信号線を這わせることなく、電子機器を取り付けることができる。これにより、ＣＦＲＰ構造体の構成を簡略化及び小型化することができるとともに、外部の物体との接触によって信号線が損傷するのを防止することができる。更には、ＣＦＲＰ構造体の表面上に信号線が剥き出しに配線されることによってその美観が損なわれることもない。
本発明の第１実施形態に係る主翼の概略構成を示す分解斜視図である。 第１実施形態に係るスパーの一部を示す概略斜視図である。 図２におけるＡ−Ａ断面を示す概略断面図である。 第２実施形態のスパーを示す概略断面図である。
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の第１実施形態に係るＣＦＲＰ構造体の構成について説明する。本実施形態では、ＣＦＲＰ構造体の一例として、航空機の主翼を構成する部材について説明する。
図１は、主翼１の概略構成を示す分解斜視図である。主翼１は、その長手方向に沿って両側部を形成する一対のスパー２と、その上面及び下面を形成する一対のパネル３と、その内部に設けられる複数のリブ４と、を備えるものである。
一対のスパー２は、図１に示すように、主翼１の両側部のうち航空機前方側の側部を形成するフロントスパー２１と、航空機後方側の側部を形成するリアスパー２２と、を具備している。このように構成される一対のスパー２は、それぞれの開口部を互いに向かい合わせるようにして、所定間隔でそれぞれ配置される。尚、これらフロントスパー２１及びリアスパー２２は、共に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が成形されてなる部材である。
一対のパネル３は、図１に示すように、主翼１の上面を形成する上面パネル３１と、下面を構成する下面パネル３２と、具備している。そして、上面パネル３１は、湾曲した断面形状を有する板状の上面スキン３１ａと、この上面スキン３１ａの一方の面に設けられてその曲げ剛性を高める複数本のストリンガー３１ｂとを有している。尚、これら上面スキン３１ａ及びストリンガー３１ｂは、共に炭素繊維強化プラスチックが成形されてなる部材である。同様に、下面パネル３２は、下面スキン３２ａと複数本のストリンガー３２ｂとを有しており、これらも共に炭素繊維強化プラスチックが成形されてなる部材である。
複数のリブ４は、主翼１を構造的に補強するためのものである。このリブ４は、図１に示すように主翼１の長手方向に所定間隔で設けられ、各リブ４の一端はフロントスパー２１に他端はリアスパー２２にそれぞれ接続されている。これにより、フロントスパー２１とリアスパー２２は一定間隔で保持されている。尚、これらリブ４は、全て金属製の部材である。
図２及び図３は、第１実施形態に係るＣＦＲＰ構造体としてのスパー２を示す図であって、図２はスパー２の一部分を示す概略斜視図、図３は図２におけるＡ−Ａ断面を示す概略断面図である。
スパー２は、図２及び図３に示すように、ＣＦＲＰからなるスパー本体５と、このスパー本体５に着脱可能に設けられた複数のポート６と、を備えるものである。
スパー本体５は、図３に示すように、層状の炭素繊維プリプレグ５１と、この炭素繊維プリプレグ５１の表面に積層された信号線層５２とを具備している。
炭素繊維プリプレグ５１は、図３に示すように、熱硬化性樹脂（不図示）を炭素繊維に染み込ませてなるシート５１ａを複数枚積層し、熱硬化性樹脂を硬化させることによって各シート５１ａを一体化したものである。ここで、炭素繊維によって構成されるこの炭素繊維プリプレグ５１は導電性を有している。そして、この炭素繊維プリプレグ５１には、図２に示すように、後述する信号線５２２の位置に対応するようにして、複数のポート挿通穴５１ｂが形成されている。このポート挿通穴５１ｂは、前記ポート６を挿通させるためのものであって、信号線５２２の延びる方向に沿って所定間隔で、炭素繊維プリプレグ５１を貫通してそれぞれ形成されている。
信号線層５２は、図２及び図３に示すように、炭素繊維プリプレグ５１の表面を覆って設けられたレジン層５２１と、このレジン層５２１に埋め込んで設けられた複数の信号線５２２と、これら信号線５２２の間の位置にレジン層５２１に埋め込んで設けられた複数の補強用繊維５２３とを有している。
レジン層５２１は、熱硬化性樹脂の硬化時に炭素繊維から染み出した熱硬化性樹脂が炭素繊維プリプレグ５１の表面に積層したものである。熱硬化性樹脂によって構成されるこのレジン層５２１は、導電性を有さない絶縁体である。このレジン層５２１には、図２に示すように、信号線５２２の位置に対応するようにして複数のポート装着穴５２１ａが形成されている。このポート装着穴５２１ａは、ポート６を装着するためのものであって、信号線５２２の延びる方向に沿って前記ポート挿通穴５１ｂと略等しい間隔で、レジン層５２１を貫通してそれぞれ形成されている。これにより、ポート装着穴５２１ａはその下方に位置するポート挿通穴５１ｂにそれぞれ連通している。
複数の信号線５２２は、不図示の電子機器に接続されて電力を供給する電気配線である。これら信号線５２２は、図２に示すように、銅線５２２ａの周囲がフッ素樹脂等の絶縁体５２２ｂで覆われたものであって、所定の相互間隔Ｃで互いに平行するようにそれぞれ配置されている。但し、レジン層５２１に形成されたポート装着穴５２１ａの内部に信号線５２２は設けられず、ポート６を挟んで相対向する方向へ延びる一対の信号線５２２は、その銅線５２２ａの一端がそれぞれ露呈した状態となっている。
尚、信号線５２２の材質や断面形状や長さや本数等は、本実施形態に限定されず適宜設計変更が可能である。また、図に詳細は示さないが、本発明に係る信号線５２２としては、本実施形態の電気配線に限られず、例えば電子機器に入力されまたは電子機器から出力される電気信号を伝達する光ファイバーであってもよい。但し、信号線５２２として光ファイバーを採用する場合、炭素繊維プリプレグ５１の加熱時に劣化しないよう、耐熱性の高い光ファイバーを用いるのが好適である。
複数の補強用繊維５２３は、レジン層５２１を構造的に補強することによって信号線５２２の変形量を最低限に抑制するためのものである。これら補強用繊維５２３は、線状のファイバーグラス（ガラス繊維）であって、図２に示すように、隣接する信号線５２２同士の間の位置に、２本の補強用繊維５２３が信号線５２２と略平行して延びるようにして所定間隔でそれぞれ設けられている。
尚、補強用繊維５２３の断面形状や長さや本数等は、レジン層５２１の厚みや信号線５２２の形状等に応じ、本実施形態に限定されず適宜設計変更が可能である。また、補強用繊維５２３の材質としては、本実施形態のファイバーグラスに限られず、曲げや捩りに対して高い剛性を有する任意の部材を用いることができる。また、補強用繊維５２３は本発明に必須の構成ではなく、レジン層５２１と複数の信号線５２２とだけで信号線層５２を構成してもよい。
複数のポート６は、信号線５２２に入力された信号を外部に取り出すための電極である。このポート６は、図３に示すように、ボルト形状の保持体６１と、この保持体６１によって保持されるポート本体６２と、一端がポート本体６２に接続されて他端が保持体６１の外部へ引き出される信号取り出し線６３と、を備えるものである。
保持体６１は、図３に示すように、棒状の軸部６１ａの一端に傘状の頭部６１ｂが設けられるとともに、軸部６１ａ及び頭部６１ｂを貫通して挿通穴６１ｃが形成されたものである。ここで、軸部６１ａは、その外径がポート装着穴５２１ａ及びポート挿通穴５１ｂの内径と略等しく形成されるとともに、その長さがスパー本体５の厚みより若干大きく形成されている。また、頭部６１ｂは、その外径がポート装着穴５２１ａの内径より大きく形成されている。
ポート本体６２は、図３に示すように、レジン層５２１のポート装着穴５２１ａに略嵌合する断面形状を有している。このポート本体６２は、保持体６１を貫通して形成された挿通穴６１ｃに挿入されることにより、保持体６１の軸部６１ａにおける基端側の位置、すなわち頭部６１ｂ側の位置に保持されている。
このように構成されるポート６は、図３に示すように、頭部６１ｂの下面がレジン層５２１の表面に当接する位置まで、保持体６１の軸部６１ａがポート装着穴５２１ａ及びポート挿通穴５１ｂにそれぞれ挿通される。この時、保持体６１の軸部６１ａに保持されたポート本体６２がポート装着穴５２１ａの内部に位置し、ポート本体６２を挟んで両側に延びる一対の信号線５２２が、ポート本体６２に対してそれぞれ接続される。すなわち、信号線５２２の内部を通る銅線５２２ａが、ポート本体６２にそれぞれ接触した状態となる。これにより、信号線５２２に入力される信号を、ポート本体６２から信号取り出し線６３を経て、外部へ取り出すことが可能となっている。
次に、第１実施形態に係るＣＦＲＰ構造体としてのスパー２について、その作用効果を説明する。第１実施形態のスパー２によれば、電子機器に接続される複数の信号線５２２が、炭素繊維プリプレグ５１の表面に積層されたレジン層５２１に埋め込んで設けられる。これにより、信号線５２２がスパー２の表面上には露出しないので、スパー２の構成を簡略化及び小型化することができる。また、信号線５２２が外部の物体（不図示）との接触によって損傷するのを防止することができる。更には、信号線５２２が剥き出しに配線されることによってスパー２の美観が損なわれることもない。
また、信号線層５２を貫通して信号線５２２に接するポート６を設けたので、レジン層５２１に埋め込まれた信号線５２２に入力される信号を、ポート６を介して外部へ取り出すことができる。更に、ポート６をスパー本体５に対して着脱可能に設けたので、信号線５２２から取り出した信号を入力すべき機器が複数種類ある場合、その機器に対応したポート６に交換することができる。
また、隣接する信号線５２２同士が、入力される信号の周波数に応じた相互間隔Ｃだけ離間してそれぞれ配置されるので、信号線５２２がこれに隣接する信号線５２２から発せられる電磁波の影響を受けることによってその信号にノイズが発生するという電磁干渉の問題を防止することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るＣＦＲＰ構造体の構成について説明する。本実施形態でも、ＣＦＲＰ構造体の一例として、航空機の主翼を構成する部材について説明する。
第２実施形態に係る主翼も、図１に示す第１実施形態の主翼１と同様、一対のスパー２と一対のパネル３と複数のリブ４とを備えるものである。
図４は、第２実施形態のスパー１０を示す概略断面図である。本実施形態のスパー１０は、ＣＦＲＰからなるスパー本体１１と、このスパー本体１１に着脱不能に固定して設けられた複数のポート１２と、を備えるものである。
スパー本体１１は、図４に示すように、層状の炭素繊維プリプレグ１３の表面に信号線層１４が積層された点で図３に示す第１実施形態のスパー本体１１と同じである。しかし、スパー本体１１は、炭素繊維プリプレグ１３にポート挿通穴５１ｂが形成されていない点、及び信号線層１４を構成するレジン層１４１にポート装着穴５２１ａが形成されていない点で第１実施形態のスパー本体５とは異なっている。尚、それ以外の点については第１実施形態と同じであるため、図４では図３と同じ符号を付し、その説明を省略する。
複数のポート１２は、図４に示すように、レジン層１４１に埋め込まれたポート本体１２１と、一端がポート本体１２１に接続されて他端が保持体６１の外部へ引き出される信号取り出し線１２２と、を備えるものである。
ポート本体１２１は、チタンまたは耐食鋼で形成され、信号線５２２に入力された信号を外部に取り出すための電極である。ここで、本明細書において耐食鋼とは、クロム，モリブデン，ニッケル等の添加量を最適化することにより、腐食に対する耐性をステンレスより向上させた合金鋼を意味するものとする。このポート本体１２１は、図４に示すように、信号線層１４を構成するレジン層１４１に埋め込まれることによってスパー本体１１に着脱不能に固定されるとともに、信号線５２２の内部を通る銅線５２２ａに接触している。これにより、信号線５２２に入力される信号を、ポート本体１２１から信号取り出し線１２２を経て、外部へ取り出すことが可能となっている。
次に、第２実施形態に係るＣＦＲＰ構造体としてのスパー１０について、その作用効果を説明する。第２実施形態のスパー１０も、電子機器に接続される複数の信号線５２２が、炭素繊維プリプレグ１３の表面に積層されたレジン層１４１に埋め込んで設けられる。これにより、第１実施形態のスパー２と同様の効果、すなわちスパー１０の構成の簡略化及び小型化、信号線５２２の損傷防止、及び美観の向上という効果が得られる。
また、レジン層１４１を貫通して信号線５２２に接触するポート１２を設けたので、レジン層１４１に埋め込まれた信号線５２２に入力される信号を、ポート１２を介して外部へ取り出すことができる。更に、ポート１２をスパー本体１１に対して着脱不能に固定して設けたことにより、信号線５２２の内部を通る銅線５２２ａとポート１２とが確実に接触した状態で保持されるので、信号線５２２に入力された信号をより正確且つ確実に外部へ取り出すことができる。
また、ポート本体１２１をチタンまたは耐食鋼で形成したことにより、スパー本体１１に固定して設けたポート本体１２１がレジン層１４１の内部に長期間に渡って存在しても、ポート本体１２１に錆が生じにくい。これにより、信号線５２２に入力された信号をより正確且つ確実に外部へ取り出すことができる。
尚、以上説明した各実施形態では、ＣＦＲＰ構造体の一例として航空機の主翼１を構成するスパー２，１０について説明したが、ＣＦＲＰ構造体はスパー２，１０に限られず、例えば図１に示す上面パネル３１を構成する上面スキン３１ａ及びストリンガー３１ｂや、下面パネル３２を構成する下面スキン３２ａ及びストリンガー３２ｂ等であってもよい。更にＣＦＲＰ構造体は、航空機の主翼１の構成要素に限られず、任意の構造物の構成要素であってもよい。
また、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
１ 主翼
２ スパー（第１実施形態）
３ パネル
４ リブ
５ スパー本体
６ ポート
１０ スパー（第２実施形態）
１１ スパー本体
１２ ポート
１３ 炭素繊維プリプレグ
１４ 信号線層
２１ フロントスパー
２２ リアスパー
３１ 上面パネル
３２ 下面パネル
５１ 炭素繊維プリプレグ
５２ 信号線層
６１ 保持体
６２ ポート本体
６３ 信号取り出し線
１２１ ポート本体
１２２ 信号取り出し線
１４１ レジン層
５２１ レジン層
５２２ 信号線
５２３ 補強用繊維
３１ａ 上面スキン
３１ｂ ストリンガー
３２ａ 下面スキン
３２ｂ ストリンガー
５１ａ シート
５１ｂ ポート挿通穴
５２１ａ ポート装着穴
５２２ａ 銅線
５２２ｂ 絶縁体
６１ａ 軸部
６１ｂ 頭部
６１ｃ 挿通穴
Ｃ 相互間隔

Claims (3)

  1. 複数の炭素繊維プリプレグを積層してなる炭素繊維強化プラスチック構造体であって、
    前記炭素繊維強化プラスチック構造体の表面には、複数の信号線が埋め込まれたレジン層からなる信号線層が積層されていることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック構造体。
  2. 前記信号線の途中に、前記信号線層を貫通して前記信号線に接するポートを設けたことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体。
  3. 前記信号線は、入力される信号の周波数に応じた相互間隔でそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素繊維強化プラスチック構造体。
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