JP6136921B2 - 繊維配向検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維配向検査方法に関する。

高圧タンク（以下「タンク」と呼ぶ。）の製造においては、強度を向上させるために、樹脂を含浸した繊維束が、ライナーの周囲に繰り返し巻回される（特許文献１）。

特開２０１３−１７３３０４号公報

このようなタンクに巻回された繊維の向き（配向）がばらついている場合には、タンクの強度が所望の強度に達しないおそれがあった。しかし、繊維の配向の揃い具合（配向度合い）を、定量的に把握することは困難であった。そのため、繊維の配向度合いを定量的に把握する技術が求められていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の第１の形態は、
ライナーの外周に巻回された繊維を備えるタンクについて、巻回された前記繊維の向きである配向を検査する繊維配向検査方法であって、
（ａ）前記タンクの前記検査に用いる切断面に含まれる複数の前記繊維の断面の長径と短径との比をそれぞれ算出する工程と、
（ｂ）算出された前記比の分布を算出し、前記分布に基づいて前記タンクに巻回された前記繊維の向きの揃い具合を算出する工程と、
を備える、繊維配向検査方法である。
本発明の第２の形態は、
ライナーの外周に巻回され、フープ層とヘリカル層を構成する繊維を備えるタンクについて、巻回された前記繊維の向きである配向を検査する繊維配向検査方法であって、
前記タンクの前記検査に用いる切断面に含まれ、前記フープ層に接する前記ヘリカル層の複数の前記繊維の断面の長径と短径との比であるアスペクト比をそれぞれ算出する工程と、
前記アスペクト比に基づいて算出された前記繊維の角度の最頻出値から、予め定められた繊維の角度の範囲内における前記繊維の数が、前記繊維の角度を算出した前記繊維の数に対して何割であるか、又は、前記アスペクト比の最頻出値から、予め定められた前記アスペクト比の範囲内における前記繊維の数が、前記アスペクト比を算出した前記繊維の数に対して何割であるかに基づいて前記タンクに巻回された前記繊維の向きの揃い具合を算出する工程と、
を備える、繊維配向検査方法である。
ただし、前記繊維の角度は、以下の式を用いて算出される。
角度（θ）＝ｓｉｎ^-1（ｂ／ａ）
ａ：繊維の長径、ｂ：繊維の短径
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ライナーの外周に巻回された繊維を備えるタンクについて、前記繊維の配向を検査する繊維配向検査方法が提供される。この繊維配向検査方法は、（ａ）前記タンクの所定の切断面に含まれる複数の前記繊維の断面の長径と短径との比をそれぞれ算出する工程と；（ｂ）算出された前記比のばらつきを算出する工程と、を備える。このような形態の配向検査方法であれば、所定の切断面に含まれる複数の繊維について、長径と短径の比のばらつきを算出するので、タンクに巻回された繊維の配向の揃い具合（配向度合い）を、定量的に把握することができる。

本発明は、上述した繊維配向検査方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、繊維配向検査装置や、繊維配向検査方法を用いて検査されたタンク等の形態で実現することができる。

タンクの製造方法を示す模式図である。 繊維の配向検査方法を示すフローチャートである。 タンクから切り出される断面を示す模式図である。 繊維のアスペクト比が算出される様子について説明するための図である。 繊維のアスペクト比と繊維の角度との関係を示す図である。 繊維の角度と繊維の数を示すヒストグラムの例である。 繊維の配向度合いと強度との関係を示す図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．タンクの製造方法：
図１は、繊維を備えるタンク１００の製造方法を示す模式図である。タンク１００の製造においては、まず、ライナー１０が用意される（図１（ａ））。ライナー１０は、略円筒状のシリンダ部１１と、その両端に設けられた略半球状のドーム部１３とを備える中空容器である。ライナー１０は、例えば、ナイロン系樹脂などの樹脂部材によって構成される。２つのドーム部１３の頂部はそれぞれ、ライナー１０の中心軸ＣＸ上に存在している。各ドーム部１３の頂部には、配管やバルブを取り付けるための口金部１４が設けられている。

次に、ライナー１０に繊維束Ｗが巻回される（図１（ｂ））。繊維束Ｗには、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が含浸されている。本実施形態における繊維束Ｗは、１本あたりの直径が約５μｍの繊維の集合体である。図１（ｂ）に示すライナー１０には、繊維束Ｗが、ライナー１０の中心軸ＣＸと平行な方向に対して略直角の角度で巻回されている。このような繊維束Ｗの巻き方は、「フープ巻き」とも呼ばれる。また、ライナー１０には、ライナー１０の中心軸ＣＸに対して、略直角ではない所定の角度で繊維が巻回されている。このような繊維の巻き方は、「ヘリカル巻き」とも呼ばれる。本実施形態では、例えば、２〜５層目はフープ巻き、６層目はヘリカル巻きのように、繊維束Ｗがライナー１０に繰り返し巻回されることにより、ライナー１０上に３０〜４０層の繊維層が形成される。このようにして、複数層の繊維束Ｗがライナー１０に巻回された後、熱処理により繊維束Ｗに含浸された樹脂が硬化されて、タンク１００が製造される（図１（ｃ））。同一の方法により複数のタンク１００が製造されると、製造された複数のタンク１００の中から、ライナー１０に巻回された繊維の配向の揃い具合（以下、配向度合い）を検査するためのタンク１００が抜き取られる。

Ａ２．繊維の配向検査：
図２は、繊維の配向検査方法を示すフローチャートである。この検査方法においては、まず、抜き取られたタンク１００の所定の断面が切り出される（ステップＳ１０）。

図３は、タンク１００から切り出される断面を示す模式図である。図３には、タンク１００の一部の縦断面図が示されている。本実施形態では、ライナー１０のシリンダ部１１とドーム部１３との境界付近（図３破線部分Ｃ）の繊維層２０を含む断面が、検査に用いられる断面として切り出される。タンク１００のシリンダ部１１とドーム部１３との境界は、シリンダ部１１の中央部分など、他の部分と比較して、タンク１００の強度が比較的弱い部分である。

次に、切り出された断面において繊維層２０が例えばマイクロスコープによって拡大され、複数の繊維の断面について、アスペクト比がそれぞれ算出される（図２、ステップＳ２０）。ステップＳ１０で切り出されたタンク１００の切断面において、ライナー１０に巻回された複数の繊維の断面は、楕円形状を呈している。ステップＳ２０では、断面における繊維の楕円形状の長径ａと短径ｂとの比ａ／ｂを、アスペクト比として算出する。ステップＳ２０は、本願の工程（ａ）に相当する。

図４は、繊維のアスペクト比が算出される様子について説明するための図である。図４（ａ）には、図３破線Ｃで示した断面の写真が示されている。本実施形態では、断面における繊維層２０のうち、６層目の繊維の配向度合いを算出する。配向度合いを算出する範囲（検査範囲）は、フープ巻きによってライナー１０に巻回された２〜５層目の端部Ｔを基準として、３ｍｍの範囲である。本実施形態では、６層目はライナー１０（タンク１００）の中心軸ＣＸに対して、約２０°の角度で、ヘリカル巻きによってライナー１０に巻回されている。そのため、６層目は、中心軸ＣＸに対して略直角の角度でフープ巻きによってライナー１０に巻回された２〜５層目と、容易に識別することができる。

図４（ｂ）は、検査範囲の拡大図である。図４（ｃ）は、検査範囲における繊維の拡大模式図である。図４（ｂ）に示すように、検査範囲の拡大図においては、複数の楕円形状の繊維が観察される。検査範囲に存在する複数の楕円形について、図４（ｃ）に示すように、長径ａと短径ｂとの比がアスペクト比（ａ／ｂ）として算出される。

繊維のアスペクト比が算出されると、アスペクト比に基づいて繊維の角度が算出される（図２、ステップＳ３０）。繊維の角度は、以下の式（１）を用いて算出される。

角度（θ）＝ｓｉｎ^-1（ｂ／ａ）
ａ：楕円の長径、ｂ：楕円の短径 ・・・（１）

次に、算出された繊維の角度のばらつきに基づいて、繊維の配向度合いが算出される（図２、ステップＳ４０）。具体的には、まず、角度ごとの繊維の数を算出する。次に、最も繊維の数が多い角度（角度の最頻出値）から所定の角度の範囲内における繊維の数が、アスペクト比を算出した繊維の数に対して、何割であるかを算出する。ステップＳ４０は、本願の工程（ｂ）に相当する。

なお、本実施形態では、ステップＳ４０において、以下の範囲内にある繊維の角度を有する繊維の数を計数して、繊維の配向度合いを算出した。
図５は、繊維のアスペクト比と繊維の角度との関係を示す図である。図５には、横軸に繊維の角度、縦軸にアスペクト比をとったグラフが示されている。図５に示すように、アスペクト比が約１．５付近では、アスペクト比の変化が繊維の角度の変化に与える影響が大きい。また、アスペクト比が約６．０以上になると、アスペクト比の変化が繊維の角度の変化に与える影響が小さい。すなわち、アスペクト比が１．５付近や、アスペクト比が６．０以上の範囲においては、アスペクト比の測定精度が、繊維の配向度合いの検査結果に与える影響が大きくなる可能性がある。そこで、本実施形態では、繊維の角度が２０°±５°の範囲内である繊維の数を、角度ごとに計数した。

図６は、繊維の角度と繊維の数を示すヒストグラムの例である。図６には、横軸に角度、縦軸に繊維の数をとって、その角度を有する繊維の数が示されている。図６においては、角度の最頻出値は１９°であり、その最頻出値から±３°以内の範囲における繊維の数は、アスペクト比を算出した繊維の数に対して８０％である。よって、検査範囲において、８０％の繊維が１９°±３°以内に配向しており、繊維の配向度合いは８０％である。

繊維の配向度合いが算出されると、繊維の配向度合いの良否が判定される（図２、ステップＳ５０）。良否の判定は、配向度合いが予め定められた規定値以内であるか否かに基づいて判定される。本実施形態では、配向度合いが８０％以上である場合、すなわち、繊維の角度の最頻出値から±３°以内の範囲内の繊維の数が、アスペクト比を算出した繊維の数に対して８０％以上である場合に、繊維の配向度合いはタンクの強度を確保するために充分であると判定される（良判定）。一方、配向度合いが８０％未満である場合には、繊維の配向度合いはタンクの強度を確保するために不充分であると判定される（否判定）。以上のようにして、繊維の配向検査が行われる。

図７は、繊維の配向度合いと強度との関係を示す図である。繊維の配向度合いと強度との関係は、繊維束のテストピースＴＰを作製し、上述の配向検査によりテストピースＴＰの備える繊維の配向度合いを検査することにより求めた。図７に示すように、繊維の配向度合いが高くなるほど、繊維束のテストピースＴＰの強度は高くなる。また、一般的に、繊維束の強度が高いほど、タンク１００の強度は高くなる。すなわち、繊維の配向度合いとタンク１００の強度とは相関関係がある。よって、図２で示した方法により繊維の配向度合いを算出すれば、タンク１００の強度を評価することができる。

Ａ３．効果：
以上のような繊維の配向検査方法であれば、繊維を備えるタンクの所定の切断面において、複数の繊維の短径と長径との比であるアスペクト比をそれぞれ算出する。また、アスペクト比に基づいて、繊維の角度を算出し、角度の最頻出値から所定の範囲内における繊維の数が、アスペクト比を算出した繊維の数に対して何割であるかにより、繊維の配向度合いを算出する。繊維の配向度合いは数値で表すことができるため、タンクの備える繊維の配向度合いを、定量的に評価することができる。また、繊維の配向度合いが規定値以内であるか否かによる良否判定をすることができるので、繊維の配向度合いに基づくタンクの強度を客観的に評価することができる。

また、タンク１００の所定の断面として、シリンダ部１１とドーム部１３との境界付近を切り出せば、そのタンクにおいて強度が比較的弱い部分の繊維の配向度合いを定量的に評価することができる。よって、タンクが所望の強度を有するか否かを、より充分に評価することができる。

Ｂ．変形例：
Ｂ１：変形例１：
上述の実施形態では、タンク１００のシリンダ部１１とドーム部１３との境界付近の繊維層２０を含む断面が、検査に用いられる断面として切り出されている（図２、ステップＳ１０）。これに対し、検査に用いられる断面は、タンク１００のシリンダ部１１中央や、ドーム部１３など、他の部分であってもよい。

Ｂ２：変形例２：
上述の実施形態では、算出された繊維の角度のばらつきに基づいて、繊維の配向度合いが算出されている（図２、ステップＳ４０）。これに対し、繊維の角度のばらつきを求めずに、アスペクト比のばらつきに基づいて、繊維の配向度合いが算出されてもよい。例えば、アスペクト比の最頻出値から所定のアスペクト比の範囲内に存在する繊維の数が、アスペクト比を算出した繊維の数に対して、何割であるかを算出してもよい。

Ｂ３：変形例３：
上述の実施形態では、繊維の角度が２０°±５°の範囲内である繊維の数を、角度ごとに計数している（図５）。これに対し、アスペクト比の測定精度が充分であれば、繊維の角度が２０°±５°に限らず、より広い角度の範囲内における繊維の数を、角度ごとに計数してもよい。

１０…ライナー
１１…シリンダ部
１３…ドーム部
１４…口金部
２０…繊維層
１００…タンク
Ｗ…繊維束
ａ…長径
ｂ…短径
Ｔ…端部
ＣＸ…中心軸

Claims (1)

1. ライナーの外周に巻回され、フープ層とヘリカル層を構成する繊維を備えるタンクについて、巻回された前記繊維の向きである配向を検査する繊維配向検査方法であって、
   前記タンクの前記検査に用いる切断面に含まれ、前記フープ層に接する前記ヘリカル層の複数の前記繊維の断面の長径と短径との比であるアスペクト比をそれぞれ算出する工程と、
   前記アスペクト比に基づいて算出された前記繊維の角度の最頻出値から、予め定められた繊維の角度の範囲内における前記繊維の数が、前記繊維の角度を算出した前記繊維の数に対して何割であるか、又は、前記アスペクト比の最頻出値から、予め定められた前記アスペクト比の範囲内における前記繊維の数が、前記アスペクト比を算出した前記繊維の数に対して何割であるかに基づいて前記タンクに巻回された前記繊維の向きの揃い具合を算出する工程と、
   を備える、繊維配向検査方法。
   ただし、前記繊維の角度は、以下の式を用いて算出される。
   角度（θ）＝ｓｉｎ^-1（ｂ／ａ）
   ａ：繊維の長径、ｂ：繊維の短径