JP6519721B1 - ハニカムサンドイッチパネルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

ハニカムコア１と、このハニカムコア１の一方の面に密着配置された第１表皮２と、ハニカムコア１の他方の面に密着配置された第２表皮３と、第１表皮２の一部およびハニカムコア１の一部が取り除かれた領域に第１表皮側に一部を露出して配置されたインサート部材８と、領域内に配置された光ファイバ７と、領域内に充填された充填剤９とを備えたものである。本発明によれば、インサート部材を挿入した穴に樹脂を充填する工程において、開孔部の内部で起こる充填不良を検知することができ、接着力の高いインサート部材を備えるハニカムサンドイッチパネルを得ることができる。

Description

この発明は、人工衛星の構造部材などに用いられるハニカムサンドイッチパネルおよびその製造方法に関する。

人工衛星の構造部材などに用いられる部材として、ハニカムサンドイッチパネルが知られている。このハニカムサンドイッチパネルは、アルミニウムなどで形成されたハニカムコアと、このハニカムコアの両面に配置される繊維強化プラスチックなどで形成された表皮材とで構成されている。このように構成されたハニカムサンドイッチパネルは、軽量でかつ高剛性な特性を有している。

ハニカムサンドイッチパネルに電気機器などを取り付けたり、ハニカムサンドイッチパネル同士を締結したりするために、ハニカムサンドイッチパネルにはインサート部材が埋め込まれている。このインサート部材には、電気機器を取り付けるためにねじ穴などが備えられている。

インサート部材をハニカムサンドイッチパネルに埋め込む方法として、ハニカムサンドイッチパネルに穴加工を施し、その開孔部へインサート部材を挿入した後、樹脂などを充填してその樹脂を硬化させてインサート部材を固定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１９８２５９号公報（２−３頁、図３）

インサート部材を挿入した開孔部に樹脂を充填してインサート部材を固定する方法では、樹脂を充填する工程において、樹脂とハニカムコアとの間に樹脂が充填されていない空隙部が生じる場合がある。このような空隙部が発生した場合（以下、充填不良と表現する）、完成したハニカムサンドイッチパネルとインサート部材との間の接着強度が低下し、インサート部材を介して取り付けられた電気機器の取り付け強度が低下したり、最悪の場合はインサート部材が脱落したりするという不具合が生じる。

従来のインサート部材を固定する方法では、充填不良を検知する手法として充填する工程において目視による確認が必要であった。しかしながら、この手法ではインサート部材や開孔部の周りの表皮のため視界が遮られ、開孔部の内部で起こる充填不良を検知できないという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、インサート部材を挿入した開孔部に樹脂を充填する工程において、開孔部の内部で起こる充填不良を検知することができ、接着力の高いインサート部材を備えるハニカムサンドイッチパネルを得ることを目的とする。

この発明に係るハニカムサンドイッチパネルにおいては、ハニカムコアと、このハニカムコアの一方の面に密着配置された第１表皮と、ハニカムコアの他方の面に密着配置された第２表皮と、第１表皮の一部およびハニカムコアの一部が取り除かれた領域に第１表皮側に一部を露出して配置されたインサート部材と、領域内に配置された光ファイバと、領域内に充填された充填剤とを備えたものである。

また、この発明に係るハニカムサンドイッチパネルの製造方法においては、ハニカムコアの両面に第１表皮および第２表皮をそれぞれ備えたハニカムサンドイッチパネルに対して、第１表皮の一部およびハニカムコアの一部を取り除くステップと、光ファイバおよびインサート部材を第１表皮の一部およびハニカムコアの一部が取り除かれた領域に挿入するステップと、光ファイバの後方散乱の波長特性を用いて光ファイバの温度分布を計測しながら領域内を樹脂で充填するステップとを備えたものである。

この発明は、インサート部材を挿入する領域に光ファイバを配置することで、当該領域に充填剤を充填する工程において穴の内部で起こる充填不良を検知することができるので、接着力の高いインサート部材を備えるハニカムサンドイッチパネルを得ることができる。

この発明の実施の形態１を示すハニカムサンドイッチパネルの製造方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態１を示すハニカムサンドイッチパネルの模式図である。 この発明の実施の形態１で用いる光ファイバの模式図である。 この発明の実施の形態１で用いる光ファイバの特性図である。 この発明の実施の形態１を示す計測システムの特性図である。 この発明の実施の形態１における充填剤の注入工程の模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバの特性図である。 この発明の実施の形態２で用いる光ファイバの模式図である。 この発明の実施の形態３における充填剤の注入工程の模式図である。 この発明の実施の形態４を示すハニカムサンドイッチパネルの模式図である。 この発明の実施の形態５を示すハニカムサンドイッチパネルの模式図である。 この発明の実施の形態５を示すハニカムサンドイッチパネルの模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係るハニカムサンドイッチパネルの製造方法を示す模式図である。図１（ａ）〜（ｅ）は、ハニカムサンドイッチパネルの製造方法における各工程を示したものである。

図１（ａ）に示すように、アルミニウムなどで構成されたハニカムコア１の両面に密着配置された第１表皮２および第２表皮３を備えたハニカムサンドイッチパネル素材４を準備する。ハニカムコア１は、薄い壁によって断面が六角形となる中空構造が隙間なく並んだ構造を有するものでる。この薄い壁は、例えばアルミニウムで構成されている。第１表皮２および第２表皮３の素材としては、例えば炭素繊維の連続繊維にエポキシ樹脂などを含浸させて硬化させた板状の複合材料を用いることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、第１表皮２の一部およびハニカムサンドイッチパネル素材４の一部に機械加工により開孔部５を設ける。開孔部５の底部には、充填剤が不要な部分へ侵入するのを防ぐために仕切板６を配置する。仕切板６は、例えばハニカムコア１と同じ材質のものを用いることができる。仕切板６は、第１表皮２の開孔径よりも大きいものが必要となるが、例えば開孔径より小さい板材を複数個用いて仕切板としてもよい。

次に、図１（ｃ）に示すように、光ファイバ７を巻き付けたインサート部材８を開孔部５の中に挿入する。インサート部材８は、例えばアルミニウムなどの金属で構成されている。このインサート部材８は、円盤状の端部とそれらを繋ぐ円柱状の柱部とを備えており、第１表皮２側となる端部から柱部に達するように雌ねじが切られている。ただし、図１においては、インサート部材８の雌ねじの図示は省略している。この雌ねじは、ハニカムサンドイッチパネルに電気機器などを取り付けるために使用する。

また、インサート部材８の第１表皮２側となる端部には、充填剤を開孔部５へ注入するための穴と注入時に空気を逃がすための穴とが開けられている。光ファイバ７は、この注入時に空気を逃がすための穴を通してインサート部材８の柱部に巻き付けられている。

図１（ｄ）に示すように、インサート部材８が開孔部５の中に挿入された後に、光ファイバ７の巻き付けを開放することで、開孔部５の中で光ファイバ７がらせん状に広がって配置される。なお、インサート部材８の第１表皮２側となる端部の外面は、第１表皮２の外面とほぼ平坦となるように配置されている。

最後に、図１（ｅ）に示すように、充填剤９を開孔部５へ注入するためもインサート部材８に開けられた穴を通して、液状の充填剤９を注入し、この充填剤９を加熱硬化させる。充填剤９としては、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂などの硬化後の寸法安定性に優れる樹脂を用いることができる。

このようにして、インサート部材８が固定されたハニカムサンドイッチパネル１０を完成させる。

図２は、本実施の形態を示すハニカムサンドイッチパネル１０の模式図である。図２（ａ）は、ハニカムサンドイッチパネル１０の断面模式図、図２（ｂ）は、ハニカムサンドイッチパネル１０の上面模式図である。図２に示すように、ハニカムサンドイッチパネル１０にはインサート部材８が挿入されており、このインサート部材８は、充填剤９により、強固にハニカムコア１および第１表皮２に固定されている。

インサート部材８は、ハニカムサンドイッチパネル１０に電気機器などを取り付けたり、ハニカムサンドイッチパネル同士を締結したりするために用いられる。このインサート部材８に面外方向の力が加わったとしても、その力は充填剤９を介してサンドイッチパネル１０の第１表皮２やハニカムコア１に分散されるため、インサート部材８が抜けにくい構成となっている。

本実施の形態においては、図１（ｅ）に示す充填剤９を開孔部５へ注入するときに、光ファイバ７を用いて充填剤９の充填状態をモニタして充填不良を防いでいる。その原理について説明する。

まず、本実施の形態に用いる光ファイバについて説明する。図３は、本実施の形態で用いる光ファイバの構成を示す模式図である。図３に示すように、本実施の形態で用いる光ファイバ７は、コア１１と、このコア１１の外周を覆うクラッド１２と、このクラッド１２の外周を覆う被覆材１３とを有する。コア１１は、外径が約１０μｍの石英ガラスなどで構成されている。クラッド１２は、コア１１の屈折率よりも大きな屈折率をもつ石英ガラスなどで構成されており、その外径は約１２５μｍである。被覆材１３は、アクリレート樹脂またはポリイミド樹脂などで構成されており、その外径は約２５０μｍである。光ファイバ７の内部を伝播する光は、コア１１の内部を伝播する。

一般に、光ファイバの内部を伝播する光の損失は、吸収損失と散乱損失とに大別できる。散乱損失は、光ファイバに入射した光のうち、その入射方向へ伝播されていく成分以外に、入射方向以外の方向へ進む光の成分が発生することによる損失である。その散乱光のうち、伝播方向と逆方向に散乱するものを後方散乱光と呼ぶ。

図４は、光ファイバにおける後方散乱光の波長特性を示す特性図である。図４において、横軸は光の波長、縦軸は光強度である。図４に示すように、後方散乱光には、大きく５つのピークがある。図3に示すように、この５つのピークを波長の低短い側から、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４およびＰ５とする。最も強度が高いピークＰ３は、レイリー散乱光と呼ばれるもので、入射光と同じ波長で後方に散乱される光である。このレイリー散乱光は、散乱が発生した場所の光ファイバの損失の変動に伴い散乱光の強度が変化する。

ピークＰ３の両側にあるピークＰ２およびＰ４は、ブリルアン散乱光と呼ばれる。このブリルアン散乱光は、散乱が発生した場所のひずみや温度変化に伴い波長が変化する。

ブリルアン散乱光のピークＰ２およびＰ４より外側にあるピークＰ１およびＰ５は、ラマン散乱光と呼ばれる。このラマン散乱光には、入射光よりも波長が長いストークス光（ピークＰ５）と入射光よりも波長が短いアンチストークス光（ピークＰ１）があり、これらの散乱光は発生した場所の温度変化に伴い散乱光の強度が変化する。

これらの散乱光を利用することで、光ファイバ中での温度分布、ひずみ分布などを検出することが可能である。

図５は、本実施の形態において、光ファイバ７を用いて充填剤９の充填状態をモニタして充填不良を防ぐための計測システムの模式図である。図５は、図１（ｅ）の充填剤の注入工程に対応する。図５において、光ファイバ７の一方の端部は、インサート部材８と一緒に開孔部５の中に挿入されている。光ファイバ７の他方の端部には、光計測器１５および制御装置１６が接続されている。

この光計測器１５は、半導体レーザなどの単一波長の光を出射する光源を備えており、この単一波長の光を光ファイバ７に入射させる。また、光計測器１５は、図４で示したような光ファイバ７からの後方散乱光の波長特性を測定することができる。

制御装置１６は、光計測器１５で測定された後方散乱光の波長特性から、上述のレイリー散乱光の強度変化、ブリルアン散乱光の波長変化、ラマン散乱光の強度変化を算出し、光ファイバでの温度分布、ひずみ分布など検出する。

図６は、図１（ｅ）に示す充填剤の注入工程において、充填不良が生じた場合を説明するための模式図である。例えば、４０℃に設定された液状の充填剤を注入したときに開孔部５の中に充填剤９が注入されなかった部分、つまり空隙部２０が発生したとする。充填剤９が注入された領域の光ファイバ７の温度は約４０℃で一定となるが、空隙部２０の領域の光ファイバ７の温度はそれよりも低い温度となる。

図７は、充填不良が生じたときの光ファイバの温度分布を示す特性図である。図７において、横軸は光ファイバの位置（例えば、光計測器からの距離）、横軸は後方散乱光の波長特性から算出された温度である。図７に示すように、空隙部２０の領域の光ファイバの位置の温度が低いことがわかる。この結果、充填剤の注入工程において、充填不良を検知することができる。充填不良が検知できたときには、充填剤の注入圧力を上げる、再充填するなど、適宜充填不良を解消する手段を講じることができる。

仮に、光ファイバを備えずに充填剤の注入を行なった場合、開孔部５内部の充填剤の注入状態を目視で確認する必要がある。この場合、充填不良部である空隙部２０が上部に開口していれば注入用の穴などから充填不良を確認できる場合もあるが、図６に示すように、開孔部内で閉空間となった場合、充填剤が透明でない限り確認できない。なお、通常インサート部材８の円盤状の端部は、強度確保の観点から開孔部５をほぼ覆うように構成されているので、充填剤が透明であっても実際には充填不良を確認することは困難である。

また、人工衛星に用いるハニカムサンドイッチパネルの場合軽量化は最重要であり、充填剤による重量増加を極力抑えるために充填する開孔部はなるべく小さい方がよい。そのため、インサート部材に対して開孔部は必要最小限度に小さくする必要があり、インサート部材や第１表皮に遮られて目視できる範囲はほとんどない。

本実施の形態のように、インサート部材が挿入される開孔部の中に光ファイバを広げて配置することにより、開孔部の内部で起こる充填不良を検知することができ、接着力の高いインサート部材を備えるハニカムサンドイッチパネルを得ることができる。

なお、本実施の形態においては、充填剤として熱硬化性のエポキシ樹脂などの硬化後の寸法安定性に優れる樹脂を用いたが、寸法安定性に優れ、インサート部材を固定できる材料であれば、樹脂以外の材料でもよい。

また、本実施の形態において、インサート部材としては鉄などの金属で構成されたものとして説明したが、それ以外の材質、例えば複合材料で構成されていてもよい。さらには、インサート部材８は、円盤状の端部とそれらを繋ぐ円柱状の柱部とを備えたものとして説明したが、それ以外の構造でもよい。また、インサート部材には、充填剤を開孔部に注入するための穴を設けているが、必ずしもその穴は必要なく、別の経路で充填剤を開孔部に注入してもよい。

また、本実施の形態において、開孔部５の底部に充填剤が不要な部分へ侵入するのを防ぐために仕切板６を配置した。この仕切板６は、軽量化のために充填剤が不要な部分に注入されないために用いたが、必ずしも必要ではない。仕切板６がない場合は充填剤が第２表皮に達するまでに注入されるが、これによってインサート部材に面外方向の力が加わった場合、その力は充填剤を介してサンドイッチパネルの第１表皮やハニカムコアだけでなく第２表皮にも分散されるため、インサート部材がさらに抜けにくくなる。

実施の形態２．
この発明を実施するための実施の形態２におけるハニカムサンドイッチパネルおよびその製造方法は、実施の形態１と同様であるが、光ファイバが異なっている。

図８は、本実施の形態で用いる光ファイバ７の構成を示す模式図である。本実施の形態の光ファイバ７の基本構成は、実施の形態１の図３で説明した光ファイバと同じであるが、コア１１に回折格子３０が形成されている。この回折格子３０は、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）と呼ばれるもので、コア１１の周期的に屈折率が変化した領域が回折格子３０となる。この回折格子３０で反射される光の波長は、回折格子の屈折率変化の周期によって決まる。

本実施の形態で用いる光ファイバにおいては、回折格子３０は光ファイバの複数の位置にそれぞれ形成されている。複数の位置にそれぞれ形成された回折格子の屈折率変化の周期は、その位置に応じて異なっている。このように構成された光ファイバでは、回折格子３０から反射される光の波長を検知することで、その反射光が光ファイバのどの位置から反射されたものかが正確にかわかる。

本実施の形態では、この回折格子の反射を利用して光ファイバ中での温度分布、ひずみ分布など検出するので、光ファイバの反射位置が精度よく測定できる。その結果、より精度よく充填不良の位置を検知することができる。

実施の形態３．
実施の形態１で説明したように、実施の形態１に係るハニカムサンドイッチパネルにおいては、第１表皮２の一部およびハニカムサンドイッチパネル素材４の一部に機械加工により開孔部５を設ける。このとき、開孔部と連通するハニカムコアの中空構造部分とが、開孔部を設ける位置によって変わるため、開孔部の位置によって充填剤の注入量が変わる。開孔部の位置よって充填剤の注入量が変化することで充填不良を招く恐れがある。

また、光ファイバ７を巻き付けたインサート部材８を開孔部５の中に挿入した後に、光ファイバ７の巻き付けを開放しているが、開孔部と連通するハニカムコアの中空構造部分までに光ファイバ７が広がらない場合がある。そのため、充填不良を検知する範囲が、充填剤が注入される領域より狭くなる恐れがある。

実施の形態３においては、インサート部材を開孔部に挿入する前に、開孔部に連通した中空構造部分に予め充填剤を注入して固化させておく方法について説明する。

図９は、本実施の形態における、インサート部材を開孔部に挿入する前の工程を説明する模式図である。図９（ａ）は、インサート部材を開孔部に挿入する前のハニカムサンドイッチパネル素材４の上面図である。図９（ａ）に示すように、開孔部５を形成したのち、開孔部５と連通するハニカムコア１の中空部分に熱硬化性樹脂などの充填剤９を充填して固化させる。その後、図９（ｂ）に示すように、実施の形態１と同様に光ファイバ７を巻き付けたインサート部材８を開孔部５の中に挿入する。これ以降は、実施の形態１と同様な工程でハニカムサンドイッチパネルを製造する。

開孔部５と連通するハニカムコア１の中空部分に熱硬化性樹脂などの充填剤９を充填して固化させる場合、インサート部材は挿入されていないので、その部分の充填剤の充填不良を簡単に防止することができる。

このような工程で製造されたハニカムサンドイッチパネルにおいては、光ファイバの広がる領域以外の開孔部と連通するハニカムコアの中空構造部分を予め充填剤を注入して固化させているので、充填不良をさらに効果的に防ぐことができる。

実施の形態４．
実施の形態１においては、図１（ｄ）に示すように、インサート部材８を開孔部５の中に挿入した後に光ファイバ７の巻き付けを開放することで、開孔部５の中で光ファイバ７を縦向きのらせん状に広げて配置している。実施の形態４においては、開孔部５の中で光ファイバ７を横向きにらせん状に展開したものである。

図１０は、本実施の形態のハニカムサンドイッチパネル１０の断面を示す模式図である。図１０は、実施の形態１で説明したハニカムサンドイッチパネルの製造方法において、図１（ｄ）で示したインサート部材８を開孔部５の中に挿入した後に、光ファイバ７の巻き付けを開放した状態に対応している。図１０に示すように、本実施の形態のハニカムサンドイッチパネル１０においては、開孔部５の内部で光ファイバ７は、横向きにらせん状に展開されて配置されている。

このように光ファイバ７を配置することで、充填不良の起きやすい位置に光ファイバを配置することもできる。とくに実施の形態３で説明した、開孔部と連通するハニカムコアの中空構造部分まで光ファイバが配置できるので、充填不良をさらに効果的に防ぐことができる。

なお、実施の形態１および４において、光ファイバをらせん状に展開する例を示したが、必ずしもらせん状である必要はない。また、実施の形態１および４において、開孔部に挿入する光ファイバの本数は１本の例を示したが、複数本の光ファイバを挿入してもよい。

実施の形態５．
実施の形態１においては、１つの位置にインサート部材を設けたハニカムサンドイッチパネルの構成を示したが、実際には複数の位置にインサート部材を設ける場合が多い。実施の形態５においては、複数の位置にインサート部材を設けたハニカムサンドイッチパネルの構成について説明する。

図１１は、本実施の形態を示すハニカムサンドイッチパネル１０の模式図である。図１１は、実施の形態１で説明したハニカムサンドイッチパネルの製造方法において、図１（ｄ）で示したインサート部材８を開孔部５の中に挿入した後に、光ファイバ７の巻き付けを開放した状態に対応している。図１１に示すように、本実施の形態のハニカムサンドイッチパネル１０においては、複数のインサート部材８にそれぞれ対応した開孔部５の内部で光ファイバ７はらせん状に展開されて配置されている。これらの光ファイバ７は、インサート部材８の第１表皮２側となる端部に設けられた穴を通して、１本の光ファイバで構成されている。

このように構成されたハニカムサンドイッチパネルにおいては、複数の位置の開孔部の内部で起こる充填不良を１本の光ファイバで検知することができ、接着力の高いインサート部材を備えるハニカムサンドイッチパネルを得ることができる。

なお、インサート部材に設けられた穴を通して複数の位置の開孔部に配置される光ファイバを１本で構成しているが、図１１に示すように、ハニカムコア内部に光ファイバを通す穴を設けてもよい。このように構成することで、充填剤の充填不良の検知だけでなく、ハニカムコア内部の温度やひずみを計測することができる。

１ ハニカムコア、 ２ 第１表皮、 ３ 第２表皮、 ４ ハニカムサンドイッチパネル素材、 ５ 開孔部、 ６ 仕切板、６ 光ファイバ、 ８ インサート部材、 ９ 充填剤、 １０ ハニカムサンドイッチパネル、 １１ コア、 １２ クラッド、 １３被覆材、 １５ 光計測器、 １６ 制御装置、 ２０ 空隙部、 ３０ 回折格子

Claims (7)

1. ハニカムコアと、
   このハニカムコアの一方の面に密着配置された第１表皮と、
   前記ハニカムコアの他方の面に密着配置された第２表皮と、
   前記第１表皮の一部および前記ハニカムコアの一部が取り除かれた領域に前記第１表皮側に一部を露出して配置されたインサート部材と、
   前記領域内に配置された光ファイバと、
   前記領域内に充填された充填剤と
   を備えたことを特徴とするハニカムサンドイッチパネル。
2. 前記光ファイバは、前記領域内にらせん状に配置された
   ことを特徴とする請求項１に記載のハニカムサンドイッチパネル。
3. 前記光ファイバは、分布型の光ファイバである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のハニカムサンドイッチパネル。
4. 前記光ファイバは、温度をもとに充填不良を検知する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハニカムサンドイッチパネル。
5. 前記領域を複数備え、
   複数の前記領域にそれぞれインサート部材および光ファイバを備えており、
   前記光ファイバは、連続した１本で構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載のハニカムサンドイッチパネル。
6. ハニカムコアの両面に第１表皮および第２表皮をそれぞれ備えたハニカムサンドイッチパネルの製造方法であって、
   前記第１表皮の一部および前記ハニカムコアの一部を取り除くステップと、
   光ファイバおよびインサート部材を前記第１表皮の一部および前記ハニカムコアの一部が取り除かれた領域に挿入するステップと、
   前記光ファイバの後方散乱の波長特性を用いて前記光ファイバの温度分布を計測しながら前記領域内を樹脂で充填するステップと
   仮に充填不良を検知した際は、適宜充填不良を解消する手段を講じるステップと、
   を備えたことを特徴とするハニカムサンドイッチパネルの製造方法。
7. 前記第１表皮の一部および前記ハニカムコアの一部を取り除くステップと
   光ファイバおよびインサート部材を前記第１表皮の一部および前記ハニカムコアの一部が取り除かれた領域に挿入するステップとの間に、
   前記第１表皮の一部および前記ハニカムコアの一部が取り除かれた領域と連通するハニカムコアの中空構造部分に予め樹脂を充填するステップを
   さらに備えたことを特徴とする請求項６に記載のハニカムサンドイッチパネルの製造方法。

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