JP7202258B2 - 樹脂含浸測定システム - Google Patents

Description

本発明は、容器中の樹脂の状態を測定する樹脂含浸測定システムに関する。

近年、航空機の材料として航空機用炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の複合材が用いられる。例えば、航空機の機体の一部を模った耐圧性の容器を密封し、真空吸引により原材料を容器に充填させ、さらに加熱することで、機体の一部となる複合材を成形する（オートクレーブ成形）。このような複合材を成形する様々な技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００７－０７６２０２号公報

複合材の充填技術では、原材料を充填する容器の耐圧性が高いため、外観では、その含浸率を正確に把握できない。また、見た目上、原材料が行き渡っていたとしても、その内部の充填度合いまでは目視できない。そこで、２つの電極を準備し、複合材が充填される容器を挟んで、その電極の静電容量を測定することで、電極間に原材料が充填されたか否かを判断する。

ここで、可能な限り切れ目がないように複合材を成形しようとすると、必然的に、充填すべき容器の平面方向の面積が大きくなる。この場合においても、２つの電極を移動しつつ電圧を測定するとなると、測定環境の再現性が低下し、測定点の少なさと相まって含浸率の測定精度の低下を招いていた。

本発明は、このような課題に鑑み、原材料を充填する場合の含浸率を高精度に測定可能な樹脂含浸測定システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の樹脂含浸測定システムは、平行に延在する複数の第１電極と、繊維基材が配置されると共に樹脂が充填される容器を挟んで第１電極と対向配置され、かつ、第１電極と交差する方向に延在する複数の第２電極と、複数の第１電極および複数の第２電極を順次切り替え、第１電極と第２電極とが対向する複数の測定領域の静電容量を測定する測定制御部と、複数の測定領域の静電容量の分布に基づいて容器における繊維基材に対する樹脂の含浸率を導出する含浸率導出部と、を備える。

測定領域の長手方向は樹脂が流れる方向に設定されるとしてもよい。

測定制御部は、樹脂の含浸率に応じて、複数の第１電極および複数の第２電極の切り替え態様を変化させてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の他の樹脂含浸測定システムは、平行に延在する複数の第１電極と、樹脂が充填される容器を挟んで第１電極と対向配置され、かつ、第１電極と交差する方向に延在する複数の第２電極と、複数の第１電極および複数の第２電極を順次切り替え、第１電極と第２電極とが対向する複数の測定領域の静電容量を測定する測定制御部と、複数の測定領域の静電容量の推移に基づいて容器における樹脂の焼成分布を導出する焼成分布導出部と、を備える。

第１電極または第２電極における測定領域以外の領域では、第１電極または第２電極の長手方向の断面が測定領域より小さいとしてもよい。

本発明によれば、原材料を充填する場合の含浸率を高精度に測定することが可能となる。

図１は、複合材の成形を説明するための説明図である。 図２は、樹脂含浸測定システムの概略的な構成を示した説明図である。 図３Ａは、測定制御部の動作を説明するための説明図である。図３Ｂは、測定制御部の他の動作を説明するための説明図である。図３Ｃは、測定制御部の他の動作を説明するための説明図である。 図４は、第１電極および第２電極の他の形状を示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、複合材の成形を説明するための説明図である。ここでは、航空機の機体の一部を模った、高耐圧で密封可能に形成された容器１０が準備される。成形開始時には、容器１０内に繊維基材（図示せず）が配置される。そして、オートクレーブ成形に基づき、密封された容器１０を白矢印のように真空ポンプで真空吸引すると、黒矢印の方向からハッチングで示すように原材料（樹脂）が容器１０に流入して繊維基材に含浸する。そして、容器１０に原材料が充填されると、容器１０が外部から加熱され、機体の一部となる複合材が成形される。

ただし、容器１０に原材料が十分に充填されていないと、成形された複合材の一部に剛性が弱い部分が生じるおそれがある。したがって、容器１０の全てに渡って原材料が十分に充填されたか否かを判断するために、以下に示す樹脂含浸測定システム（樹脂含浸モニタリングシステム）によって含浸率が測定される。ここで、含浸率は、容器１０中における繊維基材に対する原材料の比率を示す。また、容器１０中で原材料が一方向に充填される場合、含浸率によって、充填の進捗度合いを示すこともできる。

<樹脂含浸測定システム２０>
図２は、樹脂含浸測定システム２０の概略的な構成を示した説明図である。樹脂含浸測定システム２０は、第１電極２２（図２中、２２ａ、２２ｂ、２２ｃで示す）と、第２電極２４（図２中、２４ａ、２４ｂ、２４ｃで示す）と、中央制御部２６とを含んで構成される。

第１電極２２は、容器１０の一面に複数配される。また、複数の第１電極２２は、互いに原材料の流れる方向に平行して延在している。

第２電極２４は、容器１０の他面に、第１電極２２と対向して（容器１０を挟んで）複数配される。複数の第２電極２４は、第１電極２２と交差する方向に、互いに平行して延在している。なお、第１電極２２と第２電極２４とが交差する角度は、９０度に近いほど、後述する測定領域４０の位置特定精度が高くなる。したがって、ここでは、第１電極２２と第２電極２４とが直交する（９０度で交差する）例を挙げて説明する。

したがって、容器１０の垂直方向から観察すると、複数の第１電極２２と複数の第２電極２４とが格子状に配されることとなる。また、第１電極２２および第２電極２４のいずれか一方が正極を担い、他方が負極を担う。

中央制御部２６は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、樹脂含浸測定システム２０全体を管理および制御する。また、中央制御部２６は、プログラムと協働して、測定制御部３０と、含浸率導出部３２と、焼成分布導出部３４としても機能する。

測定制御部３０は、複数の第１電極２２および複数の第２電極２４を順次切り替え、第１電極２２と第２電極２４とが交差する部分において、第１電極２２と第２電極２４とが対向して重なる複数の測定領域４０（図２中、４０ａ～４０ｉで示す）の静電容量Ｃを測定する。したがって、測定領域４０は、第１電極２２の幅と第２電極２４の幅とからなる長方形であり、第１電極２２の数と第２電極２４の数を乗じた数だけ（図２の例では３×３＝９）設けられる。なお、ここでは、説明の便宜上、第１電極２２を３つ、第２電極２４を３つ挙げているが、その数を任意に設定できるのは言うまでもない。

図２を用いて測定制御部３０の動作を具体的に説明する。ここでは、複数の第１電極２２をそれぞれ２２ａ、２２ｂ、２２ｃとし、複数の第２電極２４をそれぞれ２４ａ、２４ｂ、２４ｃとする。また、測定制御部３０は、複数の第１電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃのいずれかと、複数の第２電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃのいずれかとに対し同時に電圧を印加することができるとする。なお、複数の第１電極２２と複数の第２電極２４との位置関係は上下逆としてもよい。

まず、測定制御部３０は、第１電極２２ａに正の電圧を印加するとともに、第２電極２４ａに負の電圧を印加する（電位差Ｖは例えば５Ｖ）。そして、測定制御部３０は、第１電極２２ａと第２電極２４ａとが対向する測定領域４０ａに蓄えられた電荷Ｑを、例えば、電圧フィードバック型表面電位計で測定することで、静電容量Ｃ（＝Ｑ／Ｖ）を導出することができる。

同様に、測定制御部３０は、第２電極２４ａに負の電圧を印加している間に、第１電極２２ｂに正の電圧を印加し、測定領域４０ｂの電荷Ｑを測定することで、測定領域４０ｂの静電容量Ｃを導出する。また、測定制御部３０は、第２電極２４ａに負の電圧を印加している間に、第１電極２２ｃに正の電圧を印加し、測定領域４０ｃの電荷Ｑを測定することで、測定領域４０ｃの静電容量Ｃを導出する。

次に、測定制御部３０は、負の電圧の印加先を第２電極２４ａから第２電極２４ｂに切り替えて、上記同様、第１電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃに正の電圧を順次印加することで、測定領域４０ｄ、４０ｅ、４０ｆの静電容量Ｃを導出する。続いて、測定制御部３０は、負の電圧の印加先を第２電極２４ｂから第２電極２４ｃに切り替えて、第１電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃに正の電圧を順次印加することで、測定領域４０ｇ、４０ｈ、４０ｉの静電容量Ｃを導出する。こうして、測定領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ、４０ｈ、４０ｉそれぞれの静電容量Ｃを導出することができる。

ところで、容器１０は密封されているので、容器１０内の静電容量Ｃは、原材料が充填されるまで真空の誘電率ε_０に基づいた値Ｃ_０となり、充填されると、原材料の誘電率ε_Ｓに基づいた値Ｃ_Ｓとなる。また、原材料が空の状態から充填状態となる間、測定領域４０の面積に対応する原材料の部分含浸率に応じて、静電容量Ｃは値Ｃ_０から値Ｃ_Ｓの間の値を推移する。なお、一般的に、静電容量Ｃは、値Ｃ_０<値Ｃ_Ｓの関係となっている。

すなわち、静電容量Ｃを測定することで、個々の測定領域４０における原材料の部分含浸率０～１００％を把握することができる。また、その静電容量Ｃが値Ｃ_Ｓとなることで、個々の測定領域４０における充填の完了（部分含浸率１００％）を把握することができる。

含浸率導出部３２は、測定制御部３０が測定した複数の測定領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ、４０ｈ、４０ｉの静電容量（もしくは部分含浸率）の分布に基づいて、容器１０における原材料の含浸率を導出する。

例えば、図２において、容器１０中の測定領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃの静電容量Ｃが値Ｃ_Ｓ（部分含浸率が１００％）で、他の測定領域４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ、４０ｈ、４０ｉの静電容量Ｃが値Ｃ_０（部分含浸率が０％）の場合、容器１０の大凡１／３に原材料が充填されていること（含浸率３３％）が把握できる。

また、容器１０中の測定領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃの静電容量Ｃが値Ｃ_Ｓ（部分含浸率が１００％）で、測定領域４０ｄ、４０ｅ、４０ｆの静電容量Ｃが値（（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）／２）（部分含浸率が５０％）で、測定領域４０ｇ、４０ｈ、４０ｉの静電容量Ｃが値Ｃ_０（部分含浸率が０％）の場合、容器１０の大凡１／２に原材料が充填されていること（含浸率５０％）が把握できる。こうして、原材料を充填する場合の容器１０中の含浸率を高精度に測定することが可能となる。

なお、ここでは、図２に示すように、測定領域４０の長手方向は原材料が流れる方向に設定されている。これは、以下の理由からである。

すなわち、原材料の容器１０への入口と出口の位置により、原材料の流れる方向は大凡決定される。ここでは、測定領域４０の長手方向と原材料が流れる方向が一致しているので、測定領域４０の長手方向に対応する長い距離に渡り、原材料の充填が進むに連れ、静電容量Ｃが安定的に漸増する。このように長い距離に渡り測定することで、高精度（高分解能）な測定が可能となる。また、静電容量Ｃが安定的に漸増することで、測定誤差（ノイズ）を抑制することが可能となる。したがって、含浸率導出部３２は、原材料が充填される先頭部位（波面）を高精度に把握することができる。

ところで、図２を参照して理解できるように、原材料が流れる方向が決まっている場合、例えば、測定領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃの静電容量Ｃが未だ値Ｃ_０であれば、他の測定領域４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ、４０ｈ、４０ｉの静電容量Ｃは必ず値Ｃ_０となる。また、測定領域４０ｇ、４０ｈ、４０ｉの静電容量Ｃが既に値Ｃ_Ｓとなっている場合、他の測定領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆの静電容量Ｃも既に値Ｃ_Ｓとなっていることとなる。

そこで、測定制御部３０は、原材料の含浸率（充填の進捗度合い）に応じて、複数の第１電極２２および複数の第２電極２４の切り替え態様を変化させる。具体的に、測定制御部３０は、静電容量Ｃが値Ｃ_Ｓになっている測定領域４０より下流であり、静電容量Ｃが未だ値Ｃ_Ｓになっていない測定領域４０のみを測定する。

図３Ａは、測定制御部３０の動作を説明するための説明図である。図３Ｂは、測定制御部の他の動作を説明するための説明図である。図３Ｃは、測定制御部の他の動作を説明するための説明図である。例えば、図３Ａのように、静電容量Ｃが値Ｃ_Ｓになっている測定領域４０が未だにない場合、測定制御部３０は、次に静電容量Ｃが上がる可能性の高い測定領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃのみの静電容量Ｃを測定する。

そして、原材料の充填が進行し、図３Ｂのように、測定領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃの静電容量Ｃが値Ｃ_Ｓになると、測定制御部３０は、その下流に位置する静電容量Ｃが上がる可能性の高い測定領域４０ｄ、４０ｅ、４０ｆのみの静電容量Ｃを測定する。

同様に、原材料の充填が進行すると、測定制御部３０は、図３Ｃのように、測定領域４０ｄ、４０ｅ、４０ｆの静電容量Ｃも値Ｃ_Ｓになると、測定領域４０ｄ、４０ｅ、４０ｆの下流に位置する測定領域４０ｇ、４０ｈ、４０ｉのみの静電容量Ｃを測定する。そして、測定領域４０ｄ、４０ｅ、４０ｆの静電容量Ｃが値Ｃ_Ｓになると、測定制御部３０は、静電容量Ｃの測定を停止する。

ここで、第２電極２４に着目し、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃを比較すると、電圧の印加対象が、それぞれ第２電極２４ａのみ→第２電極２４ｂのみ→第２電極２４ｃのみと移動している。このように、第２電極２４に関しては、測定中の電圧の印加対象の切り替えを伴わないので、測定制御部３０の処理負荷の軽減を図ることができる。

また、第２電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃを切り替える場合と比べ、１の測定領域４０に費やす測定時間を等しくした場合、第１電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃの切り替え頻度を３倍まで上げることができるので、単位時間当たりの計測頻度を高め、これに伴って測定精度を高めることが可能となる。

なお、ここでは、測定制御部３０が、静電容量Ｃが値Ｃ_Ｓになっている測定領域４０より下流であり、静電容量Ｃが未だ値Ｃ_Ｓになっていない１の第２電極２４に対応する測定領域４０のみを測定する例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、静電容量Ｃが未だ値Ｃ_Ｓになっていない２以上の第２電極２４に対応する測定領域４０を測定してもよい。

このようにして、容器１０に原材料が十分に充填されると、容器１０が外部から加熱されて、原材料が焼成される。ただし、原材料が十分に焼成されていないと、成形された複合材の一部に剛性が弱い部分ができるおそれがある。そこで、本実施形態では、測定領域４０の静電容量Ｃに基づいて焼成分布も把握する。ここで、焼成分布は、容器１０内の焼成の進捗度合いの分布を示す。

図２に戻り、焼成分布導出部３４は、複数の測定領域４０の静電容量Ｃの推移に基づいて容器１０における樹脂の焼成分布を導出する。原材料を焼成すると、静電容量Ｃは一旦大きくなり、焼成後、温度が低下すると、静電容量Ｃは小さくなる。なお、焼成の進捗度合いが異なると、その静電容量Ｃの推移が異なる。

したがって、焼成分布導出部３４は、静電容量Ｃの推移に応じ、例えば、静電容量Ｃが十分大きくなれば、その測定領域４０の焼成率を１００％とし、静電容量Ｃがさほど大きくなければ、その測定領域４０の焼成率を７０％とする。こうして、複数の測定領域４０それぞれの焼成率の容器１０中における分布（焼成分布）により、原材料の焼成が十分でない箇所を特定できるので、剛性が低くなることへの対策を事前に講じることが可能となる。

また、コンピュータを樹脂含浸測定システム２０の中央制御部２６として機能させるプログラムや、当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、第１電極２２および第２電極２４の形状として、それが測定領域４０であるか否かに拘わらず、長手方向の断面が均一になるように設定した。しかし、かかる場合に限らず、断面を変化させてもよい。

図４は、第１電極２２および第２電極２４の他の形状を示した説明図である。図４に示すように、第１電極２２（図４中、２２ａ、２２ｂ、２２ｃで示す）または第２電極２４（図４中、２４ａ、２４ｂ、２４ｃで示す）における測定領域４０（図４中、４０ａ～４０ｉで示す）以外の領域では、長手方向の断面が測定領域より小さくなるように、すなわち、短手方向の長さが短くなるように設定する。

測定領域４０以外の領域には、対向する電極がないので、静電容量Ｃの測定には寄与しない。したがって、かかる測定領域４０以外の領域の金属面を削除することで、電極材料のコストおよび重量の削減が可能となる。

なお、図４では、第１電極２２および第２電極２４の両方において、測定領域４０以外の領域の断面を測定領域より小さくしたが、一方のみを小さくするだけでも、同様に、電極材料コストおよび重量の削減を達成できる。

１０ 容器
２０ 樹脂含浸測定システム
２２ 第１電極
２４ 第２電極
３０ 測定制御部
３２ 含浸率導出部
３４ 焼成分布導出部
４０ 測定領域

Claims (5)

1. 平行に延在する複数の第１電極と、
   繊維基材が配置されると共に樹脂が充填される容器を挟んで前記第１電極と対向配置され、かつ、前記第１電極と交差する方向に延在する複数の第２電極と、
   前記複数の第１電極および前記複数の第２電極を順次切り替え、前記第１電極と前記第２電極とが対向する複数の測定領域の静電容量を測定する測定制御部と、
   前記複数の測定領域の静電容量の分布に基づいて前記容器における前記繊維基材に対する前記樹脂の含浸率を導出する含浸率導出部と、
   を備える樹脂含浸測定システム。
2. 前記測定領域の長手方向は前記樹脂が流れる方向に設定される請求項１に記載の樹脂含浸測定システム。
3. 前記測定制御部は、前記樹脂の含浸率に応じて、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の切り替え態様を変化させる請求項１または２に記載の樹脂含浸測定システム。
4. 平行に延在する複数の第１電極と、
   樹脂が充填される容器を挟んで前記第１電極と対向配置され、かつ、前記第１電極と交差する方向に延在する複数の第２電極と、
   前記複数の第１電極および前記複数の第２電極を順次切り替え、前記第１電極と前記第２電極とが対向する複数の測定領域の静電容量を測定する測定制御部と、
   前記複数の測定領域の静電容量の推移に基づいて前記容器における前記樹脂の焼成分布を導出する焼成分布導出部と、
   を備える樹脂含浸測定システム。
5. 前記第１電極または前記第２電極における前記測定領域以外の領域では、前記第１電極または前記第２電極の長手方向の断面が前記測定領域より小さい請求項１から４のいずれか１項に記載の樹脂含浸測定システム。

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