液状物検出センサ、液状物検出方法及び複合材構造物の形成方法
【課題】加工が容易であるとともに、光の応答特性のバラツキの少ない液状物検出センサを提供することを目的とする。
【解決手段】光源２５から供給された光を伝送する第１の光路２２と、第１の光路２２を伝送された光が外部へ散乱する湾曲部（光散乱部）２３と、湾曲部２３から進入した光を所定位置まで伝送する第２の光路２４と、を備え、第１の光路２２、湾曲部２３及び第２の光路２４は、光透過性材料から構成され、湾曲部２３における外部への光の散乱量は、第１の光路２２における外部への光の散乱量又は第２の光路２４における外部への光の散乱量よりも多い液状物検出センサ２１。
【解決手段】光源２５から供給された光を伝送する第１の光路２２と、第１の光路２２を伝送された光が外部へ散乱する湾曲部（光散乱部）２３と、湾曲部２３から進入した光を所定位置まで伝送する第２の光路２４と、を備え、第１の光路２２、湾曲部２３及び第２の光路２４は、光透過性材料から構成され、湾曲部２３における外部への光の散乱量は、第１の光路２２における外部への光の散乱量又は第２の光路２４における外部への光の散乱量よりも多い液状物検出センサ２１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状物を検出するセンサに関するものであり、特に繊維基材に液体樹脂を真空含浸していく含浸作業中に含浸の状態を把握することのできる液状物検出センサ、液状物検出方法、さらにはそのような液状物検出センサを備えた複合材構造物の形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、軽量かつ高強度を有した材料として、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）等の複合材料が、航空機の主翼、船舶、大型風車の回転翼、鉄道車両、建築分野の構造部材等をはじめとする様々な分野で多用されている。ＦＲＰ、ＣＦＲＰ（以下、単にＦＲＰと総称する）は、ガラス繊維やカーボン繊維等の強化繊維からなる状、あるいはマット状の強化繊維基材を型によって成形した状態で、熱硬化性樹脂等の樹脂を含浸させ、これを硬化させることで、所定形状に形成される。
【０００３】
ここで、ＦＲＰによって形成した部材（以下、ＦＲＰ部材）には、所定の強度が要求される。ＦＲＰ部材の強度は、強化繊維基材に樹脂を確実に含浸させることで担保される。
したがって、特にＦＲＰ部材を工業的に生産する現場では、成形時に、樹脂を強化繊維基材に確実に含浸させるための工夫がなされている。このような工夫の一つとして、強化繊維基材を型上に配置し、これをバッグ材で覆った後、バッグ材と型で囲まれた空間を真空ポンプ等で吸引して減圧（負圧）とし、この空間に樹脂を導入する、真空バッグ法というものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
ここで、図７を参照しつつ、真空バッグ法により大型のＦＲＰ製品を製造する手法の一例を説明する。図７に示すように、型１の上面には強化繊維基材３の積層体を設置しその上にパスメディア２が敷かれる。パスメディア２は、空隙を多数有している網または布でなるシートであり、このパスメディア２の面に沿って液体樹脂を迅速に面状に浸透・拡散させることができる。
【０００５】
パスメディア２の上面のうち、中央部分には樹脂供給パイプ４が配置される。樹脂供給パイプ４には、樹脂貯留槽８に貯留された樹脂が供給される。そして、パスメディア２及び樹脂供給パイプ４を含めて強化繊維基材３の上面からバッグフィルム５が覆われる。バッグフィルム５の周縁部分と型１との間はシールされる。
【０００６】
吸引パイプ６は、その先端がシールを貫通して強化繊維基材３に臨んでおり、その基端には真空吸引装置７が接続され、樹脂供給の前にバッグ内部を減圧しておく。
【０００７】
樹脂含浸をする際には、真空吸引装置７を作動させたままでバック内部の減圧を保った状態で、樹脂供給パイプ４に液体樹脂を供給する。そうすると、液体樹脂は樹脂供給パイプ４からパスメディア２に供給され、パスメディア２の面に沿って迅速に面状に浸透・拡散する。このようにしてパスメディア２により面状に拡散した液体樹脂は、強化繊維基材３の上面側から含浸（真空含浸）していく。
【０００８】
大型のＦＲＰ製品では、樹脂を含浸する面積が広いので、製品全体を一括して樹脂含浸をすることができない。これは、広い面積を一括して樹脂含浸をしようとすると、樹脂未含浸部が広い面積で発生したり、樹脂含浸に伴い追い出されていくガスが広い面の各所に残ったりするからである。
【０００９】
したがって、未含浸部のない高品質のＦＲＰを得るためには、液状樹脂の流動状況を把握し、樹脂の注入のタイミングを制御する必要がある。ゆえに、液状樹脂の流動状況を把握するためのセンサが高品質なＦＲＰを得るために重要な役割を持っており、各種センサを用いて樹脂流動を検出する試みがなされてきた。
【００１０】
液状の樹脂を検出するセンサの１つとして、誘電センサが知られている。図９は、誘電センサ１０の構成を示す図である。誘電センサ１０は、プラスチックフィルム１３上に、配線１１及び１２を配設して構成されている。配線１１は電源１４の＋端子に接続され、配線１２は電源１４の−端子に接続されている。この誘電センサ１０を強化繊維基材間に配設し樹脂含浸を行うと、誘電センサ１０の配線１１及び１２に液体樹脂が接触し、樹脂内のイオンにより回路に電流が流れるようになる。この時、回路に発生する電位差を電圧計１５で検出することで、樹脂の存在を検出できる。また、樹脂の硬化に伴いイオンが減少し、電流が小さくなることを利用し樹脂の硬化状況を検出することもできる。
しかし、誘電センサ１０は、所定の面積を有するフィルム状のものであるため樹脂含浸の障害となる。また、導電性を有するカーボン強化繊維基材間に配設すると、回路が短絡する虞があった。
【００１１】
以上の問題を有しない液状物検出センサが特許文献２に開示されている。この液状物検出センサは、光を出射する出射面を先端、もしくは先端の近傍に有する第１の光ファイバと、該第１の光ファイバから出射された光を受光する入射面を先端、もしくは先端の近傍に有する第２の光ファイバから構成される。この液状物検出センサは、線径の小さい光ファイバを用いているため、強化繊維基材間に配設しても、樹脂含浸の阻害はほとんどない。また、光の応答を用いているので、カーボン強化繊維基材への使用も問題がない。
この液状物検出センサは、第１の光ファイバの出射面と第２の光ファイバの入射面の間に樹脂が存在しない場合、第１の光ファイバから放出された光は、第２の光ファイバに入射することはないが、樹脂が存在する場合、屈折率の変化により第２の光ファイバにも光が入射し、樹脂の存在が検出できるというものである。
しかし、特許文献２の液状物検出センサは、第１の光ファイバの出射面、第２の光ファイバの入射面を精密に加工することは容易ではない。特に、この液状物検出センサにおける光の反射は、出射面を加工する際に意図せず作製された突起によるものであり、光の応答特性のバラツキがあり、液状物の検出信頼性が不十分である。光の応答特性を制御するために、突起の形状を所望の形状に加工することもまた容易ではない。
【００１２】
本願出願人も樹脂含浸センサを特許文献３において提案しているが、この樹脂含浸センサは、目視により樹脂含浸を検出するものであり、また構造が複雑である。
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−１１１３６号公報
【特許文献２】特開２００１−２７６７８号公報
【特許文献３】特開２００４−２０３０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、加工、製作が容易であるとともに、光の応答特性のバラツキの少ない液状物検出センサを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような液状物検出センサを用いた、液状物検出方法を提供する。さらに本発明は、そのような液状物検出センサを用いながら、ＦＲＰ等の複合材構造物を形成する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
かかる目的のもと、本発明の液状物検出センサは、光源から供給された光を伝送する第１の光路と、第１の光路を伝送された光が外部へ散乱する光散乱部と、この光散乱部から進入した光を所定位置まで伝送する第２の光路と、を備える。そして、第１の光路、光散乱部及び第２の光路は、光透過性材料からなる一体の線状材から構成され、光散乱部における外部への光の散乱量は、第１の光路における外部への光の散乱量又は第２の光路における外部への光の散乱量よりも多いことを特徴としている。
本発明の液状物検出センサにおいて、光散乱部の周囲を取り囲む物質が大気である場合と、液状物である場合とで、外部への光の散乱量が相違する。この性質を利用して本発明の液状物検出センサは、液状物の存在を検出する。光散乱部における外部への光の散乱量を、第１の光路における外部への光の散乱量又は第２の光路における外部への光の散乱量よりも多くすることにより、大気と液状物である場合の外部への光の散乱量の相違を明確にすることができる。
【００１６】
本発明の液状物検出センサは、第１の光路、光散乱部及び第２の光路を、一体の線状材から構成することができるので、加工、作製が容易である。例えば、光透過性材料から構成される一本の線状材を所定位置で折り曲げるという簡単な工程により、本発明の液状物検出センサを作製することができる。折り曲げられた部分が光散乱部を構成し、折り曲げられた部分を境界とする一方の直線状部分が第１の光路を、他方の直線状部分が第２の光路を構成する。また、折り曲げられた構成の液状物検出センサは、光散乱部が、第１の光路と光の伝送方向が相違することになる。このように、光の伝送方向が相違することを利用して、外部への光の散乱を促進する。さらに、折り曲げの角度を制御することは容易であり、また、外部への光の散乱量は折り曲げの角度によって特定することができるので、本発明による液状物検出センサは、光の応答特性のバラツキを低減することができる。
【００１７】
光透過性材料から構成される一本の線状材を略１８０°折り曲げた場合には、第１の光路と第２の光路とが略平行に併設されることになる。この形態によれば、光散乱部における外部への光の散乱を十分に確保することができる。
【００１８】
本発明の液状物検出センサにおいては、第１の光路及び第２の光路は、遮光性材料あるいは光路となる材料よりも屈折率の小さい透過性の材料でその表面を被覆することが好ましい。第１の光路及び第２の光路は、光を伝送することが目的であり、外部への光の散乱を防止することが、光散乱部との光の散乱量の相違を明確にする上で好ましいからである。
なお、以上の「折り曲げ」は、直線状のものを加工することを一応想定しているが、例えば、射出成形により当初より折り曲げられた形態のものを作製することも可能であり、本発明はこのような形態をも包含する。
【００１９】
本発明は、液状物の存在をセンサで検出する方法を提供する。この液状物検出方法は、センサが、光透過性材料から構成され、直線状の第１の光路と、第１の光路に連設される湾曲部と、湾曲部に連設される直線状の第２の光路を備えている。そして、このセンサの第１の光路に所定強度の光を供給しつつ、第２の光路から出射される光の強度の変動をモニタリングすることにより液状物の存在を検出することができる。
【００２０】
本発明の液状物検出方法は、１つの上記センサを用いて液状物の存在を検出することができるが、複数のセンサを所定間隔で配置し、各センサにおける光の強度の変動をモニタリングすることにより、液状物が所定位置に順次到達しているか検出することができる。
【００２１】
本発明をＦＲＰの形成に適用し、強化繊維と樹脂を含む複合材で所定形状の複合材構造物を形成する新規な方法が提供される。この方法は、複合材構造物に対応した形状を有する型の表面に強化繊維基材を沿わせた状態で、強化繊維基材を、気密性を有する気密シートで覆い、気密シートの外周部を型に対して気密にシールするとともに成形領域を形成する工程と、気密シート内の成形領域を減圧する工程と、成形領域に樹脂を注入し、強化繊維基材に樹脂を含浸させる工程と、を備え、樹脂を含浸させる工程において、成形領域であって樹脂の含浸方向に配置した複数の樹脂検出センサにより樹脂の含浸状況をモニタリングし、樹脂検出センサは、光透過性材料から構成され、第１の光路と、第１の光路に連設される湾曲部と、湾曲部に連設される第２の光路を備え、第１の光路に所定強度の光を供給しつつ、第２の光路から出射される光の強度の変動により樹脂の含浸状況をモニタリングすることを特徴とする。
以上の複合材構造物の形成方法は、樹脂の含浸方向に複数の樹脂検出センサを配置しているため、樹脂の含浸が適正に進行しているか把握することができる。しかも、樹脂検出センサは、第１の光路と、第１の光路に連設される湾曲部と、湾曲部に連設される第２の光路からなる極めて簡易な構成であるとともに、光を利用したセンサであるため、誘電センサとは異なり強化繊維基材が導電性を有する炭素繊維から構成されていても適正に樹脂の含浸状況を把握することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、加工が容易であるとともに、光の応答特性のバラツキの少ない液状物検出センサが提供される。この液状物検出センサは、線状材から構成することができるので、樹脂含浸を阻害する程度が誘電センサに比べて著しく低い。また、本発明の液状物検出センサは、光を用いるものであるため、カーボン繊維に対して電気的な短絡を起こすことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
＜第１実施形態＞
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における液状物検出センサ２１を含む液状物検出装置２０の概略構成を示す図である。図１に示すように、液状物検出装置２０は、液状物検出センサ２１と、液状物検出センサ２１に対して光を供給する光源２５と、液状物検出センサ２１を伝送された光を受光してその強度を検出する光検出器２６とを備えている。
【００２４】
液状物検出センサ２１は、アクリルファイバから構成されている。このアクリルファイバの一方端から供給された光は、アクリルファイバ外へ散乱し、あるいは減衰するものの、他方端から出射される。アクリルファイバ外への光の散乱度合いは、アクリルファイバを取り囲む環境によって異なる。本実施の形態による液状物検出センサ２１は、この性質を利用して液状物、例えば液状樹脂の存在を検出するものである。
【００２５】
液状物検出センサ２１は、第１の光路２２、湾曲部（光散乱部）２３及び第２の光路２４という３つの部分から構成される。第１の光路２２、湾曲部２３及び第２の光路２４は一体のアクリルファイバを曲げ加工により形成されている。
第１の光路２２は、光源２５から供給された光を湾曲部２３まで伝送させる部分である。第１の光路２２は、図１に示すように、直線状に延在している。したがって、第１の光路２２を伝送される光の外部への散乱は少ない。第１の光路２２は曲がっていてもよいが、光の散乱が少ない直線状の方が液状物検出にとっては有利である。
【００２６】
第１の光路２２を伝送されてきた光は湾曲部２３に進入する。湾曲部２３に進入した光は、湾曲部２３内を伝送されるが、湾曲部２３を構成するアクリルファイバの外周面で反射する成分、外部へ散乱する成分がある。本実施の形態による液状物検出センサ２１は、外部へ意図的に光を散乱させるために湾曲部２３を設けている。前述したように、湾曲部２３における光の散乱の度合いは、湾曲部２３の周囲に存在する物質によって変動する。
【００２７】
湾曲部２３を伝送された光は、第１の光路２２と平行に配置されている第２の光路２４に進入する。第２の光路２４に進入した光は、第２の光路２４を伝送され、光検出器２６に供給される。第２の光路２４も直線状であることから、伝送過程における光の外部への散乱は湾曲部２３に比べて少ない。光検出器２６としてはフォトダイオード等の光電変換素子を用いることができ、この光検出器２６は、第２の光路２４から照射された光の強度に応じた電圧を検出することができる。
【００２８】
次に、液状物検出センサ２１による液状物の検出原理を図２に基づいて説明する。
図２の上段は湾曲部２３の周囲が大気の場合を示し、図２の下段は湾曲部２３の周囲が液状物の場合を示している。以下説明するように、両者には第２の光路２４を伝送される光の強度に差異がある。
図２の上段及び図２の下段ともに、第１の光路２２を伝送され、かつ湾曲部２３に進入した光の強度は同じものとする。図２の上段及び図２の下段において、湾曲部２３内を伝送される光の一部は湾曲部２３から外部へ散乱する。この外部への光の散乱は、周囲が大気の場合の図２の上段に比べて、湾曲部２３の周囲が液状物である図２の下段の方が、湾曲部２３の外表面における屈折率の関係で多くなる。したがって、第２の光路２４を伝送される光の強度は、周囲が大気の図２の上段が相対的に大きく、湾曲部２３の周囲が液状物の図２の下段は相対的に小さくなる。
したがって、周囲が大気の状態から液状物に変わると、光検出器２６で出力される電圧は低くなる。この電圧の変化により、液状物検出装置２０は、液状物の存在を検出することができる。
【００２９】
液状物検出装置２０が検出対象とする液状物は限定されない。前述したＦＲＰ作製のために用いられる液状の樹脂は勿論、液体、ゲル状物、スラリ等を広く包含する。また、樹脂としては、エポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ビニルエステルなどの熱硬化性樹脂や、ＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂、および熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂を混合したものなどをいう。
液状物が固化するものの場合には、その固化の状況を把握することができる。例えば、樹脂が液状態から硬化完了するまでの過程においては、樹脂の硬化に伴い樹脂の屈折率が変化するため、検出される光の強度が変化する。この光強度の変化を測定することで、樹脂の硬化状況を把握できるのである。
【００３０】
以上の液状物検出センサ２１は、アクリルファイバを略１８０°だけ折り曲げて作製しているが、本発明はこの形態に限定されない。前述したように、湾曲部２３は外部への光の散乱を促進させるために設けたものであるから、第１の光路２２に比べて外部への光の散乱を促進させることができる形態であれば、加工・作製が可能である限り、本発明は許容する。例えば図３（ａ）に示す形態とすることもできる。すなわち、図３（ａ）の液状物検出装置３０は、前述した液状検出装置２０と同様に、光源３５から供給される第１の光路３２、第１の光路３２を伝送される光が進入する湾曲部（光散乱部）３３、湾曲部３３を伝送される光が進入する第２の光路３４から構成される液状物検出センサ３１、及び第２の光路３４を伝送される光が供給される光検出器３６を備え、湾曲部３３がアクリルファイバをおよそ９０°だけ曲げ加工することにより構成されている。
【００３１】
また、以上の液状物検出センサ２１は、第１の光路２２、第２の光路２３が平行に併設されており、光源２５及び光検出器２６を併設させることができるが、図３（ｂ）に示す形態とすることもできる。すなわち、図３（ｂ）の液状物検出装置４０は、前述した液状検出装置２０と同様に、光源４５から供給される第１の光路４２、第１の光路４２を伝送される光が進入する湾曲部（光散乱部）４３、湾曲部４３を伝送される光が進入する第２の光路４４から構成される液状物検出センサ４１、及び第２の光路４４を伝送される光が供給される光検出器４６を備え、湾曲部４３がアクリルファイバを１回転捩る、つまり３６０°曲げ加工することにより構成されている。
その他、湾曲部は楕円形、多角形等の形態であっても本発明は機能する。
【００３２】
以上の液状物検出センサ２１は、アクリルファイバにより構成された例を示したが、第１の光路２２、湾曲部２３及び第２の光路２４は、光を伝送可能なものであれば如何なる材料を用いることができる。例えば、光ファイバにより液状物検出センサを構成することができる。その例を図４に示してある。図４に示す液状物検出センサ５１は、その基本的構成は液状物検出センサ２１と同じである、つまり、液状物検出センサ５１は、光源から供給される光を受光する第１の光路５２、第１の光路５２を伝送される光が進入する湾曲部（光散乱部）５３、湾曲部５３を伝送される光が進入する第２の光路５４を備えている。液状物検出センサ５１は第１の光路５２、湾曲部５３及び第２の光路５４が光ファイバから構成されている。光ファイバは、コアとコアの周囲を被覆する外層とから構成されており、この外層は光を透過しない。そこで、この実施の形態では、湾曲部５３の一部について外層を剥いでいる。したがって、液状物検出センサ５１は、第１の光路５２がコア５２ａ及びその周囲を被覆する外層５２ｂ、第２の光路５４がコア５４ａ及びその周囲を被覆する外層５４ｂから構成される。また、湾曲部５３は、コア５３ａと、その周囲の一部を被覆する外層５３ｂとから構成されている。湾曲部５３の中で外層５３ｂが存在しない領域で光の外部への散乱が生じる。
なお、外層については、これを除去しなくても湾曲させることで光ファイバの外層としての機能、すなわち光をファイバ内に反射させ外に出さないようにする機能を失う場合には外層を取り除かなくても良い。
光ファイバは、アクリルファイバよりも光伝送時の光の減衰が小さいため、液状物検出センサ５１を長尺とする場合に有利である。なお、アクリルファイバ等のように周囲に被覆が存在しないものを用いる場合に、塗料等で被覆することが光の減衰を低減するために有効である。
【００３３】
＜第２実施形態＞
さて、以上説明した液状物検出センサ２１、３１、４１、５１は、１本のアクリルファイバ又は光ファイバ（以下、光透過ファイバと総称することがある）で、１つのセンサを構成しているが、図５に示すように、複数のセンサを備えた液状物検出センサ６１とすることもできる。
液状物検出センサ６１は、センサ部６２、６３、６４、６５及び６６と５つのセンサ部を備えている。センサ部６２は、第１の光路６２ａ、湾曲部６２ｂ及び第２の光路６２ｃとから構成されている。
同様に、センサ部６３は、第１の光路６３ａ、湾曲部６３ｂ及び第２の光路６３ｃとから構成されている。センサ部６４は、第１の光路６４ａ、湾曲部６４ｂ及び第２の光路６４ｃとから構成されている。センサ部６５は、第１の光路６５ａ、湾曲部６５ｂ及び第２の光路６５ｃとから構成されている。センサ部６６は、第１の光路６６ａ、湾曲部６６ｂ及び第２の光路６６ｃとから構成されている。
【００３４】
図示しない光源から第１の光源６２ａに対して光が供給され、かつ供給された光は第１の光路６２ａを伝送されて湾曲部６２ｂに進入する。湾曲部６２ｂを伝送された光は、第２の光路６２ｃに進入し、かつ第２の光路６２ｃを伝送される。
センサ部６２の第２の光路６２ｃを伝送された光は、センサ部６３の第１の光路６３ａに進入する。第１の光路６３ａに進入した光は第１の光路６３ａを伝送されて湾曲部６３ｂに進入する。湾曲部６３ｂを伝送された光は、第２の光路６３ｃに進入し、かつ第２の光路６３ｃを伝送される。
センサ部６３の第２の光路６３ｃを伝送された光は、センサ部６４の第１の光路６４ａに進入する。第１の光路６４ａに進入した光は第１の光路６４ａを伝送されて湾曲部６４ｂに進入する。湾曲部６４ｂを伝送された光は、第２の光路６４ｃに進入し、かつ第２の光路６４ｃを伝送される。
以後、光源から供給された光は順次センサ部６５及び６６を伝送されて、センサ部６６の第２の光路６６ｃを介して図示しない光検出器に供給される。
【００３５】
以上の液状物検出センサ６１において、センサ部６２〜６６の湾曲部６２ｂ〜６６ｂが液状物で囲まれたときに、各湾曲部６２ｂ〜６６ｂにおける光の外部への散乱量が相違するように設定しておく。例えば、液状物で囲まれたときの湾曲部６２ｂにおける光の外部への散乱量をＳ６２とすると、湾曲部６２ｂ〜６６ｂにおける液状物で囲まれたときの光の外部への散乱量を、湾曲部６３ｂをＳ６３、湾曲部６４ｂをＳ６４、湾曲部６５ｂをＳ６５、湾曲部６６ｂをＳ６６となるように湾曲部６２ｂ〜６６ｂを構成する。ただし、Ｓ６２≠Ｓ６３≠Ｓ６４≠Ｓ６５≠Ｓ６６である。このように、湾曲部６２ｂ〜６６ｂにおける光の外部への散乱量を相違させるには、湾曲部６２ｂ〜６６ｂの光路長を相違させればよい。または、湾曲部６２ｂ〜６６ｂを塗料にて被覆し、かつ被覆する面積を相違させることによっても液状物で囲まれたときの光の外部への散乱量を相違させることができる。
【００３６】
いま、湾曲部６２ｂ〜６６ｂの全てがその周囲が大気で囲まれているときに、所定強度の光を第１の光路６２ａに対して投入して第２の光路６６ｃから図示しない光検出器に対して供給される光の強度をＬとする。このような前提の下で、湾曲部６２ｂのみが液状物で取り囲まれたとすると、光検出器に対して供給される光の強度は、Ｌ−Ｓ６２となる。また、湾曲部６４ｂのみが液状物で取り囲まれたとすると、光検出器に対して供給される光の強度は、Ｌ−Ｓ６４となる。さらに、湾曲部６３ｂ及び６５ｂが液状物で取り囲まれたとすると、光検出器に対して供給される光の強度は、Ｌ−Ｓ６３−Ｓ６５となる。したがって、光検出器で検出した光の強度がＬ−Ｓ６２であれば、湾曲部６２ｂの位置まで液状物で到達したと、光検出器で検出した光の強度がＬ−Ｓ６４であれば、湾曲部６４ｂの位置まで液状物で到達したと判断することができる。さらに、光検出器で検出した光の強度がＬ−Ｓ６３−Ｓ６５であれば、湾曲部６３ｂの位置及び湾曲部６５ｂの位置まで液状物で到達したと判断することができる。
【００３７】
以上の通りであり、液状物検出センサ６１は、同一平面状の異なる位置における液状物の到達状況を検出することができる。しかもこの液状物検出センサ６１は、光源及び光検出器を各々一台用意するだけで、同一平面状の異なる位置における液状物の到達状況を検出することができる利点がある。
【００３８】
＜第３実施形態＞
第３実施形態は、液状物検出センサの具体的用途を示すものである。
本発明は、前述したように、樹脂の含浸状態を検出することを目的としてなされたが、液状物検出センサは、樹脂の含浸状況の検出のみならず、広く液状物の検出に適用することができる。
例えば、図７は、真空バッグ法に用いる樹脂の水位検出に用いた例を示している。すなわち、含浸に用いられる樹脂を溜めておく樹脂貯留槽８内の所定高さに液状物検出センサ２１を設置しておく。
真空ポンプ７でバッグフィルム５内を減圧しつつ、樹脂貯留槽８内の溶融樹脂をバッグフィルム５内に含浸させると、樹脂貯留槽８内の溶融樹脂が消費される。液状物検出センサ２１により、溶融樹脂の液面の変動を検出する。液面の変動の検出は、光検出器２６で検出される光強度の変動をモニタリングすることにより把握することできる。液面の変動の検出をすることにより、樹脂貯留槽８内の溶融樹脂の量が一定となるように、図示しない樹脂供給装置から溶融樹脂を樹脂貯留槽８内に供給する。そうすることにより、バッグフィルム５内への樹脂の含浸を安定して行うことができる。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。この実施例は、図１に示す形態の液状物検出センサ２１を用いて、真空バッグ法による強化繊維基材からなる積層体の樹脂含浸状況を検出し、さらに含浸された樹脂の硬化状況を検出するものである。
図６に示すように、バッグフィルム５で覆われた３００×６００×５（ｍｍ）のガラス強化繊維基材３（積層枚数５枚）の上面に、液状物検出センサ２１を１００ｍｍ間隔で設置し、図６の右側から樹脂を流入させた時の各点における樹脂到達時間を測定した。このとき、液状物検出センサ２１の湾曲部（光散乱部）２３が、ガラス強化繊維基材３の幅方向中央部に位置するように配置した。各液状物検出センサ２１には、第１の光路２２に光を供給する光源２５が、また第２の光路２４から出射される光の強度を検出する光検出器２６が付随している。そして、樹脂の含浸の開始と同時に各液状物検出センサ２１の第１の光路２２に対して光源２５から光を供給し、かつ第２の光路２４から出射した光の強度を光検出器２６でモニタリングした。
【００４０】
なお、液状物検出センサ２１は、φ２ｍｍ、長さ８００ｍｍのアクリルファイバを図１に示す形状に加工した。光源２５および光検出器２６には光源検出器一体型のアンプユニット（キーエンス製ＦＳ−１２ＲＭ）を使用した。液状物検出センサ２１を接続し、大気中での光量を測定したところ、デジタル表示で１２００であった。
各液状物検出センサ２１の湾曲部２３の近傍に誘電センサを設置し、液状物検出センサ２１と誘電センサの２種類のセンサにて樹脂の含浸及び硬化状況をモニタリングした。その結果を図８に示す。なお、図８は、複数のセンサのうちの１つについて示している。実際は、図８に示す線図がセンサの数だけ時間差で得られる。
【００４１】
図８（ｂ）に示すように、誘電センサでは、樹脂が接触することにより電流が流れ、電圧が発生すし、樹脂の硬化進行に伴って電圧が小さくなる。樹脂の硬化が完了すると電圧は０になることが知られている。
一方、図８（ａ）に示すように、液状物検出センサ２１において、光検出器２６で計測される光量の履歴は、誘電センサからの電圧の履歴とリンクする。つまり、樹脂の含浸により光検出器２６から計測される光量が最初に低下を開始した時点で、液状物検出センサ２１に含浸された樹脂が接触することがわかる。これは、湾曲部２３が樹脂に接触することにより、外部への光の散乱量が増加するからである。その後、従い光検出器２６から計測される光量は徐々に低下するが、これは樹脂の硬化が進行していることを示している。光量が一定になると、樹脂の硬化が完了したことを示している。以上のように、アクリルファイバを用いて作製された液状物検出センサ２１においても、誘電センサの電圧変化と同時期に光量の変化が検出された。したがって、液状物検出センサ２１における光強度の変化は、樹脂との接触及び硬化に伴うものであり、液状物検出センサ２１の有効性が確認された。また、複数の液状物検出センサ２１を配置することにより、所定領域内における樹脂含浸及び樹脂硬化の進行状況を把握することができる。なお、光源２５から液状物検出センサ２１に対して供給した光に対して、光検出器２６で受光した光の強度は、樹脂の含浸状態で１７％であった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１実施形態の液状物検出装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の液状物検出装置の検出原理を説明するための図である。
【図３】第１実施形態の変形例を示す図である。
【図４】第１実施形態の他の変形例を示す図である。
【図５】第２実施形態の液状物検出センサの構成を示す図である。
【図６】実施例における樹脂含浸検出方法を示す図である。
【図７】第３実施形態における真空バック法により樹脂含浸をする含浸装置を示す図である。
【図８】実施例における樹脂の検出結果を示すグラフである。
【図９】誘電センサを示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
２０…液状物検出装置、２１，３１，４１，５１，６１…液状物検出センサ、２２，３２，４２，５２…第１の光路、２３，３３，４３，５３…湾曲部（光散乱部）、２４，３４，４４，５４…第２の光路、２５…光源、２６…光検出器、６２，６３，６４，６５，６６…センサ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状物を検出するセンサに関するものであり、特に繊維基材に液体樹脂を真空含浸していく含浸作業中に含浸の状態を把握することのできる液状物検出センサ、液状物検出方法、さらにはそのような液状物検出センサを備えた複合材構造物の形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、軽量かつ高強度を有した材料として、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）等の複合材料が、航空機の主翼、船舶、大型風車の回転翼、鉄道車両、建築分野の構造部材等をはじめとする様々な分野で多用されている。ＦＲＰ、ＣＦＲＰ（以下、単にＦＲＰと総称する）は、ガラス繊維やカーボン繊維等の強化繊維からなる状、あるいはマット状の強化繊維基材を型によって成形した状態で、熱硬化性樹脂等の樹脂を含浸させ、これを硬化させることで、所定形状に形成される。
【０００３】
ここで、ＦＲＰによって形成した部材（以下、ＦＲＰ部材）には、所定の強度が要求される。ＦＲＰ部材の強度は、強化繊維基材に樹脂を確実に含浸させることで担保される。
したがって、特にＦＲＰ部材を工業的に生産する現場では、成形時に、樹脂を強化繊維基材に確実に含浸させるための工夫がなされている。このような工夫の一つとして、強化繊維基材を型上に配置し、これをバッグ材で覆った後、バッグ材と型で囲まれた空間を真空ポンプ等で吸引して減圧（負圧）とし、この空間に樹脂を導入する、真空バッグ法というものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
ここで、図７を参照しつつ、真空バッグ法により大型のＦＲＰ製品を製造する手法の一例を説明する。図７に示すように、型１の上面には強化繊維基材３の積層体を設置しその上にパスメディア２が敷かれる。パスメディア２は、空隙を多数有している網または布でなるシートであり、このパスメディア２の面に沿って液体樹脂を迅速に面状に浸透・拡散させることができる。
【０００５】
パスメディア２の上面のうち、中央部分には樹脂供給パイプ４が配置される。樹脂供給パイプ４には、樹脂貯留槽８に貯留された樹脂が供給される。そして、パスメディア２及び樹脂供給パイプ４を含めて強化繊維基材３の上面からバッグフィルム５が覆われる。バッグフィルム５の周縁部分と型１との間はシールされる。
【０００６】
吸引パイプ６は、その先端がシールを貫通して強化繊維基材３に臨んでおり、その基端には真空吸引装置７が接続され、樹脂供給の前にバッグ内部を減圧しておく。
【０００７】
樹脂含浸をする際には、真空吸引装置７を作動させたままでバック内部の減圧を保った状態で、樹脂供給パイプ４に液体樹脂を供給する。そうすると、液体樹脂は樹脂供給パイプ４からパスメディア２に供給され、パスメディア２の面に沿って迅速に面状に浸透・拡散する。このようにしてパスメディア２により面状に拡散した液体樹脂は、強化繊維基材３の上面側から含浸（真空含浸）していく。
【０００８】
大型のＦＲＰ製品では、樹脂を含浸する面積が広いので、製品全体を一括して樹脂含浸をすることができない。これは、広い面積を一括して樹脂含浸をしようとすると、樹脂未含浸部が広い面積で発生したり、樹脂含浸に伴い追い出されていくガスが広い面の各所に残ったりするからである。
【０００９】
したがって、未含浸部のない高品質のＦＲＰを得るためには、液状樹脂の流動状況を把握し、樹脂の注入のタイミングを制御する必要がある。ゆえに、液状樹脂の流動状況を把握するためのセンサが高品質なＦＲＰを得るために重要な役割を持っており、各種センサを用いて樹脂流動を検出する試みがなされてきた。
【００１０】
液状の樹脂を検出するセンサの１つとして、誘電センサが知られている。図９は、誘電センサ１０の構成を示す図である。誘電センサ１０は、プラスチックフィルム１３上に、配線１１及び１２を配設して構成されている。配線１１は電源１４の＋端子に接続され、配線１２は電源１４の−端子に接続されている。この誘電センサ１０を強化繊維基材間に配設し樹脂含浸を行うと、誘電センサ１０の配線１１及び１２に液体樹脂が接触し、樹脂内のイオンにより回路に電流が流れるようになる。この時、回路に発生する電位差を電圧計１５で検出することで、樹脂の存在を検出できる。また、樹脂の硬化に伴いイオンが減少し、電流が小さくなることを利用し樹脂の硬化状況を検出することもできる。
しかし、誘電センサ１０は、所定の面積を有するフィルム状のものであるため樹脂含浸の障害となる。また、導電性を有するカーボン強化繊維基材間に配設すると、回路が短絡する虞があった。
【００１１】
以上の問題を有しない液状物検出センサが特許文献２に開示されている。この液状物検出センサは、光を出射する出射面を先端、もしくは先端の近傍に有する第１の光ファイバと、該第１の光ファイバから出射された光を受光する入射面を先端、もしくは先端の近傍に有する第２の光ファイバから構成される。この液状物検出センサは、線径の小さい光ファイバを用いているため、強化繊維基材間に配設しても、樹脂含浸の阻害はほとんどない。また、光の応答を用いているので、カーボン強化繊維基材への使用も問題がない。
この液状物検出センサは、第１の光ファイバの出射面と第２の光ファイバの入射面の間に樹脂が存在しない場合、第１の光ファイバから放出された光は、第２の光ファイバに入射することはないが、樹脂が存在する場合、屈折率の変化により第２の光ファイバにも光が入射し、樹脂の存在が検出できるというものである。
しかし、特許文献２の液状物検出センサは、第１の光ファイバの出射面、第２の光ファイバの入射面を精密に加工することは容易ではない。特に、この液状物検出センサにおける光の反射は、出射面を加工する際に意図せず作製された突起によるものであり、光の応答特性のバラツキがあり、液状物の検出信頼性が不十分である。光の応答特性を制御するために、突起の形状を所望の形状に加工することもまた容易ではない。
【００１２】
本願出願人も樹脂含浸センサを特許文献３において提案しているが、この樹脂含浸センサは、目視により樹脂含浸を検出するものであり、また構造が複雑である。
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−１１１３６号公報
【特許文献２】特開２００１−２７６７８号公報
【特許文献３】特開２００４−２０３０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、加工、製作が容易であるとともに、光の応答特性のバラツキの少ない液状物検出センサを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような液状物検出センサを用いた、液状物検出方法を提供する。さらに本発明は、そのような液状物検出センサを用いながら、ＦＲＰ等の複合材構造物を形成する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
かかる目的のもと、本発明の液状物検出センサは、光源から供給された光を伝送する第１の光路と、第１の光路を伝送された光が外部へ散乱する光散乱部と、この光散乱部から進入した光を所定位置まで伝送する第２の光路と、を備える。そして、第１の光路、光散乱部及び第２の光路は、光透過性材料からなる一体の線状材から構成され、光散乱部における外部への光の散乱量は、第１の光路における外部への光の散乱量又は第２の光路における外部への光の散乱量よりも多いことを特徴としている。
本発明の液状物検出センサにおいて、光散乱部の周囲を取り囲む物質が大気である場合と、液状物である場合とで、外部への光の散乱量が相違する。この性質を利用して本発明の液状物検出センサは、液状物の存在を検出する。光散乱部における外部への光の散乱量を、第１の光路における外部への光の散乱量又は第２の光路における外部への光の散乱量よりも多くすることにより、大気と液状物である場合の外部への光の散乱量の相違を明確にすることができる。
【００１６】
本発明の液状物検出センサは、第１の光路、光散乱部及び第２の光路を、一体の線状材から構成することができるので、加工、作製が容易である。例えば、光透過性材料から構成される一本の線状材を所定位置で折り曲げるという簡単な工程により、本発明の液状物検出センサを作製することができる。折り曲げられた部分が光散乱部を構成し、折り曲げられた部分を境界とする一方の直線状部分が第１の光路を、他方の直線状部分が第２の光路を構成する。また、折り曲げられた構成の液状物検出センサは、光散乱部が、第１の光路と光の伝送方向が相違することになる。このように、光の伝送方向が相違することを利用して、外部への光の散乱を促進する。さらに、折り曲げの角度を制御することは容易であり、また、外部への光の散乱量は折り曲げの角度によって特定することができるので、本発明による液状物検出センサは、光の応答特性のバラツキを低減することができる。
【００１７】
光透過性材料から構成される一本の線状材を略１８０°折り曲げた場合には、第１の光路と第２の光路とが略平行に併設されることになる。この形態によれば、光散乱部における外部への光の散乱を十分に確保することができる。
【００１８】
本発明の液状物検出センサにおいては、第１の光路及び第２の光路は、遮光性材料あるいは光路となる材料よりも屈折率の小さい透過性の材料でその表面を被覆することが好ましい。第１の光路及び第２の光路は、光を伝送することが目的であり、外部への光の散乱を防止することが、光散乱部との光の散乱量の相違を明確にする上で好ましいからである。
なお、以上の「折り曲げ」は、直線状のものを加工することを一応想定しているが、例えば、射出成形により当初より折り曲げられた形態のものを作製することも可能であり、本発明はこのような形態をも包含する。
【００１９】
本発明は、液状物の存在をセンサで検出する方法を提供する。この液状物検出方法は、センサが、光透過性材料から構成され、直線状の第１の光路と、第１の光路に連設される湾曲部と、湾曲部に連設される直線状の第２の光路を備えている。そして、このセンサの第１の光路に所定強度の光を供給しつつ、第２の光路から出射される光の強度の変動をモニタリングすることにより液状物の存在を検出することができる。
【００２０】
本発明の液状物検出方法は、１つの上記センサを用いて液状物の存在を検出することができるが、複数のセンサを所定間隔で配置し、各センサにおける光の強度の変動をモニタリングすることにより、液状物が所定位置に順次到達しているか検出することができる。
【００２１】
本発明をＦＲＰの形成に適用し、強化繊維と樹脂を含む複合材で所定形状の複合材構造物を形成する新規な方法が提供される。この方法は、複合材構造物に対応した形状を有する型の表面に強化繊維基材を沿わせた状態で、強化繊維基材を、気密性を有する気密シートで覆い、気密シートの外周部を型に対して気密にシールするとともに成形領域を形成する工程と、気密シート内の成形領域を減圧する工程と、成形領域に樹脂を注入し、強化繊維基材に樹脂を含浸させる工程と、を備え、樹脂を含浸させる工程において、成形領域であって樹脂の含浸方向に配置した複数の樹脂検出センサにより樹脂の含浸状況をモニタリングし、樹脂検出センサは、光透過性材料から構成され、第１の光路と、第１の光路に連設される湾曲部と、湾曲部に連設される第２の光路を備え、第１の光路に所定強度の光を供給しつつ、第２の光路から出射される光の強度の変動により樹脂の含浸状況をモニタリングすることを特徴とする。
以上の複合材構造物の形成方法は、樹脂の含浸方向に複数の樹脂検出センサを配置しているため、樹脂の含浸が適正に進行しているか把握することができる。しかも、樹脂検出センサは、第１の光路と、第１の光路に連設される湾曲部と、湾曲部に連設される第２の光路からなる極めて簡易な構成であるとともに、光を利用したセンサであるため、誘電センサとは異なり強化繊維基材が導電性を有する炭素繊維から構成されていても適正に樹脂の含浸状況を把握することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、加工が容易であるとともに、光の応答特性のバラツキの少ない液状物検出センサが提供される。この液状物検出センサは、線状材から構成することができるので、樹脂含浸を阻害する程度が誘電センサに比べて著しく低い。また、本発明の液状物検出センサは、光を用いるものであるため、カーボン繊維に対して電気的な短絡を起こすことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
＜第１実施形態＞
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における液状物検出センサ２１を含む液状物検出装置２０の概略構成を示す図である。図１に示すように、液状物検出装置２０は、液状物検出センサ２１と、液状物検出センサ２１に対して光を供給する光源２５と、液状物検出センサ２１を伝送された光を受光してその強度を検出する光検出器２６とを備えている。
【００２４】
液状物検出センサ２１は、アクリルファイバから構成されている。このアクリルファイバの一方端から供給された光は、アクリルファイバ外へ散乱し、あるいは減衰するものの、他方端から出射される。アクリルファイバ外への光の散乱度合いは、アクリルファイバを取り囲む環境によって異なる。本実施の形態による液状物検出センサ２１は、この性質を利用して液状物、例えば液状樹脂の存在を検出するものである。
【００２５】
液状物検出センサ２１は、第１の光路２２、湾曲部（光散乱部）２３及び第２の光路２４という３つの部分から構成される。第１の光路２２、湾曲部２３及び第２の光路２４は一体のアクリルファイバを曲げ加工により形成されている。
第１の光路２２は、光源２５から供給された光を湾曲部２３まで伝送させる部分である。第１の光路２２は、図１に示すように、直線状に延在している。したがって、第１の光路２２を伝送される光の外部への散乱は少ない。第１の光路２２は曲がっていてもよいが、光の散乱が少ない直線状の方が液状物検出にとっては有利である。
【００２６】
第１の光路２２を伝送されてきた光は湾曲部２３に進入する。湾曲部２３に進入した光は、湾曲部２３内を伝送されるが、湾曲部２３を構成するアクリルファイバの外周面で反射する成分、外部へ散乱する成分がある。本実施の形態による液状物検出センサ２１は、外部へ意図的に光を散乱させるために湾曲部２３を設けている。前述したように、湾曲部２３における光の散乱の度合いは、湾曲部２３の周囲に存在する物質によって変動する。
【００２７】
湾曲部２３を伝送された光は、第１の光路２２と平行に配置されている第２の光路２４に進入する。第２の光路２４に進入した光は、第２の光路２４を伝送され、光検出器２６に供給される。第２の光路２４も直線状であることから、伝送過程における光の外部への散乱は湾曲部２３に比べて少ない。光検出器２６としてはフォトダイオード等の光電変換素子を用いることができ、この光検出器２６は、第２の光路２４から照射された光の強度に応じた電圧を検出することができる。
【００２８】
次に、液状物検出センサ２１による液状物の検出原理を図２に基づいて説明する。
図２の上段は湾曲部２３の周囲が大気の場合を示し、図２の下段は湾曲部２３の周囲が液状物の場合を示している。以下説明するように、両者には第２の光路２４を伝送される光の強度に差異がある。
図２の上段及び図２の下段ともに、第１の光路２２を伝送され、かつ湾曲部２３に進入した光の強度は同じものとする。図２の上段及び図２の下段において、湾曲部２３内を伝送される光の一部は湾曲部２３から外部へ散乱する。この外部への光の散乱は、周囲が大気の場合の図２の上段に比べて、湾曲部２３の周囲が液状物である図２の下段の方が、湾曲部２３の外表面における屈折率の関係で多くなる。したがって、第２の光路２４を伝送される光の強度は、周囲が大気の図２の上段が相対的に大きく、湾曲部２３の周囲が液状物の図２の下段は相対的に小さくなる。
したがって、周囲が大気の状態から液状物に変わると、光検出器２６で出力される電圧は低くなる。この電圧の変化により、液状物検出装置２０は、液状物の存在を検出することができる。
【００２９】
液状物検出装置２０が検出対象とする液状物は限定されない。前述したＦＲＰ作製のために用いられる液状の樹脂は勿論、液体、ゲル状物、スラリ等を広く包含する。また、樹脂としては、エポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ビニルエステルなどの熱硬化性樹脂や、ＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂、および熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂を混合したものなどをいう。
液状物が固化するものの場合には、その固化の状況を把握することができる。例えば、樹脂が液状態から硬化完了するまでの過程においては、樹脂の硬化に伴い樹脂の屈折率が変化するため、検出される光の強度が変化する。この光強度の変化を測定することで、樹脂の硬化状況を把握できるのである。
【００３０】
以上の液状物検出センサ２１は、アクリルファイバを略１８０°だけ折り曲げて作製しているが、本発明はこの形態に限定されない。前述したように、湾曲部２３は外部への光の散乱を促進させるために設けたものであるから、第１の光路２２に比べて外部への光の散乱を促進させることができる形態であれば、加工・作製が可能である限り、本発明は許容する。例えば図３（ａ）に示す形態とすることもできる。すなわち、図３（ａ）の液状物検出装置３０は、前述した液状検出装置２０と同様に、光源３５から供給される第１の光路３２、第１の光路３２を伝送される光が進入する湾曲部（光散乱部）３３、湾曲部３３を伝送される光が進入する第２の光路３４から構成される液状物検出センサ３１、及び第２の光路３４を伝送される光が供給される光検出器３６を備え、湾曲部３３がアクリルファイバをおよそ９０°だけ曲げ加工することにより構成されている。
【００３１】
また、以上の液状物検出センサ２１は、第１の光路２２、第２の光路２３が平行に併設されており、光源２５及び光検出器２６を併設させることができるが、図３（ｂ）に示す形態とすることもできる。すなわち、図３（ｂ）の液状物検出装置４０は、前述した液状検出装置２０と同様に、光源４５から供給される第１の光路４２、第１の光路４２を伝送される光が進入する湾曲部（光散乱部）４３、湾曲部４３を伝送される光が進入する第２の光路４４から構成される液状物検出センサ４１、及び第２の光路４４を伝送される光が供給される光検出器４６を備え、湾曲部４３がアクリルファイバを１回転捩る、つまり３６０°曲げ加工することにより構成されている。
その他、湾曲部は楕円形、多角形等の形態であっても本発明は機能する。
【００３２】
以上の液状物検出センサ２１は、アクリルファイバにより構成された例を示したが、第１の光路２２、湾曲部２３及び第２の光路２４は、光を伝送可能なものであれば如何なる材料を用いることができる。例えば、光ファイバにより液状物検出センサを構成することができる。その例を図４に示してある。図４に示す液状物検出センサ５１は、その基本的構成は液状物検出センサ２１と同じである、つまり、液状物検出センサ５１は、光源から供給される光を受光する第１の光路５２、第１の光路５２を伝送される光が進入する湾曲部（光散乱部）５３、湾曲部５３を伝送される光が進入する第２の光路５４を備えている。液状物検出センサ５１は第１の光路５２、湾曲部５３及び第２の光路５４が光ファイバから構成されている。光ファイバは、コアとコアの周囲を被覆する外層とから構成されており、この外層は光を透過しない。そこで、この実施の形態では、湾曲部５３の一部について外層を剥いでいる。したがって、液状物検出センサ５１は、第１の光路５２がコア５２ａ及びその周囲を被覆する外層５２ｂ、第２の光路５４がコア５４ａ及びその周囲を被覆する外層５４ｂから構成される。また、湾曲部５３は、コア５３ａと、その周囲の一部を被覆する外層５３ｂとから構成されている。湾曲部５３の中で外層５３ｂが存在しない領域で光の外部への散乱が生じる。
なお、外層については、これを除去しなくても湾曲させることで光ファイバの外層としての機能、すなわち光をファイバ内に反射させ外に出さないようにする機能を失う場合には外層を取り除かなくても良い。
光ファイバは、アクリルファイバよりも光伝送時の光の減衰が小さいため、液状物検出センサ５１を長尺とする場合に有利である。なお、アクリルファイバ等のように周囲に被覆が存在しないものを用いる場合に、塗料等で被覆することが光の減衰を低減するために有効である。
【００３３】
＜第２実施形態＞
さて、以上説明した液状物検出センサ２１、３１、４１、５１は、１本のアクリルファイバ又は光ファイバ（以下、光透過ファイバと総称することがある）で、１つのセンサを構成しているが、図５に示すように、複数のセンサを備えた液状物検出センサ６１とすることもできる。
液状物検出センサ６１は、センサ部６２、６３、６４、６５及び６６と５つのセンサ部を備えている。センサ部６２は、第１の光路６２ａ、湾曲部６２ｂ及び第２の光路６２ｃとから構成されている。
同様に、センサ部６３は、第１の光路６３ａ、湾曲部６３ｂ及び第２の光路６３ｃとから構成されている。センサ部６４は、第１の光路６４ａ、湾曲部６４ｂ及び第２の光路６４ｃとから構成されている。センサ部６５は、第１の光路６５ａ、湾曲部６５ｂ及び第２の光路６５ｃとから構成されている。センサ部６６は、第１の光路６６ａ、湾曲部６６ｂ及び第２の光路６６ｃとから構成されている。
【００３４】
図示しない光源から第１の光源６２ａに対して光が供給され、かつ供給された光は第１の光路６２ａを伝送されて湾曲部６２ｂに進入する。湾曲部６２ｂを伝送された光は、第２の光路６２ｃに進入し、かつ第２の光路６２ｃを伝送される。
センサ部６２の第２の光路６２ｃを伝送された光は、センサ部６３の第１の光路６３ａに進入する。第１の光路６３ａに進入した光は第１の光路６３ａを伝送されて湾曲部６３ｂに進入する。湾曲部６３ｂを伝送された光は、第２の光路６３ｃに進入し、かつ第２の光路６３ｃを伝送される。
センサ部６３の第２の光路６３ｃを伝送された光は、センサ部６４の第１の光路６４ａに進入する。第１の光路６４ａに進入した光は第１の光路６４ａを伝送されて湾曲部６４ｂに進入する。湾曲部６４ｂを伝送された光は、第２の光路６４ｃに進入し、かつ第２の光路６４ｃを伝送される。
以後、光源から供給された光は順次センサ部６５及び６６を伝送されて、センサ部６６の第２の光路６６ｃを介して図示しない光検出器に供給される。
【００３５】
以上の液状物検出センサ６１において、センサ部６２〜６６の湾曲部６２ｂ〜６６ｂが液状物で囲まれたときに、各湾曲部６２ｂ〜６６ｂにおける光の外部への散乱量が相違するように設定しておく。例えば、液状物で囲まれたときの湾曲部６２ｂにおける光の外部への散乱量をＳ６２とすると、湾曲部６２ｂ〜６６ｂにおける液状物で囲まれたときの光の外部への散乱量を、湾曲部６３ｂをＳ６３、湾曲部６４ｂをＳ６４、湾曲部６５ｂをＳ６５、湾曲部６６ｂをＳ６６となるように湾曲部６２ｂ〜６６ｂを構成する。ただし、Ｓ６２≠Ｓ６３≠Ｓ６４≠Ｓ６５≠Ｓ６６である。このように、湾曲部６２ｂ〜６６ｂにおける光の外部への散乱量を相違させるには、湾曲部６２ｂ〜６６ｂの光路長を相違させればよい。または、湾曲部６２ｂ〜６６ｂを塗料にて被覆し、かつ被覆する面積を相違させることによっても液状物で囲まれたときの光の外部への散乱量を相違させることができる。
【００３６】
いま、湾曲部６２ｂ〜６６ｂの全てがその周囲が大気で囲まれているときに、所定強度の光を第１の光路６２ａに対して投入して第２の光路６６ｃから図示しない光検出器に対して供給される光の強度をＬとする。このような前提の下で、湾曲部６２ｂのみが液状物で取り囲まれたとすると、光検出器に対して供給される光の強度は、Ｌ−Ｓ６２となる。また、湾曲部６４ｂのみが液状物で取り囲まれたとすると、光検出器に対して供給される光の強度は、Ｌ−Ｓ６４となる。さらに、湾曲部６３ｂ及び６５ｂが液状物で取り囲まれたとすると、光検出器に対して供給される光の強度は、Ｌ−Ｓ６３−Ｓ６５となる。したがって、光検出器で検出した光の強度がＬ−Ｓ６２であれば、湾曲部６２ｂの位置まで液状物で到達したと、光検出器で検出した光の強度がＬ−Ｓ６４であれば、湾曲部６４ｂの位置まで液状物で到達したと判断することができる。さらに、光検出器で検出した光の強度がＬ−Ｓ６３−Ｓ６５であれば、湾曲部６３ｂの位置及び湾曲部６５ｂの位置まで液状物で到達したと判断することができる。
【００３７】
以上の通りであり、液状物検出センサ６１は、同一平面状の異なる位置における液状物の到達状況を検出することができる。しかもこの液状物検出センサ６１は、光源及び光検出器を各々一台用意するだけで、同一平面状の異なる位置における液状物の到達状況を検出することができる利点がある。
【００３８】
＜第３実施形態＞
第３実施形態は、液状物検出センサの具体的用途を示すものである。
本発明は、前述したように、樹脂の含浸状態を検出することを目的としてなされたが、液状物検出センサは、樹脂の含浸状況の検出のみならず、広く液状物の検出に適用することができる。
例えば、図７は、真空バッグ法に用いる樹脂の水位検出に用いた例を示している。すなわち、含浸に用いられる樹脂を溜めておく樹脂貯留槽８内の所定高さに液状物検出センサ２１を設置しておく。
真空ポンプ７でバッグフィルム５内を減圧しつつ、樹脂貯留槽８内の溶融樹脂をバッグフィルム５内に含浸させると、樹脂貯留槽８内の溶融樹脂が消費される。液状物検出センサ２１により、溶融樹脂の液面の変動を検出する。液面の変動の検出は、光検出器２６で検出される光強度の変動をモニタリングすることにより把握することできる。液面の変動の検出をすることにより、樹脂貯留槽８内の溶融樹脂の量が一定となるように、図示しない樹脂供給装置から溶融樹脂を樹脂貯留槽８内に供給する。そうすることにより、バッグフィルム５内への樹脂の含浸を安定して行うことができる。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。この実施例は、図１に示す形態の液状物検出センサ２１を用いて、真空バッグ法による強化繊維基材からなる積層体の樹脂含浸状況を検出し、さらに含浸された樹脂の硬化状況を検出するものである。
図６に示すように、バッグフィルム５で覆われた３００×６００×５（ｍｍ）のガラス強化繊維基材３（積層枚数５枚）の上面に、液状物検出センサ２１を１００ｍｍ間隔で設置し、図６の右側から樹脂を流入させた時の各点における樹脂到達時間を測定した。このとき、液状物検出センサ２１の湾曲部（光散乱部）２３が、ガラス強化繊維基材３の幅方向中央部に位置するように配置した。各液状物検出センサ２１には、第１の光路２２に光を供給する光源２５が、また第２の光路２４から出射される光の強度を検出する光検出器２６が付随している。そして、樹脂の含浸の開始と同時に各液状物検出センサ２１の第１の光路２２に対して光源２５から光を供給し、かつ第２の光路２４から出射した光の強度を光検出器２６でモニタリングした。
【００４０】
なお、液状物検出センサ２１は、φ２ｍｍ、長さ８００ｍｍのアクリルファイバを図１に示す形状に加工した。光源２５および光検出器２６には光源検出器一体型のアンプユニット（キーエンス製ＦＳ−１２ＲＭ）を使用した。液状物検出センサ２１を接続し、大気中での光量を測定したところ、デジタル表示で１２００であった。
各液状物検出センサ２１の湾曲部２３の近傍に誘電センサを設置し、液状物検出センサ２１と誘電センサの２種類のセンサにて樹脂の含浸及び硬化状況をモニタリングした。その結果を図８に示す。なお、図８は、複数のセンサのうちの１つについて示している。実際は、図８に示す線図がセンサの数だけ時間差で得られる。
【００４１】
図８（ｂ）に示すように、誘電センサでは、樹脂が接触することにより電流が流れ、電圧が発生すし、樹脂の硬化進行に伴って電圧が小さくなる。樹脂の硬化が完了すると電圧は０になることが知られている。
一方、図８（ａ）に示すように、液状物検出センサ２１において、光検出器２６で計測される光量の履歴は、誘電センサからの電圧の履歴とリンクする。つまり、樹脂の含浸により光検出器２６から計測される光量が最初に低下を開始した時点で、液状物検出センサ２１に含浸された樹脂が接触することがわかる。これは、湾曲部２３が樹脂に接触することにより、外部への光の散乱量が増加するからである。その後、従い光検出器２６から計測される光量は徐々に低下するが、これは樹脂の硬化が進行していることを示している。光量が一定になると、樹脂の硬化が完了したことを示している。以上のように、アクリルファイバを用いて作製された液状物検出センサ２１においても、誘電センサの電圧変化と同時期に光量の変化が検出された。したがって、液状物検出センサ２１における光強度の変化は、樹脂との接触及び硬化に伴うものであり、液状物検出センサ２１の有効性が確認された。また、複数の液状物検出センサ２１を配置することにより、所定領域内における樹脂含浸及び樹脂硬化の進行状況を把握することができる。なお、光源２５から液状物検出センサ２１に対して供給した光に対して、光検出器２６で受光した光の強度は、樹脂の含浸状態で１７％であった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１実施形態の液状物検出装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の液状物検出装置の検出原理を説明するための図である。
【図３】第１実施形態の変形例を示す図である。
【図４】第１実施形態の他の変形例を示す図である。
【図５】第２実施形態の液状物検出センサの構成を示す図である。
【図６】実施例における樹脂含浸検出方法を示す図である。
【図７】第３実施形態における真空バック法により樹脂含浸をする含浸装置を示す図である。
【図８】実施例における樹脂の検出結果を示すグラフである。
【図９】誘電センサを示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
２０…液状物検出装置、２１，３１，４１，５１，６１…液状物検出センサ、２２，３２，４２，５２…第１の光路、２３，３３，４３，５３…湾曲部（光散乱部）、２４，３４，４４，５４…第２の光路、２５…光源、２６…光検出器、６２，６３，６４，６５，６６…センサ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から供給された光を伝送する第１の光路と、
前記第１の光路を伝送された光が外部へ散乱する光散乱部と、
前記光散乱部から進入した光を所定位置まで伝送する第２の光路と、
を備え、
前記第１の光路、前記光散乱部及び前記第２の光路は、光透過性材料からなる一体の線状材から構成され、
前記光散乱部における外部への光の散乱量は、前記第１の光路における外部への光の散乱量又は前記第２の光路における外部への光の散乱量よりも多いことを特徴とする液状物検出センサ。
【請求項２】
前記第１の光路と前記第２の光路とが略平行に併設されていることを特徴とする請求項１に記載の液状物検出センサ。
【請求項３】
前記第１の光路及び前記第２の光路は、遮光性材料でその表面が被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液状物検出センサ。
【請求項４】
前記光散乱部は、前記第１の光路と光の伝送方向が相違することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液状物検出センサ。
【請求項５】
液状物の存在をセンサで検出する方法であって、
前記センサは、
光透過性材料から構成され、直線状の第１の光路と、前記第１の光路に連設される湾曲部と、前記湾曲部に連設される直線状の第２の光路を備え、
前記第１の光路に所定強度の光を供給しつつ、前記第２の光路から出射される光の強度の変動をモニタリングすることを特徴とする液状物検出方法。
【請求項６】
複数の前記センサを所定間隔で配置し、前記各センサにおける光の強度の変動をモニタリングすることを特徴とする請求項５に記載の液状物検出方法。
【請求項７】
強化繊維と樹脂を含む複合材で所定形状の複合材構造物を形成する方法であって、
前記複合材構造物に対応した形状を有する型の表面に強化繊維基材を沿わせた状態で、前記強化繊維基材を、気密性を有する気密シートで覆い、前記気密シートの外周部を前記型に対して気密にシールするとともに成形領域を形成する工程と、
前記気密シート内の前記成形領域を減圧する工程と、
前記成形領域に樹脂を注入し、前記強化繊維基材に前記樹脂を含浸させる工程と、を備え、
前記樹脂を含浸させる工程において、前記成形領域であって前記樹脂の含浸方向に配置した複数の樹脂検出センサにより前記樹脂の含浸状況をモニタリングし、
前記樹脂検出センサは、光透過性材料から構成され、第１の光路と、前記第１の光路に連設される湾曲部と、前記湾曲部に連設される第２の光路を備え、
前記第１の光路に所定強度の光を供給しつつ、前記第２の光路から出射される光の強度の変動により前記樹脂の含浸状況をモニタリングすることを特徴とする複合材構造物の形成方法。
【請求項１】
光源から供給された光を伝送する第１の光路と、
前記第１の光路を伝送された光が外部へ散乱する光散乱部と、
前記光散乱部から進入した光を所定位置まで伝送する第２の光路と、
を備え、
前記第１の光路、前記光散乱部及び前記第２の光路は、光透過性材料からなる一体の線状材から構成され、
前記光散乱部における外部への光の散乱量は、前記第１の光路における外部への光の散乱量又は前記第２の光路における外部への光の散乱量よりも多いことを特徴とする液状物検出センサ。
【請求項２】
前記第１の光路と前記第２の光路とが略平行に併設されていることを特徴とする請求項１に記載の液状物検出センサ。
【請求項３】
前記第１の光路及び前記第２の光路は、遮光性材料でその表面が被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液状物検出センサ。
【請求項４】
前記光散乱部は、前記第１の光路と光の伝送方向が相違することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液状物検出センサ。
【請求項５】
液状物の存在をセンサで検出する方法であって、
前記センサは、
光透過性材料から構成され、直線状の第１の光路と、前記第１の光路に連設される湾曲部と、前記湾曲部に連設される直線状の第２の光路を備え、
前記第１の光路に所定強度の光を供給しつつ、前記第２の光路から出射される光の強度の変動をモニタリングすることを特徴とする液状物検出方法。
【請求項６】
複数の前記センサを所定間隔で配置し、前記各センサにおける光の強度の変動をモニタリングすることを特徴とする請求項５に記載の液状物検出方法。
【請求項７】
強化繊維と樹脂を含む複合材で所定形状の複合材構造物を形成する方法であって、
前記複合材構造物に対応した形状を有する型の表面に強化繊維基材を沿わせた状態で、前記強化繊維基材を、気密性を有する気密シートで覆い、前記気密シートの外周部を前記型に対して気密にシールするとともに成形領域を形成する工程と、
前記気密シート内の前記成形領域を減圧する工程と、
前記成形領域に樹脂を注入し、前記強化繊維基材に前記樹脂を含浸させる工程と、を備え、
前記樹脂を含浸させる工程において、前記成形領域であって前記樹脂の含浸方向に配置した複数の樹脂検出センサにより前記樹脂の含浸状況をモニタリングし、
前記樹脂検出センサは、光透過性材料から構成され、第１の光路と、前記第１の光路に連設される湾曲部と、前記湾曲部に連設される第２の光路を備え、
前記第１の光路に所定強度の光を供給しつつ、前記第２の光路から出射される光の強度の変動により前記樹脂の含浸状況をモニタリングすることを特徴とする複合材構造物の形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２１８６５３（Ｐ２００７−２１８６５３Ａ）
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３７６５９（Ｐ２００６−３７６５９）
【出願日】平成１８年２月１５日（２００６．２．１５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１５日（２００６．２．１５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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