JP7481238B2 - Layer thickness analysis method - Google Patents
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Description
本発明は、積層体の層厚を解析するための層厚解析方法に関する。 The present invention relates to a layer thickness analysis method for analyzing the layer thickness of a laminate.
燃料電池自動車に備えられる燃料電池には、高圧の水素ガスが充填される水素タンクが用いられている。水素タンクなどの高圧タンクには、例えば、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）などの繊維強化樹脂が用いられ、繊維方向（繊維配向）がタンク軸方向に沿うヘリカル層と繊維方向がタンク軸方向と交差する方向に沿うフープ層とが交互に積層されて形成されている。 The fuel cells installed in fuel cell vehicles use hydrogen tanks that are filled with high-pressure hydrogen gas. High-pressure tanks such as hydrogen tanks use fiber-reinforced resins such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP), and are formed by alternately laminating helical layers whose fiber direction (fiber orientation) is along the tank axial direction and hoop layers whose fiber direction is in a direction that intersects with the tank axial direction.
特許文献１には、三次元構造の特徴量を算出して、特徴量の特定方向の分布を表示できる画像解析装置が開示されている。この画像解析装置では、Ｘ線ＣＴ装置を用いて解析対象を撮像した三次元画像データから特定方向にスライスした二次元画像データを抽出し、抽出した二次元画像データについて、繊維配向方向などを特徴量とし、特定方向の複数位置にわたって特徴量の分布を算出する。また、画像解析装置では、特定方向に沿う特徴量の分布を表すマップを作成することで、特徴量の異なる各層の積層厚が得られるようにしている。
ところで、高圧タンクの製造時には、ヘリカル層やフープ層にボイドが入り易く、特にヘリカル層にボイドが入りやすい。また、ヘリカル層及びフープ層へのボイドの入り方は、高圧タンクごとに異なる。このため、高圧タンクの各層の層厚の解析においては、ボイドの解析のための解析領域が必要となり（例えば、１０ｍｍ程度）、高圧タンクの各層の層厚解析においては改善の余地がある。 When manufacturing a high-pressure tank, voids are likely to occur in the helical layer and hoop layer, and voids are particularly likely to occur in the helical layer. Furthermore, the way voids occur in the helical layer and hoop layer differs for each high-pressure tank. For this reason, when analyzing the layer thickness of each layer of a high-pressure tank, an analysis area for void analysis is required (for example, about 10 mm), and there is room for improvement in the analysis of the layer thickness of each layer of a high-pressure tank.
本発明は、上記事実を鑑みて成されたものであり、繊維強化樹脂が積層された積層体において各層の層厚を容易に解析できる層厚解析方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above facts, and aims to provide a layer thickness analysis method that can easily analyze the layer thickness of each layer in a laminate in which fiber-reinforced resin is laminated.
上記目的を達成するための本発明の層厚解析方法は、繊維強化樹脂の繊維方向が第１方向とされた第１層と、前記繊維強化樹脂の繊維方向が前記第１方向と交差する第２方向とされて巻回された第２層とが交互に積層された円筒状の積層体を備える高圧タンクを解析対象とし、前記第２層の繊維方向に対する接線方向に沿って照射されて前記積層体を透過したＸ線の投影画像を撮像手段により撮像し、撮像により得られた前記投影画像から前記積層体について径方向に沿うＸ線の散乱強度分布を取得し、前記繊維強化樹脂についてＸ線の光軸と繊維方向とのなす角度に対するＸ線の散乱強度を示す光学特性に基づき、前記Ｘ線の散乱強度分布における前記第２層の周面の径方向位置を解析し、該周面の径方向位置から前記第１層及び前記第２層の径方向に沿う層厚を解析する、ことを含む。 The layer thickness analysis method of the present invention for achieving the above object includes the following steps: a high-pressure tank is analyzed, which includes a cylindrical laminate in which a first layer in which the fiber direction of the fiber reinforced resin is a first direction and a second layer in which the fiber direction of the fiber reinforced resin is a second direction intersecting the first direction are alternately laminated; an imaging means captures a projection image of X-rays that are irradiated along a tangential direction to the fiber direction of the second layer and transmitted through the laminate; a scattering intensity distribution of X-rays along the radial direction of the laminate is obtained from the projection image obtained by imaging; a radial position of the circumferential surface of the second layer in the scattering intensity distribution of X-rays is analyzed based on optical characteristics of the fiber reinforced resin that indicate the scattering intensity of X-rays with respect to the angle between the optical axis of the X-rays and the fiber direction; and a layer thickness of the first layer and the second layer along the radial direction is analyzed from the radial position of the circumferential surface.
本発明の層厚解析方法では、高圧タンクにおいて、繊維強化樹脂の繊維方向が互いに交差するようにして交互に積層された円筒状の積層体を解析対象とする。高圧タンクには、積層体の外側から第２層の繊維方向の接線方向に沿ってＸ線が照射され、積層体を透過したＸ線の投影画像が撮像手段により撮像される。この投影画像により、積層体について高圧タンクの径方向に沿うＸ線の散乱強度分布が取得される。 In the layer thickness analysis method of the present invention, the analysis target is a cylindrical laminate in a high-pressure tank, in which the fiber directions of the fiber-reinforced resin are alternately laminated so that they intersect with each other. X-rays are irradiated from the outside of the laminate along the tangential direction of the fiber direction of the second layer to the high-pressure tank, and a projection image of the X-rays that have passed through the laminate is captured by the imaging means. From this projection image, the scattering intensity distribution of the X-rays along the radial direction of the high-pressure tank is obtained for the laminate.
第２層は、繊維方向が第１層の繊維方向と交差する方向とされて繊維強化樹脂が巻回されて形成されており、第２層では、照射されたＸ線に対し第１層に比して透過するＸ線の散乱強度が大きい。このため、Ｘ線の投影画像では、第２層においてＸ線に強い散乱が生じ、投影画像から得られるＸ線の散乱強度分布では、第２層の周面位置が明瞭でなくなる。 The second layer is formed by winding fiber-reinforced resin with the fiber direction intersecting with the fiber direction of the first layer, and the second layer has a higher scattering intensity of the X-rays that penetrate the second layer compared to the first layer. For this reason, in the X-ray projection image, the X-rays are strongly scattered in the second layer, and the peripheral position of the second layer is not clear in the X-ray scattering intensity distribution obtained from the projection image.
ここで、繊維強化樹脂におけるＸ線の散乱強度は、Ｘ線の光軸と繊維方向とのなす角度に応じて変化し、Ｘ線の散乱強度は、繊維強化樹脂についてＸ線の光軸と繊維方向とのなす角度に対するＸ線の散乱強度を示す光学特性に基づいている。 Here, the scattering intensity of X-rays in fiber-reinforced resins varies depending on the angle between the optical axis of the X-rays and the fiber direction, and the scattering intensity of X-rays is based on the optical properties that indicate the scattering intensity of X-rays with respect to the angle between the optical axis of the X-rays and the fiber direction for fiber-reinforced resins.
ここから、第２層の周面位置の特定においては、繊維強化樹脂についてＸ線の光軸と繊維方向とのなす角度に対するＸ線の散乱強度を示す光学特性に基づき、Ｘ線の散乱強度分布における第２層の周面の径方向位置を解析する。また、各々の層厚は、特定した第２層の周面の径方向位置に基づいて、第１層及び第２層の各々の径方向に沿う層厚を解析して特定する。これにより、第１層及び第２層の各々の層厚を容易に解析できる。 To identify the peripheral position of the second layer, the radial position of the peripheral surface of the second layer in the X-ray scattering intensity distribution is analyzed based on the optical characteristics of the fiber-reinforced resin that indicate the scattering intensity of X-rays relative to the angle between the optical axis of the X-rays and the fiber direction. In addition, the thickness of each layer is identified by analyzing the layer thickness along the radial direction of each of the first and second layers based on the identified radial position of the peripheral surface of the second layer. This makes it easy to analyze the thickness of each of the first and second layers.
本発明の層厚解析方法によれば、繊維強化樹脂についてＸ線の光軸と繊維方向とのなす角度に対するＸ線の散乱強度を示す光学特性を用いることで、第１層及び第２の層の各々の層厚を容易に解析できる、という効果を有する。また、本発明の層厚解析方法によれば、第１層及び第２の層の各々の層厚を精度よく解析できる。 The layer thickness analysis method of the present invention has the advantage that the thickness of each of the first and second layers can be easily analyzed by using the optical characteristics of the fiber-reinforced resin that indicate the scattering intensity of X-rays with respect to the angle between the optical axis of the X-rays and the fiber direction. In addition, the layer thickness analysis method of the present invention can accurately analyze the thickness of each of the first and second layers.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態は、以下の態様を含む。
＜１＞ 繊維強化樹脂の繊維方向が第１方向とされた第１層と、前記繊維強化樹脂の繊維方向が前記第１方向と交差する第２方向とされて巻回された第２層とが交互に積層された円筒状の積層体を備える高圧タンクを解析対象とし、前記第２層の繊維方向に対する接線方向に沿って照射されて前記積層体を透過したＸ線の投影画像を撮像手段により撮像し、撮像により得られた前記投影画像から前記積層体について径方向に沿うＸ線の散乱強度分布を取得し、前記繊維強化樹脂についてＸ線の光軸と繊維方向とのなす角度に対するＸ線の散乱強度を示す光学特性に基づき、前記Ｘ線の散乱強度分布における前記第２層の周面の径方向位置を解析し、該周面の径方向位置から前記第１層及び前記第２層の径方向に沿う層厚を解析する、ことを含む積層体の層厚解析方法。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The present embodiment includes the following aspects.
<1> A method for analyzing a layer thickness of a laminate, the method including: analyzing a high-pressure tank having a cylindrical laminate in which a first layer, in which the fiber direction of a fiber reinforced resin is a first direction, and a second layer, in which the fiber direction of the fiber reinforced resin is a second direction intersecting the first direction, are alternately stacked; capturing a projection image of X-rays that are irradiated along a tangential direction to the fiber direction of the second layer and transmitted through the laminate by an imaging means; obtaining a scattering intensity distribution of X-rays along a radial direction for the laminate from the projection image obtained by imaging; analyzing a radial position of a circumferential surface of the second layer in the scattering intensity distribution of X-rays based on optical characteristics that indicate the scattering intensity of X-rays with respect to an angle between an optical axis of the X-ray and a fiber direction for the fiber reinforced resin; and analyzing layer thicknesses of the first layer and the second layer along the radial direction from the radial position of the circumferential surface.
＜２＞ 前記光学特性には、前記繊維強化樹脂についてのＸ線の光軸に対する繊維方向の角度とＸ線の散乱強度との関係式が用いられる＜１＞の層厚解析方法。
＜３＞ 前記積層体の投影画像の撮像に先立って、前記第１層及び前記第２層を形成する前記繊維強化樹脂を用い、前記撮像手段により該繊維強化樹脂の繊維方向につての前記Ｘ線の光軸に対するに角度に応じた投影画像を取得し、該投影画像に基づいて前記光学特性を設定することを含む＜１＞又は＜２＞の層厚解析方法。
<2> The layer thickness analysis method according to <1>, wherein a relational expression between an angle of a fiber direction with respect to an optical axis of an X-ray for the fiber-reinforced resin and a scattering intensity of the X-ray is used as the optical property.
<3> The layer thickness analysis method according to <1> or <2>, including: prior to capturing a projection image of the laminate, using the fiber-reinforced resin that forms the first layer and the second layer, acquiring a projection image by the imaging means according to an angle with respect to an optical axis of the X-ray in a fiber direction of the fiber-reinforced resin, and setting the optical characteristics based on the projection image.
＜４＞ 繊維強化樹脂の繊維方向が第１方向とされた第１層と、前記繊維強化樹脂の繊維方向が前記第１方向と交差する第２方向とされて巻回された第２層とが交互に積層された円筒状の積層体を備える高圧タンクを解析対象とし、前記第２層の繊維方向に対する接線方向に沿って照射されて前記積層体を透過したＸ線の投影画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像されて投影画像から前記積層体の径方向に沿うＸ線の散乱強度分布を取得する取得手段と、前記繊維強化樹脂についてのＸ線の光軸と繊維方向とのなす角度に対するＸ線の散乱を示す光学特性に基づき、前記取得手段により取得された前記Ｘ線の散乱強度分布における前記第２層の周面の径方向位置を解析し、該周面の径方向位置から前記第１層及び前記第２層の径方向に沿う層厚を解析する解析手段と、を含む層厚解析装置。 <4> A layer thickness analysis device that analyzes a high-pressure tank having a cylindrical laminate in which a first layer in which the fiber direction of the fiber reinforced resin is a first direction and a second layer wound with the fiber direction of the fiber reinforced resin in a second direction intersecting the first direction are alternately stacked, the device including: an imaging means for capturing a projection image of X-rays irradiated along a tangential direction to the fiber direction of the second layer and transmitted through the laminate; an acquisition means for acquiring a scattering intensity distribution of X-rays along the radial direction of the laminate from the projection image captured by the imaging means; and an analysis means for analyzing the radial position of the circumferential surface of the second layer in the scattering intensity distribution of X-rays acquired by the acquisition means based on optical characteristics indicating the scattering of X-rays with respect to the angle between the optical axis of the X-ray and the fiber direction of the fiber reinforced resin, and analyzing the layer thicknesses of the first layer and the second layer along the radial direction from the radial position of the circumferential surface.
＜５＞ 前記光学特性として前記繊維強化樹脂についてのＸ線の光軸に対する繊維方向の角度とＸ線の散乱強度との関係式が用いられた＜４＞の層厚解析装置。
＜６＞ 前記第１層及び前記第２層を形成する前記繊維強化樹脂を用い、前記撮像手段により撮像された前記繊維強化樹脂についての前記Ｘ線の光軸に対するに繊維方向の角度に応じた投影画像を受け付ける受付手段と、前記受付手段により受け付けた前記投影画像に基づいて前記光学特性を設定する設定手段と、をさらに含む＜４＞又は＜５＞の層厚解析装置。
<5> The layer thickness analysis device according to <4>, wherein a relational expression between an angle of a fiber direction with respect to an optical axis of an X-ray in the fiber-reinforced resin and a scattering intensity of the X-ray is used as the optical characteristic.
<6> The layer thickness analysis device of <4> or <5>, further including: a receiving means for receiving a projection image of the fiber reinforced resin imaged by the imaging means according to an angle of a fiber direction with respect to an optical axis of the X-ray, using the fiber reinforced resin that forms the first layer and the second layer; and a setting means for setting the optical characteristics based on the projection image received by the receiving means.
図１には、本実施形態に係る層厚解析装置１０の主要部の概略構成がブロック図にて示されており、図２には、層厚解析装置１０を用いた層厚の解析のための構成の主要部が斜視図にて示されている。
Figure 1 shows a block diagram of the schematic configuration of the main parts of the layer
図１及び図２に示すように、本実施形態では、層厚解析装置１０の解析対象として高圧水素タンクとして用いられる高圧タンク１２を適用している。高圧タンク１２は、例えば、燃料電池自動車において燃料としての水素ガスの充填に用いられる。なお、解析対象は、燃料電池用の水素ガスに限らず、各種の高圧ガスの充填に用いられる高圧タンクなど、第１層と第２層とが交互に積層されて所要の断面形状とされた各種の高圧タンクを適用できる。
As shown in Figures 1 and 2, in this embodiment, a high-pressure tank 12 used as a high-pressure hydrogen tank is applied as the analysis target of the layer
高圧タンク１２は、タンク体を形成する外形略円筒状（径方向断面が略円筒状）の積層体１４を備えており、積層体１４は、高圧タンク１２の軸方向の中間部を形成する。層厚解析装置１０は、高圧タンク１２について、積層体１４におけるフープ層１６及びヘリカル層１８の各々の径方向に沿う厚さである層厚を解析する。なお、高圧タンク１２の径方向は、積層体１４の各層の層厚方向とされる。
The high-pressure tank 12 is equipped with a laminate 14 having a generally cylindrical external shape (with a generally cylindrical radial cross section) that forms the tank body, and the laminate 14 forms the axial middle portion of the high-pressure tank 12. The layer
積層体１４は、第２層としてのフープ層１６と、第１層としてのヘリカル層１８とが交互に形成されており、積層体１４は、径方向内側からヘリカル層１８Ａ、フープ層１６Ａ、ヘリカル層１８Ｂ、及びフープ層１６Ｂが順に積層されている。また、高圧タンク１２には、ヘリカル層１８Ａの径方向内側に水素ガスの透過を防止するための樹脂製とされたライナ層２０が形成されている。
The laminate 14 is formed by alternating hoop layers 16 as second layers and helical layers 18 as first layers, and the laminate 14 is formed by stacking helical layer 18A, hoop layer 16A, helical layer 18B, and hoop layer 16B in that order from the radially inner side. In addition, the high-pressure tank 12 is formed with a
積層体１４（フープ層１６及びヘリカル層１８）には、各々繊維強化樹脂（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastic）としての炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）が用いられている。炭素繊維強化樹脂（繊維強化樹脂も同様）には、複数の繊維（炭素繊維）が一方向（繊維の配向方向。以下、繊維方向という）に配列されている。積層体１４は、繊維方向が第１方向としての高圧タンク１２の軸線方向とされて炭素繊維強化樹脂が設けられてヘリカル層１８が形成され、繊維方向が第１の方向と交差する第２方向としての高圧タンク１２の周方向とされて炭素繊維強化樹脂が巻回されてフープ層１６が形成されている。これにより、フープ層１６とヘリカル層１８とは、径方向視で繊維方向が略直交するように配置されている。このような積層体１４は、例えば、シート状の繊維強化樹脂により繊維方向が軸方向とされて円筒状に形成されたヘリカル層１８と、シート状の繊維強化樹脂により繊維方向が周方向とされて円筒状に形成されたフープ層１６とを交互に積層して形成できる。 The laminate 14 (hoop layer 16 and helical layer 18) uses carbon fiber reinforced plastic (CFRP) as fiber reinforced plastic (FRP). In the carbon fiber reinforced resin (similar to fiber reinforced resin), multiple fibers (carbon fibers) are arranged in one direction (the fiber orientation direction, hereinafter referred to as the fiber direction). In the laminate 14, the fiber direction is the axial direction of the high-pressure tank 12 as the first direction, and the helical layer 18 is formed by providing carbon fiber reinforced resin, and the fiber direction is the circumferential direction of the high-pressure tank 12 as the second direction intersecting the first direction, and the hoop layer 16 is formed by winding carbon fiber reinforced resin. As a result, the hoop layer 16 and the helical layer 18 are arranged so that the fiber directions are approximately perpendicular when viewed in the radial direction. Such a laminate 14 can be formed, for example, by alternately stacking a helical layer 18 formed into a cylindrical shape with the fiber direction axially made of a sheet-like fiber-reinforced resin, and a hoop layer 16 formed into a cylindrical shape with the fiber direction circumferentially made of a sheet-like fiber-reinforced resin.
図１及び図２に示すように、層厚解析装置１０では、繊維からの微小な散乱を捉える機構としてのＸ線散乱強度測定装置（図示省略）が用いられる。Ｘ線散乱強度測定装置は、例えば、位相コントラストイメージングを実現するタルボ・ロー干渉計、Ｘ線源（何れも図示省略）、及び撮像手段としての検出器（検出体）２２を備える。Ｘ線散乱強度測定装置は、コヒーレント光源とされた図示しないＸ線源から平行光とされ、かつ検出器２２の検出面２２Ａに垂直に照射されるＸ線（図面に二点鎖線にて示す）を射出する。検出器２２は、Ｘ線源から出射されたＸ線を検出面２２Ａにおいて受光（撮像）し、高圧タンク１２から散乱強度に応じて透過したＸ線の投影画像（透過画像）の画像データを出力する。
As shown in Figures 1 and 2, the layer
図３（Ａ）には、Ｘ線の光軸に対する炭素繊維強化樹脂の繊維方向の概略が模式図にて示され、図３（Ｂ）には、光軸と繊維方向との間の角度に対する散乱されたＸ線の強度（散乱強度Ｆ）の概略が線図にて示されている。また、図３（Ｃ）には、撮像のための積層体１４の主要部と検出器２２との配置の概略が模式図にて示されている。なお、以下の説明では、Ｘ線の光軸と炭素繊維強化樹脂の繊維方向との間においてＸ線源側（検出器２２とは反対側）の角度を繊維角度θとする。また、繊維角度θは、繊維方向が高圧タンク１２の径外側（高圧タンク１２の中心側とは反対側）に向かう方向を正（プラス）とし、繊維方向が高圧タンク１２の径内側（高圧タンク１２の中心側）に向かう方向を負（マイナス）とする。さらに、炭素繊維強化樹脂によるＸ線の散乱の強さを散乱強度Ｆと言い、計測された散乱強度Ｆには、散乱の頻度及び散乱角の大小が含まれる。高圧タンク１２において、散乱が強いとは、散乱体としての炭素繊維が多いことを意味し、散乱角が大きいとは、炭素繊維の角度とＸ線入射角との差が小さいことを意味する。このような散乱強度は、位相コントラストイメージング法における干渉性（ビジビリティ）の低下という形で計測できる。 3A shows a schematic diagram of the fiber direction of the carbon fiber reinforced resin relative to the optical axis of the X-ray, and FIG. 3B shows a diagram of the intensity of the scattered X-ray (scattering intensity F) relative to the angle between the optical axis and the fiber direction. FIG. 3C shows a schematic diagram of the arrangement of the main part of the laminate 14 for imaging and the detector 22. In the following description, the angle on the X-ray source side (opposite the detector 22) between the optical axis of the X-ray and the fiber direction of the carbon fiber reinforced resin is called the fiber angle θ. In addition, the fiber angle θ is positive (plus) when the fiber direction faces the radial outside of the high-pressure tank 12 (opposite the center side of the high-pressure tank 12), and negative (minus) when the fiber direction faces the radial inside of the high-pressure tank 12 (the center side of the high-pressure tank 12). Furthermore, the strength of the scattering of the X-ray by the carbon fiber reinforced resin is called the scattering intensity F, and the measured scattering intensity F includes the frequency of scattering and the magnitude of the scattering angle. In the high-pressure tank 12, strong scattering means that there is a lot of carbon fiber as a scatterer, and a large scattering angle means that the difference between the angle of the carbon fiber and the X-ray incidence angle is small. Such scattering intensity can be measured in the form of a decrease in coherence (visibility) in the phase contrast imaging method.
一般に、炭素繊維強化樹脂（繊維強化樹脂も同様）では、Ｘ線が照射されることで、照射されたＸ線が透過し、炭素繊維強化樹脂では、透過するＸ線に対して炭素繊維が散乱を生じさせる。 In general, when carbon fiber reinforced resin (and fiber reinforced resin as well) is irradiated with X-rays, the irradiated X-rays penetrate the resin, and in carbon fiber reinforced resin, the carbon fibers scatter the penetrating X-rays.
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、炭素繊維強化樹脂は、Ｘ線の光軸に対する繊維（炭素繊維）１４Ａの角度である繊維角度θ＝０°においてＸ線の散乱強度Ｆが最も大きくなり、繊維角度θがθ１、θ２（０°＜θ１＜θ２＜９０°）と大きくなるにしたがって（繊維角度θが９０°に近づくにしたがって）、Ｘ線の散乱強度Ｆが減少するという光学的特性を有する。高圧タンク１２では、径方向に照射されたＸ線に対し、フープ層１６における散乱強度Ｆがヘリカル層１８における散乱強度Ｆよりも大きく、フープ層１６におけるＸ線の散乱がヘリカル層１８におけるＸ線の散乱よりも強くなる。 As shown in Figures 3(A) and 3(B), carbon fiber reinforced resin has an optical characteristic in which the X-ray scattering intensity F is greatest when the fiber angle θ = 0°, which is the angle of the fibers (carbon fibers) 14A relative to the optical axis of the X-ray, and the X-ray scattering intensity F decreases as the fiber angle θ increases to θ1, θ2 (0° < θ1 < θ2 < 90°) (as the fiber angle θ approaches 90°). In the high-pressure tank 12, for X-rays irradiated in the radial direction, the scattering intensity F in the hoop layer 16 is greater than the scattering intensity F in the helical layer 18, and the scattering of X-rays in the hoop layer 16 is stronger than the scattering of X-rays in the helical layer 18.
このため、積層体１４を透過したＸ線は、フープ層１６側とヘリカル層１８側とで輝度（明暗）が異なる（Ｘ線散乱法）。これにより、図３（Ｃ）に示すように、検出器２２の検出面２２Ａ上（投影画像上）のフープ層１６の周面位置としてのフープ層１６とヘリカル層１８との境界（界面）位置は、Ｘ線に散乱が生じていないと仮定した位置（図３（Ｃ）の破線参照）よりもヘリカル層１８側にずれているように見える（図３（Ｃ）の二点鎖線参照）。なお、図３（Ｃ）では、積層体１４を簡略化してフープ層１６とヘリカル層１８の２層として示している。 For this reason, the X-rays transmitted through the laminate 14 have different brightness (light and dark) on the hoop layer 16 side and the helical layer 18 side (X-ray scattering method). As a result, as shown in FIG. 3(C), the boundary (interface) position between the hoop layer 16 and the helical layer 18 as the peripheral surface position of the hoop layer 16 on the detection surface 22A of the detector 22 (on the projected image) appears to be shifted toward the helical layer 18 side (see the two-dot chain line in FIG. 3(C)) from the position where it is assumed that no scattering of the X-rays occurs (see the dashed line in FIG. 3(C)). Note that in FIG. 3(C), the laminate 14 is simplified and shown as two layers, the hoop layer 16 and the helical layer 18.
層厚解析装置１０は、検出器２２を用い、積層体１４についてＸ線の透過画像（投影画像）を撮像する。この際、積層体１４を透過したＸ線にフープ層１６の繊維１４Ａにより散乱が促進されることで、透過画像は、Ｘ線の散乱に応じて輝度が分布した画像（散乱強度分布を得ることができる明暗画像）となる。
The layer
このような炭素繊維強化樹脂におけるＸ線の散乱強度についての光学的特性は、光の光学特性に適用される関係式であるローレンツ関数やガウシアン関数などの一般的関数に近似できる。層厚解析装置１０では、検出器２２で検出されるフープ層１６における散乱に応じて輝度が分布した投影画像（画像データ）を用い、フープ層１６及びヘリカル層１８の層厚を解析する。この際、層厚解析装置１０では、炭素繊維強化樹脂について繊維１４Ａに対するＸ線の散乱強度の光学特性として、炭素繊維強化樹脂について繊維角度θに対するＸ線の散乱強度Ｆを示す関係式を用いる。
The optical characteristics of the scattering intensity of X-rays in such carbon fiber reinforced resin can be approximated by general functions such as Lorentzian function and Gaussian function, which are relational expressions applied to the optical characteristics of light. In the layer
層厚解析装置１０では、解析対象のフープ層１６及びヘリカル層１８に用いられる炭素繊維強化樹脂について、Ｘ線の光軸に対する繊維角度θを変化させた複数の投影画像（散乱強度分布を示す画像）を取得し、繊維角度θに応じたＸ線の散乱強度から繊維角度θに対するＸ線の散乱強度Ｆを近似できる関係式を定める。
The layer
さらに、層厚解析装置１０では、Ｘ線の投影画像の画像データから積層体１４の層厚方向に沿う散乱強度Ｆの変化を示す実測プロファイルを作成すると共に、炭素繊維強化樹脂の繊維角度θに対するＸ線の散乱強度の関係式に基づいて、理論上のプロファイルとしての理論プロファイルを生成する。層厚解析装置１０では、実測プロファイル及び理論プロファイルを用いて、フープ層１６の周面位置を解析する。具体的には、層厚解析装置１０は、実測プロファイルを用いて理論プロファイルを検証することで、フープ層１６の周面位置を解析し、ヘリカル層１８（１８Ａ、１８Ｂ）の間のフープ層１６（１６Ａ）の層厚、及びフープ層１６（１６Ａ、１６Ｂ）の間のヘリカル層１８（１８Ｂ）の層厚を解析する。なお、径方向の内側のヘリカル層１８Ａ及びフープ層１６Ｂの層厚については、積層体１４の内径及び外径を用いて解析できる。
Furthermore, the layer
図１に示すように、層厚解析装置１０は、画像処理部２４、設定手段としての特性設定部２６、及び記憶手段としての記憶部２８を備えている。また、層厚解析装置１０は、取得手段としてのプロファイル生成部３０、受付手段としてのタンク情報入力部３２、理論プロファイル生成部３４、検証部３６、層厚算出部３８及び出力部４０を備えており、理論プロファイル生成部３４及び検証部３６が解析手段を構成する。
As shown in FIG. 1, the layer
層厚解析装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ストレージ、通信インタフェース、表示部及び操作部の構成を有し、各構成がバスを介して相互に通信可能に接続されたマイクロコンピュータ（図示省略）を備えている。
The layer
ＲＯＭは、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭは、作業領域として一時的にプログラムやデータを記憶する。ストレージは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はＳＳＤ（Solid State Drive）などにより構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、及び各種データが格納される。通信インタフェースは、サーバ、印刷機等の他の機器と通信するためのインタフェースであり、例えば、イーサネット（登録商標）、ＦＤＤＩ、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）等の規格が用いられる。操作部は、マウス等のポインティングデバイス及びキーボードを含み、各種の入力を行うために使用される。また、表示部は、例えば、液晶ディスプレイであり、各種の情報を表示する。表示部は、タッチパネル方式を採用して、操作部として機能しても良い。 The ROM stores various programs and data. The RAM temporarily stores programs and data as a working area. The storage is composed of an HDD (Hard Disk Drive) or SSD (Solid State Drive), and stores various programs including the operating system and various data. The communication interface is an interface for communicating with other devices such as a server or printer, and uses standards such as Ethernet (registered trademark), FDDI, and Wi-Fi (registered trademark). The operation unit includes a pointing device such as a mouse and a keyboard, and is used to perform various inputs. The display unit is, for example, an LCD display, and displays various information. The display unit may be a touch panel type and function as the operation unit.
層厚解析装置１０では、ＲＯＭ又はストレージに層厚解析のための層厚解析プログラムが格納されており、ＣＰＵがＲＯＭ又はストレージから層厚解析プログラムを読み出し、ＲＡＭを作業領域として実行することで、層厚解析プログラムに応じた機能が実現される。これにより、層厚解析装置１０では、画像処理部２４、特性設定部２６、プロファイル生成部３０、理論プロファイル生成部３４、検証部３６、及び層厚算出部３８の各機能が実現されている。また、層厚解析装置１０では、ストレージによって記憶部２８の機能が実現され、操作部によってタンク情報入力部３２の機能が実現され、表示部などにより出力部４０の機能が実現される。なお、タンク情報入力部３２及び出力部４０の機能は、通信インタフェースなどが用いられた入力機能及び出力機能によって実現されてもよい。
In the layer
層厚解析装置１０には、検出器２２が電気的に接続されており、積層体１４について検出器２２から出力された画像データが画像処理部２４に入力される。画像処理部２４は、入力された画像データに対して所定の（公知の）画像処理を行うことで、Ｘ線の散乱強度分布に応じた画像データを出力する。
The layer
特性設定部２６は、炭素繊維強化樹脂について繊維角度θごとのＸ線の投影画像が撮像されることで、該投影画像から得られる繊維角度θに応じたＸ線の投影画像を用い、積層体１４に用いた炭素繊維強化樹脂についての光学特性としての繊維角度θに対するＸ線の散乱強度（散乱強度の変化）を示す関係式を設定する。関係式には、繊維角度θに対するＸ線の散乱強度Ｆを示す散乱強度関数Ｆ（θ）が適用され、特性設定部２６では、繊維角度θに対するＸ線の散乱強度が近似されるように散乱強度関数Ｆ（θ）を設定する。記憶部２８には、特性設定部２６において設定された散乱強度関数Ｆ（θ）が格納される。
The characteristic setting unit 26 uses the X-ray projection images corresponding to the fiber angle θ obtained from the X-ray projection images taken for the carbon fiber reinforced resin for each fiber angle θ to set a relational expression indicating the X-ray scattering intensity (change in scattering intensity) with respect to the fiber angle θ as an optical characteristic of the carbon fiber reinforced resin used in the laminate 14. A scattering intensity function F(θ) indicating the X-ray scattering intensity F with respect to the fiber angle θ is applied to the relational expression, and the characteristic setting unit 26 sets the scattering intensity function F(θ) so that the X-ray scattering intensity with respect to the fiber angle θ is approximated. The
一方、図２に示すように、層厚解析装置１０を用いた層厚解析処理では、Ｘ線散乱強度測定装置のＸ線源と検出器２２との間に高圧タンク１２が配置される。これにより、層厚解析装置１０では、検出器２２により高圧タンク１２の積層体１４の所定部位におけるフープ層１６の繊維方向の接線方向に沿って照射されたＸ線の投影画像を検出でき、Ｘ線の投影画像からＸ線の散乱強度の分布に応じた画像データを取得できる。層厚解析装置１０のプロファイル生成部３０では、画像処理部２４によって画像処理されて得られるＸ線の散乱強度の分布に応じた画像データから、積層体１４の径方向に沿うＸ線の散乱強度分布を示すプロファイル（実測プロファイル）を生成する。
On the other hand, as shown in FIG. 2, in the layer thickness analysis process using the layer
一方、タンク情報入力部３２には、解析対象の高圧タンク１２のタンク情報が入力される。このタンク情報には、積層体１４の層構成、及び高圧タンク１２の外径（積層体１４の外側半径）等の情報が含まれ、積層体１４の層構成には、各層においてＸの散乱に影響する炭素繊維強化樹脂の巻き方向（繊維方向）を特定できる情報が含まれる。また、タンク情報には、高圧タンク１２におけるライナ層２０を除いた内径（積層体１４の内径に対応するライナ層２０の外側半径）等の情報が含まれてもよい。
Meanwhile, tank information of the high-pressure tank 12 to be analyzed is input to the tank information input unit 32. This tank information includes information such as the layer structure of the laminate 14 and the outer diameter of the high-pressure tank 12 (the outer radius of the laminate 14), and the layer structure of the laminate 14 includes information that can identify the winding direction (fiber direction) of the carbon fiber reinforced resin that affects the scattering of X in each layer. The tank information may also include information such as the inner diameter excluding the
理論プロファイル生成部３４は、タンク情報及び散乱強度関数Ｆ（θ）に基づき、実測プロファイルに対応する積層体１４の層厚方向に対する理論上のＸ線の散乱強度の分布を生成する。この際、理論プロファイル生成部３４は、理論上のＸ線の散乱強度の値の分布（Ｘ線の散乱強度の理論値の分布）を示すプロファイル（理論プロファイル）を生成する。また、理論プロファイル生成部３４では、Ｘ線の散乱強度の大きい（散乱の強い）層であるフープ層１６（１６Ａ、１６Ｂ）を対象として、フープ層１６の周面位置（軸心を原点とする座標位置）を仮定（仮に設定）し、仮定した位置をフープ層１６の周面とする理論プロファイルを生成する。また、仮定するフープ層１６の周面位置としては、径方向の内側及び径方向外側の少なくとも一方の周面を適用できる。 Based on the tank information and the scattering intensity function F(θ), the theoretical profile generator 34 generates a theoretical distribution of X-ray scattering intensity in the layer thickness direction of the laminate 14 corresponding to the measured profile. At this time, the theoretical profile generator 34 generates a profile (theoretical profile) showing the theoretical distribution of X-ray scattering intensity values (distribution of theoretical values of X-ray scattering intensity). In addition, the theoretical profile generator 34 assumes (temporarily sets) the peripheral position (coordinate position with the axis as the origin) of the hoop layer 16 for the hoop layer 16 (16A, 16B), which is a layer with a large X-ray scattering intensity (strong scattering), and generates a theoretical profile with the assumed position as the peripheral surface of the hoop layer 16. In addition, at least one of the radially inner and radially outer peripheral surfaces can be applied as the assumed peripheral surface position of the hoop layer 16.
検証部３６は、実測プロファイルと理論プロファイルとを照合し、理論プロファイルが実測プロファイルに一致（実質的に一致している場合を含む）しているかを検証する。この際、検証部３６は、フープ層１６の周面位置を設定し、設定した周面位置に基づいて理論プロファイスを生成し、生成した理論プロファイルが実測プロファイルと一致するか否かを検証する。層厚算出部３８は、検証部３６において実測プロファイルと一致しているとみなせる理論プロファイルに基づいて各層の層厚を算出し、算出結果を出力部４０から出力する。
The verification unit 36 compares the measured profile with the theoretical profile and verifies whether the theoretical profile matches (including cases where they substantially match) the measured profile. In this case, the verification unit 36 sets the peripheral position of the hoop layer 16, generates a theoretical profile based on the set peripheral position, and verifies whether the generated theoretical profile matches the measured profile. The layer thickness calculation unit 38 calculates the layer thickness of each layer based on the theoretical profile that the verification unit 36 considers to match the measured profile, and outputs the calculation result from the
以下に、本実施形態の作用として、層厚解析装置１０を用いた解析対象の高圧タンク１２における積層体１４の層厚解析処理を説明する。
Below, we will explain the operation of this embodiment, which involves the layer thickness analysis process of the laminate 14 in the high-pressure tank 12 to be analyzed using the layer
層厚解析装置１０を用いた層厚解析処理では、取得処理及び解析処理が実行される。また、層厚解析装置１０を用いた層厚解析処理では、取得処理に先立って光学特性設定処理を実行できる。
In the layer thickness analysis process using the layer
取得処理には、高圧タンク１２の積層体１４に対するＸ線の投影画像を撮像して、Ｘ線の散乱強度分布を計測する計測処理を含む。取得処理では、層厚解析装置１０が計測処理の計測結果に基づいて積層体１４の層厚方向に沿うＸ線の散乱強度Ｆの分布を示す実測プロファイルを生成する。また、解析処理においては、層厚解析装置１０が予め設定している散乱強度関数Ｆ（θ）を用いて、積層体１４における層厚方向に沿う理論上のＸ線の散乱強度の分布を示す理論プロファイルを生成する。また、解析処理では、理論プロファイルについて、実測プロファイルを用いて検証して各層の層厚を解析する。また、光学特性設定処理は、取得処理又は計測処理に先立って実行でき、光学特性設定処理では、層厚解析装置１０が炭素繊維強化樹脂における繊維角度θに対するＸ線の散乱強度を示す散乱強度関数Ｆ（θ）を設定する。
The acquisition process includes a measurement process in which an X-ray projection image of the laminate 14 of the high-pressure tank 12 is captured and the scattering intensity distribution of the X-ray is measured. In the acquisition process, the layer
図４（Ａ）には、光学特性設定処理の概略が流れ図にて示され、図４（Ｂ）には、計測処理（撮像処理）を含む取得処理の概略が流れ図にて示され、図４（Ｃ）には、解析処理の概略が流れ図にて示されている。また、図５（Ａ）～図５（Ｃ）には、光学特性設定処理において取得された炭素繊維強化樹脂についてのＸ線の散乱強度の概略が線図にて示されている。 Figure 4(A) shows an outline of the optical property setting process in a flow diagram, Figure 4(B) shows an outline of the acquisition process including the measurement process (imaging process) in a flow diagram, and Figure 4(C) shows an outline of the analysis process in a flow diagram. Also, Figures 5(A) to 5(C) show outlines of the X-ray scattering intensity for carbon fiber reinforced resin obtained in the optical property setting process in a line diagram.
図４（Ａ）に示すように、光学特性設定処理では、最初のステップ１００において、繊維角度θに応じたＸ線の輝度（散乱強度）を計測する。光学特性取得処理では、積層体１４のフープ層１６及びヘリカル層１８に用いたのと同様の炭素繊維強化樹脂をＸ線源と検出器２２との間に配置し、炭素繊維強化樹脂におけるＸ線の光軸に対する繊維１４Ａの繊維角度θを所定の範囲で変化させながら、炭素繊維強化樹脂を透過したＸ線を撮像する。
As shown in FIG. 4(A), in the optical property setting process, in the
繊維角度θの範囲は、Ｘ線の散乱強度が最も強い状態に比して無視できる角度の範囲を適用でき、例えば、ヘリカル層１８における散乱強度と同等の散乱強度となる角度（繊維角度θ＝９０°）までの範囲や、Ｘ線の散乱強度が最大値に対して所定比率以下となる角度の範囲などを適用できる。 The range of fiber angle θ can be a range of angles that can be ignored compared to the strongest scattering intensity of X-rays, such as a range up to an angle (fiber angle θ = 90°) where the scattering intensity is equivalent to the scattering intensity in the helical layer 18, or a range of angles where the scattering intensity of X-rays is a specified ratio or less of the maximum value.
次のステップ１０２において、層厚解析装置１０は、検出器２２により検出される繊維角度θごとのＸ線の投影画像を読み込む。これにより、層厚解析装置１０は、繊維角度θごとのＸ線の散乱強度Ｆが得られる投影画像を取得する。この後、ステップ１０４において、層厚解析装置１０は、炭素繊維強化樹脂についてＸ線の散乱強度Ｆの光学特性を示す関係式として散乱強度関数Ｆ（θ）を設定する。
In the next step 102, the layer
Ｘ線の投影画像は、繊維におけるＸ線の散乱強度に応じた輝度となる。ここから、層厚解析装置１０では、繊維角度θごとのＸ線の輝度から繊維角度θごとのＸ線の散乱強度を取得して、取得したＸ線の散乱強度をプロットする。これにより、図５（Ａ）に示すように、層厚解析装置１０では、Ｘ線の光軸と炭素繊維強化樹脂における繊維１４Ａの繊維方向との角度差である繊維角度θに応じたＸ線の散乱強度Ｆが得られる。層厚解析装置１０では、例えば、繊維角度θを繊維角度θの正接（tanθ）に変換し（図５（Ｂ）参照）、繊維角度θに応じたtanθ（繊維角度θの正接）に対するＸ線の散乱強度Ｆの変化特性を示す曲線を取得する（図５（Ｃ）参照）。
The X-ray projection image has a brightness corresponding to the scattering intensity of the X-ray in the fiber. From this, the layer
層厚解析装置１０では、繊維角度θ（tanθ）に対するＸ線の散乱強度の光学特性を示すための関係式（関係関数）の一例として（１）式に示すローレンツ関数Ｆ（θ）を適用している。
In the layer
上記ローレンツ関数Ｆ（θ）は、定数Ａ、Ｂにより演算値のピーク（最大値）及び各角度θにおける演算値が変化する。層厚解析装置１０は、炭素繊維強化樹脂における繊維角度θについてのＸ線の散乱強度の変化を示す曲線が近似されるようにローレンツ関数Ｆ（θ）の定数Ａ、Ｂを設定し、設定したローレンツ関数Ｆ（θ）を散乱強度関数Ｆ（θ）に設定する。この後、ステップ１０６において、層厚解析装置１０は、設定した散乱強度関数Ｆ（θ）を記憶部２８に記憶し、光学特性設定処理を終了する。
The Lorentz function F(θ) changes the peak (maximum value) of the calculated value and the calculated value at each angle θ depending on the constants A and B. The layer
次に、層厚解析装置１０を用いた層厚解析処理では、解析対象の計測処理を含む取得処理（図４（Ｂ）参照）が実行され、解析処理（図４（Ｃ）参照）が実行される。なお、図６には、計測処理の概略が模式図にて示されている。また、図７（Ａ）には、計測処理における投影画像の一例が示され、図７（Ｂ）には、計測結果に基づいた実測プロファイルの一例が線図にて示されている。さらに、図８には、タンク情報の一例が図表にて示され、図９には、界面となる各層の下端位置の演算結果の一例が図表にて示され、図１０には、図９の演算結果に基づいた層厚方向位置に対する散乱強度Ｆの変化が線図にて示さている。
Next, in the layer thickness analysis process using the layer
図４（Ｂ）に示すように、取得処理では、最初のステップ１１０において、Ｘ線散乱強度測定装置を用いて高圧タンク１２の積層体１４を撮像する計測処理を行う。図６に示すように、計測処理では、Ｘ線源と検出器２２との間に高圧タンク１２の積層体１４（高圧タンク１２の外周部）を配置し、積層体１４に向けてＸ線を照射し、積層体１４を透過して検出器２２の検出面２２Ａに照射されたＸ線を受光する。これにより、積層体１４の径方向の位置Ｐにおけるフープ層１６の繊維方向の接線方向に沿い、かつ検出器２２の検出面２２Ａに垂直となるようにＸ線が照射され、図７（Ａ）に示される如き、積層体１４を透過したＸ線の散乱強度の分布に応じた投影画像が得られる。
As shown in FIG. 4B, in the acquisition process, in the
図４（Ｂ）のステップ１１２において、層厚解析装置１０は、検出器２２からＸ線の投影画像の画像データを読み込む。これにより、層厚解析装置１０は、積層体１４を透過したＸ線の散乱強度の分布画像（例えば、図７（Ａ）に示す投影画像：明暗画像）を取得する。
In step 112 of FIG. 4(B), the layer
この後、ステップ１１４において、層厚解析装置１０は、Ｘ線の投影画像の画像データに基づき、積層体１４における層厚方向に対するＸ線の散乱強度の変化を示す実測プロファイルを作成する。実測プロファイルは、投影画像上における高圧タンク１２の軸方向の所定位置Ｐ（図７（Ａ）参照）について、積層体１４の層厚方向におけるＸ線の散乱強度Ｆの変化を示している（図７（Ｂ）に参照）。
After that, in step 114, the layer
図４（Ｃ）に示すように、解析処理では、最初のステップ１２０においてタンク情報が入力されることで、層厚解析装置１０が入力されたタンク情報を受け付ける。図８に示すように、タンク情報には、高圧タンク１２の外径寸法（外径Ｒ）、及び積層体１４を形成する各層を特定する情報が含まれる。各層の情報としては、高圧タンク１２の径方向の内側から積層順序１、２、３、４、５として、各々ライナ層２０、ヘリカル層１８Ａ、フープ層１６Ａ、ヘリカル層１８Ｂ、及びフープ層１６Ｂの各々を特定できる情報が入力される。積層体１４を形成するヘリカル層１８Ａ、フープ層１６Ａ、ヘリカル層１８Ｂ、及びフープ層１６Ｂの各々を特定できる情報には、積層体１４における炭素繊維強化樹脂の巻き方向（繊維方向）を示す情報が含まれる。このようなタンク情報としては、高圧タンク１２の設計情報を用いることができる。
As shown in FIG. 4(C), in the analysis process, tank information is input in the
図４（Ｃ）のステップ１２２において、層厚解析装置１０は、積層体１４の径方向におけるフープ層１６の周面位置の一つを設定し、ステップ１２４において、設定した位置をフープ層１６の周面位置として散乱強度関数Ｆ（θ）（（１）式参照）に基づいて層厚方向に沿ったＸ線の理論上の強度を示す理論プロファイルを生成する。また、層厚解析装置１０は、ステップ１２６において実測プロファイルを用いて理論プロファイルを検証し、理論プロファイルが実測プロファイルに一致しているとみなせると、ステップ１２６において肯定判定して、ステップ１２８に移行する。ステップ１２８では、層厚解析装置１０が実測プロファイルに一致すると判定された理論プロファイルにおいて設定したフープ層１６の周面位置から積層体１４を形成する各層の層厚を算出する。
In step 122 of FIG. 4(C), the layer
ここで、解析処理の具体例を説明する。図６に示すように、積層体１４（高圧タンク１２）の中心を原点するＸ－Ｙ平面のＹ軸上におけるフープ層１６内の位置ｙのＸ線の散乱強度Ｉ（ｙ）は、（２）式で示される。また、位置Ｐにおける円筒状の積層体１４では、Ｙ軸を対称線とする線対称とみなすことができるので、（２）式を（３）式に変形して用いることができる。なお、（３）式では、角度θａが光軸方向であるＸ軸上の位置ｘａにおける繊維角度θ、角度－θａがＸ軸上の位置－ｘａにおける繊維角度θとしている（図示省略）。また、位置ｙは、積層体１４の中心（原点０）からの距離を示す。 Here, a specific example of the analysis process will be described. As shown in FIG. 6, the scattering intensity I(y) of X-rays at position y in the hoop layer 16 on the Y axis of the X-Y plane, which has the center of the laminate 14 (high-pressure tank 12) as the origin, is expressed by formula (2). Furthermore, the cylindrical laminate 14 at position P can be considered to be symmetrical about the Y axis, so formula (2) can be modified to formula (3) for use. In formula (3), angle θa is the fiber angle θ at position xa on the X axis, which is the optical axis direction, and angle -θa is the fiber angle θ at position -xa on the X axis (not shown). Furthermore, position y indicates the distance from the center of the laminate 14 (origin 0).
また、（４）式の左辺において、（ａｂ＋ｂ２）＞０とすると、（４）の右辺が成り立つ。ここから、（３）式は、（４）を用いることで、（５）式に変形でき、フープ層１６上の位置ｙにおけるＸ線の散乱強度Ｉ（ｙ）は、（５）式を演算することで得られる。なお、Ｒはタンク情報として受け付けた積層体１４の半径であり、定数Ａ、Ｂは光学特性設定処理において定められている。 Furthermore, if (ab+ b2 )>0 is set on the left side of equation (4), the right side of equation (4) holds. From this, equation (3) can be transformed into equation (5) by using (4), and the scattering intensity I(y) of X-rays at position y on the hoop layer 16 can be obtained by calculating equation (5). Note that R is the radius of the laminate 14 accepted as tank information, and constants A and B are determined in the optical characteristic setting process.
理論プロファイルの生成では、Ｙ軸上におけるフープ層１６の径方向内側の周面の位置ｙ’を仮に設定し、設定した周面の位置ｙ’を基準として、原点（ｙ＝０）から外周位置（ｙ＝Ｒ）までの範囲で散乱強度Ｉ（ｙ）を演算する。また、理論プロファイルの生成では、複数のフープ層１６（１６Ａ、１６Ｂ）の各々について、径方向内側の周面の位置ｙ’の各々を仮に設定し、設定した各々位置ｙ’を基準として散乱強度Ｉ（ｙ）が演算される。 In generating the theoretical profile, the position y' of the radially inner peripheral surface of the hoop layer 16 on the Y axis is provisionally set, and the scattering intensity I(y) is calculated in the range from the origin (y = 0) to the outer peripheral position (y = R) based on the set peripheral surface position y'. In generating the theoretical profile, the position y' of the radially inner peripheral surface of each of the multiple hoop layers 16 (16A, 16B) is provisionally set, and the scattering intensity I(y) is calculated based on each set position y'.
理論プロファイルは、各位置ｙ’についてＹ軸上の位置ｙごとの散乱強度Ｉ（ｙ）を合成することで得られる。なお、設定するフープ層１６の周面の位置は、径方向内側の周面の位置ｙ’のみでなく、径方向外側の周面の位置ｙ”も適用できる。 The theoretical profile is obtained by combining the scattering intensity I(y) for each position y on the Y axis for each position y'. Note that the position of the circumferential surface of the hoop layer 16 to be set can be not only the position y' of the radially inner circumferential surface, but also the position y" of the radially outer circumferential surface.
この後、実測プロファイルを用いて理論プロファイルを検証する。検証では、例えば、実測プロファイル及び理論プロファイルの各々を正規化し、理論プロファイルが実測プロファイルを一致しているか否か（近似できるか否かでもよい）を判定する。理論プロファイルが実測プロファイルを一致又は近似できていると判定されることで、理論プロファイルにおいて位置ｙ’を解析対象の積層体１４におけるフープ層１６の径方向内側の周面の位置とみなす。このフープ層１６の径方向内側の周面の位置が得られることで、得られたフープ層１６の周面の位置をタンク情報とから、フープ層１６の各々の層厚が得られ、フープ層１６の間のヘリカル層１８の層厚が得られる。 Then, the theoretical profile is verified using the measured profile. In the verification, for example, the measured profile and the theoretical profile are each normalized, and it is determined whether the theoretical profile matches the measured profile (or can be approximated). When it is determined that the theoretical profile matches or approximates the measured profile, the position y' in the theoretical profile is regarded as the position of the radially inner circumferential surface of the hoop layer 16 in the laminate 14 to be analyzed. By obtaining the position of the radially inner circumferential surface of this hoop layer 16, the layer thickness of each of the hoop layers 16 is obtained from the obtained position of the circumferential surface of the hoop layer 16 and the tank information, and the layer thickness of the helical layer 18 between the hoop layers 16 is obtained.
ここで、図９には、論理プロファイルの演算結果の一実施例が示され、図１０には、図９の演算結果に基づいた層厚方向（径方向）の位置ｙに対する散乱強度が線図にて示されている。
図９における上端座標は、解析対象として想定した積層体１４のフープ層１６Ｂ、ヘリカル層１８Ｂ、フープ層１６Ｂ、ヘリカル層１８Ａ及びライナ層２０の径方向外側の周面の位置（想定座標位置）を示している。また、下端座標は、解析対象として想定した積層体１４のフープ層１６Ｂ、ヘリカル層１８Ｂ、フープ層１６Ｂ、ヘリカル層１８Ａ及びライナ層２０の径方向内側の周面の位置（想定座標位置）を示している。上端座標及び下端座標は、各々実測プロファイルにより検証された各層の周面の位置としている。
FIG. 9 shows an example of the calculation results of a logical profile, and FIG. 10 shows a diagram of the scattering intensity versus position y in the layer thickness direction (radial direction) based on the calculation results of FIG.
9 indicates the positions (assumed coordinate positions) of the radially outer peripheral surfaces of the hoop layer 16B, helical layer 18B, hoop layer 16B, helical layer 18A, and
散乱強度Ｉ０（ｙ）、Ｉ１（ｙ）、Ｉ２（ｙ）、Ｉ３（ｙ）、Ｉ４（ｙ）は、各々フープ層１６Ｂの位置ｙ’、フープ層１６Ａの位置（ヘリカル層１８Ｂの径方向外側の周面の位置）ｙ”、フープ層１６Ａの位置ｙ’、ヘリカル層１８の径方向内側の周面の位置（ライナ層２０の径方向外側の周面の位置）、及びライナ層２０の径方向内側の周面の位置）に対応している。また、ｙは、散乱強度Ｉ（ｙ）としての散乱強度Ｉ０（ｙ）、Ｉ１（ｙ）、Ｉ２（ｙ）、Ｉ３（ｙ）、Ｉ４（ｙ）の演算におけるＹ軸上の位置（ｙ座標）を示している。なお、図９では、演算及び演算結果を簡略化するためにｙを粗くして示している（５ｍｍごととしている）。
Scattering intensities I0 (y), I1 (y), I2 (y), I3 (y), and I4 (y) correspond to position y' of hoop layer 16B, position y" of hoop layer 16A (position of the radially outer circumferential surface of helical layer 18B), position y' of hoop layer 16A, position of the radially inner circumferential surface of helical layer 18 (position of the radially outer circumferential surface of liner layer 20), and position of the radially inner circumferential surface of
また、図１０では、理論プロファイルに対応する縦軸の散乱強度をＩｓ（ｙ）＝Ｉ０（ｙ）－Ｉ１（ｙ）＋Ｉ２（ｙ）－Ｉ３（ｙ）－Ｉ４（ｙ）とし、横軸が積層体１４の中心（原点）からの距離（径方向寸法）としており、Ｙ軸方向の位置（Ｙ軸座標）を示している。 In addition, in Figure 10, the scattering intensity on the vertical axis corresponding to the theoretical profile is Is(y) = I0 (y) - I1 (y) + I2 (y) - I3 (y) - I4 (y), and the horizontal axis represents the distance (radial dimension) from the center (origin) of the stack 14, and indicates the position in the Y-axis direction (Y-axis coordinate).
図９及び図１０に示すように、炭素繊維強化樹脂について設定したＸ線の散乱強度関数Ｆ（θ）を用いることで、散乱強度Ｉｓ（ｙ）（Ｉｓ（ｙ）＝Ｉ０（ｙ）－Ｉ１（ｙ）＋Ｉ２（ｙ）－Ｉ３（ｙ）－Ｉ４（ｙ））から解析対象の積層体１４について、フープ層１６Ｂの径方向外側の周面の位置、フープ層１６Ｂの径方向内側の周面の位置（ヘリカル層１８Ｂの径方向外側の周面の位置）、フープ層１６Ａの径方向外側の周面の位置（ヘリカル層１８Ｂの径方向外側の周面位置）、及びフープ層１６Ａの径方向内側の周面の位置（ヘリカル層１８Ａの径方向外側の周面の位置）の各々を精度よく特定できるプロファイルが得られる。 As shown in Figures 9 and 10, by using the X-ray scattering intensity function F(θ) set for carbon fiber reinforced resin, a profile can be obtained from the scattering intensity Is(y) (Is(y) = I0 (y) - I1 (y) + I2 (y) - I3 (y) - I4 (y)) that can accurately identify each of the following positions of the radially outer circumferential surface of the hoop layer 16B, the radially inner circumferential surface of the hoop layer 16B (the radially outer circumferential surface position of the helical layer 18B), the radially outer circumferential surface position of the hoop layer 16A (the radially outer circumferential surface position of the helical layer 18B), and the radially inner circumferential surface position of the hoop layer 16A (the radially outer circumferential surface position of the helical layer 18A) for the laminate 14 to be analyzed.
したがって、層厚解析装置１０では、フープ層１６の各々の径方向内側の周面の位置ｙ’を設定して演算した散乱強度Ｉ（ｙ）から論理プロファイルを生成し、実装プロファイルに近似する論理プロファイルを検証することで、フープ層１６の周面の位置ｙ’を特定できる。この理論プロファイルＩｓ（ｙ）が実測プロファイルと近似することで、理論プロファイルＩｓ（ｙ）において設定したフープ層１６の各々の位置ｙ’からフープ層１６の各々の径方向内側の位置ｙを特定できる。
Therefore, in the layer
しかも、層厚解析装置１０では、散乱強度Ｉ（ｙ）の総和である散乱強度Ｉｓ（ｙ）を用いることで、フープ層１６の径方向外側の位置を特定できて、フープ層１６の間のヘリカル層１８（１８Ｂ）の層厚を特定できる。
Moreover, the layer
なお、フープ層１６の径方向外側の周面の位置ｙ”を仮定して、理論プロファイルを生成した場合においても、同様にフープ層１６の各々の層厚及びフープ層１６の間のヘリカル層１８の層厚を特定できる。 Even if a theoretical profile is generated assuming a radially outer peripheral position y" of the hoop layer 16, the layer thickness of each of the hoop layers 16 and the layer thickness of the helical layer 18 between the hoop layers 16 can be determined in a similar manner.
このように層厚解析装置１０では、予め記憶部２８に記憶された散乱強度関数Ｆ（θ）を用い、タンク情報に基づいて特定したフープ層１６について、フープ層１６を透過したＸ線の散乱強度を示す理論プロファイルを生成する。
In this way, the layer
また、層厚解析装置１０の検証部３６は、理論プロファイルが実測プロファイルに合っているか否かを検証することで、理論プロファイルにおいて仮定したフープ層１６の径方向内側の周面の位置ｙ’が実測プロファイルにおけるフープ層１６の径方向内側の周面の位置に合っているか否かを検証する。
The verification unit 36 of the layer
これにより、理論プロファイルが実測プロファイルに合っていると検証されることで、理論プロファイルにおいて設定した周面の位置ｙ’が、解析対象の積層体１４におけるフープ層１６の径方向内側の周面の位置として特定できる。なお、検証部３６によって理論プロファイルが実測プロファイルに合っていないとされた場合、理論プロファイル生成部３４では、設定する周面位置を更新し、新たに設定した周面位置についての理論プロファイルを生成する。 By verifying that the theoretical profile matches the measured profile, the peripheral position y' set in the theoretical profile can be identified as the radially inner peripheral position of the hoop layer 16 in the laminate 14 being analyzed. If the verification unit 36 determines that the theoretical profile does not match the measured profile, the theoretical profile generation unit 34 updates the set peripheral position and generates a theoretical profile for the newly set peripheral position.
層厚解析装置１０では、フープ層１６の周面位置の各々が得られることで、積層体１４におけるフープ層１６におけるヘリカル層１８との境界面の位置を得ることができる。層厚解析装置１０の層厚算出部３８は、このようにして得られたフープ層１６とヘリカル層１８との境界面の位置に基づいて、フープ層１６（１６Ａ、１６Ｂ）及びヘリカル層１８（１８Ａ、１８Ｂ）の各々の層厚を算出する。これにより、層厚解析装置１０では、積層体の１４の各層の層厚を容易に解析できる。しかも、層厚解析装置１０では、積層体１４の各層の層厚を精度よく解析できる。
By obtaining each peripheral position of the hoop layer 16, the layer
なお、以上説明した本実施形態では、繊維方向が軸方向とされたヘリカル層１８と繊維方向が周方向とされフープ層１６とが交互に積層された積層体１４を例に説明した。しかしながら、高圧タンクの積層体は、繊維強化樹脂の繊維方向が第１方向とされた第１層と、前記繊維強化樹脂の繊維方向が前記第１方向と交差する第２方向とされて巻回された第２層とが交互に積層された円筒状であればよく、例えば、第１層と第２層の各々が互いの繊維方向が交差する方向とされて螺旋状に巻回されて形成されてもよい。この場合、積層体の投影画像は、第２層の繊維方向の接線方向に沿って照射されたＸ線が用いられて撮像されればよい。 In the above-described embodiment, the laminate 14 is formed by alternately stacking the helical layer 18 whose fiber direction is the axial direction and the hoop layer 16 whose fiber direction is the circumferential direction. However, the laminate of the high-pressure tank may be a cylindrical body formed by alternately stacking a first layer whose fiber direction of the fiber reinforced resin is a first direction and a second layer whose fiber direction of the fiber reinforced resin is a second direction intersecting the first direction. For example, the first layer and the second layer may be wound in a spiral shape with their fiber directions intersecting each other. In this case, the projected image of the laminate may be captured by using X-rays irradiated along the tangential direction of the fiber direction of the second layer.
なお、上記実施形態でＣＰＵがソフトウェア（プログラム）を読み込んで実行した解析処理を、ＣＰＵ以外の各種のプロセッサが実行してもよい。この場合のプロセッサとしては、ＦＰＧＡ（Field－Programmable Gate Array）等の製造後に回路構成を変更可能なＰＬＤ（Programmable Logic Device）、及びＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が例示される。また、分布導出処理及び確率導出処理を、これらの各種のプロセッサのうちの１つで実行してもよいし、同種又は異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡ、及びＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ等）で実行してもよい。また、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路である。 In the above embodiment, the analysis process executed by the CPU by reading the software (program) may be executed by various processors other than the CPU. Examples of processors in this case include a PLD (Programmable Logic Device) such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array) whose circuit configuration can be changed after manufacture, and an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) which is a dedicated electric circuit that is a processor having a circuit configuration designed exclusively for executing a specific process. In addition, the distribution derivation process and the probability derivation process may be executed by one of these various processors, or may be executed by a combination of two or more processors of the same or different types (for example, multiple FPGAs, or a combination of a CPU and an FPGA). In addition, the hardware structure of these various processors is, more specifically, an electric circuit that combines circuit elements such as semiconductor elements.
また、上記実施形態では、解析処理のプログラムがＲＯＭ又はストレージに予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、これに限定されない。プログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Digital Versatile Disk Read Only Memory）、及びＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等の記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。 In the above embodiment, the analysis processing program is pre-stored (installed) in ROM or storage, but the present invention is not limited to this. The program may be provided in a form recorded on a recording medium such as a CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory), a DVD-ROM (Digital Versatile Disk Read Only Memory), or a USB (Universal Serial Bus) memory. The program may also be downloaded from an external device via a network.
１０ 層厚解析装置
１２ 高圧タンク
１４ 積層体
１４Ａ 繊維
１６（１６Ａ、１６Ｂ） フープ層（第２層）
１８（１８Ａ、１８Ｂ） ヘリカル層（第１層）
２２ 検出器（撮像手段）
２６ 特性設定部（設定手段）
２８ 記憶部
３０ プロファイル生成部（取得手段）
３２ タンク情報入力部（受付手段）
３４ 理論プロファイル生成部（解析手段）
３６ 検証部（解析手段）
10 Layer thickness analysis device 12 High pressure tank 14 Laminate 14A Fiber 16 (16A, 16B) Hoop layer (second layer)
18 (18A, 18B) Helical layer (first layer)
22 Detector (imaging means)
26 characteristic setting unit (setting means)
28
32 Tank information input unit (reception means)
34 Theoretical profile generation unit (analysis means)
36 Verification unit (analysis means)
Claims (1)
撮像により得られた前記投影画像から前記積層体について径方向に沿うＸ線の散乱強度分布を取得し、
前記繊維強化樹脂についてＸ線の光軸と繊維方向とのなす角度に対するＸ線の散乱強度を示す光学特性に基づき、前記Ｘ線の散乱強度分布における前記第２層の周面の径方向位置を解析し、該周面の径方向位置から前記第１層及び前記第２層の径方向に沿う層厚を解析する、
ことを含む積層体の層厚解析方法。
A high-pressure tank is analyzed, which includes a cylindrical laminate in which a first layer, in which the fiber direction of a fiber-reinforced resin is a first direction, and a second layer, in which the fiber direction of the fiber-reinforced resin is wound in a second direction intersecting the first direction, are alternately laminated, and a projection image of X-rays that are irradiated along a tangential direction to the fiber direction of the second layer and transmitted through the laminate is captured by an imaging means,
A scattering intensity distribution of X-rays along a radial direction of the stack is obtained from the projection image obtained by imaging;
Based on optical characteristics of the fiber-reinforced resin that indicate the scattering intensity of X-rays with respect to an angle between an optical axis of the X-rays and a fiber direction, a radial position of a circumferential surface of the second layer in the scattering intensity distribution of the X-rays is analyzed, and layer thicknesses of the first layer and the second layer along the radial direction are analyzed from the radial position of the circumferential surface.
A method for analyzing layer thickness of a laminate, comprising:
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