(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型キャビティ（28）および加工品（40）に対して移動可能な金型クロージャ（30）を含む圧縮成形用金型（26）と、該金型内に配置される加工品とのタッチを感知する装置（10）において、
前記金型クロージャと前記加工品とのタッチを知らせるよう配置できる少なくとも１個の順応性シート材（18）と、
前記順応性シート材（18）に設けられた、少なくとも１個のタッチセンサ（12）と
を備え、
前記タッチセンサ（12）は、
前記加工品（40）の表面上の複数の異なる点での前記金型クロージャと前記加工品とのタッチを知らせるよう配置され、前記金型クロージャが前記加工品の部分に接触したときそれを示す信号を発生する複数のタッチセンサパッド（14）を含み、
前記信号に基づき前記金型クロージャの移動を制御して前記金型クロージャ（30）をその位置で前記加工品（40）に接触させておく、タッチ感知装置。
【請求項２】
金型キャビティ（28）および加工品（40）に対して移動可能な金型クロージャ（30）を含む圧縮成形用金型（26）と、該金型内に配置される加工品とのタッチを感知する方法において、
少なくとも１個のタッチセンサパッド（14）を含む少なくとも１個の順応性シート材（18）を、前記金型クロージャと前記加工品とのタッチを知らせるよう配置し、
前記金型クロージャと前記加工品とのタッチを示す信号を発生し、
前記加工品（40）から前記圧縮成形用金型（26）から取り除き、
前記順応性シート材（18）を前記加工品（40）から分離する、
ことを含むタッチ感知方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
この発明は、タッチセンサに関し、特に金型クロージャと加工品との間の接触または圧力を高めて圧縮成形中に加工品が横方向に移動するのを防止する技術に関する。
【０００２】
積層加工品は１層ずつ形成するのが代表的であるが、個々の層は厚さが５〜１０％以上変動することがあり得る。つぎに、減圧および熱を加えてガスを除去し、加工品を予備緻密化することにより、加工品をデバルキングする。最後に、加工品を密封バッグに入れて金型に配置し、オートクレーブ空気圧力のみを用いてさらに緻密化し最終成形加工品とする。しかし、デバルキングされた加工品を圧縮成形すると、通常のオートクレーブ成形より良好な外面形状が得られること、また、加工品を最終形状に押圧する方法が材料層のばらつきにあまり依存しないことが確認された。
【０００３】
圧縮成形プロセスでは、オートクレーブ成形法と同様に、予備成形した加工品を組み立てる。しかし、加工品をオートクレーブ成形して最終緻密化を行う代わりに、デバルキングされた加工品を圧縮成形用金型キャビティに入れ、金型クロージャを移動して加工品と接触させ、この際金型を所定の温度スケジュールにしたがって加熱する。加工品の最終緻密化は、加工品を金型内で金型キャビティと金型クロージャとの間で圧縮することによって行う。
【０００４】
残念なことに、圧縮成形により良好な外面形状を得る工程で、場合により、加工品の１層以上に過剰な横方向流れが発生するおそれがある。過剰な横方向流れはその１層以上の層にしわを生成しがちである。このようなしわは加工品に異常部をもたらし、場合によっては最終的に成形された加工品の強度の低下につながる。
【０００５】
過剰な横方向流れを生じる原因の一つは、金型と加工品との非均一な接触、特に圧縮成形が始まる前の金型と加工品との最初の接触の際の、非均一な接触にあると考えられる。別の原因は、圧縮成形中に非均一な圧力が加工品に加えられることにあると考えられる。その結果、金型が予備成形された加工品に圧縮成形前および圧縮成形中にできるだけ完全かつ均一に接触することを確実にし、金型に対して加工品の過剰な横方向移動が生じるおそれを低減するのが望ましい。同様な理由から、圧縮成形中に予備成形された加工品に加えられる圧力を修正して確実に高品質の成型品を得るのが望ましい。
【０００６】
したがって、当業界において金型クロージャの改良が求められている。
【０００７】
【発明の概要】
本発明によれば、圧縮成形用金型が金型キャビティおよび金型内に配置される加工品に対して移動可能な金型クロージャを含む場合に、前記金型と金型内に配置される加工品とのタッチを感知する装置および方法が提供される。この装置は、前記金型クロージャと前記加工品とのタッチを知らせるよう配置できる少なくとも１個のタッチセンサ・パッドを含む。タッチセンサ・パッドを、タッチセンサ・モニタと接続関係に置いて、加工品と金型クロージャとの間のタッチを表示するのがよい。タッチセンサ・パッドはタッチセンサ・アセンブリとして実現することもできる。
【０００８】
【好適な実施態様の説明】
図１〜図３に、金型２６、たとえば圧縮成形用金型と、代表的には複数の材料層からなる加工品４０とのタッチを感知する装置１０を示す。金型２６は通常の圧縮成形機のいずれでもよく、圧縮成形金型クロージャ３０、圧縮成形金型キャビティ２８および金型キャビティ２８の内側から外部環境まで延びる金型アパーチャ７０を含む。１実施例では、金型２６は、４ピストンの液圧型圧縮成形機、たとえばMurdockTM圧縮成形機から構成する。
【０００９】
加工品４０は金型キャビティ２８に配置することができる。この金型キャビティ２８は加工品４０に対して実質的に固定されているのが好ましく、このため加工品４０は金型クロージャ３０に対して可動である。少なくとも１つのタッチセンサ、たとえばタッチセンサ・パッド１２を、金型クロージャ３０がどのように加工品４０にタッチするか知らせるように配置することができる。ここで用いる用語「タッチ（touch）」は金型２６から加工品４０への、またはその逆の何らかの力あるいは作用を包含する。このようなタッチは、それぞれの向かい合う表面間の直接な物理的タッチからそれぞれの向かい合う表面間の少なくとも１つの中間手段を介してのタッチまでを含む。また、このようなタッチは、加工品４０と金型２６の向かい合う表面間の単なる接触（接触は以下に定義するとおり）から圧力（圧力は以下に定義するとおり）までを含む。
【００１０】
図５に示すように、タッチセンサ１２は、代表的には、少なくとも１個の接触センサ、たとえば接触型タッチセンサ・パッド１４を備えるのが好ましい。パッド１４は、圧縮成形用金型クロージャ３０を加工品４０および金型キャビティ２８に向かう位置に移動する際に、金型クロージャ３０がいつ加工品４０に接触したかを示す信号を発生することができる（図２）。ここで用いる用語「接触」は、金型クロージャ３０と加工品４０とのあらゆる接触を包含し、それぞれの向かい合う表面間の直接の物理的接触からそれぞれの向かい合う表面間の少なくとも１つの中間手段を介しての接触までを含む。この発明では接触をいつ表示してもよいが、金型クロージャ３０と加工品４０との間に最初の接触が生じたときを知るのがもっとも有効である。たとえば、この最初の接触の時間を「時間ゼロ」としてうまく用いて、（１）金型２６を閉じ、（２）金型加熱を開始する、２工程の制御されたプロセスを開始することができる。好ましくは、各工程は、それ以降成形プロセスの完了まで、閉止（または加工品４０に加えられる好ましい力）および加熱について独自の基準スケジュールを持つ。しかし、加工品４０の表面とのそれ以降の接触を用いて、成形プロセスの間これらの基準スケジュールを修正することもできる。
【００１１】
図７に示すように、タッチセンサ１２は、上記に加えてあるいは上記の代わりに、圧力センサ、たとえば圧力型タッチセンサ・パッド８４としてもよい。圧力センサは、加工品４０とセンサ１２に隣接する圧縮成形用金型クロージャ３０との間の表面圧力、たとえば局部表面圧力を表示する信号を発生することができる。ここで用いる用語「圧力」は、金型クロージャ３０と加工品４０とのあらゆる圧力を包含し、それぞれの向かい合う表面間の直接の物理的圧力からそれぞれの向かい合う表面間の少なくとも１つの中間手段を介しての圧力までを含む。この発明では圧力をいつ表示してもよいが、金型クロージャと加工品との間の最初の接触後、圧縮成形中に局部加工品表面圧力がどんな値であるかを知るのがもっとも有効である。
【００１２】
図３に示すように、少なくとも１個のセンサ１２が、加工品４０の表面４２上の複数の異なる点での金型クロージャ３０と加工品４０とのタッチを知らせるように配置された複数個のセンサ１２であるのが好ましい。所望に応じて、各センサ１２は接触センサまたは圧力センサまたは両方を有する。さらに、図２に示すように、金型クロージャ３０が加工品４０に対して傾き、金型クロージャ３０と加工品４０とのタッチを知らせる異なる複数の点の総数を増加するのが好ましい。傾きは、手動または自動手段により金型クロージャ３０を操作することによって達成することができる。好ましくは、金型２６の少なくとも１つの直径に沿って、特に好ましくは金型２６の多数の直径に沿って対向する両方向３４に傾きを可能にする。
【００１３】
図４に、圧縮成形用金型２６、圧縮成形コントロールシステム３６およびタッチセンサ・モニタ３８を線図的に示す。これらの要素は、金型２６を操作し、金型クロージャ３０が加工品４０とどのようにタッチしているかをモニタし、解釈するように、互いに連絡している。たとえば、手動または自動手段を使用して金型クロージャ３０と加工品４０とのタッチをモニタし、また解釈信号に基づいて金型クロージャ３０の移動を制御するために、信号を解釈することができる。
【００１４】
図５に接触型タッチセンサ・パッド１４を線図的に示す。このパッド１４は金型クロージャ３０と加工品４０との間に位置させることができる。接触型タッチセンサ・パッド１４は、順応性シート材１８および接触型タッチセンサ・パッド１４を含むタッチセンサ・アセンブリ１６を構成する。たとえば、接触型タッチセンサ・パッド１４が、たとえば電気器具ユーザーインターフェースに用いられる膜スイッチを含む場合に、良好な結果が期待できる。このような低圧センサパッド（たとえば、好ましくは＜１psi）は、きわめて小さなたわみを伴う接触時に正の信号を与え、きわめて大きな荷重に耐える（すなわち接点が閉じている間）ことができる。さらに、たとえば、順応性シート材１８が樹脂、熱可塑性樹脂またはシリコーンゴム（具体的にはＧＥ社製LexanTMポリカーボネート、ＧＥ社製UltrinTMポリエーテルイミドまたはデュポン社製KevlarTM樹脂）からなる非導電性の変形可能な部材からなる場合に、良好な結果が期待できる。
【００１５】
さらに図５に言及すると、タッチセンサ・アセンブリ１６において、各接触型タッチセンサ・パッド１４（全体的には図３にパッド１２で示す）を信号線路（ラン）２０に接続してパッド１４から金型２６の外部への連絡を可能にすることができる。たとえば、金属接触型タッチセンサ・パッド１４および金属信号線路（たとえば導線）２０を用いて、金属金型クロージャ３０との接触信号を送ることができる。このような場合、少なくとも１個の普通のタッチセンサ・モニタ、たとえばオーム計７２（図２）を金型２６の外部で信号線路２０に接続することができる。これには、ワイヤコネクタ・ジャンクション２２（図３）を使用しても、あるいは信号線路２０をパッド１４から金型２６の外部まで途切れなく連続的に延在させてもよい。いずれの場合も、信号線路２０は金型内部からアパーチャ７０などを通って外に出るが、金型アパーチャ７０には、圧縮成形を完了したときに破壊して信号線路２０と離すことのできるエラストマーシールまたは速硬性シールなどの通常のシール構造のいずれかを設ける。
【００１６】
特に、金属金型クロージャ３０が接触型タッチセンサ・パッド１４（たとえば、接触型タッチセンサ・パッドからなる図２のタッチセンサ・パッド１２）と接触すると、パッド１４が加工品４０の表面４２上の１個以上の点での接触を示す信号を送る。すなわち、信号線路２０を順次低ＤＣ電圧源に接続し、電圧源の他端を金属金型クロージャ３０に接続する。金型クロージャ３０が加工品４０に向かって移動するにつれて、少なくとも１個、つぎに他の、好ましくはすべての接触型タッチセンサ・パッド１４が、単純な導通チェック配列にある回路を閉じる。この情報は、通常の手段で解釈することができ、どの接触型タッチセンサ・パッド１４が金型クロージャ３０と接触したかを判定する。他方、この情報は、金型クロージャ３０と加工品４０とのタッチ結果、たとえば接触を高めるために、いかにして金型クロージャ３０を傾けるかについての指示を、手動オペレータまたは自動制御システムに与える。
【００１７】
図６に、本発明の接触型タッチセンサ・パッド７６およびタッチセンサ・アセンブリ１６の別の実施例を線図的に示す。この実施例では、センサを順応性シート材１８内に完全にカプセル封入することができる。接触型タッチセンサ・パッド７６は、信号線路２０（たとえば電線）の２つの向かい合う表面を絶縁体２４により互いに離すことにより形成することができる。このような接触型タッチセンサ・パッド７６はさらに１対のナブ５６を含み、ナブ５６に加えられた外部圧力はこれらのナブを内向きに互いに近接するように押圧し、そしてその向かい合う表面が接触したとき、電線ラン２０を含む回路が閉じられる。また、接触型タッチセンサ・パッド７６全体が順応性シート材１８内に封入されているので、この実施例は、金型クロージャ３０と適合性である（たとえば金属−金属など）必要がない。したがって、この実施例は、接触型タッチセンサ・パッド７６および信号線路２０を通しての信号通信に依存しているだけである。これらの構造的差異以外には、この実施例は接触型タッチセンサ・パッド１４と同様である。
【００１８】
図７に、金型クロージャ３０と加工品４０との間に配置できるひずみゲージ圧力型タッチセンサを線図的に示す。この圧力型タッチセンサも、順応性シート材１８および圧力型タッチセンサ・パッド８０または接触型タッチセンサ・パッド１４，７６、好ましくは両方を含むタッチセンサ・アセンブリ１６とすることができる。このような圧力センサ（たとえば好ましくは１０〜１０００psiに感応）は、加工品４０の圧縮成形中、加工品４０と金型クロージャ３０との間の局部表面圧力を一層正確に測定する。本発明のタッチセンサは、本発明の接触型および圧力型タッチセンサ両方に望ましい特徴および圧力範囲を有する単一構造体とすることができる。
【００１９】
図７について引き続き言及すると、たとえば、圧力型タッチセンサが、平坦なひずみゲージパッド８０を備える場合に良好な結果が期待できる。パッド８０は、抵抗体８２を可撓性バーまたはディスク基板８４に装着した構成とすることができる。使用時には、基板８４を曲げると、抵抗モニタ８６が測定する抵抗値が変化し、この測定値を用いて圧力差を求めることができる。
【００２０】
図８に、圧力型タッチセンサ・パッド９０の別の実施例を線図的に示す。この圧力型タッチセンサ・パッド９０は、その独特の機能以外には、ひずみゲージ型センサ（図７）と互換可能である。圧力型タッチセンサ・パッド９０は、圧電センサパッドから構成することができる。このセンサは、２つの電極９２を圧電材料９４上にメッキした構成である。使用時には、外部圧力が変化すると、通常の電圧モニタ９６が測定する電圧が変化し、この測定値を用いて圧力差を求めることができる。
【００２１】
図９に、圧力型タッチセンサ・パッドの他の実施例を線図的に示す。このタッチセンサ・パッドは、その独特の機能以外には、ひずみゲージ型センサ（図７）と互換可能である。図示のタッチセンサ・パッド１００は、通常の容量性センサパッドである。このセンサは、変形可能な材料１０４を剛性導体１０２間にはさんだ構成である。使用時には、ギャップ１０６−１０６が荷重で減少し、キャパシタンスモニタ１０８が測定する系のキャパシタンスが増加し、この測定値を用いて圧力差を求めることができる。
【００２２】
図１０に、圧力型タッチセンサ・パッドの他の実施例を線図的に示す。このタッチセンサ・パッド１１０は、その独特の機能以外には、ひずみゲージ型センサ（図７）と互換可能である。図示のタッチセンサ・パッド１１０は、光ファイバセンサ・パッドである。このセンサは、蛍光物質が被覆された先端１２０を有する光ファイバセンサ１１４を耐圧エラストマーバッグ１１６内でゲル１１２（たとえばシリコーンゴム）で包囲した構成とすることができる。使用時には、外部圧力が変化すると、先端１２０の蛍光物質にかかるゲル圧力が変化し、圧力の関数としての蛍光減衰時間をモニタ１１８で測定する。この測定値を用いて圧力差を求めることができる。たとえば、Ruxtron  Co.またはPanametrics  Co.製の光ファイバ圧力型タッチセンサ・パッドから、良好な結果が得られると考えられる。
【００２３】
図１１にこの発明を実施するためのフローチャートを示す。たとえば、予備形成された加工品４０をデバルキングし、金型クロージャ３０に向かい合わせて金型キャビティ２８に配置した後、工程４４で、少なくとも１個のタッチセンサ１２および好ましくは、複数の接触型および圧力型タッチセンサを加工品４０または金型クロージャ３０に隣接して配置する。つぎに、工程４６で、金型クロージャ３０および加工品４０を互いに、好ましくはゆっくり、移動し（いずれか一方または両方を動かすが、好ましくは金型クロージャ３０のみを動かす）、そしてどのように金型クロージャ３０が加工品４０にタッチするかを示す信号を発生する。ここで用いる用語「信号」は、所定の使用用途に応じて単一タッチセンサ１２または多重タッチセンサ１２と関連した、単一信号でも多重信号でもよい。
【００２４】
つぎに、工程４８で、前述したように手動でも自動でもよい通常の手段により工程４６の信号を解釈して、解釈信号を生成する。解釈された信号（たとえば、加工品４０の表面上の１点または複数の点での接触を示す）に応じて、金型クロージャの速度を変えるか、金型クロージャを傾けることにより、金型クロージャ３０の移動を、前述したように手動または自動的に、通常通りにガイドする。工程５２で、好ましくは、解釈された信号およびガイドされた移動を、加工品４０と金型クロージャ３０とのタッチ結果を高めるために利用し、たとえば、金型クロージャ３０と加工品４０との接触の信号を出す複数の異なる点の総数を増加する。
【００２５】
あるいはまた、もしくは上記に加えて、工程５４で加工品４０を次いで圧縮成形する。好ましくは、この工程は、圧縮成形中に、加工品４０、すなわち個別の層またはその材料の横方向移動を実質的に防止することを含む。この工程はまた、前述したように、通常の手段により、所望の温度スケジュールにしたがって加工品４０の温度を変えること（工程７４）も含む。たとえば、圧縮成形中に加工品４０と金型クロージャ３０との接触を高めるのに加えて、工程５６で、工程４６からの信号またはタッチセンサ１２が発生した第２信号が、加工品４０と金型クロージャ３０との間の局部表面圧力を表示してもよい。この局部表面圧力は加工品４０の温度にも依存する。
【００２６】
つぎに、工程５８で、前述したように手動でも自動でもよい通常の手段により前記信号または第２信号を解釈して第２の解釈信号を生成する。工程６０で、第２の解釈された信号（たとえば、加工品表面上の１点または複数の点での接触を示し、加工品４０の表面での局部圧力がどの程度であるか示す）に応じて、先に行ったように、金型クロージャの速度を変えるか、金型クロージャを傾けることにより、金型クロージャ３０の移動を、前述したように手動または自動的に、通常通りにさらにガイドする。すなわち、好ましい圧縮成形過程は、工程６２で、加工品４０と金型クロージャ３０との間の高められたタッチ結果の結果として、加工品４０を高品質の、すなわち実質的にしわがなく、実質的に完全な密度で、実質的に気孔がなく、好ましい形状仕様の部品に圧縮成形する。このように、所望のタッチ結果、たとえば成形中の熱膨張にもかかわらず、加工品４０と金型クロージャ３０との接触を最大にし、あるいは加工品４０の表面に所望の圧力を維持することが実現できる。
【００２７】
あるいはまた、もしくは上記に加えて、工程６４で、金型クロージャ３０に対向する加工品４０の表面の均一な構造的一体性を全プロセスの間維持し、タッチセンサ１２による加工品４０へのどのようなタッチも最終的に形成された加工品にとって無視できるものであるようにする。たとえば、図６の実施例では、このことは、圧縮成形中に受ける単なる大気圧から高圧まで変動する環境で、タッチセンサ・アセンブリ１６に均一な厚さを維持する通常の手段により達成できる。図５の実施例では、たとえば、金型クロージャ３０は、凹所（図示せず）を設けて、接触型センサパッド１４を受け入れ、その他は図６の実施例と同様にタッチセンサ・アセンブリ１６に均一な厚さを維持することができる。
【００２８】
圧縮成形工程の完了後、工程６６で最終成形された加工品を金型２６から取り出す。つぎに、好ましくは、工程６８でタッチセンサ１２またはタッチセンサ・アセンブリ１６を少なくとも加工品４０から分離する。あるいはまた、もしくは上記に加えて、接触センサ１４を金型クロージャ３０から分離してもよい。いずれの場合にも、タッチセンサ１２またはタッチセンサ・アセンブリ１６をある加工品から次の加工品に再使用でき、特にある金型２６から別の金型に再使用できるのが好ましい。
【００２９】
本発明は、あらゆる種類の圧縮成形装置に無限の使い方ができる。しかし現在のところ、本発明を、一方向炭素繊維トウで補強されたエポキシ樹脂の積層シートからなる航空機エンジンのファンブレードの製造に用いる場合に、良好な結果が得られると考えられる。
【００３０】
本発明においては、目的に応じて種々の実施態様が可能であり、また上述した実施例に種々の変更を加えることができるので、上述した事項や図面に示した形状はすべて例示にすぎず、本発明を限定するものでないと解釈すべきである。
【００３１】
本発明のいくつかの特徴のみを説明し図示したが、当業者には種々の変更例や改変例が明らかである。したがって、特許請求の範囲はこのような変更例や改変例もすべて本発明の要旨の範囲内にあり包含するものと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】金型クロージャ、加工品、金型キャビティおよびタッチセンサの線図的分解縦断面図であり、金型クロージャを加工品と接触状態に移動するところを示す。
【図２】図１と同じ金型の分解していない図である。
【図３】複数のタッチセンサを含む以外は図２と同じ金型の、図２の３−３線に沿ってみた線図的部分平面図である。
【図４】圧縮成形用金型、圧縮成形コントロールシステムおよびタッチセンサ・モニタのブロック線図である。
【図５】接触型タッチセンサ・パッドの一部を示す線図的縦断面図である。
【図６】本発明の別の実施例を示す、図５と同様の図である。
【図７】ひずみゲージ型の圧力タッチセンサ・パッドの一部を示す線図的縦断面図である。
【図８】圧電型の圧力タッチセンサ・パッドからなる本発明の他の実施例の図７と同様の断面図である。
【図９】容量型の圧力タッチセンサ・パッドからなる本発明の他の実施例の図７と同様の断面図である。
【図１０】光ファイバ型の圧力タッチセンサ・パッドからなる本発明の他の実施例の図７と同様の断面図である。
【図１１】本発明を実施する工程を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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