(57)【要約】  【課題】簡便な機構を用いながら、炭素繊維束を静電チャック上に配置する際に高速で、かつ、ズレなく配置できる炭素繊維基材の製造方法および製造装置を提供する。  【解決手段】炭素繊維の糸条を束ねた炭素繊維束を複数本引き揃えてなる炭素繊維基材の製造方法であって、吸着層と絶縁層との間に一対の電極を埋設した静電チャック上に、静電気力で前記炭素繊維束を吸着しながら載置するに際し、前記一対の電極を構成する正極と負極は、電気供給路を介して複数の電極棒が平行に設けられ、正極と負極とを向かい合わせて、それぞれの前記電極棒が交互に並ぶように配置され、前記電極棒の長手方向に直交する方向に前記炭素繊維束を載置することを載置位置を変えながら繰り返すことを特徴とする炭素繊維基材の製造方法。【選択図】図１
2017047586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維の糸条を束ねた炭素繊維束を複数本引き揃えてなる炭素繊維基材の製造方法であって、吸着層と絶縁層との間に一対の電極を埋設した静電チャック上に、静電気力で前記炭素繊維束を吸着しながら載置するに際し、前記一対の電極を構成する正極と負極は、電気供給路を介して複数の電極棒が平行に設けられ、正極と負極とを向かい合わせて、それぞれの前記電極棒が交互に並ぶように配置され、前記電極棒の長手方向に直交する方向に前記炭素繊維束を載置することを載置位置を変えながら繰り返すことを特徴とする炭素繊維基材の製造方法。
【請求項２】
炭素繊維束を一方向に引き揃えながら載置する糸載置機構と、吸着層と絶縁層との間に一対の電極を埋設した静電チャックを少なくとも備えた炭素繊維基材の製造装置であって、前記一対の電極を構成する正極と負極は、電気供給路を介して複数の電極棒が平行に設けられ、正極と負極とを向かい合わせて、それぞれの前記電極棒が交互に並ぶように配置され、前記糸載置機構から供給された前記炭素繊維束を前記電極棒の長手方向に直交する方向に載置し、前記糸載置機構を別の位置に移動させて繰り返し炭素繊維束を載置することを特徴とする炭素繊維基材の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維基材の製造方法および製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチックの製造に用いられる炭素繊維束からなるシート状の基材を作成する方法として、種々の方法が知られている。例えば、炭素繊維束の織物基材のような布帛から所定のカットパターンを切り出す方法が知られているが、この方法では、カットパターンを切り出したあとの残りの部分を廃棄していることから、シート基材に使用する炭素繊維束の歩留まりが悪く、炭素繊維強化プラスチックの製造コストが高くなる問題点があった。この問題を解決する方法としてＡＦＰ（Automated Fiber Placement）方式が知られている。ＡＦＰは、必要な場所のみに炭素繊維束を配置する方法でシート基材に使用する炭素繊維束の歩留まりが良く、製造コストの低減が可能であることが知られている。
【０００３】
更にこのＡＦＰを用いて炭素繊維束を配置する際に、高精度でかつ効率良く配置する方法として、静電気力によって炭素繊維束を吸着しながら載置することが可能な静電チャックを用いて、炭素繊維束のシート基材を製造する方法が知られている（例えば特許文献１）。上記の方法では炭素繊維束の供給装置のヘッドが回転機構を有しており、静電チャック上に様々な角度から炭素繊維束を載置する構成を採用している。
【０００４】
静電チャックには電極が埋設されており、この電極に電圧を印加することで、吸着面の電極直上に位置する吸着領域と炭素繊維束の間で静電気力が発生し、炭素繊維束が吸着される。つまり、吸着領域に接する面積が大きいほど炭素繊維束はより大きな静電気力を得ることができる。この電極は、製造のしやすさやコストの面から２つの電極が交互に並列に配置され櫛歯形状を形成している場合が多い。
【０００５】
上記の方法にて静電チャック上に炭素繊維束を載置していった場合、角度によっては炭素繊維束がこの吸着領域に接する面積が小さく、静電チャックの静電気力が小さくなり、炭素繊維束を載置する際に剥がれやズレが発生していた。そのため、剥がれやズレが発生するたびに人手で修正を行わなければならず、これが製造ロスの原因となりシート基材の製造タクトが短縮できず結果的に製造コストが低減できないという問題も発生していた。
【０００６】
製造タクト短縮のために炭素繊維束の載置速度を上げたとしても上述の通り吸着領域との接触面積が小さければ剥がれやズレが生じてしまうためこの方法を実施することはできない。更に、炭素繊維束の供給装置のヘッドが回転機構を有している場合、装置構成や装置の制御が複雑化し高速で、炭素繊維束を供給することができない問題もあった。
【０００７】
つまりは、このＡＦＰを利用した炭素繊維束のシート基材の製造において、静電チャックに埋設された電極の形状や向きに対する、炭素繊維束の載置角度については、公知技術においては何ら示唆されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許５４８２２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の状況を鑑みて、本発明は簡便な機構を用いていながら。炭素繊維束を静電チャック上に配置する際に高速で、かつ、ズレなく配置できる炭素繊維基材の製造方法および製造装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用するものである。すなわち、
（１）炭素繊維の糸条を束ねた炭素繊維束を複数本引き揃えてなる炭素繊維基材の製造方法であって、吸着層と絶縁層との間に一対の電極を埋設した静電チャック上に、静電気力で前記炭素繊維束を吸着しながら載置するに際し、前記一対の電極を構成する正極と負極は、電気供給路を介して複数の電極棒が平行に設けられ、正極と負極とを向かい合わせて、それぞれの前記電極棒が交互に並ぶように配置され、前記電極棒の長手方向に直交する方向に前記炭素繊維束を載置することを載置位置を変えながら繰り返すことを特徴とする炭素繊維基材の製造方法。
（２）炭素繊維束を一方向に引き揃えながら載置する糸載置機構と、吸着層と絶縁層との間に一対の電極を埋設した静電チャックを少なくとも備えた炭素繊維基材の製造装置であって、前記一対の電極を構成する正極と負極は、電気供給路を介して複数の電極棒が平行に設けられ、正極と負極とを向かい合わせて、それぞれの前記電極棒が交互に並ぶように配置され、前記糸載置機構から供給された前記炭素繊維束を前記電極棒の長手方向に直交する方向に載置し、前記糸載置機構を別の位置に移動させて繰り返し炭素繊維束を載置することを特徴とする炭素繊維基材の製造装置。
【００１１】
本発明において、「炭素繊維束」とは、炭素繊維の糸条を長手方向に平行に延在させるように並べ、帯状にしたものである。炭素繊維の糸条同士は、長手方向と垂直な方向（以後、幅方向という）に、同一の炭素繊維あるいは異種の繊維で交絡させ固定されている。この方法以外にも、一方向クロス、織物、編物、組物、不織布などが炭素繊維束として好適に用いられる。炭素繊維束の幅は特に限定されるものではないが、製品の大きさへの対応や製造タクトの観点から０．２ｍｍから４０ｍｍが好ましく、装置の汎用性なども考えると０．３ｍｍから２５ｍｍがより好ましい。
【００１２】
本発明において「静電チャック」とは、吸着層と絶縁層の２層からなりその層間に電極が埋設されたものである。電極には、電極に電圧を印加するための電源とケーブルを介して接続されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の製造方法および製造装置によれば、以下に説明するとおり、炭素繊維束を静電チャック上に吸着しながら載置して炭素繊維基材を製造するにあたり、高速で、かつ、位置ズレすることなく炭素繊維基材を得ることができる。具体的には、静電チャック上に載置する際に静電チャックに埋設された一対の電極を構成する複数の電極棒が櫛刃状に配置され、各電極棒に直交するように、一方向に炭素繊維束を繰り返し載置することで、静電気力を最大限に利用することができ高速で、かつ、ズレなく炭素繊維基材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施態様に係る炭素繊維基材の製造方法の概略図である。
【図２】本実施形態で用いる静電チャックの一態様を示す概略図である。
【図３】本発明の他の実施態様に係る炭素繊維基材の製造方法の概略図である。
【図４】本発明の他の実施態様に係る炭素繊維基材の製造方法によって製造される炭素繊維基材の積層体の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態を、図１〜図４を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施態様に係る炭素繊維基材の製造方法の概略図を示している。図１においてまず、静電チャック１が直流高圧電源１０と電気ケーブル１１によって接続された状態で配置されている。この静電チャック１に直流高圧電源１０から電圧を印加した状態で静電チャック１上に、炭素繊維束の糸載置機構（図示せず）を用いて炭素繊維束２を静電気力で吸着しながら載置していく。
【００１７】
ここで図２に、本実施形態で用いる静電チャック１の一態様を示す概略図である。図２は静電チャック１の断面図であり、図２は静電気力による吸着原理を示す断面図である。静電チャック１は炭素繊維束２を吸着する吸着層３、絶縁層４、一対の電極５Ａからなり、この一対の電極５Ａに直流電圧が印加される。また、図２に示すように、静電チャック１が保持力を生じさせる原理は、双極型で吸着層３の内部に設けた一対の電極５Ａに電圧を印加させ、吸着層表面で、この一対の電極５Ａの上部に位置する吸着領域６と被吸着物である炭素繊維束２の表面に正・負の電荷を発生させ、この間に働くジョンソン・ラーベック力により炭素繊維束２を吸着させるというものである。
【００１８】
静電チャック１上に炭素繊維束２を吸着させるには、上述の吸着領域６に炭素繊維束２を接触させることが重要であり、吸着領域６との接触面積が大きければ大きいほど、静電気力による吸着の効果が大きくなる。またジョンソン・ラーベック力を用いた静電チャック１では正・負の電荷を交互に発生させることが重要であり、炭素繊維束２が正・負の電荷を交互与えられるように電極を跨ぐように載置することが重要である。
【００１９】
つまり、静電チャック１上に炭素繊維束２を載置する際に、最大限の静電気力を利用しようとした場合は、一対の電極５Ａを構成する複数の真直な電極棒７、８が、互いに並行で、かつ電極棒（正極）７と電極棒（負極）８とが交互に表れるように吸着層３内に設置することが好ましい。更には一対の電極をそれぞれ電極棒（正極）７、電極棒（負極）８とし、複数の電極棒（正極）７と複数の電極棒（負極）８に電圧を印加するための電気供給路９を設け、正極および負極のいずれもが、電気供給路９に対して電極棒が垂直に接続された櫛歯形状になっていることが、静電チャック１の構成としてより好ましい。
【００２０】
また、静電チャック１自身の吸着力を向上させるために、静電チャック１の吸着層３、絶縁層４、一対の電極５Ａは、以下の様に構成されていることが好ましい。
【００２１】
まず、一対の電極５Ａに用いる材料は、電圧を印加した際に抵抗によるロスや抵抗発熱を抑えるためにも電気抵抗の低い材料であることが好ましい。製作を考慮して銀や銅であることがより好ましい。その形態は特に限定されるものではないが、テープ状のものを貼り付けたり、粒子状のものを散布したりすることが好ましい。電極の幅については、電極棒（正極）７と電極棒（負極）８とを交互に配置していくことを考慮すると、３ｍｍから１０ｍｍが好ましい。さらに、炭素繊維束２の幅も考慮すると、５ｍｍであることがより好ましい。また電極棒（正極）７と電極棒（負極）８とを交互に配置していくときの間隔は、３ｍｍから１０ｍｍが好ましい。更に、電圧を印加した際の絶縁破壊による電極棒（正極）７から電極棒（負極）８への導通による静電気力の消失を考慮すると、５ｍｍがより好ましい。この一対の電極５Ａは、直流高圧電源１０との接続で電極棒（正極）７と電極棒（負極）８が逆転しても何ら問題はない。
【００２２】
次に、電極棒（正極）７と電極棒（負極）８に印加した電荷を効率よく静電気力を吸着領域６に発現させるために、吸着層３には、１０の８乗Ω・ｃｍから１０の１２乗Ω・ｃｍの体積抵抗率を有している材料が好ましく、特に静電気力が最も強く発現する１０の８乗Ω・ｃｍの体積抵抗率を有する材料が好ましい。更に静電チャックの取り扱いや耐久性を考慮すると、ゴム系材料とプラスチック材料、導電性材料の混合物を主成分とする材料であることがより好ましい。
【００２３】
また、絶縁層４には、吸着領域６のみに静電気力を発現させるためにも、１０の１５乗Ω・ｃｍ以上の体積抵抗率を有する材料が好ましい。主にセラミック、ポリイミド樹脂、その他汎用プラスチック材料（例えば、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリイソブチレン樹脂など）を用いることができ、特殊な環境以外での使用を想定する場合、汎用プラスチック材料を用いるのが好ましい。なお、静電チャック１の形態は特に限定されるものではないものの、炭素繊維束２を精度良く吸着させるためにも、平坦な形状を有することが好ましい。また装置の取り扱いを考えて、厚みが２ｍｍ以下であることがより好ましい。その場合、静電チャック１がたわまぬよう軽量なアルミ材等で補強したフレーム構成を用いることも好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２４】
上記の様に構成された静電チャック１上に炭素繊維束を載置する糸載置機構を用いて炭素繊維束２を静電気力で吸着しながら載置していく際に、糸載置機構はＡＦＰ（Automated Fiber Placement）装置であることが好ましい。ＡＦＰ装置は以下の機能を有しており炭素繊維束２の載置には好適に用いることができる。ＡＦＰ装置から引き出された炭素繊維束２は、糸載置機構の先端に設けられた繊維載置ヘッド（図示せず）に導かれる。繊維載置ヘッドは、所望のタイミングで炭素繊維束２を送り出し、または切断して送りを停止する機能を有しており、糸載置機構が繊維載置ヘッドを所定の位置に移動させるのに合わせて、適宜炭素繊維束２を供給、停止する。
【００２５】
また、静電チャック１にはスライド機構１２が取り付けられており、このスライド機構１２は糸載置装置に炭素繊維束２が引き揃えられる方向に直交する方向に動作し互いの位置を変化させることができる。糸載置装置により１糸条の炭素繊維束２を載置し終えた後にスライド機構１２が１糸条の幅分だけ移動する。これらの機能により炭素繊維束２は、静電チャック１上に略平行に引き揃えられながら、各繊維が必要とされる所望の位置に載置される。載置された炭素繊維束２と隣接する位置に、既に載置された炭素繊維束２と略平行に新たに炭素繊維束２を載置する作業を繰り返すことで、炭素繊維束２を所望の輪郭を持った平面形状に載置した、炭素繊維基材１４ａ〜１４ｆを形成することができる。
【００２６】
この時、炭素繊維束の糸載置機構は、静電チャック１の一対の電極５Ａを跨ぐように炭素繊維束２を載置できるように設けられていることが好ましい。より好ましくは、複数の真直な電極棒が互いに並行で、かつ正極と負極の電極棒が交互に表れるように配置されている領域に対し、電極棒の長手方向に直交するように配置されていることがより好ましい。これにより、上述の通り静電気力を最大利用し吸着の効果が大きくなる、吸着領域６との接触面積の確保と正・負の電荷と交互に接触するという要件満たすことができる。また連続的に一方向に炭素繊維束２を配置することにより、糸載置機構は単純な装置構成となり載置速度を向上させることができ、その際にも静電チャック１上に、一度載置された炭素繊維束２が載置する面から離れて捲れ上がったりするトラブルがなく、炭素繊維束２の載置作業はスムーズに実行される。この時、最大限に静電気力を利用するためにも炭素繊維束２を引き揃える際、各炭素繊維束２の始点から終点までが直線状であることが好ましい。
【００２７】
静電チャック１に電圧を印加する際には、少なくとも電極棒（正極）７に正の電圧を印加することが好ましく、電極棒（負極）８には負の電圧が印加することが好ましい。この時、電極棒（負極）８には負の電圧だけでなく、電圧を印加しなくてもよい。また、更には電極棒（正極）７に印加した正の電圧に対して、それよりも小さな正の電圧を印加してもよい。また、電極棒（負極）８に負の電圧を印加した際には、電極棒（正極）７には電圧を印加しない、または、電極棒（負極）８に印加した負の電圧よりも低い電圧を印加してもよい。これらは、静電気力による吸着が発現すれば、どのような組み合わせを採用してもよい。本実施形態によれば、電極棒（正極）７には＋１．５ｋＶ以上、電極棒（負極）８に−１．５ｋＶ以下を印加することが好ましい。また電極棒（正極）７に＋３ｋＶ以上印加し、電極棒（負極）８には電圧を印加しないことも好ましい。また電極棒（負極）に８に−３ｋＶ以下を印加し、電極棒（正極）７には電圧を印加しないことも好ましいがこの限りではない。
【００２８】
また、静電チャック１の吸着を解除する際には、直流高圧電源１０の主電源を切断し、直流高圧電源１０の２次側を接地および短絡する機能を持ち合わせることにより、蓄積した電荷を消滅させ、吸着を瞬時に解除することができるように構成されていると良い。
【００２９】
ここで炭素繊維束２と一対の電極５Ａの位置関係による静電気力の違いを表１に示す。
【００３０】
【表１】
2017047586.tif 000003
【００３１】
本発明の通り静電チャック１上に炭素繊維束２を載置した場合と従来技術の様に一対の電極５Ａに対し、炭素繊維束２を直交方向ではなく並行の方向に載置した場合において、静電チャック１の表層と平行の方向に炭素繊維束２を引っ張り、炭素繊維束２が動いた時に加えていた力を吸着力と定義し比較したものである。この時、炭素繊維束の幅は５．５ｍｍ、長さは２０ｍｍとした。また、直流高圧電源１０にて電極棒（正極）７に電極棒（負極）８にそれぞれ±２ｋＶ、±３．５ｋＶ、±５ｋＶ印加した際の吸着力を測定した。表１の通り一対の電極５Ａに直交する方向に炭素繊維束２を載置した方が、同じ電圧において吸着力が大きいという結果が得られている。
【００３２】
図３は、本発明の他の実施態様に係る炭素繊維基材の製造方法の概略図を示している。
【００３３】
図３において、装置の全長に渡る静電チャックベルトコンベア１３が敷かれており、そのベルトコンベアは内部に、ベルトコンベア長手に直交する方向に複数の真直な電極棒７、８が互いに並行で、かつ交互に表れるように配置されている。これらは互いに電極棒（正極）７と電極棒（負極）８となっており、ベルトコンベア全周に渡って一定ピッチで備えている。この一対の電極５Ｂはベルト幅方向の両端部付近で、１本おきに、左右互い違いにベルトの外部に露出しており、同じくベルト幅方向の左右両端部付近に設置された電気供給路９がこの露出部に接触している。左右２本の電気供給路９は、直流高圧電源１０のプラスとマイナスの極にそれぞれ接続されており、これによって一対の電極５Ｂを構成する電極棒に、１本おきにプラスとマイナスの電荷が供給されることになり、ベルトの表面に静電吸着力が発生する。
【００３４】
この一対の電極５Ｂが交互に表れるように配置されている領域に対し、電極棒の長手方向に直交するように糸載置機構（図示せず）を設け、炭素繊維束２を載置する。載置された炭素繊維束２と隣接する位置に、既に載置された炭素繊維束２と略平行に新たに炭素繊維束２を載置する作業を繰り返すことで、炭素繊維束２を所望の輪郭を持った平面形状に載置した、炭素繊維基材１４ａを形成することができ、更に完成した炭素繊維基材１４ａを静電チャックコンベアで吸着したまま搬送することで、直ちに次の炭素繊維基材１４ｂの製造にとりかかることができ、連続的に炭素繊維基材を製造することが可能になる。この搬送した炭素繊維基材１４ａを次の工程に移載するための搬送装置（図示せず）を用いることで製造タクトが大幅に向上する。
【００３５】
また、一方向の炭素繊維基材を角度を変えて積層することで、炭素繊維強化プラスチックの強度は大幅に向上することがわかっており、たとえば図４に示すような角度を持つ炭素繊維基材１４をそれぞれ０°炭素繊維基材１４ｃ、＋４５°炭素繊維基材１４ｄ、−４５°炭素繊維基材１４ｅ、９０°炭素繊維基材１４ｆを交互に複数層重ねて積層体１５とし炭素繊維強化プラスチックの材料として用いられることが知られている。この積層体１５を作成する際に本技術は好適であり図３を用いて所定の角度の炭素繊維基材１４ｃ〜１４ｆを順次製造し、搬送工程（図示せず）で次工程に搬送し、積層体とすることができる。この時、炭素繊維束２には、常温では付着性を有さないバインダー１６を部分的に含んでなるものであることが好ましい。それは炭素繊維束単体の形態安定性が高いだけでなく、炭素繊維束２を載置し炭素繊維基材１４とした時あるいは、後の工程で炭素繊維基材１４ｃ〜１４ｆを積層し加熱によりバインダー１６を軟化させて上下層間を接着することで、積層体１５としての形態を固定させることができるからである。
【００３６】
バインダー１６とは、炭素繊維束２への樹脂の接着や常温環境での取扱いを考慮すると、５０から１００℃範囲のガラス転移温度を有しているものが好ましい。バインダー材料の成分としては、炭素繊維強化プラスチックの機械的特性を向上させるものが好ましく、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリエーテルサルファン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂などが挙げられる。なお、バインダー樹脂材料は、炭素繊維束の片面のみ付着させてもよいし、両面に付着させてもよく、また繊維状にしたり、炭素繊維と共に帯状にしてもよく、さらには事前に炭素繊維に含浸させておいてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１：静電チャック
２：炭素繊維束
３：吸着層
４：絶縁層
５Ａ、５Ｂ：一対の電極
６：吸着領域
７：電極棒（正極）
８：電極棒（負極）
９：電気供給路
１０：直流高圧電源
１１：電気ケーブル
１２：スライド機構
１３：静電チャックコンベア
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ：炭素繊維基材
１５：積層体
１６：バインダー
【図１】
2017047586.tif 000004
【図２】
2017047586.tif 000005
【図３】
2017047586.tif 000006
【図４】
2017047586.tif 000007