JP7385434B2 - 強化繊維束の解析方法および解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、強化繊維束の解析方法および解析装置に関する。

近年、炭素繊維などの強化繊維を含む強化樹脂組成物は、低比重であるにもかかわらず、強度および剛性などの機械特性に優れることから、工業的に重要な材料として注目されている。特に、自動車部品や航空機部品においては、強化樹脂組成物は、金属材料の代替材料として着目されつつある。

そのような強化樹脂組成物に用いられる強化繊維は、成形加工時の破損を防止する目的、または、表面を改質して樹脂との相溶性を高める目的などから、複数の強化繊維の束（強化繊維束）に収束剤を含浸させたものが用いられている。

ところで、強化繊維束の収束剤の含浸状態は、強化樹脂組成物の成形加工時の開繊性（分散性）に影響を与えるため、強化繊維束の収束剤の含浸状態を解析できる方法が求められている。例えば、強化繊維束の表面をＳＥＭで観察することにより、強化繊維束の表面における収束剤の被覆状態を解析する方法が知られている（例えば特許文献１）。

また、強化樹脂組成物の成形体の強度は、成形体における強化繊維の配向方向（蛇行状態）によって変動しやすい。そのため、成形体における強化繊維の蛇行状態を解析する方法も検討されている。例えば、１）炭素繊維とマトリクス樹脂とを含む強化樹脂組成物の成形体のＸ線ＣＴ画像を取得する工程と、２）得られた画像を二値化処理して、炭素繊維の領域とマトリクス樹脂の領域とを切り分ける（分離する）工程と、３）二値化処理して得られた繊維情報から、炭素繊維の蛇行状態を定量化する工程とを有する解析方法が知られている（例えば特許文献２）。そして、当該文献では、２）の二値化処理を行う際、炭素繊維とマトリクス樹脂の境界を鮮明にするために、メジアン処理などのフィルター処理を行うことが記載されている。

特表２０１７－５０４７３４号公報 特開２０１８－１５９６９１号公報

しかしながら、特許文献１に示される解析方法では、強化繊維束の表面における収束剤の付着状態しか観察することができず、強化繊維束の内部における収束剤の分布状態や分布量は観察することができなかった。

また、特許文献２は、強化樹脂組成物の成形体を解析対象としている。強化樹脂組成物の成形体の断層画像では、強化繊維の領域とマトリクス樹脂の領域の境界が比較的明瞭であり、強化繊維の領域を構成する画素の画素値（例えばグレーバリューなど）と、マトリクス樹脂の領域を構成する画素の画素値とは、互いに重なりにくい（異なっている）。そのため、画素値が閾値以上であるかどうかによって、強化繊維の領域と収束剤の領域とを切り分けることができ、二値化処理による領域分けが可能である。しかしながら、強化繊維束の断層画像では、例えば、強化繊維と収束剤の密度が近い場合や、Ｘ線ＣＴ測定に使用するＸ線のエネルギーが低く、Ｘ線の屈折が生じやすい場合には、強化繊維の領域と収束剤の領域との境界が比較的不明瞭であり、強化繊維の領域を構成する画素の画素値と、収束剤の領域を構成する画素の画素値とが、部分的に互いに重なる（同じである）場合がある。そのような場合は、画素値が閾値以上であるかどうかによっては、強化繊維の領域と収束剤の領域とを切り分けることができないため、特許文献２のような二値化処理による領域分けは不可能である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、断層画像において、強化繊維の領域と収束剤の領域の境界が不明瞭であっても、強化繊維の領域と収束剤の領域とを精度よく切り分けることができ、強化繊維束の内部における収束剤の分布状態などを精度よく解析できる強化繊維束の解析方法および解析装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下の強化繊維束の解析方法および解析装置に関する。

複数の強化繊維と収束剤とを含む強化繊維束の解析方法であって、前記強化繊維束の複数の断層画像を得る工程と、前記複数の断層画像のそれぞれについて、位置に対する画素値の微分値を算出して、算出した微分値とそれに対応する位置から勾配画像を得る工程と、前記勾配画像における微分値の絶対値の極大値に基づいて、前記強化繊維と前記収束剤の境界を特定する工程と、前記境界に基づき、前記断層画像における前記強化繊維と前記収束剤の少なくとも一方の領域を特定する工程と、前記複数の断層画像の前記特定した領域を合成して、前記強化繊維と前記収束剤の少なくとも一方の３次元画像を得る工程とを含む。

複数の強化繊維と収束剤とを含む強化繊維束の解析装置であって、前記強化繊維束の複数の断層画像を得る画像取得部と、前記複数の断層画像のそれぞれについて、位置に対する画素値の微分値を算出して、算出した微分値とそれに対応する位置から勾配画像を得る微分処理部と、前記勾配画像の微分値の絶対値の極大値に基づいて、前記強化繊維と前記収束剤の境界を特定する境界特定部と、前記境界に基づいて、前記断層画像における前記強化繊維と前記収束剤の少なくとも一方の領域を特定する領域指定部と、前記複数の断層画像の前記特定した領域を合成して、前記強化繊維と前記収束剤の少なくとも一方の３次元画像を得る３次元画像作成部とを含む。

本発明によれば、断層画像において、強化繊維の領域と収束剤の領域との境界が不明瞭であっても、強化繊維の領域と収束剤の領域とを精度よく切り分けることができ、強化繊維束の内部における収束剤の分布状態などを精度よく解析できる強化繊維束の解析方法および解析装置を提供することができる。

図１は、強化繊維束の断層画像の一例を示す図である。 図２Ａは、図１の断層画像の領域Ａの部分拡大図であり、図２Ｂは、図２Ａの断層画像のＡ－Ａ線上の各画素のグレーバリューを示すグラフである。 図３Ａは、図１の断層画像の領域Ｂの部分拡大図であり、図３Ｂは、図３Ａの断層画像のＢ－Ｂ線上の各画素のグレーバリューを示すグラフである。 図４Ａは、図１の断層画像の領域Ｂの部分拡大図であり、図４Ｂは、図４Ａの断層画像において、収束剤の領域の起点を指定する様子を示す図であり、図４Ｃは、断層画像の勾配画像を示す図であり、図４Ｄは、勾配画像から特定した境界に基づいて、領域を特定する様子を示す図である。 図５Ａは、図３Ａの断層画像のＢ－Ｂ線上の各画素のグレーバリューを示すグラフであり、図５Ｂは、図５Ａのグレーバリューの微分値を示すグラフである。 図６Ａは、強化繊維のみを３次元表示した図であり、図６Ｂは、収束剤のみを３次元表示した図である。 図７は、強化繊維と収束剤を区別可能に３次元表示した図である。 図８は、強化繊維束における収束剤の粒子体積のヒストグラムを示すグラフである。 図９は、本実施の形態に係る強化繊維束の解析装置の制御系統のブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、複数の強化繊維と収束剤とを含む強化繊維束における、収束剤の３次元の分布状態を解析する例で説明する。

１．強化繊維束の解析方法
本実施の形態に係る強化繊維束の解析方法は、１）強化繊維束の複数の断層画像を得る工程を含む。

１）の工程（断層画像を得る工程）について
図１は、強化繊維束の断層画像の一例を示す図である。

図１に示されるように、強化繊維束の断層画像では、複数の強化繊維と、収束剤と、空隙とが確認される。複数の断層画像を組み合わせる（積み重ねる）ことで、３次元画像を構成可能である。

断層画像は、任意の方法で得ることができ、例えば３Ｄ－ＴＥＭ観察、ＦＩＢ－ＳＥＭ観察（Focused Ion Beam：集束イオンビーム）、Ｘ線ＣＴ観察などにより得ることができる。本実施の形態では、比較的簡単に、強化繊維束の内部の状態を把握できる観点、特に３Ｄ-ＴＥＭなどと比べると、サンプルを非破壊で観察でき、広い視野（ＴＥＭなどのμｍオーダーと比べてｍｍオーダー）で観察できる観点から、Ｘ線ＣＴ観察により得ることが好ましい。Ｘ線ＣＴ観察は、例えば３ＤマイクロＸ線ＣＴ撮像装置を用いて行うことができる。

具体的には、Ｘ線ＣＴ観察は、以下の手順で行うことができる。まず、前処理として、以下の手順でサンプルを準備することができる。
１）強化繊維束を、約２ｃｍの長さにカットする。
２）得られた試料を、両面テープで添木に固定する。
３）固定治具（切り欠き治具）に、上記２）をセットする。

次いで、得られたサンプルについて、例えば３ＤマイクロＸ線ＣＴ撮像装置を用いて、最高分解能（２７０～３２５ｎｍ／ピクセル）でＸ線ＣＴ観察を行う。観察条件は、以下の通りとしうる。
＜観察条件＞
使用機器：株式会社リガク製、ｎａｎｏ３ＤＸ
測定条件：ターゲット Ｃｕ 使用レンズ０２７０ ビニング１
走査角度：１０００点
各角度での積算時間：４５秒
ＦＯＶ：０．９ｍｍφ×０．６ｍｍ
画素サイズ：０．２６μｍ／ｖｏｘｅｌ
なお、試料のカット端部は、ダメージを受けているため、ＣＴ観察時の視野（ＦＯＶ）からは外すものとし、端部から１ｃｍ付近の部分がＣＴ観察時の視野（ＦＯＶ）に入るようにする。

断層画像は、Ｘ線ＣＴ観察などにより得られる画像である。断層画像は、観察によって得られる原画像であってもよいし、得られる原画像に基づいて３次元像を構築した後、任意の方向の断面を再構成（任意断面再構成）して得られる画像であってもよい。

任意断面再構成を行う場合、３次元像のスライド（分割）は、３次元像を得る際に用いた観察装置の統合メッシュ機能を用いて行うことができる。それにより、複数の断層画像を得ることができる。分割数は、特に制限されないが、収束剤が観察可能な高分解能でのＣＴ測定においては、解析の精度を高める観点では、分割数が少ないほうが好ましい。

断層画像は、任意の方向の断層画像、すなわち、強化繊維束に長さ方向に沿った断面画像であってもよいし、長さ方向に対して交差する方向に沿った断面画像であってもよい。本実施の形態では、強化繊維束の長さ方向に沿った断面画像である（図１および２参照）。

図２Ａは、図１の断層画像の領域Ａの部分拡大図であり、図２Ｂは、図２Ａの断層画像のＡ－Ａ線上の各画素のグレーバリューを示すグラフである。図３Ａは、図１の断層画像の領域Ｂの部分拡大図であり、図３Ｂは、図３Ａの断層画像のＢ－Ｂ線上の各画素のグレーバリューを示すグラフである。

図２Ｂにおいて、横軸は、図２Ａの断層画像におけるＡ－Ａ線上の各画素の位置（μｍ）を示し、縦軸は、図２Ａの断層画像におけるＡ－Ａ線上の各画素のグレーバリュー（画素値）を示す。同様に、図３Ｂにおいて、横軸は、図３Ａの断層画像におけるＢ－Ｂ線上の各画素の位置（μｍ）を示し、縦軸は、図３Ａの断層画像におけるＢ－Ｂ線上の各画素のグレーバリュー（画素値）を示す。

図２Ｂおよび３Ｂに示されるように、断層画像は、画素値（濃淡、明るさ）で表示される。断層画像は、通常、グレースケール画像であることから、真黒（０）から真白（２５６）の８ビット２５６階調のグレーバリュー（画素値）で表示される。

そして、図２Ｂに示されるように、断層画像のＡ－Ａ線上では、強化繊維の領域を構成する画素のグレーバリュー（約１２０以上）、収束剤の領域を構成する画素のグレーバリュー（約６７以上１２０未満）、および空隙の領域を構成する画素のグレーバリュー（約６７未満）は、互いに重なっていない。このような場合は、従来のように、グレ－バリューが閾値以上であるかどうかによって、強化繊維の領域、収束剤の領域、および空隙の領域を切り分ける（分離する）ことができる（図２Ｂ参照）。

一方、図３Ｂに示されるように、断層画像のＢ－Ｂ線上では、収束剤の領域を構成する画素のグレーバリュー（約１４０未満）と、強化繊維の領域を構成する画素のグレーバリュー（約１１０以上）とは、互いに一部で重なっている。このような場合、グレ－バリューが閾値以上であるかどうかによっては、強化繊維の領域、収束剤の領域、および空隙の領域を切り分けることができない（図３Ｂ参照）。

本発明では、図３Ａの断層画像の勾配画像に基づいて、強化繊維の領域、収束剤の領域、および空隙の領域の間の境界を特定することで、高い精度で領域を切り分けることができる。すなわち、領域間の境界付近では、通常、グレーバリューの変化（勾配）は大きくなる。したがって、断層画像を、グレーバリューの勾配を示す勾配画像（勾配画像）に変換し、当該勾配画像（微分関数）における勾配値（微分値）の絶対値の極大値に基づいて、境界を特定する。

図４は、本実施の形態に係る強化繊維束の解析方法の流れを示す図である。このうち、図４Ａは、図３Ａの断層画像（図１の断層画像の領域Ｂの部分拡大図）であり、図４Ｂは、図４Ａの断層画像において、部材の領域の起点を指定する様子を示す図であり、図４Ｃは、断層画像の勾配画像を示す図であり、図４Ｄは、勾配画像から特定した境界に基づいて、領域を特定する様子を示す図である。

すなわち、本実施の形態に係る強化繊維束の解析方法は、１）強化繊維束の複数の断層画像を得る工程（図４Ａ参照）に加えて、２）複数の断層画像のそれぞれについて、断層画像の勾配画像を得る工程（図４Ｃ参照）、３）勾配画像における微分値の絶対値の極大値に基づいて、強化繊維、収束剤および空隙の境界を特定する工程、４）境界に基づき、断層画像における強化繊維の領域と、収束剤の領域と、空隙の領域とを特定する工程（図４Ｄ参照）、および５）特定した領域を、複数の断層画像について合成して、強化繊維の領域、収束剤の領域および空隙の領域の少なくとも一つの３次元画像を得る工程（後述の図６ＡおよびＢ、ならびに７参照）をさらに含む。

また、３）の工程（境界を特定する工程）を行いやすくする観点から、５）の工程の前に、６）解析対象となる領域の起点を指定する工程をさらに行うことが好ましい。６）の工程は、１）の工程と２）の工程の間で行ってもよいし、２）の工程と３）の工程の間で行ってもよいし、３）の工程または４）の工程と同時に行ってもよい。後述するＡｖｉｚｏを用いた解析を可能とする観点では、１）の工程と２）の工程との間で行うことがより好ましい。

これらの工程は、３次元画像の断層画像の解析ソフト（例えばサーモフィッシャーサイエンティフィック－日本エフイー・アイ社製、Ａｖｉｚｏ ９．７）を用いて行うことができる。

以下、各工程について説明する。

６）の工程（起点を指定する工程）について
まず、勾配画像を得る前に、必要に応じて、断層画像において、解析対象となる領域（例えば強化繊維または収束剤）の起点を指定しておいてもよい。本実施の形態では、収束剤の領域の起点を指定している（図４Ｂ参照）。

すなわち、勾配画像では、グレーバリュー自体の情報は失われるため、勾配画像における各領域が、強化繊維、収束剤および空隙のいずれに対応するのかを指定しておくことが好ましい。したがって、勾配画像を得る前に、領域の起点をあらかじめ指定しておくことが好ましい。

起点の指定は、例えばＡｖｉｚｏ ９．７を用いる場合、Ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎを選択し、Ｓｅｃｌｅｃｔｉｏｎを選択し、Ｂｒｕｓｈ、Ｌａｓｓｏ、Ｍａｇｉｃ Ｗａｎｄ、およびＢｌｏｗを実行して、断層画像（図３Ａ参照）において、解析対象（収束剤または強化繊維）の領域に色付けすることによって行うことができる。なお、色付けは、解析対象の領域の全体に行う必要はなく、一部のみに行えばよい。

２）の工程（勾配画像を得る工程）について
次いで、断層画像について微分処理を行い、勾配画像を得る（図４Ｃ参照）。

微分処理は、注目画素近傍の画素値の勾配（傾き）を求める操作であり、位置に対する画素値（グレーバリュー）の微分値を算出して、算出した微分値とそれに対応する位置から、勾配画像を得る。

微分処理は、公知の微分処理であってよく、特に制限されないが、例えばＷａｔｅｒｓｈｅｄ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ（Ｗａｔｅｒｓｈｅｄ アルゴリズム）によって行うことが好ましい（S. Beucher and F. Meyer. The morphological approach to segmentation: the watershed transformation. In E. Dougherty, editor, Mathematical morphology in image processing, chapter 12, pages 433-481. Marcel Dekker, 1993.参照）。

解析ソフトとしてＡｖｉｚｏ ９．７を用いる場合、勾配画像は、例えばＳｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎを選択し、Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎを選択し、ｗａｔｅｒｓｈｅｄを選択し、Ｃｒｅａｔｅ ａ ｎｅｗ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｍａｇｅを実行することにより得ることができる。

３）の工程（境界を特定する工程）について
図５Ａは、図３Ａの断層画像におけるＢ－Ｂ線上の各画素のグレーバリューを示すグラフであり、図５Ｂは、図３Ａにおける位置に対するグレーバリューの微分値を示すグラフである。なお、図５Ｂは、図４Ｃの勾配画像に対応している。

図５Ｂに示されるように、勾配画像におけるグレーバリューの微分値の絶対値の極大値に基づいて、強化繊維、収束剤および空隙の間の境界を特定する。本実施の形態では、グレーバリューの微分値の絶対値の極大値に対応する位置を境界とする（図５Ｂ参照）。

極大値とは、図５Ｂに示されるようなグラフにおいて、曲線の傾きが正（プラス）から負（マイナス）に変わるときの微分値、または、曲線の傾きが負（マイナス）から正（プラス）に変わるときの微分値をいう。

なお、微分値のグラフでは、通常、複数の極大値、すなわち、境界に対応する極大値だけでなく、境界に対応しない極大値も検出される。図５Ｂでは、４つの極大値（Ｐ１～Ｐ４）が検出される。これらの複数の極大値のうち、絶対値が閾値以上（例えば微分値が４０以上）となる極大値（図５ＢではＰ１およびＰ４）を「境界に対応する極大値」とする。

境界の特定は、Ａｖｉｚｏ ９．７を用いる場合、例えば指定した起点から領域へ拡張する過程で行うことができる。すなわち、Ａｖｉｚｏ ９．７において、Ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎを選択し、Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎを選択し、ｗａｔｅｒｓｈｅｄを選択し、Ａｐｐｌｙ ａｎｄ ｃｒｅａｔｅ ａ ｎｅｗ ｌａｂｅｌ ｆｉｅｌｄを実行することにより行うことができる。

具体的には、当該Ａｐｐｌｙ ａｎｄ ｃｒｅａｔｅ ａ ｎｅｗ ｌａｂｅ ｆｉｅｌｄを実行することにより、断層画像において、色付けした起点（図４Ｂ）を領域へと拡張する過程で、微分値の絶対値の極大値に遭遇すると、拡張のスピードが遅くなり、さらに大きな極大値に遭遇するとスピードがさらに遅くなり、最終的には閾値以上の極大値に遭遇した時点で拡張が止まり、その位置が境界となり、領域の分離が可能となる。つまり、複数の微分値の絶対値の極大値のうち、閾値以上となる極大値を「境界となる極大値」として特定する。

４）の工程（領域を特定する工程）について
次いで、上記特定した境界に基づき、断層画像において、強化繊維の領域と、収束剤の領域と、空隙の領域とを特定する（図４Ｄおよび図５Ｂ参照）。

領域の特定は、前述の通り、Ａｖｉｚｏ ９．７においてＳｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎを選択し、Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎを選択し、ｗａｔｅｒｓｈｅｄを選択し、Ａｐｐｌｙ ａｎｄ ｃｒｅａｔｅ ａ ｎｅｗ ｌａｂｅｌ ｆｉｅｌｄを実行することにより行うことができる。

５）の工程（３次元画像を得る工程）について
そして、上記４）の工程で特定した領域を、複数の断層画像について合成して、強化繊維の領域、収束剤の領域、および空隙の領域の少なくとも一つを、３次元化して表示する。それにより、強化繊維の領域、収束剤の領域、および空隙の領域の少なくとも一つの３次元画像を得ることができる（図６ＡおよびＢ、ならびに７参照）。

複数の断層画像について合成するとは、具体的には、複数の断層画像のそれぞれについて、上記３）および４）の工程を行い、強化繊維、収束剤および空隙の領域をそれぞれ特定し、それらを足し合わせる（すなわち、スライス方向に積み重ねる）ことによって行うことができる。

領域の３次元化（指定した起点から３次元の領域への拡張）は、前述と同様に、Ａｖｉｚｏ ９．７のＳｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎツール内のＳｅｌｅｃｔｉｏｎコマンド（Ａｐｐｌｙ ａｎｄ ｃｒｅａｔｅ ａ ｎｅｗ ｌａｂｅｌ ｆｉｅｌｄボタン）により行うことができる。

なお、境界を閉じた線として特定できない場合は、強化繊維、収束剤、および空隙をそれぞれ起点から３次元の領域に拡張させる過程で、上記のうち三者または二者が接触した箇所を境界として近似することができる。

図６Ａは、強化繊維の３次元画像のみを表示した図であり、図６Ｂは、収束剤の３次元画像のみを表示した図である。図７は、強化繊維と収束剤を区別可能に３次元表示した図である。

すなわち、強化繊維の３次元の分布状態のみを取り出して表示したり（図６Ａ参照）、収束剤の３次元の分布状態のみを取り出して表示したり（図６Ｂ参照）することができる。また、図７に示されるように、強化繊維の３次元の分布状態と、収束剤の３次元の分布状態とを分離して表示することもできる。それにより、従来のＳＥＭ観察による解析方法では解析できなかった、強化繊維束の内部における収束剤の３次元での分布状態（空間分布状態）を確認することができる。

また、本実施の形態に係る強化繊維束の解析方法は、上記以外の他の工程をさらに含んでもよい。例えば、１）と２）の工程の間に、７）断層画像からノイズを除去する工程をさらに行ってもよいし、５）の工程で得られた３次元画像などのデータに基づいて、８）収束剤の粒子体積の存在分布を得る工程をさらに行ってもよい。

７）の工程（ノイズを除去する工程）について
ノイズの除去（デフォルト設定）は、具体的には、断層画像での強化繊維と収束剤との境界のグレーバリューのギャップを増幅させる処理をいう。ノイズの除去は、例えば非局所平均（Ｎｏｎ－Ｌｏｃａｌ Ｍｅａｎｓ） フィルターにより行うことができる。

８）の工程（ヒストグラムを得る工程）について
図８は、収束剤の粒子体積のヒストグラムを示すグラフである。

すなわち、本発明では、上記１）～５）の工程のいずれか一以上で得られたデータから、従来のＳＥＭ観察では不可能だった、収束剤の粒子一つ一つの体積の解析が可能となる。それにより、図８に示されるように、どのくらいの容積の粒子が、どのくらいの割合で存在するかを示すヒストグラムを得ることができる。

ヒストグラムの作成は、例えばＡｖｉｚｏ ９．７を用いる場合、Ｌａｂｅｌｉｎｇモジュールによって個々の粒子にラベリングを行った後、Ｌａｂｅｌ Ａｎａｌｙｓｉｓモジュールにより１つ１つの粒子の体積を解析し、その結果を表示することによって行うことができる。

（効果）
以上説明したように、強化繊維束の断層画像では、強化繊維の領域を構成する画素のグレーバリューと、収束剤の領域を構成する画素のグレーバリューの画素値とが部分的に重なり合うことがあり、グレ－バリューの閾値によっては、強化繊維の領域と収束剤の領域とを切り分けることができなかった。

これに対して本発明の強化繊維束の解析方法によれば、強化繊維の領域を構成する画素のグレーバリューと収束剤の領域を構成する画素のグレーバリューとが、部分的に重なり合う場合であっても、断層画像を、グレーバリューの勾配を示す勾配画像に変換し、得られた勾配画像における画素値の微分値の極大値または極小値に基づいて、境界を特定することができる。それにより、断層画像において、強化繊維の領域と収束剤の領域とを精度よく切り分けることができる。

２．強化繊維束の解析装置
図９は、本実施の形態に係る強化繊維束の解析装置１００の制御系統のブロック図である。

図９に示されるように、解析装置１００は、撮像部１１０と、処理部１２０と、表示部１３０とを有する。

撮像部１１０は、特に制限されず、Ｘ線ＣＴ観察装置などの撮像部でありうる。

処理部１２０は、撮像部１１０で撮像された画像情報（断層画像）を取得し、処理および解析する。具体的には、処理部１２０は、画像取得部１２１と、起点指定部１２２と、微分処理部１２３と、境界特定部１２４と、領域特定部１２５と、３次元画像作成部１２６とを有する。

画像取得部１２１は、撮像部１１０によって撮像された画像情報（３次元画像を構成する複数の断層画像）を取得する。画像取得部１２１は、必要に応じて、得られた画像情報から３次元像を構築した後、任意の方向にスライド（分割）して、任意の方向の断面を再構成して断層画像を得てもよい。

起点指定部１２２は、断層画像において、解析対象となる領域の起点を指定する。例えば、断層画像において、収束剤に対応する領域に色を付すなどして、起点を指定する。

微分処理部１２３は、画像取得部１２１で得られた複数の断層画像のそれぞれについて、断層画像を微分処理して、勾配画像を得る。

境界特定部１２４は、微分処理部１２３で得られた勾配画像に基づいて、勾配画像における画素値の微分値の絶対値の極大値に基づいて、強化繊維、収束剤および空隙の境界を特定する。

領域特定部１２５は、境界特定部１２４で特定した境界に基づき、断層画像において、強化繊維の領域と、収束剤の領域と、空隙の領域とを特定する。

３次元画像作成部１２６は、領域特定部１２５で得られた情報を、複数の断層画像について合成して（スライス方向に積み重ねて）、強化繊維の領域、収束剤の領域、および空隙の領域の少なくとも一つを３次化する。それにより、強化繊維の領域、収束剤の領域、および空隙の領域の少なくとも一つの３次元画像を得ることができる。

また、処理部１２０は、必要に応じて、３次元画像作成部１２６で得られた３次元画像データに基づいて、収束剤の粒子一つ一つの体積を解析し、強化繊維束に含まれる収束剤の粒子体積のヒストグラムを作成するヒストグラム作成部（不図示）をさらに含んでもよい。

なお、処理部１２０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの処理装置を用いてソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。

表示部１３０は、例えばパソコンなどの画像表示装置の表示画面であり、３次元画像作成部１２６などで得られた３次元画像（データ）を表示する。

（変形例）
なお、上記実施の形態では、６）の工程（領域の起点を指定する工程）を、１）の工程と２）の工程との間（勾配画像を得る前）で行う例を示したが、これに限定されない。例えば、６）の工程（領域の起点を指定する工程）は、２）の工程と３）の工程の間（勾配画像を得た後）で、断層画像と勾配画像とを照合して、各領域が強化繊維、収束剤および空隙のいずれに対応するのかを指定することによって行ってもよい。また、６）の工程は、３）の工程（境界を特定する工程）または４）の工程（領域を特定する工程）と同時に行ってもよい。

同様に、強化繊維束の解析装置１００の処理部１２０も、図９に限定されず、微分処理部１２３と境界特定部１２４との間に起点指定部１２２を含んでもよい。あるいは、処理部１２０は、起点指定部１２２を含まなくてもよい。

また、上記実施の形態では、強化繊維束が、（強化繊維および収束剤以外に）空隙をさらに含む例で説明したが、これに限定されない。例えば、強化繊維束が、（強化繊維および収束剤以外に）空隙を含まない場合は、３）の工程における、空隙との間の境界（空隙部と、強化繊維または収束剤との間の境界）を特定するステップや、４）の工程における、空隙の領域を特定するステップは不要である。また、強化繊維束が、（強化繊維および収束剤以外の）他の部材をさらに含む場合は、３）の工程において、勾配画像に基づいて、強化繊維と他の部材との間の境界、および、収束剤と他の部材との間の境界をさらに特定し、４）の工程において、他の部材の領域を特定する工程をさらに行ってもよい。

また、本実施の形態では、３）の工程（境界を特定する工程）、４）の工程（領域を特定する工程）および５）の工程（３次元画像を得る工程）を逐次的に（別工程で）行う例を示したが、これに限定されず、３）の工程と４）の工程と５）の工程とを同時に行ってもよい。

３．強化繊維束
本実施の形態に係る強化繊維束の解析方法は、例えば繊維成分と樹脂成分とを含み、かつ繊維成分に対して樹脂成分の含有割合が少ない対象物（例えば強化繊維束やプリプレグなど）、好ましくは任意の強化繊維束の解析に適用されうる。強化繊維束は、通常、複数の強化繊維と、収束剤とを含む。

（強化繊維）
強化繊維の例には、ガラス繊維、炭素繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維および炭化ケイ素繊維が含まれる。中でも、軽量で、耐久性の高い成形体が得られやすいことから、炭素繊維や黒鉛繊維が好ましい。

炭素繊維は、耐衝撃性の観点では、引張弾性率が４００ＧＰａ以上であることが好ましく、剛性および機械強度の観点では、引張強度が４．４～６．５ＧＰａであることが好ましい。また、炭素繊維の引張伸度は、１．７～２．３％であることが好ましい。したがって、引張弾性率が少なくとも２３０ＧＰａであり、引張強度が少なくとも４．４ＧＰａであり、引張伸度が少なくとも１．７％である炭素繊維が最も好ましい。

炭素繊維の市販品の例には、トレカ（登録商標）Ｔ８００Ｇ－２４Ｋ、トレカ（登録商標）Ｔ８００Ｓ－２４Ｋ、トレカ（登録商標）Ｔ７００Ｇ－２４Ｋ、トレカ（登録商標）Ｔ３００－３Ｋ、およびトレカ（登録商標）Ｔ７００Ｓ－１２Ｋ（以上東レ（株）製）などが挙げられる。

強化繊維の平均繊維径（繊維断面の直径）は、成形性および機械的強度の観点から、例えば１～２０μｍ、好ましくは４～１５μｍでありうる。

強化繊維の平均繊維径および平均繊維長は、任意に選んだ１０本の強化繊維の繊維径および繊維長を電子顕微鏡にて測定し、その平均値として求めることができる。なお、強化繊維の繊維径は、単繊維の断面の最大フェレ径とする。

（収束剤）
収束剤の種類は、特に制限されず、例えば強化繊維が炭素繊維である場合、それとの親和性が良く、成形体の機械的強度を高めやすいなどの観点から、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリアミド系樹脂、オレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、ブタジエン系樹脂などの水分散性樹脂であることが好ましい。中でも、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂が好ましく、機械的強度をより向上させる観点から、エポキシ系樹脂であることがより好ましい。

これらの樹脂の含有量は、収束剤全体に対して１～２０質量％でありうる。

収束剤は、必要に応じて上記以外の添加剤をさらに含みうる。添加剤の例には、界面活性剤、平滑剤、乳化剤などが含まれる。

収束剤の付着量は、強化繊維１００質量部に対して、例えば０．１～１０質量部であり、好ましくは０．２～３質量部である。このように、収束剤の付着量は、強化繊維束を構成する強化繊維全体に対してごくわずかであり、強化繊維間に空隙が含まれやすい。そのような解析対象に対して、本発明が特に有効である。

強化繊維束は、複数の強化繊維に、収束剤液を含浸させてものでありうる。収束剤液は、上記水分散性樹脂を含むエマルジョンでありうる。収束剤液は、主成分となる水分散性樹脂以外に、上記添加剤をさらに含みうる。

本発明によれば、断層画像において、強化繊維の領域と収束剤の領域との境界が不明瞭であっても、強化繊維の領域と収束剤の領域とを精度よく切り分けることができ、強化繊維束における収束剤の分布状態などを精度よく解析できる強化繊維束の解析方法および解析装置を提供することができる。

１００ 解析装置
１１０ 撮像部
１２０ 処理部
１２１ 画像取得部
１２２ 起点指定部
１２３ 微分処理部
１２４ 境界特定部
１２５ 領域特定部
１２６ ３次元画像作成部
１３０ 表示部

Claims (10)

1. 複数の強化繊維と、収束剤とを含む強化繊維束の解析方法であって、
   前記強化繊維束の複数の断層画像を得る工程と、
   前記複数の断層画像のそれぞれについて、位置に対する画素値の微分値を算出して、算出した微分値とそれに対応する位置から勾配画像を得る工程と、
   前記勾配画像における微分値の絶対値の極大値に基づいて、前記強化繊維と前記収束剤の境界を特定する工程と、
   前記境界に基づき、前記断層画像における前記強化繊維と前記収束剤の少なくとも一方の領域を特定する工程と、
   前記複数の断層画像の前記特定した領域を合成して、前記特定した領域の３次元画像を得る工程と
   を含む、
   強化繊維束の解析方法。
2. 前記境界を特定する工程では、
   前記勾配画像における微分値の絶対値の極大値に基づいて、空隙と前記強化繊維との境界、および、空隙と前記収束剤との境界をさらに特定する、
   請求項１に記載の強化繊維束の解析方法。
3. 前記複数の断層画像を得る工程と前記勾配画像を得る工程との間に、
   前記複数の断層画像のそれぞれにおいて、前記強化繊維または前記収束剤の領域の起点を指定する工程をさらに含み、
   前記境界を特定する工程では、前記起点を指定した領域の境界を特定し、
   前記領域を特定する工程では、前記境界に基づいて、前記起点を指定した領域を特定する、
   請求項１または２に記載の強化繊維束の解析方法。
4. 前記断層画像は、Ｘ線ＣＴ撮像により得られる画像である、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の強化繊維束の解析方法。
5. 前記３次元画像は、前記収束剤の３次元画像である、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の強化繊維束の解析方法。
6. 前記収束剤は、粒子状であり、
   前記強化繊維束の解析方法は、前記３次元画像から、前記強化繊維束に含まれる前記収束剤の粒子体積のヒストグラムを得る工程をさらに含む、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の強化繊維束の解析方法。
7. 前記強化繊維は、炭素繊維である、
   請求項１～６のいずれか一項に記載の強化繊維束の解析方法。
8. 前記強化繊維の領域を構成する画素の画素値の範囲と、前記収束剤の領域を構成する画素の画素値の範囲とは、部分的に重複している、
   請求項１～７のいずれか一項に記載の強化繊維束の解析方法。
9. 複数の強化繊維と、収束剤とを含む強化繊維束の解析装置であって、
   前記強化繊維束の複数の断層画像を得る画像取得部と、
   前記複数の断層画像のそれぞれについて、位置に対する画素値の微分値を算出して、算出した微分値とそれに対応する位置から勾配画像を得る微分処理部と、
   前記勾配画像の微分値の絶対値の極大値に基づいて、前記強化繊維と前記収束剤の境界を特定する境界特定部と、
   前記境界に基づいて、前記断層画像における前記強化繊維と前記収束剤の少なくとも一方の領域を特定する領域指定部と、
   前記複数の断層画像の前記特定した領域を合成して、前記特定した領域の３次元画像を得る３次元画像作成部と
   を含む、
   強化繊維束の解析装置。
10. 前記境界特定部は、前記勾配画像における微分値の絶対値の極大値に基づいて、空隙と前記強化繊維との境界、および、空隙と前記収束剤との境界をさらに特定する、
    請求項９に記載の強化繊維束の解析装置。
    
    
    

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