JP2005098921A - 構造用複合材料の損傷探知システム及び構造用複合材料の損傷探知方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 構造用複合材料の損傷探知システム10であって、シート体22と、このシート体22に点在した状態で保持される複数のピエゾ素子21と、シート体22に設けられた各ピエゾ素子21の配線23とを備える加振装置20と、コア部32に所定の波長光を反射するグレーティング部33を有する光ファイバセンサ30と、コア部32に光照射を行う光源と、グレーティング部33からの反射光の特性を検出する特性検出手段42と、を備えている。
【選択図】 図1
Description
このような複合材料の損傷、欠陥等の探知を行う検査装置として、箔状のピエゾ素子及びケーブルをポリイミドフィルムに挟み込んだ検査装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この検査装置は、検査に際して、かかるピエゾ素子を備えるポリイミドフィルムを構造物の複合材料中に予め埋め込んだり、構造物の面部に接着剤で構造に貼付けることで設置が行われる。そして、構造物に加えられる振動に対するピエゾ素子の出力を検出することで、その検出波形から構造用複合材料の損傷、欠陥等の探知が行う。
また、光ファイバーを用いて構造用複合材料の歪み等の検出を行う従来技術にあっては、特許文献2に記載の細径光ファイバを用いることで、取付により強度低下の影響を最小限に抑えることが可能であるが、これらの従来技術は結局光ファイバー近傍の局所的なひずみ変化を捕らえているため、局所的なひずみ変化がない限り損傷として検知されることはないという不都合があった。
さらに、本発明は、構造用複合材料に発生する損傷の位置又はその程度を探知することを他の目的とする。
一方、光ファイバセンサは、損傷探知箇所、例えば、従来のピエゾ素子を用いたセンサが直接装着できないような狭い領域、或いは取付作業穴を設ける必要がある構造用複合材料の中空内部、構造用複合材料が複数の部材からなる場合は、各部材の接合部の近傍或いは各部材の接合部の間に装着される。装着の方法に限定はないが、貼着、接着等のように構造用複合材料の強度低下を生じない方法が望ましい。
そして、ピエゾ素子に駆動電圧を印加して構造用複合材料に振動を付加する。かかるピエゾ素子の設置箇所は、例えば、グレーティング部までの振動の伝搬経路が損傷の生じやすい箇所或いは損傷の発生を探知すべき箇所を通過するような位置であることが望ましい。なお、この振動は、連続的なものでも良いが、瞬間的なものであることが好ましい。かかる振動が複合材料を介してピエゾ素子から光ファイバに伝達される。これにより、光ファイバは振動による歪みからグレーティング部における反射光の特性、例えば、光波長にズレを生じる。
このとき、ピエゾ素子から光ファイバセンサのグレーティング部までの間に損傷が発生していれば、振動は減衰して伝達され、特性検出手段の検出する周波数等の特性は変動する。
これにより、光ファイバセンサのグレーティング部の配置から損傷の発生箇所が特定され、特性検出手段の検出する周波数等の特性の変動から損傷の程度が特定される。
構造用複合材料の接合部は、剥離等の損傷を生じる場合があるため、特に損傷探知を要するが、この接合部は、一般に構造物の内部構造や複雑となる構造部に用いられることが多く、構造物の内側或いは各種センサを設置するのは大きな取付作業穴を設ける必要を生じる等により強度の低下を招くおそれがあり、損傷探知が困難となることが多い。
この点を鑑みて、上記構成では、ピエゾ素子と光ファイバセンサとを用いることで、接合部の近傍であって各種のセンサの取付困難な箇所には光ファイバセンサを設置し、その近傍にピエゾ素子を設置する。設置後の損傷検出動作は請求項1記載の発明と同様である。
前述したように、複合材料の接合部には剥離による損傷の発生を生じる可能性があり、その検知のためには、検知手段が接合部の各部材の境界面に設けることが望ましい。しかしながら、従来のピエゾ素子を用いるセンサ等を境界面に配置すると、接合強度低減のおそれを生じるため、周囲との接触面積の微小化が容易な光ファイバセンサを接合部の境界位置に挟み込むか或いは互いに対向する境界面のいずれか一方に埋め込むという手法により、接合部の強度の低下を回避している。
上記構成では、いずれかの部材をピエゾ素子と光ファイバセンサとの間に配置することで、損傷の探知を行う。また、ピエゾ素子により振動を付加するに際して、振動波の伝搬経路が部材全体を通過することとなり、当該部材の全体に渡って損傷が好適に探知される。
そして、構造用複合材料の任意の位置にピエゾ素子を設置して振動を付与する。かかる振動を付与する箇所は、例えば、グレーティング部までの振動の伝搬経路が損傷の生じやすい箇所或いは損傷の発生を探知すべき箇所を通過するような位置であることが望ましい。また、加える振動は、連続的なものでも良いが、瞬間的なものであることが好ましい。
そして、グレーティング部から周波数検出手段による伝搬された振動波の検出出力により、損傷の発生、発生箇所、損傷の程度を検出する原理は請求項1記載の発明と同様である。
さらに、本発明は、従来のピエゾ素子を用いるセンサのようにその設置に際して煩雑な積層作業を行う必要がなく、容易に設置を行うことが可能である。
従って、構造用複合材料の強度低下を抑制しながらも、損傷発生の可能性が高い部分を含む各部において損傷の発生を検出することが可能となる。
さらに、光ファイバセンサは、振動発生位置からグレーティング部の間における振動伝達経路にある損傷の探知を行うことができるため、従来のように、グレーティング部の周囲のみに限らず、広い範囲で損傷を探知することが可能となる。
このため、損傷の探知が困難であることから接合部を用いた複合材料の活用が不十分であった構造物の内側や複雑な構造部にも、複合材料の活用が可能となり、構造物の飛躍的な軽量を実現することが可能となる。
ここでは、構造用複合材料Zを航空機の主翼に使用した場合を例示しており、損傷探知システム10は、構造用複合材料Zの損傷の発生を探知すべき各部においてその探知を行う。
本実施形態たる構造用複合材料の損傷探知システム10は、図1に示すように、構造用複合材料Zの損傷探知を行うべき箇所の近傍において構造用複合材料Zの面部に貼着される複数の加振装置20と、構造用複合材料Zの損傷探知を行うべき箇所の近傍に設置される複数の光ファイバセンサ30と、各加振装置20が保持する複数のピエゾ素子21の制御装置41と、各光ファイバセンサ30から得られる反射光の特性変化を検出する特性検出手段としてのスペクトラムアナライザ42と、各加振装置20が保持するピエゾ素子21とスペクトラムアナライザ42の出力から損傷の有無を判断する検出処理装置50とを備えている。以下、各構成について詳説する。
上記加振装置20は、図2の平面図に示すように、シート体22と、このシート体22に点在した状態で保持される複数のピエゾ素子21と、シート体22に設けられた各ピエゾ素子21の配線23とを備えている。
シート体22は、ポリイミド等のフィルム状であり、柔軟な変形性を備えている。かかるシート体22は、損傷等の探知を行う構造用複合材料Zの面部に対して複数のピエゾ素子21が点在して接する状態を維持するために当該各ピエゾ素子21の保持を行うためのものである。
各ピエゾ素子21からは、配線23としての箔状のリード線がシート体22の面に沿って導出されており、シート体22の一端部に設けられたコネクタ24に集中配線されている。各配線23はシート体22の平面上において、さらに上から絶縁皮膜が覆っており、各配線23ごと及び外部に対して絶縁処理が施されている。
光ファイバセンサ30は、図3(A)の概略構成図に示すように、コア部32に所定の波長光を反射するグレーティング部33を有する光ファイバ34から構成されている。
上記光ファイバ34は、その外径が50〜100[μm]程度のものが使用される。なお、この外径については、より細径であっても良い。細径であればよりその取付けに際して構造用複合材料Zの強度低下を抑制する。
さらに、光ファイバ34は、その一端部においてスペクトラムアナライザ42に接続されており、当該スペクトラムアナライザ42が有する図示しない光源により、所定範囲の波長帯域を網羅する照射光がコア部32に入射される。このスペクトラムアナライザ42から入射する光は、コア部32を伝搬してグレーティング部33でその一部の波長光のみが反射される。
かかる図に示すように、グレーティング部33は、コア部32の屈折率を一定の周期で変化するように構成されている。グレーティング部33は、かかる屈折率の変化している境界部分で特定の波長の光のみ選択的に反射するようになっている。このグレーティング部33に振動によりひずみ等の外乱が加えられると反射光の波長が変化する。反射光の波長をλB、波長の変化量をΔλB、光電効果係数をPε、グレーティング部33に生じる歪み量をε、温度係数をξ、温度変化をΔTとした場合、以下の関係が成立する。
ΔλB/λB=(1−Pε)・ε+ξ・ΔT
スペクトラムアナライザ42は、所定の波長帯域における光強度分布を検出することができる。即ち、光源により光ファイバセンサ30のコア部32を照射して、グレーティング部33における反射光を検出することにより、当該反射光の波長を検出することができる。上述のように、光ファイバセンサ30は、そのグレーティング部33が一定の周波数の光のみを反射すると共にその歪みに応じてその周波数が変動することから、高光強度となる周波数を検出し、振動を加えられたときの高光強度の周波数を検出することで、周波数変動を検出することが可能である。かかるスペクトラムアナライザ42が検出する周波数変動は、図示しないインターフェースを介してA/D変換されて検出処理装置50に出力される。
なお、図1において示される符号43は、スペクトラムアナライザ42の電源回路である。
制御装置41は、検出処理装置50により特定されたピエゾ素子21に対してパルス電圧を印加し、特定のピエゾ素子21が構造用複合材料Zに対して振動発生手段として振動を付与するように駆動させる機能と備えている。
検出処理装置50は、図4に示すように、プログラムに従い演算処理を行うCPU51と、各種の処理及び制御を行うためのプログラムを記憶するROM52と、各種の処理において一時的にデータ等を格納する作業領域となるRAM53と、
加振装置20の制御装置41とデータの送受を図るインターフェース54と、スペクトラムアナライザ42とデータの送受を図るインターフェース55と、検出結果の表示データを表示モニタ56に適正なフォーマットの画像信号に変換して表示モニタ56に出力する画像出力インターフェース57と、上記各構成間での各種指令又はデータの伝送を行うデータバス58とを備えている。
また、或いは、CPU51の制御プログラムを、駆動用パルス電圧を印加するピエゾ素子21を順次替えて、それぞれで検出を行うように設定しても良い。
即ち、損傷のない状態では、振動が良好に光ファイバセンサ30のグレーティング部33に伝搬するので、反射光の周波数特性が、非振動時の反射光の周波数から大きくシフトすることとなる。 一方、損傷が振動伝搬経路に存在する場合には、振動が光ファイバセンサ30のグレーティング部33に伝搬する経路が異なるので、反射光の周波数は、非振動時の反射光の周波数特性と異なる結果となる。従って、CPU51は、損傷のある場合に加振した時の周波数特性と損傷のない場合に加振した時の周波数特性を比較して、所定以上に変化した場合に損傷したと判定する。
あるいは、CPU51は、非振動時と振動時とにおける反射光の周波数のスペクトラム解析によりその中心周波数をそれぞれ求め、さらに、非振動時と振動時とにおける反射光の中心周波数を減算してその差を算出する。これにより、周波数分布のシフト量が求まるため、このシフト量と損傷のない場合の反射光のシフト量とを比較して、損傷のない場合におけるシフト量よりも既定値以上下回る場合には、損傷ありと判定する。
また、CPU51は、判定結果に応じて損傷ありと判定した場合、いずれの光ファイバセンサ30が異常を示したかを、画像出力インターフェース57を介して表示モニタ56に表示する動作制御を行う。
上記構成からなる損傷探知システム10の構造用複合材料Zである航空機の主翼に対する損傷探知作業について説明する。
航空機の主翼は、中空構造であると共に内部にはその長手方向に沿って桁が設けられている。加振装置20は、シート状であることから上述のような構造の航空機の主翼内部に設置するためには、加振装置20を通すための大きめの取付作業穴を設ける必要がある。このため、加振装置20は、桁の表面上に貼着される。一方、光ファイバセンサ30が微細なケーブル状であることから、主翼内部に取付ける場合に、細径であるため主翼の強度の低下を回避することができる。従って、特に応力が付加される桁に沿って設置される。かかる光ファイバセンサ30は、少なくともグレーティング部33の全体が複合材料Zと密着することが望ましく、主翼内壁面に接着又は粘着テープにより貼着される。また、光ファイバセンサは微細径であることから、桁を形成する段階でその材料となる繊維と一体にして壁面内部に光ファイバセンサ30を埋め込んでも良い。
そして、検出処理手装置50は、損傷の有無判定を行い、その判定結果を表示モニタ56に出力する。
上記構造用複合材料の損傷探知システム10では、微細径とすることが可能な光ファイバを用いる光ファイバセンサ30を使用することから、加振装置20ではその装着により構造用複合材料Zの強度低下を生じることを回避でき、より損傷の発生を生じやすい箇所へ近接させて設置することが可能である。このため、損傷をより早期に精度良く検出することが可能となる。
また、光ファイバセンサ30では、加振装置20の任意のピエゾ素子21により生じた振動がグレーティング部に伝達することで、その反射光の周波数変化から損傷を検出するため、ファイバ周囲の局所的な損傷のみならず、より広範に振動伝達経路にある損傷の探知を行うことが可能となる。
上記構成では、一のピエゾ素子21について損傷の探知時においてパルス振動を発生させていたが、無論これに限定するものではなく、一定周波数で一定期間振動を発生させても良い。
例えば、図5は、複合材料からなるπ型構造物Xであり上下に水平を向いて並んだ一対の平板X1にそれぞれフランジX2を設け、各フランジX2に垂直を向いた平板状のウェブX3の上下端をそれぞれ挟むようにして接合されている。
このような、構造物Xに損傷探知システム10を適用する場合には、フランジX2とウェブX3の接合面において、ウェブX3側に光ファイバセンサ30が埋め込まれ、フランジX2の外面に加振装置20が貼着される。これにより、損傷を生じやすいフランジX2とウェブX3の境界面が、振動伝達経路である加振装置20と光ファイバセンサ30との間となり、損傷が精度良く探知される。
なお、ウェブX3とフランジX2を別に成形し接着する場合と、繊維でウェブとフランジを形成して組み立てRTMにより一体成形する場合とがあるが、プリプレグ積層の場合は積層時に、RTMの場合は繊維を積層するときに埋め込む。
また、光ファイバセンサ30は、ウェブX3とフランジX2の接合部の間に挟み込むように配置しても良い。
かかる場合、光ファイバセンサ30が埋め込まれた一方の部材に対して他方の部材には一方の部材と反対側となるように加振装置20を設置することが望ましい。これにより、損傷を生じやすいL型材Y1と平板Y2の境界面が、振動伝達経路である加振装置20と光ファイバセンサ30との間となり、損傷が精度良く探知される。
なお、この場合も、光ファイバセンサ30は、L型材Y1と平板Y2の接合部の間に挟み込むように配置しても良い。
かかる場合も、ハット材Z1もしくは平板Z2のいずれかに、光ファイバセンサ30(Φ=0.055mmと細径)を埋め込み硬化成形する。即ち、ハット材Z1と平板Z2がプリプレグ積層の場合は積層時に、RTMの場合は繊維を積層するときに埋め込む。
かかる場合も、光ファイバセンサ30が埋め込まれた一方の部材に対して他方の部材には一方の部材と反対側となるように加振装置20を設置することが望ましい。これにより、剥離等の損傷を生じやすいハット材Z1と平板Z2の境界面が、振動伝達経路である加振装置20と光ファイバセンサ30との間となり、損傷が精度良く探知される。
なお、この場合も、光ファイバセンサ30は、ハット材Z1と平板Z2の接合部の間に挟み込むように配置しても良い。
20 加振装置
21 ピエゾ素子
22 シート体
23 配線
30 光ファイバセンサ
32 コア部
33 グレーティング部
42 スペクトラムアナライザ(特性検出手段)
50 検出処理装置
Claims (5)
- 構造用複合材料の損傷探知システムであって、
ピエゾ素子と、
コア部に所定の波長光を反射するグレーティング部を有する光ファイバセンサと、
前記コア部に光照射を行う光源と、
前記グレーティング部からの反射光の特性を検出する特性検出手段と、
を備えることを特徴とする構造用複合材料の損傷探知システム。 - 前記構造用複合材料が部材の接合部を有し、前記接合部又はその近傍に前記ピエゾ素子及び光ファイバセンサを設置することを特徴とする請求項1記載の構造用複合材料の損傷探知システム。
- 前記光ファイバセンサを、前記接合部において部材に挟み込む配置又はいずれかの部材の接合面近傍に埋め込む配置とすることを特徴とする請求項2記載の構造用複合材料の損傷探知システム。
- 前記ピエゾ素子と前記光ファイバセンサとを、これらの間に前記部材のいずれかが位置するように配置することを特徴とする請求項2又は3記載の構造用複合材料の損傷探知システム。
- 構造用複合材料の損傷探知方法であって、
前記構造用複合材料の所定個所に固定配置されたピエゾ素子と、
前記ピエゾ素子に信号を伝達する導線と、
前記ピエゾ素子との間に前記構造用複合材料を構成する複合材料を挟んで固定配置されコア部に所定の波長光を反射するグレーティング部を有する光ファイバセンサと、
前記コア部に光照射を行う光源と、
前記グレーティング部からの反射光の特性を検出する特性検出手段と、
を用い、
前記ピエゾ素子により加振し前記特性検出手段の出力の変化から損傷を探知することを特徴とする構造用複合材料の損傷探知方法。
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