JP2015045604A - 電流測定装置及び電流測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合材料中に流れる電流を好適に測定する。【解決手段】電流測定装置１は、導電性の繊維を含む複合材料Ｍ中に流れる電流を測定する。この電流測定装置１は、複合材料Ｍ中に電流が流れたときの当該複合材料Ｍ表面の温度を計測するサーモグラフィーカメラ３と、予め行われた換算データ取得試験によって取得されたデータであって、複合材料Ｍ表面の温度を当該複合材料Ｍ中に流れる電流値に換算する換算データＤを記憶するメモリ４１と、メモリ４１に記憶された換算データＤに基づいて、サーモグラフィーカメラ３で計測された複合材料Ｍ表面の温度を当該複合材料Ｍ中に流れる電流値に換算するコンピュータ４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、導電性の繊維を含む複合材料中に流れる電流を測定する電流測定装置及び電流測定方法に関する。

航空機の機体設計においては、雷撃によるスパーク発生に起因する燃料引火などを防止すべく、落雷対策が必要とされている。この落雷対策を講じるうえでは、雷撃時における機体中の電流分布を明らかにすることが重要であり、特に近年での機体への適用拡大が進む炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの複合材料における電流分布の詳細な解明が望まれている。

しかし、複合材料中に流れる電流は、金属材料中に流れるものと異なり、複数の繊維方向の影響を受けるなどして複雑に分布する。そのため、複合材料中の電流分布を明らかにするためには、この複合材料中の繊維に流れる電流をより正確に測定する技術が必要となる。

一般に、電流の測定にあたっては、ロゴスキーコイルや磁気センサーが用いられる。
ロゴスキーコイルは、大電流を測定可能な環状のコイルであり、測定箇所を囲むように配置されることで、当該コイルの両端に誘起される電圧に基づいて電流を測定可能となっている。また、磁気センサーは、測定箇所表面の磁界を検出することで、この磁界に基づいて電流を測定可能となっている（例えば、非特許文献１参照）。

Yoichiro Tsumura, Tatsufumi Aoi, Hideo Yamakoshi, Koji Satake, Kazuo Yamamoto, "Surface magnetic field measurements using ferrite-core sensors", ICOLSE2009, 2009/9/15

しかしながら、ロゴスキーコイルや磁気センサーを用いた電流測定は、下記の点において、複合材料中の繊維に流れる電流の測定には適していない。
ロゴスキーコイルを用いた測定では、複合材料中の繊維を囲むように当該コイルを配置しなければならないため、複合材料自体に穴をあけなければならず、この穴が電流分布に影響を及ぼすおそれがある。
また、磁気センサーを用いた測定では、複合材料に穴をあける必要は生じないものの、繊維周りの電流の流れが数ｍｍオーダーで変化するものであるために、非常に小さな磁気センサーを用いなければ正確な電流分布を捉えることができない。このような小さな磁気センサーは、ノイズの影響を受けやすいうえに、そもそも製作が困難である。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、複合材料中に流れる電流を好適に測定することができる電流測定装置及び電流測定方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
導電性の繊維を含む複合材料中に流れる電流を測定する電流測定装置であって、
前記複合材料中に電流が流れたときの当該複合材料表面の温度を計測する温度計測手段と、
予め行われた予備試験によって取得されたデータであって、前記複合材料表面の温度を当該複合材料中に流れる電流値に換算する換算データを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記換算データに基づいて、前記温度計測手段で計測された前記複合材料表面の温度を当該複合材料中に流れる電流値に換算する電流算出手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電流測定装置において、
前記複合材料は、繊維方向が互いに異なるものを含む複数の繊維層を積層させた積層材であって、締結具のファスナーが貫通されており、
前記温度計測手段は、前記ファスナーを中心とした各繊維方向における前記複合材料表面の温度を計測することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電流測定装置において、
前記換算データは、前記予備試験において、前記複合材料と同じ材料の供試体に電流を印加したときの、電流を印加する電極を中心とした各繊維方向における温度と電流値を計測することで、当該各繊維方向について取得されたものであり、
前記電流算出手段は、前記温度計測手段で計測された各繊維方向における前記複合材料表面の温度を、対応する繊維方向における前記換算データを用いて電流値に換算することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の電流測定装置において、
前記温度計測手段がサーモグラフィーカメラであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
導電性の繊維を含む複合材料中に流れる電流を測定する電流測定方法であって、
予め行われた予備試験によって取得されたデータであって、前記複合材料表面の温度を当該複合材料中に流れる電流値に換算する換算データを記憶する記憶手段を用い、
前記複合材料中に電流が流れたときの当該複合材料表面の温度を計測する温度計測工程と、
前記記憶手段に記憶された前記換算データに基づいて、前記温度計測工程で計測された前記複合材料表面の温度を当該複合材料中に流れる電流値に換算する電流算出工程と、
を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の電流測定方法において、
前記複合材料として、繊維方向が互いに異なるものを含む複数の繊維層を積層させた積層材であって、締結具のファスナーが貫通されたものを用い、
前記温度計測工程では、前記ファスナーを中心とした各繊維方向における前記複合材料表面の温度を計測することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の電流測定方法において、
前記予備試験では、前記複合材料と同じ材料の供試体に電流を印加したときの、電流を印加する電極を中心とした各繊維方向における温度と電流値を計測することで、当該各繊維方向における前記換算データを取得し、
前記電流算出工程では、前記温度計測工程で計測された各繊維方向における前記複合材料表面の温度を、対応する繊維方向における前記換算データを用いて電流値に換算することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項５〜７の何れか一項に記載の電流測定方法において、
前記温度計測工程では、サーモグラフィーカメラを用いて前記複合材料表面の温度を計測することを特徴とする。

本発明によれば、複合材料中に電流が流れたときの当該複合材料表面の温度を計測し、この複合材料表面の温度を、予め行われた予備試験によって取得された換算データに基づいて電流値に換算することによって、複合材料中に流れる電流が測定される。したがって、従来と異なり、複合材料に穴をあけたり製作が困難なセンサーを用いたりする必要なく、複合材料中に流れる電流を好適に測定することができる。

電流測定装置の構成を概念的に示した図である。 複合材料表面の温度を複合材料中の電流値に換算する換算データを示す図である。 換算データ取得試験における装置レイアウトの概略図である。 換算データ取得試験の配線図である。 複合材料の断面図である。 代表的な雷電流波形（SAE ARP 5412 Component A波形）を示す図である。 複合材料表面を撮影したサーモグラフィー画像例である。 電流測定方法の流れを示すフローチャートである。 電流測定方法の測定結果の画像表示例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態における電流測定装置１の構成を概念的に示した図である。
この図に示すように、電流測定装置１は、複合材料Ｍ中に流れる電流を測定するものであり、特に、航空機の機体構造材としての複合材料Ｍにおける雷撃時の電流分布を明らかにしようとするものである。

測定対象の複合材料Ｍは、樹脂を導電性の繊維で強化した繊維強化プラスチックであり、本実施形態においては、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である。この複合材料Ｍは、繊維方向が互いに４５°異なる４層の繊維層を２セット（すなわち合計８層）積層させた略平板状の擬似等方積層材である（図５参照）。また、複合材料Ｍには、実際の航空機を模して、締結具である金属製の複数のファスナーＦ，…が所定の配列でそれぞれ貫通されている。
なお、実際の航空機での雷撃時に、ファスナーＦの一部に過剰な電流集中が発生すると、ファスナーＦ周辺でアーク放電が生じて燃料引火などの不具合を引き起こし得るため、以下の説明では、特にファスナーＦ周辺における電流分布の把握に主眼を置くものとする。

具体的には、電流測定装置１は、電源２と、サーモグラフィーカメラ３と、コンピュータ４とを備えている。
このうち、電源２は、雷電流波形を模した電流を印加可能なインパルスジェネレータであり、複合材料Ｍの一端に電気的に接続されている。また、電源２の筺体は接地されており、この筺体に複合材料Ｍの他端が電気的に接続されている。

サーモグラフィーカメラ３は、物体から放射される赤外線を捉えてその温度を計測可能なカメラであり、複合材料Ｍ表面の温度（温度分布）を計測するように設置されている。

コンピュータ４は、サーモグラフィーカメラ３と接続されており、後述するように、このサーモグラフィーカメラ３で計測された複合材料Ｍ表面の温度から、複合材料Ｍ中に流れる電流を算出する。具体的には、コンピュータ４は、複合材料Ｍ表面の温度を電流値に換算する換算データＤをメモリ４１に記憶しており、この換算データＤを用いることで、複合材料Ｍ表面の温度から当該複合材料Ｍ中に流れる電流を算出する。換算データＤは、図２に示すように、複合材料Ｍ表面の温度と、複合材料Ｍ中に流れる電流との関係を示す曲線であり、後述する８つの繊維方向それぞれについて存在する。この換算データＤは、後述する換算データ取得試験によって予め取得されて、メモリ４１に記憶されている。また、コンピュータ４は、ディスプレイ５と接続されており、複合材料Ｍの温度（温度分布）や電流（電流分布）などをディスプレイ５に表示可能となっている。

続いて、換算データＤを取得する換算データ取得試験について説明する。
図３は、換算データ取得試験における装置レイアウトの概略図であり、図４は、換算データ取得試験の配線図であり、図５は、換算データ取得試験用の供試体である複合材料Ｍ_Tの断面図である。

図３及び図４に示すように、換算データ取得試験では、供試体である複合材料Ｍ_Tに疑似雷電流を通電させて、このときの複合材料Ｍ_T表面の温度と、複合材料Ｍ_T中の各繊維方向に沿った電流値とを計測する。

供試体である複合材料Ｍ_Tは、上述した本試験用の複合材料Ｍと同様の材料であることは勿論のこと、電流を印加する電極Ｅを中心として複数の繊維方向へ均等に電流が流れるように設けられる。これは、繊維方向に沿った電流の流れが顕著に現れるのは電極Ｅ周辺のみであるためと、複数の繊維方向へ不均等に電流が流れてしまうと、各繊維層から温度計測表面までの距離（つまり熱伝搬の時間差）と電流値とが温度の計測値に複雑に影響し合ってしまうためである。

具体的には、図４及び図５に示すように、複合材料Ｍ_Tを、各繊維方向に角部を対応させた正八角形状に形成し、その中央と８つの角部にそれぞれ電極Ｅを貫通させる。そして、中央から周囲８箇所に向かって電流が流れるように、中央の電極Ｅに電源２を接続するとともに、周囲８箇所の電極ＥはＧＮＤラインに接続する。本実施形態では、周囲８箇所の電極Ｅは、複合材料Ｍ_Tの周囲を囲みつつ接地させたシールド板に接続させている。また、周囲８箇所の電極Ｅには、各電流値を測定するためのＣＴ（Current Transformer）をそれぞれ取り付ける。なお、電極Ｅとしては、複合材料Ｍ_Tとの均質な電気的接触特性が得られるもの、例えば導電性のスリーブ付きのファスナーなどを用いることが好ましい。また、電源２からの配線の取り回しは、複合材料Ｍ_Tに均等に電流が流れるように、対象なレイアウトとすることが好ましい。

試験装置をセッティングした後、複合材料Ｍ_Tに対して電源２から擬似雷電流を印加して、このときの複合材料Ｍ_T表面をサーモグラフィーカメラ３で撮影するとともに、繊維方向に沿って流れる電流をＣＴで測定する。このとき、電源２から印加する擬似雷電流は、代表的な雷電流波形を模したものであり、本実施形態では、図６に示すように、SAE ARP 5412 Component A波形のものとした。この図に示すように、雷電流は、数μ秒で立ち上がった後に数十μ秒で減衰してしまうという、熱の伝搬速度に比べて瞬間的なものであるため、サーモグラフィーカメラ３による撮影は、この電流によって複合材料Ｍ_Tに加えられた総熱量をみることとなる。

図７は、複合材料Ｍ_T表面を撮影したサーモグラフィー画像例である。
この図に示すように、電極Ｅから０°（図７の右方向），４５°（右斜め上方向），−４５°（右斜め下方向）の各繊維方向に沿って、複合材料Ｍ_T表面の温度が上昇している。このことから、電極Ｅ周辺では、繊維に主要な電流が流れていることが分かる。

換算データＤを得るための測定では、印加電流値を振ってＣＴで複数の電流値（ピーク値）を取得し、このときの電極Ｅから所定距離の位置における温度もそれぞれ計測する。そして、図２に示すように、計測された複数の温度及び電流値の補間曲線として、換算データＤを求める。この操作を８つの繊維方向それぞれについて行うことで、８つの繊維方向についての８つの換算データＤを取得する。なお、この測定時には、８箇所のＣＴでの電流値がほぼ等しいことを電流印加の都度確認する。また、換算データＤを求めるときの電流値は、ピーク値に代えて作用積分値を用いてもよい。

続いて、電流測定装置１による複合材料Ｍ中の電流測定方法について説明する。
図８は、電流測定方法の流れを示すフローチャートであり、図９は、電流測定方法の測定結果の画像表示例を示す図である。

図８に示すように、まず、図１に示す装置セッティング状態において、複合材料Ｍに対して電源２から擬似雷電流を印加して、複合材料Ｍの一端から他端に向けて電流を流す（ステップＳ１）。このとき、電源２から印加する擬似雷電流は、上述した換算データ取得試験時のものと同じ電流波形とする。

そして、この通電時における複合材料Ｍ表面をサーモグラフィーカメラ３で撮影することにより、複合材料Ｍ表面の温度を計測する（ステップＳ２）。ここでは、所定のファスナーＦ周辺の温度を計測する。計測された温度データ（サーモグラフィー画像）は、コンピュータ４へ出力されてメモリ４１に格納される。

次に、サーモグラフィーカメラ３で計測された複合材料Ｍ表面の温度を、換算データＤに基づいて、複合材料Ｍ中に流れる電流値に換算する（ステップＳ３）。ここでは、コンピュータ４が、ファスナーＦから所定の繊維方向上であって且つ所定距離の位置での温度を、計測された複合材料Ｍ表面の温度データから抽出し、この温度を、対応する繊維方向における換算データＤを用いて電流値に換算する。コンピュータ４は、この温度−電流換算を８つの繊維方向それぞれについて行い、この８つの繊維方向それぞれに流れる電流値を算出する。

こうして、ファスナーＦを中心として８つの繊維方向それぞれに流れる電流値が算出され、算出された電流値は、例えば図９に示すような画像として、ディスプレイ５に表示される（ステップＳ４）。

以上のように、本実施形態によれば、複合材料Ｍ中に電流が流れたときの当該複合材料Ｍ表面の温度を計測し、この複合材料Ｍ表面の温度を、予め行われた換算データ取得試験によって取得された換算データＤに基づいて電流値に換算することによって、複合材料Ｍ中に流れる電流が測定される。したがって、従来と異なり、複合材料に穴をあけたり製作が困難なセンサーを用いたりする必要なく、複合材料Ｍ中に流れる電流を好適に測定することができる。

また、換算データ取得試験において、電流を印加する電極を中心とした各繊維方向における換算データＤを予め取得したうえで、ファスナーＦを中心とした各繊維方向における複合材料Ｍ表面の温度を計測して、この各繊維方向における複合材料Ｍ表面の温度を、対応する繊維方向における換算データＤを用いて電流値に換算するので、ファスナーＦ周辺における複数の繊維方向への電流分布を捉えることができる。

また、複合材料Ｍ中に電流が流れたときの当該複合材料Ｍ表面の温度をサーモグラフィーカメラ３によって計測するので、複合材料Ｍ中の繊維に電流が流れる様子をサーモグラフィー画像として視覚化することができる。

なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、複合材料Ｍ（Ｍ_T）として、繊維方向が互いに４５°異なる４層の繊維層を２セット（すなわち合計８層）積層させた擬似等方積層材を用いることとしたが、複合材料Ｍ（Ｍ_T）は、このような擬似等方積層材に限定されない。

また、電流測定装置１は、コンピュータ４に電源２やサーモグラフィーカメラ３の動作を中央制御させて、所定の情報（例えば、測定対象とするファスナーＦの位置情報）が入力されるだけで自動的に電流が測定されるように構成してもよい。

１ 電流測定装置
２ 電源
３ サーモグラフィーカメラ（温度計測手段）
４ コンピュータ（電流算出手段）
４１ メモリ（記憶手段）
Ｄ 換算データ
Ｍ 複合材料（供試体）
Ｆ ファスナー
Ｍ_T 複合材料（換算データ取得試験用の供試体）
Ｅ 電極

Claims (8)

1. 導電性の繊維を含む複合材料中に流れる電流を測定する電流測定装置であって、
   前記複合材料中に電流が流れたときの当該複合材料表面の温度を計測する温度計測手段と、
   予め行われた予備試験によって取得されたデータであって、前記複合材料表面の温度を当該複合材料中に流れる電流値に換算する換算データを記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された前記換算データに基づいて、前記温度計測手段で計測された前記複合材料表面の温度を当該複合材料中に流れる電流値に換算する電流算出手段と、
   を備えることを特徴とする電流測定装置。
2. 前記複合材料は、繊維方向が互いに異なるものを含む複数の繊維層を積層させた積層材であって、締結具のファスナーが貫通されており、
   前記温度計測手段は、前記ファスナーを中心とした各繊維方向における前記複合材料表面の温度を計測することを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記換算データは、前記予備試験において、前記複合材料と同じ材料の供試体に電流を印加したときの、電流を印加する電極を中心とした各繊維方向における温度と電流値を計測することで、当該各繊維方向について取得されたものであり、
   前記電流算出手段は、前記温度計測手段で計測された各繊維方向における前記複合材料表面の温度を、対応する繊維方向における前記換算データを用いて電流値に換算することを特徴とする請求項２に記載の電流測定装置。
4. 前記温度計測手段がサーモグラフィーカメラであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電流測定装置。
5. 導電性の繊維を含む複合材料中に流れる電流を測定する電流測定方法であって、
   予め行われた予備試験によって取得されたデータであって、前記複合材料表面の温度を当該複合材料中に流れる電流値に換算する換算データを記憶する記憶手段を用い、
   前記複合材料中に電流が流れたときの当該複合材料表面の温度を計測する温度計測工程と、
   前記記憶手段に記憶された前記換算データに基づいて、前記温度計測工程で計測された前記複合材料表面の温度を当該複合材料中に流れる電流値に換算する電流算出工程と、
   を備えることを特徴とする電流測定方法。
6. 前記複合材料として、繊維方向が互いに異なるものを含む複数の繊維層を積層させた積層材であって、締結具のファスナーが貫通されたものを用い、
   前記温度計測工程では、前記ファスナーを中心とした各繊維方向における前記複合材料表面の温度を計測することを特徴とする請求項５に記載の電流測定方法。
7. 前記予備試験では、前記複合材料と同じ材料の供試体に電流を印加したときの、電流を印加する電極を中心とした各繊維方向における温度と電流値を計測することで、当該各繊維方向における前記換算データを取得し、
   前記電流算出工程では、前記温度計測工程で計測された各繊維方向における前記複合材料表面の温度を、対応する繊維方向における前記換算データを用いて電流値に換算することを特徴とする請求項６に記載の電流測定方法。
8. 前記温度計測工程では、サーモグラフィーカメラを用いて前記複合材料表面の温度を計測することを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の電流測定方法。

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