JP2015052467A - 複合材料検査装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造を有する導電性の複合材料内に発生し表面に平行な層間はく離部を確実に検出することができる複合材料検査装置と方法を提供する。
【解決手段】均等に加熱された導電性の複合材料７に対し、その表面に近接して位置する渦電流センサ１２と、渦電流センサ１２の検出出力から層間はく離部８を検出する検出装置２０とを備える。渦電流センサ１２は、複合材料７の表面に平行な渦電流５を発生させる励磁コイル１３と、渦電流５により発生する磁界に応じて検出出力が変化する検出コイル１４とを有する。検出装置２０は、複合材料７の表面の温度変化又は導電率変化に起因する検出コイル１４の検出出力の相違から層間はく離部８を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、積層構造を有する導電性の複合材料の層間はく離部を検出する複合材料検査装置と方法に関する。

積層構造を有する導電性の複合材料、例えば熱可塑性ＣＦＲＰ（以下「ＣＦＲＴＰ」という）は短時間成形性、リサイクル性、リペア性、融着による部材の接合が可能であるという特徴を有することから航空産業、自動車産業において適用が拡大しつつある。
製造工程におけるＣＦＲＴＰの融着部の健全性評価を行うため、従来は主に超音波探傷試験が採用されている。しかし超音波探傷試験により検査に大きな時間コストがかかっており、短時間成形性というＣＦＲＴＰの主要なメリットを失わせる要因となっている。そこで、短時間で融着部の検査を行う手段が要望されている。

複合材料の剥離を検出する手段は、例えば特許文献１〜３に開示されている。
また、渦電流センサを用いて導電率を検出する手段は、例えば特許文献４、５に開示されている。

特許文献１の「複合材料の衝撃層間剥離検出方法」は、複合材料の表面に、板波送信探触子と板波受信探触子の距離を一定に保ち、一定方向に移動させる。この移動中に板波送信探触子から超音波を発信し、板波受信探触子で超音波を受信することにより、衝撃層間剥離の位置と大きさを検出するものである。
特許文献２の「複合材料の非破壊検査方法」は、内部欠陥が、複合材料の表面側に生じた内部き裂か若しくは複合材料間の接合面の境界面剥離かの種類によって超音波探傷若しくは音響波探傷のいずれかを選択して内部欠陥を探傷するものである。
特許文献３の「複合材料の剥離検出装置および剥離検出方法」は、導電性を有する複合材料に電極を設け、電極に電流を流し、電極間の電気抵抗変化を測定して、剥離の位置及び大きさを検出するものである。

特許文献４の「金属材の導電率分布計測装置」は、円柱状又は円筒状をなす常磁性金属材の導電率分布を渦電流式導電率センサにより計測するものである。
特許文献５の「渦電流試験方法および装置」は、渦電流プローブを用いてサンプルのコンダクタンスを測定するものである。

特開２００４−３０１５８０号公報 特開２００３−９０８２９号公報 特開２００１−３１８０７０号公報 特開平８−１０５８６３号公報 特開平７−９８２９９号公報

図１は従来の渦電流試験の原理図である。渦電流試験では、励磁コイル１と検出コイル２からなる渦電流センサ３を用い、導電性材料４を非破壊検査する。
図１（Ａ）に示すように、励磁コイル１に電流を流すと、導電性材料４の表面に渦電流５が発生する。検出コイル２は、渦電流５により発生する磁界に応じて検出出力（出力電圧とその位相又はインピーダンス）が変化する。
図１（Ｂ）に示すように、導電性材料４の表面に欠陥部６が存在する場合、欠陥部６において検出コイル２の検出出力が局所的に変化し、その位置を特定することができる。

図２は、渦電流センサ３を用いた積層構造を有する導電性の複合材料７の検査を示す模式図である。
積層構造を有する導電性の複合材料７（例えばＣＦＲＴＰ）は、はく離や融着不良により、層間に層間はく離部８が発生する可能性がある。この層間はく離部８を検出するために渦電流センサ３を用いた場合、図２に示すように渦電流５は層間はく離部８に対して平行であるため、欠陥部（層間はく離部８）における電流経路は変化しない。そのため、従来の渦電流試験によるはく離検出は困難であった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、積層構造を有する導電性の複合材料内に発生し表面に平行な層間はく離部を確実に検出することができる複合材料検査装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、積層構造を有する導電性の複合材料の層間はく離部を検出する複合材料検査装置であって、
均等に加熱された前記複合材料に対し、その表面に近接して位置する渦電流センサと、
前記渦電流センサの検出出力から層間はく離部を検出する検出装置と、を備え、
前記渦電流センサは、複合材料の表面に平行な渦電流を発生させる励磁コイルと、渦電流により発生する磁界に応じて前記検出出力が変化する検出コイルとを有し、
前記検出装置は、複合材料の表面の温度変化又は導電率変化に起因する前記検出コイルの検出出力の相違から層間はく離部を検出する、ことを特徴とする複合材料検査装置が提供される。

前記渦電流センサは、複合材料に沿って走査される単一の前記励磁コイルと単一の前記検出コイル、又は、複合材料の表面に沿って異なる位置に固定された複数の前記検出コイルと、複数の前記検出コイルを囲みその内側の複合材料に渦電流を発生させる単一の前記励磁コイルと、を有し、
前記検出装置は、前記励磁コイルを流れる電流を検出する電流検出器と、各検出コイルに発生する電圧を検出する電圧検出器を有する。

前記渦電流センサは複合材料に沿って走査させる場合は、単一の前記励磁コイルと単一の前記検出コイルから構成される。また、前記渦電流センサが複合材料の表面に沿って固定して使用される場合は、前記渦電流センサは複数の前記検出コイルと単一の前記励磁コイルが、同一の平板状の検査シート上に構成されている。

積層構造を有する導電性の複合材料を加熱し、前記複合材料を加熱する加熱装置と、
前記複合材料をその両面から挟持し、その層間に融着用の圧力を付加する１対の非導電性モールドと、を備え、
前記渦電流センサは、前記加熱装置により加熱される加熱部の複合材料と非導電性モールドとの間、又は前記加熱装置で加熱された複合材料の通過位置に設けられる。

また本発明によれば、積層構造を有する導電性の複合材料の層間はく離部を検出する複合材料検査方法であって、
（Ａ）均等に加熱された複合材料に対し、その表面に近接して渦電流センサを位置決めし、
（Ｂ）渦電流センサの励磁コイルにより、前記複合材料の表面に平行な渦電流を発生させ、
（Ｃ）渦電流センサの検出コイルにより、前記渦電流により発生する磁界に応じて変化する検出出力を検出し、
（Ｄ）検出装置により、複合材料の表面の温度変化又は導電率変化に起因する前記検出コイルの検出出力の相違から層間はく離部を検出する、ことを特徴とする複合材料検査方法が提供される。

積層構造を有する導電性の複合材料を加熱し、前記複合材料を加熱する加熱装置と、
前記複合材料をその両面から挟持し、その層間に融着用の圧力を付加する１対の非導電性モールドと、を備え、
前記渦電流センサを、前記加熱装置により加熱される加熱部の複合材料と非導電性モールドとの間、又は前記加熱装置で加熱された複合材料の通過位置に設けて、複合材料の層間の融着と同時又はその直後に層間はく離部を検出する。

上記本発明の装置と方法によれば、均等に加熱された複合材料を対象とするので、層間はく離部が存在する場合、その部分の温度又は導電率が、層間はく離部が存在しない正常部分と相違する。また、温度又は導電率の相違により複合材料の表面に発生する渦電流が変化し、渦電流により発生する磁界も変化するので、検出コイルによる検出出力が変化する。
したがって検出装置により、複合材料の表面の温度変化又は導電率変化に起因する検出出力の相違から層間はく離部を検出することができる。

従来の渦電流試験の原理図である。 渦電流センサを用いた積層構造を有する導電性の複合材料の検査を示す模式図である。 本発明による複合材料検査装置の第１実施形態図である。 本発明による第１実施例の説明図である。 第１実施例の試験結果を示す図である。 積層構造を有する導電性の複合材料を融着接合する誘導溶接装置の原理図である。 本発明による複合材料検査装置の第２実施形態図である。 本発明による複合材料検査装置の第３実施形態図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図３は、本発明による複合材料検査装置１０の第１実施形態図である。
本発明の複合材料検査装置１０は、積層構造を有する導電性の複合材料７の層間はく離部８を検出する装置である。導電性の複合材料７は、例えば熱可塑性ＣＦＲＰ（ＣＦＲＴＰ）であるが、本発明はこれに限定されず、複数の導電性シート材からなり層間が接合された複合材料の積層部材であればよい。層間の接合は、例えば融着接合であるが、接着剤を用いた接着であってもよい。層間はく離部８は、例えば層間の接合部が接合後に衝撃等で離れた（はく離した）部分であるが、気泡や異物の存在等により接合が不完全な融着不良部８であってもよい。

図３において、本発明の複合材料検査装置１０は、渦電流センサ１２と検出装置２０を備える。
渦電流センサ１２は、均等に加熱された複合材料７に対し、その表面に近接して位置し、複合材料７に沿って走査させる。また渦電流センサ１２は、複合材料７の表面に平行な渦電流５を発生させる励磁コイル１３と、渦電流５により発生する磁界に応じて検出出力が変化する検出コイル１４とを有する。励磁コイル１３と検出コイル１４は、この例では図１に示したように同軸に構成されている。
検出装置２０は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、渦電流センサ１２の検出出力から層間はく離部８を検出する。検出装置２０は、複合材料７の表面の温度変化又は導電率変化に起因する検出出力の相違から層間はく離部８を検出する。

この例において、積層構造を有する導電性の複合材料７は、水平を維持しながら上流側（図で左側）から下流側（図で右側）に連続的に送られるようになっている。
また、この例において、本発明の複合材料検査装置１０は、渦電流センサ１２の上流側に積層構造を有する導電性の複合材料７を均等に加熱する加熱装置３０を備える。加熱装置３０は例えば誘導加熱コイルであり、複合材料７の表面から渦電流センサ１２の上流側を均等に加熱する。なお、加熱は裏面からであってもよい。
なお、加熱装置３０は必須ではなく、上流側に位置する別の装置（例えば融着接合装置）により、複合材料７が均等に加熱されていればよい。

本発明の複合材料検査方法は、積層構造を有する導電性の複合材料７の層間はく離部８を検出する方法である。本発明の方法は、上述した複合材料検査装置１０を用い、Ｓ１〜Ｓ４の各ステップ（工程）からなる。
ステップＳ１では、均等に加熱された複合材料７に対し、その表面に近接して渦電流センサ１２を位置決めする。均等に加熱された複合材料７は、上述した加熱装置３０又は上流側に位置する別の装置（例えば融着接合装置）により、複合材料７の表面又は裏面が均等に加熱されていればよい。
ステップＳ２では、渦電流センサ１２の励磁コイル１３により、複合材料７の表面に平行な渦電流５を発生させる。
ステップＳ３では、渦電流センサ１２の検出コイル１４で、渦電流５により発生する磁界に応じて変化する検出出力を検出する。
ステップＳ４では、検出装置２０により、複合材料７の表面の温度変化又は導電率変化に起因する検出出力の相違から層間はく離部８を検出する。

本発明では融着不良部８（層間はく離部８）に健全部と異なる温度分布を与えることで生じる導電率の差異を渦電流センサ１２を用いた渦電流試験によって検出し、融着不良部８を同定する手段を提案する。従来の渦電流試験により融着不良部８のようなはく離型欠陥を検出することは困難であるが、渦電流センサ１２を温度検出に利用する本発明により融着不良部８を検出することが可能であり、かつ製造工程において短時間で融着部を検査可能となる。

図４は、本発明による第１実施例の説明図である。
複合材料７を模擬する試験片７ａとして、長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ２ｍｍのＣＦ Ｆａｂｒｉｃ／ＰＰＳ板同士を融着したものを製作した。この試験片７ａの中央の端面から４０〜６０ｍｍの範囲に融着不良部８（層間はく離部８）を形成した。
水平なホットプレート３１（表面温度６０℃）上に、試験片７ａを水平に置き、渦電流センサ１２を試験片７ａの表面に接触させて水平に移動しながら、検出コイル１４の検出出力（出力電圧Ｖｉ）を記録した。この試験は、試験片７ａの幅方向中央に沿って長さ方向に移動しながら３回実施した。

図５は、第１実施例の試験結果を示す図である。この図において、（Ａ）はホットプレート３１による加熱がない場合、（Ｂ）は加熱がある場合である。
図５（Ａ）から、加熱しない場合には、検出コイル１４の検出出力（出力電圧Ｖ_ｏｕｔ）は、融着不良部８と正常部分とでほとんど同一であり、融着不良部８の検出は困難であることがわかる。
一方、図５（Ｂ）では、検出コイル１４の検出出力（出力電圧Ｖ_ｏｕｔ）が、融着不良部８と正常部分と大きく相違しており、この相違から融着不良部８の検出が可能であることがわかる。
なお、別途計測した温度分布から、試験片７ａの表面温度が、融着不良部８と正常部分で大きく相違しており、図５（Ｂ）の結果は、温度分布の相違に起因することがわかる。

図６は、積層構造を有する導電性の複合材料７を融着接合する誘導溶接装置３２の原理図である。
誘導溶接装置３２は、誘導加熱装置３３、１対の非導電性モールド３４（図７参照）、及び加圧装置３５を備える。なお２枚の複合材料７はこの図では分離して示している。
誘導加熱装置３３は、複合材料７を誘導加熱し、複合材料７を融着温度まで加熱する。
１対の非導電性モールド３４は、複合材料７をその両面から挟持して平面を保持する。
加圧装置３５は１対の非導電性モールド３４の間に圧力を付加して、複合材料７の層間に融着用の圧力を付加する。
この構成により、積層構造を有する導電性の複合材料７の層間を連続的に融着接合することができる。

図７は、本発明による複合材料検査装置１０の第２実施形態図である。
この図において、加圧装置３５に誘導加熱装置３３が組み込まれており、上方から非導電性モールド３４を加圧しながら誘導加熱し、積層構造を有する導電性の複合材料７の層間を連続的に融着接合するようになっている。
また、本発明による渦電流センサ１２は、平板状の検査シート１１上に構成され、誘導加熱装置３３により加熱される加熱部の複合材料７と非導電性モールド３４との間に挟持して設けられている。なお、本発明による渦電流センサ１２を、誘導加熱装置３３で加熱された複合材料７の通過位置に設けてもよい。
この構成により、誘導加熱装置３３と加圧装置３５により積層構造を有する導電性の複合材料７の層間の融着と同時又はその直後に、渦電流センサ１２により融着不良部８（層間はく離部８）を検出することができる。

図８は、本発明による複合材料検査装置１０の第３実施形態図である。
この図において、（Ａ）は検査シート１１の使用状態を示す図である。図８（Ａ）では、平板状の検査シート１１は、上側の非導電性モールド３４と複合材料７との間に挟持して設けられている。また誘導加熱装置３３は、下側の非導電性モールド３４の下方に設けられている。その他の構成は、図７と同様である。

図８（Ｂ）は、検査シート１１の説明図である。
この図に示すように、渦電流センサ１２は、複合材料７の表面に沿って固定して使用される場合は、異なる位置に配置される複数（この例では６つ）の検出コイル１４と、複数の検出コイル１４を囲みその内側の複合材料７に渦電流５を発生させる単一の励磁コイル１３とを有する。
複数の検出コイル１４と単一の励磁コイル１３は、同一の平板状の検査シート１１上に構成されている。

検出装置２０は、電流検出器２２、複数（この例では６つ）の電圧検出器２４、及び演算部２６を有する。
電流検出器２２は、励磁コイル１３を流れる電流Ｉ_Ｄを検出する。複数の電圧検出器２４は、各検出コイル１４に発生する電圧Ｖｉを検出する。演算部２６は、電流Ｉ_Ｄと電圧Ｖｉから各検出コイル１４のトランスインピーダンスＺｔｒを算出し、トランスインピーダンスＺｔｒの相違から層間はく離部８を検出する。

上述した本発明の装置と方法によれば、均等に加熱された複合材料７を対象とするので、層間はく離部８が存在する場合、その部分の温度又は導電率が、層間はく離部８が存在しない正常部分と相違する。また、温度又は導電率の相違により複合材料７の表面に発生する渦電流５が変化し、渦電流５により発生する磁界も変化するので、検出コイル１４による検出出力が変化する。
したがって検出装置２０により、複合材料７の表面の温度変化又は導電率変化に起因する検出出力の相違から層間はく離部８を検出することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

１ 励磁コイル
２ 検出コイル
３ 渦電流センサ
４ 導電性材料
５ 渦電流
６ 欠陥部
７ 複合材料
７ａ 模擬試験片（試験片）
８ 層間はく離部（融着不良部）
１０ 複合材料検査装置
１１ 検査シート
１２ 渦電流センサ
１３ 励磁コイル
１４ 検出コイル
２０ 検出装置
２２ 電流検出器
２４ 電圧検出器
２６ 演算部
３０ 加熱装置
３１ ホットプレート
３２ 誘導溶接装置
３３ 誘導加熱装置
３４ 非導電性モールド
３５ 加圧装置

Claims (6)

1. 積層構造を有する導電性の複合材料の層間はく離部を検出する複合材料検査装置であって、
   均等に加熱された前記複合材料に対し、その表面に近接して位置する渦電流センサと、
   前記渦電流センサの検出出力から層間はく離部を検出する検出装置と、を備え、
   前記渦電流センサは、複合材料の表面に平行な渦電流を発生させる励磁コイルと、渦電流により発生する磁界に応じて前記検出出力が変化する検出コイルとを有し、
   前記検出装置は、複合材料の表面の温度変化又は導電率変化に起因する前記検出コイルの検出出力の相違から層間はく離部を検出する、ことを特徴とする複合材料検査装置。
2. 前記渦電流センサは、複合材料に沿って走査される単一の前記励磁コイルと単一の前記検出コイル、又は、複合材料の表面に沿って異なる位置に固定された複数の前記検出コイルと、複数の前記検出コイルを囲みその内側の複合材料に渦電流を発生させる単一の前記励磁コイルと、を有し、
   前記検出装置は、前記励磁コイルを流れる電流を検出する電流検出器と、各検出コイルに発生する電圧を検出する電圧検出器を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の複合材料検査装置。
3. 前記渦電流センサは複合材料に沿って走査させる場合は、単一の前記励磁コイルと単一の前記検出コイルから構成され、前記渦電流センサが複合材料の表面に沿って固定して使用される場合は、複数の前記検出コイルと単一の前記励磁コイルが、同一の平板状の検査シート上に構成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の複合材料検査装置。
4. 積層構造を有する導電性の複合材料を加熱し、前記複合材料を加熱する加熱装置と、
   前記複合材料をその両面から挟持し、その層間に融着用の圧力を付加する１対の非導電性モールドと、を備え、
   前記渦電流センサは、前記加熱装置により加熱される加熱部の複合材料と非導電性モールドとの間、又は前記加熱装置で加熱された複合材料の通過位置に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の複合材料検査装置。
5. 積層構造を有する導電性の複合材料の層間はく離部を検出する複合材料検査方法であって、
   （Ａ）均等に加熱された複合材料に対し、その表面に近接して渦電流センサを位置決めし、
   （Ｂ）渦電流センサの励磁コイルにより、前記複合材料の表面に平行な渦電流を発生させ、
   （Ｃ）渦電流センサの検出コイルにより、前記渦電流により発生する磁界に応じて変化する検出出力を検出し、
   （Ｄ）検出装置により、複合材料の表面の温度変化又は導電率変化に起因する前記検出コイルの検出出力の相違から層間はく離部を検出する、ことを特徴とする複合材料検査方法。
6. 積層構造を有する導電性の複合材料を加熱し、前記複合材料を加熱する加熱装置と、
   前記複合材料をその両面から挟持し、その層間に融着用の圧力を付加する１対の非導電性モールドと、を備え、
   前記渦電流センサを、前記加熱装置により加熱される加熱部の複合材料と非導電性モールドとの間、又は前記加熱装置で加熱された複合材料の通過位置に設けて、複合材料の層間の融着と同時又はその直後に層間はく離部を検出する、ことを特徴とする請求項５に記載の複合材料検査方法。

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