JP2019002748A - 導電性フィラー強化プラスチックスの樹脂硬化度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性フィラーを用いた強化プラスチックスのマトリックス樹脂の硬化度を非破壊で簡単に測定する方法の提供を課題とする。
【解決手段】被検査体１である導電性フィラー強化プラスチックスに対して検査コイル１０を配置する。検査コイル１０に高周波電流を通電して被検査体１に交流磁場を生成させ、この交流磁場に起因する磁束φ１が被検査体１を貫く。磁束φ１は導電性フィラー２を流れる伝導電流Ｊ_Cと共にマトリックス樹脂５に変位電流Ｊ_Dを発生させ、伝導電流Ｊ_C及び変位電流Ｊ_Dにより被検査体１に誘導電流Ｊを発生させる。伝導電流Ｊ_Cと変位電流Ｊ_Dに起因する反作用磁束φ２にて検査コイル１０に誘導起電力ｖ或いはインピーダンスＺを発生させる。この時、伝導電流Ｊ_Cより変位電流Ｊ_Dの方が大となる高周波領域に於いて誘導起電力ｖ或いはインピーダンスＺを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維やカーボンナノチューブのような導電性フィラーを用いた強化プラスチックスの樹脂硬化度測定方法に関する。

現在、広く使用されている繊維強化プラスチックスとして炭素繊維強化プラスチックス（以下、ＣＦＲＰという。）がある。ＣＦＲＰは、軽量、高強度、高剛性という特性を利用して、ゴルフクラブのシャフト、テニスラケットのフレーム、釣り竿、ノートパソコンの筐体など多様な製品に使われている。そして後述するように、最近では、航空機の胴体や翼、風力発電機用のプロペラ、レーシングカーのボディ、自転車のフレームなどにも使われ始めている。

ＣＦＲＰは、繊維状補強材である炭素繊維を機織して織物状のシートに形成し、或いはこれを巻いて管とし、又は炭素繊維を束状の長尺物とし、これに硬化剤その他の添加物を混合した熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）を均等に含浸させ、加熱して硬化状態にした材料である。用途に合わせて熱硬化性樹脂の代わりに熱可塑性樹脂を用いることも出来る。

ＣＦＲＰの成形方法には、成形型に繊維骨材である炭素繊維の織布を敷き（管の場合は芯金に巻き付け）、硬化剤を混合した熱硬化性樹脂を脱泡しながら多重積層してゆくハンドレイアップ法やスプレーアップ法の外、あらかじめ繊維骨材と熱硬化性樹脂を混合したシート状のもの（プリプレグ）を金型で圧縮成型するＳＭＣプレス法、インジェクション成形の様に繊維を敷き詰めた合わせ型に熱硬化性樹脂或いは熱可塑性樹脂を注入するＲＴＭ法、成形したプリプレグの熱硬化性樹脂をオートクレーブで硬化させて成形する方法がある。

ＣＦＲＰは、アルミニウム合金より軽量で高強度という特性を持つが、衝撃により層間剥離が生じるという欠点や、例えば、航空機の翼や胴体部分、自動車のボディなど大型部品の場合、マトリックス樹脂である熱硬化性樹脂の硬化が均一に行われないことがあり、強度不足の部分が成形品のいずれかに発生するという懸念が指摘されていた。そのために開発当初はこれらの欠点や問題点が製品の安全性に問題を起こさないゴルフクラブのシャフトや釣竿に多用されていた。
その後、層間剥離の非破壊評価が進歩したことを契機として現在では航空機材料としての用途が増大している。また、軽量化の面から熱可塑性樹脂を用いた自動車のボディ用材料としても注目を浴びている。

ＣＦＲＰの非破壊検査には超音波探傷法、渦電流法などがあり、破壊検査には化学発光法などがある。

超音波探傷法には、全没水浸法（プローブと探傷面との間に水を介在させて探傷する方法で、プローブと被検査体を水中に浸漬する方法）、局部水浸法（プローブと被検査体との間だけの局部的に水などの液体を介在させて探傷する方法）、噴流探傷法（局部水浸法の一種で、水で噴流を作り、これを被検査体に当て、該噴流を利用して探傷する方法）などがあるが、この方法は超音波プローブと被検査体の間の音波の伝播を確保するための適当な接触媒質（一般的には水）を介在させる必要がある。全没水浸法では、例えば、飛行機の翼や胴体のような大型の被検査体の場合、これを全没させるための超大型水槽が必要となり、現実的ではない。

更に、ＣＦＲＰにこの超音波探傷法を適用する場合、欠陥に起因する超音波反射のみならず、繊維および樹脂界面において超音波が反射、散乱するので欠陥との区別が難しく、加えて材料中の超音波の減衰量が大きいため受信信号が小さくなり、金属材料に比ベ欠陥検出能が低下するという問題点がある。

渦電流法は、簡単に述べると、被検査体に近接させて垂直に立てた検査コイルに交流電流（５ＭＨｚ以下）を流し、導電性の被検査体の内部に主として支配方程式（後述）第１項である伝導電流Ｊ_ｃに起因する渦電流を生成させ、この渦電流に起因する磁束によって検出機能も兼ねる検査コイルに誘導起電力を発生させ、この誘導起電力の変化或いはインピーダンスの変化を検出することで、導電性の被検査体の欠陥を発見できることを利用したもので、主として金属の非破壊検査法として用いられてきた。

ＣＦＲＰに渦電流法を用いた例としては特許文献１、２が挙げられる。この方法は、５ＭＨｚの交流電流を四辺形の検査コイルに流すことにより、配向角の異なる複数のプライ数を有するＣＦＲＰのプライ（同一配向方向に引き揃えられた炭素繊維層）間の剥離欠陥や繊維破断欠陥を繊維方向に関係なく高感度で迅速に検出するものである。
即ち、配向角の異なる複数のプライ数を有するＣＦＲＰの誘導電流の経路の特性から四辺形の検査コイルの屈曲部の下に剥離欠陥が来た揚合に、検出機能も兼ねる検査コイルに発生する誘導起電力或いはインピーダンスの変化が検出され、また繊維破断欠陥では四辺形の検査コイルの辺部の下に繊維破断欠陥が来た場合に同様に誘導起電力或いはインピーダンスの変化が検出されることで、剥離欠陥や繊維破断欠陥を特定するものである。

特開平９−０７２８８４号公報 特開平７−１６７８３９号公報

ＣＦＲＰの欠陥は上記のように、層間剥離や繊維破断欠陥だけでなく、部材を構成するマトリックス樹脂の未硬化部分や硬化不足部分も挙げられる。未硬化部分や硬化不足部分は硬化部分に比べて強度不足となり重大な事故に繋がる。従って、ＣＦＲＰの非破壊検査では、層間剥離や繊維破断欠陥だけでなく未硬化部分や硬化不足部分の非破壊検査も重要である。また、例えばナイロン６のような熱可塑性樹脂では重合度で硬化度が異なり、強度不足の部分が発生するので、同様に非破壊検査が重要になる。
なお、特許文献１に記載の方法では、四辺形という特殊な形状の検査コイルを用い、配向角の異なる複数のプライ数を有するＣＦＲＰの層間の渦電流の流れの阻害による剥離欠陥や、繊維方向の渦電流の流れの阻害による繊維破断欠陥を検出することが出来るが、ＣＦＲＰを始めとする強化プラスチックスのマトリックス樹脂の未硬化部分や硬化不足部分、重合度不足部分の検出までは出来ない。

何故ならば、後述するようにＣＦＲＰの場合、四辺形の検査コイルに流す印加電流の周波数が５ＭＨｚ以下であって、伝導電流Ｊ_cによる渦電流に対してマトリックス樹脂の硬化度測定に有用な変位電流Ｊ_Dが過小であって、変位電流Ｊ_Dの測定が出来ないからである。（換言すれば、特許文献１に記載の方法では、配向角の異なる複数のプライ数を有するＣＦＲＰの層間剥離や繊維破断欠陥の検出に限定される。）

本発明は上記従来技術の問題点を鑑みてなされたもので、炭素繊維やカーボンナノチューブその他、導電性を有するフィラーを用いた強化プラスチックスのマトリックス樹脂の硬化度を非破壊で簡単且つ正確に測定する方法の提供をその課題とする。

請求項１に記載の導電性フィラー強化プラスチックスの樹脂硬化度測定方法は、
互いがその一部で繋がっている導電性フィラー２と、絶縁プレートであるマトリックス樹脂５とで構成された、被検査体１である導電性フィラー強化プラスチックスに対して検査コイル１０、或いは検査コイル１０と該検査コイル１０とは別に用意されたピックアップコイル１１とを配置し、
前記検査コイル１０に高周波電流又は高周波パルス電流を通電して磁束φ１を発生させ、
前記磁束φ１は、前記被検査体１を貫き、前記導電性フィラー２に伝導電流Ｊ_Cを発生させると共に前記マトリックス樹脂５に変位電流Ｊ_Dを発生させて、前記伝導電流Ｊ_Cと前記変位電流Ｊ_Dの和である誘導電流Ｊを前記被検査体１に発生させ、
前記伝導電流Ｊ_cと前記変位電流Ｊ_Dに起因する反作用磁束φ２にて前記検査コイル１０、或いは前記ピックアップコイル１１に誘導起電力ｖ或いはインピーダンスＺを発生させ、
前記伝導電流Ｊ_cより前記変位電流Ｊ_Dの方が大となる高周波領域に於いて前記誘導起電力ｖ或いは前記インピーダンスＺを検出することを特徴とする。
なお、前記インピーダンスＺは前記誘導起電力ｖを前記検査コイル１０、或いは前記ピックアップコイル１１に流れる電流値で除することで得られる値である。

請求項２は、請求項１に記載の前記高周波領域において、複数の周波数で前記誘導起電力ｖ或いは前記インピーダンスＺを検出することを特徴とする。

請求項３は、請求項１又は２に於いて、前記高周波領域が５ＭＨｚを越える（好ましくは１０ＭＨｚ以上である）範囲であることを特徴とする。

請求項４は、請求項１〜３のいずれかに於いて、前記検査コイル１０、又は前記検査コイル１０と前記ピックアップコイル１１とを前記被検査体１に対して所定方向に移動させる、或いは前記検査コイル１０、又は前記ピックアップコイル１１に対して前記被検査体１を所定方向に移動させることを特徴とする。

請求項５は、請求項１〜４のいずれかに於いて、前記導電性フィラー２は、導電性繊維（炭素繊維、ボロン繊維、合成繊維やセラミック繊維などの無機繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させた繊維状物、有機物繊維やセラミック繊維などの無機繊維の表面を金属で被覆した繊維状物、有機物繊維やセラミック繊維などの無機繊維の表面を導電性物質を含む樹脂で被覆した繊維状物）、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、金属粒子の内の少なくとも１つであることを特徴とする。

本発明は、伝導電流より変位電流の方が大となる高周波数領域に於いて、ピックアップ機能を兼務した検査コイル、又はピックアップコイルに発生した誘導起電力を測定することにより、被検査体のマトリックス樹脂の硬化度を測定することができる。
また、複数の周波数で誘導起電力或いはインピーダンスを検出することで、より正確な硬化度測定が可能となる。そして、検査コイル、又は検査コイルと該検査コイルとは別に用意されたピックアップコイルとを被検査体に対して相対移動させることで、大型部材の連続的非破壊検査が可能となる。

本発明に使用される非破壊検査装置の構成概念図である。 図１で使用される検査コイルの断面図である。 （ａ）は欠陥のない被検査体に対する検査状態を示す概念斜視図、（ｂ）は欠陥のある被検査体に対する検査状態を示す概念斜視図である。 検査コイルとピックアップコイルの本発明での使用状態概念図である。 被検査体の導電性フィラーを伝導電流が流れる状態の概念図である。 被検査体の導電性フィラーを伝導電流が流れ、変位電流がマトリックス樹脂を流れている状態の概念図である。 ５．７ＭＨｚと５６．９ＭＨｚでＣＦＲＰを検査した結果を示すグラフである。

以下、本発明方法を図面に基づき詳細に説明する。検査装置Ａは、図１に示すように、公知のＸＹテーブル２０、アクリル樹脂板のような絶縁プレート２１、検査コイル１０、パーソナルコンピューター１２、オシレータ１４、増幅ユニット１６、及びＡ／Ｄ変換器１８とで構成されている。図２は本発明で使用される検査コイル１０の断面図である。図３（ａ）（ｂ）は本発明で使用される検査コイル１０により被検査体１である導電性フィラー強化プラスチックス中に誘導電流Ｊが流れる状況を示した模式図で、図３（ａ）は欠陥Ｋなし被検査体１、同図（ｂ）は欠陥Ｋあり被検査体１を用いた例である。

ＸＹテーブル２０は、被検査体１を移動テーブル上に固定状態に載置してＸ軸方向、これと直交するＹ軸方向に移動する公知の装置である。図示していないが、被検査体１を固定し、検査コイル１０やピックアップコイル１１側を載置して移送させるようにしてもよい。換言すれば、被検査体１に対して検査コイル１０やピックアップコイル１１を相対的に移動させることになる。

検査コイル１０は、被検査体１の形状及び寸法、また検出すべき欠陥Ｋの性状に応じて、種々の形態のものが用いられ、例えば、配管やパイプに挿入して内面側の欠陥Ｋを検出する内挿コイル、コイルの内側にワイヤーや棒、配管・パイプなどの被検査体１を通して被検査体１の外面側の欠陥Ｋを検出する貫通コイル、平板状の被検査体１の上に垂直に配置され、被検査体１の表面や内部の欠陥Ｋを検出する上置コイルなどがある。
欠陥Ｋの測定方式には、自己誘導方式と相互誘導方式、自己比較方式、標準比較方式などがある。

自己誘導型は一つの検査コイル１０が誘導電流Ｊの発生と検出とを兼ね（図１〜図３）、相互誘導型は、誘導電流Ｊを発生させる検査コイル１０と誘導電流Ｊを検出するピックアップコイル１１との２種類のコイルを用いる（図４）。自己比較方式（図示せず）はプローブの走査方向にコイルを二つ並べてそれらの信号の差異を検出する方式である。被検査体とプローブの距離であるリフトオフが変化すると雑音が発生することがあるが、この方式ではリフトオフの変化で二つのコイルの信号が同時に変化するので、それらの差を取ることによってリフトオフ雑音を打ち消すことができる。
標準比較方式（図示せず）は、一方のコイルを被検査体１に、他方のコイルを基準体に作用させて差異を検出する方式である。被検査体１における減肉量などの絶対量を検出する必要がある場合に用いられるものである。

本発明では、測定方式は自己誘導型自己比較方式で、検査コイル１０は板状の被検査体１の表面上を走査しながら検査するため上置コイル（図１）が用いられる。勿論、他の方式でも良い。なお、図２の検査コイル１０は空芯でも良いが、円形螺旋状の検査コイル１０の内側に公知のコア１０ａが用いられている。検査コイル１０はコイル毎に共振周波数が決まっている。

パーソナルコンピューター１２は、ＸＹテーブル２０の動きの制御、検査コイル１０への印加電流の制御、及びピックアップ機能を兼務した検査コイル１０（或いはピックアップコイル１１）にてピックアップした、主として変位電流Ｊ_Dの変化に起因する誘導起電力ｖ或いはインピーダンスＺの変化を検出し、マトリックス樹脂５の硬化度の判断基準となる基準インピーダンス表と比較してマトリックス樹脂における測定部分の硬化度を判定する働きを司る。基準インピーダンス表はマトリックス樹脂５の種類毎に予め作成されている。

オシレータ１４は、任意の周波数信号を発生できる周波数発振器で、電源３０から供給された交流電流を所定の高周波電流に変換して検査コイル１０に供給する。なお、所定の高周波電流に代えて高周波パルス電流を供給するようにしても良い。検査コイル１０の共振周波数はそのコイルで固有値であるから、予め測定しておき、オシレータ１４からその共振周波数で検査コイル１０に高周波電流（或いは高周波パルス電流）を供給する。本実施例では、検査コイル１０に５ＭＨｚを越える（好ましくは１０ＭＨｚ以上の）高周波電流（又は高周波パルス電流）を印加する。

増幅ユニット１６は、ピックアップ機能を有する検査コイル１０（又は、ピックアップコイル１１）で発生した微弱な誘導起電力ｖ或いはインピーダンスＺを増幅してＡ／Ｄ変換器１８に出力する装置である。

Ａ／Ｄ変換器１８は、増幅ユニット１６から送られてきたアナログの、主である変位電流Ｊ_Dによる誘導起電力ｖ或いはインピーダンスＺをデジタル信号に変えてコンピューター１２に出力する装置である。

被検査体１は、導電性フィラー２と、マトリックス樹脂５（熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂）との複合材料（導電性フィラー強化プラスチックス）で、導電性フィラー２としては、導電性繊維（炭素繊維、ボロン繊維、合成繊維やセラミック繊維などの無機繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させた繊維状物、有機物繊維やセラミック繊維などの無機繊維の表面を金属で被覆した繊維状物、有機物繊維やセラミック繊維などの無機繊維の表面を導電性物質を含む樹脂で被覆した繊維状物）、ステンレス鋼や銅、アルミニウムのような金属を繊維化した金属繊維、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、金属粒子の内の少なくとも１つ（即ち、１つ又は２つ以上の組み合わせ）が用いられる。
導電性フィラー２が長繊維の場合、束状態、或いは機織されて織布状態で使用され、短繊維又は粒子の場合は、マトリックス樹脂５に混ぜ込まれて使用される。いずれの場合でも、導電性フィラー２は隣接する他の導電性フィラー２との接点８で電気的に繋がっており、伝導電流Ｊ_cが流れるようになっている（図５、図６）。高周波領域では、マトリックス樹脂５を挟んで隣り合う導電性フィラー２が近接するポイント９間で変位電流Ｊ_Dが流れるようになる。

マトリックス樹脂５は用途に応じた素材が用いられる。熱硬化性樹脂の場合、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂などが使用される。上記導電性フィラー２は上記の周知方法でマトリックス樹脂５中に含まれる。熱可塑性樹脂では、例えば、ポリアミド（ナイロン）、酢酸ビニルを水に分散させた水系接着剤などが挙げられる。

次に本発明の測定原理を説明する。数式（１）は、誘導（渦）電流測定の原理を示すマックスウェル方程式である。被検査体１に於ける磁場の回転（∇×Ｈ（＝誘導（渦）電流Ｊ））は、検査コイル１０の直下において発生する（第１項）伝導電流Ｊ_cと（第２項）変位電流Ｊ_Dの和で表される。
∇×Ｈ＝Ｊは、（第１項）伝導電流Ｊ_cと（第２項）変位電流Ｊ_Dの和で表されるが、後述するように周波数によっては第１項が優勢な場合と、第２項が優勢な場合とがあり、これが被検査体１に生成される。即ち、通常の電磁調理器や特許文献１の場合は第１項が優勢な場合で、一般的に渦電流と呼ばれている。これに対して本発明は第２項が優勢な場合を利用するもので、この場合の検査体１に現れる電流も渦電流である。そこで、被検査体１に現れる渦電流を誘導電流で統一する。

σ：導電性フィラーの導電率（導電性フィラーの種類により固有）
Ｅ：電場
ｊ：虚数記号
ω：２πｆ（ｆは周波数）
ε：マトリックス樹脂の誘電率（誘電率εは樹脂の種類により固有であるが、熱硬化性樹脂ではその硬化度により変化する。即ち、硬化が進むにつれてマトリックス樹脂の分子量が大きくなり、誘電率εが低下する。熱可塑性樹脂（例えば、ナイロン６）の場合は、重合度（ε―カプロラクタムの重合度）により変化する。即ち、重合度が進むにつれてマトリックス樹脂の分子量が大きくなり、誘電率εが低下する。）

図５は被検査体１中の導電性フィラー２を第１項の伝導電流Ｊ_cだけが流れている状態の模式図であり、図６は、これに加えて導電性フィラー２の間に充填されたマトリックス樹脂５を第２項の変位電流Ｊ_Dが流れている状態の模式図である。図５と図６の違いは、検査コイル１０への印加交流電流又はパルス電流の周波数の違いによる。

数式（１）によれば、ωが２πｆであるから、検査コイル１０に印加する交流電流やパルス電流の周波数ｆが低い状態では第１項（Ｊ_c）に比べて第２項（Ｊ_D）が過小となり、第２項（Ｊ_D≒０）は無視されて被検査体１に現れる誘導電流Ｊ≒Ｊ_c（伝導電流による渦電流）となる。この状態が図５である。
これに対して、周波数ｆが高くなると、第２項（Ｊ_D）が、固有値を取る第１項（Ｊ_c）に対して次第に大きくなり、前記周波数ｆがある値を越えて大きくなると｛第２項／第１項（ωε／σ）｝が１を越える。
そして前記周波数ｆが更に大きくなると、（ωε／σ）が１を遥かに超えて、１≪（ωε／σ）となり、ピックアップ機能を兼務する検査コイル１０は、主として第２項（Ｊ_D）の誘導起電力ｖを検出することになる。この状態が図６である。換言すれば、１≪（ωε／σ）となる周波数ｆ領域では、被検査体１に現れる誘導電流Ｊの主たる部分は第２項（Ｊ_D）ということになる。本発明は、マトリックス樹脂５の硬化度（或いは重合度）を検出することを目的としているので、第２項（Ｊ_D）が第１項（Ｊ_c）を少なくとも越えた周波数領域で検査され、更には大きく越えた周波数領域で検査することが好ましい。

ここで、上記「第２項（Ｊ_D）が第１項（Ｊ_c）を少なくとも越えた周波数領域」について検討する。数式（１）から分かるように、導電性フィラー２やマトリックス樹脂５の種類によって導電率σ、誘電率εが異なるため、第１項（Ｊ_c）及び第２項（Ｊ_D）は一定の値が与えられるものではないが、導電性フィラー２やマトリックス樹脂５が変わってもこれらが大きく変化するものでないため、ＣＦＲＰを例に取ってこれを説明する。
導電性フィラー２である炭素繊維の導電率σを１．５×１０⁴Ｓ／ｍ、比誘電率ε_rを１．０、エポキシ樹脂の導電率σを１．０×１０^-12Ｓ／ｍ、比誘電率ε_rを５．０（未硬化状態）とする。硬化状態では、エポキシ樹脂の比誘電率ε_rは２．０程度を示す。比誘電率ε_rとは、物質固有の値であり、誘電率εを真空の誘電率ε₀（８．８５４×１０^-12Ｆ／ｍ）で除した値である。
数式（１）に従えば、電場Ｅを一定とすれば第１項である伝導電流Ｊ_cは一定の値を示し、第２項の変位電流Ｊ_Dは周波数が高くなるに連れて大きくなり、周波数によって伝導電流Ｊ_cと変位電流Ｊ_Dとの間で優劣が生じる。

そこで、伝導電流Ｊ_cと変位電流Ｊ_Dのいずれが支配的であるかを知るために、様々な周波数に於ける（σ／εω）とその逆数の（εω／σ）を比較した。ここでは、０．５ＭＨｚ、１ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚ及び５０ＭＨｚで計算した。計算結果は以下の通りである。
伝導電流Ｊ_cが支配的な時のＪ_c／Ｊ_D（＝σ／εω）。炭素繊維のσとεを導入した。
変位電流Ｊ_Dが支配的な時のＪ_D／Ｊ_c（＝εω／σ）。未硬化状態のエポキシ樹脂のσとεを導入した。
表１、２を比較すると、１ＭＨｚでは、マトリックス樹脂５は未硬化状態（硬化状態ではε_r＝２．０）であるが、Ｊ_cが支配的な時のＪ_c／Ｊ_Dが２．７０×１０⁸を、Ｊ_Dが支配的な時のＪ_D／Ｊ_cが２．７８×１０⁸を示し、ほぼ等しい。マトリックス樹脂５が硬化状態になると、変位電流Ｊ_Dは更に小さくなるので、１ＭＨｚでは、伝導電流Ｊ_cが支配的で、変位電流Ｊ_Dの変化は捉えにくいと言える。
周波数を５ＭＨｚに上げると、Ｊ_cが支配的な時のＪ_c／Ｊ_Dが５．４０×１０⁷を、Ｊ_Dが支配的な時のＪ_D／Ｊ_cが１．３９×１０⁹を示し、その差は上記のように「未硬化状態で」約２５倍となる。「硬化状態」でも、１０倍程度の差があるので、変位電流Ｊ_Dを十分捉えることができる。１０ＭＨｚになれば更にその差が拡大する。従って、５ＭＨｚを越えた高周波領域が「第２項（Ｊ_D）が第１項（Ｊ_c）を少なくとも越えた周波数領域」と言える。

次に、被検査体１に現れる誘導電流Ｊを図３のピックアップ機能を兼務する検査コイル１０にて検出する原理を説明する。図３（ａ）は被検査体１に欠陥Ｋがない場合、同図（ｂ）は欠陥Ｋがある場合である。
図３のピックアップ機能を兼務する検査コイル１０に誘起される誘導起電力ｖは、以下の数式（２）で示される。

ｖ：ピックアップ機能を兼務する検査コイル１０に発生する誘導起電力（信号強度）
Ｎ：検査コイルの巻き数
φ：磁束
φ１：高周波電流の印加による検査コイル内に発生した磁束
φ２：その反作用として被検査体に発生した誘導電流Ｊによる磁束
同図（ｂ）では欠陥Ｋにより磁束φ２が減少するが磁束φ１は変化しない。

ここで、検査コイル１０或いはピックアップコイル１１に生じる誘電起電力ｖと、被検査体１に生じる誘導電流Ｊとの関係は、数式（１）、数式（３）、及び数式（４）によって記述できる。



Ｂ ：検査コイル１０或いはピックアップコイル１１に発生する磁場
Ｓ ：検査コイル１０或いはピックアップコイル１１内の面積
ｄＳ：検査コイル１０或いはピックアップコイル１１内の微小面積
Ｌ ：検査コイル１０或いはピックアップコイル１１の導線の全長
ｄｌ：検査コイル１０或いはピックアップコイル１１の導線の微小素片
Ａ ：磁気ベクトルポテンシャル
Ｖ’：誘導電流が発生する領域
ｄＶ’：誘導電流が発生する微小領域
ｒ ：検査コイル内を流れる高周波電流の位置ベクトル
ｒ’：誘導電流を示す位置ベクトル

上式から分かるように、第１項Ｊ_c（σＥ）は固定値を示すが、第２項Ｊ_D（ｊωεＥ）はマトリックス樹脂５の硬化度に対応して変化するマトリックス樹脂の誘電率εにより変化する。それ故、ピックアップ機能を兼務する検査コイル１０に発生する誘導起電力（信号強度）ｖを検出することで磁束φ２、或いはベクトルポテンシャルＡの減少（変化）を知ることができ、被検査体１の欠陥Ｋの有無、換言すれば、マトリックス樹脂５の硬化の状態を検出できる。即ち、適切な測定条件（印加高周波電流又はパルス電流の周波数：５ＭＨｚを越えた領域での検査コイル１０の共振周波数）を選ぶことによりマトリックス樹脂５の硬化度測定が可能となる。

また、被検査体１の検査対象は、表面だけではなく当然内部も検査対象になる。現在、大型の被検査体１としては、航空機の主翼や銅体などが対象となっている。これらの厚みは、２０ｍｍ〜３０ｍｍである。現状では、両面から検査をするとして、１０ｍｍ〜１５ｍｍの検査深さを達成できればよい。
一般的な金属の誘導(渦)電流Ｊの浸透深さδは、数式（５）により記述されることが知られている。
数式（５）を利用する時、被検査体１に発生する誘導電流Ｊの浸透深さδは、「最表面に流れる誘導電流の電流密度に対して、１／ｅ（３７％）になる時の深さ」と定義されている。

δ：誘導電流の浸透深さ、ｆ：周波数、μ：透磁率、σ：導電率
数式（５）から周波数ｆが高くなる程、誘導電流Ｊの浸透深さδは浅くなる。検査対象の材質によるが、浸透深さδから周波数ｆの上限が決まる。
一般的な金属の誘導(渦)電流Ｊの浸透深さδを示す数式５を利用した場合、被検査体１をＣＦＲＰ（透磁率μ＝４π×１０^-7Ｈ／ｍ、厚さ方向の導電率σ＝２０Ｓ／ｍ）とすると、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの場合、誘導電流の浸透深さδは１５ｍｍ程度、ｆ＝１００ＭＨｚの場合、１１ｍｍ程度となり、大型厚肉部材に対して適用可能である。

次に本発明の測定手順を説明する。「第２項（Ｊ_D）が第１項（Ｊ_c）を少なくとも越えた周波数領域」において、検査コイル１０の共振周波数を予め測定する。そして、「該周波数領域」に於いて、該検査コイル１０により被検査体１のマトリックス樹脂５と同じ樹脂の複数の硬化度についての共振周波数に於けるインピ―ダンス値を測定する。これを基準インピ―ダンス値とする。

然る後、絶縁プレート２１を介して、被検査体１をＸＹテーブル２０上に固定し、螺旋円形の検査コイル１０を被検査体１に対して垂直に立てて配置する。検査コイル１０の共振周波数は予め分かっているので、その共振周波数の高周波電流又は高周波パルス電流をオシレータ１４から検査コイル１０に流す。これにより、検査コイル１０に磁束φ１が発生し、被検査体１を貫く。

被検査体１では、磁束φ１に起因する誘導電流Ｊが発生し、磁束φ２を生起する。この磁束φ２に起因する誘導起電力ｖがピックアップ機能を兼務する検査コイル１０に発生する。この誘導起電力ｖの大半は第２項（Ｊ_D）によるものである。
ピックアップされた誘導起電力ｖは増幅ユニット１６にて増幅され、Ａ／Ｄ変換器１８によりデジタル信号に変換されてパーソナルコンピューター１２に取り込まれ、誘導起電力ｖに起因するインピーダンス値が算出され、基準インピ―ダンス値と比較される。
検出されたインピーダンス値が完全硬化状態の基準インピ―ダンス値に近い程、硬化が進んでいることが分かる。

大型部品の場合、マトリックス樹脂の硬化度は場所によって少しずつ異なることがある。そこでＸＹテーブル２０をＸ軸、Ｙ軸方向に所定の速度で移動させ、検査コイル１０を被検査体１に沿って所定方向に走査する。これによりマトリックス樹脂５の硬化度の度合に基づき誘導起電力ｖの大きさが変化するので、この変化をピックアップ機能を兼務する検査コイル１０のインピーダンス変化として検出し、被検査体１全体の硬化度を連続的に測定することができる。これにより大型部品でも厚さも含めての全面検査が可能となる。
部品の厚みに合わせて検査コイル１０を変え、複数の周波数で測定することも可能である。周波数が高い程、浸透深さδは浅くなるが、第１項（Ｊ_c）に対して第２項（Ｊ_D）が顕著に表れ測定精度が向上する。
上記の場合はピックアップ機能を兼務する検査コイル１０をＸＹテーブル２０に載置固定して移動するようになっているが、当然、被検査体１を移動させてもよい。検査コイル１０と被検査体１との関係は、被検査体１の検査のために一方に対して他方を相対的に移動させることになる。

（実施例）
マトリックスをエポキシ樹脂としたＣＦＲＰのプリプレグ（エポキシ樹脂：炭素繊維＝３３：６７（体積比））を用意し、１００℃で３０分、６０分、１２０分の加熱処理を施した未硬化状態のものと、１５０℃で１２０分の加熱処理を施した完全硬化状態のものとを用意し、それぞれのインピーダンスを測定した。測定共振周波数は（□：５．７ＭＨｚ、■：５６．９ＭＨｚ）である。
完全硬化状態のもののインピーダンスはいずれの場合も、１１８Ω又は１１９Ω程度を示し、発生熱量は０である。
また、１００℃で１２０分の加熱処理を施した未硬化状態のものは、いずれも完全硬化状態のものに近く１２５Ωを示し、１００℃で６０分の加熱処理を施した未硬化状態のものはいずれも１３０Ωを示した。
しかしながら、１００℃で３０分の加熱処理を施した未硬化状態のものは、５．７ＭＨｚでは１３５Ωを示し、５６．９ＭＨｚでは１６５Ωを示し、多く乖離した。この結果を図７に示す。
なお、図の横軸は硬化が完全に完了するまでに硬化反応により発生する転移エンタルピー△Ｈであり、単位質量（ミリグラム）当たりの熱量（ミリジュール）で表され、この値が大きい程、未硬化度が高いことを示す。縦軸はインピーダンス（Ω）である。
これにより被検査体１のインピーダンス（Ω）を測定することで、被検査体１のマトリックス樹脂５の硬化度を非破壊で正確に検査できる。また、周波数が高い程、未硬化状態の検出精度が高いことが分かる。

Ａ：検査装置、Ｅ：電場、ｆ：周波数、Ｊ：誘導電流（渦電流）、Ｊ_c：伝導電流、Ｊ_D：変位電流、Ｋ：欠陥、φ：磁束、φ１：検査コイル内に発生する磁束、φ２：反作用磁束、σ：導電性フィラーの導電率（導電性フィラーの種類により固有）、ｊ：虚数記号、ω：２πｆ、ε：マトリックス樹脂の誘電率、μ：透磁率、δ：誘導電流の浸透深さ、ｖ：ピックアップ機能を兼務する検査コイルに発生する誘導起電力（信号強度）、
１：被検査体、２：導電性フィラー、５：マトリックス樹脂、８：導電性フィラー同士の接点、９：導電性フィラーが近接する変位電流が流れるポイント、１０：検査コイル、１０ａ：コア、１１：ピックアップコイル、１２：パーソナルコンピューター、１４：オシレータ、１６：増幅ユニット、１８：Ａ／Ｄ変換器、２０：ＸＹテーブル、２１：絶縁プレート、３０：電源。

Claims (5)

1. 互いがその一部で繋がっている導電性フィラーと、絶縁プレートであるマトリックス樹脂とで構成された、被検査体である導電性フィラー強化プラスチックスに対して検査コイル、或いは検査コイルと該検査コイルとは別に用意されたピックアップコイルとを配置し、
   前記検査コイルに高周波電流又は高周波パルス電流を通電して磁束を発生させ、
   前記磁束は、前記被検査体を貫き、前記導電性フィラーに伝導電流を発生させると共に前記マトリックス樹脂に変位電流を発生させて、前記伝導電流と前記変位電流の和である誘導電流を前記被検査体に発生させ、
   前記伝導電流と前記変位電流に起因する反作用磁束にて前記検査コイル、或いは前記ピックアップコイルに誘導起電力或いはインピーダンスを発生させ、
   前記伝導電流より前記変位電流の方が大となる高周波領域に於いて前記誘導起電力或いは前記インピーダンスを検出することを特徴とする導電性フィラー強化プラスチックスの樹脂硬化度測定方法。
2. 前記高周波領域において、複数の周波数で前記誘導起電力或いは前記インピーダンスを検出することを特徴とする請求項１に記載の導電性フィラー強化プラスチックスの樹脂硬化度測定方法。
3. 前記高周波領域が５ＭＨｚを越える範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の導電性フィラー強化プラスチックスの樹脂硬化度測定方法。
4. 前記検査コイル、又は前記検査コイルと前記ピックアップコイルとを前記被検査体に対して所定方向に移動させる、或いは前記検査コイル、又は前記検査コイルと前記ピックアップコイルに対して前記被検査体を所定方向に移動させることを特徴とする請求項１〜３にいずれかに記載の導電性フィラー強化プラスチックスの樹脂硬化度測定方法。
5. 前記導電性フィラーは、導電性繊維、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、金属粒子の内の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の導電性フィラー強化プラスチックスの樹脂硬化度測定方法。