JP2019045322A - プローブ、及びそれを用いた導線性繊維強化型積層体のスカーフ面の積層形状同定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化型積層体の補修を自動化を実現するプローブの提供を課題とする。【解決手段】一様渦電流多軸差動型プローブＰは、渦電流Ｕを発生させる円形励磁コイル１０と、複数のピックアップコイル１１と、円形励磁コイル１０を両側から挟むように設けられた一対の矩形励磁コイル９とで構成される。前記矩形励磁コイル９は、該矩形励磁コイル９の下辺９１を含む平面が、隣接する前記ピックアップコイル１１の中心を結ぶ直線に対して平行に配置され、又は隣接するピックアップコイル１１の間を通る直線Ｌ２に対して直角に配置されている。矩形励磁コイル９の下辺９１は円形励磁コイル１０を含む平面と同一又は該平面の上下に位置し、該平面に平行な平面内に設けられている。一対の矩形励磁コイル９の巻き方向は、互いに高周波励磁電流が逆方向に流れるように巻かれている。【選択図】図２

Description

本発明は、強化材としての炭素繊維や金属繊維のような導電性繊維を用いた積層体の補修または接合のためのスカーフ面における、積層形状同定に効果的なプローブと該プローブによる積層形状同定方法に関する。

現在、広く使用されている積層体の一つ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一方向に引き揃えてシートに形成し、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）を均等に含浸させてプリプレグとし、これを多数積層し、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。このようなＣＦＲＰにおいて、用いられる部品の強度や構造体の部位によってプリプレグの一方向に引き揃えられた炭素繊維の方向を様々に設定することによって炭素繊維の方向を様々に設定する。

このような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、構造体或いはその部品として使用されている間に、破損したり、衝撃により層間剥離が生じることがある。破損した部品や構造体については、その破損状況により、損傷許容範囲内として修理不要と判断される場合、修理不可能として交換あるいは廃棄と判断される場合、その中間として修理を選択する場合がある。修理する場合、破損した部分を切除して、切除部分を新たに作成し、「スカーフ状重ね接合」「段階状重ね接合」「二重重ねテーパー接合」「二重重ね接合」「単一重ねテーパー接合」「単一重ね接合」などの接合方法を用いて切除した部分を修復する。

大型の構造体で、例えば、飛行機の翼の内部で層間剥離が発生した場合には、層間剥離した部分まで円錐台形に削り取り、更に切除面を大きくテーパー状に研削し、接着フィルムを介してプリプレグパッチを当該部分に積層し、然る後、硬化させるというような補修方法がとられる。

航空機の翼や胴体部分に用いられたＣＦＲＰの補修は、欠陥発生箇所を含む部分を浅い角度で円錐台状にスカーフ研削し、スカーフ研削面に表れた多数の層の強化繊維の配向方向を一層ずつ調べ、削り取られた層の大きさに合わせて未硬化のプリプレグを用意し、削り取られた層の強化繊維の配向方向に合わせて前記の未硬化のプリプレグを張り付け、最後に削り取られた部分に積層した未硬化のプリプレグを硬化させる、という非常に高度且つ熟練した手作業による技術を必要とするため、現在では、海外の専門修理工場に依頼している。国内において上記の補修方法をとることができないため、例えば、特許文献１に示すような方法が採用されている。

特開２０１４−１８８９９８号公報

特許文献１に開示された補修方法は、補修部分の上に抵抗発熱体と炭素繊維強化樹脂を含む修理パッチを接着剤で張り付け、抵抗発熱体に通電してこれを発熱させ、接着剤を硬化させてこの補修パッチを修理部分に接着するというものである。この方法は、胴体や翼の表面に補修部分が盛り上がり、外観が好ましくないだけでなく、表面を流れる気流に乱流を生じさせるため抵抗増大に繋がるという問題がある。

このような状況下において、今後の繊維強化型積層体を構造部材に適用した航空機需要は、増大の一途を増すものと考えられており、国内での補修が喫緊の課題となっている。
上記のスカーフ研削補修工程の内、最も手間がかかる工程（従って、技術的には可能であるとしてもコスト的に日本国内で行うことが困難）は、スカーフ研削面に表れる多数の層の強化繊維の配向方向の同定と、補修のためのプリプレグ（補修パッチ）を正確に切り出す工程である。この工程を自動化できれば国内の航空機補修拠点を一挙に増やすことができ、その自動化技術が待たれている。
なお、上記スカーフ研削補修は、航空機に限らず繊維強化型積層体全般に求められていることである。

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、導電性を有する繊維を用いた繊維強化型積層体の補修を自動化することができる方法と、該方法を実現するプローブの提供をその課題とする。

請求項１に記載の発明は、一様渦電流多軸差動型プローブに関する。
修理対象物の検査面であるスカーフ面に渦電流を発生させる円形励磁コイルと、
前記円形励磁コイルの内側において、該円形励磁コイルの同心円上にて等しい間隔で配置され、前記渦電流に起因する誘導起電力を生成する複数のピックアップコイルと、
前記円形励磁コイルを両側から挟むように設けられた一対の矩形励磁コイルとで構成されたプローブであって、
前記矩形励磁コイルは、該矩形励磁コイルの下辺を含む平面が、隣接する前記ピックアップコイルの中心を結ぶ直線に対して平行に配置され、又は隣接する前記ピックアップコイルの間を通る直線に対して直角に配置され、
前記一対の矩形励磁コイルの巻き方向は、互いに高周波励磁電流が逆方向に流れるように巻かれていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、回転一様渦電流多軸差動型プローブに関する。
請求項１に記載のプローブにおいて、複数対の前記矩形励磁コイルが前記直線に対して直角或いは平行に配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のプローブにおいて、前記矩形励磁コイル、前記円形励磁コイル及び前記ピックアップコイルを前記円形励磁コイルの中心軸の周りに回転させる回転駆動体が更に設置されていることを特徴とする。

請求項４は、請求項１に記載のプローブを用いた導電性繊維強化積層体のスカーフ面の積層形状同定方法であって、
修理対象物である繊維強化型積層体の表面に対して傾斜して切除されて形成されたスカーフ面に沿って前記プローブを相対的に移動させ、且つ前記矩形励磁コイルと前記円形励磁コイルに交互に高周波電流を印加し、
前記繊維強化型積層体を構成する１の硬化層の前記スカーフ面に前記プローブが位置している時、該プローブを回転させて前記矩形励磁コイルに由来する、前記スカーフ面に発生した渦電流を前記複数のピックアップコイルのうちの一対のピックアップコイルにて検出し、
前記スカーフ面に現れる、前記繊維強化型積層体を構成する隣接した硬化層の境界を前記プローブが通過する時、前記円形励磁コイルに由来する、前記スカーフ面に発生した渦電流を前記複数のピックアップコイルのうちの一対のピックアップコイルにて検出することを特徴とする。

請求項５は、請求項２に記載のプローブを用いた導電性繊維強化積層体のスカーフ面の積層形状同定方法であって、
修理対象物である繊維強化型積層体の表面に対して傾斜して切除されて形成されたスカーフ面に沿って前記プローブを相対的に移動させ、且つ前記矩形励磁コイルと前記円形励磁コイルに交互に高周波電流を印加し、
前記繊維強化型積層体を構成する１の硬化層のスカーフ面に前記プローブが位置している時、該プローブを固定状態にして前記矩形励磁コイルに由来する、前記スカーフ面に発生した渦電流を前記複数のピックアップコイルのうちの一対のピックアップコイルにて検出し、
前記スカーフ面に現れる、前記繊維強化型積層体を構成する隣接した硬化層の境界を前記プローブが通過する時、前記円形励磁コイルに由来する、前記スカーフ面に発生した渦電流を前記複数のピックアップコイルのうちの一対のピックアップコイルにて検出することを特徴とする。

本発明のプローブは、矩形励磁コイルを有するので、従来のパンケーキ型のプローブに比べてスカーフ面の繊維の配向方向をより明瞭に画像化できる。また、円形励磁コイルを有するので、繊維強化型積層体のスカーフ面における、隣接する層の境界を明確に捉えることができる。
即ち、プローブをスカーフ面に沿ってくまなくスキャンさせて、スカーフ面全面における、隣接する硬化層の境界を等高線図（コンター図）的に明確に捉えることができれば、切除した各硬化層の形状を明確に知ることができる。そして、矩形励磁コイルによって、切除部分の各硬化層の繊維方向を明確に同定できれば、切除した各硬化層の繊維方向が分かる。両者を組み合わせることで、切除部分の各硬化層の形状と繊維方向とを知ることができ、このデータを自動機（例えば、レーザー切断機）に与えることで、正確な補修パッチを自動的に製作出来る。

（ａ）は本発明の検出装置全体の構成図、（ｂ）は他の検出装置全体の構成図である。 本発明の一様渦電流多軸差動型のプローブ構成の一例の斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は図２のプローブ構成及びその他の例の平面図である。 本発明の回転一様渦電流多軸差動型プローブ構成の斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は図４のプローブ構成及びその他の例の平面図である。 （ａ）は本発明によるスカーフ面の検査状態を示す斜視図、（ｂ）は検査結果を可視化した写真である。 従来方法でよる配向方向の可視化した写真画像である。 本発明のプローブによる境界検出の模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は境界の検出結果を示すグラフである。 補修方法の一例を示すフロー図である。 修理対象である積層体内の導電性繊維とマトリックスの関係、及びこれらを流れる渦電流を示す模式図である。

以下、添付図面に従って本発明を詳述する。まず、本発明が適用される修理対象物１について説明する。修理対象物１は、背景技術で述べたように導電性繊維強化型積層体である。この導電性繊維強化型積層体は、強化繊維である導電性繊維２の配向方向を違えて複数枚のプリプレグを積層し、これを硬化させたものである。プリプレグの配向方向は用いられる部材の要求される強度による。プリプレグは、一方向に引き揃えられた導電性繊維２と、前記導電性繊維２を含むマトリックス５（熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂或いはセラミック）との複合材料の半乾燥品である。

導電性繊維２としては、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。

母材であるマトリックス５に埋設された導電性繊維２は隣接する他の導電性繊維２との接点８で電気的に繋がっており、導電性繊維２内を優先的に渦電流Ｕが流れるようになっている。ただ、高周波の渦電流Ｕにより充放電を繰り返すコンデンサの働きをなし、導電性繊維２より劣るが渦電流Ｕが流れるようになっている。（図１１）

マトリックス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。上記導電性繊維２は上記の周知方法でマトリックス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。その他、セラミックも用いられる。

修理対象物１に層間剥離Ｓその他の欠陥が発生した場合、層間剥離Ｓを含む欠陥部分を円錐台状に研削した後、更に広く研削にて切除する（図１０（ａ）〜（ｃ））。その他、図示していないが、生じた欠陥を含めて修理対象物１を平面状態で斜めに切除したり、Ｖ形に切除する場合もある。そして当該切除部分に合致した補修品を用意することになる。補修に当たっては、切除方法は研削、切削その他適宜な方法が採用される。

上記補修に際して、斜めに切除した面をスカーフ面６という。このスカーフ面６のテーパー傾斜度は（深さ）１：（積層体表面に対する斜面の投影長さ）３０〜５０と緩い傾斜面である。このスカーフ面６には積層された各硬化層４の傾斜した端面４ａが現れる。この場合、１つの層（硬化層）４の幅Ｗは、ＣＦＲＰの場合は、使用するプリプレグの厚さやテーパー傾斜度にもよるが、一般的には７ｍｍ程度である。そして、この傾斜端面４ａには各硬化層４内の導電性繊維２の傾斜切断面が現れ、その周囲をマトリックス５が取り巻いている。

この導電性繊維２はスカーフ面６から前記スカーフ面６の傾斜角度で修理対象物１の内部に入り込んでおり、次第にスカーフ面６から離れて行く。渦電流Ｕは、マトリックス５より導電性繊維２の方が流れやすいので、この導電性繊維２に沿って流れようとするが、導電性繊維２は後述する矩形励磁コイル９から次第に離れて行くので急速に流れにくくなる。
これに対して、金属ではこのような方向性がないし、積層体１でも表面では、導電性繊維２が表面に対して一方向に平行に走っているので、渦電流Ｕが急速に流れにくくなるというようなことなない。それ故、スカーフ面６に於ける検査と、積層体１の表面に於ける検査とは異なる。
また、１つの硬化層４内には導電性繊維２が密に詰まっているが、硬化層４の境界Ｋ（図６、図８）付近ではマトリックスリッチであり、それ故、隣接する硬化層４の境界Ｋ付近は硬化層４の内側より渦電流Ｕが流れにくい。

本発明のプローブＰは、一様渦電流多軸差動型と、回転一様渦電流多軸差動型の２種類があり、まず、一様渦電流多軸差動型プローブＰを説明し、続いて回転一様渦電流多軸差動型プローブＰを説明する。いずれのプローブＰも基本的には、円形励磁コイル１０と、複数のピックアップコイル１１と、一対（複数対）の矩形励磁コイル９とで構成される。一様渦電流多軸差動型プローブＰは、回転動作が含まれるため、更に回転駆動体２５が設置されている。回転駆動体２５を設けない場合には、例えば、多関節ロボットアームのような駆動体にプローブＰを取り付け、回転させるようにしてもよい（図２、図４）。

円形励磁コイル１０は、円形に巻かれたコイルで、修理対象物１のスカーフ面６に近接させ、且つある程度平行に配置される。

ピックアップコイル１１は円形の同一形状（同一直径、同一巻き数、同一巻き方向）のコイルで、円形励磁コイル１０の内側に配置され、該円形励磁コイル１０の同心円上にて等しい間隔で配置される。ピックアップコイル１１は対として使用されるため、その数は２以上である。設置数は、測定の規則性から偶数であることが好ましいが、奇数でも良い。その最大数は円形励磁コイル１０の大きさにより制限される。本発明では８個が最大であるが、修理対象物１によってはこれに限られない。ピックアップコイル１１の数が多いほど、得られるデータ量が多くなる。本実施例では、ピックアップコイル１１の数を４としたものを代表例として説明する。
なお、ピックアップコイル１１と矩形励磁コイル９は、アラビア数字で表すが、複数個存在するので、それぞれを区別する場合はアルファベット小文字をアラビア数字に付す。

一様渦電流多軸差動型プローブＰでは、矩形励磁コイル９は一対（２個）だけで用いられ、円形励磁コイル１０を両側から挟むように設けられている。一対の矩形励磁コイル９の配置間隔は最大で、修理対象の積層体１を構成する１枚の硬化層４のスカーフ面６に表れた幅Ｗ以下である。ＣＦＲＰの場合は、硬化層４のスカーフ面６に表れた幅Ｗが７ｍｍ程度なので、一対の矩形励磁コイル９の配置間隔は７ｍｍ以下である。一対の矩形励磁コイル９ａ・９ｂの巻き方向は、互いに励磁電流が逆方向に流れるように巻かれる。

矩形励磁コイル９とピックアップコイル１１との配置関係は、矩形励磁コイル９の四辺（或いは後述するように、矩形励磁コイル９が四角形でない場合は、少なくとも下辺９１を含む平面が、図３（ａ）に示すように、隣接するピックアップコイル１１ａ・１１ｂ（１１ｃ・１１ｄ）の中心を結ぶ直線（図示せず）に対して平行に配置されている。（換言すれば、隣接するピックアップコイル１１ａ・１１ｂ（１１ｃ・１１ｄ）の中間を通る直線Ｌ２に対して直角に配置され、図３（ｂ）は、ピックアップコイル１１ａ・１１ｃの中心を通る直線Ｌ１に対して直角に配置される。
そして、矩形励磁コイル９の下辺９１はスカーフ面６に近接して沿うように設けられる。その場合、前記下辺９１は測定の上で円形励磁コイル１０を含む平面と同一、又は該平面の上下に位置し、該平面に平行な平面内に設けられるのが好ましい。
なお、矩形励磁コイル９は、本実施例では矩形のコイルが使用されているので矩形という名称が使用されているが、下辺９１が直線で修理対象物１のスカーフ面６にある程度平行に配置されるようになっておれば、スカーフ面６に一方向の渦電流Ｕ（以下、一様渦電流Ｕとも言う。）を生起させるという機能を満足するので、四角形に限定されない。（換言すれば、下辺９１が、スカーフ面６にある程度平行に配置されるようなコイルであれば足る。）
図３（ｃ）〜図３（ｆ）は、図３（ａ）（ｂ）の変形例で、ピックアップコイル１１が６、８の場合を示す。ピックアップコイル１１の中心を通過する直線Ｌ１やピックアップコイル１１の間を通過する直線Ｌ２と矩形励磁コイル９との関係は上記と同じである。ピックアップコイル１１は６、８の例を示すが、上記のようにこれに限定されるものでない。使用方法は後述する図３（ａ）と同じであるが、ピックアップコイル１１の数か増加するので、得られるデータ量は増える。なお、図３の（ａ）（ｃ）（ｅ）と同図（ｂ）（ｄ）（ｆ）は、矩形励磁コイル９と直線Ｌ１、Ｌ２との関係で、両者の対向する角度がずれているが、ずれを考慮した処理で同じ測定結果が得られる。

一様渦電流多軸差動型プローブＰでは、プローブＰ自体を回転させる必要があるので、上記矩形励磁コイル９、円形励磁コイル１０、及びピックアップコイル１１を一体として回転させる、例えば、ステッピングモータのような回転駆動体２５（図１（ａ））がプローブＰのケーシング（図示せず）内に設置されている。回転駆動体２５は、上記ピックアップコイル１１その他を円形励磁コイルの中心軸の周りに回転させる。（ロボットアームを使用する場合でも、同様に円形励磁コイルの中心軸の周りに回転させることになる。）

図４に示す回転一様渦電流多軸差動型プローブＰは、矩形励磁コイル９が複数対（ピックアップコイル１１の数に等しい数でも良いし、異なってもよい。）設置されること、上記回転駆動体２５が不要であるという点だけで、残る構造は、上記図２の一様渦電流多軸差動型プローブＰと同じである。装置の構成では、（図１（ｂ））に示すように、同図（ａ）の構成に、各対の矩形励磁コイル９に与える交流の位相をずらす位相器２３を設けた。なお、この回転一様渦電流多軸差動型プローブＰの矩形励磁コイル９は、隣接する矩形励磁コイル９同士が干渉しないようにするため、下辺９１の長さは制限される。この矩形励磁コイル９は、例えば図５（ａ）〜（ｆ）に示すように均等で且つ対称に設置される。
前記位相器２３は、オシレータ１４から各対の矩形励磁コイル９に接続され、上記のように各対の矩形励磁コイル９に与える交流の位相をずらす。

次に、本発明の検出装置全体の構成に付いて説明する（図１（ａ））。
オシレータ１４は、任意の周波数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矩形・円形励磁コイル９・１０にそれぞれ供給する。なお、所定の高周波交流に変えてパルス電流を供給するようにしても良い。本実施例では、矩形・円形励磁コイル９・１０に２ＭＨｚを超える高周波電流(又は高周波パルス電流)を印加する。

ディファレンシャルアンプリファイア１９は、任意の２個のピックアップコイル１１で発生した誘導起電力或いはインピーダンスの差(差動信号)を増幅する装置である。

ロックインアンプリファイア１６は、オシレータ１４で発生させた任意の周波数の交流を参照信号として、ディファレンシャルアンプリファイア１９で増幅された差動信号のうち、参照信号周波数と等しい成分のみを増幅し、出力させる装置である。

Ａ／Ｄコンバータ１８は、ロックインアンプリファイア１６より出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換してコンピュータ１２に出力する装置である。

モーターコントローラ１５は、図２の一様渦電流多軸差動型プローブＰを周方向に回転させるための回転駆動体２５を制御する装置である。
ステージコントローラ１７は、修理対象物１である積層体を搭載したＸ−Ｙ−θステージ２０を制御する装置である。
なお、ここでは修理対象物１の（前後左右回転）移動のためにＸ−Ｙ−θステージ２０を用いた例を示したが、勿論、これに限らず、例えば多関節ロボットのようなものをＸ−Ｙ−θステージ２０の代わりに使用し、修理対象物１の移動を実現させてもよい。なお、Ｘ−Ｙ−θステージ２０を使用する場合、絶縁のために修理対象物１とＸ−Ｙ−θステージ２０との間に絶縁シート２１が設けられる。
コンピュータ１２は得られた信号から必要な画像処理を行ったり、Ｘ−Ｙ−θステージ２０の制御、プローブＰの回転駆動体２５の制御を司る。コンピュータ１２内には空間ＦＦＴ画像処理部１２ａが内蔵されている。
モニター１３はコンピュータ１２に接続されて処理された画像を映し出す。

次に、本発明のプローブＰによる同定方法について説明する。まず、一様渦電流多軸差動型プローブＰは図２の構成を代表例として説明する。その説明の後で、図４の回転一様渦電流多軸差動型プローブＰを、図４の構成を代表例として説明する。
測定はスカーフ面６における硬化層４の境界Ｋの同定と、導電性繊維２の配向方向の同定の２つがあり同時に行われる。

測定に当たって、スカーフ面６の測定の起点となる適宜な位置に一様渦電流多軸差動型プローブＰをセットする。プローブＰの測定面はスカーフ面６に近接させ、且つ平行に配置される。この状態でプローブＰを回転させ、後述のように矩形励磁コイル９を励磁して繊維配向方向をある程度特定し、その状態でプローブＰを移動させ、円形励磁コイル１０を励磁して後述のように隣接する硬化層４の境界Ｋを特定する。そして、当該硬化層４のスカーフ面６でプローブＰを回転させながら矩形励磁コイル９の励磁を行い、当該硬化層４の配向方向を特定する。このように矩形励磁コイル９と円形励磁コイル１０の励磁のタイミングをずらし、上記プローブＰの修理対象物１のスカーフ面６に対する２次元走査（スキャン）により得たデータにより、２次元空間フーリエ変換を用いた画像処理（周知）によって各硬化層の繊維配向と境界Ｋを同定する。

以下、繊維方向の同定方法を示す。プローブＰは１つの硬化層４のスカーフ面６にセットされた状態である。
（１）この状態で、プローブＰを回転させつつ矩形励磁コイル９ａ・９ｂに高周波電流を流す。これにより、矩形励磁コイル９ａ・９ｂに由来する一方向の渦電流Ｕ（一様渦電流Ｕ）が矩形励磁コイル９ａ・９ｂの下辺９１に沿ってスカーフ面６に流れる。
プローブＰの回転に連れて矩形励磁コイル９ａ・９ｂの下辺９１の長手方向とスカーフ面６に現れた繊維配向方向とが合致すると、選択した一対のピックアップコイル１１の誘導起電力（或いはインピーダンス）の差分が最大を示す。この時の矩形励磁コイル９ａ・９ｂの下辺９１の角度（或いは方向）が繊維配向の角度（或いは方向）になる。即ち、図６（ａ）（ｂ）で配向方向が‐４５°の硬化層４のスカーフ面６上で、回転している矩形励磁コイル９ａ・９ｂの下辺９１の方向が‐４５°となって一致すると、一様渦電流Ｕは‐４５°方向に強く流れ、一対のピックアップコイル１１ａ・１１ｂ、１１ｃ・１１ｄの差動信号はほぼ０、他の一対のピックアップコイル１１ｂ・１１ｄ、１１ａ・１１ｃは最大値を示す。この点は、他の角度（４５°、９０°、０°）でも同じである。

図６（ｂ）の画像は、各硬化層４における本発明の渦電流信号を可視化したもので、（ｂ）の上がスペクトル画像、下がこれを画像処理したＣスキャン画像（コンター図）である。スペクトル画像ではそれぞれの角度（４５°、９０°、−４５°、０°）において、明瞭な直線（輝線）が現れていることが分かる。
これに対して、図７は比較のために挙げたもので、従来方法で得られた画像である。図７の上のスペクトル画像は図６（ｂ）のスペクトル画像に比べて不明瞭である。従って、このスペクトル画像から得たＣスキャン画像（コンター図）は図６のＣスキャン画像（コンター図）より不明瞭である。

（２）次に、境界Ｋの同定の手順について説明する。
円形励磁コイル１０を励磁しつつプローブＰをスカーフ面６上で移動させる。円形励磁コイル１０への高周波電流の印加によりスカーフ面に渦電流Ｕを発生させる。スカーフ面６からは円形励磁コイル１０の範囲内で渦電流Ｕによる反作用磁束が生じる(図)８（ａ））。この時点ではすべてのピックアップコイル１１ａ〜１１ｄにほぼ等しい誘導起電力が発生するので、着目しているピックアップコイル１１ａ・１１ｃの差分は０になる。

この状態で、境界Ｋに向かってプローブＰを移動させ、円形励磁コイル１０の先端が境界Ｋを越えると、境界Ｋはマトリックスリッチで導電性繊維リッチな硬化層４の内部より渦電流Ｕが流れにくくなり、先頭部分に於いて渦電流Ｕの流れが阻害され、反作用磁束は減少する。しかしながら、円形励磁コイル１０の後端部分ではそのような阻害を受けていないので、反作用磁束はそのままである（図８（ｂ））。

先頭部分のピックアップコイル１１ａは、この阻害部分の影響を受けて、誘導起電力が低下する。一方、最後尾のピックアップコイル１１ｃは上記のように影響を受けていないので、誘導起電力は低下しない。先頭部分のピックアップコイル１１ａと最後尾のピックアップコイル１１ｃの差分を取ると、グラフのように誘導起電力は０を下回る。

円形励磁コイル１０が境界Ｋを越えた直後の位置では、境界Ｋがスカーフ面に対して進行方向斜めに入り込んでいるので、境界Ｋを越えた直後の部分の硬化層４は浅く、反作用磁束は境界Ｋに近い程小さい。従って、大きく回復した先頭側の反作用磁束を検知する先頭のピックアップコイル１１ａの誘導起電力は大きくなり、回復が遅い後端側の反作用磁束を検知する最後尾のピックアップコイル１１ｃの誘導起電力は小さい。従って、先頭のピックアップコイル１１ａの誘導起電力と最後尾のピックアップコイル１１ｃの誘導起電力の差分を取れば、プローブＰの進行と共に誘導起電力は０に向かって回復する（図８（ｃ））。

プローブＰが境界Ｋから十分離れると、反作用磁束は境界Ｋの影響を受けず、先頭のピックアップコイル１１ａの誘導起電力と最後尾のピックアップコイル１１ｃの誘導起電力はほぼ等しくなり、差分はほぼ０になる（図８（ｄ））。

上記事例では、差分が最も大きく現れる最前のピックアップコイル１１ａと最後尾のピックアップコイル１１ｃを採用して説明したが、境界Ｋに対してプローブＰの移動方向が直角方向にならない場合もあり、任意のピックアップコイルの対を選定し、その差分を検出することで、境界Ｋの位置を同定することができる。境界Ｋの前後の繊維配向の情報を利用することで、有限要素法を用いた電磁場数値解析によってずれの距離を正確に予測することができるので、予め作成した数値解析のデータベースとの照合によってこのずれを補正し、真の境界Ｋの位置を同定することができる。

以上の操作により、矩形励磁コイル９と円形励磁コイル１０からの信号をそれぞれ交互にピックアップコイル１１ａ〜１１ｄで取得する。矩形励磁コイル９を励磁した時の信号から繊維配向を上記のように同定し、円形励磁コイル１０を励磁した時の信号で境界位置を同定する。これにより、スキャンしている硬化層４のインピーダンス（誘導起電力を印加した電流値で除した値の差分）の絶対値）のコンター図（等高線図）を得る。画像はコンピュータ１２に繋がれたモニター１３で確認できる。

（３）繰り返しになるが、以上のようにスカーフ面６上で矩形励磁コイル９の励磁→円形励磁コイル１０の励磁→プローブＰの移動→矩形励磁コイル９の励磁→円形励磁コイル１０の励磁→プローブＰの移動・・・と言うように、タイミングをずらして励磁を行い、上記プローブＰの修理対象物１のスカーフ面６に対する２次元走査（スキャン）により得たデータにより、２次元空間フーリエ変換を用いた画像処理（周知）によって各層の繊維配向と境界Ｋを同定する。このような（１）〜（３）を繰り返し、スカーフ面の積層形状を決定する。

次に、回転一様渦電流多軸差動型プローブＰに付いて説明する（図１（ｂ）、図４、図５）。この場合は、対となる矩形励磁コイル９が複数対、既述のように方向を違えて配置されているので、これらに対ごとに位相をずらした高周波電流を印加するだけで、スカーフ面６には、あらゆる方向の一様渦電流Ｕが、経過時間に従って方向を絶えず変化させながら発生する。プローブＰが或る１の硬化層４上にセットされているとすると、一様渦電流Ｕの方向が該硬化層４の繊維配向方向と一致したときに最大の誘導起電力を発生する。
これを対となるいずれかのピックアップコイル１１で検出し、その差分を取れば、いずれかの対となるピックアップコイル１１が他の対に比べて大きな値を示す。これにより本プローブＰは、繊維配向方向を検知することができる。境界Ｋの検出は既に述べたとおりである。

既述したように以上の方法でプローブをスカーフ面に沿ってくまなくスキャンさせ、隣接する硬化層の境界を等高線図（コンター図）的に明確に捉え、このデータを自動機（例えば、レーザー切断機）に与えることで、正確な大小さまざまな補修パッチ３（３ａ〜３ｎ）を自動的に製作出来るようになる。これを図示しない接着フィルムを介して補修穴７の底７ａから配向方向を確認しつつ積層し、最後にこれら補修パッチ３を硬化させることで完璧な補修が終了する（図１０）。

Ｋ：境界、Ｌ１・Ｌ２：直線、Ｕ：渦電流、Ｓ：層間剥離、Ｐ：プローブ、１：修理対象物（導電性繊維強化型積層体）、２：導電性繊維、３：補修パッチ、４：硬化層、４ａ：傾斜端面、５：マトリックス、６：スカーフ面、８：接点、９：矩形励磁コイル、１０：円形励磁コイル、１１：ピックアップコイル、１２：コンピュータ、１３：モニター、１４：オシレータ、１５：モーターコントローラ、１６：ロックインアンプリファイア、１８：Ａ／Ｄコンバータ、１９：ディファレンシャルアンプリファイア、２０：Ｘ−Ｙ−θステージ、２５：回転駆動体、３０：電源、９１：下辺

図４に示す回転一様渦電流多軸差動型プローブＰは、矩形励磁コイル９が複数対（ピックアップコイル１１の数に等しい数でも良いし、異なってもよい。）設置されること、上記回転駆動体２５が不要であるという点だけで、残る構造は、上記図２の一様渦電流多軸差動型プローブＰと同じである。装置の構成では、（図１（ｂ））に示すように、同図（ａ）の構成に、各対の矩形励磁コイル９に与える交流の位相をずらす移相器２３を設けた。なお、この回転一様渦電流多軸差動型プローブＰの矩形励磁コイル９は、隣接する矩形励磁コイル９同士が干渉しないようにするため、下辺９１の長さは制限される。この矩形励磁コイル９は、例えば図５（ａ）〜（ｆ）に示すように均等で且つ対称に設置される。
前記移相器２３は、オシレータ１４から各対の矩形励磁コイル９に接続され、上記のように各対の矩形励磁コイル９に与える交流の位相をずらす。

以上の操作により、矩形励磁コイル９と円形励磁コイル１０からの信号をそれぞれ交互にピックアップコイル１１ａ〜１１ｄで取得する。矩形励磁コイル９を励磁した時の信号から繊維配向を上記のように同定し、円形励磁コイル１０を励磁した時の信号で境界の真の位置を同定する。これにより、スキャンしている硬化層４のインピーダンス（誘導起電力を印加した電流値で除した値の差分）の絶対値）のコンター図（等高線図）を得る。画像はコンピュータ１２に繋がれたモニター１３で確認できる。

Ｋ：境界、Ｌ１・Ｌ２：直線、Ｕ：渦電流、Ｓ：層間剥離、Ｐ：プローブ、１：修理対象物（導電性繊維強化型積層体）、２：導電性繊維、３：補修パッチ、４：硬化層、４ａ：傾斜端面、５：マトリックス、６：スカーフ面、８：接点、９：矩形励磁コイル、１０：円形励磁コイル、１１：ピックアップコイル、１２：コンピュータ、１３：モニター、１４：オシレータ、１５：モーターコントローラ、１６：ロックインアンプリファイア、１８：Ａ／Ｄコンバータ、１９：ディファレンシャルアンプリファイア、２０：Ｘ−Ｙ−θステージ、２３：移相器、２５：回転駆動体、３０：電源、９１：下辺

Claims (5)

1. 修理対象物の検査面であるスカーフ面に渦電流を発生させる円形励磁コイルと、
   前記円形励磁コイルの内側において、該円形励磁コイルの同心円上にて等しい間隔で配置され、前記渦電流に起因する誘導起電力を生成する複数のピックアップコイルと、
   前記円形励磁コイルを両側から挟むように設けられた一対の矩形励磁コイルとで構成されたプローブであって、
   前記矩形励磁コイルは、該矩形励磁コイルの下辺を含む平面が、隣接する前記ピックアップコイルの中心を結ぶ直線に対して平行に配置され、又は隣接する前記ピックアップコイルの間を通る直線に対して直角に配置され、
   前記一対の矩形励磁コイルの巻き方向は、互いに高周波励磁電流が逆方向に流れるように巻かれていることを特徴とするプローブ。
2. 請求項１に記載のプローブにおいて、複数対の前記矩形励磁コイルが前記直線に対して直角或いは平行に配置されていることを特徴とするプローブ。
3. 請求項１に記載のプローブにおいて、前記矩形励磁コイル、前記円形励磁コイル及び前記ピックアップコイルを前記円形励磁コイルの中心軸の周りに回転させる回転駆動体が更に設置されていることを特徴とするプローブ。
4. 請求項１に記載のプローブを用いた導電性繊維強化積層体のスカーフ面の積層形状同定方法であって、
   修理対象物である繊維強化型積層体の表面に対して傾斜して切除されて形成されたスカーフ面に沿って前記プローブを相対的に移動させ、且つ前記矩形励磁コイルと前記円形励磁コイルに交互に高周波電流を印加し、
   前記繊維強化型積層体を構成する１の硬化層の前記スカーフ面に前記プローブが位置している時、該プローブを回転させて前記矩形励磁コイルに由来する、前記スカーフ面に発生した渦電流を前記複数のピックアップコイルのうちの一対のピックアップコイルにて検出し、
   前記スカーフ面に現れる、前記繊維強化型積層体を構成する隣接した硬化層の境界を前記プローブが通過する時、前記円形励磁コイルに由来する、前記スカーフ面に発生した渦電流を前記複数のピックアップコイルのうちの一対のピックアップコイルにて検出することを特徴とする導電性繊維強化積層体のスカーフ面の積層形状同定方法。
5. 請求項２に記載のプローブを用いた導電性繊維強化積層体のスカーフ面の積層形状同定方法であって、
   修理対象物である繊維強化型積層体の表面に対して傾斜して切除されて形成されたスカーフ面に沿って前記プローブを相対的に移動させ、且つ前記矩形励磁コイルと前記円形励磁コイルに交互に高周波電流を印加し、
   前記繊維強化型積層体を構成する１の硬化層のスカーフ面に前記プローブが位置している時、該プローブを固定状態にして前記矩形励磁コイルに由来する、前記スカーフ面に発生した渦電流を前記複数のピックアップコイルのうちの一対のピックアップコイルにて検出し、
   前記スカーフ面に現れる、前記繊維強化型積層体を構成する隣接した硬化層の境界を前記プローブが通過する時、前記円形励磁コイルに由来する、前記スカーフ面に発生した渦電流を前記複数のピックアップコイルのうちの一対のピックアップコイルにて検出することを特徴とする導電性繊維強化積層体のスカーフ面の積層形状同定方法。