JP2019148493A - 繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム、繊維強化プラスチック複合材料モニタリング方法及び繊維強化プラスチック複合材料成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料の物性値を正確に測定すること。【解決手段】このシステムでは、成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料に傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサ１０の外周の一部又は全部を接触させ、傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサ１０にレーザ光を入射して透過スペクトルを得て、透過光スペクトルに基づき成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料の物性値をモニタリングする。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム、繊維強化プラスチック複合材料モニタリング方法及び繊維強化プラスチック複合材料成形品に関する。

繊維強化プラスチック複合材料（ＦＲＰ）は繊維とプラスチックとを組み合わせた材料であり、成形品内部にはボイド、繊維のうねり、予期しない変形等の不具合が発生することがある。これら不具合は成形後に非破壊検査で評価しているが、多大なコストが必要となっている。ＦＲＰ内部の温度変化やひずみ変化、樹脂の状態変化はこれら不具合の影響を大きく受けることが知られており、成形中にモニタリングできれば、成形後の検査の省略や簡素化が期待できるため、コスト削減に貢献できる。

ＦＲＰ内部に光ファイバセンサを埋め込み、ＦＲＰの成形中のひずみをモニタリングする手法が提案されている（例えば特許文献１）。特に光ファイバセンサは外形１５０μｍ程度と微細でＦＲＰへの埋め込みによる影響が小さい。また、電磁障害を受けにくく高い防爆性を有することから、ＦＲＰの成形モニタリング用のセンサとして適している。

最も代表的なコア部に屈折変調を与えることでグレーチング部を加工したファイバブラッググレーチング（ＦＢＧ）センサがある。このＦＢＧセンサはグレーチング部のひずみ変化に応じて反射光の波長が変化する。従って、波長変化を測定することでひずみ変化を検出できる（例えば特許文献２参照）。

特開平１１−１４２２６２号公報 特表２０１６−５４０１８８号公報

ＦＢＧセンサでは、フラッグ波長の反射光の変化を測定することでひずみを測定できるが、フラッグ波長の反射光の変化では成形中の樹脂の含浸度や硬化度などを計測することが難しい。

また、ＦＢＧセンサでは、成形後のひずみを測定することができるが、温度補償のために別の素子を用いて別途温度を測定する必要がある。その場合に、ひずみの測定位置と温度の測定位置とを一致させることができず、正確にひずみを測定できない。

本発明の目的は、成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料の物性値を正確に測定することができる繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム及び繊維強化プラスチック複合材料モニタリング方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムは、成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料に外周が接触する傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサと、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサにレーザ光を入射して透過スペクトルを得る解析部とを具備する。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムは、前記解析部により得られた透過光スペクトルに基づき前記成形中の繊維強化プラスチック複合材料の物性値を得る処理部を更に具備する。

傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサを用いることで、ブラッグ波長に加えてゴーストモード（ブラッグ波長に近い挙動）及びクラッディングモード（ブラッグ波長とは異なる挙動）が得られる。本発明では、これら挙動を解析することで、成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料の物性値を正確に測定することができる。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、前記処理部は、前記解析部により得られた透過光スペクトルのうち、ゴーストモード及びクラッディングモードの波長及び振幅の特徴点のうち少なくとも１つに基づき、前記成形中の繊維強化プラスチック複合材料のマトリクス樹脂の含浸度、結晶化度、硬化度及び残留溶媒量のうち少なくとも１つを測定してもよい。

典型的には、繊維に樹脂を含浸させて繊維強化プラスチック複合材料を成形する方法（ＶａＲＴＭ）では、樹脂がどこまで含浸したかを計測することは難しい。また、樹脂がどの程度硬化したかを計測することが難しい。本発明では、透過光スペクトルのうち、ゴーストモード及びクラッディングモードの波長及び振幅の特徴点を用いることで、形中の繊維強化プラスチック複合材料のマトリクス樹脂の含浸度、結晶化度、硬化度及び残留溶媒量を測定することができる。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、前記処理部は、前記解析部により得られた透過光スペクトルのうち、クラッディングモードの波形、ゴーストモードの波形及びブラッグの波形に基づき、前記成形中の繊維強化プラスチック複合材料の温度とひずみを同時に測定してもよい。

樹脂が硬化収縮を測定することは難しい。また、ＦＢＧセンサによってＦＲＰに発生するひずみを測定する場合に、別に温度も測定しておく必要がある。本発明では、透過光スペクトルのうち、クラッディングモードの波形、ゴーストモードの波形及びブラッグの波形を用いてひずみと温度が同時に計測でき、正確な測定ができる。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサは、グレーチング部のグレーチングの角度が、ファイバの径方向に対して０．２°以上で７°以下であってもよい。

θが０．２°より小さいとゴーストモードが発生しないか、極めて小さくなり、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０としての挙動が得られないと考えられる。θが７°を超えるとグレーチング部の損失が大きくなりすぎると考えられる。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサは、グレーチング部がコア及びクラッドからなり、クラッドの外周に保護コーティングが形成されずにクラッドが露出する領域を有してもよい。

クラッドの外周に保護コーティングが形成されずにクラッドが露出する領域を有することで、低次側クラッディングモードの振幅が小さくなり、樹脂含浸や硬化度などが正確に測定できる。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、前記傾斜型ファイバブラックグレーチング光ファイバセンサは、２カ所以上の領域に傾斜型ブラックグレーチングが施された光ファイバを有してもよい。

これにより、１つの傾斜型ファイバブラックグレーチング光ファイバセンサで複数箇所のモニタリングが可能となる。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、前記解析部は、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサに広帯域のレーザ光を入射する広帯域光源と、前記透過スペクトルを得るためのスペクトラムアナライザとを有してもよい。

これによりシステムが簡単な構成となる。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、前記解析部は、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサに波長可変のレーザ光を入射する波長可変光源と、前記透過スペクトルを得るための光パワーメータとを有してもよい。 本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、解析部の分解能が５ｐｍ以下であってもよい。これにより、十分な精度での測定が可能となる。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、前記解析部は、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサの反射光スペクトルのブラッグ波形を得て、前記処理部は、前記解析部により得られた透過光スペクトルに加えて前記反射光スペクトルのブラッグ波形に基づき前記成形中の繊維強化プラスチック複合材料の物性値を測定してもよい。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムでは、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサは、前記繊維強化プラスチック複合材料に埋め込まれた領域又は前記繊維強化プラスチック複合材料の表面に外周が接触する領域を有してもよい。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリング方法は、成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料に傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサの外周の一部又は全部を接触させ、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサにレーザ光を入射して透過スペクトルを得て、前記透過光スペクトルに基づき前記成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料の物性値をモニタリングする。

本発明の一形態に係る繊維強化プラスチック複合材料成形品は、繊維強化プラスチック複合材料からなる成形品の測定領域に傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサが埋め込こまれ又は成形品の測定領域の表面に接触している。

本発明により、成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料の物性値を正確に測定することができる。

本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムの構成を示す図である。 図１に示した傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサの構成を示す断面図である。 図２に示した傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサのグレーチング部の概略斜視図である。 傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサの挙動を示すグラフである。 炭素繊維クロスに対してＶａＲＴＭ法によってエポキシ樹脂を含浸したときのＴＦＢＧ型光ファイバセンサの透過率の一例を示すグラフである。 図５の一部を拡大したグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムの構成を示す図である。 第２の実施形態におけるＴＦＢＧ型光ファイバセンサの透過率の時間的な変化の一例を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムの構成を示す図である。 第３の実施形態におけるＴＦＢＧ型光ファイバセンサの透過率の一例を示すグラフである。 第３の実施形態において（Δλ_Ｂ−Δλ_ｒ）とひずみとの関係を実験により測定した結果を示すグラフである。 第３の実施形態においてひずみと温度とを分離して測定するための処理フローである。 第３の実施形態において熱電対によるＦＲＰの温度測定結果とＴＦＢＧ型光ファイバセンサによるＦＲＰの温度測定結果との関係を示すグラフである。 ＴＦＢＧ型光ファイバセンサの外周に保護コーティングが施されている場合と保護コーティングが施されていない場合の透過スペクトルの一例を示すグラフである。 図１４の一部を拡大したグラフである。 分析部を広帯域光源とスペクトラムアナライザにより構成した場合の波長と（Δλ_Ｂ−Δλ_ｒ）との関係を示すグラフである。 分析部を波長可変光源と光パワーメータにより構成した場合の波長と（Δλ_Ｂ−Δλ_ｒ）との関係を示すグラフである。 本発明の第４の実施形態に係るＦＲＰモニタリングシステムの構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムの構成を示す図である。以下、繊維強化プラスチック複合材料を「ＦＲＰ」と呼ぶ。

図１に示すように、ＦＲＰモニタリングシステム１は、加熱及び加圧により成形中のＦＲＰの物性値をモニタリングする。ＦＲＰモニタリングシステム１は、傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサ１０と、ＡＳＥ広帯域光源２１及び光スペクトラムアナライザ２２を有する解析部２０と、コンピュータシステムなどの処理部３０とを有する。以下、傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサを「ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ」と呼ぶ。

図２は、図１に示したＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０の構成を示す断面図であり、図３は、図２に示したＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０のグレーチング部の概略斜視図である。

図２及び図３に示すように、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０は、コア１１と、コア１１の外周に設けられたクラッド１２と、所定の領域に設けられたグレーチング部１３とを有する。なお、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０は、後述するように、クラッドの外周に保護コーティングが形成されずにクラッド１２が露出していることが好ましい。しかし、本発明は、クラッドの外周に保護コーティングが形成されていてもよいし、一部の領域だけがクラッド１２が露出していてもよい。

グレーチング部１３のグレーチング１４の角度θは、ファイバセンサ１０の径方向に対して０．２°以上で７°以下であることが好ましい。θが０．２°より小さいとゴーストモードが発生しないか、極めて小さくなり、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０としての挙動が得られないと考えられる。θが７°を超えるとグレーチング部の損失が大きくなりすぎると考えられる。

図４はＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０の挙動の典型例を示すグラフである。

図４に示すように、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０は、ブラッグ波長（Ｂｒｅｇｇ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）と、ゴーストモード（Ｇｈｏｓｔ ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）と、クラッディングモード（Ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）とを有する。

一般的なファイバブラッググレーチング（ＦＢＧ）センサはブラッグ波長の反射のみであるが、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０はブラッグ波長（Ｂｒｅｇｇ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）に加えて、ゴーストモード（Ｇｈｏｓｔ ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）及びクラッディングモード（Ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を有する点が異なる。ゴーストモード（Ｇｈｏｓｔ ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）は、ブラッグ波長に近い挙動を示す。クラッディングモード（Ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）はブラッグ波長とは異なる挙動を示す。

図１に示したように、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０を金型２内のＦＲＰ内に埋め込まれるように配置される。

ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０の一端には光ファイバ４０を介してＡＳＥ広帯域光源２１が接続され、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０の他端には光ファイバ４０を介して光スペクトラムアナライザ２２が接続される。

ＡＳＥ広帯域光源２１及び光スペクトラムアナライザ２２を有する解析部２０は、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０にレーザ光を入射して透過スペクトルを得る。光スペクトラムアナライザ２２による解析結果である透過スペクトルは処理部３０に送られる。

処理部３０は、解析部２０により得られた透過光スペクトルに基づき成形中のＦＲＰの物性値を得る。

本実施形態では、解析部２０及び処理部３０により、透過率の時間的な変化を得て、その変化のデータに基づき成形中のＦＲＰのマトリクス樹脂の含浸度を測定している。

なお、本発明は、処理部３０の処理ではなく、光スペクトラムアナライザ２２による解析結果を作業者等が判断する場合も含む。

また、後述するように、処理部３０が、解析部２０により得られた透過光スペクトルのうち、ゴーストモード及びクラッディングモードの波長及び振幅の特徴点に基づき、成形中のＦＲＰのマトリクス樹脂の含浸度だけでなく、結晶化度、硬化度及び残留溶媒量も測定可能である。

次に、このように含浸度を測定できる理由を説明する。

まず、ＦＲＰモニタリングシステム１は、以下のように構成した。
・ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０
伸興電線
グレーチング部の長さ（ゲージ長） ３ｍｍ
グレーチングの角度（チルト角） ３°
センサ表面のポリイミド膜をあらかじめ除去
・ＡＳＥ広帯域光源２１
ＡＳＥ−ＦＬ７００２（ファイバーラボ社製）
・光スペクトラムアナライザ２２等
ＭＳ９７１０Ｃ（アンリツ社製） 光チャンネルスイッチＭＳ９６７４Ａ（アンリツ社製） 光サーキュレータ
また、ＦＲＰをＶａＲＴＭ（Vacuum Assisted Resin Transfer Molding）法により成形した。

ＶａＲＴＭ法では、まず、金型２内に繊維織物３を配置し、金型２の一側の樹脂注入口４から樹脂を注入し、他側からの真空引き口５から真空引きする。

これにより、金型２内の繊維織物３に次第に樹脂が含浸し（符号６）、金型２内に樹脂が充填され、ＦＲＰが成形される。

ここで、炭素繊維クロスに対してＶａＲＴＭ法によってエポキシ樹脂を含浸したときのＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０の透過率の一例を図５のグラフに示す。図６は図５の一部を拡大したグラフである。

図５及び図６において点線がエポキシ樹脂を含浸する前、実線がエポキシ樹脂を含浸した後の透過率を示している。

この結果から、以下の点がわかる

（１）樹脂含浸前後のＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０の透過率変化が変化しエポキシ樹脂が含浸した後は透過光損失の増大

（２）低次側クラッディングモードの振幅増大（図６中の符号Ａを参照）
ＦＲＰモニタリングシステム１の処理部３０が、この透過スペクトルの特徴点である上記（１）や（２）を検出して評価することで、成形中のＦＲＰのマトリクス樹脂の含浸度を測定できることがわかる。

＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の第２の実施形態に係るＦＲＰモニタリングシステムの構成を示す図である。

図７に示すＦＲＰモニタリングシステム１は加熱及び加圧による成形中のＦＲＰの樹脂の硬化度を測定する。システム構成は、第１の実施形態におけるＦＲＰモニタリングシステム１と同じである。

本実施形態では、金型７内に炭素繊維と未硬化エポキシ樹脂からなる炭素繊維プリプレグ８を配置し、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０を金型２内でＦＲＰ内に埋め込まれるように配置する。解析部２０及び処理部３０により、透過率の時間的な変化を得て、その変化のデータに基づき樹脂の硬化収縮及び硬化度を測定する。

次に、このように樹脂の硬化収縮及び硬化度を測定できる理由を説明する。

まず、ＦＲＰモニタリングシステム１は、以下のように構成した。
・ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０
伸興電線
グレーチング部の長さ（ゲージ長） ３ｍｍ
グレーチングの角度（チルト角） ３°
センサ表面のポリイミド膜をあらかじめ除去
・ＡＳＥ広帯域光源２１
ＡＳＥ−ＦＬ７００２（ファイバーラボ社製）
・光スペクトラムアナライザ２２等
ＭＳ９７１０Ａ（アンリツ社製） 光チャンネルスイッチＭＳ９６７４Ｓ（アンリツ社製） 光サーキュレータ
まず、金型７内に炭素繊維と未硬化エポキシ樹脂からなる炭素繊維プリプレグ８を配置し、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０を金型２内でＦＲＰ内に埋め込まれるように配置する。

これにより、金型２内の炭素繊維プリプレグ８に次第に硬化し、ＦＲＰが成形される。

ここで、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０の透過率の時間的な変化の一例を図８のグラフに示す。

図８の符号Ａで示すように、時間とともに樹脂の硬化反応が進行し、ブラッグ波長及びゴーストモードの波長が低波長側にシフトすることがわかる。また、図８の符号Ｂで示すように、時間とともに低次側クラッディングモードの振幅が増大し、つまり硬化により屈折率が変化（＝硬化度の変化）することがわかる。

ＦＲＰモニタリングシステム１の処理部３０が、ブラッグ波長やゴーストモードの波長が低波長側にシフトすることや低次側クラッディングモードの振幅が増大することを検出して評価することで、成形中のＦＲＰの樹脂の硬化収縮や硬化度を測定できることがわかる。

＜第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態に係るＦＲＰモニタリングシステムの構成を示す図である。

図９に示すＦＲＰモニタリングシステム１'はＦＲＰのひずみと温度を同時に測定する。

図９に示すＦＲＰモニタリングシステム１'は、解析部の構成が第１及び第２の実施形態と異なる。ただし、第１及び第２の実施形態と同じシステム構成であってもよい。

ＦＲＰモニタリングシステム１'の解析部２０'は、可変波長光源２１'と光パワーメータ２２'とから構成される。

ＦＲＰモニタリングシステム１'において、ひずみを測定するためには、典型的には解析部２０'を可変波長光源２１'と光パワーメータ２２'とから構成し、ひずみ測定時のスペクトル分解能が５ｐｍであることがより好ましい。この理由については後述する。

本実施形態では、ＦＲＰ９の表面にＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０が接触するように配置する。解析部２０及び処理部３０により、透過率を得て、その透過率のデータに基づきＦＲＰ９のひずみと温度を同時に測定する。

次に、このようにＦＲＰ９のひずみと温度を同時に測定できる理由を説明する。

まず、ＦＲＰモニタリングシステム１'は、以下のように構成した。
・ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０
伸興電線
グレーチング部の長さ（ゲージ長） ３ｍｍ
グレーチングの角度（チルト角） ４°
センサ表面にコーティング（ポリイミド膜）あり
・可変波長光源２１'
ＴＳＬ−７１０（ｓａｎｔｅｃ社製）
・光パワーメータ２２'
ＭＰＭ−２００／ＭＰＭ−１０（ｓａｎｔｅｃ社製）
まず、ＦＲＰ９の表面にＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０が接触するように貼付して配置したものを環境槽２'内に入れた。

そして、ＦＲＰ９に荷重を与えてＦＲＰ９のひずみと温度を変化させた。

ここで、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０の透過率の一例を図１０のグラフに示す。

図１０に示すように、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０の透過光のクラッディングモードの任意ピーク（図１０のＡ）及びブラッグモードの波長（図１０のＢ）に着目し、λ_Ｂの変化からλ_ｒの変化を引いたもの（Δλ_Ｂ−Δλ_ｒ）を指標として整理する。

（Δλ_Ｂ−Δλ_ｒ）とひずみとの関係を実験により測定した結果を図１１に示す。この関係はＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０固有の特性として予め取得可能であり、実験結果からおおよそ線形であることがわかる。つまり、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０によりＦＲＰ９の温度状態に依らず、ひずみの測定が可能である、つまりＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０は自己温度補償型のセンサとして用いることができることがわかる。

このＦＲＰモニタリングシステム１'では、以下のようにしてひずみと温度を分離し、ひずみばかりでなく温度も同時に測定することができる。

図１２はひずみと温度とを分離して測定するための処理フローである。

まず、（Δλ_Ｂ−Δλ_ｒ）とひずみの関係及びＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０のブラッグモードの特性（Ｃ_ε及びＣ_Ｔ）をＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０固有の特性として予め取得し、それを処理部３０に記憶しておく。

処理部３０は、透過光スペクトルのデータ群（ステップＡ）から（Δλ_Ｂ−Δλ_ｒ）とひずみの関係（ステップＢ）に基づきひずみを測定する（ステップＣ）。

次に、処理部３０は、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０のブラッグモードの特性（Ｃ_ε及びＣ_Ｔ）（ステップＤ）から温度を測定する（ステップＥ）。

ここで、ブラッグモードの波長の変化Δλ_Ｂは以下のとおりとなる。

Δλ_Ｂ＝Ｃ_εΔε＋Ｃ_ＴΔＴ
ここで、Δεはひずみの変化、すなわちＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０で測定したひずみであり、ΔＴは温度の変化、すなわちＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０による測定値である。

処理部３０は、この関係式からひずみばかりでなく温度も同時に測定することができる。

ここで、図１３に熱電対によるＦＲＰの温度測定結果とＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０によるＦＲＰの温度測定結果との関係を示す。この図からもわかるようにＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０によってもＦＲＰの温度を精度よく測定できることがわかる。

＜保護コーティングについて＞
ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０では、センサを保護する目的で、センサ全体がポリイミド樹脂などで保護コーティングがされている。保護コーティングがあると、樹脂含浸や硬化度の測定の目的にはそぐわないことがわかっている。

これは、保護コーティングが樹脂であるため、樹脂含浸や硬化度の測定にあたって感度が低下するからである。

図１４はＴＦＢＧ型光ファイバセンサの外周に保護コーティングが施されている場合と保護コーティングが施されていない場合の透過スペクトルの一例を示すグラフである。図１５は図１４の一部Ａを拡大したグラフである。

図１５のＢに示すように、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサの外周に保護コーティングが施されている場合には低次側クラッディングモードの振幅が大きく、樹脂含浸や硬化度の測定ができないことがわかる。

従って、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１０は、保護コーティングがなく、クラッドが露出する領域を有することが好ましい。

＜スペクトル分解能について＞
ＦＲＰモニタリングシステムでは、特にひずみを測定するためには、典型的には解析部を可変波長光源と光パワーメータとから構成し、ひずみ測定時のスペクトル分解能が１０ｐｍ以下であることが好ましく、５ｐｍ以下であることがより好ましい。

図１６に分析部を広帯域光源とスペクトラムアナライザにより構成した場合の波長と（Δλ_Ｂ−Δλ_ｒ）との関係を示す。図１７に分析部を波長可変光源と光パワーメータにより構成した場合の波長と（Δλ_Ｂ−Δλ_ｒ）との関係を示す。

図１６の場合には分解能は２０ｐｍであり、測定精度が低く、図１７の場合には分解能は２ｐｍであり、十分な測定精度があることがわかる。図１６及び図１７に示す結果から推考すると、ＦＲＰモニタリングシステムでは、特にひずみを測定するためには、典型的には解析部を可変波長光源と光パワーメータとから構成し、ひずみ測定時のスペクトル分解能が５ｐｍ以下であることが好ましいことがわかる。

＜第４の実施形態＞
図１８は、本発明の第４の実施形態に係るＦＲＰモニタリングシステムの構成を示す図である。

図１８に示すＦＲＰモニタリングシステム１００では、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１１０が、２カ所以上の領域に傾斜型ブラックグレーチング１１１が施された光ファイバからなる。

１本の光ファイバの２カ所以上の領域に傾斜型ブラックグレーチング１１１が施されているＴＦＢＧ型光ファイバセンサ１１０を用いることによって、複数箇所のモニタリングが可能となる。

＜その他＞
以上の実施形態に示したように、このシステムによれば、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサの外側における屈折率変化からクラッディングモードの波長変化として検出し、樹脂の含浸度、硬化度などを測定することができる。

また、ＴＦＢＧ型光ファイバセンサのひずみ変化をブラッグ波長の変化として検出し、ＦＲＰの同じ場所での硬化ひずみや温度を同時に測定することができる。

本発明は上記の実施形態には限定されず、その技術思想の範囲内な様々は変形や応用が可能である。本発明の技術的範囲は、その変形や応用の範囲も含む。

例えば、解析部により透過光スペクトルに加えて反射光スペクトルのブラッグ波形も得て、処理部は、解析部により得られた透過光スペクトル及び反射光スペクトルのブラッグ波形に基づき繊維強化プラスチック複合材料の物性値を測定してもよい。これにより、より正確に繊維強化プラスチック複合材料の物性値を測定することができる。

１、１'、１００ ：ＦＲＰモニタリングシステム
１０、１１０ ：ＴＦＢＧ型光ファイバセンサ
１１ ：コア
１２ ：クラッド
１３ ：グレーチング部
１４ ：グレーチング
２０、２０' ：解析部
２０' ：解析部
２１ ：ＡＳＥ広帯域光源
２１' ：可変波長光源
２２ ：光スペクトラムアナライザ
２２' ：光パワーメータ
３０ ：処理部
４０ ：光ファイバ
１１１ ：傾斜型ブラックグレーチング

Claims (14)

1. 成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料に外周が接触する傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサと、
   前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサにレーザ光を入射して透過スペクトルを得る解析部と
   を具備する繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
2. 請求項１に記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
   前記解析部により得られた透過光スペクトルに基づき前記成形中の繊維強化プラスチック複合材料の物性値を得る処理部
   を更に具備する繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
3. 請求項２に記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
   前記処理部は、前記解析部により得られた透過光スペクトルのうち、ゴーストモード、及びクラッディングモードの波長及び振幅の特徴点のうち少なくとも１つに基づき、前記成形中の繊維強化プラスチック複合材料のマトリクス樹脂の含浸度、結晶化度、硬化度及び残留溶媒量のうち少なくとも１つを前記物性値として得る
   繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
4. 請求項２又は３に記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
   前記処理部は、前記解析部により得られた透過光スペクトルのうち、クラッディングモードの波形、ゴーストモードの波形及びブラッグの波形に基づき、前記成形中の繊維強化プラスチック複合材料の温度とひずみを前記物性値として同時に得る
   繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
5. 請求項４に記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
   前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサは、グレーチング部がコア及びクラッドからなり、クラッドの外周に保護コーティングが形成されずにクラッドが露出する領域を有する
   繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
   前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサは、グレーチング部のグレーチングの角度が、ファイバの径方向に対して０．２°以上で７°以下である
   繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
   前記傾斜型ファイバブラックグレーチング光ファイバセンサは、２カ所以上の領域に傾斜型ブラックグレーチングが施された光ファイバを有する
   繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
   前記解析部は、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサに広帯域のレーザ光を入射する広帯域光源と、前記透過スペクトルを得るためのスペクトラムアナライザとを有する
   繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
   前記解析部は、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサに波長可変のレーザ光を入射する波長可変光源と、前記透過スペクトルを得るための光パワーメータとを有する
   繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
10. 請求項９に記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
    前記解析部は、分解能が５ｐｍ以下である
    繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
11. 請求項２乃至１０のいずれかに記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
    前記解析部は、前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサの反射光スペクトルのブラッグ波形を得て、
    前記処理部は、前記解析部により得られた透過光スペクトルに加えて前記反射光スペクトルのブラッグ波形に基づき前記繊維強化プラスチック複合材料の物性値を測定する
    繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステムであって、
    前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサは、前記繊維強化プラスチック複合材料に埋め込まれた領域又は前記繊維強化プラスチック複合材料の表面に接触する領域を有する
    繊維強化プラスチック複合材料モニタリングシステム。
13. 成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料に傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサの外周の一部又は全部を接触させ、
    前記傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサにレーザ光を入射して透過スペクトルを得て、
    前記透過光スペクトルに基づき前記成形中及び／又は成形後の繊維強化プラスチック複合材料の物性値をモニタリングする
    繊維強化プラスチック複合材料モニタリング方法。
14. 繊維強化プラスチック複合材料からなる成形品の測定領域に傾斜型ファイバブラッググレーチング光ファイバセンサが埋め込こまれている、又は前記成形品の測定領域の表面に接触している
    繊維強化プラスチック複合材料成形品。

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