JP2021119347A

JP2021119347A - 診断装置

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Publication number: JP2021119347A
Application number: JP2021069200A
Authority: JP
Inventors: 英樹副島; Hideki Soejima
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2038-04-09
Also published as: JP2019184389A; US20190310232A1; CN110361447A; US11474082B2; JP7360415B2; EP3553754A1

Abstract

【課題】構造健全性診断を容易に行う。【解決手段】診断装置１００は、加振部と、加振部が加振しているときの物理量を測定するセンサとが取り付けられた構造体を診断対象とし、構造体を備える製品の出荷時以降における所定のタイミングで、センサから構造体の計測データを取得するデータ取得部１３２と、データ取得部によって計測データが取得される度に基準データとして記憶部に蓄積して記憶させるデータ記録部１３４と、データ取得部によって今回取得された計測データと、記憶部に蓄積して記憶された全ての基準データとを比較することで、構造体の健全性の診断を行う健全性診断部１３６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、診断装置に関する。

構造体の診断方法としては、構造健全性診断が知られている。構造健全性診断では、診断対象となる構造体を模擬して別体に形成され供試体に対してセンサおよび加振部が取り付けられ、加振部によって発生された振動に基づく供試体の歪等の物理量をセンサによって基準データとして取得しておく。

そして、所定のタイミングごとに、構造体にセンサおよび加振部が取り付けられ、加振部によって発生された振動に基づく構造体の歪等の物理量をセンサによって取得する。そして、取得された物理量と、供試体で取得された基準データ（物理量）とを比較することで、構造体の健全性（経年劣化、損傷、欠陥の有無等）を診断する。

特許第５６２９３１８号公報

ところで、上記した構造健全性診断では、基準データを取得する場合、供試体を別途作成する必要がある。これは、実際の構造体に対して損傷、欠陥等を意図的につけることができないためである。また、基準データを取得する場合、経年劣化を診断するために、供試体に対して経年劣化をさせ、所定期間毎に物理量を取得する必要がある。また、供試体に対して損傷や欠陥を予め施し、その供試体についての物理量も取得する必要がある。

このように、構造健全性診断では、基準データを取得するために、コストおよび時間が莫大にかかってしまう。これにより、構造健全性診断が容易に行うことができないといった問題があった。

本発明は、このような課題に鑑み、構造健全性診断を容易に行うことが可能な診断装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の診断装置は、加振部と、前記加振部が加振しているときの物理量を測定するセンサとが取り付けられた構造体を診断対象とし、前記構造体を備える製品の出荷時以降における所定のタイミングで、前記センサから前記構造体の計測データを取得するデータ取得部と、前記データ取得部によって前記計測データが取得される度に基準データとして記憶部に蓄積して記憶させるデータ記録部と、前記データ取得部によって今回取得された前記計測データと、前記記憶部に蓄積して記憶された全ての前記基準データとを比較することで、前記構造体の健全性の診断を行う健全性診断部と、を備える。

また、前記データ取得部は、前記構造体を模擬した供試体の計測データを取得することがないとよい。

本発明によれば、構造健全性診断を容易に行うことが可能となる。

診断装置の構成を示すブロック図である。加振部および光ファイバセンサの説明図である。比較例の構造健全性診断の流れを示すフローチャートである。本実施形態の構造健全性診断の流れを示すフローチャートである。変形例の構造健全性診断の流れを示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、診断装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、診断装置１００は、記憶部１１０と、操作部１１２と、表示部１１４と、加振部１１６と、光ファイバセンサ１１８と、スペクトラムアナライザ１２０と、制御部１２２とを含んで構成される。

記憶部１１０は、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成される。記憶部１１０には、後述する基準データが記憶される。操作部１１２は、例えば、キーボードや表示部１１４に重畳されるタッチパネルで構成される。操作部１１２は、ユーザの操作入力を受け付ける。表示部１１４は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ(Electro Luminescence)ディスプレイ等で構成される。

加振部１１６は、例えば、複数の圧電素子（ピエゾ素子）で構成される。

図２は、加振部１１６および光ファイバセンサ１１８の説明図である。図２（ａ）は、構造体ＴＧに加振部１１６および光ファイバセンサ１１８が設けられた様子を示す。図２（ｂ）には、光ファイバセンサ１１８の内部構造を示す。

構造体ＴＧは、例えば、航空機や建築物などの全部または一部である。加振部１１６および光ファイバセンサ１１８は、構造体ＴＧの複数の箇所に設けられる。ここでは、構造体ＴＧが板状の部材である場合を例に挙げて説明する。ただし、構造体ＴＧの形状は問わない。加振部１１６および光ファイバセンサ１１８は、構造体ＴＧの形状に合わせて適切な態様で、構造体ＴＧに取り付けられる。

加振部１１６の圧電素子には、不図示の導線が接続されている。導線から圧電素子に電圧が印加されると、圧電効果により圧電素子の厚みが変化する。複数の圧電素子のうち、任意の圧電素子にパルス電圧を印加することで、構造体ＴＧのうち、電圧が印加された圧電素子近傍に振動が生じる。こうして、加振部１１６は、構造体ＴＧを振動させる。

光ファイバセンサ１１８は、例えば、内在型である。すなわち、光ファイバセンサ１１８は、光ファイバ自体がセンサ素子として機能する。ただし、光ファイバセンサ１１８は、光ファイバを他のセンサ素子との光の伝送路としてのみ機能させる外部型であってもよい。光ファイバセンサ１１８は、例えば、接着剤によって構造体ＴＧに接着される。

図２（ｂ）に示すように、光ファイバセンサ１１８では、コーティングやクラッドの内部にコア１１８ａが設けられる。コア１１８ａには光が通る。コア１１８ａから外側に向う光は、クラッドによって反射されてコア１１８ａに戻される。

コア１１８ａには、光ファイバの軸線方向に離隔して複数のグレーティング部１１８ｂが設けられる。グレーティング部１１８ｂは、コア１１８ａの他の部位に比べて屈折率が異なる。グレーティング部１１８ｂによって、屈折率が周期的に変化する（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating、ファイバブラッググレーティング）。

広帯域のスペクトルを持った光は、グレーティング部１１８ｂにおいて、ブラッグ波長と呼ばれる特定の波長に対して互いに強め合う方向に干渉する。これによって、グレーティング部１１８ｂでは、広帯域のスペクトルを持った光のうち、特定の波長成分のみが反射される。それ以外の波長の光は、グレーティング部１１８ｂを透過する。

グレーティング部１１８ｂに外乱が加えられると、反射光の波長が変動する。反射光の波長の変化を測定することで、グレーティング部１１８ｂに加えられた外乱が計測される。

図１に戻り、スペクトラムアナライザ１２０は、光ファイバセンサ１１８に接続される。スペクトラムアナライザ１２０は、光源および受光部を有する。光源から広帯域のスペクトルを持った光が発光し、光ファイバセンサ１１８に到達する。上記のように、光ファイバセンサ１１８では、一部の光が反射する。スペクトラムアナライザ１２０の受光部は、反射光を受光する。

スペクトラムアナライザ１２０は、受光部で受光した反射光の波長を検出する。スペクトラムアナライザ１２０によって検出された波長は、不図示のＡ／Ｄ変換器によってＡ／Ｄ変換されて、制御部１２２に出力される。

制御部１２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、診断装置１００全体を管理および制御する。また、制御部１２２は、加振制御部１３０、データ取得部１３２、データ記録部１３４、健全性診断部１３６としても機能する。

加振制御部１３０は、加振部１１６に電圧を印加して、加振部１１６に構造体ＴＧへ振動を発生させる（加振させる）。

データ取得部１３２は、光ファイバセンサ１１８による計測を行う。データ取得部１３２は、上記のように、スペクトラムアナライザ１２０に広帯域のスペクトルを持った光を発光させ、反射光の波長を検出させる。データ取得部１３２は、反射光の波長によって、グレーティング部１１８ｂに加えられた外乱の要因となった構造体ＴＧの変化を測定する。

光ファイバセンサ１１８には、例えば、構造体ＴＧの歪み（応力）や温度など、測定の対象となる物理量が予め設定される。すなわち、歪み測定用の光ファイバセンサ１１８や温度測定用の光ファイバセンサ１１８などが設けられる。

データ取得部１３２は、歪み測定用の光ファイバセンサ１１８からの反射光から、構造体ＴＧの歪み量を測定する。また、データ取得部１３２は、温度測定用の光ファイバセンサ１１８からの反射光から、構造体ＴＧの温度を測定する。

また、加振制御部１３０が加振部１１６を制御して構造体ＴＧを加振しているときに、データ取得部１３２が、歪み測定用の光ファイバセンサ１１８からの反射光から、構造体ＴＧの歪み量を測定してもよい。加振部１１６の圧電素子から光ファイバセンサ１１８までの間に、構造体ＴＧに欠損などがあると、欠損がない場合と比較して、測定される歪み量が異なる。これにより、構造体ＴＧの欠損の検出が可能となる。

こうして、データ取得部１３２は、光ファイバセンサ１１８を用いて構造体ＴＧの物理量を計測データとして取得する。データ記録部１３４は、データ取得部１３２により取得された計測データを基準データとして、取得した日時に関連付けて記憶部１１０に記憶させる。

健全性診断部１３６は、データ取得部１３２によって取得された測定データと、記憶部１１０に記憶された基準データとを比較することで、構造体ＴＧの健全性を診断する健全性診断処理を行う。健全性診断処理では、構造体ＴＧの損傷や欠陥が検出されたり、歪み量や温度が異常値を示すと、健全性が低い評価値として算出されたりする。

また、健全性診断部１３６は、健全性診断処理の結果を表示部１１４に表示させる。健全性診断処理の結果によっては、作業者による部品点検や部品交換などのメンテナンスが行われる。

図３は、比較例の構造健全性診断の流れを説明する図である。比較例の構造健全性診断では、図３に示すように、まず、構造体ＴＧを模擬した供試体が別体として作成され、作成された供試体を用いて基準データが取得される（Ｓ１００）。具体的には、健全性診断の対象となる構造体ＴＧを模擬した供試体が作成される。これは、実際の構造体ＴＧに対して損傷等を意図的につけることができないためである。

その後、供試体に加振部１１６および光ファイバセンサ１１８が取り付けられる。なお、加振部１１６および光ファイバセンサ１１８が取り付けられる位置は、構造体ＴＧに加振部１１６および光ファイバセンサ１１８が取り付けられる位置と同一または同一とみなせる位置である。そして、データ取得部１３２は、加振部１１６で加振された構造体ＴＧに対して光ファイバセンサ１１８による計測データの取得を行う。

データ記録部１３４は、計測データを基準データとして記憶部１１０に記憶させる。このとき、供試体が経年劣化した場合における計測データ、および、予め想定される損傷や欠陥を供試体に施した場合における計測データが、計測データとして取得される。つまり、Ｓ１００では、供試体を経年劣化させて、所定期間毎に計測データを取得して基準データとして、取得した日時に関連付けて記憶させる。また、供試体に損傷や欠陥を施した後に計測データを取得して基準データとして記憶させる。

その後、構造体ＴＧを備えた製品（例えば、航空機等）が作成されたとき（出荷時）に（Ｓ１０２におけるＹＥＳ）、その構造体ＴＧに対して加振部１１６および光ファイバセンサ１１８が取り付けられる（Ｓ１０４）。そして、データ取得部１３２は、加振部１１６および光ファイバセンサ１１８を用いて計測データの取得を行う（Ｓ１０６）。

その後、健全性診断部１３６は、Ｓ１０６において取得された計測データと、基準データとを比較することで、構造体ＴＧの健全性を診断する（Ｓ１０８）。

また、所定の期間（例えば、３ヶ月周期）ごとや部品の交換時等の所定のタイミングで（Ｓ１０２におけるＮＯ）、構造体ＴＧに対して加振部１１６および光ファイバセンサ１１８が取り付けられる（Ｓ１１０）。そして、データ取得部１３２は、加振部１１６および光ファイバセンサ１１８を用いて計測データの取得を行う（Ｓ１１２）。

その後、健全性診断部１３６は、Ｓ１１２において取得された計測データと、基準データとを比較することで、構造体ＴＧの健全性を診断する（Ｓ１１４）。

図４は、本実施形態における構造健全性診断の流れを説明する図である。上記した比較例の構造健全性診断では、供試体を用いて基準データを取得するため、基準データのデータ量が膨大になってしまうとともに、コストおよび時間が莫大にかかってしまう。そのため、構造健全性診断を容易に行うことが困難であった。

そこで、本実施形態における構造健全性診断では、図４に示すように、供試体を作成することなく、また、データ取得部１３２が供試体を用いた基準データを取得することもない。そして、構造体ＴＧを備えた製品（例えば、航空機等）が作成されたときに（Ｓ２００におけるＹＥＳ）、その構造体ＴＧに対して加振部１１６および光ファイバセンサ１１８が取り付けられる（Ｓ２０２）。データ取得部１３２は、加振部１１６を用いた光ファイバセンサ１１８による計測データの取得を行う（Ｓ２０４）。

ここで、構造体ＴＧを備えた製品が作成されたときには、構造体ＴＧに経年劣化が発生していることはなく、また、損傷や欠陥もないことが予め確認されているため、構造体ＴＧには、これらの異常が発生していないものと推定される。そこで、データ記録部１３４は、Ｓ２００で導出された物理量を、最初の基準データとして記憶部１１０に記憶させる（Ｓ２０６）。

その後、所定の期間（例えば、３ヶ月周期）ごとや部品の交換時等の所定のタイミングで（Ｓ２００におけるＮＯ）、構造体ＴＧに対して加振部１１６および光ファイバセンサ１１８が取り付けられる（Ｓ２０８）。そして、データ取得部１３２は、加振部１１６および光ファイバセンサ１１８を用いて計測データの取得を行う（Ｓ２１０）。

その後、健全性診断部１３６は、Ｓ２１０において取得された計測データと、記憶部１１０に記憶されている基準データとを比較することで、構造体ＴＧの健全性を診断する（Ｓ２１２）。そして、データ記録部１３４は、Ｓ２１０において導出された計測データを、新たな基準データとして記憶部１１０に上書きして記憶する（Ｓ２１４）。

したがって、Ｓ２１０では、出荷後に初めて構造健全性診断を行う場合、記憶部１１０には、出荷時の計測データが基準データとして記憶されている。そして、Ｓ２１０において取得された計測データと、出荷時の基準データとの比較によって健全性診断が行われることになる。

また、例えば、出荷後の２回目の構造健全性診断を行う場合、記憶部１１０には、出荷後の１回目に取得された計測データが基準データとして記憶されている。そして、Ｓ２１０において取得された計測データと、１回目に取得された計測データ（基準データ）との比較によって健全性診断処理が行われることになる。

つまり、本実施形態における構造健全性診断では、今回取得された計測データと、前回取得された計測データ（基準データ）とを比較することで、構造体ＴＧの損傷および欠陥等の異常の有無が判定されることになる。なお、本実施形態における健全性診断では、構造体ＴＧの経年劣化を診断することはできないが、今回および前回に取得された計測データの差分が、経年劣化により生じるであろう差分よりも大きい場合に、構造体ＴＧの損傷または欠陥等の異常があると判定されることになる。

このように、本実施形態における診断装置１００では、予め供試体を用いて基準データを取得しておく必要がなく、データ量を削減できるとともに、コストおよび時間が低減することができる。そのため、構造健全性診断を容易に行うことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、ファイバブラッググレーティング方式の光ファイバセンサ１１８を例に挙げて説明したが、計測データを計測するセンサは光ファイバセンサ１１８に限らず、他のセンサであってもよい。

また、上述した実施形態では、加振部１１６を備える場合について説明したが、加振部１１６は必須構成ではない。ただし、加振部１１６を備えることで、健全性診断処理では、欠損の検出が可能となる。

また、上述した実施形態では、加振部１１６および光ファイバセンサ１１８を構造体ＴＧに対して診断毎に取り付けるようにした。しかしながら、加振部１１６および光ファイバセンサ１１８の一方または双方を構造体ＴＧに対して取り付けたままにしてもよい。

また、上述した実施形態では、今回取得された計測データと、前回取得された計測データ（基準データ）とを比較することで、構造体ＴＧの損傷および欠陥等の異常の有無が判定される場合について説明した。しかしながら、今回取得された計測データと、前回以前に取得された複数の計測データ（基準データ）とを比較することで、構造体ＴＧの損傷および欠陥等の異常の有無が判定されるようにしてもよい。

図５は、変形例の構造健全性診断の流れを説明する図である。なお、図４と同一の処理に同一符号を付し、その説明は省略する。図５に示す変形例の健全性診断では、図４に示した構造健全性診断におけるＳ２１２およびＳ２１４の処理に代えて、Ｓ３１２およびＳ３１４の処理が設けられている。

Ｓ３１２において、健全性診断部１３６は、Ｓ２１０で取得された計測データと、記憶部１１０に蓄積して記憶された全ての基準データとを比較することで、構造体ＴＧの健全性を診断する。また、Ｓ３１４において、データ記録部１３４は、Ｓ２１０で取得された計測データを、それ以前に記憶部１１０に記憶された計測データ（基準データ）に上書きすることなく、日時に関連付けて新たに記憶させる。つまり、Ｓ３１４では、Ｓ２０４およびＳ２１０で取得された計測データが蓄積して基準データとして記憶部１１０に記憶される。

これにより、Ｓ３１２の健全性診断処理において、今回取得された計測データと、前回以前に取得された１または複数の計測データ（基準データ）とを比較することができ、診断精度を向上させることができる。

ＴＧ構造体
１００診断装置
１１６加振部
１１８光ファイバセンサ
１３２データ取得部
１３４データ記録部
１３６健全性診断部

Claims

加振部と、前記加振部が加振しているときの物理量を測定するセンサとが取り付けられた構造体を診断対象とし、
前記構造体を備える製品の出荷時以降における所定のタイミングで、前記センサから前記構造体の計測データを取得するデータ取得部と、
前記データ取得部によって前記計測データが取得される度に基準データとして記憶部に蓄積して記憶させるデータ記録部と、
前記データ取得部によって今回取得された前記計測データと、前記記憶部に蓄積して記憶された全ての前記基準データとを比較することで、前記構造体の健全性の診断を行う健全性診断部と、
を備える診断装置。
前記データ取得部は、
前記構造体を模擬した供試体の計測データを取得することがない請求項１に記載の診断装置。