JP4216202B2

JP4216202B2 - リブ構造体およびその構造体の製造方法

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Publication number: JP4216202B2
Application number: JP2004017215A
Authority: JP
Inventors: 元竹谷; 毅志尾崎; スティーブンハーン
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2024-01-26
Also published as: US20050163414A1; JP2005208000A

Description

この発明は、航空機や人工衛星等の構造物として使用された場合に、その構造物の健全性を自動的、かつ確実にモニタすることの可能なファイバセンサを内層したリブ構造体とその製造方法に関するものである。

従来、航空機や人工衛星等の構造物においては、信頼の確保及びミッションの完遂等の観点から、各種構造物の健全性を常時モニタリングできるシステムを完備しておくことが極めて重要である。航空機等の構造物の健全性をモニタリングする方法としては、従来から、構造物に歪ゲージを貼り付けて特定位置（点）における歪を検出する方法が公知である。この歪ゲージによる方法では、二次元的な平面状構造物の場合、特定位置（点）について基本的に３方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向、せん断方向）に歪ゲージを貼る必要があり、構造物全体にわたって歪を検出するには、グリッド状の多数点、多方向に多数の歪ゲージ（センサ）を配置しなければならず、モニタリング実施には多大のコスト、時間を要するだけでなく、三次元的な構造物などで構造上、歪ゲージの配置が困難または不可能な場合も多いと考えられ、現実的な方法ではない。
また、構造物の健全性診断法としては、ＦＢＧ（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｉｔｉｎｇ）センサを用いる方法が、従来から知られている。ＦＢＧセンサは、通信用光ファイバ中に形成されたブラッグ・グレーティング（ＢｒａｇｇＧｒａｉｔｉｎｇ）の反射スペクトルの中心波長が、歪みや温度によって変化する現象を利用し、波長変化から主に歪み量を観測するセンサである。ＦＢＧセンサは、非常に径の細い（例えば直径１２５μｍ）ガラスファイバを使用することから、軽量構造に多用されるＣＦＲＰによる積層構造への埋め込みや張り付けが容易である。また光ファイバの長距離伝送性と波長多重技術によって、大規模のセンサネットワークを形成することが可能である。これらのことから、大型軽量構造の健全性診断には、ＦＢＧセンサによるセンサネットワークの利用が現在、最適と考えられている。このようなＦＢＧセンサとして、周期の異なる複数のグレーティング構造を備えている光ファイバを用いた面状センサとして構造体に貼り付け、様々な形状の面に対応し、面内の複数のポイントにおける歪みや温度変化を検出している。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−７１３２３号公報（第３〜４頁、第３図）

上述のような従来の面状センサの構造では、ＦＢＧセンサの配置により、面内のどのＦＢＧセンサがどの程度波長変動したかによって、歪み発生の位置と歪み量を知ることができるが、局部的な歪みの影響を受けるＦＢＧセンサは１つとは限らず、また各センサが受けた歪みの合成として、波長変動に現われるので、これらの解析を行わなければ歪みの位置と量を正確に把握できない。また、上記のようなＦＢＧセンサの配置では、ｘ、ｙ方向の歪みは検出されるが、４５°など斜め方向の歪みは検出されない。したがって、検出精度を上げるためには、より多くの測定点及び測定方向に対応してセンサ数を増やすとともに、細かな解析をしなければならない。しかし、センサ数が多いと解析が複雑で、測定が困難になり、製造コストも高くなるといった問題があった。
また、上記のセンサは面状センサであり、様々な形状の面に対応し、面内の複数ポイントの歪みを検出できるとされるが、複雑な形状の二次元的な面や三次元的な構造物における歪みを検出するのは困難または不可能であり、センサ機能に限界があるという問題点があった。

この発明は、航空機や人工衛星等の構造物の健全性を診断するための従来のセンサ、及び診断方法における上記のような問題点を解決するためになされたものであり、航空機等における構造物の健全性を自動的、かつ確実にモニタすることが可能な、ヘルスモニタリング機能を有するファイバセンサを内層したリブ構造体と、その構造体の低コストな製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係るリブ構造体は、リブにより構成される格子と、少なくとも２つ以上の反射波長を有する複数のブラッグ・グレーティング構造が形成された光ファイバとを備え、上記ブラッグ・グレーティング構造をその反射波長ごとに位置を対応付けて上記格子の交点と交点との中間部に配置したリブ構造体である。

この発明によるヘルスモニタリング機能を有する構造は、格子状に配置されたリブで構成される構造において、ＦＢＧセンサを反射波長とリブの位置を対応付けて、各リブの交点と交点の中間近傍に配置したことにより、構造物に発生している歪みを、歪み発生と同時に観測できるので、リブ構造体のどの部分に歪みまたは温度の影響があるかなど航空機等における構造物の健全性を自動的、かつ高信頼にモニタすることが可能となる。また、この発明による構造は、グリッド構造自体が軽量構造で、かつ繊維強化複合材料等の軽量材料が使用され、さらにＦＢＧセンサによりヘルスモニタリングできることから、構造物の強度に過剰な余裕を持たせる必要のない設計ができるため、最適な軽量化が可能であり、航空機や宇宙機用の構造物への使用に適している。また、グリッド構造は、高信頼性構造で、一部が仮に破壊しても、一度に全体に破壊が進展することがない上に、さらにＦＢＧセンサによってヘルスモニタリング機能を有するため、この発明による構造は、高信頼性の構造である。また、応力や温度のパスが単純であることから、２次元構造の健全性のモニタに適している。
また、この発明によるヘルスモニタリング機能を有する構造の製造方法は、ＣＦＲＰ等のプリプレグと光ファイバを自動的に一体成形可能なフィラメントラインディング（ＦＷ）法などの方法が利用できるので、信頼性が高い構造を低コスト、短時間で供給でき、量産性にすぐれる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る、ＦＢＧ（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）を有する光ファイバ３を内層したリブ構造体１を示した図である。ここに示すリブ構造体１は、格子状に配置した複数のリブ２により構成されている。リブ２は、樹脂を含浸させた炭素繊維強化プラスチックの束（プリプレグという）を幾重にも積層したものである。光ファイバ３には、複数のＦＢＧ４（以降、ＦＢＧセンサ４という）が形成されている。図は、透視的に表したもので、実際には外部から見えない光ファイバを点線で、ＦＢＧセンサ４の配置位置を明瞭に示すため長方形の形状で強調して示したものである。なお、ＦＢＧセンサ４と光ファイバ３の外径は同じである。ＦＢＧセンサ４は、それぞれ光の反射波長が異なるように形成されている。このＦＢＧセンサ４はリブ構造体１のリブ２とリブ２の交点のほぼ中間点に位置するように配列されている。このようにＦＢＧセンサ４をリブ２とリブ２の交点の中間点に配置するために、光ファイバ３のＦＢＧセンサ４の形成位置は、リブ構造体１の大きさ、リブ２とリブ２の間隔などのデザインと光ファイバ３のルーティングおよびルーティングの際の余裕度などにより決定される。また、各ＦＢＧセンサ４は、それぞれの反射波長ごとにリブの位置に対応付けを決めて内層される。

図２は、図１のリブ構造体１のリブ２とリブ２との交点間の軸方向の断面図である。また、簡単に説明するために６層からなるリブ２としている。リブ２は、樹脂を含浸させた炭素繊維強化プラスチック５が積層され、中間層に光ファイバ３が内層されている。
図では、１層目の炭素強化プラスチック５ａ、その上に２層目の炭素強化プラスチック５ｂ、３層目に炭素繊維強化プラスチック５ｃを積層し、３層目の上に光ファイバ３を配線（ルーティング）する。このとき、光ファイバ３のＦＢＧセンサ４がリブ２とリブ２の交点の中間に位置するように配置する。その上に、４層目、５層目、６層目の炭素繊維強化プラスチック５ｄ、５ｅ、５ｆを積層する。
このような構造体は、図３に示すようにリブ構造体１の外部に引き出された光ファイバ３の一端に接続された診断装置６により、リブ構造体１のどの部分に歪があるかを診断できる。診断装置６は、光源と光スペクトラムアナライザなどから構成され、光ファイバ３の一端から光を入射する光源と、入射した光がＦＢＧセンサ４によって反射される光の波長を計測する光スペクトラムアナライザーと、入射光の中心波長と反射光の中心波長の差から歪の量を求め、その結果を解析する装置などからなる。

図４、図５は、リブ構造体１に歪が生じたときの中心波長がどのように変化するかを説明する図である。図４は、リブ２が破損した場合を示し、図５は、リブ構造体に取り付けたパネルの層間またはリブ構造体とパネル間に剥離が生じた場合を示すものである。
図４では、（ａ）は、正常時の場合を示し、リブ構造体１の一部分のＦＢＧセンサ４をＦＢＧ１、ＦＢＧ２、ＦＢＧ３としそれぞれの反射光の中心波長λ１、λ２、λ３である場合に、図（ｂ）のように、リブに損傷を受けると、圧縮によりセンサＦＢＧ１の反射光の中心波長λ１は低波長側へシフトし、損傷リブを支えるためＦＢＧ２、ＦＢＧ３のセンサのリブには引っ張り力が生じるため、センサＦＢＧ２，３の反射光の中心波長λ２、λ３は高波長側へシフトする。
また、図５は、リブ構造体１にパネルが取り付けられている場合の、パネルの層間またはリブ構造体とパネルの剥離が生じた場合の中心波長の変化を示す。図において、センサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、ＦＢＧ３の反射光の中心波長をλ１、λ２、λ３としたとき、センサＦＢＧ１が内層されているリブとパネルの隔離、または、パネルの層間剥離が生じると（図の（ｂ））、全体として圧縮により反射光の中心波長λ１、λ２、λ３は低波長側にシフトする。
このように、構造物の一部に損傷が生じた場合、損傷を受けた場所の周辺のリブにかかる歪は、損傷を受ける前と比べて必ず変化する。この変化は、上述したように、リブとリブの中間に配置したＦＢＧセンサにより、反射光の中心波長のシフトとして観測されるので、ＦＢＧセンサ４が内層されている格子状リブ構造体１は、光ファイバ３の一端から光源により光を注入し、各ＦＢＧセンサ４の反射光の波長のずれをモニタしておくことによって、構造体が健全であるか、損傷を受けているか、さらには、どの場所に損傷を生じたかといった構造体の健全性診断を高精度に行うことができる。また、ここでは、リブに内層されたＦＢＧの反射波長がすべて異なる例を示したが、２つ以上の反射波長がある場合には、同一の反射波長を有する複数のＦＢＧが含まれてもよい。この場合は、同一の反射波長を有する複数のＦＢＧからは、その波長変動を観測することによって構造体にかかっている歪み変動の勾配などの傾向を把握することができ、またもう一方の波長を観測することによって、さらにその方向を知ることができる。なお、反射光の中心波長のずれは温度の変化によっても生じるので、中心波長の変化から構造体のある場所に温度変化が生じた場合に、その場所の特定と温度検知できるので、その温度変化の原因となった構造体や、付近の機器の異常を迅速に知ることができ、必要な対策を講じることができる。

つぎに、より具体的に実施例をあげ説明する。

図６は、図１に示したリブ構造体１に内層されている光ファイバ３とＦＢＧセンサ４のみを示す図である。リブ２は図面上に表していない。このリブ構造体の両端を、矢印で示す方向へ力を加えて、引張り試験を行う。光源には、１．５５μｍ帯のＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源と光スペクトラムアナライザを用いる。破壊試験時におけるＦＢＧセンサの反射光の中心波長を観測した。ＦＢＧセンサ４として、図中に示す５箇所のセンサ４ａ〜４ｅのそれぞれの反射光の中心周波数は次のとおりである。
ａ）試験前の中心波長
ＦＢＧ４ａ＝１５４８ｎｍ、ＦＢＧ４ｂ＝１５５０ｎｍ、ＦＢＧ４ｃ＝１５５２ｎｍ
ＦＢＧ４ｄ＝１５５４ｎｍ、ＦＢＧ４ｅ＝１５５６ｎｍ
ｂ）試験後の中心波長
ＦＢＧ４ａ反射光無し、ＦＢＧ４ｂ＝１５５０．８ｎｍ
ＦＢＧ４ｃ＝１５５２．８ｎｍ、ＦＢＧ４ｄ＝１５５４．８ｎｍ
ＦＢＧ４ｅ＝１５５６．８ｎｍ
上記の測定結果から、ＦＢＧ４ａを内層しているリブ部分が破損し、周辺のリブが支えていることが分かる。

つぎに、図７は、リブ構造体１に平面パネル７を取り付けた構造体を示し、上記実施例１と同様に引張り試験を行った。この図では、内層されている光ファイバとＦＢＧセンサ４は図示していないが、図６と同様であるので代用する。ここでは、７個のセンサ４ａ〜４ｇに注目する。この試験では、リブとパネル材に剥離が生じるまで引張り力を加えた。試験前と試験後の反射光の中心波長は次のとおりである。
ａ）試験前の中心波長
ＦＢＧ４ａ＝１５４５ｎｍ、ＦＢＧ４ｂ＝１５４８ｎｍ、ＦＢＧ４ｃ＝１５５０ｎｍ
ＦＢＧ４ｄ＝１５５２ｎｍ、ＦＢＧ４ｅ＝１５５４ｎｍ、ＦＢＧ４ｆ＝１５５６ｎｍ
ＦＢＧ４ｇ＝１５５８ｎｍ
ｂ）試験後の中心波長
ＦＢＧ４ａ＝１５４５．２ｎｍ、ＦＢＧ４ｂ＝１５４８．７ｎｍ
ＦＢＧ４ｃ＝１５５０．７ｎｍ、ＦＢＧ４ｄ＝１５５２．７ｎｍ
ＦＢＧ４ｅ＝１５５４．７ｎｍ、ＦＢＧ４ｆ＝１５５６．８ｎｍ
ＦＢＧ４ｇ＝１５５８．８ｎｍ
この結果から、ＦＢＧ４ａセンサを内層しているリブ部分のパネルが破損し、その周辺のリブが支えていることが分かる。

以上、この実施の形態では、格子状のリブ構造体は、三角形の単位構造が複数連続した構造体について説明してきたが、三角形の単位構造のほかに四角形や六角形などの形状を有する単位構造を多数並べて繰り返し構造を構成できるものであれば単位構造の形状は何でもよい。
また、上記では、２次元平面のリブ構造体およびそのリブ構造体に平面パネルを取り付けた形態で説明したが、肉薄の３次元の曲面を有するシェル形状のリブ構造体、または筒状のリブ構造体または円錐状のリブ構造体であっても、それぞれリブにＦＢＧファイバを内層したリブ構造体でもよい。
また、リブ材料として、炭素繊維強化プラスチックをあげたが、ガラス繊維やケプラー繊維を用いた複合材が適用できる。また、さらにリブ材として、Ｃ／Ｃ（炭素繊維強化炭素）、Ｃ／Ｓｉｃ（炭素繊維強化炭化珪素）など軽量の繊維強化複合材や、アルミニウムやアルミニウム合金、繊維強化金属基複合材料などの軽量金属であってもよい。これらの軽量金属のリブ構造体の場合には、ＦＢＧファイバを構造上の上に直接、接着剤などで貼り付ければよい。

このように、この発明では、多数の単位の構造が連続した格子状のリブ構造体にセンサ機能を有するＦＢＧファイバのＦＢＧセンサの反射波長とリブの位置を対応付けて内層した構造としたので、構造体の歪の状況などを外部の診断装置に接続することで、容易にリブ構造体のどの部分に歪または温度の影響があるかなど構造体の健全性の診断を容易にかつ高精度に行える。
また、テープ状の繊維強化複合材を用いて積層したリブ構造体としたので、一部が損傷を受けても一度に全体に破壊が進展することがないので、人工衛星などの宇宙機器や航空機などの構造物に適応できる軽量、高信頼のリブ構造体が得られる。
また、構造材料をモニタリングする場合、６つの自由度（ｘ、ｙ、ｚ、ｘｙ、ｙｚ、ｚｘ）が存在することから、このすべてをモニタするためには６つのセンサを配置する必要があるが、この発明によれば、リブとリブの交点の中間に１つずつ配置することによって、この数を絞り込むことが可能となる。

実施の形態２．
図８は、ＦＢＧセンサを有する光ファイバを内層したリブ構造体の製造方法を示す図で、図１に示した、三角形状の単位構造からなるリブ構造体の製造方法である。
まず、リブ材料となる樹脂を含浸させたテープ状の強化繊維の束（プリプレグ）群を０°方向について積層する。つぎに６０°方向について繊維束を積層する。つづいて、−６０°方向の繊維束を積層する。これらの工程をリブの厚さとの関係より必要な積層数となるまで繰り返す。その後で、光ファイバのＦＧＢセンサ４がリブとリブの交点、すなわち、積層した０°方向の繊維束と６０°方向の繊維束と−６０°方向の繊維束との交点と交点の中間位置になるよう配置しながら、光ファイバをルーティングする。ＦＢＧセンサの配置と光ファイバのルーティングが終了してから、上層部分の積層を行う。それは、０°方向の繊維束の積層、６０°方向の繊維束の積層そして−６０°方向の繊維束の積層をリブの厚さとの関係から必要な積層数となるまで繰り返す。その後、オートクレーブにより加熱成形を行う。

図９は、製造方法を具体的に説明する図である。Ａは０°方向の繊維束群、Ｂは６０°方向の繊維束群、Ｃは−６０°方向の繊維束群である。繊維束積層装置制御部１０で制御されるロボットアーム８の先端にある加圧ヘッドにより下層の繊維束に押し付けながら積層する。リブの厚さは積層回数により決まる。ＦＢＧセンサ４を有する光ファイバ３を実装ヘッド１１によりＦＢＧセンサ４がリブとリブの交点の中間に位置するように配置しながらルーティングを行う。実装ヘッド１１は、制御部１２で制御されて、光ファイバのルーティングを行う。光ファイバ３のルーティングが終わると、Ａ、Ｂ、Ｃの０°方向の繊維束群（Ａ）、６０°方向の繊維束群（Ｂ）、−６０°方向の繊維束群（Ｃ）を繰り返し積層する。この後、図８の最終工程のオートクレーブにより、加熱成形することにより、ＦＢＧセンサが埋め込まれた格子状のリブ構造体を成形することができる。

このように、ＦＢＧセンサを有する光ファイバを繊維束群の積層工程と同様の工程で行うことができるので、一体化成形を自動的にでき、信頼性の高いリブ構造体を低コスト、短時間で供給でき量産性にすぐれているという効果がある。

実施の形態３．
図１０は、ＦＢＧセンサを有する光ファイバを内層した、シリンダ構造の格子状リブ構造体のフィラメントワインディング（ＦＷ）法による製造方法を示す図である。
まず、繊維強化複合材５を樹脂の入っている含浸槽１３を通過させ、繊維強化複合材５に樹脂を含ませ、制御装置１５によって回転させられる成形型１６に巻きつけ、格子状に積層し、下層部を形成する。その下層部が必要な積層数に達した後、光ファイバ供給部１４からＦＢＧセンサ４を有する光ファイバ３を供給し、成形型１６上に既に形成されている下層部の上に、光ファイバ３を配置していく。このとき、ＦＢＧセンサ４のそれぞれの中心波長と配置位置との対応付けを行いながら、ＦＢＧセンサ４がリブとリブの交点の中間に位置するように配置する。
この後、含浸槽１３を通過して樹脂を含んだ繊維強化複合材５を、光ファイバ３を配置した下層部の上に、成形型１６を回転させながら巻きつけ必要積層数になるまで積層して、上層部を形成する。

このように、成形型に、繊維強化複合材に樹脂を含浸させ積層する過程で、ＦＢＧセンサを有する光ファイバを内層するので、外部より容易に構造体の健全性をモニタできる軽量で高信頼のリブ構造体ができる。
また、一体成形可能なＦＷ法により、信頼性の高いリブ構造体を低コスト、短時間で供給でき、量産性にすぐれているという効果がある。

この発明の実施の形態１を示すＦＢＧセンサを内層したリブ構造体の図である。図１におけるリブの一部の断面図である。実施の形態１のＦＢＧセンサを内層したリブ構造体の試験方法を示す図である。実施の形態１におけるＦＢＧセンサの第１の作用を説明する図である。実施の形態１におけるＦＢＧセンサの第２の作用を説明する図である。ＦＢＧセンサの内層されたリブ構造体の引っ張り試験の実施例を示す図である。パネルを装着したＦＢＧセンサ内層されたリブ構造体の引っ張り試験の実施例を示す図である。実施の形態２におけるリブ構造体の製造工程図である。実施の形態２における製造工程の具体的方法を示す図である。実施の形態３における製造方法を示す図である。

符号の説明

１リブ構造体、２リブ、３光ファイバ、４、４ａ〜４ｇＦＢＧセンサ、５、５ａ〜５ｆ繊維強化複合材、６診断装置、７パネル、８ロボットアーム、９加熱ヘッド、１０制御部、１１実装ヘッド、１２制御部、１３含浸槽、１４光ファイバ供給部、１５制御部、１６成形型。

Claims

リブにより構成される格子と、少なくとも２つ以上の反射波長を有する複数のブラッグ・グレーティング構造が形成された光ファイバとを備え、上記ブラッグ・グレーティング構造をその反射波長ごとに位置を対応付けて上記格子の交点と交点との中間部に配置したことを特徴とするリブ構造体。
前記リブは、繊維強化複合材の積層物から成り、ブラッグ・グレーティング構造の形成された光ファイバが、上記積層物に内層されていることを特徴とする請求項１記載のリブ構造体。
請求項１のリブ構造体は、３次元構造を有することを特徴とするリブ構造体。
テープ状の繊維強化複合材のプリプレグを加圧しながら積層して下層部を形成する工程と、ブラッグ・グレーティング構造をその反射波長ごとに位置を対応付けて配置する工程と、前記プリプレグを加圧しながら前記下層部の上に席層する工程とを備えるリブ構造体の製造方法。
繊維強化複合材の素材である強化繊維に樹脂を含浸させて成形型に巻きつけることによって下層部を形成する工程と、前記下層部の上に光ファイバのブラッグ・グレーティング構造をその反射波長ごとに位置を対応付けて配置する工程と、前記ブラッグ・グレーティング構造を配置した上から前記樹脂を含浸させた強化繊維を巻きつけながら積層する工程とを備えたリブ構造体の製造方法。