JP4377642B2

JP4377642B2 - 構造用複合材料の損傷探知システム

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Publication number: JP4377642B2
Application number: JP2003335108A
Authority: JP
Inventors: 敏充荻巣; 雅一嶋貫; 展雄武田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
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Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2009-12-02
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Also published as: EP1519181A1; JP2005098921A; US20050067559A1; US7176448B2

Description

本発明は、航空機構造、衛星及び宇宙ステーション等の宇宙機器、超高層建築、公共インフラストラクチャ及び高速車両等に適用される構造用複合材料に生じる欠陥や経年劣化、その他の損傷の損傷探知システムに関する。

例えば、航空機等の機体のような、素材に対する強度と軽量化の双方が要求される分野においては、このような要求に応えるために、CFRP等の複合材料の大幅な適用化が不可欠である。
このような複合材料の損傷、欠陥等の探知を行う検査装置として、箔状のピエゾ素子及びケーブルをポリイミドフィルムに挟み込んだ検査装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この検査装置は、検査に際して、かかるピエゾ素子を備えるポリイミドフィルムを構造物の複合材料中に予め埋め込んだり、構造物の面部に接着剤で構造に貼付けることで設置が行われる。そして、構造物に加えられる振動に対するピエゾ素子の出力を検出することで、その検出波形から構造用複合材料の損傷、欠陥等の探知が行う。

また、他の従来技術として、光ファイバを用いるFBG（Fiber Bragg Grating）型、OTDR（Optical Time Domain Refrectable）型、ファブリーペロー型の検出処理装置が挙げられる。光ファィバは、特許文献２に示すように、昨今では細径化（例えば、直径55[μm]）が進んでおり、構造物に埋め込んでも、当該構造物の強度の低下をあまり生じないため、その設置に関して自由度が高いという利点を備えている。
米国特許６３７０９６４号明細書特開２００１−１５４０６９号公報

特許文献１に記載の従来技術にあっては、前述のように、使用時にポリイミドフィルムを構造に埋め込むか、接着剤で構造に貼付ける必要があるが、このフィルムは柔軟で変形しやすい上に構造材としての強度が期待できないので積層作業が煩雑であり積層作業が増えることになる。
また、光ファイバーを用いて構造用複合材料の歪み等の検出を行う従来技術にあっては、特許文献２に記載の細径光ファイバを用いることで、取付により強度低下の影響を最小限に抑えることが可能であるが、これらの従来技術は結局光ファイバー近傍の局所的なひずみ変化を捕らえているため、局所的なひずみ変化がない限り損傷として検知されることはないという不都合があった。

本発明は、構造用複合材料に強度低下を生じないようにしつつも、構造用複合材料に発生する損傷を探知することをその目的とする。
さらに、本発明は、構造用複合材料に発生する損傷の位置又はその程度を探知することを他の目的とする。

請求項１記載の発明は、構造用複合材料の損傷探知システムであって、前記構造用複合材料に対して振動を付加するピエゾ素子と、前記構造用複合材料の損傷探知箇所に設けられ、コア部に所定の波長光を反射するグレーティング部を有する光ファイバセンサと、コア部に光照射を行う光源と、前記ピエゾ素子からの振動により、前記光源の光照射に対するグレーティング部からの反射光の特性を検出する特性検出手段と、損傷探知時に構造用複合材料に対する前記振動付加によって得られた前記反射光の特性である周波数分布の検出データを、異常のない構造用複合材料に対する前記振動付加によって得られた前記周波数分布の検出データと比較することで損傷の判定を行う検出処理装置とを備えることを特徴とする。
また、請求項２記載の発明のように、検出処理装置は、損傷探知時に構造用複合材料に対する前記振動付加と非振動時のそれぞれによって得られた前記反射光の特性である周波数分布の中心周波数の差によって求まる周波数分布のシフト量を、異常のない構造用複合材料に対する前記振動付加と非振動時のそれぞれによって得られた前記周波数分布の中心周波数の差によって求まる周波数分布のシフト量と比較することで損傷の判定を行うこととしても良い。

上記構成では、ピエゾ素子を構造用複合材料の表面に現れる部位に装着する。装着の方法に限定はないが、貼着、接着等のように構造用複合材料の強度低下を生じない方法が望ましい。
一方、光ファイバセンサは、損傷探知箇所、例えば、従来のピエゾ素子を用いたセンサが直接装着できないような狭い領域、或いは取付作業穴を設ける必要がある構造用複合材料の中空内部、構造用複合材料が複数の部材からなる場合は、各部材の接合部の近傍或いは各部材の接合部の間に装着される。装着の方法に限定はないが、貼着、接着等のように構造用複合材料の強度低下を生じない方法が望ましい。
そして、ピエゾ素子に駆動電圧を印加して構造用複合材料に振動を付加する。かかるピエゾ素子の設置箇所は、例えば、グレーティング部までの振動の伝搬経路が損傷の生じやすい箇所或いは損傷の発生を探知すべき箇所を通過するような位置であることが望ましい。なお、この振動は、連続的なものでも良いが、瞬間的なものであることが好ましい。かかる振動が複合材料を介してピエゾ素子から光ファイバに伝達される。これにより、光ファイバは振動による歪みからグレーティング部における反射光の特性、例えば、光波長にズレを生じる。
このとき、ピエゾ素子から光ファイバセンサのグレーティング部までの間に損傷が発生していれば、振動は減衰して伝達され、特性検出手段の検出する周波数等の特性は変動する。
これにより、光ファイバセンサのグレーティング部の配置から損傷の発生箇所が特定され、特性検出手段の検出する周波数等の特性の変動から損傷の程度が特定される。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明と同様の構成を備えると共に、構造用複合材料が部材の接合部を有し、接合部又はその近傍にピエゾ素子及び光ファイバセンサを設置する、という構成を採っている。
構造用複合材料の接合部は、剥離等の損傷を生じる場合があるため、特に損傷探知を要するが、この接合部は、一般に構造物の内部構造や複雑となる構造部に用いられることが多く、構造物の内側或いは各種センサを設置するのは大きな取付作業穴を設ける必要を生じる等により強度の低下を招くおそれがあり、損傷探知が困難となることが多い。
この点を鑑みて、上記構成では、ピエゾ素子と光ファイバセンサとを用いることで、接合部の近傍であって各種のセンサの取付困難な箇所には光ファイバセンサを設置し、その近傍にピエゾ素子を設置する。設置後の損傷検出動作は請求項１記載の発明と同様である。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明と同様の構成を備えると共に、光ファイバセンサを、接合部において部材に挟み込む配置又はいずれかの部材の接合面近傍に埋め込む配置とする、という構成を採っている。
前述したように、複合材料の接合部には剥離による損傷の発生を生じる可能性があり、その検知のためには、検知手段が接合部の各部材の境界面に設けることが望ましい。しかしながら、従来のピエゾ素子を用いるセンサ等を境界面に配置すると、接合強度低減のおそれを生じるため、周囲との接触面積の微小化が容易な光ファイバセンサを接合部の境界位置に挟み込むか或いは互いに対向する境界面のいずれか一方に埋め込むという手法により、接合部の強度の低下を回避している。

請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の発明と同様の構成を備えると共に、ピエゾ素子と光ファイバセンサとを、これらの間に部材のいずれかが位置するように配置する、という構成を採っている。
上記構成では、いずれかの部材をピエゾ素子と光ファイバセンサとの間に配置することで、損傷の探知を行う。また、ピエゾ素子により振動を付加するに際して、振動波の伝搬経路が部材全体を通過することとなり、当該部材の全体に渡って損傷が好適に探知される。

請求項１又は請求項２記載の発明は、微細径とすることが可能な光ファイバを用いる光ファイバセンサを使用することから、従来のピエゾ素子を用いるセンサではその装着により構造用複合材料の強度低下を生じるような場合、例えば、構造用複合材料の材料に直接埋め込む場合であっても、材料と光ファイバとの接触面積が小さいために剥離等の強度低下を抑制することが可能となる。また、取付作業穴を設ける必要がある場合でも、穴径を小さくすることができるため、構造用複合材料の強度低下を抑制することが可能となる。また、構造用複合材料の表面に溝を設けて光ファイバを設置する場合でも、溝幅を小さくでき、強度低下を抑制することが可能となる。光ファイバを微細化することにより、構造用複合材料が複数部材からなる場合であっても、強度低下を抑制してそれらの接合部に光ファイバセンサを挟み込むことが可能となる。
さらに、本発明は、従来のピエゾ素子を用いるセンサのようにその設置に際して煩雑な積層作業を行う必要がなく、容易に設置を行うことが可能である。
従って、構造用複合材料の強度低下を抑制しながらも、損傷発生の可能性が高い部分を含む各部において損傷の発生を検出することが可能となる。
さらに、光ファイバセンサは、振動発生位置からグレーティング部の間における振動伝達経路にある損傷の探知を行うことができるため、従来のように、グレーティング部の周囲のみに限らず、広い範囲で損傷を探知することが可能となる。

請求項３記載の発明では、部材の接合部又はその近傍にピエゾ素子及び光ファイバセンサを設置するため、その接合部が構造体の内部に存在する場合或いは複雑な構造部に存在する場合であっても、特に、接合部近傍における構造物の内側や複雑な構造部に光ファイバセンサを設置することにより、接合部における剥離等の損傷を好適に探知することが可能となる。
このため、損傷の探知が困難であることから接合部を用いた複合材料の活用が不十分であった構造物の内側や複雑な構造部にも、複合材料の活用が可能となり、構造物の飛躍的な軽量を実現することが可能となる。

請求項４記載の発明は、その表面積の微小化が容易である光ファイバセンサを、部材の接合部の境界に挟み込む配置又はいずれかの部材の境界面のいずれかの近傍に埋め込む配置とすることから、当該接合部の接合強度の低下を回避しつつも、剥離の発生しやすい最も近傍の位置において損傷探知を行うことができ、いち早く且つ高精度に損傷探知が可能となる。

請求項５記載の発明は、いずれかの部材を挟んでピエゾセンサと光ファイバセンサとを配置するため、挟まれた部材全体について剥離等の損傷が発生した場合であっても、いち早く且つ高精度で探知を行うことが可能となる。即ち、挟まれた部材全体が振動波の伝搬経路となり、当該部材全体について損傷の探知精度をより向上することが可能となる。

本発明の実施形態たる構造用複合材料の損傷探知システム１０について説明する。図１は、構造用複合材料Ｚの損傷探知を行う損傷探知システム１０の概略構成図である。
ここでは、構造用複合材料Ｚを航空機の主翼に使用した場合を例示しており、損傷探知システム１０は、構造用複合材料Ｚの損傷の発生を探知すべき各部においてその探知を行う。

（損傷探知システムの全体構成）
本実施形態たる構造用複合材料の損傷探知システム１０は、図１に示すように、構造用複合材料Ｚの損傷探知を行うべき箇所の近傍において構造用複合材料Ｚの面部に貼着される複数の加振装置２０と、構造用複合材料Ｚの損傷探知を行うべき箇所の近傍に設置される複数の光ファイバセンサ３０と、各加振装置２０が保持する複数のピエゾ素子２１の制御装置４１と、各光ファイバセンサ３０から得られる反射光の特性変化を検出する特性検出手段としてのスペクトラムアナライザ４２と、各加振装置２０が保持するピエゾ素子２１とスペクトラムアナライザ４２の出力から損傷の有無を判断する検出処理装置５０とを備えている。以下、各構成について詳説する。

（加振装置）
上記加振装置２０は、図２の平面図に示すように、シート体２２と、このシート体２２に点在した状態で保持される複数のピエゾ素子２１と、シート体２２に設けられた各ピエゾ素子２１の配線２３とを備えている。
シート体２２は、ポリイミド等のフィルム状であり、柔軟な変形性を備えている。かかるシート体２２は、損傷等の探知を行う構造用複合材料Ｚの面部に対して複数のピエゾ素子２１が点在して接する状態を維持するために当該各ピエゾ素子２１の保持を行うためのものである。

各ピエゾ素子２１は、それ自体が箔状をなし、上述したように、シート体２２の一面側に点在した状態で配置されている。各ピエゾ素子２１は、シート体２２が平面状であることから、その平面に偏ることなく満遍なく点在するように配置されている。
各ピエゾ素子２１からは、配線２３としての箔状のリード線がシート体２２の面に沿って導出されており、シート体２２の一端部に設けられたコネクタ２４に集中配線されている。各配線２３はシート体２２の平面上において、さらに上から絶縁皮膜が覆っており、各配線２３ごと及び外部に対して絶縁処理が施されている。

上記各ピエゾ素子２１は、外部から駆動電圧を印加されると、その厚さ方向に厚み変化を生じる。かかる性質を利用して、制御装置４１は、任意のピエゾ素子２１に対して駆動用のパルス電圧を印加し、構造用複合材料Ｚの壁面に対して瞬間的な振動を加えることを可能としている。

（光ファイバセンサ）
光ファイバセンサ３０は、図３（Ａ）の概略構成図に示すように、コア部３２に所定の波長光を反射するグレーティング部３３を有する光ファイバ３４から構成されている。
上記光ファイバ３４は、その外径が50〜100[μm]程度のものが使用される。なお、この外径については、より細径であっても良い。細径であればよりその取付けに際して構造用複合材料Ｚの強度低下を抑制する。
さらに、光ファイバ３４は、その一端部においてスペクトラムアナライザ４２に接続されており、当該スペクトラムアナライザ４２が有する図示しない光源により、所定範囲の波長帯域を網羅する照射光がコア部３２に入射される。このスペクトラムアナライザ４２から入射する光は、コア部３２を伝搬してグレーティング部３３でその一部の波長光のみが反射される。

図３（Ｂ）は、コア部３２の光進行方向における屈折率変化を示す線図であり、図中の範囲Ｌがグレーティング部３３における屈折率を示している。
かかる図に示すように、グレーティング部３３は、コア部３２の屈折率を一定の周期で変化するように構成されている。グレーティング部３３は、かかる屈折率の変化している境界部分で特定の波長の光のみ選択的に反射するようになっている。このグレーティング部３３に振動によりひずみ等の外乱が加えられると反射光の波長が変化する。反射光の波長をλ_B、波長の変化量をΔλ_B、光電効果係数をPε、グレーティング部３３に生じる歪み量をε、温度係数をξ、温度変化をΔTとした場合、以下の関係が成立する。
Δλ_B／λ_B＝（1−Pε）・ε＋ξ・ΔT

従って、グレーティング部３３に振動を生じると、グレーティング部３３の歪み量εに変化を生じ、その結果、歪み量εに応じて反射光の波長が変動することとなる。振動がその振動源から良好に伝達されれば、グレーティング部３３は大きく歪みを生じ、波長の変化量Δλ_Bは大きく変動することとなるし、振動がその振動源から良好に伝達されない場合は、グレーティング部３３は小さく歪みを生じ、波長の変化量Δλ_Bは小さく変動することとなる。

（スペクトラムアナライザ）
スペクトラムアナライザ４２は、所定の波長帯域における光強度分布を検出することができる。即ち、光源により光ファイバセンサ３０のコア部３２を照射して、グレーティング部３３における反射光を検出することにより、当該反射光の波長を検出することができる。上述のように、光ファイバセンサ３０は、そのグレーティング部３３が一定の周波数の光のみを反射すると共にその歪みに応じてその周波数が変動することから、高光強度となる周波数を検出し、振動を加えられたときの高光強度の周波数を検出することで、周波数変動を検出することが可能である。かかるスペクトラムアナライザ４２が検出する周波数変動は、図示しないインターフェースを介してＡ／Ｄ変換されて検出処理装置５０に出力される。
なお、図１において示される符号４３は、スペクトラムアナライザ４２の電源回路である。

（制御装置）
制御装置４１は、検出処理装置５０により特定されたピエゾ素子２１に対してパルス電圧を印加し、特定のピエゾ素子２１が構造用複合材料Ｚに対して振動発生手段として振動を付与するように駆動させる機能と備えている。

（検出処理装置）
検出処理装置５０は、図４に示すように、プログラムに従い演算処理を行うＣＰＵ５１と、各種の処理及び制御を行うためのプログラムを記憶するＲＯＭ５２と、各種の処理において一時的にデータ等を格納する作業領域となるＲＡＭ５３と、
加振装置２０の制御装置４１とデータの送受を図るインターフェース５４と、スペクトラムアナライザ４２とデータの送受を図るインターフェース５５と、検出結果の表示データを表示モニタ５６に適正なフォーマットの画像信号に変換して表示モニタ５６に出力する画像出力インターフェース５７と、上記各構成間での各種指令又はデータの伝送を行うデータバス５８とを備えている。

損傷探知システム１０は、損傷探知の対象となる構造用複合材料Ｚ（本実施形態では航空機の主翼）に設置した加振装置２０の所定位置のピエゾ素子２１により構造用材料Ｚに対して振動を付加すると共に、光ファイバセンサ３０により検出される振動波の伝搬状態から、光ファイバセンサ３０の近傍に損傷が発生しているか否かを探知する。そのために、検出処理装置５０は、ＲＯＭ５２に記憶された各種のプログラムをＲＡＭ５３を用いてＣＰＵ５１が処理することで各種の機能を実行する。以下、検出処理装置５０が実行する各種の機能について説明する。

(1)ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２に格納されたプログラムに従い、任意のピエゾ素子２１について駆動用パルス電圧を印加するように制御装置４１の動作制御を行う。選択するピエゾ素子２１としては、いずれのものでも良いが、例えば、振動の発生源とした場合に、光ファイバセンサ３０のグレーティング部３３までの間に複合材料Ｚの損傷を生じやすい部分が存在するようなピエゾ素子を選択することが望ましい。
また、或いは、ＣＰＵ５１の制御プログラムを、駆動用パルス電圧を印加するピエゾ素子２１を順次替えて、それぞれで検出を行うように設定しても良い。

(2)ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２に格納されたプログラムに従い、駆動用パルス電圧の印加後のスペクトラムアナライザ４２の検出する周波数分布を示す検出データを取得すると共に、各光ファイバセンサ３０ごとに検出データをＲＡＭ５３に記憶する処理を行う。また、ＣＰＵ５１は、これら各検出データによりそれぞれの周波数分布を示す波形画像を生成し、画像出力インターフェース５７を介して表示モニタ５６に表示する動作制御を行う。

(3)ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２に格納されたプログラムに従い、ＲＡＭ５３に記憶した各光ファイバセンサ３０の周波数特性を示す検出データから損傷有無の判定処理を行う。例えば、かかる判定では、検出処理装置５０のＲＡＭ５３に、予め異常なしと分かっている構造用複合材料Ｚに対して一定条件下で振動付加時に、振動付加開始からの経過時間を一定にして、得られた理想的な周波数分布の検出データを記憶し、同条件で加振して損傷探知時に得られた周波数分布の検出データと比較すると次のようになる。
即ち、損傷のない状態では、振動が良好に光ファイバセンサ３０のグレーティング部３３に伝搬するので、反射光の周波数特性が、非振動時の反射光の周波数から大きくシフトすることとなる。一方、損傷が振動伝搬経路に存在する場合には、振動が光ファイバセンサ３０のグレーティング部３３に伝搬する経路が異なるので、反射光の周波数は、非振動時の反射光の周波数特性と異なる結果となる。従って、ＣＰＵ５１は、損傷のある場合に加振した時の周波数特性と損傷のない場合に加振した時の周波数特性を比較して、所定以上に変化した場合に損傷したと判定する。
あるいは、ＣＰＵ５１は、非振動時と振動時とにおける反射光の周波数のスペクトラム解析によりその中心周波数をそれぞれ求め、さらに、非振動時と振動時とにおける反射光の中心周波数を減算してその差を算出する。これにより、周波数分布のシフト量が求まるため、このシフト量と損傷のない場合の反射光のシフト量とを比較して、損傷のない場合におけるシフト量よりも既定値以上下回る場合には、損傷ありと判定する。
また、ＣＰＵ５１は、判定結果に応じて損傷ありと判定した場合、いずれの光ファイバセンサ３０が異常を示したかを、画像出力インターフェース５７を介して表示モニタ５６に表示する動作制御を行う。

なお、上記検出処理装置５０では、予め取得した正常な構造用複合材料Ｚによる検出データとの比較を行ったが、特にこれに限定されるものではない。例えば、光ファイバセンサ３０におけるスペクトラムアナライザ４２の検出する周波数分布による特定周波数の非振動時からの変動値に閾値を設定し、それ以下の場合は損傷ありと判定しても良い。

（損傷探知システムの作用）
上記構成からなる損傷探知システム１０の構造用複合材料Ｚである航空機の主翼に対する損傷探知作業について説明する。
航空機の主翼は、中空構造であると共に内部にはその長手方向に沿って桁が設けられている。加振装置２０は、シート状であることから上述のような構造の航空機の主翼内部に設置するためには、加振装置２０を通すための大きめの取付作業穴を設ける必要がある。このため、加振装置２０は、桁の表面上に貼着される。一方、光ファイバセンサ３０が微細なケーブル状であることから、主翼内部に取付ける場合に、細径であるため主翼の強度の低下を回避することができる。従って、特に応力が付加される桁に沿って設置される。かかる光ファイバセンサ３０は、少なくともグレーティング部３３の全体が複合材料Ｚと密着することが望ましく、主翼内壁面に接着又は粘着テープにより貼着される。また、光ファイバセンサは微細径であることから、桁を形成する段階でその材料となる繊維と一体にして壁面内部に光ファイバセンサ３０を埋め込んでも良い。

そして、予め決められたピエゾ素子２１に対してパルス電圧が印加され、光ファイバセンサ３０を介して、スペクトラムアナライザ４２により振動時の反射光の周波数特性が検出される。これにより、振動を付加したピエゾ素子２１から光ファイバセンサ３０のグレーティング部３３までの間及びその周囲において、損傷の有無が判定される。
そして、検出処理手装置５０は、損傷の有無判定を行い、その判定結果を表示モニタ５６に出力する。

（損傷探知システムの効果）
上記構造用複合材料の損傷探知システム１０では、微細径とすることが可能な光ファイバを用いる光ファイバセンサ３０を使用することから、加振装置２０ではその装着により構造用複合材料Ｚの強度低下を生じることを回避でき、より損傷の発生を生じやすい箇所へ近接させて設置することが可能である。このため、損傷をより早期に精度良く検出することが可能となる。
また、光ファイバセンサ３０では、加振装置２０の任意のピエゾ素子２１により生じた振動がグレーティング部に伝達することで、その反射光の周波数変化から損傷を検出するため、ファイバ周囲の局所的な損傷のみならず、より広範に振動伝達経路にある損傷の探知を行うことが可能となる。

（その他）
上記構成では、一のピエゾ素子２１について損傷の探知時においてパルス振動を発生させていたが、無論これに限定するものではなく、一定周波数で一定期間振動を発生させても良い。

また、上記実施形態では、構造用複合材料として航空機の主翼を例示したが、無論これに限定されるものではない。
例えば、図５は、複合材料からなるπ型構造物Ｘであり上下に水平を向いて並んだ一対の平板Ｘ１にそれぞれフランジＸ２を設け、各フランジＸ２に垂直を向いた平板状のウェブＸ３の上下端をそれぞれ挟むようにして接合されている。
このような、構造物Ｘに損傷探知システム１０を適用する場合には、フランジＸ２とウェブＸ３の接合面において、ウェブＸ３側に光ファイバセンサ３０が埋め込まれ、フランジＸ２の外面に加振装置２０が貼着される。これにより、損傷を生じやすいフランジＸ２とウェブＸ３の境界面が、振動伝達経路である加振装置２０と光ファイバセンサ３０との間となり、損傷が精度良く探知される。
なお、ウェブＸ３とフランジＸ２を別に成形し接着する場合と、繊維でウェブとフランジを形成して組み立てＲＴＭにより一体成形する場合とがあるが、プリプレグ積層の場合は積層時に、ＲＴＭの場合は繊維を積層するときに埋め込む。
また、光ファイバセンサ３０は、ウェブＸ３とフランジＸ２の接合部の間に挟み込むように配置しても良い。

図６は、複合材料からなるＬ型材Ｙ１と平板Ｙ２とを個別に成形し、ボルトやリベットによりファスナ結合する場合であるが、この場合は、Ｌ型材Ｙ１もしくは平板Ｙ２のいずれかに、光ファイバセンサ３０（Φ＝0.055ｍｍと細径）を埋め込み硬化成形する。即ち、Ｌ型材Ｙ１と平板Ｙ２がプリプレグ積層の場合は積層時に、ＲＴＭの場合は繊維を積層するときに埋め込む。
かかる場合、光ファイバセンサ３０が埋め込まれた一方の部材に対して他方の部材には一方の部材と反対側となるように加振装置２０を設置することが望ましい。これにより、損傷を生じやすいＬ型材Ｙ１と平板Ｙ２の境界面が、振動伝達経路である加振装置２０と光ファイバセンサ３０との間となり、損傷が精度良く探知される。
なお、この場合も、光ファイバセンサ３０は、Ｌ型材Ｙ１と平板Ｙ２の接合部の間に挟み込むように配置しても良い。

図７は、複合材料からなるハット材Ｚ１と平板Ｚ２とからなる構造物であり、それぞれを個別に成形し、接着する場合と、繊維でそれぞれを形成して組み立て、ハット材Ｚ１と平板Ｚ２の間に割型を配置してＲＴＭにより一体成形する場合とがある。
かかる場合も、ハット材Ｚ１もしくは平板Ｚ２のいずれかに、光ファイバセンサ３０（Φ＝0.055ｍｍと細径）を埋め込み硬化成形する。即ち、ハット材Ｚ１と平板Ｚ２がプリプレグ積層の場合は積層時に、ＲＴＭの場合は繊維を積層するときに埋め込む。
かかる場合も、光ファイバセンサ３０が埋め込まれた一方の部材に対して他方の部材には一方の部材と反対側となるように加振装置２０を設置することが望ましい。これにより、剥離等の損傷を生じやすいハット材Ｚ１と平板Ｚ２の境界面が、振動伝達経路である加振装置２０と光ファイバセンサ３０との間となり、損傷が精度良く探知される。
なお、この場合も、光ファイバセンサ３０は、ハット材Ｚ１と平板Ｚ２の接合部の間に挟み込むように配置しても良い。

本発明の実施形態たる構造用複合材料の損傷探知を行う損傷探知システムの概略構成図である。図１に開示された加振装置の平面図である。図３（Ａ）は光ファイバセンサの概略構成図であり、図３（Ｂ）は光進行方向におけるグレーティング部の屈折率変化を示す線図である。構造用複合材料の損傷探知システムの制御系を示すブロック図である。他の構造物に損傷探知システムを適用した場合の各センサの設置例を示す説明図である。さらに他の構造物に損傷探知システムを適用した場合の各センサの設置例を示す説明図である。さらに他の構造物に損傷探知システムを適用した場合の各センサの設置例を示す説明図である。

符号の説明

１０構造用複合材料の損傷探知システム
２０加振装置
２１ピエゾ素子
２２シート体
２３配線
３０光ファイバセンサ
３２コア部
３３グレーティング部
４２スペクトラムアナライザ（特性検出手段）
５０検出処理装置

Claims

構造用複合材料の損傷探知システムであって、
前記構造用複合材料に対して振動を付加するピエゾ素子と、
前記構造用複合材料の損傷探知箇所に設けられ、コア部に所定の波長光を反射するグレーティング部を有する光ファイバセンサと、
前記コア部に光照射を行う光源と、
前記ピエゾ素子からの振動により、前記光源の光照射に対する前記グレーティング部からの反射光の特性を検出する特性検出手段と、
損傷探知時に構造用複合材料に対する前記振動付加によって得られた前記反射光の特性である周波数分布の検出データを、異常のない構造用複合材料に対する前記振動付加によって得られた前記周波数分布の検出データと比較することで損傷の判定を行う検出処理装置とを備えることを特徴とする構造用複合材料の損傷探知システム。
構造用複合材料の損傷探知システムであって、
前記構造用複合材料に対して振動を付加するピエゾ素子と、
前記構造用複合材料の損傷探知箇所に設けられ、コア部に所定の波長光を反射するグレーティング部を有する光ファイバセンサと、
前記コア部に光照射を行う光源と、
前記ピエゾ素子からの振動により、前記光源の光照射に対する前記グレーティング部からの反射光の特性を検出する特性検出手段と、
損傷探知時に構造用複合材料に対する前記振動付加と非振動時のそれぞれによって得られた前記反射光の特性である周波数分布の中心周波数の差によって求まる周波数分布のシフト量を、異常のない構造用複合材料に対する前記振動付加と非振動時のそれぞれによって得られた前記周波数分布の中心周波数の差によって求まる周波数分布のシフト量と比較することで損傷の判定を行う検出処理装置とを備えることを特徴とする構造用複合材料の損傷探知システム。
前記構造用複合材料が部材の接合部を有し、前記接合部又はその近傍に前記ピエゾ素子及び光ファイバセンサを設置することを特徴とする請求項１又は２記載の構造用複合材料の損傷探知システム。
前記光ファイバセンサを、前記接合部において部材に挟み込む配置又はいずれかの部材の接合面近傍に埋め込む配置とすることを特徴とする請求項３記載の構造用複合材料の損傷探知システム。
前記ピエゾ素子と前記光ファイバセンサとを、これらの間に前記部材のいずれかが位置するように配置することを特徴とする請求項３又は４記載の構造用複合材料の損傷探知システム。