JP6346214B2 - 複合材成形治具、複合材成形方法、超音波検査システム、超音波検査方法及び航空機構造体 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、複合材成形治具、複合材成形方法、超音波検査システム、超音波検査方法及び航空機構造体に関する。

従来、航空機等の構造部材を非破壊で検査する方法として超音波検査法が知られている。また、超音波検査を行うためのセンサとして、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ： Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）センサを用いる技術も知られている。ＦＢＧセンサを超音波の受信用のセンサとして用いれば、超音波振動子をセンサとして用いる場合に比べて超音波の検出精度を向上させることができる。

そこで、棒状部材を押し当てて金属の基板に溝を形成し、金属の溝に光ファイバセンサを挿入する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。この技術によれば、ホットプレス法によって接合される金属間に光ファイバセンサを埋め込むことができる。

一方、主に航空機構造体等の素材として、軽量で強度が大きいガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ： Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ： Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材が注目されている。複合材は、炭素繊維又はガラス繊維等の繊維に樹脂を含浸させた半硬化状のシート状のプリプレグを積層して硬化することによって製造される。

そこで、複合材の硬化前における素材であるシート状のプリプレグの間に歪センサとしての光ファイバを埋め込んで硬化する技術が提案されている（例えば特許文献２及び特許文献３参照）。すなわち、プリプレグの積層中にプリプレグのシート間に光ファイバを挟み込んで硬化することによって、光ファイバを埋め込んだ複合材を製造することができる。

国際公開第２００８／１２３２８５号 特開２０１２−０２０４８３号公報 特開平１１−１４２２６２号公報

しかしながら、典型的な光ファイバセンサの太さは１００μｍのオーダであり、剛性が低い。このため、プリプレグのシート間に光ファイバを挟み込んで硬化すると、複合材の硬化に伴う収縮によって光ファイバが適切な位置から動いてしまうという問題がある。

そこで、本発明は、複合材の強度を劣化させることなく適切な位置に光ファイバセンサを埋め込むことができるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る複合材成形治具は、剛体部と、光ファイバセンサを挿入するための溝を形成するための凸部であって、前記凸部の両側にそれぞれ繊維の長さ方向が前記凸部の長さ方向となるように１プライ分又は複数プライ分のプリプレグのシートを配置することによって前記溝を形成するための前記凸部とを有する。剛体部は、ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの硬化前における素材であるプリプレグのシートを積層するための表面を有する。凸部は、前記剛体部の表面側に設けられる。
また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、前記複合材成形治具に積層された前記プリプレグの積層体を加熱硬化することによって、前記光ファイバセンサを挿入するための前記溝が形成された前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックを成形するものである。
また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの硬化前における素材であるプリプレグであって、光ファイバセンサを挿入するための溝を有する前記プリプレグの積層体を製作するステップと、前記プリプレグの積層体を硬化することによって前記溝を有する前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックを成形するステップとを有し、剛体である複合材成形治具の表面に前記溝を形成するために設けられた凸部の両側にそれぞれ繊維の長さ方向が前記凸部の長さ方向となるように１プライ分又は複数プライ分の前記プリプレグのシートを配置することによって、前記溝の長さ方向が前記プリプレグの繊維の長さ方向となるように前記繊維の切断によらずに前記溝を形成するものである。
また、本発明の実施形態に係る超音波検査システムは、超音波振動子、光ファイバセンサ及び信号処理系を有する。超音波振動子は、超音波を発振する。光ファイバセンサは、ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックで構成される検査対象の検査エリアを透過した前記超音波及び前記検査エリアで反射した前記超音波の反射波の少なくとも一方を検出して検出信号を出力する。信号処理系は、前記光ファイバセンサからの前記検出信号に基づいて前記検査エリアにおける欠陥を検出する。前記光ファイバセンサを、前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの切断されていない繊維の間に設けられた溝であって、長さ方向が繊維の長さ方向である長尺構造を有する溝に挿入した。
また、本発明の実施形態に係る超音波検査方法は、溝を有するプリプレグの積層体を硬化することによって前記溝を有するガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックを成形するステップと、前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの前記溝に光ファイバセンサを挿入するステップと、前記光ファイバセンサを用いて前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの超音波検査を行うステップとを有するものである。剛体である複合材成形治具の表面に前記溝を形成するために設けられた凸部の両側にそれぞれ繊維の長さ方向が前記凸部の長さ方向となるように１プライ分又は複数プライ分の前記プリプレグのシートを配置することによって、前記プリプレグの積層体に前記溝を形成する。
また、本発明の実施形態に係る航空機構造体は、前記超音波検査システムを部品として含む。

本発明の第１の実施形態に係る複合材成形治具の構造を示す上面図。 図１に示す複合材成形治具の断面図。 図１及び図２に示す凸部の高さ及び幅の決定方法を説明するための凸部の拡大横断面図。 図１に示す複合材成形治具に１プライ分のプリプレグのシートを配置した状態を示す上面図。 図４に示す複合材成形治具及びプリプレグのシートの断面図。 図５に示す１プライ目のプリプレグのシートの上に２プライ目以降のプリプレグのシートを積層した状態を示す断面図。 図６に示すプリプレグの積層体の加熱硬化によって成形された複合材の溝に光ファイバセンサを挿入した状態を示す上面図。 図７に示す光ファイバセンサを複合材に固定するための接着剤を硬化した状態を示す上面図。 光ファイバセンサが埋め込まれる複合材の表面の一部を湾曲させる場合における複合材の製造方法を示す図。 プリプレグのシートの間に光ファイバセンサを挟んで硬化する従来の複合材の成形方法による問題点を説明する図。 硬化後の複合材に光ファイバセンサの設置用の溝を加工する場合の問題点を説明する図。 複合材の表面に埋め込まれた光ファイバセンサを構成要素とする超音波検査システムの構成図。 図１２に示す超音波検査システムを部品として含む航空機構造体の例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る複合材成形治具の構造を示す上面図。 図１４の位置Ａ−Ａにおける複合材成形治具の断面図。 図１４及び図１５に示す複合材成形治具の凸部によって形成される複合材の溝の形状を示す上面図。 図１６の位置Ｂ−Ｂにおける溝の形状を示す断面図。

本発明の実施形態に係る複合材成形治具、複合材成形方法、超音波検査システム、超音波検査方法及び航空機構造体について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（複合材成形治具の構造）
図１は本発明の第１の実施形態に係る複合材成形治具の構造を示す上面図であり、図２は図１に示す複合材成形治具の断面図である。

複合材成形治具１は、超音波の検出用のセンサとして光ファイバセンサが取付けられた複合材を製作するための治具である。複合材成形治具１は、プリプレグのシートを積層するための表面２Ａを有する剛体部２に、光ファイバセンサを挿入するための溝をプリプレグのシートの積層体に形成するための凸部３を設けて構成される。凸部３は、剛体部２の表面２Ａ側に設けられ、溝の形状に対応する長尺構造を有する。

複数の光ファイバセンサを挿入できるように複数の溝をプリプレグのシートの積層体に形成する場合には、図示されるように溝の数に合わせて複数の凸部３を剛体部２に設けることができる。但し、長さ方向が一様となるように複数の凸部３が設けられる。従って、複数の凸部３の長さ方向は、概ね平行となる。

図３は図１及び図２に示す凸部３の高さ及び幅の決定方法を説明するための凸部３の拡大横断面図である。

光ファイバセンサ１０を収納することが可能なサイズの溝をプリプレグの積層体に形成するためには、図３に示すように凸部３の高さＨ及び凸部３の横断面の幅Ｗを、光ファイバセンサ１０の直径に合わせた高さ及び幅とすればよい。すなわち、凸部３の高さＨ及び幅Ｗを、光ファイバセンサ１０の直径に、必要な遊びを付加した高さ及び幅とすればよい。

典型的な光ファイバセンサ１０の直径は、１２５μｍから１５０μｍ程度である。従って、典型的な光ファイバセンサ１０を収納することが可能なサイズの溝をプリプレグの積層体に形成するためには、凸部３の高さＨ及び凸部３の横断面の幅Ｗを、それぞれ１２５μｍ以上１５０μｍ以下とすればよい。

剛体部２の表面に積層される典型的なプリプレグのシートＳの厚さも１２５μｍから１５０μｍ程度である。従って、光ファイバセンサ１０の直径と、プリプレグのシートＳの厚さを同程度にすれば、凸部３の高さＨをプリプレグのシートＳの１プライ分の高さとすることができる。この場合、プリプレグのシートＳの１プライ分の深さを有する溝がプリプレグの積層体に形成されることになる。

プリプレグのシートＳの厚さの許容範囲は、複合材の強度等の必要な機械的特性を得るために設計情報によって決定される場合がある。また、プリプレグの製造メーカから供給される入手が容易なプリプレグのシートＳの厚さは限定的である場合が多い。一方、光ファイバセンサ１０の直径は選択の自由度が高い。そこで、プリプレグのシートＳの厚さに合わせて光ファイバセンサ１０の直径を決定し、プリプレグのシートＳの厚さ及び光ファイバセンサ１０の直径に合わせて凸部３の高さＨ及び横断面の幅Ｗを決定することができる。

もちろん、複数プライ分のプリプレグのシートＳの厚さと同程度の直径を有する光ファイバセンサ１０を挿入するための溝をプリプレグの積層体に形成する場合には、凸部３の高さＨを光ファイバセンサ１０の直径に合わせて複数プライ分のプリプレグのシートＳの厚さと同程度にすることができる。

尚、プリプレグのシートＳの厚さも光ファイバセンサ１０の直径も技術の進歩に伴って小さくなる傾向がある。従って、プリプレグのシートＳの厚さ及び光ファイバセンサ１０の直径に応じて凸部３の高さＨ及び凸部３の横断面の幅Ｗを、それぞれ１２５μｍ未満としてもよい。

（複合材成形方法）
次に、複合材成形治具１を用いた複合材の成形方法について説明する。図１に示すような構造を有する複合材成形治具１に積層されたプリプレグの積層体を加熱硬化することによって、光ファイバセンサ１０を挿入するための溝が形成された複合材を成形することができる。更に、溝が形成された複合材に光ファイバセンサ１０を挿入し、光ファイバセンサ１０と一体化した複合材を製作することができる。

図４は、図１に示す複合材成形治具１に１プライ分のプリプレグのシートＳ１を配置した状態を示す上面図であり、図５は図４に示す複合材成形治具１及びプリプレグのシートＳ１の断面図である。

図４及び図５に示すように、繊維の長さ方向を凸部３の長さ方向として凸部３の両側にそれぞれ１プライ目のプリプレグのシートＳ１を積層することができる。従って、１プライ目のプリプレグのシートＳ１としては、繊維の長さ方向が一方向であるものが用いられる。例えば、プリプレグのシートＳ１を手や器具で押し広げながら凸部３の両側に積層することができる。或いは、予め裁断した複数のプリプレグのシートＳ１を凸部３の両側に配置するようにしてもよい。

複数の光ファイバセンサ１０を複合材に挿入する場合には、必要な検出エリアの検査を行うことができるように光ファイバセンサ１０の感度に応じて光ファイバセンサ１０の間隔を決定することができる。具体例として、０．５ｍ程度の間隔で光ファイバセンサ１０を平行に配置することができる。その場合、凸部３の間隔は光ファイバセンサ１０の間隔となる。

複数の平行な凸部３が剛体部２に形成されている場合には、隣り合う凸部３の間隔に合わせて予め裁断されたプリプレグのシートＳ１を隣り合う凸部３の間に積層することができる。すなわち、隣り合う凸部３の間隔と同じ幅を有するプリプレグのシートＳ１を準備して隣り合う凸部３の間に積層することができる。

尚、凸部３の高さが複数プライ分のプリプレグのシートＳ１の厚さに決定されている場合には、凸部３の両側にそれぞれ繊維の長さ方向が凸部３の長さ方向となるように複数プライ分のプリプレグのシートＳ１が積層されることになる。この場合、複数プライ分のプリプレグのシートＳ１は、繊維の長さ方向を凸部３の長さ方向と一致させるために、いずれのプリプレグも同一方向に積層される。以降では、図示されるように凸部３の高さが１プライ分のプリプレグのシートＳ１の厚さに決定されている場合を例に説明する。

図６は、図５に示す１プライ目のプリプレグのシートＳ１の上に２プライ目以降のプリプレグのシートＳ２を積層した状態を示す断面図である。

凸部３の高さはプリプレグのシートＳ１の厚さに決定されるため、凸部３の両側にプリプレグのシートＳ１を配置すると、凸部３の上面と１プライ目のプリプレグのシートＳ１の表面によって概ね平面が形成される。従って、２プライ目以降のプリプレグのシートＳ２を通常の積層方法で積層することが可能となる。このため、２プライ目以降のプリプレグのシートＳ２を、積層装置を用いて自動的に積層するようにしてもよい。

また、凸部３の上面よりも上方に積層される２プライ目以降のプリプレグのシートＳ２については、繊維の方向が任意である。従って、凸部３の上面よりも上方に積層されるプリプレグのシートＳ２は、一方向、疑似等方、クロスプライなど任意の積層方法を選択可能である。

また、凸部３の長手方向と繊維の長さ方向が垂直又は所定の角度で交差するように、凸部３の上面よりも上方に積層されるプリプレグのシートＳ２の少なくとも一部の繊維の方向を決定すれば、凸部３の長手方向に垂直な方向における複合材の強度を確保することができる。従って、凸部３の上面よりも下方に積層されるプリプレグのシートＳ１の繊維の長さ方向を凸部３の長手方向とする一方、凸部３の上面よりも上方に積層されるプリプレグのシートＳ２の少なくとも一部の繊維の方向を凸部３の長手方向と交差する方向とすることが、加熱硬化後における複合材の強度を十分に確保する観点から適切である。

図６に例示されるように、凸部３の上面よりも上方に、複合材の厚さを確保するために必要な枚数のプリプレグのシートＳ２が積層されると、プリプレグのシートＳの積層体２０には、凸部３と同じ形状を有する溝が形成される。すなわち、光ファイバセンサ１０を挿入するための溝を有するプリプレグの積層体２０を製作することができる。

複合材成形治具１に積層された、溝を有するプリプレグの積層体２０を加圧した状態でオートクレーブ処理装置等で加熱硬化すると、光ファイバセンサ１０を挿入するための溝を有する複合材を成形することができる。プリプレグの積層体２０の加圧方法としては、積層体２０をバギングフィルムで覆い、バギングフィルムの内側の領域を減圧して真空状態とする方法やマンドレルと呼ばれる剛体の治具を押し当てて加圧する方法が代表的である。

尚、複合材成形治具１をプリプレグの積層用の治具としてのみ使用し、別の加熱硬化用の治具を用いてプリプレグの積層体２０の加熱硬化を行うようにしてもよい。但し、複合材成形治具１を積層体２０の加熱硬化用の治具としても用いれば、複合材に形成される光ファイバセンサ１０を挿入するための溝を凸部３通りの形状とすることができる。

上述したように、プリプレグの積層体２０に溝の長さ方向がプリプレグの繊維の長さ方向となるように溝を形成した後で、積層体２０の加熱硬化を行うようにすれば、繊維の切断によらずにプリプレグの積層体２０及び複合材に溝を形成することができる。

図７は、図６に示すプリプレグの積層体２０の加熱硬化によって成形された複合材３０の溝に光ファイバセンサ１０を挿入した状態を示す上面図である。

加熱硬化後における複合材３０を複合材成形治具１から取外すと、複合材３０の複合材成形治具１における表面には、凸部３の横断面形状と同様な横断面形状を有する溝が形成されることになる。すなわち、加熱及び加圧下におけるプリプレグの積層体２０の成形加工によって、切削加工や曲げ加工等の材料の塑性変形を利用した加工を伴わずに複合材３０に溝を加工することができる。

複合材３０の溝は、光ファイバセンサ１０を挿入するために利用される。すなわち、図７に例示されるように、複合材３０に形成された溝に光ファイバセンサ１０が挿入される。この時、光ファイバセンサ１０と溝との間に接着剤が塗布される。接着剤は、光ファイバセンサ１０及び溝の内面のいずれか一方に塗布しても良いし、双方に塗布してもよい。また、光ファイバセンサ１０の挿入前に接着剤を塗布しても良いし、光ファイバセンサ１０を溝に挿入した後に接着剤を塗布しても良い。

図８は図７に示す光ファイバセンサ１０を複合材３０に固定するための接着剤を硬化した状態を示す上面図である。

光ファイバセンサ１０を複合材３０に固定するための接着剤を硬化させると、図８に例示されるような光ファイバセンサ１０と一体化した複合材３０を製造することができる。複合材３０が航空機構造体の部品として使用される場合には、通常、接着剤として熱硬化性の樹脂が用いられる。その場合には、加熱装置による接着剤の加熱硬化によって、光ファイバセンサ１０と一体化した複合材３０が製造される。

このように表面に光ファイバセンサ１０を埋め込んだ複合材３０は、航空機部品等の任意の部品として用いることができる。尚、上述した例では、光ファイバセンサ１０が埋め込まれる側における複合材３０の表面が平面となっているが、複合材３０の用途に応じて曲面としてもよい。複合材３０の表面を湾曲させる場合には、光ファイバセンサ１０の長さ方向及び光ファイバセンサ１０の長さ方向に垂直な方向のいずれにも湾曲させることができる。従って、光ファイバセンサ１０を埋め込んだ複合材３０を航空機の翼構造体の部品である外板（パネル）のみならず、桁（スパー）、小骨（リブ）又は縦通材（ストリンガ）等の補強材用に製作することができる。

図９は光ファイバセンサ１０が埋め込まれる複合材３０の表面の一部を湾曲させる場合における複合材３０の製造方法を示す図である。

複合材３０の表面を湾曲させる場合には、図９に例示されるように、プリプレグのシートＳを積層するための複合材成形治具１の剛体部２の表面２Ａを、硬化後における複合材３０の形状に合わせて湾曲させればよい。光ファイバセンサ１０を挿入するための溝を形成するための凸部３は、湾曲した表面２Ａ上に設けることもできる。これにより、複合材３０の表面が曲面であっても、所定の間隔で複数の光ファイバセンサ１０を複合材３０に固定することができる。

つまり以上のような複合材３０の成形方法は、プリプレグのシートＳを積層するための複合材成形治具１に溝を形成するための凸部３を設け、硬化後の複合材３０に形成される溝に光ファイバセンサ１０を挿入して接着剤で固定するようにしたものである。また、凸部３の上面より低い位置に積層されるプリプレグのシートＳ１の繊維の長さ方向が凸部３の長さ方向となるようにプリプレグのシートＳ１を配置するようにしたものである。

（効果）
このため、複合材成形治具１を用いた複合材３０の成形方法によれば、表面に光ファイバセンサ１０を埋め込んだ高品質な複合材３０を製造することができる。すなわち、複合材３０の強度を劣化させることなく表面の適切な位置に光ファイバセンサ１０を埋め込むことができる。

図１０は、プリプレグのシートＳの間に光ファイバセンサ１０を挟んで硬化する従来の複合材の成形方法による問題点を説明する図である。

図１０（Ａ）に示すように、あるプリプレグのシートＳの上に光ファイバセンサ１０を整列配置したとしても、プリプレグを硬化する際には光ファイバセンサ１０の上に積層されるプリプレグのシートＳの自重に加え、真空引きによって大気圧が負荷されることになる。このため、図１０（Ｂ）に示すように、剛性の低い光ファイバセンサ１０が当初の位置から移動してしまう場合がある。更に、積層されたプリプレグを加熱硬化すると、図１０（Ｃ）に示すように、硬化に伴う収縮によって光ファイバセンサ１０の位置が一層変わってしまうことになる。

これに対して、上述した複合材成形治具１を用いた複合材３０の成形方法では、硬化後における複合材３０の溝に光ファイバセンサ１０が挿入される。従って、光ファイバセンサ１０の位置ずれを回避し、光ファイバセンサ１０を複合材３０の表面の適切な位置に安定かつ容易に埋め込むことができる。

図１１は、硬化後の複合材４０に光ファイバセンサ１０の設置用の溝を加工する場合の問題点を説明する図である。

光ファイバセンサ１０の設置用の溝を硬化後の複合材４０に切削加工又はプレス加工によって形成することも考えられる。しかしながら、図１１に例示されるように硬化後の複合材４０の繊維４０Ａは、プリプレグに織り込まれた繊維とは異なり、必ずしも直線的となっていない。すなわち、複合材４０の繊維４０Ａには、うねりが生じる。これは、プリプレグのシートの積層時やバギング時におけるプリプレグのずれ並びに硬化時において変形が生じるためである。

従って、仮に硬化後の複合材４０に機械加工によって溝を形成すると、図１１に例示されるように複雑に絡まった多数の繊維４０Ａが切断されることになる。或いは、多数の繊維４０Ａが損傷を受ける。このため、複合材４０の強度の低下に繋がる。

これに対して、複合材３０と一体化された光ファイバセンサ１０は、硬化後における複合材３０の切削加工やプレス加工を行わずに形成された溝に配置される。このため、光ファイバセンサ１０を複合材３０に固定するために、複合材３０の繊維が損傷を受けず、切断もされない。

しかも、繊維の長さ方向が光ファイバセンサ１０の長さ方向となっている。すなわち、複合材成形治具１の凸部３の上面より低い位置に積層されるプリプレグのシートＳ１の繊維の向きは一方向であり、かつ凸部３の長手方向が繊維の長さ方向とされる。従って、凸部３の両側にプリプレグのシートＳ１を敷くために、プリプレグのシートＳ１の繊維が切断されることがない。また、凸部３を挟んで繊維が途切れることもない。このため、繊維の切断や損傷に起因する複合材３０の強度の低下を回避することができる。

尚、凸部３の上面より高い位置に積層されるプリプレグのシートＳ２の少なくとも一部の繊維の方向を、凸部３の長手方向と交差する方向とすれば、凸部３の両側におけるプリプレグのシートＳ１が分断されているとしても、凸部３の長手方向と交差する方向における強度を確保することができる。

特に、光ファイバセンサ１０の標準的な直径と、１プライ分のプリプレグのシートＳの標準的な厚さが概ね同じサイズであることを利用して、凸部３の上面より低い位置に積層されるプリプレグのシートＳ１の枚数を１枚にすれば、光ファイバセンサ１０の固定用の溝の存在に起因する複合材３０の強度の低下は無視できる程度となる。従って、必要な強度を有する複合材３０を容易に製造することができる。

また、光ファイバセンサ１０の剛性は低く、外力によって容易に破断してしまう。従って、光ファイバセンサ１０の破断を防止するためには、複合材３０に埋め込むことが最も効果的である。すなわち、光ファイバセンサ１０を複合材３０に埋め込むことによって、光ファイバセンサ１０を安全に保護することができる。

（超音波検査システム）
図１２は複合材３０の表面に埋め込まれた光ファイバセンサ１０を構成要素とする超音波検査システム５０の構成図である。

超音波検査システム５０は、アクチュエータ５１、複合材３０の表面に埋め込まれた光ファイバセンサ１０及び信号処理系５２で構成することができる。アクチュエータ５１は、複合材３０の検査エリアに向けて超音波を発振する超音波振動子である。

複合材３０の表面に埋め込まれた光ファイバセンサ１０は、上述したように、溝を有するプリプレグの積層体２０を硬化することによって溝を有する複合材３０を成形し、複合材３０の溝に光ファイバセンサ１０と共に接着剤を挿入した後、接着剤を硬化することによって製作することができる。例えば、プリプレグのシートＳの１プライ分の厚さに対応する深さ及び横断面の幅を有する溝を有する複合材３０を成形し、プリプレグのシートＳの１プライ分の厚さに合わせて選択された直径を有する光ファイバセンサ１０を溝に挿入することによって、表面に光ファイバセンサ１０が埋め込まれた複合材３０を製作することができる。

光ファイバセンサ１０は、複合材３０で構成される検査対象の検査エリアを透過した超音波及び検査エリアで反射した超音波の反射波の少なくとも一方を検出して検出信号を出力するためのセンサである。すなわち、検査エリアの探傷検査には、検査エリアを透過した超音波及び検査エリアで反射した超音波反射波の一方又は双方を用いることができる。このため、検査エリアを透過した超音波及び検査エリアで反射した超音波反射波のいずれを検出するのかに応じてアクチュエータ５１及び光ファイバセンサ１０の相対位置が決定される。

尚、光ファイバセンサ１０は、上述したように、複合材３０の切断されていない繊維の間に、長さ方向が硬化前における繊維の長さ方向と同じ方向となるように設けられた溝に挿入されることになる。光ファイバセンサ１０を挿入するための溝の位置及び向きは、複合材３０の検査エリアを透過した超音波及び検査エリアで反射した超音波反射波の少なくとも一方を光ファイバセンサ１０で検出することが可能となるように決定される。光ファイバセンサ１０の間隔は、超音波の検出感度に応じて、例えば、０．５ｍとすることができる。

光ファイバセンサ１０の代表例としては、ＦＢＧセンサの他、位相シフトＦＢＧ（ＰＳ−ＦＢＧ： Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｅｄ ＦＢＧ）センサが挙げられる。ＦＢＧセンサは、被検査対象を伝播する振動によって生じる歪の変化によって変動するＦＢＧの光透過特性又は光反射特性の変化を光信号として検出することによって超音波を検出するセンサである。一方、ＰＳ−ＦＢＧは、屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したＦＢＧである。ＰＳ−ＦＢＧセンサを用いると、ＦＢＧセンサを用いる場合に比べて飛躍的に超音波の検出感度を向上させることができる。

光ファイバセンサ１０によって超音波の検出信号として得られる光信号の信号対雑音比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）及び精度を向上させる観点から特に好適な超音波としては、ラム（Ｌａｍｂ）波が挙げられる。ラム波は、超音波の波長の半分以下の薄板を伝播する波である。従って、アクチュエータ５１からは、ラム波を送信することが好適である。

信号処理系５２は、アクチュエータ５１に制御信号を出力することによってアクチュエータ５１から検査エリアに向けて超音波を発振させる機能と、光ファイバセンサ１０からの検出信号に基づいて検査エリアにおける欠陥を検出する機能を有している。信号処理系５２は、アクチュエータ５１に制御信号を出力する制御回路、レーザ光を光ファイバセンサ１０に出射する光源及び光ファイバセンサ１０から超音波の検出信号として出力される反射光又は透過光からなる光信号を処理するために必要な光学素子の他、光電変換回路、Ａ／Ｄ（ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ）変換器及びコンピュータ等の回路で構成することができる。また、信号処理系５２には、ノイズ除去処理、アベレージング処理、包絡線検波処理、ピーク検出処理及び閾値処理等の欠陥検出に必要な信号処理を行う機能が設けられる。また、欠陥の有無や位置等のユーザに必要な情報を表示させることができるように、信号処理系５２には、表示装置５３を接続することができる。

そして、このような構成を有する超音波検査システム５０を用いて、航空機構造体等の素材として用いられる複合材３０の健全性を診断することができる。すなわち、検査対象と一体化された光ファイバセンサ１０を用いた複合材３０の超音波検査を行うことができる。

（航空機構造体）
図１３は、図１２に示す超音波検査システム５０を部品として含む航空機構造体６０の例を示す図である。

超音波検査システム５０の光ファイバセンサ１０は、複合材３０に埋め込まれるため、超音波検査システム５０を、複合材３０で構成される航空機構造体６０の部品とすることができる。具体例として、複合材３０で構成されるパネル６１に横断面がハット型のストリンガ等の補強材６２を取付けた航空機構造体６０において、パネル６１と補強材６２との間に光ファイバセンサ１０を埋め込むことができる。もちろん、補強材６２の横断面の形状がＩ字型や逆Ｔ字型等である場合においても同様である。

この場合、パネル６１及び補強材６２の一方に溝を形成して光ファイバセンサ１０を埋め込んでも良いし、パネル６１及び補強材６２の双方に溝を形成して光ファイバセンサ１０を埋め込んでも良い。図１３に示す例では、補強材６２の長手方向が長さ方向となるように複数の光ファイバセンサ１０がパネル６１側に埋め込まれている。もちろん、補強材６２の長手方向に垂直な方向が長さ方向となるように単一又は複数の光ファイバセンサ１０を埋め込むようにしてもよい。その場合、パネル６１側に沿って光ファイバセンサ１０を配置するのみならず、補強材６２側に沿って光ファイバセンサ１０を配置するようにしてもよい。

また、パネル６１と補強材６２との間に限らず、２枚のパネル６１間に光ファイバセンサ１０を埋め込んでも良い。つまり、光ファイバセンサ１０を、接合された２つの複合材部品の少なくとも一方の接合面側に設けられた溝の内部に埋め込むことができる。従って、複合材成形治具１を用いて、接合対象となる複合材部品の接合面の一方又は双方に溝を形成することができる。

このように、２つの複合材部品の間に光ファイバセンサ１０を埋め込めば、接着部位又は接合部位における剥離や剥がれ等の欠陥を容易に検出することが可能となる。２つの複合材部品の間に光ファイバセンサ１０が埋め込まれた航空機構造体６０は、様々な方法で製造することができる。

複合材部品の一方にのみ溝を形成して光ファイバセンサ１０を埋め込む場合には、複合材部品の一方の加熱硬化によって溝が形成された複合材部品が製作される。次に、溝に光ファイバセンサ１０が挿入され、接着剤で固定される。次に、他方の複合材部品に対応するプリプレグの積層体が、光ファイバセンサ１０を溝に埋め込んだ複合材部品に接着剤を介して組合される。次に、プリプレグの積層体の加熱硬化によって、２つの複合材部品の間に光ファイバセンサ１０が埋め込まれた航空機構造体６０を製造することができる。

逆に、複合材部品の双方に溝を形成して光ファイバセンサ１０を埋め込む場合には、複合材部品の双方の加熱硬化によって溝が形成された複合材部品が製作される。次に、複合材部品が接着剤を介して組合される。この時、溝に光ファイバセンサ１０が挿入され、接着剤で固定される。次に、接着剤の硬化によって、２つの複合材部品の間に光ファイバセンサ１０が埋め込まれた航空機構造体６０を製造することができる。

（第２の実施形態）
図１４は本発明の第２の実施形態に係る複合材成形治具の構造を示す上面図であり、図１５は図１４の位置Ａ−Ａにおける複合材成形治具の断面図である。

図１４及び図１５に示された第２の実施形態における複合材成形治具１Ａでは、凸部３Ａの端部を剛体部２の端面よりも内側となるようにした点が第１の実施形態における複合材成形治具１と相違する。第２の実施形態における複合材成形治具１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における複合材成形治具１と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

光ファイバセンサ１０において、光透過特性及び光反射特性がピークを呈し、実際にセンサとして機能する部分の長さは数ｍｍ程度である。従って、例えば３ｍから５ｍ程度の長さを有する光ファイバセンサ１０であれば、光透過特性及び光反射特性が周期的に繰返す特性を付与することによって３つから５つ程度のピークを出現させることができる。航空機構造体の場合には、１ｍから１０ｍ程度の長さを有する光ファイバセンサ１０を複合材３０に埋め込むことが適切な場合が多い。

そこで、例えば、複合材成形治具１Ａの凸部３Ａの長手方向の長さＬを１ｍ以上１０ｍ以下とすることができる。これにより、殆どの航空機構造体において検査すべき領域をカバーすることが可能となる。しかし、凸部３Ａの長手方向の長さＬが剛体部２の端面間の距離よりも短い場合には、両端が閉塞されていない貫通溝ではなく、両端又は一端が閉塞された止まり溝が複合材３０に形成されることになる。すなわち、光ファイバセンサ１０の信号伝送部分が複合材３０の溝に挿入されない場合がある。

その場合、光ファイバセンサ１０が溝の端部において極端に曲がると、破断に繋がる恐れがある。そこで、光ファイバセンサ１０が溝の端部において極端に曲がらないように、溝の端部を滑らかにすることができる。すなわち、溝の端部に段差が生じないようにすることができる。

具体例として、図１４及び図１５に例示されるように、凸部３Ａの長手方向における両側の端部の少なくとも一方を、高さ及び横断面の幅が徐々に減少する形状とすることができる。

図１６は、図１４及び図１５に示す複合材成形治具１Ａの凸部３Ａによって形成される複合材３０の溝７０の形状を示す上面図であり、図１７は図１６の位置Ｂ−Ｂにおける溝７０の形状を示す断面図である。

図１４及び図１５に例示される凸部３Ａで複合材３０の溝７０を形成すると、溝７０の長手方向における両側の端部の少なくとも一方を、深さ及び横断面の幅が徐々に減少する形状とすることができる。すなわち、複合材成形治具１Ａを用いて、両側の端部の少なくとも一方の深さ及び横断面の幅が徐々に減少する溝７０を有する複合材３０を成形することができる。

この場合、光ファイバセンサ１０は３次元的に滑らかな曲面で両端又は一端が閉塞された止まり溝に埋め込まれることになる。通常、光ファイバセンサ１０からの光検出信号を伝送するための光ファイバの太さは、光ファイバセンサ１０の太さと同じである。すなわち、光ファイバのセンサ部分と信号伝送部分の太さは同じである。このため、光ファイバを極端に曲げることなく光ファイバセンサ１０の部分のみを溝７０の内部に挿入することができる。これにより、光ファイバセンサ１０が曲げられて損傷することを防止することができる。

一方、凸部３Ａの端部も３次元的に滑らかな曲面となっている。従って、凸部３Ａの両側に配置されるプリプレグの繊維を切断せずに凸部３Ａの形状に沿ってプリプレグのシートＳ１を配置することが可能となる。逆に、繊維を切断せずにプリプレグのシートＳ１を沿わせることができるように凸部３Ａの端部における形状を十分に滑らかな形状に決定することが適切である。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１、１Ａ 複合材成形治具
２ 剛体部
２Ａ 表面
３、３Ａ 凸部
１０ 光ファイバセンサ
２０ 積層体
３０ 複合材
４０ 複合材
４０Ａ 繊維
５０ 超音波検査システム
５１ アクチュエータ
５２ 信号処理系
５３ 表示装置
６０ 航空機構造体
６１ パネル
６２ 補強材
７０ 溝
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２ プリプレグのシート

Claims (14)

1. ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの硬化前における素材であるプリプレグのシートを積層するための表面を有する剛体部と、
   前記剛体部の表面側に設けられ、光ファイバセンサを挿入するための溝を形成するための凸部であって、前記凸部の両側にそれぞれ繊維の長さ方向が前記凸部の長さ方向となるように１プライ分又は複数プライ分の前記プリプレグのシートを配置することによって前記溝を形成するための前記凸部と、
   を有する複合材成形治具。
2. 前記凸部の高さを、前記プリプレグのシートの１プライ分の高さとした請求項１記載の複合材成形治具。
3. 前記凸部の高さ及び前記凸部の横断面の幅を、それぞれ１２５μｍ以上１５０μｍ以下とした請求項１又は２記載の複合材成形治具。
4. 前記凸部の長手方向の長さを１０ｍ以下とした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合材成形治具。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合材成形治具に積層された前記プリプレグの積層体を加熱硬化することによって、前記光ファイバセンサを挿入するための前記溝が形成された前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックを成形する複合材成形方法。
6. ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの硬化前における素材であるプリプレグであって、光ファイバセンサを挿入するための溝を有する前記プリプレグの積層体を製作するステップと、
   前記プリプレグの積層体を硬化することによって前記溝を有する前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックを成形するステップと、
   を有し、
   剛体である複合材成形治具の表面に前記溝を形成するために設けられた凸部の両側にそれぞれ繊維の長さ方向が前記凸部の長さ方向となるように１プライ分又は複数プライ分の前記プリプレグのシートを配置することによって、前記溝の長さ方向が前記プリプレグの繊維の長さ方向となるように前記繊維の切断によらずに前記溝を形成する複合材成形方法。
7. 前記プリプレグのシートの１プライ分の深さを有する溝を形成する請求項５又は６記載の複合材成形方法。
8. 前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックに形成された前記溝に前記光ファイバセンサを挿入するとともに、前記溝と前記光ファイバセンサとの間に接着剤を塗布するステップと、
   前記接着剤を硬化させることにより前記光ファイバセンサと一体化した前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックを製造するステップと、
   を更に有する請求項５乃至７のいずれか１項に記載の複合材成形方法。
9. 前記溝の長手方向における両側の端部の少なくとも一方を、深さ及び横断面の幅が徐々に減少する形状とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の複合材成形方法。
10. 超音波を発振する超音波振動子と、
    ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックで構成される検査対象の検査エリアを透過した前記超音波及び前記検査エリアで反射した前記超音波の反射波の少なくとも一方を検出して検出信号を出力する光ファイバセンサと、
    前記光ファイバセンサからの前記検出信号に基づいて前記検査エリアにおける欠陥を検出する信号処理系とを有し、
    前記光ファイバセンサを、前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの切断されていない繊維の間に設けられた溝であって、長さ方向が繊維の長さ方向である長尺構造を有する溝に挿入した超音波検査システム。
11. 溝を有するプリプレグの積層体を硬化することによって前記溝を有するガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックを成形するステップと、
    前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの前記溝に光ファイバセンサを挿入するステップと、
    前記光ファイバセンサを用いて前記ガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックの超音波検査を行うステップと、
    を有し、
    剛体である複合材成形治具の表面に前記溝を形成するために設けられた凸部の両側にそれぞれ繊維の長さ方向が前記凸部の長さ方向となるように１プライ分又は複数プライ分の前記プリプレグのシートを配置することによって、前記プリプレグの積層体に前記溝を形成する超音波検査方法。
12. 前記プリプレグのシートの１プライ分の厚さに対応する深さ及び横断面の幅を有する溝を有するガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックを成形し、前記プリプレグのシートの１プライ分の厚さに合わせて選択された直径を有する光ファイバセンサを前記溝に挿入する請求項１１記載の超音波検査方法。
13. 請求項１０記載の超音波検査システムを部品として含む航空機構造体。
14. 前記光ファイバセンサを、接合された２つの複合材部品であって、それぞれガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックからなる前記２つの複合材部品の少なくとも一方の接合面側に設けられた溝の内部に配置した請求項１３記載の航空機構造体。

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