JPH0321853A - 光学ファイバーによる損傷検知装置 - Google Patents

光学ファイバーによる損傷検知装置

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JPH0321853A
JPH0321853A JP2144270A JP14427090A JPH0321853A JP H0321853 A JPH0321853 A JP H0321853A JP 2144270 A JP2144270 A JP 2144270A JP 14427090 A JP14427090 A JP 14427090A JP H0321853 A JPH0321853 A JP H0321853A
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JP
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detection device
damage detection
fiber
fibers
pattern
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Application number
JP2144270A
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English (en)
Inventor
Evan A Fradenburgh
エバン　エイ．フレイデンバーグ
Robert Zincone
ロバート　ジンコン
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RTX Corp
Original Assignee
United Technologies Corp
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B13/00—Burglar, theft or intruder alarms
    • G08B13/02—Mechanical actuation
    • G08B13/12—Mechanical actuation by the breaking or disturbance of stretched cords or wires
    • G08B13/126—Mechanical actuation by the breaking or disturbance of stretched cords or wires for a housing, e.g. a box, a safe, or a room

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  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、損傷検知装置に関し、特に複合材料からなる
構造物中に埋設あるいは表面上に配置された光学ファイ
バーによって、構造物中の損傷を検知する装置に関する
。
［従来の技術コ 航空工学、自動車あるいは宇宙工学において、複合材料
が、種々の構造物の構成に使用されていることは周知で
ある。複合材料は、強度が高いうえに軽咀で、自動車や
航空機のエネルギー負荷を軽減し、また、衛星等の宇宙
工学構造物への使用において、複合材料は、軌道上に構
造物を配置する際の打ちあげ負荷を軽減する。
将来の宇宙ステーションは、総て複合材料による、複数
の連結トラスによって一体形成された、加圧成形構造物
から構成されることになると予測される。これら加圧成
形構造部品からなる大空間を占有する構造物は、マイク
ロメータ損傷を起こしやすいため、信頼性の高い構造モ
ニター装置が必要とされている。また、安全性及び運行
信頼性を維持するには、構造物の穴あきを判定し、その
位置を迅速に確認しなければならない。しかしながら、
現在のところ、構造物をモニターして衝嘔による損傷箇
所を検知し、これを迅速に位置付けし、補修する適切な
装置は、まだない。現在行われている方法として、Ｘ−
Ｙ座標パターン内に近接配置された埋設光学ファイバー
を用いる損傷検知方法がある。本手法では、複合材料中
に複数本の直線状の光学ファイバー束を配置し、ファイ
バーが破壊されると光透過性が低下し、損傷の位置が確
認できるようになっている。
「発明が解決しようとする課題コ しかしながら、本手法によれば、大きな構造物ではファ
イバーマトリクス中の近傍のファイバーがそれぞれ他か
ら独立したファイバーである場合、大晴数のファイバー
が必要となる。また、自動電子読み取り装置も非常に複
雑になり、さらに、構造物内に埋設あるいは配置される
ファイバー束は、大容積かつ大重噴となる。例えば、あ
る宇宙ステーション部品一つの表面積が、５０ｘ５０平
方フィート、つまり２．５００平方フィートであるとす
る。このような構造物内で、例えば直径１／８インチの
穴の位置を確認するためには、ファイバーの一パターン
を１／８インチ間隔で配置する必要がある。従って、穴
の位置を精確に決定するためのＸ−Ｙ座標マトリクスに
は４　　８００本のファイバーが二組必要で、即ち、そ
れぞれ５０フィートの長さのファイバーを全９，６００
本、！Ｌいに正確な角度で配置しなければならない。自
動読み取りのためには、ファイバーが透過する光源から
の光透過性を検知する、ファイバーと同数のフォトダイ
オードと、連続的に光を９、６００本のファイバーに入
力する手段が必要である。これらの装置は、その構造が
非常に複雑で、コストと重ｔｌ１の面からも好ましくな
い。
さらに、大きな応力を受ける航空構造物に用いる複合材
料に割れその他の衝撃損傷が生じると、航空機の安全性
上非常に危険である。このような航空構造物の損傷検知
装置は、最大限その構成を簡単にし、軽量化を図って、
航空機の運行を保証しなければならない。よってこのよ
うな構造物には、直線状のＸ−Ｙ格子配列のファイバー
を用いた損傷検知装置は好ましくない。
従って、本発明の目的は、複合材料からなる構造物と一
体形戚できる損傷検知装置を提供することにある。　ま
た、本発明の別の目的は、過度に複雑なモニター装置を
用いずに、迅速に損傷領域の位置を検知する損傷検知装
置を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、複合材料からなる構造物内に
埋設された光学ファイバー束を用いて、外因性の損傷の
位置を検知する損傷検知装置を堤供することにある。
加えて、本発明の目的は、表面積あたりに要求されるフ
ァイバー数を最大限活用する、光学ファイバー損傷検知
装置を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の、複合材料からな
る構造物内に挿入される、光学ファイバーによる損傷検
知装置を、多数のループからなる折り曲げパターンを形
成する第１の光学ファイバー束を有し、前記構造物上に
配置あるいは内部に埋設されて、該第１の光学ファイバ
ー束によって画成される領域内で、ファイバーの光透過
性の低下により、損傷を検知する構成とする。
前記装置には、さらに、前記第１の光学ファイバー束と
垂直方向に交差してＸ−Ｙ座標型のパターンを形成し、
前記構造物上に配置あるいは内部に埋設されて、前記Ｘ
−Ｙ座標型のパターンによって単位面積内に複数の領域
を画成する、第２の光学ファイバー束を設置する。
前記第１のファイバーは、順方向及び逆方向に折り曲げ
られたループからなる第１の多数の折り返し反転パター
ンに形成して、前記単位面積内の近接ファイバー数を増
加させることも可能である。
また、同様に、前記第２のファイバーは、順方向及び逆
方向に折り曲げられたループからなる第２の多数の折り
返し反転パターンに形成して、近接して垂直に交差する
ファイバー数を増加させてても良い。即ち、前記第１及
び第２のファイバーによって、順方向及び逆方向に折り
曲げられたループからなる多数の折り返し反転パターン
を形成することにより、前記単位面積内のファイバーの
総数を増加させる。
ここで、前記第１のパターンは、前記第１のファイバー
を、三列手前の逆方向に折り返し、次いで四列先の順方
向に折り■げ、さらに七列先に移動させて三列手前の逆
方向に折り返す工程を繰り返すことによって形成し、前
記第２のパターンは、前記第２のファイバーを、三列手
前の逆方向に折りふし、次いで四列先の順方向に折り曲
げ、さらにヒ列先に移動させて三列手前の逆方向に折り
逼ず工程を繰り返すことによって形成しても良い。
あるいは、前記第１のパターンを、前記第１のファイバ
ーを、七列手前の逆方向に折り返し、次いで八列先の順
方向に折り曲げ、さらに十五列先に移動させて七列手前
の逆方向に折り返す工程を繰り返すことによって形成し
、前記第２のパターンを、前記第２のファイバーを、七
列手前の逆方向に折り返し、次いで八列先の順方向に折
り曲げ、さらに十五列先に移動させて七列手前の逆方向
に折り返す工程を繰り返すことによって形成することも
可能である。
円筒状構造物の、光学ファイバーによる損傷検知装置に
おいては、前記構造物の周囲に第１の光学ファイバーを
螺旋状のパターンに巻着する構成とする。この時、前記
第１の光学ファイバーの螺旋状巻着の終了後、前記ファ
イバーによって、前記螺旋状のパターンに垂直な第１の
折り曲げパターンを形成しても良い。さらに、ｌｌ’ｌ
　ａ己第１の光学ファイバー束と長手方向に交差してＸ
−Ｙ座標型のパターンを形成する、多数のループからな
る第２の光学ファイバーを前記構造物上に装着し、前記
Ｘ−Ｙ座標型のパターンによって、長手方向のバンドを
形成し、単位面積内に複数の領域を匝成するようにして
も良い。
ここで、前記第２のファイバーによって、順方向及び逆
方向に折り曲げられた多数の第２の折り返し反転パター
ンを形成することにより、近接ファイバー数を増加させ
て、前記構造物上に装着されることができる。また、前
記第２のパターンを、前記第２のファイバーを、三列手
前の逆方向に折り返し、次いで四列先の順方向に折り曲
げ、さらに七列先に移動させて三列手前の逆方向に折り
返す工程を繰り返すことによって形成し、あるいは、前
記第２のパターンを、前記第２のファイバーを七列手前
の逆方向に折り返し、次いで八列先の順方向に折り曲げ
、さらに十五列先に移動させて七列手前の逆方向に折り
返す工程を繰り返すことによって形成することも可能で
ある。
前記ファイバーは、前記構造物に接着しても良く、また
、構造物内部に埋設しても良い。
前記ファイバーの人力端及び出力端には、各々Ｙ型の連
結器を接続し、各Ｙ型の連結器が二本の導線により、該
導線の各々が、別途の経路により別途のモニター手段に
接続することもできる。
前記複数の長手方向のバンドは、前記構造物の周囲に配
設し、このバンドの各々を、複合材料からなる構造物の
内部に接着挿入するように構成しても良い。
本発明の損傷検知装置には、さらに、各々にファイバー
末端が挿入される複数の第１の穴と、前記ファイバーの
反対側の末端束が挿入される第２の穴を有する端末ブロ
ックを設置し、これを複合材料からなる構造物に埋設す
る構成も考えられ、この端末ブロックに、さらに、発光
手段と、前記端末ブロック内の前記ファイバー末端に各
々対応する受光手段とを有する衝合ブロックを合わせて
設置しても良い。
上述した光学ファイバーによる損傷検知装置は、複数の
構成層を型内に配置し、多数のループからなるパターン
を形成して該パターンによって一領域を画成し、該領域
内で光透過性を低下させる損傷を検知する第１の光学フ
ァイバー束を、前記構成層上に配置し、前記光学ファイ
バー束の上部に、さらに、構成層を積層し、固化及び硬
化を施して構造物を製造する工程を経て、複合材料から
なり複数の構成層から構成される構造物内に挿入する。
［作用］ 本発明の損傷検知装置においては、構造物内に挿入され
た、折り曲げパターンを形成する光学ファイバーが、互
いに近接した配列をとるため、ファイバー間隔の直径を
有する損傷を、その領域で破壊されたファイバーの、光
源からの光透過性の低下をフォトダイオードを介して検
知することによって確認する。ファイバーの折り曲げパ
ターンをＸ−Ｙ座標型に形成すると、より小さな損傷を
検知できる。また、折り返し反転パターンが、ファイバ
ーの間隔を最小にするにもかかわらず、曲げ半径を大き
くし、曲げによるファイバーの折れを防ぐ。
［実施例］ 本発明の光学ファイバーによる損傷検知装置は、複合材
料マトリクス内に配置され、あるいは埋設された複数の
光学ファイバーから構成される。光学ファイバーは、最
大限の面積をカバーする特殊なパターンを用いて十分な
面積をモニターできるように配置されている。このパタ
ーンは、特定の方向に折り曲げパターンを描くように配
置された第！の光学ファイバー群と、これと交差するパ
ターンに配置された第２の工学ファイバー群から構成さ
れ、二方向のファイバーの交差によって画成された領域
の受ける衝撃力が二種の特定のファイバーを転倒させて
所定領域における損傷位置を正確に指摘する。
また、光学ファイバーを交互に順方向と逆方向に折り曲
げて折り返しパターンを形成し、曲げ半径最大時での単
位面積当たりのファイバー密度を高くし、光学的並びに
構造的な完全性を最大限維持する構成も考えられる。
さて、本発明により、複合材料からなるＮｌ造物に配置
あるいは埋設された光学ファイバーの特殊パターンを用
いることによって、迅速な衝撃損傷位置の確認が行える
。加えて、このようなパターンにより、必要なファイバ
ー数を最小限に抑え、信号発信、モニタリング及び位置
確認装置を単純な構成とすることができる。
本発明の損傷検知装置は、マサチューセッツ州スターフ
リッシ（Ｓｔｕｒｂｒｉｄｇｅ）に住所を有するスペク
トラン　コーポレーション（Ｓｐｅｃｔｒａｎ　Ｃｏｒ
ｐ．）あるいは、ニューヨーク州ホートンパーク（■ｏ
ｕｇｈｔｏｎ　Ｐａｒｋ）に住所を有するコーニングガ
ラス社（Ｃｏｒｎｉ１８　Ｇｌａｓｓ）の製品等、従来
の光学ファイバーを使用する。一般にこれらの光学ファ
イバーは、その直径がおよそ１４０ミクロンで、光信号
が通過するコアを有するガラス軸の外周を被覆保護する
構造になっている。本損傷検知装置はガラス、グラファ
イトあるいは種々の樹脂を使用したポリアラミドファイ
バー強化複合材料等、総ての複合材料に使用することを
企図しており、本発明は複合材料の種類や型に因るもの
ではない。以下に本発明を添付する図面及び好適な実施
例を用いてさらに詳細に説明する。
第１図は、一本の光学ファイバー２の、所定の領域をカ
バーする簡単な折り曲げパターンを示す。
光学ファイバーは細長いバンド状に配設するよりは十分
な面積をカバーしモニターできるように配置する。ファ
イバー２は小半径に折り曲げ、一本のファイバーを図の
点線で区切られた一つの特定領域３に割り当てる。例え
ば、一本のフナイバーで１平方フィートの面積内で折り
曲げパターンを形成すれば、損傷指摘領域はその１平方
フィートの領域に限られる。しかしながら、大構造物で
このような配置を行うと、非常に大量のファイバ一人出
力を伴う可能性がある。
第２図は、第１図の概念を組み合わせたＸ−Ｙ格子パタ
ーン４を示しており、八本のファイバー５乃至１２をそ
れぞれ使用している。このうち、四本のファイバー５乃
至８をＸ方向に、残りの四本のファイバー９乃至１２を
Ｙ方向に、各々一本のファイバーがそれぞれ同方向の三
本のファイバーと交差しないように折り曲げて配列する
。ここでは、八本のファイバーしか使用していないが、
図の点線で示す１６の領域が画成され、各領域は、Ｘ−
Ｙ方向に交差しているファイバーにより、さらに多数の
小而積の領域に細分される。従って、全領域の１／１４
４の大きさの損傷が検知され、Ｘ−Ｙ座標により画成さ
れた十六領域のそれぞれの内部で位置確認される。
さて、第２図におイテ、Ｘ軸ＧＡＬＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄで形
成され、Ｙ軸はＡ’　、Ｂ’　、Ｃ’　、Ｄ’で形成さ
れる。各々の領域は、Ａ−Ａ’　、Ａ−Ｂ’Ｂ−Ａ’　
、Ｃ−Ｂ’等で表され、これを通過する別個の軸由来の
二本のファイバーを包含する。例えば、第２図の八本の
ファイバーの場合、領域ＣＢ′に損傷があると、６及び
ＩＯの二本のファイバーを介しての光透過ｐｈが低下し
、補修を要する損傷を指摘する。
第１図及び第２図の折り曲げ反転パターンは、光学ファ
イバーの曲げ半径の制約により限定される。即ち、ファ
イバー間隔およそ１／８インチという、非常に近接した
配置を行えば、ファイバーはその折り曲げ点で折れる可
能性があり、また、ファイバーがバネ状の反発力を有す
るため複合材料の製造工程中の配置が困ＩＮこなる。第
３図は、ファイバーの曲げ半径が減少するに従い、光透
過性も失われることを示す図である。曲げ半径をおよそ
！／４インチに設定すればｌループあたりの光透過性の
低下は、典型的な高性能の光学ファイバーを用いた場合
、およそ１ｄＢである。これは、光透過性の低下が無視
できないような多数のループを、わずかな曲げ半径で形
成する際には許容しうる値である。
第４図は、上述の光透過性の低下を改身したファイバー
の折り返しパターンであり、ファイバー１４を順方向同
様に逆方向にも折り曲げて形成した、三つのループを一
単位とする反転パターン１３を示している。ファイバー
＋４は、図に示すＡからＬの方へ順に折り曲げられてい
る。即ち、まず、Ａの方向に折り曲げ、第４図の底部で
、ファイバー設置間隔で三本分手前に折り返して反転さ
せ、次に図の上部で四本分先のＢの方向に折り曲げ、底
部で三本分手前に折り返し、さらに上部で四本分先のＣ
の方向に折り曲げ、底部で三本分手前に折り返し、これ
をーサイクルとし、さらに図の上部で七本分先のＤの方
向に折り曲げて次のサイクルを形成する。以上のように
して、Ｌの位置までこのサイクルを繰り返す。もちろん
、本サイクルは、多数回繰り返しても差し支えない。第
４図は、六本のファイバーが平行に配置されたサイクル
を四回繰り返し、総数二十四本の平行に配列されたファ
イバーを得る様子を示している。本パターンの特徴は、
第１図乃至第２図のパターンに比べ、図の底部での反転
の際のファイバーの曲げ半径が三倍に、また、上部反転
の際の曲げ半径は四倍になっていることにある。本パタ
ーンによれば、典型的な光学ファイバーを用いてｆ／４
インチの間隔での配列が可能であり、容易に複合材料に
埋設あるいは配置できる上、光透過性の低下を抑え、フ
ァイバー破壊の確率を下げることができる。
さて、第２図に示すのと同様のＸ−Ｙ型の格子を本パタ
ーンに適用して、Ｘ方向に第４図のパターンを多数形成
し、Ｙ方向に同様のパターンを多数形成すれば、各領域
内で光学ファイバーの密度を増大させた非常に多数の検
知領域を画成することが可能になる。即ち、上述のパタ
ーンをＸ−Ｙ格子に適用すると、光透過性の低下を抑制
し、複合材料からなる構造物内への埋設を容易にする上
に、モニタリング密度を増大させることが可能である。
さらに近接した配列を行うために、より多数のループを
使用することも可能である。例えば、第５図は、七本の
ループをーサイクルとしたニサイクルの反転パターン１
５を示すものである。折り曲げたファイバー１６を、フ
ァイバー設置間隔で七本分手前に折り返し、次いで八本
分先で折り曲げ、これをーサイクルが終了するまで繰り
返す（図中Ａ乃至Ｇ）。さらに、次のサイクル（図中Ｈ
乃至Ｎ）を同様に形成する。本パターンによれば、ファ
イバー間が非：；ス′に近接しているにもかかわらず、
さらに大きな曲げ半径で、本近接配列を実現できる。本
パターンによれば、最小限の数のファイバーを用いなが
ら、非常に高い密度で広範囲の表面積をカバーすること
が可能である。例えば、５０平方フィートの面積に対し
、上述のように折り曲げた一本の光学ファイバーを用い
て幅１フィート、長さ５０フィートのバンドを形成でき
る。
ファイバー間隔をｌ／８インチとすれば、全部で９６本
のファイバーを配列しなければならない。
従って、ファイバーの総長は、およそ９６ｘ５０＝４，
８００フィートとなる。良質の光学ファイバーを用いれ
ば、この長さでの光透過性の低下を非常に小さくするこ
とかできる。同様のバンドを五十本用いて、各々をＸ及
びＹ方向に配列すると、２，５００領域を画成でき、こ
の２，５００領域の一領域内で、直径１／８インチ程度
の小さな穴等の損傷を検知し、位置確認できる。この場
合、必要なファイバー数は僅か１００本となり、結果的
に電子／光学的モニター装置を小さく、軽量にし、高精
度で低価格な装置とすることができる。
本発明の他の実施例としては、円筒型の構造物への適用
が考えられる。第６図は、光学ファイバー１７を用いて
円筒１９の軸１８を中心としてファイバーに折れが生じ
ないように螺旋状の連続パターンを形成する様子を示し
ている。例えば、ＮＡＳＡの宇宙ステーションに用いら
れるようなトラス構造をとる構造物においては、トラス
の総ての管状ストラットの損傷を検知できることが望ま
しいが、数十分間の寿命を有する加圧成形ハウジング等
の構造物では、これらの損傷はさして重大なものとなら
ないため、このようなストラット上の損傷位置を精確に
検知する必要は無い。従って、このような場合にＸ−Ｙ
型格子のパターンを適用する必要はなく、一本のファイ
バーをトラスの全長にわたって螺旋状に巻くだけで良い
。
上記の円筒状構造物において、完全な監視能を有する検
知装置を要する場合は、第７図に示すように、縦方向の
要素を上述の螺旋状のパターンに加味すれば良い。第７
図においては、一本のファイバー２１を、まず円筒２０
の周囲に螺旋状に巻き、次いで第１図に示すような折り
曲げパターンを描くように巻いている。しかしながら、
高度な精度を要求されない構造物においては、曲げ半径
の小さいものや折り返しパターンは必要ないため、モニ
ターの複雑性を増すことなく、単位面積あたりのファイ
バー密度を高くすることができる。
円筒状に加圧成形された部材には、その円筒部とともに
円錐状の末端部にも精確な損傷位置確認装置を設置する
必要がある。第８図に、最小限の光学ファイバーを用い
て、上記構造物の損傷位置確認を行えるｘ−Ｙ型の一パ
ターンを概略的に示す。円錐状末端郎２３及び２４を有
する円筒２２は、円筒状領域から円錐状末端部まで延在
する縦方向のバンド２６と、円周方向のバンド２７を包
含する。既に示したように、ファイバーをＸ及びＹ方向
に、各バンド内で第１図、４図あるいは５図に示すパタ
ーンに従って配設し、損傷検知の感度を上げ、光透過性
の低下を抑制する。
第９図は、薄層の複合材料あるいは接着剤３０上に、フ
ァイバー２９が第１図のような単純な折り■げパターン
によって予め配設された、プレフォームとしての長手方
向のバンド２８を示している。
本バンドを単層あるいは多層の複合材料からなる構造物
の表面あるいは内部に供給すれば、配設されたファイバ
ーを接着剤によって成形加工中に保護し、複合材料の固
化中のファイバーの動きを封じることができる。本例で
は、３Ｍ社製のＡＦ１３フィルム接着剤等、種々の接着
剤を使用することができる。第１０図は、円筒状構造物
３３上に直接螺旋状に巻いたファイバー３２で形成され
る円周状のバンド３ｌを示している。この円周状のバン
ドは縦方向のバンドの外周、内周いずれに巻いても良い
。
これらの、いわゆる光学ファイバーネットワーク内への
光学ファイバーの導出人は、一般に光の導入工程や分析
に供する集光工程を単純化するため、単一配置領域内に
導出人される。しかしながら、本慣行法によると、ファ
イバーが束ねられている領域が損傷されると、大量の光
学的な連結が切断されるため、装置が損傷を受け易くな
り、他の損傷のある束あるいは領域の確定が困難になる
。
装置の誤動作の確率を低減するためには、本易損領域を
全モニター領域中の小分画領域としても良い。あるいは
本領域に被覆を施しても易損性を低減できる。しかしな
がら、上記の方法は、装置の複雑性及び重量を増大させ
る。これを解決するものとして、予備の光学ファイバー
ネットワークを完全に他のネットワークとオーバーラッ
プさせ、しかもファイバーの導出人は光導入及び集光経
路と全く異なった経路をとるように構成する方法がある
。本構成によれば、損傷位置確認の効果が大きいが、必
要なファイバー数をかなり増加させ、結果的に装置重量
と複雑性を増大させることになる。
第１１図に一本の光学ファイバーネットワーク３４を有
し、広域にわたり二箇所に分離された人出力経路を有す
る好適実施例を示す。第１１図において、ネットワーク
３４は点線で画成された領域３５を被覆している。本領
域３５内にファイバー３６が１・パターンを描いて配設
され、その開始端及び終結端にそれぞれＹ型の光学連結
器３７、３８が接合されている。第１及び第２の人力／
出力端子３９、４０が各々別方向の人力線４ｌ／４２、
出力線４　３／４　４と接続されて予備モニター装置を
提供している。このように構成すれば、双方の組み合わ
せが一時に損傷を受ける確率は非常に低い。前述の総て
の実施例について本二重モニター装置が適用できるのは
もちろんである。
ファイバーの収束手段として、種々の手段が考えられる
が、第１２図に示すような光学ファイバーの収束手段が
好適である。第！２図において、金属その他の好適な材
料よりなる第１のブロック４５にドリルその他の穴開け
手段により複数の穴４６を開け、個々のファイバー４７
をこれに挿入する。また、第１のブロック４５にはファ
イバー束４９の反対側の末端部を収納する穴４８を設け
る。第１のブロック４５は、製造時に複合材料からなる
構造物５０内に挿入される。
電子／光学的読み取り装置５１としては、ファイバー東
収納穴４８に対応するチャンバ５４内に予め配列された
光源５３を包含する衝合ブロック５２及び光学ファイバ
ー４７と当接するフォトダイオード５５を用いる。本衝
合ブロック５２はブロック４５にねじ５６によって一体
連係構造となるように接合される。フォトダイオード５
５は光信号を電気的インパルスに変換してコンピュータ
その他のモニター手段（図示せず）によってモニター可
能にする。
光学ファイバーは、一般に複数の樹脂含浸層あるいは撚
り構造から成る複合材料構造の一部として積層工法によ
り配設することも可能である。第１３Ａ図乃至Ｃ図にお
いて、光学ファイバー層５７は複数の構成層５８乃至６
２間に挿入されている。各々の構成層は、樹脂含浸繊維
ガラス、ボリアミド、グラファイトその他の合成層を包
含する。
構成層の数が構造物に依存して変動するのは勿論である
。第１３Ａ図において、ファイバーＲ５７を構成層６０
上に配置後構成層６ｌで被覆する。
所望の数の構成層を積層した後、積層体を脱気して内部
の空気を除去し、適当なオートクレープ装置内で加圧し
、加熱硬化させる。第１３Ｂ図は、ファイバー層を保護
するフィルム接着剤６３を使用した例を、第１３ｃ図は
、重合され、硬化された複合材料からなる構造物６４を
示している。以上のようにして、ファイバーネットワー
クは構造物中の一層として埋設できる。
光学ファイバー配設工程中、ファイバ一端は、入出力い
ずれの組も、所定の順序でブロックの形成された穴を介
して、一方の組は、各一本のファイバーを各穴に、また
一方の組のファイバー束は無秩序に大きい方の穴を介す
るように配列される。
第！２図に示す構成は人力組及び所定の出力順序になっ
ているファイバー束に対応するものであるが、反転装置
を用いても差し支えない。複合材料製造及び硬化の終了
後、ファイバ一端を切り揃え、穴を形成したブロック表
面と同一平面になるよう研磨する。
本構成によれば、ファイバ一端は一切構造物の外部に露
出されず、比較的偶発性の損傷を免れる。
加えて、電気／光学的読み取り装置は、誤動作か起きた
際には容易に交換でき、衝合ブロック読み取り装置を除
去し、入力ファイバー上にライトを取り付けて可視的に
出力ファイバー列の光透過性の低下を検知するようにす
れば、いつでも装置の手動的チェックが容易に行える。
上述のファイバーネットワークの使用により、比較的精
確に、宇宙ステーション、航空機の本体及び翼構造に用
いられる円筒型部材等の高感度装置の構造上の完全性（
無傷性）をモニターできる。
このようなモニターネットワークは最大限の領域をカバ
ーする最小限の数の光学ファイバーで確立される。また
、前述した二重人出力端を用いれば、さらに第２の予備
ネットワークを重合することなく予備ネットワークを得
ることが可能である。加えて、ファイバー線の数の減少
に伴い、モニター装置の複雑性及び大きさも抑制するこ
とができ、誤動作を抑止する上に装置の重量を低減し、
設置空間を小さくすることができる。
上述した光学ファイバーのパターンは、本発明の理解の
目的で提示したものに過ぎず、特許請求の範囲に記載し
た本発明の主旨を逸脱しない範囲でのあらゆる変形例の
実施が可能である。例えば、複合材料は、本発明の実施
を妨げない範囲で、適用例に応じて選択することも可能
である。
［効果］ 本発明の光学ファイバーのパターンによれば、最小限の
数のファイバーで、最大限の領域をカバーすることがで
きる。また、最小間隔のファイバー配列を比較的大きな
曲げ半径で実現することができ、従って、ファイバーに
折れを生じることなく、最小直径を有する損傷を検知で
きる。また、二重人出力端を用いれば、さらに第２の予
備ネットワークを重合することなく予備ネットワークを
得られ、検知装置の損傷の確率を下げることが可能であ
る。加えて、ファイバー線の数の減少に伴い、モニター
装置の複維性及び大きさも抑制することができ、誤動作
を抑止する上に装置の重量を低減し、設置空間を小さく
することができる。
【図面の簡単な説明】
添付する図面において、第１図は、一領域内に一本の光
学ファイバーによって形成された折り曲げパターンを示
す、本発明のパターン図、第２図は、複数本の光学ファ
イバーを用いて最大限の領域をカバーするＸ−Ｙ座標型
折り曲げパターンを示す、本発明のパターン図、 第３図は、光学ファイバーの曲げ半径と光透過性の低下
の関係を示す図、 第４図は、三つのループを一単位とする、光学ファイバ
ーを順逆両方向に折り曲げて形成した、本発明の損傷検
知装置の変形例を示ずファイバー折り返しパターン図、 第５図は、七本のループを一単位とし、これを二回繰り
返して形成された、本発明の第２の変形例を示すファイ
バよ折り返しパターン図、第６図は、円筒状構造物に使
用可能な、本発明の２５３の変形例を示すファイバー配
設パターン図、第７図は、円筒状構造物に使用可能な、
Ｘ−Ｙ座標型パターンに形成された、本発明の第４の変
形例を示すファイバー配設パターン図、第８図は、円錐
状末端部を有する円筒状構造物に使用可能な、本発明の
第５の変形例を示すファイバー配設パターン図、 第９図は、薄層複合材料あるいは接着剤上に、予め複数
のファイバーを用いて形成される、長手方向の一本のバ
ンドを示す図、 第１０図は、構造物上にファイバーを直接巻き付けるこ
とによって形成される、典型的な円周状のバンドを示す
図、 第１１図は、一組のファイバー人出力端子が損傷を受け
た際にも装置の作動を持続させる予備のファイバー人出
力端子を概略的に示す回路図、第１２図は、本発明の損
傷検知装置に用いる光学ファイバーの典型的な収束手段
を示す図、第１３Ａ乃至Ｃ図は、本発明の光学ファイバ
ーを用いた損傷検知装置を、複合材料からなる構遣物内
に埋設する様子を示す図である。 Ｆ／（；ｒ，ノ 乙クーＳ゛５ Ｆヒ疋 ＴＵ，ｅＨ　ｄ８ ノ Ｆａｃｔ．　５ ＦＩＣ．．Ｇ ＦノＧ．ｑ Ｆ／（：ｉ．　ＩＩ ＦＩＣ−．１２ ｆ７　ｒ′一切Ｏ　Ｑ　Ｏ　ＯＯ　Ｏ　Ｏ　ｒ３劇 ／３／？

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）複合材料からなる構造物内に挿入される、光学フ
    ァイバーによる損傷検知装置において、多数のループか
    らなる折り曲げパターンを形成する第１の光学ファイバ
    ー束を有し、前記構造物上に配置あるいは内部に埋設さ
    れて、該第１の光学ファイバー束によって画成される領
    域内で、ファイバーの光透過性の低下により、損傷を検
    知する損傷検知装置。
  2. （２）前記装置が、さらに、前記第１の光学ファイバー
    束と垂直方向に交差してＸ−Ｙ座標型のパターンを形成
    する第２の光学ファイバー束を有し、前記構造物上に配
    置あるいは内部に埋設されて、前記Ｘ−Ｙ座標型のパタ
    ーンによって単位面積内に複数の領域を画成することを
    特徴とする請求項第１項に記載の損傷検知装置。
  3. （３）前記第１のファイバーによって、順方向及び逆方
    向に折り曲げられたループからなる第１の多数の折り返
    し反転パターンを形成することにより、前記単位面積内
    の近接ファイバー数を増加させて、前記構造物上に配置
    あるいは内部に埋設されることを特徴とする請求項第１
    項に記載の損傷検知装置。
  4. （４）前記第２のファイバーによって、順方向及び逆方
    向に折り曲げられたループからなる第２の多数の折り返
    し反転パターンを形成することにより、近接して垂直に
    交差するファイバー数を増加させて、前記構造物上に配
    置あるいは内部に埋設されることを特徴とする請求項第
    ２項に記載の損傷検知装置。
  5. （５）前記第１及び第２のファイバーによって、順方向
    及び逆方向に折り曲げられたループからなる多数の折り
    返し反転パターンを形成することにより、前記単位面積
    内のファイバーの総数を増加させて、前記構造物上に配
    置あるいは内部に埋設されることを特徴とする請求項第
    ２項に記載の損傷検知装置。
  6. （６）前記第１のパターンが、前記第１のファイバーを
    、三列手前の逆方向に折り返し、次いで四列先の順方向
    に折り曲げ、さらに七列先に移動させて三列手前の逆方
    向に折り返す工程を繰り返すことによって形成されるこ
    とを特徴とする請求項第３項に記載の損傷検知装置。
  7. （７）前記第２のパターンが、前記第２のファイバーを
    、三列手前の逆方向に折り返し、次いで四列先の順方向
    に折り曲げ、さらに七列先に移動させて三列手前の逆方
    向に折り返す工程を繰り返すことによって形成されるこ
    とを特徴とする請求項第４項に記載の損傷検知装置。
  8. （８）前記第１のパターンが、前記第１のファイバーを
    、七列手前の逆方向に折り返し、次いで八列先の順方向
    に折り曲げ、さらに十五列先に移動させて七列手前の逆
    方向に折り返す工程を繰り返すことによって形成される
    ことを特徴とする請求項第３項に記載の損傷検知装置。
  9. （９）前記第２のパターンが、前記第２のファイバーを
    、七列手前の逆方向に折り返し、次いで八列先の順方向
    に折り曲げ、さらに十五列先に移動させて七列手前の逆
    方向に折り返す工程を繰り返すことによって形成される
    ことを特徴とする請求項第４項に記載の損傷検知装置。
  10. （１０）円筒状構造物の、光学ファイバーによる損傷検
    知装置において、 前記構造物の周囲に螺旋状のパターンに巻着された第１
    の光学ファイバーを有することを特徴とする損傷検知装
    置。
  11. （１１）前記第１の光学ファイバーの螺旋状巻着の終了
    後、前記ファイバーによって、前記螺旋状のパターンに
    垂直な第１の折り曲げパターンを形成することを特徴と
    する請求項第１０項に記載の損傷検知装置。
  12. （１２）前記装置が、さらに、前記第１の光学ファイバ
    ー束と長手方向に交差してＸ−Ｙ座標型のパターンを形
    成する、多数のループからなる第２の光学ファイバーを
    有し、前記構造物上に装着されて、前記Ｘ−Ｙ座標型の
    パターンによって、長手方向のバンドを形成し、単位面
    積内に複数の領域を画成することを特徴とする請求項第
    １０項に記載の損傷検知装置。
  13. （１３）前記第２のファイバーによって、順方向及び逆
    方向に折り曲げられた多数の第２の折り返し反転パター
    ンを形成することにより、近接ファイバー数を増加させ
    て、前記構造物上に装着されることを特徴とする請求項
    第１２項に記載の損傷検知装置。
  14. （１４）前記第２のパターンが、前記第２のファイバー
    を、三列手前の逆方向に折り返し、次いで四列先の順方
    向に折り曲げ、さらに七列先に移動させて三列手前の逆
    方向に折り返す工程を繰り返すことによって形成される
    ことを特徴とする請求項第１３項に記載の損傷検知装置
    。
  15. （１５）前記第２のパターンが、前記第２のファイバー
    を七列手前の逆方向に折り返し、次いで八列先の順方向
    に折り曲げ、さらに十五列先に移動させて七列手前の逆
    方向に折り返す工程を繰り返すことによって形成される
    ことを特徴とする請求項第１３項に記載の損傷検知装置
    。
  16. （１６）前記ファイバーが、前記構造物に接着されるこ
    とを特徴とする請求項第１項に記載の損傷検知装置。
  17. （１７）前記ファイバーが、構造物内部に埋設されるこ
    とを特徴とする請求項第１項に記載の損傷検知装置。
  18. （１８）前記ファイバーが、該ファイバーの入力端及び
    出力端において、各々Ｙ型の連結器を有することを特徴
    とする請求項第１項に記載の損傷検知装置。
  19. （１９）前記各Ｙ型の連結器が二本の導線を有し、該導
    線の各々が、別途の経路により別途のモニター手段に接
    続されることを特徴とする請求項第１８項に記載の損傷
    検知装置。
  20. （２０）前記複数の長手方向のバンドが、前記構造物の
    周囲に配設されることを特徴とする請求項第１２項に記
    載の損傷検知装置。
  21. （２１）前記長手方向のバンドの各々が、複合材料から
    なる構造物の内部に接着挿入されることを特徴とする請
    求項第２０項に記載の損傷検知装置。
  22. （２２）前記装置が、さらに、各々にファイバー末端が
    挿入される複数の第１の穴と、前記ファイバーの反対側
    の末端束が挿入される第２の穴を有する端末ブロックを
    有し、該ブロックが、複合材料からなる構造物に埋設さ
    れることを特徴とする請求項第１項に記載の損傷検知装
    置。
  23. （２３）前記装置が、さらに、発光手段と、前記端末ブ
    ロック内の前記ファイバー末端に各々対応する受光手段
    とを有する衝合ブロックを有することを特徴とする請求
    項第２２項に記載の損傷検知装置。
  24. （２４）複数の構成層と、光学ファイバーによる損傷装
    置が挿入された構造を有する、複合材料からなる構造物
    において、前記損傷検知装置が、一対の前記構成層の間
    に埋設される第１の光学ファイバー束を有し、該ファイ
    バー束が、多数のループからなるパターンを形成するよ
    うに配置されて、一領域を画成し、該領域内で、前記フ
    ァイバーの光透過性を低下させる損傷を検知することを
    特徴とする複合材料からなる構造物。
  25. （２５）光学ファイバーによる損傷検知装置を、複合材
    料からなり複数の構成層から構成される構造物内に挿入
    する方法において、 前記複数の構成層を型内に配置し、 多数のループからなるパターンを形成して該パターンに
    よって一領域を画成し、該領域内で光透過性を低下させ
    る損傷を検知する第１の光学ファイバー束を、前記構成
    層上に配置し、 前記光学ファイバー束の上部に、さらに、構成層を積層
    し、 固化及び硬化を施して構造物を製造する工程からなるこ
    とを特徴とする、光学ファイバーによる損傷検知装置を
    複合材料からなる構造物内部に挿入する方法。
JP2144270A 1989-06-01 1990-06-01 光学ファイバーによる損傷検知装置 Pending JPH0321853A (ja)

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