(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非導電性補修・補強層中に、互いに絶縁された状態で平行に配置された複数の導電性繊維束あるいは導電性線材を含む導電性補修・補強層が設けられた補修・補強材を、導電性構造体の補修・補強すべき部位に取り付け、マイクロストリップ線路を構成する導電性構造体と該導電性繊維束あるいは導電性線材との間に高周波電気信号を印加し、前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺを計測し、前記特性インピーダンスＺに基づき前記マイクロストリップ線路に沿った前記導電性構造体の損傷の存在と前記損傷の位置を表す反射率の変化を求めることを特徴とする導電性構造体の補修・補強状況検知方法。
【請求項２】
前記特性インピーダンスＺは、前記導電性構造体の損傷の程度を表すように、前記導電性構造体が設けられているグランドと前記導電性繊維束あるいは導電性線材との間隔を関数とすることを特徴とする請求項１記載の導電性構造体の補修・補強状況検知方法。
【請求項３】
前記特性インピーダンスＺは、前記導電性構造体の損傷の程度を表すように、前記導電性構造体が設けられているグランドと前記導電性繊維束あるいは導電性線材との間の誘電体の比誘電率を関数とすることを特徴とする請求項１記載の導電性構造体の補修・補強状況検知方法。
【請求項４】
前記反射率を、信号入力時からの経過時間に対する前記マイクロストリップ線路の応答電圧の変化として検出することを特徴とする請求項１記載の導電性構造体の補修・補強状況検知方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性構造体の補修・補強構造、補修・補強方法及び補修・補強状況検知方法に関し、詳しくは、航空機をはじめ、車両、鉄橋等、荷重を付加される金属等からなる導電性構造体の亀裂、力学的弱点部位を補修・補強するための補修・補強構造、補修・補強方法及び補修・補強状況検知方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、繊維強化高分子複合材料をパッチとして貼り付けることにより金属構造体を補修・補強する方法が提案され研究が進められている（東北大学工学研究科  関根他：航空宇宙学会論文集  第４９巻  第５６５号（２００１年２月）ｐｐ．５５−６１）。しかしこれは補修・補強を行うのみで、補修・補強した後にパッチの下での金属構造体の損傷発生・進展状態を検出するには別途手段を講じなければならない。
【０００３】
また、材料表面に貼られた導電性パッチの電気的特性から損傷を検知しようとする試み（（財）ファインセラミックスセンター  奥原他：第３回「知的材料・構造システム」シンポジウム講演集（２００２年１月）ｐｐ．３３−３６）、あるいは導電性構造体を電磁波伝送線路として利用することにより樹脂の成形状況や接着層の健全性評価を行う技術（卜部他：第３回「知的材料・構造システム」シンポジウム講演集（２００２年１月）ｐｐ．７９−８２、英国Ｓｔｒａｔｈｃｌｙｄｅ大学  Ｂａｎｋｓ  ｅｔ  ａｌ．：Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｄ  Ｖｏｌ．２９（１９９６）ｐｐ．２３３−２３９）も研究されている。さらに、炭素繊維の導電性変化を炭素繊維強化高分子複合材料の損傷検出に利用することに関しては東京工業大学工学部（轟助教授他）、あるいは東京大学（武田教授他）等で研究開発が進められている。しかし、補強・補修用パッチの電磁波伝送特性からその下の金属の損傷発生・進展状態を検出する技術は、現在のところ存在しない。
【０００４】
世界中で運用されている航空機のうちで、設計段階で想定された使用寿命を迎えつつあるものの割合が急激に増加しているが、これらを全て新型機に更新することは莫大な経済負担を要することになり適切ではない。そこで経年航空機を当初想定された使用寿命を越えて安全に運用可能とする技術を確立することが緊急の課題となっている。そのためには、長年の運用により機体に発生した疲労き裂の補修が必要不可欠となる。
【０００５】
疲労き裂部の補修方法として、繊維強化高分子複合材料のもつ優れた軽量性と力学特性を見込んで、疲労き裂部に複合材料パッチを接着して補修する方法が提案され、経年航空機への使用が検討されている。
【０００６】
一方、補修後のき裂はパッチで覆われるためその状態を目視で検知することはできないので、補修後の安全性を保障するには何らかの方法で補修後のき裂の状態をモニタリングすることが必要である。また、複合材料パッチは、疲労き裂の補修のみならず、ボルト孔等の力学的弱点部の補強にも使用されることが予想されるが、そこにおいても構造体の安全性保証のためにはパッチ下の金属のき裂検出の手段が必要である。
【０００７】
損傷を検知するための既存の方法としては、超音波を利用する方法、渦電流による方法、電気抵抗を利用する方法、光ファイバによる方法等色々あるが、いずれも検知のために損傷部近傍にプローブをあてる必要があったり、検知専用パッチの変形・破壊情報から間接的に構造体の損傷状況が検知されるのみであったり、あるいは位置情報が不明確あるといった問題があり、検知方法として十分とはいえない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、導電性構造体のき裂や力学的弱点部の補修・補強効果を得るのみでなく、補修・補強されたき裂、力学的弱点部の進展状況、あるいは力学的弱点部からの新たなき裂発生等を、その位置に関する情報を含めて非破壊で検知することができる導電性構造体の補修・補強構造、補修・補強方法及び補修・補強状況検知方法を提供することをその課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記課題は下記の技術的手段により解決される。
（１）導電性構造体の補修・補強状況検知方法において、非導電性補修・補強層中に、互いに絶縁された状態で平行に配置された複数の導電性繊維束あるいは導電性線材を含む導電性補修・補強層が設けられた補修・補強材を、導電性構造体の補修・補強すべき部位に取り付け、マイクロストリップ線路を構成する導電性構造体と該導電性繊維束あるいは導電性線材との間に高周波電気信号を印加し、前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺを計測し、前記特性インピーダンスＺに基づき前記マイクロストリップ線路に沿った前記導電性構造体の損傷の存在と前記損傷の位置を表す反射率の変化を求めることを特徴とする。
（２）上記（１）記載の導電性構造体の補修・補強状況検知方法において、前記特性インピーダンスＺは、前記導電性構造体の損傷の程度を表すように、前記導電性構造体が設けられているグランドと前記導電性繊維束あるいは導電性線材との間隔を関数とすることを特徴とする。
（３）上記（１）記載の導電性構造体の補修・補強状況検知方法において、前記特性インピーダンスＺは、前記導電性構造体の損傷の程度を表すように、前記導電性構造体が設けられているグランドと前記導電性繊維束あるいは導電性線材との間の誘電体の比誘電率を関数とすることを特徴とする。
（４）上記（１）記載の導電性構造体の補修・補強状況検知方法において、前記反射率を、信号入力時からの経過時間に対する前記マイクロストリップ線路の応答電圧の変化として検出することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。図１は本発明の概念を説明する見取り図、図２は平面図、図３は図２のＡ−Ａ’線及びＢ−Ｂ’線断面図である。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、金属材料表面に発生したき裂、あるいはき裂が発生しやすい円孔部周辺等の力学的弱点部に、ガラス繊維クロスと高分子樹脂との複合体等の絶縁性の補修・補強材（パッチ）を貼着等により取り付けて、き裂あるいは力学的弱点部を補修あるいは補強する際に、その最上層又は中間層に、互いに絶縁された状態で平行に配置された炭素繊維束等の導電性繊維あるいは導電性線材を含む強化材と高分子樹脂の複合体を配置することにより、き裂あるいは力学的弱点部を補修あるいは補強すると同時に、正弦波あるいはステップあるいはパルス状の電気信号を当該導電性繊維束あるいは導電性線材と金属材料との間に印加した際の伝送特性から、補修されたき裂の進展状況あるいは力学的弱点部からのき裂等破壊の発生を、その位置及び大きさに関する情報も含めて非破壊で検知することが可能となる知見を得た。
【００１１】
すなわち、電気信号が印加されている導電性繊維束あるいは導電性線材近傍の金属にき裂が存在すると、そこが電気信号の伝送に対して不連続部として働く（インピーダンスの不連続部となる）ので、電気信号に反射及び減衰を生じる。
【００１２】
本発明において、導電性繊維束あるいは導電性線材と補強された金属板（導電性補修・補強は、マイクロストリップ線路を形成していると見なすことができる。この場合、そのマイクロストリップ線路における線路導体幅をｗ、線路導体厚みをｔ、線路導体とグランドとの間隔をｈ、線路とグランドとの間の誘電体の比誘電率がεとすると、該マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ（Ω）は下記式（数１）で表される。
【数１】
0003704559.tif 000002
【００１３】
金属板にき裂等があるとその部分では線路導体とグランドとの間隔ｈが局部的に増加していることになり、その部分ではインピーダンスＺが増加する。一般に電磁波伝送線路に不連続点がありそこでＺがＺ１からＺ２に増加した場合、電気信号はその部分で下記式（数２）で表される反射率に従い反射を生ずる。
【数２】
0003704559.tif 000003
この反射を、ステップ入力あるいはパルス入力に対する時間領域応答特性の検出が可能な信号発生装置付オシロスコープあるいはネットワークアナライザ等で検出すると、き裂の部分からの反射信号（ステップの上昇／下降あるいはパルスの発生）が、当該部分までの電気信号の往復伝搬時間に対応する時間遅れをもって検出されるので、き裂の存在のみならずその線路に沿う方向での位置も検出できる。
【００１４】
そして、複数の導電性繊維束あるいは導電性線材等、線（帯）状の導体が相互に絶縁された状態で平行に並べ、各導体の端部と導電性構造体との間にプローブを順次接触させて各々の導体における伝送特性を測定することにより、き裂や損傷の検出感度、特に伝送方向と直交する方向での識別度を確保し、損傷の進展を検出する。すなわち、平行して配置された複数の繊維束のうちスリット部分を横切っていない繊維束からはスリットに対応する応答が出ないので、スリットの長さが検出可能となる。そして、パッチによる補修・補強を行った直後の各導電性繊維束あるいは導電性線材からの応答を初期データとして記録しておき、点検の際にそこからの差分を表示することにより、各繊維束における導体間距離の差や繊維幅の差に伴うノイズの影響の軽減できるとともに、経時的なき裂の発生や進展を検出することが可能となる。すなわち測定の手順としては下記のようになる。
【００１５】
（１）補修直後の、初期における伝送特性（初期データ）を、各々の導電性繊維束あるいは導電性線材（以下「導体」と称す）ごとに、被補修導電性構造体をグランドとしてプローブをあてて測定・記録する。
（２）導電性構造体の検査時に、同様に各導体について伝送特性を測定する。
（３）検査時の特性から、対応する初期データを差し引く。
（４）差し引きの結果が計測器のノイズレベル以下であれば当該導体の下の部分の導電性構造体には初期状態からの変化はないと見なせる。き裂の進展があれば進展した部分の上にある導体からのデータにおいて、導体に沿う方向でのき裂の位置に応じて対応する位置に局部的ピークとして表示される。既に存在するき裂の増大があれば既存のピークの拡大が発生するため、同様に当該導のデータに局部的な増大として表示される。
【００１６】
以上のように、本発明は、繊維強化高分子複合材料中の炭素繊維等の優れた力学的特性と導電性を利用して、導電性構造体の補修・補強材に、損傷検知機能及び位置検出機能を付加するようにしたものである。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
アルミニウム板にき裂のモデルとしてスリット孔を開け、そこにガラス繊維クロスとガラス繊維／炭素繊維ハイブリッドクロスをこの順に１枚ずつ積層し、これにエポキシ樹脂を含浸して硬化させた（図４）。このハイブリッドクロスは縦糸として炭素繊維束とガラス繊維束（いずれも幅約１．６ｍｍ）が交互に並んでいて、これらがガラス繊維の横糸で束ねられている。したがって各炭素繊維束は相互に絶縁されている。上記において、アルミニウム板が導電性構造体に、ガラス繊維クロスにエポキシ樹脂を含浸させたものが非導電性補修・補強層、ガラス繊維／炭素繊維ハイブリッドクロスにエポキシ樹脂を含浸させたものが導電性補修・補強層に相当する。
【００１８】
樹脂が硬化した後、端部をサンディングして炭素繊維を露出させた上で導電性エポキシを各繊維束上に塗布し電気信号の入力端とした。これにより、各炭素繊維束とアルミニウム板は電磁波の伝送線路の一種であるマイクロストリップ線路を形成することになる。そしてこの入力端のうちの１つととアルミニウム板との間に、タイムドメインレフレクトメトリー機能の付いたディジタルオシロスコープに接続された高周波プローブにより、立ち上がり３０ｐｓのステップ電圧を印加し、時間領域応答特性を測定した。
図５にき裂のある部分（２カ所にスリットを形成）及びこれがない部分を横切る炭素繊維束からの応答を示す。図中１はスリット上を横切る繊維束からの応答、２はスリットのない部分の繊維束からの応答であり、１においてスリットに対応する局所的ピークは、スリットがない場合には点線で結んだようになる。
【００１９】
上記したように、電気信号は、伝送線路に不連続があるとそこで反射を生じる。ステップ信号入力に対する時間領域応答特性では、信号が不連続点まで往復するに要するだけの時間遅れをもって、不連続点での反射に対応して応答の上昇／下降が生じる。図５で、左端の部分の上昇／下降はプローブ及び接触端からの反射に対応する。また２．２ｎｓ付近からの上昇は終端（この実験では開放端）での反射に対応する。そして、スリット部分を横切っている繊維束からの応答には、スリット孔が線路間隔の変化に伴う線路のインピーダンスの不連続点として働くためにそこでの反射信号が検出されている。この立ち上がりの位置がスリットの位置に対応している。平行して配置された複数の繊維束のうちスリット部分を横切っていない繊維束からはスリットに対応する応答が出ないので、スリットの長さも検出できる。そして、補修直後の各繊維束からの応答を初期データとして記録しておき、点検の都度そこからの差分をモニタリングすることにより、各繊維束における導体間距離の差や繊維幅の差に伴うノイズの影響の軽減できるとともに、経時的なき裂の発生や進展を検出することが可能となる。
【００２０】
図２では、２本の応答のベースが異なっており、またスリット由来のもの以外にも小さい変動が生じていたり繊維束終端の応答の立ち上がりが２本でやや異なるものとなっているが、これらは炭素繊維束とアルミニウム板との間の距離の差や炭素繊維束の幅の微妙な違いによると考えられる。また、特性が全般的に右上がりになっていることとスリット部分での立ち上がりがスリットの幅に比較してかなり鈍っていることは、炭素繊維束の低導電性と樹脂の誘電損失に起因するもので、信号線路導体の導電性が高いほどフラットで鋭い変化の特性を持つことが予想される。これらに関しては樹脂含浸／貼り付けの方法を改善して炭素繊維束とアルミニウム板とが一定距離を保つようにしたり、場合により炭素繊維束ではなくより導電性の高い細い金属線を信号線として使用したり、あるいは応答信号の処理方法を改善したりすることにより、改善可能と考えられる。特に信号線（炭素繊維束）と金属板との距離変動の問題については、距離が近いほど影響が大きく出るので、ガラス繊維クロスが１枚のみである今回の実験では影響を大きく受けたと考えられる。
実際の補修ではパッチは数ｍｍの厚みとなると考えられるのでこの影響は軽減されると予想されるが、他方で信号線と金属板の距離が離れるに従い損傷の検出感度、特に損傷端の識別感度が低下することが予想される。したがって、特許請求の範囲に記したとおり、信号線となる導電性繊維束又は導電性線材を含む層は必ずしも最上層でなくとも中間層でも良く、これに関しては使用条件や必要とする検出感度に応じて選択ことが必要である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、前記構成及び手法を採用したので、導電性構造体のき裂や力学的弱点部の補修・補強効果を得るのみでなく、補修・補強されたき裂、力学的弱点部の進展状況、あるいは力学的弱点部からの新たなき裂発生等を、その位置に関する情報を含めて非破壊で検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念を示す見取り図である。
【図２】本発明の概念を示す平面図である。
【図３】本発明の概念を示す断面図である。
【図４】実施例における装置構成を示す図である。
【図５】実施例で得られた、ステップ電圧入力に対する時間領域応答特性を示す図である。
【図１】
0003704559.tif 000004
【図２】
0003704559.tif 000005
【図３】
0003704559.tif 000006
【図４】
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【図５】
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