(57)【要約】    【課題】  微細な粉末の導電材料を含む広範囲の導電性複合材料の傷、欠損等を精度良く測定する損傷測定方法を提供することにある。    【解決手段】  損傷測定方法として、基準となる試料と被測定試料を直列に接続した直列回路を周波数可変の高周波電源に接続し、該電源の周波数を変えながら前記基準となる試料と前記被測定試料のアドミッタンス値および位相を測定し、その測定した両試料のアドミッタンス値の比Ａおよび位相差Ｂを求め、同じく基準となる試料同士を測定対象とした場合の両試料のアドミッタンス値の比Ｃおよび位相差Ｄを求め、前記アドミッタンス値の比Ａと前記アドミッタンス値の比Ｃの偏差を比較して被測定試料の良否を判断すると共に、前記位相差Ｂと前記位相差Ｄの偏差を比較して被測定試料の良否を判断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準となる試料と被測定試料を直列に接続した直列回路を周波数可変の高周波電源に接続し、該電源の周波数を変えながら前記基準となる試料と前記被測定試料のアドミッタンス値および位相を測定し、その測定した両試料のアドミッタンス値の比Ａおよび位相差Ｂを求め、同じく基準となる試料同士を測定対象とした場合の両試料のアドミッタンス値の比Ｃおよび位相差Ｄを求め、前記アドミッタンス値の比Ａと前記アドミッタンス値の比Ｃの偏差を比較して被測定試料の良否を判断すると共に、前記位相差Ｂと前記位相差Ｄの偏差を比較して被測定試料の良否を判断する損傷測定方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種材料の損傷を電気的に測定する損傷測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の基幹部品であるセパレータには、プロトン（Ｈ＋）導伝型の固体高分子膜の場合、セル内の雰囲気は、非常に強い酸性となっているため、セパレータとして使用される材料は制限される。ＰＥＦＣ用セパレータ材料としては、サブミクロンからミクロンオーダーのカーボン（黒鉛）粉末と樹脂の複合材料をプレス成型あるいは射出成型によって作製するカーボン樹脂モールドセパレータが生産されている。このセパレータは、加工が容易で、生産性が高く、大幅なコストダウンを計ることができる。
このセパレータに対し長期間にわたって必要十分な安全性をもたせるため、材料強度に及ぼす環境効果、特に腐食性環境効果の解明ならびに微小な劣化の診断評価方法の確立が望まれている。
カーボン樹脂モールドセパレータのような導電性複合材料（導電材を樹脂結合したもの）の損傷測定方法および装置としては、下記特許文献１に示されるようなものが提案されている。
特許文献１には、プラスチック材の内部に導電性繊維束をプラスチック材と一体に設けた繊維強化プラスチック複合材の抵抗を、導電性繊維束の両端に測定端子を設けて増加抵抗を測定してゆがみ率を求め、その値から複合材料の応力度状態および破壊進行状況を把握する破壊予知方法が示されている。
【特許文献１】特開平０５−３３２９６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記特許文献１記載の破壊予知方法は、ミクロンオーダーのカーボン（黒鉛）粉末と樹脂の複合材料をプレス成型あるいは射出成型によって作製するカーボン樹脂モールドセパレータ等の導電性複合材料を対象とする破壊予知方法ではなかったので、実際に使用することができなかった。
そこで、交流電流による導電性および位相の周波数依存性が、微小な損傷を検出するための手法として有効であるか検討した。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、微細な粉末の導電材料を含む広範囲の導電性複合材料の傷、欠損等を精度良く測定する損傷測定方法を提供することにある。  
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は課題を解決する手段として以下の手段を採用する。
損傷測定方法として、基準となる試料と被測定試料を直列に接続した直列回路を周波数可変の高周波電源に接続し、該電源の周波数を変えながら前記基準となる試料と前記被測定試料のアドミッタンス値および位相を測定し、その測定した両試料のアドミッタンス値の比Ａおよび位相差Ｂを求め、同じく基準となる試料同士を測定対象とした場合の両試料のアドミッタンス値の比Ｃおよび位相差Ｄを求め、前記アドミッタンス値の比Ａと前記アドミッタンス値の比Ｃの偏差を比較して被測定試料の良否を判断すると共に、前記位相差Ｂと前記位相差Ｄの偏差を比較して被測定試料の良否を判断する測定方法を採用する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の損傷測定方法は、微細な粉末の導電材料を含む広範囲の導電性複合材料の傷、欠損等を精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本願発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。
本発明は、損傷測定方法として、基準となる試料と被測定試料を直列に接続した直列回路を周波数可変の高周波電源に接続し、該電源の周波数を変えながら前記基準となる試料と前記被測定試料のアドミッタンス値および位相を測定し、その測定した両試料のアドミッタンス値の比Ａおよび位相差Ｂを求め、同じく基準となる試料同士を測定対象とした場合の両試料のアドミッタンス値の比Ｃおよび位相差Ｄを求め、前記アドミッタンス値の比Ａと前記アドミッタンス値の比Ｃの偏差を比較して被測定試料の良否を判断すると共に、前記位相差Ｂと前記位相差Ｄの偏差を比較して被測定試料の良否を判断する損傷測定方法に特徴を有する。
【実施例】
【０００７】
（  交流電流による電気特性の周波数依存性試験  ）
図１は、高周波ＡＣ電源に基準材と供試材を直列に接続した電気特性の周波数依存性測定回路図である。
図１において、高周波ＡＣ電源には、基準材と供試材が直列に接続されている。基準材と供試材には、それぞれ試験装置ＣＨ１、ＣＨ２が接続されている。
供試材の寸法は、３ｘ１０ｘ１５ｍｍとした。試験装置ＣＨ１、ＣＨ２において、試料をセットするために板バネ状の電極をつけた可動ブロックによって試料を挟み込んでジグに固定させた。挟み込む方向は、厚さ３ｍｍのプレス方向と、長さ１５ｍｍのプレス面方向の二方向を測定した。ジグには２つの試料をセットする。高周波ＡＣ電源からの交流電流を基準材と供試材の直列回路に流す。試験装置ＣＨ１、ＣＨ２は、各々の試料両端の導電性と位相を測定するのではなく、基準材と供試材のアドミッタンス値と位相を測定する機能を有する。
周波数アナライザーは、試験装置ＣＨ１およびＣＨ２の間の相対比（レシオ）を測定する機能を有する。
（  交流電流による電気特性の周波数依存性  ）
【０００８】
試験装置ＣＨ１とＣＨ２に同種で損傷のないセパレータ材をセットした状態（基準状態を測定する条件）と、試験装置ＣＨ１又はＣＨ２の一方に前記損傷のないセパレータ材をセットし、他方の試験装置に測定対象の損傷したセパレータ材をセットした状態（被測定物を測定する条件）の交流電流による導電性（アドミッタンス値）および位相差の周波数依存性を図２に示す。但し、図２中では、横軸は周波数、縦軸はアドミッタンス値の比（ｄＢ）、位相差（ｄｅｇｒｅｅ）。なお、位相差は図中、縦軸で「位相」と記載されている。
電流はセパレータ材の長さ方向（横方向）に流す。図２の縦軸の導電性（アドミッタンス）の相対比（Ｒａｔｉｏ）はデシベル（ｄＢ）で示した。図２を見てわかるように同種の損傷のない供試材をセットしてそれらの相対比挙動を計測すると導電性および位相差がともにわずかに変動する。これはジグなどの残留成分が検出されたことによる。この残留成分は、周波数アナライザーのチャンネルとジグのセット場所を交換することによって、キャンセルすることが可能である。
例えば表面を損傷したセパレータ材（被測定物）の計測の場合には、導電性（アドミッタンス）レシオ値は変化し、損傷の影響を検出することができる。また、位相差については高周波になると著しく変化していることがわかる。位相が負の方向へシフトすることから、容量リアクタンスの増加に起因すると考えられる。また、８０ｋＨｚ付近に見られる位相差の極小値は、供試材中の容量成分による容量リアクタンスとインダクタンス成分による誘導リアクタンスに関係している。前記両リアクタンスは、電圧や電流の位相と周波数の関数であることから、この極小値の現れる周波数−アドミッタンスレシオ特性上の位置によって導電複合材料中の界面剥離の大きさや量を推定できる。
【０００９】
表面をわずかに損傷したことによるアドミッタンスと位相の絶対値の変化は、非常に小さく１００ｋＨｚ程度の周波数帯の装置だけでは、材料中の容量成分やインダクタンス成分を定量的に求めることは困難である。しかしながら、相対的に試料間の差（相対比）を計測することによって損傷を検出することが可能であることがわかった。
（アドミッタンス特性の測定が有効となる理由）
試料の測定されたアドミッタンス特性から、インダクタンスＬ、  容量Ｃ、  抵抗Ｒ  の各定数を求める。
試料に高周波電流を流しておき、その電流の周波数を変えていくと、周波数が低い領域で、ほぼ一定となるアドミッタンス値ＹＲが求まる。このアドミッタンス値の逆数は下記数１式の抵抗値Ｒ（Ω）を意味する。
【数１】
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周波数の増加に応じて図３に示すようにアドミッタンスが変化する。
【００１０】
図３はアドミッタンス特性と位相特性を示す図である。但し、横軸は周波数、縦軸はアドミッタンス値、位相を表す。図３に示すように、容量成分が有効に作用する周波数が高い領域では、任意の周波数ｆ１（Ｈｚ）でのアドミッタンスをＹｃとすると、以下の数２式の関係が成り立つ。
【数２】
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アドミッタンスがリアクタンスの影響を大きく受ける周波数ｆ（Ｈｚ）付近、換言すると位相特性が  ０  ｄｅｇｒｅｅとなる周波数ｆ２（Ｈｚ）付近でのリアクタンス値Ｌ（Ｈ）は、先に求めたＲ，  Ｃより以下の数３式のように求めることができる。
【００１１】
【数３】
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図４はセパレータ材の損傷前後における実際のアドミッタンス特性と位相特性を示す図である。横軸は周波数、縦軸はアドミッタンス（Ｓ）と位相（ｄｅｇｒｅｅ）を表す。この周波数範囲では  容量Ｃ  および  インダクタンスＬ  を決定できる周波数  ｆ１および  ｆ２  が見出されない。
前記周波数  ｆ１および  ｆ２  が見出されない理由は、容量Ｃ  およびインダクタンスＬ  が非常に小さい値であるためであり、より高い周波数帯が必要である。
そこで、以下説明する両試料のアドミッタンス値の比（レシオ）を求めて、損傷等の影響を測定することに思い至った。
（レシオ測定結果の実例）
【００１２】
カーボン／樹脂モ−ルドプレス材のアドミッタンス測定結果
測定時の測定方向は、横方向がプレス面に垂直方向で、縦方向がプレス面と平行方向とする。
（１）  未処理材と基準となる材料をセットし、未処理材とその基準材とのアドミッタンス値の相対比（レシオ）と位相差を測定すると、試料は双方とも同じ材質なので  レシオ（＝２０ｌｏｇ（ＣＨ２／ＣＨ１））は、０（ｄＢ）に近く、位相差においても０ｄｅｇｒｅｅ付近に収まる。高周波領域で若干の誤差が確認されるが、実用上問題とならない。
（２）処理材にキズをつけ、その処理材と基準となる材料との相対比を求める。その場合、高周波になるとアドミッタンス値の比（レシオ）だけでなく、位相差にも顕著な変化が観察される。
この結果から、被測定試料と基準試料のアドミッタンス値の比の特性および位相差の特性を、基準試料同士のアドミッタンス値の比の特性および位相差の特性と比較することにより、被測定試料の良否の判断が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】高周波ＡＣ電源に基準材と供試材を直列に接続した電気特性の周波数依存性測定回路図である。
【図２】試験装置ＣＨ１とＣＨ２に同種のセパレータ材をセットした場合とＣＨ２に損傷したセパレータ材をセットしたときの交流電流による導電性および位相の周波数依存性を示す図である。
【図３】アドミッタンス特性と位相特性を示す図である。
【図４】セパレータ材の損傷前後における実際のアドミッタンス特性と位相特性を示す図である。
【符号の説明】
【００１４】
ＣＨ１、ＣＨ２・・試験装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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