JP6405461B2 - 損傷検知システム及び損傷検知方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、損傷検知システム及び損傷検知方法に関する。

従来、構造体に生じた損傷を非破壊で検知する非破壊検査法として光ファイバを利用した手法が知られている。また、光ファイバを利用した損傷検知法の具体例の１つとして、損傷の検知対象となる構造体に取付けられた光ファイバに光信号を伝播させ、光信号の強度変化を捉えることによって構造体に損傷が生じたか否かを判定する手法が知られている（例えば特許文献１及び２参照）。

特開２００５−３２１２２３号公報 特開２００５−２０８０００号公報

本発明は、複数の位置に損傷が発生した場合であってもより正確に各損傷の位置を特定することが可能な損傷検知システム及び損傷検知方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る損傷検知システムは、複数の光路と、光源と、光検出器と、信号処理系とを備える。複数の光路は、互いに異なる３方向以上の複数の方向に光を伝播させるものであって、３本以上の光路が１箇所で交差しないように配置され、かつ１つの方向につき少なくとも２つの光路を有する。光源は、前記複数の光路の各一端にそれぞれ光を入射させる。光検出器は、前記複数の光路の各他端から出射する光を検出する。信号処理系は、前記光検出器において検出された光の検出信号に基づいて、少なくとも互いに異なる３方向にそれぞれ光を伝播させる３つの光路からそれぞれ出射される光の各強度が減少した場合に前記３つの光路の各一部を含む領域を損傷の発生位置として特定し、前記３つの光路の複数の組合わせが複数箇所存在する場合には前記複数の組合わせに対応する複数の損傷の位置を特定する。

また、本発明の実施形態に係る損傷検知方法は、互いに異なる３方向以上の複数の方向に光を伝播させる複数の光路であって、３本以上の光路が１箇所で交差しないように配置され、かつ１つの方向につき少なくとも２つの光路を有する複数の光路の各一端にそれぞれ光を入射させるステップと、前記複数の光路の各他端から出射する光を光検出器で検出するステップと、前記光検出器において検出された光の検出信号に基づいて、少なくとも互いに異なる３方向にそれぞれ光を伝播させる３つの光路からそれぞれ出射される光の各強度が減少した場合に前記３つの光路の各一部を含む領域を損傷の発生位置として特定し、前記３つの光路の複数の組合わせが複数箇所存在する場合には前記複数の組合わせに対応する複数の損傷の位置を特定するステップとを有するものである。

本発明の実施形態に係る損傷検知システムの構成図。 光路を四角形の格子状に配置した損傷検知システムにおける問題点を説明する図。 図１に示す損傷検知システムにより複数の損傷の位置を特定する例を示す図。

実施形態

本発明の実施形態に係る損傷検知システム及び損傷検知方法について添付図面を参照して説明する。

（構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係る損傷検知システムの構成図である。

損傷検知システム１は、対象となる構造体に生じた損傷の位置を特定するシステムである。そのために、損傷検知システム１は、複数の光路２、光源３、光検出器４及び信号処理系５を有する。

複数の光路２は、損傷の検知対象となる構造体の表面に配置される。図１に示す例では、翼構造体等の航空機構造体６に生じた損傷の位置を特定することができるように、航空機構造体６の表面に複数の光路２が配置されている。

特に、複数の光路２は、互いに異なる３方向以上の複数の方向に光を伝播させることが可能であり、かつ１つの方向につき少なくとも２つの光路２が存在するように配置される。従って、複数の光路２は、３軸以上の格子状に配置されることになる。図１に示す例では、３方向に光を伝播させることができるように、１方向につき複数の平行な光路２が配置されている。

光路２を形成するための光学素子としては、光ファイバや光導波路が挙げられる。尚、広義には、光ファイバは光導波路の一種である。狭義の光導波路の典型例としては、ガラス光導波路等の無機光導波路及びポリマー（高分子）光導波路が挙げられる。ポリマー光導波路は、本来、光信号によるプリント基板用の光学素子であり、有機光導波路、プラスチック光導波路、ポリマー光配線又はポリマー光回路等とも呼ばれる。

ポリマー光導波路は、クラッド層の内部にコア層を形成したものであり、コア層は高分子材料で形成する一方、クラッド層は樹脂シート等で形成することができる。ポリマー光導波路の特長としては、長さ方向に垂直な方向における光の損失が無い点、加工が容易である点、高密度化が可能である点及び実装が容易である点等が挙げられる。

このため、光路２を形成するためにポリマー光導波路を用いると、光ファイバを用いる場合に比べて光路２のピッチを狭くすることができる。具体的には、光路２を形成するためにポリマー光導波路を用いると、１ｍｍ以下（μｍオーダ）のピッチで３軸以上の格子状に複数の光路２を配置することが可能となる。また、複数の方向に光を伝播できるようにするためには、光路２を交差させることが必要となるが、ポリマー光導波路を用いれば、光ファイバのように光導波路を重ねずに光路２を形成することが可能となる。このため光路２を形成するためにポリマー光導波路を用いれば、光ファイバを交差させる場合に生じる凹凸を回避することができる。

また、上述したように、ポリマー光導波路は、施工が容易である。例えば、複数の光路２として複数の光導波路を形成した樹脂のシートを航空機構造体６の表面に貼り付けるだけで、簡易に複数の光路２を航空機構造体６の表面に配置することができる。

ポリマー光導波路や光ファイバ等の光学素子を用いて光路２を形成する場合、光路２の太さは均一であるが、光路２が交差する部分では太さが局所的に太くなる。光路２が局所的に太くなると、光路２を直線的に伝播する光が、交差する光路２に漏れる恐れがある。交差する光路２に光が漏れ出れば、光強度の損失となる。

そこで、３本以上の光路２が１箇所で交差しないように複数の光路２を配置することが各光路２を伝播する光の損失を低減する観点から望ましい。図１に示す例では、常に２本の光路２が交差するように複数の光路２が配置されている。このため、図１に示す例では、六角形の間に三角形が形成される格子状に複数の光路２が配置されている。このような光路２の配置によって、交差する光路２への光の漏れを低減することができる。

複数の光路２の各一端は、光源３と接続される。このため、複数の光路２の各一端には、それぞれ光源３から光を入射させることができる。一方、複数の光路２の各他端には、光検出器４が接続される。このため、複数の光路２の各他端から出射する光を光検出器４で検出することができる。光検出器４は、フォトダイオード等の光信号を電気信号に変換するための光検出素子を用いて構成することができる。

各光路２には、それぞれ独立した光源３及び光検出器４を接続することができる。但し、光路２の数が多い場合には、光路２の数に合わせて多数の光源３及び光検出器４が必要となる。

そこで、複数の光路２に出力される光の波長を変えることによって、複数の光路２間において光源３及び光検出器４を共通にすることもできる。具体的には、光源３を、波長が異なる光を少なくとも２つの光路２に入射させるように構成することができる。一方、少なくとも２つの光路２から出射する波長が異なる光を共通の光検出器４で検出するようにすることができる。これにより、光路２の数が多い場合であっても、光源３及び光検出器４の数を低減させることができる。

複数の光路２間において光源３及び光検出器４を共通にする場合には、複数の光路２の各端部を束ねて光源３及び光検出器４を接続することにより、損傷検知システム１の構成を簡易にすることができる。各光路２の端部に接続される光検出器４の出力側は、信号処理系５と接続される。

信号処理系５は、光検出器４において検出された光の検出信号に基づいて損傷の位置を特定する機能を有する。光検出器４において光の検出信号が光信号から電気信号に変換される場合には、電気信号に基づいて損傷の位置が特定されることになる。従って、信号処理系５は、Ａ／Ｄ（ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ）変換器やコンピュータプログラムを読み込ませたコンピュータ等の回路によって構築することができる。光の検出信号に対しては、ノイズ低減処理やアベレージング処理等の必要な処理を行うことができる。また、各種信号処理は、電気信号に限らず光信号に対して実行するようにしてもよい。その場合には、信号処理系５を構成するために、光信号の信号処理に必要な光学素子を用いることができる。

信号処理系５における損傷の検出方法としては光検出器４において検出された光の強度信号の変化に基づく任意の方法を採用することができる。例えば、損傷の検知対象となる航空機構造体６の表面に鳥、雹又は石等の物体が衝突し、航空機構造体６の表面に損傷が生じると、損傷とオーバーラップする光路２を伝播する光が遮られる。或いは、損傷とオーバーラップする光路２を伝播する光が部分的に遮られ、光の強度が低下する。つまり、損傷が存在する領域とオーバーラップする光路２を伝播する光が損失する。

このため、信号処理系５において、各光路２を伝播する光の強度変化を検出すれば、損傷の発生を検出することができる。光の強度変化は、例えば、光源３から発信される光の強度と、光検出器４において検出された光の強度との間における比又は差に対する閾値処理によって検出することができる。より具体的には、光源３から発信される光の強度に対して、光検出器４において検出された光の強度が閾値を超えて減少した場合には、損傷によって光が損失したと判定することができる。

尚、光の観測時間を十分に確保することによって光の強度波形を検出する場合であれば、積分値や最大値等の代表値間の比又は差に対して閾値処理を行うようにしてもよい。閾値処理に必要となる閾値は、シミュレーションや実験によって決定することができる。

光検出器４で各光路２を伝播する光の強度を観測すれば、伝播する光の強度が低下した光路２上に損傷が存在すると判定することができる。従って、互いに交差する２つの光路２を伝播する光の強度が低下すれば、交差する２つの光路２に跨る領域に損傷が発生したと判定することができる。つまり、互いに異なる２方向に光を伝播させる光路２から出射される光の各強度の減少を検知すれば、損傷の位置を特定することができる。

しかしながら、複数の損傷が航空機構造体６の表面に生じた場合には、互いに異なる２方向に光を伝播させる光路２から出射される光の各強度の減少を検知するのみでは、正確に損傷の位置を特定することが困難となる。

図２は光路を四角形の格子状に配置した損傷検知システムにおける問題点を説明する図である。

図２（Ａ）に示すように、複数の平行な光路を四角形の格子状に直交配置し、光源及び光検出器を各光路に接続することによって損傷検知システムを構成することができる。しかしながら、例えば、図２（Ａ）に示すように、同一方向において隣接していない複数の光路を伝播する光が損傷によって損失した場合には、光が損失した光路の交差位置が複数箇所となる。このため、損傷の位置を特定することができない。具体的には、図２（Ａ）に例示されるような光の損失があった場合であれば、図２（Ｂ）に示す２つの領域に損傷が生じたのか、或いは、図２（Ｃ）に示す２つの領域に損傷が生じたのかを識別することができない。

そこで、図１に例示されるように、四角形の格子状の光路に対して少なくとも１軸追加し、損傷が生じた場合に３方向以上の方向に伝搬する光が損失するようにすることができる。そうすると、信号処理系５では、少なくとも互いに異なる３方向にそれぞれ光を伝播させる３つの光路２からそれぞれ出射される光の各強度が減少した場合に３つの光路２の各一部を含む領域を損傷の発生位置として特定することが可能となる。これにより、航空機構造体６に複数の損傷が生じた場合であっても、各損傷の位置を特定することができる。すなわち、光の各強度が減少した３つの光路２の複数の組合わせが複数箇所存在する場合には、複数の組合わせに対応する複数の損傷の位置を特定することができる。

図３は、図１に示す損傷検知システム１により複数の損傷の位置を特定する例を示す図である。

図３に例示されるように、航空機構造体６の２箇所に損傷が生じた場合には、一点鎖線で示す光路２を伝播する光が損失することになる。すなわち、各損傷の発生位置から３軸方向に向かって伝播する光が損失する。このため、伝播する光が損失した３つの光路２の交差位置を含む領域を、損傷領域として特定することができる。

損傷領域が小さい場合には、図３に例示されるように３つの光路２を伝播する光が損失することになる。従って、図３に例示されるように常に２本の光路２が交差するように光路２が配置されている場合であれば、光の損失が生じた光路２の３つの交差位置が隣接して存在する領域を、損傷の発生領域として特定することができる。

一方、損傷領域が大きい場合には、１つの損傷が同一方向に光を伝播させる平行な複数の光路２に跨ることになる。その場合においても、光の損失が生じた光路２の複数の交差位置が隣接して存在する領域を、損傷の発生領域として特定することができる。また、光の損失が生じた光路２の複数の交差位置のうち、隣接する交差位置を特定することによって、損傷のサイズを検出することができる。加えて、光の損失の程度、例えば、光の強度の低下量と、損傷の発生の原因となった衝撃のエネルギとの関係を求めておけば、光の損失の程度を検出することによって、損傷の発生の原因となった衝撃のエネルギを求めることが可能となる。

尚、３箇所に生じた損傷を検出できるようにするためには、異なる４方向に光が伝播するように複数の光路２を配置すればよい。このため、図１及び図３に示す例に限らず、八角形が形成されるように複数の光路２を配置するようにしてもよい。一般化すると、３以上の整数をｎとしてｎ方向に光が伝播するように複数の光路２を配置すれば、最大ｎ−１箇所に生じた損傷を検出することが可能となる。

従って、想定される損傷の数に応じて光路２の配置を決定することができる。すなわち、必要な数の損傷の位置を特定できるように、必要な方向に光を伝播する複数の光路２を配置することができる。また、平面上に限らず空間的に光路２を配置するようにしてもよい。すなわち、３軸以上の方向に光を伝播する複数の光路２を２次元的に配置するのみならず、３次元的に配置するようにしてもよい。もちろん、曲面上に複数の光路２を配置することもできる。

以上のような損傷検知システム１及び損傷検知方法は、３軸以上の光軸を有する複数の光路２を航空機構造体６等の所望の構造体に損傷検知センサとして格子状に取付け、光路２を伝播する光の損失を検出することによって複数の位置に損傷が生じた場合であっても各損傷の位置を検知できるようにしたものである。

（効果）
このため、損傷検知システム１及び損傷検知方法によれば、金属や複合材の内部における亀裂、被弾、鳥や雹の衝突等によって航空機構造体６等の構造体に複数の損傷が発生した場合であっても、損傷位置の特定が可能である。特に、構造体が無人航空機を構成する構造体である場合には、飛行中に容易に損傷を検出することが可能となる。このため、損傷の検出情報を飛行制御に反映し、飛行中における航空機への過剰な荷重を低減させることができる。その結果、安全性を向上させることができる。

加えて、樹脂シートに光路２を形成した光導波路シートを用いれば、４０μｍ程度の極めて狭い間隔で光路２を形成することができる。航空機構造体６では、ミリメートルオーダで損傷を検知できれば十分である。このため、十分な位置分解能で損傷を検知することができる。しかも、光導波路シートを用いれば、光路２を交差させても、光の伝播方向に垂直な方向への光の漏れを回避することができる。また、光ファイバのように、複合材等で構成される構造体の内部に埋め込むことなく、構造体の外表面に単に光導波路シートを貼り付けるのみで、簡易に損傷検知システム１を構造体に実装することが可能である。

（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。

Claims (6)

1. 互いに異なる３方向以上の複数の方向に光を伝播させる複数の光路であって、３本以上の光路が１箇所で交差しないように配置され、かつ１つの方向につき少なくとも２つの光路を有する複数の光路と、
   前記複数の光路の各一端にそれぞれ光を入射させる光源と、
   前記複数の光路の各他端から出射する光を検出する光検出器と、
   前記光検出器において検出された光の検出信号に基づいて、少なくとも互いに異なる３方向にそれぞれ光を伝播させる３つの光路からそれぞれ出射される光の各強度が減少した場合に前記３つの光路の各一部を含む領域を損傷の発生位置として特定し、前記３つの光路の複数の組合わせが複数箇所存在する場合には前記複数の組合わせに対応する複数の損傷の位置を特定する信号処理系と、
   を備える損傷検知システム。
2. 前記光路としてポリマー光導波路を用いた請求項１記載の損傷検知システム。
3. １ｍｍ以下のピッチで３軸以上の格子状に前記複数の光路を配置した請求項１又は２記載の損傷検知システム。
4. 前記光源は、波長が異なる光を少なくとも２つの光路に入射させるように構成され、
   前記少なくとも２つの光路から出射する前記波長が異なる光を共通の光検出器で検出するようにした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の損傷検知システム。
5. 互いに異なる３方向以上の複数の方向に光を伝播させる複数の光路であって、３本以上の光路が１箇所で交差しないように配置され、かつ１つの方向につき少なくとも２つの光路を有する複数の光路の各一端にそれぞれ光を入射させるステップと、
   前記複数の光路の各他端から出射する光を光検出器で検出するステップと、
   前記光検出器において検出された光の検出信号に基づいて、少なくとも互いに異なる３方向にそれぞれ光を伝播させる３つの光路からそれぞれ出射される光の各強度が減少した場合に前記３つの光路の各一部を含む領域を損傷の発生位置として特定し、前記３つの光路の複数の組合わせが複数箇所存在する場合には前記複数の組合わせに対応する複数の損傷の位置を特定するステップと、
   を有する損傷検知方法。
6. 前記複数の光路として複数の光導波路を形成した樹脂のシートを航空機構造体の表面に貼り付け、前記航空機構造体に生じた損傷の位置を特定する請求項５記載の損傷検知方法。

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