特開 2024-82506 圧電ＦＲＰセンサーとこれを用いたクラック検出システムと方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024082506

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】圧電ＦＲＰセンサーとこれを用いたクラック検出システムと方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/16 20060101AFI20240613BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

G01L1/16 B

G01L5/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022196398

(22)【出願日】2022-12-08

(71)【出願人】

【識別番号】500302552

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩエアロスペース

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100097515

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 実

(74)【代理人】

【識別番号】100136700

【弁理士】

【氏名又は名称】野村 俊博

(72)【発明者】

【氏名】久保田 勇希

(72)【発明者】

【氏名】余 瑶楠

(72)【発明者】

【氏名】栗田 大樹

(72)【発明者】

【氏名】成田 史生

【テーマコード（参考）】

2F051

【Ｆターム（参考）】

2F051AA06

2F051AB08

(57)【要約】

【課題】可撓性を有し種々の形状に変形可能でありその自体を構造部材として用いることができ、かつ無給電で使用できる圧電ＦＲＰセンサーとこれを用いたクラック検出システムと方法を提供する。
【解決手段】圧電ＦＲＰセンサー１０が、樹脂１２が非導電性の連続繊維１４ａで強化されたＦＲＰシート１５と、ＦＲＰシートの両面に密着して接合された電極１８とを有する。また圧電粒子１６が樹脂内に分散されかつ樹脂内において分極処理されている。クラック検出システム１００は、非導電性の構造物５に貼り付けられる圧電ＦＲＰセンサー１０と電圧検出装置２０とクラック解析装置２４を備える。電圧検出装置２０は、ＦＲＰシート１０の両面に対向して位置する１対又は複数対の電極に無給電で発生する出力電圧Ｖを検出する。クラック解析装置２４は、出力電圧Ｖの変化から構造物のクラック４を解析する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

樹脂が非導電性の連続繊維で強化されたＦＲＰシートと、該ＦＲＰシートの両面に密着して接合された電極とを有し、圧電粒子が樹脂内に分散されかつ前記樹脂内において分極処理されている、圧電ＦＲＰセンサー。

【請求項2】

前記圧電粒子は、メディアン径が０．５μｍ以上０．７μｍ以下のＫＮＮ又はＰＺＴのセラミック粒子であり、
前記連続繊維は、ムライト繊維、ガラス繊維、又はＳｉＣ繊維の織物又は一方向繊維である、請求項１に記載の圧電ＦＲＰセンサー。

【請求項3】

非導電性の構造物に貼り付けられる請求項１に記載の圧電ＦＲＰセンサーと、
前記ＦＲＰシートの前記両面に対向して位置する１対又は複数対の前記電極に無給電で発生する出力電圧を検出する電圧検出装置と、
前記出力電圧の変化から前記構造物のクラックを解析するクラック解析装置と、を備えたクラック検出システム。

【請求項4】

請求項１に記載の圧電ＦＲＰセンサーを非導電性の構造物に貼り付け、
前記ＦＲＰシートの前記両面に対向して位置する１対又は複数対の前記電極に無給電で発生する出力電圧を検出し、
前記出力電圧の変化から前記構造物のクラックを解析する、クラック検出方法。

【請求項5】

前記構造物が外力を受けて異なる振幅で振動する場合に、前記出力電圧の振れ幅から、前記構造物の振幅を検出する、請求項４に記載のクラック検出方法。

【請求項6】

前記構造物が同一又は異なる周波数の外力を受けて振動する場合に、前記出力電圧の振れ幅から、前記構造物のクラックの深さを検出する、請求項４に記載のクラック検出方法。

【請求項7】

前記構造物が同一又は異なる周波数の外力を受けて振動する場合に、前記出力電圧の振れ幅の変化から、前記構造物のクラック進展位置を検出する、請求項４に記載のクラック検出方法。

【請求項8】

前記構造物が荷重の負荷と除荷を繰り返し受ける場合に、前記出力電圧の変化から、荷重の負荷及び除荷を検出する、請求項４に記載のクラック検出方法。

【請求項9】

前記構造物が荷重の負荷と除荷を繰り返し受ける場合に、前記出力電圧の変化から、前記構造物のクラック深さを検出する、請求項４に記載のクラック検出方法。

【請求項10】

前記構造物の負荷が増加する場合に、前記出力電圧の顕著な負の電圧値の検出により、前記構造物のクラック進展の瞬間を検出する、請求項４に記載のクラック検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無給電で電圧を出力する圧電ＦＲＰセンサーとこれを用いたクラック検出手段に関する。

【背景技術】

【0002】

我が国では、１９５０年代の高度経済成長期に建造された橋梁が老朽化しており、その修繕と補強が重要となっている。そのため種々のクラック検出技術が提案されている（例えば特許文献１）。

【0003】

特許文献１の「ＡＥセンサ」は、可撓性の板体上にセンサ本体を搭載したものである。センサ本体は、コンポジット振動子と、コンポジット振動子が検出したＡＥ信号を処理する電子回路と、電子回路によって処理された処理データを外部へ送信する通信回路とを有している。また、電子回路は増幅器、フィルター、ＡＤコンバータ、カウンター、メモリを含んでいる。

【0004】

一方、繊維強化複合材は、鉄やアルミなどの金属材料よりも低密度でありながら、力学特性に優れ、比強度が高く、軽くて強い特長を有する。
そのため、近年、アルミニウム合金に代わる構造部材として、老朽化した橋梁の補強や、航空機、小型船舶、自動車、風力発電ブレード等の補強に用いられている。以下、繊維強化複合材を単に「複合材」又は「ＦＲＰ」と呼ぶ。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４－１７０３９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１のＡＥセンサは、コンポジット振動子の他に電子回路や通信回路を有するため、電源を必要とし無給電では使用できない。
また構造が複雑であり、柔軟性に乏しいので、その自体を構造部材として、橋梁の補強や、航空機、小型船舶、自動車、風力発電ブレード等の補強に用いることはできない。

【0007】

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、可撓性を有し種々の形状に変形可能でありその自体を構造部材として用いることができかつ無給電で使用できる圧電ＦＲＰセンサーとこれを用いたクラック検出手段を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明によれば、樹脂が非導電性の連続繊維で強化されたＦＲＰシートと、該ＦＲＰシートの両面に密着して接合された電極とを有し、圧電粒子が樹脂内に分散されかつ前記樹脂内において分極処理されている、圧電ＦＲＰセンサーが提供される。

【0009】

また本発明によれば、非導電性の構造物に貼り付けられる上記の圧電ＦＲＰセンサーと、
前記ＦＲＰシートの前記両面に対向して位置する１対又は複数対の前記電極に無給電で発生する出力電圧を検出する電圧検出装置と、
前記出力電圧の変化から前記構造物のクラックを解析するクラック解析装置と、を備えたクラック検出システムが提供される。

【0010】

さらに本発明によれば、上記の圧電ＦＲＰセンサーを非導電性の構造物に貼り付け、
前記ＦＲＰシートの前記両面に対向して位置する１対又は複数対の前記電極に無給電で発生する出力電圧を検出し、
前記出力電圧の変化から前記構造物のクラックを解析する、クラック検出方法が提供される。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、圧電ＦＲＰセンサーが樹脂が非導電性の連続繊維で強化されたＦＲＰシートを有するので、可撓性を有し種々の形状に変形可能でありその自体を構造部材として用いることができる。

【0012】

また、ＦＲＰシートの両面に密着して接合された電極を有し、圧電粒子が樹脂内に分散されかつ樹脂内において分極処理されている。これにより圧電ＦＲＰセンサーが貼り付けられた構造物が振動等で変位すると圧電ＦＲＰセンサーに引張力又は圧縮力が作用して無給電で電極間に出力電圧が発生する。
従って、クラック解析装置により出力電圧の変化から構造物のクラックを解析することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明による圧電ＦＲＰセンサーの説明図である。

【図2】圧電ＦＲＰセンサーの模式的斜視図である。

【図3】本発明によるクラック検出システムの全体構成図である。

【図4】クラック検出方法の説明図である。

【図5】圧電ＦＲＰセンサーを用いた曲げ振動試験の説明図である。

【図6】圧電ＦＲＰセンサーを用いたクラック深さ検出試験の説明図である。

【図7】実施例２の結果に基づく仮想試験の説明図である。

【図8】圧電ＦＲＰセンサーを用いた４点曲げ試験の説明図である。

【図9】負荷及び除荷と圧電ＦＲＰセンサーの出力電圧との関係図である。

【図10】クラック深さと出力電圧の関係を示す試験結果である。

【図11】図８に示した４点曲げ試験装置と用い、クラックのない試験体に下向きの荷重を負荷し、試験体にクラックが発生するまで荷重を徐々に増加させた試験結果である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

【0015】

図１は、本発明による圧電ＦＲＰセンサー１０の説明図である。この図において、（Ａ）は圧電ＦＲＰセンサー１０の平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の部分拡大図、（Ｄ）は圧電ＦＲＰセンサー１０の原理図である。

【0016】

図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）において、圧電ＦＲＰセンサー１０は、樹脂１２を強化繊維１４で強化した複合材用のプリプレグシートである。以下、圧電ＦＲＰセンサー１０を必要な場合に単に「センサー１０」と省略する。

【0017】

樹脂１２は、好ましくは、柔軟性がある熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂は、例えば、ポリアミド樹脂である。成形前の樹脂１２、すなわち熱可塑性樹脂は、柔軟性はあるが固化している。なお、樹脂１２は、硬化前の熱硬化性樹脂であってもよい。

【0018】

強化繊維１４は、非導電性の連続繊維１４ａである。非導電性の強化繊維１４は、例えば、ムライト繊維、ガラス繊維、又はＳｉＣ繊維の織物又は一方向繊維である。
「非導電性繊維」を用いるのは導電性繊維の場合、発生した電力（又は電荷）が強化繊維１４を通って分散し、電極１８からの取り出し効率が低下するためである。そのため電気抵抗率が低い炭素繊維（及びＣＦＲＰ）は、本発明の対象外である。
「織物又は一方向繊維」を用いるのは、補強材としての機能を高めるためである。
またプリプレグに直流電圧をかけて分極処理を実施する際、プリプレグ内に導電性繊維が内在すると、電荷が選択的に導電性繊維上を移動してしまい、セラミックが分極されない。そのため、非導電性繊維とすることで分極処理の際に、電荷を選択的にセラミック粒子上で移動させる必要がある。

【0019】

図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）において、圧電粒子１６が、樹脂内に分散されかつ樹脂内において分極処理されている。
圧電粒子１６は、メディアン径（ｄ_５０）が０．５μｍ以上０．７μｍ以下のＫＮＮ又はＰＺＴのセラミック粒子であるのがよい。

【0020】

図１（Ｄ）において、左図は分極前、右図は分極後の圧電粒子１６の分子を示している。
「分極」とは、分子中の二原子間の結合または分子全体に電荷の分布の偏りがあって、電気双極子モーメントをもっていることをいう。
分極前の分子は、プラスイオンとマイナスイオンが互いに相殺して全体として電荷の分布の偏りがない。これに対し、分極後の分子は、一部の陽イオンが変位して電荷の分布に偏りが生じている。
樹脂内の圧電粒子１６は全体が同じように分極している必要がある。そのため、本発明の圧電ＦＲＰセンサー１０は、プリプレグシートの形態ができた後、その両面間に直流電圧を印加することで樹脂内の圧電粒子１６が分極化されている。

【0021】

図２は、圧電ＦＲＰセンサー１０の模式的斜視図である。
この図において、圧電ＦＲＰセンサー１０は、樹脂１２が非導電性の連続繊維１４ａで強化されたＦＲＰシート１５と、ＦＲＰシート１５の両面に密着して接合された電極１８とを有する。また圧電粒子１６が樹脂内に分散されかつ樹脂内において分極処理されている。なお電極１８は、例えばスパッタリングで金電極をコーティングするのがよい。また、電極１８として導電性テープ（例えば銅テープ）を用いてもよい。
この構成により、圧電ＦＲＰセンサー１０は、樹脂１２が柔軟性がある熱可塑性樹脂である場合、全体としてしなやかで賦形性を有する。なお、硬化前の熱硬化性樹脂も樹脂１２として対応可能である。

【0022】

図３は、本発明によるクラック検出システム１００の全体構成図である。
この図において、クラック検出システム１００は、圧電ＦＲＰセンサー１０、電圧検出装置２０、及びクラック解析装置２４を備える。
圧電ＦＲＰセンサー１０は、非導電性の構造物５の表面に貼り付けられる。圧電ＦＲＰセンサー１０は、ＦＲＰシート１５の両面に対向して位置する１対又は複数対の電極１８を有する。構造物５は、例えば橋梁の橋桁である。
電圧検出装置２０は、例えばデータロガーであり、１対又は複数対の電極１８に無給電で発生する出力電圧Ｖを検出する。なお電圧検出装置２０は、ＬＥＤライトなどによる検出機器でもよい。
クラック解析装置２４は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、出力電圧Ｖの変化から構造物５のクラック４（き裂）を解析する。

【0023】

本発明によるクラック検出方法は、Ｓ１～Ｓ３のステップ（工程）を有する。
ステップＳ１では、上述した圧電ＦＲＰセンサー１０を非導電性の構造物５に貼り付ける。
ステップＳ２では、ＦＲＰシート１５の両面に対向して位置する１対又は複数対の電極１８に無給電で発生する出力電圧Ｖを検出する。
ステップＳ３では、出力電圧Ｖの変化から構造物５のクラック４を解析する。

【0024】

図４は、クラック検出方法の説明図である。
各図の上図において、構造物５の下面にクラック４があり、その上面に圧電ＦＲＰセンサー１０が貼り付けられている。また（Ａ）（Ｃ）では、下面に引張応力、上面に圧縮応力が作用する曲げ状態、（Ｂ）では、下面に圧縮応力、上面に圧縮応力が作用する曲げ状態を示している。

【0025】

各図の下図は、圧電ＦＲＰセンサー１０に発生する出力電圧Ｖを示している。この図に示すように、（Ａ）では、曲げ力が作用したときに出力電圧Ｖが上昇し、その上昇量はクラック４の深さによって変化する。逆に（Ｂ）では曲げ力が作用したときに出力電圧Ｖが下降し、その下降量はクラック４の深さによって変化する。また、（Ｃ）では、負荷の上昇時の出力電圧Ｖの変化は少ないが、クラック４が進展すると出力電圧Ｖが急減する。
従って、これらの特性から、出力電圧Ｖの変化から構造物５のクラック４を解析することができる。

【0026】

以下、実施例を説明する。

【実施例0027】

図５は、圧電ＦＲＰセンサー１０を用いた曲げ振動試験の説明図である。

【0028】

図５（Ａ）は試験装置の全体構成図である。この図において、３０は加振装置、３２はデータロガー、３４は電圧記録装置、３６はレーザー変位計である。
この例で試験体１は、厚さ０．２ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ１００ｍｍのガラス繊維強化ポリマー（ＧＦＲＰ）である。圧電ＦＲＰセンサー１０は、厚さ約０．２ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ４０ｍｍであり、試験体１の図で左端から１０～５０ｍｍの位置に貼り付けた。

【0029】

試験では、加振装置３０により試験体１の左端１０ｍｍを把持し、試験体１の右端は自由端のまま、試験体１の左端に上下方向の振動を周波数５０Ｈｚで負荷し、その振幅を変化させた。試験体１の左端の変位はレーザー変位計３６により計測した。
この試験により、試験体１の左端付近の圧電ＦＲＰセンサー１０には、試験体１の左端が片持ちで振られるときに、引張力と圧縮力が交互に作用する。

【0030】

図５（Ｂ）は、時間と出力電圧Ｖの関係を示す試験結果である。この図において、横軸は時間、縦軸は圧電ＦＲＰセンサー１０の出力電圧Ｖである。また図中の３本の曲線は振幅が０．２，０．４，０．６ｍｍのときの出力電圧Ｖの変化を示している。
この図から、本発明の圧電ＦＲＰセンサー１０は、ピエゾ効果（圧電効果）を利用しているので、加速度的に生じる応力や歪みの変化に対して感度が高く、振動している試験体の検出に有効であるといえる。

【0031】

図５（Ｃ）は、振幅と出力電圧Ｖの関係を示す試験結果である。この図において、横軸は振幅、縦軸は圧電ＦＲＰセンサー１０の出力電圧Ｖである。また図中の黒丸は、図５（Ｂ）における出力電圧Ｖの振れ幅を示している。
この図から、出力電圧Ｖの振れ幅は振幅にほぼ比例する直線関係を有し、相関性が高いことがわかる。

【0032】

上述した実施例から、構造物５が外力を受けて異なる振幅で振動する場合に、圧電ＦＲＰセンサー１０の出力電圧Ｖの振れ幅から、構造物５の振幅を検出することができることがわかる。

【実施例0033】

図６は、圧電ＦＲＰセンサー１０を用いたクラック深さ検出試験の説明図である。

【0034】

図６（Ａ）は試験体２の全体構成図であり、上図は上面図、下図は側面図である。
試験には、実施例１と同じ加振装置３０、データロガー３２、電圧記録装置３４、及びレーザー変位計３６を用いた。
この例で試験体２は、厚さ８ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ７０ｍｍのセメント板である。圧電ＦＲＰセンサー１０は、厚さ約０．２ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍであり、試験体２の図で左端から１３～２３ｍｍの上面位置に貼り付けた。また、圧電ＦＲＰセンサー１０に対応する試験体２の下面位置に歪みゲージ（図示せず）を貼り付けた。

【0035】

試験体２の右端は自由端のまま錘３８を固定し、試験体２の右端から１９ｍｍの上面に幅全体に延びるクラック４（き裂）を設けた。試験体２はクラックなし、クラック深さ１ｍｍ、クラック深さ２ｍｍの３種類を準備した。
加振装置３０により試験体２の左端１２ｍｍを把持し、試験体２の左端を上下方向に同一の振幅で加振し、周波数を変化させた。

【0036】

図６（Ｂ）は周波数と出力電圧Ｖの関係を示す試験結果である。この図において、横軸は周波数、縦軸は出力電圧Ｖの振れ幅である。また、図中の３本の曲線は、クラックなし、クラック深さ１ｍｍ、クラック深さ２ｍｍの場合を示している。
この結果から、クラック４が深くなると、振動時にクラック周辺では動的歪み（加速度的に変化する歪み）が大きくなり、片持ち端部（図で左端近傍）では動的歪みは小さくなる。そのため、片持ち端部（片持ち側）の近傍に圧電ＦＲＰセンサー１０を貼り付けた場合、クラック４が深くなるにつれ発生する出力電圧Ｖの振れ幅が減する。この特性から、出力電圧Ｖの振れ幅によりクラック深さの検出が可能となる。

【0037】

上述した実施例から、構造物５が異なる周波数の外力を受けて振動する場合に、圧電ＦＲＰセンサー１０の出力電圧Ｖの振れ幅から、構造物５のクラック４の深さを検出することができることがわかる。
また、同一周波数の外力を受けて振動する場合でもクラック検出は可能である。例えば図６（Ｂ）において、４２Ｈｚで振動していた場合、クラックなしのみは０．２ｍＶ、１ｍｍクラックの場合０．１－０．１５ｍＶ、２ｍｍクラックの場合０．００－０．０５ｍＶとなり、クラックの深さが検出できる。

【0038】

図７は、実施例２の結果に基づく仮想試験の説明図である。
図７（Ａ）において、試験体２は、実施例２と同じセメント板であり、その上面の自由端側に幅全体に延びるクラック４がある場合を想定する。
この例で片持ち側（左端）が振動端であり、圧電ＦＲＰセンサー１０は、片持ち側とクラック４の位置にそれぞれ貼り付けられている。

【0039】

図７（Ｂ）はこの場合のクラック深さと検出電圧の関係図である。
振動している物体（試験体２）では、クラック箇所において歪みが大きくなり、クラック４から離れると歪みが小さくなる。また、クラック深さが大きくなるとその差は拡大すると予想される。
そのため、センサー１０から離れた位置にクラック４が存在する場合（Ａ）はクラック４が深くなると出力電圧Ｖの振れ幅が下降し、センサー直下にクラック４が存在する場合（Ｂ）は、クラック長さに応じて出力電圧Ｖの振れ幅が上昇すると考えられる。

【0040】

従って、クラック４の進展がセンサー１０の周辺で生じているのか、センサー１０から離れた位置で生じているのかが判別できる。すなわち、構造物５が同一又は異なる周波数の外力を受けて振動する場合に、センサー１０の出力電圧Ｖの振れ幅の変化から、構造物５のクラック進展位置を検出できることがわかる。