JP2019032209A

JP2019032209A - 繊維強化複合材ケーブルの検査方法及び検査装置

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Publication number: JP2019032209A
Application number: JP2017152531A
Authority: JP
Inventors: 吉克合田; Yoshikatsu Goda; 修治豊田; Shuji Toyoda
Original assignee: Non Destructive Inspection Co Ltd
Current assignee: Non Destructive Inspection Co Ltd
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2019-02-28

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、効率よく且つ高精度に検査することの可能な繊維強化複合材ケーブルの検査方法及び検査装置を提供すること。
【解決手段】導電性を有する繊維強化複合材よりなるストランド１０１を含んでなる繊維強化複合材ケーブル１００における静電容量に関連する値を測定することでストランド１０１の折れ等の損傷の有無を検査する。ストランド１０１の周方向Ｃに沿って配設される素線２ａよりなるコイル２をストランド１０１の外周面に対し所定の間隙をおいて配置する。コイル２に交流電圧を印加して当該コイル２とストランド１０１との間に誘電分極を生じさせる。誘電分極による静電容量に関連する値をコイル２で測定する。その測定結果に基づいてストランド１０１の折れ等の損傷の有無を検査する。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化複合材ケーブルの検査方法及び検査装置に関する。さらに詳しくは、導電性を有する繊維強化複合材よりなるストランドを含んでなる繊維強化複合材ケーブルにおける静電容量に関連する値を測定することで前記ストランドの折れの有無を検査する繊維強化複合材ケーブルの検査方法及び検査装置に関する。

従来、上述の如き検査方法として、例えば特許文献１に記載の如きものが知られている。この検査方法では、隣り合うストランドを組としてストランドに直接交流電圧を印加し、ストランド間の静電容量に関連する値を測定している。そのため、この手法では、ストランド間に絶縁不良（短絡）があるとストランド間で静電容量が生じず、検査精度が低下するおそれがあった。また、損傷が大きい場合、その損傷箇所より下流に電流が流れないため、下流側の検査が困難となる場合もあった。さらに、ケーブル全体の損傷結果を得るために、ストランドの組み合わせを変えて何度も測定しなければならず、作業性の向上が望まれていた。しかも、ストランドが被覆されていると、ストランドを露出する作業が必要となり、さらに作業性が低下していた。

特開２０１３−１６７６０２号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、簡素な構成でありながら、効率よく且つ高精度に検査することの可能な繊維強化複合材ケーブルの検査方法及び検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る繊維強化複合材ケーブルの検査方法の特徴は、導電性を有する繊維強化複合材よりなるストランドを含んでなる繊維強化複合材ケーブルにおける静電容量に関連する値を測定することで前記ストランドの折れ等の損傷の有無を検査する方法において、前記ストランドの周方向に沿って配設される素線よりなるコイルを前記ストランドの外周面に対し所定の間隙をおいて配置し、前記コイルに交流電圧を印加して当該コイルと前記ストランドとの間に誘電分極を生じさせ、前記誘電分極による前記静電容量に関連する値を前記コイルで測定し、その測定結果に基づいて前記損傷の有無を検査することにある。

上記構成によれば、ストランドの周方向に沿って配設される素線よりなるコイルをストランドの外周面に対し所定の間隙をおいて配置し、コイルに交流電圧を印加して当該コイルとストランドとの間に誘電分極を生じさせるので、ストランドに対して局所的に静電容量を生じさせることができる。従って、ストランド間の絶縁状態や損傷の程度に関わらずストランド（ケーブル）全体を一度で検査でき、精度が低下することもない。しかも、被覆材の有無に関わらずストランドの外部から静電容量を発生させて検査できるので、作業性がよく検査効率もよい。

前記コイルは前記ストランドの軸方向に適宜間隔をおいて一対備え、一対のコイルの出力差により前記損傷の有無を検査するとよい。これにより、コイルとストランドとの間隙（相対距離）の変化により発生するノイズ（ガタ雑音）を抑制でき、さらに検査精度を向上させることができる。

前記素線は前記ストランドの全周にわたって配設され、前記ストランドを挿通させた状態で前記コイルを前記ストランドの軸方向に相対移動させるとよい。これにより、例えば、繊維強化複合材ケーブルの製造時において、コイルにストランド（ケーブル）を挿通させることでストランド全長にわたって検査可能となり、作業効率が極めて高い。

一方、前記素線の一部は前記ストランドの一部を覆うように配設され、前記素線の他部は前記ストランドに対し前記素線の一部と同一側に位置し、前記コイルを前記ストランドの軸方向に相対移動させてもよい。これにより、前記コイルをストランド（ケーブル）の外周面に沿わせて相対移動（走査）することができるので、例えば繊維強化複合材ケーブルを各種設備、装置や機械等に設置、施工する際や、その設置後の保守検査時にケーブルを取り外すことなくストランド全長にわたって検査可能でき、作業効率がよい。

上記いずれかの構成において、前記ケーブルは１本の前記ストランドより構成されていてもよく、前記ケーブルは複数の前記ストランドより構成されていてもよい。係る場合、前記１本のストランドは被覆材により覆われてなり、前記間隙は前記被覆材の肉厚を含んでいてもよい。また、前記複数のストランドは被覆材により覆われてなり、前記間隙は前記被覆材の肉厚を含んでいてもよい。

上記目的を達成するため、本発明に係る繊維強化複合材ケーブルの検査装置の特徴は、導電性を有する繊維強化複合材よりなるストランドを含んでなる繊維強化複合材ケーブルにおける静電容量に関連する値を測定することで前記ストランドの折れ等の損傷の有無を検査する構成において、前記ストランドの周方向に沿って配設される素線よりなり、前記ストランドの外周面に対し所定の間隙をおいて配置されるコイルと、前記コイルに交流電圧を印加して当該コイルと前記ストランドとの間に誘電分極を生じさせる交流印加手段と、前記誘電分極による静電容量に関連する値を前記コイルで測定し、その測定結果に基づいて前記損傷の有無を判定する判定手段とを有することにある。

前記コイルは、前記ストランドの軸方向に適宜間隔をおいて一対設けられ、前記判定手段は、一対のコイルの出力差により前記損傷の有無を判定するとよい。

また、前記素線を前記ストランドの全周にわたって配設し、且つ前記ストランドを挿通させた状態で前記素線を前記ストランドの軸方向に相対移動可能に保持する治具をさらに備えてもよい。

一方、前記素線の一部を前記ストランドの一部を覆うように配設すると共に前記素線の他部を前記ストランドに対し前記素線の一部と同一側に位置し、且つ前記素線を前記ストランドの軸方向に相対移動可能に保持する治具をさらに備えてもよい。係る場合、前記治具は、前記素線の他部を前記素線の一部と適宜間隔をおいて保持するようにするとよい。

上記本発明に係る繊維強化複合材ケーブルの検査方法及び検査装置の特徴によれば、簡素な構成でありながら、効率よく且つ高精度に検査することが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明に係る繊維強化複合材ケーブルの検査方法を示す概略図である。検査対象となる繊維強化複合材ケーブルの断面図である。本発明に係る検査装置のブロック図である。ブリッジ回路図である。誘電分極を説明する図である。等価回路図である。検査方法の一例を説明する図である。正常品に対応する基準試験体の測定信号の一例を示す図である。損傷品に対応する基準試験体の測定信号の一例を示す図である。本発明の他の実施形態に係るコイルの一例を示す図である。本発明の他の検査対象の一例を示す図である。

次に、図１〜７を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明の検査対象となる繊維強化複合材ケーブル（以下、単に「ケーブル」と称する。）は、導電性を有する繊維強化複合材よりなるストランド１０１を含んでなる。例えば、本実施形態におけるケーブル１００は、図２に示すように、中心のストランド１０１の周囲に６本のストランド１０１を略点対称に配置して撚り合わせて撚り線として構成され、その撚り線の外周を塩化ビニル等の樹脂材料よりなる被覆材１０２で覆ってなる。

このストランド１０１は、１本が数μ程度のカーボンファイバー１０１ａを数万本程度まとめて熱可塑性等の樹脂１０１ｂで固めて（含浸させて）構成されている。被覆材１０２の厚み（肉厚）は、例えば外径φ８ｍｍのケーブル１００で約１ｍｍ、外径φ１２ｍｍのケーブル１００で約２〜３ｍｍとしてある。この厚みが、検査対象物であるストランド１０１の外周面１０１ｘと後述するコイル２との間隙Ｇの一部Ｇ１となる。また、繊維強化複合材としては、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が挙げられる。なお、本明細書において、ケーブルとは、ワイヤーやロープ等の若干の可撓性のあるものを含む。

本発明に係るケーブル１００の検査装置１は、大略、図１に示すように、ストランド１０１を挿通するコイル２と、コイル２に交流電圧を印加して当該コイル２とストランド１０１との間に誘電分極を生じさせる交流印加手段としての発振器３１を有し、誘電分極による静電容量に関連する値をコイル２で測定する渦電流探傷装置３と、渦電流探傷装置３の測定結果に基づいてストランド１０１の折れ等の損傷の有無を判定する判定手段としての信号処理装置４を備える。

図１に示すように、コイル２は、ストランド１０１の周方向に沿って配設される素線２ａ（巻き線）よりなる自己誘導型コイルである。このコイルは、交流電界を生じさせ、同一コイルで静電容量の変化を検出する。本実施形態におけるコイル２は、ストランド１０１（ケーブル１００）の軸方向に適宜間隔をおいて配置される一対の第一、第二コイル２１，２２を備える。この第一、第二コイル２１，２２に交流電圧を印加すると、図５に示す如く、電流の向きが互いに逆向きとなるので出力差を検出でき、その出力差によりストランド１０１の損傷の有無を検査する。このように、対をなす第一、第二コイル２１，２２を用いる差動方式を採用することで、ストランド１０１の折れなどの局所的な変化を高精度に検出することができる。しかも、本実施形態の如き撚り線の撚りのような緩やかな変化を相殺することも可能であり、コイル２のガタ信号も相殺できるので、検出精度が向上する。

第一、第二コイル２１，２２は、例えば図７に示すように、コイル２１，２２の各素線がケーブル１００（ストランド１０１）の全周にわたって配設可能に治具１０に巻設されている。この治具１０は、コイル２の素線２ａをストランド１０１を挿通された状態でその軸方向に相対移動可能に保持する走査手段としても機能する。

図３に示すように、渦電流探傷装置３は、大略、交流印加手段としての発振器３１、電力増幅器３２、ブリッジ回路３３、増幅器３４、同期検波器３５、移相器３６及びフィルタ３７を備える。ブリッジ回路３３は、図４に示すように、固定抵抗器３３ａ（抵抗Ｚ₁）、可変抵抗器３３ｂ（抵抗Ｚ₂）、第一コイル２１（インピーダンスＺ₃）及び第二コイル２３（インピーダンスＺ₄）により構成される。

発振器３１からの交流出力は、電力増幅器３２を介してブリッジ回路３３の固定抵抗器３３ａ、可変抵抗器３３ｂ及び自己誘導型の第一、第二コイル２１，２２に印加される。そして、第一、第二コイル２１，２２のインピーダンス差ΔＺ（Ｚ３−Ｚ４）を電圧変化ΔＶとして出力する。

そして、第一、第二コイル２１，２２間の不平衡出力は増幅器３４で増幅され、同期検波器３５ａ，３５ｂに送られて、移相器３６ａ，３６ｂの出力とあいまって検波される。そして、渦電流信号をフィルタ３７ａ，３７ｂや図示省略するＡ／Ｄ変換器を介して信号処理装置４に取り込み、測定結果等を表示器５に表示する。信号処理装置４としては、例えば渦電流探傷装置３に接続されたパーソナルコンピューター（ＰＣ）で構成される。また、本実施形態では、渦電流探傷装置３には、リジェクション手段６を介して記録計７が接続されている。

ところで、コイル２（第一、第二コイル２１，２２）のインピーダンスＺは、複素数表示では下記の式で表される。

ω＝２πｆのため、周波数ｆが高いと１／ωＣは極めて小さくなり、対象物が金属材料のような導電体の場合には無視できる。しかし、本発明の検査対象であるストランド１０１を構成するカーボンファイバー１０１ａは、金属に比べ、その素線方向（軸方向）への導電率が１／１０⁴と小さい。さらに、このカーボンファイバー１０１ａは電気的に異方性を有し、軸方向に直交する方向（周方向）の導電率は金属と比べ、１／１０⁸とさらに小さくなる。すなわち、カーボンファイバー１０１ａの周方向には、ほとんど電気は流れない。

図１に示すように、カーボンファイバー１０１ａにより構成されるストランド１０１を含むケーブル１００にコイル２を配置して交流電流を流すと、コイル２の周囲に交流の電界及び磁界が発生する。一般に、対象物が金属材料の場合、電磁誘導現象により対象物の周方向に渦電流が誘導される。しかしながら、上述したように、カーボンファイバー１０１ａは電気的に異方性があり、周方向の導電率が極めて小さいため、本来誘導される周方向に電流は流れない。そのため、導体であるストランド１０１には、金属材料で起こりうるような周方向への誘導電流が流れることとはない。従って、本発明において、インピーダンス変化は、上記数１における巻き線２ａの抵抗Ｒとキャパシタンス（静電容量）ωＣのみを考慮すればよいこととなる。

図５に示すように、コイル２としての第一、第二コイル２１，２２とストランド１０１の外周面１０１ｘとの間には、間隙Ｇとして樹脂よりなる被覆材１０２（Ｇ１）及び空気よりなる隙間Ｇ２が不導体（誘電体）として存在する。よって、ストランド１０１（導体）の周囲に被覆材１０２（Ｇ１）及び隙間Ｇ２（不導体）を有するケーブル１００において、コイル２により電界Ｅ１，Ｅ２を作用させると、ストランド１０１の周方向に誘導電流が流れないため、ストランド１０１とコイル２との間には誘導分極により静電容量が発生する。

図５左側の第一コイル２１で例示するように、コイル２に対応するストランド１０１の部分が損傷部Ｄのない健全部の場合、第一コイル２１の浮遊容量Ｃ１、第一コイル２１のインダクタンスＬ１、及びストランド１０１と第一コイル２１との間の静電容量Ｃ２，Ｃ３によって、図６左側の回路図の如き等価回路が成立すると思われる。

他方、図５右側の第二コイル２２で例示するように、コイル２に対応するストランド１０１の一部に折れ等の損傷部Ｄが存在する場合、その損傷部Ｄでは導体が存在しないので、当該部分で誘導分極は生じない。係る場合、図６右側の回路図の如く、ストランド１０１と第一コイル２１との間の静電容量Ｃ２，Ｃ３は損傷部Ｄによって開放されてしまうため、等価回路が成立しないものと推測される。このように、ストランド１０１の損傷部Ｄに起因する静電容量の変化を検出することで、高精度にケーブル１００内のストランド１０１の折れ等の損傷の有無を検査することができる。

ここで、本発明に係るケーブル１００の検査方法について説明する。
まず、検査対象のケーブル１００と同種のものを基準試験体として正常品（健全部のみ）及び損傷品（損傷部Ｄあり）を用意し、その基準試験体を用いて試験周波数、位相、ゲイン、フィルタ、探傷速度等の検査条件を決定する。なお、位相については、ガタ信号及びきず信号がＸ方向又はＹ方向に表れるように調整する。また、損傷品とは、ケーブル１００内のストランド１０１の一部又は全部が折れたものである。

次に、設定した検査条件で基準試験体にて信号を測定し、その測定データから閾値（絶対値又はｐ−ｐ値）を設定する。例えば、図８Ａに例示する正常品の測定データの最大値よりも大で且つ図８Ｂに例示する損傷品（ストランド１０１が７本破損）のきず信号より小さい信号レベルを閾値（例えば、０．１５Ｖ）として設定する。そして、例えば図７に示すように、第一、第二コイル２１，２２を巻設した円筒状の治具１０，１０を固定し、ストランド１０１の外周面１０１ｘに対し間隙Ｇをおいて固定したコイル２にケーブル１００を挿通させ、第一、第二コイル２１，２２に交流電圧を印加して当該コイル２１，２２とストランド１０１との間に誘電分極を生じさせると共にそのケーブル１１０を軸方向Ａに移動させることで誘電分極による静電容量に関連する値を測定し、閾値を超えた場合に折れ等の損傷Ｄが存在すると判定する。

最後に、本発明の他の実施形態の可能性について言及する。なお、上述の実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。
上記実施形態において、第一、第二コイル２１，２２の素線２ａを各々円筒状の治具１０に巻設したが、例えば１つの円筒状の治具の両端に第一、第二コイル２１，２２を巻設することも可能である。すなわち、コイル２の素線２ａをストランド１０１の全周にわたって配設し、且つストランド１０１を挿通させた状態で素線２ａをストランド１０１の軸方向に相対移動可能な態様であれば、上記態様に限定されない。

また、上記実施形態におけるケーブル１００の検査では、固定したコイル２に対しケーブル１００を挿通させることで検査している。これは、例えば、ケーブル１００の製造時の検査工程として実施可能である。一方、ケーブル１００が装置に組み込まれた場合、ケーブル１００の両端部が装置に固定されているため、上述の如き円筒状の治具１０，１０は使用できない。

そこで、例えば図９に示す如き、正面視半円状の治具１０’を用い、コイル２１，２２の素線２ａを巻設するとよい。同図（ｂ）に示すように、溝部１１’に第一、第二コイル２１，２２の素線の一部２ａ１を係止させる一方、素線の他部２ａ２を下方に弛ませておく。そして、同図（ａ）に示すように、その他部２ａ２を治具１０’をくぐらせて素線の一部２ａ１と離隔させて治具表面１２’に載置する。これにより、装置からケーブル１００を取り外すことなく測定（保守検査）でき、検査効率がよい。なお、図９はあくまで一例に過ぎず、素線の一部２ａ１をストランド１０１の一部を覆うように配設すると共に素線の他部２ａ２をストランド１０１に対し素線の一部２ａ１と同一側に位置し、且つ素線２ａをストランド１０１の軸方向に相対移動可能に保持する態様であれば、この態様に限られない。

上記実施形態において、ケーブル１００は、中心のストランド１０１の周囲に６本のストランド１０１を略点対称に配置して撚り合わせて撚り線として構成され、その撚り線の外周を塩化ビニル等の樹脂材料よりなる被覆材１０２で覆って構成されていた。しかし、検査対象はこれに限られるものではない。例えば、図１０（ａ）（ｃ）に示す如く、１本のストランド１０１や１９本のストランド１０１よりなるケーブル１００であっても検査可能である。

また、図１０に示すように、被覆材１０２のないものであってもよい。上述したように、導体（ストランド１０１）と不導体との間の静電容量の変化を検出するので、ストランド１０１とコイル２との間に不導体として間隙Ｇを形成できる態様であれば検査可能である。なお、上記実施形態において、繊維強化複合材として、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を例に説明したが、これに限られるものではなく、例えば炭化ケイ素繊維等、上述の電気的特性を有する繊維強化複合材料（繊維素材）であればよい。

上記実施形態において、検査装置１を渦電流探傷装置３、判定手段としての信号処置装置４（パーソナルコンピュータ）及び表示器５より構成した。しかし、この態様に限られるものではなく、例えば、判定手段４及び表示手段５等を含む渦電流探傷装置により検査装置１を構成することも可能である。また、上記実施形態において、自己誘導型の差動方式を採用したがこれに限られない。但し、差動方式が検出精度の点で優れている。なお、上記実施形態において、インピーダンス差として電圧変化を出力したが、静電容量に関連する値はこれに限られるものではない。

１：検査装置、２：コイル、２ａ：素線、３：渦電流探傷装置、４：信号処置装置（判定手段）、５：表示手段、６：リジェクション手段、７：記録計、１０：治具、１１’：溝部、１２’：表面、２１：第一コイル、２２：第二コイル、３１：発振器（交流印加手段）、３２：電力増幅器、３３：ブリッジ回路、３３ａ：固定抵抗器、３３ｂ：可変抵抗器、３４：増幅器、３５：同期検波器、３６：移相器、３７：フィルタ、１００：高強度繊維複合材ケーブル、１０１：ストランド、１０１ａ：カーボンファイバー、１０１ｂ：樹脂、１０１ｘ：外周面、１０２：被覆材、Ａ：軸方向、Ｃ：周方向、Ｄ：損傷（折れ）、Ｅ：電界の向き、Ｇ：間隙（不導体）

Claims

導電性を有する繊維強化複合材よりなるストランドを含んでなる繊維強化複合材ケーブルにおける静電容量に関連する値を測定することで前記ストランドの折れ等の損傷の有無を検査する繊維強化複合材ケーブルの検査方法であって、
前記ストランドの周方向に沿って配設される素線よりなるコイルを前記ストランドの外周面に対し所定の間隙をおいて配置し、
前記コイルに交流電圧を印加して当該コイルと前記ストランドとの間に誘電分極を生じさせ、
前記誘電分極による前記静電容量に関連する値を前記コイルで測定し、
その測定結果に基づいて前記損傷の有無を検査する繊維強化複合材ケーブルの検査方法。
前記コイルは前記ストランドの軸方向に適宜間隔をおいて一対備え、一対のコイルの出力差により前記損傷の有無を検査する請求項１記載の繊維強化複合材ケーブルの検査方法。
前記素線は前記ストランドの全周にわたって配設され、前記ストランドを挿通させた状態で前記コイルを前記ストランドの軸方向に相対移動させる請求項１又は２記載の繊維強化複合材ケーブルの検査方法。
前記素線の一部は前記ストランドの一部を覆うように配設され、前記素線の他部は前記ストランドに対し前記素線の一部と同一側に位置し、前記コイルを前記ストランドの軸方向に相対移動させる請求項１又は２記載の繊維強化複合材ケーブルの検査方法。
前記ケーブルは、１本の前記ストランドよりなる請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材ケーブルの検査方法。
前記ケーブルは、複数の前記ストランドよりなる請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材ケーブルの検査方法。
前記１本のストランドは被覆材により覆われてなり、前記間隙は前記被覆材の肉厚を含む請求項５記載の繊維強化複合材ケーブルの検査方法。
前記複数のストランドは被覆材により覆われてなり、前記間隙は前記被覆材の肉厚を含む請求項６記載の繊維強化複合材ケーブルの検査方法。
導電性を有する繊維強化複合材よりなるストランドを含んでなる繊維強化複合材ケーブルにおける静電容量に関連する値を測定することで前記ストランドの折れ等の損傷の有無を検査する繊維強化複合材ケーブルの検査装置であって、
前記ストランドの周方向に沿って配設される素線よりなり、前記ストランドの外周面に対し所定の間隙をおいて配置されるコイルと、
前記コイルに交流電圧を印加して当該コイルと前記ストランドとの間に誘電分極を生じさせる交流印加手段と、
前記誘電分極による静電容量に関連する値を前記コイルで測定し、その測定結果に基づいて前記損傷の有無を判定する判定手段とを有する繊維強化複合材ケーブルの検査装置。
前記コイルは、前記ストランドの軸方向に適宜間隔をおいて一対設けられ、前記判定手段は、一対のコイルの出力差により前記損傷の有無を判定する請求項９記載の繊維強化複合材ケーブルの検査装置。
前記素線を前記ストランドの全周にわたって配設し、且つ前記ストランドを挿通させた状態で前記素線を前記ストランドの軸方向に相対移動可能に保持する治具をさらに備える請求項９又は１０記載の繊維強化複合材ケーブルの検査装置。
前記素線の一部を前記ストランドの一部を覆うように配設すると共に前記素線の他部を前記ストランドに対し前記素線の一部と同一側に位置し、且つ前記素線を前記ストランドの軸方向に相対移動可能に保持する治具をさらに備える請求項９又は１０記載の繊維強化複合材ケーブルの検査装置。
前記治具は、前記素線の他部を前記素線の一部と適宜間隔をおいて保持する請求項１２記載の繊維強化複合材ケーブルの検査装置。