複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法と修理構造及び接続構造
【課題】 複合材に埋め込まれた埋込光ファイバが損傷した場合、その損傷した埋込光ファイバを代替光ファイバに置換えて、もとの埋め込まれた光ファイバ全体を修復できる複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法を提供すること。
【解決手段】 複合材の内部に埋め込んだ埋込光ファイバ１０を有する複合材構造体１の埋込光ファイバ修理方法として、前記埋込光ファイバ１０の損傷部分を含む複合材の一部分を一体的に除去して開口部３を形成し、前記開口部３に露出する埋込光ファイバ１０の端面を複合材端面と一体的に研磨し、前記研磨した埋込光ファイバの芯と代替光ファイバの芯とが連続するように位置調整して両端面を突き合わせ、該埋込光ファイバの端面と代替光ファイバの端面とを接続する。
【解決手段】 複合材の内部に埋め込んだ埋込光ファイバ１０を有する複合材構造体１の埋込光ファイバ修理方法として、前記埋込光ファイバ１０の損傷部分を含む複合材の一部分を一体的に除去して開口部３を形成し、前記開口部３に露出する埋込光ファイバ１０の端面を複合材端面と一体的に研磨し、前記研磨した埋込光ファイバの芯と代替光ファイバの芯とが連続するように位置調整して両端面を突き合わせ、該埋込光ファイバの端面と代替光ファイバの端面とを接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材で形成された構造体に埋め込まれた光ファイバの損傷時に、その損傷部分の光ファイバを修理する方法とその修理構造、及び接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複合材構造が種々の分野で利用されている。複合材は、金属材に比べて重量が軽く強度や剛性が高いことから、適用した構造体の重量を軽減できるため、例えば、航空機等の構造体において利用が拡大している。
【０００３】
一方、複合材構造体は、異物の衝突などによって内部に損傷が生じる可能性があるため、点検で発見できない損傷を許容する設計（損傷許容設計）や次の点検までの間に損傷が致命的なものとならないような設計（フェールセーフ設計）を行う必要がある。また、設計上許容できない損傷は点検時に発見して修理する必要があり、機体外面だけでなく、機体内面側からも目視点検や非破壊検査を実施しなくてはならない。さらに、複雑な形状や曲面を有する複合材構造体の場合には、非破壊検査による検査ができない場合もある。そこで、これら損傷許容設計やフェールセーフ設計で生じる構造分の重量軽減、目視点検・非破壊検査のコスト低減／期間短縮／検査漏れ防止／容易化に寄与するための、複合材構造体における損傷有無等の構造健全性を検査・診断する方法として、複合材内部に光ファイバセンサを埋め込み、その光ファイバセンサによって損傷等を検知する損傷検知システムが提案されている。
【０００４】
この種の先行技術として、例えば、光ファイバセンサを埋め込んだ複合材構造などの、光ファイバを用いて構成した光路形成体に、互いに異なる周波数の光信号を反射する複数のセンサ部（歪計測用ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）センサなど）を間隔をあけて設け、各センサ部で反射した光信号の有無および強度（透過光強度計測）などから損傷の有無、程度や位置を判定するようにした損傷検知装置（実施形態として、複合材に生じた衝撃によって生じるＦＢＧセンサの歪計測値と解析値の比較や、歪の到達時間差による損傷検知装置を含む）がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、上記したような損傷検知方法を採用する場合、複合材内部の埋込光ファイバに損傷を生じると、その部分を修理する必要がある。例えば、光ファイバ単体の修理方法としては、損傷部分を切除した後、代替光ファイバを切除位置に配置し、代替光ファイバを融着または端面を付合わせた状態で接続する方法が採用されている。しかし、複合材に埋め込まれた光ファイバの修理は、上記修理方法では不可能である。
【０００６】
そこで、複合材に埋め込まれた光ファイバが損傷した場合の修理方法として、図１４(a) 〜(c) に示す方法が考えられている。この方法は、複合材構造体１０１の複合材１０２に埋め込まれた埋込光ファイバ１１０に損傷２００が生じると(a) 、その損傷した部分の複合材１０２の表面に代替光ファイバ１２０を接着剤１２１で接着し(b),(c) 、損傷位置から離れた位置で既設の光ファイバと接続するものである。
【０００７】
なお、複合構造体に埋設された光ファイバが損傷した場合の修理方法として、例えば、その部分の複合材を表面層から削って除去し、除去した部分の光ファイバの端部に新しい光ファイバの端部を融着等で接合するものもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３２１２２３号公報
【特許文献２】特表２００９−５１７６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の図１４で示す修理方法では、埋め込んだ光ファイバそのものの修理にはなっておらず、埋め込んだ光ファイバは、その損傷部分はもとより、その損傷部のために必要な透過光が得られなくなった他の健全な部分も使用できないまま放置せざるを得ない。また、上記光ファイバセンサとして用いられる光ファイバは、例えば、コア径５μｍ〜１０μｍ程度、グラッド径４０μｍ〜１３０μｍ程度のものが用いられるため、上記したように複合材の表面に接着して端部を既設の光ファイバと接続する構成では、表面に接着された光ファイバの耐久性、信頼性が問題になる場合もある。特に、細径の光ファイバの場合には耐久性、信頼性がより問題になる。さらに、複合材構造体によっては、複合材表面に光ファイバを配設することができない部分の場合もあり、その場合には上記方法は適用できない。
【００１０】
その上、埋め込んだ場合と比べて、光ファイバセンサによって反射する光信号の有無や強度などにより損傷を正確に検知することが難しくなる場合がある。
【００１１】
なお、上記特許文献２に記載された修理方法では、上記したような埋め込んだ光ファイバの損傷時に、その部分の複合材を表面層から削って除去する際、埋め込んだ光ファイバをさらに損傷させる可能性があり、埋め込んだ光ファイバを健全な状態で引き出すことが困難である。そのため、再び正確な損傷等の検出ができる光ファイバセンサや必要な透過光が得られる光ファイバの状態に修理するのは難しい。
【００１２】
そこで、本発明は、複合材に埋め込まれた埋込光ファイバが損傷した場合、その損傷部分の埋込光ファイバを代替光ファイバに置換えて、もとの埋め込まれた光ファイバ全体を修復できる、複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法とその修理構造及び接続構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法は、複合材の内部に埋め込んだ埋込光ファイバを有する複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法であって、前記埋込光ファイバの損傷部分を含む複合材の一部分を除去して開口部を形成し、前記開口部に露出する埋込光ファイバの端面と複合材端面とを研磨し、前記研磨した埋込光ファイバの芯と代替光ファイバの芯とが連続するように位置調整して両端面を突き合わせ、該埋込光ファイバの端面と代替光ファイバの端面とを接続することを特徴とする。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「埋込光ファイバ」は、複合材の内部に埋め込まれている光ファイバをいい、「代替光ファイバ」は、複合材から除去した埋込光ファイバに置換して損傷部分に配設する光ファイバをいう。この構成によれば、複合材の内部に埋め込まれている埋込光ファイバが損傷したとしても、その損傷部分の埋込光ファイバを複合材と一体的に除去した後に板厚の範囲内で代替光ファイバに置換えて、埋込光ファイバを修復することができる。
【００１４】
また、前記代替光ファイバは、端部に光ファイバアレイを有し、該光ファイバアレイと前記埋込光ファイバの端面とを接着して接続するようにしてもよい。このように構成すれば、研磨後の埋込光ファイバの位置を検知し、代替光ファイバの光ファイバアレイを研磨した埋込光ファイバに接着剤で接着することで容易に結合させることができる。
【００１５】
また、前記埋込光ファイバの端面と複合材端面との研磨後、埋込光ファイバの損傷部と反対方向の端部に設けた光源から埋込光ファイバ内に光を通し、前記開口部に露出する埋込光ファイバの端面で前記光源の光を検知し、該光の強度が最も強い位置を埋込光ファイバの芯位置と判断して前記代替光ファイバの芯を配置して接続するようにしてもよい。このように構成すれば、埋込光ファイバの損傷部分で光強度を検知することで埋込光ファイバの芯位置を精度よく迅速に検知することができ、埋込光ファイバの芯に代替光ファイバの芯を合わせる作業を迅速に行なうことができる。
【００１６】
また、前記埋込光ファイバは、光反射デバイスを備え、前記埋込光ファイバの端面と複合材端面との研磨後、該研磨した埋込光ファイバ端面から入射光を入れ、前記光反射デバイスで反射した反射光を検知し、該反射光の強度が最も高い位置を埋込光ファイバの芯位置と判断して前記代替光ファイバの芯を配置して接続するようにしてもよい。このように構成すれば、ＦＢＧセンサ等の光反射デバイスを備えた埋込光ファイバにおいて、光反射デバイスによる反射光を利用することで埋込光ファイバの芯位置を迅速に検知することができ、埋込光ファイバの芯に代替光ファイバの芯を合わせる作業を迅速に行なうことができる。
【００１７】
また、前記埋込光ファイバと接続した代替光ファイバを、複合材構造体の片面で該複合材構造体に保持し、他面で前記開口部を塞ぐようにしてもよい。このように構成すれば、埋込光ファイバの損傷部分を含む複合材の一部分を除去することによる複合材構造体の強度低下を抑えた埋込光ファイバの修理ができる。
【００１８】
また、前記開口部に複合材薄板を接着して積層し、該複合材薄板の間に前記埋込光ファイバと接続した代替光ファイバを埋め込んで前記開口部を塞ぐようにしてもよい。この「複合材薄板」は、硬化後の硬い板、及び硬化前の軟らかい板（プリプレグ）の両方を含む。このように構成すれば、埋込光ファイバの損傷部分を複合材の一部と一体的に除去した開口部を積層した複合材薄板で埋めるので、複合材構造体の強度低下を抑えることができる。この場合、開口部を円錐状に形成することにより、積層した複合材薄板と周囲の複合材構造体との間で良好な接着強度が期待でき、信頼性の高い修理が可能となる。
【００１９】
一方、本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理構造は、前記いずれかの埋込光ファイバ修理方法によって修理した修理構造であって、前記損傷部分の埋込光ファイバの端面に接続した代替光ファイバは、前記複合材構造体の一方の面に設けた代替光ファイバ保持具で保持され、前記代替光ファイバ保持具を設けた複合材構造体の他方の面は、前記開口部を塞ぐ補修材を設けたことを特徴とする。補修材は、複合材であってもチタン合金等の金属であってもよい。この補修材は、接着やボルトなどによるファスナー結合によって取付けられる。この構成によれば、複合材構造体に埋め込まれた埋込光ファイバの損傷部分を板厚の範囲内で代替光ファイバに置換えた後、その修理部分における代替光ファイバの保持と、複合材構造体の強度低下を抑止することができ、信頼性の高い光ファイバとして修復できる。
【００２０】
一方、本発明に係る埋込光ファイバの接続構造は、複合材構造体の内部に埋め込んだ埋込光ファイバに光ファイバアレイを接続する埋込光ファイバの接続構造であって、前記埋込光ファイバは、前記複合材構造体の端面に位置する部分に研磨面を有し、前記光ファイバアレイは、前記埋込光ファイバの研磨面で両光ファイバの芯が連続するように位置調整した状態で該埋込光ファイバの端面と接着して接続されていることを特徴とする。この構成によれば、内部に埋込光ファイバが埋め込まれた複合材構造体の縁部を切断したとしても、その切断面の埋込光ファイバに光ファイバアレイを接続して連続した光ファイバを形成することが容易にできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、複合材構造体に損傷検知等のために埋め込まれた光ファイバの損傷時に、その部分を板厚の範囲内で代替光ファイバに置換えて修理することができるので、複合材構造体へ埋め込んだ光ファイバを用いた損傷検知等のためのシステムを損傷前と同じ状態に修復することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法の第１実施形態によって修理する複合材構造体の断面図であり、(a) は修理前の断面図、(b) は修理開始時の断面図である。
【図２】図１に示す埋込光ファイバ修理方法によって修理する複合材構造体に代替光ファイバを接続する断面図である。
【図３】図１に示す埋込光ファイバ修理方法によって代替光ファイバを結合した複合材構造体部分の断面図である。
【図４】図１に示す複合材構造体の光ファイバ修理方法によって航空機を修理する場合の模式図である。
【図５】図３の代替光ファイバを結合した複合材構造体部分の他の例を示す拡大断面図である。
【図６】図２に示す埋込光ファイバ修理装置の光ファイバアレイ保持部と複合材構造体の修理部分とを示す断面図である。
【図７】図２に示す埋込光ファイバ修理装置による修理手順を示すブロック図である。
【図８】本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法の第２実施形態によって修理する複合材構造体の修理部分の断面図である。
【図９】本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法の第３実施形態によって修理する複合材構造体の修理部分の断面図である。
【図１０】本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法の第４実施形態によって修理する複合材構造体の修理部分の断面図である。
【図１１】本発明に係る埋込光ファイバの接続構造の第１実施形態を模式的に示す側面図である。
【図１２】本発明に係る埋込光ファイバの接続構造の第２実施形態を模式的に示す側面図である。
【図１３】実施例における光強度計測結果を示す一覧表である。
【図１４】(a) 〜(c) は、従来の複合材に埋め込まれた光ファイバが損傷した場合の修理方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、複合材構造を利用した構造体の具体例として航空機（胴体、翼、舵等）を例にして説明する。以下の説明における複合材構造体１を形成する複合材２は、例えば、エポキシ樹脂などの高分子樹脂をマトリックスとするプリプレグシート（prepreg sheet）を板厚方向に積層して硬化成型したものが用いられる。プリプレグ（pre-impregnated materialsの略称）シートは、マトリックスである樹脂を予め強化繊維基材に含浸させた成型用中間基材である。また、以下の説明では、埋込光ファイバ１０及び代替光ファイバ２０の一例として、複合材構造体１への埋め込みを考慮し、後述するような細径光ファイバを用いた例を説明する。
【００２４】
さらに、複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０の損傷は、複合材構造体１の損傷に伴って発生し、その損傷有無や損傷位置は、上述した透過光強度計測やＦＢＧセンサ歪計測によって計測され、非破壊検査等によって正確に特定されているものとして説明する。
【００２５】
まず、図１〜３に基づいて、複合材構造体１の埋込光ファイバ１０に損傷２００が生じた場合の修理方法の全体的手順を説明する。
【００２６】
図１(a) に示すように、複合材２で形成された複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０に損傷２００が生じた場合、図１(b) に示すように、その損傷部分を含む複合材２の一部分を一体的に除去する。この複合材２の除去としては、例えば、直径３０ｍｍ程度の円形の開口部（貫通穴）３をあけることによって除去される。そして、開口部３の部分に露出する埋込光ファイバ１０の端面１０ａが複合材２の端面２ａと一体的に研磨される。
【００２７】
次に、図２に示すように、埋込光ファイバ修理装置３０によって、研磨した埋込光ファイバ１０の端面１０ａの位置が検知され、代替光ファイバ２０の端面をその位置に移動させて突き合わせ、接着剤によって接着結合される。図示する埋込光ファイバ修理装置３０は、研磨後の埋込光ファイバ１０の位置を検知し、代替光ファイバ２０をその位置に移動させて突き合わせる作業を自動的に行なうことができる。詳細は後述する。
【００２８】
また、この実施形態の埋込光ファイバ修理装置３０は、複合材構造体１の外面に吸着するバキュームチャック３１が設けられており、例えば、図４に示すように、航空機８０の外面に吸着されて固定される。なお、この実施形態では、埋込光ファイバ修理装置３０をバキュームチャックで航空機８０の外面に吸着させて支持する例を説明したが、埋込光ファイバ修理装置３０は、床面に組み立てた足場に設置するようにしてもよい。但し、航空機８０が揺れている場合は、外面に吸着させて固定する方が、埋込光ファイバ修理装置３０も同じように揺れるため、代替光ファイバ２０の自動調芯が比較的容易である。この埋込光ファイバ修理装置３０は、修理対象物や修理位置等に応じて適した方法で支持するようにすればよく、この実施形態に限定されるものではない。
【００２９】
さらに、図２に示すように、埋込光ファイバ修理装置３０は、上部に光ファイバ移動部３２が備えられている。この例の代替光ファイバ２０は、端部に光ファイバアレイ（光導波路素子と光ファイバを結合するための接続デバイス）２１が設けられている。そのため、上記光ファイバ移動部３２は、光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０と接続するように位置調整する光ファイバアレイ移動部３２（光ファイバ移動部と同一であるため同一符号を付す）となっている。この光ファイバアレイ移動部３２は、保持する光ファイバアレイ２１を６自由度（６軸）で位置調整できる自動調芯機能を備えている。６自由度は、図中に斜矢印で示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の移動と、各軸周りの回転運動が可能なものである。
【００３０】
このように、光ファイバアレイ移動部３２は、代替光ファイバ２０の端部である光ファイバアレイ２１を、上記開口部３の中で上記６自由度によって埋込光ファイバ１０の位置に自動調芯できるようになっている。光ファイバアレイ移動部（光ファイバ移動部）３２は、５〜６自由度が好ましいが、それ以下の自由度であってもよい。
【００３１】
次に、図３に示すように、両端部の光ファイバアレイ２１が埋込光ファイバ１０に接続された代替光ファイバ２０が、複合材構造体１の内面側に設けられた代替光ファイバ保持具４で保持される。また、複合材構造体１の修理部分外面には、開口部３を外面から塞ぐように補修材５が接着またはファスナー結合される。補修材５は、修理部分における荷重を支持し、開口部３を設けた部分における複合材構造体１の強度を修理前と同等以上にしている。この補修材５の材質としては、複合材２でもよいが、チタン合金等の金属であってもよい。これにより、損傷した埋込光ファイバ１０を板厚の範囲内で代替光ファイバ２０に置換えることができ、複合材構造体１に埋め込んだ光ファイバを修復することができる。
【００３２】
一方、上記開口部３は、図５に示すように円錐形状に形成し、複合材薄板６を積層して埋込光ファイバ１０に連結した代替光ファイバ２０を埋め込んで塞ぐようにしてもよい。複合材薄板６としては、硬化後の硬い板、硬化前の柔らかい板の好ましい板を使用して埋め込めばよい。この場合、複合材薄板６を、埋込光ファイバ修理装置３０が配置された反対側の複合材構造体片面から積層し、埋込光ファイバ１０の位置に達したときに代替光ファイバ２０を接続し、その後、複合材構造体の他面まで複合材薄板６を積層するようにすればよい。
【００３３】
このように構成した場合、円錐形状に形成した開口部３を積層した複合材薄板６で埋めるので、積層した複合材薄板６と周囲の複合材構造体１との間で良好な接着強度が期待でき、信頼性の高い修理が可能となる。なお、このように複合材薄板６を積層して埋める開口部３の形状は、円錐形状に限られるものではない。
【００３４】
次に、図６，７に基づいて、上記図２に示す埋込光ファイバ修理装置３０による埋込光ファイバ１０の修理流れをより具体的に説明する。以下の説明では、埋込光ファイバ１０の損傷部分が複合材構造体１の損傷に伴って発生し、その損傷位置を非破壊検査等で正確に特定した後に、その損傷した埋込光ファイバ１０を含む複合材２の一部分を切除し、その切除した部分の埋込光ファイバ１０の露出面を研磨した後、複合材２に残っている埋込光ファイバ１０の端面１０ａに代替光ファイバ２０の端部に設けられた光ファイバアレイ２１を接続する作業を説明する。
【００３５】
まず、図６に示すように、上記埋込光ファイバ修理装置３０には、切除した部分の複合材２に埋め込まれている埋込光ファイバ１０の位置を検知する光ファイバ位置検知部３４が設けられている。この光ファイバ位置検知部３４は、埋込光ファイバ１０の他端に設けられた光源３５からの光で埋込光ファイバ１０の芯位置を検知できるようになっている。
【００３６】
また、上記光ファイバ移動部３２には、代替光ファイバ２０の端部に設けられた光ファイバアレイ２１を保持する光ファイバアレイ保持部４１が上部に設けられている。この光ファイバ移動部３２は、保持した光ファイバアレイ２１を６自由度で位置調整可能に構成されている。この６自由度は、例えば、光ファイバ移動部３２をステッピングモータ３３の駆動制御によって位置調整することで制御される。さらに、後述する光ファイバアレイ２１と埋込光ファイバ１０とを接続する接着剤として、この実施形態では紫外線硬化樹脂が用いられ、その紫外線硬化樹脂を硬化させるための紫外線照射装置３７が設けられている。
【００３７】
また、上記光ファイバアレイ２１が一端に設けられた代替光ファイバ２０は、他端が光検知器３６に接続され、上記光源３５の光を検知するようになっている。この実施形態では、光ファイバアレイ２１と光検知器３６との接続を、光ファイバアレイ２１に接続可能なアダプタ４３が一端に設けられた光ファイバ４４で接続するようにしている。アダプタ４３は、光ファイバアレイ２１の形状に一致し、かつ光ファイバ４４を接続できるものとなっている。なお、この例では、アダプタ４３と光検知器３６とを接続する光ファイバ４４の中間部に汎用のＦＣ形光ファイバコネクタ４５が設けられている。このように光ファイバ４４の接続をコネクタで簡単に接続できるようにして、接続作業の容易化を図っている。
【００３８】
これら光ファイバアレイ移動部３２、光ファイバ位置検知部３４、光検知器３６は、制御用パソコン３８に接続され、この制御用パソコン３８に位置情報、光検知情報等の各種信号が記憶され、この制御用パソコン３８で各部が制御されるようになっている。また、この制御用パソコン３８により、後述するように、光ファイバアレイ移動部３２で光ファイバアレイ２１の芯が埋込光ファイバ１０の芯に自動調芯させられる。
【００３９】
このような構成により、上記埋込光ファイバ修理装置３０によれば、複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０の端面に、極力光損失が小さい状態で光ファイバアレイ２１を接続することが可能となる。
【００４０】
次に、上記埋込光ファイバ修理装置３０による代替光ファイバ２０の接続について、図７とともに説明する。以下の説明では、破損した埋込光ファイバ１０を複合材２の一部分と一体的に切除した後の手順を説明する。複合材２の切除としては、所定径の開口部（貫通穴）３を複合材構造体１にあけることによって行なわれる。開口部３の大きさは、埋込光ファイバ１０の間隔、修理装置における光ファイバ移動部３２の大きさと可動範囲、複合材構造体１の損傷範囲等から決定される。
【００４１】
（１） ［修理部前処理：埋込光ファイバ端面の研磨］
まず、複合材構造体１にあけられた開口部３に面する埋込光ファイバ１０の端面を研磨する。この研磨としては、埋込光ファイバ１０の端面と複合材２の切除面とが一体的に研磨される。
【００４２】
（２） ［機器接続：光ファイバと機器の接続］
次に、埋込光ファイバ修理装置３０の光ファイバ位置検知部３４を開口部３に配置し、複合材２に埋め込まれた埋込光ファイバ１０の片端を光源３５に接続する。また、光ファイバアレイ２１が設けられた代替光ファイバ２０の反対方向端部を光検知器３６に接続する。
【００４３】
（３） ［光ファイバ位置の検知］
次に、光源３５からの透過光をもとに、埋込光ファイバ１０の芯位置を埋込光ファイバ修理装置３０の光ファイバ位置検知部３４で検出する。この光ファイバ位置検知部３４は、光源３５の光の光強度が最も高くなる位置が埋込光ファイバ１０の芯位置としている。この例では、この動作によって、埋込光ファイバ１０の芯位置が埋込光ファイバ修理装置３０に備えられた制御用パソコン３８に記憶される。
【００４４】
（４） ［光ファイバ位置検知部と光ファイバアレイの入替］
次に、制御用パソコン３８に記憶された埋込光ファイバ１０の芯位置で、光ファイバ位置検知部３４と光ファイバアレイ２１とが入替えられる。この位置調整は、自動調芯機能を備える光ファイバアレイ移動部３２の位置制御によって正確に行なわれる。なお、光ファイバ位置検知部３４による埋込光ファイバ１０の検知を、真正面ではなく軸芯位置からずれた位置で行った場合、光ファイバ位置検知部３４と光ファイバアレイ２１の入替えを不要とすることもできる。
【００４５】
（５） ［自動調芯］
次に、光ファイバアレイ移動部３２の位置制御によって光ファイバアレイ２１を走査させ、光源３５からの光強度が最も高くなる位置を光検知器３６で探査する。
【００４６】
（６） ［接着剤による接続］
そして、埋込光ファイバ修理装置３０によって、埋込光ファイバ１０の端面に光ファイバアレイ２１が接着剤で接続される。この接着剤は、例えば、紫外線硬化樹脂が用いられ、紫外線照射装置３７から紫外線を照射することで硬化させられる。これにより、代替光ファイバ２０の光ファイバアレイ２１と埋込光ファイバ１０の端面とが接続され、連続した光ファイバとなって修復される。この例では紫外線硬化樹脂で埋込光ファイバ１０に光ファイバアレイ２１を接続しているが、他の接着剤による接続も可能である。但し、紫外線硬化樹脂又は他の接着剤は、接続する光ファイバ１０，２０の屈折率と同程度の屈折率を持つ紫外線硬化樹脂又は接着剤が使用される。
【００４７】
以上の工程により、代替光ファイバ２０の一端に設けられた光ファイバアレイ２１を一方の埋込光ファイバ１０の端面１０ａに接続する作業が完了する。
【００４８】
次に、代替光ファイバ２０の他端に設けられた光ファイバアレイ２１が、他方の埋込光ファイバ１０の端面１０ａに接続される。代替光ファイバ２０の他端を接続するときには、上記光源３５を反対方向の埋込光ファイバ１０の片端に接続し、光検知器３６を、先に代替光ファイバ２０を接続した埋込光ファイバ１０の光源３５が接続されていた片端に接続する。
【００４９】
そして、光源３５からの光を光検知器３６で検知し、その光強度が最も強い位置を埋込光ファイバをの芯位置として自動調芯し、接着剤によって他端の光ファイバアレイ２１が埋込光ファイバ１０の端面１０ａに接続される。
【００５０】
この工程により、代替光ファイバ２０の両端に設けられた光ファイバアレイ２１を開口部３に露出している埋込光ファイバ１０の両端面１０ａに接続する作業が完了し、埋込光ファイバ１０を修復する作業が完了する。
【００５１】
次に、図８〜１０に基づいて、上記埋込光ファイバ修理装置３０とは異なる構成例と、それらの埋込光ファイバ修理装置による代替光ファイバ２０の接続手順を説明する。以下の例でも、代替光ファイバ２０の端部に光ファイバアレイ２１が設けられ、この光ファイバアレイ２１を移動させる光ファイバアレイ移動部３２を備えている。この光ファイバアレイ移動部３２も、上記したように、６自由度（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の並進と、各軸周りの回転運動）で、光ファイバアレイ２１を並進、回転させながら自動で調芯できるように構成されている。これらの例でも、光源３５の光を光検知器３６で検知し、光強度の最も高くなる位置が埋込光ファイバ１０の芯位置として制御用パソコン３８（図６）に記憶される。制御用パソコン３８等の記載は省略する。
【００５２】
図８に示す第２実施形態の埋込光ファイバ修理装置４０は、上記第１実施形態における光ファイバ位置検知部３４を使用せずに、最初から光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０の芯位置に移動させて自動調芯するようにした実施形態である。なお、上記図６に示す構成と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００５３】
この埋込光ファイバ修理装置４０によれば、開口部３に面する埋込光ファイバ１０の端面１０ａを研磨後、光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０の端面１０ａに移動させ、光源３５からの光を光検知器３６で検知する。そして、光強度の最も高くなる位置を埋込光ファイバ１０の芯位置として、制御用パソコン３８によって光ファイバアレイ２１の位置を自動調芯することができる。従って、この実施形態の埋込光ファイバ修理装置４０によれば、光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０の芯位置に調芯する作業を迅速に行うことができ、埋込光ファイバ１０の修理をより迅速に行うことができる。しかも、光ファイバアレイ移動部３２の光ファイバアレイ保持部４１を小型化して複合材構造体１の修理部分に設ける開口部３に入れやすくすることができる。
【００５４】
また、アダプタ４３によって、代替光ファイバ２０や光検知器３６に接続される光ファイバ４４の接続作業を容易に行なうこともでき、複合材構造体１の埋込光ファイバ修理を迅速に効率良く行なうことができる。
【００５５】
そのため、この実施形態の埋込光ファイバ修理装置４０によれば、例えば、航空機における胴体等の修理も迅速に行なうことができ、修理時間が限られる複合材構造体１であっても迅速に修理できる信頼性の高い修理方法を提供することができる。
【００５６】
次に、図９に示す第３実施形態を説明する。この実施形態では、埋込光ファイバ１０がＦＢＧセンサ１１を有する構成となっており、ＦＢＧセンサ１１の反射光強度を使用して調芯するように構成されている。なお、この実施形態でも、上記図６に示す構成と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００５７】
また、この実施形態でも、光ファイバアレイ２１と光検知器３６との接続を、光ファイバアレイ２１に形状が一致して接続可能なアダプタ４３が一端に設けられた光ファイバ４４で接続するようにしている。この光ファイバ４４も、汎用のＦＣ形光ファイバコネクタ４５によって接続されている。この例の光ファイバコネクタ４５は、光源３５の入射光とＦＢＧセンサ１１の反射光とを通過させるものが用いられる。
【００５８】
さらに、この光ファイバコネクタ４５で接続された光ファイバ４４は、サーキュレータ５１を介して光源３５及び光検知器３６に接続されている。このサーキュレータ５１により、光源３５からの入射光５２は光ファイバコネクタ４５を介して光ファイバアレイ２１に送り、ＦＢＧセンサ１１からの反射光５３は光検知器３６に送られる。この実施形態でも、光ファイバ４４の接続を光ファイバコネクタ４５で簡単に接続できるようにして、接続作業の容易化を図っている。
【００５９】
このような埋込光ファイバ修理装置５０によれば、光ファイバアレイ移動部３２の光ファイバアレイ保持部４１を小型化して複合材構造体１の修理部分に設ける開口部３に入れやすくすることができる。
【００６０】
また、ＦＢＧセンサ１１の反射光強度をもとに光ファイバアレイ２１の調芯を行なって正確に接続することができる。さらに、アダプタ４３及び光ファイバコネクタ４５によって、代替光ファイバ２０や光検知器３６に接続される光ファイバ４４の接続作業を容易に行なうことができ、複合材構造体１の埋込光ファイバ修理を迅速に効率良く行なうことができる。
【００６１】
従って、この実施形態でも、例えば、航空機における胴体等の修理も迅速に行なうことができ、修理時間が限られる複合材構造体１であっても迅速に修理できる信頼性の高い修理方法を提供することができる。
【００６２】
なお、この第３実施形態では、埋込光ファイバ１０がＦＧＢセンサ１１を有する構成としているが、ＦＧＢセンサ１１の無い埋込光ファイバ１０であれば、開口部３における埋込光ファイバ１０の端面１０ａと反対方向にＦＧＢセンサと同様の光反射デバイスを取り付ければよい。このようにすれば、ＦＧＢセンサ１１と同様に入射光５２を反射し、その反射光５３の強度を光検知器３６で検知して光ファイバアレイ２１の調芯を行なって正確に接続することができる。
【００６３】
次に、図１０に示す第４実施形態を説明する。この実施形態の埋込光ファイバ修理装置６０は、上記図８に示すように、光ファイバアレイ２１を保持する光ファイバアレイ保持部４１を光ファイバアレイ移動部３２の上方に配置した構成を２つ設け、光ファイバアレイ保持部４１で保持した光ファイバアレイ２１を互いに外向きに配置している。詳細な構成は上記した図８と同一であり、図示及び説明は省略する。
【００６４】
この例によれば、それぞれの光ファイバアレイ保持部４１で代替光ファイバ２０の両端に設けられた光ファイバアレイ２１を保持し、上記図８における埋込光ファイバ１０の端面１０ａに代替光ファイバ２０の光ファイバアレイ２１を接続するための光源３５からの光を光検知器３６で検知して調芯する作業をそれぞれ両端部で行うことで、代替光ファイバ２０の両端に設けられた２つの光ファイバアレイ２１をほぼ同時に埋込光ファイバ１０の位置に自動調芯することができる。
【００６５】
この埋込光ファイバ修理装置６０の場合、光ファイバアレイ移動部３２の光ファイバアレイ保持部４１を小型化して複合材構造体１の修理部分に設ける開口部３に入れやすくするのが好ましい。
【００６６】
また、上記図８と同様の作業で、開口部３に面する２箇所の埋込光ファイバ１０に代替光ファイバ２０の両端部に設けられた光ファイバアレイ２１をほぼ同時に接続することができ、複合材構造体１の埋込光ファイバ修理を迅速に効率良く行なうことができる。
【００６７】
従って、この実施形態でも、例えば、航空機における胴体等の修理も迅速に行なうことができ、修理時間が限られる複合材構造体１であっても迅速に修理できる信頼性の高い修理方法を提供することができる。
【００６８】
ところで、図１１及び図１２に示すように、上記複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０と光ファイバアレイ２１との接続構造としては、端面角が９０°の接続でも、端面角が傾斜（例えば、４５°）した接続であってもよい。光ファイバアレイ２１の端面は、修理箇所の条件や、光ファイバのコア径、クラッド径等に応じて決定すればよい。
【００６９】
図１１に示す接続構造７０は、埋込光ファイバ１０が設けられた複合材構造体１の端面角を９０°とした例である。この例の場合、埋込光ファイバ１０に接続する光ファイバアレイ２１の端面角も９０°となる。
【００７０】
図１２に示す接続構造７１は、埋込光ファイバ１０が設けられた複合材構造体１の端面角を４５°とした例である。この例の場合、埋込光ファイバ１０に接続する光ファイバアレイ２１の端面角も４５°となる。
【００７１】
このような接続構造で接続される上記複合材構造体１の埋込光ファイバ１０と光ファイバアレイ２１とは、互いの光ファイバ軸芯が一致するように調芯され、紫外線硬化樹脂等で接着される。
【実施例１】
【００７２】
次に、上記接続構造７０，７１によって接続した光ファイバの接続部分についての試験結果を以下に説明する。この試験では、埋込光ファイバ１０を埋め込んだ複合材構造体１の端面に露出した埋込光ファイバ１０に、接続する光ファイバ端部の光ファイバアレイ２１を接続し、接続後の、透過する光強度を計測したものである。 試験環境としては、常温、常湿である。
【００７３】
試験における複合材構造体１は、１８０℃硬化炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材とする。また、複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０は、ポリイミド被覆細径光ファイバ（シングルモード）であり、コア径：８．５μｍ、クラッド径：４０μｍ、被覆径：４８μｍ、である。
【００７４】
このような複合材構造体１の埋込光ファイバ１０と光ファイバアレイ２１との接続を、端面角９０°における接続と、端面角４５°における接続とによって試験をした。
【００７５】
また、埋込光ファイバ１０の端面に光ファイバアレイ２１を接続する際、埋込光ファイバ１０のコアと光ファイバアレイ２１のコアとを自動調芯装置を用いて軸芯を合わせている。そして、軸芯合わせ完了後、紫外線硬化性樹脂で、複合材構造体１の埋込光ファイバ１０と光ファイバアレイ２１とを固定している。
【００７６】
そして、上記したように接続した埋込光ファイバ１０の接続部における光強度を計測した。光強度の計測は、複合材構造体１に埋め込んだ細径埋込光ファイバ１０を取り出している側に、シングルモードの光ファイバコード（片端にＦＣ形コネクタ付；通信用単心石英光ファイバ）を融着接続器にて融着する。この光ファイバコードコネクタ側に光源、光ファイバアレイ側に光検知器を接続し、光ファイバコード〜細径光ファイバ〜光ファイバアレイの透過光強度を計測する。上記光源としては、中心波長：１５５０ｎｍ、光検知器としては、波長範囲：０．７５〜１．７μｍ、で計測した。
【００７７】
図１３は、上記実施例において試験した光強度計測結果を示す一覧表である。図示する試験結果の評価は、以下の通りである。
【００７８】
試験結果の評価としては、光源の光強度に対する調芯接続後の光強度を比較した。その光損失は、端面角９０°の場合で６．８ｄＢ、端面角４５°の場合で８．１ｄＢとなっている。そして、この結果を見ると、光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０に接続したことで生じる光損失は、複合材構造体１に備えられた損傷検知システムの光ファイバセンサとして運用可能なレベルであると判断できる。なお、これらの損失の値は光ファイバアレイ２１と埋込光ファイバ１０の接続部以外の光損失を含んでおり、光ファイバアレイ２１と埋込光ファイバ１０の接続部のみの光損失はこれらの損失の値よりかなり小さいと考えられる。
【００７９】
また、複合材構造体１に埋め込まれている埋込光ファイバ１０は、外部の計測機器と接続する必要があるため、埋込光ファイバ１０を複合材構造体１の周辺から出すか、埋込光ファイバ１０と接続されたコネクタを複合材構造体１の周辺に設ける必要がある。しかし、複合材構造体１は、所定の寸法を出すために、製造時にその周辺をトリム加工する必要があり、周辺から埋込光ファイバ１０を出したり、周辺にコネクタを設けることは困難である。この課題を解決するために、特開２００３−３１５６０１号公報に示されるような構造体の製造方法がある。しかし、上記したような接続構造７０，７１によれば、埋込光ファイバ１０が埋め込まれている複合材構造体１の製造時に、複合材構造体１の周辺をトリム加工したとしても、そのトリム加工後に複合材構造体１の端面と一体的に埋込光ファイバ１０の端面を研磨すれば、その埋込光ファイバ１０に光ファイバアレイ２１を接続することができる。従って、埋込光ファイバ１０を外部の計測機器と接続するために特別なコネクタを用いることのない接続構造７０，７１を構成することができる。
【００８０】
なお、上記実施形態では、航空機の複合材構造体１を例に説明したが、他の構成における複合材構造体においても同様に埋込光ファイバ１０の損傷部分を修理することができ、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００８１】
また、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係る複合材構造の埋込光ファイバ修理方法は、航空機のように埋込光ファイバで衝撃損傷等を検知する複合材構造体において利用できる。
【符号の説明】
【００８３】
１ 複合材構造体
２ 複合材
２ａ 端面
３ 開口部（貫通穴）
４ 代替光ファイバ保持具
５ 補修材
６ 複合材薄板
１０ 埋込光ファイバ
１０ａ 端面
１１ ＦＢＧセンサ
２０ 代替光ファイバ
２１ 光ファイバアレイ
３０ 埋込光ファイバ修理装置
３１ バキュームチャック
３２ 光ファイバアレイ移動部（光ファイバ移動部）
３３ ステッピングモータ
３４ 光ファイバ位置検知部
３５ 光源
３６ 光検知器
３７ 紫外線照射装置
３８ 制御用パソコン
４０ 埋込光ファイバ修理装置
４１ 光ファイバアレイ保持部
４３ アダプタ
４４ 光ファイバ
４５ 光ファイバコネクタ
５０ 埋込光ファイバ修理装置
５１ サーキュレータ
５２ 入射光
５３ 反射光
６０ 埋込光ファイバ修理装置
７０，７１ 接続構造
８０ 航空機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材で形成された構造体に埋め込まれた光ファイバの損傷時に、その損傷部分の光ファイバを修理する方法とその修理構造、及び接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複合材構造が種々の分野で利用されている。複合材は、金属材に比べて重量が軽く強度や剛性が高いことから、適用した構造体の重量を軽減できるため、例えば、航空機等の構造体において利用が拡大している。
【０００３】
一方、複合材構造体は、異物の衝突などによって内部に損傷が生じる可能性があるため、点検で発見できない損傷を許容する設計（損傷許容設計）や次の点検までの間に損傷が致命的なものとならないような設計（フェールセーフ設計）を行う必要がある。また、設計上許容できない損傷は点検時に発見して修理する必要があり、機体外面だけでなく、機体内面側からも目視点検や非破壊検査を実施しなくてはならない。さらに、複雑な形状や曲面を有する複合材構造体の場合には、非破壊検査による検査ができない場合もある。そこで、これら損傷許容設計やフェールセーフ設計で生じる構造分の重量軽減、目視点検・非破壊検査のコスト低減／期間短縮／検査漏れ防止／容易化に寄与するための、複合材構造体における損傷有無等の構造健全性を検査・診断する方法として、複合材内部に光ファイバセンサを埋め込み、その光ファイバセンサによって損傷等を検知する損傷検知システムが提案されている。
【０００４】
この種の先行技術として、例えば、光ファイバセンサを埋め込んだ複合材構造などの、光ファイバを用いて構成した光路形成体に、互いに異なる周波数の光信号を反射する複数のセンサ部（歪計測用ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）センサなど）を間隔をあけて設け、各センサ部で反射した光信号の有無および強度（透過光強度計測）などから損傷の有無、程度や位置を判定するようにした損傷検知装置（実施形態として、複合材に生じた衝撃によって生じるＦＢＧセンサの歪計測値と解析値の比較や、歪の到達時間差による損傷検知装置を含む）がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、上記したような損傷検知方法を採用する場合、複合材内部の埋込光ファイバに損傷を生じると、その部分を修理する必要がある。例えば、光ファイバ単体の修理方法としては、損傷部分を切除した後、代替光ファイバを切除位置に配置し、代替光ファイバを融着または端面を付合わせた状態で接続する方法が採用されている。しかし、複合材に埋め込まれた光ファイバの修理は、上記修理方法では不可能である。
【０００６】
そこで、複合材に埋め込まれた光ファイバが損傷した場合の修理方法として、図１４(a) 〜(c) に示す方法が考えられている。この方法は、複合材構造体１０１の複合材１０２に埋め込まれた埋込光ファイバ１１０に損傷２００が生じると(a) 、その損傷した部分の複合材１０２の表面に代替光ファイバ１２０を接着剤１２１で接着し(b),(c) 、損傷位置から離れた位置で既設の光ファイバと接続するものである。
【０００７】
なお、複合構造体に埋設された光ファイバが損傷した場合の修理方法として、例えば、その部分の複合材を表面層から削って除去し、除去した部分の光ファイバの端部に新しい光ファイバの端部を融着等で接合するものもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３２１２２３号公報
【特許文献２】特表２００９−５１７６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の図１４で示す修理方法では、埋め込んだ光ファイバそのものの修理にはなっておらず、埋め込んだ光ファイバは、その損傷部分はもとより、その損傷部のために必要な透過光が得られなくなった他の健全な部分も使用できないまま放置せざるを得ない。また、上記光ファイバセンサとして用いられる光ファイバは、例えば、コア径５μｍ〜１０μｍ程度、グラッド径４０μｍ〜１３０μｍ程度のものが用いられるため、上記したように複合材の表面に接着して端部を既設の光ファイバと接続する構成では、表面に接着された光ファイバの耐久性、信頼性が問題になる場合もある。特に、細径の光ファイバの場合には耐久性、信頼性がより問題になる。さらに、複合材構造体によっては、複合材表面に光ファイバを配設することができない部分の場合もあり、その場合には上記方法は適用できない。
【００１０】
その上、埋め込んだ場合と比べて、光ファイバセンサによって反射する光信号の有無や強度などにより損傷を正確に検知することが難しくなる場合がある。
【００１１】
なお、上記特許文献２に記載された修理方法では、上記したような埋め込んだ光ファイバの損傷時に、その部分の複合材を表面層から削って除去する際、埋め込んだ光ファイバをさらに損傷させる可能性があり、埋め込んだ光ファイバを健全な状態で引き出すことが困難である。そのため、再び正確な損傷等の検出ができる光ファイバセンサや必要な透過光が得られる光ファイバの状態に修理するのは難しい。
【００１２】
そこで、本発明は、複合材に埋め込まれた埋込光ファイバが損傷した場合、その損傷部分の埋込光ファイバを代替光ファイバに置換えて、もとの埋め込まれた光ファイバ全体を修復できる、複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法とその修理構造及び接続構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法は、複合材の内部に埋め込んだ埋込光ファイバを有する複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法であって、前記埋込光ファイバの損傷部分を含む複合材の一部分を除去して開口部を形成し、前記開口部に露出する埋込光ファイバの端面と複合材端面とを研磨し、前記研磨した埋込光ファイバの芯と代替光ファイバの芯とが連続するように位置調整して両端面を突き合わせ、該埋込光ファイバの端面と代替光ファイバの端面とを接続することを特徴とする。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「埋込光ファイバ」は、複合材の内部に埋め込まれている光ファイバをいい、「代替光ファイバ」は、複合材から除去した埋込光ファイバに置換して損傷部分に配設する光ファイバをいう。この構成によれば、複合材の内部に埋め込まれている埋込光ファイバが損傷したとしても、その損傷部分の埋込光ファイバを複合材と一体的に除去した後に板厚の範囲内で代替光ファイバに置換えて、埋込光ファイバを修復することができる。
【００１４】
また、前記代替光ファイバは、端部に光ファイバアレイを有し、該光ファイバアレイと前記埋込光ファイバの端面とを接着して接続するようにしてもよい。このように構成すれば、研磨後の埋込光ファイバの位置を検知し、代替光ファイバの光ファイバアレイを研磨した埋込光ファイバに接着剤で接着することで容易に結合させることができる。
【００１５】
また、前記埋込光ファイバの端面と複合材端面との研磨後、埋込光ファイバの損傷部と反対方向の端部に設けた光源から埋込光ファイバ内に光を通し、前記開口部に露出する埋込光ファイバの端面で前記光源の光を検知し、該光の強度が最も強い位置を埋込光ファイバの芯位置と判断して前記代替光ファイバの芯を配置して接続するようにしてもよい。このように構成すれば、埋込光ファイバの損傷部分で光強度を検知することで埋込光ファイバの芯位置を精度よく迅速に検知することができ、埋込光ファイバの芯に代替光ファイバの芯を合わせる作業を迅速に行なうことができる。
【００１６】
また、前記埋込光ファイバは、光反射デバイスを備え、前記埋込光ファイバの端面と複合材端面との研磨後、該研磨した埋込光ファイバ端面から入射光を入れ、前記光反射デバイスで反射した反射光を検知し、該反射光の強度が最も高い位置を埋込光ファイバの芯位置と判断して前記代替光ファイバの芯を配置して接続するようにしてもよい。このように構成すれば、ＦＢＧセンサ等の光反射デバイスを備えた埋込光ファイバにおいて、光反射デバイスによる反射光を利用することで埋込光ファイバの芯位置を迅速に検知することができ、埋込光ファイバの芯に代替光ファイバの芯を合わせる作業を迅速に行なうことができる。
【００１７】
また、前記埋込光ファイバと接続した代替光ファイバを、複合材構造体の片面で該複合材構造体に保持し、他面で前記開口部を塞ぐようにしてもよい。このように構成すれば、埋込光ファイバの損傷部分を含む複合材の一部分を除去することによる複合材構造体の強度低下を抑えた埋込光ファイバの修理ができる。
【００１８】
また、前記開口部に複合材薄板を接着して積層し、該複合材薄板の間に前記埋込光ファイバと接続した代替光ファイバを埋め込んで前記開口部を塞ぐようにしてもよい。この「複合材薄板」は、硬化後の硬い板、及び硬化前の軟らかい板（プリプレグ）の両方を含む。このように構成すれば、埋込光ファイバの損傷部分を複合材の一部と一体的に除去した開口部を積層した複合材薄板で埋めるので、複合材構造体の強度低下を抑えることができる。この場合、開口部を円錐状に形成することにより、積層した複合材薄板と周囲の複合材構造体との間で良好な接着強度が期待でき、信頼性の高い修理が可能となる。
【００１９】
一方、本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理構造は、前記いずれかの埋込光ファイバ修理方法によって修理した修理構造であって、前記損傷部分の埋込光ファイバの端面に接続した代替光ファイバは、前記複合材構造体の一方の面に設けた代替光ファイバ保持具で保持され、前記代替光ファイバ保持具を設けた複合材構造体の他方の面は、前記開口部を塞ぐ補修材を設けたことを特徴とする。補修材は、複合材であってもチタン合金等の金属であってもよい。この補修材は、接着やボルトなどによるファスナー結合によって取付けられる。この構成によれば、複合材構造体に埋め込まれた埋込光ファイバの損傷部分を板厚の範囲内で代替光ファイバに置換えた後、その修理部分における代替光ファイバの保持と、複合材構造体の強度低下を抑止することができ、信頼性の高い光ファイバとして修復できる。
【００２０】
一方、本発明に係る埋込光ファイバの接続構造は、複合材構造体の内部に埋め込んだ埋込光ファイバに光ファイバアレイを接続する埋込光ファイバの接続構造であって、前記埋込光ファイバは、前記複合材構造体の端面に位置する部分に研磨面を有し、前記光ファイバアレイは、前記埋込光ファイバの研磨面で両光ファイバの芯が連続するように位置調整した状態で該埋込光ファイバの端面と接着して接続されていることを特徴とする。この構成によれば、内部に埋込光ファイバが埋め込まれた複合材構造体の縁部を切断したとしても、その切断面の埋込光ファイバに光ファイバアレイを接続して連続した光ファイバを形成することが容易にできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、複合材構造体に損傷検知等のために埋め込まれた光ファイバの損傷時に、その部分を板厚の範囲内で代替光ファイバに置換えて修理することができるので、複合材構造体へ埋め込んだ光ファイバを用いた損傷検知等のためのシステムを損傷前と同じ状態に修復することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法の第１実施形態によって修理する複合材構造体の断面図であり、(a) は修理前の断面図、(b) は修理開始時の断面図である。
【図２】図１に示す埋込光ファイバ修理方法によって修理する複合材構造体に代替光ファイバを接続する断面図である。
【図３】図１に示す埋込光ファイバ修理方法によって代替光ファイバを結合した複合材構造体部分の断面図である。
【図４】図１に示す複合材構造体の光ファイバ修理方法によって航空機を修理する場合の模式図である。
【図５】図３の代替光ファイバを結合した複合材構造体部分の他の例を示す拡大断面図である。
【図６】図２に示す埋込光ファイバ修理装置の光ファイバアレイ保持部と複合材構造体の修理部分とを示す断面図である。
【図７】図２に示す埋込光ファイバ修理装置による修理手順を示すブロック図である。
【図８】本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法の第２実施形態によって修理する複合材構造体の修理部分の断面図である。
【図９】本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法の第３実施形態によって修理する複合材構造体の修理部分の断面図である。
【図１０】本発明に係る複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法の第４実施形態によって修理する複合材構造体の修理部分の断面図である。
【図１１】本発明に係る埋込光ファイバの接続構造の第１実施形態を模式的に示す側面図である。
【図１２】本発明に係る埋込光ファイバの接続構造の第２実施形態を模式的に示す側面図である。
【図１３】実施例における光強度計測結果を示す一覧表である。
【図１４】(a) 〜(c) は、従来の複合材に埋め込まれた光ファイバが損傷した場合の修理方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、複合材構造を利用した構造体の具体例として航空機（胴体、翼、舵等）を例にして説明する。以下の説明における複合材構造体１を形成する複合材２は、例えば、エポキシ樹脂などの高分子樹脂をマトリックスとするプリプレグシート（prepreg sheet）を板厚方向に積層して硬化成型したものが用いられる。プリプレグ（pre-impregnated materialsの略称）シートは、マトリックスである樹脂を予め強化繊維基材に含浸させた成型用中間基材である。また、以下の説明では、埋込光ファイバ１０及び代替光ファイバ２０の一例として、複合材構造体１への埋め込みを考慮し、後述するような細径光ファイバを用いた例を説明する。
【００２４】
さらに、複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０の損傷は、複合材構造体１の損傷に伴って発生し、その損傷有無や損傷位置は、上述した透過光強度計測やＦＢＧセンサ歪計測によって計測され、非破壊検査等によって正確に特定されているものとして説明する。
【００２５】
まず、図１〜３に基づいて、複合材構造体１の埋込光ファイバ１０に損傷２００が生じた場合の修理方法の全体的手順を説明する。
【００２６】
図１(a) に示すように、複合材２で形成された複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０に損傷２００が生じた場合、図１(b) に示すように、その損傷部分を含む複合材２の一部分を一体的に除去する。この複合材２の除去としては、例えば、直径３０ｍｍ程度の円形の開口部（貫通穴）３をあけることによって除去される。そして、開口部３の部分に露出する埋込光ファイバ１０の端面１０ａが複合材２の端面２ａと一体的に研磨される。
【００２７】
次に、図２に示すように、埋込光ファイバ修理装置３０によって、研磨した埋込光ファイバ１０の端面１０ａの位置が検知され、代替光ファイバ２０の端面をその位置に移動させて突き合わせ、接着剤によって接着結合される。図示する埋込光ファイバ修理装置３０は、研磨後の埋込光ファイバ１０の位置を検知し、代替光ファイバ２０をその位置に移動させて突き合わせる作業を自動的に行なうことができる。詳細は後述する。
【００２８】
また、この実施形態の埋込光ファイバ修理装置３０は、複合材構造体１の外面に吸着するバキュームチャック３１が設けられており、例えば、図４に示すように、航空機８０の外面に吸着されて固定される。なお、この実施形態では、埋込光ファイバ修理装置３０をバキュームチャックで航空機８０の外面に吸着させて支持する例を説明したが、埋込光ファイバ修理装置３０は、床面に組み立てた足場に設置するようにしてもよい。但し、航空機８０が揺れている場合は、外面に吸着させて固定する方が、埋込光ファイバ修理装置３０も同じように揺れるため、代替光ファイバ２０の自動調芯が比較的容易である。この埋込光ファイバ修理装置３０は、修理対象物や修理位置等に応じて適した方法で支持するようにすればよく、この実施形態に限定されるものではない。
【００２９】
さらに、図２に示すように、埋込光ファイバ修理装置３０は、上部に光ファイバ移動部３２が備えられている。この例の代替光ファイバ２０は、端部に光ファイバアレイ（光導波路素子と光ファイバを結合するための接続デバイス）２１が設けられている。そのため、上記光ファイバ移動部３２は、光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０と接続するように位置調整する光ファイバアレイ移動部３２（光ファイバ移動部と同一であるため同一符号を付す）となっている。この光ファイバアレイ移動部３２は、保持する光ファイバアレイ２１を６自由度（６軸）で位置調整できる自動調芯機能を備えている。６自由度は、図中に斜矢印で示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の移動と、各軸周りの回転運動が可能なものである。
【００３０】
このように、光ファイバアレイ移動部３２は、代替光ファイバ２０の端部である光ファイバアレイ２１を、上記開口部３の中で上記６自由度によって埋込光ファイバ１０の位置に自動調芯できるようになっている。光ファイバアレイ移動部（光ファイバ移動部）３２は、５〜６自由度が好ましいが、それ以下の自由度であってもよい。
【００３１】
次に、図３に示すように、両端部の光ファイバアレイ２１が埋込光ファイバ１０に接続された代替光ファイバ２０が、複合材構造体１の内面側に設けられた代替光ファイバ保持具４で保持される。また、複合材構造体１の修理部分外面には、開口部３を外面から塞ぐように補修材５が接着またはファスナー結合される。補修材５は、修理部分における荷重を支持し、開口部３を設けた部分における複合材構造体１の強度を修理前と同等以上にしている。この補修材５の材質としては、複合材２でもよいが、チタン合金等の金属であってもよい。これにより、損傷した埋込光ファイバ１０を板厚の範囲内で代替光ファイバ２０に置換えることができ、複合材構造体１に埋め込んだ光ファイバを修復することができる。
【００３２】
一方、上記開口部３は、図５に示すように円錐形状に形成し、複合材薄板６を積層して埋込光ファイバ１０に連結した代替光ファイバ２０を埋め込んで塞ぐようにしてもよい。複合材薄板６としては、硬化後の硬い板、硬化前の柔らかい板の好ましい板を使用して埋め込めばよい。この場合、複合材薄板６を、埋込光ファイバ修理装置３０が配置された反対側の複合材構造体片面から積層し、埋込光ファイバ１０の位置に達したときに代替光ファイバ２０を接続し、その後、複合材構造体の他面まで複合材薄板６を積層するようにすればよい。
【００３３】
このように構成した場合、円錐形状に形成した開口部３を積層した複合材薄板６で埋めるので、積層した複合材薄板６と周囲の複合材構造体１との間で良好な接着強度が期待でき、信頼性の高い修理が可能となる。なお、このように複合材薄板６を積層して埋める開口部３の形状は、円錐形状に限られるものではない。
【００３４】
次に、図６，７に基づいて、上記図２に示す埋込光ファイバ修理装置３０による埋込光ファイバ１０の修理流れをより具体的に説明する。以下の説明では、埋込光ファイバ１０の損傷部分が複合材構造体１の損傷に伴って発生し、その損傷位置を非破壊検査等で正確に特定した後に、その損傷した埋込光ファイバ１０を含む複合材２の一部分を切除し、その切除した部分の埋込光ファイバ１０の露出面を研磨した後、複合材２に残っている埋込光ファイバ１０の端面１０ａに代替光ファイバ２０の端部に設けられた光ファイバアレイ２１を接続する作業を説明する。
【００３５】
まず、図６に示すように、上記埋込光ファイバ修理装置３０には、切除した部分の複合材２に埋め込まれている埋込光ファイバ１０の位置を検知する光ファイバ位置検知部３４が設けられている。この光ファイバ位置検知部３４は、埋込光ファイバ１０の他端に設けられた光源３５からの光で埋込光ファイバ１０の芯位置を検知できるようになっている。
【００３６】
また、上記光ファイバ移動部３２には、代替光ファイバ２０の端部に設けられた光ファイバアレイ２１を保持する光ファイバアレイ保持部４１が上部に設けられている。この光ファイバ移動部３２は、保持した光ファイバアレイ２１を６自由度で位置調整可能に構成されている。この６自由度は、例えば、光ファイバ移動部３２をステッピングモータ３３の駆動制御によって位置調整することで制御される。さらに、後述する光ファイバアレイ２１と埋込光ファイバ１０とを接続する接着剤として、この実施形態では紫外線硬化樹脂が用いられ、その紫外線硬化樹脂を硬化させるための紫外線照射装置３７が設けられている。
【００３７】
また、上記光ファイバアレイ２１が一端に設けられた代替光ファイバ２０は、他端が光検知器３６に接続され、上記光源３５の光を検知するようになっている。この実施形態では、光ファイバアレイ２１と光検知器３６との接続を、光ファイバアレイ２１に接続可能なアダプタ４３が一端に設けられた光ファイバ４４で接続するようにしている。アダプタ４３は、光ファイバアレイ２１の形状に一致し、かつ光ファイバ４４を接続できるものとなっている。なお、この例では、アダプタ４３と光検知器３６とを接続する光ファイバ４４の中間部に汎用のＦＣ形光ファイバコネクタ４５が設けられている。このように光ファイバ４４の接続をコネクタで簡単に接続できるようにして、接続作業の容易化を図っている。
【００３８】
これら光ファイバアレイ移動部３２、光ファイバ位置検知部３４、光検知器３６は、制御用パソコン３８に接続され、この制御用パソコン３８に位置情報、光検知情報等の各種信号が記憶され、この制御用パソコン３８で各部が制御されるようになっている。また、この制御用パソコン３８により、後述するように、光ファイバアレイ移動部３２で光ファイバアレイ２１の芯が埋込光ファイバ１０の芯に自動調芯させられる。
【００３９】
このような構成により、上記埋込光ファイバ修理装置３０によれば、複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０の端面に、極力光損失が小さい状態で光ファイバアレイ２１を接続することが可能となる。
【００４０】
次に、上記埋込光ファイバ修理装置３０による代替光ファイバ２０の接続について、図７とともに説明する。以下の説明では、破損した埋込光ファイバ１０を複合材２の一部分と一体的に切除した後の手順を説明する。複合材２の切除としては、所定径の開口部（貫通穴）３を複合材構造体１にあけることによって行なわれる。開口部３の大きさは、埋込光ファイバ１０の間隔、修理装置における光ファイバ移動部３２の大きさと可動範囲、複合材構造体１の損傷範囲等から決定される。
【００４１】
（１） ［修理部前処理：埋込光ファイバ端面の研磨］
まず、複合材構造体１にあけられた開口部３に面する埋込光ファイバ１０の端面を研磨する。この研磨としては、埋込光ファイバ１０の端面と複合材２の切除面とが一体的に研磨される。
【００４２】
（２） ［機器接続：光ファイバと機器の接続］
次に、埋込光ファイバ修理装置３０の光ファイバ位置検知部３４を開口部３に配置し、複合材２に埋め込まれた埋込光ファイバ１０の片端を光源３５に接続する。また、光ファイバアレイ２１が設けられた代替光ファイバ２０の反対方向端部を光検知器３６に接続する。
【００４３】
（３） ［光ファイバ位置の検知］
次に、光源３５からの透過光をもとに、埋込光ファイバ１０の芯位置を埋込光ファイバ修理装置３０の光ファイバ位置検知部３４で検出する。この光ファイバ位置検知部３４は、光源３５の光の光強度が最も高くなる位置が埋込光ファイバ１０の芯位置としている。この例では、この動作によって、埋込光ファイバ１０の芯位置が埋込光ファイバ修理装置３０に備えられた制御用パソコン３８に記憶される。
【００４４】
（４） ［光ファイバ位置検知部と光ファイバアレイの入替］
次に、制御用パソコン３８に記憶された埋込光ファイバ１０の芯位置で、光ファイバ位置検知部３４と光ファイバアレイ２１とが入替えられる。この位置調整は、自動調芯機能を備える光ファイバアレイ移動部３２の位置制御によって正確に行なわれる。なお、光ファイバ位置検知部３４による埋込光ファイバ１０の検知を、真正面ではなく軸芯位置からずれた位置で行った場合、光ファイバ位置検知部３４と光ファイバアレイ２１の入替えを不要とすることもできる。
【００４５】
（５） ［自動調芯］
次に、光ファイバアレイ移動部３２の位置制御によって光ファイバアレイ２１を走査させ、光源３５からの光強度が最も高くなる位置を光検知器３６で探査する。
【００４６】
（６） ［接着剤による接続］
そして、埋込光ファイバ修理装置３０によって、埋込光ファイバ１０の端面に光ファイバアレイ２１が接着剤で接続される。この接着剤は、例えば、紫外線硬化樹脂が用いられ、紫外線照射装置３７から紫外線を照射することで硬化させられる。これにより、代替光ファイバ２０の光ファイバアレイ２１と埋込光ファイバ１０の端面とが接続され、連続した光ファイバとなって修復される。この例では紫外線硬化樹脂で埋込光ファイバ１０に光ファイバアレイ２１を接続しているが、他の接着剤による接続も可能である。但し、紫外線硬化樹脂又は他の接着剤は、接続する光ファイバ１０，２０の屈折率と同程度の屈折率を持つ紫外線硬化樹脂又は接着剤が使用される。
【００４７】
以上の工程により、代替光ファイバ２０の一端に設けられた光ファイバアレイ２１を一方の埋込光ファイバ１０の端面１０ａに接続する作業が完了する。
【００４８】
次に、代替光ファイバ２０の他端に設けられた光ファイバアレイ２１が、他方の埋込光ファイバ１０の端面１０ａに接続される。代替光ファイバ２０の他端を接続するときには、上記光源３５を反対方向の埋込光ファイバ１０の片端に接続し、光検知器３６を、先に代替光ファイバ２０を接続した埋込光ファイバ１０の光源３５が接続されていた片端に接続する。
【００４９】
そして、光源３５からの光を光検知器３６で検知し、その光強度が最も強い位置を埋込光ファイバをの芯位置として自動調芯し、接着剤によって他端の光ファイバアレイ２１が埋込光ファイバ１０の端面１０ａに接続される。
【００５０】
この工程により、代替光ファイバ２０の両端に設けられた光ファイバアレイ２１を開口部３に露出している埋込光ファイバ１０の両端面１０ａに接続する作業が完了し、埋込光ファイバ１０を修復する作業が完了する。
【００５１】
次に、図８〜１０に基づいて、上記埋込光ファイバ修理装置３０とは異なる構成例と、それらの埋込光ファイバ修理装置による代替光ファイバ２０の接続手順を説明する。以下の例でも、代替光ファイバ２０の端部に光ファイバアレイ２１が設けられ、この光ファイバアレイ２１を移動させる光ファイバアレイ移動部３２を備えている。この光ファイバアレイ移動部３２も、上記したように、６自由度（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の並進と、各軸周りの回転運動）で、光ファイバアレイ２１を並進、回転させながら自動で調芯できるように構成されている。これらの例でも、光源３５の光を光検知器３６で検知し、光強度の最も高くなる位置が埋込光ファイバ１０の芯位置として制御用パソコン３８（図６）に記憶される。制御用パソコン３８等の記載は省略する。
【００５２】
図８に示す第２実施形態の埋込光ファイバ修理装置４０は、上記第１実施形態における光ファイバ位置検知部３４を使用せずに、最初から光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０の芯位置に移動させて自動調芯するようにした実施形態である。なお、上記図６に示す構成と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００５３】
この埋込光ファイバ修理装置４０によれば、開口部３に面する埋込光ファイバ１０の端面１０ａを研磨後、光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０の端面１０ａに移動させ、光源３５からの光を光検知器３６で検知する。そして、光強度の最も高くなる位置を埋込光ファイバ１０の芯位置として、制御用パソコン３８によって光ファイバアレイ２１の位置を自動調芯することができる。従って、この実施形態の埋込光ファイバ修理装置４０によれば、光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０の芯位置に調芯する作業を迅速に行うことができ、埋込光ファイバ１０の修理をより迅速に行うことができる。しかも、光ファイバアレイ移動部３２の光ファイバアレイ保持部４１を小型化して複合材構造体１の修理部分に設ける開口部３に入れやすくすることができる。
【００５４】
また、アダプタ４３によって、代替光ファイバ２０や光検知器３６に接続される光ファイバ４４の接続作業を容易に行なうこともでき、複合材構造体１の埋込光ファイバ修理を迅速に効率良く行なうことができる。
【００５５】
そのため、この実施形態の埋込光ファイバ修理装置４０によれば、例えば、航空機における胴体等の修理も迅速に行なうことができ、修理時間が限られる複合材構造体１であっても迅速に修理できる信頼性の高い修理方法を提供することができる。
【００５６】
次に、図９に示す第３実施形態を説明する。この実施形態では、埋込光ファイバ１０がＦＢＧセンサ１１を有する構成となっており、ＦＢＧセンサ１１の反射光強度を使用して調芯するように構成されている。なお、この実施形態でも、上記図６に示す構成と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００５７】
また、この実施形態でも、光ファイバアレイ２１と光検知器３６との接続を、光ファイバアレイ２１に形状が一致して接続可能なアダプタ４３が一端に設けられた光ファイバ４４で接続するようにしている。この光ファイバ４４も、汎用のＦＣ形光ファイバコネクタ４５によって接続されている。この例の光ファイバコネクタ４５は、光源３５の入射光とＦＢＧセンサ１１の反射光とを通過させるものが用いられる。
【００５８】
さらに、この光ファイバコネクタ４５で接続された光ファイバ４４は、サーキュレータ５１を介して光源３５及び光検知器３６に接続されている。このサーキュレータ５１により、光源３５からの入射光５２は光ファイバコネクタ４５を介して光ファイバアレイ２１に送り、ＦＢＧセンサ１１からの反射光５３は光検知器３６に送られる。この実施形態でも、光ファイバ４４の接続を光ファイバコネクタ４５で簡単に接続できるようにして、接続作業の容易化を図っている。
【００５９】
このような埋込光ファイバ修理装置５０によれば、光ファイバアレイ移動部３２の光ファイバアレイ保持部４１を小型化して複合材構造体１の修理部分に設ける開口部３に入れやすくすることができる。
【００６０】
また、ＦＢＧセンサ１１の反射光強度をもとに光ファイバアレイ２１の調芯を行なって正確に接続することができる。さらに、アダプタ４３及び光ファイバコネクタ４５によって、代替光ファイバ２０や光検知器３６に接続される光ファイバ４４の接続作業を容易に行なうことができ、複合材構造体１の埋込光ファイバ修理を迅速に効率良く行なうことができる。
【００６１】
従って、この実施形態でも、例えば、航空機における胴体等の修理も迅速に行なうことができ、修理時間が限られる複合材構造体１であっても迅速に修理できる信頼性の高い修理方法を提供することができる。
【００６２】
なお、この第３実施形態では、埋込光ファイバ１０がＦＧＢセンサ１１を有する構成としているが、ＦＧＢセンサ１１の無い埋込光ファイバ１０であれば、開口部３における埋込光ファイバ１０の端面１０ａと反対方向にＦＧＢセンサと同様の光反射デバイスを取り付ければよい。このようにすれば、ＦＧＢセンサ１１と同様に入射光５２を反射し、その反射光５３の強度を光検知器３６で検知して光ファイバアレイ２１の調芯を行なって正確に接続することができる。
【００６３】
次に、図１０に示す第４実施形態を説明する。この実施形態の埋込光ファイバ修理装置６０は、上記図８に示すように、光ファイバアレイ２１を保持する光ファイバアレイ保持部４１を光ファイバアレイ移動部３２の上方に配置した構成を２つ設け、光ファイバアレイ保持部４１で保持した光ファイバアレイ２１を互いに外向きに配置している。詳細な構成は上記した図８と同一であり、図示及び説明は省略する。
【００６４】
この例によれば、それぞれの光ファイバアレイ保持部４１で代替光ファイバ２０の両端に設けられた光ファイバアレイ２１を保持し、上記図８における埋込光ファイバ１０の端面１０ａに代替光ファイバ２０の光ファイバアレイ２１を接続するための光源３５からの光を光検知器３６で検知して調芯する作業をそれぞれ両端部で行うことで、代替光ファイバ２０の両端に設けられた２つの光ファイバアレイ２１をほぼ同時に埋込光ファイバ１０の位置に自動調芯することができる。
【００６５】
この埋込光ファイバ修理装置６０の場合、光ファイバアレイ移動部３２の光ファイバアレイ保持部４１を小型化して複合材構造体１の修理部分に設ける開口部３に入れやすくするのが好ましい。
【００６６】
また、上記図８と同様の作業で、開口部３に面する２箇所の埋込光ファイバ１０に代替光ファイバ２０の両端部に設けられた光ファイバアレイ２１をほぼ同時に接続することができ、複合材構造体１の埋込光ファイバ修理を迅速に効率良く行なうことができる。
【００６７】
従って、この実施形態でも、例えば、航空機における胴体等の修理も迅速に行なうことができ、修理時間が限られる複合材構造体１であっても迅速に修理できる信頼性の高い修理方法を提供することができる。
【００６８】
ところで、図１１及び図１２に示すように、上記複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０と光ファイバアレイ２１との接続構造としては、端面角が９０°の接続でも、端面角が傾斜（例えば、４５°）した接続であってもよい。光ファイバアレイ２１の端面は、修理箇所の条件や、光ファイバのコア径、クラッド径等に応じて決定すればよい。
【００６９】
図１１に示す接続構造７０は、埋込光ファイバ１０が設けられた複合材構造体１の端面角を９０°とした例である。この例の場合、埋込光ファイバ１０に接続する光ファイバアレイ２１の端面角も９０°となる。
【００７０】
図１２に示す接続構造７１は、埋込光ファイバ１０が設けられた複合材構造体１の端面角を４５°とした例である。この例の場合、埋込光ファイバ１０に接続する光ファイバアレイ２１の端面角も４５°となる。
【００７１】
このような接続構造で接続される上記複合材構造体１の埋込光ファイバ１０と光ファイバアレイ２１とは、互いの光ファイバ軸芯が一致するように調芯され、紫外線硬化樹脂等で接着される。
【実施例１】
【００７２】
次に、上記接続構造７０，７１によって接続した光ファイバの接続部分についての試験結果を以下に説明する。この試験では、埋込光ファイバ１０を埋め込んだ複合材構造体１の端面に露出した埋込光ファイバ１０に、接続する光ファイバ端部の光ファイバアレイ２１を接続し、接続後の、透過する光強度を計測したものである。 試験環境としては、常温、常湿である。
【００７３】
試験における複合材構造体１は、１８０℃硬化炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材とする。また、複合材構造体１に埋め込まれた埋込光ファイバ１０は、ポリイミド被覆細径光ファイバ（シングルモード）であり、コア径：８．５μｍ、クラッド径：４０μｍ、被覆径：４８μｍ、である。
【００７４】
このような複合材構造体１の埋込光ファイバ１０と光ファイバアレイ２１との接続を、端面角９０°における接続と、端面角４５°における接続とによって試験をした。
【００７５】
また、埋込光ファイバ１０の端面に光ファイバアレイ２１を接続する際、埋込光ファイバ１０のコアと光ファイバアレイ２１のコアとを自動調芯装置を用いて軸芯を合わせている。そして、軸芯合わせ完了後、紫外線硬化性樹脂で、複合材構造体１の埋込光ファイバ１０と光ファイバアレイ２１とを固定している。
【００７６】
そして、上記したように接続した埋込光ファイバ１０の接続部における光強度を計測した。光強度の計測は、複合材構造体１に埋め込んだ細径埋込光ファイバ１０を取り出している側に、シングルモードの光ファイバコード（片端にＦＣ形コネクタ付；通信用単心石英光ファイバ）を融着接続器にて融着する。この光ファイバコードコネクタ側に光源、光ファイバアレイ側に光検知器を接続し、光ファイバコード〜細径光ファイバ〜光ファイバアレイの透過光強度を計測する。上記光源としては、中心波長：１５５０ｎｍ、光検知器としては、波長範囲：０．７５〜１．７μｍ、で計測した。
【００７７】
図１３は、上記実施例において試験した光強度計測結果を示す一覧表である。図示する試験結果の評価は、以下の通りである。
【００７８】
試験結果の評価としては、光源の光強度に対する調芯接続後の光強度を比較した。その光損失は、端面角９０°の場合で６．８ｄＢ、端面角４５°の場合で８．１ｄＢとなっている。そして、この結果を見ると、光ファイバアレイ２１を埋込光ファイバ１０に接続したことで生じる光損失は、複合材構造体１に備えられた損傷検知システムの光ファイバセンサとして運用可能なレベルであると判断できる。なお、これらの損失の値は光ファイバアレイ２１と埋込光ファイバ１０の接続部以外の光損失を含んでおり、光ファイバアレイ２１と埋込光ファイバ１０の接続部のみの光損失はこれらの損失の値よりかなり小さいと考えられる。
【００７９】
また、複合材構造体１に埋め込まれている埋込光ファイバ１０は、外部の計測機器と接続する必要があるため、埋込光ファイバ１０を複合材構造体１の周辺から出すか、埋込光ファイバ１０と接続されたコネクタを複合材構造体１の周辺に設ける必要がある。しかし、複合材構造体１は、所定の寸法を出すために、製造時にその周辺をトリム加工する必要があり、周辺から埋込光ファイバ１０を出したり、周辺にコネクタを設けることは困難である。この課題を解決するために、特開２００３−３１５６０１号公報に示されるような構造体の製造方法がある。しかし、上記したような接続構造７０，７１によれば、埋込光ファイバ１０が埋め込まれている複合材構造体１の製造時に、複合材構造体１の周辺をトリム加工したとしても、そのトリム加工後に複合材構造体１の端面と一体的に埋込光ファイバ１０の端面を研磨すれば、その埋込光ファイバ１０に光ファイバアレイ２１を接続することができる。従って、埋込光ファイバ１０を外部の計測機器と接続するために特別なコネクタを用いることのない接続構造７０，７１を構成することができる。
【００８０】
なお、上記実施形態では、航空機の複合材構造体１を例に説明したが、他の構成における複合材構造体においても同様に埋込光ファイバ１０の損傷部分を修理することができ、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００８１】
また、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係る複合材構造の埋込光ファイバ修理方法は、航空機のように埋込光ファイバで衝撃損傷等を検知する複合材構造体において利用できる。
【符号の説明】
【００８３】
１ 複合材構造体
２ 複合材
２ａ 端面
３ 開口部（貫通穴）
４ 代替光ファイバ保持具
５ 補修材
６ 複合材薄板
１０ 埋込光ファイバ
１０ａ 端面
１１ ＦＢＧセンサ
２０ 代替光ファイバ
２１ 光ファイバアレイ
３０ 埋込光ファイバ修理装置
３１ バキュームチャック
３２ 光ファイバアレイ移動部（光ファイバ移動部）
３３ ステッピングモータ
３４ 光ファイバ位置検知部
３５ 光源
３６ 光検知器
３７ 紫外線照射装置
３８ 制御用パソコン
４０ 埋込光ファイバ修理装置
４１ 光ファイバアレイ保持部
４３ アダプタ
４４ 光ファイバ
４５ 光ファイバコネクタ
５０ 埋込光ファイバ修理装置
５１ サーキュレータ
５２ 入射光
５３ 反射光
６０ 埋込光ファイバ修理装置
７０，７１ 接続構造
８０ 航空機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材の内部に埋め込んだ埋込光ファイバを有する複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法であって、
前記埋込光ファイバの損傷部分を含む複合材の一部分を除去して開口部を形成し、
前記開口部に露出する埋込光ファイバの端面と複合材端面とを研磨し、
前記研磨した埋込光ファイバの芯と代替光ファイバの芯とが連続するように位置調整して両端面を突き合わせ、該埋込光ファイバの端面と代替光ファイバの端面とを接続することを特徴とする複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項２】
前記代替光ファイバは、端部に光ファイバアレイを有し、該光ファイバアレイと前記埋込光ファイバの端面とを接着して接続するようにした請求項１に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項３】
前記埋込光ファイバの端面と複合材端面との研磨後、埋込光ファイバの損傷部と反対方向の端部に設けた光源から埋込光ファイバ内に光を通し、
前記開口部に露出する埋込光ファイバの端面で前記光源の光を検知し、該光の強度が最も強い位置を埋込光ファイバの芯位置と判断して前記代替光ファイバの芯を配置して接続するようにした請求項１又は２に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項４】
前記埋込光ファイバは、光反射デバイスを備え、
前記埋込光ファイバの端面と複合材端面との研磨後、該研磨した埋込光ファイバ端面から入射光を入れ、
前記光反射デバイスで反射した反射光を検知し、該反射光の強度が最も高い位置を埋込光ファイバの芯位置と判断して前記代替光ファイバの芯を配置して接続するようにした請求項１又は２に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項５】
前記埋込光ファイバと接続した代替光ファイバを、複合材構造体の片面で該複合材構造体に保持し、他面で前記開口部を塞ぐようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項６】
前記開口部に複合材薄板を接着して積層し、該複合材薄板の間に前記埋込光ファイバと接続した代替光ファイバを埋め込んで前記開口部を塞ぐようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の埋込光ファイバ修理方法によって修理した修理構造であって、
前記損傷部分の埋込光ファイバの端面に接続した代替光ファイバは、前記複合材構造体の一方の面に設けた代替光ファイバ保持具で保持され、前記代替光ファイバ保持具を設けた複合材構造体の他方の面は、前記開口部を塞ぐ補修材を設けたことを特徴とする複合材構造体の埋込光ファイバ修理構造。
【請求項８】
複合材構造体の内部に埋め込んだ埋込光ファイバに光ファイバアレイを接続する埋込光ファイバの接続構造であって、
前記埋込光ファイバは、前記複合材構造体の端面に位置する部分に研磨面を有し、
前記光ファイバアレイは、前記埋込光ファイバの研磨面で両光ファイバの芯が連続するように位置調整した状態で該埋込光ファイバの端面と接着して接続されていることを特徴とする埋込光ファイバの接続構造。
【請求項１】
複合材の内部に埋め込んだ埋込光ファイバを有する複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法であって、
前記埋込光ファイバの損傷部分を含む複合材の一部分を除去して開口部を形成し、
前記開口部に露出する埋込光ファイバの端面と複合材端面とを研磨し、
前記研磨した埋込光ファイバの芯と代替光ファイバの芯とが連続するように位置調整して両端面を突き合わせ、該埋込光ファイバの端面と代替光ファイバの端面とを接続することを特徴とする複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項２】
前記代替光ファイバは、端部に光ファイバアレイを有し、該光ファイバアレイと前記埋込光ファイバの端面とを接着して接続するようにした請求項１に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項３】
前記埋込光ファイバの端面と複合材端面との研磨後、埋込光ファイバの損傷部と反対方向の端部に設けた光源から埋込光ファイバ内に光を通し、
前記開口部に露出する埋込光ファイバの端面で前記光源の光を検知し、該光の強度が最も強い位置を埋込光ファイバの芯位置と判断して前記代替光ファイバの芯を配置して接続するようにした請求項１又は２に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項４】
前記埋込光ファイバは、光反射デバイスを備え、
前記埋込光ファイバの端面と複合材端面との研磨後、該研磨した埋込光ファイバ端面から入射光を入れ、
前記光反射デバイスで反射した反射光を検知し、該反射光の強度が最も高い位置を埋込光ファイバの芯位置と判断して前記代替光ファイバの芯を配置して接続するようにした請求項１又は２に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項５】
前記埋込光ファイバと接続した代替光ファイバを、複合材構造体の片面で該複合材構造体に保持し、他面で前記開口部を塞ぐようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項６】
前記開口部に複合材薄板を接着して積層し、該複合材薄板の間に前記埋込光ファイバと接続した代替光ファイバを埋め込んで前記開口部を塞ぐようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材構造体の埋込光ファイバ修理方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の埋込光ファイバ修理方法によって修理した修理構造であって、
前記損傷部分の埋込光ファイバの端面に接続した代替光ファイバは、前記複合材構造体の一方の面に設けた代替光ファイバ保持具で保持され、前記代替光ファイバ保持具を設けた複合材構造体の他方の面は、前記開口部を塞ぐ補修材を設けたことを特徴とする複合材構造体の埋込光ファイバ修理構造。
【請求項８】
複合材構造体の内部に埋め込んだ埋込光ファイバに光ファイバアレイを接続する埋込光ファイバの接続構造であって、
前記埋込光ファイバは、前記複合材構造体の端面に位置する部分に研磨面を有し、
前記光ファイバアレイは、前記埋込光ファイバの研磨面で両光ファイバの芯が連続するように位置調整した状態で該埋込光ファイバの端面と接着して接続されていることを特徴とする埋込光ファイバの接続構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２５５８５６（Ｐ２０１２−２５５８５６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２７９８４（Ｐ２０１１−１２７９８４）
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度経済産業省、「次世代構造部材創製・加工技術開発」委託契約、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度経済産業省、「次世代構造部材創製・加工技術開発」委託契約、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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