(57)【要約】【課題】大掛かりな敷設が不要な応力センサを提供すること。【解決手段】本応力センサは、発生した応力を光の波長変化に変換する応力センサであって、可撓性を有する基材と、前記基材に添加された、所定波長の光を励起光として可視光波長域の光を発する蛍光体と、を有し、前記蛍光体は、前記基材が伸縮していない状態で濃度消光が起きる密度で前記基材に添加されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発生した応力を光の波長変化に変換する応力センサであって、
可撓性を有する基材と、
前記基材に添加された、所定波長の光を励起光として可視光波長域の光を発する蛍光体と、を有し、
前記蛍光体は、前記基材が伸縮していない状態で濃度消光が起きる密度で前記基材に添加されている応力センサ。
【請求項２】
発生した応力を光の波長変化に変換する応力センサであって、
可撓性を有する基材と、
前記基材に添加された、所定波長の光を励起光として可視光波長域にある第１波長の光を発する第１蛍光体と、
前記基材に添加された、前記第１波長の光を励起光として可視光波長域にある第２波長の光を発する第２蛍光体と、を有し、
前記第１蛍光体及び第２蛍光体は、前記基材が伸縮していない状態で蛍光共鳴エネルギー移動が起きない密度で前記基材に添加されている応力センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の応力センサの上に、請求項２に記載の応力センサが積層された応力センサ。
【請求項４】
前記蛍光体と前記第２蛍光体は、それぞれ異なる可視光波長域の光を発する請求項３に記載の応力センサ。
【請求項５】
前記基材の一方側に接着層を設けた請求項１乃至４の何れか一項に記載の応力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
応力に起因する物体の表面の膨張や伸縮のモニタリングの需要は多岐にわたる。例えば、建設中のトンネル等のインフラにおいて、施行中に事故が起きる場合がある。このような事故において、計算で事前予測ができなかった想定外の応力による物体の表面の膨張や伸縮も、事故原因の１つとなり得る。
【０００３】
従って、施行中のトンネル等における応力のモニタリングは重要であり、応力をモニタリングする様々な技術が提案されている。
【０００４】
一例として、収容部内に刺激（圧力、熱、紫外線）によって物理的性質が変化する流体を封入し、信号源から流体に光信号や電気信号を供給したときの流体の光学的変化（光透過率や色彩等）又は電気的変化（静電容量等）を検出部によって検出する技術が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６６８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の技術は、収容部、信号源、検出部等を有するものであり、大掛かりな敷設が必要になるおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、大掛かりな敷設が不要な応力センサ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】
【０００８】
本応力センサは、発生した応力を光の波長変化に変換する応力センサであって、可撓性を有する基材と、前記基材に添加された、所定波長の光を励起光として可視光波長域の光を発する蛍光体と、を有し、前記蛍光体は、前記基材が伸縮していない状態で濃度消光が起きる密度で前記基材に添加されている。
【発明の効果】
【０００９】
開示の技術によれば、大掛かりな敷設が不要な応力センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る応力センサを例示する模式図である。
【図２】第１実施形態に係る応力センサが伸びた状態を例示する模式図である。
【図３】第１実施形態に係る応力センサが縮んだ状態を例示する模式図である。
【図４】第２実施形態に係る応力センサを例示する模式図である。
【図５】第２実施形態に係る応力センサが縮んだ状態を例示する模式図である。
【図６】第２実施形態に係る応力センサが伸びた状態を例示する模式図である。
【図７】第３実施形態に係る応力センサを例示する模式図である。
【図８】応力センサの変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１２】
〈第１実施形態〉
図１は、第１実施形態に係る応力センサを例示する模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。
【００１３】
図１に示すように、応力センサ１０は、可撓性を有するフィルム状の基材１１と、基材１１に添加された単一種類の蛍光体１２とを有しており、検知対象物に貼り付けて使用することができる。なお、図１では蛍光体１２が添加された様子を模式的に示しているが、実際にはＸＹ方向及びＺ方向に多数の蛍光体１２がランダムに添加される。
【００１４】
応力センサ１０は、発生した応力を光の波長変化に変換する（応力を可視化する）センサである。具体的には、応力センサ１０は、応力センサ１０を貼り付けた検知対象物に応力がかかり、検知対象物の表面が伸びたときに、検知対象物の表面の伸びを色の変化として視認させることができる。なお、図１は、応力センサ１０に応力がかかっていない状態（すなわち、基材１１が伸縮していない状態）を示している。
【００１５】
基材１１の材料としては、可撓性及びフィルム厚で透明性を有する材料であれば特に限定されないが、高弾性限界のポリマーやエラストマー等を用いることが好ましい。基材１１の材料として、高弾性限界のポリマーやエラストマー等を用いることで、蛍光体１２の距離に依存した発光挙動の変化を顕著に発現させることができる。
【００１６】
基材１１の材料として用いることができるポリマーとしては、例えば、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。基材１１の材料として用いることができるエラストマーとしては、例えば、ポリジメチルシロキサン、水添スチレン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系ブロック共重合体、ポリウレタン系ブロック共重合体、ポリ塩化ビニル系ブロック共重合体、ポリメタクリル酸メチル系ブロック共重合体等が挙げられる。基材１１の厚さは、検知性能とダイナミックレンジとの兼ね合いにより適宜決定することができる。
【００１７】
蛍光体１２としては、所定波長の光を励起光として可視光波長域の光を発する単一種類の蛍光体であれば特に限定されないが、量子発光効率が高く、耐熱性が高く、経年退色しにくく、母材への相溶性が高い色素を用いることが好ましい。
【００１８】
具体的には、蛍光体１２として、例えば、シアニン誘導体、フタロシアニン誘導体、ローダミン誘導体、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、フルオレセイン誘導体、ピラン誘導体、半導体ドット蛍光体、希土類蛍光体等を用いることができる。
【００１９】
ここで、半導体ドット蛍光体とは、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＩｎＰ、ＣｕＩｎＳ／ＺｎＳ等を原料とする直径が数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の粒子である。又、希土類蛍光体とは、一般的に白色ＬＥＤに使用されるＥｕ２＋、Ｃｅ３＋、Ｍｇ４＋等の発光イオンを有する蛍光体である。
【００２０】
蛍光体１２は、基材１１が伸縮していない状態で濃度消光が起きる密度で基材１１に添加されている。つまり、蛍光体１２は、応力センサ１０に応力がかかっていないときは消光状態である。なお、濃度消光とは、蛍光材料の濃度を高くした場合に、蛍光の強度が低下して消光する現象である。
【００２１】
図２は、第１実施形態に係る応力センサが伸びた状態を例示する模式図であり、図１（ａ）に対応する平面を示している。図２は、応力センサ１０を検知対象物に貼り付けた状態で、検知対象物に矢印方向の応力がかかり、応力センサ１０のＸ方向の中央部近傍が伸びた状態である。
【００２２】
図２において、応力センサ１０の伸びた部分では、基材１１内の蛍光体１２の密度が低下するため、所定の伸び量に達すると濃度消光が解消し、蛍光体１２が発光する。
【００２３】
これにより、応力センサ１０の色味が変化するため、検知対象物の表面に応力がかかったことを目視により検知できる。このとき、予め、応力センサ１０の色味が変化し始める応力を調べておくことで、現在の応力の値を推定できる。
【００２４】
又、検知対象物の表面の伸び（検知対象物にかかる応力）と蛍光体１２の発光強度及び／又は応力センサ１０の色味の変化との関係を予め定量化しておけば、蛍光体１２の発光強度及び／又は応力センサ１０の色味の変化により、検知対象物の表面の伸びの程度を目視により推定できる。
【００２５】
なお、応力センサ１０を用いた応力の検知には、白色環境光（例えば、太陽光）が必要である。これは，応力センサ１０の蛍光体１２を不足なく励起させるためである。
【００２６】
図３は、第１実施形態に係る応力センサが縮んだ状態を例示する模式図であり、図１（ａ）に対応する平面を示している。図３は、応力センサ１０を検知対象物に貼り付けた状態で、検知対象物に矢印方向の応力がかかり、応力センサ１０のＸ方向の中央部近傍が縮んだ状態である。
【００２７】
図３において、応力センサ１０の縮んだ部分では、基材１１内の蛍光体１２の密度が増加するが、元々（図１の状態）が濃度消光状態であるから、蛍光体１２は引き続き消光状態である。つまり、応力センサ１０は、検知対象物の表面の伸びは検知できるが、検知対象物の表面の縮みは検知できない。
【００２８】
このように、応力センサ１０は、可撓性を有する基材１１と、基材１１に添加された、所定波長の光を励起光として可視光波長域の光を発する蛍光体１２とを有する。そして、蛍光体１２は、基材１１が伸縮していない状態で濃度消光が起きる密度で基材１１に添加されている。
【００２９】
これにより、応力センサ１０を検知対象物に貼り付けた状態で検知対象物に応力がかかって検知対象物が伸びた場合に、濃度消光が解消して蛍光体１２が発光し応力センサ１０の色味が変化する。その結果、検知対象物に応力がかかって検知対象物の表面が伸びたことを目視により検知できる。
【００３０】
〈第２実施形態〉
第２実施形態では、検知対象物の表面の縮みを検出する応力センサの例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００３１】
図４は、第２実施形態に係る応力センサを例示する模式図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は断面図である。
【００３２】
図４に示すように、応力センサ２０は、可撓性を有するフィルム状の基材２１と、基材２１に添加された２種類の蛍光体２２及び２３とを有しており、検知対象物に貼り付けて使用することができる。なお、図４では蛍光体２２及び２３が添加された様子を模式的に示しているが、実際にはＸＹ方向及びＺ方向に多数の蛍光体２２及び２３がランダムに添加される。
【００３３】
応力センサ２０は、発生した応力を光の波長変化に変換する（応力を可視化する）センサである。具体的には、応力センサ２０は、応力センサ２０を貼り付けた検知対象物に応力がかかり、検知対象物の表面が縮んだときに、検知対象物の表面の縮みを色の変化として視認させることができる。なお、図４は、応力センサ２０に応力がかかっていない状態（すなわち、基材２１が伸縮していない状態）を示している。
【００３４】
基材２１の材料としては、可撓性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、基材１１と同様の材料を用いることができる。基材２１の厚さは、検知性能とダイナミックレンジとの兼ね合いにより適宜決定することができる。
【００３５】
蛍光体２２及び２３は、蛍光共鳴エネルギー移動のドナーとアクセプターの関係にある色素である。ここでは、蛍光体２２をドナー、蛍光体２３をアクセプターとする。
【００３６】
すなわち、ドナーである蛍光体２２は、所定波長の光を励起光として可視光波長域にある第１波長の光を発する。又、アクセプターである蛍光体２３は、蛍光体２２の発する第１波長の光を励起光として可視光波長域にある第２波長の光を発する。
【００３７】
色の変化の視認性を考慮すると、蛍光体２２の発する第１波長の光と蛍光体２３の発する第２波長の光は、互いに補色関係にあることが好ましい。例えば、所定波長の光は青色光、第１波長の光は緑色光、第２波長の光は赤色光である。
【００３８】
なお、蛍光共鳴エネルギー移動とは、近接する２つの蛍光体において、励起された一方の蛍光体（ドナー）から他方の蛍光体（アクセプター）へ励起エネルギーが共鳴により移動する現象である。蛍光共鳴エネルギー移動により、ドナーである蛍光体２２が消光すると共に、アクセプターである蛍光体２３の発光強度が大きくなる。
【００３９】
蛍光体２２及び２３としては、可視光波長域の光を発する蛍光体であれば特に限定されないが、蛍光体１２と同様に、量子発光効率が高く、耐熱性が高く、経年退色しにくく、母材への相溶性が高い色素を用いることが好ましい。
【００４０】
具体的には、蛍光体２２及び２３としては、例えば、シアニン誘導体、フタロシアニン誘導体、ローダミン誘導体、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、フルオレセイン誘導体、ピラン誘導体、半導体ドット蛍光体、希土類蛍光体等の中から選択したペアを用いることができる。蛍光体２２及び２３のペアの一例を表１に示す。
【００４１】
【表１】
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蛍光体２２及び２３の各々は、基材２１が伸縮していない状態で蛍光共鳴エネルギー移動が起きない密度で基材２１に添加されている。つまり、応力センサ２０に応力がかかっていないときは、蛍光体２２と蛍光体２３とが互いに十分な距離を保ち、蛍光体２２及び２３の各々が発光している。
【００４２】
従って、応力センサ２０に応力がかかっていないときは、外部からは、蛍光体２２と蛍光体２３の混色として視認される。例えば、蛍光体２２が緑色に発光し、蛍光体２３が赤色に発光すれば、応力センサ２０は外部から緑色と赤色との混色である黄色として視認される。
【００４３】
図５は、第２実施形態に係る応力センサが縮んだ状態を例示する模式図であり、図４（ａ）に対応する平面を示している。図５は、応力センサ２０を検知対象物に貼り付けた状態で、検知対象物に矢印方向の応力がかかり、応力センサ２０のＸ方向の中央部近傍が縮んだ状態である。
【００４４】
図５において、応力センサ２０の縮んだ部分では、蛍光体２２と蛍光体２３との距離が短くなり、蛍光共鳴エネルギー移動が起き、ドナーである蛍光体２２が消光すると共に、アクセプターである蛍光体２３の発光強度が大きくなる。
【００４５】
これにより、応力センサ２０の色味が変化するため（例えば、緑色と赤色との混色である黄色から赤色に変化する）、検知対象物の表面に応力がかかったことを目視により検知できる。このとき、予め、応力センサ２０の色味が変化し始める応力を調べておくことで、現在の応力の値を推定できる。
【００４６】
又、検知対象物の表面の縮み（検知対象物にかかる応力）と応力センサ２０の色味の変化との関係を予め定量化しておけば、応力センサ２０の色味の変化度合いにより、検知対象物の表面の縮みの程度を目視により推定できる。
【００４７】
なお、応力センサ２０を用いた応力の検知には、白色環境光（例えば、太陽光）が必要である。これは，応力センサ２０の蛍光体２２及び２３を不足なく励起させるためである。
【００４８】
図６は、第２実施形態に係る応力センサが伸びた状態を例示する模式図であり、図４（ａ）に対応する平面を示している。図６は、応力センサ２０を検知対象物に貼り付けた状態で、検知対象物に矢印方向の応力がかかり、応力センサ２０のＸ方向の中央部近傍が伸びた状態である。
【００４９】
図６において、応力センサ２０の伸びた部分では、基材２１内の蛍光体２２及び２３の密度が低下するが、蛍光共鳴エネルギー移動が起きない状態が保たれるため、応力センサ２０の色味は図４の状態と殆ど変わらない。
【００５０】
つまり、応力センサ２０は、検知対象物の表面の縮みは検知できるが、検知対象物の表面の伸びは検知できない。
【００５１】
このように、応力センサ２０は、可撓性を有する基材２１と、基材２１に添加された、所定波長の光を励起光として可視光波長域にある第１波長の光を発する蛍光体２２と、基材２１に添加された、第１波長の光を励起光として可視光波長域にある第２波長の光を発する蛍光体２３とを有する。そして、蛍光体２２及び蛍光体２３は、基材２１が伸縮していない状態で蛍光共鳴エネルギー移動が起きない密度で基材２１に添加されている。
【００５２】
これにより、応力センサ２０を検知対象物に貼り付けた状態で検知対象物に応力がかかって検知対象物が縮んだ場合に、蛍光共鳴エネルギー移動が起き、ドナーである蛍光体２２が消光すると共に、アクセプターである蛍光体２３の発光強度が大きくなる。その結果、検知対象物に応力がかかって検知対象物の表面が縮んだことを目視により検知できる。
【００５３】
〈第３実施形態〉
第３実施形態では、検知対象物の表面の伸び及び縮みを検出する応力センサの例を示す。なお、第３実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００５４】
図７は、第３実施形態に係る応力センサを例示する模式図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は断面図である。
【００５５】
図７に示すように、応力センサ３０は、応力センサ１０上に応力センサ２０が積層された積層型の応力センサである。応力センサ３０において、下層である応力センサ１０側が検知対象物に貼り付けられる側である。
【００５６】
なお、応力センサ１０を下層とする理由は、応力センサ１０を上層とした場合、応力センサ１０が濃度消光を起こしている状態では、下層である応力センサ２０の色を視認し難いからである。
【００５７】
前述のように、応力センサ１０は検知対象物の伸びを検知することができ、応力センサ２０は検知対象物の縮みを検知することができる。応力センサ１０が伸びを検知したときの発光波長の変化と、応力センサ２０が縮みを検知したときの発光波長の変化とは互いに独立して生じる。そのため、応力センサ１０上に応力センサ２０を積層した応力センサ３０では、検知対象物の同一箇所の伸びと縮みを同時にモニタリングすることができる。
【００５８】
なお、応力センサ３０において、応力センサ１０に添加された蛍光体１２と応力センサ２０に添加された蛍光体２３は、それぞれ異なる可視光波長域の光を発することが好ましい。このようにすることで、応力センサ３０において、検知対象物の伸縮を目視で判別しやすくなる。
【００５９】
〈第１〜第３実施形態の変形例〉
第１〜第３実施形態の変形例では、応力センサが接着層を有する例を示す。なお、第１〜第３実施形態の変形例において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００６０】
図８は、応力センサの変形例を示す断面図である。図８（ａ）に示す応力センサ１０Ａのように、基材１１の一方側に接着層１３を設けてもよい。或いは、図８（ｂ）に示す応力センサ２０Ａのように、基材２１の一方側に接着層１３を設けてもよい。或いは、図８（ｃ）に示す応力センサ３０Ａのように、応力センサ１０Ａ上に応力センサ２０が積層された積層型の応力センサとしてもよい。
【００６１】
図８（ａ）〜図８（ｃ）の何れの場合も、接着層１３を介して応力センサ１０Ａ、２０Ａ、又は３０Ａを検知対象物に容易に貼り付けることができる。接着層１３の材料や厚さは、検知対象物との接着性やコスト等を考慮して適宜決定することができる。
【００６２】
以上のように、応力センサ１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、３０、及び３０Ａは、検知対象物に貼り付けるだけで応力を目視で検知することが可能である。そのため、応力センサ１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、３０、及び３０Ａは、安価で、応力の検知が容易で、電力が不要で、かつ大掛かりな敷設が不要である。
【００６３】
そのため、例えば、ビルやインフラの建設現場等の、想定外の応力が事故リスクとなりやすいにも関わらず、表面塗装時や完成後の撤去が面倒なため、大掛かりで高コストなセンサの敷設が好まれないシーンでの応力監視に有効である。
【００６４】
応力センサ１０、１０Ａ、３０、及び３０Ａの他の用途としては、例えば、軽量素材で作製されたボンベ（例えば、水素用ボンベ）の膨張の検知が挙げられる。この際、応力センサ１０、１０Ａ、３０、又は３０Ａをボンベの膨張を検知したい箇所に貼り付けることで、ボンベの局所的な膨張を検知できる。又、検知対象物であるボンベの状態（膨張の有無）を可視化できるため、観察者に危険な状態を容易に知らせることできる。又、検知対象物であるボンベの状態（膨張の有無）を可視化できるため、観察者に内容物の残量を容易に推測させることができる。
【００６５】
以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００６６】
例えば、上記の第１〜第３実施形態及び変形例では、応力センサ１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、３０、及び３０Ａがフィルム状である場合の例を示したが、これには限定されない。応力センサ１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、３０、及び３０Ａは、例えば、細長く加工して帯状としてもよい。この場合、応力センサ１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、３０、及び３０Ａを形成する材料を削減できる点で好適である。
【符号の説明】
【００６７】
１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、３０、３０Ａ  応力センサ
１１、２１  基材
１２、２２、２３  蛍光体
１３  接着層
【図１】
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【図２】
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【図３】
2020094942.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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