(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料自体が圧縮、引張り及びねじりの応力に直線的に比例する発光強度で発光し応力の変化に応じて発光強度が変化する応力発光材料を含む被験体に応力を加え、
該被験体に応力発光材料の発光スペクトルのピーク値とは異なる波長の照明を行いながら、該被験体における応力発光材料の発光強度を、分光器を通して得られる発光スペクトルのピーク値により検出し、
検出した被験体における応力発光材料の発光強度に基づいて該被験体における圧縮、引張り及びねじりの応力分布を可視化することを特徴とする応力発光材料を用いた応力分布の測定方法。
【請求項２】
材料自体が圧縮、引張り及びねじりの応力に直線的に比例する発光強度で発光し応力の変化に応じて発光強度が変化する応力発光材料を含む被験体に応力を加え、
該被験体に応力発光材料の発光スペクトルのピーク値とは異なる波長の照明を行いながら、該被験体における応力発光材料の発光強度を、分光器を通して得られる発光スペクトルのピーク値により検出し、
検出した被験体における応力発光材料の発光強度の測定値と、その応力発光材料の発光強度と応力との相関データとを比較することにより、該被験体における応力または応力分布を求めることを特徴とする応力発光材料を用いた応力または応力分布の測定方法。
【請求項３】
前記被験体を、前記応力発光材料の粉末を透明樹脂に混合して作成したバルク体、または前記応力発光材料の粉末を透明樹脂と混合して計測対象物の表面に被着した膜、あるいは前記応力発光材料の粉末を有機バインダーと混合して測定対象物に塗着した塗膜により形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の応力発光材料を用いた応力または応力分布の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被験体等の測定対象物に掛かる応力値、応力分布、応力画像をコードレスで簡単に測定またはモニタリングすることのできる、応力または応力分布の測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体の各部分に生ずる応力の大きさを測定することは、機械や構造物の設計分野をはじめ、生活の各分野においてきわめて重要である。
従って、応力分布を測定するために種々の手法が既に開発されている。その主な手法として、従来、歪ゲージを測定対象に貼りつけて応力測定を行う方法が一般的であるが、この方法では、歪ゲージを取りつけた箇所のデータしか得ることができず、応力分布を求めるためには多数の測定点に歪ゲージを貼付する必要がある。また、この方法では多数の歪ゲージを張り付ける作業に手間が掛かり、張り付けたゲージの大きさの関係で小さな被験体では取り付けが困難であり、微細領域での応力分布の測定ができないなどの欠点があった。
さらに、応力分布を測定するために、多数の歪ゲージを張り付けても、個々の測定点の歪値しか得ることはできない。
【０００３】
一方、個々の測定点ではなく、連続面の応力分布測定を可能にするために、物体からの赤外線を検出して応力分布を測定する赤外線応力画像方法が開発されている。
ところが、この赤外線応力画像手法では、計測対象物に解析専用の周期的な応力を加えると共に、カメラに応力の同期信号を印加する必要があり、実際の稼働時の応力測定や、リアルタイムでの応力測定はできない。
これらの他には、光学的測定が容易な透明な樹脂で、実体に近い模型を作り、この模型に荷重を加えて応力分布を測定する光弾性法などの方法があるが、何れも簡単に被験体の実際の使用状態下での応力分布を測定することはできない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、材料自体が応力により発光する応力発光粉末を透明光学樹脂に混合して作成したバルク体、あるいはそれを計測対象物に塗布して膜を形成し、それらを被験体として種々の荷重を印加したところ、応力の集中する部分では発光強度が高く、応力に比例して発光強度が増大することにより、その応力分布を可視化できることを見いだした。更に、種々条件を変えて実験を繰り返し、検討を重ねた結果、発光強度と応力の間には相関があることが判明した。
被験体は、応力発光材料の粉末を透明樹脂に混合して作成したバルク体、または前記応力発光材料の粉末を透明樹脂と混合して計測対象物の表面に被着した膜により形成しているが、前記相関は、バルク体により被験体を作成した場合と、被着膜により被験体を形成した場合とで同様な結果が得られた。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、従って、本発明が解決しようとする課題は、従来の応力測定方法の欠点を解決し、応力発光材料を利用することによって、コードレスで、リアルタイムに直接応力分布を観察できると共に、簡単に応力あるいは応力分布、応力画像を測定できる新規な測定方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の応力発光材料を用いた応力分布の測定方法は、材料自体が圧縮、引張り及びねじりの応力に直線的に比例する発光強度で発光し応力の変化に応じて発光強度が変化する応力発光材料を含む被験体に応力を加え、該被験体に応力発光材料の発光スペクトルのピーク値とは異なる波長の照明を行いながら、該被験体における応力発光材料の発光強度を、分光器を通して得られる発光スペクトルのピーク値により検出し、検出した被験体における応力発光材料の発光強度に基づいて該被験体における圧縮、引張り及びねじりの応力分布を可視化することを特徴とするものである。
また、本発明の応力発光材料を用いた応力または応力分布の測定方法は、材料自体が圧縮、引張り及びねじりの応力に直線的に比例する発光強度で発光し応力の変化に応じて発光強度が変化する応力発光材料を含む被験体に応力を加え、該被験体に応力発光材料の発光スペクトルのピーク値とは異なる波長の照明を行いながら、該被験体における応力発光材料の発光強度を、分光器を通して得られる発光スペクトルのピーク値により検出し、検出した被験体における応力発光材料の発光強度の測定値と、その応力発光材料の発光強度と応力との相関データとを比較することにより、該被験体における応力または応力分布を求めることを特徴とするものである。
本発明の測定方法において用いられる被験体は、前記応力発光材料の粉末を透明樹脂に混合して作成したバルク体、または前記応力発光材料の粉末を透明樹脂と混合して計測対象物の表面に被着した膜、あるいは前記応力発光材料の粉末を有機バインダーと混合して測定対象物に塗着した塗膜により形成するのが適切である。
【０００８】
【作用】
上記測定方法によれば、応力発光材料を含む被験体の発光強度が、圧縮応力、引張応力、せん断応力（ねじり応力）等の増大に比例して強くなることから、該被験体における応力発光材料の発光強度に基づいて該被験体における応力分布を可視化することができる。
また、この発光強度と応力との相関データを実験等によりあらかじめ求めておき、次に、被験体に応力を加え該被験体の特定点の発光強度を測定し、該測定値と、前記応力発光材料の発光強度と応力との相関データとを比較すれば、測定された発光強度に対応する応力がわかるから、被験体の特定点に掛かっている応力を知ることができる。
そして、測定点を移動させて被験体の異なった位置の応力値を求めれば、被験体の応力分布を定量的に知ることができる。
【０００９】
被検体の応力または応力分布の測定は、被験体における発光強度を検出する光検出器と、該光検出器により検出された検出値と前記応力発光材料の発光強度と応力との相関データとを比較して前記被験体の応力を演算する演算手段と、前記演算手段により演算された前記被験体の応力を表示する表示装置とを有する測定システムにより行うことができ、これにより被検体の応力または応力分布を効率的且つ正確に測定して記録することができる。
また、前記被験体における応力発光材料の発光強度の測定を、分光器により前記応力発光材料の発光スペクトルのピーク値のみの検出により行ったり、前記被験体に前記ピーク値と異なる波長の照明を施しながら行うと、周囲の光の影響を除外することができ、測定精度を上げることができる。
さらに、被験体の各点は応力に応じて発光強度が変化するので、面として発光画像を取れば、２次元的な応力分布やその時間的変化がわかる応力画像を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の原理を示すための応力と発光強度の相関を説明するためのものである。本発明者らが、後述の応力発光材料を含む被験体に圧縮、引張り及びねじりの応力を加え、該被験体における応力発光材料の発光強度と応力との相関を実験したところ、発光強度は、図１の（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧縮応力、引張応力、せん断応力（トルク）の増大に直線的に比例して強くなることが確認されている。
被験体は、応力発光材料の粉末を透明樹脂に混合して作成したバルク体、または前記応力発光材料の粉末を透明樹脂と混合して計測対象物の表面に被着した膜により形成しているが、前記相関は、バルク体により被験体を作成した場合と、被着膜により被験体を形成した場合とで同様な結果が得られている。
したがって、材料自体が圧縮、引張り及びねじりの応力に直線的に比例する発光強度で発光する応力発光材料を含む被験体に応力を加えると、応力の大きい箇所は強く発光し応力の小さい箇所は弱く発光するので、該被験体における応力発光材料の発光強度に基づいて該被験体における応力分布を可視化することができる。
【００１１】
また、図１の（ａ）〜（ｃ）に示すような、発光強度と、圧縮応力、引張応力、せん断応力（トルク）との相関データを実験等によりあらかじめ求めておき、次に、測定対象物としての被験体に応力を加え、該被験体の特定点の発光強度を測定し、該測定値と、前記応力発光材料の発光強度と応力との相関データとを比較すれば、測定された発光強度に対応する応力がわかるから、被験体の特定点に掛かっている応力を知ることができる。
そして、測定点を移動させて被験体の異なった部位の応力値を求めれば、被験体の応力分布を定量的に知ることができる。
被験体をバルク体により作成した場合は、設計などのための模型の３次元応力解析に非常に有用であり、被験体を被着膜により形成した場合は、実物（計測対象物自体）の応力分布測定に非常に有利である。
【００１２】
図２に、この考えに基づく本発明の測定システムの一実施例の構成を示している。
この実施例では、被験体に、圧縮、引張り、ねじり、曲げ、衝撃、摩擦力等の荷重をかけた場合の被験体の特定点の発光強度が、光検出器により検出される。検出された発光強度は、モニターにより観察できると共に、該発光強度の測定値と、コンピュータのメモリーに記憶されている応力発光材料の発光強度と応力との相関データとを、コンピュータの演算装置において比較・演算し、該演算装置により演算された応力値の信号を表示装置に出力させ、被験体の特定点の応力値として表示させることができる。測定点を移動させれば、表示装置に被験体の応力分布を表示させることができる。
光検出器と被験体の間には光ファイバーが設けられているが、該光ファイバーの代わりに、光学レンズ等を用いてもよい。
図２に示す実施例では、発光強度の測定値をコンピュータの演算装置により応力値に変換しているが、本発明の測定方法は必ずしもそのような変換をするものに限定されるわけではない。
【００１３】
また、被験体の各点は応力に応じて発光強度が変化するので、面として発光画像を取れば、２次元的な応力分布や時間的に変化する応力画像が得られる。
図３は、この考えに基づく本発明の一実施例の構成を示しており、光検出器の代わりにビデオカメラを使用している。
また、図４の実施例に示すように、光検出器の前に、分光器やフィルターを設けることができる。
分光器によって、発光スペクトルのピーク値のみ検出すると、発光中心波長での発光強度が得られるが、この強度と応力との相関は図１と同様で、応力の増大に伴って発光ピーク値が直線的に高くなることが実験によりわかっている。
この関係から、応力発光材料の発光スペクトルのみを検出することにより、被験体の応力または応力分布を測定できる。
このようにして、周囲の光の影響を除外すると、測定精度を上げることができる。
【００１４】
応力を精度良く測定するためには、環境からの光の干渉を極力低減し、応力に比例しない光を除外する必要がある。
このためには、周囲の照明として応力発光と明確に異なった波長の照明光を使用することが有利であり、例えば、図２及び図４に示すように、被験体の照明手段として、応力発光材料の発光スペクトルのピーク値と異なる波長の光で照明することができる波長選択照明手段を用いると良い。
発光材料として欠陥制御型ＳＡＯ−Ｅを使用する場合、応力発光は５２０ｎｍ中心の緑発光になっているから、波長選択照明手段による照明は６００ｎｍ以上の赤いランプを使用すると良い。
上述した実施例では、応力を表す信号をデジタル信号に変換して記憶するようにしているが、これは一般なデジタルカメラ、ＣＣＤカメラなどのデジタルメディアはもちろん、フィルム、写真、ビデオなどのアナログ的な画像記憶手段でも良い。
【００１５】
【実施例】
以下に、上記の測定システムを利用した実施例について、典型的なものを説明する。
［実施例１］
図２に示す測定システムを用い、前記バルク体を被験体とした局部応力解析の実施例
まず、被験体は下記のように作製した。欠陥制御型ＳＡＯ−Ｅ応力発光材料は炭酸ストロンチウムとアルミナとをＳｒ０．９８５  Ａｌ２Ｏ４：Ｅｕ０．０１の組成になるように秤量し、混合した後、まず空気中において８００℃で６０分間焼成し、次に還元雰囲気（５％Ｈ２  ／Ａｒ）中において１３００℃で４時間焼成し、この材料を粉砕し、応力発光体の粉末材料を作製した。
このようにして得た粉末を光学樹脂（ストリアス社製）と重量比で５０ｗｔ％で混合し、表１に示す形状の被験体Ｓ１〜Ｓ６を成形した。
【００１６】
【表１】
被験体の形状
Ｓ１：正方体  ２０×２０×２０ｍｍ
Ｓ２：長方体  Ｗ５０×Ｌ１００×ｔ１０ｍｍ
Ｓ３：円柱体  直径φ１０×長さ２５０ｍｍ
Ｓ４：長方体  Ｗ３０×Ｌ５５×ｔ１３ｍｍ
Ｓ５：ペレット  直径２０×厚さ２５ｍｍ
Ｓ６：中心に直径２５ｍｍの円孔を有する長方形板（Ｗ５０×Ｌ１００×ｔ１０ｍｍ）
【００１７】
上記の被験体に材料試験器を用いて、圧縮、引張り、曲げ、ねじり、衝撃などの試験を行った。
図５に被験体Ｓ１の圧縮応力と発光強度の相関を示す。荷重をさらに増大すると、被験体を構成する樹脂が塑性変形を起こし応力が増大しないため、発光強度が飽和する。応力の検知範囲は、被験体の機械強度に依存し、機械強度の高い被験体の場合、広い応力範囲において発光強度は応力に比例する。さらに応力の検出感度も被験体に依存するが、硬度の高い被験体ほど検出感度が高いことが分かっている。
応力を加えたときの光信号から応力を加えていないときのバック信号を差し引けば、図６に示すように、一定範囲内において発光強度が応力に比例して直線的に増大する領域を有することが分かる。この場合、応力の検知感度は０．１ＭＰａ、このときの応力発光材料の歪み感度は３×１０−７程度であり、非常に高い応力検知感度を有することが分かった。
【００１８】
応力発光体の発光強度は応力の変化速度にも依存する。変化速度が速いほど発光強度が強くなることがわかった。
したがって、応力分布の相対値には応力の変化速度の影響を受けないが、実際の応力値に変換するためには、圧電体などの加速度センサにより応力の変化速度の補償をする必要がある。
引張りについては、図７に被験体Ｓ２の試験結果を示すように、引張り応力の増大と共に発光強度が増大し、応力発光により引張り応力を高感度で検知することができた。
ねじりについては、図８に被験体Ｓ３の試験結果を示すように、トルクの増大と共に発光強度が増大し、応力発光によりせん断応力を高感度で検知することができた。従来、赤外線カメラによる応力画像では測定できなかったねじり問題は本発明の方法により簡単に測定できることが分かった。
【００１９】
［実施例２］
図３に示す測定システムを用いた応力画像解析の実施例
被験体Ｓ４の曲げ試験を行い、リアルタイムで応力画像を測定した結果、応力発光材料を利用することによって、動的な応力分布をリアルタイムでモニターできることがわかった。
このことから、本発明の測定方法は、従来の方法と比べて非常に簡単に連続的な応力画像が取れると共に、高感度であることがわかった。
図９と図１０に、それぞれ被験体Ｓ５、Ｓ６の圧縮および引張りの応力分布画像の解析例を示す。
応力発光画像から求めた応力分布は、有限要素法、または歪みゲージ法で解析した結果とよく一致しており、このことから、本発明の方法を用いれば応力分布画像を簡単にモニターできることがわかった。
種々の重量比の応力発光体と光学樹脂で、被験体Ｓ１〜Ｓ６と同様のものを作製し、検討したところ、発光強度による応力の解析は１０〜９０ｗｔ％の広い混合範囲において、応力発光強度より解析できることがわかった。
上記の被験体は、応力発光体粉末と光学樹脂との混合により構成したが、光学樹脂のほか、アルミナ、シリカなど種々の無機物質およびプラスチック、樹脂、ゴムなどの種々の有機物質との複合体でも同様な結果が得られ、その混合比は０．１ｗｔ％の応力発光体でも有効である。
【００２０】
［実施例３］
応力発光体膜を被着した計測対象物の応力解析の実施例
応力発光材料ＳＡＯ−Ｅ粉末を９０ｗｔ％の重量比で透明樹脂と混合して構成したペーストを、計測対象物の表面に厚さ０．３ｍｍに塗布して、室温〜８０℃で硬化した後に測定を行ったところ、前記バルク体の場合と類似した結果が得られた。
また、バルク体の場合と同様に、応力分布画像が得られることがわかった。
図４に示すようなシステムを利用して、このときの発光スペクトルも同時に測定できると共に、被験体の照明に発光スペクトルのピーク値と異なった波長の照明を利用でき、発光スペクトルの中心波長は５２０ｎｍ（図１１参照）で、そのピーク値は応力の増大に比例して増大することがわかった。
製膜方法としては、上記の応力発光材料含有樹脂の塗布法以外に、熱塗布法、スプレー法などの塗布法が有効である。また、有機バインダーと界面活性剤で分散した応力発光材料を直接塗布し、あるいは、それをシート（フィルム）状に成形し、このフィルムを被験体に接着して応力分布を測定するのも便利であることを確かめている。
更に、上記塗布法以外に、物理製膜法を用いることができる。具体的には、例えば、イオンプレーティング、スパッタリング、イオンミキシング、蒸着法などが有利である。
対象物の応力を高感度に検知するためには、塗布する応力発光材料あるいは応力発光膜、応力発光塗膜の弾性係数を最適化する必要がある。一般的には、対象物と同程度の弾性係数を有する応力発光材料、あるいは応力発光膜、応力発光塗膜を形成する材料を選択するのが有利である。なお、応力発光膜、あるいは応力発光塗膜の弾性係数は、塗布方法や使用する樹脂、有機バインダーなどを選択することにより制御することができる。
【００２１】
図１２，１３に、石英ガラスの上に応力発光膜としてＺｎＳ：Ｍｎをイオンプレーティング法で製膜して、摩擦荷重による応力発光画像を解析した例と衝撃荷重による応力発光画像を解析した例を示す。
これらの図には、摩擦と機械衝撃とに対する応力画像からの応力発光スペクトル、および中心波長ピークの荷重依存性が示されている。
他の種々の応力に対しても、バルク体の場合と同様に応力の検知ができると共に、応力画像が得られた。
以上のように、応力発光材料を種々の方法により被験体の表面に塗布し、この応力発光膜の発光強度を測定することにより、バルク体の場合と同様に、被験体の応力解析、応力分布、応力画像を得ることができた。
【００２２】
また、前記ＳＡＯ−Ｅ以外に、応力発光材料系、ＺｎＳ：Ｃｕ，ＺｎＳ：Ｍｎ，スピネル構造、ＭＡｌ２  Ｏ４  ：Ｎ（但し、Ｍ＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ；Ｎ＝Ｅｕ，Ｃｅ，Ｔｂ，Ｓｍ，Ｃｕ，Ｍｎ），Ｍ３  Ａｌ２  Ｏ６  ：Ｎ，ＭＡｌ１２Ｏ１９：Ｎ，メリライト系構造酸化物、Ｃａ２  Ａｌ２  ＳｉＯ７  ：Ｎ，ＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｎ，Ｍ３  ＭｇＳｉ２  Ｏ８  ：Ｎ（ここで、Ｍ＝Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ；Ｎ＝Ｅｕ，Ｃｅ，Ｓｍ，Ｃｕ，Ｍｎ）などについても類似な結果が得られた。
【００２３】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、応力発光材料を利用することによって、コードレスで、リアルタイムに直接応力分布を観察できると共に、簡単に応力あるいは応力分布、応力画像を測定できる新規な測定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ圧縮荷重、引張り荷重およびトルクの場合の応力と発光強度の相関を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施例の局部応力観察及び解析システムの構成を示すブロック構成図である。
【図３】同じく２次元応力画像観察及び解析システムの構成を示すブロック構成図である。
【図４】同じく別の２次元応力画像観察及び解析システムの構成を示すブロック構成図である。
【図５】応力発光材料の発光強度の荷重依存性を示す図である。
【図６】応力を加えていないときのバック信号を差し引いた発光強度と応力との相関を示す図である。
【図７】発光強度の圧縮応力、引張応力に対する依存性を比較して示す図である。
【図８】発光強度のせん断応力（トルク）に対する依存性を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、圧縮応力分布画像の解析例を示す図であり、（ａ）は圧縮応力を加えるペレット状の被験体を、（ｂ）はペレットにおける応力の概略を、（ｃ）は応力解析と発光強度との相関を示している。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は引張応力分布画像の解析例を示す図であり、（ａ）は中央に円孔を有する長方形板に引張応力を加えた状態の概略を示し、(ｂ)は応力発光画像による応力解析の結果を示している。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、圧縮荷重による応力発光画像の解析例を示す図であり、（ａ）はペレット状の被験体に圧縮応力を加える状態を示し、（ｂ）は波長と発光強度との相関を、(ｃ)は荷重と発光強度との相関を示している。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、摩擦荷重による応力発光画像の解析例を示す図であり、（ａ）は被験体に摩擦加重を加える状態を示し、（ｂ）は波長と発光強度との相関を、（ｃ）は荷重と発光強度との相関を示している。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、衝撃荷重による応力発光画像を解析した例を示す図であり、（ａ）は被験体に衝撃荷重を加える状態を示し、（ｂ）は衝撃荷重と発光強度との相関を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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