(57)【要約】【課題】部材の疲労を誰もが簡単かつ視覚的に確認することができる疲労検出器および疲労検出方法を提供する。【解決手段】疲労検出器１０は、応力による疲労破壊が問題となる部材９０の疲労を検出するために、部材９０が応力を受けたときにひずみが生じる部分に取り付けられる圧電素子１２と、圧電素子１２に加わった応力により誘起される電気を整流する整流回路１４と、整流回路１４を通して得られる積算電気量をその電気を用いた電気化学反応による模様の変化として視覚的に表示する表示装置１６を具備する。表示装置１６は、電気泳動性を有する色素３２と、色素３２を含浸保持する保持剤３４と、保持剤３４に整流回路１４を通して得られる電気を印加する電極３６ａ，３６ｂと、保持剤３４を収容し、色素３２の電気泳動による移動量を視認するための窓部３８ａを有する容器３８を備える。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
応力による疲労破壊が問題となる部材の疲労を検出するための疲労検出器であって、
前記部材が応力を受けたときに前記部材においてひずみが生じる部分に取り付けられる圧電素子と、
前記部材を介して前記圧電素子に加わった応力により前記圧電素子に誘起される圧電効果によって発生した電気を整流する整流回路と、
前記整流回路を通して得られる積算電気量を、その電気を用いた電気化学反応による色彩または模様の変化として、視覚的に表示する表示装置と、
を具備することを特徴とする疲労検出器。
【請求項２】
前記表示装置は、電気泳動性を有する色素と、当該色素を含浸保持する保持剤と、前記保持剤に前記整流回路を通して得られる電気を印加する電極部と、前記保持剤を収容し、前記色素の電気泳動による移動量を視認するための窓部を有する容器と、を具備することを特徴とする請求項１に記載の疲労検出器。
【請求項３】
前記表示装置は、イオンの金属化または電極材のイオン化のいずれかの反応により色彩が変化する電解液と、前記整流回路を通して得られる電気を前記電解液に印加する電極部と、前記電解液を収容し、前記電解液の色を視認するための窓部を有する容器と、を具備することを特徴とする請求項１に記載の疲労検出器。
【請求項４】
応力による疲労破壊が問題となる部材の疲労を検出するための疲労検出方法であって、
前記部材が応力を受けたときに前記部材においてひずみが生じる部分に圧電素子を取り付け、前記部材を介して前記圧電素子に加わった応力により前記圧電素子に誘起される圧電効果によって発生した電気の積算量をその電気を用いた電気化学反応による色彩または模様の変化として視覚的に表示することによって、前記部材の疲労を検出することを特徴とする疲労検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は部材の疲労検出に関し、特に、繰り返し応力による疲労破壊が問題となる部材の疲労を検出するための疲労検出器および疲労検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築物や車両，遊園地等に設置される乗り物等の構造物に用いられている金属部材や金属部材どうしの溶接部における疲労破壊は、時として人の生命を奪ったり、甚大な災害を発生させたりすることがある。そこで、一般的に、金属部材や金属溶接部が疲労破壊に至るまでの時間（材料寿命）を試験により予め求めておき、その寿命が来る前にその金属部材を交換したり、再溶接したりする等の方法が用いられている。
【０００３】
一方、金属部材の疲労はその金属部材がおかれる環境にも依存するため、一律的に決められた金属部材の寿命にしたがって交換等を行うのではなく、実際に用いられている構造物における金属部材の疲労度を、センサを用いて測定し、その測定値から金属部材の寿命を推定し、破壊に至る前に使用を停止するという方法も知られている。
【０００４】
例えば、金属部材において疲労破壊による破断が問題となる部分にひずみゲージを備えたセンサを取り付け、ひずみゲージからの出力の変化に基づいて破壊時期を予測する方法や、疲労破壊が起こりやすい部分に金属箔を貼り付け、この金属箔に発生する亀裂の進展を定期的に確認することによって疲労の進行を検知する方法が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、このような方法では専門家による観察と判断が必要であるという問題がある。そのため、定期的な点検において、点検作業員が瞬時に適切な判断を下すことができず、結果的に次の点検までの間に、疲労破壊が生じてしまうおそれがある。
【特許文献１】特開平５−２９７１８１号公報（段落［００３１］〜［００３３］、第７図等）
【非特許文献１】“車両、大型構造物など  疲労センサを用いた損傷センシング”、［２００７年４月１３日検索］、インターネット＜URL：http://www.khi.co.jp/khi_r_d/technology.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、部材の疲労を誰もが簡単かつ視覚的に確認することができる疲労検出器および疲労検出方法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】
【０００７】
本発明の第１の観点によれば、応力による疲労破壊が問題となる部材の疲労を検出するための疲労検出器であって、前記部材が応力を受けたときに前記部材においてひずみが生じる部分に取り付けられる圧電素子と、前記部材を介して前記圧電素子に加わった応力により前記圧電素子に誘起される圧電効果によって発生した電気を整流する整流回路と、前記整流回路を通して得られる積算電気量を、その電気を用いた電気化学反応による色彩または模様の変化として、視覚的に表示する表示装置と、を具備することを特徴とする疲労検出器が提供される。
【０００８】
表示装置としては、電気泳動性を有する色素と、この色素を含浸保持する保持剤と、この保持剤に前記整流回路を通して得られる電気を印加する電極部と、前記保持剤を収容し、前記色素の電気泳動による移動量を視認するための窓部を有する容器とを具備する構成のものが好適に用いられる。
【０００９】
また、表示装置として、イオンの金属化または電極のイオン化のいずれかの反応により色彩が変化する電解液と、前記整流回路を通して得られる電気を前記電解液に印加する電極部と、前記電解液を収容し、前記電解液の色を視認するための窓部を有する容器と、を具備する構成のものも好適に用いられる。
【００１０】
本発明の第２の観点によれば、応力による疲労破壊が問題となる部材の疲労を検出するための疲労検出方法であって、前記部材が応力を受けたときに前記部材においてひずみが生じる部分に圧電素子を取り付け、前記部材を介して前記圧電素子に加わった応力により前記圧電素子に誘起される圧電効果によって発生した電気の積算量をその電気を用いた電気化学反応による色彩または模様の変化として視覚的に表示することによって、前記部材の疲労を検出することを特徴とする疲労検出方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、部材の疲労の進行を視覚的に表示するため、その部材の疲労進行を、誰でも簡単かつ視覚的に確認することができる。これにより、専門的な知識を有する者や点検作業員でなくとも、その部材が用いられている構造物の使用者や利用者がその構造物の使用時に、部材の疲労を確認することができるので、危険な状態での使用を回避し、より安全な状態でその構造物を用いることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１Ａに第１の実施形態に係る疲労検出器１０の概略構成を示す。疲労検出器１０は、圧電素子１２と、圧電素子１２に発生した電気を整流する整流回路１４と、整流回路１４を通して得られる積算電気量を模様の変化として視覚的に表示する表示装置１６と、を備えている。
【００１３】
圧電素子１２は、 応力による疲労破壊が問題となる部材９０が応力を受けたときに、部材９０においてひずみが生じる部分に取り付けられる。部材９０は図示しない構造物を構成する１つの部材である。図１Ａでは、矩形板状の部材９０に曲げの応力（荷重）が掛かることを前提とし、その構造部分のみを示している。例えば、部材９０は、階段（鉄板のみの踏み板），橋梁等が挙げられる。
【００１４】
このような部材９０に取り付けられる圧電素子１２としては、矩形薄板状の圧電セラミックス板２２と、圧電セラミックス板２２の主面に設けられた電極２４ａ，２４ｂとを有し、圧電セラミックス板２２が厚さ方向で分極されているものを用いることができる。
【００１５】
このような圧電素子１２の一方の主面を部材９０に貼り付けると、部材９０に応力（外力）による曲げ振動やたわみが生じたときに、圧電素子１２にも曲げ振動やたわみが生じ、ｄ３１効果（厚み−横効果）によって、圧電素子１２に電気が発生する。圧電素子１２は部材９０に埋設されていてもよい。
【００１６】
圧電素子１２に曲げ振動が発生した場合、発生する電気は交流となる。一方、後述するように、表示装置１６は電気化学反応を利用するものであり、直流電源を必要とする。整流回路１４は、圧電素子１２に曲げ振動が発生した際に生じる交流電圧を直流電圧に変換するものであれば、その回路構成は問わない。整流回路１４は、例えば、表示装置１６に取り付けることができる。
【００１７】
整流回路１４の構成は図示しないが、一般的に知られている半波整流回路や両波整流回路，ダイオードブリッジ回路，両波倍電圧整流回路等が用いられる。整流回路１４は、必要に応じて、整流後の電圧値を調整するための回路を備えていてもよい。
【００１８】
図１Ｂに表示装置１６の内部構造を示すための断面図を示す。この表示装置１６は、整流回路１４を通して得られる積算電気量を、その電気による電気化学反応により、模様の変化として視覚的に表示する。その具体例として、表示装置１６は、電気泳動性を有する色素３２と、色素３２を含浸保持する保持剤３４と、保持剤３４に整流回路１４を通して得られる電気を印加する電極３６ａ（＋極），３６ｂ（−極）と、保持剤３４および電極３６ａ，３６ｂを収容し、色素３２の電気泳動による移動量を視認するための窓部３８ａを有する容器３８を備えて構成されている。
【００１９】
色素３２は、ここでは負に帯電しているものとし、初期状態（未使用状態）では電極３６ｂ側おいてのみ、保持剤３４に含浸されている。保持剤３４は、色素３２に電界が作用したときに色素３２が移動できるものであればよく、例えば、寒天等のゲル状物質や、濾紙や不織布等に溶剤を染み込ませたものを用いることができる。電極３６ａ，３６ｂは保持剤３４を構成する材料に対する耐食性に優れたものを用いることが好ましい。
【００２０】
容器３８は気密構造を有し、その材質は、設置環境における耐候性に優れるものであれば制限はない。窓部３８ａは透明ガラスまたは透明樹脂が用いられる。容器３８において、窓部３８ａ近傍かつ電極３６ｂ側には、例えば「安全」の文字が書かれまたは掘られまたは突起表示され、窓部３８ａ近傍かつ電極３６ａ側には、例えば「交換」（または「危険」）の文字が書かれまたは掘られまたは突起表示されている。
【００２１】
このように構成された疲労検出器１０では、部材９０に応力が作用せず、したがって圧電素子１２にも電気が発生せずに電極３６ａ，３６ｂに電圧が掛からない状態においては、色素３２はその場に滞留する。電極３６ａ，３６ｂに直流電圧が印加されると、その電圧の大きさや電圧印加時間に対応して、色素３２は電極３６ａ側へと移動する。
【００２２】
つまり、色素３２の位置の変化は、整流回路１４を通して得られる積算電気量を、窓部３８ａを通して視認できる模様の変化であり、この積算電気量は部材９０に作用した応力の積算量ひいては部材９０の疲労の進行度を示すものである。
【００２３】
表示装置１６に適確に部材９０の疲労の進行を表示させるために、色素３２の移動量と積算電気量との関係は、予め圧電素子１２を用いた部材９０に対する負荷試験等により求められた部材９０の材料寿命に基づいて定められる。
【００２４】
色素３２が電極３６ｂ側に位置しているということは、部材９０に作用した応力の積算量が少ないということであるから、部材９０の疲労が軽いことがわかる。色素３２の位置が電極３６ａ側へ移動するにつれて疲労が進行するので、色素３２の位置が「交換」側に達した時点で、部材９０を備えた構造物の使用を中止するという措置を適確に取ることができる。
【００２５】
疲労検出器１０によれば、部材９０の疲労についての専門家によることなく、誰でも容易に表示装置１６における色素３２の位置を視覚によって確認することができ、「安全」「交換」等の表示との対比から部材９０の疲労状態を認識することができる。
【００２６】
次に、第２の実施形態に係る疲労検出器について説明する。図２Ａに疲労検出器１０Ａの概略構成を示す。疲労検出器１０Ａは、圧電素子５４を備えたボルト５２と、整流回路１４と、表示装置５６を備えている。
【００２７】
圧電素子５４は同軸ケーブルと同様の構造を有しており、その詳細な構造は図示しないが、軸芯ケーブルの周囲に圧電ポリマーが巻き付けられ、この圧電ポリマーの周囲にシールド網が巻き付けられ、さらにこのシールド網の周囲に絶縁保護フィルムが巻き付けられた構造を有しており、軸芯とシールド網をそれぞれ電気の取り出しに用いることができるようになっている。
【００２８】
このようなボルト５２の使用例として、図２Ｂにボルト５２を鉄道や道路等の高架橋に設けられる防音壁５８の固定に用いた構成を示す。防音壁５８は、車両が通行する基台部６０の側壁６２にボルト５２を用いて固定されており、車両の通過による基台部６０からの振動，車両からの風圧により、防音壁５８に振動が生じ、この振動がボルト５２に金属疲労を生じさせる。なお、ボルト５２は、電車線路の枕木の固定や道路橋の連結等にも用いることができる。
【００２９】
整流回路１４は、先に説明した疲労検出器１０に用いられているものと同じであるので、ここでの説明は省略する。
【００３０】
表示装置５６は、図２Ａでは、正面図で描かれている。表示装置５６は、硫酸銅（II）５水和物水溶液を密閉収容し、その一側壁に透明材料からなる窓部６４ａが設けられた容器６４と、容器６４内に硫酸銅（II）５水和物水溶液と接触するように設けられ、整流回路１４と接続された電極６６ａ（＋極），６６ｂ（−極）を備えている。
【００３１】
硫酸銅（II）５水和物水溶液は、その銅錯イオンに特有の青緑色を呈しているが、後述するように、ボルト５２の疲労が進むとこの青緑色が透明化する。そこで、窓部６４ａを通して容器６４を覗いたときに見える背景（容器６４において窓部６４ａが設けられている側壁と対向する側壁の内面）の色は、この色の変化の視認が容易となる白，黄，明るい赤等の明色を用い、黒や紺等の暗色を避けることが好ましい。
【００３２】
−極である電極６６ｂには銅電極を用いることができるが、＋極である電極６６ａには銅以外の電極材、例えば、カーボンや白金を用いる。電極６６ａ，６６ｂにこのような材料を用いて、電極６６ａ，６６ｂに整流回路１４を通して直流電圧を印加すると、電気化学反応により銅イオンは金属化して電極６６ｂに付着し、硫酸銅（II）５水和物水溶液の青緑色が徐々に透明化する。
【００３３】
容器６４の窓部６４ａの近傍には、ボルト５２の金属疲労が進んでいない状態を示す色見本と、ボルト５２が交換時期に来ていることを示す色見本とをそれぞれ端の色とし、これらの色見本の間における色の変化を示すグラデーション表示を設けるとよい。
【００３４】
なお、電極６６ａでは酸素が発生するので、容器６４を耐圧構造にするか、発生した酸素を排出するか（但し、水溶液の蒸発を抑制する必要がある）、または酸素吸収剤を容器６４内に設けておく等の対策を採る。
【００３５】
このように構成された疲労検出器１０Ａでは、防音壁５８に生じる振動がボルト５２に応力を印加し、これによってボルト５２の金属疲労が進行する。ボルト５２に掛かる応力によって圧電素子５４にも応力が掛かり、電気が生じる。この電気を利用して、電極６６ａ，６６ｂを用いた硫酸銅（II）５水和物水溶液の電気分解反応（電気化学反応）が進行し、上述の通り、銅イオンの減少によって硫酸銅（II）５水和物水溶液の色が青緑色から徐々に透明に変化する。
【００３６】
硫酸銅（II）５水和物水溶液の色の変化は、電気化学反応に供される積算電気量（クーロン量）によって決まり、整流回路１４を通して得られる積算電気量はボルト５２に作用した応力の積算量ひいてはボルト５２の疲労の進行度を示しているので、結果的に、硫酸銅（II）５水和物水溶液の色の変化は、ボルト５２の疲労の進行度を示していることとなる。
【００３７】
ここでも、表示装置５６に適確にボルト５２の疲労の進行を表示させるために、硫酸銅（II）５水和物水溶液の色の変化と積算電気量との関係は、予め圧電素子５４を用いたボルト５２に対する負荷試験等により求められたボルト５２の材料寿命に基づいて定められる。
【００３８】
疲労検出器１０，１０Ａは、単発的に異なる大きさの力が作用する部材の疲労検出にも用いることができるが、圧電素子にゆっくりと応力が作用した場合には電気化学反応を引き起こすような電圧は得られ難いことや過大な応力が作用しても圧電素子の発電性能には限界があるために一定の電圧しか得られないこと、過大な応力により圧電素子が破損するおそれがあること等の理由により、固定周波数の振幅を受ける用途、つまり一定周期で大きさが一定の力が加わる部材の疲労検出に、好適に用いられる。
【００３９】
さらに、疲労検出器１０，１０Ａを固定周波数の振幅を受ける用途に用いる場合に、圧電素子の振動振幅が大きいほど積算電気量は大きくなり、同じ振幅でも周波数が高いほど積算電気量は大きくなるので、疲労検出器１０，１０Ａは、周波数依存性のある高サイクル疲労の検出に好適に用いられる。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、容器３８，６４にそれぞれ窓部３８ａ，６４ａを設けた構造としたが、光による悪影響を無視できる場合には、容器そのものを透光性材料で構成してもよいことは言うまでもない。また、色素を用いる場合に例えば紫外線が色素に悪影響を与える場合には、公知の紫外線反射材をコーティングする等の対策を講じればよいことは言うまでもない。
【００４１】
第２の実施形態に係る疲労検出器１０Ａは、銅イオンが金属化する場合の水溶液の色彩の変化を利用したものであるが、これに限られず、＋極として用いる金属電極がイオンとなって溶解することにより色彩が変化する電気化学反応を用いることもできる。
【００４２】
積算電気量をその電気を用いた電気化学反応による色彩または模様の変化として、視覚的に表示する方法として、第１の実施形態に係る疲労検出器１０では色素の電気泳動を用い、第２の実施形態ではイオンの金属化という電気分解反応を用いたが、これら以外にも、イオン導電性物質や有機化合物における電子移動現象を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１Ａ】第１の実施形態に係る疲労検出器の概略構成を示す図。
【図１Ｂ】第１の実施形態に係る疲労検出器に用いられる表示装置の内部構造を示す断面図。
【図２Ａ】第２の実施形態に係る疲労検出器の概略構成を示す図。
【図２Ｂ】第２の実施形態に係る疲労検出器に用いられているボルトの使用例を示す断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１０・１０Ａ…疲労検出器、１２…圧電素子、１４…整流回路、１６…表示装置、２２…圧電セラミックス板、２４ａ，２４ｂ…電極、３２…色素、３４…保持剤、３６ａ，３６ｂ…電極、３８…容器、３８ａ…窓部、５２…ボルト、５４…圧電素子、５６…表示装置、５８…防音壁、６０…基台部、６２…側壁、６４…容器、６４ａ…窓部、６６ａ，６６ｂ…電極、９０…部材。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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