(57)【要約】【課題】疲労破壊が問題となる重要構造体（社会基盤構造物、航空機胴体等）の安全維持管理のため、構造体に作用した歪の最大値を計測可能とするセンサを得る。【解決手段】導電性を付与した複合材料における最大歪に対応した導電経路の不可逆的な構造変化を応用することに着目し、以下の手段により最大歪を診断および記憶できるセンサを発明した。まず、炭素繊維から構成される長繊維強化複合材料へ予備張力を導入した状態で構造体に適用する、もしくはその複合材料合成時に予備張力を導入することにより、低歪領域から残留抵抗現象を発現させる手法を見出した。さらに、絶縁性長繊維強化複合材料のマトリックス樹脂中に導電性粒子を分散させた複合材料において、予備張力等を与えない条件下での顕著な残留抵抗現象を発現させる手法を見出した。それらの結果、これらのセンサが、実際の構造体においてモニタリング対象となる歪領域での最大歪の診断を可能とし且つその情報をセンサ自身に記憶できることを見出し、構造体の健全性診断システムとして有効な技術を得た。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪センサであって、
導電性粒子のパーコレーション構造又は連続する導電性繊維による導電経路を備え、
前記導電経路は、導電経路に作用した歪の最大値に対応した導電性を保持するのに有効な残留抵抗現象の残留率を有する、センサ。
【請求項２】
前記残留率は６０％を超える、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
歪センサであって、
導電性粒子のパーコレーション構造又は連続する導電性繊維による導電経路を備え、
前記導電経路に作用した歪に対して前記連続体の導電性が変化し、歪除去後も当該歪除去前の変化した導電性変化量の少なくとも一部を残留保持し、歪の最大値に応じて残留保持する導電性変化量が増加するように構成されている、センサ。
【請求項４】
歪センサであって、
導電性粒子のパーコレーション構造又は連続する導電性繊維による導電経路を備え、
前記導電経路に作用した歪の最大値に対して導電率もしくは抵抗率が変化し且つその少なくとも一部が歪除去後も永久的に残留することにより、最大歪に関する情報をセンサ自身に記憶させることができるセンサ。
【請求項５】
前記残留保持される導電性変化量の割合は６０％を超える、請求項３又は４に記載のセンサ。
【請求項６】
歪センサであって、
導電性粒子のパーコレーション構造による導電経路を有するセンシング材料を備え、
前記センシング材料は、導電性粒子：高分子材料の体積比が２０：８０〜１００：０の組成を有している、センサ。
【請求項７】
前記体積比が８０：２０〜１００：０である、請求項６記載のセンサ。
【請求項８】
前記センシング材料は、絶縁性被覆材料からなる被覆層を備える、請求項６又は７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記センシング材料及び／又は被覆層には、前記導電経路に沿う繊維を含有する、請求項６〜８のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０】
前記導電性粒子は、導電性粒子が凝集して形成された二次粒子、球状粒子、及び薄片状粒子からなる群から選択される１種あるいは２種以上である、請求項６〜９のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１１】
歪センサであって、
導電性繊維による導電経路を有するセンシング材料を備え、
前記センシング材料は、導電性繊維の含有量が導電性繊維：高分子材料の体積比で５０：５０以下である、センサ。
【請求項１２】
前記導電性繊維の含有量が、前記体積比で３０：７０以下である、請求項１１記載のセンサ。
【請求項１３】
前記センシング材料は、絶縁性被覆材料からなる被覆層を備える、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記センシング材料及び／又は被覆層には、前記導電経路に沿う繊維を含有する、請求項１１〜１３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１５】
前記センシング材料には、張力が作用された状態が維持されている、請求項１１〜１４のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１６】
シート状体である、請求項６〜１５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１７】
棒状体である、請求項６〜１５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１８】
前記センシング材料の作製方法であって、
導電性繊維による導電経路を有するセンシング材料を導電性繊維に張力が作用した状態で作製する工程、
を備える、方法。
【請求項１９】
歪の検出方法であって、
請求項１〜１７のいずれかに記載のセンサを構造体に装着する工程と、
前記センサにおける導電性変化を検出する工程、
とを備える方法。
【請求項２０】
歪の検出方法であって、
請求項１１〜１７のいずれかに記載のセンサを当該センサに張力を作用させた状態で装着する工程と、
前記センサにおける導電性変化を検出する工程、
とを備える、方法。
【請求項２１】
請求項１〜１７のいずれかに記載のセンサを装着した構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変形又は損傷状態を検出する技術に関し、特に、社会基盤構造物全般および航空機胴体等の重要構造体における変形もしくは損傷状態を検出する技術に関する。より具体的には、鉄鋼系構造体等の金属材料、コンクリート系構造体等の無機材料もしくは航空機構造体等に応用される複合材料に作用する引張・圧縮等の応力・歪の最大値を導電率もしくは抵抗率の変化により検出することのできるセンサ技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄道や道路等の社会基盤構造物における急速な劣化が顕在化し、コンクリート崩落事故等の社会的な問題が勃発している。さらに、地震等の災害時において、これら構造体に与えられた損傷を的確に評価することが、災害後の早期復興に繋がる重要な課題とされている。このような状況下、これらの高い安全性が要求される重要構造体における損傷、破壊、劣化を診断するための最大歪を検出できる健全性モニタリング技術が強く求められていた。
【０００３】
これに対し、既存の一般的な健全性診断システムとしては、金属泊ゲージや光ファイバーセンサ等を用いたシステムが知られている。しかしながら、これらのシステムでは、計測時点における歪等の検出を可能とする常時モニタリングを前提としており、これらのシステムにより最大歪を診断するためには、これらのセンサ毎に計測機器を常時接続させた状態にて連続して計測を継続してデータを蓄積し、その計測結果をもとに最大歪を解析するという作業を必要とする。モニタリング対象となる構造体は極めて大型の構造体であり、その各所に設置されるセンサ毎に計測機器を設置するためは膨大なコストを要し、そのモニタリング期間も十年単位を想定しなければならないため連続計測および解析を遂行することは事実上不可能である。
【０００４】
一方、最大歪のメモリ機能を有する診断システムとして、いくつかの手法が提案されている。まず、モジュール化されたシステムとしては、機械的機構に不可逆性をもたせた最大値記憶型変位計が製品化されている。このシステムでは、ロッドの伸縮を抵抗体（ポテンションメータ）の回転機構に伝達させ、最大回転数として最大変位を記憶させる。このシステムにおける仕様から、計測精度は±３％であり、仮に計測区間を５００ｍｍとすると±１５ｍｍの変位計測精度を有することとなる。しかしながら、コンクリート構造体等において要求される歪範囲（１０００με以下）を考慮すると必要な変位計測精度は０．０５ｍｍと極めて小さく、このシステムでは構造体の変形診断において十分な性能を発揮しないことが予想される。
【０００５】
また、作用した最大歪を材料単体において診断できる知的材料としては、炭素繊維から構成される複合材料を応用する技術、導電性粒子をマトリックス樹脂中に分散させた複合材料を応用する技術に関して特許例および報告例がある。
【０００６】
炭素繊維から構成される複合材料を応用する技術に関しては、炭素繊維から構成される長繊維強化プラスチックスにおいて、最大歪に対応して炭素繊維が破断することによりその導電性変化が残留するという現象（残留抵抗現象）の応用が試みられている（特許文献１）。しかしながら、その炭素繊維の破断には約０．５％以上の引張歪を必要とするため、最大歪の記憶機能もそれ以上の歪領域に限定されていた。モニタリング対象となる構造体において要求とされる診断歪領域は、例えば、鉄鋼材料の弾性歪範囲が０．２％以下、コンクリートにおけるひび割れ発生歪が０．１％以下である。これを考慮すると、この従来技術における診断可能な歪領域はその範疇から外れている。したがって、この残留抵抗現象が発現する歪（発現歪）を少なくとも０．１％以下とすることにより、実際の構造体においてモニタリング対象となる歪領域での診断を可能とすることが極めて重要な課題とされた。
【０００７】
また、ガラス繊維強化プラスチックスのマトリックス樹脂中に導電性の炭素粒子を分散し、その粒子の連続的な接触構造により導電性をもたせた複合材料において、最大歪に対応した導電経路の構造変化によりその導電性変化が残留するという現象の応用が試みられている（特許文献２）。しかしながら、これまでに報告された結果において、この残留抵抗現象の発現歪は０．０５％程度と良好であったものの、載荷時の抵抗変化（Ｒｍａｘ）に対して除荷後に残留する抵抗変化（ΔＲｒｅｓ）の割合（残留率  ＝  ΔＲｒｅｓ／ΔＲｍａｘ）は最大でも６０％であり、最大歪の診断精度は５０％以上となってしまうことから、これまでの結果からでは最大歪の記憶機能は実現不可能とされていた（非特許文献１）。したがって、この残留率を１００％に近づけることにより、最大歪の診断精度を向上させることが極めて重要な技術的課題とされていた。
【０００８】
さらに、マトリックス樹脂中に導電性の炭素粒子を分散し、その粒子の連続的な接触構造により導電性をもたせた複合材料を、降伏点の小さい金属基材上に貼付し、その基材の塑性変形により最大歪に対応して導電性変化が残留するという現象の応用が試みられている（特許文献３）。この手法では、センサ材料自体の残留抵抗現象を応用するのではなく、基材の塑性変形によるセンサの導電性変化を計測する。そのため、モニタリング対象となる構造体に、引張だけでなく圧縮の応力・歪が作用する場合には、この基材の塑性変形量も圧縮変形に追随して変化する可能性があり、最大歪の記憶機能は発現しないことが危惧される。また、金属基材の塑性変形は引張歪およそ０．２％以上において発現するため、それ以下の歪領域すなわち金属材料の弾性変形領域に対しては最大歪記憶機能の発現は期待できない。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３２０１８３７号公報
【特許文献２】
特開平９−１００３５６号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５３６０３号公報
【非特許文献１】
機能材料、２００１年（第２１巻），６号、ｐ．２９〜３５、株式会社シーエムシー発行
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、想定されるあるいは要望される歪範囲に応じて構造体に作用した歪の最大値を精度よく計測可能とするセンサを得ることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明者らは、上記課題の解決にあたり、導電性体が連続して形成する導電経路の破壊挙動、すなわち、導電性を付与した複合材料の最大歪に対応した導電経路の破壊挙動を応用することに着目した。その結果、導電性繊維から構成される長繊維強化複合材料を用い、この材料合成時又は合成後の構造体への適用時に張力を付与することにより、導電性繊維が破断する歪を低減させる手法を見出した。また、絶縁性繊維から構成される長繊維強化複合材料のマトリックス樹脂中に導電性粒子を分散させた複合材料を用い、その導電性粒子により構成される導電経路の構造を最適化することにより、極めて高い抵抗残留率を達成する手法を見出した。さらに、これらの結果、各複合材料が、要望されている歪領域での最大歪の診断を可能とすることを見出し、本発明を完成した。
本発明によれば、以下の手段が提供される。
【００１２】
（１）歪センサであって、
導電性粒子のパーコレーション構造又は連続する導電性繊維による導電経路を備え、
前記導電経路は、導電経路に作用した歪の最大値に対応した導電性を保持するのに有効な残留抵抗現象の残留率を有する、センサ。
（２）前記残留率は６０％を超える、（１）記載のセンサ。
（３）歪センサであって、
導電性粒子のパーコレーション構造又は連続する導電性繊維による導電経路を備え、
前記導電経路に作用した歪に対して前記連続体の導電性が変化し、歪除去後も当該歪除去前の変化した導電性変化量の少なくとも一部を残留保持し、歪の最大値に応じて残留保持する導電性変化量が増加するように構成されている、センサ。
（４）歪センサであって、
導電性粒子のパーコレーション構造又は連続する導電性繊維による導電経路を備え、
前記導電経路に作用した歪の最大値に対して導電率もしくは抵抗率が変化し且つその少なくとも一部が歪除去後も永久的に残留することにより、最大歪に関する情報をセンサ自身に記憶させることができるセンサ。
（５）前記残留保持される導電性変化量の割合は６０％を超える、（３）又は（４）に記載のセンサ。
（６）歪センサであって、
導電性粒子のパーコレーション構造による導電経路を有するセンシング材料を備え、
前記センシング材料は、導電性粒子：高分子材料の体積比が２０：８０〜１００：０の組成を有している、センサ。
（７）前記体積比が８０：２０〜１００：０である、（６）に記載のセンサ。
（８）前記センシング材料は、絶縁性被覆材料からなる被覆層を備える、（６）又は（７）に記載のセンサ。
（９）前記センシング材料及び／又は被覆層には、前記導電経路に沿う繊維を含有する、（６）〜（８）のいずれかに記載のセンサ。
（１０）前記導電性粒子は、導電性粒子が凝集して形成された二次粒子、球状粒子、及び薄片状粒子からなる群から選択される１種あるいは２種以上である、（６）〜（９）のいずれかに記載のセンサ。
（１１）歪センサであって、
導電性繊維による導電経路を有するセンシング材料を備え、
前記センシング材料は、導電性繊維の含有量が導電性繊維：高分子材料の体積比で５０：５０以下である、センサ。
（１２）前記導電性繊維の含有量が、前記体積比で３０：７０以下である、（１１）記載のセンサ。
（１３）前記センシング材料は、絶縁性被覆材料からなる被覆層を備える、（１２）に記載のセンサ。
（１４）前記センシング材料及び／又は被覆層には、前記導電経路に沿う繊維を含有する、（１１）〜（１３）のいずれかに記載のセンサ。
（１５）前記センシング材料には、張力が作用された状態が維持されている、（１１）〜（１４）のいずれかに記載のセンサ。
（１６）シート状体である、（６）〜（１５）のいずれかに記載のセンサ。
（１７）棒状体である、（６）〜（１５）のいずれかに記載のセンサ。
（１８）前記センシング材料の作製方法であって、
導電性繊維による導電経路を有するセンシング材料を導電性繊維に張力が作用した状態で作製する工程、
を備える、方法。
（１９）歪の検出方法であって、
（１）〜（１７）のいずれかに記載のセンサを構造体に装着する工程と、
前記センサにおける導電性変化を検出する工程、
とを備える方法。
（２０）歪の検出方法であって、
（１１）〜（１７）のいずれかに記載のセンサを当該センサに張力を作用させた状態で装着する工程と、
前記センサにおける導電性変化を検出する工程、
とを備える、方法。
（２１）（１）から（１７）のいずれかに記載のセンサを装着した構造体。
【００１３】
本発明のセンサは、最大歪に対して不可逆的な破壊挙動を示すような導電経路を備えているとともに、残留抵抗現象の残留率が向上され且つその発現歪が低減されており、もって高い精度で最大歪がモニタリング・記憶される。
かかる導電経路の１つの形態は、絶縁性繊維により強化されたマトリックス樹脂中に導電性粒子の連続接触構造により形成された導電経路である。この導電経路においては、粒子形状及び／又は粒子の対樹脂マトリックスに対する体積割合が調整されることにより、残留抵抗現象の残留率が向上され且つ発現する歪域が低減され、記憶される最大歪精度が向上される。
また、他の１つの形態は、ガラス繊維により強化された樹脂マトリックス中に導電性繊維により形成された導電経路である。この導電経路においては、導電性繊維に張力を負荷した状態とすることで、残留抵抗現象の残留率が向上され且つ発現歪が低減され、記憶される最大歪精度が向上されている。
この結果、かかる導電経路を備えるセンサによれば、要望されあるいは想定される低い歪領域において高い精度で最大歪をセンシングすることができる。この結果、高い安全性が要求される構造体などに対しても高精度なセンシング及びモニタリングが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明における最大歪センサは、引張歪の最大値に対して不可逆的な構造変化を示す導電経路を有している。本発明の第１のセンサは、導電性粒子による導電経路を有するセンシング材料を備えており、第２のセンサは、導電性繊維による導電経路を有するセンシング材料を備えている。以下、これらの２種類のセンサにおける異なる導電経路形態について説明し、次いで共通する形態について説明する。さらに、それぞれのセンサについての最大歪のセンシング及びモニタリングについて説明する。
【００１５】
（第１のセンサにおける導電経路）
本発明における第１の最大歪センサは、導電性粒子の連続的な接触構造（パーコレーション構造）により形成された導電経路を有している。この導電経路は高分子材料マトリックスに保持され、高分子材料成形体というセンシング材料形態を採っている。また、高分子材料マトリックスを備えないで、粒子のパーコレーション構造によってのみ形成することもできる。
（導電性粒子）
導電性粒子は、導電性を有する材料であれば特に限定しないで使用できる。例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、炭素短繊維、フラーレン、カーボンウィスカー、カーボンナノチューブ、金属紛、窒化・炭化・酸化チタニウム等の導電性セラミックス粒子等が選択される。導電性粒子は１種あるいは２種以上を組み合わせて使用することができる。
導電性粒子の形態は特に限定しない。例えば、ストラクチャー（凝集体）状、球状、繊維状、棒状、不定形状、薄片状等各種形状のものを１種あるいは２種以上組み合わせて用いることができる。好ましくは、ストラクチャー（凝集体）状の形態を用いることができ、そのストラクチャーを形成する粒子１つ１つの粒子サイズも特に限定しないが、例えば、１０ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。より好ましくは、２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の粒子から構成されるストラクチャー（凝集体）状の形態を用いることである。さらに、このストラクチャー（凝集）の程度を示す指標であるＤＢＰ（Ｄｉｂｕｔｙｌ  Ｐｈｔｈａｌａｔｅ）吸収量（ＪＩＳ  Ｋ６２１７）は、好ましくは１０〜１０００ｃｍ３／１００ｇである。より好ましくは、１００〜５００ｃｍ３／１００ｇである。また、球状もしくは薄片状の粒子として、好ましくは１μｍ〜１００μｍの球状もしくは薄片状の粒子を用いることができる。このような凝集体は、一般に、カーボンブラック粒子において形成されることが多い。具体的には、串に刺した団子状あるいはブドウ状の形態を採っている。
【００１６】
（第２のセンサにおける導電経路）
第２のセンサの導電経路は、導電性繊維で形成される。第２の導電経路は、高分子材料マトリックスに保持されていることが好ましい。したがって、高分子材料成形体というセンシング材料形態を採っていることが好ましい。
（導電性繊維）
導電性繊維としては、導電性を有する繊維であれば特に限定しないが、例えば、ピッチ系・ＰＡＮ系・気相成長系炭素繊維、ＳｉＣ等のセラミックス繊維およびその表面に導電性膜を形成した繊維、金属繊維等が選択される。導電性繊維としては各種の導電性繊維を１種あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
導電性繊維はモノフィラメントであってもよいし、マルチフィラメントであってもよい。その径も特に限定しないが、例えば、１μｍ〜１００μｍであることが好ましい。より好ましくは、２μｍ以上１０μｍ以下である。
【００１７】
（本センサにおける導電経路の保持形態（共通形態））
これらの導電経路は、高分子材料マトリックス中に形成されうる。用いられる高分子材料としては、例えば、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリスルホン、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリホマール、ポリブチラール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ酢酸ビニル、上記ポリマー２種以上の共重合体、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂が使用できる。これらを１種あるいは２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００１８】
また、当該高分子材料マトリックスは、繊維材料を含めることができる。当該繊維材料としては、例えば、ガラス繊維、ビニロン繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維等の１種あるいは２種以上が使用できる。ここで、導電性粒子の接触構造もしくは導電性繊維を導電経路としてセンシング機能を発現させるため、これらの繊維には電気的絶縁性が必要である。
さらに、これらの繊維の方向性は、一方向として本センサによる導電率の計測方向もしくは適用構造体に作用する歪方向に対して、平行方向もしくは垂直方向とすることができる。一方向性の場合、同方向を指向する繊維を束ねた繊維束を使用することもできる。計測しようとする歪方向に平行及び垂直方向を指向する繊維を組み合わせたクロス材を用いることもできる。具体的には導電経路に沿って備えられていることが好ましい。
【００１９】
第１及び第２のセンサのセンシング材料は、導電経路を有する高分子材料の成形体という形態を備えることができる。この場合、引抜き成形法、型枠成形法、ホットプレス法、オートクレーブ法、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法、シートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）法等の公知である高分子材料の成形方法を用いてセンシング材料を形成することができる。
例えば、第１のセンサのセンシング材料を高分子マトリックスを備えた形態とするとき、未硬化の高分子材料中に導電性粒子を分散させたスラリーを調製し、繊維材料にかかるスラリーをディッピング等公知の方法で供給して、硬化させることにより得ることができる。導電経路における導電性粒子の配合比率を高めるには、未硬化の高分子材料中にこの粒子を高濃度分散させる必要がある。このためには、未硬化高分子材料の粘性増加を抑えるための有機系溶剤を用いることができる。その有機系溶剤としては、未硬化高分子材料と相溶性があればよく、例えば、メチルエチルケトン、アセトン、スチレンモノマー等を選択することができる。高分子材料マトリックスを備えない場合には、当該溶剤中に導電性粒子のみを分散させることになる。
第１のセンシング材料においては、高分子材料と導電性粒子との総量（体積）に対して、導電性粒子の配合比率が２０  ｖｏｌ．％以上であることが好ましい。２０  ｖｏｌ．％未満であると残留抵抗現象の顕著な発現は期待できないため従来の６０ｖｏｌ％という残留率を超える性能は達成できず、発現歪も０．０５％以下に低減できないためである。より好ましくは、５０ｖｏｌ％以上であり、さらに好ましくは８０ｖｏｌ％以上である。例えば、配合比率が６０ｖｏｌ％以上なら、残留抵抗現象の残留率を８０％以上にでき、さらに発現歪を０．０５％までに低減できる。さらに配合比率が１００ｖｏｌ％付近なら、残留抵抗現象の残留率を９５％以上にでき、さらに発現歪を０．０２％以下までに低減できる。なお、配合比率が１００ｖｏｌ％のとき、高分子マトリックスが存在しないセンシング材料形態となる。
【００２０】
また、例えば、第２のセンサのセンシング材料は、線状、クロス状等の導電性繊維に未硬化の高分子材料スラリーをディッピング等により供給し、硬化させることにより得ることができる。なお、後述するように、このとき、各種の成形方法を用いて、導電性繊維に張力を負荷することができる。
第２のセンシング材料においては、高分子材料と導電性繊維との総量における導電性繊維の体積比率は、例えば、５０  ｖｏｌ．％以下とすることが好ましい。５０  ｖｏｌ．％を超えると導電性繊維の破断による抵抗変化率の増加傾向が低減し残留抵抗現象の発現が抑制されるためである。より好ましくは、３０  ｖｏｌ．％以下とする。例えば、体積割合が１２．５％以下なら、残留率を９０％以上にたかめることができ、また、残留抵抗現象の発現歪を０．０５％まで低減できる。
【００２１】
（被覆層）
これらの本センシング材料は、絶縁性の高分子材料により形成された被覆層を備えることが好ましい。この絶縁性の被覆材料によれば、センシング機能を担う導電性複合材料を、適用する構造体もしくはその周辺環境と電気的に絶縁させることにより、安定したセンシング機能の発現を図ることができる。例えば、鉄鋼系構造体への適用においては、導電性の高い鉄鋼材料との絶縁を図ることが必須であり、また、コンクリート中への埋設においては、コンクリート中の水分などの影響により導電性が変化することを防止するために必要となる。
【００２２】
この絶縁性被覆材料に用いられる高分子材料としては、例えば、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリスルホン、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリホマール、ポリブチラール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ酢酸ビニル、上記ポリマー２種以上の共重合体、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂が使用できる。また、この絶縁性の樹脂成形体に用いられる繊維材料としては、例えば、ガラス繊維、ビニロン繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維等の絶縁性繊維が使用できる。
【００２３】
上記の被覆層の付与に際しては、引抜き成形法、型枠成形法、ホットプレス法、オートクレーブ法、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法、シートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）法等の成形方法を採用することができる。
【００２４】
（第２のセンサに対する張力の負荷）
第２のセンサにはセンサ製造時において予め導電性経路張力を付与して（作用させて）おくことができる。張力の負荷は、例えば、高分子材料を用いた成形に際して負荷することができる。したがって、高分子材料マトリックスに導電経路を保持する際、及び／又は、被覆層を形成する際において、張力を負荷することができる。
張力の負荷程度は、引張応力を増加させた際に、センサの抵抗変化率と引張歪の関係において線形的な関係から非線形的な関係に移行した付近の応力もしくは歪に設定することが好ましい。線形的な関係を示す応力もしくは歪範囲では、導電経路は弾性的な変形挙動を示すため、その範囲の張力を与えても残留抵抗現象の発現歪を低減できる効果が小さい。また、非線形的な関係に移行した付近の応力もしくは歪範囲を大きく超えて張力を与えた場合では、それ以降の導電経路の破断に至るまでの歪範囲が小さくなるため好ましくない。
【００２５】
張力の負荷にあたっては、例えば、ホットプレス法を採用することができる。また、高分子材料硬化後の、張力解放時において引張り変形を回復させないために、導電性繊維にのみ張力を作用させることにより高分子材料を硬化させることが好ましい。なお、引張り歪の緩和を抑制するには、絶縁性繊維を含む高分子材料マトリックスと一体成形することが好ましく、さらに導電性繊維の体積割合を低くすることが好ましい。
【００２６】
以上のようにして得られた２種類のセンシング材料は、用いられる繊維材料の形態、高分子材料マトリックス、さらに被覆層により各種形態を備えることになる。センシング材料の形態は、特に限定しない。例えば、線状、面状、チューブ状、あるいはデザインされた二次元あるいは三次元形状をとることができる。
【００２７】
こえらのセンシング材料の導電率もしくは抵抗率を計測する手法として、その計測方法については特に限定しないが、二端子法もしくは四端子法が採用される。導電性複合材料の抵抗率はその材質により様々であるが、第１のセンシング材料は比較的高抵抗率となり、二端子法での計測が可能となる。一方、第２のセンシング材料では比較的低抵抗率となり、四端子法での計測が必要とされる場合もある。また、その導電率の計測方向としては、モニタリング対象となる構造体に作用する歪の方向性に留意し、歪の作用する方向に一致させることが好ましい。
【００２８】
導電性計測のために設置される電極は、その材質および固定方法について限定されず、例えば、電極材として銅、銀等の金属の線が選択でき、その固定方法としてハンダ付け、導電性ペーストによる固定、圧着端子による固定が可能である。また、導電性複合材料が薄膜状であった場合等は、その電極の設置方法としても金属の蒸着やスパッタリング法等による薄膜形成も採用することができる。ただし、導電性複合材料は、高分子材料を含むためその耐熱温度以下にて固定可能な方法が好ましい。
【００２９】
以上により作製される最大歪センサは、第１のセンサでは、導電性粒子の形態及び／又は配合比率等、第２のセンサにおいては、導電性繊維の配合比率によって、前記導電経路は、導電経路に作用した歪の最大値に対応した導電性を保持するのに有効な残留抵抗現象の残留率を有するように構成されている。これらのセンサによれば、前記残留率（残留保持する導電性変化量の比率）は６０％を超えるように構成することが容易である。より好ましくは、８０％以上であり、さらに好ましくは９０％以上であり、最も好ましくは９５％以上である。
また、同様に、導電経路に作用した歪に対して前記連続体の導電性が変化し、歪除去後も当該歪除去前の変化した導電性変化量の少なくとも一部を残留保持し、歪の最大値に応じて残留保持する導電性変化量が増加するように構成されているともいうことができる。
さらに、歪の最大値に対して導電率もしくは抵抗率が変化し且つその少なくとも一部が歪除去後も永久的に残留することにより、最大歪に関する情報をセンサ自身に記憶させることができるセンサとすることもできる。
【００３０】
このような本発明のセンサをモニタリング対象となる構造体に設置する。これにより、当該センサを備える構造体が提供される。
この対象となる構造体の材質は特に限定されないが、社会基盤構造物ではコンクリート構造体がその一例として挙げられる。
この場合、新設の構造体もしくは既設の構造体のどちらを想定するかにより設置の形態が異なる。既設構造体への適用においては、最大歪センサの形態としてはシート状が想定され、構造体表面に貼付する形で設置することとなる。
【００３１】
センサをシート状とする場合、構造体表面に貼付できる形態を有することができる。この場合、新設構造物を構築する際に鉄骨構造体やコンクリート構造体の表面に貼付できるだけでなく、既設の構造体においてもそれらの表面に貼付するだけで、その構造体の最大歪をモニタリング可能とできる。また、その構造体への表面貼付においては、接着剤による手法もしくはビス止め等機械的な治具による手法が選択でき、さらに構造体へ接着する場合には、その構造体への接着に最適な高分子材料マトリックスや被覆樹脂系材料を選択することができる。
【００３２】
またセンサを棒状とする場合、構造体内部に埋設できる形態を有することができる。この場合、新設構造物を構築する際に例えばコンクリート構造体中に埋設でき、上記の高分子材料マトリックスや被覆層に高弾性・高強度の長繊維強化プラスチックスを用いることにより、補強機能を有する構造材料自らがセンシング機能を果たすという自己診断機能を達成できる。
【００３３】
さらに、コンクリート中に埋設する際においては、炭素繊維などの導電性繊維から構成される第２のセンシング材料へ予備張力を与えた状態にて構造体へ適用することが最大歪記憶機能の発現に有効である。
同時に、コンクリート構造体の強度特性の向上にも貢献する。一般的に、コンクリート構造体は圧縮変形には高い強度を有するが引張変形に対する強度が低いという課題があるからである。なお、コンクリート構造体に鉄筋を導入するという手法による引張強度の向上が図られている。埋設する鉄筋に予備張力を与えた状態にて埋設し、コンクリートの硬化後にその張力を開放することにより、コンクリートには圧縮応力が作用し、引張変形に対する強度を向上させることができるようになっている。
【００３４】
なお、最大歪センサを設置する方向としては、導電性複合材料の導電率の計測方向と構造体に作用すると想定される歪方向を一致させることにより、より高感度な計測を可能とすることが期待できる。
【００３５】
本センサは、各種構造体に適用できるが、社会基盤構造物として上記コンクリート構造体以外にも鉄鋼系構造体への適用も好適な形態であり、また、航空機等の胴体や尾翼を構成する金属材料や複合材料についても最大歪の把握が重要な構造体であるため好ましい適用形態である。
これらの場合、最大歪センサの形態としてはシート状が想定され、構造体表面に貼付する形で設置することとなる。この設置形態によると、新規に構築される構造体だけでなく既設の構造体に対しても設置可能である。この構造体表面への貼付にあたり、樹脂系材料の接着剤による固定およびネジ・ナット・ボルト等の治具による機械的固定、さらにはその両者の組み合わせた固定方法が想定される。いずれにしても、構造体の変形をセンサに的確に伝えることが要求されることから、接着剤には高弾性・高接着強度が求められ、機械的固定でも高い固定強度が求められる。
【００３６】
本最大歪センサを設置した構造体におけるモニタリングの実施形態としては、定期的な計測もしくは必要時に応じた計測が想定される。従来技術としての歪ゲージ等により、最大歪のモニタリングを試みる場合、この歪ゲージを構造体に設置し、さらに計測システム、データ保存装置および電源装置（配線）を常時設置し、連続的にデータを継続し続ける必要があった。これに対して、本最大歪センサを設置した場合においては、このセンサ自身が最大歪の情報を記憶する機能を有しているため、このセンサ以外に計測システムやデータ保存装置など何も常時設置する必要はなく、定期的もしくは必要時のみに計測機器を携帯する等によるモニタリングが可能である。これにより、電力エネルギーを節約できるだけでなくモニタリングに要するランニングコストを大幅に削減でき、さらには計測機器を常備させておくスペースの制限や設置環境の制限にしばられることなく、汎用性の極めて高い技術を構築できる。
【００３７】
以上説明したように、本発明のセンサは、導電性経路が、最大歪に対して導電率変化を永久的に残留して最大歪の情報をセンサ自身が記憶する機能を有することを特徴とする。これにより、構造体に作用した最大歪は、設置されたセンサ自身にその情報が蓄積・記憶され、計測機器を常時このセンサに接続しての連続計測、データ保存および解析を実施する必要性がなくなる。
したがって、定期的もしくは必要に応じてセンサの導電率を計測することのみにより、過去に作用した歪の最大値に関する情報を得ることができる。これにより、計測機器設置に関する空間的・重量的制限を受けることなく汎用性の高い技術として展開できるだけでなく、大幅な運用コストの低減を図ることが可能となる。さらに、この最大歪に対して残留する導電性変化の割合、すなわち、歪作用時の導電性変化に比べて歪除去後に残留した導電性変化の割合が高いため、構造体に応力・歪が作用したままの状況下もしくは応力が除かれて塑性変形による歪が残留した状況下においても最大歪の情報を正確に検出することができる。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明を具現化した実施例について図１〜１０に基づいて説明する。なお、これらの実施例は、本発明を具体的に説明することを意図するものであって、これらの実施例によって本願発明を限定するものでは決してない。
【００３９】
以下の実施例では、導電性繊維として炭素繊維から構成される導電経路を有する第２のセンサと、導電性粒子からなる導電経路を有する第１のセンサの２種類を作製し、これらのセンサの引張試験による実証試験を行った。
【００４０】
（実施例１：炭素繊維から構成される導電性複合材料）
［最大歪センサの作製］
本実施例で作製した最大歪センサ１の構造模式図を図１に示す。
最大歪センサ１は、全体としてロッド形状であり、導電性の炭素繊維６および高分子材料５から構成される導電性複合材料２を、ガラス繊維４および高分子材料５から構成される絶縁性複合材料３によりその周囲を被覆した構造を有している。
【００４１】
以下、最大歪センサ１の作製工程について説明する。
まず、導電性の炭素繊維６としてＰＡＮ系の炭素繊維フィラメントを選択した。後述のように、最大歪記憶機能のための残留抵抗現象の発現には、引張歪に対する抵抗変化率の増加割合が大きい場合が好ましいとされる。この点に留意し、この炭素繊維の種類、サイジング剤（表面処理剤）を選定し、体積割合の最適化を図るためにその割合を７．５〜２２．５ｖｏｌ．％とした。この炭素繊維を液体状の熱硬化型樹脂に含浸させ、型枠中に導入した状態にて１３０℃の熱処理を９０分間施すことにより硬化させた。硬化後の導電性複合材料の外径は２ｍｍφとした。この樹脂成形体に対して、所定の長さ（２５０ｍｍ）に切断後、その両端に電極を設置した。この電極には、リード線を導電性ペーストにて固着させる方法を採用した。その導電性複合材料の周囲に絶縁性の樹脂成形体を被覆した。ガラス繊維中に樹脂を含浸させ、導電性複合材料の周囲に付着させて加熱硬化（１３０℃、９０分間）させた。以上により最大歪センサ１を得た。
【００４２】
以上により最大歪センサ１が得られるが、本実施例ではこの複合材料に対して引張試験を実施するために、図３の写真に示すようなグリップ部を設置した。このグリップ部は鋼製であり中空状の形状を有している。この中に、最大歪センサ１を導入し、その空隙にセメント系膨張材を流し込み硬化させることによって、その鋼管と複合材料を強固に固定した。
【００４３】
［最大歪センサの引張試験による性能実証試験］
作製した最大歪センサとしての複合材料１に予備張力を与えた条件下において繰返し引張歪を与え、その導電性変化を計測し、最大歪記憶機能について評価した。
【００４４】
［試験方法］
作製した引張試験用の最大歪センサについて油圧式疲労試験装置により引張試験を実施した。この引張試験システムの模式図を図４に示す。この引張試験ではグリップ部に、圧縮力を作用させることにより最大歪センサを固定する。最大歪センサをグリップ固定した後、導電性複合材料からの２つの電極に一定電流を印加し、その電極間における電圧降下を計測することにより、すなわち二端子法によって導電性複合材料の導電率を計測した。また、この引張試験において、最大歪センサに作用される荷重はロードセルにより、作用する引張歪は伸び計により計測した。なお、本実施例に示す全ての実験結果において、この導電率変化は、初期抵抗値Ｒ０により応力作用時の抵抗変化ΔＲ＝Ｒ−Ｒ０を割った抵抗変化率ΔＲ／Ｒ０として示した。さらに、グリップ部の鋼管内にある複合材料には引張歪は作用せず、そのグリップ間の複合材料のみに引張歪が作用することを前提として、計測された抵抗変化率に補正を加えた。
【００４５】
この引張試験では、載荷方法として２種類の載荷パターンを作用させた。まず単調引張試験として、荷重および引張歪ゼロの時点から最終破断に至るまで変位制御にて引張歪を一定速度にて徐々に増加させた。これにより、引張歪と導電率変化の関係ならびに引張歪と応力の関係を把握し、炭素繊維の体積割合の最適化を図るとともに予備張力の導入量を決定する基礎データを得た。次に、予備張力を与えた状態を基準として、ピーク荷重を段階的に増加させた繰返し引張応力を作用させた試験を実施し、作用した引張歪および導電率変化を時間の関数として計測し、引張歪の最大値に対する応答性を評価した。
【００４６】
［試験結果］
まず、単調引張試験の結果を図５に示す。この試験では、体積割合を７．５ｖｏｌ．％および２２．５  ｖｏｌ．％とした最大歪センサに対して評価を実施した。（ａ）に示した応力―歪線図において、引張応力と引張歪は線形的な関係を有し、炭素繊維の体積割合の減少に伴って破断時の引張強度およびその傾きに相当する弾性率は低下するものの、破断歪はほぼ同一であることがわかる。これに対して、（ｂ）に示した抵抗変化率の引張歪依存性では、非線形的な関係が得られた。この挙動は、引張歪の増加に伴って炭素繊維の弾性的変形から繊維破断に移行する現象を反映している。すなわち、引張歪１．０％程度までは、炭素繊維は弾性的に伸びており、その抵抗変化は直線的である。それ以上にひっぱりひずみが増加すると、炭素繊維は部分的に破断し始め、破断部分では抵抗値が大きく増加するため、複合材料全体としての抵抗変化は非線形的に増加する。この炭素繊維の破断が最大歪に対応した不可逆的な抵抗変化をもたらすことから、この非線形領域における抵抗変化率が高いほど、最大歪記憶機能のための残留抵抗現象はより顕著に発現することが期待できる。この結果より、炭素繊維の体積割合が低い場合に高い抵抗変化率を示す非線形領域が得られた。その要因としては、炭素繊維の体積割合の低下に伴い、炭素繊維間の接触が少なくなり、１箇所の繊維破断が複合材料全体としての抵抗変化率に及ぼす影響が大きくなるためと考えられる。
【００４７】
上記の結果より、炭素繊維の体積割合の低い複合材料が最大歪センサとして選択された。その複合材料に対して、予備張力を与えた条件下での繰返し引張試験を実施した。その結果を図６及び図７に示す。図５の結果より、予備張力の導入量としては約５４０ＭＰａとして、抵抗変化率に非線形挙動が現れ始める約１．２％の引張歪を作用させた状態を基準とした。予備張力導入後、およそ１００００ｓの保持時間を設けて、その安定性を確認した後に、ピーク値を段階的に増加させた引張歪を作用させた結果、この複合材料は各引張サイクルに対してほぼ弾性的な変形挙動を示し除荷後には予備張力分まで引張歪は回復しているのに対して、その抵抗変化率は段階的に増加し負荷時の抵抗変化率が除荷後にも殆ど戻らないという優れた残留抵抗現象を示した。引張歪と抵抗変化率の関係としてまとめた結果からも明らかなように、負荷時の抵抗変化率の約９０％以上が除荷後においても残留し、且つ、この残留抵抗現象は約０．０５％以上の引張歪に対して明確に発現している。以上の結果より、炭素繊維から構成される導電性複合材料への予備張力導入により、優れた最大歪記憶機能を達成できることを実証した。
【００４８】
この最大歪センサにおける最大歪の記憶精度を定量的に評価するために、各サイクルに対する負荷時の抵抗変化率（ΔＲｍａｘ）と除荷後の残留抵抗変化率（ΔＲｒｅｓ）を、作用させた最大歪の関数として図８にまとめた。例えば、構造体に何らかの変形が作用したことにより、この最大歪センサの抵抗変化率として３５％が計測されたとする。その場合、その抵抗変化率を取り得る引張歪の範囲としては０．７１７〜０．７４２％の間に限定される。したがって、最大歪の記憶精度としては約±１．７％程度と見積もることができる。ここで特筆すべき事項として、この構造体に変形が残っている場合でも、その残留応力・残留歪の量に無関係に、この精度を保証できるという点が重要となる。従来の技術のように残留率が低い場合、すなわちこのΔＲｍａｘとΔＲｒｅｓの間隔が広い場合には、この最大歪の記憶精度は大きく低下する。ここで実証された最大歪に対する高い記憶精度は、この最大歪センサにおける高い残留率によって得られたものである。
【００４９】
（実施例２：炭素粒子を分散させた導電性複合材料）
［最大歪センサの作製］
本実施例で作製した最大歪センサ７の構造模式図を図２に示す。
この最大歪センサ２は、全体としてロッド形状であり、絶縁性のガラス繊維１０および高分子材料１１から構成される複合材料を基本構造として、その高分子材料１１中に炭素粒子１２を分散させた導電性複合材料８を中心として絶縁性複合材料９によりその周囲を被覆した構造を有している。
【００５０】
以下、最大歪センサ２の作製工程について説明する。
導電性の複合材料８の作製方法として、まず液体状の高分子材料１１に導電性粒子１２を分散させる。この導電性粒子として、粒径５０ｎｍ、ハイストラクチャーのカーボンブラックを採用し、攪拌脱泡装置を用いて熱硬化性エポキシ樹脂中に分散させた。一般的にエポキシ樹脂の粘性は高いため、カーボンブラックのような微細粒子を高濃度分散させることは困難である。そこで、本実施例では、有機系溶剤としてメチルエチルケトンを用いてエポキシ樹脂に添加し、粒子分散による樹脂の粘性増加を抑制した。この樹脂と有機系溶剤の組み合わせは、プリプレグと呼ばれる反硬化状態の長繊維強化複合材料を作製する際に用いられるものである。この有機系溶剤は、加熱硬化過程にて揮発することを前提としている。本実施例において、この炭素粒子の体積割合は５〜１００  ｖｏｌ．％とした。ここで、炭素粒子の体積割合が１００  ｖｏｌ．％という複合材料は、有機系溶剤のみにカーボンブラックを分散させて硬化（乾燥）させた材料であり、樹脂が含まれていないことから脆性的な破壊挙動を示すことが推測されるものである。この導電性粒子を分散させた高分子材料をガラス繊維中に含浸させ、１６０℃、９０分という熱処理条件にて硬化させた。この樹脂成形体に対して、所定の長さ（２５０ｍｍ）に切断後、その両端に電極を設置した。この電極には、リード線を導電性ペーストにて固着させる方法を採用した。その導電性複合材料の周囲に絶縁性の樹脂成形体を被覆した。ガラス繊維中に炭素粒子を含まない樹脂を含浸させ、導電性複合材料の周囲に付着させて加熱硬化（１６０℃、９０分間）させた。以上により最大歪センサ２を得た。
【００５１】
以上により最大歪センサ２が得られるが、本実施例ではこの複合材料に対して引張試験を実施するために、図３の写真に示すようなグリップ部を設置した。このグリップ部は鋼製であり中空状の形状を有している。この中に、最大歪センサ２を導入し、その空隙にセメント系膨張材を流し込み硬化させることによって、その鋼管と複合材料を強固に固定した。
【００５２】
［最大歪センサの引張試験による性能実証試験］
作製した最大歪センサとしての複合材料２に繰返し引張歪を与え、その導電性変化を計測し、最大歪記憶機能について評価した。なお、本実施例においてはこの複合材料２に予備張力は与えていない。
【００５３】
［試験方法］
作製した引張試験用の最大歪センサについて実施例１と同様に引張試験を実施した。最大歪センサをグリップ固定した後、二端子法によって導電性複合材料の導電率を計測した。また、この複合材料に作用される荷重をロードセルにより、作用する引張歪を伸び計により計測した。なお、本実施例に示す実験結果において、この導電率変化は抵抗変化率ΔＲ／Ｒ０として示し、そのグリップ間の複合材料のみに引張歪が作用することを前提として、計測された抵抗変化率に補正を加えた。この引張試験では、載荷方法として、ピーク荷重を段階的に増加させた繰返し引張応力を作用させた試験を実施し、作用した引張歪および導電率変化を時間の関数として計測し、引張歪の最大値に対する応答性を評価した。
【００５４】
［試験結果］
分散させた導電性粒子の体積割合５％、３０％および１００％の複合材料に対する繰返し引張試験の結果を図９及び図１０に示す。各複合材料に対して作用させた引張歪および計測した抵抗変化率を時間の関数として図９に示した。さらに、作用させた引張歪と抵抗変化率の関係として図１０に示した。この結果より、炭素粒子の体積割合が低い場合には、負荷時の抵抗変化率に対してその殆どが除荷後には初期値に戻っているのに対して、炭素粒子の体積割合の増加とともに残留抵抗現象が発現し始め、体積割合１００  ｖｏｌ．％の複合材料においては、極めて高い残留率を有する残留抵抗現象の発現に至った。（ｂ）の結果より、その残留抵抗現象は、およそ０．０２％以上の引張歪の最大値に対応して発現し、その残留率は最高で９９％に到達した。
【００５５】
この分散粒子の体積割合と残留抵抗現象の関係をより詳細に把握するために、その体積割合をさらに細かく条件設定した複合材料に対して繰返し引張試験を実施し、図１１に示すように作用させた最大歪に対する残留率の依存性をまとめた。この結果から、全ての最大歪範囲において分散粒子の体積割合の増加に伴う残留率の増加をより明確に把握することができる。この極めて顕著な現象発現は、導電性複合材料を形成する粒子分散マトリックス樹脂の脆性が大きく影響していると推察される。また、このマトリックスの脆性化には、高濃度分散以外にも粒子形態も関連していると考えられる。ここで分散させたカーボンブラックは粒径５０ｎｍの微細粒子が化学的結合して凝集体を形成したストラクチャーと呼ばれる構造を形成している。このストラクチャー（凝集）の程度を示す指標としてＤＢＰ（Ｄｉｂｕｔｙｌ  Ｐｈｔａｌａｔｅ）吸収量（ＪＩＳ  Ｋ６２１７）が挙げられるが、本実施例にて使用した粒子のＤＢＰ吸収量は１７５ｃｍ３／１００ｇである。この鎖状の構造が最大歪の作用によって脆性的に破壊されるために、この極めて高い残留率を達成できた可能性がある。以上の結果より、炭素粒子をマトリックス樹脂中に分散させた導電性複合材料において、その粒子体積割合を増加させることにより優れた最大歪記憶機能を達成できることを実証した。ここで注記すべきは、実施例１の場合とは異なり、予備張力を与えなくてもそれを凌駕する最大歪記憶機能を達成できるという点である。さらに、粒子分散量の調節することにより残留抵抗現象を調整できるという点は、モニタリング技術の観点から非常に興味深い。それは、最大歪を記憶させたい場合には粒子分散割合を増加させ、常時モニタリング用として残留抵抗現象を低減させたい場合には粒子分散割合を低下させるという機能の制御が可能となるためである。
【００５６】
この最大歪センサにおける最大歪の記憶精度を定量的に評価するために、各サイクルに対する負荷時の抵抗変化率（ΔＲｍａｘ）と除荷後の残留抵抗変化率（ΔＲｒｅｓ）を、作用させた最大歪の関数として図１２にまとめた。例えば、構造体に何らかの変形が作用したことにより、この最大歪センサの抵抗変化率として７５％が計測されたとする。その場合、その抵抗変化率を取り得る引張歪の範囲としては０．９１２〜０．９３１％の間に限定される。したがって、最大歪の記憶精度としては約±１．０％程度と見積もることができる。実施例１にて述べたことと同様に、この構造体に変形が残っている場合でも、その残留応力・残留歪の量に無関係にこの精度を保証できるという点が重要となる。以上の結果より、炭素粒子をマトリックス樹脂中に分散させた導電性複合材料において、その粒子体積割合を増加させることにより、低歪領域から作動し高い精度にて最大歪を記憶できる機能を、予備張力の導入を必要としない条件下において実現できることを実証した。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、構造体に作用した歪の最大値を計測するという高度な健全性診断を可能とするセンサを提供できる。これにより、社会基盤構造物における鉄鋼系構造体や航空機を構成する胴体等の損傷・破壊が問題となる構造体に対して、作用した最大歪がその構造体の設計許容範囲を超えているかどうかの判定を下す指標の一つを示すことが可能となり、その安全性の向上に大きく貢献できるだけでなく、的確な寿命判断による長寿命化を図ることができることから効率的な構造体運用による膨大なコスト削減・資源節約を可能とする。
【００５８】
さらに、このセンサは最大歪に関する情報をセンサ自身が記憶できる特徴を有することから、安全性が求められる構造体全般において、常時モニタリングではなく定期的もしくは必要時の計測によるモニタリングを可能とする。これにより、簡便且つ汎用的なモニタリングシステムを安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素繊維から構成される複合材料からなる最大歪センサの構造模式図である。
【図２】炭素粒子を分散させた複合材料から構成される最大歪センサの構造模式図である。
【図３】引張試験用の最大歪センサの全体を表す図である。
【図４】実施例１および２において試験に用いた評価システムの模式図である。
【図５】実施例１において実施した試験結果のうち、単純引張試験の結果を示す図（ａ）及び（ｂ）である。
【図６】実施例１において実施した試験結果のうち、ピーク荷重を漸増させた繰返し引張試験の結果であって、横軸に時間、縦軸にΔＲ／Ｒ０と応力と歪みを取ったグラフ図である。
【図７】実施例１において実施した試験結果のうち、ピーク荷重を漸増させた繰返し引張試験の結果であって、横軸に歪み、縦軸にΔＲ／Ｒ０を取ったグラフ図である。
【図８】実施例１において実施した試験結果のうち、最大歪の記憶精度を定量評価するための結果である。
【図９】実施例２において実施した試験結果のうち、ピーク荷重を漸増させた繰返し引張試験の結果であって、横軸に時間、縦軸にΔＲ／Ｒ０と歪みとを取ったグラフ図である。
【図１０】実施例２において実施した試験結果のうち、ピーク荷重を漸増させた繰返し引張試験の結果であって、横軸に歪み、縦軸にΔＲ／Ｒ０を取ったグラフ図である。
【図１１】実施例２において実施した試験結果のうち、残留率の最大歪依存性において分散粒子体積割合の影響を示す結果である。
【図１２】実施例２において実施した試験結果のうち、最大歪の記憶精度を定量評価するための結果である。
【符号の説明】
１    炭素繊維から構成される複合材料からなる最大歪センサ
２    炭素繊維から構成されるセンシング材料
３    ガラス繊維から構成される絶縁性複合材料
４    ガラス繊維
５    樹脂（高分子材料）
６    炭素繊維
７    炭素粒子を分散させた複合材料から構成される最大歪センサ
８    炭素粒子を分散させたセンシング材料
９    ガラス繊維から構成される絶縁性複合材料
１０  ガラス繊維
１１  樹脂（高分子材料）
１２  炭素粒子（カーボンブラック）
【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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