JP2003302204A - 歪分布表示装置 - Google Patents

歪分布表示装置

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JP2003302204A
JP2003302204A JP2002142222A JP2002142222A JP2003302204A JP 2003302204 A JP2003302204 A JP 2003302204A JP 2002142222 A JP2002142222 A JP 2002142222A JP 2002142222 A JP2002142222 A JP 2002142222A JP 2003302204 A JP2003302204 A JP 2003302204A
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Eiji Shintaku
英司 新宅
Yukio Fujimoto
由紀夫 藤本
Yoshikazu Tanaka
義和 田中
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Abstract

(57)【要約】 【課題】歪分布の感知に圧電材料を用い、歪分布の可視
化にエレクトロルミネッセンスシート(ELシート)を
用いることにより、電源および、その外の装置を用いる
ことなく、被測定物表面の歪分布を可視化することが課
題である。 【解決手段】歪むことによって電荷を生じる圧電材料
と、発生した電荷によって発光するエレクトロルミネッ
センスシートを重ねて一体化したことを特徴とし、前記
エレクトロルミネッセンスシートの背面に矩形や円形の
背面電極、あるいは文字の背面電極を複数取り付けたこ
と、前記エレクトロルミネッセンスシートの背面電極側
と前記圧電材料の電極処理を施していない面とを重ねて
電気的に接続したこと、前記歪分布表示装置を前記エレ
クトロルミネッセンスシートの発光面が上面を向くよう
に被測定物に接着して、圧電材料に発生した電荷によっ
て前記エレクトロルミネッセンスシートを発光させて被
測定物の歪分布を可視化したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は機械や構造物等が変
形、振動する際の、被測定物表面の歪分布を光の強弱の
分布によって可視化する歪分布表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】機械や構造物の歪測定には歪ゲージが多
く用いられているが、被測定物表面の歪分布を明らかに
するには多数の歪ゲージを使用する必要があり、多数箇
所の歪測定では電気配線の問題や、歪測定器のチャンネ
ル数が増加して装置が大掛かりになるという問題があっ
た。
【0003】被測定物表面の歪分布を測定する方法とし
て、サーモグラフィーやモアレ縞を利用した光学的手法
などが提案されている。これらは非接触で歪分布が測定
できることや多点測定が可能であるという長所を有する
が、測定装置が高価である点や、温度や振動などの環境
に影響を受けやすい点から、実構造物の現場測定が容易
でないという問題があった。
【0004】また、圧電材料を用いて被測定物の歪分布
を測定することができる。圧電材料を被測定物に接着
し、被測定物に歪を与えると圧電材料に分極が生じ、被
測定物の歪に比例した電位が圧電材料表面に生じる。こ
の電位を表面電位計で測定することで被測定物表面の歪
を測定することが出来る。しかし、この方法で歪分布を
測定するためには、表面電位計のプローブを圧電材料の
表面に沿って移動して測定する必要がある。このため、
複数箇所の歪を同時に測定することが出来ないという問
題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明では、歪分布の
感知に圧電材料を用い、歪分布の表示にエレクトロルミ
ネッセンスシート(ELシート)を用いることにより、
電源および、その外の装置を用いることなく、被測定物
表面の歪分布を可視化することが課題である。
【0006】ELシートは通常、発光する側のシート表
面から順に、表面電極、発光層、絶縁層、背面電極と複
数の層を重ね合わせて構成する。一般に、発光体に硫化
亜鉛などを使用する無機ELシートの発光には、表面電
極と背面電極間に100Vから200Vの交流電圧を加
える必要がある。本発明では、ELシート専用に使用さ
れる電源と比較して発電量の小さい圧電材料を用いてE
Lシートを発光させることが課題である。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の歪分布表示装置は、歪むことによって電荷
を生じる圧電材料と、発生した電荷によって発光するエ
レクトロルミネッセンスシートを重ねて一体化したこと
を特徴とする。また、前記エレクトロルミネッセンスシ
ートの背面に矩形や円形の背面電極、あるいは文字の背
面電極を複数取り付けたこと、前記エレクトロルミネッ
センスシートの背面電極側と前記圧電材料の電極処理を
施していない面とを重ねて電気的に接続したこと、前記
歪分布表示装置を前記エレクトロルミネッセンスシート
の発光面が上面を向くように被測定物に接着して、圧電
材料に発生した電荷によって前記エレクトロルミネッセ
ンスシートを発光させて被測定物の歪分布を可視化した
ことを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下に発明の実施の形態について
図を用いて詳細に説明する。図1(a)は本発明の一実
施例に係わる歪分布表示装置の構成を示した図である。
圧電材料2は、厚さ方向に分極した圧電セラミックスな
どの片面に電極6を取り付けたもので、前記電極面側を
導電性の被測定物9に接着剤8で接着し、圧電材料2の
もう一方の電極を取り付けていない面には、複数の背面
電極3を取り付けたELシート1を密着させて電気的に
接続し、ELシート1の表面電極4を電気配線7で被測
定物9に電気的に接続している。なお、表面電極4と被
測定物9とが直接接触して電気的に接続されていれば、
電気配線7を使用しなくても良い。また、ELシート1
の背面電極3を導電性接着剤で作成し、あらかじめ圧電
材料2と一体化しておいても良い。
【0009】被測定物9に荷重が加わり分布歪が発生し
た場合、圧電材料2のELシート1側の表面に被測定物
9の歪分布に応じた電荷が発生する。発生した電荷はE
Lシート1の背面電極3で集電されてELシート1に導
かれ、ELシート1の背面電極3を取り付けた領域が発
光する。ELシート1の発光強度は、表面電極4と背面
電極3間に加えられる交流電圧、および交流の周波数に
比例して強くなる。一方、圧電材料2が発生する電荷量
は被測定物9の歪量に比例して多くなり、結果として圧
電材料2が発生する電圧も高くなる。つまり、背面電極
3を取り付けた部分のELシート1の発光強度は、被測
定物9の歪の大きさに比例して強くなる。以上の理由に
より、面積が等しい複数の背面電極3をELシート1上
に作成して配列しておけば、各背面電極3を取り付けた
部分のELシート1の発光強度の強弱によって、被測定
物の歪分布を可視化することが可能となる。
【0010】被測定物9が非導電性である場合は、図1
(b)のように、圧電材料2を接着する前に銅箔などの
電極6bを被測定物9に接着してから、前述の図1
(a)と同様に圧電材料2の電極6a側を電極6bに接
着し、圧電材料2の電極がない側の面にELシート1を
取り付ける。ELシート1の表面電極4は被測定物9に
接着した電極6bに電気配線7で接続する。これによ
り、非導電性の被測定物についても、導電性の被測定物
と同様に歪分布を可視化することが出来る。
【0011】図2は、歪分布を発光表示するためにEL
シート1に取り付ける背面電極の一実施例を示す図であ
る。ELシート1の絶縁層5の上に導電性塗料や導電性
フィルム、黒鉛などを用いて背面電極3を作成すること
により、ELシート1を自由な形状で発光させることが
出来る。図2(a)は背面電極3を短冊状の矩形とした
場合であり、図2(b)は直径の小さい円形を多数整列
させた場合である。どちらの場合も、各背面電極3の面
積を比較的小さく作成し、背面電極3を密に配置するこ
とで、被測定物の歪分布を詳細に可視化することが出来
る。
【0012】また、図2(c)に示すように、背面電極
3に文字を使用しても良い。この場合、被測定物が広い
範囲にわたって非常に大きな歪を生じていると、ELシ
ート1の背面電極3を取り付けた部分が全て発光し、文
字全てが表示される。これにより本発明を警告表示装置
として使用することも出来る。
【0013】圧電材料によってELシートを発光させる
実験を行った。実験では、長さ300mm、幅60m
m、厚さ10mmの軟鋼平板試験片中央に村田製作所製
の圧電セラミックス(長さ20mm、幅17mm、厚さ
0.3mm)を接着し、油圧サーボ試験機によって完全
両振りで応力振幅50MPaおよび応力振幅100MP
aの変動応力を負荷した。圧電セラミックスは厚さ方向
に分極しており、両面に電極が取り付けてある。圧電セ
ラミックスの上面には、発光色がブルーグリーンの長さ
20mm、幅3mmの矩形に切り出したELシートを置
き、その上面を透明なテフロン(登録商標)粘着シート
で押さえてELシートの背面電極と圧電材料の電極面を
密着させた。ELシートの背面電極は、黒鉛筆を用いて
絶縁層の全面を塗り、炭素電極とした。
【0014】試験片に加える変動応力の応力速度を10
Hzとし、応力振幅を100MPaとしたとき、周囲を
暗くした状態で、ELシートの緑色の発光を目視で確認
できた。また、応力速度を1Hzに低下させた場合、発
光強度は弱まるが、ELシートの発光を目視で確認し
た。図3は、ELシートの発光特性を分光光度計で測定
した結果である。実線は応力振幅100MPaの測定結
果を表し、破線は応力振幅50MPaの測定結果を表し
ている。どちらの場合も変動応力の応力速度は10Hz
である。ELシートの発光強度の分布曲線は、応力振幅
50MPa、応力振幅100MPaともに波長500n
mを越えた辺りにピークがあり、各ピークの発光強度は
応力振幅に比例して増加することを確認した。
【0015】次に、本発明によって被測定物の歪分布の
可視化が可能であることを確認するため、円孔付き平板
試験片を使用した歪分布の可視化実験を行った。図4
は、実験に使用した円孔付き軟鋼平板試験片と歪分布表
示装置の取り付け位置を示した図である。試験片は長さ
320mm、幅95mm、板厚5mmで、中央に直径2
0mmの円孔を有し、円孔縁に接するように長さ10m
m、幅20mm、厚さ0.3mmの圧電セラミックスを
接着した。圧電セラミックスは厚さ方向に分極してお
り、試験片に接着する面側にのみ電極が取り付けてあ
る。長さ10mm、幅20mmのELシート1には、図
4に破線で示すように4個の矩形背面電極(長さ10m
m、幅4mm)が取り付けてあり、透明なテフロン粘着
シートを用いてELシート1の背面電極を圧電セラミッ
クス上面に密着させ、電気的に接続した。
【0016】円孔付き平板試験片のx軸方向に荷重を負
荷した場合、図4の円孔の左側に示すように、応力集中
によって円孔縁で大きな歪を発生し、円孔から離れるに
従って歪は次第に減少する。ELシートを取り付ける前
に、表面電位計で圧電セラミックス表面の表面電位を測
定したところ、円孔近傍の点Aでの表面電位は、試験片
外縁に近い点Bにおける表面電位の2倍以上の値となっ
た。
【0017】図5は、歪分布表示装置を円孔付き平板試
験片の円孔近傍に取り付け、平板試験片に荷重を負荷し
たときの歪分布表示装置の発光状態を模式的に示した図
である。ELシート1の各背面電極3の斜線はELシー
ト1の発光強度を表しており、斜線の密度が高いほど発
光強度が強いことを示す。実験では、円孔付き平板試験
片のx軸方向に、完全両振りで応力速度10Hz、試験
片の円孔のない部分の公称応力で応力振幅が40MPa
の変動応力を負荷した。図5に示すように、ELシート
1は円孔に最も近い背面電極部分が最も明るく発光し、
円孔から遠ざかるにつれて発光強度が弱くなることを目
視で確認した。
【0018】
【発明の効果】本発明の歪分布表示装置を用いると、被
測定物表面の歪分布を歪分布表示装置に取り付けたエレ
クトロルミネッセンスシートの複数の背面電極の発光強
度の強弱によって可視化することが出来る。本発明によ
る歪分布計測では、電源やその外の装置を必要とせず、
シート状の歪分布表示装置を被測定物に接着するだけで
歪分布を可視化することができる。さらに、歪検知部と
しての圧電セラミックスを被測定物の表面に複数配置す
ることで広い範囲の歪分布を一度に表示することが出来
る。また現在、実用化が進められている有機エレクトロ
ルミネッセンス材料のように低電圧の直流で発光する素
材が実用化すれば、圧電セラミックスよりも発生電圧の
低い高分子圧電フィルムを歪検知部として使用すること
が可能となり、曲面形状を有する被測定物への適用や、
より広い範囲の歪分布の可視化が可能となる。また、エ
レクトロルミネッセンスシートの背面電極に文字を使用
した歪分布表示装置は、被測定物の歪状態、振動状態に
よって警報を発する警報表示装置として使用することが
出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の歪分布表示装置の一実施例を示した図
である。
【図2】歪分布を発光表示するための背面電極の一実施
例を示した図である。
【図3】本発明の歪分布表示装置の発光特性を示した図
である。
【図4】本発明の歪分布可視化実験に使用した円孔付き
軟鋼平板試験片と歪分布表示装置の取り付け位置を示し
た図である。
【図5】本発明の歪分布表示装置を円孔付き平板試験片
の円孔近傍に取り付け、平板試験片に荷重を負荷したと
きの歪分布表示装置の発光状態を示した図である。
【符号の説明】
1 エレクトロルミネッセンスシート 2 圧電材料 3 背面電極 4 表面電極 5 絶縁層 6、6a、6b 電極 7 電気配線 8 接着剤 9 被測定物
フロントページの続き (72)発明者 田中 義和 広島県東広島市西条中央6−31−1エスペ ランテ303号 Fターム(参考) 2F051 AB08 AC09 2F063 AA28 BD11 DA02 DA05 DC08 EC14 EC20 EC30 MA03

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 歪感知部としての圧電材料と発光表示部
    としてのエレクトロルミネッセンスシートを重ねて一体
    化した歪分布表示装置であって、前記エレクトロルミネ
    ッセンスシートの背面電極側と、前記圧電材料の電極処
    理を施していない面とを重ねて電気的に接続したこと、
    前記歪分布表示装置を前記エレクトロルミネッセンスシ
    ートの発光面が上面を向くように被測定物に接着したこ
    と、前記圧電材料が歪むことにより発生した電荷によっ
    て前記エレクトロルミネッセンスシートを発光させて被
    測定物の歪分布を可視化したことを特徴とする歪分布表
    示装置。
  2. 【請求項2】 請求項1の歪分布表示装置において、前
    記エレクトロルミネッセンスシートの背面電極に、矩形
    や円形の背面電極、あるいは文字の背面電極を複数取り
    付けて歪分布を可視化したことを特徴とする歪分布表示
    装置。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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