JP2007033050A - 歪センサ - Google Patents

Abstract

【目的】 測定器の費用や設置場所等が必要なくなり、簡便で安価な歪センサを提供する。
【構成】 被検知部材１の歪を検知する歪センサにおいて、被検知部材１と、被検知部材１に塗料を塗装した塗膜部分２とを有し、塗膜部分２は被検知部材１が所定の値より大きい歪を受けるとひび割れ部分３を生じる。これにより、簡便で安価に歪検知ができ、部材の健全性や地震後等の部材の損傷度を簡単に確認することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、部材の歪を検知する歪センサに関する。

従来、歪センサは歪ゲージ、光ファイバー又は炭素繊維等を用いたものである。例えば、図５に示すように、各種構造物に簡単に取り付けることができ、構造物の変位変形を長期的に亘って監視できる歪センサ１１として、ロックボルトを通す中空孔１２Ｃを有し両端面１２Ａ−１２Ｂ間に測定すべき変位変形による力を作用させることができる筒状のセンサケース本体１２の切り欠き部１４内に最大歪を記憶しておくことができる金属歪記憶センサ素子１３を取り付け、センサケース本体１２に作用する力によって生じるセンサケース本体１２の変形を金属歪記憶センサ素子１３によって歪として検出するようにしたものがある。（特許文献１）
特開２００２−５４９２２号公報

しかしながら、これまでに提案されている歪センサでは、地震や風などによる最大の経験歪を測定するための測定器を備え付け、リアルタイムで測定する必要がある。したがって、測定器の費用や設置場所等が必要となり、コストやスペース等の問題が存在していた。

そのために本発明は、被検知部材の歪を検知する歪センサにおいて、前記被検知部材と、前記被検知部材に塗料を塗装した塗膜部分とを有し、前記塗膜部分は被検知部材が所定の値より大きい歪を受けるとひび割れ部分を生じることを特徴とする。

また、前記塗膜部分は、前記被検知部材に接合された板状のベース部材に作製されることを特徴とする。

また、前記ベース部材の両端部下面に、前記ベース部材中央側にテーパ部をつけた台形状の板状部材を、前記テーパ部の形状が山形になるように接合し、前記板状部材を介して前記被検知部材に接合されたことを特徴とする。

また、前記塗膜部分は、次の条件を満たすものであることを特徴とする。
１．２３℃において抗張力が３０〜６０ＭＰａ、伸び率が１〜４％
２．ガラス転移温度が５０〜１００℃
３．２３℃において硬度がＨｖ２０〜４０
４．膜厚が１００〜７００μｍ
また、前記被検知部材又はベース部材と塗膜部分との間に、下塗り塗膜、または、下塗り塗膜および中塗り塗膜を有することを特徴とする。

本発明によれば、被検知部材の歪を検知する歪センサにおいて、前記被検知部材と、前記被検知部材に塗料を塗装した塗膜部分とを有し、前記塗膜部分は被検知部材が所定の値より大きい歪を受けるとひび割れ部分を生じるので、簡便で安価に歪検知ができ、部材の健全性や地震後等の部材の最大経験歪が簡単に目視で確認できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は歪センサとなる塗料を直接被検知部材に塗装した図である。図中、１は被検知部材、２は塗膜部分、３はひび割れ部分を示す。被検知部材１は様々な構造物に使用される鉄骨やコンクリート部材等である。塗膜部分２は、歪センサとなる塗料を前記被検知部材１に直接塗装することによって作成される膜状の部分である。ひび割れ部分３は、被検知部材１に直接塗装した塗膜部分２に、所定の値より大きな歪が作用すると生じるようになっている。ひび割れ部分３を目視により確認することで歪が生じていることを判断できる。ここで、所定の値は、塗膜部分２の物性により、設定することができる。

図２は被検知部材１に貼付するベース部材４に歪センサとなる塗膜部分２を作成した図である。図中４はベース部材を示す。ベース部材４は被検知部材１に接合するステンレス鋼等の板材で構成され、塗料をベース部材４の上面に塗装することによって、歪センサとなる塗膜部分２を作成する。塗膜部分２は所定の値より大きな歪を受けると塗膜にひび割れ部分３が生じるようになっている。ひび割れ部分３を目視により確認することで歪が生じていることを判断できる。ベース部材４は被検知部材１に溶接又は接着剤等で接合される。なお、被検知部材１に対するベース部材４の接合はベース部材４の下面全面又は一部で行われる。

図３及び４はさらに別の実施形態である。図４は図３のＹ−Ｙ断面図である。図中６は板状部材を構成する鋼板を示す。図３及び４に示すように、鋼板６はベース部材４の両端部下面に接合されたテーパ部（図３における点線参照）をつけた台形状の板である。具体的には、ベース部材４の中央部下面に山形の空間を残し、ベース部材４の両端部に鋼板６を接合する。接合は溶接又は接着剤により行う。ベース部材４は上面に比較的硬い塗料を塗装し、両端部下面に、前記ベース部材４中央側にテーパ部をつけた鋼板６を、前記テーパ部の形状が山形になるように接合した構造となる。ベース部材４は鋼板６を介して被検知部材１に溶接又は接着剤により接合部５で接合する。

この構成により、塗装されたベース部材４の変形量がテーパ部分で徐々に変化し、塗膜部分２のひび割れ部分３のひび割れ長さが被検知部材１に加わった最大歪の大きさにより異なる。これにより、被検知部材に加わった最大の経験歪が検知することができる。

次に、本発明に使用する塗膜部分２について説明する。本発明に使用する塗膜部分２は次の条件を満たすものである。
１．２３℃において抗張力が３０〜６０ＭＰａ、伸び率が１〜４％
２．ガラス転移温度が５０〜１００℃
３．２３℃において硬度がＨｖ２０〜４０
４．膜厚が１００〜７００μｍ
前記１の条件にする理由を説明する。前記塗膜部分２は前記抗張力が３０ＭＰａを下回ると本来目的とする破断が得られずセンサとしての機能が低下し、６０ＭＰａを上回ると非常に軽微な歪で塗膜部分２の破断が生じ本来目的とするセンサ機能が低下する恐れがある。好ましくは３５〜５５ＭＰａである。また伸び率が１％を下回ると非常に軽微な歪で塗膜部分２の破断が生じ本来目的とするセンサ機能が低下し、４％を上回ると本来目的とする破断が得られずセンサとしての機能が低下する恐れがある。好ましくは１．５〜３％である。

上記抗張力および伸び率の測定方法としては特に限定されず、具体的には、２３℃において塗膜に対する引っ張り試験を行うことによって得ることができる。このような抗張力および伸び率の測定器としては、例えば、オートグラフＡＧＳ−Ｇ型１０ＫＮＧタイプ（島津製作所社製）、テンシロン（東洋ボールドウィン社製）等の引張試験器によって測定することができる。

本発明の歪センサに用いられる塗膜部分２は、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５０〜１００℃であることが好ましい。上記Ｔｇが５０℃未満であると末来目的とする破断が得られずセンサ機能が低下する恐れがあり、１００℃を超えていると軽微な歪で破断が生じ本来目的とするセンサ機能が低下する恐れがある。さらに好ましくは６０〜８５℃である。上記Ｔｇの測定方法としては特に限定されず、熱機械分析（ＴＭＡ）によるもの、微小定荷重熱膨張計による測定等を挙げることができる。このようなＴｇの測定器としては、例えば、レオゲルＥ４０００（ＵＢＭ社製）等を挙げることができる。

さらに、本発明の塗膜部分２に用いられる塗膜の硬度は、２３℃において、Ｈｖ２０〜４０であることが好ましい。上記硬度がＨｖ２０未満であると本来目的とする破断が得られずセンサ機能が低下する恐れがあり、Ｈｖ４０を超えると軽微な歪で破断が生じ、本来目的とするセンサ機能が低下する恐れがある。さらに好ましくはＨｖ２５〜３０である。上記硬度はビッカーズ硬度である。

上記硬度の測定方法としては、具体的には、対面角１３６度のダイヤモンド四角錐（圧子）を塗膜に一定荷重で押し込み、できた凹みの大きさによって測定するものである。このような硬度測定器としては、例えば、フイッシャースコープ１００型（フイッシャー・インストルメンツ社製表面皮膜物性試験機）等を挙げることができる。

本発明の塗膜部分２に用いられる塗膜は、上述の特性を有する塗膜を発現できる塗料から得られるものである。上記塗料は特に限定されず、具体的には、バインダー成分として樹脂および硬化剤、並びに必要に応じて顔料等を構成成分とするものである。

種々の塗料のうち、上記塗膜部分２の作製に用いることができる塗料の選択は、以下の手順により行うことができる。すなわち、上記塗膜部分２が上記抗張力および上記伸び率を満たしていれば、その塗料を選択すればよい。この塗料が上記抗張力および上記伸び率の条件を満たすものでない場合には、上記の条件を満たすように、その塗料の構成成分を変更していけばよい。

上記抗張力および伸び率は、相互に密接に関連していると考えられる。一般に、抗張力が大きいと伸び率が小さくなり、膜は堅くて脆い性質を有する。逆に、伸び率が大きいと抗張力が小さくなり、膜は柔らかくて弱い性質になる。上記抗張力と伸び率とは、塗膜のガラス転移温度（以下Ｔｇという）、架橋間分子量、および顔料を含む場合は顔料体積濃度等によって調節することができる。すなわち、上記塗膜のＴｇを高くすると、一般に抗張力が大きくなり、伸び率が小さくなる。上記架橋間分子量を大きくすると、一般に伸び率が大きくなり、抗張力が小さくなる。また、顔料体積濃度を高くすると抗張力が低下し、伸び率が小さくなる。この考えに基づいて、上記塗料の構成成分の変更を行うことができる。

上記塗膜部分２のＴｇは、樹脂および硬化剤のＴｇ、硬化性官能基量等で制御することができる。一方、架橋間分子量は、樹脂および硬化剤の分子量や硬化官能基濃度等で制御することができる。例えば、樹脂のＴｇは、その種類により選択が可能である。一般的に、エポキシ樹脂のＴｇは高い傾向にあり、反対にポリエーテル樹脂やポリブタジエン樹脂のＴｇは低い傾向にあり、アクリル樹脂やポリエステル樹脂のＴｇは、原料のＴｇによって制御しやすい。また、硬化剤のＴｇについては、例えば、硬化剤がイソシアネート基含有のものである場合には、芳香族系のものやイソシアヌレート体のような会合体のようなＴｇの高いものを選択したり、一方、ジイソシアネートの鎖延長に柔らかいジオールを使用することによって、低いＴｇのものを得ることができる。また、硬化性官能基量および濃度、分子量の調節についても、当業者によく知られた技術により行うことができるものである。ただし、樹脂および硬元剤のＴｇおよび硬化性官能基量と、塗膜の抗張力および伸び率とが必ずしも一義的に相関しているわけではないため、必要に応じて、試行錯誤を繰り返すことによって、目的とする塗料を選択することが好ましい。上記塗料の構成成分の変更においては、各成分を自ら製造してもよいし、市販されている材料から選択してもよい。さらに、上記塗料は、一般の塗料分野で用いられているその他の樹脂、有機溶剤、消泡剤、増粘剤、表面調整剤、可塑剤、紫外線吸収剤、光安定剤等を含むことができる。

本発明の歪センサの塗膜部分２は、上記塗料を被検知部材１又はベース部材４に塗布し乾燥させて作製する。上記被検知部材１又はベース部材４としては特に限定されず、例えば、例えば、鉄、鋼、ステンレス、アルミニウム等およびその表面処理物の金属基材、セメント類、石灰類、石膏類等のセメント系基材、ポリ塩化ビニル類、ポリエステル類、ポリカーボネート類、アクリル類等のプラスチック系基材等、および、これらからなる建築物や構造物等を挙げることができる。構造物としては、特に超高層建物、大空間構造物、高架道路、橋梁、鋼性サイロ、鋼性タンク、鋼性捨て型枠、倉庫のコンクリートスラブ又はプレキャスト部材等の常時大きな繰り返し荷重を受けるものが考えられるが、これらに限定されることはなくあらゆる構造物に有効である。

上記塗布方法としては特に限定されず、ハケ塗布、スプレー塗布、ローラー塗布、コテ塗布、へラ塗布等、当業者によってよく知られている方法を挙げることができ、具体的には、上記塗料の種類に応じて適宜選択することができる。また塗布膜厚は特に限定されず、乾燥膜厚としては、例えば、３０〜７００μｍである。３０μｍ未満であると塗膜部分２の破断形状が小さくなり、破断視認性が低下する恐れがあり、７００μｍを超えると破断箇所が少なくなりセンサ機能が低下する恐れがある。好ましくは１００〜６００μｍである。

上記塗布後、常温にて乾燥または強制的に乾燥させることによって上記歪センサの塗膜部分２を得ることができる。なお、上記被検知部材１又はベース部材４は予め、防錆性を向上させるために下塗り塗料が塗布されて下塗り塗膜を有していることが好ましい。防錆性が低い場合は、基材に錆が発生すると上記塗膜部分２が本来の検出機能を発現することができない恐れがある。上記下塗り塗料としては特に限定されず、例えば、ハイポン２０デクロ（日本ペイント社製エポキシ樹脂系プライマー）等を挙げることができる。

また、本発明の歪センサの塗膜部分２の作製において、塗膜部分２のひび割れ部分３を視認しやすくするために、上記塗料を塗布する前に、中塗り塗料を塗布して中塗り塗膜を形成してもよい。上記中塗り塗料としては特に限定されず、例えば、ハイポン５０（日本ペイント社製ウレタン樹脂系塗料）等を挙げることができる。本発明の歪センサは、被検知部材１又はベース部材４と塗膜部分２とを含むものである。上記被検知部材１又はベース部材４と塗膜部分２とは、具体的には、各々上述のものを挙げることができる。また、被検知部材１又はベース部材４と塗膜部分２との間に、下塗り塗膜、または、下塗り塗膜および中塗り塗膜を有していてもよい。

本発明の歪センサの実施形態を説明するための図 図１に示す歪センサの変形例を示す図 歪センサのさらに他の実施形態を示す図 図３に示す歪センサのＹ−Ｙ線断面図 従来の歪センサを示す図

符号の説明

１…被検知部材、２…塗膜部分、３…ひび割れ部分、４…ベース部材、５…接合部、６…板状部材

Claims (5)

1. 部材の歪を検知する歪センサにおいて、被検知部材と、前記被検知部材に塗料を塗装した塗膜部分とを有し、前記塗膜部分は被検知部材が所定の値より大きい歪を受けるとひび割れ部分を生じることを特徴とする歪センサ。
2. 前記塗膜部分は、前記被検知部材に接合された板状のベース部材に作製されることを特徴とする請求項１に記載の歪センサ。
3. 前記ベース部材の両端部下面に、前記ベース部材中央側にテーパ部をつけた台形状の板状部材を、前記テーパ部の形状が山形になるように接合し、前記板状部材を介して前記被検知部材に接合されたことを特徴とする請求項２に記載の歪センサ。
4. 前記塗膜部分は、次の条件を満たすものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の歪センサ。
   １．２３℃において抗張力が３０〜６０ＭＰａ、伸び率が１〜４％
   ２．ガラス転移温度が５０〜１００℃
   ３．２３℃において硬度がＨｖ２０〜４０
   ４．膜厚が１００〜７００μｍ
5. 前記被検知部材又はベース部材と塗膜部分との間に、下塗り塗膜、または、下塗り塗膜および中塗り塗膜を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の歪センサ。

Images