JP2013210285A - 導電性部材のひずみ検出方法 - Google Patents

Abstract

【技術課題】 導電性部材のひずみを検出する方法を提供する。
【解決手段】 導電性部材１０の表面に対して、フッ素系圧電性物質を溶媒に溶解した溶液（以下「圧電性溶液」と称す。）をスプレーコーティングし、この工程と同時に電極針６から直流高電圧を、前記コーティング面に印加し、次に前記コーティング面を乾燥して圧電性膜１３を形成する。その上で、前記圧電性膜１３の上に上部電極として導電体膜１６を設け、下部電極は導電性部材１０とする。この結果、導電性部材１０にひずみが発生すると、前記上部電極と下部電極間に電圧が発生するので、この電圧から導電性部材１０に発生したひずみを数値的に検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、建築材料等に用いられた導電性部材において、地震、水圧、風圧などの外部要因あるいは金属疲労等によりひずみが発生した際に、このひずみを数値として直ちに検出して適切な対策を講じるために用いられる導電性部材のひずみ検出方法に関する。

従来の技術

鉄塔、鉄道レール、橋梁、高架道路、鉄骨コンクリート、住宅用屋根・窓枠など導電性部材で組み立てられた建造物は、風や地震などによる外部応力や縦横揺動により、導電性部材に大きな応力が加わる。風や地震以外にも特に自動車や鉄道などの車両が走行する橋梁では走行振動と車両荷重による複雑な繰返しの応力が発生する。

このようなことから、導電性部材で組み立てられた建造物の柱、桁、ボルト、ロープ、基礎支柱、スプリング、屋根、サッシ、アングルなど一つ一つの金属疲労の予測や微小亀裂の監視は非常に重要であるが、ひずみ状況を数値として監視する事は非常に困難であり、その結果、疲労破壊の発生に気付くこと無く使用し続けると重大な事故を引き起こす可能性がある。

また、導電性部材で組み立てられた大型建造物のみならず、エレベータやクレーンなどに用いられる導電性を有するチェーンやワイヤーなども金属疲労の予測や微小亀裂の監視は非常に重要であるが、目視による法定点検が主体であり、素材に蓄積したひずみを数値として監視することは非常に困難である。

これまでに知られているひずみ検出方法は、構造体内部に圧電性素子や光ファイバーを埋め込んでセンサー機能を付加し、このセンサー機能からの信号を基にひずみを判定するというものである。この例として、コンクリート建造物（特許文献１，特開平９−４０４８号公報）、あるいは歪計測システム及びＩＣタグ（特許文献２, 特開２００８−１４５４０３号公報）がある。しかし、これらの方法では、製造コストが高くなり、ひずみセンサーを被測定物に埋め込む方法のために材料強度が低下するなどの問題がある。

また、従来技術における導電性部材で組み立てられた大型建造物の金属疲労を監視する方法として構造物の表面に直接フィルム状の圧電素子や光ファイバーを貼り付けて行うシステムなども提案されている。例えば圧力計測センサー（特許文献３, 特開２０００−２３０８６８号公報）、あるいはコンクリート建造物の補強後における損傷の進行を確認する方法（特許文献４, 特開平１１−３２６１４９号公報）、導電性粒子−高分子系によるひずみセンサー（特許文献５, 特開平１１−２４１９０３号公報）がある。

これらの方法では、圧電素子や光ファイバーを貼り付けるために手数がかかると共に接着剤等を用いることから材料コストも高くなる。

更には、センサーを貼り付ける際に用いる粘着テープや接着剤が建造物とセンサーとの間に介在しているため、その粘着テープや接着剤が緩衝材となり、構造物の受けているひずみをセンサーに１００％伝える事が出来ないことから、特に微小なひずみの発生を見逃してしまうという問題がある。このように、導電性部材で組み立てられた大型建造物が金属疲労による重大な事故を引き起こすことを未然に防ぐ手段として、ひずみセンサーの更なる精度の向上が必要不可欠となっていた。

また、従来のひずみセンサーの致命的な問題は、検出エリアがセンサーの大きさに依存し、実際に検出できる面積は狭小に限られることである。ビルや橋梁あるいは数百ｍの高さの電波塔等を例にとると、センシングすべき箇所は莫大であり、すべての重要部をセンシングするためには無数のセンサーが必要となり、大きなコスト増となる。更に、これらのセンサーは高価なので、ビルや橋梁、電波塔などの全体に使用するのは事実上不可能である。

第二の問題点は、ひずみセンサーはフィルム状又は板状のものが多く、被検体の貼り付け形状が平面に限定されている。このため、荷重の応力が集中するコーナー部やボルトによる締結部の周囲、溶接部分、ワイヤーやチェーンなどの複雑な形状の部位にセンサーを取り付けることは非常に困難であった。特にワイヤーやチェーンのような長尺体の場合、センサーの無い箇所に応力が集中した場合、これを検出することができない。

また、塗布型のセンサーとしての応用例（特許文献６, 特開平５−２６８６９９号公報）もあるが、この方法では塗布中に高電圧印加処理が同時に実施できず、塗布後の後工程で高電圧印加処理実施する必要があるため、工程が複雑になる。また、塗布する圧電材料がセラミック系と限定されているため、機械的物性として硬くて脆い上に、金属などの構造材と熱膨張係数が大きく異なる。このため、外部応力による弾性変形や環境温度が上昇下降を繰り返すことによる収縮や膨張が生じた際、容易に亀裂が発生し、構造材から剥離が起ってしまうため、実用化には問題がある。

本発明において、導電性が付与された繊維・布・不織布にコーティングして圧電性膜を形成する事により、その繊維・布・不織布自体が圧電性膜と一体化したひずみセンサーとなる為、極めて精度の高いひずみ検出が可能になる。例えば建材として内装に用いられるクロス生地に圧電性膜を形成すれば、地震などよって建築物にひずみが発生した際、壁面から直接ひずみを検知する事が可能となり、従来のような単独のひずみセンサーを多数貼り付ける、もしくは埋め込むなどの煩雑な工程が不要となる。

また、導電性が付与された繊維・布・不織布のひずみセンサーの応用としては、建築材料に限らず、給排気用ダクト内に設置されるフィルターがある。一般的にフィルターはメッシュ状の繊維素材を利用して、空気中の異物を捕収し、流入する空気を洗浄する役割があり、フィルター交換の管理目安としては、定期交換またはフィルターを介しての空気の入出側の空気圧の差を圧力計で表示し、フィルター交換時期を予測している。しかし、このフィルターに直接コーティングして圧電性膜を形成する事により、フィルター自体がひずみセンサーとなる事から、目詰まりによって引き起こるフィルターへの負荷をフィルターのひずみ量として検出する事ができる。従って、従来の圧力計を目視確認してメンテナンス時期を予測する方法ではなく、フィルターから直接ひずみ情報得て、フィルター交換時期を予測する、これまでにはない全く新たな管理が可能になる。

更には、潜水服等に応用し、この潜水服からひずみが発生している場合は活動中であることが確認でき、ひずみが発生しなくなった時は海底で作業者が事故等により動きがとれなくなっている状態を想定でき、これにより緊急の救助活動がとれる、と云った安全対策とすることもできる。その他、衣類や靴、乗り物の座席に用いる布に応用した場合、衣類や靴、座席などに発生するひずみを専用のセンサーを使わずに検知する事ができる為、人の動作や座席にかかる荷重分布などをモニタリングして、運動量や移動速度など人間の動作分析をする事も可能となる。

特開平９−４０４８号公報 特開２００８−１４５４０３号公報 特開２０００−２３０８６８号公報 特開平１１−３２６１４９号公報 特開平１１−２４１９０３号公報 特開平５−２６８６９９号公報

本発明の目的は、かかる問題点を全て解消し、導電性部材に高価なセンサーを埋蔵したり、貼り付けたりする工程を必要とせず、低コストで導電性部材に応力が掛かった際の導電性部材表面のひずみ量を検出し、同時に導電性部材の表面に耐薬品性、耐候性、防錆性、耐腐食などの機能性を付与する事ができる導電性部材のひずみ検出方法を提供することである。

問題を解決する為の手段

前記目的を達成する為、請求項１記載の発明においては、ａ．導電性部材のひずみ検出方法において、ｂ．前記導電性部材の表面に対して、フッ素系圧電性物質を溶媒に溶解した溶液（以下「圧電性溶液」と称す。）をスプレーコーティングし、前記スプレーコーティングと同時にスプレーガンと導電性部材の間に直流高電圧を印加する工程、ｃ．前記スプレーコーティングした溶液を加熱乾燥して圧電性膜を形成する工程、ｄ．前記圧電性膜の上に導電体膜を取り付けて上部電極とする工程、ｅ．前記導電性部材を下部電極とする工程、ｆ．前記導電性部材に応力が発生し、この応力によりひずみが発生したときに検出される前記上部電極と前記下部電極間の電圧を検出する工程、からなるものである。

請求項２記載の発明においては、請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、圧電性膜および上部電極の表面に保護膜を形成してなることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明においては、請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、導電性部材と上部電極にそれぞれリード配線を固定し、前記リード線固定部の上に保護膜を形成してなることを特徴とするものである。

請求項４記載の発明においては、請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、スプレーコーティング時の導電性部材の温度を常温から２４０℃以下に温度制御することを特徴とするものである。

請求項５記載の発明においては、請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、下部電極として用いる導電性部材には、鉄塔、鉄道レール、橋梁、高架道路、鉄骨コンクリート、住宅用屋根・窓枠などの建造物に用いられる柱、桁、ボルト、ロープ、基礎支柱、スプリング、サッシ、アングルまたはエレベータやクレーンなどに用いられるチェーンやワイヤー、カーボン繊維を含有するプラスチック材、及び導電性が付与された繊維・布・不織布が含まれることを特徴とするものである。

請求項６記載の発明においては、請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、圧電性膜には耐薬品性、耐候性、防錆性、耐腐食性などの機能性が単独で又は組み合わせで付与されていることを特徴とするものである。

請求項７記載の発明においては、請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、ひずみを検出したい箇所にのみ上部電極となる導電体膜を設け、前記上部電極が設けられた設置範囲において導電性部材のひずみを検出することを特徴とするものである。

請求項１〜７に記載の発明によると、圧電素子や光ファイバーなどを導電性部材表面上もしくは構造体内部に貼り付けや埋め込みを行わずして、導電性部材表面上にスプレー方式で圧電性膜を形成し、圧電式のひずみセンサー（膜）を形成する事ができる。このため、センサーの形状、寸法の自由度が増すと同時に貼り付け加工や配線加工、埋め込み加工を無くす事ができる為、ひずみセンサーの製造及び敷設コストを大幅に減少させる事ができる。

更には、導電性部材にひずみセンサーを貼り付ける際に用いる粘着テープや接着剤が不要になり、導電性部材とひずみセンサーが一体化されるため、導電性部材とひずみセンサーの間に介在していた緩衝物が無いため、導電性部材の受けたひずみをセンサーが直接検知する事ができ、従来型のセンサーに比べ、応答精度が格段に高くなる。

また、導電性部材に直接スプレーコーティングすることで大面積をセンサーとして使用することが可能となる。これによって、鉄塔、鉄道レール、橋梁、高架道路、鉄骨コンクリート、住宅用屋根・窓枠などの建造物に用いられる柱、桁、ボルト、ロープ、基礎支柱、スプリング、サッシ、アングルまたはエレベータやクレーンなどに用いられるチェーンやワイヤー、各種パイプライン、石油採掘用井戸などの多様な部材に使用する事が可能になる。同時に耐薬品性、耐候性、防錆性、耐腐食が極めて高いフッ素系樹脂を圧電性物質として使用している為、導電性部材の表面に圧電性膜が形成されることにより、導電性部材の耐薬品性、耐候性、防錆性、耐腐食などの機能性を付与することも可能となる事から、広範囲な工業用途に適用できる。

本発明を実施する為のスプレーコーティングシステムの説明図。 本発明の請求項１におけるフロー図。 本発明の請求項２におけるフロー図。 本発明の請求項３におけるフロー図。 圧電性製膜処理された導電性部材の評価システムの説明図。 実施例１における圧電性製膜処理された導電性部材の上面図。 実施例３における圧電性製膜処理された導電性部材の上面図。 実施例１および比較例１における導電性部材の応力荷重と圧電量との相関を示すグラフ。 実施例１における導電性部材の圧電量と発生ひずみ量との相関を示すグラフ。

発明を実施する為の形態

本発明の導電性部材のひずみ検出装置は、下記の工程を含む。
ａ．導電性部材の表面に対して、フッ素系圧電性物質を溶媒に溶解した溶液をスプレーコーティングし、前記スプレーコーティングと同時にスプレーガンと導電性部材の間に直流高電圧を印加する。
ｂ．スプレーコーティングした溶液を加熱乾燥して圧電性膜を形成する。
ｃ．圧電性膜の上に上部電極として導電体膜を設ける。
ｄ．下部電極として、導電性部材を用いる。
工程

本発明のスプレーコーティングによる導電性部材のひずみ検出方法には、直流高電圧印加を利用した圧電性コーティング膜を形成する工程を含む。一般に、有機系フッ素樹脂（例えばポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ））の溶液キャスト法により形成された圧電性膜は、圧電性を示さないα型の結晶構造を有する。前記圧電性膜は延伸処理を行うことにより、α型の結晶構造が圧電性を示すβ型の結晶構造に転移し、その後高電圧を印加することによりβ型結晶集合体が配向（以下分極と称す）し、より高性能な圧電性を示すことが知られている。

本発明による工程ａにより導電性部材上に高電圧印加と同時にスプレーコーティングされ形成された圧電性膜は、フッ素系圧電性物質がマイナス電荷を帯びた状態で噴霧される事で、圧電性物質の溶液に含まれる溶媒が蒸発すると同時にα型の結晶構造体が電界の力により分極しながら導電性部材に付着し、フッ素系圧電性物質の分子鎖の電気双極子がβ型の結晶構造を形成する。つまり、この工程ａにより形成された圧電性膜は強い圧電性を示す。

工程ｂでは、工程ａにより形成した溶媒を含む圧電性膜に熱エネルギーを与えて乾燥させることにより、工程ａより形成したβ型の結晶構造体、つまり分極状態を強固且つ安定にして形成することができる。

圧電性膜を乾燥させる加熱温度は、フッ素系圧電性物質の、溶媒を完全に除去できる温度であれば、特に限定されない。乾燥方法としては熱風、ハロゲンランプ、遠赤外線ヒータ等による加熱が挙げられる。乾燥時間は溶媒が蒸発して圧電性膜が硬化すれば良いため特に限定されず、乾燥方法と乾燥温度に応じて適宜選択することができる。

工程ｃ,ｄにより、導電性部材が歪んだ際に圧電性膜から発生する電気信号を伝搬する電極が形成される。

特に工程ｃにおいて上部電極である導電体膜の加工には、スプレーコーティング以外にも公知の方法を利用する事ができる。例えば、スパッタ法、蒸着法、ペースト塗布、シルク印刷、パット印刷法等により、導電性の高い銀、銅、カーボン粉末材料をはじめとする導電性高分子溶液または金属ペーストを用いて電極を形成することが出来、これらの電極形成方法は、導電性部材の形状等により適宜選択される。

本発明における圧電性膜上の導電体膜表面に形成する保護膜の材料としては、酢酸ビニル・シリコーン・ウレタン・エポキシ・フッ素ゴム等の柔軟性ある有機系高分子樹脂を含む水溶性もしくは溶剤系の保護膜コーティング溶液、非導電性であればその他の材料も使用することが出来る。

また、保護膜加工には、スプレーコーティング以外にも公知の方法を利用することができる。例えば、刷毛塗り、浸漬塗布、シルク印刷法等により、保護膜を形成することが出来る。

本発明における導電体膜とリード配線とを固定する方法としては、導電性を有するカーボン・銀・銅などの無機系金属成分とアクリルやウレタン・エポキシなどの有機系高分子樹脂成分が複合された導電性接着剤を用いることが出来る。また、接着剤を用いない場合は、金属端子を用いての圧着、かしめ、クランプなどによる固定でも良い。

本発明における導電性部材とリード配線とを固定する方法としては、導電性接着剤、半田付や溶接、金属端子を用いての圧着、かしめ、支持台によって固定する等の公知の方法を利用することが出来る。

本発明における圧電性溶液をスプレーコーティングし、前記スプレーコーティングと同時にスプレーガンと導電性部材の間に直流高電圧を印加する際の、導電性部材を温度制御する加熱方法は熱風、ハロゲンランプ、赤外線ヒータ、シースヒータ等による方法が挙げられる。

コーティング面の角度が水平面だけでなく傾斜もしくは垂直、さらにオーバーハング面をコーティングする際に、導電性部材の温度を常温から２４０℃以下に温度制御する事により、圧電性溶液の自重による垂れなどによる不均一膜が形成されるといった不良を防止できる。

導電性部材の温度は実用的には、２０〜２４０℃の範囲が好ましく、この温度範囲は、圧電性膜が成膜する過程で、均一な膜となりやすい温度範囲である。２０℃を下回ると圧電性膜の形成が不安定になり、２４０℃を上回ると圧電性膜にひび割れや微細な孔が生じてしまうなどの不具合があり好ましくない。

導電性部材の形状としては、Ｈ鋼、Ｌ鋼（アングル）、鋼板、角管、丸管、ワイヤー、チェーンなど、その他形状は問わない。

導電性部材の材質としては、鋼材以外にも導電性を有するものであれば使用可能であり、ステンレス鋼やアルミニウム、銅、チタン、マグネシウムなどの金属や、ＣＦＲＰやＣＮＴ及び炭素繊維を含有するプラスチック、及び導電性が付与された繊維・布・不織布を用いることが可能である。

本発明における導電性部材表面上に圧電性製膜処理した導電性部材より発生した電圧信号は上部・下部電極よりリード配線からアンプを通じて、マイコンやパーソナルコンピューターなどのホストへ送信することも可能である。

更には導電性部材表面上に圧電性成膜処理した導電性部材より発生した電圧を蓄電池およびキャパシターで一定量まで蓄電し、出力する方式をとっても構わない。例えば、導電性部材表面上に圧電性成膜処理した面とは反対面に同様なもう一つの圧電性成膜処理をし、一方の圧電性膜ではひずみ情報を読み取り、もう一方の圧電性膜では発生した電圧を蓄電池およびキャパシターで一定量まで蓄電し、蓄電池で蓄えた電気で無線発信機を駆動し、導電性部材表面のひずみ情報を導電性部材より離れた場所へ送信することも可能である。

本発明におけるフッ素系圧電性物質の主成分として有機系のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）と３フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）の共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））が好ましく、且つこのフッ素系圧電性物質に対して、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ，ＰＥＴＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエステル、ＡＢＳ樹脂（ＡＢＳ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）など相溶する物質同士をブレンドしたものを用いても構わない。

また、フッ素系圧電性物質として無機系のチタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸ジルコン酸鉛等のセラミック系粒子を複合して用いても構わない。

また、フッ素系圧電性物質として前記有機系及び無機系の双方をブレンドしたものを用いても構わない。

フッ素系圧電性物質の溶液を得る為の溶媒としてはエタノール、ポリエチレングリコール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、γ−ブチロラクトン、ジメチルアセチアミド、アセトン、メチルメチルケトン（ＭＥＫ）、酢酸エチル、酢酸ブチル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、シクロヘキサン、フルフラール、ヘキサメチルリン酸トリアミド（ＨＭＰＡ）、シクロヘキサノン（ＣＨＮ）等の１種又は２種以上の混合溶媒を用いても構わない。

フッ素系圧電性物質と溶媒との混合比は実用的には１：９９〜２０：８０の範囲が好ましい。これ以上フッ素系圧電性物質が多いと圧電性溶液の粘性が高まる為、安定したスプレーコーティングが出来ず、また以下であると性能が低下するため好ましくない。

なお、この圧電性溶液の作成は常温下で攪拌し混合を行う。

圧電性を有するか否かは、導電性部材表面上に圧電性製膜処理した導電性部材に加えた曲げ・圧縮・引っ張り・振動などの応力により発生する交流電圧のオシロスコープ波形から確認する事ができる。圧電性を有する場合、外部応力を与えるとプラスもしくはマイナスの電圧を示し、ひずみを緩和させた場合その逆の電圧が発生する。

以下に、本発明の実施例と比較例を説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではなく、これら実施例の組み合わせでもよい。

図１に基づいてスプレーコーティングシステムの説明をする。

図１に本発明を実施する為のスプレーコーティング機を示す。１はスプレーコーティング機である。２は溶液を貯蔵する溶液圧送タンクで溶液搬送流路３を介してコーティング機１内部に溶液が送られる。高電圧は高電圧電源４で昇圧され、高電圧ケーブル５を通じてコーティング機１の先端に付属する電極針６へと送電される。溶液を微粒化して噴霧するためのエアーはコンプレッサー７からエアー配管経路８を介して、コーティング機１内部にエアーが送られる。９はコーティング機１とその周辺機器を統合制御する制御装置である。

このコーティング機１に付属する電極針６に高電圧を供給し、その電極針６をアース２６に接続された導電性部材１０に向ける事により、導電性部材１０がプラスに帯電する。これにより、電極針６と導電性部材１０との間で電界１１が生じる。

この電界１１を形成させた後、電界方向に沿って、溶液をコーティング機１よりエアーと同時に吐出し、マイナスの電荷を帯びた液滴粒子１２が導電性部材１０に付着する事により、圧電性膜１３を形成する。１４は導電性部材１０を昇温・保持する為のヒータである。１５は導電性部材１０を積載する受け冶具であって、この治具１５にはアース２６が結ばれていると共に、床２３に設置してある。

また、本発明の請求項１及び２、３におけるフロー図を図２及び３、４に示す。

図２は請求項１記載の工程のフロー図で、はじめにコーティング機１に付属する電極針６より導電性部材１０に向けて電界を形成する。それと同時にコーティング機１からエアーを導電性部材１０に向けて噴出し、同時にコーティング機１から圧電性溶液を吐出し、微粒化噴霧して導電性部材１０上に圧電性膜１３を形成する。次に加熱乾燥を行う工程を設け、次に圧電性膜１３の上に上部電極として導電体膜１６を設け、導電性部材１０を下部電極とする工程フローとなっている。

図３は請求項２記載の工程のフロー図で、請求項１記載の圧電性膜１３を形成した後、次に加熱乾燥を行う工程を設け、次に圧電性膜１３の上に上部電極として導電体膜１６を設け、導電性部材１０を下部電極とし、その後に保護膜１７を形成する工程フローとなっている。

図４は請求項３記載の工程のフロー図で、請求項１記載の圧電性膜１３を形成した後、次に加熱乾燥を行う工程を設け、次に圧電性膜１３の上に上部電極として導電体膜１６を設け、更に導電体膜にリード配線１８を導電接着剤１９で接着して、その後その上に保護膜１７を形成する工程フローとなっている。２０は導電性部材１０を下部電極としてリード線１８を接合する半田である。

請求項１に記載した発明の実施例を説明する。

フッ素系圧電性物質としてＰＶＤＦ（クレハ化学製＃８５０）、溶媒としてＤＭＦ（山一化学製）を使用した。圧電性溶液の配合比は４：９６で希釈した。導電性部材１０はＬ２２０ｍｍ φ３０ ｔ２．０の丸形鋼管（以下導電性部材１０と称す）を用いた。

コーティング機１（自社製）の動作は、一軸動作装置（自社製）２４に取り付け、コーティング機４のセンターを導電性部材１０の幅のセンターに合わせ、長さ方向に沿って移動させた。

コーティング機１の移動速度は１００ｍｍ／ｓｅｃ、電極針６への供給電圧８０，０００Ｖ、溶液吐出圧０．０３ＭＰａ、エアー圧０．２ＭＰａとした。この条件で導電性部材１０に対して高電圧を４０秒間（２０往復）行った。この時の圧電性膜１３の膜厚は２０μｍである。

圧電量の測定には、圧電性膜１３が導電性部材１０表面に形成された状態で、圧電性膜１３の上面に銀ペーストを塗布して膜状の導電体膜１６を形成し、その導電体膜１６に導電接着剤１９を用いてリード線１８を接合した。導電性部材１０に対しては半田２０を用いてリード線１８を接合した。圧電性膜１３寸法はＷ＝１０ Ｌ＝２００とし、圧電性膜１３の表面に塗布した導電性膜１６寸法はＷ＝５ Ｌ＝２０である。図６に本実施例における導電性部材１０の説明図を示す。次に圧縮試験機（自社製）２１に支持スパン距離を２００ｍｍとして導電性部材１０の長手両端を支持台２２で固定し、導電性部材１０中央部を集中荷重２５０〜７５０Ｎで３０回／分繰り返し圧縮させ、その際導電性部材１０と導電体膜１６の間で発生する電圧をアンプ２７を通じて、圧電量ｍＶ（最大値）をオシロスコープ（キーエンス製ＮＲ-３５０）２５で確認した。図５に導電性部材１０表面上に圧電性製膜処理した導電性部材１０の評価システムを示す。

このスプレーコーティングにおいて、導電性部材１０の温度はヒータ１４を用いて１６０℃に 昇温・保持して、コーティング機１に付属する電極針６と導電性部材１０との距離を５０ｍｍとした。

また、導電性部材１０に与える応力荷重は２５０、５００、７５０Ｎで行い、各応力荷重時におけるそれぞれの圧電量の比較を行った。この時の荷重速度は５００ｍｍ／ｓｅｃである。得られた圧電性膜１３は、応力荷重２５０Ｎにおいて約１５００ｍＶ、５００Ｎにおいて約２０００ｍＶ、７５０Ｎにおいて約３０００ｍＶの圧電量を得た。なお、この時のひずみ量は応力荷重２５０Ｎ時で０．１％、５００Ｎ時で０．１５％、７５０Ｎ時で０．２％であった。ひずみ量％（変形量／支持スパン距離）の増加に比例して圧電量が高くなる関係にある事を確認できた。結果を表１に示す。また、応力荷重と圧電量の関係を図６、ひずみ量％と圧電量との関係を表１及び図７に示す。

比較例１

前記実施例１における、スプレーコーティングと同時に高電圧を印加して得られる圧電性膜の圧電性の効果を確認する為、実施例１と同一の溶液を用いて請求項１に記載におけるスプレーコーティングにおいて高電圧印加を実施せずに圧電性膜を形成した。その他コーティング条件は実施例１と全く同一として比較例１のサンプルを作成した。

比較例１サンプルの試験方法は実施例１と同様である。

これにより、得られた圧電性膜１３の圧電量は２０〜６０ｍＶであった。導電性部材１０に対して無負荷状態では１０〜５０ｍＶの電圧がノイズとして発生している。この事から比較例１での結果は、前記ノイズと識別が困難であり、ひずみを検出するセンサーとして用いることは不可能であった。結果を表１及び図６に示す。

比較例１の圧電量の測定は実施例１に記載の測定方法で行った。

請求項６に記載した発明の実施例を説明する。

導電性部材１０の表面に対して、圧電性膜処理有りのものと圧電性膜処理無し（母材の生地）のもので機能性を比較した。圧電性膜処理は導電性部材１０の表面に実施例１と同様の条件でスプレーコーティングを行い、膜厚２０μｍの圧電性膜１３が形成された試験サンプルを得た。圧電性膜処理無しのものは、導電性部材１０そのままの状態を試験サンプルとして用いた。

機能性の比較試験は、前記圧電性膜１３処理した試験サンプルと何も処理していない導電性部材１０を用いて、それぞれに対して耐薬品性、耐腐食性試験を行った。
ａ．耐薬品性試験、レンジ用マジックリン（住宅用アルカリ洗剤）を水に５％の混合した水溶液を塗布し、４０℃９０％の環境条件で恒温槽内に１２０時間放置した。１２０時間後、圧電性膜処理がされた試験サンプルは、外観異常は見られなかったが、圧電性膜処理がされていない試験サンプルには、全体に錆びによる曇りが発生し、一部に茶褐色の錆が確認された。

ｂ．耐腐食性試験、３５℃に加温した５％の食塩水を試験サンプルに８時間噴霧し続け、８時間後食塩水噴霧を停止し、１６時間放置する。これを１サイクルとして、計３サイクルを行った。その結果、圧電性膜処理がされた試験サンプルでは、外観異常は見られなかったが、圧電性膜処理がされていない試験サンプルには、錆による明らかな腐食が確認された。結果を表２に示す。

ウレタン樹脂に３０ｗｔ％のＣＮＴ（カーボンナノチューブ）を混合した導電性を有する平板状のプラスチック基板（導電性部材１０）に曲げ応力を加えて圧電量を確認した。
導電性部材１０の寸法はｔ＝５．０ Ｗ＝２０ Ｌ＝６０ であり、圧電性膜処理の方法は実施例１と同様である。圧電性膜１３寸法はＷ＝１０ Ｌ＝５０また圧電性膜１３の表面に塗布した導電性膜は実施例１と同様で、導電性膜１６寸法はＷ＝５ Ｌ＝２０である。図７に本実施例における導電性部材１０の説明図を示す。実施例１と同一の圧縮試験機を用いて支点スパンの距離を５０ｍｍとし、導電性部材１０の中央に与える応力荷重を２５０Ｎ，５００Ｎ，７５０Ｎ、荷重速度を５００ｍｍ／ｓｅｃとした。これにより、圧電性膜１３から得られた圧電量はそれぞれ４０００ｍＶ，５０００ｍＶ，６０００ｍＶであった。実施例１と電極面積が同一にもかかわらず約２倍の圧電量が得られたのは、プラスチック基板のヤング率が丸形鋼材よりも極めて低い為、応力荷重をかけた際にひずみが大きく発生し、大きな圧電量が発生したものと考えられる。結果を表１および図６に示す。

ニッケル系金属剤がコーティングされたポリエステル系繊維を織り込んで製作された導電性を有する布生地（導電性部材１０）に圧縮応力を加えて圧電量を確認した。
導電性部材１０の寸法はｔ＝１．０ Ｗ＝２０ Ｌ＝６０ であり、圧電性膜処理の方法は実施例３と同様である。圧電性膜１３寸法はＷ＝１０ Ｌ＝５０また圧電性膜１３の表面に塗布した導電性膜は実施例３と同様で、導電性膜１６寸法はＷ＝５ Ｌ＝２０である。実施例１と同一の圧縮試験機を用いて支点スパンの距離を５０ｍｍとし、導電性部材１０の中央に与える応力荷重を２５０Ｎ，５００Ｎ，７５０Ｎ、荷重速度を５００ｍｍ／ｓｅｃとした。これにより、圧電性膜１３から得られた圧電量はそれぞれ６０００ｍＶ，７０００ｍＶ，８０００ｍＶであった。実施例３と電極面積が同一にもかかわらず約１．５倍の圧電量が得られたのは、導電性を有する布生地のヤング率がプラスチック基板よりも低い為、応力荷重をかけた際にひずみが大きく発生し、大きな圧電量が発生したものと考えられる。結果を表１および図８に示す。

１ スプレーコーティング機
２ 溶液圧送タンク
３ 溶液搬送流路
４ 高電圧電源
５ 高電圧ケーブル
６ 電極針
７ コンプレッサー
８ エアー配管経路
９ 制御装置
１０ 導電性部材
１１ 電界
１２ 液滴粒子
１３ 圧電性膜
１４ ヒータ
１５ 受け冶具
１６ 導電体膜
１７ 保護膜
１８ リード配線
１９ 導電接着剤
２０ 半田
２１ 圧縮試験機
２２ 支持台
２３ 床
２４ 一軸動作装置
２５ オシロスコープ
２６ アース
２７ アンプ

Claims (7)

1. ａ．導電性部材のひずみ検出方法において、
   ｂ．前記導電性部材の表面に対して、フッ素系圧電性物質を溶媒に溶解した溶液（以下「圧電性溶液」と称す。）をスプレーコーティングし、前記スプレーコーティングと同時にスプレーガンと導電性部材の間に直流高電圧を印加する工程、
   ｃ．前記スプレーコーティングした溶液を加熱乾燥して圧電性膜を形成する工程、
   ｄ．前記圧電性膜の上に導電体膜を取り付けて上部電極とする工程、
   ｅ．前記導電性部材を下部電極とする工程、
   ｆ．前記導電性部材に応力が発生し、この応力によりひずみが発生したときに検出される前記上部電極と前記下部電極間の電圧を検出する工程、
   ｇ．からなる導電性部材のひずみ検出方法。
2. 請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、圧電性膜および上部電極の表面に保護膜を形成してなることを特徴とする導電性部材のひずみ検出方法。
3. 請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、導電性部材と上部電極にそれぞれリード配線を固定し、前記リード線固定部の上に保護膜を形成してなることを特徴とする導電性部材のひずみ検出方法。
4. 請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、スプレーコーティング時の導電性部材の温度を常温から２４０℃以下に温度制御することを特徴とする導電性部材のひずみ検出方法。
5. 請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、下部電極として用いる導電性部材には、鉄塔、鉄道レール、橋梁、高架道路、鉄骨コンクリート、住宅用屋根・窓枠などの建造物に用いられる柱、桁、ボルト、ロープ、基礎支柱、スプリング、サッシ、アングルまたはエレベータやクレーンなどに用いられるチェーンやワイヤー、カーボン繊維を含有するプラスチック材、及び導電性が付与された繊維・布・不織布が含まれることを特徴とする導電性部材のひずみ検出方法。
6. 請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、圧電性膜には耐薬品性、耐候性、防錆性、耐腐食性などの機能性が単独で又は組み合わせで付与されていることを特徴とする導電性部材のひずみ検出方法。
7. 請求項１に記載の導電性部材のひずみ検出方法において、ひずみを検出したい箇所にのみ上部電極となる導電体膜を設け、前記上部電極が設けられた設置範囲において導電性部材のひずみを検出することを特徴とする導電性部材のひずみ検出方法。

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