JP2020026989A - 異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属基体の表面に非金属層が密着して設けられた構造物において、任意の位置における非金属層と金属基体との間に生じた剥離などの異常を、非金属層を除去することなく検出すること。【解決手段】金属基体の表面に非金属層が密着した構造物の表面の所定位置にテラヘルツ波を照射可能かつ走査可能なテラヘルツ波発信手段と、構造物の所定位置で反射されたテラヘルツ波を検出可能かつ走査可能なテラヘルツ波検出手段と、テラヘルツ波発信手段の出射側に設けられた発信側直線偏光手段と、偏光方向が発信側直線偏光手段と９０°異なるように、テラヘルツ波検出手段の検出側に設けられた検出側直線偏光手段とを備えた異常検出装置による異常検出方法において、テラヘルツ波発信手段からテラヘルツ波を非金属層に照射して非金属層を透過したテラヘルツ波の強度が極小部分をテラヘルツ波検出手段によって検出することで、非金属層における異常部分を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を利用して対象物の表面に設けられた非金属層の劣化や異常を検査する異常検出方法に関する。

近年、テラヘルツ波イメージングやレーダの研究開発が行われており、非破壊検査やセンシングなどへの応用が期待されている。テラヘルツ波は、樹脂などの非金属材料に照射するとほとんどが透過する一方、金属材料に照射するとほとんどが反射する性質を有する。このようなテラヘルツ波の性質を利用することによって、樹脂などの非金属材料からなる層（以下、非金属層）の下層に存在する金属材料からなる基体（以下、金属基体）の表面の凹凸性状を測定して、画像化する技術が提案されている（非特許文献１）。このテラヘルツ波の性質を利用して、樹脂層などの非金属層と下層の金属基体との間の異常を検出する技術が検討されている。

例えば鋼構造物においては一般的に、防食などのために表面が耐環境性に優れる塗料や樹脂などの非金属層（以下、防食層と総称する）の被覆が施されている場合が多い。防食層は、施工前の下地処理の不良や施工時における温度管理の不備、および経年劣化などによって、鋼面との密着度が低下して最終的には剥落するなどして所定の機能を発揮しなくなる。そのため、所定の時間間隔ごとに、表面の防食層を剥離した後に再度防食層を施す作業が実行されている。

その上で、防食層の劣化に関する判断方法としては、次の６通りの判断方法が採用されている。すなわち、第１に目視検査、第２に画像処理解析、第３にカレントインタラプタ測定（防食層下金属表面の抵抗値測定）、第４に防食層の付着性評価、第５に防食層の厚さ測定、第６に防食層の化学分析などである。

山口淳、「テラヘルツイメージングシステムの開発」、ＰＩＯＮＥＥＲ Ｒ＆Ｄ（２０１４）

しかしながら、第１および第２の判断方法は、定性的な評価に限定され、定量的な評価ができないという問題があった。また、第３〜第６の判断方法は、定量的な評価が可能である一方、測定対象物に接近して実行する必要があるため、大型の構造物や高所にある構造物に対する検査の際には、足場などを架設する必要があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、金属基体の表面に非金属層が密着して設けられた構造物において、任意の位置における非金属層と金属基体との間に生じた剥離などの異常を、非金属層を除去することなく検出可能な異常検出方法を提供することにある。

（１）上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る異常検出方法は、金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物の表面の所定位置にテラヘルツ波を照射可能に構成されているとともに、前記対象物の表面を走査可能なテラヘルツ波発信手段と、前記対象物の前記所定位置において反射されたテラヘルツ波を検出可能に構成されているとともに、前記対象物の表面を走査可能なテラヘルツ波検出手段と、前記テラヘルツ波発信手段における前記テラヘルツ波の出射側に設けられた発信側直線偏光手段と、前記テラヘルツ波検出手段の検出側に、偏光方向が前記発信側直線偏光手段の偏光方向と９０°異なるように設けられた検出側直線偏光手段と、を備えた異常検出装置による異常検出方法において、前記テラヘルツ波発信手段から出射された前記テラヘルツ波を前記非金属層に照射するとともに、前記テラヘルツ波検出手段により前記非金属層を透過した前記テラヘルツ波の強度が極小となる部分を検出することによって、前記非金属層に生じる応力が等方的である部分を異常部分として検出することを特徴とする。

（２）本発明の一態様に係る異常検出方法は、上記（１）の発明において、前記発信側直線偏光手段および前記検出側直線偏光手段は、前記発信側直線偏光手段の偏光方向と前記検出側直線偏光手段の偏光方向とが９０°異なった状態を維持しながら回転可能に構成され、前記発信側直線偏光手段と前記検出側直線偏光手段とを回転させた場合に、前記テラヘルツ波検出手段によって検出される前記テラヘルツ波の強度が極小を維持する部分を検出することによって、前記異常部分を検出することを特徴とする。

（３）本発明の一態様に係る異常検出方法は、上記（１）の発明において、前記テラヘルツ波発信手段の出射側に設けられ、前記発信側直線偏光手段を透過した直線偏光のテラヘルツ波を円偏光になるように位相差を与える発信側位相変換手段と、前記検出側直線偏光手段に対して前記テラヘルツ波の入射側に設けられ、前記テラヘルツ波に位相差を与える検出側位相変換手段と、をさらに備え、前記テラヘルツ波検出手段によって検出される前記テラヘルツ波の強度が極小となる部分を検出することによって、前記異常部分を検出することを特徴とする。

本発明に係る異常検出方法によれば、金属基体の表面に非金属層が密着して設けられた構造物において、任意の位置における非金属層と金属基体との間に生じた剥離などの異常を、非金属層を除去することなく検出することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態による異常検出方法を実行するための応力測定装置の構成を示す図である。 図２は、本発明の第２の実施形態による異常検出方法を実行するための応力測定装置の構成を示す図である。 図３は、従来の光弾性法による応力測定方法を説明するための光弾性応力測定装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態による異常検出方法および異常検出装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明による異常検出方法を説明するにあたり、本発明の理解を容易にするために、本発明の原理について説明する。通常、構造物は部材の保護のために、表面が耐環境性に優れた塗料や樹脂などによって被覆される。これらの代表的なものとしては、鋼材からなる構造物（鋼構造物）が腐食しないように保護する、非金属層からなる防食層としての塗装や塗覆装（以下、防食層と総称する）がある。防食層は通常、部材の表面に密着している。ところが、防食層が劣化すると、鋼材の鋼面に対する防食層の密着度が低下する。

ここで、防食層の密着度を評価するために、例えば塗装については、クロスカット試験法（日本工業規格、Ｋ５６００−５−６）も知られている。クロスカット試験法とは、カミソリの刃によって塗装の表面に微細な間隔で縦横に切り込みを入れ、塗装の剥がれ状況を観察して標準判定画像と対比することによって、塗装の密着度を５段階で評価する方法である。ところが、クロスカット試験法は、検査者が塗装の表面に接近する必要があるのみならず、局所的な評価に留まり、さらには塗装を損傷させる方法であることから、実際の構造物に対する適用には限界があった。

上述した防食層は、乾燥および硬化の過程において収縮することから、表面に引張残留応力が生じることが知られている。すなわち、鋼構造物などの防食層においては、施工の工程に基づくと、施工の完了時には等方的な引張残留応力の状態になっている。例えば塗装の場合、乾燥の過程において塗膜自体が収縮する一方、金属基体である鋼材との密着部が抗力になって、結果として引張残留応力の状態になる。さらに、乾燥の過程においては通常、乾燥は一様に進行することから、引張残留応力は等方的になる。また、塗覆装の場合、塗覆装を加熱により軟化させた状態で鋼材に施工する。この際、塗覆装の冷却の過程において熱収縮が生じる一方、塗装の場合と同様に、鋼材との密着部が抗力になって、結果として引張残留応力の状態になる。熱収縮においては冷却が一様に進むことから、引張残留応力は等方的になる。

以上の点から、防食層が健全である箇所、すなわち鋼材の鋼面に防食層が正常に密着している正常部分においては、防食層における応力の状態は、等方的な引張残留応力と構造物の死荷重によって生じるひずみによる応力とが重畳した状態になっている。死荷重によるひずみは一般には等方的ではないことから、健全な箇所における防食層の応力状態は等方的でなく、異方性を有することになる。他方、防食層が健全ではない箇所、すなわち鋼材の鋼面に防食層が正常に密着していない異常部分においては、防食層と鋼材との密着性が低下していたり防食層の下方が腐食していたりする場合がある。この場合、防食層は剥離などによって浮いた状態になるため、防食層に対する密着部の抗力が存在しなくなり、等方的な圧縮残留応力のみが残った状態になる。そのため、防食層が健全ではない箇所は、健全である箇所とは応力方向が反対である圧縮方向の等方的な応力状態になる。したがって、鋼構造物の表面の防食層の応力が等方性を有するか異方性を有するかを検出することによって、防食層の異常部分を検出でき、防食層による防食状態の健全性を評価できる。

そこで、防食層に生じる応力に関する異方性および等方性の検出方法について説明する。従来、樹脂の応力を評価する手法として、エポキシ樹脂やガラスなどの透明な材料に外力を作用させると複屈折現象が生じることを利用した、光弾性応力測定法（以下、光弾性法）が知られている。光弾性法においては、複屈折現象が生じる材料によって作成したモデルに外力を作用させ、モデルに生じた複屈折現象を観察することによって、応力分布を求める方法である。図３は、従来の光弾性法による応力測定方法を説明するための、光弾性応力測定装置の概略構成を示す図である。

図３に示すように、従来の光弾性応力測定装置１００は、互いに直線状に配置された、可視光源１０１、第１偏光板１０２、λ／４波長板１０３，１０４、第２偏光板１０５、およびカメラ１０６を有して構成される。なお、必要に応じてさらにレンズなどが設けられる。これらのうちの第１偏光板１０２と第２偏光板１０５とは、互いの偏光方向が９０°（π／２）異なるように設けられている。一方、λ／４波長板１０３，１０４は互いの主軸方向が９０°異なるように設けられている。その上で、第１偏光板１０２の偏光方向とλ／４波長板１０３の主軸方向とは互いに４５°（π／４）異なるように設けられている。同様に、λ／４波長板１０４の主軸方向と第２偏光板１０５の偏光方向とは互いに４５°異なるように設けられている。応力が測定される測定対象物１１０は、可視光に対して透明な例えばエポキシ樹脂などからなる。測定対象物１１０は、λ／４波長板１０３，１０４の間の所定位置に配置される。

光弾性応力測定装置１００によって測定対象物１１０に生じる応力を測定する場合には、まず、可視光源１０１から可視光を出射させる。可視光源１０１から出射された可視光は、第１偏光板１０２によって直線偏光となった後、λ／４波長板１０３によって円偏光となる。円偏光となった可視光は、測定対象物１１０に入射して測定対象物１１０の応力場に起因する複屈折によって位相差δを生じ、楕円偏光となる。なお、楕円偏光は円偏光である場合を含む。ここで、複屈折により生じる位相差δは、以下の（１）式に示すように、測定対象物１１０の主応力差（σ₁−σ₂）に比例する。
δ＝２πＣｔ（σ₁−σ₂）／λ …（１）
なお、λは使用する光の波長、Ｃは測定対象物１１０の材料の光弾性係数、ｔは測定対象物１１０の厚さである。

測定対象物１１０を透過した光は、λ／４波長板１０４によって直線偏光となった後、第２偏光板１０５を通過した偏光成分が、カメラ１０６によって撮像される。この場合に検出される光の強度Ｉは、以下の（２）式に示すように、複屈折により生じる位相差δに依存する。
Ｉ＝Ａ²sin²（δ／２） …（２）
なお、Ａは入射光の振幅である。

すなわち、測定対象物１１０に生じた位相差に依存した画像が、カメラ１０６によって撮像可能となって、測定対象物１１０の応力状態が観察可能になる。カメラ１０６によって撮像された画像は、測定対象物１１０における明暗模様の光弾性縞の画像として得られる。得られた明暗模様の光弾性縞は等色線と言われる。撮像された等色線を観察することによって、測定対象物１１０の厚さｔと光弾性係数Ｃとから光弾性パラメータとしての主応力差（σ₁−σ₂）を導出することができる。

一方、図３に示す光弾性応力測定装置１００において、λ／４波長板１０３，１０４を取り除いた構成にすることによって、さらに主応力方向を測定することができる。すなわち、光弾性応力測定装置１００において、可視光源１０１からカメラ１０６の間の光軸上から、λ／４波長板１０３，１０４を取り外した状態にする。この構成においては、可視光源１０１から出射した可視光が、第１偏光板１０２を通過して直線偏光に偏光された後、測定対象物１１０に入射する。この場合に検出される光の強度Ｉは、以下の（３）式に示すように、複屈折により生じる位相差δと主応力方向と直線偏光方向のなす角度φに依存する。
Ｉ＝Ａ²sin²２φ・sin²（δ／２） …（３）

詳細には、第１偏光板１０２の偏光方向、すなわち直線偏光の偏光方向と主応力方向とが一致している場合には、直線偏光は偏光方向が変化することなく測定対象物１１０を透過する。この場合、主応力方向と直線偏光方向のなす角度φは０である。測定対象物１１０を透過した光は、第１偏光板１０２の偏光方向と平行な直線偏光であることから、第２偏光板１０５をほとんど透過しない。この状態において、第２偏光板１０５を透過した光を観測すると、測定対象物１１０において等傾線と言われる暗線が発現する。一方、第１偏光板１０２の偏光方向と主応力方向とが一致していない場合には、測定対象物１１０を透過する光には複屈折によって位相差δが生じるため、測定対象物１１０を透過した光は楕円偏光になって、第２偏光板１０５によって偏光されて透過する。透過する光の強度Ｉは、（３）式に示すように、第１偏光板１０２の偏光方向と主応力方向とのなす角度φに応じて変化する。これにより、第１偏光板１０２と第２偏光板とを、互いの偏光方向が９０°異なった状態を維持しながら測定対象物１１０に入射する可視光の偏光方向の角度が変化するように回転させると、カメラ１０６によって撮像される光に明暗が生じて、第１偏光板１０２の回転角度に対応して光弾性縞が撮像される。カメラ１０６によって撮像された光弾性縞の画像に基づいて、測定対象物１１０における主応力方向を検出することができる。

以上のようにして、光弾性応力測定装置１００により光弾性パラメータとしての主応力差（σ₁−σ₂）および主応力方向を検出することができる。ここで、評価する応力場が等方的である場合、主応力差（σ₁−σ₂）は０（σ₁−σ₂＝０）になるため、（１）式から位相差δも０になって、検出される光の強度Ｉも０となる。したがって、光弾性法において、図３に示す光弾性応力測定装置１００を用いて測定対象物１１０を透過した光を検出する場合、検出された光の強度が０となる箇所は、測定対象物１１０において等方的な応力状態にあると判断できる。

また、図３に示す光弾性応力測定装置１００において、λ／４波長板１０３，１０４を取り除いた構成を用いて光を検出する場合、第１偏光板１０２および第２偏光板１０５を回転させて、偏光方向を変化させた場合に常に検出光が０となる箇所は、測定対象物１１０において等方的な応力状態にあると判断できる。したがって、光弾性法において、λ／４波長板１０３，１０４を取り除いた構成の光弾性応力測定装置１００を用いても、検出された光が常に０になる箇所は、測定対象物１１０において等方的な応力状態にあると判断できる。

ところが、上述した従来の光弾性応力測定装置１００を用いた光弾性法による応力の測定においては、可視光源１０１から出射する可視光を使用しているため、測定対象物１１０としては、可視光を透過可能な透明材料からなるものに限定されていた。これに対し、実際の構造物などに対して防食のために使用される塗装や塗覆装を構成する樹脂材料は、可視光に対して不透明であることから、可視光を用いた光弾性法を適用することが困難であった。

そこで、本発明者は、可視光に代えて電磁波の一種であるテラヘルツ波を用いることを想到し、テラヘルツ波を用いた光弾性法による異常検出方法について検討を行った。テラヘルツ波は、樹脂などの非金属材料に照射するとほとんどが透過する一方、金属材料に照射するとほとんどが反射する性質を有する。本発明者は、テラヘルツ波が有する性質に着目して、電磁波の複屈折現象が生じる光弾性法の原理と併用することによって、可視光に対して不透明な非金属層である樹脂においても主応力方向を測定して、応力が等方的であるか否かを検出可能であることを想到した。本発明者の鋭意検討によって、防食層における主応力方向を測定することにより、構造物の表面に密着された防食層の任意の位置における異常を非接触で測定可能になる。さらに、本発明者は、テラヘルツ波は、金属材料に照射するとほとんどが反射することから、テラヘルツ波を用いた光弾性法（テラヘルツ波光弾性法）なども可能であることを想到した。以下に説明する本発明は、以上の鋭意検討により案出されたものである。

（第１の実施形態）
（異常検出装置）
図１は、本発明の第１の実施形態による異常検出装置の構成を示す図である。図１に示すように、第１の実施形態による異常検出装置１は、解析制御部１０、テラヘルツ波発信器１１、およびテラヘルツ波検出器１２を備える。第１の実施形態において測定の対象となる鋼構造物１５は、金属基体としての鋼材１５ａの表面に、非金属層からなる防食層１５ｂが設けられている。

異常検出装置１は、テラヘルツ波Ｌ₁を偏光させて鋼構造物１５の表面に照射可能に構成されているとともに、鋼構造物１５を反射したテラヘルツ波Ｌ₂を偏光させた後に検出可能に構成された反射型のテラヘルツ波計測装置から構成される。すなわち、異常検出装置１は、テラヘルツ波発信手段とテラヘルツ波検出手段とを兼ね備える。ここで、テラヘルツ波は、１テラヘルツ（１ＴＨｚ＝１０¹²Ｈｚ）前後、具体的には、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ（１０¹¹〜１０¹³Ｈｚ）オーダーの周波数領域である、いわゆるテラヘルツ領域に属する電磁波である。テラヘルツ領域は、光の直進性と電波の透過性を兼ね備えた周波数領域である。なお、第１の実施形態においてテラヘルツ波の周波数は、防食層１５ｂの材質や厚さなどの条件に応じて選択することが可能であり、防食層１５ｂでのテラヘルツ波の減衰度（透過度）によって選択してもよい。

テラヘルツ波発信手段としてのテラヘルツ波発信器１１は、例えば共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）などを備えたテラヘルツ波発生素子１１ａ、半球レンズ１１ｂ、コリメートレンズ１１ｃ、および対物レンズ１１ｄを有して構成される。なお、共鳴トンネルダイオードの代わりに、光伝導アンテナ（ＰＣＡ：Photo Conductive Antenna）を用いてもよい。テラヘルツ波発信器１１における発信側には、発信側直線偏光手段としての第１偏光板１３ａ、および発信側位相変換手段としてのλ／４波長板１４ａが設けられている。なお、直線偏光手段は、電磁波に対して位相変換を行う位相変換手段として機能する。第１偏光板１３ａの偏光方向とλ／４波長板１４ａの主軸方向とは互いに、４５°異なるように設けられている。なお、テラヘルツ波発信器１１、第１偏光板１３ａ、およびλ／４波長板１４ａは、直線状に配置された光学系を構成しているが、必ずしも直線状に配置される場合に限定されず、テラヘルツ波Ｌ₁を反射する反射ミラーなどをさらに備えて、テラヘルツ波を屈曲させる光学系であってもよい。テラヘルツ波発信器１１、第１偏光板１３ａ、およびλ／４波長板１４ａからなる発信光学系は、テラヘルツ波Ｌ₁の直線偏光であるテラヘルツ波Ｌ_1pを、鋼構造物１５の面に対して所定角度αで照射可能に構成されている。

テラヘルツ波検出手段としてのテラヘルツ波検出器１２は、例えばＲＴＤからなるテラヘルツ波検出素子１２ａ、半球レンズ１２ｂ、および集光レンズ１２ｃを有して構成される。テラヘルツ波検出器１２は、テラヘルツ波検出素子１２ａによってテラヘルツ波の反射波（テラヘルツ波Ｌ₂，Ｌ_2p）を受信可能な状態で、異常検出装置１に設けられている。テラヘルツ波検出器１２における検出側には、検出側直線偏光手段としての第２偏光板１３ｂ、および検出側位相変換手段としてのλ／４波長板１４ｂが設けられている。λ／４波長板１４ｂの主軸方向と第２偏光板１３ｂの偏光方向とは互いに、４５°異なるように設けられている。

第１偏光板１３ａと第２偏光板１３ｂとは互いに、偏光方向が９０°異なるように設けられている。ここで、第１偏光板１３ａと第２偏光板１３ｂとの偏光方向が９０°異なるように設けられているとは、λ／４波長板１４ａ，１４ｂが設けられておらず、かつ複屈折現象が生じる部材が設けられていない状態で、第１偏光板１３ａによって直線偏光にされた後、偏光状態が変わることなく所定の面を反射したテラヘルツ波が、第２偏光板１３ｂを透過しない状態になることである。また、上述した第１偏光板１３ａおよび第２偏光板１３ｂとの関係から、λ／４波長板１４ａ，１４ｂは互いの主軸方向が９０°異なっている。

以上のように構成された異常検出装置１において、少なくともテラヘルツ波発信器１１、テラヘルツ波検出器１２、第１偏光板１３ａ、第２偏光板１３ｂ、およびλ／４波長板１４ａ，１４ｂからなるテラヘルツ波光学系は、一体として鋼構造物１５に対して相対的に走査可能に構成される。これにより、異常検出装置１は、鋼構造物１５の表面の所定範囲を走査しつつ、テラヘルツ波Ｌ₁を照射可能、かつ反射されたテラヘルツ波を検出可能に構成されている。なお、異常検出装置１のテラヘルツ波光学系を鋼構造物１５の表面に対して相対的に走査させる走査機構としては、従来公知の種々の走査機構を採用することができ、さらには手動で走査させることも可能である。

解析手段および制御手段としての解析制御部１０は、信号増幅部１０ａ、バイアス生成部１０ｂ、ロックイン検出部１０ｃ、および解析処理部１０ｄを備える。解析制御部１０は、テラヘルツ波発信器１１に対する各種制御を行う。また、解析制御部１０は、テラヘルツ波検出器１２によって検出されたテラヘルツ波の信号に対して、各種処理を行う。信号増幅部１０ａは、テラヘルツ波検出器１２によって検出された信号を増幅し、テラヘルツ波受信データとしてロックイン検出部１０ｃに出力する。バイアス生成部１０ｂは、バイアス電圧を生成してテラヘルツ波発生素子１１ａおよびテラヘルツ波検出素子１２ａをバイアスすることによって、発信するテラヘルツ波、または検出されたテラヘルツ波を、バイアス電圧に応じて変化させる。テラヘルツ波発生素子１１ａおよびテラヘルツ波検出素子１２ａによって発信または検出されたテラヘルツ波は、微弱な場合もある。この第１の実施形態においては、発信または検出されたテラヘルツ波が微弱である場合の例を示し、テラヘルツ波の検出にはロックイン検出が用いられる。ロックイン検出の際、テラヘルツ波発信器１１においては、テラヘルツ波発生素子１１ａのバイアス電圧として変調された参照信号が用いられることにより、テラヘルツ波の検出信号のノイズ成分が除去される。これにより、発信または検出されたテラヘルツ波が微弱であっても、検出を精度良く行うことができる。解析処理手段としての解析処理部１０ｄは、検出されたテラヘルツ波受信データを格納する所定の記録部（図示せず）を備えるとともに、テラヘルツ波受信データに対して解析処理を行う。

（異常検出方法）
次に、以上のように構成された異常検出装置１を用いた異常検出方法について説明する。上述したように、鋼構造物１５は鋼材１５ａの鋼面１５ａｓに防食層１５ｂが設けられている。鋼材１５ａは、橋梁や配管などの構造物において一般的に用いられる代表的な材料である。なお、鋼構造物１５としては、例えば塗覆装を有する鋼構造物のほか、アルミニウム（Ａｌ）やステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属基体の所定の面を下地として、下地の上層に非金属層が形成された種々の物体とすることができる。

防食層１５ｂは、下地の鋼材１５ａにおける鋼面１５ａｓの防食層として機能し、接着剤なども含む。防食層１５ｂは、鋼材１５ａの鋼面１５ａｓに密着して設けられている。そのため、防食層１５ｂが密着した鋼材１５ａに応力に起因してひずみが生じると、生じたひずみのほとんどが防食層１５ｂに伝播し、防食層１５ｂにも鋼材１５ａに準じたひずみが発生する。この場合、鋼面１５ａｓに防食層１５ｂが正常に密着している正常部分においては、防食層１５ｂにおける応力の状態は、等方的な引張残留応力と鋼構造物１５の死荷重によって生じるひずみによる応力とが重畳した状態になっている。他方、鋼面１５ａｓに防食層１５ｂが正常に密着していない異常部分１５ｄにおいては、防食層１５ｂと鋼材１５ａとの密着性が低下していたり防食層１５ｂの下方が腐食していたりする。この場合、防食層１５ｂに対する鋼面１５ａｓとの密着による抗力が存在しないため、等方的な圧縮残留応力のみが残る。

防食層１５ｂが鋼面１５ａｓに設けられた鋼構造物１５において、異常検出装置１のテラヘルツ波発信器１１から防食層１５ｂの表面１５ｂｓに向けてテラヘルツ波Ｌ₁を出射する。具体的には、テラヘルツ波発生素子１１ａにおいて発生したテラヘルツ波は、半球レンズ１１ｂ、コリメートレンズ１１ｃ、および対物レンズ１１ｄを介して、テラヘルツ波Ｌ₁として出射される。ここで、発信されるテラヘルツ波Ｌ₁は、典型的には連続的に発信されるテラヘルツ連続波であるが、断続的に発信されるテラヘルツパルス波やトーンバースト波であってもよい。

テラヘルツ波発信器１１から発信されたテラヘルツ波Ｌ₁は、第１偏光板１３ａによって直線偏光にされる。第１偏光板１３ａを通過した直線偏光のテラヘルツ波は、λ／４波長板１４ａを透過して円偏光となる。円偏光となったテラヘルツ波Ｌ_1pは、所定角度αの入射角で鋼構造物１５の防食層１５ｂに入射する。防食層１５ｂに入射したテラヘルツ波Ｌ_1pは、防食層１５ｂ内においてひずみに応じた複屈折が生じつつ鋼面１５ａｓによって完全反射される。鋼面１５ａｓにおいて完全反射したテラヘルツ波Ｌ₂は、防食層１５ｂ内においてひずみに応じた複屈折が生じつつ、表面１５ｂｓから出射される。

表面１５ｂｓから出射したテラヘルツ波Ｌ₂は、複屈折により位相差δを生じて楕円偏光または円偏光に偏光される。テラヘルツ波Ｌ₂は、λ／４波長板１４ｂを透過して直線偏光となった後、第２偏光板１３ｂを通過した偏光成分であるテラヘルツ波Ｌ_2pが、テラヘルツ波検出器１２によって検出される。これにより、防食層１５ｂにおける複屈折によって生じた位相差δに依存したテラヘルツ波の強度が、テラヘルツ波検出器１２によって検出される。

以上のように、テラヘルツ波検出器１２によって検出されたテラヘルツ波Ｌ_2pの強度は、防食層１５ｂの主応力差（σ₁−σ₂）に比例した物理量になる。そのため、防食層１５ｂにおける正常部分においては、主応力差（σ₁−σ₂）が０にならず、テラヘルツ波検出器１２によってテラヘルツ波Ｌ_2pが検出される。一方、防食層１５ｂにおける異常部分においては、主応力差（σ₁−σ₂）が０になることから、テラヘルツ波Ｌ_2pの検出強度は極小になる。さらに、上述した走査機構によって、上述したテラヘルツ波光学系を鋼構造物１５の表面に沿って所定範囲を走査させる。これにより、鋼構造物１５の表面１５ｂｓの所定範囲において、防食層１５ｂのひずみに応じたテラヘルツ波の強度分布が、テラヘルツ波検出器１２によって検出される。テラヘルツ波検出器１２によって検出されたテラヘルツ波の強度分布は、防食層１５ｂにおけるテラヘルツ波の光弾性縞の等色線の分布として得られる。その上で、テラヘルツ波Ｌ_2pの検出強度が極小になった箇所は、防食層１５ｂにおける異常箇所として検出される。これらの異常部分を検出する演算は、解析制御部１０の解析処理部１０ｄなどにより実行される。

以上説明した第１の実施形態による異常検出方法によれば、テラヘルツ波を鋼構造物１５に照射し、鋼材１５ａの鋼面１５ａｓで反射したテラヘルツ波の強度に基づいて、防食層１５ｂの主応力差（σ₁−σ₂）を導出することができる。したがって、反射したテラヘルツ波の強度が極小となって、主応力差（σ₁−σ₂）が０となる部分を検出することによって、防食層１５ｂにおける鋼面１５ａｓとの密着度が低下した異常部分を検出することが可能になる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による異常検出装置および異常検出方法について説明する。図２は、第２の実施形態による異常検出装置の構成を示す図である。

（異常検出装置）
図２に示すように、異常検出装置２は、異常検出装置１において、λ／４波長板１４ａ，１４ｂが設けられていない構成を有する。また、異常検出装置２は、異常検出装置１における第１偏光板１３ａおよび第２偏光板１３ｂに対応して、第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂがそれぞれ設けられている。第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂはそれぞれ、互いに同径の円盤状の偏光板から構成されているとともに、円盤状の外周部分に互いに同じピッチの外歯が形成された円盤ギヤ形状を有する。

異常検出装置２において、第１偏光板２１ａと第２偏光板２１ｂとの間には、偏光板同期回転機構２２が設けられている。偏光板同期回転機構２２は、旋回ヘッド２２ａ、ギヤボックス２２ｂ、および偏光板同期回転ギヤ２２ｃを有して構成される。旋回ヘッド２２ａは、従来公知のギヤボックス２２ｂを介して偏光板同期回転ギヤ２２ｃに接続されている。旋回ヘッド２２ａを回転軸Ｏの回りで回転させることにより、ギヤボックス２２ｂ内の複数のギヤを介して、偏光板同期回転ギヤ２２ｃが回転される。偏光板同期回転ギヤ２２ｃの外周部分には、第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂの外周部分の外歯と噛み合う外歯が形成されている。偏光板同期回転ギヤ２２ｃの外歯と、第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂの外歯とが噛み合うことにより、偏光板同期回転ギヤ２２ｃの回転に伴って、第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂが同じ回転方向に回転可能に構成される。ここで、第１偏光板２１ａの外径と第２偏光板２１ｂの外径とは互いに同径である。そのため、旋回ヘッド２２ａを回転させて偏光板同期回転ギヤ２２ｃを回転させると、第１偏光板２１ａと第２偏光板２１ｂとは、偏光方向が所定の偏光方向、ここでは９０°の角度だけ異なった状態を維持しながら、同じ回転方向に回転する。その他の構成は、異常検出装置１と同様である。

（異常検出方法）
次に、上述した異常検出装置２を用いた異常検出方法について説明する。すなわち、図２に示すように、テラヘルツ波発信器１１から出射したテラヘルツ波Ｌ₁は、第１偏光板２１ａを通過して直線偏光に偏光された後、鋼構造物１５の防食層１５ｂに入射される。防食層１５ｂに入射したテラヘルツ波Ｌ_1pは、鋼材１５ａの鋼面１５ａｓによって完全反射されて防食層１５ｂを透過して出射される。この状態で、偏光板同期回転ギヤ２２ｃを回転させて、第１偏光板２１ａと第２偏光板２１ｂとを、互いの偏光方向が９０°異なった状態を維持しながら回転させる。

上述したように、防食層１５ｂが鋼面１５ａｓに密着している正常部分においては防食層１５ｂの応力状態は等方的でない、すなわち異方性を有している。そのため、（３）式にも示すように、第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂの回転とともに、第２偏光板２１ｂを透過したテラヘルツ波Ｌ_2Pの強度は、明暗、すなわち極大と極小とを繰り返すように変化する。

これに対し、防食層１５ｂが鋼面１５ａｓに密着していない異常部分においては、防食層１５ｂの応力が等方的であることから、（３）式においてδ＝０になる。そのため、第１偏光板２１ａと第２偏光板２１ｂとを回転させたとしても、第２偏光板２１ｂを透過したテラヘルツ波Ｌ_2pの強度は極小の状態を維持する。

すなわち、上述した防食層１５ｂの正常部分にテラヘルツ波を照射した場合と異なり、第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂの回転に伴った極大と極小とが交互に発現することなく、検出されるテラヘルツ波Ｌ_2pの強度は極小の状態を維持する。これにより、第１偏光板２１ａと第２偏光板２１ｂとを回転させても、検出されるテラヘルツ波Ｌ_2pの強度が極小の状態を維持している部分は、防食層１５ｂにおける異常部分として検出できる。これらの異常部分を検出する演算は、解析制御部１０の解析処理部１０ｄなどにより実行される。

さらに、上述した走査機構（図示せず）によって、少なくともテラヘルツ波発信器１１、テラヘルツ波検出器１２、第１偏光板２１ａ、および第２偏光板２１ｂを一体とした第２テラヘルツ波光学系を、鋼構造物１５の表面に沿って所定範囲を走査させる。これにより、テラヘルツ波検出器１２によって、鋼構造物１５の所定範囲において防食層１５ｂの主応力方向に沿ったテラヘルツ波Ｌ_2pの強度分布が検出される。テラヘルツ波検出器１２によって検出されたテラヘルツ波Ｌ_2pの強度分布は、防食層１５ｂにおけるテラヘルツ波の等傾線として得られる。なお、防食層１５ｂが鋼材１５ａに密着している場合、得られた光弾性縞の等傾線は、鋼材１５ａにおける等傾線になる。

（変形例）
次に、上述した第２の実施形態による異常検出方法の変形例について説明する。すなわち、図２に示す異常検出装置２において、第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂは、偏光方向が９０°異なった状態を維持しながら同じ回転方向に回転する。この場合、任意の偏光方向の位置での検出強度と，その位置から第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂを偏光方向が９０°異なった状態を維持しながら４５°回転させた位置でのテラヘルツ波Ｌ_2pの強度を検出し、検出された２つのテラヘルツ波Ｌ_2pの強度を加算することによって、主応力差（σ₁−σ₂）を求めることも可能である。

より詳細には、任意の偏光方向で検出される光の強度Ｉ₁は、以下の（４）式に示すように、複屈折により生じる位相差δと主応力方向と偏光方向とのなす角度φに依存する。
Ｉ₁＝Ａ²sin²２φ・sin²（δ／２） …（４）
なお、Ａは入射光の振幅である。

さらに、光の強度Ｉ₁が検出された位置から、第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂを、互いの偏光方向が９０°異なった状態を維持しながら、４５°回転させた位置において検出される光の強度Ｉ₂は、（５）式に示すようになる。
Ｉ₂＝Ａ²sin²２（φ＋π／４）・sin²（δ／２） …（５）

以上のように検出された光の強度Ｉ₁，Ｉ₂を合成すると、合成された光の強度Ｉは、以下の（６）式に示すように、主応力方向と偏光方向とのなす角度φに依存しない。
Ｉ＝Ｉ₁＋Ｉ₂＝Ａ²sin²（δ／２） …（６）
これは、光弾性法において、円偏光を用いた場合と同じ結果が得られることを意味する。これにより、異常検出装置２によって、防食層１５ｂの主応力方向と主応力差（σ₁−σ₂）とをともに導出可能になる。その他の構成は、上述した第２の実施形態と同様である。

以上説明した第２の実施形態による異常検出方法によれば、テラヘルツ波を鋼構造物１５に照射し、鋼材１５ａの鋼面１５ａｓで反射したテラヘルツ波の強度に基づいて、防食層１５ｂの等方的な部分を検出できる。したがって、簡易な構成によって、防食層１５ｂを鋼材１５ａに対する密着度が低下している異常部分を、鋼構造物１５の表面の所定範囲から検出することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の第１の実施形態において挙げた異常検出装置１，２の構成はあくまでも例に過ぎず、テラヘルツ波を用いて構造物の表面に密着した非金属層の主応力差および主応力方向を測定可能な構成であれば、必要に応じてこれと異なる構成の装置を用いてもよい。また、本発明は、上述した実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により限定されない。

例えば、上述した実施形態においては、鋼構造物１５に対してテラヘルツ波をスポット的に照射して、鋼材１５ａの鋼面１５ａｓによってスポット的に反射させているが、必ずしもスポット的に照射および反射に限定されない。例えば、テラヘルツ波発信器１１の代わりに、テラヘルツ波を面状に出射可能なテラヘルツ波光源を用いるとともに、テラヘルツ波検出器１２の代わりに、テラヘルツ波Ｌ_2pを面状の分布として検出可能なテラヘルツ波検出アレイなどを用いることも可能である。

例えば、上述した第２の実施形態においては、異常検出装置２において、第１偏光板２１ａと第２偏光板２１ｂとを互いの偏光方向が９０°異なった状態に維持しながら回転させるための機構として、偏光板同期回転機構２２を用いているが、必ずしもこの機構に限定されるものではない。第１偏光板２１ａと第２偏光板２１ｂとを互いの偏光方向が９０°異なった状態に維持しながら回転させることが可能であれば、従来公知の種々の回転機構を採用することが可能である。

例えば、上述した実施形態においては、異常検出装置１，２において、テラヘルツ波を鋼構造物１５に向けて出射するための光学系と、鋼面１５ａｓで反射されたテラヘルツ波を検出するための光学系とを光軸が異なる非同軸とした構成にしているが、必ずしも非同軸に限定されない。具体的には、ハーフミラーなどを用いることによって、テラヘルツ波を出射する光学系と反射されたテラヘルツ波を検出する光学系とを、光軸が重なる同軸とした構成にすることも可能である。

１，２ 異常検出装置
１０ 解析制御部
１０ａ 信号増幅部
１０ｂ バイアス生成部
１０ｃ ロックイン検出部
１０ｄ 解析処理部
１１ テラヘルツ波発信器
１１ａ テラヘルツ波発生素子
１１ｂ、１２ｂ 半球レンズ
１１ｃ コリメートレンズ
１１ｄ 対物レンズ
１２ テラヘルツ波検出器
１２ａ テラヘルツ波検出素子
１２ｃ 集光レンズ
１３ａ，２１ａ 第１偏光板
１３ｂ，２１ｂ 第２偏光板
１４ａ，１４ｂ λ／４波長板
１５ 鋼構造物
１５ａ 鋼材
１５ａｓ 鋼面
１５ｂ 防食層
１５ｂｓ 表面
１５ｄ 異常部分
２２ 偏光板同期回転機構
２２ａ 旋回ヘッド
２２ｂ ギヤボックス
２２ｃ 偏光板同期回転ギヤ
Ｌ₁，Ｌ_1p，Ｌ₂，Ｌ_2p テラヘルツ波

Claims (3)

1. 金属基体の上層に非金属層が設けられた対象物の表面の所定位置にテラヘルツ波を照射可能に構成されているとともに、前記対象物の表面を走査可能なテラヘルツ波発信手段と、前記対象物の前記所定位置において反射されたテラヘルツ波を検出可能に構成されているとともに、前記対象物の表面を走査可能なテラヘルツ波検出手段と、前記テラヘルツ波発信手段における前記テラヘルツ波の出射側に設けられた発信側直線偏光手段と、前記テラヘルツ波検出手段の検出側に、偏光方向が前記発信側直線偏光手段の偏光方向と９０°異なるように設けられた検出側直線偏光手段と、を備えた異常検出装置による異常検出方法において、
   前記テラヘルツ波発信手段から出射された前記テラヘルツ波を前記非金属層に照射するとともに、前記テラヘルツ波検出手段により前記非金属層を透過した前記テラヘルツ波の強度が極小となる部分を検出することによって、前記非金属層に生じる応力が等方的である部分を異常部分として検出する
   ことを特徴とする異常検出方法。
2. 前記発信側直線偏光手段および前記検出側直線偏光手段は、前記発信側直線偏光手段の偏光方向と前記検出側直線偏光手段の偏光方向とが９０°異なった状態を維持しながら回転可能に構成され、
   前記発信側直線偏光手段と前記検出側直線偏光手段とを回転させた場合に、前記テラヘルツ波検出手段によって検出される前記テラヘルツ波の強度が極小を維持する部分を検出することによって、前記異常部分を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の異常検出方法。
3. 前記テラヘルツ波発信手段の出射側に設けられ、前記発信側直線偏光手段を透過した直線偏光のテラヘルツ波を円偏光になるように位相差を与える発信側位相変換手段と、前記検出側直線偏光手段に対して前記テラヘルツ波の入射側に設けられ、前記テラヘルツ波に位相差を与える検出側位相変換手段と、をさらに備え、
   前記テラヘルツ波検出手段によって検出される前記テラヘルツ波の強度が極小となる部分を検出することによって、前記異常部分を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の異常検出方法。

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