JP2020026992A - 応力評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非金属層の下層の構造物における任意の位置のひずみを簡易に評価すること。【解決手段】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、対象物の表面を走査可能なテラヘルツ波発信手段と、対象物の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、対象物の表面を走査可能なテラヘルツ波検出手段と、を備えた応力評価装置による応力評価方法において、テラヘルツ波発信手段から出射されたテラヘルツ波を非金属層に照射するとともに、テラヘルツ波検出手段により非金属層を透過したテラヘルツ波の強度を検出することによって、非金属層をひずみ検出手段として用いて、金属基体に生じる応力状態を評価する。【選択図】図１

Description

本発明は、構造物の応力を評価する応力評価方法に関する。

従来、構造物の応力を診断する最も一般的な方法として、ひずみゲージ法がある。このひずみゲージ法は、対象物にひずみゲージを取り付けて、相対的なひずみをひずみゲージの電気抵抗の変化として計測し、応力に換算して評価する方法である（特許文献１参照）。

特開２０１７−０４９１１２号公報

小塩達也他、摩擦型ひずみゲージによる応力聴診器の開発と構造物の健全度診断への応用、土木学会第６０回年次学術講演会、平成１７年９月

しかしながら、従来のひずみゲージ法においては、金属基体である構造物に施された塗装や塗覆装などの非金属層を除去し、金属基体の表面を研磨した後にひずみゲージを取り付ける必要がある。また、ひずみゲージ法による構造物の応力の測定には、専用の測定器が必要になる。そのため、ひずみゲージ法による応力の測定を、構造物の多くの部位に対して行う場合に、取付作業および測定作業がいずれも煩雑になるという問題があった。さらに、ひずみゲージ法においては、ひずみゲージを取り付けた部分しか応力を計測することができないという問題があった。

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、非金属層の下層の金属基体における任意の位置の応力を、非金属層を除去することなく簡易に評価可能な応力評価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応力評価方法は、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、を備えた応力評価装置による応力評価方法において、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テラヘルツ波の強度を検出することによって、前記非金属層における応力状態を測定して前記非金属層を光弾性法におけるひずみ検出手段として用いることにより、前記金属基体における応力状態を評価することを特徴とする。

（２）本発明の一態様に係る応力評価方法は、上記（１）の発明において、前記応力状態は、主応力差および主応力方向であることを特徴とする。

（３）本発明の一態様に係る応力評価方法は、上記（２）の発明において、前記応力評価装置が解析処理手段をさらに有し、前記解析処理手段は、前記主応力差および前記主応力方向に基づいて、前記金属基体における主応力成分および最大主応力方向を導出することを特徴とする。

本発明に係る応力評価方法によれば、非金属層をひずみ検出手段として使用することによって、非金属層の下層の金属基体における任意の位置の応力を、非金属層を除去することなく簡易に評価することが可能になる。

図１は、本発明の一実施形態による応力測定装置の構成を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態による応力測定装置の他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評価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、本発明の一実施形態による応力評価方法および応力評価装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の一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、本発明による応力評価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、塗装や塗覆装などの、鋼製の構造物が腐食しないように保護する防食層としての非金属層がある。これらの非金属層は通常、部材の表面に密着している。したがって、この非金属層は部材に準じて変形するため、構造物を構成する金属基体としての鋼などにひずみが生じると、表面に密着している非金属層にも同様にひずみが生じる。非特許文献１に基づいた本発明者の知見によれば、金属基体のひずみと表面の非金属層のひずみとはほぼ一致する。したがって、非金属層のひずみを測定することによって、金属基体のひずみを評価することができるので、金属基体の応力状態も評価できる。

従来、樹脂やガラスなどの透明な材料の応力を評価する方法として、光弾性法が知られている。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、従来の光弾性応力評価装置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。応力が測定される光弾性体からなる測定対象物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。

光弾性応力評価装置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によって直線偏光になった後、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。これにより、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に示す光弾性応力評価装置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、光弾性応力評価装置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。ここで、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。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。この場合、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。透過する光の強度は、第１偏光板１０２の偏光方向と主応力方向との角度の差に応じて変化する。これにより、第１偏光板１０２と第２偏光板１０５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導出することができる。

以上のようにして、光弾性応力評価装置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。主応力差（σ₁−σ₂）および主応力方向が得られると、例えば、せん断応力差積分法により、測定対象物１１０における主応力成分σ₁，σ₂をそれぞれ分離した状態で導出することが可能になる。主応力成分σ₁，σ₂および主応力方向（最大主応力方向）が得られれば、測定対象物１１０の状態、すなわち測定対象物１１０の健全性を詳細に評価可能となる。

ところが、上述した従来の光弾性応力評価装置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応力評価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、ひずみによっ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ひずみを測定可能であることを想到した。さらに、本発明者は、非金属層のひずみを評価することによって、その下層の鋼材などの対象物のひずみを評価できることを見いだした。このような方法を、本明細書において「テラヘルツ波光弾性法」と言う。すなわち、本発明者は、テラヘルツ波を用いることによって、構造物の表面に密着した防食層などの樹脂からなる非金属層を、構造物のひずみを測定するためのひずみセンサとして用いることを想到した。上述した本発明者の鋭意検討によるテラヘルツ波光弾性法を用いて、非金属層のひずみを測定することにより、構造物の任意の位置におけるひずみ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、反射を用いた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。

（応力評価装置）
図１は、本発明の一実施形態による応力評価装置の構成を示す図である。図１に示すように、一実施形態による応力評価装置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。一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、塗装や塗覆装などの各種の樹脂からなる非金属層の防食層１５ｂが設けられている。

応力評価装置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、応力評価装置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、一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、応力評価装置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°（π／２）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応力評価装置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、応力評価装置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、応力評価装置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。この一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。

（応力評価方法）
（主応力差の測定方法）
次に、以上のように構成された応力評価装置１による応力の測定について説明する。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、例えば防食層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が施された鋼材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。そのため、鋼構造物１５においてあらかじめ、従来公知の方法、例えば引きはがし試験等により、防食層１５ｂが鋼材１５ａの鋼面１５ａｓに密着した状態であるか否かの検査を行う。

防食層１５ｂが鋼面１５ａｓに密着した状態の鋼構造物１５において、応力評価装置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。上述したように、防食層１５ｂには下層の鋼材１５ａのひずみに準じたひずみが生じている。そのため、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なっており、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を透過したテラヘルツ波の楕円率であって、防食層１５ｂにおける複屈折によって生じた位相差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。他方で、防食層１５ｂの光弾性係数および厚さをあらかじめ計測しておく。その上で、テラヘルツ波Ｌ_2pの強度を検出すると、テラヘルツ波Ｌ_2pの強度、光弾性係数、および厚さから、防食層１５ｂの主応力差（σ₁−σ₂）を導出できる。上述したように、防食層１５ｂのひずみは下層の鋼材１５ａのひずみに準じている。そのため、防食層１５ｂの主応力差（σ₁−σ₂）が求まると、この主応力差から防食層１５ｂの主ひずみ差（ε₁−ε₂）を導出できる。防食層１５ｂの主ひずみ差（ε₁−ε₂）は、鋼面１５ａｓの主ひずみ差と等価になるので、鋼材１５ａの各種パラメータに基づいて、鋼面１５ａｓの主応力差（σ₁′−σ₂′）を導出できる。すなわち、導出された防食層１５ｂの主応力差（σ₁−σ₂）から、鋼材１５ａの主応力差（σ₁′−σ₂′）を導出できる。これらの導出は、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。上述したように、得られた防食層１５ｂにおける光弾性縞の等色線の分布は、鋼材１５ａにおける等色線の分布になる。すなわち、防食層１５ｂは、鋼材１５ａのひずみの主応力差（σ₁−σ₂）の検出に関するひずみセンサとして機能する。このひずみセンサとしての防食層１５ｂにおけるひずみの状態を、テラヘルツ波を用いて検出することによって、鋼材１５ａのひずみの状態を測定することが可能となる。

ここで、上述した鋼構造物１５の鋼材１５ａに生じる主応力方向が、形状や設計などによって明確である場合がある。この場合、上述のように得られた主応力差（σ₁−σ₂）と、形状や設計などによって明確である主応力方向とに基づいて、従来公知のせん断応力差積分法によって、主応力成分σ₁，σ₂を互いに分離した形で求めることが可能になる。これらの導出は、解析制御部１０の解析処理部１０ｄなどにより実行される。主応力成分σ₁，σ₂および主応力方向が導出されることによって、鋼構造物１５の状態、すなわち測定対象物である鋼材１５ａの健全性を詳細に評価することが可能となる。

さらに、鋼材１５ａにおいて生じる応力が一軸応力場の場合、または一軸応力場に近い状態の応力場である場合、主応力差（σ₁−σ₂）は、ほぼ最大主応力成分σ₁とみなすことができる。この場合、せん断応力差積分法によって主応力差（σ₁−σ₂）から主応力成分σ₁，σ₂を分離させる導出処理が省略可能になる。すなわち、主応力差（σ₁−σ₂）を測定するのみで、鋼材１５ａの健全性を詳細に評価することが可能となる。

（主応力方向の測定装置）
一方、上述した構造物である鋼材１５ａに生じる主応力方向が不明である場合、主応力差（σ₁−σ₂）の測定に加えて、主応力方向を測定する必要がある。図２は、主応力方向を測定するための、一実施形態による応力評価装置の他の構成を示す図である。

図２に示すように、応力評価装置２は、応力評価装置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、応力評価装置２は、応力評価装置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。

応力評価装置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する。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、応力評価装置１と同様である。

（主応力方向の測定方法）
次に、上述した応力評価装置２を用いた主応力方向の測定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。

第１偏光板２１ａと第２偏光板２１ｂとの回転に伴って、第１偏光板２１ａの偏光方向、すなわち直線偏光のテラヘルツ波Ｌ_1pの偏光方向と防食層１５ｂの主応力方向とが一致する状態が生じる。この状態においてテラヘルツ波Ｌ_1pは、直線偏光が変化することなく防食層１５ｂを透過する。テラヘルツ波Ｌ_1pはさらに、鋼面１５ａｓで反射されて防食層１５ｂを透過する。防食層１５ｂを透過したテラヘルツ波Ｌ₂は、第１偏光板２１ａの偏光方向に沿った直線偏光である。そのため、テラヘルツ波Ｌ₂は、第１偏光板２１ａの偏光方向に対して９０°異なる偏光方向の第２偏光板２１ｂをほとんど透過せず、第２偏光板２１ｂを透過したテラヘルツ波Ｌ_2pの強度は極小になる。この場合、第２偏光板２１ｂを透過したテラヘルツ波Ｌ_2pを観測すると、防食層１５ｂにおいてテラヘルツ波Ｌ_2pの強度が極小となる等傾線と言われる暗線が発現する。

上述したように、第１偏光板２１ａの偏光方向と防食層１５ｂの主応力方向とが一致した場合、テラヘルツ波Ｌ₂は第２偏光板２１ｂをほとんど透過しない。すなわち、図２に示すＸ軸およびＹ軸と第２偏光板２１ｂとにおいて、第２偏光板２１ｂを透過したテラヘルツ波Ｌ_2pが極小になった場合に、第２偏光板２１ｂの偏光方向、および第２偏光板２１ｂの偏光方向に対して直交する方向が主応力方向になる。これにより、防食層１５ｂの主応力方向を導出することができる。

一方、第１偏光板２１ａの偏光方向と主応力方向とが不一致の状態の場合、防食層１５ｂに入射したテラヘルツ波Ｌ_1pは、防食層１５ｂで生じる複屈折によって位相差が生じる。そのため、防食層１５ｂから出射したテラヘルツ波Ｌ₂は楕円偏光または円偏光になっている。楕円偏光のテラヘルツ波Ｌ₂は第２偏光板２１ｂを透過して直線偏光に偏光される。直線偏光のテラヘルツ波Ｌ_2pは、テラヘルツ波検出器１２によって検出される。この状態におけるテラヘルツ波Ｌ_2pの強度は、上述した第１偏光板２１ａの偏光方向と防食層１５ｂの主応力方向とが一致した場合のテラヘルツ波Ｌ_2pの強度に比して大きくなる。

以上の状態の変化に基づいて、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Ｌ_2pの強度は、第１偏光板２１ａおよび第２偏光板２１ｂが９０°回転する間に、極大と極小が交互に発現する。これにより、主応力方向が導出されると、従来公知の方法によって、鋼材１５ａの形状や外力の作用条件などに基づいて、最大主応力成分σ₁の主応力方向を導出することができる。

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。防食層１５ｂは鋼材１５ａの鋼面１５ａｓに密着しているので、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。すなわち、防食層１５ｂは、鋼材１５ａのひずみの主応力方向の検出に関するひずみセンサとして機能する。

以上の方法に基づいて、主応力差（σ₁−σ₂）および主応力方向が導出される。導出された主応力差（σ₁−σ₂）と主応力方向とに基づいて、従来公知のせん断応力差積分法によって、主応力成分σ₁，σ₂を互いに分離した形で導出可能である。これらの導出は、解析制御部１０の解析処理部１０ｄなどにより実行される。防食層１５ｂにおける主応力成分σ₁，σ₂や主応力方向など光弾性パラメータが判明すると、防食層１５ｂの弾性定数などに基づいて、防食層１５ｂのひずみを導出できる。上述したように、通常、防食層１５ｂと下層の構造物を構成する鋼材１５ａとは密着状態であり、防食層１５ｂのひずみは鋼材１５ａのひずみに準じている。したがって、防食層１５ｂのひずみとして得られた鋼材１５ａのひずみと鋼材１５ａの弾性係数とに基づいて、鋼材１５ａに生じる応力を導出できる。

すなわち、応力評価装置１，２によって、テラヘルツ波を用いてひずみセンサとなる防食層１５ｂのひずみの状態を検出することによって、鋼材１５ａのひずみの状態を測定可能となる。これにより、主応力成分σ₁，σ₂および主応力方向が導出されると、鋼構造物１５の応力状態、すなわち測定対象物である鋼材１５ａの応力状態を測定できる。換言すると、テラヘルツ波光弾性法によって防食層１５ｂの応力状態を導出することによって、最終的に下層の鋼材１５ａの応力状態を導出して健全性を詳細に評価可能になる。

（変形例）
次に、上述した一実施形態による主応力差の測定方法および主応力方向の測定方法の変形例について説明する。すなわち、図２に示す応力評価装置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（２）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） …（２）
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、（３）式に示すようになる。
Ｉ₂＝Ａ²sin²２（φ＋π／４）・sin²（δ／２） …（３）

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（４）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） …（４）
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、応力評価装置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、上述した一実施形態と同様である。

以上説明した一実施形態による応力評価方法によれば、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）と主応力方向とをともに導出することができる。したがって、防食層１５ｂを鋼材１５ａに対するひずみ検出手段として用いることができ、簡易な構成によって、鋼材１５ａの応力状態を測定して評価することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した一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、上述の一実施形態において挙げた応力評価装置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、上述した一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。この構成によれば、測定対象物としての鋼構造物１５における鋼材１５ａの応力分布、すなわち主応力差（σ₁−σ₂）と主応力方向とを導出して、評価することが可能になる。

例えば、上述した一実施形態においては、応力評価装置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°異なった状態を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°異なった状態を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、上述した一実施形態においては、応力評価装置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 応力評価装置
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
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
２３ 偏光方向
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、を備えた応力評価装置による応力評価方法において、
   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テラヘルツ波の強度を検出することによって、前記非金属層における応力状態を測定して前記非金属層を光弾性法におけるひずみ検出手段として用いることにより、前記金属基体における応力状態を評価する
   ことを特徴とする応力評価方法。
2. 前記応力状態は、主応力差および主応力方向である
   ことを特徴とする請求項１に記載の応力評価方法。
3. 前記応力評価装置が解析処理手段をさらに有し、
   前記解析処理手段は、前記主応力差および前記主応力方向に基づいて、前記金属基体における主応力成分および最大主応力方向を導出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の応力評価方法。

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