JP7032349B2 - 腐食センサ及びそれを備える構造体 - Google Patents

Description

本発明は、腐食センサ及びそれを備える構造体に関する。

不動態を形成する金属材料の腐食に関する技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、板１，２の間に形成される高さＤのすき間を臨む小電極４と、板２の外側にまで延在する板１とを備える腐食センサ１０が記載される。特許文献１には、小電極４に、電流等を測定するためのリード線６を接続することが記載される。特許文献１には、板１には、電流等を測定するためのリード線７を接続することが記載される。特許文献１には、小電極４、板１，２を炭素鋼（Ｆｅ）により構成することが記載される。

特開２０１８－８０９８４号公報（特に、段落００２１、００２５、００４０、図２、表１を参照）

特許文献１に記載の腐食センサでは、小電極４、板１，２が金属材料により構成される。従って、すき間内部を目視で確認することができない。このため、特許文献１に記載の腐食センサでは、水分がすき間に十分に浸透したか否かを確認できない。即ち、特許文献１に記載の腐食センサでは、すき間内部での水分の挙動を把握できない。この結果、リード線６，７により取り出される電流値の信頼性が低い。これにより、水分に起因した金属材料の腐食時、金属材料の腐食感受性に寄与する不動態の特性を適切に評価できない。

本発明が解決しようとする課題は、腐食時の不動態特性を適切に評価可能な腐食センサ及びそれを備える構造体を提供することである。

本発明の腐食センサは、金属面への水分の接触により前記金属面の腐食を生じさせる腐食センサであって、前記水分が接触するとともに、不動態を形成する金属材料で構成された第１金属面を有する第１部材と、前記第１金属面に接触した前記水分を流すように前記第１金属面に接続されるとともに前記第１金属面と電気的に絶縁され、前記第１金属面と同じ金属材料で構成された第２金属面を有する第２部材と、前記第２部材との間に高さ３０μｍ以上１０００μｍ以下のすき間を有して配置されるとともに、前記第２金属面が前記すき間を臨みかつ前記第１金属面が外部に露出するように前記第２部材と対向配置され、前記第１金属面及び前記第２金属面と同じ金属材料で構成された第３金属面を有する第３部材と、前記第２部材から視て前記すき間の入口とは反対側において前記すき間を臨むように配置されるとともに、前記入口を通じて前記すき間に流れ込んだ前記水分を検出する検出部とを備えることを特徴とする。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。

本発明によれば、腐食時の不動態特性を適切に評価可能な腐食センサ及びそれを備える構造体を提供することができる。

本実施形態の腐食センサの上方からの斜視図である。 本実施形態の腐食センサの分解斜視図であり、第１部材、第２部材及び検出部の上方からの斜視図である。 本実施形態の腐食センサの分解斜視図であり、第３部材の下方からの斜視図である。 本実施形態の腐食センサの下方からの斜視図である。 本実施形態の腐食センサを構成する第１金属面、第２金属面及び検出面と測定装置とを接続する電気回路を示す図である。 図１のＡ－Ａ線断面図であり、本実施形態の腐食センサにおけるすき間の高さ及び奥行を説明する図である。 本実施形態の腐食センサにおいて、すき間の奥行とすき間の高さとの関係と示す図である。 図１のＢ－Ｂ線断面図であり、本実施形態の腐食センサにおけるすき間の幅を説明する図である。 本実施形態の腐食センサを取り付けた構造体を示す図である。 別の実施形態における腐食センサの上方からの斜視図である。 本実施形態の腐食センサを用いた実車試験での各金属面間で流れた電流値を示すグラフである。 本実施形態の腐食センサを用いた実車試験での各金属面間で流れた電気量の積算値を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。ただし、本発明は以下の内容に制限されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更して実施できる。また、本発明は、異なる実施形態同士を適宜組み合わせて実施できる。さらに、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、図示の便宜上、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で簡略化して図示することがある。

図１は、本実施形態の腐食センサ１００の下方からの斜視図である。腐食センサ１００は、金属面への水分の接触により前記金属面の腐食を生じさせるものである。これにより、金属面を構成する金属材料の不動態特性を評価できる。例えば、実環境中でのアルミニウムの不動態特性を評価したい場合には、アルミニウム製の第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ、第３金属面１３ａ及び検出面１４ａを備える腐食センサ１００を使用すればよい。腐食センサ１００は、例えば車両等の構造物への搭載により、車両の走行時等における実環境での腐食を評価できる。金属面に接触する水分は、通常、不動態を破壊し得る溶質、具体的には例えば、塩化物イオン、硫酸イオン、有機酸イオン（カルボン酸イオン等）等の溶質を含む。

水分は、まず、例えば水滴８０として第１部材１１の第１金属面１１ａに載る。第１金属面１１ａに載った水滴８０は、例えば濡れ広がりにより、すき間５１に流れ込む。この結果、すき間５１では、例えば図２（後記する）において破線で示すように、水滴８０は、第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａの全体に跨がるように濡れ広がる。水滴８０は、後記する第３金属面１３ａ（図２では図示しない）に接触することもある。

すき間５１では、流れ込んだ水滴８０に起因して、第２金属面１２ａでのすき間腐食が生じる。なお、「すき間腐食」は、すき間において酸素濃度にムラがある場合、酸素濃度ムラに起因したすき間内部での金属の腐食をいう。第２金属面１２ａでのすき間腐食によって第２金属面１２ａでの電位変化を把握し、これにより、第２金属面１２ａの腐食時における不動態特性を適切に評価できる。不動態特性を評価できる理由は、図１１及び図１２に示すグラフを参照しながら後記する。

不動態を形成する金属は、例えば、アルミニウム、クロム、チタン、鉄の単体又は合金のほか、例えばステンレスである。腐食センサ１００では、一例としてアルミニウムが使用される。アルミニウムは軽量であり、例えば車両等の製造材料に好適である。アルミニウムのすき間腐食を評価できることで、車両等での防さび対策を検討し易くできる。また、アルミニウムのイオン化傾向は大きいため、アルミニウムのすき間腐食に起因する電位差が大きい。これにより、すき間腐食を検出し易くできる。

腐食センサ１００は、第１部材１１と、第２部材１２と、第３部材１３と、検出部１４とを備える。第３部材１３と、第２部材１２及び検出部１４との間には、すき間５１が形成される。第１部材１１に載った水滴８０は、すき間５１の入口５１ａを通じて、すき間５１の内部に流れ込む。

第１部材１１は、不動態を形成する金属材料により構成されており、例えばアルミニウム板（角材でもよい）である。第１部材１１は、第１部材１１の金属材料を露出させた第１金属面１１ａと、第１部材１１の金属材料の酸化物により構成される第１保護面１１ｂとを備える。

第１金属面１１ａは、水滴８０が接触するとともに不動態を形成するものである。第１金属面１１ａは、厚さが数ｎｍの不動態膜（図示しない）を表面に有する。第１金属面１１ａは、上面視で矩形であるが、矩形に限られない。第１金属面１１ａは、板状の第１部材１１を構成する６面のうち、上面の一部に形成される。第１金属面１１ａが形成された面では、第１金属面１１ａの左右及び正面側に帯状の第１保護面１１ｂが形成される。第１金属面１１ａに接触した水滴８０は、すき間５１に流れ込む。

第１保護面１１ｂは、第１金属面１１ａ以外の第１部材１１の表面に形成される。具体的には、第１保護面１１ｂは、板状の第１部材１１を構成する６面のうち、第１金属面１１ａが形成されていない残り５つの面に形成される（ただし、後記するリード線接続部１１ｃを除く）。第１保護面１１ｂは、第１金属面１１ａを構成する金属材料の酸化物（例えば酸化アルミニウム）を含むとともに、厚さ１μｍ以上５０μｍ以下である。第１保護面１１ｂは例えばアルマイトである。第１保護面１１ｂにより、第１保護面１１ｂでの腐食が抑制される。

第２部材１２及び検出部１４は、後記する第３部材１３との間に、すき間５１を形成する。第２部材１２及び検出部１４について、図２を参照しながら説明する。

図２は、本実施形態の腐食センサ１００の分解斜視図であり、第１部材１１、第２部材１２及び検出部１４の上方からの斜視図である。図２は、すき間５１（図２では図示しない）において、第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａを跨ぐようにして存在する水滴８０を破線で図示している。第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａは、図示の例では、同一平面内に配置される。

第２部材１２は、第１金属面１１ａに接触した水滴８０（水分）を流すように第１金属面１１ａに接続されるとともに第１金属面１１ａと電気的に絶縁され、第１金属面１１ａと同じ金属材料により構成された第２金属面１２ａを有する。第２部材１２は、第１部材１１と同じ金属材料により構成される。具体的には、第２部材１２は不動態を形成する金属材料により構成されており、例えばアルミニウム板（角材でもよい）である。同じ金属材料での構成により、異なる金属の溶解を抑制できる。また、すき間５１での水滴８０の濡れ性を同じにし、水滴８０の挙動をすき間５１の全体で同じにできる。

第２部材１２は、第２部材１２の金属材料を露出させた第２金属面１２ａと、第２部材１２の金属材料の酸化物により構成される第２保護面１２ｂとを備える。

第２金属面１２ａは、水滴８０（水分）との接触によりすき間腐食を生じさせるものである。第２金属面１２ａは、厚さが数ｎｍの不動態膜（図示しない）を表面に有する。第２金属面１２ａは、上面視で矩形であるが、矩形に限られない。第２金属面１２ａは、板状の第２部材１２を構成する６面のうち、上面の一部に形成される。第２金属面１２ａが形成された面では、第２金属面１２ａの左右に帯状の第２保護面１２ｂが形成される。

第２保護面１２ｂは、第２金属面１２ａ以外の第２部材１２の表面に形成される。具体的には、第２保護面１２ｂは、板状の第２部材１２を構成する６面のうち、第２金属面１２ａが形成されていない残り５つの面に形成される（ただし、後記するリード線接続部１２ｃを除く）。第２保護面１２ｂは、第２金属面１２ａを構成する金属材料の酸化物（例えば酸化アルミニウム）を含むとともに、厚さ１μｍ以上５０μｍ以下である。第２保護面１２ｂは例えばアルマイトである。第２保護面１２ｂにより、第２保護面１２ｂでの腐食が抑制される。

第１保護面１１ｂと第２保護面１２ｂとの間には接着層２１が配置される。従って、第１部材１１と第２部材１２とは接着層２１を介して接合する。これにより、第１部材１１と第２部材１２との電気的絶縁を維持したまま、第１部材１１と第２部材１２とを容易に接合できる。接着層２１は、例えばエポキシ系接着剤の塗布により形成できる。また、接着層２１は、第１金属面１１ａと第２金属面１２ａとを滑らかに接続する。これにより、第１金属面１１ａに接触した水滴８０がすき間５１に入り込み、第２金属面１２ａに流れ易くできる。

特に、すき間５１の高さＨは３０μｍ以上１０００μｍ以下であり、すき間５１は小さい。このため、不動態で覆われた第１金属面１１ａで濡れ広がった水滴８０は、すき間５１の入口５１ａに到達すると、毛細管現象のような現象により、入口５１ａから流れ込み易い。この結果、第１金属面１１ａに接触した水分は、すぐにすき間５１内部の第２金属面１２ａに到達する。これにより、第１金属面１１ａが水滴８０と接触している時間と、第２金属面１２ａが水滴８０と接触している時間とを同程度にすることができる。この結果、第１金属面１１ａでの不動態の状態と第２金属面１２ａでの不動態の状態とを同じようにすることができ、不動態特性を精度良く評価できる。

検出部１４は、第２部材１２から視てすき間５１の入口５１ａ（図１参照）とは反対側においてすき間５１を臨むように配置されるとともに、入口５１ａを通じてすき間５１に流れ込んだ水滴８０（水分）を検出するものである。すき間５１の入口５１ａから視て最も奥側に検出部１４が配置されることで、入口５１ａから侵入した水滴８０がすき間５１の最も奥に到達したことを検出できる。これにより、入口５１ａと検出部１４との間に配置された第２部材１２の第２金属面１２ａに水滴８０が接触したことを判断できる。この結果、水滴８０に起因する第２金属面１２ａでのすき間腐食を検出できる。

腐食センサ１００では、検出部１４は、第１金属面１１ａ及び第２金属面１２ａと同じ金属材料により構成された検出面１４ａを備える。同じ金属材料での構成により、異なる金属の溶解を抑制できる。また、すき間５１での水滴８０の濡れ性を同じにし、水滴８０の挙動をすき間５１の全体で同じにできる。

検出面１４ａは、第２部材１２から視て入口５１ａとは反対側においてすき間５１を臨むように配置されるとともに、入口５１ａを通じてすき間５１に流れ込んだ水滴８０（水分）を検出するものである。検出面１４ａにより、水滴８０の検出面１４ａへの接触により生じる電位変化を検出できる。これにより、検出面１４ａへの水滴８０の到達を検出できる。ただし、検出部１４は、検出面１４ａを有さなくてもよく、例えば電気伝導度等に応じて水滴８０を検出してもよい。また、検出面１４ａは上面視で矩形であるが、矩形に限られない。

検出部１４は、第１部材１１、第２部材１２及び第３部材１３と同じ金属材料により構成される。また、第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ、第３金属面１３ａ及び検出面１４ａは同じ金属材料により構成される。具体的には、検出面１４ａは例えばアルミニウムである。同じ金属材料での構成により、異なる金属の溶解を抑制できる。また、すき間５１での水滴８０の濡れ性を同じにし、水滴８０の挙動をすき間５１の全体で同じにできる。従って、検出面１４ａは、検出部１４の金属材料を露出させたものである。

検出面１４ａは、板状の検出部１４を構成する６面のうち、上面の一部に形成される。検出面１４ａが形成された面では、検出面１４ａの左右及び背面側に帯状の保護面１４ｂが形成される。

保護面１４ｂは、検出面１４ａ以外の検出部１４の表面に形成される。具体的には、保護面１４ｂは、板状の検出部１４を構成する６面のうち、検出面１４ａが形成されていない残り５つの面に形成される（ただし、後記するリード線接続部１４ｃを除く）。保護面１４ｂは、検出面１４ａを構成する金属材料の酸化物（例えば酸化アルミニウム）を含むとともに、厚さ１μｍ以上５０μｍ以下である。保護面１４ｂは例えばアルマイトである。保護面１４ｂにより、保護面１４ｂでの腐食が抑制される。

第２保護面１２ｂと保護面１４ｂとの間には接着層２２が配置される。従って、第２保護面１２ｂと保護面１４ｂとは接着層２２によって接着される。これにより、第２部材１２と検出部１４との電気的絶縁を維持したまま、第２部材１２と検出部１４とを容易に接合できる。接着層２２は、例えばエポキシ系接着剤の塗布により形成できる。また、接着層２２は、第２金属面１２ａと検出面１４ａとを滑らかに接続する。これにより、第２金属面１２ａに接触した水滴８０が検出面１４ａに流れ易くできる。

図１に戻って、第３部材１３は、第２部材１２との間に高さ３０μｍ以上１０００μｍ以下のすき間５１を有して配置されるとともに、第２金属面１２ａがすき間５１を臨み、かつ第１金属面１１ａが外部に露出するように第２部材１２と対向配置されたものである。第３部材１３は、第１部材１１、第２部材１２及び検出部１４と同じ金属材料により構成される。具体的には、第３部材１３は、例えばアルミニウム板である。同じ金属材料での構成により、異なる金属の溶解を抑制できる。また、すき間５１での水滴８０の濡れ性を同じにし、水滴８０の挙動をすき間５１の全体で同じにできる。第３部材１３は、第２部材１２の第２保護面１２ｂ及び検出部１４の保護面１４ｂ（いずれも図２参照）に形成された接着層２３により、第２部材１２及び検出部１４を覆うようにこれらと対向配置される。

すき間５１は、すき間５１の入口５１ａ以外の部分を閉塞するように形成された接着層２３（閉塞部の一例）によって囲まれることで形成される。すき間５１がこのように形成されることで、入口５１ａ以外からのすき間５１への水滴８０の流れ込みを抑制できる。また、すき間５１に流れ込んだ水滴８０がそのままが外部に流れることを抑制できる。これにより、水滴８０が検出部１４を素通りしてしまうことを抑制できる。

なお、接着層２３等の閉塞部は設けられなくてもよい。閉塞部が設けられない場合、腐食センサの構造に応じ、すき間５１において酸素が最も到達し難い部分に検出部１４を配置すればよい。そして、第２金属面１２ａは、検出部１４よりは酸素が供給されるが外部よりは酸素が到達し難い部分、即ち例えば検出部１４とすき間５１の入口５１ａとの間に、第２金属面１２ａを配置すればよい。

図３は、本実施形態の腐食センサ１００の分解斜視図であり、第３部材１３の下方からの斜視図である。第３部材１３は、第３部材１３の金属材料を露出させた第３金属面１３ａと、第３部材１３の金属材料の酸化物により構成される第３保護面１３ｂとを備える。

第３金属面１３ａは、第３部材１３を第２部材１２及び検出部１４に重ね合わせたときに、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａと対向する。第３金属面１３ａは、上面視で矩形であるが、矩形に限られない。第３金属面１３ａは、板状の第３部材１３を構成する６面のうち、下面の一部に形成される。第３金属面１３ａが形成された面では、第３金属面１３ａの左右及び背面側に帯状の第３保護面１３ｂが形成される。

第３保護面１３ｂは、第３金属面１３ａ以外の第３部材１３の表面に形成される。具体的には、第３保護面１３ｂは、板状の第３部材１３を構成する６面のうち、第３金属面１３ａが形成されていない残り５つの面に形成される。第３保護面１３ｂは、第３金属面１３ａを構成する金属材料の酸化物（例えば酸化アルミニウム）を含むとともに、厚さ１μｍ以上５０μｍ以下である。第３保護面１３ｂは例えばアルマイトである。第３保護面１３ｂにより、第３保護面１３ｂでの腐食が抑制される。

図４は、本実施形態の腐食センサ１００の下方からの斜視図である。第１部材１１、第２部材１２及び検出部１４のそれぞれの、すき間５１の形成側とは反対側（即ち下面側）には、リード線接続部１１ｃ，１２ｃ，１４ｃが形成される。リード線接続部１１ｃ，１２ｃ，１４ｃには、測定装置６１，６２，６３と繋がるリード線４１，４２，４３が接続される。リード線接続部１１ｃ，１２ｃ，１４ｃでは、第１部材１１、第２部材１２及び検出部１４の構成材料（導電性を有する金属）が露出する。従って、測定装置６１，６２，６３は、第１部材１１、第２部材１２及び検出部１４の各構成材料を介して、第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａの各面のうちの任意の二面間で流れる電流を測定できる。

図５は、本実施形態の腐食センサを構成する第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａ（いずれも図５では図示しない）と測定装置６１，６２，６３とを接続する電気回路を示す図である。測定装置６１，６２，６３は、腐食センサ１００では、電流を測定する電流計である。腐食センサ１００は、第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａの各面のうち、任意の二面間での電位差に起因して流れる電流を測定する測定装置６１，６２，６３を備える。

測定装置６１は、リード線４１，４２により、第１金属面１１ａと第２金属面１２ａとの二面間での電位差に起因して流れる電流を測定する。測定装置６１による測定時、スイッチ７１はオンにし、スイッチ７２，７３，７４はオフにされる。測定装置６２は、リード線４１，４３により、第１金属面１１ａと検出面１４ａとの二面間での電位差に起因して流れる電流を測定する。測定装置６２による測定時、スイッチ７２はオンにし、スイッチ７１，７３，７４はオフにされる。測定装置６３は、リード線４２，４３により、第２金属面１２ａと検出面１４ａとの二面間での電位差に起因して流れる電流を測定する。測定装置６３による測定時、スイッチ７３はオンにし、スイッチ７１，７２，７４はオフにされる。

腐食センサ１００は、第２金属面１２ａと検出面１４ａとを電気的に導通可能なスイッチ７４を備える。腐食センサ１００の駆動時にはスイッチ７４をオフにすることで、第２金属面１２ａと検出面１４ａとを電気的な導通が解除される。これにより、第２金属面１２ａでのすき間腐食及び検出面１４ａへの水滴８０の到達を、独立して検出できる。一方で、検出面１４ａへの水滴８０の到達検出後には、スイッチ７４がオンにされる。これにより、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａの全体での腐食に起因する電位変化を検出でき、感度を向上できる。

図６は、図１のＡ－Ａ線断面図であり、本実施形態の腐食センサ１００におけるすき間５１の高さＨ及び奥行Ｌを説明する図である。すき間５１の高さＨは、第２部材１２の上面と第３部材１３の下面との距離である。すき間５１の高さＨは、３０μｍ以上１０００μｍ以下であり、好ましくは５０μｍ以上８００μｍ以下である。

高さＨを３０μｍ以上にすることで、すき間５１の入口５１ａ近傍に配置された第２金属面１２ａでの酸素濃度を低下させて第２金属面１２ａでのすき間腐食を生じさせることができる。これにより、腐食センサ１００によるすき間腐食の適切な評価を行うことができる。一方で、すき間腐食の進行により第２金属面１２ａを構成する金属材料のイオン化が生じるが、すき間５１の高さＨを３０μｍ以上にすることで、金属材料のイオンの蓄積を促し、過度のイオン化進行（即ちすき間腐食の進行）を抑制できる。これにより、腐食センサ１００の寿命を向上できる。また、すき間５１の高さＨを１０００μｍ以下にすることで、すき間５１の奥側の酸素濃度を十分に低減でき、奥側での不動態形成を抑制できる。この結果、すき間５１の奥側に配置された検出面１４ａでのイオン化に起因する電位変化を大きくできる。これにより、測定装置６２，６３により測定される電流値を大きくして、検出感度を向上できる。

また、すき間５１は、すき間５１の高さをＨ（μｍ）、すき間５１の入口５１ａを起点とするすき間５１の奥行をＬ（ｍｍ）としたときに、以下の式（１）を満たす。
３（ｍｍ）＋０．００７×Ｈ≦Ｌ ・・・式（１）
式（１）の意義について、図７を参照しながら説明する。

図７は、本実施形態の腐食センサ１００において、すき間５１の奥行Ｌとすき間５１の高さＨとの関係と示す図である。横軸はすき間５１の奥行Ｌ（ｍｍ）、縦軸はすき間５１の高さＨ（μｍ）を示す。図７は、本発明者らが行ったシミュレーションの結果得られたものであり、すき間５１の奥行Ｌと高さＨとを変更したときの検出面１４ａでの腐食度合を示すものである。色が濃いほど腐食度合が大きく（孔食深さが深く）、色が薄いほど腐食度合が小さい（孔食深さが浅い）ことを表す。腐食度合に応じて腐食度合を腐食度合１～５の５段階に分けて図示し、腐食度合５が最も腐食度合が大きく、腐食度合１が最も腐食度合が小さい。

本発明者が検討したところ、腐食度合１及び２ではわずかにすき間腐食が見られるが、すき間腐食に起因する電位変化が小さかった。これは、すき間５１の高さＨが低すぎる結果、水滴８０がすき間５１の内部にまで十分に流れ込まなかったことが理由と考えられる。そこで、腐食センサ１００による適切な評価を可能にするためには、腐食度合３～５のすき間腐食が生じたすき間５１の高さＨを３０μｍ以上にすることが好ましいといえる。特に、すき間５１の高さＨが５０μｍ以上であれば腐食度合が４～５となり、すき間腐食を促し、腐食センサ１００による不動態特性のより適切な評価を行うことができる。

一方で、すき間５１の高さＨが大きすぎても（例えば高さＨが１５００μｍ）、腐食度合が２となった。これは、すき間５１の高さＨが大きすぎる結果、すき間５１の奥側にまで酸素が到達し易くなることに起因すると考えられる。すき間５１の奥側にまで酸素が到達し易くなれば、すき間５１の奥側に配置された検出面１４ａでの金属酸化が進行し易くなり、不動態が形成される。これにより、すき間腐食が生じにくくなる。従って、腐食センサ１００による適切な評価を可能にするためには、腐食度合３～５のすき間腐食が生じたすき間５１の高さＨを１０００μｍ以下にすることが好ましいといえる。特に、すき間５１の高さＨが８００μｍ以下であれば腐食度合が４～５となり、すき間腐食を促し、腐食センサ１００による、腐食センサ１００による不動態特性のより適切な評価を行うことができる。

ただし、図７に示すように、すき間５１の奥行Ｌの長さが同じであっても、すき間５１の高さＨが変われば腐食度合が変化する。例えば、すき間５１の奥行きＬが９ｍｍの場合には、高さＨに応じて腐食度合１～５まで変化する。そこで、腐食センサ１００では、図７において、腐食度合が大きな上記式（１）の下方領域になるように、すき間５１の奥行Ｌ及び高さＨが設定される。具体的には、すき間５１の奥行Ｌ（ｍｍ）は、３＋０．００７×Ｈを下限値とすることができる。また、奥行Ｌの上限値は特に制限されないが、腐食センサ１００の小型化を図るため、例えば上限値は２０ｍｍとすることができる。

図６に戻って、検出面１４ａは、すき間５１の入口５１ａを起点とするすき間５１の奥行をＬ（ｍｍ）としたときに、検出面１４ａの入口側端部１４ａ１がすき間５１の入口５１ａを起点としてＬ／２以上Ｌ以下に含まれるように配置されることが好ましい。特に、検出部１４の検出面１４ａの全体がすき間５１の入口５１ａを起点としてＬ／２以上Ｌ以下に含まれるようにすることが好ましい。検出部１４の入口側端部１４ａ１がこの位置に配置されることで、すき間５１の奥側に検出部１４を配置できる。これにより、すき間５１の入口５１ａに近い第２金属面１２ａでは比較的酸素を多くし、奥側の検出部１４では比較的酸素を少なくできる。これにより、第２金属面１２ａと検出面１４ａとの電位差を大きくし、検出感度を向上できる。

図８は、図１のＢ－Ｂ線断面図であり、本実施形態の腐食センサ１００におけるすき間５１の幅Ｗを説明する図である。図８には、上記の高さＨも併記している。すき間５１の幅Ｗは、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａの左右にそれぞれ配置された接着層２３同士の間隔である。すき間５１の幅Ｗは、入口５１ａの幅Ｗと通常は等しい。すき間５１の幅Ｗの大きさは、すき間５１の奥側への酸素到達のし易さには殆ど影響しない。この理由は、不動態の酸素消費反応は幅Ｗの方向で全面的に均質に起きるためである。従って、幅Ｗを変えてもすき間５１内部の奥側への酸素の供給距離は変わらず、幅Ｗの大きさは殆ど影響しない。そのため、すき間５１の幅Ｗは任意であるが、第２金属面１２ａ及び検出面１４ａの面積を十分に確保する観点から、ある程度大きいことが好ましく、例えば、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下にすることができる。

図９は、本実施形態の腐食センサ１００を取り付けた構造体２００を示す図である。構造体２００は、上記の腐食センサ１００を備える。ただし、図９では、腐食センサ１００の一部部材の図示を省略している。構造体２００は、車両又は建物を含み、図示の例では車両を含む。ただし、構造体２００は、車両又は建物に限られず、実環境下での腐食を評価したい構造体であれば、任意である。

腐食センサ１００は、例えば、後部バンパ２０１に対し、すき間５１の入口５１ａが上を向くように取り付けられる。ただし、腐食センサ１００の取り付け位置は図示の例に限定されず、例えば、取り付ける位置、取り付けられる部品等に応じて、すき間５１の入口５１ａの方向を変えることができる。このようにすることで、構造体２００に付着する水分の不動態への影響を、腐食センサ１００によって評価できる。また、図示はしないが、例えば構造体２００が建物である場合には、水分による建物への影響を、腐食センサ１００によって評価できる。

図１０は、別の実施形態における腐食センサ３００の上方からの斜視図である。腐食センサ３００では、第１部材１１の正面側に、絶縁層８１及び基準電極８２が備えられる。絶縁層８１は、例えば窒化ホウ素により構成され、第１部材１１の上面に形成される。基準電極８２は例えば銀電極であり、絶縁層８１の上面に形成される。

腐食センサ３００は、第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ（図１０では図示しない）及び検出面１４ａ（図１０では図示しない）の各面での電位と、基準電極８２の電位との電位差を測定する測定装置（図示しない。例えば電位差計）を備える。第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ、検出面１４ａ及び基準電極８２は、測定装置に対し、リード線（図示しない）によって接続される。測定装置は、第１金属面１１ａと基準電極８２との電位差、第２金属面１２ａと基準電極８２との電位差、及び検出面１４ａと基準電極８２との電位差を、独立して測定可能に構成される。

腐食センサ３００によれば、例えば各金属面での同程度の腐食により、金属面間で電位差が発生しない場合でも、基準電極８２との電位差を測定することで、各金属面での腐食を検出できる。

実施例として、腐食センサ１００を実環境に適用し、各金属面間での電流変化を調べた。具体的には、腐食センサ１００を図９に示すように構造体２００に取り付けた。そして、各金属面間を流れる電流値を測定しながら構造体２００を走行させることで実車試験を行った。実車試験は３月～翌年３月の１年間連続して行い、実車試験中、電流値の測定は１０分ごとに行った。構造体２００は、１日あたり数時間程度ずつ毎日外を走行させた。走行は、冬季に積雪する寒冷地にて行った。なお、腐食センサ１００は、第１金属面１１ａ、第２金属面１２ａ、第３金属面１３ａ及び検出面１４ａをいずれもアルミニウムで構成した。

図１１は、本実施形態の腐食センサ１００を用いた実車試験での各金属面間で流れた電流値を示すグラフである。横軸は日数、縦軸は電流を表す。このグラフは、実車試験の全期間を通じて得られたデータのうち、３月下旬から４月上旬にかけて連続する１３日間のデータを図示している。電流Ａは、第１金属面１１ａと第２金属面１２ａとの間で流れた電流、電流Ｂは、第１金属面１１ａと検出面１４ａとの間で流れた電流、電流Ｃは、第２金属面１２ａと検出面１４ａとの間で流れた電流である。

実車試験中、電流Ａ，Ｂ，Ｃのいずれについても、電流値が検出された。特に、電流Ａと電流Ｂとは、多少値に違いがあったものの、誤差といえる程度の違いであり、同じような挙動及び電流値を示した。また、電流Ａ及び電流Ｂは概ね電流Ｃの検出時に検出されており、電流Ａ及び電流Ｂは、検出面１４ａでの水滴８０の到達によって発生したことが示された。

図１１に示すように、実車試験中、各金属面間で電流が流れたことが確認された。水滴８０が各金属面同士を跨ぐことで電流が流れることから、すき間５１に水滴８０が流れ込んだことが確認できた。特に、電流Ｂ及び電流Ｃが検出されたことから、水滴８０は、第１金属面１１ａと検出面１４ａとを跨ぎ、かつ、第２金属面１２ａと検出面１４ａとを跨ぐように存在することが確認できた。

図１２は、本実施形態の腐食センサ１００を用いた実車試験での各金属面間で流れた電気量の積算値を示すグラフである。このグラフは、実車試験を行った１年間のうち、３月から１０月にかけて取得した電流値に基づいて電気量を計算し、電気量の積算値（積算電気量）を日ごとにプロットしたものである。

このグラフに示すように、電流Ａ、電流Ｂ及び電流Ｃのいずれにおいても、日数の経過とともに積算電気量が増大した。特に、実車試験開始から５月中旬にかけて、積算電気量は大きく増大した。この理由は、３月から４月にかけて道路に散布された融雪剤に起因すると考えられる。融雪剤は例えば金属塩化物を含むため、融雪剤に含まれる塩化物イオンに起因して、積算電気量が大きく増大したと考えられる。また、季節が変わって融雪剤を散布しなくなった後でも、散布された融雪剤はすぐには道路外に排出されず暫く残る。このため、５月中旬頃までは積算電気量が大きく増大したと考えられる。５月中旬以降には、電流Ａ、電流Ｂ及び電流Ｃのいずれにおいても、ある日数以降はほぼ一定値を示すようになり、緩やかに上昇するようになった。

このように、腐食センサ１００によれば、例えば融雪剤の散布のような金属腐食に大きな影響を及ぼす事象がある実環境において、例えば電流値変化、積算電気量変化に基づき、金属腐食時の不動態特性を評価できることがわかった。これにより、実環境における金属材料の例えば防さび対策を効果的に行うことができる。

本発明者らの検討によれば、腐食センサ１００において二面間で電流が流れる理由は以下の通りと考えられる。

腐食センサ１００では、第１金属面１１ａは外部に露出しており、酸化性雰囲気である。従って、第１金属面１１ａへの水滴８０の接触が生じても、アルミニウムは、不動態の存在によって浸食し難い。仮に不動態が消滅したとしても、酸化性雰囲気によって不動態の再生（修復）が行われる。不動態の消滅と再生とは反応速度的にはほぼ同じであり、反応速度論的には不動態は変化しない。しかし、実際にはわずかではあるがアルミニウムの溶出が生じ、これにより不動態保持電流が発生する。このとき、第１金属面１１ａでは、酸素の還元反応が生じる。従って、第１金属面１１ａの電位が変化する。

一方で、すき間５１の内部では、以下の現象が生じると考えられる。外部より酸素濃度が低くなる第２金属面１２ａでは、アルミニウムの浸食及び修復を繰り返すことで、酸素が欠乏する。これにより、修復が行わないためにアルミニウムの溶出が進行し、アルミニウムイオンが蓄積される。アルミニウムイオンの蓄積量が多くなると、水滴８０中の水と反応し、水酸化アルミニウム及び水素イオンが生成する。そうすると、すき間５１内部での水素イオンとの電気的中性条件の維持のため、すき間５１の外部からすき間５１内部に水分中の溶質（塩化物イオン、硫酸イオン、有機酸イオン等）が拡散する。この結果、水素イオンと溶質とから酸（例えば塩酸、硫酸、有機酸イオン等）が生じ、第２金属面１２ａでの不動態消失が促進される。また、酸を生じさせなくても、低酸素濃度に起因して不動態は徐々に浸食する。そして、不動態消失によりアルミニウムの溶出（即ち腐食）が加速し、第２金属面１２ａでの電位が変化する。この結果、第１金属面１１ａと第２金属面１２ａとの間に電位差が発生し、電流が流れる（電流Ａ）。

また、検出面１４ａにおいても、第２金属面１２ａと同様に、酸素濃度が低い。このため、検出面１４ａでの電位と第１金属面１１ａでの電位との間に電位差が生じる。この結果、検出面１４ａと第１金属面１１ａとの間に電位差が発生し、電流が流れる（電流Ｂ）。さらに、第２金属面１２ａでの更に奥側に配置された検出面１４ａでは、第２金属面１２ａよりも更に酸素濃度が低い。このため、腐食度合は検出面１４ａと第２金属面１２ａとで異なるため、検出面１４ａでの電位と第２金属面１２ａでの電位との間に電位差が生じる。この結果、第２金属面１２ａと検出面１４ａとの間に電位差が発生し、電流が流れる（電流Ｃ）。

すき間５１の最も奥に配置された検出面１４ａでは、酸素濃度が最も低い。従って、仮に水滴８０が接触しなくても、わずかながら不動態の消失が生じる。これにより、検出面１４ａの電位は多少変化する。しかし、水滴８０の接触により不動態の消失が促進され、検出面１４ａの電位は、非接触時の電位変化よりも大きく変化する。このため、第１金属面１１ａの電位と、水滴８０の接触によって大きく変化する検出面１４ａの電位との電位差に基づく電流値の変化により、検出面１４ａへの水滴８０の接触を検出できる。

また、すき間５１の入口５１ａ側に配置された第２金属面１２ａにおいても、酸素濃度が外部よりも低くなっている。このため、水滴８０との接触により、上記のように電位が変化する。検出面１４ａによって水滴８０の接触が確認されれば、第１金属面１１ａの電位と第２金属面１２ａの電位との電位差の変化の理由は、第２金属面１２ａへの水滴８０の接触に起因するものが大きいと考えられる。

腐食センサ１００において、検出部１４によって水滴８０の到達を検出できる。これにより、検出部１４と入口５１ａとの間に配置された第２金属面１２ａでの水滴の確実な接触を把握できる。この結果、第２金属面１２ａでの電位変化は水滴８０の接触に起因するものであることを把握でき、当該電位変化に基づく電流変化や電位差の信頼性を向上できる。

そして、第１金属面１１ａと第２金属面１２ａとの電位差又は電流を経時的に把握することで、水分の第２金属面１２ａへの影響を経時的に評価できる。特に、電位差又は電流を経時的に測定し、評価に用いることで、電気化学的に決定される第２金属面１２ａの腐食の度合を実環境中で経時的に評価できる。

例えば、第１金属面１１ａと第２金属面１２ａとの間で流れる電流Ａの電流値の大きさにより、主に第１金属面１１ａでの不動態による効果を把握できる。例えば、不動態形成起因する良好な耐食性を示すアルミニウム合金であれば、電流値は比較的小さくなる。

さらに、検出面１４ａと第１金属面１１ａとの間で流れる電流Ｂの電流値により、すき間５１の奥側へ水滴８０の浸透を検出できる。また、電流Ｂの電流値は、電流Ａの電流値と通常は同じである。ただし、第２金属面１２ａへの腐食生成物の蓄積及び膨張に起因してすき間５１の拡張が生じることがあり、この場合、電流Ｂの電流値が変化する。このため、電流Ｂの電流値変化検出によってすき間５１の拡張を検出できる。この結果、構造体２００でのすき間腐食により生じ得る、すき間５１の拡張現象についても評価できる。

そして、第２金属面１２ａと検出面１４ａとの間で流れる電流Ｃの電流値により、すき間５１が濡れている時間を把握できる。即ち、すき間５１の外部が乾いた状態であってもすき間５１の内部が乾いていない現象が生じる。この場合、電流Ａ及び電流Ｂは検出されないが、電流Ｃは検出される。そこで、電流Ｃによれば、外部からの見た目では分からないすき間５１内部での腐食反応を検出できる。

そして、腐食センサ１００によれば、実環境において、第２金属面１２ａの腐食時、不動態がいつどのタイミングで消滅し、第２金属面１２ａにどの程度の腐食が進行したのかを評価できる。従って、水分に起因した金属材料の腐食時、金属材料の腐食感受性に寄与する不動態の特性を適切に評価できる。また、例えば第１金属面１１ａへの不純物元素（銅、鉄等）の付着によって第１金属面１１ａでの不動態に局所的な脆弱部がある場合でも、その不純物元素の影響を考慮した評価を行うことができる。

１００ 腐食センサ
１１ 第１部材
１１ａ 第１金属面
１１ｂ 第１保護面
１１ｃ リード線接続部
１２ 第２部材
１２ａ 第２金属面
１２ｂ 第２保護面
１２ｃ リード線接続部
１３ 第３部材
１３ａ 第３金属面
１３ｂ 第３保護面
１４ 検出部
１４ａ 検出面
１４ａ１ 入口側端部
１４ｂ 保護面
１４ｃ リード線接続部
２００ 構造体
２１ 接着層
２２ 接着層
２３ 接着層
３００ 腐食センサ
４１ リード線
４２ リード線
４３ リード線
５１ すき間
５１ａ 入口
６１ 測定装置
６２ 測定装置
６３ 測定装置
７１ スイッチ
７２ スイッチ
７３ スイッチ
７４ スイッチ
８０ 水滴
８１ 絶縁層
８２ 基準電極

Claims (14)

1. 金属面への水分の接触により前記金属面の腐食を生じさせる腐食センサであって、
   前記水分が接触するとともに、不動態を形成する金属材料により構成された第１金属面を有する第１部材と、
   前記第１金属面に接触した前記水分を流すように前記第１金属面に接続されるとともに前記第１金属面と電気的に絶縁され、前記第１金属面と同じ金属材料により構成された第２金属面を有する第２部材と、
   前記第２部材との間に高さ３０μｍ以上１０００μｍ以下のすき間を有して配置されるとともに、前記第２金属面が前記すき間を臨みかつ前記第１金属面が外部に露出するように前記第２部材と対向配置され、前記第１金属面及び前記第２金属面と同じ金属材料により構成された第３金属面を有する第３部材と、
   前記第２部材から視て前記すき間の入口とは反対側において前記すき間を臨むように配置されるとともに、前記入口を通じて前記すき間に流れ込んだ前記水分を検出する検出部とを備える
   ことを特徴とする、腐食センサ。
2. 前記検出部は、前記第１金属面及び前記第２金属面と同じ金属材料により構成された検出面を備え、
   前記検出面は、前記第２部材から視て前記入口とは反対側において前記すき間を臨むように配置されるとともに、前記入口を通じて前記すき間に流れ込んだ前記水分を検出する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の腐食センサ。
3. 前記金属材料はアルミニウムである
   ことを特徴とする、請求項２に記載の腐食センサ。
4. 前記検出面は、前記入口を起点とする前記すき間の奥行をＬ（ｍｍ）としたときに、前記検出面の前記入口側端部が前記入口を起点としてＬ／２以上Ｌ以下に含まれるように配置される
   ことを特徴とする、請求項２又は３に記載の腐食センサ。
5. 前記第１金属面、前記第２金属面及び前記検出面の各面のうち、任意の二面間での電位差に起因して流れる電流を測定する測定装置を備える
   ことを特徴とする、請求項２～４の何れか１項に記載の腐食センサ。
6. 前記第１金属面、前記第２金属面及び前記検出面の各面での電位と、基準電極の電位との電位差を測定する測定装置を備える
   ことを特徴とする、請求項２～５の何れか１項に記載の腐食センサ。
7. 前記第１部材、前記第２部材及び前記検出部のそれぞれの、前記すき間の形成側とは反対側には、前記測定装置に対し、前記第１金属面、前記第２金属面及び前記検出面の各面と電気的に導通するリード線が接続される
   ことを特徴とする、請求項５又は６に記載の腐食センサ。
8. 前記第２金属面と前記検出面とを電気的に導通可能なスイッチを備える
   ことを特徴とする、請求項５～７の何れか１項に記載の腐食センサ。
9. 前記すき間は、前記すき間の前記入口以外の部分を閉塞する閉塞部によって囲まれることで形成される
   ことを特徴とする、請求項１～８の何れか１項に記載の腐食センサ。
10. 前記すき間は、前記すき間の高さをＨ（μｍ）、前記すき間の前記入口を起点とする前記すき間の奥行をＬ（ｍｍ）としたときに、以下の式（１）を満たす
    ３（ｍｍ）＋０．００７×Ｈ≦Ｌ ・・・式（１）
    ことを特徴とする、請求項１～９の何れか１項に記載の腐食センサ。
11. 前記第１部材は、前記第１金属面以外の表面に、前記第１金属面を構成する金属材料の酸化物を含むとともに厚さ１μｍ以上５０μｍ以下の第１保護面を有し、
    前記第２部材は、前記第２金属面以外の表面に、前記第２金属面を構成する金属材料の酸化物を含むとともに厚さ１μｍ以上５０μｍ以下の第２保護面を有する
    ことを特徴とする、請求項１～１０の何れか１項に記載の腐食センサ。
12. 前記第１保護面と前記第２保護面との間には接着層が配置され、
    前記第１部材と前記第２部材とは接着層を介して接合する
    ことを特徴とする、請求項１１に記載の腐食センサ。
13. 請求項１～１２の何れか１項に記載の腐食センサを備える
    ことを特徴とする、構造体。
14. 車両又は建物を含む
    ことを特徴とする、請求項１３に記載の構造体。

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