JP7084575B2 - 亀裂検知センサー及び亀裂検知システム - Google Patents
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その他の亀裂検査の方法としては、光ファイバーの後方散乱光(レイリー散乱)を用いる方法(特許文献2)、磁粉を用いる方法(特許文献3、4)等が提案されている。
1.経糸または緯糸のいずれか一方に、間隔を開けて織り込まれた複数本の導電性繊維を備えたeテキスタイルと、
導電性ペーストから形成され、前記導電性繊維の少なくとも2本と電気的に接続されている導電性薄膜と、
を有することを特徴とする亀裂検知センサー。
2.前記導電性薄膜が、含浸膜形状であることを特徴とする1.に記載の亀裂検知センサー。
3.前記導電性薄膜が、フィルム形状であることを特徴とする1.に記載の亀裂検知センサー。
4.前記導電性繊維が、金属繊維であることを特徴とする1.~3.のいずれかに記載の亀裂検知センサー。
5.前記導電性薄膜が、導電性粒子としてカーボン系粒子を含有することを特徴とする1.~4.のいずれかに記載の亀裂検知センサー。
6.前記導電性薄膜が、低抵抗帯と高抵抗帯を備えることを特徴とする1.~5.のいずれかに記載の亀裂検知センサー。
7.前記導電性薄膜が、4本以上の導電性繊維と接続されていることを特徴とする1.~6.のいずれかに記載の亀裂検知センサー。
8.1.~7.のいずれかに記載の亀裂検知センサーと、
前記亀裂検知センサーが備える導電性薄膜と接続されている少なくとも2本の導電性繊維と電気的に接続され、前記2本の導電性繊維の間に位置する前記導電性薄膜の抵抗値を測定する抵抗計と、
を有することを特徴とする亀裂検知システム。
9.前記抵抗計が、前記亀裂検知センサーが備える導電性繊維のうち少なくとも4本と電気的に接続され、四端子法により抵抗値を測定することを特徴とする8.に記載の亀裂検知システム。
本発明の亀裂検知センサーは、現場で対象物に貼付するだけで設置することができ、現場での設置作業が容易であり、また、施工者の技量によらず安定した性能を発揮することができる。本発明の亀裂検知センサーは、工場で製造することができるため、均一な性能を有する亀裂検知センサーを供給することができる。
導電性薄膜が、4本以上の導電性繊維と接続されている亀裂検知センサーは、四端子法による抵抗値の測定が可能であり、導電性薄膜の抵抗値の増加をより確実に検知することができる。
一実施態様である亀裂検知センサー1は、間隔を開けて織り込まれた2本の導電性繊維21を備えたeテキスタイル2と、この2本の導電性繊維と電気的に接続された導電性薄膜3とを有する。
eテキスタイル2は、2本の導電性繊維21が間隔を開けて織り込まれている。eテキスタイルは、平織、斜文織、朱子織のいずれであってもよい。組織点が少ないほうが、織物として柔軟になり複雑な形状に追従しやすくなるため、斜文織または朱子織が好ましく、朱子織がより好ましい。
eテキスタイルにおいて、導電性繊維以外は、絶縁性繊維からなる。絶縁性繊維の種類は特に制限されず、天然繊維、合成繊維のいずれを用いることもできるが、吸湿性の低いポリエステル、ナイロン等の合成繊維が好ましい。また、合成繊維としては、モノフィラメントであることが、生地が伸びにくく亀裂に追従しやすいため、好ましい。
導電性繊維は、導電性を有するものであれば特に制限されず、金属繊維、炭素繊維、導電性高分子繊維、導電性フィラーが分散した繊維、表面に導電性層を有する繊維等を用いることができる。導電性繊維は、導電性薄膜と抵抗計とを電気的に接続する配線の一部を構成するため、金属製のリード線と接続が容易であり、かつ、安価な金属繊維を用いることが好ましい。本発明の亀裂検知センサーは屋外で長期間に亘って使用されるため、導電性繊維として金属繊維を用いる場合は、金属繊維は防食性に優れたものを使用することが好ましく、例えば、ステンレス、ニッケル、銅等からなる金属繊維を用いることができる。
導電性薄膜3は、2本の導電性繊維21と接続されている。ここで、eテキスタイルが平織の場合は、その両面に対して露出する導電性繊維の割合は同じである。しかし、eテキスタイルが斜文織または朱子織の場合は、導電性繊維は、一方の面側により多く露出する。eテキスタイルが斜文織または朱子織の場合は、導電性繊維と導電性薄膜とを確実に接続するため、導電性薄膜は導電性繊維の露出が多い側の面に設けることが好ましい。
導電性粒子の種類は特に制限されず、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト等からなるカーボン系粒子、ニッケル、銅、銀、金等からなる金属系粒子、ZnO、SnO2、InO3等からなる金属酸化物系粒子等を使用することができる。これらの中で、防錆性に優れたカーボン系粒子が好ましい。
有機系バインダーの種類は特に制限されず、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等を用いることができる。ただし、本発明の亀裂検知センサーは、導電性薄膜が損傷することによる抵抗値の増加を、亀裂の発生・進展として検知するものである。そのため、導電性薄膜は亀裂の発生に追従して損傷できることが好ましく、具体的には導電性薄膜の破断伸びが2%以上10%以下となる有機系バインダーが好ましい。
亀裂検知センサー1は、導電性薄膜3が、eテキスタイル2に間隔を開けて織り込まれた2本の導電性繊維21と電気的に接続されている。本発明の亀裂検知センサーは、導電性薄膜がeテキスタイルに保持されることにより、導電性薄膜が損傷しにくいため、取り扱い性に優れている。そのため、例えば、本発明の亀裂検知センサーを、複雑な構造の対象物に導電性薄膜を折り曲げた状態で貼付する際に、導電性薄膜が損傷することを防止することができる。
含浸法では、導電性ペーストが、eテキスタイルを構成する繊維の隙間に浸透するため、導電性薄膜3は、eテキスタイル2と一体化した含浸膜形状となる。含浸膜形状である導電性薄膜は、eテキスタイルを構成する繊維により補強されて損傷が生じにくい。含浸膜形状である導電性薄膜は、温度変化等による収縮により損傷しにくいため、亀裂の発生、進展の誤検知が少ない利点を有する。
接着法では、導電性薄膜3は、eテキスタイル2の表面上に付着したフィルム形状となる。フィルム形状である導電性薄膜は、eテキスタイルとは独立しており、損傷しやすい。そのため、フィルム形状である導電性薄膜は、亀裂の発生・進展を高い感度で検知することができる。
図4に、一実施態様である亀裂検知センサー1を用いた亀裂検知システム10の概略図を示す。
亀裂検知センサー1は、対象物に導電性薄膜3を内側として接着剤(図示せず)により貼着される。導電性繊維21は、リード線4と接続され、導電性薄膜3と抵抗計5とを接続する配線の一部を構成する。導電性繊維が金属繊維である場合は、導電性繊維とリード線とは、ハンダ等により容易に接続することができる。接着剤は、特に制限されないが、構造物の亀裂の発生・進展に応じて破断、または延伸できるものが好ましく、例えば、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系等を好適に利用することができる。
低抵抗帯と高抵抗帯とを備える導電性薄膜において、低抵抗帯に損傷が生じると初期抵抗値から抵抗値が大きく増加する。低抵抗帯と高抵抗帯とを備える導電性薄膜は、低抵抗帯を亀裂が発生する側に設置することにより、初期の微細な亀裂の発生・進展の感知に好適に利用することができる。なお、対象物において亀裂が発生する方向は過去の例等から予測可能である。
・eテキスタイルの製造
緯糸300本ごとに導電性繊維(Cu-Ni合金線、直径80μm)を1本配置して、隣接する導電性繊維の間隔が60mmであり、繊度220dtex、糸密度5本/mmのポリエステルからなり、それぞれ平織、斜文織、朱子織のeテキスタイルを製造した。
・導電性薄膜の製造
導電性粒子としてカーボン系粒子、有機系バインダーとしてポリエステル系樹脂を含む導電性ペースト1を用いた。この導電性ペースト1から、厚さがそれぞれ10μm、30μmの導電性薄膜を製造した。
万能試験機(株式会社エー・アンド・デイ製、RTC-1210A)にて、上記で製造した各eテキスタイル、及び導電性薄膜から切り出した長さ20mm、幅10mmの各サンプルの引張り破断時の伸び率及び最大点荷重を、下記条件で測定した。測定結果を図8に示す。なお、eテキスタイルは、導電性繊維が引張方向に対して垂直になるように配置した。
測定条件:つかみ間隔10mm、引張り速度0.5mm/min
上記実験1で作成した斜文織のeテキスタイルと、導電性ペースト1を用いて、導電性薄膜が含浸膜形状である亀裂検知センサーとフィルム形状である亀裂検知センサーを製造した。導電性薄膜は、長さ(導電性繊維の向きと垂直な方向)70mm、幅10mm、厚さ30μmであり、長さ方向で2本の導電性繊維と接続されている。なお、含浸膜形状である亀裂検知センサーにおける導電性薄膜の厚さは、導電性薄膜形成後の厚さとeテキスタイルのみの厚さの差である。
実験2と同様にして、含浸膜形状の導電性薄膜を備える亀裂検知センサー、それぞれ厚さ10μm、30μmのフィルム形状の導電性薄膜を備える亀裂検知センサーを製造した。
各亀裂検知センサーを、長辺の中央部に亀裂の起点となる1~2mmの切れ込みを入れた模擬鋼材(材質:SS400、長辺200mm×短辺35mm×厚さ3mm)に亀裂検知センサー内の導電性薄膜の長辺中央部が模擬鋼材の切れ込みに接する様にそれぞれに貼付して試験片とした。
各亀裂検知センサーについて、導電性薄膜と接続している導電性繊維と抵抗計(アジレント社製、装置名:U1252B)とを二端子法で接続し、模擬鋼材に発生した亀裂が、1~1.5mm程度進展する毎に材料試験機を停止して亀裂の長さと抵抗値を測定し、抵抗増加率を確認した。結果を図10に示す。
導電性粒子としてNi粒子(3~7μm)、有機系バインダーとしてポリエステル系樹脂を含む導電性ペースト2を製造した。
導電性粒子としてカーボン系粒子、有機系バインダーとしてポリエステル系樹脂を含む導電性ペースト3を製造した。
導電性ペースト1~3のみを硬化した導電性薄膜の比抵抗は、それぞれ8.0×10-2Ω・cm、8.0×10-3Ω・cm、2.0×10-1Ω・cmであった。
この導電性薄膜の長さ方向側端部に、それぞれ導電性ペースト1、2を塗布して、幅1mm、総厚さ100μm、70μmの厚膜部からなる低抵抗帯を形成し、低抵抗帯(厚さ100μm、70μm)と高抵抗帯(厚さ30μm)とを備える導電性薄膜を得た。この導電性薄膜と斜文織のeテキスタイルとから、亀裂検知センサー(高感度C:導電性ペースト1使用)、亀裂検知センサー(高感度Ni:導電性ペースト2使用)を得た。
上記実験2と同様にして、斜文織のeテキスタイルと、導電性ペースト1を用いて、導電性薄膜がフィルム形状(厚さ30μm)である亀裂検知センサー(ノーマル)を製造した。
2 eテキスタイル
21 導電性繊維
3 導電性薄膜
31 低抵抗帯
32 高抵抗帯
10 亀裂検知システム
4 リード線
5 抵抗計
Claims (9)
- 経糸または緯糸のいずれか一方に、間隔を開けて織り込まれた複数本の導電性繊維を備えたeテキスタイルと、
導電性ペーストから形成され、前記導電性繊維の少なくとも2本と電気的に接続されている導電性薄膜と、
を有し、
対象物に前記導電性薄膜が貼付され、前記対象物の亀裂の発生・進展に追従して前記導電性薄膜が損傷し、この損傷に伴う前記導電性薄膜の抵抗値の増加により、前記対象物における亀裂の発生、進展を検知することを特徴とする亀裂検知センサー。 - 前記導電性薄膜が、含浸膜形状であることを特徴とする請求項1に記載の亀裂検知センサー。
- 前記導電性薄膜が、フィルム形状であることを特徴とする請求項1に記載の亀裂検知センサー。
- 前記導電性繊維が、金属繊維であることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の亀裂検知センサー。
- 前記導電性薄膜が、導電性粒子としてカーボン系粒子を含有することを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の亀裂検知センサー。
- 前記導電性薄膜が、低抵抗帯と高抵抗帯を備えることを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載の亀裂検知センサー。
- 前記導電性薄膜が、4本以上の導電性繊維と接続されていることを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載の亀裂検知センサー。
- 請求項1~7のいずれかに記載の亀裂検知センサーと、
前記亀裂検知センサーが備える導電性薄膜と接続されている少なくとも2本の導電性繊維と電気的に接続され、前記2本の導電性繊維の間に位置する前記導電性薄膜の抵抗値を測定する抵抗計と、
を有することを特徴とする亀裂検知システム。 - 前記抵抗計が、前記亀裂検知センサーが備える導電性繊維のうち少なくとも4本と電気的に接続され、四端子法により抵抗値を測定することを特徴とする請求項8に記載の亀裂検知システム。
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