WO2007015532A1 - 応力解析用の被測定物、該被測定物に塗膜層を形成するための塗布液及び応力発光構造体 - Google Patents

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Yusuke Imai
Nao Terasaki
Yoshio Adachi
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Definitions

  • Object to be measured for stress analysis coating liquid for forming a coating layer on the object to be measured, and stress light emitting structure
  • the present invention relates to an object to be measured for stress analysis, and more particularly to an object to be measured in which a coating layer that emits light upon receiving strain energy is formed on the surface thereof.
  • this is a stress measurement system that measures the stress applied to a predetermined object (measurement object), and a strain gauge is attached to the measurement object to electrically detect the amount of strain generated in the measurement object. Then, there is a method for measuring the stress.
  • a stress-stimulated luminescent substance stress luminescent particles and a substance having a stress-stimulated function composed of a matrix substrate
  • the luminescence intensity of the stress-stimulated luminescent substance This is a method of measuring the stress distribution and the like of the object to be measured by measuring (see Patent Document 1).
  • An electronic camera is arranged at a position corresponding to the stress luminescent material, and the light emitted from the stress luminescent material is received and analyzed by the electronic camera.
  • the analysis method using such a stress-stimulated luminescent substance is based on the principle of detecting directly emitted light. For this reason, the device installed on the surface of the object to be measured only applies the stress luminescent material, and the device is extremely simple.
  • a stress luminescent material layer is formed on the surface of the object to be measured. Even if it receives strain energy in the same body as the surface, it does not make sense if force is not accurately transmitted from the base material (ie matrix) forming the layer of stress luminescent material to the stress luminescent particles.
  • the strain energy of the object to be measured is not transmitted to the stress-stimulated luminescent particles, so that no light is emitted or the light emission is weak.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication “Japanese Patent Laid-Open No. 2001-215157 (Publication Date: August 10, 2001)”
  • the present invention solves the above problems.
  • the present invention provides a method for efficiently applying stress from the substrate of the stress-luminescent substance layer on the surface of the stress analysis object to be measured on which the stress-luminescent substance layer (coating layer) is formed. It is intended to transmit strain energy to the luminescent particles.
  • the present inventors have found that the transmission of the strain energy of the object to be measured to the stress luminescent material depends on the elastic modulus of the substrate itself constituting the layer of the stress luminescent material.
  • the present invention was achieved based on this finding. In other words, many of the base materials that make up the stress-stimulated luminescent material are less transparent as the elastic modulus is higher. Therefore, it is not necessary to select and use a higher elastic base material. In other words, a substrate having a low elastic modulus has been used. But, The present inventors have found the above findings and have achieved the present invention capable of obtaining light emission much better than conventional stress luminescent materials.
  • the present invention provides (1) a measurement object for stress analysis, wherein a coating layer that emits light upon receiving a change in strain energy is formed on the surface thereof.
  • the layer is formed of a synthetic resin layer containing stress luminescent particles, and the elastic modulus of the base material of the synthetic resin layer is
  • the present invention resides in the object to be measured according to claim 1, wherein (2) the light transmittance power per 100 xm of the synthetic resin layer is 0.1% or more and 40% or less. .
  • the present invention resides in (3) the measured object according to (1) or (2), wherein the measured object is made of a metal or a synthetic resin material.
  • the present invention resides in (4) the object to be measured according to (1) or (2) above, wherein the object to be measured is an automobile exterior part or a built-in part.
  • the present invention resides in (5) the measured object according to (1) or (2), wherein the measured object is an aircraft exterior part or a built-in part.
  • the present invention resides in the object to be measured according to (1) or (2) above, wherein (6) the base material of the synthetic resin layer is an epoxy resin or a urethane resin.
  • the present invention provides (7), wherein the base material of the stress-stimulated luminescent particles is a stuffed tridymite structure,
  • the present invention resides in (8) the measured object according to the above (1) or (2), wherein the coating thickness is from 1 x m to 500 z m.
  • the present invention resides in (9) and a coating solution for forming a coating layer according to any one of the above (1) to (8).
  • the present invention resides in (10) a stress-stimulated luminescent structure formed by forming the synthetic resin layer described in (1) or (2) above on the surface of the structure.
  • the present invention resides in (11) the stress light emitting structure according to (10), wherein the structure is a building equipment, a test research equipment, paper or a card. [0030] It should be noted that a configuration in which the above (1) to (11) are appropriately combined can be adopted as long as it meets the object of the present invention.
  • the coating layer Since the surface of the object for stress analysis is formed with a coating layer that emits light upon receiving strain energy on its surface, the coating layer becomes distorted and emits light in the same body as the object to be measured.
  • the coating layer is formed of a synthetic resin layer containing stress luminescent particles, the corresponding luminescent particles emit light.
  • the elastic modulus of the base material of the synthetic resin layer is 1. OGPa or more, the measured energy ⁇ the base material of the synthetic resin layer ⁇ stress luminescent particles and strain energy are accurately transmitted, and the stress luminescent particles Light is emitted.
  • Fig. 1 (A) is a schematic diagram for explaining the stress transmission mode of the present invention, and shows a state of no load in which no force is applied to the object to be measured. is there.
  • FIG. 1 (B) is a schematic diagram for explaining the stress transmission mode of the present invention, and shows a case where a force is applied to the object to be measured and its surface shape changes. .
  • FIG. 2 (A) is a schematic diagram for explaining a conventional stress transmission mode and is a diagram showing an unloaded state in which no force is applied to the object to be measured.
  • FIG. 2 (B) is a schematic diagram for explaining the stress transmission mode of the present invention, and is a schematic diagram showing a case where a force is applied to the object to be measured and its surface shape changes. is there.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the elastic modulus of the coating film layer and the substrate.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an example of a stress measurement system for an object to be measured according to the present invention.
  • Coating layer synthetic resin layer, layer of stress luminescent material
  • a synthetic resin layer as a coating layer is formed on the surface of an object in order to perform stress analysis (stress distribution state or strain state) of an object to be measured. It is.
  • various objects can be adopted as long as they are to be subjected to stress analysis, that is, those for stress analysis, and the material is formed of metal, ceramic, synthetic resin or the like.
  • the object to be measured can be used as long as a synthetic resin layer described later can be formed, whether it is actually used or a test object.
  • the resin synthetic resin layer 1 is composed of the stress luminescent particles 1A and the base material 1B, and a predetermined amount of the stress luminescent particles are mixed in the base material (see FIG. 1).
  • the synthetic resin layer 1 is a stress luminescent material containing the stress luminescent particles 1 A and the base material 1 B.
  • the synthetic resin layer 1 is preferably one in which the stress luminescent particles 1A are mixed as uniformly as possible with the base material 1B.
  • the amount of the stress-stimulated luminescent particles mixed may be set as appropriate according to the use of the object to be measured or the structure on which the synthetic resin layer is formed, but preferably the amount of the base material is set.
  • the amount of stress-stimulated luminescent particles is 10 to 90 parts by weight, more preferably 20 to 80 parts by weight, and still more preferably 30 to 75 parts by weight.
  • the synthetic resin layer 1 is formed as a layer having a certain thickness on the surface of the object 2 to be measured, and the thickness varies depending on the form of the object 2 to be measured. Is between 5 ⁇ m and 95 ⁇ m.
  • the thickness is 1 ⁇ m or more, the amount of stress-stimulated luminescent particles is sufficiently contained in the synthetic resin 1, so that sufficient emission intensity can be obtained, and if it is 500 zm or less, the stress relaxation Is suppressed, and sufficient emission intensity can be obtained. Furthermore, if it is 5 xm or more, it contains more stress-emitting particles, so it is possible to obtain better emission intensity, and if it is 95 zm or less, it further suppresses stress relaxation and improves it. Luminous intensity can be obtained. Within the above range, reproducibility and durability are improved as the thickness of the synthetic resin layer 1 is increased. For example, if the test for forming the synthetic resin layer 1 on stainless steel is repeated, the effect can be easily confirmed.
  • the synthetic resin layer 1 is formed by applying a coating solution to the object 2 to be measured.
  • the coating solution uniformly disperses the epoxy resin and urethane resin constituting the base material of the synthetic resin layer, the curing agent and solvent for controlling the curing reaction of the resin, the stress luminescent particles and the stress luminescent particles.
  • a dispersing agent and an auxiliary agent are prepared by mixing them uniformly.
  • the resin cures and crosslinks to form a substrate.
  • any material that can be fixed to the surface of the object to be measured 2 can be used. If it can hold and fix strongly, it will not be specifically limited.
  • the base material 1B for example, a one-component curable or two-component curable coating material or an adhesive is used, and specifically, an epoxy resin, a urethane resin, or the like can be used.
  • the stress-stimulated luminescent particles 1A mixed in the synthetic resin layer 1 are obtained by adding a luminescent center to a base material (see, for example, JP-A-2000-63824).
  • the base material for example, an oxide having a stuffed tridymite structure, a three-dimensional network structure, a feldspar structure, a crystal structure with lattice defect control, a wurtzite structure, a spinel structure, a corundum structure, or a / 3-alumina structure.
  • Sulfide, carbide or nitride can be used.
  • the rare earth ions of Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, and Ti , Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Mo, Ta, W transition metal ions can be used.
  • xSrO -yAl O ⁇ ⁇ ( ⁇ is a divalent metal, Mg, Ca, Ba, x, y
  • z is an integer. That is, M is not limited as long as it is a divalent metal, but Mg, Ca and Ba are preferable.
  • X, y and z represent integers of 1 or more. ), XSrO 'yAl ⁇ -zSiO (x, y
  • Z is an integer
  • the Hiichi SrAl 2 O structure containing lattice defects is preferable.
  • the particle diameter of the stress-stimulated luminescent particles 1A is not particularly limited as long as it is easily dispersed uniformly throughout the base material 1B of the synthetic resin layer.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the stress transmission mode of the present invention.
  • the arrow indicates that a force is being applied.
  • a synthetic resin layer 1 (consisting of a base material 1B and stress luminescent particles 1A) is formed as a coating layer.
  • the stress luminescent particles 1A are uniformly dispersed and mixed.
  • the elastic modulus of the base material 1B of the synthetic resin layer 1 is 1. OGPa or more, force is transmitted from the object to be measured 2 to the base material 1B of the synthetic resin layer 1, and further, the base material It is reliably transmitted from 1B to stress luminescent particles 1A.
  • the stress-stimulated luminescent particles 1A emit light accordingly.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a conventional stress transmission mode when the elastic modulus of the base material does not reach 1. OGPa.
  • the elastic modulus of the base material 1 B of the synthetic resin layer 1 is smaller than 1. OGPa, even if force is transmitted from the object to be measured 2 to the base material 1 B of the synthetic resin layer 1, the base material further The force is not accurately transmitted from 1 B to the stress luminescent particle 1A.
  • the stress-stimulated luminescent particles 1A do not emit light or become weak, and measurement analysis cannot be easily performed.
  • ⁇ , ⁇ , and ⁇ represent strain, stress, and elastic modulus, respectively
  • subscripts 1 and 2 represent the synthetic resin layer 1 and the object 2 to be measured, respectively.
  • the emission intensity is proportional to the stress.
  • Equation 2 the emission intensity is proportional to the elastic modulus ⁇ of the synthetic resin layer 1 that is the coating layer.
  • E is a function of the elastic modulus E of the substrate IB and the elastic modulus E of the stress luminescent particle 1A.
  • the elastic modulus of the base material is preferably 1. OGPa or more.
  • a more preferable elastic modulus is 2. OGPa or more.
  • the upper limit of the elastic modulus of the substrate is not particularly limited, but is preferably 1OGPa or less. This is because the synthetic resin layer according to the present application can be easily formed.
  • the transparency of the base material according to the present invention is not particularly limited, and can be used regardless of whether it is transparent or opaque.
  • the synthetic resin layer according to the present invention in which stress luminescent particles are contained in the base material is not as transparent as the stress luminescent material described in Patent Document 1, for example. This is because the above-mentioned mixed amount of stress-stimulated luminescent particles is mixed into the base material.
  • the light transmittance of the synthetic resin layer according to the present application varies depending on the amount of the stress-stimulated luminescent particles and the base material used for the production thereof, and is, for example, 0.:! To 40% per 100 xm of the synthetic resin layer. More preferably, 0.:! To 30%. Good light emission can be obtained by adding stress luminescent particles so that the light transmittance of the synthetic resin layer is 40% or less. This is obtained because the supporting substrate is well mixed. The mechanical properties of the synthetic resin layer will be good.
  • the light transmittance of the coating layer is not limited as long as it is measured by a conventionally known method or apparatus such as an absorption spectrometer.
  • FIG. 4 shows an example of a stress measurement system for the object to be measured of the present invention.
  • a plurality of imaging devices for detecting the emission intensity and imaging the shape of the object to be measured, and an image processing device for processing the emission intensity and the imaging information are provided.
  • the light emitted from the stress-stimulated luminescent material 1 is detected and measured by two electronic cameras 3 which are imaging devices arranged to detect the luminescence intensity of the stress-stimulated luminescent particles 1A. .
  • the electronic camera 3 is provided with a condensing lens and an image sensor, and light from the DUT 2 is collected by the condensing lens and received by the image sensor.
  • the image sensor performs photoelectric conversion, and its output signal is converted into a digital signal by an A / D converter similarly provided in the electronic camera 3 to detect light emission intensity.
  • This digital signal is input to the image processing device 4 via a cable, for example.
  • photographing information obtained by photographing the surface shape of the object 2 to be measured by the two electronic cameras 3 is input to the image processing device 4.
  • the three-dimensional shape of the DUT 2 is calculated based on the imaged information.
  • the distance from each electronic camera 3 to the measurement point can also be calculated, and the emission intensity correction process can be performed in consideration of the point that the illuminance decreases as the distance from the light source increases. . That is, by correcting the received light intensity distribution obtained from the image sensor, the actual stress distribution of the object to be measured can be calculated and determined in real time.
  • the three-dimensional shape of the DUT 2 is, for example, a stereo method, a visual volume intersection method, or an edge method.
  • the three-dimensional stress distribution of the object to be measured 2 obtained by the image processing device 4 is displayed on the display device 5, and the three-dimensional stress distribution data is recorded on the recording device 6.
  • the recording device 6 includes, for example, a hard disk and is recorded on the hard disk or recorded on a transportable recording medium such as a flexible disk or a flash memory.
  • the synthetic resin layer can obtain the light emission well, it is not limited to the object to be measured, and can be applied to various structures.
  • the structure on which the synthetic resin layer is formed on the surface is not limited as long as it is applied to various materials depending on the application. Examples include building equipment such as beams, reinforced concrete, Bordeaux, and iron bars, and artificial materials for testing and research such as artificial joints and various models. In addition, it is not limited to such a hard structure, and can be suitably used for soft structures such as paper and cards. In addition, when applying the synthetic resin layer to a soft structure, it is preferable to apply it as thinly as possible, and the thickness is preferably 1 ⁇ m to 95 ⁇ m. This is because by applying the stress luminescent material thinly, the bending stress applied to the synthetic resin layer is reduced, and the durability of the stress luminescent structure is improved.
  • a rectangular (50 mm x 30 mm, 30 ⁇ m thick) synthetic resin layer was formed on the surface of the object to be measured (made of stainless steel).
  • a coating solution prepared by mixing a base material and stress-stimulated luminescent particles into a paste is used. It was applied in a layered manner on the surface to be measured by one method.
  • an epoxy resin (elastic modulus: 1.5 GPa) was used as the base material of the synthetic resin layer.
  • the coating solution is an epoxy resin as a base material
  • the dispersing agent is oleic acid
  • the solvent is an expensive alcohol type and an aromatic hydrocarbon type
  • the curing agent is polyamidamine
  • the material for stress-stimulated luminescent particles SrAlO: Eu with a particle size of 3 zm.
  • the light transmittance of the synthetic resin layer according to this example was 10%.
  • a urethane resin (elastic modulus: 3. OGPa) was used as a base material.
  • the coating liquid used was an acrylic polyol that becomes a urethane resin
  • the solvent used was an ester-based resin and an aromatic hydrocarbon-based resin
  • the curing agent used was Example 1 except that an HMDI-based polyisocyanate was used. The experiment was conducted in the same manner.
  • the light transmittance of the synthetic resin layer according to this example is 1. / 0 .
  • a rectangular (50 mm x 30 mm, 30 ⁇ m thick) synthetic resin layer was formed on the surface of the object to be measured (made of stainless steel).
  • a silicone resin (elastic modulus is 0.001 GPa) is used as the base material of the synthetic resin layer, and a material having a particle diameter of 3 ⁇ is used as the stress-stimulated luminescent particles.
  • the substrate was mixed with 50% by weight of stress luminescent particles.
  • the light to be emitted by the stress-stimulated particles by applying a load to the object to be measured was detected by an electronic camera.
  • the light transmittance of the synthetic resin layer according to this comparative example was 60%.
  • the light transmittance of the synthetic resin layer according to this comparative example is 50. / o.
  • Table 1 shows the light intensities in Examples and Comparative Examples as described above.
  • the applied car wheel emits light due to a change in strain energy during traveling, so that it can be applied from the viewpoint of decorativeness.

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Abstract

　応力発光物質の層を形成した応力解析用の被測定物の表面において、応力発光物質の基材から効率良く応力発光物質に歪みエネルギーが伝達できることを目的とする。応力解析用の被測定物であって、その表面に歪エネルギーの変化を受けて発光する塗膜層が形成されており、塗膜層が応力発光粒子を含有する合成樹脂層により形成され基材の弾性率が１．０ＧＰａ以上である。塗膜層の厚さが１μｍ～５００μｍであることが好ましい。

Description

明 細 書
応力解析用の被測定物、該被測定物に塗膜層を形成するための塗布液 及び応力発光構造体
技術分野
[0001] 本発明は、応力解析用の被測定物に関し、更に詳しくは、その表面に歪エネルギ 一を受けて発光する塗膜層が形成されている被測定物に関する。
背景技術
[0002] 物体に衝撃力等が加わった場合にその表面の応力状態或いは歪み状態を把握す ることは安全設計上極めて重要である。
[0003] 今日、物体に加わる応力や歪みを測定して解析する技術が多く開発されている。
[0004] 例えば、所定の物体 (被測定物）に加わる応力を測定する応力測定システムがそれ であり、被測定物に歪みゲージを貼り付けて、被測定物に生ずる歪み量を電気的に 検出して応力を測定する方法がある。
[0005] 歪みゲージを使って測定するには、歪みゲージから発生する信号を取り出す必要 力 Sあり、測定物の表面に配線手段を講じる必要がある。
[0006] そのため流体中の被測定物を測定する場合等には、配線手段等が支障となり乱流 が生じたりして正確な測定はできない。
[0007] また装置が複雑となって環境によっては故障が起き易い。
[0008] このようなことから、配線等を必要としない被測定物の応力解析方法が提供されて いる。
[0009] 具体的には、被測定物の表面に応力発光物質 (応力発光粒子、およびマトリクスと 成る基材で構成する応力発光機能を有する物質)を塗布し、この応力発光物質の発 光強度を測定することにより被測定物の応力分布等を測定する方法 (特許文献 1参 照）である。
[0010] 応力発光物質に対応する位置に電子カメラを配置させておき、この電子カメラによ り応力発光物質から発光された光を受光して解析するのである。
[0011] このような応力発光物質を使った解析方法は、直接発光する光を検知する原理で あるために被測定物の表面に設置する装置が応力発光物質を塗布するだけであり、 装置としては極めてシンプノレである。
[0012] そのため被測定物の表面に設置した装置部分の故障は生じることは殆どない。
[0013] 因みに電子カメラにより応力発光物質から発光された光を受光して解析する方法の 改良として、被測定物の表面が曲面を有する複雑形状である場合 (三次元形状）の 応力測定シテスムも開発されている。
[0014] しかし上記のような応力発光物質を使った方法では、どれも被測定物の表面に応 力発光物質の層を形成しているため、この応力発光物質の層自体が被測定物の表 面と同体で歪みエネルギーを受けたとしても、応力発光物質の層を形成している基 材 (すなわちマトリックス）から応力発光粒子に的確に力が伝達されなければ意味が なレ、。
[0015] 伝達が悪いと、最終的に被測定物の歪みエネルギーが応力発光粒子に伝達され ずに発光しなかったり、発光が弱かったりする。
特許文献 1 :日本国公開特許公報「特開 2001— 215157号公報（公開日： 2001年 8 月 10日）」
発明の開示
[0016] 〔発明が解決しょうとする課題〕
本発明は、上記の問題点を解決するものである。
[0017] すなわち、本発明は、応力発光物質の層（塗膜層）を形成した応力解析用の被測 定物の表面にぉレ、て、応力発光物質の層の基材から効率良く応力発光粒子に歪み エネルギーが伝達できることを目的とするものである。
[0018] 〔課題を解決するための手段〕
本発明者等はこのような背景に基づいて鋭意研究を行った結果、被測定物の歪み エネルギーの応力発光物質に対する伝達性は、応力発光物質の層を構成する基材 自体の弾性係数に依存するものであることを見出し、この知見により本発明を達成し たのである。付言すれば、応力発光物質を構成する基材においては、弾性率が高い ほど透明性に欠けるものが多いため、弾性率の高い基材をあえて選択して用いること はなぐ丈夫で透明性の高レ、、つまり弾性率の低い基材が用いられてきた。しかし、 本発明者らは上記知見を見出し、従来の応力発光物質より極めて良好に発光を得る ことができる本発明を達成したのである。
[0019] すなわち、本発明は、（1)、応力解析用の被測定物であって、その表面に歪ェネル ギ一の変化を受けて発光する塗膜層が形成されており、前記塗膜層は、応力発光粒 子を含有する合成樹脂層により形成されており、前記合成樹脂層の基材の弾性率が
1. OGPa以上である被測定物に存する。
[0020] すなわち、本発明は、（2)、前記合成樹脂層 100 x mあたりの光透過率力 0. 1 % 以上 40%以下であることを特徴とする請求項 1記載の被測定物に存する。
[0021] すなわち、本発明は、（3)、前記測定物が金属又は合成樹脂材よりなる上記（1)又 は（2)記載の被測定物に存する。
[0022] すなわち、本発明は、（4)、被測定物が、自動車の外装用部品又は内蔵部品であ る上記（1)又は（2)記載の被測定物に存する。
[0023] すなわち、本発明は、 (5)、被測定物が、航空機の外装用部品又は内蔵部品であ る上記（1)又は（2)記載の被測定物に存する。
[0024] すなわち、本発明は、（6)合成樹脂層の基材がエポキシ樹脂又はウレタン樹脂であ る上記（1)又は（2)記載の被測定物に存する。
[0025] すなわち、本発明は、 (7)、応力発光粒子の母体材料が、スタフドトリジマイト構造、
3次元ネットワーク構造、長石構造、ゥルツ構造、スピネル構造、コランダム構造又は β一アルミナ構造を有する酸化物、硫化物、炭化物又は窒化物である上記（1)又は
(2)記載の被測定物に存する。
[0026] すなわち、本発明は、（8)、塗膜厚さが l x mから 500 z mである上記（1)又は（2) 記載の被測定物に存する。
[0027] すなわち、本発明は、（9)、上記（1)乃至（8)のいずれか一つに記載の塗膜層を形 成するための塗布液に存する。
[0028] すなわち、本発明は、（10)、構造体の表面に上記（1)又は（2)に記載の合成樹脂 層を形成してなる応力発光構造体に存する。
[0029] すなわち、本発明は、（11)、上記構造体が、建築用器材、試験研究用器材、紙又 はカードである上記（10)に記載の応力発光構造体に存する。 [0030] なお、本発明の目的に沿ったものであれば、上記（1)から（11)を適宜組み合わせ た構成を採用可能である。
[0031] 〔発明の効果〕
その表面に歪エネルギーを受けて発光する塗膜層が形成されている応力解析用 の被測定物であるために被測定物と同体となって塗膜層が歪んで発光する。
[0032] 塗膜層が応力発光粒子を含有する合成樹脂層により形成されていることで、その応 力発光粒子が発光する。
[0033] 合成樹脂層の基材の弾性率が 1. OGPa以上であることにより、被測定物→合成榭 脂層の基材→応力発光粒子と歪みエネルギーが的確に伝達し、応力発光粒子から 光が発光される。
図面の簡単な説明
[0034] [図 1(A)]図 1 (A)は、本発明の応力伝達の態様を説明する模式図であって、被測定 物に力が加わっていない無負荷の状態を表す図である。
[図 1(B)]図 1 (B)は、本発明の応力伝達の態様を説明する模式図であって、被測定 物に力が加わり、その表面形状が変化した場合を表す図である。
[図 2(A)]図 2 (A)は、従来の応力伝達の態様を説明する模式図であって、被測定物 に力が加わっていない無負荷の状態を表す図である。
[図 2(B)]図 2 (B)は、本発明の応力伝達の態様を説明する模式図であって、被測定 物に力が加わり、その表面形状が変化した場合を表す模式図である。
[図 3]図 3は、塗膜層と基材との弾性率との関係を示す図である。
[図 4]図 4は、本発明の被測定物を対象とした応力測定システムの例を説明する概略 図である。
符号の説明
[0035] 1 塗膜層 (合成樹脂層、応力発光物質の層）
1A 応力発光粒子
1B 基材
2 被測定物
発明を実施するための最良の形態 [0036] 本発明は、任意の物体である被測定物の応力解析 (応力の分布状態や歪み状態） を行うためにその物体の表面に塗膜層である合成樹脂層を形成しておくものである。
[0037] そして、被測定物と同体となって合成樹脂層が歪むことにより、被測定物→合成樹 脂層の基材→応力発光粒子と歪みエネルギーが的確に伝達し、応力発光粒子から 光が発光される。
[0038] この光を受光して分析することで種々の応力解析 (被測定物の応力分析、歪み分 析等）が可能となる。
(被測定物）
被測定物としては、応力解析を行う対象となるもの、すなわち応力解析用のもので あれば種々のものが採用でき、材質としては金属、セラミック、合成樹脂等により形成 されたものである。
[0039] 具体的には、 自動車の車体を構成する部品である外装用部品（バンパー、ホイ一 ル、ボディ等）、内蔵部品（シリンダ、歯車、カム）等種々のものがあり、また、同様に航 空機の外装用部品や内蔵部品がある。
[0040] 被測定物は、実際に使用するものであっても、試験用のものであってもよぐ後述す る合成樹脂層が形成可能なものであれば採用できる。
(合成樹脂層）
本発明でレ、う合成樹脂層 1とは、応力発光粒子 1Aと基材 1Bよりなり、その基材に 応力発光粒子が所定量混入されているものである（図 1参照）。換言すれば、上記合 成樹脂層 1は、応力発光粒子 1 Aと基材 1Bとを含有する応力発光物質である。
[0041] この場合、合成樹脂層 1は基材 1Bに対してできるだけ応力発光粒子 1 Aが均一に 混合されるものがよい。
[0042] また、上記応力発光粒子の混入量は、合成樹脂層をその表面に形成する被測定 物や構造物の用途に応じて適宜設定すればよいが、好ましくは、上記基材の量を 10 0重量部としたとき、応力発光粒子の量は 10〜90重量部であり、より好ましくは 20〜 80重量部であり、さらに好ましくは 30〜75重量部である。応力発光粒子の量を 10〜 80重量部とすることで、十分な発光総量が確保されるため、より良好な発光を得るこ とができ、また、得られる合成樹脂層の機械特性が向上する。 [0043] 合成樹脂層 1は、被測定物 2の表面に一定の厚みの層として形成され、その厚みは 、被測定物 2の態様によって異なる力 1 111〜500 111カ 子ましく、さらに好ましくは 5 μ m〜95 μ mである。
[0044] 厚みが、 1 μ m以上であれば、合成樹脂 1中に応力発光粒子の量を十分に含むた め、十分な発光強度を得ることができ、 500 z m以下であれば、応力緩和が抑制され 、十分な発光強度を得ることができる。さらに、 5 x m以上であれば、より多くの応力発 光粒子を含むため、より良好な発光強度を得ることができ、 95 z m以下であれば、さ らに応力緩和を抑制し、より良好な発光強度を得ることができる。なお、上記範囲内 において、合成樹脂層 1の厚みが厚いほうが、再現性及び耐久性が向上する。例え ば、ステンレス上に合成樹脂層 1を形成する試験を、繰り返して行なえば、その効果 を容易に確認できる。
[0045] 因みに、発光強度は合成樹脂層の厚さが薄い場合には、発光強度は厚さの増大と 共に増大する。
[0046] これは発光粒子の量が合成樹脂層の厚さの増大により増加するためである。
[0047] これに対して、膜厚が厚過ぎる場合、合成樹脂層は不透明であることから、合成樹 脂層の厚さの増大により発光強度の増大が飽和する。
[0048] 一方、合成樹脂層は厚いほど、層内の応力緩和による応力の伝達が十分に行われ ず、発光強度は低下する。
[0049] ここで合成樹脂層 1は、塗布液を被測定物 2に塗布することによって作成される。
[0050] 塗布液は、合成樹脂層の基材を構成するエポキシ樹脂やウレタン樹脂、樹脂の架 橋 ·硬化反応を制御するための硬化剤と溶剤、応力発光粒子及び応力発光粒子を 均一分散させるための分散剤 ·補助剤、を適宜均一に混合して作成する。
[0051] 塗布液を塗布した後、樹脂が硬化 ·架橋反応して基材になる。
[0052] 合成樹脂層 1の基材 1Bとして使用されるものとしては、対象となる被測定物 2の表 面に固着できるものであれ採用可能であり、また、後述するような応力発光粒子 1Aを 強く保持固定できるものであれば、特に限定されない。
[0053] これらのことから、基材 1Bとしては例えば、一液硬化型や二液硬化型の塗料や接 着剤が採用され、具体的にはエポキシ系樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる [0054] 合成樹脂層 1に混入される応力発光粒子 1 Aとしては、母体材料に発光中心を添 カロさせたものである（例えば、特開 2000— 63824号公報参照）。
[0055] 母体材料としては、例えば、スタフドトリジマイト構造、三次元ネットワーク構造、長石 構造、格子欠陥制御をした結晶構造、ゥルツ構造、スピネル構造、コランダム構造又 は /3—アルミナ構造を有する酸化物、硫化物、炭化物又は窒化物を用いることがで きる。
[0056] 発光中 、としては、 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, E r, Tm, Yb, Luの希土類イオン、及び、 Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn , Nb, Mo, Ta, Wの遷移金属イオンを用いることができる。
[0057] 母体材料として、例えばストロンチウム及びアルミニウム含有複合酸化物を用いる場 合、応力発光粒子として、 xSrO -yAl O · ζΜΟ (Μは二価金属、 Mg, Ca, Ba, x, y
2 3
, zは整数である。即ち、 Mは二価金属であれば限定されるものではないが、 Mg、 Ca 、 Baが好ましい。また X, y, zは 1以上の整数を表す。）、 xSrO 'yAl〇 - zSiO (x, y
2 3 2
, Zは整数である）を用いると良い。
[0058] 中でも、 SrMgAl 〇 ： Eu、（Sr Ba ) Al O : Eu (0<x< 1)、 BaAl Si〇 ：Eu
10 17 1 2 4 2 2 8 等が望ましい。
[0059] 特に、格子欠陥を含むひ一 SrAl O構造が好ましい。
2 4
[0060] 応力発光粒子 1Aの粒子径については、合成樹脂層の基材 1Bの全体に均一に分 散し易いものであれば良ぐ特に限定されない。
[0061] し力 分解能を高くして光強度を測定するのであれば、粒子径は小さい方がよぐ 具体的には、平均粒子径が 50 μ m以下であることが好ましい。
[0062] より好ましくは、 5 x m以下であることが好ましい。
(原理）
図 1は、それぞれ本発明の応力伝達の態様を説明する模式図である。
[0063] なお矢印は力を受けていることを示す。
[0064] 被測定物の表面には塗膜層である合成樹脂層 1 (基材 1Bと応力発光粒子 1Aとより なる）が形成されている。 [0065] 合成樹脂層 1の基材 I Bには応力発光粒子 1Aが均一分散して混入されている。
[0066] いま、被測定物 2に力が加わっていない無負荷の状態〔図 1 (A)〕にあるとすると、こ の状態力 被測定物 2に力が加わってその表面形状が変化した場合、合成樹脂層 1 の基材 1 Bから応力発光粒子 1Aに歪みエネルギーが伝播して、結果的に応力発光 粒子 1Aが発光する〔図 1 (B)〕。
[0067] 本発明では、合成樹脂層 1の基材 1 Bの弾性率を 1. OGPa以上としたので、被測定 物 2から合成樹脂層 1の基材 1Bに力が伝達し、更に基材 1Bから応力発光粒子 1Aに 確実に伝達される。
[0068] そのため応力発光粒子 1Aがそれに応じて発光するのである。
[0069] 参考までに、図 2は、基材の弾性率が 1. OGPaに達しない場合の従来の応力伝達 の態様を説明する模式図である。
[0070] 無負荷の状態〔図 2 (A)〕から被測定物 2に力が加わって表面形状が変化しても、 合成樹脂層 1の基材 1 Bから応力発光粒子 1Aに歪みエネルギーが伝播しないため に応力発光粒子 1 Aが発光しなレ、〔図 2 (B)〕。
[0071] 合成樹脂層 1の基材 1 Bの弾性率を 1. OGPaより小さくなる場合は、被測定物 2から 合成樹脂層 1の基材 1 Bに力が伝達しても、更に基材 1 Bから応力発光粒子 1Aに的 確に力が伝達されない。
[0072] そのため応力発光粒子 1Aが発光しないか又は弱レ、ものとなり、測定解析が容易に できなくなる。
[0073] 参考までに、この点について更に説明する。
[0074] 被測定物の変形に塗膜層が追随する、すなわち、塗膜層と被測定物の歪が一致 する場合、一般に式 1及び式 2が成立する。
[0075] ε = ε (式 1 )
1 2
σ = (Ε /Ε ) . σ (式 2)
1 1 2 2
ここで、 ε、 σ、 Εはそれぞれ歪、応力、弾性率を表し、下付文字 1及び 2はそれぞ れ合成樹脂層 1及び被測定物 2を表している。
[0076] 歪速度が一定の場合を考えると、発光強度は応力に比例する。
すなわち、式 2より、発光強度は塗膜層である合成樹脂層 1の弾性率 Εに比例する。 [0077] Eは基材 IBの弾性率 E と応力発光粒子 1Aの弾性率 E の関数であり、その関
1 IB 1A
係は、応力発光粒子の弾性率として、 SrAl〇の弾性率 40GPa (E =40GPa)を
2 4 1A
用レ、て理論的に計算を行うと、図 3に示すようになる。
[0078] Eは基材の弾性率 E が 1. OGPaを越えるところから急激に増大する。
1 1B
[0079] 従って、基材の弾性率が 1. OGPa以上であることが好ましい。より好ましい弾性率 は 2. OGPa以上である。弾性率が 1. OGPa以上の基材を用いることで、歪みエネル ギ一の伝達性に優れた合成樹脂層を表面に形成した被測定物及び構造物を得るこ とがでさる。
[0080] なお、上記基材の弾性率の上限値は、特に限定されるものではないが、 lOGPa以 下であることが好ましい。本願に係る上記合成樹脂層の形成が容易となるからである
[0081] 因みに、 SrAl O以外の応力発光粒子においても図 3と同様な傾向が現れる。つ
2 4
まり、ここまで、 E =40GPaであって、 E 力 ^lGPa以上のとき、 Eが急激に増大す
1A IB 1
ることを示したが、 E はいかなる値であっても、 E 力 SlGPa以上のとき、 Eが急激に
1A IB 1
増大する。ゆえに、基材の弾性率が 1. OGPa以上のとき、良好な発光強度を得ること ができることとなるのである。
[0082] 本願発明に係る上記基材の透明性は、特に限定されるものではなぐ透明であって も不透明であっても用いることが可能である。
[0083] なお、上記基材に応力発光粒子を含有させてなる本願発明に係る合成樹脂層は、 例えば上記特許文献 1に記載の応力発光材料のように透明なものではない。これは 、上述した混入量の応力発光粒子を基材に混入することによるものである。しかし、 上述のとおり、本願に係る合成樹脂層は、歪みエネルギーの伝達性に極めて優れて いるため、上記応力発光材料に比べて、極めて良好な発光を得ることができる。本願 に係る合成樹脂層の光透過率は、その製造に用いる応力発光粒子および基材の量 により異なるが、例えば、合成樹脂層 100 x mあたり、 0. ：!〜 40%となる。より好ましく は、 0.：!〜 30%である。上記合成樹脂層の光透過率が、 40%以下となるように、応 力発光粒子を含有させることで良好な発光を得ることができ、 0. 1 %以上であれば、 上記応力発光粒子を支持する基材が充分に混合されてレ、るので、これにより得られ る合成樹脂層の機械特性が良好なものとなる。
[0084] また、塗膜層の光透過率は、吸光分光度計等の従来公知の方法、装置により測定 すればよぐ限定されるものではない。
(被測定物を使った応力測定システムの例）
参考までに、図 4に本発明の被測定物を対象とした応力測定システムの例を示す。
[0085] この実施形態の応力測定システムにおいては、発光強度を検出し、且つ被測定物 の形状を撮像するための複数台の撮像装置と、発光強度と撮像情報を処理する画 像処理装置を備える。
[0086] 被測定物 2の表面に応力発光物質である応力発光粒子 1Aを含む合成樹脂層 1が 形成されている。
[0087] この被測定物 2に荷重を加え変形させると、その変形と対応するように合成樹脂層 1 も変形し、その歪みエネルギーにより応力発光粒子が発光するので、この発光量を 測光するのである。
[0088] 詳しくは、応力発光物質 1から放射された光は、この応力発光粒子 1Aの発光強度 を検出するために配置された撮像装置である二台の電子カメラ 3によって検知され測 光される。
[0089] この電子カメラ 3内には集光レンズ及び撮像素子が設けられ、被測定物 2からの光 は集光レンズで集光され、撮像素子で受光される。
[0090] 撮像素子では光電変換が行われ、その出力信号は、同じく電子カメラ 3内に設けら れた A/D変換器によってデジタル信号に変換されて発光強度を検出する。
[0091] このデジタル信号は、例えばケーブルを介して画像処理装置 4に入力される。
[0092] 一方、二台の電子カメラ 3によって被測定物 2の表面形状を撮影した撮影情報が画 像処理装置 4に入力される。
[0093] 画像処理装置 4では、撮像された情報に基づき被測定物 2の三次元形状が算出さ れる。
[0094] 三次元形状が分かれば、各電子カメラ 3から測定点までの距離も算出でき、光源か らの距離が長くなると照度が低下する点を考慮した発光強度の補正処理を行うことが できる。 [0095] すなわち、撮像素子から得た受光強度の分布を補正処理することにより、実際の被 測定物の応力分布をリアルタイムに算出決定できる。
[0096] なお、被測定物 2の三次元形状は、例えば、ステレオ法、視体積交差法、エッジ法
、等輝度線法などの手法を用いて算出される。
[0097] 画像処理装置 4により得られた被測定物 2の三次元応力分布は、表示装置 5に表 示され、三次元応力分布データは記録装置 6に記録される。
[0098] 記録装置 6には、例えばハードディスクが内蔵され、このハードディスクに記録され たり、或いはフレキシブルディスクやフラッシュメモリ等の運搬可能な記録媒体に記録 される。
(表面に合成樹脂層を形成した構造物）
以上のように、本実施の形態では、本願発明に係る合成樹脂層を用いて、応力解 析をする実施の形態について説明した。しかし、上記合成樹脂層は、その発光を良 好に得ることができるため、上記被測定物に限定されず、さまざまな構造物に塗布し て用いることができる。
[0099] 表面に上記合成樹脂層を形成する構造物としては、用途に応じて、様々なものに 塗布すればよく限定するものではない。例えば、梁、鉄筋コンクリート、ボルドー、鉄 棒などの建築用器材、人工関節、各種模型などの試験研究用器材が挙げられる。ま た、このように硬い構造物に限られず、紙やカードなどの柔らかい構造物にも好適に 用レ、ることができる。なお、柔らかい構造物に上記合成樹脂層を塗布する場合は、可 能な限り薄く塗布することが好まし その厚さは 1 μ m〜95 μ mが好ましい。上記応 力発光物質を薄く塗布することで、当該合成樹脂層に加わる曲げ応力が減少し、当 該応力発光構造物の耐久性が向上するからである。
[0100] 次に実施例によって本発明を述べるが、本発明は実施例に限定されるものではな レ、。
実施例 1
[0101] 被測定物（ステンレス製）の測定対象表面に矩形（50mm X 30mm,厚み 30 μ m) の合成樹脂層を形成した。
[0102] なお、ここでは基材と応力発光粒子とを混合してペースト状にした塗布液を、スプレ 一法で測定対象表面に層状に塗布した。
[0103] この場合、合成樹脂層の基材としてエポキシ樹脂（弾性率が 1. 5GPa)を使用した
[0104] 塗布液は基材となるエポキシ系樹脂、分散剤はォレイン酸、溶剤は高価アルコー ル系と芳香族炭化水素系を用い、硬化剤はポリアミドァミン、また応力発光粒子とし ては材料が Sr Al O ： Eu で粒子径 3 z mのもの使レ、、基材に 50重量％の応
0. 90 2 4 0. 01
力発光粒子を混ぜた。
[0105] そして、被測定物に加重を加えて変形させ応力発光粒子が発光する光を電子カメ ラで検知した。
[0106] なお、本実施例に係る上記合成樹脂層の光透過率は 10%であった。
実施例 2
[0107] 基材としてウレタン樹脂（弾性率が 3. OGPa)を使用した。
[0108] 塗布液はウレタン樹脂になるアクリルポリオールを使レ、、溶剤はエステル系と芳香 族炭化水素系を用レ、、硬化剤は HMDI系ポリイソシァネートを使った以外は実施例 1 と同様にして実験を行った。
[0109] なお、本実施例に係る上記合成樹脂層の光透過率は 1。/0であった。
[0110] 〔比較例 1〕
被測定物（ステンレス製）の表面に矩形（50mm X 30mm,厚み 30 μ m)の合成樹 脂層を形成した。
[0111] なお、ここでは基材と応力発光粒子とを混合してペースト状にしたものを測定対象 表面に層状に塗布した。
[0112] この場合、合成樹脂層の基材としてシリコーン樹脂（弾性率が 0. OOlGPa)を使い 、また応力発光粒子としては材料が Sr Al O ： Eu で粒子径 3 μ ΐηのものを使
0. 90 2 4 0. 01
い、基材に 50重量％の応力発光粒子を混ぜた。
[0113] そして、被測定物に加重を加えて変形させ応力発光粒子が発光する光を電子カメ ラで検知した。
[0114] なお、本比較例に係る上記合成樹脂層の光透過率は 60%であった。
[0115] 〔比較例 2〕 基材としてポリ塩化ビリニデン樹脂（弾性率が 0. 4GPa)を使った以外は比較例 1と 同様にして実験を行った。
[0116] なお、本比較例に係る上記合成樹脂層の光透過率は 50。/oであった。
[0117] 〔評価〕
以上のような実施例、及び比較例における光強度を表 1に示す。
[0118] この表から、本発明の合成樹脂層における基材の弾性率が 1. OGPa以上であるこ との妥当性が理解できょう。
[0119] [表 1]
Figure imgf000015_0001
*比較例 1を基準と した相対値である。
産業上の利用の可能性
[0120] 以上本発明を説明したが、本発明は実施の形態や実施例等に限定されることはな く種々の変形例が可能である。
[0121] 被測定物としては応力解析用以外にも、実用物を対象とすることも当然可能である
[0122] 例えば、塗布した車ホイールは走行中に歪みエネルギーの変化によって発光する ことから、装飾性の観点からもその応用が可能である。
[0123] また、具体的に自動車や航空機以外にも、種々のものに適用可能であることは当 然である。

Claims

請求の範囲
[I] 応力解析用の被測定物であって、その表面に歪エネルギーの変化を受けて発光 する塗膜層が形成されており、
前記塗膜層は、応力発光粒子を含有する合成樹脂層により形成されており、 前記合成樹脂層の基材の弾性率が 1. OGPa以上であることを特徴とする被測定物
[2] 前記合成樹脂層 100 μ ηあたりの光透過率が、 0. 1 %以上 40%以下であることを 特徴とする請求項 1記載の被測定物。
[3] 前記被測定物が金属又は合成樹脂材よりなることを特徴とする請求項 1又は 2に記 載の被測定物。
[4] 前記被測定物が、自動車の外装用部品又は内蔵部品であることを特徴とする請求 項 1又は 2記載の被測定物。
[5] 前記被測定物が、航空機の外装用部品又は内蔵部品であることを特徴とする請求 項 1又は 2記載の被測定物。
[6] 前記合成樹脂層の基材がエポキシ樹脂又はウレタン樹脂であることを特徴とする請 求項 1又は 2記載の被測定物。
[7] 応力発光粒子の母体材料が、スタフドトリジマイト構造、 3次元ネットワーク構造、長 石構造、ゥルツ構造、スピネル構造、コランダム構造又は —アルミナ構造を有する 酸化物、硫化物、炭化物又は窒化物であることを特徴とする請求項 1又は 2記載の被 測定物。
[8] 塗膜厚さが 1 μ m〜500 x mであることを特徴とする請求項 1又は 2記載の被測定 物。
[9] 請求項 1乃至 8のいずれ力 1項に記載の塗膜層を形成するための塗布液。
[10] 構造体の表面に請求項 1又は 2に記載の合成樹脂層を形成してなることを特徴とす る応力発光構造体。
[I I] 上記構造体が、建築用器材、試験研究用器材、紙又はカードであることを特徴とす る請求項 10に記載の応力発光構造体。
PCT/JP2006/315335 2005-08-03 2006-08-02 応力解析用の被測定物、該被測定物に塗膜層を形成するための塗布液及び応力発光構造体 Ceased WO2007015532A1 (ja)

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