JP2003506698A - ひずみ解析における発光性脆性コーティング - Google Patents

ひずみ解析における発光性脆性コーティング

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、ひずみ感応性コーティング、ひずみ測定装置、および基材に対するひずみを決定するための方法に関する。本発明の好ましい態様において、本システムは、発光性のひずみ感応性コーティングと、基材上の機械的ひずみのひずみマップを作成するために用いることのできるひずみ領域マッピングシステムとを含む。本発明に係る発光性ひずみ感応性コーティングは、好ましくは、ポリマーを主原料とするコーティング剤であり、一つまたは複数の発光性化合物を取り込むことができる。本コーティング剤を塗布して、アルミニウム、スチール、ポリマー、または合成物などの基材上に薄層を作り出すことができる。そして、コーティング剤から発出する発光の一つまたは複数の特性を、基材にかかるひずみとの関係で変化させることができる。好ましい態様において、コーティング中の亀裂形状の変化は、コーティングから発出する発光を計測することによって、基材にかかるひずみを測定することができるよう、コーティング剤から発出する発光の一つまたは複数の特性を変えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 本発明は、ひずみ測定の分野に関する。本技術による恩恵を受けることのでき
る適用例は、複雑な幾何構造物にかかるひずみの工学的解析、設計解析、および
構造物の非破壊試験などである。したがって、本発明は、自動車用、航空宇宙用
、民生用の構造物、およびスポーツ用品などその他多くのものに利用することが
できる。本発明の具体的態様は、ひずみ感応性コーティング（strain-sensitive
coating）、ひずみ領域マッピングシステム（a strain field mapping system
）、およびひずみ解析を行うための方法に関する。本発明の方法および装置は、
全領域ひずみ解析（full-field strain analysis）の分野において特に有用であ
る。
【０００２】 構造解析の分野においては、構造体が受けている応力を測定できれば、そのよ
うな構造体の設計と構築を行う上で重要なフィードバックとなりうる。典型的に
は、構造体の表面のひずみにより、その構造体が受けている応力に関する情報が
提供される。この情報によって、応力を加えられた領域にわたって応力集中を同
定することができ、また、設計および予測法との比較を行うための一般的な応力
マッピングが提供される。現在、一点法（point method）やフルフィールド法（
full-field methocd）など、このような表面のひずみを測定する方法がいくつか
ある。
【０００３】 一点法には、電気抵抗ひずみ計方法、電気光学センサーを用いる方法、および
光学的方法などがある。これらの方法では、構造体に応力が加わると、各センサ
ーまたは階段が一点における表面のひずみを表示するように、複数のセンサーを
構造体上のさまざまな位置に貼り付けるか、構造体を横切って階段状にセンサー
を並べる必要がある。構造体全体にわたってひずみを測定するためには、表面に
強い応力がかかる点に多数のセンサーを置くか、可動性センサーの場合には数多
くの段階が必要である。このように、これらの一点法は煩雑になることがあり、
構造体の全表面にかかる応力を測定するのは困難である。
【０００４】 この一点法の限界を克服するために、脆性コーティング（brittel coating）
、光弾性コーティング（photoelastic coating）、モアレ法（moire methods）
、干渉測定法、およびデジタル画像相関法など、数多くの表面測定技術が開発さ
れている。これらの方法はそれぞれ、一定の応用場面では有用であるが、それら
の有用性を制約するような特徴をもっている。脆性コーティングは、典型的には
、物体にかかる応力の主要方向に関する優れた定性的情報をもたらす。脆性コー
ティングの限界としては、負荷をかけた一個の物体の一部しか試験できないこと
、限られた定量的情報しか提供できないこと、および、データの自動収集法がな
いことなどが挙げられる。光弾性コーティングでは、物体の剪断応力、および応
力の主要方向に関する情報しか提供されず、また、コーティング処理に時間がか
かるため、一般的には、本体が大きなときに適用すると煩雑になる。モアレ法は
、典型的には、平面的な物体にしか用いることができず、複雑な外面構造には使
用されない。ホログラフィー干渉法、電気スペックルパターン干渉法、およびシ
アログラフィー（shearography）などの干渉測定法では、精巧に振動を隔離する
必要があるため、それらの実用性は大きく制約されている。デジタル画像相関法
には、重要な直線的範囲内で部分試験するために必要な感応性がない。
【０００５】 したがって、複雑な形状を有する構造物にかかる全領域のひずみを容易かつ正
確に測定できる方法およびシステムに対する需要がまだ存在している。リアルタ
イムで動的ひずみ測定を、さらに低いひずみレベルで行うことのできる方法およ
びシステムが一層好都合である。
【０００６】 発明の簡単な概要 本発明は、ひずみ感応性コーティング、ひずみ測定システム、および、基材に
対する機械的なひずみを決定するための方法に関する。本発明の好ましい態様で
は、このシステムには、発光性のひずみ感応性コーティングと、基材上の機械的
ひずみのひずみマップを作成するために用いることのできるひずみ領域マッピン
グシステムとが含まれる。
【０００７】 本発明に係る発光性ひずみ感応性コーティングは、好ましくは、ポリマーを主
原料とする結合コーティングを利用する。本コーティングは、一種類以上の発光
性化合物を取り込むことができる。これらの発光性化合物は、発光源からの光を
吸着した後、これらの発光性化合物から放出される光がコーティングから発出し
て検出できるよう、光を放出することができる。具体的な態様において、一つま
たは複数の発光性色素は、結合剤と一緒に、または、結合剤に添加して取り込ま
れることが可能である。好ましい態様では、コーティングの中の発光性色素は、
色素を励起するときに用いる照射の波長域とは異なったところに中心をもつ波長
域で光を放出する。具体的な態様において、放出された光は、照射光から赤方偏
移したものである。
【０００８】 本コーティングは、一つまたは複数のさまざまな方法によって、基材に適用す
ることができる。このような方法には、静電塗装による沈着、化学薬品の気化に
よる沈着、塗装、スピンコーティング、および浸漬コーティングなどが含まれる
。好ましくは、コーティング剤は、金属、ポリマー、セラミック、または合成物
などの基材上に薄層を作り出すためのエアロゾル技術を用いて実施できるよう調
合することができる。本コーティングを構造体に施した後に硬化処理を行うこと
ができる。この硬化処理には、例えば、さまざまな時間、さまざまな外部環境に
曝露することが含まれうる。
【０００９】 好ましい態様では、この硬化処理の間に、乾燥した湖沼の底状パターン（dry
lake-bed pattern）の亀裂が生じる。続いて、この基材にひずみを与えると、基
材がひずむ結果、亀裂の形状（例えば、亀裂の開口、亀裂の深さ、亀裂の密度、
亀裂の長さ、および/または亀裂の配向）に変化が生じる。したがって、例えば
、コーティングから発出する光の一つまたは複数の性質の変化を調べることによ
って、亀裂の形状の変化を用いて、その下にある材料のひずみを調べることがで
きる。一例としては、この亀裂形状の変化は、コーティングからの全体的な発光
強度に影響を与えることがある。具体的な態様では、コーティングからの発光強
度は、その下にある材料のひずみ状態と相関する。全領域という意味では、発光
強度を用いて、構造体や複雑な部品の表面に関するひずみマップを作成すること
ができる。
【００１０】 別の態様においては、硬化処理後に本質的には亀裂が入らないように、コーテ
ィング剤を調合したり硬化させることができる。この態様では、機械的にひずみ
を加える過程で亀裂を入れることができる。亀裂の形状のその他の局面と同じく
、亀裂の密度も、基板のひずみの結果変化するようにすることができる。また、
例えば、コーティングから発出する光の一つまたは複数の性質の変化を測定する
ことによって、亀裂の形状の変化を用いて、基材のひずみを調べることができる
。例えば、亀裂の数が増加するにつれて、コーティングから放出される光の強度
を増加させることもできる。さらに、前述のように、発光の強度を、亀裂の形状
と相関させることもできる。そして、亀裂形状のパターンを、その下にある材料
のひずみを変えた結果として変化させることができる。こうして、コーティング
の発光強度を、その下にある基材のひずみと相関させることができる。このよう
にして、ひずみの状態を、基材の表面にマッピングすることができる。
【００１１】 本発明はまた、下にある基板上の機械的なひずみ領域のマップを作成するため
のひずみ領域マッピングシステムに関連する。ひずみ領域があるために起こる、
強度などの発光特性の変化を、さまざまな技術によって画像化することができる
。具体的な態様において、画像化装置の空間的な解像度は、コーティングの各亀
裂が画像としては見えなくとも、ひずみに関連した平均的な強度が全領域にわた
って見えるように調整することができる。そして、本発明の方法は、基材から発
出する発光強度の分布画像を捕捉することができ、その下にある基材の機械的ひ
ずみ領域のマップへと変換することができる。
【００１２】 本発明の好ましい態様において、ひずみ感応性コーティングによって、下にあ
る基材をコーティングした後、取り込まれた発光性化合物が、波長のシフトした
光を放出するように、このひずみ感応性コーティングを、さまざまな照射源の一
つまたは複数によって照射することができる。具体的な態様において、本ひずみ
感応性コーティングは、コーティング剤の中の発光性色素が赤方偏移した光を放
出するように、近紫外線または青色光によって照射することができる。ひずんで
いない基板の発光強度の画像を記録することができる。次に、この基板に機械的
なひずみを与えてから、さらに画像を記録することができる。具体的な態様にお
いて、ひずみを与えていない基板と与えた基板の画像を解析することによって、
発光強度が解り、基板上の機械的ひずみマップというアウトプットが得られる。
【００１３】 詳細な説明 本発明は、ひずみ感応性コーティング、ひずみ測定装置、および、基材に対す
る機械的なひずみを決定するための方法に関する。本発明の好ましい態様におい
て、このシステムには、発光性のひずみ感応性コーティングと、基材上の機械的
ひずみのひずみマップを作成するためのひずみ領域マッピングシステムとが含ま
れる。本コーティングは、ポリ(メタクリル酸メチル)、ポリ(イミド)、ポリ(エ
ステル)、ポリアミン、ポリ(メラミン)、ポリ(ウレタン)、メラミンホルムアル
デヒド、セラミック、およびガラスなど、何種類かのポリマーまたは非ポリマー
素材から構成されうる。このようなコーティングは、金属、有機ポリマー、セラ
ミック、および合成物など、さまざまな基板に塗布することができる。
【００１４】 本コーティングには、一種類以上の結合剤、および一種類以上の発光物質を含
ませることができる。本発明の好ましい態様において、発光性のあるひずみ感応
性コーティングは、ポリマーを主原料とするコーティングで、一種類以上の発光
性化合物を取り込んでいるものである。本発明のコーティングで利用することの
できる発光性化合物の例には、ローダミンB、ポリ(フェニレンビニレン)、およ
びシアニンなどの複合有機色素（conjugated organic dye）がある。例えば、一
種類以上の発光性色素を、コーティングを製造するために用いるポリマーの中に
拡散および/または溶解させることができる。これらの発光性色素が一つの波長
の光源による照射を受けると、色素分子が、光源からの光を吸収して、異なった
波長で光を放出することができる。具体的な態様では、近紫外線または青色光の
光源で照射したとき、取り込まれた発光性色素は、赤方偏移光を放出する。
【００１５】 本発明の具体的な態様において、0.450 gのERL 4206エポキシ樹脂、0.010 gの
エポン826 (Epon 826)エポキシ樹脂、0.540 gのHY 918硬化剤、0.006 gの4-(ジ
メチルアミノ)ピリジン、および0.003 gのペリレンを試験管の中で混合して、発
光ひずみ感応性コーティングを製造することができる。この混合液を約3時間放
置してから、例えば、エアブラシを用いて基板に塗布することができる。コーテ
ィングを施してから、50℃で12時間硬化させることができる。
【００１６】 本発明の別の特定の態様において、0.3 gのローダミンB発光性化合物を、100
gのメラミンホルムアルデヒド樹脂、4.0 gのp-トルエンスルホンアミド、0.7 g
の塩化アンモニウム、150 mlの水、および150 mlのエタノールの溶液からできて
いる結合剤の中に拡散させる。好ましくは、約100 gの樹脂に可塑剤p-トルエン
スルホンアミドを約3〜7グラム、また、触媒の塩化アンモニウム、約0.5から2グ
ラムを加えて、もろくなりすぎることなくコーティングが速やかに硬化できるよ
うにすべきである。水とエタノールの比率は、好ましくは、約7:3から3:7までで
あり、より好ましくは、約1:1である。この混合液を、塗装用の仕切の中で塗装
用スプレーを用いて、砂吹き機で磨いた構造部品に塗布することができる。そし
て、この部品を、43℃で約17時間、相対湿度約10〜20%で硬化させると、亀裂を
無作為な乾いた湖の底状（random dry lake bed pattern）にすることができる
。
【００１７】 本発明の別の特定の態様において、0.3 gのローダミンB発光性化合物を、100
gのメラミンホルムアルデヒド樹脂、4.0 gのp-トルエンスルホンアミド、0.7 g
の塩化アンモニウム、150 mlの水、および150 mlのエタノールの溶液からできて
いる結合剤の中に拡散させる。この混合液を、エアブラシを用いて、砂吹き機で
磨いた構造部品に塗布することができる。そして、この部品を、約42℃で約10時
間おいてから、約2時間かけて約42℃から約25℃まで温度を次第に下げてゆくと
いう温度プログラムを用いて、相対湿度約10〜20%で硬化させることができる。
この結果できるコーティングには本質的に亀裂がなく、半透明の外観を有しうる
。
【００１８】 本発明に従って、ひずみ感応性コーティングを製造するために用いることので
きる素材のその他の例には、ポリ-(メチルメタクリル酸-コ-ブチルメタクリル酸
)、ポリ(メラミン-ホルムアルデヒド)、ポリウレタン、および有機-無機ハイブ
リッドのゾル-ゲルが含まれる。本発明に従って用いることのできる発光性色素
の例には、1,5,15,20-テトラフェニルポルフィリン亜鉛(II)、トランス-4-[4-(
ジメチルアミノ)スチリル]-1-ヨウ化メチルピリジニウム（trans-4-[4-(dimetyl
amino)styryl]-1-methylpyridinium iodide）、トランス-トランス-1,4,-[ビス-
3,4,5-(トリメトキシスチリル)]ベンゼン、および、トリス-(4,7-ジフェニル-1,
10-フェナントロリン)-二塩化ルテニウム(II)（tris-(4,7-diphenyl-1,10-phena
nthroline)-ruthenium (II) dichloride）などが含まれる。
【００１９】 本コーティング剤を塗布する前に基材表面を調製しておくと、コーティングの
性能を向上させることができる。特に、基材の表面をざらざらにしておくと、硬
化したコーティングにおいて核形成部位の形成を助長すると考えられている。こ
のような核形成部位は、硬化および/または硬化したコーティングにおける亀裂
の生成に役立つ。また、基板の表面をざらざらにすると、コーティングが表面に
接着するのを促進する。さらに、表面をざらざらにすると、コーティングが、本
質的に角度依存的に発光するようになる。このような粗面化は、砂吹き機による
研磨、紙ヤスリ、および化学薬品によるエッチングなど、さまざまな作用によっ
て行うことができる。粗面化によって亀裂がより小さくなるため、均一な亀裂濃
度、例えば、1 mm当たり約10個の亀裂を、再現性をもって生じさせることができ
る。化学的脱脂溶媒も、コーティングを塗布する前に、基板の表面に用いること
ができる。
【００２０】 本コーティング剤は、例えば、エアロゾル技術、静電塗装による沈着、および
化学薬品の気化による沈着などの噴霧技術、および/または、塗装、スピンコー
ティング、および浸漬コーティングなどの非噴霧技術によって、基材に塗布する
ことができる。計測の感度を最適なものにするには、コーティングの厚さは、好
ましくは約60〜120ミクロン、より好ましくは約80〜100ミクロンである。エアロ
ゾル塗布を利用するときには、適当な厚さにするために、各回約7〜10ミクロン
のコーティング塗布を何回か繰り返すこともできる。
【００２１】 構造体にコーティングを塗布し、適当な硬化処理を行った後、基材に機械的ひ
ずみを加える前に、結合剤が予備的に一連の亀裂を開始するようにしてもよいし
、本質的には亀裂のない表面をもたせることもできる。亀裂の形状パターンは、
基材の表面に加わる機械的なひずみに相関して変化する。亀裂の形状とは、亀裂
密度、亀裂の開口、亀裂の深さ、亀裂の幅、亀裂の表面の肌理、亀裂の方向、お
よび/または亀裂の長さを含む。加えた負荷に相関して起こりうる変化として、
一種類以上の亀裂形状の変化が起こりうる。
【００２２】 本コーティング剤を塗布して硬化させると、コーティングを励起源によって照
射することができる。具体的な態様では、コーティング剤の中の一種類以上の色
素が励起照射を吸収して、励起照射光とは異なる波長の光を再放出する。励起源
には、例えば、連続または短時間の光、干渉性または非干渉性の光、偏光性また
は非偏光性の光、濾光または非濾光などが挙げられる。
【００２３】 基板にかかるひずみを変化させると、コーティングの亀裂の形状に変化が起き
、偏光状態、強度、スペクトル位置、バンドの形、および発光の減衰時間など、
発光性コーティングから発出する光の多様な性質の一つまたは複数に影響を与え
ることがある。基板のひずみと、コーティングから発出する光の性質の一つ以上
との間の関係を比較することによって、このコーティングを基材のひずみを定量
的に測定するために用いることができる。
【００２４】 基板にかかるひずみ領域を変化させると、コーティングの亀裂の形状に変化が
起きて、コーティングから発出する照射光の割合に直接影響することがある。そ
の結果、コーティングから発出する光の照射強度が、その下にある基材にかかる
機械的なひずみと相関することになる。具体的な態様において、本コーティング
剤から放出される発光強度は、構造物に機械的なひずみが加わるにつれて増加す
るようにすることもできる。例えば、可視光強度が、基材の表面にかかかる機械
的なひずみにほぼ直線的に比例するようにもできる。このように、発光強度分布
を用いて、下にある基板上の機械的なひずみ領域マップを作成することができる
。
【００２５】 コーティングの亀裂の形状が変化した結果として、コーティングから放出され
る発光の強度が増加するのは、少なくとも部分的には、亀裂によって、コーティ
ング剤中の発光性化合物によって放出される光が、コーティングの表面を離脱で
きるからである。一般的には、例えば、一種類以上の色素などの発光性化合物に
よって放出される光の一部は、内部的に反射されると、コーティングのポリマー
/空気の界面に戻ることになる。コーティングの亀裂は、この内部反射の一部を
遮って、発光の方向を変え、かつ/または、光を散乱させて、発光がフィルムか
ら離脱し、それによってフィルムから発出するようにさせる。また、亀裂は、コ
ーティングに入る励起照射量、励起照射の吸収、および/または、この吸収の位
置にも影響を与えることがある。
【００２６】 具体的な態様において、本コーティング剤から発出される発光強度と基材にか
かるひずみとの関係から、基材に2種類の主要なひずみを平面内に加えた場合に
関する情報が提供される。張力とねじり力を組み合わせて試験した円柱形の試料
に関して、この関係を図4に示す。そして、さまざまな技術の一つによって、こ
の主要なひずみの分離を行うことができる。例えば、電気抵抗ひずみ計を用いて
主要なひずみの一つを測定することができ、この2つの主要なひずみを加えたも
のから引き算をする（substrating）ことによって、もう一つの主要なひずみを
計算することができる。具体的な態様において、本コーティング剤は、光弾性特
性を有しうる。したがって、当技術分野において知られているように、照射源、
および2種類の主要な平面内ひずみの引き算に関する情報をもたらす測定を可能
にする画像化装置の前に偏光プリズムと4分の1波長板を置くことができる。2種
類の主要な平面内ひずみを加えたときと、2種類の主要な平面内ひずみを引き算
したときに得られる情報を組み合わせると、各々の主要なひずみを測定すること
ができる。好ましくは、各々の主要なひずみを全領域について測定することがで
きる。
【００２７】 好ましい態様において、本発明は、下にある基板に加えられた機械的なひずみ
領域のマップを作成するためのひずみ領域マッピング装置を含んでいる。本コー
ティングから発出される光を受けると、本測定装置は、偏光状態、強度、スペク
トル位置、バンドの形、および発光の減衰時間など、受け取った光のさまざまな
特徴のうちの一つまたは複数の特徴を計測することができる。したがって、基板
にかかるひずみと、本コーティングから発出される光との間の相関関係を利用し
て、本コーティングから発出される光を受け取って、光の特徴を一つ以上計測し
てから、基板にかかったひずみを測定することができる。例えば、1）目視によ
る観察、2）銀塩フィルム技術を用いた静止写真、3）アナログビデオ写真、およ
び1）研究用CCDカメラを用いたデジタル写真など、さまざまな方法の一つ以上に
よって、機械的なひずみによる発光強度の変化を画像化することができる。また
、画像化処理の過程で、画像を向上させるためのフィルターまたはその他の装置
（偏光プリズムと4分の1波長板、およびディフューザーなど）を用いることもで
きる。赤色光を放出する色素を本コーティング剤に取り込んでいるという具体的
な実施例においては、カメラの前の赤色フィルターを用いて、励起照射を避ける
ことができる。各場合ごとに、各亀裂が画像中に見えないよう、むしろ、コーテ
ィングから放出される平均的な発光強度が領域全体にわたって見えるよう、可視
装置の空間的解像度を調節することができる。
【００２８】 一つまたは複数のさまざまな方法を使用して、コーティングから発出する発光
の特定の性質が、基材にかかるひずみによって、どのように変化するかを測定す
ることができる。例えば、試料が基材に適用されるときコーティング剤が該試料
に塗布されるように、試料を基材の上にテープで貼り付けることができ、同じよ
うに硬化させることができる。そして、ひずみとともに発光がどのように変化す
るかについて試料を試験することができる。これらの結果を用いて、試料上のコ
ーティングについて、したがって、基材上のコーティングについて測定を行うこ
とができる。この他の技術としては、ひずみ計など、基板上の一点にかかるひず
みを測定するための何らかの手段を設置することが含まれる。そして、コーティ
ングを測定するために、ひずみ計の読み取り値を、このひずみ計付近のコーティ
ングからの発光と比較することができる。別法として、またはこの他の較正方法
とともに、サンプルの棒を、基材に対するのと同じようにしてコーティングおよ
び硬化してから、特別の較正設定条件で測定を行うことができる。
【００２９】 別の態様において、図1を参照すると、本発明に係るひずみ感応性コーティン
グの光-ひずみ反応を測定するためのシステム1が示されている。システム1は、
機械的なひずみ誘導装置3（張力負荷）に搭載された、ひずみ感応性コーティン
グ剤でコーティングしたアルミニウム試料（長さ12インチ×幅0.5インチ×厚さ0
.016インチ）を使用する。装置3を誘導すると、3000マイクロストレインまでの
張力をかけることができる。そして、例えば、150 Wキセノン・アーク燈5から発
生する単色の光によって、0.25 mmモノクロメーター7を通して、コーティングさ
れた試料を照射することができる。例えば空間的な不均一性および/または偏光
によって起きる、アーティファクトを軽減させるために集積球9を用いて、コー
ティングされた試料からの発光を集めることができる。そして、ホウケイ酸ガラ
スファイバー束15を介して集積球に結合している0.5 mモノクロメーター13の上
に取り付けられた、光子を計測する光子増幅管11からなる光学装置によって発光
強度を検出することができる。コンピュータシステムは、試料に加えられたひず
みのレベルを、例えばひずみ計によってサンプリングして、同時に記録すること
ができ、また、コーティングからの相対的な発光強度を記録することもできる。
【００３０】 本発明の別の態様において、ひずみ感応性コーティングの光-ひずみ反応は、
長さ5インチ、厚さ0.25インチ、幅0.75インチのスチール製の棒の試料を試験し
て測定することができる。このスチール製の棒は、4点折り曲げ取り付け器の中
に載せることができる。内部の2つの負荷接触面の間にある、試料の頂面には、
純粋に軸方向に負荷がかかっている。底面では、較正目的で、電気抵抗ひずみ計
を用いた。試料は、頂面をひずみ感応性コーティング剤でコーティングしてから
、前記した較正条件で試料を試験する。
【００３１】 物体のひずみマップを作成するために用いられるシステムの特定の態様を図3
に概略的に示す。図示した装置は、本コーティング剤でコーティングされた試料
にひずみを与えるための装置17を含んでいる。また、図3に示したシステムは、
タングステン製の50 Wハロゲンランプ19、ランプと試料との間に設置された400
nm干渉フィルター21、レンズの上に600 nm干渉フィルター25を備える14ビットCC
Dカメラ23、および、画像を向上させるソフトウェアを実行するデスクトップコ
ンピュータシステム27も含んでいる。典型的な試験では、コーティングから放出
される発光の強度を、機械的なひずみを加える前にカメラで画像化して、画像R
を作成する。次に、この物体にひずみを与えて第二の画像を撮り、画像Sを作成
する。そして、次のアルゴリズムを適用して、ひずみマップを作成する： ［ひずみマップ］＝K*f([画像S]/[画像R]) ここで、［ひずみマップ］、［画像S］および［画像R］は、デジタル画像データ
を含むマトリクスであり、f(v)はスムージング関数（smoothing function）であ
り、且つKは較正関数である。特異的な態様において、Kはほぼ直線である。
【００３２】 以下は、本発明を実施するための手順を具体的に示す実施例である。これらの
実施例を制限的なものと解すべきではない。
【００３３】 実施例1 本実施例では、本発明に係る具体的なひずみ感応性コーティングを説明する。
用いた結合剤および発光性素材は、それぞれ、メラミンホルムアルデヒドとロー
ダミンBである。図5は、このようなコーティング剤でコーティングされた一連の
試料に関する測定結果を示している。プロットは、4点折り曲げ試料にかかるマ
イクロストレインに対する強度の相対的変化を示している。このプロットは、コ
ーティングの反応がほぼ直線的であり、明らかな閾値もなく、高度な再現性があ
ることを示している。コーティングの強度を、0から1900マイクロストレインま
で約7%ずつ変化させた。
【００３４】 実施例2 本実施例では、複雑な形状をもつ構造物に対する、本発明の実施について説明
する。この実施は、本発明の好ましい態様と合致する。構造物は、道路での負荷
状態にあたる負荷をかけられた自動車のアクセルである。図6は、構造物の有限
要素解析（FEA）と、本発明を用いて得られた結果との比較を示す。良好な相関
関係が見られた。
【００３５】 本明細書に記載されている実施例および態様は、例示のためのものに過ぎず、
これらを鑑みて、さまざまな改変や変更が当業者には想起されるであろうが、そ
れらもまた本出願の精神および見解、ならびに添付の特許請求の範囲に含まれる
ものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図1は、本発明に係るひずみ感応性コーティングの光-ひずみ反応
を較正するためのシステムを示す。
【図２】 図2Aおよび2Bは、加えた機械的ひずみ対時間（図2B）と、ひずみ
感応性コーティングの発光強度％対時間の変化（図2A）との関係を、シグナル平
均化と図1で示したシステムを用いて同時に記録したものとして示している。
【図３】 図3は、ひずみ感応性コーティングによってコーティングした物
体のひずみマップを作成するために用いることのできるシステムを示している。
【図４】 図4は、張力および/またはねじり力をかけた円柱形の試料に関す
る主要なひずみの合計に対して、コーティングから放出された発光強度比をプロ
ットしたものである。
【図５】 図5は、軸方向ひずみと、放出される光強度の割合の変化との関
係を見ることによって、軸方向のひずみ試料に関する典型的な較正結果を示して
いる。
【図６】 図6は、自動車のアクセルの、本発明により得られたひずみマッ
プと有限要素ひずみマップとによる4点折り曲げ試験（bending test）を図示し
たものである。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１０月５日（２００１．１０．５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】 ひずみ解析における発光性脆性コーティング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｌ 1/00 Ｃ０９Ｋ 11/06 // Ｃ０９Ｋ 11/06 Ｇ０１Ｂ 11/20 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＵ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＭ，ＥＥ，Ｇ Ｄ，ＧＥ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＡ， ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＺ ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ (72)発明者 ワン イェンシェン アメリカ合衆国 フロリダ州 ゲインズビ ル アパートメント ７ エヌ． ダブリ ュー． 17ス ストリート 303 (72)発明者 ハブナー ジェームス アメリカ合衆国 フロリダ州 ゲインズビ ル エス． ダブリュー． 97ス ドライ ブ 3922 (72)発明者 ジェンキンス デイビッド アメリカ合衆国 フロリダ州 ゲインズビ ル エヌ． ダブリュー． 49ス アベニ ュー 14122 (72)発明者 エル−ラタル ウィッサム アメリカ合衆国 ミシガン州 ステアリン グ ハイツ モリアー ストリート 39706 (72)発明者 ブレナン アンソニー ビー． アメリカ合衆国 フロリダ州 ゲインズビ ル エヌ． ダブリュー． 37ス プレイ ス 3959 (72)発明者 ヘ リュウ アメリカ合衆国 フロリダ州 ゲインズビ ル アパートメント ９ コリー ビレッ ジ 289 (72)発明者 シェン イェブリン アメリカ合衆国 フロリダ州 ゲインズビ ル ＃1705 エス． ダブリュー． アー チャー ロード 2337 (72)発明者 キャロル ブルース アメリカ合衆国 フロリダ州 ニューベリ ー エス． ダブリュー． 180ス スト リート 4004 Ｆターム(参考） 2F065 AA65 FF04 FF46 FF63 4J038 CG142 DA162 DB001 DD002 DG002 DJ022 JB29 KA03 KA04 KA08 KA09

Claims (46)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基材に発光性コーティング剤を塗布する段階、 該コーティング剤を硬化させる段階、 該コーティング剤を励起照射によって照射する段階、および 基材のひずみを測定するために、該コーティング剤から発出する発光の一つまた
    は複数の特性を測定する段階を含む方法において、少なくとも部分的に、基材に
    かかるひずみの量と、該コーティングにおける亀裂の形状との間に関係があるた
    めに、該コーティング剤から発出する発光の一つまたは複数の特性が、基材にか
    かるひずみに相関している方法。
  2. 【請求項２】 コーティング剤から発出する発光の一つまたは複数の特性が
    、偏光状態、強度、スペクトル位置、バンドの形、および発光の減衰時間からな
    る群より選択される、請求項1記載の方法。
  3. 【請求項３】 コーティング剤を硬化する段階の間に、亀裂がコーティング
    に定着する、請求項1記載の方法。
  4. 【請求項４】 基材がひずみを受けたときに、コーティングの中に亀裂が生
    じる、請求項1記載の方法。
  5. 【請求項５】 コーティング剤を塗布する段階の前に、コーティング剤を塗
    布すべき基材表面を粗面化する段階をさらに含む、請求項3記載の方法。
  6. 【請求項６】 基材表面を粗面化する段階が、砂吹き機による研磨、紙ヤス
    リ、および化学薬品によるエッチングからなる群より選択される一つまたは複数
    の技術を含む、請求項5記載の方法。
  7. 【請求項７】 発光性コーティング剤が、結合剤と、少なくとも一つの発光
    性化合物とを含む、請求項1記載の方法。
  8. 【請求項８】 少なくとも一つの発光性化合物が少なくとも一つの発光性色
    素を含み、少なくとも一つの発光性色素が結合剤の中に拡散されている、請求項
    7記載の方法。
  9. 【請求項９】 少なくとも一つの発光性色素の少なくとも一つが、第一の波
    長の励起発光を吸収して、第二の波長の光を再放出する、請求項8記載の方法。
  10. 【請求項１０】 少なくとも一つの発光性色素の少なくとも一つの別の色素
    が、温度変化、発光領域の変化、圧力変化、および湿度変化からなる群より選択
    される一つまたは複数の干渉を補償する、請求項9記載の方法。
  11. 【請求項１１】 基材にかかるひずみが変化するにつれて、亀裂の形状が変
    化するために、亀裂の形状の変化によって、コーティング剤から発出する発光の
    一つまたは複数の特性に変化が生じ、コーティング剤から発出する発光の一つま
    たは複数の該特性が、基材にかかるひずみと相関するため、コーティング剤から
    発出する発光の一つまたは複数の該特性を計測することによって、基材にかかる
    ひずみを測定することができる、請求項1記載の方法。
  12. 【請求項１２】 亀裂の形状の変化が、亀裂の幾何的構造、亀裂の幅、亀裂
    の密度、亀裂の方向、亀裂の表面の肌理、亀裂の深さ、および亀裂の開口からな
    る群の一つまたは複数の変化を含む、請求項11記載の方法。
  13. 【請求項１３】 コーティング剤から発出する発光の強度が、基材にかかる
    ひずみの関数である、請求項11記載の方法。
  14. 【請求項１４】 コーティング剤から発出する発光の強度が、基材にかかる
    ひずみにほぼ直線的に相関している、請求項11記載の方法。
  15. 【請求項１５】 較正用コーティング剤を較正用基板に塗布する段階、該較
    正用コーティング剤を硬化する段階、該較正用コーティングを励起照射によって
    照射する段階、較正用基板に複数の較正用のひずみを加えて、該較正用ひずみの
    それぞれを較正用基板に加えながら、該較正用コーティング剤から発出する発光
    の一つまたは複数の特性を較正する段階、および、ひずみ計測用装置によって該
    複数の較正用ひずみのそれぞれを計測する段階を含む、請求項11記載の方法にお
    いて、該較正用ひずみのそれぞれを基板に加えた時に該コーティング剤から発出
    する発光の一つまたは複数の該特性の計測値を、該コーティングを較正するため
    に使用する方法。
  16. 【請求項１６】 コーティングを較正することにより、下記のアルゴリズム
    を適用することによってひずみマップを作成できるように、コーティング剤に関
    する較正関数Kが得られる、請求項15記載の方法： ［ひずみマップ］＝K*f([画像S]/[画像R]) ここで、［ひずみマップ］、［画像S］および［画像R］は、デジタル画像データ
    を含むマトリクスであり、f(v)は、スムージング関数（smoothing function）で
    あり、［画像R］は、基材にひずみを加えていない時にコーティング剤から発出
    する発光の一つまたは複数の該特性の画像に基づいており、且つ［画像S］は、
    基材にひずみを加えた時にコーティング剤から発出する発光の一つまたは複数の
    該特性の画像に基づいている。
  17. 【請求項１７】 基材に発光性コーティング剤を塗布する段階が、エアロゾ
    ル技術、静電塗装による沈着、化学薬品の気化による沈着、塗装、スピンコーテ
    ィング、および浸漬コーティングからなる群より選択される技術の一つ以上を使
    用することを含む、請求項1記載の方法。
  18. 【請求項１８】 基材が、金属、ポリマー、セラミック、および合成物から
    なる群より選択される、請求項1記載の方法。
  19. 【請求項１９】 励起照射光が近紫外線から青色光である、請求項1記載の
    方法。
  20. 【請求項２０】 発光が、励起照射光に対して赤方偏移する、請求項19記載
    の方法。
  21. 【請求項２１】 基材の全領域ひずみマップを作出する、請求項1記載の方
    法。
  22. 【請求項２２】 硬化処理過程で、乾燥した湖沼の底状パターン（dry lake
    bed pattern）の亀裂が形成される、請求項3記載の方法。
  23. 【請求項２３】 個々の亀裂が見えないような空間解像度を有する計測シス
    テムによって、コーティング剤から発出する発光の一つまたは複数の特性が測定
    される、請求項2記載の方法。
  24. 【請求項２４】 基材にかかるひずみが時間とともにどのように変化するか
    を示すために、励起照射によってコーティング剤を照射する段階、および該コー
    ティング剤から発出する発光の一つまたは複数の特性を計測する段階を繰り返し
    行う、請求項1記載の方法。
  25. 【請求項２５】 基材にかかるひずみの測定された値から、基材における第
    一と第二の主要なひずみを足した値が提供される、請求項1記載の方法において
    、第一と第二の主要なひずみの合計から第一の主要なひずみを引き算することに
    よって、第二の主要なひずみを計算することができるように、該第一の主要なひ
    ずみを決定する段階をさらに含む方法。
  26. 【請求項２６】 電気抵抗ひずみ計によって、第一の主要なひずみが測定さ
    れる、請求項25記載の方法。
  27. 【請求項２７】 基材にかかるひずみの測定された値から、基材における第
    一と第二の主要なひずみを足した値が提供される、請求項25記載の方法において
    、コーティング剤が、第一と第二の主要なひずみの両方を決定するために、第一
    と第二の主要なひずみの引き算の値を得ることができ、且つ第一と第二の主要な
    ひずみを加えた値と組み合わせることもできるような光弾性特性を有する方法。
  28. 【請求項２８】 下記の手段を含むひずみ領域マッピングシステム： 基材上の発光性コーティング剤を照射するための手段において、少なくとも部
    分的に、基材にかかるひずみの量と、該コーティングにおける亀裂の形状との関
    係により、該コーティング剤によって放出される光の一つまたは複数の特性が基
    材にかかるひずみに相関している手段、および 該コーティング剤によって放出される光の一つまたは複数の特性を測定するた
    めの手段において、該コーティング剤よって放出される光の一つまたは複数の特
    性の測定値から、基材にかかるひずみに関する情報が提供される手段。
  29. 【請求項２９】 コーティング剤から発出する発光の一つまたは複数の特性
    が、偏光状態、強度、スペクトル位置、バンドの形状、および発光の減衰時間か
    らなる群より選択される、請求項28記載のひずみ領域マッピングシステム。
  30. 【請求項３０】 コーティング剤を硬化する間に、亀裂がコーティングに定
    着する、請求項28記載のひずみ領域マッピングシステム。
  31. 【請求項３１】 基材がひずみを受けたときに、コーティングの中に亀裂が
    生じる、請求項28記載のひずみ領域マッピングシステム。
  32. 【請求項３２】 発光性コーティング剤が、結合剤と、少なくとも一つの発
    光性化合物とを含む、請求項28記載のひずみ領域マッピングシステム。
  33. 【請求項３３】 少なくとも一つの発光性化合物が少なくとも一つの発光性
    色素を含み、該少なくとも一つの発光性色素が結合剤の中に拡散されている、請
    求項32記載のひずみ領域マッピングシステム。
  34. 【請求項３４】 少なくとも一つの発光性色素のうちの少なくとも一つが、
    温度変化、発光領域の変化、圧力変化、および湿度変化からなる群より選択され
    る一つまたは複数の干渉を補償する、請求項33記載のひずみ領域マッピングシス
    テム。
  35. 【請求項３５】 基材にかかるひずみが変化するにつれて亀裂の形状が変化
    し、その結果亀裂の形状の変化によって、コーティング剤から発出する発光の一
    つ以上の特性に変化が生じ、コーティング剤から発出する発光の一つ以上の該特
    性が、基材にかかるひずみと相関しており、その結果コーティング剤から発出す
    る発光の一つ以上の該特性を計測することによって、基材にかかるひずみを測定
    することができる、請求項30記載のひずみ領域マッピングシステム。
  36. 【請求項３６】 一つ以上の特性の一つが、コーティング剤から発出する発
    光の強度である、請求項35記載のひずみ領域マッピングシステム。
  37. 【請求項３７】 亀裂の形状の変化が、亀裂の幾何的構造、亀裂の幅、亀裂
    の密度、亀裂の方向、亀裂の表面の肌理、亀裂の深さ、および亀裂の開口からな
    る群の一つまたは複数の変化を含む、請求項36記載のひずみ領域マッピングシス
    テム。
  38. 【請求項３８】 コーティング剤から発出する発光の強度が、基材にかかる
    ひずみの関数である、請求項36記載のひずみ領域マッピングシステム。
  39. 【請求項３９】 コーティング剤から発出する発光強度の変化が、基材にか
    かるひずみにおける変化の関数である、請求項36記載のひずみ領域マッピングシ
    ステム。
  40. 【請求項４０】 励起照射光が近紫外線から青色光である、請求項28記載の
    方法。
  41. 【請求項４１】 結合剤と、少なくとも一つの発光性化合物とを含む発光性
    コーティング剤において、該コーティング剤を励起照射によって照射したとき、
    少なくとも一つの該発光性化合物が、第一の波長をもつ励起照射光を吸収して、
    コーティング剤から発出しうる第二の波長をもつ光を再放出するように、該コー
    ティング剤を基材に塗布することができ、少なくとも部分的に、基材にかかるひ
    ずみと該コーティングにおける亀裂の形状との間に関係があるために、該コーテ
    ィング剤によって放出される光の一つまたは複数の特性が、基材にかかるひずみ
    に相関している発光性コーティング剤。
  42. 【請求項４２】 ポリ(メチルメタクリル酸)、ポリ(イミド)、ポリ(エステ
    ル)、ポリアミン、ポリ(メラミン)、ポリ(ウレタン)、メラミンホルムアルデヒ
    ド、セラミック、およびガラス、ポリ-(メチルメタクリル酸-コ-ブチルメタクリ
    ル酸)、ポリ(メラミン-ホルムアルデヒド)、ポリウレタン、および有機-無機ハ
    イブリッドのゾル-ゲルからなる群の一つまたは複数を含む、請求項41記載の発
    光性コーティング剤。
  43. 【請求項４３】 少なくとも一つの発光性化合物が、複合有機色素（conjug
    ated organic dye）、ポリ(フェニレンビニレン)、シアニン、1,5,15,20-テトラ
    フェニルポルフィリン亜鉛(II)、トランス-4-[4-(ジメチルアミノ)スチリル]-1-
    ヨウ化メチルピリジニウム（trans-4-[4-(dimetylamino)styryl]-1-methylpyrid
    inium iodide）、トランス,トランス-1,4,-[ビス-3,4,5-(トリメトキシスチリル
    )]ベンゼン、およびトリス-(4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン)-二塩化ル
    テニウム(II)（tris-(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)-ruthenium (II) dic
    hloride）からなる群より選択される、請求項41記載の発光性コーティング剤。
  44. 【請求項４４】 コーティング剤が、約0.450 gのERL 4206エポキシ樹脂、
    約0.010 gのエポン826 (Epon 826)エポキシ樹脂、約0.540 gのHY 918硬化剤、約
    0.006 gの4-(ジメチルアミノ)ピリジン、および約0.003 gのペリレンを混合して
    製造される、請求項41記載の発光性コーティング剤。
  45. 【請求項４５】 約100グラムの樹脂に対して約3〜7グラムの可塑剤、約0.5
    から2グラムの触媒という比率で可塑剤と触媒とが添加されている樹脂から構成
    される結合剤の中に発光性色素を拡散させることによってコーティング剤が製造
    される、請求項41記載の発光性コーティング剤。
  46. 【請求項４６】 ローダミンBが発光性色素として使用され、p-トルエンス
    ルホンアミドが可塑剤として使用され、塩化アンモニウムが触媒として使用され
    、メラミンホルムアルデヒドが樹脂として使用される、請求項45記載の発光性コ
    ーティング剤。
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