JP2015075477A - 応力発光評価装置並びに応力発光評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ランダムに入力される荷重に対しても、応力発光体の発光強度を確実に評価することのできる応力発光評価装置および応力発光評価方法を提供する。
【解決手段】本発明の応力発光評価装置１は、応力発光体に断続的にパルス光を照射するパルス光照射部２と、応力発光体の発光強度を検知する検知部３と、検知部３が検知した発光強度に基づいて、応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する解析部４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、応力発光体における発光現象に基づいて、当該応力発光体の歪みパターンを評価する応力発光評価装置並びに応力発光評価方法に関する。

従来、構造体に欠陥が発生すると欠陥周辺に異常歪みが生じ、その結果、構造体自体の亀裂や、ひび割れ、破壊に繋がることが確認されている。このような欠陥の発生は、例えば、建物、高架橋、橋梁、トンネル、パイプラインなどの大型構造体のみならず、圧力容器など様々な構造体にとって、安全性を妨げる原因となる。このため、構造体の欠陥を検知する技術が多数開発されている。

このような欠陥を検知する技術として、外部からの機械的な刺激によって発光する応力発光体を利用した応力発光評価を挙げることができる。例えば、この応力発光評価では、変形（歪み）エネルギーを受け取って発光する応力発光体を含有する発光膜が、構造体の表面に形成される。これにより、構造体に歪み（荷重）がかかると、構造体の歪みに応じて発光膜も歪むため、発光膜（応力発光体）が発光する。つまり、構造体の歪み（力分布）が、光分布に変換される。従って、発光膜の発光強度（発光分布）に基づいて、構造体の歪みの逆解析と共に、構造体の欠陥を検知することが可能となる。

具体的には、図２０および図２１は、従来の応力発光評価の原理を説明する図であり、図２０は応力発光体に荷重が入力されていない場合、図２１は応力発光体に荷重が入力された場合を示している。なお、各図において、縦軸は発光膜の発光強度、横軸は時間を示している。

図２０のように、応力発光体に一定強度の光を照射すると、照射時間中、その強度に応じた一定の発光を示す。また、応力発光体は残光性を持っているため、照射終了後から次の照射開始まで、発光強度は緩やかに減少する。

一方、図２１のように、照射終了後から次の照射開始までの間（測定時間中）に応力発光体に荷重がかかると、応力発光体は、残光による発光に加えて、その荷重に応じた発光を示す。つまり、荷重がかかった時点の発光強度は、図２０の場合よりも増加する。従って、測定時間中の発光強度に基づいて、応力発光体にかかった荷重（すなわち構造体の歪み）の逆解析と共に、構造体の欠陥を検知することが可能となる。

しかしながら、従来の応力発光評価方法は、応力発光体にランダムに荷重が入力される条件には、適用できないという問題がある。

具体的には、図２１において、荷重が同一であれば、測定期間中のどのタイミングで荷重がかかっても、その荷重による発光強度も同一であるとも考えられる。ところが、実際には、同一荷重であるにも拘わらず、荷重のタイミングによって、発光強度が異なることがある。

より具体的には、１回の測定期間中の荷重を１回として、同一の荷重を応力発光体にかけた場合、横軸に照射終了後からの経過時間（荷重のタイミング）、縦軸に発光強度をプロットすると、発光強度は、直線性を示さず放物線を描く（後述する比較例２参照）。このため、荷重のタイミングによっては荷重がかかっているにもかかわらず、確実に発光を捉えきれない虞がある。従って、荷重による発光を確実に捉え、高感度・高精度解析を行うためには、発光強度が極大値を示す付近で、発光強度を測定する必要がある。つまり、従来の応力発光評価方法は、荷重のタイミング（発光強度を測定するタイミング）が、照射終了後のごくわずかな期間に限定される。

実験室で応力発光解析を行う場合、応力発光体に対する荷重の入力タイミングは比較的簡単に制御し易い。しかし、例えば建物や橋梁などの構造物に対して大きな荷重をかける場合、荷重の入力タイミングを制御することは困難である。例えば、橋梁に対する大型車（大きな荷重）の影響を解析する場合、発光強度が極大値を示す時間に、大型車を通過させる必要がある。しかし、そのようにタイミングを制御することは困難であり、タイミングの制御に失敗すれば測定は不確実になる。

しかも、実際に屋外の構造体の解析を行うためには、外部からランダムに構造体にかかる荷重に対する解析が不可欠である。しかし、上述のように、従来の応力発光評価方法を用いて、高感度・高精度の解析を行うためには、荷重のタイミングが、照射終了後のごくわずかな期間に限定される。このため、従来の応力発光評価方法をランダムな荷重に対する解析に適用すると、必然的に解析精度が落ちる。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ランダムに入力される荷重に対しても、応力発光体の発光強度を確実に評価することのできる応力発光評価装置および応力発光評価方法を提供することにある。

本発明に係る応力発光評価装置は、上記課題を解決するために、応力発光体の発光強度を解析する応力発光評価装置であって、上記応力発光体に断続的にパルス光を照射する照射手段と、上記応力発光体の発光強度を検知する検知手段と、
上記検知手段の検知結果に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する算出手段とを備えることを特徴としている。

本発明に係る応力発光評価方法は、上記課題を解決するために、応力発光体の発光強度を解析する応力発光評価方法であって、上記応力発光体に断続的にパルス光を照射する照射ステップと、上記応力発光体の発光強度を検知する検知ステップと、上記検知ステップの検知結果に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する算出ステップとを有することを特徴としている。

上記の発明によれば、照射手段が応力発光体に対して断続的にパルス光を照射するため、応力発光体の発光状態を維持することが可能である。このようにパルス光の照射により応力発光体を発光させると、照射終了後から次のパルス光の照射までの期間中、どのタイミングで荷重がかかったとしても、その荷重に応じた一定の発光を示す。これにより、荷重のタイミングに関係なく、応力発光体にかかった荷重を確実に捉えることができる。従って、ランダムに入力される荷重に対しても、応力発光体の発光強度を確実に評価することのできる応力発光評価装置および応力発光評価方法を実現することができる。

また、本発明に係る応力発光評価装置では、上記算出手段は、上記検知手段によって検知された、上記応力発光体に荷重が入力されたときの発光強度と、荷重が入力されていないときの発光強度との差分に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出することが好ましい。

また、本発明に係る応力発光評価方法では、上記算出ステップは、上記検知ステップによって検知された、上記応力発光体に荷重が入力されたときの発光強度と、荷重が入力されていないときの発光強度との差分に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出することが好ましい。

上記の発明によれば、算出手段は、検知手段によって検知された、応力発光体に入力される荷重の有無による発光強度の差分によって、応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する。これにより、複雑な解析を行うことなく、極めて簡便に応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出することができる。また、算出手段の構成を簡素化することもできる。

また、本発明に係る応力発光評価装置では、上記算出手段は、上記荷重が入力されてないときの発光強度として、その発光強度の平均値を用いることが好ましい。

上記の発明によれば、算出手段は、荷重が入力されていないときの発光強度の平均値を算出する。そして、算出した平均値と、応力発光体に荷重が入力されたときの発光強度との差分に基づいて、応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する。これにより、算出される荷重による発光強度の精度を向上させることができる。

また、本発明に係る応力発光評価装置では、上記算出手段は、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度に基づいて、上記応力発光体に対して入力された荷重の大きさを推定することが好ましい。

上述のように、応力発光体にパルス光を照射すると、応力発光体は、荷重のタイミングに関係なく、その荷重に応じた一定の発光強度を示す。言い換えれば、応力発光体に入力された荷重による発光強度と、荷重の大きさとの間には、比例関係が成立する。このため、上記の発明のように、算出された応力発光体に入力された荷重による発光強度に基づいて、応力発光体に入力された荷重の大きさを推定することが可能である。従って、応力発光体に入力された荷重の定量評価が可能となる。

また、本発明に係る応力発光評価装置では、上記照射手段は、パルス強度、パルス幅、およびパルス周期の少なくとも１つが変更可能であることが好ましい。

上記発明によれば、照射手段は、パルス光の照射条件（パルス強度、パルス幅、およびパルス周期（パルス間隔））を任意に変更することができる。従って、応力発光体に入力される荷重の大きさや、応力発光体の特性など、応力発光評価装置の使用状況に応じた最適な解析が可能となる。

また、本発明に係る応力発光評価装置では、上記検知手段は、発光強度分布測定装置であることが好ましく、撮像装置であることがより好ましい。

上記の発明によれば、検知手段が、発光強度分布測定装置または撮像装置であるため、応力発光体の発光強度分布データまたは撮像データ（画像データ）を取得する。これにより、その発光強度分布データまたは撮像データの処理によって、応力発光体の特定の位置の発光強度だけでなく、その位置の周囲も含む広範囲にわたる発光強度の分布状態（発光パターン）などの多くの情報を取得することができる。従って、応力発光評価装置の評価精度を向上させることができる。

以上のように、本発明に係る応力発光評価装置は、上記応力発光体に断続的にパルス光を照射する照射手段と、上記応力発光体の発光強度を検知する検知手段と、上記検知手段の検知結果に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する算出手段とを備えている。

また、本発明に係る応力発光評価方法は、上記応力発光体に断続的にパルス光を照射する照射ステップと、上記応力発光体の発光強度を検知する検知ステップと、上記検知ステップの検知結果に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する算出ステップとを有している。

それゆえ、ランダムに入力される荷重に対しても、応力発光体の発光強度を確実に評価することのできる応力発光評価装置および応力発光評価方法を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る応力発光評価装置の要部構成を示すブロック図である。 上記応力発光評価装置におけるパルス光照射部の照射条件を説明するための図である。 実施例４の実証実験において、上記応力発光評価装置の検知部が検知した応力発光体の発光強度を示すグラフであり、（ａ）は荷重の入力がない場合の発光強度の波形を示し、（ｂ）は荷重の入力があった場合の発光強度の波形を示している。 実施例１における発光膜に対するパルス光の照射時間と発光膜（応力発光体）の発光強度との関係を示すグラフであり、（ａ）は照射時間が５秒間、（ｂ）は照射時間が１０秒間、（ｃ）は照射時間が２０秒間、（ｄ）は照射時間が３０秒間である場合の発光強度を示している。 実施例１における応力発光に伴う発光強度と照射時間との関係を示す別のグラフである。 実施例２において、撮影開始１０秒後から１５秒の間に測定された発光強度を示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は、実施例２において、荷重入力時に撮影された発光膜の画像を示す図である。 （ａ）は実施例３の測定時間内での発光強度の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の各グラフの発光強度の最大値を示すグラフである。 （ａ）は実施例４の予備実験において、撮影開始１００秒後から１５０秒の間に測定された発光輝度を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）において応力発光が検出された測定時間の発光輝度（ＭＬ）と検出されなかった測定時間の発光輝度（ＢＧ）との時間変化を示すグラフである。 図９の（ｂ）に示されるＭＬのグラフとＢＧのグラフの差分を示すグラフである。 （ａ）は、図１０のグラフの横軸を歪みに変換したグラフであり、（ｂ）は、（ａ）のグラフの横軸を歪みの大きさ（開口変位量）に変換したグラフである。 図１１の（ｂ）のグラフ（校正曲線）を用いて、実施例４の実証実験における歪みの大きさを推定するグラフである。 実施例４の実証実験における発光強度および輝度の時間変化を示すグラフである。 実施例４の実証実験において橋梁のき裂をまたぐように設置した歪みゲージを用いて測定した歪みを示すグラフである。 図１３の４〜６秒のグラフの横軸を歪みに変換したグラフである。 （ａ）は、実施例４の実証実験において、車両通過時に撮影された橋梁の画像を示す図であり、（ｂ）は実施例４の比較例において、車両通過時に撮影された橋梁の画像を示す図である。 （ａ）は比較例１で測定された発光強度を示すグラフであり、（ｂ）はＳＮ比と荷重回数との関係を示すグラフである。 比較例２で測定された発光強度を示すグラフであり、（ａ）は照射終了後からの経過時間と発光強度との関係を示し、（ｂ）は照射終了後からの経過時間と応力発光体に入力された荷重による発光強度との関係を示している。 比較例３で測定された発光強度を示すグラフであり、（ａ）は荷重非入力時の結果を示し、（ｂ）は荷重入力時の結果を示している。 従来の応力発光評価の原理を説明する図であり、応力発光体に荷重が入力されていない場合を示す図である。 従来の応力発光評価の原理を説明する図であり、応力発光体に荷重が入力された場合を示す図である。

本発明に係る応力発光評価装置の一実施形態について、図１〜図５を参照しつつ以下に説明する。本実施形態では、本発明に係る応力発光評価装置を用いて、構造体の欠陥を検知する場合について説明する。

〔構造体〕
構造体は、欠陥検知を行う被検知対象である。構造体は、本実施形態の応力発光評価装置を適用するために、構造体の表面に応力発光体を含有する発光膜が形成されている。応力発光評価装置を適用可能な構造体は、欠陥検知を行う対象となるものであれば種々のものに適用することができる。具体的には、建物、高架橋、橋梁、道路、トンネル、線路、ダム、風力発電装置、円柱状の柱、ガス・石油などの貯蔵タンク、パイプライン、船舶、航空機、車両などの大型構造体のほか、人工関節、鉄筋コンクリート部材、各種模型などの小型構造体にも適用可能である。本実施形態の応力発光評価装置が適用される構造体としては、外部からの荷重がランダムに入力される屋外の大型構造体が好適である。

〔発光膜〕
構造体の表面に設けられた発光膜は、応力発光体を含有している。応力発光体は、外部からの機械的な刺激（変形エネルギー）によって発光する材料であり、従来公知のものを用いることができる。応力発光体は、外部から加えられた変形エネルギーによって応力発光体自体が発光するという性質を有し、かつ、その変形エネルギーに応じて発光強度を変化させるという性質を有する。

具体的には、応力発光体の一例として、（ｉ）スピネル構造、コランダム構造、または、βアルミナ構造の応力発光体、（ii）ケイ酸塩の応力発光体、（iii）欠陥制御型アルミン酸塩の高輝度応力発光体、（iv）ウルツ鉱型構造と閃亜鉛鉱型構造とが共存する構造を有し、酸化物、硫化物、セレン化物又はテルル化物を主成分として構成される高輝度メカノルミネッセンス材料から生成した応力発光体などを挙げることができる。

発光膜は、例えば、このような応力発光体を樹脂材料に分散させた塗布液を構造物に塗布し、乾燥させることによって形成することができる。発光膜を形成する方法としては、スプレー法、スクリーン印刷などを用いることができる。スプレー法は、曲面や複雑の表面に非常に平滑な膜を得ることができ、大面積の塗膜を得ることができる。応力発光体を樹脂材料に分散させた塗布液の樹脂材料としてエポキシ系を用いれば、２０Ｍｐａ以上の引っ張り接着強度が得られるため、特に好ましい。

〔応力発光評価装置〕
図１は、本実施形態に係る応力発光評価装置１の要部構成を示すブロック図である。図１に示すように、応力発光評価装置１は、パルス光照射部（照射手段）２、検知部（検知手段）３、解析部（算出手段）４、および制御部５を備える。

パルス光照射部２は、発光膜に含有される応力発光体を発光状態に遷移させるためのパルス光を照射する光源である。パルス光照射部２は、応力発光体に断続的にパルス光を照射する（照射ステップ）。パルス光照射部２には、例えば、ＬＥＤ光源などを用いることができる。しかし、応力発光体を発光状態に遷移させる光（照射光）を出射する光源であれば、ＬＥＤ光源に限定されるものではない。また、ＬＥＤ光源として、青色ＬＥＤを利用することで、十分な応力発光強度を増強できる上に、制御部５によってパルス光照射部２を簡便に制御することができる。従って、パルス光照射部２（光源）および制御部５（制御回路）の省エネルギー化が可能となる。パルス光照射部２の詳細は、後述する。

検知部３は、応力発光体の発光強度、発光パターン（発光強度分布）などを検知するためのセンサである。検知部３としては、例えば、フォトンカウンターを用いることができる。この場合、検知部３は、応力発光体から発せられるフォトン数をカウントすることにより、発光強度を検知する（検知ステップ）。また、検知部３としては、応力発光体から発せられた光信号を電気信号に変換することにより、発光強度を検知する撮像装置または発光強度の分布状態を測定する発光強度分布測定装置であってもよい。撮像装置としては、例えば、フォトダイオードまたはＣＣＤカメラなどを用いることができる。検知部３として、高性能ＣＣＤカメラ素子などの撮像装置、または、発光強度分布測定装置を利用すれば、応力発光体の発光強度分布データまたは撮像データ（画像データ）を取得することができる。これにより、その発光強度分布データまたは撮像データの処理によって、応力発光体の特定の位置の発光強度だけでなく、その位置の周囲も含む広範囲にわたる発光強度の分布状態（発光パターン）などの多くの情報を取得することができる。すなわち、１点の発光強度だけでなく、面の発光強度分布を取得することができる。従って、応力発光評価装置１の評価精度を向上させることができる。

なお、検知部３として撮像装置（特にＣＣＤカメラ）を用いた場合、撮像画像の輝度は広範囲にわたって発光強度に比例する。したがって、撮像データから応力およびひずみの逆算を広範囲にかつ高精度に行うことができるという利点がある。

解析部４は、検知部３が検知した発光強度などの検知結果に基づいて、応力発光体に入力された荷重による発光強度などを算出する（算出ステップ）。また、解析部４は、その算出結果に基づいて、構造体の欠陥を検知したり、欠陥の開口量（歪みの大きさ）を推定したりすることもできる。

制御部５は、応力発光評価装置１の各部を制御する。制御部５は、応力発光体の周辺環境を示す環境情報に応じて上記各部を制御する。ここで、環境情報には、構造体の材質の種類、材質の形状、および大きさなどに関するパラメータである材質情報のほか、応力発光体の特性、応力発光体の周囲の明るさなどの各種情報が含まれる。なお、環境情報は、ユーザーが入力部（図示省略）を介して予め入力した情報を利用すればよい。
〔応力発光評価方法（構造体の欠陥検知方法）〕
次に、応力発光評価装置１を用いた応力発光評価方法（構造体の欠陥検知方法）について具体的に説明する。応力発光評価装置１は、高感度・高精度の解析を実現するために、応力発光体（発光膜）にパルス光を照射することを最大の特徴としている。

まず、パルス光照射部２が、図示しない構造体に形成された発光膜に対して断続的にパルス光を照射する。これにより、発光膜中の応力発光体が高強度に発光できる状態に保つことが可能になる。

図２は、応力発光評価装置１におけるパルス光照射部２の照射条件を説明するための図である。図２に示されるように、パルス光照射部２は、一定のパルス幅（一定の照射時間）かつ一定のパルス強度（ピーク出力）のパルスを、一定のパルス周期（パルス間隔）で照射する。図２では、一例として、パルス幅２０ミリ秒（２０ｍｓｅｃ），パルス間隔が２秒のパルスを、応力発光体（発光膜）に照射する図を示している。

パルス光照射部２の光の照射条件は、特に限定されるものではなく、構造体（発光膜）に入力される荷重の大きさ、検出する変形エネルギーの大きさ、応力発光体の種類等を考慮して、任意に設定することができる。具体的には、パルス光照射部２は、応力発光評価装置１の使用状況や、応力発光体の特性に応じて、パルス強度、パルス幅、およびパルス周期の少なくとも１つを変更して、最適な条件のパルス光を設定することができる。

例えば、応力発光体へのパルス光の照射期間、すなわち、パルス光照射部２が応力発光体にパルス光を照射する期間は、照射光の影響で荷重（ひずみ）による応力発光体の発光強度を正確に測定できない。つまり、応力発光体へのパルス光の照射期間中、検知部３によって応力発光体の発光強度を正確に測定できない。このため、パルス幅（照射パルスの幅）については、パルス幅を短く設定するほど応力発光体への照射時間が短くなり、発光強度を正確に測定できない時間が短くなる。すなわち、発光強度の測定が不確実になる時間が短くなる。従って、応力発光強度を測定できる期間（測定期間）を長くすることができる。また、照射終了後から次の照射までのパルス周期（パルス間隔）を長く設定した場合も、応力発光強度を測定できる期間（測定期間）を長くすることができる。一方、パルス幅が短すぎると、応力発光体が十分に発光せず、十分な発光強度が得られない場合がある。このため、パルス幅は、ミリ秒単位（１ミリ秒以上、１０００ミリ秒（１秒）未満）に設定することが好ましい。

パルス強度については、弱すぎると応力発光体が十分に発光せず、十分な発光強度が得られない。一方、パルス強度が強すぎると、応力発光体の残光が強くなるため、残光と荷重による応力発光との識別が難しくなる。従って、応力発光体の発光状態および残光の状態を考慮して、応力発光を検出できるようにパルス強度を設定すればよい。

一方、パルス周期（パルス間隔）を短く設定すれば、測定期間中、応力発光体には最大１回の荷重しかかからない。このため、荷重による発光を高感度（高強度）に確実に捉えることができる。このため、橋梁などの様な荷重間隔が短い屋外の大型構造体の欠陥を検知する場合、パルス間隔は数秒程度に短くすることが好ましい。これにより、発光強度に基づいて、十分に定量評価が可能となる。このように、定量評価を行う場合には、１回の励起に対して、１回の荷重がかかるように、パルス間隔を設定することが好ましい。また、パルス周期については、周期的に荷重をかける場合には荷重の周期と同程度であることが好ましい。パルス周期が長すぎると、パルス間に多数の荷重が加えられ、パルス光の照射による応力発光の増強効果が低下する。一方、パルス周期が短すぎると、エネルギーの浪費になる。

以上を踏まえると、荷重周期が１Ｈｚである場合のパルス光照射部２の照射条件は、１〜２００ミリ秒であることが好ましく、２０ミリ秒であることがより好ましい。また、パルス周期が０．１秒〜８秒であることが好ましく、０．５〜５秒であることがより好ましい。これにより、パルス光の照射後、次の照射までの期間のうち、９０％以上の期間（パルス幅を除く期間）を、発光強度を的確に測定することができると共に、高強度な応力発光を計測することができる。また、後述の実施例では、パルス幅を２０ミリ秒、パルス周期を１秒〜２秒とすることにより、荷重のタイミングに関係なく、応力発光体の発光強度を一定にすることができる。

次に、検知部３は、励起された応力発光体の発光強度を検知する。検出部３で検知された発光強度は、解析部４に出力される。

図３は、後述する実施例４の実証実験において、応力発光評価装置１の検知部４が検知した応力発光体の発光強度を示すグラフであり、（ａ）は荷重の入力がない場合の発光強度の波形を示し、（ｂ）は荷重の入力があった場合の発光強度の波形を示している。構造体に荷重の入力が無い場合、応力発光体（発光膜）にも荷重が入力されない。一方、応力発光体は、残光性を持っている。このため、図３の（ａ）に示すように、構造体に荷重の入力が無い場合、照射期間中はパルス光照射による発光のみが検知され、照射終了後から次の照射開始までの期間には、残光による発光のみが検知される。このため、発光強度の波形は、パルス間隔の周期（図では２秒周期）で同じ波形が繰り返される。

これに対して、構造体に荷重が入力された場合、図３の（ｂ）に示すように、照射終了後から次の照射開始までの期間中に、荷重が入力されると、荷重入力時の発光強度が上昇した波形が検知される。これは、荷重の入力によって構造体の欠陥周辺が歪み、その変形（歪み）エネルギーを受け取って応力発光体が発光するためである。このように、図３（ｂ）では、照射終了後から次の照射開始までの期間には、残光による発光に加えて、その荷重に応じた応力発光が検知される。

次に、解析部５は、検知部４から出力された発光強度に基づいて、応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する。応力発光体にパルス光を照射すると、照射終了後から次のパルス光の照射までの期間中、どのタイミングで荷重がかかったとしても、その荷重に応じた一定の発光を示すという注目すべき結果が得られる（後述する図８参照）。従って、検知部３によって検知された、応力発光体に荷重が入力されたときの発光強度と、荷重が入力されていないときの発光強度との差分をとれば、応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出することが可能となる。すなわち、図３（ｂ）の発光強度から、図３（ａ）の発光強度を差し引けば、応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出することが可能となる。

なお、解析部５において、応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する際には、荷重が入力されてないときの発光強度として、その発光強度の平均値を用いることが好ましい。例えば、図３（ａ）における１０周期分の発光強度の平均値を用いることが好ましい。この場合、解析部５は、まず、荷重が入力されていないときの発光強度の平均値を算出する。そして、算出した平均値と、図３（ｂ）に示す応力発光体に荷重が入力されたときの発光強度との差分に基づいて、応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する。これにより、荷重による発光強度の算出精度を向上させることができる。

また、解析部５は、後述する実施例のように、応力発光体に入力された荷重による発光強度の最大値（ピーク値）を特定し、そのピーク値に基づいて構造体の欠陥を判定してもよい。すなわち、上述したように、荷重による構造体の欠陥周辺の歪みよって応力発光が生じ、変形（歪み）エネルギーに比例して、発光強度は大きくなる。このため、構造体に最も大きな歪みが生じたときに、検知される発光強度も最大値（ピーク値）を示す。従って、このピーク値と、所定閾値とを比較して、ピーク値が所定閾値以上の場合、解析部５は、構造体に欠陥が生じていると判定することが可能となる。

なお、所定閾値には、ユーザーが入力部（図示省略）を介して予め設定した情報を利用することができ、適宜変更可能である。閾値を高く設定した場合、構造体に生じた大きな欠陥のみを検知することができる。一方、閾値を低く設定した場合、構造体に生じた細かな欠陥を検知することができる。

一方、解析部５は、発光強度のピーク値から、構造体に生じた欠陥の開口変位量を推定することもできる。具体的には、上述のように、応力発光体にパルス光を照射すると、応力発光体は、荷重のタイミングに関係なく、その荷重に応じた一定の発光強度を示す。言い換えれば、応力発光体に入力された荷重による発光強度と、荷重の大きさとの間には、比例関係が成立する。このため、算出された発光強度のピーク値に基づいて、応力発光体に入力された荷重の大きさを推定することが可能である。従って、応力発光体に入力された荷重の定量評価が可能となる。

以上のように、本実施形態に係る応力発光評価装置１によれば、パルス光照射部２が応力発光体に対して断続的にパルス光を照射するため、応力発光体の発光状態が維持される。このようにパルス光の照射により応力発光体を励起させると、励起終了後から次のパルス光の照射までの期間中、どのタイミングで荷重がかかったとしても、その荷重に応じた一定の発光を示す。これにより、荷重のタイミングに関係なく、応力発光体にかかった荷重を確実に捉えることができる。従って、ランダムに入力される荷重に対しても、応力発光体の発光強度を確実に評価することのできる応力発光評価装置および応力発光評価方法を実現することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以下、実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本実施例では、構造体と見立てたステンレス試験片の表面に、応力発光体を含有する発光膜をスプレー法により形成し、塗膜型センサを構成した。そして、図１の応力発光評価装置１を用いて、発光膜に対するパルス光の照射時間（荷重入力までの待機時間）と発光強度との関係を評価した。応力発光評価装置１は、パルス光照射部２としてＬＥＤ光源を、検知部３として高性能ＣＣＤカメラ素子を用いた。パルス光照射部２の照射条件は、パルス幅が２０ミリ秒、パルス強度が１Ｗ、パルス間隔（パルス周期）が１秒となるように制御部４によって制御した。このような条件のパルス光を発光膜に５秒〜３０秒間照射し、照射終了後、発光膜を形成したステンレス試験片に、疲労試験機（ＭＴＳ社製）を用いて、１２ｋＮの荷重をかけた。図１の応力発光評価装置１を用いて発光強度を測定し、評価した。

図４の（ａ）〜（ｄ）は、実施例１における発光膜に対するパルス光の照射時間と発光膜（応力発光体）の発光強度との関係を示すグラフであり、（ａ）は照射時間が５秒間、（ｂ）は照射時間が１０秒間、（ｃ）は照射時間が２０秒間、（ｄ）は照射時間が３０秒間である場合の発光強度を示している。図４の（ａ）〜（ｄ）において、丸枠のピークは、応力発光（荷重入力による発光強度）を示し、図中のＭＬの値は荷重入力時の発光輝度，ＢＧの値は荷重非入力時の発光輝度を示している。

図４の（ａ）〜（ｄ）に示すように、照射時間を５秒としたときの発光輝度は３ｍｃｄ／ｍ^２（図４の（ａ））、１０秒としたときの発光輝度は５．３ｍｃｄ／ｍ^２（図４の（ｂ））、２０秒としたときの発光輝度は７．３ｍｃｄ／ｍ^２（図４の（ｃ））、３０秒としたときの発光輝度は８．５ｍｃｄ／ｍ^２（図４の（ｄ））となった。また、ＭＬの値からＢＧの値を差し引いた発光輝度は、それぞれ、１．１ｍｃｄ／ｍ^２（図４の（ａ））、２．６ｍｃｄ／ｍ^２（図４の（ｂ））、４．１ｍｃｄ／ｍ^２（図４の（ｃ））、４．４ｍｃｄ／ｍ^２（図４の（ｄ））となった。

一方、図５は、実施例１における応力発光に伴う発光強度と照射時間との関係を示す別のグラフである。

図４および図５に示すように、荷重入力までのパルス光の照射時間が５秒〜１５ないし２０秒までは、荷重の大きさが同一でも、応力発光に伴う発光強度が急激に上昇している。一方、照射時間が１５ないし２０秒以上になると、応力発光に伴う発光強度が、ほぼ一定になっている。従って、実施例１の条件では、照射時間を１５ないし２０秒以上に設定すれば、すなわち、荷重と荷重との間隔を１５ないし２０秒以上に設定すれば、応力発光の発光強度の定量的な測定が可能となると共に、定量的な荷重の大きさの逆解析も可能であることが確認された。

本実施例では、実施例１と同様にステンレス試験片の表面に、応力発光体を含有する発光膜を形成した。パルス光の照射条件は、パルス幅を２０ミリ秒、パルス強度を０．１Ｗ、パルス間隔を１秒に設定した。そして、疲労試験機を用いて２０秒間隔で５回、１２ｋＮの荷重をかけ、実施例１と同様に、応力発光評価装置１を用いて発光強度を測定し、評価した。

図６は、実施例２において、撮影開始１０秒後から１５秒の間に測定された発光強度を示すグラフである。図６に示すように、１２．５秒〜１３秒までの間に、荷重入力に伴う応力発光が検出され、応力発光に伴う発光強度の上昇が確認された。

一方、図７の（ａ）〜（ｅ）は、実施例２において、荷重入力時に撮影された発光膜の画像を示す図である。図７の（ａ）〜（ｅ）に示すように、５回すべての荷重入力時に、ステンレス試験片のき裂部分が発光しており、かつ、荷重入力に伴う発光強度もほぼ同程度であることが確認された。

本実施例では、実施例１のステンレス試験片の代わりにアルミニウム試験片を構造体と見立て、その表面に実証試験用の発光シートを形成した。パルス光の照射条件は、パルス幅を２０ミリ秒、パルス強度を０．１Ｗ、パルス間隔を２秒に設定した。そして、パルス間隔である２秒の測定時間内に、疲労試験機を用いて種々のタイミングで１２ｋＮの荷重をかけ、実施例１と同様に、応力発光評価装置１を用いて発光強度を測定し、評価した。なお、１つのパルス間隔内には、１回のみ荷重が入力されるように設定した。

図８の（ａ）は実施例３の測定時間内での発光強度の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の各グラフの発光強度の最大値を示すグラフである。図８の（ａ）に示すように、荷重が入力されるタイミングによらず、発光強度のピーク値は、顕著な違いはなく、ほぼ一定の発光強度を示した。従って、測定時間内にいつ荷重がかかっても、応力発光の発光強度の定量的な測定が可能となると共に、定量的な荷重の大きさの逆解析も可能であることが確認された。

本実施例では、き裂開口量を推定するための予備実験と、実際の橋梁に生じたき裂開口量（開口変位量）を推定した実証実験とを行った。

（１）予備実験
予備実験では、実施例１のアルミニウム試験片を構造体と見立て、その表面に実証試験用の発光シートを形成した。パルス光の照射条件は、パルス幅を２０ミリ秒、パルス強度を１０Ｗ、パルス間隔を２秒に設定した。そして、パルス間隔である２秒の測定時間内に、疲労試験機を用いて１２ｋＮの荷重をかけ、実施例１と同様に、応力発光評価装置１を用いて発光強度を測定した。

図９の（ａ）は実施例４の予備実験において、撮影開始１００秒後から１５０秒の間に測定された発光輝度を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）において応力発光が検出された測定時間の発光輝度（ＭＬ）と検出されなかった測定時間の発光輝度（ＢＧ）との時間変化を示すグラフである。なお、図９の（ｂ）のＢＧのグラフは、荷重入力がない状態での発光輝度（残光曲線）の１０周期分の平均値を示している。図９に示すように、撮影開始１２６秒から１２８秒までの期間に、荷重入力に伴う応力発光が検出されている。つまり、図９の（ｂ）の横軸の０（秒）は図９の（ａ）の１２６秒に対応し、図９の（ｂ）の横軸の２．０（秒）は図９の（ａ）の１２８秒に対応することになる。

図１０は、図９の（ｂ）に示されるＭＬのグラフとＢＧのグラフの差分を示すグラフである。すなわち、図１０は、発光シートへの荷重入力に伴う応力発光の輝度のみを示すグラフ（残光の輝度を除いたグラフ）である。

図１１の（ａ）は、図１０のグラフの横軸を歪みに変換したグラフであり、（ｂ）は、（ａ）のグラフの横軸を歪みの大きさ（開口変位量）に変換したグラフである。つまり、図１１の（ａ）のグラフは、応力発光と歪みとの関係を示す校正曲線であり、図１１の（ｂ）のグラフは、応力発光と開口変位量との関係を示す校正曲線である。これらの校正曲線を用いることにより、発光強度から歪みまたは開口変位量を推定することが可能となる。なお、本実施例で用いた高性能ＣＣＤカメラ素子の空間分解能は、０．６ｍｍ／ｐｉｘｅｌである。

（２）実証実験
実証実験では、実際の橋梁を構造体とし、その表面に実証試験用の発光シートを形成した。パルス光の照射条件は、予備実験と同様に、パルス幅を２０ミリ秒、パルス強度を１０Ｗ、パルス間隔を２秒に設定した。そして、橋梁に車両を通過させて橋梁にランダムな荷重を加え、実施例１と同様に、応力発光評価装置１を用いて発光強度を測定した。なお、比較例として、パルス光の代わりに、１０秒間の連続的に光照射した場合の発光強度も測定した。

図１３は、実施例４の実証実験における発光強度および輝度の時間変化を示すグラフである。図３は、実施例４の実証実験において、応力発光評価装置１の検知部４が検知した応力発光体の発光強度を示すグラフであり、（ａ）は荷重の入力がない場合の発光強度の波形を示し、（ｂ）は荷重の入力があった場合の発光強度の波形を示している。

図１３に示すように、約５〜８秒後に、車両の通過（荷重）に伴う応力発光が検出されている。つまり、この期間に橋梁に大きなひずみが生じたことが確認された。本実施例では、図１３の発光強度のピーク値に基づき、歪みおよび歪みの大きさ（開口変位量）を評価した。なお、図１３のグラフは、車両を通過させたときの発光強度（ＭＬ＝図３の（ｂ）参照）から、車両の通過のないときの発光強度（ＢＧ＝図３の（ａ）参照）の平均値を差し引いた発光強度（ＭＬ−ＢＧ）を示している。

一方、図１４は、実施例４の実証実験において橋梁のき裂をまたぐように設置した歪みゲージを用いて測定した歪みを示すグラフである。図１４の丸で囲ったように、約１０００μＳＴ以上の歪み（開口量）の発光は全て捉えることができること確認された。

図１６の（ａ）は、実施例４の実証実験において、車両通過時に撮影された橋梁の画像を示す図であり、（ｂ）は実施例４の比較例において、車両通過時に撮影された橋梁の画像を示す図である。パルス光を照射した場合の発光強度（発光輝度）（図１６の（ａ））は、比較例の連続照射の場合の発光強度（発光輝度）（図１６の（ｂ））よりも小さいものの、き裂の全体像を捉えられることが確認された。

一方、図１５は、図１３の４〜６秒のグラフの横軸を歪みに変換したグラフである。また、図１２は、図１１の（ｂ）のグラフ（校正曲線）を用いて、実施例４の実証実験における歪みの大きさを推定するグラフである。図１５に示すように、図１３の発光輝度の最大値（約３５ｍｃｄ／ｍ^２）に対応する横軸の値から、歪みを推定することができる。また、図１２に示すように、図１３の発光輝度の最大値（約３５ｍｃｄ／ｍ^２）に対応する横軸の値から、歪みの大きさ（開口変位量）が約１．２μｍであることを推定することができる。

〔比較例１〕
比較例１では、構造体と見立てたステンレス試験片の表面に、応力発光体を含有する発光膜をスプレー法により形成し、塗膜型センサを構成した。そして、実施例１のパルス光の照射に代えて、微弱光（ｍＡ単位の光）の常時照射、または、そのパルス光と同程度の強度がある通常光の連続照射（１０秒間の連続光照射）を行い、疲労試験機を用いて１２ｋＮの荷重をかけ、応力発光評価装置１を用いて発光強度を測定し、評価した。荷重の入力は、測定開始５秒後から５秒間隔で行った。

図１７の（ａ）は本比較例で測定された発光強度を示すグラフであり、（ｂ）はＳＮ比と荷重回数との関係を示すグラフである。図１７の（ａ）に示すように、微弱光照射では、荷重回数の増加と共に、応力発光が減少することが確認された。従って、本比較例の場合、同じ大きさの荷重の入力が繰り返されても、応力発光体に入力された荷重による発光強度を一定に保つことは不可能であることが確認された。また、図１７の（ｂ）に示すように、ＳＮ比は、normalで示される通常光の照射のほうが、８回目の荷重入力までは大きく、それ以降は微弱光照射とほぼ同程度であることが確認された。

〔比較例２〕
比較例２では、構造体と見立てたステンレス試験片の表面に、応力発光体を含有する発光膜をスプレー法により形成し、塗膜型センサを構成した。そして、実施例１のパルス光に代えて、通常光の連続照射（２４０秒間の連続光照射）後、種々のタイミングで疲労試験機を用いて５８８μＳＴのひずみを発生させ、応力発光評価装置１を用いて発光強度を測定し、評価した。なお、比較例２では、応力発光評価装置１の検知部２として、フォトマル（光電子増倍管）を用いた。

図１８は、比較例２で測定された発光強度を示すグラフであり、（ａ）は照射終了後からの経過時間と発光強度との関係を示し、（ｂ）は照射終了後からの経過時間と応力発光体に入力された荷重による発光強度との関係を示している。図１８（ａ）に示すように、荷重入力時の発光強度から、荷重非入力時の発光強度を差分から、図１８（ｂ）に示す応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出した。その結果、図１８（ｂ）に示すように、同一の荷重にもかかわらず、照射終了後からひずみを発生させるまでの期間（荷重タイミング）によって、発光強度が大きく異なることが確認された。

〔比較例３〕
比較例３では、構造体と見立てたステンレス試験片の表面に、応力発光体を含有する発光膜をスプレー法により形成し、塗膜型センサを構成した。そして、実施例１のパルス光に代えて、照射強度の異なる通常光を連続照射し、照射終了の１０秒後に疲労試験機を用いて５８８μＳＴのひずみを発生させ、応力発光評価装置１を用いて発光強度を測定し、評価した。なお、比較例２では、応力発光評価装置１の検知部２として、フォトマル（光電子増倍管）を用いた。

図１９は、比較例３で測定された発光強度を示すグラフであり、（ａ）は荷重非入力時の結果を示し、（ｂ）は荷重入力時の結果を示している。図１９の（ａ）に示すように、荷重非入力時には、発光強度は、光照射開始から約１０秒間は照射時間に応じて上昇する。しかし、光照射開始から約１０秒経過後に、ほぼ横這いとなる。同様に、図１９の（ｂ）に示すように、荷重入力時には、発光強度は、光照射開始から約１０秒経過後に、ほぼ横這いとなる。また、同じく、光照射開始から約１０秒経過後にほぼ横這いになる。これにより、応力発光体の発光状態を保つためには、光照射開始から少なくとも約１０秒以上の連続した光照射を発光膜に対して行う必要があることが確認された。

本発明は、ランダムに荷重がかかる、橋梁などの屋外の構造物に対する欠陥を検知するための好適に利用することができる。

１ 応力発光評価装置
２ パルス光照射部（照射手段）
３ 検知部（検知手段，発光強度分布測定装置、撮像装置）
４ 解析部（算出手段）
５ 制御部

Claims (9)

1. 応力発光体の発光強度を計測し評価する応力発光評価装置であって、
   上記応力発光体に断続的にパルス光を照射する照射手段と、
   上記応力発光体の発光強度を検知する検知手段と、
   上記検知手段の検知結果に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する算出手段とを備えることを特徴とする応力発光評価装置。
2. 上記算出手段は、上記検知手段によって検知された、上記応力発光体に荷重が入力されたときの発光強度と、荷重が入力されていないときの発光強度との差分に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出することを特徴とする請求項１に記載の応力発光評価装置。
3. 上記算出手段は、上記荷重が入力されてないときの発光強度として、その発光強度の平均値を用いることを特徴とする請求項２に記載の応力発光評価装置。
4. 上記算出手段は、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度に基づいて、上記応力発光体に対して入力された荷重の大きさを推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の応力発光評価装置。
5. 上記照射手段は、パルス強度、パルス幅、およびパルス周期の少なくとも１つが変更可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の応力発光評価装置。
6. 上記検知手段は、発光強度分布測定装置であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の応力発光評価装置。
7. 上記検知手段は、撮像装置であることを特徴とする請求項６に記載の応力発光評価装置。
8. 応力発光体の発光強度を計測し評価する応力発光評価方法であって、
   上記応力発光体に断続的にパルス光を照射する照射ステップと、
   上記応力発光体の発光強度を検知する検知ステップと、
   上記検知ステップの検知結果に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出する算出ステップとを有することを特徴とする応力発光評価方法。
9. 上記算出ステップは、上記応力発光体に荷重が入力されたときの発光強度と、荷重が入力されていないときの発光強度との差分に基づいて、上記応力発光体に入力された荷重による発光強度を算出することを特徴とする請求項８に記載の応力発光評価方法。