JP2007033223A

JP2007033223A - 応力の測定方法および応力測定装置

Info

Publication number: JP2007033223A
Application number: JP2005216664A
Authority: JP
Inventors: Mitsuko Tamiya; 晃子田宮
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】本発明は、測定対象物を破壊することなく、可視光領域において透過率の低い試料であっても特定の点での応力値とその正負ならびにその応力分布を測定できる応力の測定方法および測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の応力の測定方法は、偏光された赤外線を照射し、測定対象物についで水晶楔を透過した赤外線の像を検出することを特徴とし、また、本発明の応力測定装置は、赤外線を発生させる手段と、赤外線を偏光する手段と、測定対象物と水晶楔とを透過した赤外線の像を検出する手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に可視光領域において透過率の低い試料の応力の測定方法および応力測定装置に関するものである。

構造物、機械製品、またはそれらを構成する個々の部品の各部位にかかる応力の正負（圧縮か引っ張りか）やその値の大きさを知ることは、それぞれの形状や材質を設計するために極めて重要であり、その応力測定には測定対象に応じて種々の方法が用いられている。

可視光線を充分に透過できるガラスやプラスティックなどであれば、鋭敏色法、セナルモン法、バビネ法などを用いて応力分布を測定することができる。しかし、試料が可視光線を充分に透過できない場合にはこれらの方法を使用することができなかった。

可視光線を透過しない材料の応力を測定する方法がいくつか提案されている。

例えば、表面の応力測定には、歪ゲージ法が一般に広く用いられている。しかし、この方法では、歪ゲージを試料表面に貼り付けて応力の大きさを測定するため、歪ゲージを貼り付けた箇所でしか応力値を測定できない。そのため、応力分布を得るためには多数の箇所で測定する必要があり作業が煩雑となる。また、微細な領域や内部応力が測定できないといった問題点も存在する（例えば、特許文献１参照。）。

また、結晶質の材料には、Ｘ線回折法を用いて応力を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この方法は、Ｘ線回折法で得られた結晶の面間隔から歪を求め、応力値を算出するものである。しかし、この方法では試料を粉体化しなければならず、バルク状態での応力値や応力分布を測定できないとともに、試料を破壊しなければならないという問題がある。

また、ラマン活性な物質であれば入射光の波長とラマン散乱した光の波長から応力を測定することができるが、応力分布を得るためには多数の箇所で測定する必要があった。またラマン不活性な物質について測定ができないという問題を有している（例えば、特許文献３参照。）。

また、測定試料に周期的に外部応力を加えると、応力の大きさによって発熱量が異なり、輻射される赤外線の波長の差によって応力を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。この方法では、表面全体において測定可能であるが、内部応力を測定できないとともに、各部位における応力の正負も分からなった。

また、偏光した赤外線を利用して可視光領域で透過率の低いＸ線マスクに加わる応力を測定する装置（方法）が開示されている（例えば、特許文献５参照。）。
特開２００３−２１６３６３号公報特開平１０−４８１５８号公報特開平６−３４７３４３号公報特開２００１−４１８３１号公報特開平６−８４７６４号公報

しかし、特許文献５に記載の応力測定の方法は、偏光された赤外線が測定対象のＸ線マスクに照射される工程と、偏光板を用いて試料を透過した赤外線を選択的に透過させる工程と、偏光板を透過した赤外線の強弱を像として検出する工程とを含有するため、応力分布をモノクロームの濃淡（赤外線の強弱）の縞模様で観測することができるが、一見しただけではその応力の正負を判別できないとともに、応力値を求めることもできない。この方法では、応力の正負を判定する、または応力値を求めるためには、偏光板の回転角を調整しなければならないが、応力分布の濃淡を見極めるのが難しく熟練を要した。

また、例えば、曲げ試験のように連続的に試料に応力を加えながら、各部位における応力変化を測定しようとしても、応力値を求めるためには偏光板の回転角を調整しなければならず、同時に複数ヶ所の応力を測定することは事実上不可能であった。

本発明は、測定対象物を破壊することなく、可視光領域において透過率の低い試料であっても特定の点での応力値とその正負ならびにその応力分布を測定できる応力の測定方法および測定装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題に対して鋭意検討を行なった結果、偏光した赤外線と水晶楔とを利用することによって、可視光線の透光性の低い測定対象物であっても特定の点での応力値やその正負および応力分布を同時に測定できることを見出し、本発明として提案するものである。

本発明の応力の測定方法は、偏光された赤外線を照射し、測定対象物についで水晶楔を透過した赤外線の像を検出することを特徴とする。

また、本発明の応力測定装置は、赤外線を発生させる手段と、赤外線を偏光する手段と、測定対象物と水晶楔とを透過した赤外線の像を検出する手段とを備えることを特徴とする。

本発明の応力の測定方法を用いれば、可視光領域において透過率の低い測定対象物であっても、応力値とその正負および応力分布を同時に測定できる。このため、構造物、機械製品またはそれらを構成する個々の部品の設計等に非常に有用である。

また、本発明の応力の測定方法を用いれば、経時的に測定対象物の応力分布が変化する様子を観察することもできる。

さらに、本発明の応力測定装置を用いれば、例えばライン生産された部品等の測定対象物の応力値やその正負を流れ作業的に測定することができる。そのため、不良品を識別する検査器として使用できる。

水晶楔は、図２に示すように楔形の水晶板で、一定の割合で傾斜しており、厚さが一定の割合で変化したものである。水晶楔は、例えば３０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの水晶板に、３０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍで２分の角度が付けられた水晶板を貼り付けられたものである。

単色光源を使用した歪み測定装置に水晶楔を挿入すると、光路差がゼロ、１波長相当、２波長相当等の整数倍波長相当の部分に黒い縞（応力像）が形成される。単色光源と水晶楔の間に測定対象物を挿入すると、測定対象物の光路差（光路差＝光弾性定数×応力×光が通過した距離）と水晶楔の光路差との和がゼロ、または波長の整数倍の所に応力像が形成される。

従って、測定対象物に全く応力が加わっていなければ、図３に示すように測定対象物と水晶楔とを透過した応力像と、水晶楔のみを透過した応力像とが同一直線上に結像する。

また、測定対象物に引っ張り応力がかかっていると、光路差が負となるため応力像は前記光路差を補うため水晶楔の光路長が大きい方に応力像は移動し、圧縮応力がかかっていると、同様の原理でもって水晶楔の光路長が小さい方に応力像は移動する。

つまり、水晶楔によって形成された応力像と比較して、どちら側に測定対象物の応力像が結像するかによって、加わっている応力が引っ張りであるか、圧縮であるか判断することができる。また、水晶楔によって形成された応力像からのズレ（移動距離）から応力の値を求めることができる。

例えば、図４は、内部に引っ張り応力が、外表面に圧縮応力がかかっている測定対象物を測定した応力像である。応力像は基準線を挟んで反対側に現れ、基準線からの距離が応力の大きさを示す（今回の場合、右であるほど圧縮応力が大きく、左であるほど引っ張り応力が大きい）。

また、図５は、一方の表面（下面）には圧縮応力が、もう一方の表面（上面）に引っ張り応力が加わった測定対象物を測定した応力像である。

本発明において、赤外線とは波長８００〜２５００ｎｍの領域の光を指し、測定対象物のこの波長領域における平均透過率が４０％以上であると応力像の線がくっきりと観察できるため測定精度が高くなり好ましい。

また、波長８００〜２５００ｎｍの赤外線のいずれかの波長における測定対象物の透過率が４０％以上であると測定可能である。

本発明の応力の測定方法は、測定対象物が、可視光領域の透過率が低く（３０％以下）、前記赤外領域の光を透過できるもの、例えば、着色ガラス、結晶化ガラス、乳白ガラス、セラミックス等に対して有効な測定方法である。

赤外線を偏光する場合、ガラス製やプラスティック製の偏光板が使用可能である。

特定波長の赤外線で測定するために、光学フィルターを使用しても良い。

水晶楔は、照射光に対して垂直な面において、上下もしくは左右への平行移動、または回転移動可能であると、所望の位置を測定できるため好ましい。また、測定対象物を照射光に対して垂直な面において、上下もしくは左右への平行移動、または回転移動可能であっても良い。

赤外線の検出には、赤外線カメラを用いる。赤外線カメラが検出した赤外線の像は、コンピュータで演算されて、モニターに表示されたり、印刷されたりする。赤外線の像を拡大や縮小できると応力分布を詳細に得やすい。

以下に、本発明の応力分布の測定方法について説明する。

まず、赤外線発生装置から赤外線を照射する。

次に、前記照射された赤外線を偏光板を用いて偏光された赤外線とする。

続いて、偏光された赤外線を、測定対象物と水晶楔と両方を透過するように照射する。

最後に、前記透過した赤外線を赤外線検出装置を用いて検出し、その検出結果から応力分布を画像化する。

ちなみに、応力分布の画像から、各部位での応力値を得ることができる。

光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、白熱灯等を赤外線発生装置として使用可能である。

また、光源から発せられる光から好ましい波長の赤外線を選択するために光学フィルターを１枚または複数枚用いてもよい。

また、光源から平行光を得るためにレンズを用いてもよい。

以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。

図１に実施例の応力測定装置の概念図を、表１に測定結果を示す。

図１に示すように、応力測定装置１は、赤外線発生装置１０、光学フィルター１１、偏光子１２、測定対象物保持部材１３、水晶楔１４、赤外線カメラ１５、コンピュータ１６および表示装置１７からなり、赤外線発生装置１０、光学フィルター１１、偏光子１２、測定対象物保持部材１３、水晶楔１４および赤外線カメラ１５は一直線上にある。

なお、赤外線発生装置１０としてハロゲンランプを、偏光子１２としてルケオ製ＰＯＬＡＸ−３０ＩＲを、水晶楔１４として感度が２０ｎｍ／ｍｍのものを、赤外線カメラとしてアルファ・ＮＩＲを用いた。

以下の試料Ａ〜Ｃを作製し、各試料を測定対象物保持部材１３に載置し、各試料の応力を測定し、その精度を評価した。

［試料Ａ］
以下のようにして試料Ａを作製した。

まず、質量％表示で、ＳｉＯ₂ ６５．５％、Ａｌ₂Ｏ₃ ２２．０％、ＭｇＯ０．５％、Ｌｉ₂Ｏ４．０％、Ｎａ₂Ｏ０．５％、Ｋ₂Ｏ０．５％、Ｐ₂Ｏ₅ １．５％、ＺｒＯ₂ ２．５％、ＴｉＯ₂ ２．０％、Ａｓ₂Ｏ₃ １．０％の組成となるようにガラス原料を調合し、白金ルツボを用いて１５８０℃で１６時間ガラスを溶融した。

次に、溶融ガラスを白金ルツボからカーボン台に流し出し、ローラー成形して厚さが３ｍｍの原ガラスを作製した後、７００℃で炉冷した。

続いて、前記原ガラスを３００℃／時で７８０℃まで昇温し、２時間保持した後、８０℃／時で９２５℃まで昇温し、２時間保持して乳白色の結晶化ガラスを作製し、３０×３０×３ｍｍに切り出し対向する３０×３ｍｍの面を光学研摩して試料Ａを作製した。

［試料Ｂ］
質量％表示で、ＳｉＯ₂ ６５．０％、Ａｌ₂Ｏ₃ ２２．０％、ＭｇＯ０．５％、Ｌｉ₂Ｏ４．０％、Ｎａ₂Ｏ０．５％、Ｋ₂Ｏ０．５％、Ｐ₂Ｏ₅ １．５％、ＺｒＯ₂ ２．５％、ＴｉＯ₂ ２．０％、Ｖ₂Ｏ₅ ０．５％、Ａｓ₂Ｏ₃ １．０％の組成となるようにガラス原料を調合したことと、３００℃／時で７８０℃まで昇温し、２時間保持した後、８０℃／時で８５０℃まで昇温し、２時間保持した以外は試料Ａと同様にして黒色の結晶化ガラスからなる試料Ｂを作製した。

［試料Ｃ］
白色結晶化ガラス（日本電気硝子製Ｎ−１１）を３０×３０×３ｍｍに切りだした以外は試料Ａと同様にして試料Ｃを作製した。

平均透過率は、分光光度計（島津製作所製ＵＶ−３１００）を用いて測定した。なお、光路長は３０ｍｍである。

光学的遅延の検出感度は、波長２０００ｎｍの赤外線を用いて各試料（透光面：３０×３ｍｍ、光路長：３０ｍｍ）を測定対象物保持部材１３にセットして測定を行ない、０．１ＭＰａおきに段階的に応力を負荷した状態での応力分布画像から、画像処理によって検知できる最小の光学的遅延ΔＲを求めることで算出した。

また、応力の検知感度Δσは、光学的遅延の検出感度ΔＲから試料の光弾性定数をＣ、光路長をＬとして、Δσ＝ΔＲ／（Ｃ・Ｌ）として求めた。

表１から明らかなように、試料Ａ〜Ｃは１０^-6単位の光学的遅延を検出でき、応力の検知感度は０．１〜０．３ＭＰａと精度の高い値であった。

本発明の応力分布の測定方法および応力測定装置は、着色ガラス、結晶化ガラス、乳白ガラス、セラミックス以外にも、赤外線を充分に透過できるのであればプラスティックス、Ｓｉ等の半導体にも適用可能である。

実施例の応力測定装置を示す概念図である。水晶楔を示す斜視図である。応力のかかっていない試料を測定した時の応力像を示すものである。応力のかかった試料を測定した時の応力像の一例を示すものである。応力のかかった試料を測定した時の応力像の一例を示すものである。

符号の説明

１応力分布の測定装置
１０赤外線発生装置
１１光学フィルター
１２偏光子
１３測定対象物保持部材
１４水晶楔
１５赤外線カメラ
１６コンピュータ
１７表示装置
１８試料
３１測定対象物の上面
３２測定対象物の下面
３３水晶楔のみを透過した応力像
３４、３５、３６測定対象物と水晶楔を透過した応力像

Claims

偏光された赤外線を照射し、測定対象物についで水晶楔を透過した赤外線の像を検出することを特徴とする応力の測定方法。
測定対象物の波長８００〜２５００ｎｍにおける赤外線平均透過率が４０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の応力の測定方法。
波長８００〜２５００ｎｍのいずれかの波長における測定対象物の透過率が４０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の応力の測定方法。
測定対象物の波長４００〜８００ｎｍおける可視光線の平均透過率が３０％以下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応力の測定方法。
測定対象物が、着色ガラス、結晶化ガラス、乳白ガラスまたはセラミックスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の応力分布の測定方法。
赤外線を発生させる手段と、赤外線を偏光する手段と、測定対象物と水晶楔とを透過した赤外線の像を検出する手段とを備えることを特徴とする応力測定装置。