JP2016156763A - 歪センサー及び歪量測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】分光反射率のピーク波長を有する発光スペクトルを有する光を射出する光源2と、射出された光を反射するマーカー3と、反射された光のスペクトル強度を検出する検出部4と、検出されたスペクトル強度に基づいて分光反射率を算出し、分光反射率に基づいて歪量を算出する信号処理部5と、を備える。マーカー3は、マーカー3の設置面と平行な方向の荷重に対して変形するとともに、屈折率の異なる第1の媒質及び第2の媒質を備える。第2の媒質32は、マーカー3の設置面と平行な平面において第1の媒質と同時に存在するとともに、第1の媒質内に周期的に配列され、第2の媒質のマーカー3の設置面と平行な方向の最大長さは、射出される光の波長よりも短い。
【選択図】図1
Description
上記の歪センサーに対して、近年、構造物のモニタリングなどの目的から構造物全体に発生している歪みを測定したいというニーズが存在する。即ち、従来の歪点測定ではなく、被測定対象物に発生する歪みを場所毎に測定する歪場測定が可能な歪センサーが注目を集めている。
また、格子パターンを有するマーカーを被測定対象物に貼り付け、荷重による格子パターンの変位をカメラ等で撮影し、荷重前後の画像データを比較することで歪場の計測を可能とするモアレ法を用いた歪場計測が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
例えば、特許文献1記載の構成でナノメータースケールの変位による歪みを測定するには、ピコメータースケールの発光波長の変動量を測定する必要があるが、そのような微小な発光波長の変動量を現存の分光器で検出することは非常に難しい。
また、特許文献2記載の技術では、カメラを用いて歪みを測定するため、歪みの測定精度がカメラの解像度に依存する。現存のカメラの解像度を考慮すると、ノイズに埋もれることなく歪みを測定するには、マイクロメータースケールの変位による歪みを測定するのが限界であり、より微小なナノメータースケールの変位による歪みを測定することは困難である。
歪センサーにおいて、
光を射出する光源と、
被測定対象物の表面に設置され、前記光源から射出された光を反射又は透過するマーカーと、
前記マーカーにより反射又は透過された光のスペクトル強度を検出する検出部と、
前記検出部により検出された光のスペクトル強度に基づいて前記マーカーの分光反射率又は分光透過率を算出し、当該算出された分光反射率又は分光透過率に基づいて歪量を算出する信号処理部と、
を備え、
前記光源は、前記マーカーの分光反射率又は分光透過率のピーク波長を有する発光スペクトルを有する光を射出し、
前記マーカーは、屈折率の異なる第1の媒質及び第2の媒質を有する平板薄膜状に形成され、
前記第2の媒質は、前記マーカーの設置面と平行な平面において前記第1の媒質と同時に存在するとともに、前記第1の媒質内に周期的に配列され、
前記第2の媒質の前記マーカーの設置面と平行な方向の最大長さは、前記光源から射出される光の波長よりも短くなるように形成され、
前記第1の媒質及び前記第2の媒質は、前記マーカーの設置面と平行な方向の荷重に対して変形することを特徴とする。
前記マーカーは、2つ以上の異なる分光反射率又は分光透過率のピークを有することを特徴とする。
前記信号処理部は、前記分光反射率又は前記分光透過率と前記歪量との対応関係を示すテーブルデータに基づいて前記歪量を算出することを特徴とする。
前記第2の媒質が収容される領域は、平面視で前記マーカーの設置面と垂直な方向を中心軸とする真円形状に形成されることを特徴とする。
前記第2の媒質が収容される領域に、気体が収容されることを特徴とする。
前記光源及び前記検出部は、隣接して配置され、
前記光源は、前記マーカーの設置面と略垂直な方向に光を射出することを特徴とする。
前記マーカー及び前記被測定対象物は、透明体であり、
前記検出部は、前記マーカーにより透過された光のスペクトル強度を検出することを特徴とする。
前記マーカー及び前記被測定対象物の温度を測定する温度測定部を備え、
前記信号処理部は、前記温度測定部により測定された温度に基づいて、前記マーカー及び前記被測定対象物のヤング率を算出することを特徴とする。
前記光源は、1μm以下の波長の光束を射出することを特徴とする。
前記検出部により検出された光のスペクトル強度に基づいて前記マーカーの分光反射率又は分光透過率を算出する工程と、
当該算出された分光反射率又は分光透過率に基づいて歪量を算出する工程と、
を有することを特徴とする。
第1の媒質31は、アルミ、金、銀、チタン、酸化チタン等の金属又は樹脂等により形成された略正方形状の板状部材である。第1の媒質31には、第2の媒質32が収容される領域が、平面視でZ方向を中心軸とする真円形状に形成されている。
第2の媒質32は、アクリル樹脂等により形成され、平面視でZ方向を中心軸とする真円形状に形成されている。第2の媒質32は、第1の媒質31と同一の厚さを有するとともに、第1の媒質31内に周期的に配列されている。また、第2の媒質32の径X0が、光源2のピーク波長よりも短くなるように形成されている。
例えば、図5(A)及び図5(B)に示すように、マーカー3にX方向の荷重(X荷重711)が生じた場合、マーカー3はX方向に変位する。図5(C)に示すように、X荷重711が負荷される前の第2の媒質を320、X荷重711が負荷された後の第2の媒質を321とし、荷重負荷前の第2の媒質320の径をX0、荷重負荷後の第2の媒質321の径をX1とすると、X荷重711によりマーカー3に発生した歪量εxは、数式(1)で算出することができる。
数式(1):εx=(X1−X0)/X0
また、図6(A)〜図6(C)は、マーカー3にY方向の荷重(Y荷重712)が生じた場合に、マーカー3がY方向に変位することを示す図である。図6(C)に示すように、Y荷重712が負荷される前の第2の媒質を320、Y荷重712が負荷された後の第2の媒質を321とし、荷重負荷前の第2の媒質320の径をY0、荷重負荷後の第2の媒質321の径をY1とすると、Y荷重712によりマーカー3に発生した歪量εyは、数式(2)で算出することができる。
数式(2):εy=(Y1−Y0)/Y0
実施例1では、ナノメータースケールの変位による歪量を測定する。実施例1では、マーカー3として、第1の媒質31の厚さZ0が150nm、第2の媒質32の直径X0が100nm、第2の媒質32の周期C0が300nmのものを使用した。また、第1の媒質31としてアルミ(Al)を、第2の媒質32として二酸化ケイ素(SiO2)を使用した。また、光源2には、白色LEDを使用して、1μm以下の波長の光束を射出させた。
図7は、マーカー3に荷重が生じた場合及び荷重が生じていない場合の分光反射率を示している。分光反射率は、「反射光22の光量÷入射光21の光量」で算出される。図7に示すように、荷重が生じた場合と荷重が生じていない場合とで、ピーク波長(最大反射率を示す波長)が異なっている。これは、マーカー3に荷重が発生すると、マーカー3に含まれる第2の媒質32の形状が荷重により歪み、マーカー3の表面に発生する表面プラズモンの特性が変化するためである。実施例1では、荷重負荷(歪量εの増大)に伴い、分光反射率のピーク波長が短波長側へシフトしている。
図8は、歪量εとピーク波長シフト量の関係を示すテーブルデータである。信号処理部5で、図8に示すテーブルデータを予め用意しておくことで、基準ピークからのピーク波長のシフト量を算出し、算出されたピーク波長シフト量に基づいてマーカー3に発生している歪量εを算出することができる。なお、「基準ピーク」とは、荷重が生じていない場合におけるピーク波長のことを示している。例えば、基準ピークが312nm、検出部4が検出した分光反射率のピーク波長が285nmであった場合、基準ピークからのピーク波長シフト量は312−285=27nmである。図8に示すテーブルデータを参照することで、27nmのピーク波長シフト量に対応する歪量ε(≒0.11)を算出することができる。
実施例2では、マイクロメータースケールの変位による歪量を測定する。実施例2では、マーカー3として、第1の媒質31の厚さZ0が1μm、第2の媒質32の直径X0が4.8μm、第2の媒質32の周期C0が6μmのものを使用した。また、第1の媒質31としてアルミ(Al)を、第2の媒質32として二酸化ケイ素(SiO2)を使用した。また、光源2には、赤外且つ直線偏光の赤外レーザーを使用して、1μm以上の波長の光束を射出させた。
図9は、マーカー3に2段階の荷重(X荷重711)が生じた場合及び荷重が生じていない場合の分光反射率を示している。図9に示すように、小さい荷重が生じた場合、大きい荷重が生じた場合、荷重が生じていない場合とで、それぞれピーク波長が異なっている。これは、マーカー3に荷重が発生すると、マーカー3に含まれる第2の媒質32の形状が荷重の大きさに合わせて歪み、マーカー3の表面に発生する表面プラズモンの特性が変化するためである。実施例2では、荷重の増大に伴い、分光反射率のピーク波長が長波長側へシフトしている。
図10は、歪量εとピーク波長シフト量の関係を示すテーブルデータである。信号処理部5で、図10に示すテーブルデータを予め用意しておくことで、基準ピークからのピーク波長のシフト量を算出し、算出されたピーク波長シフト量に基づいてマーカー3に発生している歪量εを算出することができる。
また、波長帯域の異なる複数のレーザーを用いることも可能であり、その場合光の強度を強めることが容易であるため、荷重に対する分光反射率のピークシフトの信号成分が強くなり、ノイズを低減することができる。
従って、本実施形態に係る歪センサー1によれば、光源2の波長と第2の媒質32の径の長さをナノメータースケールに規定する(例えば、素子表面にナノメータースケールの均一な細孔が規則配列したナノホールアレイ構造材料を用いる)ことで、測定可能な変位量の範囲をナノメータースケールに規定することができるので、ナノメータースケールの変位による歪量を測定することができる。また、ナノメータースケールの変位であっても分光反射率の波長シフト量は数十nmであるので、通常使用される分光強度計で十分に波長シフト量を検出することができる。
なお、本実施形態に係る歪センサー1によれば、光源2の波長を1μm以上にすることで、測定可能な変位量の範囲をマイクロメータースケールに規定することができ、マイクロメータースケールの変位による歪量を精度よく測定することができる。
第2の媒質32が収容される領域に気体を収容することで、マーカー3が変位した際に第1の媒質31と第2の媒質32の間に隙間が発生せず、また、マーカー3の温度が上昇した場合でも、第1の媒質31と第2の媒質32の熱膨張の差により発生する応力を小さくすることができるので、歪量の検出精度を更に向上させることができる。
これにより、マーカー3に対して略垂直に光束を入射することができるので、光束の入射角度による分光強度のバラツキを極力抑えることができ、歪量の測定精度の安定性を確保することができる。
これにより、マーカー3及び被測定対象物Wを透過した光を用いて歪量を測定することができるので、反射光を用いた測定と比べ、測定精度をより向上させることができる。
これにより、算出されたヤング率に基づいて測定値を補正することができるので、歪量の測定精度をより向上させることができる。また、歪量のみならず、荷重により発生する応力も算出することができる。
2 光源
21 入射光
22 反射光
3 マーカー
31 第1の媒質
32 第2の媒質
4 検出部
5 信号処理部
W 被測定対象物
Claims (10)
- 光を射出する光源と、
被測定対象物の表面に設置され、前記光源から射出された光を反射又は透過するマーカーと、
前記マーカーにより反射又は透過された光のスペクトル強度を検出する検出部と、
前記検出部により検出された光のスペクトル強度に基づいて前記マーカーの分光反射率又は分光透過率を算出し、当該算出された分光反射率又は分光透過率に基づいて歪量を算出する信号処理部と、
を備え、
前記光源は、前記マーカーの分光反射率又は分光透過率のピーク波長を有する発光スペクトルを有する光を射出し、
前記マーカーは、屈折率の異なる第1の媒質及び第2の媒質を有する平板薄膜状に形成され、
前記第2の媒質は、前記マーカーの設置面と平行な平面において前記第1の媒質と同時に存在するとともに、前記第1の媒質内に周期的に配列され、
前記第2の媒質の前記マーカーの設置面と平行な方向の最大長さは、前記光源から射出される光の波長よりも短くなるように形成され、
前記第1の媒質及び前記第2の媒質は、前記マーカーの設置面と平行な方向の荷重に対して変形することを特徴とする歪センサー。 - 前記マーカーは、2つ以上の異なる分光反射率又は分光透過率のピークを有することを特徴とする請求項1に記載の歪センサー。
- 前記信号処理部は、前記分光反射率又は前記分光透過率と前記歪量との対応関係を示すテーブルデータに基づいて前記歪量を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の歪センサー。
- 前記第2の媒質が収容される領域は、平面視で前記マーカーの設置面と垂直な方向を中心軸とする真円形状に形成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の歪センサー。
- 前記第2の媒質が収容される領域に、気体が収容されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の歪センサー。
- 前記光源及び前記検出部は、隣接して配置され、
前記光源は、前記マーカーの設置面と略垂直な方向に光を射出することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の歪センサー。 - 前記マーカー及び前記被測定対象物は、透明体であり、
前記検出部は、前記マーカーにより透過された光のスペクトル強度を検出することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の歪センサー。 - 前記マーカー及び前記被測定対象物の温度を測定する温度測定部を備え、
前記信号処理部は、前記温度測定部により測定された温度に基づいて、前記マーカー及び前記被測定対象物のヤング率を算出することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の歪センサー。 - 前記光源は、1μm以下の波長の光束を射出することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の歪センサー。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の歪センサーを用いた歪量測定方法であって、
前記検出部により検出された光のスペクトル強度に基づいて前記マーカーの分光反射率又は分光透過率を算出する工程と、
当該算出された分光反射率又は分光透過率に基づいて歪量を算出する工程と、
を有することを特徴とする歪量測定方法。
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- 2015-02-26 JP JP2015036059A patent/JP2016156763A/ja active Pending
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