JP2020034468A

JP2020034468A - 応力発光計測装置及び応力発光計測方法

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Publication number: JP2020034468A
Application number: JP2018162398A
Authority: JP
Inventors: 翔橋本; Sho Hashimoto
Original assignee: Toyota Production Engineering Corp
Current assignee: Toyota Production Engineering Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: JP6499363B1

Abstract

【課題】不定な時間間隔で連続発生する応力発光を、蛍光及び燐光を含む自然放出光から分離して計測することができる応力発光計測装置及び応力発光計測方法を提供すること。【解決手段】第１励起光照射部２０と、第２励起光照射部２１と、撮像部３０と、基準応力に応じた応力発光量を予め取得する応力発光量取得部１４と、励起光量に対する自然放出光量の関係を予め取得する関係取得部１５と、自然放出光量に対する応力発光量の比が所定値以上となる第１励起光照射部２０の第１励起光量を決定する第１励起光量決定部１６と、第２励起光量を決定する第２励起光量決定部１７と、第１励起光量の励起光を連続照射するとともに第２励起光量の励起光を周期的に照射する照射制御部１８と、撮像部３０が撮像した画像フレームのうち、第２励起光照射部２１による励起光が照射された画像フレームを削除する計測画像取得制御部１９とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、不定な時間間隔で連続発生する応力発光を、蛍光及び燐光を含む自然放出光から分離して計測することができる応力発光計測装置及び応力発光計測方法に関する。

従来、計測対象の残留応力や応力集中などによる破壊を検知又は予測するために、応力分布が計測されることが多い。一般的に、応力分布の計測手法として、（１）計測対象にひずみゲージを貼り付けてひずみ量を電気的に検出する手法Ａ、（２）赤外線カメラを用いて計測対象の振動に対する発熱作用又は吸熱作用を計測して応力分布を求める手法Ｂ、（３）計測対象の表面にランダム模様を付与して複数カメラで撮像し、応力変動を求めるデジタル画像相関法Ｃなどが知られている。

ところが、上記の手法Ａは、ひずみゲージは貼り付けのための手間がかかるとともに計測部位が限られるという問題がある。また、上記の手法Ｂは、赤外線カメラは測定範囲が限られ、繰り返し加振が必要になるという問題がある。さらに、上記のデジタル画像相関法Ｃは、事前に表面模様の準備が必要になるという問題がある。

このため、非接触かつ広範囲に一括で応力計測するために、応力発光体を表面に付与した計測対象からの応力発光を撮像することにより、計測対象の応力分布を非接触で計測する技術が注目されている。例えば、特許文献１には、応力発光体の励起状態が飽和するまでの励起光照射時間を記憶しておき、この励起光照射時間分、励起光を照射することによって応力発光体の励起状態を飽和状態にし、一定条件で発光する装置が開示されている。なお、応力発光塗料を応力発光させるためには、応力発光塗料内の応力発光体を励起状態にする必要があり、この応力発光体の励起は、応力発光塗料に励起光を照射する必要がある。

特開２０１６−１８０６３７号公報

しかしながら、応力発光塗料の励起エネルギーの充填率が低い状態になると、応力発光塗料に応力が与えられたとしても、応力に起因する応力発光の発光感度が低下するため、時間的に連続した応力計測を行うことができなくなってしまう。したがって、応力発光塗料の十分な励起状態を保持するために応力発光塗料に励起光を連続照射すればよいが、応力発光塗料に励起光を照射すると、励起光の照射時点から励起光量に応じた蛍光と燐光とが自然放出光として発光し、応力に起因する応力発光が自然放出光に埋もれてしまい、自然放出光から応力発光を分離して検出することが困難になるという課題が生ずる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、不定な時間間隔で連続発生する応力発光を、蛍光及び燐光を含む自然放出光から分離して計測することができる応力発光計測装置及び応力発光計測方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、応力発光体を含む応力発光塗料に励起光を照射して前記応力発光体を励起状態にし、不定な時間間隔で前記応力発光体に加えられる応力に応じた応力発光を計測する応力発光計測装置であって、前記応力発光塗料に励起光を連続照射する第１励起光照射部と、前記応力発光塗料に励起光を周期的に照射する第２励起光照射部と、前記応力発光塗料を撮像する撮像部と、前記応力発光体に加えられる基準応力に応じた応力発光量を予め取得する応力発光量取得部と、前記応力発光体を励起する励起光量に対する自然放出光量の関係を予め取得する関係取得部と、前記第１励起光照射部が励起光を照射した場合に発光する自然放出光量に対する前記応力発光量の比が所定値以上となる前記第１励起光照射部の第１励起光量を決定する第１励起光量決定部と、前記第１励起光量を増加する所定増分励起光量を前記第２励起光照射部の第２励起光量として決定する第２励起光量決定部と、前記第１励起光照射部を介して前記第１励起光量の励起光を連続照射するとともに前記第２励起光照射部を介して前記第２励起光量の励起光を周期的に照射する照射制御部と、前記撮像部が撮像した画像フレームのうち、前記第２励起光照射部による励起光が照射された画像フレームを削除し、又は、前記撮像部に対して前記第１励起光照射部による励起光が照射された画像フレームのみ取得する計測画像取得制御部とを備えたことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記第１励起光量決定部は、前記応力発光量が前記基準応力に応じた応力発光量を超える所定応力発光量以上となった場合、前記自然放出光量に対する前記応力発光量の比が所定値以上であって、前記所定応力発光量の応力発光を可能にする第１励起光量を決定することを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記照射制御部は、交番する奇数画像フレーム及び偶数画像フレームのうちのいずれか一方の画像フレームを第１画像フレームとし、他方の画像フレームを第２画像フレームとした場合、前記第１励起光照射部による前記第１励起光量の励起光を連続照射するとともに、前記第２励起光照射部による前記第２励起光量の励起光を前記第１画像フレームの撮像時に照射し、前記計測画像取得制御部は、前記第１画像フレームを削除し、前記第２画像フレームを計測画像フレームとして取得することを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記照射制御部は、前記第１画像フレームの撮像期間の開始時点から前記第２励起光量の励起光の照射を開始し、前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点前に前記第２励起光量の励起光の照射を終了することを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点前における前記第２励起光量の励起光の照射終了時点から前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点までの期間は、前記第２励起光量の励起によって発生する燐光が前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点において所定光量以下となる期間であることを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記計測画像取得制御部は、前記撮像部に対して前記第２画像フレームのみを撮像させ、前記第２画像フレームを前記計測画像フレームとして取得することを特徴とする。

また、本発明は、応力発光体を含む応力発光塗料に励起光を照射して前記応力発光体を励起状態にし、前記応力発光体に加えられる応力に応じた応力発光を計測する応力発光計測方法であって、前記応力発光体に加えられる基準応力に応じた応力発光量を予め取得する応力発光量取得ステップと、前記応力発光体における励起光量に対する蛍光光量の関係を予め取得する関係取得ステップと、前記応力発光体に励起光を連続照射する第１励起光照射部が励起光を照射した場合に発光する自然放出光量に対する前記応力発光量の比が所定値以上となる前記第１励起光照射部の第１励起光量を決定する第１励起光量決定ステップと、前記第１励起光量を増加する所定増分励起光量を照射する第２励起光照射部の第２励起光量として決定する第２励起光量決定ステップと、前記第１励起光照射部を介して前記第１励起光量の励起光を連続照射するとともに前記第２励起光照射部を介して前記第２励起光量の励起光を周期的に照射する照射制御ステップと、前記応力発光塗料を撮像する撮像部が撮像した画像フレームのうち、前記第２励起光照射部による励起光が照射された画像フレームを削除し、又は、前記撮像部に対して前記第１励起光照射部による励起光が照射された画像フレームのみ取得する計測画像取得制御ステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記第１励起光量決定ステップは、前記応力発光量が前記基準応力に応じた応力発光量を超える所定応力発光量以上となった場合、前記自然放出光量に対する前記応力発光量の比が所定値以上であって、前記所定応力発光量の応力発光を可能にする第１励起光量を決定することを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記照射制御ステップは、交番する奇数画像フレーム及び偶数画像フレームのうちのいずれか一方の画像フレームを第１画像フレームとし、他方の画像フレームを第２画像フレームとした場合、前記第１励起光照射部を介して前記第１励起光量の励起光を連続照射するとともに、前記第２励起光照射部を介して前記第２励起光量の励起光を前記第１画像フレームの撮像時に照射し、前記計測画像取得制御ステップは、前記第１画像フレームを削除し、前記第２画像フレームを計測画像フレームとして取得することを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記照射制御ステップは、前記第１画像フレームの撮像期間の開始時点から前記第２励起光量の励起光の照射を開始し、前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点前に前記第２励起光量の励起光の照射を終了することを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記計測画像取得制御ステップは、前記撮像部に対して前記第２画像フレームのみを撮像させ、前記第２画像フレームを前記計測画像フレームとして取得することを特徴とする。

本発明によれば、不定な時間間隔で連続発生する応力発光を、蛍光及び燐光を含む自然放出光から分離して計測することができる。

図１は、本実施の形態に係る応力発光計測装置の構成を示す図である。図２は、励起光の照射をオフした場合における自然放出光量の時間推移を示す図である。図３は、発生する応力に対する応力発光量の関係を示す図である。図４は、基準応力が加えられた場合における応力発光プロファイルを示す図である。図５は、第１励起光量に対する自然放出光量の関係を示す図である。図６は、従来の連続励起による発光状態と本実施の形態の連続励起による発光状態とを比較する図である。図７は、第１励起光量の励起光を連続照射するとともに奇数画像フレームの撮像期間に第２励起光量の励起光を照射する場合における応力発光計測処理のタイムチャートである。図８は、制御部による応力発光計測処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係る応力発光計測装置及び応力発光計測方法について説明する。

＜装置構成＞
図１は、本実施の形態に係る応力発光計測装置１の構成を示す図である。図１に示した応力発光計測装置１は、例えば外部からの力Ｐが加わることによって発生した応力Ｓにより金属疲労が生じる計測対象部材１０１の表面に、応力発光体が含まれる応力発光塗料２が塗布されている。

計測対象部材１０１に発生する応力Ｓは、不定な時間間隔で連続発生する。応力発光計測装置１は、応力発光体を含む応力発光塗料２に第１励起光Ｌ０１を連続照射するとともに、第２励起光Ｌ０２を周期的に照射して応力発光体を励起状態にし、応力発光体に発生する応力Ｓに応じた応力発光Ｌ２を計測する。なお、撮像した画像フレームのうち、第２励起光が照射された画像フレームは削除される。また、応力発光体が励起状態にあると、応力発光Ｌ２とは無関係に蛍光及び燐光として自然放出する自然放出光Ｌ１を発光する。

応力発光体は、外部からの機械刺激により発光する発光材料である。機械刺激の種類としては摩擦、衝撃、圧縮、引っ張り、ねじりなどがあり、かかる機械刺激により応力発光体に応力が発生する。応力発光体は、例えば、粒子径の制御が可能な粉末状のセラミックス微粒子であり、ユーロピウムをドープし構造制御したアルミン酸ストロンチウム（ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ）、遷移金属や希土類をドープした硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｍｎ）、チタン酸バリウム・カルシウム（（Ｂａ，Ｃａ）ＴｉＯ３：Ｐｒ）、アルミン酸カルシウム・イットリウム（ＣａＹＡｌ３Ｏ７：Ｃｅ）などである。なお、上記の応力発光体は、紫外線を励起光として可視光を発光するものであるが、紫外線や近赤外線を発光するものであってもよい。

図１に示した応力発光計測装置１は、第１励起光Ｌ０１である紫外線を応力発光塗料２に連続照射する第１励起光照射部２０と、第２励起光Ｌ０２である紫外線を応力発光塗料２に周期的に照射する第２励起光照射部２１と、応力発光塗料２からの発光を撮像する撮像部３０と、装置本体１０とを有する。

装置本体１０は、入出力部１１、記憶部１２及び制御部１３を有し、第１励起光照射部２０、第２励起光照射部２１及び撮像部３０に接続される。入出力部１１は、各種操作入力及び表示出力等を行うタッチパネル式ディスプレイなどの入出力インターフェースである。

記憶部１２は、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリ又はハードディスク装置等の二次記憶媒体等からなる記憶デバイスであり、応力発光量ＬＭＳを含む応力発光量データＤ１と、自然放出光量の励起光量依存性の関係ｆ２を含む関係データＤ２と、第１励起光量Ｌ０１ａを含む第１励起光量データＤ３と、第２励起光量Ｌ０２ｂを含む第２励起光量データＤ４と、計測画像Ｄを含む計測画像データＤ５とを記憶する。

制御部１３は、応力発光計測装置１を全体制御する制御部であり、応力発光量取得部１４、関係取得部１５、第１励起光量決定部１６、第２励起光量決定部１７、照射制御部１８及び計測画像取得制御部１９を有する。実際には、これらの機能部に対応するプログラムを図示しないＲＯＭや不揮発性メモリに記憶しておき、これらのプログラムをＣＰＵ（Central Processing Unit）にロードして実行することにより、応力発光量取得部１４、関係取得部１５、第１励起光量決定部１６、第２励起光量決定部１７、照射制御部１８及び計測画像取得制御部１９にそれぞれ対応するプロセスを実行させることになる。

応力発光量取得部１４は、応力発光体に加えられる基準応力ＳＳに応じた応力発光量ＬＭＳを予め取得する。この応力発光量ＬＭＳは、応力発光量データＤ１に含まれる。

関係取得部１５は、応力発光体を励起する励起光量に対する蛍光光量の関係ｆ２を予め取得する。この関係ｆ２は、関係データＤ２に含まれる。

第１励起光量決定部１６は、第１励起光照射部２０が第１励起光Ｌ０１を照射した場合に発光する自然放出光量に対する応力発光量ＬＭＳの比が所定値以上となる第１励起光照射部２０の第１励起光量Ｌ０１ａを決定する。決定した第１励起光量Ｌ０１ａは、第１励起光量データＤ３に含まれる。

第２励起光量決定部１７は、第１励起光量Ｌ０１ａを増加する所定増分励起光量を第２励起光照射部２１の第２励起光量Ｌ０２ｂとして決定する。決定した第２励起光量Ｌ０２ｂは、第２励起光量データＤ４に含まれる。

照射制御部１８は、第１励起光照射部２０を介して第１励起光量Ｌ０１ａの第１励起光Ｌ０１を連続照射するとともに、第２励起光照射部２１を介して第２励起光量Ｌ０２ｂの第２励起光Ｌ０２を周期的に照射する。

計測画像取得制御部１９は、撮像部３０により撮像された応力発光塗料２の計測画像Ｄを取得し、記憶部１２の計測画像データＤ５として記憶する。

＜第１励起光量Ｌ０１ａの決定処理＞
次に、第１励起光量決定部１６による第１励起光量Ｌ０１ａの決定処理について説明する。

まず、上記のように、自然放出光Ｌ１は、応力発光体が励起状態にあると、応力発光Ｌ２とは無関係に蛍光及び燐光を自然放出する。蛍光は、励起光Ｌ０から吸収した励起状態のエネルギーの一部を熱として放出し、残りの励起状態のエネルギーを光として放出するものであり、励起光よりも長波長側にシフトした光、例えば緑色の可視光として放出される。一方、燐光は、異なるエネルギー準位間の項間交差が起こり、すぐに基底状態に戻れず、蛍光に比してゆっくりと発光し続ける。例えば、蛍光は１０^-6〜１０^-3秒で発光し、燐光は１０^-3〜１０秒で発光する。これに対し、応力Ｓに起因する応力発光Ｌ２は、励起状態のエネルギーの一部を熱として放出し、蛍光及び燐光のエネルギー準位に近く、かつ、異なる特定のエネルギー準位に遷移し、応力Ｓが発生した場合、この遷移した特定のエネルギー準位から基底状態に遷移することによって、例えば緑色の可視光として発光する。

したがって、図２に示すように、自然放出光量ＬＭ１は、第１励起光Ｌ０１又は第２励起光Ｌ０２が照射されている間は、蛍光が大部分を占める蛍光領域Ｅ１が形成され、第１励起光Ｌ０１の照射がオフされた時点ｔ１からは燐光のみとなり、燐光の光量が時間経過とともに減少する燐光領域Ｅ２が形成される時間推移を呈する。例えば、最大励起状態の自然放出光量ＬＭ１（最大光量Ｌｍａｘ）を１００％として正規化した場合、時点ｔ２，ｔ３，ｔ４と時間経過するに従って、それぞれ光量が３０％、２０％、１０％に減少する。

一方、応力Ｓが発生した場合に応力発光体から発光する応力発光Ｌ２の応力発光量ＬＭ２は、ひずみ量とひずみ速度との乗算値で決定され、ひずみ速度が一定であった場合、図３に示すように、発生する応力Ｓの大きさに対して直線的な関係ｆ１を有する。しかし、応力Ｓの発生時に、応力発光体における応力発光のエネルギー準位におけるエネルギー充填率が低いと、応力Ｓに応じた応力発光量ＬＭ２を発光することができなくなる。この関係ｆ１を維持しない応力発光が発生すると、精度の高い応力分布、応力変化を得ることができないとともに、応力発光が燐光に埋もれてしまう可能性がある。

このため、本実施の形態では、照射制御部１８が第１励起光照射部２０を介して第１励起光Ｌ０１を応力発光塗料２に対して連続照射を行って、発生した応力Ｓに応じた応力発光量ＬＭＳが得られるエネルギー充填量となるようにしている。しかし、第１励起光Ｌ０１が応力発光体に照射されると、上記の自然放出光Ｌ１、特に蛍光が発生し、十分なエネルギー充填量に励起された状態であっても、応力発光量ＬＭ２が自然放出光量ＬＭ１に埋もれてしまい、応力発光Ｌ２と自然放出光Ｌ１とを分離して計測できなくなってしまう。

そこで、図３及び図４に示すように、応力発光量取得部１４は、基準応力ＳＳに対する応力発光量ＬＭＳを取得する。そして、この信号成分である応力発光量ＬＭＳを、雑音成分である自然放出光量ＬＭ１から分離して計測できるようにするため、第１励起光Ｌ０１の連続照射時における自然放出光量ＬＭ１を小さくするため、第１励起光量ＬＭ０１を小さくする。

図５に示すように、励起光量ＬＭ０１に対する自然放出光量ＬＭ１の関係ｆ２は、第１励起光量ＬＭ０１の増大に伴って自然放出光量ＬＭ１が増大する。関係取得部１５は、この関係ｆ２を予め取得しておく。なお、自然放出光量ＬＭ１は、第１励起光Ｌ０１が連続照射されているため、ほとんど蛍光光量である。なお、自然放出光量ＬＭ１及び応力発光量ＬＭ２は、単位時間あたりに通過する光量である。

そして、第１励起光量決定部１６は、自然放出光量（蛍光光量）ＬＭ１に対する応力発光量ＬＭＳの比が所定値以上となる第１励起光量Ｌ０１ａを決定する。この第１励起光量Ｌ０１ａは、第１励起光量Ｌ０１ａの時の自然放出光量Ｌａに対する応力発光量ＬＭＳの比が所定値、例えば２５ｄＢ以上となる値である。なお、第１励起光量Ｌ０１ａで励起する場合、第１励起光量Ｌ０１ａによって応力発光体に充填されるエネルギー充填率は飽和状態でなく、エネルギー充填量が低い。このため、第１励起光量Ｌ０１ａは、発生する応力Ｓ（基準応力ＳＳ）に応じた応力発光量ＬＭＳを発光できるエネルギー充填量以上となることが必要である。

図６（ａ）に示すように、従来、自然放出光量ＬＭ１は、第１励起光Ｌ０１の連続照射によって応力発光体のエネルギー充填率が１００％（飽和状態）となっていて、自然放出光量ＬＭ１は最大光量Ｌｍａｘであった。応力発光量ＬＭＳが最大光量Ｌｍａｘ以下となった場合、応力発光Ｌ２は自然放出光Ｌ１に完全に埋もれてしまう。

これに対し、本実施の形態では、図６（ｂ）に示すように、第１励起光量ＬＭ０１を第１励起光量Ｌ０１ａまで減らして自然放出光量ＬＭ１を最大光量Ｌｍａｘより小さく、さらに、応力発光量ＬＭＳよりも小さい自然放出光量Ｌａとしているため、応力発光Ｌ２は自然放出光Ｌ１に埋もれない。すなわち、応力発光量ＬＭＳと自然放出光量Ｌａとの間に大きな光量差ΔＬが生じ、応力発光Ｌ２と自然放出光Ｌ１とを分離して計測することができる。すなわち、第１励起光Ｌ０１を連続照射する場合であっても、雑音成分としての自然放出光量Ｌａに対する、信号成分としての応力発光量ＬＭＳの比（Ｓ／Ｎ比）を所定値以上、例えば２５ｄＢ以上とすることができ、応力発光Ｌ２と自然放出光Ｌ１とを分離して計測することができる。

特に、不定な時間間隔で応力発光Ｌ２が連続発生する場合であっても、第１励起光Ｌ０１を連続照射しているので、応力発光Ｌ２を自然放出光Ｌ１から分離して計測することができる。

＜第２励起光量Ｌ０２ｂの決定処理及び照射処理＞
次に、第２励起光量決定部１７による第２励起光量Ｌ０２ｂの決定処理及び第２励起光量Ｌ０２ｂの照射処理について説明する。

第２励起光量Ｌ０２ｂは、第１励起光量Ｌ０１ａを増加する所定増分励起光量を第２励起光照射部２１の第２励起光量Ｌ０２ｂとして決定する。所定増分励起光量は、例えば第１励起光量Ｌ０１ａの２０％である。

図７（ａ）に示すように、第１励起光量Ｌ０１ａは、連続照射される。また、図７（ｂ）に示すように、第２励起光量Ｌ０２ｂは、奇数画像フレームの撮像時に照射される。そして、第２励起光量Ｌ０２ｂは、奇数画像フレームの撮像期間の開始時点ｔ１１から第２励起光量Ｌ０２ｂの第２励起光Ｌ０２の照射を開始し、同じ奇数画像フレームの撮像期間の終了時点ｔ１３より前の照射終了時点ｔ１２において第２励起光量Ｌ０２ｂの第２励起光Ｌ０２の照射を終了する。照射終了時点ｔ１２から奇数画像フレームの撮像期間の終了時点ｔ１３までの期間Ｔｂは、第２励起光量Ｌ０２ｂの励起によって発生する燐光が奇数画像フレームの終了時点ｔ１３において所定光量以下となる期間である。

すなわち、図７（ｃ）に示すように、第２励起光量Ｌ０２ｂの励起によって自然放出光量Ｌｂが発生するが、照射終了時点ｔ１２以降の期間Ｔｂでは燐光のみの自然放出光量Ｌｂとなって時間の経過とともに減少する。そして、自然放出光量Ｌｂは、奇数画像フレームの撮像期間の終了時点ｔ１３において所定光量Ｌｂ０以下となる。この結果、次の偶数画像フレームの撮像期間の自然放出光量は、所定光量Ｌｂ０以下となる。そして、偶数画像フレームの撮像期間では、ほとんど第１励起光Ｌ０１による自然放出光量ＬＭ１のみとなる。したがって、偶数画像フレームの撮像期間の自然放出光量ＬＭ１は第１励起光量Ｌ０１ａによって制御される。

しかも、図７（ｄ）に示すように、直前の奇数画像フレームの撮像期間では、第１励起光量Ｌ０１ａに第２励起光量Ｌ０２ｂが増分されているため、次の偶数画像フレームの撮像期間におけるエネルギー充填量は、第１励起光量Ｌ０１ａのみの励起によるエネルギー充填量よりも大きくなる。

この結果、偶数画像フレームの撮像期間に基準応力ＳＳを超える大きな応力Ｓが発生しても、応力発生に関するエネルギー充填量が大きいため、応力発光量ＬＭＳを超える大きな応力発光量ＬＭ２の発光が可能になる。また、偶数画像フレームの撮像期間では、ほぼ第１励起光量Ｌ０１ａによる自然放出光量（蛍光光量）ＬＭ１のみとなるため、Ｓ／Ｎ比が大きくなって、信号成分である応力発光量ＬＭ２と自然放出光量ＬＭ１とを極めて容易に分離した精度の高い応力発光計測を行うことができる。

なお、図７（ｅ）及び図７（ｆ）に示すように、計測画像取得制御部１９は、自然放出光量ＬＭ１が大きい奇数画像フレームを削除し、偶数画像フレームのみを計測画像Ｄとして計測画像データＤ５に記憶する。

＜応力発光計測処理＞
次に、制御部１３による応力発光計測処理手順について説明する。図８は、制御部１３による応力発光計測処理手順を示すフローチャートである。図８に示すように、まず、応力発光量取得部１４は、基準応力ＳＳに応じた応力発光量ＬＭＳを取得する（ステップＳ１０１）。その後、関係取得部１５は、第１励起光量ＬＭ０１に対する自然放出光量（蛍光光量）ＬＭ１の関係ｆ２を取得する（ステップＳ１０２）。その後、第１励起光量決定部１６は、自然放出光量ＬＭ１に対する応力発光量ＬＭＳの比が所定値以上となる第１励起光量Ｌ０１ａを決定する（ステップＳ１０３）。さらに、第２励起光量決定部１７は、第２励起光量Ｌ０２ｂを決定する（ステップＳ１０４）。第２励起光量Ｌ０２ｂは、例えば、第１励起光量Ｌ０１ａの２０％である。

その後、制御部１３は、応力発光計測の開始か否かを判定する（ステップＳ１０５）。応力発光計測の開始でないならば（ステップＳ１０５；Ｎｏ）、ステップＳ１０５の判定処理を繰り返す。一方、応力発光計測の開始であるならば（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）、照射制御部１８の制御のもとに、第１励起光量決定部１６によって決定された第１励起光量Ｌ０１ａの第１励起光Ｌ０１を、第１励起光照射部２０を介して連続照射し、第２励起光量決定部１７によって決定された第２励起光量Ｌ０２ｂの第２励起光Ｌ０２を、第２励起光照射部２１を介して、奇数画像フレームの撮像期間などに周期的に照射するとともに、計測画像取得制御部１９の制御のもとに、撮像部３０を介して応力発光塗料２の計測画像Ｄを撮像する（ステップＳ１０６）。

その後、計測画像取得制御部１９は、第２励起光量Ｌ０２ｂの第２励起光Ｌ０２が照射された奇数画像フレームを削除し、偶数画像フレームを計測画像Ｄとして記憶部１２に記憶する（ステップＳ１０７）・

その後、応力発光計測の終了か否かを判定する（ステップＳ１０８）。応力発光計測の終了でないならば（ステップＳ１０８；Ｎｏ）、ステップＳ１０６に移行して上記の照射処理及び撮像処理を繰り返し行う。一方、応力発光計測の終了であるならば（ステップＳ１０８；Ｙｅｓ）、本処理を終了する。

なお、第１励起光量決定部１６は、応力発光量ＬＭ２が基準応力ＳＳに応じた応力発光量ＬＭＳを超える所定応力発光量以上となった場合、自然放出光量ＬＭ１に対する応力発光量ＬＭ２の比が所定値以上であって、所定応力発光量の応力発光を可能にする第１励起光量Ｌ０１ａを決定する調整してもよい。すなわち、応力発光量ＬＭ２が大きくなり、単位時間あたりのエネルギー消費量が高くなった場合、第１励起光量ＬＭ０１を増加して、常時、高いエネルギー充填率を維持するように調整してもよい。なお、この場合、基準応力ＳＳが大きくなり、基準応力ＳＳに対する応力発光量ＬＭＳが大きくなることと等価であるため、応力発光量ＬＭＳを設定変更すればよい。

また、奇数画像フレーム及び偶数画像フレームは交番する画像フレームであり、偶数画像フレームの期間に第１励起光量Ｌ０１ａ及び第２励起光量Ｌ０２ｂを照射するとともに奇数画像フレームの期間に第１励起光量Ｌ０１ａのみを照射し、偶数画像フレームを削除し、奇数画像フレームのみを計測画像Ｄとして計測画像データＤ５に記憶するようにしてもよい。

さらに、計測画像取得制御部１９は、撮像部３０により撮像された画像フレームから奇数画像フレームを削除するようにしているが、奇数画像フレームを削除するのではなく、撮像部３０に対して、第１励起光量Ｌ０１ａのみが照射される期間の画像フレームである偶数画像フレームのみを撮像させ、この偶数画像フレームのみを計測画像Ｄとして計測画像データＤ５に記憶するようにしてもよい。

また、上記の実施の形態では、撮像部３０を用いた計測画像を得るようにしていたが、これに限らず、目視計測を行ってもよい。

さらに、上記の実施の形態では、第１励起光照射部２０と第２励起光照射部２１とを分離した構成としているが、これに限らず、第１励起光照射部２０の機能と第２励起光照射部２１の機能とを１つの励起光照射部として構成してもよい。

なお、上記の実施の形態で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

本発明の応力発光計測装置及び応力発光計測方法は、応力発光体を含む応力発光塗料に励起光を照射して前記応力発光体を励起状態にし、前記応力発光体に加えられる応力に応じた応力発光を計測する場合に有用であり、特に不定な時間間隔で連続発生する応力発光を、蛍光及び燐光を含む自然放出光から分離して計測する場合に有用である。

１応力発光計測装置
２応力発光塗料
１０装置本体
１１入出力部
１２記憶部
１３制御部
１４応力発光量取得部
１５関係取得部
１６第１励起光量決定部
１７第２励起光量決定部
１８照射制御部
１９計測画像取得制御部
２０第１励起光照射部
２１第２励起光照射部
３０撮像部
１０１計測対象部材
Ｄ計測画像
Ｄ１応力発光量データ
Ｄ２関係データ
Ｄ３第１励起光量データ
Ｄ４第２励起光量データ
Ｄ５計測画像データ
Ｅ１蛍光領域
Ｅ２燐光領域
ｆ１，ｆ２関係
Ｌ０１第１励起光
Ｌ０１ａ第１励起光量
Ｌ０２第２励起光
Ｌ０２ｂ第２励起光量
Ｌ１自然放出光
Ｌ２応力発光
Ｌａ，Ｌｂ，ＬＭ１自然放出光量
Ｌｂ０所定光量
ＬＭ０１第１励起光量
ＬＭ２応力発光量
Ｌｍａｘ最大光量
ＬＭＳ応力発光量
Ｐ力
Ｓ応力
ＳＳ基準応力
ｔ１,ｔ２，ｔ３，ｔ４時点
ｔ１１開始時点
ｔ１２照射終了時点
ｔ１３終了時点
Ｔｂ期間
ΔＬ光量差

また、本発明は、上記の発明において、前記計測画像取得制御部は、前記撮像部に対して、前記第１励起光量のみが照射される期間のみを撮像させ、計測画像として取得することを特徴とする。
また、本発明は、上記の発明において、前記第１励起光量のみが照射される期間に撮像した撮像期間の終了時点前における、前記第２励起光量の励起光の照射終了時点から前記撮像期間の終了時点までの期間は、前記第２励起光量の励起によって発生する燐光が前記撮像期間の終了時点において所定光量以下となる期間であることを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記計測画像取得制御ステップは、前記撮像部に対して、前記第１励起光量のみが照射される期間のみを撮像させ、計測画像として取得することを特徴とする。
また、本発明は、上記の発明において、前記第１励起光量のみが照射される期間に撮像した撮像期間の終了時点前における、前記第２励起光量の励起光の照射終了時点から前記撮像期間の終了時点までの期間は、前記第２励起光量の励起によって発生する燐光が前記撮像期間の終了時点において所定光量以下となる期間であることを特徴とする。

さらに、計測画像取得制御部１９は、撮像部３０により撮像された画像フレームから奇数画像フレームを削除するようにしているが、奇数画像フレームを削除するのではなく、撮像部３０に対して、第１励起光量Ｌ０１ａのみが照射される期間の画像フレームである上記偶数画像フレームにあたる期間のみを撮像させ、計測画像Ｄとして計測画像データＤ５に記憶するようにしてもよい。すなわち、第１励起光量Ｌ０１ａのみが照射される期間のみ撮像させて、計測画像Ｄを記憶してもよい。

Claims

応力発光体を含む応力発光塗料に励起光を照射して前記応力発光体を励起状態にし、不定な時間間隔で前記応力発光体に加えられる応力に応じた応力発光を計測する応力発光計測装置であって、
前記応力発光塗料に励起光を連続照射する第１励起光照射部と、
前記応力発光塗料に励起光を周期的に照射する第２励起光照射部と、
前記応力発光塗料を撮像する撮像部と、
前記応力発光体に加えられる基準応力に応じた応力発光量を予め取得する応力発光量取得部と、
前記応力発光体を励起する励起光量に対する自然放出光量の関係を予め取得する関係取得部と、
前記第１励起光照射部が励起光を照射した場合に発光する自然放出光量に対する前記応力発光量の比が所定値以上となる前記第１励起光照射部の第１励起光量を決定する第１励起光量決定部と、
前記第１励起光量を増加する所定増分励起光量を前記第２励起光照射部の第２励起光量として決定する第２励起光量決定部と、
前記第１励起光照射部を介して前記第１励起光量の励起光を連続照射するとともに前記第２励起光照射部を介して前記第２励起光量の励起光を周期的に照射する照射制御部と、
前記撮像部が撮像した画像フレームのうち、前記第２励起光照射部による励起光が照射された画像フレームを削除し、又は、前記撮像部に対して前記第１励起光照射部による励起光が照射された画像フレームのみ取得する計測画像取得制御部と
を備えたことを特徴とする応力発光計測装置。
前記第１励起光量決定部は、前記応力発光量が前記基準応力に応じた応力発光量を超える所定応力発光量以上となった場合、前記自然放出光量に対する前記応力発光量の比が所定値以上であって、前記所定応力発光量の応力発光を可能にする第１励起光量を決定することを特徴とする請求項１に記載の応力発光計測装置。
前記照射制御部は、交番する奇数画像フレーム及び偶数画像フレームのうちのいずれか一方の画像フレームを第１画像フレームとし、他方の画像フレームを第２画像フレームとした場合、前記第１励起光照射部による前記第１励起光量の励起光を連続照射するとともに、前記第２励起光照射部による前記第２励起光量の励起光を前記第１画像フレームの撮像時に照射し、
前記計測画像取得制御部は、前記第１画像フレームを削除し、前記第２画像フレームを計測画像フレームとして取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の応力発光計測装置。
前記照射制御部は、前記第１画像フレームの撮像期間の開始時点から前記第２励起光量の励起光の照射を開始し、前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点前に前記第２励起光量の励起光の照射を終了することを特徴とする請求項３に記載の応力発光計測装置。
前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点前における前記第２励起光量の励起光の照射終了時点から前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点までの期間は、前記第２励起光量の励起によって発生する燐光が前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点において所定光量以下となる期間であることを特徴とする請求項４に記載の応力発光計測装置。
前記計測画像取得制御部は、前記撮像部に対して前記第２画像フレームのみを撮像させ、前記第２画像フレームを前記計測画像フレームとして取得することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の応力発光計測装置。
応力発光体を含む応力発光塗料に励起光を照射して前記応力発光体を励起状態にし、前記応力発光体に加えられる応力に応じた応力発光を計測する応力発光計測方法であって、
前記応力発光体に加えられる基準応力に応じた応力発光量を予め取得する応力発光量取得ステップと、
前記応力発光体における励起光量に対する蛍光光量の関係を予め取得する関係取得ステップと、
前記応力発光体に励起光を連続照射する第１励起光照射部が励起光を照射した場合に発光する自然放出光量に対する前記応力発光量の比が所定値以上となる前記第１励起光照射部の第１励起光量を決定する第１励起光量決定ステップと、
前記第１励起光量を増加する所定増分励起光量を照射する第２励起光照射部の第２励起光量として決定する第２励起光量決定ステップと、
前記第１励起光照射部を介して前記第１励起光量の励起光を連続照射するとともに前記第２励起光照射部を介して前記第２励起光量の励起光を周期的に照射する照射制御ステップと、
前記応力発光塗料を撮像する撮像部が撮像した画像フレームのうち、前記第２励起光照射部による励起光が照射された画像フレームを削除し、又は、前記撮像部に対して前記第１励起光照射部による励起光が照射された画像フレームのみ取得する計測画像取得制御ステップと
を含むことを特徴とする応力発光計測方法。
前記第１励起光量決定ステップは、前記応力発光量が前記基準応力に応じた応力発光量を超える所定応力発光量以上となった場合、前記自然放出光量に対する前記応力発光量の比が所定値以上であって、前記所定応力発光量の応力発光を可能にする第１励起光量を決定することを特徴とする請求項７に記載の応力発光計測方法。
前記照射制御ステップは、交番する奇数画像フレーム及び偶数画像フレームのうちのいずれか一方の画像フレームを第１画像フレームとし、他方の画像フレームを第２画像フレームとした場合、前記第１励起光照射部を介して前記第１励起光量の励起光を連続照射するとともに、前記第２励起光照射部を介して前記第２励起光量の励起光を前記第１画像フレームの撮像時に照射し、
前記計測画像取得制御ステップは、前記第１画像フレームを削除し、前記第２画像フレームを計測画像フレームとして取得することを特徴とする請求項７又は８に記載の応力発光計測方法。
前記照射制御ステップは、前記第１画像フレームの撮像期間の開始時点から前記第２励起光量の励起光の照射を開始し、前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点前に前記第２励起光量の励起光の照射を終了することを特徴とする請求項９に記載の応力発光計測方法。
前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点前における前記第２励起光量の励起光の照射終了時点から前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点までの期間は、前記第２励起光量の励起によって発生する燐光が前記第１画像フレームの撮像期間の終了時点において所定光量以下となる期間であることを特徴とする請求項１０に記載の応力発光計測方法。
前記計測画像取得制御ステップは、前記撮像部に対して前記第２画像フレームのみを撮像させ、前記第２画像フレームを前記計測画像フレームとして取得することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の応力発光計測方法。