JP6409349B2 - 応力計測システム及び応力計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、応力計測システム及び応力計測方法に関し、例えば転がり軸受の外輪や内輪等に発生する応力を計測する技術に関する。

転がり軸受は、自動車等の車両や産業機械の駆動系に多く用いられている。この転がり軸受を最適設計するためには、回転している実用状態において、転がり軸受を構成する外輪や内輪等にどのような応力が発生しているかを把握することが重要である。

このように実用状態で外輪等の部材（以下、測定対象物という）に発生する応力を計測するシステムとして、測定対象物に熱弾性効果によって発生する発熱（温度上昇）又は吸熱（温度降下）を赤外線カメラにより捉え、赤外線カメラにより得られた温度の時間変化を示す時系列データから応力を求めるシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、この特許文献１に記載のシステムでは、測定対象物に対して動力機構が周期的な荷重を付与しており、また、動力機構からこの荷重の時間変化を示す荷重信号が出力される。そして、この荷重信号と同期する周波数の信号を前記時系列データから抽出するロックイン処理が行われ、これにより前記時系列データからノイズ成分が低減され、応力の計測精度が高められている。

特開２０１２−１０３１２４号公報

前記のようなロックイン処理を伴う応力計測の場合、測定対象物に対して周期的な荷重を付与すると共に、この荷重の時間変化を示す荷重信号を取得する必要がある。したがって、計測対象物に付与される荷重が周期的に変動する荷重でない場合や、変動する荷重を与えていても荷重信号を取得できない場合には、従来のロックイン処理を伴う応力計測は不可能となる。

そこで、本発明の出願人は、ロックイン処理を行わなくても計測対象物に発生する応力を赤外線カメラによる取得画像を基にして計測するシステムを既に提案している（特願２０１３−１９８４２９）。この応力計測システムでは、赤外線カメラにより得られた第１時系列データに対してフーリエ変換処理を行い、周波数データを生成する。そして、ノイズ除去のために、この周波数データから赤外線カメラの測定温度分解能以下の周波数成分を除去し、これに対して逆フーリエ変換を行い、第２時系列データを生成する。このような処理を、赤外線カメラが取得した温度分布の画像における各画素について実行することで、計測対象物の温度分布を得ることができ、温度を応力に変換（換算）して応力分布を取得することが可能となる。

しかし、この場合、赤外線カメラの測定温度分解能以上の温度変動をもたらすノイズを除去することはできず、このようなノイズが含まれている場合、応力測定精度に悪影響を及ぼす。
そこで、本発明の目的は、赤外線カメラにより得られたデータから不要な成分を除去して、応力測定精度を向上させることにある。

本発明は、測定対象物に発生する応力を計測する応力計測システムであって、前記測定対象物を撮像する赤外線カメラと、前記赤外線カメラにより得られた前記測定対象物の温度の時間変化を示す第１時系列データの処理を行う処理装置とを備え、前記処理装置は、前記第１時系列データに対してフーリエ変換処理して周波数毎の信号強度を示す第１周波数データを生成するフーリエ変換部と、前記第１周波数データに対してフィルタ処理を行うことにより第２周波数データを生成するフィルタ処理部と、前記第２周波数データに対して逆フーリエ変換処理を行うことにより前記測定対象物の温度の時間変化を示す第２時系列データを生成する逆フーリエ変換部と、前記第２時系列データを前記測定対象物に発生している応力を示す応力データに変換する応力算出部とを備え、前記フィルタ処理部は、前記フィルタ処理として、幾何計算により求められた前記測定対象物に生じる応力発生頻度を示す基本周波数及び当該基本周波数の整数倍の高次周波数それぞれに対応する周波数のデータを、前記第１周波数データから抽出する処理を行う。

本発明によれば、赤外線カメラにより得られた測定対象物の温度の時間変化を示す第１時系列データをフーリエ変換処理して得た第１周波数データから、幾何計算により求められた測定対象物に生じる応力発生頻度を示す基本周波数及び当該基本周波数の整数倍の高次周波数に対応する周波数のデータを抽出する。つまり、第１周波数データから不要な成分（ノイズ成分）を除去することができる。この結果、応力計測の精度を高めることが可能となる。

また、前記フィルタ処理部は、前記フィルタ処理として、前記基本周波数及び前記高次周波数それぞれに対応する周波数以外の周波数のデータの信号強度を低減することにより、当該基本周波数及び当該高次周波数それぞれに対応する周波数のデータを、前記第１周波数データから抽出するのが好ましい。
これにより、第１周波数データから不要な成分（ノイズ成分）を効果的に除去することができる。なお、信号強度を低減する処理には、信号強度をゼロにする処理が含まれる。

また、前記応力計測システムは、前記幾何計算を実行するためのプログラムが記憶されている記憶部と、前記基本周波数及び当該基本周波数の整数倍の高次周波数を前記プログラムに基づいて算出する演算部とを更に備えている構成とすることができる。
これにより、演算部が基本周波数及び高次周波数を求めると、処理装置のフィルタ処理部によってフィルタ処理が行われる。

また、本発明は、測定対象物に発生する応力を計測する応力計測方法であって、前記測定対象物に生じる応力発生頻度を示す基本周波数及び当該基本周波数の整数倍の高次周波数を幾何計算により求める計算工程と、前記測定対象物を赤外線カメラにより撮像する撮像工程と、前記赤外線カメラにより得られた前記測定対象物の温度の時間変化を示す第１時系列データをフーリエ変換して周波数毎の信号強度を示す第１周波数データを生成する第１変換工程と、前記第１周波数データに対してフィルタ処理を行うことにより第２周波数データを生成するフィルタ処理工程と、前記第２周波数データに対して逆フーリエ変換処理を行うことにより前記測定対象物の温度の時間変化を示す第２時系列データを生成する第２変換工程と、前記第２時系列データを前記測定対象物に発生している応力を示す応力データに変換する第３変換工程とを備え、前記フィルタ処理工程では、前記計算工程において求められた前記基本周波数及び前記高次周波数それぞれに対応する周波数のデータを、前記第１周波数データから抽出する。

本発明によれば、赤外線カメラにより得られた測定対象物の温度の時間変化を示す第１時系列データをフーリエ変換処理して得た第１周波数データから、幾何計算により求められた測定対象物に生じる応力発生頻度を示す基本周波数及び当該基本周波数の整数倍の高次周波数に対応する周波数のデータを抽出する。つまり、第１周波数データから不要な成分（ノイズ成分）を除去することができる。この結果、応力計測の精度を高めることが可能となる。

本発明の応力計測システム及び応力計測方法によれば、第１周波数データから基本周波数及び高次周波数に対応する周波数のデータを抽出して、第１周波数データから不要なノイズ成分を除去することができ、応力計測の精度を高めることが可能となる。

測定の対象となる転がり軸受の縦断面図である。 応力計測システムの全体構成を説明する模式図である。 処理装置を説明するためのブロック図である。 第１時系列データの一例を示す説明図である。 第１周波数データの一例を示す説明図である。 第２周波数データの一例を示す説明図である。 第２時系列データの一例を示す説明図である。 応力データの一例を示す説明図である。 応力計測方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
以下に説明する応力計測システム１０（図２参照）は、計測対象物である転がり軸受５０の外輪５１に発生する応力を、赤外線カメラ（赤外線サーモグラフィ）２１による画像を用いて計測することができる。

〔測定対象物について〕
まず、測定の対象となる転がり軸受５０について、図１により説明する。転がり軸受５０は、外輪５１と、内輪５２と、これら外輪５１と内輪５２との間に介在する複数の転動体（玉）５３と、これら複数の転動体５３を周方向に沿って等間隔で保持する環状の保持器５４とを備えている。外輪５１の内周面には外輪軌道面（外輪軌道溝）５５が形成されており、内輪５２の外周面には内輪軌道面（内輪軌道溝）５６が形成されている。外輪５１、内輪５２及び転動体５３は、例えば軸受鋼等の金属製である。保持器５４は、金属製又は樹脂製である。

外輪５１に対して内輪５２がシャフト１８と共に回転すると、外輪５１と内輪５２との間に介在する複数の転動体５３は外輪軌道面５５及び内輪軌道面５６を転動する。この時、各転動体５３は、外輪軌道面５５及び内輪軌道面５６に沿って自転しながら公転する。

複数の転動体５３は保持器５４によって等間隔に保持されており、各転動体５３は外輪軌道面５５の代表する一部（任意の一部）を周期的に通過する。このため、外輪５１の各部には、複数の転動体５３によって周期的な負荷が作用し周期的な応力が発生する。
そこで、外輪５１の各部に発生する周期的な応力に起因して、各部には熱弾性効果に因る発熱（温度上昇）又は吸熱（温度降下）が生じることから、本実施形態の応力計測システム１０（図２参照）では、この発熱及び吸熱に起因する軌道輪（本実施形態では外輪５１）の温度変化を赤外線カメラ２１が画像として捉え、この画像を処理装置３０が処理することで軌道輪の各部に発生する応力（応力絶対値）を求めることができる。

〔応力計測システム１０について〕
応力計測システム１０の構成について説明する。図２に示すように、本実施形態の応力計測システム１０は、赤外線カメラ２１及びこの赤外線カメラ２１の取得画像を処理する処理装置３０の他に、モニタからなる表示部１３、支台１５及び動力機構１６を備えている。

本実施形態では、転がり軸受５０の外輪５１が応力測定の対象物（測定対象物）であるため、赤外線カメラ２１はこの外輪５１に向けて設置されている。
転がり軸受５０の少なくとも外輪５１の表面（外周面）には、合成樹脂等からなる艶消し黒色の塗料が塗布されている。この塗料の厚さは、２０〜２５μｍである。この塗料により、外輪５１の表面（測定対象表面）の熱放射率は、黒体を１．０とした場合、約０．９４となる。このように、外輪５１の表面の熱放射率を高くすることにより、熱放射により放出される熱量が多くなる。したがって、外輪５１の表面の温度変化をより確実に検出することが可能となる。

本実施形態の支台１５は、チャックにより外輪５１を回転不能に固定している。
動力機構１６は、変速機付きモータ１７を備えている。このモータ１７の出力軸にはシャフト１８が連結されており、このシャフト１８に転がり軸受５０の内輪５２が外嵌して固定されている。以上より、固定状態にある外輪５１に対して、モータ１７の回転により内輪５２を所定回転速度で回転させることができる。

赤外線カメラ２１は、レンズ及び赤外線センサ（図示略）を有している。赤外線センサは多数のセンサ素子を備えており、これらセンサ素子は例えば格子状に配列されている。赤外線センサは、物体の表面から放出される赤外線を受光すると、その赤外線の強度に応じた電気信号を出力する。赤外線カメラ２１は、赤外線センサの電気信号を画像信号に変換して処理装置３０に出力する。以上より、赤外線カメラ２１は、測定対象物である外輪５１を撮像し、外輪５１の温度の時間変化を示す時系列画像を取得することができる。

前記時系列画像は、例えば８２００フレームの画像データから構成される。この場合、時系列画像を取得するための赤外線カメラ２１による撮像時間は、フレーム間隔（サンプリング間隔）を０．００５［ｓｅｃ］とすれば、４１［ｓｅｃ］となる。

処理装置３０は、赤外線カメラ２１により得られた外輪５１の温度の時間変化を示す時系列画像を構成するデータ（後述の第１時系列データ）の処理を行う。図３は、処理装置３０を説明するためのブロック図である。処理装置３０は、コンピュータにより構成されており、メモリ等から構成されている記憶部３１と、処理部（プロセッサ）とを備えている。処理装置３０は、機能部として、情報取得部３２と、フーリエ変換部（ＦＦＴ部）３３と、フィルタ処理部３４と、逆フーリエ変換部（逆ＦＦＴ部）３５と、応力算出部３６と、表示処理部３７とを備えている。これら機能部は、前記処理部（プロセッサ）が記憶部３１に記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより実現される。

また、応力計測システム１０は、測定対象物（本実施形態では外輪５１）についての幾何計算を実行する演算部４０を備えている。本実施形態では、処理装置３０が機能部として演算部４０を備えている。つまり、演算部４０の機能は、前記処理部（プロセッサ）が記憶部３１に記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより実現される。
なお、演算部４０は、コンピュータからなる処理装置３０とは別のコンピュータ（演算器）から構成されていてもよく、この場合、双方のコンピュータはデータの受け渡しが可能であり、演算部４０の計算結果の情報を処理装置３０が取得し処理できる。

そして、処理装置３０は、赤外線カメラ２１の画像信号及び演算部４０による情報に基づいて応力分布を算出するように構成されている。
表示部１３は、処理装置３０により算出された応力分布を表示する。

処理装置３０の各機能部について説明する。なお、各機能部が行う処理の具体例については、後に説明する応力計測方法と共に示す。
情報取得部３２は、赤外線カメラ２１から前記時系列画像ＧＡ１を取得して記憶部３１に格納する。具体的に説明すると、情報取得部３２は、赤外線カメラ２１から入力される時系列画像ＧＡ１の画像信号をデジタルデータに変換して記憶部３１に格納する。特に、情報取得部３２は、時系列画像ＧＡ１を構成する各フレームに含まれる画素毎に画像信号をデジタルデータに変換して記憶部３１に格納する。このように画像信号がデジタルデータに変換されて生成された画素毎のデータを、第１時系列データと呼ぶ。この第１時系列データの一例を図４に示す。図４に示すように、第１時系列データＰ１は、一つの画素に関する温度の時間変化を示すデータである。

フーリエ変換部３３は、前記第１時系列データＰ１に対してフーリエ変換処理して周波数毎の信号強度（振幅値）を示す第１周波数データを生成する。この第１周波数データの一例を図５に示す。図５に示すように、第１周波数データＳ１は、一つの画素に関する周波数毎の信号強度（振幅値）を示すデータである。

フィルタ処理部３４は、前記第１周波数データＳ１に対してフィルタ処理を行い、ノイズを除去する。これにより、ノイズが除去された第２周波数データが生成される。この第２周波数データの一例を図６に示す。図６に示すように、第２周波数データＳ２は、一つの画素に関する周波数毎の信号強度（振幅値）を示すデータであって、第１周波数データＳ１からノイズが除去されたデータである。なお、後にも説明するが、このフィルタ処理部３４が行うフィルタ処理では、演算部４０が幾何計算により求めた外輪５１に生じる応力発生頻度を示す基本周波数及びこの基本周波数の整数倍の高次周波数の情報が用いられる。

逆フーリエ変換部３５は、第２周波数データＳ２に対して逆フーリエ変換処理を行うことにより、外輪５１の温度の時間変化を示す第２時系列データを生成する。この第２時系列データの一例を図７に示す。図７に示すように、第２時系列データＰ２は、一つの画素に関する温度の時間変化を示すデータである。

応力算出部３６は、前記第２時系列データＰ２を、外輪５１に発生している応力を示す応力データに変換する。この応力データの一例を図８に示す。図８に示すように、応力データは、一つの画素に関する応力の時間変化を示すデータである。
この応力データは画素毎の応力値を示しており、また、前記各機能部は、時系列画像ＧＡ１に含まれる全ての画素について各処理を実行する。そこで、応力算出部３６は、これら画素の応力データに基づいて外輪５１に作用している応力分布を示すデータを生成する。そして、表示処理部３７は、この応力分布を示すデータを表示部１３に画像として出力させる。

演算部４０について説明する。記憶部３１には、演算部４０が幾何計算を実行するためのプログラム７が記憶されている。なお、本実施形態の前記プログラムは演算式のプログラムである。演算部４０は、この記憶部３１のプログラム７に基づいて、外輪５１の特定部ＸＳ（図１参照）に生じる応力発生頻度を示す基本周波数Ｆ０、及び、この基本周波数Ｆ０の整数倍の高次周波数Ｆ１、Ｆ２・・・を算出する。
なお、外輪５１の特定部ＸＳは、外輪５１の内の任意に設定される部分であり、例えば、発生応力が最も高くなると推定される部分とすることができるが、本実施形態では、外輪５１の外周面の内の、外輪軌道面５５の底部５５ａ（図１参照）の径方向外側に対応する部分を、特定部ＸＳとしている。このため、この特定部ＸＳを含む領域を、赤外線カメラ２１は撮像する必要がある。

〔応力計測方法について〕
以上の構成を備えている応力計測システム１０が行う応力計測方法について説明する。
図９は、応力計測方法を示すフローチャートである。この応力計測方法は、計算工程（ステップＳｔ２１）、撮像工程（ステップＳｔ１１）、第１変換工程（ステップＳｔ１２）、フィルタ処理工程（ステップＳｔ１３）、第２変換工程（ステップＳｔ１４）、第３変換工程（ステップＳｔ１５）、判定工程（ステップＳｔ１６）及び表示工程（ステップＳｔ１７）を備えている。

計算工程（ステップＳｔ２１）では、測定対象物である外輪５１を構成部材として含む転がり軸受５０の運動条件及び転がり軸受５０の機構（構成）を示す仕様に基づいて、演算部４０が、外輪５１の前記特定部ＸＳにおける基本周波数Ｆ０及び高次周波数Ｆ１，Ｆ２・・・を演算により求める。
この演算のために、記憶部３１には、予め、転がり軸受（深溝玉軸受）の特性値である外輪に発生する応力変動の周波数、つまり、転がり軸受の回転による応力発生頻度を示す基本周波数Ｆ０を算出するためのプログラム７として、幾何計算に関する関係式（幾何計算式）が記憶されている。基本周波数Ｆ０［Ｈｚ］を算出するための第１の幾何計算式は、次の式（１）で表される。

また、この式（１）中の転動体の公転速度ｆｃ［Ｈｚ］を幾何計算により求めるための第２の幾何計算式は、次の式（２）で表される。

このような幾何計算を実行するために演算部４０には、転がり軸受５０の前記仕様を示す仕様情報８が入力される。この仕様情報８の入力は、コンピュータからなる処理装置３０が備えている入力部（入力インタフェース）３８（図３参照）を通じて、計測作業者により行われる。入力された仕様情報８は記憶部３１に記憶される。
そして、演算部４０は、仕様情報８が示す値を前記関係式（第１及び第２の幾何計算式）に代入して演算することにより、転がり軸受５０の特定部ＸＳに生じる応力発生頻度を示す基本周波数Ｆ０［Ｈｚ］を算出する。更に、演算部４０は、この基本周波数Ｆ０［Ｈｚ］を整数倍し、高次周波数Ｆ１,Ｆ２・・・［Ｈｚ］を算出する。高次周波数は、基本周波数Ｆ０に整数Ｎ（Ｎは、２以上の整数）を乗じることで算出される。

本実施形態の場合、仕様情報８が示す各値は、次のとおりであり、前記関係式（第１及び第２の幾何計算式）により、基本周波数Ｆ０＝４．９５８［Ｈｚ］が算出される。そして、整数倍高調波である高次周波数として、Ｆ１＝９．９１６［Ｈｚ］、Ｆ２＝１４．８７４［Ｈｚ］が算出される。これら基本周波数Ｆ０及び高次周波数Ｆ１，Ｆ２は、記憶部３１に記憶される。

＜仕様情報８が示す各値＞
内輪５２の回転速度 ： ｆｒ＝１．３８３［Ｈｚ］
外輪５１の回転速度 ： ｆｄ＝０［Ｈｚ］
転動体（玉）５３の平均直径 ： ＤＷ＝７．９３８（ｍｍ）
転動体（玉）５３のピッチ円直径 ： ｄｍ＝３９（ｍｍ）
転動体（玉）５３の接触角 ： α＝０（度）
転動体（玉）５３の数 ： Ｑ＝９（個）

このように幾何計算によって求められた周波数は、外輪５１の特定部ＸＳにおいて生じる応力に起因する発生周波数として推定することができる。
なお、この計算工程（ステップＳｔ２１）を、撮像工程（ステップＳｔ１１）等と、同じタイミングで行うことができるが、別のタイミングで行ってもよい。すなわち、撮像工程開始前に計算工程を行ってもよい。

図９に示す撮像工程（ステップＳｔ１１）では、先ず、転がり軸受５０を回転させる。つまり、固定状態にある外輪５１に対して内輪５２を動力機構１６によって回転させる。そして、内輪５２が回転している状態で、赤外線カメラ２１がこの外輪５１の前記特定部ＸＳを含む領域を撮影する。これにより、外輪５１の温度の推移、つまり外輪５１の温度の時間変化を示す時系列画像ＧＡ１が赤外線カメラ２１から処理装置３０に入力される。

そして、情報取得部３２は、この時系列画像ＧＡ１を記憶部３１に格納する。この際、情報取得部３２は、画素毎に処理を行う。つまり、画素毎の温度の時間変化を示す第１時系列データＰ１（図４参照）が記憶部３１に格納される。なお、図４に示す第１時系列データＰ１は、外輪５１の外周面側の特定部ＸＳに含まれる画素のデータである。

図４に示す第１時系列データＰ１は、ノイズを含む複雑な波形となっている。すなわち、第１時系列データＰ１は、外輪５１の特定部ＸＳに生じる応力に基づく温度（温度変化）以外の要因により外輪５１の特定部ＸＳの温度が変化していると考えられる。なお、外輪５１において、転動体５３からの荷重に基づく応力に起因する温度変化以外に温度変化に影響を与える要因としては、例えば、転動体５３と外輪軌道面５５との間の摩擦熱、応力計測システム１０を設置した計測室内の空調設備による外輪５１への送風、及び、支台１５、動力機構１６、処理装置３０が放出する熱が外輪５１に伝達されることが挙げられる。
これらの要因による特定部ＸＳの温度変化が、ノイズとして第１時系列データＰ１に含まれることとなる。これらの要因による外輪５１の特定部ＸＳの温度変化は、赤外線カメラ２１の温度分解能以上となる場合が多い。

第１変換工程（ステップＳｔ１２）では、フーリエ変換部３３が、記憶部３１に記憶されている画素毎の前記第１時系列データＰ１を取得して、この第１時系列データＰ１に対して高速フーリエ変換処理を実行する。この処理の結果、第１時系列データＰ１が周波数毎の信号強度（振幅値）に分解されて、図５に示す周波数と信号強度（振幅値）との関係を示す第１周波数データＳ１が生成される。第１周波数データＳ１では、ある周波数（３つの周波数）において、信号強度のピークが発生している。

フィルタ処理工程（ステップＳｔ１３）では、フィルタ処理部３４が、図５に示す第１周波数データＳ１から特定周波数のデータを抽出し、図６に示す第２周波数データＳ２を生成する。つまり、フィルタ処理工程では、外輪５１の特定部ＸＳに生じる応力に基づく温度変化以外の要因を、第１周波数データＳ１から取り除き、第２周波数データＳ２を生成する。

このフィルタ処理部３４が行うフィルタ処理について説明する。フィルタ処理部３４は、前記計算工程（ステップＳｔ２１）において幾何計算により求められた前記基本周波数Ｆ０（４．９５８［Ｈｚ］）及び前記高次周波数Ｆ１,Ｆ２（９．９１６［Ｈｚ］,１４．８７４［Ｈｚ］）を示す周波数情報を、記憶部３１から取得する。前記のとおり、これら周波数Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２は、外輪５１の特定部ＸＳにおいて生じる応力に起因する発生周波数として推定することができる。

そこで、フィルタ処理部３４は、フィルタ処理として、これら基本周波数Ｆ０及び高次周波数Ｆ１，Ｆ２それぞれに対応する周波数のデータを、図５に示す第１周波数データＳ１から抽出する処理を行う。

フィルタ処理部３４が、第１周波数データＳ１から周波数Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２それぞれに対応する周波数のデータを抽出する具体的方法は、様々あるが、例えば、第１周波数データＳ１を所定幅の周波数帯毎に区画し、この区画した周波数帯（区画周波数帯Δｆ）が、前記周波数Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２いずれかの値を含むか否か判定する。区画周波数帯Δｆに、前記周波数Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２いずれかの値が含まれると判定した場合、その区画周波数帯Δｆのデータは第２周波数データＳ２として残される。これに対して、区画周波数帯Δｆに、前記周波数Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２いずれかの値が含まれないと判定した場合、その区画周波数帯のデータの信号強度（振幅値）を低減する。なお、このデータの信号強度の低減には、データの信号強度をゼロにする場合も含まれており、本実施形態では、ゼロとして、データを削除する。
これにより、周波数Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２の値を含む区画周波数帯Δｆのみが残され、それ以外の周波数帯のデータは削除される。なお、第１周波数データＳ１を区画する前記所定幅（区画周波数帯Δｆ）は、例えば、０．２５〜０．７５Ｈｚとすることができる。

この結果、図５に示す第１周波数データＳ１から、基本周波数Ｆ０（４．９５８［Ｈｚ］）と同期（略同期）する成分、及び、高次周波数Ｆ１,Ｆ２（９．９１６［Ｈｚ］,１４．８７４［Ｈｚ］）と同期（略同期）する成分が抽出され、その他の成分が削除され、図６に示す第２周波数データＳ２が生成される。なお、周波数Ｆ０,Ｆ１,Ｆ２と同期（略同期）するデータは、振幅値のピークを有しているデータである。

以上より、このフィルタ処理工程（ステップＳｔ１３）では、基本周波数Ｆ０及び高次周波数Ｆ１，Ｆ２それぞれと一致（略一致）する周波数（を含む周波数帯）のデータが、図５に示す第１周波数データＳ１から抽出される。なお、前記「略一致する」場合としては、基本周波数Ｆ０及び高次周波数Ｆ１，Ｆ２それぞれと前記所定幅の範囲内で近傍の周波数であって、信号強度（振幅値）にピーク値を有している周波数（特定周波数）のデータが、第１周波数データＳ１から抽出される。

そして、第２変換工程（ステップＳｔ１４）では、逆フーリエ変換部３５が、前記第２周波数データＳ２に対して逆高速フーリエ変換処理を実行する。この処理の結果、温度の時間変化を示す第２時系列データＰ２（図７参照）が得られる。この第２時系列データＰ２は、第１時系列データＰ１と比較してノイズが除去されている。

前記各処理は、画素毎に実行されていることから、この第２時系列データＰ２も、画素毎のデータとして生成される。図７は、外輪５１の特定部ＸＳに含まれる画素の第２時系列データＰ２を示している。この第２時系列データＰ２は、温度の推移、つまり、温度の時間変化を示すグラフである。

第３変換工程（ステップＳｔ１５）では、応力算出部３６が、図７に示す第２時系列データＰ２を、外輪５１の特定部ＸＳに生じる応力の変化を示す応力データ（図８参照）に変換する。温度を応力に変換する関数は、熱弾性効果の特性に基づいて既知であり、応力算出部３６は、この関数を用いて第２時系列データＰ２に示される温度変化から応力変化を算出することができる。

そして、全ての画素に対して、第１変換工程（ステップＳｔ１２）、フィルタ処理工程（ステップＳｔ１３）、第２変換工程（ステップＳｔ１４）、及び第３変換工程（ステップＳｔ１５）が実行される（ステップＳｔ１６）。これにより、応力算出部３６は、外輪５１の特定部ＸＳ及びそれ以外の部分についての温度分布を求めることができ、そして、外輪５１の特定部ＸＳ及びそれ以外の部分で生じる応力分布を求めることができる。これら温度分布及び応力分布の情報は、記憶部３１に記憶される。

そして、表示工程（ステップＳｔ１７）では、表示処理部３７が、外輪５１の前記応力分布を表示部１３に表示させる。例えば、表示部１３に、外輪５１の応力分布を、外輪５１の画像に含まれる各画素の濃淡により示すことができる。

〔本実施形態の応力計測システム及び応力計測方法に関して〕
以上のように、本実施形態に係る応力計測システム１０によって実行される応力計測方法は、転がり軸受５０の外輪（測定対象物）５１に発生する応力を計測する方法であって、計算工程（ステップＳｔ２１）では、外輪５１の特定部ＸＳに生じる応力発生頻度を示す基本周波数Ｆ０及びこの基本周波数Ｆ０の整数倍の高次周波数Ｆ１，Ｆ２・・・が、幾何計算により求められる。
そして、撮像工程（ステップＳｔ１１）では、外輪５１が赤外線カメラ２１により撮像され、第１変換工程（ステップＳｔ１２）では、この赤外線カメラ２１により得られた外輪５１の特定部ＸＳの温度の時間変化を示す第１時系列データＰ１をフーリエ変換して周波数毎の信号強度を示す第１周波数データＳ１が生成される。
フィルタ処理工程（ステップＳｔ１３）では、この第１周波数データＳ１に対してフィルタ処理を行うことにより第２周波数データＳ２が生成される。
第２変換工程（ステップＳｔ１４）では、第２周波数データＳ２に対して逆フーリエ変換処理を行うことにより外輪５１の特定部ＸＳの温度の時間変化を示す第２時系列データＰ２が生成され、第３変換工程（ステップＳｔ１５）では、この第２時系列データＰ２が、外輪５１の特定部ＸＳに発生している応力を示す応力データに変換される。

そして、前記フィルタ処理工程（ステップＳｔ１３）では、第１周波数データＳ１から、計算工程（ステップＳｔ２１）において幾何計算により外輪５１の物性値として求められた基本周波数Ｆ０及び高次周波数Ｆ１，Ｆ２それぞれに対応する（同期する）周波数以外の周波数のデータの信号強度（振幅値）が低減され（信号強度がゼロにされ）、これら周波数Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２それぞれに対応する（同期する）周波数のデータ（成分）が抽出される。

したがって、フィルタ処理工程（ステップＳｔ１３）によれば、第１周波数データＳ１から不要な成分（ノイズ成分）が除去される。これにより、第３変換工程（ステップＳｔ１５）では、不要な成分が除去されたデータを用いて外輪５１の温度分布及び応力分布を求めることができ、外輪５１についての応力計測の精度を高めることが可能となる。
この結果、転がり軸受５０が回転している実用状態において、この転がり軸受５０を構成する外輪５１にどのような応力が発生しているかを精度よく把握することが可能となり、転がり軸受５０の最適設計に貢献できる。

ここで従来技術として、赤外線カメラにより撮影された画像からノイズを除去する処理として、ロックイン処理が知られている。ロックイン処理は、赤外線カメラが出力する画像信号から、一定周期により入力荷重が変動するｓｉｎ波状の荷重信号の成分を抽出することにより、赤外線カメラが出力する画像信号に含まれるノイズを除去する。

これに対して、図２に示す本実施形態に係る応力計測システム１０の場合、動力機構１６は、転がり軸受５０の内輪５２を一定速度で回転させるために、シャフト１８に回転力を付与しているが、入力荷重は変動させていない。このため、一定周期により入力荷重が変動するｓｉｎ波状の荷重信号は生まれない。したがって、本実施形態のように回転する転がり軸受５０の構成部材の応力を計測する場合、ロックイン処理を実行して画像信号に含まれるノイズを除去することができない。
また、外輪５１に生じる応力には、その応力に起因する１次成分の他に、高調波成分（高次周波数）が含まれる。従来のロックイン処理は、荷重信号に基づいて応力を算出するため、１次成分のみが考慮された応力の算出であり、高調波成分を考慮した応力の算出が不可能である。

これに対して、本実施形態の応力計測システム１０では、赤外線カメラ２１により取得した転がり軸受５０の外輪５１の温度を示す第１時系列データからその周波数特性を示す第１周波数データを生成し、この第１周波数データから、応力に起因する１次成分の基本周波数Ｆ０及びその高次成分の周波数以外のデータを除去している。これにより、赤外線カメラ２１により取得した外輪５１の温度のデータは、外輪５１の応力に起因したものとなる。以上より、本実施形態では、ロックイン処理を用いずに赤外線カメラ２１が出力する画像信号に含まれるノイズを除去することができ、また、１次成分の他に、高調波成分（高次周波数）が考慮された計測が可能となる。

なお、本発明の応力計測システム及び応力計測方法は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。例えば、前記実施形態では、転がり軸受５０の外輪５１を測定対象物として説明したが、内輪５２を対象としてもよい。また、本発明の応力計測システム及び応力計測方法は、転がり軸受以外に、等速ジョイント、ハブユニット、ステアリングシャフト、ボールねじ等の転送面を転動する転動体を介して回転する機構の応力計測にも適用可能であり、これらの構成部材を測定対象物とすることができる。

また、前記実施形態では、フーリエ変換部３３等の各機能部は、時系列画像ＧＡ１に含まれる全ての画素について各処理を実行する場合について説明したが、外輪５１の特定部ＸＳに含まれる全ての画素についてのみ各処理を実行するように構成してもよい。
また、フーリエ変換部３３及び逆フーリエ変換部３５は、ＦＦＴや逆ＦＦＴとは異なる他の離散型フーリエ変換アルゴリズムを用いた処理を行う構成であってもよい。更に、高速フーリエ変換処理や逆高速フーリエ変換処理が行われる前に、窓関数（例えばハニング窓関数等）を用いた処理が行われてもよい。
また、処理装置３０を構成する前記各機能部は、それぞれ専用の集積回路から構成されていてもよい。また、これら機能部の一部を纏めて１つの集積回路から構成してもよい。

７：プログラム １０：応力計測システム ２１：赤外線カメラ
３０：処理装置 ３１：記憶部 ３２：情報取得部
３３：フーリエ変換部 ３４：フィルタ処理部 ３５：逆フーリエ変換部
３６：応力算出部 ３７：表示処理部 ３８：入力部
４０：演算部 ５０：転がり軸受 ５１：外輪（測定対象物）
Ｐ１：第１時系列データ Ｐ２：第２時系列データ Ｓ１：第１周波数データ
Ｓ２：第２周波数データ Ｆ０：基本周波数
Ｆ１,Ｆ２：高次周波数

Claims (3)

1. 測定対象物に発生する応力を計測する応力計測システムであって、
   入力荷重を変動させずに一定速度で回転する前記測定対象物を撮像する赤外線カメラと、前記赤外線カメラにより得られた前記測定対象物の温度の時間変化を示す第１時系列データの処理を行う処理装置と、を備え、
   前記処理装置は、
   前記第１時系列データに対してフーリエ変換処理して周波数毎の信号強度を示す第１周波数データを生成するフーリエ変換部と、
   前記第１周波数データに対してフィルタ処理を行うことにより第２周波数データを生成するフィルタ処理部と、
   前記第２周波数データに対して逆フーリエ変換処理を行うことにより前記測定対象物の温度の時間変化を示す第２時系列データを生成する逆フーリエ変換部と、
   前記第２時系列データを前記測定対象物に発生している応力を示す応力データに変換する応力算出部と、
   を備え、
   前記フィルタ処理部は、前記フィルタ処理として、幾何計算により前記測定対象物の物性値として求められた前記測定対象物に生じる応力発生頻度を示す基本周波数及び当該基本周波数の整数倍の高次周波数それぞれに対応する周波数のデータを、前記第１周波数データから抽出する処理を行い、
   前記フィルタ処理部は、前記フィルタ処理として、前記幾何計算により求められた前記基本周波数及び前記高次周波数それぞれに対応する周波数以外の周波数のデータの信号強度を低減することにより、当該基本周波数及び当該高次周波数それぞれに対応する周波数のデータを、前記第１周波数データから抽出することを特徴とする応力計測システム。
2. 前記幾何計算を実行するためのプログラムが記憶されている記憶部と、
   前記基本周波数及び当該基本周波数の整数倍の高次周波数を前記プログラムに基づいて算出する演算部と、を更に備えている請求項１に記載の応力計測システム。
3. 測定対象物に発生する応力を計測する応力計測方法であって、
   入力荷重を変動させずに一定速度で回転する前記測定対象物に生じる応力発生頻度を示す基本周波数及び当該基本周波数の整数倍の高次周波数を、前記測定対象物の物性値として幾何計算により求める計算工程と、
   入力荷重を変動させずに一定速度で回転する前記測定対象物を赤外線カメラにより撮像する撮像工程と、
   前記赤外線カメラにより得られた前記測定対象物の温度の時間変化を示す第１時系列データをフーリエ変換して周波数毎の信号強度を示す第１周波数データを生成する第１変換工程と、
   前記第１周波数データに対してフィルタ処理を行うことにより第２周波数データを生成するフィルタ処理工程と、
   前記第２周波数データに対して逆フーリエ変換処理を行うことにより前記測定対象物の温度の時間変化を示す第２時系列データを生成する第２変換工程と、
   前記第２時系列データを前記測定対象物に発生している応力を示す応力データに変換する第３変換工程と、
   を備え、
   前記フィルタ処理工程では、前記計算工程において求められた前記基本周波数及び前記高次周波数それぞれに対応する周波数のデータを、前記第１周波数データから抽出し、
   前記フィルタ処理工程では、前記フィルタ処理として、前記幾何計算により求められた前記基本周波数及び前記高次周波数それぞれに対応する周波数以外の周波数のデータの信号強度を低減することにより、当該基本周波数及び当該高次周波数それぞれに対応する周波数のデータを、前記第１周波数データから抽出することを特徴とする応力計測方法。