JP6540347B2 - 外力測定装置及び外力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、外力測定装置及び外力測定方法に関する。

近年、マイクロマシンなどに代表される微小体の開発が進められており、その開発に伴って微小体に作用する様々な物理量を測定する技術のニーズが高まっている。その測定技術の一つとして、荷重、重量、熱などの微小体が原因で作用する外力を測定する技術が知られている。例えば、外力の一つである荷重を測定することでマイクロマシン動作時の重心移動の安定性を判断したり、重量を測定することで昆虫や微生物が歩行する際の体重移動のパターンを解明したりすることができる。近年では、特に、微小体による荷重を測定する技術が注目を集めている。

ところで、対象物の荷重を測定するには、荷重測定手段の働きが重要となる。従来の荷重測定手段としては、対象物の荷重に応じて歪み／応力を示す「歪みゲージ」、「モアレ法」、「応力発光素子」等が一般に知られている。荷重、特に、荷重位置をマイクロオーダーで特定するためには、歪み／応力測定用のマーカーも相応のサイズである必要がある。
従来の荷重測定技術として、励起光を照射すると荷重に応じた歪み／応力により発光強度が変化する応力発光素子を用いて、発光位置から荷重位置を特定可能としたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
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又は印刷・刻印して、荷重による格子パターンの変位をカメラ等で撮影し、荷重の負荷前後の画像データを比較することで歪量及び歪み方向の測定を可能とするモアレ法を用いた測定方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４−１１５２２０号公報 特開２００９−２６４８５２号公報

しかしながら、特許文献１で用いられる応力発光素子には、荷重履歴が残るという問題点がある。応力発光素子に荷重履歴が残った場合、荷重を除荷した後も発光を続けてしまうため、被測定対象物の荷重の変化を測定することは困難となる。従って、応力発光素子を用いた測定方法では、荷重位置の微小な変化を測定することができないという問題がある。
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や光学系の結像性能に依存する。現存のカメラの解像度や光学系の結像性能を考慮すると、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。

本発明は、被測定対象物により発生した外力の発生位置及び外力量の微小な変位を測定可能な外力測定装置及び外力測定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、
外力測定装置において、
光を射出する光源と、
上面に載置された被測定対象物により発生する外力に応じて変形する測定領域部と、
前記測定領域部と隣接して配置され、前記測定領域部の変形に伴い応力及び歪みを生じるとともに、前記光源から射出された光を反射又は透過する複数のマーカーと、
前記マーカーの受光面と平行な面において前記マーカー及び前記測定領域部を外方から覆うように配置され、当該マーカー及び当該測定領域部の外方への移動を規制する保持部と、
前記マーカーにより反射又は透過された光の光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強度に基づいて、前記測定領域部で前記被測定対象物により発生した外力の発生位置及び外力量を算出する信号処理部と、
を備え、
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の媒質の前記マーカーの受光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、前記マーカーの受光面と平行な方向の外力に対して変形することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の外力測定装置において、
前記マーカーは、当該マーカーの受光面と直交する方向において、前記測定領域部と重なりを有するように配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の外力測定装置において、
前記測定領域部は、多角形状の部材で形成され、
前記測定領域部の２つの辺に沿ってそれぞれ複数の前記マーカーが整列して配置された２つのマーカー領域が形成され、
前記２つのマーカー領域は、前記測定領域部を挟んで互いに対向しない位置に形成され、
前記信号処理部は、前記マーカー領域内のマーカー毎に、当該マーカーが配列されている辺と直交する方向の歪量を算出し、当該算出された各方向の歪量のうちそれぞれ最大の歪量が算出されたマーカーを特定し、当該特定された各マーカーの位置に基づいて、前記外力の発生位置及び前記外力量を算出することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の外力測定装置において、
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受光面と直交する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５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の外力測定装置において、
前記第１の媒質は、金属又は誘電体であり、
前記第２の媒質は、前記第１の媒質よりも弾性係数が小さい材料であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の外力測定装置において、
前記第２の媒質は、前記マーカーの受光面と直交する方向において前記第１の媒質と重なりを有するように配置されているとともに、前記第１の媒質内に周期的に配列され、
前記測定領域部は、当該測定領域部で発生した前記マーカーの受光面と平行な方向の外力に応じて変形することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の外力測定装置において、
前記測定領域部は、樹脂材料により形成されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の外力測定装置において、
前記測定領域部の断面積をＡ１、弾性係数をＥ１とし、前記マーカーの断面積をＡ２、弾性係数をＥ２としたとき、
式（１）：Ａ２・Ｅ２＞Ａ１・Ｅ１
前記式（１）を満たすことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の外力測定装置において、
前記被測定対象物及び前記測定領域部を撮像して画像データを生成する撮像部と、
前記撮像部により生成された画像データに基づいて、前記被測定対象物により発生した外力の発生位置を特定する特定部と、
前記信号処理部により算出された前記外力の重心位置及び外力量と、前記特定部により特定された前記外力の発生位置と、に基づいて、前記外力の発生位置毎の外力量を算出する算出部と、
を備えることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の外力測定装置を用いた外力測定方法であって、
前記検出部により検出された光強度に基づいて、前記測定領域部で前記被測定対象物により発生した外力の発生位置及び外力量を算出する工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、被測定対象物により発生した外力の発生位置及び外力量の微小な変位を測定することができる。

本実施形態に係る外力測定装置の概略構成を示す図である。 マーカーの構成を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ部の一例を示す断面図である。 マーカーにＸ方向の張力が生じた際の変形の様子を示す平面図である。 マーカーにＹ方向の張力が生じた際の変形の様子を示す平面図である。 マーカーの配置例を示す平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ部の一例を示す断面図である。 歪量と透過光強度との対応関係を示す図である。 偏光方向毎の透過光強度を示す図である。 第２の媒質の歪み方向及び偏光方向を示す図である。 歪量と透過光強度との対応関係を示す図である。 被測定対象物による外力の発生位置を算出する方法の一例を示す図である。 マーカーの配置例（変形例１）を示す平面図である。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ部の一例を示す断面図である。 被測定対象物による外力の発生位置を算出する方法の一例（変形例１）を示す図である。 変形例２に係る外力測定装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、図１における左右方向をＸ方向とし、上下方向をＺ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向（前後方向）をＹ方向とする。

本実施形態に係る外力測定装置１は、被測定対象物Ｗにより発生する外力（例えば、荷重、重量、熱など）を測定するための装置である。外力測定装置１は、図１に示すように、複数の光源２と、光源２の各々のＺ方向下方にそれぞれ配置され、光源２から出射された光を透過する複数のマーカー３と、マーカー３と隣接して配置され、上面に載置された被測定対象物Ｗにより発生する外力に応じて変形する測定領域部４と、マーカー３の受光面（ＸＹ平面）と平行な面において当該マーカー３及び測定領域部４を外方から覆うように配置され、当該マーカー３及び測定領域部４のＸＹ平面における外方への移動を規制する保持部５と、マーカー３のＺ方向下方に配置され、マーカー３を透過した光を検出する検出部６と、検出部６により検出された光に基づいて被測定対象物Ｗの歪みを測定する信号処理部７と、を備えて構成されている。

光源２は、Ｚ方向下方に配置されたマーカー３に向けて無偏光又は直線偏光の光束（入射光２１）を射出する。光源２は、１μｍ以下の波長の光束を射出する。

マーカー３は、外力により発生する歪み（歪量）に応じて透過光の光強度が変動する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を有している。マーカー３は、図２及び図３に示すように、屈折率が異なる第１の媒質３１と、第２の媒質３２と、を備えて平板薄膜状に形成され、光源２から射出された光束を透過する。
第１の媒質３１は、アルミ、金、銀、チタン、酸化チタン等の金属、樹脂又は誘電体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、第１の媒質３１よりも弾性係数が小さい材料により形成され、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。

また、マーカー３を構成する第１の媒質３１及び第２の媒質３２は、図４及び図５に示すように、マーカー３の受光面と平行な方向の外力に対して変形する。
例えば、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、マーカー３にＸ方向の水平張力（Ｘ張力７１１）が生じた場合、マーカー３はＸ方向に変位する。図４（Ｃ）に示すように、Ｘ張力７１１が負荷される前の第２の媒質を３２０、Ｘ張力７１１が負荷された後の第２の媒質を３２１とし、張力負荷前の第２の媒質３２０の径をＸ０、張力負荷後の第２の媒質３２１の径をＸ１とすると、Ｘ張力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。
εｘ＝（Ｘ１−Ｘ０）／Ｘ０ …（１）
また、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、マーカー３にＹ方向の水平張力（Ｙ張力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５（Ｃ）に示すように、Ｙ張力７１２が負荷される前の第２の媒質を３２０、Ｙ張力７１２が負荷された後の第２の媒質を３２１とし、張力負荷前の第２の媒質３２０の径をＹ０、張力負荷後の第２の媒質３２１の径をＹ１とすると、Ｙ張力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。
εｙ＝（Ｙ１−Ｙ０）／Ｙ０ …（２）

測定領域部４は、樹脂材料により形成された略正方形状の板状部材である。測定領域部４は、マーカー３と隣接して配置され、上面に載置された被測定対象物Ｗにより発生する「マーカー３の受光面と平行な方向の外力」に応じて変形する。また、測定領域部４は、マーカー３の受光面と直交する方向（Ｚ方向）において、マーカー３と重なりを有するように配置されている。
ここで、測定領域部４の断面積をＡ１、弾性係数をＥ１とし、マーカー３の断面積をＡ２、弾性係数をＥ２としたとき、測定領域部４及びマーカー３は、数式３を満たすように形成されている。
Ａ２・Ｅ２＞Ａ１・Ｅ１ …（３）

保持部５は、金属などの剛体により形成されている。保持部５は、マーカー３の受光面（ＸＹ平面）と平行な面において当該マーカー３及び測定領域部４を外方から覆うように配置され、当該マーカー３及び測定領域部４のＸＹ平面における外方への移動を規制する。

本実施形態では、図６及び図７に示すように、略正方形状の板状部材である測定領域部４の図中左上及び右下の頂点部分に１つずつマーカー３が配置されている。そして、このマーカー３及び測定領域部４を外方から覆うように、保持部５が配置されている。上記構成により、マーカー３は、測定領域部４の変形に伴い歪みを生じることとなる。

検出部６は、マーカー３で透過された光束（透過光２２）の光強度及び偏光方向（無偏光の場合は光強度のみ）を検出する。検出部６により検出された透過光２２の光強度及び偏光方向は、信号処理部７に出力される。

信号処理部７は、検出部６から出力された透過光２２の光強度及び偏光方向に基づいて被測定対象物Ｗの歪み方向及び歪量（無偏光の場合は歪量のみ）を算出する。
具体的には、信号処理部７は、透過光２２が無偏光の場合、光強度と歪量との対応関係を示すテーブルデータ（図８参照）に基づいて歪量を算出する。
また、信号処理部７は、透過光２２が直線偏光の場合、まず、検出部６から出力された透過光２２の光強度及び偏光方向に基づいて、最大の光強度を有する偏光方向を被測定対象物Ｗの歪み方向として算出する。次いで、信号処理部７は、算出された歪み方向における光強度と歪量との対応関係を示すテーブルデータ（図１１参照）に基づいて歪量を算出する。
そして、信号処理部７は、算出した歪量に基づいて、測定領域部４で被測定対象物Ｗにより発生した外力の発生位置（外力位置）及び外力量を算出する。

次に、本実施形態に係る外力測定装置１において、マーカー３に発生した歪量を算出する方法について、図８〜図１１を参照して説明する。なお、測定可能な変位量の範囲は、光源２の波長や第２の媒質３２の径Ｘ０の長さに依存する。そのため、光源２の波長及び第２の媒質の径Ｘ０をナノメータースケールに規定することで、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。勿論、光源２の波長や構造体の大きさ、材料等を適切に設定することで、マイクロメートル若しくはそれ以上の変位による歪量を測定することも可能である。

（実施例１）
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２００ｎｍ、第２の媒質３２の直径Ｘ０が２００ｎｍ、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、無偏光であり且つピーク波長が約７００ｎｍのものを使用した。
図８は、歪量εと透過光強度との対応関係を示すテーブルデータである。透過光強度は、「透過光２２の光量÷入射光２１の光量」で算出される。実施例１では、図８に示すように、張力負荷（歪量εの増大）に伴い、透過光強度が単調に減少している。これは、マーカー３に張力が発生すると、マーカー３に含まれる第２の媒質３２の形状が張力により歪み、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。
信号処理部７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、検出部６により検出された透過光強度に基づいて、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。例えば、検出部６が検出した透過光強度が０．６０であった場合、図８に示すテーブルデータを参照することで、透過光強度０．６０に対応する歪量ε（≒０．１０）を算出することができる。

（実施例２）
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２００ｎｍ、第２の媒質３２の直径Ｘ０が２００ｎｍ、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、直線偏光であり且つピーク波長が約７００ｎｍのものを使用した。なお、実施例２では、光源２から時間毎に偏光方向が異なる光を射出するようにして、各偏光方向における光強度を測定した。
図９は、偏光方向θ毎の透過光強度をグラフ化した図である。偏光方向θとは、図１０に示すように、ＸＹ平面上でＸ方向から偏光した角度のことである。図９に示すように、ＸＹ平面上のいずれかの方向に一軸の張力が生じると、その偏光方向によってマーカー３の透過光強度に差異が生じる。これは、張力により第２の媒質３２が真円形状から楕円形状に変位し、偏光方向によって第２の媒質３２の径の大きさに違いが生じ、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の条件では、第２の媒質３２の径の大きさが増大すると、透過光強度が増大する。即ち、被測定対象物Ｗの歪み方向は、第２の媒質３２の径が最大となる方向であり、第２の媒質３２の径が最大となる方向とは、最大の透過光強度を有する偏光方向のことである。例えば、図９に示すように、「張力あり」のような透過光強度の特性が得られた場合、最大の透過光強度となる偏光方向θは４５°であり、歪み方向は４５°と算出される。
図１１は、歪量εと透過光強度との対応関係を示すテーブルデータである。信号処理部７で、図１１に示すテーブルデータを偏光方向（歪み方向）毎に予め用意しておくことで、検出部６により検出された透過光強度及び偏光方向に基づいて、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。例えば、偏光方向θの偏光がマーカー３に照射された際に、検出部６が検出した透過光強度が０．７０であった場合、図１１に示す偏光方向θのテーブルデータを参照することで、透過光強度０．７０に対応する歪量ε（≒０．１０）を算出することができる。

次に、本実施形態に係る外力測定装置１において、被測定対象物Ｗによる外力の発生位置（外力位置）を算出する方法について、図１２を参照して説明する。
測定領域部４の上面には、図１２（Ａ）に示すように、被測定対象物Ｗが載置されている。図１２（Ａ）の状態では、測定領域部４に被測定対象物Ｗによる外力が掛かり、測定領域部４が変形する。そして、図１２（Ｂ）に示すように、測定領域部４の外周部に水平張力Ｈが発生し、外周部に設置された歪み測定用の２つのマーカー３（３Ａ、３Ｂ）にそれぞれ歪みが生じる。このとき、各マーカー３の最大歪み方向は、図１２（Ｃ）に示すように、各マーカー３と被測定対象物Ｗの外力位置とを結ぶ方向となる。
ここで、マーカー３の内部に歪みが生じた場合、マーカー３を透過する光の偏光方向によって、光強度に差異が生じる。このとき、透過する光の強度が最大となる偏光方向が、最大歪み方向となる。この最大歪み方向と各マーカー３の座標位置（ｘ，ｙ）とを用いることで、外力位置を特定することができる。具体的には、図中左上のマーカー３Ａ及び図中右下のマーカー３Ｂの座標をそれぞれ（ｘ１，ｙ１）及び（ｘ２，ｙ２）、マーカー３Ａ及びマーカー３Ｂの最大歪み方向をそれぞれθ１及びθ２としたとき、被測定対象物Ｗの外力位置（ｘ０，ｙ０）は数式４で算出することができる。なお、数式４において、Ａ＝ｔａｎθ１、Ｂ＝ｔａｎθ２とする。

以上のように、本実施形態に係る外力測定装置１は、光を射出する光源２と、上面に載置された被測定対象物Ｗにより発生する外力に応じて変形する測定領域部４と、測定領域部４と隣接して配置され、測定領域部４の変形に伴い歪みを生じるとともに、光源２から射出された光を透過する複数のマーカー３と、マーカー３の受光面と平行な面においてマーカー３及び測定領域部４を外方から覆うように配置され、当該マーカー３及び当該測定領域部４の外方への移動を規制する保持部５と、マーカー３により透過された光の光強度を検出する検出部６と、検出部６により検出された光強度に基づいて、測定領域部４で被測定対象物Ｗにより発生した外力の発生位置及び外力量を算出する信号処理部７と、を備える。また、マーカー３は、屈折率の異なる第１の媒質３１及び第２の媒質３２を有する平板薄膜状に形成される。また、第２の媒質３２のマーカー３の受光面と平行な方向の最大長さは、光源２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る。また、第１の媒質３１及び第２の媒質３２は、マーカー３の受光面と平行な方向の外力に対して変形する。
従って、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、測定領域部４に被測定対象物Ｗによる外力が掛かると測定領域部４が変形し、測定領域部４の外周部に複数配置されたマーカー３に水平張力が生じる。この水平張力により各マーカー３の内部に歪みが生じる。その時に得られる各マーカー３の最大歪み方向を用いることで、被測定対象物Ｗの外力位置を算出することができる。外力位置の測定分解能は、光源２の波長、構造の周期性、マーカー３のサイズに依存するため、これらのパラメータをマイクロメーター以下に規定することで、マイクロメーターオーダーの外力位置の変化を測定することができる。また、マーカー３毎に得られる最大歪み方向の歪量と外力位置から、外力位置での外力量を算出することができる。よって、被測定対象物により発生した外力の発生位置及び外力量の微小な変位を測定することができる。

また、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、マーカー３は、当該マーカー３の受光面と直交する方向において、測定領域部４と重なりを有するように配置されている。
従って、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、２つのマーカー３の最大歪み方向を検出してその交点を算出することで、容易に外力の発生位置を特定することができる。

また、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、第２の媒質３２が収容される領域は、平面視でマーカー３の受光面と直交する方向を中心軸とする真円形状に形成される。
従って、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、歪みに対する感度を平面上のあらゆる方向に一定に持たせることができ、歪量の検出を容易に行うことができる。

また、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、第１の媒質３１は、金属又は誘電体であり、第２の媒質３２は、第１の媒質３１よりも弾性係数が小さい材料である。
従って、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、マーカー３が弾性変形し易くなり、マーカー３内に生じる歪みを容易に検出することができる。

また、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、測定領域部４は、樹脂材料により形成されている。
従って、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、温度変化に対する線膨張係数を高くすることができるので、温度変化による変形を読み取り易くなり、温度変化の測定を容易に行うことが可能となる。

また、本実施形態に係る外力測定装置１は、測定領域部４の断面積をＡ１、弾性係数をＥ１とし、マーカー３の断面積をＡ２、弾性係数をＥ２としたとき、Ａ２・Ｅ２＞Ａ１・Ｅ１を満たす。
従って、本実施形態に係る外力測定装置１によれば、測定領域部４の歪量ε１とマーカー３の歪量ε２との関係は「ε１＜ε２」となり、測定領域部４よりもマーカー３の方が変形し易くなるので、より正確に歪みを測定することができる。

以上、本発明に係る実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（変形例１）
例えば、図１３及び図１４には、実施形態のマーカー３配置例（図６参照）と比べ、マーカー３の数及び配置箇所が異なる配置例が示されている。なお、説明の簡略化のため、実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

具体的には、変形例１では、図１３及び図１４に示すように、略正方形状の板状部材である測定領域部４の図中左辺及び上辺に沿ってそれぞれ所定数（例えば、４つ）ずつマーカー３が整列して配置され、各４つのマーカー３により左辺及び上辺に沿ってそれぞれマーカー領域３０が形成されている。なお、測定領域部４は、正方形状に限定されるものではなく、多角形状の部材であればいかなる形状の部材により形成されていてもよい。
２つのマーカー領域３０は、測定領域部４を挟んで互いに対向しない位置に形成される。そして、このマーカー３（マーカー領域３０）及び測定領域部４を外方から覆うように、保持部５が配置されている。

次に、変形例１に係る外力測定装置１において、被測定対象物Ｗによる外力の発生位置（外力位置）を算出する方法について、図１５を参照して説明する。
測定領域部４の上面には、図１５（Ａ）に示すように、被測定対象物Ｗが載置されている。図１５（Ａ）の状態では、測定領域部４に被測定対象物Ｗによる外力が掛かり、測定領域部４が変形する。そして、図１５（Ｂ）に示すように、測定領域部４の外周部に水平張力Ｈが発生し、外周部に設置された歪み測定用の８つのマーカー３にそれぞれ歪みが生じる。このとき、図１５（Ｃ）に示すように、マーカー３毎に、当該マーカー３が配列されている辺と直交する方向の歪量を算出する。具体的には、測定領域部４の図中左辺に沿って配置された４つのマーカー３のＸ方向の歪量を算出する。また、測定領域部４の図中上辺に沿って配置された４つのマーカー３のＹ方向の歪量を算出する。そして、各方向の歪量のうちそれぞれ最大の歪量が算出されたマーカー３を特定する。図１５（Ｃ）に示す例では、測定領域部４の図中左辺に沿って配置された４つのマーカー３のうち最下に配置されたマーカー３（３Ｄ）が特定される。また、測定領域部４の図中上辺に沿って配置された４つのマーカー３のうち左から３番目に配置されたマーカー３（３Ｅ）が特定される。そして、特定された各マーカー３（３Ｄ、３Ｅ）の位置に基づいて、外力位置を算出する。具体的には、各マーカー３（３Ｄ、３Ｅ）の中心位置からそれぞれ歪量の算出方向に延長した直線の交点を外力位置として算出し、この外力位置における外力量を算出する。

以上のように、変形例１に係る外力測定装置１によれば、測定領域部４は、多角形状の部材で形成され、測定領域部４の２つの辺に沿ってそれぞれ複数のマーカー３が整列して配置された２つのマーカー領域３０が形成され、２つのマーカー領域３０は、測定領域部４を挟んで互いに対向しない位置に形成される。また、信号処理部７は、マーカー領域３０内のマーカー３毎に、当該マーカー３が配列されている辺と直交する方向の歪量を算出し、当該算出された各方向の歪量のうちそれぞれ最大の歪量が算出されたマーカー３を特定し、当該特定された各マーカー３の位置に基づいて、外力の発生位置及び外力量を算出する。
従って、変形例１に係る外力測定装置１によれば、予め決められた方向の歪量を算出することで外力の発生位置及び外力量を算出できるので、最大歪み方向を算出する必要がなくなり、測定に掛かる時間を短縮することができる。
また、変形例１に係る外力測定装置１において、通常、同じマーカー領域３０内の各マーカー３の歪量は、外力の発生位置に最も近いマーカー３が最大となり、このマーカー３から距離が離れるほど小さくなる。しかしながら、例えば、歪量が最大のマーカー３に隣接するマーカー３よりもその隣のマーカー３の方が歪量が大きい場合など、各マーカー３の歪量が非周期的に変化する場合には、外力の発生位置が複数存在することが予想される。このような場合であっても、変形例１に係る外力測定装置１によれば、外力のそれぞれの発生位置及び当該発生位置毎の外力量を算出することができる。

（変形例２）
また、図１６には、実施形態の外力測定装置１の構成（図１参照）と比べ、新たに撮像部８及び撮像制御部９を備えた構成例が示されている。この変形例２の構成は、特に、測定領域部４内に被測定対象物Ｗが複数存在する場合に有効に用いられる。なお、説明の簡略化のため、実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

撮像部８は、マーカー３、測定領域部４及び保持部５よりもＺ方向上方に配置され、被測定対象物Ｗ及び測定領域部４を撮像して画像データを生成する。
撮像制御部９は、撮像部８から出力された画像データに基づいて、被測定対象物Ｗの位置（被測定対象物Ｗにより発生した外力の発生位置）を特定する。即ち、撮像制御部９は、本発明の特定部として機能する。

また、撮像制御部９は、信号処理部７により算出された「測定領域部４で被測定対象物Ｗにより発生した外力の重心位置及び外力量」と、画像データに基づいて特定した「被測定対象物Ｗにより発生した外力の発生位置」と、に基づいて、外力の発生位置毎の外力量を算出する。即ち、撮像制御部９は、本発明の算出部として機能する。
ここで、信号処理部７により算出された「測定領域部４で被測定対象物Ｗにより発生した外力の重心位置」は、被測定対象物Ｗが１つの場合、外力の発生位置と一致する。一方、被測定対象物Ｗが複数の場合、各被測定対象物Ｗにより発生したそれぞれの外力の重心位置となる。従って、被測定対象物Ｗが複数の場合、この外力の重心位置及び外力量と、画像データに基づいて特定した「各被測定対象物Ｗにより発生したそれぞれの外力の発生位置」と、に基づいて、外力の発生位置毎の外力量を算出する。

以上のように、変形例２に係る外力測定装置１は、被測定対象物Ｗ及び測定領域部４を撮像して画像データを生成する撮像部８と、撮像部８により生成された画像データに基づいて、被測定対象物Ｗにより発生した外力の発生位置を特定する特定部（撮像制御部９）と、信号処理部７により算出された外力の重心位置及び外力量と、特定部により特定された外力の発生位置と、に基づいて、外力の発生位置毎の外力量を算出する算出部（撮像制御部９）と、を備える。
従って、変形例２に係る外力測定装置１によれば、画像観察と外力量算出を併用することで複数の外力位置での外力量を算出することができるので、より精度の高い外力測定を行うことができる。

（その他の変形例）
また、上記実施形態では、マーカー３を、当該マーカー３の受光面と直交する方向において、測定領域部４と重なりを有するように配置するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、測定領域部４の上面にマーカー３を載置する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、第２の媒質３２が収容される領域を、平面視でＺ方向（マーカー３の受光面と直交する方向）を中心軸とする真円形状に形成するようにしているが、これに限定されるものではない。即ち、マーカー３の受光面と平行な方向の最大長さが光源２から射出される光の波長よりも短い形状であれば、いかなる形状であってもよく、例えば、楕円形状や矩形状等であってもよい。

また、上記実施形態では、第２の媒質３２として、第１の媒質３１よりも弾性係数が小さい材料を使用するようにしているが、これに限定されるものではない。即ち、第２の媒質３２としては、第１の媒質３１よりも弾性係数が小さい材料を使用することがより好ましいが、第１の媒質３１と同等の弾性係数の材料や第１の媒質３１よりも弾性係数が大きい材料を使用することも可能である。

また、上記実施形態では、第２の媒質３２が、第１の媒質３１と同一の厚さを有する構成を例示して説明しているが、これに限定されるものではない。即ち、第２の媒質３２が、マーカー３の受光面と直交する方向（Ｚ方向）において第１の媒質３１と重なりを有するように配置されている構成であればよく、例えば、第２の媒質３２の厚さが、第１の媒質３１の厚さよりも薄い構成であってもよい。

また、上記実施形態では、測定領域部４を樹脂材料により形成するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、アルミ、金、銀、チタン、酸化チタン等の金属により形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、測定領域部４及びマーカー３を、数式３を満たすように形成するようにしているが、これに限定されるものではない。即ち、測定領域部４及びマーカー３を、数式３を満たすように形成することがより好ましいが、数式３を満たさないように形成してもよい。

また、上記実施形態では、光強度と歪量との対応関係を示すテーブルデータ（図８参照）に基づいて歪量を算出するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、検出部６により検出された光強度に基づいて、所定の計算式により算出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、算出した歪量に基づいて、測定領域部４で被測定対象物Ｗにより発生した外力の発生位置及び外力量を算出するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、検出部６により検出された光強度に基づいて応力を算出するようにし、算出した応力に基づいて、測定領域部４で被測定対象物Ｗにより発生した外力の発生位置及び外力量を算出するようにしてもよい。なお、応力σは、弾性係数ｋと歪量εの積により求めることができる（σ＝ｋ・ε）。
この場合、光強度に基づいて応力を算出する際に、光強度と応力との対応関係を示すテーブルデータを参照する構成としてもよい。なお、応力に基づいて外力の発生位置及び外力量を算出する場合であっても、図１２に示す算出方法又は図１５に示す算出方法のいずれの方法も採用することができる。

また、上記実施形態では、第２の媒質３２をアクリル樹脂等により形成するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、第２の媒質３２が収容される領域に、気体を収容するようにしてもよい。この場合、任意の気体を密封するようにしてもよいし、第２の媒質３２の領域を空間とすることで、空気を第２の媒質３２とするようにしても
よい。
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。

また、上記実施形態では、光源２から射出された光束をマーカー３により透過させる構成を例示して説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、光源２から射出された光束をマーカー３により反射する構成としてもよい。この場合、検出部６は、光源２から射出された光束がマーカー３により反射された先に配置され、マーカー３により反射された光のスペクトル強度を検出する。

また、マーカー３及び被測定対象物Ｗの温度を測定する温度測定部を備えるようにし、信号処理部７が、温度測定部により測定された温度に基づいて、マーカー３及び被測定対象物Ｗのヤング率を算出するようにしてもよい。
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、外力により発生する応力も算出することができる。

その他、外力測定装置を構成する各装置の細部構成及び各装置の細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１ 外力測定装置
２ 光源
２１ 入射光
２２ 透過光
３ マーカー
３１ 第１の媒質
３２ 第２の媒質
４ 測定領域部
５ 保持部
６ 検出部
７ 信号処理部
８ 撮像部
９ 撮像制御部
Ｗ 被測定対象物

Claims (10)

1. 光を射出する光源と、
   上面に載置された被測定対象物により発生する外力に応じて変形する測定領域部と、
   前記測定領域部と隣接して配置され、前記測定領域部の変形に伴い応力及び歪みを生じるとともに、前記光源から射出された光を反射又は透過する複数のマーカーと、
   前記マーカーの受光面と平行な面において前記マーカー及び前記測定領域部を外方から覆うように配置され、当該マーカー及び当該測定領域部の外方への移動を規制する保持部と、
   前記マーカーにより反射又は透過された光の光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強度に基づいて、前記測定領域部で前記被測定対象物により発生した外力の発生位置及び外力量を算出する信号処理部と、
   を備え、
   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の媒質の前記マーカーの受光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、前記マーカーの受光面と平行な方向の外力に対して変形することを特徴とする外力測定装置。
2. 前記マーカーは、当該マーカーの受光面と直交する方向において、前記測定領域部と重なりを有するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の外力測定装置。
3. 前記測定領域部は、多角形状の部材で形成され、
   前記測定領域部の２つの辺に沿ってそれぞれ複数の前記マーカーが整列して配置された２つのマーカー領域が形成され、
   前記２つのマーカー領域は、前記測定領域部を挟んで互いに対向しない位置に形成され、
   前記信号処理部は、前記マーカー領域内のマーカー毎に、当該マーカーが配列されている辺と直交する方向の歪量を算出し、当該算出された各方向の歪量のうちそれぞれ最大の歪量が算出されたマーカーを特定し、当該特定された各マーカーの位置に基づいて、前記外力の発生位置及び前記外力量を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の外力測定装置。
4. 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受光面と直交する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外力測定装置。
5. 前記第１の媒質は、金属又は誘電体であり、
   前記第２の媒質は、前記第１の媒質よりも弾性係数が小さい材料であ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外力測定装置。
6. 前記第２の媒質は、前記マーカーの受光面と直交する方向において前記第１の媒質と重なりを有するように配置されているとともに、前記第１の媒質内に周期的に配列され、
   前記測定領域部は、当該測定領域部で発生した前記マーカーの受光面と平行な方向の外力に応じて変形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外力測定装置。
7. 前記測定領域部は、樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の外力測定装置。
8. 前記測定領域部の断面積をＡ１、弾性係数をＥ１とし、前記マーカーの断面積をＡ２、弾性係数をＥ２としたとき、
   式（１）：Ａ２・Ｅ２＞Ａ１・Ｅ１
   前記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の外力測定装置。
9. 前記被測定対象物及び前記測定領域部を撮像して画像データを生成する撮像部と、
   前記撮像部により生成された画像データに基づいて、前記被測定対象物により発生した外力の発生位置を特定する特定部と、
   前記信号処理部により算出された前記外力の重心位置及び外力量と、前記特定部により特定された前記外力の発生位置と、に基づいて、前記外力の発生位置毎の外力量を算出する算出部と、
   を備え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外力測定装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の外力測定装置を用いた外力測定方法であって、
    前記検出部により検出された光強度に基づいて、前記測定領域部で前記被測定対象物により発生した外力の発生位置及び外力量を算出する工程を有することを特徴とする外力測定方法。

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