JP6651480B2 - 測定システム、測定方法及び測定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、応力発光物質に荷重を加えた際の発光強度を測定する、測定システム、測定方法及び測定プログラムに関する。

近年、各種の製品や部品の設計においては、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）を用いる場合が多い。その設計過程においては、歪み（応力）に対する耐性等の検査などが含まれる。

例えば、特許文献１に記載の技術は、応力による物質の光複屈折を測定することにより被測定物体に作用する応力状態を測定し（光弾性測定）、応力で発光する物質の光を測定することにより前記被測定物体に作用する応力状態を測定し（応力発光）、両測定データを演算処理することにより所定の応力分布を得るものである。

特開２００７−１９２６８９号公報

ここで、対象物に対して所定の荷重を加えた場合に、該対象物に対して検出したい方向に応力が加わるか否かを検出したいというニーズがある。しかしながら、特許文献１の技術を用いて応力の方向を検出する場合、光弾性測定法が実施可能な部材が限られており汎用性に乏しく、また、厚みが均一で平滑な樹脂膜が必要になるとともに、測定するための装置も複雑になるなどの問題がある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて成されたものであり、応力発光物質の特性を用いることにより、対象物に加わる応力の方向を簡便に測定可能な測定システム、測定方法及び測定プログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る測定システムは、対象物に塗布された応力発光物質を励起状態に遷移させる照射装置と、前記励起状態の応力発光物質が塗布された対象物に対して、第１方向に直交する第２方向の成分に、前記応力発光物質を十分に発光させる応力を与える第１の荷重を予め加える荷重印加装置と、前記荷重印加装置が前記対象物に対して所定の荷重を加えた場合に、前記対象物を撮像した撮像画像を取得する取得部と、前記取得部が取得した撮像画像から、前記所定の荷重が加えられた場合における前記応力発光物質の発光の有無を測定する測定部と、を備える測定装置と、を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る測定システムにおいて、前記第１方向は、ユーザが測定したい方向であり、前記測定部は、前記発光が測定されたことに基づいて、前記対象物に対して、前記所定の荷重によって測定したい方向の成分の応力が加わった旨を特定することを特徴としてもよい。

本発明の一態様に係る測定システムにおいて、前記荷重印加装置は、前記応力発光物質に含まれる前記第２方向の成分の応力により反応する粒子のすべてが前記励起状態から基底状態に遷移するように、前記第２方向の成分の応力を与える前記第１の荷重を予め加えることを特徴としてもよい。

本発明の一態様に係る測定システムにおいて、前記取得部は、前記所定の荷重を加えた場合に前記対象物を逐次撮像した複数の撮像画像を取得し、前記測定部は、前記取得部が取得した複数の撮像画像から、前記所定の荷重が加えられた場合における前記応力発光物質の発光の有無を測定することを特徴としてもよい。

本発明の一態様に係る測定システムにおいて、前記測定部が測定した前記対象物における前記応力発光物質が発光した領域に関する情報を出力する出力部をさらに備え、前記出力部は、前記応力発光物質が発光した領域を、前記対象物において歪みが発生した領域に関する情報として、出力することを特徴としてもよい。

本発明の一態様に係る測定方法は、照射装置により対象物に塗布された応力発光物質を励起状態に遷移させる照射ステップと、荷重印加装置により前記励起状態の応力発光物質が塗布された対象物に対して、第１方向に直交する第２方向の成分に、前記応力発光物質を十分に発光させる応力を与える第１の荷重を予め加える荷重印加ステップと、前記対象物に対して所定の荷重が加えられた場合に、取得部により前記対象物を撮像した撮像画像を取得する取得ステップと、取得した前記撮像画像から、前記所定の荷重が加えられた場合における前記応力発光物質の発光の有無を測定部により測定する測定ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る測定プログラムは、コンピュータに、照射装置により対象物に塗布された応力発光物質を励起状態に遷移させる照射機能と、荷重印加装置により前記励起状態の応力発光物質が塗布された対象物に対して、第１方向に直交する第２方向の成分に、前記応力発光物質を十分に発光させる応力を与える第１の荷重を予め加える荷重印加機能と、前記対象物に対して所定の荷重が加えられた場合に、取得部により前記対象物を撮像した撮像画像を取得する取得機能と、取得した前記撮像画像から、前記所定の荷重が加えられた場合における前記応力発光物質の発光の有無を測定部により測定する測定機能と、を実現させることを特徴とする。

本発明の一態様に係る測定装置等は、応力発光物質の特性を用いることにより、対象物に加わる応力の方向を簡便に測定可能となる。

測定システムの構成例を示す図である。 応応力発光物質に加えられる荷重と、応力発光物質に含まれる粒子が発光する様子を説明するための概念図である。 応力発光物質に加えられる荷重と、応力発光物質に含まれる粒子が発光する様子を説明するための他の概念図である。 測定装置の動作例を示すフローチャートである。 測定システムの構成例を示す他の図である。

以下、本発明の一実施態様に係る測定装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜実施の形態＞
＜構成＞
図１は、測定装置１００を含む測定システムの構成を示す図である。測定システムは、励起後に特定の方向に繰り返し応力が加わると、その方向への応力に対して発光粒子が反応しなくなるという応力発光物質の性質を利用して、対象物１１０に、検出したい方向（検出方向（第１方向））の応力が加わっているか否かを検出するものである。

図１に示すように、測定システムは、測定装置１００と、照射装置２００と、荷重印加装置３００とを含む。

歪み（応力）の測定対象となる対象物１１０は、応力発光物質を表面に付着させていればどのようなものあってもよい。

ここで、応力発光物質（塗料、材料）は、摩擦、衝撃、振動、圧縮、引っ張り、捻じりなど各種の荷重が加えられたことに応じて発光するものであり、歪み（応力）発光は印加された荷重（歪み（応力））に応じた強度で発光する現象のことをいう。

応力発光物質としては、例えば、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（ＳｒＡｌ_２０_４：Ｅｕ）、遷移金属や希土類をドープした硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｍｎ）やチタン酸バリウム・カルシウム（（Ｂａ，Ｃａ）ＴｉＯ_３：Ｐｒ）、アルミン酸カルシウムイットリウム（ＣａＹＡｌ_３Ｏ_７：Ｃｅ）などを用いることができるが、歪み（応力）に応じた強度で発光するものあれば、これらに限定されるものではない。

図１に示すように、測定システムは、照射装置２００を含む。照射装置２００は、対象物１１０に塗布された応力発光物質に対して、紫外線などの波長の短い光を照射する。ここで、応力発光物質は、紫外線などの波長の短い光を照射することにより、該応力発光物質に含まれる発光粒子が励起状態に遷移する。そして、応力発光物質は、荷重を加えることで、該発光粒子が励起状態から基底状態に戻ることにより、発光する。そこで、照射装置２００は、応力発光物質を励起状態に遷移させるために、該応力発光物質に対して、波長の短い光を照射する。

また、測定システムは、荷重印加装置３００を含む。荷重印加装置３００は、応力発光物質が塗布された対象物１１０に対して、荷重を加えるための装置である。荷重印加装置３００は、応力発光物質が塗布された対象物１１０に対して、種々の荷重を加えることができる。ここで、図２を用いて、応力発光物質に対し荷重を加えることで、該応力発光物質が発光する様子を説明する。

図２は、応力発光物質に加えられる荷重と、応力発光物質に含まれる粒子が発光する様子を説明するための概念図である。図２（ａ）に示すように、応力発光物質は、母材と、発光する粒子（発光粒子）とが所定の構造で並んでいる。図２の例では、母材と、発光粒子とが互い違いに並んでいる、いわゆる平面四角形の分子構造の場合における、応力発光物質の分子構造の概念図である。なお、応力発光物質の分子構造は、必ずしも図２に例示するような平面四角形の分子構造ではなく、例えば、平面三角形の分子構造や、三角錐形の分子構造、四角錐形の分子構造など、どのような分子構造であってもよいし、これらの分子構造が複数入り混じった分子構造であってもよい。以下では、図２に例示する分子構造を例にして説明する。

図２（ａ）の分子構造の応力発光物質を励起状態（図２（ｂ）の状態）に遷移させ、その後、荷重を加えると、当該荷重によって発生する応力に対して反応する位置に配置された粒子のみが発光し、それ以外の粒子は励起状態に保たれる。すなわち、図２（ｃ）において、荷重によって発生する応力に対して反応する位置以外に配置された発光粒子Ａは、励起状態に保たれる。一方、それ以外の発光粒子（発光粒子Ａ以外の発光粒子）は、所定方向からの荷重によって発生する応力に対して発光して、励起状態から基底状態に遷移する。

測定システムは、上記のような応力発光物質の性質、すなわち励起後に特定の方向に繰り返し応力が加わると、その方向への応力に対して発光粒子が反応しなくなるという性質を利用して、対象物１１０に、検出したい方向（検出方向（第１方向））の応力が加わっているか否かを検出するものである。

具体的には、測定システムは、照射装置２００を用いて、まず、（１）応力発光物質を、励起状態に遷移させる。そして、測定システムは、荷重印加装置３００を用いて、（２）応力発光物質に対し、検出したい方向（検出方向（第１方向））と直交する方向（直交方向（第２方向））に応力を与えられるような荷重を加える。この際、荷重印加装置３００は、応力発光物質に対して、直交方向（第２方向）の応力を与える荷重を十分加えることにより、当該直交方向（第２方向）と同じ成分の発光粒子を十分に発光させ、基底状態に遷移させる。直交方向（第２方向）の荷重を十分加える方法としては、例えば、応力発光物質が塗布された対象物１１０に対して、該直交方向（第２方向）の応力を与える荷重を繰り返し加えてもよいし、該直交方向（第２方向）に十分な応力を与える大きさの荷重を加えてもよい。その後、測定システムは、測定装置１００を用いて、（３）対象物１１０に対して、所定の荷重を加え、発光粒子が発光したか否かを測定する。この際に、測定システムは、発光粒子が発光した場合、検出方向（第１方向）に応力が加わったと判定できる。一方、測定システムは、発光粒子が発光しなかった場合、検出方向（第１方向）には応力が加わっていないと判定できる。

図３は、応力発光物質に加えられる荷重と、応力発光物質に含まれる粒子が発光する様子を説明するための他の概念図である。図３（ａ）に示すように、応力発光物質は、（２）において、予め加えられた荷重により、検出したい方向に直交する方向と同じ成分の発光粒子が基底状態に遷移しており、（３）において直交方向（第２方向）の応力を与える荷重が加わっても、発光粒子は発光しない。一方、図３（ｂ）に示すように、（３）において、応力発光物質は、検出方向（第１方向）と同じ成分の発光粒子だけが励起状態にあるため、所定の荷重によって検出方向（第１方向）の成分の応力が加わると、発光粒子が発光する。したがって、測定システムは、所定の荷重を加えた場合に、応力発光物質が発光したか否かを測定することにより、検出方向（第１方向）に応力が加わったか否か（所定の荷重によって検出方向（第１方向）の成分の応力が加わったか否か）を判定することが可能となる。

測定装置１００は、応力発光物質を塗布された対象物１１０を撮像し、対象物１１０に対して荷重を与えた場合に、応力発光物質が発光したか否かを検出する。

測定装置１００は、取得部１０１と、測定部１０２と、出力部１０３と、記憶部１０４とを備える。

取得部１０１は、撮像部１２０が撮像した撮像画像１３０を取得する機能を有する通信インターフェースである。取得部１０１は、撮像部１２０が撮像した映像をそのまま受信することとしてもよいし、撮像部１２０が撮像した映像が撮像部１２０にネットワークを介して接続されたサーバ装置（図示せず）等に記憶保存されたものを取得することとしてもよい。取得部１０１は、撮像部１２０あるいは、外部のサーバ装置と、有線または無線のネットワークを介して接続されてよく、撮像画像１３０を取得できるのであれば、通信に使用する通信プロトコルはどのようなものであってもよい。なお、取得部１０１による撮像画像１３０の取得は、撮像部１２０が逐次撮像した画像を取得するものであってもよいし、撮像部１２０が撮影している映像から順番に各フレームを撮像画像として取得するものであってもよい。

取得部１０１は、例えば、対象物１１０に所定の荷重を与えた場合において、応力発光物質が塗布された対象物１１０を逐次撮像した複数の撮像画像１３０を取得する。

測定部１０２は、対象物１１０に所定の荷重を与えた場合に逐次撮像された複数の撮像画像１３０から、発光の有無を測定する。測定部１０２は、発光があった場合は、所定の荷重によって検出方向（第１方向）の成分の応力が加わった旨（すなわち、対象物１１０に所定方向の応力が加わった旨）を特定する。また、測定部１０２は、発光が無い場合は、所定の荷重によって検出方向（第１方向）の成分の応力が加わらなかった旨（すなわち、対象物１１０に所定方向の応力が加わっていない旨）を特定する。測定部１０２は、例えば、記憶部１０４に予め記憶している算出プログラムを読み出して実行する、プロセッサにより実現することができる。

なお、応力発光物質は、荷重印加装置３００により、予め検出したい方向（検出方向（第１方向））と直交する方向（直交方向（第２方向））の成分の応力を発生させる荷重（予め加える荷重）が加えられており、当該直交方向（第２方向）の応力を発生させる荷重を加えても、発光しない状態となっている。そのため、測定部１０２が測定する発光は、所定の荷重によって検出方向（第１方向）の成分の応力が加わり、応力発光物質が発光した場合の発光である。

出力部１０３は、測定部１０２が測定した応力発光物質が発光した領域に関する情報を、歪み発生領域に関する情報として出力する機能を有する通信インターフェースである。出力部１０５は、外部の表示装置１５０と、有線または無線のネットワークを介して接続されてよく、歪み発生領域に関する情報を送信できるのであれば、通信に使用する通信プロトコルは問わない。

出力部１０３が出力した歪み発生部分に関する情報に基づいて、例えば、表示装置１５０において歪みが発生した領域を表示することができる。表示装置１５０は、一般に知られるＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイ等により実現することができる。なお、表示装置１５０としては、その他にも、例えば、携帯端末のモニターや、タブレット端末のモニターなどを用いることとしてもよい。

記憶部１０４は、測定装置１００が動作上必要とする各種データやプログラムを記憶する機能を有する記憶媒体である。記憶部１０４は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等により実現することができるが、この限りではない。記憶部１０４は、例えば、測定部１０２が撮像画像１３０から各画素の発光強度（輝度）を算出するための測定プログラムなどを記憶する。

＜動作＞
図３は、測定装置１００の動作例を示すフローチャートである。図３は、対象物１１０に、検出したい方向（すなわち、検出方向（第１方向））の応力が加わっているか否かを検出する場合の動作例を示すフローチャートである。

（ステップＳ１０１）
ステップＳ１０１において、照射装置２００は、対象物１１０に塗布された応力発光物質を励起状態に遷移させる。具体的には、照射装置２００は、対象物１１０に塗布された応力発光物質に対して、紫外線などの波長の短い光を照射する。

（ステップＳ１０２）
ステップＳ１０２において、荷重印加装置３００は、応力発光物質に対して、検出したい方向（検出方向（第１方向））に直交する方向（直交方向（第２方向））に応力を与えられるような荷重を予め加える。荷重印加装置３００は、応力発光物質が塗布された対象物１１０に対して、該直交方向（第２方向）に応力を与えられるような荷重を繰り返し加えてもよいし、該直交方向（第２方向）に十分な応力を与える大きさの荷重を加えてもよい。

（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０３において、測定装置１００の取得部１０１は、所定の荷重を加えられた対象物１１０を撮像した撮像画像１３０を取得する。取得部１０１は、取得した撮像画像１３０を、測定部１０２に送信し、ステップＳ１０４に移る。

（ステップＳ１０４）
ステップＳ１０４において、対象物１１０に所定の荷重を与えた場合に撮像された撮像画像１３０から、発光の有無を測定する。

（ステップＳ１０５）
そして、測定部１０２は、発光があった場合は（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、所定の荷重によって検出方向（第１方向）の成分の応力が加わった旨（すなわち、対象物１１０に所定方向の応力荷重が加わった旨）を特定する。

（ステップＳ１０６）
一方、測定部１０２は、発光が無い場合は（ステップＳ１０４のＮＯ）、所定の荷重によって検出方向（第１方向）の成分の応力が加わっていない旨（すなわち、対象物１１０に所定方向の応力が加わっていない旨）を特定する。

上記のとおり、測定システムは、励起後に特定の方向に繰り返し応力が加わると、その方向への応力に対して発光粒子が反応しなくなるという応力発光物質の性質を利用して、所定の荷重を加えた場合において、対象物１１０に、検出したい方向（すなわち、検出方向（第１方向））に応力が加わっているか否かを検出することができる。

＜まとめ＞
測定システムは、照射装置２００を用いて、まず、（１）応力発光物質を、励起状態に遷移させる。そして、測定システムは、荷重印加装置３００を用いて、（２）応力発光物質に対し、検出したい方向（検出方向（第１方向））と直交する方向（直交方向（第２方向））の荷重を加える。その後、測定システムは、測定装置１００を用いて、（３）対象物１１０に対して検出方向（第１方向）に応力を与えるような荷重を加え、発光粒子が発光したか否かを測定する。この際に、測定システムは、発光があった場合は、所定の荷重によって検出方向（第１方向）の成分の応力が加わった旨（すなわち、対象物１１０に所定方向の応力が加わった旨）を特定できる。一方、測定システムは、発光が無い場合は、所定の荷重によって検出方向（第１方向）の成分の応力が加わらなかった旨（すなわち、対象物１１０に所定方向の応力が加わっていない旨）を特定できる。このように、測定システムは、励起後に特定の方向に繰り返し応力が加わると、その方向への応力に対して発光粒子が反応しなくなるという応力発光物質の性質を利用して、所定の荷重を加えた場合において、対象物１１０に、検出したい方向（すなわち、検出方向（第１方向））の応力が加わっているか否かを検出することができる。

＜補足＞
上記実施の形態に係る測定装置は、上記実施の形態に限定されるものではなく、他の手法により実現されてもよいことは言うまでもない。以下、各種変形例について説明する。

（１）上記実施の形態においては、撮像部１２０は、測定装置１００外の装置としているが、測定装置１００は、撮像部１２０も備えることとしてもよい。

（２）上記実施の形態においては、表示装置１５０は、測定装置１００外の装置としているが、測定装置１００は、表示装置１５０を備えることとしてもよい。

（３）上記実施の形態においては、測定部１０２は、撮像画像１３０から各画素の発光強度（輝度）を測定することとしたが、この手法に代えて、発光強度（輝度）センサを用いて測定することとしてもよい。

（４）上記実施の形態においては、測定装置１００を構成する各機能部として機能するプロセッサが歪み測定プログラム等を実行することとしているが、これは装置に集積回路（ＩＣ（Integrated Circuit）チップ、ＬＳＩ（Large Scale Integration））等に形成された論理回路（ハードウェア）や専用回路によって実現してもよい。また、これらの回路は、１または複数の集積回路により実現されてよく、上記実施の形態に示した複数の機能部の機能を１つの集積回路により実現されることとしてもよい。ＬＳＩは、集積度の違いにより、ＶＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩなどと呼称されることもある。すなわち、図５に示すように、測定装置１００を構成する各機能部は、物理的な回路により実現されてもよい。図５に示すように、測定装置１００は、取得回路１０１と、測定回路１０２と、出力回路１０３と、記憶回路１０４とを備え、各回路は、上述の同名の各機能部と同様の機能を有する。

また、上記歪み測定プログラムは、プロセッサが読み取り可能な記録媒体に記録されていてよく、記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記歪み測定プログラムは、当該歪み測定プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記プロセッサに供給されてもよい。本発明は、上記歪み測定プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

なお、上記歪み測定プログラムは、例えば、ActionScript、JavaScript（登録商標）などのスクリプト言語、Objective-C、Java（登録商標）などのオブジェクト指向プログラミング言語、HTML5などのマークアップ言語などを用いて実装できる。

（５）上記実施の形態及び各補足に示した構成は、適宜組み合わせることとしてもよい。

１００ 測定装置
１０１ 取得部
１０２ 測定部
１０３ 出力部
１０４ 記憶部
１１０ 対象物
１２０ 撮像部
１３０ 撮像画像
１５０ 表示装置
２００ 照射装置
３００ 荷重印加装置

Claims (7)

1. 対象物に塗布された応力発光物質を励起状態に遷移させる照射装置と、
   前記励起状態の応力発光物質が塗布された対象物に対して、第１方向に直交する第２方向の成分に、前記応力発光物質を十分に発光させる応力を与える第１の荷重を予め加える荷重印加装置と、
   前記荷重印加装置が前記対象物に対して所定の荷重を加えた場合に、前記対象物を撮像した撮像画像を取得する取得部と、
   前記取得部が取得した撮像画像から、前記所定の荷重が加えられた場合における前記応力発光物質の発光の有無を測定する測定部と、を備える測定装置と、
   を含む測定システム。
2. 前記測定部は、前記発光が測定されたことに基づいて、前記対象物に対して、前記所定の荷重によって測定したい方向の成分の応力が加わった旨を特定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
3. 前記荷重印加装置は、前記応力発光物質に含まれる前記第２方向の成分の応力により反応する粒子のすべてが前記励起状態から基底状態に遷移するように、前記第２方向の成分の応力を与える前記第１の荷重を予め加える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の測定システム。
4. 前記取得部は、前記所定の荷重を加えた場合に前記対象物を逐次撮像した複数の撮像画像を取得し、
   前記測定部は、前記取得部が取得した複数の撮像画像から、前記所定の荷重が加えられた場合における前記応力発光物質の発光の有無を測定する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の測定システム。
5. 前記測定部が測定した前記対象物における前記応力発光物質が発光した領域に関する情報を出力する出力部をさらに備え、
   前記出力部は、前記応力発光物質が発光した領域を、前記対象物において歪みが発生した領域に関する情報として、出力することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の測定システム。
6. 照射装置により対象物に塗布された応力発光物質を励起状態に遷移させる照射ステップと、
   荷重印加装置により前記励起状態の応力発光物質が塗布された対象物に対して、第１方向に直交する第２方向の成分に、前記応力発光物質を十分に発光させる応力を与える第１の荷重を予め加える荷重印加ステップと、
   前記対象物に対して所定の荷重が加えられた場合に、取得部により前記対象物を撮像した撮像画像を取得する取得ステップと、
   取得した前記撮像画像から、前記所定の荷重が加えられた場合における前記応力発光物質の発光の有無を測定部により測定する測定ステップと、
   を含む測定方法。
7. コンピュータに、
   照射装置により対象物に塗布された応力発光物質を励起状態に遷移させる照射機能と、
   荷重印加装置により前記励起状態の応力発光物質が塗布された対象物に対して、第１方向に直交する第２方向の成分に、前記応力発光物質を十分に発光させる応力を与える第１の荷重を予め加える荷重印加機能と、
   前記対象物に対して所定の荷重が加えられた場合に、取得部により前記対象物を撮像した撮像画像を取得する取得機能と、
   取得した前記撮像画像から、前記所定の荷重が加えられた場合における前記応力発光物質の発光の有無を測定部により測定する測定機能と、
   を実現させる測定プログラム。