JPH0450750A - 圧力応答計測方法および計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （概　要） 物体の表面に圧力を加えてその応答により表面硬さや弾
力その他の物理的特性を計測する非接触型の圧力応答計
測方法および計測装置に関し。

圧力応答計測装置のセンサと対象物の双方に損傷を生じ
ることなく、多様な圧力分布により信鯨性の高い圧力応
答計測を可能にすることを目的とし。

対象物に空気を介して圧力波を投射して対象物に圧力変
動を誘起し、その結果生じた対象物の表面の変位を光等
の波動を用いて計測することにより、対象物の圧力応答
を非接触により計測するようにした。

［産業上の利用分野］ 本発明は、物体の表面に圧力を加えてその応答により表
面硬さや弾力その他の物理的特性を計測する圧力応答計
測方法および計測装置に関するものであり、特に非接触
により計測する圧力応答計測方法および計測装置に関す
る。

〔技術の背景〕

硬さは対象の性質を知るうえで非常に有効な知覚情報の
一つである０日常生活においても°硬い°柔らかい°あ
るいは“ぐにゃぐにゃしている等、硬さに関する言葉に
よってかなり的確に対象のイメージを伝達しており、さ
らにそこから果物の鮮度やセメントの乾き具合いなどを
判断したり。

医師の触診が乳ガンや皮膚ガンなど重大な病気を発見す
ることもある。またヒトが実際に物をつかむときも常に
硬さに応じてその力加減を調節しており、これによって
対象を壊すことなく確実に運ぶことができる。このよう
な硬さの知覚を工学的に実現することを目指した従来の
圧力応答計測装置は、そもそも°硬さ°が触れてみては
じめて得られる情報であることから、圧力応答計測装置
と対象の機械的接触を必要とする。このため圧力応答計
測装置と対象双方に損傷が発生し、応用上の困難が多い
。

〔従来の技術〕

従来の知られている圧力応答計測技術は、接触型のもの
であり、ビン等の工学的触手を対象物に押し付けて、そ
の圧力に対する応答変位量を測定する方法や３動電型あ
るいは圧電型バイブロメータを用いて対象物の機械イン
ピーダンスを測定する方法、たとえばロボット制御の手
で対象物をつかみ、バイブロメータで数百Ｈｚから数Ｋ
Ｈｚの振動を加えて機械インピーダンスを測定する方法
などがある。

更に他の可能な測定法としては１次のようなものがある
。

１、高周波超音波により１表面の加圧と表面変動測定を
同時に行う方法。

２、　表面の加圧として通常のコンプレッサーを用いた
ジェットを使うあるいはレーザー加熱による方法。

３、表面変位の計測方法として ■　波動として、光のかわりに超音波を使う方法。

あるいは低周波光（赤外、マイクロ波）。

あるいは高周波光（紫外）を使う。

■　低周波音響を使う方法。

音響管を対象物表面に近付け、音響インピーダンスの変
化を観測する。

■　また光による遠隔変位計測法としてｌ）スペックル
による方法。

２）モアレ縞による方法。

表面にあるパターンを投影し２表面の変形をパターンの
変形としてとらえる。

３）ｌｊｉ微鏡的な方法。

などが考えられる。上記の方法では単一あるいは複数個
の受光器を用いて観測を行うが、さらに投光器を能動的
に動かすあるいはフィードバック系を構成する等により
高性能化を図ることも可能である。

（発明が解決しようとする課題〕 従来の圧力応答計測技術では、圧力応答計測装置のセン
サと対象物との間の機械的接触が必要であるため、セン
サと対象物の双方に損傷が発生しやすいという欠点があ
り、傷つき易い対象物の場合適用が困難であった。

また表面硬さには圧縮に対する硬さとずれに対する硬さ
とがあるが、従来の技術では対象物内での圧力分布が拡
くなり、これらを区別して測定することができず、また
センサと対象物との間の接触状態が微妙に影響するため
、測定の信親性が低いものとなっていた。

本発明は、圧力応答計測装置のセンサと対象物の双方に
損傷を生じることな（、多様な圧力分布により信頼性の
高い圧力応答計測を可能にすることを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、非接触により対象物表面に圧力変動を与えて
圧力応答計測を実現するものであり、具体的には超音波
よりも低い周波数での音波駆動により圧力波を発生して
対象物に投射し、対象物表面に生じた振動をレーザ等の
波動を用いて遠隔計測することにより行うものである。

ここで圧力波とは、対象物表面に圧力分布を形成し得る
空気の挙動を指すものとする。

第１Ａ図は本発明の原理構成図であり１例示的方法で示
したものである。

図において。

１は、対象物である。

２は１本発明による非接触の圧力応答計測装置である。

３は、ジェット発生手段である。

４は、音波駆動部である。

５は、圧力室である。

６は、ノズルである。

７は、空気のジェットである。

８はまたとえばレーザを用いて遠隔計測を行う振動計測
手段である。

９は、レーザ光である。

圧力応答計測装置２の動作は次のように行われる。

ジェット発生手段３において、音波駆動部４により圧力
室５内に音波の圧力変動を誘起し１ノズル６からジエ・
ント７を放出する。

ジエンドアを対象物１の表面の計測部位に投射すると、
そこに圧力変動が生じ、対象物表面が対象物の物理的特
性に応じた振幅１位相で振動する。

振動計測手段８は、対象物１の表面の計測部位にレーザ
光９を投射し、その反射光から対象物表面の振動を計測
する。

また第１Ａ図のジェット発生手段３に代えて超音波発生
手段を設け、超音波を対象物に照射しその超音波の対象
物表面におけるエネルギー分布を超音波の周波数より低
い周波で変動させ、そのときの表面変位を振動計測手段
８で測定することもできる。

〔作　用〕

第１Ａ図のジェット発生手段３の圧力室５において、空
気の圧力変動が存在する空間を形成しその空間と外界を
特定の条件を満たす少なくとも一つの開口で連結すると
、外界に、圧力変動周波数に対応する空気の音波の波数
より高い空間周波数をもった空気の流れの分布が形成さ
れる。これによって対象に非接触で音波の波数より高い
空間周波を持った圧力分布を加えこのときの対象物表面
の変位を、第１Ａ図の振動計測手段８で非接触により測
定する。

対象物における硬さの指標として２ここでは機械的イン
ピーダンスＺｓをとる。Ｚｓは有限面積Ｓに圧力Ｐｅｘ
ｐ　（ｉωｔ）を加えたときの表面の振動速度をＶｅｘ
ｐ　（ｉωｔ）として Ｚｓ　　−−＜１） ■ で与えられる。Ｓを半径ｒの円とするとｒを十分小さく
とった極限においてＺｓは にはｒを十分小さくするとともにωを ｒω＜　Ｃ（３） となる範囲に抑えることが必要である。ただしＣは対象
の横波速度とする。

第１Ａ図のジェット発生手段３により、空気を介して対
象物１の狭い範囲に（３）式を満たす圧力を加えそれに
よって誘起された表面振動を振動計測手段８で観測する
。これから（１）式よりＺｓを求める。

ジェット発生手段３によるジェット７の発止原理は次の
通りである。

第２図（ａ）に示す樟な装置においてノズルの径ｄを小
さくしていくことを考える。空気の流れを支配するナビ
エーストークスの方程式％式％ でよく近似される。第一項は静的なスチフネスを表し第
二項は軟粘な対象についてはその粘性を反映する。Ｚｓ
がこのように明確な意味をもつためにおけるノズル付近
での左辺第一項の寄与はωｖ７の程度、第二項の寄与は
り／ｄの程度でありｄを小さくしていくにつれ第二項の
寄与が支配的になる。ただしＶｌはノズル出口での平均
流速である。

このとき音響的な指向性のない振舞いをしていた空気の
流れはやがて第２図（ｂ）のようなジェットになり、そ
の勤王で非常に小さな領域に圧力を集中することが可能
になる。

次に第１Ｂ図を用いて１本発明による変位計測方法の詳
細を説明する。

第１Ｂ図において 振動ミラーの変位ｒ 対象物面の変位　Ｒ とし、対象物面あるいはミラーからの光の振幅をａ、ｂ
とすると受光強度は ■ で与えられる。ｒｍｒｏｓｉｎ（ω、ｔ）実験ではωニ
ー２πＸ　（５ｋＨｚ） でミラーを振動させると ■− Σ　Ｊｔｌｌ（２ｋｒ、）　ｃｏｓ　（２ｎ　ωＮｔ　
）　ｃｏｓ（２ｋ　Ｌ　Ｒ十φ） ｔ 的に分離されており ■にｃｏｓ　（２ω工ｔ）をかけ（電子的な乗算）ロー
パスフィルターによりω、ｌ／２以下の成分をとり出し
た出力ｍ　ｃ　”ｃｏｓ　（２ｋ　（Ｒ＋φ）■に５ｉ
ｎ（２ωｘｔ　）をかけω、／２以下の成分をとり出し
た出力ｍｓ　ＣＣｓ１ｎ　（２ｋｈＲ＋φ）となる、こ
の２つの出力をコンピュータに取込みψ−２ｋ、Ｒ＋φ
＝　ｊａｎ−’　（）Ｃ により対象面の変位Ｒが求まる。

また本原理を用いながら、光ファイバ等の利用によりさ
らに装置の簡素化が可能である。

〔実施例〕

第１Ａ図に示されたジェット発生手段３の実施例として
、その音波駆動部４に、径８０／インピーダンス８Ωの
フルレンジスピーカーを使用し。

ノズル６の径を３ｍとしたときの、ジェットの圧力分布
の様子を第３Ａ図に示す。

これは図中！で示す位置にノズルに対し垂直に壁を置い
たときの壁の受ける圧力分布を示したものでありｆｆ１
−２．５閣のときのノズル正面での圧力を１として表示
している。駆動周波数は２０Ｈｚおよび７０Ｈｚであり
、Ｖｎはノズル開口部の平均流速を示す。ノズル正面で
壁の受ける圧力はρＶ２の程度であり１本装置では１■
の駆動電圧で１０Ｐａ程度の圧力が得られた。

第３Ｂ図は、ジェット発生手段３から放射される圧力波
の例を示す。同図ｆａ）は、ノズルから１．５ｃｍ１ｌ
［れたところに壁をおき、ノズル正面での圧力を測定し
た結果の波形であり、同図（ｂ）は論理的予想に基づ（
波形である。なおスピーカーは７０Ｈｚで駆動し、ノズ
ルの平均流速Ｖ。＝７ｍ／ｓであった。ただし圧力ｐは としている。

第４Ａ図は、第１図の振動計測手段８の実施例であり、
マイケルソン型干渉計を用いたものである。

第４Ａ図において、■は対象物、３はジェット発生手段
、８は振動計測手段、９はレーザ光、１０はレーザ、１
１はハーフミラ−１１２は振動ミラー、１３はドライバ
で振動ミラー１２を周波数ω、と振幅Ｕで駆動するもの
、１４は周波数ω。

の信号の発振器、１５はレーザ光を検出する受光器、１
６は周波数ω、を２ω、に変換する倍周器。

１７および１８は乗算器、１９および２０はそれぞれω
、と２ω、を取り出すローパスフィルタ２１はコンピュ
ータである。

第４Ａ図に示すようなマイケルソン型の干渉針において
、振動ミラー１２を周波数ω、で振動させ、レーザ１０
からの光をハーフミラ−１１で反射してつくられる参照
光に位相変調をかける。そのときの対象物１の表面から
の反射光と参照光は受光器１５において混合して検出さ
れ、ビートを生じる。

受光器１５から出力されるビート信号に、振動ミラー１
２の振動周波数ω、とその２倍の周波数２ω、をそれぞ
れ乗算器１７．１８で乗算し、各乗算結果からローパス
フィルタ１９．２０でω。

成分と２ω、成分とを取り出す乗算検波を行う。

これにより、対象物１の表面変位をＸとして５ｉｎ（２
ｋｘ＋　Ａ　）およびｃｏｓ（２ｋｘ＋　Ａ　）に比例
した出力ｍｓ　、ｍｃが得られる。これらをコンピュー
タ２１で処理して、ｘ＋ｂが求められる。ただしｋは光
の波数、Ａは定数でｂ＝Ａ／２にである。

ｘ＋ｂが直接求まるため周波数分析により１００ｒｖ＋
以下の微小な振動変位を外乱の中でも安定に検出できる
。本方式は装置の構成が簡単で光学系の汚れや精度等に
対する要求が非常に少ない。

なお第４Ａ図の実施例装置では２周波数特性を各周波数
ごとに別々に求めているが、１回の測定でこれらを求め
ることも当然可能であり、従来周知の技術を用いて容易
に実現できる。

第４Ｂ図は、ｍｓ　、ｍｅの実測例であり、同図（ａ３
はｍｔ　、ｍｃの振幅の時間変化を示したもの同図（ｂ
）はｍ、’、ｍｃの位相差を示すリサージュ図形である
。変面変位により、（ｙｎｅ、ｍｓ　）は図の円上を動
く。

第４Ｃ図は、第４Ｂ図における（ｍ（、ｍｌ　）の位相
角ψを求めたもので、横幅は時間を示す。

同図（ａ）は、対象物面静止の場合の測定値で、地面の
ゆれ　およびレーザの位相のゆらぎ（１００Ｈｚ）によ
り、ψが時間変化してしまっている。

また同図（ｂ）は、対象物面を５Ｏｒ＋ｍ程度の振幅で
振動させたもの（２００Ｈｚ）。上述した外乱因子は周
波数分析によって容易にとり除くことができる。

本実施例装置により硬さ計測を行った結果を第５図に示
す。対象として、りんご１　トマト　こんにゃくを選ら
びそのＺｓを測定した。ジェットのノズル径は３Ｂｍと
し、対象から１．５ＣＩ離れたところに設置する。ジェ
ットによる圧力Ｐの時間変化は正弦的でないため、圧力
、振動変位ともにスピーカーの駆動周波数成分のみ抽出
してＺｓを求めている。第５図にみるように三つの対象
について１０倍程度ＩＺｓ１にひらきがあり明確にその
硬さを見分けていることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明は、従来の圧力応答計測装置の機能を大部分代行
することができ、しかも非接触であるためセンサの損傷
が大幅に減少し、また従来のようなセンサと対象物との
間の機械的接触条件によって測定結果が影響されること
もないので信鯨性が大幅に向上する。

さらに対象物に対して非破壊となるので、傷つきやすい
果物の鮮度の測定や、塗装表面２石膏等の乾き具合、電
子部品や被膜の接合状態の判断肌の弾力測定や皮膚ガン
、乳ガンなどの医療診断等を容易に行うことができ、適
用対象範囲が著しく拡大される。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の原理構成図、第１Ｂ図は本発明によ
る変位計測方法の説明図、第２図はジェット発生手段の
説明図１第３Ａ図は本発明実施例によるジェットの圧力
分布を示す説明図、第３Ｂ図は本発明実施例によるジェ
ットの圧力波形図第４Ａ図は本発明実施例による圧力応
答計測装置の構成図、第４Ｂ図は本発明実施例によるｍ
ｌｍｃの波形図、第４Ｃ図は本発明実施例によるｍｉ　
、ｍｅの位相角波形図、第５図は本発明実施例による計
測結果の説明図である。 第１図中 １：対象物 ２：圧力応答計測装置 ３ニジ工ンド発生手段 ４：音波駆動部 ５：圧力室 ６：ノズル ７：ジェット ８：振動計測手段 ：レーザ光

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）対象物に空気を介して圧力波を投射して対象物に
   圧力変動を誘起し、その結果生じた対象物の表面の変位
   を光等の波動を用いて計測することにより、対象物の圧
   力応答を非接触により計測することを特徴とする圧力応
   答計測方法。
2. （２）請求項（１）において対象物の圧力応答を機械イ
   ンピーダンスとして求めることを特徴とする圧力応答計
   測方法。
3. （３）空気のジェットを音波により生成するジェット発
   生手段と、波動により対象物の表面振動を計測する振動
   計測手段とにより構成されることを特徴とする圧力応答
   計測装置。