ひずみ計測方法、ひずみ計測装置およびプログラム
【課題】測定対象５が受ける光の照度や照射方向の変化の影響を受けない、安定した計測ができる、ひずみ計測装置を提供する。
【解決手段】コンピュータ４は、測定対象５の所定領域６を表面高さ計測器２で計測して得られた当初表面高さ分布から、所定領域６の点Ａ，Ｂをそれぞれ包含する微小領域ａ，ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段、所定領域６の、経時後表面高さ分布上の、前記微小領域ａ，ｂに最も近似する微小領域ａ’，ｂ’内にあって、前記微小領域ａ，ｂにおける前記点Ａ，Ｂに対応する点Ａ’，Ｂ’の座標を算出する座標算出手段、及び測定対象５の線分ＡＢ方向のひずみを算出するひずみ算出手段として機能する。
【解決手段】コンピュータ４は、測定対象５の所定領域６を表面高さ計測器２で計測して得られた当初表面高さ分布から、所定領域６の点Ａ，Ｂをそれぞれ包含する微小領域ａ，ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段、所定領域６の、経時後表面高さ分布上の、前記微小領域ａ，ｂに最も近似する微小領域ａ’，ｂ’内にあって、前記微小領域ａ，ｂにおける前記点Ａ，Ｂに対応する点Ａ’，Ｂ’の座標を算出する座標算出手段、及び測定対象５の線分ＡＢ方向のひずみを算出するひずみ算出手段として機能する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体のひずみを非接触で計測するひずみ計測方法、ひずみ計測装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械的な強度を要求される物体、例えば、橋梁、ダム、水門、その他の土木構造物、船舶の船殻、航空機の胴体、翼、原動機の架構、車両、各種プラント、その他の機械、あるいは機械要素、部品等の機械的強度を確認するために、載荷試験が行われる。一般に載荷試験は、試験対象の物体にひずみゲージや変位計を取り付けて、当該物体に生じる変位を計測して行う。
【０００３】
また、物体にモニタ装置を取り付け、当該物体の変位やひずみを監視して、当該物体の機械的な強度の低下を検知することも行われている。機械的な強度の低下を検知して、致命的な破壊が発生する前に適切な修理を行えば、災害を防ぐことができるからである。
【０００４】
例えば、特許文献１には、診断対象部材に光ファイバを取り付けて、対象部材上の特定の部位のひずみ履歴を連続的に監視する構造物の診断方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、船体構造体の多様な箇所に光学的ひずみセンサを配置して、船体構造体に加わる動的負荷を連続監視する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、航空機の構造体に取り付けて、構造体に生じるひずみを検出する構造モニタリング用センサが開示されている。
【０００７】
このように、物体の変位やひずみを監視するためには、物体にセンサを取り付ける必要があるが、特に大型構造物の場合、センサを取り付け、更にセンサの信号線を計測器やデータロガーまで配線する作業は煩雑なので、多くの経費を必要とする。また、大型構造物の監視は長期間にわたって行われるが、長期間に渡ってセンサを含むモニタ装置を保守するためには、多くの人手と経費を必要とする。
【０００８】
そこで、本願発明者らは、被測定物の表面を撮像した画像を解析して被測定物のひずみを算出する方法を発明して、特許文献４において開示している。この方法に依れば、被測定物に固定されたセンサを必要としないので、上述したような問題は生じない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２５７５７０号公報
【特許文献２】特表平１０−５１１４５４号公報
【特許文献３】特表２００７−５０５３０９号公報
【特許文献４】特開２００７−１７０９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献４に開示した方法は、ＣＣＤカメラ等で撮像した画像を使用するので、照明条件の影響を受けやすいという問題がある。特に被測定物が屋外にある場合、自然光（太陽光）が被測定物に照射されるが、自然光の照度や照射方向は季節、時刻あるいは天候によって変化するので、安定した計測ができない。つまり、照度や照射方向によって画像の質が変化するので、精度のよい計測が出来ないという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被測定物にセンサを固定する必要がなく、つまり非接触での計測が可能で、被測定物が受ける光の照度や照射方向の変化の影響を受けない、ひずみ計測方法、ひずみ計測装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明に係るひずみ計測方法は、測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出段階と、前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合段階と、前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出段階と、当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を下式に代入して、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出段階を有することを特徴とする。
【数１】
【００１３】
前記微小領域抽出段階は、前記所定領域内の点Ａｉ及びＢｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、前記照合段階は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、前記座標算出段階は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、前記ひずみ算出段階は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定領域のひずみとして算出するようにしてもよい。
【００１４】
前記ひずみ算出段階は、全てのひずみεｉの中から異常値を除外して相和平均を算出するようにしてもよい。
【００１５】
前記異常値は、例えば、事前に規定された範囲外の値である。
【００１６】
全ての前記ひずみεｉの最大値および最小値を前記異常値としてもよい。
【００１７】
また、前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布の表面高さが平均値以下となる領域の表面高さを前記平均値に置き換える溝部カット段階をさらに有するようにしてもよい。
【００１８】
また、前記測定対象物の前記所定領域を事前に加工して凹凸面を形成する所定領域加工段階をさらに有するようにしてもよい。
【００１９】
本発明に係るひずみ計測装置は、測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段と、前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合手段と、前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出手段と、当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’ に基づいて、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出手段を備えることを特徴とする。
【００２０】
前記微小領域抽出手段は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、前記照合手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、前記座標算出手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、前記ひずみ算出手段は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定の領域のひずみとして算出するようにしてもよい。
【００２１】
前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布の表面高さが平均値以下となる領域の表面高さを前記平均値に置き換える溝部カット手段をさらに備えるようにしてもよい。
【００２２】
本発明に係るプログラムは、コンピュータにインストールされて、当該コンピュータを、測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段と、前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合手段と、前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出手段と、当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’ に基づいて、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出手段を備えるひずみ計測装置として機能させることを特徴とする。
【００２３】
前記微小領域抽出手段は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、前記照合手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、前記座標算出手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、前記ひずみ算出手段は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定領域のひずみとして算出するようにしてもよい。
【００２４】
本発明に係るプログラムは、コンピュータにインストールされて、当該コンピュータを前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布から、前記所定領域の表面高さの平均値以下の表面高さを全て前記平均値に置き換えて、前記当初表面高さ分布及び前記経時後表面高さ分布を得る溝部カット手段をさらに備えるひずみ計測装置として機能させるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、被測定物の表面の高さ分布に基づいて、ひずみを計測するので、被測定物が受ける光の照度や照射方向の変化の影響を受けない安定したひずみ計測が可能になる。また、被測定物にセンサやゲージを常設する必要がないので、センサやゲージを保守する手間が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態の一例を示すひずみ計測システムの概念的な構成図である。
【図２】表面高さ計測器の概念的な構成図である。
【図３】表面高さ計測器によって得られる測定対象の表面高さ分布の概念図である。
【図４】表面高さ分布を示すデータマトリクスの概念図である。
【図５】コンピュータの概念的な構成図である。
【図６】計測対象の表面上の点の変位を推定する方法を説明する概念図である。
【図７】Ｘ軸方向のひずみεｘを算出する方法を説明する概念図である。
【図８】Ｙ軸方向のひずみεｙを算出する方法を説明する概念図である。
【図９】ＸＹ軸の対角線方向のひずみεｘｙを算出する方法を説明する概念図である。
【図１０】微小領域抽出処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１１】所定領域と微小領域の関係を説明する概念図である。
【図１２】照合処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１３】サブセットａとサブセットａ’ の関係を説明する概念図である。
【図１４】座標算出処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１５】相関係数Ｃの２次曲線補間を説明する概念図である。
【図１６】ひずみ算出処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１７】平均処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１８】溝部カット処理を説明する概念図である。
【図１９】溝部カット処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図２０】実験に使用した試験片等の構成を示す図である。
【図２１】実験結果を示すグラフである。
【図２２】溝部カット処理を行った実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、適宜、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
本発明に係るひずみ計測システムは、例えば、図１に示すように構成される。つまり、ひずみ計測システム１は、表面高さ計測器２、データロガー３、及びコンピュータ４を備える。
【００２９】
表面高さ計測器２は、測定対象５の表面の所定領域６の表面高さを計測する装置であり、その具体的な構成は後述する。
【００３０】
データロガー３は、表面高さ計測器２で求めた所定領域６の表面高さ分布を示すデータを記録する装置である。なお、データロガー３の形式や構成等は特に限定されない。ひずみ計測システム１で処理されるデータを自由に書き込み／読み出すことが出来るような装置を公知の装置の中から選択すればよい。
【００３１】
コンピュータ４は、表面高さ計測器２で計測され、データロガー３に記録された測定対象５の表面の所定領域６の表面高さ分布を解析して、所定領域６のひずみを算出する装置であり、その具体的な構成は後述する。
【００３２】
さて、表面高さ計測器２は図２に示すように構成される。すなわち、表面高さ計測器２は、２次元レーザ変位計７と、精密送り装置８を備える。また、２次元レーザ変位計７はセンサヘッド９とコントローラ１０とから構成される。
【００３３】
２次元レーザ変位計７は、計測対象にレーザ光を照射する照射部と、前記計測対象で反射したレーザ光を撮像する撮像素子を備えて、前記撮像素子で撮像したレーザ光の画像に基づいて計測対象の表面の高さを計測するセンサである。なお、本実施形態で使用した２次元レーザ変位計の構成や原理については、例えば、特開２００６−２０３９９号公報、特開２００６−４５９２６号公報等に詳述されているので、説明を省略する。
【００３４】
精密送り装置８は２次元レーザ変位計７を所定の微小距離だけ繰り返し移動させる装置であり、本実施形態ではマイクロメータを精密送り装置８として使用している。つまりマイクロメータのスピンドル８ａの先端にセンサヘッド９を固定して、スピンドル８ａを所定の微小長さだけ進退させてセンサヘッド９を移動させている。
【００３５】
図３は、表面高さ計測器２によって得られる測定対象５の表面の所定領域６の表面高さ分布の概念図である。図３において、Ｘ軸は２次元レーザ変位計７が測定対象５に照射するレーザビームの幅方向に相当し、Ｙ軸は精密送り装置８の送り方向に相当する。また、所定領域６の表面高さは、図示しないＺ軸の座標で表示される。
【００３６】
２次元レーザ変位計７は、Ｘ軸方向に３ｍｍの幅を持つレーザビームを測定対象５に照射して、測定対象５で反射したレーザビームの画像を６３１個の画素に分解して、画素毎に測定対象５の高さ、つまりＺ軸座標を算出することができる。したがって、２次元レーザ変位計７によれば、１回の計測で、測定対象５の表面に約４．８μｍピッチでＸ軸方向に直列に並んだ６３１個の点のＺ軸座標を得ることができ、得られた座標値は所定のフォーマットでデータロガー３に記録される。
【００３７】
２次元レーザ変位計７による計測が１回完了したら（Ｘ軸方向に並んだ６３１個の点のＺ軸座標が得られたら）、精密送り装置８を操作してセンサヘッド９をＹ軸方向に約５μｍ移動させて２次元レーザ変位計７による計測を行う。これを６３１回繰り返すと、測定対象５の表面に幅約３ｍｍ、高さ約３．２ｍｍの広がりを有する所定領域６にマトリクス状に配列された３９８，１６１（＝６３１×６３１）個の点のＺ軸座標がデータロガー３に記録される。つまり、所定領域６の表面高さの分布が、図４に示すような、３９８，１６１個のデータマトリクスの形でデータロガー３に記録される。
【００３８】
さて、コンピュータ４は、例えば、図５に示すように構成される。すなわち、コンピュータ４は、中央処理装置１１、記憶装置１２、通信インターフェイス１３、キーボード１４、モニタ１５等を備える。また、コンピュータ４はキーボード１４によって操作されて、記憶装置１２に記録されたプログラムを中央処理装置１１が実行する。また、中央処理装置１１は、該プログラムにしたがって、通信インターフェイス１３を介してデータロガー３からデータを読み出し、所定の処理を行って、その結果をモニタ１５に表示し、記憶装置１２に記録する。また、通信インターフェイス１３を介して、当該処理の結果を図示しないプリンタに出力することができる。あるいは、当該処理の結果を図示しない他のコンピュータに送信することができる。
【００３９】
次に、ひずみ計測システム１の原理を簡単に説明する。
【００４０】
一般に、構造物は、面内に荷重が加わるように設計されるので、面外方向（板厚方向）のひずみは、面内方向のひずみに比べて十分小さい。例えば、測定対象５にＸＹ平面内の荷重が加わる場合に、測定対象５はＸＹ平面内で変形するが、Ｚ軸方向には殆ど変化しない。そのため、測定対象５の表面の微小領域は、その微小領域内で表面高さ分布を保ったまま、ＸＹ平面内で移動する。
【００４１】
したがって、図６に示すように、測定対象５に荷重を加える前に、所定領域６内の表面高さ分布を計測し、所定領域６内の点Ａを包含する微小領域ａの表面高さ分布、及び所定領域６内の別の点Ｂを包含する微小領域ｂ（ここでは、点Ａ及びＢが、それぞれ微小領域ａ及びｂの中心に位置するような微小領域ａ及びｂを設定している）の表面高さ分布をそれぞれ求め、その後、測定対象５に荷重を加えた後の所定領域６’内の表面高さ分布を計測し、所定領域６’内で表面高さ分布が微小領域ａ，ｂに最も近似する微小領域ａ’，ｂ’を見つければ、所定領域６内の点Ａ，Ｂが、微小領域ａにおける点Ａ及び微小領域ｂにおける点Ｂにそれぞれ対応する、微小領域ａ’ 内の点Ａ’及び微小領域ｂ’内の点Ｂ’（ここでは、点Ａ’及びＢ’は、それぞれ微小領域ａ’及びｂ’の中心に位置する）に移動したと推定できる。
【００４２】
そして、荷重を加える前の所定領域６内の点Ａ，Ｂ間の距離、つまり線分ＡＢの長さをｌ、荷重を加えた後の所定領域６’内の点Ａ’，Ｂ’間の距離、つまり線分Ａ’Ｂ’の長さをｌ’とすると、荷重の印加によって点Ａ，Ｂ間に生じたひずみεは、は次式で得られる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
また、図７に示すように、点Ａ，ＢがＸ軸方向に並ぶように選べば、Ｘ軸方向のひずみεｘは次式で得られる。
【００４５】
【数３】
【００４６】
また、図８に示すように、点Ａ，ＢがＹ軸方向に並ぶように選べば、Ｙ軸方向のひずみεｙは次式で得られる。
【００４７】
【数４】
【００４８】
また、図９に示すように、点Ａ，ＢがＸＹ軸の対角線方向に並ぶように選べば、対角線方向のひずみεｘｙは次式で得られる。
【００４９】
【数５】
【００５０】
また、εｘ、εｙ、εｘｙが得られれば、主ひずみγｍａｘが次式で得られる。
【００５１】
【数６】
【００５２】
また、同様な手順を経て、所定領域６内の複数の点Ａｉ，Ｂｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数）が、荷重を加えた後に点Ａ’ｉ，Ｂ’ｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）に移動することを知って、線分ＡｉＢｉの長さｌｉ及び線分Ａ’ｉＢ’ｉの長さｌ’ ｉから、ひずみεｉを求めて、ひずみεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）の総和をｎで除して求めた、ひずみεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）の相和平均εｍｅａｎで所定領域６のひずみを代表させてもよい。
【００５３】
なお、上記方法では、線分ＡＢおよび線分Ａ’Ｂ’の長さだけに基づいて、ひずみεを算出するので、線分ＡＡ’および線分ＢＢ’の長さはひずみεの値に影響しない（図６参照）。そのため、表面高さ計測器２と測定対象５の相対位置の再現性はひずみεの計測精度には影響しない。したがって、測定対象５に荷重を加える前に、表面高さ計測器２を測定対象５に固定して、所定領域６内の高さ分布を計測し、その後、表面高さ計測器２を測定対象５から取り外し、経時後に、再度、表面高さ計測器２を測定対象５に固定する場合に、表面高さ計測器２は、表面高さ計測器２の検出範囲内に所定領域６が包含される程度の精度で位置決めされれば十分である。表面高さ計測器２の測定対象５に対する相対位置が多少ずれて、線分ＡＡ’及び線分ＢＢ’の長さが変動しても、線分ＡＢ及び線分Ａ’Ｂ’の長さは変動しないからである。
【００５４】
また、所定領域６の表面の高さ（Ｚ座標）は、表面高さ計測器２に固定された座標で表示されるが、例えば所定領域６の表面の高さの平均を求めて、該平均を基準とする相対的な高さで、所定領域６の表面の高さ分布を表示するようにすれば、表面高さ計測器２の測定対象５に対する相対高さは、所定領域６の表面の高さ分布の表示に影響を与えない。そのため、表面高さ計測器２を測定対象５に取り付ける時の高さ方向（Ｚ軸方向）の相対位置の再現性はひずみεの計測精度には影響しない。
【００５５】
さて、上記の原理に基づいて、所定領域６の表面高さ分布から測定対象５のひずみεを算出するために、コンピュータ４の記憶装置１２に次のようなプログラムがインストールされ、中央処理装置１１がこれらを実行する。
【００５６】
（１）微小領域抽出処理プログラム
（２）照合処理プログラム
（３）座標算出処理プログラム
（４）ひずみ算出処理プログラム
（５）平均処理プログラム
（６）溝部カット処理プログラム
【００５７】
以下、各プログラムの概略フローを説明する。
【００５８】
［微小領域抽出処理プログラム］
微小領域抽出処理プログラムは、測定対象５に荷重が印加される前に計測された所定領域６の表面高さ分布（初期表面高さ分布）から、所定領域６内の点Ａ，Ｂの近傍の微小領域ａ、ｂの表面高さの分布を抽出するプログラムであり、おおよそ、図１０に示すような処理が実行される。
【００５９】
まず点Ａの座標（ｘ、ｙ）が入力される（ステップＳ１１）。なお、座標（ｘ、ｙ）の入力はキーボード１４を使って手動で、あるいは上位のプログラムから自動で行われる。
【００６０】
次に、図１１に示すように、所定領域６全体の初期表面高さ分布を示すデータマトリクスから、座標（ｘ、ｙ）の近傍の微小領域ａに属するデータマトリクスを抽出する（以下、微小領域ａに属するデータマトリクスを「サブセットａ」と呼ぶ）。例えば、サブセットａの大きさを４行４列とする場合に、所定領域６の初期表面高さ分布を示す６３１行６３１列のデータマトリクスの座標（ｘ、ｙ）の上方の２行から下方の２行まで、および左方の２列から右方の２列の範囲にある要素を取り出してしてサブセットａを抽出する（ステップＳ１２）。
【００６１】
最後に、サブセットａを記憶装置１２に格納して（ステップＳ１３）、微小領域抽出処理プログラムを終了する。
【００６２】
［照合処理プログラム］
照合処理プログラムは、微小領域抽出処理プログラムで抽出されたサブセットａと、測定対象５に荷重が印加された後に計測された所定領域６の表面高さ分布（経時後表面高さ分布）を照合して、サブセットａに最も近似する前記経時後表面高さ分布上のサブセットａ’を求めるプログラムであり、おおよそ、図１２に示すような処理が実行される。
【００６３】
まず、記憶装置１２からサブセットａを読み出す（ステップＳ２１）。次に、経時後表面高さ分布を示すデータマトリクスから、サブセットαｉを切り出して（ステップＳ２２）、サブセットａとの近似性を評価する（ステップＳ２３）。
【００６４】
サブセットαｉとサブセットａとの近似性の評価は、経時後表面高さ分布を示すデータマトリクスに含まれる全てのサブセットαｉについて行われ、全てのサブセットαｉの近似性の評価が終わったら（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、ステップＳ２５に進み、サブセットａとの近似性が最大になるサブセットαｉ、つまりサブセットａに最も近似するサブセットαｉをサブセットａ’に決定する。
【００６５】
そして、サブセットａ’を記憶装置１２に格納して（ステップＳ２６）、照合処理プログラムを終了する。
【００６６】
なお、サブセットの近似性の評価には、次に示すような相関計数Ｃを使用する。
【００６７】
すなわち、図１３に示すように、サブセットａの中心座標をＰ（Ｘ，Ｙ）、サブセットａ’の中心座標をＰ’（Ｘ＋ｕ，Ｙ＋ｖ）とすると、サブセットａに対するサブセットａ’の相関係数Ｃは次式で表される。
【００６８】
【数７】
【００６９】
ここで、Ｚｕ（Ｘ＋ｉ，Ｙ＋ｊ）およびＺｄ（Ｘ＋ｕ＋ｉ，Ｙ＋ｖ＋ｊ）はサブセットａおよびサブセットａ’の対応する点の高さ（Ｚ座標値）である。なおＭは、サブセットａおよびサブセットａ’の大きさをＮ行Ｎ列とする場合に、Ｍ＝２Ｎ−１となる整数である。つまり、相関係数Ｃは、サブセットａおよびサブセットａ’の対応する点の高さ（Ｚ座標値）の差の絶対値の総和であり、相関係数Ｃが小さいほどサブセットａに対するサブセットａ’の近似性が高いと言える。
【００７０】
したがって、全てのｕ，ｖについて、相関係数Ｃを算出して、相関係数Ｃを最小にするｕ，ｖを決定すれば、サブセットａに最も近似するサブセットａ’を決定することができる。
【００７１】
あるいは、次式に示すような相関係数Ｃを使用してもよい。
【００７２】
【数８】
【００７３】
［座標算出処理プログラム］
座標算出処理プログラムは、サブセットの中心の点の座標を算出するプログラムであり、おおよそ、図１４に示すような処理が行われる。すなわち、まず記憶装置１２から、例えばサブセットａ’を読み出す（ステップＳ３１）。次に、サブセットａ’の中心の点Ａ’の座標（ｘ’、ｙ’）を算出して（ステップＳ３２）、座標（ｘ’、ｙ’）を記憶装置１２に格納して（ステップＳ３３）、処理を終える。
【００７４】
さて、測定対象５に荷重を加える前に、座標（ｘ、ｙ）の位置にあった点Ａが、サブセットａ’の中心の点Ａ’に変位すると仮定して、点Ａ’の座標（ｘ’、ｙ’）を求めたが、図１５に示すように、離散的に得られる相関係数Ｃ（Ｘ＋ｕ−１，Ｙ＋ｖ−１）、Ｃ（Ｘ＋ｕ，Ｙ＋ｖ）、Ｃ（Ｘ＋ｕ＋１，Ｙ＋ｖ＋１）の間を２次曲線で近似補間して、相関係数Ｃが最小となる点Ｅの座標を点Ａ’の座標（ｘ’、ｙ’）としてもよい。このような近似補間を行えば、精度の高い変位の推定ができる。
【００７５】
［ひずみ算出処理プログラム］
ひずみ算出処理プログラムは、照合処理プログラムと座標算出処理プログラムを実行して、測定対象５に荷重を加える前に所定範囲６にあった点Ａ，Ｂが、測定対象５に荷重を加えると点Ａ’，Ｂ’に移動することを知って、測定対象５の線分ＡＢ方向のひずみを算出するプログラムであり、おおよそ、図１６に示すような処理が行われる。
【００７６】
すなわち、まず記憶装置１２から点Ａ，Ｂ及び点Ａ’，Ｂ’の座標を読み出す（ステップＳ４１）。次に、線分ＡＢの長さｌを算出し（ステップＳ４２）、線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を算出する（ステップＳ４３）。
【００７７】
そして、次式にしたがって、測定対象５の線分ＡＢ方向のひずみεを算出し（ステップＳ４４）、結果を記憶装置１２に格納し（ステップＳ４５）、処理を終える。
【００７８】
【数９】
【００７９】
［平均処理プログラム］
平均処理プログラムは、所定領域６内の複数の線分ＡｉＢｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数）方向のひずみεｉを求めて、それらの相和平均を算出するプログラムであり、おおよそ、図１７に示すような処理が行われる。
【００８０】
すなわち、微小領域抽出処理プログラムからひずみ算出処理プログラムを繰り返し実行して、ひずみεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）を算出し（ステップＳ５１）、εｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）の総和をｎで除して相和平均εｍｅａｎを算出し（ステップＳ５２）、結果を記憶装置１２に格納し（ステップＳ５３）、処理を終える。
【００８１】
さて、計測時のエラー等によって、εｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）に異常な値が含まれる場合がある。このような場合にεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）をそのまま総和して、相和平均εｍｅａｎを算出すると、相和平均εｍｅａｎの値も真の値からずれてしまう。そこで、閾値を定めて、その閾値を超えるようなεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）を相和平均εｍｅａｎ算出の対象から除外すれば、相和平均εｍｅａｎの信頼性が向上する。
【００８２】
あるいは、εｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）の最大値と最小値を除外して、相和平均εｍｅａｎを算出するようにしてもよい。
【００８３】
［溝部カット処理プログラム］
ひずみ計測システム１では、縦横約３ｍｍの所定範囲６内の３９８，１６１（＝６３１×６３１）個の点の高さを表面高さ計測器２で計測して、所定範囲６の表面高さ分布を取得するが、所定範囲６の表面高さが低い部位（溝部）の測定値に異常値が混じる場合がある。この異常値は、２次元レーザ変位計７の特性に起因するものであり、排除することは難しい。そのため、所定範囲６の表面高さが低い部位の測定値は信頼性が低いという問題がある。
【００８４】
そこで、図１８に示すように、表面高さ計測器２で計測した所定範囲６の表面高さ分布を溝部カット処理プログラムで処理して、所定領域６の表面高さの平均値を算出し、表面高さが前記平均値以下である部位の表面高さを全て前記平均に置き換えれば、上記の問題を解決できる。
【００８５】
溝部カット処理プログラムは、おおよそ、図１９に示すような処理を行う。すなわち、所定範囲６の表面高さの平均値Ｚｍｅａｎを算出し（ステップＳ６１）、所定範囲６の表面高さ分布を示すデータマトリクスの要素ＺがＺｍｅａｎ以下ならば、Ｚの値をＺｍｅａｎに置き換え（ステップＳ６２）、その結果を記憶装置１２に格納して（ステップＳ６３）、処理を終える。
【００８６】
［実施例（実験）］
図２０に示すように、ひずみゲージ１６を貼り付けた試験片１７を精密バイス１８で挟んで、試験片１７に圧縮荷重を加え、その時に試験片１７に生じるひずみを、ひずみ計測システム１とひずみゲージ１６で計測して、両者の測定値を比較した。
【００８７】
なお、試験片１７は、１０ｍｍ角のアルミニウム（ＪＩＳ Ａ６０６３）の角棒を長さ２５ｍｍに切断したものである。また、試験片１７の表面には、平ノミをほぼ平行に繰り返し打ち付けて、凹凸面１９を形成している。この凹凸面１９の表面高さ分布を、ひずみ計測システム１の表面高さ計測器２で計測した。
【００８８】
図２１は、横軸にひずみゲージ１６による計測値を取り、縦軸にひずみ計測システム１による計測値を取って、実験結果（黒い正方形のマーク）をプロットした図である。実験結果が図の対角線（破線）に並べば、ひずみ計測システム１による測定値とひずみゲージ１６による測定値が一致していることになる訳だが、図２１は両者が良く一致していることを示している。
【００８９】
また、ひずみ計測システム１の表面高さ計測器２で計測した凹凸面１９の表面高さ分布に、前述した溝部カット処理を行って、試験片１７のひずみを求めた結果とひずみゲージ１６による測定値の関係を図２２に示す。
【００９０】
図２２と図２１を比較すれば、表面高さ分布に溝部カット処理を行うと、ひずみ計測システム１による測定値とひずみゲージ１６による測定値がさらに良く一致する、つまりひずみ計測システム１の計測精度が向上することが解る。
【００９１】
なお、本明細書では、点Ａ，Ｂ，Ａ’，Ｂ’がそれぞれ微小領域ａ，ｂ，ａ’，ｂ’の中心に位置する例を示したが、点Ａ，Ｂ，Ａ’，Ｂ’は微小領域ａ，ｂ，ａ’，ｂ’の中心以外の位置にあってもよい。例えば、点Ａ及びＢがそれぞれ微小領域ａ及びｂの幅（行方向寸法）の７０％、高さ（列方向寸法）の３０％の場所に位置するように微小領域ａ及びｂを設定してもよい。この場合、点Ａ’及びＢ’がそれぞれ微小領域ａ’及びｂ’において占める位置は、点Ａ及びＢが微小領域ａ及びｂにおいて占める位置に対応するから、点Ａ’及びＢ’の座標はそれぞれ微小領域ａ’及びｂ’の幅（行方向寸法）の７０％、高さ（列方向寸法）の３０％の位置に定められる。
【００９２】
以上説明したように、本発明によれば、物体の表面の高さを計測して得られた当該物品の表面高さ分布に基づいて、当該物体の表面のひずみを計測するので、当該物品の表面にゲージやセンサ等を取り付ける必要がない。
【００９３】
そのため、特に、屋外に設置される大型構造物のひずみを長期間に渡って計測するような場合、ゲージやセンサ等の耐久性を考える必要がないので、計測が容易になる。
【００９４】
また、本発明によれば、計測対象の物品に計測用のリードやケーブル等を配線する必要がない。そのため、例えば、回転機械のロータ部のような配線が困難な部位のひずみ計測に特に適している。
【００９５】
本発明の具体的な適用対象を例示すると、橋梁（例えば、橋桁の応力集中部）、車両（例えば車軸）、船舶（例えば、重要な構造部材）、航空機（例えば、主翼の桁部）、原動機（例えば、タービンの動翼）などの予防保全などが挙げられる。
【００９６】
なお、本明細書では、試験片１７に平ノミを当てて凹凸面１９を形成した例、つまり、人為的、意図的に凹凸が形成された表面の高さ分布から、ひずみを求める例を示したが、本発明の適用対象はこのような物体には限定されない。本発明によれば、人為的、意図的に形成された凹凸面だけでなく、物体の素材が本来備えている不規則かつ微細な凹凸（表面高さ）に基づいて、ひずみを計測することができる。
【００９７】
あるいは、ひずみ計測の対象となる部位を事前に加工して、本発明のひずみ計測に適した凹凸面を形成するようにしてもよい。
【００９８】
また、物品の表面の微細な凹凸を計測する技術の進歩発展により、本発明が応用される分野は、さらに拡がると考えられる。
【００９９】
また、本明細書では、精密送り装置８（マイクロメーター）を手動で操作して、２次元レーザ変位計７のセンサヘッド９を移動させて、所定領域６の表面高さ分布を取得する例を示したが、本発明の技術的範囲は、このような装置で取得された表面高さ分布を利用するものには限定されない。各種の装置・方法で取得された表面高さ分布を使用して、本発明を実施することができる。
【０１００】
例えば、精密送り装置８に電子的に制御される精密アクチュエータを使用して、２次元レーザ変位計７と精密送り装置８をコンピュータ４に制御させて、所定領域６の表面高さ分布を自動的に計測できるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１ ひずみ計測システム
２ 表面高さ計測器
３ データロガー
４ コンピュータ
５ 測定対象
６ 所定領域
７ ２次元レーザ変位計
８ 精密送り装置
９ センサヘッド
１０ コントローラ
１１ 中央処理装置
１２ 記憶装置
１３ 通信インターフェイス
１４ キーボード
１５ モニタ
１６ ひずみゲージ
１７ 試験片
１８ 精密バイス
１９ 凹凸面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体のひずみを非接触で計測するひずみ計測方法、ひずみ計測装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械的な強度を要求される物体、例えば、橋梁、ダム、水門、その他の土木構造物、船舶の船殻、航空機の胴体、翼、原動機の架構、車両、各種プラント、その他の機械、あるいは機械要素、部品等の機械的強度を確認するために、載荷試験が行われる。一般に載荷試験は、試験対象の物体にひずみゲージや変位計を取り付けて、当該物体に生じる変位を計測して行う。
【０００３】
また、物体にモニタ装置を取り付け、当該物体の変位やひずみを監視して、当該物体の機械的な強度の低下を検知することも行われている。機械的な強度の低下を検知して、致命的な破壊が発生する前に適切な修理を行えば、災害を防ぐことができるからである。
【０００４】
例えば、特許文献１には、診断対象部材に光ファイバを取り付けて、対象部材上の特定の部位のひずみ履歴を連続的に監視する構造物の診断方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、船体構造体の多様な箇所に光学的ひずみセンサを配置して、船体構造体に加わる動的負荷を連続監視する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、航空機の構造体に取り付けて、構造体に生じるひずみを検出する構造モニタリング用センサが開示されている。
【０００７】
このように、物体の変位やひずみを監視するためには、物体にセンサを取り付ける必要があるが、特に大型構造物の場合、センサを取り付け、更にセンサの信号線を計測器やデータロガーまで配線する作業は煩雑なので、多くの経費を必要とする。また、大型構造物の監視は長期間にわたって行われるが、長期間に渡ってセンサを含むモニタ装置を保守するためには、多くの人手と経費を必要とする。
【０００８】
そこで、本願発明者らは、被測定物の表面を撮像した画像を解析して被測定物のひずみを算出する方法を発明して、特許文献４において開示している。この方法に依れば、被測定物に固定されたセンサを必要としないので、上述したような問題は生じない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２５７５７０号公報
【特許文献２】特表平１０−５１１４５４号公報
【特許文献３】特表２００７−５０５３０９号公報
【特許文献４】特開２００７−１７０９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献４に開示した方法は、ＣＣＤカメラ等で撮像した画像を使用するので、照明条件の影響を受けやすいという問題がある。特に被測定物が屋外にある場合、自然光（太陽光）が被測定物に照射されるが、自然光の照度や照射方向は季節、時刻あるいは天候によって変化するので、安定した計測ができない。つまり、照度や照射方向によって画像の質が変化するので、精度のよい計測が出来ないという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被測定物にセンサを固定する必要がなく、つまり非接触での計測が可能で、被測定物が受ける光の照度や照射方向の変化の影響を受けない、ひずみ計測方法、ひずみ計測装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明に係るひずみ計測方法は、測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出段階と、前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合段階と、前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出段階と、当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を下式に代入して、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出段階を有することを特徴とする。
【数１】
【００１３】
前記微小領域抽出段階は、前記所定領域内の点Ａｉ及びＢｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、前記照合段階は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、前記座標算出段階は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、前記ひずみ算出段階は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定領域のひずみとして算出するようにしてもよい。
【００１４】
前記ひずみ算出段階は、全てのひずみεｉの中から異常値を除外して相和平均を算出するようにしてもよい。
【００１５】
前記異常値は、例えば、事前に規定された範囲外の値である。
【００１６】
全ての前記ひずみεｉの最大値および最小値を前記異常値としてもよい。
【００１７】
また、前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布の表面高さが平均値以下となる領域の表面高さを前記平均値に置き換える溝部カット段階をさらに有するようにしてもよい。
【００１８】
また、前記測定対象物の前記所定領域を事前に加工して凹凸面を形成する所定領域加工段階をさらに有するようにしてもよい。
【００１９】
本発明に係るひずみ計測装置は、測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段と、前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合手段と、前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出手段と、当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’ に基づいて、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出手段を備えることを特徴とする。
【００２０】
前記微小領域抽出手段は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、前記照合手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、前記座標算出手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、前記ひずみ算出手段は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定の領域のひずみとして算出するようにしてもよい。
【００２１】
前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布の表面高さが平均値以下となる領域の表面高さを前記平均値に置き換える溝部カット手段をさらに備えるようにしてもよい。
【００２２】
本発明に係るプログラムは、コンピュータにインストールされて、当該コンピュータを、測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段と、前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合手段と、前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出手段と、当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’ に基づいて、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出手段を備えるひずみ計測装置として機能させることを特徴とする。
【００２３】
前記微小領域抽出手段は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、前記照合手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、前記座標算出手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、前記ひずみ算出手段は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定領域のひずみとして算出するようにしてもよい。
【００２４】
本発明に係るプログラムは、コンピュータにインストールされて、当該コンピュータを前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布から、前記所定領域の表面高さの平均値以下の表面高さを全て前記平均値に置き換えて、前記当初表面高さ分布及び前記経時後表面高さ分布を得る溝部カット手段をさらに備えるひずみ計測装置として機能させるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、被測定物の表面の高さ分布に基づいて、ひずみを計測するので、被測定物が受ける光の照度や照射方向の変化の影響を受けない安定したひずみ計測が可能になる。また、被測定物にセンサやゲージを常設する必要がないので、センサやゲージを保守する手間が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態の一例を示すひずみ計測システムの概念的な構成図である。
【図２】表面高さ計測器の概念的な構成図である。
【図３】表面高さ計測器によって得られる測定対象の表面高さ分布の概念図である。
【図４】表面高さ分布を示すデータマトリクスの概念図である。
【図５】コンピュータの概念的な構成図である。
【図６】計測対象の表面上の点の変位を推定する方法を説明する概念図である。
【図７】Ｘ軸方向のひずみεｘを算出する方法を説明する概念図である。
【図８】Ｙ軸方向のひずみεｙを算出する方法を説明する概念図である。
【図９】ＸＹ軸の対角線方向のひずみεｘｙを算出する方法を説明する概念図である。
【図１０】微小領域抽出処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１１】所定領域と微小領域の関係を説明する概念図である。
【図１２】照合処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１３】サブセットａとサブセットａ’ の関係を説明する概念図である。
【図１４】座標算出処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１５】相関係数Ｃの２次曲線補間を説明する概念図である。
【図１６】ひずみ算出処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１７】平均処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図１８】溝部カット処理を説明する概念図である。
【図１９】溝部カット処理プログラムの概略を示すフローチャートである。
【図２０】実験に使用した試験片等の構成を示す図である。
【図２１】実験結果を示すグラフである。
【図２２】溝部カット処理を行った実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、適宜、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
本発明に係るひずみ計測システムは、例えば、図１に示すように構成される。つまり、ひずみ計測システム１は、表面高さ計測器２、データロガー３、及びコンピュータ４を備える。
【００２９】
表面高さ計測器２は、測定対象５の表面の所定領域６の表面高さを計測する装置であり、その具体的な構成は後述する。
【００３０】
データロガー３は、表面高さ計測器２で求めた所定領域６の表面高さ分布を示すデータを記録する装置である。なお、データロガー３の形式や構成等は特に限定されない。ひずみ計測システム１で処理されるデータを自由に書き込み／読み出すことが出来るような装置を公知の装置の中から選択すればよい。
【００３１】
コンピュータ４は、表面高さ計測器２で計測され、データロガー３に記録された測定対象５の表面の所定領域６の表面高さ分布を解析して、所定領域６のひずみを算出する装置であり、その具体的な構成は後述する。
【００３２】
さて、表面高さ計測器２は図２に示すように構成される。すなわち、表面高さ計測器２は、２次元レーザ変位計７と、精密送り装置８を備える。また、２次元レーザ変位計７はセンサヘッド９とコントローラ１０とから構成される。
【００３３】
２次元レーザ変位計７は、計測対象にレーザ光を照射する照射部と、前記計測対象で反射したレーザ光を撮像する撮像素子を備えて、前記撮像素子で撮像したレーザ光の画像に基づいて計測対象の表面の高さを計測するセンサである。なお、本実施形態で使用した２次元レーザ変位計の構成や原理については、例えば、特開２００６−２０３９９号公報、特開２００６−４５９２６号公報等に詳述されているので、説明を省略する。
【００３４】
精密送り装置８は２次元レーザ変位計７を所定の微小距離だけ繰り返し移動させる装置であり、本実施形態ではマイクロメータを精密送り装置８として使用している。つまりマイクロメータのスピンドル８ａの先端にセンサヘッド９を固定して、スピンドル８ａを所定の微小長さだけ進退させてセンサヘッド９を移動させている。
【００３５】
図３は、表面高さ計測器２によって得られる測定対象５の表面の所定領域６の表面高さ分布の概念図である。図３において、Ｘ軸は２次元レーザ変位計７が測定対象５に照射するレーザビームの幅方向に相当し、Ｙ軸は精密送り装置８の送り方向に相当する。また、所定領域６の表面高さは、図示しないＺ軸の座標で表示される。
【００３６】
２次元レーザ変位計７は、Ｘ軸方向に３ｍｍの幅を持つレーザビームを測定対象５に照射して、測定対象５で反射したレーザビームの画像を６３１個の画素に分解して、画素毎に測定対象５の高さ、つまりＺ軸座標を算出することができる。したがって、２次元レーザ変位計７によれば、１回の計測で、測定対象５の表面に約４．８μｍピッチでＸ軸方向に直列に並んだ６３１個の点のＺ軸座標を得ることができ、得られた座標値は所定のフォーマットでデータロガー３に記録される。
【００３７】
２次元レーザ変位計７による計測が１回完了したら（Ｘ軸方向に並んだ６３１個の点のＺ軸座標が得られたら）、精密送り装置８を操作してセンサヘッド９をＹ軸方向に約５μｍ移動させて２次元レーザ変位計７による計測を行う。これを６３１回繰り返すと、測定対象５の表面に幅約３ｍｍ、高さ約３．２ｍｍの広がりを有する所定領域６にマトリクス状に配列された３９８，１６１（＝６３１×６３１）個の点のＺ軸座標がデータロガー３に記録される。つまり、所定領域６の表面高さの分布が、図４に示すような、３９８，１６１個のデータマトリクスの形でデータロガー３に記録される。
【００３８】
さて、コンピュータ４は、例えば、図５に示すように構成される。すなわち、コンピュータ４は、中央処理装置１１、記憶装置１２、通信インターフェイス１３、キーボード１４、モニタ１５等を備える。また、コンピュータ４はキーボード１４によって操作されて、記憶装置１２に記録されたプログラムを中央処理装置１１が実行する。また、中央処理装置１１は、該プログラムにしたがって、通信インターフェイス１３を介してデータロガー３からデータを読み出し、所定の処理を行って、その結果をモニタ１５に表示し、記憶装置１２に記録する。また、通信インターフェイス１３を介して、当該処理の結果を図示しないプリンタに出力することができる。あるいは、当該処理の結果を図示しない他のコンピュータに送信することができる。
【００３９】
次に、ひずみ計測システム１の原理を簡単に説明する。
【００４０】
一般に、構造物は、面内に荷重が加わるように設計されるので、面外方向（板厚方向）のひずみは、面内方向のひずみに比べて十分小さい。例えば、測定対象５にＸＹ平面内の荷重が加わる場合に、測定対象５はＸＹ平面内で変形するが、Ｚ軸方向には殆ど変化しない。そのため、測定対象５の表面の微小領域は、その微小領域内で表面高さ分布を保ったまま、ＸＹ平面内で移動する。
【００４１】
したがって、図６に示すように、測定対象５に荷重を加える前に、所定領域６内の表面高さ分布を計測し、所定領域６内の点Ａを包含する微小領域ａの表面高さ分布、及び所定領域６内の別の点Ｂを包含する微小領域ｂ（ここでは、点Ａ及びＢが、それぞれ微小領域ａ及びｂの中心に位置するような微小領域ａ及びｂを設定している）の表面高さ分布をそれぞれ求め、その後、測定対象５に荷重を加えた後の所定領域６’内の表面高さ分布を計測し、所定領域６’内で表面高さ分布が微小領域ａ，ｂに最も近似する微小領域ａ’，ｂ’を見つければ、所定領域６内の点Ａ，Ｂが、微小領域ａにおける点Ａ及び微小領域ｂにおける点Ｂにそれぞれ対応する、微小領域ａ’ 内の点Ａ’及び微小領域ｂ’内の点Ｂ’（ここでは、点Ａ’及びＢ’は、それぞれ微小領域ａ’及びｂ’の中心に位置する）に移動したと推定できる。
【００４２】
そして、荷重を加える前の所定領域６内の点Ａ，Ｂ間の距離、つまり線分ＡＢの長さをｌ、荷重を加えた後の所定領域６’内の点Ａ’，Ｂ’間の距離、つまり線分Ａ’Ｂ’の長さをｌ’とすると、荷重の印加によって点Ａ，Ｂ間に生じたひずみεは、は次式で得られる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
また、図７に示すように、点Ａ，ＢがＸ軸方向に並ぶように選べば、Ｘ軸方向のひずみεｘは次式で得られる。
【００４５】
【数３】
【００４６】
また、図８に示すように、点Ａ，ＢがＹ軸方向に並ぶように選べば、Ｙ軸方向のひずみεｙは次式で得られる。
【００４７】
【数４】
【００４８】
また、図９に示すように、点Ａ，ＢがＸＹ軸の対角線方向に並ぶように選べば、対角線方向のひずみεｘｙは次式で得られる。
【００４９】
【数５】
【００５０】
また、εｘ、εｙ、εｘｙが得られれば、主ひずみγｍａｘが次式で得られる。
【００５１】
【数６】
【００５２】
また、同様な手順を経て、所定領域６内の複数の点Ａｉ，Ｂｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数）が、荷重を加えた後に点Ａ’ｉ，Ｂ’ｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）に移動することを知って、線分ＡｉＢｉの長さｌｉ及び線分Ａ’ｉＢ’ｉの長さｌ’ ｉから、ひずみεｉを求めて、ひずみεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）の総和をｎで除して求めた、ひずみεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）の相和平均εｍｅａｎで所定領域６のひずみを代表させてもよい。
【００５３】
なお、上記方法では、線分ＡＢおよび線分Ａ’Ｂ’の長さだけに基づいて、ひずみεを算出するので、線分ＡＡ’および線分ＢＢ’の長さはひずみεの値に影響しない（図６参照）。そのため、表面高さ計測器２と測定対象５の相対位置の再現性はひずみεの計測精度には影響しない。したがって、測定対象５に荷重を加える前に、表面高さ計測器２を測定対象５に固定して、所定領域６内の高さ分布を計測し、その後、表面高さ計測器２を測定対象５から取り外し、経時後に、再度、表面高さ計測器２を測定対象５に固定する場合に、表面高さ計測器２は、表面高さ計測器２の検出範囲内に所定領域６が包含される程度の精度で位置決めされれば十分である。表面高さ計測器２の測定対象５に対する相対位置が多少ずれて、線分ＡＡ’及び線分ＢＢ’の長さが変動しても、線分ＡＢ及び線分Ａ’Ｂ’の長さは変動しないからである。
【００５４】
また、所定領域６の表面の高さ（Ｚ座標）は、表面高さ計測器２に固定された座標で表示されるが、例えば所定領域６の表面の高さの平均を求めて、該平均を基準とする相対的な高さで、所定領域６の表面の高さ分布を表示するようにすれば、表面高さ計測器２の測定対象５に対する相対高さは、所定領域６の表面の高さ分布の表示に影響を与えない。そのため、表面高さ計測器２を測定対象５に取り付ける時の高さ方向（Ｚ軸方向）の相対位置の再現性はひずみεの計測精度には影響しない。
【００５５】
さて、上記の原理に基づいて、所定領域６の表面高さ分布から測定対象５のひずみεを算出するために、コンピュータ４の記憶装置１２に次のようなプログラムがインストールされ、中央処理装置１１がこれらを実行する。
【００５６】
（１）微小領域抽出処理プログラム
（２）照合処理プログラム
（３）座標算出処理プログラム
（４）ひずみ算出処理プログラム
（５）平均処理プログラム
（６）溝部カット処理プログラム
【００５７】
以下、各プログラムの概略フローを説明する。
【００５８】
［微小領域抽出処理プログラム］
微小領域抽出処理プログラムは、測定対象５に荷重が印加される前に計測された所定領域６の表面高さ分布（初期表面高さ分布）から、所定領域６内の点Ａ，Ｂの近傍の微小領域ａ、ｂの表面高さの分布を抽出するプログラムであり、おおよそ、図１０に示すような処理が実行される。
【００５９】
まず点Ａの座標（ｘ、ｙ）が入力される（ステップＳ１１）。なお、座標（ｘ、ｙ）の入力はキーボード１４を使って手動で、あるいは上位のプログラムから自動で行われる。
【００６０】
次に、図１１に示すように、所定領域６全体の初期表面高さ分布を示すデータマトリクスから、座標（ｘ、ｙ）の近傍の微小領域ａに属するデータマトリクスを抽出する（以下、微小領域ａに属するデータマトリクスを「サブセットａ」と呼ぶ）。例えば、サブセットａの大きさを４行４列とする場合に、所定領域６の初期表面高さ分布を示す６３１行６３１列のデータマトリクスの座標（ｘ、ｙ）の上方の２行から下方の２行まで、および左方の２列から右方の２列の範囲にある要素を取り出してしてサブセットａを抽出する（ステップＳ１２）。
【００６１】
最後に、サブセットａを記憶装置１２に格納して（ステップＳ１３）、微小領域抽出処理プログラムを終了する。
【００６２】
［照合処理プログラム］
照合処理プログラムは、微小領域抽出処理プログラムで抽出されたサブセットａと、測定対象５に荷重が印加された後に計測された所定領域６の表面高さ分布（経時後表面高さ分布）を照合して、サブセットａに最も近似する前記経時後表面高さ分布上のサブセットａ’を求めるプログラムであり、おおよそ、図１２に示すような処理が実行される。
【００６３】
まず、記憶装置１２からサブセットａを読み出す（ステップＳ２１）。次に、経時後表面高さ分布を示すデータマトリクスから、サブセットαｉを切り出して（ステップＳ２２）、サブセットａとの近似性を評価する（ステップＳ２３）。
【００６４】
サブセットαｉとサブセットａとの近似性の評価は、経時後表面高さ分布を示すデータマトリクスに含まれる全てのサブセットαｉについて行われ、全てのサブセットαｉの近似性の評価が終わったら（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、ステップＳ２５に進み、サブセットａとの近似性が最大になるサブセットαｉ、つまりサブセットａに最も近似するサブセットαｉをサブセットａ’に決定する。
【００６５】
そして、サブセットａ’を記憶装置１２に格納して（ステップＳ２６）、照合処理プログラムを終了する。
【００６６】
なお、サブセットの近似性の評価には、次に示すような相関計数Ｃを使用する。
【００６７】
すなわち、図１３に示すように、サブセットａの中心座標をＰ（Ｘ，Ｙ）、サブセットａ’の中心座標をＰ’（Ｘ＋ｕ，Ｙ＋ｖ）とすると、サブセットａに対するサブセットａ’の相関係数Ｃは次式で表される。
【００６８】
【数７】
【００６９】
ここで、Ｚｕ（Ｘ＋ｉ，Ｙ＋ｊ）およびＺｄ（Ｘ＋ｕ＋ｉ，Ｙ＋ｖ＋ｊ）はサブセットａおよびサブセットａ’の対応する点の高さ（Ｚ座標値）である。なおＭは、サブセットａおよびサブセットａ’の大きさをＮ行Ｎ列とする場合に、Ｍ＝２Ｎ−１となる整数である。つまり、相関係数Ｃは、サブセットａおよびサブセットａ’の対応する点の高さ（Ｚ座標値）の差の絶対値の総和であり、相関係数Ｃが小さいほどサブセットａに対するサブセットａ’の近似性が高いと言える。
【００７０】
したがって、全てのｕ，ｖについて、相関係数Ｃを算出して、相関係数Ｃを最小にするｕ，ｖを決定すれば、サブセットａに最も近似するサブセットａ’を決定することができる。
【００７１】
あるいは、次式に示すような相関係数Ｃを使用してもよい。
【００７２】
【数８】
【００７３】
［座標算出処理プログラム］
座標算出処理プログラムは、サブセットの中心の点の座標を算出するプログラムであり、おおよそ、図１４に示すような処理が行われる。すなわち、まず記憶装置１２から、例えばサブセットａ’を読み出す（ステップＳ３１）。次に、サブセットａ’の中心の点Ａ’の座標（ｘ’、ｙ’）を算出して（ステップＳ３２）、座標（ｘ’、ｙ’）を記憶装置１２に格納して（ステップＳ３３）、処理を終える。
【００７４】
さて、測定対象５に荷重を加える前に、座標（ｘ、ｙ）の位置にあった点Ａが、サブセットａ’の中心の点Ａ’に変位すると仮定して、点Ａ’の座標（ｘ’、ｙ’）を求めたが、図１５に示すように、離散的に得られる相関係数Ｃ（Ｘ＋ｕ−１，Ｙ＋ｖ−１）、Ｃ（Ｘ＋ｕ，Ｙ＋ｖ）、Ｃ（Ｘ＋ｕ＋１，Ｙ＋ｖ＋１）の間を２次曲線で近似補間して、相関係数Ｃが最小となる点Ｅの座標を点Ａ’の座標（ｘ’、ｙ’）としてもよい。このような近似補間を行えば、精度の高い変位の推定ができる。
【００７５】
［ひずみ算出処理プログラム］
ひずみ算出処理プログラムは、照合処理プログラムと座標算出処理プログラムを実行して、測定対象５に荷重を加える前に所定範囲６にあった点Ａ，Ｂが、測定対象５に荷重を加えると点Ａ’，Ｂ’に移動することを知って、測定対象５の線分ＡＢ方向のひずみを算出するプログラムであり、おおよそ、図１６に示すような処理が行われる。
【００７６】
すなわち、まず記憶装置１２から点Ａ，Ｂ及び点Ａ’，Ｂ’の座標を読み出す（ステップＳ４１）。次に、線分ＡＢの長さｌを算出し（ステップＳ４２）、線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を算出する（ステップＳ４３）。
【００７７】
そして、次式にしたがって、測定対象５の線分ＡＢ方向のひずみεを算出し（ステップＳ４４）、結果を記憶装置１２に格納し（ステップＳ４５）、処理を終える。
【００７８】
【数９】
【００７９】
［平均処理プログラム］
平均処理プログラムは、所定領域６内の複数の線分ＡｉＢｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数）方向のひずみεｉを求めて、それらの相和平均を算出するプログラムであり、おおよそ、図１７に示すような処理が行われる。
【００８０】
すなわち、微小領域抽出処理プログラムからひずみ算出処理プログラムを繰り返し実行して、ひずみεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）を算出し（ステップＳ５１）、εｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）の総和をｎで除して相和平均εｍｅａｎを算出し（ステップＳ５２）、結果を記憶装置１２に格納し（ステップＳ５３）、処理を終える。
【００８１】
さて、計測時のエラー等によって、εｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）に異常な値が含まれる場合がある。このような場合にεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）をそのまま総和して、相和平均εｍｅａｎを算出すると、相和平均εｍｅａｎの値も真の値からずれてしまう。そこで、閾値を定めて、その閾値を超えるようなεｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）を相和平均εｍｅａｎ算出の対象から除外すれば、相和平均εｍｅａｎの信頼性が向上する。
【００８２】
あるいは、εｉ（ｉ＝１，２‥ｎ）の最大値と最小値を除外して、相和平均εｍｅａｎを算出するようにしてもよい。
【００８３】
［溝部カット処理プログラム］
ひずみ計測システム１では、縦横約３ｍｍの所定範囲６内の３９８，１６１（＝６３１×６３１）個の点の高さを表面高さ計測器２で計測して、所定範囲６の表面高さ分布を取得するが、所定範囲６の表面高さが低い部位（溝部）の測定値に異常値が混じる場合がある。この異常値は、２次元レーザ変位計７の特性に起因するものであり、排除することは難しい。そのため、所定範囲６の表面高さが低い部位の測定値は信頼性が低いという問題がある。
【００８４】
そこで、図１８に示すように、表面高さ計測器２で計測した所定範囲６の表面高さ分布を溝部カット処理プログラムで処理して、所定領域６の表面高さの平均値を算出し、表面高さが前記平均値以下である部位の表面高さを全て前記平均に置き換えれば、上記の問題を解決できる。
【００８５】
溝部カット処理プログラムは、おおよそ、図１９に示すような処理を行う。すなわち、所定範囲６の表面高さの平均値Ｚｍｅａｎを算出し（ステップＳ６１）、所定範囲６の表面高さ分布を示すデータマトリクスの要素ＺがＺｍｅａｎ以下ならば、Ｚの値をＺｍｅａｎに置き換え（ステップＳ６２）、その結果を記憶装置１２に格納して（ステップＳ６３）、処理を終える。
【００８６】
［実施例（実験）］
図２０に示すように、ひずみゲージ１６を貼り付けた試験片１７を精密バイス１８で挟んで、試験片１７に圧縮荷重を加え、その時に試験片１７に生じるひずみを、ひずみ計測システム１とひずみゲージ１６で計測して、両者の測定値を比較した。
【００８７】
なお、試験片１７は、１０ｍｍ角のアルミニウム（ＪＩＳ Ａ６０６３）の角棒を長さ２５ｍｍに切断したものである。また、試験片１７の表面には、平ノミをほぼ平行に繰り返し打ち付けて、凹凸面１９を形成している。この凹凸面１９の表面高さ分布を、ひずみ計測システム１の表面高さ計測器２で計測した。
【００８８】
図２１は、横軸にひずみゲージ１６による計測値を取り、縦軸にひずみ計測システム１による計測値を取って、実験結果（黒い正方形のマーク）をプロットした図である。実験結果が図の対角線（破線）に並べば、ひずみ計測システム１による測定値とひずみゲージ１６による測定値が一致していることになる訳だが、図２１は両者が良く一致していることを示している。
【００８９】
また、ひずみ計測システム１の表面高さ計測器２で計測した凹凸面１９の表面高さ分布に、前述した溝部カット処理を行って、試験片１７のひずみを求めた結果とひずみゲージ１６による測定値の関係を図２２に示す。
【００９０】
図２２と図２１を比較すれば、表面高さ分布に溝部カット処理を行うと、ひずみ計測システム１による測定値とひずみゲージ１６による測定値がさらに良く一致する、つまりひずみ計測システム１の計測精度が向上することが解る。
【００９１】
なお、本明細書では、点Ａ，Ｂ，Ａ’，Ｂ’がそれぞれ微小領域ａ，ｂ，ａ’，ｂ’の中心に位置する例を示したが、点Ａ，Ｂ，Ａ’，Ｂ’は微小領域ａ，ｂ，ａ’，ｂ’の中心以外の位置にあってもよい。例えば、点Ａ及びＢがそれぞれ微小領域ａ及びｂの幅（行方向寸法）の７０％、高さ（列方向寸法）の３０％の場所に位置するように微小領域ａ及びｂを設定してもよい。この場合、点Ａ’及びＢ’がそれぞれ微小領域ａ’及びｂ’において占める位置は、点Ａ及びＢが微小領域ａ及びｂにおいて占める位置に対応するから、点Ａ’及びＢ’の座標はそれぞれ微小領域ａ’及びｂ’の幅（行方向寸法）の７０％、高さ（列方向寸法）の３０％の位置に定められる。
【００９２】
以上説明したように、本発明によれば、物体の表面の高さを計測して得られた当該物品の表面高さ分布に基づいて、当該物体の表面のひずみを計測するので、当該物品の表面にゲージやセンサ等を取り付ける必要がない。
【００９３】
そのため、特に、屋外に設置される大型構造物のひずみを長期間に渡って計測するような場合、ゲージやセンサ等の耐久性を考える必要がないので、計測が容易になる。
【００９４】
また、本発明によれば、計測対象の物品に計測用のリードやケーブル等を配線する必要がない。そのため、例えば、回転機械のロータ部のような配線が困難な部位のひずみ計測に特に適している。
【００９５】
本発明の具体的な適用対象を例示すると、橋梁（例えば、橋桁の応力集中部）、車両（例えば車軸）、船舶（例えば、重要な構造部材）、航空機（例えば、主翼の桁部）、原動機（例えば、タービンの動翼）などの予防保全などが挙げられる。
【００９６】
なお、本明細書では、試験片１７に平ノミを当てて凹凸面１９を形成した例、つまり、人為的、意図的に凹凸が形成された表面の高さ分布から、ひずみを求める例を示したが、本発明の適用対象はこのような物体には限定されない。本発明によれば、人為的、意図的に形成された凹凸面だけでなく、物体の素材が本来備えている不規則かつ微細な凹凸（表面高さ）に基づいて、ひずみを計測することができる。
【００９７】
あるいは、ひずみ計測の対象となる部位を事前に加工して、本発明のひずみ計測に適した凹凸面を形成するようにしてもよい。
【００９８】
また、物品の表面の微細な凹凸を計測する技術の進歩発展により、本発明が応用される分野は、さらに拡がると考えられる。
【００９９】
また、本明細書では、精密送り装置８（マイクロメーター）を手動で操作して、２次元レーザ変位計７のセンサヘッド９を移動させて、所定領域６の表面高さ分布を取得する例を示したが、本発明の技術的範囲は、このような装置で取得された表面高さ分布を利用するものには限定されない。各種の装置・方法で取得された表面高さ分布を使用して、本発明を実施することができる。
【０１００】
例えば、精密送り装置８に電子的に制御される精密アクチュエータを使用して、２次元レーザ変位計７と精密送り装置８をコンピュータ４に制御させて、所定領域６の表面高さ分布を自動的に計測できるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１ ひずみ計測システム
２ 表面高さ計測器
３ データロガー
４ コンピュータ
５ 測定対象
６ 所定領域
７ ２次元レーザ変位計
８ 精密送り装置
９ センサヘッド
１０ コントローラ
１１ 中央処理装置
１２ 記憶装置
１３ 通信インターフェイス
１４ キーボード
１５ モニタ
１６ ひずみゲージ
１７ 試験片
１８ 精密バイス
１９ 凹凸面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出段階と、
前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合段階と、
前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出段階と、
当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を下式に代入して、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出段階を有する
ことを特徴とするひずみ計測方法。
【数１】
【請求項２】
前記微小領域抽出段階は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、
前記照合段階は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、
前記座標算出段階は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、
前記ひずみ算出段階は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定領域のひずみとして算出する
ことを特徴とする請求項１に記載のひずみ計測方法。
【請求項３】
前記ひずみ算出段階は、全てのひずみεｉの中から異常値を除外して相和平均を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載のひずみ計測方法。
【請求項４】
前記異常値は、事前に規定された範囲外の値である
ことを特徴とする請求項３に記載のひずみ計測方法。
【請求項５】
前記異常値は、全ての前記ひずみεｉの最大値および最小値である
ことを特徴とする請求項３に記載のひずみ計測方法。
【請求項６】
前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布の表面高さが平均値以下となる領域の表面高さを前記平均値に置き換える溝部カット段階をさらに有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のひずみ計測方法。
【請求項７】
前記測定対象物の前記所定領域を事前に加工して凹凸面を形成する所定領域加工段階をさらに有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のひずみ計測方法。
【請求項８】
測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段と、
前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合手段と、
前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出手段と、
当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を下式に代入して、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出手段を備える
ことを特徴とするひずみ計測装置。
【数２】
【請求項９】
前記微小領域抽出手段は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、
前記照合手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、
前記座標算出手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、
前記ひずみ算出手段は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定領域のひずみとして算出する
ことを特徴とする請求項８に記載のひずみ計測装置。
【請求項１０】
前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布の表面高さが平均値以下となる領域の表面高さを前記平均値に置き換える溝部カット手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のひずみ計測装置。
【請求項１１】
コンピュータにインストールされて、当該コンピュータを、
測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段と、
前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合手段と、
前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出手段と、
当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を下式に代入して、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出手段を備える
ひずみ計測装置として機能させることを特徴とするプログラム。
【数３】
【請求項１２】
前記微小領域抽出手段は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、
前記照合手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、
前記座標算出手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、
前記ひずみ算出手段は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定の領域のひずみとして算出する
ことを特徴とする請求項１１に記載のプログラム。
【請求項１３】
コンピュータにインストールされて、当該コンピュータを、
前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布から、前記所定領域の表面高さの平均値以下の表面高さを全て前記平均値に置き換えて、前記当初表面高さ分布及び前記経時後表面高さ分布を得る溝部カット手段をさらに備える
ひずみ計測装置として機能させることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のプログラム。
【請求項１】
測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出段階と、
前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合段階と、
前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出段階と、
当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を下式に代入して、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出段階を有する
ことを特徴とするひずみ計測方法。
【数１】
【請求項２】
前記微小領域抽出段階は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、
前記照合段階は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、
前記座標算出段階は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、
前記ひずみ算出段階は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定領域のひずみとして算出する
ことを特徴とする請求項１に記載のひずみ計測方法。
【請求項３】
前記ひずみ算出段階は、全てのひずみεｉの中から異常値を除外して相和平均を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載のひずみ計測方法。
【請求項４】
前記異常値は、事前に規定された範囲外の値である
ことを特徴とする請求項３に記載のひずみ計測方法。
【請求項５】
前記異常値は、全ての前記ひずみεｉの最大値および最小値である
ことを特徴とする請求項３に記載のひずみ計測方法。
【請求項６】
前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布の表面高さが平均値以下となる領域の表面高さを前記平均値に置き換える溝部カット段階をさらに有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のひずみ計測方法。
【請求項７】
前記測定対象物の前記所定領域を事前に加工して凹凸面を形成する所定領域加工段階をさらに有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のひずみ計測方法。
【請求項８】
測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段と、
前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合手段と、
前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出手段と、
当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を下式に代入して、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出手段を備える
ことを特徴とするひずみ計測装置。
【数２】
【請求項９】
前記微小領域抽出手段は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、
前記照合手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、
前記座標算出手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、
前記ひずみ算出手段は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定領域のひずみとして算出する
ことを特徴とする請求項８に記載のひずみ計測装置。
【請求項１０】
前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布の表面高さが平均値以下となる領域の表面高さを前記平均値に置き換える溝部カット手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のひずみ計測装置。
【請求項１１】
コンピュータにインストールされて、当該コンピュータを、
測定対象物の表面の所定領域の表面高さを計測して得られた当初表面高さ分布から、前記所定領域内の点Ａを包含する微小領域ａ及び、点Ｂを包含する微小領域ｂの表面高さ分布を抽出する微小領域抽出手段と、
前記微小領域ａ及びｂの表面高さの分布と、経時後に前記測定対象物の前記所定領域の表面高さを計測して得られた経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ’及び前記微小領域ｂの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ｂ’を求める照合手段と、
前記微小領域ａ及びｂにおける前記点Ａ及びＢに対応する前記微小領域ａ’及びｂ’内の点Ａ’及びＢ’の座標を算出する座標算出手段と、
当初の線分ＡＢの長さｌと経時後の線分Ａ’Ｂ’の長さｌ’を下式に代入して、線分ＡＢ方向のひずみεを算出するひずみ算出手段を備える
ひずみ計測装置として機能させることを特徴とするプログラム。
【数３】
【請求項１２】
前記微小領域抽出手段は、前記所定領域内の点Ａｉ（ｉ＝１，２‥ｎ：ｎは２以上の正の整数、以下同じ）を包含する微小領域ａｉ及び、点Ｂｉを包含する微小領域ｂｉの表面高さ分布を前記当初表面高さ分布から抽出し、
前記照合手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さの分布と、前記経時後表面高さ分布を照合して、前記微小領域ａｉ及びｂｉの表面高さ分布に最も近似する前記経時後表面高さ分布上の微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉを求め、
前記座標算出手段は、前記微小領域ａｉ及びｂｉにおける前記点Ａｉ及びＢｉに対応する前記微小領域ａ'ｉ及びｂ'ｉ内の点Ａ'ｉ及びＢ'ｉの座標を算出し、
前記ひずみ算出手段は、線分ＡｉＢｉの長さｌｉおよび線分Ａ'ｉＢ'ｉの長さｌ'ｉに基づいて、線分ＡｉＢｉ方向のひずみεｉを求めて、さらに、全てのひずみεｉの相和平均を前記所定の領域のひずみとして算出する
ことを特徴とする請求項１１に記載のプログラム。
【請求項１３】
コンピュータにインストールされて、当該コンピュータを、
前記所定領域の表面高さを計測して得られた表面高さ分布から、前記所定領域の表面高さの平均値以下の表面高さを全て前記平均値に置き換えて、前記当初表面高さ分布及び前記経時後表面高さ分布を得る溝部カット手段をさらに備える
ひずみ計測装置として機能させることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１１−５３１５７（Ｐ２０１１−５３１５７Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０４１６４（Ｐ２００９−２０４１６４）
【出願日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【出願人】（５０４２０９６５５）国立大学法人佐賀大学 (176)
【出願人】（５０４２０５５２１）国立大学法人 長崎大学 (226)
【出願人】（５９１０６５５４９）福岡県 (121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【出願人】（５０４２０９６５５）国立大学法人佐賀大学 (176)
【出願人】（５０４２０５５２１）国立大学法人 長崎大学 (226)
【出願人】（５９１０６５５４９）福岡県 (121)
【Ｆターム（参考）】
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