衝撃試験装置
【課題】実製品と同等の被検体に対して衝撃を与え、その被検体の内部構造に掛かる衝撃を観察ないし解析することにある。
【解決手段】Ｘ線発生器１から照射されたＸ線ビーム９内で被検体４に衝撃を与え、当該被検体４から透過してくるＸ線強度分布であるＸ線透過像を、高速度カメラ１１を備えたＸ線検出器３で毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影し、デジタルの透過像に変換し記録する。この記録されたデジタルの透過像を、表示手段８，１３によって毎秒１００フレーム以上の速度から所定の低減倍の速度のもとにスローモーションで動画表示し、前記被検体の内部構造の状態を観察する衝撃試験装置である。
【解決手段】Ｘ線発生器１から照射されたＸ線ビーム９内で被検体４に衝撃を与え、当該被検体４から透過してくるＸ線強度分布であるＸ線透過像を、高速度カメラ１１を備えたＸ線検出器３で毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影し、デジタルの透過像に変換し記録する。この記録されたデジタルの透過像を、表示手段８，１３によって毎秒１００フレーム以上の速度から所定の低減倍の速度のもとにスローモーションで動画表示し、前記被検体の内部構造の状態を観察する衝撃試験装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の構造体に衝撃を加えたときの影響を解析する衝撃試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、構造体である携帯電話、携帯情報端末などのモバイル機器が普及してきている。これら機器は、携行可能な状態で使用されることから、落下や衝突などの衝撃を受ける機会が多い。そこで、対衝撃性能を高めた製品を作るため、実際の製品、例えば携帯電話などを使って衝撃試験が行われている。
【０００３】
従来、衝撃試験に関する技術は、振動計付きの被検体を落下させ、被検体に加わる衝撃を振動計で測定し、その外観から被検体に生じる影響を調べ、また振動計の測定データを表示し、衝撃の強さや方向性を観察するものが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
また、他の衝撃試験に関する技術は、衝撃を受ける被検体を高速度カメラで撮影し、その映像から衝撃特性（時間−変形量特性等）を取得し、この取得された衝撃特性から被検体の衝撃時の材料特性（応力−歪特性）を得るものが提案されている（特許文献２）。
【０００５】
さらに、他の衝撃試験に関する技術としては、被検体の落下・衝突を高速度カメラで撮影し、そのカメラの映像から被検体の瞬間的な歪や加速度を解析し、衝撃に対する被検体の振舞いを調べ、被検体を構成する部材の設計に反映させ、対衝撃性能を高める試みが行われている。この衝撃試験は、例えば被検体の外形の目標点となる数箇所を定めてマークを施し、その数箇所のマーク等の位置を時系列的に測定し、マーク位置での加速度、マーク間距離の変化などから歪の大きさを求めるものがある。
【特許文献１】特開２００７−０２４５０７号公報
【特許文献２】特開２００６−２５８５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、以上のような高速度カメラを用いた衝撃試験は、被検体の対衝撃性能を高めるため、専ら被検体の外部形体のみを測定するものであって、被検体内部がどのような衝撃を受けているか全く不明であり、試験としては不十分である。
【０００７】
衝撃試験としては、被検体内部の部品の取り付け状態の変化や各部品に掛かる加速度などを把握しない限り、対衝撃性能の高い被検体を作ることは難しい。具体的には、被検体が携帯電話である場合、その携帯電話の破損しやすい内部の基板とＩＣ部品との接合部や電池などは検査できない。携帯電話の対衝撃性能を高めるためには、基板、基板取付け部品、電池などの歪や加速度などを解析することが望ましい。
【０００８】
また、被検体の内部構造の衝撃を解析する場合、例えば試験時のみ透明な外枠に代えて試験することも考えられるが、内部構造が受ける衝撃は外枠構造の材質、形状に大きく依存するので、実際に即した試験ではなくなってしまう問題がある。
【０００９】
更に言えば、衝撃試験自体は内部の部品を守るために外枠をいかに設計するかを目的とすることが多く、別の外枠に代えて試験することは本末転倒である。
【００１０】
本発明は上記事情にかんがみてなされたもので、実製品と同等の被検体に対して衝撃を与え、その被検体の内部構造に掛かる衝撃を観察ないし解析する衝撃試験装置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】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に対応する衝撃試験装置は、内部構造を持つ構造体である被検体に衝撃を与える衝撃付与手段と、少なくとも被検体が衝撃を受けている間、被検体にＸ線を照射する第一のＸ線発生器と、この第一のＸ線発生器から照射されて前記被検体を透過してくるＸ線を検出し可視光透過像に変換して出力する第一のＸ線可視光変換手段と、この第一のＸ線可視光変換手段から出力される可視光透過像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの透過像に変換して記憶する第一の高速度カメラと、この第一の高速度カメラに記憶された透過像を、毎秒１００フレーム以上の速度から所定の低減倍の速度のもとにスローモーションにより動画表示する表示手段とを備えた構成である。
【００１２】
このような手段を講じたことにより、被検体を透過してくるＸ線による透過像を適宜な低減倍の速度のもとにスローモーションにより動画表示するので、被検体の内部構造に掛かる衝撃を容易に観察できる。
【００１３】
請求項２に対応する衝撃試験装置は、請求項１に対応する衝撃試験装置の構成に新たに、少なくとも被検体が衝撃を受けている間、被検体の外観像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの外観像に変換して記憶する第二の高速度カメラと、第一および第二の高速度カメラの同期をとるための共通のトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段とをさらに設け、トリガ信号を受けて同期撮影する第一および第二の高速度カメラで被検体の透過像と外観像とを連続撮影して記憶する構成である。
【００１４】
このような手段を講じたことにより、被検体を透過してくるＸ線による透過像及び外観像を適宜な低減倍の速度のもとにスローモーションで動画表示するので、被検体の内部構造及び外観に加わる衝撃を容易に観察できる。
【００１５】
請求項３に対応する衝撃試験装置は、請求項１または請求項２に対応する衝撃試験装置の構成に新たに、各透過像および各外観像の何れか一方または両方の画像上に現れる被検体の内部構造、外表面の特徴点を時間を追って、または遡って追跡し、当該特徴点の二次元空間での軌道を算出するデータ処理部を設けた構成である。
【００１６】
このような手段を講じたことにより、被検体の内部構造を追跡することで特徴点の位置の時間変化としての画像上の軌道を求めることができる。ここで、実空間での軌道が透過像の透過方向に対して直交する面内、あるいはこの面から大きくずれない範囲の場合には、画像上の軌道に定数を掛けて実空間での軌道を算出できる。
【００１７】
さらに、実空間での軌道を時間で１回微分して速度、２回微分して加速度を求めることができる。また、複数の特徴点の軌道を求めることで、歪の時間変化を求めることができる。これにより、被検体の内部構造の動き、変形、ずれ等を解析できる。
【００１８】
また、請求項４に対応する衝撃試験装置は、請求項１に対応する衝撃試験装置の構成に新たに、少なくとも被検体が衝撃を受けている間、第一のＸ線発生器とは異なる照射方向から被検体にＸ線を照射する第二のＸ線発生器と、この第二のＸ線発生器から照射されて被検体を透過してくるＸ線を検出し可視光透過像に変換して出力する第二のＸ線可視光変換手段と、この第二のＸ線可視光変換手段から出力される可視光透過像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの透過像に変換して記憶する第二の高速度カメラと、前記第一および第二の高速度カメラの同期をとるための共通のトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段とをさらに設け、トリガ信号を受けて同期撮影する第一および第二の高速度カメラにより被検体の異なる方向から透過してくる透過像を連続撮影して記憶する構成である。
【００１９】
このような手段を講じたことにより、被検体の異なる方向から透過してくるＸ線による透過像をそれぞれ単独あるいは並べて適宜な低減倍でスローモーションで動画表示するので、被検体の内部構造、外観に加わる衝撃を容易に観察できる。すなわち、被検体が衝撃を受けたときの内部構造の動き、変形、ずれ等をスローモーションで２方向から観察できる。
【００２０】
また、請求項５に対応する衝撃試験装置は、請求項４に対応する衝撃試験装置の構成に新たに、第一および第二の高速度カメラにそれぞれ記憶された各透過像上に現れる被検体の内部構造の特徴点を時間を追って、または遡って追跡し、それぞれの特徴点の三次元空間での軌道を算出するデータ処理部を設けた構成である。
【００２１】
このような手段を講じることにより、被検体の内部構造に掛かる衝撃を３次元的に解析でき、また、請求項３に対応する衝撃試験装置と同様の分析結果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、実製品と同等の被検体に対して衝撃を与え、その被検体の内部構造に掛かる衝撃の状態を適切に観察ないし解析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係る衝撃試験装置の第１の実施形態を示す構成図である。
衝撃試験装置は、Ｘ線発生器１、Ｘ線制御器２、Ｘ線検出器３、被検体４を放出する放出器５、放出器５から放出される被検体４の落下直下に配置される衝突部材６、この衝突部材６に取り付けられるトリガ信号発生器７、データ処理部８等により構成される。
【００２４】
なお、被検体４としては、内部構造を備えた構造体であって、各種の携行機器がそれに該当するが、ここでは例えば携帯電話を想定して説明する。また、放出器５及び衝突部材６は請求項に記載の衝撃付与手段に相当する。
【００２５】
Ｘ線発生器１は、Ｘ線管及び高電圧発生部から成り、例えばＸ線制御器２のパネルから操作設定される管電圧、管電流のもとに所要の強度を持ったＸ線ビーム９を照射する。また、Ｘ線制御器２は、データ処理部８と連携し、当該データ処理部８からの設定指示に従ってＸ線発生器１に管電圧、管電流を設定する構成であってもよい。
【００２６】
Ｘ線検出器３は、Ｘ線発生器１と対向する位置に配置され、Ｘ線発生器１のＸ線焦点Ｆから照射されるＸ線の一部のＸ線ビーム９を検出し撮影する機能を持っている。
【００２７】
Ｘ線検出器３は、２次元の空間分解能でＸ線を検出するもので、Ｘ線可視光変換手段としてのＸ線II（イメージインテンシファイア）１０と高速度カメラ１１とより成る。Ｘ線II１０はＸ線検出面１０ａで検出されるＸ線の強度分布であるＸ線透過像を可視光の透過像に変換し、出力面１０ｂから出力する。なお、Ｘ線II１０としては残光の少ないものが使用される。
【００２８】
高速度カメラ１１は、レンズ、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子、ＡＤ変換器、メモリ部１１ａ等よりなる。この高速度カメラ１１は、Ｘ線II１０の出力面１０ｂ上の可視光透過像をレンズを通して撮像素子の上に結像するとともに、撮像素子で電気信号に変換し、この電気信号をＡＤ変換器にてデジタルデータ（デジタル画像）に変換し、メモリ部１１ａに記憶する。
【００２９】
高速度カメラ１１は、１００フレーム毎秒以上の速度で連続撮影するものが使用される。通常の動画撮影用カメラは３０フレーム毎秒で連続撮影して記憶し、３０フレーム毎秒の同じ速度で再生し動画表示するが、高速度カメラ１１では１００フレーム毎秒以上で連続撮影して記憶し、３０フレーム毎秒の速度で再生表示することによってスローモーション表示が可能である。
【００３０】
従って、高速度カメラ１１は、１００フレーム毎秒以上で連続撮影した一連の透過像を順次メモリ部１１ａに記憶する。メモリ部１１ａは、有効容量が例えば１０Ｇバイトとすると、１Ｍバイトの透過像を約１０，０００フレーム分記憶できる。
【００３１】
放出器５は、常時は例えば適宜なアーム（図示せず）などで被検体４を支え、所定のタイミングで支えを外すことにより、被検体４を落下させる構造となっている。
【００３２】
放出器５は、被検体４の落下方向にガイド板または所要形状のガイド筒体などのガイド部５ａが設けられている。ガイド部５ａは、表面が摩擦の少ない材料で作られ、被検体４が少ない摩擦抵抗で滑って落下し、Ｘ線ビーム９内を通過して放出器５真下の衝突部材６に衝突する。被検体４をガイド部５ａに沿って滑らす理由は、被検体４の落下中の回転を抑え、被検体４を安定な姿勢で衝突部材６に衝突させる為である。
【００３３】
また、ガイド部５ａの下端部と衝突部材６の間は少なくとも被検体４の長さ以上の空間距離を有し、さらに好ましくは被検体４の長さ以上であって、被検体４が衝突部材６に衝突して跳ね返ってガイド部５ａの下端部に接触しない程度の空間距離が望ましい。これにより、高速度カメラ１１は、被検体４がガイド部５ａに衝突しない状態で衝突及び跳ね返りを撮影できる。
【００３４】
衝突部材６としては、衝突の衝撃を変えて試験する必要から、様々な材質（例えばプラスチック材、コンクリート材等）で作られたものに交換できるように複数用意する。
【００３５】
この衝突部材６にはトリガ信号発生器７が取り付けられている。トリガ信号発生器７は例えば歪センサ（ストレインゲージ）と電気回路とより成り、被検体４が衝突したときの衝突部材６の振動を歪センサの電気抵抗の変化により検出する。電気回路は歪センサ出力を振動信号として取り出し、この振動信号レベルが所定値を超えたときに電気的なトリガ信号を発生し、このトリガ信号を高速度カメラ１１に送信する。
【００３６】
高速度カメラ１１は、被検体４の落下直前あるいは被検体４が衝突する直前から撮影を開始しその透過像をメモリ部１１ａに順次記憶し、有効容量に達すれば前に戻って順次上書きしながら繰り返し記憶していくが、トリガ信号発生器７から送られてくるトリガ信号を受信したときをトリガ点とし、予め高速度カメラ１１に任意に設定される比率に従って撮影中の透過像のメモリ部１１ａへの記憶制御を実施する。従って、高速度カメラ１１はトリガ点よりも前の透過像もメモリ部１１ａに記憶している。
【００３７】
例えば高速度カメラ１１に設定された比率がトリガ点前１０％、トリガ点後９０％とすると、図２に示すようにトリガ点から高速度カメラ１１で撮影された透過像をメモリ部１１ａの有効容量の９０％に達するまで上書きを続け、トリガ点よりも１０％前で撮影が終了する。その結果、トリガ点前１０％にトリガ点後９０％を足せば、メモリ部１１ａの有効容量を有効に利用し、被検体４の衝突前から衝突後の衝撃の状態を撮影することが可能となる。
【００３８】
データ処理部８は、通常のパーソナルコンピュータと同等の処理機能を有するものであって、キーボード、マウスなどの入力部１２及び表示部１３が接続され、内部的には、ＣＰＵ、内部メモリ部、メモリ部１１ａとのインタフェースが設けられ、必要に応じてディスク等の外部記憶装置が接続されている。
【００３９】
データ処理部８は、高速度カメラ１１と接続され、メモリ部１１ａに記憶される透過像を読み取り、所要の処理を実行し、透過像データなどを表示部１３に動画表示する。
【００４０】
さらに、衝撃試験装置には、図示されていないが、Ｘ線発生器１、Ｘ線検出器３、放出器５、衝突部材６、トリガ信号発生器７を覆うＸ線遮蔽部分等が設けられている。
【００４１】
次に、以上のような衝撃試験装置の動作について説明する。
操作者は、まず、Ｘ線発生器１から照射されるＸ線ビーム９の中に入るように被検体４を固定し、仮撮影を実施し、必要な条件を設定する。具体的には、Ｘ線制御器２のパネルからＸ線発生器１に管電圧、管電流を仮設定し、Ｘ線発生器１からＸ線ビーム９を照射する。被検体４を通ったＸ線の透過像はＸ線ＩＩ１０、高速度カメラ１１で撮像され、メモリ部１１ａに記憶させた後、データ処理部８が読み取り、表示部１３に表示する。この表示された透過像を観察しながら、管電圧、管電流、撮影速度、高速度カメラ１１のゲインを繰り返し調整し、最適なＸ線条件及び撮影条件を設定する。
【００４２】
以上のような条件設定を終えると、放出器５に被検体４を保持させる。
操作者は、Ｘ線制御器２を操作してＸ線発生器１を起動し、当該Ｘ線発生器１のＸ線焦点FからＸ線ビーム９を照射した状態とする。ここで、高速度カメラ１１が撮影を開始し、高速度撮影とメモリ部１１ａへの上書きを繰り返しつつ保存する。
【００４３】
その結果、被検体４を透過したＸ線ビーム９は、Ｘ線ＩＩ１０の検出面１０ａでＸ線透過像として検出され可視光透過像に変換されて出力面１０ｂから出力される。高速度カメラ１１は、その出力面１０ｂから出た可視光透過像を高速度撮影して電気的なデジタルデータ（デジタル画像）に変換し、メモリ部１１ａの最旧画像に対して上書きを繰り返しつつ最新画像として順次記憶し続ける。
【００４４】
このとき、放出器５から被検体４を落下させる。この被検体４はガイド部５ａ及びＸ線ビーム９を通って落下し、衝突部材６に衝突する。トリガ信号発生器７は被検体４が衝突したときにトリガ信号を高速度カメラ１１に送信する。高速度カメラ１１はトリガ信号発生器７からのトリガ信号を受信したときをトリガ点とし、前述したようにトリガ点からメモリ部有効容量の９０％の画像を撮影・記憶した時点で撮影を終了する。その結果、高速度カメラ１１のメモリ部１１ａにはトリガ点（衝突時点）の前１０％、トリガ点の後９０％の時系列的な透過像が記憶された状態となる。
【００４５】
操作者はＸ線制御器２を通してＸ線発生器１のＸ線照射を停止させる。
高速度カメラ１１は、撮影が終了すると、メモリ部１１ａに記憶された透過像をデータ処理部８に送信する。あるいは、データ処理部８は、高速度カメラ１１に送信指令を送信し、高速度カメラ１１から透過像を送信させる。データ処理部８は送信されてくる透過像を例えば内部メモリ部または外部記憶装置（図示せず）に記憶する。
【００４６】
データ処理部８は、高速度カメラ１１のメモリ部１１ａから得られた透過像の表示及び解析処理を行う。
すなわち、データ処理部８は、内部メモリ部に記憶された透過像を１枚ずつ静止画像として表示することも可能であるが、例えば３０フレーム毎秒で時系列に透過像を順次読み出し、表示部１３に動画表示することも可能である。例えば、３０００フレーム毎秒で透過像を撮影したとすると、１００倍の低減倍でスローモーション表示できる。
【００４７】
図３は被検体４（例えば携帯電話）が衝突部材６に衝突した瞬間の透過像１７の一例を示す模式図である。
【００４８】
同図において、被検体４は外枠４ａ、基板４ｂ、電池４ｃ（例えばリチウムイオンポリマー電池）などからなる。基板４ｂ上にはＩＣ４ｄ，４ｅ、コンデンサ４ｆ、抵抗４ｇ等が取り付けられ、電池４ｃには電源端子４ｈが設けられている。４ｉ，４ｊはＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）である。なお、この透過像１７は衝突の瞬間に基板４ｂの面にほぼ直交する方向から撮影した状態を表している。
【００４９】
従って、衝突部材６に衝突した瞬間の被検体４の透過像１７を目視可能な状態でスローモーション表示すれば、衝突時の被検体４の内部構造の歪やずれなどを全体的に観察できる。例えば、電源端子４ｈの接触具合やずれ具合を観察できる。ちなみに、電源端子４ｈは一瞬でも接続箇所が離脱すると、被検体４のＩＣに記憶された内容が消去される等の問題を発生する箇所である。
【００５０】
次に、データ処理部８による透過像の解析処理例について、図３を参照して説明する。
まず、歪補正処理を実行する。解析結果の正確性を確保する観点から、前処理としての透過像１７の歪補正処理を行う。ここで、歪補正とはＸ線ＩＩ１０や高速度カメラ１１のレンズによって生じる画像歪を消去する補正である。なお、歪補正については、公知の種々の補正方法があるが、ここでは、例えば多項式を用いた補正処理を行う。
【００５１】
補正処理は、補正前の透過像（画像）をＰ（ｘ，ｙ）、補正後の透過像（画像）をＰ´（ｎ，ｍ）とすると、すべての画素（ｎ，ｍ）に対し、下式に示す多項式の演算式により補正後の透過像Ｐ´（ｎ，ｍ）を求めるものである。
ｘ＝Σl=0〜5Σk=0〜5｛ａl，ｋ・ｎl・ｍｋ｝ （１）
ｙ＝Σl=0〜5Σk=0〜5｛ｂl，ｋ・ｎl・ｍｋ｝ （２）
Ｐ´（ｎ，ｍ）＝Ｐ（ｘ，ｙ） （３）
なお、ａl，k、ｂl，kは予め較正で求めておいた定数である。
【００５２】
すなわち、ｘ，ｙは、式（１）、（２）に示すように、ｎとｍの５次式により求められる。通常、ｘとｙは整数とならないので、式（３）の右辺は例えば１次補間（直線補間）により計算する。ここでは、解析対象となる透過像Ｐのすべてに対し、順次歪補正処理を実施し、補正後の透過像Ｐ´を取得し、例えば内部メモリ部に記憶していく。以下の処理はすべて歪補正後の透過像Ｐ´（＝透過像１７）を用いて行うものとする。
【００５３】
次に、特徴点設定処理を実行する。操作者は、図３に示す１枚の透過像１７上で追跡点となる特徴点をＲＯＩ指定することによって設定する。特徴点としては、例えば画像濃度の大きな点や画像濃度の変化が大きな点などであって、例えば小さい四角形ＲＯＩ（感心領域）を設定すると、このＲＯＩ内で特徴点が画像処理において一意的に決められる。例えばコンデンサ４ｆ、抵抗４ｇの重心、電池４ｃ、基板４ｂ、ＩＣ４ｅなどの角の点、あるいはＩＣ４ｅを接合するＢＧＡ４ｊのうちの1個のボールの重心等が特徴点として挙げられる。ここでは、例えば基板４ｂの四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが特徴点であり、同時に追跡点でもある。
【００５４】
引き続き、特徴点軌道決定処理を実行する。この特徴点軌道決定処理は、解析対象とするすべての透過像１７に対し、時系列の順番、あるいは時系列の逆順に従って特徴点の位置を求めていくことによって追跡し、順次各透過像１７の四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを決定していく。なお、特徴点を追跡する画像処理は既に公知の技術であるので、ここでは詳細は記載しない。特徴点の追跡は、隣接する画像間で互いに近い位置にある特徴点を同一点（例えばＡ点）として同定することで行われる。
【００５５】
この特徴点軌道決定処理により、各透過像１７の四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを時系列的に追跡し、各点の位置を把握することにより軌道を決定できる。すなわち、時系列な時間ごとの画像上の各点の横／縦の位置、ｎ（ｔ）、ｍ（ｔ）を求めることができる。
【００５６】
ところで、今、衝突時の短時間の軌道のみを解析する場合、基板４ｂの姿勢はあまり変化せず、この短時間の間、基板４ｂの面にほぼ直交する方向からの透過像が得られる。この条件下では、基板４ｄの各点での１画素サイズは一定である。画素サイズをpｓ（ｍｍ／画素）とすると、各点の実空間での軌道は、下式に基づいてｍｍ単位で求められる。
【００５７】
ｇ（ｔ）＝pｓ・ｎ（ｔ） ……（４）
ｈ（ｔ）＝pｓ・ｍ（ｔ） ……（５）
次に、所要とする微分処理を実行する。この微分処理は、まず、式（４）、式（５）により求められたｇ（ｔ）、ｈ（ｔ）をそれぞれｔで微分し、速度の横／縦成分ｕ（ｔ）、ｖ（ｔ）を求めた後、この求めたｕ（ｔ）、ｖ（ｔ）に対して、更にｔで微分し、各点の加速度α（ｔ）、β（ｔ）を求める。
【００５８】
以上の処理により、基板４ｂの各点の加速度が求まることで、基板４ｂの受けた力を知ることができる。また、基板４ｂの各点の位置ｇ（ｔ）、ｈ（ｔ）から基板４ｂにおける歪の時間変化を知ることができる。
【００５９】
従って、以上述べた第１の実施の形態によれば、被検体４を透過したＸ線による透過像を表示部１３にスローモーションで動画表示することにより、被検体４の内部構造に掛かる衝撃を観察することができる。すなわち、衝撃を受けたときの被検体４の内部構造の動き、変形、ずれ等をスローモーションで観察できる。また、被検体４の内部構造に掛かる衝撃を解析することができる。
【００６０】
詳しくは、被検体内部の特徴点の透過像上での軌道ｎ（ｔ）、ｍ（ｔ）を求めることができる。また、実空間での軌道が透過像の透過方向に対し直交する面内、あるいはこの面から大きくずれない範囲である場合には、透過像上での軌道に画素サイズを掛けて実空間での軌道ｇ（ｔ）、ｈ（ｔ）を求めることができる。さらに、実空間での軌道を時間ｔで１回微分して速度、２回微分して加速度を求めることができる。また、複数の特徴点の軌道を求めることにより、歪の時間変化を取得できる。その結果、被検体４の内部構造の動き、変形、ずれ等を容易に解析できる。
【００６１】
（第１の実施の形態の変形例）
（１） 第１の実施の形態における衝撃試験は、被検体４を自然落下させた状態で衝突部材６に衝突させているが、例えば自然落下でなく、放出器５から被検体４に速度を与えた状態で放出し、衝突部材６に衝突させてもよい。この場合、放出器５と衝突部材６との間の距離を広げずに大きな衝撃を与えることが可能となり、これにより装置を小型にすることができる。また、第１の実施形態では、ガイド部５ａを用いて、被検体４の回転を抑えて衝突させているが、逆に被検体４を回転させながら衝突させ、その衝撃の種類を多様に変えて試験を行うこともできる。また、被検体４を動かす代わりに、衝突部材６を動かして被検体４に衝突させて衝撃を与える構成であってもよい。また、２つの衝突部材で被検体４を挟みこむように衝撃を与える構成でもよい。
【００６２】
（２） 第１の実施の形態では、高速度カメラ１１で撮影された透過像を一旦メモリ部１１ａに記憶したが、直接データ処理部８の内部メモリ部または外部記憶装置に記憶してもよい。また、高速度カメラ１１からアナログの透過像を出力し、データ処理部８でアナログの透過像をデジタルの透過像に変換し、内部メモリ部などに記憶する構成であってもよい。
【００６３】
（３） 第１の実施の形態では、トリガ信号発生器７は、歪センサの出力信号レベルからトリガ信号を取り出しているが、歪センサではなく、例えば被検体４が横切るタイミングを捉える光電スイッチ、レーザ変位計や衝突部材６に取り付けて振動音を検出するマイクロフォン、加速度計を用いて、トリガ信号を取り出してもよい。
【００６４】
（４） 第１の実施の形態では、Ｘ線可視光変換手段としてＸ線ＩＩ１０を用いたが、マイクロチャンネルプレート等を用いてもよい。
【００６５】
（５） 第１の実施の形態では、被検体４として携帯電話を想定し、当該携帯電話の内部構造の１つである例えば基板４ｂの衝撃解析を行う処理について説明したが、これに限られるものでなく、透過像が得られるすべての構造体について衝撃試験を実施でき、かつ内部構造の透過像に追跡可能な特徴点があれば、衝撃解析を行うことができる。
【００６６】
（６） また、図４に示すような衝撃試験装置の構成であっても構わない。この衝撃試験装置は、図１に示す全構成に新たに、被検体４の外観像を撮影するための高速度カメラ２１と、複数の高速度カメラ１１，２１の同期を取るためのクロック信号を発生するクロック発生部２２と、ミラー２３とを追加した構成である。なお、高速度カメラ２１は高速度カメラ１１と同じ構成、機能を有するものが使用される。
【００６７】
高速度カメラ２１は、Ｘ線ビーム９に対して４５°で挿入されたミラー２３から反射されてくる像を撮影することで、透過像と同じ方向からの可視光による被検体４の外観像を撮影するように設定される。ただし、違う方向からの被検体４の外観像を撮影する場合にはミラー２３が不要であって、被検体４に向けて直接撮影するように設定すればよい。
【００６８】
高速度カメラ２１は、レンズの物空間主点Ｈ及びカメラ光軸がそれぞれＸ線焦点ＦとＸ線光軸の鏡像に一致するように配置すれば、被検体４の外観像とＸ線透過像が同じ視点から見た同じパースペクティブ（遠近法）の画像となって正確に重ね合せができるので、適宜に表示部１３に重ね合せ表示あるいは並列表示することができる。
【００６９】
また、透過像を高拡大率で撮影する場合は、被検体４の衝突位置をＸ線焦点Ｆに近づけるとともに、ミラー２３及び高速度カメラ２１を衝突位置とＸ線検出器３との間に配置する。この場合には外観像とＸ線透過像は視点が異なってしまうが、ミラー２３が邪魔になることなく、Ｘ線透過像の倍率を上げることができる。
【００７０】
この衝撃試験装置においては、クロック発生部２２は、共通のクロック信号を高速度カメラ１１，２１に送信し、これらカメラ１１，２１の同期を取って撮影を行う。また、これと並行してトリガ信号発生器７が振動を検出し、その振動信号レベルがしきい値を超えたときに共通のトリガ信号を高速度カメラ１１，２１に送出し、これら２つのカメラ１１，２１の撮影の同期をとっている。ここで、トリガ信号発生器７とクロック発生部２２は２つのカメラ１１，２１の同期を取るための手段である。トリガ信号発生器７は撮影周期単位の大まかな同期を取る役割を持ち、クロック発生部２２は撮影周期内で正確に同期をとる役割を持っている。
【００７１】
このような構成によれば、被検体４の衝突時の動きによるＸ線透過像と可視光による外観像とを時間を合わせて同時に高速度で撮影でき、Ｘ線透過像と外観像それぞれを使った動画表示や衝撃解析ができる。また、Ｘ線透過像と外観像とを並べ、あるいは重ねて動画表示したり、Ｘ線透過像と外観像を使った外表面及び内部を合わせた衝撃解析を行うことができる。
【００７２】
なお、この第６の変形例において、クロック発生部２２を省略することができる。この場合、各高速度カメラ１１，２１はそれぞれの内部クロックで撮影を行うので、撮影タイミングに位相ずれが生ずるが、共通のトリガ信号で同期をとっているので、同期の誤差は撮影周期以下となり、用途により使用可能である。
【００７３】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、一方向の透過像から衝撃解析を行う例について説明したが、例えば特徴点が透過像の奥行き方向に移動する場合には像倍率が変化するので、適切な解析結果が得られない場合がある。また、複数の特徴点が互いに透視方向に対し直交する面内に存在する場合はよいが、奥行き方向にずれている点同士が相対的に移動している場合にはパースペクティブ（遠近画法）のある位置関係となり、解析誤差が大きくなる。
【００７４】
そこで、第２の実施の形態では、Ｘ線発生器１とＸ線検出器３とを２組用いて、透過方向の異なる２方向からの透過像を同期をとって同時に連続撮影し、被検体４の変化を立体的に解析する構成である。これは、２方向の透過像より着目する特徴点（追跡点）の３次元的な動きを求めることで可能になる。
【００７５】
図５は本発明に係る衝撃試験装置の第２の実施形態を示す構成図である。同図において、図１と同一または等価な構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。なお、この衝撃試験装置は、被検体４が衝突部材６に衝突する方向から見た状態を表したものであり、被検体４及び放出器５は説明の便宜上、図示省略している。
【００７６】
この衝撃試験装置は、図１に示す全構成に新たに、Ｘ線発生器３１、Ｘ線制御器３２、Ｘ線検出器３３、クロック発生部３４を追加した構成である。Ｘ線発生器３１およびＸ線制御器３２はそれぞれＸ線発生器１およびＸ線制御器２と同じ構成及び機能を有している。Ｘ線検出器３３は、Ｘ線検出器３と同じ構成及び機能を持ったものであって、Ｘ線ＩＩ３５と高速度カメラ３６とからなる。
【００７７】
この衝撃試験装置では、透過像の撮影方向が色々設定可能であるが、ここでは一番単純な例を挙げて説明する。
まず、２組の撮影系における位置を設定する。ここで、座標系としては、Ｏ点を原点とし、衝撃の方向（垂直方向）をｚ軸とする直交座標系ｘｙｚを設定する。Ｘ線発生器１とＸ線検出器３よりなる第一撮影系は、Ｘ線光軸（Ｘ線焦点Ｆ１とＸ線検出面１０ａ中心を結ぶ線）がｘ軸に合うように位置設定し、Ｘ線発生器３１とＸ線検出器３３よりなる第ニ撮影系は、Ｘ線光軸（Ｘ線焦点Ｆ２とＸ線検出面３５ａ中心を結ぶ線）がｙ軸に合うように位置設定する。
【００７８】
クロック発生部３４は、２つの高速度カメラ１１，３６に接続され、共通のクロック信号を高速度カメラ１１，３６に送信し、これらカメラ１１，３６の同期をとりながら連続撮影する。トリガ信号発生器７は、歪センサで検出された振動信号レベルがしきい値を超えたときにトリガ信号を発生し、２つの高速度カメラ１１，３６に送出して２つの高速度カメラ１１，３６の撮影の同期をとる。ここで、トリガ信号発生器７とクロック発生部３４は２つのカメラ１１，３６の同期をとるための手段である。トリガ信号発生器７は撮影周期単位の大まかな同期をとる役割を持ち、クロック発生部３４は撮影周期内で正確に同期をとる役割を持っている。
【００７９】
高速度カメラ１１，３６は、前述したように共通のクロック信号に基づいて撮影を行うと共に、第１の実施の形態で説明したように共通のトリガ信号を受信したときをトリガ点とし、当該トリガ点の前１０％、トリガ点の後９０％の透過像をメモリ部１１ａ、３６ａに記憶して撮影を終了する。これにより、同時刻、かつ時系列的に２方向の透過像を順次記憶することができる。
【００８０】
データ処理部８は、第１の実施の形態と同様の解析処理を行うが、衝突解析の内容が異なってくる。
【００８１】
次に、この実施の形態における衝撃試験装置の作用について説明する。
第１の実施の形態と同様に、２つの高速度カメラ１１，３６が同期を取りながら被検体４の透過像を撮影し、対応するメモリ部１１ａ、３６ａに時系列的に記憶する。そして、Ｘ線発生器１、３１からのＸ線照射を停止した後、メモリ部１１ａ，３６ａに記憶された透過像をデータ処理部８に送信する。あるいは、データ処理部８は、高速度カメラ１１、３６に送信指令を送信し、高速度カメラ１１、３６から透過像を送信させる。データ処理部８は送信されてくる透過像を例えば内部メモリ部に順次記憶していく。
【００８２】
データ処理部８は、高速度カメラ１１、３６のメモリ部１１ａ、３６ａから収集した透過像の表示及び解析処理を行う。ここで、高速度カメラ１１、３６から収集した透過像の一枚は、例えば図３に示すような透過像である。この透過像の表示は、第１の実施の形態と同様にデータ処理部８の表示部１３に１枚ずつ静止画像として表示することもできるが、３０フレーム毎秒で時系列的に順次切換えて動画表示することもできる。例えば３０００フレーム毎秒で撮影したとすると、１００倍のスローモーション表示となる。動画表示は、高速度カメラ１１または３６で撮影された透過像のどちらか一方を選択して表示するか、あるいは同期を取りながら両方の画像を並べて動画表示することもできる。
【００８３】
次に、データ処理部８による透過像の解析処理例について、図６及び図７を参照して説明する。
まず、第１の実施の形態と同様に歪補正処理を実行する。解析結果の正確性を確保する観点から、衝突解析の対象とするすべての透過像に対し、第１の実施の形態と同様に各透過像の歪補正処理を行う。以下の処理はすべて歪補正後の透過像を用いて行う。
【００８４】
次に、特徴点設定処理を実行する。この特徴点設定処理は、２つの撮影系のそれぞれ１枚の透過像上に特徴点を設定する。
【００８５】
図６は特徴点の一例を示す模式図である。なお、透過像はＸ線焦点側から見た左右の向きで表示するものとする。表示部１３の図示左側には第一撮影系で撮影された１枚の透過像４１、図示右側には第二撮影系で撮影された１枚の透過像４２がそれぞれ並べて表示される。
【００８６】
操作者は、表示された透過像４１，４２上で特徴点を設定する。例えば基板４ｂの四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、特徴点であり、同時に追跡点となる。
【００８７】
引き続き、特徴点軌道決定処理を実行する。この特徴点軌道決定処理は、解析対象とするすべての透過像４１、４２に対し、時系列の順番、あるいは時系列の逆順に従って特徴点を求めて追跡することで、順次各透過像４１の四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの位置を決定する。なお、特徴点を求める画像処理は既に公知の技術であるので、ここでは詳細は記載しない。特徴点の追跡は、隣接する画像間で互いに近い位置にある特徴点を同一点（例えばＡ点）として同定することで行われる。
【００８８】
この特徴点軌道決定処理により、各透過像４１、４２の四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの位置を求めることにより、２方位それぞれの画像上で軌道を決定できる。すなわち、各透過像４１、４２上の各点について、第一撮影系による透過像４１上の軌道、ｎ１（ｔ）、ｍ１（ｔ）および第二撮影系による透過像４２上の軌道、ｎ２（ｔ）、ｍ２（ｔ）を求めることができる。
【００８９】
次に、透過像上の軌道ｎ１（ｔ）、ｍ１（ｔ）およびｎ２（ｔ）、ｍ２（ｔ）から３次元空間における軌道ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）を求めるが、その一例として以下の手順に従って求める。
【００９０】
まず、センタ平面（原点Ｏを通り光軸と直交する面）へＸ線に沿って投影した点の位置ｇ、ｈは次式の計算式から求める（図６参照）。
【００９１】
ｇ１（ｔ）＝ｐｓ１・｛ｎ１（ｔ）−ｎ０｝ ……（６）
ｈ１（ｔ）＝−ｐｓ１・｛ｍ１（ｔ）−ｍ０｝ ……（７）
ｇ２（ｔ）＝ｐｓ２・｛ｎ２（ｔ）−ｎ０｝ ……（８）
ｈ２（ｔ）＝−ｐｓ２・｛ｍ２（ｔ）−ｍ０｝ ……（９）
ここで、ｎ０、ｍ０は透過像上の原点Ｏの位置，すなわち画像中央である。また、ｐｓ１、ｐｓ２は原点Ｏの位置での画素サイズ（ｍｍ／画素）であって、予め定めた既知の定数である。
【００９２】
さらに、「（ｔ）」を省略し、上式のｇ１、ｈ１、ｇ２、ｈ２を用いて、
ｘ＝ｒ１・ｇ２・（ｒ２−ｇ１）／（ｒ１・ｒ２＋ｇ１・ｇ２） ……（１０）
ｙ＝−ｒ２・ｇ１・（ｒ１＋ｇ２）／（ｒ１・ｒ２＋ｇ１・ｇ２） ……（１１）
ｚ１＝ｈ１・（ｒ１＋ｘ）／ｒ１ ……（１２）
ｚ２＝ｈ２・（ｒ２＋ｙ）／ｒ２ ……（１３）
ｚ＝（ｚ１＋ｚ２）・２ ……（１４）
を順次計算し、実空間上での軌道ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）を計算する。ここで、ｒ１はＸ線焦点Ｆ１と原点Ｏとの距離、ｒ２はＸ線焦点Ｆ２と原点Ｏとの距離である。
【００９３】
なお、式（１０）〜式（１４）については、図７に示す追跡点の３次元空間での位置を計算する幾何図から導出できるが、詳細は省略する。
【００９４】
要は、実空間上での軌道ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）を求めることは、図７に示すように、追跡点に対するＸ線に沿った２方向の投影ラインＬｐ１とＬｐ２との交点のｘｙｚ座標を求める問題である。ここで、注意する点は、一般にｇ，ｈは測定誤差を含んでいるので、Ｌｐ１とＬｐ２は接近するが、厳密には交わらないことである。
【００９５】
そこで、図７の下段に示すように、ｚ軸方向から見て互いに交差する２点Ｐ１（高さｚ１）とＰ２（高さｚ２）の中点を交点Ｐとして計算する。これは、未知数３（ｘｙｚ）に対して既知数４（ｇ１、ｇ２、ｈ１、ｈ２）であって、測定値に冗長性を含んでいることから測定値を平均して求めることに相当し、統計精度を上げることができる。さらに、式（１４）では、ｚ１とｚ２に１対１の重みを掛けて平均しているが、それらの重みの割合を変えてもよい。例えば基板４ｂを正面方向から透視した測定値ｈ１を重視し、ｚ１の方に大きな重みを掛けて平均してもよい。
【００９６】
次に、微分処理を実行する。この微分処理は、３次元空間でのｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）をそれぞれｔで微分することにより、速度の３次元成分であるｖｘ（ｔ）、ｖｙ（ｔ）、ｖｚ（ｔ）を求める。また、これらｖｘ（ｔ）、ｖｙ（ｔ）、ｖｚ（ｔ）をそれぞれｔで微分して各点の加速度αの３次元成分であるαｘ（ｔ）、αｙ（ｔ）、αｚ（ｔ）を求める。これにより、基板４ｂの各点の加速度を求めることにより、基板４ｂの受けた力が判る。さらに、基板４ｂの各点の位置ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）から基板４ｂの歪の時間変化を知ることができる。
【００９７】
従って、以上述べた第２の実施形態によれば、被検体４を異なる方向で透過したＸ線による透過像をそれぞれ単独あるいは並べてスローモーションで動画表示することにより、被検体４の内部構造に掛かる衝撃を観察できる。すなわち、衝撃を受けたときの被検体４の内部構造の動き、変形、ずれ等をスローモーションで２方向から観察できる。
また、この実施の形態によれば、被検体４の内部構造に掛かる衝撃を３次元的に解析することができる。
【００９８】
詳しくは、被検体４の内部構造の特徴点を追跡することで特徴点の位置の時間変化として画像上の軌道を求めた後、２つの異なる方向の透過像上の軌道から実空間での軌道を求めることができる。
【００９９】
さらに、実空間での軌道を時間ｔで１回微分して速度、２回微分して加速度を求めることができる。また、複数の特徴点の軌道を求めることにより、歪の時間変化なども求めることができる。これにより、被検体４の内部構造の動き、変形、ずれ等を解析できる。
【０１００】
（第２の実施の形態の変形例）
（１） この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の変形例をそのまま適用できる。
（２） 第２の実施の形態では、第一撮影系と第二撮影系とのＸ線光軸が９０°で交差するように設定したが、必ずしも９０°で交差するように設定する点に限られない。
【０１０１】
（３） 第２の実施の形態では、第一撮影系と第二撮影系とのＸ線光軸を狭角度で交差するように設定し、撮影した透過像をステレオ表示させることができる。この場合、例えば右目用画像を右目だけで見、左目用画像を左目だけで見ることにより、立体視する表示となる。この技術は既に公知である。例えば右目用画像と左目用画像とを時分割で切換え表示し、これに合わせて左側と右側を遮光／透光を交互に繰り返すような眼鏡で観察する方法等がある。
【０１０２】
（４） この第２の実施の形態では、２つの撮影系を用いたが、３つ以上の多数の撮影系で同時撮影することもできる。２つの撮影系の場合、一方の画像で偶然、被検体の向きが透過長が長い向きになれば、透過像が暗くなりすぎ、特徴点の追跡ができなくなって３次元空間での軌道を求めることができなくなるが、３つ以上の撮影系を用いることで防ぐことができる。すなわち、暗すぎ画像を除いた他の画像で軌道を求めることができる。また、撮影系が増えることで、測定値を平均して結果が求められ、統計精度を上げる効果を有する。
【０１０３】
その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明に係る衝撃試験装置の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】図１に示すメモリ部に高速度で連続撮影した透過像を記憶する例を説明する図。
【図３】被検体の透過像の一例を示す模式図。
【図４】本発明に係る衝撃試験装置の第１の実施の形態における１つの変形例を説明する衝撃試験装置の構成図。
【図５】本発明に係る衝撃試験装置の第２の実施の形態を示す構成図。
【図６】第２の実施の形態における特徴点の追跡の一例を説明する模式図。
【図７】第２の実施の形態における特徴点の追跡による３次元空間での位置を計算する幾何図。
【符号の説明】
【０１０５】
１…Ｘ線発生器、３…Ｘ線検出器、４…被検体、４ａ…外枠、４ｂ…基板、４ｃ…電池、５…放出器、６…衝突部材、７…トリガ信号発生器、８…データ処理部、１０…Ｘ線II、１１…高速度カメラ、１１ａ…メモリ部、１３…表示部、２１…高速度カメラ、２２…クロック発生部、２３…ミラー、３１…Ｘ線発生器、３３…Ｘ線検出器、３４…クロック発生部、３５…Ｘ線ＩＩ、３６…高速度カメラ、３６ａ…メモリ部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の構造体に衝撃を加えたときの影響を解析する衝撃試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、構造体である携帯電話、携帯情報端末などのモバイル機器が普及してきている。これら機器は、携行可能な状態で使用されることから、落下や衝突などの衝撃を受ける機会が多い。そこで、対衝撃性能を高めた製品を作るため、実際の製品、例えば携帯電話などを使って衝撃試験が行われている。
【０００３】
従来、衝撃試験に関する技術は、振動計付きの被検体を落下させ、被検体に加わる衝撃を振動計で測定し、その外観から被検体に生じる影響を調べ、また振動計の測定データを表示し、衝撃の強さや方向性を観察するものが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
また、他の衝撃試験に関する技術は、衝撃を受ける被検体を高速度カメラで撮影し、その映像から衝撃特性（時間−変形量特性等）を取得し、この取得された衝撃特性から被検体の衝撃時の材料特性（応力−歪特性）を得るものが提案されている（特許文献２）。
【０００５】
さらに、他の衝撃試験に関する技術としては、被検体の落下・衝突を高速度カメラで撮影し、そのカメラの映像から被検体の瞬間的な歪や加速度を解析し、衝撃に対する被検体の振舞いを調べ、被検体を構成する部材の設計に反映させ、対衝撃性能を高める試みが行われている。この衝撃試験は、例えば被検体の外形の目標点となる数箇所を定めてマークを施し、その数箇所のマーク等の位置を時系列的に測定し、マーク位置での加速度、マーク間距離の変化などから歪の大きさを求めるものがある。
【特許文献１】特開２００７−０２４５０７号公報
【特許文献２】特開２００６−２５８５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、以上のような高速度カメラを用いた衝撃試験は、被検体の対衝撃性能を高めるため、専ら被検体の外部形体のみを測定するものであって、被検体内部がどのような衝撃を受けているか全く不明であり、試験としては不十分である。
【０００７】
衝撃試験としては、被検体内部の部品の取り付け状態の変化や各部品に掛かる加速度などを把握しない限り、対衝撃性能の高い被検体を作ることは難しい。具体的には、被検体が携帯電話である場合、その携帯電話の破損しやすい内部の基板とＩＣ部品との接合部や電池などは検査できない。携帯電話の対衝撃性能を高めるためには、基板、基板取付け部品、電池などの歪や加速度などを解析することが望ましい。
【０００８】
また、被検体の内部構造の衝撃を解析する場合、例えば試験時のみ透明な外枠に代えて試験することも考えられるが、内部構造が受ける衝撃は外枠構造の材質、形状に大きく依存するので、実際に即した試験ではなくなってしまう問題がある。
【０００９】
更に言えば、衝撃試験自体は内部の部品を守るために外枠をいかに設計するかを目的とすることが多く、別の外枠に代えて試験することは本末転倒である。
【００１０】
本発明は上記事情にかんがみてなされたもので、実製品と同等の被検体に対して衝撃を与え、その被検体の内部構造に掛かる衝撃を観察ないし解析する衝撃試験装置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】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に対応する衝撃試験装置は、内部構造を持つ構造体である被検体に衝撃を与える衝撃付与手段と、少なくとも被検体が衝撃を受けている間、被検体にＸ線を照射する第一のＸ線発生器と、この第一のＸ線発生器から照射されて前記被検体を透過してくるＸ線を検出し可視光透過像に変換して出力する第一のＸ線可視光変換手段と、この第一のＸ線可視光変換手段から出力される可視光透過像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの透過像に変換して記憶する第一の高速度カメラと、この第一の高速度カメラに記憶された透過像を、毎秒１００フレーム以上の速度から所定の低減倍の速度のもとにスローモーションにより動画表示する表示手段とを備えた構成である。
【００１２】
このような手段を講じたことにより、被検体を透過してくるＸ線による透過像を適宜な低減倍の速度のもとにスローモーションにより動画表示するので、被検体の内部構造に掛かる衝撃を容易に観察できる。
【００１３】
請求項２に対応する衝撃試験装置は、請求項１に対応する衝撃試験装置の構成に新たに、少なくとも被検体が衝撃を受けている間、被検体の外観像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの外観像に変換して記憶する第二の高速度カメラと、第一および第二の高速度カメラの同期をとるための共通のトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段とをさらに設け、トリガ信号を受けて同期撮影する第一および第二の高速度カメラで被検体の透過像と外観像とを連続撮影して記憶する構成である。
【００１４】
このような手段を講じたことにより、被検体を透過してくるＸ線による透過像及び外観像を適宜な低減倍の速度のもとにスローモーションで動画表示するので、被検体の内部構造及び外観に加わる衝撃を容易に観察できる。
【００１５】
請求項３に対応する衝撃試験装置は、請求項１または請求項２に対応する衝撃試験装置の構成に新たに、各透過像および各外観像の何れか一方または両方の画像上に現れる被検体の内部構造、外表面の特徴点を時間を追って、または遡って追跡し、当該特徴点の二次元空間での軌道を算出するデータ処理部を設けた構成である。
【００１６】
このような手段を講じたことにより、被検体の内部構造を追跡することで特徴点の位置の時間変化としての画像上の軌道を求めることができる。ここで、実空間での軌道が透過像の透過方向に対して直交する面内、あるいはこの面から大きくずれない範囲の場合には、画像上の軌道に定数を掛けて実空間での軌道を算出できる。
【００１７】
さらに、実空間での軌道を時間で１回微分して速度、２回微分して加速度を求めることができる。また、複数の特徴点の軌道を求めることで、歪の時間変化を求めることができる。これにより、被検体の内部構造の動き、変形、ずれ等を解析できる。
【００１８】
また、請求項４に対応する衝撃試験装置は、請求項１に対応する衝撃試験装置の構成に新たに、少なくとも被検体が衝撃を受けている間、第一のＸ線発生器とは異なる照射方向から被検体にＸ線を照射する第二のＸ線発生器と、この第二のＸ線発生器から照射されて被検体を透過してくるＸ線を検出し可視光透過像に変換して出力する第二のＸ線可視光変換手段と、この第二のＸ線可視光変換手段から出力される可視光透過像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの透過像に変換して記憶する第二の高速度カメラと、前記第一および第二の高速度カメラの同期をとるための共通のトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段とをさらに設け、トリガ信号を受けて同期撮影する第一および第二の高速度カメラにより被検体の異なる方向から透過してくる透過像を連続撮影して記憶する構成である。
【００１９】
このような手段を講じたことにより、被検体の異なる方向から透過してくるＸ線による透過像をそれぞれ単独あるいは並べて適宜な低減倍でスローモーションで動画表示するので、被検体の内部構造、外観に加わる衝撃を容易に観察できる。すなわち、被検体が衝撃を受けたときの内部構造の動き、変形、ずれ等をスローモーションで２方向から観察できる。
【００２０】
また、請求項５に対応する衝撃試験装置は、請求項４に対応する衝撃試験装置の構成に新たに、第一および第二の高速度カメラにそれぞれ記憶された各透過像上に現れる被検体の内部構造の特徴点を時間を追って、または遡って追跡し、それぞれの特徴点の三次元空間での軌道を算出するデータ処理部を設けた構成である。
【００２１】
このような手段を講じることにより、被検体の内部構造に掛かる衝撃を３次元的に解析でき、また、請求項３に対応する衝撃試験装置と同様の分析結果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、実製品と同等の被検体に対して衝撃を与え、その被検体の内部構造に掛かる衝撃の状態を適切に観察ないし解析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係る衝撃試験装置の第１の実施形態を示す構成図である。
衝撃試験装置は、Ｘ線発生器１、Ｘ線制御器２、Ｘ線検出器３、被検体４を放出する放出器５、放出器５から放出される被検体４の落下直下に配置される衝突部材６、この衝突部材６に取り付けられるトリガ信号発生器７、データ処理部８等により構成される。
【００２４】
なお、被検体４としては、内部構造を備えた構造体であって、各種の携行機器がそれに該当するが、ここでは例えば携帯電話を想定して説明する。また、放出器５及び衝突部材６は請求項に記載の衝撃付与手段に相当する。
【００２５】
Ｘ線発生器１は、Ｘ線管及び高電圧発生部から成り、例えばＸ線制御器２のパネルから操作設定される管電圧、管電流のもとに所要の強度を持ったＸ線ビーム９を照射する。また、Ｘ線制御器２は、データ処理部８と連携し、当該データ処理部８からの設定指示に従ってＸ線発生器１に管電圧、管電流を設定する構成であってもよい。
【００２６】
Ｘ線検出器３は、Ｘ線発生器１と対向する位置に配置され、Ｘ線発生器１のＸ線焦点Ｆから照射されるＸ線の一部のＸ線ビーム９を検出し撮影する機能を持っている。
【００２７】
Ｘ線検出器３は、２次元の空間分解能でＸ線を検出するもので、Ｘ線可視光変換手段としてのＸ線II（イメージインテンシファイア）１０と高速度カメラ１１とより成る。Ｘ線II１０はＸ線検出面１０ａで検出されるＸ線の強度分布であるＸ線透過像を可視光の透過像に変換し、出力面１０ｂから出力する。なお、Ｘ線II１０としては残光の少ないものが使用される。
【００２８】
高速度カメラ１１は、レンズ、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子、ＡＤ変換器、メモリ部１１ａ等よりなる。この高速度カメラ１１は、Ｘ線II１０の出力面１０ｂ上の可視光透過像をレンズを通して撮像素子の上に結像するとともに、撮像素子で電気信号に変換し、この電気信号をＡＤ変換器にてデジタルデータ（デジタル画像）に変換し、メモリ部１１ａに記憶する。
【００２９】
高速度カメラ１１は、１００フレーム毎秒以上の速度で連続撮影するものが使用される。通常の動画撮影用カメラは３０フレーム毎秒で連続撮影して記憶し、３０フレーム毎秒の同じ速度で再生し動画表示するが、高速度カメラ１１では１００フレーム毎秒以上で連続撮影して記憶し、３０フレーム毎秒の速度で再生表示することによってスローモーション表示が可能である。
【００３０】
従って、高速度カメラ１１は、１００フレーム毎秒以上で連続撮影した一連の透過像を順次メモリ部１１ａに記憶する。メモリ部１１ａは、有効容量が例えば１０Ｇバイトとすると、１Ｍバイトの透過像を約１０，０００フレーム分記憶できる。
【００３１】
放出器５は、常時は例えば適宜なアーム（図示せず）などで被検体４を支え、所定のタイミングで支えを外すことにより、被検体４を落下させる構造となっている。
【００３２】
放出器５は、被検体４の落下方向にガイド板または所要形状のガイド筒体などのガイド部５ａが設けられている。ガイド部５ａは、表面が摩擦の少ない材料で作られ、被検体４が少ない摩擦抵抗で滑って落下し、Ｘ線ビーム９内を通過して放出器５真下の衝突部材６に衝突する。被検体４をガイド部５ａに沿って滑らす理由は、被検体４の落下中の回転を抑え、被検体４を安定な姿勢で衝突部材６に衝突させる為である。
【００３３】
また、ガイド部５ａの下端部と衝突部材６の間は少なくとも被検体４の長さ以上の空間距離を有し、さらに好ましくは被検体４の長さ以上であって、被検体４が衝突部材６に衝突して跳ね返ってガイド部５ａの下端部に接触しない程度の空間距離が望ましい。これにより、高速度カメラ１１は、被検体４がガイド部５ａに衝突しない状態で衝突及び跳ね返りを撮影できる。
【００３４】
衝突部材６としては、衝突の衝撃を変えて試験する必要から、様々な材質（例えばプラスチック材、コンクリート材等）で作られたものに交換できるように複数用意する。
【００３５】
この衝突部材６にはトリガ信号発生器７が取り付けられている。トリガ信号発生器７は例えば歪センサ（ストレインゲージ）と電気回路とより成り、被検体４が衝突したときの衝突部材６の振動を歪センサの電気抵抗の変化により検出する。電気回路は歪センサ出力を振動信号として取り出し、この振動信号レベルが所定値を超えたときに電気的なトリガ信号を発生し、このトリガ信号を高速度カメラ１１に送信する。
【００３６】
高速度カメラ１１は、被検体４の落下直前あるいは被検体４が衝突する直前から撮影を開始しその透過像をメモリ部１１ａに順次記憶し、有効容量に達すれば前に戻って順次上書きしながら繰り返し記憶していくが、トリガ信号発生器７から送られてくるトリガ信号を受信したときをトリガ点とし、予め高速度カメラ１１に任意に設定される比率に従って撮影中の透過像のメモリ部１１ａへの記憶制御を実施する。従って、高速度カメラ１１はトリガ点よりも前の透過像もメモリ部１１ａに記憶している。
【００３７】
例えば高速度カメラ１１に設定された比率がトリガ点前１０％、トリガ点後９０％とすると、図２に示すようにトリガ点から高速度カメラ１１で撮影された透過像をメモリ部１１ａの有効容量の９０％に達するまで上書きを続け、トリガ点よりも１０％前で撮影が終了する。その結果、トリガ点前１０％にトリガ点後９０％を足せば、メモリ部１１ａの有効容量を有効に利用し、被検体４の衝突前から衝突後の衝撃の状態を撮影することが可能となる。
【００３８】
データ処理部８は、通常のパーソナルコンピュータと同等の処理機能を有するものであって、キーボード、マウスなどの入力部１２及び表示部１３が接続され、内部的には、ＣＰＵ、内部メモリ部、メモリ部１１ａとのインタフェースが設けられ、必要に応じてディスク等の外部記憶装置が接続されている。
【００３９】
データ処理部８は、高速度カメラ１１と接続され、メモリ部１１ａに記憶される透過像を読み取り、所要の処理を実行し、透過像データなどを表示部１３に動画表示する。
【００４０】
さらに、衝撃試験装置には、図示されていないが、Ｘ線発生器１、Ｘ線検出器３、放出器５、衝突部材６、トリガ信号発生器７を覆うＸ線遮蔽部分等が設けられている。
【００４１】
次に、以上のような衝撃試験装置の動作について説明する。
操作者は、まず、Ｘ線発生器１から照射されるＸ線ビーム９の中に入るように被検体４を固定し、仮撮影を実施し、必要な条件を設定する。具体的には、Ｘ線制御器２のパネルからＸ線発生器１に管電圧、管電流を仮設定し、Ｘ線発生器１からＸ線ビーム９を照射する。被検体４を通ったＸ線の透過像はＸ線ＩＩ１０、高速度カメラ１１で撮像され、メモリ部１１ａに記憶させた後、データ処理部８が読み取り、表示部１３に表示する。この表示された透過像を観察しながら、管電圧、管電流、撮影速度、高速度カメラ１１のゲインを繰り返し調整し、最適なＸ線条件及び撮影条件を設定する。
【００４２】
以上のような条件設定を終えると、放出器５に被検体４を保持させる。
操作者は、Ｘ線制御器２を操作してＸ線発生器１を起動し、当該Ｘ線発生器１のＸ線焦点FからＸ線ビーム９を照射した状態とする。ここで、高速度カメラ１１が撮影を開始し、高速度撮影とメモリ部１１ａへの上書きを繰り返しつつ保存する。
【００４３】
その結果、被検体４を透過したＸ線ビーム９は、Ｘ線ＩＩ１０の検出面１０ａでＸ線透過像として検出され可視光透過像に変換されて出力面１０ｂから出力される。高速度カメラ１１は、その出力面１０ｂから出た可視光透過像を高速度撮影して電気的なデジタルデータ（デジタル画像）に変換し、メモリ部１１ａの最旧画像に対して上書きを繰り返しつつ最新画像として順次記憶し続ける。
【００４４】
このとき、放出器５から被検体４を落下させる。この被検体４はガイド部５ａ及びＸ線ビーム９を通って落下し、衝突部材６に衝突する。トリガ信号発生器７は被検体４が衝突したときにトリガ信号を高速度カメラ１１に送信する。高速度カメラ１１はトリガ信号発生器７からのトリガ信号を受信したときをトリガ点とし、前述したようにトリガ点からメモリ部有効容量の９０％の画像を撮影・記憶した時点で撮影を終了する。その結果、高速度カメラ１１のメモリ部１１ａにはトリガ点（衝突時点）の前１０％、トリガ点の後９０％の時系列的な透過像が記憶された状態となる。
【００４５】
操作者はＸ線制御器２を通してＸ線発生器１のＸ線照射を停止させる。
高速度カメラ１１は、撮影が終了すると、メモリ部１１ａに記憶された透過像をデータ処理部８に送信する。あるいは、データ処理部８は、高速度カメラ１１に送信指令を送信し、高速度カメラ１１から透過像を送信させる。データ処理部８は送信されてくる透過像を例えば内部メモリ部または外部記憶装置（図示せず）に記憶する。
【００４６】
データ処理部８は、高速度カメラ１１のメモリ部１１ａから得られた透過像の表示及び解析処理を行う。
すなわち、データ処理部８は、内部メモリ部に記憶された透過像を１枚ずつ静止画像として表示することも可能であるが、例えば３０フレーム毎秒で時系列に透過像を順次読み出し、表示部１３に動画表示することも可能である。例えば、３０００フレーム毎秒で透過像を撮影したとすると、１００倍の低減倍でスローモーション表示できる。
【００４７】
図３は被検体４（例えば携帯電話）が衝突部材６に衝突した瞬間の透過像１７の一例を示す模式図である。
【００４８】
同図において、被検体４は外枠４ａ、基板４ｂ、電池４ｃ（例えばリチウムイオンポリマー電池）などからなる。基板４ｂ上にはＩＣ４ｄ，４ｅ、コンデンサ４ｆ、抵抗４ｇ等が取り付けられ、電池４ｃには電源端子４ｈが設けられている。４ｉ，４ｊはＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）である。なお、この透過像１７は衝突の瞬間に基板４ｂの面にほぼ直交する方向から撮影した状態を表している。
【００４９】
従って、衝突部材６に衝突した瞬間の被検体４の透過像１７を目視可能な状態でスローモーション表示すれば、衝突時の被検体４の内部構造の歪やずれなどを全体的に観察できる。例えば、電源端子４ｈの接触具合やずれ具合を観察できる。ちなみに、電源端子４ｈは一瞬でも接続箇所が離脱すると、被検体４のＩＣに記憶された内容が消去される等の問題を発生する箇所である。
【００５０】
次に、データ処理部８による透過像の解析処理例について、図３を参照して説明する。
まず、歪補正処理を実行する。解析結果の正確性を確保する観点から、前処理としての透過像１７の歪補正処理を行う。ここで、歪補正とはＸ線ＩＩ１０や高速度カメラ１１のレンズによって生じる画像歪を消去する補正である。なお、歪補正については、公知の種々の補正方法があるが、ここでは、例えば多項式を用いた補正処理を行う。
【００５１】
補正処理は、補正前の透過像（画像）をＰ（ｘ，ｙ）、補正後の透過像（画像）をＰ´（ｎ，ｍ）とすると、すべての画素（ｎ，ｍ）に対し、下式に示す多項式の演算式により補正後の透過像Ｐ´（ｎ，ｍ）を求めるものである。
ｘ＝Σl=0〜5Σk=0〜5｛ａl，ｋ・ｎl・ｍｋ｝ （１）
ｙ＝Σl=0〜5Σk=0〜5｛ｂl，ｋ・ｎl・ｍｋ｝ （２）
Ｐ´（ｎ，ｍ）＝Ｐ（ｘ，ｙ） （３）
なお、ａl，k、ｂl，kは予め較正で求めておいた定数である。
【００５２】
すなわち、ｘ，ｙは、式（１）、（２）に示すように、ｎとｍの５次式により求められる。通常、ｘとｙは整数とならないので、式（３）の右辺は例えば１次補間（直線補間）により計算する。ここでは、解析対象となる透過像Ｐのすべてに対し、順次歪補正処理を実施し、補正後の透過像Ｐ´を取得し、例えば内部メモリ部に記憶していく。以下の処理はすべて歪補正後の透過像Ｐ´（＝透過像１７）を用いて行うものとする。
【００５３】
次に、特徴点設定処理を実行する。操作者は、図３に示す１枚の透過像１７上で追跡点となる特徴点をＲＯＩ指定することによって設定する。特徴点としては、例えば画像濃度の大きな点や画像濃度の変化が大きな点などであって、例えば小さい四角形ＲＯＩ（感心領域）を設定すると、このＲＯＩ内で特徴点が画像処理において一意的に決められる。例えばコンデンサ４ｆ、抵抗４ｇの重心、電池４ｃ、基板４ｂ、ＩＣ４ｅなどの角の点、あるいはＩＣ４ｅを接合するＢＧＡ４ｊのうちの1個のボールの重心等が特徴点として挙げられる。ここでは、例えば基板４ｂの四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが特徴点であり、同時に追跡点でもある。
【００５４】
引き続き、特徴点軌道決定処理を実行する。この特徴点軌道決定処理は、解析対象とするすべての透過像１７に対し、時系列の順番、あるいは時系列の逆順に従って特徴点の位置を求めていくことによって追跡し、順次各透過像１７の四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを決定していく。なお、特徴点を追跡する画像処理は既に公知の技術であるので、ここでは詳細は記載しない。特徴点の追跡は、隣接する画像間で互いに近い位置にある特徴点を同一点（例えばＡ点）として同定することで行われる。
【００５５】
この特徴点軌道決定処理により、各透過像１７の四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを時系列的に追跡し、各点の位置を把握することにより軌道を決定できる。すなわち、時系列な時間ごとの画像上の各点の横／縦の位置、ｎ（ｔ）、ｍ（ｔ）を求めることができる。
【００５６】
ところで、今、衝突時の短時間の軌道のみを解析する場合、基板４ｂの姿勢はあまり変化せず、この短時間の間、基板４ｂの面にほぼ直交する方向からの透過像が得られる。この条件下では、基板４ｄの各点での１画素サイズは一定である。画素サイズをpｓ（ｍｍ／画素）とすると、各点の実空間での軌道は、下式に基づいてｍｍ単位で求められる。
【００５７】
ｇ（ｔ）＝pｓ・ｎ（ｔ） ……（４）
ｈ（ｔ）＝pｓ・ｍ（ｔ） ……（５）
次に、所要とする微分処理を実行する。この微分処理は、まず、式（４）、式（５）により求められたｇ（ｔ）、ｈ（ｔ）をそれぞれｔで微分し、速度の横／縦成分ｕ（ｔ）、ｖ（ｔ）を求めた後、この求めたｕ（ｔ）、ｖ（ｔ）に対して、更にｔで微分し、各点の加速度α（ｔ）、β（ｔ）を求める。
【００５８】
以上の処理により、基板４ｂの各点の加速度が求まることで、基板４ｂの受けた力を知ることができる。また、基板４ｂの各点の位置ｇ（ｔ）、ｈ（ｔ）から基板４ｂにおける歪の時間変化を知ることができる。
【００５９】
従って、以上述べた第１の実施の形態によれば、被検体４を透過したＸ線による透過像を表示部１３にスローモーションで動画表示することにより、被検体４の内部構造に掛かる衝撃を観察することができる。すなわち、衝撃を受けたときの被検体４の内部構造の動き、変形、ずれ等をスローモーションで観察できる。また、被検体４の内部構造に掛かる衝撃を解析することができる。
【００６０】
詳しくは、被検体内部の特徴点の透過像上での軌道ｎ（ｔ）、ｍ（ｔ）を求めることができる。また、実空間での軌道が透過像の透過方向に対し直交する面内、あるいはこの面から大きくずれない範囲である場合には、透過像上での軌道に画素サイズを掛けて実空間での軌道ｇ（ｔ）、ｈ（ｔ）を求めることができる。さらに、実空間での軌道を時間ｔで１回微分して速度、２回微分して加速度を求めることができる。また、複数の特徴点の軌道を求めることにより、歪の時間変化を取得できる。その結果、被検体４の内部構造の動き、変形、ずれ等を容易に解析できる。
【００６１】
（第１の実施の形態の変形例）
（１） 第１の実施の形態における衝撃試験は、被検体４を自然落下させた状態で衝突部材６に衝突させているが、例えば自然落下でなく、放出器５から被検体４に速度を与えた状態で放出し、衝突部材６に衝突させてもよい。この場合、放出器５と衝突部材６との間の距離を広げずに大きな衝撃を与えることが可能となり、これにより装置を小型にすることができる。また、第１の実施形態では、ガイド部５ａを用いて、被検体４の回転を抑えて衝突させているが、逆に被検体４を回転させながら衝突させ、その衝撃の種類を多様に変えて試験を行うこともできる。また、被検体４を動かす代わりに、衝突部材６を動かして被検体４に衝突させて衝撃を与える構成であってもよい。また、２つの衝突部材で被検体４を挟みこむように衝撃を与える構成でもよい。
【００６２】
（２） 第１の実施の形態では、高速度カメラ１１で撮影された透過像を一旦メモリ部１１ａに記憶したが、直接データ処理部８の内部メモリ部または外部記憶装置に記憶してもよい。また、高速度カメラ１１からアナログの透過像を出力し、データ処理部８でアナログの透過像をデジタルの透過像に変換し、内部メモリ部などに記憶する構成であってもよい。
【００６３】
（３） 第１の実施の形態では、トリガ信号発生器７は、歪センサの出力信号レベルからトリガ信号を取り出しているが、歪センサではなく、例えば被検体４が横切るタイミングを捉える光電スイッチ、レーザ変位計や衝突部材６に取り付けて振動音を検出するマイクロフォン、加速度計を用いて、トリガ信号を取り出してもよい。
【００６４】
（４） 第１の実施の形態では、Ｘ線可視光変換手段としてＸ線ＩＩ１０を用いたが、マイクロチャンネルプレート等を用いてもよい。
【００６５】
（５） 第１の実施の形態では、被検体４として携帯電話を想定し、当該携帯電話の内部構造の１つである例えば基板４ｂの衝撃解析を行う処理について説明したが、これに限られるものでなく、透過像が得られるすべての構造体について衝撃試験を実施でき、かつ内部構造の透過像に追跡可能な特徴点があれば、衝撃解析を行うことができる。
【００６６】
（６） また、図４に示すような衝撃試験装置の構成であっても構わない。この衝撃試験装置は、図１に示す全構成に新たに、被検体４の外観像を撮影するための高速度カメラ２１と、複数の高速度カメラ１１，２１の同期を取るためのクロック信号を発生するクロック発生部２２と、ミラー２３とを追加した構成である。なお、高速度カメラ２１は高速度カメラ１１と同じ構成、機能を有するものが使用される。
【００６７】
高速度カメラ２１は、Ｘ線ビーム９に対して４５°で挿入されたミラー２３から反射されてくる像を撮影することで、透過像と同じ方向からの可視光による被検体４の外観像を撮影するように設定される。ただし、違う方向からの被検体４の外観像を撮影する場合にはミラー２３が不要であって、被検体４に向けて直接撮影するように設定すればよい。
【００６８】
高速度カメラ２１は、レンズの物空間主点Ｈ及びカメラ光軸がそれぞれＸ線焦点ＦとＸ線光軸の鏡像に一致するように配置すれば、被検体４の外観像とＸ線透過像が同じ視点から見た同じパースペクティブ（遠近法）の画像となって正確に重ね合せができるので、適宜に表示部１３に重ね合せ表示あるいは並列表示することができる。
【００６９】
また、透過像を高拡大率で撮影する場合は、被検体４の衝突位置をＸ線焦点Ｆに近づけるとともに、ミラー２３及び高速度カメラ２１を衝突位置とＸ線検出器３との間に配置する。この場合には外観像とＸ線透過像は視点が異なってしまうが、ミラー２３が邪魔になることなく、Ｘ線透過像の倍率を上げることができる。
【００７０】
この衝撃試験装置においては、クロック発生部２２は、共通のクロック信号を高速度カメラ１１，２１に送信し、これらカメラ１１，２１の同期を取って撮影を行う。また、これと並行してトリガ信号発生器７が振動を検出し、その振動信号レベルがしきい値を超えたときに共通のトリガ信号を高速度カメラ１１，２１に送出し、これら２つのカメラ１１，２１の撮影の同期をとっている。ここで、トリガ信号発生器７とクロック発生部２２は２つのカメラ１１，２１の同期を取るための手段である。トリガ信号発生器７は撮影周期単位の大まかな同期を取る役割を持ち、クロック発生部２２は撮影周期内で正確に同期をとる役割を持っている。
【００７１】
このような構成によれば、被検体４の衝突時の動きによるＸ線透過像と可視光による外観像とを時間を合わせて同時に高速度で撮影でき、Ｘ線透過像と外観像それぞれを使った動画表示や衝撃解析ができる。また、Ｘ線透過像と外観像とを並べ、あるいは重ねて動画表示したり、Ｘ線透過像と外観像を使った外表面及び内部を合わせた衝撃解析を行うことができる。
【００７２】
なお、この第６の変形例において、クロック発生部２２を省略することができる。この場合、各高速度カメラ１１，２１はそれぞれの内部クロックで撮影を行うので、撮影タイミングに位相ずれが生ずるが、共通のトリガ信号で同期をとっているので、同期の誤差は撮影周期以下となり、用途により使用可能である。
【００７３】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、一方向の透過像から衝撃解析を行う例について説明したが、例えば特徴点が透過像の奥行き方向に移動する場合には像倍率が変化するので、適切な解析結果が得られない場合がある。また、複数の特徴点が互いに透視方向に対し直交する面内に存在する場合はよいが、奥行き方向にずれている点同士が相対的に移動している場合にはパースペクティブ（遠近画法）のある位置関係となり、解析誤差が大きくなる。
【００７４】
そこで、第２の実施の形態では、Ｘ線発生器１とＸ線検出器３とを２組用いて、透過方向の異なる２方向からの透過像を同期をとって同時に連続撮影し、被検体４の変化を立体的に解析する構成である。これは、２方向の透過像より着目する特徴点（追跡点）の３次元的な動きを求めることで可能になる。
【００７５】
図５は本発明に係る衝撃試験装置の第２の実施形態を示す構成図である。同図において、図１と同一または等価な構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。なお、この衝撃試験装置は、被検体４が衝突部材６に衝突する方向から見た状態を表したものであり、被検体４及び放出器５は説明の便宜上、図示省略している。
【００７６】
この衝撃試験装置は、図１に示す全構成に新たに、Ｘ線発生器３１、Ｘ線制御器３２、Ｘ線検出器３３、クロック発生部３４を追加した構成である。Ｘ線発生器３１およびＸ線制御器３２はそれぞれＸ線発生器１およびＸ線制御器２と同じ構成及び機能を有している。Ｘ線検出器３３は、Ｘ線検出器３と同じ構成及び機能を持ったものであって、Ｘ線ＩＩ３５と高速度カメラ３６とからなる。
【００７７】
この衝撃試験装置では、透過像の撮影方向が色々設定可能であるが、ここでは一番単純な例を挙げて説明する。
まず、２組の撮影系における位置を設定する。ここで、座標系としては、Ｏ点を原点とし、衝撃の方向（垂直方向）をｚ軸とする直交座標系ｘｙｚを設定する。Ｘ線発生器１とＸ線検出器３よりなる第一撮影系は、Ｘ線光軸（Ｘ線焦点Ｆ１とＸ線検出面１０ａ中心を結ぶ線）がｘ軸に合うように位置設定し、Ｘ線発生器３１とＸ線検出器３３よりなる第ニ撮影系は、Ｘ線光軸（Ｘ線焦点Ｆ２とＸ線検出面３５ａ中心を結ぶ線）がｙ軸に合うように位置設定する。
【００７８】
クロック発生部３４は、２つの高速度カメラ１１，３６に接続され、共通のクロック信号を高速度カメラ１１，３６に送信し、これらカメラ１１，３６の同期をとりながら連続撮影する。トリガ信号発生器７は、歪センサで検出された振動信号レベルがしきい値を超えたときにトリガ信号を発生し、２つの高速度カメラ１１，３６に送出して２つの高速度カメラ１１，３６の撮影の同期をとる。ここで、トリガ信号発生器７とクロック発生部３４は２つのカメラ１１，３６の同期をとるための手段である。トリガ信号発生器７は撮影周期単位の大まかな同期をとる役割を持ち、クロック発生部３４は撮影周期内で正確に同期をとる役割を持っている。
【００７９】
高速度カメラ１１，３６は、前述したように共通のクロック信号に基づいて撮影を行うと共に、第１の実施の形態で説明したように共通のトリガ信号を受信したときをトリガ点とし、当該トリガ点の前１０％、トリガ点の後９０％の透過像をメモリ部１１ａ、３６ａに記憶して撮影を終了する。これにより、同時刻、かつ時系列的に２方向の透過像を順次記憶することができる。
【００８０】
データ処理部８は、第１の実施の形態と同様の解析処理を行うが、衝突解析の内容が異なってくる。
【００８１】
次に、この実施の形態における衝撃試験装置の作用について説明する。
第１の実施の形態と同様に、２つの高速度カメラ１１，３６が同期を取りながら被検体４の透過像を撮影し、対応するメモリ部１１ａ、３６ａに時系列的に記憶する。そして、Ｘ線発生器１、３１からのＸ線照射を停止した後、メモリ部１１ａ，３６ａに記憶された透過像をデータ処理部８に送信する。あるいは、データ処理部８は、高速度カメラ１１、３６に送信指令を送信し、高速度カメラ１１、３６から透過像を送信させる。データ処理部８は送信されてくる透過像を例えば内部メモリ部に順次記憶していく。
【００８２】
データ処理部８は、高速度カメラ１１、３６のメモリ部１１ａ、３６ａから収集した透過像の表示及び解析処理を行う。ここで、高速度カメラ１１、３６から収集した透過像の一枚は、例えば図３に示すような透過像である。この透過像の表示は、第１の実施の形態と同様にデータ処理部８の表示部１３に１枚ずつ静止画像として表示することもできるが、３０フレーム毎秒で時系列的に順次切換えて動画表示することもできる。例えば３０００フレーム毎秒で撮影したとすると、１００倍のスローモーション表示となる。動画表示は、高速度カメラ１１または３６で撮影された透過像のどちらか一方を選択して表示するか、あるいは同期を取りながら両方の画像を並べて動画表示することもできる。
【００８３】
次に、データ処理部８による透過像の解析処理例について、図６及び図７を参照して説明する。
まず、第１の実施の形態と同様に歪補正処理を実行する。解析結果の正確性を確保する観点から、衝突解析の対象とするすべての透過像に対し、第１の実施の形態と同様に各透過像の歪補正処理を行う。以下の処理はすべて歪補正後の透過像を用いて行う。
【００８４】
次に、特徴点設定処理を実行する。この特徴点設定処理は、２つの撮影系のそれぞれ１枚の透過像上に特徴点を設定する。
【００８５】
図６は特徴点の一例を示す模式図である。なお、透過像はＸ線焦点側から見た左右の向きで表示するものとする。表示部１３の図示左側には第一撮影系で撮影された１枚の透過像４１、図示右側には第二撮影系で撮影された１枚の透過像４２がそれぞれ並べて表示される。
【００８６】
操作者は、表示された透過像４１，４２上で特徴点を設定する。例えば基板４ｂの四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、特徴点であり、同時に追跡点となる。
【００８７】
引き続き、特徴点軌道決定処理を実行する。この特徴点軌道決定処理は、解析対象とするすべての透過像４１、４２に対し、時系列の順番、あるいは時系列の逆順に従って特徴点を求めて追跡することで、順次各透過像４１の四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの位置を決定する。なお、特徴点を求める画像処理は既に公知の技術であるので、ここでは詳細は記載しない。特徴点の追跡は、隣接する画像間で互いに近い位置にある特徴点を同一点（例えばＡ点）として同定することで行われる。
【００８８】
この特徴点軌道決定処理により、各透過像４１、４２の四隅の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの位置を求めることにより、２方位それぞれの画像上で軌道を決定できる。すなわち、各透過像４１、４２上の各点について、第一撮影系による透過像４１上の軌道、ｎ１（ｔ）、ｍ１（ｔ）および第二撮影系による透過像４２上の軌道、ｎ２（ｔ）、ｍ２（ｔ）を求めることができる。
【００８９】
次に、透過像上の軌道ｎ１（ｔ）、ｍ１（ｔ）およびｎ２（ｔ）、ｍ２（ｔ）から３次元空間における軌道ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）を求めるが、その一例として以下の手順に従って求める。
【００９０】
まず、センタ平面（原点Ｏを通り光軸と直交する面）へＸ線に沿って投影した点の位置ｇ、ｈは次式の計算式から求める（図６参照）。
【００９１】
ｇ１（ｔ）＝ｐｓ１・｛ｎ１（ｔ）−ｎ０｝ ……（６）
ｈ１（ｔ）＝−ｐｓ１・｛ｍ１（ｔ）−ｍ０｝ ……（７）
ｇ２（ｔ）＝ｐｓ２・｛ｎ２（ｔ）−ｎ０｝ ……（８）
ｈ２（ｔ）＝−ｐｓ２・｛ｍ２（ｔ）−ｍ０｝ ……（９）
ここで、ｎ０、ｍ０は透過像上の原点Ｏの位置，すなわち画像中央である。また、ｐｓ１、ｐｓ２は原点Ｏの位置での画素サイズ（ｍｍ／画素）であって、予め定めた既知の定数である。
【００９２】
さらに、「（ｔ）」を省略し、上式のｇ１、ｈ１、ｇ２、ｈ２を用いて、
ｘ＝ｒ１・ｇ２・（ｒ２−ｇ１）／（ｒ１・ｒ２＋ｇ１・ｇ２） ……（１０）
ｙ＝−ｒ２・ｇ１・（ｒ１＋ｇ２）／（ｒ１・ｒ２＋ｇ１・ｇ２） ……（１１）
ｚ１＝ｈ１・（ｒ１＋ｘ）／ｒ１ ……（１２）
ｚ２＝ｈ２・（ｒ２＋ｙ）／ｒ２ ……（１３）
ｚ＝（ｚ１＋ｚ２）・２ ……（１４）
を順次計算し、実空間上での軌道ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）を計算する。ここで、ｒ１はＸ線焦点Ｆ１と原点Ｏとの距離、ｒ２はＸ線焦点Ｆ２と原点Ｏとの距離である。
【００９３】
なお、式（１０）〜式（１４）については、図７に示す追跡点の３次元空間での位置を計算する幾何図から導出できるが、詳細は省略する。
【００９４】
要は、実空間上での軌道ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）を求めることは、図７に示すように、追跡点に対するＸ線に沿った２方向の投影ラインＬｐ１とＬｐ２との交点のｘｙｚ座標を求める問題である。ここで、注意する点は、一般にｇ，ｈは測定誤差を含んでいるので、Ｌｐ１とＬｐ２は接近するが、厳密には交わらないことである。
【００９５】
そこで、図７の下段に示すように、ｚ軸方向から見て互いに交差する２点Ｐ１（高さｚ１）とＰ２（高さｚ２）の中点を交点Ｐとして計算する。これは、未知数３（ｘｙｚ）に対して既知数４（ｇ１、ｇ２、ｈ１、ｈ２）であって、測定値に冗長性を含んでいることから測定値を平均して求めることに相当し、統計精度を上げることができる。さらに、式（１４）では、ｚ１とｚ２に１対１の重みを掛けて平均しているが、それらの重みの割合を変えてもよい。例えば基板４ｂを正面方向から透視した測定値ｈ１を重視し、ｚ１の方に大きな重みを掛けて平均してもよい。
【００９６】
次に、微分処理を実行する。この微分処理は、３次元空間でのｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）をそれぞれｔで微分することにより、速度の３次元成分であるｖｘ（ｔ）、ｖｙ（ｔ）、ｖｚ（ｔ）を求める。また、これらｖｘ（ｔ）、ｖｙ（ｔ）、ｖｚ（ｔ）をそれぞれｔで微分して各点の加速度αの３次元成分であるαｘ（ｔ）、αｙ（ｔ）、αｚ（ｔ）を求める。これにより、基板４ｂの各点の加速度を求めることにより、基板４ｂの受けた力が判る。さらに、基板４ｂの各点の位置ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）から基板４ｂの歪の時間変化を知ることができる。
【００９７】
従って、以上述べた第２の実施形態によれば、被検体４を異なる方向で透過したＸ線による透過像をそれぞれ単独あるいは並べてスローモーションで動画表示することにより、被検体４の内部構造に掛かる衝撃を観察できる。すなわち、衝撃を受けたときの被検体４の内部構造の動き、変形、ずれ等をスローモーションで２方向から観察できる。
また、この実施の形態によれば、被検体４の内部構造に掛かる衝撃を３次元的に解析することができる。
【００９８】
詳しくは、被検体４の内部構造の特徴点を追跡することで特徴点の位置の時間変化として画像上の軌道を求めた後、２つの異なる方向の透過像上の軌道から実空間での軌道を求めることができる。
【００９９】
さらに、実空間での軌道を時間ｔで１回微分して速度、２回微分して加速度を求めることができる。また、複数の特徴点の軌道を求めることにより、歪の時間変化なども求めることができる。これにより、被検体４の内部構造の動き、変形、ずれ等を解析できる。
【０１００】
（第２の実施の形態の変形例）
（１） この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の変形例をそのまま適用できる。
（２） 第２の実施の形態では、第一撮影系と第二撮影系とのＸ線光軸が９０°で交差するように設定したが、必ずしも９０°で交差するように設定する点に限られない。
【０１０１】
（３） 第２の実施の形態では、第一撮影系と第二撮影系とのＸ線光軸を狭角度で交差するように設定し、撮影した透過像をステレオ表示させることができる。この場合、例えば右目用画像を右目だけで見、左目用画像を左目だけで見ることにより、立体視する表示となる。この技術は既に公知である。例えば右目用画像と左目用画像とを時分割で切換え表示し、これに合わせて左側と右側を遮光／透光を交互に繰り返すような眼鏡で観察する方法等がある。
【０１０２】
（４） この第２の実施の形態では、２つの撮影系を用いたが、３つ以上の多数の撮影系で同時撮影することもできる。２つの撮影系の場合、一方の画像で偶然、被検体の向きが透過長が長い向きになれば、透過像が暗くなりすぎ、特徴点の追跡ができなくなって３次元空間での軌道を求めることができなくなるが、３つ以上の撮影系を用いることで防ぐことができる。すなわち、暗すぎ画像を除いた他の画像で軌道を求めることができる。また、撮影系が増えることで、測定値を平均して結果が求められ、統計精度を上げる効果を有する。
【０１０３】
その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明に係る衝撃試験装置の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】図１に示すメモリ部に高速度で連続撮影した透過像を記憶する例を説明する図。
【図３】被検体の透過像の一例を示す模式図。
【図４】本発明に係る衝撃試験装置の第１の実施の形態における１つの変形例を説明する衝撃試験装置の構成図。
【図５】本発明に係る衝撃試験装置の第２の実施の形態を示す構成図。
【図６】第２の実施の形態における特徴点の追跡の一例を説明する模式図。
【図７】第２の実施の形態における特徴点の追跡による３次元空間での位置を計算する幾何図。
【符号の説明】
【０１０５】
１…Ｘ線発生器、３…Ｘ線検出器、４…被検体、４ａ…外枠、４ｂ…基板、４ｃ…電池、５…放出器、６…衝突部材、７…トリガ信号発生器、８…データ処理部、１０…Ｘ線II、１１…高速度カメラ、１１ａ…メモリ部、１３…表示部、２１…高速度カメラ、２２…クロック発生部、２３…ミラー、３１…Ｘ線発生器、３３…Ｘ線検出器、３４…クロック発生部、３５…Ｘ線ＩＩ、３６…高速度カメラ、３６ａ…メモリ部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部構造を持つ構造体である被検体に衝撃を与える衝撃付与手段と、少なくとも前記被検体が衝撃を受けている間、前記被検体にＸ線を照射する第一のＸ線発生器と、この第一のＸ線発生器から照射されて前記被検体を透過してくるＸ線を検出し可視光透過像に変換して出力する第一のＸ線可視光変換手段と、この第一のＸ線可視光変換手段から出力される可視光透過像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの透過像に変換して記憶する第一の高速度カメラと、この第一の高速度カメラに記憶された透過像を、前記毎秒１００フレーム以上の速度から所定の低減倍の速度のもとにスローモーションで動画表示する表示手段とを備えたことを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の衝撃試験装置において、
少なくとも前記被検体が衝撃を受けている間、前記被検体の外観像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの外観像に変換して記憶する第二の高速度カメラと、前記第一および第二の高速度カメラの同期をとるための共通のトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段とをさらに設け、
前記トリガ信号を受けて同期撮影する前記第一および第二の高速度カメラにより前記被検体の透過像と前記外観像とを連続撮影して記憶することを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の衝撃試験装置において、
前記記憶された透過像および外観像の何れか一方または両方の各画像上に現れる前記被検体の内部構造、外表面の特徴点を時間を追って、または遡って追跡し、当該特徴点の二次元空間での軌道を算出するデータ処理部を設けたことを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項４】
請求項１に記載の衝撃試験装置において、
少なくとも前記被検体が衝撃を受けている間、前記第一のＸ線発生器とは異なる照射方向から被検体にＸ線を照射する第二のＸ線発生器と、この第二のＸ線発生器から照射されて前記被検体を透過してくるＸ線を検出し可視光透過像に変換して出力する第二のＸ線可視光変換手段と、この第二のＸ線可視光変換手段から出力される可視光透過像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの透過像に変換して記憶する第二の高速度カメラと、前記第一および第二の高速度カメラの同期をとるための共通のトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段とをさらに設け、
前記トリガ信号を受けて同期撮影する前記第一および第二の高速度カメラにより前記被検体の異なる方向から透過してくる透過像を連続撮影して記憶することを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項５】
請求項４に記載の衝撃試験装置において、
前記第一および第二の高速度カメラにそれぞれ記憶された各透過像上に現れる前記被検体の内部構造の特徴点を時間を追って、または遡って追跡し、当該特徴点の三次元空間での軌道を算出するデータ処理部を設けたことを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項１】
内部構造を持つ構造体である被検体に衝撃を与える衝撃付与手段と、少なくとも前記被検体が衝撃を受けている間、前記被検体にＸ線を照射する第一のＸ線発生器と、この第一のＸ線発生器から照射されて前記被検体を透過してくるＸ線を検出し可視光透過像に変換して出力する第一のＸ線可視光変換手段と、この第一のＸ線可視光変換手段から出力される可視光透過像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの透過像に変換して記憶する第一の高速度カメラと、この第一の高速度カメラに記憶された透過像を、前記毎秒１００フレーム以上の速度から所定の低減倍の速度のもとにスローモーションで動画表示する表示手段とを備えたことを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の衝撃試験装置において、
少なくとも前記被検体が衝撃を受けている間、前記被検体の外観像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの外観像に変換して記憶する第二の高速度カメラと、前記第一および第二の高速度カメラの同期をとるための共通のトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段とをさらに設け、
前記トリガ信号を受けて同期撮影する前記第一および第二の高速度カメラにより前記被検体の透過像と前記外観像とを連続撮影して記憶することを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の衝撃試験装置において、
前記記憶された透過像および外観像の何れか一方または両方の各画像上に現れる前記被検体の内部構造、外表面の特徴点を時間を追って、または遡って追跡し、当該特徴点の二次元空間での軌道を算出するデータ処理部を設けたことを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項４】
請求項１に記載の衝撃試験装置において、
少なくとも前記被検体が衝撃を受けている間、前記第一のＸ線発生器とは異なる照射方向から被検体にＸ線を照射する第二のＸ線発生器と、この第二のＸ線発生器から照射されて前記被検体を透過してくるＸ線を検出し可視光透過像に変換して出力する第二のＸ線可視光変換手段と、この第二のＸ線可視光変換手段から出力される可視光透過像を毎秒１００フレーム以上の速度で連続撮影しデジタルの透過像に変換して記憶する第二の高速度カメラと、前記第一および第二の高速度カメラの同期をとるための共通のトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段とをさらに設け、
前記トリガ信号を受けて同期撮影する前記第一および第二の高速度カメラにより前記被検体の異なる方向から透過してくる透過像を連続撮影して記憶することを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項５】
請求項４に記載の衝撃試験装置において、
前記第一および第二の高速度カメラにそれぞれ記憶された各透過像上に現れる前記被検体の内部構造の特徴点を時間を追って、または遡って追跡し、当該特徴点の三次元空間での軌道を算出するデータ処理部を設けたことを特徴とする衝撃試験装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２７６１４０（Ｐ２００９−２７６１４０Ａ）
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２６１６１（Ｐ２００８−１２６１６１）
【出願日】平成２０年５月１３日（２００８．５．１３）
【出願人】（３９１０１７５４０）東芝ＩＴコントロールシステム株式会社 (107)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１３日（２００８．５．１３）
【出願人】（３９１０１７５４０）東芝ＩＴコントロールシステム株式会社 (107)
【Ｆターム（参考）】
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