JPH06185992A - 円柱面の変位および歪みの測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】円柱面を有する試験片５の一部に照射するため
のレーザービーム源４よりレーザービームを照射し、そ
の円柱面から反射するレーザービームのスペックルをセ
ンサ７〜１０にて検知しその移動量をスペックル相関計
１１により求め、一対のセンサ部により検知されたスペ
ックル移動量の和により、円柱面の変位量を測定し、そ
の変位量から歪み量を算出する。 【効果】円柱面の被測定体の変位量および歪み量を非接
触にて高い精度で測定することができる。これにより、
セラミックス等の特性の評価をより正確に行うことがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明は、スペックル相関法を用い
た円柱面の変位や歪みの測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術】物体の変位および歪みの測定は、材料科学
において欠くことのできない要素であり、あらゆる形状
または条件での測定の多様性が求められている。例え
ば、セラミックスは、これまでの金属材料に代わる新し
い材料として注目され、機械的特性の評価の一つとし
て、変位や歪みの測定が必要とされる。

【０００３】このような変位や歪みを測定する方法は、
機械的な方法と光学的方法に大別することができる。光
学的方法は、一般的に非接触測定が可能であるのに対し
て、機械的方法は測定物に直接センサを接触させて変位
や歪みを測定する。代表的な機械的方法としては、歪み
ゲージを用いる方法がある。この方法は、測定精度が高
く勘弁であるが、高温での測定ができないという問題が
ある。

【０００４】よって、高温下での測定およびセラミック
の表面性状の特性に対する敏感性を考慮すれば、非接触
測定法である光学的手法が最も有利である。

【０００５】この光学的手法としては、ホログラフィ干
渉法、スペックル干渉法、スペックル相関法等が知られ
ている。これらのうち、スペックル相関法は、他の方法
に比較して測定レンジおよび精度に優れるとともに、実
時間測定ができるなどの大きなメリットを有している。

【０００６】そこで、スペックル相関法を用いた変位や
歪みの測定方法について、例えば、特公昭５９−５２９
６３号、特公昭６１−２７６８１号、特開平３−２７４
４０２号などに記載されるように、被測定物体表面にレ
ーザービームを照射し、その反射光のスペックルをイメ
ージセンサにて検知し、それぞれのパターンの変化から
スペックル移動量を検出し、この移動量の差により歪み
を求めることが提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする問題点】上記の方法によれ
ば、その被測定対象物のほとんどが平面であることを前
提とするものである。例えば、セラミックスの特性評価
に用いられる試験片は、必ずしも被測定面が平面でな
く、特性の形状要因を極力低減するために、円柱体から
構成される。

【０００８】そこで、この円柱体の表面、即ち円柱面に
対して、従来のスペックル相関法により測定を行うと、
水平方向（円柱の軸に垂直な方向）におけるスペックル
移動量が測定面が平面である場合に比較して５０倍以上
の値となる傾向にある。そのため、その測定値自体に誤
差を多く含んでいるために、これらの移動量の差をもと
に歪みや変位を求めることがほとんどできず、例え求め
ることができたとしても、その値は信頼性に欠けるもの
であった。

【０００９】また、セラミックの評価項目の一つに高温
における応力−変位測定が挙げられるが、これまでの方
法によれば、高温状態にある被測定対象物への測定はほ
とんど報告されていない。

【００１０】よって、本発明の目的は、測定面が円柱面
である場合のスペックル相関法による変位や歪みを求め
る方法を提供するにある。

【００１１】さらに、他の目的は、スペックル相関法に
より高温状態にある被測定物に対する変位および歪み量
を求める方法を提供するものである。

【００１２】

【問題点を解決するための手段】本発明者等は、上記の
問題点に対して検討を重ねた結果、円柱面からのレーザ
ービームの反射光を一対のセンサにより検知して求めら
れたスペックル移動量の和から、物体の変位量を求め、
その変位量から歪みを算出することにより、変位量およ
び歪みを小さな誤差のもとに求めることにより上記問題
点を解決することができたのである。

【００１３】以下、本発明の方法を図面を参照しつつ説
明する。まず、スペックル相関法による基礎的な理論に
ついて説明する。スペックルとは、レーザーなどのコヒ
ーレントな光を物体面に当てたときの散乱光の干渉によ
って発生する光の斑点である。このスペックルは、物体
の変位および歪みおよび回転により移動する。この移動
量を高速に計測する方法がスペックス相関法である。こ
れは、観測面で捕らえた物体変形前のスペックルパター
ンと物体変形後のスペックルパターンとをずらしながら
相関をとり、その相関値が最大となる移動量からスペッ
クル移動量を計測する方法である。

【００１４】本発明の方法における平面物体面および観
測面の座標系を図１に示した。図中、１は、物体面の座
標軸、２および３は、観測面の座標軸、４はレーザー源
である。このような条件において、各観測面でのスペッ
クル移動量は、山口ら（I.Yamaguchi "Speckle displac
ement and decorrelation in the diffraction and ima
ge fields for small deformation",Opt.Acta Vol.28,p
p.1359-1376,1981) より、次の数１により求められる。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、Ａｘ及びＡｙは観測面でのスペッ
クル移動量の成分、ａｘ、ａｙ及びａｚは物体面の変位
成分、εｘｘ及びεｘｙは物体面の歪み成分、Ωｘ、Ω
ｙ、Ωｚは物体面の回転成分、ＬｏおよびＬｓはそれぞ
れ物体面と観測面との距離およびレーザー光の曲率半径
を表す。また、θは物体面と観測面とのなす角度であ
る。

【００１７】本発明によれば、上記の原理に基づき、ま
ず、図１に示されるように観測面１にて測定を行うとと
もに、観測面１の対称位置である観測面２においても同
様の測定を行う。そして、それらのスペックル移動量の
和Ｓ（θ）を求めると次の数２により表される。

【００１８】

【数２】

【００１９】数２から明らかなように、Ｓ（θ）は、面
外変位（ａｚ）や歪み（εｘｘ、εｘｙ）には無関係な
量となる。もし、物体面の回転がなければＳ（θ）は光
学系で決まる量と面内変位のみで表される。従って、ス
ペックル移動量の和Ｓ（θ）がわかれば、面内変位量が
測定できるのである。

【００２０】本発明の方法における具体的な試験方法の
配置図を図２に示した。被測定物体５は、例えば円柱状
の試験片よりなり、この試験片は高温炉６内に設置され
る。

【００２１】試験片５は、引っ張り（圧縮）−ねじり試
験により、引っ張りに対して下部が固定され、ねじりに
対しては上部が固定されている。一方、高温炉６外に
は、レーザー源４と、観測点の水平面内で対称となる位
置にセンサ７、８、観測点の鉛直面内で対称となる位置
にセンサ９、１０が設置されている。また各センサはス
ペックル相関計１１と接続されており、センサによりス
ペックルの検出した信号から相関計１１によりスペック
ル移動量を求めることができる。

【００２２】上記のように配置された試験装置系によ
り、高温炉５内に設置された試験片５に対して、炉壁に
設けられた窓を通じてレーザー源４よりレーザー光を照
射し、応力を印加しない状態でのスペックルパターンを
センサ７、８およびセンサ９、１０により検出し、次に
応力を印加した状態で再度スペックルパターンを検出
し、それぞれのセンサからの信号によりスペックル移動
量をスペックル相関計１０にて求め、これらの値に基づ
き、前述した数式により水平方向の変位量および垂直方
向の変位量を算出することができる。

【００２３】次に、歪みを求める方法について説明する
と、前述したような試験片への応力−変位測定におい
て、ある引っ張り荷重をかけたとき、観測点の変位をΔ
ｈ、試験片を支持する治具の伸びをΔＨ、試験片の観測
点までの長さをｈとした時、歪みεは、（Δｈ−ΔＨ）
／ｈで表される。

【００２４】通常、これらの試験を行う装置の剛性が非
常に大きく、また加熱されるのは試験片のみであること
から、ΔＨは荷重に比例している。よって、荷重がわか
れば、ΔＨは算出するでき、観測点の変位から試験片の
歪みも算出することができる。荷重データが不明である
場合、試験片が線型弾性変形で塑性変形しないことを前
提とすれば、試験片の歪み量は観測点の変位量に比例す
るため、前述したように方法により求めた変位量により
歪み量を求めることができる。

【００２５】

【作用】本発明によれば、被測定面が円柱面である場合
に、スペックル相関法により一対のセンサにより検出さ
れたスペックル移動量の和から、被測定面の変位量を求
めることができ、さらにこの変位量から歪み量を算出す
ることにより、誤差の小さい値を得ることができる。

【００２６】しかも、この方法によれば、被測定物が高
温下である場合においても、被接触にて物体の応力印加
時の変位量および歪み量を求めることができる。

【００２７】

【実施例】

（測定機器の設定）測定に際して、図２に示したよう
に、高温炉、レーザー源、センサ群およびセンサ群と連
結されたスペックル相関計を設置した。

【００２８】高温炉中に設置される試験片に対して、２
軸の変位または歪みを与えるために引っ張り応力とねじ
り応力が付与されるように試験機を組み合わした。高温
炉は、薄型大気炉で試験片のみを一定温度に加熱するこ
とができるもので、炉壁にはレーザービーム導入用の窓
およびセンサ用の窓が設けられている。

【００２９】また、試験片が高温になると赤白色に発光
するために、スペックルパターンを分離する必要があ
る。このためにレーザー源としては、水冷アルゴンガス
レーザーを用い、波長は４８８ｎｍ、出力は最大で約１
Ｗとした。

【００３０】さらに、センサは短冊型の画素を持つ１次
元ＣＣＤセンサである。センサ群は、図２にて示したよ
うに、照射点の水平面内および鉛直面内にそれぞれ一対
のセンサを設置した。鉛直面内のセンサ位置は照射点か
らの距離Ｌｖｏ＝３３０ｍｍ、角度θｖ＝±３５°で、
水平面内のセンサ位置は照射点からの距離ＬＨｏ＝５３
０ｍｍ、角度θＨ＝±５０°とした。また、ＳＮ比を高
めるためにセンサの前にはフィルターを設け、さらに、
炉外での空気の対流によるスペックルのゆらぎを低減す
るために炉壁のセンサ用窓からセンサまでをパイプで被
った。

【００３１】スペックル相関計から出力されるデータを
パソコンで処理して実時間の変位測定を行った。このと
きのスペックル信号のサンプリング周波数は５００ＫＨ
ｚである。

【００３２】ここでセンサは１次元センサであるため
に、センサ対で１つの方向の変位を計測するためにはセ
ンサの画素が並ぶ方向（画素方向）とセンサ対の方向を
平行または鉛直にする必要があるが、変位が引っ張りま
たはねじりのみによる場合、一方のセンサ対に対しては
画素方向と平行にスペックルが移動するが、他方のセン
サ対に対しては画素方向に鉛直にスペックルが移動す
る。このために後者のセンサ対はスペックルパターンの
相関がとれないためスペックルの移動を正しく捉えるこ
とができず、大きな誤差を生む。

【００３３】そこで、センサの画素方向をセンサ対の方
向に対して４５°傾けた。これにより、画素方向とスペ
ックルの移動方向が鉛直にならないようにすることがで
きる。このような場合、水平面内および鉛直面内のセン
サ対が検出したスペックル移動量の和Ｓ_H （θ_H ）、Ｓ
ｖ（θｖ）は下記数３により表すことができる。

【００３４】

【数３】

【００３５】各センサ対毎に変位量は決められないが、
この２式を連立させることにより水平面および鉛直面内
の変位量ａｘおよびａｙを計測することができる。

【００３６】変位計測を行う前に、平面を用いて光学系
のチェックを行い、レーザー波面の曲率半径Ｌｓを実験
的に求めた。まず、Ｘ−Ｙ−θステージに取りつけた紙
を貼った平面をレーザー光に対して鉛直に置き、θステ
ージを回転させてとり付けた平面のＸ−Ｙ方向と各セン
サ対の方向を一致させる。Ｘ−Ｙステージをマイクロメ
ータを用いて変位させその変位量とスペックル移動量と
からレーザー波面の曲率半径を求めた。その結果、曲率
半径は２５６ｍであった。ただし、この曲率半径は、セ
ンサの距離、角度、画素方向などのずれによる補正の含
んでいる。

【００３７】（測定方法）まず、試験片として図３に示
すような形状の窒化珪素質焼結体を用いた。試験片の測
定部はφ６×３０ｍｍの形状である。測定中における酸
化の影響を除去するために、試験片には予め１０００℃
で２時間の酸化熱処理をおこなった。

【００３８】測定は、常温および８００℃の高温下で行
った。なお、８００℃における測定は、炉の温度を８０
０℃にて１５分保持した後に行った。

【００３９】また、得られたデータの信頼性を評価する
ために、鉛直方向の変位を引っ張り試験機のクロスヘッ
ド部の変位をダイアルゲージで測定した。また、水平方
向の変位はねじり試験機のモーターの回転数により円柱
表面の変位量を算出した。

【００４０】それぞれ得られたデータに基づき、本発明
に基づく鉛直方向の変位量とマイクロメータにより測定
値との関係を図４に、また本発明に基づき水平方法の変
位量と、モータの回転数からの推定値との関係を図５に
示した。

【００４１】図４によれば、本発明の方法に基づき測定
された鉛直方向の変位量はダイヤルゲージの変位量と近
似しており、その差は約１％であった。

【００４２】これに対して、図５の水平方向の変位量は
大きく異なり、スペックル相関計による計測結果は回転
角により推定量の８７倍であった。これは測定面が曲面
であることが原因と考えられるが、スペックル相関計に
より変位量と回転角による推定量とは比例関係にあるこ
とがわかる。従って、図５から逆算補正してスペックル
相関計からの変位量を推定することができる。補正後の
変位量とダイヤルゲージとの関係を図６に示した。この
補正により両者の値は近似したものとなった。

【００４３】次に、８００℃における本発明に基づく鉛
直方向の変位量とマイクロメータによる測定値との関係
を図７に、また８００℃における本発明に基づく水平方
向の変位量（補正値）と、モータの回転数からの推定値
との関係を図８に示した。図７および図８から明らかな
ように、高温下においても高い精度で非接触で変位量の
測定を行うことができた。

【００４４】（歪み推定）次に、試験片のレーザービー
ム照射点の上下および横に歪みゲージを取りつけ、常温
における引っ張りまたはねじりによるスペックル移動量
と歪みとの値から比例定数を求め、これにより、８００
℃において測定した変位量から歪み変化を算出した。そ
の結果、引っ張りのみの場合の歪み変化を図９に、ねじ
りのみの場合の歪み変化を図１０に、引っ張りおよびね
じりの場合の歪み変化を図１１に示した。図９〜図１１
によれば、８００℃での歪みが実時間で測定できている
ことがわかる。

【００４５】測定精度について、常温および８００℃に
おける変位計測の最大誤差と、常温での歪み推定におけ
る最大誤差を示した。なお、８００℃における歪み誤差
は、変位の常温から８００℃への誤差増大の割合に相当
すると仮定して算出したものである。

【００４６】

【表１】

【００４７】この結果から明らかなように、常温および
高温において、円柱面の変位量および歪みの測定が高い
精度で行うことができることがわかった。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明によれば、
円柱面の被測定体の変位量および歪み量を非接触にて高
い精度で測定することができる。これにより、セラミッ
クス等の特性の評価をより正確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法における物体面および観測面の座
標系を示す図である。

【図２】本発明の方法における具体的な試験方法を示す
配置図である。

【図３】本発明の実施例にて用いた試験片の形状を示す
図である。

【図４】実施例において、本発明に基づいて測定された
鉛直方向の変位量とマイクロメータによる測定値との関
係を示す図である。

【図５】実施例において、本発明に基づいて測定された
水平方法の変位量と、モータの回転数からの推定値との
関係を示す図である。

【図６】実施例において本発明に基づいて測定された水
平方法の補正後の変位量と、モータの回転数からの推定
値との関係を示す図である。

【図７】実施例において、８００℃における本発明に基
づいて測定された鉛直方向の変位量とマイクロメータに
よる測定値との関係を示す図である。

【図８】実施例において、８００℃における本発明に基
づいて測定された水平方向の変位量（補正値）と、モー
タの回転数からの推定値との関係を示す図である。

【図９】実施例において、引っ張りのみの場合の歪み変
化を示す図である。

【図１０】実施例において、ねじりのみの場合の歪み変
化を示す図である。

【図１１】引っ張り応力およびねじりの場合の歪み変化
を示す図である。

【符号の説明】

４ レーザービーム源 ５ 試験片 ６ 高温炉 ７，８，９，１０ センサ １１スペックル相関計

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円柱面の一部にレーザービームを照射する
   ためのレーザービーム源と、前記円柱面から反射するレ
   ーザービームのスペックルを検知しその移動量を検知す
   るための少なくとも一対のセンサ部とを備え、前記一対
   のセンサ部により検知されたスペックル移動量の和によ
   り、円柱面の変位量を測定し、該変位量から歪み量を算
   出することを特徴とする円柱面の変位および歪みの測定
   方法。