(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に取り付けられる取付部と、
前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結された支点部と、
前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する複数の連結部と、
複数の前記連結部にそれぞれ固定された複数の反射面と、
を備え、
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する光学ひずみゲージ。
【請求項２】
弾性材料により形成され、測定対象物に取り付けられる取付部と、
前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結された支点部と、
前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する複数の連結部と、
複数の前記連結部にそれぞれ固定された複数の反射面と、
を備え、
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する光学ひずみゲージ。
【請求項３】
測定対象物のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる複数の取付部と、
前記測定対象物から離間した位置において、複数の前記取付部のうち一の前記取付部に接続され、且つ他の前記取付部と連結された支点部と、
前記支点部と他の前記取付部とを連結する連結部と、
複数の反射面と、
を備え、
複数の前記反射面のうち一の前記反射面は、前記一の取付部に固定され、他の前記反射面は、前記連結部に固定されており、
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する光学ひずみゲージ。
【請求項４】
測定対象物のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる複数の取付部と、
前記測定対象物から離間した位置において、複数の前記取付部のそれぞれと連結された支点部と、
前記支点部と複数の前記取付部とをそれぞれ連結する複数の連結部と、
複数の前記連結部にそれぞれ固定された複数の反射面と、
を備え、
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する光学ひずみゲージ。
【請求項５】
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記取付部が弾性変形し、前記取付部と前記連結部との接続部分の少なくとも１つの位置が変位し、前記支点部の位置が変位し、複数の前記連結部の少なくとも１つの角度が変化することにより、当該連結部に固定された前記反射面の角度が変化する請求項２に記載の光学ひずみゲージ。
【請求項６】
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記他の取付部の位置が変位し、前記連結部の角度が変化することにより、当該連結部に固定された前記反射面の角度が変化する請求項３に記載の光学ひずみゲージ。
【請求項７】
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、複数の前記取付部の少なくとも１つの位置が変位し、前記支点部の位置が変位し、複数の前記連結部の少なくとも１つの角度が変化することにより、当該連結部に固定された前記反射面の角度が変化する請求項４に記載の光学ひずみゲージ。
【請求項８】
前記連結部は、前記取付部及び前記支点部に対して回動可能に接続されており、
前記連結部と前記取付部との接続部分と前記測定対象物との距離と、前記支点部における前記連結部との接続部分と前記測定対象物との距離とは、異なっている請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学ひずみゲージ。
【請求項９】
前記連結部と前記取付部との接続部分、及び前記支点部における前記連結部との接続部分は、弾性ヒンジにより接続されている請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学ひずみゲージ。
【請求項１０】
前記光学ひずみゲージは、弾性材料により一体的に形成されており、
前記弾性ヒンジは、前記連結部と前記取付部との接続部分、及び前記支点部における前記連結部との接続部分が、前記反射面側及び前記測定対象物側から切り欠かれて肉薄に形成されてなる請求項９に記載の光学ひずみゲージ。
【請求項１１】
前記反射面の表面は、鏡面となっている請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学ひずみゲージ。
【請求項１２】
前記反射面の表面は、粗面となっている請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学ひずみゲージ。
【請求項１３】
測定対象物に取り付けられ、光を反射可能であり且つ前記測定対象物のひずみ変形に伴って角度が変化する複数の反射面を備える光学ひずみゲージと、
複数の前記反射面に光を照射し、複数の前記反射面から反射された反射光を検出し、前記測定対象物のひずみ変形前後において複数の前記反射面から反射された反射光を比較することにより、複数の前記反射面の角度変化を測定する角度測定部と、
前記角度測定部により測定された角度変化から、前記測定対象物のひずみを算出するひずみ算出部と、
を備え、
前記測定対象物のひずみをε、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量をΔθ、定数をＫとした場合に、前記ひずみ算出部は、前記測定対象物のひずみを（１）式を用いて算出する、光学的ひずみ測定装置。
ε＝Ｋ×Δθ ・・・・・（１）
【請求項１４】
前記角度測定部は、前記測定対象物のひずみ変形に伴う、複数の前記反射面から反射された反射光が集光されて形成される複数の光スポット間の相対的な距離変化量を計測し、前記相対的な距離変化量から、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量を測定する請求項１３に記載の光学的ひずみ測定装置。
【請求項１５】
複数の前記光スポット間の前記相対的な距離変化量をΔＹ、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量をΔθ、焦点距離をｆとした場合に、前記角度測定部は、前記相対的な角度変化量を（２）式を用いて算出する請求項１４に記載の光学的ひずみ測定装置。
ΔＹ＝２×ｆ×Δθ ・・・・・（２）
【請求項１６】
前記光学ひずみゲージは、
測定対象物に取り付けられる取付部と、
前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結された支点部と、
前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する複数の連結部と、
を備え、
複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されており、
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の光学的ひずみ測定装置。
【請求項１７】
前記光学ひずみゲージは、
弾性材料により形成され、測定対象物に取り付けられる取付部と、
前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結された支点部と、
前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する複数の連結部と、
を備え、
複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されており、
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の光学的ひずみ測定装置。
【請求項１８】
前記光学ひずみゲージは、
測定対象物のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる複数の取付部と、
前記測定対象物から離間した位置において、複数の前記取付部のうち一の前記取付部に接続され、且つ他の前記取付部と連結された支点部と、
前記支点部と他の前記取付部とを連結する連結部と、
を備え、
複数の前記反射面のうち一の前記反射面は、前記一の取付部に固定され、他の前記反射面は、前記連結部に固定されており、
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の光学的ひずみ測定装置。
【請求項１９】
前記光学ひずみゲージは、
測定対象物のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる複数の取付部と、
前記測定対象物から離間した位置において、複数の前記取付部のそれぞれと連結された支点部と、
前記支点部と複数の前記取付部とをそれぞれ連結する複数の連結部と、
を備え、
複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されており、
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の光学的ひずみ測定装置。
【請求項２０】
前記連結部は、前記取付部及び前記支点部に対して回動可能に接続されており、
前記連結部と前記取付部との接続部分と前記測定対象物との距離と、前記支点部における前記連結部との接続部分と前記測定対象物との距離とは、異なっている請求項１６乃至１９の何れか一項に記載の光学的ひずみ測定装置。
【請求項２１】
前記連結部と前記取付部との接続部分、及び前記支点部における前記連結部との接続部分は、弾性ヒンジにより接続されている請求項１６乃至２０の何れか一項に記載の光学的ひずみ測定装置。
【請求項２２】
前記光学ひずみゲージは、弾性材料により一体的に形成されており、
前記弾性ヒンジは、前記連結部と前記取付部との接続部分、及び前記支点部における前記連結部との接続部分が、前記反射面側及び前記測定対象物側から切り欠かれて肉薄に形成されてなる請求項２１に記載の光学的ひずみ測定装置。
【請求項２３】
前記反射面の表面は、粗面となっており、
複数の前記反射面から反射された反射光をそれぞれ分離する分離手段を備える請求項１３乃至２２の何れか一項に記載の光学的ひずみ測定装置。
【請求項２４】
測定対象物に、光を反射可能であり且つ前記測定対象物のひずみ変形に伴って角度が変化する複数の反射面を備える光学ひずみゲージを取りつけ、
複数の前記反射面に光を照射し、複数の前記反射面から反射された反射光を検出し、前記測定対象物のひずみ変形前後において複数の前記反射面から反射された反射光を比較することにより、複数の前記反射面の角度変化を測定し、
前記角度変化から、前記測定対象物のひずみを算出するひずみ算出し、
前記測定対象物のひずみをε、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量をΔθ、定数をＫとした場合に、前記測定対象物のひずみを（１）式を用いて算出する光学的ひずみ測定方法。
ε＝Ｋ×Δθ ・・・・・（１）
【請求項２５】
前記測定対象物のひずみ変形に伴う、複数の前記反射面から反射された反射光が集光されて形成される複数の光スポット間の相対的な距離変化量を計測し、前記相対的な距離変化量から、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量を測定する請求項２４に記載の光学的ひずみ測定方法。
【請求項２６】
複数の前記光スポット間の前記相対的な距離変化量をΔＹ、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量をΔθ、焦点距離をｆとした場合に、前記相対的な角度変化量を（２）式を用いて算出する請求項２５に記載の光学的ひずみ測定方法。
ΔＹ＝２×ｆ×Δθ ・・・・・（２）
【請求項２７】
測定対象物に、
測定対象物に取り付けられる取付部と、
前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結された支点部と、
前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する複数の連結部と、
複数の前記連結部にそれぞれ固定された複数の反射面と、
を備え、
前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する光学ひずみゲージを取りつけ、
複数の前記反射面に光を照射し、複数の前記反射面から反射された反射光を検出し、前記測定対象物のひずみ変形前後において複数の前記反射面から反射された反射光を比較することにより、複数の前記反射面の角度変化を測定し、
前記角度変化から、前記測定対象物のひずみを算出するひずみ算出する光学的ひずみ測定方法。
【請求項２８】
前記反射面の表面は、粗面となっており、
複数の前記反射面から反射された反射光をそれぞれ分離する請求項２４乃至２７の何れか一項に記載の光学的ひずみ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学ひずみゲージ、光学的ひずみ測定装置及び光学的ひずみ測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物や機械部品などのひずみの測定に、ひずみゲージが一般的に用いられている。ひずみゲージとして、例えば、測定対象物のひずみに伴い、電力抵抗値が変化する回路などが用いられている。そして、ひずみゲージを用いるひずみ測定では、ひずみゲージを測定対象物に取り付けるとともに、当該ひずみゲージに検出器を電気的に接続し、当該検出器により、ひずみゲージの抵抗変化を検出する。
ひずみゲージを用いるひずみ測定方法は、ひずみゲージが取り扱いやすい、測定原理が簡単、測定対象物の応力状態を乱さない、感度・精度が良い、等の利点を有している。
しかし、自動車のひずみ測定などでは、ひずみゲージを自動車に多数取り付け、当該多数のひずみゲージに検出器を電気的に接続することとなる。そのため、配線が多くなってしまうという問題がある。また、高温の炉の中で測定を行う必要がある場合にも、当該炉に対し、配線用の穴を設けなくてはならないという問題が生じる。換言すれば、ひずみゲージを用いる使用環境は、大きく制限されてしまう。
【０００３】
そのため、構造物や機械部品などのひずみをひずみゲージを用いないで測定する、非接触ひずみ測定法の研究が盛んに行われている。非接触ひずみ測定法としては、光学的に測定する光学的測定法や、画像処理を用いて測定する画像測定法などがある。
光学的測定法としては、非特許文献１に、モアレ法を利用したひずみ測定方法が記載されている。また、非特許文献２に、ホログラフィ法を利用したひずみ測定方法が記載されている。また、非特許文献３−６には、スペックル干渉法を利用したひずみ測定方法が記載されている。
【０００４】
光学的測定法は、レーザ光を測定対象物の表面に照射し、反射光をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）により検出する方法である。そして、光学的測定法では、ＣＣＤにより検出された格子模様や干渉模様から、ひずみを測定する。具体的には、光学的測定法では、測定対象物に応力を負荷する前と後でのＣＣＤ画像を用いて位相解析を行って、ひずみによる変位を測定する。
【０００５】
画像測定法は、測定対象物の表面模様を撮影することにより、ひずみを測定する方法である。具体的には、画像測定法では、相関関数を用いて、測定対象物に応力を負荷する前と後での画像の輝度値を比較し、ひずみによる変位を測定する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】森本  吉春、他２名、モアレ法・格子法による形状・変形計測の最近の研究、非破壊検査、２００３年、５２巻、３号、１１６−１２１ページ
【非特許文献２】山口  一郎、デジタルホログラフィによる形状・変形測定、非破壊検査、２００３年、５２巻、３号、１２７−１３１ページ
【非特許文献３】豊岡  了、動的電子スペックル干渉法（ＤＥＳＰＩ）によるアルミ合金の塑性変形過程の観察とそのメゾ力学的解釈、非破壊検査、２００３年、５２巻、３号、１２２−１２６ページ
【非特許文献４】梅崎  栄作、ＥＳＰＩを用いた全視野ひずみ計測法、非破壊検査、２００５年、５４巻、３号、１３９−１４３ページ
【非特許文献５】森本  吉春、他４名、高精度位相解析法の光学計測への応用、非破壊検査、２００５年、５４巻、３号、１２０−１２６ページ
【非特許文献６】木原  利喜、自動化光弾性法、非破壊検査、２００５年、５４巻、３号、１２７−１３１ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光学的測定法と画像測定法のいずれも、高精度に変位を測定することができる。しかしながら、ひずみは、当該光学的測定法や画像測定法によって測定された変位データを微分することにより、算出される。そのため、光学的測定法や画像測定法などの非接触測定法によるひずみ測定では、誤差が大きくなりやすく、ひずみゲージを用いる接触測定法と同程度の精度を得ることが難しいという問題がある。
また、測定原理が複雑なため、測定者は専門知識を身に付けなければならないという問題がある。
【０００８】
本発明は、使用環境が制限されず、測定原理が簡単で、且つ、より高い感度及び精度でひずみを測定できる、光学ひずみゲージ、光学的ひずみ測定装置及び光学的ひずみ測定方法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】
【０００９】
本発明の第１の態様に係る光学ひずみゲージは、取付部、支点部、複数の連結部、複数の反射面を備える。前記取付部は、測定対象物に取り付けられる。また、前記支点部は、前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結される。また、複数の前記連結部は、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する。また、複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されている。そして、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る光学ひずみゲージにおいては、反射面に光を照射し、当該反射面からの反射光が形成する光スポットの変位を測定することにより、測定対象物のひずみ変形に伴う反射面の角度変化を測定することができる。そして、当該反射面の角度変化は、測定対象物のひずみに比例する。そのため、本発明に係る光学ひずみゲージにおいては、測定対象物のひずみ変形を直接に反射面の角度変化に変換して測定する。したがって、本発明に係る光学ひずみゲージにおいては、測定対象物のひずみを測定する際に、変位データを微分する必要がないため、従来の光学測定法や画像測定法に比べて、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。
また、本発明に係る光学ひずみゲージは、従来のひずみゲージのような配線を必要としないため、使用環境が制限されるということがない。
また、本発明に係る光学ひずみゲージは、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換して測定するという簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００１１】
また、本発明に係る光学ひずみゲージは、取付部、支点部、複数の連結部、を備えることが好ましい。前記取付部は、弾性材料により形成され、測定対象物に取り付けられる。また、前記支点部は、前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結される。また、複数の前記連結部は、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する。また、複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されている。そして、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
具体的には、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記取付部が弾性変形し、前記取付部と前記連結部との接続部分の少なくとも１つの位置が変位し、前記支点部の位置が変位し、複数の前記連結部の少なくとも１つの角度が変化することにより、当該連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００１２】
また、本発明に係る光学ひずみゲージは、複数の取付部、支点部、連結部、複数の反射面を備えていてもよい。複数の前記取付部は、測定対象物のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる。また、前記支点部は、前記測定対象物から離間した位置において、複数の前記取付部のうち一の前記取付部に接続され、且つ他の前記取付部と連結されている。また、前記連結部は、前記支点部と他の前記取付部とを連結する。また、複数の前記反射面のうち一の前記反射面は、前記一の取付部に固定され、他の前記反射面は、前記連結部に固定されている。そして、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
具体的には、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記他の取付部の位置が変位し、前記連結部の角度が変化することにより、当該連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る光学ひずみゲージは、複数の取付部、支点部、複数の連結部、を備えていてもよい。複数の前記取付部は、測定対象物のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる。また、前記支点部は、前記測定対象物から離間した位置において、複数の前記取付部のそれぞれと連結されている。また、複数の前記連結部は、前記支点部と複数の前記取付部とをそれぞれ連結する。また、複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されている。そして、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
具体的には、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、複数の前記取付部の少なくとも１つの位置が変位し、前記支点部の位置が変位し、複数の前記連結部の少なくとも１つの角度が変化することにより、当該連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００１４】
さらに、前記連結部は、前記取付部及び前記支点部に対して回動可能に接続されており、前記連結部と前記取付部との接続部分と前記測定対象物との距離と、前記支点部における前記連結部との接続部分と前記測定対象物との距離とは、異なっていることが好ましい。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００１５】
さらに、また、前記連結部と前記取付部との接続部分、及び前記支点部における前記連結部との接続部分は、弾性ヒンジにより接続されていることが好ましい。
これにより、測定対象物のひずみ変形に応じて反射面の角度がよりスムーズに変化するため、測定対象物のひずみをさらに高い感度及び精度で測定することができる。
【００１６】
また、前記光学ひずみゲージは、弾性材料により一体的に形成されており、前記弾性ヒンジは、前記連結部と前記取付部との接続部分、及び前記支点部における前記連結部との接続部分が、前記反射面側及び前記測定対象物側から切り欠かれて肉薄に形成されてなることが好ましい。
これにより、光学ひずみゲージを容易に形成することができる。
【００１７】
また、さらに、前記反射面の表面は、鏡面となっていることが好ましい。
これにより、反射面に入射した光は正反射されるため、１つの反射面によって反射された光は、１つの光スポットを形成する。そのため、複数の反射面から反射された光によって形成される複数の光スポット間の距離を測定することにより、複数の反射面の角度変化を測定することができる。
【００１８】
また、前記反射面の表面は、粗面となっていてもよい。
これにより、反射面に入射した光は乱反射されるため、１つの反射面によって反射された光は、当該反射面から異なる方向に出射する複数の光線に分かれることとなる。そのため、光スポット探索のために反射面に入射する入射光の角度の微調整を必要とならない。従って、より容易にひずみ測定を行うことができる。
また、反射面にガラスや金属の微細片を塗布したり、反射面に回折格子を設けたり、反射面にホログラムシートを貼り付けることによっても、光スポット探索を容易にすることができる。
さらに、回折格子のパターン及びホログラフィーパターンは、予め能動的に設計することができる。そのため、複数の反射面に、異なるパターンの回折格子又はホログラムシートを設けることにより、複数の反射面からの反射光を容易に分離することができる。
【００１９】
本発明の第２の態様に係る光学的ひずみ測定装置は、光学ひずみゲージ、角度測定部、ひずみ算出部を備える。光学ひずみゲージは、測定対象物に取り付けられ、光を反射可能であり且つ前記測定対象物のひずみ変形に伴って角度が変化する複数の反射面を備える。また、角度測定部は、複数の前記反射面に光を照射し、複数の前記反射面から反射された反射光を検出し、前記測定対象物のひずみ変形前後において複数の前記反射面から反射された反射光を比較することにより、複数の前記反射面の角度変化を測定する。また、ひずみ算出部は、前記角度測定部により測定された角度変化から、前記測定対象物のひずみを算出する。
また、前記測定対象物のひずみをε、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量をΔθ、定数をＫとした場合に、前記ひずみ算出部は、前記測定対象物のひずみを（１）式を用いて算出する。
【数１】
0005408590.tif 000002
【００２０】
本発明の第２の態様に係る光学的ひずみ測定装置においては、角度測定部が、反射面に光を照射し、当該反射面からの反射光が形成する光スポットの変位を測定することにより、測定対象物のひずみ変形に伴う反射面の角度変化を測定する。そして、当該反射面の角度変化は、測定対象物のひずみに比例するため、ひずみ算出部によって、反射面の角度変化から測定対象物のひずみが算出される。そのため、本発明に係る光学的ひずみ測定装置においては、測定対象物のひずみ変形を直接に反射面の角度変化に変換して測定する。したがって、本発明に係る光学的ひずみ測定装置においては、測定対象物のひずみを測定する際に、変位データを微分する必要がないため、従来の光学測定法や画像測定法に比べて、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。
また、本発明に係る光学的ひずみ測定装置においては、光学ひずみゲージが従来のひずみゲージのような配線を必要としないため、使用環境が制限されるということがない。
また、本発明に係る光学的ひずみ測定装置においては、測定対象物のひずみ変形を光学ひずみゲージの反射面の角度変化に直接に変換して測定するという簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００２１】
さらに、前記角度測定部は、前記測定対象物のひずみ変形に伴う、複数の前記反射面から反射された反射光が集光されて形成される複数の光スポット間の相対的な距離変化量を計測し、前記相対的な距離変化量から、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量を測定することが好ましい。
【００２２】
さらに、また、複数の前記光スポット間の前記相対的な距離変化量をΔＹ、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量をΔθ、焦点距離をｆとした場合に、前記角度測定部は、前記相対的な角度変化量を（２）式を用いて算出することが好ましい。
【数２】
0005408590.tif 000003
これにより、相対的な角度変化量をより容易に算出することができる。
【００２３】
また、光学ひずみゲージは、取付部、支点部、複数の連結部、を備えることが好ましい。前記取付部は、測定対象物に取り付けられる。また、前記支点部は、前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結される。また、複数の前記連結部は、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する。また、複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されている。そして、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００２４】
また、光学ひずみゲージは、取付部、支点部、複数の連結部、を備えることが好ましい。前記取付部は、弾性材料により形成され、測定対象物に取り付けられる。また、前記支点部は、前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結される。また、複数の前記連結部は、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する。また、複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されている。そして、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００２５】
また、光学ひずみゲージは、複数の取付部、支点部、連結部、を備えていてもよい。複数の前記取付部は、測定対象物のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる。また、前記支点部は、前記測定対象物から離間した位置において、複数の前記取付部のうち一の前記取付部に接続され、且つ他の前記取付部と連結されている。また、前記連結部は、前記支点部と他の前記取付部とを連結する。また、複数の前記反射面のうち一の前記反射面は、前記一の取付部に固定され、他の前記反射面は、前記連結部に固定されている。そして、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００２６】
また、光学ひずみゲージは、複数の取付部、支点部、複数の連結部、を備えていてもよい。複数の前記取付部は、測定対象物のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる。また、前記支点部は、前記測定対象物から離間した位置において、複数の前記取付部のそれぞれと連結されている。また、複数の前記連結部は、前記支点部と複数の前記取付部とをそれぞれ連結する。また、複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されている。そして、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００２７】
また、さらに、前記連結部は、前記取付部及び前記支点部に対して回動可能に接続されており、前記連結部と前記取付部との接続部分と前記測定対象物との距離と、前記支点部における前記連結部との接続部分と前記測定対象物との距離とは、異なっていることが好ましい。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００２８】
また、前記連結部と前記取付部との接続部分、及び前記支点部における前記連結部との接続部分は、弾性ヒンジにより接続されていることが好ましい。
これにより、測定対象物のひずみ変形に応じて反射面の角度がよりスムーズに変化するため、測定対象物のひずみをさらに高い感度及び精度で測定することができる。
【００２９】
また、前記光学ひずみゲージは、弾性材料により一体的に形成されており、前記弾性ヒンジは、前記連結部と前記取付部との接続部分、及び前記支点部における前記連結部との接続部分が、前記反射面側及び前記測定対象物側から切り欠かれて肉薄に形成されてなることが好ましい。
これにより、光学ひずみゲージを容易に形成することができる。
【００３０】
さらに、前記反射面の表面は、粗面となっており、複数の前記反射面から反射された反射光をそれぞれ分離する分離手段を備えることが好ましい。
これにより、反射面に入射した光は乱反射されるため、１つの反射面によって反射された光は、当該反射面から異なる方向に出射する複数の光線に分かれることとなる。そのため、光スポット探索のために反射面に入射する入射光の角度の微調整を必要とならない。従って、より容易にひずみ測定を行うことができる。
また、分離手段により、複数の反射面から反射された反射光が反射面毎に分離されるため、一の反射面から反射された光線が他の反射面から反射された光線と近い位置に光スポットを形成することになっても、容易に、何れの反射面から反射された光線の光スポットかを認識することができる。そのため、複数の光スポット間の相対的な距離変化量をより容易に計測することができる。
【００３１】
本発明の第３の態様に係る光学的ひずみ測定方法は、測定対象物に、光を反射可能であり且つ前記測定対象物のひずみ変形に伴って角度が変化する複数の反射面を備える光学ひずみゲージを取りつけ、複数の前記反射面に光を照射し、複数の前記反射面から反射された反射光を検出し、前記測定対象物のひずみ変形前後において複数の前記反射面から反射された反射光を比較することにより、複数の前記反射面の角度変化を測定し、前記角度変化から、前記測定対象物のひずみを算出するものである。
また、前記測定対象物のひずみをε、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量をΔθ、定数をＫとした場合に、前記測定対象物のひずみを（１）式を用いて算出する。
【数３】
0005408590.tif 000004
【００３２】
本発明の第３の態様に係る光学的ひずみ測定方法においては、反射面に光を照射し、当該反射面からの反射光が形成する光スポットの変位を測定することにより、測定対象物のひずみ変形に伴う反射面の角度変化を測定することができる。そして、当該反射面の角度変化は、測定対象物のひずみに比例する。そのため、本発明に係る光学的ひずみ測定方法においては、測定対象物のひずみ変形を直接に反射面の角度変化に変換して測定する。したがって、本発明に係る光学的ひずみ測定方法においては、測定対象物のひずみを測定する際に、変位データを微分する必要がないため、従来の光学測定法や画像測定法に比べて、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。
また、本発明に係る光学的ひずみ測定方法においては、光学ひずみゲージが従来のひずみゲージのような配線を必要としないため、使用環境が制限されるということがない。
また、本発明に係る光学的ひずみ測定方法においては、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換して測定するという簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００３３】
さらに、前記測定対象物のひずみ変形に伴う、複数の前記反射面から反射された反射光が集光されて形成される複数の光スポット間の相対的な距離変化量を計測し、前記相対的な距離変化量から、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量を測定することが好ましい。
【００３４】
さらに、また、複数の前記光スポット間の前記相対的な距離変化量をΔＹ、前記測定対象物のひずみ変形に伴う複数の前記反射面の相対的な角度変化量をΔθ、焦点距離をｆとした場合に、前記角度測定部は、前記相対的な角度変化量を（２）式を用いて算出することが好ましい。
【数４】
0005408590.tif 000005
これにより、相対的な角度変化量をより容易に算出することができる。
【００３５】
また、光学ひずみゲージは、取付部、支点部、複数の連結部、複数の反射面を備えることが好ましい。前記取付部は、測定対象物に取り付けられる。また、前記支点部は、前記測定対象物から離間した位置において、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と連結される。また、複数の前記連結部は、前記取付部のそれぞれ異なる箇所と前記支点部とを連結する。また、複数の前記反射面は、複数の前記連結部にそれぞれ固定されている。そして、前記測定対象物のひずみ変形に伴って、前記連結部に固定された前記反射面の角度が変化する。
これにより、測定対象物のひずみ変形を反射面の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００３６】
また、前記反射面の表面は、粗面となっており、複数の前記反射面から反射された反射光をそれぞれ分離することが好ましい。
これにより、反射面に入射した光は乱反射されるため、１つの反射面によって反射された光は、当該反射面から異なる方向に出射する複数の光線に分かれることとなる。そのため、光スポット探索のために反射面に入射する入射光の角度の微調整を必要とならない。従って、より容易にひずみ測定を行うことができる。
また、複数の反射面から反射された反射光を反射面毎に分離するため、一の反射面から反射された光線が他の反射面から反射された光線と近い位置に光スポットを形成することになっても、容易に、何れの反射面から反射された光線の光スポットかを認識することができる。そのため、複数の光スポット間の相対的な距離変化量をより容易に計測することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、使用環境が制限されず、測定原理が簡単で、且つ、より高い感度及び精度でひずみを測定できる、光学ひずみゲージ、光学的ひずみ測定装置及び光学的ひずみ測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る光学ひずみゲージの一例を示す概念図である。
【図２】本発明に係る光学ひずみゲージの一例を示す概念図である。
【図３】本発明に係る光学ひずみゲージの一例を示す概念図である。
【図４】本発明に係る光学ひずみゲージの一例を示す概念図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る光学ひずみゲージの一例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る光学ひずみゲージを説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る光学ひずみゲージを説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る光学ひずみゲージにおける反射面の角度変化を説明する図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る光学ひずみゲージにおける反射面の角度変化を説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る光学的ひずみ測定装置の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る反射面により鏡面反射された反射光が形成する光スポットの一例を説明する図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る光学的ひずみ測定装置において、反射面において鏡面反射が生じた場合における光スポット探索を説明する図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係る光学的ひずみ測定装置において、反射面において乱反射が生じた場合における光スポット探索を説明する図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る反射面により乱反射された反射光が形成する光スポットの一例を説明する図である。
【図１５】本発明の実施の形態に係る光学的ひずみ測定装置の一例を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態に係る光学的ひずみ測定装置の一例を示す模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態における光スポットの移動量の算出を説明する図である。
【図１８】本発明の実施の形態における光スポットの移動量の算出を説明する図である。
【図１９】本発明の実施の形態に係る光学ひずみゲージの測定レンジを求める数値解析において用いられたモデルの一例を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態における数値解析におけるミーゼス応力分布を示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態における光学ひずみゲージの反射面の相対的な角度変化と、測定対象物のひずみとの関係を示すグラフである。
【図２２】本発明の実施の形態における光学ひずみゲージの最大ミーゼス応力と、測定対象物のひずみとの関係を示すグラフである。
【図２３】本発明の実施例に係る光学ひずみゲージを示す図である。
【図２４】本発明の実施例に係る測定対象物を示す図である。
【図２５】実施例１における測定対象物のひずみ変形前の強度画像を示す図（図２５（ａ））、実施例１における測定対象物のひずみ変形後の強度画像を示す図（図２５（ｂ））である。
【図２６】本発明の実施例におけるテンプレート画像と、測定対象物をひずみ変形させた後の画像との相関関数の分布を示す図である。
【図２７】実施例１における二値化を行った後の測定対象物のひずみ変形前の強度画像を示す図（図２７（ａ））、実施例１における二値化を行った後の測定対象物のひずみ変形後の強度画像を示す図（図２７（ｂ））である。
【図２８】本発明の実施例におけるテンプレート画像と、測定対象物をひずみ変形させた後の画像との相関関数の分布を示す図である。
【図２９】本発明の実施例に係る光学ひずみゲージの反射面の相対的な角度変化量と、当該光学ひずみゲージを用いて測定した測定対象物のひずみ（たわみ）との関係を示すグラフである。
【図３０】本発明の実施例に係る光学ひずみゲージの反射面の相対的な角度変化量と、当該光学ひずみゲージを用いて測定した測定対象物のひずみ（たわみ）との関係を示すグラフである。
【図３１】本発明の実施例において測定対象物をひずみ（たわみ）変形させたときのひずみ（たわみ）分布を示す図である。
【図３２】本発明の実施例に係る光学ひずみゲージを用いて測定した測定データとＦＥＭ解析直線との比較を示すグラフである。
【図３３】本発明の実施例に係る光学ひずみゲージを用いて測定した測定データとＦＥＭ解析直線との比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下に、本発明を適用可能な実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
まず、本発明に係る測定原理について、説明する。図１乃至３は、本発明に係る光学ひずみゲージ１０の一例を示す概念図である。本発明に係る光学ひずみゲージ１０は、図１乃至３に示すように、測定対象物１に取り付けられる。また、光学ひずみゲージ１０は、光を反射可能であり且つ測定対象物１のひずみ変形に伴って角度が変化する複数の反射面５を備えている。
【００４０】
具体的には、図１に示す光学ひずみゲージ１０は、複数の取付部２、支点部３、複数の連結部４等を備えている。
複数の取付部２は、測定対象物１のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる。また、支点部３は、測定対象物１から離間した位置において、複数の取付部２のそれぞれと連結部４により連結されている。また、複数の連結部４は、支点部３と複数の取付部２とをそれぞれ連結する。また、複数の反射面５は、複数の連結部４にそれぞれ固定されている。
そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
具体的には、連結部４は、取付部２及び支点部３に対して回動可能に接続されている。また、連結部４と取付部２との接続部分と、測定対象物１との距離と、支点部３における連結部４との接続部分と、測定対象物１との距離とは、異なっている。
より具体的には、連結部４と取付部２との接続部分、及び支点部３における連結部４との接続部分は、弾性ヒンジ６により接続されている。
そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、複数の取付部２の少なくとも１つの位置が変位し、支点部３の位置が変位し、複数の連結部４の少なくとも１つの角度が変化する。これにより、当該連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
【００４１】
また、図２に示す光学ひずみゲージ１０は、取付部２、支点部３、複数の連結部４等を備えている。
取付部２は、弾性材料により形成され、測定対象物１に取り付けられる。図２に示す例では、取付部２において、図２のハッチングで示す部分が弾性材料により形成されている。また、支点部３は、測定対象物１から離間した位置において、取付部２のそれぞれ異なる箇所と連結部４により連結される。また、複数の連結部４は、取付部２のそれぞれ異なる箇所と支点部３とを連結する。また、複数の反射面５は、複数の連結部４にそれぞれ固定されている。
そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
具体的には、連結部４は、取付部２及び支点部３に対して回動可能に接続されている。また、連結部４と取付部２との接続部分と、測定対象物１との距離と、支点部３における連結部４との接続部分と、測定対象物１との距離とは、異なっている。
より具体的には、連結部４と取付部２との接続部分、及び支点部３における連結部４との接続部分は、弾性ヒンジ６により接続されている。
そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、取付部２が弾性変形し、取付部２と連結部４との接続部分の少なくとも１つの位置が変位し、支点部３の位置が変位し、複数の連結部４の少なくとも１つの角度が変化する。これにより、当該連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
【００４２】
また、図３に示す光学ひずみゲージ１０は、複数の取付部２、支点部３、連結部４等を備えている。
複数の取付部２は、測定対象物１のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる。また、支点部３は、測定対象物１から離間した位置において、複数の取付部２のうち一の取付部２に接続され、且つ他の取付部２と連結部４により連結されている。また、連結部４は、支点部３と他の取付部２とを連結する。また、複数の反射面５のうち一の反射面５は、一の取付部２に固定され、他の反射面５は、連結部４に固定されている。
そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
具体的には、連結部４は、取付部２及び支点部３に対して回動可能に接続されている。また、連結部４と取付部２との接続部分と、測定対象物１との距離と、支点部３における連結部４との接続部分と、測定対象物１との距離とは、異なっている。
より具体的には、連結部４と取付部２との接続部分、及び支点部３における連結部４との接続部分は、弾性ヒンジ６により接続されている。
そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、他の取付部２の位置が変位し、連結部４の角度が変化することにより、当該連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
【００４３】
以上により、図１〜図３に示す光学ひずみゲージ１０は、測定対象物１のひずみ変形を反射面５の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物１のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００４４】
なお、本発明に係る光学ひずみゲージ１０の構成は図１〜図３に限定されるものではなく、測定対象物１のひずみ変形に伴って角度が変化する複数の反射面５を備えるものであればよい。例えば、図１では、２つの取付部２、２つの連結部４を備える光学ひずみゲージ１０を例に挙げたが、図４に示すように、本発明に係る光学ひずみゲージ１０は、３つの取付部３、３つの連結部４を備えるロゼットゲージ型であってもよい。
【００４５】
図４に示す光学ひずみゲージ１０は、３つの取付部２、支点部３、３つの連結部４、３つの反射面５等を備えている。
３つの取付部２は、測定対象物１のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる。また、支点部３は、測定対象物１から離間した位置において、３つの取付部２のそれぞれと連結部４により連結されている。また、３つの連結部４は、支点部３と３つの取付部２とをそれぞれ連結する。また、３つの反射面５は、３つの連結部４にそれぞれ固定されている。
そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
具体的には、連結部４は、取付部２及び支点部３に対して回動可能に接続されている。また、連結部４と取付部２との接続部分と、測定対象物１との距離と、支点部３における連結部４との接続部分と、測定対象物１との距離とは、異なっている。
より具体的には、連結部４と取付部２との接続部分、及び支点部３における連結部４との接続部分は、弾性ヒンジ６により接続されている。
そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、複数の取付部２の少なくとも１つの位置が変位し、支点部３の位置が変位し、複数の連結部４の少なくとも１つの角度が変化する。これにより、当該連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
【００４６】
換言すれば、図４に示す光学ひずみゲージ１０は、測定対象物１のひずみ変形を反射面５の角度変化に直接に変換することができる。また、測定対象物１のひずみ変形に伴う３つの反射面５の相対的な角度変化量と、測定対象物１のひずみとは線形関係となる。すなわち、３つの反射面５の相対的な角度変化量をΔθ＝（θ１，θ２，θ３）とし、測定対象物１の表面のひずみをε＝（εｘ，εｙ，γ）としたとき、以下の（３）式が成り立つ。
【数５】
0005408590.tif 000006
なお、Ａは、３行３列の行列で表される定数である。
従って、図４に示す光学ひずみゲージ１０においても、反射面５の相対的な角度変化量を測定することにより、測定対象物１のひずみを測定することができる。同様に、光学ひずみゲージ１０がより多数の取付部２、より多数の連結部４を有する場合であっても、反射面５の相対的な角度変化量を測定することにより、測定対象物１のひずみを測定することができる。
【００４７】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０の一例を示す模式図である。
図５に示すように、実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０は、弾性材料により一体的に、左右対称な形状に形成されている。また、実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０は、２つの取付部２、支点部３、２つの連結部４、２つの反射面５を備えている。
２つの連結部４は、略直方体形状に形成され、天面が反射面５となっている。また、２つの連結部４の間に支点部３が設けられている。
また、２つの取付部２は、２つの連結部４よりも小さい略直方体形状に形成されている。また、２つの取付部２は、２つの連結部の支点部３側の反対側の側面下側に接続されている。
また、連結部４と取付部２との接続部分、及び支点部３における連結部４との接続部分は、弾性ヒンジ６により接続されている。弾性ヒンジ６は、連結部４と取付部２との接続部分、及び支点部３における連結部との接続部分が、反射面５側及び測定対象物１側から円弧形状に切り欠かれて肉薄に形成されてなる。これにより、連結部４は、取付部２及び支点部３に対して回動可能となっている。
また、連結部４と取付部２との接続部分と、測定対象物１との距離と、支点部３における連結部４との接続部分と、測定対象物１との距離とは、異なっている。なお、弾性ヒンジ６の切り欠き形状は、円弧形状に限られるものではなく、弾性ヒンジ６は、例えば、矩形形状に切り欠かれて肉薄に形成されていてもよい。
以上により、測定対象物１のひずみ変形に伴って、連結部４の上面である反射面５の角度が変化する。
【００４８】
図６に示すように、測定対象物１の表面に光学ひずみゲージ１０を貼り付ける。そして、測定対象物１の両端が外方向に引っ張られることにより、測定対象物１に貼り付けられた取付部２も外方向に引っ張られることになる。そして、支点部３における弾性ヒンジ６の測定対象物１からの距離と、取付部２と連結部４との間の弾性ヒンジ６の測定対象物１からの距離とが異なるため、反射面５の角度が変化する。
【００４９】
測定対象物１のひずみ変形にともなう取付部２の変位と、反射面５の角度変化の関係について、図７〜図９を参照しながら説明する。
図７に示すように、取付部２と連結部４との間の弾性ヒンジ６の位置をＡ、Ｃとし、支点部３における弾性ヒンジ６の位置をＢとする。また、位置Ａと位置Ｂとの水平距離及び位置Ｂと位置Ｃとの水平距離をｘ０とする。また、位置Ａと位置Ｂとの垂直距離及び位置Ｂと位置Ｃとの垂直距離をｙ０とする。また、位置Ａ及び位置Ｃの微少変位量をそれぞれΔｌｌｅｆｔ、Δｌｒｉｇｈｔとする。また、反射面５の微小角度変化量をΔθｌｅｆｔ、Δθｒｉｇｈｔとする。また、それぞれ光学ひずみゲージ１０は左右対称な形状であるため、Δｌ＝Δｌｌｅｆｔ＝Δｌｒｉｇｈｔ、Δθ＝Δθｌｅｆｔ＝Δθｒｉｇｈｔとすることができる。ここで、Δθは、光学ひずみゲージの反射面５の微小角度変化に相当し、Δｌは、位置Ａ又は位置Ｃの微少変位量に相当する。
そして、測定対象物１のひずみ変形に伴う、取付部２と連結部４との間の弾性ヒンジ６の変位後の位置をＡ'とし、支点部３における弾性ヒンジ６の変位後の位置をＢ'とすると、位置Ａ'と位置Ｂ'との水平距離ｘ１、垂直距離ｙ１との間には、三平方の定理により、以下の（４）式、（５）式が成り立つ。
【数６】
0005408590.tif 000007
【数７】
0005408590.tif 000008
なお、（５）式において、Δｌ≪ｙ０として、近似した。
【００５０】
次に、図８に示すように、位置Ａと位置Ｂとを結ぶ直線（以下、直線ＡＢと称する。）の水平面に対する角度をθ０、位置Ａ'と位置Ｂ'とを結ぶ直線（以下、直線Ａ'Ｂ'と称する。）の水平面に対する角度をθ１とすると、光学ひずみゲージの反射面５の微小角度変化Δθと、直線ＡＢと水平面との角度θ０と、直線Ａ'Ｂ'と水平面との角度θ１との差θ０−θ１とは等しい。
ここで、三角関数の加法定理より、以下の（６）式が成り立つ。
【数８】
0005408590.tif 000009
【００５１】
ここで、ｔａｎθ０、ｔａｎθ１はそれぞれ以下の（７）式、（８）式で表される。
【数９】
0005408590.tif 000010
【数１０】
0005408590.tif 000011
なお、（８）式において、Δｌ≪ｘ０、Δｌ≪ｙ０として、近似した。
【００５２】
（７）式及び（８）式を（６）式に代入すると、以下の（９）式となる。
【数１１】
0005408590.tif 000012
なお、（９）式において、Δｌ≪ｘ０、Δｌ≪ｙ０として、近似した。
【００５３】
ここで、Δｌ≪ｙ０より、ｔａｎΔθ≒Δθと近似できるため、光学ひずみゲージ１０の取付部２のひずみε（すなわち、測定対象物１のひずみε）と光学ひずみゲージ１０の反射面５の角度変化との関係は、Δｌ＝ｙ０Δθであるから、以下の（１０）式で表される。
【数１２】
0005408590.tif 000013
【００５４】
ここで、図９に示すように、測定対象物１のひずみ変形に伴って、測定対象物１自体に回転が生じた場合、光学ひずみゲージ１０の反射面５の角度変化は、測定対象物１のひずみ変形に伴う角度変化に加えて、測定対象物１の回転による角度変化も考慮しなければならない。そこで、測定対象物１自体の角度変化をΔθｏｂｊｅｃｔ、光学ひずみゲージ１０の反射面５の見かけの角度変化をΔθ'ｌｅｆｔ、Δθ'ｒｉｇｈｔとすると、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量Δθｒは、Δθ＝Δθｌｅｆｔ＝Δθｒｉｇｈｔより、以下の（１１）式で表される。
【数１３】
0005408590.tif 000014
【００５５】
したがって、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化を考慮することにより、測定対象物１自体の回転による角度変化による影響を打ち消すことができる。以上の（１０）式及び（１１）式より、光学ひずみゲージ１０の取付部２のひずみ（すなわち、測定対象物１のひずみ）と、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量との関係は、以下の（１２）式で表される。
【数１４】
0005408590.tif 000015
以上より、光学ひずみゲージ１０の取付部２のひずみ（すなわち、測定対象物１のひずみ）と光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量は比例関係であり、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量を測定することにより、測定対象物１のひずみを測定することができる。つまり、上述の（１）式を用いて、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量から、測定対象物１のひずみを測定することができる。
【００５６】
次に、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量の測定について説明する。図１０は、本発明の実施の形態１に係る光学的ひずみ測定装置１００の一例を示す模式図である。図１０に示すように、実施の形態１に係る光学的ひずみ測定装置１００は、光学ひずみゲージ１０、チルトセンサ２０（角度検出部）、ひずみ算出部（図示省略）等を備えている。そして、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量は、光学的ひずみ測定装置１００のチルトセンサ２０により測定される。
【００５７】
具体的には、図１０に示すように、チルトセンサ２０は、レーザ光源２１、コリメータレンズ２２、ハーフミラー２３、集光レンズ２４、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）２５等を備えている。
コリメータレンズ２２は、レーザ光源２１から出射されたレーザ光の光路上に配置され、当該レーザ光を略平行光に変換する。
ハーフミラー２３は、コリメータレンズ２２から出射されるレーザ光の光路上に配置され、コリメータレンズ２２から出射されたレーザ光を反射し、光学ひずみゲージ１０に照射する。また、ハーフミラー２３は、光学ひずみゲージ１０から反射されたレーザ光を透過する。
集光レンズ２４は、ハーフミラー２３を透過したレーザ光をＣＣＤ２５上に集光する。
【００５８】
また、ひずみ算出部（図示省略）は、ＣＣＤ２５により検出された画像を表示する表示部、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ等を備えている。メモリは、ひずみ算出部の各部を制御するための各種プログラム等を格納している。そして、ＣＰＵがメモリに格納されている各種プログラムを実行することにより、ひずみ算出部の各部を制御する。例えば、ＣＰＵがメモリに格納されている各種プログラムを実行することにより、上述の（２）式を用いて、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量を算出する。
【００５９】
本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０は２つの反射面５を有する。そのため、当該２つの反射面５において、レーザ光が鏡面反射（正反射）された場合、図１１に示すように、ＣＣＤ２５上には、それぞれの反射面５に対応する光スポットが２つ形成される。
ここで、図１１に示すように、集光レンズ２４の光軸を原点として、横軸をｘ軸、縦軸をｙ軸とし、集光レンズ２４の焦点距離をｆとした場合、レンズのフーリエ変換作用から、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５（図１０において、紙面向かって下側の反射面５）に対応する光スポットの座標ｘｒｉｇｈｔ及び光学ひずみゲージ１０の左側の反射面５（図１０において、紙面向かって上側の反射面５）に対応する光スポットの座標ｘｌｅｆｔと、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５の角度θｒｉｇｈｔ及び光学ひずみゲージ１０の左側の反射面５角度θｌｅｆｔとの関係は、それぞれ以下の（１３）式、（１４）式により表される。
【数１５】
0005408590.tif 000016
【数１６】
0005408590.tif 000017
【００６０】
そして、光学ひずみゲージ１０の左側の反射面５に対する右側の反射面５の相対的な角度をθｒと、２つの光スポットの相対的な距離ｘｒとの関係は、以下の（１５）式により表される。
【数１７】
0005408590.tif 000018
以上より、２つの反射面５の相対的な角度変化Δθｒと、２つの光スポットの相対的な距離変化Δｘｒとの関係は、以下の（１６）式により表される。
【数１８】
0005408590.tif 000019
すなわち、２つの光スポットの相対的な距離変化量を測定することにより、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量を求めることができる。つまり、上述の（２）式を用いて、２つの光スポットの相対的な距離変化量から、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量を求めることができる。
【００６１】
次に、光学ひずみゲージ１０への入射光の入射角度と、光スポット探索との関係について説明する。図１２に、反射面５が鏡面である場合における、光学ひずみゲージ１０への入射光の入射角度と、光スポット探索との関係を示す。
２つの光スポット間の相対的な距離変化量を測定するためには、光スポットがＣＣＤ２５上に形成され、ひずみ算出部の表示部に表示される必要がある。そのため、ＣＣＤ２５上に光スポットが形成されるように、光学ひずみゲージ１０への入射光の入射角度を調節する必要がある。例えば、図１２に示すように、光学ひずみゲージ１０の反射面５において入射光が鏡面反射（正反射）される場合、入射光の入射角度がずれてしまうと、ＣＣＤ２５上に反射光の光スポットが形成されなくなってしまう。
【００６２】
しかし、チルトセンサ２０の測定レンジは、一般的に、±２０分（±ｍｒａｄ）程度であり、微少である。そのため、光学ひずみゲージ１０が微小である場合には、ＣＣＤ２５上に反射光の光スポットが形成されるように、光学ひずみゲージ１０への入射光の入射角度を調節するのは労力を要することとなってしまう。また、ひずみ変形が大きい場合には、光学ひずみゲージ１０への入射光の入射角度を調節しても、２つの光スポットが同時にＣＣＤ２５上に形成されることができなくなる場合もある。
【００６３】
そこで、本実施の形態１では、反射面５の表面を粗面となるように形成し、反射面５において、入射光が乱反射（拡散反射）するようにした。図１３に、反射面５が粗面である場合における、光学ひずみゲージ１０への入射光の入射角度と、光スポット探索との関係を示す。
図１３に示すように、光学ひずみゲージ１０への入射光の入射角度がずれても、乱反射された光線のいずれかはＣＣＤ２５上に光スポットを形成することとなる。そのため、光学ひずみゲージ１０への入射光の入射角度を調節する必要がなくなる。
また、図１４に、反射面５において乱反射された反射光が形成する光スポットを表示する表示部画面の一例を示す。図１４に示すように、表示部に常に無数の光スポットが形成されることとなる。そのため、ひずみ変形が大きい場合にも、光学ひずみゲージ１０への入射光の入射角度を調節する必要がない。
【００６４】
光学ひずみゲージ１０の反射面５において反射光が乱反射された場合、測定対象物１のひずみ変形に伴い、光学ひずみゲージ１０の２つの反射面５に対応する光スポットは、ＣＣＤ２５上（ひずみ算出部の表示部上）において、それぞれ異なる方向に移動する。そのため、表示部に表示された無数の光スポットから、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５に対応する光スポットと、左側の反射面５に対応する光スポットを選び、当該２つの光スポットの移動量を算出することにより、当該２つの光スポット間の相対的な距離変化を算出することで、反射面５の相対的な角度変化量を算出することができる。
【００６５】
しかし、ＣＣＤ２５上において、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５からの反射光と、左側の反射面５からの反射光とは、互いに干渉しながら移動する。そのため、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５からの反射光と、左側の反射面５からの反射光とが互いに弱めあう位置においては、光スポットが消失してしまい、光スポットの移動量を算出することができなくなってしまう。
【００６６】
そこで、本実施の形態１では、図１５に示すように、光学ひずみゲージ１０の２つの反射面５から反射された反射光を分離するため、光学的ひずみ測定装置１００に、２つの第１の光学フィルタ３１（分離手段）、２つの第２の光学フィルタ３２（分離手段）、ハーフミラー３３（分離手段）、ミラー３４（分離手段）を設けることにした。また、集光レンズ２４の代わりに、集光レンズ３５、３６、ＣＣＤ２５の代わりに、ＣＣＤ３７、３８を設けた。その他の構成は、図１１に示す光学的ひずみ測定装置１００と同じであるため、その説明を省略する。
【００６７】
ハーフミラー３３は、ハーフミラー２３を透過するレーザ光の光路上に配置されており、ハーフミラー２３を透過したレーザ光の一部を透過し、残りのレーザ光を反射する。
ミラー３４は、ハーフミラー３３により反射されたレーザ光の光路上に配置されており、当該レーザ光を反射する。
集光レンズ３５は、ハーフミラー３３により透過されたレーザ光の光路上に配置されており、当該レーザ光をＣＣＤ３７に集光する。
集光レンズ３６は、ミラー３４により反射されたレーザ光の光路上に配置されており、当該レーザ光をＣＣＤ３８に集光する。
【００６８】
第１の光学フィルタ３１及び第２の光学フィルタ３２は、例えば、偏光フィルタ、波長フィルタ等である。そして、第１の光学フィルタ３１及び第２の光学フィルタ３２が偏光フィルタである場合、第１の光学フィルタ３１が透過する光の位相は、第２の光学フィルタ３２が透過する光の位相と異なる。また、第１の光学フィルタ３１及び第２の光学フィルタ３２が波長フィルタである場合、第１の光学フィルタ３１が透過する光の波長は、第２の光学フィルタ３２が透過する光の波長と異なる。また、また、第１の光学フィルタ３１及び第２の光学フィルタ３２が波長フィルタである場合、光源２１は、第１の光学フィルタ３１及び第２の光学フィルタ３２の透過波長のレーザ光を出射する。
【００６９】
２つの第１の光学フィルタ３１のうち一方の第１の光学フィルタ３１は、例えば、光学ひずみゲージ１０の左側の反射面５とハーフミラー２３との間に設けられている。そして、２つの第１の光学フィルタ３１のうち他方の第１の光学フィルタ３１は、ハーフミラー３３と集光レンズ３５との間に設けられている。
また、２つの第２の光学フィルタ３２のうち一方の第２の光学フィルタ３２は、例えば、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５とハーフミラー２３との間に設けられている。そして、２つの第２の光学フィルタのうち他方の第２の光学フィルタ３２は、ミラー３４と集光レンズ３６との間に設けられている。
【００７０】
以上の構成により、光学ひずみゲージ１０の左側の反射面５において反射されたレーザ光は、第１の光学フィルタ３１を透過する。そして、ハーフミラー３３と集光レンズ３５との間に配置された第１の光学フィルタ３１は、光学ひずみゲージ１０の左側の反射面５とハーフミラー２３との間に配置された第１の光学フィルタ３１を透過したレーザ光のみを透過する。そのため、集光レンズ３５は、光学ひずみゲージ１０の左側の反射面５において反射されたレーザ光のみをＣＣＤ３７上に集光する。したがって、ＣＣＤ３７により、光学ひずみゲージ１０の左側の反射面５において反射されたレーザ光のみを検出することができる。
一方、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５において反射されたレーザ光は、第２の光学フィルタ３２を透過する。そして、ミラー３４と集光レンズ３６との間に配置された第２の光学フィルタ３２は、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５とハーフミラー２３との間に配置された第２の光学フィルタ３２を透過したレーザ光のみを透過する。そのため、集光レンズ３６は、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５において反射されたレーザ光のみをＣＣＤ３８上に集光する。したがって、ＣＣＤ３８により、光学ひずみゲージ１０の右側の反射面５において反射されたレーザ光のみを検出することができる。
このようにして、光学ひずみゲージ１０の２つの反射面５から反射された反射光を分離することができる。
なお、光学的ひずみ測定装置１００に設けられる分離手段の構成は、図１５に限定されるものではない。
【００７１】
また、図１６に、本発明の実施の形態１に係る光学的ひずみ測定装置１００の他の例の模式図を示す。図１６に示すように、測定対象物１上に、多数の光学ひずみゲージ１０が配置される場合には、それぞれの光学ひずみゲージ１０にレーザ光を照射させる必要がある。その場合には、、図１６に示すように、ハーフミラー２３と光学ひずみゲージ１０との間にガルバノミラー４０を配置し、ガルバノミラー４０を回動させることにより、各光学ひずみゲージ１０にレーザ光を照射させることができる。
また、一度に全ての光学ひずみゲージ１０にレーザ光を照射させてもよい。この場合には、走査時間が不要となるため、測定対象物１のひずみを複数個所で同時測定することができる。
【００７２】
また、分離手段として、ウォラストンプリズム（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ  Ｐｒｉｓｍ）を使用してもよい。この場合、図１０に示す光学的ひずみ測定装置１００において、ウォラストンプリズムをハーフミラー２３と光学ひずみゲージ１０との間に配置し、ウォラストンプリズムから出射されるＰ偏光を光学ひずみゲージ１０の２つの反射面５のうち一方に照射し、ウォラストンプリズムから出射されるＳ偏光を光学ひずみゲージ１０の２つの反射面５のうち他方に照射させる。この場合、集光レンズ２４も不要となる。ＣＣＤ２５には、干渉縞が形成されるため、当該干渉縞の変位を検出することにより、反射面５の相対的な角度変化量を測定することができる。この手法を用いた場合、より高い感度及び精度で反射面５の相対的な角度変化量を測定することができる。
【００７３】
また、角度検出部として、チルトセンサ２０の代わりに、光線の進行方向の角度変化を測定する光線角度検出装置を用いることも可能である。
光線角度検出装置としては、光てこ方式の光線角度検出装置、オートコリメーションの原理を用いる光線角度の検出装置、臨界角方式の光電式角度センサ、などを用いることができる。
光てこ方式の光線角度検出装置とは、測定対象物１の表面から反射された光線の進行方向の角度変化を、光路長に比例した光スポットの変位として測定するものである。
また、オートコリメーションの原理を用いる光線角度の検出装置とは、光てこ方式において、光路長を集光レンズの焦点距離として固定して、光線の進行方向の角度変化を測定するものである。また、オートコリメーションの原理を用いる光線角度の検出装置としては、光スポットの検出部として光電素子を用いて、電気信号として角度を検出するものも用いることができる。
また、臨海角方式の光電式角度センサとは、臨界角近傍での光線の入射角の変化に対する反射率の急変を利用するものである。また、臨界角方式の光電式角度センサとしては、反射光だけでなく透過光も利用して反射率の変化を検出する作動方検出の原理を用いるもの利用することができる。作動方検出の原理を用いる臨海角方式の光電式角度センサは、例えば、特開２００４−１７７１８９号公報に詳述されている。
また、角度検出部として、干渉測長システムを用いることもできる。干渉測長システムとは、光学干渉計の２本の干渉腕を構成する固定鏡と移動鏡とを一体化して、測定対象物上に固定し、測定対象物の姿勢変化を、両干渉腕の光路長差として、干渉信号の変化を検出することにより、測定するものである。
【００７４】
次に、本実施の形態１にかかる光学的ひずみ測定装置１００における、光スポットの相対的な距離変化量の計測について説明する。
本実施の形態１では、画像処理を用いて光スポットの相対的な距離変化量を計測する。具体的には、本実施の形態１では、テンプレートマッチング法を用いて光スポットの相対的な距離変化量を計測する。
本実施の形態１に係るテンプレートマッチング法について、図１７を参照しながら説明する。
図１７に示すように、まず、移動前（測定対象物１のひずみ変形前）のｎ（ピクセル）×ｍ（ピクセル）の強度画像ｆｂ（ｕ，ｖ）（ｕ＝１，・・・，ｍ、ｖ＝１，・・・ｎ）から、２ａ＋１（ピクセル）×２ｂ＋１（ピクセル）（ただし、２ａ＋１≦ｎ且つ２ｂ＋１≦ｍ）のテンプレート画像ｔ（ｕ，ｖ）（ｕ＝−ｂ，・・・，ｂ、ｖ＝−ａ，・・・，ａ）を生成する。
次に、テンプレート画像ｔ（ｕ，ｖ）と、移動後（測定対象物１のひずみ変形後）のｎ（ピクセル）×ｍ（ピクセル）の強度画像ｆａ（ｕ，ｖ）（ｕ＝１，・・・，ｍ、ｖ＝１，・・・ｎ）との相関関数Ｆ（ｕ，ｖ）（ｕ＝１，・・・，ｍ、ｖ＝１，・・・ｎ）を求める。相関関数Ｆ（ｕ，ｖ）は、以下の（１７）式で表される。
【数１９】
0005408590.tif 000020
（１７）式で表される相関関数Ｆ（ｕ，ｖ）が最大となる座標（ｕ１，ｖ１）を求める。そして、移動前の強度画像ｆｂ（ｕ，ｖ）におけるテンプレート画像ｔ（ｕ，ｖ）の中心座標（ｕ０，ｖ０）と、座標（ｕ１，ｖ１）との差から、光スポットの相対的な距離変化量（Δｕ，Δｖ）＝（ｕ１−ｕ０，ｖ１−ｖ０）を求める。
【００７５】
測定対象物１に大きなひずみを与えた場合、測定対象物１のひずみ変形前の強度画像ｆｂ（ｕ，ｖ）に含まれる光スポットが、測定対象物１のひずみ変形後の強度画像ｆａ（ｕ，ｖ）の画面外に移動してしまい、光スポットの相対的な距離変化量を算出できなくなってしまう場合がある。
そこで、以下の方法を採ることにより、測定対象物に大きなひずみを与えた場合に対応する。
第１の方法としては、ひずみ算出部の表示部のモニター倍率を下げる。これにより、測定対象物１のひずみ変形前の強度画像ｆｂ（ｕ，ｖ）に含まれる光スポットの一部が、測定対象物１のひずみ変形後の強度画像ｆａ（ｕ，ｖ）の画面内に含まれるようにする。
第２の方法としては、図１８に示すように、測定対象物１がひずみ変形している間、光スポットを追跡して動画撮影を行う。そして、得られた動画データから適当な時間間隔で静止画を抽出し、各静止画の移動量の総和を求めることにより、光スポットの相対的な距離変化量を求める。
【００７６】
次に、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０、光学的ひずみ測定装置１００及び光学的ひずみ測定方法における感度及び測定レンジについて、説明する。
図１９に、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０の感度及び測定レンジを求める数値解析において用いられたモデルの一例を示す。図１９に示すモデルでは、弾性ヒンジ６の円弧状切り欠きの直径Φが０．５ｍｍ、各円弧状切り欠き間の距離ｄが０．５ｍｍ、各弾性ヒンジ６間の水平距離ｘが３．２５ｍｍ、弾性ヒンジ６間の垂直距離ｙが０．５ｍｍとなっている。また、図１９に示すモデルは、左右対称な形状となっている。また、測定対象物１の板厚は、０．５ｍｍとなっている。
そして、図１９に示すモデルの測定対象物１に微少変位Δｌを加えた場合の静的応力を解析することにより、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０の感度及び測定レンジを求めた。
なお、光学ひずみゲージ１０の材料としては、アルミ合金Ａ５０５２を用い、測定対象物１の材料としては、鋼板を用いた。また、本解析で用いた、光学ひずみゲージ１０及び測定対象物１の材料の物性値を表１に示す。また、本解析では、チルトセンサ２０の最小読み取り値として、カツラ・オプト・システムズ製標準チルトセンサの最小の解像度である１．３秒／ｐｉｘｅｌ（＝６．３μｒａｄ／ｐｉｘｅｌ）を用いた。測定対象物１のひずみと、光学ひずみゲージ１０の左右の反射面５の相対的な角度変化量との関係から、光学ひずみゲージ１０の感度を求めた。また、測定対象物１のひずみと、光学ひずみゲージ１０の最大ミーゼス応力との関係から、光学ひずみゲージ１０の測定レンジを求めた。
【表１】
0005408590.tif 000021
【００７７】
図２０に、図１９に示すモデルの測定対象物１に、１．０μｓｔｒａｉｎ（Δｌ＝５．０×１０−９ｍ）のひずみを与えたときの光学ひずみゲージ１０の変形結果及びミーゼス応力分布を示す。図２０に示す光学ひずみゲージ１０の変形結果及びミーゼス応力分布は、有限要素解析法を用いて求めたものである。ここで、ひずみは、（微少変位Δｌ）／（測定対象物の長さｌ）で表される。したがって、１．０μｓｔｒａｉｎとは、１．０×１０−６のひずみという意味である。図２０では、変形の様子が分かりやすいように、変形倍率を１．０×１０４として表現している。
【００７８】
そして、図２０より、光学ひずみゲージ１０の左右の反射面５の相対的な角度変化量は、２．１９μｒａｄであることが分かる。同様にして、図１９に示すモデルの測定対象物１に、５、１０、１００、１０００μｓｔｒａｉｎのひずみを与えたときの光学ひずみゲージ１０の左右の反射面５の相対的な角度変化量を求めた。
【００７９】
図２１に、本解析によって得られた、測定対象物１のひずみと、光学ひずみゲージ１０の左右の反射面５の相対的な角度変化量との関係を表すグラフを示す。図２１において、横軸は、光学ひずみゲージ１０の左右の反射面５の相対的な角度変化量を示し、縦軸は、測定対象物１のひずみを示す。図２１に示すように、測定対象物１のひずみと、光学ひずみゲージ１０の左右の反射面５の相対的な角度変化量とは、比例関係にあることが分かる。そして、図２１のグラフを解析することにより得られる比例式（ｙ＝０．２２８５ｘ）と、チルトセンサ２０の最小読み取り値１．３秒／ｐｉｘｅｌから、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０の感度は、１．４μｓｔｒａｉｎ／ｐｉｘｅｌ（＝６．３μｒａｄ／ｐｉｘｅｌ×０．２２８３μｓｔｒａｉｎ／μｒａｄ）であった。従来の一般的なひずみゲージの感度が１．０μｓｔｒａｉｎであるため、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０では、従来の一般的なひずみゲージと同程度の感度が得られることが分かった。
【００８０】
また、図２０より、光学ひずみゲージ１０の最大ミーゼス応力となる場所は、支点部３の弾性ヒンジ６の下部であることが分かる。同様にして、図１９に示すモデルの測定対象物１に、５、１０、１００、１０００μｓｔｒａｉｎのひずみを与えたときの光学ひずみゲージ１０の最大ミーゼス応力を求めた。
【００８１】
図２２に、本解析によって得られた、測定対象物１のひずみと、光学ひずみゲージ１０の最大ミーゼス応力との関係を表すグラフを示す。図２２において、横軸は、測定対象物１のひずみを示し、縦軸は、光学ひずみゲージ１０の最大ミーゼス応力を示す。図２２に示すように、測定対象物１のひずみと、光学ひずみゲージ１０の最大ミーゼス応力とは、比例関係にあることが分かる。そして、図２２のグラフを解析することにより得られる比例式（ｙ＝０．１３５８ｘ）から、アルミ合金Ａ５０５２の降伏応力に到達する点（弾性領域と塑性領域との境界点）のひずみの値は、１．６２×１０３μｓｔｒａｉｎであることが分かる。従来の一般的なひずみゲージの測定レンジは、１０３μｓｔｒａｉｎ程度であるため、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０では、従来の一般的なひずみゲージと同程度の測定レンジを有することが分かった。
以上より、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０、光学的ひずみ測定装置１００及び光学的ひずみ測定方法における感度及び測定レンジは、実用上有効な値であることが分かる。
【００８２】
次に、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０、光学的ひずみ測定装置１００及び光学的ひずみ測定方法の実施例を示す。
［実施例１］
図２３に、実施例１に係る光学ひずみゲージ１０を示す。図２３に示すように、実施例１に係る光学ひずみゲージ１０は、左右対称な形状となっている。また、実施例１に係る光学ひずみゲージ１０では、弾性ヒンジ６の円弧状切り欠きの直径が０．５ｍｍ、各円弧状切り欠き間の距離が０．５ｍｍ、各弾性ヒンジ６間の水平距離が３．２５ｍｍ、弾性ヒンジ６間の垂直距離が０．５ｍｍとなっている。
【００８３】
図２４に、実施例１において用いた測定対象物１を示す。図２４に示すように、測定対象物１のスパンＬは、８．３×１０−２ｍ、幅ｂは、２．０×１０−２ｍ、高さｈは、５．０×１０−３ｍであり、測定対象物１の左端（紙面向かって左側の端）は、固定されている。測定対象物１の左端（以下、固定端と称する。）からｌδ＝７．８×１０−２ｍのところにたわみδを加え、測定対象物１の固定端からｌε＝４．６×１０−２ｍの所の表面のひずみを、従来例に係るひずみゲージと、実施例１に係る光学ひずみゲージ１０とで、同時に測定した。従来例のひずみゲージとして、共和電業製ＫＦＥＬ−２−１２０−Ｃ１Ｎ３０Ｃ２（ゲージ率２．０７）を用いた。
【００８４】
光学ひずみゲージ１０の材料としては、アルミ合金Ａ５０５２を用いた。また、測定対象物１の材料としては、アクリル板を用いた。ワイヤーカット放電加工を用いて、図２３に示す形状となるように、光学ひずみゲージ１０を成形した。また、エンドミルによる切削加工により、反射面５を成形した。当該反射面５において、入射光は乱反射（拡散反射）される。実施例１に係る光学ひずみゲージ１０及び測定対象物１の材料の物性値を表２に示す。
【表２】
0005408590.tif 000022
【００８５】
実施例１では、２時間間隔で、３回、測定を行った。また、実施例１では、図１５に示す光学的ひずみ測定装置１００を用いて、測定を行った。より具体的には、実施例１に係るチルトセンサ２０として、解像度が３．８秒／ｐｉｘｅｌ（１８μｒａｄ／ｐｉｘｅｌ）であり、２つのカメラで同時測定が可能な、カツラ・オプト・システムズ製のチルトセンサを用いた。また、第１のフィルタ３１、第２のフィルタ３２として、偏光板を用いた。また、ハーフミラー２３として１／４波長板を用いた。
【００８６】
図２５（ａ）に、測定対象物１のひずみ変形前の強度画像ｆｂ（ｕ，ｖ）を示し、図２５（ｂ）に、測定対象物１のひずみ変形後の強度画像ｆａ（ｕ，ｖ）を示す。図２５より、測定対象物１のひずみ変形に伴って、光スポットが、ｘ軸方向負の方向、且つｙ軸方向負の方向に移動していることが分かる。
【００８７】
図２６に、測定対象物１のひずみ変形後の強度画像と、テンプレート画像との相関関数の分布を示す。なお、測定対象物１のひずみ変形前後の強度画像のサイズは、４８０ピクセル×７０４ピクセル、テンプレート画像のサイズは、１７３ピクセル×７０２ピクセルである。
図２６に示すように、得られた相関関数は、なだらかな分布となった。そして、図２５に示す相関関数が最大となる座標から、光スポットの相対的な距離変化量（Δｕ，Δｖ）は、（０ｐｉｘｅｌ，−１５３ｐｉｘｃｅｌ）と求められた。しかし、この値は、図２５における光スポットの移動と合致していないため、光スポットの相対的な距離変化量（Δｕ，Δｖ）の算出が正しく行えていないと考えられる。
これは、図２５に示す強度画像には光スポットではないノイズも含まれている。そして、光スポットである部分と光スポットではない部分の境界が曖昧であり、光スポットではない部分もある程度の強度がある。そのため、不要な情報まで、相関関数に含まれていること等が原因として挙げられる。
【００８８】
そのため、実施例１では、不要な情報をカットするため、測定対象物１のひずみ変形前後の強度画像の二値化を行った。図２７に、二値化を行った後の測定対象物１のひずみ変形前後の強度画像を示す。図２７（ａ）に、測定対象物１のひずみ変形前の強度画像ｆｂ（ｕ，ｖ）を示し、図２７（ｂ）に、測定対象物１のひずみ変形後の強度画像ｆａ（ｕ，ｖ）を示す。ここで、二値化で用いられた閾値は、強度画像に含まれる最大強度値の３割の値とした。
【００８９】
図２８に、二値化を行った後の、測定対象物１のひずみ変形後の強度画像と、テンプレート画像との相関関数の分布を示す。
図２８に示すように、得られた相関関数は、鋭いピークをもつ分布となった。そして、図２８に示す相関関数が最大となる座標から、光スポットの相対的な距離変化量（Δｕ，Δｖ）は、（−６６ｐｉｘｅｌ，−８ｐｉｘｃｅｌ）と求められた。この値は、図２７における光スポットの移動と合致しているため、光スポットの相対的な距離変化量（Δｕ，Δｖ）の算出が正しく行えていると考えられる。
【００９０】
図２９及び図３０に、実施例１の測定結果を示す。図２９及び図３０において、横軸は、測定対象物１に加えられたたわみδを示し、縦軸は、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量を示す。また、丸印は１回目の測定を示し、四角印は２回目の測定を示し、三角印は３回目の測定を示す。図２９は、徐々にたわみδを増加させた測定結果を示し、図３０は、徐々にたわみδを減少させた測定結果を示す。また、図２９及び図３０で示す直線は、最小二乗法を用いて切片を０として求めた線形直線である。
図２９及び図３０に示すように、実施例１に係る光学ひずみゲージ１０においても、従来例に係るひずみゲージと同様に、たわみδと反射面５との相対的な角度変化量との間に線形関係があることが分かる。従って、実施例１に係る光学ひずみゲージ１０は、十分な感度を持っていることが分かる。
【００９１】
図３１に、実施例１における測定対象物１にたわみδ＝０．００２ｍを与えたときの、測定対象物１と光学ひずみゲージ１０との変形結果及びひずみ分布を示す。図３１に示す光学ひずみゲージ１０の変形結果及びミーゼス応力分布は、有限要素解析法を用いて求めたものである。図３１では、変形倍率を４．０倍として表現している。
図３１から、実施例１に係る光学ひずみゲージ１０の２つの反射面５の相対的な角度変化量は、７．４３×１０２μｒａｄであることが分かる。
【００９２】
また、図３２及び図３３に、たわみδと光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量Δθとの関係と、有限要素解析によって得られた解析直線との比較を示す。図３２及び図３３において、横軸は、測定対象物１に加えられたたわみδを示し、縦軸は、光学ひずみゲージ１０の反射面５の相対的な角度変化量を示す。また、丸印は１回目の測定を示し、四角印は２回目の測定を示し、三角印は３回目の測定を示す。図３２は、徐々にたわみδを増加させた測定結果を示し、図３３は、徐々にたわみδを減少させた測定結果を示す。
図３２に示すように、徐々にたわみδを増加させた場合、たわみδ＝０．０００４〜０．００１４ｍの領域において、測定データのプロットは解析直線に対して平行に分布している。そのため、当該領域において、実施例１に係る光学ひずみゲージ１０により、理論通りの測定が行えていることが分かる。
また、図３３に示すように、徐々にたわみδを減少させた場合、たわみδ＝０．００１５ｍ以上の領域において、測定データのプロットは解析直線に対して平行に分布している。そのため、当該領域において、実施例１に係る光学ひずみゲージ１０により、理論通りの測定が行えていることが分かる。
【００９３】
以上に説明した、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０、光学的ひずみ測定方法１００及び光学的ひずみ測定方法によれば、反射面５に光を照射し、当該反射面５からの反射光が形成する光スポットの変位を測定することにより、測定対象物１のひずみ変形に伴う反射面５の角度変化を測定することができる。そして、当該反射面５の角度変化は、測定対象物１のひずみに比例する。そのため、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０においては、測定対象物１のひずみ変形を直接に反射面５の角度変化に変換して測定する。したがって、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０においては、測定対象物１のひずみを測定する際に、変位データを微分する必要がないため、従来の光学測定法や画像測定法に比べて、より高い感度及び精度で、測定対象物１のひずみを測定することができる。
また、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０は、従来のひずみゲージのような配線を必要としないため、使用環境が制限されるということがない。
また、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０は、測定対象物１のひずみ変形を反射面５の角度変化に直接に変換して測定するという簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００９４】
また、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０は、取付部２、支点部３、複数の連結部４、を備えていてもよい。取付部２は、弾性材料により形成され、測定対象物１に取り付けられる。また、支点部３は、測定対象物１から離間した位置において、取付部２のそれぞれ異なる箇所と連結される。また、複数の連結部４は、取付部２のそれぞれ異なる箇所と支点部３とを連結する。また、複数の反射面５は、複数の連結部４にそれぞれ固定されている。そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
具体的には、測定対象物１のひずみ変形に伴って、取付部２が弾性変形し、取付部２と連結部４との接続部分の少なくとも１つの位置が変位し、支点部３の位置が変位し、複数の連結部４の少なくとも１つの角度が変化することにより、当該連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
これにより、測定対象物１のひずみ変形を反射面５の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物１のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００９５】
また、本実施の形態１に係る光学ひずみゲージ１０は、複数の取付部２、支点部３、連結部４、を備えていてもよい。複数の取付部２は、測定対象物１のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる。また、支点部３は、測定対象物１から離間した位置において、複数の取付部２のうち一の取付部２に接続され、且つ他の取付部２と連結されている。また、連結部４は、支点部３と他の取付部２とを連結する。また、複数の反射面５のうち一の反射面５は、一の取付部２に固定され、他の反射面５は、連結部４に固定されている。そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
具体的には、測定対象物１のひずみ変形に伴って、他の取付部２の位置が変位し、連結部４の角度が変化することにより、当該連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
これにより、測定対象物１のひずみ変形を反射面５の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物１のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００９６】
また、本実施の形態に係る光学ひずみゲージ１０は、複数の取付部２、支点部３、複数の連結部４、を備えていてもよい。複数の取付部２は、測定対象物１のそれぞれ異なる箇所に取り付けられる。また、支点部３は、測定対象物１から離間した位置において、複数の取付部２のそれぞれと連結されている。また、複数の連結部４は、支点部３と複数の取付部２とをそれぞれ連結する。また、複数の反射面５は、複数の連結部４にそれぞれ固定されている。そして、測定対象物１のひずみ変形に伴って、連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
具体的には、測定対象物１のひずみ変形に伴って、複数の取付部２の少なくとも１つの位置が変位し、支点部３の位置が変位し、複数の連結部４の少なくとも１つの角度が変化することにより、当該連結部４に固定された反射面５の角度が変化する。
これにより、測定対象物１のひずみ変形を反射面５の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物１のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００９７】
さらに、連結部４は、取付部２及び支点部３に対して回動可能に接続されており、連結部４と取付部２との接続部分と測定対象物１との距離と、支点部３における連結部４との接続部分と測定対象物１との距離とは、異なっている。
これにより、測定対象物１のひずみ変形を反射面５の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物１のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【００９８】
さらに、また、連結部４と取付部２との接続部分、及び支点部３における連結部４との接続部分は、弾性ヒンジ６により接続されている。
これにより、測定対象物１のひずみ変形に応じて反射面５の角度がよりスムーズに変化するため、測定対象物１のひずみをさらに高い感度及び精度で測定することができる。
【００９９】
また、光学ひずみゲージ１０は、弾性材料により一体的に形成されており、弾性ヒンジ６は、連結部４と取付部２との接続部分、及び支点部３における連結部４との接続部分が、反射面５側及び測定対象物１側から切り欠かれて肉薄に形成されてなる。
これにより、光学ひずみゲージ１０を容易に形成することができる。
【０１００】
また、さらに、反射面５の表面は、鏡面となっていてもよい。
これにより、反射面５に入射した光は正反射されるため、１つの反射面５によって反射された光は、１つの光スポットを形成する。そのため、複数の反射面５から反射された光によって形成される複数の光スポット間の距離を測定することにより、複数の反射面５の角度変化を測定することができる。
【０１０１】
また、反射面５の表面は、粗面となっていてもよい。
これにより、反射面５に入射した光は乱反射されるため、１つの反射面５によって反射された光は、当該反射面５から異なる方向に出射する複数の光線に分かれることとなる。そのため、光スポット探索のために反射面５に入射する入射光の角度の微調整を必要とならない。従って、より容易にひずみ測定を行うことができる。
【０１０２】
また、以上に説明した、本実施の形態１に係る光学的ひずみ測定装置１００においては、チルトセンサ２０が、反射面５に光を照射し、当該反射面５からの反射光が形成する光スポットの変位を測定することにより、測定対象物１のひずみ変形に伴う反射面５の角度変化を測定する。そして、当該反射面５の角度変化は、測定対象物１のひずみに比例するため、ひずみ算出部によって、反射面５の角度変化から測定対象物１のひずみが算出される。そのため、本実施の形態１に係る光学的ひずみ測定装置１００においては、測定対象物１のひずみ変形を直接に反射面５の角度変化に変換して測定する。したがって、本実施の形態１に係る光学的ひずみ測定装置１００においては、測定対象物１のひずみを測定する際に、変位データを微分する必要がないため、従来の光学測定法や画像測定法に比べて、より高い感度及び精度で、測定対象物１のひずみを測定することができる。
また、本実施の形態１に係る光学的ひずみ測定装置１００においては、光学ひずみゲージ１０が従来のひずみゲージのような配線を必要としないため、使用環境が制限されるということがない。
また、本実施の形態１に係る光学的ひずみ測定装置１００においては、測定対象物１のひずみ変形を光学ひずみゲージ１０の反射面５の角度変化に直接に変換して測定するという簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【０１０３】
また、測定対象物１のひずみをε、測定対象物１のひずみ変形に伴う複数の反射面５の相対的な角度変化量をΔθ、定数をＫとした場合に、ひずみ算出部は、測定対象物１のひずみを（１）式を用いて算出する。
【数２０】
0005408590.tif 000023
これにより、測定対象物１のひずみ変形を反射面５の角度変化に直接に変換することができる。そのため、より高い感度及び精度で、測定対象物１のひずみを測定することができる。また、簡単な測定原理を用いるため、測定者は専門的な知識を身に付けずとも、ひずみ測定を行うことができる。
【０１０４】
さらに、チルトセンサ２０は、測定対象物１のひずみ変形に伴う、複数の反射面５から反射された反射光が集光されて形成される複数の光スポット間の相対的な距離変化量を計測し、相対的な距離変化量から、測定対象物１のひずみ変形に伴う複数の反射面５の相対的な角度変化量を測定する。
また、複数の光スポット間の相対的な距離変化量をΔＹ、測定対象物１のひずみ変形に伴う複数の反射面５の相対的な角度変化量をΔθ、焦点距離をｆとした場合に、チルトセンサ２０は、相対的な角度変化量を（２）式を用いて算出する。
【数２１】
0005408590.tif 000024
これにより、相対的な角度変化量をより容易に算出することができる。
【０１０５】
さらに、反射面５の表面は、粗面となっており、複数の反射面５から反射された反射光をそれぞれ分離する分離手段として、第１のフィルタ３１、第２のフィルタ３２、ハーフミラー３３、ミラー３４を備える。
これにより、反射面５に入射した光は乱反射されるため、１つの反射面５によって反射された光は、当該反射面５から異なる方向に出射する複数の光線に分かれることとなる。そのため、光スポット探索のために反射面５に入射する入射光の角度の微調整を必要とならない。従って、より容易にひずみ測定を行うことができる。
また、複数の反射面５から反射された反射光が反射面５毎に分離されるため、一の反射面５から反射された光線が他の反射面５から反射された光線と近い位置に光スポットを形成することになっても、容易に、何れの反射面５から反射された光線の光スポットかを認識することができる。そのため、複数の光スポット間の相対的な距離変化量をより容易に計測することができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１  測定対象物
２  取付部
３  支点部
４  連結部
５  反射面
６  弾性ヒンジ
１０  光学ひずみゲージ
２０  チルトセンサ（角度検出部）
２１  光源
２２  コリメータレンズ
２３  ハーフミラー
２４  集光レンズ
２５  ＣＣＤ
３１  第１のフィルタ（分離手段）
３２  第２のフィルタ（分離手段）
３３  ハーフミラー（分離手段）
３４  ハーフミラー（分離手段）
３５  集光レンズ
３６  集光レンズ
３７  ＣＣＤ
３８  ＣＣＤ
４０  ガルバノミラー
１００  光学的ひずみ装置
【図１】
0005408590.tif 000025
【図２】
0005408590.tif 000026
【図３】
0005408590.tif 000027
【図４】
0005408590.tif 000028
【図５】
0005408590.tif 000029
【図６】
0005408590.tif 000030
【図７】
0005408590.tif 000031
【図８】
0005408590.tif 000032
【図９】
0005408590.tif 000033
【図１０】
0005408590.tif 000034
【図１１】
0005408590.tif 000035
【図１２】
0005408590.tif 000036
【図１３】
0005408590.tif 000037
【図１４】
0005408590.tif 000038
【図１５】
0005408590.tif 000039
【図１６】
0005408590.tif 000040
【図１９】
0005408590.tif 000041
【図２１】
0005408590.tif 000042
【図２２】
0005408590.tif 000043
【図２３】
0005408590.tif 000044
【図２４】
0005408590.tif 000045
【図２９】
0005408590.tif 000046
【図３０】
0005408590.tif 000047
【図３２】
0005408590.tif 000048
【図３３】
0005408590.tif 000049
【図１７】
0005408590.tif 000050
【図１８】
0005408590.tif 000051
【図２０】
0005408590.tif 000052
【図２５】
0005408590.tif 000053
【図２６】
0005408590.tif 000054
【図２７】
0005408590.tif 000055
【図２８】
0005408590.tif 000056
【図３１】
0005408590.tif 000057