(57)【要約】【課題】測定レンジが広く、応用性にも富む面圧力計測装置を提供する。【解決手段】本発明の面圧力計測装置は、圧力による面外変位が独立して発生する粘弾性ゲルの領域１２を平面状に多数備えた圧力センサ・マトリックス１０と、前記領域の面外変位を光学的に計測する光計測手段２０とを備えている。圧力センサ・マトリックス１０の各領域１２での面外変位は、その領域の圧力により生じるから、各領域１２の面外変位を計測することで２次元的な圧力分布を求めることができる。この装置では、ｋＰａ以下の低い面圧力を高精度に測定することが可能であり、また、面圧力の時間変化に迅速に応答することができる。【選択図】図１
2011043443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力による面外変位が独立して発生する粘弾性ゲルの領域を平面状に多数備えた圧力センサ・マトリックスと、
前記領域の面外変位を光学的に計測する光計測手段と
を備えることを特徴とする面圧力計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の面圧力計測装置であって、前記圧力センサ・マトリックスが、前記領域を画成する枠体と、前記枠体が画成した前記領域に充填された前記粘弾性ゲルとを備えることを特徴とする面圧力計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の面圧力計測装置であって、前記圧力センサ・マトリックスが、多数の気泡を含む前記粘弾性ゲルの層から成り、前記気泡を内包する壁の内、前記層の表面に現われた壁が、前記領域を形成していることを特徴とする面圧力計測装置。
【請求項４】
請求項１から３に記載の面圧力計測装置であって、前記粘弾性ゲルが、ウレタンゲルであることを特徴とする面圧力計測装置。
【請求項５】
請求項１から４に記載の面圧力計測装置であって、前記光計測手段が、スペックル干渉法により前記領域の面外変位を計測することを特徴とする面圧力計測装置。
【請求項６】
請求項１から４に記載の面圧力計測装置であって、前記光計測手段が、デジタルホログラフィを利用した変位計測法により前記領域の面外変位を計測することを特徴とする面圧力計測装置。
【請求項７】
圧力による面外変位が独立して発生する粘弾性ゲルの領域を平面状に多数備えた圧力センサ・マトリックスで計測対象物体を覆うステップと、
前記圧力センサ・マトリックスにレーザを照射して前記領域の面外変位を光学的に計測するステップと
を備えることを特徴とする面圧力計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、流体が接する航空機の機体表面の圧力などを２次元的に計測する面圧力計測装置と、その計測方法に関し、測定レンジが広く、応用性に富む２次元圧力計測の実現を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、２次元圧力計測の方法として、感圧塗料を使用する方法や、ＭＥＭＳ圧力センサを使用する方法などが知られている。
感圧塗料を用いる２次元圧力計測では、例えば、下記特許文献１に記載されているように、周囲の圧力に応じて蛍光の発光強度が変化する感圧塗料（Pressure-Sensitive Paint、PSP）を測定対象に塗布し、これを気流の中に置いてカメラで撮影する。感圧塗料の蛍光は、気流に含まれる酸素により消光され、気流の酸素濃度は、気体圧力に比例するため、カメラの画像から、測定対象の表面の圧力分布を光学的に把握することができる。
また、ＭＥＭＳ圧力センサを用いる２次元圧力計測では、測定対象の表面に多数のＭＥＭＳ圧力センサを配置して、その表面の圧力分布を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、感圧塗料を用いる２次元圧力計測（面圧力計測）は、測定レンジが高圧側に片寄り、圧力がｋＰａ以下の低圧では精度が低下する。また、圧力の変化に対して応答性が悪く、圧力の時間変化を高精度に捉えることができない。
また、多数のＭＥＭＳ圧力センサを配置する面圧力計測では、多数の配線が必要になる。そのため、新しい測定対象に適用する場合、計測の準備に大きな負担が掛かり、応用性の面で著しく劣る。
【０００５】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、測定レンジが広く、応用性にも富む面圧力計測装置を提供し、また、その計測方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の面圧力計測装置は、圧力による面外変位が独立して発生する粘弾性ゲルの領域を平面状に多数備えた圧力センサ・マトリックスと、前記領域の面外変位を光学的に計測する光計測手段とを備えることを特徴とする。
圧力センサ・マトリックスの各領域での面外変位は、その領域の圧力により生じるから、各領域の面外変位を計測することで２次元的な圧力分布を求めることができる。
【０００７】
また、本発明の面圧力計測装置は、前記圧力センサ・マトリックスを、前記領域を画成する枠体と、前記枠体が画成した前記領域に充填された前記粘弾性ゲルとで構成することができる。
多数の孔を空けた薄板や金網を枠体とし、その孔や網目を粘弾性ゲルで充填して圧力センサ・マトリックスを形成することができ、この圧力センサ・マトリックスを用いて、圧力センサ・マトリックスの両面間の圧力差（相対圧力）を計測することができる。
【０００８】
また、本発明の面圧力計測装置は、前記圧力センサ・マトリックスを、多数の気泡を含む前記粘弾性ゲルの層で構成し、前記気泡を内包する壁の内、前記層の表面に現われた壁を、前記領域とすることができる。
粘弾性ゲルの層の表面に現われた、気泡を内包する薄い壁は、外気の圧力を受けて面外変位する。この圧力センサ・マトリックスを用いて、気泡内の圧力に対する外界の絶対圧力を計測することができる。
【０００９】
また、本発明の面圧力計測装置では、前記粘弾性ゲルとして、ウレタンゲルを用いることができる。
また、本発明の面圧力計測装置では、前記光計測手段が、スペックル干渉法やデジタルホログラフィを利用した変位計測法により、前記領域の面外変位を計測することが可能である。
スペックル干渉法やデジタルホログラフィを利用した変位計測法は、粘弾性ゲルのミクロンオーダーの面外変位を計測することができる。
【００１０】
また、本発明の面圧力計測方法は、圧力による面外変位が独立して発生する粘弾性ゲルの領域を平面状に多数備えた圧力センサ・マトリックスで計測対象物体を覆うステップと、前記圧力センサ・マトリックスにレーザを照射して前記領域の面外変位を光学的に計測するステップとを備えることを特徴とする。
この方法により、計測対象物体の表面における２次元的な圧力分布を測定することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の面圧力計測装置及び方法は、ｋＰａ以下の低い面圧力を高精度に測定することが可能で、かつ，高い圧力計測も可能であり，広い測定レンジを有している。また、面圧力の時間変化に迅速に応答することができる。
また、面圧力が圧力センサ・マトリックスに対して非接触で測定できるため、測定作業が容易であり、測定対象物の形状により適用が制限されることも無い。そのため、広い応用範囲を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る面圧力計測方法を説明する図
【図２】本発明の実施形態に係る面圧力計測装置の光計測装置を示す図
【図３】圧力センサの面外変位の測定実験を説明する図
【図４】圧力センサ・マトリックスを示す図
【図５】圧力センサの面外変位が無いときのスペックル干渉パターンを示す図
【図６】圧力センサの面外変位が有るときのスペックル干渉パターンを示す図
【図７】スペックル干渉法でのスペックル干渉画像の求め方を説明する図
【図８】図５及び図６のスペックル干渉パターンから求めたスペックル干渉画像を示す図
【図９】面外変位と干渉縞の間隔との関係を示す図
【図１０】スペックル干渉画像の輝度の時間変化を示す図
【図１１】スペックル干渉画像の輝度変化と圧力との関係を示す図
【図１２】圧力センサの面外変位と圧力との関係を示す図
【図１３】本発明の実施形態に係る他の圧力センサ・マトリックスを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る面圧力計測方法を概念的に示している。
２次元的な圧力分布の測定に用いる圧力センサ・マトリックス１０は、多数の孔を空けた金属薄板１１と、この金属薄板１１の孔に充填された粘弾性ゲル１２の薄層とで構成される。
金属薄板１１は、測定対象物の面に沿って変形可能な厚さを有している。
金属薄板１１の孔に充填された粘弾性ゲル１２の各々が圧力センサであり、この圧力センサは、薄層の両面間の圧力差（相対圧力）に応じて撓む（即ち、面外変位する）。各圧力センサの面外変位は、それぞれ独立して生じ、変位の大きさは、圧力センサの位置の相対圧力にのみ依存する。
【００１４】
この圧力センサ・マトリックス１０の各圧力センサの面外変位を計測するために、後述する光計測装置から圧力センサ・マトリックス１０にレーザ光２０が照射される。
レーザ光を粗面に照射すると、拡散した反射光が重なり合い、干渉して、斑点模様のスペックルパターンを形成することが知られている。光計測装置は、圧力センサ・マトリックス１０にレーザ光２０を照射したときのスペックルパターン３０を用いて粘弾性ゲル１２の面外変位を計測する。
【００１５】
図２は、本発明の実施形態の面圧力計測装置で用いた光計測装置を示している。
この装置は、スペックル干渉法により圧力センサの面外変位を計測しており、レーザ光を発するＨｅ−Ｎｅレーザ４１と、レーザ光の方向を変えるミラー４２と、レーザ光を拡大平行光束に変換する対物レンズ及び空間フィルタ４３と、平行光束の色収差を補正するアクロマチックレンズ４４と、平行光束の方向を変えるミラー４５と、平行光束を反射光及び透過光に分割するハーフミラー４６と、反射光を反射する参照板４８と、減光するＮＤフィルタ４９と、透過光を反射する圧力センサ・マトリックス１０と、スペックルパターンを撮影するＣＣＤカメラ４７とを備えている。
【００１６】
ここでは、噴流を噴射するジェット気流発生器５１を配置して、図３に示すように、圧力センサ・マトリックス１０の裏面からジェット気流発生器５１の噴流を当て、圧力センサのおもて面の面外変位をスペックル干渉法で測定している。
なお、圧力センサ・マトリックス１０は、図４に示すように、直径１ｍｍの孔を縦方向２ｍｍピッチ、横方向４ｍｍピッチで形成した厚さ０．５ｍｍのアルミパンチングシートにウレタンゲル（硬度０、圧縮弾性率（Ｐａ）１．２Ｅ＋０５、ポアソン比０．３３）を充填して形成している。
【００１７】
この光計測装置では、ハーフミラー４６に入射したレーザ光の平行光束が反射光と透過光とに２分され、反射光が参照板４８に入射し、透過光が圧力センサ・マトリックス１０に入射する。参照板４８に入射した平行光束は、参照板４８で反射され、ハーフミラー４６を透過してＣＣＤカメラ４７に入射する。一方、圧力センサ・マトリックス１０に入射した平行光束は、圧力センサ・マトリックス１０で反射され、ハーフミラー４６で反射されてＣＣＤカメラ４７に入射する。
参照板４８の反射で得られたスペックルパターンと圧力センサ・マトリックス１０の反射で得られたスペックルパターンとがＣＣＤカメラ４７の位置で結像するように調整され、それらを重ね合わせたスペックル干渉パターンがＣＣＤカメラ４７で撮影される。
ＣＣＤカメラ４７で撮影された画像は、ＰＣ（不図示）に送られて画像処理される。
【００１８】
図５は、圧力センサ・マトリックス１０に噴流を当てずに撮影した圧力センサ部分のスペックル干渉パターンを示している。
一方、図６は、圧力センサ・マトリックス１０にジェット気流発生器５１から噴流を噴射し、圧力センサに面外変位を生じさせた状態で撮影した圧力センサ部分のスペックル干渉パターンを示している。
スペックル干渉法では、図７に示すように、ＣＣＤカメラ４７の各画素において、変位発生前のスペックル干渉パターン（ａ）の強度（輝度値）と、変位発生後のスペックル干渉パターン（ｂ）の強度（輝度値）との差の絶対値を取り、スペックル干渉画像（ｃ）を得る。
【００１９】
図８は、図５及び図６のスペックル干渉パターンから生成したスペックル干渉画像を示している。このスペックル干渉画像には、変位量の大きさに応じた本数の干渉縞が現われる。そのため、干渉縞の数あるいは干渉縞の間隔から圧力センサの面外変位の大きさを知ることができる。
図９は、面外変位の大きさと干渉縞の間隔との関係を求めるために、面外変位していない圧力センサ・マトリックス１０を微小回転させ、この回転による面変位の大きさ（縦軸、単位μｍ）と、スペックル干渉画像の干渉縞の間隔（横軸、単位ｍｍ）とを測定した結果（点）について示している。なお、実線は、幾何学的に計算した結果であり、測定結果と良く一致している。
このように、面外変位の大きさと干渉縞の間隔との関係を予め調べておけば、圧力センサ・マトリックス１０の圧力センサの面外変位を、スペックル干渉画像の干渉縞の間隔から算出することができる。
【００２０】
また、図１０は、ジェット気流発生器５１で圧力センサ・マトリックス１０に加える圧力を強めていったときの“スペックル干渉画像の強度（輝度値）の時間変化”を示している。ここでは、圧力センサ部分のスペックル干渉画像を表示する２×２個のピクセルに着目し、それらのピクセルにおける強度（輝度値）を縦軸に、時間を横軸に表示している。隣り合う４つのピクセルの時系列波形は、圧力センサの面外変位による位相差の増大に伴うものであるため、いずれの時系列波形も近似している。
【００２１】
図１１は、図１０の横軸を、圧力センサ・マトリックス１０に加えた圧力（Ｐａ）で置き換えた“スペックル干渉画像の強度（輝度値）と圧力との関係”を示している。
この時系列波形の一つの輝度ピークの位相差は２πであり、また、スペックル干渉法の原理から、
ｗ＝（λ／４π）Δφ
（但し、ｗ：変位、λ：レーザ光の波長、Δφ：位相差）
が成り立つため、２πの位相差を生じる圧力センサの面外変形量は０．３１４μｍに相当する。
図１１から、極小位置（黒四角）の圧力を読み取り、そのときの変位を（ｋ×０．３１４μｍ、ｋ＝１、２、・・・）とプロットすることにより図１２の“圧力と面外変形量との関係”が得られる。
【００２２】
図１２から、圧力センサ・マトリックス１０の圧力センサにおける面外変位量が、圧力センサに加わる圧力に比例すること（即ち、線形性を有すること）が確認できる。
また、図１０から、位相の時間変化が計測できることが分かる。従って、この面圧力計測方法では、時間分解能の確保が可能である。
また、圧力センサの変位量が数μｍ程度の低圧であっても、スペックル干渉法のような光計測法を用いて正確な面圧力の測定が可能であることが分かる。現在、光計測法では、λ／１００（λ：光の波長）程度の計測まで可能である。
【００２３】
また、この面圧力計測方法では、圧力センサ・マトリックス１０の金属薄板に形成する孔の数を増やして、測定点数や測定面積の拡大を図ることができ、どのような測定対象物にも柔軟に適応できる。また、金属薄板の孔の密度を増やして空間精度の向上を図ることができる。
この面圧力計測方法は、圧力（即ち、力）を位置の変位に変換して計測している。この変換は、力を光の変化に変換する（即ち、圧力により酸素濃度が変化し、酸素濃度により感圧塗料の光反射効率が変わることを利用する）ＰＳＰ法や、力を電圧の変化に変換するＭＥＭＳ圧力センサ等に比べて、物理的に単純な原理に基づいており、ロバスト性（外乱や設計誤差などの不確定な変動に対して安定したシステム特性）を有している。
【００２４】
なお、ここでは、スペックル干渉法により圧力センサの面外変位を計測しているが、例えば、特開２００５−２６５４４１号公報に記載されているデジタルホログラフィを利用した変位計測法や、その他の光計測方法を用いて面外変位を計測しても良い。
また、圧力センサ・マトリックス１０の孔を空けた金属薄板に代えて、粘弾性ゲルを網目で保持する金網などを用いることもできる。
また、本発明で使用する圧力センサ・マトリックスの金属薄板や粘弾性ゲルの素材は、例示したものに限定されない。
【００２５】
また、圧力センサ・マトリックスは、図１３に示すように構成しても良い。
この圧力センサ・マトリックス６０は、多数の気泡６１を含む粘弾性ゲルの層で構成され、この層で測定対象物７０を被覆する。この圧力センサ・マトリックス６０では、層の表面に現われた、気泡６１を内包する薄い壁の部分が圧力センサとして機能する。この圧力センサは、外圧が気泡６１内の圧力より高ければ、窪むように変位し、外圧が気泡６１内の圧力より低ければ、膨らむように変位する。従って、この圧力センサ・マトリックス６０を用いることで、気泡６１内の圧力を基準とする絶対圧力の測定が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の面圧力計測装置及び方法は、広い測定レンジを有し、応用性に富んでおり、自動車や航空機、船舶、建築物、土木構築物など、面圧力の計測が必要な対象物の面圧力計測に広く用いることができる。
【符号の説明】
【００２７】
１０  圧力センサ・マトリックス
１１  金属薄板
１２  粘弾性ゲル
４１  Ｈｅ−Ｎｅレーザ
４２  ミラー
４３  対物レンズ及び空間フィルタ
４４  アクロマチックレンズ
４５  ミラー
４６  ハーフミラー
４７  ＣＣＤカメラ
４８  参照板
４９  ＮＤフィルタ
５１  ジェット気流発生器
６０  圧力センサ・マトリックス
６１  気泡
７０  測定対象物
【図１】
2011043443.tif 000003
【図２】
2011043443.tif 000004
【図３】
2011043443.tif 000005
【図４】
2011043443.tif 000006
【図５】
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【図６】
2011043443.tif 000008
【図７】
2011043443.tif 000009
【図８】
2011043443.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2011043443.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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