(57)【要約】【課題】強度、剛性、弾性などの機械的性質の面内分布に基づいた品質管理を行うための構造体状態測定方法を提供する。【解決手段】構造体の１以上の場所に打点を与える打点工程と構造体の所定の場所の振動を測定する振動測定工程と打点工程の打点の情報と振動測定工程によって得られた振動情報を基に構造体の所定の１カ所に打点が与えられたときの構造体の面内振動分布を解析する振動解析工程を有し、振動解析工程によって得られた構造体の面内振動分布の空間的対称性を基に構造体の状態を測定する。【選択図】図１
2019020281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体の１以上の場所に打点を与える打点工程と、
前記構造体の所定の場所の振動を測定する振動測定工程と、
前記打点工程の打点の情報と前記振動測定工程によって得られた振動情報を基に、前記構造体の所定の１カ所に打点が与えられたときの前記構造体の振動分布を解析する振動解析工程を有し、
前記振動解析工程によって得られた前記構造体の振動分布の空間的対称性を基に前記構造体の状態を測定する、構造体状態測定方法。
【請求項２】
前記振動解析工程における振動解析手段が３次元弾性波動方程式による、請求項１記載の構造体状態測定方法。
【請求項３】
前記打点工程における打点手段がレーザー光のスポット照射である、請求項１または２記載の構造体状態測定方法。
【請求項４】
前記打点は２以上であって、かつ時間差をもって打点が前記構造体に与えられる、請求項１から３の何れか１記載の構造体状態測定方法。
【請求項５】
前記振動測定工程における振動測定手段がレーザー光干渉測定手段、ピエゾ素子による振動測定手段、ひずみセンサーによる振動測定手段、アコースティックエッミッションセンサーによる振動測定手段、前記構造体と前記振動測定手段の距離の変化を静電容量の変化で測定する静電容量振動測定手段の少なくとも何れかである、請求項１から４の何れか１記載の構造体状態測定方法。
【請求項６】
前記面内振動分布の空間的対称性を評価する方法が、測定された振動分布のデータと、前記測定された振動分布を所定の角度回転させた、または所定の範囲の角度を回転させた、またはミラー反転させた、あるいは所定の角度の回転とミラー反転を組み合わせた振動分布のデータとのフィッティングをとり、前記フィッティングの残差により評価する、請求項１から５の何れか１記載の構造体状態測定方法。
【請求項７】
前記面内振動分布の空間的対称性を評価する方法が、測定された振動分布のデータと、前記測定された振動分布を所定の角度回転させた、または所定の範囲の角度を回転させた、またはミラー反転させた、あるいは所定の角度の回転とミラー反転を組み合わせた振動分布のデータとの差分を取ることを含む、請求項１から５の何れか１記載の構造体状態測定方法。
【請求項８】
空間的対称性を評価するときの座標系が円柱座標系である、請求項６または７記載の構造体状態測定方法。
【請求項９】
請求項１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性が、あらかじめ定めた基準値を満たすか満たさないかを判定基準として前記構造体の品質管理をする、品質管理方法。
【請求項１０】
構造体を製造する構造体の製造方法において、
請求項１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性が、あらかじめ定めた基準値を満たす構造体を選別する工程を有する、構造体の製造方法。
【請求項１１】
請求項１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性を基に構造体の不良場所を特定する、不良場所特定方法。
【請求項１２】
構造体に対して、請求項１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法による測定を経時的に実施し、前記測定による前記振動分布の空間的対称性の時間変化を基に、前記構造体の経時変化を測定する、経時変化測定方法。
【請求項１３】
請求項１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性があらかじめ定めた基準値を満たす、構造体。
【請求項１４】
請求項１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性があらかじめ定めた基準値を満たす構造体の領域を使って構造体を製造する、構造体の製造方法。
【請求項１５】
構造体を製造する構造体製造システムにおいて、
前記構造体製造システムにより製造された構造体の状態を請求項１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定する構造体状態測定工程と、
前記構造体状態測定工程により求めた振動分布の空間的対称性があらかじめ定めた基準値を満たすか満たさないかを判定する構造体状態判定工程と、
前記構造体状態判定工程により前記基準を満たさないと判定された構造物に対して前記基準を満たさない原因を調べる原因究明工程と、
前記原因究明工程に基づく原因を前記構造体製造システムに反映させる原因反映工程と、を有して構造体を製造する、構造体製造システム。
【請求項１６】
請求項１５記載の構造体製造システムを用いて構造体が製造される、構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体状態測定方法、品質管理方法、不良場所特定方法、経時変化測定方法、構造体の製造方法、構造体製造システムおよび構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、構造体の強度、剛性、弾性などの機械的性質の面内の分布に基づいた品質管理の重要性が高まっている。
連続繊維強化複合材料を用いた製品（構造体）では、繊維が一方向に並んだ積層材を用いることは少なく、設計者の求める強度および剛性となるように設計された繊維配向で、一方向材やクロス材を様々な角度で配置し積層材とすることが多い。また、短繊維や長繊維を用い、ランダムに繊維をばらまいたような非連続繊維強化樹脂複合材料の製品への適用もある。
このような材料を用いた構造体は、この材料の機械的性質の面内分布が構造体としての機械的性質、場合によってはその機械的性質が反映された音響伝搬性や熱伝導性といった物理的性質にまで影響を与える。そのため、その機械的性質の面内分布による品質管理、すなわち、その機械的性質が一様な分布をもつか、方向性をもった分布であるかといった視点からの品質管理が重要である。
【０００３】
構造体を非破壊で品質管理する方法としては、例えば、特許文献１および２に開示がある、固有振動数を用いて評価する方法が知られている。
特許文献１は、構造体が耐火物、コンクリート部材などの被打音検査物とした場合であるが、その構造体表面を打撃した際の振幅が最大となる振動数を測定し、その構造体から予想される理想固有振動数と比較してその構造体の健全度を指数化する方法である。この方法は、固有振動数比較という数値化がしやすい管理法であるが、機械的性質の面内分布の問題が明示的にわかる方法ではない。
特許文献２は、杭の品質管理方法であるが、杭を振動させることにより算出される固有振動数に基づいて杭の健全性を評価する方法である。この方法も、杭の機械的性質の面内分布の問題が明示的にわかる方法ではない。
【０００４】
また、構造体に超音波を印加して欠陥信号を検出し、品質管理を行ったり、欠陥部位を求めたりする方法があるが、機械的性質の面内分布の問題が明示的に示し、その結果を品質管理に繋げる方法ではない。
この例としては特許文献３を挙げることができる。
特許文献３は、ペネトレータの品質管理方法等に関するものであるが、そこでは、管体の溶接部を超音波探傷し、欠陥の合計面積と人工欠陥との信号強度差に基づき品質管理を行う方法が開示されている。この方法も、構造体であるペネトレータの機械的性質の面内分布の問題が明示的にわかる方法ではない。
以上に示したように、製品製造時の工程を乱さずに、非破壊で、かつ高速に面内分布を含めた強度、剛性等があるかを保証する方法、および面内分布を含めて製品の強度、剛性等が常に同程度であるかを品質保証する十分な方法は、これまでなかった。また、厚肉の上記複合材料の性能（強度／剛性等）を評価できる手法も殆どなかった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決する構造体状態測定方法を提供する。また、その測定方法を用いて構造体の品質を管理する品質管理方法、構造体を製造する構造体の製造方法、およびその製造方法による構造体を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３４０８６９号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２０００３号公報
【特許文献３】特開２００８−２０９３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、強度、剛性、弾性などの機械的性質の面内分布に基づいた品質管理を行うための構造体状態測定方法を提供することを目的とする。また、その測定方法を用いて構造体の品質を管理する品質管理方法、構造体を製造する構造体の製造方法、およびその製造方法による構造体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】
【０００８】
本発明の構成を下記に示す。
（構成１）
構造体の１以上の場所に打点を与える打点工程と、
前記構造体の所定の場所の振動を測定する振動測定工程と、
前記打点工程の打点の情報と前記振動測定工程によって得られた振動情報を基に、前記構造体の所定の１カ所に打点が与えられたときの前記構造体の振動分布を解析する振動解析工程を有し、
前記振動解析工程によって得られた前記構造体の振動分布の空間的対称性を基に前記構造体の状態を測定する、構造体状態測定方法。
（構成２）
前記振動解析工程における振動解析手段が３次元弾性波動方程式による、構成１記載の構造体状態測定方法。
（構成３）
前記打点工程における打点手段がレーザー光のスポット照射である、構成１または２記載の構造体状態測定方法。
（構成４）
前記打点は２以上であって、かつ時間差をもって打点が前記構造体に与えられる、構成１から３の何れか１記載の構造体状態測定方法。
（構成５）
前記振動測定工程における振動測定手段がレーザー光干渉測定手段、ピエゾ素子による振動測定手段、ひずみセンサーによる振動測定手段、アコースティックエッミッションセンサーによる振動測定手段、前記構造体と前記振動測定手段の距離の変化を静電容量の変化で測定する静電容量振動測定手段の少なくとも何れかである、構成１から４の何れか１記載の構造体状態測定方法。
（構成６）
前記面内振動分布の空間的対称性を評価する方法が、測定された振動分布のデータと、前記測定された振動分布を所定の角度回転させた、または所定の範囲の角度を回転させた、またはミラー反転させた、あるいは所定の角度の回転とミラー反転を組み合わせた振動分布のデータとのフィッティングをとり、前記フィッティングの残差により評価する、構成１から５の何れか１記載の構造体状態測定方法。
（構成７）
前記面内振動分布の空間的対称性を評価する方法が、測定された振動分布のデータと、前記測定された振動分布を所定の角度回転させた、または所定の範囲の角度を回転させた、またはミラー反転させた、あるいは所定の角度の回転とミラー反転を組み合わせた振動分布のデータとの差分を取ることを含む、構成１から５の何れか１記載の構造体状態測定方法。
（構成８）
空間的対称性を評価するときの座標系が円柱座標系である、構成６または７記載の構造体状態測定方法。
（構成９）
構成１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性が、あらかじめ定めた基準値を満たすか満たさないかを判定基準として前記構造体の品質管理をする、品質管理方法。
（構成１０）
構造体を製造する構造体の製造方法において、
構成１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性が、あらかじめ定めた基準値を満たす構造体を選別する工程を有する、構造体の製造方法。
（構成１１）
構成１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性を基に構造体の不良場所を特定する、不良場所特定方法。
（構成１２）
構造体に対して、構成１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法による測定を経時的に実施し、前記測定による前記振動分布の空間的対称性の時間変化を基に、前記構造体の経時変化を測定する、経時変化測定方法。
（構成１３）
構成１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性があらかじめ定めた基準値を満たす、構造体。
（構成１４）
構成１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定された前記振動分布の空間的対称性があらかじめ定めた基準値を満たす構造体の領域を使って構造体を製造する、構造体の製造方法。
（構成１５）
構造体を製造する構造体製造システムにおいて、
前記構造体製造システムにより製造された構造体の状態を構成１から８の何れか１記載の構造体状態測定方法を用いて測定する構造体状態測定工程と、
前記構造体状態測定工程により求めた振動分布の空間的対称性があらかじめ定めた基準値を満たすか満たさないかを判定する構造体状態判定工程と、
前記構造体状態判定工程により前記基準を満たさないと判定された構造物に対して前記基準を満たさない原因を調べる原因究明工程と、
前記原因究明工程に基づく原因を前記構造体製造システムに反映させる原因反映工程と、を有して構造体を製造する、構造体製造システム。
（構成１６）
構成１５記載の構造体製造システムを用いて構造体が製造される、構造体の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、構造体の面内分布を伴う強度、剛性、弾性などの機械的性質の状態測定方法が提供される。また、その測定方法を用いて構造体の状態を測定することにより、面内分布を含めて品質を管理する品質管理方法が提供される。また、その測定方法を用いることにより、構造体の不良場所の特定が可能になり、また経時変化を測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】構造体の状態を判定するための工程をフローチャートで示す工程図。
【図２】測定システムの構成を示す測定システム構成図。
【図３】測定システムの構成を示す測定システム構成図。
【図４】測定システムの構成を示す測定システム構成図。
【図５】振動計算による波動状態を示す平面図。
【図６】振動計算による波動状態を示す平面図。
【図７】振動計算による波動状態を示す平面図。
【図８】振動計算による波動状態を示す平面図。
【図９】構造体の状態を判定するための工程をフローチャートで示す工程図。
【図１０】波動状態の対称性を求めるための方法の説明図。
【図１１】波動状態の対称性を示す特性図。
【図１２】波動状態の対称性を示す特性図。
【図１３】波動状態の対称性を示す特性図。
【図１４】波動状態の対称性を示す特性図。
【図１５】波動状態の対称性を示す特性図。
【図１６】波動状態の対称性を示す特性図。
【図１７】振動計算による波動状態を示す平面図。
【図１８】振動計算による波動状態を示す平面図。
【図１９】振動計算による波動状態を示す平面図。
【図２０】振動計算による波動状態を示す平面図。
【図２１】振動の伝搬を示す平面図。
【図２２】振動の伝搬を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜実施の形態１＞
以下、本発明を実施するための第１の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
１．打点印加と振動測定
本発明による構造体状態測定方法の工程を示した図１に示すように、本発明では、最初に、構造体に打点を印加し（工程Ｓ１）、その打点による振動を測定する（工程Ｓ２）。
測定装置としては、例えば、図２に示す測定装置１０１を用いることができる。測定装置１０１は、光源（レーザー）２、光線走査手段３、振動測定手段５、制御手段７および振動波算出、解析手段８を有する。制御手段７からの指令により、光源（レーザー）２から発せられた光線４は、光線走査手段３によって構造体１の所定の場所に所定の間隔を置いて照射されて打点となる。
そして、構造体１の表面の振動を振動測定手段５によって測定する。
振動測定手段５によって測定された振動情報は制御系７に送られ、制御系７は、その振動情報と光源２および光線走査手段３に送った制御信号を基にした打点情報を合わせて振動波算出、解析手段８へ送る。
【００１３】
測定装置１０１では、振動測定手段５は非接触式の振動測定手段であって、ここでは、レーザー光６を用いた干渉計測による振動測定装置を示す。但し、非接触式の振動測定手段であっても光干渉方式に限るものではなく、例えば、静電容量の変化を測定する静電センサーや、空気振動検出センサーなどを用いることもできる。
また、図３に示す測定装置１０２の振動測定手段１５のように、接触式の振動測定手段、例えば、接触式の加速度センサー、ピエゾ素子などを用いたひずみセンサー、アコーステックエミッションセンサー（ＡＥセンサー）などを用いることもできる。
非接触式の振動測定手段５は、構造体に触れず、したがって構造体に傷や汚染を与えずに測定ができるという特徴がある。
一方、接触式の振動測定手段１５は、厚さ方向（Ｚ方向）のみならず平面方向（Ｘ方向やＹ方向）の振動も容易に測定することができ、測定環境依存性も少ないという特徴がある。例えば、非接触式の振動測定手段５の場合は、測定精度は構造体１と振動測定手段５の空間の空気の揺らぎ（温度による屈折率揺らぎ）の影響を受けるので、振動測定手段５の近傍は温度が十分管理された層流環境にする必要があるが、接触式の振動測定手段１５の場合は、その場合より温度などの環境の影響を受けにくい。
【００１４】
図２および図３では、打点の印加は、振動測定手段５や１５による振動測定面側で行っているが、それに限るものではない。図４の測定装置１０３に示すように、光源１２および光線走査手段１３を使用して振動測定面側とは逆面側に光線４をスポット状パルスにして照射し、打点を印加してもよい。
振動測定面側とは逆面側に打点を与える方法は、打点を与える場所が振動測定手段５の配置に無関係に設定できるという特徴がある。すなわち、振動測定手段５によって遮られることなく、所望の場所に打点を与えることができるという特徴がある。
一方、振動測定面側と同じ面側に打点を与える方法は、筒状など振動測定面とは反対面側に打点を与えにくい場合に有効な方法である。
【００１５】
打点は、インパルス的に構造体に機械的衝撃を与えるものであればその手段は問わない。例えば、パルスレーザー照射による打点、棒先端部のインパルス的接触による打点、高圧ガスのスポット状パルス照射による打点および集約的音波照射による打点などを挙げることができる。
【００１６】
打点の数は、２以上が好ましい。多いほど構造体の状態の測定精度が向上する。一方で、打点の数が多くなると測定に時間がかかる。
打点を行う場所は、任意の場所でよい。但し、構造体の状態の測定精度上からは、振動測定手段５または１５によって振動測定を行う場所を取り囲むような場所であることが好ましい。
複数の打点を同時に印加することもできるが、複数の打点を同時に印加すると振動波計算出が複雑になり、その処理にも時間がかかるため、先に打った打点による振動が収束する程度の時間をおいて１打点ずつ打つのが好ましい。通常、振動の減衰が少ない(振動収束時間が長い)試験体では、打点の時間間隔は、１０ｍｓ、短くても１ｍｓ程度が用いられる。試験体や試験範囲の大きさなどを考慮して調節される。なお、打点の時間的および空間的間隔は一定でも一定でなくても構わない。
打点の大きさは、構造体に非可逆的な変形や破壊をもたらさず、可逆的な変形を起こして構造体に振動を与える程度の大きさとする。
【００１７】
２．振動分布（振動波）計算
振動分布計算工程Ｓ３では、制御系７より送られてきた打点情報と振動情報を基に、振動波算出、解析手段８にて、振動分布（振動波）計算を行う。
振動分布計算では、下記（数１）にて示される３次元弾性波動方程式を用いて振動分布を計算する。具体的には、打点情報と振動情報を（数１）に入れて、まずｃ１１からｃ６６までの３６個の要素からなる構造体の弾性率（スティフネスマトリックス）ｃを求める。そして、そのｃを用いて、構造体の１点に打点を与えたときを仮定して、打点を与えた時間から所定の時間経過した後の変位ｕ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。
【００１８】
【数１】
2019020281.tif 000003
ここで、ｕなどの各要素は下記（数２）から（数８）によって与えられる。
【００１９】
【数２】
2019020281.tif 000004
【数３】
2019020281.tif 000005
【数４】
2019020281.tif 000006
【数５】
2019020281.tif 000007
【数６】
2019020281.tif 000008
【数７】
2019020281.tif 000009
【数８】
2019020281.tif 000010
したがって、（数１）から（数８）をまとめて記載すると、下記（数９）になる。
【００２０】
【数９】
2019020281.tif 000011
【００２１】
先にも述べたように、（数１）から導出される（数９）を用いて、ｃ１１からｃ６６までの３６個の要素からなる構造体の弾性率（スティフネスマトリックス）ｃを打点による測定データを使って求め、そのｃを用いて所定の時間の変位ｕ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。
【００２２】
３．空間対称性評価
次に、振動分布対称性評価工程Ｓ４として、求めた弾性率ｃが組み込まれた３次元弾性波動方程式（数１）あるいは（数９）を用いて求めた構造体の１点に打点が与えられて所定の時間がたったときの振動波、言い換えれば振動分布を基に、その対称性を評価して構造体の状態を求め、品質管理などの基にする。
【００２３】
図５は、積層構造が異なる２種類のＣＦＲＰ  Ｃｌｏｔｈ（Ｃａｒｂｏｎ  ｆｉｂｅｒ  ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  ｐｌａｓｔｉｃｓ  編み布）に対して、本方法により１点に打点を与えた１２μｓ後および２４μｓ後の振動波を求め、それを等高線で示した図である。ここで、この図の等高線は、ｘ，ｙ，ｚ方向の変位、すなわちΔｕｘ，Δｕｙ，Δｕｚに対して二乗和平均をとり、さらにその平方根をとったときの最大値と最小値を‐１２８から＋１２７までの２５６階調にして表した。
【００２４】
ここでの振動は、ｘ，ｙ，ｚ方向の変位を全て取り込んだその二乗和平均としたものであるが、これに限らずｚ方向の変位のみ、すなわち構造体の厚さ方向の変位のみとすることも、ｘ方向の変位のみの一軸方向の伸び縮みとすることも、ｙ方向の変位のみの一軸方向の伸び縮みとすることも、また、ｘ方向とｙ方向の変位の二乗和平均として平面内の伸び縮みとしてもよい。
この使い分けは、構造体の構成と着目する機械的特性による。一般には、３方向全ての変位を取り込んでその二乗和平均をとるのが全ての振動を平均的に評価する方法なので好ましい。ｚ方向の変位のみを用いる等高線の方法は、振動測定手段５や１５が簡便になり、測定しやすいという特徴をもつ。また、例えば、一軸方向のみに繊維が配向されている場合、その方向に沿って変位を測定するのが、変位量が最も増えて測定精度が高まりやすい。また、構造体の局所的な伸び縮みが問題になるときは、ｘとｙの二乗和平均をとるのが好ましい。
【００２５】
図５の振動測定には図４に示す裏面側に打点を与えて表面側の振動を測定する装置を用いた。構造体の大きさは、厚さ３ｍｍ、縦２００ｍｍ、横２００ｍｍである。
ここで、ＣＦＲＰ  Ｃｌｏｔｈ（０／９０）１４は、薄膜のＣＦＲＰ  Ｃｌｏｔｈを１４枚準備し、基準の向き（０°）として１４層積層させて厚さ約３ｍｍとした構造体である。
ＣＦＲＰ  Ｃｌｏｔｈ［（０／９０）／（＋４５／‐４５）］４Ｓは、薄膜のＣＦＲＰ  Ｃｌｏｔｈを１６枚準備し、基準の向き（０°）、それとは４５°回転させた向き、基準の向き、４５°回転させた向き、基準の向き、４５°回転させた向き、基準の向き、４５°回転させた向き、４５°回転させた向き、基準の向き、４５°回転させた向き、基準の向き、４５°回転させた向き、基準の向き、４５°回転させた向き、基準の向きとして１６層積層させて厚さ約３ｍｍとした構造体である。
【００２６】
ＣＦＲＰ  Ｃｌｏｔｈ（０／９０）１４の場合は、振動中心部（打点を与えた点）付近で十文字状、周辺部で菱形状の波面になっている。これは、この構造体の繊維の配向が、Ｘ方向とＹ方向の２方向からなっているためと考えられる。
一方、ＣＦＲＰ  Ｃｌｏｔｈ［（０／９０）／（＋４５／‐４５）］４Ｓの場合は、同心円状の波面になっている。これは、この構造の繊維の配向が４５°ずつ異なった１６層という多層の積層膜からなっていることにより、疑似的に特定の繊維配向性をもたないことによると考えられる。このように、本発明による振動分布を用いると、構造体の繊維配向上の素性を知ることが可能になる。
【００２７】
図６は、図５の場合と同様に、裏面側に打点を与えて表面側の振動を測定する装置を用いて測定した打点‐振動データを基にして、中心部の一点に打点を与えたときの１０μｓ後と２０μｓ後の振動分布を計算により求めたものである。
試料（構造体）は全て繊維の配向性を有するＣＦＲＰからできていて、（０）１４と表記されているものは同じ向きで１４層積層したもの、（０／９０／９０／０）４と表記されたものは、基準の向き（０°）、９０°回転させた向き、９０°回転させた向き、基準の向きを１セットとしてそれを４セット積層（計１６層積層）したものである。（０／＋４５／９０／‐４５／‐４５／９０／＋４５／０）２と表記されたものは、基準の向き（０°）、＋４５°回転させた向き、９０°回転させた向き、‐４５°回転させた向き、‐４５°回転させた向き、９０°回転させた向き、＋４５°回転させた向きおよび基準の向きを１セットとしてそれを２セット積層（計１６層積層）したものである。また、（０／＋６０／‐６０／‐６０／＋６０／０）３と表記されたものは、基準の向き（０°）、＋６０°回転させた向き、‐６０°回転させた向き、‐６０°回転させた向き、＋６０°回転させた向き、および基準の向きを１セットとしてそれを３セット積層（計１８層積層）したものである。
【００２８】
繊維が同じ方向に配向された（０）１４の振動分布は楕円状になり、繊維が０°と９０°の直交する２方向に配向された（０／９０／９０／０）４の振動分布は周辺部で十文字状または菱形状になっている。繊維が４５°ずつ異なる４方向に配向された（０／＋４５／９０／‐４５／‐４５／９０／＋４５／０）２の振動分布は略同心円状で、繊維が６０°ずつ異なる３方向に配向された（０／＋６０／‐６０／‐６０／＋６０／０）３の振動分布も略同心円状になっている。このように、繊維の主配向に応じて振動分布は異なる。逆にいうと、振動分布から繊維の主配向性を推察することができる。
【００２９】
図７は、振動を測定する面と同じ側の表面側に打点を与えて振動を測定する装置１０２を用いて測定した打点‐振動データを基にして、中心部の一点に打点を与えたときの１２μｓ後と２４μｓ後の振動分布を計算により求めたものである。
ここで、試料（構造体）は、繊維が無秩序に配向されたＣＦＲＰからできている。そして、その厚さが２６ｍｍと３ｍｍの２種類の試料の振動分布を比較評価した。両試料の縦と横の大きさは共に２００ｍｍである。
試料の厚さが比較的厚い２６ｍｍの試料を用いた場合は、乱れがあるものの略円状の振動分布を示しているのに対し、比較的薄い３ｍｍの厚さの試料では、振動分布はモホロジーの目立つ乱れたものとなり、かつ周辺部には十文字状の分布が認められる。薄くなって繊維の数が比較的少なくなることにより、この構造体は、繊維の配向が完全な無秩序ではなく、ある程度の偏りのある状態であることが本方法によってわかる。
【００３０】
図８は、側面部の一点の打点を与えたときの６μｓ後と１２μｓ後の側面の振動分布を計算により求めたものである。
平面部に打点を与えた場合と異なり、振動の拡がりに偏りが認められる。この偏りから試料の機械的性質に対する積層構造の影響を評価できる。
【００３１】
＜実施の形態２＞
実施の形態２では、振動分布の空間対称性を定量的に評価する方法について述べる。
空間対称性を評価する方法はいろいろあるが、ここでは、振動分布の空間対称性を評価する空間対称性評価工程Ｓ４が、図９に示す円柱座標変換（工程Ｓ１１）、座標回転（工程Ｓ１２）、フィッティング計算（工程Ｓ１３）および、フィッティング値による判定（工程Ｓ１４）からなる場合について説明する。なお、振動分布計算工程Ｓ３までは、実施の形態１と同様である。
【００３２】
１．円柱座標変換（工程Ｓ１１）
まず、円柱座標変換工程Ｓ１１として、上記振動分布計算のときに与えた打点を原点として、振動分布を円柱座標系に座標変換する。
例えば、振動分布計算によって求めた振動分布が（ｘ，ｙ）座標系で打点を（０，０）に与えた場合、（数１０）を使って（ｒ，θ）座標系に変換する。
【数１０】
2019020281.tif 000012
【００３３】
２．座標回転（工程Ｓ１２）
その後、座標回転工程Ｓ１２として、その円柱座標系に変換された振動分布ｕ（ｒ，θ）を原点を中心にして所定の角度回転（φ）させた振動分布図形ｕｒｏｔ（ｒ，θ）を計算する。
ここで、所定の角度回転させた振動分布図形ｕｒｏｔ（ｒ，θ）は（数１１）によって計算される。
【数１１】
2019020281.tif 000013
【００３４】
図１０に、所定の角度回転させた振動分布図形の例を示す。同図には、主に一軸方向に波面が伝搬する主一軸伝搬、二方向に波面が伝搬する二方向伝搬および等方向に伝搬する（等方伝搬）の例を示す。ここで、主一軸伝搬では波面が楕円形状の伝搬、二方向伝搬では菱形形状の伝搬、そして等方伝搬では同心円形状の伝搬になる。
オリジナルの振動分布図形を０°回転の図形として、それを原点（０，０）を中心に‐４５°、‐９０°、‐１８０°、‐２５０°回転させた振動分布図形が図１０に示されているが、主一軸伝搬では、‐１８０°回転の振動分布図形がオリジナルの振動分布図形と一致し、二方向伝搬では、‐９０°および‐１８０°回転の振動分布図形がオリジナルの振動分布図形と一致する。また、等方伝搬では、どの角度回転させた動分布図形もオリジナルの振動分布図形と一致する。
【００３５】
３．フィッティング計算（工程Ｓ１３）
フィッティング計算工程Ｓ１３では、オリジナルの振動分布図形と回転させた振動分布図形の相似性をフィッティング値という形で定量化する。
フィッティングパラメータは、図形間の相似性、同一性を数値として定量化できるものであれば用いることができるが、ここではフィッティング評価法として汎用に利用されている最小二乗法による方法を説明する。なお、このほかの方法としては、差分による方法も挙げることができる。
【００３６】
最小二乗法による場合、角度φ回転させたときのオリジナルの振動分布図形ｕ（ｒ，θ）とのフィッティングパラメータｆ（φ）は（数１２）によって与えられる。
【００３７】
【数１２】
2019020281.tif 000014
【００３８】
４．フィッティング値による判定（工程Ｓ１４）
フィッティングパラメータｆ（φ）は値が小さいほどフィッティング度が高く、振動分布図形の相似性が高いことを意味する。すなわち、小さい値のフィッティングパラメータｆ（φ）が得られる場合は、その角度φで高い対称性が得られることを意味する。前記のように、振動分布図形の対称性は、構造物の機械的特性の対称性を表すものとなる。
【００３９】
図１１は、振動分布が周期的な対称性をもつ場合のフィッティングパラメータｆ（φ）曲線を示す。回転角φがθａ１，θａ２，θａ３というような周期的な値をもつ毎にフィッティング値は極小となる。
構造体の振動分布のフィッティングパラメータｆ（φ）が図１１に示すような周期変動を示す場合、その構造体は回転方向に対して周期的な機械的性質をもつことを意味する。
【００４０】
図１２は、振動分布が対称性をもたない場合のフィッティングパラメータｆ（φ）曲線を示す。フィッティング値が極小となるのは０°や３６０°に限られる。
構造体の振動分布のフィッティングパラメータｆ（φ）が図１２に示すような曲線を描く場合、その構造体の機械的性質は非周期的で方向依存性をもたないことを意味する。
【００４１】
図１３は、主一軸伝搬性の振動分布をもつ場合のフィッティングパラメータｆ（φ）曲線を示す。回転角φが０°、１８０°，３６０°というように１８０°毎にフィッティング値は極小となる。
構造体の振動分布のフィッティングパラメータｆ（φ）が図１３に示すような１８０°毎の周期変動を示す場合、その構造体は主に一軸に沿って対称な機械的性質をもつことを意味する。
【００４２】
図１４は、等方伝搬性の振動分布をもつ場合のフィッティングパラメータｆ（φ）曲線を示す。この場合、フィッティング値は回転角φにほぼよらずに小さな値になる。
構造体の振動分布のフィッティングパラメータｆ（φ）が図１４に示すように回転角φにほぼよらずに小さな値になる場合、その構造体は等方的な機械的性質をもつことを意味する。
【００４３】
図１５は、回転角θｂ１とθｂ２のところに対称性が認められる振動分布で、特に回転角θｂ２のところ対称性が高いときのフィッティングパラメータｆ（φ）曲線を示す。
構造体の振動分布のフィッティングパラメータｆ（φ）が図１５に示すように０°から３６０°の間に複数の極小値をもつ場合、その構造体はその極小値の角度で空間的に対称的な機械的性質をもち、特にその極小値が小さな場合はその角度方向に対して強い対称的な機械的性質をもつことを意味する。
【００４４】
ここでは面内振動分布の空間的対称性を評価する方法として、測定された振動分布のデータと測定された振動分布を所定の角度回転させた振動分布のデータとのフィッティングをとり、フィッティングの残差により評価する方法を述べたが、測定された振動分布を所定の角度回転させた振動分布に代えて、測定された振動分布を所定の範囲の角度回転させた振動分布とすることもできる。
【００４５】
５．ミラー反転対称の場合
前記のフィッティング計算工程Ｓ１３では、オリジナルの振動分布図形と回転させた振動分布図形の相似性をフィッティングパラメータ値という形で定量化したが、振動分布の対称性は、上記の回転対称性のほか、ミラー反転対称性もある。
ここでは、ミラー反転対称性をフィッティングパラメータ値で定量化する方法について述べる。
前記したように、フィッティングパラメータは、図形間の相似性、同一性を数値として定量化できるものであれば用いることができるが、ここではフィッティング評価法として汎用に利用されている最小二乗法による方法を説明する。
【００４６】
角度φ回転させたときのオリジナルの振動分布図形ｕ（ｒ，θ）のミラー反転フィッティングパラメータｆＭ（φ）は（数１３）によって与えられる。
【００４７】
【数１３】
2019020281.tif 000015
【００４８】
ミラー反転フィッティングパラメータｆＭ（φ）は値が小さいほどフィッティング度が高く、振動分布図形の相似性が高いことを意味する。すなわち、小さい値のミラー反転フィッティングパラメータｆＭ（φ）が得られる場合は、その角度φで高いミラー反転対称性が得られることを意味する。前記のように、振動分布図形の対称性は、構造物の機械的特性の対称性を表すものとなる。
角度φのときに高いミラー反転性をもつ振動分布と角度φの関係（振動分布特性）を図１６に示す。振動分布特性でθｃの回転角で極小値が得られる場合は、角度θｃで、高いミラー反転分布の機械的特性がその構造体に備わっていることを意味する。そしてその極小値の値が小さいほどその機械的特性のミラー反転分布は強いことを意味する。
【００４９】
６．本発明の方法の特徴
本発明は、構造体に２以上の打点を与え、その打点による構造体表面の振動を１以上の場所で測定した後、構造体の１点に打点を与えたときの構造体表面の振動波面、言い換えれば振動分布を３次元弾性波動方程式を用いて計算し、その振動分布の対称性を判定して、構造体の機械的状態を求めるというものである。
一方、構造体の振動分布を測定し、構造体の機械的状態を求める方法としては、下記に示すものも考えられる。
その方法は、構造体の１点に打点を与え、その打点による構造体の振動分布を直接測定する方法である。
【００５０】
シミュレーションではあるが、その方法の一例を図２１および図２２に示す。
図２１は、金属のような面内均質な機械的性質をもつ板状の構造体の中心に打点を与え、その後の構造体の振動の拡がり（波面の拡がり）を時系列的に載せたものである。
図２２は、一方向性の機械的性質をもつ板状の構造体の中心に打点を与え、その後の構造体の振動の拡がり（波面の拡がり）を時系列的に載せたものである。前記試料でいうと、ＣＦＲＰ（０）１４のようなものの場合である。
なお、これらの図では、簡単化のために、第１象限と第４象限のみを載せている。対称性があるので、第２及び第３象限はこれをミラー反転した振動分布になっている。
【００５１】
図２１に示す面内均質な機械的性質をもつ構造体の場合は、振動波面は同心円状に拡がり、図２２に示す一方向性の機械的性質をもつ構造体の場合は、菱形状の波面が拡がっている。これらの波面形状（振動分布）は、上記本発明の結果と一致している。
【００５２】
実際にこの方法で構造体の状態測定を行う場合には、対象とする面内全域での振動測定が必要になる。しかも、その振動測定は対象とする面内全域の同時測定が好ましい。このため、この方法は、本発明の方法より、測定装置が大掛かりなものとなる。特に、振動測定を構造体の厚さ方向（Ｚ方向）のみならず、平面方向（Ｘ，Ｙ方向）の伸び縮みも対象とする面内全域で測定しようとすると、装置は精緻、複雑でより大掛かりなものとなる。
また、測定精度を高めるため、複数回の測定、すなわち複数回の打点を与えた測定とするときは、前の打点の影響が次の打点の測定に悪影響を及ぼさないように（前の打点による振動が収まるまで）、打点間で十分な時間を置くことが好ましい。このため、この方法には、測定時間も長くなるという問題がある。
また、この方法では、拡がり拡散や途中の欠陥などの影響により構造体の周辺部の測定精度を高めにくいという問題がある。
【００５３】
一方、本発明の方法は、振動測定が１点でよく、打点もパルスレーザー光の掃引とすることができるので、測定装置も小型で簡便なものとなる。また、測定時間も短いという特徴をもつ。また、本発明の方法は、打点を周辺部を含む多数の別の場所に打つことにより、構造体の周辺部を含めて測定精度を高めやすいという特徴をもつ。
なお、本発明による被測定対象は、板状に限るものではなく曲面でも３Ｄ構造であってもよい。また、板などの素材状の段階から製造構造物の段階まで測定できるという特徴をもつ。
【００５４】
＜実施の形態３＞
実施の形態３では、上記実施の形態１および２に示した構造体の状態測定法の適用とその展開、すなわち、構造体状態測定法の応用について述べる。
【００５５】
本発明の構造体の状態測定方法は、構造体の品質管理方法として好適である。本発明の構造体の状態測定方法で測定された振動分布の空間的対称性は、その構造体の機械的特性の分布に対応する。このため、その空間的対称性を使うことにより、従来の方法では困難であった空間分布を含む構造体の機械的特性の品質管理が可能となる。また、この品質保証法で品質が保証された構造体は所定の機械的空間分布特性を有する品質をもつものとなる。
特に、空間的対称性を定量化する前記フィッティングパラメータｆ（φ）、ｆＭ（φ）を極小にする回転角φｍｉｎとそのフィッティング値ｆ（φｍｉｎ）、ｆＭ（φｍｉｎ）があらかじめ定めた基準値に収まるかを判定基準にして品質管理を行うと精度の高い品質管理を行うことができる。これは、これらの指標が空間的対称性を精度よく定量的に表しているためである。
【００５６】
本発明の構造体の品質管適用法の具体例としては、例えば、ランダム材のランダム性品説保証を挙げることができる。ランダム材であってもその製造プロセスや製品の厚みなどにより繊維の配向性が異なることがあるが、本発明の構造体の状態測定方法を用いることにより、ランダムであるか方向性をもつかを判定することが可能になる。
また、ＣＦＲＰなどを製造する際の繊維配向ミスによる製品不良を本発明の構造体状態測定方法により、素材段階から最終製品段階のどこの段階でも見つけることが可能なので、本発明は構造体の品質保証法として有効である。
【００５７】
構造体を製造するにあたって、構造体に用いる素材の段階、構造体を製造する途中の段階、最終的に製造された構造体の段階の少なくとも何れかの段階で本発明の構造体状態測定を用い、振動分布の空間対称性があらかじめ定めた基準値を満たすものを選別することが好ましい。また、この空間対称性を定量化する上に当たって、フィッティングパラメータｆ（φ）、ｆＭ（φ）を極小にする回転角φｍｉｎとそのフィッティング値ｆ（φｍｉｎ）、ｆＭ（φｍｉｎ）を用いることが好ましい。本発明の構造体状態測定による選別工程を経て選別製造された構造体は、空間分布を含んで所望の機械的特性を有するものとなる。
本発明の構造体状態測定は薄膜の板状に限らず、厚膜の板状、３Ｄ構造をもつ複雑な形状、円筒状等の内部に空間（空洞）をもつ構造の何れの構造体に対しても適用可能なので、構造体の製造工程のどの段階でも適用可能という特徴をもつ。
【００５８】
構造体を製造するにあたって、構造体に用いる素材の段階、例えば構造体を構成する板材の段階で本発明の構造体状態測定を用い、振動分布の空間対称性があらかじめ定めた基準値を満たす領域を特定し、その領域内の素材部を用いて構造体を製造するのが好ましい。ここで、この空間対称性を定量化する上に当たって、フィッティングパラメータｆ（φ）、ｆＭ（φ）を極小にする回転角φｍｉｎとそのフィッティング値ｆ（φｍｉｎ）、ｆＭ（φｍｉｎ）を用いることが好ましい。
このようにすると、空間分布を含んで所望の機械的特性を有する素材で構造体を製造できるので、製造された構造体も空間分布を含んで所望の機械的特性を有するものとなる。
【００５９】
また、構造体に対して、本発明の構造体状態の測定を行い、その測定によって得られた空間的対称性を基に構造体の不良個所を特定することも好ましい。
例えば、ランダム材とされた材料を用いて製造された構造体に対して本発明の構造体状態の測定を行い、空間的対称性評価を行うと、部分的に配向が揃ってランダムではなくなり所望の機械的性質が得られなくなった不良個所がある場合、その不良個所を特定することが可能になる。
【００６０】
また、構造体に対して、経時的に本発明の構造体状態の測定を行い、空間的対称性の経時変化を基に構造体の機械的特性の空間分布変化をモニターすることも有用である。
例えば、航空機のプロペラや翼などの構造体に対し本発明の構造体状態の測定を行い、振動分布の経時的空間的変化から機械疲労状態をモニターすることが可能になる。
【００６１】
また、構造体を製造する構造体製造システムにおいて、構造体製造システムにより製造された構造体の状態を本発明の構造体状態測定方法を用いて測定する構造体状態測定工程と、構造体状態測定工程により求めた振動分布の空間的対称性があらかじめ定めた基準値を満たすか満たさないかを判定する構造体状態判定工程と、構造体状態判定工程により基準を満たさないと判定された構造物に対して前記基準を満たさない原因を調べる原因究明工程と、原因究明工程に基づく原因を前記構造体製造システムに反映させる原因反映工程と、を有して構造体を製造する構造体製造システムも有効である。また、その構造体製造システムによって製造体を製造することも有効である。
例えば、ＣＦＲＰを製造する際に繊維配向ミスがあった場合、その繊維配向起因により製造されるＣＦＲＰの振動分布対称性が所定の対称性と異なるが、本発明の方法によるその振動分布対称性の測定を通じて繊維配向ミスが判明し、所望の構造体（ＣＦＲＰ）を製造することが可能になる。
【実施例】
【００６２】
以下、本発明の構造体の状態測定方法を平織のＣＦＲＰ試料に適用して、その振動測定解析から構造体の機械的特徴を求めた実施例につき以下に説明する。なお、当然ながら、本発明はこの実施例に示した特定の形式に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲により規定されるものである。
【００６３】
（実施例１）
実施例１は、試料（構造体）を配向の組み合わせを変えた平織のＣＦＲＰ積層膜としたときの、試料の機械的状態を調べた例である。
ここで、試料の配向の組み合わせは、０°／９０°を積層した直交した２方向の構造をもつものと、０°／９０°と‐４５°／＋４５°を積層した疑似等方性の構造をもつものとした。試料は、縦２００ｍｍ、横２００ｍｍの板状で、その板厚は約３ｍｍである。
【００６４】
測定装置としては、図４に示す表面側で振動を測定し、裏面側にレーザー光４を照射して打点とする測定装置１０３を用いた。
レーザー１２としては、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーを用いた。そのレーザーのパワーは最大で約３０ｍJ、パルス幅は約８ｎｓ、ビーム径（直径）は約０．５ｍｍ、繰り返し周波数は１００Ｈｚとした。
振動測定手段１５としては、接触式のＡＥセンサーを用いた。
試料の表面側の中心にＡＥセンサーを接触させて、試料裏面側の周辺部にレーザー光４を掃引しながら１６００秒間照射して（工程Ｓ１）、打点‐振動の測定データを取得した（工程Ｓ２）。ここで、レーザー光４は、試料の中央を取り囲む正方形状の場所（正方形の辺上）に照射した。
【００６５】
打点‐振動の測定データを取得した後、実施の形態１で示した方法により、振動分布計算（工程Ｓ３）を行った。中心部の１点に打点を与えた１６μｓ後の振動分布（波面）を図１７に示す。ここで、振動および等高線の定義は、図５で示したものと同じである。
直交した２方向の構造をもつ平織０°／９０°ＣＦＲＰは中心付近が十文字状、周辺部が菱形状の振動分布形状を示し、疑似等方性の構造をもつ平織０°／９０°と平織‐４５°／＋４５°の積層ＣＦＲＰは同心円状の振動分布形状を示した。
【００６６】
この振動分布に対して実施の形態２で示した円柱座標変換（工程Ｓ１１）を行った結果を図１８に示す。
【００６７】
円柱座標変換を行った振動分布に対して実施の形態２で示した座標回転（工程Ｓ１２）を行った結果を図１９および図２０に示す。これらの図では、オリジナル（０°）、‐２０°、‐４５°、‐６０°、‐９０°および‐１８０°回転の場合を例示として示した。ここで、図１９は平織０°／９０°ＣＦＲＰを試料とした場合で、図２０は平織０°／９０°と平織‐４５°／＋４５°の積層ＣＦＲＰを試料とした場合である。
直交した２方向の構造をもつ平織０°／９０°ＣＦＲＰは回転角０°、‐９０°および‐１８０°で相似の形状となり、疑似等方性の構造をもつ平織０°／９０°と平織‐４５°／＋４５°の積層ＣＦＲＰは全ての回転角で相似の形状になっていることが目視でもわかる。
【００６８】
その後、実施の形態２で示したフィッティング計算（工程Ｓ１３）を最小二乗法を用いて行い、そのフィッティング値を用いてフィッティング値による判定（工程Ｓ１４）を行った。
その結果、直交した２方向の構造をもつ平織０°／９０°ＣＦＲＰは回転角０°、‐９０°、‐１８０°および‐２７０°で極小のフィッティング値をとり、その値は０に近いものであった。また、疑似等方性の構造をもつ平織０°／９０°と平織‐４５°／＋４５°の積層ＣＦＲＰのフィッティング値は回転角によらずほぼ０となった。
したがって、振動分布の対称性は構造体の機械的構造分布と相関が取れていることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上説明したように、本発明によれば、構造体の面内分布を伴う強度、剛性、弾性などの機械的性質の状態測定方法が提供される。また、その測定方法を用いて構造体の状態を測定することにより、面内分布を含めて品質を管理する品質管理方法が提供される。このため、例えば、連続繊維強化複合材料に本発明の構造体状態測定方法を適用すれば、振動分布の面内分布およびその対称性から、機械強度分布が求められる性能を満たすか否か、およびその測定結果から繊維配向への指針が明らかになる。連続繊維強化複合材料からなる構造体の不良場所の特定も可能になり、また経時変化も測定することが可能になる。機械的性質を面内分布を基に管理できる方法は少なく、しかも非破壊で、簡便かつ高速に測定することが可能なため、本発明は多くの産業分野で利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００７０】
１：構造体
２：光源（レーザー）
３：光線走査手段
４：光線
５：振動測定手段
６：レーザー光線
７：制御手段
８：振動波算出、解析手段
１２：光源（レーザー）
１３：光線走査手段
１５：接触式振動測定手段
１０１：測定装置
１０２：測定装置
１０３：測定装置
【図１】
2019020281.tif 000016
【図２】
2019020281.tif 000017
【図３】
2019020281.tif 000018
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019020281.tif 000022
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019020281.tif 000025
【図１１】
2019020281.tif 000026
【図１２】
2019020281.tif 000027
【図１３】
2019020281.tif 000028
【図１４】
2019020281.tif 000029
【図１５】
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【図１６】
2019020281.tif 000031
【図１７】
2019020281.tif 000032
【図１８】
2019020281.tif 000033
【図１９】
2019020281.tif 000034
【図２０】
2019020281.tif 000035
【図２１】
2019020281.tif 000036
【図２２】
2019020281.tif 000037