101●CCDカメラによる非接触計測技術の物性測定への応用
東ソー分析センター 四日市事業部 解析グループ

志村 尚俊
松本 良憲
山本 武志

CCDカメラを用いたひずみの評価には画像照合

１．はじめに法

材料物性を評価するには、外場を与え、その応答を観測する方法が一般的である。例えば、外場として変１）など高度な処理を必要とする方法もあるが、ここでは単純に試料表面にマーカーを描いて撮影する方法を用いた。

形を与えたときの応答として力の計測、外場として温本技術紹介では、測定原理について触れた後、引張度変化を与えたときの応答としての変形の計測などで試験におけるひずみ測定やポアッソン比測定、線膨張ある。引張試験で代表される力学物性評価では、これ係数測定を行った結果を中心に紹介する。

まで、応答は試験片に接触して計測することが一般的であった。しかしながら、試料によっては接触することによって試験結果に影響を与えることがある。

２．測定原理

例えば、JIS規格に準じて引張弾性率評価を行う場合、測定原理をFig.２に示す。基準となる形状を試料上Fig.１に示したように引張ひずみは接触法によるひずにマーカーとして記し、それをCCDカメラで撮影すみ計で計測する。ゴムのような柔らかい材料にひずみる。撮影されたマーカーの変形量からひずみを評価す計を装着すると、ひずみ計自身の重みで試料が変形する。ここでのポイントは、CCDカメラでひずみだけることがある。そのような場合、引張による変形量とを評価しても、必ずしも物性を評価できないという点ひずみ計を装着することによる変形量を分離することである。例えば、弾性率を求めるには応力とひずみをは実際上不可能であるため、得られた弾性率は見かけ同時に測定することが必要である。今回、構築したシ上の値となる。

ステムでは、ひずみと力、温度、湿度、電気抵抗など同様にフィルム状試料の弾性率も接触式では評価がを時間の関数として同期させて取り込み、コンピュー困難である。このような背景から一部の装置メーカーター処理することによって、弾性率や線膨張などの物はビデオやCCDカメラを用いたひずみ計をオプショ性を評価できるようにした。

ンとして提供している。
近年では、各種電子技術が容易に利用できるようになった。CCDカメラもその一つで、比較的安価な市３．引張試験への適用販品を入手することができる 。本報告では、市販引張試験ではひずみと力を計測する。ひずみの計測

CCDカメラを利用してひずみを計測した事例を紹介には、Fig.１に示すひずみ計やひずみゲージが用いらする。

センサー
センサー
センサー
センサー

ひずみ計装着の様子

Fig.１

ひずみゲージ装着の様子

従来法による引張試験

Fig.２

構築した計測システム

102

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.54（2010）れている。まず最初に、接触法と非接触法の整合性に効果が生じたこと、あるいは、ひずみゲージの接着がついて検討した事例を紹介する。接触法としては、ひ十分でなく、試料の変形にひずみゲージの変形が追随

ずみゲージによる評価を行った。Fig.１の右に示すひしていなかったことが原因と考えられる。
このようにひずみゲージでは測定に問題があるよう

ずみゲージはポリイミド基板上に抵抗回路がプリントな材料でも非接触法では測定が可能であった。

されたもので、試料に接着剤で貼り付けて使用する。
試料の変形に伴って基板が変形すると、回路の抵抗値

次に、試料厚みが約100μmのフィルム状試料の引が変化し、変形量を検出する。金属等の変形検出に利張試験の結果をFig.４に示した。試料が薄いため、ひ用されるように精度が高い半面、基板がポリイミドでずみ計装着による影響が大きく従来法による測定は困あるため、柔らかい材料に使用すると、補強効果（試難であるが、非接触法を用いると、容易に評価が可能料が見かけ上、硬くなる効果）のため、正確な値が得である。力と縦ひずみの関係から弾性率、縦ひずみとられない。また、ポリエチレンなど難接着性の材料で横ひずみの比（−εT ／εL）からポアッソン比を評価

は、試料の変形とひずみゲージの変形が一致しないたすることができた。ここで、ポアッソン比とは引張方め、適用が困難だと考えられる。

向の縦ひずみ（εL）と引張方向と垂直方向の横ひず

ここでは、ポリカーボネート（PC）、高密度ポリエみ（εT）の比で、ゴム状試料で約0.5、硬質プラスチチレン（HDPE）に対する測定例を示す。PCは接触ックで約0.3程度の値となる。ポアッソン比（−ε T ／法でも十分に評価が可能だと予想される試料、HDPEεL）は、有限要素法によるコンピュータシミュレー

は柔らかく、かつ適切な接着剤がないため、ひずみゲションにおいて構造体のひずみと応力の関係を計算すージの適用が困難な試料だと予想される。

る際に必須となる値である。通常はJIS試験片等を用Fig.３に引張測定中に試料に加わった引張方向の縦い、ひずみゲージで評価する。Fig.５に示したようにひずみ（ε L）、および垂直方向の横ひずみ（ε T）を縦ひずみ（εL）と横ひずみ（εT）は測定範囲で比例試験時間に対してプロットした結果を示した。

関係にあって、一定のポアッソン比を得ることが出来PCの結果から、ひずみゲージ（接触法）と非接触た。

法から評価したひずみが一致しており、非接触法で従弾性率とポアッソン比を繰返し回数N＝5で試験し来法と同等の評価が可能であることがわかる。さらに、
通常ひずみゲージではひずみ量2％程度までしか評価

Table.１

フィルムの引張り試験できないのに対し、非接触法では一般的な硬質系プラ
ポアッソン比
項目−単位0.38
10.39
20.40
30.38
40.39
50.39
平均0.01
標準偏差

スチックが降伏する10％以上まで評価が可能であった。
一方、HDPEではひずみゲージと非接触法の評価結果が異なった。PCの検討で非接触法が従来法と同等であったことから、ひずみゲージでの評価結果に問題があると考えられる。HDPEはPCに比べて柔らかいために硬いひずみゲージを貼り付けることによる補強

0.20.2PC

HDPE
縦ひずみεL

縦ひずみεL0.1
ひずみ［−］

ひずみ［−］

0.10
横ひずみεT−0.10
横ひずみεT−0.102040ひずみゲージ測定限界

実線：非接触法
破線：ひずみゲージ

ひずみゲージ測定限界
−0.2

弾性率
GPa
2.272.272.232.312.212.260.04

6080
時間［sec］

100120140−0.2020Fig.３ 接触法と非接触法の比較

4060

実線：非接触法
破線：ひずみゲージ
80100
時間［sec］

120140160

東ソー研究・技術報告 第54巻（2010）

103のひずみも同時に評価できる。ここには示さないが、等方性材料、異方性材料について検討したところ、異20方性材料では幅方向と厚み方向でポアッソン比が異な

100.04
縦歪みεL0.020
横歪みεT0.00

４．線膨張率測定への適用事例
歪み［−］

荷重［N］るという結果を得た。

液晶モニターに代表される電子機器は多数のプラスチック材料と金属系材料を複雑に組み合わせて精密に構成される。精密であるがゆえ、使用環境の変化に伴−0.02
0102030

う熱ひずみが問題となる場合がある。すなわち、金属の線膨張率（1〜10ppm／K）とプラスチックの線膨張時間［sec］率（10〜100ppm／K）の違いにより、熱環境の変化にFig.４

フィルムの引張試験伴って構成材料間の寸法のバランスが狂い、各々の材料にひずみが生じ、製品にゆがみを生じるおそれがある。
熱による変形量の材料間の違いを最小限に抑えるた

ポアッソン比：0.39
相関係数：0.99870.02

めには、構成材料の線膨張率を合わせこむ必要がある。

横歪みεT［−］しかし、プラスチックの線膨張率は材料そのものが持つ特性に加え、加工履歴が大きく影響する２）。そのため実際に用いられる部品形状で線膨張率を評価することが望ましいが、電子機器等に用いられるプラスチッ

0.00

ク部材は薄膜かつ微小であるため従来から用いられているTMA法では評価することが困難であった。
Fig.６に従来法であるTMA法の模式図を示す。
−0.020.000.020.04

縦歪みεL［−］

TMA法は試料にプローブを密着させ、プローブの位置変化から試料長さの変化を評価する。測定方法には、引張または圧縮の2つのモードがあるが、いずれの方

Fig.５

ポアッソン比の解析法も試料とプローブの密着性を確保するために試料に微小な力を加える必要がある。

た結果を表１に示した。良い再現性が得られた。

硬質材料の場合はTMA法でも問題ないが、ゴムな引張試験における非接触法の利点は、適用試料の範囲が広いということに加え、高温または低温測定でも適用可能である点である。ひずみゲージなどの接触法
ではセンサーを試料に装着するため、測定環境と同じ温度で作動するひずみ計を用意する必要があるが、非接触法は観察窓の外から評価するため測定環境の影響を受けない利点がある。検討の結果、恒温槽（−60〜200℃）を用いた評価が可能であった。
非接触測定には、もう一つの利点としてカメラを複数台組み合わせて観察できる点がある。接触法ではセンサーを装着できる場所がある程度限定される。例えば、JIS規格の引張試験片の面方向（幅10mm）に装着することはできても、厚み方向（厚み4mm）にひずみゲージを装着することは困難である。非接触法であれば、カメラの倍率を調整することによって厚み方向

Fig.６

TMA法の模式図

104

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.54（2010）

どの柔らかい材料や薄膜などは微小な力が評価結果に延伸とTD方向の延伸を異なる温度条件で実施してい影響を与える恐れがある。この例としてFig.７にポリることと対応していると考えられる。

エーテルサルフォン（PES）の0.1mm厚フィルムを、このように熱を与えたときの試料形状の変化をクリTMA法と非接触法で評価した結果を合わせて示した。

ープなどの影響を受けずに計測できることから、他にTMA法によると室温領域では温度に応じて長さが線も試料中の残留ひずみの評価などに適用することが可形に増加するが、PESのガラス転移温度近辺になると能である。

試料が軟化し始めるために大きく変形し、室温に冷却しても元の大きさには戻らない。これは試料に加えた微小な力によって永久変形（クリープ変形）してしま５．その他の適用例ったためである。一方、非接触法では昇降温させてもここまでは、力や温度変化に伴う形状変化についてほぼ元の大きさに戻っており、クリープ変形は認めら紹介した。非接触法の適用できる範囲は、これらの例れない。

以外にも見出すことが出来る。例えば、外場を湿度変非接触法の利点として、任意の面内二方向の線膨張化にすれば、湿度環境の変化にともなう変形を評価す率を同時に評価できるという点もある。同時評価の例

ることができる。日常の生活環境では湿度の変化も大としてポリエチレンテレフタレート（PET）の0.1mmきく、湿度による影響を調べることは重要である。

フィルムに適用した事例をFig.８に示した。PETフィ吸湿性のある厚み0.1mmの透明フィルムを用いた測

ルムは透明性と耐熱性を両立させるため、加工段階に定例をFig.９に示した。湿度変化に対応して、試料のおいて特定の温度で2軸延伸しながら結晶化を進行さ大きさが変化している。試料周辺の湿度は1分程度でせる。昇温時の挙動をMD、TD両方向で比較すると、設定値に追随していた。一方、湿度変化に対して試料温度領域ごとに異なる挙動を示す。これはMD方向の形状は少し遅れを伴い変化した。湿度を上げる過程では、湿度変化に対する形状変化は良い追随性をみせたが、湿度を下げる過程での形状変化は湿度に対する追相対長さ［−］1.10

随性が悪く、複雑な挙動を示した。

1.08

また、顕微鏡と組み合わせると観察対象を小さくす

1.06

ることも可能である。Fig.10、11にホッチキスの針の太さ（約1mm）の温度変化と毛髪の太さ（約0.1mm）

従来法

1.04の温度変化を示した。試料が小さいため、与える外場1.02は限定されるが、応答としてひずみを評価することは1.00

容易である。ホッチキスの針が温度に伴って太くなり、非接触法
0.98050100150
温度［℃］Fig.７200250

一方、毛髪は温度を上げると乾燥し細くなる事がわかる。
外場として電場、磁場などを活用すれば非接触法のPESフィルムの線膨張

適用範囲はまだまだ広がると考えられる。

1.01

1.004
50％Rh

100％Rh50％Rh

相対長さ［−］

相対長さ［−］

1.003
1.000.99
MD0.98040Fig.８

1.001
1.000

TD601.002

80

100 120
温度［℃］

140

PETフィルムの線膨張

160

180

200

0.999

0

12345Time［hour］

6Fig.９ 透明フィルムの耐湿試験

78東ソー研究・技術報告 第54巻（2010）

1.02
ホッチキス
相対長さ［−］

1.02
1.01
1.01
1.00
1.00

020

40

Fig.106080

100 120
温度［℃］

140

160

180200昇温に伴うホッチキス針の変化

1.02
毛髪

相対長さ［−］

1.01
1.000.99
0.98
0.97
0.96
0.95

050

100150
温度［℃］

200

250

Fig.11 昇温に伴う毛髪径の変化

６．おわりに非接触法を用いてひずみを評価した事例を紹介した。接触法に比べ非接触法の適用範囲は広く、これまで評価が困難だった柔軟材料や薄膜の評価が可能になる。ここで紹介した評価方法以外にも、様々な評価法が可能であると考えられる。今後も検討を継続し、適用範囲を広げていきたい。

References１）例えば、K.Murata, et.al., Mokuzai Gakkaishi,
5(45), 375 (1999)２）例えば、瀬戸雅宏他: 成形加工、 13（12）、 812(2001)

105