JP5696643B2 - 歪測定装置、線膨張係数測定方法、及び、サーモビュアの補正係数測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の熱歪を測定する歪測定装置、線膨張係数測定方法、及び、サーモビュアの補正係数測定方法に関する。

車両に搭載されるエキゾーストマニホールド等のエンジンの排気系部品においては、エンジンから排出される排気ガスが高温になるため、熱歪によって応力が作用して、寿命に影響することが知られている。そこで、エンジンの排気系部品の寿命を評価するためには、歪みを測定する必要があるところ、従来、三次元形状を測定する種々の技術が提案されている。

例えば、２台のステレオカメラの撮像領域に配置された測定対象物にパターンを投影し、上記２台のステレオカメラによって、それぞれ、測定対象物のパターン付きステレオ画像を取得し、ステレオ画像処理することによって測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００９−２７０９１５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の三次元形状測定装置では、測定対象物の歪みを測定することはできるものの、熱歪によって発生する応力を求めることはできない。すなわち、例え、エンジンの排気系部品が高温になったときであっても、エンジンの排気系部品が自由膨張する場合には、上記応力は作用せず、上記応力は、エンジンとの接続部等における外部からの拘束を受けること、及び、エンジンの排気系部品の温度分布等によって作用するものであるからである。

すなわち、上記三次元形状測定装置では、測定対象物の寿命に影響する上記応力（熱歪によって発生する応力）に対応する歪（この歪を、本願においては、「拘束歪」という）を測定することはできない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、拘束歪を容易に測定することの可能な歪測定装置、線膨張係数測定方法、及び、サーモビュアの補正係数測定方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る歪測定装置は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明に係る歪測定装置は、測定対象物の熱歪を測定する歪測定装置であって、前記測定対象物の第１ステレオ画像を生成する第１ステレオカメラと、前記第１ステレオカメラと離間した位置に配設され、前記測定対象物の第２ステレオ画像を生成する第２ステレオカメラと、前記第１ステレオ画像及び前記第２ステレオ画像から前記測定対象物の三次元形状を求めて、実歪を求める実歪算出手段と、前記測定対象物の温度分布を検出するサーモビュアと、前記サーモビュアによって検出された温度分布から熱自由歪を求める熱自由歪算出手段と、前記実歪算出手段によって求められた前記実歪から、前記熱自由歪算出手段によって求められた前記熱自由歪を減じた差を、拘束歪として求める拘束歪算出手段と、を備えることを特徴としている。

かかる構成を備える歪測定装置によれば、第１ステレオカメラによって前記測定対象物の第１ステレオ画像が生成される。また、前記第１ステレオカメラと離間した位置に配設された第２ステレオカメラによって、前記測定対象物の第２ステレオ画像が生成される。そして、前記第１ステレオ画像及び前記第２ステレオ画像から前記測定対象物の三次元形状が求められて、実歪が求められる。また、サーモビュアによって、前記測定対象物の温度分布が検出され、検出された温度分布から熱自由歪が求められる。更に、求められた前記実歪から、求められた前記熱自由歪を減じた差が、拘束歪として求められるため、拘束歪を容易に測定することができる。

すなわち、本発明に係る歪測定装置は、測定対象物の実際の歪である実歪から、測定対象物の熱による自由膨張の歪である熱自由歪を減じた差を「拘束歪」として定義して、測定対象物の熱疲労に伴う寿命を評価する指標として、この「拘束歪」を測定するものである。そして、第１ステレオカメラ及び第２ステレオカメラによって、それぞれ、生成された前記第１ステレオ画像及び前記第２ステレオ画像から前記実歪が求められ、サーモビュアによって検出された前記測定対象物の温度分布から前記熱自由歪が求められるため、前記実歪から前記熱自由歪を減じた差である「拘束歪」を容易に測定することができるのである。

また、本発明に係る歪測定装置は、前記サーモビュアが、前記第１ステレオカメラ又は前記第２ステレオカメラと近接して配置されていることが好ましい。

かかる構成を備える歪測定装置によれば、前記サーモビュアが、前記第１ステレオカメラ又は前記第２ステレオカメラと近接して配置されているため、「拘束歪」を更に容易に測定することができる。

すなわち、前記サーモビュアと近接配置されているカメラを基準として実歪を測定することによって、前記実歪を求める格子点と、前記熱自由歪を求める格子点との位置合わせが容易となるため、「拘束歪」を更に容易に測定することができるのである。

また、本発明に係る歪測定装置は、前記測定対象物の線膨張係数と前記測定対象物の温度とを対応付けて記憶する膨張係数記憶手段を更に備え、前記熱自由歪算出手段が、前記サーモビュアによって検出された温度分布に含まれる各温度に対応する線膨張係数を、前記膨張係数記憶手段から読み出して、前記熱自由歪を求めることが好ましい。

かかる構成を備える歪測定装置によれば、膨張係数記憶手段に、前記測定対象物の線膨張係数と前記測定対象物の温度とが対応付けて記憶されており、前記サーモビュアによって検出された温度分布に含まれる各温度に対応する線膨張係数（図９参照）が、前記膨張係数記憶手段から読み出されて、前記熱自由歪が求められるため、前記熱自由歪を容易に求めることができる。

また、本発明に係る歪測定装置は、前記サーモビュアから前記測定対象物に向かう視線方向と直交する面と前記測定対象物の表面とのなす角である傾斜角に対応付けて、前記サーモビュアによって検出された温度分布に含まれる各温度を補正する補正係数を記憶する補正係数記憶手段と、前記実歪算出手段によって求められた前記測定対象物の三次元形状から前記傾斜角を求め、求められた傾斜角に対応する補正係数を前記補正係数記憶手段から読み出して、読み出された補正係数を用いて、前記サーモビュアによって検出された温度分布を補正する温度補正手段とを備え、前記熱自由歪算出手段が、前記温度補正手段によって補正された温度分布から前記熱自由歪を求めることが好ましい。

かかる構成を備える歪測定装置によれば、前記サーモビュアから前記測定対象物に向かう視線方向と直交する面と前記測定対象物の表面とのなす角である傾斜角に対応付けて、前記サーモビュアによって検出された温度分布に含まれる各温度を補正する補正係数が、補正係数記憶手段に記憶されており、前記測定対象物の三次元形状から前記傾斜角が求められ、求められた傾斜角に対応する補正係数（図１２参照）が前記補正係数記憶手段から読み出されて、読み出された補正係数を用いて、前記サーモビュアによって検出された温度分布が補正される。そして、補正された温度分布から前記熱自由歪が求められるため、前記熱自由歪を正確に且つ容易に求めることができる。

また、本発明に係る線膨張係数測定方法は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明に係る線膨張係数測定方法は、上記いずれかの歪測定装置を用いて、前記測定対象物の温度と線膨張係数との関係を求める線膨張係数測定方法であって、前記測定対象物と同一の材料からなり、少なくとも２つの位置にマークが描かれたテストピースを、予め設定された温度に均一に加熱して、前記測定対象物と略同一の位置に配置する均一加熱工程と、前記テストピースに描かれた２つのマーク間の距離を前記第１ステレオカメラ及び前記第２ステレオカメラの少なくとも一方を用いて求める測定工程と、前記測定工程において求められた２つのマーク間の距離から線膨張係数を求める係数算出工程と、を繰り返し実行することによって、前記測定対象物の温度と線膨張係数との関係を求めることを特徴としている。

かかる構成を備える線膨張係数測定方法によれば、前記測定対象物と同一の材料からなり、少なくとも２つの位置にマークが描かれたテストピースが、予め設定された温度に均一に加熱されて、前記測定対象物と略同一の位置に配置される。そして、前記テストピースに描かれた２つのマーク間の距離が求められ、求められた２つのマーク間の距離から線膨張係数が求められるため、上記いずれかの歪測定装置を用いて、前記測定対象物の温度と線膨張係数との関係を容易に求めることができる（図７〜図９参照）。

更に、本発明に係るサーモビュアの補正係数測定方法は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明に係るサーモビュアの補正係数測定方法は、上記いずれかの歪測定装置を用いて、前記サーモビュアから前記測定対象物に向かう視線方向と直交する面と前記測定対象物の表面とのなす角である傾斜角と前記サーモビュアの補正係数との関係を求めるサーモビュアの補正係数測定方法であって、前記測定対象物と同一の材料からなり、円柱形のテストピースを、予め設定された温度に均一に加熱して、前記測定対象物と略同一の位置に配置する均一加熱工程と、前記サーモビュアによって前記テストピースの表面の温度分布を検出する検出工程と、前記検出工程において検出された前記テストピースの表面の温度分布から補正係数を求める係数算出工程と、を実行することによって、前記測定対象物の傾斜角と補正係数との関係を求めることを特徴としている。

かかる構成を備えるサーモビュアの補正係数測定方法によれば、前記測定対象物と同一の材料からなる円柱形のテストピースが、予め設定された温度に均一に加熱されて、前記測定対象物と略同一の位置に配置される。そして、前記サーモビュアによって前記テストピースの表面の温度分布が検出され、検出された前記テストピースの表面の温度分布から補正係数が求められるため、上記いずれかの歪測定装置を用いて、前記測定対象物の傾斜角と補正係数との関係を容易に求めることができる（図１０〜図１２参照）。

本発明に係る歪測定装置によれば、第１ステレオカメラによって前記測定対象物の第１ステレオ画像が生成される。また、前記第１ステレオカメラと離間した位置に配設された第２ステレオカメラによって、前記測定対象物の第２ステレオ画像が生成される。そして、前記第１ステレオ画像及び前記第２ステレオ画像から前記測定対象物の三次元形状が求められて、前記実歪が求められる。また、サーモビュアによって、前記測定対象物の温度分布が検出され、検出された温度分布から前記熱自由歪が求められる。更に、求められた前記実歪から、求められた前記熱自由歪を減じた差が、拘束歪として求められるため、拘束歪を容易に測定することができる。

また、本発明に係る線膨張係数測定方法によれば、前記測定対象物と同一の材料からなり、少なくとも２つの位置にマークが描かれたテストピースが、予め設定された温度に均一に加熱して、前記測定対象物と略同一の位置に配置される。そして、前記テストピースに描かれた２つのマーク間の距離が求められ、求められた２つのマーク間の距離から線膨張係数が求められるため、上記歪測定装置を用いて、前記測定対象物の温度と線膨張係数との関係を容易に求めることができる。

更に、本発明に係るサーモビュアの補正係数測定方法によれば、前記測定対象物と同一の材料からなる円柱形のテストピースが、予め設定された温度に均一に加熱されて、前記測定対象物と略同一の位置に配置される。そして、前記サーモビュアによって前記テストピースの表面の温度が測定され、測定された前記テストピースの表面の温度から補正係数が求められるため、上記歪測定装置を用いて、前記測定対象物の傾斜角と補正係数との関係を求容易にめることができる。

本発明に係る歪測定装置の一例を示す構成図である。 図１に示す歪測定装置の平面図及び側面図である。 図１に示す測定対象物の正面に描かれた格子の一例を示す図である。 図１にコンピュータの機能構成の一例を示す機能構成図である。 本発明に係る「拘束歪」の考え方を示す概念図である。 図４に示す歪測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明に係る線膨張係数測定方法の一例を示す構成図である。 本発明に係る線膨張係数測定方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。 線膨張係数の測定結果の一例を示すグラフである。 本発明に係るサーモビュアの補正係数測定方法の一例を示す構成図である。 本発明に係るサーモビュアの補正係数測定方法における処理手順の一例を示すフローチャートである。 サーモビュアの補正係数測定結果の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

−歪測定装置のハード構成−
まず、図１、図２を参照して、本発明に係る歪測定装置の構成について説明する。図１は、本発明に係る歪測定装置１００の一例を示す構成図である。図２は、図１に示す歪測定装置１００の平面図及び側面図である。図２（ａ）は、図１に示す歪測定装置１００の平面図であり、図２（ｂ）は、図１に示す歪測定装置１００の側面図である。

歪測定装置１００は、測定対象物５の実際の歪である実歪εｃから、測定対象物５の熱による自由膨張の歪である熱自由歪εｔを減じた差を拘束歪εｒとして測定する装置であって、図１に示すように、コンピュータ１、第１ステレオカメラ２、第２ステレオカメラ３、及び、サーモビュア４を備えている。また、第１ステレオカメラ２、第２ステレオカメラ３、及び、サーモビュア４の視界の略中心位置には、測定対象物５が配置されている。なお、ここでは、測定対象物５は、長方形状の板状体であって、その左右の両端は壁Ｗによって熱膨張が拘束されている。また、測定対象物５は、図略の熱源によって、その温度が第１温度Ｔ１（例えば、２０℃）から第２温度Ｔ２（例えば、９００℃）まで加熱される。本実施形態においては、便宜上、測定対象物５のｚ軸方向の変形は考えない（測定対象としない）ものとする。

測定対象物５の第１ステレオカメラ２（第２ステレオカメラ３、及び、サーモビュア４）側の正面５１には、図１に示すように格子線が描かれている。図３は、図１に示す測定対象物５の正面５１に描かれた格子の一例を示す図である。図３に示すように、測定対象物５の正面５１に描かれた格子線は、ｘ軸方向にＮ個（例えば、５０個）、ｙ軸方向にＭ個（例えば、１０個）の領域に正面５１を均等に分割している。ここでは、各格子を（ｉ，ｊ）で表す。添え字ｉは、ｘ軸方向の格子の順番を表し、左端が「１」であり、右端が「Ｎ」である。同様に、添え字ｊは、ｙ軸方向の格子の順番を表し、上端が「１」であり、下端が「Ｍ」である。また、以下の説明においては、各格子点（ｉ，ｊ）に対応する正面５１の温度を、温度Ｔ（ｉ，ｊ）と表記する。更に、各格子点（ｉ，ｊ）に対応する正面５１の実歪εｃ、熱自由歪εｔ、及び、拘束歪εｒを、それぞれ、実歪εｃ（ｉ，ｊ）、熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）、及び、拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）と表記する。ここで、添え字ｉは、１からＮまでのいずれかの整数であり、添え字ｊは、１からＭまでのいずれかの整数である。

コンピュータ１は、いわゆるパーソナルコンピュータ等からなり、歪測定装置１００全体の動作を制御するものであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えている。ＲＯＭは、種々の制御プログラム等を記憶する。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された種々の制御プログラムを読み出して各種処理を実行する。ＲＡＭは、ＣＰＵでの演算結果等を一時的に記憶するメモリである。

また、コンピュータ１は、操作入力部、表示部、ＨＤＤ（Hard disk drive）等を備えている。操作入力部は、外部からの操作を受け付けるものであって、キーボード、マウス等からなる。表示部は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等からなり、ＣＰＵによる演算結果等を外部から視認可能に表示するものである。ＨＤＤは、種々のデータを記憶するものである。

第１ステレオカメラ２は、図２（ｂ）に示すように、サーモビュア４の上に載置され、測定対象物５の第１ステレオ画像ＰＳ１を生成するカメラである。第１ステレオカメラ２によって生成された第１ステレオ画像ＰＳ１は、コンピュータ１（図４に示す画像取得部１１）へ出力される。なお、第１ステレオ画像ＰＳ１は、後述する実歪算出部１２によって実歪εｃ（ｉ，ｊ）を求めるときの基準とされる画像である。

第２ステレオカメラ３は、第１ステレオカメラ２と離間した位置に配設され、測定対象物５の第２ステレオ画像ＰＳ２を生成するカメラである。第２ステレオカメラ３によって生成された第２ステレオ画像ＰＳ２は、コンピュータ１（図４に示す画像取得部１１）へ出力される。ここで、第２ステレオカメラ３は、図２（ａ）に示すように、測定対象物５の中心線ＣＬについて第１ステレオカメラ２と線対称となる位置に配置されている。

サーモビュア４は、第１ステレオカメラ２の下に配設され、測定対象物５の温度分布を検出する装置である。サーモビュア４によって検出された温度分布を示す情報は、コンピュータ１（図４に示す温度取得部１３）へ出力される。

上述のように、実歪εｃ（ｉ，ｊ）を求めるときの基準とされる第１ステレオ画像ＰＳ１を生成する第１ステレオカメラ２が、サーモビュア４の上側に載置されているため、「拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）」を更に容易に測定することができる。

すなわち、サーモビュア４と近接配置されている第１ステレオカメラ２を基準として実歪εｃ（ｉ，ｊ）を測定することによって、実歪εｃ（ｉ，ｊ）を求める格子点（ｉ，ｊ）と、熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）を求める格子点（ｉ，ｊ）との位置合わせが容易となるため、「拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）」を更に容易に測定することができるのである。

本実施形態では、第１ステレオカメラ２が、サーモビュア４の上側に載置されている場合について説明するが、第１ステレオカメラ２又は第２ステレオカメラ３がサーモビュア４と近接して配置されている形態であればよい。例えば、第２ステレオカメラ３がサーモビュア４の真横に配置されている形態でもよい。この場合には、第２ステレオカメラ３によって生成される第２ステレオ画像ＰＳ２が、後述する実歪算出部１２によって実歪εｃ（ｉ，ｊ）を求めるときの基準となる画像として用いられる。

−コンピュータの機能構成−
次に、図４を参照してコンピュータ１の構成について説明する。図４は、図１にコンピュータの機能構成の一例を示す機能構成図である。コンピュータ１は、ＲＯＭ等に記憶された制御プログラムを読み出して実行することによって、画像取得部１１、実歪算出部１２、温度取得部１３、補正係数記憶部１４、温度補正部１５、膨張係数記憶部１６、熱自由歪算出部１７、及び、拘束歪算出部１８等の機能部として機能する。ここで、実歪算出部１２、補正係数記憶部１４、温度補正部１５、膨張係数記憶部１６、熱自由歪算出部１７、及び、拘束歪算出部１８は、本発明に係る歪測定装置１００の一部に相当する。

画像取得部１１は、第１ステレオカメラ２によって生成された第１ステレオ画像ＰＳ１、及び、第２ステレオカメラ３によって生成された第２ステレオ画像ＰＳ２を取得する機能部である。

実歪算出部１２は、画像取得部１１によって取得された第１ステレオ画像ＰＳ１及び第２ステレオ画像ＰＳ２に基づいて、測定対象物５の正面５１における実歪εｃ（ｉ，ｊ）を求める機能部である。ここで、実歪算出部１２は、特許請求の範囲に記載の「実歪算出手段」に相当する。

具体的には、実歪算出部１２は、画像取得部１１によって取得された第１ステレオ画像ＰＳ１及び第２ステレオ画像ＰＳ２に基づいて、第１温度Ｔ１（例えば、２０℃）及び第２温度Ｔ２（例えば、９００℃）の、それぞれの場合に、測定対象物５の正面５１における各格子点（ｉ，ｊ）の中心位置のｘ−ｙ座標（ｘ１ｉｊ、ｙ１ｉｊ）及び（ｘ２ｉｊ、ｙ２ｉｊ）を求める。ここで、添え字ｉは、１からＮのいずれかの整数であり、添え字ｊは、１からＭのいずれかの整数である。このように、２つのステレオ画像に基づいて各格子点（ｉ，ｊ）の中心位置のｘ−ｙ座標を求める方法は、公知である（“Image Correlation for Deformation and Shape Measurements : Basic Concepts, Theory and Applications”、Chapter4：Two-Dimensional and Three-Dimensional Computer Vision、P65-P80、著者：Sutton.M.A.、Orteu.J.、2009年4月出版、出版社：Springer、ISBN：9780387787466、及び、特開２００９−２７０９１５号公報、特開２００１−２４１９２８号公報参照）から、ここでは、その説明を省略する。

次に、実歪算出部１２は、第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２の、それぞれの場合に、測定対象物５の正面５１における各格子点（ｉ，ｊ）の中心位置の座標（ｘ１ｉｊ、ｙ１ｉｊ）及び（ｘ２ｉｊ、ｙ２ｉｊ）から、各格子点（ｉ，ｊ）における実歪εｃ（ｉ，ｊ）を、幅方向（ｘ軸方向）の実歪εｃｘ（ｉ，ｊ）、及び、高さ方向（ｙ軸方向）の実歪εｃｙ（ｉ，ｊ）として求める。幅方向の実歪εｃｘ（ｉ，ｊ）は、例えば、次の（１）〜（４）式によって求められる。

εｃｘ（ｉ，ｊ）＝ΔＬｘ（ｉ，ｊ）／Ｌ１ｘ（ｉ，ｊ） （１）
ΔＬｘ（ｉ，ｊ）＝Ｌ２ｘ（ｉ，ｊ）−Ｌ１ｘ（ｉ，ｊ） （２）
Ｌ１ｘ（ｉ，ｊ）＝（（ｘ１ｉｊ−ｘ１（ｉ−１）ｊ）²＋
（ｙ１ｉｊ−ｙ１（ｉ−１）ｊ）²）^1/2 （３）
Ｌ２ｘ（ｉ，ｊ）＝（（ｘ２ｉｊ−ｘ２（ｉ−１）ｊ）²＋
（ｙ２ｉｊ−ｙ２（ｉ−１）ｊ）²）^1/2 （４）
また、高さ方向の実歪εｃｙ（ｉ，ｊ）は、例えば、次の（５）〜（８）式によって求められる。

εｃｙ（ｉ，ｊ）＝ΔＬｙ（ｉ，ｊ）／Ｌ１ｙ（ｉ，ｊ） （５）
ΔＬｙ（ｉ，ｊ）＝Ｌ２ｙ（ｉ，ｊ）−Ｌ１ｙ（ｉ，ｊ） （６）
Ｌ１ｙ（ｉ，ｊ）＝（（ｘ１ｉｊ−ｘ１ｉ（ｊ−１））²＋
（ｙ１ｉｊ−ｙ１ｉ（ｊ−１））²）^1/2 （７）
Ｌ２ｙ（ｉ，ｊ）＝（（ｘ２ｉｊ−ｘ２ｉ（ｊ−１））²＋
（ｙ２ｉｊ−ｙ２ｉ（ｊ−１））²）^1/2 （８）
すなわち、実歪εｃ（ｉ，ｊ）は、第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２に変化した場合の、各格子点（ｉ，ｊ）の中心位置から隣接する格子点の中心位置との距離の変化（Ｌ１→Ｌ２）に基づいて求められる。

より具体的には、幅方向の実歪εｃｘ（ｉ，ｊ）は、第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２に変化した場合の、各格子点（ｉ，ｊ）の中心位置から左側に隣接する格子点の中心位置までの距離の変化（Ｌ１ｘ→Ｌ２ｘ）に基づいて求められる。また、高さ方向の実歪εｃｙ（ｉ，ｊ）は、第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２に変化した場合の、各格子点（ｉ，ｊ）の中心位置から上側に隣接する格子点の中心位置までの距離の変化（Ｌ１ｙ→Ｌ２ｙ）に基づいて求められる。なお、以下の説明においては、幅方向の実歪εｃｘ（ｉ，ｊ）及び高さ方向の実歪εｃｙ（ｉ，ｊ）を、便宜上、実歪εｃ（ｉ，ｊ）と総称する。

温度取得部１３は、サーモビュア４によって検出された温度分布情報を取得する機能部である。また、温度取得部１３は、取得した温度分布情報に基づいて、測定対象物５の正面５１における各格子点（ｉ，ｊ）に対応する位置の温度Ｔｉｊを求める。

補正係数記憶部１４は、サーモビュア４から測定対象物５に向かう視線方向と直交する面と測定対象物５の表面とのなす角である傾斜角θに対応付けて、サーモビュア４によって検出された温度分布に含まれる各温度を補正する補正係数β（θ）（図９参照）を記憶する機能部である。ここで、補正係数記憶部１４は、特許請求の範囲に記載の「補正係数記憶手段」に相当する。

具体的には、補正係数記憶部１４は、ＲＯＭ等にマップ又はＬＵＴ（ルックアップテーブル）として、傾斜角θに対応付けて補正係数β（θ）を記憶する。また、本実施形態においては、補正係数β（θ）は、図１０〜図１２を用いて後述する本発明に係るサーモビュア４の補正係数測定方法によって求められ、補正係数記憶部１４に記憶されているものとする。

温度補正部１５は、実歪算出部１２によって求められた測定対象物５の三次元形状から傾斜角θを求め、求められた傾斜角θに対応する補正係数β（θ）を補正係数記憶部１４から読み出して、読み出された補正係数β（θ）を用いて、サーモビュア４によって検出された温度分布を補正する機能部である。ここで、温度補正部１５は、特許請求の範囲に記載の「温度補正手段」に相当する。

具体的には、温度補正部１５は、次の（９）式によって、サーモビュア４によって検出された各格子点（ｉ，ｊ）の温度ＴＳ（ｉ，ｊ）を補正して、補正後の温度ＴＡ（ｉ，ｊ）を求める。

ＴＡ（ｉ，ｊ）＝ＴＳ（ｉ，ｊ）／β（ｉ，ｊ） （９）
ここで、β（ｉ，ｊ）は、各格子点（ｉ，ｊ）の傾斜角に対応する補正係数である。ただし、上述のように、本実施形態では、便宜上、測定対象物５のｚ軸方向の変形は考えない（測定対象としない）ため、傾斜角θは「０」として補正が行われる。

上述のように、サーモビュア４から測定対象物５に向かう視線方向と直交する面と測定対象物５の表面とのなす角である傾斜角θに対応付けて、サーモビュア４によって検出された温度分布Ｔに含まれる各温度ＴＳ（ｉ，ｊ）を補正する補正係数β（θ）が、補正係数記憶部１４に記憶されており、温度補正部１５によって、測定対象物５の三次元形状から傾斜角θが求められ、求められた傾斜角θに対応する補正係数β（θ）（図１２参照）が補正係数記憶部１４から読み出されて、読み出された補正係数β（θ）を用いて、サーモビュア４によって検出された温度ＴＳ（ｉ，ｊ）が補正される。そして、補正された温度ＴＡ（ｉ，ｊ）から熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）が求められるため、熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）を正確に且つ容易に求めることができる。

膨張係数記憶部１６は、測定対象物５の線膨張係数αと測定対象物５の温度Ｔとを対応付けて記憶する機能部である。ここで、膨張係数記憶部１６は、特許請求の範囲に記載の膨張係数記憶手段に相当する。

具体的には、膨張係数記憶部１６は、ＲＯＭ等にマップ又はＬＵＴ（ルックアップテーブル）として、温度Ｔに対応付けて線膨張係数α（Ｔ）を記憶する。また、本実施形態においては、線膨張係数α（Ｔ）は、図７〜図９を用いて後述する本発明に係る線膨張係数測定方法によって求められ、膨張係数記憶部１６に記憶されているものとする。

熱自由歪算出部１７は、サーモビュア４によって検出された測定対象物５の温度分布から熱自由歪εｔを求める機能部である。熱自由歪算出部１７は、特許請求の範囲に記載の「熱自由歪算出手段」に相当する。

具体的には、熱自由歪算出部１７は、サーモビュア４によって検出された温度分布に含まれる各格子点（ｉ，ｊ）の各温度Ｔ（ｉ，ｊ）に対応する線膨張係数α（Ｔ（ｉ，ｊ））を、膨張係数記憶部１６から読み出して、次の（１０）、（１１）式によって熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）を、それぞれ、幅方向の熱自由歪εｔｘ（ｉ，ｊ）、及び、高さ方向の熱自由歪εｔｙ（ｉ，ｊ）として求める。

εｔｘ（ｉ，ｊ）＝（α（Ｔ（ｉ，ｊ））−α０）×Ｌ１ｘ（ｉ，ｊ） （１０）
εｔｙ（ｉ，ｊ）＝（α（Ｔ（ｉ，ｊ））−α０）×Ｌ１ｙ（ｉ，ｊ） （１１）
ここで、α０は、測定対象物５の初期温度である第１温度Ｔ１における線膨張係数αの値である。また、（１０）式のＬ１ｘ（ｉ，ｊ）、及び、（１１）式のＬ１ｙ（ｉ，ｊ）は、それぞれ、上記（３）式、及び、上記（７）式で与えられる第１温度Ｔ１における測定対象物５の幅方向の格子間距離及び高さ方向の格子間距離である。なお、以下の説明においては、幅方向の熱自由歪εｔｘ（ｉ，ｊ）及び高さ方向のεｔｙ（ｉ，ｊ）を、便宜上、熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）と総称する。

上述のように、膨張係数記憶部１６に、測定対象物５の線膨張係数α（Ｔ）と測定対象物５の温度Ｔとが対応付けて記憶されており、サーモビュア４によって検出された温度分布に含まれる各温度Ｔ（ｉ，ｊ）に対応する線膨張係数α（Ｔ（ｉ，ｊ））（図９参照）が、膨張係数記憶部１６から読み出されて、熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）が求められるため、熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）を容易に求めることができる。

拘束歪算出部１８は、実歪算出部１２によって求められた実歪εｃ（ｉ，ｊ）から、熱自由歪算出部１７によって求められた熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）を減じた差を、拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）として求める機能部である。ここで、拘束歪算出部１８は、特許請求の範囲に記載の「拘束歪算出手段」に相当する。

すなわち、拘束歪算出部１８は、次の（１２）式によって、各格子点（ｉ，ｊ）の拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）を求める
εｒ（ｉ，ｊ）＝εｃ（ｉ，ｊ）−εｔ（ｉ，ｊ） （１２）
ここで、図５を参照して、拘束歪εｒについて説明する。図５は、本発明に係る「拘束歪」の考え方を示す概念図である。円板状の測定対象物５Ａは、左右両端が壁ＷＡに移動を拘束された状態で、第１温度Ｔ１（例えば、２０℃）から第２温度Ｔ２（例えば、９００℃）まで加熱されて熱膨張する。この場合に、温度上昇に伴って、測定対象物５Ａは熱膨張するが、左右両端が壁ＷＡに移動を拘束されているため、右側の図で示すように、第２温度Ｔ２まで加熱された状態では、縦方向に長い長円（又は、楕円）状の形状となる。

本願発明に係る歪測定装置１００は、図５の左端の図である初期状態と、図５の右側の図である加熱後の状態との間に、図５の中央の図で示す、測定対象物５Ａが第２温度Ｔ２で自由膨張した状態を想定している。そして、拘束歪εｒを、右端の図で示す状態における歪みである実歪εｃと、中央の図で示す状態である熱自由歪εｔとの差と定義して、この拘束歪εｒを、測定対象物５Ａに作用する応力に関連する情報として使用するものである。換言すれば、本願発明は、測定対象物５Ａの加熱、冷却の繰り返しによる測定対象物５Ａの寿命に影響する上記応力を、拘束歪εｒを用いて推定することをその目的としている。

−歪測定装置（コンピュータ１）の動作−
次に、図６を参照して、本発明に係る歪測定装置１００（主に、コンピュータ１）の動作を説明する。図６は、図４に示す歪測定装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。まず、画像取得部１１によって、第１ステレオカメラ２及び第２ステレオカメラ３から、それぞれ、第１ステレオ画像ＰＳ１、及び、第２ステレオ画像ＰＳ２が取得される（ステップＳ１０１）。そして、実歪算出部１２によって、ステップＳ１０１で取得された第１ステレオ画像ＰＳ１、及び、第２ステレオ画像ＰＳ２に基づいて、測定対象物５の正面５１における実歪εｃ（ｉ，ｊ）が求められる（ステップＳ１０３）。

次いで、温度取得部１３によって、サーモビュア４で検出された各格子点（ｉ，ｊ）に対応する位置の温度ＴＳｉｊが取得される（ステップＳ１０５）。次に、温度補正部１５によって、各格子点（ｉ，ｊ）の温度ＴＳ（ｉ，ｊ）が補正されて、補正後の温度ＴＡ（ｉ，ｊ）が求められる（ステップＳ１０７）。そして、熱自由歪算出部１７によって、ステップＳ１０７で補正された温度ＴＡ（ｉ，ｊ）に基づいて、熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）が求められる（ステップＳ１０９）。次に、拘束歪算出部１８によって、ステップＳ１０３で求められた実歪εｃ（ｉ，ｊ）からステップＳ１０９で求められた熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）を減じた差として拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）が求められて（ステップＳ１１１）、処理が終了される。

上述のように、第１ステレオカメラ２によって測定対象物５の第１ステレオ画像ＰＳ１が生成される。また、第１ステレオカメラ２と離間した位置に配設された第２ステレオカメラ３によって、測定対象物５の第２ステレオ画像ＰＳ２が生成される。そして、第１ステレオ画像ＰＳ１及び第２ステレオ画像ＰＳ２から測定対象物５の三次元形状が求められて、実歪εｃ（ｉ，ｊ）が求められる。また、サーモビュア４によって、測定対象物５の温度分布Ｔｉｊが検出され、検出された温度分布Ｔｉｊから熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）が求められる。更に、求められた実歪εｃ（ｉ，ｊ）から、求められた熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）を減じた差が、拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）として求められるため、拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）を容易に測定することができる。

すなわち、本発明に係る歪測定装置１００は、測定対象物５の実際の歪である実歪εｃ（ｉ，ｊ）から、測定対象物５の熱による自由膨張の歪である熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）を減じた差を「拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）」として定義して、測定対象物５の熱疲労に伴う寿命を評価する指標として、この「拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）」を測定するものである。そして、第１ステレオカメラ２及び第１ステレオカメラ３によって、それぞれ、生成された第１ステレオ画像ＰＳ１及び第２ステレオ画像ＰＳ２から実歪εｃ（ｉ，ｊ）が求められ、サーモビュア４によって検出された測定対象物５の温度分布Ｔｉｊから熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）が求められるため、実歪εｃ（ｉ，ｊ）から熱自由歪εｔ（ｉ，ｊ）を減じた差である「拘束歪εｒ（ｉ，ｊ）」を容易に測定することができるのである。

−線膨張係数測定方法−
次に、図７〜図９を参照して、本発明に係る線膨張係数測定方法について説明する。図７は、本発明に係る線膨張係数測定方法の一例を示す構成図である。図７に示すように、本発明に係る線膨張係数測定方法は、上述の歪測定装置１００を用いて温度Ｔと線膨張係数α（Ｔ）との関係を求めるものである。図１に示す測定対象物５に換えて、図７に示すように、テストピース６を、図１に示す測定対象物５と略同一の位置に配置される。

テストピース６は、測定対象物５と同一の材料からなり、その正面６１に、４つのマークＭ１〜Ｍ４が描かれている。マークＭ１〜Ｍ４は、正方形の４つの各頂点に対応する位置に描かれており、初期温度Ｔ０（例えば、２０℃）において、上記正方形の一辺の長さはＬ０である。そして、テストピース６は、予め設定された温度ＴＰ（例えば、第１温度Ｔ１＝２０℃から第２温度Ｔ２＝９００℃までの間の１０℃間隔の温度）に均一に加熱されて、図１に示す測定対象物５と略同一の位置に配置される。この工程が、特許請求の範囲に記載の「均一加熱工程」に相当する。

次に、第１ステレオカメラ２によって、テストピース６の正面６１に描かれた２つのマーク間（ここでは、マークＭ３とマークＭ４との間）の距離ＬＰが求められる。この工程が、特許請求の範囲に記載の「測定工程」に相当する。なお、距離ＬＰは、温度ＴＰが設定される度に（例えば、第１温度Ｔ１＝２０℃から第２温度Ｔ２＝９００℃までの間の１０℃間隔の温度に設定される度に）、求められる。そして、求められた２つのマーク間の距離ＬＰから、次の（１３）式によって線膨張係数αが求められる。この工程が、特許請求の範囲に記載の「係数算出工程」に相当する。

α＝（ＬＰ−Ｌ０）／Ｌ０ （１３）
次に、図８を参照して本発明に係る線膨張係数測定方法の手順を説明する。図８は、本発明に係る線膨張係数測定方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。まず、テストピース６を加熱する温度ＴＰが設定される（ステップＳ２０１）。そして、テストピース６がステップＳ２０１で設定された温度ＴＰに均一に加熱される（ステップＳ２０３）。

次いで、ステップＳ２０３で温度ＴＰに均一に加熱されたテストピース６が図１に示す測定対象物５と略同一の位置に配置される（ステップＳ２０５）。ここで、ステップＳ２０３及びステップＳ２０５が、特許請求の範囲に記載の「均一加熱工程」に相当する。次に、テストピース６の２つのマーク間（ここでは、マークＭ３とマークＭ４との間）の距離ＬＰが求められる（ステップＳ２０７）。このステップＳ２０７が、特許請求の範囲に記載の「測定工程」に相当する。そして、上記（１３）式によって、線膨張係数αが求められる（ステップＳ２０９）。このステップＳ２０９が、特許請求の範囲に記載の「係数算出工程」に相当する。次に、測定を終了するか否かの判定が行われる（ステップＳ２１１）。この判定は、例えば、２０℃から９００℃までの間の１０℃間隔の温度について、全て、線膨張係数αの測定が完了した場合に、終了すると判定される。ステップＳ２１１でＹＥＳの場合には、処理が終了される。ステップＳ２１１でＮＯの場合には、処理がステップＳ２０１に戻され、ステップＳ２０１以降の処理が繰り返し実行される。

図９は、線膨張係数αの測定結果の一例を示すグラフＧ１である。横軸は、テストピース６（又は、測定対象物５）の温度ＴＰであって、縦軸は、線膨張係数αである。

このようにして、測定対象物５と同一の材料からなり、少なくとも２つの位置にマークが描かれたテストピース６が、予め設定された温度ＴＰに均一に加熱されて、測定対象物３と略同一の位置に配置される。そして、テストピース６の２つのマークＭ３、Ｍ４間の距離ＬＰが求められ、求められた２つのマークＭ３、Ｍ４間の距離ＬＰから線膨張係数αが求められるため、上記の歪測定装置１００を用いて、容易に測定対象物５の温度ＴＰと線膨張係数αとの関係を求めることができる。

本実施形態では、第１ステレオカメラ２を用いて距離ＬＰが求められる場合について説明するが、第１ステレオカメラ２及び第２ステレオカメラ３の少なくとも一方を用いて距離ＬＰを求める形態であればよい。

−サーモビュアの補正係数測定方法−
次に、図１０〜図１２を参照して、本発明に係るサーモビュア４の補正係数β（θ）の測定方法について説明する。図１０は、本発明に係るサーモビュア４の補正係数β（θ）の測定方法の一例を示す構成図である。図１０に示すように、本発明に係るサーモビュア４の補正係数β（θ）の測定方法は、上述の歪測定装置１００を用いて、サーモビュア４から測定対象物５に向かう視線方向と直交する面と測定対象物５の表面とのなす角である傾斜角θと補正係数β（θ）との関係を求めるものである。図１に示す測定対象物５に換えて、図１０に示すように、テストピース７を、図１に示す測定対象物５と略同一の位置に配置される。

テストピース７は、測定対象物５と同一の材料からなり、円柱形に形成されている。そして、テストピース７は、予め設定された温度ＴＱ（例えば、６００℃）に均一に加熱されて、図１に示す測定対象物５と略同一の位置に配置される。この工程が、特許請求の範囲に記載の「均一加熱工程」に相当する。

次に、サーモビュア４によって、テストピース６の表面の温度ＴＳ（θ）の分布が検出される。この工程が、特許請求の範囲に記載の「検出工程」に相当する。ここで、傾斜角θは、サーモビュア４から測定対象物５に向かう視線方向と直交する面とテストピース６の表面とのなす角である。そして、検出された温度ＴＳ（θ）の分布から、次の（１４）式によって補正係数β（θ）が求められる。この工程が、特許請求の範囲に記載の「係数算出工程」に相当する。

β（θ）＝ＴＳ（θ）／ＴＱ （１４）
次に、図１１を参照して本発明に係るサーモビュア４の補正係数β（θ）の測定方法の手順を説明する。図１１は、本発明に係るサーモビュア４の補正係数β（θ）の測定方法における処理手順の一例を示すフローチャートである。まず、テストピース７が温度ＴＱに均一に加熱される（ステップＳ３０１）。

次いで、ステップＳ３０１で温度ＴＱに均一に加熱されたテストピース７が図１に示す測定対象物５と略同一の位置に配置される（ステップＳ３０３）。ここで、ステップＳ３０１及びステップＳ３０３が、特許請求の範囲に記載の「均一加熱工程」に相当する。次に、サーモビュア４によって、テストピース７の表面における温度ＴＳ（θ）の分布が検出される（ステップＳ３０５）。このステップＳ３０５が、特許請求の範囲に記載の「検出工程」に相当する。そして、上記（１４）式によって、サーモビュア４の補正係数β（θ）が求められて（ステップＳ３０７）、処理が終了される。このステップＳ３０７が、特許請求の範囲に記載の「係数算出工程」に相当する。

図１２は、サーモビュア４の補正係数β（θ）の測定結果の一例を示すグラフである。図１２（ａ）は、傾斜角θと検出温度ＴＳ（θ）との関係を示すグラフＧ２であり、図１２（ｂ）は、傾斜角θと補正係数β（θ）との関係を示すグラフＧ３である。図１２（ａ）のグラフＧ２に示すように、傾斜角θの絶対値が大きい程、検出温度ＴＳ（θ）は低下する。また、図１２（ｂ）のグラフＧ３に示すように、傾斜角θの絶対値が大きい程、補正係数β（θ）は小さくなる。

このようにして、測定対象物５と同一の材料からなる円柱形のテストピース７が、予め設定された温度ＴＱに均一に加熱されて、測定対象物５と略同一の位置に配置される。そして、サーモビュア４によってテストピース７の表面における温度ＴＳ（θ）の分布が検出され、検出されたテストピース７の表面における温度ＴＳ（θ）の分布から補正係数β（θ）が求められるため、歪測定装置１００を用いて、容易に測定対象物５の傾斜角θと補正係数β（θ）との関係を求めることができる。

本実施形態では、テストピース７が円柱形に形成されている場合について説明するが、テストピース７がその他の形状に形成されている形態でもよい。例えば、テストピース７が、平板状に形成されており、ｙ軸方向（図１０の紙面と直交する方向）と平行なテストピース７の中心軸を中心として、テストピース７を回転させて、傾斜角θを変化させながら、傾斜角θ毎のテストピース７の表面における温度ＴＳ（θ）を求める形態でもよい。この場合には、傾斜角θと補正係数β（θ）との関係を更に正確に求めることができる。

−他の実施形態−
本実施形態では、歪測定装置１００がコンピュータ１において実歪算出部１２、補正係数記憶部１４、温度補正部１５、膨張係数記憶部１６、熱自由歪算出部１７、及び、拘束歪算出部１８の機能部として構成されている場合について説明したが、実歪算出部１２、補正係数記憶部１４、温度補正部１５、膨張係数記憶部１６、熱自由歪算出部１７、及び、拘束歪算出部１８の機能部のうち、少なくとも１つの機能部が、電子回路等のハードウェアで構成されている形態でもよい。

本発明は、測定対象物の熱歪を測定する歪測定装置、線膨張係数測定方法、及び、サーモビュアの補正係数測定方法に利用することができる。

１００ 歪測定装置
１ コンピュータ
１１ 画像取得部
１２ 実歪算出部（実歪算出手段）
１３ 温度取得部
１４ 補正係数記憶部（補正係数記憶手段）
１５ 温度補正部（温度補正手段）
１６ 膨張係数記憶部（膨張係数記憶手段）
１７ 熱自由歪算出部（熱自由歪算出手段）
１８ 拘束歪算出部（拘束歪算出手段）
２ 第１ステレオカメラ
３ 第２ステレオカメラ
４ サーモビュア
５ 測定対象物
６ テストピース
７ テストピース

Claims (6)

1. 測定対象物の熱歪を測定する歪測定装置であって、
   前記測定対象物の第１ステレオ画像を生成する第１ステレオカメラと、
   前記第１ステレオカメラと離間した位置に配設され、前記測定対象物の第２ステレオ画像を生成する第２ステレオカメラと、
   前記第１ステレオ画像及び前記第２ステレオ画像から前記測定対象物の三次元形状を求めて、実歪を求める実歪算出手段と、
   前記測定対象物の温度分布を検出するサーモビュアと、
   前記サーモビュアによって検出された温度分布から熱自由歪を求める熱自由歪算出手段と、
   前記実歪算出手段によって求められた前記実歪から、前記熱自由歪算出手段によって求められた前記熱自由歪を減じた差を、拘束歪として求める拘束歪算出手段と、を備えることを特徴とする歪測定装置。
2. 請求項１に記載の歪測定装置において、
   前記サーモビュアは、前記第１ステレオカメラ又は前記第２ステレオカメラと近接して配置されていることを特徴とする歪測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の歪測定装置において、
   前記測定対象物の線膨張係数と前記測定対象物の温度とを対応付けて記憶する膨張係数記憶手段を更に備え、
   前記熱自由歪算出手段は、前記サーモビュアによって検出された温度分布に含まれる各温度に対応する線膨張係数を、前記膨張係数記憶手段から読み出して、前記熱自由歪を求めることを特徴とする歪測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の歪測定装置において、
   前記サーモビュアから前記測定対象物に向かう視線方向と直交する面と前記測定対象物の表面とのなす角である傾斜角に対応付けて、前記サーモビュアによって検出された温度分布に含まれる各温度を補正する補正係数を記憶する補正係数記憶手段と、
   前記実歪算出手段によって求められた前記測定対象物の三次元形状から前記傾斜角を求め、求められた傾斜角に対応する補正係数を前記補正係数記憶手段から読み出して、読み出された補正係数を用いて、前記サーモビュアによって検出された温度分布を補正する温度補正手段と、を備え、
   前記熱自由歪算出手段は、前記温度補正手段によって補正された温度分布から前記熱自由歪を求めることを特徴とする歪測定装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の歪測定装置を用いて、前記測定対象物の温度と線膨張係数との関係を求める線膨張係数測定方法であって、
   前記測定対象物と同一の材料からなり、少なくとも２つの位置にマークが描かれたテストピースを、予め設定された温度に均一に加熱して、前記測定対象物と略同一の位置に配置する均一加熱工程と、
   前記テストピースに描かれた２つのマーク間の距離を前記第１ステレオカメラ及び前記第２ステレオカメラの少なくとも一方を用いて求める測定工程と、
   前記測定工程において求められた２つのマーク間の距離から線膨張係数を求める係数算出工程と、を繰り返し実行することによって、前記測定対象物の温度と線膨張係数との関係を求めることを特徴とする線膨張係数測定方法。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の歪測定装置を用いて、前記サーモビュアから前記測定対象物に向かう視線方向と直交する面と前記測定対象物の表面とのなす角である傾斜角と前記サーモビュアの補正係数との関係を求めるサーモビュアの補正係数測定方法であって、
   前記測定対象物と同一の材料からなり、円柱形のテストピースを、予め設定された温度に均一に加熱して、前記測定対象物と略同一の位置に配置する均一加熱工程と、
   前記サーモビュアによって前記テストピースの表面の温度分布を検出する検出工程と、
   前記検出工程において検出された前記テストピースの表面の温度分布から補正係数を求める係数算出工程と、を実行することによって、前記測定対象物の傾斜角と補正係数との関係を求めることを特徴とするサーモビュアの補正係数測定方法。

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