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公開番号2025159522
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-21
出願番号2024062148
出願日2024-04-08
発明の名称試験体分析装置及び試験体分析方法
出願人日本製鉄株式会社
代理人弁理士法人太陽国際特許事務所
主分類G01N 3/32 20060101AFI20251014BHJP(測定;試験)
要約【課題】疲労試験において試験体の表面に生じる初期の亀裂から試験体が破断する直前の亀裂までを分析した結果に基づいて、試験体を分析できるようにする。
【解決手段】撮像部は、試験体の表面に対して一の方向からの光が照射されたタイミングと他の方向からの光が照射されたタイミングで試験体の表面を撮像することで撮像画像を生成し、演算処理部は、撮像画像内における亀裂を特定し、撮像画像内における特定した亀裂を含む領域を亀裂観察画像として抽出し、抽出した亀裂観察画像のうち、試験体が破断する直前の亀裂と見做せる亀裂が写った破断直前の亀裂観察画像に着目し、破断直前の亀裂観察画像に写った試験体の表面の位置に対応する位置を撮像した過去の亀裂観察画像を、破断直前の亀裂観察画像から亀裂が発生する起点となる初期の亀裂が写った初期の亀裂観察画像まで遡ることで、試験体の表面に生じる亀裂を分析する。
【選択図】図16
特許請求の範囲【請求項１】
７００℃未満の範囲で設定された温度範囲に試験体の温度を維持して行う疲労試験において、前記試験体の表面に生じる亀裂に基づいて前記試験体を分析する試験体分析装置であって、
前記疲労試験における負荷として、前記試験体の軸方向に、予め決められたサイクルで引張応力と圧縮応力とを繰り返し付与する応力付与部と、
前記試験体の表面に、前記試験体の軸に垂直な面を挟んで、一の方向からの光と他の方向からの光とを、切り替えて照射する照明部と、
前記試験体の表面と対向して設けられた１又は複数のエリアカメラを用いて、前記試験体の表面の法線方向から前記試験体の表面を撮像して、撮像画像を生成する撮像部と、
前記撮像部により生成された撮像画像を用いて、前記試験体の表面に生じる亀裂を分析し、当該分析結果に基づいて前記試験体を分析する演算処理部と、
を有し、
前記撮像部は、前記疲労試験において、前記応力付与部による応力付与が停止している時に、前記照明部が前記撮像部と前記試験体との間に配置され、前記試験体の表面に対して、前記一の方向からの光が照射されたタイミングと前記他の方向からの光が照射されたタイミングのそれぞれのタイミングで前記試験体の表面を撮像することで、前記撮像画像を生成し、
前記演算処理部は、
前記撮像画像内における亀裂を特定し、前記撮像画像内における特定した亀裂を含む領域を亀裂観察画像として抽出する亀裂観察画像抽出部と、
前記亀裂観察画像抽出部で抽出された亀裂観察画像のうち、前記試験体が破断する直前の亀裂と見做せる亀裂が写った破断直前の亀裂観察画像に着目し、前記破断直前の亀裂観察画像に写った前記試験体の表面の位置に対応する位置を撮像した過去の亀裂観察画像を、前記破断直前の亀裂観察画像から亀裂が発生する起点となる初期の亀裂が写った初期の亀裂観察画像まで遡ることで、前記試験体の表面に生じる亀裂を分析する亀裂分析部と、
を有する、試験体分析装置。
続きを表示（約 1,900 文字）【請求項２】
前記亀裂分析部は、
前記破断直前の亀裂観察画像を１枚目として、前記破断直前の亀裂観察画像から前記初期の亀裂観察画像まで、前記過去の亀裂観察画像を時系列で遡る際に、
ｉ枚目（変数ｉは１以上の整数）の亀裂観察画像において、前記ｉ枚目の亀裂観察画像に写った亀裂のうち、前記初期の亀裂に起因して生じた亀裂の部分に対して、前記亀裂の部分の高さと略同じ高さを有し、前記亀裂の部分の幅と略同じ幅を有する矩形の領域を、前記ｉ枚目の亀裂観察画像における第１亀裂抽出領域として設定し、
ｉ＋１枚目の亀裂観察画像において、前記ｉ枚目の亀裂観察画像における第１亀裂抽出領域と同じ位置を表す領域を第２亀裂抽出領域として設定し、前記第２亀裂抽出領域に含まれる亀裂のうち、前記初期の亀裂に起因して生じた亀裂の部分に対して、前記亀裂の部分の高さと略同じ高さを有し、前記亀裂の部分の幅と略同じ幅を有する矩形の領域を、前記ｉ＋１枚目の亀裂観察画像における第１亀裂抽出領域として設定し、
ｉ＋１枚目の亀裂観察画像において、前記第２亀裂抽出領域を設定でき、前記第１亀裂抽出領域を設定できなかった場合に、
ｉ＋１枚目の亀裂観察画像が前記初期の亀裂観察画像であると判断し、前記初期の亀裂観察画像の前記第２亀裂抽出領域内に亀裂が発生する起点が存在すると判断する、請求項１に記載の試験体分析装置。
【請求項３】
前記演算処理部は、
前記撮像部により生成された撮像画像を、異なる複数の解像度の撮像画像に変換する多解像度処理部と、
前記多解像度処理部で生成した複数の解像度の撮像画像に対して、第１の方向に対応する第１ガボールフィルタと、前記第１の方向と異なる方向である第２の方向に対応する第２ガボールフィルタとを適用して、それぞれ新たな撮像画像を生成し、前記新たな撮像画像を足し合わせて平均化して強調処理画像を生成する強調処理部と、
を有し、
前記破断直前の亀裂観察画像を１枚目として、前記破断直前の亀裂観察画像から前記初期の亀裂観察画像まで、前記過去の亀裂観察画像を時系列で遡る際に、
前記ｉ＋１枚目の亀裂観察画像に対して、前記多解像度処理部及び前記強調処理部を用いて、前記ｉ＋１枚目の強調処理画像を生成し、前記ｉ＋１枚目の強調処理画像における第１亀裂抽出領域を設定する、請求項２に記載の試験体分析装置。
【請求項４】
７００℃未満の範囲で設定された温度範囲に試験体の温度を維持して行う疲労試験において、前記試験体の表面に生じる亀裂に基づいて前記試験体を分析する試験体分析方法であって、
前記疲労試験における負荷として、前記試験体の軸方向に、予め決められたサイクルで引張応力と圧縮応力とを繰り返し付与する応力付与部と、
前記試験体の表面に、前記試験体の軸に垂直な面を挟んで、一の方向からの光と他の方向からの光とを、切り替えて照射する照明部と、
前記試験体の表面と対向して設けられた１又は複数のエリアカメラを用いて、前記試験体の表面の法線方向から前記試験体の表面を撮像して、撮像画像を生成する撮像部と、
前記撮像部により生成された撮像画像を用いて、前記試験体の表面に生じる亀裂を分析し、当該分析結果に基づいて前記試験体を分析する演算処理部と、
を有する試験体分析装置を用い、
前記撮像部を用いて、前記疲労試験において、前記応力付与部による応力付与が停止している時に、前記照明部が前記撮像部と前記試験体との間に配置され、前記試験体の表面に対して、前記一の方向からの光が照射されたタイミングと前記他の方向からの光が照射されたタイミングのそれぞれのタイミングで前記試験体の表面を撮像することで、前記撮像画像を生成する撮像画像生成ステップと、
前記撮像画像内における亀裂を特定し、前記撮像画像内における特定した亀裂を含む領域を亀裂観察画像として抽出する亀裂観察画像抽出ステップと、
前記亀裂観察画像抽出ステップで抽出された亀裂観察画像のうち、前記試験体が破断する直前の亀裂と見做せる亀裂が写った破断直前の亀裂観察画像に着目し、前記破断直前の亀裂観察画像に写った前記試験体の表面の位置に対応する位置を撮像した過去の亀裂観察画像を、前記破断直前の亀裂観察画像から亀裂が発生する起点となる初期の亀裂が写った初期の亀裂観察画像まで遡ることで、前記試験体の表面に生じる亀裂を分析する亀裂分析ステップと、
を有する、試験体分析方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、７００℃未満の範囲で設定された温度範囲に試験体の温度を維持して行う疲労試験において、試験体の表面に生じる亀裂に基づいて試験体を分析する試験体分析装置及び試験体分析方法に関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
疲労試験を実施する過程で試験体の表面に生じる亀裂の観察は、所定のサイクル毎に、試験機を停止し、作業員による目視観察及びレプリカ法による顕微鏡観察によって実施される。しかし、発生直後の亀裂は、数十μｍほどの大きさであり、顕微鏡による目視観察においても発見は困難である。疲労試験の初期では、亀裂の位置及び有無を確認することが困難であり、所定のサイクル毎に試験体の表面のレプリカを採取する場合、レプリカ法において顕微鏡で亀裂を視認できるのは、数百μｍから数ｍｍほどの大きさまで進展した亀裂であり、この大きさの亀裂でようやく位置を同定することが可能となる。視認可能となった亀裂の位置から既に採取済みの初期のレプリカを再度見直することで、初期の亀裂及び初期の亀裂のその後の進展速度を探索することになる。しかし、初期の亀裂のような微小な亀裂は、レプリカに転写させることが難しく、初期の亀裂の同定ができない場合がある。また、空気が気泡としてレプリカに現れる場合もあるため、試験体の表面の観察自体を困難にする場合がある。
【０００３】
このようにレプリカ法は、初期の亀裂を確実にレプリカに転写させる高度な技術が必要であると共に、レプリカの採取には多大な時間を要する。また、レプリカへの気泡の入り込み等を確認しつつの作業となるため、場合によっては、１時間以上もの時間を要する。加えて、レプリカを採取するのが疲労試験の過程であるため、所定のサイクル毎に行うレプリカの採取は、サイクル後の作業となり、レプリカの採取後、次回の所定のサイクルまで疲労試験を行うことになる。したがって、サイクルとレプリカ採取を繰り返す作業となり、１つの試験体の疲労試験に膨大な時間を要することになる。加えて、疲労試験の後期において大きな亀裂は確認できたとしても、初期の亀裂の転写が行えていなかった場合は、実施した疲労試験自体が無駄になることも多々ある。このように非常に難しいレプリカ法ではあるが、試験体の表面に生じる亀裂を所定のサイクル毎に同定し、亀裂の進展量を評価することは、試験体に対応する製品の正確な寿命及び強度を把握する上で、非常に重要となるため、亀裂の寸法を過小評価したり、亀裂を見逃したりすることは回避しなければならない。
【０００４】
ここで、試験体の亀裂を観察し得る手法として、次の手法が提案されている。すなわち、特許文献１には、試験体の表面に予めドットパターンやグリッドパターンを付与し、疲労試験中のパターンの変化に基づいて、モアレ法と画像相関法により試験体の表面の歪みを計測する手法が開示されている。また、特許文献２には、試験体の表面に予め１次元又は２次元のパターン（格子）を付与し、疲労試験中のパターンの変化に基づいて、フーリエ変換と位相変化により試験体の表面の歪みを測定する手法が開示されている。
【０００５】
また、亀裂の長さを測定する手法として、次の手法が提案されている。すなわち、特許文献３には、撮像装置で撮像した画像に基づいて亀裂の先端部を検出し、撮像装置の視野が試験片に対して相対的に亀裂の進展方向へ移動するように、移動装置によって撮像装置及び試験片支持装置の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させ、撮像装置及び試験片支持装置の相対的な移動量に基づいて亀裂の進展寸法を演算する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０１１－２７５２６号公報
特開２０１９－６６３６９号公報
特開平５－２２３７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の手法では、疲労試験中に試験体の表面からパターンが剥がれ落ちるという課題がある。また、特許文献３に記載の手法では、亀裂の先端部を検出することが前提であるため、初期の亀裂の場合には、亀裂の先端部を検出することができないという課題がある。したがって、疲労試験において試験体の表面に生じる初期の亀裂から試験体が破断する直前の亀裂までを分析した結果に基づいて、試験体を分析することができるようにするためには、改善の余地がある。
【０００８】
本発明は、疲労試験において試験体の表面に生じる初期の亀裂から試験体が破断する直前の亀裂までを分析した結果に基づいて、試験体を分析することができる試験体分析装置及び試験体分析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態様は、７００℃未満の範囲で設定された温度範囲に試験体の温度を維持して行う疲労試験において、前記試験体の表面に生じる亀裂に基づいて前記試験体を分析する試験体分析装置であって、前記疲労試験における負荷として、前記試験体の軸方向に、予め決められたサイクルで引張応力と圧縮応力とを繰り返し付与する応力付与部と、前記試験体の表面に、前記試験体の軸に垂直な面を挟んで、一の方向からの光と他の方向からの光とを、切り替えて照射する照明部と、前記試験体の表面と対向して設けられた１又は複数のエリアカメラを用いて、前記試験体の表面の法線方向から前記試験体の表面を撮像して、撮像画像を生成する撮像部と、前記撮像部により生成された撮像画像を用いて、前記試験体の表面に生じる亀裂を分析し、当該分析結果に基づいて前記試験体を分析する演算処理部と、を有し、前記撮像部は、前記疲労試験において、前記応力付与部による応力付与が停止している時に、前記照明部が前記撮像部と前記試験体との間に配置され、前記試験体の表面に対して、前記一の方向からの光が照射されたタイミングと前記他の方向からの光が照射されたタイミングのそれぞれのタイミングで前記試験体の表面を撮像することで、前記撮像画像を生成し、前記演算処理部は、前記撮像画像内における亀裂を特定し、前記撮像画像内における特定した亀裂を含む領域を亀裂観察画像として抽出する亀裂観察画像抽出部と、前記亀裂観察画像抽出部で抽出された亀裂観察画像のうち、前記試験体が破断する直前の亀裂と見做せる亀裂が写った破断直前の亀裂観察画像に着目し、前記破断直前の亀裂観察画像に写った前記試験体の表面の位置に対応する位置を撮像した過去の亀裂観察画像を、前記破断直前の亀裂観察画像から亀裂が発生する起点となる初期の亀裂が写った初期の亀裂観察画像まで遡ることで、前記試験体の表面に生じる亀裂を分析する亀裂分析部と、を有する、試験体分析装置である。
【００１０】
本発明の第２態様は、７００℃未満の範囲で設定された温度範囲に試験体の温度を維持して行う疲労試験において、前記試験体の表面に生じる亀裂に基づいて前記試験体を分析する試験体分析方法であって、前記疲労試験における負荷として、前記試験体の軸方向に、予め決められたサイクルで引張応力と圧縮応力とを繰り返し付与する応力付与部と、前記試験体の表面に、前記試験体の軸に垂直な面を挟んで、一の方向からの光と他の方向からの光とを、切り替えて照射する照明部と、前記試験体の表面と対向して設けられた１又は複数のエリアカメラを用いて、前記試験体の表面の法線方向から前記試験体の表面を撮像して、撮像画像を生成する撮像部と、前記撮像部により生成された撮像画像を用いて、前記試験体の表面に生じる亀裂を分析し、当該分析結果に基づいて前記試験体を分析する演算処理部と、を有する試験体分析装置を用い、前記撮像部を用いて、前記疲労試験において、前記応力付与部による応力付与が停止している時に、前記照明部が前記撮像部と前記試験体との間に配置され、前記試験体の表面に対して、前記一の方向からの光が照射されたタイミングと前記他の方向からの光が照射されたタイミングのそれぞれのタイミングで前記試験体の表面を撮像することで、前記撮像画像を生成する撮像画像生成ステップと、前記撮像画像内における亀裂を特定し、前記撮像画像内における特定した亀裂を含む領域を亀裂観察画像として抽出する亀裂観察画像抽出ステップと、前記亀裂観察画像抽出ステップで抽出された亀裂観察画像のうち、前記試験体が破断する直前の亀裂と見做せる亀裂が写った破断直前の亀裂観察画像に着目し、前記破断直前の亀裂観察画像に写った前記試験体の表面の位置に対応する位置を撮像した過去の亀裂観察画像を、前記破断直前の亀裂観察画像から亀裂が発生する起点となる初期の亀裂が写った初期の亀裂観察画像まで遡ることで、前記試験体の表面に生じる亀裂を分析する亀裂分析ステップと、を有する、試験体分析方法である。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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