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電子線モアレ法・モアレ法を用いた変形・変位測定手法の開発とその応用技術

国立研究開発法人 物質・材料研究機構

構造材料研究拠点

構造材料基礎科学分野

構造材料組織解析技術グループ

主席研究員 岸本 哲

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新技術の概要

電子線モアレ法やモアレ法を用いて、ミクロンサイズからメートルサイズの領域までの変形量を視覚的に観察し、かつ計測できる技術を開発した。この手法を用いるとステージの位置合わせや熱膨張係数計測、ひずみ計測、規則的パターンの乱れや変位計測等が観察・計測できる。

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従来技術とその問題点

従来の計測器を用いた計測，時にひずみ計測では，ひずみゲージ等のセンサー類を資料や構造物に設置するため，多くの労力と装置類を必要とした．また変位を計測する場合は非計測物と独立した治具などを使用する必要があった．また光などを用いる場合は試料の垂直方向の変形しか計測できず、また画像相関法などは高価なソフトウエアーを必要とした。

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モアレ縞とは

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モアレ法の原理

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モデルグリッド（変形格子）

グリッドのずれ

グリッドの間隔が異なる場合 グリッドの角度が異なる場合

マスターグリッド（基準格子）

2つのパターン（グリッド）が重なり合うことにより生じる縞（モアレ縞）よ変形量を計測する方法

モアレ法とは

ε=a/(d‐a) δ=a・Δd/dひずみ ずれグリッドにずれが生じる場合

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電子線モアレ法微小な領域での変形量観察

電子線

電子線走査方向

基盤とは二次電子発生量の異なる材料で作製したグリッド

電子線モアレ縞基盤とグリッドの輝度の違いによりモアレ縞を作製

試料

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17.16nm

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a2

a1

a3

θ17.23nm

1mDirection of electron beam scan. Direction of electron beam scan.

1m

ナノパーティクルアレーの間隔と方向の計測

100nm

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熱膨張係数計測複合化・ハイブリッド化した材料それぞれの熱膨張係数計測

室温２３℃

電子線走査方向

100μｍ

８０℃まで加熱電子線走査方向

100μｍ

加熱前後のひずみより滅膨張係数を算出

室温～８０℃までの熱ひずみファイバー部：0.61％母材部： 0.81％熱膨張係数ファイバー部： 1.1×10－４／℃母材部 ： 1.4×10－４／℃

アルミニウム 合金

Ni-Ti合金

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Array of the CMOS sensor

Specimen

Model grid High speed camera

CMOS

Moiré fringe

Moiré Fringe

Model Grid

Master Grid

撮像素子を用いた（高速）モアレ縞観察法

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高速変形計測

‐0.1msec（衝突0.0001秒前） 0 msec (衝突時) 1.4msec （衝突後0.0014秒後）

High compressive strain area (4.8%)

High comressive strain area (1.9%)

a=50 m,d=1050 mε=a/(d‐a)=50/(1050‐50)==0.05= 5%

a=50 m,d=770 mε=a/(d‐a)=50/(770‐50)==0.069= 6.9%5% ‐ 6.9% = ‐1.9%

a=50 m,d=560 mε=a/(d‐a)=50/(560‐50)==0.098= 9.8%5% ‐ 9.8% = ‐4.8%

32mm=12.5mm,    1mm=0.39mm=390m

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変位計測

モデルグリッドひとつ分マスターグリッドがずれるとモアレ縞がひとつ分移動する。小さな変化をﾓｱﾚ縞の大きな変化として観察できる

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位置合わせ技術

http://www.olympus-lifescience.com/ja/laser-scanning/fv3000/より

走査型電子顕微鏡、電子線露光装置、走査型レーザー顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡走査型イオン顕微鏡等のステージの位置合わせ

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照射型グリッド

ひび割れ検出技術

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目標となる構造物

観察・撮影装置(CCDカメラ，CMOS カメラ、高速度カメラなど）

コックリート表面やコンクリート表面の塗装膜にエネルギー線を格子状に照射して一時的にモデルグリッドを作製する。蓄光性塗料の残光や温度差等により一時的なグリッドが観察できる。荷重負荷時、無負荷時のモアレ縞の違いによりひびを検出する。塗料が塗ってあり表面が観察できないコンクリート構造物に有効

30秒後 1分後（蓄光塗料上の残光グリッド10mm間隔）

格子照射時

エ ネ ル ギ ー 照射装置(PC プロジェクター，走査型レーザー照射装置など

サーモグラフィーによるグリッド観察1分後

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3次元形状計測

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新技術の特徴・従来技術との比較

• 走査型電子顕微鏡や光学顕微鏡を用い、新たな装置を付加することなく変形量を観察できる

• 電子部品等の超小型の部品から橋梁等の大型建築物のたわみなどの変位まで簡便に計測できる

• 変形の様子は特殊な装置を介することなく、視覚的にとらえることができる。

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想定される用途

• 電子顕微鏡・レーザー顕微鏡などの精密測定機器のステージの位置合わせ

• 熱膨張係数、界面すべり、ひずみ集中等の材料の物理的現象の観察・測定、損傷量の評価

• 橋梁（特に小型橋梁）やビルディングのたわみ量の簡易計測、異常変形部位の検出

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実用化に向けた課題

• 現在、計測に関する原理的システムについては開発済み。グリッドに関してもサブミクロン～ｃｍ間隔グリッドも作製が可能。しかし、実際の構造物での実績が少ない。

• 実用化に向けて、大きな面積を一度に計測、あるいは一度記録した後に解析する技術開発の実用がある。

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企業への期待

• 微小領域での観察装置を製造している企業や微細な変形計測技術開発を行っている企業との共同研究を希望する。

• リソグラフィー技術や半導体製造技術を持ち半導体チップの故障解析技術開発をおこなっておる企業との共同研究を希望する。

• 小さな橋梁の健全制評価など、道路公団、地方自治体や点検作業技術の開発を行っている企業への展開を考えている。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：構造物の変形測定装置およびその変形測定法• 出願番号 ：特願2014-188048• 出願人 ：物質・材料研究機構• 発明者 ：岸本 哲

• 発明の名称：走査照射装置のステージ位置合わせ方法• 特許番号：特許第5429908• 出願人 ：物質・材料研究機構• 発明者 ：岸本 哲

• 発明の名称：熱膨張係数測定方法とその装置• 特許番号 ：特許第5673908• 出願人 ：物質・材料研究機構• 発明者 ：岸本 哲、田中義久

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産学連携の経歴（任意）

• 2014年-2018年 SIP『インフラ維持管理マネジメント技術』事業に採択

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金 属 セ ル 壁（Ni-P合金）

SiC

TiO2

セラミックスやポリマーを内包する金属セル構造材料

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100Strain %

Str

ess

MP

a Pours Stainless+Epoxy

Porous stainless

Porous stainless＋Epoxy

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：セラミックス内包型クローズドセル構造金属を有する

機能性複合材料とその製造方法

• 出願番号 ：特許第4758246• 出願人 ：物質・材料研究機構• 発明者 ：岸本 哲、長谷川良雄

• 発明の名称：複合材料• 特許番号：特許第5413577• 出願人 ：物質・材料研究機構• 発明者 ：岸本 哲、内藤公喜、清水 透、殷 福星

産学連携の経歴２００７-２００９年 いばらき研究開発推進事業

「ハイブリッドマイクロセル構造を有する高熱伝導率放熱材料の研究開発」

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放電プラズマ焼結用のパンチマイクロパターン作製用パンチ

作製したマイクロパターン （２４ｈイオン研磨パンチ）

粉末

電流

パンチ

圧力

グラファイトパンチの表面 作製した試料の表面

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• 高温用導電性パンチおよびその製造法• 岸本 哲• 独立行政法人 物質・材料研究機構• 特願2012-263019• 特開2014-109044(P2014-109044A)

本技術に関する知的財産権

お問い合わせ先

国立研究開発法人 物質・材料研究機構

外部連携部門 事業展開室

ＴＥＬ：０２９－８５９－２６００

ＦＡＸ：０２９－８５９－２５００

e-mail： technology-transfer@nims.go.jp

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