JP5578667B2 - Micro-force measuring apparatus, micro-force measuring method using torsion balance, and investigating method for buried object - Google Patents

Description

この発明は、ねじれ秤による微小力測定装置及び微小力測定方法に係り、特にねじれ秤を構成するアームの画像に対する画像処理によってアームの回転角度を測定してこの回転角度からアームに働く微小力を測定する装置及び方法に関する。   The present invention relates to a micro force measuring device and a micro force measuring method using a torsion balance, and in particular, the arm rotation angle is measured by image processing for an image of an arm constituting the torsion balance, and the micro force acting on the arm is determined from the rotation angle. The present invention relates to an apparatus and method for measuring.

固体等の内部に埋没していると推定される埋没物の存在を非破壊で確認する検査方法として、従来当該固体にX線等の放射線あるいは超音波を照射して、これら放射線あるいは超音波の散乱の情報から埋没物を探査する方法が知られている。   As an inspection method for non-destructive confirmation of the presence of buried objects that are estimated to be buried inside solids, etc., conventional radiation or ultrasonic waves such as X-rays have been applied to the solids. There are known methods for exploring buried objects from scattered information.

これらの検査方法は、高い解像度を以って埋没物を探索可能であるという利点を有している一方で、探索対象とされる埋没物によっては、放射線あるいは超音波等を透過するため利用が困難である場合がある。また、放射線の被曝量を制限する必要がある対象物についてはその使用が制限される。   While these inspection methods have the advantage of being able to search for buried objects with high resolution, depending on the buried objects to be searched, they can be used to transmit radiation or ultrasonic waves. It can be difficult. In addition, the use of an object that needs to limit the radiation exposure amount is limited.

更に、放射線あるいは超音波を検査対象物に照射して探査する方法にあっては、放射線あるいは超音波の発生源を検査対象物の付近に設置する必要があり、検査対象物の置かれている状況あるいは検査対象物の大きさ等によっては、その使用が制限される。   Furthermore, in the method of exploring by irradiating the inspection object with radiation or ultrasonic waves, it is necessary to install a source of radiation or ultrasonic waves in the vicinity of the inspection object, and the inspection object is placed. Depending on the situation or the size of the inspection object, its use is limited.

そこで、埋没物を含有していると推定される検査対象物に対して放射線あるいは超音波を照射せずに、埋没されている物体の質量による重力を、当該検査対象物に対する複数の相異なる位置において測定し、この結果を解析することによって埋没物の存在を探索することが有効な手段となり得る。   Therefore, the gravity due to the mass of the buried object is not irradiated with radiation or ultrasonic waves on the inspection object presumed to contain the embedded object, and a plurality of different positions with respect to the inspection object are detected. It can be an effective means to search for the presence of the buried object by measuring in step 1 and analyzing the result.

また、上述の実用的な要請から微小力である重力を測定するという用途の他に、学問的な知見を得るために微小力を測定したいという要請もある。例えば、平行に置かれた2枚の無帯電状態の金属板の間にカシミール力が引力として働くことが知られており、このカシミール力を測定する実験が行われている。また、近距離における万有引力定数の測定実験や、万有引力の法則自身の検証実験も行われている。   In addition to the above-mentioned practical use for measuring gravity, which is a micro force, there is also a request for measuring micro force in order to obtain academic knowledge. For example, it is known that a Kashmir force acts as an attractive force between two uncharged metal plates placed in parallel, and experiments for measuring this Kashmir force are being conducted. In addition, a measurement experiment of the universal gravitation constant at a short distance and a verification experiment of the universal gravitation law itself have been conducted.

上述の埋没されている物体の質量による重力の大きさ、及びカシミール力は非常に小さいために、高感度でかつ測定中の外乱の影響を受けにくい方法で測定する必要がある。このように微小力を測定する方法として有力なのが、歴史的に有名なキャベンディッシュの実験に使われたねじれ秤を利用する方法である。   Since the magnitude of gravity due to the mass of the buried object and the Kashmir force are very small, it is necessary to measure by a method that is highly sensitive and less susceptible to disturbance during measurement. In this way, a promising method for measuring a micro force is a method using a torsion balance used in a historically famous cavendish experiment.

なお、ねじれ秤による測定対象としては、上述の重力、カシミール力に限らず、微小な電磁力も測定の対象となり得る。   Note that the measurement target by the torsion balance is not limited to the above-described gravity and kashmir force, and a minute electromagnetic force can also be a measurement target.

ねじれ秤は、両端に物体が取り付けられたアームを当該アームの重心を剛性のワイヤーあるいは熔融石英ファイバ等の細線で吊り下げられて構成されており、この細線を回転中心とするアームの回転角度を測定することによって、物体と被測定対象物との間に働く微小力の大きさを求めることを原理とした微小力測定装置である。以後、アームを吊り下げている細線を回転中心とするアームの回転を、ねじれ秤の回転ということもある。   A torsion balance is configured by suspending an arm with an object attached to both ends at the center of gravity of the arm with a thin wire such as a rigid wire or a fused silica fiber. This is a micro force measuring device based on the principle of obtaining the magnitude of a micro force acting between an object and an object to be measured by measuring. Hereinafter, the rotation of the arm with the thin line hanging the arm as the center of rotation may be referred to as the rotation of the torsion balance.

ねじれ秤による物体の質量による重力の大きさの測定方法の一例として非特許文献1に開示されている手法がある。   There is a technique disclosed in Non-Patent Document 1 as an example of a method of measuring the magnitude of gravity by the mass of an object using a torsion balance.

また、ねじれ秤による測定においては、ねじれ秤の回転角度を正確に測定することがポイントとなる。その手法として、ねじれ秤の運動の様子をビデオ撮影して、この画像を解析することによって、ねじれ秤の回転角度を求めるというアイディアが開示されている（非特許文献2参照）。しかしながら、非特許文献2には、ねじれ秤の回転角度を求めるための具体的な手法が開示されていない。   Further, in the measurement using the torsion balance, it is important to accurately measure the rotation angle of the torsion balance. As such a technique, an idea of obtaining a rotation angle of the torsion balance by taking a video of the motion of the torsion balance and analyzing the image is disclosed (see Non-Patent Document 2). However, Non-Patent Document 2 does not disclose a specific method for obtaining the rotation angle of the torsion balance.

更に、ねじれ秤を用いたカシミール力の測定については、例えば、非特許文献3に開示されている。このカシミール力の測定方法によれば、ねじれ秤のアームの中心に取り付けられたミラーにレーザー光を当てこのレーザー光の反射光を光検出器で受光してアームの回転角度を測定するという方法がとられている。   Furthermore, the measurement of the Kashmir force using a torsion balance is disclosed in Non-Patent Document 3, for example. According to this method of measuring the Kashmir force, there is a method in which a laser beam is applied to a mirror attached to the center of the arm of the torsion balance and the reflected light of the laser beam is received by a photodetector to measure the rotation angle of the arm. It has been taken.

"キャベンディッシュの地球の重さ測定実験（1798年)における”ねじれ秤”について"［online］［平成22年2月8日検索］インターネット〈URL: http://www.fnorio.com/0006Chavendish/Chavendish.htm〉"About the" twisting scale "in the Cavendish Earth Weighing Experiment (1798)" [online] [searched on February 8, 2010] Internet <URL: http://www.fnorio.com/0006Chavendish /Chavendish.htm> "立教大学学術推進特別重点資金（立教SFR）大学院生研究2008年度研究成果報告書"［online］［平成22年2月8日検索］インターネット〈URL:http://okamoto.rikkyo.ac.jp/research/initiative/_asset/pdf/insei/insei_53.pdf〉"Rikkyo University Academic Promotion Special Priority Fund (Rikkyo SFR) Graduate School Student Research 2008 Research Report" [online] [Search February 8, 2010] Internet <URL: http://okamoto.rikkyo.ac.jp /research/initiative/_asset/pdf/insei/insei_53.pdf> "ねじれ秤を用いたカシミール力の精密測定［online］［平成22年3月23日検索］インターネット〈http://yukimura.hep.osaka-cu.ac.jp:16080/TAMAsympo4/viewgraphs/219-pm-masuda.pdf〉"Precision measurement of Kashmir force using a torsion balance [online] [Search on March 23, 2010] Internet <http://yukimura.hep.osaka-cu.ac.jp:16080/TAMAsympo4/viewgraphs/219- pm-masuda.pdf>

ねじれ秤による微小力測定においては、アームの回転方向の単振動だけでなく、このアームを吊り下げている細線に対するアームの重心の振り子運動としての単振動が加わる。ねじれ秤の回転角度を求める方法において、この振り子運動としての単振動が、ねじれ秤の回転角度を決定する上で雑音として働く。従って、ねじれ秤の回転角度を決定する上で、何らかの方法でこの振り子運動としての単振動を除外することが必要である。   In the micro force measurement by the torsion balance, not only a simple vibration in the rotation direction of the arm but also a simple vibration as a pendulum motion of the center of gravity of the arm with respect to the thin wire hanging the arm is applied. In the method for obtaining the rotation angle of the torsion balance, the simple vibration as the pendulum motion acts as noise in determining the rotation angle of the torsion balance. Therefore, in order to determine the rotation angle of the torsion balance, it is necessary to exclude this simple vibration as the pendulum motion by some method.

アームの回転量を計測する方法として、ねじれ秤のアームの何れかの箇所、例えば中心に取り付けられたミラーにレーザー光を当てこのレーザー光の反射光を光検出器で受光してアームの回転角度を測定するという方法がある。この計測方法では、振り子運動としての単振動が、ねじれ秤の回転角度を決定する上で雑音として働き、アームの回転とアームの重心の振り子運動としての変位とを区別することができない。すなわち、上述のレーザー光を用いた計測方法を含め、アームの回転量を、アームの何れかの一箇所の変動を捉えて計測するという一点計測によって決定する方法によれば、アームの回転とアームの重心の振り子運動としての変位とを区別することができないという共通の課題が存在する。   As a method of measuring the amount of rotation of the arm, a laser beam is applied to any part of the arm of the torsion balance, for example, a mirror attached to the center, and the reflected light of the laser beam is received by a photodetector to rotate the arm rotation angle. There is a method of measuring. In this measurement method, the simple vibration as the pendulum motion acts as noise in determining the rotation angle of the torsion balance, and the rotation of the arm cannot be distinguished from the displacement as the pendulum motion of the center of gravity of the arm. That is, according to the method of determining the amount of rotation of the arm, including the above-described measurement method using laser light, by one-point measurement in which the variation of any one part of the arm is measured, the rotation of the arm and the arm There is a common problem that it is not possible to distinguish the displacement as the pendulum motion of the center of gravity.

この出願の発明者は、上述の一点計測の代わりに、ねじれ秤を構成するアームの画像から、このアームの画像の中心線を表す直線を解析的に1次関数で表したときのこの直線の傾きを測定パラメータとすることに注目した。この傾きの時間変化が単振動で表され、この単振動の振る舞いを解析することによって、アームの回転角度を、アームを吊り下げている細線に対するアームの重心の振り子運動としての単振動に影響されることなく独立に決定できることに想到した。   The inventor of this application, instead of the one-point measurement described above, from the image of the arm constituting the torsion balance, the straight line representing the center line of the image of the arm is analytically expressed by a linear function. We paid attention to the slope as the measurement parameter. The time variation of this tilt is expressed as a single vibration, and by analyzing the behavior of this simple vibration, the rotation angle of the arm is influenced by the simple vibration as the pendulum motion of the arm's center of gravity with respect to the thin wire that suspends the arm. I came up with the idea of being able to make an independent decision.

ねじれ秤に働く微小力を、このねじれ秤を測定対象物に対して移動させつつ測定する場合、アームを吊り下げている細線の中心軸を中心とする回転運動としての単振動と、アームを吊り下げている細線に対するアームの重心の振り子運動としての単振動が起こる。しかしながら、この振り子運動としての単振動に影響されることなく独立にアームの回転角度を決定できれば、ねじれ秤を測定対象物に対して移動させつつ微小力測定をすることが可能となることを意味する。   When measuring the micro force acting on the torsion balance while moving the torsion balance with respect to the object to be measured, a simple vibration as a rotational motion around the central axis of the thin wire that suspends the arm and the arm suspension A simple vibration occurs as a pendulum motion of the center of gravity of the arm with respect to the lowered thin wire. However, if the rotation angle of the arm can be determined independently without being affected by the simple vibration as the pendulum motion, it means that it is possible to measure a micro force while moving the torsion balance relative to the measurement object. To do.

すなわち、アームの回転角度を上述のように確定させる方法によれば、微小力を高精度で測定することが可能となり、例えば、小型のねじれ秤によって固体等の内部に埋没している物体を非破壊で探査する工業的な検査、あるいは上述の学問的な目的での計測等に広く利用することが可能な方法として実現されることを確信した。   That is, according to the method for determining the rotation angle of the arm as described above, it is possible to measure a minute force with high accuracy. For example, an object buried inside a solid or the like by a small torsion balance can be removed. I was convinced that it would be realized as a method that can be widely used for industrial inspections that are explored by destruction, or for the above-mentioned academic purposes.

従って、この発明の目的は、アームの重心の振り子運動としての単振動の影響を受けずにねじれ秤の回転を決定することが可能であり、このねじれ秤の回転角度から微小力の大きさを決定することを可能とした、微小力測定装置及びこの測定装置を用いて実現される微小力測定方法を提供することにある。   Therefore, the object of the present invention is to determine the rotation of the torsion balance without being affected by the simple vibration as the pendulum motion of the center of gravity of the arm. It is an object of the present invention to provide a micro force measuring device that can be determined and a micro force measuring method realized by using the measuring device.

上述の理念に基づくこの発明の要旨によれば、以下のねじれ秤による微小力測定装置及び微小力測定方法が提供される。   According to the gist of the present invention based on the above philosophy, the following micro force measuring device and micro force measuring method using a torsion balance are provided.

この発明の要旨によるねじれ秤による微小力測定装置は、両端に物体が取り付けられたアームを、細線によってこの細線の中心軸を中心にして弾性的に回転が可能な状態に吊り下げ、この物体に働く力の大きさを、中心軸を回転中心とするアームの回転角度を計測することで測定する構成とされたねじれ秤によって微小力を測定する装置である。そして、画像情報取得装置と画像情報処理装置とを具えて構成される。   A micro force measuring apparatus using a torsion balance according to the gist of the present invention suspends an arm having objects attached to both ends in a state in which it can be elastically rotated around the central axis of the thin line by a thin line. It is an apparatus for measuring a micro force with a torsion balance configured to measure the magnitude of a working force by measuring the rotation angle of an arm having a center axis as a rotation center. An image information acquisition device and an image information processing device are provided.

画像情報取得装置は、アームの画像を取り込んでこの画像の画像情報信号を生成し、この画像情報信号からアームの静止2次元光強度画像を表示する時系列に従ったビデオフレームを生成して出力する。   The image information acquisition device captures the image of the arm and generates an image information signal of this image, and generates and outputs a video frame according to a time series that displays a static two-dimensional light intensity image of the arm from this image information signal To do.

画像情報処理装置は、アームの静止2次元光強度画像から、光強度重心となる複数の座標点、すなわち輝度重心座標点を決定し、この複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和が最小となる直線の方程式を最小二乗法によって求め、この直線の傾きを表すパラメータから物体に働く力の大きさを決定する。   The image information processing apparatus determines a plurality of coordinate points serving as a light intensity centroid, that is, a luminance centroid coordinate point, from the stationary two-dimensional light intensity image of the arm, and a sum of squares of distances from the plurality of luminance centroid coordinate points is calculated. The minimum straight line equation is obtained by the method of least squares, and the magnitude of the force acting on the object is determined from the parameter representing the inclination of the straight line.

画像情報取得装置は、結像光学系と、2次元受光素子と、ビデオキャプチャー装置とを具えて構成するのが好適である。   The image information acquisition device preferably includes an imaging optical system, a two-dimensional light receiving element, and a video capture device.

結像光学系は、アームの実像が2次元受光素子の受光面に形成されるように配置される。2次元受光素子は、光強度を電気信号に変換する複数のピクセルが、これらピクセルのそれぞれの配列位置が2次元位置座標によって規定されて、2次元受光素子の受光面を画する範囲の2次元平面を埋め尽くすように配列されて構成されている。そして、2次元受光素子は、当該2次元受光素子を構成するピクセルがそれぞれ同時刻に受光する光強度が電気信号に変換されてピクセルの位置座標の関数として与えられる信号を、アームの画像情報信号として取得して出力する。   The imaging optical system is arranged so that the real image of the arm is formed on the light receiving surface of the two-dimensional light receiving element. A two-dimensional light-receiving element is a two-dimensional area that covers a plurality of pixels that convert light intensity into an electrical signal, and each pixel's array position is defined by two-dimensional position coordinates to define the light-receiving surface of the two-dimensional light-receiving element. Arranged to fill the plane. Then, the two-dimensional light receiving element converts the light intensity received by the pixels constituting the two-dimensional light receiving element at the same time into an electric signal and gives a signal given as a function of the position coordinates of the pixel to the image information signal of the arm Get and output as

ビデオキャプチャー装置は、画像情報信号を時系列に従って取り込んで、時刻ごとの画像情報信号のそれぞれからアームの静止2次元光強度画像を表示するビデオフレームを生成して、時系列に従ったこのビデオフレームを単位とする時間の関数としてこのビデオフレームを出力する構成とされている。   The video capture device captures the image information signal in a time series, generates a video frame for displaying a stationary two-dimensional light intensity image of the arm from each of the image information signals for each time, and this video frame in accordance with the time series The video frame is output as a function of time in units of.

画像情報処理装置は、ビデオキャプチャー装置から出力されるビデオフレームを時系列に従って順次読み込んで、このビデオフレームのそれぞれが表示する2次元光強度画像ごとに輝度重心座標点確定手段、直線方程式算出手段によって、以下の処理を行うのが好適である。   The image information processing apparatus sequentially reads the video frames output from the video capture device in time series, and for each two-dimensional light intensity image displayed by each of the video frames, the luminance barycentric coordinate point determination unit and the linear equation calculation unit It is preferable to perform the following processing.

輝度重心座標点確定手段は、光強度重心となる複数の輝度重心座標点を確定する。   The luminance center-of-gravity coordinate point determination means determines a plurality of luminance center-of-gravity coordinate points that are light intensity centers of gravity.

直線方程式算出手段は、輝度重心座標点確定手段から出力される、2次元光強度画像の光強度重心となる複数の輝度重心座標点を読み込んで、この複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和が最小となる直線の方程式を時間の関数として求める。   The linear equation calculation unit reads a plurality of luminance centroid coordinate points that are output from the luminance centroid coordinate point determination unit and serves as the light intensity centroid of the two-dimensional light intensity image, and squares the distance from the plurality of luminance centroid coordinate points. Find a linear equation that minimizes the sum of as a function of time.

そして、トルク算出手段は、時系列に従って順次確定されて出力される上述の直線の方程式を時間の関数として読み込んで、この直線の傾きの時間変動からトルクの大きさを求める。   Then, the torque calculation means reads the above-described linear equation, which is sequentially determined and output in time series, as a function of time, and obtains the magnitude of the torque from the time variation of the inclination of the straight line.

輝度重心座標点確定手段は、2次元位置座標をx-y直交座標系として設定し、ROM(Read Only Memory)から次式(1)を読み出してきて、時刻tにおける、x座標がx₀であるy軸に平行な方向に沿って光強度重心となるy座標の値mean_y(x₀,t)を次式(1)によって確定させ、順次x₀の値を2次元受光素子の受光面の両端の範囲であるx₁〜x_nにわたって変化させて、光強度重心となる複数の輝度重心座標点（x₁, mean_y(x₁,t)）、(x₂, mean_y(x₂,t))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t)）を順次確定する機能を有することが好適である。 The luminance center-of-gravity coordinate point determination means sets the two-dimensional position coordinates as an xy orthogonal coordinate system, reads the following expression (1) from ROM (Read Only Memory), and the y coordinate at time t is x ₀ The y-coordinate value mean_y (x ₀ , t), which becomes the light intensity centroid along the direction parallel to the axis, is determined by the following equation (1), and the values of x ₀ are sequentially calculated at both ends of the light receiving surface of the two-dimensional light receiving element. A plurality of luminance centroid coordinate points (x ₁ , mean_y (x ₁ , t)), (x ₂ , mean_y (x ₂ , t)), which become the light intensity centroids, changing over the range x _{1 to} x _n ... (X _n , mean_y (x _n , t)) is preferably provided in order.

直線方程式算出手段は、ROMから次式(2)を読み出してきて、次式(2)によって与えられる、複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和χ²(t)が最小となる直線の方程式を時間の関数として算出する機能を有するのが好適である。 The linear equation calculation means reads the following equation (2) from the ROM, and is a straight line that minimizes the sum χ ² (t) of the squares of the distances from the plurality of luminance centroid coordinate points given by the following equation (2): It is preferable to have a function of calculating the above equation as a function of time.

ここで、σ_{mean_y}は、mean_yの統計上の標準偏差値であり、a(t)及びb(t)はパラメータである。 Here, σ _{mean_y} is a statistical standard deviation value of mean_y, and a (t) and b (t) are parameters.

トルク算出手段は、ROMから次式(3)を読み出してきて、直線の傾きを与える時間の関数としてのパラメータa(t)に、次式(3)を当てはめてアームに働いたトルクの大きさτを求める機能を有するのが好適である。
a(t)＝a₀＋a_fsinω_ft＋(τ/κ) （3）
ここで、κは細線のねじれに対する弾性定数であり、ω_fとa_fは雑音として残る、アームの固有振動の角周波数と角度振幅、a₀は初期角度のパラメータである。減衰を無視すれば、a_f＝τ/κである。 The torque calculation means reads the following equation (3) from the ROM and applies the following equation (3) to the parameter a (t) as a function of time to give the straight line slope, and the magnitude of the torque applied to the arm It is preferable to have a function for obtaining τ.
a (t) = a ₀ + a _f sin ω _f t + (τ / κ) (3)
Here, κ is an elastic constant with respect to torsion of the thin wire, ω _f and a _f are left as noise, the angular frequency and angular amplitude of the natural vibration of the arm, and a ₀ are parameters of the initial angle. If attenuation is ignored, a _f = τ / κ.

あるいは、トルク算出手段は、ROMから次式(4)を読み出してきて、直線の傾きを与える時間の関数としてのパラメータa(t)に、次式(4)を当てはめてアームに働いたトルクの大きさτ(t)=τsinωtを求める機能を有するのが好適である。
a(t)＝(τsinωt) /κ＋a₀ （4）
ここで、κは細線のねじれに対する弾性定数であり、ωはアームの固有振動の角周波数ω_fに比べて十分に小さい角周波数の値、a₀はパラメータである。 Alternatively, the torque calculation means reads out the following equation (4) from the ROM, applies the following equation (4) to the parameter a (t) as a function of time to give the slope of the straight line, and calculates the torque applied to the arm: It is preferable to have a function of obtaining the magnitude τ (t) = τsinωt.
a (t) ＝ (τsinωt) / κ ＋ a ₀ （4）
Here, κ is an elastic constant with respect to the twist of the thin wire, ω is a value of an angular frequency that is sufficiently smaller than the angular frequency ω _f of the natural vibration of the arm, and a ₀ is a parameter.

この発明の要旨によるねじれ秤による微小力測定装置によれば、この発明の要旨によるねじれ秤による微小力測定方法が実現される。   According to the micro force measuring apparatus using the torsion balance according to the subject matter of the present invention, the micro force measuring method using the torsion balance according to the subject matter of the present invention is realized.

アームに働いたトルクの大きさτを求める際、式(3)を当てはめるか、式(4)を当てはめるかの判断については、アームに作用する微小力の変化する時間が、当該アームの固有振動周期に比べ長いか短いかによって決定されるが、その詳細は後述する。   When calculating the magnitude τ of the torque acting on the arm, whether to apply Equation (3) or Equation (4) depends on the time for the minute force acting on the arm to change. Although it is determined depending on whether it is longer or shorter than the period, the details will be described later.

この発明の要旨によるねじれ秤による微小力測定方法は、両端に物体が取り付けられたアームを、細線によってこの細線の中心軸を中心にして弾性的に回転が可能な状態に吊り下げ、この物体に働く力の大きさを、中心軸を回転中心とするこのアームの回転角度を計測することで測定する構成とされたねじれ秤によって微小力を測定する方法である。そして、画像情報取得ステップと画像情報処理ステップとを含んで構成される。   The micro force measurement method using a torsional balance according to the gist of the present invention is to suspend an arm having objects attached to both ends in a state in which it can be elastically rotated around the central axis of the thin line by a thin line. This is a method of measuring a minute force with a torsion balance configured to measure the magnitude of the working force by measuring the rotation angle of this arm with the central axis as the center of rotation. The image information acquisition step and the image information processing step are included.

画像情報取得ステップ及び画像情報処理ステップは、それぞれ上述の画像情報取得装置及び画像情報処理装置によって実現される。   The image information acquisition step and the image information processing step are realized by the above-described image information acquisition device and image information processing device, respectively.

画像情報取得ステップは、2次元画像形成ステップと、画像情報構成ステップと、ビデオフレーム生成ステップとを含んで構成される。   The image information acquisition step includes a two-dimensional image formation step, an image information configuration step, and a video frame generation step.

2次元画像形成ステップは上述の画像情報取得装置が具える結像光学系によって実現され、画像情報構成ステップは上述の画像情報取得装置が具える2次元受光素子によって実現され、ビデオフレーム生成ステップは上述の画像情報取得装置が具えるビデオキャプチャー装置によって実現される。   The two-dimensional image forming step is realized by an imaging optical system included in the above-described image information acquisition device, the image information configuration step is realized by a two-dimensional light receiving element included in the above-described image information acquisition device, and the video frame generation step is This is realized by a video capture device provided in the above-described image information acquisition device.

画像情報処理ステップは、輝度重心座標点確定ステップと、直線方程式算出ステップと、トルク算出ステップとを含んで構成される。   The image information processing step includes a luminance barycentric coordinate point determination step, a linear equation calculation step, and a torque calculation step.

輝度重心座標点確定ステップは上述の画像情報処理装置が具える輝度重心座標点確定手段によって実現され、直線方程式算出ステップは上述の画像情報処理装置が具える直線方程式算出手段によって実現され、トルク算出ステップは上述の画像情報処理装置が具えるトルク算出手段によって実現される。   The luminance center-of-gravity coordinate point determination step is realized by the luminance center-of-gravity coordinate point determination means included in the above-described image information processing apparatus, and the linear equation calculation step is realized by a linear equation calculation means included in the above-described image information processing apparatus, and torque calculation The step is realized by torque calculation means provided in the above-described image information processing apparatus.

この発明の要旨によるねじれ秤による微小力測定装置によれば、画像情報取得装置によってアームの静止2次元光強度画像を表示するビデオフレームが生成される。そして、画像情報処理装置によってアームの静止2次元光強度画像が解析されて、このアームの画像の中心線を表す、1次関数で与えられる直線の傾きを表すパラメータが求められる。このパラメータから物体に働く力の大きさが決定される。   According to the micro force measuring device using the torsion balance according to the gist of the present invention, a video frame for displaying a static two-dimensional light intensity image of the arm is generated by the image information acquisition device. Then, the image information processing apparatus analyzes the stationary two-dimensional light intensity image of the arm, and obtains a parameter representing the inclination of a straight line given by a linear function representing the center line of the image of the arm. The magnitude of the force acting on the object is determined from this parameter.

この直線の傾きを表すパラメータには、アームを吊り下げている細線に対するアームの重心の振り子運動としての単振動の影響が含まれない。従って、この発明の要旨によるねじれ秤による微小力測定装置によれば、アームの重心の振り子運動としての単振動の影響を受けずにねじれ秤の回転角度を決定することが可能なる。   The parameter representing the inclination of the straight line does not include the influence of simple vibration as the pendulum motion of the center of gravity of the arm with respect to the thin line hanging the arm. Therefore, according to the micro force measuring device using the torsion balance according to the gist of the present invention, it is possible to determine the rotation angle of the torsion balance without being influenced by the simple vibration as the pendulum motion of the center of gravity of the arm.

アームの静止2次元光強度画像から求められるこのアームの画像の中心線を表す直線の傾きを表すパラメータには、アームの重心の振り子運動としての単振動の影響が含まれない理由は以下のとおりである。   The parameters that represent the inclination of the straight line representing the center line of the arm image obtained from the static 2D light intensity image of the arm do not include the effect of simple vibration as the pendulum motion of the arm's center of gravity. It is.

アームを吊り下げている細線の中心軸を中心とするアームの回転中心の座標を（x₀，y₀）とし、アームを吊り下げている細線の中心軸と直交するアームの中心線を表す直線の方程式をy−ｙ₀＝a(x−x₀)とする。ここで、細線の中心軸を中心とするアームの回転方向の単振動を考え、この単振動のつりあい位置をa₀、単振動の振幅をa_f(t)、単振動の角振動数をω_fとすれば、この単振動は、次式(5)で表される。
a(t)＝a₀＋a_f(t)sinω_fｔ (5)
ここで、単振動の初期位相については無視し0としてある。また、単振動のつりあい位置a₀も時間的にゆっくりと変化するが、ここでは無視してある。 The coordinates of the center of rotation of the arm around the central axis of the thin line hanging the arm is (x ₀ , y ₀ ), and the straight line representing the center line of the arm perpendicular to the central axis of the thin line hanging the arm Let y−y ₀ = a (x−x ₀ ). Here, consider a simple vibration in the direction of rotation of the arm around the central axis of the thin wire, where the balance position of this simple vibration is a ₀ , the amplitude of the simple vibration is a _f (t), and the angular frequency of the single vibration is ω _{If f} is assumed, this simple vibration is expressed by the following equation (5).
a (t) = a ₀ + a _f (t) sinω _f t (5)
Here, the initial phase of simple vibration is ignored and set to zero. Further, the balance position a ₀ of the simple vibration also changes slowly with time, but is ignored here.

既に説明したように、ねじれ秤による微小力測定においては、周辺の環境あるいはねじれ秤そのものを移動させる等によって、アームの回転の単振動だけでなくこのアームを吊り下げている細線に対するアームの重心の振り子運動としての単振動が加わる。この場合は、アームを吊り下げている細線の中心軸を中心とするアームの回転中心の座標（x₀，y₀）が定数ではなく、（x₀＋x_0fsinω_pt, y₀＋y_0fsinω_pt）と表される単振動をする。ここで、この単振動の角振動数をω_pで表してある。 As already explained, in the micro force measurement by the torsion balance, the center of gravity of the arm with respect to the thin line hanging the arm as well as the simple vibration of the rotation of the arm by moving the surrounding environment or the torsion balance itself, etc. A simple vibration is applied as a pendulum motion. In this case, the coordinates (x ₀ , y ₀ ) of the center of rotation of the arm around the central axis of the thin line that suspends the arm are not constants, but (x ₀ + x _0f sinω _p t, y ₀ + y _0f sinω _p t). Here, the angular frequency of this simple vibration is represented by ω _p .

x_0f及びy_0fは、時間tの関数であるので、x_0f(t)及びy_0f(t)と書くべきところであるが、時間tの関数であることをいちいち断らなくとも誤解の生じない場合は、x_0f及びy_0fと略記してある。以後の説明においても、時間tの関数であることをいちいち断らなくとも誤解の生じない場合は、時間tの関数であることを明示しない場合もある。 Since x _0f and y _0f are functions of time t, they should be written as x _0f (t) and y _0f (t). _Are abbreviated as _x0f and _y0f . Also in the following description, if there is no misunderstanding even if the function of time t is not refused, the function of time t may not be specified.

単振動のつりあい位置が上述のように時間の関数として変化するものとすると、アームの中心線を表す直線の方程式は次式(6)で与えられる。
y＝(a₀＋a_f(t)sinω_fｔ)(x−x₀−x_0fsinω_pt)＋(y₀＋y_0fsinω_pt) (6)
式(6)で与えられる運動を行っているアームの画像から、アームの中心線を表す直線の方程式がy＝a(t)x＋b(t)で書けるものとして実験的に求めると、次式、(7a)及び(7b)が得られる。
a(t)＝a₀＋a_fsinω_ft （7a）
b(t)＝(a₀＋a_f(t)sinω_fｔ)(x₀＋x_0fsinω_pt)＋(y₀＋y_0fsinω_pt) （7b）
従って、アームの中心線を表す直線の方程式が、y＝a(t)x＋b(t)で与えられるとしてこの直線の傾きを表すパラメータa(t)を時間の関数として計測することで、単振動のつりあい位置a₀を振動中心として決定することができる。すなわち、式(7a)で与えられるこの直線の傾きを表すパラメータa(t)には、x_0f(t)、y_0f(t)、ω_p等のアームの重心の振り子運動としての単振動を与えるパラメータが含まれていないので、アームの重心の振り子運動としての単振動に依存せずに決定される。 Assuming that the balance position of the single vibration changes as a function of time as described above, a linear equation representing the center line of the arm is given by the following equation (6).
y = (a ₀ + a _f (t) sinω _f t) (x−x ₀ −x _0f sinω _p t) + (y ₀ + y _0f sinω _p t) (6)
From an image of the arm performing the motion given by Equation (6), an equation for a straight line representing the center line of the arm can be written as y = a (t) x + b (t). (7a) and (7b) are obtained.
a (t) = a ₀ + a _f sinω _f t (7a)
b (t) = (a ₀ + a _f (t) sinω _f t) (x ₀ + x _0f sinω _p t) + (y ₀ + y _0f sinω _p t) (7b)
Therefore, by measuring the parameter a (t) representing the slope of this straight line as a function of time, assuming that the equation of the straight line representing the center line of the arm is given by y = a (t) x + b (t), simple vibration The balance position a ₀ can be determined as the vibration center. In other words, the parameter a (t) representing the slope of this straight line given by the equation (7a) includes a single vibration as a pendulum motion of the center of gravity of the arm such as x _0f (t), y _0f (t), ω _p, etc. Since the parameter to be given is not included, it is determined without depending on the simple vibration as the pendulum motion of the center of gravity of the arm.

このことによって、この発明の要旨によるねじれ秤による微小力測定装置によれば、アームの重心の振り子運動としての単振動の影響を受けずにねじれ秤の回転角度、すなわち、単振動のつりあい位置a₀を決定することができることが結論される。 Thus, according to the micro force measuring apparatus using the torsion balance according to the gist of the present invention, the rotation angle of the torsion balance, i.e. the balance position of the single vibration, is not affected by the single vibration as the pendulum motion of the center of gravity of the arm. It is concluded that ₀ can be determined.

次に、上述の、アームの画像の中心線を表す直線の傾きを表すパラメータから物体に働く力の大きさを決定する方法によらず、ねじれ秤のアームの片側アームに取り付けられたミラーにレーザー光を当てこのレーザー光の反射光を光検出器で受光してミラーまでの距離を計測してアームの回転角度を測定する、いわゆる、レーザー変位計を用いてアームの何れかの一箇所の変動を捉えて計測するという一点計測によって決定する方法によって、ねじれ秤の回転角度を決定する方法によった場合、アームの重心の振り子運動としての単振動の影響がどの様に現れるかにつき説明する。   Next, the laser is applied to the mirror attached to one arm of the torsion balance arm, regardless of the method for determining the magnitude of the force acting on the object from the parameter representing the inclination of the straight line representing the center line of the image of the arm described above. The reflected light of the laser beam is received by a light detector, the distance to the mirror is measured by a photodetector, and the rotation angle of the arm is measured. A so-called laser displacement meter is used to change the position of one of the arms. An explanation will be given of how the influence of a single vibration as the pendulum motion of the center of gravity of the arm appears when the rotation angle of the torsion balance is determined by the method of determining by one-point measurement of capturing and measuring.

この場合は、x座標のある位置x_obsに置かれたレーザー変位計の軸上におけるミラーまでの距離であるy座標の位置y_obs(x_obs)が観測される観測量となる。この観測量が上述の状況でどの様に時間的変化をするかを式で表現すると、次式(8a)及び(8b)となる。
x_obs＝固定値 (8a)
y_obs＝(a₀＋a_f(t)sinω_fｔ)(x_obs−ｘ₀−x_0fsinω_pt)＋(y₀＋y_0fsinω_pt) (8b)
この式(8b)から、微小力の大きさを与えるパラメータa₀を得るには、次式(9)を用いることとなる。 In this case, the y coordinate position y _obs (x _obs ), which is the distance to the mirror on the axis of the laser displacement meter placed at the position x _obs with the x coordinate, is the observed quantity. The following equations (8a) and (8b) can be expressed as an expression of how the observed amount changes with time in the above situation.
x _obs = fixed value (8a)
y _obs = (a ₀ + a _f (t) sinω _f t) (x _obs −x ₀ −x _0f sinω _p t) + (y ₀ + y _0f sinω _p t) (8b)
From this equation (8b), the following equation (9) is used to obtain the parameter a ₀ that gives the magnitude of the minute force.

つまり、微小力の大きさを与えるパラメータa₀を得るには、アームの重心の振り子運動としての単振動のパラメータx₀、y₀、x_0f(t)、y_0f(t)、ω_p等を同時に決定しなければならない。そのため、これらのアームの重心の振り子運動としての単振動のパラメータを決定しなくとも済むように、すなわち、x_0f(t)→0、y_0f(t)→0となるように、ねじれ秤の測定環境を整える必要が出てくる。尚、ねじれ秤の中心に取り付けられたミラーにレーザー光を当てこのレーザー光の反射光を光検出器で受光してミラーの角度を計測する方法においても、反射光の位置からミラーの角度を算出する為にアームの中心座標が必要になる為、片側アームにミラーを取りつけた場合と同様に観測量がx_0f(t)、y_0f(t)に依存し、アームの重心の振り子運動としての単振動のパラメータを決定する必要がある。これに対して、上述したように、この発明の要旨によるねじれ秤による微小力測定装置はこのようなねじれ秤に対する測定環境の調整を厳格にする必要がない。 That is, in order to obtain the parameter a ₀ that gives the magnitude of the micro force, the simple vibration parameters x ₀ , y ₀ , x _0f (t), y _0f (t), ω _p, etc. as the pendulum motion of the center of gravity of the arm Must be determined at the same time. Therefore, it is not necessary to determine the parameters of simple vibration as the pendulum motion of the center of gravity of these arms, i.e., x _0f (t) → 0, y _0f (t) → 0 It is necessary to prepare the measurement environment. In addition, the angle of the mirror is calculated from the position of the reflected light in the method of applying the laser light to the mirror attached to the center of the torsion balance and receiving the reflected light of the laser light with a photodetector to measure the angle of the mirror. Since the center coordinates of the arm are necessary to do this, the observation amount depends on x _0f (t) and y _0f (t) as in the case where a mirror is attached to one arm, and the pendulum motion of the center of gravity of the arm It is necessary to determine the parameters of simple vibration. On the other hand, as described above, the micro force measuring device using the torsion balance according to the gist of the present invention does not require strict adjustment of the measurement environment for such a torsion balance.

この発明の実施形態の微小力測定装置の構造の説明に供する図である。It is a figure where it uses for description of the structure of the micro force measuring apparatus of embodiment of this invention. ビデオキャプチャー装置から一定時間間隔で出力されるビデオフレームの説明に供する図であり、(A)〜(C)はそれぞれ第1〜第3ビデオフレームに表示されたアームの静止2次元光強度画像を模式的に示す図であり、(D)は細線によって、物体が取り付けられたアームが吊り下げられて構成されるねじれ秤の構成の一部を示す図である。It is a figure used for explanation of video frames output at regular time intervals from the video capture device, (A) ~ (C) is a static two-dimensional light intensity image of the arm displayed in the first to third video frames, respectively. It is a figure shown typically, (D) is a figure which shows a part of structure of the torsion balance comprised by suspending the arm to which the object was attached by the thin line. 光強度重心となる複数の輝度重心座標点を順次確定する工程についての説明に供する図であり、(A)は複数のビデオフレームを重ねて模式的に示す図であり、(B)はx座標がx₀、x_p、x_qである場合を例にとってそれぞれにおける光強度重心となる位置を示す図であり、(C)はx-y平面に光強度重心となる複数の輝度重心座標点を模式的にプロットした様子を示す図である。It is a diagram for explaining the process of sequentially determining a plurality of luminance centroid coordinate points to be the light intensity centroid, (A) is a diagram schematically showing a plurality of video frames, (B) is an x coordinate It is a figure which shows the position which becomes the light intensity centroid in each in the case where is x ₀ , x _p , x _q as an example, and (C) schematically shows a plurality of luminance centroid coordinate points which become the light intensity centroid on the xy plane. FIG. 微小力が、ねじれ秤のアームの固有振動周期に比べて十分に短時間に変化すると見なされる場合におけるトルクの変化分の大きさの求め方の説明に供する図である。（A)は微小力の作用を時間の関数として示す図であり、（B)は減衰の無視できる場合に対し直線の傾きを表すパラメータa(t)の時間変動を示す図であり、（C)はx軸の原点をアームの中心に定義した場合の直線のy軸切片を表すパラメータb(t)の時間変動を示す図である。It is a figure which uses for description of how to obtain | require the magnitude | size of the variation | change_quantity of the torque in case a micro force is considered to change in a sufficiently short time compared with the natural vibration period of the arm of a torsion balance. (A) is a diagram showing the action of minute force as a function of time, (B) is a diagram showing the time variation of the parameter a (t) representing the slope of the straight line when the attenuation can be ignored, and (C () Is a diagram showing the time variation of the parameter b (t) representing the y-axis intercept of a straight line when the origin of the x axis is defined as the center of the arm. 微小力が、ねじれ秤のアームの固有振動周期に比べて十分に長い時間で変化させる場合におけるトルクの大きさの求め方の説明に供する図である。（A)は微小力の作用を時間の関数として示す図であり、（B)は直線の傾きを表すパラメータa(t)の時間変動を示す図であり、（C)はx軸の原点をアームの中心に定義した場合の直線のy軸切片を表すパラメータb(t)の時間変動を示す図である。It is a figure which uses for description of how to obtain | require the magnitude | size of a torque in case a micro force is changed in time long enough compared with the natural vibration period of the arm of a torsion balance. (A) is a diagram showing the action of minute force as a function of time, (B) is a diagram showing the time variation of the parameter a (t) representing the slope of the straight line, and (C) is the origin of the x axis. It is a figure which shows the time fluctuation of parameter b (t) showing the y-axis intercept of the straight line at the time of defining at the center of an arm. この発明の実施形態の微小力測定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the micro force measurement method of embodiment of this invention. 固体中に埋没していると推定される検出対象物を、この発明の実施形態の微小力測定装置によって検知する非破壊検査の事例の説明に供する図である。It is a figure which uses for description of the example of the nondestructive inspection which detects the detection target estimated to be buried in the solid with the micro force measuring device of embodiment of this invention. 微小力測定装置の被検査対象である固体に対する位置（x座標）に対して、ねじれ変位角Θの大きさを示す図である。It is a figure which shows the magnitude | size of torsion displacement angle (theta) with respect to the position (x coordinate) with respect to the solid which is a test object of a micro force measuring device.

以下、図1〜図8を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、図1及び図7は、この実施形態に係る一構成例に対するものであり、この発明の実施形態が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、この発明の微小力測定装置と同種の装置であれば通常具えている、この発明の特徴部分ではない周知の構成要素は図示を省略したものもある。以下の説明において、特定の機器及び条件等を用いることがあるが、これら機器及び条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、図1、図2、図7及び図8において同様の構成要素については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 1 and 7 are for one configuration example according to this embodiment, and only schematically show the arrangement relationship of each component to the extent that the embodiment of the present invention can be understood. The present invention is not limited to the illustrated example. In addition, there are some well-known components that are not characteristic features of the present invention and are not shown in the drawings, which are usually provided as long as the device is the same type as the micro force measurement device of the present invention. In the following description, specific devices and conditions may be used. However, these devices and conditions are only one of preferred examples, and thus are not limited to these. In addition, the same components in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 7 and FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof may be omitted.

＜この発明の実施形態の微小力測定装置＞
図1を参照してこの発明の実施形態の微小力測定装置の構造及びその動作について説明する。図1は、この発明の実施形態の微小力測定装置の構造の説明に供する図であり、ねじれ秤の概略的構成及び画像情報取得装置及び画像情報処理装置の概略的ブロック構成を示している。 <Micro force measuring apparatus according to an embodiment of the present invention>
With reference to FIG. 1, the structure and operation of a micro force measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of a micro force measuring device according to an embodiment of the present invention, and shows a schematic configuration of a torsion balance and a schematic block configuration of an image information acquisition device and an image information processing device.

この発明の実施形態の微小力測定装置は、両端に物体10が取り付けられたアーム12を、細線14によってこの細線14の中心軸を中心にして弾性的に回転が可能な状態に吊り下げ、物体10に働くトルクの大きさを、中心軸を回転中心とするこのアーム12の回転角度を計測することで測定する構成とされたねじれ秤によって微小力を測定する装置である。そして、画像情報取得装置20と画像情報処理装置30とを具えて構成される。   The micro force measuring apparatus according to the embodiment of the present invention suspends an arm 12 having an object 10 attached to both ends thereof so as to be elastically rotatable around a central axis of the thin wire 14 by a thin wire 14. This is a device for measuring a micro force with a torsion balance configured to measure the magnitude of the torque acting on 10 by measuring the rotation angle of the arm 12 with the center axis as the center of rotation. The image information acquisition device 20 and the image information processing device 30 are provided.

両端に物体10が取り付けられたアーム12、及び細線14によって構成されたねじれ秤は、周辺の空気の流れ等、アームの運動に影響を及ぼす要因を遮断するための保護カバー16で覆われた構成とされている。また、アーム12を撮像するためにアームを照明する必要があるが、図1ではこの照明装置については図示を省略してある。アーム12の照明方法としては、半透鏡等を利用して図1における保護カバー16の下方からアーム12を照明する等さまざまな方法があるが、ねじれ秤によって測定の対象となる微小力の種類に応じて適宜選択すればよい。   The torsion balance constituted by the arm 12 with the object 10 attached to both ends and the thin wire 14 is covered with a protective cover 16 for blocking factors affecting the movement of the arm, such as the flow of air around it. It is said that. Further, although it is necessary to illuminate the arm in order to take an image of the arm 12, this illuminating device is not shown in FIG. There are various methods for illuminating the arm 12, such as illuminating the arm 12 from below the protective cover 16 in FIG. 1 using a semi-transparent mirror, etc. What is necessary is just to select suitably according to.

画像情報取得装置20は、アーム12の画像を取り込んでこの画像の画像情報信号25を生成し、この画像情報信号25から時系列に従ったアームの静止2次元光強度画像を表示するビデオフレーム27を生成して出力する。   The image information acquisition device 20 takes an image of the arm 12 and generates an image information signal 25 of this image, and a video frame 27 that displays a static two-dimensional light intensity image of the arm according to time series from the image information signal 25. Is generated and output.

画像情報取得装置20は、結像光学系22と、2次元受光素子24を具えたビデオカメラ28と、ビデオキャプチャー装置26とを具えて構成されている。図1では、2次元受光素子24を直接示す代わりにビデオカメラ28の筺体を直方体で象徴的に示してあるが、ここではビデオカメラ28の細部構造が問題となるのではなく、結像光学系22によって2次元受光素子24にアーム12の静止2次元光強度画像が結像される構成とされていることを概略的に示されているに過ぎないものと了解されたい。   The image information acquisition device 20 includes an imaging optical system 22, a video camera 28 including a two-dimensional light receiving element 24, and a video capture device 26. In FIG. 1, the frame of the video camera 28 is symbolically shown as a rectangular parallelepiped instead of directly showing the two-dimensional light receiving element 24, but here the detailed structure of the video camera 28 is not a problem, but the imaging optical system It should be understood that only a schematic two-dimensional light intensity image of the arm 12 is formed on the two-dimensional light receiving element 24 by 22 is shown.

従って、以後の説明においては、2次元受光素子24といった場合は、光強度を電気信号に変換する複数のピクセルが、当該ピクセルのそれぞれの配列位置が2次元位置座標によって規定されて、当該2次元受光素子の受光面を画する範囲の2次元平面を埋め尽くすように配列されて構成された受光素子を意味する。そして、結像光学系22によって形成されるアーム12の画像が形成される位置が、この2次元受光素子の結像面となる。2次元座標系としては、斜交座標系、直交座標系，極座標系等様々な座標系があるが、何れの座標系を利用するかは設計的事項に属する事柄であるので、ここでは、x-y直交座標系を採用する。   Therefore, in the following description, in the case of the two-dimensional light receiving element 24, a plurality of pixels that convert light intensity into an electric signal are defined by the two-dimensional position coordinates, and the respective array positions of the pixels are defined by the two-dimensional position coordinates. It means a light receiving element that is arranged so as to fill a two-dimensional plane in a range that defines the light receiving surface of the light receiving element. The position where the image of the arm 12 formed by the imaging optical system 22 is formed becomes the imaging surface of the two-dimensional light receiving element. As the two-dimensional coordinate system, there are various coordinate systems such as an oblique coordinate system, an orthogonal coordinate system, and a polar coordinate system. Since which coordinate system is used is a matter of design, here xy An orthogonal coordinate system is adopted.

2次元受光素子24では、2次元受光素子24を構成するピクセルがそれぞれ同時刻に受光する光強度が電気信号に変換されてピクセルの位置座標の関数として与えられる信号が取得され、アームの画像情報信号25として出力される。   In the two-dimensional light receiving element 24, the light intensity received by the pixels constituting the two-dimensional light receiving element 24 at the same time is converted into an electrical signal to obtain a signal that is given as a function of the position coordinates of the pixel, and image information of the arm Output as signal 25.

ビデオキャプチャー装置26は、画像情報信号25を時系列に従って取り込んで、時刻ごとの画像情報信号25のそれぞれからアームの静止2次元光強度画像を表示するビデオフレーム27を生成して、時系列に従ったこのビデオフレーム27を単位とする時間の関数として出力する構成とされている。図1では、ビデオキャプチャー装置26から単にビデオフレーム27が出力されるように示してあるが、ビデオキャプチャー装置26からは、一定の時間間隔で時系列に従ったこのビデオフレーム27が出力される構造となっている。   The video capture device 26 captures the image information signal 25 in time series, generates a video frame 27 that displays a static two-dimensional light intensity image of the arm from each of the image information signals 25 for each time, and follows the time series. The video frame 27 is output as a function of time in units. FIG. 1 shows that the video frame 27 is simply output from the video capture device 26, but the video capture device 26 outputs this video frame 27 according to time series at regular time intervals. It has become.

画像情報処理装置30は、アームの静止2次元光強度画像から、光強度重心となる複数の輝度重心座標点を決定し、この複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和が最小となる直線の方程式を最小二乗法によって求め、この直線の傾きを表すパラメータから物体10に働く力の大きさ決定する機能を有し、以下のとおり構成されている。   The image information processing apparatus 30 determines a plurality of luminance centroid coordinate points serving as the light intensity centroid from the stationary two-dimensional light intensity image of the arm, and the sum of the squares of the distances from the plurality of luminance centroid coordinate points is minimized. A straight line equation is obtained by the method of least squares, and has a function of determining the magnitude of a force acting on the object 10 from a parameter representing the inclination of the straight line, and is configured as follows.

画像情報処理装置30は、MPU(Micro Processing Unit)38、入力部32、記憶部34及び出力部36を具えて構成される、周知のパーソナルコンピュータ等を用いることができる。入力部32はパーソナルコンピュータに通常用いられるキーボード、データ読取装置等の任意好適な公知の入力装置を具え、及び、出力部36はディスプレイ、プリンター、音声出力装置等の任意好適な出力装置を具えて構成される。記憶部34にはハードディスク等の任意好適な周知の記憶装置が用いられる。MPU 38は、周知の構成とすることができ、ここでは、CPU(Central Processing Unit)52と、メモリとしてのROM(Read Only Memory)48及びRAM(Random Access Memory)50を具える構成としている。   As the image information processing apparatus 30, a well-known personal computer or the like that includes an MPU (Micro Processing Unit) 38, an input unit 32, a storage unit 34, and an output unit 36 can be used. The input unit 32 includes any suitable known input device such as a keyboard or a data reading device normally used in a personal computer, and the output unit 36 includes any suitable output device such as a display, a printer, or an audio output device. Composed. As the storage unit 34, any suitable known storage device such as a hard disk is used. The MPU 38 may have a well-known configuration, and in this example, includes a CPU (Central Processing Unit) 52, a ROM (Read Only Memory) 48 and a RAM (Random Access Memory) 50 as memories.

CPU 52が具える制御手段40は、例えばROM 48に読み出し自在に記録されているプログラムを読み出して当該プログラムを実行することにより、CPU 52の機能手段として、輝度重心座標点確定手段42、直線方程式算出手段44、及びトルク算出手段46を実現する。なお、輝度重心座標点確定手段42、直線方程式算出手段44、及びトルク算出手段46が実行する処理の内容については、以下においてその都度詳細な説明を行う。   The control means 40 provided by the CPU 52 reads, for example, a program recorded in the ROM 48 so as to be readable, and executes the program, whereby as a function means of the CPU 52, a luminance barycentric coordinate point determination means 42, a linear equation The calculating means 44 and the torque calculating means 46 are realized. The details of the processing executed by the luminance center-of-gravity coordinate point determination unit 42, the linear equation calculation unit 44, and the torque calculation unit 46 will be described in detail below.

画像情報処理装置30は、ビデオキャプチャー装置26から出力されてくるビデオフレーム27を時系列に従って順次読み込んで、このビデオフレーム27のそれぞれが表示する静止2次元光強度画像ごとに、輝度重心座標点確定手段42及び直線方程式算出手段44によって、以下の処理が行われる。   The image information processing device 30 sequentially reads the video frames 27 output from the video capture device 26 in time series, and determines the luminance barycentric coordinate point for each stationary two-dimensional light intensity image displayed by each of the video frames 27. The means 42 and the linear equation calculation means 44 perform the following processing.

以下詳細に説明するように、輝度重心座標点確定手段42は、光強度重心となる複数の輝度重心座標点を確定する。直線方程式算出手段44は、輝度重心座標点確定手段42から出力された、静止2次元光強度画像の光強度重心となる複数の輝度重心座標点を読み込んで、この複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和が最小となる直線の方程式を求める。   As will be described in detail below, the luminance center-of-gravity coordinate point determining means 42 determines a plurality of luminance center-of-gravity coordinate points that are light intensity centers of gravity. The linear equation calculation means 44 reads a plurality of luminance centroid coordinate points that are output from the luminance centroid coordinate point determination means 42 and serve as the light intensity centroid of the static two-dimensional light intensity image, and calculates from the plurality of luminance centroid coordinate points. Find a linear equation that minimizes the sum of the squares of the distances.

また、トルク算出手段46によって、直線方程式算出手段44によって時系列に従って順次確定され出力される上述の直線の方程式を、時間の関数として読み込んで、この直線の傾きの時間変動からトルクの大きさが求められる。   The torque calculation means 46 reads the above linear equation, which is sequentially determined and output in time series by the linear equation calculation means 44, as a function of time, and the magnitude of the torque is determined from the time variation of the slope of the straight line. Desired.

＜輝度重心座標点確定手段＞
画像情報取得装置20において、ビデオカメラ28によって、アーム12の画像が取り込まれて画像情報信号25が生成され、ビデオキャプチャー装置26によって、時系列に従ったアームの静止2次元光強度画像を表示するビデオフレーム27が生成して出力される。 <Luminance center of gravity coordinate point determination means>
In the image information acquisition device 20, an image of the arm 12 is captured by the video camera 28 to generate an image information signal 25, and a static two-dimensional light intensity image of the arm according to time series is displayed by the video capture device 26. A video frame 27 is generated and output.

ビデオキャプチャー装置26から一定時間間隔で出力されるビデオフレーム27について図2(A)〜図2(D)を参照して説明する。図2(A)〜図2(D)は、ビデオキャプチャー装置26から一定時間間隔で出力される、ビデオフレーム27の説明に供する図であり、図2(A)〜図2(C)は、それぞれ第1〜第3ビデオフレームに表示されたアーム12の静止2次元光強度画像を模式的に示す図であり、図2(D)は、細線14によって、物体10が取り付けられたアーム12が吊り下げられて構成されるねじれ秤の構成の一部を示す図であり、物体10に微小力が働き、物体10が10aで示す位置にあった位置から10bで示す位置に移動して、アーム12が細線14の中心軸を中心にして弾性的に回転する様子を示している。   The video frames 27 output from the video capture device 26 at regular time intervals will be described with reference to FIGS. 2 (A) to 2 (D). 2 (A) to 2 (D) are diagrams for explaining the video frame 27 output from the video capture device 26 at regular time intervals, and FIGS. 2 (A) to 2 (C) FIG. 2D is a diagram schematically showing still two-dimensional light intensity images of the arms 12 displayed in the first to third video frames, respectively. FIG. 2D shows the arm 12 to which the object 10 is attached by a thin line 14. It is a diagram showing a part of the configuration of a torsion balance constructed by being suspended, a minute force acts on the object 10, the object 10 moves from the position indicated by 10a to the position indicated by 10b, and the arm 12 shows a state in which 12 rotates elastically around the central axis of the thin wire 14.

図2(A)〜図2(C)において、アーム12の一部が画像として表示されている。図2(A)に示す第1ビデオフレームに表示されたアーム12の画像は、時刻t₁にビデオカメラ28によって取得されたものであり、図2(B)に示す第2ビデオフレームに表示されたアーム12の画像は、時刻t₂にビデオカメラ28によって取得されたものであり、図2(C)に示す第3ビデオフレームに表示されたアーム12の画像は、時刻t₃にビデオカメラ28によって取得されたものである。以下、図示は省略してあるが、離散的な時刻に順次第4ビデオフレーム以降のビデオフレームが、時系列t＝ｔ₄、t₅、・・・・・に従って順次ビデオキャプチャー装置26から出力される。 2A to 2C, a part of the arm 12 is displayed as an image. Figure 2 (A) to the first arm 12 which is displayed on the video frame showing the image has been captured by the video camera 28 at time t _1, it is displayed on the second video frame shown in FIG. 2 (B) image of the arm 12 has been captured by the video camera 28 to the time t _2, the image of the third arm 12 that is displayed on the video frame shown in FIG. 2 (C), the time t ₃ to the video camera 28 It was acquired by. In the following, although not shown in the figure, the video frames after the fourth video frame are sequentially output from the video capture device 26 according to time series t = t ₄ , t ₅ ,... At discrete times. The

このように、ビデオキャプチャー装置26から時系列に従って順次ビデオフレーム27が出力され、画像情報処理装置30に読み込まれる。ビデオキャプチャー装置26から順次出力されるビデオフレーム27は、画像情報処理装置30が具える入力部32を介して、RAM 50に一時的に記憶される。   In this way, the video frames 27 are sequentially output from the video capture device 26 in time series and are read into the image information processing device 30. The video frames 27 sequentially output from the video capture device 26 are temporarily stored in the RAM 50 via the input unit 32 included in the image information processing device 30.

ROM 48には、予め、時刻tにおける、x座標がx₀であるy軸に平行な方向に沿って光強度重心となるy座標の値を次式(1)によって確定させ、更に、順次x₀の値を2次元受光素子の受光面の両端の範囲であるx₁〜x_nにわたって変化させて、光強度重心となる複数の輝度重心座標点（x₁, mean_y(x₁,t)）、(x₂, mean_y(x₂,t))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t)）を順次確定する工程（詳細は後述する。）を実行するための輝度重心座標点確定処理プログラムが格納されている。従って、式(1)はROM 48に、必要に応じて読み出しが可能な状態で格納されている。 In ROM 48, the value of the y-coordinate that becomes the light intensity centroid along the direction parallel to the y-axis where the x-coordinate is x ₀ at time t is determined in advance by the following equation (1), Multiple luminance centroid coordinate points (x ₁ , mean_y (x ₁ , t)) that become the light intensity centroid by changing the value of ₀ over the range x _{1 to} x _n that is the range of both ends of the light receiving surface of the two-dimensional light receiving element , (X ₂ , mean_y (x ₂ , t)),... (X _n , mean_y (x _n , t)) sequentially determine luminance barycentric coordinates for executing a step (details will be described later) A point determination processing program is stored. Therefore, Expression (1) is stored in the ROM 48 in a state where it can be read out as necessary.

ただし、mean_y(x₀,t)は、時刻tにおける、x座標がx₀であるy軸に平行な方向に沿って光強度重心となるy座標の値である。 However, mean_y (x ₀ , t) is the value of the y coordinate that becomes the light intensity centroid along the direction parallel to the y axis where the x coordinate is x ₀ at time t.

制御手段40は、この発明の実施形態の微小力測定装置の操作者から、入力部32を介して与えられる輝度重心座標点確定処理の実行指示に応答して、輝度重心座標点確定処理プログラムをROM 48から読み出すと共に、ビデオキャプチャー装置26から出力されたビデオフレーム27を時系列に従って順次読み出し、ビデオフレーム27のそれぞれに対して当該プログラムを実行させることによって、CPU 52の機能手段として輝度重心座標点確定手段42を実現させる。そして、制御手段40により、輝度重心座標点確定手段42による処理の結果である、光強度重心となる複数の輝度重心座標点（x₁, mean_y(x₁,t)）、(x₂, mean_y(x₂,t))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t)）を記憶部34あるいはRAM 50に読み出し自在の形態で保存する。 In response to an instruction to execute the luminance center-of-gravity coordinate point determination process given from the operator of the micro force measurement device according to the embodiment of the present invention via the input unit 32, the control means 40 executes a luminance center-of-gravity coordinate point determination processing program. In addition to reading from the ROM 48, the video frames 27 output from the video capture device 26 are sequentially read in time series, and the program is executed for each of the video frames 27. The confirmation means 42 is realized. Then, a plurality of luminance centroid coordinate points (x ₁ , mean_y (x ₁ , t)), (x ₂ , mean_y), which are the light intensity centroids, are processed by the luminance centroid coordinate point determination unit 42 by the control unit 40. (x ₂ , t)),... (x _n , mean_y (x _n , t)) are stored in the storage unit 34 or the RAM 50 in a readable form.

以下の説明では、輝度重心座標点確定処理、直線方程式算出処理、及びトルク算出処理のそれぞれの処理に対して、この発明の実施形態の微小力測定装置の操作者から入力部32を介して与えられる実行指示を待って実行されることを前提にして説明するが、これら3つの処理が順次自動的に実行されるように構成してもよい。   In the following description, the luminance center-of-gravity coordinate point determination process, the linear equation calculation process, and the torque calculation process are given from the operator of the micro force measurement device according to the embodiment of the present invention via the input unit 32. Although the description will be made on the assumption that the process is executed after waiting for an execution instruction to be executed, these three processes may be automatically executed in sequence.

輝度重心座標点確定処理、直線方程式算出処理、及びトルク算出処理のそれぞれの処理に対して微小力測定装置の操作者が処理ごとにチェックしつつ実行する場合は、それぞれの処理を個別に実行指示する形式が使いやすいが、流れ作業的な処理等においては3つの処理が順次自動的に実行されるように構成するのが便利である。どの様に3つの処理を実行するかは、測定対象あるいは、測定条件等によって適宜決定すべき形式的事項に属する。   When the operator of the micro force measuring device checks each process for the luminance center-of-gravity coordinate point determination process, the linear equation calculation process, and the torque calculation process, instructions to execute each process individually This format is easy to use, but it is convenient to configure the three processes to be executed automatically in sequence in a flow-oriented process. How the three processes are executed belongs to a formal matter that should be appropriately determined depending on the measurement object or measurement conditions.

輝度重心座標点確定手段42による処理の結果は、記憶部34あるいはRAM 50のいずれかに保存すればよいが、この結果は、以下に説明する直線方程式算出手段44によって保存後すぐに使われるので、RAM 50に保存する形態とするのが都合のよい場合もある。しかしながら、RAM 50の記憶容量には限りがあるので、光強度重心となる複数の輝度重心座標点の数が多い場合には、記憶部34に保存するのが好都合である場合もある。2次元受光素子24がピクセルを高密度に配置された高精細な素子である場合は、求められる座標点の数は多くなる。何れの記憶手段に保存するかは、輝度重心座標点確定手段42によって求められた光強度重心となる複数の輝度重心座標点の数等を総合的に勘案して決定する形式的事項である。   The result of processing by the luminance center-of-gravity coordinate point determination means 42 may be stored in either the storage unit 34 or the RAM 50, but this result is used immediately after storage by the linear equation calculation means 44 described below. In some cases, it may be convenient to store the data in the RAM 50. However, since the storage capacity of the RAM 50 is limited, it may be convenient to store it in the storage unit 34 when the number of luminance center-of-gravity coordinate points serving as the light intensity center of gravity is large. When the two-dimensional light receiving element 24 is a high-definition element in which pixels are arranged at high density, the number of required coordinate points increases. The storage means is a formal matter that is determined by comprehensively considering the number of luminance centroid coordinate points that are the light intensity centroid obtained by the luminance centroid coordinate point determination means 42.

図3(A)〜図3(C)を参照して、光強度重心となる複数の輝度重心座標点（x₁, mean_y(x₁,t)）、(x₂, mean_y(x₂,t))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t)）を順次確定する工程について説明する。図3(A)は、複数のビデオフレームを重ねて模式的に示す図であり、図3(B)はx座標がx₀、x_p、x_qである場合を例にとってそれぞれにおける光強度重心となる位置を示す図であり、図3(C)はx-y平面に光強度重心となる複数の輝度重心座標点を模式的にプロットした様子を示す図である。 With reference to FIG. 3 (A) to FIG. 3 (C), a plurality of luminance centroid coordinate points (x ₁ , mean_y (x ₁ , t)), (x ₂ , mean_y (x ₂ , t) serving as light intensity centroids )),... (X _n , mean_y (x _n , t)) are sequentially determined. Fig. 3 (A) is a diagram schematically showing a plurality of video frames superimposed, and Fig. 3 (B) is an example of the case where the x coordinates are x ₀ , x _p , x _q , and the light intensity centroid in each case FIG. 3 (C) is a diagram schematically showing a plurality of luminance barycentric coordinate points serving as the barycenters of light intensity on the xy plane.

ここで、x座標を識別するために付したサブスクリプトp及びqは、1より大きな任意の整数であり、このサブスクリプトの最大値は、x軸方向に並べられたピクセルの総数に等しいか、あるいはピクセルの総数以下の値である。光強度重心となる複数の輝度重心座標点は、x軸方向に並べられたピクセルの全てに対して必ずしも求める必要はなく、数ピクセル置きあるいは数十ピクセル置きに求めてもよい。光強度重心となる輝度重心座標点の数をどの程度求めるべきかについては、測定対象、あるいは測定時間等を総合的に勘案して決定すべき事項である。   Here, the subscripts p and q attached to identify the x coordinate are arbitrary integers greater than 1, and the maximum value of the subscript is equal to the total number of pixels arranged in the x-axis direction, or Or it is the value below the total number of pixels. The plurality of luminance barycentric coordinate points serving as the light intensity centroids are not necessarily obtained for all the pixels arranged in the x-axis direction, and may be obtained every several pixels or every several tens of pixels. The degree to which the number of luminance centroid coordinate points serving as the light intensity centroid should be determined is a matter that should be determined in consideration of the measurement object, the measurement time, and the like.

図3(A)及び図3(B)に示すように、第iビデオフレーム（iは1以上であり一括処理されるビデオフレーム総数以下の整数）において、光強度分布の重心位置mean_y(x,t)は、x座標がx₀、x_p、x_qのそれぞれで上述の式(1)で与えられる。式(1)においてI(x,y,t)は、時刻tにおける座標(x、y)における光強度の大きさを表している。 As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), in the i-th video frame (i is an integer equal to or greater than 1 and equal to or less than the total number of video frames to be collectively processed), the barycentric position mean_y (x, t) is given by the above equation (1) with x coordinates of x ₀ , x _p , and x _q , respectively. In equation (1), I (x, y, t) represents the magnitude of the light intensity at the coordinates (x, y) at time t.

なお、以後の説明において、アーム12の慣性モーメントもIを用いて表示しているが、Iを含む式及び前後の説明文から、光強度を表しているか慣性モーメントを表しているかは明らかである。   In the following description, the moment of inertia of the arm 12 is also expressed using I, but it is clear from the formula including I and the preceding and following description whether it represents the light intensity or the moment of inertia. .

x＝x₀、x_p、x_q等のそれぞれにおいて光強度分布の重心位置が求められると、図3(C)に示すように、光強度重心となる複数の輝度重心座標点が求められる。ただし、ここで、図3(C)に示す光強度重心となる複数の輝度重心座標点は、第iビデオフレームに対するものであり、同様に第1〜第Nビデオフレームのそれぞれについて、図3(C)に示すような、光強度重心となる複数の輝度重心座標点が求められる。 When the barycentric position of the light intensity distribution is obtained for each of x = x ₀ , x _p , _xq, etc., as shown in FIG. 3C, a plurality of luminance barycentric coordinate points serving as the light intensity centroids are obtained. However, here, the plurality of luminance barycentric coordinate points, which are the light intensity barycenters shown in FIG.3 (C), are for the i-th video frame, and similarly for each of the first to Nth video frames, FIG. As shown in C), a plurality of luminance barycentric coordinate points that are light intensity barycenters are obtained.

ビデオキャプチャー装置26からビデオフレームが一定時間間隔Δtで時刻t＝t₁から順次出力されるものとすると、輝度重心座標点確定手段42による処理の結果である、光強度重心となる複数の輝度重心座標点（x₁, mean_y(x₁,t)）、(x₂, mean_y(x₂,t))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t)）は、（x₁, mean_y(x₁,t₁)）、(x₂, mean_y(x₂,t₁))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t₁)）、（x₁, mean_y(x₂,t₁+Δt)）、(x₂, mean_y(x₂,t₁+Δt))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t₁+Δt)）、（x₁, mean_y(x₂,t₁+2Δt)）、(x₂, mean_y(x₂,t₁+2Δt))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t₁+2Δt)）、・・・・等となる。これらの輝度重心座標点が記憶部34あるいはRAM 50のいずれかに保存されるように設定すればよいが、ここではRAM 50に一時的に保存するものとして、以下説明する。 Assuming that video frames are sequentially output from the video capture device 26 at time t = t ₁ at a fixed time interval Δt, a plurality of luminance centroids that become the light intensity centroids as a result of processing by the luminance centroid coordinate point determination means 42. Coordinate points (x ₁ , mean_y (x ₁ , t)), (x ₂ , mean_y (x ₂ , t)), ... (x _n , mean_y (x _n , t)) are (x ₁ , mean_y (x _n , t)) mean_y (x ₁ , t ₁ )), (x ₂ , mean_y (x ₂ , t ₁ )), ... (x _n , mean_y (x _n , t ₁ )), (x ₁ , mean_y (x ₂ , t ₁ + Δt)), (x ₂ , mean_y (x ₂ , t ₁ + Δt)), ... (x _n , mean_y (x _n , t ₁ + Δt)), (x ₁ , mean_y ( x ₂ , t ₁ + 2Δt)), (x ₂ , mean_y (x ₂ , t ₁ + 2Δt)), ... (x _n , mean_y (x _n , t ₁ + 2Δt))), ... Etc. These luminance center-of-gravity coordinate points may be set so as to be stored in either the storage unit 34 or the RAM 50. Here, the following description will be given assuming that the luminance center-of-gravity coordinate points are temporarily stored in the RAM 50.

＜直線方程式算出手段＞
直線方程式算出手段44は、輝度重心座標点確定手段42によって求められた静止2次元光強度画像の光強度重心となる複数の輝度重心座標点をRAM 50から読み込んで、この複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和が最小となる直線の方程式を求める。 <Linear equation calculation means>
The linear equation calculation means 44 reads a plurality of luminance centroid coordinate points, which are the light intensity centroids of the static two-dimensional light intensity image obtained by the luminance centroid coordinate point determination means 42, from the RAM 50, and the plurality of luminance centroid coordinate points. Find a linear equation that minimizes the sum of the squares of the distances from.

ROM 48には、予め、次式(2)によって複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和χ²(t)が最小となる直線の方程式を時間の関数として算出する直線方程式算出処理プログラムが格納されている。従って、次式(2)は予めROM 48に読み出し自在に格納されている。 In ROM 48, a linear equation calculation processing program for calculating in advance a linear equation that minimizes the sum of squares χ ² (t) of distances from a plurality of luminance center-of-gravity coordinate points as a function of time according to the following equation (2): Is stored. Therefore, the following equation (2) is stored in the ROM 48 in a readable manner in advance.

制御手段40は、この発明の実施形態の微小力測定装置の操作者から、入力部32を介して与えられる直線方程式算出処理の実行指示に応答して、直線方程式算出処理プログラムをROM 48から読み出すと共に、RAM 50に保存されている時刻t＝ｔ₁からt＝ｔ₁+Δt、t＝ｔ₁+2Δt、・・・・におけるそれぞれの輝度重心座標点を順次読み出してそれぞれの時刻における輝度重心座標点に対して当該直線方程式算出処理プログラムを実行することによって、CPU 52の機能手段として直線方程式算出手段44を実現する。 The control means 40 reads the linear equation calculation processing program from the ROM 48 in response to an execution instruction of the linear equation calculation processing given from the operator of the micro force measurement apparatus according to the embodiment of the present invention via the input unit 32. At the same time, the luminance barycentric coordinate points at time t = t ₁ to t = t ₁ + Δt, t = t ₁ + 2Δt,. By executing the linear equation calculation processing program for the coordinate points, the linear equation calculation means 44 is realized as a functional means of the CPU 52.

そして、直線方程式算出手段44による処理の結果である、直線の方程式y＝a(t)x＋b(t)を時系列に記憶部34あるいはRAM 50に出力し、これに読み出し自在の形態で保存する。ここで、直線の方程式y＝a(t)x＋b(t)とは、y＝a(t₁)x＋b(t₁)、y＝a(t₁+Δt)x＋b(t₁+Δt)、y＝a(t₁+2Δt)x＋b(t₁+2Δt)、・・・・等である。すなわち、図3(C)に示すように、時刻t₁、t₁+Δt、t₁+2Δt、・・・・における直線の方程式が直線方程式算出手段44によって、y＝a(t)x＋b(t)の形式で確定される。ただし、a(t)及びb(t)は、時間の関数として与えられるパラメータである。これらの直線の方程式が記憶部34あるいはRAM 50のいずれかに保存されるように設定すればよいが、ここではRAM 50に一時的に保存するものとして、以下説明する。 Then, the linear equation y = a (t) x + b (t), which is the result of the processing by the linear equation calculation means 44, is output to the storage unit 34 or the RAM 50 in time series and stored in a readable form. . Here, the linear equation y = a (t) x + b (t) means y = a (t ₁ ) x + b (t ₁ ), y = a (t ₁ + Δt) x + b (t ₁ + Δt), y = A (t ₁ + 2Δt) x + b (t ₁ + 2Δt),... That is, as shown in FIG. 3 (C), linear equations at time t ₁ , t ₁ + Δt, t ₁ + 2Δt,... Are converted into y = a (t) x + b ( Determined in the form of t). However, a (t) and b (t) are parameters given as a function of time. These linear equations may be set so as to be stored in either the storage unit 34 or the RAM 50. Here, the following description will be given on the assumption that they are temporarily stored in the RAM 50.

＜トルク算出手段＞
トルク算出手段46は、時系列に従って順次確定された上述の直線の方程式y＝a(t₁)x＋b(t₁)、y＝a(t₁+Δt)x＋b(t₁+Δt)、y＝a(t₁+2Δt)x＋b(t₁+2Δt)、・・・・をRAM 50から読み込んで、この直線の傾きa(t)の時間変動から、トルクの大きさτを求める。 <Torque calculation means>
The torque calculation means 46 calculates the above linear equation y = a (t ₁ ) x + b (t ₁ ), y = a (t ₁ + Δt) x + b (t ₁ + Δt), y = a (t ₁ + 2Δt) x + b (t ₁ + 2Δt),... are read from the RAM 50, and the magnitude of torque τ is obtained from the time variation of the slope a (t) of this straight line.

ROM 48には、予め、直線の傾きを与える時間の関数として、直線方程式算出手段44によって求められたパラメータa(t)に、次式(3)または次式(4)を当てはめてアームに働いたトルクの大きさτを求めるトルク算出処理プログラムが格納されている。従って、式(3)及び式(4)は、予めROM 48に読み出し自在に格納されている。
a(t)＝a₀＋a_f sinω_f t＋(τ/κ) （3）
a(t)＝(τsinωt) /κ＋a₀ （4）
ここで、κは細線のねじれに対する弾性定数である。ω_fとa_fは雑音として残る、アームの固有振動の角周波数と角度振幅、a₀は初期角度のパラメータである。減衰を無視すれば、a_f＝τ/κである。ωはω_fに比べて十分に小さい角周波数の値である。 In ROM 48, the following equation (3) or equation (4) is applied to the parameter a (t) obtained by the linear equation calculation means 44 as a function of the time to give the slope of the straight line. Stored is a torque calculation processing program for obtaining the torque magnitude τ. Accordingly, the expressions (3) and (4) are stored in the ROM 48 in a readable manner in advance.
a (t) = a ₀ + a _f sin ω _f t + (τ / κ) (3)
a (t) ＝ (τsinωt) / κ ＋ a ₀ （4）
Here, κ is an elastic constant with respect to the twist of the thin wire. ω _f and a _f remain as noise, the angular frequency and angular amplitude of the natural vibration of the arm, and a ₀ are parameters of the initial angle. If attenuation is ignored, a _f = τ / κ. ω is an angular frequency value sufficiently smaller than ω _f .

制御手段40は、この発明の実施形態の微小力測定装置の操作者から、入力部32を介して与えられるトルク算出処理の実行指示に応答して、トルク算出処理プログラムをROM 48から読み出すと共に、RAM 50に保存されているa(t₁)、a(t₁+Δt)、a(t₁+2Δt)・・・・等を順次読み出してそれぞれの時刻におけるパラメータa(t)に対して当該トルク算出処理プログラムを実行することによって、CPU 52の機能手段としてトルク算出手段46を実現する。 The control means 40 reads the torque calculation processing program from the ROM 48 in response to the torque calculation processing execution instruction given from the operator of the micro force measurement apparatus according to the embodiment of the present invention via the input unit 32, A (t ₁ ), a (t ₁ + Δt), a (t ₁ + 2Δt),..., Etc. stored in the RAM 50 are sequentially read and the parameters a (t) at the respective times are By executing the torque calculation processing program, the torque calculation means 46 is realized as a function means of the CPU 52.

そして、トルク算出手段46による処理の結果である、トルクの大きさτを記憶部34あるいはRAM 50から出力されて、これに読み出し自在の形態で保存する。   Then, the torque magnitude τ, which is the result of the processing by the torque calculation means 46, is output from the storage unit 34 or the RAM 50 and stored in a readable form.

アーム12に働いたトルクの大きさτを求めるに当たり式(3)を利用するか式(4)を利用するかは、ねじれ秤に作用する被測定力である微小力が、ねじれ秤のアーム12の固有振動周期に比べて十分に短時間に変化するか、あるいはアーム12の固有振動周期に比べて十分に長時間にわたって変化するかによって決定される。すなわち、微小力が、ねじれ秤のアーム12の固有振動周期に比べて十分に短時間に変化していると見なされる場合は式(3)を使用し、アーム12の固有振動周期に比べて十分に長時間にわたって変化していると見なされる場合は式(4)を使用するのが好適である。   Whether the formula (3) or the formula (4) is used to obtain the magnitude τ of the torque acting on the arm 12 depends on whether the micro force that is the measured force acting on the torsion balance is the arm 12 of the torsion balance. It is determined by whether it changes in a sufficiently short time compared to the natural vibration period of the arm 12 or in a sufficiently long time compared with the natural vibration period of the arm 12. In other words, if it is considered that the micro force is changing in a sufficiently short time compared to the natural vibration period of the arm 12 of the torsion balance, use Equation (3) and It is preferable to use the equation (4) when it is considered that it has changed over time.

このことを図4(A)〜図4(C)及び図5(A)〜図5(C)を参照して説明する。図4(A)〜図4(C)は、微小力が、ねじれ秤のアーム12の固有振動周期に比べて十分に短時間に変化していると見なされる場合におけるトルクの大きさの求め方の説明に供する図であり、図5(A)〜図5(C)は、アーム12の固有振動周期に比べて十分に長時間にわたって変化していると見なされる場合におけるトルクの大きさの求め方の説明に供する図である。図4(A)及び図5(A)は微小力の作用を時間の関数として示す図であり、横軸に時間を縦軸に微小力の大きさをそれぞれ任意目盛で示してある。図4(B)及び図5(B)は直線の傾きを表すパラメータa(t)の時間変動を示す図であり、横軸に時間を縦軸にa(t)の大きさをそれぞれ任意目盛で示してある。図4(C)及び図5(C)は直線のy軸切片を表すパラメータb(t)の時間変動を示す図であり、横軸に時間を縦軸にb(t)の大きさをそれぞれ任意目盛で示してある。   This will be described with reference to FIGS. 4 (A) to 4 (C) and FIGS. 5 (A) to 5 (C). 4 (A) to 4 (C) show how to determine the magnitude of torque when it is considered that the micro force changes in a sufficiently short time compared to the natural vibration period of the arm 12 of the torsion balance. 5 (A) to FIG. 5 (C) are diagrams for obtaining the magnitude of torque in the case where it is considered that the change is sufficiently long over the natural vibration period of the arm 12. It is a figure where it uses for description of a direction. 4 (A) and 5 (A) are diagrams showing the action of minute force as a function of time, with time on the horizontal axis and magnitude of the minute force on an arbitrary scale. 4 (B) and 5 (B) are graphs showing the time variation of the parameter a (t) representing the slope of the straight line, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the magnitude of a (t). It is shown by. 4 (C) and 5 (C) are diagrams showing the time variation of the parameter b (t) representing the y-axis intercept of the straight line, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing b (t). Shown in arbitrary scale.

微小力のアームに作用する変化時間の長短についての判断について以下に説明する。   The determination about the length of the change time acting on the arm of minute force will be described below.

まず、ある時刻（例えばt＝t_p）でアームに対してトルクτとなる微小力が階段関数的に変化し、アームの運動に減衰がないと見なせる運動を当該アームが行っていると見なせる場合について説明する。この場合は、図4(A)に示すように、t＝t_pでτだけトルクが階段関数状に変化したと想定することになる。すなわち、t＜t_pにおいてτ₀の大きさのトルクが働いているところに階段関数状にt≧t_pにおいて（τ₀−τ）の大きさのトルクが働いたと仮定する。そして、このアーム12の運動には減衰がないものとする。このような状況下ではアーム12の画像の中心線を表す直線の傾きを表すパラメータaは次式(7)で与えられる微分方程式に従って変化する。
I(d²a/dt²)＝−κa＋τ(t) (7)
但し、τ(t) ＝τ₀ (t＜t_p)、τ₀−τ(t≧t_p)とする。
ここで、Iはアーム12の物体10を含めた慣性モーメントである。 First, when a small force with a torque τ changes in a step function at a certain time (for example, t = t _p ), and it can be considered that the arm is performing a motion that can be regarded as not damped Will be described. In this case, as shown in FIG. 4A, it is assumed that the torque changes in a step function by t = t _p by τ. That is, it is assumed that the step function shape in t ≧ t _p is the magnitude of the torque (τ ₀ -τ) worked at that worked tau ₀ the size of the torque in t <t _p. It is assumed that the movement of the arm 12 is not attenuated. Under such circumstances, the parameter a representing the slope of the straight line representing the center line of the image of the arm 12 changes according to the differential equation given by the following equation (7).
I (d ² a / dt ² ) = − κa + τ (t) (7)
However, τ (t) = τ ₀ (t <t _p ), τ ₀ −τ (t ≧ t _p ).
Here, I is the moment of inertia including the object 10 of the arm 12.

式(7)で与えられる微分方程式の一般解は、次式(8)で与えられる。
a(t)＝Asinω₀t＋a₀ (8)
今の場合、式(8)は、
t＜t_pにおいて、a(t)＝a₀、
t≧t_pにおいて、a(t)＝a₀＋(τ/κ)sinω₀t＋(τ/κ)
の形に書き表される。 The general solution of the differential equation given by equation (7) is given by the following equation (8).
a (t) ＝ Asinω ₀ t + a ₀ (8)
In this case, equation (8) becomes
a (t) = a _{0 at} t <t _p
When t ≧ t _p , a (t) = a ₀ + (τ / κ) sinω ₀ t + (τ / κ)
It is written in the form of

従って、この場合、a(t)の振動中心は、t＜t_pにおいてa₀となり、t≧t_pにおいて、a₀−(τ/κ)となるから、この結果によってτが求まる。 Therefore, in this case, the vibration center of a (t) is a ₀ when t <t _p and a ₀ − (τ / κ) when t ≧ t _p , so that τ is obtained from this result.

すなわち、微小力がねじれ秤のアーム12の固有振動周期T（＝2π(I/κ)^1/2）に比べて十分に短時間に変化し、t＜t_pにおいてτ₀の大きさのトルクが働いているところに階段関数状にt≧t_pにおいて（τ₀−τ）の大きさのトルクが働いた場合は、式(3)を利用してアーム12に働いたトルクの大きさτを求めることになる。このように、ある時刻でアームに対してトルクτとなる微小力が階段関数的に変化し、アームの運動に減衰がないと見なせる運動を当該アームが行っていると見なせる場合には、式(3)を利用してトルクの大きさτを求めることになり、このような測定方法を変位測定法ということとする。 That is, sufficiently changed in a short time as compared with the natural vibration period T of the arm 12 of the balance microforce twist (= 2π (I / κ) 1/2), the magnitude of the torque tau ₀ at t <t _p When a torque of (τ ₀ −τ) is applied at t ≧ t _p in the form of a step function where is acting, the magnitude τ of the torque applied to the arm 12 using equation (3) Will be asked. In this way, when the minute force that becomes the torque τ with respect to the arm changes at a certain time in a step function, and when it can be considered that the arm is performing a motion that can be regarded as not damped, the equation ( The torque magnitude τ is obtained using 3), and such a measurement method is called a displacement measurement method.

一方、図5(A)に示すように、微小力がねじれ秤のアーム12の固有振動周期T（＝2π(I/κ)^1/2）に比べて十分に長い時定数で滑らかに変化する状況を想定する。そしてこのアーム12の運動には減衰があるものとする。この場合アーム12は一度も振動することなく、つりあいの位置の変換に追随して回転動作する。 On the other hand, as shown in FIG. 5 (A), the minute force changes smoothly with a time constant sufficiently longer than the natural vibration period T (= 2π (I / κ) ^1/2 ) of the arm 12 of the torsion balance. Assume the situation. It is assumed that the movement of the arm 12 has a damping. In this case, the arm 12 does not vibrate even once and rotates following the conversion of the balance position.

ここで、τ(t)＝τsinωtとすると、a(t)＝(τ(t)/κ)＋a₀＝(τ/κ)sinωt＋a₀となって、図5(B)に示すように、Δa＝τ/κとして直接τの値を求めることができる。この場合は、上述の変位測定法のように振動中心を求めなくとも、時間の関数としてそのまま、トルクτが求められる。 Here, when τ (t) = τsinωt, a (t) = (τ (t) / κ) + a ₀ = (τ / κ) sinωt + a _0, and as shown in FIG. The value of τ can be directly obtained as = τ / κ. In this case, the torque τ can be obtained as it is as a function of time without obtaining the vibration center as in the displacement measurement method described above.

すなわち、微小力がねじれ秤のアーム12の固有振動周期T（＝2π(I/κ)^1/2）に比べて十分に長い時定数で滑らかに変化する場合は、式(4)を利用してアーム12に働いたトルクの大きさτを求めることになり、このような測定方法を追随測定法ということとする。 In other words, if the micro force changes smoothly with a sufficiently long time constant compared to the natural vibration period T (= 2π (I / κ) ^1/2 ) of the arm 12 of the torsion balance, Equation (4) is used. Thus, the magnitude τ of the torque acting on the arm 12 is obtained, and such a measuring method is called a follow-up measuring method.

変位測定法によるか、追随測定法によるかは、測定対象等によって決定される事項であり、この発明の実施形態の微小力測定装置及び微小力測定方法を実行する操作者が経験的に決定すべき事項である。   Whether the displacement measurement method or the follow-up measurement method is used is a matter determined by the measurement object or the like, and is determined empirically by an operator who executes the micro force measurement device and the micro force measurement method according to the embodiment of the present invention. It should be a matter.

ここで、微小力がねじれ秤のアーム12の固有振動周期に比べて十分に短時間に作用していると見なされる場合におけるトルクの大きさを求めるための理論モデル式である式(3)及び、十分に長い時定数で滑らかに作用していると見なされる場合におけるトルクの大きさを求めるための理論モデル式である式(4)をa_model(t)で表し、直線方程式算出手段44で求められた直線の傾きを与えるパラメータa(t)をa_measured(t)と表す。 Here, Equation (3), which is a theoretical model equation for obtaining the magnitude of torque when it is considered that a small force is acting in a sufficiently short time compared to the natural vibration period of the arm 12 of the torsion balance. Equation (4), which is a theoretical model formula for obtaining the magnitude of torque when it is assumed that it is acting smoothly with a sufficiently long time constant, is expressed as a _model (t), and the linear equation calculation means 44 The parameter a (t) that gives the slope of the obtained straight line is expressed as a _measured (t).

この理論モデル式a_model(t)と実験データ式a_measured(t)とを用いて、トルクτの大きさを最小二乗法で求めるには、次式(10)で与えられる、理論モデル式a_model(t)と実験データ式a_measured(t)とのずれ量が最小となるようにτを求める。次式(10)は、予め、上述のトルク算出処理プログラムによって、ROM 48に読み出し自在に格納されている。 Using this theoretical model equation a _model (t) and the experimental data equation a _measured (t), the magnitude of the torque τ can be obtained by the least square method. The theoretical model equation a given by the following equation (10) τ is determined so that the amount of deviation between _model (t) and experimental data equation a _measured (t) is minimized. The following expression (10) is stored in advance in the ROM 48 so as to be readable by the above-described torque calculation processing program.

実際には、トルク算出手段46によって、同様に、予め、ROM 48に格納されている次式(11)を読み出してきて、この式(11)を解いてトルクτの値を求める。   Actually, the following equation (11) stored in advance in the ROM 48 is similarly read in advance by the torque calculating means 46, and the value of the torque τ is obtained by solving this equation (11).

ここで、t_frameとは、ビデオキャプチャー装置26から一定時間間隔Δtで時刻t＝t₁から順次出力されるビデオフレーム27のそれぞれの時刻を与えるt＝ｔ₁からt＝ｔ₁+Δt、t＝ｔ₁+2Δt、・・・・を示す変数である。 Here, t _frame is a time t = t ₁ to t = t ₁ + Δt, t that gives each time of the video frame 27 sequentially output from the time t = t ₁ at a constant time interval Δt from the video capture device 26. = T ₁ + 2Δt, a variable indicating.

式(10)及び式(11)において、σ_measured(t_frame)は、a_measured(t_frame)の統計上の標準偏差値である。また、a_model(t=t_fram,τ)は、式(3)または式(4)で与えられる理論モデルのa(t)、すなわち、a_model(t)を意味する。 In Equation (10) and Equation (11), σ _measured (t _frame ) is a statistical standard deviation value of a _measured (t _frame ). Further, a _model (t = t _fram , τ) means a (t) of the theoretical model given by Equation (3) or Equation (4), that is, a _model (t).

トルクの大きさτが求まれば、アーム12の両端に取り付けられた物体10に働いている微小力の大きさFは次のようにして求められる。   If the magnitude of torque τ is obtained, the magnitude F of the micro force acting on the object 10 attached to both ends of the arm 12 is obtained as follows.

ねじれ秤の回転角θは、θ＝tan^-1a(t)で与えられるが、あまり大きくない範囲で直線の傾きを与えるパラメータa(t)の振動中心a₀(t)にほぼ等しく、θ＝a₀(t)と見なすことができる。また、アーム12の長さをLとしアーム12の両端に取り付けられた物体10の質量が等しいとするとトルクτはLFで与えられる。すなわちτ＝LFである。一方、アーム12を吊り下げている細線14の弾性定数はκであるから、細線14のねじれによる弾性力の大きさはκθで与えられる。両者の値が等しいことから、LF＝κθ＝κa₀(t)が成り立ち、微小力の大きさFは、F＝κθ/L＝κa₀(t)/Lと求められる。 The rotation angle θ of the torsion balance is given by θ = tan ⁻¹ a (t), but is almost equal to the vibration center a ₀ (t) of the parameter a (t) that gives the slope of the straight line in a not so large range, θ = A ₀ (t). Further, assuming that the length of the arm 12 is L and the masses of the objects 10 attached to both ends of the arm 12 are equal, the torque τ is given by LF. That is, τ = LF. On the other hand, since the elastic constant of the thin wire 14 suspending the arm 12 is κ, the magnitude of the elastic force due to the twist of the thin wire 14 is given by κθ. Since both values are equal, LF = κθ = κa ₀ (t) is established, and the magnitude F of the micro force is obtained as F = κθ / L = κa ₀ (t) / L.

トルク算出手段46を実現するためのプログラムには、微小力の大きさFをF＝κθ/L＝κa₀(t)/Lの関係から求める処理を含めておけば便利である。また、細線14のねじれに対する弾性定数κの値、アーム12の長さL等の定数値は、予めトルク算出手段46を実現するためのプログラム中に与えるように設定しておけばよい。 It is convenient if the program for realizing the torque calculation means 46 includes processing for obtaining the magnitude F of the minute force from the relationship F = κθ / L = κa ₀ (t) / L. Further, the value of the elastic constant κ with respect to the twist of the thin wire 14 and the constant value such as the length L of the arm 12 may be set in advance in a program for realizing the torque calculating means 46.

トルク算出手段46によって得られた結果である、a(t₁)、a(t₁+Δt)、a(t₁+2Δt)・・・・等、あるいは、トルクτ、微小力F等は、記憶部34に格納し、必要に応じて、この発明の実施形態の微小力測定装置の操作者から入力部32を介して与えられる読み出し指示に応答して、出力部36に出力されるように設定しておけばよい。 As a result obtained by the torque calculation means 46, a (t ₁ ), a (t ₁ + Δt), a (t ₁ + 2Δt), etc., or torque τ, minute force F, etc. The data is stored in the storage unit 34 and, if necessary, output to the output unit 36 in response to a read instruction given from the operator of the micro force measurement apparatus according to the embodiment of the present invention via the input unit 32. Just set it up.

＜微小力測定方法＞
この発明の実施形態の微小力測定方法について、図1及び図6に示すフローチャートを参照して説明する。図6は、この発明の実施形態の微小力測定方法を示すフローチャートである。 <Micro force measurement method>
A micro force measurement method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS. FIG. 6 is a flowchart showing the micro force measurement method according to the embodiment of the present invention.

図6に示すステップS1はスタートステップであり、画像情報取得装置及び画像情報処理装置が動作可能な状態に設定するステップである。ステップS2は、2次元画像形成ステップであり、図1に示す画像情報取得装置30が具える結像光学系22によって、ねじれ秤が具えるアーム12の画像を2次元受光素子24に結像されるように調整するステップである。   Step S1 shown in FIG. 6 is a start step, in which the image information acquisition apparatus and the image information processing apparatus are set in an operable state. Step S2 is a two-dimensional image forming step, and the image of the arm 12 provided with the torsion balance is formed on the two-dimensional light receiving element 24 by the imaging optical system 22 provided with the image information acquisition device 30 shown in FIG. It is a step to adjust so that.

ステップS2に続いて、2次元受光素子24を構成するそれぞれのピクセルが光強度を電気信号に変換し、画像情報信号25としてその電気信号を当該ピクセルの位置座標の関数としてビデオキャプチャー装置26に出力する画像情報構成ステップであるステップS3が実行される。   Following step S2, each pixel constituting the two-dimensional light receiving element 24 converts the light intensity into an electric signal, and outputs the electric signal as an image information signal 25 to the video capture device 26 as a function of the position coordinates of the pixel. Step S3, which is an image information configuration step to be executed, is executed.

ステップS3に続いて、ビデオキャプチャー装置26が、画像情報信号25を時系列に従って取り込んで、時刻ごとの画像情報信号25のそれぞれからアーム12の静止2次元光強度画像を表示するビデオフレーム27を生成して、時系列に従ったこのビデオフレーム27を単位とする時間の関数としてビデオフレーム27を出力するビデオフレーム生成ステップであるステップS4が実行される。   Following step S3, the video capture device 26 captures the image information signal 25 in chronological order, and generates a video frame 27 that displays a static two-dimensional light intensity image of the arm 12 from each of the image information signals 25 at each time. Then, step S4 which is a video frame generation step for outputting the video frame 27 as a function of time in units of the video frame 27 according to the time series is executed.

ステップS4に引き続いて、制御手段40が、この発明の実施形態の微小力測定装置の操作者から、入力部32を介して与えられる輝度重心座標点確定処理の実行指示に応答して、輝度重心座標点確定処理プログラムをROM 48から読み出すと共に、ビデオキャプチャー装置26から出力されたビデオフレーム27を時系列に従って順次読み出し、ビデオフレーム27のそれぞれに対して当該プログラムを実行させるステップS5が実行される。   Subsequent to step S4, the control means 40 responds to the execution instruction of the luminance barycentric coordinate point determination process given from the operator of the micro force measurement apparatus according to the embodiment of the present invention via the input unit 32, and the luminance barycenter. The coordinate point determination processing program is read from the ROM 48, and the video frames 27 output from the video capture device 26 are sequentially read in time series, and step S5 is executed to execute the program for each video frame 27.

ステップS5に引き続いて、制御手段40が、この発明の実施形態の微小力測定装置の操作者から、入力部32を介して与えられる直線方程式算出処理の実行指示に応答して、直線方程式算出処理ログラムをROM 48から読み出すと共に、RAM 50に保存されている時刻t＝ｔ₁からt＝ｔ₁+Δt、t＝ｔ₁+2Δt、・・・・におけるそれぞれの輝度重心座標点を順次読み出してそれぞれの時刻における輝度重心座標点に対して当該直線方程式算出処理ログラムを実行するステップS6が実行される。 Subsequent to step S5, the control means 40 responds to the execution instruction of the linear equation calculation process given from the operator of the micro force measurement apparatus according to the embodiment of the present invention via the input unit 32, and the linear equation calculation process. The program is read from the ROM 48, and the luminance center-of-gravity coordinate points at the times t = t ₁ to t = t ₁ + Δt, t = t ₁ + 2Δt,. Step S6 is executed to execute the linear equation calculation processing program on the luminance barycentric coordinate point at each time.

ステップS6が実行されたら、制御手段40によって、ビデオキャプチャー装置26から出力されたビデオフレーム27の全てに対して、ステップS5及びS6が実行されたか否かを判断し、すべてのビデオフレームに対してステップS5及びS6の処理が終了している場合は、ステップS8に進み、未終了であると判断された場合はステップS5に戻す処理であるステップS7が実行される。   When step S6 is executed, the control means 40 determines whether or not steps S5 and S6 have been executed for all video frames 27 output from the video capture device 26, and for all video frames. If the processes in steps S5 and S6 have been completed, the process proceeds to step S8. If it is determined that the processes have not been completed, step S7, which is a process for returning to step S5, is executed.

ステップS8は、直線方程式算出手段から、時系列に従って順次確定されて出力された上述の直線の方程式を時間の関数として読み込んで、この直線の傾きの時間変動から、トルクの大きさ（τ）を求めるトルク算出ステップである。   Step S8 reads the above-mentioned linear equation, which is sequentially determined and output in accordance with the time series from the linear equation calculation means, as a function of time, and calculates the magnitude of torque (τ) from the time variation of the slope of this straight line. This is a required torque calculation step.

ステップS8によってトルクの大きさτが求まったら、アーム12の両端に取り付けられた物体10に働いている微小力の大きさFを求める微小力確定ステップであるステップS9が実行されて、この発明の実施形態の微小力測定方法の終了ステップであるステップS10が実行される。   When the magnitude of torque τ is obtained in step S8, step S9, which is a micro force determination step for obtaining the magnitude F of the micro force acting on the object 10 attached to both ends of the arm 12, is executed. Step S10, which is an end step of the micro force measurement method of the embodiment, is executed.

＜微小力測定装置による埋没物の存在確認検査＞
この発明の実施形態の微小力測定装置による微小力測定方法によれば、被微小力測定対象に対する位置を変えつつ実行し、当該被微小力測定対象に埋没している物体の存在を非破壊で探査する埋没物体の探査方法を実現することが可能である。以下図7及び図8を参照して、この発明の実施形態の微小力測定装置によって、固体中に埋没した物体の存在を検知する非破壊検査の事例を説明する。 <Examination of presence of buried objects using micro force measuring device>
According to the micro force measurement method by the micro force measurement device of the embodiment of the present invention, the micro force measurement method is executed while changing the position with respect to the micro force measurement target, and the presence of the object buried in the micro force measurement target is nondestructive. It is possible to realize a method for exploring buried objects to be explored. Hereinafter, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, an example of nondestructive inspection in which the presence of an object buried in a solid is detected by the micro force measuring device according to the embodiment of the present invention will be described.

この非破壊検査の事例では、被微小力測定対象に対するこの発明の微小力測定装置の位置を移動させて、複数箇所において重力の大きさが観測され、その測定箇所に対する重力の大きさの変化から、固体中に埋没した物体の存在が探知される。   In this non-destructive inspection example, the position of the micro force measuring device of the present invention with respect to the micro force measurement object is moved, and the magnitude of gravity is observed at a plurality of locations. The presence of an object buried in a solid is detected.

図7は、固体60中に埋没していると推定される検出対象物56及び58を、この発明の実施形態の微小力測定装置54によって検知する非破壊検査の事例の説明に供する図である。図7では、画像情報取得装置20の一部及び画像情報処理装置30について図示を省略してあるが、ここで利用されている微小力測定装置は図1に示す構成要素が全て具えられているものと了解されたい。   FIG. 7 is a diagram for explaining an example of a nondestructive inspection in which the detection objects 56 and 58 estimated to be buried in the solid 60 are detected by the micro force measurement device 54 according to the embodiment of the present invention. . In FIG. 7, illustration of a part of the image information acquisition device 20 and the image information processing device 30 is omitted, but the micro force measurement device used here includes all the components shown in FIG. I want you to understand.

被検査対象である固体60に沿って微小力測定装置54の位置をずらしつつ、アーム12に働くトルクの大きさを測定する。ここでは、微小力測定装置54の走査方向をx軸方向に設定してある。   The magnitude of torque acting on the arm 12 is measured while shifting the position of the micro force measuring device 54 along the solid 60 to be inspected. Here, the scanning direction of the micro force measuring device 54 is set to the x-axis direction.

図8は、微小力測定装置54の被検査対象である固体60に対する位置（x座標）に対して、ねじれ変位角Θの大きさを示す図である。横軸にx軸が任意スケールで示してあり、縦軸にねじれ変位角Θの大きさを任意目盛で示してある。   FIG. 8 is a diagram showing the magnitude of the torsional displacement angle Θ with respect to the position (x coordinate) with respect to the solid 60 to be inspected by the micro force measuring device 54. The horizontal axis represents the x-axis on an arbitrary scale, and the vertical axis represents the magnitude of the torsional displacement angle Θ on an arbitrary scale.

既に図4及び図5を参照して説明したように、図8の縦軸に示すねじれ変位角Θの大きさは、直線の傾きを表すパラメータa(t)から求められる（τ/κ）の値に比例する値である。すなわち、x座標の各地点で微小力Fの値の相対値が測定されていることになる。図7に示す非破壊検査の事例のように、必ずしも微小力Fの値そのものを知る必要はなく相対値が知られればよい場合が多い。しかしながら、微小力Fの値そのものを知りたい場合には、アームの固有単振動の周期を計測し、慣性モーメントの値を用いる事でκの値を規格化すればよい。   As already described with reference to FIGS. 4 and 5, the magnitude of the torsional displacement angle Θ shown on the vertical axis in FIG. 8 is obtained from the parameter a (t) representing the slope of the straight line (τ / κ). The value is proportional to the value. That is, the relative value of the micro force F is measured at each point of the x coordinate. As in the case of the nondestructive inspection shown in FIG. 7, it is not always necessary to know the value of the minute force F, and it is often sufficient to know the relative value. However, in order to know the value of the minute force F itself, it is only necessary to normalize the value of κ by measuring the period of the natural oscillation of the arm and using the value of the moment of inertia.

図8に示すように、検出対象物56及び58に近いほど（τ/κ）の値、すなわち微小力Fが大きくなっており、この結果から微小力Fが大きなx座標から、検出対象物56及び58が固体60のどのあたりに埋め込まれているかが推定される。   As shown in FIG. 8, the value closer to the detection objects 56 and 58, that is, the value of (τ / κ), that is, the minute force F becomes larger. And around which of the solid 60 is estimated.

上述のように、被検査対象である固体60に沿って微小力測定装置54の位置をずらしつつ微小力の大きさを測定する場合は、トルク算出手段46によって得られた結果である、a(t₁)、a(t₁+Δt)、a(t₁+2Δt)・・・・等、あるいは、トルクτ、微小力F等についての情報は、x座標に対応させて記憶部34格納し、入力部32を介して与えられる読み出し指示に応答して出力部36に出力される構成とすればよい。ここで、出力部36としてディスプレイあるいはプリンターを表示手段とし、図8に示した、x座標に対する微小力Fの大きさを示す図を表示させるように設定しておくのが便利である。このような設定は、周知のコンピュータの操作手法によって実現することが可能である。 As described above, when measuring the magnitude of the minute force while shifting the position of the minute force measuring device 54 along the solid 60 to be inspected, the result obtained by the torque calculating means 46 is a ( t ₁ ), a (t ₁ + Δt), a (t ₁ + 2Δt), etc., or information about torque τ, minute force F, etc. is stored in the storage unit 34 corresponding to the x coordinate. The configuration may be such that it is output to the output unit 36 in response to a read instruction given via the input unit 32. Here, it is convenient to set a display or a printer as the display unit as the output unit 36 and to display the diagram showing the magnitude of the minute force F with respect to the x coordinate shown in FIG. Such setting can be realized by a known computer operation method.

10：物体
12：アーム
14：細線
16：保護カバー
20：画像情報取得装置
22：結像光学系
24：2次元受光素子
26：ビデオキャプチャー装置
28：ビデオカメラ
30：画像情報処理装置
32：入力部
34：記憶部
36：出力部
38：MPU
40：制御手段
42：輝度重心座標点確定手段
44：直線方程式算出手段
46：トルク算出手段
48：ROM
50：RAM
52：CPU
54：微小力測定装置
56、58：検出対象物
60：固体 10: Object
12: Arm
14: Fine wire
16: Protective cover
20: Image information acquisition device
22: Imaging optics
24: Two-dimensional light receiving element
26: Video capture device
28: Video camera
30: Image information processing device
32: Input section
34: Memory
36: Output section
38: MPU
40: Control means
42: Luminance barycentric coordinate point determination means
44: Linear equation calculation means
46: Torque calculation means
48: ROM
50: RAM
52: CPU
54: Micro force measuring device
56, 58: Object to be detected
60: Solid

Claims (13)

両端に物体が取り付けられたアームを、細線によって当該細線の中心軸を中心にして弾性的に回転が可能な状態に吊り下げ、前記物体に働く力の大きさを、前記中心軸を回転中心とする当該アームの回転角度を計測することで測定する構成とされたねじれ秤と、
前記アームの画像を取り込んで当該画像の画像情報信号を生成し、当該画像情報信号から前記アームの静止2次元光強度画像を表示する時系列に従ったビデオフレームを生成して出力する画像情報取得装置と、
当該ビデオフレームを取り込んで、前記アームの静止2次元光強度画像から、光強度重心となる複数の輝度重心座標点を決定し、複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和が最小となる直線の方程式を最小二乗法によって求め、当該直線の傾きを表すパラメータで与えられる回転角度から前記物体に働く力の大きさを決定する画像情報処理装置と
を具え、
前記ねじれ秤を構成する前記アームの画像から、当該アームの画像の中心線を表す直線を解析的に1次関数で表したときの当該直線の傾きを測定パラメータとし、単振動する当該アームの回転角度を、当該アームを吊り下げている細線に対する当該アームの重心の振り子運動としての単振動に影響されることなく独立に決定する
ことを特徴とする微小力測定装置。 The arm with the object attached to both ends is suspended by a thin line in a state where it can be elastically rotated around the central axis of the thin line, and the magnitude of the force acting on the object is defined with the central axis as the center of rotation. A torsion balance configured to measure by measuring the rotation angle of the arm,
Image information acquisition that captures an image of the arm, generates an image information signal of the image, generates a time-series video frame for displaying a static two-dimensional light intensity image of the arm from the image information signal, and outputs the generated image frame Equipment,
The video frame is captured, and a plurality of luminance centroid coordinate points serving as light intensity centroids are determined from the static two-dimensional light intensity image of the arm, and the sum of squares of the distances from the plurality of luminance centroid coordinate points is minimized. determined by the least squares method equation of a straight line, e ingredients and an image information processing apparatus for determining the magnitude of the force acting on the object from the rotation angle given by the parameter representing the slope of the straight line,
From the image of the arm constituting the torsion balance, the straight line representing the center line of the image of the arm is analytically expressed as a linear function, and the inclination of the straight line is used as a measurement parameter, and the arm rotates in a simple vibration. angle, micro force measurement device comprising that you determined independently without being influenced by the simple harmonic oscillation of the pendulum motion of the center of gravity of the arm with respect to thin line that hanging the arm. 前記画像情報取得装置は、結像光学系と、2次元受光素子と、ビデオキャプチャー装置とを具え、
前記結像光学系は、前記アームの実像が前記2次元受光素子の受光面に形成されるように配置され、
前記2次元受光素子は、光強度を電気信号に変換する複数のピクセルが、当該ピクセルのそれぞれの配列位置が2次元位置座標によって規定されて、当該2次元受光素子の受光面を画する範囲の2次元平面を埋め尽くすように配列されて構成されており、かつ当該2次元受光素子を構成する前記ピクセルがそれぞれ同時刻に受光する光強度が電気信号に変換されて当該ピクセルの位置座標の関数として与えられる信号を、前記アームの前記画像情報信号として取得して出力し、
前記ビデオキャプチャー装置は、前記画像情報信号を取り込んで、前記画像情報信号のそれぞれから前記アームの静止2次元光強度画像を表示するビデオフレームを生成して、時系列に従った当該ビデオフレームを単位とする時間の関数として当該ビデオフレームを出力する構成とされており、及び、
前記画像情報処理装置は、輝度重心座標点確定手段と、直線方程式算出手段と、トルク算出手段とを具え、
前記輝度重心座標点確定手段によって、前記ビデオキャプチャー装置から出力された前記ビデオフレームを時系列に従って順次読み込んで、当該ビデオフレームのそれぞれが表示する前記静止2次元光強度画像ごとに、光強度重心となる複数の輝度重心座標点を確定する処理と、
前記直線方程式算出手段によって、前記輝度重心座標点確定手段から出力された、前記静止2次元光強度画像の光強度重心となる複数の輝度重心座標点を読み込んで、複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和が最小となる直線の方程式を求める処理と、
前記トルク算出手段によって、前記直線方程式算出手段から、時系列に従って順次確定されて出力された前記直線の方程式を時間の関数として読み込んで、この直線の傾きの時間変動から、トルクの大きさを求める処理と
を実行することを特徴とする請求項1に記載の微小力測定装置。 The image information acquisition device comprises an imaging optical system, a two-dimensional light receiving element, and a video capture device,
The imaging optical system is arranged so that a real image of the arm is formed on a light receiving surface of the two-dimensional light receiving element,
The two-dimensional light receiving element has a plurality of pixels that convert light intensity into an electrical signal, and each pixel has an array position defined by two-dimensional position coordinates, in a range that defines a light receiving surface of the two-dimensional light receiving element. A function of the position coordinates of the pixel that is configured to fill the two-dimensional plane, and the light intensity received by the pixels constituting the two-dimensional light receiving element at the same time is converted into an electric signal. The signal given as is acquired and output as the image information signal of the arm,
The video capture device captures the image information signal, generates a video frame for displaying a static two-dimensional light intensity image of the arm from each of the image information signal, and unitizes the video frame in time series. And output the video frame as a function of time, and
The image information processing apparatus includes a luminance barycentric coordinate point determination unit, a linear equation calculation unit, and a torque calculation unit,
The luminance centroid coordinate point determination means sequentially reads the video frames output from the video capture device in time series, and for each stationary two-dimensional light intensity image displayed by each of the video frames, a light intensity centroid and A process for determining a plurality of luminance center-of-gravity coordinate points,
The linear equation calculation means reads a plurality of luminance centroid coordinate points that are output from the luminance centroid coordinate point determination means and serve as the light intensity centroid of the static two-dimensional light intensity image, and reads from the plurality of luminance centroid coordinate points. A process for obtaining a linear equation that minimizes the sum of squared distances;
The torque calculation means reads from the linear equation calculation means the linear equations sequentially determined and output in time series as a function of time, and obtains the magnitude of torque from the time variation of the slope of the straight line. 2. The micro force measuring device according to claim 1, wherein the processing is executed. 前記輝度重心座標点確定手段は、前記2次元位置座標をｘ-ｙ直交座標としたとき、ROM(Read Only Memory)から次式(1)を読み出してきて、時刻tにおける、x座標がx₀であるy軸に平行な方向に沿って光強度重心となるy座標の値を当該次式(1)によって確定させ、
順次前記x₀の値を前記2次元受光素子の受光面の両端の範囲であるx₁〜x_nにわたって変化させて、前記光強度重心となる複数の輝度重心座標点（x₁, mean_y(x₁,t)）、(x₂, mean_y(x₂,t))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t)）を順次確定する
ことを特徴とする請求項2に記載の微小力測定装置。

The luminance center-of-gravity coordinate point determination means reads the following expression (1) from ROM (Read Only Memory) when the two-dimensional position coordinates are xy orthogonal coordinates, and the x coordinate at time t is x _0. The value of the y coordinate that becomes the light intensity centroid along the direction parallel to the y axis is determined by the following equation (1),
By changing over x ₁ ~x _n is a sequential range of both ends of the light receiving surface of the x ₀ value the two-dimensional light receiving element, a plurality of luminance center coordinate point serving as the light intensity gravity center (x _1, mean_y (x ₁ , t)), (x ₂ , mean_y (x ₂ , t)),... (X _n , mean_y (x _n , t)) are sequentially determined. Micro force measuring device.

前記直線方程式算出手段は、前記ROMから次式(2)を読み出してきて、当該次式(2)によって与えられる、前記複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和χ²(t)が最小となる直線の方程式を時間の関数として算出することを特徴とする請求項3に記載の微小力測定装置。

ここで、σ_{mean_y}は、mean_yの統計上の標準偏差値、a(t)及びb(t)はパラメータである。 The linear equation calculation means reads the following equation (2) from the ROM, and the sum of squares χ ² (t) of the distances from the plurality of luminance centroid coordinate points given by the following equation (2) is: 4. The micro force measuring apparatus according to claim 3, wherein a linear equation that is minimized is calculated as a function of time.

Here, σ _{mean_y} is a statistical standard deviation value of mean_y, and a (t) and b (t) are parameters. 前記トルク算出手段は、前記ROMから次式(3)を読み出してきて、前記直線の傾きを与える時間の関数としての前記パラメータa(t)に、当該次式(3)を当てはめて前記アームに働いたトルクの大きさτを求めることを特徴とする請求項4に記載の微小力測定装置。
a(t)＝a₀＋a_f sinω_f t＋(τ/κ) （3）
ここで、κは細線のねじれに対する弾性定数であり、ω_fとa_fは雑音として残る、アームの固有振動の角周波数と角度振幅、a₀は初期角度のパラメータである。減衰を無視すれば、a_f＝τ/κである。 The torque calculation means reads the following equation (3) from the ROM, and applies the following equation (3) to the parameter a (t) as a function of time for giving the slope of the straight line to the arm. 5. The micro force measuring apparatus according to claim 4, wherein a magnitude τ of the torque that has been applied is obtained.
a (t) = a ₀ + a _f sin ω _f t + (τ / κ) (3)
Here, κ is an elastic constant with respect to torsion of the thin wire, ω _f and a _f are left as noise, the angular frequency and angular amplitude of the natural vibration of the arm, and a ₀ are parameters of the initial angle. If attenuation is ignored, a _f = τ / κ. 前記トルク算出手段は、前記ROMから次式(4)を読み出してきて、前記直線の傾きを与える時間の関数としての前記パラメータa(t)に、当該次式(4)を当てはめて前記アームに働いたトルクの大きさτを求めることを特徴とする請求項4に記載の微小力測定装置。
a(t)＝(τsinωt) /κ＋a₀ （4）
ここで、κは前記細線のねじれに対する弾性定数であり、ωはアームの固有振動の角周波数ω_fに比べて十分に小さい角周波数の値、a₀は初期角度のパラメータである。 The torque calculation means reads the following equation (4) from the ROM and applies the following equation (4) to the parameter a (t) as a function of the time for giving the slope of the straight line to the arm. 5. The micro force measuring apparatus according to claim 4, wherein a magnitude τ of the torque that has been applied is obtained.
a (t) ＝ (τsinωt) / κ ＋ a ₀ （4）
Here, κ is an elastic constant with respect to the twist of the fine wire, ω is a value of an angular frequency sufficiently smaller than the angular frequency ω _f of the natural vibration of the arm, and a ₀ is a parameter of the initial angle. 両端に物体が取り付けられたアームを、細線によって当該細線の中心軸を中心にして弾性的に回転が可能な状態に吊り下げ、前記物体に働く力の大きさを、前記中心軸を回転中心とする当該アームの回転角度を計測することで測定する構成とされたねじれ秤による微小力測定方法であって、
前記アームの画像を取り込んで当該画像の画像情報信号を生成し、当該画像情報信号から前記アームの静止2次元光強度画像を表示する時系列に従ったビデオフレームを生成して出力する画像情報取得ステップと、
当該ビデオフレームを取り込んで、前記アームの静止2次元光強度画像から光強度重心となる複数の輝度重心座標点を決定し、複数の輝度重心座標点からの距離の大きさの二乗の和が最小となる直線の方程式を最小二乗法によって求め、当該直線の傾きを表すパラメータで与えられる回転角度から前記物体に働く力の大きさ決定する画像情報処理ステップと
を含み、
前記ねじれ秤を構成する前記アームの画像から、当該アームの画像の中心線を表す直線を解析的に1次関数で表したときの当該直線の傾きを測定パラメータとし、単振動する当該アームの回転角度を、当該アームを吊り下げている細線に対する当該アームの重心の振り子運動としての単振動に影響されることなく独立に決定する
ことを特徴とする微小力測定方法。 The arm with the object attached to both ends is suspended by a thin line in a state where it can be elastically rotated around the central axis of the thin line, and the magnitude of the force acting on the object is defined with the central axis as the center of rotation. A micro force measurement method using a torsion balance configured to measure by measuring the rotation angle of the arm,
Image information acquisition that captures an image of the arm, generates an image information signal of the image, generates a time-series video frame for displaying a static two-dimensional light intensity image of the arm from the image information signal, and outputs the generated image frame Steps,
The video frame is captured, and a plurality of luminance centroid coordinate points serving as light intensity centroids are determined from the static two-dimensional light intensity image of the arm, and the sum of the squares of the distance magnitudes from the plurality of luminance centroid coordinate points is minimized. become equation for a straight line by the least squares method, see contains an image information processing step of determining the magnitude of the force acting from the rotation angle given by the parameter representing the slope of the straight line on the object,
From the image of the arm constituting the torsion balance, the straight line representing the center line of the image of the arm is analytically expressed as a linear function, and the inclination of the straight line is used as a measurement parameter, and the arm rotates in a simple vibration. The micro force measurement method characterized in that the angle is independently determined without being influenced by a simple vibration as a pendulum motion of the center of gravity of the arm with respect to a thin line hanging the arm . 前記画像情報取得ステップは、
光強度を電気信号に変換する複数のピクセルが、当該ピクセルのそれぞれの配列位置が2次元位置座標によって規定されて、当該2次元受光素子の受光面を画する範囲の2次元平面を埋め尽くすように配列されて構成された2次元受光素子の受光面に、結像光学系によって前記アームの画像を形成する2次元画像形成ステップと、
前記ピクセルがそれぞれ同時刻に受光する光強度を当該ピクセルの位置座標の関数として与えられる、前記アームの画像情報を電気信号に変換して前記画像情報信号としてビデオキャプチャー装置に出力する画像情報構成ステップと、
前記ビデオキャプチャー装置が、前記画像情報信号を時系列に従って取り込んで、時刻ごとの前記画像情報信号のそれぞれから前記アームの静止2次元光強度画像を表示するビデオフレームを生成して、時系列に従った当該ビデオフレームを単位とする時間の関数として当該ビデオフレームを出力するビデオフレーム生成ステップと
を含み、及び
前記画像情報処理ステップは、
輝度重心座標点確定手段が前記ビデオキャプチャー装置から出力された前記ビデオフレームを時系列に従って順次読み込んで、当該ビデオフレームのそれぞれが表示する前記静止2次元光強度画像ごとに、光強度重心となる複数の輝度重心座標点を確定する輝度重心座標点確定ステップと、
直線方程式算出手段が前記輝度重心座標点確定手段から出力された前記静止2次元光強度画像の光強度重心となる複数の輝度重心座標点を読み込んで、複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和が最小となる直線の方程式を時間の関数として求める直線方程式算出ステップと、
トルク算出手段が前記直線方程式算出ステップで、時系列に従って順次確定される前記直線の方程式を時間の関数として読み込んで、この直線の傾きの時間変動から、トルクの大きさを求めるトルク算出ステップと
を含んでいることを特徴とする請求項7に記載の微小力測定方法。 The image information acquisition step includes
A plurality of pixels that convert light intensity into an electrical signal, so that each array position of the pixels is defined by two-dimensional position coordinates and fills a two-dimensional plane in a range that defines the light receiving surface of the two-dimensional light receiving element. A two-dimensional image forming step of forming an image of the arm by an imaging optical system on a light receiving surface of a two-dimensional light receiving element arranged and configured;
An image information configuration step of converting the image information of the arm into an electric signal and outputting the image information signal as an image information signal to a video capture device, in which the light intensity received by each pixel at the same time is given as a function of the position coordinate of the pixel When,
The video capture device captures the image information signal according to a time series, generates a video frame that displays a static two-dimensional light intensity image of the arm from each of the image information signals for each time, and follows the time series. A video frame generating step for outputting the video frame as a function of time in units of the video frame, and the image information processing step,
Luminance barycentric coordinate point determination means sequentially reads the video frames output from the video capture device in time series, and each of the video frames displays a plurality of light intensity barycenters for each stationary two-dimensional light intensity image displayed. A luminance barycentric coordinate point determination step for determining the luminance barycentric coordinate point;
The linear equation calculation unit reads a plurality of luminance centroid coordinate points that are light intensity centroids of the static two-dimensional light intensity image output from the luminance centroid coordinate point determination unit, and squares the distance from the plurality of luminance centroid coordinate points. A linear equation calculation step for obtaining a linear equation that minimizes the sum of as a function of time;
The torque calculating means reads the linear equations sequentially determined according to the time series in the linear equation calculating step as a function of time, and calculates the torque from the time variation of the slope of the straight line. 8. The method for measuring micro force according to claim 7, comprising: 前記輝度重心座標点確定ステップは、前記2次元位置座標をx-y直交座標系としたとき、ROM(Read Only Memory)から次式(1)を読み出してきて、時刻tにおける、x軸とy軸とで規定される2次元直交座標のx座標がx₀であるy軸に平行な方向に沿って光強度重心となるy座標の値を当該次式(1)によって確定させ、
順次前記x₀の値を前記2次元受光素子の受光面の両端の範囲であるx₁〜x_nにわたって変化させて、前記光強度重心となる複数の輝度重心座標点（x₁, mean_y(x₁,t)）、(x₂, mean_y(x₂,t))、・・・・（x_n, mean_y(x_n,t)）を順次確定するステップである
ことを特徴とする請求項8に記載の微小力測定方法。

In the luminance center-of-gravity coordinate point determination step, when the two-dimensional position coordinate is an xy orthogonal coordinate system, the following equation (1) is read from ROM (Read Only Memory), and the x-axis and y-axis at time t The value of the y coordinate that becomes the light intensity centroid along the direction parallel to the y axis where the x coordinate of the two-dimensional orthogonal coordinate specified by x is x ₀ is determined by the following equation (1)
By changing over x ₁ ~x _n is a sequential range of both ends of the light receiving surface of the x ₀ value the two-dimensional light receiving element, a plurality of luminance center coordinate point serving as the light intensity gravity center (x _1, mean_y (x ₁ , t)), (x ₂ , mean_y (x ₂ , t)),... (X _n , mean_y (x _n , t)) are sequentially determined. The micro force measurement method described in 1.

前記直線方程式算出ステップは、前記ROMから次式(2)を読み出してきて、当該次式(2)によって与えられる前記複数の輝度重心座標点からの距離の二乗の和χ²(t)が最小となる直線の方程式を時間の関数として算出するステップであることを特徴とする請求項9に記載の微小力測定方法。

ここで、σ_{mean_y}は、mean_yの統計上の標準偏差値であり、a(t)及びb(t)はパラメータである。 In the linear equation calculation step, the following equation (2) is read from the ROM, and the sum χ ² (t) of the squares of the distances from the plurality of luminance centroid coordinate points given by the following equation (2) is the minimum. 10. The method for measuring microforce according to claim 9, wherein the equation is a step of calculating a linear equation as a function of time.

Here, σ _{mean_y} is a statistical standard deviation value of mean_y, and a (t) and b (t) are parameters. 前記トルク算出ステップは、前記ROMから次式(3)を読み出してきて、前記直線の傾きを与える時間の関数としての前記パラメータa(t)に、当該次式(3)を当てはめて前記アームに働いたトルクの大きさτを求めるステップであることを特徴とする請求項10に記載の微小力測定方法。
a(t)＝a₀＋a_f sinω_f t＋(τ/κ) （3）
ここで、κは細線のねじれに対する弾性定数であり、ω_fとa_fは雑音として残る、アームの固有振動の角周波数と角度振幅、a₀は初期角度のパラメータである。減衰を無視すれば、a_f＝τ/κである。 The torque calculating step reads the following equation (3) from the ROM, and applies the following equation (3) to the parameter a (t) as a function of time to give the slope of the straight line to the arm. 11. The micro force measurement method according to claim 10, wherein the microforce measurement method is a step of obtaining a magnitude τ of the torque that has been applied.
a (t) = a ₀ + a _f sin ω _f t + (τ / κ) (3)
Here, κ is an elastic constant with respect to torsion of the thin wire, ω _f and a _f are left as noise, the angular frequency and angular amplitude of the natural vibration of the arm, and a ₀ are parameters of the initial angle. If attenuation is ignored, a _f = τ / κ. 前記トルク算出ステップは、前記ROMから次式(4)を読み出してきて、前記直線の傾きを与える時間の関数としての前記パラメータa(t)に、当該次式(4)を当てはめて前記アームに働いたトルクの大きさτを求めるステップであることを特徴とする請求項10に記載の微小力測定方法。
a(t)＝(τsinωt)/κ＋a₀ （4）
ここで、κは前記細線のねじれに対する弾性定数であり、a₀は初期角度のパラメータである。 The torque calculating step reads the following equation ( 4 ) from the ROM and applies the equation (4) to the parameter a (t) as a function of the time for giving the slope of the straight line to the arm. 11. The micro force measurement method according to claim 10 , wherein the microforce measurement method is a step of obtaining a magnitude τ of the torque that has been applied.
a (t) ＝ (τsinωt) / κ ＋ a ₀ （4）
Here, κ is an elastic constant with respect to the twist of the fine wire, and a ₀ is a parameter of the initial angle. 請求項7に記載の微小力測定方法を、被微小力測定対象に対する位置を変えつつ実行し、当該被微小力測定対象に埋没している物体の存在を非破壊探査する埋没物体の探査方法。   8. A method for exploring an embedded object, wherein the method for measuring a micro force according to claim 7 is executed while changing the position of the object to be measured with a minute force, and the presence of the object buried in the object to be measured with a minute force is nondestructively explored.

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