JP2009031091A - 回転体の計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な装置で回転中の回転体の所要位置を必要な方向から適切に観測、計測できるようにした、優れた回転体の計測装置を提供する。
【解決手段】先端に対物レンズ１を有し中間に光導出入部たるハーフミラー２を有する光学系ＯＰと、この光学系ＯＰの基端側に光学的に接続される画像取得手段たるカメラ３と、ハーフミラー２に明滅光Ｘを導入すべく設けられる明滅光源４とを具備し、明滅光源４からの明滅光Ｘをハーフミラー２を介して光学系ＯＰの先端側より導出し、これを計測対象である回転中の回転体Ｒに対し空隙を介して照射した後、反射した明滅光Ｘ´を光学系ＯＰの対物レンズ１及びハーフミラー２を介してカメラ３に計測可能な状態で取り込み、仮想停止状態で回転体Ｒの計測を行い得るように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転状態にある回転体を適切に計測できるようにした回転体の計測装置に関するものである。

回転体の計測装置として、例えば特許文献１に示すものが知られている。

このものは、工具刃先をモニタリングするためのもので、同文献の図１に示されるように、撮像対象Ｔを照明する光源装置４１と、受光面に結像した像を電気信号に変換する撮像素子２１と、撮像対象Ｔの像を撮像素子２１の受光面に結像させる光学手段と、光源装置４１を保持するとともに撮像素子２１と光学手段とを収容するハウジング１とを備えている。光学手段は、入射側反射鏡３３と、入射側反射鏡３３の後段に配置された対物レンズ３０ａと、撮像レンズ３０ｂと、撮像レンズ３０ｂの後段に配置された出射側反射鏡３６とからなり、入射側反射鏡３３に入射した光は、出射側反射鏡３６から入射時に対して逆向きに出射し、入射側反射鏡３３より撮像対象Ｔ側と出射側反射鏡３６より撮像素子２１側とで光が互いに逆向きとなるため、１方向に長い形状とはならずコンパクト化が可能となっている。

すなわち、特許文献１のものは、図２（ｃ）に示されるように入射光と出射光の向きを反転させる光学系を導入することにより、同図（ａ）や同図（ｂ）の従来構造に比してハウジングのコンパクト化を図った点を特徴としている。光源としては、図２（ｃ）に示されるように、バックライトユニット４とフロントライトユニット５を選択的に利用できるようにしており、前者を使用した場合に撮像対象Ｔの輪郭から位置検出を行い、後者を使用した場合に撮像面を照射することで撮像対象Ｔの表面における異物の付着や傷などの欠陥の検出を行うようにしている。カメラ２は、撮像素子２１によって生成された電気信号を所定の形式の画像データに変換する画像信号生成回路を備え、画像データはケーブルＣを通じて外部の画像処理装置に送られるものとなっている。バックライトユニット４は回転時の輪郭を通して刃物の位置検出のために、フロントライトユニット５は刃物の静止時における異物の付着や傷など欠陥の検出に用いられる。
特開２００７−４９４８９号公報

ところが、このような構造のみであると、回転時における刃物表面の観察を行うことができない。仮に、フロントライトユニット５の連続反射光を処理すべく、カメラ２に高速度シャッターＣＣＤカメラを用いることも考えられるが、この種のカメラは一旦記録したものを再生する構造であり、多くのメモリを要し複雑な画像処理を行うことから、１回の計測時間に制限があり、コスト的にも高価となることが避け難い。

また、上記特許文献のものは、光源と受光部の距離が固定され、その間に刃先を介在させる一体型の構造であるため、専ら切刃の側面または斜め所定角度からの撮像を行い得るのみで、切刃の先端面を軸方向から撮像したり、それ以外の自由な方位から撮影したり、傾いた刃物に対して撮影を行う等といった自由度が極めて低いという問題がある。

さらに、複数の光源を用いているため、部品点数が多く嵩張り易いものになる上に、バックライトユニットから所定距離離れた位置に受光部が位置することによる全体の長大化を避けるべく受光部は一旦ミラーで屈折させた後に対物レンズを通す構造にしており、このため対物レンズが内部に組み込まれて、倍率の違うレンズに簡単に交換できない構造になっているという問題もある。

さらにまた、フロントライトユニットのように光源と受光部が異なる光軸の下に別々に存在すると、両者の物理的な干渉や光軸の相対的な位置関係などから一定以上に接眼させることができず、この点でも自由な撮影が阻害される要因となっている。

本発明は、これらの課題を有効に解決した回転体の計測装置を提供することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明に係る回転体の計測装置は、先端に対物レンズを有し中間に光導出入部を有する光学系と、この光学系の基端側に光学的に接続される画像取得手段と、前記光導出入部に明滅光を導入すべく設けられる明滅光源とを具備し、前記明滅光源からの明滅光を光導出入部を介して光学系の先端側より導出し、これを計測対象である回転中の回転体に対し空隙を介して照射した後、反射した明滅光を前記光学系の対物レンズ及び光導出入部を介して前記画像取得手段に計測可能な状態で取り込み、仮想停止状態で回転体の計測を行い得るように構成したことを特徴とする。

このように構成すると、受光方向に対して斜め方向から照明する場合に比べて、照射方向が受光方向と合致していることで、対物レンズを回転体に極力接近させた状態で測定を行うことが可能となる。また、回転体に対し空隙を介して対物レンズから明滅光を照射しその反射光を受光するので、接眼の位置や方位次第で適宜部位の計測が可能になり、回転体の回転軸が傾いている場合などにも適切に対応することができる。さらに、反射光を扱うので、シルエットを扱う場合とは異なり、単一の光源で輪郭のみならず表面状態の観測も有効に行うことができる。更にまた、光源が１つで済むことで、部品点数の削減やコンパクト化も有効に実現することが可能となる。

更なるコンパクト化とコストダウンを図るためには、画像取得手段が、受光した光から光電変換を通じて記録再生仮定を経ずにリアルタイムで画像若しくは画像信号を生成するものであることが望ましい。

取り扱いの便を格段に向上させるためには、光学系、画像取得手段及び明滅光源をケーシングに一体的に具備し、ケーシングの固定位置や固定方位を通じて、計測対象である回転体に対し、回転軸に直交する方向からの側面計測、回転軸の軸方向からの端面計測、これらの中間角度からの計測など、適宜部位に対する適宜方位からの計測条件を設定し得るようにしていることが好ましい。

装置全体の嵩張りを有効に抑えるためには、画像取得手段から対物レンズまでの光学系の光軸が直線状に延び、これに対して明滅光源からの明滅光も前記光軸に沿って出力され、途中屈折後に光導出入部を介して前記光軸に沿って導出されるようにしているものが好適である。

回転体の種類などにも容易に適用可能とするためには、光学系の端部を構成する対物レンズをケーシングに脱着可能に取り付け可能としておくことが望ましい。

本発明は、以上説明した構成であるから、簡易な装置で回転中の回転体の所要箇所を必要な方向から適切に観測、計測できるようにした優れた回転体の計測装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る計測装置は、図１及び図２に示すように、先端に対物レンズ１を有し中間に光導出入部たるハーフミラー２を有する光学系ＯＰと、この光学系ＯＰの基端側に接続されて画像を計測可能な状態で取得する画像取得手段たるカメラ３と、前記ハーフミラー２に明滅光を導入すべく設けられる明滅光源４とをケーシング５に一体的に具備している。

具体的に説明すると、ケーシング５は、中空ブロック体状をなすケーシング本体５１に２本の導光管５２，５３を互いに平行をなすように接続したもので、ケーシング本体５１の先端側にレンズ取付部５１ａを、導光管５２の基端側にカメラ取付部５２ａをそれぞれ形成して、レンズ取付部５１ａからカメラ取付部５２ａの間に直線状に延びる光軸Ｌを設定している。

光学系ＯＰは、レンズ取付部５１ａに対物レンズ１を着脱可能に取り付け、この対物レンズ１から所定距離離間させて前記ケーシング本体５１内に光軸Ｌに対し４５°傾けてハーフミラー２を配置したもので、このハーフミラー２は、光軸Ｌに直交する方向から入射する光を光軸Ｌ方向に反射する役割とともに、光軸Ｌに沿って対物レンズ１から入射する光をそのまま光軸Ｌに沿って透過させる役割をなしている。

カメラ３は、図３（ａ）に模式的に示すように、内部にＣＣＤ素子３１を有し、光学系ＯＰを通じて入射する光をこのＣＣＤ素子３１で受光して画像信号Ｓに光電変換する機能を備える。この実施形態のカメラ３には、変換された画像信号Ｓを受けて画像を表示するためのモニター３２が備わっており、モニター３２上に、目視による計測を可能にするために適宜のスケール３２ａ等が表示されるようにしている。この実施形態において画像信号、ＣＣＤ素子３１及びモニター３２はカラー画像に対応している。

明滅光源４は、図３（ｂ）に模式的に示すように、閃光時間の短い適宜の光源素子４１を用いたもので、この明滅光源４は図１及び図２に示す導光管５３の基端側に形成した光源取付部５３ａに取り付けられる。ケーシング本体５１にはプリズム６が内設され、光学系ＯＰの光軸Ｌに並行に明滅光源４から出射される明滅光Ｘは、このプリズム６で９０°屈折後にハーフミラー２に至り、更にこのハーフミラー２で９０°反射して、光軸Ｌに沿って対物レンズ１から導出されるようにしている。明滅光源４には、図３（ｂ）に示すように計測対象である回転体Ｒの回転数（回転速度）に連動して光源素子４１を明滅させるための制御回路４２が組み込まれ、この制御回路４２には明滅光の発光移相や発光周期を微調整するなど適宜の機能が備えられている。プリズム６とハーフミラー２とで所謂ビームスプリッターを構成している。

この計測装置を用いて、例えば計測対象である回転中の回転体Ｒ（例えばエンドミル等の刃物）に明滅光Ｘを照射すると、その反射光Ｘ´が対物レンズ１から入光しハーフミラー２を通過して測定対象である回転体Ｒの像がカメラ３のＣＣＤ素子で受光され、画像信号Ｓに変換されて、リアルタイムでその像がモニター３２上に表示される。明滅光源４は回転体Ｒの回転に同期して発光するストロボ機能を備えているため、モニター３２上に表示される画像は仮想停止状態となり、その停止移相も調整可能であって、モニター３２上に表示させたスケール３２ａを通じて回転体Ｒである刃物等の寸法測定を行い、また表面状態を観察することもできる。明滅光源４の機能さえ担保できれば、１０万ｒｐｍ以上の高速回転にも対応可能なものである。

また、この計測装置はケーシング５に要素部品を組み込んで一体的に扱えるように構成してあり、計測対象に対物レンズ１を向けるだけで計測可能であるため、計測対象である回転体Ｒの回転軸ｍは必ずしも本装置の光軸Ｌと直交する方向を向いている必要はない。このため、図２のように回転体Ｒの側面からの計測以外に、図４（ａ）のように光軸Ｌが上を向くように配置して回転体Ｒの先端面を軸ｍ方向から計測、観察したり、あるいは図４（ｂ）のように光軸Ｌが斜めを向くように配置して回転体Ｒの先端付近を斜め方向から計測、観察することも可能である。或いは、計測対象である回転体Ｒの回転軸ｍは必ずしも図２のように鉛直方向を向いている必要はなく、例えば図４（ｃ）のように回転軸ｍが鉛直方向に対して傾いた状態にある回転体Ｒや、更には図４（ｄ）のように回転軸ｍが水平な状態にある回転体Ｒに対しても、それぞれ適宜の方位からの計測、観察が可能となる。

以上のように、本実施形態の計測装置は、先端に対物レンズ１を有し中間に光導出入部たるハーフミラー２を有する光学系ＯＰと、この光学系ＯＰの基端側に光学的に接続される画像取得手段たるカメラ３と、ハーフミラー２に明滅光Ｘを導入すべく設けられる明滅光源４とを具備し、明滅光源４からの明滅光Ｘをハーフミラー２を介して光学系ＯＰの先端側より導出し、これを計測対象である回転中の回転体Ｒに対し空隙を介して照射した後、反射した明滅光Ｘ´を光学系ＯＰの対物レンズ１及びハーフミラー２を介してカメラ３に計測可能な状態で取り込み、仮想停止状態で回転体Ｒの計測を行い得るように構成したものである。

このため、受光方向に対して斜め方向から照明する場合に比べて、照射方向が受光方向と合致していることで、対物レンズ１を回転体Ｒに極力接近させた状態で測定を行うことが可能となる。また、回転体Ｒに対し空隙を介して対物レンズ１から明滅光Ｘを照射しその反射光Ｘ´を受光するので、接眼の位置や方位次第で適宜部位の計測が可能になり、回転体Ｒの回転軸ｍが傾いている場合などにも適切に対応することができる。さらに、反射光Ｘ´を扱うので、シルエットを扱う場合とは異なり、単一の光源で輪郭のみならず表面状態の観測も行うことができる。更にまた、光源が１つで済むため、部品点数の削減やコストダウン、コンパクト化も有効に実現することが可能となる。

また、カメラ３が、受光した光Ｘ´から光電変換を通じてリアルタイムで画像信号Ｓ、さらいは画像を生成するものであるため、逐一画像データを記録する機能は不要であり、一旦記録して再生する場合に比して、計測時間に制約がなく、装置構成も記録、再生に必要な要素部品を極力省き、必要最小限に構成して、大幅なコストダウンを図ることができる。

近年、極小刃物の製作技術は向上しているが、これを画像上でリアルタイムに計測する簡易な装置がなかった点に鑑みれば、本実施形態の計測装置は極めて有用に利用できるものとなり得る。

さらに、このものは光学系ＯＰ、カメラ３び明滅光源４をケーシング５に一体的に具備し、ケーシング５の固定位置や固定方位を通じて、計測対象である回転体Ｒに対し、回転軸ｍに直交する方向からの側面計測、回転軸ｍの軸方向からの端面計測、これらの中間角度からの計測など、適宜部位に対する適宜方位からの計測条件を設定し得るようにしている。すなわち、乾式で反射光Ｘ´を計測するメカニズムを採用し、端部に配置される対物レンズ１を始めとして発光から受光までに必要な要素部品をケーシング５に一体に具備することより、ケーシング５自体を適宜の位置や方位に固定するだけで、種々多様な計測対象部位に対して適切なセッティングを容易に完了することができる。

また、カメラ３から対物レンズ１までの光学系ＯＰの光軸Ｌが直線状に延び、これに対して明滅光源４からの明滅光Ｘも前記光軸Ｌに沿って出力され、途中屈折後にハーフミラー２を介して光軸Ｌに沿って導出されるようにしており、２本の導光管を途中で接続して誘導路を構成する場合に、分岐部分よりも基端側において導光管５２，５３同士を平行に配置することができるため、明滅光源４からの明滅光Ｘを光軸Ｌと直交する方向から導入すべく導光管５２，５３同士を交叉させて接続する場合に比して、装置全体の嵩張りを有効に抑えることができる。

そして、以上の構成を前提として、光学系ＯＰの端部を構成する対物レンズ１をケーシング５の端部に露出した位置に脱着可能に取り付けるようにしているため、全体のコンパクト化を維持しつつ、対物レンズ１を他の倍率のものに簡単に交換可能な使い勝手に優れたものとなり得る。

以上において、この実施形態の計測装置は、回転体Ｒの回転を止めて静止状態で計測、観測を行うことができるのは言うまでもない。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、要素部品の組み込みに制約が少なければ、２本の導光管を途中で接続して誘導路を構成する際、図５に示すように、明滅光源４からの明滅光Ｘを光軸Ｌと直交する方向から導入すべく導光管１５２，１５３同士を交叉させて接続する構造を妨げるものではない。

また、ビームスプリッターの機能としては、図６に示すように、ハーフミラー２０２とプリズム２０６ａ、２０６ｂとを合体させた形態のものを採用しても構わない。図において符号２０７で示すものはミラーである。このように、ビームスプリッターの具体的構造は適宜変形実施することができる。

その他、本計測装置を２次元方向、３次元方向に移動させるテーブルに設置したり、計測方位を変更し得るように首振り可能に取り付けたり、画像取得手段からコンピュータに画像信号を送って当該コンピュータで計測、観測するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能となる。

本発明の一実施形態に係る計測装置の斜視図。 同計測装置の内部構造を模式的に示す図。 同計測装置のカメラ及び明滅光源を示す原理図。 同実施形態の作用説明図。 本発明の変形例を示す図。 本発明の他の変形例を示す図。

符号の説明

１…対物レンズ
２…光導出入部（ハーフミラー）
３…画像取得手段（カメラ）
４…明滅光源
５…ケーシング
Ｌ…光軸
ｍ…回転軸
ＯＰ…光学系
Ｒ…回転体

Claims (5)

1. 先端に対物レンズを有し中間に光導出入部を有する光学系と、この光学系の基端側に光学的に接続される画像取得手段と、前記光導出入部に明滅光を導入すべく設けられる明滅光源とを具備し、前記明滅光源からの明滅光を光導出入部を介して光学系の先端側より導出し、これを計測対象である回転中の回転体に対し空隙を介して照射した後、反射した明滅光を前記光学系の対物レンズ及び光導出入部を介して前記画像取得手段に計測可能な状態で取り込み、仮想停止状態で回転体の計測を行い得るように構成したことを特徴とする回転体の計測装置。
2. 画像取得手段が、受光した光から光電変換を通じてリアルタイムで画像若しくは画像信号を生成するものである請求項１記載の回転体の計測装置。
3. 光学系、画像取得手段及び明滅光源をケーシングに一体的に具備し、ケーシングの固定位置や固定方位を通じて、計測対象である回転体に対し、回転軸に直交する方向からの側面計測、回転軸の軸方向からの端面計測、これらの中間角度からの計測など、適宜部位に対する適宜方位からの計測条件を設定し得るようにしている請求項１又は２記載の回転体の計測装置。
4. 画像取得手段から対物レンズまでの光学系の光軸が直線状に延び、これに対して明滅光源からの明滅光も前記光軸に沿って出力され、途中屈折後に光導出入部を介して前記光軸に沿って導出されるようにしている請求項１〜３記載の回転体の計測装置。
5. 光学系の端部を構成する対物レンズがケーシングに脱着可能に取り付けられる請求項１〜４載の回転体の計測装置。
   
   

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