JP2010261831A - 歪み量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱中のワークの歪み量を正確に計測することができる歪み量測定方法を提供する。
【解決手段】本発明の歪み量測定方法は、ワーク２０の表面に、ワーク２０の赤外線放射率と異なる赤外線放射率を有し、複数の貫通孔２６が一列に設けられた基準器２２をワーク２０の表面に貼り付ける工程と、ワーク２０を加熱装置１０で加熱中に赤外線サーモグラフィ５０によって基準器２２を含むワーク２０の表面を時間間隔をおいて複数回撮影する工程と、撮影された各画像の予め定められた範囲内に存在する貫通孔２６の個数を計数する工程と、計数された個数の画像間の差を歪み量εに換算する工程の４つの工程を備えている。本発明では、貫通孔２６の個数からワーク２０の歪み量εを計測する。貫通孔２６の個数が識別できればよいので、赤外線サーモグラフィ５０を用いて撮影された画像が不鮮明であっても歪み量εを正確に計測することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱中のワークの歪み量を計測する歪み量計測方法に関する。

対象物を加熱すると対象物が歪む場合がある。典型的には、対象物が熱膨張或いは熱収縮する場合である。本明細書では、加熱対象物をワークと称する。加熱中に生じる歪み量によってワークの品質が決定されることがある。加熱中のワークの歪み量を計測することができれば、ワークの加熱条件等を見直すことができ、ワークの品質を向上させることができる。

特許文献１に、加熱中のワークの歪み量を計測する技術が開示されている。特許文献１の技術では、加熱中のワークをカメラで撮影し、得られた画像を基準画像と比較する。ここで、基準画像とは、加熱前のワークを撮影した画像、或いは、現在のワークを撮影した画像よりも所定時間前に撮影されたワークの画像である。特許文献１の技術では、撮影された画像と基準画像を比較し、その比較結果から加熱中のワークの歪み量を計測する。

特開平１０−３１７０１０号公報

特許文献１の技術では、取得した画像と基準画像の対応する２点を特定し、その特定した２点の位置のずれ、即ち変位量からワークの歪み量を求める。しかしながら、加熱中は、ワークの鮮明な画像を取得することが難しい場合がある。例えば、ワークを油槽中で加熱する場合、鮮明な画像を取得することが難しい。また、蒸気等が充満して曇った気槽中でワークを加熱する場合も同様である。鮮明な画像が取得できない場合、対応する２点の位置の測定精度が低下してしまい、ワークの歪み量を正確に計測することができない。

本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、加熱中のワークの歪み量を正確に計測することができる技術を提供する。

本発明は、加熱中のワークの歪み量を計測する方法に具現化される。この歪み量計測方法は、以下の４つの工程を備えている。
（１）ワークの表面に、赤外線放射率が周囲と異なる複数の異放射率領域を一列に設ける工程。
（２）ワークを加熱中に赤外線計測器によって複数の異放射率領域を含むワーク表面を時間間隔をおいて複数回撮影する工程。
（３）撮影された各画像の予め定められた範囲内に存在する異放射率領域の個数を計数する工程。
（４）計数された個数の画像間の差を歪み量に換算する工程。

本発明では、異放射率領域の個数を計数する。異放射率領域の赤外線放射率は周囲の赤外線放射率と異なっているので、赤外線計測器を用いて異放射率領域の存在を確認することは容易である。つまり、異放射率領域の個数を係数することは容易である。赤外線計測器は、ワークが発する赤外線の強度分布を２次元的に計測する装置であり、典型的には赤外線サーモグラフィでよい。本明細書では、赤外線計測器が計測した赤外線強度の２次元分布の結果を「赤外線画像」或いは単に「画像」と称する。本発明では、特定された異放射率領域の個数の画像間の差から歪み量を求める。本発明は、画像上で予め定められた領域内に存在する異放射率領域の個数が識別できればよく、異放射率領域の形状や位置を正確に特定する必要がない。そのため、本発明の方法によればワークの歪み量を正確に計測することができる。

本発明は、加熱中のワークの歪み量を正確に計測することができる歪み量計測方法を提供する。

加熱装置１０と歪み量計測装置６０を模式的に示す。 基準器２２の平面図を示す。 加熱中のワーク２０の歪み量を計測する処理のフローチャートを示す。 赤外線サーモグラフィ５０で撮影した基準器２２を含むワーク２０表面の第１画像Ｇ１（模式図）を示す。 第１画像よりも後に撮影した第２画像Ｇ２（模式図）を示す。 基準器２２２の斜視図を示す。 基準器３２２の斜視図を示す。 マスク４２２の斜視図を示す。 マーク４２７が塗布されたワーク４２０の斜視図を示す。

以下に説明する実施例の主要な特徴を整理する。
（特徴１） 異放射率領域は、一定の間隔で一列に形成されている。
（特徴２） ワークの表面には、ワークと同一の材質で形成されており、赤外線放射率が周囲と異なる異放射率領域が設けられた基準器が貼り付けられている。基準器は、複数の貫通孔が一列に形成された薄板である。基準器をワークに貼着した場合に、貫通孔を通して露出する一列のワーク表面領域が異放射率領域に相当する。
（特徴３） 赤外線計測器は、ワークに貼着した基準器の赤外線画像を時間間隔をおいて複数回撮影する。
（特徴４） 歪み量計測装置は、赤外線計測器の各画像の予め定められた範囲内に存する異放射率領域の個数を計測し、画像間の個数差を歪み量に換算する換算ユニットを備えている。
（特徴５） 換算ユニットは、異放射率領域の個数差と歪み量を対応付ける対応表、或いは、個数差と歪み量の関係を表す関係式を記憶している。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１に、加熱装置１０と歪み量計測装置６０の模式的断面図を示す。加熱装置１０は、中空部を形成する側壁１２を備えている。中空部が、ワーク２０を加熱する空間に相当する。側壁１２の一部には、開口部１４が形成されており、その開口部１４には耐熱ガラス１６がはめ込まれている。加熱装置１０の内部には、ヒータ１８と被加熱物であるワーク２０を載置するための支持台２４が配置されている。ワーク２０には、基準器２２が貼着されている。基準器２２については後述する。図１に示すように、ワーク２０に貼着された基準器２２が耐熱ガラス１６に対向するように、ワーク２０は支持台２４に載置される。基準器２２と赤外線計測ユニット３０（後述）が、歪み量計測装置６０を構成する。

加熱装置１０の開口部１４の耐熱ガラス１６の外側に、赤外線計測ユニット３０が配置されている。赤外線計測ユニット３０には、加熱装置１０の側から筒部３２と冷却ユニット４０と赤外線サーモグラフィ（赤外線計測器の一例）５０とデータ解析装置５２がこの順で具備されている。

筒部３２には、エアを流通させるための流路部３４と光路部３６が設けられている。図示を省略しているが、光路部３６には、レンズやミラー等の光学機器が配置されている。これらの光学機器を介してワーク２０の赤外線画像が、赤外線サーモグラフィ５０によって撮影される。冷却ユニット４０の流入口４２から流路部３４へエアが送られる。図１に矢印で示すように、流入口４２から流入したエアは、筒部３２の流路部３４を通って耐熱ガラス１６や光学機器を冷却した後に冷却ユニット４０の流出口４４から放出される。また、冷却ユニット４０に赤外線サーモグラフィ５０が固定されている。冷却ユニット４０は、耐熱ガラス１６、光学機器、赤外線サーモグラフィ５０が許容温度以上に加熱されることを防止する。冷却ユニット４０の中央部には、貫通孔４６が形成されており、赤外線サーモグラフィ５０が貫通孔４６と光路部３６を通して加熱装置１０内のワーク２０を撮影できるようになっている。

赤外線サーモグラフィ５０は、貫通孔４６と光路部３６と耐熱ガラス１６を通して加熱装置１０内のワーク２０を撮影する。上述したように、加熱装置１０内では、ワーク２０に貼着した基準器２２が耐熱ガラス１６に対向配置されている。赤外線サーモグラフィ５０は、基準器２２を含むワーク表面を撮影し、ワーク表面の赤外線画像を得る。赤外線サーモグラフィ５０にはデータ解析装置５２が接続されており、赤外線サーモグラフィ５０で撮影した赤外線画像を解析してワーク２０の歪み量を計測する。

図２に、基準器２２の模式的平面図を示す。基準器２２は、ワーク２０と同一の材質の薄板である。基準器２２には、複数の貫通孔２６が一列に一定の間隔で設けられている。基準器２２の表面には、ワーク２０の表面の赤外線放射率と異なる赤外線放射率の塗料が塗布されている。ワーク２０の表面の赤外線放射率が低い場合には、基準器２２の表面には赤外線放射率がほぼ１の黒体塗料が塗布される。基準器２２をワーク２０の表面に貼着すると、貫通孔２６を通して露出するワーク２０の表面の赤外線放射率と基準器２２の表面の赤外線放射率が顕著に異なる。複数の貫通孔２６が一列に形成されているので、基準器２２を貼着したワーク２０の表面には、赤外線放射率が周囲と異なる複数の領域が一列に形成される。本実施例では、複数の貫通孔２６を通して露出する一列のワーク表面領域が異放射率領域に相当する。赤外線サーモグラフィ５０は、複数の異放射率領域を含むワーク表面領域を撮影する。

上述したように、基準器２２はワーク２０と同じ材質で形成されている。そのため、ワーク２０を加熱すると、ワーク２０とともに基準器２２が熱変形する。他方、基準器２２が変形すると、異放射率領域群の間隔が変化する。即ち、ワーク２０の熱変形に伴って異放射率領域群の間隔が変化する。ワーク２０の歪み量と異放射率領域群の間隔の変化とは１対１に対応する。本実施例の歪み量計測装置６０は、この関係を利用して、異放射率領域群の画像からワーク２０の加熱中の歪み量を求める。

図３〜図５を参照して、加熱中のワーク２０の歪み量を計測する方法を詳細に説明する。図３は、加熱中のワーク２０の歪み量を計測する処理のフローチャート図である。図４と図５は、赤外線サーモグラフィ５０で取得したワーク表面の赤外線画像を模式的に表したものであり、それらの画像には基準器２２も含まれている。図４の画像は、加熱前のワーク表面の赤外線画像の模式図であり、第１画像Ｇ１と称する。図５の画像は、図４の第１画像Ｇ１を取得後、一定の時間を経た後に取得した赤外線画像の模式図であり、第２画像Ｇ２と称する。

加熱中のワーク２０の歪み量を計測する際には、まず、ワーク２０の表面に基準器２２を貼り付け（Ｓ２）、ワーク２０を加熱装置１０内の支持台２４に載置する（Ｓ４）。この際、ワーク２０に貼着された基準器２２が耐熱ガラス１６に対向するように、ワーク２０を支持台２４に載置する。次に、ワーク２０の加熱条件にあわせて加熱装置１０の内部環境を設定する（Ｓ６）。

次に、赤外線サーモグラフィ５０を用いて、基準器２２が貼着されたワーク２０の表面を撮影する（Ｓ８）。ステップＳ８で取得された画像が第１画像Ｇ１である。撮影された第１画像Ｇ１は、データ解析装置５２に入力される。データ解析装置５２では、ワーク２０の赤外線放射率と基準器２２の赤外線放射率の差を用いて基準器２２と周囲との境界部を特定し、基準器２２を検出する（Ｓ１０）。それと同時に、データ解析装置５２は、基準器２２に形成された貫通孔２６の境界部を特定し、貫通孔２６を検出する。図２に示すように、データ解析装置５２には、入力された赤外線画像の特定の範囲を示すマーカ２８が記憶されている。データ解析装置５２は、第１画像Ｇ１のうちのマーカ２８内に存在する貫通孔２６の個数Ｎ１（図４では、Ｎ１＝１０）を計数する（Ｓ１２）。

次に、ワーク２０を加熱する（Ｓ１４）。ワーク２０を加熱する際には、加熱装置１０内のヒータ１８に通電する。これによって、ワーク２０とともに基準器２２が加熱される。次に、赤外線サーモグラフィ５０を用いて、加熱途中の基準器２２を含むワーク２０表面を再度撮影する（Ｓ１６）。ステップＳ１６で取得された画像が第２画像Ｇ２である。ステップＳ１６を実行するタイミング、即ち第２画像Ｇ２を取得するタイミングは特に限定されない。取得された第２画像Ｇ２は、データ解析装置５２に入力される。データ解析装置５２は、ステップＳ１０、Ｓ１２と同様の手法を用いて第２画像Ｇ２から基準器２２を検出し（Ｓ１８）、第２画像Ｇ２のうちのマーカ２８内に存在する貫通孔２６の個数Ｎ２（図５では、Ｎ２＝８）を計数する（Ｓ２０）。加熱によってワーク２０とともに基準器２２が膨張すると、マーカ２８内に存在する貫通孔２６の個数Ｎ２は減少する。そのため、個数Ｎ２は個数Ｎ１よりも小さくなる。

データ解析装置５２は、計数した個数Ｎ１、Ｎ２を用いて基準器２２の歪み量を計測する（Ｓ２２）。上記したように、基準器２２はワーク２０と同じ材質で形成されている。そのため、基準器２２の歪み量はワーク２０の歪み量εに等しい。歪み量εと個数Ｎ１、Ｎ２の関係は、ε＝（Ｎ１−Ｎ２）／Ｎ１で表される。つまり、データ解析装置５２は、第１画像Ｇ１における貫通孔２６（異放射率領域）の個数Ｎ１と第２画像Ｇ２における貫通孔２６の個数Ｎ２の差から、ワーク２０の歪み量εを求めることができる。データ解析装置５２は、貫通孔２６の個数Ｎ１と個数Ｎ２の差を歪み量εに換算する換算ユニットと呼ぶことができる。

本実施例では、基準器２２の貫通孔２６の個数Ｎ１、Ｎ２を計数し、個数Ｎ１、Ｎ２の差からワーク２０の歪み量εを求める。本実施例では、赤外線画像から基準器２２の貫通孔２６の個数Ｎ１、Ｎ２が識別できればよく、基準器２２及びワーク２０の形状や位置を正確に特定する必要がない。そのため、鮮明な赤外線画像を得ることが難しく、赤外線画像を用いて加熱中の基準器２２の貫通孔２６の個数は識別できるものの、基準器２２及びワーク２０の形状や位置を正確に特定することができない場合でも、ワーク２０の歪み量εを正確に計測することができる。

本実施例では、赤外線サーモグラフィ５０を用いてワーク２０の歪み量εを計測する。一般に、加熱により基準器２２及びワーク２０の温度が上昇すると、基準器２２及びワーク２０から放射される赤外線の量が増加する。赤外線サーモグラフィ５０は、この赤外線の強度の差を画像化する。そのため、赤外線サーモグラフィ５０を用いることで、実施例の歪み量計測装置６０は、通常の可視光のカメラを用いる場合に比較して、加熱途中の基準器２２及びワーク２０の鮮明な画像を取得することができる。

さらに本実施例では、基準器２２の表面にワーク２０の赤外線放射率と異なる赤外線放射率を有する塗料を塗布する。これにより、基準器２２から放射される赤外線量と貫通孔２６を通して露出するワーク２０から放射される赤外線量との間に顕著な差を設けることができる。これにより、赤外線サーモグラフィ５０を用いて取得した赤外線画像の特定の範囲に含まれる貫通孔２６の個数を識別しやすくなる。

また本実施例では、ワーク２０と同一の材質で形成されている基準器２２を用意し、基準器２２の歪み量からワーク２０の歪み量εを計測する。そのため、ワーク２０の形状が変化した場合でも、ワーク２０の形状にあわせて歪み量εの計測方法を変化させる必要がない。多様な形状のワーク２０の歪み量を同一の計測方法を用いて計測することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

以下、実施例についての留意点を述べる。歪み量計測装置６０は、油内でワークを加熱する油槽式の加熱装置に対しても適用することができる。加熱装置が油槽となっていると、加熱装置が気槽となっている場合に比べて、可視光で加熱装置内の鮮明な画像を取得することが一層難しくなる。本実施例の歪み量計測装置６０は、ワーク２０を油槽中で加熱する場合でも、加熱中のワークの歪み量εを正確に計測することができる。

本発明で使用される基準器２２の形状は上記に限定されるものではなく、図６に示すように貫通孔２２６が基準器２２２に格子状に配置されていてもよい。基準器２２２が貼り付けられたワークでは、ワーク表面の異なる２つの方向において、複数の異放射率領域が一定の間隔で一列に設けられる。そのため、基準器２２２を用いることで、ワークの異なる２方向の歪み量を同時に計測することができる。

また、上記の実施例では、貫通孔２６が形成されている基準器２２を用いて説明を行ったが、基準器２２の形状はそれに限られない。図７に示すように、貫通孔２６の代わりに、基準器３２２の表面に突出した突起部３２６を備えていてもよい。この場合、塗料を突起部３２６の表面に塗布し、突起部３２６以外の基準器３２２の表面に塗布しない状態としてもよい。それとは逆に、塗料を突起部３２６の表面に塗布せず、突起部３２６以外の基準器３２２の表面に塗布した状態としてもよい。ワークに基準器３２２を取り付けたときに、突起部３２６がワーク表面に設けられた異放射率領域に相当する。

さらには、塗料はワーク２０に直接塗布されても構わない。図８に示すように、格子状に貫通孔４２６が形成されたマスク４２２をワーク４２０の表面にあてがい、マスク４２２の上からワーク４２０に塗料を塗布する。これによって、図９に示すように、ワーク４２０の表面に格子状に配置されたマーク４２７が塗布される。マーク４２７が、赤外線放射率が周囲と異なる異放射領域に相当する。この場合でも、赤外線サーモグラフィ５０を用いてマーク４２７を撮影し、データ解析装置５２を用いて赤外線画像の特定の範囲に含まれるマーク４２７の個数を計数することで、ワーク２０の歪み量εを計測することができる。

加熱途中のワーク２０を撮影するタイミングは限定されず、加熱装置１０の内部が所定の温度に達した場合にワーク２０を撮影してもよければ、加熱装置１０の加熱開始から所定の時間経過した後にワーク２０を撮影してもよい。また、加熱途中のワーク２０を撮影する回数も特に限定されず、加熱途中のワーク２０を複数回撮影して複数枚の赤外線画像を取得し、加熱途中の複数のタイミングにおけるワーク２０の歪み量εを計測してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：加熱装置
１２：側壁
１４：開口部
１６：耐熱ガラス
１８：ヒータ
２０：ワーク
２２、２２２、３２２、４２２：基準器
２４：支持台
２６、２２６、４２６：貫通孔
２８：マーカ
３０：赤外線計測ユニット
３２：筒部
３４：流路部
３６：光路部
４０：冷却ユニット
５０：赤外線サーモグラフィ
５２：データ解析装置
６０：歪み量計測装置
３２６：突起部
４２２：マスク
４２７：マーク
Ｇ１：第１画像
Ｇ２：第２画像

Claims (1)

1. 加熱中のワークの歪み量を計測する方法であり、
   ワークの表面に、赤外線放射率が周囲と異なる複数の異放射率領域を一列に設ける工程と、
   ワークを加熱中に赤外線計測器によって複数の異放射率領域を含むワーク表面を時間間隔をおいて複数回撮影する工程と、
   撮影された各画像の予め定められた範囲内に存在する異放射率領域の個数を計数する工程と、
   計数された個数の画像間の差を歪み量に換算する工程と、
   を含むことを特徴とする歪み量計測方法。

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