JP2020030126A - 角度検出装置及び角度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】使用機器を少なく、設置スペースを小さくし、且つ、ワーク毎に検出プログラムを変更不要な角度検出装置及び角度検出方法を提供する。【解決手段】角度検出装置１００は、平行に並列した、断面が同一直径の円形と見做される二本の芯線１１、１２を有する線材１０について、当該線材１０の軸方向から見たとき、線材１０の軸に平行な所定の基準面Ｘと、二本の芯線１１、１２の中心を結ぶ連結面Ｃとがなす傾斜角θを検出する。角度検出装置１００は、線材１０を保持する保持部２０と、一つ以上の投影幅センサ３０と、角度算出部４０と、を備える。投影幅センサ３０は、線材１０の径方向外側から、基準面Ｘに対し所定の設定角度をなす投影面Ｐに投影したときの二本の芯線１１、１２の互いに離れた側の輪郭線同士の幅である投影幅を検出する。角度算出部４０は、三つ以上の設定角度の投影面Ｐにおける投影幅のデータに基づいて傾斜角θを算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、二芯線材における二本の芯材の中心を結ぶ連結面の、基準面に対する傾斜角を検出する角度検出装置及び角度検出方法に関する。

従来、カメラ映像により対象物の傾斜角を検出する方法や装置が知られている。例えば特許文献１に開示された傾斜角判定方法では、平板表面における凹凸の傾斜角について、照明による影のカメラ映像により、合格判定基準に対する傾斜角の判定を行う。

特開平９−１５９４２３号公報

二本の芯材を有する線材をワークとする製造ラインにおいて、線材の軸に平行な所定の基準面と、二本の芯材の中心を結ぶ連結面とがなす傾斜角を検出する工程がある。カメラを用いて画像を処理しワークの向きを検出する従来技術では、カメラ及び照明が必要であるため使用機器が多くなり、コストが高くなる。また、機器とワークとの距離を確保する必要があり、設置スペースが大きくなる。さらに、対象ワーク毎に検出プログラムを変更する必要があった。

本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、使用機器を少なく、設置スペースを小さくし、且つ、ワーク毎に検出プログラムを変更不要な角度検出装置及び角度検出方法を提供することにある。

本発明の角度検出装置は、平行に並列した、断面が同一直径の円形と見做される二本の芯線（１１、１２）を有する線材（１０）について、当該線材の軸方向から見たとき、線材の軸に平行な所定の基準面（Ｘ）と、二本の芯線の中心を結ぶ連結面（Ｃ）とがなす傾斜角（θ）を検出する装置である。

この角度検出装置は、線材を保持する保持部（２０）と、一つ以上の投影幅センサ（３０）と、角度算出部（４０）と、を備える。投影幅センサは、線材の径方向外側から、基準面に対し所定の設定角度をなす投影面に投影したときの二本の芯線の互いに離れた側の輪郭線同士の幅である投影幅を検出する。角度算出部は、三つ以上の設定角度の投影面における投影幅のデータに基づいて傾斜角を算出する。

本発明の角度検出方法は、上記の角度検出装置と同じく、線材の基準面（Ｘ）と連結面（Ｃ）とがなす傾斜角（θ）を検出する方法である。この角度検出方法は、以下の段階を含む。
＜１＞保持部（２０）により線材を保持する段階。
＜２＞線材の径方向外側から、基準面に対し所定の設定角度をなす投影面に投影したときの二本の芯線の互いに離れた側の輪郭線同士の幅である投影幅を一つ以上の投影幅センサ（３０）により検出する段階。
＜３＞投影幅センサによる三つ以上の設定角度の投影面における投影幅のデータに基づいて、角度算出部（４０）により傾斜角を算出する段階。

本発明の角度検出装置及び角度検出方法によれば、カメラ及び照明を用いる従来技術に比べ使用機器が少なくなり、コストが低減する。また、設置スペースを小さくすることができる。さらに、ワークが変わっても同一の演算式で傾斜角を算出することができ、検出プログラムを変更する必要が無い。

一実施形態の角度検出装置の正面図。 図１の平面（ＩＩ方向矢視）図。 三つの投影幅センサを備える変形例の角度検出装置の正面図。 線材を軸方向から見た図。 設定角度＝αでの投影幅を示す模式図。 設定角度＝βでの投影幅を示す模式図。 設定角度＝（α−９０°）での投影幅を示す模式図。 一実施形態の角度検出方法のフローチャート。

（一実施形態）
以下、角度検出装置及び角度検出方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の角度検出装置及び角度検出方法は、二本の芯材を有する線材をワークとする製造ラインにおいて、線材の軸に平行な所定の基準面と、二本の芯材の中心を結ぶ連結面とがなす傾斜角を検出する工程に用いられる。

図１〜図３を参照し、角度検出装置１００の構成を説明する。角度検出装置１００は、ワークである線材１０を保持する保持部２０と、一つ以上の投影幅センサ３０と、角度算出部４０とを備える。

線材１０は、平行に並列した二本の芯線１１、１２、及び、芯線１１、１２以外の部分である基材１３を有する。芯線１１、１２の断面は同一直径の円形と見做される。なお、現実には芯線１１、１２の断面は完全な円形とは限らず、したがって、厳密には直径を一意に決定できない場合がある。しかし本実施形態では、芯線１１、１２の断面をほぼ同一直径の円形と近似し、現実の断面形状とのずれは、微細な誤差として取り扱う。本実施形態では、芯線１１、１２は、基材１３の端面１４から延出している。また、線材１０の軸方向から見たとき、二本の芯線１１、１２を結ぶ仮想面を「連結面Ｃ」とする。

保持部２０は、基台２５上に対峙して立設された一対の保持ブロック２１、２２により構成されている。ここでは、基台２５は略水平に設置されていることを想定し、図１は、線材１０の正面方向から見た正面図であり、図２は、上方から見た平面図であるとする。ただし、基台２５が傾斜面に設置されてもよい。保持ブロック２１、２２には底面が円弧状の保持溝２３、２４が互いに対向するように形成されている。保持部２３、２４は、基台２５と平行に延びている線材１０の外周面に径方向両側から当接して挟持する。

線材１０が保持部２０に保持された状態で、線材１０の軸方向から見たとき、線材１０の軸Ｏに平行な所定の「基準面Ｘ」が定義される。そして、基準面Ｘと連結面Ｃとがなす角度を「傾斜角θ」とする。

投影幅センサ３０は、線材１０の軸Ｏを挟んで配置される投光器３１及び受光器３２を含む。投光器３１と受光器３２とを結ぶ光路Ｌは、芯線１１、１２が基材１３の端面１４から延出した部分に交わる。投光器３１が、線材１０の径方向外側から、光路Ｌに直交する投影面Ｐに投光することで、芯線１１、１２の隙間を抜けた光が受光器３２に受光される。このとき、芯線１１、１２の輪郭線の間は影として認識される。こうして投影幅センサ３０は、二本の芯線１１、１２の互いに離れた側の輪郭線同士の幅である「投影幅」を検出する。なお、投影幅の具体例については、図５〜図７を参照して後述する。

ここで、投影面Ｐの角度は、基準面Ｘに対し所定の設定角度に設定される。本実施形態では、三つ以上の設定角度の投影面Ｐが設定され、各投影面Ｐでの投影幅が検出される。そのため、投影幅センサ３０を一つ備える角度検出装置１００では、線材１０と投影幅センサ３０との相対角度を可変にし、姿勢を変更する機構が必要となる。

例えば投影幅センサ３０の位置が固定される場合、矢印Ｒで示すように保持部２０に対し線材１０を所定角度だけ回転可能とする機構が設けられる。具体的なアクチュエータは適宜設計すればよい。その場合、角度検出装置１００は、第一の設定角度で線材１０を保持して第一の投影幅を検出した後、第二の設定角度まで回転させて線材１０を再保持し、第二の投影幅を検出する。その後、角度検出装置１００は、同様に第三の設定角度で第三の投影幅を検出する。このとき、基準面Ｘは線材１０と共に回転する。一方、線材１０及び基準面Ｘが固定され、投影幅センサ３０が線材１０に対して回転してもよい。

或いは図３に示す変形例のように、互いに設定角度の異なる複数の投影幅センサ３０１、３０２、３０３が設けられてもよい。各投影幅センサ３０１、３０２、３０３が検出した投影幅は角度算出部４０に出力される。三つの設定角度に対し三つの投影幅センサが設けられる場合、線材１０又は投影幅センサ３０の回転機構を必要とせず、且つ、同時に、もしくは連続して投影できるため検出時間を短縮することができる。三つの設定角度に対し二つの投影幅センサが設けられる場合、線材１０又は投影幅センサ３０を一回のみ回転させ、一方の投影幅センサを二回用い、他方の投影幅センサを一回用いて三つの投影幅を検出すればよい。

角度算出部４０は、投影幅センサ３０の受光器３２から投影幅のデータを取得し、三つ以上の設定角度の投影面Ｐにおける投影幅のデータに基づいて傾斜角θを算出する。ここで、「設定角度が異なる」とは、角度のｃｏｓ値の絶対値が異なることを意味する。つまり、ｃｏｓ値の絶対値が同一とならないような設定角度が選択される。

次に図４〜図７を参照し、傾斜角θの算出方法を説明する。まず、図４に示すように、線材１０の二本の芯線１１、１２の直径をｄ、連結面Ｃにおける二本の芯線１１、１２の中心間距離をｐと表す。各芯線１１、１２の半径は（ｄ／２）となる。連結面Ｃに直交する方向から投影し、投影面Ｐが連結面Ｃに一致する場合、「芯線１１、１２の互いに離れた側の輪郭線同士の幅である投影幅」は、中心間距離ｐに芯線１１の半径（ｄ／２）及び芯線１２の半径（ｄ／２）を加え、「ｐ＋ｄ」で表される。

図５〜図７に、線材１０の連結面Ｃと基準面Ｘとのなす角度が傾斜角θである状態を示す。図５には、基準面Ｘに対する投影面Ｐの設定角度がα（０＜α＜９０°）である状態を示す。このとき投影面Ｐ上での芯線１１、１２の中心間距離はｐｃｏｓ（α−θ）であり、投影幅ａ₀は式（１）で表される。
ａ₀＝ｐｃｏｓ（α−θ）＋ｄ ・・・（１）

図６には、基準面Ｘに対する投影面Ｐの設定角度がβ（α＜β＜９０°）である状態を示す。このとき投影面Ｐ上での芯線１１、１２の中心間距離は、ｐｃｏｓ（β−θ）であり、投影幅ｂ₀は式（２）で表される。
ｂ₀＝ｐｃｏｓ（β−θ）＋ｄ ・・・（２）

図７には、基準面Ｘに対する投影面Ｐの設定角度が「α−９０°」（＜０）である状態を示す。このとき、投影幅ａ₁は式（３）で表される。
ａ₁＝ｐｃｏｓ（α−９０°−θ）＋ｄ＝ｐｓｉｎ（α−θ）＋ｄ・・・（３）

例えば一つの式（１）のみから傾斜角θを求めるためには、設定角度α及び検出された投影幅ａ₀に加え、中心間距離ｐ及び直径ｄが既知である必要がある。本実施形態では、中心間距離ｐ及び直径ｄが未知であることを前提とし、三つの未知数θ、ｐ、ｄに対して三つの式（１）〜（３）を連立方程式として解を算出する。つまり、角度算出部４０は、投影幅センサ３０が検出した式（１）〜（３）の三つの投影幅ａ₀、ｂ₀、ａ₁の値を取得し、これらに基づき傾斜角θを算出する。

式（１）及び式（３）から式（４）、式（２）及び式（３）から式（５）が得られる。

式（４）、（５）からｃｏｓθ項を消去し、ｓｉｎθについての式（６）を導く。

式（４）、（５）からｓｉｎθ項を消去し、ｃｏｓθについての式（７）を導く。

式（６）、（７）の係数は絶対値が等しく、式（８）によりｔａｎθが求められる。

よって傾斜角θは、式（９）で求められる。

また、本実施形態による角度検出方法を図８のフローチャートに示す。フローチャートの説明で、記号「Ｓ」はステップを示す。Ｓ１の段階では、保持部２０により線材を１０を保持する。Ｓ２の段階では、線材１０の径方向外側から、基準面Ｘに対し所定の設定角度をなす投影面Ｐに投影したときの投影幅を一つ以上の投影幅センサ３０により検出する。Ｓ３の段階では、投影幅センサ３０による三つ以上の設定角度の投影面Ｐにおける投影幅のデータに基づいて、角度算出部４０により傾斜角θを算出する。

以上のように本実施形態の角度検出装置及び角度検出方法では、芯線１１、１２の中心間距離ｐ及び直径ｄが未知であっても傾斜角θを検出可能である。この角度検出装置及び角度検出方法によれば、カメラ及び照明を用いる従来技術に比べ使用機器が少なくなり、コストが低減する。また、設置スペースを小さくすることができる。さらに、ワークが変わっても同一の演算式で傾斜角を算出することができ、検出プログラムを変更する必要が無い。

また、投影幅センサ３０を複数、好ましくは三つ以上備えることで検出時間を短縮し、回転に伴う検出誤差要因を排除することができる。なお、投影幅センサ３０が一つ又は二つの構成では線材１０又は投影幅センサ３０の回転機構が必要となるが、例えばその製造ラインにおいて別の目的で線材１０の回転機構が設けられている場合には、それを兼用することで、設備コストの増加を回避することができる。

（その他の実施形態）
（ａ）上記実施形態では、三つの設定角度のうちα及び（α−９０°）の二つの角度差が９０°であるため、ｃｏｓ値をｓｉｎ値に変換して傾斜角θの式の導出が容易である。ただし理論的には、角度差が９０°以外の三つの設定角度α、β、γからも同様に傾斜角θの式を導出することができる。

（ｂ）角度算出部４０は四つ以上のＮ個の投影幅を取得してもよい。その場合、Ｎ個のうち任意の三つの投影幅に基づく傾斜角θの解が複数個得られ、それらの平均値等を算出することで、検出精度を向上させることができる。ワーク側のばらつき要因としては、芯線１１、１２が真円でなく、芯線１１、１２の直径ｄに差があることや、芯線１１、１２が線材１０の軸Ｏに対して厳密に平行でなく、軸方向の投影位置によって投影幅が異なること等が考えられる。また、装置側の検出誤差要因としては、回転機構の動作誤差や投影幅センサ３０の分解能による誤差等が考えられる。

さらに、式（８）の右辺の分母が０に近い値となる場合、演算誤差が大きくなるため、その傾斜角θのデータを平均値の算出から除外してもよい。このように複数の傾斜角θのデータを統計計算することで、ばらつきや誤差の大きさを評価することができる。また、誤差が所定値を超える場合、異常判定するようにしてもよい。

（ｃ）上記実施形態では線材１０の基材１３が非透光性であることを想定し、基材１３の端面１４から延出した芯線１１、１２の部分に、投影幅センサ３０の光路Ｌが交差するようにして投影幅を検出する。一方、基材１３が透光性である場合、芯線１１、１２は端面１４から延出していなくてもよく、基材１３内に埋め込まれたままの状態で投影幅を検出することができる。また、投影幅センサ３０は、光を照射して影を作るものに限らず、電磁波を用いて芯線１１、１２と基材１３との境界を識別可能なものであってもよい。

以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０ ・・・線材
１１、１２ ・・・芯線、
２０ ・・・保持部、
３０（３０１−３０３）・・・投影幅センサ、
４０ ・・・角度算出部、
１００ ・・・角度検出装置。

Claims (4)

1. 平行に並列した、断面が同一直径の円形と見做される二本の芯線（１１、１２）を有する線材（１０）について、当該線材の軸方向から見たとき、前記線材の軸に平行な所定の基準面（Ｘ）と、前記二本の芯線の中心を結ぶ連結面（Ｃ）とがなす傾斜角（θ）を検出する装置であって、
   前記線材を保持する保持部（２０）と、
   前記線材の径方向外側から、前記基準面に対し所定の設定角度をなす投影面に投影したときの前記二本の芯線の互いに離れた側の輪郭線同士の幅である投影幅を検出する一つ以上の投影幅センサ（３０）と、
   三つ以上の前記設定角度の投影面における前記投影幅のデータに基づいて前記傾斜角を算出する角度算出部（４０）と、
   を備える角度検出装置。
2. 前記設定角度の異なる複数の投影面における投影幅を検出する複数の前記投影幅センサを備える請求項１に記載の角度検出装置。
3. 平行に並列した、断面が同一直径の円形と見做される二本の芯線（１１、１２）を有する線材（１０）について、当該線材の軸方向から見たとき、前記線材の軸に平行な所定の基準面（Ｘ）と、前記二本の芯線の中心を結ぶ連結面（Ｃ）とがなす傾斜角（θ）を検出する方法であって、
   保持部（２０）により前記線材を保持する段階と、
   前記線材の径方向外側から、前記基準面に対し所定の設定角度をなす投影面に投影したときの前記二本の芯線の互いに離れた側の輪郭線同士の幅である投影幅を一つ以上の投影幅センサ（３０）により検出する段階と、
   前記投影幅センサによる三つ以上の前記設定角度の投影面における前記投影幅のデータに基づいて、角度算出部（４０）により前記傾斜角を算出する段階と、
   を含む角度検出方法。
4. 複数の前記投影幅センサにより、前記設定角度の異なる複数の投影面における投影幅を検出する請求項３に記載の角度検出方法。

Images