JP3591241B2 - 非接触温度分布計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対運動する測定対象物の一方の測定対象物の外側から、他方の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を非接触で計測する非接触温度分布計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
物体の表面温度を非接触で計測する装置として、物体表面より放射する遠赤外像を撮像する遠赤外像形成装置(サーモグラフ)が一般的に知られている。
【0003】
また、接触しながら往復運動やスラスト運動、回転運動等の相対運動をする2物体の摺動面における摩擦温度を計測する装置として、文献(日本機械学会第71期通常総会講演論文集(III)p579〜p581[No.940−10][1994−3.29〜31,東京])に開示された赤外線映像装置がある。この赤外線映像装置は、相対運動する2物体の一方の部材として、遠赤外線に対して透明なプラスチック部材を用い、その物体の裏面側より撮像することで、摺動面の温度分布を計測する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記の遠赤外像形成装置は、測定対象物の表面の温度分布を計測するものである。このため、相対運動する一方の測定対象物によって隠れてしまう他方の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を計測することができないという課題がある。
【0005】
前記文献に開示された赤外線映像装置は、相対運動する2物体の一方の物体に透明な部材を用いることで、実際には隠れている摺動面の温度分布計測を可能にしている。しかし、透明な物体を測定対象物としなければならないという制限があり、不透明な材質の物体間の摺動面の温度を計測することが困難である。
【0006】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、相対運動する測定対象物の一方側から他方側の隠れた面の二次元温度分布を、高精度且つ簡易に計測することができる非接触温度分布計測装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相対運動する測定対象物の一方の測定対象物の外側から、その一方の測定対象物に面した他方の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を計測する非接触温度分布計測装置において、前記一方の測定対象物に形成された開口部を通して、前記他方の測定対象物の内側の面の露出像を、所定の遅延時間ずらしつつ複数回撮像する撮像手段と、前記撮像手段による複数回の撮像で得られる複数の画像情報を、前記露出像の同一部位に該当する情報毎に、前記他方の測定対象物の内側の面が非露出状態から前記開口部を通して露出状態となる切替わり時点からの露出経過時間に対応付けて、前記露出経過時間に対する画像情報の変化傾向を求める変化特性演算手段と、前記変化特性演算手段により求められた前記変化傾向基づいて、前記切替わり時点における前記他方の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を演算する温度分布演算手段とを備えることとした。
【0008】
【作用】
一方の測定対象物に形成された開口部を通して、他方の測定対象物の内側の面の露出像を、所定の遅延時間ずらしつつ複数回撮像することにより、その遅延時間ずつずれた時点での露出像の画像情報が求められる。これら複数の画像情報は、他方の測定対象物の内側の面が非露出状態から開口部を通して露出状態となる切替わり時点からの露出経過時間に対応した部位の情報を有している。そこで、露出経過時間に対応付けて、前記露出経過時間に対する画像情報の変化傾向を求め、この変化変化傾向基づいて、切替わり時点における他方の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を演算する。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図1〜図17を参照して説明する。尚、これらの図において、同一又は同等の構成要素を同一符号で示している。
【0010】
図1は、実施の形態の非接触温度分布測定装置の構成を示すブロック図、図2は、測定対象物への本装置の設置態様の一例を示す図である。
【0011】
図1において、本装置は、測定対象物を撮像するための撮像ユニットと、撮像ユニットから出力される画像信号SAWを解析して測定対象物の二次元温度分布を求める解析ユニットを備えている。
【0012】
撮像ユニットは、図2に示すように、二次元撮像デバイスにて撮像するカメラ機構2と、二次元撮像デバイスの受光感度に適合した放射エネルギーを放出する発熱体や蛍光体や発光素子等からなる位置決め部材4を備えている。
【0013】
カメラ機構2と位置決め部材4は、測定対象物に対して適宜の位置に配置される。例えば、同図(a)に示すように、回転体Aとこの回転体Aの側壁に接触する接触部材Bとの摺動面(摩擦面)の二次元温度分布を計測する場合には、位置決め部材4を接触部材Bと同じ側の近傍に配置し、カメラ機構2を回転体Aの裏面側、即ち外側に配置することで、カメラ機構2と位置決め部材4との間に回転体Aを介在させるようにする。
【0014】
更に、回転体Aの側壁(接触部材Bの摺動軌跡上の部分)に、1個以上の開口部を穿設する。同図(a)では、一例として貫通孔からなる4個の開口部6,8,10,12を設ける場合を示している。このように開口部を設けることで、同図(b)に示すように、回転体Aが回転するのに伴って、位置決め部材4と接触部材Bの内側の面を開口部6,8,10,12を通して一時的に露出させ、これらの内側の面、即ち露出面をカメラ機構2で撮像できるようにする。そして、同図(c)に示すように、カメラ機構2の撮像可能範囲(一点鎖線AWで示す視野範囲)内に、測定しようとする接触部材Bの摺動面(摩擦面)と位置決め部材4が収まるように撮影倍率及び焦点調整等を行う。
【0015】
尚、図3に示すように、カメラ機構2は、内蔵されている二次元撮像デバイスの水平ライン方向jと回転体Aの回転方向(周方向)θとがほぼ直交するように配置される。これにより、回転体Aの回転に伴って開口部6,8,10,12が第1番目(i=1)の水平ライン側から垂直ライン方向iに沿って撮像可能範囲AW内を移動するようにする。
【0016】
また、前記の開口部は貫通孔に限らず切欠部であってもよいし、開口部の大きさは任意でよい。要は、接触部材Bの内側面を一時的に露出させることができる形状の開口部が回転体Aに設けられていればよい。また、回転体Aに予め開口部に相当する部分を有していれば、あらためて開口部を形成する必要はない。
【0017】
このように撮像ユニットを配置すると、例えば、車両用ディスクブレーキの回転ディスクとブレーキパッドとの摺動面や、動力伝達用のクラッチ板の摺動面などの二次元温度分布を計測することができる。
【0018】
図1において、前記解析ユニットは、演算制御機能を有し且つ解析ユニット全体の動作を制御するマイクロプロセッサ(MPU)等を有する制御部14と、カメラ機構2の撮像動作を制御する撮像制御部16と、カメラ機構2から出力される画像信号SAWに基づいて測定対象物の摺動面の二次元温度分布を求める画像処理部18と、外部表示装置や外部記憶装置、キーボード等の外部機器を接続するための入出力ポート20を備えており、これらの各構成要素14〜20は、所謂バスラインBUSを介して接続されている。
【0019】
撮像制御部16には、同期検出部22と、計測条件設定部24、計測条件記憶メモリ26及び駆動部28が備えられている。
【0020】
同期検出部22は、回転体Aが回転している間に出力される画像信号SAWのうち、カメラ機構2に内蔵されている二次元撮像デバイスの特定画素より出力される画素信号(例えば図3中、1行j列目に位置する画素より出力される画素信号P1,j)の振幅変化に基づいて、各開口部6,8,10,12を通して位置決め部材4が露出する瞬間の時点(以下、第1の同期時点という)tF6,tF8,tF1 0,tF12と、各開口部6,8,10,12から位置決め部材4が外れる瞬間の時点(以下、第2の同期時点という)tE6,tE8,tE10,tE12を検出する。
【0021】
図4は、同期検出部22による前記第1の同期時点と第2の同期時点の検出動作を示すタイミングチャートである。同図において、回転体Aが回転するのに伴って、各開口部6,8,10,12が位置決め部材4を通過すると、二次元撮像デバイスの特定画素より出力される画素信号P1,jの振幅が変化する。この画素信号P1,jを微分処理することにより、パルス状の微分波形信号ΔP1,jを生成する。更に、微分波形信号ΔP1,jのプラス側のパルス波形が所定の閾値THD1を超えた時点で論理“H”となる第1の同期信号Sinと、マイナス側のパルス波形が所定の閾値THD2を超えた時点で論理“H”となる第2の同期信号Soutが形成される。そして、第1の同期信号Sinの論理“H”となる時点を第1の同期時点tF6,tF8,tF10,tF12、第2の同期信号Soutの論理“H”となる時点を第2の同期時点tE6,tE8,tE10,tE12と判定する。
【0022】
計測条件設定部24は、第1,第2の同期信号Sin,Soutで設定される第1の同期時点tF6,tF8,tF10,tF12と第2の同期時点tE6,tE8,tE10,tE12に基づいて、回転体Aが1回転するのに要する時間T0と、回転体Aの回転速度Vと、各開口部6,8,10,12を位置決め部材4が通過するのに要する通過時間TW6,TW8,TW10,TW12と、各開口部6,8,10,12の設けられていない側壁部分を位置決め部材4が通過するのに要する時間T6,8,T8,10,T10,12,T12,18と、第1の同期時点から次の第2の同期時点までの時間TB6,TB8,TB10,TB12と、各開口部6,8,10,12の周方向θの開口幅W6,W8,W10,W12等を求める。
【0023】
更に、前記時間TB6,TB8,TB10,TB12とTW6,TW8,TW10,TW12との比TB6/TW6,TB8/TW8,T10/TW10,TB12/TW12を演算し、これらの比の最大値を各開口部6,8,10,12で撮像可能範囲AWを分割し得る分割数(但し、小数点を四捨五入や切り捨てた整数)Gとする。例えば、比TB6/TW6が最大値となった場合には、この値を撮像可能範囲AWをG分割するための分割数とする。
【0024】
更に、前記時間TW6,TW8,TW10,TW12のうちの最短時間を所定の整数Nで割り算し、この割り算で求まった時間値を基準遅延時間Δとする。例えば、TW6<TW8<TW10<TW12の関係にあれば、Δ=TW6/Nとする。詳細は後述するが、基準遅延時間Δは、カメラ機構2のシャッタタイミングを設定するためにある。
【0025】
そして、計測条件設定部24で求められたこれらの計測条件データT0,V,TW6〜TW12,T6,8〜T12,18,TB6〜TB12,W6〜W12,G,Δは、計測条件記憶メモリ26に格納され、画像処理部18が二次元温度分布を求める際に利用される。
【0026】
駆動部28は、同期検出部22から出力される第1の同期信号Sinが論理“H”となる時点(第1の同期時点)tF6,tF8,tF10,tF12を検知する毎に、夫々の第1の同期時点から基準遅延時間Δの整数m倍の遅延時間τm(=mΔ)が経過した時点でカメラ機構2にシャッタ信号STを供給する。
【0027】
即ち、回転体Aの回転に伴って、第1の同期時点tF6を検知すると、その時点tF6でカメラ機構2に撮像動作させて1フレーム画像相当の画像信号SAWを出力させる。次に、第1の同期時点tF8を検知すると、その時点tF8から遅延時間τ1(=Δ)経過した時点でカメラ機構2に撮像させて1フレーム画像相当の画像信号SAWを出力させる。以後、同様に、第1の同期時点tF10,tF12を検知する毎に、遅延時間τ2(=2Δ),τ3(=3Δ)ずつ経過した時点でカメラ機構2に撮像動作させて夫々の画像信号SAWを出力させる。そして、撮像可能範囲AWを各開口部6,8,10,12が通過するのに要する時間(=Δ×G×N)に達するまで、遅延時間τmを基準遅延時間Δずつ順次に延長していき、時間(=Δ×G×N)に達すると再び遅延時間時間τmをリセットして、基準遅延時間Δから順次に延長しつつ、カメラ機構2へのシャッタタイミングを設定していく処理を繰り返す。
【0028】
このように第1の同期時点tF6,tF8,tF10,tF12に同期して、遅延時間τmを可変制御しつつカメラ機構2に撮像動作を行わせることで、図5(a)〜(h)に示すように、各開口部6,8,10,12が撮像可能範囲AWを移動する間に、接触部材Bの露出面の同一部分(例えば、同図中のxの部分)をN回ずつ撮像しながら、撮像可能範囲AW内の接触部材Bの摺動面全体を撮像する。例えば、N=4に設定すると、開口部6,8,10,12が通過する間に、接触部材Bの露出面の同一部分xを4回撮像しながら撮像走査することとなる。
【0029】
図1において、画像処理部18には、A/D変換器30、温度補償部32、測定範囲抽出部34、露出経過時間判定部36、温度変化特性演算部38、温度分布演算部40、画像合成部42、撮像画像メモリ44、温度変化特性メモリ46、合成画像メモリ48が備えられている。
【0030】
A/D変換器30は、前記遅延時間τm毎にカメラ機構2が撮像して出力する画像信号SAWをデジタル画像データDAWに変換し、各遅延時間τmに対応付けたフレーム画像ファイルとして撮像画像メモリ44に格納させる。
【0031】
温度補償部32は、撮像画像メモリ44に格納された輝度成分を表すデジタル画像データDAWを、温度成分を表すデジタル画像データ(以下、温度画像データという)TDAWに変換する。そして、再び各遅延時間τmに対応付けたフレーム画像ファイルとして撮像画像メモリ44に格納する。ここで、デジタル画像データDAWを構成している各画素データPi,j(但し、1≦i≦I,1≦j≦J)を、次式(1)のステファンボルツマンの式を適用することにより、温度成分の温度画像データTDAWを求める。
【0032】
ω=εσT4 …(1)
但し、ωは赤外線エネルギー(各画素データPi,jの輝度に相当する)、Tは物体の絶対温度(各温度画素データTPi,jに相当する)、εは放射率(ε≦1)、σはステファンボルツマンの定数である。
【0033】
測定範囲抽出部34は、撮像画像メモリ44に格納された複数フレーム画像分の温度画像データTDAWから、接触部材Bの露出面に該当する温度画像データTRBを抽出して、合成画像メモリ48に格納させる。即ち、温度画像データTDAWのうちの二次元温度分布を計測するのに必要な温度画像データを選択することで、温度画像データTRBを抽出する。
【0034】
図6は、露出面に該当する温度画像データTRAWの抽出原理を示す図である。各フレーム画像ファイルの温度画像データTRAWについて、前記二次元撮像デバイスの垂直ライン方向iに沿った画素群(例えば、同図中のQ−Q線上に在る画素群)より得られた温度画素データの温度変化分布を調べ、その変化の立上り部分から立下り部分までの範囲内WBに存在する温度画像データTRBを抽出し、画素配列を崩すことなく合成画像メモリ48に再格納する。
【0035】
露出経過時間判定部36は、非露出状態にあった接触部材Bの各部位が開口部6,8,10,12によって露出状態となった時点(瞬間)からカメラ機構2によって撮像されるまでの経過時間(以下、露出経過時間という)τを、夫々の温度画像データTRBに基づいて演算する。
【0036】
図5及び図7を参照して露出経過時間τの演算原理を説明する。図5に示したように、各開口部6,8,10,12はカメラ機構2に内蔵されている二次元撮像デバイスの垂直ライン方向iに沿って移動していく。また、接触部材Bの露出面は、各開口部6,8,10,12の移動に対して相対的に逆の方向へ移動していく。したがって、露出面の各部位のうち、各開口部6,8,10,12の後端に近い部位ほど露出経過時間τは長くなる。例えば、図5中に示す同一の特定部位xにおける露出経過時間τは、同図(e)から同図(h)に移るにしたがって、次第に長くなる。
【0037】
そこで、図7に示すように、露出面の特定部位xの温度画素データTPi,jを有している複数の温度画像データTRB(1)〜TRB(N)を合成画像メモリ48から読み出し、温度画像データTRB(1)〜TRB(N)における夫々の最終行の水平ラインIE(1)〜IE(N)と、温度画素データTPi,jの位置する水平ラインIF(1)〜IF(N)を検出する。更に、夫々の最終行の水平ラインと温度画素データTPi,jの位置する水平ラインとの間に存在する水平ラインの本数IF(1)−IE(1),〜,IF(N)−IE(N)を算出する。そして、開口部6,8,10,12が1水平ライン期間を通過するのに要する時間δを、これらの水平ライン数IF(1)−IE(1),〜,IF(N)−IE(N)に掛け算することにより、特定部位xの露出経過時間τ(1)〜τ(N)を求めている。
【0038】
即ち、図7に示す、温度画像データTRB(1)中の温度画素データTPi,jの露出経過時間τ(1)は、τ(1)=(IF(1)−IE(1))×δとなり、温度画像データTRB(2)中の温度画素データTPi,jの露出経過時間τ(2)は、τ(2)=(IF(2)−IE(2))×δとなり、以下同様に、温度画像データTRB(N)中の温度画素データTPi,jの露出経過時間τ(N)は、τ(N)=(IF(N)−IE(N))×δとなる。また、残余の温度画素データの露出経過時間τも同様に求められる。
【0039】
尚、時間δは、回転体Bの回転速度Vと撮像可能範囲AWの周方向θの長さLAWと二次元撮像デバイスの全水平ライン数Iに基づいて、δ=LAW/(I×V)の関係式により求められる。また、変数Nは前記の分割数Nである。
【0040】
温度変化特性演算部38は、合成画像メモリ48に格納されている複数ファイルの温度画像データTRBについて、接触部材Bの同一部位に該当する画素データTPi,jを露出経過時間τ(1)〜τ(N)に沿って配列し、その部位の露出してからの温度変化の傾向を表す温度特性曲線CPi,jを推定演算する。
【0041】
図8は、露出面のある特定部位に該当する温度画素データTPi,jについての温度特性曲線CPi,jの演算原理を代表して示す。同図において、前記遅延時間τmに同期して得られたNフレーム数分の温度画像データTRB(1)〜TRB(N)から、N個の画素データTPi,j(1)〜TPi,j(N)を読出し、これらの温度画素データTPi,j(1)〜TPi,j(N)を夫々の露出経過時間τ(1)〜τ(N)に沿って配列する。カーブフィット法や最小2乗法等の統計処理、ニューラルネット法等を用いて画素データTPi,j(1)〜TPi,j(N)の変化傾向を表す温度特性曲線CPi,jを推定演算する。また、露出面の残余の部位についても同様の推定演算を行うことにより、露出面の全ての部位の温度特性曲線CPi,jを求め、そのデータを温度変化特性メモリ46に格納する。
【0042】
温度分布演算部40は、温度変化特性メモリ46に格納された温度特性曲線CPi,jのデータに基づいて、接触部材Bの各部位が露出状態となった瞬間trでの温度分布TPi,j(tr)を統計手法などにより推定演算し、その演算結果のデータを合成画像メモリ48に再度格納する。この温度分布TPi,j(tr)は、本来隠れている摺動面の各部位の温度に極めて近い値となる。
【0043】
尚、温度分布演算部40では、撮像可能範囲AWを前記分割数Gで分割した各領域に対応付けて演算処理を行うことにより、温度分布TPi,j(tr)のデータをG個の温度画像データTS(1)〜TS(G)にして、合成画像メモリ48に格納する。
【0044】
画像合成部42は、図9に示すように、合成画像メモリ48に格納された複数の温度画像データTS(1)〜TS(G)を読出し、接触部材Bの摺動面の形状に合わせるように配置する。更に、データの欠落部分を統計処理によって補間することにより、摺動面全体の二次元温度分布を表す二次元温度分布データTSBを形成して、合成画像メモリ48に格納する。また、この合成画像データTSBは、入出力ポート20を介して外部記憶装置に格納されたり、外部モニタ装置に再生表示されたり、ハードコピーに印字する等の処理も行われる。
【0045】
次に、この非接触温度分布測定装置の一連の動作を、図10に示すフローチャートに基づいて説明する。
【0046】
本装置を起動すると、ステップS100において、撮像制御部16が作動し、回転体Aが5〜10回転する間に、同期検出部22及び計測条件設定部24が画像信号SAWに基づいて、前記の遅延基準時間Δや回転体Aの回転速度V等の各種の計測条件を求める。尚、この処理中は、画像処理部18による二次元温度分布を求めるための処理は行われず、単に、画像信号SAWがA/D変換器30及び入出力ポート20を介して外部表示装置等へ転送される。
【0047】
前記各種の計測条件が求められるとステップS110に移行し、画像処理部18が起動する。まず、ステップS120において、駆動部28で設定される遅延時間τmに同期してカメラ機構4から出力される画像信号SAWをA/D変換器30でデジタル画像データDAWに変換し、撮像画像メモリ44に記憶する。ここで、回転体Aと接触部材Bとの摺動面の二次元温度分布を求めるのに十分なフレーム画像分のデジタル画像データDAWを採取するまで、撮像処理が行われる。
【0048】
十分なデジタル画像データDAWを採取すると、ステップS130において、温度補償部32により、輝度成分のデジタル画像データDAWを温度成分の温度画像データTDAWに変換する。次に、ステップS140において、測定範囲抽出部34により、温度画像データTDAWの中から摺動面に関わる温度画像データTRBを抽出する。次に、ステップS150において、露出経過時間判定部36が、温度画像データTRBに基づいて露出面の各部位の露出経過時間τを求める。次に、ステップS160において、温度変化特性演算部38が、露出面の各部位における温度特性曲線CPi,jを求める。
【0049】
ステップS170において、温度分布演算部40により、前記温度特性曲線CPi,jに基づいて温度画像データTS(1)〜TS(G)を演算する。そして、ステップS180において、画像合成部42が温度画像データTS(1)〜TS(G)を合成することにより、摺動面全体の二次元温度分布を表す合成画像データTSBを形成して、一連の処理を終了する。
【0050】
このように、この実施の形態によれば、相互運動する測定対象物の摺動面が開口部を通して一時的に露出するときのその露出像を画像処理することにより、本来隠れている摺動面の二次元温度分布を高精度で計測することができる。
【0051】
尚、以上の説明では、図2に示すように、カメラ機構2で位置決め部材4を撮像することで、回転体Aの回転速度V等の計測条件を求める構成を示したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、図11に示すように、位置決め部材4の代わりに、反射型や透過型のフォトインタラプタ(光学センサ)PDを回転体Aの開口部6,8,10,12の近傍に配置し、この光学センサPDの検出信号SPDを同期検出部22に供給してもよい。この構成によれば、検出信号SPDの振幅変化に基づいて、図4に示した同期信号Sin,Soutが生成され、回転体Aの回転速度V等の計測条件を求めることができる。
【0052】
また、撮像制御部16に計測条件設定部24を設け、この計測条件設定部24により、自動的に前記計測条件を求める構成を説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、前記回転速度Vや遅延基準時間Δ等の計測条件が既知である場合には、入出力ポート20を介してこれらの計測条件のデータを計測条件記憶メモリ26に予め記憶させるようにしてもよい。この場合には、計測条件設定部24を省略することができる。
【0053】
また、回転体Aと接触部材Bの材質や、それらの摺動面が露出状態となったときの温度変化特性が予め既知の場合には、その温度特性曲線CPi,jのデータを入出力ポート20を介して温度変化特性記憶メモリ46に記憶させるようにしてもよい。この場合には、露出経過時間判定部36及び温度変化特性演算部38を省略することができる。
【0054】
更にまた、基準遅延時間Δを、カメラ機構2に予め設定されている所謂フレーム周期と等しくする場合には、撮像制御部16を省略してもよい。即ち、図1に示す撮像制御部16中の同期検出部22、計測条件設定部24、計測条件記憶メモリ26及び駆動部28を省略し、画像処理部18でこのフレーム周期を基準遅延時間Δとして前記の画像処理をすることにより、二次元温度分布を求めることができる。この場合には、前記の位置決め部材4や光学センサPD等の同期検出用の部材も省略することができる。
【0055】
更にまた、二次元撮像デバイスを備えたカメラ機構2により面順次撮像を行う構成を説明したが、線順次撮像や点順次撮像を行う構成にしてもよい。
【0056】
図12は、線順次撮像を行うカメラ機構の構成例を示している。同図において、回転体Aの裏面側に配置されると共に回転体Aの回転方向θに対して直交する方向θiに所定の角速度Δiで定回転する回転ミラー50と、回転ミラー50で反射される光像を受光するラインセンサ52が設けられ、ラインセンサ52から出力される画像信号SAWを図1中の同期検出部22及びA/D変換器30に供給する。そして、画像信号SAWをフレーム画像単位のデジタル画像データDAWにして、撮像画像メモリ44に取り込み、このデジタル画像データDAWを画像処理部18で前記の画像処理を行うことにより、二次元温度分布を求めることができる。
【0057】
図13は、点順次撮像を行うカメラ機構の構成例を示している。同図において、回転体Aの裏面側に配置されると共に回転体Aの回転方向θに対して直交する方向θiに所定の角速度Δiで定回転する回転ミラー54と、回転ミラー54の回転方向θiに対して直交する方向θjに所定の角速度Δjで定回転するポリゴンミラー56と、ポリゴンミラー56からの反射光を受光するフォトトランジスタ等の受光素子58が設けられ、受光素子56から出力される画像信号SAWを図1中の同期検出部22及びA/D変換器30に供給する。そして、画像信号SAWをフレーム画像単位のデジタル画像データDAWにして、撮像画像メモリ44に取り込み、このデジタル画像データDAWを画像処理部18で前記の画像処理を行うことにより、二次元温度分布を求めることができる。
【0058】
これらの線順次撮像又は点順次撮像を行う構成にすると、面順次撮像型のカメラ機構2よりも、安価なカメラ機構を実現することができる。
【0059】
また、以上の説明では、車両用ディスクブレーキの回転ディスクとブレーキパッドとの摺動面の二次元温度分布を計測する場合等の適用例について説明したが、他の測定対象物の二次元温度分布を計測することができる。
【0060】
図14は、航空機や車両用のタイヤ60の制動特性を求めるために、擬似的に形成された路面62との接触面における二次元温度分布を計測する場合を示す。擬似路面62は鋼板上にアスファルト等の路面用部材を積層した構造を有し、複数の開口部64が設けられている。タイヤ60は、この擬似路面62の路面用部材の表面に接触させて配置し、非接触温度分布計測装置は、撮像機構2を擬似路面62の裏面側に向けて配置する。そして、擬似路面62を開口部64の設けられた方向に移動させることにより、タイヤ60の摺動面を開口部64を通して一時的に露出させ、その露出面を撮像して前記画像処理を行うことにより、タイヤ60の摺動面の二次元温度分布を計測することができる。
【0061】
図15は、回転砥石66を用いて被研削部材68を平面研削加工する際に、回転砥石66の摺動面の二次元温度分布を計測する場合を示す。被研削部材68を往復移動させつつ回転砥石66を回転させることで平面研削加工が行われる。この場合には、被研削部材68の回転砥石66に対向する部分に開口部70を設け、この開口部70を通して回転砥石66の摺動面を撮像するように、非接触温度分布計測装置のカメラ機構2を配置することにより、その摺動面の二次元温度分布を計測することができる。
【0062】
また、図15に示すように、回転砥石66と被研削部材68の両者がカメラ機構2に対して動くような場合、即ち、測定対象物が両者間で相対運動すると共に、両者が共にカメラ機構2に対しても相対運動する場合であっても、開口部の設けられた測定対象物を通して他方の測定対象物の摺動面の二次元温度分布を計測することができる。また、このように、カメラ機構2に対して測定対象物が共に動く場合であっても、二次元温度分布を計測することができることから、開口部を有する測定対象物がカメラ機構3に対して停止(静止)し、開口部の設けられていない他方の測定対象物が相対運動する場合であっても、その他方の測定対象物の摺動面の二次元温度分布を計測することが可能である。
【0063】
図16(a)(b)は、周方向に回転する円筒形部材72の内周面と、その内周面に接触する他の接触部材74との摺動面の二次元温度分布を計測する場合を示す。例えば、円筒形部材72の内周面を、接触部材74である砥石にて研削加工する場合等が該当する。
【0064】
この場合には、円筒形部材72の側壁に開口部76を設け、この開口部76を通して円筒形部材72と接触部材74との摺動面を撮像するように、非接触温度分布計測装置のカメラ機構2を配置することにより、その摺動面の二次元温度分布を計測することができる。
【0065】
また、同図(b)に示すように、カメラ機構2に細い光ファイバ78を延設し、この光ファイバ78の先端部(光入射端)より前記摺動面の露出像を導入して、撮像デバイスで撮像するようにしてもよい。このように光ファイバ78を設けると、測定対象物が小形の部材であったり、構造が複雑な場合や、摺動面が微細な場合等のように、計測し難い個所の二次元温度分布を計測することができる。
【0066】
また、以上の説明では、接触しつつ相対運動する測定対象物の摺動面の二次元温度分布を計測する適用例を述べたが、接触しないで相対運動する2測定対象物の一方の測定対象物側から、本来隠れている他方の測定対象物側の内側面の二次元温度分布を計測することができる。
【0067】
例えば、図17に示すように、コンピュータシステムに内蔵されているマイクロコンピュータMPUの表面の二次元温度分布を、そのマイクロコンピュータMPUの表面上に搭載されている空冷用ファンFUNの外側から計測することができる。即ち、空冷用ファンFUNは複数枚の羽根が回転することにより、マイクロコンピュータMPUの発熱を外部へ放出する。したがって、単に従来のサーモグラフを用いてマイクロコンピュータMPUの表面の二次元温度分布を計測しようとしても、羽根が邪魔をして、同一時点におけるマイクロコンピュータMPUの表面の二次元温度分布を計測することができない。これに対して、本発明の非接触温度分布計測装置によれば、空冷用ファンFUNの羽根が回転移動する際に非露出状態となるマイクロコンピュータMPUの表面の二次元温度分布を演算処理するので、マイクロコンピュータMPUの表面全体の二次元温度分布を計測することができる。
【0068】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の非接触温度分布計測装置によれば、一方の測定対象物に形成された開口部を通して、他方の測定対象物の内側の面の露出像を、所定の遅延時間ずらしつつ複数回撮像し、これら複数の画像情報を、露出像の同一部位に該当する情報毎に、他方の測定対象物の内側の面が非露出状態から開口部を通して露出状態となる切替わり時点からの露出経過時間に対応付けて、露出経過時間に対する画像情報の変化傾向を求め、この変化傾向基づいて、切替わり時点における他方の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を演算するので、本来、一方の測定対象物で隠れている他の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態の非接触温度分布計測装置の構成を示すブロック図である。
【図2】非接触温度分布計測装置の設置態様の一例を示す説明図である。
【図3】撮像走査の原理を説明する説明図である。
【図4】測定対象物と撮像走査との同期をとるための原理を説明するタイミングチャートである。
【図5】遅延時間に同期して撮像走査することにより選られる画像を説明する説明図である。
【図6】露出面の画像データを抽出する原理を説明する説明図である。
【図7】露出経過時間を求めるための原理を説明する説明図である。
【図8】温度変化曲線を求めるための原理を説明する説明図である。
【図9】画像合成処理の原理を説明する説明図である。
【図10】非接触温度分布計測装置により二次元温度分布を求めるまでの一連の動作を説明するフローチャートである。
【図11】測定対象物と撮像走査との同期をとるための他の構成例を示す構成説明図である。
【図12】撮像ユニットの変形例を示す構成説明図である。
【図13】撮像ユニットの他の変形例を示す構成説明図である。
【図14】非接触温度分布計測装置の他の適用例を説明する説明図である。
【図15】非接触温度分布計測装置の更に他の適用例を説明する説明図である。
【図16】非接触温度分布計測装置の更に他の適用例を説明する説明図である。
【図17】非接触温度分布計測装置の更に他の適用例を説明する説明図である。
【符号の説明】
A…回転体、B接触部材、2…カメラ機構、4…位置決め部材、6〜12…開口部、14…制御部、16…撮像制御部、18…画像処理部、20…入出力ポート、22…同期検出部、24…計測条件設定部、26…計測条件記憶メモリ、28…駆動部、30…A/D変換器、32…温度補償部、34…測定範囲抽出部、36…露出経過時間判定部、38…温度変化特性演算部、40…温度分布演算部、42…画像合成部、44…撮像画像メモリ、46…温度変化特性記憶メモリ、48…合成画像メモリ。
Claims (8)
- 相対運動する測定対象物の一方の測定対象物の外側から、その一方の測定対象物に面した他方の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を計測する非接触温度分布計測装置において、
前記一方の測定対象物に形成された開口部を通して、前記他方の測定対象物の内側の面の露出像を、所定の遅延時間ずらしつつ複数回撮像する撮像手段と、
前記撮像手段による複数回の撮像で得られる複数の画像情報を、前記露出像の同一部位に該当する情報毎に、前記他方の測定対象物の内側の面が非露出状態から前記開口部を通して露出状態となる切替わり時点からの露出経過時間に対応付けて、前記露出経過時間に対する画像情報の変化傾向を求める変化特性演算手段と、
前記変化特性演算手段により求められた前記変化傾向基づいて、前記切替わり時点における前記他方の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を演算する温度分布演算手段と、
を備えることを特徴とする非接触温度分布計測装置。 - 前記撮像手段は、前記一方の測定対象物が移動し、前記他方の測定対象物が静止した状態で、前記一方の測定対象物に形成された開口部を通して、前記他方の測定対象物の内側の面の露出像を、所定の遅延時間ずらしつつ複数回撮像することを特徴とする請求項1に記載の非接触温度分布計測装置。
- 前記撮像手段は、前記一方の測定対象物が静止し、前記他方の測定対象物が移動する状態で、前記一方の測定対象物に形成された開口部を通して、前記他方の測定対象物の内側の面の露出像を、所定の遅延時間ずらしつつ複数回撮像することを特徴とする請求項1に記載の非接触温度分布計測装置。
- 前記撮像手段は、前記測定対象物が共に前記撮像手段に対して相対運動する状態で、前記一方の測定対象物に形成された開口部を通して、前記他方の測定対象物の内側の面の露出像を、所定の遅延時間ずらしつつ複数回撮像することを特徴とする請求項1に記載の非接触温度分布計測装置。
- 前記撮像手段は、前記他方の測定対象物の内側の面が前記一方の測定対象物に形成された開口部を介して露出するタイミングを検出する同期検出手段を有し、前記同期検出手段の検出出力に同期して前記遅延時間を設定することを特徴とする請求項1に記載の非接触温度分布計測装置。
- 前記撮像手段による複数回の撮像で得られる複数の画像情報から、前記露出像に該当する複数の画像情報を抽出する測定範囲抽出手段と、
前記測定範囲抽出手段で抽出された前記露出像に該当する複数の画像情報を、前記露出像の同一部位に該当する情報毎に、前記他方の測定対象物の内側の面が非露出状態から前記開口部を通して露出状態となる切替わり時点からの露出経過時間に対応付けて、前記露出経過時間に対する画像情報の変化傾向を求める変化特性演算手段と、
前記変化特性演算手段により求められた前記変化傾向基づいて、前記抽出された前記露出像の前記切替わり時点における二次元温度分布を演算する前記温度分布演算手段と、
温度分布演算手段により求められた二次元温度分布を合成して、前記他方の測定対象物の内側の面の二次元温度分布を形成する合成手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の非接触温度分布計測装置。 - 前記撮像手段は、前記他方の測定対象物の内側の面の露出像を導光して撮像する光ファイバを有することを特徴とする請求項1に記載の非接触温度分布計測装置。
- 前記測定対象物は接触しつつ相対運動し、前記他方の測定対象物の内側の面は、前記接触しつつ相対運動することによる摺動面であることを特徴とする請求項1に記載の非接触温度分布計測装置。
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