JP3793019B2 - 表面形状計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測体の表面までの距離を計測することにより被計測体の表面形状を計測する表面形状計測装置に関し、より詳しくは、外部環境が変化したり経年変化が累積したりしても被計測体の表面形状を高い精度で計測できるように表面形状計測装置を改良する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両の集電装置としてパンタグラフが用いられているが、このパンタグラフの上面には架線と摺動接触するすり板が設けられている。このすり板は鉄道車両の走行に伴って次第に摩耗するため、定期的に摩耗量を計測し、摩耗量が限度を超えた場合にはすり板を交換して架線の損傷を防止する必要がある。
【０００３】
すり板の摩耗量を計測する作業は、鉄道車両の屋根上に上がった作業者が目視によって若しくは計測器具を用いて手作業で行っており、作業性が悪いばかりでなく安全性の問題や計測精度の問題が伴っていた。そこで最近では、すり板の摩耗量を計測する計測装置を架線の上方に設置し、鉄道車両の走行中若しくは停車中にすり板の摩耗量を自動的に計測するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種の計測装置は、すり板の表面に対して所定間隔を開けて対向する複数の距離センサを枕木方向に並設するとともに、各距離センサから得られる距離データに基づいてすり板の摩耗量を計測する構造になっている。
【０００５】
ところが、周囲の温度変化に伴う各構成部品の熱膨張や電気部品の定数変化および経年変化等の累積が避けられないため、各距離センサの計測精度が変化し、すり板の摩耗量の計測精度を低下させる要因となっている。計測装置全体を一定温度に保持する構造とすれば周囲の温度変化に伴う影響は排除できるが、装置が複雑化かつ大型化し、計測装置の重量増およびコスト増を招く。
【０００６】
そこで本発明の目的は、上述した従来技術が有する問題点を解消し、距離センサの計測精度を校正することにより被計測体の表面形状を高い精度で計測できるようにするとともに、校正を行わないときには装置全体をコンパクトなものとしつつ、距離センサを校正する作業を自動的に実行可能とした表面形状計測装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する請求項１に記載の手段は、
複数の距離センサを用いて被計測体の表面までの距離を計測するとともに、前記距離センサからそれぞれ得られた計測データに基づいて前記被計測体の表面形状を計測する表面形状計測装置であって、
既知の表面形状を有する校正部材と、
前記被計測体に対向する位置と前記校正部材に対向する位置との間で前記距離センサを往復回動させる距離センサ変位手段と、
前記距離センサが前記校正部材の表面形状を計測して得られた表面形状計測データと前記校正部材の表面形状とを比較して前記距離センサの計測精度を校正する校正手段と、
前記距離センサが前記被計測体に対向する位置にあるときに前記距離センサ側に接近した接近位置と、前記距離センサが前記校正部材に対向する位置にあるときに前記距離センサと対向しつつ前記距離センサから所定距離だけ離間した校正位置との間で前記校正部材を往復変位させる校正部材変位手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の手段は、請求項１に記載の表面形状計測装置において、前記校正部材変位手段が、計測しようとしている前記被計測部材と前記距離センサとの間の距離に合わせた前記所定位置に前記校正部材を配置する ことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の手段は、請求項１または２に記載の表面形状計測装置において、前記校正部材変位手段が、前記接近位置にある前記校正部材の表面が鉛直方向下方を向くように前記校正部材を支持することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載の手段は、請求項１乃至３のいずれかに記載の表面形状計測装置において、前記距離センサが、収納箱の内側に収納された光学センサであり、かつ前記収納箱に設けた透明部分を介して前記収納箱の外側にある前記被計測体および前記校正位置にある前記校正部材と対向することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に記載の手段は、請求項１乃至４のいずれかに記載の表面形状計測装置に、前記距離センサ、前記距離センサ変位手段および前記校正手段の作動を制御する制御手段をさらに設け、前記制御手段が、前記距離センサを校正する作業を自動的に実行する条件と、前記距離センサ、前記前記距離センサ変位手段および前記校正手段を作動させる手順とを記憶する記憶部を有することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、本発明の表面形状計測装置は、既知の表面形状を有した校正部材の表面形状を複数の距離センサを用いて計測するとともに、各距離センサから得られた表面形状計測データと校正部材の表面形状データとを比較し、両者の間に相違が有れば校正手段を用いて距離センサの計測精度を校正する。
これにより、周囲の温度変化に伴う各構成部品の熱膨張や電気部品の定数変化および経年変化等が累積しても、距離センサの計測精度を校正することによって距離センサの計測精度を高め、被計測体の表面形状を正確に計測することが可能となる。
そして、距離センサ変位手段を用いて距離センサを被計測部材に対向させることにより被計測部材の表面形状を計測し、かつ距離センサを校正部材に対向させることにより距離センサの校正を行うことができる。
なお、校正手段を用いた各距離センサの校正は、各距離センサ毎にその設定を調整する方法に加え、距離センサから得られた表面形状計測データを補正する方法をも用いることができる。
【００１３】
距離センサと校正部材との間隔は、距離センサと被計測部材との間隔に等しいことが校正精度を高める上で好ましい。
ところが、距離センサと被計測部材との間隔が大きい場合には、距離センサと校正部材との間隔も大きくなり、表面形状計測装置が大型化してしまう。
これに対して、本発明の表面形状計測装置においては、校正部材変位手段を用いて校正部材を距離センサに対して接離させるので、校正部材を用いないときには装置全体をコンパクトなものとしつつ、校正部材を用いるときには距離センサと校正部材との間に必要な距離を確保することができる。
【００１４】
加えて、被計測部材の種類によって距離センサと被計測部材との間の距離が変化する場合には、校正部材変位手段を用いることにより被計測部材の種類に応じた位置に校正部材を配置して距離センサの校正精度を高めることができる。
【００１５】
また、校正部材の校正用表面が鉛直方向上方を向くように校正部材を配置すると、校正用表面上に埃が堆積したり雨水等が付着したりして距離センサの校正精度が低下するおそれがある。
そこで、本発明の表面形状計測装置においては、校正作業を行わないときには校正部材変位手段を用いて校正部材を変位させ、校正部材の校正用表面が鉛直方向下方を向くようにしている。
これにより、校正部材の校正用表面に埃が堆積したり雨水等が付着したりすることを防止して、距離センサの校正精度を高めることができるばかりでなく、校正部材の校正用表面を人手により清掃する必要をなくして省力化を図ることができる。
【００１６】
また、本発明の表面形状計測装置においては、距離センサの計測精度を校正する作業を制御手段を用いて自動的に行うことができるから、人手による作業が発生せず、作業の省力化を図ることができる。
さらに、距離センサの計測精度を校正する作業を短い周期で定期的に行うことができるから、被計測部材の表面形状を計測する精度をより一層向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る表面形状計測装置の各参考例および一実施形態を、図１乃至図５を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、同一の部分には同一の符号を用いてその説明を省略するとともに、鉄道車両の前後進方向を前後方向と、鉄道車両の車体幅方向（枕木方向）を左右方向と、鉛直方向を上下方向と言う。
【００１８】
第１参考例
まず最初に図１および図２を参照し、第１参考例の表面形状計測装置について詳細に説明する。
【００１９】
図１に示した第１参考例の表面形状計測装置１００は、鉄道車両１のパンタグラフ２の上面に設けられて図示されない架線と摺動接触するすり板３の表面形状を計測し、すり板３の摩耗量を計測するためのものである。
【００２０】
この表面形状計測装置１００は、すり板３の上面に対して所定の間隔を開けて左右方向に水平に並設された複数の距離センサ４を、すり板３の上方に備えている。
これらの距離センサ４は、すり板３の上面に向かって照射したレーザ光の反射を観測することによりすり板３の上面との距離を計測するもので、センサ支持体５内に密閉収納され、かつ透明なガラス板を介してすり板３に対向している。
【００２１】
センサ支持体５は、左右一対の支柱６，６間に架け渡された支持レール７上を転動する支持ローラ８によって支持され、すり板３に対向するＡ位置と支持台１１上に載置された校正板（校正部材）１２と対向するＢ位置との間で左右方向に往復変位可能である。
【００２２】
校正板１２は、すり板３と同等の大きさを有するセラミック製の板材で、その上面（校正用表面）１２ａは水平な平坦面であり、かつその上面１２ａとすり板３の上面とが上下方向にほぼ同じ高さとなるように支持台１１上に載置されている。
【００２３】
支持レール７には、センサ支持体５、したがって距離センサ４を往復変位させるための距離センサ変位手段２０が配設されている。
この距離センサ変位手段２０は、校正板１２の上部に配設した駆動モータ２１のスプロケット２１ａとすり板３の上方に配設したスプロケット２２との間にチェーン２３を巻き回すととともに、このチェーン２３をセンサ支持体５の上部の係合端５ａに係合させたものである。
これにより、駆動モータ２１を正逆両方向に回転させることによって、センサ支持体５、したがって距離センサ４をＡ位置とＢ位置との間で往復変位させることができる。
【００２４】
距離センサ４や距離センサ変位手段２０の作動は、制御装置（制御手段）３０によって制御される。
制御装置３０は、ケーブル３１を介して距離センサ４に接続され、距離センサ４からの計測データ信号を受信するとともに、距離センサ４の作動を制御しかつ計測精度を校正するための制御信号を送信する。
また、制御装置３０は、ケーブル３２を介して距離センサ変位手段２０の駆動モータ２１に接続され、距離センサ変位手段２０の作動を制御する。
【００２５】
一方、制御装置３０は、距離センサ４の計測精度を校正するための校正部（校正手段）３３を有している。この校正部３３の作動を、図２を参照して以下に説明する。なお距離センサ４は、Ｓ１〜Ｓ６までの合計６個の距離センサから構成されるものとする。
【００２６】
各センサＳ１〜Ｓ６と校正板１２の上面１２ａとの間の距離が「Ｌ」である場合、校正板１２の上面１２ａの表面形状を距離センサ４を用いて計測したときに得られる計測データは、図２（ａ）に示したものとなるはずである。
すなわち、各センサＳ１〜Ｓ６から得られる距離データの値はいずれも「Ｌ」のはずである。
【００２７】
これに対して図２（ｂ）に示したように、例えばセンサＳ２から得られる距離データが「Ｌ」の値より小さいマイナス側の値を示すとともに、センサＳ４から得られる距離データが「Ｌ」の値より大きいプラス側の値を示す場合は、センサＳ２およびＳ４の計測精度を校正する必要がある。
【００２８】
すると校正部３３は、センサＳ２およびセンサＳ６に制御信号を送出してセンサＳ２およびセンサＳ６の計測精度を校正し、図２（ｃ）に示したように全てのセンサＳ１〜Ｓ６から得られる距離データの値が「Ｌ」となるようにする。
【００２９】
したがって、このようにして計測精度が校正された各センサＳ１〜Ｓ６から成る距離センサ４を、距離センサ変位手段２０を用いてすり板３側に変位させてすり板３の表面形状を計測すれば、すり板３の表面形状、すなわち架線との摺動接触によって生じたすり板３の摩耗量を正確に知ることができる。
【００３０】
すなわち、周囲の温度変化に伴う各構成部品の熱膨張や電気部品の定数変化および経年変化等が累積しても、距離センサ４の計測精度を校正することによって距離センサ４の計測精度を高め、すり板３の表面形状を正確に計測することが可能となる。
【００３１】
他方、制御装置３０は、すり板３の表面形状を計測する作業、および距離センサ４の計測精度を校正する作業等を自動的に行うための手順を記憶した記憶部３４を有している。
この記憶部３４は、距離センサ４、距離センサ変位手段２０、校正部３３を作動させる手順に加えて、すり板３の表面形状計測作業および距離センサ４の校正作業を自動的に実施するスケジュール等のデータを記憶している。
これにより、距離センサ４の計測精度を校正する作業を自動的に行うことができるから、人手による校正作業が発生せず省力化を図ることができる。
さらに、距離センサ４の計測精度を校正する作業を短い周期で定期的に行うことにより、すり板３の表面形状計測精度をより一層向上させることができる。
【００３２】
第２参考例
次に図３を参照し、第２参考例の表面形状計測装置ついて説明する。
【００３３】
図１に示した第１参考例の表面形状計測装置１００においては、校正板１２の上面（校正用表面）１２ａが常に鉛直方向上方を向いている。
これにより、校正板１２の上面１２ａに埃が堆積したり雨水が付着したりすると、距離センサ４の校正精度が低下するおそれがある。
そこで、本第２参考例の表面形状計測装置２００においては、校正板変位手段（校正部材変位手段）４０を用いて校正板１２を上下方向に反転させ、校正作業を行わないときには校正板１２の上面１２ａが鉛直方向下方を向くようにしている。
【００３４】
すなわち、支柱６に取り付けられた支持台４１には、校正板１２を取り付けた回転板４２が水平支軸４３によって回転自在に装着されている。
さらに、水平支軸４３に設けたスプロケット４４および駆動モータ４５に設けたスプロケット４６間にはチェーン４７が巻き回されている。
これにより、駆動モータ４５を作動させることによって、図３（ａ）に示したように校正板１２の上面１２ａが鉛直方向上方を向く位置と、図３（ｂ）に示したように校正板１２の上面１２ａが鉛直方向下方を向く位置との間で、校正板１２を上下に反転させることができる。
【００３５】
したがって、本第２参考例の表面形状計測装置２００によれば、校正板１２の上面（校正用表面）１２ａに埃が堆積したり雨水等が付着したりすることを防止できるから、距離センサ４の校正精度を高めることができるばかりでなく、校正板１２の上面１２ａを人手により清掃する必要がなく省力化を図ることができる。
【００３６】
なお、校正板１２の向きを反転させることに代えて、校正板１２を保護する保護カバーを設けるとともに、この保護カバーが校正板１２を覆う保護位置と校正板１２を覆わない校正位置との間で往復変位させることにより、校正板１２の上面（校正用表面）１２ａに埃が堆積したり雨水等が付着したりすることを防止することも考えられる。
【００３７】
第３参考例
次に図４および図５を参照し、第３参考例の表面形状計測装置について説明する。
【００３８】
本第３参考例の表面形状計測装置３００においては、図４に示したように、距離センサ４および校正板１２が共に単一の収納箱５０内に配置されている。 収納箱５０の上壁５１から垂下された左右一対の支持腕５２，５２には、距離センサ４を支持するセンサ支持体５が水平支軸５３によって回動自在に支持されている。
収納箱５０の下壁５４には透明なガラス板（透明部分）５５が装着され、光学レーザ変位計等の距離センサ４はこのガラス板５５を介してすり板３と対向することができる。
校正板１２は収納箱５０の一方の側壁５６に取り付けられている。
なお、距離センサ４と校正板１２との間の距離は、距離センサ４とすり板３との間の距離に等しい。
【００３９】
収納箱５０内には、センサ支持体５、したがって距離センサ４を往復回動させる距離センサ変位手段６０が設けられている。
この距離センサ変位手段６０は、収納箱５０の他方の側壁５７に装着された駆動モータ６１のスプロケット６２と支軸５３に取り付けたスプロケット６３との間に巻き回したチェーン６４を有している。
これにより、駆動モータ６１を作動させることによって、図４に示したように距離センサ４が鉛直方向下方を向いてすり板３と対向する位置と、図５に示したように距離センサ４が水平方向を向いて校正板１２と対向する位置との間で、距離センサ４を往復回動させることができる。
【００４０】
すなわち、本第３参考例の表面形状計測装置３００においては、距離センサ４および校正板１２を単一の収納箱５０内に密閉収納しているので距離センサ４および校正板１２を同一環境条件下に置くことができ、日照による照度変化や温度変化、雨水、埃等の影響を排除することができる。
これにより、距離センサ４の計測精度を高い精度で校正することができるから、すり板３の表面形状をより一層高い精度で計測することができる。
【００４１】
実施形態
次に図６を参照し、本発明に係る表面形状計測装置の一実施形態について説明する。
【００４２】
上述した第３参考例においては距離センサ４および校正板１２の両方を収納箱５０内に配置しているので、距離センサ４と校正板１２との間の距離を大きく取る必要がある場合には収納箱５０が大型化する。
そこで本実施形態の表面形状計測装置４００においては、距離センサ４のみを収納箱７０内に配置するとともに、校正板１２を校正板変位手段８０によって支持することにより距離センサ４に対して接離自在としている。
【００４３】
距離センサ４は、前述した距離センサ変位手段６０の作動によって、図６（ａ）に示したように鉛直方向下方を向く位置と図６（ｂ）に示したように水平方向を向く位置との間で往復回動することができる。
距離センサ４は、図６（ａ）に示したように鉛直方向下方を向くと収納箱７０の下壁７１に設けたガラス板７２を介してすり板３に対向し、かつ図６（ｂ）に示したように水平方向を向くと収納箱７０の側壁７３に設けたガラス板７４を介して校正板１２に対向する。
【００４４】
校正板変位手段８０は、収納箱７０の下端に水平支軸８１によって揺動自在に支持されたＬ字形リンク８２と、収納箱７０の上面に取り付けられた駆動モータ８３によって鉛直面内で揺動する直線リンク８４、および両リンク８２，８４によってその両端が相対揺動自在に軸支されたリンク８５とを有している。そして、校正板１２はＬ字形リンク８２の先端に取り付けられている。
【００４５】
図６（ａ）に示したように距離センサ４を用いてすり板３の表面形状を計測する際には校正板１２は必要としない。そこで、校正板変位手段８０を折り畳んで校正板１２を距離センサ４側に接近させ、収納箱７０の上方に配置する。
このとき、校正板１２は鉛直方向下方を向いているので、その校正用表面１２ａに埃等が付着することを防止できる。
【００４６】
これに対して図６（ｂ）に示したように校正板１２を用いて距離センサ４の計測精度を校正する際には、校正板変位手段８０を伸張させ、校正板１２を距離センサ４に対して所定の間隔を開けて離間させる。
なお、距離センサ４と校正板１２との間の距離は、距離センサ４とすり板３との間の距離に等しくする。
【００４７】
すなわち、本実施形態の表面形状計測装置４００においては、距離センサ４のみを収納箱７０内に配置するので、距離センサ４と校正板１２の間の距離を大きく取る必要があるときでも収納箱７０が大型化することがない。
また、収納箱７０に設けた校正板変位手段８０を用いて校正板１２を収納箱７０、すなわち距離センサ４に対して接離させるので、校正板１２を用いないときには装置全体をコンパクトなものとしつつ、校正板１２を用いるときには距離センサ４と校正板１２との間に必要な距離を確保することができる。
【００４８】
以上、本発明に係る表面形状計測装置の各実施形態ついて詳しく説明したが、本発明は上述した実施形態によって限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
また、上述した実施形態においては、校正板を距離センサから離間させて固定する位置が一ヶ所だけとなっている。
これに対して、距離センサと被計測体（すり板）との間の距離が変化する場合には、校正板変位手段の構造を変え、校正板を距離センサから離間させて固定する位置を距離センサと被計測体との間の距離に合わせることもできる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の表面形状計測装置は、既知の表面形状を有した校正部材の表面形状を複数の距離センサを用いて計測するとともに、距離センサから得られた表面形状計測データと校正部材の表面形状データとを比較し、両者の間に相違が有れば校正手段を用いて距離センサの計測精度を校正するものである。
これにより、周囲の温度変化に伴う各構成部品の熱膨張や電気部品の定数変化および経年変化等が累積しても、距離センサの計測精度を校正することによって距離センサの計測精度を高め、被計測体の表面形状を正確に計測することが可能となる。
【００５０】
また、本発明の表面形状計測装置は、校正部材変位手段を用いて校正部材を距離センサに対して接離させるので、校正部材を用いないときには装置全体をコンパクトなものとしつつ、校正部材を用いるときには距離センサと校正部材との間に必要な距離を確保することができる。
加えて、被計測部材の種類によって距離センサと被計測部材との間の距離が変化する場合には、校正部材変位手段を用いることにより被計測部材の種類に応じた位置に校正部材を配置して距離センサの校正精度を高めることができる。
【００５１】
また、本発明の表面形状計測装置は、校正作業を行わないときには校正部材変位手段を用いて校正部材を変位させ、校正部材の校正用表面が鉛直方向下方を向くようにするので、校正部材の校正用表面に埃が堆積したり雨水等が付着したりすることを防止し、距離センサの校正精度を高めることができるばかりでなく、校正部材の校正用表面を人手により清掃する必要をなくして省力化を図ることができる。
【００５２】
また、本発明の表面形状計測装置は、距離センサの計測精度を校正する作業を自動的に行うことができるから、人手による作業が発生せず省力化を図ることができるばかりでなく、距離センサの計測精度を校正する作業を短い周期で定期的に行うことにより、被計測部材の表面形状計測精度をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）は本発明に係る第１参考例の表面形状計測装置を示す正面図であり、図１（ｂ）はその平面図。
【図２】 図１（ｂ）中に示した校正部の作用を説明する図。
【図３】 本発明に係る第２参考例の表面形状計測装置を示す正面図。
【図４】 図４（ａ）は本発明に係る第３参考例の表面形状計測装置において距離センサが被計測体と対向した状態を示す側面断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中に示した破断線に沿った正面断面図。
【図５】 図５（ａ）は本発明に係る第３参考例の表面形状計測装置において距離センサが校正板と対向した状態を示す側面断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）中に示した破断線に沿った正面断面図。
【図６】 図６（ａ）は本発明に係る一実施形態の表面形状計測装置において距離センサが被計測体と対向した状態を示す側面断面図であり、図６（ｂ）は距離センサが校正板と対向した状態を示す側面断面図。
【符号の説明】
１ 鉄道車両
２ パンタグラフ
３ すり板
４ 距離センサ
５ センサ支持体
６ 支柱
７ 支持レール
８ 支持ローラ
１１ 支持台
１２ 校正板
１２ａ 上面（校正用表面）
２０ 距離センサ変位手段
２１ 駆動モータ
２２ スプロケット
２３ チェーン
３０ 制御装置
３１，３２ ケーブル
３３ 校正部
３４ 記憶部
４０ 校正部材変位手段
４１ 支持台
４２ 回転板
４３ 水平支軸
４４ スプロケット
４５ 駆動モータ
４６ スプロケット
４７ チェーン
５０ 収納箱
５１ 上壁
５２ 支持腕
５３ 支軸
５４ 下壁
５５ ガラス板
５６ 側壁
５７ 側壁
６０ 距離センサ変位手段
６１ 駆動モータ
６２，６３ スプロケット
６４ チェーン
７０ 収納箱
７１ 下壁
７２ ガラス板
７３ 側壁
７４ ガラス板
８０ 校正板変位手段
８１ 水平支軸
８２ Ｌ字形リンク
８３ 駆動モータ
８４，８５ リンク
１００ 第１参考例の表面形状計測装置
２００ 第２参考例の表面形状計測装置
３００ 第３参考例の表面形状計測装置
４００ 一実施形態の表面形状計測装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測体の表面までの距離を計測することにより被計測体の表面形状を計測する表面形状計測装置に関し、より詳しくは、外部環境が変化したり経年変化が累積したりしても被計測体の表面形状を高い精度で計測できるように表面形状計測装置を改良する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両の集電装置としてパンタグラフが用いられているが、このパンタグラフの上面には架線と摺動接触するすり板が設けられている。このすり板は鉄道車両の走行に伴って次第に摩耗するため、定期的に摩耗量を計測し、摩耗量が限度を超えた場合にはすり板を交換して架線の損傷を防止する必要がある。
【０００３】
すり板の摩耗量を計測する作業は、鉄道車両の屋根上に上がった作業者が目視によって若しくは計測器具を用いて手作業で行っており、作業性が悪いばかりでなく安全性の問題や計測精度の問題が伴っていた。そこで最近では、すり板の摩耗量を計測する計測装置を架線の上方に設置し、鉄道車両の走行中若しくは停車中にすり板の摩耗量を自動的に計測するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種の計測装置は、すり板の表面に対して所定間隔を開けて対向する複数の距離センサを枕木方向に並設するとともに、各距離センサから得られる距離データに基づいてすり板の摩耗量を計測する構造になっている。
【０００５】
ところが、周囲の温度変化に伴う各構成部品の熱膨張や電気部品の定数変化および経年変化等の累積が避けられないため、各距離センサの計測精度が変化し、すり板の摩耗量の計測精度を低下させる要因となっている。計測装置全体を一定温度に保持する構造とすれば周囲の温度変化に伴う影響は排除できるが、装置が複雑化かつ大型化し、計測装置の重量増およびコスト増を招く。
【０００６】
そこで本発明の目的は、上述した従来技術が有する問題点を解消し、距離センサの計測精度を校正することにより被計測体の表面形状を高い精度で計測できるようにするとともに、校正を行わないときには装置全体をコンパクトなものとしつつ、距離センサを校正する作業を自動的に実行可能とした表面形状計測装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する請求項１に記載の手段は、
複数の距離センサを用いて被計測体の表面までの距離を計測するとともに、前記距離センサからそれぞれ得られた計測データに基づいて前記被計測体の表面形状を計測する表面形状計測装置であって、
既知の表面形状を有する校正部材と、
前記被計測体に対向する位置と前記校正部材に対向する位置との間で前記距離センサを往復回動させる距離センサ変位手段と、
前記距離センサが前記校正部材の表面形状を計測して得られた表面形状計測データと前記校正部材の表面形状とを比較して前記距離センサの計測精度を校正する校正手段と、
前記距離センサが前記被計測体に対向する位置にあるときに前記距離センサ側に接近した接近位置と、前記距離センサが前記校正部材に対向する位置にあるときに前記距離センサと対向しつつ前記距離センサから所定距離だけ離間した校正位置との間で前記校正部材を往復変位させる校正部材変位手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の手段は、請求項１に記載の表面形状計測装置において、前記校正部材変位手段が、計測しようとしている前記被計測部材と前記距離センサとの間の距離に合わせた前記所定位置に前記校正部材を配置する ことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の手段は、請求項１または２に記載の表面形状計測装置において、前記校正部材変位手段が、前記接近位置にある前記校正部材の表面が鉛直方向下方を向くように前記校正部材を支持することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載の手段は、請求項１乃至３のいずれかに記載の表面形状計測装置において、前記距離センサが、収納箱の内側に収納された光学センサであり、かつ前記収納箱に設けた透明部分を介して前記収納箱の外側にある前記被計測体および前記校正位置にある前記校正部材と対向することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に記載の手段は、請求項１乃至４のいずれかに記載の表面形状計測装置に、前記距離センサ、前記距離センサ変位手段および前記校正手段の作動を制御する制御手段をさらに設け、前記制御手段が、前記距離センサを校正する作業を自動的に実行する条件と、前記距離センサ、前記前記距離センサ変位手段および前記校正手段を作動させる手順とを記憶する記憶部を有することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、本発明の表面形状計測装置は、既知の表面形状を有した校正部材の表面形状を複数の距離センサを用いて計測するとともに、各距離センサから得られた表面形状計測データと校正部材の表面形状データとを比較し、両者の間に相違が有れば校正手段を用いて距離センサの計測精度を校正する。
これにより、周囲の温度変化に伴う各構成部品の熱膨張や電気部品の定数変化および経年変化等が累積しても、距離センサの計測精度を校正することによって距離センサの計測精度を高め、被計測体の表面形状を正確に計測することが可能となる。
そして、距離センサ変位手段を用いて距離センサを被計測部材に対向させることにより被計測部材の表面形状を計測し、かつ距離センサを校正部材に対向させることにより距離センサの校正を行うことができる。
なお、校正手段を用いた各距離センサの校正は、各距離センサ毎にその設定を調整する方法に加え、距離センサから得られた表面形状計測データを補正する方法をも用いることができる。
【００１３】
距離センサと校正部材との間隔は、距離センサと被計測部材との間隔に等しいことが校正精度を高める上で好ましい。
ところが、距離センサと被計測部材との間隔が大きい場合には、距離センサと校正部材との間隔も大きくなり、表面形状計測装置が大型化してしまう。
これに対して、本発明の表面形状計測装置においては、校正部材変位手段を用いて校正部材を距離センサに対して接離させるので、校正部材を用いないときには装置全体をコンパクトなものとしつつ、校正部材を用いるときには距離センサと校正部材との間に必要な距離を確保することができる。
【００１４】
加えて、被計測部材の種類によって距離センサと被計測部材との間の距離が変化する場合には、校正部材変位手段を用いることにより被計測部材の種類に応じた位置に校正部材を配置して距離センサの校正精度を高めることができる。
【００１５】
また、校正部材の校正用表面が鉛直方向上方を向くように校正部材を配置すると、校正用表面上に埃が堆積したり雨水等が付着したりして距離センサの校正精度が低下するおそれがある。
そこで、本発明の表面形状計測装置においては、校正作業を行わないときには校正部材変位手段を用いて校正部材を変位させ、校正部材の校正用表面が鉛直方向下方を向くようにしている。
これにより、校正部材の校正用表面に埃が堆積したり雨水等が付着したりすることを防止して、距離センサの校正精度を高めることができるばかりでなく、校正部材の校正用表面を人手により清掃する必要をなくして省力化を図ることができる。
【００１６】
また、本発明の表面形状計測装置においては、距離センサの計測精度を校正する作業を制御手段を用いて自動的に行うことができるから、人手による作業が発生せず、作業の省力化を図ることができる。
さらに、距離センサの計測精度を校正する作業を短い周期で定期的に行うことができるから、被計測部材の表面形状を計測する精度をより一層向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る表面形状計測装置の各参考例および一実施形態を、図１乃至図５を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、同一の部分には同一の符号を用いてその説明を省略するとともに、鉄道車両の前後進方向を前後方向と、鉄道車両の車体幅方向（枕木方向）を左右方向と、鉛直方向を上下方向と言う。
【００１８】
第１参考例
まず最初に図１および図２を参照し、第１参考例の表面形状計測装置について詳細に説明する。
【００１９】
図１に示した第１参考例の表面形状計測装置１００は、鉄道車両１のパンタグラフ２の上面に設けられて図示されない架線と摺動接触するすり板３の表面形状を計測し、すり板３の摩耗量を計測するためのものである。
【００２０】
この表面形状計測装置１００は、すり板３の上面に対して所定の間隔を開けて左右方向に水平に並設された複数の距離センサ４を、すり板３の上方に備えている。
これらの距離センサ４は、すり板３の上面に向かって照射したレーザ光の反射を観測することによりすり板３の上面との距離を計測するもので、センサ支持体５内に密閉収納され、かつ透明なガラス板を介してすり板３に対向している。
【００２１】
センサ支持体５は、左右一対の支柱６，６間に架け渡された支持レール７上を転動する支持ローラ８によって支持され、すり板３に対向するＡ位置と支持台１１上に載置された校正板（校正部材）１２と対向するＢ位置との間で左右方向に往復変位可能である。
【００２２】
校正板１２は、すり板３と同等の大きさを有するセラミック製の板材で、その上面（校正用表面）１２ａは水平な平坦面であり、かつその上面１２ａとすり板３の上面とが上下方向にほぼ同じ高さとなるように支持台１１上に載置されている。
【００２３】
支持レール７には、センサ支持体５、したがって距離センサ４を往復変位させるための距離センサ変位手段２０が配設されている。
この距離センサ変位手段２０は、校正板１２の上部に配設した駆動モータ２１のスプロケット２１ａとすり板３の上方に配設したスプロケット２２との間にチェーン２３を巻き回すととともに、このチェーン２３をセンサ支持体５の上部の係合端５ａに係合させたものである。
これにより、駆動モータ２１を正逆両方向に回転させることによって、センサ支持体５、したがって距離センサ４をＡ位置とＢ位置との間で往復変位させることができる。
【００２４】
距離センサ４や距離センサ変位手段２０の作動は、制御装置（制御手段）３０によって制御される。
制御装置３０は、ケーブル３１を介して距離センサ４に接続され、距離センサ４からの計測データ信号を受信するとともに、距離センサ４の作動を制御しかつ計測精度を校正するための制御信号を送信する。
また、制御装置３０は、ケーブル３２を介して距離センサ変位手段２０の駆動モータ２１に接続され、距離センサ変位手段２０の作動を制御する。
【００２５】
一方、制御装置３０は、距離センサ４の計測精度を校正するための校正部（校正手段）３３を有している。この校正部３３の作動を、図２を参照して以下に説明する。なお距離センサ４は、Ｓ１〜Ｓ６までの合計６個の距離センサから構成されるものとする。
【００２６】
各センサＳ１〜Ｓ６と校正板１２の上面１２ａとの間の距離が「Ｌ」である場合、校正板１２の上面１２ａの表面形状を距離センサ４を用いて計測したときに得られる計測データは、図２（ａ）に示したものとなるはずである。
すなわち、各センサＳ１〜Ｓ６から得られる距離データの値はいずれも「Ｌ」のはずである。
【００２７】
これに対して図２（ｂ）に示したように、例えばセンサＳ２から得られる距離データが「Ｌ」の値より小さいマイナス側の値を示すとともに、センサＳ４から得られる距離データが「Ｌ」の値より大きいプラス側の値を示す場合は、センサＳ２およびＳ４の計測精度を校正する必要がある。
【００２８】
すると校正部３３は、センサＳ２およびセンサＳ６に制御信号を送出してセンサＳ２およびセンサＳ６の計測精度を校正し、図２（ｃ）に示したように全てのセンサＳ１〜Ｓ６から得られる距離データの値が「Ｌ」となるようにする。
【００２９】
したがって、このようにして計測精度が校正された各センサＳ１〜Ｓ６から成る距離センサ４を、距離センサ変位手段２０を用いてすり板３側に変位させてすり板３の表面形状を計測すれば、すり板３の表面形状、すなわち架線との摺動接触によって生じたすり板３の摩耗量を正確に知ることができる。
【００３０】
すなわち、周囲の温度変化に伴う各構成部品の熱膨張や電気部品の定数変化および経年変化等が累積しても、距離センサ４の計測精度を校正することによって距離センサ４の計測精度を高め、すり板３の表面形状を正確に計測することが可能となる。
【００３１】
他方、制御装置３０は、すり板３の表面形状を計測する作業、および距離センサ４の計測精度を校正する作業等を自動的に行うための手順を記憶した記憶部３４を有している。
この記憶部３４は、距離センサ４、距離センサ変位手段２０、校正部３３を作動させる手順に加えて、すり板３の表面形状計測作業および距離センサ４の校正作業を自動的に実施するスケジュール等のデータを記憶している。
これにより、距離センサ４の計測精度を校正する作業を自動的に行うことができるから、人手による校正作業が発生せず省力化を図ることができる。
さらに、距離センサ４の計測精度を校正する作業を短い周期で定期的に行うことにより、すり板３の表面形状計測精度をより一層向上させることができる。
【００３２】
第２参考例
次に図３を参照し、第２参考例の表面形状計測装置ついて説明する。
【００３３】
図１に示した第１参考例の表面形状計測装置１００においては、校正板１２の上面（校正用表面）１２ａが常に鉛直方向上方を向いている。
これにより、校正板１２の上面１２ａに埃が堆積したり雨水が付着したりすると、距離センサ４の校正精度が低下するおそれがある。
そこで、本第２参考例の表面形状計測装置２００においては、校正板変位手段（校正部材変位手段）４０を用いて校正板１２を上下方向に反転させ、校正作業を行わないときには校正板１２の上面１２ａが鉛直方向下方を向くようにしている。
【００３４】
すなわち、支柱６に取り付けられた支持台４１には、校正板１２を取り付けた回転板４２が水平支軸４３によって回転自在に装着されている。
さらに、水平支軸４３に設けたスプロケット４４および駆動モータ４５に設けたスプロケット４６間にはチェーン４７が巻き回されている。
これにより、駆動モータ４５を作動させることによって、図３（ａ）に示したように校正板１２の上面１２ａが鉛直方向上方を向く位置と、図３（ｂ）に示したように校正板１２の上面１２ａが鉛直方向下方を向く位置との間で、校正板１２を上下に反転させることができる。
【００３５】
したがって、本第２参考例の表面形状計測装置２００によれば、校正板１２の上面（校正用表面）１２ａに埃が堆積したり雨水等が付着したりすることを防止できるから、距離センサ４の校正精度を高めることができるばかりでなく、校正板１２の上面１２ａを人手により清掃する必要がなく省力化を図ることができる。
【００３６】
なお、校正板１２の向きを反転させることに代えて、校正板１２を保護する保護カバーを設けるとともに、この保護カバーが校正板１２を覆う保護位置と校正板１２を覆わない校正位置との間で往復変位させることにより、校正板１２の上面（校正用表面）１２ａに埃が堆積したり雨水等が付着したりすることを防止することも考えられる。
【００３７】
第３参考例
次に図４および図５を参照し、第３参考例の表面形状計測装置について説明する。
【００３８】
本第３参考例の表面形状計測装置３００においては、図４に示したように、距離センサ４および校正板１２が共に単一の収納箱５０内に配置されている。 収納箱５０の上壁５１から垂下された左右一対の支持腕５２，５２には、距離センサ４を支持するセンサ支持体５が水平支軸５３によって回動自在に支持されている。
収納箱５０の下壁５４には透明なガラス板（透明部分）５５が装着され、光学レーザ変位計等の距離センサ４はこのガラス板５５を介してすり板３と対向することができる。
校正板１２は収納箱５０の一方の側壁５６に取り付けられている。
なお、距離センサ４と校正板１２との間の距離は、距離センサ４とすり板３との間の距離に等しい。
【００３９】
収納箱５０内には、センサ支持体５、したがって距離センサ４を往復回動させる距離センサ変位手段６０が設けられている。
この距離センサ変位手段６０は、収納箱５０の他方の側壁５７に装着された駆動モータ６１のスプロケット６２と支軸５３に取り付けたスプロケット６３との間に巻き回したチェーン６４を有している。
これにより、駆動モータ６１を作動させることによって、図４に示したように距離センサ４が鉛直方向下方を向いてすり板３と対向する位置と、図５に示したように距離センサ４が水平方向を向いて校正板１２と対向する位置との間で、距離センサ４を往復回動させることができる。
【００４０】
すなわち、本第３参考例の表面形状計測装置３００においては、距離センサ４および校正板１２を単一の収納箱５０内に密閉収納しているので距離センサ４および校正板１２を同一環境条件下に置くことができ、日照による照度変化や温度変化、雨水、埃等の影響を排除することができる。
これにより、距離センサ４の計測精度を高い精度で校正することができるから、すり板３の表面形状をより一層高い精度で計測することができる。
【００４１】
実施形態
次に図６を参照し、本発明に係る表面形状計測装置の一実施形態について説明する。
【００４２】
上述した第３参考例においては距離センサ４および校正板１２の両方を収納箱５０内に配置しているので、距離センサ４と校正板１２との間の距離を大きく取る必要がある場合には収納箱５０が大型化する。
そこで本実施形態の表面形状計測装置４００においては、距離センサ４のみを収納箱７０内に配置するとともに、校正板１２を校正板変位手段８０によって支持することにより距離センサ４に対して接離自在としている。
【００４３】
距離センサ４は、前述した距離センサ変位手段６０の作動によって、図６（ａ）に示したように鉛直方向下方を向く位置と図６（ｂ）に示したように水平方向を向く位置との間で往復回動することができる。
距離センサ４は、図６（ａ）に示したように鉛直方向下方を向くと収納箱７０の下壁７１に設けたガラス板７２を介してすり板３に対向し、かつ図６（ｂ）に示したように水平方向を向くと収納箱７０の側壁７３に設けたガラス板７４を介して校正板１２に対向する。
【００４４】
校正板変位手段８０は、収納箱７０の下端に水平支軸８１によって揺動自在に支持されたＬ字形リンク８２と、収納箱７０の上面に取り付けられた駆動モータ８３によって鉛直面内で揺動する直線リンク８４、および両リンク８２，８４によってその両端が相対揺動自在に軸支されたリンク８５とを有している。そして、校正板１２はＬ字形リンク８２の先端に取り付けられている。
【００４５】
図６（ａ）に示したように距離センサ４を用いてすり板３の表面形状を計測する際には校正板１２は必要としない。そこで、校正板変位手段８０を折り畳んで校正板１２を距離センサ４側に接近させ、収納箱７０の上方に配置する。
このとき、校正板１２は鉛直方向下方を向いているので、その校正用表面１２ａに埃等が付着することを防止できる。
【００４６】
これに対して図６（ｂ）に示したように校正板１２を用いて距離センサ４の計測精度を校正する際には、校正板変位手段８０を伸張させ、校正板１２を距離センサ４に対して所定の間隔を開けて離間させる。
なお、距離センサ４と校正板１２との間の距離は、距離センサ４とすり板３との間の距離に等しくする。
【００４７】
すなわち、本実施形態の表面形状計測装置４００においては、距離センサ４のみを収納箱７０内に配置するので、距離センサ４と校正板１２の間の距離を大きく取る必要があるときでも収納箱７０が大型化することがない。
また、収納箱７０に設けた校正板変位手段８０を用いて校正板１２を収納箱７０、すなわち距離センサ４に対して接離させるので、校正板１２を用いないときには装置全体をコンパクトなものとしつつ、校正板１２を用いるときには距離センサ４と校正板１２との間に必要な距離を確保することができる。
【００４８】
以上、本発明に係る表面形状計測装置の各実施形態ついて詳しく説明したが、本発明は上述した実施形態によって限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
また、上述した実施形態においては、校正板を距離センサから離間させて固定する位置が一ヶ所だけとなっている。
これに対して、距離センサと被計測体（すり板）との間の距離が変化する場合には、校正板変位手段の構造を変え、校正板を距離センサから離間させて固定する位置を距離センサと被計測体との間の距離に合わせることもできる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の表面形状計測装置は、既知の表面形状を有した校正部材の表面形状を複数の距離センサを用いて計測するとともに、距離センサから得られた表面形状計測データと校正部材の表面形状データとを比較し、両者の間に相違が有れば校正手段を用いて距離センサの計測精度を校正するものである。
これにより、周囲の温度変化に伴う各構成部品の熱膨張や電気部品の定数変化および経年変化等が累積しても、距離センサの計測精度を校正することによって距離センサの計測精度を高め、被計測体の表面形状を正確に計測することが可能となる。
【００５０】
また、本発明の表面形状計測装置は、校正部材変位手段を用いて校正部材を距離センサに対して接離させるので、校正部材を用いないときには装置全体をコンパクトなものとしつつ、校正部材を用いるときには距離センサと校正部材との間に必要な距離を確保することができる。
加えて、被計測部材の種類によって距離センサと被計測部材との間の距離が変化する場合には、校正部材変位手段を用いることにより被計測部材の種類に応じた位置に校正部材を配置して距離センサの校正精度を高めることができる。
【００５１】
また、本発明の表面形状計測装置は、校正作業を行わないときには校正部材変位手段を用いて校正部材を変位させ、校正部材の校正用表面が鉛直方向下方を向くようにするので、校正部材の校正用表面に埃が堆積したり雨水等が付着したりすることを防止し、距離センサの校正精度を高めることができるばかりでなく、校正部材の校正用表面を人手により清掃する必要をなくして省力化を図ることができる。
【００５２】
また、本発明の表面形状計測装置は、距離センサの計測精度を校正する作業を自動的に行うことができるから、人手による作業が発生せず省力化を図ることができるばかりでなく、距離センサの計測精度を校正する作業を短い周期で定期的に行うことにより、被計測部材の表面形状計測精度をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）は本発明に係る第１参考例の表面形状計測装置を示す正面図であり、図１（ｂ）はその平面図。
【図２】 図１（ｂ）中に示した校正部の作用を説明する図。
【図３】 本発明に係る第２参考例の表面形状計測装置を示す正面図。
【図４】 図４（ａ）は本発明に係る第３参考例の表面形状計測装置において距離センサが被計測体と対向した状態を示す側面断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中に示した破断線に沿った正面断面図。
【図５】 図５（ａ）は本発明に係る第３参考例の表面形状計測装置において距離センサが校正板と対向した状態を示す側面断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）中に示した破断線に沿った正面断面図。
【図６】 図６（ａ）は本発明に係る一実施形態の表面形状計測装置において距離センサが被計測体と対向した状態を示す側面断面図であり、図６（ｂ）は距離センサが校正板と対向した状態を示す側面断面図。
【符号の説明】
１ 鉄道車両
２ パンタグラフ
３ すり板
４ 距離センサ
５ センサ支持体
６ 支柱
７ 支持レール
８ 支持ローラ
１１ 支持台
１２ 校正板
１２ａ 上面（校正用表面）
２０ 距離センサ変位手段
２１ 駆動モータ
２２ スプロケット
２３ チェーン
３０ 制御装置
３１，３２ ケーブル
３３ 校正部
３４ 記憶部
４０ 校正部材変位手段
４１ 支持台
４２ 回転板
４３ 水平支軸
４４ スプロケット
４５ 駆動モータ
４６ スプロケット
４７ チェーン
５０ 収納箱
５１ 上壁
５２ 支持腕
５３ 支軸
５４ 下壁
５５ ガラス板
５６ 側壁
５７ 側壁
６０ 距離センサ変位手段
６１ 駆動モータ
６２，６３ スプロケット
６４ チェーン
７０ 収納箱
７１ 下壁
７２ ガラス板
７３ 側壁
７４ ガラス板
８０ 校正板変位手段
８１ 水平支軸
８２ Ｌ字形リンク
８３ 駆動モータ
８４，８５ リンク
１００ 第１参考例の表面形状計測装置
２００ 第２参考例の表面形状計測装置
３００ 第３参考例の表面形状計測装置
４００ 一実施形態の表面形状計測装置
Claims (5)
- 複数の距離センサを用いて被計測体の表面までの距離を計測するとともに、前記距離センサからそれぞれ得られた計測データに基づいて前記被計測体の表面形状を計測する表面形状計測装置であって、
既知の表面形状を有する校正部材と、
前記被計測体に対向する位置と前記校正部材に対向する位置との間で前記距離センサを往復回動させる距離センサ変位手段と、
前記距離センサが前記校正部材の表面形状を計測して得られた表面形状計測データと前記校正部材の表面形状とを比較して前記距離センサの計測精度を校正する校正手段と、
前記距離センサが前記被計測体に対向する位置にあるときに前記距離センサ側に接近した接近位置と、前記距離センサが前記校正部材に対向する位置にあるときに前記距離センサと対向しつつ前記距離センサから所定距離だけ離間した校正位置との間で前記校正部材を往復変位させる校正部材変位手段と、
を備えることを特徴とする表面形状計測装置。 - 前記校正部材変位手段は、計測しようとしている前記被計測部材と前記距離センサとの間の距離に合わせた前記校正位置に前記校正部材を配置することを特徴とする請求項１に記載の表面形状計測装置。
- 前記校正部材変位手段は、前記接近位置にある前記校正部材の表面が鉛直方向下方を向くように前記校正部材を支持することを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状計測装置。
- 前記距離センサは、収納箱の内側に収納された光学センサであり、かつ前記収納箱に設けた透明部分を介して前記収納箱の外側にある前記被計測体および前記校正位置にある前記校正部材と対向することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面形状計測装置。
- 前記距離センサ、前記距離センサ変位手段および前記校正手段の作動を制御する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記距離センサを校正する作業を自動的に実行する条件と、前記距離センサ、前記前記距離センサ変位手段および前記校正手段を作動させる手順とを記憶する記憶部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表面形状計測装置。
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