JP4551821B2 - 構造体の接合状態検査方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、折曲された金属製の薄板を円筒体に挿入して接合された構造体の接合状態検査方法及び装置に関する。

例えば、自動車又は自動二輪車に用いられる排気管には、排ガス浄化用として、ハニカム構造からなる金属製触媒が用いられている。金属製触媒は、例えば、図８に示すように、ハニカム状に折曲されて巻回された金属板２を円筒体４に挿入して構成され、金属板２に未燃化水素、窒素酸化物、硫化酸化物、その他の煤を吸着することで、排ガスの浄化を行う。

ところで、このように構成される金属製触媒は、排ガスの圧力によって、使用中にハニカム状の金属板２の中心部が円筒体４の長手方向に突出するフイルムアウト現象が発生することがある。このフイルムアウト現象を防止するため、図９に示すように、円筒体４に挿入された金属板２の端面にレーザ装置６を用いてレーザビームＬを照射し、金属板２同士を溶融させて接合するようにした方法が提案されている（特許文献１参照）。

すなわち、円筒体４に挿入された金属板２は、図１０の部分拡大図に示すように、複数の接触点８で接触した状態で円筒体４に挿入されており、金属板２の端面７にレーザビームＬを照射することにより、溶融した端面７の金属が接触点８に向かって流動し、図１１に示すように、円形状に膨らんだ接合部９が形成される。従って、隣接する金属板２は、図１２に示すように、接合部９を介して強固に連結される。

しかしながら、端面７に照射するレーザビームＬの強度が弱すぎると、接合部９に金属が十分に集中しないため、金属板２同士の接合強度が低く、フイルムアウト現象を防止できないことがある。一方、レーザビームＬの強度が強過ぎると、金属板２が過度に溶融して接合部９が過大となり、金属板２間の隙間が小さくなって排ガスの流通抵抗が増大する不具合が発生する。従って、金属板２に照射されるレーザビームＬの強度を適切に設定するとともに、接合状態の良否を判定する必要がある。

このような良否判定を行う装置として、ハニカムコアの端部にプレートを接合してなるハニカムパネルに対して、プレートの表面から超音波を照射し、その反射波の分布に基づき、ハニカムコアとプレートとの接合状態を検査するようにした従来技術がある（特許文献２参照）。

また、電縫管の溶接部の溶接品質を検査する装置として、溶接部を撮像し、その画像を二値化処理して得られるメタルフロー領域を計測して、溶接部の品質を検査するようにした従来技術がある（特許文献３）。

特開２００４−１６０５０５号公報 特開平７−１９８６８６号公報 特許第２８６５１２５号明細書

しかしながら、特許文献２に開示された従来技術では、接合状態を検査するため、超音波をプレートの表面に沿って走査する必要があるため、検査に相当な時間を要してしまう。従って、多数の金属製触媒の良否を検査するためには、かなりの時間が必要となる。

また、特許文献３に開示された従来技術では、溶接された電縫管の形状を確認することはできるが、溶接部を特定してその品質を自動的に検査することができるものではない。

本発明は、上述した不具合に鑑みてなされたものであり、折曲された金属製の薄板を円筒体に挿入して接合された構造体の接合状態の良否を容易、迅速、且つ、高精度に判定することができる構造体の接合状態検査方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、折曲された金属製の薄板を円筒体に挿入して、端面を溶融させることで薄板同士の接触部を接合し、接合部を形成させて製造される構造体を検査する。製造された構造体の端面を撮像部によって撮像し、複数の領域に分離された二値化画像を生成した後、各領域の円形度を算出し、所定の円形度からなる領域を抽出して、画素数毎の領域数（ヒストグラム）を求める。そして、所定の画素数の領域数を、基準とする接合状態の構造体から得られた判定値と比較することにより、接合状態を判定する。

本発明の構造体の接合状態検査方法及び装置では、端面の二値化画像から得られた所定の面積からなる領域の領域数より、構造体の接合状態の良否を容易、迅速、且つ、高精度に判定することができる。

図１は、第１実施形態に係るハニカム構造体の接合状態検査装置１０の構成ブロック図である。

接合状態検査装置１０は、図１２に示すハニカム構造体を構成する金属板２の端面７（図１１参照）の全体の画像を撮像するＣＣＤカメラ１２（撮像部）と、ＣＣＤカメラ１２によって撮像された二次元画像を処理し、端面７の接合状態の良否判定を行う判定処理装置１４とから基本的に構成される。なお、図示していないが、ＣＣＤカメラ１２には、撮像のために端面７を照明する照明装置を並設することができる。

判定処理装置１４は、ＣＣＤカメラ１２によって撮像された端面７の二次元画像をデジタルデータである階調画像データに変換するＡ／Ｄ変換器１６と、前記階調画像データを閾値設定部１８によって設定された閾値データを用いてオンオフの二値画像データに変換する二値化処理部２０と、前記二値画像データを縮小・拡大率設定部２２によって設定された縮小・拡大率に従って縮小・拡大処理を行う縮小・拡大処理部２４と、縮小・拡大処理された二値画像データのオン状態が連続する領域を抽出する領域抽出部２６と、抽出された各領域の面積別の個数である領域数を算出する領域数算出部２８と、所定の面積からなる領域の領域数を判定条件設定部３０によって設定された判定条件と比較し、金属板２の接合状態を判定する接合状態判定部３２とを備える。

第１実施形態の接合状態検査装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、接合状態検査装置１０を用いた検査方法につき、図２に示すフローチャートに従って説明する。

先ず、閾値設定部１８、縮小・拡大率設定部２２及び判定条件設定部３０に対して、各種条件の設定を行う（ステップＳ１）。なお、設定される各種条件については、後述する。

次いで、レーザビームＬによって端面７が溶接されたハニカム構造体を構成する金属板２の端面７の全体の画像をＣＣＤカメラ１２を用いて撮像する（ステップＳ２）。撮像された二次元画像は、Ａ／Ｄ変換器１６によってデジタルデータである階調画像データに変換された後、閾値設定部１８によって設定された閾値データと階調画像データとの大小が比較され、二次元画像の各画素毎にオンオフ状態が設定された二値画像データに変換される（ステップＳ３）。

この場合、接合部９は、溶融した金属板２の端面７の金属が流動して表面張力により集合するため、接合部９の二値画像は、オン状態の多数の画素が連続する略円形の大きな面積の領域として表される。また、接合部９以外の金属板２の端面７の二値画像は、オン状態の少数の画素が連続する小さな面積の領域によって表される。接合部９とそれ以外の部分との間は、溶融した金属が接合部９に向かって流動するため、端面７がかなりくびれた状態の二値画像となる。従って、閾値データの設定値を調整することにより、接合部９に対応する領域と、それ以外の領域とが分離された二値画像を得ることができる。なお、閾値データを固定し、端面７を照明する照明装置の光量を調整してもよい。

さらに、縮小・拡大処理部２４において、二値画像データを、縮小・拡大率設定部２２によって設定された所定の縮小率で縮小する（ステップＳ４）。縮小率を適切に設定することにより、多数の画素が連続する領域を存続させたまま、少数の画素からなる領域を二値画像から除去することができる。

次に、縮小された二値画像を、縮小・拡大率設定部２２によって設定された所定の拡大率で拡大し、接合部９に対応する多数の画素が連続する領域を強調する（ステップＳ５）。この場合、ステップＳ４の縮小処理で除去された小さい面積の領域が復元されることはない。

領域抽出部２６において、縮小・拡大処理が施された二値画像データから、画素が連続する各領域を抽出する（ステップＳ６）。

抽出された各領域は、領域数算出部２８において、各領域を構成する画素数を計数して面積が算出され、各面積毎の領域数が算出される（ステップＳ７）。

接合状態判定部３２において、所定の面積からなる領域の領域数を選択し、判定条件設定部３０によって設定された判定条件と比較して金属板２の接合状態を判定する（ステップＳ８）。

ここで、判定条件設定部３０によって設定される判定条件につき、図３〜図６を用いて説明する。

先ず、ハニカム構造体を構成する金属板２の端面７に基準値よりも小さい照射エネルギーからなるレーザビームＬを照射したサンプルＡと、最適な溶接状態の接合部９が得られる前記基準値からなる照射エネルギーのレーザビームＬを端面７に照射したサンプルＢと、前記基準値よりも大きい照射エネルギーのレーザビームＬを端面７に照射したサンプルＣと、レーザビームＬを照射していない溶接前のサンプルＤとを準備する。

サンプルＡ〜Ｄの端面７をＣＣＤカメラ１２によって撮像し、二値画像データを取得する。図３は、サンプルＡから取得した二値画像データにより形成される端面７の一部の二値化画像、図４は、最適接合状態であるサンプルＢから取得した二値画像データにより形成される端面７の一部の二値化画像、図５は、サンプルＣから取得した二値画像データにより形成される端面７の一部の二値化画像を示す。なお、参照符号３４ａ〜３４ｃは、サンプルＡ〜Ｃの接合部９に対応する二値化画像領域を表し、参照符号３６ａ〜３６ｃは、サンプルＡ〜Ｃの接合部９以外の端面７に対応する二値化画像領域を表す。

次に、取得したサンプルＡ〜Ｄの二値画像データから、隣接する画素が連続する領域を抽出し、面積毎の領域数を算出する。図６は、算出されたサンプルＡ〜Ｄの領域数の分布を示す。横軸のＷ１〜Ｗ１０は、０〜１００画素、１０１〜２００画素、２０１〜３００画素、３０１〜５００画素、５０１〜１０００画素、１００１〜５０００画素、５００１〜１００００画素、１０００１〜２００００画素、２０００１〜３００００画素、３０００１以上の画素からなる各領域を表し、縦軸は、各領域数を表す。

図６の領域数分布から分かるように、０〜１００画素の領域Ｗ１と、１００１〜５０００画素の領域Ｗ６とにおいて、サンプルＡ〜Ｄ間の領域数に大きな差が生じている。この理由は、例えば、レーザビームＬの照射エネルギーが大きいサンプルＣの場合（図５参照）、端面７が過度に溶融されることで、接合部９以外の端面７が細分化された面積の小さい二値化画像領域３６ｃが多数発生し、面積の小さい領域Ｗ１で領域数が多くなるとともに、接合部９も過度に溶融され、その二値化画像領域３４ｃが他の端面７の二値化画像領域３６ｃから分離され、比較的大きな面積の領域Ｗ６で領域数が多くなるものと考えられる。一方、レーザビームＬの照射エネルギーが小さいサンプルＡの場合（図３参照）、端面７が十分に溶融されないため、二値化画像領域３６ａが細分化されず、面積の小さい領域Ｗ１の領域数が少なく、また、接合部９に対応する二値化画像領域３４ａの面積が大きくならないため、面積の大きい領域Ｗ６の領域数も少なくなるものと考えられる。これに対して、最適な溶接状態の接合部９を有するサンプルＢでは、領域Ｗ１及びＷ６における領域数が、サンプルＡ及びＣの中間の値になっている。

そこで、接合状態の判定条件として、サンプルＡ及びＣの領域Ｗ１及びＷ６における領域数を設定する。なお、判定条件は、領域Ｗ１の領域数のみとしてもよい。

以上のようにして設定された判定条件を用いて、金属板２の接合状態を検査することにより、製造されたハニカム構造体が適切な接合状態にあるか否かを自動判定することができる。例えば、金属板２の接合状態がサンプルＡの領域Ｗ１、Ｗ６の領域数以下の場合、金属板２が十分に接合されておらず、フイルムアウト現象が発生するおそれがあるため、当該ハニカム構造体を不良品と判定することができる。また、金属板２の接合状態がサンプルＣの領域Ｗ１、Ｗ６の領域数以上の場合、接合部９が過剰に溶融されて排ガスの流通抵抗が大きくなるため、当該ハニカム構造体を不良品と判定することができる。

次に、第２実施形態に係るハニカム構造体の接合状態検査装置４０について、図７に示す判定処理装置４２の構成ブロック図を用いて説明する。なお、第１実施形態の接合状態検査装置１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。

判定処理装置４２は、領域抽出部２６によって抽出した各領域の形状の円形度を算出する円形度算出部４４と、抽出条件設定部４６によって設定された抽出条件を用いて、所定の円形度にある領域を接合部９に係る領域として抽出する接合部抽出部４８とを備える。

円形度算出部４４は、領域の円形度を、例えば、
円形度＝４π・（領域の面積）／（領域の周囲長）²
として算出する。この場合、円形度が１に近い程、円に近い形状となる。溶接された接合部９に対応する二値化画像は、金属板２の端面７の他の部位に対して、円形度の高い形状であるため、抽出条件設定部４６に設定する抽出条件として所定の円形度を設定することにより、接合部９の領域のみを抽出することができる。

抽出された接合部９の領域に対して、第１実施形態の場合と同様に、領域数を算出し、所定の判定条件を用いて接合状態を判定することにより、金属板２の接合状態を一層高精度に判定することができる。

第１実施形態に係るハニカム構造体の接合状態検査装置の構成ブロック図である。 第１実施形態に係るハニカム構造体の接合状態検査方法のフローチャートである。 基準値よりも小さい照射エネルギーからなるレーザビームを照射したサンプルの二値化画像の説明図である。 基準値からなる照射エネルギーのレーザビームを照射したサンプルの二値化画像の説明図である。 基準値よりも大きい照射エネルギーからなるレーザビームを照射したサンプルの二値化画像の説明図である。 サンプルの各領域の領域数分布である。 第２実施形態に係るハニカム構造体の接合状態検査装置の構成ブロック図である。 金属製触媒の作成方法の説明図である。 金属製触媒を構成するハニカム状金属板の端面接合方法の説明図である。 金属製触媒を構成するハニカム状金属板の接合前の拡大説明図である。 金属製触媒を構成するハニカム状金属板の接合後の拡大説明図である。 金属製触媒の接合後の端面説明図である。

符号の説明

２…金属板 ４…円筒体
７…端面 ８…接触点
９…接合部 １０、４０…接合状態検査装置
１２…ＣＣＤカメラ １４、４２…判定処理装置
２０…二値化処理部 ２４…縮小・拡大処理部
２６…領域抽出部 ２８…領域数算出部
３２…接合状態判定部 ３４ａ〜３４ｃ、３６ａ〜３６ｃ…二値化画像領域
４４…円形度算出部 ４８…接合部抽出部

Claims (6)

1. 折曲された金属製の薄板を円筒体に挿入して、端面を溶融させることで前記薄板同士の接触部を接合し接合部を形成させて製造される構造体の端面の接合状態を検査する方法であって、
   前記構造体の端面を撮像する第１ステップと、
   撮像された前記端面の画像を所定の閾値で二値化処理し、画素が連続する各領域に分離された二値化画像を生成する第２ステップと、
   分離された各前記領域の円形度を算出し、所定の円形度からなる前記領域を抽出し、抽出された各前記領域の画素数を算出し、画素数毎の領域数を求める第３ステップと、
   所定の画素数からなる前記領域の前記領域数を、基準とする接合状態に係る判定値と比較し、前記構造体の端面の接合状態を判定する第４ステップと、
   からなることを特徴とする構造体の接合状態検査方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   検査規格の範囲以内である第１の接合状態及び第２の接合状態を有する構造体を用いて前記第１〜第３ステップをそれぞれ行い、前記画素数毎の領域数を表す第１のヒストグラム及び第２のヒストグラムをそれぞれ求めるステップと、
   求められた前記第１及び前記第２のヒストグラムに基づいて前記判定値を設定するステップと
   をさらに備えることを特徴とする構造体の接合状態検査方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   前記二値化画像を縮小処理した後、拡大処理することを特徴とする構造体の接合状態検査方法。
4. 折曲された金属製の薄板を円筒体に挿入して、端面を溶融させることで前記薄板同士の接触部を接合し接合部を形成させて製造される構造体の端面の接合状態を検査する装置であって、
   前記構造体の端面を撮像する撮像部と、
   撮像された前記端面の画像を所定の閾値で二値化処理し、画素が連続する各領域に分離された二値化画像を生成する二値化処理部と、
   分離された各前記領域の円形度を算出し、所定の円形度からなる前記領域を抽出し、抽出された各前記領域の画素数を算出し、画素数毎の領域数を求める領域数算出部と、
   所定の画素数からなる前記領域の前記領域数を、基準とする接合状態に係る判定値と比較し、前記構造体の端面の接合状態を判定する接合状態判定部と、
   を備えることを特徴とする構造体の接合状態検査装置。
5. 請求項４記載の装置において、
   検査規格の範囲以内である第１の接合状態及び第２の接合状態を有する構造体から、前記撮像部、前記二値化処理部及び前記領域数算出部により前記画素数毎の領域数を表す第１のヒストグラム及び第２のヒストグラムをそれぞれ求め、該第１及び該第２のヒストグラムに基づいて前記判定値を設定する判定条件設定部を備えることを特徴とする構造体の接合状態検査装置。
6. 請求項４又は５記載の装置において、
   前記二値化画像を縮小処理及び拡大処理する縮小拡大処理部を備えることを特徴とする構造体の接合状態検査装置。

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