JP5206936B2 - 球状体の直径不同の評価方法、選別方法および選別装置 - Google Patents

Description

本発明は真球から僅かにゆがみのある球状体の直径の最大値と最小値の差である直径不同を評価する方法、直径不同の規格値に基づき球状体を選別する方法および選別装置に関する。特に非球面レンズや通信用レンズを成形するためのガラス素材として用いられる小径のガラス球状体（以下ガラス小球と呼ぶ）に好適な評価方法、選別方法および選別装置に関する。

非球面レンズや通信用レンズを成形するガラス素材として用いられるガラス小球（直径２ｍｍ〜１５ｍｍ程度）に要求される特性の１つに真球度がある。真球度を定量的に表わす方法として、直径の最大値と最小値の差である直径不同が用いられる。規格値を超える直径不同を持つガラス小球はレンズ成形のさいに不具合が生じるため不良品として排除する必要がある。ちなみに本発明に関わるガラス小球の直径不同の規格値は、例えば３００μｍ程度である。

従来、直径不同を求める方法としては、（１）測定光学顕微鏡下でガラス球の直径の最大値と最小値を測定してその差を算出する方法や、（２）ガラス球を傾斜板の上で転がしてその転がり具合から推定する方法があった。さらに進んだ方法としては、（３）画像処理装置を組み込んだ測定光学顕微鏡下でガラス球を回転させて測定し、直径不同を算出する方法が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２０００-２９２１３８号公報

近年、連続生産されるガラス小球の生産速度は１分間当たり３０個以上と高速化しており、かつ、生産と同一速度のオンラインによる全数検査が求められている。人手による単純なオフライン全数顕微鏡検査では迅速な検査は不可能であり製造コストも高くなる。また従来から直径不同の大小による傾斜板での転がり方の違いを利用した選別方法が知られているが、実際に試みたところ、直径不同が３００μｍを超えるガラス小球を不良品として完全に排除しようとすると、不良品側に直径不同が３００μｍ以下の良品が５０％程度混入してしまい実用にならない。

特許文献１に紹介されている測定方法は、光学顕微鏡下でガラス球を入れた容器を１０°刻みで３６０°回転させて３６枚の画像を撮影して測定する方法であるが、計測の工数が多く時間を要し、迅速性に難がある。

本発明は上記各種従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、生産速度の速い球状体の直径不同を生産速度に合わせて迅速、正確かつ安価に評価する方法、その評価方法を用いた球状体の選別方法および選別装置を提供することを目的とする。

本願発明者は上記の目的を達成すべく鋭意検討した結果、連続生産されるガラス小球の直径不同をオンラインで生産速度に合わせて迅速かつ精度よく評価するため、ガラス小球を底の平坦な小容器に載せ、揺動している状態のガラス小球の外形を一定の方向からカメラで連続的に５回〜１０回撮影し、まず画像毎の最大径を求め、次に全画像を通じて前記の最大径の最大値（直径最大値という）を求め、あらかじめ実験的に得られている当該寸法のガラス小球の直径最大値と直径不同との相関関係から直径不同を算出する方法を発明した。

すなわち本発明の球状体の直径不同の評価方法は、揺動している球状体の最大径を一定の方向から複数回測定し、前記複数の最大径の測定値の中の最大値を当該球状体の直径最大値とし、直径最大値と直径不同との既知の相関関係に基づいて当該球状体の直径不同を算出することを特徴とする。

また揺動している状態のガラス小球の外形を一定の方向からカメラで連続的に５回〜１０回撮影し、画像毎の最小径を求め、次に全画像を通じて前記の最小径の最小値（直径最小値という）を求め、そしてあらかじめ得られている当該寸法のガラス小球の直径最小値と直径不同との相関関係から直径不同を算出する方法を発明した。

すなわち本発明の球状体の直径不同の評価方法は、揺動している球状体の最小径を一定の方向から複数回測定し、前記複数の最小径の測定値の中の最小値を当該球状体の直径最小値とし、直径最小値と直径不同との既知の相関関係に基づいて当該球状体の直径不同を算出することを特徴とする。

また、本発明の球状体の直径不同の評価方法は、前記球状体の前記最大径または前記最小径の測定回数が５回〜１０回であることを特徴とする。撮影回数が５回未満と少ないと測定精度が低くなり、撮影回数が１０回を超えると測定時間が長くなる。本発明では測定精度と測定時間とのバランスを考えて撮影回数は５回〜１０回が好適である。

また、本発明の球状体の直径不同の評価方法は、前記球状体がガラス球状体であることを特徴とする。レンズ用のガラス球状体は高速に連続生産され、かつ、生産と同一速度の全数検査が求められており、本発明はこのようなガラス球状体の直径不同の評価に好適である。

さらにこのようにして得られた直径不同に基づき、上限を規定した規格値を超える直径不同を持つガラス小球を排除する選別方法と、その選別方法を用いる選別装置を発明した。

すなわち本発明の球状体の選別方法は、上記の直径不同の評価方法により得られた直径不同にもとづき、規格値を超える直径不同を有する球状体を排除することを特徴とする。

また本発明の球状体の選別装置は、被選別体である球状体を支持する平坦な支持面と、その周囲に規制壁とを有する受けカップと、
前記球状体を前記受けカップに供給する供給手段と、
前記受けカップ内で揺動する前記球状体を撮影する撮影手段と、
撮影された前記球状体を画像処理し、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の直径不同の評価方法により前記球状体の直径不同を算出し、前記直径不同の規格値に基づき当該球状体の良否判定をおこない、前記良否判定結果を出力する画像処理装置と、
前記良否判定結果に応じて当該球状体を良品または不良品に振り分ける選別機構とを備えたことを特徴とする。

連続生産される球状体の直径不同の評価および直径不同の規格値に基づく選別作業を、生産速度に合わせてオンラインで迅速に精度よくできるようになったので生産量の増加が可能になり、また選別作業の自動化により選別費用を低減できた。

ガラス成形装置に供給されるゴブと呼ばれる軟化状態のガラス塊の質量を高度に管理することや、成形後のガラス小球を高度に質量選別すること等により、ガラス小球の質量が精度良くそろっている場合、すなわちガラス小球の体積が十分狭い範囲内に管理されている場合には、真球からのゆがみが大きいほど直径最大値が大きくなる（または直径最小値が小さくなる）と考えられる。本発明のポイントは、あらかじめ実験的に得られたガラス小球の直径不同と直径最大値（または直径最小値）とのこのような相関関係を利用して、直径最大値（または直径最小値）を測定することにより直径不同を算出することにある。

一例として図１に７０個のガラス小球の直径最大値および直径最小値と直径不同を光学測定顕微鏡下で正確に測定し、直径不同を横軸に、直径最大値と直径最小値を縦軸にプロットしたグラフを示す。図１に示すように直径不同と直径最大値および直径最小値には相関関係が見られる。この相関関係を利用することにより、ガラス小球自体の直径不同を測定しなくてもガラス小球の直径最大値（または直径最小値）の測定値から確度の高い直径不同が推定できる。直径不同の測定は直径最大値または直径最小値の測定に比べて非常に時間がかかるため、この方法の発明による測定時間の節約効果は非常に大きい。

図１の場合、ガラス小球が直径不同の無い真球であれば直径は６．４５ｍｍとなる。実際のガラス小球は８０μｍ〜３８０μｍ程度の直径不同があるので、直径最大値は６．４７ｍｍ〜６．６６ｍｍ、直径最小値は６．２７ｍｍ〜６．４１ｍｍの範囲にばらつく。ばらつき方はランダムでなく、図示のように直線状の相関関係が見られる。直径不同の規格値の３００μｍは直径最大値では６．６０ｍｍ、直径最小値では６．３０ｍｍに対応するので、直径最大値ならば６．６０ｍｍ、直径最小値ならば６．３０ｍｍで選別すれば直径不同を３００μｍで選別したことと同等になる。実際のガラス小球の選別作業では、相関の誤差を考慮し、選別後の良品中に不良品が混入しないように直径不同の算出値に５０μｍ程度のマージンをつけて選別することが好ましい。

図１のような直径不同と直径最大値および直径最小値との相関関係は、ガラス小球の材料、目標の大きさ、製造ラインなどが決まれば決まるため、必要な相関関係はあらかじめ調査して得ておくことができる。後述する本願発明者の開発した直径最大値および直径最小値の測定方法は簡易で迅速なので、容易に自動化でき、ガラス小球の連続生産と速度（インデックスとも称す）を合わせてオンラインで自動測定・自動選別作業ができる。

次に本願発明者が開発した、連続生産しているガラス小球の直径最大値の測定方法及び測定装置および直径不同に関する選別装置について説明する。図２にガラス小球の直径最大値測定装置及びそれに直結するガラス小球選別装置の構成例を示す。ガラス小球１は供給シュート２からターンテーブル３の受けカップ９に供給され、ターンテーブル３が９０°回転することにより、撮影場所（カメラ５の直下）まで送られる。ターンテーブル３は撮影位置でいったん停止するが、受けカップ９内のガラス小球１は短時間には静止しないので揺動を続ける。受けカップ９はガラス小球１の透過画像を撮影しやすいように半透明の材料で作られており、撮影位置の下方（受けカップ９の下側）に照明（図示しない）が備えられている。また受けカップ９の内底面にはガラス小球１が自由に揺動できるように平坦な支持面と、その周囲にはガラス小球１がカメラ５の撮影範囲５ａからはみ出さないように規制壁９ａとが設けられている。撮影場所において揺動しているガラス小球１をカメラ５で垂直方向から連続的に５回〜１０回撮影し、得られた５枚〜１０枚の画像から画像処理装置６により直径最大値を求める。なおカメラ５からの撮影方向は測定精度を上げるため垂直方向が好ましいが、機構上の制約などにより垂直位置にカメラ５が設置し難い場合は垂直方向には限定されず斜め方向から撮影してもよい。

次に図１のようなあらかじめ得られている直径不同と直径最大値との相関関係をもとに、測定された直径最大値から直径不同を算出し、直径不同の規格値と照合し良否判定をおこなう。カメラ５による撮影の終了したガラス小球１はターンテーブル３が取り出し位置まで回転して取り出しシュート４に移送され、選別機構７に供給され、良否判定結果６ａに応じて良品１１と不良品１２に選別される。なお直径最小値を用いて選別する場合は、上記の説明中の「直径最大値」を「直径最小値」と読み替える。

カメラ５によるガラス小球１の撮影画像から直径最大値を測定する原理を図３に示す。図３（ａ）はガラス小球１が静止している場合である。このときは一度の撮影で最大径Ｄ_０（直径最大値に等しい）が得られるが、実際の測定ではガラス小球１は短時間で静止しないので、一度の撮影で最大径Ｄ_０の画像を撮影できることは極めて希である。実際は図３（ｂ）のように撮影中もガラス小球１はランダムに揺動を続けている。そこで複数回の画像を撮影し、各画像について最大径を求める。撮影回数が少ないと測定精度が低くなり、撮影回数が多いと測定時間が長くなる。撮影回数はそのバランスを考えて５回〜１０回が適当である。一つの画像について一つの最大径が求まるので、撮影回数と同数の最大径が求まる。次に全ての最大径を比べてその中の最大のものを直径最大値と算出する。ガラス小球１は揺動しているから真の直径最大値は正確に測定できないが、さまざまの方向（カメラ５からの撮影方向は一定だがガラス小球１がランダムに方向を変える）から測定した複数の最大径の中には真の直径最大値に非常に近いものがあると考え、最大径の中の最大の値を直径最大値と考える。この直径最大値は真の直径最大値よりもおそらく僅かに小さいであろうが、ガラス小球１の選別に用いる上では十分な精度があることを確認できている。換言すれば、積極的にガラス小球１を揺動させて揺動状態のガラス小球１を複数回撮影することで、最大径Ｄ_０の画像に非常に近い画像を短時間で撮影することができる。

上で述べた直径最大値の求め方を図３（ｂ）に即して説明すると、１枚目の画像では最大径Ｄ_１、２枚目の画像では最大径Ｄ_２、３枚目の画像では最大径Ｄ_３、…というようにそれぞれの画像に対してそれぞれの最大径が得られる。各最大径Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、…は撮影時のガラス小球１の方向が異なるため少しずつ異なるので、それらを比較してその中で最も大きいものを求める。例えば２枚目の画像の最大径Ｄ_２が最も大きかったら最大径Ｄ_２を直径最大値とする。次に図１の縦軸に値Ｄ_２をあてはめ、相関直線により対応する直径不同の値を求め、規格値（例えば３００μｍ）と比較して良否判定をおこなう。

次に図４を参照してカメラ５ｂによる撮影画像からガラス小球１の直径最小値を測定する原理を説明する。直径最小値の測定のときは背面照明１４の前に置いたガラス小球１を水平方向から撮影する。図４（ａ）はガラス小球１が静止している場合である。このときは一度の撮影で最小径ｄ_０（直径最小値に等しい）が得られるが、実際にはガラス小球１は短時間では静止しないからこのようなことは極めて稀である。実際は図４（ｂ）のように撮影中もガラス小球１はランダムに揺動を続けている。そこで複数回の画像を撮影し、各画像について最小径を求める。撮影回数は５回〜１０回が適当である。一つの画像について一つの最小径が求まるので、撮影回数と同数の最小径が求まる。次に全ての最小径を比べてその中の最小のものを直径最小値と考える。つまりガラス小球１は揺動しているから真の直径最小値は正確に測定できないが、最小径の中の最小の値は真の直径最小値に非常に近いと考える。この直径最小値は真の直径最小値よりも僅かに大きいと考えられるが、ガラス小球１の選別に用いる上では十分な精度があることを確認できている。なおカメラ５ｂからの撮影方向は測定精度を上げるため水平方向が好ましいが、機構上の制約などにより水平位置にカメラ５ｂが設置し難い場合は水平方向には限定されず斜め方向から撮影してもよい。

上で述べた直径最小値の求め方を図４（ｂ）に即して説明すると、１枚目の画像では最小径ｄ_１、２枚目の画像では最小径ｄ_２、３枚目の画像では最小径ｄ_３、…というようにそれぞれの画像に対してそれぞれの最小径が得られる。各最小径ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、…は撮影時のガラス小球１の方向が異なるため少しずつ異なるので、それらを比較してその中で最も小さいものを求める。例えば２枚目の画像の最小径ｄ_２が最も小さかったら最小径ｄ_２を直径最小値とする。次に図１の縦軸に値ｄ_２をあてはめ、相関直線により対応する直径不同の値を求め、規格値（例えば３００μｍ）と比較して良否判定をおこなう。

図５はガラス小球１のｎ枚目の画像から最大径Ｄ_ｎを求める方法の説明図である。ガラス小球１をカメラ５で撮影すると、カメラ５の撮影範囲５ａ内に、下方からの背面照明により背景が明るくガラス小球１部分が暗いガラス小球１の透過画像（影絵）１ａが得られる。ガラス小球１の透過画像１ａはガラス小球１の外周で明度が大きく変化するので直径を明瞭に求めることができる。直径の測定ライン１３を一周させて直径の最も大きい値を求め、その値をこの画像の最大径Ｄ_ｎとする。なお画像からガラス小球１の最小径を求める場合も同様の操作でおこなうことができるのでその説明は省略する。

図６を参照してガラス小球の直径不同の評価と選別の流れを説明する。
（１）ガラス小球１が測定位置（カメラ５の撮影範囲５ａ）にあることを確認する。
（２）ガラス小球１を撮影し、当該画像についての最大径（または最小径）を図５の方法で求める。
（３）ガラス小球１の撮影を設定回数（通常５回〜１０回）おこなう。
（４）各回の最大径Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３，…（または最小径ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、…）を比較し、その中で最大のものを直径最大値とする（または最小のものを直径最小値とする）。
（５）図１のような直径最大値（または直径最小値）と直径不同の相関グラフを用いて直径不同を算出する。
（６）直径不同が規格値以下であれば当該ガラス小球１を良品１１に、規格値を超えれば不良品１２に判定する。

次にガラス小球の直径不同選別の実施例と比較例について表１を参照して説明する。実施例１は直径目標値が８．４５ｍｍのガラス小球を本発明の選別方法を用いて３０個／分の速度（インデックス）で選別した結果で、選別不良品への良品の混入率は１５％であった（良品とは直径不同が３００μｍ以下のものであるが、図１のような相関の誤差を考慮し、選別後の良品中に不良品が混入しないように直径不同の算出値に対して５０μｍのマージンをつけて、直径不同の算出値が２５０μｍ以下のものを良品として選別した。以下同様）。実施例２は直径目標値が６．４５ｍｍのガラス小球を本発明の選別方法を用いて３３個／分の速度で選別した結果で、選別不良品への良品の混入率は１５％であった。実施例３は直径目標値が６．３０ｍｍのガラス小球を本発明の選別方法を用いて３３個／分の速度で選別した結果で、選別不良品への良品の混入率は１５％であった。

これに対して比較例は、直径目標値が６．３０ｍｍのガラス小球を従来の傾斜板選別方法を用いて３０個／分の速度で選別した結果で、選別不良品中への良品の混入率は５０％であった。比較例の傾斜板選別方法は良品混入率がこのように過大でガラス小球の生産歩留まりが悪くなるので実用に耐えなかった。

本発明は、上記実施例のガラス小球以外にも、体積管理された樹脂、セラミックス、その他の球状体にも適用可能である。

ガラス小球の直径不同と直径最大値、直径最小値の関係を示すグラフ。 ガラス小球の直径最大値の測定装置および直径不同選別装置の構成図。 ガラス小球の撮影画像から直径最大値を測定する原理図。 ガラス小球の撮影画像から直径最小値を測定する原理図。 ガラス小球の画像から最大径を求める方法の説明図。 ガラス小球の直径不同の算出と選別の流れを示すフローチャート。

符号の説明

１ ガラス小球（球状体）
１ａ ガラス小球の透過画像
２ 供給シュート
３ ターンテーブル
４ 取り出しシュート
５ カメラ
５ａ カメラの撮影範囲
５ｂ カメラ
６ 画像処理装置
６ａ 良否判定結果
７ 選別機構
９ 受けカップ
９ａ 受けカップの規制壁
１１ 良品ガラス小球
１２ 不良品ガラス小球
１３ 直径の測定ライン
１４ 背面照明

Claims (6)

1. 揺動している球状体の最大径を一定の方向から複数回測定し、前記複数の最大径の測定値の中の最大値を当該球状体の直径最大値とし、直径最大値と直径不同との既知の相関関係に基づいて当該球状体の直径不同を算出することを特徴とする球状体の直径不同の評価方法。
2. 揺動している球状体の最小径を一定の方向から複数回測定し、前記複数の最小径の測定値の中の最小値を当該球状体の直径最小値とし、直径最小値と直径不同との既知の相関関係に基づいて当該球状体の直径不同を算出することを特徴とする球状体の直径不同の評価方法。
3. 前記球状体の前記最大径または前記最小径の測定回数が５回〜１０回であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の球状体の直径不同の評価方法。
4. 前記球状体がガラス球状体であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の球状体の直径不同の評価方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の直径不同の評価方法により得られた直径不同にもとづき、規格値を超える直径不同を有する球状体を排除することを特徴とする球状体の選別方法。
6. 被選別体である球状体を支持する平坦な支持面と、その周囲に規制壁とを有する受けカップと、
   前記球状体を前記受けカップに供給する供給手段と、
   前記受けカップ内で揺動する前記球状体を撮影する撮影手段と、
   撮影された前記球状体を画像処理し、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の直径不同の評価方法により前記球状体の直径不同を算出し、前記直径不同の規格値に基づき当該球状体の良否判定をおこない、前記良否判定結果を出力する画像処理装置と、
   前記良否判定結果に応じて当該球状体を良品または不良品に振り分ける選別機構とを備えたことを特徴とする球状体の選別装置。

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