JP5942749B2

JP5942749B2 - 噴射形状計測装置及び噴射形状計測方法

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Publication number: JP5942749B2
Application number: JP2012213434A
Authority: JP
Inventors: 昭弘大東; 修次田中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: JP2014066658A

Description

本発明は、噴射体の噴射形状を計測する噴射形状計測装置及び噴射形状計測方法に関する。

従来より、ノズルの開口部から噴射された噴射体の形状を測定する形状計測装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、形状計測装置は噴射体の光学像を光電変換素子に投影すると共に光電変換素子上に投影された噴射体の光学映像を走査することにより直交座標における噴射体の映像信号を取得する。

また、形状計測装置は、直交座標の映像信号において、噴射体を所定の半径の円弧状に切断し、この切断線に沿った映像信号の輝度を一次元輝度分布関数として求める。ここで、一次元輝度分布関数はノズルの開口部を原点とする極座標によって表された関数である。すなわち、形状計測装置は直交座標の輝度分布から極座標に変換した輝度分布を取得する。そして、形状計測装置は、極座標の一次元輝度分布関数の形状に基づいて噴射体の良否を判定している。

特開昭６０−１０４２０５号公報

しかしながら、上記従来の技術では、形状計測装置は切断線に沿った映像信号の輝度を直交座標から極座標に変換した一次元輝度分布関数として取得しているので、座標変換に伴う補間の処理が必要となる。このため、極座標で取得した輝度分布の精度が低下し、ひいては噴射体の良否の判定精度が低下するという問題がある。また、極座標で輝度分布を取得するための専用のハードウェアまたはソフトウェアが必要となるので、形状計測装置の構成が煩雑になってしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、噴射体の良否の判定精度を向上させると共に、装置の構成を簡略化することができる噴射形状計測装置及び噴射形状計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、噴射口（２１）から噴射された噴射体（２２）が撮影された画像（３０、３１）を取得すると共に、当該画像（３０、３１）に含まれた輝度に基づいて噴射体（２２）の噴射形状を計測する噴射形状計測装置であって、以下の点を特徴としている。

すなわち、画像（３０、３１）において、噴射口（２１）を中心とする第１の円（４０）と、噴射口（２１）を中心とすると共に第１の円（４０）よりも径が大きい第２の円（４１）と、噴射口（２１）を通過する直線（４２）と、をそれぞれ設定する第１手段（１００）を有している。また、直線（４２）と第１の円（４０）との第１交点（４３）と、直線（４２）と第２の円（４１）との第２交点（４４）と、を結ぶ線分（４５）を作成する第２手段（１１０）と、線分（４５）の位置と画像（３０、３１）の各画素との論理積の演算によって、画像（３０、３１）のうち線分（４５）の位置に対応する部分を抽出する第３手段（１２０）と、を有している。さらに、第３手段（１２０）によって抽出された部分における各画素の輝度を積分することにより、当該線分（４５）の積分輝度を取得する第４手段（１３０）を有し、噴射体（２２）を含むように設定された所定角度の範囲における直線（４２）に基づいて当該所定角度の範囲の各角度に応じた線分（４５）毎に積分輝度をそれぞれ取得し、所定角度の範囲で得られた各角度に対する積分輝度の輝度分布（５０〜５７）を作成し、この輝度分布（５０〜５７）と良否判定閾値とを比較することにより、噴射体（２２）の良否を判定する第５手段（１４０、１５０）を有していることを特徴とする。

これによると、画像（３０、３１）のうち線分（４５）に対応する部分を抽出して積分輝度を取得する構成となっているので、直交座標の輝度情報を極座標に変換しなくても線分（４５）に対応する部分の積分輝度を取得することができる。また、輝度情報の座標変換を行わないので、補間による積分輝度の精度が低下することもない。したがって、噴射体（２２）の良否の判定精度を向上させることができる。

さらに、輝度情報を直交座標から極座標に変換する必要がないので、極座標を用いるための専用のハードウェアまたはソフトウェアが不要となる。したがって、噴射形状計測装置の構成を簡略化することができる。

請求項２に記載の発明では、噴射口（２１）から噴射された噴射体（２２）が撮影された画像（３０、３１）を取得すると共に、当該画像（３０、３１）に含まれた輝度に基づいて噴射体（２２）の噴射形状を計測する噴射形状計測方法であって、以下の点を特徴としている。

すなわち、画像（３０、３１）において、噴射口（２１）を中心とする第１の円（４０）と、噴射口（２１）を中心とすると共に第１の円（４０）よりも径が大きい第２の円（４１）と、噴射口（２１）を通過する直線（４２）と、をそれぞれ設定する第１処理（１００）を有している。また、直線（４２）と第１の円（４０）との第１交点（４３）と、直線（４２）と第２の円（４１）との第２交点（４４）と、を結ぶ線分（４５）を作成する第２処理（１１０）と、線分（４５）の位置と前記画像（３０、３１）の各画素との論理積の演算によって、画像（３０、３１）のうち線分（４５）の位置に対応する部分を抽出する第３処理（１２０）と、を有している。さらに、第３処理（１２０）によって抽出された部分における各画素の輝度を積分することにより、当該線分（４５）の積分輝度を取得する第４処理（１３０）を有し、噴射体（２２）を含むように設定された所定角度の範囲における直線（４２）に基づいて当該所定角度の範囲の各角度に応じた線分（４５）毎に積分輝度をそれぞれ取得し、所定角度の範囲で得られた各角度に対する積分輝度の輝度分布（５０〜５７）を作成し、この輝度分布（５０〜５７）と良否判定閾値とを比較することにより、噴射体（２２）の良否を判定する第５処理（１４０、１５０）を有していることを特徴とする。これにより、請求項１と同様の効果を得ることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態に係る噴射形状計測装置のブロック図である。ノズル、Ｘ軸カメラ、Ｙ軸カメラ、及びストロボの配置関係を示した図である。噴射体が撮影された画像の模式図である。噴射形状計測処理の内容が示されたフローチャートである。画像に第１の円、第２の円、及び直線を設定し、これらから線分を設定する様子を示した模式図である。０．２５°のステップで線分を作成する様子を示した図である。良品のノズルから噴射された噴射体と輝度分布を示した図である。不良品のノズルから噴射された噴射体と輝度分布を示した図である。

以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態に係る噴射形状計測装置は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンにおいてノズルから噴射される燃料の噴射形状を計測する装置である。

図１に示されるように、噴射形状計測装置は、Ｘ軸カメラ１０と、Ｙ軸カメラ１１と、ストロボ１２と、圧力センサ１３と、高速Ａ／Ｄ・タイマ部１４と、ＣＰＵ部１５と、を備えて構成されている。

Ｘ軸カメラ１０及びＹ軸カメラ１１は、図２に示されたノズル２０の噴射口２１から噴射された噴射体２２を撮影する撮影手段である。ここで、ノズル２０は内部に設けられた図示しないニードルによって噴射口２１の開口量が制御されることにより噴射口２１から燃料が噴射されるように構成されている。本実施形態では、噴射口２１はノズル２０に１個設けられている。なお、ノズル２０にはポンプ２３から高圧噴射管２４を介して高圧燃料が供給される。

また、Ｘ軸カメラ１０及びＹ軸カメラ１１は、ノズル２０の噴射口２１側に配置されている。具体的には、Ｘ軸カメラ１０はノズル２０の中心軸２５に垂直な方向に配置されており、Ｙ軸カメラ１１はＸ軸カメラ１０に対してノズル２０の中心軸２５を中心に例えば９０°回転した位置に配置されている。そして、Ｘ軸カメラ１０及びＹ軸カメラ１１はノズル２０の中心軸２５側を撮影するように配置されている。つまり、ノズル２０の中心軸２５はＺ軸である。

Ｘ軸カメラ１０及びＹ軸カメラ１１は実質的に同じものであり、例えば図示しないＣＣＤや集光レンズ等を備えた構成となっている。Ｘ軸カメラ１０及びＹ軸カメラ１１で撮影された画像のデータにはＣＣＤの画素毎の輝度値が含まれる。輝度値とは、例えば０から２５５までの２５６階調のいずれかの値である。

ストロボ１２は、Ｘ軸カメラ１０とＹ軸カメラ１１との間に配置されており、ノズル２０の中心軸２５側を照らすように配置されている。

圧力センサ１３は、ノズル２０から噴射される燃料の噴射圧力を検出するセンサである。圧力センサ１３は例えば高圧噴射管２４に設けられている。そして、圧力センサ１３は、検出した噴射圧力のデータを高速Ａ／Ｄ・タイマ部１４に出力する。

高速Ａ／Ｄ・タイマ部１４は、圧力センサ１３から噴射圧力のデータを入力し、噴射圧力と噴射閾値とを比較する噴射判定機能と、噴射圧力が噴射閾値を超えてから所定時間後に撮影タイミングの信号を出力するタイマ機能と、を有する回路部である。高速Ａ／Ｄ・タイマ部１４は、タイマ機能を実現するための高精度タイマを備えている。

通常、ノズル２０の噴射口２１から燃料が噴射されると噴射圧力は急激に増加するため噴射自体を検出することは高速Ａ／Ｄ・タイマ部１４の噴射判定機能で容易に行うことができる。しかし、噴射直後の噴射体２２を撮影したとしても、噴射体２２が噴射口２１から燃料が飛び出し始めた状況であるので、噴射体２２の全体像を撮影することはできない。そこで、噴射が始まって噴射体２２の全体形状がある程度形成されるタイミングで撮影できるように、高速Ａ／Ｄ・タイマ部１４が撮影タイミングを計測し、その信号をＣＰＵ部１５に出力している。

ＣＰＵ部１５は、高速Ａ／Ｄ・タイマ部１４から入力した撮影タイミングの信号に従ってＸ軸カメラ１０を駆動する駆動機能と、Ｘ軸カメラ１０及びＹ軸カメラ１１から入力した画像のデータに基づいて噴射体２２の形状を判定する形状判定機能を備えた回路部である。このようなＣＰＵ部１５はマイクロコンピュータやメモリ等を備え、噴射体２２の噴射形状を計測するための噴射形状計測処理を実行するように構成されている。

本実施形態ではＸ軸カメラ１０がマスタとして機能し、Ｙ軸カメラ１１及びストロボ１２がＸ軸カメラ１０のスレーブとして機能する。したがって、ＣＰＵ部１５はＸ軸カメラ１０を動作させることにより、Ｘ軸カメラ１０の動作に同期してＹ軸カメラ１１及びストロボ１２が動作する。そして、ＣＰＵ部１５は、Ｘ軸カメラ１０とＹ軸カメラ１１からそれぞれ画像のデータを取得する。以上が、本実施形態に係る噴射形状計測装置の全体構成である。

次に、噴射形状計測装置において、噴射体２２が撮影された画像に含まれた輝度の情報に基づいて噴射体２２の噴射形状を計測すると共に噴射形状の良否を判定する噴射形状計測方法について説明する。

まず、噴射体２２の画像の取得が行われる。具体的には、製造されたノズル２０が高圧噴射管２４を介してポンプ２３に接続され、ノズル２０に燃料が供給される。そして、ノズル２０内のニードルが制御されることによりノズル２０の噴射口２１から燃料が噴射される。ノズル２０から燃料が噴射されることで噴射圧力が噴射閾値を超えると高速Ａ／Ｄ・タイマ部１４で時間がカウントされ、所定時間後の撮影タイミングで噴射体２２がＸ軸カメラ１０及びＹ軸カメラ１１で撮影される。これにより、噴射体２２が撮影された図３の画像３０がＣＰＵ部１５に取得される。

なお、Ｘ軸カメラ１０及びＹ軸カメラ１１の２台で噴射体２２が撮影されているため、２枚の画像が取得され、それぞれ処理される。また、図３等の各模式図には噴射体２２の輪郭が示され、噴射体２２の輝度までは示されていないが、実際の画像３０のデータにはもちろん輝度の情報が含まれている。

噴射体２２の画像が取得された後、図４に示された噴射形状計測処理がスタートする。まず、ステップ１００では、図５に示されるように、画像３０において、噴射口２１を中心とする第１の円４０と、噴射口２１を中心とすると共に第１の円４０よりも径が大きい第２の円４１と、の少なくとも２つの円が設定される。なお、噴射口２１は口径分の幅を持っているので、図５では噴射口２１の径方向の幅の中心位置を噴射口２１の中心としている。また、図５の画像３０では噴射体２２を省略している。

また、噴射口２１を通過する直線４２が設定される。本実施形態では、ノズル２０の中心軸２５に対して±１５°の所定角度の範囲で複数の直線４２が作成されるが、ステップ１００では当該所定角度の範囲のうちの一角度における一つの線分４５が作成される。

続いて、ステップ１１０では、直線４２と第１の円４０との第１交点４３と、直線４２と第２の円４１との第２交点４４と、を結ぶ線分４５が作成される。この線分４５は図形の線として演算されて得られたものである。したがって、画像３０における線分４５の位置情報を取得するための座標変換は行われていない。つまり、線分４５の座標系は画像３０の座標系と同じである。

この後、ステップ１２０では、画像３０のうち線分４５の位置に対応する部分が抽出される。具体的には、画像３０のうち線分４５の位置に対応する位置の画素の輝度情報のみが取得され、他の画素の輝度情報は取得されない。言い換えると、線分４５の位置と画像３０の各画素との論理積（ＡＮＤ）が演算されると言える。

そして、ステップ１３０では、ステップ１２０によって抽出された画像３０の一部分における各画素の輝度が線分４５に沿って積分される。これにより、当該線分４５の積分輝度が取得される。

次に、ステップ１４０では、所定角度の範囲内の各角度における線分４５の積分輝度が全て取得されたか否かが判定される。具体的には、ノズル２０の中心軸２５に対して＋１５°から−１５°の角度の範囲で０．２５°のステップで各角度の線分４５における積分輝度が全て取得されたか否かが判定される。なお、０．２５°のステップは、画像３０が例えば６４０×４８０画素であることを考慮して設定されている。

そして、本ステップにおいて所定角度の範囲内の０．２５°の各ステップの全ての積分輝度が取得されていないと判定された場合、ステップ１００に戻ると共にまだ積分輝度が取得されていない角度についてステップ１００からステップ１３０までが実行される。すなわち、図６に示されるように、全ての角度の積分輝度が取得されるまでステップ１００からステップ１３０までが繰り返される。このようにステップ１００からステップ１３０までが繰り返される際には、ステップ１００における直線４２の角度が前回の角度に対して０．２５°だけ変更される。

ここで、ステップ１２０では、角度毎に、毎回、元の画像３０のデータが用いられても良い。また、角度毎に画像３０の中から抽出される部分が異なるので、各角度に同じ画像３０のデータが用いられても良い。

こうして、噴射体２２を含むように設定された所定角度の範囲における各角度に応じた線分４５毎に積分輝度がそれぞれ取得される。そして、所定角度の範囲内の各角度における線分４５の積分輝度が全て取得された場合、ステップ１５０に進む。

ステップ１５０では、噴射体２２の良否判定が行われる。具体的には、所定角度の範囲で得られた各角度に対する積分輝度の輝度分布が作成される。この輝度分布が噴射体２２の形状を表していると言える。そして、この輝度分布と良否判定閾値とが比較される。これにより、噴射体２２の良否が判定され、これに基づいてノズル２０の良品・不良品が判定される。以上により、噴射形状計測処理が終了し、別のノズル２０について同様の処理が順次行われる。

上記の噴射形状計測処理について、具体的な形状測定の例を説明する。例えば、図７及び図８において、各画像３０、３１に第１の円４０、第２の円４１、第３の円４６、及び第４の円４７の４個の円と直線４２がそれぞれ描かれ、各円の間の線分４５がそれぞれ設定される。また、上述のように所定角度の範囲で各線分４５の積分輝度から輝度分布が作成される。なお、図８に示された画像３０は図３と同じ画像である。

図７及び図８には、各円の間の輝度分布がそれぞれ示されている。例えば、図７では、噴射口２１と第１の円４０との間の輝度分布５０、第１の円４０と第２の円４１との間の輝度分布５１、第２の円４１と第３の円４６との間の輝度分布５２、第３の円４６と第４の円４７との間の輝度分布５３が示されている。同様に、図８では、噴射口２１と第１の円４０との間の輝度分布５４、第１の円４０と第２の円４１との間の輝度分布５５、第２の円４１と第３の円４６との間の輝度分布５６、第３の円４６と第４の円４７との間の輝度分布５７が示されている。

輝度分布を作成するためには少なくとも第１の円４０及び第２の円４１の２つの円が必要であるが、図７及び図８の各画像３０、３１では４個の円４０、４１、４６、４７が設定されている。これは、画像３０、３１の横方向のサイズを４分割できるからである。このように、画像３０、３１のサイズに応じて第２の円４１よりも径が大きい第３の円４６等を設定することができる。図７及び図８の各画像３０、３１では、噴射口２１と第１の円４０との間の線分４５の所定角度の範囲は、第１の円４０と第２の円４１との間の線分４５の所定角度の範囲よりも広い範囲に設定されている。

そして、図７の画像３１に示されるように、噴射体２２の形状が直線状になっている場合、各輝度分布はそれぞれノズル２０の中心軸２５上の積分輝度が最も大きい一つのピークを持った分布となる。また、各輝度分布と良否判定閾値とが比較される。図７に示された各輝度分布では良否判定閾値を超える輝度分布の幅が小さいので、図７の噴射体２２を噴射したノズル２０は良品であると判定される。

一方、図８の画像３０に示されるように、噴射体２２の形状が二股になっている場合、各輝度分布は２つのピークを持った分布となる。このような各輝度分布と良否判定閾値とが比較されると、良否判定閾値を超える輝度分布の幅が大きくなるので、図８の噴射体２２を噴射したノズル２０は不良品であると判定される。

不良品であると判定されたノズル２０は、例えば噴射口２１が形成された部分が交換されたり、ノズル２０に組み付けられた他の部品が交換されたりする等の処置が施される。そして、再度、噴射形状の良否判定が行われることとなる。

以上説明したように、本実施形態では、画像３０、３１のうち少なくとも第１の円４０、第２の円４１、及び直線４２から設定された線分４５に対応する部分を抽出し、抽出した部分の積分輝度を取得する構成となっていることが特徴となっている。これによると、座標変換を一切行わずに噴射体２２の積分輝度を取得することができる。また、座標変換を行わないので、座標変換に伴う補間によって積分輝度の精度が低下してしまうことを防止することができる。したがって、噴射体２２の良否の判定精度を向上させることができる。

そして、座標変換を行わないので、座標変換を行うための専用のハードウェアまたはソフトウェアが不要となる。したがって、噴射形状計測装置の構成を簡略化することができる。このように構成が簡略化されると装置における煩雑な処理が少なくなるため、噴射形状計測処理において１個のノズル２０の噴射体２２の形状測定時間を短縮することができる。つまり、計測精度を向上しつつ、短時間で計測が可能となる。

なお、図４のステップを実行する手段は、本発明の各手段または各処理に相当する。すなわち、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、ステップ１００が特許請求の範囲の「第１手段」または「第１処理」に対応し、ステップ１１０が特許請求の範囲の「第２手段」または「第２処理」に対応する。また、ステップ１２０が特許請求の範囲の「第３手段」または「第３処理」に対応し、ステップ１３０が特許請求の範囲の「第４手段」または「第４処理」に対応する。さらに、ステップ１４０、１５０が特許請求の範囲の「第５手段」または「第５処理」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された噴射形状計測装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、検査対象は上述の車両用のノズル２０に限らず、水の噴射等を行うものでも良い。また、外部から噴射圧力の信号を取得できるのであれば、圧力センサ１３は噴射形状計測装置に備えられていなくても良い。

上記の実施形態では、ノズル２０の中心軸２５に対して＋１５°から−１５°の所定角度の範囲で０．２５°のステップで輝度分布を取得していたが、これは輝度分布を取得するための一例である。したがって、一つの線分４５のみ取得し、画像３０のうち当該線分４５に対応する部分の積分輝度のみを取得しても良い。この場合、直線４２が噴射体２２を通過するように当該直線４２を設定すれば良い。

そして、上記の実施形態では、画像３０に第４の円４７まで設定されていたが、これも円の設定方法の一例である。撮影された画像３０のサイズや解像度に応じて、どのような積分輝度や輝度分布を得るかに応じて円や直線４２及び線分４５を設定すれば良い。

また、上記の実施形態では、輝度分布を取得した後にノズル２０の良否判定まで行っているが、これは噴射形状計測処理の一例である。したがって、噴射体２２の形状を示す積分輝度や輝度積分の取得ができれば良く、検査対象の良否判定を行わなくても良い。

２１噴射口
２２噴射体
３０、３１画像
４０第１の円
４１第２の円
４２直線
４３第１交点
４４第２交点
４５線分

Claims

噴射口（２１）から噴射された噴射体（２２）が撮影された画像（３０、３１）を取得すると共に、当該画像（３０、３１）に含まれた輝度に基づいて前記噴射体（２２）の噴射形状を計測する噴射形状計測装置であって、
前記画像（３０、３１）において、前記噴射口（２１）を中心とする第１の円（４０）と、前記噴射口（２１）を中心とすると共に前記第１の円（４０）よりも径が大きい第２の円（４１）と、前記噴射口（２１）を通過する直線（４２）と、をそれぞれ設定する第１手段（１００）と、
前記直線（４２）と前記第１の円（４０）との第１交点（４３）と、前記直線（４２）と前記第２の円（４１）との第２交点（４４）と、を結ぶ線分（４５）を作成する第２手段（１１０）と、
前記線分（４５）の位置と前記画像（３０、３１）の各画素との論理積の演算によって、前記画像（３０、３１）のうち前記線分（４５）の位置に対応する部分を抽出する第３手段（１２０）と、
前記第３手段（１２０）によって抽出された部分における各画素の輝度を積分することにより、当該線分（４５）の積分輝度を取得する第４手段（１３０）と、
前記噴射体（２２）を含むように設定された所定角度の範囲における直線（４２）に基づいて当該所定角度の範囲の各角度に応じた線分（４５）毎に前記積分輝度をそれぞれ取得し、前記所定角度の範囲で得られた各角度に対する積分輝度の輝度分布（５０〜５７）を作成し、この輝度分布（５０〜５７）と良否判定閾値とを比較することにより、前記噴射体（２２）の良否を判定する第５手段（１４０、１５０）と、
を有していることを特徴とする噴射形状計測装置。
噴射口（２１）から噴射された噴射体（２２）が撮影された画像（３０、３１）を取得すると共に、当該画像（３０、３１）に含まれた輝度に基づいて前記噴射体（２２）の噴射形状を計測する噴射形状計測方法であって、
前記画像（３０、３１）において、前記噴射口（２１）を中心とする第１の円（４０）と、前記噴射口（２１）を中心とすると共に前記第１の円（４０）よりも径が大きい第２の円（４１）と、前記噴射口（２１）を通過する直線（４２）と、をそれぞれ設定する第１処理（１００）と、
前記直線（４２）と前記第１の円（４０）との第１交点（４３）と、前記直線（４２）と前記第２の円（４１）との第２交点（４４）と、を結ぶ線分（４５）を作成する第２処理（１１０）と、
前記線分（４５）の位置と前記画像（３０、３１）の各画素との論理積の演算によって、前記画像（３０、３１）のうち前記線分（４５）の位置に対応する部分を抽出する第３処理（１２０）と、
前記第３処理（１２０）によって抽出された部分における各画素の輝度を積分することにより、当該線分（４５）の積分輝度を取得する第４処理（１３０）と、
前記噴射体（２２）を含むように設定された所定角度の範囲における直線（４２）に基づいて当該所定角度の範囲の各角度に応じた線分（４５）毎に前記積分輝度をそれぞれ取得し、前記所定角度の範囲で得られた各角度に対する積分輝度の輝度分布（５０〜５７）を作成し、この輝度分布（５０〜５７）と良否判定閾値とを比較することにより、前記噴射体（２２）の良否を判定する第５処理（１４０、１５０）と、
を有していることを特徴とする噴射形状計測方法。