JP6164472B2 - 表面状態計測方法 - Google Patents

Description

この発明は、光ファイバケーブルを介して、計測対象物の表面状態を計測する表面状態計測方法に関する。

特許文献１には、多数本の赤外線ファイバーを束ねて構成される検出用ファイバー手段を介して被検査物体からの赤外線を導き、この導かれた赤外線を、赤外線画像センサからなる測定手段で計測することにより、被検査物体を非破壊検査する赤外線非破壊検査方法が開示されている。赤外線非破壊検査方法では、検出用ファイバー手段の先端部を、被検査物体の検査部位に対向配置し、そのときの検査部位における赤外線輻射量の変化を求め、これにより検査部位の温度差を検出することにより、被検査物体の内部欠陥を検出する。

特開平９−２８１０５８号公報

このような計測対象物の表面状態の計測に用いられる光ファイバケーブル（検出用ファイバー手段）の先端部には、通常、レンズ（凸レンズ）が取り付けられている。このような光ファイバケーブルにおいて、その先端部のレンズの焦点位置は、計測対象物面とレンズとの間の距離、およびレンズと光ファイバケーブルの受光面（先端面）との距離に依存している（レンズの法則）。そのため、計測対象物の表面に間隔を隔てて配置される光ファイバケーブルの先端部の位置（レンズの位置）の如何によっては、レンズの焦点位置が最適位置（光ファイバケーブルの受光面に鮮鋭な像が結ぶような位置）からずれる（ピントがぼける）おそれがある。

前述の特許文献１には、レンズの焦点位置の調節についての記載がないが、レンズの焦点位置の調節を行わないとすると、計測対象物の表面各所の赤外線が、個々の光ファイバに正確に入射せず、その結果、光ファイバケーブルの基端面に表れる赤外線輝度パターン（すなわち、赤外線カメラが撮像する放射パターン）は、複数の光ファイバ間の輝度の差（コントラスト）が小さくなり、計測対象物の表面の赤外線輻射量の分布を正確に表さない。その結果、計測対象物の表面の温度分布の計測精度が低下するおそれがある。計測対象物の表面温度の計測精度を向上させるべく、光ファイバケーブルの先端部の位置に応じてピント合わせ（レンズの焦点の位置を最適位置とすべく、レンズや光ファイバケーブルの先端部を移動させる）を行うことが求められている。

そこで、この発明の目的は、レンズの焦点位置を最適位置に設定された光ファイバケーブルを用いることにより、計測対象物の表面状態を精度良く検出できる表面状態計測方法を提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、光ファイバ（１６）を複数本束ねて構成される光ファイバケーブル（２）の先端部（３）を、計測対象物（１２）の表面（１４）に対向配置させ、前記光ファイバケーブルの基端面（２Ａ）をカメラ（４）により撮影し、その撮影結果に基づいて前記計測対象物の表面状態を計測する表面状態計測方法であって、前記表面状態の計測に先立って実行され、光の放射率の相対的に高い高放射セル（２５）、および光の放射率の相対的に低い低放射セル（２６）を含む多数の放射セル（２７）を所定パターンで配列したピント確認板（２４）を、前記計測対象物の表面の計測領域（１５）に配置するピント確認板配置ステップ（Ｓ１）と、前記表面状態の計測に先立って実行され、前記光ファイバケーブルの前記先端部を、各光ファイバが各放射セルに対向するように、前記ピント確認板に対向配置させるケーブル配置ステップ（Ｓ２）と、前記表面状態の計測（Ｓ５〜Ｓ８）に先立って実行され、前記光ファイバケーブルの基端面に表れる前記多数の放射セルのパターンの複数光ファイバ間の光の輻射量の差が大きくなるように、前記計測対象物の表面と前記レンズとの間の距離（Ｌａ）および／または前記レンズと前記先端面と間の距離（Ｌｂ）を調節して、前記レンズの焦点を所定の最適位置に合わせる焦点合わせステップ（Ｓ４）とを含む、表面状態計測方法を提供する。

なお、この項において、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素の参照符合を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を実施形態に限定する趣旨ではない。
請求項２に記載のように、前記ピント確認板の前記多数の放射セルは、各放射セルの周囲を６つの放射セルで取り囲むように配置されていてもよい。より具体的には、請求項３に記載のように、前記ピント確認板の前記多数の放射セルはハニカム構造を有していてもよい。

請求項２または３に記載の場合には、請求項４に記載のように、前記ピント確認板の多数の放射セルは、高放射セルおよび低放射セルの一方の周囲を、高放射セルおよび低放射セルの他方で取り囲むように配置されていてもよい。

ピント合わせが行われた後に、光ファイバケーブルを介した計測対象物の表面状態が計測されるので、複数の光ファイバ間の光輻射量の差が大きく保たれ、その結果、計測対象物の表面の光輻射量の分布を正確に表わすことができる。これにより、計測対象物の表面状態を精度良く検出できる。

本発明の一実施形態に係る表面状態計測方法が適用された応力計測方法を説明するための図である。 光ファイバケーブルの基端面に表れる赤外線輝度パターンの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る表面状態計測方法が適用された応力計測方法の流れを示す工程図である。 ピント確認板の構成を示す図である。 光ファイバケーブルの先端部を、ピント確認板に対向配置した状態を説明するための図である。 光ファイバケーブルの先端部の構成を模式的に示す図である。 レンズの焦点位置の調節時における光ファイバケーブルの基端面に表れる赤外線輝度パターンを示す図である。 光ファイバケーブルの基端面の所定の径方向位置と、赤外線輝度との関係を示すグラフである。

以下、本発明について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る表面状態計測方法が適用された応力計測方法を説明するための図である。図１に示す応力計測方法では、たとえば遊星歯車装置１０の太陽歯車（計測対象物）１２の回転中に、太陽歯車１２の歯面１４（表面。図５参照）に生じる応力の応力分布を、応力計測装置１を用いて計測する。

応力計測装置１は、太陽歯車１２の歯面１４の所定の計測領域１５に先端部３が対向配置される赤外線ファイバケーブル２と、赤外線ファイバケーブル（光ファイバケーブル）２の基端面２Ａを撮影する、赤外線画像センサを含む赤外線カメラ（カメラ）４と、赤外線カメラ４の撮影結果に基づいて、太陽歯車１２の計測領域１５に生じる応力分布を演算するための処理装置５と、処理装置５の演算結果を表示するための表示装置６とを含む。

遊星歯車装置１０は、内歯歯車１１と、太陽歯車１２と、遊星歯車１３と、遊星歯車１３を支持する接続部材としてのキャリア（図示しない）とを含んでいる。
内歯歯車１１は、内周面に歯部が形成されたリング部材である。内歯歯車１１は、回転駆動源（図示しない）に一体回転可能に連結されている。太陽歯車１２は、内歯歯車１１に取り囲まれている。太陽歯車１２には、出力軸（図示しない）が一体回転可能に連結されている。遊星歯車１３は、内歯歯車１１と太陽歯車１２との間に配置されており、内歯歯車１１と太陽歯車１２とを関連づけている。遊星歯車１３は、例えば、複数（図１ではたとえば３つ）設けられており、内歯歯車１１の周方向に沿って等間隔に配置されている。

各遊星歯車１３は、内歯歯車１１および太陽歯車１２の双方に噛み合っている。各遊星歯車１３は、内歯歯車１１とは同じ回転方向に回転し、かつ太陽歯車１２とは反対方向に回転するようになっている。なお、内歯歯車１１に対する太陽歯車１２の回転比（遊星歯車装置１０の伝達比）は、各歯車１１，１２，１３の歯数を適宜設定することにより、所定の値に設定されている。

図２は、赤外線ファイバケーブル２の基端面を示す図である。
図１および図２に示すように、赤外線ファイバケーブル２は、赤外線ファイバ（光ファイバ）１６を、複数本束ねて構成されており可撓性を有している。赤外線ファイバケーブル２全体の断面形状は略六角形である。各赤外線ファイバ１６は断面円形をなしており、そのコア部分は、たとえば長波長の光を透過可能なカルコゲナイドガラスを用いて形成されている。赤外線ファイバケーブル２の断面は、図２（ａ）に示すように、１つの赤外線ファイバ１６を、６つの他の赤外線ファイバ１６で取り囲むように構成されている。

赤外線ファイバケーブル２の先端部３には、レンズ（凸レンズ）２３（後述する）が取り付けられている。赤外線ファイバケーブル２の先端部３を、太陽歯車１２の計測領域１５に対向配置されることにより、太陽歯車１２の計測領域１５から輻射される赤外線が、赤外線ファイバケーブル２の個々の赤外線ファイバ１６を介して、赤外線ファイバケーブル２内を導かれ、赤外線ファイバケーブル２の基端面２Ａに、赤外線輝度パターン１７となって表れる。そして、赤外線ファイバケーブル２の基端面２Ａに対向配置された赤外線カメラ４によって赤外線輝度パターン１７が撮影される。

具体的には、図２（ａ）に示すように、赤外線ファイバケーブル２の基端面２Ａにおいて、赤外線ファイバ１６毎に赤外線輻射量が異なる。つまり、高輝度状態の赤外線ファイバ１６（図２において黒丸で示す。図７において同じ）もあれば、低輝度状態の赤外線ファイバ１６（図２において黒丸で示す。図７において同じ）も存在する。個々の赤外線ファイバ１６に伝達される赤外線輻射量の集合により、前述の赤外線輝度パターン１７が形成される。

赤外線カメラ４による基端面２Ａの撮影により、赤外線輝度パターン１７が撮影データとして赤外線カメラ４に取得される。この赤外線輝度パターン１７が太陽歯車１２の計測領域１５における赤外線輻射量の分布と一致しているので、赤外線輝度パターン１７の撮影により、太陽歯車１２の計測領域１５における赤外線輻射量の分布を取得することができる。

図１に示すように、処理装置５は、赤外線カメラ４により出力された画像信号を処理するための画像処理部２１と、画像処理部２１の処理結果に基づいて、太陽歯車１２の計測領域１５に生じる応力分布を計測するための応力演算部２２とを備えている。処理装置５は、たとえばパーソナルコンピュータを用いて構成されている。応力演算部２２による演算結果は表示装置６に与えられ、そのモニタに表示される。

また、処理装置５には、赤外線カメラ４が制御対象として接続されている。処理装置５は、メモリ（図示しない）に記憶された制御プログラムに基づいて、赤外線カメラ４の撮影タイミングなどを制御するとともに、その撮影データ（すなわち、太陽歯車１２の計測領域１５における赤外線輻射量の分布のデータ）を取得する。
なお、このような応力計測装置１を用いた計測時（すなわち、赤外線ファイバケーブル２を用いた計測時）には、太陽歯車１２は回転状態にある。そのため、赤外線ファイバ１６の基端面２Ａに表れる赤外線輝度パターン１７も、基端面２Ａの中心回りに回転する。このような赤外線輝度パターン１７の回転を、図２（ｂ）に示している。

図３は、本発明の一実施形態に係る表面状態計測方法が適用された応力計測方法の流れを示す工程図である。
応力計測装置１による、太陽歯車１２の歯面１４に生じる応力の応力分布の計測に先立って、レンズ２３の焦点位置が最適位置に合わせられる（ピント合わせ）。具体的には、作業者は、次に述べるピント確認板（焦点板）２４を太陽歯車１２の歯面１４の計測領域１５に貼り付ける（ピント確認板配置ステップ。ステップＳ１）。

図４は、ピント確認板２４の構成を示す図である。ピント確認板２４は、ピント合わせのために用いられるたとえば矩形の板であり、放射率の高い（相対的に高い）高放射セル２５、および放射率の低い（相対的に引く）低放射セル２６を含む多数の放射セル２７が所定パターンで配列されている。低放射セル２６は、アルミニウムのような放射率の比較的低い材料を用いて形成されている。高放射セル２５は、放射率の比較的高い材料（たとえば、黒体塗装用の塗料）を用いて形成されている。

具体的には、多数の放射セル２７は、ハニカム構造を有している。すなわち、多数の放射セル２７は、正六角形で同サイズの放射セル２７を隙間なく並べた構造を有している。ピント確認板２４における放射セル２７の配列パターンは一様である。具体的には、多数の放射セル２７では、１つの高放射セル２５の周囲を６つの低放射セル２６で取り囲むように構成されている。なお、各放射セル２７の６角形の一辺Ｗａは、レンズ２３を介して赤外線ファイバケーブル２に与えられる放射セル２７の像に、赤外線ファイバ１６の円形断面（直径Ｄ。図２参照）がすっぽり入る程度の大きさに設定されている。

本実施形態では、ピント確認板２４は、たとえば、アルミニウム板の一方面に所定パターンのマスキングをした状態で、アルミニウムよりも放射率の高い材料（たとえば、黒体塗料用の塗料）を塗布させて多数の高放射セル２５を形成することにより設けられる。
図５は、赤外線ファイバケーブル２の先端部３を、ピント確認板２４に対向配置した状態を説明するための図である。また、図６は、赤外線ファイバケーブル２の先端部３の構成を模式的に示す図である。

図３および図５に示すように、ピント確認板２４の貼設の後、作業者は、光ファイバケーブルの先端部３を把持して、先端部３を、太陽歯車１２の計測領域１５に接近させて対向配置させる（ケーブル配置ステップ。ステップＳ２）。なお、図５では、図示の関係上、ピント確認板２４を太陽歯車１２の端面に配置されるように描かれているが、ピント確認板２４は太陽歯車１２の歯面１４に配置されているものとする。

図６に示すように、赤外線ファイバケーブル２の先端部３の内部には、赤外線ファイバケーブル２の受光面として機能する先端面２Ｂと、レンズ２３とが収容配置されている。レンズ２３は凸レンズであり、その光軸が先端面２Ｂの中央に位置している。
この場合、レンズ２３による倍率がｂ／ａである場合、下記に示す式（１）（レンズの式）により、レンズ２３の焦点位置は、太陽歯車１２の歯面１４とレンズ２３の中心Ｏとの間の距離（計測対象物の表面とレンズとの間の距離）Ｌａおよびレンズ２３の中心Ｏと先端面２Ｂと間の距離（レンズと先端面と間の距離）Ｌｂに依存している。
１/ｆ＝１/Ｌａ＋１/Ｌｂ
（但しｆは、レンズの中心Ｏからの焦点距離、ａは、太陽歯車１２の歯面１４とレンズ２３の光軸方向中心位置Ｏとの間の距離を示し、レンズ２３の中心Ｏと先端面２Ｂと間の距離を示す）…式（１）
図５および図６に示すように、赤外線ファイバケーブル２の先端部３（レンズ２３）を、を、太陽歯車１２の計測領域１５に接近させて対向配置させる。この状態では、赤外線ファイバケーブル２の赤外線ファイバ１６（図２参照）と、ピント確認板２４の放射セル２７（図４参照）とが１対１対応している。つまり、ピント確認板２４の放射セル２７からの赤外線が、赤外線ファイバケーブル２のうち対応する赤外線ファイバ１６のみに入射する。

赤外線ファイバケーブル２の先端部３の配置が完了した後、赤外線ファイバケーブル２の基端面２Ａが、赤外線カメラ４により撮影される（ステップＳ３）。
このとき、赤外線カメラ４により赤外線輝度パターン１７（図２参照）が撮影され、その撮影データが、処理装置５に取得される。そして、表示装置６のモニタ（図示しない）に、赤外線輝度パターン１７と同様の赤外線輻射量のパターンが表示される。作業者は、表示装置６のモニタを見ながら、赤外線ファイバケーブル２の先端部３を、太陽歯車１２の歯面１４の計測領域１５に対して接近または離反させて、レンズ２３の焦点位置を調節する（焦点合わせステップ。ステップＳ４）。

図７は、レンズ２３の焦点位置の調節時における赤外線ファイバケーブル２の基端面２Ａに表れる赤外線輝度パターンを示す図である。図（ａ）に焦点位置の調節前の状態（ピント不一致）を示し、図（ｂ）に焦点位置の調節後の状態（ピント一致）を示す。図８は、赤外線ファイバケーブル２の基端面２Ａの所定の径方向位置と、赤外線輻射量との関係を示すグラフである。

図６および図７に示すように、レンズ付きの赤外線ファイバケーブル２では、太陽歯車１２の歯面１４に間隔を隔てて配置される赤外線ファイバケーブル２の先端部３の位置の如何によっては、レンズ２３の焦点位置が最適位置（赤外線ファイバケーブル２の先端面２Ｂに鮮鋭な像が結ぶような位置）からずれるおそれがある（ピント不一致）。レンズ２３の焦点位置が最適位置からずれていると、赤外線ファイバケーブル２の各赤外線ファイバ１６に、所期の放射セル２７だけでなくその周囲の放射セル２７からの赤外線も入射する。このとき、入射される赤外線の平均値が輝度（輻射量）として算出される結果、赤外線ファイバケーブル２の基端面２Ａに表れる赤外線輝度パターン１７における、複数の赤外線ファイバ１６間の輝度（輻射量）の差は小さくなる（つまり、図７（ａ）および図８に示すように、複数の赤外線ファイバ１６が、全体的に低い赤外線輻射量を呈する）。そのため、赤外線カメラ４が撮影する赤外線輝度パターン１７が、太陽歯車１２の歯面１４における赤外線輻射量の分布を正確には表さない。

一方、レンズ２３の焦点位置が最適位置にあると、赤外線ファイバケーブル２の各赤外線ファイバ１６に、所期の放射セル２７からの赤外線のみが入射する。この場合、図７（ａ）および図８に示すように、赤外線ファイバケーブル２の基端面２Ａでは、低放射セル２６に対応する赤外線ファイバ１６は、低い赤外線輻射量を呈し、高放射セル２５に対応する赤外線ファイバ１６は、高い赤外線輻射量を呈する。

そのため、作業者は、表示装置６のモニタを見ながら、図７（ｂ）に示すような輝度パターンが表示されるように（基端面１５に表れる赤外線輝度パターン１７において、複数の赤外線ファイバ１６間の赤外線輻射量の差が大きくなるように）、レンズ２３の焦点位置を調節する（ステップＳ４）。
図３に示すように、レンズ位置の焦点位置の調節後、応力計測装置１による、太陽歯車１２の歯面１４に生じる応力の応力分布の計測が実行される（ステップＳ５〜Ｓ８）。

すなわち、遊星歯車装置１０の駆動状態で、すなわち、太陽歯車１２の回転状態で、赤外線カメラ４によって基端面１５が撮影され（ステップＳ５）、処理装置５によって、この撮影データが赤外線カメラ４から取得され、処理装置５のメモリ（図示しない）に記憶される（ステップＳ６）。また、前述のような赤外線輝度パターン１７の回転が撮影データに与える影響を補正するための画像処理が施される（ステップＳ７）。

その後、処理装置５の応力演算部２２は、補正後の赤外線輝度パターン１７に基づいて、太陽歯車１２の計測領域１５における赤外線輻射量の分布を求め、これにより、太陽歯車１２の計測領域１５における応力分布を演算により求める（ステップＳ８）。
以上によりこの実施形態によれば、可撓性を有する赤外線ファイバケーブル２を介して、太陽歯車１２の計測領域１５における赤外線輝度の分布（すなわち温度分布）を計測するので、太陽歯車１２が回転状態にある場合であっても、可撓性を有する赤外線ファイバケーブル２を用いて計測領域１５を追跡することができ、これにより、計測領域１５における温度分布を正確に計測できる。

また、太陽歯車１２の計測領域１５の計測に先立って、レンズ２３の焦点位置が最適位置に合わせられる。そして、このようなピント合わせの実行後に、赤外線ファイバケーブル２を介して太陽歯車１２の計測領域１５の温度状態が計測されるので、複数の赤外線ファイバ１６間の輝度の差が大きく保たれ、その結果、太陽歯車１２の計測領域１５の赤外線輻射量の分布を正確に表わすことができる。これにより、太陽歯車１２の計測領域１５の温度分布を精度良く計測することができる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の説明において、ピント確認板２４における放射セル２７の配列パターンが一様であるとして説明したが、ピント確認板２４の一領域における配列パターンが、他の領域と異なる配列パターンにされていてもよい。たとえば図４の破線で囲む放射セル２７Ａのみ、高放射セルから低放射セルに変更して設けることもできる。

また、各放射セル２７は正六角形でなくてもその他の形状（たとえば円形）であってもよい。また、各放射セル２７は密集しておらず、互いに隙間を隔てて配置されていてもよい。但し、このような場合であっても、多数の放射セル２７は、１つの低放射セル２６の周囲を６つの低放射セル２６で取り囲むように構成されていることが望ましい。
また、前述の説明では、ピント確認板２４における放射セル２７の配列パターンが、１つの高放射セル２５の周囲を６つの低放射セル２６で取り囲んで構成されているとして説明したが、逆に、１つの低放射セル２６の周囲を６つの高放射セル２５で取り囲んで構成されていてもよい。

この場合、低放射セル２６が集中配置される領域を基準として、太陽歯車１２の歯面１４に沿う方向に関しする先端部３の位置決めを行うことも可能である。
また、図３のステップＳ４に示す工程において、レンズ２３の焦点位置の調節のために、作業者が、赤外線ファイバケーブル２の先端部３（すなわち、先端面２Ａおよびレンズ２３の双方）を移動させるものとして説明したが、レンズ２３が先端面２Ａに対して接離可能な構成であれば、レンズ２３のみを移動させるようにしてもよい。

なお、この実施形態では、計測対象物を太陽歯車１２とする場合を例に挙げて説明したが、本発明は、等速ジョイント１等の軸受の軌道面に生じる応力など、計測対象物の表面に生じる応力の計測に広く適用できる。
また、本発明の表面状態計測方法は、応力計測方法への適用に限られず、計測対象物の表面の温度状態の計測に広く適用できる。

また、本発明は、赤外線ファイバケーブル２を用いた計測に限られず、可視光を伝導する可視光用の光ファイバケーブルを用いた計測にも適用できる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

２…赤外線ファイバケーブル（光ファイバケーブル）、３…先端部、４…赤外線カメラ（カメラ）、１５…計測領域、１６…赤外線ファイバ（光ファイバ）、１２…太陽歯車（計測対象物）、１４…歯面（表面）、２Ａ…基端面、２５…高放射セル、２６…低放射セル、２７…放射セル、２３…ピント確認板、Ｌａ…太陽歯車の歯面とレンズの中心との間の距離（計測対象物の表面とレンズとの間の距離）、Ｌｂ…レンズの中心と先端面と間の距離（レンズと先端面と間の距離）

Claims (4)

1. 光ファイバを複数本束ねて構成される光ファイバケーブルであって、先端面に対向配置されたレンズを有する光ファイバケーブルの先端部を、計測対象物の表面に対向配置させ、前記光ファイバケーブルの基端面をカメラにより撮影し、その撮影結果に基づいて前記計測対象物の表面状態を計測する表面状態計測方法であって、
   前記表面状態の計測に先立って実行され、光の放射率の相対的に高い高放射セル、および光の放射率の相対的に低い低放射セルを含む多数の放射セルを所定パターンで配列したピント確認板を、前記計測対象物の表面の計測領域に配置するピント確認板配置ステップと、
   前記表面状態の計測に先立って実行され、前記光ファイバケーブルの前記先端部を、各光ファイバが各放射セルに対向するように、前記ピント確認板に対向配置させるケーブル配置ステップと、
   前記表面状態の計測に先立って実行され、前記光ファイバケーブルの基端面に表れる前記多数の放射セルのパターンの複数光ファイバ間の光の輻射量の差が大きくなるように、前記計測対象物の表面と前記レンズとの間の距離および／または前記レンズと前記先端面と間の距離を調節して、前記レンズの焦点を所定の最適位置に合わせる焦点合わせステップとを含む、表面状態計測方法。
2. 前記ピント確認板の前記多数の放射セルは、各放射セルの周囲を６つの放射セルで取り囲むように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の表面状態計測方法。
3. 前記ピント確認板の前記多数の放射セルはハニカム構造を有していることを特徴とする、請求項２に記載の表面状態計測方法。
4. 前記ピント確認板の多数の放射セルは、高放射セルおよび低放射セルの一方の周囲を、高放射セルおよび低放射セルの他方で取り囲むように配置されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の表面状態計測方法。