JP7138571B2 - シート要素加工機のための品質管理ステーション及び品質管理ステーションのための照明ユニット - Google Patents

Description

本発明は、シート要素加工機のための品質管理ステーション及び品質管理ステーションのための照明ユニットに関する。

本明細書において用語「シート要素加工機」は、紙、段ボール、又は他の類似の材料などのシート要素を加工するために使用される何らかの機械、詳細には印刷機、コーティング機、ラミネート加工機、及び加工機（例えば、裁断機、スタンピング機、折り畳み機、及び／又は糊付け機）を意味する。

カメラを用いてシート要素の品質を管理することは一般に知られている。一般的に言えば、カメラは、品質管理ステーションを通過するシート要素の画像を取り込み、取り込まれた画像は、シート要素がある基準を満たしているかに関する情報を取得するために、様々なパラメータに関して分析される。

カメラが所望の画像を取り込むことができるようにカメラの視域（画像が取り込まれるシート要素の部分）を照明する必要がある。照明ユニットは、可能な限り一定の照度で光を放出することが重要である。

特定の既知の視域を一定に照度で照明するのを保証することはそれほど難しくはないが、品質管理ステーションが、異なる高さのシート要素（例えば、薄い紙及び厚い段ボール）を受け入れることが意図されている場合、これは自動的に視域の「高さ」（シート要素の支持面からのシート要素上面の距離）の変化をもたらすので問題点が自動的に現れる。単純な例として、厚さ１２ｍｍの段ボールを検査すると想定すると、視域は厚さ０．５ｍｍの紙の場合に比べて１１．５ｍｍだけ高く位置付けられる。

本発明の目的は、余分な改変を伴うことなく異なる厚さの種々の媒体に適合することができる品質管理ステーションを提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、シート要素加工機のための品質管理ステーションを提供し、この品質管理ステーションは、品質管理ステーションを通って移送されるシート要素の画像を取り込むように配置された少なくとも１つのカメラと、さらに少なくとも１つの発光体及び２つの反射器を備えた照明ユニットと、を有し、照明ユニットは、媒体の厚さの変化にもかかわらず照度が一定であるように、カメラの視域上に光を向けるように構成される。本発明は、比較的広域にわたって（垂直に及びシート要素が進む方向に沿って）一定の照度でカメラの視域を照明するという考え方に基づいている。従って、照度は、その上でシート要素が送られる表面に近接した視域（薄いシート要素の場合）、又はこの表面から特定の高さにある視域（厚いシート要素の場合）に関わらず一定である。さらに、照度は、横断方向に沿って一様である。従って、品質管理ステーションは、シート要素加工機の中を通過する特定の媒体の厚さに応じて調節又は調整する必要はない。

品質管理ステーションで使用される照明ユニットは、この照明ユニットの長さに沿って延びる発光体を支持する基部と、発光体に沿って延びると共に互いに向かい合うように配置されている２つの反射器とを備えることができ、反射器の各々は、断面で見た場合に、放物線又は非球面輪郭、詳細には円錐形輪郭を有する。

特定の区域にわたって一定の照度は、発光体によってもたらされる３つの光部分を適切に重ね合わせることによって得られ、光の第１の部分は、発光体から第１の反射器に向かって放出されかつ視域に向かって反射される。光の第２の部分は、発光体から第２の反射器に向かって放出されかつ視域に向かって反射される。光の第３の部分は、発光体から視域に向かって直接放出される。２つの別個の反射器を使用することで、第１及び第２の反射器によって視域上に反射された光は、個別に調節することができ、その結果、視域上に直接当たる光と重なり合う場合に最終的に一定の照度を得ることができる。

発光体は、所望の照度及び波長の光を発生し得る何らかの形態で実装することができる。好ましくは、発光体は、互いに近接して配置された複数のＬＥＤから形成される。ＬＥＤは小型で熱損失が僅かであり、小型照明ユニットの中に組み込むことができる。

好ましい実施形態によれば、発光体は、基部に直接隣接して配置される。これは、照明ユニットの小型構成を助長し、視域から照明ユニットの中を見た場合に発光体の「後方」に反射器を配置しないことが可能になる。また、この構成は、熱出力消散に好都合でもある。ＬＥＤ（裏面）と支持体との間の熱経路は非常に短い。さらに、基部に水冷又は空冷用ダクトを組み込むことができる。

ＬＥＤの光強度特性に鑑みて、１０°から２０°程度の開口角が、照明ユニットの光軸面と反射器との間に存在する。従って、ＬＥＤの光軸面に沿って高い照度で放出される光は、視域上に直接当たることができるが、もっと横方向に放出される光は反射器によって視域に向かって反射される。

約１２ｍｍの幅（シート要素が送られる方向での）及び／又は高さの区域にわたる視域の均一な照明を得るために、反射器の各々で反射される発光体のエネルギは、照明ユニットの光軸面から６から１０ｍｍ程度の距離で分散される。

拡散器は、照明ユニットに関連付けることができる。これにより、より一様な放射輝度を得ることができる。拡散器は、例えば、シート移動方向に対して直交する一方向にホログラフィックな拡散器とすることができる。

同じ輪郭の２つの反射器を使用することができる。特定の要件に応じて、一方の反射器の輪郭の変化量を他の反射器の輪郭の変化量に比べて小さくすることができるが、これらの変化量は、通常最小である。

好ましくは、照明ユニットは、シート要素が品質管理ステーションの中を通って送られる方向を横切る方向に特定の長さだけ延びる。好ましくは、照明ユニットの長さは２００ｍｍよりも大きく、視域の幅広い部分が照明される。

必要であれば、２又は３以上の照明ユニットを互いに隣接して配列することができる。また、２以上のカメラを使用することができる。詳細には、２又は３以上のカメラを互いに隣接して使用することができ、各カメラは、品質検査ステーション内のシート要素の移送通路の幅全体にわたって広がる狭い視域の一部の画像を取り込む。

好ましい実施形態によれば、反射器の光軸面は、視域が配置される平面に垂直な平面に対して約４５°の角度で配置される。この反射器の光軸面の配向によって、その幅に対応した高さを有する一定の照度の区域がもたらされる。一例として、一定照度の区域が高さ１２ｍｍを有する場合（結果的に薄い紙の表面が厚さ１２ｍｍの段ボールの表面と同じ照度で照明される）、この区域は、シート要素がカメラの視域を通って搬送される方向に沿って見た場合、同様に１２ｍｍにわたる。このことは、シートの移動方向におけるカメラの位置及び照明ユニットの位置に関する可能性のある公差が、視域内のそれぞれのシート要素の表面上の特定の点での照度に大きな影響を与えないことにつながる。

好ましくは、カメラの光軸面は、視域が配置される平面に垂直な平面に対して約２０°の角度で配置される。これは、システムの画像取り込み性能並びにカメラ及び照明ユニットを備える組立体の小型化の両方に関して好都合であることが分かっている。

シート要素加工機の典型的な検査条件に関して、発光体は、視域から６０から１２０ｍｍの距離で、詳細には９０ｍｍ程度の距離で配置することができる。

また、前述の目的は、品質管理ステーションで使用されるように構成された照明ユニットで達成することができ、照明ユニットはその長さに沿って延びる少なくとも１つの発光体を支持する基部と、発光体に沿って延びると共に互いに向かい合うように配置されている２つの反射器とを備え、反射器の各々は、断面で見た場合に円錐形輪郭を有し、照明ユニットは、照明領域に対応する矩形領域上で実質的に均一な照射分布をもたらし、照明領域は、媒体送り方向に特定の距離だけ広がり、均一な照射分布は、照明領域の特定の距離だけ上の高さに至る照明領域の上の異なる高さで存在する。

本発明は、添付図面に示されている好ましい実施形態を参照して以下に説明される。

シート要素加工機に用いられる本発明の実施形態の品質管理ステーションの概略的な側面図である。 図１の品質管理ステーションの概略的な上面図である。 本発明の実施形態によるカメラ及び照明ユニットの概略的な拡大図である。 大きな縮尺比で、右側に図３の照明ユニットの半分を示し、左側に典型的な照明ユニット内の発光体として使用されるＬＥＤの光強度の極線図を示す。 本発明の実施形態による照明ユニットから光を受け取る視域での光強度を概略的に示す。 個別の反射器から受光及び発光体から直接受光した視域における光強度並びに結果としての全光強度を概略的に示す。

図１には、搬送テーブル３が示されているシート要素加工機に用いられる品質管理ステーション２が概略的に示されている。シート要素加工機は、矢印Ａの方向に移送されるシート要素４を加工することができる。シート要素４は、紙、段ボール、プラスチックフイルム、又は類似の材料のシートとすること、又は長いウェブとすることができる。シート要素加工機は、印刷機、スタンピング機、ラミネート加工機、折り畳み機、糊付け機などを含むことができる。

品質管理ステーション２は、シート要素４の品質を管理するために使用される。概略的には、検査中のシート要素の表面に光を向ける照明ユニット５と、品質管理ステーションの中を通過中のシート要素４の画像を取り込むために用いられるカメラ６とが使用される。

詳細には、カメラ６は、シート要素が品質管理ステーション２の中を通過する方向Ａに対して直交する方向でシート要素の全幅にわたって広がる非常に狭い領域である視域７の画像を取り込む（図２も参照）。

品質管理ステーション２において、２以上の照明ユニット５を使用すること及び２以上のカメラ６を使用することもできる。詳細には、互いに隣接して配置された２つのカメラを使用することができ、第１のカメラは、視域７内のシートの左半分の画像を取り込み、第２のカメラは、視域７内のシートの右半分の画像を取り込む。

カメラ６で取り込んだ画像は制御装置８に供給され、この画像は、記憶された参照画像と比較され、及び／又は種々の事項で分析される。次に、制御装置８は、それぞれのシート要素４が所定の基準を満たすか否かを決定する。

照明ユニット５及びカメラ６の向きは、図２及び３に詳細に示されている。

搬送テーブル３の上面は、参照符号９で示されている。この上面は、（少なくとも視域７において）平ら又は平坦と考えることができる。従って、視域７内の検査されるシート要素４の上面も平ら又は平坦と考えられる。上面９に対して直交して（従って、視域７内でシート要素４の上面に対して直交して）、同様に方向Ａに対して直交して広がる平面は、符号Ｐで示される。

カメラ６は、その光軸面Ｏ₆が平面Ｐに対して角度αだけ傾斜するように配置されている。好ましい実施形態において、角度αは２０°程度である。構造的制約及び実行される検査の特定の特性に応じて、代替的に他の角度を選択することもできる。

照明ユニット５は、その光軸面Ｏ₅が平面Ｐに対して角度βだけ傾斜するように配置されている。好ましい実施形態において、角度βは４５°程度である。構造的制約及び実行される検査の特定の特性に応じて、他の角度を選択することもできる。

図３から分かるように、照明ユニット５は、基部１０、２つの反射器１２、１４、及び発光体１６を備える。

一部の用途向けに、拡散器１８を使用することができる。拡散器の例は、拡散がシートの移動方向に直交する方向にだけ機能するホログラフィック拡散器である。観察面において一定の放射輝度は必須ではないが、拡散器を使用することは、（金属基材のための）同じ面に沿って一定の放射輝度が望まれる場合に好都合な可能性がある。

基部１０は、照明ユニットの各要素の支持体であり、図３の平面に対して直交する方向に細長い。従って、基部１０は、シート要素４が品質検査ステーションの中を通過する方向Ａを横断して延びる。

照明ユニットの典型的な長さは３００から４００ｍｍ程度である。

発光体１６は、基部の長手方向に沿って広がり、照明ユニットの長さに沿って発光するように構成される。発光体１６は、照明ユニットの長さに沿って変化しない照度で光を発生することが可能である。実際には、発光体１６は、通常、短い間隔で近接して配置される複数の個別のＬＥＤを備えることができる。拡散器１８と組み合わせて、放出された光の照度は、照明ユニット５の長さに沿って変化しない（又は著しく変化しない）はずである。

対向する２つの反射器１２、１４が配置され、発光体１６は、反射器１２、１４の間に位置付けられる。図３及び４から分かるように、各反射器の輪郭は、略楕円形又は放物線形である。各反射器は、光軸面に対してほぼ対称的に配置される。各反射器の表面は、円錐面及び非球面変形の和である方程式で説明することができる。反射器１２、１４の両方は、正確に対称的に一致し、これらは光軸面に対して対称又はほぼ対称とすることができ、又はこれらは光学面形態で僅かに異なることができる。

各反射器は、適切な材料（例えば、アルミ合金又はプラスチック材）で製造された別個の構成要素とすることができ、その反射面は、研磨されるか又は反射コーティングを備えることができる。これらは基部１０に対してボルト２０で取り付けることができる。

図４の右側には、発光体１６に使用したＬＥＤが放出した光の強度が極線図で示されている。光強度は、光軸面Ｏ₅の近くで大きく（特に、光軸面Ｏ₅から０°－１５°の間の範囲で）、強度はより大きな角度に対して著しく低下することが分かる。

図４の左側には照明ユニット５が詳細に示されている。

発光体１６は、この発光体１６から生じた光の一部分が検査されることになるシート要素４の上に直接当たって視域７を照明するように、反射器１２、１４に対して配置されている。反射器１２、１４の幾何学的形状によって、この部分は、光軸面Ｏ₅から０°から約１８°の間の角度で発光体１６から出る光に対応する。この光の部分は、図４に照明ユニット５の外側の斜めに延びる光線で示されている。この光の視域７（図２）上の寄与度は全照明の約２５％である。

発光体１６から生じた光の第２及び第３の部分、すなわち、光軸面Ｏ₅から約１８°を超える角度で発光体１６から出る部分は、反射器１２、１４によって視域７に向けられる。これらの光部分の１つは、図４に光軸面Ｏ₅に対して平行に延びる光線で示されている。

光の３つの部分（発光体１６から直接生じる光の第１の部分、反射器１２で反射された第２の部分、及び反射器１４で反射された第３の部分）は、視域７で重なり合い、全体の光の照度が、数ミリメートルの幅（及び数ミリメートルの高さ）の領域上で一定となっている。

図５は、視域の全光強度Ｉ_tを示す。光強度は、１２ｍｍ幅の領域にわたってＸ方向（シート要素４の進行方向Ａに対応する）に一定であることが分かる。

光軸面Ｏ₅の配向の結果、光強度は、水平方向だけでなく垂直方向にも一定である。光強度が一定の領域の高さも１２ｍｍである。光軸面Ｏ５が４５°とは異なる角度βで配置されると、一定の光強度の領域の幅はその高さとは異なることになる。

用語「一定の光強度」は、光強度が完全に一定である必要はない。むしろ、この用語は、変動が生じ得る種々の条件下（例えば、薄い紙を厚い段ボールに変える）で行われる検査に影響を与えない程度に小さいとすれば、光強度の小さな変動を含む。実際には、基準点からの（ｚ方向又はｘ方向のいずれかにおける）３％／ｍｍ、より好ましくは０．５％／ｍｍから１％／ｍｍの偏差（及び一定の光強度の全領域に対する合計２％から５％）の光強度の変動は、「一定」と見なす。

図６は、発光体１６から生じて視域に当たる光の異なる部分が一定の全光強度Ｉ_tを得るために、どのように重なり合うかを詳細に示す。

ラインＩ_dは、発光体１６から視域内のシート要素４の上面に直接当たる光の強度を示す。

ラインＩ₁₂は、反射器１２から視域内のシート要素４の上面に反射される光の強度を示す。

ラインＩ１４は、反射器１４から視域内のシート要素４の上面に反射される光の強度を示す。

光の異なる部分は、全光強度Ｉ_tをもたらすことが分かり、全光強度Ｉ_tは、ここでは幅１２ｍｍであり、０ｍｍから１２ｍｍの種々の高さで広がることができる領域ｚ上で一定である。

Claims (12)

1. シート要素加工機のための品質管理ステーション（２）であって、
   前記品質管理ステーション（２）を通って移送されるシート要素（４）の上面の画像を取り込むように配置された少なくとも１つのカメラ（６）であって、前記カメラ（６）の光軸面（Ｏ ₆ ）は、前記シート要素（４）の前記上面に直交する平面（Ｐ）に対して傾斜している、前記カメラ（６）と、
   互いに対向するように配置された第１の反射器（１２）及び第２の反射器（１４）、及び、前記第１の反射器（１２）と前記第２の反射器（１４）との間に位置付けられる少なくとも１つの発光体（１６）、を有する照明ユニット（５）であって、前記照明ユニット（５）の光軸面（Ｏ₅）は、前記平面（Ｐ）及び前記カメラ（６）の光軸面（Ｏ₆）に対して傾斜している、前記照明ユニット（５）と、を備え、
   前記照明ユニット（５）は、
   光の第１の部分が、前記発光体（１６）によって前記第１の反射器（１２）の湾曲した反射面に向かって放出され、前記シート要素（４）の前記上面に向かって反射され、
   光の第２の部分が、前記発光体（１６）によって前記第２の反射器（１４）の湾曲した反射面に向かって放出され、前記シート要素（４）の前記上面に向かって反射され、
   光の第３の部分が、前記発光体（１６）によって前記シート要素（４）の前記上面に直接向かって放出されるように、前記カメラ（６）の視域に光を向けるように構成され、
   前記光の第１の部分、前記光の第２の部分、及び前記光の第３の部分は、前記シート要素（４）の厚さの変化にかかわらず前記シート要素（４）の前記上面における照度が一定であるように重なり合う、
   ことを特徴とする品質管理ステーション。
2. 前記照明ユニット（５）は、前記照明ユニット（５）の長さに沿って延びる前記発光体（１６）を支持する基部（１０）を備え、前記第１の反射器（１２）及び前記第２の反射器（１４）は、前記発光体（１６）に沿って延びるように配置され、前記第１の反射器（１２）及び前記第２の反射器（１４）の反射面の形状は、円錐面及び非球面変形の和である、
   請求項１に記載の品質管理ステーション。
3. 前記発光体（１６）は、隣接して配置された複数のＬＥＤから形成される、
   請求項１又は２に記載の品質管理ステーション。
4. 前記発光体（１６）は、前記基部（１０）に直ぐ隣接して配置される、
   請求項２に記載の品質管理ステーション。
5. 前記照明ユニット（５）の光軸面（Ｏ₅）と前記第１の反射器（１２）及び前記第２の反射器（１４）との間に２０°程度の開口角が存在する、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の品質管理ステーション。
6. 拡散器（１８）をさらに備える、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の品質管理ステーション。
7. 前記第１の反射器（１２）及び前記第２の反射器（１４）は、同じ輪郭を有する、
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の品質管理ステーション。
8. 前記照明ユニット（５）は、２００ｍｍより大きい長さを有する、
   請求項１ないし７のいずれか１項に記載の品質管理ステーション。
9. 前記照明ユニット（５）の光軸面（Ｏ₅）は、前記平面（Ｐ）に対して約４５°の角度βで配置されている、
   請求項１ないし８のいずれか１項に記載の品質管理ステーション。
10. 前記カメラ（６）の光軸面（Ｏ₆）は、前記平面（Ｐ）に対して約２０°の角度（α）で配置されている、
    請求項１ないし９のいずれか１項に記載の品質管理ステーション。
11. 前記発光体（１６）は、前記視域（７）から６０から１２０ｍｍの距離で、詳細には９０ｍｍ程度の距離で配置されている、
    請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の品質管理ステーション。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の品質管理ステーションに使用されるように構成された照明ユニット（５）。

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