JPH06241737A

JPH06241737A - 断面面積および容積計測装置

Info

Publication number: JPH06241737A
Application number: JP6801193A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Tsukada; 敏彦塚田; Osamu Koseki; 修小関; Arata Yamamoto; 新山本
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】エンジンシリンダヘッド燃焼室等のように穴
のある容器の容積を非接触で、正確かつ迅速に測定す
る。【構成】測定対象物１０からの反射スリット光の画像
をＴＶカメラ３０で得て、これよりスリット光の断面面
積（切断面面積）を測定する。ここで、設計寸法値記憶
回路３６に測定対象物１０の設計寸法を記憶しておき、
スリット光１２の照射されている部分の設計寸法と、実
際に測定されたスリット光像の形状を比較し、実際に蓋
がされると考えられる位置を決定する。そして、この仮
想の蓋をして、断面面積を求める。さらに、搬送制御回
路２２によって、測定対象物１０を移動して、容積を求
める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、凹状の３次元測定対象
物の断面面積および容積を光学的に計測する装置。さら
に詳しくは、測定対象物の底に穴等が存在するために、
容積の測定が困難な物、例えば、エンジンのシリンダヘ
ッド燃焼室のように、バルブ穴やプラグ穴があるために
容積の測定が困難なものの断面面積および容積を光学的
に計測する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、多気筒自動車エンジンのシリン
ダヘッドは、鋳造により作られている。このため、鋳造
時の中子のずれや傾きにより、気筒間で燃焼室容積に変
動が出る場合がある。自動車のエンジンの気筒間での燃
焼室容積のバラつきは、爆発力のバラつきとなり、出力
の低下・振動の原因となる。そして、出力の低下は、燃
費に悪影響を及ぼし、振動の発生は、乗り心地に悪影響
を及ぼす。このため、気筒間の燃焼室容積を等しく加工
するために、全てのエンジンの燃焼室容積を測定する必
要がある。

【０００３】ここで、各燃焼室容積を同一にするために
は、まず各燃焼室の容積を計測しなければならない。と
ころが、燃焼室にはバルブ穴やプラグ穴があるために、
容積を測定する時にはそれらをふさぐ必要がある。

【０００４】そこで、従来より、バルブ穴とプラグ穴に
バルブとプラグを挿入してふさぎ、燃焼室に灯油を注入
してその注入量で容積を測定する方法がある。この方法
によれば、実際の使用状態と同様の条件で容量測定が行
えるため、高精度の測定を行うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法で
は、バルブ・プラグの挿入や灯油の注入に時間がかかっ
てしまい、インライン検査には適用できないという問題
点があった。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点を解決
し、エンジンシリンダヘッド燃焼室等バルブ穴やプラグ
穴がある場合でもそれらに、バルブ・プラグを挿入して
穴をふさぐことなく、非接触で測定対象物の断面面積お
よび容積の計測を行う装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る断面面積計
測装置は、スリット光を発生し凹状の測定対象物に向け
て投射するためのスリット光源と、測定対象物にあたっ
たスリット光を観察するためのテレビカメラと、テレビ
カメラにより得られた画像からスリット光像の３次元座
標を検出する実測３次元座標検出回路と、測定対象物の
設計寸法値を予め記憶する設計寸法値記憶回路と、記憶
されている設計寸法値からスリット光像に対応する切断
面についての３次元座標を算出する設計３次元座標検出
回路と、実測したスリット光像の３次元座標と、設計寸
法値から求められた切断面の３次元座標を比較して、測
定対象物に存在する穴部に対する仮想の蓋を示す仮想線
分を決定する仮想線分決定手段と、決定された仮想線分
に基づいて実際に求められたスリット光像の面積を求め
切断断面面積を求める断面面積算出回路と、を具備する
ことを特徴とする。

【０００８】さらに、本発明に係る容積計測装置は、請
求項１に記載の断面面積計測装置に加え、測定対象物と
スリット光の相対位置を変更するための搬送機構と、断
面面積と移動量を基に容積を算出する容積算出回路と、
をさらに具備することを特徴とする。

【０００９】

【作用】測定対象物にスリット光を投射して、テレビカ
メラによりそのスリット光像を検出する。得られたスリ
ット光像からその３次元座標を検出する。この時、測定
対象物の撮像部位によっては穴によって、得られた３次
元座標にとぎれが生じる場合がある。例えば、バルブ穴
によるとぎれであれば、バルブが挿入された場合を想定
した仮想的な線分により補完を行う。断面面積算出回路
では、補完された３次元座標を基に燃焼室の断面面積を
算出する。

【００１０】このようにして、１つの切断面の面積を算
出すると、搬送回路によりスリット光の投射位置を少し
移動させて再び断面面積を算出する。そして、得られた
断面面積を搬送回路の移動量を全体に渡り積分すること
により、燃焼室容積を算出する。

【００１１】

【発明の効果】このように、本発明によれば、、エンジ
ンシリンダヘッド燃焼室等のバルブ穴やプラグ穴がある
場合には、それらに、スリット光を投射して断面の３次
元形状を検出し、穴等によりその形状が途切れる場合で
も、仮想的な底を張る処理を取り入れることにより、断
面面積の算出を可能にした。さらに、搬送系による移動
量と断面面積とを積分することにより、非接触で光学的
に容積の計測を行うことができる。

【００１２】

【実施例】実施例の構成本発明の実施例装置の構成を図１に示す。エンジンシリ
ンダヘッド等の測定対象物１０の上方には、測定対象物
１０にスリット光１２を照射するスリット光源１４が設
けられている。このスリット光源１４にはスリット光制
御回路１６が接続されており、スリット光源１４から射
出されるスリット光の強度等はスリット光制御回路１６
によって制御される。

【００１３】測定対象物１０は、ＸＹステージ２０上の
所定の位置に載置固定される。このＸＹステージ２０は
所定の平面内で移動可能であり、搬送制御回路２２から
の信号によって、位置が決定される。なお、搬送速度等
に応じてスリット光１６の強度調整を行わなければなら
ない場合もあり、搬送制御回路２２のＸＹステージ２０
駆動についてのデータはスリット光制御回路１６にも供
給される。

【００１４】また、測定対象物１０の斜め上方には、測
定対象物１０に照射されたスリット光１２による像を撮
影するためのＴＶカメラ３０が設けられており、このＴ
Ｖカメラには実測３次元座標検出回路の一部を構成する
切断面スリット光像検出回路３２が接続されている。こ
の切断面スリット光像検出回路３２は、ＴＶカメラ３０
から送られてくる画像信号から測定対象物１０の測定切
断面についてのスリット光像を検出する。切断面スリッ
ト光像検出回路３２には、実測３次元座標検出回路の他
の一部を構成する切断面３次元座標検出回路３４が接続
されており、ここでスリット光像（測定切断面）の３次
元座標を検出する。すなわち、測定対象物１０、スリッ
ト光源１４、ＴＶカメラ３０の配置位置は予め分かって
いるため、切断面スリット光像検出回路３２において得
たスリット光像から三角測量の原理によりその３次元座
標を検出することができる。

【００１５】一方、本装置は、設計寸法値記憶回路３６
を有しており、ここに測定対象物の形状についての設計
寸法値を記憶してある。この設計寸法値は測定切断面設
計寸法値検出回路３８に供給される。また、この測定切
断面設計寸法値検出回路３８には、搬送制御回路２２か
らＸＹステージ２０の駆動についての情報も供給されて
いる。そして、測定切断面設計寸法値検出回路３８は供
給される２つの情報から切断面３次元座標検出回路３４
で実際の測定によって得た座標に対応する切断面につい
ての設計寸法値を出力する。

【００１６】切断面３次元座標検出回路３４において検
出した測定切断面の３次元座標および測定切断面設計寸
法値検出回路３８から出力された測定切断面に対応する
設計寸法値は、仮想線分決定回路の一部を構成する切断
面特徴抽出回路４０に供給される。この切断面特徴抽出
回路４０は、後述するように供給されるデータの比較か
ら、測定対象物に存在する穴に対し仮想的な底を張る場
合に適した点（特徴点）を抽出する。

【００１７】切断面特徴抽出回路４０は、抽出した特徴
点についてのデータおよび切断面の３次元座標について
のデータを仮想線分決定回路の他の一部を構成する燃焼
室領域決定回路４２に供給する。燃焼室領域決定回路４
２は、供給された切断面の３次元座標についてのデータ
に基づき抽出された特徴点を参考に穴を塞ぎ、測定対象
となる燃焼室の領域を決定し、これを断面面積算出回路
４４に供給する。断面面積算出回路４４は、この領域の
３次元座標に基づいて断面面積を算出する。

【００１８】そして、容量算出回路４６は、搬送制御回
路２２からのデータによって、各位置における断面面積
から測定対象物の容積を求める。

【００１９】測定対象物の構成図２には、測定対象物１０の一例であるエンジンシリン
ダヘッド５０の説明図であり、図において斜線部で示す
燃焼室５２の容積を計測する。シリンダヘッド燃焼室５
２の容積とは、バルブ穴及びプラグ穴にバルブ及びプラ
グを挿入して穴をふさいだ時のくぼみ部分の容積をさ
す。シリンダヘッド燃焼室５２は、鋳造により成形され
た後、図３に示すようにバルブ穴５４及びプラグ穴５６
が加工される。そのため、表面には鋳物面５８と穴周囲
の加工面６０が混在している。容積計測は、バルブ穴５
４及びプラグ穴５６の加工後行われ、この測定値を基に
上面を削る量を決め仕上げ加工をして、各気筒間の燃焼
室容積をそろえるようにしている。なお、この例では、
燃焼室５２の直径は７０ｍｍ、深さ１０ｍｍとなってい
る。また、シリンダヘッド５０には、加工の際の基準と
なる加工ノック穴５０ａが形成されている。バルブ穴及
びプラグ穴等の加工はすべてこの加工ノック穴を基準と
して行われ、本実施例における測定もこの加工ノック穴
を基準として行っている。

【００２０】装置の外観図４は、実施例の装置の概略斜視図である。このよう
に、シリンダヘッド５０は、ＸＹステージ２０に加工ノ
ック穴５０ａを基準として載置固定される。ＸＹステー
ジ２０は、Ｘ方向に移動可能なＸステージ２０ｂとＹ方
向に移動可能なＹステージ２０ａとからなっており、こ
のＸステージの移動はエンコーダ２０ｃによって検出で
きるようになっている。さらに、搬送制御回路２２はＸ
Ｙステージ２０の駆動をフィードバック制御することが
できる。なお、図における処理部７０は、上述の各種デ
ータ処理を行うものである。また、Ｙステージ２０ａは
シリンダヘッドの大きさに合せて４００ｍｍ、Ｘステー
ジ２０ｂは２００ｍｍの範囲で移動可能となっている。

【００２１】測定を行う場合は、まずＸＹステージ２０
のＸステージ２０ｂ上に加工ノック穴５０ａを基準とし
て、シリンダヘッド５０を位置決めする。ここで、ＸＹ
ステージ２０の原点と加工ノック穴５０ａの位置関係は
固定である。さらに、加工ノック穴５０ａと各加工部
（バルブ穴５４・プラグ穴５６等）との位置関係は、加
工寸法値より検出できるので、加工ノック穴５０ａと各
加工部の位置はＸＹステージ２０による座標系の位置に
換算可能である。測定時には、搬送機構により図４に示
すように、切断面の測定を行う。

【００２２】測定動作本実施例では、測定は以下のようにして行っている。測
定の開始と共に搬送制御回路２２からの信号に基づきＸ
Ｙステージ２０により測定対象物１０を測定開始点に搬
送し、投射したスリット光１２とＴＶカメラ３０により
燃焼室の切断面の３次元形状を得る。Ｘステージ２０ｂ
により測定対象物を移動させながら、燃焼室全体の切断
面の３次元形状を切断面３次元座標検出回路３４にＸス
テージの位置情報と共に記憶する。燃焼室全体の３次元
形状を記憶した後に、各断面について断面面積を算出
し、各位置情報より得られる移動量との積分により容積
を算出する。以下に、一連の容積計測手順について詳述
する。

【００２３】スリット光源スリット光源１４は、波長８３０ｎｍの赤外半導体レー
ザを用いている。スポット状に発せられた光を、２つの
レンズによって光学的にスリット光としている。赤外の
波長を用いることにより、可視光による測定への影響を
低減している。スリット光１２の長さは１２０ｍｍで、
幅は半値幅で０．５ｍｍであり、幅方向の強度はほぼ正
規分布している。また、測定部位を示すために、波長７
８０ｎｍの赤色光を重畳させている。さらに、スリット
光１２の長手方向は、ＸＹステージ２０のＹ方向と一致
している。

【００２４】ＴＶカメラ３０は、スリット光の波長のみ
を透過する光学フィルタを介して、対象物上にスリット
光源１４により形成された光切断線（スリット光像）を
ＹＺ平面に対し斜め方向から撮像する。撮像の範囲は、
１２０ｍｍ（Ｙ）×±２５ｍｍ（Ｚ）としている。

【００２５】重心座標の検出についてスリット光検出回路３２は、ＴＶカメラ３０により得ら
れたスリット光画像から、その重心座標を検出する。す
なわち、図５に示すように、ＴＶカメラ３０により、測
定対象物１０上に投射されたスリット光の画像が得られ
る。この画像に対して、予め設定したしきい値によりノ
イズを取り除く。また、スリット光像に相当する部分
は、投射するスリット光１２の幅が、半値幅で０．５mm
であるので、ＴＶカメラ３０の受光素子上ではｉ方向に
約４〜５画素に感度を持つ。これに対して、Ｚ方向の測
定の精度を上げるため、スリット光１２の重心位置の検
出する。各ｊ座標に対して、Ｐ（ｊ）＝Σ［Ｌ（ｉ）＊ｉ］／ΣＬ（ｉ）により、ｉ方向における輝度の重心をそれぞれ求める。
ここで、Σはｉ＝１からｉ＝Ｉ（Ｉはｉ方向の画素数）
までの和をとる。これによって、スリット光像のｉ方向
の位置Ｐ（ｊ）が、各ｊ座標についてそれぞれ求まり、
重心座標が得られる。ここで、Ｌ（ｉ）は、ｉ番目の画
素輝度である。なお、これらの処理は高速化のため、す
べてハードウェアにより行われる。

【００２６】Ｙ，Ｚデータの記憶切断面３次元座標検出回路３４は、切断面スリット光像
検出回路３２からのスリット光の重心座標（ｉ，ｊ）に
基づき、対象物１０の光切断面の２次元座標（Ｙ，Ｚ）
を例えばmm単位、インチ単位で検出し、そのデータを記
憶する。ここで、ＴＶカメラ３０により得られる画像上
の座標（ｉ，ｊ）において、ｉはＺに、ｊはＹに対応し
ている。そして、この画像上の座標（ｉ，ｊ）と実際の
測定対象物１０の光切断面の２次元座標（Ｙ，Ｚ）に
は、１対１の関係があり、これは予め求められる。本実
施例では、この２次元座標（Ｙ，Ｚ）の検出を高速に行
うために、予めＴＶカメラ３０の座標（ｉ，ｊ）と２次
元座標（Ｙ，Ｚ）との対応を示すルックアップテーブル
を準備しており、これを利用してスリット光像（切断
面）の絶対座標（Ｙ，Ｚ）を得る。ここで、得られる３
次元絶対座標の単位系は設計値寸法の単位系に合わせて
mmとしてある。このため、絶対座標の値と設計寸法値の
単位が揃っており、設計寸法の利用が容易に行える。な
お、高速化のため、ルックアップテーブルは、ハードウ
ェアＲＯＭ上に記憶させておく。

【００２７】こうして得られたデータは、切断面３次元
座標検出回路３４が有するメモリに以下に示すように、
各ｊについてＹ，Ｚの座標を順次記憶される。

【００２８】ｊＹＺ１１２２０２１５２０３１８２１・・・・・・また、これらのデータが得られるスリット光投射時のＸ
ステージの位置も、搬送制御回路２２より与えられ、Ｘ
座標として同時に記憶される。１断面分のデータの記憶
が終了すると、搬送制御回路２２とスリット光制御回路
１６に信号が送られ、Ｘステージにより対象物を所定量
移動させ、次の切断面についての測定のため上述の動作
が繰り返される。このようにして燃焼室全体の切断面の
３次元形状とその位置の情報が３次元座標（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）として切断面３次元座標検出回路３４のメモリに記
憶される。

【００２９】スリット光強度調整の方法スリット光制御回路１６は、投射するスリット光１２の
強度と時間を制御する。対象が金属のため、測定部位に
よっては、スリット光１２が正反射してカメラがハレー
ションを起こす場合や、逆に反射光が弱い場合がある。
このようなときには、切断面スリット光像検出回路３４
からの情報により、スリット光強度の調節を行い、適正
な強度の反射光が得られるようにする。具体的には、代
表的なｊ座標（例えばｊ＝５０，１００，１５０…のよ
うに等間隔で画面全体）についての輝度ΣＬ（ｉ）をモ
ニタして、この値が予め定めた範囲内に収まるように投
射するスリット光１２の強度または時間の少なくとも一
方を制御する。なお、スリット光重心計算で用いるＬ
（ｉ）の最大値をモニタして、このモニタ値が予め定め
た範囲内に収まるよう制御を行っても良い。これによ
り、適切な強度の反射光を得られるようにした後に、上
述のように３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が記憶される。

【００３０】また、本実施例においては、測定対象を３
次元座標の測定毎に止めずに移動させたままで、測定対
象物１０を移動させた状態で測定を行っている。この
時、ステージの移動速度によっては、ＴＶカメラにより
得られる画像がぶれる場合がある。このような場合に
は、スリット光１２の投射時間を制御し、パルス発光と
して発光時間を短くすることにより、画像におけるぶれ
の発生を防ぐことができる。このように移動させたまま
で測定を行うことにより、計測時間の短縮と移動・停止
の繰り返しによるステージへの負担が低減されている。

【００３１】燃焼室の容積の算出燃焼室の容積５２を求めるためには、バルブ穴５４・プ
ラグ穴５６をふさぐ必要がある。本発明においては、バ
ルブを挿入したときに、バルブとバルブ穴５４が接触す
る点をもとに、仮想的な面をはり、バルブ穴５４をふさ
いでいる。バルブ穴の断面形状は図６に示すように、複
数の加工面でできている。このためバルブを挿入した時
に接触する部分は、図中Ａの部分（以下接触する点をバ
ルブ特徴点と呼ぶ）となる。断面面積を積分して容積を
求めるためには、切断面のバルブ特徴点を結ぶ線分によ
り仮想的な面（『底』）を張り断面面積を求め、積分に
より容積を算出した後、バルブ斜線部の容積（マスタバ
ルブにより計算で求める）を引算すれば良い。

【００３２】精度良く容積を求めるためには、各切断面
毎にバルブ特徴点を正確に検出する必要がある。このバ
ルブ特徴点を検出するために、得られた切断面の３次元
座標に基づき、画面全体でパタンマッチングを行う。こ
の場合、類似した特徴を有する部分も検出されるので、
それらの識別が難しい。さらに、広い範囲にわたる処理
のために、多くの時間を要してしまう。

【００３３】設計値寸法の記憶および接触点設計値の算
出そこで、本実施例においては、これらの課題に次のよう
に対処した。すなわち、加工時の設計寸法値（設計図）
から求められるバルブ特徴点の位置を参照して、実測値
の中からその特徴点を検出する方法である。この方法に
よると、画面全体を探索する必要がなく、バルブ特徴点
の近傍のみを探索すれば良い。本実施例では、設計寸法
値記憶回路３６に、設計上のバルブ特徴点の位置に関す
る情報を記憶し、測定測定切断面設計寸法値検出回路３
８により、各切断面でのバルブ特徴点の位置の読み出し
を行っている。

【００３４】設計寸法値記憶回路３６は、シリンダヘッ
ドの設計寸法上のバルブ穴とバルブを挿入したときに接
触する部分の位置に関する情報（以下、接触点設計値と
いう）を記憶する。３次元空間中では接触点列の形状
は、リング状になるため、これを３次元座標の点列とし
て記憶するためには大量のメモリを必要とする。さら
に、本実施例での測定においては、各断面測定での光切
断面中のバルブ特徴点の座標のみを必要とする。このた
め、すべての接触点設計値を記憶しておいても、さらに
その中から測定切断面に含まれる接触点設計値を選び出
す作業が必要となる。そこで、設計寸法値記憶回路３６
には、メモリが節約でき、さらに必要な接触点設計値が
迅速に検出できるように、バルブ穴の加工寸法値のうち
中心位置、半径、傾きのみを記憶しておく。

【００３５】測定切断面設計寸法値検出回路３８は、搬
送制御回路２２からの測定位置情報を基に、設計寸法値
記憶回路３６から測定した切断面における接触点設計値
を検出する。

【００３６】ここで、具体的な検出の方法について述べ
る。図７に示すように、例えば１つのシリンダヘッドに
３つの燃焼室がある場合には、それぞれの燃焼室の位置
を加工ノック穴を基準として定める。例えば、加工ノッ
ク穴から各燃焼室の代表位置である中心線までのＹ方向
の距離（β１，β２，β３）で代表させる。以下、第１
番目の燃焼室について説明するが、第２，３番目の燃焼
室についても同様である。

【００３７】この例は、バルブ穴がＸ軸方向に傾いて加
工された燃焼室についてのものであり、搬送制御回路２
２より供給される位置Ｘ＝αでのＹＺ平面、ＸＹ平面の
断面図を図８，図９に示す。まず、接触点設計値のＺ座
標は、図８に示すように、バルブの中心位置（Ｘｅ，Ｙ
ｅ，Ｚｅ）とバルブ穴の半径ｒｅおよび傾きθを設計寸
法値より求めることにより、計算により算出できる。

【００３８】すなわち、Ｚ＝Ｚｅ＋（α−Ｘｅ）ｔａｎθ により、算出することができる。

【００３９】また、接触点設計値のＹ座標についても次
のようにして算出することができる。すなわち、バルブ
穴の傾きθを考慮すると、バルブ穴の半径ｒｅは、ＸＹ
平面上におけるスリット光からバルブ穴中心までの距離
（ａ−Ｘｅ）／ｃｏｓθと、ＸＹ平面上における半径ｒ
ｅの射影であるｐにより、ｒｅ²＝（（α−Ｘｅ）／ｃｏｓθ）²＋ｐ² で表される。

【００４０】従って、ｐ＝±√｛ｒｅ²−（（α−Ｘｅ）／ｃｏｓθ）²｝が計算できる。このため、接触点設計値のＹ座標γ1 、
γ2 は、 γ1 ＝Ｙe1＋ｐ γ2 ＝Ｙe2＋ｐのようにして求まる。

【００４１】このように、搬送制御回路２２からの測定
位置情報と、設計寸法記憶回路３６から供給される設計
寸法値を基に接触点設計値を検出する。

【００４２】また、別の実施例として、バルブ穴ＸＹ平
面に加工された燃焼室の場合を示す。Ｘ＝αの位置でＹ
Ｚ平面と平行にスリット光を投射した場合のＸＺ平面、
ＸＹ平面の断面図を図１０，図１１に示す。まず、接触
点設計値のＺ座標については、図１０に示すように、バ
ルブの中心位置（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）とバルブ穴の半径
ｒｅがわかれば、Ｚ＝Ｚｅ＋（α−Ｘｅ）により算出できる。

【００４３】また、接触点設計値のＹ座標についても上
述の場合と同様に、ｒｅ²＝（α−Ｘｅ）²＋ｐ² より、ｐ＝±√｛ｒｅ²−（α−Ｘｅ）²｝が得られ、Ｙ座標が、 γ1 ＝Ｙe1＋ｐ，γ2 ＝Ｙe2＋ｐにより得られる。

【００４４】このように、上記実施例と同様に、搬送制
御回路２２からの測定位置情報と、設計寸法値記憶回路
３６から供給される設計寸法値を基に接触点設計値を検
出する。

【００４５】バルブ特徴点のみつけ方切断面特徴抽出回路４０は、接触点設計値に基づいて、
実測した３次元座標データからバルブ特徴点を抽出す
る。バルブ特徴点は設計値として与えられる角度で加工
面が交わってできる点である。そのために、得られた３
次元座標データ全体を調べていたのでは、多大な時間を
要し、さらには検出精度も満足できるものではない。そ
こで、バルブ特徴点の抽出は設計寸法値を用いて以下の
ようにして行う。すなわち、設計値と実測した３次元座
標データは、バルブ穴の加工が要求精度内で行われてい
れば、これらを重ね合わせたとき、バルブ特徴点の位置
はほぼ一致するはずである。ゆえに、設計値のバルブ穴
特徴点の周辺のみを探索することにより、バルブ特徴点
を実測値から短時間に精度良く検出できる。検出の方法
としては、図１２に示すように、ＴＶカメラ３０によっ
て得られた画面上で、設計値のバルブ特徴点の位置を中
心に、Ｍ×Ｍの領域を設定する。ここで、一辺の大きさ
Ｍは加工精度に基づいて決定する。本実施例では、加工
精度の５倍程度の長さとしている。次に、Ｍ×Ｍの領域
の中の実測値データから連続した隣接する３点を選び、
隣接する点を線分で結びこれら２つの線分のなす角度を
求める。そして、この角度が特徴点の設計値に基づく角
度に最も近いときの前記隣接する点の真中の点をバルブ
特徴点とする。３点の選び方としては上述のごとく連続
した隣接する３点でも良いが、２，３点離れた点を選ぶ
と、ノイズの影響が少なくできるのでより精度の良い検
出が可能となる。

【００４６】さらに、特徴点を精度良く検出するために
は、図１３に示すように、領域内の両端からそれぞれＮ
点を選び、これらの点を基に最小２乗法により直線を引
き、２本の直線の交わった点をバルブ特徴点とする方法
がある。この場合のＮの選び方は、加工精度により決め
る。なお、Ｎ点の中にバルブ特徴点が含まれないように
選ぶことが好適である。なお、加工精度が高い場合に
は、図１４に示すように、設計値のバルブ特徴点に最も
近い実測データの点をバルブ特徴点とすることにより、
さらに高速にバルブ特徴点を検出することもできる。

【００４７】また、ノイズ除去については、切断面の３
次元座標データを基にして、スパイク状のノイズを取り
除き、また平滑化によってランダムノイズを取り除く。
さらに、上述したようにシリンダヘッド等、測定対象物
の設計値寸法がわかっている場合には、その部分の設計
値と実測の３次元データを比較することにより、ノイズ
を検出し除去することも可能である。

【００４８】燃料室領域の決定燃焼室領域決定回路４２は、実測データから抽出したバ
ルブ特徴点をもとにバルブ穴をふさいだ後、上面に仮想
的なふたをして断面面積を計算するための燃焼室領域
（閉領域）を決定する。具体的には、抽出したバルブ特
徴点を結ぶ線分によりバルブ穴をふさぎ、さらに上面に
ふたをするために、図１５に示すように、ｍ，ｎの部分
のデータを用いる。この２つの部分から何点かを選び、
最小２乗法により直線を求め、その直線を仮想的なふた
として面積を算出するための閉領域を設定する。

【００４９】断面面積の算出断面面積算出回路４４は、１回のスリット光投射により
得られた切断面の面積を算出するための回路である。断
面面積の計算方法として、図１６に示すように、燃焼室
部分の『底』に相当する部分のデータ点から『ふた』に
垂線をおろし、燃焼室断面を短冊状に分ける。つぎに、
垂線の長さＺ_iと隣り合う垂線の間隔Ｗｉの積により各
短冊の面積Ｓ_iを求める。最後に、すべての短冊の面積
を加算する（ΣＳ_i）ことにより断面面積を求める。こ
こで計測時間を短縮するために、各短冊の面積を計算す
ることをやめて、垂線の長さのＺ_iのみを加算し（ΣＺ
_i）、最後にＹ方向の短冊の幅をかけて（ΔＹ×Σ
Ｚ_i）断面面積を求めることもできる。ΔＹはＹ方向の
画素分解能とふたの傾きで求められる。

【００５０】容積の算出容積算出回路４６は、断面面積算出回路４４より与えら
れる断面面積と、切断面３次元座標検出回路３４に記憶
された切断面の位置情報に基づき容積を算出する回路で
ある。図２３に容積の算出方法について示す。ステージ
を移動させて、燃焼室全体にわたり切断面の面積を測定
したときの、ｉ番目の切断面について、面積算出回路４
４より与えられる切断面面積をＳ_i、切断面３次元座標
検出回路３４に記憶されたステージの位置をｄｉとし、
同様にｉ−１番目、ｉ＋１番目をそれぞれＳ_i-1，ｄ
_i-1，Ｓ_i+1，ｄ_i+1とすると、容積Ｖは、Ｖ＝Σ［Ｓ_i×（ｄ_i+1−ｄ_i-1）］／２で求められる。ここで、Σはｉ＝１からＫ（切断面の
数）までの和をとる。

【００５１】本実施例では、燃焼室全体の切断面の３次
元座標を記憶してから容積を算出しているが、各切断面
の３次元座標を検出する度毎に次式によりＶｉを求め容
積Ｖを算出しても良い。

【００５２】Ｖ＝Ｓ_i×（ｄ_i+1−ｄ_i-1）／２Ｖ＝ΣＶ_i（ｉ＝１〜Ｋ）これにより、切断面３次元座標検出回路３４のメモリを
節約することができる。なお、実際の燃焼室の容積は、
バルブやプラグを挿入したときの容積であり、一方上述
した式により求められる値は、バルブ特徴点より上の部
分のバルブ容積と、プラグ穴より燃焼室に向かって突き
出したプラグ容積を含んだ値である。そのために本実施
例では、バルブについてはマスタバルブを用いて特徴点
よりも上の部分の容積を測定し、プラグについてもマス
タプラグにより突き出した部分の容積を予め測定してお
き、式により求められた値からこれを引算して、燃焼室
容積を算出している。

【００５３】ピッチ制御の方法更に、搬送制御回路２２において、精度良く容積を測定
したい場合には、移動ピッチを細かくとり、逆に計測時
間を短縮させたい場合には、移動ピッチを大きくとるこ
とができる。また、設計値により予め大まかな形状が把
握できていれば、形状の変化のなだらかな所では、測定
のピッチを粗くし、逆に形状の変化が激しいところでは
測定のピッチを細かくすることにより、測定の精度と時
間を向上させることもできる。さらに、同一形状のもの
をいくつも計測する場合に、設計値などから容積に影響
を及ぼす部分が予め判っていれば、その部分について細
かく測定することも可能である。

【００５４】その他の構成対象の燃焼室５２の形状が切り立っていたり、深かった
りすると、ＴＶカメラ３０の視野に死角が生じる。死角
は、図１７に示すように、スリット光１２をＴＶカメラ
３０により観測できない領域に発生する。死角の領域で
は座標データが得られないので、死角がある場合には、
精度良く容積を測定することは難しい。死角領域を低減
するために、まず撮像の段階で死角が少なくなるような
位置関係に、スリット光源１４とＴＶカメラ３０を燃焼
室５２に対して配置して測定する必要がある。

【００５５】１つのスリット光源１４と１つのＴＶカメ
ラ３０で、３つの燃焼室５２の容量計測を行う場合、燃
焼室５２に対する位置関係として、図１８（ａ），
（ｂ）に示す２とおりの配置が考えられる。

【００５６】測定対象のシリンダヘッド５０は、インテ
ークバルブ５４ａとエグゾーストバルブ５４ｂは図１９
に示すように配置されている。また、燃焼室５０の断面
形状は、図中（ａ）方向になだらかに変化しているが、
（ｂ）方向には端の部分で急激に変化している。このた
め、図１８（ａ），（ｂ）に示すような位置関係で燃焼
室を計測した場合のそれぞれの死角領域は図２０
（ａ），（ｂ）に示すようになる。本計測では死角領域
が少なくなるよう、図１８（ａ）の配置により測定を行
っている。

【００５７】死角への対処（傾ける）さらには、本計測では、スリット光源１２とＴＶカメラ
３０の見込み角（４０°）と測定対象の形状を考慮し
て、図２１に示すように、スリット光源１２とＴＶカメ
ラ３０の配置を傾けることで、死角の影響を防いでい
る。具体的方法を以下に記す。設計寸法値より測定時の
移動方向の形状は円弧に近い形をしていることが判る。
円弧に対しては、見込み角の２等分線がその弦と垂直に
交わるように配置すると最も死角の影響を防ぐことがで
きる。そこで、本実施例では、スリット光１２の投射角
度を垂直から２０°傾け、精度を高くすると同時に、死
角の影響を防いでいる。

【００５８】死角への対処（２つのＴＶカメラ）スリット光源１２とＴＶカメラ３０と燃焼室を上述のよ
うに工夫して配置しても死角が発生するシリンダヘッド
については、以下のように対処している。他の構成例を
図２２に示す。このように、本実施例では、鉛直方向の
スリット光１２を挟んで対称の位置に２台のＴＶカメラ
３０、８０を設置している。そしてそれぞれのＴＶ３
０、８０カメラには、スリット光像検出回路３２、８２
および３次元座標検出回路３４、８４が接続されてい
る。それぞれのスリット光像検出回路３２、８２によ
り、ＴＶカメラ３０、８０で得た画像信号よりスリット
光像（切断面）を抽出する。そして、スリット光像の重
心座標と各ｊ座標における反射光強度ΣＬ（ｉ）を３次
元座標検出回路３４、８４へ供給する。ここでスリット
光重心座標は３次元座標（mm単位）に変換される。さら
に、３次元座標合成回路８６において、それぞれの反射
光強度の値を基に２つのデータを合成して、１つの切断
面についての３次元座標を得る。すなわち、一方のＴＶ
カメラで得られなかった部分のデータを他のＴＶカメラ
からのデータで補い、死角のないデータを得る。合成の
具体的な方法としては、各点における反射強度を比較し
ながら、強い方のデータを採用する二者択一の方法があ
るが、さらに信頼性を高めるために、両方の反射強度が
ある値以上の場合には、平均をとって３次元座標を構築
する方法もある。こうして構築されたデータは、切断面
特徴抽出回路４０に供給される。その他の構成は、上述
の実施例と同様である。

【００５９】なお、上記各実施例では、バルブ穴数４の
燃焼室を３つ有するシリンダヘッドを例に説明したが、
バルブ穴の数及び燃焼室の数はこれに限られるものでは
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の全体構成を示すブロック図である。

【図２】シリンダヘッド燃焼室の構成を示す説明図であ
る。

【図３】計測対象のシリンダヘッドの構成図である。

【図４】装置の概略構成を示す斜視図である。

【図５】ＴＶカメラにより得られる画像を示す説明図で
ある。

【図６】特徴点（バルブと穴との接触点）の位置検出の
説明図である。

【図７】シンリンダヘッドの外観を示す概略斜視図であ
る。

【図８】バルブ穴がＸ軸方向に傾いて加工された燃焼室
でのＸＺ平面による切断面を示す図である。

【図９】バルブ穴がＸ軸方向に傾いて加工された燃焼室
でのＸＹ平面による切断面を示す図である。

【図１０】バルブ穴がＸＹ平面に平行に加工された燃焼
室でのＸＺ平面による切断面を示す図である。

【図１１】バルブ穴がＸＹ平面に平行に加工された燃焼
室でのＹＺ平面による切断面を示す図である。

【図１２】特徴点（バルブと穴の接触点）の位置検出の
説明図である。

【図１３】特徴点（バルブと穴の接触点）の位置検出の
説明図である。

【図１４】特徴点（バルブと穴の接触点）の位置検出の
説明図である。

【図１５】バルブ穴を含む断面の説明図である。

【図１６】断面形状データからの断面面積算出の説明図
である。

【図１７】死角の発生の説明図である。

【図１８】スリット光源とＴＶカメラと燃焼室の位置関
係を示す説明図である。

【図１９】燃焼室とその断面形状を示す構成図である。

【図２０】スリット光源とＴＶカメラと燃焼室の位置関
係による死角領域の相違を示す説明図である。

【図２１】スリット光源とＴＶカメラを傾けての死角領
域の低減の説明図である。

【図２２】他の構成例の構成ブロック図である。

【図２３】断面面積から容積を算出する方法を説明する
図である。

【符号の説明】

１０測定対象物１２スリット光１４スリット光源２０ＸＹステージ２２搬送制御回路３０ＴＶカメラ３２切断面スリット光像検出回路３４切断面３次元座標検出回路３６設計寸法値記憶回路３８測定切断面設計寸法値検出回路４０切断面特徴抽出回路４２燃焼室領域決定回路４４断面面積算出回路４６容積算出回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スリット光を発生し凹状の測定対象物に
向けて投射するためのスリット光源と、測定対象物にあたったスリット光を観察するためのテレ
ビカメラと、テレビカメラにより得られた画像からスリット光像の３
次元座標を検出する実測３次元座標検出回路と、測定対象物の設計寸法値を予め記憶する設計寸法値記憶
回路と、記憶されている設計寸法値からスリット光像に対応する
切断面についての３次元座標を算出する設計３次元座標
検出回路と、実測したスリット光像の３次元座標と、設計寸法値から
求められた切断面の３次元座標を比較して、測定対象物
に存在する穴部に対する仮想の蓋の位置を決定する仮想
線分決定回路と、決定された輪郭に基づいて実際に求められたスリット光
像の面積を求め切断断面面積を求める断面面積算出回路
と、を具備することを特徴とする断面面積計測装置。
【請求項２】スリット光を発生し凹状の測定対象物に
向けて投射するためのスリット光源と、測定対象物にあたったスリット光を観察するためのテレ
ビカメラと、テレビカメラにより得られた画像からスリット光像の３
次元座標を検出する実測３次元座標検出回路と、測定対象物の設計寸法値を予め記憶する設計寸法値記憶
回路と、記憶されている設計寸法値からスリット光像に対応する
切断面についての３次元座標を算出する設計３次元座標
検出回路と、実測した光像の３次元座標と、設計寸法値から求められ
た切断面の３次元座標を比較して、測定対象物に存在す
る穴部に対する仮想の蓋の位置を決定する仮想線分決定
手段と、決定された輪郭に基づいて実際に求められたスリット光
像の面積を求め切断断面積を求める断面面積算出回路
と、測定対象物を位置決めして搬送するための搬送機構と、断面面積と移動量を基に容積を算出する容積算出回路
と、を具備することを特徴とする容積計測装置。