JPH1172317A - スパングルサイズ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 顧客の要求するサイズのスパングルを擁する
製品の出荷管理及び製造のための制御装置のセンサとし
てのスパングルサイズ測定装置を提供する。 【解決手段】 シート状光源２がシート状の光を鋼板１
にを照射すると、その照射された部分にはスパングルに
よって明暗模様が現れる。カメラ３はその明暗模様を撮
影し、パソコン６はその撮影された画像を処理して明部
又は暗部の大きさを求めることでスパングルのサイズを
測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鍍金鋼板など、合
金化によって表面にスパングルを生じる製品のスパング
ルサイズを非接触に測定するスパングルサイズ測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄鋼の亜鉛鍍金工程などの合金化工程に
おいては、例えば鉄と亜鉛の合金化に伴ってスパングル
と呼ばれる模様が製品表面に生じる。この模様は通常１
ｍｍ以下から数十ｍｍ程度の大きさの、あたかも多結晶
の結晶粒の断面のように、光を当てる方向によって、暗
く見えたり明るく見えたりする。従来、スパングルを有
する鋼板の多くは物置小屋の屋根材など、外観を問題と
しない部分に用いられてきた。従って、製品の検査段階
でスパングルサイズが問題とされることは少ないが、塗
装の付着度合いはスパングルがきめ細かいほど良好なた
め、サイズの大まかな検査方法については例えば特開昭
５４−２１７５９号公報に提案されている検査方法があ
る。その検査方法においては、レーザ光の反射光強度の
周期より、ゼロスパングルと呼ばれる、塗装において事
実上スパングルが無いのと同様の細かいスパングルサイ
ズの製品製造を監視している。同公報においては、この
提案の他に、テレビカメラを用いて製品表面を人間が観
察し、画素分解能以下のサイズをゼロスパングルと見な
して監視する方法も提案されている。

【０００３】一方で最近は、亜鉛系鍍金鋼板の内、アル
ミニウム成分の多いガルバリウム鋼板などが家庭電化製
品や壁といった人目に触れる個所に採用されつつあり、
スパングルサイズの均一性やサイズについて、顧客から
鋼板製造メーカに対して具体的な数値をもって注文がつ
く機会が増えている。こうした鋼板は塗装をしないで使
用するものであり、スパングルサイズは鍍金鋼板の外観
に決定的な影響を与える。従って、顧客の望むスパング
ルサイズの鋼板を出荷するために測定装置が必要とされ
る。また、鍍金温度や冷却度合いなどの操業条件へのフ
イードバッグをかけるための計測手段としてスパングル
サイズ測定装置があれば、所望のスパングルサイズの製
品を安定して得ることができる。ところが、特開昭５４
−２１７５９号公報に提案されているものは、ゼロスパ
ングルという特定のサイズに対しての大小の判定を主眼
として発明されたものであり、実際のスパングルサイズ
を測定する方法ではない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のスパングルサイ
ズの検査は、上述のように、ゼロスパングルという特定
のサイズに対しての大小の判定を主眼とするものであ
り、実際のスパングルサイズを測定する方法ではないた
め、顧客の要求するサイズのスパングルを擁する製品の
出荷管理及び製造のための制御装置のセンサとしてのス
パングルサイズ測定装置については提案されておらず、
その開発が望まれていた。

【０００５】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものであり、顧客の要求するサイズのスパングルを擁
する製品の出荷管理及び製造のための制御装置のセンサ
としてのスパングルサイズ測定装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るスパングル
サイズ測定装置（請求項１）は、指向性をもって鋼板に
照射する光源と、光源によって照射された鋼板を撮影す
る撮像装置と、撮像装置によって得られた画像を画像処
理して明部又は暗部の大きさを求めることによりスパン
グルのサイズを測定する演算手段とを有するものであ
る。本発明においては、光源が指向性をもって鋼板を照
射すると、その照射された部分にはスパングルによって
明暗模様が現れる。撮像装置はその明暗模様を撮影し、
演算手段がその撮影された画像を処理して明部又は暗部
の大きさを求めることでスパングルのサイズを測定す
る。

【０００７】また、本発明に係るスパングルサイズ測定
装置（請求項２）は、上記の測定装置において、光源に
よる鋼板に対する照射角度を２０度以内とし、且つ、撮
像装置による観察角度を鋼板の法線に対して光源の照射
側に傾ける。本発明においては、このように照射角度及
び観察角度を規定することによりスパングルの明暗模様
をコントラスト良く撮影することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１．）図１は本発明の実施の形態１．に係
るスパングルサイズ測定装置の構成を示すブロック図で
ある。同図において、１は鋼板、２はシート状光源、３
はカメラ、４はバンドルファイバ、５はランプハウスで
あり、６は画像メモリを内蔵しているパソコンである。
シート状光源２はバンドルファイバ４を介してランプハ
ウス５に接続されおり、また、カメラ３の出力はパソコ
ン６に接続されている。

【０００９】本発明において問題にしている「スパング
ル」は、鍍金工程において溶融した金属が凝固する際
に、部分ごとに結晶の向きがある程度揃って凝固するた
めに、光の反射特性においても部分ごとに異方性を有す
るようになる現象である。そこで、本実施形態において
は、図１に示されるように、シート状に形成された指向
性の強い光源２を用いて鋼板１に対して例えば５度程度
の浅い角度で照射し、鋼板１の画像を鋼板に垂直又はや
や光源入射側に傾いた角度からカメラ３にて撮影するこ
とで、スパングルの光反射異方性による明暗像を捕ら
え、パソコン６による画像処理によってサイズを測定す
る。光源の照射方向に対し乱反射性を有する向きにある
スパングルは、鋼板上方より見ると明るく見える。そう
でないものは暗く見える。

【００１０】図２、図３及び図４にてこの現象を詳しく
説明する。スパングルの表面の形状の最も簡単なモデル
は例えば図２の横面図に示されるのようなものであり、
波状或いは三角状の筋目模様が方向性をもって並んでい
る。図２の横面図は図３の上面図のＳ−Ｓ’線の断面の
模式図である。ひとつのスパングル内では、筋目模様の
方向はほぼ一定である。ここでＢ領域のように筋目の延
びている方向に光を当てると、光は上方にはほとんど反
射しない。一方、Ａ領域のように筋を横切る方向に光を
当てると、上方を含めて光は良く乱反射される。従っ
て、上方にカメラ３を構えると、光源の照射方向に対し
てのスパングルの筋目模様の向きによって、暗く見える
スパングルと明るく見えるスパングルがある。

【００１１】図４のカメラ画像図は、スパングルＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄの筋模様の向きが図３のような場合に観察さ
れる、明暗の輝度を示した模式図である。光の入射方向
は画像の左から右に向かっており、Ａは光を拡散するた
めに明るく見え、Ｂはほとんどの光をカメラレンズには
入らない方向に反射してしまうので暗く見える。Ｃ及び
Ｄは光の入射方向に対してスパングルの模様の方向が斜
めを向いているので、中間的な輝度を示す。

【００１２】カメラ３によりこの様子を撮影して、パソ
コン６において８ビットすなわち２５６階調のデジタル
信号としてメモリに取り込む。画像処理で一般的に行わ
れるように、画面内の輝度ムラを除去するためにシェー
ディング補正を施して画像の平均輝度を１２７輝度のレ
ベルに正規化する。こうすることで、元画像内で相対的
に明るく見えていた部分は１２７輝度を越えるレベルと
なり、暗く見えていた部分は１２７輝度を下回るレベル
となる。図５（ａ）は生画像の例を示した図である。特
に、あるスパングルの筋模様の向きが光入射方向と垂直
に交わる向きであればこのスパングルの輝度は画像内で
最も明るい部分になる。従って、画像内の輝度のヒスト
グラムをとり、例えば明るい方から１０％というように
適当なしきい値で２値化を行うとスパングルが抽出でき
る。図５（ｂ）はこうした方法で図５（ａ）より抽出さ
れたスパングル粒を示した図である（なお、見やすいよ
うに白黒を反転している。）。あとは個々の粒の面積か
ら、円に換算した直径を求め、抽出される多数のスパン
グル粒の平均直径を求めてそれを測定結果として出力す
る。

【００１３】ここで重要なことは、２値化によって抽出
されるスパングルは互いに孤立していないと、測定結果
に誤差が生じやすいということである。本発明者が行っ
た顕微鏡を用いた調査の結果、筋模様の方向はランダム
であり、隣接するスパングル同士の筋模様の向きは無秩
序に異なっていて、抽出されるスパングルの多くは孤立
していることが判明した。従って、例えば図５（ｂ）の
２値化画橡に現れている個々の黒い部分は、スパングル
１個づつが抽出されたものであり、これらの平均直径を
求めてスパングルサイズとする測定方法は妥当であると
言える。

【００１４】スパングル抽出のしきい値の決め方は、目
視での結果と照合しつつ経験的に決めてもよい。また、
単純に１２７レベルをしきい値として２値化してもよ
い。この場合には中間的向きのスパングルがノイズ要因
となり、必ずしもスパングルサイズの絶対値が得られる
わけではないが、目視での結果と照合すると線形な相関
が得られるので、実用上問題はない。

【００１５】（実施の形態２．）図７は本発明の実施の
形態２．に係るスパングルサイズ測定装置の構成を示す
ブロック図である。同図において、７はパソコンに内蔵
されたメモリ、８はＣＰＵ、９はモニタであり、２０は
ローラである。本実施形態は、プロセス中の亜鉛鍍金鋼
板のスパングルサイズ測定に適用した例であり、図７の
スパングルサイズ測定装置は、鍍金工程を経て、鋼板表
面に鉄と亜鉛の合金ができてスパングルが生成した直後
の位置に設置されている。鋼板１の幅は１０００ｍｍ、
厚みは０．２〜３ｍ、移動速度は２５００ｍｍ毎秒であ
る。

【００１６】カメラ３には縦横１０００画素の電子シャ
ッタ機能を有したフルフレーム式の２次元カメラを用い
ており、視野サイズは１００ｍｍ四方である。フルフレ
ーム式カメラは奇数と偶数のフィールドを同時露光して
出力するので、画素分解能は縦横共に０．１ｍｍにとれ
るが、画像のブレを抑えるために１／５００００秒とい
う短い露光時間としており、明るい光源が必要となる。
本実施形態ではバンドル光ファイバ４を出射端部で線状
に並べた市販のシート状光線２を用いた。図示しないラ
ンプは２５０Ｗのメタルハライドランプで、ファイバ端
部からの光はプロジェクタレンズにて平行光に近い出射
パターンになっている。光源は常時発光させる必要はな
いので、ストロボを用いてもよいが、面状に発光させた
のではスパングルがコントラスト良く撮影できないの
で、本実施形態の如く集光して指向性を強くする工夫が
必要となる。なお、光源２とカメラ３は図示しない同一
の架台に取り付けられており、架台はスライド機横によ
って横方向に移動して板幅全てを走査できるようになっ
ている。走査速度は毎秒１００ｍｍであり、走査中１秒
ごとに計１０枚の画像を撮影して全板幅分の画像を得
る。

【００１７】画像は２５６階調でメモリ７に蓄えられて
モニタ９に静止表示された上、即座にＣＰＵ８によりス
パングルサイズ測定処理が行われる。図５（ａ）及び図
６（ａ）は撮影された生画像の例である。光は画面上方
より照射されており、個々のスパングル粒が明暗の模様
として良く見えている。図６（ａ）は平均スパングル径
が大きく、不良値を示すときの画像であり、図５（ａ）
に比べて粒子が大きいことが判る。スパングルサイズを
求める一般的な手順としては、画像に全体の明るさムラ
を補正するシェーディング補正をかけて中心輝度である
１２７輝度のレベルに正規化し、例えば１２７輝度をし
きい値として２値化を行う。さらにノイズと見なせる孤
立点除去を行った上で粒の分離処理を行い、図５
（ｂ）、図６（ｂ）のようなスパングル抽出画像を得
る。

【００１８】最後に各々の粒のピクセル数を求めて直径
に換算する。これらの処理は市販の粒度解析用ソフトウ
ェアに標準的に搭載されており、これらを用いるのが最
も簡単である。また、上述の実施形態１で図２〜図４を
例に述べたように、充分明るい部分はスパングルの筋の
向きが入射光に対して直角であるので、２値化処理のし
きい値を高く設定すると、測定結果の平均スパングルサ
イズが目視測定の結果に近くなる。

【００１９】画像処理は一般的なパソコン６を用いてソ
フトウェアにて行っている。板幅方向１０枚の画像の個
々のスパングル平均サイズを計算し、モニタ９にグラフ
として表示することで、板幅方向のスパングルサイズの
ムラの監視も行っており、サイズが目標値から外れてい
る場合はアラームによってオペレータに知らされる。結
果更新周期は約１分である。

【００２０】本発明をプロセス中の亜鉛鍍金鋼板のスパ
ングルサイズ測定に適用することで、従来の目視検査で
は不良発見の遅れにより歩留まり低下を招いていた亜鉛
鍍金プロセスにおいて、短時間の周期で確実にスパング
ルサイズ不良が発見できるようになったため、操業条件
の修正も即座に行えるようになって生産性が向上した。
また、鋼板の通過長さはエンコーダにてパソコンに通知
されており、パソコンはそのメモリ内の鋼板のマップ
に、不良位置を記録している。従って顧客に出荷する際
に、製品の先頭から何ｍのどの位置にどの程度のスパン
グルサイズ不良が有るかを明記して添付することが可能
となって、品質保証が強化された。

【００２１】（実施形態３．）図８は本発明の実施形態
３．に係るスパングルサイズ測定装置の構成及びその関
連設備を示すブロック図である。同図において、２ａは
表側光源、２ｂは裏側光源、３ａは表側ラインセンサカ
メラ、３ｂは裏側ラインセンサカメラ、１０ａは表側計
測制御装置、１０ｂは表側計測制御装置、１１ａは表側
冷却装置、１１ｂは表側冷却装置であり、１２は鍍金浴
である。本実施形態は、ガルバリウム鋼板の製造プロセ
スにおけるスパングルサイズ制御に適用した例である。
ガルバリウム鋼板は鍍金成分中のアルミニウムの比率が
５０％以上と高く、熱反射特性に優れた鍍金鋼板で、屋
根材や家庭電化製品など外観に触れる部分に無塗装で用
いられることがあり、用途が拡大している。そのためス
パングルサイズと均一性については顧客から厳しい注文
がつく。例えば平均サイズ０．７５ｍｍ、許容ムラは
０．１ｍｍ以内である。

【００２２】鍍金浴温度、鋼板厚み、鋼板材質及び鍍金
成分が同一の場合には、スパングルサイズは主に鋼板の
冷却速度に依存する。冷却速度は鍍金浴１２からの鋼板
の引き出し速度と冷却装置１１ａ及び１１ｂの強度によ
り調整可能であるが、製品を安定に製造するためには、
プロセスに制御ループを設置することが望ましい。従来
はセンサが無かったので目視でスパングルを監視しつ
つ、経験的に冷却度合いを調整していた。図８の例で
は、制御への適用を考慮して、実施形態２．に対して高
速化を図っている。

【００２３】撮像装置としては、５０００素子ラインセ
ンサカメラ３ａ及び３ｂを表裏２台づつ計４台用いた。
図は簡略化のため、表裏１台づつを表示してある。これ
らのラインセンサカメラ３ａ及び３ｂにより、板の全幅
の画像を一度に画像メモリに取り込み、市販の画像処理
専用のハードウェアを用いてサイズ測定を行うことで、
１０秒ごとの結果出力を行っている。画像メモリと画像
処理装置は表裏別個に、計測制御装置１０ａ及び１０ｂ
に格納されている。本実施形態では横方向分解能は実施
形態２と同様の０．１ｍｍであるが、縦方向分解能はラ
インセンサカメラのスキャン時間を緩和するため０．５
ｍｍにとり、各画素が縦方向には０．５ｍｍ分の情報を
代表していることを考慮して画像処理を行っている。

【００２４】計測制御装置１０ａ及び１０ｂ内には冷却
装置１１ａ及び１１ｂのコントローラも内蔵されてお
り、計測されたサイズを入力として冷却装置が制御され
る。基本的にはスパングルサイズが大きい場合は冷却が
強くなり、サイズが小さい場合は冷却が緩和されるよう
作用させることで目標スパングルサイズを維持して操業
が続けられる。本実施形態では鋼板の表と裏を別々に制
御できるよう、表裏で独立したシステムを設置したが、
図示しないプロセスコンピュータが、極端に表裏の冷却
バランスが崩れないよう全体を制御している。このシス
テムの導入により、冷却の不適正によるスパングルサイ
ズ不良を低減できた他、これまで不明確であった他の操
業条件とスパングルサイズの関係も明らかになり、プロ
セスの改善が進められた。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、指向性を
もって鋼板を照射して、その照射された部分に現れるス
パングルによる明暗模様を撮影し、そして、その撮影さ
れた画像を処理して明部又は暗部の大きさを求めること
でスパングルサイズを測定するようにしたので次のよう
な効果が得られている。 ａ）製品全面の実サイズ測定を行えるようになり、顧客
にスパングルサイズ不良部分を明示して出荷することが
できるようになり、不測の不良返品が大幅に減少した。 ｂ）製造中の鋼板のスパングルサイズを測定することに
より、サイズ異常が発生しても、冷却度合いなどの操業
条件に即座にフィードバックできるようになり、製品歩
留まりが向上した。 ｃ）スパングルの常時監視業務が不要となり、オペレー
タの負荷が大幅に軽減された。 ｄ）本発明の測定原理は単純なので低コストでシステム
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１．に係るスパングルサイ
ズ測定装置の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の測定原理の説明図（横面図）である。

【図３】本発明の測定原理の説明図（上面図）である。

【図４】本発明の測定原理の説明図（カメラ画像）であ
る。

【図５】画像処理例を示した図である。

【図６】画像処理例を示した図である。

【図７】本発明の実施の形態２．に係るスパングルサイ
ズ測定装置の構成を示すブロック図である。

【図８】本発明の実施の形態３．に係るスパングルサイ
ズ測定装置の構成及びその関連設備を示すブロック図で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真鍋 俊樹 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 奈良 正 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 指向性をもって鋼板に照射する光源と、
   該光源によって照射された鋼板を撮影する撮像装置と、
   該撮像装置によって得られた画像を画像処理して明部又
   は暗部の大きさを求めることによりスパングルのサイズ
   を測定する演算手段とを有することを特徴とするスパン
   グルサイズ測定装置。
2. 【請求項２】 前記光源による鋼板に対する照射角度を
   ２０度以内とし、且つ、前記撮像装置による観察角度を
   鋼板の法線に対して光源の照射側に傾けたことを特徴と
   する請求項１記載のスパングルサイズ測定装置。