JP3530972B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、環状および円筒状の物
体などの内面部を含む円周部について、３次元で形状
（寸法）を測定する形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、オイルシール、オーリング、シ
ールリングおよびベアリングなどに形成された内径が１
５０ｍｍ以下の内周部の形状や寸法を測定する形状測定
装置として種々のものが知られている。このような形状
測定装置の第１の例として、円筒形被測定物の背面若し
くは前面から一様な直進光を被測定物に照射し、その投
影像から円周形状を測定するものがある。また、このよ
うな形状測定装置の第２の例として、接触子を測定箇所
に接触させて荷重をかけ、前記接触子と被測定物とを軸
方向に相対的に移動させ、この移動の際の前記接触子の
変位から被測定物の表面形状などを測定する方法があ
る。

【０００３】また、このような形状測定装置の第３の例
として、例えば特開昭４８−９２１２５号に開示されて
いるように、光切断法によるスリット光を被測定物に照
射し、その反射光を格子板と散光板とによるモワレ効果
によって点列に変換させてスリット上に集光すること
で、被測定物の外側形状を測定するものがある。この光
切断法を用いた第３の例によれば、被測定物の表面形状
を非接触で測定することが可能であることから、被測定
物表面を損傷させないと共に、動的な条件での測定が可
能となる。また、高速演算処理装置と組み合わせること
によって、被測定物の３次元形状を極めて短時間で測定
することができる。

【０００４】光切断法では、予め被測定対象物とスリッ
ト光源と撮像装置との位置関係で決定される３角形を求
めておき、被測定対象物に直線状の光または影のスリッ
トを照射し、撮像装置を用いて非接触で被測定対象物の
断面切断像を得る。そして、一辺の長さと両端の角度が
決まると三角形が一義的に決まるという三角測量法の原
理を用いて、切断像の撮像装置の２次元的な位置から被
測定対象物の３次元的な位置を求める。尚、一回の撮像
では、被測定対象物の一ラインの形状しか測定できない
ことから、光源、撮像装置あるいは被測定対象物を移動
させ、被測定対象物の立体的形状を測定する。

【０００５】さらに、光切断法を用いた第４の例とし
て、特開平２−２２３８１０号に開示され、図８に示す
ように、軸Ａ−Ｂを中心として回転する回転台５に被測
定物を載置し、光源１から出射されるスリット光４を軸
Ａ−Ｂと直交する方向から、回転中心である軸Ａ−Ｂに
対してスリット光４の面が平行になるように、スリット
光４を被対象物に照射し、撮像カメラ２による撮像結果
に基づいて、被対象物の形状を測定する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た第１の例の形状測定装置では、円筒形被測定物の内径
は測定できるが、円筒形被測定物の内周部の３次元形状
を測定することができない。また、前述した第２の例の
形状測定装置では、被測定物が例えばゴムなどの軟らか
い材質を用いたものである場合に、接触子によって被測
定物が変形することから、高精度な測定を行うことがで
きないと共に、接触子によって被測定物が損傷するとい
う問題がある。また、３次元形状を測定すると測定時間
が長くなり、さらには、動的な条件での測定ができない
という問題もある。

【０００７】また、前述した第３の例の形状測定装置で
は、被測定物の外周形状を測定する目的で光源およびス
リット板などを配置していることから、この装置を用い
て被測定物の内周部の形状を測定しようとすると、光源
からのスリット光が被測定物の外周面によって遮光され
てしまい、スリット光が内周部全体に適切に照射され
ず、内周部の形状を正確に測定することができないとい
う問題がある。すなわち、被測定物の内周部の形状を高
精度に測定するには、内周部の測定を行う領域全体にス
リット光を照射させると共に、その反射光をスリット板
などに正確に入射させる必要がある。

【０００８】さらに、前述した第４の形状測定装置のよ
うに、スリット光を単に軸Ａ−Ｂと直交する方向から軸
Ａ−Ｂを含むように被対象物に照射して計測を行うと、
被測定物の中心軸と図８に示す回転台５の回転中心軸Ａ
−Ｂとが一致しないために偏心運動が行われた場合に、
昭和５５年に発行された日本機械学会論文集Ｃ編、４６
巻、４０７号に記載されるように、偏心運動による誤差
が測定結果に生じてしまい、高精度な測定が行えないと
いう問題がある。

【０００９】本発明は上述した従来技術の問題点に鑑み
てなされ、被測定物に傷を付けることなく、被測定物の
円周部の形状を高精度かつ高速に測定できる形状測定装
置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した従来技術の問題
点を解決し、上述した目的を達成するために、本発明の
形状測定装置は、内周部を有する被測定物を保持しなが
ら所定の回転軸を中心に回転する回転手段と、前記回転
手段によって前記回転軸を中心に回転する前記被測定物
の内周に向かって、前記内周部の外側からスリット光を
照射する光源と、前記スリット光によって前記被測定物
に生じた光切断線を撮像する撮像手段と、前記撮像手段
によって撮像された前記光切断線の像から前記被測定物
の前記内周部の位置の座標を求める処理手段と、前記被
測定物の前記内周部について、前記スリット光の照射お
よび前記撮像が適切に行われるように、前記回転手段の
前記回転軸を調整する調整手段とを有し、前記処理手段
は、前記光切断線の像から第１の３次元座標系における
前記被測定物の前記内周部の位置の座標を求める第１の
処理部と、前記第１の処理部が求めた前記第１の３次元
座標系における前記内周部の位置の座標を、少なくとも
前記回転手段の前記回転軸と前記スリット光の光軸とで
構成される直交座標系である第２の３次元座標系の座標
に変換する第２の処理部とを有する。

【００１１】また、本発明の形状測定装置は、好ましく
は、前記光源は、前記回転手段の前記回転軸と前記内周
部とを含むように前記スリット光を照射し、前記第２の
処理部は、前記第１の処理部が求めた前記第１の３次元
座標系における前記被測定物の前記座標を、前記内周部
の内側において前記回転手段の前記回転軸上に位置する
点に対応した原点を持つ前記第２の３次元座標系の座標
に変換する。

【００１２】また、本発明の形状測定装置は、好ましく
は、前記処理手段は、前記第２の処理手段が求めた前記
第２の３次元座標系の前記座標を基に算出される前記内
周部の内径または３次元形状と、予め記憶する画像とを
基に前記内周部の欠陥部を検出する。

【００１３】本発明の形状測定装置では、先ず、調整手
段が、被測定物の内周部について、前記スリット光の照
射および前記撮像が適切に行われるように、回転手段の
回転軸を調整する。そして、前記回転手段が、前記中心
軸を中心に被測定物を回転する。そして、光源が、前記
回転軸を中心に回転する前記被測定物の内周に向かっ
て、前記内周部の外側からスリット光を照射する。ま
た、撮像手段が、前記スリット光によって前記被測定物
に生じた光切断線を撮像する。次に、処理手段の第１の
処理部が、前記光切断線の像から第１の３次元座標系に
おける前記被測定物の前記内周部の位置の座標を求め
る。次に、前記処理手段の第２の処理部が、前記第１の
３次元座標系における前記内周部の位置の座標を、少な
くとも前記回転手段の前記回転軸と前記スリット光の光
軸とで構成される直交座標系である第２の３次元座標系
の座標に変換する。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例に係わる形状測定装置
について説明する。図１は、本実施例に係わる形状測定
装置の外観斜視図である。図１に示すように、カメラ１
０、スリット光源１２、傾斜台１３、回転台１４，１７
および支持台１５を有する。カメラ１０は、支持台１５
の上方に固定してあり、例えば、支持台１５の表面の垂
線と平行する方向から支持台１５の表面に向かって、回
転台１４に装着された被測定物１６の内周部１６ａを含
む所定の領域を撮像する。傾斜台１３は、カメラ１０の
下方に位置するように、支持台１５に回転自在に設けら
れた回転台１７に固定してある。傾斜台１３は、回転台
１７の回転軸と平行の、支持台１５の表面の垂線に対し
て所定の傾斜角θだけ傾斜した傾斜面１３ａを有してい
る。回転台１７は、支持台１５の表面と直交する軸を中
心として回転自在に支持台１５の表面に設けてある。傾
斜台１３の傾斜角θおよび回転台１７の回転角φは調整
可能であり、例えば、後述するようにユーザによって調
整される。

【００１７】回転台１４は、傾斜面１３ａと直交する回
転軸１４ａを中心として回転自在に傾斜台１３の傾斜面
１３ａに設けてある。回転台１４には、ユーザによっ
て、例えばオイルシールなどの被測定物１６の内周部１
６ａを有する被測定物１６が装着される。傾斜台１３の
傾斜面１３ａの傾斜角θを適切に調整することで、スリ
ット光１２ａによる影が被測定物１６の内周部１６ａに
生じないように調整される。

【００１８】スリット光源１２は、回転台１４の図１中
上方に設けられ、回転台１４の回転軸１４ａおよび内周
部１６ａを含むように、回転台１４に保持された被測定
物１６の表面側にスリット光１２ａを照射する。すなわ
ち、スリット光源１２は、スリット光１２ａによる光切
断線が回転台１４の回転軸１４ａおよび被測定物１６の
内周部１６ａを含むように、スリット光１２ａを照射す
る。

【００１９】次に、図１に示す形状測定装置の作用につ
いて説明する。先ず、ユーザによって、回転台１４に被
測定物１６が装着される。また、スリット光源１２が駆
動され、スリット光源１２からのスリット光１２ａが被
測定物１６に照射されると共に回転台１４の回転が駆動
され、被測定物１６が回転軸１４を中心として回転す
る。そして、被測定物１６の内周部１６ａに、スリット
光１２ａによる影が生じていたり、内周部１６ａを３次
元測定するのに必要な光切断像に欠落が生じていないか
を判断し、影や欠落が生じている場合には、これらが生
じないように傾斜台１３の傾斜面１３ａの傾斜角θおよ
び回転台１７の回転角φが例えばユーザによって調整さ
れる。そして、スリット光源１２によるスリット光１２
ａが回転軸１４ａおよび内周部１６ａを含むように被測
定物１６に照射され、カメラ１０による撮像が行われ
る。

【００２０】図２は、図１に示す回転台１４の回転制御
およびカメラ１０からの撮像結果の処理を説明するため
の図である。図２に示すように、コンピュータ２１から
の制御信号に基づいて、図１に示すカメラ１０の撮像お
よび回転台１４の回転が制御される。また、図２に示す
ように、図１に示すカメラ１０の撮像結果が画像処理装
置２０に出力され、画像処理装置２０において、被測定
物１６の内周部１６ａの内径や３次元形状が算出され
る。画像処理装置２０で算出された内径や３次元形状
は、コンピュータ２１に出力され、処理される。コンピ
ュータ２１における処理では、例えば、画像処理装置２
０で算出された３次元形状から内周部に生じたキズ（欠
陥部）などを検出したりする。尚、コンピュータ２１に
おけるキズの検出処理では、予め記憶されているキズの
無い内周部１６ａの画像と、画像処理装置２０で算出さ
れた内周部１６ａの３次元形状に係わる画像とを重ね合
わせ、不一致が検出されたときにキズがあるとして判定
する。

【００２１】以下、コンピュータ２１における処理につ
いて説明する。図３はコンピュータ２１における処理を
示すフローチャート、図４はコンピュータ２１における
処理を説明するための図である。尚、以下に示すコンピ
ュータ２１における処理を行う際に、図１に示される角
度φ，θ，ωおよび図４に示す原点Ｏと原点Ｐとの距離
は予め決定してある。ここで、図４（Ａ）に示すよう
に、原点Ｏはカメラ１０における撮像結果を用いて行わ
れる光切断法を行う際に適用される３次元座標系（ｘ
ｏ，ｙｏ，ｚｏ）の原点であり、原点Ｐは被測定物１６
の内周部１６ａの内側において回転台１４の回転軸上に
位置する点である。

【００２２】ステップＳ１：コンピュータ２１は、カメ
ラ１０の撮像結果に基づいて、撮像対象面における被測
定物１６の内周部１６ａの２次元座標（ｘａ，ｙａ）を
求める。

【００２３】ステップＳ２：コンピュータ２１は、ステ
ップＳ１において求めた２次元座標（ｘａ，ｙａ）を用
いて、光切断法に基づく所定の演算を行い、図４（Ａ）
に示す原点Ｏを基準とした座標系（ｘｏ，ｙｏ，ｚｏ）
における内周部１６ａの所定の位置の３次元座標（ｘ
ｏ，ｙｏ，ｚｏ）を算出する。

【００２４】ステップＳ３：コンピュータ２１は、ステ
ップＳ２において求めた３次元座標（ｘｏ，ｙｏ，ｚ
ｏ）について、原点Ｏを基準とした座標系（ｘｏ，ｙ
ｏ，ｚｏ）を図４（Ａ）に示す原点Ｐを基準とした座標
系（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）に平行移動する演算を行い、３
次元座標（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）を算出する。

【００２５】ステップＳ４：ステップＳ３で求めた３次
元座標（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）について、図４（Ｂ）に示
すように、座標系（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）を回転台１７の
回転軸であるｚｐ軸回りに図１に示される角度φだけ回
転させた座標系（ｘｑ，ｙｑ，ｚｑ）における座標に変
換する演算を行い、３次元座標（ｘｑ，ｙｑ，ｚｑ）を
算出する。

【００２６】ステップＳ５：ステップＳ４で求めた３次
元座標（ｘｑ，ｙｑ，ｚｑ）について、図４（Ｃ）に示
すように、座標系（ｘｑ，ｙｑ，ｚｑ）を傾斜台１３の
傾斜角θを規定するｘｑ軸回りに角度θだけ回転させた
座標系（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）における座標に変換する演
算を行い、３次元座標（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）を算出す
る。

【００２７】ステップＳ６：ステップＳ５で求めた３次
元座標（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）について、図４（Ｄ）に示
すように、座標系（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）を回転台１４の
回転軸であるｙｒ軸回りに角度ωだけ回転させた座標系
（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）における座標に変換する演算を行
い、３次元座標（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）を算出する。

【００２８】上述したステップＳ１〜６に示す所定の演
算をコンピュータ２１で行うことで、カメラ１０におけ
る撮像結果を図４（Ｄ）に示すように回転台１４の回転
軸ｙｓとスリット光１２ａの光軸ｘｓとで構成される直
交座標系の撮像結果に変換することができる。以後、コ
ンピュータ２１における撮像結果についての処理は、座
標系（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）における座標を用いて行われ
る。

【００２９】以上説明したように、本実施例に係わる形
状測定装置によれば、被測定物に傷を付けることなく、
環状および円筒状の被測定物の内周部の形状を高精度か
つ高速に測定できる。本実施例に係わる形状測定装置
は、接触によって変形する内周部について測定を行う場
合に特に効果的である。また、本実施例に係わる形状測
定装置によれば、スリット光１２ａを回転軸１４ａおよ
び内周部１６ａを含むように照射することから、回転台
１４を回転させたときに被測定物１６の中心軸と回転軸
１４ａとの間に偏心が生じた場合であっても、高精度な
測定を行うことができる。

【００３０】また、本実施例に係わる形状測定装置によ
れば、スリット光によって回転する被測定物１６の内周
部に生じた光切断線の像に基づいて内周部の形状を測定
し、コンピュータ２１において処理を行うことから、内
周部の形状を高速に求めることができる。また、本実施
例に係わる形状測定装置によれば、特別な光学系を用い
ることがないため、装置を安価なものにすることができ
る。さらに、本実施例に係わる形状測定装置によれば、
傾斜台１３によって回転台１４の回転軸１４ａの角度θ
を調整できると共に、回転台１７によって回転角度φを
調整できることから、被測定物１６の内周部１６ａの内
径が小さい場合でも、被測定物１６の外周部が内周部１
６ａの測定の障害になることを効果的に回避でき、高精
度な測定を行うことができる。本実施例に係わる形状測
定装置は、内径が１００ｍｍ以下の内周部の３次元形状
を測定する場合に特に効果的である。

【００３１】次に、本発明の形状測定装置のその他の実
施例について説明する。図５は、２つのカメラを用いた
形状測定装置の外観斜視図である。図５に示す形状測定
装置は、カメラ１０に加えてカメラ３１を用いて、回転
台１４に装着された被測定物１６の撮像を行うことを除
いて、図１に示す形状測定装置と基本的に同じ構成をし
ている。このように、２つのカメラを用いることで、被
測定物１６の内周部を異なる角度の方向から撮像するこ
とができ、内周部について高精度かつ広範囲な測定を行
うことができる。例えば、カメラ１０の撮像角度では検
出困難あるいは検出不可能な内周部のキズをカメラ３１
によって検出することが可能になる。

【００３２】図６は、２つスリット光源を用いた形状測
定装置の外観斜視図である。図６に示す形状測定装置
は、スリット光源１２に加えて、スリット光源３２を用
いて、回転台１４に装着された被測定物１６にスリット
光を照射することを除いて、図１に示す形状測定装置と
基本的に同じ構成をしている。このように、２つのスリ
ット光源を用いたことで、被測定物１６の内周部の広範
囲な領域にスリット光を照射することができ、内周部に
スリット光が照射されない影が生じることを回避でき、
測定精度を向上させることができる。

【００３３】次に、本発明の形状測定装置を製品の内周
部の欠陥検査装置に応用した実施例について説明する。
図７は、本実施例に係わる欠陥検査装置を説明するため
の外観斜視図である。図７に示すように、本実施例に係
わる欠陥検査装置は、支持具４４ａによって回転台４４
に装着されたリング状の被検物４６にスリット光４２ａ
を、回転台４４の回転中心軸Ａ−Ｂおよび内周部４６ａ
を含むように照射し、被検物４６の当該照射箇所をカメ
ラ４０で撮像する。そして、この撮像結果を画像処理装
置５０において処理し、被検物４６の内周部４６ａに欠
陥があるか否かを判断する。そして、画像処理装置５０
は、判断結果に基づいて、例えば被検物４６の搬送ライ
ンを制御し、不良品と正常品とを仕分けする。

【００３４】上述した図７に示す欠陥検査装置によれ
ば、被検物４６の内周部４６ａの３次元形状を、被検物
４６に傷を付けることなく、高精度かつ高速に測定で
き、検査の精度および効率を向上させることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の形状測定
装置によれば、非接触方式で測定を行うことから、被測
定物に傷を付けることなく測定を行うことができる。ま
た、本発明の形状測定装置によれば、スリット光を回転
軸および内周部を含むように照射することから、被測定
物の中心軸と回転軸との間に偏心が生じた場合であって
も、高精度かつ高速な測定を行うことができる。また、
本発明の形状測定装置によれば、特別な光学系を用いる
ことがないため、装置を安価なものにすることができ
る。また、本発明の形状測定装置によれば、調整手段に
よって回転手段の回転軸を調整できることから、被測定
物の内周部の内径が小さい場合でも、被測定物の外周部
が内周部の測定の障害になることを効果的に回避でき、
高精度な測定を行うことができる。さらに、本発明の形
状測定装置では、処理手段において、第１の３次元座標
系における前記被測定物の形状データを、少なくとも前
記回転手段の回転軸および前記スリット光の光軸を軸と
する第２の３次元座標系における形状データに変換する
ことから、内周部の形状を正確に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わる形状測定装置の外観斜
視図である。

【図２】図１に示す回転台の回転制御およびカメラから
の撮像結果の処理を説明するための図である。

【図３】図２に示すコンピュータにおける処理を示すフ
ローチャートである。

【図４】図２に示すコンピュータにおける処理を説明す
るための図である。

【図５】本発明のその他の実施例に係わる２つのカメラ
を用いた形状測定装置の外観斜視図である。

【図６】本発明のその他の実施例に係わる２つのスリッ
ト光源を用いた形状測定装置の外観斜視図である。

【図７】本発明の実施例に係わる欠陥検査装置を説明す
るための外観斜視図である。

【図８】従来技術を説明するための図である。

【符号の説明】

１０，３１，４０… カメラ １２，３２… スリット光源 １３… 傾斜台 １４，１７，４４… 回転台 １６… 被測定物 １６ａ… 内周部 ２０，５０… 画像処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 祐樹 茨城県つくば市和台25番地 エヌオーケ ー株式会社内 (72)発明者 小野 茂之 茨城県つくば市和台25番地 エヌオーケ ー株式会社内 (72)発明者 久保田 靖博 茨城県つくば市和台25番地 エヌオーケ ー株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−259704（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−228760（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−126530（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 21/00 G12B 5/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内周部を有する被測定物を保持しながら所
   定の回転軸を中心に回転する回転手段と、 前記回転手段によって前記回転軸を中心に回転する前記
   被測定物の内周に向かって、前記内周部の外側からスリ
   ット光を照射する光源と、 前記スリット光によって前記被測定物に生じた光切断線
   を撮像する撮像手段と、 前記撮像手段によって撮像された前記光切断線の像から
   前記被測定物の前記内周部の位置の座標を求める処理手
   段と、 前記被測定物の前記内周部について、前記スリット光の
   照射および前記撮像が適切に行われるように、前記回転
   手段の前記回転軸を調整する調整手段とを有し、 前記処理手段は、 前記光切断線の像から第１の３次元座標系における前記
   被測定物の前記内周部の位置の座標を求める第１の処理
   部と、 前記第１の処理部が求めた前記第１の３次元座標系にお
   ける前記内周部の位置の座標を、少なくとも前記回転手
   段の前記回転軸と前記スリット光の光軸とで構成される
   直交座標系である第２の３次元座標系の座標に変換する
   第２の処理部とを有する形状測定装置。
2. 【請求項２】前記光源は、前記回転手段の前記回転軸と
   前記内周部とを含むように前記スリット光を照射し、 前記第２の処理部は、前記第１の処理部が求めた前記第
   １の３次元座標系における前記被測定物の前記座標を、
   前記内周部の内側において前記回転手段の前記回転軸上
   に位置する点に対応した原点を持つ前記第２の３次元座
   標系の座標に変換する請求項１に記載の形状測定装置。
3. 【請求項３】前記処理手段は、前記第２の処理手段が求
   めた前記第２の３次元座標系の前記座標を基に算出され
   る前記内周部の内径または３次元形状と、予め記憶する
   画像とを基に前記内周部の欠陥部を検出する請求項１に
   記載の形状測定装置。