(57)【要約】      （修正有）【課題】球体表面におけるグリースの付着状況によらずに、公転中の球体中心の三次元位置を精度良く計測できる球体位置計測方法および球体位置計測装置を提供する。【解決手段】第１および第２リング照明によって玉軸受を照明しながら、公転している玉を、第１撮像方向から撮像しつつ、同時に、当該玉を、第２撮像方向から撮像する。第１撮像方向から撮像された第１撮像画像に含まれる第１メイン反射光画像の中心位置ＰＦ、および第２撮像方向から撮像された第２撮像画像に含まれる第２メイン反射光画像の双方に基づいて、玉の中心の三次元位置を演算により求める。第１メイン反射光画像が不鮮明である場合には、鮮明な第１サブ反射光画像４２の中心位置ＰＳＦの座標を、ベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）で補正して、第１メイン反射光画像の中心位置ＰＦを算出する。【選択図】図１３
2015087249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円軌道上を公転する球体の位置を計測するための球体位置計測方法であって、
前記円軌道の内部を通って直線状に延びる所定の第１基準線上に中心を有する円環状の第１照明面を有する第１リング照明、および前記円軌道の内部を通って直線状に延びる所定の第２基準線上に中心を有する円環状の第２照明面を有する第２リング照明の双方によって前記球体を照明する照明ステップと、
前記照明ステップと並行して、公転している前記球体を、前記第１基準線上に配置された第１撮像レンズを介して、前記第１基準線に沿う第１撮像方向から撮像する第１撮像ステップと、
前記第１撮像ステップと同期して、公転している前記球体を、前記第２基準線上に配置された第２撮像レンズを介して、前記第２基準線に沿う第２撮像方向から撮像する第２撮像ステップと、
前記第１撮像ステップで撮像された第１撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光の画像である第１メイン反射光画像の位置、および前記第２撮像ステップで撮像された第２撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光の画像である第２メイン反射光画像の位置を特定する反射光位置特定ステップと、
特定された前記第１および第２メイン反射光画像の位置の双方に基づいて、前記球体中心の三次元位置を演算する三次元中心位置演算ステップとを含み、
前記反射光位置特定ステップは、前記第１メイン反射光画像の位置を、前記第１撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光の画像である第１サブ反射光画像の位置に基づく演算により求め、および／または前記第２メイン反射光画像の位置を、前記第２撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光の画像である第２サブ反射光画像の位置に基づく演算により求める代替特定ステップを含む、球体位置計測方法。
【請求項２】
前記代替特定ステップは、
前記第１撮像方向から撮像したときの撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光画像と前記第２リング照明の反射光画像との間の位置偏差量である第１位置偏差量、および／または前記第２撮像方向から撮像したときの撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光画像と前記第１リング照明の反射光画像との間の位置偏差量である第２位置偏差量を算出する位置偏差量算出ステップと、
算出された前記第１位置偏差量で前記第１サブ反射光画像の位置を補正して、前記第１メイン反射光画像の位置を算出し、および／または算出された前記第２位置偏差量で前記第２サブ反射光画像の位置を補正して、前記第２メイン反射光画像の位置を算出する補正ステップとを含む、請求項１に記載の球体位置計測方法。
【請求項３】
前記反射光位置特定ステップによって特定される前記第１メイン反射光画像の位置は、前記第１メイン反射光画像の中心位置を含み、
前記反射光位置特定ステップによって特定される前記第２メイン反射光画像の位置は、前記第２メイン反射光画像の中心位置を含む、請求項１または２に記載の球体位置計測方法。
【請求項４】
前記代替特定ステップにおいて用いられる前記第１サブ反射光画像の位置は、前記第１サブ反射光画像の中心位置を含み、
前記代替特定ステップにおいて用いられる前記第２サブ反射光画像の位置は、前記第２サブ反射光画像の中心位置を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の球体位置計測方法。
【請求項５】
円軌道上を公転する球体の位置を計測するための球体位置計測装置であって、
前記円軌道の内部を通り直線状に延びる所定の第１基準線上に中心を有する円環状の第１照射面を有する第１リング照明と、
前記円軌道の内部を通り直線状に延びる所定の第２基準線上に中心を有する円環状の第２照射面を有する第２リング照明と、
前記第１基準線上に配置された第１撮像レンズを介して、前記第１基準線に沿う第１撮像方向から、前記球体を撮像するための第１撮像手段と、
前記第２基準線上に配置された第２撮像レンズを介して、前記第２基準線に沿う第２撮像方向から、前記球体を撮像するための第２撮像手段と、
公転している前記球体を前記第１および第２リング照明の双方で照明させつつ、前記第１撮像手段によって前記球体を撮像させ、それと同期して前記第２撮像手段によって前記球体を撮像させる撮像制御手段と、
前記第１撮像手段によって撮像された第１撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光の画像である第１メイン反射光画像の位置、および前記第２撮像手段によって撮像された第２撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光の画像である第２メイン反射光画像の位置を特定する反射光位置特定手段と、
特定された前記第１および第２メイン反射光画像の位置の双方に基づいて、前記球体中心の三次元位置を演算する三次元中心位置演算手段とを含み、
前記反射光位置特定手段は、前記第１メイン反射光画像の位置を、前記第１撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光の画像である第１サブ反射光画像の位置に基づく演算により求め、および／または前記第２メイン反射光画像の位置を、前記第２撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光の画像である第２サブ反射光画像の位置に基づく演算により求める代替特定手段を含む、球体位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、玉軸受に使用される玉等の球体の位置を計測するための球体位置計測方法および球体位置計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受等の玉軸受では、内輪と外輪との間の相対回転に伴って玉が周方向に転動（公転）する。玉軸受を設計したり、玉軸受の使用条件を定めたりするのに当たって、公転中の玉の挙動を解析することは重要である。
下記の特許文献１には、公転中の玉の挙動を解析すべく、回転状態にある玉軸受を撮像し、そのときの撮像画像に基づいて玉の位置を測定する球体位置計測方法が記載されている。特許文献１では、玉軸受の回転軸線上に中心を有する円環状の照射面を有するリング照明を配置し、かつ撮像カメラを、その撮像レンズが玉軸受の回転軸線上に位置するように配置している。そして、その状態で、玉の公転状態にある玉軸受をリング照明によって照明しながら、当該玉軸受を、撮像レンズを介して前記の回転軸線に沿う方向から撮像している。リング照明の照射面からの光が玉の表面で反射されるので、撮像画像に、玉表面におけるリング照明の反射光画像が写り込む。撮像画像に含まれるリング照明の反射光画像の位置を特定し、この特定した反射光画像に基づいて玉の中心の位置を演算により求めることにより、公転中の玉の位置を測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−９８１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の手法では、公転中の球体（玉）の平面（径方向および周方向の２方向を含む平面）中心の位置を算出できるが、球体の軸方向の中心位置を算出できない。すなわち、球体中心の二次元位置の計測は行えるが、球体中心の三次元位置の計測は行えなかった。
本願発明者は、公転中の球体を互いに異なる二方向から撮像し、これらの撮像画像にそれぞれ含まれる、球体表面におけるリング照明の反射光の画像に基づいて、球体中心の三次元位置の計測を行う方法を提案している（たとえば特願２０１３−１６２７０４号）。具体的には、この方法では、第１直線上に中心を有する第１リング照明と、第１直線に交差する第２直線上に中心を有する第２リング照明とによって玉軸受を照射しながら、第１直線に沿う第１撮像方向から第１撮像カメラに玉を撮像させるとともに、第１撮像カメラによる撮像と同時に、第２直線に沿う第２撮像方向から第２撮像カメラに当該玉を撮像させる。第１撮像カメラによって撮像された第１撮像画像に含まれる第１反射光画像に基づいて第１撮像方向から見た球体の中心位置を求め、かつ第２撮像カメラによって撮像された第２撮像画像に含まれる第２反射光画像に基づいて第２撮像方向から見た球体の中心位置を求める。そして、第１撮像方向から見た球体の中心位置と、第２撮像方向から見た球体の中心位置とに基づいて、球体中心の三次元位置を演算により求めている。
【０００５】
しかしながら、球体表面のグリースの付着状態により、計測対象になる第１反射光画像や第２反射光画像が不鮮明な場合が生じる。不鮮明な第１および／または第２反射光画像に基づいて算出した、第１および／または第２撮像方向から見た球体の中心位置の精度は悪く、この場合、玉の中心の三次元位置の計測精度が低下するおそれがある。
そこで、この発明の目的は、球体表面におけるグリースの付着状況によらずに、公転中の球体中心の三次元位置を精度良く計測できる球体位置計測方法および球体位置計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するための請求項１に記載の発明は、円軌道（３１Ａ，３２Ａ）上を公転する球体（３３）の位置を計測するための球体位置計測方法であって、前記円軌道の内部（中心（Ｑ））を通って直線状に延びる所定の第１基準線（ＬＦ）上に中心を有する円環状の第１照明面（１２Ａ）を有する第１リング照明（１２）、および前記円軌道の内部（中心（Ｑ））を通って直線状に延びる所定の第２基準線（ＬＧ）上に中心を有する円環状の第２照明面（１７Ａ）を有する第２リング照明（１７）の双方によって前記球体を照明する照明ステップと、前記照明ステップと並行して、公転している前記球体を、前記第１基準線上に配置された第１撮像レンズ（１３）を介して、前記第１基準線に沿う第１撮像方向（ＤＥ１）から撮像する第１撮像ステップと、前記第１撮像ステップと同期して、公転している前記球体を、前記第２基準線上に配置された第２撮像レンズ（１８）を介して、前記第２基準線に沿う第２撮像方向（ＤＥ２）から撮像する第２撮像ステップと、前記第１撮像ステップで撮像された第１撮像画像（４０）に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光の画像である第１メイン反射光画像（４１）の位置（ＰＦ）、および前記第２撮像ステップで撮像された第２撮像画像（４３）に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光の画像である第２メイン反射光画像（４４）の位置（ＰＧ）を特定する反射光位置特定ステップ（Ｓ３，Ｓ４）と、特定された前記第１および第２メイン反射光画像の位置の双方に基づいて、前記球体中心（ＯＲ）の三次元位置を演算する三次元中心位置演算ステップ（Ｓ５）とを含み、前記反射光位置特定ステップは、前記第１メイン反射光画像の位置を、前記第１撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光の画像である第１サブ反射光画像（４２）の位置に基づく演算により求め、および／または前記第２メイン反射光画像の位置を、前記第２撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光の画像である第２サブ反射光画像（４５）の位置に基づく演算により求める代替特定ステップ（Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ２２，Ｓ２３）を含む、球体位置計測方法を提供する。
【０００７】
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。
この発明の方法によれば、円軌道上を公転する球体を、第１リング照明および第２リング照明によって照明しながら、第１および第２撮像方向のそれぞれから同時に撮像する。第１リング照明および第２リング照明からの光が球体の表面で反射されるために、第１撮像方向から撮像した第１撮像画像には、球体表面における第１リング照明の反射光画像である第１メイン反射光画像と、球体表面における第２リング照明の反射光画像である第１サブ反射光画像との双方が写り込む。また、第２撮像方向から撮像した第２撮像画像にも、球体表面における第２リング照明の反射光画像である第２メイン反射光画像と、球体表面における第１リング照明の反射光画像である第２サブ反射光画像との双方が写り込む。
【０００８】
第１撮像画像に含まれる第１メイン反射光画像と、第２撮像画像と同期して撮像された第２撮像画像に含まれる第２メイン反射光画像とに基づいて、球体の中心位置を演算により求めるのであるが、球体表面のグリースの付着状態により、計測対象になる第１メイン反射光画像や第２メイン反射光画像が不鮮明であると、玉の中心の三次元位置の計測精度が低下するおそれがある。
【０００９】
本発明では、第１メイン反射光画像の位置を、第１サブ反射光画像の位置に基づく演算によって求める。あるいは、第２メイン反射光画像の位置を、第２サブ反射光画像の位置に基づく演算によって求める。第１サブ反射光画像が鮮明であれば、第１サブ反射光画像に基づいて第１メイン反射光画像の位置を求めることにより、第１メイン反射光画像の位置を精度良く算出できる。また、第２サブ反射光画像が鮮明であれば、第２サブ反射光画像に基づいて第２メイン反射光画像の位置を求めることにより、第２メイン反射光画像の位置を精度良く算出できる。ゆえに、球体表面におけるグリースの付着状況によらずに、公転中の球体中心の三次元位置を精度良く計測することができる。
【００１０】
請求項２に記載のように、前記代替特定ステップは、前記第１撮像方向から撮像したときの撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光画像と前記第２リング照明の反射光画像との間の位置偏差量である第１位置偏差量（ＤＦ）、および／または前記第２撮像方向から撮像したときの撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光画像と前記第１リング照明の反射光画像との間の位置偏差量である第２位置偏差量を算出する位置偏差量算出ステップ（Ｓ１２，Ｓ２２）と、算出された前記第１位置偏差量で前記第１サブ反射光画像の位置を補正して、前記第１メイン反射光画像の位置を算出し、および／または算出された前記第２位置偏差量（ＤＧ）で前記第２サブ反射光画像の位置を補正して、前記第２メイン反射光画像の位置を算出する補正ステップ（Ｓ１３，Ｓ２３）とを含んでいてもよい。
【００１１】
請求項３に記載のように、前記反射光位置特定ステップによって特定される前記第１メイン反射光画像の位置は、前記第１メイン反射光画像の中心位置（ＰＦ）を含み、前記反射光位置特定ステップによって特定される前記第２メイン反射光画像の位置は、前記第２メイン反射光画像の中心位置（ＰＧ）を含んでいてもよい。
請求項４に記載のように、前記代替特定ステップにおいて用いられる前記第１サブ反射光画像の位置は、前記第１サブ反射光画像の中心位置（ＰＳＦ）を含み、前記代替特定ステップにおいて用いられる前記第２サブ反射光画像の位置は、前記第２サブ反射光画像の中心位置（ＰＳＧ）を含んでいてもよい。
【００１２】
前記の目的を達成するための請求項５に記載の発明は、円軌道（３１Ａ，３２Ａ）上を公転する球体（３３）の位置を計測するための球体位置計測装置（１）であって、前記円軌道の内部（中心（Ｑ））を通り直線状に延びる所定の第１基準線（ＬＦ）上に中心を有する円環状の第１照射面（１２Ａ）を有する第１リング照明（１２）と、前記円軌道の内部（中心（Ｑ））を通り直線状に延びる所定の第２基準線（ＬＧ）上に中心を有する円環状の第２照射面（１７Ａ）を有する第２リング照明（１７）と、前記第１基準線上に配置された第１撮像レンズ（１３）を介して、前記第１基準線に沿う第１撮像方向（ＤＥ１）から、前記球体を撮像するための第１撮像手段（１１）と、前記第２基準線上に配置された第２撮像レンズ（１８）を介して、前記第２基準線に沿う第２撮像方向（ＤＥ２）から、前記球体を撮像するための第２撮像手段（１６）と、公転している前記球体を前記第１および第２リング照明の双方で照明させつつ、前記第１撮像手段によって前記球体を撮像させ、それと同期して前記第２撮像手段によって前記球体を撮像させる撮像制御手段（２０）と、前記第１撮像手段によって撮像された第１撮像画像（４０）に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光の画像である第１メイン反射光画像（４１）の位置（ＰＦ）、および前記第２撮像手段によって撮像された第２撮像画像（４３）に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光の画像である第２メイン反射光画像（４４）の位置（ＰＧ）を特定する反射光位置特定手段（２１）と、特定された前記第１および第２メイン反射光画像の位置の双方に基づいて、前記球体中心（ＯＲ）の三次元位置を演算する三次元中心位置演算手段（２１）とを含み、前記反射光位置特定手段は、前記第１メイン反射光画像の位置を、前記第１撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第２リング照明の反射光の画像である第１サブ反射光画像（４２）の位置に基づく演算により求め、および／または前記第２メイン反射光画像の位置を、前記第２撮像画像に含まれる、前記球体表面における前記第１リング照明の反射光の画像である第２サブ反射光画像（４５）の位置に基づく演算により求める代替特定手段（２１）を含む、球体位置計測装置（１）である。
【００１３】
この構成によれば、請求項１に関連して説明した作用効果と同等の作用効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る球体位置計測装置の概略構成を示す図である（その１）。
【図２】本発明の一実施形態に係る球体位置計測装置の概略構成を示す図である（その２）。
【図３】図１の第１撮像システムの構成を示す斜視図である。
【図４】計測対象の玉軸受を説明するための断面図である。
【図５】第１および第２撮像システムによる照明および撮像を説明するための断面図である。
【図６】第１撮像方向から玉軸受を撮像した第１撮像画像を、ｕ−ｖ座標系で示す図である。
【図７】図６に示す第１撮像画像に含まれる、第１メイン反射光画像および第１サブ反射光画像を示す図である。
【図８】第２撮像方向から玉軸受を撮像した第２撮像画像を、ｕ´−ｖ´座標系で示す図である。
【図９】図８に示す第２撮像画像に含まれる、第２メイン反射光画像および第２サブ反射光画像を示す図である。
【図１０】公転中の玉の中心の三次元位置を算出する原理を説明するための図である。
【図１１】図１に示す画像処理部による処理内容を示すフローチャートである。
【図１２】球体表面のグリースの付着状態により、第１メイン反射光画像が不鮮明である場合を示す図である。
【図１３】第１サブ反射光画像の中心位置に基づいて、第１メイン反射光画像の中心位置の座標を算出する際の処理内容を示すフローチャートである。
【図１４】玉軸受を、ｕ−ｖ座標系で示す図である。
【図１５】球体表面のグリースの付着状態により、第２メイン反射光画像が不鮮明である場合を示す図である。
【図１６】第２サブ反射光画像の中心位置に基づいて、第２メイン反射光画像の中心位置の座標を算出する際の処理内容を示すフローチャートである。
【図１７】玉軸受を、ｕ´−ｖ´座標系で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の一実施形態に係る球体位置計測装置１の概略構成を示す図である。図２は、図１のＸ方向から見た図である。球体位置計測装置１は、玉軸受３０を計測対象とし、公転中の玉（球体）３３の中心の三次元位置を計測するための装置である。以下、互いに垂直な水平方向に沿う２方向をそれぞれＸ方向およびＺ方向とし、鉛直上方を、Ｙ方向として説明する。なお、図１および図２では、次に述べる第１撮像カメラ（第１撮像手段）１１の第１撮像レンズ１３の中心（図１参照）と、第２撮像カメラ（第２撮像手段）１６の第２撮像レンズ１８の中心（図１参照）とを結ぶ線分の中央位置を、原点Ｏ位置としている。
【００１６】
球体位置計測装置１は、玉軸受３０を鉛直姿勢に保持しながら、その内輪３１および外輪１２を相対回転させる回転保持機構（図示しない）と、回転状態にある玉軸受３０に対してリング状の光を照射するための第１リング照明１２および第２リング照明１７と、回転状態にある玉軸受３０を撮像するための第１撮像カメラ（第１撮像手段）１１および第２撮像カメラ（第２撮像手段）１６と、第１撮像カメラ１１および第２撮像カメラ１６を駆動するための、コンピュータからなる撮像制御部（撮像制御手段）２０と、第１および第２撮像カメラ１１，１６による撮像画像を処理するための画像処理部（反射光位置特定手段、三次元中心位置演算手段、代替特定手段）２１とを備えている。
【００１７】
回転保持機構は、玉軸受３０の内輪３１および外輪３２を回転軸線回りに相対回転させる。内輪３１および外輪３２の相対回転の回転軸線（回転保持機構が撮像カメラ１１，１６から離反する方向）は、図１および図２のＺ方向を含む。この実施形態では、外輪３２を回転させながら内輪３１を静止状態とするが、内輪３１を回転させながら外輪３２を静止させるようにしてもよい。さらに、内輪３１および外輪３２の回転方向および回転速度の少なくとも一方を互いに異ならせつつ、内輪３１および外輪３２を回転させることにより、内輪３１および外輪３２を相対回転させるようにしてもよい。
【００１８】
第１撮像カメラ１１は、たとえばＣＣＤカメラであり、時間的に連続する複数枚の画像からなる動画像を撮像するためのカメラである。第１撮像カメラ１１は、その第１撮像レンズ１３を回転保持機構に向けて水平に配置されている。第１撮像レンズ１３は、仮想レンズであり、第１撮像カメラ１１内の鏡筒１３Ａ（図３参照）内に収容配置されている。第１撮像カメラ１１のイメージセンサ等からなる受光素子１１Ａと、玉軸受３０の回転中心Ｑ［回転保持機構に配置された玉軸受３０の回転軸線（図１および図２のＺ方向）上にあり、かつ軸方向（図１および図２のＺ方向に沿う方向）の中央点］とを、水平方向に沿う所定の第１基準線ＬＦで結ぶとすると、第１撮像カメラ１１の第１撮像レンズ１３の光軸は第１基準線ＬＦに一致する。玉軸受３０を回転保持機構に配置した状態で、玉軸受３０の前面（図１の下面および図２の左面）の全体が、第１撮像カメラ１１の撮像範囲に含まれる。第１撮像カメラ１１は、第１基準線ＬＦに沿う第１撮像方向ＤＥ１（図１参照）から玉軸受３０を撮像する。
【００１９】
第２撮像カメラ１６は、たとえばＣＣＤカメラであり、時間的に連続する複数枚の画像からなる動画像を撮像するためのカメラである。第２撮像カメラ１６は、その第２撮像レンズ１８を回転保持機構に向けて水平に配置されている。第２撮像レンズ１８は、仮想レンズであり、第２撮像カメラ１１内の鏡筒（図示しない）内に収容配置されている。第２撮像カメラ１６のイメージセンサ等からなる受光素子１６Ａと、玉軸受３０の回転中心（中心）Ｑ［玉軸受３０の回転軸線上にあり、かつ軸方向（図１および図２のＺ方向に沿う方向）の中央点］とを、水平方向に沿う所定の第２基準線ＬＧで結ぶとすると、第２撮像カメラ１６の第２撮像レンズ１８の光軸は第２基準線ＬＧに一致する。玉軸受３０を回転保持機構に配置した状態で、玉軸受３０の前面（図１の下面および図２の左面）の全体が、第２撮像カメラ１６の撮像範囲に含まれる。第２撮像カメラ１６は、第２基準線ＬＧに沿う第２撮像方向ＤＥ２（図１参照）から玉軸受３０を撮像する。
【００２０】
なお、第１撮像カメラ１１の受光素子１１Ａと、第２撮像カメラ１６の受光素子１６Ａとを結ぶ直線に沿い、かつ第１撮像カメラ１１から第２撮像カメラ１６に向かう方向を、図１および図２のＸ方向とする。また、第２基準線ＬＧは、玉軸受３０の回転軸線（図１および図２のＺ方向）を中心として、第１基準線ＬＦと線対称である（玉軸受３０の回転軸線および第１基準線ＬＦがなす角度と、玉軸受３０の回転軸線および第２基準線ＬＧがなす角度は、ともに図１のαである）。
【００２１】
第１および第２撮像カメラ１１，１６として、３０（ｆｐｓ：frame per second）以上のフレームレートで動画を撮像するカメラを採用できるが、１００（ｆｐｓ：frame per second）以上のフレームレートで動画を撮像可能な高速度カメラの採用がより一層望ましい。一例として、マスターカメラ（SA-X）やスレーブカメラ（SA-1.1）を第１および第２撮像カメラ１１，１６として採用できる。
【００２２】
第１リング照明１２は、円環状をなし、その端面に円形の第１照射面１２Ａが設けられている。第１リング照明１２は、その中心が、第１基準線ＬＦ上に位置するように配置されている。第１照射面１２Ａからは、回転保持機構に対して均一に光が照射される。第１リング照明１２は、回転保持機構による保持対象の玉軸受３０の外輪３２（より詳しくは外輪軌道面３２Ａ（図４参照）よりも大径であり、そのため、回転保持機構に保持された玉軸受３０の全体に光を照射できるようになっている。
【００２３】
第２リング照明１７は、円環状をなし、その端面に円形の第２照射面１７Ａが設けられている。第２リング照明１７は、その中心が、第２基準線ＬＧ上に位置するように配置されている。第２照射面１７Ａからは、回転保持機構に対して均一に光が照射される。第２リング照明１７は、回転保持機構による保持対象の玉軸受３０の外輪３２（より詳しくは外輪軌道面３２Ａ（図４参照）よりも大径であり、そのため、回転保持機構に保持された玉軸受３０の全体に光を照射できるようになっている。なお、第１および第２リング照明１２，１７として円環状のものを例に挙げて示したが、円筒状をなしていてもよい。
【００２４】
以上説明した第１撮像カメラ１１（第１撮像レンズ１３を含む）および第１リング照明１２は、第１撮像システム２に含まれている。第１撮像システム
２の斜視図を、図３に示す。
また、第２撮像カメラ１６（第２撮像レンズ１８を含む）および第２リング照明１７は、第２撮像システム３に含まれている。第２撮像システム３は、第１撮像システム２の図３に示す構成と同等であるので図示を省略する。
【００２５】
図１に示すように、画像処理部２１には、第１および第２撮像カメラ１１，１６によってそれぞれ撮像された撮像画像が入力される。画像処理部２１は、ＣＰＵ、メモリおよび各種のインターフェイス等を含む構成のコンピュータにより構成されている。画像処理部２１は、入力された各撮像画像に対して、所定の画像処理を施す画像処理制御部２２と、後述するベクトルＤＦおよびベクトルＤＧを記憶する位置偏差量記憶部２３とを含む。
【００２６】
図４は、球体位置計測装置１の計測対象の玉軸受３０を説明するための断面図である。
玉軸受３０は、内輪３１と、内輪３１と同心に配置された外輪３２と、内輪３１および外輪３２間に介装された複数の転動体としての玉（球体）３３と、複数の玉３３を周方向に間隔を空けて保持するための保持器３４とを備えた深溝玉軸受である。内輪３１と外輪３２とがそれらの中心軸線まわりに相対回転可能である。玉３３は、内輪３１の深溝型の内輪軌道面（円軌道）３１Ａと外輪３２の深溝型の外輪軌道面（円軌道）３２Ａとの間に介在されている。
【００２７】
なお、計測対象として、玉軸受３０は深溝玉軸受でなく、玉３３と内輪軌道面３１Ａとの接触面および玉３３と外輪軌道面３２Ａとの接触面とを結ぶ直線が、内輪３１や外輪３２の径方向に対して所定角度傾斜するアンギュラ型の玉軸受を採用することもできる。
図１〜図４に示すように、球体位置計測装置１による計測時には、一例として、100（Ｎ）のスラスト荷重と、1000（Ｎ）のラジアル荷重とが玉軸受３０に作用しながら、回転保持機構に保持された玉軸受３０の外輪３２が回転される。この状態で、外輪３２の回転に伴って、玉３３および保持器３４も、内輪軌道面３１Ａおよび外輪軌道面３２Ａ上を周方向に公転（回転）する。
【００２８】
また、外輪３２の回転に際して、第１および第２リング照明１２，１７からの照射光が、玉軸受３０に向けて同時に照射される（照明ステップ）とともに、第１および第２撮像カメラ１１，１６による撮像が実行される（第１および第２撮像ステップ）。第１撮像カメラ１１による撮像と、第２撮像カメラ１６による撮像とは、互いに同期して（同時に）実行される。
【００２９】
図５は、第１および第２撮像システム２，３による照明および撮像を説明するための断面図である。図５では、第１撮像システム２の各構成を、実線を用いて示し、第２撮像システム３の各構成を、二点鎖線を用いて示す。図５を参照して、第１および第２撮像カメラ１１，１６によって撮像された撮像画像における、玉３３の表面の反射光について説明する。
【００３０】
第１撮像カメラ１１の第１撮像レンズ１３には、それぞれ、各玉３３の表面で反射した第１リング照明１２の反射光が入射される。このとき、第１照明面１２Ａの各所から照射された光は各玉３３の表面上で反射して、第１撮像レンズ１３を通して第１撮像カメラ１１に入射する。第１照明面１２Ａが円環状をなしているので、第１リング照明１２の配置側から見たとき、各玉３３の表面に、第１照明面１２Ａからの反射光による環状の模様が表れる。これにより、各玉３３の表面の反射光の像が、環状の形態で撮像される。
【００３１】
図６は、第１撮像方向ＤＥ１から玉軸受３０を撮像した第１撮像画像４０を、ｕ−ｖ座標系で示す図である。図７は、第１撮像画像４０に含まれる反射光画像４１，４２を示す図である。
第１撮像画像４０には、複数の玉３３の画像が含まれる。このうち、計測対象になる１つの玉３３の画像（図６において矩形の枠で囲む）に着目する。第１リング照明１２からの照明と、第２リング照明１７（図１参照）の照明とが同時に行われるので、第１撮像カメラ１１によって撮像される第１撮像画像４０には、玉３３表面における第１リング照明１２の反射光画像４１（以下、この反射光画像を「第１メイン反射光画像４１」という。）と、玉３３表面における第２リング照明１７の反射光画像４２（以下、この反射光画像を「第１サブ反射光画像４２」という。）とが写り込む。なお、図６に示すように、第１撮像画像４０の２次元座標系は、第１基準線ＬＦに垂直な平面の直交座標系であるｕ−ｖ座標系であり、玉軸受３０の回転中心Ｑの座標は（ｕ０，ｖ０）である。
【００３２】
図７に示すように、第１撮像画像４０に含まれる第１メイン反射光画像４１は、所定の幅を有する円環状をなしている。第１メイン反射光画像４１から、当該第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦを特定する。この実施形態では、円環状の第１メイン反射光画像４１の外周縁に基づいて、第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦを特定する。なお、図７に示す、点ａＦ、点ｂＦ、点ｃＦおよび点ｄＦは、第１メイン反射光画像４１に含まれる、第１リング照明１２の第１照明面１２Ａの外側の横端ａ１（図１参照）からの光の反射位置、第１照明面１２Ａの上端ｂ１（図２参照）からの光の反射位置、第１照明面１２Ａの内側の横端ｃ１（図１参照）からの光の反射位置、および第１照明面１２Ａの下端ｄ１（図２参照）からの光の反射位置を、それぞれ示している。
【００３３】
図８は、第２撮像方向ＤＥ２から玉軸受３０を撮像した第２撮像画像４３を、ｕ´−ｖ´座標系で示す図である。図９は、第２撮像画像４３に含まれる反射光画像４４，４５を示す図である。
第２撮像画像４３には、複数の玉３３の画像が含まれる。このうち、計測対象になる１つの玉３３の画像（図８において矩形の枠で囲む）に着目する。第１リング照明１２からの照明と、第２リング照明１７（図１参照）の照明とが同時に行われるので、第２撮像カメラ１６によって撮像される第２撮像画像４３には、玉３３表面における第２リング照明１７の反射光画像４４（以下、この反射光画像を「第２メイン反射光画像４４」という。）と、玉３３表面における第１リング照明１２の反射光画像４５（以下、この反射光画像を「第２サブ反射光画像４５」という。）とが写り込む。なお、図８に示すように、第２撮像画像４３の２次元座標系は、第２基準線ＬＧに垂直な平面の直交座標系であるｕ´−ｖ´座標系であり、玉軸受３０の回転中心Ｑの座標は（ｕ０´，ｖ０´）である。
【００３４】
図９に示すように、第２撮像画像４３に含まれる第２メイン反射光画像４４は、所定の幅を有する円環状をなしている。第２メイン反射光画像４４から、当該第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧを特定する。この実施形態では、円環状の第２メイン反射光画像４４の外周縁に基づいて、第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧを特定する。なお、図９に示す、点ａＧ、点ｂＧ、点ｃＧおよび点ｄＧは、第２メイン反射光画像４４に含まれる、第２リング照明１７の第２照明面１７Ａの外側の横端ａ２（図１参照）からの光の反射位置、第２照明面１７Ａの上端（図示しない）からの光の反射位置、第２照明面１７Ａの内側の横端ｃ２（図１参照）からの光の反射位置、および第２照明面１７Ａの下端（図示しない）からの光の反射位置を、それぞれ示している。
【００３５】
図１０は、第１撮像画像４０および第２撮像画像４３に基づいて、公転中の玉３３の中心ＯＲの三次元位置を求める原理を説明するための図である。
第１撮像画像４０に含まれる第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦ（ｕ，ｖ）は、玉３３の中心ＯＲと第１撮像カメラ１１（図１参照）の受光素子１１Ａ（図１参照）とを結ぶ直線Ｌ１上に配置されており、第２撮像画像４３に含まれる第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧ（ｕ´，ｖ´）は、中心ＯＲと第２撮像カメラ１６（図１参照）の受光素子１６Ａ（図１参照）とを結ぶ直線Ｌ２上に配置されており、そのため、中心位置ＰＦ（ｕ，ｖ）および中心位置ＰＧ（ｕ´，ｖ´）の位置をそれぞれ特定できれば、これらの中心位置ＰＦ，ＰＧに基づいて、玉３３の中心ＯＲの三次元位置の座標を求めることが可能である。
【００３６】
図１１は、図１に示す画像処理部２１による処理内容を示すフローチャートである。
以下、図１〜図１０を参照しつつ、玉３３の中心ＯＲの三次元位置の計測時における撮像画像の処理について説明する。以下のフローチャートでは、玉軸受３０（図４等参照）に含まれる玉３３のうち、所定の玉３３の位置を計測する場合を例に挙げて説明するが、全ての玉３３の位置を計測するものであってもよい。
【００３７】
まず、画像処理部２１の画像処理制御部２２は、第１撮像カメラ１１からの第１撮像画像４０の入力、および第２撮像カメラ１６からの第２撮像画像４３の入力を受け付け、画像処理部２１のメモリに記憶する（Ｓ１：画像記憶）。
次いで、画像処理制御部２２は、第１撮像画像４０に含まれる、第１メイン反射光画像４１および第１サブ反射光画像４２を認識し、かつ第２撮像画像４３に含まれる、第２メイン反射光画像４４および第２サブ反射光画像４５を認識する（Ｓ２：反射光認識）。反射光画像４１，４２，４４，４５の認識のための処理は、たとえば、第１および第２撮像画像４０，４３における玉３３に対し、所定の輝度値を闇値とする２値化処理を施すことにより、反射光画像４１，４２，４４，４５をそれぞれ抽出する。換言すると、反射光画像４１，４２，４４，４５は、その周囲の玉３３の表面よりも輝度が高くなるため、輝度が高い部分と低い部分とを２階調に変換することによって反射光画像４１，４２，４４，４５を抽出できる。そして、抽出された反射光画像４１，４２，４４，４５を認識する。
【００３８】
なお、第１および第２リング照明１２，１７からの照度は、２値化処理によって反射光画像４１，４２，４４，４５が適切に抽出されるように予め適切な照度に調整されている。また、玉３３の表面での反射光画像４１，４２，４４，４５が、内輪３１の影等に重なって途切れた状態になる場合には、画像処理制御部２２は、反射光画像４１，４２，４４，４５に対して公知のクロージング処理を行うことによって形状を補正し、環状の反射光画像４１，４２，４４，４５を抽出する。
【００３９】
次いで、画像処理制御部２２は、第１撮像画像４０に含まれる第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦの座標（ｕ，ｖ）を、演算により算出する（反射光位置特定ステップ。ステップＳ３）。中心位置ＰＦの座標（ｕ，ｖ）は、たとえば環状の第１メイン反射光画像４１の外周縁に含まれる画素の座標値の総和を当該画素の数で割ることによって求めることができる。
【００４０】
次いで、画像処理制御部２２は、第２撮像画像４３に含まれる第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧの座標（ｕ´，ｖ´）を、演算により算出する（反射光位置特定ステップ。ステップＳ４）。中心位置ＰＧの座標（ｕ´，ｖ´）は、たとえば環状の第２メイン反射光画像４４の外周縁に含まれる画素の座標値の総和を当該画素の数で割ることによって求めることができる。
【００４１】
なお、中心位置ＰＦおよび中心位置ＰＧの座標を求める際、画素の輝度値によって重み付けを行った上でメイン反射光画像４１，４４の中心位置ＰＦおよび中心位置ＰＧを算出すれば、より正確な位置検出を実現できる。
次いで、画像処理部２１は、第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦおよび第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧの演算結果を、次の式（１）にあてはめることにより、玉３３の中心ＯＲの三次元位置を演算により求める（三次元中心位置演算ステップ。ステップＳ５）。
ＯＲ（ｘ，ｙ，ｚ）＝Ｂ／（ｕ−ｕ´）×（１／２（ｕ＋ｕ´），１／２（ｖ＋ｖ´），ｆ）
（但し、Ｂ…第１および第２撮像カメラ１１，１６の間隔（図１参照）、ｆ…撮像レンズ１３,１８のレンズ焦点距離（図１参照））    ・・・（１）
この実施形態では、撮像カメラ１１,１６を同
時に、連続的に複数回繰り返し撮像させる。そして、連続する撮像画像を解析することにより、公転中の玉３３の周方向の各所における位置を計測できる。
【００４２】
ところで、図１２に示すように、玉３３の表面のグリースの付着状態により、第１メイン反射光画像４１が不鮮明である場合がある。第１サブ反射光画像４２が鮮明である場合、第１サブ反射光画像４２の中心位置ＰＳＦの座標に基づいて、第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦを算出することができる。
図１３は、第１サブ反射光画像４２の中心位置ＰＳＦに基づいて、第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦの座標を算出する際の処理内容を示すフローチャートである。図１４は、玉軸受３０を、ｕ−ｖ座標系で示す図である。計測対象である玉３３の中心位置がｕ−ｖ座標系のｕ軸の軸方向となす角度をθＦとする。
【００４３】
図１４に示すように、玉３３の各周方向位置（各角度θＦ）に関し、第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦ（ｕ，ｖ）の座標と、第１サブ反射光画像４２の中心位置ＰＳＦの座標との間には、所定の位置偏差がある。玉３３の各周方向位置における、第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦ（ｕ，ｖ）の座標と、第１サブ反射光画像４２の中心位置ＰＳＦの座標との間の第１位置偏差量（ベクトル量）であるベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）は、角度θＦに依存している。位置偏差量記憶部２３（図１参照）には、ベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）が各角度θＦに対応して記憶されている。作業者は、ベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）は、θＦ＝θ１,θ２,θ３,…,θｎのときのベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）を実測により求め、またθＦの中間値はその前後の値から補完して算出することにより、各角度θＦに対応するベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）を予め求める。そして、求めたベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）を、ベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）を位置偏差量記憶部２３に記憶している。
【００４４】
図１３および図１４を参照して、第１サブ反射光画像４２の中心位置ＰＳＦに基づく、第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦの座標の算出について説明する。
まず、画像処理部２１（図１参照）の画像処理制御部２２（図１参照）は、第１サブ反射光画像４２の中心位置ＰＳＦの座標を特定する（ステップＳ１１）。具体的には、画像処理制御部２２は、円環状の第１サブ反射光画像４２の外周縁に基づいて、中心位置ＰＳＦの座標を特定する。次いで、画像処理制御部２２は、角度θＦを特定し、当該角度θＦに対応するベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）を算出する（位置偏差量算出ステップ。ステップＳ１２）。次いで、画像処理制御部２２は、ステップＳ１２で算出したベクトルＤＦ（Δｕ，Δｖ）で中心位置ＰＳＦの座標を補正して、第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦを算出する（補正ステップ。ステップＳ１３）。このようにして求めた第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦの座標を、図１１のステップＳ３の処理において用いる。
【００４５】
鮮明な第１サブ反射光画像４２を補正することにより第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦを求めるので、第１メイン反射光画像４１の中心位置ＰＦを精度良く算出できる。
また、図１５に示すように、玉３３の表面のグリースの付着状態により、第２メイン反射光画像４４が不鮮明である場合がある。第２サブ反射光画像４５が鮮明である場合、第２サブ反射光画像４５の中心位置ＰＳＧの座標に基づいて、第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧを算出することができる。
【００４６】
図１６は、第２サブ反射光画像４５の中心位置ＰＳＧに基づいて、第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧの座標を算出する際の処理内容を示すフローチャートである。図１７は、玉軸受３０を、ｕ´−ｖ´座標系で示す図である。計測対象である玉３３の中心位置がｕ´−ｖ´座標系のｕ´軸の軸方向となす角度をθＧとする。
図１７に示すように、玉３３の各周方向位置（各角度θＧ）に関し、第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧ（ｕ´，ｖ´）の座標と、第２サブ反射光画像４５の中心位置ＰＳＧの座標との間には、所定の位置偏差がある。玉３３の各周方向位置における、第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧ（ｕ´，ｖ´）の座標と、第２サブ反射光画像４５の中心位置ＰＳＧの座標との間の第２位置偏差量（ベクトル量）であるベクトルＤＧ（Δｕ´，Δｖ´）は、角度θＧに依存している。位置偏差量記憶部２３（図１参照）には、ベクトルＤＧ（Δｕ´，Δｖ´）が各角度θＧに対応して記憶されている。作業者は、ベクトルＤＧ（Δｕ´，Δｖ´）は、θＦ＝θ１,θ２,θ３,…,θｎのときのベクトルＤＧ（Δｕ´，Δｖ´）を実測により求め、またθＧの中間値はその前後の値から補完して算出することにより、各角度θＧに対応するベクトルＤＧ（Δｕ´，Δｖ´）を予め求める。そして、求めたベクトルＤＧ（Δｕ´，Δｖ´）を位置偏差量記憶部２３に記憶している。
【００４７】
図１６および図１７を参照して、第２サブ反射光画像４５の中心位置ＰＳＧに基づく、第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧの座標の算出について説明する。
まず、画像処理部２１（図１参照）の画像処理制御部２２（図１参照）は、第２サブ反射光画像４５の中心位置ＰＳＧの座標を特定する（ステップＳ２１）。具体的には、画像処理制御部２２は、円環状の第２サブ反射光画像４５の外周縁に基づいて、中心位置ＰＳＧの座標を特定する。次いで、画像処理制御部２２は、角度θＧを特定し、当該角度θＧに対応するベクトルＤＧ（Δｕ´，Δｖ´）を算出する（位置偏差量算出ステップ。ステップＳ２２）。次いで、画像処理制御部２２は、ステップＳ２２で算出したベクトルＤＧ（Δｕ´，Δｖ´）で中心位置ＰＳＧの座標を補正して、第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧを算出する（補正ステップ。ステップＳ２３）。このようにして求めた第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧの座標を、図１１のステップＳ４の処理において用いる。
【００４８】
鮮明な第２サブ反射光画像４５を補正することにより第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧを求めるので、第２メイン反射光画像４４の中心位置ＰＧを精度良く算出できる。
以上によりこの実施形態によれば、玉３３の表面におけるグリースの付着状況によらずに、公転中の玉３３の中心の三次元位置を精度良く計測することができる。
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
１…球体位置計測装置、１１…第１撮像カメラ（第１撮像手段）、１２…第１リング照明、１２Ａ…第１照明面、１３…第１撮像レンズ、１６…第２撮像カメラ（第２撮像手段）、１７…第２リング照明、１７Ａ…第２照明面、１８…第２撮像レンズ、２１…画像処理部（反射光位置特定手段、三次元中心位置演算手段、代替特定手段）、３１Ａ，３２Ａ…軌道面（円軌道）、３３…玉（球体）、４０…第１撮像画像、４１…第１メイン反射光画像、４２…第１サブ反射光画像、４３…第２撮像画像、４４…第２メイン反射光画像、４５…第２サブ反射光画像、ＤＥ１…第１撮像方向、ＤＥ２…第２撮像方向、Ｑ…回転中心（中心）、ＬＦ…第１基準線、ＬＧ…第２基準線、ＰＦ…第１メイン反射光画像の中心位置、ＰＧ…第２メイン反射光画像の中心位置、ＰＳＦ…第１サブ反射光画像の中心位置、ＰＳＧ…第２サブ反射光画像の中心位置、ＯＲ…玉の中心（球体の中心）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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