(57)【要約】【課題】球体の位置を好適に測定することができる球体の位置測定装置を提供する。【解決手段】球体１３の位置を測定する位置測定装置１５であって、カメラ本体１７とレンズ２０とを有し、当該レンズ２０を介して前記球体１３から放射される赤外線を受光して画像を生成する赤外線カメラ１６と、赤外線カメラ１６によって生成された画像中における、前記レンズ２０から放射され前記球体１３の表面で反射された赤外光を認識し、その位置を求める画像処理部２２と、を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
球体の位置を測定するための位置測定装置であって、
カメラ本体とレンズとを有するとともに、当該レンズを通して前記球体から放射される赤外線を受光し、画像を生成する赤外線カメラと、
前記赤外線カメラによって生成された画像中における、前記レンズから放射され前記球体の表面で反射された赤外光を認識し、その位置を求める画像処理部と、
を備えていることを特徴とする球体の位置測定装置。
【請求項２】
前記球体に対して前記カメラ本体から放射される赤外線を遮蔽する遮蔽部材をさらに備えている請求項１に記載の球体の位置測定装置。
【請求項３】
球体の位置を測定するための位置測定方法であって、
カメラ本体とレンズとを有する赤外線カメラによって前記球体を撮像するステップと、
前記赤外線カメラによって撮像された画像から、前記レンズから放射され前記球体の表面で反射された赤外光を認識し、その位置を求めるステップと、
を含むことを特徴とする球体の位置測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球体の位置測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受等の玉軸受は、内輪と外輪との相対回転によって玉が周方向に公転する。この玉の公転速度は、外輪や内輪に対する玉の接触角の変化や玉の滑り等に起因して不均一になる場合があり、これによって玉の進み遅れが生じ、保持器に大きな応力が発生することがある。したがって、玉軸受を設計したり使用条件等を定めたりするにあたって玉の公転状態等の挙動を解析することは極めて重要となる。
【０００３】
転がり軸受の転動体の挙動を解析する技術として、特許文献１に記載された転動体挙動の非接触測定装置が公知である。この非接触測定装置は、被測定物となる軸受の転動体を介在させて相対的に回転自在な一対の軌道盤と、この軌道盤を回転させる駆動源と、一対の軌道盤の間の転動体を撮像する撮像部と、この撮像部で撮像した画像データにより前記転動体の挙動を解析する画像解析部とを備えている。
【０００４】
この非接触測定装置は、スラスト針状ころ軸受等に使用される円筒状の転動体（以下、「円筒体」という）を解析対象とし、この円筒体を撮影した画像を解析することによって、その変位量や回転角度を解析する。具体的には、円筒体の端面の中心とその周囲との２箇所にマーキングを設け、スラスト針状ころ軸受の径方向外側から円筒体の端面を撮影し、この端面の画像において、端面中心のマーキングの回りで他のマーキングがどの程度移動するかによって円筒体の回転角度を取得している。また、一対の軌道輪を透明な材質で形成して、スラスト針状ころ軸受の軸方向外側からも円筒体の画像を撮影し、この画像における円筒体の両端の形状をパターン認識することによって、円筒体の重心位置とスキュー角の変化を取得している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２１３９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術は、針状ころ等の円筒体を対象とするものであり、玉軸受の玉に対しては適用することができない。玉軸受の玉は、円筒体とは異なり一定の姿勢で公転しないため、常にマーキングが撮影範囲に含まれるとは限らないからである。また、マーキングを設けることによって玉の挙動が変化してしまう可能性もあり、正確な挙動を取得できなくなるおそれがある。
【０００７】
また、撮影された画像から玉の外形を求め、その外形の中心を玉の位置として認識することも考えられるが、玉軸受の場合、玉の一部が軌道輪によって隠れるため、玉の画像から正確に中心を求めるのは困難である。
【０００８】
本発明は、撮像された画像から球体の位置を正確に求めることができ、玉軸受の玉の挙動解析等のために適用可能な球体の位置測定装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、球体の位置を測定するための位置測定装置であって、
カメラ本体とレンズとを有するとともに、当該レンズを通して前記球体から放射される赤外線を受光し、画像を生成する赤外線カメラと、
前記赤外線カメラによって生成された画像中における、前記レンズから放射され前記球体の表面で反射された赤外光を認識し、その位置を求める画像処理部と、
を備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、球体の位置を測定するにあたって、可視光を受光して画像を生成する一般的なカメラを使用するのではなく、赤外線（赤外光）を受光して画像を生成する赤外線カメラを使用する。一般に赤外線カメラは、撮像素子や画像生成部等を有するカメラ本体と、赤外線を集光し撮像素子に結像するレンズとを備えているが、カメラ本体は、通電されることによって発熱し、周囲や球体よりも強い赤外線を放射する。また、カメラ本体に取り付けられるレンズも周囲や球体よりも強い赤外線を放射するが、この赤外線はカメラ本体から放射される赤外線よりは弱くなる。そして、赤外線カメラによって球体を撮像すると、球体自身から放射される赤外線だけでなく、赤外線カメラから放射され、球体の表面で反射された赤外線も赤外線カメラで受光され、画像に写し出される。赤外線カメラによって撮像された画像は、赤外線の強弱が輝度差や色の違い等として表れるので、球体よりも強い赤外線を放射するカメラ本体やレンズの位置を画像から認識することができる。そして、レンズから放射された赤外線は、画像中における球体の中心部に写し出されるので、レンズが放射した赤外線の位置を認識することによって球体の位置を測定することが可能となる。したがって、本発明では、玉にマーキング等を設けることなく玉の位置を求めることができる。また、例えば、球体の周囲が隠れていたとしても球体の中心位置を認識することができる。さらに、可視光の照明が不要であるため、位置測定装置の構成を簡素化することができるとともに、当該照明等の外部の光が外乱となることもなく正確な位置測定を行うことができる。
【００１１】
上記の構成において、前記球体に対して前記カメラ本体から放射される赤外線を遮蔽する遮蔽部材をさらに備えていることが好ましい。
このような遮蔽部材を備えることで、カメラ本体から放射される赤外線が球体の表面で反射し、画像中に写し出されることがなくなる。よって、赤外線カメラのうちレンズのみを画像中から容易に識別することが可能となり、より確実に球体の位置を測定することができる。
【００１２】
本発明は、球体の位置を測定するための位置測定方法であって、
カメラ本体とレンズとを有する赤外線カメラによって前記球体を撮像するステップと、
前記赤外線カメラによって撮像された画像から、前記レンズから放射され前記球体の表面で反射された赤外光を認識し、その位置を求めるステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、上述の位置測定装置と同様に、赤外線カメラによって撮像された画像から、レンズから放射された赤外線の位置を認識することによって球体の位置を測定することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、赤外線カメラによって撮像された画像から球体の位置を正確に測定することができる。したがって、玉軸受等の玉の挙動の解析のために使用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る球体の位置測定装置の概略図である。
【図２】（ａ）は、赤外線カメラによって撮像された画像を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。
【図３】画像処理部による処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態に係る位置測定装置の概略平面図である。
【図５】本発明の位置測定装置を玉軸受に適用した例を示す概略図である。
【図６】画像処理部による処理方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る球体の位置測定装置を示す概略図である。
本実施形態の位置測定装置１５は、測定対象としての玉（球体）１３の位置を測定するために使用される。
位置測定装置１５は、玉１３を撮像するカメラ１６と、カメラ１６によって撮像された画像に対して所定の画像処理を行う画像処理部２２とを備えている。
【００１７】
カメラ１６には、赤外線（赤外光）を受光して画像を生成する赤外線カメラが使用されている。この赤外線カメラ１６は、静止画像又は動画像を撮像可能なカメラであり、カメラ本体１７とレンズ２０とからなる。カメラ本体１７は、複数の画素をマトリックス状に配列してなる撮像素子（赤外線検出センサ）と、この撮像素子の出力信号に基づいて画像を生成する画像生成部等を有している。撮像素子は、例えば遠赤外線に相当する８μｍ〜１４μｍ程度の波長を有する赤外線を受光するとともに受光した赤外線の強度に応じた信号を出力する。レンズ２０は、外部から入射した赤外線を集光するとともに撮像素子において結像する。なお、この赤外線カメラ１６には、例えばＣｅｄｉｐ社の「Ｓｉｌｖｅｒ  ４８０Ｍ」を使用することができる。ただし、これに限定されるものではない。
【００１８】
赤外線カメラ１６は、自身が発熱体として赤外線を放射し、周囲よりも高温となっている。特に、赤外線カメラ１６のうちカメラ本体１７には電源が接続され、通電により駆動する駆動部品を備えているので、カメラ本体１７の発熱がより大きくなる。レンズ２０もカメラ本体１７に接続されているので、周囲より高温となるが、カメラ本体に比べると発熱は小さくなっている。
【００１９】
赤外線カメラ１６によって撮像された画像は画像処理部２２に入力され、この画像処理部２２において所定の画像処理がなされる。この画像処理部２２は、ＣＰＵ等の演算部、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＨＤＤ等の記憶部、及び各種インターフェース等を備えたコンピュータにより構成されている。そして、本実施形態の画像処理部２２は、後述するように、レンズ領域認識部２３及び重心演算部２４としての機能を有している。
【００２０】
図２（ａ）は、赤外線カメラによって撮像された画像を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。
赤外線カメラ１６によって撮像された玉１３の画像には、赤外線カメラ１６自身が放射する赤外線が、玉１３の表面で反射されることによって写し出される。ここで、前述のように赤外線カメラ１６は、カメラ本体１７の発熱が大きくレンズ２０の発熱が小さいため、画像においては、カメラ本体１７から放射された赤外線に相当する領域（以下、「カメラ本体領域」ともいう）Ａ１と、レンズ２０から放射された赤外線に相当する領域（以下、「レンズ領域」ともいう）Ａ２とが、輝度差や色の違い等として明確に識別されることになる。そして、レンズ領域Ａ２は、必ず玉１３の中心に位置することになるので、画像処理部２２は、画像中におけるレンズ領域Ａ２を認識することによって玉１３の位置を測定する処理を行う。
【００２１】
以下、画像処理部２２による具体的な画像処理について説明する。図３は、画像処理部による処理手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、画像処理部２２は、赤外線カメラ１６によって撮像された画像の入力を受け付け、記憶部に記憶する。
次いで、ステップＳ２において、画像処理部２２は、レンズ領域認識部２３（図１参照）の機能により、各玉１３の表面上に写し出されたレンズ領域Ａ２を認識する処理を行う。この処理は、例えば、玉１３の画像に対し所定の輝度値を閾値とする２値化処理を行うことによって、レンズ領域Ａ２を抽出する。すなわち、レンズ領域Ａ２は、その周囲のカメラ本体領域Ａ１と輝度差があるため、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レンズ領域Ａ２を抽出することができる。
【００２２】
次いで、ステップＳ３において、画像処理部２２は、重心演算部２４（図１参照）の機能により、抽出されたレンズ領域Ａ２を対象としてその重心位置（図心の位置）を求める処理を行う。この処理は、例えば画像に対して２次元の座標系を設定し、レンズ領域Ａ２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。この際、画素の輝度値によって重み付けを行った上でレンズ領域Ａ２の重心を求めれば、より正確な重心位置を取得することができる。
【００２３】
このように求められたレンズ領域Ａ２の重心位置は玉１３の中心位置に相当するので、当該中心位置を現実の玉１３の位置（座標）とみなすことができる。また、この玉１３の位置を、例えば世界座標系等に変換してやれば、玉１３の３次元の挙動等の解析にも利用することが可能となる。
【００２４】
また、本実施形態では、赤外線カメラ１６を利用しているので照明が不要である。そのため、位置測定装置１５の構成を簡素化することができるとともに、照明等の外部に光が外乱として作用することもないので、玉１３の位置をより正確に測定することができる。
【００２５】
図４は、本発明の他の実施形態に係る位置測定装置の概略平面図である。
本実施形態では、赤外線カメラ１６のカメラ本体１７が遮蔽部材３０によって覆われており、カメラ本体１７から放射される赤外線が玉１３に到達しないように構成されている。したがって、本実施形態では、赤外線カメラ１６のうちレンズ２０から放射される赤外線のみが玉１３で反射されて画像に写し出される。したがって、レンズ領域Ａ２の抽出をより容易に行うことができる。
【００２６】
図５は、本発明の位置測定装置を玉軸受に適用した例を示す概略図である。
本実施形態では、測定対象が玉軸受１０の玉１３とされている。玉軸受１０は、内輪１１と、内輪１１の径方向外方に配置された外輪１２と、内輪１１と外輪１２との間に配置された複数の玉１３とを備えている。複数の玉１３は、内輪１１の外周面及び外輪１２の内周面に形成された円環状の軌道上を自転しつつ周方向に公転する。また、複数の玉１３は、図示しない保持器によって周方向の間隔が保持される。
【００２７】
そして、玉軸受１０は、その軸心Ｏが赤外線カメラ１６のレンズ２０の光軸と一致するように配置されている。そして、赤外線カメラ１６によって玉軸受１０を軸心方向から撮像し、画像処理部２２によって、撮像された画像に所定の処理を行うことによって各玉１３の位置を測定する。
【００２８】
赤外線カメラ１６は、時間的に連続する複数の画像列からなる動画像を撮像するものとされる。赤外線カメラ１６は、例えば３０〜６０ｆｐｓのフレームレートで動画像を撮像するものを用いることができるが、１００ｆｐｓ以上の動画を撮像可能な高速度カメラを用いることがより推奨される。
【００２９】
画像処理部２２は、上記実施形態において説明した処理（図３参照）と同様に、各玉１３についてレンズ領域Ａ２を認識する処理と、レンズ領域Ａ２の重心を求める処理とを行う。この処理によって、図６に示すように、各玉１３におけるレンズ領域Ａ２の重心位置ｇｉ（ｘｉ，ｙｉ）（ただし、ｉ＝１〜ｎ（玉の個数））が求められる。なお、各玉１３における重心ｇｉについての近似円を求め、この近似円の中心位置Ｏ（ｘｃ，ｙｃ）を取得することもできる。この近似円は、各重心ｇｉとの間隔が最小となるように近似された円であり、最小二乗法等の公知の手法を用いて求めることができる。
【００３０】
そして、赤外線カメラ１６によって撮像された動画像の各フレームについて、各玉１３のレンズ領域Ａ２の重心位置ｇｉの座標を求め、フレーム間の重心位置ｇｉの変化を解析することによって、玉１３の公転速度やその変化を把握することができる。例えば、画像フレーム間の時間経過に対する玉１３の周方向位置の変化量を求めることで、玉１３の公転速度を取得することができる。また、隣接する玉同士の中心角の変化を取得することによって玉１３の相対的な公転速度差を求めることもできる。また、玉１３と保持器との相対位置関係により、玉１３と保持器との接触等の挙動を解析することができ、玉軸受１０の低トルク化等の設計に役立てることができる。
【００３１】
また、玉軸受１０の玉１３は、内輪１１や外輪１２によって外形の一部が隠されることになるが、本実施形態では、玉１３に写し出されたレンズ領域Ａ２を認識して玉１３の位置を測定するものであるため、玉１３の外形が隠されていたとしても何ら影響はない。
また、本実施形態では、赤外線カメラ１６を用いているので、玉１３の位置だけでなく、玉軸受１０の回転によって生じる内輪１１や外輪１２の温度分布を同時に検出することが可能となる。そのため、当該温度分布から内輪１１や外輪１２に生じる応力を推定したり、その応力と玉１３の挙動との関連性を解析したりすることに繋がり、玉軸受１０の耐久性や耐熱性等の設計にも役立てることが可能となる。
【００３２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜変形可能である。
例えば、本発明における球体の位置測定装置１５は、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、４点接触玉軸受、自動調心玉軸受等に使用される玉の位置を測定するために使用することができる。
画像処理部２２におけるレンズ領域認識部２３及び重心演算部２４の各処理は、上述した方法、手順に限定されるものではなく、各部の目的が達成される限りにおいて他の方法や手順を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１３：玉（球体）、１５：位置測定装置、１６：赤外線カメラ、１７：カメラ本体、２０：レンズ、２２：画像処理部、２３：レンズ領域認識部、２４：重心演算部
【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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