微 小 空 間 の 超 ス ロ ー モ ー シ ョ ン 立 体 観 察 カ メ ラ の 開 発

微 小 空 間 の 超 ス ロ ー モ ー シ ョ ン 立 体 観 察 カ メ ラ の 開 発

報告者 理工学部機械 工学科 教授 共 同研究者 理工学部社会環境 工学科 教授 理工学部電気電子工学科 教授 理工学部社会環境 工学科 助教授 理工学部社会環境 工学科 講師

村 田機械株式会社

青 山邑里 江藤剛治 神戸尚志 竹原幸生 沖 中知雄 竹内秀年

1.背 景

撚 糸 加 工 は 非 常 に 高 速 な 現 象(亜 音 速 域,約200m/sec)で あ り,し か も高 速 運 動 す る危 険 な 機 械 系 内 部 の,微 小 な 領 域(内 径 数 ㎜)で 行 わ れ る 。 紡 績 機 械 に お け る撚 糸 現 象 の 詳 細 な 可 視 化 計 測 が 可 能 と な れ ば,革 新 的 な撚 糸 部 の 設 計 が で き る 可 能 性 が あ る。 しか し, 通 常 の 顕 微 鏡 や 高 速 ビデ オ カ メ ラ で は,実 際 の 紡 績 機 械 内 部 を 可 視 化 計 測 す る の は 困 難 で あ る。

近 畿 大 学 で は,2001年 に1秒 間 に100万 枚 の 速 度 で 撮 影 で き る世 界 最 高 速 の 高 速 ビデ オ カ メ ラ を 開 発 して い る。 開 発 され た 高 速 ビデ オ カ メ ラ を用 い て 色 々 な 分 野 に適 用 され は じ め,こ れ ま で 観 察 で き な か っ た 現 象 の い くつ か が 報 告 され 始 め て い る。 本 研 究 で は,こ の 高 速 ビデ オ カ メ ラ を 用 い て,実 際 の 紡 績 機 械 内 部 の 撚 糸 現 象 を詳 細 に 計 測 で き る 技 術 の 開発 を行 う。

本 研 究 の 成 果 は,紡 績 機 械 ば か りで な く,こ れ ま で 観 察 で き な か っ た 種 々 の ミ ク ロ ・ス ケ ー ル の 高 速 現 象,例 え ば 高 速 回 転 体(ハ ー ドデ ィ ス ク 等)や そ れ に 付 随 す る 高 速 流 れ に よ っ て 生 じる 境 界 層 の 構 造 や 乱 れ,微 細 切 削 加 工 時 に 生 じ る様 々 な 高 速 現 象 等 を立 体 的 に 超 ス ロー モ ー シ ョ ンで,そ の 場 で 観 察 す る こ と が 可 能 に な る。 東 大 阪 地 域 を 中 心 とす る産 学 が 連 携 した 「も の づ く り」 に 多 大 な 貢 献 を す る こ と は 言 うま で も な い 。

2.目 的

ま ず,近 畿 大 学 で 開 発 した 超 高 速 ビデ オ カ メ ラ を 用 い て,実 際 の 紡 績 機 械 内 部 の 微 小 領 域 を高 速 撮 影 す る た め の 光 学 系 を 開発 す る。図 一1に 紡 績 機 械 の 撚 糸 加 工 部 の概 略 図 を示 す 。 綿 花 の 繊 維 が ス ピ ン ドル 外 辺 部 に 巻 き つ く よ うに 回 転 し な が ら,ス ピ ン ドル の 先 端 部 分 か

ら撚 られ て 取 り込 ま れ て い る と予 想 さ れ て い る。 撚 糸 現 象 に 関 して は,こ れ ま で 実 際 に 観 測 す る の は 困 難 で あ り,撚 られ た 糸 や 他 の 外 部 か らの 計 測 に よ り推 定 す る しか な か っ た 。

今 回 は超 高 速 ビデ オ カ メ ラ の 解 像 度 に 対 応 した 極 細 の フ ァ イ バ ー ス コー プ を 試 作 し,紡 績 機 械 の 撚 糸 加 工 部 極 近 傍 ま で フ ァイ バ ー を 導 入 で き る よ うに 紡 績 機 械 を 改 良 す る。 図 一2

図 一1紡 績 機 械 に お け る撚 糸 加 工 部 の 概 略 図

図 一2フ ァ イ バ ー ス コ ー プ 導 入 部

に フ ァイ バ ー ス コー プ 導 入 部 を 示 す 。 ま た,紡 績 実 機 内 部 の 微 小 領 域 照 明 の た め に 照 明 用 レー ザ ー 光 を導 入 す る た め の フ ァイ バ ー も試 作 す る。

さ らに,3次 元 可 視 化 の た め に ス テ レオ 画 像 法 の た め の フ ァ イ バ ー ス コ ー プ を 開 発 す る。

超 高 速 ビデ オ カ メ ラ 用 撮 像 素 子ISIS(肋 一5f加5オo畑8θ 加 ∂8θ5θ刀50の に,2本 の フ ァ イ バ こ グ ラ ス の 一 端 を機 械 的,も し くは 光 学 的 に 拡 大 した も の を 直 接 接 合 す る。 他 端 を機械 系 の 内 部 の 微 細 な 観 察 領 域 に挿 入 す る。 した が っ て 各1枚 の 画 面 中 に,同 期 が 完 全 に 取 れ た2つ の 画 像 が 記 録 され る。

2つ の 光 学 系 の 光 軸 を,ポ ス トデ ジ タ ル 処 理 に よ り再 生 画 面 上 で 擬 似 的 に 一 致 させ る。

これ を 通 常 の 画 像 処 理 エ ン ジ ン で 処 理 す る と多 大 な 時 間 が か か る。 専 用 並 列 処 理 エ ン ジ ン

を 開発 し,撮 影 後,直 ち に 立 体 動 画 観 察 で き る シ ス テ ム を 開 発 す る 。

3.研 究 組 織

[近畿大学]

研究代表者 共同研究者 共同研究者 共同研究者 共同研究者

機 械 工 学 科 ・教 授 ・青 山 邑 里 社 会 環 境 工 学 科 ・教 授 ・江 藤 剛 治 電 気 電 子 工 学 科 ・教 授 ・神 戸 尚 志 社 会 環 境 工 学 科 ・助 教 授 ・竹 原 幸 生 社 会 環 境 工 学 科 ・講 師 ・沖 中 知 雄

研 究 総 括

高 速 ビデ オ カ メ ラ の 開 発 画 像 処 理 ソ フ トの ハ ー ド化

フ ァイ バ ー ス コ ー プ の 開 発 画 像 処 理 アル ゴ リズ ム の 開 発

[学外]

共 同研 究 者 村 田機 械 株 式 会 社 竹 内 秀 年 可 視 化 実 験,数 値 シ ミュ レー シ ョ ン

4.研 究 方 法

写 真 一1に 実 験 風 景 を示 す 。 高 速 ビデ オ カ メ ラ 先 端 部 分 に フ ァ イ バ ー ス コ ー プ ア ダ プ タ ー を 装 着 す る。 今 回 試 作 した フ ァ イ バ ー ス コー プ は,直 径0.8㎜,解 像 度 の12,000本 で,観 察 深 度2〜3㎜,視 野 角70° で あ っ た 。 フ ァ イ バ ー ス コ ー プ の 対 物 レ ン ズ 部 は,紡 績 実 機 の 撚 糸 加 工 部 に達 す る孔 が 設 け て あ り,そ の 孔 に挿 入 す る 。 図 一3に 今 回 試 作 した 高 速 ビデ オ カ メ ラ と フ ァイ バ ー ス コ ー プ の ア ダ プ ター 部 の 詳 細 図 を 示 す 。 フ ァ イ バ ー ス コー プ の 接 眼

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写 真 一1実 験 風 景

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写 真 一2実 験 に 用 い た 撚 糸 加 工 部

部(⑭ ⑮)か らの 像 を,高 速 ビデ オ カ メ ラ の 撮 像 素 子 上 で 光 学 的 に 結 ぶ よ うに設 計 され て い る。

フ ァイ バ ー ス コ ー プ を用 い た 高 速 撮 影 で は,光 学 的 な ロ ス が 生 じ る た め ,照 明 の光 量が 問 題 とな る。 照 明 に は,5W連 続 光YAGレ ー ザ ー(532nm)を 用 い た 。 レー ザ ー 光 は フ ァイ バ ー を通 して 撮 影 す る撚 糸 加 工 部 に 直 接 照 射 す る。

写 真 一2に 実 験 に 用 い た 撚 糸 加 工 部 の 写 真 を示 す 。ス ピ ン ドル 部 は 可 視 化 を 容 易 に す る た め に,つ や 消 し黒 色 に 塗 装 した 。 ま た,外 部 か ら の 照 明 も可 能 な よ うに 撚 糸 加 工 部 の ノ ズ ル は透 明 ア ク リル で 加 工 した 。

5.研 究 成 果

近 畿 大 学 が 開 発 した100万 枚/秒 の 高 速 ビデ オ カ メ ラ に 接 合 した フ ァイ バ ー ス コー プ と,照 明 用 レー ザ ー 導 光 フ ァ イ バ ー グ ラ ス を撚 糸 部 に 導 く こ と に よ り,暗 い 背 景 の 中 で 回 転 す る 白 い 糸 状 の も の を 撮 影 す る こ とが で き た 。 撮 影 速 度 は20万 枚/秒 で あ っ た 。

写 真 一2に 撮 影 例 を示 す 。 写 真 一2(a)は ス ピ ン ドル 上 方 か ら,写 真 一2(b)は ス ピ ン ドル 側 方 か ら撮 影 した 画 像 で あ る。 写 真 一2(a)よ り,ス ピ ン ドル 周 辺 に 繊 維 が 回 転 して い る の が撮 影 され た 。 写 真 一2(b)よ り,ス ピ ン ドル 先 端 の 孔 周 辺 の 繊 維 の 動 き を 観 察 す る こ とが で き た 。 これ らの 画 像 か ら繊 維 の 回 転 速 度 等 の 情 報 等 を計 測 で き る。 今 後 の 紡 績 機 械 の 開 発 に非 常 に 有 益 な情 報 に な る と考 え られ る。

実 際 の 紡 績 機 械 内 部 の 高 速 ビ デ オ カ メ ラ に よ る 可 視 化 計 測 と 同 時 に,撚 糸 加 工 部 の 空 気 流 の数 値 計 算 を行 っ た。 数 値 シ ミュ レー シ ョン結 果 の1例 を 図 一4に 示 す 。 今 回 の撚 糸 加 工 で は ス ピ ン ドル の 側 方 に4方 向 か ら高 速 気 流 を噴 流 と し て 流 し込 み,ス ピ ン ドル 頂 点 を 中 心 と した 旋 回 流 を 生 じ させ る 。 旋 回 流 中 に 沿 っ て 繊 維 が 撚 られ る こ と に よ り,糸 が 形 成 さ れ る。 図 一4(a)よ り,ス ピ ン ドル 周 辺 部 の旋 回 流 の発 生 状 況 が 分 か る。 ま た,図 一4(b)よ り, ス ピ ン ドル に 沿 っ た 流 れ 場 が 分 か る。 こ の よ うな 数 値 計 算 結 果 と高 速 ビデ オ カ メ ラ に よ る 計 測 結 果 との 比 較 ・検 討 を行 う こ と に よ り,実 際 の 流 れ 場 の 推 定 を行 うこ と が で き る。 ま た,撚 糸 加 工 部 の 改 良 を 行 う場 合,数 値 計 算 に よ り,予 め 改 良 案 を 絞 り込 む こ とが 望 ま れ る が,数 値 計 算 に よ っ て 得 られ る結 果 が 実 際 現 象 と乖 離 す る 場 合 が 多 い た め,効 率 的 に行 う こ とが 困 難 で あ る。 高 速 ビデ オ カ メ ラ の 計 測 結 果 を 基 に,数 値 計 算 モ デ ル を 改 良 す る こ とが で き,よ り効 率 的 な機 械 の 開発 が 可 能 とな る。

(a)ス ピ ン ドル 上 方 か ら の撮 影

写 真 一2撮 影 例

(b)ス ピ ン ドル 側 方 か らの 撮 影

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(a)

(b)ス ピ ン ドル 上 の 気 流 の 計 算 例

撚糸加工部周辺の気流の数値計算結果の1例

6.今 後 の 展 開

紡 績 機 械 を 具 体 的 な タ ー ゲ ッ トと して,実 機 内 部 の 微 小 領 域 内 高 速 撮 影 技 術 の 開 発 を行 っ て き た 。 近 畿 大 学 で 開 発 した1秒 間 に100万 枚 撮 影 可 能 な 高 速 ビデ オ カ メ ラ を 用 い て, フ ァイ バ ー ス コ ー プ と組 み 合 わ せ る こ と に よ り,紡 績 機 械 実 機 内 の 高 速 撮 影 を 可 能 と した。

高 速 撮 影 に よ り,こ れ ま で 観 察 で き な か っ た,撚 糸 加 工 部 の 現 象 の 可 視 化 が で き た 。 さ らに,現 象 を 理 解 す る た め に,立 体 観 察 が 可 能 な 計 測 技 術 を 開 発 す る。 立 体 可 視 化 計 測 の た め の フ ァ イ バ ー ス コー プ の 試 作 を行 っ た。 図一5に 今 回 開発 した 立 体 可 視 化 計 測 用 の フ ァイ バ ー ス コー プ を 示 す 。2本 の フ ァ イ バ ー ス コ ー プ を接 眼 部 で 近 接 させ て い る 。 つ ま り,接 眼 部 で は2つ の フ ァ イ バ ー ス コ ー プ の 画 像 が 並 ん で 見 る こ と が で き る 。 フ ァ イ バ ー の 長 さ は1本 当 た り1.Omで,外 径 は1.3㎜ で あ る。 ま た,1本 当 た りの 解 像 度 は30,000 本 で あ り,今 回 使 う高 速 ビデ オ カ メ ラ用CCD撮 像 素 子 に 対 して 十 分 な 解 像 度 を持 っ て い る。

視 野 角 は50°,観 察 深 度 は3.0〜10.0㎜ で あ る。

今 後,こ の 立 体 可 視 化 計 測 用 の フ ァイ バ ー ス コ ー プ を 用 い て 以 下 の よ うな 技 術 の 開 発 を 行 っ て い く。

・ 紡 績 機 械 実 機 の 計 測:初 年 度 に 開 発 した 照 明 装 置 と3次 元 超 高 速 フ ァイ バ ー ス コ ー プ ビデ オ カ メ ラ を 用 い 紡 績 機 械 実 機 内 の 計 測(江 藤,竹 内,シ ニ ア サ イ エ ン テ ィ ス ト)

(b)仕 様 表

蚤

̀ 1.Om/1本

翠 莫 30,000/17:

野 ^50莫

,、 深 莫 3.0〜10.Omm

(a)立 体 可 視 化 計 測 用 フ アイ バ ー ス コ ー プ

図 一5今 回 試 作 した 立 体 可 視 化 計 測 用 フ ァ イ バ ー ス コ ー プ

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3次 元 画 像 再 構 築 の た め の 並 列 処 理 エ ン ジ ン の 開 発:初 年 度 に 開 発 した ア ル ゴ リズ ム の ハ ー ド化(神 戸,竹 原)

3次 元 立 体 視 の た め の3次 元 画 像 再 構 築 ア ル ゴ リズ ム の 開 発(沖 中)

3次 元 超 高 速 フ ァ イ バ ー ス コ ー プ ビデ オ カ メ ラ に よ る ノ ズ ル 部 に 発 生 す る キ ャ ビ テ ー シ ョン の3次 元 高 速 計 測(青 山,シ ニ ア サ イ エ ン テ ィ ス ト)

3次 元 超 高 速 フ ァ イ バ ー ス コ ー プ ビデ オ カ メ ラ に よ る フ ァ ン整 流 翼 付 近 の 流 動 場 の 計 測(竹 原,シ ニ ア サ イ エ ン テ ィ ス ト)