JP2006090801A - 被検査体の検査装置および検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、被検査体の表面又は表面近傍に発生した欠陥を確度高く検出可能な検査装置及び検査方法を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明の一態様に係る検査装置は、被検査体の表面または表面近傍に在る欠陥を検査する検査装置であって、被検査体の表面の所定領域を実質的に一様に加熱する加熱手段と、加熱された領域から放射された赤外線で形成される赤外線像を撮像する撮像手段と、前記赤外線像を画像解析してその赤外線像における特異部分を判別する画像処理手段とを有する被検査体の検査装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は被検査体の検査装置及び検査方法に関し、特に被検査体として金属製の薄板の表面又は表面近傍に生じた剥れや浮き等の欠陥を検査するために好適な検査装置及び検査方法に係るものである。

例えば、無段変速機のベルト材やエンジンバルブ弁材に代表される自動車等の伝達駆動部品などの用途に使用される金属製の薄板（以下鋼板と言う場合もある。）は、その表面や表面近傍に微細な剥れや空孔等の欠陥が存在すると、その欠陥を起点とし疲労破壊が生じ易くなるため製品としての信頼性が低下する。

そのような欠陥を内在した鋼板の市場への流出を防止するため鋼板の圧延作業工程では、鋼板の表面欠陥の検査が行なわれている。従来、その検査は、鋼板の一部を切り出し試験片とし試験片の表面を金属顕微鏡等で確認し欠陥を確認する、いわゆる目視検査で行われていた。このような検査方法の場合には、鋼板の一部のみの検査であるため検査の信頼性が低下するのみならず、迅速な検査をおこなうため金属顕微鏡の倍率を低くすると鋼板の地色と欠陥のコントラストが低くなり欠陥検出が難しくなり、一方、金属顕微鏡の倍率を高くするとその視野範囲が狭くなるため膨大な検査時間が必要となる。さらに、鋼板の一部を破壊して取り出し試験片とするため鋼板のロス等を招くとともに欠陥の有無をオンラインで検査できないので、工業生産上効率的でない。

このような問題を解決する技術としてサーモグラフィー法を応用した技術の一例が下記特許文献１に例示されている。特許文献１の検査方法は、被検査体としてモルタルが塗布された下地コンクリートを対象とし、欠陥としてモルタルと下地コンクリートの境界面におけるモルタルの剥離を検査するものであって、そのモルタルの表面を加熱し、モルタルの表面温度の上昇または下降過程においてモルタルから放射された赤外線を赤外線カメラ等で撮像して熱画像を求め、その熱画像の画素線を二階微分し変曲点を求めて剥離を検出するものである。かかる検査方法によれば、モルタルが剥離した欠陥部は熱的に絶縁された状態であるので熱容量が小さく、温度の上昇（下降）過程において温度の変化が健全部より速い。したがって、加熱されたモルタルの表面温度の上昇（下降）過程、すなわち温度的に非定常な状態において測定を行なうことにより、欠陥部は健全部に対し低い温度分布を示すので欠陥部を検出することができる。しかしながら、特許文献１の検査方法は、被検査体の表面または表面近傍に生じた欠陥のように加熱されると直ぐに周囲の健全部と同じ温度になってしまう場合には温度の変化が短時間で終了するため適用しがたく、更に、金属の薄板のように熱伝導が早いものについては適用をすることが困難である。
特開平２００１−５０９２１号公報

本発明は、被検査体の表面又は表面近傍に発生した欠陥を確度高く検出可能な検査装置及び検査方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、被検査体の表面または表面近傍に在る欠陥を検査する検査装置であって、被検査体の表面の所定領域を実質的に一様に加熱する加熱手段と、加熱された領域から放射された赤外線で形成される赤外線像を撮像する撮像手段と、前記赤外線像を画像解析してその赤外線像における特異部分を判別する画像処理手段とを有する被検査体の検査装置である。なお、この検査装置には、前記領域を一定した温度に加熱するために、前記加熱手段の加熱量を制御する加熱制御手段を設けておけば好ましい。この熱量を制御するためのパラメータとしては、加熱時間又は／及び加熱温度などが設定される。さらに、上記加熱手段としては、平面視において前記領域を包含可能な大きさを有し被検査体が載置される平板状のもの、前記領域を加熱可能な赤外線ランプ又は誘導加熱装置などを採用することができる。前記被検査体としては金属製の薄板を対象とすることができ、特に厚みが１ｍｍ以下の薄板の表面または表面欠陥の欠陥を検査する場合にはこの検査装置は好適である。

本発明の一態様は、被検査体の表面または表面近傍に在る欠陥を検査する検査方法であって、被検査体の表面の所定領域を実質的に一様に加熱し、加熱された表面の所定領域から放射された赤外線で形成される赤外線像を撮像し、前記赤外線象を画像解析してその赤外線像における特異部分を判別する被検査体の検査方法である。

本発明の態様によれば、被検査体の表面の所定領域を実質的に一様に加熱する加熱手段によって被検査体の表面又は表面近傍を均一な温度に加熱し、被検査体の表面を温度的に定常な状態とする。そのように温度的に定常状態とされた被検査体の表面から放射される赤外線で形成された赤外線像を撮像手段で撮像する。ここで、欠陥の熱容量は大きいので欠陥に与えられた熱は欠陥に蓄積され、健全部に与えられた熱は熱伝導によって被検査体の内部に移動する。その結果、定常状態に加熱された被検査体において欠陥から放射される赤外線の放射量は健全部に比べ多くなり、赤外線像を画像解析してその赤外線像における特異部分を判別することにより欠陥が識別される。このように、被検査体の表面の温度が定常な状態のときに欠陥を識別できるので、加熱されたときに健全部との温度変化の差異の生じにくい被検査体の表面又は表面近傍に在る欠陥について確度よく検出することが可能となる。

以下、本発明について、その実施態様に基づき図面を参照しつつ説明する。なお、以下、対象として鋼板を例に説明するが本発明における被検査体はそれに限定されることなく、例えばその他の金属、セラミックス又は樹脂を主体とした被検査体にも適用される。さらに、検出する欠陥の形態についても後述するものに限定されない。

［実施態様１］
本発明の第１態様について図１〜４を参照しつつ説明する。図１は、鋼板Ｗの表面又は表面近傍（以下の説明では併せて「表面」と言う。）に生じた欠陥を検査する第１態様の検査装置１の概略構成図である。図２は、図１の鋼板Ｗの部分拡大平面視と部分拡大断面視であり、鋼板Ｗに生じた欠陥について説明する図である。図３は、図１の検査装置１で欠陥を検出する原理について説明する図である。図４は、図１の検査装置１の実施例を説明する図である。

第１態様で対象とする鋼板Ｗは厚みが１ｍｍ程度の鋼板である。鋼板Ｗには、例えば図２において符号ｄ１〜ｄ３で示す３種の欠陥がその表面に存在している。第１の欠陥ｄ１は、鋼板Ｗの表面から鋼板Ｗの一部が剥離したものであり、その上面は開口している。第２の欠陥ｄ２と第３の欠陥ｄ３は、鋼板Ｗの表面から鋼板Ｗの一部が剥離した後に異物が開口面に付着し圧接され空孔状となったものである。第２の欠陥ｄ２は一部が開口したもので、第３の欠陥ｄ３は、開口が異物で閉塞されほぼ未開口のものである。

上記鋼板Ｗを検査する検査装置１は、図１に示すように、平面視において鋼板Ｗを包含する大きさを備え載置された鋼板Ｗを底面から加熱する加熱手段である平板状のヒータ１３と、鋼板Ｗの上面から放射される赤外線で形成された赤外線像を撮像するため鋼板Ｗの上方に配設された撮像手段である赤外線カメラ１４と、赤外線カメラ１４で撮像した赤外線像に基づいて鋼板Ｗの表面の欠陥を識別する画像処理手段１６という基本的な構成を含んでおり、さらに、自動化を容易にするために、ヒータ１３が上部に組み込まれた載置部材１１と、載置部材１１を図示するＸ，Ｙ方向、すなわち水平面内において移動させ所望の位置へ位置決めする位置決め手段１２と、ヒータ１３の加熱パターンを制御する加熱制御手段１８と、位置決め手段１２の動作を制御する位置制御手段１９と、加熱制御手段１８、位置制御手段１９及び赤外線カメラ１４と電気的に接続されそれぞれから送られたデータに基づいて全体を統合的に制御するとともに前記画像処理手段１６が内蔵された演算手段１５とを備えている。以下、加熱手段、撮像手段および画像処理手段について説明する。

〈加熱手段〉
本態様の加熱手段であるヒータ１３は少なくとも鋼板Ｗに対応する領域が全体として一定の温度で発熱し、鋼板Ｗを一様に加熱するように構成されている。したがって、ヒータ１３で底面から鋼板Ｗが加熱されると熱は表面に伝導し、表面の温度は上昇し、与えられる熱量と表面から空気中に伝達する熱量が均衡した時点で表面の温度は全体として一定で一様な温度となる。なお、例えば加熱する時間及び生じる熱量等を加熱パターンにおける制御因子として加熱制御手段１８で温度制御して所定の温度までヒータ１３を発熱させた後に一定の温度となるように制御してもよい。このヒータ１３で加熱された鋼板Ｗは、その表面から赤外線を放射する。

この検査装置１に組込まれるヒータ１３は、鋼板Ｗに対応する領域が一様に発熱し、鋼板Ｗの全面を一様に加熱できるものを選択する必要がある。ここで「一様」の意義は、例えば目標とする鋼板Ｗの表面の温度に対し温度ムラが目標温度の±１０％程度ある場合も含まれ、例えば鋼板Ｗの表面の目標温度が２０℃の場合±２℃の温度ムラは一様の範囲内である。その程度の温度ムラは、その温度ムラによる赤外線像のムラについて画像処理手段１６で微分処理又はフィーリエ変換処理等の周知の画像処理をすることで除去することができる。

鋼板Ｗを一様に加熱するヒータ１３は、例えば市販のバンドヒータの中から注意して選択し採用できる。クロムなどの導電性物質を混入した平板状のセラミックヒータはその平面内の発熱量がほぼ一定であり好適である。さらに、ペルチェ効果を利用したペルチェ素子を備えたヒータは加熱量を電気的に精度よく制御でき検査装置１に組み込みにはより好ましい。また、加熱手段としては、例えばハロゲンランプ、赤外線ランプ又は誘導加熱など非接触で鋼板Ｗを加熱可能なものを組込むこともできる。

〈撮像手段〉
本態様の撮像手段である赤外線カメラ１４は、ヒータ１３で加熱された鋼板Ｗの表面から放射される赤外線で形成される赤外線像を撮像するものであり、周知の赤外線カメラが使用される。なお、図において符号Ｓは赤外線カメラ１４の鋼板Ｗの表面における視野の範囲であるが、このように視野範囲Ｓが鋼板Ｗの表面の検査をすべき領域をカバーできない場合には、その領域が赤外線カメラ１４の視野範囲Ｓに収まるように位置決め手段１２を位置制御手段１８で制御して載置部材１１を水平方向に移動させればよい。この載置部材１１の移動速度は、赤外線カメラ１４の撮像分解能と露光時間に基づいて決まる。

〈画像処理手段〉
画像処理手段１６が組み込まれた演算手段１５は、具体的に言えばインターフェイス、ＣＰＵ及びメモリーなどを備えたコンピュータである。画像処理手段１６には、視野範囲Ｓにおいて赤外線カメラ１４で撮像された赤外線像の画像データと位置制御手段１９で生成された鋼板Ｗにおけるその視野範囲Ｓの位置データが送信される。画像処理手段１６は、その画像データと位置データに基づいて鋼板Ｗの表面の温度に対応した２次元的な温度分布を例えば図４に示すようにマップ状に生成する。そして、画像処理手段１６は、作成された温度分布について、図２（ｂ）に示すように周囲の温度に対して温度差がある部分を特異部分として抽出し、その特異部分を欠陥と認識する。なお、生成された温度分布において特異部分を抽出する手法は周知の画像処理方法を採用することができ、例えば画像データを微分する等の信号処理を行って特異部分のエッジを強調し、より欠陥の識別を容易にすることもできる。また、この特異部分の温度変化が僅かであっても、線状あるいは断続的に連なっている特異部分の場合、この特異部分の長手方向に投影分布を作成する信号処理を行って特異部分を強調し、より欠陥の識別を容易にすることも可能である。

ここで、図４について説明する。図４に示す鋼板Ｗの表面の温度分布に関するマップは、横軸が位置決め装置１２のＸ軸方向、縦軸がＹ軸方向であり、矩形状の区画が視野領域Ｓに対応し、赤外線像を画像処理し識別された欠陥に関する情報（例えば視野領域Ｓの中の欠陥数）を色の変化として表している。すなわち、この例の場合には視野領域Ｓの中の欠陥個数が多くなるにつれその区画の色が濃くなっている。例えば図４において符号１００で示す区画には単独で欠陥が発生していることを、符号１０１で示す連続した区画には連続して欠陥が発生していることを示しており、欠陥の発生状態を瞬時に識別できる。なお、その欠陥情報としては欠陥の個数のみならず、例えば個々の欠陥の大きさや欠陥の種類などについてその分布を表示することができる。

かかる構成の検査装置１による鋼板Ｗの表面にある欠陥の検出動作について説明する。ヒータ１３を介して載置部材１１に載置された鋼板Ｗを裏面から加熱する。鋼板Ｗの表面がほぼ一定の温度となったことを赤外線カメラ１４で確認し、赤外線カメラ１４の視野範囲Ｓに鋼板Ｗが入るようにＸ、Ｙ軸方向に鋼板Ｗを移動しながら鋼板Ｗの表面を撮像する。

このとき、鋼板Ｗの表面が全体的にほぼ一定で一様な温度に加熱されているので健全部からはほぼ一定した強度または量の赤外線が放射される。その一方で、図２に示すように、表面に開口した第１の欠陥ｄ１は健全部と比べて熱容量が大きく且つ赤外線が拡散されて放射されるため健全部に比べ赤外線の放射強度または放射量（Ｒ１）が大きくなる。また、同様に第２および第３の欠陥ｄ２、ｄ３についても、第１の欠陥ｄ１に比べて赤外線の放射強度は少ないものの健全部に比べて赤外線の放射強度または放射量（Ｒ２、Ｒ３）は大きくなる。したがって、図４（ｂ）に示すように、欠陥から放射される赤外線で形成された赤外線像は健全部の赤外線像の中で特異部分となるため、その特異部分を識別することで欠陥の検出が可能となる。

上記した検査装置１の実施例について説明する。被検査体としては、厚みが１ｍｍのステンレス製の鋼板Ｗを対象とした。その鋼板Ｗは、第１の欠陥ｄ１と第３の欠陥ｄ３を表面に有するものであった。検査条件としては、鋼板Ｗの表面温度が４０℃となるように加熱して検査した場合（実施例１）、２０℃となるように加熱して検査した場合（実施例２）について実施した。また、金属顕微鏡で検査した場合（比較例）についても実施した。

実施例１では、図３（ｂ）に示すように第１及び第３の欠陥ｄ１、ｄ３を明瞭に識別することができた。また、実施例２では、第１の欠陥ｄ１を明瞭に識別でき、実施例１に比べれば不明瞭であるが図３（ｃ）に示すように第３の欠陥ｄ３も識別することができた。このように鋼板Ｗの表面の温度を上げると欠陥を識別しやすくなる理由は不明であるが、健全部における赤外線像のバックグランドノイズが減少することと欠陥に熱がより蓄積され赤外線が放射されるのでＳ／Ｎが高くなるためであると推定される。なお、比較例においては、図３（ａ）に示すように、第１の欠陥ｄ１は識別できるが、第３の欠陥ｄ３を識別することは困難であった。

［実施態様２］
本発明の第２態様について図５を参照して説明する。図５は、連続的に搬送される鋼板Ｗの表面に在る欠陥を検査する検査装置２の概略構成図であって、実施態様１の検査装置１と同様な部分には同一符号を付し詳細な説明を省略する。

本態様の検査装置２は、検査装置１と同様に基本的な構成としての加熱手段である加熱光を照射するハロゲンランプ２３と、撮像手段である赤外線カメラ１４と、画像処理手段１６とを有するとともに、さらに、鋼板Ｗを搬送方向（符号Ｔで示す矢印方向）に搬送するため鋼板Ｗを支持する回転可能な下搬送ローラ２０と、下搬送ローラ２０に支持された鋼板Ｗの上面に当接するように配設され搬送方向に回転する一対の搬送ロール２１を有している。

赤外線カメラ１４は、搬送される鋼板Ｗの所定の領域を撮像できるように鋼板Ｗの上方に配設されている。加熱制御手段１８によって加熱制御されるハロゲンランプ２３は一対あり、赤外線カメラ１４が撮像する領域を挟み込むように搬送方向に並設されている。ここで、ハロゲンランプ２３は、直線状にほぼ一定の熱量で加熱光を放射するように構成されており、その加熱光が鋼板Ｗの搬送方向Ｔにほぼ直行するように鋼板Ｗに対して配設されている。したがって、鋼板Ｗは、上流側のハロゲンランプ２３によって幅方向に一様に加熱され、その後赤外線カメラ１４の視野領域に到達し、その表面における赤外線像が撮像されることとなる。さらに、下流側のハロゲンランプ２３で加熱された鋼板Ｗは、上流側のハロゲンランプ２３で鋼板Ｗに与えられた熱が下流側に伝導することを抑止するので、赤外線カメラ１４が撮像する領域の温度を一定にできる。かかる検査装置２によれば、例えば圧延中の鋼板Ｗについて表面の欠陥を検出することができ、工業生産上極めて効率的である。

本発明に係る第１態様の検査装置１の概略構成図である。 図１の鋼板Ｗの部分拡大平面視と部分拡大断面視である。 図１の検査装置１で欠陥を検出する原理について説明する図である。 図１の検査装置１の実施例を説明する図である。 本発明に係る第２態様の検査装置１の概略構成図である。

符号の説明

１（２） 検査装置
１１ 載置部材
１２ 位置決め手段
１３ ヒータ
１４ 赤外線カメラ
１５ 演算手段
１６ 画像処理手段
１８ 加熱制御手段
１９ 位置制御手段
２０ 下搬送ローラ
２１ 上搬送ロール
２３ ハロゲンランプ

Claims (5)

1. 被検査体の表面または表面近傍に在る欠陥を検査する検査装置であって、被検査体の表面の所定領域を実質的に一様に加熱する加熱手段と、前記領域から放射された赤外線で形成される赤外線像を撮像する撮像手段と、前記赤外線像を画像解析してその赤外線像における特異部分を判別する画像処理手段とを有する被検査体の検査装置。
2. 前記検査装置は、前記加熱手段の加熱量を制御する加熱制御手段を有する請求項１に記載の被検査体の検査装置。
3. 平面視において前記領域を包含可能な大きさを有し前記被検査体が載置される平板状の加熱手段を有する請求項１または２のいずれかに記載の被検査体の検査装置。
4. 前記被検査体は金属製の薄板である請求項１乃至３のいずれかに記載の被検査体の検査装置。
5. 被検査体の表面または表面近傍に在る欠陥を検査する検査方法であって、被検査体の表面の所定領域を実質的に一様に加熱し、加熱された表面の所定領域から放射された赤外線で形成される赤外線像を撮像し、前記赤外線象を画像解析してその赤外線像における特異部分を判別する被検査体の検査方法。

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