JP2007057344A - 検査装置及び検査方法並びにそれを用いたシリンダブロックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
精密な検査を短時間で行うことができる検査装置及び検査方法並びにそれを用いたシリンダブロックの製造方法を提供すること。
【解決手段】
本発明の一態様にかかる検査装置は、試料に設けられた孔に対して挿入可能に設けられた外筒３５を備え、外筒３５を孔に挿入して検査する検査装置であって、光源４１と、光源４１からの光をライン状の光に変換するシリンドリカルレンズ４２と、対物レンズ３３と、光を内壁面の方向に反射する曲げミラー３４と、対物レンズの焦点位置を走査する対物レンズ焦点合わせモータ３１と、外筒３５を回転させるθ回転モータと、内壁面で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出する検出器４６と、曲げミラー３４と試料との相対位置を移動して、軸方向に走査を行うステージ１３とを備えたものである。
【選択図】図３

Description

本発明は検査装置及び検査方法並びにそれを用いたシリンダブロックの製造方法に関し、特に詳しくは鏡筒を挿入して検査する検査装置及び検査方法並びにそれを用いたシリンダブロックの製造方法に関する。

自動車用エンジンなどの開発、生産において、シリンダブロックに設けられたシリンダ内壁の観察、検査、解析することが非常に重要である。シリンダ内径は例えば、３０ｍｍ程度の非常に小さいものがあり、計測用の顕微鏡を挿入できないため、従来は、サンプルをカットしたり、レプリカを取るなどして、３次元計測を行なっていた。しかしながら、開発段階ではシリンダをカットすることもできるが、量産ラインにおける検査では、製品をカットできない。そのため、シリンダの内壁を非破壊で検査したいという要望がある。

このように、内壁を観察するための顕微鏡が開示されている（特許文献１、特許文献２参照）。これらの顕微鏡では、筒の先端側に、対物レンズ及びミラーが組み込まれた構成を有している。そして、筒をシリンダに挿入することにより、シリンダ内壁を観察している。また、シリンダ内に挿入されたレーザ変位計を旋回させて内径を測定するための装置が開示されている（特許文献３参照）。

さらに、レンズの合焦位置を変化させ、合焦位置におけるレンズの変位量から光学中心と内壁表面の距離を求める孔内面検査装置が開示されている（特許文献４参照）。特許文献４の段落００２１には、ビームサイズ法、ナイフエッジ法、非点収差法、フーコー法などの差動検出方式を用いて合焦状態を検出している点が記載されている。また、段落００２９には、ピンホール検出方式を採用することが可能である点も記載されている。これにより、孔部の内径や凹凸形状を高精度に計測することができる。
特開平１０−１２３４２４号公報 特開昭６１−１５８３１３号公報 特開平３−８７６０６号公報 特開２００２−３９７２４号公報

ところで、近年の自動車用シリンダブロックの製造工程では、より精密な検査が要求されている。シリンダ内壁の凹凸形状のみならず、その表面状態をより正確に観察、測定することが求められている。例えば、アルミニウム製シリンダの内壁には、ピストンとの摩擦を緩和するため、アルミニウムとは材質の異なる特殊な物質が突出している。これにより、シリンダとピストンとのクリアランスが保たれるとともに、シリンダ内壁を保護する油膜が安定して形成される。従って、異なる材質の突出物質の突出量と分布を管理することができれば、エンジンの性能と寿命を向上させることができる。

上記のような、より精密な検査を行う場合、高い分解能の対物レンズや検出器を用いる必要がある。この場合、３次元測定を行うと、測定時間が長くなってしまう。特に、シリンダ内壁の広い領域あるいは全面を検査する場合、検査時間が長時間となり生産性が低下してしまうという問題点があった。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、精密な検査を短時間で行うことができる検査装置及び検査方法並びにそれを用いたシリンダブロックの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる検査装置は、試料（例えば、本発明の実施の形態にかかるシリンダブロック２１）に設けられた孔（例えば、本発明の実施の形態にかかるシリンダ２２）に対して鏡筒（例えば、本発明の実施の形態にかかる外筒３５）を挿入して前記孔の内壁面を検査する検査装置であって、光源（例えば、本発明の実施の形態にかかる光源１１）と、前記光源からの光をライン状の光に変換する光変換手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるシリンドリカルレンズ４２）と、前記ライン状の光を前記鏡筒に入射させる光学系（例えば、本発明の実施の形態にかかるコンフォーカル光学ヘッド１２）と、前記鏡筒に入射したライン状の光を集光する対物レンズ（例えば、本発明の実施の形態にかかる対物レンズ３３）と、前記対物レンズの焦点位置を変化させる焦点位置変化手段（例えば、本発明の実施の形態にかかる対物レンズ焦点合わせモータ３２）と、前記鏡筒に設けられ、前記ライン状に変換された光を前記内壁面の方向に反射するミラー（例えば、本発明の実施の形態にかかる曲げミラー３４）と、前記ミラーの反射方向を変化させるよう前記鏡筒を回転させ、前記ライン状の光を前記鏡筒の周方向に走査する周方向走査手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるθ回転モータ３１）と、前記内壁面で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出する検出器であって、前記反射光の方向に対応した設けられた検出画素を有する検出器（例えば、本発明の実施の形態にかかる検出器４６）と、前記ライン状の光を前記鏡筒の軸方向に走査する軸方向走査手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるミラー４４）とを備えたものである。これにより、精密な検査を短時間で行うことができる

本発明の第２の態様にかかる検査装置は、上述の検査装置において、前記ライン状の光が前記鏡筒の軸方向と略垂直な方向に沿って前記内壁面に照射されているものである。これにより、焦点合わせを容易に行うことができる。

本発明の第３の態様にかかる検査装置は、上述の検査装置において、前記対物レンズが前記鏡筒の軸上に配置され、前記ミラーが前記対物レンズよりも前記鏡筒の先端側に設けられているものである。これにより、狭小な孔に対して検査を行うことができる。

本発明の第４の態様にかかる検査方法は、試料に設けられた孔に対して鏡筒を挿入し、ライン状の光を、前記鏡筒に入射させ、前記ライン状の光を前記孔の内壁面の方向に反射し、前記鏡筒に入射したライン状の光を前記内壁面に集光する対物レンズの焦点位置を変化させ、前記ライン状に光の方向に対応して配列された検出画素を有する検出器によって、前記内壁面で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出し、前記ライン状の光を前記鏡筒の軸方向に走査し、前記対物レンズの焦点位置を変化させた時の前記検出器からの検出データに基づいて前記対物レンズの合焦点位置を算出し、前記合焦点位置における前記検出データに基づいて前記試料の内壁面を検査するものである。これにより、精密な検査を短時間で行うことができる

本発明の第５の態様にかかる検査方法は、上述の検査方法において、前記前記ライン状の光が反射する方向を前記鏡筒の周方向に走査して、検査を行うものである。これにより、内壁全面に対する検査が可能になる。

本発明の第６の態様にかかる検査方法は、上述の検査方法において、前記ライン状の光が前記鏡筒の軸方向と略垂直な方向に沿って前記内壁面に照射されることを特徴とするものである。これにより、焦点合わせを容易に行うことができる。

本発明の第７の態様にかかる検査方法は、上述の検査方法において、前記試料に設けられた孔がエンジン用シリンダブロックに設けられたシリンダであり、前記シリンダブロックの内壁面から突出した突出物質の分布及び体積を前記合焦点位置の変化及び前記検出データに基づいて算出して前記シリンダブロックの検査を行うものである。これにより、検査をより精密に行うことができる。

本発明の第８の態様にかかる検査装置は、上述の検査装置において、前記検出データをしきい値と比較した結果に基づいて突出物質であるか否かを判定して前記突出物質の分布を算出し、前記突出物質であると判定された箇所における前記合焦点位置の変化に基づいて前記突出物質の体積を算出するものである。これにより、検査をより精密に行うことができる。

本発明の第９の態様にかかるシリンダブロックの製造方法は、上述の検査装置によってシリンダブロックの検査を行い、検査の結果により良否判定を行なうものである。これにより、生産性を向上することができる。

本発明によれば、精密な検査を短時間で行うことができる検査装置及び検査方法並びにそれを用いたシリンダブロックの製造方法を提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。尚、各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略する。

本発明にかかる検査装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、検査装置の全体構成を示す側面図である。図１において、１０はベース、１１はＺガイド、１２はコンフォーカル光学ヘッド、１３はステージ、１４は台座ブロック、２１はシリンダブロック、２２はシリンダ、３１はθ回転モータ、３２は対物レンズ焦点合わせモータ、３３は対物レンズ、３４は曲げミラー、３５は外筒、３６は内筒、３７は軸受である。本実施の形態では、自動車エンジンのシリンダブロックを検査する例について説明する。すなわち、本実施の形態では、試料がシリンダ２２を複数有するシリンダブロック２１であるとして説明する。そして、シリンダ２２の内壁表面を観察、測定し、表面に形成されている突出物質の分布や体積を求める。この突出物質の分布や体積により、シリンダブロック２１の良否判定が行なわれる。なお、本実施の形態では、図１に示すように、鉛直方向をＺ方向とし、シリンダ２２の軸方向をＹ方向とする。さらに、Ｚ方向及びＹ方向に垂直な方向をＸ方向とする。

ベース１０の上には、ステージ１３が設けられている。ステージ１３は、例えば、Ｘ―Ｙステージであり、シリンダブロック２１を水平方向（ＸＹ方向）に移動させることができる。ステージ１３上には、高さ調整のための台座ブロック１４を介して、シリンダブロック２１が載置されている。このシリンダブロック２１は、図２に示すように、４つのシリンダ２２が設けられている。なお、図２はシリンダブロック２１の構成を示す正面図である。シリンダブロック２１には設けられた４つのシリンダ２２は鉛直方向に沿って配置されている。本実施の形態にかかる検査装置１００は、シリンダ２２の内壁を観察して、検査を行う。

図１に示すように、本実施の形態にかかる検査装置１００では、検査を行うために設けられたコンフォーカル光学ヘッド１２がＺガイド１１を介してベース１０に取り付けられている。コンフォーカル光学ヘッド１２は、Ｚガイド１１に沿ってＺ方向に移動する。すなわち、コンフォーカル光学ヘッドはＺガイド１１によってスライド可能に設けられている。従って、コンフォーカル光学ヘッド１２を鉛直方向に移動させ、シリンダブロック２１の大きさ及びシリンダ２２の位置に応じた高さ調整を行なうことができる。

コンフォーカル光学ヘッド１２には、光源や検出器を含む光学系が設けられている。コンフォーカル光学ヘッド１２に内包されている光学系の構成については後述する。このコンフォーカル光学ヘッド１２のステージ１３側からは、内筒３６及び外筒３５がＹ方向に突出して設けられている。内筒３６及び外筒３５は、鏡筒であり、中空の円筒状に形成されている。よって、内筒３６及び外筒３５の内部が照明光及び検出光の光路となる。すなわち、コンフォーカル光学ヘッド１２に設けられている照明用の光源から出射された照明光が、内筒３６及び外筒３５の内部を通って、シリンダ２２の内壁に照射される。そして、シリンダ２２の内壁で反射された反射光が、内筒３６及び外筒３５の内部を通って、コンフォーカル光学ヘッド１２に設けられた検出器に検出される。コンフォーカル光学ヘッド１２から延設された内筒３６の先端側には、円筒状の対物レンズ３３が取り付けられている。コンフォーカル光学ヘッド１２から延設された外筒３５の先端側には、曲げミラー３４が取り付けられている。

外筒３５は、軸受３７を介してコンフォーカル光学ヘッド１２の筐体に取り付けられている。従って、外筒３５は、コンフォーカル光学ヘッド１２に対して回転可能に取り付けえられている。外筒３５はＹ軸を回転中心として、回転する。外筒３５の内部には、内筒３６が挿入されている。内筒３６は外筒３５の内径よりも小さく設けられている。内筒３６と外筒３５の間には、内筒３６をスライドさせるためのリニア軸受などが設けられている。また、内筒３６と外筒３５とは同心軸となっている。内筒３６及び外筒３５は、Ｙ方向に沿って設けられている。従って、内筒３６は、Ｙ方向にスライド移動する。

外筒３５に設けられた曲げミラー３４がシリンダ２２の内部に挿入される。具体的には、ステージ１３上に設けられた台座ブロック１４の上に、シリンダブロック２１を載置する。そして、外筒３５をシリンダ２２の内部に挿入されるよう、Ｚガイド１１によってコンフォーカル光学ヘッド１２の高さを調整する。さらに、シリンダ２２の内部に外筒３５が挿入されるよう、ステージ１３のＸ方向の位置を調整する。そして、ステージ１３をＹ方向に移動させ、シリンダブロック２１とコンフォーカル光学ヘッド１２を近づけていく。そして、シリンダ２２の内部に曲げミラー３４が挿入されるまで、ステージ１３を移動させる。このとき、シリンダ２２の中心軸と、外筒３５の中心軸が一致するように、ステージ１３及びＺガイド１１を駆動することが好ましい。

コンフォーカル光学ヘッド１２に設けられた照明光源からの光ビームは、内筒３６の内部に導入される。このとき、光ビームの光軸は、内筒３６及び外筒の中心軸と一致するよう光学系が配設されている。従って、光ビームはＹ方向に沿って内筒３６及び外筒３５の先端側まで伝播されて、対物レンズ３３に入射する。そして、光ビームは、対物レンズ３３により屈折されて、曲げミラー３４に入射する。曲げミラー３４の反射面は、光ビームの光軸に対して４５°傾けて配置されている。よって、光ビームは図１に示すように９０°曲げられる。ここで、外筒３５の側面には、曲げミラー３４で曲げられた光ビームが通過するよう窓部が設けられている。具体的には、外筒３５側面には、鉛直下方側に光ビームを透過する開口が設けられている。なお、開口に限らず、光を透過する透明板を設けてもよい。曲げミラー３４で曲げられた光ビームは、シリンダ２２の内壁に照射される。そして、シリンダ２２の内壁で反射された光ビームは、入射光の経路と同様の経路で伝播し、コンフォーカル光学ヘッド１２に設けられた検出器で検出される。

コンフォーカル光学ヘッド１２には、θ回転モータ３１が設けられている。θ回転モータ３１は、Ｙ軸を回転軸として外筒３５をθ方向（周方向）に回転させる。これにより、曲げミラー３４が回転して、シリンダ２２内壁における光ビームの入射位置が変化する。すなわち、曲げミラー３４による反射方向及び窓部の位置が対物レンズ３３の光軸を中心軸として回転する。これにより、光ビームをシリンダ２２のθ方向（周方向）に沿って走査することができる。すなわち、光ビームの曲げ方向を図１に示す鉛直下方以外の方向にすることができる。そして、θ回転モータ３１を駆動して３６０°回転させると、シリンダ２２の内壁全周を観察することができる。また、コンフォーカル光学ヘッド１２に設けられた振動ミラー等を振動させることにより、シリンダ内壁における光ビームの入射位置がＹ方向に移動する。これにより、光ビームをシリンダ２２の軸方向に走査することができる。さらに、ステージ１３をＹ方向に移動させることにより、シリンダ２２に対する光ビームの入射位置をずらすことができる。よって、シリンダ２２内壁の全面に照明用の光ビームを入射させることができ、シリンダ２２内壁全体に対して観察、測定を行うことができる。

さらに、コンフォーカル光学ヘッド１２には、対物レンズ焦点合わせモータ３２が設けられている。対物レンズ焦点合わせモータ３２を駆動させることにより、内筒３６がＹ方向にスライド移動する。これにより、内筒３６に取り付けられた対物レンズ３３のＹ方向の位置が変化する。よって、対物レンズ３３の焦点位置を変えることができる。すなわち、対物レンズ３３の合焦点位置を光軸方向に沿って走査することができる。具体的には対物レンズの焦点位置がＺ方向に変化するため、シリンダ２２の半径方向（ｒ方向）に合焦点位置を走査することができる。これにより、容易に焦点合わせを行なうことができ、シリンダ２２内壁の任意の箇所において、合焦点位置での観察が可能になる。このとき、曲げミラー３４が設けられた外筒３５の位置は変わらないため、光ビームはシリンダ２２内壁の同じ位置に入射する。すなわち、対物レンズ３３が固定された内筒３６の位置を変化させても、コンフォーカル光学ヘッド１２の筐体に固定された外筒３５の位置は、変化しない。

次に、本実施の形態にかかる検査装置の光学系の構成について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、本実施の形態にかかる検査装置の光学系の構成を示す図である。図３（ｂ）は、検査装置の光学系の鏡筒部分を拡大して示す側面断面図である。なお、図１及び図２と同様の構成については説明を省略する。コンフォーカル光学ヘッド１２の筐体内には、光源４１、シリンドリカルレンズ４２、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳ）４３、λ／４板５１、ミラー４４、検出器４６、レンズ４７、レンズ４８及びリレーレンズ４９が設けられている。光源４１は、例えば、レーザ光源であり、シリンダ内壁を照明するための光ビームを出射する。光源４１からの光ビームは、シリンドリカルレンズ４２によってライン状の光に変換される。すなわち、シリンドリカルレンズ４２は、Ｘ方向に対応する方向に光ビームを屈折する。なお、光源４１からの光ビームをライン状の光に変換する光変換手段は、シリンドリカルレンズ４２に限らずスリットなどでもよい。また、光源４１はレーザ光源に限らず、ランプ光源などであってもよい。
本発明における検査装置に用いられているコンフォーカル顕微鏡は、例えば、本件出願人による特開平１０−１０４５２３号公報に示されているように、ライン照明を走査ミラー等を用いてライン照明の長手方向と直交する方向に試料上で走査し、これを１次元イメージセンサで同期検出することにより、１視野分の２次元コンフォーカル画像（スライス画像）を得るものである。さらに、焦点を光軸方向に移動しながら、各焦点位置とスライス画像を焦点移動メモリに記録し、これらを画像処理することによって３次元構造や断面形状、体積等を計算、表示することが出来る。言い換えれば、表面の高さはスライス画像のピークを示す画素に対応する焦点位置から求まる。

図３（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ４２から出射されたライン状の光ビームは、レンズ４７で屈折され、ＰＢＳ４３に入射する。ＰＢＳ４３は入射した光ビームの一部をミラー４４の方向に反射する。ＰＢＳ４３は、例えば、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する。ここでは、光源４１の光を効率よく反射するよう、偏光軸が調整されている。ＰＢＳ４３とミラー４４の間には、λ／４板５１が配設されている。λ／４板５１は、ＰＢＳ４３で反射されたＳ偏光成分を円偏光する。λ／４板を透過した光はミラー４４に入射する。ミラー４４は、ＰＢＳ４３からの光ビームを対物レンズ３３の方向に反射する。また、ミラー４４は、ガルバノミラーなどの走査ミラーである。ミラー４４を振動させることにより、光ビームが走査される。ここで、ミラー４４は内筒３６及び外筒３５の中心軸の延長線上に配置されている。これにより、ライン状の光ビームは内筒３６及び外筒３５の内部に入射する。ミラー４４で反射された光ビームは、リレーレンズ４９を介して、内筒３６及び外筒３５の内部に入射する。そして、光ビームは、内筒３６及び外筒３５の中心軸に沿って伝播し、対物レンズ３３に入射する。ここで、図３（ｂ）に示すように、シリンダ２２の中心軸、すなわち、内筒３６及び外筒３５を中心軸をθｙ軸とする。そして、コンフォーカル光学ヘッド１２からの光ビームは、θｙ軸に沿って伝播する。なお、シリンダ２２の中心軸であるθｙ軸と、ステージ１３のＹ軸とは一致している。図３（ａ）に示すように、対物レンズ３３は入射した光ビームを屈折して、シリンダ２２内壁に集光する。また、対物レンズ３３の出射側には、曲げミラー３４が設けられており、対物レンズからの光ビームを９０°曲げてシリンダ２２内壁に照射する。このとき、図３（ｂ）に示すように曲げミラー３４で反射された光ビームは、外筒３５に設けられた開口３５ａを通過する。このように、シリンドリカルレンズ４２によってライン状に変換された光はシリンダ２２の内壁に結像される。

対物レンズ３３を曲げミラー３４と光源４１の間の光路中に配置することによって、外筒３５の外径を小さくすることができる。すなわち、曲げミラー３４で曲げた光ビームを対物レンズ３３に入射させる構成の場合、対物レンズ３３の長さだけ、直径が大きくなってしまう。したがって、細いシリンダ２２に挿入することができなくなってしまう。よって、曲げミラー３４を対物レンズ３３の先端側に設ける構成とすることが好ましい。これにより、内径が小さいシリンダ２２に対しても検査を行うことができる。この場合、長作動対物レンズを使用し、先端に曲げミラーを取り付けることで、例えば、内径が３０ｍｍ程度のシリンダ２２に対して検査を行うことができる。

曲げミラー３４で曲げられた光ビームは、シリンダ２２内壁に対して略垂直に入射する。従って、シリンダ２２内壁の表面で反射された反射光は、対物レンズ３３からシリンダ２２内壁に入射した入射光と同様の光路を伝播していく。すなわち、シリンダ２２内壁で反射された反射光は、曲げミラー３４で反射されて、対物レンズ３３に入射する。そして、対物レンズ３３に入射した反射光は、対物レンズ３３で屈折され、リレーレンズ４９で屈折され、ミラー４４に入射する。ミラー４４は対物レンズ３３からの反射光をλ／４板５１に反射する。ＰＢＳ４３に入射した反射光の一部は、ＰＢＳ４３を透過して、レンズ４８で屈折され、検出器４６に入射する。ここで、反射光は、λ／４板を通過するため、円偏光が直線偏光になる。そして、光源４１からの光ビームがλ／４板５１を往復で２回通過するため、Ｐ偏光がＳ偏光に偏光される。よって、反射光はＰＢＳ４３を透過して、検出器４６に効率よく入射する。

検出器４６は、例えば、１次元ラインＣＣＤカメラであり、入射した光の強度に応じた検出信号を出力する。検出器４６に設けられた複数の画素はシリンダ２２内におけるＸ方向に対応する方向に設けられている。すなわち、検出器４６の検出画素は、曲げミラー３４及び対物レンズ３３から出射されたライン状の反射光の方向に沿って配列されている。検出器４６の受光面とシリンダ２２内壁の表面とは、共役な結像関係に配置されている。すなわち、コンフォーカル光学ヘッド１２に含まれる光学系及び対物レンズ３３とはスリットコンフォーカル光学系を構成している。これにより、シリンドリカルレンズ４２でライン状に変換された光ビームが対物レンズ３３によってシリンダ２２内壁の表面に集光される。さらに、シリンダ２２内壁の表面で反射された反射光が検出器４６の受光面で結像する。検出器４６はコンフォーカル光学系を介して入射した光を検出している。従って、焦点がずれた位置からの反射光は検出器４６の受光面の位置でぼやけてしまい、受光面の外側を通過するため光強度が弱くなる。これにより焦点から外れた像は消失してしまい、内壁表面の検査を精度よく行うことができる。対物レンズ３３の合焦点位置以外からの反射光は、検出器４６の検出画素に入射しなくなる。検出器４６は検出したデータを処理装置（図示せず）に出力する。

コンフォーカル光学系では、対物レンズ３３の合焦点位置が試料表面に配置されているとき、最も検出光量が大きくなる。よって、シリンダ２２内壁の表面に集光されているとき、最も検出光量が大きくなる。本発明では、図３（ｂ）に示すように内筒３６と外筒３５との間に、リニア軸受３８が設けられている。これにより、内筒３６が外筒３５と対してスライド移動する。従って、対物レンズ焦点合わせモータ３２を駆動して、内筒３６の位置を移動させることによって、焦点位置を変化させることができる。そして、検出器４６の検出光量が最大となっている位置が合焦点位置と判別される。すなわち、検出光量が最大となっている時の内筒３６の位置により、合焦点位置におけるシリンダ２２内壁と対物レンズ３３との距離が算出される。そして、照明領域を走査したときの合焦点位置の変化を算出することにより、シリンダ２２の表面形状を求めることができる。さらに、シリンダ２２内壁の凹凸形状及び内径を求めることも可能である。具体的には、シリンダ２２内壁表面に凸状となっている箇所では、合焦点位置が対物レンズに近くなる。これにより、シリンダ２２内壁の表面に形成された突出物質の分布を求めることができる。また、合焦点位置は検出器４６の各画素毎に判定される。

次、シリンダブロック２１の検査手順について図４を用いて説明する。図４は、シリンダブロック２１を帯状に検査する手順を示すフローチャートである。まず、検査するシリンダブロック２１を検査装置のステージ１３上にセットする（ステップＳ１０１）。具体的には、観察対象のシリンダブロック２１をステージ１３の上に載置する。次に、ＸＹＺ軸を動かして、曲げミラー３４をシリンダ２２の内部に挿入する（ステップＳ１０２）。Ｚ軸の駆動には、Ｚガイド１１が用いられ、Ｘ軸及びＹ軸の駆動には、ステージ１３が用いられる。そして、曲げミラー３４がシリンダ２２のコンフォーカル光学ヘッド１２側の端部に配置される。これにより、シリンダ２２の端部に照明用の光ビームを照射することができる。

次に、対物レンズ３３を焦点方向に走査し、データを取得する（ステップＳ１０３）。具体的には、対物レンズ焦点合わせモータ３２を駆動して、対物レンズ３３が取り付けられた内筒３６の位置をＹ方向に変化させる。これにより、対物レンズ３３の焦点位置が光軸方向に沿って走査される。そして、対物レンズ３３を走査しながら検出器４６で検出を行う。検出器４６からの検出データは処理装置に記憶される。

ここで、シリンダ２２内壁の表面において、ライン状の光ビームの長手方向をθｙ方向と垂直な方向とすることが好ましい。すなわち、ライン状の光ビームをＹ方向と垂直な方向に沿って集光することが好ましい。換言すると、図５に示すように、シリンダ２２内壁におけるライン状の光ビームの照射領域５０を、シリンダ２２の軸方向（Ｙ方向）と垂直な方向に配置することが好ましい。なお、図５は、シリンダ２２の表面における光ビームの照射領域５０を模式的に示す斜視図である。図５に示す照射領域５０は、各視野に対応している。このように、照射領域５０を配置することにより、焦点合わせを容易に行うことができる。例えば、曲げミラー３４が光ビームを鉛直下方に反射している場合について考えると、Ｘ方向に沿って照射領域５０を照射した場合、シリンダ２２内の湾曲面上に照射領域５０が配置される。シリンダ２２が円筒状になっているため、Ｘ方向の位置が変わると、Ｚ方向の高さが変わる。シリンダ２２内壁の表面に光ビームが集光されると、照射領域５０の一部では合焦点位置となる。この場合、検出器４６のいずれかの画素が合焦点位置となり、検出光量が大きくなる。すなわち、検出器４６の全ての画素で検出光量が弱くなることを防ぐことができ、焦点合わせを容易に行うことができる。

例えば、ライン状の照射領域５０の中心近傍が合焦点位置になっている場合、検出器４６の中心近傍の画素で検出光量が大きくなる。このとき、ライン状の照明領域の両端近傍では、合焦点位置とならないため、検出器４６の画素が両端に近づくほど検出光量が弱くなる。そして、対物レンズ３３をシリンダ２２内壁の表面から遠ざけていくと、照射領域５０の中心近傍が合焦点位置から離れ、照射領域５０の両端近傍が合焦点位置となる。このように、いずれかの画素が合焦点位置となっているため、対物レンズ３３の走査を容易に行うことができる。さらには、合焦点位置となる画素の変化によって、対物レンズ３３の走査方向を判断することができるため、効率よく走査することができる。

上記のように対物レンズ３３を走査することによって、データを取得することができる。ここでは、照射領域５０において、シリンダ２２の半径方向の位置による検出光量の変化を求めることができる。すなわち、対物レンズ３３を光軸方向に沿って変化して、焦点位置をシリンダの半径方向（ｒ方向）に走査しながら、反射光を検出する。これにより、検出器４６の各画素において、対物レンズ３３の焦点位置と、検出した光量とが対応付けて、処理装置に記憶される。すなわち、対物レンズ３３の焦点位置は、対物レンズ焦点合わせモータ３２の位置情報に基づいて算出される。なお、処理装置の構成については後述する。ここで、各画素において検出光量が最大となるときの対物レンズ３３の位置が、その画素における合焦点位置に対応する。処理装置は、検出器４６からの検出データに基づいて、検出光量が最大のときの対物レンズの位置を、合焦点位置として判別する。また、処理装置は各画素毎に合焦点位置を算出する。

次に、Ｙ軸を１視野分移動して、データを取得する（ステップＳ１０４）。具体的には、まず、ミラー４４の傾きを変えて、光ビームの反射方向に変化させる。そして、光ビームを１視野分移動して、照射領域５０をＹ方向にずらす。これにより、図５に示す照射領域５０がＹ方向に移動する。すなわち、光ビームのθｙ軸における入射位置が１視野分ずれる。そして、ステップＳ１０３と同様に対物レンズ３３を走査して、データを取得する。

そして、上記の処理を繰り返し、シリンダ２２の長手方向のデータを全て取得する（ステップＳ１０５）。すなわち、照射領域５０を１視野分ずつ、ずらしていき、軸方向（Ｙ方向）に走査を行う。すなわち、ミラー４４を駆動して、光ビームの入射位置をずらしていく。さらに、ステージ１３を駆動して、シリンダ２２の位置を移動させる。そして、シリンダ２２の反対側の端部まで照明されるまで、照射領域５０を移動していく。これにより、シリンダ２２内壁の３次元データを取得することができる。ここでは、シリンダ２２の円周方向に走査を行っていないため、帯状の領域のデータを取得することができる。すなわち、θ回転モータを動作させていないため、図５に示すように、Ｙ方向に沿ったシリンダ２２の帯状の領域が照明される。

そして、処理装置の解析ソフトにより上記のデータに基づいて、画面つなぎを行なう（ステップＳ１０６）。具体的には、処理装置により画像処理が行なわれ、検出データとその座標に基づいて各画素のデータがつなぎ合わされる。これにより、検出データが照明位置に応じて帯状につなぎ合わされる。そして、帯状につながった３次元データを解析し、シリンダ２２内壁に形成された突出物質の分布と体積を求める（ステップＳ１０７）。そして、突出物質の分布及び体積を規格と比較し、合否判定する（ステップＳ１０８）。このようにして、シリンダ２２の内壁の検査が行われる。また、上記の工程を繰り返し、シリンダブロック２１に設けられている全４つのシリンダ２２に対して検査を行ってもよい。

上記のように、ライン状の光を用いて照明することにより、検査時間を短縮することができる。さらに、ライン状の光を軸方向と略垂直な方向に照射することにより、対物レンズの走査を容易に行なうことができる。この場合、光軸と、シリンダ２２の軸とが一致していないときでも、焦点合わせを容易に行うことができる。すなわち、光軸とシリンダ２２の軸が一致していない場合、照射領域を走査すると、合焦点位置がシリンダ２２の表面からずれることがある。内壁表面から合焦点位置が完全にずれてしまうと、再度、対物レンズを合焦点位置に移動させるために、長時間を要してしまうことがある。しかしながら、ライン状の光を軸方向と垂直な方向に照射することにって、いずれかの画素において合焦点位置となるため、容易に焦点合わせを行うことができる。なお、ステージ１３を駆動してＹ方向の走査を行う構成に限らず、コンフォーカル光学ヘッド１２を駆動して走査を行ってもよい。すなわち、シリンダ２２の軸方向における曲げミラー３４とシリンダ２２との相対位置を変化させるよう、シリンダブロック及び光学系の少なくとも一方を移動させればよい。さらに、焦点位置の走査は、対物レンズ３３を移動させる構成に限られるものではない。例えば、対物レンズ以外のレンズ等を移動して、焦点位置を走査してもよい。

上記の検査では、帯状の領域を検査したが、シリンダ２２内壁の全体を検査するようにしてもよい。この場合、検査手順は図６に示すようになる。図６は、シリンダ２２内壁全体を検査する場合の検査手順を示すフローチャートである。なお、図４と同様の工程については、説明を省略する。

まず、シリンダブロック２１を検査装置のステージ１３にセットする（ステップＳ２０２）。次に、ＸＹＺ軸を動かして、曲げミラー３４をシリンダ２２の内部に挿入する（ステップＳ２０２）。そして、対物レンズ３３を焦点方向に走査し、データを取得する（ステップＳ２０３）。データ取得が完了したら、Ｙ軸に１視野分移動して、データを取得する（ステップＳ２０４）。そして、ステップＳ２０４を繰り返して、長手方向のデータを全て取得する（ステップＳ２０５）。これにより、シリンダ２２の帯状の領域が観察される。上記のステップＳ２０１〜ステップＳ２０５までの工程は、図４で示したステップＳ１０１〜ステップＳ１０５までの工程と同様であるため説明を省略する。このようにして、シリンダ２２内壁の帯状の領域のデータを取得する。

次に、ステージ１３をＹ方向に移動して、曲げミラー３４に対するシリンダ２２の位置を元に戻す（ステップＳ２０６）。これにより、曲げミラー３４の位置がシリンダ２２の端部に戻る。そして、θ回転モータ３１により、円周方向に１視野分曲げミラーを回転させ、データを取得する（ステップＳ２０７）。さらに、ステップＳ１０３と同様に焦点位置を走査して、データを取得する。そして、ステップＳ２０４と同様に、Ｙ軸を１視野分移動して、データを取得する（ステップＳ２０８）。そして、ステップＳ２０８を繰り返し、長手方向のデータを取得する（ステップＳ２０９）。これにより、シリンダ２２の２視野分の帯状領域に対して、データが取得される。

さらに、ステップＳ２０６〜ステップＳ２０９を１周分繰り返し、シリンダ２２内壁全面に対するデータを取得する（ステップＳ２１０）。これにより、シリンダ２２内壁全体に対する３次元データが取得され、シリンダ２２の内壁全面をコンフォーカル顕微鏡で観察することができる。そして、上記のデータに対して解析ソフトにより画面つなぎを行なう（ステップＳ２１１）。これにより、検出データを筒状につなぐことができる。そして、筒状につながったデータを解析し、突出物質の分布と体積を求める（ステップＳ２１２）。そして、突出物質の分布及び体積を規格と比較し、合否判定する（ステップＳ２１３）。これにより、シリンダ２２の内壁全面に対する観察、測定を行なうことができる。よって、より正確に検査を行うことができる。なお、シリンダ２２の内壁全面に対する検査に限らず、シリンダ２２内壁の一部の領域に対して検査を行うようにしてもよい。すなわち、シリンダ２２に対して検査を行う領域に対して光ビームを照射するよう走査を行えばよい。また、光軸とシリンダ２２の軸が一致していない場合、θ方向に走査を行うと、内壁表面から焦点位置がずれてしまう。しかしながら、軸方向と垂直な方向に光を照射することによって、内壁表面から焦点位置が完全にずれるのを防ぐことができる。したがって、光軸とシリンダ２２の軸が一致していない場合でも走査を容易に行うことができる。これにより、光軸とシリンダ２２の軸とを正確に一致させる必要がなくなるため、容易に検査を行うことができる。

次に、上記の検査処理を行なう処理装置の構成について、図７及び図８を用いて説明する。図７は検査装置の構成を示すブロック図である。図８はシリンダの内壁表面を模式的に示す図である。処理装置７０は、例えば、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、データ記憶部７１、合焦点位置算出部７２、分布算出部７３、体積算出部７４と、良否判定部７５及び制御部７６を備えている。処理装置７０は、ステージ１３、θ回転モータ３１、対物レンズ焦点合わせモータ３２及び検出器４６と接続されている。

データ記憶部７１は、検出器４６からの検出データを記憶する。制御部７６は、ステージ１３、θ回転モータ３１及び対物レンズ焦点合わせモータ３２の駆動制御を行う。そして、ステージ１３、θ回転モータ３１及び対物レンズ焦点合わせモータ３２の位置情報は、検出データと対応付けられてデータ記憶部７１に記憶される。すなわち、データ記憶部７１には、シリンダ２２内壁表面に対する焦点位置の座標と、検出光量とが対応付けて記憶される。具体的には、ミラー４４の角度、ステージ１３のＹ方向の位置、曲げミラー３４の回転角度及び対物レンズ３３のＹ方向の位置等を検出器４６からの検出データに対応付けて記憶する。

合焦点位置算出部７２は、データ記憶部７１に記憶されたデータに基づいて合焦点位置を算出する。すなわち、各画素において、検出光量が最も大きいときの、対物レンズ３３の位置（対物レンズ焦点合わせモータ３２の位置情報）に基づいて合焦点位置を算出する。各座標に対して検出された、合焦点位置での検出データをつなぎ合わせると、図８（ａ）に示すようになる。ここで、６０はシリンダ内壁、６１はシリンダ内壁から突出した突出物質である。突出物質６１は、通常、Ａｌからなるシリンダ内壁６０よりも反射率が低い。従って、突出物質６１が形成されている箇所では、検出器４６での検出光量が低下する。このようにシリンダ２２の内壁表面では、材質の違いによって反射率に差が生じる。

分布算出部７３は突出物質の分布を算出する。具体的には、合焦点位置での検出データとしきい値とを比較し、検出光量が一定以下であるシリンダ内壁６０の箇所に突出物質６１が形成されていると判定する。すなわち、検出光量がしきい値以下の箇所が突出物質と判定され、しきい値以上の箇所は突出物質６１でないと判定する。これにより、シリンダ２２の内壁における突出物質６１の分布を算出することができる。この判定結果は、図８（ｂ）に示すようになる。このように、コンフォーカル光学系を介して検出することによって、内壁表面の反射率の違いによって生じる検出光量に差に基づいて突出物質の分布を算出することができる。

そして、体積算出部７４は、シリンダ内壁６０に形成された突出物質６１の体積を算出する。具体的には、分布算出部７３により突出物質６１が形成されていると判定された箇所での合焦点位置の変化によって、体積を算出する。すなわち、シリンダ内壁６０と突出物質６１の表面との間における合焦点位置の違いによって、シリンダ内壁６０の表面から突出物質６１の表面の高さを求める。そして、各スライス画像のピークを示す画素の焦点移動量を足し合わせることにより、突出物質６１の体積を求めることができる。さらに、図８（ｃ）に示すような突出物質６１の３次元形状を求めることができる。また、突出物質６１の高さの測定も可能になり、この突出物質６１の高さに基づいて検査を行ってもよい。

良否判定部７５は、分布算出部７３で算出した突出物質６１の分布及び体積算出部７４で算出した突出物質６１の体積に基づいてシリンダブロック２１の良否を判定する。具体的には、シリンダ内壁の表面積における突出物質６１の割合が一定範囲に含まれているか、及び、突出物質の合計体積が一定範囲に含まれているかを判定する。すなわち、算出された突出物質６１の体積を、規格と比較して、シリンダ２２の合否判定を行なう。不合格と判定されたシリンダ２２を含むシリンダブロック２１は不良品とされ、合格と判定されたシリンダ２２のみからなるシリンダブロック２１が良品と判定される。

このように、突出物質６１の体積及び分布に基づいて検査を行うことによって、より精密な検査を行うことができる。よって、エンジン用のシリンダブロックの良否判定をより厳密に行なうことができる。この検査装置による検査を行うことによって、エンジンの性能、寿命を改善することができる。すなわち、長寿命、高性能のエンジンを安定して生産することができる。さらに、短時間で検査することができるため、生産性を向上することができる。なお、上記の検査は、スリットコンフォーカルに限らず、ピンホール方式のコンフォーカル光学系に対して利用することも可能である。すなわち、ビームスポットを試料面に対して２次元走査して、２次元画像を形成し、焦点位置を変化させることによって突出物質の高さを求める。そして、突出物質の体積及び分布を求め、検査を行ってもよい。

発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる検査装置について図９を用いて説明する。図９は、本実施の形態にかかる検査装置の構成を示す側面図である。本実施の形態にかかる検査装置の基本的構成は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。従って、本実施の形態では、実施の形態１と異なる構成について説明する。本実施の形態では、光源からの照明光が曲げミラー３４によって曲げられた後、対物レンズ３３で集光される構成を有している。具体的には、外筒３５の先端側に曲げミラー用筐体３９が取り付けられている。曲げミラー用筐体３９の内部には、曲げミラー３４が内包されている。曲げミラー３４は実施の形態と同様に光ビームを９０°曲げるよう光軸から傾いて配置されている。従って、図３に示すように、コンフォーカル光学ヘッド１２から出射された光ビームは、鉛直下方に反射される。

曲げミラー用筐体３８の側面には、対物レンズ３３が設けられている。対物レンズ３３は曲げミラー用筐体３８の鉛直下方側の側面に設けられている。従って、曲げミラー３４によって曲げられた照明光は対物レンズ３３に入射する。対物レンズ３３は入射した光ビームをシリンダ２２内壁の表面に集光する。また、コンフォーカル光学ヘッド１２の筐体の中には、実施の形態１と同様にθ回転モータ（図示せず）と対物レンズ焦点合わせモータ（図示せず）が設けられている。本実施の形態では、対物レンズ焦点合わせモータによって、光学系の中のリレーレンズ等を光軸方向に移動して、対物レンズ３３の焦点合わせを行なう。

外筒３５はθ回転機構３８を介してコンフォーカル光学ヘッド１２の筐体に取り付けられている。θ回転モータを回転すると外筒３５がθ方向（周方向）に回転する。これにより、曲げミラー３４及び対物レンズ３３が回転して、照明領域を円周方向に走査することができる。そして、実施の形態１と同様に内壁の検査を行う。これにより、検査をより精密に行うことができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、この構成では、実施の形態１に比べて、内径が小さいシリンダ２２の内壁の検査を行うことができなくなるが、ワーキングディスタンスが短い対物レンズを用いることが可能になる。すなわち、図１０に示すように、曲げミラー用筐体３９及びその側面に取り付けられた対物レンズ３３がシリンダ２２に挿入される。従って、シリンダ２２の内部に挿入されう部分が外筒３５の直径よりも大きくなってしまう。しかしながら、対物レンズ３３とシリンダ表面との距離を近づけることができるため、ワーキングディスタンスの短い対物レンズ３３を用いることができる。従って、本実施の形態にかかる検査装置は、内径が大きいシリンダの検査に好適である。

実施の形態１、２に示された検査を、アルミニウム等の金属材料を鋳造することによって作成されたシリンダブロックに対して行うことにより、シリンダブロックの生産性を向上することができる。なお、本発明にかかる検査装置は、シリンダブロック２１内に形成された突出物質の分布及び体積を求めて、検査を行う構成に限られるものではない。例えば、突出物質の分布又は体積に基づいて検査を行ってもよく、さらに、シリンダ内の表面を観察することによって、検査を行ってもよい。また、合焦点位置の変化から突出物質の突出量（高さ）を求め、突出物質の突出量（高さ）に基づいて検査を行ってもよい。

本発明にかかる検査装置では、エンジン用のシリンダブロックに限らず、様々な試料に対して検査を行うことが可能である。例えば、原子力発電用等の冷却パイプ内壁の検査、溶接部の余寿命診断等、パイプ内壁や狭小部の観察・検査などに広く利用することができる。例えば、内壁面が変色したり、異物が付着したり、材質が異なる場合など、表面での反射率が変化する。従って、合焦点位置における検出光量に変化に基づいて検査を行うことによって、より精密な検査を行うことができる。本発明では、試料に設けられた孔に対して鏡筒の一部を挿入することにより、試料に設けられた孔の内壁面を検査することができる。

本発明にかかる検査装置の全体構成を示す側面図である。 本発明にかかる検査装置で検査されるシリンダブロックの構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態１にかかる検査装置光学系の構成を示す図である。 本発明にかかる検査方法を示すフローチャートである。 本発明にかかる検査装置において、シリンダと照明領域とを示す図である。 本発明にかかる別の検査方法を示すフローチャートである。 本発明にかかる検査装置に用いられる処理装置の構成を示す図である。 本発明にかかる検査装置で検査されるシリンダの内壁表面を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる検査装置の全体構成を示す側面図である。 本発明にかかる検査装置で検査されるシリンダブロックの構成を示す正面図である。

符号の説明

１０ ベース、１１ Ｚガイド、１２ コンフォーカル光学系、１３ ステージ、
１４ 台座ブロック、２１ シリンダブロック、２２ シリンダ、
３１ θ回転モータ、３２ 対物レンズ焦点合わせモータ、３３ 対物レンズ
３４ 曲げミラー、３５ 外筒、３６ 内筒、３７ 軸受、３８、リニア軸受、
４１ 光源、４２ シリンドリカルレンズ、４３ ＰＢＳ、４４ ミラー、
４６ 検出器、４７ レンズ、４８ レンズ、４９ リレーレンズ、５０ 照明領域
６０ シリンダ内壁、６１ 突出物質、７０ 処理装置、７１ データ記憶部、
７２ 合焦点位置算出部、７３ 分布算出部、７４ 体積算出部、７５ 良否判定部、
７６ 制御部、１００ 検査装置

Claims (9)

1. 試料に設けられた孔に対して鏡筒を挿入して前記孔の内壁面を検査する検査装置であって、
   光源と、
   前記光源からの光をライン状の光に変換する光変換手段と、
   前記ライン状の光を前記鏡筒に入射させる光学系と、
   前記鏡筒に入射したライン状の光を集光する対物レンズと、
   前記対物レンズの焦点位置を変化させる焦点位置変化手段と、
   前記鏡筒に設けられ、前記ライン状に変換された光を前記内壁面の方向に反射するミラーと、
   前記ミラーの反射方向を変化させるよう前記鏡筒を回転させ、前記ライン状の光を前記鏡筒の周方向に走査する周方向走査手段と、
   前記内壁面で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出する検出器であって、前記反射光の方向に対応した設けられた検出画素を有する検出器と、
   前記ライン状の光を前記鏡筒の軸方向に走査する軸方向走査手段とを備えた検査装置。
2. 前記ライン状の光が前記鏡筒の軸方向と略垂直な方向に沿って前記内壁面に照射されている請求項１に記載の検査装置。
3. 前記対物レンズが前記鏡筒の軸上に配置され、
   前記ミラーが前記対物レンズよりも前記鏡筒の先端側に設けられている請求項１又は２に記載の検査装置。
4. 試料に設けられた孔に対して鏡筒を挿入し、
   ライン状の光を、前記鏡筒に入射させ、
   前記ライン状の光を前記孔の内壁面の方向に反射し、
   前記鏡筒に入射したライン状の光を前記内壁面に集光する対物レンズの焦点位置を変化させ、
   前記ライン状の光の方向に対応して配列された検出画素を有する検出器によって、前記内壁面で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出し、
   前記ライン上の光を前記鏡筒の軸方向に走査し、
   前記対物レンズの焦点位置を変化させた時の前記検出器からの検出データに基づいて前記対物レンズの合焦点位置を算出し、
   前記合焦点位置における前記検出データに基づいて前記試料の内壁面を検査する検査方法。
5. 前記前記ライン状の光を反射する方向を前記鏡筒の周方向に走査して、検査を行う請求項４に記載の検査方法。
6. 前記ライン状の光が前記鏡筒の軸方向と略垂直な方向に沿って前記内壁面に照射されることを特徴とする請求項４又は５に記載の検査方法。
7. 前記試料に設けられた孔がエンジン用シリンダブロックに設けられたシリンダであり、
   前記シリンダブロックの内壁面から突出した突出物質の分布及び体積を前記合焦点位置の変化及び前記検出データに基づいて算出して前記シリンダブロックの検査を行う請求項４、５又は６に記載の検査方法。
8. 前記検出データをしきい値と比較した結果に基づいて突出物質であるか否かを判定して前記突出物質の分布を算出し、
   前記突出物質であると判定された箇所における前記合焦点位置の変化に基づいて前記突出物質の体積を算出する請求項７に記載の検査方法。
9. 請求項７又は８に記載の検査方法によってシリンダブロックの検査を行い、
   前記検査の結果により良否判定を行なうシリンダブロックの製造方法。

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