JP2007218782A - 表面欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一台の装置で溝、テーパ、コーナー等の形状を持つ被検査物の内面および／または外面の表面欠陥を効率よく簡易な構造で、検査が可能な表面欠陥検査装置を提供すること。
【解決手段】反射ミラー１１はミラー軸１１ａに取り付けられ、ミラー軸１１ａと駆動軸１４には其々プーリー１３ａおよび１３ｂが装着されており、当該プーリー間をタイミングベルト１３ｃでつないでいる。また、駆動軸１４はミラー駆動モータ１５につながっており、駆動モータ１５を微少角度回転させることで、駆動軸１４の回転が前記プーリー１３ａ、１３ｂおよびベルト１３ｃを介して前記ミラー軸１１ａに伝達され、反射ミラー１１の角度が変化する。
【選択図】図1

Description

本発明は鋳造、切削加工などにより製作された中空円筒形状または円柱形状の物体表面欠陥で、外面および／または内面（円柱形状においては外面）における鋳巣、切削傷などの欠陥を検査する表面欠陥検査装置に関する。

従来、光学的手段を用い中空円筒形物体または円柱形状物体の表面欠陥を検出する表面欠陥検査装置は、自動車のシリンダ内面、あるいはプリンター用現像ロール外面など、表面が一様で溝あるいはテーパ等の加工が施されていない物体の検査を行うものであった。

例えば、円筒状の内面を持つ物体の傷、欠陥などを検査する従来技術としては、円筒の内面に傾斜角４５°の反射面を持つミラーを挿入し検出するもの（特許文献１）や、頂角の異なる二段式の円錐ミラーを内面に挿入し円筒状の内面の段差が検出可能とするもの（特許文献２）が知られている。

また円筒又は円柱状物体の外面の欠陥などを検査する従来技術としては、円錐台ミラーを用い全周検査するもの（特許文献３）や、ハーフミラーを用い、物体表面に対し法線方向に照明光が当たるようにして検査をするもの（特許文献４）が知られている。

特開平１−１３２９４１号公報 特開２００２−２２６７１号公報 特開２００３−２３２７４８号公報 特開２００１−１６５８６８号公報

しかしながら、従来のこれらの方法は、物体の表面形状が一様で溝あるいはテーパ等の加工が施されていない物体の検査を行うものであり、溝あるいはテーパ等を有する部品の内面および／または外面の検査を行うことが出来ないという問題があった。

例えば、特許文献１による方法では、傾斜角固定の反射面を持つミラーを２枚互いに隣接して向き合うように配置して検査する方法が述べられている。

この方法で図１０に示すテーパ部３０を有する円筒内面を照明系と検出系を一体化させた装置で検査しようとすると、反射ミラー１１の傾斜角４５°の場合中心軸に平行な面（以下「平行部」と記す。）２９については、照明光−反射光の経路は４ａ−４ｂ−４ｃ−４ｄと辿って、照明光は検査対象面で反射し反射ミラー１１に戻り、反射光は照明光と光軸が一致し検出系に反射光が戻り、欠陥の検出が可能となる。

しかしながら、テーパ部３０では照明光−反射光の経路は５ａ−５ｂ−５ｃと辿り、反射光は散逸することとなり、反射光が検出系に戻らないため欠陥の検出が不可能となる。逆に、テーパ部３０を検出できる傾斜角の場合は平行部２９の検出が出来なくなる。

これを傾斜角固定の反射面をもつミラーを用いて解決しようとすると、平行部２９およびテーパ部３０用の複数のミラーを用いる方法が考えられるがミラーの切り替が必要となり、時間的ロスの発生や装置が複雑化するという問題が発生する。

更に、テーパの角度も一定ではなくいくつかの角度の異なるテーパが存在する場合、その数の分だけミラーを作製する必要があり、費用の面でも問題がある。他の特許文献２，３，４についてもミラー角度が固定のため、上記文献例と同様の問題点を有する。

また、上記これらの方法は、各々円筒状物体の内面または外面のみを検査する方法であって、一台の検査装置により円筒状物体の内面および／または外面の両者を検査するという観点に欠けるという問題点があった。

そこで、この発明は上記問題点に鑑み、一台の装置で溝、テーパ、コーナー等の形状を持つ被検査物の内面および／または外面の表面欠陥を効率よく簡易な構造で、検査が可能な表面欠陥検査装置を提供することにある。

第１の発明は、中空円筒形状または円柱形状の被検査物を把持するワークホルダを回転させながら、被検査物に光源よりの照明光を反射ミラーを介して照射し、当該照射面からの反射光が再度前記反射ミラーにて反射されてカメラに導かれ、このカメラにより撮像された画像を画像処理して前記被検査物の表面の欠陥の検出をする表面欠陥検査装置において、前記被検査物の検査部位に合わせて前記反射ミラーの角度を変更する角度変更機構を設けたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記角度変更機構をモータと、前記反射ミラーが固定され前記モータにより回転するミラー軸とから構成し、前記ミラー軸を前記モータにより、前記反射ミラーの角度を変更することを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、前記ワークホルダを支持する支持体を、前記カメラの光軸方向に対し旋回中心点を基準として角度を変える旋回機構を設けたことを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明において、前記ワークホルダを前記被検査物の検査部位に合わせて前記カメラの光軸方向、または９０°旋回後光軸に対し垂直方向に移動する移動手段を設けたことを特徴とする。

第５の発明は、第１の発明において、前記反射ミラーを前記被検査物の検査部位に合わせて前記カメラの光軸方向または光軸に対し垂直方向に移動する移動手段を設けたことを特徴とする。

第６の発明は、第１の発明において、前記カメラおよび/または前記光源を前記ワークホルダの回転軸方向または回転軸に対し垂直方向に移動する移動手段を設けたことを特徴とする。

本発明による表面欠陥検査装置は、簡易な一台の装置で溝、テーパ、コーナー等を有する被検査物の内面および／または外面の検査を行うことができる。

次に、本発明による表面欠陥検査装置の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、表面欠陥検査装置の正面図である。図２および図３は、表面欠陥検査装置により検査をする被検査物1の部分断面図および全体図で例えば自動車用電気部品である。１ａは溝、１ｂはテーパ、１ｃはコーナー、１ｄは平行部を示す。なお、被検査物１は、図２および図３のように中空円筒形状として部品内部軸穴が貫通しているものを例示しているが、外形が円柱状を呈して軸穴は貫通していなくても又軸穴自体が無くても問わない。

前記被検査物１は、ワークホルダ２に所定の精度で位置決め把持され、ワークホルダ回転モータ５で任意の伝達方式で回転する。ワークホルダ２およびワークホルダ回転モータ５はステージＡ６に固定されており、当該ステージＡ６は移動ステージ１６の移動テーブル９に固定され、移動ステージ１６上を移動可能なように構成されている。

図４は、被検査物１を検査位置に移動させるための構造を示す平面図である。ステージＡ６は移動ステージ１６に組み込まれている移動テーブル９に固定され、移動ステージ１６のボールネジ２１をボールネジ回転モータ１０により回転させることによりステージＡ６は移動テーブル９と一体になってボールネジ２１の軸方向に移動する。また、ワークホルダ２はベアリング機構２５により支えられており、ワークホルダ駆動モータ５と適当な伝達機構で軸が繋がれ、ワークホルダ駆動モータ５の回転を滑らかに伝えられるようになっている。

一方、照明光学系７により、図示しない光源の光をハーフミラー８にて反射させ、その照明光を反射ミラー１１で反射し、被検査物１の内部表面に照射する。照射された照明光は内部表面で正反射し、再度反射ミラー１１で反射され、結像光学要素３に戻ってくる。

なお、照明光学系７、結像光学要素３およびＣＣＤカメラ４（以下「検出光学系」と記す。）、は光軸が被検査物１の回転軸と一致するように調節され、ＸＹＺステージ２２に固定されており被検査物１の回転軸方向または回転軸と垂直方向に移動可能になっている。

反射ミラー１１は前記検出光学系の照明光の照射範囲に一致するようにＸＹＺステージにて調節する機構を持たせるか予め照射範囲に一致する位置で検出光学系に固定しておく。

さらに、反射ミラー１１は被検査物１の溝１ａ、テーパ１ｂ、コーナー１ｃ、平行部１ｄによって反射光が検出光学系の光軸と一致する角度に自由に変えられる機構を有するものである。

そして、前記結像光学要素３に戻った反射光をＣＣＤカメラ４により二次元画像を検出し、更に該二次元画像信号をＡ／Ｄ変換し図示しない画像処理部に取込み、画像処理を行って被検査物１の表面欠陥の有無及び特性値を判定算出する。

図５は被検査物１の検査部位であるテーパ１ｂ、コーナー１ｃおよび平行部１ｄの測定原理を示す模式図である。ワークホルダ２に被検査物１をチャック等で位置決め把持した後、前記テーパ１ｂ、コーナー１ｃおよび平行部１ｄ各部の測定位置に反射ミラー１１が位置するように被検査物１または反射ミラー１１を移動させる。

しかも前記テーパ１ｂ、コーナー１ｃおよび平行部１ｄ各部にて反射ミラー１１の角度を調節することで、入射光と反射光の光軸が一致し、反射光が結像光学要素３に戻ることより反射光が検出され、検査が可能となる。この時の入射光と反射光の径路は図示のごとくテーパ１ｂについては４１ａ−４１ｂ−４１ｃ−４１ｄ、コーナー１ｃについては４３ａ−４３ｂ−４３ｃ−４４ｄ、平行部１ｄについては４２ａ−４２ｂ−４２ｃ−４２ｄとなる。

照射光と反射光の光軸が一致する条件はテーパ１ｂの場合テーパ角θと反射ミラー１１の傾斜角θ１がθ１＝（９０−θ）／２を満足する場合であり、平行部１ｄは前式でθ＝０とした場合である。また、コーナー１ｃについては、反射光は壁面および溝底部において二回の反射をおこし、照射光と同一角度でミラー面に戻ってくる。

尚、溝については、平行部（溝底部）１ｄとコーナー１ｃの組合せであり、本発明による表面欠陥検査装置で検査可能であることはいうまでもない。

図６は、前記反射ミラー１１の角度を変更させる機構を示す。反射ミラー１１はミラー軸１１ａに取り付けられ、被検査物１の内部に反射ミラー１１が挿入可能なように反射ミラー支持具１２で支えられている。更に、ミラー軸１１ａと駆動軸１４には其々プーリー１３ａおよび１３ｂが装着されており、当該プーリー間をベルト１３ｃでつないでいる。

また、駆動軸１４はミラー駆動モータ１５につながっており、駆動モータ１５を微少角度回転させることで、駆動軸１４の回転が前記プーリー１３ａ、１３ｂおよびベルト１３ｃを介して前記ミラー軸１１ａに伝達され、反射ミラー１１の角度が変化する。

反射ミラー１１の角度変更機構としては、反射ミラー１１および駆動軸１４を弾性を持つ金属材料で直結し、駆動軸１４の回転角度を反射ミラー１１に伝達し角度変化させる機構である等、駆動軸１４の回転角度を反射ミラー１１に適切に伝えられれば、その構造について問うものではない。

図７に示すように、被検査物１の外面を検査するため、図１に示したワークホルダ２を移動ステージ１６ごと９０°回転させることができ、移動ステージ１６によりステージＡ６上に固定されたワークホルダ２を測定位置に移動し、反射ミラー１１を介さず直接照明光学系からの光を被検査物１に垂直方向より照射することもできる。

その反射光を結像光学要素３を経由しＣＣＤカメラ４により二次元画像を検出し、更に該二次元画像信号をＡ／Ｄ変換し図示しない画像処理部に取込み、画像処理を行って被検査物１の表面欠陥の有無および特性値を判定算出する。

被検査物１を９０°回転させる機構について以下に説明する。ワークホルダ２及び被検査物１を搭載するステージＡ６は移動ベース１９に固定され、移動ベース１９は更に固定ベース１８に旋回中心点でピン１７を介してつながっている。

そして被検査物１の旋回時はカムフォロア機構２０のロックを外し、位置決め機構２３の楔２４を抜いて移動ベース１９をピン１７を中心として９０°旋回し、旋回終了後位置決め機構２３の楔２４を差込み、カムフォロア機構２０をロックすることで精度よく被検査物１の旋回、位置決め、固定が可能である。

図８はカムフォロア機構２０のロック機構を示す模式図である。カムフォロア機構２０は移動ベース１９への固定部分と微小移動可能なフリー部分（図斜線部）とから成っており、カムフォロア２０ａはフリー部分に回転可能な状態で取り付けられている。また、移動ベース１９およびカムフォロア２０ａは固定ベース１８に接触している。

平時、移動ベース１９は自重により固定ベース上にロックされているが、ネジ２０ｂを回転させフリー部分を押し下げることで移動ベース１９が固定ベース１８より浮き上がり、スムースに旋回できるようになる。旋回後はネジ２０ｂを回転させ、フリー部分を元に戻してやることで移動ベース１９が固定ベース１８に接触しロックされる。

尚、被検査物保持部ステージＡ６の旋回構造については上記構造を一例としたが、旋回中心点を中心として９０°旋回できればその他の機構を用いてもよい。

図９は、被検査物１の外面の検査に反射ミラー１１を適用した例を示す正面図である。被検査物１は、図１と同様にワークホルダ２に所定の精度で位置決め把持され、反射ミラー１１および検出光学系を光軸に対しＸＹＺテージ２２にて垂直移動させ、光源の光をハーフミラー８にて反射しその照明光を反射ミラー１１で反射し、被検査物１の外部表面に照射する。

そして、照射された照明光は外部表面で正反射し、再度反射ミラー１１で反射され、結像光学要素３に戻ってくる。結像光学要素３に戻った反射光をＣＣＤカメラ４で二次元画像を検出し、更に該二次元画像信号をＡ／Ｄ変換し図示しない画像処理部に取込み、画像処理を行って被検査物体表面の欠陥の有無および特性値を判定算出する。

図９に示すように、被検査物の内面検査と同一方向からの検査が可能であり、移動ベース１９の旋回動作が不要となり、検査時間の短縮が可能となる。

尚、図９では反射ミラー１１および検出光学系を移動させるようにしたが、ステージＡ６を被検査物１の検査部位に合わせて移動させても、両者を移動させても良い。

被検査物１の内面に発生した欠陥を検査する表面欠陥検査装置を示す正面図である。 被検査物１の部分断面図である。 被検査物１の全体図である。 ステージＡ６を移動させる機構を示す平面図である。 平行部、テーパおよびコーナーの測定方法を示す模式図である。 反射ミラー１１の角度回転機構を示す平面図である。 被検査物１の外面に発生した欠陥を検査する表面欠陥検査装置の平面図である。 装置旋回に係わるカムフォロア機構のロック機構を示す模式図である。 被検査物１の外面に発生した欠陥に反射ミラーを適用した表面欠陥検査装置を示す正面図である。 従来技術による検査方法を示す模式図である。

符号の説明

１・・・・被検査物
２・・・・ワークホルダ
３・・・・結像光学要素
４・・・・ＣＣＤカメラ
５・・・・ワークホルダ回転モータ
６・・・・ステージＡ
７・・・・照明光学系
８・・・・ハーフミラー
９・・・・移動テーブル
１０・・・ボールネジ回転モータ
１１・・・反射ミラー
１１ａ・・ミラー軸
１２・・・反射ミラー支持具
１３ａ・・プーリー
１３ｂ・・プーリー
１３ｃ・・ベルト
１４・・・駆動軸
１５・・・反射ミラー駆動モータ
１６・・・移動ステージ
１７・・・ピン
１８・・・固定ベース
１９・・・移動ベース
２０・・・カムフォロア機構
２０ａ・・カムフォロア
２０ｂ・・ロック調節ネジ
２１・・・ボールネジ
２２・・・ＸＹＺステージ
２３・・・位置決め機構
２４・・・楔
２５・・・ベアリング機構
２９・・・平行部
３０・・・テーパ部

Claims (6)

1. 中空円筒形状または円柱形状の被検査物を把持するワークホルダを回転させながら、被検査物に光源よりの照明光を反射ミラーを介して照射し、当該照射面からの反射光が再度前記反射ミラーにて反射されてカメラに導かれ、このカメラにより撮像された画像を画像処理して前記被検査物の表面にみられる欠陥の検出をする表面欠陥検査装置において、前記被検査物の検査部位に合わせて前記反射ミラーの角度を変更する角度変更機構を設けたことを特徴とする表面欠陥検査装置。
2. 前記角度変更機構をモータと、前記反射ミラーが固定され前記モータにより回転するミラー軸とから構成し、前記ミラー軸を前記モータにより回転させることにより、前記反射ミラーの角度を変更することを特徴とする請求項１に記載の表面欠陥検査装置。
3. 前記ワークホルダを支持する支持体を、前記カメラの光軸方向に対し旋回中心点を基準として角度を変える旋回機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の表面欠陥検査装置。
4. 前記ワークホルダを前記被検査物の検査部位に合わせて前記カメラの光軸方向、または９０°旋回後光軸に対し垂直方向に移動する移動手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の表面欠陥検査装置。
5. 前記反射ミラーを前記被検査物の検査部位に合わせて前記カメラの光軸方向または光軸に対し垂直方向に移動する移動手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の表面欠陥検査装置。
6. 前記カメラおよび/または前記光源を前記ワークホルダの回転軸方向または回転軸に対し垂直方向に移動する移動手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の表面欠陥検査装置。

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