JP2010085179A - 側面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検査物の側面の全周検査を、１台のＣＣＤカメラを用いて高速かつ効率的に精度良く行えるようにすることを課題としている。
【解決手段】外径面２ａが鏡面、内径面２ｂがプリズム面として構成されたコーンレンズ２と、カメラ１と、環状光源３を有し、これ等が検査部中心Ｃと同軸上に配置され、環状光源３からの照明光をコーンレンズ２に通し、内径面２ｂ、外径面２ａで順に反射させて検査部Ｂに導き、その照明光で検査部Ｂに送り込まれる被検査物Ａの搬送面１０ａ上に置かれた部分の外周の側面を照明し、その側面の全周の画像を前記外径面２ａ、内径面２ｂで順に反射させてカメラ１に取り込むようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、ボルト、ナット、機械部品など（以下では被検査物という）の側面の全周検査を、１台のＣＣＤカメラを用いて効率的に精度良く行えるようにした側面検査装置に関する。ここで言う検査は、品質検査のほかに、突起、溝などが側面に設計通りに形成されているか、或いはマーキングなどが設計通りになされているかなどの確認検査も含まれる。

被検査物の側面の全周を１台のカメラで同時に撮像して側面の全周検査を効率良く行う検査装置が下記特許文献１〜３などに開示されている。

特許文献１，３の検査装置は、被検査物とＣＣＤカメラとの間にコーンプリズムを配置し、そのコーンプリズムを透して被検査物の側面を見ることで１台のカメラによる側面全周の同時撮像を可能にしている。ＣＣＤカメラは真下を向く姿勢にして被検査物の直上に配置し、このカメラの視野中心と同軸上にコーンプリズムを配置し、このコーンプリズムよりも下側に被検査物を配置する。また、被検査物の側面の照明は、カメラの視野の周りに環状光源を配置して行っており、これ等の構成が共通したものになっている。

特許文献２の検査装置は、特許文献１，３のコーンプリズムを円錐状反射鏡に置き換えたと考えてよいものであり、側面の全周検査の原理や側面の照明の方法は、特許文献１,３の検査装置とさほど変わるところがない。

特許第３０１４６８４号公報 特許第３７７０６１１号公報 特開平９−３０４２８５号公報

上述した従来の検査装置は、鮮明で観察方向も適切な画像を得るのが難しく、高度な検査の要求に応えられるものではなかった。被検査物の中には、高い信頼性が求められる車両用部品などがあり、そのような部品については全品検査が行われ、傷や割れなどの見つけ難い欠陥も見逃すことなく検出することが要求される。

この要求に応えるには、鮮明で歪も少ない被検査面の画像が必要であるが、上記特許文献１の検査装置は要求に応えられる画像が得られず、傷や割れの検出には利用できなかった。この特許文献１の検査装置は、コーンプリズムの外周に照明用の光源を配置しており、その光源からの光がコーンプリズムによってカメラ側に反射して画像をぼかすと考えられる。

特許文献２の検査装置も、以下のことが懸念される。即ち、特許文献２の検査装置は、同文献の図１に示されるように、照明用の光源をコーンプリズムと被検査物との間に配置しているため、コーンプリズムと被検査物間の距離が大きくなって被検査物の側面を斜め上方から見る状態になる。細かな傷や割れなどは側面を真横から観察した方が見つけやすいのにその要求に応えられない。そのために、同文献が述べている画像の変形を補正する補正手段を含ませても検査の精度が粗くなってしまう。

なお、特許文献３が開示しているように、照明用の光源を被検査物よりも下方に配置することで被検査物をコーンプリズムに近づけることができるが、被検査物を搬送装置で連続的に搬送しながら検査する場合には、光源を被検査物よりも下方に配置することは、搬送面による遮光の問題が生じて許されない。光源が被検査物の移動を妨げることも許されず、この規制により、特許文献２の検査装置は、同文献の図１のように、光源を被検査物とコーンプリズムとの間に配置せざるを得なくなって上記の問題を生じる。なお、光源をコーンプリズムの外周に一部オーバラップするように配置して被検査物をコーンプリズムに近づけると、光源からの照明光が被検査物の側面にうまく当たらなくなる。これによる照明不良も画像を不鮮明にするので、この構造では上記の問題は解決されない。

この発明は、側面検査装置を、鮮明でしかも適切な方向から観察した画像が得られるようにして被検査物の側面の全周検査を、１台のＣＣＤカメラを用いて効率的に精度良く行えるようにすることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、少なくとも一部分が搬送面上に置かれた状態で検査部に送り込まれる被検査物の前記搬送面上に置かれた部分の外側面をカメラで撮像して検査する側面検査装置を以下の通りに構成した。
即ち、垂直円筒の外径面、この外径面と同心の上側が小径のテーパの内径面、及び平坦な上下面を有し、前記外径面が内向きに光を全反射する鏡面として構成され、さらに、前記内径面がその面に対して直角向きの光を透過させて前記鏡面の外径面に導き、その外径面で反射された光を上向きに再反射させるプリズム面として構成されたコーンレンズと、
このコーンレンズよりも上方に下に向けて設けるカメラと、
前記コーンレンズと前記カメラとの間に設ける環状光源を有し、
前記コーンレンズ、カメラ及び環状光源が検査部中心と同軸上に配置され、
前記環状光源からの照明光を前記コーンレンズに通し、前記プリズム面の内径面、鏡面の外径面で順に反射させてコーンレンズ直下の前記検査部に導き、その照明光で少なくとも一部分が搬送面上に置かれた状態で前記検査部に送り込まれる被検査物の前記搬送面上に置かれた部分の外周の側面を照明するとともに、その側面の全周の画像を前記鏡面の外径面、プリズム面の内径面で順に反射させて前記カメラに取り込む構造にした。
被検査物は、検査する側面の中心が検査部中心と一致するように搬送面上に位置決めして検査部に導入する。

この検査装置は、得られた画像を処理する画像処理装置や、処理後の画像データを基準値と比較して検査した側面の良否判別などを行う判別回路、得られた画像と判定結果を表示する表示装置などを含んでいる。これらは、この発明を特徴づける要素ではなく、従来の検査装置に採用されているものと同様のものでよい。

この側面検査装置は、カメラ、コーンレンズ、環状光源の配置、向きを、上記とは逆にして使用すると、少なくとも一部分が搬送面下に吊り下げられた状態で検査部に送り込まれる被検査物の前記搬送面下に吊り下げられた部分の外側面の全周検査を行うことができる。

この側面検査装置の好ましい構成を以下に列挙する。
（１）前記環状光源を、外周からレンズ中心に向けて径方向に照明光を出力するように構成し、前記コーンレンズに近接してこのコーンレンズと前記カメラとの間に、環状光源からの照明光を反カメラ側に反射させて前記コーンレンズに導く４５度傾斜のハーフミラーを設置する。
（２）前記ハーフミラーにストレート円筒の内径面を備えさせてその内径面に遮光膜を設ける。
（３）前記コーンレンズの前記カメラに対面する側の端面に可視光の反射を防止する反射防止膜を設ける。
（４）前記カメラとして、撮像レンズがテレセントリックレンズのカメラを設ける。

この発明の側面検査装置は、照明用の環状光源をカメラとコーンレンズとの間に配置し、この環状光源からの照明光をコーンレンズの内部に通し、レンズ内径のプリズム面とレンズ外径の鏡面で順次反射させて検査部に導入された被検査物の外周に導くので、被検査物をコーンレンズに十分に近づけて検査対象の側面を軸方向のずれ量が小さな位置から観察することが可能である。

また、コーンレンズの外径面が光を全反射する鏡面として構成され、無用な光が外径面を透過して外部から入り込むことがない。従って、特許文献１の装置で問題になった画像のぼやけ現象も防止される。照明光をコーンレンズ経由で検査部に導くことで、光源をコーンレンズの上方に配置しながら被検査物の側面の均一照明を行うことができ、これ等の相乗効果によって鮮明で見やすい画像が得られ、要求される高度な検査が可能となる。

環状光源をコーンレンズの上方（カメラを上向きにして下側に配置したものはコーンレンズの下方）に配置したことで、搬送装置の搬送面によって照明光が遮られると言う問題もなくなり、搬送面が不透明な回転円板や搬送ベルトなどで構成された搬送装置を使用して被検査物を連続的に搬送しながら能率よく検査を行うことが可能になる。

なお、ハーフミラーを使用し、そのハーフミラーで照明光を反射させてコーンレンズに導く上記（１）の装置は、光源をカメラの視野（画像伝送経路）の外側に配置して画像が光源によって隠されないようにすることができ、画像を不鮮明にするレンズフレア（ハレーション）も防止される。従って、より安定した検査が可能になる。

ハーフミラーに円筒の内径面を備えさせてその内径面に遮光膜を設けたものは、ミラー面を通り抜けた光源からの光が遮光膜に遮断され、対向位置のミラー面に向けてもれ出すことがない。このため、対向位置のミラー面において光がカメラ側に反射される現象が起こらず、カメラで映す画像がより鮮明になる。

ハーフミラーは、ミラー面を４５度の角度で傾斜させたものが、照明光の反射ロスが小さく抑えられて好ましい。

このほか、コーンレンズのカメラと対向する端面に反射防止膜を設けたものは、反射光の影響の少ない画像が得られる。また、撮像レンズがテレセントリックレンズ（これは、内部に焦点を有し、光軸と平行とみなせる光線が得られて画像の歪が小さく抑えられる周知のレンズ）のカメラを使用したものは画像の歪が小さく、これ等のことも、検査精度を高めるのに役立つ。

以下、添付図面の図１〜図５に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。図１に、この発明の側面検査装置の一例の概要を示す。図示の側面検査装置には、カメラ（ＣＣＤカメラ）１、コーンレンズ２、照明用の環状光源３、及び環状光源３からの光を方向転換させるハーフミラー４を組み合わせた光学系と、カメラ１で撮像した画像を処理する画像処理装置７と、処理後の画像データを基準値と比較して検査した側面の良否判別や側面に設置すべき要素の有無判別などを行う判別回路８と、得られた画像と判定結果を表示する表示装置９が含まれている。画像処理装置７、判別回路８、表示装置９は周知のものでよい。画像処理装置７には、必要に応じて画像の変形などを補正する補正回路を含ませることができる。
図１において符号５は遮光膜、６は反射防止膜である。

カメラ１は、テレセントリック撮像レンズを使用したカメラである。このカメラ１は、真下を向く姿勢にして定位置に保持される。

コーンレンズ２は、垂直円筒の外径面２ａ、この外径面２ａと同心の、上側で直径が小さくなる方向に傾いたテーパの内径面２ｂ、及び軸直角で平坦な上下面２ｃ、２ｄを有している。このコーンレンズ２は、外径面２ａが内向きに光を全反射する鏡面として構成され、さらに、前記内径面２ｂがその面に対して直角向きの光を透過させて鏡面の外径面２ａに導き、その外径面２ａによって反射された光を上向きに再反射させるプリズム面として構成されており、被検査物Ａの搬送面１０ａ上に置かれた部分の側面（図はボルトの頭部）の画像がこのレンズを透してカメラ１に映される。

環状光源３は、カメラ１の視野を外側から取り巻く大きさの光源であり、照明光を径方向内側に向けて照射するものが用いられている。

ハーフミラー４は、下側で小径となる方向に４５度の角度で傾斜した（水平面又は垂直面基準での傾斜角）外径面４ａとストレート円筒の内径面４ｂを有する倒立切頭円錐形状のリング状ミラーを用いている。このハーフミラー４は、傾斜した外径面４ａが、環状光源３からの照明光を下向きに反射させてコーンレンズ２の上面に導くミラー面として構成されている。そのミラー面の外径面４ａは、光を半透過させるように構成されており、コーンレンズ２の上面２ｃに現われる被検査物の側面の画像がその外径面（ミラー面）４ａを透過してカメラ１に映される。

ハーフミラー４の内径面４ｂに囲まれた領域は、画像伝送経路を構成する空間となっており、被検査物Ａの天面をカメラ１で直視することができる。この構造は、側面と天面の同時検査ができて好ましいが、被検査物の天面の検査機能（カメラ１で天面を直視すること）は必須ではない。

遮光膜５は、ハーフミラー４の内径面４ｂに形成されている。また、反射防止膜６は、コーンレンズ２の上面２ｃに設けられている。この反射防止膜６は、可視光のカメラ１側への反射を防止するための膜であり、化学物質を反応させて生成した膜や微細な粒子を添加した膜など、光学系のレンズやメガネレンズなどに一般的に採用されている膜でよい。

以上の要素を備える側面検査装置は、カメラ１、コーンレンズ２、環状光源３及びハーフミラー４が検査部Ｂの中心Ｃと同軸上に配置される。

この装置による検査は、被検査物Ａを搬送装置１０の搬送面１０ａで位置決め保持し、この被検査物Ａを検査部Ｂに導入して行われる。検査部Ｂには、環状光源３からの光が、ハーフミラー４、コーンレンズ２の内径面（プリズム面）２ｂ、外径面（鏡面）２ａの順に反射させて導かれている。

被検査物Ａが検査部Ｂに移動したときに、その被検査物Ａの搬送面１０ａ上に置かれた部分の側面Ａｓがコーンレンズ２の外径面（鏡面）２ａに映り、その画像が反射して内径面（プリズム面）２ｂに向かい、そこでさらに反射してカメラ１に向う。こうして得られる側面Ａｓの画像は、図２に示すように、側面Ａｓの上端Ｅ１が内径側、下端Ｅ２が外径側に現われるリング状画像となる。図の装置の場合、カメラ１は被検査物Ａの天面も直視しており、その天面の画像の周りに側面の画像がリング状画像として表示される。

被検査物Ａの中心が検査部Ｂの中心Ｃに来たときにカメラ１によって撮像される画像は、天面の画像を中心にしてその周りに側面Ａｓの画像が現われたものになる。その画像をカメラ１で映して画像処理装置７に送り、処理後の画像データを判別回路８に流してここで基準値と比較し、検査した側面の良否判別や側面に設置すべき要素の有無判別などを行う。そして、カメラ１で映した画像と検査結果を、表示装置９の画面に表示する。

なお、例示の側面検査装置は、環状光源３からの光の一部がハーフミラー４を透過するが、透過した光は遮光膜５に遮られるため対向位置のミラー面には至らない。従って、対向位置のミラー面におけるカメラ１に向けての光の反射が防止され、カメラの画像の鮮明さが低下しない。

ハーフミラー４の内径面４ｂに遮光膜５を設けることで外径面（ミラー面）４ａを通り抜けた環状光源３からの光を遮断して対向位置のミラー面への光のもれ出しを防止することができる。そのために、洩れた光が対向位置のミラー面においてカメラ１側に反射されることがなくなり、カメラ１に取り込まれる画像がより鮮明となる。

また、コーンレンズ２の上面２ｃに反射防止膜６を設けることで、ハーフミラー４に反射されて検査部側に向う照明光のコーンレンズ上でのカメラ１側への反射が抑制され、このこともカメラ１に取り込まれる画像の質を向上させる。

このほか、カメラ１がテレセントリックレンズを使用しカメラであるので、画像の歪も少なく、傷などの識別がしやすい画像が得られて検査精度が高まる。

この発明の側面検査装置を、ボルトをはじめとした頭部付き軸体の頭部の検査に利用する例を、図３、図４に示す。図の１０は、搬送装置（図のそれは回転テーブル）である。この搬送装置（回転テーブル）１０は、外周の上面が搬送面１０ａとして構成されている。図示の側面検査装置は、この搬送装置１０と、被検査物Ａ（図はボルト）を搬送装置１０に供給するフィーダ１１と、搬送ガイド１２と、図示しない良品払い出し装置及び不良品払い出し装置（これ等は図示せず）を組み合わせたものになっている。

図示の搬送装置１０、すなわち、回転テーブルは、モータ（図示せず）に駆動されて垂直軸を支点にして回転する。この回転テーブルの外周には切欠き溝１０ｂを定ピッチで設けてあり、その切欠き溝１０ｂに被検査物Ａの首部を入れ、搬送面１０ａで頭部を支えて被検査物Ａを吊り下げる。この被検査物Ａを、搬送ガイド１２で切欠き溝１０ｂからの抜けを防止しながらテーブル回転により搬送し、搬送路の途中に設けた検査部Ｂにおいて搬送面１０ａ上に置かれた部分（例えばボルトの頭部）の外周と天面の検査を行う。検査部Ｂの中心に、この発明を特徴づける光学系要素が同心配置にして設けられている。

その光学系要素、即ち、カメラ１、コーンレンズ２、環状光源３、ハーフミラー４は、スタンド１３に高さ調整機構１４，１５を用いて高さ調整可能に取り付けたホルダ１６で保持しており、各要素の設置高さを被検査物Ａの大きさに応じて調整することができる。コーンレンズ２の高さを調整可能となすことで、コーンレンズ２を被検査物Ａに可及的に近づけて側面Ａｓを軸方向のずれ量が小さな位置から観察することができ、被検査物Ａの搬送面１０ａ上に置かれる部分の高さ寸法の変化にも対応可能となる。

被検査物Ａが検査部Ｂに搬入されるとその被検査物Ａの頭部の天面と頭部の側面（外周面）がカメラ１に撮像され、表面の良否などの検査が行われる。そして、その検査により不良と判定された被検査物Ａは不良品払い出し装置によって搬送路から払い出され、良品のみが搬送路終端に搬送されて良品払い出し装置により搬送装置の外部に取り出される。

なお、図２、図３の側面検査装置は、被検査物Ａの搬送面１０ａ上に配置される頭部などの側面の検査を行うが、図５に示すように、カメラ１、コーンレンズ２、環状光源３の配置、向きを、上記とは逆にしてこれ等の要素を搬送面１０ａの下方に配置すると、被検査物Ａを搬送装置１０で吊り下げて搬送し、その途中に搬送面下に吊り下げた部分の側面、例えば、ボルトの軸部の外周面などの全周検査を行うことができる。
この実施例の側面検査装置は、搬送装置１０による被検査物の高速搬送が可能である。このような高速搬送が可能な搬送装置を使用することで検査の高速化も図れ、側面の全周検査を高速かつ効率的で精度良く行なえる検査装置を実現して提供することが可能になる。

なお、被検査物は、軸部の無いナットなどであってもよい。軸部の無いナットなどの被検査物は、ベルトコンベヤなどによる搬送が可能であり、このような搬送装置を使用するときにも、照明用光源の配置規制が生じる（搬送面よりも下方には光源を配置できない）ので、この発明の検査装置が有効となる。

この発明の側面検査装置の第１形態の概要を示す図 カメラで撮像した被検査物の側面と天面の画像を模式化して示す図 この発明の側面検査装置の実施例の側面図 図３の側面検査装置の平面図 この発明の側面検査装置の第２形態の概要を示す図

符号の説明

１ カメラ
２ コーンレンズ
２ａ 外径面（鏡面）
２ｂ 内径面（プリズム面）
３ 環状光源
４ ハーフミラー
４ａ 外径面
４ｂ 内径面
５ 遮光膜
６ 反射防止膜
７ 画像処理装置
８ 判別回路
９ 表示装置
１０ 搬送装置
１０ａ 搬送面
１０ｂ 切欠き溝
１１ フィーダ
１２ 搬送ガイド
１３ スタンド
１４、１５ 高さ調整機構
１６ ホルダ
Ａ 被検査物
Ａｓ 側面
Ｅ１ 上端
Ｅ２ 下端
Ｂ 検査部
Ｃ 検査部の中心

Claims (6)

1. 少なくとも一部分が搬送面（１０ａ）上に置かれた状態で検査部（Ｂ）に送り込まれる被検査物（Ａ）の前記搬送面（１０ａ）上に置かれた部分の外側面をカメラで撮像して検査する側面検査装置であって、
   垂直円筒の外径面（２ａ）、この外径面（２ａ）と同心の上側で直径が小さくなる方向に傾いたテーパの内径面（２ｂ）、及び軸直角で平坦な上下面（２ｃ、２ｄ）を有し、前記外径面（２ａ）が内向きに光を全反射する鏡面として構成され、さらに、前記内径面（２ｂ）が、その面に対して直角向きの光を透過させて前記鏡面の外径面（２ａ）に導き、その外径面（２ａ）で反射された光を上向きに再反射させるプリズム面として構成されたコーンレンズ（２）と、
   このコーンレンズ（２）よりも上方に下に向けて設けるカメラ（１）と、
   前記コーンレンズ（２）と前記カメラ（１）との間に設ける環状光源（３）を有し、
   前記コーンレンズ（２）、カメラ（１）及び環状光源（３）が検査部中心（Ｃ）と同軸上に配置され、
   前記環状光源（３）からの照明光を前記コーンレンズ（２）に通し、前記プリズム面の内径面（２ｂ）、鏡面の外径面（２ａ）で順に反射させてコーンレンズ直下の前記検査部（Ｂ）に導き、搬送面（１０ａ）上に少なくとも一部分が置かれた状態で前記検査部（Ｂ）に送り込まれる被検査物（Ａ）の前記搬送面（１０ａ）上に置かれた部分の外周の側面（Ａｓ）を前記照明光で照明するとともに、前記側面の全周の画像を前記鏡面の外径面（２ａ）、プリズム面の内径面（２ｂ）で順に反射させて前記カメラ（１）に取り込むようにしたことを特徴とする側面検査装置。
2. 少なくとも一部分が搬送面（１０ａ）下に吊り下げられた状態で検査部（Ｂ）に送り込まれる被検査物（Ａ）の前記搬送面（１０ａ）下に吊り下げられた部分の外側面をカメラで撮像して検査する側面検査装置であって、
   垂直円筒の外径面（２ａ）、この外径面（２ａ）と同心の下側で直径が小さくなる方向に傾いたテーパの内径面（２ｂ）、及び軸直角で平坦な上下面（２ｃ、２ｄ）を有し、前記外径面（２ａ）が内向きに光を全反射する鏡面として構成され、さらに、前記内径面（２ｂ）が、その面に対して直角向きの光を透過させて前記鏡面の外径面（２ａ）に導き、その外径面（２ａ）で反射された光を下向きに再反射させるプリズム面として構成されたコーンレンズ（２）と、
   このコーンレンズ（２）よりも下方に上に向けて設けるカメラ（１）と、
   前記コーンレンズ（２）と前記カメラ（１）との間に設ける環状光源（３）を有し、
   前記コーンレンズ（２）、カメラ（１）及び環状光源（３）が検査部中心（Ｃ）と同軸上に配置され、
   前記環状光源（３）からの照明光を前記コーンレンズ（２）に通し、前記プリズム面の内径面（２ｂ）、鏡面の外径面（２ａ）で順に反射させてコーンレンズの直上の前記検査部（Ｂ）に導き、搬送面（１０ａ）下に少なくとも一部分が吊り下げられた状態で前記検査部（Ｂ）に送り込まれる被検査物（Ａ）の前記搬送面（１０ａ）下に吊り下げられた部分の外周の側面を前記照明光で照明するとともに、前記側面の全周の画像を前記鏡面の外径面（２ａ）、プリズム面の内径面（２ｂ）で順に反射させて前記カメラ（１）に取り込むようにしたことを特徴とする側面検査装置。
3. 前記環状光源（３）を、外周からレンズ中心に向けて径方向に照明光を出力するように構成し、前記コーンレンズ（２）に近接してこのコーンレンズ（２）と前記カメラ（１）との間に、前記環状光源（３）からの照明光を反カメラ側に反射させて前記コーンレンズ（２）に導く４５度傾斜のハーフミラー（４）を設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の側面検査装置。
4. 前記ハーフミラー（４）にストレート円筒の内径面（４ｂ）を備えさせてその内径面（４ｂ）に遮光膜（５）を設けた請求項１〜３のいずれかに記載の側面検査装置。
5. 前記コーンレンズ（２）の前記カメラ（１）に対面する側の端面に可視光の反射を防止する反射防止膜（６）を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の側面検査装置。
6. 前記カメラ（１）として、テレセントリックレンズ採用のカメラを設けた請求項１〜５のいずれかに記載の側面検査装置。

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