JP2010145283A - 表面検査装置の検査ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】被検査物の内周面の形状が異なる場合においても交換不要な表面検査装置の検査ヘッドを提供する。
【解決手段】検査ヘッド１６は、中空筒状でその軸線ＡＸの回りに回転されつつ被検査物１００の内部に挿入されるセンサヘッド２１を有し、センサヘッド２１には、その先端側から、所定の内径を有する第１筒状部２１ａと、第１筒状部２１ａよりも大きい内径を有する第２筒状部２１ｂと、が設けられ、かつ第１筒状部２１ａと第２筒状部２１ｂとの間には、テーパ状に形成されたテーパ部２１ｄが設けられ、検査光を集光するレンズ１７を介してセンサヘッド２１内に検査光を通過させ、第１筒状部２１ａの外周に設けられた開口部１６ａから内周面１００ａに検査光を照射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検査物の表面を検査する表面検査装置の検査ヘッドに関する。

円筒形状の被検査物の内周面に対して検査光を照射して欠陥等の有無を検査する表面検査装置では、被検査物の内部に挿入する検査ヘッドの形状が先端までの内径が同一となるストレート管形状となっている（例えば特許文献１参照。）。検査ヘッド内では、投光ファイバから導かれた検査光が集光レンズを介して内周面へ照射され、その反射光が集光レンズを介して受光ファイバへ導かれる。このため、検査ヘッドの内径は、集光レンズのレンズ径を考慮した大きさとなっている。
特開２００７−３１５７９８号公報

検査ヘッドの形状は集光レンズによる制約を受けるため、被検査物の内周が大口径かつ奥行の深い深穴のものについては、集光レンズに近い位置から検査ヘッドを設けることで光路を遮ることなく挿入可能な長さを確保している。一方、小口径の被検査物の場合には、この検査ヘッドでは被検査物に挿入できないため、小口径の検査ヘッドに交換する必要が生じる。小口径の検査ヘッドは、検査ヘッド内の光路を遮ることなくヘッド内径を小さくするため、集光レンズから離れて焦点寄りの位置から小口径の検査ヘッドが設けられる。集光レンズとの兼ね合いから小口径の検査ヘッドでは長さが短くなり、奥行の浅い浅穴の被検査物への挿入は可能であるが深穴には対応できない。このように、被検査物の形状によって検査ヘッドを交換する手間が生じ、作業者の負担になる。

そこで、本発明は被検査物の内周面の形状が異なる場合においても交換不要な表面検査装置の検査ヘッドを提供することを目的とする。

本発明の表面検査装置の検査ヘッドは、被検査物（１００）の内周面（１００ａ）に検査光を照射し、その反射光の光量に基づいて前記内周面を検査する表面検査装置（１）に適用される検査ヘッド（１６）であって、前記検査ヘッドは、中空筒状でその軸線（ＡＸ）の回りに回転されつつ前記被検査物の内部に挿入されるセンサヘッド（２１）を有し、前記センサヘッドには、その先端側から、所定の内径を有する第１筒状部（２１ａ）と、前記第１筒状部よりも大きい内径を有する第２筒状部（２１ｂ）と、が設けられ、かつ前記第１筒状部と前記第２筒状部との間には、前記第２筒状部に向かって徐々に内径が大きくなるテーパ状に形成されたテーパ部（２１ｄ）が設けられ、前記検査光を集光する集光レンズ（１７）を介して前記センサヘッド内に前記検査光を通過させ、前記第１筒状部の外周に設けられた開口部（１６ａ）から前記内周面に前記検査光を照射する、ことにより上記課題を解決する。

本発明の表面検査装置の検査ヘッドによれば、小口径かつ浅穴の被検査物の内周面を検査する場合には、第１筒状部を被検査物の内部に挿入することにより、内周面の検査ができる。一方、大口径かつ深穴の被検査物の内周面を検査する場合には、第１筒状部及び第２筒状部を被検査物の内部に挿入することにより、内周面の検査ができる。第１筒状部よりも第２筒状部は内径が大きいので、集光レンズによる検査光の光路を遮ることがなく、小口径かつ浅穴の被検査物であっても、大口径かつ深穴の被検査物であっても検査ヘッドを交換することなく内周面の検査が可能となる。そして、第１筒状部と第２筒状部とがテーパ部にてテーパ形状に連結されているので、検査光の内部反射も防ぐことができる。これにより、高精度の検査が可能となる。

本発明の検査ヘッドの一形態において、前記センサヘッドは、前記第２筒状部よりも大きい内径を有する第３筒状部（２１ｃ）をさらに備え、前記第２筒状部と前記第３筒状部との間には、前記第３筒状部に向かって徐々に内径が大きくなるテーパ状に形成された第２テーパ部（２１ｅ）が設けられていてもよい。この形態によれば、第２筒状部に対して本体側に第３筒状部及び第２テーパ部を設けることにより、集光レンズ付近の検査光の光路に対しても光路を遮ることなくセンサヘッドを設けることができる。このような段付形状とすることで集光レンズから焦点までの距離が長くなっても光路を遮ることなく、光路に応じてスリムなセンサヘッドを設けることができる。

本発明の検査ヘッドの一形態において、前記センサヘッドは、一体に形成されていてもよい。この形態によれば、一体に形成されているので十分な強度を有し、安定した使用が可能となる。

なお、以上の説明では本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記したが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

以上、説明したように、本発明の表面検査装置の検査ヘッドにおいては、小口径かつ浅穴の被検査物の内周面を検査する場合には、第１筒状部を被検査物の内部に挿入することにより、内周面の検査ができる。一方、大口径かつ深穴の被検査物の内周面を検査する場合には、第１筒状部及び第２筒状部を被検査物の内部に挿入することにより、内周面の検査ができる。第１筒状部よりも第２筒状部は内径が大きいので、集光レンズによる検査光の光路を遮ることがなく、小口径かつ浅穴の被検査物であっても、大口径かつ深穴の被検査物であっても検査ヘッドを交換することなく内周面の検査が可能となる。そして、第１筒状部と第２筒状部とがテーパ部にてテーパ形状に連結されているので、検査光の内部反射も防ぐことができる。これにより、高精度の検査が可能となる。

図１に、本発明の一形態に係る検査ヘッドが適用された表面検査装置の概略構成を示す。表面検査装置１は被検査物１００に設けられた円筒形の内周面１００ａの検査に適した装置であり、検査を実行するための検査機構２と、その検査機構２の動作制御、検査機構２による測定結果の処理等を実行するための制御部３とを備えている。さらに、検査機構２は、被検査物１００に対して検査光を投光し、かつ被検査物１００からの反射光を受光するための検出手段としての検出ユニット５と、その検出ユニット５に所定の動作を与えるための駆動ユニット６とを備えている。

検出ユニット５は、検査光の光源としてのレーザダイオード（以下、ＬＤと呼ぶ。）１１と、被検査物１００からの反射光を受光し、その反射光の単位時間当りの光量（反射光強度）に応じた電流又は電圧の信号を出力するフォトディテクタ（以下、ＰＤと呼ぶ。）１２と、ＬＤ１１から射出される検査光を被検査物１００に向かって導く投光ファイバ１３と、被検査物１００からの反射光をＰＤ１２に導くための受光ファイバ１４と、それらのファイバ１３、１４を束ねた状態で保持する保持筒１５と、その保持筒１５の外側に同軸的に設けられる中空軸状の検査ヘッド１６とを備えている。検査ヘッド１６は保持筒１５のさらに外側にて回転自在に支持されている。

保持筒１５の先端には、投光ファイバ１３を介して導かれた検査光を検査ヘッド１６の軸線ＡＸの方向（以下、軸線方向と呼ぶ。）に沿ってビーム状に射出させ、かつ検査ヘッド１６の軸線方向に沿って検査光とは逆向きに進む反射光を受光ファイバ１４に集光する集光レンズとしてのレンズ１７が設けられている。検査ヘッド１６の先端部（図１において右端部）には、ミラー１８が固定され、検査ヘッド１６の外周にはそのミラー１８と対向するようにして開口部としての透光窓１６ａが設けられている。ミラー１８は、レンズ１７から射出された検査光の光路を透光窓１６ａに向けて変更し、かつ、透光窓１６ａから検査ヘッド１６内に入射した反射光の光路をレンズ１７に向かって進む方向に変更する。

駆動ユニット６は、直線駆動機構３０と、回転駆動機構４０と、焦点調節機構５０とを備えている。直線駆動機構３０は検査ヘッド１６をその軸線方向に移動させる直線駆動手段として設けられている。そのような機能を実現するため、直線駆動機構３０は、ベース３１と、そのベース３１に固定された一対のレール３２と、レール３２に沿って検査ヘッド１６の軸線方向に移動可能なスライダ３３と、そのスライダ３３の側方に検査ヘッド１６の軸線ＡＸと平行に配置された送りねじ３４と、その送りねじ３４を回転駆動する電動モータ３５とを備えている。スライダ３３は検出ユニット５の全体を支持する手段として機能する。すなわち、ＬＤ１１及びＰＤ１２はスライダ３３に固定され、検査ヘッド１６は回転駆動機構４０を介してスライダ３３に取り付けられ、保持筒１５は焦点調節機構５０を介してスライダ３３に取り付けられている。さらに、スライダ３３にはナット３６が固定され、そのナット３６には送りねじ３４がねじ込まれている。従って、電動モータ３５にて送りねじ３４を回転駆動することにより、スライダ３３がレール３２に沿って検査ヘッド１６の軸線方向に移動し、それに伴ってスライダ３３に支持された検出ユニット５の全体が検査ヘッド１６の軸線方向に移動する。直線駆動機構３０を用いた検出ユニット５の駆動により、被検査物１００の内周面１００ａに対する検査光の照射位置（走査位置）を検査ヘッド１６の軸線方向に関して変化させることができる。

ベース３１の前端（図１において右端）には壁部３１ａが設けられ、その壁部３１ａには検査ヘッド１６と同軸の通し孔３１ｂが設けられている。その通し孔３１ｂにはサンプルピース３７が取り付けられている。サンプルピース３７は表面検査装置１の動作状態を判別するためのサンプルとして設けられるものであり、その中心線上には検査ヘッド１６と同軸の貫通孔３７ａが設けられている。貫通孔３７ａは検査ヘッド１６が通過可能な内径を有しており、検査ヘッド１６はその貫通孔３７ａを通過して被検査物１００の内部へと繰り出される。

回転駆動機構４０は検査ヘッド１６を軸線ＡＸの回りに回転させる回転駆動手段として設けられている。そのような機能を実現するため、回転駆動機構４０は、回転駆動源としての電動モータ４１と、その電動モータ４１の回転を検査ヘッド１６に伝達する伝達機構４２とを備えている。伝達機構４２には、ベルト伝達装置、歯車列等の公知の回転伝達機構を利用してよいが、この形態ではベルト伝達装置が利用される。電動モータ４１の回転を伝達機構４２を介して検査ヘッド１６に伝達することにより、検査ヘッド１６がその内部に固定されたミラー１８を伴って軸線ＡＸの回りに回転する。回転駆動機構４０を用いた検査ヘッド１６の回転により、被検査物１００の内周面１００ａに対する検査光の照射位置を被検査物１００の周方向に関して変化させることができる。そして、検査ヘッド１６の軸線方向への移動と軸線ＡＸの回りの回転とを組み合わせることにより、被検査物１００の内周面１００ａをその全面に亘って検査光で走査することが可能となる。なお、検査ヘッド１６の回転時において、保持筒１５は回転しない。さらに、回転駆動機構４０には、検査ヘッド１６が所定の単位角度回転する毎にパルス信号を出力するロータリエンコーダ４３が設けられている。ロータリエンコーダ４３から出力されるパルス信号の個数は検査ヘッド１６の回転量（回転角度）に相関し、そのパルス信号の周期は検査ヘッド１６の回転速度に相関する。

焦点調節機構５０は、検査光が被検査物１００の内周面１００ａにて焦点を結ぶように保持筒１５を軸線ＡＸの方向に駆動する焦点調整手段として設けられている。その機能を実現するため、焦点調節機構５０は、保持筒１５の基端部に固定された支持板５１と、直線駆動機構３０のスライダ３３と支持板５１との間に配置されて支持板５１を検査ヘッド１６の軸線方向に案内するレール５２と、検査ヘッド１６の軸線ＡＸと平行に配置されて支持板５１にねじ込まれた送りねじ５３と、その送りねじ５３を回転駆動する電動モータ５４とを備えている。電動モータ５４にて送りねじ５３を回転駆動することにより、支持板５１がレール５２に沿って移動して保持筒１５が検査ヘッド１６の軸線方向に移動する。これにより、検査光が被検査物１００の内周面１００ａ上で焦点を結ぶようにレンズ１７からミラー１８を経て内周面１００ａに至る光路の長さを調節することができる。

次に制御部３について説明する。制御部３は、表面検査装置１による検査工程の管理、検出ユニット５の測定結果の処理等を実行する演算処理部６０と、その演算処理部６０の指示に従って検出ユニット５の各部の動作を制御する動作制御部６１と、ＰＤ１２の出力信号に対して所定の処理を実行する信号処理部６２と、演算処理部６０に対してユーザが指示を入力するための入力部６３と、演算処理部６０が処理した検査結果等をユーザに提示するための出力部６４と、演算処理部６０にて実行すべきコンピュータプログラム、及び、測定されたデータ等を記憶する記憶部６５とを備えている。演算処理部６０、入力部６３、出力部６４及び記憶部６５はパーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータ機器を利用してこれらを構成することができる。この場合、入力部６３にはキーボード、マウス等の入力機器が設けられ、出力部６４にはモニタ装置が設けられる。プリンタ等の出力機器が出力部６４に追加されてもよい。記憶部６５には、ハードディスク記憶装置、あるいは記憶保持が可能な半導体記憶素子等の記憶装置が用いられる。動作制御部６１及び信号処理部６２はハードウエア制御回路によって実現されてもよいし、コンピュータユニットによって実現されてもよい。

被検査物１００の内周面１００ａの表面を検査する場合、演算処理部６０、動作制御部６１及び信号処理部６２のそれぞれは次の通り動作する。なお、この場合、被検査物１００は検査ヘッド１６と同軸上に配置される。検査の開始にあたって、演算処理部６０は入力部６３からの指示に従って動作制御部６１に被検査物１００の内周面１００ａを検査するために必要な動作の開始を指示する。その指示を受けた動作制御部６１は、ＬＤ１１を所定の強度で発光させるとともに、検査ヘッド１６が軸線方向に移動し、かつ軸線ＡＸの回りに一定速度で回転するようにモータ３５及び４１の動作を制御する。さらに、動作制御部６１は、検査光が被検査面としての内周面１００ａ上で焦点を結ぶようにモータ５４の動作を制御する。このような動作制御により、内周面１００ａがその一端から他端まで検査光によって走査される。なお、検査ヘッド１６の軸線方向の駆動に関しては、一定速度の送り動作としてもよいし、検査ヘッド１６が一回転する毎に所定ピッチずつ移動する間欠的な送り動作としてもよい。

上述した内周面１００ａの走査に連係して信号処理部６２にはＰＤ１２の出力信号が順次導かれる。信号処理部６２は、ＰＤ１２の出力信号を演算処理部６０にて処理するために必要なアナログ信号処理を実施し、さらに、その処理後のアナログ信号を所定のビット数でＡ／Ｄ変換し、得られたデジタル信号を反射光信号として演算処理部６０に出力する。演算処理部６０にて実行する信号処理としては、ＰＤ１２が検出した反射光の明暗差を拡大するようにその出力信号を非線形に増幅する処理、出力信号からノイズ成分を除去する処理といった各種の処理を適宜に用いてよい。高速フーリエ変換処理、逆フーリエ変換処理等を適宜に組み合わせることも可能である。また、信号処理部６２によるＡ／Ｄ変換は、ロータリエンコーダ４３から出力されるパルス列をサンプリングクロック信号として利用して行われる。これにより、検査ヘッド１６が所定角度回転する間のＰＤ１２の受光量に相関した階調のデジタル信号が生成されて信号処理部６２から出力される。

信号処理部６２から反射光信号を受け取った演算処理部６０は、その取り込んだ信号を記憶部６５に記憶する。さらに、演算処理部６０は、記憶部６５が記憶する反射光信号を利用して被検査物１００の内周面１００ａを平面的に展開した２次元画像を生成する。その２次元画像は、例えば被検査物１００の周方向をｘ軸方向、検査ヘッド１６の軸線方向をｙ軸方向とする直交２軸座標系で定義される平面上に内周面１００ａを展開した画像に相当する。なお、演算処理部６０における２次元画像の生成時には、反射光信号から得られる原画像に対して、エッジ処理、二値化処理等を施すことにより、検出すべき欠陥等を強調した２次元画像を生成してもよい。そして、演算処理部６０は、得られた画像を所定のアルゴリズムで処理することにより、内周面１００ａに許容限度を超える欠陥等が存在するか否か等を判定し、その判定結果を出力部６４に出力する。

図２に、検査ヘッド１６の拡大図を示す。検査ヘッド１６は、被検査物１００の内部へ挿入されるセンサヘッド２１と、センサヘッド２１を固定する本体側ヘッド２２とを有する。センサヘッド２１には、先端側から小径でストレート管形状の第１筒状部２１ａと、第１筒状部２１ａよりも内径の大きい第２筒状部２１ｂと、第２筒状部２１ｂよりも内径の大きい第３筒状部２１ｃと、第１筒状部２１ａと第２筒状部２１ｂとの間を連結する第１テーパ部２１ｄと、第２筒状部２１ｂと第３筒状部２１ｃとの間を連結する第２テーパ部２１ｅとが設けられている。センサヘッド２１は、管形状で金属等の素材で一体に形成されている。第１筒状部２１ａ、第２筒状部２１ｂ及び第３筒状部２１ｃは、軸線ＡＸを中心とした同軸状に配置される。第３筒状部２１ｃは、本体側ヘッド２２へ固定されている。なお、第１筒状部２１ａの先端部には、上述したミラー１８が固定され、第１筒状部２１ａの外周にはそのミラーと対向するようにして透光窓１６ａが設けられている。第１テーパ部２１ｄは、第１筒状部２１ａと第２筒状部２１ｂとの間を第２筒状部２１ｂに向かって徐々に内径が大きくなるようなテーパ形状に形成されている。第２テーパ部２１ｅも同様の構成となる。このようなテーパ形状とすることで、検査光の内部反射を防ぐことができ、高精度の検査をすることができる。

測定対象となる被検査物１００の内周面１００ａとレンズ１７との距離をａ（図２では、レンズ１７と透光窓１６ａとの距離をａ１、透光窓１６ａと内周面１００ａとの距離をａ２とし、ａ＝ａ１＋ａ２となる。）、レンズ１７の径をＤとすると、各テーパ部２１ｄ、２１ｅのテーパ角度θの制限は、
ｔａｎθ＝Ｄ／２ａ
となる。テーパ角度θは、各テーパ部２１ｄ、２１ｅのテーパ面と平行な直線と軸線ＡＸに平行な直線とのなす角である。センサヘッド２１の形状は、レンズ１７を通過する検査光及び反射光の光路を遮らないように設定される。このため、センサヘッド２１の先端側の第１筒状部２１ａでは小径となり、本体側の第３筒状部２１ｃでは大径となる。各筒状部２１ａ〜２１ｃの長さは、各筒状部２１ａ〜２１ｃの所望の外径に基づき求められる内径が光路と干渉しない長さに設定される。

検査ヘッド１６の作用を説明する。図３に内部の奥行が深い深穴で、かつ内径が大径の被検査物１０１の内周面１０１ａの走査を説明する図を示す。このような深穴かつ大径の被検査物１０１の内部であってもセンサヘッド２１の第３筒状部２１ｃまで挿入可能であり、内周面１０１ａを走査できる。図４は、内部の奥行が浅い浅穴で、かつ内径が小径の被検査物１０２の内周面１０２ａの走査を説明する図である。浅穴かつ小径の被検査物１０２の場合、従来のような大径ストレート形状のセンサヘッドでは、被検査物１０２の内部に挿入することができず、センサヘッドを小径ストレート形状のものに交換せざるを得ない。本形態の検査ヘッド１６では、第１筒状部２１ａが小径なので検査ヘッド１６を交換することなく被検査物１０２の内部にも第１筒状部２１ａを挿入することができる。被検査物１００は、一例として、内径が４〜８［ｍｍ］、内部の奥行が２０〜６０［ｍｍ］のものが検査される。つまり、小口径として４［ｍｍ］程度、大口径として８［ｍｍ］程度、浅穴として２０［ｍｍ］程度、深穴として６０［ｍｍ］程度をそれぞれ想定している。

図５に、深穴で、かつ内部に段差を有し、奥側で小径となる被検査物１０３の内周面１０３ａの走査を説明する図を示す。このような内部に段差を有する被検査物１０３では、大径ストレート形状のセンサヘッドでは、奥側の小径部に挿入できず、一方、小径ストレート形状のセンサヘッドでは、センサヘッドの長さが足りず、奥側の走査ができない。本形態の検査ヘッド１６では、センサヘッド２１の長さも従来の大径ストレート形状のセンサヘッドと同様の長さを有しており、さらに第１筒状部２１ａが小径なので奥側の小径部であっても挿入可能となる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本形態では、３つの筒状部２１ａ〜２１ｃ、２つのテーパ部２１ｄ、２１ｅを有するセンサヘッド２１で説明したがこれに限定されない。例えば、２つの筒状部と１つのテーパ部を有するセンサヘッドであってもよい。あるいは、４つ以上の筒状部と３つ以上のテーパ部を有するセンサヘッドであってもよい。筒状部及びテーパ部の個数は、レンズ１７から検査面までの距離と光路とに応じて適宜設けてよい。センサヘッド２１の材質は、金属に限られず、一例として、ガラス、樹脂等でもよい。

本発明の一形態に係る検査ヘッドが適用された表面検査装置の概略構成を示す図。 検査ヘッドの拡大図。 深穴で、かつ大径の被検査物の内周面の走査を説明する図。 浅穴で、かつ小径の被検査物の内周面の走査を説明する図。 深穴で、かつ内部に段差を有し、奥側で小径となる被検査物の内周面の走査を説明する図。

符号の説明

１ 表面検査装置
１６ 検査ヘッド
１６ａ 透光窓（開口部）
１７ レンズ（集光レンズ）
２１ センサヘッド
２１ａ 第１筒状部
２１ｂ 第２筒状部
２１ｄ テーパ部
１００ 被検査物
１００ａ 内周面
ＡＸ 軸線

Claims (3)

1. 被検査物の内周面に検査光を照射し、その反射光の光量に基づいて前記内周面を検査する表面検査装置に適用される検査ヘッドであって、
   前記検査ヘッドは、中空筒状でその軸線の回りに回転されつつ前記被検査物の内部に挿入されるセンサヘッドを有し、
   前記センサヘッドには、その先端側から、所定の内径を有する第１筒状部と、前記第１筒状部よりも大きい内径を有する第２筒状部と、が設けられ、かつ前記第１筒状部と前記第２筒状部との間には、前記第２筒状部に向かって徐々に内径が大きくなるテーパ状に形成されたテーパ部が設けられ、
   前記検査光を集光する集光レンズを介して前記センサヘッド内に前記検査光を通過させ、前記第１筒状部の外周に設けられた開口部から前記内周面に前記検査光を照射する、ことを特徴とする表面検査装置の検査ヘッド。
2. 前記センサヘッドは、前記第２筒状部よりも大きい内径を有する第３筒状部をさらに備え、前記第２筒状部と前記第３筒状部との間には、前記第３筒状部に向かって徐々に内径が大きくなるテーパ状に形成された第２テーパ部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の検査ヘッド。
3. 前記センサヘッドは、一体に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の検査ヘッド。

Images