JP4810960B2 - 表面検査方法および表面検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、帯状体表面に光を照射し、その反射光に基づいて帯状体表面の欠陥を検出する表面検査方法および表面検査装置に関するものである。本発明の扱う帯状体は、代表的には長尺の金属帯や紙製品が挙げられる。このため、以降では金属帯の製造設備である連続焼鈍ラインにおける検査方法を具体例として説明する。言うまでも無く、本発明はこの具体例に限定されるものではない。

図1は一般的な連続焼鈍ライン1の概略図である。連続焼鈍ライン1においては、図1に示すように、入側払出リール2より払い出された金属帯3は、入側ルーパ4を経て焼鈍炉5へと搬送される。焼鈍炉5において焼鈍された金属帯3は、出側ルーパ6、出側シヤー7を経て出側巻取リール8に巻き取られる。そして、出側ルーパ6と出側シヤー7の間には、搬送距離検出用のエンコーダ９が設置された搬送ロールを経て、表面検査装置40が設置されている。

従来、表面検査装置として、例えば特許文献1に記載された表面検査装置が知られている。図8は、特許文献1に記載された帯表面検査装置の斜視図である。

帯表面検査装置40は、図8に示すように、金属帯表面を幅方向に線状に照射する光源41（例えば、平行光源や棒状拡散光源など）と、金属帯３の表面で反射した光を受光し、画像信号に変換する撮像装置43と、その画像信号に基づいて、金属帯3の表面欠陥を検出する画像処理装置と、その画像処理した結果に基づき欠陥有無等を判定する疵判定装置とを備えている。

撮像装置としてラインセンサカメラを用い、そのラインセンサカメラの受光素子の配列方向を金属帯の幅方向（搬送方向と直交方向）に略一致させることにより、ラインセンサカメラは金属帯幅方向の反射光分布を画像信号に変換する。特許文献１では、ラインセンサカメラは、２０４８画素でビデオレート（１画素の駆動クロック）２０ＭＨｚの設定として検査することにより高分解能で検出できることが開示されている。
特開平7−218451号公報

しかしながら、通常、図1に示すように、表面検査装置40は、ルーパの外側の出側位置に設置されるため、検査される金属帯の搬送速度は一定でなく、特に先端部や尾端部の非定常部では極端に低速になる。例えば、図5は連続焼鈍ライン1における出側ライン速度の推移を示す図である。連続焼鈍ライン1における出側ライン速度（金属帯の搬送速度）は、図5に示すように、通常の状態（金属帯の高速搬送時）bにおいては、例えば1400m／分に設定されているが、出側シヤー（剪断機）における金属帯の溶接部近傍のカット（剪断）時（金属帯の低速搬送時）cにおいては、例えば100m／minと大きく減速される。

ここで、撮像装置43が、例えば2048画素のラインセンサカメラであり、ビデオレート（画素駆動クロック）が40MHzである場合について説明する。この条件では、ラインセンサカメラ16の撮像周期時間は、以下となる。
2048画素／（40×10⁶＝40MHz）＝5．12×10⁻⁵〔sec〕
また、１秒あたりの走査回数（スキャンレート）は、次のようになる。
1／（5．12×10^-5sec）＝19531〔scan／sec〕
そして、ラインの最大搬送速度を例えば、1400m／分とすると、ラインセンサカメラの受光時間（実質的に、走査周期時間とほぼ同じ）において、金属帯が搬送されることによって生じるラインセンサカメラの搬送方向のブレ量は、受光時間に金属帯が搬送される距離と同じであり、以下のように計算できる。
1400〔m／分〕×5．12×10⁻⁵〔sec〕＝1．193〔mm〕

したがって、実質的にカメラが観察する金属帯の表面上の領域は、ブレ量の1.193mmに、レンズ焦点距離、画素サイズ、カメラと金属帯表面との距離等の関係から決まる金属帯搬送方向におけるラインセンサカメラの視野サイズを加えた値となる。たとえば、金属帯の停止時に観察している視野領域（前述の視野サイズに相当）が、0.25mmとなっている場合には、1400m／分の搬送速度における搬送方向の観察領域は、1.343mm（＝1.193mm＋0.25mm）である。

一方、ライン速度が遅くなり、100m／分となった場合には、撮像装置43のブレ量は、
100〔m／分〕×5．12×10⁻⁵〔sec〕＝0．085〔mm〕
となり、100m／分の搬送速度における観察領域は0.335mm（＝0.085mm＋0.25mm）となる。
つまり、撮像装置43の観察領域は、搬送速度が大きいほど長く（広く）、搬送速度が遅いほど観察領域が短く（狭く）なる。また、最大ライン速度の観察領域に対応する距離（ここの例では約1.3mm）を、金属帯が搬送される（移動する）毎に、画像処理装置は画像信号を撮像装置から取り込んで、画像処理、疵判定処理をする。しかし、前述のように、低速時に観察している領域が0.335mmと、1.3mmより極端に短い（狭い）ため、実質的には1.3mmと0.335mmとの差だけ、すなわち、約１mmは低速時には１ライン毎に未検出の領域が発生する状態となる。これは、搬送方向に長い欠陥（例えば、長さ５mm）の場合には検出性能はほとんど問題ないが、微小欠陥（サイズが0.2mmなど）の場合には、本来は検出できる分解能となっているが、上記設定により確率的に見逃しをすることになっているので、欠陥検出の性能を十分に発揮できていない問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、撮像装置の画像信号を信号処理装置に取り込む周期を帯状体の搬送速度に応じて変更し、設定することで、低速時において搬送方向の分解能を向上させるといった付加機能をもたせ、帯状体の表面欠陥検出装置の性能を１００％発揮させる表面検査方法および表面検査装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、所定の高速搬送速度と低速搬送速度とで交互に繰返して搬送される帯状体の表面に対して光を照射し、前記帯状体の表面からの反射光を受光・撮像して画像信号に変換し、その画像信号を画像処理することにより前記帯状体の全長にわたって周期性を有する表面欠陥を検出する表面検査方法であって、
搬送方向の分解能を、前記高速搬送速度および低速搬送速度のそれぞれで前記帯状体が撮像周期時間内に搬送される距離にカメラ視野サイズを加えた距離の２つの値とし、
前記画像処理にあたっては、
前記帯状体の搬送速度を算出し、算出した搬送速度と、前記高速搬送速度および低速搬送速度との間に設定した閾値とに基づいて、前記２つの値とした搬送方向の分解能のいずれかの値を搬送方向の分解能と決め、該搬送方向の分解能で画像信号を入力し、該画像信号にもとづいて前記帯状体の表面検査を行い未検出領域が発生しないようにすることを特徴とする表面検査方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、前記閾値とする所定の搬送速度を、搬送速度が増加する場合と減少する場合とで、異なる値に設定することを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法である。
さらに本発明の請求項３に係る発明は、所定の高速搬送速度と低速搬送速度とで交互に繰返して搬送される帯状体の表面に対して光を照射し、前記帯状体の表面からの反射光を受光・撮像して画像信号に変換し、その画像信号を画像処理することにより前記帯状体の全長にわたって周期性を有する表面欠陥を検出する表面検査装置であって、
前記帯状体の表面に光を照射する光源と、
前記帯状体の表面で反射した反射光を受光・撮像して画像信号に変換するラインセンサーカメラと、
搬送方向の分解能を、前記高速搬送速度および低速搬送速度のそれぞれで前記帯状体が撮像周期時間内に搬送される距離にラインセンサーカメラ視野サイズを加えた距離の２つの値とし、
搬送用ロールに設置したエンコーダからの信号入力により、前記帯状体の搬送速度を算出し、算出した搬送速度と、前記高速搬送速度および低速搬送速度との間に設定した閾値とに基づいて、前記２つの値とした搬送方向の分解能のいずれかの値を搬送方向の分解能と決め、該搬送方向の分解能で画像信号を入力し、該画像信号にもとづいて前記帯状体の表面検査を行う信号処理部と、を具備し、
未検出領域が発生しないようにすることを特徴とする表面検査装置である。

本発明は、帯状体の搬送速度に対応して、画像処理分解能を変更するようにしたので、
搬送速度が高速時には分解能を粗くして、低速時における搬送方向の分解能を上げて微小欠陥などの欠陥検出能力を向上することができる。高速時の製造ライン速度（帯状体の搬送速度）が例えば1400m／分、低速時の製造ライン速度が100m／分、ラインセンサカメラが2048画素、ビデオレート（画素駆動クロック）が40MHzの条件においては、低速時に設定手段を低速モードに切換えることで、低速時における流れ方向分解能は1．193mm＋カメラ視野サイズ分、から0．085mm＋カメラ視野サイズ分、へと大幅に向上する。

本発明を実施するための最良の形態について、以下に図面を参照して説明を行う。図2は金属帯の表面検査装置の概略構成図である。図3はラインセンサカメラ式表面検査装置の基本構成を示す平面図である。図4はラインセンサカメラ式表面検査装置の基本構成を示す側面図である。

帯表面検査装置10は、図2に示すように、光源15と、ラインセンサカメラ（撮像装置）16と、信号処理装置17と、監視装置18と、表示手段19とを備えている。

信号処理装置17は、金属帯の搬送される移動距離を測定するために搬送用ロールに設置されたエンコーダ9からエンコーダ・パルスを入力するようになっており、距離を算出するとともに、ライン速度も算出するようになっている。また、信号処理装置はラインセンサカメラ16の画像信号も入力し、それを一定時間周期で入力し、ＡＤ（アナログ−ディジタル）変換したのち、信号処理装置の一次バッファ（メモリ）17aに入力した１ライン・データを更新して記憶（上書き保存）する。なお、この一定時間周期とは、ラインの最高速度に併せて、必要な搬送方向の分解能とするために設定されたラインセンサカメラの撮像周期時間（スキャンレートの逆数）のことであり、前述で説明した例えば、5．12×10⁻⁵〔sec〕の値である。

さらに、エンコーダの信号に基づいて金属帯が搬送される距離をカウントし、所定距離（前述の例では、1.3mm）進む毎に、データ読出制御部17bが一次バッファの１ライン・データ（最新の更新データ）を読み出し、そのデータを画像処理用メモリ17cに書きこむ。画像処理用のメモリ17cは２次元メモリであり、そこには所定数の複数ライン分を順次並べて書き込まれる。そして、書き込まれたデータを用いて欠陥判定処理部17dは、この２次元画像にもとづいて画像処理を行ない、欠陥の有無、欠陥種類、欠陥等級を判定するようになっている。本発明の特徴は、このデータ読出制御部17bが、エンコーダの信号に基づいて、1次バッファから読み出して画像処理用メモリ17cに書き込むタイミング、すなわちこの転送における距離間隔をライン速度を検出し、そのライン速度に対応して、変更設定する点にある。

ラインセンサカメラ16は、図3及び図4に示すように、金属帯3の上部に所定の高さをもって、光源15の下流側に、金属帯3の流れ方向において、上流側を向いて配置されている。例えば、光源15及びラインセンサカメラ16はともに、金属帯3に対して同じ仰角aにして配置すれば、正反射光を受光するようになる。また、正反射光でない、拡散反射光を受光する場合には、適宜所望の拡散反射光を受光できる角度に設定すればよい。

光源15から搬送される金属帯3の表面に対して光を照射し、金属帯3の表面からの反射光を、ラインセンサカメラ16で受光し、金属帯3の表面からの反射光分布を検出し、画像信号に変換して、信号処理装置17に伝送される。

信号処理装置17は、画像信号に基づいて、撮像画像の幅方向の反射光分布から金属帯3の表面欠陥の有無を検出する。この場合において、金属帯3の表面に欠陥がある部位では、反射光量が正常部と異なり、欠陥特有の明暗パターンが生じるため、それを判断することにより欠陥と判断することができる。そして、信号処理装置17において検出された欠陥の有無の結果は、モニタ等の表示手段19に出力され表示される。

図5は、連続焼鈍ライン1における出側ライン速度を示す図である。連続焼鈍ラインにおける出側ライン速度は、図5に示すように、本実施形態においては、金属帯定常部（金属帯の高速搬送時）bでは1400m／minに設定されているが、出側シヤー7における金属帯3カット時cでは100m／minと大きく減速される。出側ライン速度は、図2に示すように、エンコーダ信号にもとづいて検出され、信号処理装置17を介して、表示手段19により表示される。なお、ラインセンサカメラ16の撮像時間（走査時間）は、信号処理装置17により予め設定され、この値は検査中においては変更されず、固定値として一定値を維持される。

また、前述の１次バッファから画像処理メモリに読み出すタイミングは、金属帯の所定移動量の間隔として設定されて、この読み出すタイミングも信号処理装置によって制御されている。なお、この１次バッファはラインセンサカメラの撮像周期時間でデータが更新され、この１次バッファから画像処理メモリへ転送されるデータが画像処理における１ラインとなり、その搬送方向の分解能は、この読み出す距離間隔の値となる。この場合において、信号処理装置17による１次バッファから画像処理メモリへの転送タイミングを決める距離間隔の設定は、図2の信号処理装置にその値を設定することによって変更でき、例えば、外部に設定手段（図示せず）を設けて、金属帯の搬送速度に合わせて、高速モード又は低速モードに切換えるようにすればよい。また、搬送速度を監視装置18が測定して、その測定速度に基づいて、信号処理装置17に出力し設定するようにしてもよい。

図6は、高速モード選択時におけるカメラ16の分解能について示した図である。図7は、低速モード選択時におけるカメラ16の分解能について示した図である。

前述したように、カメラの撮像周期時間（走査周期、スキャンレート）は、検査中にライン速度が変化しても、一定であるので、ライン速度の変化に対応して、長手方向（搬送方向）の分解能が変化するのは前述したとおりである。なお、カメラ16の幅方向視野は500mmとすると、カメラ16の幅方向の分解能fは、図6及び図7に示すように、出側ライン速度に影響されないので、
500〔mm〕／2048〔pixel〕＝0．244〔mm／pixel〕
と一定となる。なお、図６、図７では、長手方向（搬送方向）の視野サイズは、ラインセンサカメラの受光画素の縦横比が１：１として計算している。また、簡単のため、カメラ光軸の入射角０°としている。

表示手段19により表示される出側ライン速度に基づき、出側ライン速度が高速時（本実施例においては1400m／min）においては、設定手段を高速モード（例えば、1.3mm）に設定する。そして、出側ライン速度が低速時（本実施例においては100m／min）には、設定手段を手動により低速モード（例えば一次バッファから二次元画像メモリへの転送距離間隔を移動距離0.3mmとする）に切り換えるようにすればよい。

これにより、低速時における流れ方向分解能dは、1．33mm／scanから0．335mm／scanと大幅に向上するため、低速時における欠陥検出能力を向上することができる。また、手動でなく、自動で設定変更をする場合には、監視装置により搬送速度を監視して、搬送速度に閾値を設けて、その閾値以上であるか、それ未満であるかを判断する。例えば100mpmを閾値にして、高速モード、低速モードと切り替えればよい。ただし、搬送速度（ライン速度）の測定信号は微小に変動する（ノイズ信号やモータ変動など）ことがあるので、例えば、以下に説明する図９に示すようにするのが好ましい。

図９は、本発明の適用時における表面検査方法の例を説明する図である。判定する速度レベルを２つ（復旧速度、速度下限）設けて、高速モード（図９の[2]の時間帯）と低速モード（図９の[1]および[3]の時間帯）の切り替えの判断をするものである。具体的には、低速モードの使用設定値を80mpm、復旧速度を100mpmとする。コイル１からコイル２のシャーカットのタイミングで出側速度（検査速度）は減速するので、低速モードの使用条件を満たし、低速モード検査を開始する。シャーカット完了後、出側速度は加速を開始するので、復旧速度に達するため高速モード検査に切替えて検査を開始する。以後は、基本的にこれまでに説明した動作の繰り返しとなる。このような検査パターンを自動で実施することで、図９に示したように１コイル内において高分解能で検査可能な範囲ができ、微小な欠陥も検出可能となる。

また、通常表面検査装置では同一コイル内では、通常検査条件を変更しない。よって、1コイルに対して検査ファイル（検出結果）は１つしかできない。しかし、ライン速度に対応して、「高速モード」「低速モード」に切り替えるような画像処理分解能を変更設定する場合には、同一コイル内で複数回検査条件を切替える処理となるため、１つのコイルに対して複数の検査ファイルができる。こうなると、1コイル内に発生した欠陥数を管理できなくなるという問題が発生する。

よって、表面検査装置で検出した欠陥の情報を監視装置へ送信し、監視装置側で複数の検査結果（例えば、複数のファイルで送信される）を受信し、複数の検査結果となっているデータを結合して、１コイルの検査結果データとして、1コイル内の欠陥個数を編集する機能を設ける。これを行なうためには、製造ラインから出側のシャー（切断装置）の動作信号を受け取り、シャーの動作信号の間で受け取った検査結果は同一コイルの検査結果であると認識して、データを結合処理する。なお、コイルの搬送方向に関する位置情報は、結合された複数ファイルの間で積算して、位置情報を再計算しなおす処理も行なう。

従来では、長手分解能の低さの影響から検出不可だったφ0.5mm程度のロール疵に対しても、本発明を用いれば、低速モード範囲内で検出可能となる。一般的に発生位置に周期性を有するロール疵はコイル全長に及ぶことが多いため、コイル全長でなくとも特定範囲で検出できれば十分な効果を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されず、種々の変更、改良を行うことができる。例えば、本発明に係る表面検査方法および表面検査装置は、本実施例においては連続焼鈍ラインでの適用を説明したが、これに限られることはなく、帯状体を搬送する装置であれば他の装置についても適用することができる。

一般的な連続焼鈍ラインの概略図である。 金属帯表面検査装置の概略構成図である。 ラインセンサカメラ式表面疵検査装置の基本構成を示す平面図である。 ラインセンサカメラ式表面疵検査装置の基本構成を示す側面図である。 連続焼鈍ラインにおける出側ライン速度の推移を示す図である。 高速モード選択時におけるカメラの分解能について示した図である。 低速モード選択時におけるカメラの分解能について示した図である。 特許文献1に記載された金属帯表面検査装置の斜視図である。 本発明適用時における表面検査方法の例を説明する図である。

符号の説明

１ 連続焼鈍ライン
２ 入側払出リール
３ 金属帯
４ 入側ルーパ
５ 焼鈍炉
６ 出側ルーパ
７ 出側シャー
８ 出側巻取リール
９ エンコーダ
１０ 帯表面検査装置
１５ 光源
１６ カメラ
１７ 信号処理装置
１８ 監視装置
１９ 表示手段
４０ 表面検査装置
４１ 光源
４３ 撮像装置

Claims (3)

1. 所定の高速搬送速度と低速搬送速度とで交互に繰返して搬送される帯状体の表面に対して光を照射し、前記帯状体の表面からの反射光を受光・撮像して画像信号に変換し、その画像信号を画像処理することにより前記帯状体の全長にわたって周期性を有する表面欠陥を検出する表面検査方法であって、
   搬送方向の分解能を、前記高速搬送速度および低速搬送速度のそれぞれで前記帯状体が撮像周期時間内に搬送される距離にカメラ視野サイズを加えた距離の２つの値とし、
   前記画像処理にあたっては、
   前記帯状体の搬送速度を算出し、算出した搬送速度と、前記高速搬送速度および低速搬送速度との間に設定した閾値とに基づいて、前記２つの値とした搬送方向の分解能のいずれかの値を搬送方向の分解能と決め、該搬送方向の分解能で画像信号を入力し、該画像信号にもとづいて前記帯状体の表面検査を行い未検出領域が発生しないようにすることを特徴とする表面検査方法。
2. 前記閾値とする所定の搬送速度を、搬送速度が増加する場合と減少する場合とで、異なる値に設定することを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
3. 所定の高速搬送速度と低速搬送速度とで交互に繰返して搬送される帯状体の表面に対して光を照射し、前記帯状体の表面からの反射光を受光・撮像して画像信号に変換し、その画像信号を画像処理することにより前記帯状体の全長にわたって周期性を有する表面欠陥を検出する表面検査装置であって、
   前記帯状体の表面に光を照射する光源と、
   前記帯状体の表面で反射した反射光を受光・撮像して画像信号に変換するラインセンサーカメラと、
   搬送方向の分解能を、前記高速搬送速度および低速搬送速度のそれぞれで前記帯状体が撮像周期時間内に搬送される距離にラインセンサーカメラ視野サイズを加えた距離の２つの値とし、
   搬送用ロールに設置したエンコーダからの信号入力により、前記帯状体の搬送速度を算出し、算出した搬送速度と、前記高速搬送速度および低速搬送速度との間に設定した閾値とに基づいて、前記２つの値とした搬送方向の分解能のいずれかの値を搬送方向の分解能と決め、該搬送方向の分解能で画像信号を入力し、該画像信号にもとづいて前記帯状体の表面検査を行う信号処理部と、を具備し、
   未検出領域が発生しないようにすることを特徴とする表面検査装置。