JP4923209B2 - 表面検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検査物たる円筒体の内周面に存在する異物、傷等の欠陥を検査する表面検査装置に関する。

例えば内燃機関のシリンダライナやシリンダボア等の円筒体の内周面を検査する表面検査装置として、その内周面に検査光を投光し、かつ内周面からの反射光を受け入れるように構成した棒状の検査ヘッドを円筒体の内部に挿入し、その上で検査ヘッドを長手方向に延びる軸線回りに回転させつつ円筒体に対して相対的に軸線方向に進退させることにより、内周面を検査できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような検査装置は、反射光の強度に基づいて内周面に対応した二次元画像を生成し、その二次元画像内の暗部の有無に基づいて内周面の欠陥の有無を判定する。

特開平１１−２８１５８２号公報

このような表面検査装置を用いて円筒体の内周面を検査する場合、検査ヘッドの回転軸線と円筒体の中心線とを一致させる必要がある。これらが一致していれば検査ヘッドの回転位置に拘わらず検査ヘッドと円筒体の内周面とが常に正対するので、検査光の強度が一定でかつ内周面の性状が均一であれば同一強度の反射光を受光することができる。しかし、検査ヘッドの回転軸線と円筒体の中心線とが不一致であると、検査ヘッドの回転位置に応じて検査光の入射角が変化するため、内周面の性状が均一であっても反射光の強度が変化する。

この場合、検査ヘッドが一回転する度に検査ヘッドと内周面とが正対する機会が２回あり、正対しない間は入射角が徐々に変化するので反射光の強度が揺らぐ。そのため、反射光の強度に応じた濃度を持つ二次元画像を生成すると、その二次元画像は検査ヘッドと内周面とが正対した位置で最も明るく、それ以外で相対的に暗い周期的な濃淡（明暗）を持つ画像になる。二次元画像のうち、欠陥に対応した暗部がたまたま相対的に明るい部分に存在すれば欠陥の判定を誤ることはないが、相対的に暗い部分にその暗部が存在した場合には、暗部と周囲とのコントラストが弱いので欠陥の判定を誤る可能性が高くなる。

そこで、本発明は、検査ヘッドの回転軸線と被検査物である円筒体の中心線とを厳密に一致させなくても、周期的な濃淡のない二次元画像を得ることができる表面検査装置を提供することを目的とする。

本発明の表面検査装置（１）は、検査光を射出する光源（１１）と、被検査物たる円筒体（１００）の内部に挿入されて、前記円筒体に対して軸線回りに回転しかつ前記軸線方向に移動しながら、前記光源から射出された検査光を前記円筒体の内周面に投光しつつその反射光を受光する検査ヘッド（１６）と、前記検査ヘッドが受光した反射光の強度に応じた信号を出力する光電変換手段（１２）と、を有し、前記光電変換手段が出力した信号に基づいて前記内周面に対応した二次元画像を生成する表面検査装置において、前記光電変換手段が出力した信号から、前記軸線と前記円筒体の中心線とのずれに起因した反射光の強度の揺らぎに対応する周波数成分を抽出する信号処理手段（６１２）と、前記被検査物に欠陥がない場合の基準値と前記信号処理手段が抽出した周波数成分との差分に応じて前記光源から射出される検査光の強度が変化するように前記光源を制御する光源制御手段（６１５）と、を更に備えることにより上述した課題を解決する。

この検査装置によれば、検査ヘッドの回転軸線と円筒体の中心線とのずれに起因した反射光の強度の揺らぎに対応した周波数成分が信号処理手段にて抽出される。そして、信号処理手段が抽出した周波数成分と基準値との差分に応じて検査光の強度が光源制御手段にて制御されるので、反射光の強度の揺らぎを除去することができる。これにより、検査ヘッドの回転軸線と被検査物である円筒体の中心線とを厳密に一致させなくても、周期的な濃淡のない二次元画像を得ることができる。

本発明の検査装置の一態様においては、前記光源制御手段は、前記基準値と前記周波数成分との差分が大きい場合は小さい場合に比べて前記光源から射出される検査光の強度が高くなるように前記光源を制御してもよい。これにより、反射光の強度の揺らぎを確実に除去することができる。

本発明の検査装置の一態様においては、前記信号処理手段は、前記揺らぎに対応する周波数成分を含み、かつ前記内周面の欠陥に対応する周波数成分を含まない範囲の周波数成分を抽出するように構成されていてもよい。この場合は、上記範囲を適宜に設定することで、回転軸線と中心線とのずれに起因する揺らぎのみならず、欠陥とは言えない他の要因、例えば内周面の面荒れ等による反射光の強度変化をも除去することができるので、より均一な二次元画像を生成することができる。また、上記範囲は欠陥に対応する周波数成分を含まないので、欠陥に対応した反射光の強度変化が除去される不都合はない。

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。

以上に説明したように、本発明によれば、検査ヘッドの回転軸線と円筒体の中心線とのずれに起因した反射光の強度の揺らぎに対応した周波数成分に応じて検査光の強度が制御されるので、反射光の強度の揺らぎを除去することができる。そのため、検査ヘッドの回転軸線と被検査物である円筒体の中心線とを厳密に一致させなくても、周期的な濃淡のない二次元画像を得ることができる。

図１は、本発明の一形態に係る表面検査装置の概略構成を示している。表面検査装置１は、内燃機関のシリンダライナやシリンダボア等の被検査物たる円筒体１００の内周面１００ａの表面検査に適した装置である。表面検査装置１は、そのような検査を実行して円筒体１００の内周面１００ａに関する情報を出力する検査機構２と、検査機構２の各部の動作を制御するとともに、検査機構２が出力した情報を処理する制御部３とを備えている。更に、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たりの光量（反射光強度）に応じた電流又は電圧の電気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、そららのファイバ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。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、光路変更手段としてのミラー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、焦点調整機構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移動手段として設けられている。こ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。即ち、ＬＤ１１及びＰＤ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。更に、送りねじ３４は、スライダ３３に固定されたナット３６にねじ込まれている。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。

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、検査ヘッド１６を軸線ＡＸの回りに回転自在に支持する軸受（不図示）と、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、歯車列との公知の回転伝達機構を利用してよい。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。更に、回転駆動機構４０には、検査ヘッド１６の回転位置に応じたパルス信号を出力するロータリーエンコーダ４３が設けられている。ロータリーエンコーダ４３は、検査ヘッド１６に取り付けられて一体に回転し、かつ周方向に沿って所定間隔で並ぶ複数の検知孔（不図示）が形成された円板４３ａと、その円板４３ａの検知孔の位置に応じたパルスを生成するパルス生成部４３ｂとを備える。ロータリーエンコーダ４３からのパルス信号は制御部３にて利用される。

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節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５０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。

制御部３は、表面検査装置１による検査工程の管理、測定結果の処理等を実行するコンピュータユニットとしての演算処理部６０と、その演算処理部６０の指示に従って検査機構２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における測定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の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は、演算処理部６０からの種々の制御信号に基づいて、検出ユニット５のＬＤ１１、直線駆動機構３０の電動モータ３５、回転駆動機構４０の電動モータ４１及び焦点調節機構５０の電動モータ５４のそれぞれの動作を制御する。なお、直線駆動機構３０の電動モータ３５、回転駆動機構４０の電動モータ４１及び焦点調節機構５０の電動モータ５４に対する制御については、本発明の要旨ではないので詳細な説明を省略する。

図２は、動作制御部６１の詳細を説明する説明図である。動作制御部６１は、ＰＤから出力されて光強度に対応する出力信号Ｓ１を増幅する受光増幅器６１１と、この増幅器６１１が増幅した信号Ｓ２から所定範囲の周波数成分が抽出されるように、その所定範囲の上限を超える周波数成分をカットするローパスフィルタ６１２と、円筒体１００の内周面１００ａに欠陥がない場合を基準として予め設定された基準信号Ｓｔを出力する基準信号発生器６１３と、ローパスフィルタ６１２を通過した信号Ｓ３と基準信号発生器６１３が発生した基準信号Ｓｔとを比較して、その差分に応じた差分信号Ｓｄを出力する比較器６１４と、比較器６１４が出力した差分信号Ｓｄに応じた駆動電流にてＬＤ１１が駆動されるようにＬＤ１１を制御するＬＤ制御器６１５とを備えている。

ローパスフィルタ６１２の通過により抽出される所定範囲の周波数成分には、軸線ＡＸと円筒体１００の中心線とのずれに起因した反射光の強度の揺らぎに対応する周波数成分が含まれる。軸線ＡＸと円筒体１００の中心線がずれていると、検査ヘッド１６が一回転する度に検査ヘッド１６と円筒体１００の内周面１００ａとが正対する機会が２回あり、正対しない間は検査光の入射角が徐々に変化する。そのため、このずれに起因する揺らぎは、検査ヘッド１６の回転周波数の２倍の周波数となる。そこで、この形態では、この所定範囲として、検査ヘッド１６の回転周波数の２倍から１０倍以下の周波数の範囲が設定されている。

ＬＤ制御器６１５は、所定範囲の周波数成分を持つ信号Ｓ３と基準信号Ｓｔとの差分が大きい場合は小さい場合に比べて大きな駆動電流によってＬＤ１１を駆動し、逆にその差分が小さい場合は大きい場合に比べて小さな駆動電流によってＬＤを駆動するように構成されている。これにより、その差分が大きい場合は小さい場合に比べて検査光の強度が高くなるようにＬＤ制御器６１５にてＬＤが制御される。そのため、ＬＤ制御器６１５によって所定範囲の周波数成分を持つ反射光強度の揺らぎが相殺される。欠陥に対応する強度信号の周波数は、検査ヘッド１６の回転周波数の１０００倍程度以上であり、その所定範囲に含まれない。従って、欠陥に対応した反射光の強度変化がＬＤ制御器６１５によって除去される不都合はない。

信号処理部６２は検査ヘッド１６が一回転する毎にＰＤ１２から出力される信号を所定数サンプリングするため、ロータリーエンコーダ４３からのパルス信号を逓倍又は分周してサンプリングクロックとして利用する。信号処理部６２にてサンプリングされた信号は演算処理部６０に送られる。演算処理部６０はその信号に基づいて被検査物１００の内周面１００ａに関する二次元画像を生成して鋳巣等の欠陥の有無を判定する。この判定は欠陥に対応する暗部が二次元画像に存在するか否かを判定することにより行われるが、その処理の詳細や演算処理部６０が実行するその他の具体的な処理の詳細については本発明の要旨と関連性が薄いため説明を省略する。

以上の表面検査装置１によれば、検査ヘッド１６の軸線ＡＸと円筒体１００の中心線とのずれに起因した反射光の強度の揺らぎに対応した周波数成分に応じて検査光の強度が制御されるので反射光の強度の揺らぎを除去することができる。のみならず、ローパスフィルタ６１２を通過させて抽出される周波数成分が、ある程度の幅を持つ所定範囲に設定されるので、所定範囲内の周波数成分を持つ揺らぎ、例えば軸ずれとは関係のない内周面の面荒れ等による反射光の強度変化をも除去することができる。これにより、ムラのない二次元画像を欠陥の判定の基礎として利用できるので、欠陥の検査精度が向上する。

以上の形態において、ＬＤ１１が本発明に係る光源に、ＰＤ１２が本発明に係る光電変換手段に、ローパスフィルタ６１２が本発明に係る信号処理手段に、ＬＤ制御器６１５が本発明に係る光源制御手段にそれぞれ相当する。

但し、本発明は以上の形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。例えば、上述した動作制御部６１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。また、上述ではローパスフィルタ６１２にて本発明に係る信号処理手段を実施したが、これに代えて、所定の上限を超える周波数成分及び所定の下限を下回る周波数成分をそれぞれカットするバンドパスフィルタにて本発明に係る信号処理手段を実現してもよい。この場合には、そのバンドパスフィルタの通過により、軸線ＡＸと円筒体１００の中心線とのずれに起因した反射光の強度の揺らぎに対応する周波数成分が抽出され、かつ内周面１００ａの欠陥に対応する周波数成分が抽出されない、つまりその欠陥に対応する周波数成分をカットできるようにバンドパスフィルタを構成すればよい。

本発明の一形態に係る表面検査装置の概略構成を示した図。 図１の動作制御部の動作を説明する説明図。

符号の説明

１ 表面検査装置
１１ ＬＤ
１２ ＰＤ
１６ 検査ヘッド
１００ 円筒体
１００ａ 内周面
６１２ ローパスフィルタ（信号処理手段）
６１５ ＬＤ制御器（光源制御手段）

Claims (3)

1. 検査光を射出する光源と、被検査物たる円筒体の内部に挿入されて、前記円筒体に対して軸線回りに回転しかつ前記軸線方向に移動しながら、前記光源から射出された検査光を前記円筒体の内周面に投光しつつその反射光を受光する検査ヘッドと、前記検査ヘッドが受光した反射光の強度に応じた信号を出力する光電変換手段と、を有し、前記光電変換手段が出力した信号に基づいて前記内周面に対応した二次元画像を生成する表面検査装置において、
   前記光電変換手段が出力した信号から、前記軸線と前記円筒体の中心線とのずれに起因した反射光の強度の揺らぎに対応する周波数成分を抽出する信号処理手段と、前記被検査物に欠陥がない場合の基準値と前記信号処理手段が抽出した周波数成分との差分に応じて前記光源から射出される検査光の強度が変化するように前記光源を制御する光源制御手段と、を更に備えることを特徴とする表面検査装置。
2. 前記光源制御手段は、前記基準値と前記周波数成分との差分が大きい場合は小さい場合に比べて前記光源から射出される検査光の強度が高くなるように前記光源を制御することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記信号処理手段は、前記揺らぎに対応する周波数成分を含み、かつ前記内周面の欠陥に対応する周波数成分を含まない範囲の周波数成分を抽出するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面検査装置。

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