JP4956584B2

JP4956584B2 - 微細ゴミ観察用照明器具

Info

Publication number: JP4956584B2
Application number: JP2009157024A
Authority: JP
Inventors: 耕平野澤; 和民野澤
Original assignee: アトム興産株式会社
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: JP2011013081A

Description

物作りの現場では、部品や完成品の表面に汚れ、キズ、塗装ムラ、チリ、ホコリ等、異常が無いか、目視による表面検査を様々な生産工程で日々行っている。
本発明は例えば電子機器、光学機器、プリント配線基板等ワーク表面に付着した微細な異物粒子（以下、微細ゴミとする）の有無を観察するための照明器具に関するものである。

目視による物品表面に存在する凹凸、キズ、塗装ムラを検査する例として、自動車の車体に塗装を施す際、塗装の前工程や後工程で表面異常の有無検査がある。
従来から、ワーク表面に光を照射し、微細ゴミが付着していると、乱反射により容易に目視観察が可能となることから、表面異常の有無検査方法として広く知られている（以下、本検査法を光散乱法という）。この光散乱法が表面検査法として普及している理由は比較的検査が容易でコストが安い、広い範囲を一度に検査できる等の長所と共に、何より検出感度が高く、高精度な微細ゴミの有無判定が可能な点が最大の理由である。
例えば、直径が５０μｍ（φ０．０５ｍｍ）の異物粒子を見つけようとすると、市販されている虫眼鏡に代表される拡大鏡では全く役に立たず、顕微鏡を用いても２５倍以上の拡大倍率にして観察しないと見つけることはできない。
一方、前述した光散乱法によれば、数ミクロンの極微細な異物粒子までも目視により微細ゴミの有無判定が可能となる。そのため、光散乱を検出手段として用いた数多くの表面検査装置が市販されており、照明器具単体としても広く普及している。
また、ワークの検査面に付着したゴミ（異物）を検出するための技術として、照明部は、ワークの検査面の略水平方向に照射光を照射する。そして、第１マスク部は検査面の上部に配置され、第２マスク部は検査面の下部に配置される。即ち、第１マスク部と第２マスク部によって上部と下部が挟み込まれ、第１マスク部及び第２マスク部が外部からワークの検査面に照射される光を遮断するため、ワークの検査面には光はほとんど照射されない、即ちワークの検査面を透過する光はほとんどない。したがって、検査面に対向する位置に設けられた撮像部に入射される光を、ワークの検査面に付着したゴミによって反射した光のみとすることができる。これにより、微小なサイズのゴミを容易に検出することができる表面検査装置（例えば、特許文献１参照）が存在している。

特開２００７−５７３１５号公報（特許請求の範囲の欄、発明の詳細な説明の欄、及び図１〜図５を参照）

背景技術の項で光散乱法による表面検査の有効性について記述したが、長所ばかりでなく、短所も多い。
特に微細ゴミの有無を検査する場合、その検査対象の粒子径が小さくなればなるほど、光散乱を効率よく生じさせねばならず、それには被検査表面の面上スレスレに沿う水平な照射光（以下、水平接面光という。）の照射が必要不可欠となる。更に、照射する光の強さや、観察者の視力、そして作業環境の照度、更に大きな粒子の真後ろに小さな微細ゴミが存在する場合などでも、検査結果に誤差をもたらす等の短所がある。
また、市販されている電子機器、光学機器などの製品は部品であれ、完成品であれ、その形状は部分的には平坦であっても、通常その製品の表面は凹凸がある。しかも、ゴミが溜まる箇所は凸面より凹面の方がはるかに確率が高い。
しかしながら、従来の表面検査用の照明器具は凸面検査専用と言っても過言ではなく、凹部の底面や底部から立ち上がっている内壁面に付着する微細ゴミの観察には不向きな物が多い。そもそも凸部外表面の検査は照明器具の移動や作業者の立ち振る舞いによって視野の確保が容易であるが、凹面検査の場合は、凹部の間口が狭くなればなるほど、底の深さが深くなるほど、視野の確保が困難となる。そのため、凹部観察用の照明器具は作業者の視野の確保が困難になる分、照明器具の使用上の自由度を高める必要がある。
その上、凹面といえども、縁の部分から被検査面までの高低差は千差万別である。
さらに加えるなら照明器具においては、光源を支える固定基板や放熱板、あるいは水平接面光を生み出すシリンドリカルレンズを固定する金具、そして構成部品を収納する筐体など、照明器具として組み上がった完成品の照射光の光軸は必ず照明器具の最低部底面より高い位置となってしまう等、解決しなければならない課題は余りに多い。
そこで、本発明は凸部外表面は元より、凹部の底面や内壁面をも水平接面光の照射を可能とすることは無論のこと、使い勝手が良く、高低差の差異にも対応できる微細ゴミ観察用照明器具を提供することが課題となる。
以上のように、特に物品表面に付着している微細ゴミの存在有無を検査するには、被検査対象粒子が小さくなればなるほど、あるいは検査する際に被検査面への平面照射に支障を来たす障害物が例えあるにせよ、常に被検査物の表面スレスレの水平接面光の照射が可能な照明器具は見当たらないのが現状である。
本発明は、これらの問題を解決した微細ゴミ観察用照明器具を提供するものである。

上記の目的を達成することができる本発明の第１発明は、請求項１に記載された通りの微細ゴミ観察用照明器具であり、次のようなものである。
一般的に一升枡の内寸法は縦１５ｃｍ×横１５ｃｍ×深さ８ｃｍであるが、例えばこの枡の底部に付着している微細ゴミを観察する場合、深さが８ｃｍもあると、枡の淵の斜め上方から底部に向けて光を照射しても微細ゴミの検出は到底不可能である。
そこで、上方から照明器具の照射部を挿入し、この器具の先端が枡の底面に接すると同時に必ず底面に沿った水平接面光の照射を可能にせしめ、しかも上方からの底面に挿入する角度（底面に接する際の仰角）を自由にするために照明器具の先端部に反射ミラーを装着し、このミラーの傾斜角が底面と照明器具の光軸とがおりなす角度、すなわち仰角の１／２傾斜角を自動的に生じさせる機構を設けることが前記問題点の解決の手段となりうると考えた。
即ち、照明器具の先端部を被検査面に接触させると同時に、照明器具の光軸と被検査面とのおりなす仰角が垂直方向から水平方向近くまでの幅広い観察進入角であっても、器具の先端部に装着した反射ミラーの傾斜角を自動的に仰角の１／２傾斜角とする角度可変機構により、常に微細ゴミの検出に不可欠な被検査面に接しつつも面上をスレスレに沿った照射光である水平接面光の照射を可能にした構成である。

本発明に係る微細ゴミ観察用照明器具は、上記説明のような構成を有するので、以下に記載する効果を奏する。
（１）微細ゴミの有無検査は照明器具の照射角によってその微細ゴミの見え方はまるで違ってしまうが、光軸変位が容易となることにより、最適な照射角を素早く選択することができる。
（２）平板状の被検査物、例えばフィルムや紙、あるいはウエハー等の検査においては、作業台の上にさらに被検査物用架台を用意する必要がなく、直接作業台の上での観察が可能になる。
（３）被検査面に段差があったとしても、段差を飛び越えて一段低くなった被検査面へ水平接面光の照射が可能である。
（４）従来では不可能であった、照射を阻害する障害物がある場合であっても、障害物を避けて本発明品を斜めから挿入することが可能であり、被検査面に接地すると自動的に被検査面に沿った水平接面光を照射し、観察が可能となる。
以上のように、本発明は、微細ゴミの有無検査の検査対象領域を広げることができると同時に検査精度を著しく向上させることができるものである。

照射光の光軸と反射用ミラーの傾斜角と、その照射光の進行方向との関係を示す模式原理図である。本発明の微細ゴミ観察用照明器具において、照射光の仰角が変動しても、ミラーの傾斜角は常に仰角の１／２に相当する角度を自動的に生み出す機構の原理説明図である。本発明の第一実施例を示すもので、照明器具の先端が被検査面に接した際に、常に被検査面に沿った水平接面光の照射が可能な機構を組み込んだハンディタイプの微細ゴミ観察用照明器具を示す概略斜視図である。本発明の微細ゴミ観察用照明器具において、第二実施例の動作原理を示す説明図である。本発明の第二実施例を示すもので、図４に示す動作原理を応用して照明器具と被検査面との仰角の変動に対しても、常に被検査面に沿った平面光の照射が可能な機構を組み込んだ微細ゴミ観察用照明器具を示す概略斜視図である。本発明の微細ゴミ観察用照明器具において、ミラーを２枚利用して、被検査面に沿った水平接面光の照射が可能な動作原理を示す説明図である。図６に示す動作原理を応用して、被検査面に沿った水平接面光の照射が可能な機構を組み込んだ微細ゴミ観察用照明器具を示す斜視図である。照射光の光軸を上下に移動させる基本原理を示し、（ａ）は光軸を下方に変位した状態を示す概略説明図、（ｂ）は光軸を上方に変位した状態を示す概略説明図である。本発明の具体的な第三実施例を示すもので、シリンドリカルレンズにより集光された光軸を上下に変位させる機構を組み込んだ微細ゴミ観察用照明器具を示す斜視図である。

照明器具の先端部を被検査面に接触させると同時に、照明器具の光軸と被検査面とのおりなす仰角が垂直方向から水平方向近くまでの幅広い観察進入角であっても、器具の先端部に装着した反射ミラーの傾斜角を自動的に仰角の１／２傾斜角とする角度可変機構により、常に微細ゴミの検出に不可欠な被検査面に接しつつも面上をスレスレに沿った照射光である水平接面光の照射が可能な微細ゴミ観察用照明器具である。

以下、本発明の実施例を添付図面で詳細に説明する。
先ず、本発明の微細ゴミ観察用照明器具について説明すると、通常ＬＥＤを光源とする場合、ＡＣ１００Ｖ電源コード、ＡＣ−ＤＣコンバータ、高輝度発光ＬＥＤ、シリンドリカルレンズ（集光レンズ）等を主要部品として構成し、その他、操作スイッチ、光量調節用ボリューム、及びＬＥＤ放熱板と共にこれらを収納ケースに収納している。
ところが、物品表面に付着している微細ゴミの存在有無を検査するには、段差や障害物があったとしても、照射光の光軸を容易に可変可能なミラーと、このミラーの傾斜角を常に被検査面への照射を水平接面光とするための角度可変機構が新たに必要となる。
そこで、本発明の光軸を水平接面光にするための機構を中心に説明する。
電源をＡＣ１００Ｖ仕様から電池式にしたり、光源自体もＬＥＤ以外のメタハライドランプ等を使用しても構わないので、これらの図示は省略する。
図１は、本発明の原点というべき被検査面へ水平接面光照射を実現するための基本原理を説明するための図である。
本図は、光の直進性と光の反射の法則、並びに直線とこの直線と交わる他の直線との対角は等しい、ことなどの原理を前提にミラー５の中心点Ｏに６０°の角度から照射光１の照射を行うと、ミラー５の傾斜角８を３０°にすれば、光はＸ´方向へ進む様子を図示しただけのものである。
反射ミラー５を点Ｏを中心に配置し、Ｏ−Ｘ´は被検査面、Ｏ−Ｙは照明器具の照射光１による光軸２とすると、Ｏ−Ｘ´方向に光を反射させるには仰角∠ＸＯＹの１／２角度にミラー５を傾斜させることにより、入射角∠ＹＯＭ９と反射角∠Ｘ´ＯＭ´１０とが等しくなり、常にＸ´方向へ水平接面光の照射が可能となる。
すなわち、微細ゴミの観察に必要不可欠な水平接面光を常にＸ´方向へ導く手段として最も重要な機構となりうることに着目した。それはミラー５の傾斜角度を被検査面と光軸２とのおりなす角度（仰角）θの１／２に相当する角度を自動的に生み出す機構を照明器具に装備するなら、例え底の深い底面に付着する微細ゴミの観察さえも実現可能となる点である。

図２は、請求項１に記載した微細ゴミ観察用照明器具の先端部を被検査面に任意の角度で接触させただけで、常に被検査面に水平接面光の照射を可能にせしめる機構の模式図である。
図２において、Ｏ−Ｙは照明器具の光軸２、Ｏ−Ｘは被検査面、Ｏ−Ｍはミラーの貼付軸１１、Ｏ−Ａ間、Ｏ−Ｂ間の距離は同一寸法、そして、Ａ−Ｃ、Ｂ−Ｃを結ぶ連結アーム１２も同一寸法である。
なお、Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの各ポイントは回転摺動を可能とする。Ｏ−Ｍのミラー貼付軸１１上のポイントＣは仰角∠ＹＯＸの変動により中心Ｏからの距離が変動するため、長穴１３加工を施す。
上記の如き機構にするなら、Ｏを中心に同距離に位置するＡ、Ｂから同じ寸法を有する連結アーム１２によって結ばれたＣ点はどのような仰角になろうと、∠ＹＯＸの１／２角度の延長線上を移動することになり、ミラー５の貼付軸１１自体が常に自動的に仰角θの１／２θ角となる。その結果、Ｘ−Ｏの延長線方向、すなわち被検査面に水平接面光照射が可能となるものである。

次に、図３は本発明の図２に示した機構を基に実施したハンディタイプの実施例で、微細ゴミ観察用照明器具の先端部が被検査面に接した際に、常に自動的に被検査面に沿った水平接面光の照射が可能となる照明器具を示す斜視図である。

図４は、図２で示したミラー５の傾斜角が常に仰角の１／２に相当する角度を同様に自動的に形成する方法の別の機構説明図である。
Ｙ−Ｏは光軸２が垂直時、Ｙ´−Ｏは仰角θ時の光軸２の角度を示す。Ｘ軸とＹ軸との交点Ｏを中心に半径Ｏ−Ａの円を描き、Ｘ軸との交点Ｂを得る。そしてＢ点から上方に垂直に立ち上げた線とＡ点から真横に延長した線との交点をＣ点とすると、Ａ、Ｏ、Ｂ、Ｃは正方形を呈し、Ｏ−Ｃは対角線となる。今度はＢ点を基点に半径Ｂ−Ｃの円を描き、Ｄ点までの円弧を得る。そしてこのＣ点からＤ点までの円弧には抜き穴を施し、ミラー５の傾斜角８に従って移動するためのガイド溝６とする。そして、Ａ点とＣ点とを回転摺動が可能な連結金具によって結ぶＣ点にはＯ−Ｃを結ぶミラー貼付軸１１の滑り移動が可能なシャフトをガイド溝６を突っ切るように装着する。
また、図４に示すように、光軸２がＯ−ＡからＯ−Ａ´に移動すると、Ｃ点もＣ´点に移動する。
Ａ´−Ｃ´間は連結金具で結ばれているので、当然Ａ´−Ｃ´間の距離は変化しない。
そしてＸ軸にあるＢ点からＣ´点までの距離もＢ点を基点とした半径Ｂ−Ｃからなる円弧Ｃ−Ｄ上にあるので、距離は変化しないばかりか、元々Ａ−ＣとＢ−Ｃ間は同一寸法なのでＡ´−Ｃ´とＢ−Ｄ間の距離は同一距離である。このことは図２に示したことと同一である。
光軸２と被検査面との交点Ｏを中心に同一距離に設けた光軸２上のＡ点と被検査面に接する接地金具のＢ点よりそれぞれ同一長さの連結金具にて連結したミラー傾斜角８と形成するＣ´点は仰角θと２分割するＯ−Ｃ´線上となることと同じことを示している。
即ち、仰角θが変動してもミラー５の傾斜角８は、常に仰角θの１／２角度に形成される。そして、このようにミラー５の傾斜角８を仰角θの１／２相当角度に自動的に形成する方法は、更に別の方法でも構わず、例えば歯車やカムの応用によっても可能である。

ここで、前記した原理機構に沿って具体化した本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図５は、本発明の図４に示した機構を基に実施したハンディタイプの微細ゴミ観察用照明器具の実施例で、微細ゴミ観察用照明器具の先端部が被検査面に接した際に、常に自動的に被検査面に沿った水平接面光の照射が可能となる照明器具を示す斜視図である。
また、被検査面を傷つけないために本発明の微細ゴミ観察用照明器具の被検査面に接する先端部にクッション材を取り付けることも考えられる。
なお、符号については、前記の図３に示されているものと同一のものは同一部材を示し、４は集光レンズ、５はミラー、６はガイド溝、２２は電源コード、２５は筐体、２６は被検査面接地板、２７はミラー支持板、２８はスライドガイド、２９は案内板をそれぞれ示すものである。
さらに、仰角θが９０°、即ち照明器具に力が加わらない定常状態時には、被検査面へ接地する先端部がふらつかないバネで固定することも考えられる。
また、本発明は微細ゴミに水平接面光を照射し、光散乱により微細ゴミの存在を輝点としてとらえるための照明器具であるが、図３、図５に示すＬＥＤ及びシリンドリカルレンズを収納している部分に内視鏡プローブの先端部分、すなわち円形の中央部分がファイバースコープ、その周囲を照明用ファイバーで取り囲んだプローブを差し込み、カメラモジュールとの併用により凹部座面より立ち上がっている微細ゴミそのものの姿を画像として取り込むことも可能となる。

次に、図６は、水平光源から照射光１を正確な被検査面への入射角９を問わずして鏡面が相対するミラー２枚の連動する角度調整機構により、被検査面に非接触で略水平接面光の照射を可能にする微細ゴミ観察用照明器具の機構を表す模式図である。
図中、三角（▽）印は水平方向からの照射光１を第１ミラー７で反射させ、その第一反射光１０´を第２ミラー７´へ導く導光軸を表し、丸（○）印は第１ミラー７の支持軸を表す。そして、破線表示部は導光軸が水平光源に対し垂直をなし、その時ミラーの傾斜角は４５°となる様子を示し、実線表示部は導光軸を６０°に傾けると、第１ミラー７の支持軸が１／２傾斜角、すなわち３０°となる。しかも連動して第２ミラー７´の傾斜角も３０°となり、被検査面へ水平接面光が可能となる様子を表している。

また、先に記載した請求項１に基づく実施例を示した図２〜図５は、光軸２と被検査面とがおりなす仰角θが変わろうとも、ミラー５を常に仰角θの１／２角度に相当する角度に傾斜させる。所謂ミラー５の傾斜角自動追従機構であるが、本発明はミラー５を中心に動かし、厳密に言うなら、第１ミラー７を固定してあるミラー支持板を自在に動かし、水平光源からの全光束を被検査面方向へ導光せしめるものである。
すなわち、第１ミラー７の傾斜角８を変えることにより、導光方向を追従させる方法で、尚且つ導光された光軸２をさらに第２ミラー７´により被検査面に水平接面光照射を可能とするためのミラー連動機構を合わせ持つ特徴を有する。
さらに、本発明は第１ミラー７の傾斜角８を変えることにより、導光方向を定め、さらに第２ミラー７´を連動させ水平接面光照射を可能とする機構であるが、第１ミラー７と第２ミラー７´とを連動させずに、第２ミラー７´部分を請求項１に示した機構、すなわち被検査面に照明器具の先端部を接地させると、その先端部に設けた第２ミラー７´の傾斜角８が導光軸３０と被検査面とのおりなす仰角θの１／２相当角に自動的に傾斜する機構を採用することも可能である。

図７は本発明の図６に示した原理機構を基に実施したその機構部の斜視図である。
水平光源を利用して鏡面が相対するミラー２枚の連動により、被検査面に略水平接面光を照射可能にした微細ゴミ観察用照明器具である。

図８（ａ）（ｂ）は、高低差のある凹面や天井面を照射する方法について、前述した照明器具の構成部品であるＬＥＤ光源３と集光レンズ４の配置構成のみを図示し、その光軸２を下方・上方に可変移動させる場合の原理図である。
集光レンズ４の先端部の天地に２枚のミラー５を鏡面同士が向かい合うように平行配置し、これらのミラー５を天地と前後の２ヶ所にて同じ距離を保ち連結し合い、しかもそれぞれの連結箇所を回転摺動が可能な角度可変機構を有し、集光レンズ４に近い方を固定軸とし、もう一方の連結アームを連動するミラー５を上方、あるいは下方に角度を変えることにより、相対するミラーの反射作用によって光軸２の上下移動を可能とした照明器具である。

図９は、集光レンズ４により集光された光軸（図示せず）を上下に変位させる機構を示す斜視図である。
このような形態にすることにより、相対するミラー５を連動させる際に、瞬時に角度調整レバー１４の移動により、ミラー５の角度が可変でき、光軸（図示せず）の上下変位が可能となる。
この動作を可能にするために採用したボールプランジャ１５は、角度調整板１６を挟むようにセットした２枚のガイド板１７にそれぞれ相対する位置に装着されており、常に両脇より角度調整板１６を押し付けている。
しかし、これらはバネ圧により先端に取り付けてあるボールを常時押し付ける働きと共に、ボールの回転による接触なので、抵抗負荷は小さく角度調整板１６のスムーズな移動と固定が可能となるものである。
なお、１８は上部ミラーの支持板、１９は下部ミラーの支持板、２０は光量調節ボリューム、２１は電源スイッチ、２２は電源コード、２３は蝶番、２４は脚、１２は動作原理について説明した図１に示した角度可変機構の主要な構成である連結アームをそれぞれ示すものである。

なお、図９において、相対する２枚のミラー５が照明器具前面に突き出ているが、スライド式にして、通常時は器具の筺体２５内に収納し、光軸２を可変したい場合にのみ、突き出せるようにしたり、連動ミラーの角度を変える方法を手動式からモータとカムの組み合わせによる電動式にすることも考えられる。
また、作業上スタンドで高い位置に照明器具を設置したい場合を想定し、スタンド並びにスタンド取付用金具の設備も考えられる。

照明器具の照射光を利用して被検査面に照射することで凹部に付着したゴミを目視で検査する器具に利用することができる。

１・・・・照射光
２・・・・光軸
３・・・・ＬＥＤ光源
４・・・・集光レンズ
５・・・・ミラー
６・・・・ガイド溝
７・・・・第１ミラー
７´・・・・第２ミラー
８・・・・傾斜角
９・・・・入射角
１０・・・・反射角
１０´・・・・第１反射光
１１・・・・貼付軸
１２・・・・連結アーム
１３・・・・長穴
１４・・・・角度調整レバー
１５・・・・ボールプランジャ
１６・・・・角度調整板
１７・・・・ガイド板
１８・・・・上部ミラーの支持板
１９・・・・下部ミラーの支持板
２０・・・・光量調節ボリューム
２１・・・・電源スイッチ
２２・・・・電源コード
２３・・・・蝶番
２４・・・・脚
２５・・・・筐体
２６・・・・被検査面接地板
２７・・・・ミラー支持板
２８・・・・スライドガイド
２９・・・・案内板
３０・・・・導光軸
３１・・・・支持軸
θ・・・・仰角

Claims

照明器具の先端部を被検査面に接触させると同時に、照明器具の光軸と被検査面とのおりなす仰角が垂直方向から水平方向近くまでの幅広い観察進入角であっても、器具の先端部に装着した反射ミラーの傾斜角を自動的に仰角の１／２傾斜角とする角度可変機構により、常に微細ゴミの検出に不可欠な被検査面に接しつつも面上をスレスレに沿った照射光である水平接面光の照射を可能にしたことを特徴とする微細ゴミ観察用照明器具。