JP5042649B2 - 円筒状表面の欠陥検出方法および欠陥検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真複写機やプリンタに使用される各種ゴムローラ用軸体等の、円柱または円筒体の表面欠陥を検出するための円筒状表面の欠陥検出方法および欠陥検出装置に関するものである。

一般に電子写真複写機やプリンタ等のＯＡ機器に使用される各種ゴムローラ用軸体は、複写機本体やトナーカートリッジの筐体の穴に直接挿入して使用される。あるいは、軸受や位置規制用コロ、ギアなどの部品が取り付けられて使用される。そのため、軸体表面に凸状欠陥があると軸体が筐体等の穴に挿入できなかったり、軸受等の部品が取り付けられないなどの問題が生じる。また、ゴムローラが回転する際にも、摺動面となる軸体表面に凸状欠陥があると、回転の抵抗となり回転ムラが生じたり、他の部品の摩耗を早めてしまう。軸体母材に起因する鬆（す）やピンホールなどの凹状欠陥は、問題にならないものの、凸状欠陥の方は、数μｍの傷でも影響がでるため、ゴムローラを組み付ける前に軸体表面の凸状欠陥を検査する必要がある。

一般には、これら円柱または円筒体表面の欠陥検査は、目視または触診により行われてきたが、近年ＣＣＤカメラの解像度向上や画像処理をさせるコンピュータの高速化により自動化が可能となっている（特許文献１参照）。

しかしながら従来の欠陥検出方法は、表面の凹凸欠陥を検出するものであるため、ゴムローラ用軸体の表面で問題となる凸状欠陥だけを検出することができない。そのため、表面に凹凸欠陥があるものをすべて不良として廃棄したり、凹凸欠陥があるものを目視または触診等で再検査し、凸状欠陥があるものだけを切り分ける必要があった。

凸状の傷だけを検出する方法として、被測定物である円柱または円筒体を回転させてその稜線の位置の変化をレーザ測長器やエリアセンサカメラで読み取る方法がある。しかしこの方法では、被測定物の振れによる稜線の位置変化を拾ったり、また、軸方向の測定範囲が極端に狭く、軸方向に何度もスキャンしながら測定する必要があるために検査に時間がかかってしまう。

そこで、被測定物である円柱または円筒体に規則的なパターンの光を照射しこのパターンの規則性を評価して円筒状表面の欠陥を検出する方法がある（特許文献２参照）。しかしながら、数μｍ程度の欠陥を検出するには、非常に高精度なパターン光を照射する必要がある。さらに、被測定物の円筒形状や回転させた際の振れを補正し、かつ欠陥が無い状態の画像と欠陥がある状態の画像とを比較する必要があり、画像処理が複雑となる。
特許第３４６９７１４号公報 特開平１１−１８５０４０号公報

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、円柱または円筒体の表面の凸状欠陥のみを、高精度でしかも効率的に検出することができる円筒状表面の欠陥検出方法および欠陥検出装置を提供することを目的とするものである。

本発明の円筒状表面の欠陥検出方法は、円筒状表面を有する被測定物を中心軸のまわりに回転させながら、前記中心軸に対して平行な平行光を前記円筒状表面の接線方向に照射し、前記円筒状表面の、前記平行光が当たらない非照射部を、前記中心軸に対して平行に配置されたラインセンサカメラによって撮像する工程と、撮像された画像に基づいて前記円筒状表面の凸状欠陥を検出する工程と、を有し、かつ前記円筒状表面の半径をＲ（ｍｍ）、検出する凸状欠陥の最小高さをｈ（ｍｍ）としたとき、前記円筒状表面の前記非照射部と前記平行光が当たる照射部との間の境界線に対する、前記ラインセンサカメラの撮像位置のずれ量ｘ（ｍｍ）が、以下の式で表わされる関係を満たすことを特徴とする。

被測定物の、平行光が当たる照射部と平行光が当たらない非照射部との間の境界線の近傍で、前記非照射部を撮像することで、非照射部において平行光の当たる凸状欠陥だけを検出する。照射部と非照射部との間の境界線に対するラインセンサカメラの撮像位置のずれ量によって、検出可能な凸状欠陥の高さを任意に設定できる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、光源１から発せられた平行光１ａを、被測定物Ｗの表面（円筒状表面）の接線方向に照射する。そして、被測定物Ｗの、光が当たる部分（照射部）Ｗ_a と光が当たらない暗視野部（非照射部）Ｗ_b の境界線Ｗｅよりわずかに陰側（非照射側）にずれた部位を、被測定物Ｗの中心軸Ｗｏに対して平行に配置されたラインセンサカメラ２を用いて撮像する。

光源１としては、市販のハロゲン光源装置やメラルハライド光源装置にライン型ライトガイドおよびライン集光レンズを取り付ける方法が挙げられる。また、ＬＥＤを使ったライン照明装置を使用してもよい。特に、被測定物Ｗの光が当たる部分Ｗ_a と光が当たらない暗視野部Ｗ_b の境界線Ｗｅがはっきりするように、回折の少ない短波長照明を用いるのが好ましい。短波長照明としては例えば、光源に青色フィルターを取り付けたり、青色ＬＥＤや紫外線光源を用いる方法が挙げられる。

ラインセンサカメラ２のレンズ２ａの焦点位置である撮像位置２ｂは、前述のように、被測定物Ｗの光が当たる部分Ｗ_a と光が当たらない暗視野部Ｗ_b の境界線Ｗｅよりわずかに陰側にずれた位置である。

図２の（ａ）に示すように、暗視野部Ｗ_b に光源１と被測定物Ｗを結ぶ接線より突出した凸状欠陥Ｗｉがある場合は、この凸状欠陥Ｗｉに光が当たるため、図示しない画像処理装置において、同図の（ｂ）に示すように、欠陥画像３として検出することができる。

一方、図３に示すように、凹状欠陥Ｗｆに関しては、光源１と被測定物Ｗを結ぶ接線より突出しないため平行光１ａが当たらず、ラインセンサカメラ２で撮像されない。従って、凸状欠陥Ｗｉだけが検出可能となる。

図１の（ｂ）に示すように、陽側と陰側の境界線Ｗｅと撮像位置２ｂのずれ量をｘ（ｍｍ）、被測定物Ｗの半径をＲ（ｍｍ）、検出する凸状欠陥Ｗｉの最小高さをｈ（ｍｍ）とすると、三角形の相似と、三平方の定理とにより、ずれ量ｘは以下のように求められる。

ｈ：ａ＝（ｈ＋Ｒ）：（ａ＋ｘ） （１）
Ｒ₂ ＋（ａ＋ｘ）² ＝（ｈ＋Ｒ）² （２）
（１）式よりａを求め、（２）式へ代入してａを消去すると、
（１）式より、

（２）式に代入し、

（３）式から以下の計算によって（４）式を求める。

ずれ量ｘを（４）式で求めた値以下に設定すれば、凸状欠陥Ｗｉの頂点に光が当たり、画像処理によって検出できる。すなわち、ずれ量ｘを調整することにより、検出する凸状欠陥Ｗｉの最小高さｈを任意に設定できる。

ラインセンサカメラ２より得られた画像は、少なくとも１周分以上の展開画像として画像処理装置に取込み、画像処理を行って凸状欠陥Ｗｉを検出する。画像処理の方法としては、例えば二値化処理をし、一定以上の明るい部分を凸状欠陥Ｗｉとして検出する方法が挙げられる。

被測定物Ｗである円柱または円筒体を把持、回転させる機構としては、例えば先が尖ったセンタ軸またはすり鉢状に凹んだ逆センタ軸で被測定物Ｗの両端部を把持し、このセンタ軸を回転させて被測定物Ｗを回転させる方法が挙げられる。また、被測定物Ｗの外周面の２箇所をベアリング等の二つコロから成るガイドで受け、少なくとも一方のコロを回転させて被測定物Ｗを回転させたり、回転する円盤やベルトを被測定物Ｗの外周面に押し当てて被測定物Ｗを回転させる方法が挙げられる。

被測定物Ｗの回転数（ｒｐｍ）は、被測定物Ｗの半径をＲ（ｍｍ）、レンズ２ａ等の光学系を含めたラインセンサカメラ２の分解能をＬ（ｍｍ）、ラインセンサカメラ２の撮像間隔をｆ（Ｈｚ）としたとき、以下の式による回転数ｒ₀ 以下に設定するのが好ましい。

ラインセンサカメラ２の分解能Ｌは、（ラインセンサカメラの撮像素子１画素当たりのサイズ）÷（レンズ倍率）で決まる。

図４は、電子写真用帯電ローラの金属製軸体の凸状欠陥を検出する欠陥検出装置を示す。被測定物Ｗである金属製軸体は、材質ＳＵＭ２４Ｌ快削鋼、外径φ６ｍｍ（半径Ｒ＝３ｍｍ）、長さ２５０ｍｍの軸体であり、この軸体の表面は、無電解ニッケルメッキ処理が施されている。光源１には、青色フィルター、ライン型ライトガイドおよびライン集光レンズを取り付けた市販の１５０Ｗのハロゲンランプ光源装置（モリテックス製ＭＨＦ−Ｇ１５０ＬＲＣ 商標名）を用いる。そして、被測定物表面の接線方向より照射されるように、被測定物Ｗの中心軸に対し平行に配置し、被測定物Ｗの法線に対して３ｍｍオフセットさせた。

画像を取り込むラインセンサカメラ２としては、市販のカメラ（竹中システム機器製ＴＬ−５１５０ＵＦＤ 商標名）を用い、レンズ２ａとして、焦点距離２８ｍｍの３５ｍｍ判一眼レフ用レンズ（ニコン製 商標名）をリバースアダプタを介して逆付けした。この時、撮影倍率は約１．５倍となり、光学系を含むラインセンサカメラ２の分解能を約４．７μｍとした。

ラインセンサカメラ２と光源１は、９０°方向に配置し、ラインセンサカメラ２の撮像位置２ｂの、被測定物Ｗの、陰側と陽側の境界線に対するずれ量ｘは、凸状欠陥の最小高さｈ＝１０μｍに対応するｘ＝０．２４ｍｍに設定した。

被測定物Ｗを回転させる機構は、モータ１６よりプーリー１４、ベルト１５およびギア１３を介して回転する１対の駆動用コロ１１と、１対の従動用コロ１２を有する。これらのコロ１１、１２により、被測定物Ｗの両端部より２０ｍｍの位置を受けて、駆動用コロ１１を回転させて被測定物Ｗを従動させた。この時、被測定物Ｗの回転数は、７０ｒｐｍになるように設定し、欠陥検出を行った。

実施例１と同じ被測定物を、凸状欠陥の最小高さｈ＝５μｍとなるように、陰側と陽側の境界線とラインセンサカメラの撮像位置とのずれ量ｘをｘ＝０．１７ｍｍに設定した以外は、実施例１と同じ条件で欠陥検出を行った。

（比較例）
比較例として、図５に示すように、実施例１および実施例２と同じ光源１、ラインセンサカメラ２等を用いて、ラインセンサカメラ２を被測定物Ｗの法線方向に配置した。そして、光源中心をラインセンサカメラ２の撮像位置２ｂに合わせ、さらにラインセンサカメラ２に対して４５°の位置に配置した。被測定物Ｗを回転させる機構および回転数は実施例１と同じに設定した。

実施例１および実施例２、比較例ともに、ラインセンサカメラより得られた画像より被測定物の１周分よりわずかにオーバーラップさせた展開画像を合成し、これらの画像を観察した。この時、得られた画像のサイズは、被測定物の軸方向に５０００ピクセル、周の展開方向に４０００ピクセルの２０００万画素である。また、得られた画像は市販のパーソナルコンピュータを使って二値化処理を行った。

実施例１においては、正常部は被測定物自身の陰に入り光が当たらないため黒い画像となり、光源と被測定物を結ぶ接線より突出する１０μｍ以上の凸状欠陥は、光が当たり図２の（ｂ）に示すように白い欠陥画像となった。一方、高さが１０μｍ未満の凸状欠陥や凹状欠陥は、被測定物自身の陰に入るため、検出されなかった。すなわち、１０μｍ以上の凸状欠陥のみ検出することができた。

実施例２においては、実施例１では検出できなかった５〜１０μｍの凸状欠陥においても検出できたが、正常部や凹状欠陥は実施例１と同様に被測定物自身の陰に入り光が当たらないため黒い画像となって検出されなかった。

比較例においては、正常部は光が当たるため白い画像となる。そして、図６の（ａ）に示すように、凸状欠陥Ｗｉがあると光源１と反対側が陰となるため、（ｂ）に示すように黒い欠陥画像４となって検出された。一方、図７の（ａ）に示すように、凹状欠陥Ｗｆにおいても、その光源側が陰となるため、（ｂ）に示すように黒い欠陥画像５となって検出された。このため比較例においては、得られた画像からは凸状欠陥なのか凹状欠陥なのかは、切り分けができなかった。

実施例１、実施例２および比較例による欠陥の検出結果をまとめて表１に示す。

実施例１および実施例２では、円柱または円筒状の被測定物の円筒状表面の凸状欠陥だけを検出することができる。さらに、ラインセンサカメラの撮像位置を調整することにより、検出する凸状欠陥の最小高さを任意に設定することが可能である。

一実施の形態による欠陥検出装置の概略構成を示すもので、（ａ）はその主要部を示す模式立面図、（ｂ）は（ａ）の一部分を拡大して示す部分拡大立面図である。 図１の装置による円筒状表面の欠陥検出方法を説明する図である。 凹状欠陥を検出しないことを説明する図である。 実施例１による欠陥検出装置を示すもので、（ａ）はその立面図、（ｂ）は側面図である。 比較例を説明する図である。 比較例において凸状欠陥を検出する場合を説明する図である。 比較例において凹状欠陥を検出する場合を説明する図である。

符号の説明

１ 光源
１ａ 平行光
２ ラインセンサカメラ
２ａ レンズ
２ｂ 撮像位置
１１ 駆動用コロ
１２ 従動用コロ
１６ モータ

Claims (2)

1. 円筒状表面を有する被測定物を中心軸のまわりに回転させながら、前記中心軸に対して平行な平行光を前記円筒状表面の接線方向に照射し、前記円筒状表面の、前記平行光が当たらない非照射部を、前記中心軸に対して平行に配置されたラインセンサカメラによって撮像する工程と、
   撮像された画像に基づいて前記円筒状表面の凸状欠陥を検出する工程と、を有し、かつ
   前記円筒状表面の半径をＲ（ｍｍ）、検出する凸状欠陥の最小高さをｈ（ｍｍ）としたとき、前記円筒状表面の前記非照射部と前記平行光が当たる照射部との間の境界線に対する、前記ラインセンサカメラの撮像位置のずれ量ｘ（ｍｍ）が、以下の式で表わされる関係を満たすことを特徴とする円筒状表面の欠陥検出方法。
   

   
2. 円筒状表面を有する被測定物を把持して中心軸のまわりに回転させる機構と、前記中心軸に対して平行な平行光を前記円筒状表面の接線方向に照射する光源と、前記中心軸に対して平行に配置されたラインセンサカメラと、前記ラインセンサカメラから取り込まれた画像を処理する画像処理装置と、を有し、前記円筒状表面の、前記平行光が当たらない非照射部を、前記ラインセンサカメラによって撮像し、かつ
   前記円筒状表面の半径をＲ（ｍｍ）、検出する凸状欠陥の最小高さをｈ（ｍｍ）としたとき、前記円筒状表面の前記非照射部と前記平行光が当たる照射部との間の境界線に対する、前記ラインセンサカメラの撮像位置のずれ量ｘ（ｍｍ）が、以下の式で表わされる関係を満たすことを特徴とする欠陥検出装置。
   

   

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