JP5471477B2 - ネジ山の検査装置 - Google Patents

Description

本発明はネジ山の検査装置に関する。特に、オスネジの山に形成された凹凸を発見する検査装置に関する。

車のエンジンや暖房器具に使われる点火プラグは交換作業の容易性からネジ構造を有している。また、ステージの位置調整に使われるボールネジにもネジ構造が使われている。しかし、ネジ山が潰れているなど凹凸があると、オネジとメネジを確実に螺合することができなかったり、あるいは、螺合することはできても取り外すことができなかったりする。このため、これらのネジは、その製造工程において、ネジ山が潰れていないか、あるいは許容範囲であるかの形状検査が行なわれる。

ネジ山の形状を検査する装置として、例えば、特許文献１にはネジ山に対して一方の側部から光を照明して反対側の側部において得られる透過光を撮像する装置が開示されている。放射光は、ネジ山の部分において遮光されてシルエットとなり、また、谷の部分の透過光を検知してネジの形状を把握するのである。しかしながら、このような装置は、ある種の形状不良を検知することはできるが、変形の程度によっては不良を認識できない場合もあった。

図６は従来の検査装置の原理を説明するための模式的構造を示す。（ａ）〜（ｄ）は検査対象物の形状がそれぞれ異なり、（ａ１）〜（ｄ１）は検査対象物を挟んで左に光源、右にイメージセンサが配置される構成を示す。（ａ２）〜（ｄ２）は検査対象物を光源側から見た状態を示す。検査対象物は、説明の便宜上、三角形の板材を基本としている。

（ａ）は検査対象物が正常な状態を示す。光源からの放射光は検査対象物で一部が遮光され、遮光されることなくイメージセンサまで到達した光により、検査対象物の形状を認識する。

（ｂ）は検査対象物の頂点が欠落した状態を示す。この場合、光源からの放射光は欠落部分では遮光されないため、イメージセンサは（ｂ２）に示す形状を認識することになる。そして、予め記憶された正常パターンと比較することで形状欠陥を検知できる。

（ｃ）も（ｂ）と同様に検査対象物が変形した状態であって、検査対象物の頂点が潰れて髭（バリ）が形成された状態を示す。この場合もイメージセンサは髭を遮光部分として認識することになる。

（ｄ）は検査対象物の光源側の側部に凹凸が形成された状態を示す。この場合、検査対象物の全体形状は正常パターンと同一であるため、イメージセンサは凹凸の有無を検知することはできない。

このように、光源からイメージセンサに向かう光路に対して交差する方向において形状変化が生じている場合はイメージセンサはその形状変化を検知することができるが、光源からイメージセンサに向かう光路の進行方向にそって形状変化が生じている場合は遮光領域には影響しないため、結果として形状変化を検知することはできない。

また、特許文献２や特許文献３には、ネジ山の側部から光を照明して、その反射光をセンシングする構造が開示される。しかし、このような装置もネジ山の有無や変形の有無を認識することはできるかもしれないが、どのような変形であるかを正確に認識できるものではない。また、ネジ山の一部に凹凸が生じた場合は、当該凹凸の反射光を受光してしまう。

つまり、従来から知られている検査装置は、ある種の不良品は検知することができるかもしれないが、形状変化の程度によっては不良と認識することができない場合もあり、高い精度での検知ができないという問題があった。

もっとも、多数の光源を使って、複数の角度から時間をかけて光を照射させることで検知精度を向上させることもできるが、ネジはもともと小さいものであり、ネジ山の変形によって生じる凹凸を高感度に検知することは容易ではない。

特開昭６２−４９２０３ 特開平５−２４０７３８ 特開昭５５−７０７０２

この発明は、ネジ山のいかなる変形も良好に認識できる検査装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係るネジ山の検査装置は、回転するネジの外表面の領域を部分的に、かつ連続的にネジ全周面を照明する光源部と、ネジからの反射光を受光するレンズと撮像センサと、ネジの回転情報と撮像情報に基づきネジ山の形状を認識する画像処理部を有する構造において、前記光源部は、２つ形成されており、それぞれが光源と拡散板からなり、該光源部は、前記ネジと前記レンズと前記撮像センサを結ぶ仮想ラインを挟んで線対称に配置されてなり、前記撮像センサは、ネジ山形状が正常のときは前記反射光を認識することはないが、ネジ山に不所望な凹凸が存在する場合のみ当該凹凸に起因する反射光を受光できる領域を少なくとも観察することを特徴とする。

さらに、前記光源部は放射波長がそれぞれ異なることを特徴とする。

この発明に係るネジ山の検査装置は、ネジ山に凹凸が形成された場合のみネジ表面からの反射光を受光する位置に撮像センサを配置したので、ネジに形成された凹凸を確実に検知することができる。さらに、異なる波長の光を放射する２つの光源を設けることで、撮像画像の濃淡あるいは色特性から凹凸の形状をより正確に把握することが可能になる。

本発明に係るネジ山の検査装置の概略構成を示す。 本発明に係るネジ山の検査方法の概略構成を示す。 本発明に係るネジ山の検査方法の概略構成を示す。 本発明に係るネジ山の検査方法の概略構成を示す。 本発明に係るネジ山の検査装置を説明するための概念図を示す 従来のネジ山の検査装置を説明するための図を示す

図１は本発明に係るネジ山検査装置の概略構成を示す。検査対象であるネジは保持台１の回転部１ａに取り付けられる。ネジは回転部１ａにより、図示の方向、すなわち、メネジと螺合する際の方向に回転する。光源２（２ａ、２ｂ）からの放射光は拡散板３（３ａ、３ｂ）を通過してネジの外表面を照明する。拡散板３（３ａ、３ｂ）の存在により、オネジの長さ方向全域を照明することができる。なお、オネジの長さは例えば２〜３ｍｍ程度である。また、図１は、後述するレンズ、撮像センサ、画像処理部は省略している。

図２は図１に示す検査装置を上方から眺めた状態を表す。光源２ａと光源２ｂ、及び拡散板３ａと拡散板３ｂは、ネジ、レンズ４、撮像センサ４を結ぶ仮想ラインＡを挟んで線対称に配置されている。拡散板３ａから放射される光Ｌ１ａと光Ｌ２ａは、ネジ外表面にて反射されてレンズ４を介して撮像センサ５に入射する。同様に、拡散板３ｂから放射される光Ｌ１ｂと光Ｌ２ｂもネジ外表面にて反射されてレンズ４を介して撮像センサ５に入射する。撮像センサ５の入力情報は画像処理部６に送信され、画像処理部６では撮像センサ４からの光情報と、保持台１からの回転情報に基づき、ネジ全周面の形状を認識できる。なお、撮像センサ５はネジの大きさに対応する面積を有するエリアセンサが使われる。

レンズ４は、光源２ａの放射光のうちネジ外表面のエリアａにおける反射光と、光源２ｂの放射光のうちネジ外表面のエリアｂにおける反射光を取り込む。光源２（２ａ、２ｂ）の放射光は拡散板３（３ａ、３ｂ）を通過して、上記エリア（エリアａ、エリアｂ）以外のネジ外表面領域（例えば、エリアｃ）にも照明する。しかし、これらの照明光は、入射角度の関係からレンズ４には取り込まれない。従って、ネジ山の形状が正常であるならば、上記エリアａとエリアｂにおけるネジ形状のみが撮像センサ５にて受光される。

図３は、ネジ山の形状が正常な場合における、光源とレンズ間の光路について説明するための図を表す。なお、紙面垂直方向にネジの山と谷が連続的に形成されているが、図はネジを輪切りにした状態を示すためネジ山の形状は表れていない。
図において、光源２ａの放射光であって拡散板３ａを通過した光Ｌ１ａがネジ外表面を照射する位置Ｐ１ａと、光Ｌ２ａがネジ外表面を照射する位置Ｐ２ａとの間に形成される領域（エリアａ）における反射光がレンズ４に取り込まれる。同様に、光源２ｂの放射光であって拡散板３ｂを通過した光Ｌ１ｂがネジ外表面を照射する位置Ｐ１ｂと、光Ｌ２ｂがネジ外表面を照射する位置Ｐ２ｂとの間に形成される領域（エリアｂ）における反射光もレンズ４に取り込まれる。その一方で、例えば、光Ｌ３ａのように、エリアａから外れた領域（エリアｃ）を照射した場合、その反射光はレンズ４には取り込まれない。従って、図示略の撮像センサは、回転するネジに対して、エリアａからの反射光とエリアｂからの反射光を同時に認識していくが、エリアｃにおける反射光は認識することがない。なお、ネジの長さ方向（ネジを回転した場合にネジが進行する方向）については、拡散板３（３ａ、３ｂ）により、ネジ山部分の全域を同時に照明することができる。このため、ネジを少なくとも１回転させると、画像処理部６は、ネジ山部分全域の形状を把握できる。

図４は、ネジ山の形状が正常ではなく、その一部に不所望な凹凸が存在する場合における、光源とレンズ間の光路について説明する図を表す。図３と同様に、エリアａにおける反射光と、エリアｂにおける反射光は、レンズ４に取り込まれて撮像センサ５において受光される。一方、光源２ａ側の光Ｌ３ａは、エリアｃにおいて凹凸の壁面Ｈ１において反射され、その反射光もレンズ４に取り込まれる。さらに、光源２ｂ側の光Ｌ３ｂもエリアｃにおいて凹凸の壁面Ｈ２において反射され、その反射光は同様にレンズ４には取り込まれる。つまり、ネジ山の形状が正常であれば、エリアｃにおける反射光は、照明光の入射角度の関係でレンズ４には取り込まれないが、ネジ山に不所望な凹凸が存在すると当該凹凸の壁面における反射光がレンズ４に取り込まれることになる。これが本発明の特徴である。

さらに、本発明では、光源２ａの放射光により凹凸の壁面Ｈ１を照明し、光源２ｂの放射光により凹凸の壁Ｈ２を照明することができる。このように２つの光源を、検査対象を中心に正反対の方向に配置させることで、壁面Ｈ１と壁面Ｈ２の反射光を同時に検知することができ、結果として、凹凸形状をより正確に検知することができる。もう少し説明するならば、ネジは回転しているため、凹凸がエリアａやエリアｂに位置するときに反射光によって何らかの異常を認識することは可能かもしれないが、凹凸に対して一方向からの照明であるため、図６で説明したように凹凸を正確に認識することはできない。

図５は撮像センサ５（エリアセンサ）による受光状態を示す。回転しているネジのある瞬間における状態を示している。（ａ）は図３に対応するものでネジ山の形状が正常の場合を示し、（ｂ）は図４に対応するものでネジ山の一部に不所望な凹凸が形成された場合を示す。
（ａ）において、撮像センサ５は、光源２ａに基づくエリアａにおける反射光と、光源２ｂに基づくエリアｂにおける反射光を受光するが、エリアｃからの反射光は受光していない。このため、エリアｃの対応する領域は何ら画像を認識していない。一方、（ｂ）において、撮像センサ５は、光源２ａに基づくエリアａにおける反射光と、光源２ｂに基づくエリアｂにおける反射光は（ａ）と同様に受光するが、エリアｃでも凹凸の壁面からの反射光を受光している。
このように、本発明は、撮像センサ５が本来受光することが領域からの反射光を検知することでネジ山の凹凸を検出することができる。

光源２は可視光を放射するもの、例えばＬＥＤが採用される。また、図１および図２において、光源２ａと光源２ｂはそれぞれ異なる波長の光（異なる色の光）を放射させることが望ましい。例えば、光源２ａは赤色の光を放射するＬＥＤを使い、光源２ｂは青色の光を放射するＬＥＤを使うことである。この利点は、一つの凹凸に対して、一方の光源の光が反射した壁面と、他方の光源の光が反射した壁面を、それぞれ異なる濃淡、色特性により画像を検知することで、当該凹凸の外観形状をより明確に特定できるからである。例えば、図５（ｂ）の場合、赤色画像Ｇ１と青色画像Ｇ２が認識されると、赤色と青色の組み合わさった部分が一つの凹凸であり、赤色と青色の方向から凹凸の区別もできる。また、これら画像の包絡線で結んだ部分が凹凸の大きさと判断できる。さらに、近接して生じた凹凸との区別も可能となる。しかし、仮に、光源２ａと光源２ｂが同一であれば、画像Ｇ１と画像Ｇ２が同じパターンとして認識されるとともに、その近辺に存在する画像Ｇ３も同様に認識してしまい、どの画像の組み合わせにより凹凸が形成されているのか特定することが困難になる。このように、本発明は、異なる波長の光（異なる色の光）をそれぞれ相反する方向から照明することも特徴としている。

撮像センサはカラー画像を撮影できるＣＣＤカメラが望ましい。また、レンズを調整することで、ネジ山との距離や焦点を調整することができる。さらに、上記実施例では、撮像センサとしてエリアセンサを用いて説明したが、ラインセンサであってもかまわない。この場合、エリアｃだけを受光領域としてラインセンサを用いることで同様の作用効果を奏することができる。

拡散板３は例えばアクリル樹脂板などからなる。ネジへの照明光を拡散させることであらゆる方向からの照明を可能にする。これにより、凹凸をより高精度に検知することができる。

上記実施例では、光源２と拡散板３は固定されておりネジの全長を同時に照明できる場合について説明したが、例えば、ネジの全長が長い場合などにおいて、光源２と拡散３が一体的にネジの全長方向に移動するものであり、移動に伴いネジ外表面を照明していくことも可能である。

なお、上記図１、図２、図３、図４、図５は、発明を説明するための便宜上、きわめて模試化して表現している。このため、入射角、反射角などの角度や方向は光学的に必ずしも正確に記載しているわけではない。また、ネジもネジ山、谷の部分のみを表現しているが、実際にはネジの頭や胴体部が存在する。

１ 保持台
２ 光源
３ 拡散板
４ レンズ
５ 撮像センサ
６ 画像処理部

Claims (2)

1. 回転するネジの外表面の領域を部分的に、かつ連続的にネジ全周面を照明する光源部と、ネジからの反射光を受光するレンズと撮像センサと、ネジの回転情報と撮像情報に基づきネジ山の形状を認識する画像処理部を有するネジ山の検査装置において、
   前記光源部は、２つ形成されており、
   それぞれが光源と拡散板からなり、
   該光源部は、前記ネジと前記レンズと前記撮像センサを結ぶ仮想ラインを挟んで線対称に配置されてなり、
   前記撮像センサは、ネジ山形状が正常のときは前記反射光を認識することはないが、ネジ山に不所望な凹凸が存在する場合のみ当該凹凸に起因する反射光を受光できる領域を少なくとも観察することを特徴とするネジ山の検査装置。
2. 前記光源部は放射波長がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載のネジ山の検査装置。

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