JP5515531B2 - 孔内検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像カメラに周設したリング照明の照射光を、撮像カメラの光軸上における所定の深度範囲に集光するミラーユニットおよびこれを用いた孔内検査方法、並びに孔内検査装置に関する。

検査対象物に形成した孔の内周面に付着した異物を検査する孔内検査にリング照明を使用する場合、孔内を充分な光量で照明するため、リング照明の照射光を集光し、この集光点の位置を、撮像カメラのフォーカス位置に合わせて調節する必要がある。当該関連技術として、孔に対する良好な照明が可能な深度範囲を広げるために、リング照明を構成するアレイ状の複数の光源を、これを保持する基板を傾動調整することで、それぞれの照射角度（集光点）を可変させるリング照明装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００７−２８７４５６号公報

しかしながら、上記のリング照明装置では、周方向に並んだ複数の基板を、同時に且つ同一角度で傾動させる必要があるため、照明部の構造が複雑になるという問題があった。また、各基板に対する光源の光軸角度が区々であり、構造も複雑になることから、照明部の照射光を精度良く集光することができない問題もある。

本発明は、簡単な構造で、リング照明の集光点を光軸上の所定の深度範囲に適切に調節可能なミラーユニットおよびこれを用いた孔内検査方法、並びに孔内検査装置を提供することを課題とする。

本発明のミラーユニットは、撮像カメラに周設したリング照明の照射光を、撮像カメラの光軸上における所定の深度範囲に集光するミラーユニットであって、光軸を中心に周方向にコーン状に並べた扇状の複数のミラー片を有し、照射光を反射するミラー部と、複数のミラー片の反射角度を可変する反射角度可変機構と、を備えたことを特徴とする。

上記の構成によれば、リング照明の照射光を精度よく集光させたまま、集光点を撮像カメラの光軸上で調節することができる。すなわち、照射光の反射板であるミラー片の反射角を可変して集光点の位置を調節するようにしているため、既存のリング照明の光源側の構造を変更させる必要が無く、簡単な構造で照射光を撮像カメラの光軸上の所望の深度に集光することができる。

この場合、反射角度可変機構は、複数のミラー片の遠位端側を基点とし、近位端側を拡開および狭窄させて反射角度を可変することが好ましい。

上記の構成によれば、周方向に並べた複数のミラー片の反射角度を一様に可変させることができ、照射光を精度よく集光させたまま、集光点を撮像カメラの光軸上の所望の深度に調節することができる。なお、複数のミラー片の遠位端側の径は、撮像カメラが撮像に必要な所定の照射光を通す程度に確保できればよく、近位端側や中間部を中心にして、複数のミラー片の反射角度を可変するようにしてもよい。

この場合、反射角度可変機構は、複数のミラー片の遠位端側をそれぞれ回動自在に支持する基点部材と、光軸と同軸上に配設され、複数のミラー片を外側から囲繞すると共に、光軸方向に進退自在に構成されたリング状のミラー片作動部材と、ミラー片作動部材を光軸方向に進退させる進退動機構と、を有していることが好ましい。

上記の構成によれば、リング状のミラー片作動部材を光軸方向に進退させることによって複数のミラー片の近位端側を拡開および狭窄させて、反射角度を可変させるため、簡単な構造で、照射光の集光点を撮像カメラの光軸上で精度良く調節することができる。なお、進退動機構は、モータ駆動のもので構成することが好ましい。また、進退動機構は、マイクロメーターヘッド等を用い、反射角度の微細な調節ができるように構成してもよい。

本発明の孔内検査方法は、検査対象物に形成した孔の内周面に付着した異物を検査する孔内検査方法であって、検査対象物の表面位置にフォーカスした状態で、孔を画像認識する撮像カメラと、撮像カメラに周設され孔を照明するリング照明と、上記のミラーユニットと、を用い、反射角度可変機構を操作して反射角度を段階的に可変させると共に、撮像カメラにより反射角度毎に孔を撮像する撮像工程と、撮像した反射角度毎の孔の画像を画像処理して、孔の輪郭および異物を強調した複数の孔の処理画像を生成する画像処理工程と、複数の孔の処理画像を合成して、検体画像を生成する画像合成工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の孔内検査装置は、検査対象物に形成した孔の内周面に付着した異物を検査する孔内検査装置であって、検査対象物の表面位置にフォーカスした状態で、孔を画像認識する撮像カメラと、撮像カメラに周設され、孔を照明するリング照明と、上記のミラーユニットと、を備えていることが好ましい。

上記の構成によれば、撮像カメラを検査対象物の表面位置にフォーカスした状態のまま、十分な光量の照明光により深度の異なった複数の孔内の画像を撮像することで、深さ方向において異物が孔内のどの位置にあっても、孔と異物とを比較的鮮明に撮像することができる。したがって、簡単な画像処理で、孔と異物とを強調した検体画像を生成することができる。

この場合、検査対象物がインクジェットヘッドのノズルプレートであり、孔が、ノズルプレートに形成したノズル孔であることが好ましい。

上記の構成によれば、インクジェットヘッドのノズルプレートに形成したノズル孔内に付着した異物の有無やその大きさを精度よく検査することができる。

インクジェットヘッドを模式的に表した断面図である。 孔内検査装置を模式的に表した図である。 ミラーユニットのミラー片および反射角度可変機構を模式的に表した拡大平面図および拡大断面図である。 反射角度可変時のミラー部の平面図および模式断面図である。 リング照明の照射光が集光される様子を模式的に表した図である。 孔内検査時のノズル孔の模式断面図、撮像画像および検体画像を示す図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施形態に係るミラーユニットおよびこれを用いた孔内検査方法並びに孔内検査装置について説明する。なお、本実施形態の孔内検査方法および孔内検査装置は、インクジェットヘッドのノズル面に形成された多数のノズル孔を検査対象とするものであり、ヘッド組立ての最終段階でノズル孔内に付着した異物を検査するものである。したがって、ノズル面からの照明とノズル面からの画像認識とにより、孔内検査が実施される。

検査対象となるインクジェットヘッド１のノズルプレート２（ノズル面５）には、２列のノズル列が平行に２組形成されており、各ノズル列は、等ピッチで並べた複数個のノズル孔３で構成されている。図１に示すように、ノズル孔３は、ノズルプレート２に対して垂直に形成されており、表面から所定の深さまで入り込んだ位置（メニスカス形成位置６）から裏面にかけてテーパー状に孔開けされている。後述する孔内検査は、ノズルプレート２をノズル面５側から撮像し、メニスカス形成位置６を中心にノズル孔３の内周面４を所定の深さ範囲（深度範囲）に亘って、付着した異物の有無を検査する。

図２に示すように、孔内検査装置１０は、インクジェットヘッド１が上下反転状態でセットされるセットステージ１１と、セットステージ１１をノズル列方向（Ｘ軸方向）およびこれに直交するＹ軸方向に移動させる移動テーブル１２と、インクジェットヘッド１に上側から臨み、インクジェットヘッド１のノズル孔３をノズル面５側から撮像する撮像カメラ１３と、撮像カメラ１３の先端部に周設されノズル孔３をノズル面５側から照明するリング照明１４と、リング照明１４の下方に配設され、リング照明１４の照射光を撮像カメラ１３の光軸上に集光させるミラーユニット２０と、撮像カメラ１３と共に、リング照明１４およびミラーユニット２０をＺ軸方向に昇降させるＺ軸テーブル１５と、これらの装置を支持するフレームおよび全体を収容する収容ケース（いずれも不図示）を備えている。また、孔内検査装置１０は、移動テーブル１２、撮像カメラ１３、リング照明１４、Ｚ軸テーブル１５およびミラーユニット２０の駆動を制御する制御装置１９を備えている。

セットステージ１１は、移動テーブル１２に搭載されており、図示省略の位置決め機構により、インクジェットヘッド１を上下反転状態した状態で、そのノズル面５が水平になるように保持している。移動テーブル１２は、セットステージ１１を介して、インクジェットヘッド１をＸ軸方向に移動させるモータ駆動のＸ軸テーブル２２と、Ｘ軸テーブル２２を介して、インクジェットヘッド１をＹ軸方向に移動させるモータ駆動のＹ軸テーブル２３と、を有している。そして、Ｘ軸テーブル２２およびＹ軸テーブル２３は、それぞれ制御装置１９に接続されている。孔内検査に際し、Ｘ軸テーブル２２およびＹ軸テーブル２３によりインクジェットヘッド１を移動させ、検査対象となるノズル孔３の中心軸を撮像カメラの１３の光軸に合致させる。

撮像カメラ１３は、セットステージ１１に対し上側から臨むように対向配置されており、上部においてＺ軸テーブル１５によって昇降自在に支持されている。この場合、Ｚ軸テーブル１５は、インクジェットヘッド１の搬入・搬出において撮像カメラ１３を上昇させ、また孔内検査に先立ち撮像カメラ１３を基準のフォーカス位置に下降させる。撮像カメラ１３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子２４とレンズユニット２５と、を鏡筒内に有し、Ｚ軸テーブル１５の駆動によってフォーカシング距離を決定し、ノズル孔３を撮像する。撮像カメラ１３およびＺ軸テーブル１５は、それぞれ制御装置１９に接続されている。なお、撮像カメラ１３として落射照明付きのものを用いるようにしてもよい。

リング照明１４は、撮像カメラ１３の先端部に周設され、ノズルプレート２に臨む面にリング状に複数のＬＥＤ（不図示）が内蔵して構成されている。複数のＬＥＤは、リング状のＬＥＤアレイを構成しており、面発光光源として機能する。この複数のＬＥＤからの照射光によって、周縁部を含むノズル孔３の表面および内周面４が照明されるようになっている。なお、リング照明１４は、ミラーユニット２０を介して、撮像カメラ１３の光軸上で照射光を適切に集光できるように所望の角度に一様に傾斜させて装着されている。そして、リング照明１４は制御装置１９に接続され、撮像カメラ１３の撮像に際しノズル孔３を照明する。なお、リング照明１４は、照射光の照射角度が撮像カメラ１３の光軸と平行になるものを用いてもよい。

ミラーユニット２０は、撮像カメラ１３およびリング照明１４と同軸上に配設され、リング照明１４の照射光をノズル孔３に向って反射するミラー部１６と、ミラー部１６の反射角度を可変させる反射角度可変機構１７とを有している。ミラー部１６は、撮像カメラ１３の光軸を中心に周方向にコーン状に並べられた複数のミラー片３０を有しており（図４参照）、リング照明１４の照射光をこの複数のミラー片３０によって反射し、ノズル孔３内において撮像カメラ１３の光軸上に集光する。複数のミラー片３０は、隣接するミラー片３０が、周方向の端部においてオーバーラップするように配設されており、反射角度可変機構１７により、先端側（下端側）を中心に拡開および狭窄して、反射角度が可変される（図４参照）。

図３に示すように、各ミラー片３０は、細長台形状或いは細長扇状に形成され、表面を鏡面とするミラー片本体３１と、ミラー片本体３１の裏面中央に長手方向に突設された傾動ガイド３２と、ミラー片本体３１の裏面下端部に突設された断面半円形の回動部材３３と、を有している。傾動ガイド３２には、後述するミラー片傾動リング４１の傾動部材５５がスライド係合する一方、回動部材３３は、後述す基点部材４４に回動自在に支持されている。傾動ガイド３２は、上下方向に延在するスリット３４を有し、傾動部材５５のスライドをガイドする。また、スリット３４の端部には、光軸側端部に傾動部材５５を係合させる挿入開口３７が形成されている。ミラー片傾動リング４１が上昇すると、各ミラー片３０は、基点部材４４を中心に起立する方向に回動し、下降すると、各ミラー片３０は、基点部材４４を中心に倒れ込む方向に回動する。そして、このミラー片傾動リング４１の昇降範囲が、ミラー部１６における反射角度の可変範囲となっている。なお、スリット３４におけるミラー片傾動リング４１のスライド範囲は、上記の挿入開口３７を除いた範囲となる。また、複数のミラー片３０の外円側は自由状態となっている。

図３（ｂ）に示すように、反射角度可変機構１７は、ミラー部１６を囲繞するように配設されたミラー片傾動リング４１（ミラー片作動部材）と、ミラー片傾動リング４１をＺ軸方向に昇降させる傾動リング昇降機構４２（進退動機構）と、ミラー片傾動リング４１の昇降動作をガイドする一対の昇降ガイド４３と、複数のミラー片３０を回動自在に支持するリング状（実際には、ミラー片３０の個数分の多角形）の基点部材４４と、を有している。一対の昇降ガイド４３は、１８０°点対称位置に配設されており、ミラー片傾動リング４１の昇降動作をガイドする。

ミラー片傾動リング４１は、ミラー部１６をセットステージ１１側から同軸上において囲繞するリング部材５３と、リング部材５３の内周面５４に、対向する複数のミラー片３０と同数、周方向に配設された複数の傾動部材５５と、一対の昇降ガイド４３にスライド自在に係合する一対のスライダ５９と、を有している。リング部材５３の内周面５４は、複数のミラー片３０の傾斜角度に倣って傾斜しており、複数の傾動部材５５も、これに倣って内周面５４に傾いた姿勢で取り付けられている。

各傾動部材５５は、中間部に傾動ガイド３２の厚みに対応する長さのネック部５７を有し、このネック部５７を挟んで手前側に位置する略半球状の上昇係合部５６と、先方に位置する略半球状の下降係合部５８と、を有している。ミラー片傾動リング４１が昇降すると、傾動部材５５がミラー片３０のスリット３４内を上方に移動し、各ミラー片３０は、主に上昇係合部５６により基点部材４４を基点として起立方向に回動する。この状態から、ミラー片傾動リング４１が下降すると、傾動部材５５がミラー片３０のスリット３４内を下方に移動し、各ミラー片３０は、主に下降係合部５８により基点部材４４を基点として倒れる方向に回動する。

傾動リング昇降機構４２は、例えば動力源を構成するモータと、モータの主軸に連結したリードねじ機構等で構成されており（いずれも図示省略）、その出力端がリング部材５３に連結されている。モータが正転するとミラー片傾動リング４１が上昇し、逆転するとミラー片傾動リング４１が下降する。各昇降ガイド４３には、上下方向に延在するガイドレール６０が設けられており、このガイドレール６０に、ミラー片傾動リング４１のスライダ５９がスライド自在に係合している。反射角度可変機構１７は、傾動リング昇降機構４２の駆動によって、ミラー片傾動リング４１を昇降させ、ミラー部１６（ミラー片３０）の傾斜を変えて、照射光の反射角を可変する。これに伴ってリング照明１４の照射光の集光点は、撮像カメラ１３の光軸上で上下する。
なお、傾動リング昇降機構４２はマイクロメーターヘッドを用い、ミラー部１６（ミラー片３０）の傾斜角度（照射光の反射角度）を手動で微細に調節できるように構成してもよい。

図４に示すように、複数のミラー片３０は、互いに隣り合った辺が僅かに重なり合って周方向に並んでいる。上記のように、複数のミラー片３０は、光軸側をＺ軸方向に回動自在に固定される一方で外円側が自由状態になるように構成されているため、ミラー片傾動リング４１が撮像カメラ１３側に上昇すると、各ミラー片３０の重複面が増加して、ミラー部１６の外径Ｂが狭窄され、傾斜角度ａが大きくなる（同図（ｂ）参照）。逆に、ミラー片傾動リング４１がノズルプレート２側に下降すると、各ミラー片３０の重複面が減少して、ミラー部１６の外径Ｂが拡張されて傾斜角度ａが小さくなる（同図（ａ）参照）。すなわち、光軸側の内径Ａを固定した状態で、外径Ｂを拡張および狭窄することで、ノズルプレート２に対しての各ミラー片３０の傾斜角度ａを可変する。これにより、リング照明１４の照射光を一点に集光したまま、集光点の深度を変え得るようになっている。

次に、図５および図６を参照し、本実施形態の孔内検査方法について説明する。本孔内検査方法では、ノズルプレート２に形成されている全ノズル孔３に対して順次行い、各ノズル孔３をノズル面５側から照明および撮像して、メニスカス形成位置６を中心にノズル孔３の内周面４を所定の深さ範囲（深度範囲）に亘って、異物５０の有無を検査するようにしている。

先ず、制御装置１９により各種装置を駆動させ、Ｘ軸テーブル２２およびＹ軸テーブル２３により検査対象となるノズル孔３の中心軸が撮像カメラ１３の光軸と一致するように調節し、リング照明１４の照射光を撮像カメラ１３の光軸上に集光させた状態で、Ｚ軸テーブル１５により撮像カメラ１３を昇降させ、ノズル孔３の表面位置にフォーカスする。

次に、反射角度可変機構１７によりミラー部１６の傾斜角度を図５（ａ）に示すように傾ける。リング照明１４の照射光Ｘは、ミラー部１６（ミラー片３０）に対する入射角と同角度でミラー部１６により反射され、集光点１０１に集光される。このように、ノズルプレート２に対するミラー部１６の傾斜角度が小さい場合、照射光Ｘは撮像カメラ１３の光軸上の深度の浅い位置に集光され、ノズル孔３内の浅い位置が最も明るく照明される。照射光Ｘを集光点１０１に集光させた状態で、ノズル孔３の表面にフォーカスしたまま、撮像カメラ１３によりノズル孔３を撮像する。

続いて、反射角度可変機構１７によりミラー部１６の傾斜角度を図５（ｂ）に示すように傾け、照射光Ｘを集光点１０２に集光させる。ミラー部１６の傾斜角度が同図（ａ）よりも大きくなるため、照射光Ｘは光軸上のより深い位置に移動し、ノズル孔３内の中間位置が最も明るく照明される。照射光Ｘを集光点１０２に集光させた状態で、同様に、ノズル孔３の表面にフォーカスしたまま、撮像カメラ１３によりノズル孔３を撮像する。

さらに、反射角度可変機構１７によりミラー部１６の傾斜角度を図５（ｃ）に示すように傾け、照射光Ｘを集光点１０３に集光させる。ミラー部１６の傾斜角度が同図（ｂ）よりも大きくなるため、照射光Ｘは光軸上の深度のさらに深い位置に移動し、ノズル孔３内の深い位置が最も明るく照明される。照射光Ｘを集光点１０３に集光させた状態で、同様に、ノズル孔３の表面にフォーカスしたまま、撮像カメラ１３によりノズル孔３を撮像する。実施形態の孔内検査方法では、複数段階に亘ってミラー部１６の反射角度（傾斜角度）を変化させ、その都度、撮像カメラ１３によるノズル孔３の撮像を実施する。

図６（ｂ）に示すのは、上記の撮像工程で撮像されたノズル孔３の撮像画像である。本実施形態の孔内検査装置１０は、ノズル孔３を反射照明して撮像しているため、撮像画像２０１〜２０３には、ノズル孔３の表面（ノズル面５）および内周面４に付着した異物５０が明るく、ノズル孔３の内部が暗く表示されている。また、リング照明１４の光量が多く照射された部分ほどより明るく表示されている。

撮像画像２０１は、照射光Ｘを集光点１０１に集光させた状態でノズル孔３を撮像したものである。異物５０ａ，５０ｂ，５０ｃは、同図（ａ）に示すように、ノズル孔３の内周面４の深度の異なった位置に付着しており、撮像画像２０１には、照射光Ｘが最も明るく照明した位置に付着している異物５０ａが、その他の異物５０ｂ，５０ｃよりも、鮮明に撮像されている。撮像画像２０２，２０３は、照射光Ｘをそれぞれ集光点１０２，１０３に集光させた状態でノズル孔３を撮像したものであり、撮像画像２０１と同様、それぞれ照射光Ｘが最も明るく照明した位置に付着している異物５０ｂ，５０ｃが、その他の異物よりも、鮮明に撮像されている。このように、ミラー部１６の反射角度を可変することによって、撮像カメラ１３をノズル孔３の表面位置にフォーカスしたままで、深度方向において付着位置の異なる異物５０を撮像することができる。

続いて、撮像画像２０１〜２０３を二値化処理し、ノズル孔３の輪郭および内周面４に付着した異物５０ａ，５０ｂ，５０ｃの輪郭を強調させる。二値化処理された処理画像は、ノズル孔３の表面（ノズル面５）および最も鮮明に撮像された異物５０が白く、ノズル孔３の内部およびその他の異物５０が黒く処理される。

上記の画像処理工程において得られた３つの処理画像を合成させて、１つの検体画像を生成する（画像合成工程）。図６（ｃ）に示すのは、この画像合成工程において生成された検体画像である。付着位置の深度が異なった３つの異物５０ａ，５０ｂ，５０ｃが、ノズル孔３の輪郭に対して、等しく鮮明に表示されている。

１つのノズル孔３に対して、検体画像が生成されると、制御装置は、検体画像を取り込んで異物の有無を認識する。実際の認識では、処理画像に基づいて異物の大きさを測定し、所定の大きさ（閾値）を越える大きさの異物（インク吐出に影響する大きさ）が認識された場合、「異物有り」の判定を行う。

以上の工程が終了すると、Ｚ軸テーブル１５によって撮像カメラ１３およびリング照明１４が上昇してインクジェットヘッド１のノズルプレート２から離され、Ｘ軸テーブル２２およびＹ軸テーブル２３によりインクジェットヘッド１が移動し、次の検査対象となるノズル孔３が撮像カメラ１３の真下に配置される。上記の工程を繰り返して、インクジェットヘッド１の全ノズル孔３に対して孔内検査が行われる。

上記の孔内検査方法によれば、撮像カメラ１３のフォーカス位置をノズル孔３の表面位置に固定したまま、充分な光量でノズル孔３内を照明して撮像できるため、深さ方向において異物が孔内のどの位置にあっても、孔と異物とを比較的鮮明に撮像することができる。撮像カメラ１３のフォーカス位置を一つのノズル孔３に対して何度も変化させる必要が無く、簡単な画像処理で付着深度の異なる異物の有無を検査することができるため、孔内検査の工程を減らし作業効率をあげることができる。

１：インクジェットヘッド ２：ノズルプレート ３：ノズル孔 １３：撮像カメラ １４：リング照明 ２０：ミラーユニット １６：ミラー部 １７：反射角度可変機構 ３０：ミラー片 ４１：ミラー片傾動リング ４２：傾動リング昇降機構 ４４：基点部材

Claims (3)

1. 検査対象物に形成した孔の内周面に付着した異物を検査する孔内検査方法であって、
   前記検査対象物の表面位置にフォーカスした状態で、前記孔を画像認識する撮像カメラと、
   撮像カメラに周設され前記孔を照明するリング照明と、
   前記リング照明の照射光を、前記撮像カメラの光軸上における所定の深度範囲に集光し、前記光軸を中心に周方向にコーン状に並べた扇状の複数のミラー片を有し、前記照射光を反射するミラー部と、前記複数のミラー片の反射角度を可変する反射角度可変機構と、を備えたミラーユニットと、
   を用い、
   前記反射角度可変機構を操作して前記反射角度を段階的に可変させると共に、前記撮像カメラにより前記反射角度毎に前記孔を撮像する撮像工程と、
   撮像した前記反射角度毎の前記孔の画像を画像処理して、前記孔の輪郭および異物を強調した複数の前記孔の処理画像を生成する画像処理工程と、
   複数の前記孔の処理画像を合成して、検体画像を生成する画像合成工程と、を備えたことを特徴とする孔内検査方法。
2. 前記反射角度可変機構は、
   前記複数のミラー片の遠位端側を基点とし、近位端側を拡開および狭窄させて前記反射
   角度を可変することを特徴とする請求項１に記載の孔内検査方法。
3. 前記反射角度可変機構は、
   前記複数のミラー片の遠位端側をそれぞれ回動自在に支持する基点部材と、
   前記光軸と同軸上に配設され、前記複数のミラー片を外側から囲繞すると共に、前記光
   軸方向に進退自在に構成されたリング状のミラー片作動部材と、
   前記ミラー片作動部材を前記光軸方向に進退させる進退動機構と、を有していることを
   特徴とする請求項２に記載の孔内検査方法。

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