JP5724132B2

JP5724132B2 - 表面検査装置

Info

Publication number: JP5724132B2
Application number: JP2010199830A
Authority: JP
Inventors: 堀内　一宏; 一宏堀内
Original assignee: Kirin Techno System Co Ltd
Current assignee: Kirin Techno System Co Ltd
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: JP2012058011A; WO2012033022A1

Description

本発明は、被検査物の表面を検査光で走査してその表面からの反射光を受光し、その反射光の光量に基づいて表面状態を検査する表面検査装置に関する。

円筒状の被検査物の内外周面に対して検査ヘッドから検査光を照射してその表面を検査する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このような装置においては、検査ヘッドと被検査物とが相対的に回転することで全周面の表面が検査されている。

特開２０１０−１３９４３２号公報

被検査物によっては、内外周面の軸線方向に沿って曲面が形成されるものがある。従来の検査装置では円筒形状の被検査物に対し同軸上に検査ヘッドを配置し、被検査物か検査ヘッドのいずれかを相対的に回転させることにより表面の全周を検査しているが、このような被検査物の検査はできない。従って、作業者の目視による検査をせざるを得ず作業者にかかる負荷が大きい。

そこで、本発明は被検査物の表面の曲率に応じた検査ヘッドの動作が可能な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は、円筒形状で、その内周面又は外周面の少なくともいずれか一方に軸線方向に沿って形成された曲面（１００ａ）を有する被検査物（１００）をその中心軸線の周りに回転自在に支持する被検査物支持手段（６）と、外周に設けられた開口部（１１ａ）から検査光を射出する検査ヘッド（４）と、を有し、前記検査ヘッドが前記被検査物の内周面又は外周面の曲面に向けて検査光を照射し、その反射光の光量に基づいて前記被検査物の表面を検査する表面検査装置（１）であって、前記被検査物の表面に対し、前記曲面の曲率中心（Ｏ）を中心として前記検査ヘッドを回転駆動させる検査ヘッド駆動手段（５）を備え、前記検査ヘッド駆動手段には、前記検査ヘッドを保持固定する固定部材（２１）と、前記固定部材を前記曲面の曲率中心の周りに案内するための案内部（２２）と、が設けられ、前記案内部は、前記固定部材を前記曲面の曲率中心の周りに案内する円弧状の円弧ガイドを有することにより上記課題を解決する。

本発明の表面検査装置によれば、被検査物の外周面又は内周面に形成された曲面に対して、その曲率中心を中心として検査ヘッドが回転する。被検査物は軸線中心の周りに回転するので検査ヘッドが曲率中心の周りに回転することにより検査ヘッドは曲面に対して焦点距離を一定に保つことができ、曲面の全周面を検査することができる。従って、曲面を有する被検査物に対しても検査ヘッドによる走査が可能となり、装置による自動検査が可能となる。よって、作業者の負荷軽減が図られるとともに、検査結果のばらつきを防止して傷の大きさの定量的な判定ができる。また、円弧ガイドに沿って検査ヘッドが移動するので、検査ヘッドは曲率中心の周りを回転することができる。

固定部材と円弧ガイドが設けられた形態において、前記案内部は、前記円弧ガイドに沿った移動が可能なように前記固定部材を支持する支持部材（２３）と、前記円弧ガイドが形成する円弧の接線方向に前記支持部材を駆動させる駆動機構（２４）と、をさらに有し、前記支持部材には、前記駆動機構によって駆動される支持板（２３ａ）と、前記支持板に設けられ、前記接線方向に対して垂直方向に案内するレール（２３ｃ）及び前記レールに沿って移動可能なスライダ（２３ｄ）を有するリニアガイド（２３ｂ）と、が設けられ、前記固定部材は、前記スライダに対して回転可能に支持されていてもよい。この形態によれば、駆動機構の駆動により、円弧ガイドの位置に応じてリニアガイドのスライダが移動しつつ円弧に合わせるように固定部材が回転する。従って、曲率中心の周りに検査ヘッドを回転させることができる。

固定部材と円弧ガイドが設けられた形態において、前記固定部材は、前記曲面の曲率中心に対して前記検査ヘッドの開口部と前記曲面とが互いに向かい合うように前記検査ヘッドを保持固定してもよい。この形態によれば、曲面に対して一定の焦点距離を保ちながら検査ヘッドが移動できる。検査面となる曲面が被検査物の内周面又は外周面のいずれに形成されていても検査ヘッドの固定位置を調整することで曲面の検査が可能となる。

本発明の表面検査装置の一形態において、前記検査ヘッドには、外周に開口部が設けられたヘッド筒（１１）と、前記ヘッド筒の内部に設けられ、前記ヘッド筒の軸線（ＡＸ）方向に進入した検査光の光路を前記開口部に向けて変更し、かつ被検査物の表面における前記検査光の反射光の光路を前記ヘッド筒の前記軸線方向に沿って前記検査光と逆向きに変更する光路変更手段（１２）と、検査光の光路上に設けられるレンズ（１３）と、前記ヘッド筒と同軸上に設けられ、前記レンズを前記光路変更手段と前記軸線方向に対して相対的に変位可能に保持するレンズ保持筒（１４）と、が設けられていてもよい。この形態によれば、レンズ保持筒を軸線方向に移動させるとレンズと光路変更手段との間の距離が変更される。これによりレンズから曲面の検査位置までの距離を変更できるので、被検査物の内径や曲面の曲率に変更があった場合にも焦点距離の調整や光量の適正化が可能である。

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、説明したように、本発明の表面検査装置においては、被検査物の外周面又は内周面に形成された曲面に対して、その曲率中心を中心として検査ヘッドが回転する。被検査物は軸線中心の周りに回転するので検査ヘッドが曲率中心の周りに回転することにより検査ヘッドは曲面に対して焦点距離を一定とすることができ、曲面の全周面を検査することができる。従って、曲面を有する被検査物に対しても検査ヘッドによる走査が可能となり、装置による自動検査が可能となる。よって、作業者の負荷軽減が図られるとともに、検査結果のばらつきを防止して傷の大きさの定量的な判定ができる。

本発明の一形態に係る表面検査装置の正面概略図。駆動ユニットの側面拡大図。玉軸受の外輪の軌道面の検査に関する動作を説明する図。図３に続く動作を説明する図。玉軸受の内輪の軌道面の検査に関する動作を説明する図。図４に続く動作を説明する図。検査ヘッドの拡大図。

図１に本発明の一形態に係る表面検査装置の正面概略図を示す。表面検査装置１は、被検査物１００の内周面又は外周面を検査するための検査機構２と、検査機構２の動作制御や測定結果の処理等を実行するための制御部３とを備えている。検査機構２は、被検査物１００に対して検査光を投光し、その反射光を受光するための検査ヘッド４と、検査ヘッド４を駆動するための検査ヘッド駆動手段としての駆動ユニット５と、被検査物１００を支持するための被検査物支持手段としての支持ユニット６とを有する。被検査物１００は、玉軸受の外輪１００Ａ及び内輪１００Ｂである。外輪１００Ａ及び内輪１００Ｂの表面にはそれぞれ玉と接触する曲面としての軌道面１００ａが設けられている。

図７に検査ヘッド４の拡大図を示す。検査ヘッド４は、外周に開口部１１ａが設けられたヘッド筒１１と、ヘッド筒１１の内部に設けられた光路変更手段としてのミラー１２と、検査光の光路上に設けられるレンズ１３と、レンズ１３を保持するレンズ保持筒１４と、図示しないレーザーダイオード及びフォトディテクタと接続されて検査光が導かれる投受光ファイバ１５と、投受光ファイバ１５をレンズ保持筒１４に固定するフェルール１６とを備える。レンズ保持筒１４は、ヘッド筒１１の内部に同軸に設けられ、レンズ保持筒１４のレンズ１３とヘッド筒１１のミラー１２とが相対的に変位可能となるようにレンズ保持筒１４がヘッド筒１１内を移動できるように構成される。投受光ファイバ１５から検査光が検査ヘッド４の軸線ＡＸ方向に射出されると、レンズ１３により集光されつつミラー１２により検査光の光路が開口部１１ａに向けて変更され、被検査物１００の軌道面１００ａに投光される。軌道面１００ａで反射した反射光は再びミラー１２によりその光路がヘッド筒１１の軸線ＡＸ方向に沿って検査光と逆向きに変更され、レンズ１３により投受光ファイバ１５へ集光される。検査光及び反射光は、検査ヘッド４の先端部に設けられた開口部１１ａを介して検査ヘッド４内外を出入し、ミラー１２は開口部１１ａと対向するように設けられる。

図１及び図２を参照して駆動ユニット５の説明をする。図２は、駆動ユニット５の側面拡大図である。駆動ユニット５は、検査ヘッド４を保持固定する固定部材としてのヘッドキーパー２１と、ヘッドキーパー２１を案内する円弧ガイド２２と、ヘッドキーパー２１を支持して駆動するためのヘッドホルダー２３と、ヘッドホルダー２３を所定方向へ往復運動させる駆動機構としての一軸ステージ２４とを備えている。ヘッドキーパー２１には検査ヘッド４が取り付けられる。ヘッドキーパー２１は、駆動ユニット５に対して検査ヘッド４を保持固定する。ヘッドキーパー２１は、検査ヘッド４を着脱可能に構成される。円弧ガイド２２には、円弧を描くように形成されたガイド溝２２ａが設けられている。円弧ガイド２２は、ガイド溝２２ａに沿ってヘッドキーパー２１を案内する。このためガイド溝２２ａは、被検査物１００の軌道面１００ａが形成する曲率中心を中心としてその周りを検査ヘッド４が回転移動するようにヘッドキーパー２１を案内する。一方、ヘッドキーパー２１には、ガイド溝２２ａに案内されるカムフォロア２１ａ、２１ｂが設けられている。カムフォロア２１ａは、ヘッドキーパー２１に設けられ、カムフォロア２１ｂは、カムフォロア２１ａと相対的に移動可能な構成を有しており、円弧ガイド２２に応じて調整ができる。なお、本形態においては、各カムフォロア２１ａ、２１ｂは、２つずつ設けられている。

ヘッドホルダー２３には、支持板２３ａと、支持板２３ａに固定され、ヘッドキーパー２１が円弧ガイド２２のガイド溝２２ａに沿った移動を可能にするリニアガイド２３ｂとが設けられている。支持板２３ａは長方形の板状部材である。支持板２３ａの長手方向の一端側は、後述する一軸ステージ２４に固定される。その他端側には、リニアガイド２３ｂが固定される。リニアガイド２３ｂは、レール２３ｃと、レール２３ｃに沿って移動可能なスライダ２３ｄとを有し、支持板２３ａの長手方向、つまり、一軸ステージ２４の移動方向に対して垂直方向、に向けてレール２３ｃが配置され、そのレール２３ｃに沿ってスライダ２３ｄが移動する。スライダ２３ｄにはヘッドキーパー２１が軸２３ｅの周りに回転可能に支持される。一軸ステージ２４は、円弧ガイド２２の描く円弧に対し、接線方向に向けてレール２４ａが配置され、そのレール２４ａに沿って移動するテーブルに支持板２３ａが固定される。一軸ステージ２４の駆動により支持板２３ａが移動すると、ヘッドキーパー２１は、リニアガイド２３ｂの動作により円弧ガイド２２のガイド溝２２ａに沿ってカムフォロア２１ａ、２１ｂを移動させることができる。

支持ユニット６は、被検査物１００を支持する支持台３１と、支持台３１を回転駆動する駆動源３２と、駆動源３２に取り付けられるエンコーダ３３とを備えている。支持台３１は、被検査物１００を載せてその軸線の周りに回転可能に設けられる。支持台３１は、駆動源３２により回転駆動が可能であり、駆動源３２の回転に関する物理量は取り付けられたエンコーダ３３により検出される。

制御部３は、表面検査装置１による検査工程の管理、検査ヘッド４の測定結果の処理、駆動ユニット５の各部の動作の制御処理、検査ヘッド４のフォトディテクタの出力信号に対する所定の処理等が行われる。制御部３は、パーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータ機器を利用して構成することができ、各種処理を実行するためのコンピュータプログラムや測定されたデータ等を記憶する記憶部と、作業者が指示を入力するためのキーボード、マウス等の入力機器と、測定結果等を提示するためのモニタ等の出力機器とが設けられている。制御部３は、測定結果の処理により軌道面１００ａの二次元画像を生成し、さらに、エッジ処理や二値化処理等を施すことにより検出すべき欠陥等を強調した画像を得ることができる。制御部３は、得られた画像を所定のアルゴリズムで処理することにより、軌道面１００ａに許容限度を超える欠陥等が存在するか否か等を判定し、判定結果を出力する。なお、制御部３の構成については、周知技術を利用して構成することができる。

表面検査装置１において、被検査物１００の軌道面１００ａの検査に関する動作を図３及び図４を参照して説明する。表面検査装置１の支持台３１には、被検査物１００である玉軸受の外輪１００Ａが設置される。外輪１００Ａは、支持台３１の回転軸線の周りに回転可能となるように外周側にて支持固定される。検査対象となる玉軸受の外輪１００Ａ及び内輪１００Ｂの軌道面１００ａは、玉軸受において非常に重要な部位であり、傷の存在は玉軸受の破損事故の原因となり得る。従来、このような軌道面１００ａの検査は、作業者による目視検査によっている。作業者による検査では、傷の判定にばらつきが生じることがあり、また、微細な傷まで発見することは容易ではない。このため、作業者にかかる負荷が大きく、長時間の検査を強いることはできないため、検査に要するコストが増大し、検査における負担となっている。

そこで、本発明の表面検査装置１では、このような曲率を有する軌道面１００ａの検査を可能とすることで作業者の負荷を減らし、コスト削減を可能とする。また、傷の大きさについて定量的な判定が可能となり、軌道面１００ａの様子を二次元画像にて確認することもできる。図３に示すように、外輪１００Ａの軌道面１００ａの検査をする場合、検査ヘッド４は、外輪１００Ａの内周面に挿入され、その軌道面１００ａを検査する。検査ヘッド４は、軌道面１００ａの曲率中心Ｏを中心として検査ヘッド４の開口部１１ａと軌道面１００ａとが向かい合うように設置され、曲率中心Ｏの周りを回転するように円弧ガイド２２に案内される。つまり、一軸ステージ２４のレール２４ａに沿って支持板２３ａが移動すると、支持板２３ａと軸２３ｅを介して回転可能に接続されたヘッドキーパー２１が円弧ガイド２２に沿って移動する（図４）。このとき、ヘッドキーパー２１のカムフォロア２１ａ、２１ｂは円弧ガイド２２のガイド溝２２ａに沿って移動するが、ガイド溝２２ａが円弧を描いているので、リニアガイド２３ｂが支持板２３ａの長手方向に軸２３ｅを介してヘッドキーパー２１を案内することで、ガイド溝２２ａに沿った移動ができるようにしている。

制御部３は、駆動源３２に取り付けられたエンコーダ３３の出力信号と一軸ステージ２４の出力信号とを取り込んでそれぞれ支持台３１の回転速度と検査ヘッド４の円弧運動速度を同期させる。外輪１００Ａは支持台３１の軸線中心の周りに回転するので検査ヘッド４が軌道面１００ａの曲率中心Ｏの周りに回転することにより、検査ヘッド４は軌道面１００ａに対して焦点距離を一定とすることができ、軌道面１００ａの全周面に検査光を投光することができる。そして、その反射光を取得して制御部３が二次元画像を生成し、これに基づいて軌道面１００ａの傷の有無を判断する。

図５及び図６を参照して玉軸受の内輪１００Ｂの軌道面１００ａの検査に関する動作の説明を外輪１００Ａの検査と異なる点を中心に説明する。表面検査装置１の支持台３１に、玉軸受の内輪１００Ｂが設置される。内輪１００Ｂの軌道面１００ａは外周側となるので内周側で内輪１００Ｂを固定している。検査ヘッド４と軌道面１００ａとは、曲率中心Ｏに対して向かい合うように設置される。つまり、図３及び図５を比較して明らかなように外輪１００Ａの検査と異なり、曲率中心Ｏに対して配置される位置が逆向きとなっている。検査ヘッド４の配置は、ヘッドキーパー２１の変更にて対応可能である。ヘッドキーパー２１に対して検査ヘッド４の位置を調整可能に構成してもよいし、ヘッドキーパー２１自体をヘッドホルダー２３に対して着脱可能として外輪１００Ａ又は内輪１００Ｂに対応したヘッドキーパー２１を検査対象に応じて付け替えるように構成してもよい。このような構成とすることで、外輪１００Ａと同様にして内輪１００Ｂについても軌道面１００ａの全周を検査することができる（図６）。

本発明の表面検査装置１は、内径や軌道面１００ａの曲率が異なる様々な種類の玉軸受に対して適用が可能である。図７を参照して、曲率の異なる軌道面１００ａに対する検査を説明する。図７において、向かって左側の軸受１００Ｃと比較して右側の軸受１００Ｄは小さく、従って曲率も大きい。なお、左右の検査ヘッド４の構成は同様である。検査ヘッド４に用いられるレンズ１３によって焦点距離は定められているので、軸受１００Ｄのように曲率が大きい場合には、ミラー１２とレンズ１３とを遠ざけるようにレンズ保持筒１４を軸線ＡＸ方向に距離ｄだけ移動させて焦点を調整することができる。また、曲率が異なることにより検査光の反射光の光量が異なるため、これを調整するためにもレンズ保持筒１４を移動させることによるレンズ１３の位置の調整が有効である。レンズ１３は、レンズ保持筒１４の先端部に固定されているので、レンズ保持筒１４を移動させるだけで焦点距離の調整が可能であり、簡易な構成で実現が可能である。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本形態では、被検査物１００として玉軸受の外輪１００Ａ及び内輪１００Ｂで説明したがこれに限られない。軌道面１００ａのように曲率を有する円筒状の各種部材に対して本発明の表面検査装置１を適用することができる。また、ヘッドホルダー２３を駆動するための駆動機構として一軸ステージ２４で説明したがこれに限られない。ヘッドキーパー２１を円弧ガイド２２に沿って移動できるようにヘッドホルダー２３及び一軸ステージ２４が構成されていればよく、一軸ステージ２４に限られず二軸ステージ等の周知の各種駆動機構を適用させることができ、これに合わせてヘッドホルダー２３の構成を変更してよい。

１表面検査装置
３制御部
４検査ヘッド
５駆動ユニット（検査ヘッド駆動手段）
６支持ユニット（被検査物支持手段）
１３レンズ
１４レンズ支持筒
２１ヘッドキーパー（固定部材）
２２円弧ガイド
２３ヘッドホルダー（支持部材）
２４一軸ステージ（駆動機構）
３１支持台
１００被検査物
１００Ａ外輪
１００Ｂ内輪
１００ａ軌道面（曲面）

Claims

円筒形状で、その内周面又は外周面の少なくともいずれか一方に軸線方向に沿って形成された曲面を有する被検査物をその中心軸線の周りに回転自在に支持する被検査物支持手段と、外周に設けられた開口部から検査光を射出する検査ヘッドと、を有し、前記検査ヘッドが前記被検査物の内周面又は外周面の曲面に向けて検査光を照射し、その反射光の光量に基づいて前記被検査物の表面を検査する表面検査装置であって、
前記被検査物の表面に対し、前記曲面の曲率中心を中心として前記検査ヘッドを回転駆動させる検査ヘッド駆動手段を備え、
前記検査ヘッド駆動手段には、前記検査ヘッドを保持固定する固定部材と、前記固定部材を前記曲面の曲率中心の周りに案内するための案内部と、が設けられ、
前記案内部は、前記固定部材を前記曲面の曲率中心の周りに案内する円弧状の円弧ガイドを有する表面検査装置。
前記案内部は、前記円弧ガイドに沿った移動が可能なように前記固定部材を支持する支持部材と、前記円弧ガイドが形成する円弧の接線方向に前記支持部材を駆動させる駆動機構と、をさらに有し、
前記支持部材には、前記駆動機構によって駆動される支持板と、前記支持板に設けられ、前記接線方向に対して垂直方向に案内するレール及び前記レールに沿って移動可能なスライダを有するリニアガイドと、が設けられ、
前記固定部材は、前記スライダに対して回転可能に支持されている請求項１に記載の表面検査装置。
前記固定部材は、前記曲面の曲率中心に対して前記検査ヘッドの開口部と前記曲面とが互いに向かい合うように前記検査ヘッドを保持固定する請求項１又は２に記載の表面検査装置。
前記検査ヘッドには、外周に開口部が設けられたヘッド筒と、前記ヘッド筒の内部に設けられ、前記ヘッド筒の軸線方向に進入した検査光の光路を前記開口部に向けて変更し、かつ被検査物の表面における前記検査光の反射光の光路を前記ヘッド筒の前記軸線方向に沿って前記検査光と逆向きに変更する光路変更手段と、検査光の光路上に設けられるレンズと、前記ヘッド筒と同軸上に設けられ、前記レンズを前記光路変更手段と前記軸線方向に対して相対的に変位可能に保持するレンズ保持筒と、が設けられている請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面検査装置。