JP6948747B2 - 検査システム - Google Patents

Description

本発明は、検査ヘッドから被検査物に検査用のレーザー光を照射して表面を検査する検査システムに関するものである。

日本国特開２００７−３１５８２１号公報には、先端にミラーが設けられた軸状の検査ヘッドを駆動機構により軸線の回りに回転させつつ軸線に沿って移動させるとともに、検査ヘッド内に前記軸線に沿って入射した検査光の光路をミラーにより変更し、光路が変更された検査光を被検査物に照射し、被検査物で反射して検査ヘッド内に再度入射した検査光の光量に基づいて検査物の表面状態を検出する表面検査装置において、検査ヘッドが、駆動機構に取り付けられるヘッド本体と、そのヘッド本体に対して着脱可能に設けられ且つミラーを保持する保持部と、を備えることが記載されている。

中空のプローブを有する検査ヘッドにおいて、検査ヘッドの光学系に汚れが付着し、検査精度の低下や、汚れの除去に要する時間により、検査対象物（被検査物）の表面検査に支障をきたす可能性が指摘されている。

本発明の一態様は、中心軸に沿って棒状に延び、中心軸の周りに回転する中空のプローブと、プローブを通じて、中心軸に沿って検査用のレーザー光を供給し、中心軸に沿って戻された被検査物の表面からの反射光を受ける光学システムと、プローブの先端の開口を介して中心軸に対して、検査用のレーザー光を被検査物に向けて出射するとともに反射光を中心軸方向に導く光学素子と、プローブを通じて開口から気体を放出するガス供給システムとを有する検査システムである。先端に開口を備えたプローブの内部に空気などのガスを供給して開口から放出させることにより、プローブの先端に設けられた光学素子の汚染を抑制できる。さらに、プローブを通じて光学システムが汚染されることを未然に防止できる。したがって、検査システムを被検査物あるいは検査対象の表面に存在する塵などの汚染の要因となるものから保護することが可能となる。このため、検査システムにより、検査対象物の表面の検査を精度よく、安定して行うことができる。

検査システムは、プローブを支持し、回転駆動されるホルダーと、ホルダーの内部に同軸状に設けられた中空で、ホルダーとの間にベアリングユニットが配置された内筒部と、内筒部を介してプローブに挿入された非回転の光ファイバー（光ファイバー束）とを含んでもよい。ガス供給システムは、ベアリングユニットとの干渉を避けて、内筒部を介してプローブ内に流体が通るように繋がるガス供給路を含んでもよい。

検査システムは、光ファイバーを覆う円筒状の鞘管であって、スリーブを介して内筒部に接続された鞘管と、鞘管の先端に取り付けられたレンズを含んでもよい。ガス供給路は、スリーブの一部を切り欠いて内筒部の内部と、プローブの内側で鞘管の外側の領域とを接続する接続路を含んでもよい。

検査システムは、プローブを含む検査ヘッドを中心軸の周りに回転させる駆動ユニット、例えばモータ、を有してもよい。被検査物は、プローブが挿入される中空部分を含み、プローブと被検査物とを中心軸に沿って相対的に移動する移動ユニットをさらに有していてもよい。

検査装置の概要を示す斜視図。 検査装置の概略構成を示す断面図（ＩＩ−ＩＩ断面図）。 検査ヘッドの概略構成を示す断面図であり、図３（ａ）は、主な構成部品をハッチングで示し、図３（ｂ）は、パージ用の空気の経路をハッチングにより示す。 図３に示す検査ヘッドの先端の構成を拡大して示す断面図。 スリーブを貫通する供給路を示す図。

発明の実施の形態

図１に、検査装置（検査システム）１の外観を示し、図２に、検査装置１の概略の構成を、断面を用いて示している。この検査装置（表面検査装置）１は、被検査物２に設けられた孔、凹みなどの中空部分３の内面４の形状または状態を検査するために適している。

検査装置１は、中心軸１１に沿って棒状に延びた中空の検査ヘッド１０と、検査ヘッド１０を中心軸１１の周りに回転させる駆動ユニット（回転ユニット）２０と、検査ヘッド１０内を通じて、中心軸１１に沿って検査用のレーザー光を供給し、中心軸１１に沿って戻された被検査物２の表面４からの反射光を受光する光学システム３０と、検査ヘッド１０と被検査物２とを中心軸１１に沿って相対的に移動する移動ユニット２５と、回転ユニット２０、光学システム３０および移動ユニット２５を内蔵するハウジング５とを含む。

この検査装置１は、検査ヘッド１０を被検査物２に対して移動する移動ユニット２５を含む。本例の移動ユニット２５は、検査ヘッド１０、回転ユニット２０および光学システム３０を搭載したキャリッジ２８と、キャリッジ２８を前後（図２の左右）に動かすボールねじ２６および移動用のモータ２７の組み合わせとを含む。移動ユニット２５の構成は一例であり、スライダー、移動テーブルなどであってもよい。移動ユニット２５により、検査ヘッド１０はハウジング５から前方に突き出た位置Ｐ１と、検査ヘッド１０がハウジング５の内部に退避する位置Ｐ２とに移動する。検査ヘッド１０を前後に動かす代わりに、あるいは検査ヘッド１０を前後に動かすとともに被検査物２を、ロボット等を用いて動かしてもよい。

検査装置１は、移動ユニット２５のキャリッジ２８に固定され、検査ヘッド１０を内側から支持する支持ユニット７０を有する。検査ヘッド１０は、固定された支持ユニット７０に対して回転するように装着されたホルダー１８と、ホルダー１８から中心軸（回転軸、軸心）１１に沿って前方６に突き出た中空のプローブ１２とを含む。

ホルダー１８を回転駆動する回転ユニット２０の一例は、キャリッジ２８に搭載されたモータ２１である。モータ２１により駆動されるプーリ２２が、検査ヘッド１０の回転部であるホルダー１８と駆動ベルト（タイミングベルト）２３で接続されており、モータ２１が駆動ベルト２３を介して検査ヘッド１０のホルダー１８を中心軸１１の周りに（中心軸１１を回転中心として）高速で回転する。このため、ホルダー１８に固定されたプローブ１２も高速、例えば、２０００ｒｐｍで回転する。

光学システム３０は、検査用のレーザー光を生成する半導体レーザー（レーザーダイオード、ＬＤ）３１と、反射光を受光する受光素子（例えば、フォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）３２と、半導体レーザー３１の駆動回路、受光素子３２で受信した信号を処理する回路などを含む制御ユニット３３とを含む。光学システム３０で受信した信号は制御ユニット３３を介して不図示のコンピュータ（パーソナルコンピュータ）に送られて、さらにデータ処理され、被検査物２の表面４の解析に用いられる。光学システム３０は、さらに、プローブ１２の内部に挿入された光ファイバー３５を含む。

検査装置１は、さらに、キャリッジ２８に固定された支持ユニット７０を介してプローブ１２の内部に、気体として空気を供給するガス供給システム（空気供給システム）８０を含む。空気源は、工場所内の制御用の圧縮エアーであってもよく、検査装置１の近傍にエアーボンベ、コンプレッサーなどの圧縮空気を生成する空気源を用意してもよい。空気供給システム８０に供給される空気は、油分や水分などがフィルターやドライヤーにより除かれた不純物の少ない空気であることが望ましい。ガス供給システム８０により供給されるガスは、窒素、アルゴンなどの不活性気体であってもよい。

図３に検査ヘッド１０およびそれを支持する支持ユニット７０の組み合わせ９０を抜き出して、その概略構成を、断面を用いて示している。図３（ａ）は、内部の構造を断面で示し、図３（ｂ）は、ガスとしての空気８９を供給するガス供給路（空気供給路）８１〜８７を、ハッチングを用いて示している。図４に、検査ヘッド１０の先端のプローブ１２の構成を拡大した断面を用いて示している。

検査ヘッド１０は、全体として回転軸１１に沿って延びた中空の円筒体であり、基部となる非回転の支持ユニット７０に対してベアリングユニット１７を介して回転するように同軸上に取り付けられている。検査ヘッド１０は、支持ユニット７０の非回転の内筒部７１の外側にベアリングユニット１７を介して回転するように取り付けられた円筒状のホルダー（ホルダー部、回転部）１８と、ホルダー１８に支持され、ホルダー１８から中心軸１１に沿って先端（前方）に向かって延びた中空のプローブ（挿入部、ニードル部）１２とを含む。検査ヘッド１０を支持する支持ユニット７０は、ホルダー１８の内部に同軸状に設けられた中空で、ホルダー１８との間にベアリングユニット１７が配置された内筒部７１と、内筒部７１の基端（プローブ１２と反対側）に接続された中空の支持筒７３とを含む。

ホルダー１８は、駆動ベルト２３を介して回転力が伝達される比較的太い駆動部１５と、前方に延びたプローブ１２を支持する接続部（コレット）１６と、コレット１６を押さえるフランジ部１４とを含む。検査ヘッド１０は、ホルダー１８のフランジ部１４の中心から先端（前方）に向かって延びたプローブ１２の先端１２ａに、半径方向に向いた開口（切り欠き）１３を有する。光学システム３０は、プローブ１２の先端１２ａに設けられた開口１３を介して検査用のレーザー光（プローブ光）６１が被検査物２の中空部分３の表面４に向けて出射され、被検査物２の表面４からの反射光６２がプローブ１２から検査ヘッド１０に戻されるように構成されている。

検査ヘッド１０の内部には、中心軸１１に沿ってプローブ光６１と反射光６２とを導く光ファイバー（光ファイバー束）３５が挿入されている。光ファイバー束３５は複数のファイバーのバンドルであり、ＬＤ３１から射出されるプローブ光６１を被検査物２に向かって導く投光ファイバー３５ａと、被検査物２からの反射光６２を受光素子３２へ導く受光ファイバー３５ｂとを含んでもよい。

さらに、検査装置１は、検査ヘッド１０の内部に、光ファイバー３５を束ねた状態で保持する円筒状の鞘管（保持筒）３４を含む。鞘管３４の先端にはレンズ３６が取り付けられている。鞘管３４は回転せず、回転するプローブ１２およびホルダー１８の内部を中心軸１１に沿って貫通し、回転しない支持ユニット７０の内筒部７１にスリーブベアリング７５を介して接続されている。光ファイバー３５は、さらに、内筒部７１および支持筒７３を通って後方の半導体レーザー３１および受光素子３２に接続される。したがって、この検査ヘッド１０においては、鞘管３４および光ファイバー３５は回転せず、外側の検査ヘッド１０が回転することにより、プローブ１２の先端１２ａの光学素子５０を介して検査光６１を中空の部分３の表面に向けて回転しながら出射する。

プローブ１２は、ホルダー１８のフランジ部１４から中心軸１１に沿って前方に延び、先端（先端近傍）１２ａにプローブ光６１の出射方向を制御する光学素子５０が取り付けられている。光学素子５０の一例は平面鏡であり、プリズムなどの他の光の出射方向および入射方向を制御できる反射面または屈折面を有する光学素子であってもよい。本例の検査装置１においては、光学素子５０の鏡面（反射面）５１の角度が４５度に設定され、光ファイバー３５から中心軸１１を光軸として出射されるプローブ光６１を、中心軸（光軸）１１に対して直交する方向に出射する。また、光学素子５０の鏡面５１により、検査対象の内面４から反射される光（反射光）６２を中心軸１１の光ファイバー３５の方向に反射する。

鞘管３４の先端に取り付けられたレンズ３６の一例は、光ファイバー３５の先端から出力されたプローブ光６１を、反射面５１を介して検査対象面４に集光するために適した焦点距離を有する対物レンズ（調光レンズ）である。調光レンズ３６は、反射面５１を介して検査ヘッド１０に導入された反射光６２を光ファイバー３５の先端に集光する機能も含む。検査ヘッド１０の中心軸１１に沿ってプローブ光６１を供給し、反射光６２を検出する光学システム３０は、光ファイバー３５を使用したものに限定されず、ダイクロイックプリズムなどを備えた、光ピックアップなどとして公知の他の光学系であってもよい。

検査装置１は、さらに、プローブ１２の内部にパージ用のガス、典型的には空気８９を供給するガス供給システム８０を含む。ガス供給システム（空気供給システム）８０を構成するガス供給路（空気供給路）８１〜８７を図３（ｂ）にハッチングにより示している。空気供給システム８０は、固定された支持ユニット７０の支持筒部７３の外側ブロック７３ａを貫通する第１の供給路８１と、支持筒部７３の中空の内側ブロック７３ｂとの間に形成されたバッファ領域８１ａと、内側ブロック７３ｂを貫通してバッファ領域８１ａと内側ブロック７３ｂの内部、すなわち、支持筒部７３の内部とを接続する第２の供給路８２とを含む。これらの供給路８１〜８２により支持筒部７３の内部（内側ブロック７３ｂの内部）に供給された空気８９は、支持筒部７３の内部の光ファイバー３５との隙間を第３の供給路８３として流れ、さらに、支持ユニット７０の内筒部７１の内部の光ファイバー３５との隙間を第４の供給路８４として流れる。

図５に示すように、空気供給システム８０は、さらに、支持ユニット７０の内筒部７１と鞘管３４とを接続するスリーブ７５の一部を切り欠いて、内筒部７１の内部の流路８４と、プローブ１２の内部で鞘管３４の外側の領域８６とを接続する接続路（第５の供給路）８５を含む。したがって、パージ用の空気８９は、内筒部７１の内部の第４の供給路８４から、接続路８５を介して、プローブ１２の内部の第６の供給路８６に供給される。図５において、接続路８５をスリーブ７５の内側を切り欠いて形成しているが、スリーブ７５の外側を切り欠いて形成してもよく、あるいは、内筒部７１の内側のスリーブ７５との境界部分を切り欠いて形成してもよい。

プローブ１２の内部において、パージ用の空気８９は、鞘管３４の外側の流路（第６の供給路）８６を流れ、鞘管３４の先端に取り付けられた調光レンズ３６の前方（先端）の空間（第７の供給路）８７に供給される。さらに、パージ用の空気８９は、プローブ１２の先端の開口１３から外界に排出される。パージ用の空気８９をプローブ１２に供給することにより、プローブ１２の内部に装備されている光学素子５０、レンズ３６、光ファイバー３５などが開口１３から侵入する塵などにより汚染されて光学的な性能が低下することを抑制できる。汚染要因の侵入を防止するために開口１３を透光性の材料により覆うことも可能であるが、開口１３をカバーする透光性の材料が汚れて光学的な性能が低下する可能性が高くなる。また、透光性の材料による光の屈折などが発生する可能性があり、プローブ１２の回転数を上げて、表面検査の時間を短縮することにトライすると、検査装置１の精度が低下する要因になり得る。

プローブ１２の内部にパージ用の空気８９を供給し、オープンな開口１３から排出することにより、開口１３を覆うことによる光学的な性能の低下を抑制できる。さらに、開口１３から不純物がプローブ１２の内部に侵入することを抑制できる。また、プローブ１２内に空気８９の流れを設けることにより、プローブ１２の内部の光学機器に汚れが付着することも抑制できる。このため、プローブ１２の回転速度を上げて、表面検査の時間の短縮を図ることができる。また、プローブ１２の内部に設置された光学機器の洗浄などに要する時間を省いたり、または短縮できるため、メンテナンスの頻度を少なくし、より効率よく、表面検査を行うことが可能となる。

また、プローブ１２を含む検査ヘッド１０は、内筒部７１を含む固定された支持ユニット７０の外側にベアリングユニット１７を介して回転可能に取り付けられている。このため、内側で固定された支持ユニット７０からプローブ１２の内部の供給路８６まで、パージ用の空気８９の供給路８１〜８５を支持筒７３および内筒部７１を介してアレンジすることができる。したがって、固定された支持ユニット７０を介して、検査ヘッド１０のプローブ１２の内部にパージ用の空気８９を導入する、簡易な構成の空気供給システム８０を提供できる。

さらに、プローブ１２の内部においては、光ファイバー３５を収納する鞘管３４の外側に供給経路８６を設けており、鞘管３４の先端に、プローブ１２とは独立した構成でレンズ３６をプローブ１２の内部に設置している。このため、プローブ１２の内部のレンズ３６によりパージ用の空気８９の通路が塞がれることがなく、レンズ３６のプローブ１２の内部に露出した面を含めて、パージ用の空気８９により覆うことができ、光学システム３０、特に、光を入出力するプローブ１２の内部に設置される光学システム３０の汚れによる汚染を抑制できる。

上記には、中心軸に沿って棒状に延びた中空の検査ヘッドであって、前記中心軸の周りを回転する検査ヘッドと、前記検査ヘッド内を通じて、前記中心軸に沿って検査用のレーザー光を供給し、前記中心軸に沿って戻された被検査物の表面からの反射光を受光する光学システムとを有し、前記検査ヘッドは、回転駆動されるホルダーと、前記ホルダーから前記中心軸に沿って延びた中空のプローブと、前記プローブの先端に配置された光学素子であって、前記プローブの先端の開口を介して前記中心軸に対して、前記検査用のレーザー光を前記被検査物に向けて出射するとともに前記反射光を前記中心軸方向に導く光学素子とを含み、前記プローブの内部に空気を供給し、前記開口から空気を放出する空気供給システムをさらに有する、検査システムが開示されている。

検査システムは、さらに、前記検査ヘッドを内側から支持する非回転の支持ユニットを有し、前記支持ユニットは、前記ホルダーの内部に同軸状に設けられた中空で、前記ホルダーとの間にベアリングユニットが配置された内筒部と、前記内筒部の基端に接続された中空の支持筒とを含み、前記光学システムは、前記支持筒および前記内筒部を介して前記プローブに挿入された光ファイバー束であって、非回転の光ファイバー束を含み、前記空気供給システムは、前記支持筒および前記内筒部を介して前記プローブ内に流体が通るように繋がる空気供給路を含んでもよい。

検査システムは、さらに、前記光ファイバー束を覆う円筒状の鞘管であって、スリーブを介して前記内筒部に接続された鞘管と、前記鞘管の先端に取り付けられた調光レンズを含み、前記空気供給路は、前記スリーブの一部を切り欠いて前記内筒部の内部と、前記プローブの内側で前記鞘管の外側の領域とを接続する接続路を含んでもよい。検査システムは、さらに、前記検査ヘッドを前記中心軸の周りに回転させる回転ユニットを有してもよい。また、前記被検査物は、前記プローブが挿入される中空部分を含み、検査システムは、さらに、前記検査ヘッドと前記被検査物とを前記中心軸に沿って相対的に移動する移動ユニットを有してもよい。

また、上記においては、本発明の特定の実施形態を説明したが、様々な他の実施形態および変形例は本発明の範囲および精神から逸脱することなく当業者が想到し得ることであり、そのような他の実施形態および変形は以下の請求の範囲の対象となり、本発明は以下の請求の範囲により規定されるものである。

Claims (5)

1. 中心軸に沿って棒状に延び、前記中心軸の周りに回転する中空のプローブと、
   前記プローブを通じて、前記中心軸に沿って検査用のレーザー光を供給し、前記中心軸に沿って戻された被検査物の表面からの反射光を受ける光学システムと、
   前記プローブの先端の開口を介して前記中心軸に対して、前記検査用のレーザー光を前記被検査物に向けて出射するとともに前記反射光を前記中心軸方向に導く光学素子と、
   前記プローブの内部を通じて前記レーザー光を出射するとともに前記反射光を導く前記開口から気体を放出するガス供給システムとを有する、検査システム。
2. 請求項１において、
   前記プローブを支持し、回転駆動されるホルダーと、
   前記ホルダーの内部に同軸状に設けられた中空で、前記ホルダーとの間にベアリングユニットが配置された非回転の内筒部と、
   前記内筒部を介して前記プローブに挿入された非回転の光ファイバーとをさらに有し、
   前記ガス供給システムは、前記内筒部を介して前記プローブ内に前記気体を供給するガス供給路を含む、検査システム。
3. 請求項２において、
   前記光ファイバーを覆う円筒状の鞘管であって、スリーブを介して前記内筒部に接続された鞘管と、
   前記鞘管の先端に取り付けられたレンズとをさらに有し、
   前記ガス供給路は、前記スリーブの一部を切り欠いて前記内筒部の内部と、前記プローブの内側で前記鞘管の外側の領域とを接続する接続路を含む、検査システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記プローブを含む検査ヘッドを前記中心軸の周りに回転させる駆動ユニットをさらに有する、検査システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記被検査物は、前記プローブが挿入される中空部分を含み、
   前記プローブと前記被検査物とを前記中心軸に沿って相対的に移動する移動ユニットをさらに有する、検査システム。

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