JP7396876B2 - 内面画像検査装置及び内面画像検査システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、内面画像検査装置に関する。

検査対象として例えば円筒部材の内面を検査する内面画像検査装置は、撮像部、光学系、光源、検査時に円筒部材に挿入される挿入部に設けられるミラーとを備えている。光源からの照明光はミラーで反射され、円筒部材の内面に照射される。円筒部材の内面で反射した反射光は光学系を通して撮像部に入射し、内面画像が撮像される。内面画像から円筒部材の内面の面性状等が検査することができる。

しかしながら、光学系はそれぞれ、対物レンズ（又はそのカバーガラス）から対象までの距離、つまり作動距離（ＷＤ）が固有値として決まっており、円筒部材の内径ごとに作動距離ＷＤの異なる複数種類の内面画像検査装置を用意しておくこと、又は作動距離ＷＤを変動可能な光学系を備えることが必要とされていた。

内径の相違する様々な検査対象に柔軟に対応することができる内面画像検査装置が望まれている。

本開示の一態様は、検査対象の孔の内面を検査する内面画像検査装置である。内面画像検査装置は、撮像部と、撮像部の前方に取り付けられ、光学系を収容する鏡筒と、鏡筒に対して着脱可能な光源ユニットと、光源ユニットからの照明光を光学系の光軸と平行な方向に反射するビームスプリッタと、鏡筒の先端に取り付けられ、検査対象の孔に挿入される筒形状の挿入部と、挿入部の内部において光学系の光軸に対して反射面が傾斜するよう配置されるミラーと、ミラーを光軸と平行に移動する直動機構とを具備し、光学系のレンズ前面から検査対象の孔の内面までの距離が検査対象の孔の内径に関わらず一定になるようにミラーを移動させるために直動機構を制御する直動制御部をさらに備える。

一態様によれば、内径の相違する様々な検査対象の検査に柔軟に対応することができる。

図１は、一実施形態に係る内面画像検査装置の外観図である。 図２は、図１の内面画像検査装置の構成図である。 図３は、図１の内面画像検査装置をロボット装置に取り付けた使用例を示す図である。 図４は、図２の直動制御部による直動制御方法を示す補足図である。 図５は、図１の内面画像検査装置の他の構成例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る内面画像検査装置を説明する。本実施形態に係る内面画像検査装置は、検査対象の有底孔や貫通孔の内面の面性状等を検査するために当該内面の画像を取得する。ここでは検査対象として円筒部材を例に説明する。

図1、図２に示すように、本実施形態に係る内面画像検査装置１は、ＣＣＤ等のイメージセンサ２０を備えた撮像部２を有する。撮像部２の前方には鏡筒３が取り付けられる。鏡筒３の内部にはレンズ４，５を含む好ましくはテレセントリックレンズ光学系が保持されている。鏡筒３の一部側面は開口され、そこに同軸ポート７を備えた光源ユニット６が着脱可能に設けられる。光源ユニット６は、テレセントリックレンズ８、LEDスポットライト等の光源９とを有し、光学系の光軸ＯＡに対して４５°の傾斜で配置されたハーフミラー等のビームスプリッタ１０とともに同軸落射照明ユニットを構成する。なお、同軸落射照明ユニットは疑似同軸落射照明ユニットであってもよい。また円筒部材ＷＫの内部の検査対象面を均一に照らすことができれば、同軸落射照明に限定されることは無い。ここでは構造の簡素化のために同軸ポート７を備えた同軸落射照明を適用する者として説明する。円筒部材ＷＫの内面は湾曲しており、検査では内面全周にわたって撮像を繰り返するため、画角がゼロ又はその近似値であるテレセントリック光学系が寸法変動による検査誤差が生じない点で好ましい。

鏡筒３の先端には、検査時に検査対象としての円筒部材ＷＫに挿入されるべき挿入部１１が取り付けられる。挿入部１１は、側面に円形の検査窓１２とセンサ光用切欠１３とが開口された円筒体１４を有する。円筒体１４の内部には、光学系の光軸ＯＡに対して反射面が45°傾斜するよう設けられる直角プリズムミラー等のミラー１５が収容される。なお、ミラー１５としては光軸ＯＡに対して４５°傾けて取付けられた平面ミラーであってもよい。ミラー１５によりイメージセンサ２０の撮像面に検査対象面（円筒部材ＷＫの内面）の映像を写すことができる。また光源ユニット６からの照明光はビームスプリッタ１０とミラー１５とを介して光軸ＯＡに直交する向きで検査窓１２から出力され、円筒部材ＷＫの内面に照射される。円筒体１４の内部には、ミラー１５とともに、ミラー１５を光軸ＯＡに沿って直線的に移動自在に支持する直動機構16が収容される。直動機構１６としてはボールネジ機構、一般的なカメラのズームレンズ機構で用いられる円筒カム等任意の構成が適用される。ここではミラー１５の移動は電動で行われるものとして説明するが、ミラー１５は手動で移動されるものであってもよい。

なお、作動距離ＷＤは、光学系の対物レンズ５の前面又はそのカバーガラスからミラー15を経由して撮影対象面（円筒部材ＷＫの内面）までの光軸ＯＡ上の距離として定義される。ここでは説明の便宜上、光学系の対物レンズ５の前面からミラー15を経由して円筒部材ＷＫの内面までの光軸ＯＡ上の距離とする。また対物レンズ５の先端からその焦点を合わせた撮影対象面までの作動距離ＷＤを、基準作動距離ＷＤ０という。

ミラー１５を移動させることにより、光学系の対物レンズ５の前面とミラー１５の反射面との間の光軸ＯＡ上の距離が変化する。それにより、光学系の対物レンズ５の前面と円筒部材ＷＫの内面との光軸ＯＡ上の距離（作動距離ＷＤ）も変化する。円筒部材ＷＫの内径に応じてミラー１５を適切な位置まで移動させることにより、当該作動距離ＷＤを基準作動距離ＷＤ０に一致させることができる。それにより内径の相違する様々な円筒部材ＷＫの検査に際して、柔軟に対応して、ピンボケを排除することができる。換言すると、光学系の基準作動距離ＷＤ０が固定的であったとしても、内径の相違する様々な円筒部材ＷＫの面性状を、ピンボケを排除して高精度に検査することができる。

挿入部１１の内部には、ミラー１５及び直動機構16とともに、光学系の光軸ＯＡから円筒部材ＷＫの内面までの距離又はそれを導出可能な距離を計測するための距離センサ１７が設けられる。距離センサ１７としては反射型の光学式又は超音波式等任意の方式が適用される。ここでは距離センサ１７は反射型の光学式であるとして説明する。距離センサ１７からの例えばレーザ光はセンサ光用切欠１３を介して挿入部１１から出力され、円筒部材ＷＫの内面で反射して距離センサ１７で受光される。

制御ユニット２１は全体の制御部２２、イメージセンサ２０を駆動制御して画像信号を出力する撮像制御部２３、光源９を駆動する光源駆動部２４、直動機構１６を駆動する直動駆動部２５、距離センサ１７を駆動制御するとともに円筒部材ＷＫの内面までの距離を演算するセンサ制御部２６とともに、直動制御部２７を備える。直動制御部２７は、センサ制御部２６で演算した円筒部材ＷＫの内面までの距離に従って、ミラー１５を適切な位置に移動するように直動駆動部２５を制御する。

図３に示すように内面画像検査装置１を用いて円筒部材ＷＫを検査するに際して典型的には多関節ロボット装置４０のアーム先端に取り付けられる。もちろん、内面画像検査装置１を検査テーブルに固定して、円筒部材ＷＫを多関節ロボット装置４０等で検査位置に移動する等他の方法を採用しても良い。ここでは前者を一例として説明する。

基部４２上には旋回用回転関節部Ｊ１を介してリンク４４が載置される。リンク４４には前後回転用の回転関節部Ｊ２によりリンク４６が連結される。リンク４６には上下回転用の回転関節部Ｊ３によりリンク５０が連結される。リンク５０にはひねり回転用の回転関節部Ｊ４によりリンク５２が連結される。リンク５２には手首曲げ回転用の回転関節部Ｊ５によりマウント５４が連結される。マウント５４にはエンドエフェクタとしての内面画像検査装置１を取り付けるためのマウントプレート５６が設けられる。マウントプレート５６は回転関節部Ｊ６により軸回転自在に設けられる。マウントプレート５６には内面画像検査装置１がその光軸ＯＡが、回転関節部Ｊ６の回転中心線に一致するように取り付けられる。内面画像検査時には、多関節ロボット装置４０の動作により、内面画像検査装置１は、検査位置に配置された円筒部材ＷＫの内部に挿入され、理想的には光軸ＯＡを中心に回転される。この回転に同期してイメージセンサ２０により円筒部材ＷＫの内面が繰り返し撮像される。

次に直動制御部２７によるミラー１５の位置制御について説明する。図４（ａ）に示すように、ミラー１５が典型的には可動範囲の中心位置（基準位置という）Ｐ0にあって、対物レンズ５の前面からミラー１５を経由して円筒部材ＷＫ０の内面までの光軸０Ａ上の距離（作動距離ＷＤ）が基準作動距離ＷＤに一致するとき、そのときの円筒部材ＷＫ０の内径を基準径Ｒ０とする。

図４（ｂ）に示すように、直動制御部２７は、距離センサ１７の検出信号に基づいてセンサ制御部２６で演算された光軸ＯＡと円筒部材ＷＫ１の内面との間の距離Ｒ１、又はそれを導出可能な距離に従って、直動駆動部２５を制御して、ミラー１５を移動させる。移動方向としては距離Ｒ０と距離Ｒ１との比較結果に従って決定される。距離Ｒ０より距離Ｒ１が長いとき、基準位置Ｐ０から鏡筒３に接近する方向に移動する。基準位置Ｐ０から移動後の位置Ｐ１までの距離（変位量）ΔＤ１は、距離Ｒ０と距離Ｒ１との差分の絶対値｜Ｒ０－Ｒ１｜に設定される。それにより対物レンズ５の前面からミラー１５を経由して円筒部材ＷＫ1の内面までの光軸０Ａ上の作動距離ＷＤ1を、基準作動距離ＷＤに一致させることができる。

円筒部材ＷＫ１よりも内径の短い円筒部材ＷＫ２を検査するときも同様に、図４（ｃ）に示すように、距離Ｒ０より距離Ｒ２が短いとき、基準位置Ｐ０より鏡筒３から遠ざかる方向に移動する。基準位置Ｐ０から移動後の位置Ｐ２までの距離（変位量）ΔＤ２は、距離Ｒ０と距離Ｒ２との差分の絶対値｜Ｒ０－Ｒ２｜に設定される。それにより対物レンズ５の前面からミラー１５を経由して円筒部材ＷＫ1の内面までの光軸０Ａ上の作動距離ＷＤ２は、基準作動距離ＷＤに一致させることができる。

以上にように内径の相違する様々な円筒部材を検査するに際して、ミラー１５を光軸ＯＡに沿って直線的に移動させることにより、対物レンズ５の前面からミラー１５を経由して円筒部材ＷＫの内面までの光軸０Ａ上の作動距離ＷＤを、所定距離、特に基準作動距離ＷＤ０に揃えることができるので、本実施形態に係る内面画像検査装置は、内径の相違する様々な円筒部材ＷＫに柔軟に対応して、ピンボケを排除して、円筒部材ＷＫの内面の面性状を高精度で検査することができる。

ここでマウントプレート５６に内面画像検査装置１を取り付ける際に取り付け誤差が生じ、内面画像検査装置１の光軸ＯＡが、回転関節部Ｊ６の回転中心線に対して一致しない自体が起こり得る。その状態で内面画像検査装置１を回転したとき、対物レンズ５の前面から円筒部材ＷＫの内面までの光軸０Ａ上の作動距離ＷＤは回転角に応じて変動してしまう。本実施形態では、距離センサ１７により光軸０Ａと円筒部材ＷＫ１の内面との間の距離を繰り返し計測することができるので、その計測された距離の変動に追従して内面画像検査装置１の回転に伴ってミラー１５を動的に移動させることにより、全周にわたって作動距離ＷＤを基準作動距離ＷＤ０に揃えることができる。

また検査対象としての内面が真円でなく、楕円形であったり、さらには多少の凹凸形状を有する場合であっても、上述と同様に、距離センサ１７により計測された光軸０Ａと円筒部材ＷＫ１の内面との間の距離の変動に追従して、内面画像検査装置１の回転に伴ってミラー１５を動的に移動させることにより、全周にわたって作動距離ＷＤを基準作動距離ＷＤ０に一致させることができるようになる。

なお、上述では、距離センサ１７を装備する構成で説明したが、距離センサ１７を装備しない構成であってもよい。ユーザは直動制御部２７を介してミラー１５を任意の位置に移動させることができる。ユーザが典型的には設計上の内径を直動制御部２７に入力するとき、ミラー１５を作動距離ＷＤが基準作動距離ＷＤ０に一致する位置に移動させることができる。

さらに、上述では、ミラー１５を電動で移動することを説明したが、ミラー１５を手動で移動する構成であっても良い。

また、ミラー１５を、図５に示すように、頂角が９０°の円錐形状のコーンミラー３０に置き換えることができる。もちろんコーンミラー３０はその中心線が光軸ＯＡに一致するように配置される。挿入部１１の側面の円形の検査窓１２も、全周にわたるスリット状の検査窓３１に置き換えられる。内面画像検査装置１を回転させることなく、１ショットで内面全周の画像を撮像することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…内面画像検査装置、２…撮像部、３…鏡筒、４，５…レンズ、６…光源ユニット、７…同軸ポート、８…テレセントリックレンズ、９…光源、１０…ビームスプリッタ、１１…挿入部、１２…検査窓、１３…センサ光用切欠、１４…円筒体、１５…ミラー、１６…直動機構、１７…距離センサ、２０…イメージセンサ、２１…制御ユニット、２２…制御部、２３…撮像制御部、２４…光源駆動部、２５…直動駆動部、２６…センサ制御部、２７…直動制御部、ＷＤ…撮影対象（円筒部材）、ＯＡ…光軸、ＷＤ…作動距離。

Claims (10)

1. 検査対象の孔の内面を検査する内面画像検査装置において、
   撮像部と、
   前記撮像部の前方に取り付けられ、光学系を収容する鏡筒と、
   前記鏡筒に対して着脱可能な光源ユニットと、
   前記光源ユニットからの照明光を前記光学系の光軸と平行な方向に反射するビームスプリッタと、
   前記鏡筒の先端に取り付けられ、前記検査対象の孔に挿入される筒形状の挿入部と、
   前記挿入部の内部において、前記光学系の光軸に対して反射面が傾斜するよう配置されるミラーと、
   前記ミラーを前記光軸と平行に移動する直動機構とを具備し、
   前記光学系のレンズ前面から前記検査対象の孔の内面までの距離が前記検査対象の孔の内径に関わらず一定になるように前記ミラーを移動させるために前記直動機構を制御する直動制御部をさらに備える内面画像検査装置。
2. 前記距離は前記光学系の作動距離に一致する請求項１記載の内面画像検査装置。
3. 前記光学系の光軸から前記検査対象の孔の内面までの距離又はそれを導出可能な距離を計測するための距離センサをさらに備える請求項１記載の内面画像検査装置。
4. 前記直動制御部は、前記光学系の光軸から前記検査対象の孔の内面までの距離の変動に追従して前記ミラーを動的に移動させる請求項３記載の内面画像検査装置。
5. 前記光源ユニットはテレセントリックレンズを含む請求項１記載の内面画像検査装置。
6. 前記光学系はテレセントリックレンズを含む請求項１記載の内面画像検査装置。
7. 前記ミラーは直角プリズムミラー又は前記光軸に対して４５°傾けて取付けられた平面ミラーである請求項１記載の内面画像検査装置。
8. 前記ミラーはコーンミラーである請求項１記載の内面画像検査装置。
9. 前記直動制御部は、前記距離センサにより計測された距離の変動に追従して前記ミラーを動的に移動させるために前記直動機構を制御する請求項３記載の内面画像検査装置。
10. 検査対象の孔の内面を検査する内面画像検査装置と、前記内面画像検査装置をアームの先端に軸回転自在に取り付けるロボット装置とを備える内面画像検査システムであって、
    前記内面画像検査装置は、
    撮像部と、
    前記撮像部の前方に取り付けられ、光学系を収容する鏡筒と、
    前記鏡筒に対して着脱可能な光源ユニットと、
    前記光源ユニットからの照明光を前記光学系の光軸と平行な方向に反射するビームスプリッタと、
    前記鏡筒の先端に取り付けられ、前記検査対象の孔に挿入される筒形状の挿入部と、
    前記挿入部の内部において、前記光学系の光軸に対して反射面が傾斜するよう配置されるミラーと、
    前記ミラーを前記光軸と平行に移動する直動機構とを具備し、
    前記内面画像検査装置は、前記軸回転にともなう前記光学系の光軸から前記検査対象の孔の内面までの距離の変動に追従して、前記ミラーを動的に移動させるために前記直動機構を制御する制御部をさらに備える、内面画像検査システム。