JPH06180291A - 円筒内面検査方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円筒内面の反射率の違いに拘らず、内面の
傷、凹凸の程度、内径等を正確に検出することができる
円筒内面検査方法とその装置を提供する。 【構成】 集光レンズ７を通してレーザ光を被検査物の
円筒内面に照射し、その内面から反射された反射光を受
光器１３に導き、受光レンズ１４で集光した反射光を受
光素子１５で受光して円筒内面の検査を行う。集光レン
ズ７の焦点位置を円筒内面上に位置させるように被検査
物の円筒１０を配置し、受光レンズ１５の焦点位置の片
側に遮光板１６を配置することによって、焦点位置の反
射光の一部を遮光するようにし、２分割された受光部１
５ａ，１５ｂを有する受光素子１５で遮光部分を含む反
射光を受光し、受光素子１５から出力される２つの出力
信号に基づき、円筒内面の傷や凹凸等を検査する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、管の内面、シリンダの
内面などにレーザ光を照射し、その反射光を受光素子で
受光して、円筒内面の傷、凹凸の程度、内径等を検査す
る円筒内面検査方法とその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】円筒内面を検査する装置として、従来、
特開昭５０−１５８３８７号公報に示されるように、レ
ーザ光を円筒内面に照射し、その反射光を受光素子で受
光し、そこからの受光信号に基づき、内面の凹凸等の状
態を検査する装置が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この内面検査装置は、
レーザ発振器からのレーザ光をハーフミラーを介して被
検査円筒内に導入し、レーザ光を円筒内面に照射し、そ
こからの反射光をハーフミラーまでの同一光路を通して
戻し、ハーフミラーを透過した光を受光素子で受光し、
その受光信号を電気的に処理して、円筒内面の巣などを
検出する構造である。

【０００４】この内面検査装置は、被検査面に照射した
レーザ光が被検査面の凹凸等によって乱反射され、この
乱反射による反射光の減少や、被検査面の状態による反
射率の低下によって、内面の巣や傷を検出するものであ
るが、このために、乱反射が少ない凹部や小孔が検出で
きにくく、また、傷以外で反射率の低い部分を傷として
誤検出しやすい、という課題があった。

【０００５】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたもので、円筒内面の反射率の違いに拘らず、内面
の傷、凹凸の程度、内径等を正確に検出することができ
る円筒内面検査方法とその装置を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このために、本発明の円
筒内面検査方法は、集光レンズを通してレーザ光を被検
査物の円筒内面に照射し、その内面から反射された反射
光を受光器に導き、受光レンズで集光した反射光を受光
素子で受光して円筒内面の検査を行う円筒内面検査方法
において、集光レンズの焦点位置を円筒内面上に位置さ
せるように被検査物の円筒を配置し、受光レンズの焦点
位置の片側に遮光板を配置することによって焦点位置の
反射光の一部を遮光するようにし、２分割された受光部
を有する受光素子で遮光部分を含む反射光を受光し、受
光素子から出力される２つの出力信号に基づき、円筒内
面を検査するように構成される。

【０００７】

【作用】レーザ発振器から放射されたレーザ光は、集光
レンズを通して被検査物の円筒内面に垂直に照射され
る。この際、集光レンズの焦点位置が円筒内面となるよ
うにセットされているため、集光されたレーザ光は円筒
内面上で焦点を結ぶ。

【０００８】円筒内面で反射された反射光は、集光レン
ズで集められて受光器に導かれ、受光レンズを通り、受
光素子で受光される。受光器内では、受光レンズで集光
された反射光が、焦点位置の片側に配置された遮光板の
下を通過して、受光素子に受光される。

【０００９】円筒内面に傷や凹凸等がない場合、集光レ
ンズの焦点位置で反射された反射光が平行光線となって
受光器に入るため、受光器側では遮光板の位置つまり受
光レンズの焦点位置で反射光が集光し、遮光板の影響を
受けずに受光素子は反射光を受光し、２つ受光部から出
力される受光信号に殆ど差は生じない。

【００１０】しかし、円筒内面に凹凸がある場合、レー
ザ光の円筒内面で反射位置が集光レンズの焦点位置の前
後にずれる。このため、円筒内面からの反射光が受光レ
ンズに導かれる光路で、平行光線の平行度が変化し、受
光レンズの結像位置が焦点位置つまり遮光板の位置より
前後にずれる。これにより、受光素子に受光される反射
光の一部が遮光板によって遮光され、２つに分割された
受光部に不均等に受光され、また、円筒内面の凹部と凸
部の違いに応じて、２つの受光部の受光量が異なる結果
となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１２】先ず、図１により円筒内面検査装置の構造
を説明すると、１は全体のフレームで、フレーム１の上
部にレーザ発振器２が下向きに取付けられている。レー
ザ発振器２には、例えば半導体レーザ発振装置及び平行
ビーム用のレンズが内蔵され、赤外又は赤色レーザ光を
平行光線として下方に向けて垂直に照射する。

【００１３】レーザ光の光路上にハーフミラー３が４５
度の傾きで配設され、ハーフミラー３の下方に細い筒体
４（例えば内径８mmのパイプ）が、その内部にレーザ光
を通すように縦に配設される。この筒体４は、フレーム
１に対しベアリング５を介して回転自在に支持され、フ
レーム１に取付けたモータ６により、歯車等を介して一
定の速度で回転駆動される。

【００１４】筒体４の下部には、例えば直径１０mm、焦
点距離５０mmの集光レンズ７が取付けられ、さらに、そ
の下の大径部分にミラー８が４５度の傾斜角度で取付け
られ、筒体４を通して真下に照射されたレーザ光ビーム
を、直角につまり水平方向に反射する構造である。

【００１５】フレーム１内の下部には、昇降テーブル１
１を有する昇降装置１２が配設され、昇降テーブル１１
上に被検査物の円筒１０がその軸心位置をレーザビーム
の軸心に合せるように載置される。

【００１６】ミラー８はその位置を上下に調整可能に取
付けられ、集光レンズ７によって集光されたレーザ光の
焦点が円筒１０の内面に正確に位置するように、ミラー
８の位置が調整される。

【００１７】被検査内面で反射されたレーザ光はミラー
８と円筒４を通り、投光路を逆に通って戻り、ハーフミ
ラー３で水平方向に反射される。このハーフミラー３で
反射されたレーザ光を受ける受光器１３が、ハーフミラ
ー３の水平位置に配設される。この受光器１３の筒内に
は、前部に受光レンズ１４が配設され、その受光レンズ
１４の焦点位置の上側に遮光体１６が配設され、さらに
その焦点の少し後方に２個に分割された受光面を有する
受光素子１５が配置される。

【００１８】焦点位置に配置される遮光体１６は、図２
Ａに示すように、ナイフエッジ又はそれに類似した薄い
板材によって形成され、焦点位置の真上に光軸と直角に
配設される。受光素子１５は、上下に分割された２個の
受光部１５ａ、１５ｂを有し、各々の受光部から出力信
号を発生する構造である。

【００１９】遮光体１６は受光素子１５の一方の分割受
光部側に配置されればよく、例えば、受光素子が左右に
分割された受光部を有する場合、遮光体１６は焦点位置
の左右一方の側に配設されることになる。

【００２０】上記受光素子１５の２個の受光部の出力回
路は、各々増幅器２０、２１に接続され、各増幅器２
０、２１の出力側は減算器２２と加算器２３に各々接続
され、減算器２２と加算器２１の出力側は、割り算を行
う除算回路２４に接続される。除算回路２４の出力側
は、その除算結果を受けて被検査面の傷等を判定する判
定回路２５に接続される。

【００２１】このような回路の接続により、受光素子１
５の上側の受光部１５ａから発生する受光信号Ｖ１（受
光量）と下側の受光部１５ａからの受光信号Ｖ２（受光
量）が加算器２３で加算されて、そこから和信号（Ｖ１
＋Ｖ２）が出力され、減算器２３からはそれらの差信号
（Ｖ１ーＶ２）が出力される。そして、除算回路２４に
おいて、（Ｖ１ーＶ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）が算出され
る。

【００２２】次に、上記構成の円筒内面検査装置の動作
を説明する。

【００２３】被検査物の円筒１０は昇降テーブル１１の
上に、その軸心位置をレーザビームの軸心に正確に合せ
て載置される。

【００２４】そして、レーザ発振器２を動作させ、ハー
フミラー３、筒体４、集光レンズ７、ミラー８からなる
光学系を通して、レーザ光を円筒１０の内面に垂直に照
射し、同時に、モータ６を駆動して筒体４を回転駆動さ
せ、且つ昇降装置１２を駆動して昇降テーブル１１を低
速で上昇又は下降させ、円筒内面をレーザ光によって走
査する。

【００２５】即ち、レーザ発振器２から放射された平行
光線のレーザ光は、ハーフミラー３を通過して筒体４内
を下方に進み、集光レンズ７を通過して集光されると共
に、ミラー８によって水平方向に反射される。そして、
そのレーザ光は円筒１０の内面に垂直に照射される。

【００２６】この際、特に集光レンズ７の焦点位置が内
面上にくるように調整されているため、レーザ光はその
表面で良好に反射する。そして、その反射光は、ミラー
８を経て集光レンズ７で集光され、照射光と同じ光路つ
まり筒体４内を逆に戻ってハーフミラー３に達する。そ
して、ハーフミラー３で水平方向に反射されたレーザ反
射光は、受光器１３に入り受光レンズ１４を通って、受
光素子１５で受光される。

【００２７】例えば、図２Ａに示すように、円筒１０の
内面に凹凸等がない場合、焦点位置の表面で反射された
レーザ反射光は、受光器１３内において遮光体１６の影
響を受けずに、受光素子１５の２つの受光部１５ａ，１
５ｂに略均等に受光される。

【００２８】受光素子１５の２つの受光部１５ａ，１５
ｂから出力された受光信号は、各々増幅器２０、２１で
増幅され、各信号は減算器２２と加算器２３に入力され
る。そして、減算器２２から出力された差信号（Ｖ１−
Ｖ２）と加算器２３から出力された和信号（Ｖ１＋Ｖ
２）が除算回路２４に入力され、除算回路２４では（Ｖ
１ーＶ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）が算出され、演算結果が出
力される。

【００２９】このように、除算回路２４では、２つの信
号の差（Ｖ１−Ｖ２）が分子となって算出されるため、
受光素子１５の２つの受光部１５ａ，１５ｂが反射光を
同様に受光した場合（図２Ａの場合）、除算回路２４か
らの出力レベルは略ゼロとなる。また、２つの信号の和
（Ｖ１＋Ｖ２）が分母となるため、円筒内面における表
面状態の相違などにより、反射率のばらつきがあったと
しても、その反射率の違いによる出力の変動は打ち消さ
れることになる。

【００３０】一方、図２Ｂに示すように、円筒１０の内
面に凹部があり、その凹部にレーザ光が当った場合、そ
の面が焦点位置から後方に僅かにずれているため、集光
レンズ７と受光レンズ１４間の反射平行光線（図２Ａ）
が図２Ｂのように変化する。これによって、受光器１３
内における受光レンズ１４の結像位置がレンズ寄りに変
わり、焦点位置を通る反射光の上半分が遮光体１６によ
って遮蔽され、受光素子１５で受光されるビーム断面が
略下半円状となり、上側の受光部１５ａの出力信号Ｖ１
は略ゼロまで低下し、下側の受光部１５ｂの出力信号Ｖ
２は通常レベルを保持する。

【００３１】このため、減算器２２から出力された差信
号（Ｖ１−Ｖ２）の値は−Ｖ２となり、除算回路２４の
出力結果（Ｖ１ーＶ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）は、正常内面
の場合の略ゼロレベルに比べ、負側に下降した出力とな
る。

【００３２】他方、図２Ｃに示すように、円筒１０の内
面に凸部があり、その凸部にレーザ光が当った場合、そ
の面が焦点位置から前方に僅かにずれているため、集光
レンズ７と受光レンズ１４間の反射平行光線（図２Ａ）
が図２Ｃのように変化する。これによって、受光器１３
内における受光レンズ１４の結像位置がレンズから離れ
た側に変わり、焦点位置を通る結像前の反射光の上半分
が遮光体１６によって遮蔽され、受光素子１５で受光さ
れるビーム断面が略上半円状となり、下側の受光部１５
ｂの出力信号Ｖ２が略ゼロまで低下し、上側の受光部１
５ａの出力信号Ｖ１は通常レベルを保持する。

【００３３】このため、減算器２２から出力された差信
号（Ｖ１−Ｖ２）の値はＶ１となり、除算回路２４の出
力結果（Ｖ１ーＶ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）は、正常内面の
場合の略ゼロレベルに比べ、正側に上昇した出力とな
る。

【００３４】このような除算回路２４の出力は判定回路
２５に送られ、判定回路２５は、その信号の値が予め設
定した設定値以上又は以下になった場合、円筒１０の内
面に凹凸や傷が検出されたと判定する。

【００３５】このように、被検査面の集光レンズ７の焦
点位置からのずれを検出して内面を検査するため、円筒
内面の乱反射や反射率の変化を伴わない突起や小孔、或
は小さな傷等をも正確に検出することができる。

【００３６】ところで、実験によれば、除算回路２４の
出力（Ｖ１ーＶ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）は、円筒内面の凹
部又は凸部の深さに比例（ある一定の範囲内において）
して得られることが解っており、このため、除算回路２
４の出力を経時的に記録し解析すれば、円筒内の傷の位
置、傷の凹部、凸部の別、及び凹部の深さや凸部の高さ
を計測することができる。また、除算回路２４の出力は
円筒の内径に比例して得られるため、円筒の内径を計測
したり内面の真円度や偏心率を検査することもできる。

【００３７】なお、上記実施例では、被検査物の円筒１
０を昇降装置１２により昇降させながら、筒体４つまり
レーザ光の光学系を回転させて、円筒内面をレーザ光に
よって走査したが、レーザ光の光学系を昇降させ、円筒
１０を回転させ、或は光学系のみを回転及び昇降させ、
又は円筒のみを回転及び昇降させて走査を行うことも勿
論可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の円筒内面
検査方法とその装置によれば、円筒内面上におけるレー
ザ光の乱反射や反射率の違いを検出するのではなく、円
筒内面にできた傷や凹凸によりレーザ光の反射位置が集
光レンズの焦点位置からずれる現象を受光器側で検出し
て円筒内面を検査するため、乱反射や反射率の変化を伴
なわない小突起や小孔或は傷を検出することができる。
また、２つの受光部から出力される受光信号の差を算出
するようにすれば、傷の凹部、凸部の別、及び凹部の深
さや凸部の高さを計測することができ、また、円筒の内
径を計測したり内面の真円度や偏心率を検査することも
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】円筒内面検査装置の全体構成図である。

【図２】レーザ光の光路を示す説明図である。

【符号の説明】

２−レーザ発振器、３−ハーフミラー、４−筒体、７−
集光レンズ、８−ミラー、１３−受光器、１４−受光レ
ンズ、１５−受光素子、１６−遮光板。

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【手続補正書】

【提出日】平成３年８月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】上記受光素子１５の２個の受光部の出力回
路は、各々増幅器２０、２１に接続され、各増幅器２
０、２１の出力側は減算器２２と加算器２３に各々接続
され、減算器２２と加算器２３の出力側は、割り算を行
う除算回路２４に接続される。除算回路２４の出力側
は、その除算結果を受けて被検査面の傷等を判定する判
定回路２５に接続される。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】このような回路の接続により、受光素子１
５の上側の受光部１５ａから発生する受光信号Ｖ１（受
光量）と下側の受光部１５ａからの受光信号Ｖ２（受光
量）が加算器２３で加算されて、そこから和信号（Ｖ１
＋Ｖ２）が出力され、減算器２２からはそれらの差信号
（Ｖ１ーＶ２）が出力される。そして、除算回路２４に
おいて、（Ｖ１ーＶ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）が算出され
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集光レンズを通してレーザ光を被検査物
   の円筒内面に照射し、その内面から反射された反射光を
   受光器に導き、受光レンズで集光した該反射光を受光素
   子で受光して円筒内面の検査を行う円筒内面検査方法に
   おいて、 前記集光レンズの焦点位置を円筒内面上に位置させるよ
   うに被検査物の円筒を配置し、前記受光レンズの焦点位
   置の片側に遮光板を配置することによって該焦点位置の
   反射光の一部を遮光するようにし、２分割された受光部
   を有する受光素子で前記遮光部分を含む該反射光を受光
   し、該受光素子から出力される２つの出力信号に基づ
   き、円筒内面を検査することを特徴とする円筒内面検査
   方法。
2. 【請求項２】 平行なレーザ光を放射するレーザ発振器
   と、該レーザ発振器から放射されたレーザ光を通過させ
   る筒体と、該筒体の先端部に配設されレーザ光を集光す
   る集光レンズと、該集光レンズで集光されたレーザ光を
   反射して被検査物の円筒内面に垂直に照射するミラー
   と、前記レーザ発振器と筒体間に配置され、照射された
   レーザ光を通過させると共に、該円筒内面で反射されて
   同じ光路を戻った反射光を反射させるハーフミラーと、
   該ハーフミラーで反射された反射光を受光する受光器を
   備え、該受光器内には、該反射光を集光する受光レンズ
   と、該受光レンズの焦点位置の片側に配設される遮光板
   と、集光された反射光を２分割された受光部で受光し各
   々の受光信号を出力する受光素子が配設されていること
   を特徴とする円筒内面検査装置。