JPH1054805A - 球体表面検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検査球体である鋼球の鋼球サイズに応じて
光学系を変更することなく、被検査球体における全表面
の性状を簡易且つ高精度に検査することができる球体表
面検査装置を提供する。 【解決手段】 光源駆動手段２により発光量が制御され
たレーザダイオード１から射出された出射光束は、ビー
ムスプリッタ４を透過して偏光手段７に向かい、さらに
偏光手段７で反射されて第２の焦点Ｂ上に保持された被
検査球体６の表面における少なくとも自転軸との各交点
を含む検査領域部分に対し、自転軸に直交する方向から
被検査球体６の中心に向けて垂直に入射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼球等の被検査球
体の表面性状を光学的に検査する球体表面検査装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の球体表面検査装置と
しては、図１７に示すように、１組の投光素子５１と受
光素子５２とを等角度毎に半円周状に複数個配設してな
る半円周アレイ５３を被検査球体である鋼球５４の周方
向に設けると共に、支軸５５を中心にして前記鋼球５４
を矢印Ｙ方向に回転させ、受光素子５２から出力される
電気信号レベルに基づいて鋼球５４の表面性状を判定す
るようにしたものが知られている（以下、「第１の従来
例」という）。

【０００３】上記第１の従来例においては、図１８に示
すように、投光素子５１から出射された光が鋼球５４の
表面で反射され、この反射された光は、投光素子５１に
対して一定角度αを成して配設されている受光素子５２
に受光される。受光素子５２は、その受光した光をフォ
トダイオード等の光電変換素子（図示せず）により電気
信号に変換し、増幅器及びゲイン調整回路等（図示せ
ず）を経て出力する。受光素子５２から出力された信号
のレベルは所定基準値と比較され、その比較結果に基づ
き鋼球５４の表面性状が判断される、すなわち、鋼球５
４に傷等の欠陥が無いか否かが検査される。

【０００４】また、球面表面検査装置の他の従来例とし
ては、図１９に示すように、矢印Ｚ方向に回転している
鋼球５４の表面に照明光５６（照明器等から射出され
る）を入射させると共に、該鋼球５４の表面から反射し
た反射光を凸レンズ５７を使用して集光させ、その像を
ＣＣＤ（電荷結合素子）等の光電変換素子５８に結像さ
せたものが知られている（例えば、特開昭５６−５８６
４３号公報、特開昭５６−５８６４４号公報；以下、
「第２の従来例」という）。

【０００５】上記第２の従来例においては、光電変換素
子５８により光量を電気信号に変換し、該電気信号のレ
ベルに基づいて球面の表面性状を判断する、すなわち、
光電変換素子５８からの出力信号のレベルに基づき鋼球
５４の欠陥の有無を検査する。また、上記第２の従来例
では、鋼球５４に対し所定角度のスキュー回転を行うこ
とにより、受光領域の小さな光電変換素子５８でも鋼球
５４の全表面について表面性状を検査することができ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１の従来例においては、鋼球５４の直径寸法（以下、
「鋼球サイズ」という）に対して相対的に略同一感度で
もって鋼球５４の表面性状を検査する必要があるため、
鋼球サイズが変わる毎に鋼球５４の欠陥検出に対する感
度調整を行わなければならないという問題点があった。
すなわち、鋼球の欠陥に対してその許容可能な大きさは
鋼球サイズに応じて異なり、鋼球サイズの小さな鋼球５
４に対しては傷等の許容欠陥サイズを小さく設定する必
要がある一方、鋼球サイズの大きな鋼球５４に対しては
その許容欠陥サイズは鋼球サイズに応じて大きく設定し
てもよい。

【０００７】そこで、従来においては歩留りの低下等を
防止するため、鋼球サイズに応じた許容欠陥サイズを設
定すべく鋼球サイズに応じた感度調整を行っていた。し
たがって、上記第１の従来例においては、光電変換素子
の受光量を電気信号に変換する感度のバラツキの平衡化
調整やその点検を鋼球サイズ毎に行う必要があり、装置
のセッティングに非常に手間が掛るという問題点があっ
た。

【０００８】また、表面性状における欠陥の検出分解能
を高めるためには、個々の受光素子５２の視野が狭くな
るように該受光素子５２をできるだけ鋼球５４の表面に
近付ける必要があるため、上記第１の従来例において鋼
球サイズに適合した複数の円周アレイ５３を予め用意し
ておく必要があるという問題点があった。すなわち、円
周アレイ５３を鋼球５４の表面にできるだけ近付けて該
鋼球５４の表面性状を高精度に検査するためには、鋼球
サイズに応じてピッチ円直径の異なる複数種の円周アレ
イ５３を製作し、該鋼球サイズに応じた所望の円周アレ
イ５３を選択して装置のセッティング等を行わなければ
ならず、測定準備に手間と時間が掛るという問題点があ
った。

【０００９】これに対し、第２の従来例においては、撮
像光学系によって検査すべき鋼球の面間距離（鋼球５４
とレンズ５７との第１の面間距離ａ及び凸レンズ５７と
光電変換素子５８との第２の面間距離ｂ）及び像の倍率
（ｂ／ａ）が決定されるので、鋼球サイズの異なる鋼球
５４に対し第１の面間距離ａ及び第２の面間距離ｂとの
相対距離が常に同一となるように調整することは比較的
容易ではあるが、鋼球５４の表面を一様に照明して均一
な明るさの像を得ることは困難である。すなわち、鋼球
５４の表面に照明光が照射されても照明光の中心部とそ
の周縁部とでは鋼球５４の表面に入射した後に該表面か
ら反射する角度が大きく異なるため、周縁部の反射光が
レンズ５７に入光し難くなり均一な明るさの像を得るこ
とはできない。このため、図１８の二点鎖線ｂに示すよ
うに、照明光の光路上に拡散ガラス５９を設けて多方向
から鋼球５４の表面を照射し、その反射光をあらゆる方
向に散乱させて光電変換素子５８に結像させることが考
えられる。

【００１０】しかしながら、上記拡散ガラス５９を設け
た場合は照明光が鋼球表面の広い範囲に亙って拡散され
るため、凸レンズ５７の集光性が悪く、実質上広い範囲
での鋼球表面を検査することは困難であるという問題点
があった。

【００１１】また、表面性状における欠陥の検出分解能
を鋼球サイズに対応して変えることは、鋼球サイズに応
じた凸レンズ５７を使用して光学系の倍率を変えること
により可能であるが、鋼球をスキュー回転させるために
は、例えば、特公昭４２−１７６０８号公報に開示され
ているように、鋼球サイズやスキューの大きさに応じて
製造された制御ローラを使用するか、或いは上記特開昭
５６−５８６４３号公報に開示されているようなスキュ
ー機構を設けなければならず、したがって鋼球サイズの
変更に応じて一々部品の交換をしなければならず、上記
第１の従来例と同様、装置のセッティング等に時間と手
間が掛るという問題点があった。更に、これら部品と鋼
球５４との接触により部品の磨耗や破損が生じてスキュ
ー回転の不整を招来する虞があるため、鋼球５４の全表
面積の検査結果に対して充分な保証をするためには人為
的な注意深い管理が必要となる。さらに、例えば、直径
１ｍｍ程度の小径の鋼球５４をスキュー回転させること
ができる制御ローラやスキュー機構は、実際的には生産
技術上製造することが極めて困難である。すなわち、上
記第２の従来例においては、回転制御機構の交換や保
守、更には製造面の点で上述のような様々な問題点があ
った。

【００１２】本発明はこのような問題点に鑑みなされた
ものであって、被検査球体である鋼球の鋼球サイズに応
じて光学系を変更することなく、被検査球体における全
表面の性状を簡易且つ高精度に検査することができる球
体表面検査装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１記載の発明は、被検査球体の表面性状を光学的
に検査する球体表面検査装置において、前記被検査球体
を所定位置に保持しながら該被検査球体の中心を通る所
定軸線の周りに回転させる被検査球体駆動手段と、前記
所定位置で前記所定軸線の周りに回転する前記被検査球
体の表面における少なくとも前記所定軸線との各交点を
含む検査領域部分に対し、光源から発せられた光を偏光
し、前記被検査球体の中心に向けて照射する光照射手段
と、前記被検査球体の表面における検査領域部分で反射
された反射光を所定光路に沿って導き、該導いた反射光
の光量を検出する光量検出手段と、前記検出された反射
光の光量に基づき前記被検査球体の表面における検査領
域部分の性状を判定する表面性状判定手段とを備えるこ
とを特徴とする。

【００１４】請求項１記載の球体表面検査装置では、被
検査球体駆動手段で、被検査球体を所定位置に保持しな
がら該被検査球体の中心を通る所定軸線の周りに回転さ
せ、光照射手段により、所定位置で所定軸線の周りに回
転する被検査球体の表面における少なくとも所定軸線と
の各交点を含む検査領域部分に対し、光源から発せられ
た光を偏光し、被検査球体の中心に向けて照射し、光量
検出手段で被検査球体の表面における検査領域部分で反
射された反射光を所定光路に沿って導き、該導いた反射
光の光量を検出し、表面性状判定手段で検出された反射
光の光量に基づき被検査球体の表面における検査領域部
分の性状を判定するので、被検査球体への入射光の立体
角は一定となり、被検査球体の鋼球サイズの変化に応じ
て部品交換等により光学系を変更して被検査球体への入
射光の立体角を調整する必要がなくなり、測定準備に手
間が掛からなくなるとともに、入射光の光軸を安定に保
持した状態で被検査球体の検査を行うことができる。

【００１５】また、被検査球体を所定位置に保持しなが
ら所定軸の周りに回転させることによって被検査球体の
全表面を光が走査するので、被検査球体をスキュー回転
させる必要がなくなり、したがって従来のような制御ロ
ーラを使用する必要もなく、また回転数の不整が生じる
虞のあるスキュー機構を使用する必要もなくなりかつ被
検査球体を１回転で検査可能になり、小径の球体の検査
を高速にかつ精度良く行うことができ、運転、保守共容
易で安価な球体表面検査装置を得ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００１７】（実施の第１形態）図１は本発明に係る球
体表面検査装置の実施の第１形態を模式的に示す全体構
成図、図２は図１の球体表面検査装置の表面性状判定手
段における入出力信号を示すタイミングチャート、図３
は図１の球体表面検査装置の偏光手段を形成する楕円鏡
の内面所定領域を説明するための斜視図、図４は図１の
球体表面検査装置における球体検査部の詳細構成図、図
８は図１の球体表面検査装置におけるスリットと光検出
素子の配置関係を示す図である。

【００１８】球体表面検査装置は、図１に示すように、
例えば７８０ｎｍの単波長を有するレーザ光を発するレ
ーザダイオード（光の射出点の大きさが数μｍ程度の点
光源）１と、レーザダイオード１に駆動信号を発する光
源駆動手段２とを備える。レーザダイオード１は、その
光の射出点が第１の焦点Ａと第２の焦点Ｂとを有する楕
円１０の第１の焦点Ａ上に位置するようにかつ出射光束
の光軸（中心軸）が楕円１０の長軸１１に一致するよう
に配置されている。

【００１９】レーザダイオード１からビームスプリッタ
４を介して射出された出射光束は、偏光手段７によって
所定位置にある鋼球の被検査球体６上に導かれ、被検査
球体６からの反射光束は偏光手段７によってビームスプ
リッタ４及びスリット５を介して光検出素子３に導かれ
る。

【００２０】偏光手段７は、具体的には、第１の焦点Ａ
と第２の焦点Ｂとを有する楕円１０の長軸１１を回転し
て得られる曲面の一部、すなわち内面所定領域１２を鏡
面とする楕円面鏡からなる。この内面所定領域１２は、
具体的には図３に示すように、最終的に後述のスリット
５を透過して光検出素子３に到達する光に対応する幅領
域ｌより大きな幅領域Ｌを有する。すなわち、内面所定
領域１２は、偏光手段７から反射した放射光束が被検査
球体６の上面側表面を走査するように図中の角度θが少
なくとも１８０°、好ましくは２００°を有する鏡面領
域に形成されている。

【００２１】ビームスプリッタ４は、レーザダイオード
１から射出された出射光束を透過させると共に、偏光手
段７から逆進する反射光束を反射させてスリット５を介
して光検出素子３に供給するハーフミラーからなる。ス
リット５は半円環状の窓部を有し、光検出素子３の前方
に配設されている。ビームスプリッタ４とスリット５と
の間には、所定の波長を有する反射光束を選択的に透過
するフィルター１５が挿入されている。

【００２２】ここで、楕円面鏡の形状、大きさを決める
方法について詳述する。

【００２３】一般によく知られているように、通常のレ
ーザダイオード１においてその射出光束の中心軸に垂直
な断面上での光の強度分布は、光束の中心で光強度が最
大になり、該中心から周辺に向けて離れるに従い光強度
が弱くなる二次のガウス分布に従うような分布となり、
また、光軸に垂直な面において光強度が等しい点の分布
は楕円曲線に沿った分布となる。従って、特定の光強度
に対応する楕円の長軸が水平方向になるようにレーザダ
イオード１を配置した場合には、焦点Ａから上記内面所
定領域１２を見込む角度より前記光強度の楕円の短軸方
向の広がり角θｖ（図１（ｂ）に示す）の方が大きくな
るように構成する。また、この構成の場合は、前記光強
度の楕円の長軸方向の広がり角θｈ（図１（ａ）に示
す）が上記見込み角度より十分に大きくなり、上記内面
所定領域１２は射出光束の領域中に包含される。換言す
れば、焦点Ｂを含み、楕円１０の長軸１１に垂直な面と
所定内面領域１２との交線である円弧の半径をｒとし、
焦点Ａ，Ｂ間の距離をＦとして、次の（１）式が成り立
つように楕円１０を選定する。

【００２４】 ｒ／Ｆ＜ｔａｎθｖ …（１） また、楕円を次の（２）式で表すとすると、上記半径ｒ
および距離Ｆは次の（３），（４）式で表される。

【００２５】

【数１】 ここでＫはパラメータであり、Ｋ＝ｂ／ａで表される。

【００２６】よって、上記（１），（３），（４）式よ
り次の（５）式の関係が得られ、この（５）式に短軸方
向の広がり角θｖを与えることによって求められたパラ
メータＫを満足するように楕円１０を選定することも可
能である。

【００２７】

【数２】 実用上は、まず、上記の光の強度分布に対しどの程度ま
での強度低下を許容するかを決定し、この許容の程度に
応じて短軸方向の広がり角θｖを決定する。次いで、こ
の決定した広がり角θｖに基づき各寸法を定める。例え
ば、本実施の形態の場合では、光束中心における強度
（最大強度）に対しその６０％の強度まで許容可能であ
ることが確認され、これに対応する広がり角θｖが９°
となったので、上記パラメータＫの値は０．５２より小
さい値になる。ここで、Ｋ＝０．５とし、要求される半
径ｒを１００ｍｍとすると、上記の式により、ｂ＝ｒ／
Ｋ＝２００ｍｍ、ａ＝ｂ／Ｋ＝４００ｍｍとなる。な
お、上記の例では、前記光強度の楕円の長軸が水平方向
となるようにレーザダイオード１を配置した場合につい
て説明したが、レーザダイオード１はその軸Ａ−Ｂの周
りに任意の角度で設置することが可能である。

【００２８】光検出素子３は上述した光路を経て得られ
る光量を検出し、検出した光量を光電変換によって対応
するレベルの電気信号に変換するフォトダイオード等か
らなる。具体的には、図８に示すように、ビームスプリ
ッタ４からの反射光束の内、スリット５の半円環状の窓
部を通過した光（図中、斜線部で示す）のみが光検出素
子３に入光して光検出素子３で光電変換される。光検出
素子３からは検出した光量を示すＰＤ信号Ｓ１２が出力
される。

【００２９】光検出素子３から出力されたＰＤ信号Ｓ１
２は表面性状判定手段８に与えられ、表面性状判定手段
８は、光検出素子３のＰＤ信号Ｓ１２のレベルに基づき
被検査球体６の表面性状を判定する。この表面性状判定
手段８は、具体的には、ＰＤ信号Ｓ１２のレベルと基準
信号Ｔのレベルとを比較し、その比較結果を示す欠陥検
出信号Ｓ１４を出力する比較器８２を有し、この比較器
８２からの欠陥検出信号Ｓ１４は判定回路８３に与えら
れる。判定回路８３は欠陥検出信号Ｓ１４に基づき被検
査球体６の表面に傷などの欠陥があるか否かを判定し、
その判定結果を示す判定信号Ｓ１５を制御装置（図示せ
ず）に出力する。判定回路８３の判定処理動作はタイミ
ング発生回路８１から出力されるリセットパルスＳ１３
によって制御され、タイミング発生回路８１は制御装置
から供給される指令信号Ｓ１１に基づきリセットパルス
Ｓ１３を生成し、出力する。

【００３０】この表面性状判定手段８においては、図２
に示すように、まず、制御装置から判定開始を指示する
“Ｈ”レベルの指令信号Ｓ１１がタイミング発生回路８
１に供給される。タイミング発生回路８１は、“Ｈ”レ
ベルの指示信号Ｓ１１を受けると、判定回路８３に保持
されている判定信号Ｓ１５をクリアするためのリセット
パルスＳ１３を出力する。

【００３１】判定回路８３はリセットパルスＳ１３に基
づき判定信号Ｓ１５を“Ｌ”レベルにクリアし、比較器
８２からの欠陥検出信号Ｓ１４を監視する。

【００３２】一方、比較器８２では、光検出素子３のＰ
Ｄ信号Ｓ１２のレベルと基準信号Ｔのレベルとを比較
し、その比較結果を示す欠陥検出信号Ｓ１４を判定回路
８３に出力する。例えば、図中のＫ時点において、被検
査球体６の表面に欠陥があると、光検出素子３のＰＤ信
号Ｓ１２のレベルが基準信号Ｔのレベルより小さくな
り、そのことを示す欠陥検出信号Ｓ１４が出力される。
この欠陥検出信号Ｓ１４によって、判定回路８３から
は、レベルを“Ｈ”に保持した判定信号Ｓ１５が出力さ
れ、この判定信号Ｓ１５のレベルは次のリセットパルス
Ｓ１３が入力されるまで保持される。

【００３３】被検査球体６の上記所定位置への供給は、
図１に示すように、球体検査部９によって行われる。球
体検査部９は、被検査球体６の球心が楕円１０の第２の
焦点Ｂ上となるように被検査球体６を所定位置に供給し
て被検査球体６を回転させると共に被検査球体６の表面
性状に応じて被検査球体６を選別処理する。

【００３４】具体的には、球体検査部９は、図４に示す
ように、矢印Ｄ方向に可動して被検査球体６を適宜衝止
するストッパ２３と、被検査球体６を駆動ローラ２４
（矢印Ｆ方向に回転する）に案内するガイド部材２５
と、被検査球体６を駆動ローラ２４に保持して該被検査
球体６を自転させる球体駆動手段２６と、表面性状判定
手段８の判定信号Ｓ１５が示す判定結果に基づきヒンジ
２７を矢印Ｅ方向に回動させて良品と不良品とを選別す
る選別手段２８とを有する。すなわち、球体検査部９に
おいては、ストッパ２３の上方への可動により被検査球
体６はガイド部材２５を経て駆動ローラ２４上に搬送さ
れ、球体駆動手段２６により被検査球体６が自転してそ
の全表面の表面性状が表面性状判定手段８により判定さ
れる。そして、表面性状判定手段８の判定結果に基づき
ヒンジ２７は矢印Ｅ方向に適宜可動し、検査が終了した
球体は良品収納部２９或いは不良品収納部３０のいずれ
か一方に収納される。

【００３５】次に、上述の球体駆動手段２６の詳細構成
について図５ないし図７を参照しながら説明する。図５
は球体駆動手段の詳細を示す正面図、図６は球体駆動手
段の詳細を示す平面図、図７は球体駆動手段の斜視図で
ある。

【００３６】球体駆動手段２６は、図５ないし図７に示
すように、被検査球体６を遊嵌保持するＶ溝３１が形成
され且つ不図示の駆動モータを介して矢印Ｆ方向に回転
する上述の駆動ローラ２４と、両端が左右一対の軸受部
３２ａ、３２ｂにより回転可能に軸支された丸棒形状の
支持ローラ３３と、軸受部３２ａ、３２ｂを収納するア
ーム部３４と、アーム部３４の基端側に設けられたピボ
ット３５とを有する。球体駆動手段２６においては、被
検査球体６の検査時、駆動ローラ２４が矢印Ｆ方向に回
転すると被検査球体６が駆動ローラ２４との摩擦力によ
り矢印Ｇ方向に回転し、支持ローラ３３は矢印Ｈ方向に
回転しながら被検査球体６を支持する。これにより、被
検査球体６がその球心を第２の焦点Ｂ上に位置しながら
自転するので、偏光手段７からの全ての光が検査球体６
に対して垂直に入射して被検査球体６の全表面積を走査
し、被検査球体６の表面性状が検査される。そして、被
検査球体６における表面性状の検査が終了するとピボッ
ト３５は矢印Ｋ方向に揺動し、被検査球体６は駆動ロー
ラ２４から離脱して選択手段２８に送られる。尚、駆動
ローラ２４は、被検査球体６の球心が保持されるべき位
置（第２の焦点Ｂ）と駆動ローラ２４の回転中心を結ぶ
直線上（矢印Ｌ方向）を移動可能とされ、鋼球サイズの
異なる種々の被検査球体６に対して表面性状の検査が可
能とされている。また、球体駆動手段２６においては、
ピボット３５により被検査球体６の駆動ローラ２４への
保持・離脱をサポートしているが、ピボット３５に代え
て、移動ステージやその他の手法により被検査球体６の
駆動ローラ２４への保持・離脱をサポートしてもよいの
はいうまでもない。

【００３７】このように構成された球体表面検査装置に
おいては、図１に示すように、光源駆動手段２により発
光量が制御されたレーザダイオード１から射出された出
射光束は、ビームスプリッタ４を透過して偏光手段７に
向かい、さらに偏光手段７で反射されて第２の焦点Ｂ上
に保持された被検査球体６の表面における少なくとも自
転軸との各交点を含む検査領域部分（略半円周にわたる
帯状領域）に対し、すべての光が同時に被検査球体６の
中心に向けて垂直に入射する。

【００３８】このようにすべての光が同時に被検査球体
６の中心に向けて入射するようになされているため、被
検査球体６からの反射光から以下に述べる良品、不良品
の選別を行うのに信頼性が高まる。しかも、入射光は、
点光源と楕円鏡との組合せとし、可動部により走査をさ
せる等の手段を用いないため、より安定した入射光とな
る。

【００３９】このようにして被検査球体６に垂直に入射
した光束は、被検査球体６で反射され、表面にキズや汚
れ等がない部分については入光経路を逆進し、再び偏光
手段７を経てビームスプリッタ４に戻り、その戻ってき
た反射光束はビームスプリッタ４により直角方向に曲げ
られる。ビームスプリッタ４で直角方向に曲げられた反
射光束はスリット５で選別され、スリット５の窓部を通
過した光のみが光検出素子３に入光する。光検出素子３
は受光した光を光電変換によりＰＤ信号Ｓ１２に変換
し、そのＰＤ信号Ｓ１２を表面性状判定手段８に出力す
る。表面性状判定手段８では、ＰＤ信号Ｓ１２に基づき
被検査球体６の欠陥の有無を判定し、その判定結果を示
す判定信号Ｓ１５に基づき球体検査部９の選別手段２８
によって被検査球体６の良品・不良品の選別が行われ
る。

【００４０】すなわち、図８に示すように、ビームスプ
リッタ４からの反射光束の内、スリット５の半円環状の
窓部を通過した光（図中、斜線部で示す）のみが光検出
素子３に入光して該光検出素子３で光電変換される。被
検査球体６の表面にキズや汚れ等の欠陥が存在する場合
には、それらの部分からの反射光は散乱されてしまい、
スリット５の窓部の面上にはこれら欠陥に対応する明暗
パターンが形成されるため、スリット５を通過する光量
は変化する。これらの光量の変化は光検出素子３によっ
て検出され、その検出結果に基づき表面性状判定手段８
により被検査球体６の表面性状の異常が判定される。

【００４１】また、被検査球体６の鋼球サイズが変わる
場合は、該鋼球サイズの大きさに応じて検出すべき欠陥
の大きさの下限も比例して変更するのが望ましいが、本
実施の形態では、被検査球体６をその球心が楕円１０の
第２の焦点Ｂに一致するように保持するので、入射光束
が被検査球体６の球心に向けて集光し、被検査球体６の
鋼球サイズにかかわらず常に立体角が一定となり、種々
の鋼球サイズを有する被検査球体６に対して部品交換等
の煩わしさを極力回避することができるとともに、入射
光束の光軸を安定に保持した状態で被検査球体６の検査
を行うことができる。

【００４２】さらに、被検査球体６を楕円１０の第２の
焦点Ｂに保持しながら所定軸の周りに回転させることに
よって被検査球体６の全表面を光が走査するので、被検
査球体６をスキュー回転させる必要がなくなり、したが
って従来のような制御ローラを使用する必要もなく、ま
た回転数の不整が生じる虞のあるスキュー機構を使用す
る必要もなくなり、小径の球体の検査を精度良く行うこ
とができる。

【００４３】さらに、ビームスプリッタ４からの反射光
束の内、スリット５の半円環状の窓部を通過した光のみ
が光検出素子３に入光することにより、光検出素子３に
入光する光はスリット５の窓部の半径方向幅に規制され
た光となるので、傷等による明るさの低下の影響を相対
的に上げることができ、換言すれば傷等の検出感度を上
げることができ、検査精度をさらに向上させることがで
きる。なお、光検出素子３を数個組み合わせることによ
り、多少感度が上げられる。

【００４４】（実施の第２形態）次に、本発明の実施の
第２形態について図９ないし図１１を参照しながら説明
する。図９は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第
２形態を模式的に示した全体構成図、図１０は図９の球
体表面検査装置の表面性状判定手段における入出力信号
を示すタイミングチャート、図１１は図１０の各主要信
号におけるそれぞれのレベル変化を示す信号波形図であ
る。

【００４５】本実施の形態は、上述の実施の第１形態に
おけるスリット５と光検出素子３とを円形フォトダイオ
ードアレイ素子（circular photodiode array ；以下、
ＣＰＡという）に置き換えたものであり、本実施の形態
では、上述の実施の第１形態と異なる構成部分について
説明し、同じ構成部分についての説明は省略する。

【００４６】本実施の形態は、図９（ａ）に示すよう
に、ビームスプリッタ４で直角方向に曲げられた被検査
球体６からの反射光量を検出するＣＰＡ３０を備える。
ＣＰＡ３０は、図９（ｂ）に示すように、基板の一方の
面に同一円周上に等角度間隔で配列されている複数のフ
ォトダイオード３０ａを有する。各フォトダイオード３
０ａが規定する受光領域は円環状の領域からなり、その
領域の半径方向は各フォトダイオード３０ａの受光幅に
よって規定される。よって、各フォトダイオード３０ａ
が規定する受光領域の半径方向幅は上述の実施の第１形
態のスリット５の窓部の半径方向幅に相当することにな
る。すなわち、半径方向幅の規制による検査精度の向上
に加え、各フォトダイオード３０ａが各位置における光
量を検出するため、上述の実施の第１形態よりさらに検
査精度を向上させることができる。

【００４７】各フォトダイオード３０ａは、受光した光
量を検出し、その検出した光量を光電変換によって対応
するレベルのＣＰＡ信号Ｓ２２に変換し、各フォトダイ
オード３０ａからのＣＰＡ信号Ｓ２２は時系列的に順次
出力される。各フォトダイオード３０ａが規定する受光
領域は円環状の領域からなるので、ＣＰＡ信号Ｓ２２
は、実施の第１形態のスリット５の窓部の領域に相当す
るほぼ半円環状の領域（所定の角度範囲）に位置するフ
ォトダイオード３０ａから出力された有効な信号と、他
の領域部分に位置するフォトダイオード３０ａのそれぞ
れから出力された無効な信号すなわち雑音信号とからな
る。

【００４８】ＣＰＡ３０から出力されたＣＰＡ信号Ｓ２
２は表面性状判定手段８０に与えられ、表面性状判定手
段８０は、ＣＰＡ信号Ｓ２２のレベルに基づき被検査球
体６の表面性状を判定する。この表面性状判定手段８０
は、具体的には、ＣＰＡ信号Ｓ２２に含まれる有効な信
号を取り出すためのゲート回路８４を有し、ゲート回路
８４はタイミング発生回路８１からのゲート信号Ｓ２３
に基づき所定角度範囲にあるフォトダイオード３０ａか
ら出力された有効な信号を通過させ、無効な信号の通過
を遮断する。ゲート回路８４を通過した有効なＣＰＡ信
号Ｓ２２のレベルは比較器８２で基準信号ＴのレベルＴ
と比較され、その比較結果は欠陥検出信号Ｓ２５として
出力される。欠陥検出信号Ｓ２５は判定回路８３に与え
られ、判定回路８３は欠陥検出信号Ｓ２５に基づき被検
査球体６の表面に傷などの欠陥があるか否かを判定し、
その判定結果を示す判定信号Ｓ２６を制御装置（図示せ
ず）に出力する。判定回路８３の判定処理動作はタイミ
ング発生回路８１から出力されるリセットパルスＳ２４
によって制御され、タイミング発生回路８１は制御装置
から供給される指令信号Ｓ２１に基づきゲート信号Ｓ２
３及びリセットパルスＳ２４を生成し、出力する。

【００４９】この表面性状判定手段８０においては、図
１０に示すように、まず、制御装置から判定開始を指示
する“Ｈ”レベルの指令信号Ｓ２１がタイミング発生回
路８１に供給される。タイミング発生回路８１は、
“Ｈ”レベルの指示信号Ｓ１１を受けると、判定回路８
３に保持されている判定信号Ｓ１５をクリアするための
リセットパルスＳ２４を出力するとともに、ＰＤ信号Ｓ
２２に含まれる有効な信号を取り出すためのパルス幅を
有するゲート信号Ｓ２３を出力する。

【００５０】判定回路８３はリセットパルスＳ２４に基
づき判定信号Ｓ２６を“Ｌ”レベルにクリアし、比較器
８２からの欠陥検出信号Ｓ２５を監視する。

【００５１】一方、ゲート回路８４では、図１０及び図
１１に示すように、ゲート信号Ｓ２３のパルス幅に相当
する期間ＣＰＡ信号Ｓ２２を通過させ、即ち有効な信号
を通過させる。ゲート回路８４を通過した有効なＣＰＡ
信号Ｓ２２のレベルは、図１１（ｃ）に示すように、比
較器８２で基準信号Ｔのレベルと比較され、その比較結
果が欠陥検出信号Ｓ２５として判定回路８３に出力され
る。例えば、図１０及び図１１中のＫ時点において、被
検査球体６の表面に欠陥があると、ＣＰＡ３０のＣＰＡ
信号Ｓ２２のレベル（図中のＫ点）が基準信号Ｔのレベ
ルＴより小さくなり、図１０及び図１１（ｄ）に示す欠
陥検出信号Ｓ２５が出力される。この欠陥検出信号Ｓ２
５によって、判定回路８３からは、図１０に示すよう
に、レベルを“Ｈ”に保持した判定信号Ｓ２６が出力さ
れ、この判定信号Ｓ２６のレベルは次のリセットパルス
Ｓ２４が入力されるまで保持される。

【００５２】（実施の第３形態）次に、本発明の実施の
第３形態について図１２を参照しながら説明する。図１
２は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第３形態に
おける主要部を模式的に示す図である。

【００５３】本実施の形態は、上述の各実施の形態にお
ける点光源を構成するレーザダイオードを、レーザ光源
を用いた点光源に置き換えたものである。

【００５４】具体的には、図１２に示すように、レーザ
光源１ａと、レーザ光源１ａから発するレーザ光を集光
するための集光レンズ１ｂと、該集光レンズ１ｂにより
集光される焦点位置に配置され、集光レンズ１ｂで集光
されたレーザ光束を点光源としてみなし得る大きさ（数
μｍ）に規制して通過させるためのピンホールが設けら
れている部材１ｃとから構成される点光源を用いてい
る。このように構成された点光源を上述の各実施の形態
で用いられているレーザダイオードに置き換えて使用す
ることが可能である。この構成においては、部材１ｃは
そのピンホールの中心位置が楕円の焦点位置（実施の第
１形態における焦点位置Ａ）に一致するように配置され
ている。

【００５５】（実施の第４形態）次に、本発明の実施の
第４形態について図１３および図１４を参照しながら説
明する。図１３は本発明に係る球体表面検査装置の実施
の第４形態における被検査球体表面からの反射光束のス
リット位置での特性を示す図、図１４は本発明に係る球
体表面検査装置の実施の第４形態におけるレーザダイオ
ードのチルト機構の構成を示す図であり、同図（ａ）は
レーザダイオードのチルト機構の構成を示す平面図、同
図（ｂ）はレーザダイオードのチルト機構の構成を示す
側面図である。

【００５６】本実施の形態は、上述の実施の第１または
第２形態に対し、点光源を構成するレーザダイオードを
その出射光束の光軸が偏光手段の楕円の長軸に対し所定
の角度で傾斜するように配置している。

【００５７】具体的には、図１３（ａ）に示すように、
レーザダイオードの射出光束は、楕円の断面形状を有
し、その光強度は２次のガウス分布を示す。このような
レーザダイオードの射出光束に対し、図１３（ｂ）に示
すような、その射出光束の断面と同心の半円環状に形成
されたスリットを配置したときに透過する光量分布は、
図１３（ｃ）に示すように、０°から１８０°の角度範
囲で９０°付近で低下し、被検査球体の検査領域部分に
おいて角度によって異なる強度でレーザ光が照射される
ことになる。

【００５８】そこで、本実施の形態では、図１３（ｄ）
に示すように、被検査球体の検査領域部分にレーザ光を
均一な強度で照射するために、その射出光束の光軸中心
がその断面の短軸方向に半円環状に形成されたスリット
に到達する位置においてスリットから偏心して配置する
ように構成している。このように構成することによっ
て、図１３（ｅ）に示すように、そのスリットを透過し
たときに得られる光量分布は、０°から１８０°の角度
範囲で略均一になる。上記の第１及び第２の実施形態に
おいては、レーザダイオード出射光軸を楕円の長軸１１
に一致させたが、出射光軸を上記偏心量に対応する所定
の角度だけ傾けることによって図１３（ｄ）の状態を作
ることができ、従って、被検査球体の検査領域部分にレ
ーザ光を略均一な強度で照射することが可能になり、照
度むらに起因する誤判定をより確実になくすことができ
る。また、同じ強度差を許容するとして上記第１及び第
２の実施の形態の構成と比較すると、楕円面鏡を規定す
る楕円の長径及び短径（すなわち焦点ＡとＢの距離）を
上記第１及び第２の実施の形態の構成に比して小さく設
定することができ、装置の小型化、高精度化を図ること
ができる。

【００５９】以上を考慮すれば、前述の（１）式または
（５）式は、上述した出射光軸の傾き角に対応する光量
検出手段の位置での光軸中心の偏心量を考慮し補正した
ものとなる。

【００６０】次に、レーザダイオードの出射光軸を上記
偏心量に対応する所定の角度だけ傾けるためのチルト機
構の構成について図１４を参照しながら説明する。

【００６１】このチルト機構は、図１４に示すように、
レーザダイオード１を保持するためのスタンド１０１を
有する。スタンド１０１は、支持面に置かれる底板１０
１ａと、底板１０１ａから垂直に立ち上がる前板１０１
ｂと、底板１０１ａから垂直に立ち上がり、前板１０１
ｂと共働して水平方向断面のコ字状の空間を形成する一
対の側板１０１ｃとから構成されている。

【００６２】側板１０１ｃの一方と他方とは互いに対向
するように配置され、それぞれの間には回転板１０２が
挿入されている。回転板１０２には、レーザダイオード
１を保持し、レーザダイオード１からの出射光を通す開
口部１０２ａが形成されているとともに、レーザダイオ
ード１の射出点Ｏを通り底板１０１ａに平行に伸びる軸
線と同軸の１対の枢軸１０２ｂが設けられている。各枢
軸１０２ｂは対応する側板１０１ｃに向けてそれぞれ突
出し、対応する側板１０１ｃにその軸線の周りに回転可
能に支持されている。回転板１０２は各枢軸１０２ｂの
周りに回転し、その回転角度は前板１０１ｂに取り付け
られた送りねじ１０３の送り量に応じて調整される。送
りねじ１０３は前板１０１ｂから回転板１０２に向けて
突出し、その先端部分は回転板１０２に固定されたスト
ッパ１０４の先端部１０４ａに各ばね１０５のばね力で
突き当てられている。各ばね１０５の一端は前板１０１
ａに、その他端は回転板１０２にそれぞれ固定されてい
る。

【００６３】このような構成を有するチルト機構は、初
期時には、ダイオードレーザ１の射出点Ｏが偏光手段の
楕円の焦点（実施の第１形態では焦点Ａ）に一致するよ
うにかつその出射光束の光軸が偏光手段の楕円の長軸に
対し所定の初期角度をなすように所定の支持面に設置さ
れる。次いで、被検査球体の検査領域部分にレーザ光を
できるだけ均一な強度で照射するために、上記偏心量に
対応する所定の角度だけ傾ける調整作業が行われる。こ
の調整作業では、送りねじ１０３を回転板１０２に向け
て送る。この送りねじ１０３の送りに伴い送りねじ１０
３が各ばね１０５のばね力に抗しながらストッパ１０４
の先端部１０４ａを押すことにより、回転板１０２は枢
軸１０２ｂを中心に送りねじ１０３の送り量に応じた角
度分回転される。このように送りねじ１０３の送り量に
応じて回転板１０２が回転され、この回転板１０２の回
転に伴いレーザダイオードの出射光束の光軸が偏光手段
の楕円の長軸に対し傾斜される。送りねじ１０３が所定
量送られる毎にすなわちこの送り量に応じてその出射光
束の光軸が傾斜される毎に光検出素子の位置（実施の第
１形態の光検出素子３の位置）で照度測定を行い、この
照度測定の結果により被検査球体の検査領域部分にレー
ザ光を均一な強度で照射することが確認されると、出射
光束の光軸が上記偏心量に対応する角度で傾斜されたこ
とになり、調整作業が完了する。

【００６４】なお、点光源として、上述の実施の第３形
態のものや、レーザダイオードとマイクロレンズや補正
用光学系との組合せにより光軸に垂直な平面での光強度
の等しい部分の分布が円形とされたもの（市販されてい
る）を採用した場合は、本実施の形態のように光軸を傾
ける必要がなくなることはいうまでもない。

【００６５】（実施の第５形態）次に、本発明の実施の
第５形態について図１５を参照しながら説明する。図１
５は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第５形態に
おける光量検出手段の構成を模式的に示す図である。

【００６６】本実施の形態は、上述の実施の第２形態に
おけるＣＰＡを、光ファイバーと、ＣＰＡに比べ安価な
リニアイメージセンサとの組合せを用いた光量検出手段
に置き換えたものである。

【００６７】本実施の形態に用いられている光量検出手
段は、図１５（ａ）に示すように、複数の光ファイバー
が束ねられているファイバー束４０を有し、ファイバー
束４０の一端側は各光ファイバーが半円環状に配列する
ように束ねられ、その他端側が各光ファイバーが直線状
に配列するように束ねられている。このように構成され
たファイバー束４０では、一端で捕らえた半円環状の像
（被検査球体からの反射光）を他端側で細長い帯状の像
に変換して出力する。

【００６８】ファイバー束４０の他端側から出力された
像は、光学レンズ４２でリニアイメージセンサ４１の撮
像面に結像され、リニアイメージセンサ４１はファイバ
ー束４１の他端側から出力された像を光電変換によって
電気信号に変換して出力する。すなわち、被検査球体か
らの反射光量が電気信号として出力されることになり、
その電気信号の出力はＣＰＡと同様に行われる。

【００６９】なお、多少のボケを許容するならば、光学
レンズ４２を用いずに、ファイバー束４０の他端近傍に
リニアイメージセンサ４１を配置し、ファイバー束４０
の他端から出力された像をリニアイメージセンサ４１で
直接撮像することも可能である。

【００７０】また、上述の光量検出手段に代わる他の検
出手段として、図１５（ｂ）に示すように、複数の光フ
ァイバーが束ねられているファイバー束４４を有し、フ
ァイバー束４４はスピンドルの回転軸４３内に挿通され
ている。ファイバー束４４の一端は回転軸４３の軸線に
対し偏心した位置から回転軸４３の一端側に露出され、
その他端は回転軸４３の軸線上の位置から回転軸４３の
他端側に露出されている。

【００７１】このようにスピンドルの回転軸４３内に挿
入されたファイバー束４０では、一端で被検査球体から
の反射光を受光し、他端側から受光した光をスピンドル
の回転軸４３の軸線方向に射出する。ファイバー束４４
の他端側から射出された光量は、光検出素子３で検出さ
れる。被検査球体の検査時、スピンドルの回転軸４３は
回転され、その回転軸４３の回転に伴いファイバー束４
４の一端は、回転軸４３の軸線を中心として半径ｄの円
周上を移動する。このファイバー束４４の一端の移動に
よって被検査球体の表面に対する走査が行われることに
なり、光検出素子３からはファイバー束４４の走査によ
って得られた光量に対応する検出信号が出力される。

【００７２】（実施の第６形態）次に、本発明の実施の
第６形態について図１６を参照しながら説明する。図１
６は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第６形態を
模式的に示す全体構成図であり、同図（ａ）は本実施の
形態における球体表面検査装置の構成を示す平面図、同
図（ｂ）はその球体表面検査装置の構成を示す側面図で
ある。

【００７３】本実施の形態は、上述の実施の第１または
第２形態における楕円鏡からなる偏光手段７を、コリメ
ートレンズ４４と放物面鏡４５とに置き換えたものであ
る。具体的には、図１６に示すように、コリメートレン
ズ４の焦点位置Ａにあるレーザダイオード１から、ビー
ムスプリッタ４を介して射出された出射光束は、コリメ
ートレンズ４４で平行光束に変換された後に放物面鏡４
５に導かれる。コリメートレンズ４４と放物面鏡４５と
の距離は自由に設定することができる。

【００７４】放物面鏡４５は、放物線４６を軸１１の周
りに回転させることによって得られる放物面の内面所定
領域４７を鏡面として有し、その焦点位置Ｂには球心を
一致させた被検査球体６が球体検査部９によって保持さ
れる。

【００７５】コリメートレンズ４４から射出された平行
光束は放物面鏡４５で反射され、その反射光束は、焦点
Ｂ上に保持された被検査球体６の表面における少なくと
も自転軸との各交点を含む検査領域部分に対し、被検査
球体６の中心に向けて垂直に入射する。

【００７６】このようにして被検査球体６に垂直に入射
した光束は、被検査球体６で反射され、表面にキズや汚
れ等がない部分については入光経路を逆進し、再び放物
面鏡４５およびコリメートレンズ４４を経てビームスプ
リッタ４に戻り、その戻ってきた反射光束はビームスプ
リッタ４により直角方向に曲げられる。ビームスプリッ
タ４で直角方向に曲げられた反射光束はスリット５で選
別され、スリット５の窓部を通過した光のみが光検出素
子３に入光する。以下、実施の第１形態と同様な処理が
行われ、光検出素子３の検出結果に基づき球体検査部９
によって被検査球体６の良品・不良品の選別が行われ
る。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の球体
表面検査装置によれば、被検査球体駆動手段で、被検査
球体を所定位置に保持しながら該被検査球体の中心を通
る所定軸線の周りに回転させ、光照射手段により、所定
位置で所定軸線の周りに回転する被検査球体の表面にお
ける少なくとも所定軸線との各交点を含む検査領域部分
に対し、光源から発せられた光を偏光し、被検査球体の
中心に向けて照射し、光量検出手段で被検査球体の表面
における検査領域部分で反射された反射光を所定光路に
沿って導き、該導いた反射光の光量を検出し、表面性状
判定手段で検出された反射光の光量に基づき被検査球体
の表面における検査領域部分の性状を判定するので、被
検査球体への入射光の立体角は一定となり、被検査球体
の鋼球サイズの変化に応じて部品交換等により光学系を
変更して被検査球体への入射光の立体角を調整する必要
がなくなり、測定準備に手間が掛からなくなるととも
に、入射光の光軸を安定に保持した状態で被検査球体の
検査を行うことができる。

【００７８】また、被検査球体を所定位置に保持しなが
ら所定軸の周りに回転させることによって被検査球体の
全表面を光が走査するので、被検査球体をスキュー回転
させる必要がなくなり、したがって従来のような制御ロ
ーラを使用する必要もなく、また回転数の不整が生じる
虞のあるスキュー機構を使用する必要もなくなり、小径
の球体の検査を精度良く行うことができ、運転、保守共
容易で安価な球体表面検査装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第１形
態を模式的に示す全体構成図である。

【図２】図１の球体表面検査装置の表面性状判定手段に
おける入出力信号を示すタイミングチャートである。

【図３】図１の球体表面検査装置の偏光手段を形成する
楕円鏡の内面所定領域を説明するための斜視図である。

【図４】図１の球体表面検査装置における球体検査部の
詳細構成図である。

【図５】球体駆動手段の詳細を示す正面図である。

【図６】球体駆動手段の詳細を示す平面図である。

【図７】球体駆動手段の斜視図である。

【図８】図１の球体表面検査装置におけるスリットと光
検出素子の配置関係を示す図である。

【図９】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第２形
態を模式的に示した全体構成図である。

【図１０】図９の球体表面検査装置の表面性状判定手段
における入出力信号を示すタイミングチャートである。

【図１１】図１０の各主要信号におけるそれぞれのレベ
ル変化を示す信号波形図である。

【図１２】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第３
形態における主要部を模式的に示す図である。

【図１３】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第４
形態における被検査球体表面からの反射光束のスリット
位置での特性を示す図である。

【図１４】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第４
形態におけるレーザダイオードのチルト機構の構成を示
す図である。

【図１５】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第５
形態における光量検出手段の構成を模式的に示す図であ
る。

【図１６】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第６
形態を模式的に示す全体構成図である。

【図１７】球体表面検査装置の第１の従来例を模式的に
示す要部概念図である。

【図１８】図１７のＸ矢視図である。

【図１９】球体表面検査装置の第２の従来例を模式的に
示す要部概念図である。

【符号の説明】

１ レーザダイオード（点光源） ３ 光検出素子（光量検出手段） ５ スリット ６ 被検査球体 ７ 偏光手段 ８，８０ 表面性状判定手段 ９ 球体検査部 １２ 内面所定領域 ２６ 球体駆動手段 ４０，４４ ファイバー束 ４１ リニアイメージセンサ ４２ 対物レンズ ４４ コリメートレンズ ４５ 放物鏡

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査球体の表面性状を光学的に検査す
   る球体表面検査装置において、前記被検査球体を所定位
   置に保持しながら該被検査球体の中心を通る所定軸線の
   周りに回転させる被検査球体駆動手段と、前記所定位置
   で前記所定軸線の周りに回転する前記被検査球体の表面
   における少なくとも前記所定軸線との各交点を含む検査
   領域部分に対し、光源から発せられた光を偏光し、前記
   被検査球体の中心に向けて照射する光照射手段と、前記
   被検査球体の表面における検査領域部分で反射された反
   射光を所定光路に沿って導き、該導いた反射光の光量を
   検出する光量検出手段と、前記検出された反射光の光量
   に基づき前記被検査球体の表面における検査領域部分の
   性状を判定する表面性状判定手段とを備えることを特徴
   とする球体表面検査装置。