JPS61167807A - ねじの表面検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分ｌ！？］ この発明はねじの加エエ稈におけるねじ部表面の欠陥を
光学的に検査するねじの表面検査装置に関するものであ
る。

［従来の技術］ この発明に先行して同一出願人より出願された第１の発
明として、光をねじの中心を通る法線に沿って照射なら
びにねじの軸方向に走査し、この反射光を光電変換した
信号波形の山、谷および稜線部の変化を検出することに
より、ねじの各部の異常を検出することができる検査装
置がある。

以下１図に基づいてこの発明に先行する第１の発明の詳
細な説明する。第７図は先行発明にかかわる検査装置の
光学系を示す概略図、第８図はねじ部の拡大図、第９図
は検出信号の波形図である０図中（１）は頂角θを有す
るねじ、（２）は走査角αで入射される入射光、（３）
はハーフミラ−１（４）は反射光を受けて光電変換を行
なう光電素子（５）はねじ（１）の山部、（８）はねじ
（１）の谷部。

（７）はねじ（１）の稜線部、（８）は光電素子（０の
出力信号波形で、（８ａ）はねじ（１）の山部（５）。

（８ｂ）は谷部、（８Ｃ）は稜線部にそれぞれ相当する
信号部分であり、この第７図において、光はハーフミラ
−（３）を経由してねじ（１）に対し、好ましくはねじ
の中心を通る法線に沿ってねじの軸方向に走査され走査
入射光（２）となる。

かかる構成において、ねじ（１）からの反射光はハーフ
ミラ−（３）で反射され光電素子（０に入光する。この
時の反射光の形態としては、光がねじの法線に沿って入
射し、軸方向（ねじに直交方向）に走査しているため、
ねじの山部（５）、谷部（８）、稜線部（７）からの光
は同一直線しに伸びることはいうまでもなく、効率良く
光電素子（４）に入光する。一方、ねじの形状から考え
ると、第８図に示すように、ねじの山部（５）はあたか
も凸面鏡であるかと同様の作用をし、光を大きな角度で
散乱させるのに対し、ねじの谷部（８）ではあたかも凹
面鏡であるかの如く作用し、光を集束させることは明ら
かである。

！二記構成においては、ねじ（１）から一定以一ヒの距
離をとって光電素子（４）を配置したため、ねじ山１１
１（５）で散乱する光は検知せず、谷部（８）からの光
が検知されていた。又、ねじの稜線部（７）は凸から凹
へ変化する過程であると同時に、各稜線間で多重反射が
発生して複雑なふるまいの反射光になるが、光線追従の
結果、山部（５）から谷部（８）に光が移動するにつれ
て最終反射角の変化の絶対値が小さくなり入射方向に向
うことが明らかである。したがって、光電素子（４）で
得られた信号は第９図の如く走査入射光（２）の走査域
下のねじ山数に一致した規則正しい繰り返し波形になる
。同図において、信号波形の極大値がねじの谷部（８）
からの信号、信号波形の極小値がねじの山部（５）から
の信号、極大値がねじの山部（５）からの信号、極大値
から極小値に至る部分がねじの稜線部（７）に各々対応
していることは明らかである。

また、この発明に先行して同一出願人より出願された第
２の発明として、光をねじの表面に照射点を通過する法
線に対して所定の角度をもたせて照射し且つねじの軸方
向に平行に走査し、上記ねじの各部位に対応して分離す
る各反射光を光電変換した信号波形の変化を検出するこ
とにより、ねじの各部位の異常を検出することができる
ねじの表面欠陥検査装置がある。

以下、図に基づいてこの発明に先行する第２の発明の詳
細な説明する。第１０図は第２の先行発明にかかわる検
査装置の光学系を示す概略図、第１１図はねじ部におけ
る反射光の経路を示す平面図、第１２図（イ）、（ロ）
、（ハ）は各光電素子の出力信号波形をそれぞれ示す波
形図である。

図において、（ｉｏ）はねじ（１）の山部（５）から反
射される反射光（ｔｉ）はねじ（１）の稜線部（７）か
ら反射される反射光（１２）はねじ（１）の谷部（８）
から反射される反射光（１３）、（１４）、（１５）は
各反射光（１０）　、（１１）　、（１２）を受光して
光電変換する光電素子、（１６）はねじ（１）の山部の
外周円（１７）はねじ（１）の谷部の外周円、（２０）
は光電素子（１３）の出力信号、（２１）は光電素子（
１５）の出力信号、（２２）は光電素子（１４）の出力
信号波形である。

第１Ｏ図において、光は好ましくはねじ（１）の軸方向
に沿ってなおかつねじ（１）の中心を通る法線（図示せ
ず）から大きく外してねじ（１）に投射、走査されて走
査入射光（２）となる、この時、第１１図において明ら
かなように、まずねじ山部（５）からの反射光（１０）
がねじ自昇周円（ＩＢ）に対して発生し、同様にねじ谷
部（８）からの反射光（１２）がねじ谷外周円（１７）
に対して発生する。　ここで両反射光（１０）と（１２
）は円外周円（１Ｂ）と（１７）の直径の差に起因して
空間的に大きく分離されることは明らかであり、その途
中（Ｈの空Ｍ）においてねじ稜線部からの反射光（１１
）が発生する。一方、走査入射光（２）はねじの軸方向
に平行に走査されているため、ねじ（１）Ｈの沢山ある
各ねじ山、ねじ谷、ねじ稜線からの各反射光は各々−直
線上、すなわち第１１図において各々（１０）、（１２
）、（Ｈ）の各反射光の方向に一致する。したがって、
ねじ（１）の軸方向に細長く伸びた形状を有する各光電
素子（１３）。

（１５）、（１４）で上記各反射光（１Ｇ）、（１２）
、（１１）を受は光電変換することによりねじ（１）の
各部位に対する反射信号を得ることができる。第１２図
はこのようにして得られた信号の一例を示すものであり
、（２０）がねじ山に対応する出力信号波形、（２１）
が谷に対応する出力信号波形（２２）がねじ稜線に対応
する出力信号波形を各々示している。

同図に示すように、光の走査（時間の経過）に伴って、
まず出力信号波形（２０）にパルスが発生し、以後、出
力信号波形（２２）、出力信号波形（２１）の順に発生
する。この時、谷信号波形は光電素子（１３）、（１４
）、（１５）に入る各反射光（１０）、（ｉｔ）、（１
２）が空間的に大きく分離されているため、他の部分か
らの反射光の影響を全く受けず安定した出力信号波形を
得ることができる。又、ねじ（１）の各部に欠陥が発生
した場合　第１２図に示すように対応する部分の反射光
が乱れて結果的に対応する各出力信号波形（２０）　、
　（２１）　、　（２２）が乱れるので、これを検出す
ることにより欠陥を抽出する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、従来の装置は以上のように構成されていたの
で、第１の先行発明では、山信号が小さく山に発生する
小さな欠陥を検出しにくいという欠点、また第２の先行
発明においては３個の光電素子と、３個の信号処理回路
を必要とし、装置が複雑高価にな′るという欠点が・各
々あった。

更に、上記第２の先行発明の光学系において光学的もし
くは電気的手段により信号を合成することにより、自信
・号の振幅を大きくすると共に、光電素子及び信号処理
回路を単一にして簡略化した装置を提案されているが、
欠陥発生部位が特定できないという問題点を有している
。

この発明はヒ記のような問題点を解消するためになされ
たもので、表面検査装置をねじの切り終り部まで拡大す
ることにより、欠陥の発生部位を特定できるねじの表面
検査装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る表面検査装置は、表面検査領域をねじの
切り終り部の不完全加工領域まで拡大して、不完全加工
領域を含んだ連続時系列信号を得、その中から不完全加
工による信号の変化により、ねじの山、谷信号の内の山
信号を消去されたものを検知することにより、欠陥の発
生部位を特定できるようにしたものである。

［作用］ この発明においては、連続時系列信号の最初のパルス列
が不完全加工による信号の変化を含んだものであり、さ
らに不完全加工は通例としてねじの山部にしか発生しな
いことから、最初のパルス列は山対応信号を全く含んで
いない信号として扱うことにより、以下連続する信号を
山対応信号と谷対応信号に弁別する。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図について説明する。第４図
において、（３０）はレンズ、（３１）は光電素子であ
り、レンズ（３０）は望ましくはその設置位置とレーザ
走査光（２）の試料面上位置からの距離が、レンズ（３
０）自身の焦点距離よりも長い距離になってお４１．そ
の口径はねじ面からの各反射光を受光できる大きさを持
っている。かかる構成において、光はねじ（１）に対し
、ねじの軸方向に沿って走査され、走査入射光（２）と
なり、ねじ（りからの反射光は、ねじ（１）の山部、谷
部、綾部に対応した散乱をして、レンズ（３０）に入射
し、同レンズ（３０）で光電素子（３１）上に集光され
る。また光電素子（３１）はレンズ（３０）の集光位置
に設置されており、この時の光電素子（３１）の出力は
第１２図（イ）。

（ロ）、（ハ）の谷信号の和になり、１本の信号ライン
上の時系列資化として谷信号が発生することはいうまで
もない。

第５図はこの時の信号形態を示しており、実際のねじ表
面に対する実験の結果ねじ山に対応する信号（２０）が
単独で発生し、ねじの谷信号（２１）と稜信Ｊｉ＋（２
２）が合成された新しい信号（３５）か発生する。

第６図は、この発明の前提技術における実施例を説明す
るブロック図で、（３８）は加算増幅器、（３？）は加
算増幅器（３Ｂ）の出力で、加算増幅器（３６）には第
１０図の光電素子（１３）　、（１４）、（１５）の各
出力（２Ｇ）、（２２）　、（２１）が入力される。こ
の結果出力（３７）には第５図に示すと同じ信号が発生
する。

第５図に示す信号において、ねじ山部に異常が発生すれ
ば対応する山信号（２０）に、またねじの山部もしくは
稜部分に異常が発生すれば、対応する合成信号（３５）
に各々変化が発生する。ねじ部に異常が無い場合は、第
９図、第１２図の信号列から明らかなように、谷信号は
ねじ形状の規則正しい変化に対応した規則正しい繰返し
をするため、第５図の信号列も山信号（２０）と合成信
号（３５）が規則正しく繰返される。したがって、この
規則正しい繰返し信号の中から異常信号を検出すること
は周知の電子回路的な処理手段で容易に実施することが
でき、その検出方法として通常表面検査に利用されてい
る方法は、第５図の信号に対して該信号が　１欠陥によ
って変化する領域に２値化スライスレベル（３４）を設
定して、第５図の波形を“Ｈ″　“Ｌ″２偵のパルス列
に変換してその変化を検出するものである。

なお、第４図において、レンズ（３０）は必ずしもレン
ズに限定されるものではなく、例えば凹面鏡、長円鏡等
の集光機能を有するもの、あるいはオプティカルファイ
バ束のように等価的に同一の機能を有するものに置換え
ることは可能である。

しかしながら、第５図のようなアナログ波形でも、変化
信号が山信号であるか谷・稜合成信号であるかは明らか
であるが、例えば第５図のスライスレベル（３４）で２
値化されたパルス列においては、はぼ等しい幅のパルス
が続くため、上記のような欠陥発生信号がどちらかに属
しているかの識別は不可能であった。一方、欠陥の発生
部位というのは、一般に表面検査おいては、ノイズ消去
、同一欠陥であることの認識、周期欠陥の認識、欠陥ラ
ンクの定義等のために非常に重要な情報であるとされて
おり、したがって、欠陥発生部位が特定できないという
ことが最大の問題となっていた。　そこで、この発明は
上記のような問題点を点に鑑み、表面検査領域をねじの
切り終り部まで拡大することにより、欠陥の発生部位を
特定できるようにするものである。

以下、この発明の具体的一実施例を図について説明する
。第１図はこの発明おける信号処理回路図、第２図はね
じの断面形状を簡略表現した概略図、第３図は第２図の
ねじに対して、第４図の光学系で得られた波形、および
第１図の信号処理回路で、山、谷等の各部位信号を得る
処理を説明するブロック波形図である６図において（５
）は完全ねじ巾、　（１３）は完全ねじ谷、（９）は不
完全ねじ山、（４０）は増幅器、　（４１）はスライス
レベル（３０を持つ波形整形型、　（４４）はスイッチ
、　（４５）はプリセットカウンタ、（４Ｂ）は発振器
、（４７）はメモリ。

（４８）はプリセットカウンタ、　（４９）はメモリ、
（４３）は波形整形器出力、（５０）は谷部位確定信号
、（５１）は山部位確定信号である。

第２図において光（図示せず）はねじ（りの不完全ねじ
部（９）から完全ねじ部（５）の方向に向って走査され
る。この時光電素子の出力は第３図（ａ）に示す如く、
不完全ねじ部（９）の信号が異常となり、完全ねじ部（
５）、（８）とに対しては第５図の如く信号（２０）も
しくは（３５）が発生する。この時、不完全ねじ部（８
）では前述の如く信号に異常が発生することが明らかで
あることから、第３図（ａ）の信号列の最初の数パルス
は、明らかにねじ両信号を含まないものとなる。したが
って、このパルスをねじの谷および稜の合成信号（３５
）であると特定することは可能である。

８１図の信号処理回路において、増幅器（４０）の出力
（４１）は波形整形器（４２）によってスライスレベル
（３０で２値化され、第３図（ｂ）のようなパルス列と
なる。ここで信号（３５）はスライスレベル（３４）の
ように、信号（３５）の尖鋭な部分を扱った時には谷信
号の位置を示し、信号（３５）の裾の広がった部分が稜
部分に対応するものである。

第１図構成において信号（４３）はスイッチ（４０を経
由してプリセ−／　トカウンタ（４５）に入力する。こ
の時プリセツトカウンタ（４５）は信号（４１）のパル
ス間隔↑０を発振器（４Ｂ）の出力クロックを計数する
ことによって計測し、該計数値はすぐにメモリ（４７）
に収納される。この時、同時にスイッチ（４４）が開か
れて、信号（４３）は切れてしまうが、メモリ（４７）
の収納値がプリントカウンタ（４５）に与えられ、プリ
ントカウンタは丁０の時間を再び発振器出力（４８）の
クロックを計数することにより発生し、　Ｔｏに達した
時にパルスを発生して再びメモリ（４７）の内容をは取
り込み、以降連続してパルス間隔Ｔｏのパルス列（５０
）を発生する。また、第２のプリセットカウンタ（４８
）は、パルス列（４３）を受けてメモリ（４９）に予め
収納されているデータをプリセットして発振器（４８）
の出力クロックを計数することによりパルス列（４３）
からＴ１ずつ時間の遅れたパルス列（５１）を発生する
。この時〒１の値をねじ両信号が発生する位置に調整し
てメモリ（４９）に記憶させる作業は容易であり、しか
も信号列（４１）はねじの山１．谷の規則正しい繰返し
に対応して、規則正しい時間毎に繰返し発生することは
明らかであり。

したがって第３図のパルス列（５０）は谷確定部位、（
５１）は山確定部位を示していることは明らかである。

また特に例示はしていないが、ねじの稜部分は信号（３
５）の裾広がり部分に対応しており、その部分、パルス
列（５０）と（５１）をＯＲ処理したパルス列の空白部
に該当することはいうまでもない。

なお、上記実施例では光走査方向を不完全ねじ部（９）
から完全ねじ部（５）に進行する方向で説明をしたが　
その逆の方向に光が進行する場合、不完全ねじ部（８）
は走査の最後に発生することになる。この時は検査結果
としての欠陥の発生位置を記憶して不完全ねじ部に基づ
く谷砺号部位特定信号から、所定パルス幅毎に逆上って
欠陥部位を特定するか、−回目の走査結果において測定
した谷信号山信号部位を記憶して次回からの測定に利用
することも可能である。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、検査領域をねじの不
完全加工領域まで拡張して、不完全加工に伴ないねじの
両信号が消えて谷信号だけになる領域を利用して谷信号
部位を、また谷信号部位から一定の時間遅れを伴なった
両信号部位を各々特定できる信号を作り出すことにより
、欠陥の発生位置を特定できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る信号処理回路の一実施例を示す
回路図、第２図はねじの断面部位の簡略概略図、第１図
光学系で得られた信号波形図、第３図（ａ）〜（ｄ）は
第１図の回路図における各部動作波形図、第４図はこの
発明の前提技術となる光学系の概略構成図、第５図は第
４図における出力波形図、第６図は第４図に対応する電
気回路図。 第７図は第１の先行発明における光学系の概略図、第８
図はねじの各部における光のふるまいを説明する説明図
、第９図は第７図の光学系において得られる信号波形図
、第１Ｏ図は第２の先行発明・における光学系の概略図
、第１１図はねじ部における反射光の経路を示す平面図
、第１２図（イ）。 （ロ）、（ハ）は各光電素子の出力信号波形図である。 図中、（１）はねじ、　　　（２）は入射光、（５）は
山部、　　　（８）は谷部。 （７）は稜線部、　　　（１５）は増幅器、（１６）は
波形整形器、（１７）はスイッチ、（１８）はカウンタ
、　　（１９）は発振器、（２０）はメモリ、　　　　
（２１）はカウンタ、（２２）はメモリ、　　（２３）
は２値化信号。 （２４）は谷部位確定信号、 （２５）は山部位確定信号。 （３０）はレンズ、　　（３１）は光電素子、（３６）
は加算器である。 なお、図中、同一符号は同一もしくは相当部位を示す。 代　　理　　人　　　大　　岩　　増　　雄第２図 す 第　３　図 第４図 第５図 １し１−？−１ 第６図 七ｉ１ 第　１０図　　　　　　　　　　時間−第１２図 −時閉一 時盾一 時間□ 手続補正書（方式） １．事件の表示　　　特願昭６０−８７０５号３、補正
をする者 代表者片山仁へ部 ４、代理人 （発送日：昭和６０年　４月３０日） ６、補正の対象 図面。 ７、補正の内容 図面中第３図（ａ）〜（ｄ）を別紙の通り補正する。 ８、添付書類の目録 図面　　　　　　　　　　　　　　１　道具　　上

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光をねじの軸方向に走査し、その反射光を受光す
   ることにより該ねじの表面を検査するねじの表面検査装
   置において、ねじの山、谷、及び稜各部信号を単一の信
   号ライン上の時系列変化信号として測定する測定手段を
   備えるとともに、検査領域をねじの不完全加工領域まで
   拡大することにより、ねじの山信号、谷信号の内の山信
   号を消去して谷信号部位の確定信号を得る谷信号確定手
   段と、上記山信号部位から一定の時間遅れを有した山信
   号部位確定信号を得る山信号確定手段を備え、欠陥の発
   生部位を特定することを特徴としたねじの表面検査装置
   。
2. （２）谷信号確定手段として、時系列変化信号を適当な
   スライスレベルで２値化する波形整形器、該波形整形器
   から出力される最初の２パルス間のパルス間隔を測定す
   る第１のカウンタ、該第１のカウンタの計算値を受けて
   その値を記憶すると同時に、該記憶値を第１のカウンタ
   のプリセット値として払い出し、該第１のカウンタを該
   計算値如のパルス列を発生させるようにした第１のメモ
   リを備えるとともに、山信号確定手段として、該第１の
   カウンタから送出されるパルス列の一定間隔の時間遅れ
   量を指定する第２のメモリ、該第２のメモリの値をプリ
   セット値とし、かつ該第１のカウンタからの出力とトリ
   ガとして一定のパルス列を発生させる第２のカウンタを
   備え、該第１のカウンタの出力パルス列、該第２のカウ
   ンタの出力パルス列を山谷の部位確定信号とし、第１の
   カウンタの出力パルス列と、第２のカウンタの出力パル
   ス列のオア出力パルス列の空白部位を稜部位確定信号と
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のねじ
   の表面検査装置。
3. （３）谷、山信号を確定する手段として、予め欠陥の位
   置を記憶した後、不完全ねじ部の山信号乱れから谷信号
   部位を特定して、所定パルス幅毎に逆上るか、または、
   第１回目の光走査結果から該不完全ねじ部の山信号乱れ
   を利用して、谷信号、山信号部位を特定し、該特定部位
   を記憶して次回からの測定に用いることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のねじの表面検査装置。