KR101010843B1 - 표면 검사 장치 및 표면 검사 헤드 장치 - Google Patents

Abstract

표면 검사 장치는 레이저 다이오드로부터 투광 화이버를 통하여 피검사물의 내주면에 검사광을 조사하여, 그 검사광의 반사광의 강도를 투광 화이버의 주위에 배치된 제1 수광 화이버군과, 그것보다도 외측에 배치된 제2 수광 화이버군과, 이들 화이버군 각각에 접속된 포토디텍터에 의해 검출하는 검출 유닛을 갖는다.

또한, 표면 검사 장치는 포토디텍터가 출력한 신호로부터 축선과 원통체의 중심선의 어긋남에 기인한 반사광의 강도의 요동에 대응하는 주파수 성분을 추출하고, 그 주파수 성분과 소정의 기준값의 차분에 따라 검사광의 강도가 변화되도록 레이저 다이오드를 제어한다.

또한, 표면 검사 장치의 헤드 장치는 보호창 부재의 표면 및 이면 중 적어도 한 쪽의 법선 방향이 보호창 부재로의 검사광의 입사 방향에 대하여 기울어져 있다.

동작 제어부, 신호 처리부, 연산 처리부, 입력부, 출력부

Description

표면 검사 장치 및 표면 검사 헤드 장치{SURFACE INSPECTION APPARATUS AND SURFACE INSPECTION HEAD DEVICE}

본 발명은 피검사물의 표면에 조사한 검사광의 반사광의 강도를 검출하고, 검출된 반사광의 강도에 기초하여 피검사물의 표면을 검사하는 표면 검사 장치, 혹은 피검사물인 원통체의 내주면에 존재하는 이물, 흠집 등의 결함을 검사하는 표면 검사 장치, 혹은 피검사물의 표면을 검사하는 표면 검사 헤드 장치에 관한 것이다.

원통 형상의 피검사물의 내주면을 검사하는 장치로서, 축 형상의 검사 헤드를 그 축선의 주위로 회전시키면서 축선 방향으로 송출하여 피검사물의 내부에 검사 헤드를 삽입하고, 그 검사 헤드의 외주로부터 검사광을 피검사물에 조사하여 그 피검사물의 내주면을 그 축선 방향의 일단부부터 타단부까지 순차적으로 주사하고, 주사에 대응한 피검사물로부터의 반사광을 검사 헤드를 통하여 수광하고, 그 수광한 반사광의 강도에 기초하여 피검사물의 상태, 예를 들어 결함 등의 유무를 판별하는 표면 검사 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌1 참조).

또한, 상술한 표면 검사 장치에서는, 예를 들어 내연 기관의 실린더 라이너나 실린더 보어 등의 원통체의 내주면을 검사하는 표면 검사 장치로서, 그 내주면에 검사광을 투광하고, 또한 내주면으로부터의 반사광을 받아들이도록 구성한 막대 형상의 검사 헤드를 원통체의 내부에 삽입하고, 그 후에 검사 헤드를 길이 방향으로 연장되는 축선 주위로 회전시키면서 원통체에 대하여 상대적으로 축선 방향으로 진퇴시킴으로써 내주면을 검사할 수 있게 하고 있다. 이러한 검사 장치는 반사광의 강도에 기초하여 내주면에 대응한 이차원 화상을 생성하고, 그 이차원 화상 내의 암부의 유무에 기초하여 내주면의 결함의 유무를 판정한다.

또한, 상술한 표면 검사 장치에는 외주에 검사광을 통과시키기 위한 개구부가 형성된 헤드통의 내부에 미러, 프리즘 등의 광로 변경 부재를 설치한 헤드 장치가 내장되어 있다. 이 헤드 장치에서는, 검사광의 광로를 광로 변경 부재에 의해 헤드통의 개구부를 향하여 변경하고, 그 개구부로부터 사출되어 피검사물의 표면으로 입사되는 광의 반사광을 개구부로부터 헤드통 내로 입사시켜 그 반사광의 광로를 광로 변경 부재에 의해 검사광과 반대 방향으로 변경함으로써 피검사물의 표면의 흠집이나 이물 등을 검사하기 위한 광을 헤드통으로부터 표면 검사 장치의 수광부로 유도하고 있다. 헤드통을 회전시킴으로써 원통 형상의 피검사물의 내주면을 둘레 방향의 전체 둘레에 걸쳐 검사광으로 주사하는 것이 가능하게 된다. 헤드통의 내부를 오물로부터 보호하기 위해 헤드통의 개구부에는 검사광의 광로와 보호창 부재의 표면 및 이면이 직교하도록 보호창 부재가 설치되어 있다.

특허 문헌1 : 일본 특개평11-281582호 공보

상술한 표면 검사 장치는 검사광을 투광하는 투광 화이버의 주위로 반사광을 수광하는 복수의 수광 화이버를 인접시켜 이들 광 화이버를 화이버 유지통에 의해 유지하도록 한 검출 수단을 갖고 있다. 이 검출 수단은 투광 화이버와 수광 화이버의 거리 등의 위치 관계가 고정되어 있으므로 반사광의 방향이나 강도 등의 반사광의 성상 변화에 대한 검출 수단의 감도 특성도 고정된다. 반사광의 성상은 피검사물에 존재하는 결함의 종류에 따라 특징지어지므로, 종래의 표면 검사 장치에서는 피검사물로부터 발견되어야 할 결함을 검지할 수 있는 감도 특성을 검출 수단이 갖도록 수광 화이버의 위치 등이 설정된다.

이와 같이, 종래의 표면 검사 장치에서는 검출 수단의 감도 특성이 발견되어야 할 결함을 검지할 수 있는 감도 특성으로 고정되어 있으므로, 예를 들어 발견되어야 할 결함의 종류가 바뀐 경우에 그 결함을 충분히 검지할 수 없는 것이나, 결함과 구별해야 할 개소가 새롭게 설정된 경우에 그 개소를 결함으로서 오검출하거나 하는 문제가 있다.

또한, 상술한 표면 검사 장치를 사용하여 원통체의 내주면을 검사할 경우, 검사 헤드의 회전축선과 원통체의 중심선을 일치시킬 필요가 있다. 이들이 일치하면 검사 헤드의 회전 위치에 상관없이 검사 헤드와 원통체의 내주면이 항상 정면으로 대향하므로 검사광의 강도가 일정하고 또한 내주면의 성상이 균일하면 동일 강도의 반사광을 수광할 수 있다. 그러나, 검사 헤드의 회전축선과 원통체의 중심선이 불일치하면 검사 헤드의 회전 위치에 따라 검사광의 입사각이 변화되기 때문에, 내주면의 성상이 균일하여도 반사광의 강도가 변화된다.

이 경우, 검사 헤드가 1회전할 때마다 검사 헤드와 내주면이 정면으로 대향하는 기회가 2회 있고, 정면으로 대향하지 않는 동안에는 입사각이 서서히 변화되므로 반사광의 강도가 요동한다. 그 때문에, 반사광의 강도에 따른 농도를 갖는 이차원 화상을 생성하면 그 이차원 화상은 검사 헤드와 내주면이 정면으로 대향한 위치에서 가장 밝고, 그 이외에서 상대적으로 어두운 주기적인 농담(명암)을 갖는 화상이 된다. 이차원 화상 중 결함에 대응한 암부가 우연히 상대적으로 밝은 부분에 존재하면 결함의 판정을 잘못하는 일은 없겠으나, 상대적으로 어두운 부분에 그 암부가 존재한 경우에는 암부와 주위의 콘트라스트가 약하므로 결함의 오판정을 할 가능성이 높아진다.

또한, 상술한 헤드 장치에 있어서, 보호창 부재를 개구부에 설치하면 검사광이 보호창 부재를 통과하여 헤드통의 외측으로 사출할 때에 보호창 부재의 표면 및 이면에서 검사광이 반사된다. 이 반사광은 광로 변경 부재에 의해 검사광과 역방향의 방향으로 복귀되기 때문에 표면 검사 장치가 검출하는 광에는 피검사물로부터의 반사광 외에 보호창 부재로부터의 반사광도 들어있어 감도 향상을 방해하는 요인이 되고 있었다.

본 발명의 목적은 결함의 종류 등에 따라 다양한 감도 특성을 만들어낼 수 있는 표면 검사 장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 검사 헤드의 회전축선과 피검사물인 원통체의 중심선을 엄밀하게 일치시키지 않아도 주기적인 농담이 없는 이차원 화상을 얻을 수 있는 표면 검사 장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 검사광의 피검사물로부터 반사하는 반사광을 보호창 부재로부터의 반사광으로부터 분리하여 검사 장치로 유도하는 것이 가능한 표면 검사 헤드 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 제1 형태에 관한 표면 검사 장치는 광원으로부터 투광 화이버를 통하여 피검사물의 표면에 검사광을 조사하여, 그 검사광의 반사광의 강도를 검출하는 검출 수단을 갖고, 상기 검출 수단의 검출 결과에 기초하여 상기 피검사물의 표면을 검사하는 표면 검사 장치에 있어서, 상기 검출 수단은 상기 투광 화이버의 주위에 배치되고 상기 반사광을 유도할 수 있는 복수의 수광 화이버로 이루어지는 제1 수광 화이버군과, 상기 투광 화이버로부터 보아 상기 제1 수광 화이버군보다도 외측에 배치되고 상기 반사광을 유도할 수 있는 복수의 수광 화이버로 이루어지는 제2 수광 화이버군과, 상기 제1 수광 화이버군에서 유도된 반사광의 강도에 대응한 신호를 출력하는 제1 광전 변환 수단과, 상기 제2 수광 화이버군에서 유도된 반사광의 강도에 대응한 신호를 출력하는 제2 광전 변환 수단을 구비함으로써 상기 과제를 해결한다.

상술한 바와 같이, 이 검사 장치에 따르면 제1 수광 화이버군의 외측에 제2 수광 화이버군이 배치되어 있어, 이들 화이버군은 투광 화이버와의 위치 관계가 서로 다르다. 그 때문에, 하나의 검출 수단이 서로 다른 복수의 감도 특성을 갖게 된다. 따라서, 검지해야 할 결함의 종류에 따라 제1 광전 변환 수단의 신호와 제2 광전 변환 수단의 신호를 구분지어 사용하거나, 혹은 이들 신호를 조합함으로써 다양한 감도 특성을 만들어내는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 제1 형태에 있어서는, 상기 제1 광전 변환 수단으로부터 출력된 제1 신호와 상기 제2 광전 변환 수단으로부터 출력된 제2 신호를 소정의 연산 규칙에 기초하여 조합하는 합성 처리 수단과, 상기 검출 수단의 감도가 소정의 감도 특성으로 되도록 상기 소정의 연산 규칙을 설정하는 연산 규칙 설정 수단을 더 구비해도 된다. 연산 규칙 설정 수단이 설정하는 연산 규칙에 제한은 없다. 또한 연산 규칙 설정 수단이 복수 종류의 연산 규칙을 미리 유지해 두고 그들 중에서 적당한 연산 규칙을 선택하여 설정해도 좋다. 예를 들어, 제1 신호와 제2 신호를 단순히 가산하는 연산 규칙을 설정함으로써 각각의 화이버군의 수광 면적을 합계한 수광 면적을 갖는 수광 화이버군을 설치한 경우, 즉 수광 화이버의 직경을 확대한 경우와 대략 동등한 감도 특성을 얻을 수 있다.

그런데, 피검사물이 주조품이고 또한 검사하는 표면이 절삭 가공되어 있는 경우에는 주조품의 표면에 나타나는 주소(mold cavity)를 결함으로서 검지하는 동시에 절삭 가공에 의해 표면에 형성되는 약간의 오목부를 결함인 주소와 구별하는 것이 요청된다. 표면에 주소가 존재할 경우에는 주소에 검사광을 조사해도 거의 반사되지 않기 때문에 반사광의 강도는 내려간다. 한편, 표면에 형성되는 오목부는 반사광의 방향을 변화시킨다. 그 때문에 반사광의 각도 변화에 관한 검출 수단의 감도가 민감하면, 즉 반사광의 각도 범위에 대하여 허용 범위가 좁은 감도 특성이면 검출 수단은 표면의 오목부에서 반사된 반사광을 수광할 수 없는 경우가 있다. 이에 의해, 수광하는 반사광의 강도가 내려가 주소와 오목부의 구별이 어려워진다.

따라서, 본 발명의 제1 형태에 있어서는 상기 연산 규칙 설정 수단은 상기 피검사물의 표면으로부터의 반사광의 각도 변화에 관한 상기 검출 수단의 감도가 소정 범위 내의 각도 변화에 대하여 대략 평탄한 감도 특성으로 되도록 상기 소정의 연산 규칙을 설정해도 좋다. 이 경우, 오목부로부터의 반사광의 각도 변화 폭에 대응하여 소정 범위를 설정하면 그 범위 내의 감도 특성이 대략 평탄하므로 오목부로부터의 반사광을 오목부가 없는 표면으로부터의 반사광과 동등한 강도로 수광할 수 있게 된다. 따라서, 주소와 오목부의 구별이 명확해져 검사 정밀도가 향상된다.

제1 및 제2 수광 화이버군 각각의 반사광의 각도 변화에 관한 감도 특성은 이들 광 화이버군의 간격, 각 화이버군과 투광 화이버의 거리, 이들 화이버군을 구성하는 수광 화이버의 직경의 크기 등의 물리적 구성에 의존한다. 따라서, 이러한 평탄한 감도 특성을 얻기 위한 연산 규칙은 반사광의 각도 변화에 관한 제1 수광 화이버군의 감도 특성과 제2 수광 화이버군의 감도 특성을 고려하여 적당하게 설정된다. 예를 들어, 상기 연산 규칙 설정 수단은 상기 소정의 연산 규칙으로서 상기 제2 신호에 소정값을 곱한 것을 상기 제1 신호에 가산하는 연산 규칙을 설정해도 좋다. 이러한 연산 규칙에 의해서도 대략 평탄한 감도 특성을 얻을 수 있다.

그런데, 피검사물의 표면이 절삭 가공된 것일 경우, 그 절삭 가공에 의한 절삭 가루가 표면에 부착되는 경우가 있으며, 그 절삭 가루의 존재를 결함으로서 검지하는 요청이 있다. 절삭 가루에 조사된 검사광이 거의 반사되지 않는 경우나 반사광의 방향이 크게 벗어날 경우 등에는 수광되는 반사광의 강도가 저하되므로 절삭 가루의 검출이 가능하다. 그러나, 절삭 가루는 일정한 형상이 아니므로 절삭 가루에 조사된 검사광이 정상적인 표면과 마찬가지로 반사되는 경우에는 절삭 가루의 존재를 보지 못하고 지나칠 우려가 있다.

따라서, 본 발명의 제1 형태에 있어서는 상기 연산 규칙 설정 수단은, 상기 피검사물의 반사 위치까지의 거리 변화에 관한 상기 검출 수단의 감도가 소정의 거리만큼 반사 위치가 접근된 경우에 마이너스의 피크를 갖는 감도 특성으로 되도록 상기 소정의 연산 규칙을 설정해도 좋다. 이에 따르면, 예를 들어 소정의 거리를 절삭 가루의 평균적 치수로 설정함으로써 절삭 가루의 존재에 의해 수광되는 반사광의 강도가 마이너스의 값이 되어 절삭 가루의 검지가 가능해지므로 절삭 가루의 존재를 못보고 지나칠 위험성이 감소된다. 이러한 감도 특성을 얻기 위한 연산 규칙은, 상술한 바와 같이 검출 수단의 물리적 구성에 의존하므로 피검사물의 반사 위치까지의 거리 변화에 관한 제1 수광 화이버군에 의한 감도 특성과 제2 수광 화이버군의 감도 특성을 고려하여 적당하게 설정된다. 예를 들어, 상기 연산 규칙 설정 수단은, 상기 소정의 연산 규칙으로서 상기 제1 신호로부터 상기 제2 신호를 감산하는 연산 규칙을 설정해도 좋다. 이러한 연산 규칙에 의해서도 소정의 거리만큼 반사 위치가 근접된 경우에 마이너스의 피크를 갖는 감도 특성을 얻을 수 있다.

본 발명의 제1 형태에 있어서는, 피검사물의 평면 형상의 표면을 검사하는 장치로서 구성해도 좋고, 비평면 형상의 표면을 검사하는 장치로서 구성해도 좋다. 예를 들어, 상기 피검사물의 상기 표면으로서 원통 형상의 내주면이 설치되고, 상기 검출 수단은 축 형상으로 연장되는 검사 헤드의 외주로부터 상기 원통체의 내주면을 향하여 검사광을 조사하는 동시에 상기 검사 헤드를 축선 방향으로 이동시키는 직선 구동 수단과, 상기 검사 헤드를 그 축선의 주위로 회전시키는 회전 구동 수단을 더 구비해도 좋다.

본 발명의 제2 형태에 관한 표면 검사 장치는 검사광을 사출하는 광원과, 피검사물인 원통체의 내부에 삽입되어 상기 원통체에 대하여 축선 주위로 회전하고 또한 상기 축선 방향으로 이동하면서 상기 광원으로부터 사출된 검사광을 상기 원통체의 내주면에 투광하면서 그 반사광을 수광하는 검사 헤드와, 상기 검사 헤드가 수광한 반사광의 강도에 따른 신호를 출력하는 광전 변환 수단을 갖고, 상기 광전 변환 수단이 출력한 신호에 기초하여 상기 내주면에 대응한 이차원 화상을 생성하는 표면 검사 장치에 있어서, 상기 광전 변환 수단이 출력한 신호로부터 상기 축선과 상기 원통체의 중심선의 어긋남에 기인한 반사광의 강도의 요동에 대응하는 주파수 성분을 추출하는 신호 처리 수단과, 소정의 기준값과 상기 신호 처리 수단이 추출한 주파수 성분의 차분에 따라 상기 광원으로부터 사출되는 검사광의 강도가 변화되도록 상기 광원을 제어하는 광원 제어 수단을 더 구비함으로써 상기 과제를 해결한다.

이 검사 장치에 따르면, 검사 헤드의 회전축선과 원통체의 중심선의 어긋남에 기인한 반사광의 강도의 요동에 대응한 주파수 성분이 신호 처리 수단에 의해 추출된다. 그리고, 신호 처리 수단이 추출한 주파수 성분과 소정의 기준값의 차분에 따라 검사광의 강도가 광원 제어 수단으로 제어되므로 반사광의 강도의 요동을 제거할 수 있다. 이에 의해, 검사 헤드의 회전축선과 피검사물인 원통체의 중심선을 엄밀하게 일치시키지 않아도 주기적인 농담이 없는 이차원 화상을 얻을 수 있다.

본 발명의 제2 형태에 있어서는, 상기 광원 제어 수단은 상기 기준값과 상기 주파수 성분의 차분이 큰 경우는 작은 경우에 비하여 상기 광원으로부터 사출되는 검사광의 강도가 높아지도록 상기 광원을 제어해도 된다. 이에 의해, 반사광의 강도의 요동을 확실하게 제거할 수 있다.

본 발명의 제2 형태에 있어서는, 상기 신호 처리 수단은 상기 요동에 대응하는 주파수 성분을 포함하고, 또한 상기 내주면의 결함에 대응하는 주파수 성분을 포함하지 않는 소정 범위의 주파수 성분을 추출하도록 구성되어 있어도 된다. 이 경우는 소정 범위를 적절히 설정함으로써 회전축선과 중심선의 어긋남에 기인하는 요동뿐만 아니라 결함이라고는 할 수 없는 다른 요인, 예를 들어 내주면의 면 거칠기 등에 의한 반사광의 강도 변화도 제거할 수 있으므로 보다 균일한 이차원 화상을 생성할 수 있다. 또한, 소정 범위는 결함에 대응하는 주파수 성분을 포함하지 않으므로 결함에 대응한 반사광의 강도 변화가 제거되는 문제는 없다.

본 발명의 제3 형태에 관한 표면 검사 헤드 장치는, 외주에 개구부가 형성된 헤드통과, 상기 개구부에 설치된 보호창 부재와, 상기 헤드통의 내부에 설치되고, 상기 헤드통의 축선 방향으로 진입한 검사광의 광로를 상기 보호창 부재를 향하여 변경하고, 또한 피검사물의 표면에 있어서의 상기 검사광의 반사광의 광로를 상기 헤드통의 상기 축선 방향을 따라 상기 검사광과 역방향으로 변경하는 광로 변경 수단을 구비한 표면 검사 헤드 장치에 있어서, 상기 보호창 부재의 표면 및 이면 중 적어도 한 쪽의 법선 방향이 상기 보호창 부재로의 상기 검사광의 입사 방향에 대하여 기울어져 있은 것에 의해 상기 과제를 해결한다.

보호창 부재의 표면 및 이면 중 적어도 한 쪽의 법선 방향이 검사광의 입사 방향에 대하여 기울어져 있기 때문에 감도 향상을 방해하는 요인이 되는 보호창 부재의 표면 또는 이면으로부터의 반사광은 입사광에 대하여 각도를 갖고 반사된다. 이 때문에, 보호창 부재로부터의 반사광의 방향이 피검사물의 표면으로부터의 반사광의 방향과 어긋나며, 그것에 수반하여 광로 변경 수단으로부터 사출되는 피검사물의 표면으로부터의 반사광의 방향과 보호창 부재로부터의 반사광의 방향에도 어긋남이 발생한다. 이에 의해, 피검사물의 표면으로부터의 반사광을 보호창 부재로부터의 반사광으로부터 분리하여 검사 장치로 유도하는 것이 가능해져, 따라서 고감도의 검출이 가능하게 된다.

본 발명의 제3 형태에 있어서, 상기 보호창 부재를 상기 헤드통의 선단부 부위에 설치하여, 상기 보호창 부재의 표면 및 이면 중 적어도 한 쪽의 법선 방향이 상기 헤드통의 반경 방향 외측을 향하여 선단부측으로 기울어져 있어도 된다. 이 형태에 따르면 검사광이 보호창 부재의 표면 및 이면 중 적어도 한 쪽에서 헤드통의 선단부측으로 굴절되기 때문에 피검사물로의 검사광의 입사 위치가 보호창 부재를 설치하지 않은 경우와 비교하여 헤드통의 선단부측으로 기운다. 따라서, 피검사물이 막힘 구멍(blind hole) 형상인 경우 헤드통을 피검사물에 삽입하면 헤드통이 피검사물의 선단부에서 부딪혀 검사광이 선단부까지 닿지 않게 되기 때문에 사각(死角)이 발생하나, 이 형태에 따르면 보다 선단부측에서의 검사가 가능하게 된다.

본 발명의 제3 형태에 있어서, 상기 보호창 부재의 표면 및 이면 각각의 법선 방향이 상기 보호창 부재로의 상기 검사광의 입사 방향에 대하여 서로 동일한 각도로 기울어져 있어도 된다. 이 경우, 보호창 부재의 표면 및 이면이 평행하기 때문에 형성이 용이한 평판을 사용할 수 있어 비용이 절감된다.

이상의 표면 검사 장치에 따르면, 제1 수광 화이버군의 외측에 제2 수광 화이버군이 배치되어 있고, 이들 화이버군은 투광 화이버와의 위치 관계가 서로 다르기 때문에 1개의 검출 수단이 서로 다른 복수의 감도 특성을 갖게 된다. 따라서, 검지해야 할 결함의 종류에 따라 제1 광전 변환 수단의 신호와 제2 광전 변환 수단의 신호를 구분지어 사용하거나, 혹은 이들 신호를 조합함으로써 다양한 감도 특성을 만들어내는 것이 가능하게 된다. 또한, 검사 헤드의 회전축선과 원통체의 중심선의 어긋남에 기인한 반사광의 강도의 요동에 대응한 주파수 성분에 따라 검사광의 강도가 제어되므로 반사광의 강도의 요동을 제거할 수 있다. 그 때문에, 검사 헤드의 회전축선과 피검사물인 원통체의 중심선을 엄밀하게 일치시키지 않아도 주기적인 농담이 없는 이차원 화상을 얻을 수 있다. 또한, 이상의 표면 검사 헤드 장치에 따르면 보호창 부재를 설치한 경우에 있어서도, 고감도의 검출이 가능하게 된다. 따라서, 예를 들어 자동차 부품 등의 검사 기준이 엄격한 제조 라인에 내장되어 미세 결함의 검출에 사용하는 것이 가능해져 검사 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

도1은 본 발명의 표면 검사 장치의 일 형태의 개략 구성을 도시한 도면.

도2는 유지통에 의해 유지된 투광 화이버 및 수광 화이버군의 선단부를 도시 한 평면 모식도.

도3은 연산 처리부의 기능을 설명하는 블럭도.

도4는 반사광의 각도 변화에 관한 검출 유닛의 감도 특성을 도시한 도면.

도5는 피검사물의 반사 위치까지의 거리 변화에 관한 검출 유닛의 감도 특성을 도시한 도면.

도6은 본 발명의 표면 검사 장치의 다른 형태의 개략 구성을 도시한 도면.

도7은 도6의 동작 제어부의 동작을 설명하는 설명도.

도8은 본 발명의 헤드 장치의 일 형태가 내장된 표면 검사 장치의 개략도.

도9는 헤드 장치의 일 형태의 구성을 도시한 개략도.

도10은 보호창 부재와 검사광 등의 광로를 도시하는 도면.

도11은 검사광이 투광하는 피검사물의 측으로부터 본 헤드 장치와 피검사물의 관계를 나타내는 도면.

도12는 본 발명의 변형예에 있어서의 헤드 장치의 개략도.

도1은 본 발명의 일 형태에 관한 표면 검사 장치의 개략 구성을 도시하고 있다. 표면 검사 장치(1)는 피검사물(100)의 원통체의 내주면(100a)의 검사에 적합한 장치이다. 표면 검사 장치(1)는 그러한 검사를 실행하여 피검사물(100)의 내주면(100a)에 관한 정보를 출력하는 검사 기구(2)와, 검사 기구(2)의 각 부의 동작을 제어하는 동시에, 검사 기구(2)가 출력한 정보를 처리하는 제어부(3)를 구비하고 있다. 또한, 검사 기구(2)는 피검사물(100)에 대하여 검사광을 투광하고, 또한 피 검사물(100)로부터의 반사광을 수광하기 위한 검출 유닛(5)과, 그 검출 유닛(5)에 소정의 동작을 부여하기 위한 구동 유닛(6)을 구비하고 있다.

검출 유닛(5)은 검사광의 광원으로서의 레이저 다이오드(이하, LD라고 부른다)(11)와, 피검사물(100)로부터의 반사광을 수광하고, 그 반사광의 단위 시간당 광량(반사광 강도)에 따른 전류 또는 전압의 전기 신호를 출력하는 2개의 포토디텍터(이하, PD라고 부른다)(12A, 12B)와, LD(11)로부터 사출되는 검사광을 피검사물(100)을 향하여 유도하는 투광 화이버(13)와, 피검사물(100)로부터의 반사광을 PD(12A)로 유도하기 위한 제1 수광 화이버군(14A)과, 피검사물(100)로부터의 반사광을 PD(12B)로 유도하기 위한 제2 수광 화이버군(14B)과, 그들 투광 화이버(13) 및 수광 화이버군(14A, 14B)을 묶은 상태로 유지하는 유지통(15)과, 그 유지통(15)의 외측에 동축적으로 설치되는 중공축 형상의 검사 헤드(16)를 구비하고 있다.

도2는 유지통(15)에 의해 유지된 투광 화이버(13) 및 수광 화이버군(14A, 14B)의 선단부(도1에 있어서 우단부)를 도시하고 있다. 투광 화이버(13)는 유지통(15)의 중심선 상에 배치되어 있고, 제1 수광 화이버군(14A)은 그 투광 화이버(13)의 주위에 배치된 6개의 수광 화이버(14)로 이루어진다. 또한 제2 수광 화이버군(14B)은 투광 화이버(13)로부터 보아 제1 수광 화이버군(14A)의 외측에 배치된 12개의 수광 화이버(14)로 이루어진다. 투광 화이버(13)와 각 수광 화이버군(14A, 14B)을 구성하는 수광 화이버(14)는, 도시하지 않은 수지계 접착제 등의 접합 수단에 의해 서로 고정되어 있어 위치 어긋남이 방지되어 있다. 또한, 제1 수광 화이버군(14A) 및 제2 수광 화이버군(14B)을 각각 구성하는 수광 화이버(14) 의 개수에 제한은 없으며, 적당한 개수를 채용하면 된다.

도1에 도시한 바와 같이 유지통(15)의 선단부에는 투광 화이버(13)를 통하여 유도된 검사광을 검사 헤드(16)의 축선(AX)의 방향(이하, 축선 방향이라고 부른다)을 따라 빔 형상으로 사출시키고, 또한 검사 헤드(16)의 축선 방향을 따라 검사광과는 역방향으로 진행되는 반사광을 수광 화이버(14)에 집광하는 렌즈(17)가 설치되어 있다. 검사 헤드(16)의 선단부(도1에 있어서 우단부)에는 광로 변경 수단으로서의 미러(18)가 고정되고, 검사 헤드(16)의 외주에는 그 미러(18)와 대향하도록 하여 투광창(16a)이 설치되어 있다. 미러(18)는 렌즈(17)로부터 사출된 검사광의 광로를 투광창(16a)을 향하여 변경하고, 또한 투광창(16a)으로부터 검사 헤드(16) 내로 입사된 반사광의 광로를 렌즈(17)를 향하여 진행되는 방향으로 변경한다.

구동 유닛(6)은 직선 구동 기구(30)와, 회전 구동 기구(40)와, 초점 조정 기구(50)를 구비하고 있다. 직선 구동 기구(30)는 검사 헤드(16)를 그 축선 방향으로 이동시키는 이동 수단으로서 설치되어 있다. 이러한 기능을 실현하기 위해, 직선 구동 기구(30)는 베이스(31)와, 그 베이스(31)에 고정된 한 쌍의 레일(32)과, 레일(32)을 따라 검사 헤드(16)의 축선 방향으로 이동 가능한 슬라이더(33)와, 그 슬라이더(33)의 측방에 검사 헤드(16)의 축선(AX)과 평행하게 배치된 이송 나사(34)와, 그 이송 나사(34)를 회전 구동하는 전동 모터(35)를 구비하고 있다. 슬라이더(33)는 검출 유닛(5)의 전체를 지지하는 수단으로서 기능한다. 즉, LD(11) 및 PD(12A, 12B)는 슬라이더(33)에 고정되고, 검사 헤드(16)는 회전 구동 기구(40)를 통하여 슬라이더(33)에 설치되고, 유지통(15)은 초점 조절 기구(50)를 통하여 슬라이더(33)에 설치되어 있다. 또한, 이송 나사(34)는 슬라이더(33)에 고정된 너트(36)에 비틀어 넣어져 있다. 따라서, 전동 모터(35)로 이송 나사(34)를 회전 구동함으로써 슬라이더(33)가 레일(32)을 따라 검사 헤드(16)의 축선 방향으로 이동하고, 그에 수반하여 슬라이더(33)에 지지된 검출 유닛(5)의 전체가 검사 헤드(16)의 축선 방향으로 이동한다. 직선 구동 기구(30)를 사용한 검출 유닛(5)의 구동에 의해, 피검사물(100)의 내주면(100a)에 대한 검사광의 조사 위치를 검사 헤드(16)의 축선 방향에 관하여 변화시킬 수 있다.

회전 구동 기구(40)는 검사 헤드(16)를 축선(AX)의 주위로 회전시키는 회전 구동 수단으로서 설치되어 있다. 그러한 기능을 실현하기 위해, 회전 구동 기구(40)는 검사 헤드(16)를 축선(AX)의 주위로 회전 가능하게 지지하는 베어링(도시하지 않음)과, 회전 구동원으로서의 전동 모터(41)와, 그 전동 모터(41)의 회전을 검사 헤드(16)로 전달하는 전달 기구(42)를 구비하고 있다. 전달 기구(42)에는 벨트 전달 장치, 기어열과의 공지의 회전 전달 기구를 이용해도 좋다. 전동 모터(41)의 회전을 전달 기구(42)를 통하여 검사 헤드(16)로 전달함으로써 검사 헤드(16)가 그 내부에 고정된 미러(18)를 수반하여 축선(AX)의 주위로 회전한다. 회전 구동 기구(40)를 사용한 검사 헤드(16)의 회전에 의해 피검사물(100)의 내주면(100a)에 대한 검사광의 조사 위치를 둘레 방향에 관하여 변화시킬 수 있다. 그리고, 검사 헤드(16)의 축선 방향으로의 이동과 축선(AX)의 주위의 회전을 조합함으로써 피검사물(100)의 내주면(100a)을 그 전체면에 걸쳐 검사광으로 주사하는 것이 가능하게 된다. 또한, 검사 헤드(16)의 회전 시에 있어서, 유지통(15)은 회전 하지 않는다. 또한, 회전 구동 기구(40)에는 검사 헤드(16)의 회전 위치에 따른 펄스 신호를 출력하는 로터리 인코더(43)가 설치되어 있다. 로터리 인코더(43)는 검사 헤드(16)에 설치되어 일체로 회전하고, 또한 주위 방향을 따라 소정 간격으로 배열되는 복수의 검지 구멍(도시하지 않음)이 형성된 원판(43a)과, 그 원판(43a)의 검지 구멍의 위치에 따른 펄스를 생성하는 펄스 생성부(43b)를 구비한다. 로터리 인코더(43)로부터의 펄스 신호는 제어부(3)에서 이용된다.

초점 조절 기구(50)는 검사광이 피검사물(100)의 내주면(100a)에서 초점을 맞추고, 또한 내주면(100a)으로부터의 반사광이 제1 수광 화이버군(14A) 또는 제2 수광 화이버군(14) 중 어느 한 쪽에서 초점을 맞추도록 유지통(15)을 축선(AX)의 방향으로 구동하는 초점 조절 수단으로서 설치되어 있다. 그 기능을 실현하기 위해 초점 조절 기구(50)는 유지통(50)의 기단부에 고정된 지지판(51)과, 직선 구동 기구(30)의 슬라이더(33)와 지지판(51) 사이에 배치되어 지지판(51)을 검사 헤드(16)의 축선 방향으로 안내하는 레일(52)과, 검사 헤드(16)의 축선(AX)과 평행하게 배치되어 지지판(51)에 비틀어 넣어진 이송 나사(53)와, 그 이송 나사(53)를 회전 구동하는 전동 모터(54)를 구비하고 있다. 전동 모터(54)로 이송 나사(53)를 회전 구동함으로써 지지판(51)이 레일(52)을 따라 이동하여 유지통(15)이 검사 헤드(16)의 축선 방향으로 이동한다. 이에 의해, 검사광이 피검사물(100)의 내주면(100a) 상에서 초점을 맞추고, 또한 내주면(100a)으로부터의 반사광이 제1 수광 화이버군(14A) 또는 제2 수광 화이버군(14B) 중 어느 한 쪽에서 초점을 맞추도록 렌즈(17)로부터 미러(18)를 거쳐 내주면(100a)에 이르는 광로의 길이를 조절할 수 있다.

다음에 제어부(3)에 대하여 설명한다. 제어부(3)는 표면 검사 장치(1)에 의한 검사 공정의 관리, 측정 결과의 처리 등을 실행하는 컴퓨터 유닛으로서의 연산 처리부(60)와, 그 연산 처리부(60)의 지시에 따라 검사 기구(2)의 각 부의 동작을 제어하는 동작 제어부(61)와, PD(12A)의 출력 신호에 대하여 소정의 처리를 실행하는 신호 처리부(62A)와, PD(12A)의 출력 신호에 대하여 소정의 처리를 실행하는 신호 처리부(62B)와, 연산 처리부(60)에 대하여 사용자가 지시를 입력하기 위한 입력부(63)와, 연산 처리부(60)에 있어서의 측정 결과 등을 사용자에게 제시하기 위한 출력부(64)와, 연산 처리부(60)에서 실행해야 할 컴퓨터 프로그램 및 측정된 데이터 등을 기억하는 기억부(65)를 구비하고 있다. 연산 처리부(60), 입력부(63), 출력부(64) 및 기억부(65)는 퍼스널 컴퓨터 등의 범용의 컴퓨터 기기를 이용하여 이들을 구성할 수 있다. 이 경우, 입력부(63)에는 키보드, 마우스 등의 입력 기기가 설치되고, 출력부(64)에는 모니터 장치가 설치된다. 프린터 등의 출력 기기가 출력부(64)에 추가되어도 좋다. 기억부(65)에는 하드 디스크 기억 장치, 혹은 기억 유지가 가능한 반도체 기억 소자 등의 기억 장치가 사용된다. 동작 제어부(61) 및 신호 처리부(62A, 62B)는 하드웨어 제어 회로에 의해 실현되어도 좋고, 컴퓨터 유닛에 의해 실현되어도 좋다.

이하에서는, 내주면(100a)이 절삭 가공된 주조품을 피검사물(100)로 한 경우에 적합한 형태를 예시한다. 표면 검사 장치(1)가 실행할 수 있는 검사 모드에는 피검사물(100)의 표면으로서의 내주면(100a)에 나타난 주소 등의 표면 자체의 결함 을 검출하는 표면 결함 검사 모드와, 피검사물(100)의 표면에 부착된 절삭 가루 등의 이물을 결함으로서 검출하는 부착 이물 검사 모드가 각각 설정되어 있어, 사용자에 의한 입력부(63)로부터의 지시에 따라 각 검사 모드를 선택할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 이들 검사 모드에 따라 연산 처리부(60) 및 동작 제어부(61)의 동작이 각각 상이하나, 우선은 각 모드에 공통되는 동작을 설명한다.

피검사물(100)의 내주면(100a)의 표면을 검사할 경우, 피검사물(100)은 검사 헤드(16)와 동축 상에 배치된다. 검사의 개시에 있어서, 연산 처리부(60)는 입력부(63)로부터의 지시에 따라 동작 제어부(61)에 피검사물(100)의 내주면(100a)을 검사하기 위하여 필요한 동작의 개시를 지시한다. 그 지시를 받은 동작 제어부(61)는 LD(11)를 소정의 강도로 발광시키는 동시에, 검사 헤드(16)가 축선 방향으로 이동하고, 또한 축선(AX)의 주위로 일정 속도로 회전하도록 모터(35) 및 모터(41)의 동작을 제어한다. 그리고, 사용자의 지시에 의해 표면 결함 검사 모드가 선택된 경우에는 동작 제어부(61)는 검사광이 내주면(100a) 상에서 초점을 맞추고, 또한 내주면(100a)으로부터의 반사광이 제2 수광 화이버군(14B)에 초점을 맞추도록 모터(54)의 동작을 제어한다. 한편, 표면 이물 검사 모드가 선택된 경우에는 동작 제어부(61)는 검사광이 내주면(100a) 상에서 초점을 맞추고, 또한 내주면(100a)으로부터의 반사광이 제1 수광 화이버군(14A)에 초점을 맞추도록 모터(54)의 동작을 제어한다. 이러한 동작 제어에 의해 내주면(100a)이 그 일단부부터 타단부까지 검사광에 의해 주사된다.

그 주사에 연계하여 신호 처리부(62A)에는 PD(12A)의 출력 신호가, 신호 처 리부(62B)에는 PD(12B)의 출력 신호가 각각 순차적으로 유도된다. 신호 처리부(62A)는 PD(12A)의 출력 신호를 연산 처리부(60)에서 처리하기 위하여 필요한 아날로그 신호 처리를 실시하고, 또한 그 처리 후의 아날로그 신호를 소정의 비트 수로 A/D 변환하여 얻어진 디지털 신호를 반사광 신호로서 연산 처리부(60)로 출력한다. 신호 처리부(62A)가 행하는 A/D 변환은 로터리 인코더(43)로부터 출력되는 펄스 열을 샘플링 클럭 신호로서 이용하여 행해진다. 이에 의해, 검사 헤드(16)가 소정 각도 회전하는 동안의 PD(12)의 수광량(강도)에 상관한 계조의 디지털 신호가 생성되어 신호 처리부(62A)로부터 출력된다. PD(12B)의 출력 신호가 입력되는 신호 처리부(62B)도 상기와 마찬가지로 기능한다.

각 신호 처리부(62A, 62B)로부터 반사광 신호를 수신한 연산 처리부(60)는 신호 처리부(62A)로부터의 신호와, 신호 처리부(62B)로부터의 신호를 서로 구별할 수 있는 상태로 기억부(65)에 기억된다. 또한, 연산 처리부(60)는 기억부(65)가 기억하는 반사광 신호를 이용하여 피검사물(100)의 내주면(100a)을 평면적으로 전개한 2차원 화상을 생성하고, 그 2차원 화상에 기초하여 결함의 유무를 판정하고, 그 판정 결과로서의 검사 결과를 출력부(64)로 출력한다.

다음에, 연산 처리부(60)가 이러한 2차원 화상을 생성하고, 그 2차원 화상에 기초하여 검사 결과를 출력하는 프로세스에 대하여 도3을 참조하여 설명한다. 도3은 연산 처리부(60)의 기능을 설명하는 블럭도이다. 연산 처리부(60)는 기억부(65)가 기억하는 소정의 프로그램을 실행함으로써 도3에 도시한 합성 처리부(601), 연산 규칙 설정부(602), 화상 생성부(603) 및 판정부(604)로서 각각 기능 한다. 우선, 연산 처리부(60)는 기억부(65)가 기억하는 PD(12A)의 출력 신호를 기초로 한 반사광 신호(Ps1)와, PD(12A)의 출력 신호를 기초로 한 반사광 신호(Ps2)를 합성 처리부(601)로 각각 읽어들인다. 다음에, 그 합성 처리부(601)는 이들 신호(Ps1, Ps2)를 연산 규칙 설정부(602)가 설정하는 연산 규칙에 따라 조합, 그 합성 신호를 화상 생성부(603)로 출력한다. 연산 규칙 설정부(602)는, 상술한 표면 결함 검사 모드에 대응하는 연산 규칙과, 표면 이물 검사 모드에 대응하는 연산 규칙을 각각 유지하고 있으며, 입력부(63)로부터의 지시에 기초하여 선택된 검사 모드에 대응하는 연산 규칙을 설정한다.

연산 규칙 설정부(602)가 유지하는 연산 규칙은 피검사물(100)의 내주면(100a)의 성상 변화, 바꾸어 말하면 반사광의 성상 변화에 대한 각 PD(12A, 12B)의 출력 신호의 특성(감도 특성)을 고려하여 설정되어 있다. 우선, 표면 결함 검사 모드에서 설정되는 연산 규칙에 대하여 설명한다. 표면 결함 검사 모드에서는 피검사물(100)의 내주면(100a)에 나타나는 주소 등의 결함과, 결함이라고 할 수 없는 절삭 가공에 의해 형성되는 내주면(100a)의 오목부를 구별할 수 있는 감도 특성이 얻어지도록 연산 규칙이 설정된다. 또한，이 오목부는 절삭 가공 한 경우에 불가피한 것이며, 바이트 등의 공구를 신품으로 바꾼 경우에 표면에 나타나는 소위 채터링 마크에 가까운 얕은 오목부를 말한다. 피검사물(100)의 내주면(100a)에 형성되는 오목부는 반사광의 방향을 변화시킨다. 즉 오목부는 검사광의 조사 방향(광축)에 대하여 어느 정도의 각도를 갖는 표면이라고 생각된다.

도4는 반사광의 각도 변화에 관한 검출 유닛(5)의 감도 특성을 도시하고 있 다. 도4의 일점쇄선(M1)은 반사광의 각도가 변화된 경우의 PD(12A)의 출력 신호, 즉 제1 수광 화이버군(14A)의 감도 특성을 나타내고, 이점쇄선(M2)은 반사광의 각도가 변화된 경우의 PD(12B)의 출력 신호, 즉 제2 수광 화이버군(14B)의 감도 특성을 나타내고, 실선(M3)은 PD(12A)의 출력 신호와 PD(12B)의 출력 신호를 합성한 경우의 감도 특성을 나타내고 있다. 도4의 횡축은 각도[deg]를, 종축은 반사광 강도를 각각 나타내고 있다. 표면 결함 검사 모드에서는 상술한 바와 같이 제2 수광 화이버군(14B)에 반사광의 초점을 맞추도록 검출 유닛(5)이 조정된다. 이 때문에, 이점쇄선(M2)과 같이 제2 수광 화이버군(14B)의 감도 특성은 반사광의 방향으로 어긋남이 없는 원점에 있어서 최대값을 취하고, 반사광의 어긋남이 커짐에 따라 강도가 저하되는 감도 특성으로 된다. 한편, 제1 수광 화이버군(14A)의 감도 특성은 제2 수광 화이버군(14B)에 초점을 맞춘 관계로, ±4deg 부근에서 최대값을 취하고, 원점에 있어서 최소값이 되는 중앙이 오목한 형상의 감도 특성을 나타낸다. 이들 감도 특성은 광 화이버군(14A, 14B)의 간격, 각 화이버군(14A, 14B)과 투광 화이버(13)의 거리, 이들 화이버군을 구성하는 수광 화이버(14)의 직경의 크기 등의 물리적 구성에 의존하므로 검출 유닛(5)의 형태에 고유의 것이다.

내주면(100a)에 형성되는 상기한 오목부는 -6 내지 6deg 정도의 범위로 반사광을 변화시킨다. 따라서, 검출 유닛(5)이 이 범위 내의 각도 변화에 대하여 대략 평탄한 감도 특성을 갖도록 하면 오목부에 검사광이 조사된 경우에도 검출 유닛(5)이 수광하는 반사광의 강도는 저하되지 않아 오목부와 주소를 명확하게 구별할 수 있다. 따라서, 이 형태의 표면 결함 검사 모드에서는 도4의 실선(M3)으로 나타낸 바와 같이 -6 내지 6deg 정도의 범위 내의 각도 변화에 대하여 대략 평탄한 감도 특성으로 되도록 PD(12B)의 출력 신호에 소정값으로서의 0.5를 곱한 것을 PD(12A)의 출력 신호에 가산하는 연산 규칙을 설정하고 있다.

다음에, 표면 이물 검사 모드에서 설정되는 연산 규칙에 대하여 설명한다. 표면 이물 검사 모드에서는 피검사물(100)의 내주면(100a)에 부착된 절삭 가루 등의 이물에 조사된 검사광이 이물이 없는 정상적인 표면과 마찬가지로 반사되는 경우에도 이물을 검지할 수 있는 감도 특성이 얻어지도록 연산 규칙이 설정된다. 절삭 가루 등의 이물이 내주면(100a)에 부착되어 있는 경우와, 그렇지 않은 경우를 비교하면 이물이 부착되어 있는 경우에는 그 이물이 존재하는 만큼 검사광의 반사 위치가 가까워진다. 바꿔 말하면, 이물이 부착되어 있는 경우에는 그것이 없는 경우에 비해 렌즈(17)로부터 미러(18)를 거쳐 내주면(100a)에 이르는 광로의 길이가 짧아진다.

도5는 피검사물(100)의 반사 위치까지의 거리 변화에 관한 검출 유닛(5)의 감도 특성을 도시하고 있다. 도5의 일점쇄선(M1)은 반사 위치까지의 거리가 변화된 경우의 PD(12A)의 출력 신호, 즉 제1 수광 화이버군(14A)의 감도 특성을 나타내고, 이점쇄선(M2)은 반사 위치까지의 거리가 변화된 경우의 PD(12B)의 출력 신호, 즉 제2 수광 화이버군(14B)의 감도 특성을 나타내고, 실선(M3)은 PD(12A)의 출력 신호와 PD(12B)의 출력 신호를 합성한 경우의 감도 특성을 나타내고 있다. 도5의 횡축은 기준 위치를 원점으로 하여, 그 기준 위치와 반사 위치의 위치 어긋남[㎜]을 나타내고 있다. 마이너스 부호는 검출 유닛(5)측에 가까운 것을 의미한다. 도 5의 종축은 반사광 강도를 나타내고 있다. 표면 이물 검사 모드에서는, 상술한 바와 같이 제1 수광 화이버군(14A)에 반사광의 초점을 맞추도록 검출 유닛(5)이 조정된다. 이 때문에, 일점쇄선(M1)과 같이 제1 수광 화이버군(14A)의 감도 특성은 위치 어긋남이 없는 원점에 있어서 최대값을 취하고, 위치 어긋남이 커짐에 따라 강도가 저하되는 감도 특성으로 된다. 한편, 제2 수광 화이버군(14B)의 감도 특성은 제1 수광 화이버군(14A)에 초점을 맞춘 관계로 제1 수광 화이버군(14A)의 감도 특성을 -0.5㎜ 부근까지 시프트한 것과 동등한 감도 특성으로 된다. 이들 감도 특성은 전술한 바와 같이 검출 유닛(5)의 물리적 구성에 의존하므로 검출 유닛(5)의 형태에 고유의 것이다.

내주면(100a)에 부착되는 절삭 가루의 평균적인 치수(예를 들어 두께)는 0.5㎜정도이므로 내주면(100a)에 부착된 절삭 가루에 검사광을 조사한 경우, 절삭 가루가 없는 기준 위치에 비해 반사 위치가 0.5㎜ 정도 근접하게 된다. 따라서, 검출 유닛(5)이 그 정도의 반사 위치의 근접을 검지할 수 있는 마이너스의 피크를 갖는 감도 특성을 갖도록 하면 가령 절삭 가루 등의 이물에 조사된 검사광이 이물이 없는 정상적인 표면과 마찬가지로 반사되는 경우에도 이물을 검지할 수 있게 된다. 따라서, 이 형태의 표면 이물 검사 모드에서는 도5의 실선(M3)으로 나타낸 바와 같이 -0.5㎜ 정도에서 마이너스의 피크를 갖는 감도 특성으로 되도록 PD(12A)의 출력 신호로부터 PD(12B)의 출력 신호를 감산하는 연산 규칙을 설정하고 있다.

이상 설명한 각 연산 규칙은 검출 유닛(5)의 물리적 구성, 구체적으로는 광 화이버군(14A, 14B)의 간격, 각 화이버군(14A, 14B)과 투광 화이버(13)의 거리, 이 들 화이버군을 구성하는 수광 화이버(14)의 직경의 크기 등에 적합한 일례로서, 소정의 감도 특성을 얻기 위하여 다른 연산 규칙을 사용할 수도 있다.

도3에 도시한 바와 같이, 화상 생성부(603)는 각 검사 모드에 대응한 연산 규칙에 따라 합성된 합성 신호(Ps3)를 합성 처리부(601)로부터 받으면 그 합성 신호(Ps3)를 이용하여 피검사물(100)의 내주면(100a)을 평면적으로 전개한 2차원 화상을 생성하고, 그 2차원 화상을 출력부(64) 및 판정부(604)로 각각 출력한다. 화상 생성부(603)가 생성하는 2차원 화상은, 예를 들어 피검사물의 둘레 방향을 x축 방향, 검사 헤드(16)의 축선 방향을 y축 방향으로 하는 직교 2축 좌표계로 정의되는 평면 상에 내주면(100a)을 전개한 화상에 상당한다. 판정부(604)는 화상 생성부(603)로부터 얻은 2차원 화상을 검사 모드마다 준비된 소정의 알고리즘으로 처리함으로써 허용 한도를 초과하는 결함의 유무를 판정하여, 그 판정 결과를 출력부(64)로 출력한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 형태의 표면 검사 장치(1)에 따르면 PD(12A)의 출력 신호를 기초로 한 반사광 신호(Ps1)와, PD(12B)의 출력 신호를 기초로 한 반사광 신호(Ps2)가 각 검사 모드에 대응한 연산 규칙에 따라 조합됨으로써 각 검사 모드에 적합한 검출 유닛(5)의 감도 특성을 만들어낼 수 있다. 이에 의해, 1개의 검출 유닛(5)에 의해 서로 다른 복수의 검사를 실행할 수 있고, 또한 각 검사 모드에서의 검사 정밀도가 향상된다.

이상의 형태에 있어서, LD(11)가 본 발명에 관한 광원에, PD(12A)가 본 발명에 관한 제1 광전 변환 수단에, PD(12B)가 본 발명에 관한 제2 광전 변환 수단에, 제1 수광 화이버군(14A)이 본 발명의 제1 수광 화이버군에, 제2 수광 화이버군(14B)이 본 발명의 제2 수광 화이버군에 각각 상당한다.

단, 본 발명은 이상의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 실시해도 좋다. 상기한 형태에서는, 각 PD(12A, 12B)로부터의 출력 신호를 A/D 변환하고 나서, 이들 디지털 신호가 소정의 연산 규칙에 따라 합성되도록 연산 처리부(60)를 기능시키고 있으나, 각 PD로부터의 출력 신호를 아날로그 신호의 상태로 소정의 연산 규칙에 따라 합성되도록 도3에 도시한 합성 처리부(601) 및 연산 규칙 설정부(602) 각각을 하드웨어 회로로 실현해도 좋다.

상술한 형태에서는, 도2에 도시한 바와 같이 투광 화이버(13)에 대한 위치 관계가 서로 다른 2개의 수광 화이버군(14A, 14B)이 설치되어 있으나, 제2 수광 화이버군(14B)의 외주에 복수의 수광 화이버를 배치하여 3개의 수광 화이버군을 설치하여도 된다. 3개의 수광 화이버군을 설치한 경우, 가장 외측의 제3 수광 화이버군으로부터 유도된 반사광을 수광하는 제3 광전 변환 수단을 설치하여도 된다. 이에 의해, 각 광전 변환 수단의 신호를 각각 조합하는 베리에이션이 증가하므로 보다 다양한 감도 특성을 검출 수단에 부여할 수 있게 된다.

연산 규칙 설정부(602)가 설정하는 연산 규칙은 다양한 것이 상정된다. 예를 들어, 상술한 표면 이물 검사 모드에서는 PD(12A)의 신호로부터 PD(12B)의 신호를 감산하기로 했으나, 제2 수광 화이버군(12B)에 반사광의 초점을 맞춘 후에 PD(12B)의 신호로부터 PD(12A)의 신호를 감산해도 좋다. 이렇게 함으로써, 도5에 도시한 실선(M3)을 종축에 관하여 반전시킨 감도 특성을 얻을 수 있다. 이 경우에 는 기준 위치보다도 반사 위치가 소정 거리만큼 떨어진 상태를 검지할 수 있다. 이에 의해, 피검사물의 표면에 형성된 소정 거리에 상당하는 치수의 오목부를 검출 할 수 있게 된다.

또한, PD(12A)의 신호와 PD(12B)의 신호를 단순히 가산하는 연산 규칙을 설정함으로써 각각의 화이버군의 수광 면적을 합계한 수광 면적을 갖는 수광 화이버군을 설치한 경우, 즉 수광 화이버의 직경을 확대한 경우와 대략 동등한 감도 특성을 얻을 수 있다. 또한, 이들 신호를 양쪽 모두 사용하는 것은 필수가 아니며, 필요에 따라 이들 신호를 단독으로 사용할 수도 있다.

상술한 검사 장치(1)는 원통 형상의 내주면의 검사에 적용했으나, 검사 헤드(16)의 회전시키지 않고 축선 방향으로 이동시키면서 축선 방향과 직교하는 방향으로의 시킴으로써 평면 형상의 표면을 갖는 피검사물의 검사 장치로서 사용할 수도 있다. 상술한 표면 이물 검사 모드에서는 반사 위치의 변화에 대하여 도5에 도시한 감도 특성을 갖고 있으므로, 표면 검사 장치(1)를 소정의 분해능으로 피검사물의 진원율을 구할 수 있는 회전식 거리 계측 장치로서 기능시킬 수 있다.

도6은 본 발명의 표면 검사 장치의 다른 형태의 개략 구성을 도시하고 있다. 표면 검사 장치(101)는 내연 기관의 실린더 라이너나 실린더 보어 등의 피검사물인 원통체(200)의 내주면(200a)의 표면 검사에 적합한 장치이다. 표면 검사 장치(101)는 그러한 검사를 실행하여 원통체(200)의 내주면(200a)에 관한 정보를 출력하는 검사 기구(102)와, 검사 기구(102)의 각 부의 동작을 제어하는 동시에 검사 기구(102)가 출력한 정보를 처리하는 제어부(103)를 구비하고 있다. 또한, 검사 기구(102)는 피검사물(200)에 대하여 검사광을 투광하고, 또한 피검사물(200)로부터의 반사광을 수광하기 위한 검출 유닛(105)과, 그 검출 유닛(105)에 소정의 동작을 부여하기 위한 구동 유닛(106)을 구비하고 있다.

검출 유닛(105)은, 검사광의 광원으로서의 레이저 다이오드(이하, LD라고 부른다)(111)와, 피검사물(200)로부터의 반사광을 수광하고, 그 반사광의 단위 시간당 광량(반사광 강도)에 따른 전류 또는 전압의 전기 신호를 출력하는 포토디텍터(이하, PD라고 부른다)(112)와, LD(111)로부터 사출되는 검사광을 피검사물(200)을 향하여 유도하는 투광 화이버(113)와, 피검사물(200)로부터의 반사광을 PD(112)로 유도하기 위한 수광 화이버(114)와, 그들 화이버(113, 114)를 묶은 상태로 유지하는 유지통(115)과, 그 유지통(115)의 외측에 동축적으로 설치되는 중간축 형상의 검사 헤드(116)를 구비하고 있다. 유지통(115)의 선단부에는 투광 화이버(113)를 통하여 유도된 검사광을 검사 헤드(116)의 축선(AXa)의 방향(이하, 축선 방향이라고 부른다)을 따라 빔 형상으로 사출시키고, 또한 검사 헤드(116)의 축선 방향을 따라 검사광과는 역방향으로 진행되는 반사광을 수광 화이버(114)에 집광하는 렌즈(117)가 설치되어 있다. 검사 헤드(116)의 선단부(도6에 있어서 우단부)에는 광로 변경 수단으로서의 미러(118)가 고정되고, 검사 헤드(116)의 외주에는 그 미러(118)와 대향하도록 하여 투광창(116a)이 설치되어 있다. 미러(118)는 렌즈(117)로부터 사출된 검사광의 광로를 투광창(116a)을 향하여 변경하고, 또한 투광창(116a)으로부터 검사 헤드(116) 내로 입사한 반사광의 광로를 렌즈(117)를 향하여 진행되는 방향으로 변경한다.

구동 유닛(106)은 직선 구동 기구(130)와, 회전 구동 기구(140)와, 초점 조정 기구(150)를 구비하고 있다. 직선 구동 기구(130)는 검사 헤드(116)를 그 축선 방향으로 이동시키는 이동 수단으로서 설치되어 있다. 이러한 기능을 실현하기 위해 직선 구동 기구(130)는 베이스(131)와, 그 베이스(131)에 고정된 한 쌍의 레일(132)과, 레일(132)을 따라 검사 헤드(116)의 축선 방향으로 이동 가능한 슬라이더(133)와, 그 슬라이더(133)의 측방에 검사 헤드(116)의 축선(AXa)과 평행하게 배치된 이송 나사(134)와, 그 이송 나사(134)를 회전 구동하는 전동 모터(135)를 구비하고 있다. 슬라이더(133)는 검출 유닛(105)의 전체를 지지하는 수단으로서 기능한다. 즉, LD(111) 및 PD(112)는 슬라이더(133)에 고정되고, 검사 헤드(116)는 회전 구동 기구(140)를 통하여 슬라이더(133)에 설치되고, 유지통(115)은 초점 조절 기구(150)를 통하여 슬라이더(133)에 설치되어 있다. 또한, 이송 나사(134)는 슬라이더(133)에 고정된 너트(136)에 비틀어 넣어져 있다. 따라서, 전동 모터(135)로 이송 나사(134)를 회전 구동함으로써 슬라이더(133)가 레일(132)을 따라 검사 헤드(116)의 축선 방향으로 이동하고, 그에 수반하여 슬라이더(133)에 지지된 검출 유닛(105)의 전체가 검사 헤드(116)의 축선 방향으로 이동한다. 직선 구동 기구(130)를 사용한 검출 유닛(105)의 구동에 의해 피검사물(200)의 내주면(200a)에 대한 검사광의 조사 위치를 검사 헤드(116)의 축선 방향에 관하여 변화시킬 수 있다.

회전 구동 기구(140)는 검사 헤드(116)를 축선(AXa)의 주위로 회전시키는 회전 구동 수단으로서 설치되어 있다. 그러한 기능을 실현하기 위해 회전 구동 기 구(140)는 검사 헤드(116)를 축선(AXa)의 주위로 회전 가능하게 지지하는 베어링(도시하지 않음)과, 회전 구동원으로서의 전동 모터(141)와, 그 전동 모터(141)의 회전을 검사 헤드(116)로 전달하는 전달 기구(142)를 구비하고 있다. 전달 기구(142)에는 벨트 전달 장치, 기어열과의 공지의 회전 전달 기구를 이용해도 좋다. 전동 모터(141)의 회전을 전달 기구(142)를 통하여 검사 헤드(116)로 전달함으로써 검사 헤드(116)가 그 내부에 고정된 미러(118)를 수반하여 축선(AXa)의 주위로 회전한다. 회전 구동 기구(140)를 사용한 검사 헤드(116)의 회전에 의해 피검사물(200)의 내주면(200a)에 대한 검사광의 조사 위치를 둘레 방향에 관하여 변화시킬 수 있다. 그리고, 검사 헤드(116)의 축선 방향으로의 이동과 축선(AXa)의 주위의 회전을 조합함으로써 피검사물(200)의 내주면(200a)을 그 전체면에 걸쳐 검사광으로 주사하는 것이 가능하게 된다. 또한，검사 헤드(116)의 회전 시에 있어서 유지통(115)은 회전하지 않는다. 또한, 회전 구동 기구(140)에는 검사 헤드(116)의 회전 위치에 따른 펄스 신호를 출력하는 로터리 인코더(143)가 설치되어 있다. 로터리 인코더(143)는 검사 헤드(116)에 설치되어 일체로 회전하고, 또한 주위 방향을 따라 소정 간격으로 배열되는 복수의 검지 구멍(도시하지 않음)이 형성된 원판(143a)과, 그 원판(143a)의 검지 구멍의 위치에 따른 펄스를 생성하는 펄스 생성부(143b)를 구비한다. 로터리 인코더(143)로부터의 펄스 신호는 제어부(103)에서 이용된다.

초점 조절 기구(150)는 검사광이 피검사물(200)의 내주면(200a)에서 초점을 맞추도록 유지통(115)을 축선(AXa)의 방향으로 구동하는 초점 조절 수단으로서 설 치되어 있다. 그 기능을 실현하기 위해, 초점 조절 기구(150)는 유지통(150)의 기단부에 고정된 지지판(151)과, 직선 구동 기구(130)의 슬라이더(133)와 지지판(151) 사이에 배치되어 지지판(151)을 검사 헤드(116)의 축선 방향으로 안내하는 레일(152)과, 검사 헤드(116)의 축선(AXa)과 평행하게 배치되어 지지판(151)에 비틀어 넣어진 이송 나사(153)와, 그 이송 나사(153)를 회전 구동하는 전동 모터(154)를 구비하고 있다. 전동 모터(154)로 이송 나사(153)를 회전 구동함으로써 지지판(151)이 레일(152)을 따라 이동하여 유지통(115)이 검사 헤드(116)의 축선 방향으로 이동한다. 이에 의해, 검사광이 피검사물(200)의 내주면(200a) 상에서 초점을 맞추도록 렌즈(117)로부터 미러(118)를 거쳐 내주면(200a)에 이르는 광로의 길이를 조절할 수 있다.

제어부(103)는 표면 검사 장치(101)에 의한 검사 공정의 관리, 측정 결과의 처리 등을 실행하는 컴퓨터 유닛으로서의 연산 처리부(160)와, 그 연산 처리부(160)의 지시에 따라 검사 기구(102)의 각 부의 동작을 제어하는 동작 제어부(161)와, PD(112)의 출력 신호에 대하여 소정의 처리를 실행하는 신호 처리부(162)와, 연산 처리부(160)에 대하여 사용자가 지시를 입력하기 위한 입력부(163)와, 연산 처리부(160)에 있어서의 측정 결과 등을 사용자에게 제시하기 위한 출력부(164)와, 연산 처리부(160)에서 실행해야 할 컴퓨터 프로그램 및 측정된 데이터 등을 기억하는 기억부(165)를 구비하고 있다. 연산 처리부(160), 입력부(163), 출력부(164) 및 기억부(165)는 퍼스널 컴퓨터 등의 범용의 컴퓨터 기기를 이용하여 이들을 구성할 수 있다. 이 경우, 입력부(163)에는 키보드, 마우스 등의 입력 기기가 설치되고, 출력부(164)에는 모니터 장치가 설치된다. 프린터 등의 출력 기기가 출력부(164)에 추가되어도 좋다. 기억부(165)에는 하드 디스크 기억 장치, 혹은 기억 유지가 가능한 반도체 기억 소자 등의 기억 장치가 사용된다.

동작 제어부(161)는 연산 처리부(160)로부터의 다양한 제어 신호에 기초하여 검출 유닛(105)의 LD(111), 직선 구동 기구(130)의 전동 모터(135), 회전 구동 기구(140)의 전동 모터(141) 및 초점 조절 기구(150)의 전동 모터(154) 각각의 동작을 제어한다. 또한, 직선 구동 기구(130)의 전동 모터(135), 회전 구동 기구(140)의 전동 모터(141) 및 초점 조절 기구(150)의 전동 모터(154)에 대한 제어에 관해서는 본 발명의 요지가 아니므로 상세한 설명을 생략한다.

도7은 동작 제어부(161)의 상세를 설명하는 설명도이다. 동작 제어부(161)는 PD(112)로부터 출력되어 광강도에 대응하는 출력 신호(S1)를 증폭하는 수광 증폭기(1611)와, 이 증폭기(1611)가 증폭한 신호(S2)로부터 소정 범위의 주파수 성분이 추출되도록 그 소정 범위의 상한을 초과하는 주파수 성분을 커트하는 로우 패스 필터(1612)와, 원통체(200)의 내주면(200a)에 결함이 없는 경우를 기준으로 하여 미리 설정된 기준 신호(St)를 출력하는 기준 신호 발생기(1613)와, 로우 패스 필터(1612)를 통과한 신호(S3)와 기준 신호 발생기(1613)가 발생한 기준 신호(St)를 비교하여 그 차분에 따른 차분 신호(Sd)를 출력하는 비교기(1614)와, 비교기(1614)가 출력한 차분 신호(Sd)에 따른 구동 전류로 LD(111)가 구동되도록 LD(111)를 제어하는 LD 제어기(1615)를 구비하고 있다.

로우 패스 필터(1612)의 통과에 의해 추출되는 소정 범위의 주파수 성분에는 축선(AXa)과 원통체(200)의 중심선의 어긋남에 기인한 반사광의 강도의 요동에 대응하는 주파수 성분이 포함된다. 축선(AXa)과 원통체(200)의 중심선이 어긋나 있으면 검사 헤드(116)가 1회전할 때마다 검사 헤드(116)와 원통체(200)의 내주면(200a)이 정면으로 대향하는 기회가 2회 있고, 정면으로 대향하지 않는 동안에는 검사광의 입사각이 서서히 변화된다. 그 때문에, 이 어긋남에 기인하는 요동은 검사 헤드(116)의 회전 주파수의 2배의 주파수로 된다. 따라서, 이 형태에서는 이 소정 범위로서 검사 헤드(116)의 회전 주파수의 2배 내지 10배 이하의 주파수의 범위가 설정되어 있다.

LD 제어기(1615)는 소정 범위의 주파수 성분을 갖는 신호(S3)와 기준 신호(St)의 차분이 큰 경우는 작은 경우에 비해 큰 구동 전류에 의해 LD(111)를 구동하고, 반대로 그 차분이 작은 경우에는 큰 경우에 비해 작은 구동 전류에 의해 LD(111)를 구동하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 그 차분이 큰 경우에는 작은 경우에 비해 검사광의 강도가 높아지도록 LD 제어기(1615)에 의해 LD(111)가 제어된다. 그 때문에, LD 제어기(1615)에 의해 소정 범위의 주파수 성분을 갖는 반사광 강도의 요동이 상쇄된다. 결함에 대응하는 강도 신호의 주파수는 검사 헤드(116)의 회전 주파수의 1000배 정도 이상이며, 그 소정 범위에 포함되지 않는다. 따라서, 결함에 대응한 반사광의 강도 변화가 LD 제어기(1615)에 의해 제거되는 문제는 없다.

신호 처리부(162)는 검사 헤드(116)가 1회전할 때마다 PD(112)로부터 출력되는 신호를 소정수 샘플링하기 위해 로터리 인코더(143)로부터의 펄스 신호를 체배 또는 분주하여 샘플링 클록으로서 이용한다. 신호 처리부(162)에서 샘플링된 신호는 연산 처리부(160)로 보내진다. 연산 처리부(160)는 그 신호에 기초하여 피검사물(200)의 내주면(200a)에 관한 이차원 화상을 생성하여 주소 등의 결함의 유무를 판정한다. 이 판정은 결함에 대응하는 암부가 이차원 화상에 존재하는지의 여부를 판정함으로써 행해지나, 그 처리의 상세나 연산 처리부(160)가 실행하는 그 밖의 구체적인 처리의 상세에 대해서는 본 발명의 요지와 관련성이 약하기 때문에 설명을 생략한다.

이상의 표면 검사 장치(101)에 따르면 검사 헤드(116)의 축선(AXa)과 원통체(200)의 중심선의 어긋남에 기인한 반사광의 강도의 요동에 대응한 주파수 성분에 따라 검사광의 강도가 제어되므로 반사광의 강도의 요동을 제거할 수 있다. 뿐만 아니라, 로우 패스 필터(1612)를 통과시켜 추출되는 주파수 성분이, 어느 정도의 폭을 갖는 소정 범위로 설정되므로 소정 범위 내의 주파수 성분을 갖는 요동, 예를 들어 축 어긋남과는 관계가 없는 내주면의 면 거칠기 등에 의한 반사광의 강도 변화도 제거할 수 있다. 이에 의해, 불균일이 없는 이차원 화상을 결함의 판정의 기초로서 이용할 수 있으므로 결함의 검사 정밀도가 향상된다.

이상의 형태에 있어서, LD(111)가 본 발명에 관한 광원에, PD(112)가 본 발명에 관한 광전 변환 수단에, 로우 패스 필터(1612)가 본 발명에 관한 신호 처리 수단에, LD 제어기(1615)가 본 발명에 관한 광원 제어 수단에 각각 상당한다.

단, 본 발명은 이상의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 실시해도 좋다. 예를 들어, 상술한 동작 제어부(161)는 하드웨어 제어 회로에 의해 실현되어도 좋 고, 컴퓨터 유닛에 의해 실현되어도 좋다. 또한, 상술에서는 로우 패스 필터(1612)에 의해 본 발명에 관한 신호 처리 수단을 실시했으나, 그 대신에 소정의 상한을 초과하는 주파수 성분 및 소정의 하한을 하회하는 주파수 성분을 각각 컷트하는 밴드 패스 필터에 의해 본 발명에 관한 신호 처리 수단을 실현해도 좋다. 이 경우에는, 그 밴드 패스 필터의 통과에 의해 축선(AXa)과 원통체(200)의 중심선의 어긋남에 기인한 반사광의 강도의 요동에 대응하는 주파수 성분이 추출되고, 또한 내주면(200a)의 결함에 대응하는 주파수 성분이 추출되지 않는, 즉 그 결함에 대응하는 주파수 성분을 컷트할 수 있도록 밴드 패스 필터를 구성하면 된다.

도8은 본 발명의 헤드 장치의 일 형태가 내장된 표면 검사 장치의 일례를 도시한다. 표면 검사 장치(201)는 본체부(202)와, 그 본체부(202)로부터 돌출되도록 설치된 헤드 장치(203)를 구비하고 있다. 본체부(202)는 검사광의 광원으로서의 레이저 다이오드(이하, LD라고 표기한다)(220)와, 피검사물(204)에 조사된 검사광에 대한 반사광을 검출하는 포토디텍터(이하, PD라고 표기한다)(221)와, LD(220)로부터 사출되는 검사광(L)을 헤드 장치(203)의 돌출 방향으로 유도하고, 또한 헤드 장치(203)로부터 복귀되는 피검사물(204)로부터의 반사광을 PD(221)로 유도하는 도광 유닛(222)과, 헤드 장치(203)를 그 돌출 방향으로 연장되는 회전축선(C)의 주위로 회전시키는 회전 기구(223)와, 헤드 장치(203)를 회전축선(C)의 방향을 따라 진퇴시키는 직선 이동 기구(224)와, 도광 유닛(222)을 회전축선(C)의 방향으로 진퇴시켜 검사광의 초점 조정을 행하는 초점 조정 기구(225)를 구비하고 있다. 피검사물(204)은 원통 형상이다.

도광 유닛(222)은 헤드 장치(203)의 회전축선(C)과 동축에 배치된 유지통(250)과, 그 유지통(250)의 선단부에 설치된 렌즈(253)와, LD(220)로부터 렌즈(253)로 검사광을 유도하는 투광 화이버(251)와, 렌즈(253)로부터 PD(221)로 반사광을 유도하는 수광 화이버(252)를 구비하고 있다. 또한, 투광 화이버(251)는 회전축선(C)과 동축에 배치되고, 그 투광 화이버(251)의 외주를 둘러싸도록 복수의 수광 화이버(252)가 배치되어도 좋다.

도9에 상세하게 도시한 바와 같이, 헤드 장치(203)에는 회전축선(C)과 동축 상에서 회전 가능하게 설치되고, 또한 외주에 개구부(231)가 형성된 헤드통으로서의 외통(230)과, 개구부(231)에 설치된 보호창 부재(233)을 구비하고 있다. 외통(230)의 내부에는 도광 유닛(222)으로부터의 검사광 및 피검사물(204)로부터의 반사광의 광로를 변경하는 광로 변경 수단으로서의 미러(232)가 설치되어 있다. 미러(232)는 외통(230)과 일체로 회전한다. 보호창 부재(233)의 표리면에 대해서는 외통(230)에 대하여 내측의 면을 표면(233a)으로 하고, 외통(230)에 대하여 외측의 면을 이면(233b)으로 한다. 미러(232)는 도광 유닛(222)으로부터 사출된 검사광(L)의 광로를 보호창 부재(233)를 향하여 변경하고, 보호창 부재(233)를 통하여 피검사물(204)의 표면에 검사광(L)을 입사시키는 동시에 피검사물(204)의 표면에서 반사되어 보호창 부재(233)를 통하여 외통(230)의 내부로 진입한 반사광의 광로를 도광 유닛(222)을 향하여 변경한다.

외통(230)의 개구부(231)에 설치되는 보호창 부재(233)의 표면(233a)과 이면(233b)은 평행하고, 표면(233a) 및 이면(233b) 각각의 법선 방향이 보호창 부 재(233)로의 검사광의 입사 방향에 대하여 동일하게 기울도록 설치되어 있다. 보호창 부재(233)의 경사의 방향은 보호창 부재(233)의 표면(233a) 및 이면(233b)의 법선(N)이 헤드통의 반경 방향 외측을 향함에 따라 헤드통의 선단부측으로 기우는 방향이다.

도8로 복귀하여 회전 기구(223)와, 직선 이동 기구(224)와, 초점 조정 기구(225)를 이하에 설명한다. 이들 3개의 기구는 회전 기구(223)와, 초점 조정 기구(225)를 가동 베이스(255)로 지지하면서 직선 이동 기구(224)에 의해 그 가동 베이스(255)를 본체부(202)의 고정 베이스(265)에 대하여 외통(230)의 회전축선(C)을 따른 방향으로 진퇴 이동시키는 관계를 갖고 있다.

회전 기구(223)는 가동 베이스(255) 상에 회전 가능하게 지지된 헤드통(230)의 기단부를 끼우도록 배치된 한 쌍의 풀리(254a, 254b)와, 그들 풀리(254a, 254b) 사이에 감겨진 벨트(254c)와, 어느 한 쪽의 풀리(254a 또는 254b)를 회전 구동하는 모터(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 벨트(254c)는 헤드통(230)의 기단부에 접촉, 또는 맞물리도록 설치되어 있다. 따라서, 모터로 풀리(254a 또는 254b)를 회전시켜 벨트(254c)를 주행시킴으로써 헤드통(230)이 회전축선(C)을 중심으로 하여 회전 구동된다.

직선 이동 기구(224)는 상술한 가동 베이스(255)와, 본체부(202)의 고정 베이스(265)와 가동 베이스(255) 사이에 설치되어 가동 베이스(255)를 회전축선(C)의 방향으로 안내하는 가이드(256)와, 고정 베이스(262)에 설치된 구동원으로서의 모터(258)와, 모터(258)의 출력축에 동축에 연결된 이송 나사(259)를 구비하고 있다. 이송 나사(259)는 가동 베이스(255)에 고정된 너트(260)에 비틀어 넣어져 있다. 따라서, 모터(258)로 이송 나사(259)를 회전 구동함으로써 모터(258)의 회전 구동이 가동 베이스(255)의 직선 운동으로 변환되어 가동 베이스(255)가 가이드(256)로 안내되면서 회전축선(C)의 방향으로 이동한다.

초점 조정 기구(225)는 가동 베이스(255) 상에 설치되고 도광 유닛(222)의 기단부에 설치된 도광 유닛 유지 부재(261)와, 가동 베이스(255)와 도광 유닛 유지 부재(361) 사이에 설치되어 도광 유닛 유지 부재(261)를 회전축선(C)의 방향으로 안내하는 가이드(262)와, 가동 베이스(255)에 설치된 구동원으로서의 모터(263)와, 모터(263)의 출력축에 동축에 연결된 이송 나사(264)를 구비하고 있다. 이송 나사(264)는 도광 유닛 유지 부재(261)에 비틀어 넣어져 있다. 따라서, 모터(263)로 이송 나사(264)를 회전 구동함으로써 모터(263)의 회전 구동이 도광 유닛 유지 부재(261)의 직선 운동으로 변환되어 도광 유닛 유지 부재(261)가 가이드(262)로 안내되면서 회전축선(C)의 방향으로 이동된다. 이에 의해, 도광 유닛(222)이 회전축선(C)의 방향으로 이동 가능해져, 위치를 조정함으로써 검사광 및 반사광의 초점 맞추기를 행한다.

다음에, 표면 검사 장치(201)의 동작을 설명한다. 본 형태의 표면 검사 장치(201)에 있어서는, 회전 기구(223)에 의해 헤드 장치(203)의 전체가 회전축선(C)의 주위로 회전 구동되는 동시에 직선 이동 기구(224)에 의해 헤드 장치(203)가 회전축선(C)의 방향으로 구동되어 헤드 장치(203)가 피검사물(204)의 내부에 삽입된다. 헤드 장치(203)의 회전 및 직선 운동에 동기하여 LD(220)로부터는 검사광(L) 이 사출되고, 그 검사광(L)은 도광 유닛(222)을 통하여 미러(232)로 입사되고, 그 미러(232)에 의해 헤드통(230)의 반경 방향을 향하게 된다. 그 검사광(L)이 보호창 부재(233)를 통하여 피검사물(204)의 표면에 조사된다. 이들 동작에 의해, 피검사물(204)의 내면이 그 거의 전체면에 걸쳐 검사광(L)에 의해 주사된다. 그리고, 피검사물(204)의 표면에 있어서의 검사광(L)의 반사광은 보호창 부재(233)를 통과하여 미러(232)에 도달하고, 그 미러(232)에 의해 도광 유닛(222)을 향하여 광로가 변경되고, 또한 그 도광 유닛(222)을 통하여 PD(221)로 입사된다. 그 PD(221)에서 검출되는 반사광의 강도에 기초하여 피검사물(204)의 표면의 결함 등이 검출된다.

상기와 같이 검사가 행해질 때의 헤드 장치(203) 내의 검사광 등의 광로를 도10에 도시한다. 본 형태의 헤드 장치(203)에 있어서는, 보호창 부재(233)로 입사하는 광(L1)의 광로와, 보호창 부재(233)의 표면(233a) 및 이면(233b)의 법선(N)은 동일하게 기울어져 있다. 광(L1)이 보호창 부재(233)의 표면(233a)에 입사각(θ)으로 입사되면 굴절하는 광(L2)과 반사하는 광(L1a)이 발생한다. 광(L1a)은 반사각(θ)으로 표면(233a)을 반사하고 있으므로 입사된 광(L1)의 방향과 어긋남이 발생하여 광(L1)의 방향으로는 복귀되지 않는다. 또한, 보호창 부재(233)의 내부로 굴절되어 입사된 광(L2)이 보호창 부재(233)의 이면(233b)에 도달하면 피검사물(204)을 향하여 굴절되어 사출되는 광(L3)과, 이면(233b)에서 반사되는 광(L2a)으로 분리된다. 광(L2a)도 또한 입사된 광(L2)의 방향과 어긋남이 발생하여 광(L2)의 방향으로는 복귀되지 않는다.

보호창 부재(233)로 입사된 광(L1)은 상술한 보호창 부재(233)에 의해 그 광로를 변경하여 광(L3)의 광로로 피검사물(204)로 투광된다. 그 결과, 광(L1)과 광(L3)은 헤드통의 선단부측에 거리(D)만큼 평행 이동하게 되고, 광(L1)의 광로의 연장선 상에 있어 피검사물(204)의 표면과 교차하는 위치(Ra)에 대하여 검사광의 피검사물(204)로의 입사 위치(Rb)는 헤드통의 선단부측으로 이동한다.

도11은 검사광이 투광하는 피검사물(204)의 측으로부터 본 헤드 장치(203)와 피검사물(204)의 관계를 도시하는 도면이다. 도11에 있어서 피검사물(204)은 막힘 구멍 형상이다. 보호창 부재(233)로 입사되는 광에 대하여, 보호창 부재(233)의 표면(233a 및 233b) 각각의 법선 방향이 일치할 때의 광의 사출 위치를 La, 보호창 부재(233)의 표면(233a) 및 이면(233b)의 법선 방향이 각각 동일하게 기울어져 있을 때의 광의 사출 위치를 Lb로 한다. 종래의 사출 위치(La)에 대하여, 사출 위치(Lb)는 헤드통(230)의 선단부측에 거리(D)만큼 이동하고 있다. 또한, 사출 위치(La 및 Lb)는 도10의 피검사물(204)의 위치(Ra) 및 입사 위치(Rb)에 각각 대응하고 있다.

피검사물(204)이 막힘 구멍 형상이면, 종래에는 사출 위치(La)의 광으로 검사 가능한 영역보다 헤드통(230)의 선단부측의 영역(W)에서는 검사광이 닿지 않기 때문에 검사가 불가능했으나, 사출 위치가 Lb로 됨으로써 그 만큼 사각이 없어져 폭(D)만큼 검사 영역이 넓어진다.

또한, 본 발명의 적합한 형태에 대하여 설명했으나, 본 발명은 상술한 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 실시할 수 있다. 예를 들어, 본 형태에서는 원 통 형상 또는 막힘 구멍 형상의 피검사물의 내면을 검사하는 표면 검사 헤드 장치에 대하여 설명했으나, 이것에 한정되지 않고, 평면 형상의 피검사물의 표면을 검사하는 것이어도 좋다.

도12에 본 발명의 헤드 장치의 변형예를 도시한다. 또한, 도12에 있어서 도9와 공통된 부분에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다. 변형예에 있어서의 헤드 장치(203a)는 외통(230)과, 개구부(231)에 설치된 보호창 부재(233)를 구비하고, 외통(230)의 내부에는 도광 유닛(222)으로부터의 검사광 및 피검사물(204)로부터의 반사광의 광로를 변경하는 광로 변경 수단으로서의 미러(232a)와 프리즘(232b)이 설치되어 있다.

미러(232a)는 도광 유닛(222)으로부터 사출된 검사광(L)의 광로를 프리즘(232b)을 향하여 변경하고, 프리즘(232b)은 미러(232a)로부터의 검사광의 광로를 보호창 부재(232)를 향하여 변경한다. 피검사물(204)의 표면에서 검사광이 반사된 반사광에 대해서는 프리즘(232b)은 보호창 부재(233)로부터 입사된 반사광의 광로를 미러(232a)를 향하여 변경하고, 미러(232a)는 프리즘(232b)으로부터의 반사광의 광로를 도광 유닛(222)을 향하여 변경한다.

미러(232a)는 입사되는 광로를 거의 직각으로 변경한다. 그리고, 프리즘(232b)은 미러(232a)로부터의 광로를 동일 평면 상에 거의 직각으로 2회 변경함으로써 그 광로를 헤드통(230)의 선단부 방향으로 재차 유도하여 보호창 부재(233)를 향하여 검사광을 사출한다. 그 때, 프리즘(232b)의 법선(N1)은 프리즘(232b)을 향하여 입사하는 검사광(L)의 입사 방향에 대하여 기울어져 있으므로, 검사광(L)의 방향과 검사광(L)에 대한 반사광(La)의 방향에 어긋남이 발생하여 반사광(La)은 검사광(L)의 방향으로는 복귀되지 않는다.

본 변형예에서의 사출 위치를 사출 위치(Lc)로 하여 도11에 도시한다. 본 발명의 헤드 장치(203)의 일 형태에 있어서의 사출 위치(Lb)에 비교하여 본 변형예에서의 사출 위치(Lc)는 폭(D1)만큼 헤드통의 선단부측으로 더 이동한다.

또한, 광로 변경 수단(232)으로서, 본 형태에서는 미러나 프리즘의 예를 들었으나, 미러로서 평면경이나 요면경 등을 사용해도 되고, 프리즘으로서 직각 프리즘 등 설계에 맞게 임의의 형태의 프리즘을 사용해도 된다. 미러와 프리즘으로 설명한 개소는 미러와 프리즘에 각각 한정할 필요는 없으며, 미러 대신에 프리즘을 사용해도 되고, 프리즘 대신에 미러를 사용해도 된다. 광로 변경 수단의 설치 각도에 대해서도 도광 유닛(222)으로부터의 검사광(L)의 광로를 보호창 부재(233)를 향하여 변경하고, 보호창 부재(233)를 통과한 반사광의 광로를 도광 유닛(222)을 향하여 변경하는 것이면 되며, 한정되지 않는다.

보호창 부재(233)로서는, 예를 들어 글래스판이나 아크릴판, 플라스틱판 등의 광 투과성을 갖는 판재를 사용해도 된다.

상기의 형태에서는, 보호창 부재(233)의 표면(233a) 및 이면(233b)이 평행하고, 보호창 부재(233)의 법선 방향이 보호창 부재(233)로의 검사광의 입사 방향에 대하여 헤드통(230)의 반경 방향 외측을 향하여 선단부측으로 기울어져 있은 경우에 대해 설명했으나, 표면(233a)과 이면(233b)이 비평행하고 표면(233a) 및 이면(233b) 각각의 법선 방향이 보호창 부재(233)로의 검사광의 입사 방향에 대하여 기울어져 있어도 된다. 혹은, 표면(233a) 또는 이면(233b)의 법선 방향이 보호창 부재(233)로의 검사광의 입사 방향에 대하여 기울어져 있어도 된다. 표면(233a)과 이면(233b)은 평행하여도 되고 비평행하여도 되고, 어떠한 경우로 하든 표면(233a) 및 이면(233b) 중 적어도 한 쪽의 법선 방향은 반드시 보호창 부재(233)로의 검사광의 입사 방향에 대하여 헤드통(230)의 반경 방향 외측을 향하여 선단부측으로 기울어져 있을 필요는 없다. 본 발명에 있어서는, 표면(233a) 및 이면(233b) 중 적어도 한 쪽의 반사광은 보호창 부재(233)로의 검사광의 입사 방향에 대하여 어긋남이 발생하므로 도광 유닛(222)의 방향으로는 복귀되지 않기 때문에 불필요한 광의 성분이 검출값에 영향을 주는 일 없이 고감도의 검출이 가능하게 된다.

Claims (13)

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8. 검사광을 사출하는 광원과, 피검사물인 원통체의 내부에 삽입되어 상기 원통체에 대하여 축선 주위로 회전하고 또한 상기 축선 방향으로 이동하면서, 상기 광원으로부터 사출된 검사광을 상기 원통체의 내주면에 투광하면서 그 반사광을 수광하는 검사 헤드와, 상기 검사 헤드가 수광한 반사광의 강도에 따른 신호를 출력하는 광전 변환 수단을 갖고, 상기 광전 변환 수단이 출력한 신호에 기초하여 상기 내주면에 대응한 이차원 화상을 생성하는 표면 검사 장치에 있어서,

   상기 광전 변환 수단이 출력한 신호로부터, 상기 축선과 상기 원통체의 중심선과의 어긋남에 기인한 반사광의 강도의 요동에 대응하는 주파수 성분을 추출하는 신호 처리 수단과, 소정의 기준값과 상기 신호 처리 수단이 추출한 주파수 성분의 차분에 따라 상기 광원으로부터 사출되는 검사광의 강도가 변화되도록 상기 광원을 제어하는 광원 제어 수단을 더 구비하는 표면 검사 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 광원 제어 수단은 상기 기준값과 상기 주파수 성분의 차분이 큰 경우에는 작은 경우에 비해 상기 광원으로부터 사출되는 검사광의 강도가 높아지도록 상기 광원을 제어하는 표면 검사 장치.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 신호 처리 수단은 상기 요동에 대응하는 주파수 성분을 포함하고, 또한 상기 내주면의 결함에 대응하는 주파수 성분을 포함하지 않는 소정 범위의 주파수 성분을 추출하도록 구성되어 있는 표면 검사 장치.
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