WO2007060873A1

WO2007060873A1 - 表面検査装置

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Publication number: WO2007060873A1
Application number: PCT/JP2006/322814
Authority: WO
Inventors: Yukiko Fukami; Toru Ishikura; Hideo Mori
Original assignee: KTS Optics Corp; Kirin Techno System Co Ltd
Current assignee: KTS Optics Corp; Omron Kirin Techno System Co Ltd
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2008-05-24
Also published as: US20070132990A1

Description

明細書

表面検査装置

技術分野

[0001] 本発明は、被検査物表面に存在する異物、微細な溝又は傷を検査し、あるいは被検査物たる円筒体の内面に存在する溝を検査する表面検査装置に関する。

背景技術

[0002] 一般に、自動車用エンジンのシリンダヘッドの内面には、バルブの気密性及び耐久性を確保するため、凹部が形成され、この凹部にリング状のバルブシートが取り付けられている。この凹部の側面とバルブシートの側面との間には全く隙間が存在しないことが好ましいが、製造上の誤差等によって、実際には多少の隙間が発生する。そして、この隙間が大きくなると所望のエンジン性能を得ることができないため、この隙間の幅を正確に測定することが必要である。

[0003] 被検査物表面に存在する溝や傷を検査することのできる装置としては、光源から投光ファイバを介して被検査物の表面に投光された光の反射光を受光ファイバを介して受光し、その受光量に基づ!、て被検査物の表面に対応した二次元画像を生成し表面の溝や傷を検出する表面検査装置が知られている。この装置は、投光ファイバを介して投光される光を円筒体の内周に沿って回転させる回転手段及び円筒体の軸方向に沿って移動させる直線移動手段も備え、平面のみならず円筒体の内面も検查可能となっている（例えば、特許文献 1参照)。

[0004] 特許文献 1 :特開平 11 281582号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] この表面検査装置により、微細な溝や傷を検出するためには、投光ファイバを細くして光の照射スポットを小さくし、分解能を向上させることが必要である。しかし、照射スポットを小さくしていくと、表面の荒れや汚れによる光の散乱の影響を受けやすくなり、検出したい溝とこれらの荒れや汚れとの区別がしに《なるという問題が生じてくる。このため、従来の表面検査装置を微細な溝の検出に用いることは困難である。 [0006] また、上述の表面検査装置は、手作業によらず検査できるため自動化が可能で、検査結果に客観性がある。しかし、測定される値は、単に円筒体の内面の二次元画像であるため、例えばインラインで使用して、溝が所定の幅以上のものを不良品として排除するシステムを構築するには、溝の幅を自動的に検出する手段が更に必要である。

[0007] 本発明の目的は、表面の荒れや汚れ等の影響を受けにくぐ被検査物表面の微細な溝等の欠陥が検査可能な表面検査装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、円筒体の内面の溝を検査し、その検査結果から、溝の大きさを決定することのできる手段を有する表面検査装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明の一態様に係る表面検査装置は、光源から投光ファイバを介して被検査物の表面に投光された光の反射光を受光ファイバを介して受光し、その受光量に基づ V、て前記被検査物の表面を検査する表面検査装置にお!、て、前記投光ファイバの周囲に前記受光ファイバを複数配置し、前記受光ファイバの径を前記投光ファイバの径よりも大きくすることにより上記課題を解決する。

[0009] 上述のように、表面検査装置において、分解能を向上させるために投光ファイバを細くしていくと、表面の浅い部分に存在する荒れや汚れによる光の散乱が反射光に及ぼす影響が大きくなつてくる。しかし、この場合であっても、溝や傷の部分からの反射光と比べると、正反射の量が多くまた投光位置からの散乱光の広がりも小さい。本発明の表面検査装置は、投光ファイバの周囲に、複数の受光ファイバが配置され且っ受光ファイバの径は投光ファイバよりも大きいため、受光面積が従来と比べて広い。従って、正反射量が多く且つ散乱光の広がりが比較的狭い、荒れや汚れ部分からの反射光の場合、反射光全体のうちのかなりの割合の反射光を拾うことが可能となる。これに対して、表面の溝や傷部分力もの散乱光は、正反射光が少なくまた散乱光が大きく広がっているため、受光面積を拡大しても、表面の荒れや汚れの場合と比べて受光量の増加の割合は少ない。すなわち、本発明の表面検査装置によると、溝や傷の部分力もの受光量はあまり増カロさせずに、荒れや汚れの部分からの受光量のみ大きく増加することができる。従って、荒れや汚れが存在する部分と、溝や傷が存在する部分とを明確に区別することが可能となる。

[0010] また、本発明の一態様においては、前記受光ファイバにより受光された光を光電変換し、光電変換後の信号を非線形に増幅する非線形増幅手段を備えてもよい。上述のように、受光面積を大きくすることで、分解能を向上させても、溝や傷の部分を表面の荒れや汚れから区別すること可能になる。しかし、その場合であっても、分解能を向上させるほど、光電変換後の、溝や傷の部分から受光された光に対応する出力信号と、表面の荒れや汚れの部分力受光された光に対応する出力信号との境界は、表面が滑らかで汚れのない部分カも受光された光に対応する出力信号と比べて信号強度の低い部分に存在するようになる。従って、本態様のように、出力信号の低い範囲において大きく増幅されるように、光電返還後の信号を非線形に増幅すれば、表面の溝や傷と表面の荒れや汚れとをより容易に区別することが可能となる。

[0011] 前記光電変換後の信号が電圧信号であり、前記非線形増幅手段の増幅率を、低電圧部では大きぐ高電圧部では小さくすることができる。また前記非線形増幅手段としてログアンプを設けることもできる。これによると、上述したように、出力電圧の低い低電圧部において大きく増幅されるように光電返還後の電圧信号を非線形に増幅すれば、表面の溝や傷と表面の荒れや汚れとをより容易に区別することが可能となる。

[0012] 前記被検査物が円筒体の内面であり、前記投光ファイバから投光される光を前記円筒体の内周に沿って回転させる回転手段と、前記円筒体の軸方向に沿って移動させる直線移動手段と、前記回転手段の回転に対応するクロック信号を発生するクロック信号発生手段と、前記増幅された電気信号を前記クロック信号と同期させて AZ D変換する AZD変換手段と、を備えることもできる。これ〖こよると、信号発生手段からクロック信号に基づき、増幅された電気信号を AZD変換するので、二次元画像が回転むらの影響を受けにくくなる。

[0013] 前記被検査物をエンジンのシリンダヘッドとし、前記被検査物の前記表面を前記シリンダヘッドの内面とし、前記溝や傷を、前記内面に設けられた凹部の側面と前記凹部に嵌め込まれたバルブシートの側面との隙間としてもよい。これによると、エンジンのシリンダヘッドの内面の、微細な表面の溝や傷を、表面の荒れや汚れの影響を受けることなく検査可能となる。 [0014] 本発明の他の態様に係る表面検査装置は、投 Z受光部を有し且つ被検査物たる円筒体の内部に挿入される検査部を備え、該検査部を前記円筒体の軸線を中心として相対的に回転させると共に前記軸線方向に相対的に進退させ、前記投 Z受光部より前記円筒体の内面に光を投光しつつその反射光を受光し、受光量に基づいて前記内面に対応した二次元画像を生成する表面検査装置において、前記円筒体の内面に存在する溝の幅を求めるために、前記二次元画像を、前記溝の長さ方向座標と前記溝の幅方向座標とで表し、長さ方向座標を固定し、幅方向座標に沿って移動しながら、前記受光量が特定の閾値を超えて変化する、前記溝の一側縁部に対応する一点と前記溝の他側縁部に対応する他点との幅方向座標を求め、前記一点の幅方向座標と前記他点の幅方向座標とから前記区間の溝幅を求めるアルゴリズムを有する溝幅決定手段を有することにより上記課題を解決する。

[0015] 上記の表面検査装置によると、円筒体の内面の二次元画像から検査対象の区間内の代表的な溝幅を決定するアルゴリズムを有する溝幅決定手段を有するため、自動的且つ客観的にその区間内の溝幅を決定することができる。

[0016] 本発明の他の態様において、前記溝の長さ方向の少なくとも一部の範囲を対象区間として、該区間内において、前記一点の幅方向座標及び前記他点の幅方向座標を、複数の長さ方向座標についてそれぞれ求め、それぞれの長さ方向座標について求められた前記一点の幅方向座標のうちの、最も多くの点が占めた幅方座標を一側縁部の代表座標とし、それぞれの長さ方向座標について求められた前記他点の幅方向座標のうちの、最も多くの点が占めた幅方向座標を他側縁部の代表座標とし、前記一側縁部の代表座標と前記他側縁部の代表座標との差を前記区間の溝幅としてもよい。

[0017] これによると、長さ方向の少なくとも一部の範囲を対象区間内において求めた複数の点のうちの最も多くの点が占めた座標に基づいて溝幅を決定しているため、その区間内での平均的な溝幅を把握することができる。

[0018] 本発明の他の態様において、前記区間を、複数の区間とすることができる。これによると、複数の区間について溝幅を決定するため、溝幅が溝の長手方向に対して一定でない場合にその溝幅のばらつきを把握することができる。また、前記複数の区間は、等間隔としてもよい。

[0019] 前記溝が前記円筒体の内面の周方向に沿って存在する場合、前記溝の幅方向は前記円筒体の軸方向であり、前記溝の長さ方向が前記円筒体の内面の周方向となる。これによると、円筒体の内面の周方向に存在する溝の幅を、自動的且つ客観的に決定することができる。

[0020] 更に、本発明の他の態様において前記円筒体は、車両の内燃機関のシリンダへッドであり、前記溝が、前記シリンダヘッドの内面に設けられた凹部に挿入されたバルブシートと前記凹部との隙間であってもよい。これによると、バルブシートと凹部との隙間の幅を、自動的且つ客観的に決定することができる。

[0021] また、本発明の他の態様において、前記溝が前記円筒体の軸方向に沿って存在する場合、前記溝の幅方向が前記円筒体の内面の周方向であり、前記溝の長さ方向が前記円筒体の軸方向となる。これによると、円筒体の内面の軸方向に沿って存在する溝の幅を、自動的且つ客観的に決定することができる。

[0022] 前記二次元画像は、前記受光量に基づく信号を、フーリエ変換処理し、高周波数成分をカットし、更に逆フーリエ変換処理した信号により生成された画像とすることができる。また、前記二次元画像は、前記受光量に基づく信号を、ローパスフィルタで処理した信号により生成された画像とすることもできる。これによると、二次元画像において、表面の荒れや汚れによる光の散乱の影響や、他のノイズの影響を排除することができ、より正確な溝幅決定を行うことができる。

発明の効果

[0023] 以上の表面検査装置によると、表面の微細な溝や傷と表面の荒れや汚れとの差を明確にすることができ、溝や傷を明確に検出することが可能となる。従って、例えば、自動車部品等の検査基準の厳しい製造ラインに組み込んで、微細欠陥の検出に使用することが可能となる。また、円筒体の内面に形成された溝の溝幅を求めるァルゴリズムを有する溝幅決定手段を備えた表面検査装置においては、内面検査が必要な製造工程においてインラインで溝幅を決定して不良品を排除することができ、全品検査も可能となる。よって、製品精度及びスループットの向上が可能となる。

図面の簡単な説明 [0024] [図 1]本発明の表面検査装置の一形態の概略図。

[図 2]検査部の一形態の構成図を示した図。

[図 3A]投光ファイバと受光ファイバの断面図。

[図 3B]投光ファイバと受光ファイバの他の形態の断面図。

[図 4]本発明の一形態に係る表面検査装置における演算装置の構成図。

[図 5]分割区間毎に溝幅を決定するアルゴリズムを示したフローチャート。

[図 6A]自動車のシリンダヘッドの概略図。

[図 6B]吸気ポートへの表面検査装置の適用を示す図。

[図 7]非線形増幅器での非線形増幅を示したグラフ。

[図 8]エンジンシリンダの内周の凹部とバルブシートとの間の隙間を本発明の一形態に係る表面検査装置で検査した二次元画像。

[図 9]図 8の画像を 2値ィ匕処理した画像。

[図 10]図 9の画像をエッジ処理して分割した画像。

発明を実施するための最良の形態

[0025] 図 1は、本発明の一形態に係る表面検査装置の概略図である。図示したように、表面検査装置 1は、被検査物である円筒体 2の内部に挿入され、円筒体 2の内面に光 Lを投光しつつその反射光を受光する検査部 3と、受光した光を非線形に増幅する非線形増幅器手段である非線形増幅器 4と、その非線形増幅部 4から送られる信号を、クロック信号発生手段であるエンコーダ 5からのサンプリングクロック信号により A ZD変換する AZD変換手段である AZD変換器 6と、検査部 3及び AZD変換器 6 に対する各種制御を行う制御部 7と、それらの各種制御及びその他の後述する処理を行う演算処理部 8と、を備える。

[0026] 図 2は検査部 3の概略構成を示した図である。図示したように、検査部 3は、光源であるレーザダイオード（以下、 LDと表記する） 24と、受光した光を光電変換して受光量に応じた電圧を発生するフォトディテクタ（以下、 PDと表記する） 25と、 LD24から及び PD25へ光を伝達するセンサヘッド 10と、センサヘッド 10の外部を囲む外筒 11 と、外筒 11を回転させる回転手段である回転機構 12と、外筒 11を進退移動させる直線移動手段である直線移動機構 13と、回転に合わせてサンプリングクロック信号を発生するエンコーダ 5と、センサヘッド 10を移動させて光の焦点合わせを行うセンサヘッド調整機構 14と、を備える。

[0027] センサヘッド 10は、投光ファイバ 20及び受光ファイバ 21と、それらの投光ファイバ 2 0及び複数の受光ファイバ 21を保持する保持筒 22と、保持筒 22の先端に取り付けられ、投光ファイバ 20からの光を外部に対して集光し、外部力もの光を内部に対して集光する凸レンズ 23とを備える。そして投光ファイバ 20の基端は LD24に接続され、受光ファイバ 20の基端は PD25に接続されて!、る。そして LD24で発生された光は投光ファイバ 20を介して凸レンズ 23へ投光され、凸レンズ 23から入射した光は受光ファイバ 21を介して PD25に伝達される。

[0028] 図 3Aは投光ファイバ 20と受光ファイバ 21との保持筒 22内での断面図を示したものである。図示したように、一本の投光ファイバ 20の周りに 4本の受光ファイバ 21が配置され、また投光ファイバ 20の径に比べて受光ファイバ 21の径が大きいため、投光面積に比べて受光面積が大きい。なお、投光ファイバの周り配置する受光ファイバの数は 4本に限定されず、複数であれば良ぐ例えば図 3Bに示したように、一本の投光ファイバの周りに 3本の受光ファイバを配置することもできる。

[0029] 図 2に戻り、センサヘッド 10の外側を覆う外筒 11は、センサヘッド 10と同軸に配置され、その先端の側部には光を通すための投 Z受光部 30が開口されている。また、外筒 11内部の先端部には反射鏡 31が当該外筒 11の軸線 Cに対して 45度の角度で取り付けられている。この反射鏡 31により、センサヘッド 10の凸レンズ 23を通った光は直角に曲げられ、投 Z受光部 30を通って円筒体 2の内面の検査領域 Rに投光されるようになって!/、る。また検査領域 Rからの反射光も投 Z受光部 30を通って反射鏡 31によって直角に曲げられ凸レンズ 23を通って受光ファイバ 21へ伝達される。

[0030] 一方、外筒 11の基端側に取り付けられた回転機構 12は回転モータを含んでおり、この回転機構 12によって外筒 11が回転されると、その外筒 11に固定された反射鏡 3 1も共に回転し、検査領域 Rの位置が円筒体 2の内面の周方向に沿って回転する。そして、外筒 11がー回転すると、検査領域 Rは円筒体 2の内面を一周し、その回転に合わせて、エンコーダ 5からサンプリングクロック信号が発生される。

[0031] また、検査部 3には、リニアモータ等の直線移動機構 13が取り付けられており、外筒 11が円筒体 2の軸方向 Cに沿って進退移動することができるようになつている。これにより、投 Z受光部 30からの光は円筒体 2の内面を周方向に沿って走査すると共に軸方向にも相対的に移動し、円筒体 2の内面の全体を広範囲で検査することができる。

[0032] 図 1に戻り、受光ファイバ 21から伝達された光は、 PD25により光電変換され、受光量に応じた電圧に変換される。そして PD25に接続されている非線形増幅器 4は、 P D25からの電圧を非線形に増幅するものであり、ログアンプ（図示せず）を有し、ここで、電圧の低い部分が大きく増幅され、電圧の高い部分は小さく増幅される。

[0033] なお、この非線形増幅器 4の次に、高速フーリエ変換装置、ローパスフィルタ及び逆フーリエ変換装置を配置することもできる。あるいは、非線形増幅器 4の次にローパスフィルタのみ配置することもできる。これによると、高周波領域に多く表れる表面の荒れや汚れによる光の散乱の影響や、他のノイズの影響を排除することができる。例えば、高速フーリエ変換装置、ローパスフィルタ及び逆フーリエ変換装置を配置した場合、一周の検査時間 20msとしたときに、その 1/100である 0. 2ms、周波数にして 5000Hz以上をローパスフィルタでカットすると効果的である。

[0034] 非線形増幅器 4は直接、又は高速フーリエ変換装置、ローパスフィルタ及び逆フーリエ変換装置、若しくはローパスフィルタを介在させて、更に AZD変 6に接続され、この AZD変換期で信号は、エンコーダ 5から発生されるサンプリングクロックに従ってサンプリングされて AZD変換される。サンプリングされたデジタル信号は、制御部 7を介して後述する演算処理部 8の記憶装置に記録される。なお、制御部 7は、 LD24、回転機構 12、直線移動機構 13、センサヘッド調整機構 14の制御も行う。

[0035] 図 4は制御部 7と接続されている演算処理部 8の構成図を示したものである。図示したように、この演算処理部 8は、演算装置 40と、演算装置 40に対する入力装置 41としてのキーボード 41a及びマウス 41bと、必要に応じて出力装置 42としてのモニタ 42 a及びプリンタ 42bとを備えている。また、演算装置 40は、例えばマイクロプロセッサ及びその動作に必要な記憶装置 43 (RAM及び ROM)等の周辺装置を備えたコンピュータユニットで構成される、例えばパーソナルコンピュータを使用することができる [0036] この演算装置 40は、円筒体 2の内面の周方向の位置を X座標とし、円筒体 2の内面の長手方向位置を y座標とした二次元平面において、上述したように回転移動に合わせてサンプリングされて記憶装置 43に記憶された受光量に相当するデジタル信号を画素の輝度の強弱として表す表示制御手段 44を更に備える。また、その表示された二次元画像を 2値ィ匕及びエッジ処理等する画像処理手段 45も備えている。

[0037] 更に、この演算装置 40は、円筒体 2の内面に設けられた溝の幅を求めるための溝幅決定手段 46も備える。この溝幅決定手段 46は、受光量を画素の輝度の強度で表した二次元画像を 2値ィ匕し、その画像を更にエッジ処理した画像を、 y方向に延びる直線に沿って複数に分割し、分割区間毎に溝幅を決定するものである。なお、本形態においてはエッジ処理した画像を分割するが、これに限定されず、受光量をその強度で表した二次元画像又は、それを 2値ィ匕した画像を分割してもよヽ。

[0038] 図 5は、溝幅決定手段 46が分割区間毎に溝幅を決定するアルゴリズムを示したフローチャートである。このフローチャートでは、まずステップ 1において、作業者が入力装置 41から入力する分割数等の指示に基づ!/ヽて二次元画像平面を y方向に延びる直線に沿って複数に分割する。ステップ 2では一の分割区間内において、 X軸座標を一点に固定し、 y軸に沿って溝の一方力溝に向って移動し、画素の輝度が隣接画素間で特定の閾値を超えて変化する一点を検索し、そのときの y座標を溝の一側縁部に対応する y座標として記憶する。ステップ 3では、同じ X軸座標上において、 y軸に沿って溝の他方力溝に向って移動し、受光量に相当する画素の輝度が隣接画素間で特定の閾値を超えて変化する他点を検索し、そのときの y座標を溝の他側縁部に対応する y座標として記憶する。ステップ 4において、予め作業者によって設定された、一の分割区間内で検索すべき X座標の数だけ両側縁部の y座標を求めた力検討する。そして、まだ所定の数、求めていない場合は、ステップ 5に進み、同一の分割区間内で X座標を移動して、またステップ 2に戻る。そしてステップ 2からステップ 4 に至る動作を繰り返す。所定の数の X座標にっ、てそれぞれ両側縁部の y座標を求めたら次のステップ 6へと進む。ステップ 6では、ステップ 2で記憶した複数の一側縁部の y座標を集計し、そのうちの、集計数が最も多い y座標を一側縁部の代表座標とする。ステップ 7では、同様にステップ 3で記憶した複数の他側縁部の y座標を集計し、そのうちの集計数が最も多い y座標の他側縁部の代表座標とする。ステップ 8において、その一側縁部の代表座標と他側縁部の代表座標の差を求め、その差をその分割区間における代表的な溝幅として記憶する。ステップ 9にお、て全分割区間にっ、て代表的な溝幅を決定したか検討し、全分割区間につ!、て決定されて!、な、場合は、ステップ 10により分割区間を移動して再度のステップ 2に戻り、同様の作業を行う。全分割区間について代表的な溝幅を決定すると、フローチャートは終了する。そしてその計算結果は適宜モニタ等の出力装置力出力される。

[0039] 次に、本形態の表面検査装置で、自動車のエンジンのシリンダヘッドの、内面に形成された凹部の側面とその凹部に取り付けられたリング状のバルブシートの側面との隙間の幅を検査し、その幅を測定する場合について説明する。

[0040] 図 6Aは自動車のエンジンのシリンダヘッドの概略図である。エンジンのシリンダへッド 2は、通常アルミニウム合金等で製造されており、燃焼室内に吸入空気を供給するための吸気ポート 101と、燃焼後の排気ガスを排出するための排気ポート 102とが形成されている。各ポート 101, 102は、それぞれバルブ 103によって開閉されるようになっており、また各ポート 101, 102の先端には、凹部 104が設けられ、この凹部 1 04には、バルブの気密性と耐久性を確保するために、鉄系の焼結材料等で作られたリング状のバルブシート 105が嵌め込まれている。このバルブシート 105と凹部 10 4とは隙間なく嵌合されていることが望ましいが、製造上の誤差等によって、実際には多少の隙間 Gが発生する。そして、この隙間 Gが大きくなると所望のエンジン性能を得ることができないため、この隙間 Gの幅を正確に測定し、一定の値以上の隙間を有する不良品は排除することが必要である。このような隙間 Gは、図示したようにシリンダヘッド 2の内面に存在し、直接目視することができない。このため、従来は、作業者が手作業により隙間 Gに薄板材カもなるシムを差し込み、シムが入ればその厚さの隙間 Gが存在すると判断する方法が広く用いられている。しかし、この方法は、作業者の熟練度の影響が大きぐ客観性に欠け、更に、手作業であるため、全品検査が困難であった。

[0041] 本形態の表面検査装置による、このようなシリンダヘッド 2の内面に形成された凹部の側面とその凹部に取り付けられたリング状のバルブシート 105の側面との間の幅の検査及びその幅の決定は、以下のように行う。まず、ノレブ 103が取り付けられていない状態で、吸気ポート 101又は排気ポート 102のいずれか検査を行うポート内に、シリンダヘッド 2の軸線と外筒 11の軸線 Cとを一致させて、投 Z受光部 30がノレブシートの位置 105にくるようにして表面検査装置 1の外筒 11を配置する。なお、図 6Bは吸気ポート 101に表面検査装置 1を挿入する場合を示した。次に、図 2に示したセンサヘッド調整機構 14によってセンサヘッド 10を移動させ、シリンダヘッド 2の内面に光 Lの焦点を合わせる。これにより、 LD24からの光は、投光ファイバ 20を通って、凸レンズ 23により集光されて反射鏡 31に到り、直角に光路が変更されて投 Z受光部 3 0からバルブシート 105の内面の検査領域 Rに投光される。

[0042] この状態で、回転機構 12及び直線移動機構 13を駆動させると、シリンダヘッド 2の内面に投光ファイバ 20からの光が順次投光されて、内面の全周から反射光が受光フアイバ 21に受光される。そして外筒 11は回転し且つ軸方向 Cに進み、バルブシート 1 05の内面カもシリンダヘッド 2の内面にわたる所定範囲内の検査が可能になる。

[0043] 反射された光 Lは投 Z受光部 30を通って反射鏡 31で直角に曲げられて、凸レンズ 23で集光され、受光ファイバ 21に受光される。この場合、シリンダヘッド 2の表面は比較的滑らかであるため、投光ファイバ 20から投光された光の大部分が正反射して受光ファイバ 21によって受光される。バルブシート 105の表面は、シリンダヘッド 2の内面と比較すると表面がざらついているため、投光ファイバ 20を細くして照射スポット径を小さくすると光の散乱の影響が出てくる。溝 Gの部分においては、光の散乱がバルブシート 105の部分より更に大きぐ光の正反射もほとんどない。

[0044] ここで、投光ファイバ 20の周囲に受光ファイバ 21を 4つ配置し且つ受光ファイバ 21 の径を投光ファイバ 20より大きくすることにより受光面積が拡大されて、る。このため、ノレブシート 105の部分カも受光ファイバ 21によって受光される光の量は増加する力一方、溝の部分力受光される光の量はあまり増加しない。従って、バルブシートの表面の部分と溝の部分との差が明確になる。

[0045] 次に、シリンダヘッド 2の内面を螺旋状にスキャンしながら受光ファイバ 21を介して得られた上述の信号を PD25によって光電変換して受光量に応じた電圧に変換し、非線形増幅器 4によって増幅する。図 7は PD25からの非線形増幅器 4に入力される信号と、非線形増幅器 4のログアンプによって非線形に増幅した後の出力電圧の関係を示したグラフである。図 7の Aで示した部分は、溝の部分の PD25からの信号の部分である。一方、図 7の Bで示した部分は、バルブシート部分の PD25からの信号を含む、溝部以外の信号の部分である。ここで、 PD25からの入力信号における溝からの信号部分 Aとそれ以外の信号部分 Bとは、上述のように受光ファイバ 21の受光面積を大きくすることで、ある程度の差を生じている力更にこの差を拡大できれば、より明確に両者を区別することができる。一方、この差の部分は、入力信号全体のうちの信号の少ない位置に存在している。従って、 PD力もの入力信号を非直線アンプあるいはログアンプで対数的に増幅することにより、この差の部分が拡大され、両者の間の出力電圧の差が大きくなり、表面の溝や傷を表面の荒れや汚れ力更に区別しゃすくなる。また、ログアンプの後に高速フーリエ変換装置、ローパスフィルタ及び逆フーリエ変換装置、あるいは、ローパスフィルタが配置されている場合、高周波領域に多く表れる表面の荒れや汚れによる光の散乱の影響や、他のノイズの影響が排除される。

[0046] この出力電圧を、 AZD変換器 6にて、エンコーダ 5から発生されるサンプリングクロックに従ってサンプリングして AZD変換する。そして演算処理部 8の表示制御手段 4 4によって、シリンダヘッド 2の周方向を X軸とし、軸方向を y軸とした、格子状の画像データに変換することにより、シリンダヘッド 2の内面を展開したような二次元画像を得ることができる。ここで、回転機構に取り付けられたエンコーダから直接サンプリングクロック信号を発生させるので、光の回転と受光データとを同期させることができ、二次元画像が回転むらの影響を受けにくい。

[0047] 図 8は、エアシリンダの内面のバルブシートが取り付けられた部分を本発明の一形態に係る表面検査装置 1で検査した二次元画像である。図中 Aはシリンダヘッド 2の内面であり、表面は比較的滑らかであるため反射光量が多く白くなつている。また、図中 Bはバルブシート 105の内面であり、この部分はシリンダヘッド 2の内面と比較すると表面がざらついているため、反射光量が少なぐ黒っぽくなっている。そして図中 Gは、シリンダヘッド 2とバルブシート 105との間の隙間であり、この部分からの反射光はほとんどないため、黒くなつている。なお、図示しないが、受光ファイバの数が複数でなく且つ増幅器も線形である従来の表面検査装置の場合、同様の二次元画像において、シリンダヘッド 2の内面は真っ白であり、バルブシート 105と溝の部分は共に真っ黒となり、両者を区別することはできない。しかし、本形態の表面検査装置によると、図 8で示したように、バルブシートの部分 Bと、溝の部分 Gとの間には、明暗に差が生じ、両者を区別することが可能となる。

[0048] より明確に溝 Gを特定するために、図 8の画像の画素の明るさを算出し、溝 Gの部分の輝度とバルブシート Bの部分の輝度との間に閾値を設定し、画素の明るさが閾値以上なら白色を画素に設定し、閾値以下の場合は、画素に黒色を設定する 2値化処理を行う。この処理によって得られた画像が図 9であり、溝 Gを明確に特定することができる。更にその画像をエッジ処理し、溝 Gの一側縁部 glと他側縁部 g2とを黒点で表示したものが図 10である。なお、この 2値化処理及びエッジ処理は任意であって、これらの処理を行わずに、上述のように図 5のデータから直接、溝 Gの縁部の座標を求めることちでさる。

[0049] 次に、この画像を、図 10で示したように X軸に沿って均等に 1〜： LOの区間に分割する（Sl)。そして、第 1区間 Z内において、 X座標を一点に固定し、 y座標に沿って、図中 y座標 aの位置力溝に向って一側縁部 glに相当する黒点を検索し、その点の y 座標を求めて記憶する（S2)。次に、図中 y座標 bの位置力も溝に向って他側縁部 g2 に相当する黒点を検索し、その点の y座標を求めて記憶する（S2)。この場合、 y座標上に、ノイズ等の影響力ゝら溝の縁部に対応しない点も存在するが、適宜排除する。

[0050] そして第 1区間 Z内において、所定数の両側縁部の y座標を求め（S4, S5)検索された複数の一点の y座標のうちの、最も多くの点が占めた座標を一側縁部の代表座標とする（S6)。同様に検索された複数の他点の y座標のうちの、最も多くの点が占めた座標の他側縁部の代表座標とする（S7)。次、で一側縁部の代表座標と他側縁部の代表座標との差を求め、その値を第 1区間の代表溝幅とする（S8)。更に、第 2区間から第 10区間第 1区間までについても同様の計算を行い (S9, S10)、区間毎の代表幅を求める。以上、本形態の溝幅決定手段 46によると、自動的且つ客観的に溝 Gの区間毎の代表幅を決定することができる。

[0051] なお、例えばバルブシートが斜めに入って、る場合等、溝の幅が一定でな!、場合ある。この場合、周方向全体で溝幅を計算すると、平均的な値となってしまうが、ノレブシートの場合等平均値よりも最大溝幅が問題となる場合もある。本形態によると等間隔の複数の領域で分割して計算しているため、溝幅が一定でない場合、分割区間毎に溝幅を求めることができ、最大溝幅及び最小溝幅も求めることができる。またバルブが傾いているか否かを判断することもできる。そしてこの場合、分割が等間隔での幅で行われて、るため、溝幅の変動がわ力りやす！/、。

[0052] 以上、本形態の表面検査装置 1によると、受光ファイバ 21の受光面積が拡大され、また非線形増幅器を有するため、エンジンのシリンダヘッドの側面と、バルブシートの側面との間の微細な隙間と、バルブシートの表面の荒れや汚れとの差を明確にすることができ、その微細な隙間を明確に検出することが可能となる。従って、本形態の表面検査装置は、自動車部品等の検査基準の厳しい製造ラインに組み込むことができ、全品検査も可能となり、製品精度、品質及びスループットの向上が可能となる。

[0053] また、エンジンのシリンダヘッドの側面と、バルブシートの側面との間の、微細な隙間を、バルブシートの表面と区別可能な画像として取得し、その画像を分割して分割区間内の代表的な溝幅を決定するアルゴリズムを有する溝幅決定手段を有するため、自動的且つ客観的に溝 Gの区間毎の代表幅を決定することができる。従って、例えば、本形態の表面検査装置は、自動車の製造ラインにおいて、バルブシートの溝幅を、自動的に計測するために使用することができる。そして、このように自動的且つ客観的に溝幅が決定できるため、検査結果の信頼性が高ぐ全品検査も可能となり、製品精度、品質及びスループットの向上が可能となる。

[0054] なお、本発明の好適な形態について説明したが、本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、上述したように、本形態では、被検査物として円筒体の内面を検査する表面検査装置について説明したが、これに限定されず、平面状の被検査物の表面を検査するものであってもよヽ。

[0055] 上述の説明では本形態の表面検査装置を、自動車用エンジンのシリンダヘッドの内面に形成された凹部と、その凹部に圧入されたリング状のバルブシートとの間の隙間を観察し、その溝幅を決定する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、円筒体 2はシリンダヘッドでなくとも良ぐまた溝は円筒体の内面の軸方向じに沿って存在する溝等であってもよぐ内面のあらゆる方向に存在する傷、溝又は隙間を検査することができる。また、本形態では、溝幅を求める際に、溝を長さ方向に分割し、各分割区域内の代表的溝幅を求めたが、これに限定されず、分割をせずに全体についての代表的溝幅を決定することもでき、また、溝の一点における溝幅のみ求めることちでさる。

Claims

請求の範囲

[1] 光源から投光ファイバを介して被検査物の表面に投光された光の反射光を受光フアイバを介して受光し、その受光量に基づ!/、て前記被検査物の表面を検査する表面検査装置において、

前記投光ファイバの周囲に前記受光ファイバが複数配置され、且つ前記受光ファィバの径が前記投光ファイバの径よりも大きい表面検査装置。

[2] 前記受光ファイバにより受光された光を光電変換し、光電変換後の電気信号を非線形に増幅する非線形増幅手段を備えている請求項 1の表面検査装置。

[3] 前記光電変換後の信号が電圧信号であり、前記非線形増幅手段の増幅率が、低電圧部では大きぐ高電圧部では小さい請求項 2の表面検査装置。

[4] 前記非線形増幅手段としてログアンプを設けた請求項 3の表面検査装置。

[5] 前記被検査物の前記表面が円筒体の内面であり、前記投光ファイバを介して投光される光を前記円筒体の内周に沿って回転させる回転手段と、前記円筒体の軸方向に沿って移動させる直線移動手段と、前記回転手段の回転に対応するクロック信号を発生するクロック信号発生手段と、前記増幅された電気信号を前記クロック信号と同期させて AZD変換する AZD変換手段と、を更に備える請求項 2〜4のいずれか 1項の表面検査装置。

[6] 前記被検査物がエンジンのシリンダヘッドであり、前記被検査物の前記表面が前記シリンダヘッドの内面であって、前記溝や傷が、前記内面に設けられた凹部の側面と前記凹部に嵌め込まれたバルブシートの側面との隙間である請求項 1〜5のいずれ力 1項の表面検査装置。

[7] 投 Z受光部を有し且つ被検査物たる円筒体の内部に挿入される検査部を備え、該検査部を前記円筒体に対して軸線を中心として相対的に回転させると共に前記軸線方向に相対的に進退させ、前記投 Z受光部より前記円筒体の内面に光を投光しつつその反射光を受光し、受光量に基づ!、て前記内面に対応した二次元画像を生成する表面検査装置にお!、て、

前記円筒体の内面に存在する溝の幅を求めるために、前記二次元画像を、前記溝の長さ方向座標と前記溝の幅方向座標とで表し、長さ方向座標を固定し、幅方向座標に沿って移動しながら、前記受光量が特定の閾値を超えて変化する、前記溝の一側縁部に対応する一点と前記溝の他側縁部に対応する他点との幅方向座標を求め、

前記一点の幅方向座標と前記他点の幅方向座標とから前記区間の溝幅を求めるアルゴリズムを有する溝幅決定手段を有する表面検査装置。

[8] 前記溝の長さ方向の少なくとも一部の範囲を対象区間として、該区間内において、前記一点の幅方向座標及び前記他点の幅方向座標を、複数の前記長さ方向座標についてそれぞれ求め、

それぞれの長さ方向座標について求められた前記一点の幅方向座標のうちの、最も多くの点が占めた幅方座標を一側縁部の代表座標とし、

それぞれの長さ方向座標について求められた前記他点の幅方向座標のうちの、最も多くの点が占めた幅方向座標を他側縁部の代表座標とし、

前記一側縁部の代表座標と前記他側縁部の代表座標との差を前記区間の溝幅とする請求項 7の表面検査装置。

[9] 前記区間が、複数の区間である請求項 8の表面検査装置。

[10] 前記複数の区間が、等間隔である請求項 9の表面検査装置。

[11] 前記溝が前記円筒体の内面の周方向に沿って存在し、前記溝の幅方向が前記円筒体の軸方向であり、前記溝の長さ方向が前記円筒体の内面の周方向である請求項 7〜10のいずれ力 1項の表面検査装置。

[12] 前記円筒体が、車両の内燃機関のシリンダヘッドであり、前記溝が前記シリンダへッドの内面に設けられた凹部に挿入されたバルブシートの側面と前記凹部の側面との隙間である請求項 7〜10のいずれか 1項の表面検査装置。

[13] 前記溝が前記円筒体の内面の軸方向に沿って存在し、前記溝の幅方向が前記円筒体の内面の周方向であり、前記溝の長さ方向が前記円筒体の軸方向である請求項 7〜10のいずれ力 1項の表面検査装置。

[14] 前記二次元画像が、前記受光量に基づく信号を、フーリエ変換処理し、高周波数成分をカットし、更に逆フーリエ変換処理した信号により生成された画像である請求項 7〜 12のいずれ力 1項の表面検査装置。前記二次元画像が、前記受光量に基づく信号を、ローパスフィルタで処理した信号により生成された画像である請求項 7〜12のいずれか 1項の表面検査装置。