JP2008032487A - 外観検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検査体の表面が多数の面で形成されている場合、各面の表面形状に関係なく、各面に発生した欠陥、特に、面と面とで形成される角部に発生した欠陥を正確に検出できる外観検査装置を提供する。
【解決手段】複数の面で表面が形成された被検査体（歯車2）に、光を照射する照明手段4と、被検査体2の表面のうち平面ではない面の一部が表面形状に沿った輪郭として現れて撮像される位置で、被検査体2を撮像する撮像手段51,52と、撮像手段51,52で撮像した撮像画像を画像処理して、被検査体2の平面ではない面での欠陥を検出する画像処理手段7と、照明手段4の発光部の近くに配置し、特定の振動方向の光波を通過させる第一偏光フィルタ61と、撮像手段51,52の受光部の近くに配置し、第一偏光フィルタ61と振動方向が同方向の光波を通過させる第二偏光フィルタ62とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、歯車等、複数の面で表面が形成された被検査体における平面ではない面の欠陥を画像処理により検査する外観検査装置に関する。

複数の面で表面が形成された被検査体として、例えば、歯車が挙げられる。歯車を製造する場合、通常は、粉末合金を焼結して製造される。焼結する前の歯車の状態は、圧粉体なので表面に欠けが生じやすく、そのまま焼結してしまうと表面に欠けが残った状態になる。また、焼結する際に、歯車の柔らかい表面にごみが付着した場合には、そのゴミが焼結時に焼けてしまうと、欠けが発生してしまう場合もある。欠けは、例えば歯車の歯部における先端エッジ部に発生すると、その歯車の動力伝達不足の原因になる虞がある。

また、歯車を製造する際、型から歯車を抜くときにバリが発生することがある。このように、焼結された歯車の表面に欠けやバリがある場合には、歯車を回転させたとき、バリ噛み込みによって歯車が停止する原因となるので、バリのある歯車は欠陥品となる。

従来、歯車の表面、特に歯部の先端部を検査する場合は、作業者が目視によって欠陥があるか否かの判別を行っていた。しかし、人的に外観検査を行う場合、長時間検査を行ったときには、緊張による疲労感から見逃しや誤判定を起こし易いし、官能的な感覚に頼るため、個人差による判定バラツキが大きく、安定した検出能力を全数にわたって保証できない。

また、表面欠陥を自動的に検査する装置が従来から提案されている。検査を自動化する場合、例えば、歯車に光を照射し、正反射光/乱反射光を撮像手段で撮像して、得られた画像を処理することによって良否を判定する装置がある(例えば特許文献１参照)。

特許文献１に開示されている外観検査装置は、被検査体の被検査面に平行光を一定方向から照射し、被検査体に当たって反射した光を撮像手段で受光して画像処理を行い、モニタ画像上に明暗パターンとして映し出し、その明暗パターンを正常時のパターンと比較して被検査面の異常を検出するようになっている。

特許文献１に開示されている外観検査装置では、被検査面に一定の方向から平行光を照射すると、その被検査面に傷や汚れの付着などが全く無い場合には、光はその被検査面の正常な形状による一定の方向に反射される。しかし、被検査面に異常がある場合には、欠陥部にあたった光は、ランダムに散乱するため、正常なときとは異なった散乱状態となる。特許文献１の外観検査装置では、この異常な散乱状態を正常なときの散乱状態と比較して欠陥を検出する。

特開平05-157705号公報

ところで、歯車の歯の部分は、側面が曲面で形成されていたり、軸方向端面における歯の先端側が軸方向に対して垂直な平面ではなく、緩やかに傾斜した形状をしていたりする場合がある。

特許文献１に記載されているように、被検査面である歯車の軸方向端面に平行光を照射して欠陥を検査する場合、軸方向端面が軸方向に垂直な面のときは、正常な部分は、反射した光が撮像手段に受光され、欠陥部分は受光されないので、明暗パターンを映し出すことにより、その中で欠陥を検出することができる。

しかし、歯車の軸方向端面における歯の先端側が傾斜した面である場合には、傾斜面が正常な状態であっても、傾斜面であるため反射した光が撮像手段に受光されず、先端部分が暗い状態で歯車の歯が撮像されてしまう。従って、この傾斜した先端部の面での欠陥、特に、先端部分の角部に欠けやバリがある場合には、明確な明暗パターンを映し出すことが困難となるので、欠陥の検出は非常に困難となる。

さらに、被検査体に油が付着したりして汚れがあると、正反射を利用して欠陥を検出するのは難しい。正反射を受光して検査を行う場合には、曲面では反射光を受光できないので、曲面での欠陥の検出はできない。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなしたもので、被検査体の表面が多数の面で形成されている場合、各面の表面形状に関係なく、各面に発生した欠陥、特に、面と面とで形成される角部に発生した欠陥を正確に検出できる外観検査装置を提供することを目的とする。

本発明の外観検査装置は、複数の面で表面が形成された被検査体に、光を照射する照明手段と、被検査体の表面のうち平面ではない面の一部が表面形状に沿った輪郭として現れて撮像される位置で、被検査体を撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像した撮像画像を画像処理して、被検査体の平面ではない面での欠陥を検出する画像処理手段とを備える。

さらに、本発明は、照明手段の発光部の近くに配置し、特定の振動方向の光波を通過させる第一偏光フィルタと、撮像手段の受光部の近くに配置し、第一偏光フィルタと振動方向が同方向の光波を通過させる第二偏光フィルタとを備える。

照明手段は、透過照明装置を用いる。透過照明装置としては面発光型のものが好ましい。

撮像手段としては、ＣＣＤカメラ等の二次元カメラが挙げられる。撮像手段は、視野サイズを撮像領域として、二次元画像を得る。この二次元画像は、画像処理手段に送られる。

撮像手段により、被検査体の表面のうち平面ではない面の一部が表面形状に沿った輪郭として現れて撮像されるようにするには、例えば、撮像手段の光軸が透過照明の透過方向に対して斜めになる位置に配置する。より具体的には、被検査体を照明手段と撮像手段との間に配置し、撮像手段の光軸が被検査体の平面と非直角となるようにする。

被検査体が歯車の場合、照明手段を、歯車の一方の軸方向端面と対向するように配置し、撮像手段を、撮像手段の光軸が歯車の軸方向(透過照明の透過方向)に対して鋭角になるように歯車の他方の軸方向端面側に配置する。

このように照明手段と撮像手段とを配置すると、被検査体の表面のうち平面ではない面での欠陥、特に、非平面と非平面とで形成される角部、または、非平面と平面とで形成される角部での欠陥を確実に検出することができる。

そして、被検査体が歯車の場合で、歯車の軸方向端面における歯部形成部分が平面となっていない場合(傾斜面)でも、歯車の軸方向端面の歯部形成部分と歯部側面で形成される角部(エッジ部)の欠陥を確実に検出することができる。

画像処理手段は、撮像手段で撮像した撮像画像に対して画像処理を行って、平面ではない面での欠陥を検査する。

画像処理手段は、例えばコンピュータにより構成され、画像処理部と、判定部とを備える構成とすることができる。画像処理部は、例えば、被検査体の撮像画像から検査対象部位をパターンサーチし、正常な形状データを基準画像として、この基準画像とサーチした検査対象画像との差分画像を求める。そして、その差分画像において差異のある部位の粒子面積を求める。

判定部は、画像処理部で得られたデータを元に良否を判定する。例えば、画像処理部で求めた差分画像において差異のある部位の粒子面積が所定の値より大きければ欠陥であると判定し、所定の値以下のときには、欠陥ではないと判定する。

また、画像処理手段は、撮像手段で撮像した最初の画像(シルエット画像)を基準画像とし、その後に撮像した画像(シルエット画像)と基準画像とを比較して欠陥の有無の判定するようにしてもよい。このように、最初の画像を基準画像とすることにより、被検査体間の寸法バラツキ（個体差）に影響を受けないで、安定して欠陥を検出することができる。また、被検査体が歯車の場合、先端形状が仕様変更等により変化しても、検査ソフトを変更、あるいは基準画像を再登録する必要が無いという効果も得られる。

さらに、透過照明の光が、被検査体の表面、例えば歯車の場合は、歯部の側面に当たるとこの光が乱反射して撮像手段に受光されてしまう虞がある。このときの撮像画像は、光りが反射した面が光った状態の画像となり、欠陥部分と正常部分とのコントラストが得られなくなって、光った部分で発生した欠陥の検査ができなくなる虞がある。そこで、このように被検査体の表面に当たって乱反射した光は撮像手段で受光する前にフィルタで取り除くことが好ましい。

従って、本発明では、被検査体の表面に当たって乱反射した光が撮像手段で撮像されるのを低減するように偏光フィルタを配置する。具体的には、前記したように、照明手段の発光部の近くに特定の振動方向の光波を通過させる第一偏光フィルタを配置するとともに、撮像手段の受光部の近くに、第一偏光フィルタと振動方向が同方向の光波を通過させる第二偏光フィルタを配置する。

本発明では、照明手段から照射された光のうち特定振動方向の光波を第一偏光フィルタに通過させ、第一偏光フィルタを通過した光波と振動方向が同方向の光波のみを第二偏光フィルタに通過させる。その結果、被検査体の表面に当たった光波が乱反射して振動方向が散乱されても、その光波の殆どを第二偏光フィルタでカットできる。その結果、撮像画像は光った部分が低減された状態となり、コントラストの高い画像が得られる。

このように偏光フィルタを設けることにより、被検査体の表面で乱反射した成分を低減させることができ、撮像した際のコントラスト比の向上を図ることができる。

さらに、被検査体が歯車である場合には、歯車の一つの歯部において、歯部先端部を通る軸方向と平行な線に対して対称となるように二つの撮像手段を配置するとともに、照明手段の発光部の近くに特定の振動方向の光波を通過させる第一偏光フィルタを配置し、各撮像手段の受光部の近くに、第一偏光フィルタと振動方向が同方向の光波を通過させる第二偏光フィルタを配置することが好ましい。

二つの撮像手段の光軸を、歯部先端部を通る軸方向と平行な線に対して斜めで、かつ、対称となるように配置することにより、歯車の歯の手前側エッジ部と奥側エッジ部を左右同時に撮像することができるので、歯車を１回転させるだけで歯車の全ての歯部に対してエッジ部全ての欠陥の検査が可能となる。

なお、本発明の外観検査装置は、歯車の歯部での欠陥の検査に限らず、タービンベーンやＵ字状の溝を有するギヤ、ラック歯を有するラック棒などでも、表面に平面部分だけでなく、傾斜面や湾曲面を有する物であれば、この傾斜面や湾曲面のエッジ部における欠陥を検査することができる。

本発明の外観検査装置は、歯車の歯部における軸方向端面形状など、被検査体の表面に、平面でない面を有する被検査体でも、平面でない面で発生した欠陥、特に、面と面とで形成される角部で発生した欠陥を確実に検出することができる。

以下、本発明に係る外観検査装置の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の外観検査装置1は、図１の概略構成図に示すように、被検査体である歯車2の歯部21におけるエッジ部分(軸方向端面と側面とで形成される角部)で発生した欠陥を検査する装置である。

歯車2は、図１から図３に示すように、円板状の歯車本体22の中心に貫通孔23が形成され、歯車本体22の軸方向一方の面に、貫通孔23と同軸で同じ内径の筒部24が突設されるとともに、外周に歯部21が形成されている。

外観検査装置1は、歯車2を回転させながら、各歯部21におけるエッジ部分の欠陥の有無を検査するようになっている。外観検査装置1は、歯車2を回転させる回転機構3と、照明手段となる透過照明装置4と、二台の第一ＣＣＤカメラ(撮像手段)51と第二ＣＣＤカメラ(撮像手段)52と、第一偏光フィルタ61と、第二偏光フィルタ62と、画像処理手段7とを備える。

回転機構3は、図２に示すように、モータにより回転駆動する回転用ローラ31と、この回転用ローラ31と歯車2の筒部24外周面とに接触して、回転用ローラ31からの回転力を歯車2に伝達する伝達ローラ32と、歯車2の筒部24を回転可能に支持する支持ローラ33とを備える。

透過照明装置4は、面発光型の透過照明装置を用いている。透過照明装置4は、図１および図３に示すように、歯車2の軸方向一方の端面側から歯部21に向けて照射する位置に設けている。

第一ＣＣＤカメラ51と第二ＣＣＤカメラ52とは、図１に示すように、カメラの光軸が歯車2の軸方向に対して鋭角になるように歯車2の軸方向他方の端面側に配置している。本実施形態では、図１に示すように、第一ＣＣＤカメラ51と第二ＣＣＤカメラ52とは、歯部先端部を通る軸方向と平行な線に対して対称となるように配置しており、しかも、軸方向に対して光軸が４５°となるように配置している。この光軸の角度は、４５°±１０°の範囲とするのが好ましい。

第一ＣＣＤカメラ51および第二ＣＣＤカメラ52で撮像される画像は、カメラの視野サイズを撮像領域とした二次元画像となる。この二次元画像は、画像処理手段に送られる。

第一偏光フィルタ61は、特定の振動方向の光波を通過させ、透過照明装置4の発光部の近くに配置しており、透過照明装置の発光面の全面を覆う大きさを有している。

第二偏光フィルタ62は、第一ＣＣＤカメラ51および第二ＣＣＤカメラ52のそれぞれの受光部の近くに配置しており、第一偏光フィルタ61と振動方向が同方向の光波を通過させる。

画像処理手段7は、コンピュータで構成されており、図示していないが、モニタも備える。画像処理手段7は、記憶部と、画像処理部と、判定部とを備える。記憶部は、第一ＣＣＤカメラ51で撮像した画像のデータおよび第二ＣＣＤカメラ52で撮像した画像のデータを記憶する。画像処理部は、被検査体の撮像画像から検査対象部位をサーチした後、基準画像とサーチした検査対象画像との差分画像を求め、その差分画像において差異のある部位の粒子面積を求める。判定部は、画像処理部で得られた欠陥部の粒子面積を元に良否を判定する。

本実施形態では、基準画像は、歯車2の歯部21を撮像するとき、最初に撮像した歯部21の画像(歯部のシルエット画像)を基準画像としており、この基準画像と次から撮像する歯部21の画像(シルエット画像)とを比較して歯部21に欠陥があるか否かを判定する。

さらに、外観検査装置1は、歯車2の歯部21に対向するように光透過型の撮像トリガ用検知センサ8を設けている。この検知センサ8の光は、歯部21と歯部21との谷間を通過するようになっており、この光が歯部21で遮断されるタイミング信号が画像処理手段7に入力されるようになっている。このタイミング信号に基づいて、画像処理手段は、順次、歯部21を撮像するように、第一ＣＣＤカメラ51および第二ＣＣＤカメラ52の撮像タイミングを制御している。

本実施形態では、歯車2を回転機構3にセットし、まず、歯車2の歯部21の一つを第一ＣＣＤカメラ51と第二ＣＣＤカメラ52とで撮像する。これらカメラ51,52で撮像された歯部21のシルエット画像は、図１の円内に示すように、歯部21の軸方向端面と側面とが現れるように撮像され、歯部21の軸方向端面と側面とのエッジ部分が輪郭として現れた状態になる。画像処理手段7は、これら画像を基準画像として記憶部に記憶する。

そして、検知センサ8の検知結果に基づいて、順次、隣接する歯部21を第一ＣＣＤカメラ51と第二ＣＣＤカメラ52とで同様に撮像していく。これらの画像も画像処理手段7の記憶部に記憶させる。

画像処理手段7は、記憶部から基準画像とその後に撮像した他の歯部の撮像画像の一つを読み出し、画像処理部において、撮像画像フレーム中で対象歯部をパターンサーチし、歯部21の位置を合わせた後、基準画像との差分画像を求め、その差分画像において差異のある部位の粒子面積を求める。

そして、判定部において、この差異のある部位の粒子面積が所定の値より大きい場合には欠陥であると判定し、所定の値以下の場合には、欠陥でないと判定し、欠陥の検査処理が終了する。

このときの判定は、最初の画像である基準画像に欠けやバリがある場合には、残り歯部の画像に一つでも正常なものがあれば、基準画像と不一致となるので、その歯車は欠陥であると判定する。

本実施形態では、歯車の軸方向端面における歯部形成部分が緩やかに傾斜していて、平面となっていない場合でも、歯車の軸方向端面の歯部形成部分と歯部側面で形成されるエッジ部分の輪郭を撮像することができるので、このエッジ部分で発生した欠陥を確実に検出することができる。

さらに、本実施形態では、一つのカメラで歯車2の歯部21の手前側エッジ部分と奥側エッジ部分を撮像でき、しかも、第一ＣＣＤカメラ51と第二ＣＣＤカメラ52とで左右のエッジ部分を同時に撮像できる。その結果、本実施形態の外観検査装置によれば、歯車2を１回転させるだけで歯車2の全ての歯部21の全てのエッジ部分に対して欠陥を検査できるので、高速に欠陥の検査が行える。

また、本実施形態の外観検査装置は、第一偏光フィルタ61と第二偏光フィルタ62とを設けている。透過照明装置4から照射された光は、特定振動方向の光波のみが第一偏光フィルタ61を通過する。そして、第一偏光フィルタ61を通過した光波は、歯車2の側面に当たって乱反射しても、第二偏光フィルタ62は、第一偏光フィルタ61と振動方向が同方向の光波のみを通過させるので、乱反射した光波のほとんどは第二偏光フィルタ62でカットされる。その結果、第一ＣＣＤカメラ51と第二ＣＣＤカメラ52では、側面の乱反射成分が低減された画像を撮像できるので、撮像した画像はコントラストが良くなり、画像には歯車2の端面と側面とにより形成されるエッジ部分の輪郭が確実に現れる。

本実施形態の外観検査装置によれば、歯部の軸方向端面が傾斜した面であるために、従来では、欠陥部分と良好部分とのコントラストが取れず、検査できなかった歯車であっても、図４の点線で示す円内のエッジ部分の欠けや、図５の点線で示す円内のエッジ部分のバリなどの欠陥を良好部分とコントラスト良く判別できる。

本発明の外観検査装置は、歯車など、表面に平面でない面を有する被検査体の面と面とで形成される角部に発生した欠陥の検査に好適である。

本発明の外観検査装置の全体を示す概略構成図である。 本発明の外観検査装置における歯車と回転機構との位置関係を示す説明図である。 本発明の外観検査装置における歯車とＣＣＤカメラ及び照明装置との位置関係を示す説明図である。 歯車の歯部におけるエッジ部分に欠けが発生した状態を示す撮像画像である。 歯車の歯部におけるエッジ部分にバリが発生した状態を示す撮像画像である。

符号の説明

1 外観検査装置
2 歯車 21 歯部 22 歯車本体 23 貫通孔 24 筒部
3 回転機構
31 回転用ローラ 32 伝達ローラ 33 支持ローラ
4 透過照明装置
51 第一ＣＣＤカメラ(撮像手段) 52 第二ＣＣＤカメラ(撮像手段)
61 第一偏光フィルタ 62 第二偏光フィルタ
7 画像処理手段 8 検知センサ

Claims (4)

1. 複数の面で表面が形成された被検査体に、光を照射する照明手段と、
   被検査体の表面のうち平面ではない面の一部が表面形状に沿った輪郭として現れて撮像される位置で、被検査体を撮像する撮像手段と、
   撮像手段で撮像した撮像画像を画像処理して、被検査体の前記平面ではない面での欠陥を検出する画像処理手段と、
   照明手段の発光部の近くに配置し、特定の振動方向の光波を通過させる第一偏光フィルタと、
   撮像手段の受光部の近くに配置し、第一偏光フィルタと振動方向が同方向の光波を通過させる第二偏光フィルタとを備えることを特徴とする外観検査装置。
2. 被検査体が歯車であり、歯車は、軸方向端面における歯部形成部分が平面となっておらず、
   照明手段を、被検査体の一方の軸方向端面と対向するように配置するとともに、
   撮像手段は、撮像手段の光軸が被検査体の軸方向に対して鋭角になるように被検査体の他方の軸方向端面側に配置して、
   被検査体の軸方向端面の歯部形成部分と歯部側面で形成される角部の欠陥を検出することを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
3. 歯車の一つの歯部において、歯部先端部を通る軸方向と平行な線に対して対称となるように二つの撮像手段を配置するとともに、照明手段の発光部の近くに特定の振動方向の光波を通過させる第一偏向フィルタを配置し、各撮像手段の受光部の近くに、第一偏向フィルタと振動方向が同方向の光波を通過させる第二偏向フィルタを配置していることを特徴とする請求項２に記載の外観検査装置。
4. 画像処理手段は、撮像手段で撮像した最初の画像を基準画像とし、その後に撮像した画像を基準画像と比較して欠陥の有無の判定を行うことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の外観検査装置。

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