JP2005172643A - 表面検査方法及び表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒体形状の部品の表面の検査方法の簡略化。
【解決手段】光学的に円筒外表面を検査する方法において、該円筒の軸方向から検査領域全幅を所定の角度をもって照射するライン状の平行光と、その検査領域全域からの正反射光を受光可能なセンサを有することを特徴とする表面検査方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面検査方法及び表面検査装置に関し、円筒体の表面形状の緩やかな変化異常や、表面の反射率異常を検出する方法と装置に関するものである。

従来より、複写機等に用いられる数多くの円筒体形状の部品、例えば感光体ドラム等は、その表面上に傷や異物の付着、汚れ、色ムラ、膜厚ムラによる凸凹等の欠陥が存在すると製品の転写性能が低下するためにその表面状態を厳密に検査する必要がある。このような検査は、従来、人による目視検査が行われていたが、大量の検査を人手で行うには多くの人員が必要で、又、人によって検査結果のバラツキや疲労による検査能力の低下等の問題があり、近年、人の目視検査に代わる欠陥検査方法及び装置が提案されている。その代表的なものとして特許文献１や特許文献２等が開示されている。

特開平６−１３７８４４号公報 特開平１１−１１８４４９号公報

図７は特許文献１の構成例を示す図である。

図７において、照明光源２０００の光を光ファイバー３０００にて照明されている被検査体１０００の表面を正反射受光用１次元型ＣＣＤカメラ５０００及び散乱反射光受光用1 次元型ＣＣＤカメラ４０００でスキャンして測定する。この例において、照射される光の投光方向は、被検査体１０００の軸に対して直角方向から照射され、その照射位置に１次元型ＣＣＤカメラ４０００及び５０００の焦点を合わせる構成になっているために、被検査体１０００の回転及び送りによる表面の位置変動が受光系の合焦を乱し、照射される光の直線性が乱れることになる。この直線性の乱れと欠陥である表面の緩やかな凸凹変化との分離が困難となり、欠陥の検出精度が低下する問題があった。

上記問題を解決するためには、合焦状態における被検査体１０００の位置変動を極力抑える必要があり、被検査体１０００と１次元型ＣＣＤカメラ４０００及び５０００、光ファイバー３０００の相対位置関係を高精度に合わせる必要があり、装置が複雑且つコスト高となってしまう（課題１：照射方向が軸に対して直角故の検出精度低下の問題）。

又、正反射光の投受光系は被検査体の軸に垂直な方向から投光し、その入射角に等しい出射角にて受光系を配置するために、どうしても被検査体の直径に比較して可成り大きい配置が必要となり、装置全体が大きいものとなってしまい、この正反射投受光系の配置が装置全体の大きさを決定してしまうという課題がある。又、この構成にて検査する表面の読取分解能を上げようとすれば、複数台のカメラを設置する必要があり、その分、装置が大型化しコストも上がってしまう欠点がある。又、複数台カメラ故のカメラ間の感度の違いによる検出精度のバラツキといった問題も生じる（課題２：装置の大型化の問題）。

このような課題のうち、課題１：照射方向が軸に対して直角故の検出精度低下の問題に対しては、前記特許文献１が開示されている。図８は特許文献１の構成例である。

図８において、１００は光源のＨｅ−Ｎｅレーザ、２００はレーザ１００からの出力を拡大し、且つ、平行光とするビームエキスパンダ、３００は被検査体表面に検査光として原形状を定めるマスク板、４００は被検査体、５００は検査照射光による被検査物表面の正反射光を投影する平凸形シリンドリカルレンズ、６００は平凸型シリンドリカルレンズ５００による投影光の受光する範囲を定める受光マスク板、７００は受光マスク板６００によって範囲を定められて通過してきた表面の反射投影光を受光し、その像を電気信号に変換するＣＣＤラインセンサ、８００はＣＣＤラインセンサ７００により撮像した映像出力信号を処理する処理装置である。

この例においては、検査照射光である平行光束が被検査体の中心軸に対し軸方向から鋭角に照射する配置であり、又、正反射光像を投影しているのみで高性能な撮像レンズを用いて受光素子に被検査物を結像している訳ではないため、光学系による収差や合焦の問題がなく、表面形状欠陥を検出することができる。

しかしながら、上記従来例では、その平行光束を作成する手段として、高価なビームエキスパンダ２００や、マスク板３００、又、受光側にも平凸シリンドリカルレンズ５００や受光マスク板６００等の多くの構成物を必要とし、それぞれの光学系の相対位置調整も必要で、結局、装置が複雑且つ大型になってしまう。又、照射するレーザの形状は、マスク板３００によって決められ、この長方形の形状をしたマスク形状内は均一な分布をもったレーザ光源が必要となるために、レーザ光源自体のパワーは可成り大きなものを必要とし、コストが高くなると同時に、レーザのパワーが大きくなるための安全面での課題も存在する。

又、上記公報によれば、被検査体上に照射される平行光束の照射長は約６９ｍｍで、被検査体の長さが３６０ｍｍ程度ある場合、その照射角度を更に鋭角にして照射長を伸ばしたとしても複数台の構成又は検査範囲を順次移動させながらの全面の検査が必要で、結局、装置が複雑且つ大型になり、先に述べた、課題２：装置大型化の問題の解決には至っていない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、円筒体形状の部品表面の検査方法及び検査装置の簡略化を図ることにある。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備える。

即ち、本発明の一態様に係る表面検査方法は、光学的に円筒外表面を検査する方法において、該円筒の軸方向から検査領域全幅を所定の角度をもって照射するライン状の平行光と、その検査領域全域からの正反射光を受光可能なセンサを有することを特徴とする。

又、本発明に係る表面検査装置は、光学的に円筒外表面を検査する装置において、該円筒の軸方向から検査領域全幅を所定の角度をもって照射するライン状の平行光と、その検査領域全域からの正反射光全幅を受光可能なセンサを有することを特徴とする。

本発明によれば、円筒の軸方向から検査領域全幅を所定の角度をもって照射するライン状の平行光と、その検査領域全域からの正反射光を受光可能なセンサを有するために、従来、複数台必要であった検査領域全域に渡る検査が、１台の投受光系によって構成でき、又、そのライン状平行光の線幅も、被検査体である円筒の直径に較べて十分に狭い幅で済むため、ライン状平行光の投光系も、又、受光系も被検査体の直径以下に構成することが可能となり、従来課題であった装置の大型化という問題を解決することができる。

又、投受光系を構成する部品も、従来に較べて極めて簡略化したもので構成可能で、その光学系の調整に掛かる負荷も軽減することができ、総じて装置コストを下げることが可能となる。

更に、光源となるレーザ光は、ライン状に集光されたものとなるため、レーザ自体のパワーは小さいもので良く、使用するレーザのコストダウンに寄与するのは勿論のこと、安全面でも従来より改善されたものとなっている。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明の特徴を最も良く表す図面であり、図１において、１は表面検査を行う被検査体である感光体ドラム、８は照明光源である半導体レーザ、７は半導体レーザから出射される光を集光する集光レンズ、６は円筒レンズ、５ａ，５ｂは絞り、４は入射した光を平行にする平凸レンズ、１２ａ，１２ｂは感光体ドラム１の軸方向から所定の角度で入射する平行光、１０は感光体ドラム１上に照射されたライン状の平行光、１１ａ，１１ｂは入射光１２ａ，１２ｂが感光体ドラム１の表面にて正反射する正反射光、３は正反射光１１ａ，１１ｂを受光する１次元の撮像素子から成る長尺センサ、２ａは長尺センサ３からの信号を処理し欠陥検出処理を行う欠陥検出処理部である。

又、１３は感光体ドラム１の長手方向全域表面を照射する散乱光光源、１４は感光体ドラム１表面からの散乱光を受光する１次元の撮像素子から成る受光系、２ｂは１次元撮像素子から成る受光系１４からの信号を処理し欠陥検出処理を行う欠陥検出処理部である。又、９は感光体ドラム１を所定の速度で回転させることができる回転機構部である。

上記構成において、半導体レーザ８から出射された光は、集光レンズ７により集光され、更に円筒レンズ６に入射する。円筒レンズ６は入射した光を或る方向のみに広げる性質を持ち、円筒レンズ６から出射された光はライン状の光となる。円筒レンズ６から出射されたライン状の光は、平凸レンズ４に入射する。平凸レンズ４は、入射されたライン状の光のラインの幅方向の広がりはそのままで、ライン状の光の長手方向の広がり分を平行にする働きをするものである。

ここで、平凸レンズ４はライン状の光の長手方向のみ平行にすれば良いために、入射するライン状の光の線幅より僅かに大きい部分を残して両端が切断されており、被検査体である感光体ドラム１の直径よりも十分薄い構成が可能となっている。平凸レンズ４から出射され感光体ドラム１に入射する入射光１２ａ，１２ｂは平行光となり、感光体ドラム１上にライン状平行光１０として照射される。ここで、ライン状平行光１０のラインの長手方向は、ドラムの軸方向と一致するように、半導体レーザ８、集光レンズ７、円筒レンズ８、平凸レンズ４が配置されている。

又、ライン状平行光１０の入射光路１２ａ，１２ｂは、感光体ドラム１に対して所定の角度をもって照射されており、又、その照射範囲は、感光体ドラム１全域を照射するような構成となっている。感光体ドラム１に照射されたライン状平行光１０は、入射光路１２ａ，１２ｂの入射角と等しい角度にて正反射され、正反射光１１ａ，１１ｂとして長尺センサ３の受光面に入射する。長尺センサ３は、ライン状平行光をその受光部分に一致させるように１次元の受光素子から構成され、又、センサ長は、受光する平行光幅よりも十分長いものが必要で、例えば、画像入力装置等に使用されている１次元の密着型イメージセンサを用いれば良い。

本実施の形態においては、センサ長２１６ｍｍ、解像度１２００ｄｐｉの密着型イメージセンサを用いた。この場合、センサ上に構成されている受光素子の総画素数は１０２００画素、１画素当たりの分解能は２１μｍ／画素となり、十分高精細な検査が可能である。又、特別にレンズ等の結像系を用いずにライン状平行光をその受光部に直接入射させるので、受光部を非常に簡略な形態で構成できる。

このような構成にて作り出された平行光束を被検査体の表面に照射すると、緩やかな凸凹を持つ表面形状に起因した正反射光の反射角の変化、即ち反射角異常が、長尺センサ３の受光面上で光強度分布の変化として現れる。この光強度分布を長尺センサ３にて映像信号として電気信号に変換され、欠陥検出処理部２ａにて表面形状の欠陥として検出される。ここで、感光体ドラム１は、回転機構９にて所定の回転数にて一定速度にて回転されており、感光体ドラム１の全周に渡る表面状態の検査が可能となる。

又、散乱光光源１３にて照射された感光体ドラム１の表面状態は、１次元の撮像素子から成る受光系１４によって撮像される。この場合、感光体ドラム１上に存在する色ムラや付着物等、感光体ドラム１自体の色あいと異なった各種の欠陥の像を、１次元の撮像素子から成る受光系１３によって、そのコントラスト変化、即ち表面反射率異常が映像信号として電気信号に変換され、欠陥検出処理部２ｂにて欠陥として検出される。ここでも、感光体ドラム１は、回転機構９にて所定の回転数にて一定速度にて回転されており、感光体ドラム１の全周に渡る表面状態の検査が可能となる。ここで、上記構成で説明した正反射投受光系と散乱光投受光系の２種類の光学系は図１に示されているように、感光体ドラム１の円筒周方向の対向位置に配置されている。

次に、図２は本発明の特徴である円筒検査体の軸方向からライン状の平行光を、被検査体の全域に渡って一括照射する場合の、正反射投受光系における入射角と平行光幅、照射範囲を説明する図であり、その具体的な構成値の例を図３ａ、図３ｂにて説明する。

図２において、１は被検査体である感光体ドラム、４は平凸レンズ、３は長尺センサである。図１において説明したライン状の光は、平凸レンズ４にて幅ＢＷ１なる平行光となる。この時の平行光は入射角θ１，θ２なる角度にて、感光体ドラム１の軸方向から照射される。ここで、入射する光が平行であるので、θ＝θ１＝θ２である。入射したライン状の平行光は感光体ドラム１上にてθ３，θ４なる反射角度にて反射する。この時、入射と出射は正反射の関係にあるので、θ＝θ３＝θ４＝θ１＝θ２となっている。感光体ドラム１上で正反射したライン状の平行光は、幅ＢＷ２＝ＢＷ１なる平行光として長尺センサ３に到達する。ここで、照射されるライン状の平行光の感光体ドラム１上での照射範囲はＷ２となる。

Ｗ１は被検査体の検査範囲、感光体ドラムであれば感光層が塗布されている領域の全域を表す。照射範囲W2は検査範囲W1の全域を一括して照射するような設定となっている。このような構成にてライン状の平行光を感光体ドラム１の表面に照射することで、感光体ドラム１の表面検査を一括して行うことが可能となり、従来例で見られたような複数の投受光系にて表面を分割して検査する必要がなくなり、装置の簡略化とコストの低減が実現できる。

図２の構成にて具体的に照射範囲Ｗ２、平行光幅ＢＷ１、照射角θがどのような値となるかを図３ａ、図３ｂに示す。図３ａは照射範囲Ｗ２を３６０ｍｍにした場合の照射角θ、平行光幅ＢＷ１の値である。ここで、照射角θは欠陥の表面形状によって決定される。欠陥の表面形状は緩やかな凸凹を持つが、この変化が緩やかであれば照射角θは浅く（小さく）する必要があり、変化が大きければ照射角θは深く（大きく）ても検出できる。本実施例においては、照射角１０度〜２５度で良好な欠陥検出結果が得られた。但し、この照射角θはこの値の範囲に限定されるものではない。

図３ｂは照射角θを２５度にした場合の照射範囲Ｗ２、平行光幅ＢＷ１の値である。この場合、照射範囲Ｗ２を変化させるには、平行光幅ＢＷ１を変えれば良いことが分かる。被検査体である感光体ドラムは、様々な長さを持った機種が存在し、その都度、その長さに対応した照射範囲Ｗ２を設定する必要が生じるが、本発明の場合、照射範囲W2の変更は、図１における絞り５ａ，５ｂを調整するだけで容易に実現できる。仮に被検査体である感光体ドラム１の図中下側を基準とした場合、ライン状平行光１２ｂの照射位置の下端を絞り５ｂによって調整し固定しておく。

感光体ドラム１の長さが変わっても、図中下側を基準としているために、絞り５ｂにて決定された照射位置は変わらない。そこで、感光体ドラム１の長さの違いに対応するには、ライン状平行光１２ａの位置を変えれば良く、絞り５ａの位置を変化させれば、照射される光１２ａが遮られて、現状よりも短いものにも容易に対応することができる。この場合、平凸レンズ４や長尺センサ３の位置を変化させる必要はなく、絞り５ａの調整だけで済み、調整に多大な時間を要する投受光系の光軸調整等が一切不要となるために、被検査体である感光体ドラム１の長さの違いにも容易に対応可能となる。

次に、本発明の特徴である、正反射投受光系と散乱光投受光系が円筒周方向の対向位置に配置されている構成について図４を用いて説明する。

図４において、１は被検査体である感光体ドラム、１５は散乱光投受光系であり、散乱光光源１３、１次元の撮像素子から成る受光系１４によって構成されている。１６は正反射投受光系である。感光体ドラム１は、図中の矢印方向に、工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｃと順に送られてくるものである。図４では、工程Ｂが本発明の表面検査工程となっている。

ここで、散乱光投受光系１５と正反射投受光系１６は、感光体ドラム１の円筒周方向の対向位置に配置されている。このような配置が可能となるには、本発明の特徴である感光体ドラム１の軸方向からライン状平行光を照射する構成が不可欠である。従来の正反射光の投受光系は、感光体ドラム１の軸に垂直な方向から投光し、その入射角に等しい出射角にて受光系を配置するために、どうしても感光体ドラム１の直径に比較して可成り大きい配置が必要となり、正反射投受光系の配置が装置全体の大きさを決定してしまう。この場合、対向位置へ配置しても前後の工程と干渉してしまい、干渉を防ぐには、工程間の間隔を可成り大きく取らねばならず、結果として装置全体が大きくなってしまう。

本発明においては、装置構成上、最も設置場所を占有する正反射投受光系１６が感光体ドラム１の軸方向からライン状平行光を照射する構成となっており、ライン状平行光を作成する平凸レンズ４は、ライン状の光の長手方向のみを平行にすれば良く、入射するライン状の光の線幅より僅かに大きい部分を残して両端が切断されており、被検査体である感光体ドラム１の直径よりも十分薄い構成が可能で、又、受光側の長尺センサ３もライン状平行光を、その１次元の受光部分に一致させて受光すれば良く、感光体ドラム１の直径より十分薄い構成が可能であるため、このような構成から成る正反射投受光系１６を散乱光投受光系１５の対向位置に配置することが可能となる。

又、このような配置が可能となることで、前後の工程の間隔を狭めることができる。本発明においては、従来最も設置場所を占有する正反射投受光系１６が、感光体ドラム１の直径以下に構成できるために、感光体ドラム１の直径近くに工程間隔を狭めることが可能である。又、その設置場所を占有しないため、あらゆる工程の間に表面検査装置を配置することも可能となる。

次に、本発明の構成例と動作を図５ａ、図５ｂ、図６ａ及び図６ｂを用いて説明する。

図５ａは本発明の１構成例のブロック図であり、その動作フローチャートを図６ａに示す。又、図５ｂは別の構成例のブロック図であり、その動作フローチャートを図６ｂに示す。

図５ａにおいて、１５は散乱光投受光系、１６は正反射投受光系、２は欠陥検出処理部、３は他工程も含めて装置全体を制御する制御部であり、図６ａにてその動作を説明する。

図６ａにおいて、Ｓ１にて前工程より被検査体である感光体ドラム１が表面検査工程へ搬送される。搬送が完了した時点で、Ｓ２により、感光体ドラム１を所定の回転数にて一定速度にて連続回転させる。次に、Ｓ３により、正反射投受光系１６より得られる映像信号が欠陥検出処理部２へ入力され、感光体ドラム１の表面全周、全域に渡る画像として入力される。この時、設定された回転数と、長尺センサ３の１走査周期時間により、読み込まれる画像の回転方向の分解能が決定される。

次に、Ｓ４にて、Ｓ３において入力された正反射画像についての欠陥検出処理が行われる。ここでは、緩やかな凸凹を持つ表面形状に起因した正反射光の反射角の変化、即ち、反射角異常がある場合、欠陥の候補とし、その部位の面積、濃度、座標、個数が算出される。次に、Ｓ５により、散乱光投受光系１５より得られる映像信号が欠陥検出処理部２へ入力され、感光体ドラム１の表面全周、全域に渡る画像として入力される。この時、設定された回転数と、１次元の撮像素子から成る受光系１４の１走査周期時間により、読み込まれる画像の回転方向の分解能が決定される。

次に、Ｓ６にて、Ｓ５において入力された散乱光画像についての欠陥検出処理が行われる。ここでは、感光体ドラム１上に存在する色ムラや付着物等のコントラスト変化、即ち、表面反射率異常がある場合、欠陥の候補とし、その部位の面積、濃度、座標、個数が算出される。この時点で正反射投受光系及び散乱光投受光系からの欠陥の候補点の面積、濃度、座標、個数が得られており、その演算結果を元に、Ｓ７にてその候補点が良品であるか不良品であるかの判断を行う。こうして得られた良品、不良品の判断結果は、Ｓ８にて制御部に伝えられる。ここで、１本の被検査体についての検査が終了したので、Ｓ９にて被検査体の回転を停止し、Ｓ１０にて被検査体を次工程へ搬送すると同時に、Ｓ１にて前工程より次に検査すべき被検査体を搬送してくることで、一連の表面検査工程のサイクルが終了する。

次に、図５ｂにて別の構成例を説明する。

図５ｂにおいて、１５は散乱光投受光系、１６は正反射投受光系、２ｂは散乱光投受光系からの信号を処理する欠陥検出処理部、２ａは正反射投受光系１６からの信号を処理する欠陥検出部、３は他工程も含めて装置全体を制御する制御部であり、図６ｂにてその動作を説明する。

図６ｂにおいて、Ｓ２０にて前工程より被検査体である感光体ドラム１が表面検査工程へ搬送される。搬送が完了した時点で、Ｓ２１により、感光体ドラム１を所定の回転数にて一定速度にて連続回転させる。

次に、Ｓ２２，Ｓ２４にて正反射投受光系１６より得られる映像信号が欠陥検出処理部２ａへ、散乱光投受光系１５より得られる映像信が欠陥検出処理部２ｂへ同時に入力され、Ｓ２３，Ｓ２５にて正反射画像、散乱光画像に対する欠陥検出処理がそれぞれ同時に行われ、それぞれの欠陥候補点の面積、濃度、座標、個数が算出される。その演算結果を元に、Ｓ２６にてその候補点が良品であるか不良品であるかの判断を行う。こうして得られた良品、不良品の判断結果は、Ｓ２７にて制御部に伝えられる。ここで、１本の被検査体についての検査が終了したので、Ｓ２８にて被検査体の回転を停止し、Ｓ２９にて被検査体を次工程へ搬送すると同時に、Ｓ２０にて前工程より次に検査すべき被検査体を搬送してくることで、一連の表面検査工程のサイクルが終了する。この動作例では、正反射画像と散乱画像を同時に入力、処理するので、検査時間を短縮することができる。

以上の実施例の説明においては、被検査体を感光体ドラムとして説明したが、被検査体の表面からの正反射光、散乱光が得られる円筒体であれば、感光体ドラムに限定されるものではなく、それ以外の円筒体の表面検査においても本発明の実施が可能であることは、本発明の原理上、明らかであることは言うまでもない。

本発明の表面検査方法を構成する装置図である。 軸方向からライン状平行光を照射することを説明する図である。 照射角、照射範囲、平行光幅の具体的な値を示す図である。 照射角、照射範囲、平行光幅の具体的な値を示す図である。 正反射投受光系と散乱光投受光系の配置を示す図である。 装置の構成例を示す図である。 装置構成の別の例を示す図である。 動作を示すフローチャートである。 別の構成例での動作フローチャートである。 従来例を示す図である。 従来例を示す図である。

符号の説明

１ 被検査体
２ａ 欠陥検出処理部
２ｂ 欠陥検出処理部
３ 長尺センサ
４ 平凸レンズ
５ａ 絞り
５ｂ 絞り
６ 円筒レンズ
７ 集光レンズ
８ 半導体レーザ
９ 回転機構
１０ 照射されたライン状平行光
１１ａ 平行光
１１ｂ 平行光
１２ａ 平行光
１２ｂ 平行光
１３ 散乱光光源
１４ １次元撮像素子から成る受光系

Claims (6)

1. 光学的に円筒外表面を検査する表面検査方法において、
   前記円筒の軸方向から検査領域全幅を所定の角度をもって照射するライン状の平行光と、その検査領域全域からの正反射光を受光可能なセンサを有することを特徴とする表面検査方法。
2. 前記ライン状の平行光は、前記円筒体の直径に較べて十分に狭い幅で構成されることを特徴とする請求項１記載の表面検査方法。
3. 前記円筒体外表面の検査対象は、外表面に塗布された薄膜によって構成される塗工面全域であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面検査方法。
4. 光学的に円筒外表面を検査する表面検査装置において、
   前記円筒の軸方向から検査領域全幅を所定の角度をもって照射するライン状の平行光と、その検査領域全域からの正反射光全幅を受光可能なセンサを有することを特徴とする表面検査装置。
5. 前記ライン状の平行光は、前記円筒体の直径に較べて十分に狭い幅で構成されることを特徴とする請求項４記載の表面検査装置。
6. 前記円筒体外表面の検査対象は、外表面に塗布された薄膜によって構成される塗工面全域であることを特徴とする請求項４又は５記載の表面検査装置。

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