JP2022100165A - 寸法測定装置及び寸法測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、工業部品等、精密な形状を必要とする検査対象の寸法を測定する寸法測定装置、及び、寸法測定方法に関する。
工業部品等の分野においては、製造された工業部品が適正であるか否かを検査するため、光学系を使用した検査装置が用いられている。特許文献1には、光学系を使用して、測定対象の形状を測定する形状測定装置が開示されている。
特許文献1に示される形状測定装置のみならず、検査対象の各種寸法が適正であるか否かを検査する寸法測定装置も知られている。従来、光学的に検査対象の寸法を測定する寸法測定装置では、その検査対象は比較的薄い板状のものであった。このような寸法測定装置では、落射照明を使用し画像を取り込み、取り込んだ画像に基づいて寸法を測定していた。
近年、鉄、合金、樹脂等、各種素材を使用した工業部品について、高い寸法精度が求められることがある。この場合、工業部品の寸法を精度良く測定することが必要となる。しかしながら、前述した落射照明を使用する寸法測定装置では、正確な測定ができない場合があった。
そのため、本発明に係る寸法測定装置は、以下に記載する第1の構成を採用するものである。
対向する2つの側面を有する検査対象の寸法を測定する寸法測定装置であって、
撮像部と、光学系と、照明部と、処理部とを備え、
前記撮像部は、前記検査対象の上面に対向して配置され、
前記光学系は、前記照明部で照明された前記検査対象で反射した光を前記撮像部に集光し、
前記照明部は、少なくとも前記検査対象の対向する2つの側面を照明し、照明光の中心軸と、前記検査対象の上面が、前記撮像部から遠ざかる方向に角度Aを有し、
前記角度Aは、0.05度以上、30度以下であり、
前記処理部は、前記撮像部で撮像された前記検査対象の画像に基づき、前記検査対象の寸法を算出する。
対向する2つの側面を有する検査対象の寸法を測定する寸法測定装置であって、
撮像部と、光学系と、照明部と、処理部とを備え、
前記撮像部は、前記検査対象の上面に対向して配置され、
前記光学系は、前記照明部で照明された前記検査対象で反射した光を前記撮像部に集光し、
前記照明部は、少なくとも前記検査対象の対向する2つの側面を照明し、照明光の中心軸と、前記検査対象の上面が、前記撮像部から遠ざかる方向に角度Aを有し、
前記角度Aは、0.05度以上、30度以下であり、
前記処理部は、前記撮像部で撮像された前記検査対象の画像に基づき、前記検査対象の寸法を算出する。
さらに本発明に係る寸法測定装置(第2の構成)は、第1の構成において、
前記光学系は、テレセントリック光学系である。
前記光学系は、テレセントリック光学系である。
さらに本発明に係る寸法測定装置(第3の構成)は、第2の構成において、
前記光学系の被写界深度は、少なくとも検査対象の厚さの1/7以上有する。
前記光学系の被写界深度は、少なくとも検査対象の厚さの1/7以上有する。
さらに本発明に係る寸法測定装置(第4の構成)は、第1から第2の構成の何れか1つの構成において、
前記照明部は、その中心軸が、前記検査対象の上面を照明しないように配置されている。
前記照明部は、その中心軸が、前記検査対象の上面を照明しないように配置されている。
さらに本発明に係る寸法測定装置(第5の構成)は、第1から第4の構成の何れか1つの構成において、
前記角度Aは、0.1度以上、20度以下である。
前記角度Aは、0.1度以上、20度以下である。
さらに本発明に係る寸法測定装置(第6の構成)は、第1から第5の構成の何れか1つの構成において、
前記処理部は、前記撮像された検査対象で生じた輝線の輝度分布に基づき、エッジ測定点列を決定し、当該エッジ測定点列に基づいて前記検査対象の寸法を算出する。
前記処理部は、前記撮像された検査対象で生じた輝線の輝度分布に基づき、エッジ測定点列を決定し、当該エッジ測定点列に基づいて前記検査対象の寸法を算出する。
また、本発明に係る寸法測定方法(第7の構成)は、
対向する2つの側面を有する検査対象の寸法を測定する寸法測定方法であって、
少なくとも前記検査対象の対向する2つの側面を照明し、照明光の中心軸と、前記検査対象の上面が、前記撮像部から遠ざかる方向に角度Aを有し、
前記角度Aは、0.05度以上、30度以下であり、
前記照明部で照明された前記検査対象で反射した光を、光学系で集光し、集光された光を、前記検査対象の上面に対向して配置された撮像部で撮像し、
前記撮像部で撮像された検査対象の画像に基づき、前記検査対象の寸法を算出する。
対向する2つの側面を有する検査対象の寸法を測定する寸法測定方法であって、
少なくとも前記検査対象の対向する2つの側面を照明し、照明光の中心軸と、前記検査対象の上面が、前記撮像部から遠ざかる方向に角度Aを有し、
前記角度Aは、0.05度以上、30度以下であり、
前記照明部で照明された前記検査対象で反射した光を、光学系で集光し、集光された光を、前記検査対象の上面に対向して配置された撮像部で撮像し、
前記撮像部で撮像された検査対象の画像に基づき、前記検査対象の寸法を算出する。
本発明に係る寸法測定装置、寸法測定方法によれば、対向する2つの側面を有する検査対象の寸法を正確に測定することが可能となる。
図1は、本実施形態における検査対象2、及び、検査対象2の実装を説明するための図である。本実施形態の検査対象2は、電動機(モーター)に用いられる金属製の工業部品である。検査対象2は、幅W、高さH、長さLを有する角中形状である。本実施形態の対象とする検査対象2は、幅15mm、高さ10mm、長さ70mmである。
検査対象2が製品で使用される場合、図1に示されるように固定対象3に設けられた嵌合空間3aに嵌められる。嵌合空間の寸法は、幅Wm、高さHm、長さLmとなっており、検査対象の幅W、高さH、長さLと、略同じ長さに設定されている。検査対象2が、嵌合空間3aにぴったりとはまることで、電動機における本来の性能を生じることが可能となる。
しかしながら、検査対象2と嵌合空間3aの嵌まり具合は非常にシビアであり、数マイクロメートルの精度が必要とされている。検査対象2が嵌合空間3aよりも大きい場合、嵌合空間3aに嵌まらない、あるいは、検査対象2あるいは嵌合空間3aを破損してしまうことが考えられる。
本実施形態ではこのような事情を考慮し、検査対象2の各種寸法(幅W、高さH、長さL)を精度よく、迅速に測定することを1つの目的としている。
図2は、落射照明を使用した寸法測定装置1を示す図である。各種、寸法の測定には、図2に示されるような落射照明を使用した寸法測定装置1が用いられる。出願人は、当初、この落射照明による寸法測定装置1を使用し、検査対象2の寸法測定を行った。
図2に示される寸法測定装置1は、照明部13、ハーフミラー14、結像レンズ系12、撮像部11、台座15を有して構成されている。台座15の上には検査対象2が載置される。なお、結像レンズ系12は、図に示されるように1枚のレンズで構成するのみならず、複数枚のレンズを組み合わせたものであってもよい。図2の例では、側面2B、2B’間の寸法(幅W)を測定することを想定している。また、各側面2B、2B’には、寸法超過の原因となる側面突起2C、2C’が存在していることを想定している。
照明部13から照射された光は、ハーフミラー14で反射され、検査対象2を照明する(照明光路(L1、L3)。検査対象の上面2Aの縁で反射した光(照明光路L1’、L3’)は、結像レンズ系12で集光され、撮像部11で撮像される。ここで、結像レンズ系12には、単焦点を使用している。また、撮像部11には、CCDカメラを使用している。
図1の検査対象2には、その側面2B、2B’に側面突起2C、2C’が生じている場合を想定している。撮像部11側から検査対象2を眺めた場合、このような側面突起2C、2C’についても観察されることになる。照明部13からハーフミラー14で反射した光(照明光路L2、L4)は、側面突起2C、2C’で反射され(照明光路L2’、L4’)、結像レンズ系12を通過後、撮像部11で撮像されるはずである。しかしながら、図1の落射照明による寸法測定装置1では、高さ方向(Z軸方向)に存在する側面突起2C、2C’を上手く撮像することができず、側面2B、2B’間の寸法を正確に測定することができなかった。特に、側面突起2C、2C’の存在を見逃してしまうことは、寸法測定の目的にそぐわないものとなってしまう。
このような状況を鑑み、出願人は、新たな照明方法を使用した寸法測定装置1を開発し、側面突起2C、2C’を含む寸法の測定を行うことを可能とした。
図3は、本実施形態に係る寸法測定装置1を示す図である。図3では、図1で説明した検査対象2の幅Wの寸法を図るための構成が示されている。寸法測定装置1は照明部18a、18b、結像レンズ系17、撮像部11、台座15、スペーサ16を有して構成されている。
検査対象の幅Wを測定するために設けられた照明部18a、18bは、検査対象2の側面2B、2B’に向き合って配置され、検査対象2の側面2B’、2B’を照明する。検査対象2は、台座15上に設けられたスペーサ16上に載置されている。本実施形態では検査対象2の寸法をより正確に測定するため、スペーサ16の幅は、検査対象2の幅Wよりも小さく設定されており、検査対象2の側面2B、2B’は、スペーサ16よりもはみ出して位置させている。なお、スペーサ16と台座15は、一体で形成することとしてもよい。また、スペーサ16は、検査対象2を吸着するための孔が1または複数設けられており、計測時、検査対象2を吸着することで、検査対象2をしっかり固定するとともに、その位置決めを正確なものにしている。
図3の検査対象2は、図2と同様に検査対象2の両側面2B、2B’に側面突起2C、2C’が生じたものを想定している。照明部18aから射出された照明光L5は、検査対象2の上面2Aの縁で反射し、照明光路L3となって結像レンズ系17に入射し、撮像部11で撮像される。一方、側面2B’において、上面2Aよりもはみ出した側面突起2C’については、照明部18aから射出された照明光L5は、側面突起2C’で反射され、照明光路L4として撮像部11で撮像される。
本実施形態で使用する結像レンズ系12(本発明における「光学系」に相当。)は、単焦点、テレセントリックのどちらであってもよい。単焦点の場合、その焦点は、例えば、検査対象2の表面2Aに位置される。また、テレセントリックの場合も、例えば、その焦点は、検査対象2の表面2Aに位置される。更に、その被写界深度は、Z軸方向における検査対象2の高さの1/7以上、設けることが、側面2B、2B’に生じた側面突起2C、2C’の検出、すなわち、精度の高い寸法測定のために有益である。
図4は、本実施形態に係る寸法測定装置1における検査対象2の設置の様子を示す上面図である。図3の寸法測定装置1では、幅W方向の寸法測定のための構成を説明したが、本実施形態では、幅W方向の寸法測定のための照明部18a、18bの他、長さLの寸法測定のための照明部18c、18dが設けられている。照明部18a、18bから検査対象2までは距離Eが、照明部18c、18dから検査対象2までは距離Fが設けられている。距離E、距離Fは、対面する検査対象2の側面を十分に証明できる距離であれば、適宜に設定することが可能である。
また、本実施形態の照明部18a~18dは、対向して配置された検査対象2の側面(例えば、側面2B、2B’)を照明する。本実施形態の照明部18a~18dは、砲弾型のLEDを複数、平面上に配置した形態を使用しているが、照明部18a~18dの形態は、各種採用することが可能である。本実施形態では、砲弾型のLEDから照射された光で、直接照明しているが、このような形態のみならず、照明部18a~18dに、レンズ等の光学系を設け、光学系で平行光に整えて照明することとしてもよい。
ここで、照明部18a~18dから照射される光の中心軸は、検査対象2の表面2Aの延長面2a(表面2Aが形成する面を含む面)を超えない、図3の場合、Z軸方向において、撮像部11側に位置しないようにすることが好ましい。延長面2aを超えた場合、照明部18a~18dが、直接、検査対象2の表面2Aを照明することになる。一方、超えないようにした場合、表面2Aを照明することなく、側面2B、2B’等を照明することになる。したがって、撮像部11で観察される画像は、側面2B、2B’等による輝線となって観察されることになる。
図5は、本実施形態に係る寸法測定装置の照明角度を説明するための図である。さらに本実施形態では、検査対象2に対する照明部18a、18bの照明角度に工夫を凝らし、側面突起2C、2C’の有効な検出、すなわち、寸法測定の精度向上を図っている。
図5(A)は、照明部18aに対する検査対象2の角度を示した図である。なお、図示はしないが、反対の側面2Bについても同様の構成を有する。本実施形態では、砲弾型のLEDを複数、配列した照明部18a、18bを使用している。このような砲弾型のLEDでは、その軸方向が最も光の強度が強い指向性となる。したがって、使用するLEDの軸方向が光の中心軸となる。本実施形態の照明部18a、18bは、少なくとも検査対象2の対向する2つの側面2B、2B’を照明し、照明光L5の中心軸と、検査対象2の上面2Aのなす角度が撮像部11から遠ざかる方向(図5の場合、Z軸の負の方向)に角度Aを有するように構成している。
図5(B)は、図5(A)の破線丸印で囲われた検査対象2の角部分の拡大図である。本実施形態の検査対象2は、図5(B)に示されるように、側面2B‘は、表面2Aの鉛直方向から僅かに角度Bを有している。これは、検査対象が、金型を使用して抜き出された工業部品であることを理由としている。本実施形態において、計測する寸法は、検査対象2の最大となる位置での寸法となる。したがって、側面2B’に生じた側面突起2C’は、正規の寸法の内側に入ることになる。一方、側面突起2C’’は、正規の寸法の外側に位置する。本実施形態では、寸法を測定することで、このような側面突起2C’’の検出を行うものである。
図5(A)、図5(B)に示される角度Aは、模式的に示したものであって、実際の角度とは異なって示されたものである。この角度Aは、0.05度以上、30度以下とすることが好ましい。このような条件を満たすことで寸法測定の精度向上を図ることが可能となる。この角度Aは0.1度以上、20度以下とすることが、精度向上を更に図る上で好ましい。
図6はこのような角度Aを設けたことによる精度向上を説明するための図であって、ミー散乱を説明するための模式図である。図6は、検査対象2の側面2B’に生じた側面突起2C’と、それに照射される照明光L5、及び、照明光L5による散乱光を示した模式図である。
微小粒子に光が照射されたした場合、微少粒子の大きさに応じて散乱の形態は異なることが知られている。微小粒子による散乱は、微少粒子の大きさと光の波長との関係によって大別され、微小粒子の大きさが光の波長の1/10の場合、レーリー散乱を生じることが、また、微小粒子の大きさがそれ以上の場合、ミー散乱を生じることが知られている。本実施形態で検出対象となる異物は、ガラス基板の破片等であって、ミー散乱を生じる大きさの異物である。
図6は、ミー散乱を説明するための模式図であって、微小粒子(側面2B’に生じた微少な側面突起2C’)に照明光Lが照射されたときの散乱の様子を示す模式図である。散乱光は、Z軸の正負方向それぞれに弧を描くように現れる。また、散乱光は、側面突起2C’の大きさよりも大きく観察されることになるため、散乱光を観察することで、検査対象2の側面に生じた側面突起2C’を効率よく検出することが可能となる。特に、照明光L5には、図5で説明した角度Aを設けたことで、照明光L5のZ成分が僅かに形成され、撮像分方向(Z方向)への光の散乱量を十分なものとしている。
図7(A)は、本実施形態に係る寸法測定装置の撮像画像の模式図であり、図7(B)は、位置A1における輝線の輝度分布を示す図である。図7(B)は、図7(A)の位置A1における輝線の幅方向の輝度分布であって、図7(B)の横方向(距離)は、図7(A)の縦方向に対応している。
本実施形態では、その照明方法により、図7(A)に示されるように検査対象2の周囲が光った輝線として撮像される。本実施形態では、このような輝線の輝度分布を用い、検査対象2の寸法を測定することとしている。すなわち、位置A1における輝度分布と、位置A1に対応する位置A2における輝度分布を使用し、検査対象2の幅Wが測定される。また、位置B1における輝度分布と、位置B1に対応する位置B2における輝度分布を使用し、検査対象2の長さLが測定される。
では、検査対象2の寸法測定について説明を行う。図8は、検査対象2の寸法を測定するための模式図である。また、図9は、寸法検査工程を示すフロー図である。寸法検査工程においては、まず、図3で説明したように、スペーサ16上に検査対象2を設置する(S11)。
次に、照明部18a~18dを使用して、検査対象2の側面に照明光L5を照射開始する(S12)。そして、撮像部11による撮像が行われる(S13)。そして、撮像部11で撮像された撮像情報に基づき、寸法測定が行われる。まず、1つの方向(この例では、幅W方向)に対して寸法の測定、具体的には、図7(A)に示されるように、A1辺とA2の辺の間の距離、検査対象2の幅W方向について寸法測定が行われる。なお、この寸法測定は、撮像部11で撮像された画像に基づき、各種情報処理装置(本発明の「処理部」に相当。)で実行される。
まず、測定位置を初期位置に設定する(S14)。ここで、測定位置とは、図8に示されるように輝線に直行する直線である。図8の例では、図7(A)に示されるA1側の辺のある位置を測定位置としている。そして、この測定位置についてA1エッジ点を決定する(S15)。A1エッジ点は輝線の山の側面を形成する2つの傾斜部分のうち形状の断面を意味するエッジ側傾斜の輝度分布に基づいて決定される。A1波形であれば左側の傾斜波形となる。本実施形態では、左側の傾斜波形輝度分布の最小値、最大値の中間値を、この測定位置AのA1エッジ点とする。測定位置を辺A1全体について行えば、辺A1全体にわたるA1エッジ点を得る。このA1エッジ点の集まりをA1エッジ測定点列とする(S15)。
次に、A1エッジ測定点列を決定したのと同方法で、A2エッジ測定点列を測定する。A2エッジは右側の傾斜波形を用いて計測される。その計測点の集まりをA2エッジ測定点列とする(S16)。
次に、A1エッジ測定点列の最も左側の計測点と、A2エッジ測定点列の最も右側の計測点から距離(例えば、幅W)を決定する(S18)。測定した距離が閾値に適合しない場合、当該測定位置にエラーフラグを設定する(S20)。すべての測定値を測定するまで(S21:Yes)、測定位置を変更(S22)しつつ、S15~S20までの処理が繰り返し実行される。
一方、全ての測定位置について測定を終えた場合(S21:Yes)、両方の測定方向(本実施形態では、幅W方向と長さL方向)について測定を完了したか否かが判定される(S23)。測定が終わってない場合(S23:No)、測定方向を変更(S24)し、S14~S21までの処理が繰り返し実行される。
両方向の測定方法の完了した場合(S23:Yes)、測定結果が通知される(S25)。結果は測定位置にエラーフラグが付いているか否か、そして、測定した距離等を含んで通知される。測定位置の1カ所でもエラーフラグが付されている場合、当該検査対象2は不合格(不良品)と判断される。なお、結果の通知は、検査対象の合否のみであってもよい。
以上、本実施形態の寸法測定装置1によれば、検査対象2の側を含む寸法を精度良く測定することが可能となる。したがって、検査対象2の側面に生じたわずかな側面突起を検出することが可能となり、検査対象2の製品上の適否を正確に判定することが可能となる。
(第1変型例)
図10は、他の実施形態に係る寸法測定装置1における検査対象設置の様子を示す上面図である。図3、図4では検査対象2の幅W、長さLを測定する形態について説明した。検査対象2は、図1で説明したように高さH方向を有し、その測定が必要になることがある。
図10は、他の実施形態に係る寸法測定装置1における検査対象設置の様子を示す上面図である。図3、図4では検査対象2の幅W、長さLを測定する形態について説明した。検査対象2は、図1で説明したように高さH方向を有し、その測定が必要になることがある。
検査対象2の高さHについても寸法を測定することとしてもよい。図10は、そのような形態を示すである。図10(A)は、図4と同様、検査対象2の幅Wと長さHを測定する場合の上面図である。そして、図10(B)のように、検査対象2の載置状態を変更し、照明部18e、18fを用いて、検査対象2の高さHについて寸法が測定される。図10(A)から図10(B)の載置状態の変更は、ベルトコンベア等を使用して検査対象2を搬送し、異なる寸法測定装置1で測定することとしてもよい。あるいは、図10(A)において、検査対象2の載置方向を変更し、照明部18a、18bを使用して、図10(B)と同様に照明を行い、検査対象2の高さHについて測定することとしてもよい。
また、精度良く寸法測定を行うためには、検査対象2の全ての面(6面)を上面に配置して寸法測定を行うようにしてもよい。1つの寸法(例えば、幅W)について、2回、測定することになるが、異なる方向から測定することで、側面突起の検出洩れ等を抑制し、検出精度の向上を図ることが可能となる。
(第2変型例)
前述した実施形態では、図1で説明したように、略角柱形状を有する検査対象2の寸法を測定することととしていた。検査対象2の形状は、このような形状のみならず、対向する2つの面を有する形状あれば、本実施形態の寸法測定装置1を使用し、検査対象2の各種寸法を測定することが可能である。またその対向する面は、必ずしも互いに平行ではなく、傾斜していても構わない。
前述した実施形態では、図1で説明したように、略角柱形状を有する検査対象2の寸法を測定することととしていた。検査対象2の形状は、このような形状のみならず、対向する2つの面を有する形状あれば、本実施形態の寸法測定装置1を使用し、検査対象2の各種寸法を測定することが可能である。またその対向する面は、必ずしも互いに平行ではなく、傾斜していても構わない。
なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
1:寸法測定装置
2:検査対象
2A:上面
2B、2B’:側面
2C、2C’:側面突起
3:固定対象
3a:嵌合空間
11:撮像部
12:結像レンズ系
13:照明部
14:ハーフミラー
15:台座
16:スペーサ
17:結像レンズ系
18a~18f:照明部
2:検査対象
2A:上面
2B、2B’:側面
2C、2C’:側面突起
3:固定対象
3a:嵌合空間
11:撮像部
12:結像レンズ系
13:照明部
14:ハーフミラー
15:台座
16:スペーサ
17:結像レンズ系
18a~18f:照明部
Claims (7)
- 対向する2つの側面を有する検査対象の寸法を測定する寸法測定装置であって、
撮像部と、光学系と、照明部と、処理部とを備え、
前記撮像部は、前記検査対象の上面に対向して配置され、
前記光学系は、前記照明部で照明された前記検査対象で反射した光を前記撮像部に集光し、
前記照明部は、少なくとも前記検査対象の対向する2つの側面を照明し、照明光の中心軸と、前記検査対象の上面が、前記撮像部から遠ざかる方向に角度Aを有し、
前記角度Aは、0.05度以上、30度以下であり、
前記処理部は、前記撮像部で撮像された前記検査対象の画像に基づき、前記検査対象の寸法を算出する
寸法測定装置。 - 前記光学系は、テレセントリックの光学系である
請求項1に記載の寸法測定装置。 - 前記光学系の被写界深度は、少なくとも検査対象の厚さの1/7以上有する
請求項2に記載の寸法測定装置。 - 前記照明部は、その中心軸が、前記検査対象の上面を照明しないように配置されている
請求項1に記載の寸法測定装置。 - 前記角度Aは、0.1度以上、20度以下である
請求項1に記載の寸法測定装置。 - 前記処理部は、前記撮像された検査対象で生じた輝線の輝度分布に基づき、エッジ測定点列を決定し、当該エッジ測定点列に基づいて前記検査対象の寸法を算出する
請求項1に記載の寸法測定装置。 - 対向する2つの側面を有する検査対象の寸法を測定する寸法測定方法であって、
少なくとも前記検査対象の対向する2つの側面を照明し、照明光の中心軸と、前記検査対象の上面が、前記撮像部から遠ざかる方向に角度Aを有し、
前記角度Aは、0.05以上、30度以下であり、
前記照明部で照明された前記検査対象で反射した光を、光学系で集光し、
集光された光を、前記検査対象の上面に対向して配置された撮像部で撮像し、
前記撮像部で撮像された検査対象の画像に基づき、前記検査対象の寸法を算出する
寸法測定方法。
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