JP7222575B1 - 円筒内面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小な異常箇所の検出精度の向上と、粗面における異常箇所の検出精度の向上とを両立することが可能な円筒内面検査装置を提供する。【解決手段】円筒状の検査対象物の内面に照射するための、互いに異なる中心波長の複数のレーザ光を発生させるレーザ発光装置と、レーザ発光装置からの複数のレーザ光を照射光として先端部に伝送し、先端部から検査対象物の内面に照射光を照射し、検査対象物の内面から反射された反射光を後端部に伝送する検査プローブを備え、照射光を検査プローブの先端部から検査対象物の内面の全周囲に順次照射する走査部と、検査プローブの後端部から出射された反射光を波長毎に電気信号に変換する光電変換部と、レーザ発光装置、走査部、及び、光電変換部を備える本体部を移動させる移動装置と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、円筒状の被検査物の内表面における傷の有無等の状態を検査するための円筒内面検査装置に関する。

自動車や電気製品等の様々な製品には、円筒状の部材や円筒状の穴が設けられた部品が使用されているものがある。これらの部材や部品の円筒内表面に傷や異物又は汚れの付着等があると製品の性能や品質に問題が発生するため円筒内表面における傷の有無等の状態を検査するための様々な検査方法や検査装置が提案されている。

例えば、自動車エンジンのシリンダやブレーキマスターシリンダ等の内表面における傷の有無等を検査するために、円筒状の穴の外からカメラ等の装置で撮影を行うような検査方法や、光学素子等を先端に付けた筒状の検査プローブを円筒状の穴の中に挿入して、カメラやレーザ光によって内表面の検査を行うような検査方法等が提案されている。

このような様々な検査方法のうち、小径の穴の内部表面を高速に検査可能とするために、検査対象の穴の内表面にレーザ光を照射させて、その反射光の強度を測定することにより検査対象の穴の内表面における傷の有無等を検査するような方法が提案されている。（例えば特許文献１、２参照。）。

この特許文献１には、レーザ発振器を有する本体部に回転自由に装着された回転筒体内の光誘導空間を通してレーザ光を被検査体表面に照射し、被検査体表面からの反射レーザ光を回転筒体内に配置された複数本の光ファイバを介して本体部側の判定処理装置に伝送するように構成された表面検査装置が開示されている。この表面検査装置では、反射レーザ光の強度の変化を検出することにより検査対象の円筒内表面における傷等の有無が判定されることになる。

また、特許文献２には、円筒状のガラスパイプ等のパイプ状部材を検査プローブ内に設けて、レーザ光をパイプ状部材の中空領域を介して先端部まで伝送して、先端部に設けられた反射部材に反射させることにより検査対象物の内面に照射光を照射し、検査対象物の内面から反射された反射光を反射部材により反射させてパイプ状部材の中空領域以外の領域を介して伝送するようにした円筒内面検査装置が開示されている。

また、特許文献３には、検査プローブの先端部に３６０度方向に反射又は屈折角度を有する光学素子を設け、レーザ光の照射角度を調整しながら順次照射することにより、レーザ光を３６０度方向に走査して円筒状の検査対象物の内面を検査する際に、検査プローブを回転させずに円筒状の検査対象物の内面を検査するようにした円筒内面検査装置が開示されている。

特許第５２６５２９０号公報 特許第６６７５７４９号公報 特許第７０４９７２６号公報

上述したような検査装置では、検査対象物の内面にレーザ光を照射した際のレーザ光のスポット径が小さい程、より微小な傷や凹凸等の異常箇所を検出することが可能になる。しかしながら、レーザ光のスポット径を小さくした場合、検査対象物の内面の切削痕（異常箇所ではなく、粗面）でも反射光の強度が敏感に変化する為、異常箇所の判別が困難になるという問題がある。

本発明の目的は、微小な異常箇所の検出精度の向上と、粗面における異常箇所の検出精度の向上とを両立することが可能な円筒内面検査装置を提供することである。

本発明の円筒内面検査装置は、円筒状の検査対象物の内面に照射するための、互いに異なる中心波長の複数のレーザ光を発生させるレーザ発光装置と、前記レーザ発光装置からの前記複数のレーザ光を照射光として先端部に伝送し、先端部から検査対象物の内面に照射光を照射し、検査対象物の内面から反射された反射光を後端部に伝送する検査プローブを備え、照射光を前記検査プローブの先端部から検査対象物の内面の全周囲に順次照射する走査部と、前記検査プローブの後端部から出射された反射光を波長毎に電気信号に変換する光電変換部と、前記レーザ発光装置、前記走査部、及び、前記光電変換部を備える本体部を移動させる移動装置と、を備える。

本発明の他の円筒内面検査装置によれば、前記複数のレーザ光の中心波長は、互いに１００ｎｍ以上異なるように設定されていてもよい。

また、本発明の他の円筒内面検査装置によれば、前記複数のレーザ光の中心波長は、波長帯域が２８０ｎｍ以上３８０ｎｍ未満の紫外光、３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ未満の紫色光、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ未満の青色光、４９０ｎｍ以上５５０ｎｍ未満の緑色光、５５０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満の黄色光、５９０ｎｍ以上６４０ｎｍ未満の橙色光、６４０ｎｍ以上７７０ｎｍ未満の赤色光、７７０ｎｍ以上２５００ｎｍ未満の近赤外光、２５００ｎｍ以上の赤外光の分類のうち、互いに異なる分類の組み合わせとなるように設定されていてもよい。

また、本発明の他の円筒内面検査装置によれば、前記複数のレーザ光を検査対象物の内面に照射した際のスポット径が、互いに２５μｍ以上異なるように構成されていてもよい。

また、本発明の他の円筒内面検査装置によれば、前記走査部は、互いに異なる中心波長の複数のレーザ光を検査対象物の内面に照射した際のスポット光のスポット径が中心波長毎に異なる径とし、かつ、スポット径が異なる複数のスポット光の中心位置が同じ位置となるように同心円状に重畳した状態で、複数のスポット光を同時に検査対象物の内面に照射するようにしてもよい。

また、本発明の他の円筒内面検査装置によれば、前記走査部は、前記レーザ発光装置からのレーザ光を照射光として中空領域を介して伝送する透明材料により形成されたパイプ状部材と、前記パイプ状部材を内部に収容する円筒状の外装部材と、前記外装部材の先端部に設けられた反射部材とから構成され、前記照射光を前記パイプ状部材の中空領域を介して先端部まで伝送して当該先端部に設けられた前記反射部材により反射させることにより検査対象物の内面に前記照射光を照射し、検査対象物の内面から反射された反射光を前記反射部材により反射させて前記パイプ状部材の中空領域以外の領域を介して伝送する前記検査プローブと、前記検査プローブを回転させる回転装置と、を備えてもよい。

また、本発明の他の円筒内面検査装置によれば、前記走査部は、前記レーザ発光装置において発生したレーザ光の照射角度を調整する照射角度調整部と、３６０度方向に反射又は屈折角度を有する偏向用光学素子が先端部に設けられ、前記照射角度調整部により照射角度が調整された後のレーザ光を、検査対象物の内部に挿入する先端部まで伝送して前記偏向用光学素子により反射又は屈折させることにより検査対象物の内面の全周囲に照射光として順次照射し、検査対象物の内面から反射された反射光を前記偏向用光学素子により反射又は屈折させて前記先端部とは反対側の端面に伝送する前記検査プローブと、を備えてもよい。

本発明の円筒内面検査装置によれば、微小な異常箇所の検出精度の向上と、粗面における異常箇所の検出精度の向上とを両立することが可能な円筒内面検査装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の円筒内面検査装置１０の概略構成を説明するための斜視図である。 本発明の一実施形態の円筒内面検査装置１０を横から見た場合の外観を示す図である。 図２に示した本体部１１の構成の詳細を説明するための図である。 図３に示した照射角度調整部１８の構成を説明するための図である。 図３に示した光学素子３０の斜視図である。 検査プローブ１２が昇降装置１４により検査対象物８０の穴内において上下に移動する様子を説明するための図である。 検査対象物８０の検査対象面に傷等の異常が無い場合の反射光・散乱光の様子を示す図（図７（Ａ））、及び、傷等の異常がある場合の反射光・散乱光の様子を示す図（図７（Ｂ））である。 図２、図３等において示した検査プローブ１２の構造を説明するための図である。 検査プローブ１２及び光電変換部１７の断面図である。 可視光のレーザ光により傷を検出する様子を示す図（図１０（Ａ））、及び、近赤外光のレーザ光により傷を検出する様子を示す図（図１０（Ｂ））である。 可視光のレーザ光により検出を行った際の表面粗さ成分の状態を示す図（図１１（Ａ））、及び、近赤外光のレーザ光により検出を行った際の表面粗さ成分の状態を示す図（図１１（Ｂ））である。 可視光と近赤外光の２つのレーザ光により検査を行う場合の模式図である。 変形例の本体部１１１の構成の詳細を説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態の円筒内面検査装置１０の概略構成を説明するための斜視図である。

本実施形態の円筒内面検査装置１０は、例えば検査対象物８０のような円筒状の物体の内面（又は内表面）の状態を検査するための装置である。円筒内面検査装置１０では、検査対象物８０の内面の状態の検査を行う際に、検査対象物８０の検査対象の穴に検査プローブ１２を挿入する。そして、この検査プローブ１２が高速回転しつつ上下に移動することにより、検査対象物８０の内面の全面を走査して検査を行う。

なお、本実施形態の円筒内面検査装置１０には、パーソナルコンピュータ等の端末装置２０が接続されており、円筒内面検査装置１０の動作の制御や検査結果の表示等の処理を行っている。ここで、端末装置２０は、円筒内面検査装置１０を制御する装置の一例であり、スマートフォン、タブレット端末等の様々な装置を無線回線により円筒内面検査装置１０と接続して、円筒内面検査装置１０の動作の制御や検査結果の表示等の処理を行うようにしても良い。さらに、円筒内面検査装置１０の動作の制御を行う制御部や検査結果を表示する表示部等を円筒内面検査装置１０と一体化して構成するようなことも可能である。

次に、本実施形態の円筒内面検査装置１０を横から見た場合の外観を図２に示す。本実施形態の円筒内面検査装置１０は、図２に示されるように、本体部１１と、検査プローブ１２と、アーム１３と、昇降装置１４と、支柱１５と、台座１９とから構成されている。

支柱１５は、台座１９上において垂直に支持されている。そして、この支柱１５には、昇降装置１４が備え付けられており、この昇降装置１４は、支柱１５に沿って上下方向に移動するように構成されている。そして、昇降装置１４から水平方向にアーム１３が設けられており、このアーム１３の先端には本体部１１が取り付けられている。

そして、本体部１１には、検査を行う際に高速回転する検査プローブ１２が取り付けられている。検査プローブ１２は、１０００ｒｐｍ以上、例えば２０００～４０００ｒｍｐというような高速で回転する。

なお、検査プローブ１２の先端には、レーザ光を出射するための開口部が設けられており、このレーザ光が照射光として検査対象物８０の内面を走査するような構成となっている。

また、端末装置２０には、制御部２１、処理部２２、表示部２３が構成されている。制御部２１は、円筒内面検査装置１０の昇降装置１４や本体部１１の動作を制御する。処理部２２は、本体部１１から出力される反射光の強度信号を入力して、検査対象物８０の内面に傷等があるか否かを判定する判定処理を行う。表示部２３は、処理部２２における判定結果を表示する。

なお、処理部２２は、検査対象物８０の内面からの反射光の強度の増減を監視して、例えば、反射光の強度が予め設定された値以上増加又は減少した場合に、検査対象物８０の内面に傷又は異物等の付着があると判定する。ここで、処理部２２は、反射光の受光強度の値そのものを監視するのではなく、検査中における受光強度の連続性等をも判定基準として傷等の有無の判定を行う。

次に、図２に示した本体部１１の構成について図３を参照して詳細に説明する。

本体部１１は、図３に示すように、検査プローブ１２に加えて、レーザ発光装置１６、光電変換部１７及び中空モータ１８を備えている。

レーザ発光装置１６は、円筒状の検査対象物の内面に照射するための、互いに異なる中心波長の複数のレーザ光を発生させる。

レーザ発光装置１６において発生させる複数のレーザ光の数、及び、各々のレーザ光の中心波長については特に制限はない。ただし、複数のレーザ光の中心波長は、互いに１００ｎｍ以上異なるように設定することが好ましい。また、複数のレーザ光の中で最も中心波長が長いレーザ光の中心波長は、７７０ｎｍ以上２５００ｎｍ未満の近赤外光帯域の波長とすることが好ましい。また、複数のレーザ光の中で最も中心波長が短いレーザ光の中心波長は、３８０ｎｍ以上７７０ｎｍ未満の可視光帯域の波長とすることが好ましい。

ここで、レーザ光の中心波長とは、レーザ光のスペクトル特性のピーク波長、又は、スペクトル特性の半値全幅の中心の波長により規定される。

本実施形態では、一例として、レーザ発光装置１６は、中心波長が６３０ｎｍのレーザ光Ｌ１及び中心波長が８２０ｎｍのレーザ光Ｌ２の２種類のレーザ光を発生させるものとする。

なお、レーザ発光装置１６は、図２に示すように、単一の装置の内部で複数のレーザ光を発生させ、発生させた複数のレーザ光を合波して出力するものに限らず、中心波長毎に複数のレーザ発光装置を設け、複数のレーザ発光装置の各々から出射後のレーザ光をダイクロイックミラー又はプリズム等の合波用光学素子により合波する構成としてもよい。

中空モータ１８は、回転軸が中空構造となっているモータであり、検査プローブ１２がこの中空部分に挿入されることにより、検査プローブ１２を回転させる回転装置である。本実施形態では、検査プローブ１２及び中空モータ１８により、本発明の技術における走査部が構成される。

なお、本実施形態では、検査プローブ１２を中空モータ１８により回転する構造を用いて説明するが、回転装置はこのような構造に限定されるものではなく、モータによりプーリーを回転させ、このプーリーの回転力を検査プローブ１２に伝達して検査プローブ１２を回転するような構成の回転装置を用いることも可能である。

光電変換部１７は、検査プローブ１２の後端部から出射された反射光を波長毎に電気信号に変換する。この光電変換部１７により変換された反射光の強度を示す電気信号は、端末装置２０の処理部２２に転送される。

そして、レーザ発光装置１６、検査プローブ１２、中空モータ１８及び光電変換部１７とからなる本体部１１は、アーム１３により昇降装置１４に接続されており、昇降装置１４により上下に移動される構成となっている。

なお、本実施形態では、本体部１１を昇降装置１４により上下に移動させて検査を行う場合の構成について説明するが、アーム１３、昇降装置１４、支柱１５等をロボットアームに置き換えて構成するようなことも可能である。また、検査対象の穴が水平方向の場合には装置を寝かせた状態で使用する場合もあり、このような場合には本体部１１を水平方向に移動させることになる。つまり、昇降装置１４は、本体部１１を移動させる移動装置として機能するものであれば良い。

また、図３に示されるように、レーザ発光装置１６により生成されたレーザ光は、照射光１０１として光電変換部１７を通過し、検査プローブ１２内の中空領域を通過して、検査プローブ１２の先端部まで到達し、この先端部において反射されることにより方向が変化して検査対象物８０の内面に照射される構成となっている。そして、検査対象物８０の内面において反射された反射光１０２は、検査プローブ１２内を伝送されて光電変換部１７に到達するような構成となっている。この検査プローブ１２、光電変換部１７の詳細な構造については後述する。

次に、図４、図５を参照して、本実施形態の円筒内面検査装置１０により検査対象物８０の内面の検査を行う際の様子を説明する。

検査対象物８０の内面の検査を行う場合には、図４に示すように、検査プローブ１２が高速回転した状態で、昇降装置１４により検査対象物８０の穴内において上下に移動する。そのため、検査プローブ１２からの照射光１０１は、検査対象物８０の全内面を走査することになる。

次に、検査対象物８０の内面、つまり検査対象面に傷等の異常が無い場合の反射光・散乱光の様子と、傷等の異常がある場合の反射光・散乱光の様子を、それぞれ図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す。

図５（Ａ）を参照すると、検査対象物８０の検査対象面に傷等の異常が無い場合には、照射光１０１が照射点において均一に反射又は散乱しているのに対しているのが分かる。これに対して、図５（Ｂ）を参照すると、検査対象物８０の検査対象面に傷等の異常がある場合には、照射光１０１が照射点において均一に反射又は散乱されず、特定の方向に反射又は散乱されているのが分かる。

つまり、照射光１０１を検査対象物８０の検査対象面に走査した場合、傷等の異常がある箇所において反射光の強度が変化する。そのため、処理部２２では、この変化を検出して検査対象物８０の検査対象面に何らかの異常があると判定する。

次に、図２、図３等において示した検査プローブ１２の構造について説明する。

本実施形態における検査プローブ１２は、図６に示すように、石英ガラス（シリカガラス）により構成された円筒状の中空のガラスパイプ６１を、ステンレス等により構成された円筒状の外装部材６２に挿入することにより構成されている。

ここで、石英ガラスとは、不純物がほとんど含まれておらず、成分がほぼ１００％のＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）により構成されているガラスである。この石英ガラスは、一般的なガラスと比較して透明度がきわめて高く、光透過率が非常に高いという特性を有する。また、石英ガラスは、耐熱性、耐薬品性についても一般的なガラスと比較して優れているという特性を有する。

ガラスパイプ６１は、このような特性を有する石英ガラスにより構成されていることにより、一般的なガラスにより構成されているガラスパイプと比較して、反射光１０２の伝送率が高いものとなる。

なお、外装部材６２の先端部には、照射光１０１を出射するとともに、反射光１０２を入射するための開口部６３が設けられている。

次に、このような構造の検査プローブ１２及び光電変換部１７の断面図を図７に示す。なお、図７は、装置構成の概略構成を説明するための図であるため、縦方向の寸法を短く省略して示している。

ガラスパイプ６１は、レーザ発光装置１６からのレーザ光を照射光１０１として中空領域を介して先端部まで伝送する。外装部材６２は、図６においても説明したように、ガラスパイプ６１を内部に収容する。なお、ガラスパイプ６１は、外装部材６２に接着されることにより外装部材６２に固定され、外装部材６２が中空モータ１８により高速回転された場合、この回転に伴って高速回転するようになっている。

また、外装部材６２の先端部には反射部材である反射ミラー６４が水平方向に対して４５度傾けられて装着されている。そのため、反射ミラー６４は、ガラスパイプ６１の中空領域を通過してきた照射光１０１を反射して進行方向を９０度変化させる。そのため、照射光１０１は、開口部６３から出射されて検査対象物８０の内面に照射されることになる。

ここで、反射ミラー６４の設置角度を４５度として、照射光１０１の進行方向を９０度変化させる場合について説明しているが、検査対象面によっては反射ミラー６４の設置角度を４５度以外として、照射光１０１の進行方向を９０度以外の方向に変化させるような場合もある。

さらに、検査対象物８０の内面において反射された反射光１０２は、この開口部６２に入射して反射ミラー６４により反射されて、進行方向が９０度変化する。そして、進行方向が９０度変化した反射光１０２は、ガラスパイプ６１の中空領域以外の領域、つまり石英ガラスにより構成された領域を介して光電変換部１７まで伝送される。

このような構成となっていることにより、検査プローブ１２は、照射光１０１をガラスパイプ６１の中空領域を介して先端部まで伝送してこの先端部に設けられた反射ミラー６４により反射させることにより検査対象物８０の内面に照射光１０１を照射し、検査対象物８０の内面から反射された反射光１０２を反射ミラー６４により反射させてガラスパイプ６１の中空領域以外の領域を介して光電変換部１７まで伝送する。

そして、光電変換部１７は、レーザ発光装置１６からのレーザ光を通過させるための穴が設けられ、その穴の周囲に分離用光学素子７２及び光電変換センサ７３ａ、７３ｂが装着され、光電変換センサが検査プローブの先端部とは反対側のガラスパイプの端面と近接するような位置となるように配置された基板状部材である穴あき基板７１により構成されている。

次に、図７に示した穴あき基板７１について、図８を参照して詳細に説明する。

穴あき基板７１は、図８に示されるように、レーザ光通過穴７１ａが中心に設けられており、このレーザ光通過穴７１ａの左右にそれぞれ分離用光学素子７２及び光電変換センサ７３ａ、７３ｂが配されている。

分離用光学素子７２は、ダイクロイックミラー又はプリズム等により構成されている。光電変換センサ７３ａ、７３ｂは、フォトダイオード又はＣＭＯＳセンサ等により構成された小型の受光素子でありチップ部品として構成されている。

中心波長が６３０ｎｍのレーザ光Ｌ１の反射光及び中心波長が８２０ｎｍのレーザ光Ｌ２の反射光からなる反射光１０２は、分離用光学素子７２によりレーザ光Ｌ１の反射光とレーザ光Ｌ２の反射光とに分離される。分離されたレーザ光Ｌ１の反射光は光電変換センサ７３ａに入射し、分離されたレーザ光Ｌ２の反射光は光電変換センサ７３ｂに入射する。

これにより、光電変換部１７を小型に構成しつつ、中心波長が６３０ｎｍのレーザ光Ｌ１の反射光と中心波長が８２０ｎｍのレーザ光Ｌ２の反射光とを個別に検出することができる。

なお、光電変換部１７は、上記のように、穴あき基板７１に分離用光学素子７２及び光電変換センサ７３ａ、７３ｂが装着された態様に限らず、他の態様としてもよい。他の構成とした場合の光電変換部の一例を光電変換部１１７として図９に示す。

図９に示された光電変換部１１７は、穴あきミラー７４、集光レンズ７５、分離用光学素子７６、及び、光電変換センサ７７ａ、７７ｂにより構成されている。この光電変換部１１７では、光電変換センサ７７ａ、７７ｂがチップ部品よりも大きな部品として構成されており、ガラスパイプ６１から出射された反射光を穴あきミラー７４により反射した後、集光レンズ７５により集光してから分離用光学素子７６に入射させ、光電変換センサ７７ａ、７７ｂにより波長毎に受光するようになっている。

このような態様とした場合、光電変換センサ７７ａ、７７ｂのサイズや配置の自由度を高めることができる。

次に、本実施形態の円筒内面検査装置１０の作用について説明する。

円筒内面検査装置１０では、レーザ光を検査対象物の表面に照射し、検出単位毎に、レーザ光のスポット径サイズ分の反射光を光電変換センサ７３ａ、７３ｂで受光し、光電変換センサ７３ａ、７３ｂで検出している受光強度をデータ変換する。また、円筒内面検査装置１０は、レーザ光により検査対象物の表面を走査し、光電変換センサ７３ａ、７３ｂで検出している受光強度を連続的にデータ変換する。このとき、レーザ光のスポット径が小さい程、より微小な傷や凹凸等の異常箇所を検出することが可能になる。

詳細には、図１０（Ａ）に示すように、傷や凹凸等の異常箇所に対してレーザ光のスポット径が小さい場合、スポット径に占める異常箇所の面積の割合が大きく、異常箇所の有無による反射光の強度変化が大きいため、反射光の強度に基づいて検査対象物の内面を画像化した際に、異常箇所が鮮明に表示される。

これに対して、図１０（Ｂ）に示すように、傷や凹凸等の異常箇所に対してレーザ光のスポット径が大きい場合、スポット径に占める異常箇所の割合が小さく、異常箇所が有る部分の反射光の強度変化と異常箇所が無い部分の反射光の強度変化とが平均化され、異常箇所の有無による反射光の強度変化が小さくなってしまい、反射光の強度に基づいて検査対象物の内面を画像化した際に、異常箇所が不鮮明に表示される。

一方で、レーザ光のスポット径を小さくした場合、検査対象物の内面の切削痕（異常個所ではなく、粗面）でも反射光の強度が敏感に変化する為、反射光の強度に基づいて検査対象物の内面を画像化した際に、異常箇所の判別が困難になる。

詳細には、図１１（Ａ）に示すように、レーザ光のスポット径が小さい場合、異常個所ではなく表面粗さの精度に起因する凹凸であっても、反射光の強度が大きく変化してしまい、反射光の強度に基づいて検査対象物の内面を画像化した際に、傷以外の微細な凹凸等による表面粗さ成分（以下、不要な表面粗さ成分と記載）が多くなってしまう。

これに対して、図１１（Ｂ）に示すように、レーザ光のスポット径が大きい場合、スポット径内の凹凸による反射光の強度変化が平均化されて反射光の強度変化が小さくなるため、反射光の強度に基づいて検査対象物の内面を画像化した際に、不要な表面粗さ成分が少なくなる。

このように、傷や凹凸等の異常箇所の検出にはレーザ光のスポット径が小さい方が有利となり、不要な表面粗さ成分の低減にはレーザ光のスポット径が大きい方が有利となる。

そのため、本実施形態の円筒内面検査装置１０では、図１２に示すように、照射光１０１として、中心波長が６３０ｎｍの可視光のレーザ光Ｌ１及び中心波長が８２０ｎｍの近赤外光のレーザ光Ｌ２の２種類のレーザ光を合波している。

レーザ光をレンズにより集光して照射する際の最小スポット径ｗは、レーザ光の中心波長をλ、レンズの開口数をＮＡとしたとき、下記式（１）により表される。式（１）から、最小スポット径ｗは、レンズの開口数ＮＡを一定とすると、レーザ光の中心波長に比例して大きくなることが分かる。
ｗ＝０．６１λ／ＮＡ （１）

最小スポット径ｗは、厳密には、レーザ光の中心波長λ及びレンズの開口数ＮＡだけでなく、レーザ光のビーム品質Ｍ^２にも依存する。ビーム品質Ｍ^２（Ｍ^２≧１．０）は、１．０が理想値であり、ビーム品質Ｍ^２の数値に比例して最小スポット径ｗが大きくなる。例えば、Ｍ^２＝１．２の場合、ビーム品質Ｍ^２以外の条件を等しくしたとすると、Ｍ^２＝１．０の場合と比較して、最小スポット径ｗが１．２倍となる。

一例として、中心波長が６３０ｎｍの可視光のレーザ光Ｌ１の場合、レーザ光の径を２．０ｍｍ、集光時の焦点距離を５００ｍｍ、ビーム品質Ｍ^２を１．２とすると、０．２００５３５ｍｍのスポット径にすることができる。また、中心波長が８２０ｎｍの近赤外光のレーザ光Ｌ２の場合、中心波長以外の条件をレーザ光Ｌ１と同じにすると、０．２６１０１４ｍｍのスポット径にすることができる。

本実施形態の円筒内面検査装置１０において、走査部は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２を検査対象物８０の内面に照射した際のスポット光のスポット径が中心波長毎に異なる径とし、かつ、スポット径が異なる複数のスポット光の中心位置が同じ位置となるように同心円状に重畳した状態で、複数のスポット光を同時に検査対象物８０の内面に照射している。また、上記で説明の通り、レーザ光Ｌ１の反射光とレーザ光Ｌ２の反射光とを個別に検出することができる。

これにより、検査対象物８０の内面の測定データについて、微細な傷や凹凸等の異常箇所が鮮明に記録された測定データ、及び、不要な表面粗さ成分が少ない測定データの２種類の測定データを取得でき、特性が異なる２つの測定データを組み合わせて異常箇所を判別できるようになるため、微小な異常箇所の検出精度の向上と、粗面における異常箇所の検出精度の向上とを両立することが可能となる。

２つの測定データの利用方法としては、どのような利用方法としてもよいが、一例として、以下の態様としてもよい。

先ず、異常箇所が鮮明に記録された測定データに基づいて画像化した検査対象物の内面の画像から、予め設定された大きさ以上かつ予め設定された濃度以上の領域を異常箇所として抽出する。

次に、抽出した異常個所の画像を、不要な表面粗さ成分が少ない測定データに基づいて画像化した検査対象物の内面の画像内の同じ位置に合成して、不要な表面粗さ成分が少ない状態でありつつ、異常個所が表示された画像認識用画像を取得する。

この画像認識用画像に基づいて、ソフトウェア処理により異常個所の位置や大きさ等の特定を行う。

また、本実施形態の円筒内面検査装置１０では、スポット径が異なる２つのレーザ光を用いて、傷や凹凸等の異常箇所が鮮明に記録された測定データ、及び、不要な表面粗さ成分が少ない測定データの２種類の測定データを同時に取得できるため、２種類の測定データを個別に取得する態様と比較して、測定時間を短縮することができる。

例えば、単一のレーザ光を用いて、可変焦点レンズ等により焦点距離を変化させる方式でもスポット径を変化させる事ができるが、その場合には、特性が異なる複数の測定データを同時に取得することはできず、同一の検査対象物に対してスポット径を変化させる前後の最低でも２回の検査を行う必要がある。

製品の生産現場では秒単位で部品（検査対象物）の検査時間が決まっており、円筒内面検査装置を用いた部品の検査時間は、１秒でも短くすることが要求される。従って、同一の部品に対して複数回の検査を行うことは現実的ではなく、本実施形態の円筒内面検査装置１０のように、複数の測定データを同時に取得できる構成とすることが、特に有用である。

また、本実施形態の円筒内面検査装置１０では、スポット径が異なるレーザ光Ｌ１、Ｌ２のスポット光の中心位置が同じ位置となるように重畳した状態で、複数のスポット光を同時に検査対象物８０の内面に照射しているため、レーザ光Ｌ１、Ｌ２により同じ位置の測定を同時に行うことができる。また、２つの測定データにおいて、各測定データのデータ位置と検査対象物８０の測定位置とが同じになるため、比較や合成等の処理がし易い測定データを取得することができる。

また、本実施形態の円筒内面検査装置１０では、２種類のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を合波して一つの照射光１０１としており、照射光１０１及び反射光１０２を導波させる径路が１つで済むため、検査プローブ１２の構成を簡素化することができる。

また、上記の通り、最小スポット径はレーザ光の中心波長に比例し、中心波長が１００ｎｍ離れた場合、下記に示すように、一般的な構成では最小スポット径が２５μｍ程度変化する。

例えば、中心波長が６６０ｎｍのレーザ光の場合、レーザ光の径を２．０ｍｍ、集光時の焦点距離を４００ｍｍ、ビーム品質Ｍ^２を１．０とすると、０．１６８０６８ｍｍのスポット径となる。また、中心波長が７６０ｎｍのレーザ光の場合、中心波長以外の条件を同じにすると、０．１９３５３２ｍｍのスポット径となる。また、２つのレーザ光のスポット径の差は、０．０２５４６４ｍｍ（約２５μｍ）となる。

２つのレーザ光の中心波長の差が１００ｎｍ未満の場合、各レーザ光のスポット径の差が小さくなり、各レーザ光による測定データの特性の差が生じにくくなる。

本実施形態の円筒内面検査装置１０では、２種類のレーザ光Ｌ１、Ｌ２のうち、レーザ光Ｌ１の中心波長を６３０ｎｍ、レーザ光Ｌ２の中心波長を８２０ｎｍとして、２つのレーザ光の中心波長が互いに１００ｎｍ以上異なるように設定しており、これにより２つのレーザ光を検査対象物の内面に照射した際の最小スポット径が、０．０２５４６４ｍｍ、すなわち、２５μｍ以上異なるようになる。

そのため、微細な傷や凹凸等の異常箇所が鮮明に記録された測定データ、及び、不要な表面粗さ成分が少ない測定データの、大きく特性が異なる２種類の測定データを取得することができる。

また、本実施形態の円筒内面検査装置１０では、２種類のレーザ光Ｌ１、Ｌ２のうち、中心波長が長い方のレーザ光の中心波長を近赤外光帯域の波長としているため、可視光帯域の波長を用いる場合と比較して、不要な表面粗さ成分が少ない測定データを取得することができる。

また、本実施形態の円筒内面検査装置１０では、２種類のレーザ光Ｌ１、Ｌ２のうち、中心波長が短い方のレーザ光の中心波長を可視光帯域の波長としているため、近赤外光帯域の波長を用いる場合と比較して、微小な異常箇所まで鮮明に記録された測定データを取得することができる。

なお、上記実施形態において、走査部は検査プローブ１２及び中空モータ１８からなるものとしたが、図１３に示すように、走査部は照射角度調整部１１８及び検査プローブ１１２からなるものとしてもよい。

この変形例における照射角度調整部１１８は、レーザ発光装置１１６において発生したレーザ光の照射角度を調整する。

また、検査プローブ１１２は、３６０度方向に反射又は屈折角度を有する偏向用光学素子１３０が先端部に設けられ、照射角度調整部１１８により照射角度が調整された後のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を、検査対象物８０の内部に挿入する先端部まで伝送して偏向用光学素子１３０により反射又は屈折させることにより検査対象物の内面の全周囲に照射光１０１として順次照射し、検査対象物８０の内面から反射された反射光１０２を偏向用光学素子１３０により反射又は屈折させて先端部とは反対側の端面に伝送する。

走査部をこのような構成とした場合でも、上記実施形態と同様に、傷や凹凸等の異常箇所が鮮明に記録された測定データ、及び、不要な表面粗さ成分が少ない測定データの２種類の測定データを同時に取得できる。

また、検査プローブ１１２を回転させる必要がなくなるため、中空モータが不要となり、本体部１１１の構成を簡素化できる。

また、上記実施形態では、レーザ発光装置１６は、中心波長が６３０ｎｍの可視光のレーザ光Ｌ１及び中心波長が８２０ｎｍの近赤外光のレーザ光Ｌ２の２種類のレーザ光を発生させるものとしたが、レーザ発光装置１６において発生させる複数のレーザ光の数、及び、各々のレーザ光の中心波長については他の態様としてもよい。

例えば、複数のレーザ光について、可視光のレーザ光と近赤外光のレーザ光の組合せに限らず、異なる中心波長の可視光同士の組合せとしてもよい。

また、複数のレーザ光の中心波長は、波長帯域が２８０ｎｍ以上３８０ｎｍ未満の紫外光、３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ未満の紫色光、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ未満の青色光、４９０ｎｍ以上５５０ｎｍ未満の緑色光、５５０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満の黄色光、５９０ｎｍ以上６４０ｎｍ未満の橙色光、６４０ｎｍ以上７７０ｎｍ未満の赤色光、７７０ｎｍ以上２５００ｎｍ未満の近赤外光、２５００ｎｍ以上の赤外光の分類のうち、互いに異なる分類の組み合わせとなるように設定してもよい。

また、複数のレーザ光の中心波長の差を１００ｎｍ未満としてもよく、その場合には、レーザ発光装置１６と検査対象物８０との間に配置される光学系の特性により、複数のレーザ光を検査対象物の内面に照射した際のスポット径が、互いに３０μｍ以上異なるように構成することが好ましい。

以上に示した記載内容及び図示内容は、本発明の技術に係る部分についての詳細な説明であり、本発明の技術の一例に過ぎない。例えば、上記の構成、機能、作用、及び効果に関する説明は、本発明の技術に係る部分の構成、機能、作用、及び効果の一例に関する説明である。よって、本発明の技術の主旨を逸脱しない範囲内において、以上に示した記載内容及び図示内容に対して、不要な部分を削除したり、新たな要素を追加したり、置き換えたりしてもよいことは言うまでもない。また、錯綜を回避し、本発明の技術に係る部分の理解を容易にするために、以上に示した記載内容及び図示内容では、本発明の技術の実施を可能にする上で特に説明を要しない技術常識等に関する説明は省略されている。

１０ 円筒内面検査装置
１１ 本体部
１２、１２Ａ～１２Ｃ 検査プローブ
１３ アーム
１４ 昇降装置
１５ 支柱
１６ レーザ発光装置
１７ 光電変換部
１８ 照射角度調整部
１９ 台座
２０ 端末装置
２１ 制御部
２２ 処理部
２３ 表示部
７１ 穴あき基板
７１ａ レーザ光通過穴
７２ 分離用光学素子
７３ａ、７３ｂ 光電変換センサ
７４ ミラー
７５ 集光レンズ
７６ 分離用光学素子
７７ａ、７７ｂ 光電変換センサ
８０ 検査対象物
１０１ 照射光
１０２ 反射光
１１１ 本体部
１１２ 検査プローブ
１１６ レーザ発光装置
１１７ 光電変換部
１１８ 照射角度調整部
１３０ 偏向用光学素子

Claims (6)

1. 円筒状の検査対象物の内面に照射するための、互いに異なる中心波長の複数のレーザ光を発生させるレーザ発光装置と、
   前記レーザ発光装置からの前記複数のレーザ光を照射光として先端部に伝送し、先端部から検査対象物の内面に照射光を照射し、検査対象物の内面から反射された反射光を後端部に伝送する検査プローブを備え、照射光を前記検査プローブの先端部から検査対象物の内面の全周囲に順次照射する走査部と、
   前記検査プローブの後端部から出射された反射光を波長毎に電気信号に変換する光電変換部と、
   前記レーザ発光装置、前記走査部、及び、前記光電変換部を備える本体部を移動させる移動装置と、を備え、
   前記複数のレーザ光を検査対象物の内面に照射した際のスポット径が、互いに２５μｍ以上異なるように構成されている、
   円筒内面検査装置。
2. 前記複数のレーザ光の中心波長は、互いに１００ｎｍ以上異なるように設定されている
   請求項１記載の円筒内面検査装置。
3. 前記複数のレーザ光の中心波長は、波長帯域が２８０ｎｍ以上３８０ｎｍ未満の紫外光、３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ未満の紫色光、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ未満の青色光、４９０ｎｍ以上５５０ｎｍ未満の緑色光、５５０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満の黄色光、５９０ｎｍ以上６４０ｎｍ未満の橙色光、６４０ｎｍ以上７７０ｎｍ未満の赤色光、７７０ｎｍ以上２５００ｎｍ未満の近赤外光、２５００ｎｍ以上の赤外光の分類のうち、互いに異なる分類の組み合わせとなるように設定されている
   請求項２記載の円筒内面検査装置。
4. 前記走査部は、互いに異なる中心波長の複数のレーザ光を検査対象物の内面に照射した際のスポット光のスポット径が中心波長毎に異なる径とし、かつ、スポット径が異なる複数のスポット光の中心位置が同じ位置となるように同心円状に重畳した状態で、複数のスポット光を同時に検査対象物の内面に照射する
   請求項１記載の円筒内面検査装置。
5. 前記走査部は、
   前記レーザ発光装置からのレーザ光を照射光として中空領域を介して伝送する透明材料により形成されたパイプ状部材と、前記パイプ状部材を内部に収容する円筒状の外装部材と、前記外装部材の先端部に設けられた反射部材とから構成され、前記照射光を前記パイプ状部材の中空領域を介して先端部まで伝送して当該先端部に設けられた前記反射部材により反射させることにより検査対象物の内面に前記照射光を照射し、検査対象物の内面から反射された反射光を前記反射部材により反射させて前記パイプ状部材の中空領域以外の領域を介して伝送する前記検査プローブと、
   前記検査プローブを回転させる回転装置と、
   を備える
   請求項１から４のいずれか１項記載の円筒内面検査装置。
6. 前記走査部は、
   前記レーザ発光装置において発生したレーザ光の照射角度を調整する照射角度調整部と、３６０度方向に反射又は屈折角度を有する偏向用光学素子が先端部に設けられ、前記照射角度調整部により照射角度が調整された後のレーザ光を、検査対象物の内部に挿入する先端部まで伝送して前記偏向用光学素子により反射又は屈折させることにより検査対象物の内面の全周囲に照射光として順次照射し、検査対象物の内面から反射された反射光を前記偏向用光学素子により反射又は屈折させて前記先端部とは反対側の端面に伝送する前記検査プローブと、
   を備える
   請求項１から４のいずれか１項記載の円筒内面検査装置。

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