特許 7131792 検査システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-08-29

(45)【発行日】2022-09-06

(54)【発明の名称】検査システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/954 20060101AFI20220830BHJP

   G02B 23/24 20060101ALI20220830BHJP

   G02B 23/26 20060101ALI20220830BHJP

   G01N 21/84 20060101ALI20220830BHJP

【ＦＩ】

G01N21/954 A

G02B23/24 A

G02B23/26 B

G01N21/84 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2017207519

(22)【出願日】2017-10-26

(65)【公開番号】P2019078696

(43)【公開日】2019-05-23

【審査請求日】2020-07-03

(73)【特許権者】

【識別番号】598142014

【氏名又は名称】長野オートメーション株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102934

【弁理士】

【氏名又は名称】今井 彰

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 信悟

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 大知

(72)【発明者】

【氏名】山浦 研弥

【審査官】越柴 洋哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１２８１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１２８１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１４５２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９５８１５５６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００８０５８８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／８４ － Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｇ０２Ｂ ２３／２４ － Ｇ０２Ｂ ２３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心軸に沿って棒状に延びた中空の検査ヘッドであって、前記中心軸の周りに回転される検査ヘッドと、
前記検査ヘッド内を通じて、前記中心軸に沿って検査用のレーザー光を供給し、前記中心軸に沿って戻された被検査物の表面からの反射光を受光する光学システムとを有し、
前記検査ヘッドは、回転駆動される回転部と、前記回転部に装着された円筒状で十分な厚みＬの前壁を備えたホルダー部と、前記前壁に前記中心軸に沿って取り付けられた直径Ｄｎの極細で中空のニードル部とを含み、前記ニードル部は、前記ホルダー部の前記前壁のみに、前記中心軸に沿って設けられた前記厚みＬと同じ長さで前記ニードル部の前記直径Ｄｎに等しい内径の極細の取付孔により取り付けられており、前記ニードル部は、先端に配置された光学素子であって、前記中心軸に対して、前記検査用のレーザー光を前記被検査物に向けて出射するとともに前記反射光を前記中心軸方向に導く光学素子を含み、前記ホルダー部の前記前壁の前記厚みＬと、前記ニードル部の前記直径Ｄｎと、前記ホルダー部の前記前壁またはその近傍の直径Ｄｈとが以下の条件を満たす、検査システム。
５≦Ｌ／Ｄｎ≦３０
０．５ｍｍ≦Ｄｎ≦１．５ｍｍ
５≦Ｄｈ／Ｄｎ≦４０

【請求項2】

請求項１において、
前記光学システムは、前記ニードル部に挿入された光ファイバー束であって、非回転の光ファイバー束を含み、
前記ニードル部は、光ファイバー束の先端と前記光学素子との間に配置された調光レンズであって、前記ニードル部とともに回転する調光レンズを含む、検査システム。

【請求項3】

請求項１または２において、さらに、
前記検査ヘッドを前記中心軸の周りに回転する回転ユニットを有する検査システム。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記被検査物は、前記ニードル部が挿入される中空部分を含み、
前記検査ヘッドと前記被検査物とを前記中心軸に沿って相対的に移動する移動ユニットをさらに有する、検査システム。

【請求項5】

請求項４において、
前記中空部分の内径Ｄｉは以下の条件を満たす、検査システム。
Ｄｎ＋０．５ｍｍ≦Ｄｉ≦Ｄｎ＋３．０ｍｍ

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検査ヘッドから被検査物に検査用のレーザー光を照射して表面を検査する検査システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、先端にミラーが設けられた軸状の検査ヘッドを駆動機構により軸線の回りに回転させつつ軸線に沿って移動させるとともに、検査ヘッド内に前記軸線に沿って入射した検査光の光路をミラーにより変更し、光路が変更された検査光を被検査物に照射し、被検査物で反射して検査ヘッド内に再度入射した検査光の光量に基づいて検査物の表面状態を検出する表面検査装置において、検査ヘッドが、駆動機構に取り付けられるヘッド本体と、そのヘッド本体に対して着脱可能に設けられ且つミラーを保持する保持部と、を備えることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－３１５８２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、微細加工された物品の表面の検査が求められており、特に、直径が数ｍｍ程度の小径（極細）の孔が設けられた検査対象物（被検査物）の表面を検査することが要望されている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様は、中心軸に沿って棒状に延びた中空の検査ヘッドであって、中心軸の周りに回転される検査ヘッドと、検査ヘッド内を通じて、中心軸に沿って検査用のレーザー光を供給し、中心軸に沿って戻された被検査物の表面からの反射光を受光する光学システムとを有する検査システムである。検査ヘッドは、回転駆動される回転部と、回転部に装着された円筒状で前壁を備えたホルダー部と、前壁に中心軸に沿って取り付けられた極細で中空のニードル部とを含み、ニードル部は、先端に配置された光学素子であって、中心軸に対して、検査用のレーザー光を被検査物に向けて出射するとともに反射光を前記中心軸方向に導く光学素子を含む。

【0006】

直径数ｍｍの小径（極細）の孔の内面を検査するためには、それよりも細い、例えば、直径が１ｍｍ前後の極細のヘッドを検査対象の孔に挿入し、小径（極細）の孔との干渉をさけるために、極細のヘッドを安定して回転させる必要がある。本発明においては、検査ヘッドの先端を、極細で中空のニードル状とし、それを太いホルダー部で支持して回転することにより、極細のニードル部を小径の孔の中でも安定して回転でき、小径の孔の内面を検査できる検査システムを提供する。

【0007】

極細のニードル部の直径Ｄｎは以下の条件（１）を満たしてもよく、ホルダー部の前壁またはその近傍の直径Ｄｈは以下の条件（２）を満たしてもよい。
０．５ｍｍ≦Ｄｎ≦１．５ｍｍ ・・・（１）
５≦Ｄｈ／Ｄｎ≦４０ ・・・（２）

【0008】

また、ニードル部の直径Ｄｎと、ホルダー部の前壁の厚みＬとが以下の条件を満たしてもよい。
５≦Ｌ／Ｄｎ≦３０ ・・・（３）

【0009】

光学システムは、ニードル部に挿入された光ファイバー束であって、非回転の光ファイバー束を含み、ニードル部は、光ファイバー束の先端と光学素子との間に配置された調光レンズであって、ニードル部とともに回転する調光レンズを含んでもよい。

【0010】

検査システムは、検査ヘッドを中心軸の周りに回転する回転ユニットを有してもよい。検査システムは、さらに、ニードル部が挿入される中空部分を含む被検査物と検査ヘッドとを中心軸に沿って相対的に移動する移動ユニットを有していてもよい。検査対象となる中空部分の内径Ｄｉは以下の条件（４）を満たしてもよい。
Ｄｎ＋０．５ｍｍ≦Ｄｉ≦Ｄｎ＋３．０ｍｍ ・・・（４）

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】検査装置の概要を示す斜視図。

【図2】検査装置の概略構成を示す断面図（ＩＩ－ＩＩ断面図）。

【図3】検査ヘッドの概要を示す斜視図。

【図4】検査ヘッドの概略構成を示す断面図（ＩＶ－ＩＶ断面図）。

【図5】図４に示す検査ヘッドの先端の構成を拡大して示す断面図。

【図6】図５に示す検査ヘッドのニードル部の構成をさらに拡大して示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１に、検査装置（検査システム）１の外観を示し、図２に、検査装置１の概略の構成を、断面を用いて示している。この検査装置（表面検査装置）１は、被検査物２に設けられた孔、凹みなどの中空部分３の内面４の形状または状態を検査するために適している。中空部分３の一例は、直径数ｍｍの貫通孔である。

【0013】

検査装置１は、中心軸１１に沿って棒状に延びた中空の検査ヘッド１０と、検査ヘッド１０を中心軸１１の周りに回転する回転ユニット２０と、検査ヘッド１０内を通じて、中心軸１１に沿って検査用のレーザー光を供給し、中心軸１１に沿って戻された被検査物２の表面４からの反射光を受光する光学システム３０と、検査ヘッド１０と被検査物２とを中心軸１１に沿って相対的に移動する移動ユニット２５と、回転ユニット２０、光学システム３０および移動ユニット２５を内蔵するハウジング５とを含む。

【0014】

この検査装置１は、検査ヘッド（検査プローブ）１０と被検査物２とを相対的に移動する移動ユニット２５としてハウジング５に収納された検査ヘッド１０の移動ユニット２５を含む。移動ユニット２５は、検査ヘッド１０、回転ユニット２０および光学システム３０を搭載したキャリッジ２８と、キャリッジ２８を前後（図２の左右）に動かすボールねじ２６および移動用のモータ２７の組み合わせとを含む。検査ヘッド１０は、基端となる固定部１９と、固定部１９に対して回転するように装着された回転部１８とを含み、固定部１９が搭載ユニット２９を介してキャリッジ２８に搭載されている。検査ヘッド１０は先端に、中心軸（回転軸、軸心）１１に沿って前方１６に突き出た極細のニードル部１２を含む。ニードル部１２は、ニードル部１２に対し太い円筒状のホルダー部１４の前壁１４ａに、中心軸１１に沿って突き出るように固定されており、ホルダー部１４を介して回転部１８に固定され、回転部１８とともに中心軸１１の周りに回転する。

【0015】

移動ユニット２５の構成は一例であり、スライダー、移動テーブルなどであってもよい。移動ユニット２５により、検査ヘッド１０はハウジング５から前方に突き出た位置Ｐ１と、検査ヘッド１０がハウジング５の内部に退避する位置Ｐ２とに移動する。検査ヘッド１０を前後に動かす代わりに、あるいは検査ヘッド１０を前後に動かすとともに被検査物２を、ロボット等を用いて動かしてもよい。

【0016】

光学システム３０は、検査用のレーザー光を生成する半導体レーザー（レーザーダイオード、ＬＤ）３１と、反射光を受光する受光素子（例えば、フォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）３２と、半導体レーザー３１の駆動回路、受光素子３２で受信した信号を処理する回路などを含む制御ユニット３３とを含む。光学システム３０で受信した信号は制御ユニット３３を介して不図示のコンピュータ（パーソナルコンピュータ）に送られて、さらにデータ処理され、被検査物２の表面４の解析に用いられる。光学システム３０は、さらに、検査プローブ１０の内部に挿入された光ファイバー３５を含む。

【0017】

回転ユニット２０の一例は、キャリッジ２８に搭載されたモータ２１である。モータ２１により駆動されるプーリ２２が、検査ヘッド１０の回転部１８と駆動ベルト２３で接続されており、モータ２１が駆動ベルト２３を介して検査ヘッド１０の回転部１８を中心軸１１の周りに（中心軸１１を回転中心として）高速で回転する。

【0018】

図３に検査ヘッド（検査プローブ）１０を抜き出して示している。図４に検査ヘッド１０の概略構成を、断面を用いて示している。さらに、図５に、検査ヘッド１０の先端部分（前方部分）を拡大した断面を用いて示し、図６に、検査ヘッド１０の先端のニードル部１２の構成を拡大した断面を用いて示している。

【0019】

検査ヘッド１０は、全体として回転軸１１に沿って延びた中空の円筒体であり、基端の固定部１９と、固定部１９に対してベアリング１７を介して回転するように同軸上に取り付けられ、先端１６に向かって延びた回転部１８とを含む。回転部１８は回転駆動され、駆動ベルト２３を介して回転力が伝達される比較的太い駆動部１５と、駆動部１５の前方１６に取り付けられたホルダー部１４と、ホルダー部１４の前壁１４ａの中心から細く先端（前方）に向かって延びたニードル部（挿入部）１２とを含む。ニードル部１２の先端１２ａには、半径方向に向いた開口（切り欠き）１３が設けられており、開口１３を介して検査用のレーザー光（プローブ光）６１が被検査物２の中空部分３の表面４に向けて出射され、被検査物２の表面４からの反射光６２がニードル部１２から検査ヘッド１０に戻されるようになっている。

【0020】

検査ヘッド１０の内部には、中心軸１１に沿ってプローブ光６１と反射光６２とを導く光ファイバー束３５が挿入されている。光学システム３０を構成する光ファイバー束３５は複数のファイバーのバンドルであり、ＬＤ３１から射出されるプローブ光６１を被検査物２に向かって導く投光ファイバー３５ａと、被検査物２からの反射光６２を受光素子３２へ導く受光ファイバー３５ｂとを含む。さらに、光学システム３０は、検査ヘッド１０の内部に、光ファイバー３５を束ねた状態で保持する保持筒３４を含む。

【0021】

ニードル部１２は、ホルダー部１４の前壁１４ａから中心軸１１に沿って前方１６に延び、先端（先端近傍）１２ａにプローブ光６１の出射方向を制御する光学素子５０が取り付けられている。光学素子５０の一例は平面鏡であり、プリズムなどの他の光の出射方向および入射方向を制御できる反射面を有する光学素子であってもよい。本例の検査装置１においては、光学素子５０の鏡面（反射面）５１の角度を４５度に設定し、光ファイバー３５から中心軸１１を光軸として出射されるプローブ光６１を、中心軸（光軸）１１に対して直交する方向に出射している。また、光学素子５０の鏡面５１により、検査対象の内面４から反射される光（反射光）６２を中心軸１１の光ファイバー３５の方向に反射している。ニードル部１２の内部には、保持筒３４により支持された光ファイバー３５が、先端１２ａより後退した位置まで挿入されており、光ファイバー３５の先端３５ｃと光学素子５０とのほぼ中間に調光レンズ３６がニードル部１２に支持されるように取り付けられている。

【0022】

調光レンズ３６は、光ファイバー３５の先端３５ｃから出力されたプローブ光６１を、反射面５１を介して検査対象面４に集光するために適した焦点距離を有する対物レンズである。調光レンズ３６は、反射面５１を介して検査ヘッド１０に導入された反射光６２を光ファイバー３５の先端３５ｃに集光する機能も含む。検査ヘッド１０の中心軸１１に沿ってプローブ光６１を供給し、反射光６２を検出する光学システム３０は、光ファイバー３５を使用したものに限定されず、ダイクロイックプリズムなどを備えた、光ピックアップなどとして公知の他の光学系であってもよい。極細のニードル部１２の内部でプローブ光６１および反射光６２を入出力するには、光ファイバー３５を用いた光学システム３０が好適である。

【0023】

近年、微細加工の精度が向上し、様々な用途で、例えば、液体などの流体が通過するノズルや経路、光学装置、機械装置において、極細の貫通孔あるいは有底の穴が加工された製品あるいは部品が製造される。極細の孔３の一例は、直径Ｄｉが数ｍｍ以下、例えば、５ｍｍ以下、あるいは３ｍｍ以下、さらには２ｍｍ以下である。そのような寸法の孔（中空部分）３の内面４にプローブ光６１を照射し、反射光６２を採取するためのニードル部１２の直径Ｄｎは、内面４とのクリアランスを考慮すると、条件（１）に示したように、１．５ｍｍ以下であることが要望される。特に、検査対象の孔３の直径Ｄｉが３ｍｍ程度あるいはそれ以下であると、ニードル部１２の直径（外径）Ｄｎは１．２ｍｍあるいはそれ以下、例えば、１．０ｍｍであることが望ましい。現在、このタイプの検査装置１において検査可能な孔３の直径（内径）Ｄｉは、１．０ｍｍ程度以上であり、クリアランスを含めると、式（４）に示した範囲が好ましい。

【0024】

ニードル部１２の一例は、外径Ｄｎが１．０ｍｍ、内径が０．８ｍｍのステンレス製の針状の筒体である。このニードル部１２を備えた検査装置１は、直径Ｄｉが３ｍｍ以下の孔３を対象として孔３の内面４の状況を検査できる。ニードル部１２の内部には、直径（外径）が約０．６ｍｍの非回転の保持筒３４に支持された光ファイバー３５が挿入されている。保持筒３４は、ニードル部１２からホルダー部１４の内部１４ｂに延びており、固定部１９の前方に延びた部分１９ａに固定されている。一方、ニードル部１２は、ホルダー部１４を介して回転部１８に繋がっており、回転ユニット２０により中心軸（回転軸）１１の周りに回転する。ニードル部１２とともに、先端１２ａに取り付けられた（配置された）光学素子５０が回転し、光学素子５０で反射されたプローブ光６１が開口１３を介して半径方向に出射され、孔３の内面４を円周方向にスキャンする。内面４からの反射光６２は開口１３および光学素子５０を介してニードル部１２の内部に戻され、中心軸１１に沿って反射され、光ファイバー３５に入力される。

【0025】

ニードル部１２には、調光レンズ３６が固定されており、調光レンズ３６がニードル部１２とともに、すなわち、光学素子５０とともに中心軸１１の周りに回転する。したがって、プローブ光６１および反射光６２は、ともに回転する（同期して回転する）調光レンズ３６および光学素子５０を介して内面４に対し入出力される。このため、調光レンズ３６および光学素子５０により構成される光路の回転角度の依存性は少なく、検査装置１では、プローブ光６１および反射光６２を角度の依存性の少ない状態で内面４に対して入出力でき、安定した信号を採取できる。直径Ｄｉが１ｍｍ程度で内径が１ｍｍを下回る可能性がある極細のニードル部１２の内部に、回転角度の依存性が少ない状態でレンズ３６を固定することは難しい。本例の検査装置１においては、レンズ３６をニードル部１２に取り付けて回転させることにより、回転角度に対し同じ条件でプローブ光６１および反射光６２を入出力できるようにしている。

【0026】

内径Ｄｉが数ミリ以下の孔３の内面４の状態を精度よく検査するためには、直径Ｄｎが１．５ｍｍ以下のニードル部１２を中心軸１１の周りに精度よく、軸ずれしたり、歳差運動することなく回転させることが望ましい。このため、検査装置１においては、図５に拡大して示すように、扱いやすいサイズで、十分な厚みの前壁１４ａを備えたホルダー部１４を供給し、その中心軸１１に沿ってニードル部１２の外径Ｄｎにほぼ等しい内径が１ｍｍ前後で長さＬの取付孔１４ｃを設けている。ニードル部１２の直径Ｄｎに対して十分な長さＬの取付孔１４ｃでニードル部１２を中心軸１１に沿って支持することにより、極細のニードル部１２を安定して回転させることができる。ニードル部１２は、ホルダー部１４に対し、専用の冶具により組み立てて出荷される。

【0027】

ホルダー部１４の直径（外径）Ｄｈは、現場でハンドリングしやすい大きさであり、以下の条件（５）を満たすことが好ましい。
５ｍｍ≦Ｄｈ≦３０ｍｍ ・・・（５）
条件（５）の下限は１０ｍｍであることが好ましく、一方、重量およびコスト等を考慮すると上限は２０ｍｍであることがさらに好ましい。したがって、ニードル部１２の直径Ｄｎに対するホルダー部１４の外径Ｄｈは上述した条件（２）を満たすことが好ましい。また、条件（２）の下限は１０であることが好ましく、上限は３０であることが好ましく、２５であることがさらに好ましい。

【0028】

また、取付用の孔１４ｃの長さ（前壁１４ａの壁厚）Ｌは、ニードル部１２を安定して保持するためには、ニードル部１２の外径Ｄｎに対し、上述した条件（３）を満たすことが好ましい。さらに、条件（３）の下限は、１０であることが好ましく、重量およびコスト等を考慮すると、上限は、２０であることが好ましい。具体的には、取付用の孔１４ｃの長さ（前壁１４ａの厚み）Ｌは以下の条件（６）を満たすことが好ましい。
５ｍｍ≦Ｌ≦３０ｍｍ ・・・（６）
条件（６）の下限は１０ｍｍであることが好ましく、上限は２０ｍｍであることが好ましい。

【0029】

以上に説明したように、本発明に係る検査装置（検査システム）１は、検査ヘッド（検査プローブ）１０の先端に極細の、直径１ｍｍ前後のニードル部１２を装着し、直径数ｍｍ程度、例えば直径３ｍｍあるいはそれ以下の中空部分３の内面４の検査を可能とし、その内面（表面）の状態を評価することができる。

【符号の説明】

【0030】

１ 検査装置（検査システム）、 １０ 検査ヘッド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】