JPH11230912A - 表面欠陥検出装置及びその方法 - Google Patents

表面欠陥検出装置及びその方法

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JPH11230912A
JPH11230912A JP4441198A JP4441198A JPH11230912A JP H11230912 A JPH11230912 A JP H11230912A JP 4441198 A JP4441198 A JP 4441198A JP 4441198 A JP4441198 A JP 4441198A JP H11230912 A JPH11230912 A JP H11230912A
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JP4441198A
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Masahiro Ueda
正絋 上田
Tomio Matsui
富雄 松井
Atsuo Irisa
厚生 入佐
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Hokkei Kogyo KK
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Hokkei Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 欠陥部と黒変色部の確実な識別をする。 【解決手段】 光源4から照射する探査光iを測定対象
物Xの表面に照射し、これにより生ずる散乱光Sと正反
射光Yを散乱光用5及び正反射光用受光素子6で夫々受
光すると共に、この受光した2種類の散乱光強度Is及び
正反射光強度Irの光信号を電気信号に変換して、該電気
信号をコンピュータで正反射光強度Irに対する散乱光強
度Isの比Is/Irに演算処理して、黒変色部と欠陥部にお
ける正反射光強度Irに対する散乱光強度Isの比Is/Irの
顕著な差から両者の確実な識別を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属、鋳物製品な
どの表面欠陥検出装置及びその方法に関する。
【0002】
【従来の技術】金属、鋳物製品の表面上の巣や傷は、そ
の見栄えを悪くするだけでなく、例えばブレーキディス
クなどにおいては、巣や傷の大きさによっては機能しな
いことがある。巣や傷を生じない鋳造や切削加工などを
心掛けるに越したことはないが、現実的には多少の巣や
傷が生じるので、製品の良否判定をして不良品は除去す
る方法が採られている。したがって、表面上の巣や傷の
検出は極めて重要な検査項目の1つであり、従来より製
品表面上の欠陥(巣や傷)の光学的な検出方法としてC
CDカメラによる検出法が見受けられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法では鋳造時の温度差や切削時の局所加熱によって生じ
る製品表面上での例えば黒っぽい変色領域を巣と誤認す
ることが少なくない。これは原理的には、CCDカメラ
による撮影が製品の全表面からの散乱光強度変化のみを
検出しているので、黒っぽい領域からの散乱光強度は弱
くなり、又巣の部分からの大量の散乱光は分散するため
に、CCDカメラで検知可能な散乱光はほとんど無く、
黒く結像され、よって黒っぽく変色した領域からの散乱
光の映像と巣の領域の黒っぽい映像との区別がつかなく
なり、CCDカメラによる方法では巣と黒変色した領域
を区別できない。又、CCDカメラによる撮影では、白
色電球などの光源を製品全体に照射するために、欠陥
部、特に微小欠陥部からの散乱光が、他の部分の散乱光
と干渉して確実に検出することが出来ず、感度が悪かっ
た。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題に鑑
み、欠陥部では散乱光強度が大きく、正反射光強度が小
さくなり、黒変色部では散乱、正反射光強度共に小さく
なることから、黒変色部と欠陥部における正反射光強度
に対する散乱光強度の比は顕著な差が得られることに着
眼し、光源から照射する探査光を測定対象物の表面に照
射し、これにより生ずる散乱光と正反射光を散乱光用及
び正反射光用受光素子で夫々受光すると共に、この受光
した2種類の散乱光強度及び正反射光強度の光信号を電
気信号に変換して、該電気信号をコンピュータで正反射
光強度に対する散乱光強度の比に演算処理することによ
り、従来のCCDカメラでは困難であった欠陥部と黒変
色部の識別を確実にする。又、光源をレーザー照射体と
成し、光拡散しないレーザー照射光により、欠陥部の径
よりも照射断面形状を小さくして、欠陥部の検出感度を
上昇させる。
【0005】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。1は本発明に係る欠陥検出装置であ
り、センサーヘッド部2とこれに接続して成る情報処理
手段3から構成されている。
【0006】センサーヘッド部2は、半導体レーザー等
のレーザー照射体から成る光源4と、直線状のシリコン
フォトダイオードアレイから成る2個の受光素子5、6
とを設けている。そして、光源4から照射するレーザー
光iは、その照射断面形状を走査方向Qに交叉する様に
細長にしている。レーザー照射体4は、その測定対象物
X(金属、鋳物製品)の表面上に照射断面が細長なレー
ザー光i(以下シート状レーザー光iと称する。)を入
射角θで照射する様に設けている。又、受光素子5、6
は、シート状レーザー光iを測定対象物Xの表面に照射
することにより生ずる2種類の反射光s、r、即ち散乱
反射光s(以下散乱光sと称する。)と正反射光rを夫
々受光するものにして、その一方を散乱光用受光素子5
とし、該散乱光用受光素子5を測定対象物Xの表面にお
いて、シート状レーザー光iの入射点Yに立てた法線N
上で散乱光sを受光する様に設けている。もう一方のそ
れを正反射光用受光素子6とし、該正反射光用受光素子
6を上記法線Nについてのレーザー照射体4との対称位
置に設置している。
【0007】散乱光用及び正反射光用受光素子5、6
は、以下の情報処理手段3、即ち増幅器7、必要なチャ
ンネルに対応したアナログ・デジタル変換器8(以下A
/Dコンバータ8と称する)を介して、コンピュータ9
に接続している。そして、所定の光強度Iiのシート状レ
ーザー光iを測定対象物Xの表面に照射することにより
生ずる散乱光sと正反射光rを散乱光用及び正反射光用
受光素子5、6が夫々受光し、この受光した2種類の光
信号(散乱光強度Is、正反射光強度Ir)を電気信号に変
換する。かかる受光、信号変換に際し、図3(a) 〜(c)
に示す様に、測定対象物Xの表面上における平滑な正常
部M、巣や傷などの欠陥部H、並びに鋳造時の温度差や
切削時の局所加熱によって生じる黒変色部Bの各領域に
応じ、2種類の反射光s、rは方向及び強度が相違する
ために、光信号に強弱が発生し、即ち電気信号(例えば
電圧)に強弱などの相違が発生する。そして、電気信号
を増幅器7で増幅させたこれらの電気信号をA/Dコン
バータ8でアナログ信号からデジタル信号に変換してコ
ンピュータ9に入力し、該コンピュータにより正反射光
強度Irに対する散乱光強度Isの比Is/Irを演算処理し、
その結果をグラフ化してコンピュータ9のディスプレイ
10上に出力する様に成している。尚、光源はレーザー照
射体4に限らず、白熱電球、蛍光灯、水銀ランプ、ハロ
ゲンランプ等でも良い。只、これらの照射光は、欠陥部
Hと黒変色部Bの識別には有効であるが、レーザー光と
は異なり光拡散するため、微小な欠陥部Hの検出には不
向きである。
【0008】次に、測定対象物Xの表面に照射したレー
ザー光iによって生じる散乱光強度Isと正反射光強度Ir
とこれらの比の関係について説明する。欠陥部Hではレ
ーザー照射光iが乱反射するため、正常部Mや黒変色部
Bに比し散乱光sの強度及び方向性が大きく、正反射光
rの強度及び方向性が極めて小さい。一方、黒変色部B
ではレーザー照射光iが色吸収されるため、正常部Mに
比し散乱光s及び正反射光rの強度及び方向性共に小さ
い。従って、測定対象物Xの表面上における各領域から
の散乱、正反射光強度Is、Irは図3(a) 〜(c) の様に、 Is(欠陥部H)>Is(正常部M、黒変色部B) Ir(正常部M)>Ir(黒変色部B)>Ir(欠陥部H) となり、欠陥部Hからの散乱光強度Isが最も大きくなる
ため、散乱光強度Isのみの測定からも欠陥部Hを検出し
得るが、ノイズ光等の問題を考慮すれば、確実に検出し
得るとは云えない。そこで、黒変色部Bと欠陥部Hの夫
々についての散乱光強度Isと正反射光強度Irの比Is/Ir
において、欠陥部Hでは散乱光強度Isが大きく、正反射
光強度Irが小さくなり、黒変色部Bでは散乱、正反射光
強度Is、Ir共に小さくなるので、 Is/Ir(欠陥部H)>>Is/Ir(黒変色部B) となり、黒変色部Bと欠陥部Hとの識別が更に顕著にな
る。この様に、単に散乱光sだけでなく基準光として正
反射光rも一緒に用い、散乱光強度Isと正反射光強度Ir
の比Is/Irを採る本発明がより高感度である(微小欠陥
部Hをも検出し得る)ことが定性的に理解できる。
【0009】次に、探査光であるシート状レーザー光i
の大きさについて説明する。シート状レーザー光iの幅
wは、欠陥部Hの最小径より小さいことが望ましく、シ
ート状レーザー光iの長さLは長い方が一度に測定対象
物Xの幅の走査が出来るので望ましい。しかし、シート
状レーザー光iの長さLをあまり長くすると感度が減少
するので、両者間の妥協点を見いだす必要がある。例え
ば、検出すべき大きさの欠陥部Hの直径を2mm以上と
し、長さL=10mm、幅w=0.5mmとしたシート状レ
ーザー光iの長さをL=5mmとすると感度が2倍以上に
上昇し、また、L=15mmとすると半分以下に減少する
ことがわかった。これはシート状レーザー光iからの散
乱光強度Isや正反射光強度Ir、それらの比Ir/Isの正常
部Mからの変化率は、シート状レーザー光iの照射面積
(正常部面積+欠陥部面積)に対する欠陥部面積に比例
することからも明かである。即ち、感度はレーザー照射
面積に対する欠陥部Hの面積に比例するので、レーザー
照射面積を欠陥部Hの面積の数倍程度以下に小さくすれ
ば原理的に任意に微小な欠陥部Hでも検出可能であるた
め、レーザー照射面積は欠陥部検出の観点からは小さい
ほど良く、一方実用面からはレーザー照射断面形状の幅
が一定であればその長さが小さくなり1度の走査で検出
し得る領域が小さくなるため、レーザー照射面積は大き
いほど良いので、対象とした大きさの欠陥部Hを確実に
検出し得る範囲で出来るだけ大きなレーザー照射面積を
利用するのが最適である。換言すれば、シート状レーザ
ー光iの照射断面は、検出すべき大きさの欠陥部Hの最
小径より幅wを小さくし、長さLをより伸ばす様に設定
し、この様に設定されたシート状レーザー光iであれ
ば、感度の上昇と1度の走査で幅広い検査が可能とな
る。例えば、シート状レーザー光iの長さLを10mm、
幅wを0.5mmとすれば、直径2mm以上の欠陥部Hを確
実に検出できる。
【0010】又、センサーヘッド部2は、レーザー照射
体4からのシート状レーザー光iで測定対象物Xの表面
全体を照射する必要があるため、測定に当たっては、セ
ンサーヘッド部2又は測定対象物Xを走査方向Qに移動
させる手段(図示せず)を設けている。又、レーザー照
射体4から照射されるシート状レーザー光iの長さLが
測定対象物Xの幅に対して短い場合には、その幅方向に
複数のセンサーヘッド部2を並列配置して、測定対象物
Xの幅にシート状レーザー光iの長さを対応させる。例
えば、測定対象物Xが円盤状のブレーキディスクなどで
は、かかる測定対象物Xを回転自在な回転台座(図示せ
ず)上に載置し、測定対象物Xの半径方向に、その長さ
に対応して所定数のセンサーヘッド部2を並列配置す
る。そして、回転台座を1回転させることにより測定対
象物Xの全表面をシート状レーザー光iが照射して、く
まなく検査できる。尚、シート状レーザー光iの長さが
測定対象物Xの半径に満たないセンサーヘッド部2を単
体で使用する場合、測定対象物Xの全面を走査するの
に、測定対象物Xの1回転毎にセンサーヘッド部2を半
径方向に移動させる別途移動手段(図示せず)を必要と
する。又、測定対象物Xが上記の様に円盤状でない場合
では、シート状レーザー光iの長さLを測定対象物Xの
幅に対応させた個数のセンサーヘッド部2をその幅方向
に並列配置して、測定対象物Xの長さ(走査)方向にセ
ンサーヘッド部2又は測定対象物Xを相対移動させる手
段を設けている。
【0011】次に本発明に係る表面欠陥検出方法につい
て説明する。レーザー照射体4からシート状レーザー光
iを測定対象物Xの表面に照射し、適宜移動手段により
センサーヘッド部2又は測定対象物Wを走査方向Qに移
動させ、シート状レーザー光iが測定対象物Wの表面全
体を照射する。シート状レーザー光iによって生ずる測
定対象物Wの表面各部の散乱光sと正反射光rを、散乱
光用及び正反射光用受光素子5、6が夫々受光し、この
受光した2種類の光信号(散乱光強度Is、正反射光強度
Ir)を電気信号に変換する。そして、これらの電気信号
を増幅器7で増幅させてA/Dコンバータ8でアナログ
信号からデジタル信号に変換し、コンピュータ9に入力
する。コンピュータにより正反射光強度Irに対する散乱
光強度Isの比Is/Irを演算処理し、その結果をグラフ化
してディスプレイ10上に出力する。黒変色部Bと欠陥部
Hの夫々についての散乱光強度Isと正反射光強度Irの比
Is/Irにおいて、欠陥部Hでは散乱光強度Isが大きく、
正反射光強度Irが小さくなり、黒変色部Bでは散乱光強
度Is、正反射光強度Ir共に小さくなるので、ディスプレ
イ10に出力されたIs/Irのグラフでは、欠陥部Hと黒変
色部Bの差が大きく表れ、その判別が可能となる。又、
微小欠陥部Hにおける散乱光強度Is又は正反射光強度Ir
では、信号に対する相対的な雑光成分が大きくなり、散
乱光強度Is又は正反射光強度Irのみからは微小欠陥部H
の検出が困難であるが、両者の比Is/Irにおいては、欠
陥部Hでは上記の通り散乱光強度Isが大きく、正反射光
強度Irが小さくなるので、信号対雑音比(S/N比)が
上昇し、微小欠陥部Hの検出が可能となる。
【0012】又、シート状レーザー光iの照射面積に対
する検出すべき大きさの欠陥部Hの面積の割合を大きく
することにより、即ちレーザー光iの照射断面の幅wを
上記欠陥部Hの径より極力小さくし、シート状レーザー
光iの長さLをある範囲内で伸ばすことにより、測定対
象物Xを検査することにより、検出すべき大きさ以上の
欠陥部Hの確実な検出と1度の走査で幅広い検査が可能
となる。
【0013】
【実施例】測定対象物Xは外径=200mm、内径120
mmのブレーキディスクで、この測定対象物Xを回転台座
に載置し、測定対象物Xを回転自在とした。ここで対象
としている検出すべき欠陥部Hの大きさは長径が2mm以
上であるので、予備的に測定対象物Xの表面には直径1
〜3mm、深さ1mm程度の穴をあけてそれを欠陥部Hとし
て代用した。又、焼き入れ時の黒変色部Bは油性インク
でマークして代用した。レーザー照射体4によるシート
状レーザー光iの照射断面は長さL=10mm、幅w=
0.5mmとした。散乱光用及び正反射光用受光素子5、
6には、長さ約20mmの直線状のシリコンフォトダイオ
ードアレイを用い、出来るだけ広範囲の散乱、正反射光
s、rを受光できる様にした。測定対象物Xの測定幅は
40mmのため、4個のセンサーヘッド部2を使用した。
尚、図4では1個のセンサーヘッド部2のみを示す。
又、ここでは8チャンネルのA/Dコンバーター8を用
いており、1つのシート状レーザー光iから2つの情報
(散乱光強度Is、正反射光強度Ir)を取り込んでいるの
で4箇所からの対情報を得ることが出来る。情報収集の
サンプリング周波数fは、そのサンプリングが欠陥部H
で必ず行わなければならないから、測定対象物Xの回転
速度(回転角速度:ω)、欠陥部Hの平均直径Φ、測定
対象物Xの半径Rとすれば、次の(1) 式で与えられる。 f=2Rω/Φ、ω=2π/T (1) ここに、Tはディスクの回転時間(1回転の時間)で、
いわば検出時間である。例えば、T=1s 、R=100
mm、Φ=2mmとすれば、(1) 式より f=628Hzとな
る。よって、情報収集のサンプリング周波数fを500
Hz以上にすれば、測定対象物Xの表面における2mm以上
の欠陥部Hの検出を数秒程度で行える。
【0014】図6〜8には種々穴径Φに対する結果、図
6に散乱光強度Is、図7に正反射光強度Ir、及び図8に
散乱光強度Isと正反射光強度Irの比Is/Irの1例を示
す。これらは直径Φ=1.0、1.3、1.7、2.0
及び3.0mmの合計5個の穴H1〜H5(これを欠陥部Hと
見立てている)に対する結果であるが、当然のことなが
ら欠陥部Hの穴径が大きくなると、散乱光sは比較的に
大きく、逆に正反射光rは小さくなっている。即ち、図
6及び図7から、これらのどちらを利用してもΦ=1.
7mm以上の欠陥部H3の検出は可能であることがわかる。
しかし、より小さな径の欠陥部Hを検出する場合には雑
光成分が大きくなり、その判別が困難になり、感度に限
界がある。この感度の上昇は探査光としてのシート状レ
ーザー光iの形状が決まっているので、この探査光でい
かに小さな欠陥部Hを検出できるかということで決ま
る。即ち、その径の欠陥部Hに対する信号対雑音比W
(=S/N比)で決まる。散乱光sのみの場合のWをW
S、正反射光rのそれをWr、それらの比を採った場合の
WをWtとすれば、同一の欠陥部Hに対して散乱光sは増
加し、正反射光rは減少するので、通信理論からWt=WS
×Wrとなる。例えば、Φ=3mmの欠陥部H5に対するW
は、図6〜8からWS=約5、Wr=約3、及びWt=約15
となって理論通りS/N比、即ち感度が上昇することが
わかる。この感度上昇の他の例は、Φ=1.3および
1.0mmの欠陥部H1、H2の検出を考えた場合、散乱光s
のみ、または正反射光rのみではS/N比の関係から困
難であるが(図6、7参照)、Is/Irのグラフ(図8)
からは比較的容易であることがわかる。このS/N比を
どの値に設定するかは検査の精度や安全性から決められ
るべきであるが、何れにしてもS/N比は高いほど良
い。
【0015】ここで、雑光成分として考えられるのは本
実施例で用いたブレーキディスク試料表面に多数の同心
円状の切削痕があり、正反射光rがある特定の方向に、
しかもそれがサンプリング毎に異なった方向に偏り、正
反射光rが必ずしも本来の鏡面反射方向へ反射しないこ
とである。特に、本実施例の場合、正反射光強度Irのみ
が、かなりの雑光成分を含んでおり、散乱光強度Isに
は、あまり含まれていないので、本方法の特徴である散
乱光強度Isと正反射光強度Irの比Is/Irを用いなくても
散乱光強度Isのみでそれが可能である。しかし、図6と
図7を比較すれば明らかな様に、欠陥部Hでは散乱光強
度Isは大きくなり、逆に正反射光強度Irは小さくなるの
で、その比Is/Irをとれば欠陥部Hの検出をより確実に
でき、又微小欠陥部Hをも検出し得るといった感度を上
昇させることが可能であることがわかる。
【0016】
【発明の効果】要するに本発明は、光源4から照射する
探査光iを測定対象物Xの表面に照射し、これにより生
ずる散乱光sと正反射光rを散乱光用及び正反射光用受
光素子5、6で夫々受光すると共に、この受光した2種
類の散乱光強度Is及び正反射光強度Irの光信号を電気信
号に変換して、該電気信号をコンピュータ9で正反射光
強度Irに対する散乱光強度Isの比Is/Irに演算処理した
ので、欠陥部Hの比Is/Irと黒変色部Bの比Is/Irの顕
著な差により、従来のCCDカメラでは困難であった欠
陥部Hと黒変色部Bとの確実で正確な識別や微小欠陥部
Hの高感度の検出が可能となり、測定対象物Xの良否判
定ができる。
【0017】光源をレーザー照射体4と成したので、そ
の照射光が光拡散しないため、照射断面形状の設定が容
易で、欠陥部Hの径よりも照射断面形状を小さく出来、
欠陥部Hの検出感度を上昇できる。
【0018】走査方向Qに交叉する様にレーザー光iの
照射断面形状を細長にしたので、1度の走査で幅広い検
査が出来、それだけ短時間で測定対象物Xの全面検査が
出来る。
【0019】走査方向Qにおける欠陥部Hの径よりレー
ザー光iの照射断面の幅wを小さくしたので、照射面積
に対する欠陥部Hの割合を大きくでき、微小な欠陥部H
の検出が可能であり、検出感度を上昇できる等その実用
的効果甚だ大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】表面欠陥検出装置のセンサーヘッド部による測
定原理概説図である。
【図2】シート状レーザー光の照射状態を示す図であ
る。
【図3】測定対象物表面上の正常部、黒変色部及び欠陥
部の各領域にレーザー光を照射したときの散乱光、正反
射光強度の相違を示す図である。
【図4】表面欠陥検出装置のセンサーヘッド部による測
定状態の1例を示す図である。
【図5】表面欠陥検出装置の情報処理システムのフロー
チャートである。
【図6】長さ10mm、幅5mmのシート状レーザー光によ
って測定された散乱光強度を示すグラフである。
【図7】同上シート状レーザー光によって測定された正
反射光強度を示すグラフである。
【図8】図7の反射光強度に対する図6の散乱光強度の
比を示すグラフである。
【符号の説明】
4 光源 5 散乱光用受光素子 6 正反射光用受光素子 9 コンピュータ B 黒変色部 H 欠陥部 i 探査光 s 散乱光 r 正反射光 Is 散乱光強度 Ir 正反射光強度 Is/Ir 正反射光強度に対する散乱光強度の比 X 測定対象物

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 探査光を照射する光源と、かかる探査光
    を測定対象物の表面に照射することにより生ずる散乱光
    と正反射光を夫々受光し、この受光した2種類の散乱光
    強度及び正反射光強度の光信号を電気信号に変換する散
    乱光用及び正反射光用受光素子と、上記電気信号を正反
    射光強度に対する散乱光強度の比に演算処理するコンピ
    ュータとから成ることを特徴とする表面欠陥検出装置。
  2. 【請求項2】 光源をレーザー照射体と成したことを特
    徴とする請求項1記載の表面欠陥検出装置。
  3. 【請求項3】 走査方向に交叉する様にレーザー光の照
    射断面形状を細長にしたことを特徴とする請求項2記載
    の表面欠陥検出装置。
  4. 【請求項4】 走査方向における欠陥部の径よりレーザ
    ー光の照射断面の幅を小さくしたことを特徴とする請求
    項2又は3記載の表面欠陥検出装置。
  5. 【請求項5】 光源から照射する探査光を測定対象物の
    表面に照射し、これにより生ずる散乱光と正反射光を散
    乱光用及び正反射光用受光素子で夫々受光すると共に、
    この受光した2種類の散乱光強度及び正反射光強度の光
    信号を電気信号に変換して、該電気信号をコンピュータ
    で正反射光強度に対する散乱光強度の比に演算処理した
    ことを特徴とする表面欠陥検出方法。
  6. 【請求項6】 光源をレーザー照射体と成したことを特
    徴とする請求項5記載の表面欠陥検出方法。
  7. 【請求項7】 走査方向に交叉する様にレーザー光の照
    射断面形状を細長にしたことを特徴とする請求項6記載
    の表面欠陥検出方法。
  8. 【請求項8】 走査方向における欠陥部の径よりレーザ
    ー光の照射断面の幅を小さくしたことを特徴とする請求
    項6又は7記載の表面欠陥検出方法。
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