(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査球体の表面性状を光学的に検査する球体表面検査装置において、
前記被検査球体を所定位置に保持しながら該被検査球体の中心を通る所定軸線の周りに回転させる被検査球体駆動手段と、
前記被検査球体の中心を通り、前記所定軸線と直交する直線上に射出点が配置されかつ制限された立体角の範囲内で前方に光を射出する光源と、
前記光源の射出点と前記被検査球体の中心とを結ぶ直線を中心とする１８０度以上に亘る円弧状の断面形状の内周面を有する反射手段を含み、前記光源から発せられて前記反射手段で反射された１８０度以上の帯状領域に亘る光を前記被検査球体の中心に向けて照射する光照射手段と、
前記被検査球体の表面における検査領域部分で反射されて再度前記反射手段で反射された反射光を所定光路に沿って導き、該導いた反射光の光量を検出する光量検出手段と、
前記検出された反射光の光量に基づき前記被検査球体の表面における検査領域部分の性状を判定する表面性状判定手段と
を備えることを特徴とする球体表面検査装置。
【請求項２】
前記光量検出手段は、検出する反射光を前記帯状領域の幅方向に対応する方向に関して規制を行うことを特徴とする請求項１記載の球体表面検査装置。
【請求項３】
前記光源は、レーザダイオードであり、該レーザダイオードの光軸は、光の射出点と前記被検査球体の中心とを結ぶ直線に対して傾きを持たせ、前記光量検出手段により検出される光の照度むらを低減してなる請求項１または２記載の球体表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼球等の被検査球体の表面性状を光学的に検査する球体表面検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の球体表面検査装置としては、図１７に示すように、１組の投光素子５１と受光素子５２とを等角度毎に半円周状に複数個配設してなる半円周アレイ５３を被検査球体である鋼球５４の周方向に設けると共に、支軸５５を中心にして前記鋼球５４を矢印Ｙ方向に回転させ、受光素子５２から出力される電気信号レベルに基づいて鋼球５４の表面性状を判定するようにしたものが知られている（以下、「第１の従来例」という）。
【０００３】
上記第１の従来例においては、図１８に示すように、投光素子５１から出射された光が鋼球５４の表面で反射され、この反射された光は、投光素子５１に対して一定角度αを成して配設されている受光素子５２に受光される。受光素子５２は、その受光した光をフォトダイオード等の光電変換素子（図示せず）により電気信号に変換し、増幅器及びゲイン調整回路等（図示せず）を経て出力する。受光素子５２から出力された信号のレベルは所定基準値と比較され、その比較結果に基づき鋼球５４の表面性状が判断される、すなわち、鋼球５４に傷等の欠陥が無いか否かが検査される。
【０００４】
また、球面表面検査装置の他の従来例としては、図１９に示すように、矢印Ｚ方向に回転している鋼球５４の表面に照明光５６（照明器等から射出される）を入射させると共に、該鋼球５４の表面から反射した反射光を凸レンズ５７を使用して集光させ、その像をＣＣＤ（電荷結合素子）等の光電変換素子５８に結像させたものが知られている（例えば、特開昭５６−５８６４３号公報、特開昭５６−５８６４４号公報；以下、「第２の従来例」という）。
【０００５】
上記第２の従来例においては、光電変換素子５８により光量を電気信号に変換し、該電気信号のレベルに基づいて球面の表面性状を判断する、すなわち、光電変換素子５８からの出力信号のレベルに基づき鋼球５４の欠陥の有無を検査する。また、上記第２の従来例では、鋼球５４に対し所定角度のスキュー回転を行うことにより、受光領域の小さな光電変換素子５８でも鋼球５４の全表面について表面性状を検査することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の従来例においては、鋼球５４の直径寸法（以下、「鋼球サイズ」という）に対して相対的に略同一感度でもって鋼球５４の表面性状を検査する必要があるため、鋼球サイズが変わる毎に鋼球５４の欠陥検出に対する感度調整を行わなければならないという問題点があった。すなわち、鋼球の欠陥に対してその許容可能な大きさは鋼球サイズに応じて異なり、鋼球サイズの小さな鋼球５４に対しては傷等の許容欠陥サイズを小さく設定する必要がある一方、鋼球サイズの大きな鋼球５４に対してはその許容欠陥サイズは鋼球サイズに応じて大きく設定してもよい。
【０００７】
そこで、従来においては歩留りの低下等を防止するため、鋼球サイズに応じた許容欠陥サイズを設定すべく鋼球サイズに応じた感度調整を行っていた。したがって、上記第１の従来例においては、光電変換素子の受光量を電気信号に変換する感度のバラツキの平衡化調整やその点検を鋼球サイズ毎に行う必要があり、装置のセッティングに非常に手間が掛るという問題点があった。
【０００８】
また、表面性状における欠陥の検出分解能を高めるためには、個々の受光素子５２の視野が狭くなるように該受光素子５２をできるだけ鋼球５４の表面に近付ける必要があるため、上記第１の従来例において鋼球サイズに適合した複数の円周アレイ５３を予め用意しておく必要があるという問題点があった。すなわち、円周アレイ５３を鋼球５４の表面にできるだけ近付けて該鋼球５４の表面性状を高精度に検査するためには、鋼球サイズに応じてピッチ円直径の異なる複数種の円周アレイ５３を製作し、該鋼球サイズに応じた所望の円周アレイ５３を選択して装置のセッティング等を行わなければならず、測定準備に手間と時間が掛るという問題点があった。
【０００９】
これに対し、第２の従来例においては、撮像光学系によって検査すべき鋼球の面間距離（鋼球５４とレンズ５７との第１の面間距離ａ及び凸レンズ５７と光電変換素子５８との第２の面間距離ｂ）及び像の倍率（ｂ／ａ）が決定されるので、鋼球サイズの異なる鋼球５４に対し第１の面間距離ａ及び第２の面間距離ｂとの相対距離が常に同一となるように調整することは比較的容易ではあるが、鋼球５４の表面を一様に照明して均一な明るさの像を得ることは困難である。すなわち、鋼球５４の表面に照明光が照射されても照明光の中心部とその周縁部とでは鋼球５４の表面に入射した後に該表面から反射する角度が大きく異なるため、周縁部の反射光がレンズ５７に入光し難くなり均一な明るさの像を得ることはできない。このため、図１８の二点鎖線ｂに示すように、照明光の光路上に拡散ガラス５９を設けて多方向から鋼球５４の表面を照射し、その反射光をあらゆる方向に散乱させて光電変換素子５８に結像させることが考えられる。
【００１０】
しかしながら、上記拡散ガラス５９を設けた場合は照明光が鋼球表面の広い範囲に亙って拡散されるため、凸レンズ５７の集光性が悪く、実質上広い範囲での鋼球表面を検査することは困難であるという問題点があった。
【００１１】
また、表面性状における欠陥の検出分解能を鋼球サイズに対応して変えることは、鋼球サイズに応じた凸レンズ５７を使用して光学系の倍率を変えることにより可能であるが、鋼球をスキュー回転させるためには、例えば、特公昭４２−１７６０８号公報に開示されているように、鋼球サイズやスキューの大きさに応じて製造された制御ローラを使用するか、或いは上記特開昭５６−５８６４３号公報に開示されているようなスキュー機構を設けなければならず、したがって鋼球サイズの変更に応じて一々部品の交換をしなければならず、上記第１の従来例と同様、装置のセッティング等に時間と手間が掛るという問題点があった。更に、これら部品と鋼球５４との接触により部品の磨耗や破損が生じてスキュー回転の不整を招来する虞があるため、鋼球５４の全表面積の検査結果に対して充分な保証をするためには人為的な注意深い管理が必要となる。さらに、例えば、直径１ｍｍ程度の小径の鋼球５４をスキュー回転させることができる制御ローラやスキュー機構は、実際的には生産技術上製造することが極めて困難である。すなわち、上記第２の従来例においては、回転制御機構の交換や保守、更には製造面の点で上述のような様々な問題点があった。
【００１２】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであって、被検査球体である鋼球の鋼球サイズに応じて光学系を変更することなく、被検査球体における全表面の性状を簡易且つ高精度に検査することができる球体表面検査装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１記載の発明は、被検査球体の表面性状を光学的に検査する球体表面検査装置において、前記被検査球体を所定位置に保持しながら該被検査球体の中心を通る所定軸線の周りに回転させる被検査球体駆動手段と、前記被検査球体の中心を通り、前記所定軸線と直交する直線上に射出点が配置されかつ制限された立体角の範囲内で前方に光を射出する光源と、前記光源の射出点と前記被検査球体の中心とを結ぶ直線を中心とする１８０度以上に亘る円弧状の断面形状の内周面を有する反射手段を含み、前記光源から発せられて前記反射手段で反射された１８０度以上の帯状領域に亘る光を前記被検査球体の中心に向けて照射する光照射手段と、前記被検査球体の表面における検査領域部分で反射されて再度前記反射手段で反射された反射光を所定光路に沿って導き、該導いた反射光の光量を検出する光量検出手段と、前記検出された反射光の光量に基づき前記被検査球体の表面における検査領域部分の性状を判定する表面性状判定手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項１記載の球体表面検査装置では、被検査球体を所定位置に保持しながら該被検査球体の中心を通る所定軸線の周りに回転させ、光源から発せられて反射手段で反射された１８０度以上の帯状領域に亘る光を被検査球体の中心に向けて照射し、被検査球体の表面における検査領域部分で反射されて再度反射手段で反射された反射光を所定光路に沿って導き、該導いた反射光の光量を検出し、検出された反射光の光量に基づき被検査球体の表面における検査領域部分の性状を判定するので、被検査球体への入射光の立体角は一定となり、被検査球体の鋼球サイズの変化に応じて部品交換等により光学系を変更して被検査球体への入射光の立体角を調整する必要がなくなり、測定準備に手間が掛からなくなるとともに、入射光の光軸を安定に保持した状態で被検査球体の検査を行うことができる。
【００１５】
また、被検査球体を所定位置に保持しながら所定軸の周りに回転させることによって被検査球体の全表面を光が走査するので、被検査球体をスキュー回転させる必要がなくなり、したがって従来のような制御ローラを使用する必要もなく、また回転数の不整が生じる虞のあるスキュー機構を使用する必要もなくなりかつ被検査球体を１回転で検査可能になり、小径の球体の検査を高速にかつ精度良く行うことができ、運転、保守共容易で安価な球体表面検査装置を得ることができる。
また、請求項２記載の球体表面検査装置では、さらに、光量検出手段が、検出する反射光を帯状領域の幅方向に対応する方向に関して規制を行うようにすることにより、傷等による明るさの低下の影響を相対的に上げることができ、検査精度をさらに向上させることができる。
また、請求項３記載の球体表面検査装置では、さらに、光源がレーザダイオードとし、レーザダイオードの光軸が、光の射出点と被検査球体の中心とを結ぶ直線に対して傾きを持たせ、光量検出手段により検出される光の照度むらを低減してなることにより、照度むらに起因する誤判定をより確実になくすことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の第１形態）
図１は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第１形態を模式的に示す全体構成図、図２は図１の球体表面検査装置の表面性状判定手段における入出力信号を示すタイミングチャート、図３は図１の球体表面検査装置の反射手段を形成する楕円鏡の内面所定領域を説明するための斜視図、図４は図１の球体表面検査装置における球体検査部の詳細構成図、図８は図１の球体表面検査装置におけるスリットと光検出素子の配置関係を示す図である。
【００１８】
球体表面検査装置は、図１に示すように、例えば７８０ｎｍの単波長を有するレーザ光を発するレーザダイオード（光の射出点の大きさが数μｍ程度の点光源）１と、レーザダイオード１に駆動信号を発する光源駆動手段２とを備える。レーザダイオード１は、その光の射出点が第１の焦点Ａと第２の焦点Ｂとを有する楕円１０の第１の焦点Ａ上に位置するようにかつ出射光束の光軸（中心軸）が楕円１０の長軸１１に一致するように配置されている。
【００１９】
レーザダイオード１からビームスプリッタ４を介して射出された出射光束は、反射手段７によって所定位置にある鋼球の被検査球体６上に導かれ、被検査球体６からの反射光束は反射手段７によってビームスプリッタ４及びスリット５を介して光検出素子３に導かれる。
【００２０】
反射手段７は、具体的には、第１の焦点Ａと第２の焦点Ｂとを有する楕円１０の長軸１１を回転して得られる曲面の一部、すなわち内面所定領域１２を鏡面とする楕円面鏡からなる。この内面所定領域１２は、具体的には図３に示すように、最終的に後述のスリット５を透過して光検出素子３に到達する光に対応する幅領域ｌより大きな幅領域Ｌを有する。すなわち、内面所定領域１２は、反射手段７から反射した放射光束が被検査球体６の上面側表面を走査するように図中の角度θが少なくとも１８０°、好ましくは２００°を有する鏡面領域に形成されている。
【００２１】
ビームスプリッタ４は、レーザダイオード１から射出された出射光束を透過させると共に、反射手段７から逆進する反射光束を反射させてスリット５を介して光検出素子３に供給するハーフミラーからなる。スリット５は半円環状の窓部を有し、光検出素子３の前方に配設されている。ビームスプリッタ４とスリット５との間には、所定の波長を有する反射光束を選択的に透過するフィルター１５が挿入されている。
【００２２】
ここで、楕円面鏡の形状、大きさを決める方法について詳述する。
【００２３】
一般によく知られているように、通常のレーザダイオード１においてその射出光束の中心軸に垂直な断面上での光の強度分布は、光束の中心で光強度が最大になり、該中心から周辺に向けて離れるに従い光強度が弱くなる二次のガウス分布に従うような分布となり、また、光軸に垂直な面において光強度が等しい点の分布は楕円曲線に沿った分布となる。従って、特定の光強度に対応する楕円の長軸が水平方向になるようにレーザダイオード１を配置した場合には、焦点Ａから上記内面所定領域１２を見込む角度より前記光強度の楕円の短軸方向の広がり角θｖ（図１（ｂ）に示す）の方が大きくなるように構成する。また、この構成の場合は、前記光強度の楕円の長軸方向の広がり角θｈ（図１（ａ）に示す）が上記見込み角度より十分に大きくなり、上記内面所定領域１２は射出光束の領域中に包含される。換言すれば、焦点Ｂを含み、楕円１０の長軸１１に垂直な面と所定内面領域１２との交線である円弧の半径をｒとし、焦点Ａ，Ｂ間の距離をＦとして、次の（１）式が成り立つように楕円１０を選定する。
【００２４】
ｒ／Ｆ＜ｔａｎθｖ                                        …（１）
また、楕円を次の（２）式で表すとすると、上記半径ｒおよび距離Ｆは次の（３），（４）式で表される。
【００２５】
【数１】
0003709950.tif 000002
ここでＫはパラメータであり、Ｋ＝ｂ／ａで表される。
【００２６】
よって、上記（１），（３），（４）式より次の（５）式の関係が得られ、この（５）式に短軸方向の広がり角θｖを与えることによって求められたパラメータＫを満足するように楕円１０を選定することも可能である。
【００２７】
【数２】
0003709950.tif 000003
実用上は、まず、上記の光の強度分布に対しどの程度までの強度低下を許容するかを決定し、この許容の程度に応じて短軸方向の広がり角θｖを決定する。次いで、この決定した広がり角θｖに基づき各寸法を定める。例えば、本実施の形態の場合では、光束中心における強度（最大強度）に対しその６０％の強度まで許容可能であることが確認され、これに対応する広がり角θｖが９°となったので、上記パラメータＫの値は０．５２より小さい値になる。ここで、Ｋ＝０．５とし、要求される半径ｒを１００ｍｍとすると、上記の式により、ｂ＝ｒ／Ｋ＝２００ｍｍ、ａ＝ｂ／Ｋ＝４００ｍｍとなる。なお、上記の例では、前記光強度の楕円の長軸が水平方向となるようにレーザダイオード１を配置した場合について説明したが、レーザダイオード１はその軸Ａ−Ｂの周りに任意の角度で設置することが可能である。
【００２８】
光検出素子３は上述した光路を経て得られる光量を検出し、検出した光量を光電変換によって対応するレベルの電気信号に変換するフォトダイオード等からなる。具体的には、図８に示すように、ビームスプリッタ４からの反射光束の内、スリット５の半円環状の窓部を通過した光（図中、斜線部で示す）のみが光検出素子３に入光して光検出素子３で光電変換される。光検出素子３からは検出した光量を示すＰＤ信号Ｓ１２が出力される。
【００２９】
光検出素子３から出力されたＰＤ信号Ｓ１２は表面性状判定手段８に与えられ、表面性状判定手段８は、光検出素子３のＰＤ信号Ｓ１２のレベルに基づき被検査球体６の表面性状を判定する。この表面性状判定手段８は、具体的には、ＰＤ信号Ｓ１２のレベルと基準信号Ｔのレベルとを比較し、その比較結果を示す欠陥検出信号Ｓ１４を出力する比較器８２を有し、この比較器８２からの欠陥検出信号Ｓ１４は判定回路８３に与えられる。判定回路８３は欠陥検出信号Ｓ１４に基づき被検査球体６の表面に傷などの欠陥があるか否かを判定し、その判定結果を示す判定信号Ｓ１５を制御装置（図示せず）に出力する。判定回路８３の判定処理動作はタイミング発生回路８１から出力されるリセットパルスＳ１３によって制御され、タイミング発生回路８１は制御装置から供給される指令信号Ｓ１１に基づきリセットパルスＳ１３を生成し、出力する。
【００３０】
この表面性状判定手段８においては、図２に示すように、まず、制御装置から判定開始を指示する“Ｈ”レベルの指令信号Ｓ１１がタイミング発生回路８１に供給される。タイミング発生回路８１は、“Ｈ”レベルの指示信号Ｓ１１を受けると、判定回路８３に保持されている判定信号Ｓ１５をクリアするためのリセットパルスＳ１３を出力する。
【００３１】
判定回路８３はリセットパルスＳ１３に基づき判定信号Ｓ１５を“Ｌ”レベルにクリアし、比較器８２からの欠陥検出信号Ｓ１４を監視する。
【００３２】
一方、比較器８２では、光検出素子３のＰＤ信号Ｓ１２のレベルと基準信号Ｔのレベルとを比較し、その比較結果を示す欠陥検出信号Ｓ１４を判定回路８３に出力する。例えば、図中のＫ時点において、被検査球体６の表面に欠陥があると、光検出素子３のＰＤ信号Ｓ１２のレベルが基準信号Ｔのレベルより小さくなり、そのことを示す欠陥検出信号Ｓ１４が出力される。この欠陥検出信号Ｓ１４によって、判定回路８３からは、レベルを“Ｈ”に保持した判定信号Ｓ１５が出力され、この判定信号Ｓ１５のレベルは次のリセットパルスＳ１３が入力されるまで保持される。
【００３３】
被検査球体６の上記所定位置への供給は、図１に示すように、球体検査部９によって行われる。球体検査部９は、被検査球体６の球心が楕円１０の第２の焦点Ｂ上となるように被検査球体６を所定位置に供給して被検査球体６を回転させると共に被検査球体６の表面性状に応じて被検査球体６を選別処理する。
【００３４】
具体的には、球体検査部９は、図４に示すように、矢印Ｄ方向に可動して被検査球体６を適宜衝止するストッパ２３と、被検査球体６を駆動ローラ２４（矢印Ｆ方向に回転する）に案内するガイド部材２５と、被検査球体６を駆動ローラ２４に保持して該被検査球体６を自転させる球体駆動手段２６と、表面性状判定手段８の判定信号Ｓ１５が示す判定結果に基づきヒンジ２７を矢印Ｅ方向に回動させて良品と不良品とを選別する選別手段２８とを有する。すなわち、球体検査部９においては、ストッパ２３の上方への可動により被検査球体６はガイド部材２５を経て駆動ローラ２４上に搬送され、球体駆動手段２６により被検査球体６が自転してその全表面の表面性状が表面性状判定手段８により判定される。そして、表面性状判定手段８の判定結果に基づきヒンジ２７は矢印Ｅ方向に適宜可動し、検査が終了した球体は良品収納部２９或いは不良品収納部３０のいずれか一方に収納される。
【００３５】
次に、上述の球体駆動手段２６の詳細構成について図５ないし図７を参照しながら説明する。図５は球体駆動手段の詳細を示す正面図、図６は球体駆動手段の詳細を示す平面図、図７は球体駆動手段の斜視図である。
【００３６】
球体駆動手段２６は、図５ないし図７に示すように、被検査球体６を遊嵌保持するＶ溝３１が形成され且つ不図示の駆動モータを介して矢印Ｆ方向に回転する上述の駆動ローラ２４と、両端が左右一対の軸受部３２ａ、３２ｂにより回転可能に軸支された丸棒形状の支持ローラ３３と、軸受部３２ａ、３２ｂを収納するアーム部３４と、アーム部３４の基端側に設けられたピボット３５とを有する。球体駆動手段２６においては、被検査球体６の検査時、駆動ローラ２４が矢印Ｆ方向に回転すると被検査球体６が駆動ローラ２４との摩擦力により矢印Ｇ方向に回転し、支持ローラ３３は矢印Ｈ方向に回転しながら被検査球体６を支持する。これにより、被検査球体６がその球心を第２の焦点Ｂ上に位置しながら自転するので、反射手段７からの全ての光が検査球体６に対して垂直に入射して被検査球体６の全表面積を走査し、被検査球体６の表面性状が検査される。そして、被検査球体６における表面性状の検査が終了するとピボット３５は矢印Ｋ方向に揺動し、被検査球体６は駆動ローラ２４から離脱して選択手段２８に送られる。尚、駆動ローラ２４は、被検査球体６の球心が保持されるべき位置（第２の焦点Ｂ）と駆動ローラ２４の回転中心を結ぶ直線上（矢印Ｌ方向）を移動可能とされ、鋼球サイズの異なる種々の被検査球体６に対して表面性状の検査が可能とされている。また、球体駆動手段２６においては、ピボット３５により被検査球体６の駆動ローラ２４への保持・離脱をサポートしているが、ピボット３５に代えて、移動ステージやその他の手法により被検査球体６の駆動ローラ２４への保持・離脱をサポートしてもよいのはいうまでもない。
【００３７】
このように構成された球体表面検査装置においては、図１に示すように、光源駆動手段２により発光量が制御されたレーザダイオード１から射出された出射光束は、ビームスプリッタ４を透過して反射手段７に向かい、さらに反射手段７で反射されて第２の焦点Ｂ上に保持された被検査球体６の表面における少なくとも自転軸との各交点を含む検査領域部分（略半円周にわたる帯状領域）に対し、すべての光が同時に被検査球体６の中心に向けて垂直に入射する。
【００３８】
このようにすべての光が同時に被検査球体６の中心に向けて入射するようになされているため、被検査球体６からの反射光から以下に述べる良品、不良品の選別を行うのに信頼性が高まる。しかも、入射光は、点光源と楕円鏡との組合せとし、可動部により走査をさせる等の手段を用いないため、より安定した入射光となる。
【００３９】
このようにして被検査球体６に垂直に入射した光束は、被検査球体６で反射され、表面にキズや汚れ等がない部分については入光経路を逆進し、再び反射手段７を経てビームスプリッタ４に戻り、その戻ってきた反射光束はビームスプリッタ４により直角方向に曲げられる。ビームスプリッタ４で直角方向に曲げられた反射光束はスリット５で選別され、スリット５の窓部を通過した光のみが光検出素子３に入光する。光検出素子３は受光した光を光電変換によりＰＤ信号Ｓ１２に変換し、そのＰＤ信号Ｓ１２を表面性状判定手段８に出力する。表面性状判定手段８では、ＰＤ信号Ｓ１２に基づき被検査球体６の欠陥の有無を判定し、その判定結果を示す判定信号Ｓ１５に基づき球体検査部９の選別手段２８によって被検査球体６の良品・不良品の選別が行われる。
【００４０】
すなわち、図８に示すように、ビームスプリッタ４からの反射光束の内、スリット５の半円環状の窓部を通過した光（図中、斜線部で示す）のみが光検出素子３に入光して該光検出素子３で光電変換される。被検査球体６の表面にキズや汚れ等の欠陥が存在する場合には、それらの部分からの反射光は散乱されてしまい、スリット５の窓部の面上にはこれら欠陥に対応する明暗パターンが形成されるため、スリット５を通過する光量は変化する。これらの光量の変化は光検出素子３によって検出され、その検出結果に基づき表面性状判定手段８により被検査球体６の表面性状の異常が判定される。
【００４１】
また、被検査球体６の鋼球サイズが変わる場合は、該鋼球サイズの大きさに応じて検出すべき欠陥の大きさの下限も比例して変更するのが望ましいが、本実施の形態では、被検査球体６をその球心が楕円１０の第２の焦点Ｂに一致するように保持するので、入射光束が被検査球体６の球心に向けて集光し、被検査球体６の鋼球サイズにかかわらず常に立体角が一定となり、種々の鋼球サイズを有する被検査球体６に対して部品交換等の煩わしさを極力回避することができるとともに、入射光束の光軸を安定に保持した状態で被検査球体６の検査を行うことができる。
【００４２】
さらに、被検査球体６を楕円１０の第２の焦点Ｂに保持しながら所定軸の周りに回転させることによって被検査球体６の全表面を光が走査するので、被検査球体６をスキュー回転させる必要がなくなり、したがって従来のような制御ローラを使用する必要もなく、また回転数の不整が生じる虞のあるスキュー機構を使用する必要もなくなり、小径の球体の検査を精度良く行うことができる。
【００４３】
さらに、ビームスプリッタ４からの反射光束の内、スリット５の半円環状の窓部を通過した光のみが光検出素子３に入光することにより、光検出素子３に入光する光はスリット５の窓部の半径方向幅に規制された光となるので、傷等による明るさの低下の影響を相対的に上げることができ、換言すれば傷等の検出感度を上げることができ、検査精度をさらに向上させることができる。なお、光検出素子３を数個組み合わせることにより、多少感度が上げられる。
【００４４】
（実施の第２形態）
次に、本発明の実施の第２形態について図９ないし図１１を参照しながら説明する。図９は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第２形態を模式的に示した全体構成図、図１０は図９の球体表面検査装置の表面性状判定手段における入出力信号を示すタイミングチャート、図１１は図１０の各主要信号におけるそれぞれのレベル変化を示す信号波形図である。
【００４５】
本実施の形態は、上述の実施の第１形態におけるスリット５と光検出素子３とを円形フォトダイオードアレイ素子（circular photodiode array ；以下、ＣＰＡという）に置き換えたものであり、本実施の形態では、上述の実施の第１形態と異なる構成部分について説明し、同じ構成部分についての説明は省略する。
【００４６】
本実施の形態は、図９（ａ）に示すように、ビームスプリッタ４で直角方向に曲げられた被検査球体６からの反射光量を検出するＣＰＡ３０を備える。ＣＰＡ３０は、図９（ｂ）に示すように、基板の一方の面に同一円周上に等角度間隔で配列されている複数のフォトダイオード３０ａを有する。各フォトダイオード３０ａが規定する受光領域は円環状の領域からなり、その領域の半径方向は各フォトダイオード３０ａの受光幅によって規定される。よって、各フォトダイオード３０ａが規定する受光領域の半径方向幅は上述の実施の第１形態のスリット５の窓部の半径方向幅に相当することになる。すなわち、半径方向幅の規制による検査精度の向上に加え、各フォトダイオード３０ａが各位置における光量を検出するため、上述の実施の第１形態よりさらに検査精度を向上させることができる。
【００４７】
各フォトダイオード３０ａは、受光した光量を検出し、その検出した光量を光電変換によって対応するレベルのＣＰＡ信号Ｓ２２に変換し、各フォトダイオード３０ａからのＣＰＡ信号Ｓ２２は時系列的に順次出力される。各フォトダイオード３０ａが規定する受光領域は円環状の領域からなるので、ＣＰＡ信号Ｓ２２は、実施の第１形態のスリット５の窓部の領域に相当するほぼ半円環状の領域（所定の角度範囲）に位置するフォトダイオード３０ａから出力された有効な信号と、他の領域部分に位置するフォトダイオード３０ａのそれぞれから出力された無効な信号すなわち雑音信号とからなる。
【００４８】
ＣＰＡ３０から出力されたＣＰＡ信号Ｓ２２は表面性状判定手段８０に与えられ、表面性状判定手段８０は、ＣＰＡ信号Ｓ２２のレベルに基づき被検査球体６の表面性状を判定する。この表面性状判定手段８０は、具体的には、ＣＰＡ信号Ｓ２２に含まれる有効な信号を取り出すためのゲート回路８４を有し、ゲート回路８４はタイミング発生回路８１からのゲート信号Ｓ２３に基づき所定角度範囲にあるフォトダイオード３０ａから出力された有効な信号を通過させ、無効な信号の通過を遮断する。ゲート回路８４を通過した有効なＣＰＡ信号Ｓ２２のレベルは比較器８２で基準信号ＴのレベルＴと比較され、その比較結果は欠陥検出信号Ｓ２５として出力される。欠陥検出信号Ｓ２５は判定回路８３に与えられ、判定回路８３は欠陥検出信号Ｓ２５に基づき被検査球体６の表面に傷などの欠陥があるか否かを判定し、その判定結果を示す判定信号Ｓ２６を制御装置（図示せず）に出力する。判定回路８３の判定処理動作はタイミング発生回路８１から出力されるリセットパルスＳ２４によって制御され、タイミング発生回路８１は制御装置から供給される指令信号Ｓ２１に基づきゲート信号Ｓ２３及びリセットパルスＳ２４を生成し、出力する。
【００４９】
この表面性状判定手段８０においては、図１０に示すように、まず、制御装置から判定開始を指示する“Ｈ”レベルの指令信号Ｓ２１がタイミング発生回路８１に供給される。タイミング発生回路８１は、“Ｈ”レベルの指示信号Ｓ１１を受けると、判定回路８３に保持されている判定信号Ｓ１５をクリアするためのリセットパルスＳ２４を出力するとともに、ＰＤ信号Ｓ２２に含まれる有効な信号を取り出すためのパルス幅を有するゲート信号Ｓ２３を出力する。
【００５０】
判定回路８３はリセットパルスＳ２４に基づき判定信号Ｓ２６を“Ｌ”レベルにクリアし、比較器８２からの欠陥検出信号Ｓ２５を監視する。
【００５１】
一方、ゲート回路８４では、図１０及び図１１に示すように、ゲート信号Ｓ２３のパルス幅に相当する期間ＣＰＡ信号Ｓ２２を通過させ、即ち有効な信号を通過させる。ゲート回路８４を通過した有効なＣＰＡ信号Ｓ２２のレベルは、図１１（ｃ）に示すように、比較器８２で基準信号Ｔのレベルと比較され、その比較結果が欠陥検出信号Ｓ２５として判定回路８３に出力される。例えば、図１０及び図１１中のＫ時点において、被検査球体６の表面に欠陥があると、ＣＰＡ３０のＣＰＡ信号Ｓ２２のレベル（図中のＫ点）が基準信号ＴのレベルＴより小さくなり、図１０及び図１１（ｄ）に示す欠陥検出信号Ｓ２５が出力される。この欠陥検出信号Ｓ２５によって、判定回路８３からは、図１０に示すように、レベルを“Ｈ”に保持した判定信号Ｓ２６が出力され、この判定信号Ｓ２６のレベルは次のリセットパルスＳ２４が入力されるまで保持される。
【００５２】
（実施の第３形態）
次に、本発明の実施の第３形態について図１２を参照しながら説明する。図１２は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第３形態における主要部を模式的に示す図である。
【００５３】
本実施の形態は、上述の各実施の形態における点光源を構成するレーザダイオードを、レーザ光源を用いた点光源に置き換えたものである。
【００５４】
具体的には、図１２に示すように、レーザ光源１ａと、レーザ光源１ａから発するレーザ光を集光するための集光レンズ１ｂと、該集光レンズ１ｂにより集光される焦点位置に配置され、集光レンズ１ｂで集光されたレーザ光束を点光源としてみなし得る大きさ（数μｍ）に規制して通過させるためのピンホールが設けられている部材１ｃとから構成される点光源を用いている。このように構成された点光源を上述の各実施の形態で用いられているレーザダイオードに置き換えて使用することが可能である。この構成においては、部材１ｃはそのピンホールの中心位置が楕円の焦点位置（実施の第１形態における焦点位置Ａ）に一致するように配置されている。
【００５５】
（実施の第４形態）
次に、本発明の実施の第４形態について図１３および図１４を参照しながら説明する。図１３は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第４形態における被検査球体表面からの反射光束のスリット位置での特性を示す図、図１４は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第４形態におけるレーザダイオードのチルト機構の構成を示す図であり、同図（ａ）はレーザダイオードのチルト機構の構成を示す平面図、同図（ｂ）はレーザダイオードのチルト機構の構成を示す側面図である。
【００５６】
本実施の形態は、上述の実施の第１または第２形態に対し、点光源を構成するレーザダイオードをその出射光束の光軸が反射手段の楕円の長軸に対し所定の角度で傾斜するように配置している。
【００５７】
具体的には、図１３（ａ）に示すように、レーザダイオードの射出光束は、楕円の断面形状を有し、その光強度は２次のガウス分布を示す。このようなレーザダイオードの射出光束に対し、図１３（ｂ）に示すような、その射出光束の断面と同心の半円環状に形成されたスリットを配置したときに透過する光量分布は、図１３（ｃ）に示すように、０°から１８０°の角度範囲で９０°付近で低下し、被検査球体の検査領域部分において角度によって異なる強度でレーザ光が照射されることになる。
【００５８】
そこで、本実施の形態では、図１３（ｄ）に示すように、被検査球体の検査領域部分にレーザ光を均一な強度で照射するために、その射出光束の光軸中心がその断面の短軸方向に半円環状に形成されたスリットに到達する位置においてスリットから偏心して配置するように構成している。このように構成することによって、図１３（ｅ）に示すように、そのスリットを透過したときに得られる光量分布は、０°から１８０°の角度範囲で略均一になる。上記の第１及び第２の実施形態においては、レーザダイオード出射光軸を楕円の長軸１１に一致させたが、出射光軸を上記偏心量に対応する所定の角度だけ傾けることによって図１３（ｄ）の状態を作ることができ、従って、被検査球体の検査領域部分にレーザ光を略均一な強度で照射することが可能になり、照度むらに起因する誤判定をより確実になくすことができる。また、同じ強度差を許容するとして上記第１及び第２の実施の形態の構成と比較すると、楕円面鏡を規定する楕円の長径及び短径（すなわち焦点ＡとＢの距離）を上記第１及び第２の実施の形態の構成に比して小さく設定することができ、装置の小型化、高精度化を図ることができる。
【００５９】
以上を考慮すれば、前述の（１）式または（５）式は、上述した出射光軸の傾き角に対応する光量検出手段の位置での光軸中心の偏心量を考慮し補正したものとなる。
【００６０】
次に、レーザダイオードの出射光軸を上記偏心量に対応する所定の角度だけ傾けるためのチルト機構の構成について図１４を参照しながら説明する。
【００６１】
このチルト機構は、図１４に示すように、レーザダイオード１を保持するためのスタンド１０１を有する。スタンド１０１は、支持面に置かれる底板１０１ａと、底板１０１ａから垂直に立ち上がる前板１０１ｂと、底板１０１ａから垂直に立ち上がり、前板１０１ｂと共働して水平方向断面のコ字状の空間を形成する一対の側板１０１ｃとから構成されている。
【００６２】
側板１０１ｃの一方と他方とは互いに対向するように配置され、それぞれの間には回転板１０２が挿入されている。回転板１０２には、レーザダイオード１を保持し、レーザダイオード１からの出射光を通す開口部１０２ａが形成されているとともに、レーザダイオード１の射出点Ｏを通り底板１０１ａに平行に伸びる軸線と同軸の１対の枢軸１０２ｂが設けられている。各枢軸１０２ｂは対応する側板１０１ｃに向けてそれぞれ突出し、対応する側板１０１ｃにその軸線の周りに回転可能に支持されている。回転板１０２は各枢軸１０２ｂの周りに回転し、その回転角度は前板１０１ｂに取り付けられた送りねじ１０３の送り量に応じて調整される。送りねじ１０３は前板１０１ｂから回転板１０２に向けて突出し、その先端部分は回転板１０２に固定されたストッパ１０４の先端部１０４ａに各ばね１０５のばね力で突き当てられている。各ばね１０５の一端は前板１０１ａに、その他端は回転板１０２にそれぞれ固定されている。
【００６３】
このような構成を有するチルト機構は、初期時には、ダイオードレーザ１の射出点Ｏが反射手段の楕円の焦点（実施の第１形態では焦点Ａ）に一致するようにかつその出射光束の光軸が反射手段の楕円の長軸に対し所定の初期角度をなすように所定の支持面に設置される。次いで、被検査球体の検査領域部分にレーザ光をできるだけ均一な強度で照射するために、上記偏心量に対応する所定の角度だけ傾ける調整作業が行われる。この調整作業では、送りねじ１０３を回転板１０２に向けて送る。この送りねじ１０３の送りに伴い送りねじ１０３が各ばね１０５のばね力に抗しながらストッパ１０４の先端部１０４ａを押すことにより、回転板１０２は枢軸１０２ｂを中心に送りねじ１０３の送り量に応じた角度分回転される。このように送りねじ１０３の送り量に応じて回転板１０２が回転され、この回転板１０２の回転に伴いレーザダイオードの出射光束の光軸が反射手段の楕円の長軸に対し傾斜される。送りねじ１０３が所定量送られる毎にすなわちこの送り量に応じてその出射光束の光軸が傾斜される毎に光検出素子の位置（実施の第１形態の光検出素子３の位置）で照度測定を行い、この照度測定の結果により被検査球体の検査領域部分にレーザ光を均一な強度で照射することが確認されると、出射光束の光軸が上記偏心量に対応する角度で傾斜されたことになり、調整作業が完了する。
【００６４】
なお、点光源として、上述の実施の第３形態のものや、レーザダイオードとマイクロレンズや補正用光学系との組合せにより光軸に垂直な平面での光強度の等しい部分の分布が円形とされたもの（市販されている）を採用した場合は、本実施の形態のように光軸を傾ける必要がなくなることはいうまでもない。
【００６５】
（実施の第５形態）
次に、本発明の実施の第５形態について図１５を参照しながら説明する。図１５は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第５形態における光量検出手段の構成を模式的に示す図である。
【００６６】
本実施の形態は、上述の実施の第２形態におけるＣＰＡを、光ファイバーと、ＣＰＡに比べ安価なリニアイメージセンサとの組合せを用いた光量検出手段に置き換えたものである。
【００６７】
本実施の形態に用いられている光量検出手段は、図１５（ａ）に示すように、複数の光ファイバーが束ねられているファイバー束４０を有し、ファイバー束４０の一端側は各光ファイバーが半円環状に配列するように束ねられ、その他端側が各光ファイバーが直線状に配列するように束ねられている。このように構成されたファイバー束４０では、一端で捕らえた半円環状の像（被検査球体からの反射光）を他端側で細長い帯状の像に変換して出力する。
【００６８】
ファイバー束４０の他端側から出力された像は、光学レンズ４２でリニアイメージセンサ４１の撮像面に結像され、リニアイメージセンサ４１はファイバー束４１の他端側から出力された像を光電変換によって電気信号に変換して出力する。すなわち、被検査球体からの反射光量が電気信号として出力されることになり、その電気信号の出力はＣＰＡと同様に行われる。
【００６９】
なお、多少のボケを許容するならば、光学レンズ４２を用いずに、ファイバー束４０の他端近傍にリニアイメージセンサ４１を配置し、ファイバー束４０の他端から出力された像をリニアイメージセンサ４１で直接撮像することも可能である。
【００７０】
また、上述の光量検出手段に代わる他の検出手段として、図１５（ｂ）に示すように、複数の光ファイバーが束ねられているファイバー束４４を有し、ファイバー束４４はスピンドルの回転軸４３内に挿通されている。ファイバー束４４の一端は回転軸４３の軸線に対し偏心した位置から回転軸４３の一端側に露出され、その他端は回転軸４３の軸線上の位置から回転軸４３の他端側に露出されている。
【００７１】
このようにスピンドルの回転軸４３内に挿入されたファイバー束４０では、一端で被検査球体からの反射光を受光し、他端側から受光した光をスピンドルの回転軸４３の軸線方向に射出する。ファイバー束４４の他端側から射出された光量は、光検出素子３で検出される。被検査球体の検査時、スピンドルの回転軸４３は回転され、その回転軸４３の回転に伴いファイバー束４４の一端は、回転軸４３の軸線を中心として半径ｄの円周上を移動する。このファイバー束４４の一端の移動によって被検査球体の表面に対する走査が行われることになり、光検出素子３からはファイバー束４４の走査によって得られた光量に対応する検出信号が出力される。
【００７２】
（実施の第６形態）
次に、本発明の実施の第６形態について図１６を参照しながら説明する。図１６は本発明に係る球体表面検査装置の実施の第６形態を模式的に示す全体構成図であり、同図（ａ）は本実施の形態における球体表面検査装置の構成を示す平面図、同図（ｂ）はその球体表面検査装置の構成を示す側面図である。
【００７３】
本実施の形態は、上述の実施の第１または第２形態における楕円鏡からなる反射手段７を、コリメートレンズ４４と放物面鏡４５とに置き換えたものである。具体的には、図１６に示すように、コリメートレンズ４の焦点位置Ａにあるレーザダイオード１から、ビームスプリッタ４を介して射出された出射光束は、コリメートレンズ４４で平行光束に変換された後に放物面鏡４５に導かれる。コリメートレンズ４４と放物面鏡４５との距離は自由に設定することができる。
【００７４】
放物面鏡４５は、放物線４６を軸１１の周りに回転させることによって得られる放物面の内面所定領域４７を鏡面として有し、その焦点位置Ｂには球心を一致させた被検査球体６が球体検査部９によって保持される。
【００７５】
コリメートレンズ４４から射出された平行光束は放物面鏡４５で反射され、その反射光束は、焦点Ｂ上に保持された被検査球体６の表面における少なくとも自転軸との各交点を含む検査領域部分に対し、被検査球体６の中心に向けて垂直に入射する。
【００７６】
このようにして被検査球体６に垂直に入射した光束は、被検査球体６で反射され、表面にキズや汚れ等がない部分については入光経路を逆進し、再び放物面鏡４５およびコリメートレンズ４４を経てビームスプリッタ４に戻り、その戻ってきた反射光束はビームスプリッタ４により直角方向に曲げられる。ビームスプリッタ４で直角方向に曲げられた反射光束はスリット５で選別され、スリット５の窓部を通過した光のみが光検出素子３に入光する。以下、実施の第１形態と同様な処理が行われ、光検出素子３の検出結果に基づき球体検査部９によって被検査球体６の良品・不良品の選別が行われる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の球体表面検査装置によれば、被検査球体への入射光の立体角は一定となり、被検査球体の鋼球サイズの変化に応じて部品交換等により光学系を変更して被検査球体への入射光の立体角を調整する必要がなくなり、測定準備に手間が掛からなくなるとともに、入射光の光軸を安定に保持した状態で被検査球体の検査を行うことができる。
【００７８】
また、被検査球体を所定位置に保持しながら所定軸の周りに回転させることによって被検査球体の全表面を光が走査するので、被検査球体をスキュー回転させる必要がなくなり、したがって従来のような制御ローラを使用する必要もなく、また回転数の不整が生じる虞のあるスキュー機構を使用する必要もなくなり、小径の球体の検査を精度良く行うことができ、運転、保守共容易で安価な球体表面検査装置を得ることができる。
請求項２記載の球体表面検査装置によれば、光量検出手段が、検出する反射光を帯状領域の幅方向に対応する方向に関して規制を行うようにすることにより、傷等による明るさの低下の影響を相対的に上げることができ、検査精度をさらに向上させることができる。
請求項３記載の球体表面検査装置によれば、光源がレーザダイオードとし、レーザダイオードの光軸が、光の射出点と被検査球体の中心とを結ぶ直線に対して傾きを持たせ、光量検出手段により検出される光の照度むらを低減してなることにより、照度むらに起因する誤判定をより確実になくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第１形態を模式的に示す全体構成図である。
【図２】図１の球体表面検査装置の表面性状判定手段における入出力信号を示すタイミングチャートである。
【図３】  図１の球体表面検査装置の反射手段を形成する楕円鏡の内面所定領域を説明するための斜視図である。
【図４】図１の球体表面検査装置における球体検査部の詳細構成図である。
【図５】球体駆動手段の詳細を示す正面図である。
【図６】球体駆動手段の詳細を示す平面図である。
【図７】球体駆動手段の斜視図である。
【図８】図１の球体表面検査装置におけるスリットと光検出素子の配置関係を示す図である。
【図９】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第２形態を模式的に示した全体構成図である。
【図１０】図９の球体表面検査装置の表面性状判定手段における入出力信号を示すタイミングチャートである。
【図１１】図１０の各主要信号におけるそれぞれのレベル変化を示す信号波形図である。
【図１２】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第３形態における主要部を模式的に示す図である。
【図１３】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第４形態における被検査球体表面からの反射光束のスリット位置での特性を示す図である。
【図１４】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第４形態におけるレーザダイオードのチルト機構の構成を示す図である。
【図１５】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第５形態における光量検出手段の構成を模式的に示す図である。
【図１６】本発明に係る球体表面検査装置の実施の第６形態を模式的に示す全体構成図である。
【図１７】球体表面検査装置の第１の従来例を模式的に示す要部概念図である。
【図１８】図１７のＸ矢視図である。
【図１９】球体表面検査装置の第２の従来例を模式的に示す要部概念図である。
【符号の説明】
１  レーザダイオード（光源）
３  光検出素子（光量検出手段）
５  スリット
６  被検査球体
７  反射手段
８，８０  表面性状判定手段
９  球体検査部
１２  内面所定領域
２６  球体駆動手段
４０，４４  ファイバー束
４１  リニアイメージセンサ
４２  対物レンズ
４４  コリメートレンズ
４５  放物面鏡
【図１】
0003709950.tif 000004
【図２】
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【図３】
0003709950.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003709950.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003709950.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
0003709950.tif 000018
【図１６】
0003709950.tif 000019
【図１７】
0003709950.tif 000020
【図１８】
0003709950.tif 000021
【図１９】
0003709950.tif 000022