(57)【要約】【課題】  微細な異結晶部の検出が可能な一方向性凝固物の異結晶検査装置および検査方法を提供する。【解決手段】  一方向性凝固物のうち検査対象領域１０２に対して光を照射するための照明部３と、検査対象領域１０２を撮像するための撮像部２と、 検査対象領域１０２、照明部３および撮像部２を含む第１平面に直交する第２平面に前記光の照射方向Ｄを投影したときにおける、検査対象領域１０２を中心とした照射方向Ｄの回転角度φを変化させるように構成するとともに、撮像部２によって得られた回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて、検査対象領域１０２内における異結晶部を特定するための異結晶特定部５１とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向性凝固物の異結晶検査装置であって、
前記一方向性凝固物のうち検査対象領域に対して光を照射するための照明部と、
前記検査対象領域を撮像するための撮像部と、
前記検査対象領域、前記照明部および前記撮像部を含む第１平面に直交する第２平面に前記光の照射方向を投影したときにおける、前記検査対象領域を中心とした前記照射方向の回転角度φを変化させるように構成された照射方向変更部と、
前記撮像部によって得られた前記回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて、前記検査対象領域内における異結晶部を特定するための異結晶特定部とを備えるとともに、
前記異結晶特定部は、前記複数の画像データを用いて各画素に関して高速フーリエ変換を行うことで第１〜第ｎ次の高調波成分を求めるとともに、前記第１〜第ｎ次の高調波成分を振幅成分と位相成分とにそれぞれ分離して前記第１〜第ｎ次の高調波成分の前記振幅成分と前記位相成分とで特定されるベクトルを求め、さらに前記第１〜第ｎ次高調波成分のそれぞれにおいて、特定の画素と、その周辺部の画素との間での前記ベクトルの差に基づき前記異結晶部を特定するものであることを特徴とする一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項２】
前記異結晶特定部は、前記ベクトルの差の演算を、前記特定の画素が存在する中心部とその周りを取囲む周辺部とを規定するフィルタサイズを規定して行うことを特徴とする請求項１に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項３】
前記異結晶特定部は、前記ベクトルの差を、前記振幅と位相の２乗平均である輝度に基づき演算することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項４】
前記異結晶特定部は、前記第１〜第ｎ次の高調波成分に基づく前記ベクトルの差のうちのいずれか一つが所定の閾値を越えた場合に前記異結晶部であると判定するものであることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項５】
前記照射方向変更部は、
前記一方向性凝固物の前記検査対象領域を取り囲むように設けられ、前記第２平面内において前記検査対象領域の周りにて前記照明部が回動するための軌道を形成する第１環状軌道部を含み、
前記照明部は、前記回転角度φが変化するように前記第１環状軌道部に沿って前記検査対象領域の周りを移動可能に構成されたものであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項６】
複数の前記照明部が、前記撮像部を取り囲むように配列されており、かつ各々の前記照明部が互いに独立して点灯可能であり、
前記照射方向変更部は、複数の前記照明部のうち点灯される照明部を切り替えることで、前記回転角度φを変化させるように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項７】
前記照射方向変更部は、前記撮像部を取り囲むように設けられ、前記撮像部に対して固定された第２環状軌道部を含み、前記照明部は、前記回転角度φが変化するように前記第２環状軌道部に沿って前記撮像部の周りを移動可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項８】
複数の前記照明部が半球面に沿って配置されたドーム照明装置をさらに備え、
前記ドーム照明装置の各々の前記照明部は、互いに独立して点灯可能であり、
前記照射方向変更部は、前記半球に沿って配置された複数の前記照明部のうち点灯される照明部を切り替えることで、前記回転角度φを変化させるように構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項９】
前記撮像部は、前記第１平面または前記第２平面内において移動可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項１０】
前記照明部および前記撮像部が取り付けられたロボットアームをさらに備えることを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項１１】
前記照射方向変更部は、
前記回転角度φに加えて、前記第１平面内における前記検査対象領域を中心とした前記照射方向の傾き角度θを変化させるように構成され、
前記異結晶特定部は、前記撮像部によって得られた前記傾き角度θおよび前記回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて前記異結晶部を特定するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【請求項１２】
一方向性凝固物の異結晶検査方法であって、
前記一方向性凝固物のうち検査対象領域に対して照明部を介して光を照射する光照射ステップと、
前記検査対象領域を撮像部で撮像して前記検査対象域の画像データを収集する撮像ステップと、
前記検査対象領域、前記照明部および前記撮像部を含む第１平面に直交する第２平面に前記光の照射方向を投影したときにおける、前記検査対象領域を中心とした前記照射方向の回転角度φを変化させる照射方向変更ステップと、
前記撮像ステップにより得られた前記回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて、前記検査対象領域内における異結晶部を特定するための異結晶特定ステップとを備えるとともに、
前記異結晶特定ステップでは、前記複数の画像データを用いて各画素に関して高速フーリエ変換を行うことで第１〜第ｎ次の高調波成分を求めるとともに、前記第１〜第ｎ次の高調波成分を振幅成分と位相成分とにそれぞれ分離して前記第１〜第ｎ次の高調波成分の前記振幅成分と前記位相成分とで特定されるベクトルを求め、さらに前記第１〜第ｎ次高調波成分のそれぞれにおいて、特定の画素と、その周辺部の画素との間での前記ベクトルの差に基づき前記異結晶部を特定することを特徴とする一方向性凝固物の異結晶検査方法。
【請求項１３】
前記異結晶特定ステップでは、前記ベクトルの差の演算を、前記特定の画素が存在する中心部とその周りを取囲む周辺部とを規定するフィルタサイズを規定して行うことを特徴とする請求項１２に記載の一方向性凝固物の異結晶検査方法。
【請求項１４】
前記異結晶特定ステップでは、前記ベクトルの差を、前記振幅と位相の２乗平均である輝度に基づき演算することを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の一方向性凝固物の異結晶検査方法。
【請求項１５】
前記異結晶特定部では、前記第１〜第ｎ次の高調波成分に基づく前記ベクトルの差のうちのいずれか一つが所定の閾値を越えた場合に前記異結晶部であると判定することを特徴とする請求項１２〜請求項１４の何れか一項に記載の一方向性凝固物の異結晶検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一方向性凝固物の異結晶検査装置および検査方法に関し、一方向性凝固鋳造物における異結晶部の検出に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
効率向上の観点から、ガスタービンや航空機エンジンでは燃焼ガスの高温化が進んでいる。これに伴い、高温に耐え得るタービン翼の材料として、一方向性凝固鋳造物が提案されている。この種の一方向性凝固鋳造物では、鋳造後の凝固冷却時に鋳型の拘束に起因した鋳造ひずみが発生し、異結晶部（再結晶部）が発生することがある。一方向性凝固鋳造物における異結晶部は、強度が小さく、亀裂発生の要因となるため、タービン翼の疲労強度低下を招く可能性がある。そこで、一方向性凝固物における異結晶部を検出可能な検査方法が種々提案されている。
【０００３】
特許文献１には、結晶方位に応じた超音波の伝播速度差を利用し、単結晶材料の異結晶域を検出する方法が開示されている。具体的には、単結晶材料からなる被検査体の表面から超音波を入射し、裏面からの反射波を検出する。そして、２箇所以上において、超音波入射から裏面反射波の検出までの時間を計測する。こうして得られた２箇所以上における前記時間の差に基づいて、異結晶域の存在を検知する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３００３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、ある程度大きな異結晶域の存在を検出することはできるが、微細な異結晶部の検出は難しいという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、微細な異結晶部の検出が可能な一方向性凝固物の異結晶検査装置および検査方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する異結晶検査装置として、本願出願人による先願発明である特願２０１５−０６９９０５（平成２７年３月３０日出願、以下、単に先願という）が存在する。これは、一方向性凝固物の所定の検査対象領域に光を照射した場合、健全な結晶部分と異結晶部分とでは光の反射方向が異なるという現象を利用するものである。
【０００８】
図１は上記現象を利用して一方向性凝固物の異結晶部分を検出する先願に係る異結晶検査装置の構成を概念的に示す模式図である。同図に示すように、異結晶検査装置１は、基本的に検査対象領域１０２を撮像するための撮像部２と、検査対象領域１０２に光を照射するための照明部３とを有している。ここで、照明部３は撮像部２の光軸である撮像方向Ｃ（図では検査対象面に対する垂線）の周りを同じ姿勢で回転し、各回転位置で検査対象領域１０２の画像を撮像する。
【０００９】
さらに詳言すると、撮像部２は、一方向性凝固物１００のうち検査対象領域１０２を撮像して、複数の画像データを取得するが、かかる画像データは、図２に示すように、検査対象領域１０２、撮像部２および照明部３を含む第１平面Ｍに直交（ここでは、撮像方向Ｃに垂直）する第２平面Ｎに光の照射方向Ｄ１を投影したときにおける、検査対象領域１０２を中心とした照射方向（以下、投影照射方向と称する）Ｄ１’の回転角度φを逐次変化させて得る。すなわち、例えば照射方向変更前の照明部３の照射方向Ｄ１を第２平面Ｎに投影したとき、投影照射方向Ｄ１’が規定される。また、照射方向変更後の照明部３’の照射方向Ｄ２を第２平面Ｎに投影したとき、投影照射方向Ｄ２’が規定される。このように、照明部３の回転角度φは、第２平面Ｎにおいて、照射方向変更前の投影照射方向Ｄ１’と、照射方向変更後の投影照射方向Ｄ２’とで挟まれる角度となる。照明部３の回転の際には、回転角度φが０度を超える値となるように、照明部３の照射方向Ｄ１を照射方向Ｄ２へ変更する。
【００１０】
図３（ａ）は、検査対象領域１０２のうち周囲部（健全部である周囲母材部部）１０３に対して照明部３により光を照射した状態で、撮像部２により周囲部１０３の画像データを取得する際の状態を示している。図３（ｂ）は、検査対象領域１０２のうち異結晶部（不良部）１０４に対して照明部３により光を照射した状態で、撮像部２により異結晶部１０４の画像データを取得する際の状態を示している。なお、図３（ａ）および（ｂ）において、検査対象領域１０２に対する撮像部２および照明部３の位置関係は同一である。
【００１１】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、照明部３で照射された光は、検査対象領域１０２の結晶面で反射されるが、この際、照明部３の照射方向Ｄに対する鏡面反射（正反射）方向Ｄ’が最も光量が多くなる。例えば、図３（ａ）に示す例では、周囲部１０３の結晶面で反射した鏡面反射方向Ｄ’に撮像部２が位置していないため、この場合、撮像部２で取得された画像データのうち周囲部（周囲母材部）１０３の輝度は小さくなり、当該領域は暗くなる。一方、図３（ｂ）に示す例では、異結晶部１０４の結晶面で反射した鏡面反射方向Ｄ’に撮像部２が位置しているため、この場合、撮像部２で取得された画像データのうち異結晶部１０４の輝度は高くなり、当該領域は明るくなる。
【００１２】
このように、検査対象領域１０２に対する撮像部２および照明部３の位置関係が同一であるにも関わらず、周囲部１０３と異結晶部１０４との間で輝度が異なるのは、異結晶部１０４と周囲部１０３とで、結晶方位が異なるためであると推測される。
【００１３】
したがって、上述の如く、投影照射方向Ｄ１’，Ｄ２’の回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて、検査対象領域１０２内における異結晶部を特定するように構成することにより、微細な異結晶部であっても高精度に検出することが可能となる。
【００１４】
すなわち、撮像部２で取得した画像データのうち、特定の画素において異結晶部が形成されている場合、当該画素における輝度信号は図４（ａ）に示すように、θ１で最大となる。これに対し健全結晶部である周辺部の輝度信号は、図４（ｂ）に示すように、θ２で最大となる。そこで、一方から他方を減算することにより、図４（ｃ）に示すような判定用の輝度信号を作成すれば、例えばこの輝度信号における最大輝度と最小輝度の差Δに基づき異結晶部を特定することができる。すなわち、差Δが所定の閾値を超えている場合に、その画素内に異結晶部を含むと判定する。この結果、微細な異結晶であっても高精度に検出することができる。
【００１５】
上述の如き先願の検出原理は、異結晶部の結晶構造が一種類の場合を前提としている。すなわち、図３に示すように、健全結晶部である周辺部１０３の結晶面に対し異結晶部１０４の結晶方位が一つ形成されている（図３では、周辺部１０３の結晶面に対し、異結晶部１０４が１８０°の位相差をもって形成されている）場合に有効なものとなる。
【００１６】
ところが、タービン翼等を形成する材料である一方向性凝固物の結晶は立方晶であり、図５（ａ）に示すように、結晶面が一方向である場合だけでなく、図５（ｂ）に示すように、結晶面が二方向に形成されている場合や、図５（ｃ）に示すように、結晶面が三方向に形成されている場合も存在する。したがって、図５（ｂ）や図５（ｃ）に示す場合は、図中に実線で示すように、それぞれの面に入射された光が、図中に点線で示すように反射される。したがって、従来に較べれば種々の特長を有する先願ではあるが、検出精度の点で改善の余地が残されている。すなわち、立方晶であれば、結晶面が２面および３面の場合も考慮する必要がある。
【００１７】
本発明は、先願に残存する課題を解決し、さらに高精度の一方向性凝固物の異結晶部の検出を可能杜するものであり、下記の点を特徴とする。
【００１８】
１）  一方向性凝固物の異結晶検査装置であって、
前記一方向性凝固物のうち検査対象領域に対して光を照射するための照明部と、
前記検査対象領域を撮像するための撮像部と、
前記検査対象領域、前記照明部および前記撮像部を含む第１平面に直交する第２平面に前記光の照射方向を投影したときにおける、前記検査対象領域を中心とした前記照射方向の回転角度φを変化させるように構成された照射方向変更部と、
前記撮像部によって得られた前記回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて、前記検査対象領域内における異結晶部を特定するための異結晶特定部とを備えるとともに、
前記異結晶特定部は、前記複数の画像データを用いて各画素に関して高速フーリエ変換を行うことで第１〜第ｎ次の高調波成分を求めるとともに、前記第１〜第ｎ次の高調波成分を振幅成分と位相成分とにそれぞれ分離して前記第１〜第ｎ次の高調波成分の前記振幅成分と前記位相成分とで特定されるベクトルを求め、さらに前記第１〜第ｎ次高調波成分のそれぞれにおいて、特定の画素と、その周辺部の画素との間での前記ベクトルの差に基づき前記異結晶部を特定すること。
【００１９】
２）  前記異結晶特定部は、前記ベクトルの差の演算を、前記特定の画素が存在する中心部とその周りを取囲む周辺部とを規定するフィルタサイズを規定して行うこと。
【００２０】
３）  前記異結晶特定部は、前記ベクトルの差を、前記振幅と位相の２乗平均である輝度に基づき演算すること。
【００２１】
４）  前記異結晶特定部は、前記第１〜第ｎ次の高調波成分に基づく前記ベクトルの差のうちのいずれか一つが所定の閾値を越えた場合に前記異結晶部であると判定すること。
【００２２】
５）  前記照射方向変更部は、
前記一方向性凝固物の前記検査対象領域を取り囲むように設けられ、前記第２平面内において前記検査対象領域の周りにて前記照明部が回動するための軌道を形成する第１環状軌道部を含み、
前記照明部は、前記回転角度φが変化するように前記第１環状軌道部に沿って前記検査対象領域の周りを移動可能に構成されたこと。
【００２３】
６）複数の前記照明部が、前記撮像部を取り囲むように配列されており、かつ各々の前記照明部が互いに独立して点灯可能であり、
前記照射方向変更部は、複数の前記照明部のうち点灯される照明部を切り替えることで、前記回転角度φを変化させるように構成したこと。
【００２４】
７）  前記照射方向変更部は、前記撮像部を取り囲むように設けられ、前記撮像部に対して固定された第２環状軌道部を含み、前記照明部は、前記回転角度φが変化するように前記第２環状軌道部に沿って前記撮像部の周りを移動可能に構成されたこと。
【００２５】
８）  複数の前記照明部が半球面に沿って配置されたドーム照明装置をさらに備え、
前記ドーム照明装置の各々の前記照明部は、互いに独立して点灯可能であり、
前記照射方向変更部は、前記半球に沿って配置された複数の前記照明部のうち点灯される照明部を切り替えることで、前記回転角度φを変化させるように構成されたこと。
【００２６】
９）  前記撮像部は、前記第１平面または前記第２平面内において移動可能に構成されたこと。
【００２７】
１０）  前記照明部および前記撮像部が取り付けられたロボットアームをさらに備えること。
【００２８】
１１）  前記照射方向変更部は、
前記回転角度φに加えて、前記第１平面内における前記検査対象領域を中心とした前記照射方向の傾き角度θを変化させるように構成され、
前記異結晶特定部は、前記撮像部によって得られた前記傾き角度θおよび前記回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて前記異結晶部を特定するように構成したこと。
【００２９】
１２）  一方向性凝固物の異結晶検査方法であって、
前記一方向性凝固物のうち検査対象領域に対して照明部を介して光を照射する光照射ステップと、
前記検査対象領域を撮像部で撮像して前記検査対象域の画像データを収集する撮像ステップと、
前記検査対象領域、前記照明部および前記撮像部を含む第１平面に直交する第２平面に前記光の照射方向を投影したときにおける、前記検査対象領域を中心とした前記照射方向の回転角度φを変化させる照射方向変更ステップと、
前記撮像ステップにより得られた前記回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて、前記検査対象領域内における異結晶部を特定するための異結晶特定ステップとを備えるとともに、
前記異結晶特定ステップでは、前記複数の画像データを用いて各画素に関して高速フーリエ変換を行うことで第１〜第ｎ次の高調波成分を求めるとともに、前記第１〜第ｎ次の高調波成分を振幅成分と位相成分とにそれぞれ分離して前記第１〜第ｎ次の高調波成分の前記振幅成分と前記位相成分とで特定されるベクトルを求め、さらに前記第１〜第ｎ次高調波成分のそれぞれにおいて、特定の画素と、その周辺部の画素との間での前記ベクトルの差に基づき前記異結晶部を特定すること。
【００３０】
１３）  前記異結晶特定ステップでは、前記ベクトルの差の演算を、前記特定の画素が存在する中心部とその周りを取囲む周辺部とを規定するフィルタサイズを規定して行うこと。
【００３１】
１４）  前記異結晶特定ステップでは、前記ベクトルの差を、前記振幅と位相の２乗平均である輝度に基づき演算すること。
【００３２】
１５）  前記異結晶特定部では、前記第１〜第ｎ次の高調波成分に基づく前記ベクトルの差のうちのいずれか一つが所定の閾値を越えた場合に前記異結晶部であると判定すること。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、撮像部によって得られた回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて、検査対象領域内における異結晶部を特定することによって、微細な異結晶部であっても高精度に検出することができる。しかも前記画像データは画素毎に高速フーリエ変換を行い、第１〜第ｎ次高調波成分を得ているので、複数の結晶面を有する場合でも適切に各結晶面における異結晶部を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】一方向性凝固物の異結晶部分を検出する異結晶検査装置の構成を示す模式図である。
【図２】照射部の照射方向の変更例について示す説明図である。
【図３】照射方向により異結晶部（異結晶部）と周囲部との間で輝度差が生じる原理を説明するための模式図である。
【図４】輝度信号を示す図で、（ａ）は異結晶部における波形図、（ｂ）は健全部における波形図、（ｃ）は両者の差を採った場合の波形図である。
【図５】３種類の各結晶面に入射する光と、各結晶面で反射される光とを概念的に示す模式図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る異結晶検査装置の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の各実施形態における異結晶特定部の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】異結晶特定部の処理の結果得られる第１次〜第３次高調波の波形を示す波形図である。
【図９】高速フーリエ変換により得られる位相と振幅とを組合わせたベクトルを示す模式図である。
【図１０】画像データの処理を行う際の態様を示す図で、（ａ）は複数の画像データを概念的に示す模式図、（ｂ）はそのフィルタを抽出して示す模式図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る異結晶検査装置の構成を示す斜視図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る異結晶検査装置の構成を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る異結晶検査装置の構成を示す斜視図である。
【図１４】ロボットアームを備える異物検出装置を示す図で、（ａ）が一方向凝固翼を縦置きした状態の概略構成図、（ｂ）が一方向凝固翼を横置きした状態の概略構成図である。
【図１５】本発明の一方向性凝固物の異結晶検査方法の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
なお、上記図１および以下の各図において、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００３６】
＜第１実施形態＞
図６は本発明の第１実施形態に係る異結晶検査装置の構成を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態に係る一方向性凝固物の異結晶検査装置（以下、異結晶検査装置と称する）１は、一方向性凝固物１００の表層に存在する異結晶部を検出するための装置である。なお、一方向性凝固物１００とは、溶融金属が一方向の温度勾配下で一定の方向に凝固したものであり、例えばガスタービンや航空機エンジン等のように耐熱性が要求される製品に用いられる一方向性鋳造物である。また、異結晶部とは、一方向性凝固物１００のうち部分的に結晶方位が異なる領域である。
【００３７】
図６に示すように、異結晶検査装置１は、検査対象領域１０２を撮像するための撮像部２と、検査対象領域１０２に光を照射するための照明部３と、照明部３の照射方向Ｄを変更するための照射方向変更部４と、撮像部２で取得された画像データに基づいて異結晶部を特定するための異結晶特定部５１を含む画像処理装置５とを備えている。
【００３８】
撮像部２は、一方向性凝固物１００のうち検査対象領域１０２を撮像して、複数の画像データを取得するように構成される。この撮像部２で取得された画像データは、画像処理装置５に送られる。図示される例では、撮像部２は、真下に位置する一方向性凝固物１００を撮像するために、鉛直方向に沿った撮像方向Ｃとなっている。照明部３は、一方向性凝固物１００のうち検査対象領域１０２に対して光を照射するように構成される。照明部３は、例えばＬＥＤ照射器又はハロゲン照射器を含んでいてもよい。
【００３９】
照射方向変更部４は、検査対象領域１０２に対する照明部３の照射方向Ｄを変更するように構成される。具体的には、図２に基づき前述したように、検査対象領域１０２、撮像部２および照明部３を含む第１平面Ｍに直交する第２平面Ｎに光の照射方向Ｄ１を投影したときにおける、検査対象領域１０２を中心とした照射方向、すなわち投影照射方向Ｄ１’の回転角度φを変化させるように構成される。例えば、照射方向変更前の照明部３の照射方向Ｄ１を第２平面Ｎに投影したとき、投影照射方向Ｄ１’が得られる。また、照射方向変更後の照明部３’の照射方向Ｄ２を第２平面Ｎに投影したとき、投影照射方向Ｄ２’が得られる。照射方向変更部４は、第２平面Ｎにおいて、射方向変更前の投影照射方向Ｄ１’と、照射方向変更後の投影照射方向Ｄ２’とで挟まれる角度である回転角度φが０度を超える値となるように、照明部３から照射する光の照射方向Ｄを変更するようになっている。
【００４０】
また、照射方向変更部４は、図２に示すように、回転角度φに加えて、第１平面Ｍ内における検査対象領域１０２を中心とした照射方向Ｄ１の傾き角度θを変化させるように構成しても良い。ここで、傾き角度θは、第２平面Ｎに対する照射方向Ｄ１の角度である。
【００４１】
本実施形態における照射方向変更部４は、照明部３が回動するための軌道を形成する第１環状軌道部４１を有している。第１環状軌道部４１は、一方向性凝固物１００の検査対象領域１０２を取り囲むように配設されており、第２平面Ｎ（図２参照）内において検査対象領域１０２の周りにて照明部３が回動するための軌道を形成する。また、照明部３は、回転角度φが変化するように第１環状軌道部４１に沿って検査対象領域１０２の周りを移動可能に構成されている。
【００４２】
さらに詳言すると、第１環状軌道部４１は、内輪４１ａと、内輪４１ａに対して相対的に回動可能に構成された外輪４１ｂとを有する。内輪４１ａは、一方向性凝固物１００を載置するための円盤状の載置台１０の外周面に固定される。外輪４１ｂは、内輪４１ａの外周側に配置されている。外輪４１ｂの外周側には環状部材４２が取り付けられており、この環状部材４２を介して、照明部３を支持するための支柱部４３が外輪４１ｂに固定されている。そして、図示しない駆動機構によって、外輪４１ｂ、環状部材４２、照明部３および支柱部４３は、回転可能となっている。このとき、内輪４１Ａ、載置台１０および一方向性凝固物１００は静止した状態である。撮像部２は、支柱部２１によって支持されている。支柱部２１は、静止部位に取り付けられているため、照明部３の回転に関わらず、撮像部２は静止状態が保持される。
【００４３】
また、異結晶検査装置１は、照明制御部１３および撮像制御部１４を含む制御装置１２を、さらに備えていてもよい。照明制御部１３は、照明の点灯を制御するとともに、図示しない駆動機構を制御することによって照明部３の回転を調整する。撮像制御部１４は、照明部３の回転と照明の点灯に同期するように、撮像部２における撮像タイミングを制御する。
【００４４】
かかる構成によれば、第１環状軌道部４１に沿って照明部３を検査対象領域１０２の周りにおいて移動させることで、照射方向の回転角度φ（図２参照）を自由に調節することができる。かくして、異結晶部の高精度な検出が可能になる。
【００４５】
画像処理装置５は、異結晶部を特定するための異結晶特定部５１を含む。本実施形態の異結晶特定部５１は、撮像部２によって得られた回転角度φが異なる複数（例えば、回転角度φが３０°毎に集めた１２枚）の画像データに基づいて、検査対象領域１０２内における異結晶部を特定する。この際、各画素に関して画像データを高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴと略称する）する。この結果、各画素の第１次高調波成分のみならず、第２次高調波成分および第３次高調波成分も検出される。したがって、図５に示す、３種の結晶面からの反射光成分を検出することができる。本実施形態における検査対象物である一方向性凝固鋳造物の結晶構造は立方晶であるので、第１次から第３次までの高調波を検出すれば、全ての反射光を検出することになる。
【００４６】
図７は本発明の各実施形態における異結晶特定部の処理手順を示すフローチャートである。同図に基づき異結晶特定部５１での処理を説明する。
【００４７】
１）  照明光の照射方向を変えて複数枚の画像データを取得する（ＳＴ１参照）。この画像データは、回転角φを、例えば３０°づつ変化させて一回転（３６０°）させて取得する検査対象領域１０２（図６参照）における一方向性凝固物１００の表面を撮像したデータである。
【００４８】
２）  複数の画像データを用いて各画素でＦＦＴを行う（ＳＴ２参照）。この結果、各画素毎に図８に模式的に示すような、輝度信号を得る。図８（ａ）は１次高調波、図８（ｂ）は２次高調波、図８（ｃ）は３次高調波である。撮像部２（図６参照）で取得した画像データには、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す第１次〜第３次高調波が混在している。そこで、ＦＦＴによりそれぞれを抽出することにより、図５に示す全ての反射光の情報を得ることができる。なお、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す１次〜３次高調波の波形は正規化しているので、ほぼ同様の輝度レベルとなっているが、実際は第２次高調波のレベルは第１次高調波よりも小さく、第３次高調波の輝度はそれよりもさらに小さい。
【００４９】
３）  各画素において、振幅成分と位相成分とに分離し、所定のベクトルを求める（ＳＴ３参照）。これを全画像データの全画素に関して実行する。こうして得るベクトルは、図９に示すように、振幅成分で大きさ、位相成分で方向を表す。本実施形態では当該ベクトルを利用して所定の比較処理等を行う。
【００５０】
４）  フィルタ（図１０（ｂ）の１２０）の中心領域１２１（図１０（ｂ）参照）とその周辺領域１２２（図１０（ｂ）参照）のサイズであるフィルタサイズを規定する（ＳＴ４参照）。すなわち、中心領域１２１に含まれる画素数を規定する。これにより分解能を規定することができる。なお、中心領域１２１に複数画素が含まれる場合は、各画素をベクトル的に平均化して用いる。
【００５１】
５）  高調波毎に輝度を周辺部と比較する（ＳＴ６参照）。この場合の輝度は、各ベクトルを形成する振幅と、位相（ＳＴ５参照）とを２乗平均した値とする。ここで、先願では、単純に輝度のみを基準に所定の比較処理を行っていたが、本願の如くベクトルを利用することにより、比較処理の精度を向上させることができる。すなわち、輝度だけを基準とした場合には周辺領域１２２と中心領域１２１との輝度の差は小さいが、位相差は大きい場合があり、位相差が大きい場合には輝度のみでの差分では閾値以下であっても異結晶部である可能性があるからである。
【００５２】
６）  ＳＴ５での比較の結果、両者のベクトル的な輝度の差が閾値を越えていた場合には異結晶部が存在すると判断して、その場所を特定する（ＳＴ６参照）。かかる位置の特定は、画面データにおける対応する画素の位置を参照することで容易に特定し得る。ここで、閾値としては種々の値が考えられる。すなわち、特別な制限はないが、第１次から第ｎ次の高調波に対応させて固有の閾値をそれぞれ設定しておき、何れかが閾値を超えた場合に、異結晶部と判断する方法や、第１次から第ｎ次の高調波に関連する数値を加算して、その加算値が閾値を超えた場合に異結晶部であると判断する等の手法が好適である。
【００５３】
７）  ＳＴ５での比較の結果、ベクトル的な輝度の差が閾値以下である場合には、異結晶部は存在しないと判断する（ＳＴ７参照）。
【００５４】
図１０（ａ）は画像処理装置５で処理する複数の画像データを概念的に示す模式図、（ｂ）はそのフィルタを抽出して示す模式図である。図１０に示すように、異結晶特定部５１は、各回転角度φ（図２参照）で得た複数の画像データ１０８を記憶しており、そのうち周囲領域１２２（１２２Ａ及び１２２Ｂを含む）について平均輝度を算出し、該平均輝度を参照輝度として用いるように構成されている。この場合の輝度は、前述の如く位相および振幅を成分とするベクトルにおける位相および振幅を２乗平均して求めたものである。
【００５５】
輝度の測定において、まず所定のフィルタサイズのフィルタ１２０を用いて、画像データ１０８を走査する。そして、フィルタ１２０の中心領域１２１の輝度を計測し、これを画像データ１０８における着目位置の輝度とする。また、中心領域１２１の周囲領域１２２（１２２Ａ及び１２２Ｂを含む）輝度を計測し、計測された複数の輝度を用いて周囲部における平均輝度を算出する。
【００５６】
異結晶特定部５１は、図１０に示すように、画像データ１０８のうち着目する位置（着目位置）１２０およびその周囲部（１２２Ａ及び１２２Ｂを含む）からなる領域について平均輝度を算出し、該平均輝度を参照輝度として用いるように構成されてもよい。例えば、輝度の測定において、まず所定のフィルタサイズのフィルタ１２０を用いて、画像データ１０８を走査する。そして、フィルタ１２０の中心領域１２１の輝度を計測し、これを画像データ１０８における着目位置の輝度とする。また、中心領域１２１の周囲領域１２２（１２２Ａ及び１２２Ｂを含む）輝度を計測し、中心領域１２２における輝度および周囲領域１２２における複数の輝度を用いて、周囲部における平均輝度を算出する。
【００５７】
なお、これらの実施形態において、周囲領域１２２の輝度は、格子状に区切られた複数の領域１２２Ａ，１２２Ｂのうち少なくとも一部の領域１２２Ａ又は１２２Ｂについて計測されてもよい。例えば、領域１２２Ａと領域１２２Ｂとが交互に配置されている場合、周囲領域１２２の輝度は、領域１２２Ａ又は領域１２２Ｂについて計測されてもよい。これらの構成によれば、着目する位置の周囲部における平均輝度を示す参照輝度を適切に得ることができる。
【００５８】
また、上述した幾つかの実施形態において、異結晶特定部５１は、画像データ１０８における少なくとも一部の領域についてローパスフィルタ処理を施して、参照輝度を算出するように構成してもよい。この場合には、ローパスフィルタを用いた簡素な処理にて、着目位置の周囲部における平均輝度を示す参照輝度を適切に取得することができる。
【００５９】
なお、上述の如き画像処理装置５の構成および機能は、以下に説明する第２〜第５実施形態のそれぞれにおいても同一である。
【００６０】
＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態に係る異結晶検査装置１の構成を示す斜視図である。図１１に示すように、本実施形態に係る異結晶検査装置１は、複数の照明部３を備える。複数の照明部３は、撮像部２を取り囲むように配列されており、かつ各々の照明部３が互いに独立して点灯可能な構成となっている。照射方向変更部４は、複数の照明部３のうち点灯される照明部３を切り替えることで、照射方向の回転角度φ（図２参照）を変化させる。
【００６１】
ここで、複数の照明部３は、撮像部２を取り囲むように配置された環状支持部４４に取り付けられている。環状支持部４４は、撮像部２を支持するための支柱部２１に取り付けられていても良い。環状支持部４４には、所定間隔で複数の照明部３が配設されている。複数の照明部３の底面は、撮像部２の底面とほぼ同一の高さであっても構わない。
【００６２】
また、本実施形態に係る異結晶検査装置１は、照明制御部１３および撮像制御部１４を含む制御装置１２を備えている。照明制御部１３は、照明の点灯を制御するように構成される。この構成例においては、照明制御部１３が照射方向変更部４の役割を担うこととなる。すなわち、照明制御部１３によって、複数の照明部３のうち点灯される照明部３が切り替えられ、照射方向の回転角度φ（図２参照）が変化する。例えば、照射方向変更部４（照明制御部１３）は、図中の矢印Ｅ方向に順に照明部３が点灯するように、各照明部３を制御する。撮像制御部１４は、照明制御部１３による照明の点灯に同期するように、撮像部２における撮像タイミングを制御する。
【００６３】
かかる構成によれば、照射方向変更部４（照明制御部１３）によって、複数の照明部３のうち点灯される照明部３を切り替えることで、照射方向Ｄの回転角度φ（図２参照）を自由に調節することができる。この結果、異結晶部の高精度な検出が可能になる。また、照明部３を移動させるのではなく、点灯する照明部３を切り替えるようにしたので、照射方向Ｄの回転角度φの変更を迅速に行うことができる。これにより、複数の回転角度φについての画像データを取得するのに必要な時間を削減し、異結晶部の検査を効率的に行うことができる。
【００６４】
＜第３実施形態＞
図１２は、図１１に示した第２実施形態を変形した異結晶検査装置１の構成を示す斜視図である。なお、本実施形態において、図１１と同一の構成については同一番号を付し、その説明を省略する。図１２に示すように、照射方向変更部４は、撮像部２を取り囲むように設けられ、撮像部２に対して固定された第２環状軌道部４５を有する。照明部３は、照射方向Ｄの回転角度φ（図２参照）が変化するように第２環状軌道部４５に沿って撮像部２の周りを移動可能に構成されている。
【００６５】
かかる構成によれば、第２環状軌道部４５に沿って照明部３を撮像部２の周りにおいて移動させることで、照射方向Ｄの回転角度φを自由に調節することができる。この結果、異結晶部の高精度な検出が可能になる。
【００６６】
＜第４実施形態＞
図１３は、本発明の第４実施形態に係る異結晶検査装置１の構成を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態態における異結晶検査装置１は、複数の照明部３が半球面に沿って配置されたドーム照明装置１５を有している。ドーム照明装置１５の各々の照明部３は、互いに独立して点灯可能に構成されている。各々の照明部３は、例えば小型のスポット照明であっても良い。照射方向変更部４は、半球面に沿って配置された複数の照明部３のうち点灯される照明部３を切り替えることで、回転角度φを変化させる。なお、ここで半球面とは、厳密な意味での半球の面を表すのみならず、概ね半球形状をなす面を含む。
【００６７】
また、異結晶検査装置１は、照明制御部１３および撮像制御部１４を含む制御装置１２を備えている。照明制御部１３は、各照明部３の点灯を制御する。本実施形態においては、照明制御部１３が照射方向変更部４の役割を担うことになる。すなわち、照明制御部１３によって、複数の照明部３のうち点灯される照明部３が切り替えられ、照射方向の回転角度φ（図２参照）が変化するようになっている。撮像制御部１４は、照明制御部１３による照明の点灯に同期するように、撮像部２における撮像タイミングを制御するように構成される。
【００６８】
かかる構成によれば、照射方向変更部４（照明制御部１３）によって、複数の照明部３のうち点灯される照明部３を切り替えることで、照射方向の回転角度φを自由に調節することができる。この結果、異結晶部の高精度な検出が可能になる。また、照明部３を移動させるのではなく、点灯する照明部３を切り替えるようにしたので、照射方向の回転角度φ（図２参照）の変更を迅速に行うことができる。これにより、複数の回転角度φについての画像データを取得するのに必要な時間を削減し、異結晶部の検査を効率的に行うことができる。さらに、ドーム照明装置１５を用いることで、より多くの照明部３を設けることができる。例えば、ドーム照明装置１５の半球面の第２平面Ｎ（図２参照）と交わる円周状の線に沿って配列される複数の照明部３によって形成される照明部列を、第２平面Ｎに対する垂線方向に沿って複数列設けることができる。この場合、複数の照明部３のうち点灯される照明部３を切り替えることで、回転角度φだけでなく、光の照射方向の傾き角度θ（図２参照）も自由に調節することが可能になる。
【００６９】
＜第５実施形態＞
上記第１〜第４実施形態において、さらに以下の構成を備えていてもよい。なお、以下の説明では、上記第１〜第４実施形態と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略している。
【００７０】
撮像部２は、第１平面Ｍまたは第２平面Ｎ内において移動可能に形成される。異結晶部の結晶方位によって、異結晶部の検出のために適切な撮像部２と検査対象領域１０２との位置関係は変わり得る。この点、上記構成によれば、第１平面Ｍまたは第２平面Ｎ内において撮像部２が移動可能であるため、撮像部２と検査対象領域１０２との位置関係を変えながら異結晶部の検査を行うことができる。この結果、異結晶部の検査のロバスト性が向上する。
【００７１】
また、照射方向変更部４は、回転角度φに加えて、第１平面Ｍ内における検査対象領域１０２を中心とした照射方向Ｄ１の傾き角度θ（図２参照）を変化させるように構成されてもよい。例えば、傾き角度θは、第２平面Ｎに対する照射方向Ｄ１の角度である。この場合、異結晶特定部５１は、撮像部２によって得られた傾き角度θ及び回転角度φが異なる複数の画像データに基づいて異結晶部を特定するように構成される。
【００７２】
図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、異結晶検査装置１は、照明部３および撮像部２が取り付けられたロボットアーム１７を備えている。なお、図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、ロボットアーム１７を備える異結晶検査装置１の概略構成図であって、図１４（ａ）は検査対象である一方向性凝固翼１００が縦置きである場合の異結晶検査装置１の状態を示しており、図１４（ｂ）は一方向性凝固翼１００が横置きである場合の異結晶検査装置１の状態を示している。
【００７３】
本実施形態では、一方向性凝固物１００として一方向性凝固翼（タービン鋳造翼）を例示している。一方向性凝固翼１００は、旋回台６０上に設置された架台６１に載置される。図１４（ａ）では、一方向性凝固翼１００は縦置きの状態で架台６１に載置されており、図１４（ｂ）では、一方向性凝固翼は横置きの状態で架台６１に載置されている。一方向性凝固翼１００の姿勢は、検査対象領域１０２に応じて適宜設定する。また、ロボットアーム１７の先端には、第１〜第４実施形態で示したような照明部３および撮像部２を含む機構が取付けられている。ここで、ロボットアーム１７は複数の関節を有しており、撮像部２および照明部３の姿勢を調整可能となっている。
【００７４】
かかる構成によれば、ロボットアーム１７の操作により、一方向性凝固物（一方向性凝固翼）１００における様々な箇所において異結晶部の検査を効率的に行うことが可能である。
【００７５】
以上、第１〜第５の実施形態とともに、本願発明に係る異結晶検査装置を説明したが、かかる装置が具備すべき要件を纏めると次の通りである。撮像部２および照明部３から検査対象物である一方性凝固物１００までの距離が一定で、撮像部２の撮像軸方向、照明部３の光軸方向または回転角度φの何れかが変化する構造となっていれば良い。第１〜第５の実施形態に係る異結晶検査装置は、いずれもかかる条件を充足している。
【００７６】
＜第６実施形態＞
本実施形態は一方向性凝固物の異結晶検査方法である。本実施形態に係る異結晶検査方法では、図１５のフローチャートに示すように、エッチング処理ＳＴ１１と、光照射ステップＳＴ１２と、撮像ステップＳＴ１３と、照射方向変更ステップＳＴ１４と、異結晶特定ステップＳＴ１５とを備えている。
【００７７】
エッチング処理ＳＴ１１は、一方向性凝固物の表面に対してエッチング処理を施す。一方向性凝固物の表層は、通常、アモルファス状態となっているため、表層をエッチングで除去し、結晶部を露出させておく。
【００７８】
光照射ステップＳＴ１２では、一方向性凝固物のうち検査対象領域に対して光を照射する。検査対象領域への光照射の具体的な態様については、上述した通りである。
【００７９】
撮像ステップＳＴ１３は、一方向性凝固物のうち検査対象領域を撮像する。
【００８０】
照射方向変更ステップＳＴ１４は、検査対象領域、照明部および撮像部を含む第１平面に直交する第２平面に光の照射方向を投影した場合における、検査対象領域を中心とした照射方向の回転角度φを変化させる。
【００８１】
異結晶特定ステップＳＴ１５は、撮像ステップＳＴ１３によって得られた回転角度φが異なる複数（例えば、回転角度φを３０°回転するごとに収集した１２枚）の画像データに基づいて、検査対象領域内における異結晶部を特定する処理ステップであり、画像処理ステップＳＴ１５１、判定ステップＳＴ１５２、位置特定ステップＳＴ１５３および異結晶部なしの告知ステップＳＴ１５４からなる。画像処理ステップＳＴ１５１では、複数枚の画像データを用いて画素ごとにＦＦＴを行い、画素毎に振幅成分と位相成分とに分解し、位相に規定される方向と振幅に規定される大きさで表されるベクトルを画素毎に作成する。これを第１次、第２次、第３次の３種類の高調波に関してそれぞれ求める。
【００８２】
判定ステップＳＴ１５３では、第１次から第３次の各高調波に関して前記ベクトルに基づく輝度を求め、この輝度を周辺部の輝度と比較し、両者の差が所定の閾値を超えているか否かを判定する。この結果、超えている場合には、位置特定ステップＳＴ１５３の処理に移る。位置特定ステップＳＴ１５３では画面データにおける該当する画素の位置に基づき異結晶部が形成されている位置を特定する。なお、ここに言う輝度とは、ベクトルの成分である振幅と位相の２乗平均として得る値である。
一方、判定ステップＳＴ１５３での判定処理の結果、異結晶部が存在しない場合には、異結晶部が存在しない旨を表示装置やプリントアウト等の手段により告知する。
【００８３】
かかる異結晶検査方法によれば、集めた複数の画像データに基づき、ＦＦＴにより画素毎に第１次から第３次の高調波を生成させているので、結晶方位が一面だけでなく、二面および三面の場合の反射光の成分も分析結果に反映させることができる。この結果、検査対象領域内における異結晶部を高い精度で特定することができる。
【００８４】
第６実施形態に係る異結晶検査方法における検査対象である一方向性凝固物としては、ガスタービンまたは航空機エンジンのタービン鋳造翼が好適である。ガスタービンまたは航空機エンジンのタービン鋳造翼は、鋳造後の凝固冷却時に鋳型の拘束に起因した鋳造ひずみが発生し、異結晶部が発生することがある。異結晶部は、母材とは異なる結晶方位を有する異結晶部であるため、第６実施形態に係る異結晶検査方法により、ガスタービンまたは航空機エンジンのタービン鋳造翼の異結晶部を高精度に検出することができるからである。
【００８５】
本発明は上記実施形態に限定するものではない。例えば、上記実施形態では、第１次から第３次高調波を得るようにしたが、これは検査対象が３種類の結晶方位面を有する立方晶を検査対象としているからである。これが６方結晶となる場合は、必要に応じて高調波の次数を増やせば良い。すなわち、結晶方位面の数に応じて高調波の次数も選定する。
【符号の説明】
【００８６】
１  異結晶検査装置
２  撮像部
３  照明部
４  照射方向変更部
５  画像処理装置
１０  載置台
１２  制御装置
１３  照明制御部
１４  撮像制御部
１５  ドーム照明装置
１７  ロボットアーム
４１  第１環状軌道部
４５  第２環状軌道部
５１  異結晶特定部
１００  一方向性凝固物
１０２  検査対象領域
１０３  周囲部
１０４  異結晶部
１０８  画像データ
１２０  フィルタ
Ｍ  第１平面
Ｎ  第２平面
θ  傾き角度
φ  回転角度
【図１】
2017181382.tif 000003
【図２】
2017181382.tif 000004
【図３】
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【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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