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表面検査装置とは?仕組みや導入時の注意点、おすすめメーカー5選

製造業は、良品のみを出荷して、不良を市場に流出させないことが第一使命です。そのために、生産ラインでは発生防止と流出防止の考え方で品質をコントロールします。

発生防止では、まず製品の加工・組立における良品条件を把握します。そしてFMEAにより良品条件から外れるような故障モードをあぶり出し、その要因ごとに管理方法を決めます。この管理方法により、工程の諸条件を安定させ、良品条件を保ちます。

一方、流出防止では、加工・組立の工程が終了した後に、製品が狙いの出来栄えの範囲に収まっているかを検査します。この検査には、形状測定(製品の外形を測定)・気密検査(製品の密閉性を測定)・電気検査(製品の電気的特性を検査)・硬さ検査(製品の硬度を測定)など、様々な種類があります。

このような検査の一つとして、表面検査があります。表面検査では、表面の微細な欠陥・凹凸・異物を検出し、良品規格外の製品を不良品として除外します。

本稿ではこの表面検査装置について紹介します。

もし、生産ラインに表面検査装置を導入して、

  • 省力化、省人化してコストダウンしたい
  • 生産性アップして売上を上げたい
  • 人的ミスを減らして品質価値を高めたい
  • どのメーカーの自動化設備を使えば効率的かわからない

という場合は、お気軽に日本サポートシステムまでお問い合わせください。関東最大級のロボットSIerとして、最適化のご提案をさせていただきます。

また、AIによる検査の自動化をご検討の際は、ルール型の画像処理からAIによる画像処理までワンストップで対応する「画処ラボ」もご活用ください。

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1.表面検査装置の用途と事例

(1)表面の凹凸検査

均一に平坦な面であることが求められる製品において、局所的な凹凸は不良品となります。表面検査装置では、凹凸を検出して不良品の流出を防ぎます。
フィルムやガラスなどの製品の検査に適用します。

(2)キズ

製品の筐体など、意匠にかかわる部分では微細なキズでも不良となります。表面検査装置では微細なキズを検出して不良品の流出を防ぎます。
家電や自動車など外観上の美しさが製品の価値を決める製品の表面検査に適用します。

(3)異物

あらゆる製品で異物の混入は様々な不具合を起こします。そのため、加工前や最終出荷前に表面検査装置で異物検査を行います。
半導体製品やプリント基板実装製品では、導電性異物の混入で製品の機能を損失します。また塗装前の板金なども、異物が付着した状態で塗装をすると、外観上の不良となります。
これらの不良を防止するために表面検査を適用します。

2.表面検査装置の仕組み

表面検査装置は照明・レンズ・カメラ・画像処理装置と、搬送系にて構成されます。それぞれの要素について説明します。

(1)照明

照明は画像処理システムを構成する重要な要素です。照明から発した光が被写体に当たり、その反射光をカメラがとらえ、様々な測定や検査を行います。表面検査では、正常な面と異常面(凹凸・キズ・異物)の違いが、反射光の違いとして検出できるように工夫します。

一般的には、検査面に対してまんべんなく光が当てられるように、拡散版がついたバーライトなど、広い面に対して均一に光を当てられる照明を選択します。曲面の検査や、微細な異常を検出するためには、格子光(スリット光)を用いることもあります。

(2)レンズ

レンズはカメラの先端に取り付けて使用します。レンズの仕様・特性には次のようなものがあります。

・WD(work distance)
対象物に焦点が合っているときの、レンズの先端から対象物までの距離を表します。

・焦点距離
レンズから撮像素子までの距離を表します。記号はfで表すことがあります。 

・視野
WDにおける撮像範囲を表します。
WD:視野=焦点距離(f):撮像素子サイズが成り立ちます。
この式から、WDを長くとる・焦点距離が短いレンズを選ぶ・大き撮像素子のカメラを選ぶ、などにより視野を広くすることができます。

・被写界深度
ピントが合ったように見えるWD方向の幅を言います。カメラの絞りにより調整することができます。 

・収差
レンズの形状により、視野の端のが歪んだように見える現象(歪曲収差)や、光の波長の違い(つまり、色の違い)により、屈折率が異なって像がぶれる現象(色収差)などがあります。
このような場合には、必要に応じて、収差を抑えた低ディストーションレンズを用います。

・F値
レンズの明るさを示す指標をF値といいます。この値は、レンズの焦点距離fをレンズの直径で割った値です。この値が小さいほど明るい画像が取れます。

(3)カメラ

検査装置に用いられるデジタルカメラはCMOSCCDという半導体の撮像素子を搭載しています。この撮像素子には数千万の画素(ピクセル)が並んでいます。この画素一つ一つが外部からの光エネルギーを光電効果により電気エネルギーに変換し、これがデジタルデータとしてコンピュータなどの画像処理装置へ送信されます。

画素数は多いレンズほど画像は緻密になります。カメラの仕様は、

  • 有効画素数 = 画素数(横) × 画素数(縦)
  • 撮像面積  = 撮像素子サイズ(横)× 撮像素子サイズ(縦)

 で表されます。

撮像対象の視野角はレンズの項目で説明した通り、WD・レンズの焦点距離・撮像素子サイズ用いて、WD:視野角=焦点距離:撮像素子サイズ の式を用いて以下のように表されます。

  • 視野角(横)= 撮像素子サイズ(横)× WD / 焦点距離
  • 視野角(縦)= 撮像素子サイズ(縦)× WD / 焦点距離

また、1画素あたりの実寸法は、視野角/画素数 で求めることができます。この値は大変重要です。異物検出などを行う際、安定した検出に必要な画素数と1画素あたりの実寸法をかけた値が、検出可能な異物の最小寸法になります。

(4)画像処理装置

カメラで撮像したデジタルデータは画像処理装置に転送されます。画像処理装置では撮像したデジタルデータを検査しやすい状態に加工します。これを前処理といいます。

よく使われる手法は、正常面と異常面の差がくっきりと見えるように、ノイズ除去・コントラスト強調・明るさ調整を行い、最後に二値化処理を行って、正常面と異常面を白と黒の2色に切り分けます。

この前処理が完了したデジタルデータを用いて、異常部分のサイズを計測し、良否判定を行います。

(5)搬送系

表面検査において、コンベア上に流れるワークをコンベアを止めずに検査することがあります。ロールtoロールのラインで生産されるフィルムなどがそれにあたります。

このような場合、製品全体の表面検査を行い品質を保証するためには、カメラの撮像範囲/撮像間隔と搬送速度が同期している必要があります。そのため、搬送速度の制御も表面検査装置の重要な要素です。

3.表面検査装置選定時に気を付けること

1)導入前の評価

上述のように、表面検査装置は様々な要素で構成されており、さらにそれぞれの要素にはいくつかの種類があります。

カタログスペックだけで機器(照明・レンズ・カメラなど)を選定し、装置をくみ上げても上手く行きません。必ず、事前に機器の評価をすることをお勧めします。

また、機器・画像処理アルゴリズムの選定や調整はそれなりの知見が必要なため、不慣れな場合は機器メーカやシステムインテグレータに相談するのが良いでしょう。特にシステムインテグレータは、メーカに依存せず、最適な提案をしてくれますので、相談先としてお勧めです。

(2)導入コスト

①手軽に使える画像センサ

画像センサは数十万円で導入可能。コンパクトなため、既存のラインの空きスペースに組み込むことができます。

②高度な表面検査装置

フィルム等のロールtoロールのラインに組み込む表面検査装置は搬送の制御と検査を同期する必要があり、検査専用の装置が必要です。
また、干渉縞による表面検査装置なども特殊な照明が必要になります。
これらの装置は、既存ラインの空きスペースに組み込むことは困難なため、自動ラインの導入時から計画的にラインに組み込む必要があります。
導入費用は数百万円から数千万円と、装置の種類によって幅があります。

 

4.表面検査装置のおすすめメーカー&SIer5選!

(1)画像センサ

日本サポートシステム株式会社

【特徴】
日本サポートシステムは年間200台もの実績がある関東最大級のロボットシステムインテグレーターです。一貫生産体制をとっており、設計から製造までをワンストップで対応。費用・時間にムダなく最適化を行うことができます。

また、お打ち合わせから原則1週間以内に「お見積りとポンチ絵」をご送付。

【ポンチ絵とお見積りのサンプル】

テキストやお電話だけでは伝わりづらいゴールイメージを共有し、スピード感を持った対応を心がけています。

また、同社の「画処ラボ」では、画像処理を用いた外観検査装置の導入に特化し、ご相談を受け付けています。従来は目視での官能検査に頼らざるを得なかった工程の自動化をご検討の際などにご活用ください。

日本初!業界最大級

画像処理検証ラボ開設!ルール型の画像処理から、AIまでプロが診断、ご相談から装置制作までまるっと対応

【所在地】
茨城県稲敷郡阿見町阿見字阿見原4666-1777
TEL:029-840-2777(代表)
FAX:029-840-2770(代表)・2771(設計)
https://jss1.jp/

【営業品目】

  • 産業用ロボット
  • 生産設備合理化・省力化の設計及び製作
  • 基板電気チェッカーや貼合・折曲など
  • 治具の設計・製作

【実績】
NM社(電子部品の製造販売)、HS製作所(情報通信・社会産業・電子装置・建設機械・高機能材料・生活の各システム製造販売)、TT社(ショッピングセンターなどリテール事業)、SM社(自動制御機器の製造・販売)、OR社(自動車安全システムの製造販売)

②株式会社キーエンス

【特徴】
各種センサ・PLC・検査装置等を取り扱う、FA機器のトップメーカ。表面処理装置では、画像センサの他に、カメラや照明などの機器も取り扱う。スピード感のある営業スタイルが特徴的。依頼すると直ぐに実機を持参して、クライアントの実験室や応接室で検証を実施してくれる。

【所在地】
〒533-8555 大阪市東淀川区東中島1-3-14

③オムロン

【特徴】
センサ・PLC・スイッチ・ロボット・安全装置などのFA機器や、それらの要素をくみ上げた基板実装検査装置やX線検査装置を取り扱う。
また、AGV(無人搬送車)やIoT活用による工場の効率化など、未来工場に向けた要素技術も積極的にリリースしている。

【所在地】
〒600-8530 京都市下京区塩小路通堀川東入)

(2)フィルム等のロールtoロールラインの表面検査装置

①株式会社ヒューテック

【特徴】
製造業向けの検査装置の専門メーカーとして、フィルム、紙、不織布、金属などを対象とした無地シート面外観検査装置を経営の主軸に開発。

【所在地】
香川県高松市林町1217番地

【営業品目】

  • CCDセンサ、X線センサを用いた検査・測定装置
  • 画像処理用照明器の開発・製造・販売

②株式会社ニレコ

【特徴】
液晶パネル等で使われる樹脂製フィルムなどの製造工程で活躍するロールtoロールの装置を手がけるメーカ。ロール材料のズレ・たるみ等が起こらないようにテンションを高精度にコントロールする技術を応用し、ロール材料の検査機も手がける。

【所在地】
東京都八王子市石川町2951-4

5.表面検査装置導入に関するご相談は日本サポートシステム

このコラムでは表面検査装置についてご紹介してきました。ここまで述べてきたように、品質を保証するため、不良品を流出させないために、生産ラインの適切な箇所に検査工程の導入が必要となる場合があります。

表面検査装置は様々な要素で構成されており、それぞれの要素にはいくつかの種類があります。表面検査装置は、検査対象・検査項目に応じてそれらの要素の種類を適切に選定して構築する必要があります。不慣れな場合には大変な仕事です。

表面検査装置の導入の検討や、お悩みごとなどあれば、お気軽に日本サポートシステム株式会社にご相談ください。

関東最大級のロボットシステムインテグレーター 装置の設計から製造ならお任せください

029-840-2777 営業時間:平日9:00-18:00

本社:茨城県稲敷郡阿見町阿見字阿見原4666-1777、相模原事業所:神奈川県相模原市中央区上溝1880番2 SIC3-317

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