JP2010281709A - 球体の検査装置及び検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
被検査球に非接触で有害なキズをつけることなく検査を実施することができて、光を透過する材質を含む被検査球の全表面及び内部のキズ，異物及び欠陥の有無を判定可能とする。
【解決手段】
球体保持器４と、流体供給装置１を含み、球体保持器４は中心部に流体供給装置１に連通する流体噴出孔２ａを有していると共に、上面に半球状のくぼみを形成してなり、かつ半球状のくぼみには中心より放射方向に１本又は非対称複数本の流体流出溝３を設けて被検査球７を流体噴出孔２ａよりの噴出流体で球体保持器４上に浮揚させ、非接触で回転させながら検査手段により被検査球７の全表面及び内面を検査する。
【選択図】 図１

Description

本発明は玉軸受と、ボールネジ，リニアガイド，等速ジョイント等に使用される鋼球及びセラミックス球ならびにデジタルカメラ等に使用される光学ガラス球などの球体の欠陥の有無を判定する球体の検査装置ならびに同装置を用いた検査方法に関するものである。

従来の球体検査装置においては、被検査球を回転させ、被検査球の表面に光を照射し、その反射光を検出することで欠陥の有無を判定する検査装置、光を透過する材質の被検査球を回転させ、被検査球の表面に光を照射し、その透過光を検出することで欠陥の有無を判定する装置、被検査球を回転させ、超音波探傷方式により表面欠陥及び内部欠陥の有無を判定する装置、被検査球を回転させ、上置コイルのプローブを鋼球の近傍に設置し、電磁誘導により鋼球の表面に渦電流を誘導させ、この渦電流分布の変化を検出する渦電流探傷方式により鋼球表面の欠陥の有無を判定する装置、被検査球に光を照射する光源とレンズを取り付けたデジタルカメラにより被検査球の全表面を撮影し、画像処理を行い表面欠陥の有無を判定する装置など、種々の検査装置が知られているが、これらは何れの装置も被検査球を回転させるために駆動ローラなどを用いて、該駆動ローラなどが被検査球に直接接触して回転させるための力を伝達する機構を有しており、駆動ローラ等が高速で回転した状態で被検査球と接触すると、表面がもろく、傷のつき易い被検査球では被検査球を回転させる過程において被検査球に傷や異物を付着させてしまうという問題があった。

そこで、駆動ローラ等による被検査球の直接接触を行わない検査装置として気体を用いて被検査球を浮揚させた状態で、振動励起を用いた非破壊検査装置（例えば特許文献１参照）や軸受用転動体の超音波探傷検査装置の装置構成に超音波伝達媒体の噴流により検査対象を回転させる機構を加えたもの（例えば特許文献２参照）が提案されて来た。

特開２００３−９８１５６号公報 特公平５−８４８６５号公報

しかし、上記の被検査球を気体で浮揚させる方法は、エアーを噴出させるノズルが軸対称の形状であり、エアーが被検査球を回転させるトルクを与えず、被検査球は回転しなかった。その結果、被検査球の全表面及び全体積を走査することが出来ず、キズ等を検出することはできなかった。また、内部の欠陥に対する検出能が低いため、キズの検出において要求される高い精度での検査ができなかった。

一方、後者の水槽中でポンプを用いて検査対象に水流を噴射し検査対象を回転させる方法では、検査対象が回転するほどの大きな流量で水流を噴出した場合、検査対象が安定した回転挙動を示さないため球体全面を走査することができず、また球保持部から落下するといった問題があり、球保持部の寸法および水流の流量の条件では効率のよい探傷検査が出来なかった。

本発明は上述の如き実状に着目して、特に被検査球を気体で浮揚させ、かつその際の回転を制御することを試みることにより、被検査球に非接触で有害なキズをつけずに検査を実施するすることができて光を透過する材質を含む被検査球について、その球体表面および内部のキズ、異物及び欠陥の有無を自動で判定する検査手段を提供することを目的とするものである。

即ち、上記目的に適合する本発明は、球体保持器と、流体供給装置を含み、球体保持器は中心部に流体供給装置に連通する流体噴出孔を有していると共に、上面に半球状のくぼみを有してなり、半球状のくぼみには中心より放射方向に１本または非対称に複数本の流体流出溝が設けられ、被検査球を噴出流体で球体保持器上に浮揚させて非接触で回転させながら検査手段により被検査球の全表面及び内面を検査するようにした球体の検査装置にある。ここで、使用流体としては通常、空気又は不活性ガスからなる気体が使用される。

請求項３は上記装置における流出噴出孔の孔径であり、該孔径は被検査球の直径の５〜１０％であることが効果的である。また請求項４は半球状のくぼみの大きさであり、半球の球直径が被検査球の直径の１００％以上、１５０％以下で、くぼみの深さが被検査球の直径の３０％以上、５０％以下であることを特徴としており、請求項５は該半球状のくぼみに設けられる流体流出溝が被検査球の直径の１０％以下の幅をもつ１本又は非対称複数本の溝であることを好適な構成としている。

請求項６は上記装置における検査手段であり、被検査球に光を照射する光源とレンズを取り付けたデジタルカメラにより被検査球の全表面を撮影する撮影手段と、その撮影手段により撮影された画像を処理する画像処理手段を有し、撮影された被検査球の表面の画像処理により表面欠陥の有無を判定することを特徴としている。

請求項７は上記装置を用いて被検査球を流体で浮揚させ、非接触で回転させながら検査手段により被検査球の全表面および内部を検査する検査方法を特徴とする。請求項８は上記検査方法の１つの態様で、検査手段として光源にフィラメントやレーザーと云った可視光線を用いて、被検査球内に光を照射して検査し、被検査球の全表面の欠陥の有無を判定することを特徴としている。

請求項９は上記検査方法の第２の態様として光源にフィラメントやレーザーといった可視光線を用いてガラス球の如き内部が見える被検査球内に光を透過して検査し、被検査球の全表面および内部の欠陥の有無を判定することを特徴としている。請求項１０は更に上記検査方法の第３の態様で、鋼球やセラミックス球など、内部が見えない被検査球に対し超音波探触子から被検査球に超音波を送信し、被検査球の表面に沿って伝播する超音波を受信して夫々の戻った超音波を電気変換し、波形信号を得て該信号のレベルにより球体表面および球内面の欠陥の有無を判定することを特徴としている。

また請求項１１は上記請求項７の方法において渦流探傷方式により上置コイルのプローブを鋼球の近傍に設置し、電磁誘導により鋼球の表面に渦電流を誘導させ、この渦電流分布の変化を検出することにより鋼球面の欠陥の有無を判定することを特徴としている。

かくして、以上のようにして本発明装置ならびに該装置を用いた検査方法は、ガラス球の如き内部が見える被検査球体や鋼球の如き内部が見えない被検査球体に対しても被検査球体の全表面及び内面における欠陥の有無を容易に検査することができる。

本発明は上記の如く流体による回転機構と検査機構を用いて球体の全表面及び内面を検査するものであり、球体を非対称流体流により回転させながら非接触で検査を実施することができ、しかも検査過程において流体による浮揚回転で被検査球にキズを付けずに検査することができる。特に光を透過するガラス球などの材質からなる被検査球について光を透過して検査を行い、キズ，欠陥および異物の有無を確実に判定することが可能である顕著な効果を有する。

本発明装置の要部斜視概要図である。 本発明装置の全体を示す正面図である。 本発明装置における球体保持器および球体保持器における流体流出溝および球体の回転軸の方向を示す斜視図である。 本発明装置における球体保持器を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。 本発明装置における光ファイバー固定盤を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。 光学ガラス球の球体表面上のキズの顕微鏡写真である。 上記図６で示した光学ガラス球の球体表面上のキズ検出を表す電気信号図である。 光学ガラス球の球体内部の欠陥の顕微鏡写真である。 上記図８で示した光学ガラス球の球体内部の欠陥の検出を示す電気信号図である。

以下、添付図面に基づいて本発明を実施するための具体的形態を説明する。図１及び図２は本発明を実施する装置の１例を示し、図において、４は上面に流体流出溝３が形成された半球状のくぼみを有する球体保持器であり、中心部に別途設けられている流体供給装置１に連通された流体流通路２が形成されていて、上記球体保持器４の半球状のくぼみ上で被検査球７の下面に流体流通路２上端の流体噴出孔２ａを通じて流体を噴出し、被検査球７を浮揚せしめるように構成されている。

ここで、被検査球７下面に対し噴出され、球体を浮揚させる流体としては空気や不活性ガスなどの気体が一般的に用いられるが、これら気体に限らず、液体であってもよい。そして、球体保持器４上で被検査球７は浮揚しながら回転せしめられることが肝要であり、かかる回転を付与するために上面のくぼみに１本または非対称に複数本の流体流出溝３が設けられている。この場合、１本の場合は兎も角として複数の溝を設けるときに対称的に設けることは被検査球７を浮揚するが、平均した流体のため回転を付与するには不適であり、好ましくない。従って非対称的に流体が流出するよう複数の流体溝を設けることが必要である
なお、上記において流体供給装置１に連通する流体噴出孔２ａの孔径は浮揚させる被検査球７の直径の３〜１０倍、好ましくは５〜１０倍であることが効果的であり、３倍未満では小さくて充分な浮揚力を得ることができず、また１０倍を超えると浮揚力が強くなりすぎ、非接触回転に支障を生ずる恐れがある。

また、球体を保持する球体保持器４上面の半球状のくぼみの大きさ，深さは余り大きすぎては適当でなく、くぼみの直径は半球の球直径が被検査球７の球直径の１００〜１５０％程度が好ましく、１００％以下では被検査球体が充分に保持されず、また１５０％以上では深く入り過ぎて浮揚力を減殺する。

一方、くぼみの深さも同様に、余り深すぎては被検査球の浮揚に支障を来すので、深さは被検査球の直径の３０％以上、５０％以下であることが好適である。図中、５，６は上記球体保持器上に載せられた被検査球の表面を含む全体積のキズ，欠陥を検査するための検査手段の１例であり、被検査球７中心に向けて対となる投光素子５と受光素子６が互いに向かい合うように同一平面上に円状に配置されている。そして、これら投光素子５，受光素子６は被検査球７が浮揚かつ回転した状態で投光素子５から照射された光が照射され、この光路上にキズ及び異物が存在すると、投光素子５から照射した光量と受光素子６で受光した光量が相対的に変化するためキズ等の有無を判定することができる。なお、被検査球の回転の回転軸を検査中に変化させなくても被検査球を１回転させることで被検査球の表面を含む全体積中のキズ、欠陥および異物を検出することができる。

以下、上記本発明装置を用いた検査方法について説明する。先ず、検査の実施にあたっては、半球の球直径及びくぼみの深さが、夫々被検査球の直径の１５０％以下、４０％以下である半球状のくぼみと、被検査球の直径の１０％以下の幅をもつ１本または複数本の溝３を持つ球体保持器４に被検査球７をのせる。さらに、球体保持器４に備えられた流体噴出孔２ａから空気や不活性ガスといった気体などを被検査球７に噴き上げることで浮揚させ、被検査球７を浮揚量３０μｍ以上、２００μｍ以下、回転数５００ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下で球体が常に同一の回転軸で自転するように、非接触で回転させる。そして、検査手段として被検査球の表面に光源にフィラメントやレーザーといった可視光線を用いて、反射方式により検査する。即ち、被検査球に光を照射し、被検査球の表面で反射した光を受光素子６で受光し、電気変換されたアンプに信号が送られる。この電気信号の変化量でキズの有無を判定する。

なお、検査手段としては上記光学式に限らず、被検査球の表面検査に渦流探傷方式を用いることもできる。即ち、上置コイルのプローブを被検査球の近傍に設置し、電磁誘導により球表面に渦電流を発生させる。この渦電流分布の変化を検出することにより球表面の有無を判定する。更に、被検査球の表面に関して画像処理方式を用いて検査することができる。この場合は、光源により光を照射し、デジタルカメラで被検査球の全表面を撮影し、撮影された画像を処理用パソコンに送り、その画像に対して所定の処理を行うことでキズの有無を判定する。

上記検査手段は被検査球に対して夫々に応じ適宜、実施される。例えば内部の見える光学ガラス球のような検査対象に関しては、光源にフィラメントやレーザーといった可視光線を用いて、透過方式により検査することが可能である。即ち、被検査球に光を照射し、被検査球内を光が透過され、透過した光を受光素子で受光し、電気変換されアンプに信号が送られる。この電気信号の変化量でキズの有無を判定する。

一方、内部に見えない鋼球やセラミックス球に関しては、超音波探傷方式により検査することが可能である。超音波探触子から鋼球およびセラミックス球に超音波を送信し、鋼球およびセラミックス球に沿って球表面および球表面から球内部に伝播する超音波が反射されて戻る超音波を受信する。夫々の受信した超音波を電気変換し、波形信号を得て信号のレベルにより球体表面および球体内部のキズの有無を判定する。

本発明は以上のように、流体供給装置１、流体噴出孔２，流体流出溝３を備えた球体保持器４ならびに投光素子と受光素子を持つ光学系または渦流探傷装置、画像処理装置、超音波探傷装置などからなる検査手段を組み合わせてなり、被検査球を空気や不活性ガスといった流体で浮揚させ回転させながら超音波探傷方式などの検査手段を用いてキズの有無を判定できる。しかも、これら検査を通じ被検査球には何ら有害なキズや異物を付けることなく検査が可能である。

以下、更に実施例として被検査球に光学レンズ用ガラス球を用いて、その全表面を含む全体積について流体を噴出し、ガラス球を浮揚せしめ回転せしめて検査する場合を図２乃至図５に基づいて説明する。

先ず、流体の供給を停止した状態でガラス球７よりわずかに大きな径をもった球状のくぼみを備えた球体保持器４にガラス球７を設置する。一方、球体保持器４のくぼみには、流体の流出路を安定させるためにくぼみの表面に図３に示すように円弧状の流出溝３をつけてくぼみを非対称の形状にしている。直径５ｍｍのガラス球では、球体保持器４は深さ１．５ｍｍ、直径５．５ｍｍのくぼみと、くぼみ最深部からくぼみのエッジに向けてくぼみ表面に円弧状につけられた深さ及び幅ともに０．２ｍｍの流出溝３が設けられる。球体保持器４のくぼみ最深部には、直径０．２ｍｍの円筒状の穴が設けられ流体噴出孔２ａとなっている。この実施例では流体としては圧縮空気を用いる。高圧の空気が貯められたエアーボンベ８（図示せず）から矢示の如く送られた流量及び圧力を制御された空気が、流体流通路２を通じて送給され、ガラス球７が設置された球体保持器４へと流れ、先端の流体噴出孔２ａよりガラス球７に吹き掛けられる。なお、このとき空気が流出溝３を通じて流れ、ガラス球７の回転を助ける。空気の圧力を０．４ＭＰａ，流量を０．３ｌ／ｍｉｎとしたとき、ガラス球は初期状態に対し１００μｍ程度浮上し、２０００ｍｉｎ^-1程度の回転数で、回転軸は図３に示すように球体保持器４の流出溝３に垂直な方向の軸９でもって回転する。

検査方法に関しては、光を照射するための投光素子５、照射された光を受光するための受光素子６があり、実施例では直径０．５ｍｍの光ファイバーを使用し、投光素子５と受光素子６は１８対用い、図５で示すように光ファイバー固定盤１０上に配置する。光源としては青色ＬＥＤ光を用いる。ガラス球と投光素子５及び受光素子６の位置は、ガラス球７の浮揚方向と垂直をなす平面上にガラス球７を円状に取り囲むように投光および受光の光ファイバー端を光ファイバー固定盤１０を用いて設置する。投光素子５については光源接続され、受光素子６についてはフォトトランジスタに接続されている。投光素子５および受光素子６は対を成し、対を成す投光素子５と受光素子６を結ぶ直線上にガラス球７の中心に来るように図２に示す光ファイバー固定盤１０のＸ−Ｙ−Ｚステージ１１によって位置が調整される。

かくして上述した条件により微小人工欠陥を持った光学ガラス球７に対して、欠陥の検出を実施した。その結果、図６に顕微鏡写真を示すような球体表面の欠陥のあるガラス球を透過し受光素子６で受光した光量を電気変換した信号を図７に示す。検査球であるガラス球７の回転と一致する一定の周期で、欠陥が光路上に含まれることによる受光素子６の検出する光量の変化が観測できる。同様に、図８に顕微鏡写真を記すような球体内部の欠陥のあるガラス球に対し検査を実施した際の電気信号を図９に示す。球体表面の欠陥の場合と同様に、ガラス球の回転にあわせて周期的に欠陥の検出を示す信号が検出される。この実施例の条件では直径５０μｍ程度以上の欠陥の検出が可能である。また、この欠陥の有無の検査によって、被検査球であるガラス球７に有害なキズは発生しなかった。

以上のように、被検査球を浮揚させることにより、被検査球を回転機構及びキズ検出機構と接触させず、検査間に有害なキズをつけることなしに、球体の表面を含む全体積について検査を実施することができる。

１：流体供給装置
２：流体流通路
２ａ：流体噴出孔
３：流体流出溝
４：球体保持器
５：投光素子
６：受光素子

Claims (11)

1. 球体保持器と、流体供給装置を含み、球体保持器は中心部に流体供給装置に連通する流体噴出孔を有していると共に、上面に半球状のくぼみを有してなり、半球状のくぼみには中心より放射方向に１本又は非対称複数本の流体流出 溝が設けられて、被検査球を流体で球体保持器上に浮揚させて非接触で回転させながら検査手段により被検査球の全表面及び内面を検査するようにしたことを特徴とする球体の検査装置。
2. 流体として空気又は不活性ガスからなる気体を用いて被検査球を非接触で回転させながら被検査球の全表面及び内面を検査する請求項１記載の球体の検査装置。
3. 流体噴出孔の孔径が被検査球の直径の５〜１０％である請求項１または２記載の球体の検査装置。
4. 半球状のくぼみが、半球の球直径が被検査球の直径の１００％以上、１５０％以下であり、くぼみの深さが被検査球の直径の３０％以上、５０％以下である請求項１，２または３記載の球体の検査装置。
5. 半球状のくぼみに設けられる流体流出溝が被検査球の直径の１０％以下の幅をもつ１本又は非対称複数本の溝である請求項１〜４の各項に記載された球体の検査装置。
6. 検査手段として被検査球に光を照射する光源とレンズを取り付けたデジタルカメラにより被検査球の全表面を撮影する撮影手段と、その撮影手段により撮影された画像を処理する画像処理手段を有し、撮影された被検査球の表面の画像処理により表面欠陥の有無を判定することができるようにした請求項１，２，３，４または５記載の球体の検査装置。
7. 請求項１〜５の何れかの項に記載の装置を用いて被検査球を流体で浮揚させ、非接触で回転させながら検査手段により被検査球の全表面および内部を検査することを特徴とする球体の検査方法。
8. 検査手段として光源にフィラメントやレーザーと云った可視光線を用いて、被検査球に光を照射して検査し、被検査球の全表面の欠陥の有無を判定する請求項７記載の球体の検査方法。
9. 光源にフィラメントやレーザーと云った可視光線を用いてガラス球の如き内部が見える被検査球内に光を透過して検査し、被検査球の全表面及び内部の欠陥の有無を判定する請求項７または８記載の球体の検査方法。
10. 鋼球やセラミックス球など内部が見えない被検査球に対し超音波探触子から被検査球に超音波を送信し、被検査球の表面に沿って伝播する超音波を受信して夫々の戻った超音波を電気変換し、波形信号を得て該信号のレベルにより球体表面及び球内部の欠陥の有無を判定する請求項７記載の球体の検査方法。
11. 渦流探傷方式により上置コイルのプローブを鋼球の近傍に設置し、電磁誘導により鋼球の表面に渦電流を誘導させ、この渦電流分布の変化を検出することにより鋼球表面の欠陥の有無を判定する請求項７記載の球体の検査方法。