JP2014130120A - 内面性状測定装置及び内面性状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置構成で高精度の内面性状の測定を行うことができる内面性状測定装置及び内面性状測定方法を提供する。
【解決手段】内面性状測定装置１は、測定対象１００の内面１００ａとの距離を測定する検出器１０と、測定対象１００を保持し、検出器１０の測定プローブ１１に対して相対的に移動可能に構成された装置本体と、を備えている。検出器１０は、測定対象１００の円筒内面１００ａに対向して配置される測定プローブ１１と、測定光を発生させる測定光発生手段１２と、測定対象１００の円筒内面１００ａで反射された反射光の受信強度を検出する強度検出部１３と、強度検出部１３で検出された反射光の受信強度に基づき測定対象１００の内面性状を測定する測定部１４と、を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、円筒内面を有する測定対象の内面性状を測定するための内面性状測定装置及び内面性状測定方法に関する。

従来より、円筒形状の測定対象の形状を測定する方法として、超音波探触子を移動しながら受信した超音波エコーに基づいて管の内面形状を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。また、ダイヤルゲージなどの接触式または静電容量式などの非接触式の変位検出器を２つ用いて円筒体の表面変位を計測し、一方の変位検出器の測定値を補正して円筒体の形状を測定する円筒形状の測定方法が提案されている（特許文献２）。

特開２００４−２８９３６号公報 特開２００６−２６６９１０号公報

しかし、超音波探触子を用いる方法では、位相差計測に複雑で高価な測定系が必要であるという問題があった。また、その他の測定方法においても、測定精度が低い、測定ヘッドが大きく小径の円筒内面を有する測定対象の内面性状を測定することが困難である、などの問題があった。

そこで、本発明では、簡単な装置構成で高精度の内面性状の測定を行うことができる内面性状測定装置及び内面性状測定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、円筒内面を有する測定対象の内面性状を測定する内面性状測定装置において、測定対象の保持手段と、測定プローブを円筒内面に対向して配置し、測定プローブの先端と円筒内面との距離を測定する検出器と、前記検出器と前記保持手段とを相対的に移動し、前記検出器に対して測定対象の位置決めを行う位置決め手段と、前記円筒内面に対して前記検出器の測定プローブを相対的に回転移動可能な回転手段と、を備え、前記検出器は、測定光を発生する測定光発生手段と、測定光を円筒内面に照射するための照射ファイバと照射ファイバに隣接して配置され円筒内面において反射された反射光を受信する検出ファイバとを備えた測定プローブと、円筒内面において反射された反射光の受信強度を検出する強度検出部と、検出された反射光の受信強度に基づき、測定プローブの先端と円筒内面との距離を演算して内面性状を測定する測定部と、を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、簡単な構成の検出器により高精度の測定を行うことができる。また、測定プローブを小さくすることができるので、小径の円筒内面の内面性状を測定することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の内面性状測定装置において、前記照射ファイバと前記検出ファイバとは、同軸構造を構成する、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明によれば、照射ファイバと検出ファイバとの位置関係を一定にすることができるので、測定プローブを小型化することができるとともに、測定精度を高めることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の内面性状測定装置において、前記測定部において測定される内面性状は、円筒内面の真円度である、という技術的手段を用いる。

本発明の内面性状測定装置は、請求項３に記載の発明のように、円筒内面の真円度の測定に好適に用いることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の内面性状測定装置において、前記測定対象は、モータのステータである、という技術的手段を用いる。

本発明の内面性状測定装置は、請求項４に記載の発明のように、モータのステータ（特に内径が小さいもの）の内面性状の測定に好適に用いることができる。

請求項５に記載の発明では、円筒内面を有する測定対象の内面性状を測定する内面性状測定方法において、測定光を円筒内面に照射するための照射ファイバと照射ファイバに隣接して配置され円筒内面において反射された測定光を検出する検出ファイバとを備えた測定プローブの先端を円筒内面に対向させ、前記円筒内面に対して前記検出器の測定プローブを相対的に回転移動させて測定光を照射し、前記円筒内面において反射された反射光を受信し、あらかじめ取得された反射光の受信強度と距離との関係を示す検量線により、前記円筒内面において反射された反射光の受信強度に基づき、前記測定プローブ先端と前記円筒内面との距離を算出し、内面性状を測定する、という技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明によれば、簡単な構成の検出器により高精度の測定を行うことができる。また、測定プローブを小さくすることができるので、小径の円筒内面の内面性状を測定することができる。

請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の内面性状測定方法において、前記測定対象の中心軸と、前記円筒内面に対して前記検出器の測定プローブを相対的に回転移動させる回転移動の中心軸と、の偏差を小さくする偏心補正を行う、という技術的手段を用いる。

請求項６に記載の発明によれば、測定値に影響を及ぼす測定対象の中心軸と円筒内面に対して検出器の測定プローブを相対的に回転移動させる回転移動の中心軸との偏差を小さくすることができるので、測定精度を向上させることができる。

請求項７に記載の発明では、請求項５または請求項６に記載の内面性状測定方法において、測定される内面性状は、円筒内面の真円度である、という技術的手段を用いる。

本発明の内面性状測定方法は、請求項７に記載の発明のように、円筒内面の真円度の測定に好適に用いることができる。

請求項８に記載の発明では、請求項５ないし請求項７のいずれか１つに記載の測定対象の内面性状測定方法において、前記測定対象は、モータのステータである、という技術的手段を用いる。

本発明の内面性状測定方法は、請求項８に記載の発明のように、モータのステータ（特に内径が小さいもの）の内面性状の測定に好適に用いることができる。

測定対象の一例であるモータのステータの構造を示す説明図である。図１（Ａ）はステータの上面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ断面図、図１（Ｃ）はステータを構成する分割コアの上面図、図１（Ｄ）は図１（Ｃ）のＢ−Ｂ断面図である。 内面性状測定装置の構成を示す説明図である。図２（Ａ）は側面図、図２（Ｂ）は上面図である。 検出器の構成を示す説明図である。 測定原理の説明図である。 距離の算出に用いる検量線を示す模式図である。 測定可能な状態に測定対象を保持した内面性状測定装置の一部拡大図である。 内面性状の測定方法を示すフローチャートである。 真円度の算出方法を示す説明図である。 測定対象の中心軸と回転手段の中心軸との偏差を小さくする偏心補正を行う方法を示す説明図である。

（装置構成）
本発明の内面性状測定装置について図を参照して説明する。本実施形態では、円筒内面を有する測定対象がモータのステータである場合を例に説明する。

近年、自動車産業、産業機器産業、ロボット産業のモータ製造分野では、モータの高出力化、小型軽量化、低消費電力化、が強く求められている中、そのモータのステータに巻線する技術において、できるだけ少ないスペースにできるだけ多くの巻線を施すことが必要である。その代表的なモータの製造方法が分割コア式である（例えば、特開２０１２−３９８３０号公報）。分割コア式では、個々の分割コアに巻線を施した後に、それぞれの分割コアを集めて、溶接等で結合する方法であるため、従来の一体コアに巻線する製造法に比べ、より多くの巻線をすることができ、高性能なモータが製造できるとされている。一方で、従来の製造法に比べ、溶接後の内径の真円度は悪くなってしまうという課題がある。通常、ステータの中には、ロータ（回転子）が配置されるが、ステータとロータのクリアランスはできるだけ小さい方が、性能が良くなるので、ステータの内径の真円度は重要な要素となる。よって、分割コア式のステータの溶接結合工程においては、溶接条件等で内径の真円度が規定の寸法を外れることのないよう管理する必要がある。本発明は、ステータ、特に分割コア式のステータの円筒内面の真円度を測定する方法として、検査工程に好適に用いることができる。
図１に示すように、分割コア１０１は、リング状の外周を形成するヨーク部１０１ｙと、半径方向内側に突出し絶縁状態で巻線１０２が施される巻胴部１０１ｂと、巻胴部１０１ｂの両先端部にそれぞれ形成された外側鍔部１０１ａと内側鍔部１０１ｃと、を備えている。ステータ１００は、巻線１０２が施された複数個の分割コア１０１（本実施形態では１２個）を周方向に配置し、溶接等により一体的に形成されており、ステータ１００の円筒内面１００ａが形成される。

図２に示すように、本発明の内面性状測定装置１は、測定対象のステータ１００の円筒内面１００ａとの距離を測定する検出器１０と、ステータ１００を保持し、検出器１０の測定プローブ１１に対して相対的に移動可能に構成された装置本体２０と、を備えている。

装置本体２０は、ステータ１００の保持手段２１と、測定プローブ１１に対して保持手段２１を水平方向に移動可能に構成され、測定プローブ１１に対してステータ１００の測定対象の水平方向の位置決めを行う水平方向位置決め手段２２と、保持手段２１を垂直方向に移動可能に構成され、測定プローブ１１に対してステータ１００の測定対象の垂直方向の位置決めを行う垂直方向位置決め手段２３と、保持手段２１を水平方向に回転させ、測定プローブ１１に対してステータ１００の内面を回転移動可能な回転手段２４と、を備えている。

保持手段２１は水平方向位置決め手段２２を介して回転手段２４の回転軸２４ａに接続されている。位置決め手段２２として、一軸方向または２軸方向に移動可能な機構、例えばＸＹステージを採用することができる。

回転手段２４は、連続して回転、または所定の角度を回転し停止可能に構成されており、例えば、サーボモータを好適に用いることができる。

検出器１０は防振性に優れた架台２５上に配置されている。図２及び図３に示すように、検出器１０は、ステータ１００の円筒内面１００ａに対向して配置される測定プローブ１１と、測定光を発生させる測定光発生手段１２と、ステータ１００の円筒内面１００ａで測定光が反射された反射光の受信強度を検出する強度検出部１３と、強度検出部１３で検出された反射光の受信強度に基づきステータ１００の内面の内面性状を測定する測定部１４と、を備えている。

測定プローブ１１は、測定光をステータ１００の円筒内面１００ａに照射するための照射ファイバ１１ａと照射ファイバ１１ａに隣接して配置されステータ１００の内面において反射された測定光を検出する検出ファイバ１１ｂと、を備えている。測定プローブ１１は数ミリ程度先端を屈曲して形成されており、ステータ１００の上方から内部に挿入し、先端を円筒内面１００ａに対向して配置可能に形成されている。これにより、小径（例えば内径３０ｍｍ）のステータ１００の内部にも容易に挿入することができる。

照射ファイバ１１ａは測定光発生手段１２に、検出ファイバ１１ｂは強度検出部１３に、それぞれ接続されている。本実施形態では、複数本の細い照射ファイバ１１ａが束なってコアを形成し、複数本の細い検出ファイバ１１ｂが取り囲んで形成された同軸構造を採用した。これによれば、照射ファイバ１１ａと検出ファイバ１１ｂとの位置関係を一定にすることができるので、測定プローブ１１を小型化することができるとともに、測定精度を高めることができる。

測定光発生手段１２は、測定光を発生させる装置であり、測定光の光源としてはレーザダイオード、ＬＥＤ、ハロゲンランプなどを用いることができる。測定光は、照射強度、測定精度の観点からレーザ光が好ましい。また、測定光発生手段１２は、照射ファイバ１１ａに測定光を入射するためのコリメータなどの光学系を備えている。

強度検出部１３は、フォトダイオードなどの受光素子を備え、反射光の受信強度を検出可能に構成されている。

測定部１４は、パーソナルコンピュータなどの演算装置で構成される。ここで、測定光発生手段１２を制御可能な構成とすることもできる。また、測定部１４は、回転手段２４と接続され、回転制御及び回転角度データの取得などを行う。

（測定原理）
次に、測定プローブ１１とステータ１００の円筒内面１００ａとの間隙の測定原理について説明する。図４に、測定プローブ１１から距離ｄだけ離間した円筒内面１００ａに測定光を照射したときの反射光の状態を模式的に示す。なお、右側の測定プローブ１１は測定原理の説明のため、円筒内面１００ａに対して対称の位置に仮想的に記載したものである。

測定光Ｌ１は、照射ファイバ１１ａの端面Ｅから広がりをもってステータ１００の円筒内面１００ａに照射され、反射光Ｌ２となる。反射光Ｌ２は測定光Ｌ１よりも大きく広がり、一部が検出ファイバ１１ｂに入射される。ここで、距離ｄが大きくなる程、反射光Ｌ２の広がりが大きくなるため、検出ファイバ１１ｂに入射する反射光Ｌ２の受信強度が低下することになる。このように、測定プローブ１１端面における反射光Ｌ２の面積Ｓと検出ファイバ１１ｂの端面の面積Ｓ’の比によって、反射光Ｌ２の受信レベルＬ（受信強度）が定まり、その比は測定プローブ１１の端面と円筒内面１００ａとの距離によって決定される。これにより、反射光Ｌ２の受信レベルＬと距離ｄとの関係を取得しあらかじめ検量線を作成しておけば、受信レベルＬに基づいて距離ｄを測定することができる。

検量線は、距離ｄが既知の状態で変化させながら、反射光Ｌ２の受信レベルＬを測定し、作成する。距離ｄは、例えば、ＸＹステージによりステータ１００を水平方向に移動させ、その移動距離から求めることができる。

図５に、検量線を模式的に示す。反射光Ｌ２が検出ファイバ１１ｂの外縁をはみ出すまでは、距離ｄが大きくなるほど反射光Ｌ２の入射量が多くなるので受信強度が強くなる（Ａ領域）。反射光Ｌ２が検出ファイバ１１ｂの外縁をはみ出すと、距離ｄが大きくなる程、反射光Ｌ２の広がりが大きくなるため、検出ファイバ１１ｂに入射する反射光Ｌ２の入射量が少なくなり、受信強度が低下する（Ｂ領域）。ここで、検量線としては、Ａ領域を用いると、測定プローブ１１が円筒内面１００ａに近接しすぎて接触、破損のおそれがあり、また、受信強度に対して一義的に距離ｄを決定するため、Ｂ領域を使用することとする。

（測定方法）
以下に、ステータ１００の円筒内面１００ａの内面性状の測定方法を図６ないし図８を参照して説明する。

まず、図６に示すように、ステータ１００を円筒内面１００ａの中心軸Ｃｓが垂直方向となるように保持手段２１に固定する。ステータ１００の固定は、保持手段２１の保持部２１ａにステータ１００を挿入後に側面からねじ止めすることにより行う。

次に、水平方向位置決め手段２２及び垂直方向位置決め手段２３により、測定プローブ１１の先端がステータ１００の円筒内面１００ａの測定位置に対向するように、位置決めを行う。高い測定精度を得るためには、例えば、円筒内面１００ａと測定プローブ１１の先端との距離は、検量線のＢ領域を使用するために２ｍｍ程度とすることが好ましい。

この状態を初期状態として回転角度θ＝０°とする。また、回転手段２４の回転中心をＣｒ、ステータ１００の中心軸Ｃｓとし、これらの偏差をｅ（θ）とする。

次に、回転手段２４によりステータ１００を水平方向に回転させながら、測定プローブ１１から円筒内面１００ａに測定光Ｌ１を照射し、所定のタイミングで反射光Ｌ２を検出し、検出した反射光Ｌ２の受信レベルに基づいて、あらかじめ取得しておいた検量線から測定プローブ１１の先端と円筒内面１００ａとの距離ｄを測定する。円筒内面１００ａの測定点をｎ点とした場合に、３６０°／ｎ回転移動する毎に反射光Ｌ２を検出し、全周（３６０°）の距離測定を行う。（図７のステップＳ１〜Ｓ５）

続くステップＳ６では、各角度の距離の測定値ｍ（θ）を
ｍｊ＝ｍ（２πｊ／ｎ），ｊ＝０，１，２・・・，ｎ−１
と標本化しフーリエ解析を行い、式（１）に示す調和解析を行う。ここで、ａｋ、ｂｋはフーリエ係数である。

続くステップＳ７では、偏差ｅ（θ）を求める。偏差ｅ（θ）は、ｍ（θ）のサンプル値系列ｍｊの第１次高調波である式（２）のｅｊ系列（ｊ＝０，１・・・ｎ−１）で表わされる。

続くステップＳ８では、ｒｊ系列（ｊ＝０，１・・・ｎ−１）から真円度ｒ（θ）を求める。ｒｊ系列（ｊ＝０，１・・・ｎ−１）は、式（１）の２次以降の高次の項の総和である式（３）により求められる。

図８に、測定値ｍ（θ）、偏差ｅ（θ）及び真円度ｒ（θ）の関係を模式的に示す。ここで、ｍ（θ）＝ｒ（θ）＋ｅ（θ）であるので、測定値ｍ（θ）から偏差ｅ（θ）を減じることにより真円度ｒ（θ）を得ることができる。また、距離ｄの分布より表面粗さなどの内面性状を求めることもできる。

ステップＳ９，Ｓ１０により上述した測定を繰り返し、ステップＳ１１において測定結果を出力する。測定結果は測定部１４が備えたディスプレイなどで表示することができる。続くステップＳ１２において偏心補正をしないとした場合には、一連の測定を終了する。

測定精度を向上させるために、偏差ｅ（θ）を小さくする、つまり、回転手段２４の回転中心Ｃｒとステータ１００の中心軸Ｃｓとの位置ずれを小さくする偏心補正を行うこともできる（ステップＳ１３）。図９に偏心補正の原理を示す。まず、図９（Ａ）に示すように、偏差ｅ（θ）の最大値ｅｊｍａｘ＋及び最小値ｅｊｍａｘ−を与えるｊの値を検出する。次に、図９（Ｂ）に示すように、ｅｊｍａｘを与える角度３６０ｊ／ｎにおいて、ステータ１００の中心軸ＣｓをΔｅｊｍａｘ＝{（ｅｊｍａｘ＋）−（ｅｊｍａｘ−）} ／２だけ移動させることにより、偏差を補正することができる。偏差補正を行った後に再度距離測定を行うことにより、測定値に影響を及ぼす偏差を小さくすることができるので、測定精度を向上させることができる。

必要に応じて、垂直方向位置決め手段２３によりステータ１００を垂直方向に移動させて測定を繰り返し、高さ方向の内面性状のプロファイルを測定することができる。高さ方向の内面性状のプロファイルを測定することにより、円筒度も算出することができる。

また、ステータ１００の中心軸Ｃｓと測定プローブ１１の先端との距離ｒが既知であれば、ステータ１００の円筒内面１００ａの平均直径を算出することもできる。

真円度の測定には反転法を用いることもできる。回転角θに対して、真円度をｒ（θ）、回転軸２４ａの回転中心とステータ１００の中心との偏差をｅ（θ）とすると、ステータを１回転させながら測定した測定値ｍ（θ）は下式で表わされる。

（数４）
ｍ（θ）＝ｒ（θ）＋ｅ（θ）

次に、ステータ１００及び測定プローブ１１の位置を保持手段２１に対して１８０°回転（反転）させてから同様の測定を行うと、測定値ｍ’（θ）は下式で表わされる。ここで、保持手段２１を回転軸０°から１８０°の位置に回転させてからステータ１００を保持し、測定を行ってもよい。

（数５）
ｍ’（θ）＝ｒ（θ）−ｅ（θ）

これにより、真円度をｒ（θ）は下式で表わされる。

（数６）
ｒ（θ）＝｛ｍ（θ）＋ｍ’（θ）｝／２

（変更例）
上述した実施形態では、ステータ１００を連続的に回転させて測定光Ｌ１を照射し、所定のタイミングで反射光Ｌ２を検出することにより距離測定を行ったが、ステータ１００を所定の角度を回転させた後に、測定プローブ１１から円筒内面１００ａに測定光Ｌ１を照射し、反射光Ｌ２の受信強度に基づいて、距離測定を行うこともできる。ここで、円筒内面１００ａの測定点をｎ点とした場合に、３６０°／ｎ回転移動させる毎に測定光Ｌ１を照射し、全周（３６０°）の距離測定を行う。

測定プローブ１１は、円筒内面１００ａに対して相対的に回転移動可能であればよく、測定プローブ１１に回転機構を設けて、測定プローブ１１を円筒内面１００ａに対して回転移動させる構成を採用することもできる。

測定プローブ１１は、照射ファイバ１１ａと検出ファイバ１１ｂとが隣接して配置され、十分に反射光を入射させることができれば、同軸構造でなくてもよく、一体的に形成されていなくともよい。

測定対象のステータ１００は、分割コア型、一体コア型など各種形態のステータとすることができる。その他の円筒内面を有する測定対象として、鋼管などのパイプ状のものも適用可能である。

[実施形態の効果]
本発明の内面性状測定装置及び内面性状測定方法によれば、光計測による簡単な構成の検出器１０により高精度の測定を行うことができる。また、測定プローブ１１を小さくすることができるので、小径の円筒内面の内面性状を測定することができる。

（その他の実施形態）
距離ｄの測定方法として、公知の方法により測定光Ｌ１に対する反射光Ｌ２の遅延時間を測定し、その遅延時間に基づいて距離ｄを求める方法を採用することもできる。

１…内面性状測定装置
１０…検出器
１１…測定プローブ
１１ａ…照射ファイバ
１１ｂ…検出ファイバ
１２…測定光発生手段
１３…強度検出部
１４…測定部
２０…装置本体
２１…保持手段
２２…水平方向位置決め手段
２３…垂直方向位置決め手段
２４…回転手段
２４ａ…回転軸
１００…ステータ
１００ａ…円筒内面

Claims (8)

1. 円筒内面を有する測定対象の内面性状を測定する内面性状測定装置において、
   測定対象の保持手段と、
   測定プローブを円筒内面に対向して配置し、測定プローブの先端と円筒内面との距離を測定する検出器と、
   前記検出器と前記保持手段とを相対的に移動し、前記検出器に対して測定対象の位置決めを行う位置決め手段と、
   前記円筒内面に対して前記検出器の測定プローブを相対的に回転移動可能な回転手段と、を備え、
   前記検出器は、
   測定光を発生する測定光発生手段と、
   測定光を円筒内面に照射するための照射ファイバと照射ファイバに隣接して配置され円筒内面において反射された反射光を受信する検出ファイバとを備えた測定プローブと、
   円筒内面において反射された反射光の受信強度を検出する強度検出部と、
   検出された反射光の受信強度に基づき、測定プローブの先端と円筒内面との距離を演算して内面性状を測定する測定部と、を備えたことを特徴とする内面性状測定装置。
2. 前記照射ファイバと前記検出ファイバとは、同軸構造を構成することを特徴とする請求項１に記載の内面性状測定装置。
3. 前記測定部において測定される内面性状は、円筒内面の真円度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内面性状測定装置。
4. 前記測定対象は、モータのステータであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の内面性状測定装置。
5. 円筒内面を有する測定対象の内面性状を測定する内面性状測定方法において、
   測定光を円筒内面に照射するための照射ファイバと照射ファイバに隣接して配置され円筒内面において反射された測定光を検出する検出ファイバとを備えた測定プローブの先端を円筒内面に対向させ、
   前記円筒内面に対して前記検出器の測定プローブを相対的に回転移動させて測定光を照射し、前記円筒内面において反射された反射光を受信し、
   あらかじめ取得された反射光の受信強度と距離との関係を示す検量線により、前記円筒内面において反射された反射光の受信強度に基づき、前記測定プローブ先端と前記円筒内面との距離を算出し、内面性状を測定することを特徴とする内面性状測定方法。
6. 前記測定対象の中心軸と、前記円筒内面に対して前記検出器の測定プローブを相対的に回転移動させる回転移動の中心軸と、の偏差を小さくする偏心補正を行うことを特徴とする請求項５に記載の内面性状測定方法。
7. 測定される内面性状は、円筒内面の真円度であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の内面性状測定方法。
8. 前記測定対象は、モータのステータであることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１つに記載の内面性状測定方法。

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