JP2020085468A - 光学式内周面表面気孔測定装置及び気孔率の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結体からなる被測定物の内周面の表面気孔率を被測定物を切断せずに表面気孔率を正しく測定する。【解決手段】プローブ７を被測定物１００の穴に進入した状態で、プローブの内部から、光線を回転放射しながら透光性部材の部分を通過させて、プローブの外部に位置する前記穴の内周面に向かって照射し、内周面からの反射光を収集して解析することで、内周面の表面気孔を測定する。プローブの構成として、パイプに内蔵された光ファイバー１と、光ファイバーの先端側において、透光性パイプ４の内部に内蔵された少なくとも１つの光路変換手段と、光ファイバーと光路変換手段との一方または両方を回転駆動させるモータを有し、光路変換手段から光線を回転放射し、被測定物の内周面からの反射光を得ることを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、被測定物の穴または深穴内径に、プローブを進入させ、穴の内周面に光線を放射し、反射光または干渉光を立体的に取り込んで内周面の形状を把握し、焼結材料や多孔体の内周表面の気孔の有無および表面気孔率を測定する光学式内周面表面気孔測定装置及び測定方法に関するものである。

例えば各種ディスク装置等の電子機器の回転主軸部に用いられる焼結含油軸受、および自動車エンジンの吸排気バルブの往復摺動をガイドする為に用いられる焼結金属製ガイドブッシュ等は、鉄、銅、その他の粉体を材料として製造されているが、その性能と信頼性を保証するために内周面の表面気孔率（面積％）が一定範囲内になるよう管理され製造されている。

これら焼結部品は第１行程では、粉体を金型内に入れ、次にプレス機械で粉体を押し固めるが、この時、焼結軸受またはガイドブッシュの両端部近傍にはプレス圧がよく伝わり、高密度に固められるが、中央近傍にはプレス圧力が行き届かず、低密度（疎）にしか固められない。そこで、中央部の内周面には多くの表面気孔が残りがちであった。

表面気孔は、例えば非特許文献１「NTN ベアファイト焼結含油軸受標準シリーズ：カタログNo.5206／J」〔NTN（登録商標）、ベアファイト（登録商標）〕に「軸受内部の無数の空孔（ポーラス）」として示されているように、粒子間に生じる隙間を定義している。また、一般に粒子表面の表面粗さは表面気孔率には含まれない。

本願図面の図１に示す焼結軸受の表面気孔説明図において、１０１はシャフトの断面、１０２は焼結軸受の断面、１０５はオイルでありこれらによってすべり軸受を構成しており、この中で１０２ａ、１０２ｂが表面気孔である。焼結軸受１０２の内部に含油されたオイル１０５はこの表面気孔１０２ａ、１０２ｂから軸受隙間に長時間かけて供給されるが、この時、表面気孔率が小さいと摺動面に油量不足が生じて焼け付きを起こす危険性がある。一方、表面気孔が大き過ぎると短時間にオイル１０５の供給が終了し、やがて焼け付きを起こす危険性があった。

これら内周面における表面気孔を観察または検出し、表面気孔率を求める。従来の測定方法は、試料（焼結軸受やガイドブッシュ）を長手方向に回転式カッター等で切断しないと内周面が観察できない為、同様に表面気孔率の測定も行うことができなかった。
そして、表面気孔率の数値化方法には、主に２種類があり、第１の測定方法は、切断した試料を光学式顕微鏡にセットし、測定したい内周面にファイバーランプ等で斜めから照明することで、表面気孔が暗い影になるよう照明を調整し、内周面のモノクロ写真を撮影して求めていた。本願図面の図２は、内周表面を撮影した写真の一例であり、図３は図２の写真画像をコンピュータで二値化し白と黒の二色に変換した画像である。図３の二値化後の画像はコンピュータ解析により、黒色部分の面積率計算することが容易であり、黒色部分の面積率を表面気孔率（面積％）と称していた。
また、第２の測定方法として示す従来の表面気孔率測定方法は切断した試料の内周面の凹凸状態をレーザ顕微鏡等で形状測定する方法であるが、例えば特許文献１に示す気孔率測定装置では、該文献中、図４の取得した表面粗さデータに示されるように、非接触光学測定機により表面粗さ形状データ１０２ｅを収集し、表面の凹部１０２、１０３の面積および体積をコンピュータで計算することで表面気孔率を求めていた。
しかしながら、これら従来の２種類の測定方法はいずれも、試料を切断しないと長い試料の内周面が観察できない為、測定は必ず破壊試験になってしまう為、全数検査を行うことが不可能であった。また、第１のモノクロ写真法は粒子間の隙間からなる表面気孔のみを検出するのに比べ、第２の表面粗さ形状データ取得式は、粒子自身の表面粗さも加えて計測してしまうため、表面気孔率は現物より大きく測定されてしまう問題点があった。

特開２０１８−３１７３５号

「NTN（登録商標） ベアファイト焼結含油軸受標準シリーズ CAT.No.5206／J」 NTN株式会社

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、被測定物の穴または深穴に、測定用プローブを進入させ内周面に光線を回転放射し、反射させた光線を立体的に収集してコンピュータ処理することで、内周表面の凹凸形状データを取得し、このデータから表面気孔率（面積％）を算出するものである。さらにその測定値は、表面粗さの影響を排除して粒子間の隙間に生じる表面気孔のみを検出することで正確な測定が行える光学式内周面表面気孔率測定装置を提供することである。

下表（１）は本発明と従来例の性能を比較した表である。

上記課題を解決するための一手段は、干渉光学法を用いて被測定物の穴の内周面の状態を測定する光学式の測定装置であって、パイプに内蔵された光ファイバーと、前記光ファイバーの先端側において、透光性パイプの内部に内蔵された少なくとも１つの回転自在な光路変換手段を有し、前記光ファイバーと前記光路変換手段との一方または両方を回転駆動させるモータを有し、被測定物の穴部に前記透光性パイプと光路変換手段とを挿入し、前記光路変換手段から光線を回転放射し、その反射光を解析して、前記穴部の内周面表面の気孔を測定する光学式内周面表面気孔測定装置である。

また、この光学式内周面表面気孔測定装置にも対応する穴の内周面の表面気孔率の測定方法であって、プローブを被測定物の穴に進入した状態で、前記プローブの内部から、光線を回転放射しながら透光性部材の部分を通過させて、前記プローブの外部に位置する前記穴の内周面に向かって照射し、前記内周面からの反射光を収集して解析することで、前記内周面の表面気孔率を求める測定方法である。

本発明によれば、被測定物を切断せずに、その内周面の表面気孔率を、微細な表面粗さを除外して表面気孔を検出し、内周面の表面率を正しく測定することができる。

焼結軸受の表面気孔説明図 従来のモノクロ写真法による表面気孔率説明図 従来のモノクロ写真二値化法による表面気孔率測定方法説明図 従来の表面粗さ取得法による表面気孔率測定方法説明図 本発明実施の形態に係る光学式内周面表面気孔測定装置 同光学式内周面表面気孔測定装置の光プローブ構成図 同光学式内周面表面気孔測定装置の断面形状測定データの図 同断面形状測定データの表面気孔説明図 同内周面表面気孔測定データの相関説明図 同光学式内周面表面気孔測定データの半径深さ説明図 同光学式内周面表面気孔測定データのパイプ基準有無の説明図 同パイプ基準有無の相関説明図 同光学式内周面表面気孔測定装置のスポット径と走査ピッチ説明図 同光学式内周面表面気孔測定装置のスポット径の影響説明図 同光学式内周面表面気孔測定装置の走査ピッチ影響説明図 同光学式内周面表面気孔測定装置による測定結果事例

本実施形態の第１の特徴は、干渉光学法を用いて被測定物の穴の内周面の状態を測定する光学式の測定装置であって、パイプに内蔵された光ファイバーと、前記光ファイバーの先端側において、透光性パイプの内部に内蔵された少なくとも１つの回転自在な光路変換手段を有し、前記光ファイバーと前記光路変換手段との一方または両方を回転駆動させるモータを有する。そして、被測定物の穴部に前記透光性パイプと光路変換手段とを挿入し、前記光路変換手段から光線を回転放射し、反射光を解析して、前記穴部の内周面表面の気孔を測定することができる光学式内周面表面気孔測定装置としたことにある。
この構成により、被測定物の内周面で光路変換手段から光線を略直角方向に放出し、光学式距離測定法により内周面の形状の観察と表面気孔率の測定を行うことができる。

第２の特徴としては、前記透光性パイプの内周または外周のいずれか一方の円筒面の基準形状データを予めコンピュータに記憶しておき、被測定物内周面から前記透光性パイプまでの半径距離を光学式距離測定法により測定し、これに記憶しておいた透光性パイプの基準形状データをコンピュータが加算して被測定物内周面の形状を測定するものである。
この構成により、透光性パイプを基準にして被測定物内周面の測定が行える為、光路変換手段の回転に多くの軸振れ（非再現性振れ：NRROと称する）が生じていることによる高周波な振動ノイズが測定値から排除され、装置の振動の影響を受けない正確な表面気孔率の測定が行える。

第３の特徴としては、計測した被測定物内周面の表面から半径で０．１μｍ〜０．５μｍ（マイクロメートル）入った仮想円筒面における全円筒面積中の気孔の面積率をコンピュータで算出し表示するものである。
この構成により、内周面を撮影したモノクロ写真の全体の中で照明の陰になることで黒色に撮影された凹部の面積率を測定する従来測定法の数値と、本発明による干渉光学法による測定値をほぼ同じ数値に合わせることができるものである。

第４の特徴としては、前記光路変換手段から放出される光線はその直径が１０μｍ〜２５μｍ（マイクロメートル）としているものである。
この構成により、取得する干渉光学法の半径距離データが、被測定物内周面において直径１０μｍ〜２５μｍ（マイクロメートル）の円内の平均距離として取得できる為、これより明らかに微細な表面粗さは自動的に除外され、表面気孔のみを正しく検出できるものである。

第５の特徴としては、前記光路変換手段から光線を回転放射し、干渉光学法を取得して被測定物の表面気孔を測定するとき、データを取得する円周面上のピッチは５μｍ（マイクロメートル）以下にするものである。
この構成によって、被測定物内周面の表面気孔をもれなく検出し、より正しい内周表面気孔率を測定できる光学式内周表面気孔測定装置が提供できる。

本実施形態の他の特徴は、穴の内周面の表面気孔率の測定方法であって、プローブを被測定物の穴に進入した状態で、前記プローブの内部から、光線を回転放射しながら透光性部材の部分を通過させて、前記プローブの外部に位置する前記穴の内周面に向かって照射し、前記内周面からの反射光を収集して解析することで、前記内周面の表面気孔率を求めることにある。
この方法により、焼結材料や多孔体の内周表面の気孔の有無および表面気孔率の測定を、試料を切断することなく高精度に行うことができる。

次に本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。

図５〜図１６は本発明に係る光学式内周面表面気孔測定装置の実施形態を示している。

図５は本発明の実施形態に係る光学式内周面表面気孔測定装置である。ベース８０にスタンド８１が固定され、スライダ用モータ８３によりスライダ８２が光プローブ７と共に上下に移動する。被測定物１００はベース８０上にセットされており、光プローブ７は被測定物１００の深穴に出入りする。光プローブ７に入光した光線は延長パイプ６内の光ファイバー１を通過し、さらに測定機本体８５の接続部８４を通過して、光干渉解析部８８に入り、コンピュータ８９で解析してモニタ９０に取得画像と測定数値を表示する。

図６は本発明実施の形態に係る光学式内周表面気孔測定装置の光プローブ７の構成図である。延長パイプ６の内部に固定された光ファイバー１とその先端側に例えばボールレンズ等の集光レンズ５を一体に有し、光ファイバー１の先端近傍に略同軸上に中空回転軸２ａを有するモータ２を配置している。図中８６は第１モータドライバ回路、８７は第２モータドライバ回路である。中空回転軸２ａの中に光ファイバー１が相対回転自在に貫通され、中空回転軸２ａの先端側には、前記集光レンズ２４より先端側に例えばミラーやプリズムからなる第１光路変換手段３を取付け回転させている。

図６において、光ファイバー１の後方から送られて、集光レンズ５を経た光線１０を軸中心線から角度を与えて（光路を変換して）反射させ、透光性パイプ４を通過して被測定物１００の深穴内に照射する。このとき光線１０は図６のように３６０度全周範囲に放射される。図中Ｄ２は投光性パイプ４の基準寸法（内径寸法または外径寸法）であり、光線１０は図中Ｄ１に示す半径２ｍｍ〜５０ｍｍ（ミリメートル）の範囲の被測定物１００の内周面に放射しその反射光を収集し干渉光学法により半径距離を計測することができる。

また、図５に示すスライダ用モータ８３が光プローブ７を深穴内で軸方向に移動させて、光線１０は回転放射しつつ軸方向にスライドするので、図６に示す深穴の内周面全体に光線を放射し三次元形状の形状データを収集する事ができる。

図６において、モータ２は、延長パイプ６、２個のモータ軸受２ｄ、モータコイル２ｃ、中空回転軸２ａとこれに固定されたロータ磁石２ｂからなり、電線８から電力が供給され回転する。モータ２へは図５に示す第１モータドライバ回路８６から電力が供給される。

図６において、Ｄ２は透光性パイプ４の基準径であり、このＤ２の寸法は測定前に直径が既知なリングゲージの内径を基準に事前に求めてコンピュータに記憶している。実際の測定においてはミラー等からなる光路変換手段３がモータ２により回転を始め、光線１０は透光性パイプ４を透過して被測定物１００の表面に到達し、反射光は再び透光性パイプ４を透過して光ファイバー１に戻されるが、本発明の光学式内周表面気孔測定装置においては、図中、（Ｌ１−Ｌ２）と（Ｌ１´−Ｌ２´）の距離を干渉光学法等により高精度に求めている。コンピュータは事前に記憶しておいたＤ２と回転の都度測定する（Ｌ１−Ｌ２）と（Ｌ１´−Ｌ２´）の値を合算して断面形状データをコンピュータ内部に構築している。

図７は、被測定物１００のある一断面における形状波形である。内側の丸い波形は予めコンピュータに記憶された透光性パイプ４の基準径データ、外側に示される波形は本発明の光学式内周面表面測定装置が内周面の形状を取り込んだデータであり、表面気孔を含めて詳細な形状波形を取得している。

図８は図７の内周面形状波形の一部分を拡大したものである。図中１０２ａ、１０２ｂは金属粒子間に発生した表面気孔であり、１０３は金属粒子の表面粗さでありその深さは０．１μｍ（マイクロメートル）以下の浅いものがその過半数を占める。図中Δｒ１とΔｒ２は内周表面からの深さを示している。本発明の光学式内周面表面気孔測定装置は、Δｒの深さをある最適な範囲に設定（例えば０．１〜０．５μｍ）した時、その深さにおける仮想円筒面１０４における気孔部分と焼結金属粒子部分の比率が表面気孔率に相当する数値になる。

図９は、縦軸が従来、業界で一般に行われてきたモノクロ写真式で求めた表面気孔率（面積％）であり、横軸が本発明の光学式内周面表面気孔測定装置による測定値であり、その関係を示している。図８においてΔｒ１＝０．１〜０．５μｍ（マイクロメートル）の場合の相関と、Δｒ２＝１〜２μｍ（マイクロメートル）の場合の相関を示している。図中、Δｒ１＝０．１〜０．５μｍ（マイクロメートル）であれば縦軸と横軸の関係が明らかに特定されるが、Δｒ２＝１〜２μｍ（マイクロメートル）では、グラフが横軸寄りに傾いているため縦軸と横軸の関係が特定できない、すなわち相関が弱いことを示している。

図１０において、Δｒ＝０．１μｍ（マイクロメートル）未満ではノイズの影響を受けて測定値がばらつくので問題が生じるという問題がある。一方、Δｒ＝０．５μｍ（マイクロメートル）を超える場合は、浅い表面気孔や細い表面気孔の一部が排除されてしまうため、従来のモノクロ写真式測定値との相関が弱くなり問題を生じる。本発明光学式内周表面気孔測定装置において、Δｒ１＝０．１〜０．５μｍ（マイクロメートル）の範囲においてのみ、十分強い相関が得られるものである。

図１１は図６における透光性パイプ４の有無の差と効果を示すものでる。被測定物１００の内周表面の３６０度全周の形状を取込んだデータが図１１の３重の形状データの内、最も外側に示す形状波形Ａ(パイプなし)である。しかしながらこの波形Ａにはモータ２の微細で高周波な磁気振動や振れ（図６における±Ｒ３）が含まれている。一方、波形Ｂ（パイプ基準測定）は、コンピュータは事前に記憶しておいたＤ２と測定した（Ｌ１−Ｌ２）と（Ｌ１´−Ｌ２´）の値を合算して断面形状データを得るため、モータ２の磁気振動や振れ（図６における±Ｒ３）が完全に除外され、正しい形状データが取得できている。

図１２は、図９と同様に、従来のモノクロ写真式で求めた表面気孔率（面積％）と、本発明の光学式内周表面気孔測定装置による測定値の相関を示している。図中Ｂが本発明に基づく透光性パイプ４を基準にした測定方法の場合の相関を示しておりこの有効性が明らかに確認できたものである。

図１３において光路変換手段３がモータ２により回転し、光線１０を被測定物１００の内周面に照射する場合、光線１０のスポット径Ｄはφ１０〜φ２５マイクロメートルであり、この条件であれば、被測定物１００の内周面の粗さや表面気孔はほとんど検出せず、概略の内周面形状を取得するため、表面気孔が高速かつ正確に測定できる。また、被測定物１００の内周面の内径や真円度を、同じφ１０〜φ２５μｍ（マイクロメートル）のスポット径で高速かつ安定的に測定できる。

一方、図１４はスポット径の影響を示している。図中、スポット径が１０μｍ（マイクロメートル）以下では表面粗さを多く検出してしまうため、正しい測定値が得られない。またスポット径がφ３０μｍ（マイクロメートル）以上であり大きい場合には表面気孔までが検出しにくくなる。このように本発明の光学式内周面表面気孔測定装置においては、スポット径はφ１０〜φ２５μｍ（マイクロメートル）の範囲内に設計することが必要なのである。

図１３において、上半分はモータ２の回転数を例えば５００ｒｐｍ以上の中高速回転させて干渉光を取得する場合の測定条件を示しており、走査ピッチΔＺ１は１０〜１５μｍ（マイクロメートル）である。このような走査条件であれば、被測定物１００の内径と真円度は高速に測定できる。一方、下半分はモータ回転数を上記より遅くして、走査ピッチを３マイクロメートル以下になるような回転走査条件を図示したものである。

図１５は走査ピッチの影響を示している。図中、測定ピッチΔＺを５μｍ（マイクロメートル）以下にすれば表面気孔がもれなく測定される。またこれがφ１０μｍ（マイクロメートル）以上では表面気孔を検出できなくなる。このように走査ピッチΔＺ＝５μｍ以下の場合に表面気孔率が正しく測定できる。

図１６は、本発明学式内周表面気孔測定装置を用いてある焼結軸受の内周面を測定した結果データの一例を示している。図１６の左側は被測定物の外観写真、中央の列は、内周面の直径を三次元的に表示したもの、右側は４個の測定サンプルの表面気孔率の測定結果を示している。本発明の光学式内周面表面気孔測定機は従来測定できなかった焼結材料からなる被測定物内周面の表面気孔率を、被測定物を切断せずに、表面粗さを除外して表面気孔率を正しく測定することができる。

尚、図６においてモータ２は中空回転軸２ａと光路変換手段３を回転させているが、光ファイバー１の先端にプリズム等の光路変換手段を一体的に持たせる場合は、モータ２は光ファイバー１と光路変換手段を一体的に回転させることで同じ機能と動作を示すものである。

尚、延長パイプ６の直径は約２ミリメートル程度でありその内部に貫通する固定側光ファイバー１は、屈曲自在なグラスファイバーであり直径は０．１〜０．４ｍｍ（ミリメートル）程度である。

図６に示される光路変換手段３は平滑な反射面を有するミラーかプリズムからなり、反射率を高めるため、その表面粗さと平面度は一般の光学部品と同等以上の精度に磨きあげられている。

図６に示される中空回転軸２ａは、金属またはセラミックスからなり、溶融金属のダイによる引き抜き加工、電鋳加工、または焼成前のセラミックスのダイによる押し出し加工で中空に成形され、硬化処理後に研磨加工法等により仕上げ加工される。

図６において、中空回転軸２ａの穴は直径が０．２〜０．５ｍｍ（ミリメートル）あり、光ファイバー１の直径より十分大きくしている。

本発明の光学式内周面表面気孔測定装置は、被測定物の内周面または深穴内周に、測定用プローブを進入させ内面光線を回転放射し、反射させた光線を立体的に収集してコンピュータ処理し表面の凹凸形状データを取得し、表面気孔率（面積％）を算出することができる。さらにその測定は、表面粗さの影響を排除して粒子間の隙間に生じる表面気孔のみを検出することで正確な測定を行えるだけでなく、光プローブの回転数を可変し、走査ピッチを粗くすることで被測定物内周面の直径、真円度、円筒度の測定をも、この１台の測定機に集約して行うことが可能である。

本発明の光学式内周面面気孔測定装置は、被測定物の内周面の表面気孔率を切断せずに、表面粗さを除外して表面気孔率を正しく測定することができ、また、被測定物内周面の直径、真円度、円筒度を測定することがこの１台の測定機に集約して行うことが可能である為、今後の内周面測定機の業界スタンダードになるとともに普及することが期待される。

１ 光ファイバー
２ モータ
２ａ 中空回転軸
２ｂ ロータ磁石
２ｃ モータコイル
２ｄ モータ軸受
３ 光路変換手段
４ 透光性パイプ
５ 集光レンズ
６ 延長パイプ
７ 光プローブ
８ 電線
１０ 光線
８０ ベース
８１ スタンド
８２ スライダ
８３ スライダ用モータ
８４ 接続部
８５ 測定機本体
８６ 第１モータドライバ回路
８７ 第２モータドライバ回路
８８ 光干渉解析部
８９ コンピュータ
９０ モニタ
１００ 被測定物
１０１ シャフト
１０２ 焼結軸受
１０２ａ、１０２ｂ 表面気孔
１０２ｄ 軸受内周面白黒二値化画像
１０２ｅ 表面粗さ計データ
１０３ 表面粗さ
１０４ 仮想円筒面
１０５ オイル

Claims (6)

1. 干渉光学法を用いて被測定物の穴の内周面の状態を測定する光学式の測定装置であって、
   パイプに内蔵された光ファイバーと、
   前記光ファイバーの先端側において、透光性パイプの内部に内蔵された少なくとも１つの回転自在な光路変換手段を有し、
   前記光ファイバーと前記光路変換手段との一方または両方を回転駆動させるモータを有し、
   被測定物の穴部に前記透光性パイプと光路変換手段とを挿入し、
   前記光路変換手段から光線を回転放射し、
   反射光を解析して、前記穴部の内周面表面の気孔を測定することを特徴とする光学式内周面表面気孔測定装置。
2. 前記透光性パイプの内周または外周の円筒面の基準形状データを予めコンピュータに記憶しておき、測定においては被測定物内周面から前記透光性パイプ基準面までの半径距離を光学測定法により測定し、記憶しておいた基準形状データと測定した半径距離をコンピュータが加算して前記被測定物の内周面の形状と表面気孔を測定する請求項１記載の光学式内周面表面気孔測定装置。
3. 計測した被測定物内周面の表面から半径で０．１〜０．５μｍ入った仮想円筒面における全面積中の気孔の面積率をコンピュータで算出し表示する、請求項１又は２記載の光学式内周面表面気孔測定装置。
4. 前記光路変換手段から放出される光線はそのスポット径がφ１０〜２５μｍであることを特徴とする請求項１から３何れか１項記載の光学式内周面表面気孔測定装置。
5. 前記光路変換手段から光線を回転放射し、干渉光学法を取得して被測定物の表面気孔を測定するとき、データを取得する被測定物内周面上のピッチは５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４何れか１項記載の光学式内周面表面気孔測定装置。
6. 穴の内周面の表面気孔率の測定方法であって、
   プローブを被測定物の穴に進入した状態で、
   前記プローブの内部から、光線を回転放射しながら透光性部材の部分を通過させて、前記プローブの外部に位置する前記穴の内周面に向かって照射し、
   前記内周面からの反射光を収集して解析することで、前記内周面の表面気孔率を求めることを特徴とする内周面表面気孔率の測定方法。