JP3690840B2 - 歯車の歯面形状の非接触測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、歯車の歯面形状の非接触測定方法に関し、特に、光源から発した測定光を参照光と物体光とに分離して物体光を被測定歯面に入射、反射させ、参照光との干渉により干渉縞を得て基準歯面に関する同様な干渉縞との比較に基づいて測定データを得て歯面形状の非接触測定を行う従来の非接触測定方法に対比してより高精度かつ高速度で歯車の歯面の測定を可能とする歯車の歯面の非接触測定方法に関に関する。
【０００２】
本発明の歯車歯面形状の非接触測定方法によれば、近時の歯車加工が目指している複雑な歯面形状が設計通りの形状に加工され、かつ所要の修正が成されているかどうかを的確にしかも精密に測定データとして示して加工プロセスにフィードバックすることを可能にし、かつそのような非接触測定方法を実施するための装置が提供されるのである。
【０００３】
【従来の技術】
歯車の設計、製造は現在、歯面には複雑な修正を施して設計形状に可及的に一致させるようにしているため、高度の技術を必要とする。すなわち、如何に騒音と振動の少ない歯車装置を製造するか、各歯車製造社がしのぎを削っている状況にある。
【０００４】
一般的に、これらの歯車の歯面形状の測定には、コンピュータを導入した数値制御方式のＣＮＣ接触式測定機が使用されているが、最近の精密な加工では、このような接触式測定機を用いた測定方法ではせいぜい測定点の連なりで歯面形状を求めるものであり、歯面全面の形状を絶対的に測定、把握することが不可能であるために、実質的に当該接触式測定機では検出不能な形状誤差の修正を求められ、修正を施さねばならない場合が多発して来ている。
【０００５】
すなわち、このような接触式歯車測定機では上記のように歯面の１つの線上を触針でトレースして集約的なデータを得るに過ぎず、その他の歯面領域に関しては実際の測定データが不明である。そして、このような測定データの不明な歯面領域の形状に起因した騒音が発生することは珍しくない。
上述の不具合点を解消すべく、本出願人は、既に、非接触式の歯面形状測定方法と、その実施に直接用いる測定装置を提案している（米国特許第４，９１０，５６１号）。この非接触歯面形状測定方法では、ホログラフィック干渉を使用した非接触測定方法を採用し、この場合には、先ず、被測定対照歯車のホログラムを作製しなければならない。ホログラムの作製は、かなり専門的な知識を要し、測定作業者にこのホログラム作製工程の管理・作業を行わせるのでは、この測定機を使用する上でメリットをなくし、同測定機の持つ性能を生かした広範な利用を望めない状況にある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、被測定対象歯車の歯面形状のホログラムを作製することによる上述の煩瑣を解消することの可能な歯車の歯面形状の非接触測定方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、特に、歯車の歯面形状が有する非対称性に着目して、その非対称歯面形状を高精度に且つ簡便に参照光、物体光を用いた非接触手法で測定することが可能な歯車の歯面形状の非接触測定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の目的に鑑みて、歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する歯面形状の測定方法であって、
予めコンピュータに登録された歯車仕様に基づいて所定位置からの前記参照光および物体光に関して得た該歯車歯面のシミュレーション干渉縞像を基準歯面の像として該シミュレーション干渉縞像と被測定対象の歯車の歯面干渉縞像とを比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記基準歯面像と被測定歯面像とを比較して誤差データを算出、測定するときに、該基準歯面と被測定歯面との歯面に関して位相シフト法によって位相データを得て、各々の位相データの位相解析を行い、
各々の位相データを長さに換算する前に該位相解析された位相データの差を求め、
得られた位相データの差から長さに換算して被測定歯車歯面の誤差形状を得るようにしたことを特徴とした歯面形状の非接触測定方法を提供するものである。
【０００８】
本発明は又、歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する方法であって、
予め得たマスタ歯面形状の基準歯面干渉縞像に対し、前記参照光、物体光を用いた被測定歯車の歯面干渉縞像を比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記基準歯面像と被測定歯面像とを比較して誤差データを算出、測定するときに、該基準歯面と被測定歯面との歯面に関して位相シフト法によって位相データを得て、各々の位相データの位相解析を行い、
各々の位相データを長さに換算する前に該位相解析された位相データの差を求め、
得られた位相データの差から長さに換算して被測定歯車歯面の誤差形状を得るようにしたことを特徴とした歯面形状の非接触測定方法を提供するものである。
更に、本発明によれば、歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する歯面形状の測定方法であって、
予めコンピュータに登録された歯車仕様に基づいて所定位置からの前記参照光および物体光に関して得た該歯車歯面のシミュレーション干渉縞像を基準歯面の像として該シミュレーション干渉縞像と被測定対象の歯車の歯面干渉縞像とを比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記参照光の光路中に前記被測定歯車歯面の曲率に相当する等価レンズを挿入し、該被測定歯車歯面の干渉縞の次数を低減させ、以て測定の自動化を図るようにしたことを特徴とする歯面形状の非接触測定方法が提供される。
更に、本発明の他の特徴によれば、歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する方法であって、
予め得たマスタ歯面形状の基準歯面干渉縞像に対し、前記参照光、物体光を用いた被測定歯車の歯面干渉縞像を比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記参照光の光路中に前記被測定歯車歯面の曲率に相当する等価レンズを挿入し、該被測定歯車歯面の干渉縞の次数を低減させ、以て測定の自動化を図るようにしたことを特徴とする歯面形状の非接触測定方法が提供される。
【０００９】
【作用】
本発明は、従来のホログラムに代えてコンピュータによる歯面のシミュレーション像または基準歯面になし得る高精度の実際の歯面（マスタ歯面）を使用し、このようなシミュレーション像又はマスタ歯面に対する被測定対象歯車の歯面形状を非接触測定する方法としたものである。特に、上記マスタ歯面を用いる方法では、被測定歯車の加工過程で、騒音の少ない歯面を得た場合に、その歯車をマスタ歯車にして他の多数の歯車の歯面精度を測定して行く方法を採用することが可能となり、測定の煩瑣を大いに低減することができる。
【００１０】
また、この方法によれば、一旦マスタ歯車の歯面データをコンピュータの記憶手段内に記憶しておけば、以後の測定時に直ちにマスタ歯面とすることが可能であり、従って直ちに、測定を開始することが可能となる。
また、上述の本発明の測定方法によれば、解析途中で起こる位相の接続困難の問題、そのための精度劣化の問題に対し、演算方法を改良し、従来最大の難関であった位相接続の問題を解決することができるのである。また、これらに付随して測定の基準点の設定を容易にし、短時間で測定のデータが得られるようにすることが可能となるのである。
【００１１】
そして、このように、本来複雑なインボリュート等の歯車歯面の測定を容易化し、短時間で測定結果が得られ、かつ、その測定結果を設計、加工側に貴重なデータとしてフィードバックすることを可能にした歯車の下面形状測定方法が得られる結果のなるのである。
本発明によれば、米国特許第４，９１０，５６１号公報に開示した自由曲面形状測定装置の構造を改良して、同装置に取り付けた歯車が測定に適当な位置に自動的に回転して設定されるようにし、測定機構をコンピュータ指令によって、その歯車の最適測定位置に移動設定し、得られた干渉縞を高度のＣＣＤカメラによって撮影して、コンピュータに取り込み、その測定データを解析して歯面形状を得るようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法が提供されるものである。
【００１２】
なお、上記の測定方法には、（イ）コンピュータ・シミュレーションによる所定の撮影位置から見た歯面形状の演算処理手法で作成された基準歯面像と、実際の歯車の測定歯面とを比較し、その差を算出する方法と、（ロ）実際にワーク材料から切削、研削加工工程を経て製造、加工された基準歯面又は歯車製品中における騒音の少ない歯面を有した歯車を（基準）マスタ歯車として、実際の測定歯面と比較し、その差を算出する方法の２つの方法を採用することができる。
【００１３】
また、本発明によれば、下記のような手段をとって、測定結果の解析過程で、いままで困難であった縞解析を容易にする構成とすることもできる。
すなわち、上述した本発明に係る歯面形状の測定は、レーザ干渉計で干渉縞を得て、それを解析して位相面を作り、斜め入射されたレーザ光の実効波長から演算して面形状を得るが、実際に加工された歯面はかなり粗く、その位相データを自動的に繋いで、１つの面を得ることはかなり困難である。
【００１４】
よって、コンピュータによる位相の繋ぎ方に新しい方法を採り入れるようにすることが好ましい。すなわち、従来の方法では、後述する図９に示すように、被測定歯車について、位相解析および位相接続を行い、次の基準面に就いても同様に位相解析および位相接続を行って、この両者の差をとり、この相対的位相差を長さに換算した後、誤差を得るような工程を経るものであり、繋ぎ方に煩瑣が伴う欠点がある。然しながら、本発明では、後述する図１０に示すように、位相解析の段階で差引演算を行ってしまう。これにより、位相接続は１回で済むようになり、しかも干渉縞の縞数が少なくなるので、解析能力を高め、かつ非常に処理が容易になる。その結果、画像処理上で障害になっていた干渉縞解析の自動化を図り、短時間に高精度の歯面形状の測定データが容易に得られるのである。
【００１５】
従来の測定系における光干渉系では、物体光と参照光とが夫々、平面波であるが、その物体光が歯面で反射して球面波になった歯面からの反射物体光と、平面波のままの参照光との間で干渉縞を得ることになる。従って曲率の大きな歯面では、干渉縞は密になり、解析精度が落ちるが、本発明によれば、参照光の光路中に歯面の曲率に相当した光学効果を有する所謂等価レンズを挿入して干渉させると、干渉縞の縞数が少なくなり（次数の低減）、解析も容易になる。このような干渉系とすることにより、干渉計の物体光と参照光の干渉縞を少なくして解析を行い易くすることができる。
【００１６】
なお、上述した内容を持ち、図１より図１２に説明されているような構成の非接触歯車測定システムを構成することが好ましい。
本発明の方法では、コンピュータに記憶させた歯車の仕様、例えば、歯番号、モジュール、圧力角、ねじれ角、転位係数、歯幅等から、最適撮影位置の座標系のパラメータ、例えば、歯車の軸方向、半径方向、接線方向、ねじれ角等の移動量をデーターベースによって導き出すと（つまり、基準シミュレーション像を得る）、歯車と測定装置とをそれらのデータに従って設定し、干渉縞を得て、その干渉縞像を撮影する。然し、機械的光学的設定には精度に限度があり、特に歯車歯面のような非対称性な曲面を有したものの場合、基準シミュレーション干渉縞像とは直ちに一致し難い。つまり、基準シミュレーション干渉縞像は、歯面の形状と測定装置の干渉系の光学的仕様に従ってＣＣＤ面上に到達する歯面の像をコンピュータで計算したものである。そこで一方の撮影された測定歯面像の各ピクセルの位相を一応計算した後、基準シミュレーション像との不一致が大きければ、その歯面の位相を装置の光路に従って逆光線追跡を行い、データを元の歯面位置に戻す。次いで歯面像と比較して誤差を修正し、再度、光線追跡を行う。このようにして光線追跡、逆光線追跡を繰り返し、シミュレーション像と撮影像間のデータを収斂することによって的確な位相面を得る。
【００１７】
これらは、全てコンピュータによって実行される。この位相面をその各点に入射するレーザ光の実効波長に従って高低差に換算し、地図のように等高線に沿って色分けすれば、歯面の形状誤差表示を得られる。
また、本発明によれば、上述したシミュレーション像を基準歯面とすることに代えて歯面形状の基準となるもの（マスタ歯面）を特別に精密加工を行うことによって製造できた場合又は、一般の歯車製造の間に振動、騒音の発生が少ない極めて高品質の歯面形状が得られた場合に、これらの歯面を基準歯面にして、他の歯車、例えば、量産歯車の歯面形状の測定を行うようにしても良いのである。
【００１８】
前者のシミュレーション像を用いる測定方法は、所謂、理論的歯面像を基準としていて基準面の実体がないのに対し、後者のマスタ歯面または高品質の歯面を基準面とする方法では実体のある歯面同志の比較測定となる。
他方、本発明の歯面形状の被接触測定方法における干渉縞解析手法における位相計算は、次のようにして遂行される。すなわち、測定時に得られた干渉縞は、白黒縞模様がサイン波的に変化しており、そのままでは高低が不明である。
【００１９】
そこで、参照光の途中に波長をｎ分割して順次、ミラーを動かすことのできる装置、つまり位相シフト装置を置き、ミラーを微動して１／２波長の１／ｎづつｎ回移動させると、縞は１波長分移動する。撮影したｎ枚のデータの同一ピクセルｎ個のデータ（ＣＣＤカメラのデータは光の強度）を取り出して位相解析すると、歯面のそのピクセル点の位相が算出される。このような計算を全ての歯面上のピクセルについて実行すると、歯面の位相面が得られる。すなわち、位相シフト法として周知の方法である。
【００２０】
さて、歯面のような通常の加工面の面精度から見て粗い加工面では、この位相間には不連続の部分があって、面としてのデータ作成に当たって、その接続を自動的に行うことは容易でない。依って一般的には、一部を測定作業者による手作業に頼っているのが実情である。従って、作業は煩雑で、かつ作業者の主観的誤差も入り込むことがある。本発明は、この解析手法の自動化を図り得るようにしたものである。
【００２１】
すなわち、従来の方法によると、図７および図９に示すように、基準歯面と被測定歯面の２つの歯面の形状を解析し、差を算出しなければならない。これをｘ−ｘ断面に就いて行って順次並べたものが、図９（従来）及び図１０（本発明）に図示した解説略示図における位相解析の部分である。これは、−πから＋πの間の白黒縞になっているので、これを接続して面形状となし、実効波長から高低に換算して歯面を得るものである。つまり、この測定過程では、被測定歯面と基準歯面に就いて２回行い、それぞれ計算し、差引演算して誤差を算出していた。
【００２２】
この場合、干渉縞を接続する繋ぎ作業は先に述べたように、加工面の縞が細かくなり、かつ不連続な箇所があると、そのパターンをコンピュータで判定することは大変困難である。本発明では、図８に示すフローチャートと図１０に示す位相解析経過の解説図により説明してあるように、両者の位相が計算された段階で、これを繋がず、そのまま差引する。このようにすると、（１）縞数が少ない状態になる、（２）１回の位相接続で完了する等の利点を有する。この結果、本発明の測定方法によれば、従来、画像処理の自動化上の難点であった干渉縞の解析が容易になった。
【００２３】
また、従来の非接触測定方法によれば、干渉計で歯車を測定する場合、参照光と物体光とはビーム・エキスパンダによって拡張されて平面波として干渉しているが、３次元的に捩じれた歯面を経由した物体光との干渉縞は高密度になる。故に、そのままでは後の位相計算に劣化を来し、解析困難になる。
そこで、本発明は、参照光の途中に歯車歯面の曲率に略等価の光学要素としてレンズを配置し、これによって干渉縞数を減少させて解析を容易化するものである。この場合に歯面相当のレンズを多数、用意して頻繁に交換し、適正な干渉縞数に設定しても良いが、実用的ではない。然るに、例えば、自動車の車体内部に組み込まれる歯車であると、略その歯車仕様範囲に入り、極端に大きなバラツキはない。従って、平均的な等価レンズを配して縞数を少なくし、解析を容易化すれば良い。この場合、歯面はレンズのような完全な球面ではないので、シミュレーションによって干渉縞が最も少なくなるような形状のレンズを選択することができる。
【００２４】
本発明は、上記のような歯車の歯面形状を非接触測定し、解析するようにした歯面形状測定方法を提供するものである。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明による歯面形状の非接触測定方法の原理と作用とを添付図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る歯面形状の非接触測定に用いる測定装置の構成を示した斜視図である。同装置は、測定台２を有し、この測定台２はアイソレータ８によって装置の設置場所の周囲の振動から防護されたベース本体１の上に搭載され、測定機構４を搭載したまま、歯車の半径方向に、その大きさに従って、サーボモータ等の駆動モータ（図示に現れない）で移動・調整できる構造になっている。また、測定機構４は、コラム状の測定機構支持装置３により上下方向にも駆動モータ（図示なし）により移動可能になっている。測定台２上に操作盤５があり、歯車支持装置６の支軸７ａ上に被測定歯車７を設定したり、スイッチにより駆動モータを作動させて測定位置に測定機構４を移動、設定させることができる。
【００２６】
被測定歯車７や測定機構４の設定が終了すると、その後はコンピュータの指令によって所定の位置に移動する。
図２は、（ａ）が測定機構４の内部を側面から見た機構図であり、（ｂ）が、（ａ）におけるＸ−Ｘ矢視線から見た平面図である。同機構４の中心に回転中心軸２０があり、その周囲の干渉計の構成部品を背負ったまま、同中心軸２０は回転可能に支承されている。そして、被測定歯車７のねじれ角を設定する場合、その角度はロータリー・エンコーダ９によって読み取り可能に構成されている。
【００２７】
さて、レーザ光源２３から出た測定用のレーザ光束はプリズム又はミラー１６によって方向を変換されてビーム・エキスパンダ１１によって必要な規模のレーザ光束まで拡大されて平行光線となる。このビーム・エキスパンダ１１の中間には空間フィルタ１２が設けられており、レーザ光束中のノイズをカットする。ビーム・エキスパンダ１１によって拡大された光は、１／２波長板１３を通過後、偏光ビームスプリッタ１５に導かれる。ここで、参照光Ｒと物体光Ｓに分割される。参照光Ｒは一旦、下方に下がり、１／４波長板１４を通過し、位相シフト装置２７（図３（ａ）を参照）のミラー２７ａで反射され、再び、偏光ビームスプリッタ１５を通過してハーフ・ミラー１９に至る。
【００２８】
位相シフト装置２７は、その位置を前後に調整可能であり、歯面を照射する物体光Ｓとの光路長を等しくする調整が可能である。
物体光Ｓ、偏光ビームスプリッタ１５を通過して直進し、プリズムまたはミラー１６によって９０°に渡り進路方向を変更されて光学測定子２５の下部の偏角プリズム１７に入る。
【００２９】
ここで斜め入射方向に方向変換を受ける。ここで、物体光Ｓは被測定歯車７の歯面を照射し、その反射光は上部の偏角プリズム１７を通り、更に、ジンバル・プリズム１８を通って方向を変え、ＣＣＤカメラの方向にあるジンバル・ハーフミラー１９に向かう。そしてここで、参照光Ｒとの間で干渉が生じ、歯面形状に応じた縞を得る。撮像レンズ２４により干渉縞を有する歯面の像はカメラ１０のＣＣＤ面上に結像する。ジンバル・プリズム１８及びジンバル・ハーフミラー１９はＸ軸、Ｚ軸の周りに回転可能な構造で設けられ、歯面の反射像と参照光Ｒが干渉するように微動し、その像がカメラ１０に取り込めるよう、精密なマイクロ・サーボモータ（図示なし）を駆動手段にして駆動されるよう構成されている。
【００３０】
被測定歯車７は、歯車支持装置６に支承軸７ａを介して取付けられ、同歯車支持装置６が有する駆動モータによって所要の回転駆動がなされる。
図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ線から見た正面図ある。同図３（ａ）において、上記測定機構４の全体は、中心軸２０の周りに矢印Ｐで示す両方向に回転可能に設けられている。すなわち、同機構４はモータ２８ａと送りねじ２８ｂとによってベルト掛けされた装置によって駆動され、左右に±４５°の回転が可能に構成されている。
【００３１】
他方、偏角プリズム１７はプリズム角θを有して形成され、図３の（ｂ）に図示のような近二等辺三角形形状を有し、中央部に平行な面１７ｃを有している。上記偏角プリズム１７を担持する光学測定子２５は、歯車仕様によって交換可能であり、その光学測定子２５の上下に１個づつ当該偏角プリズム１７が取付けられているので、その角度θを選択することによって、被測定歯車７の歯面への入射角を変えることができる。
【００３２】
図４は、測定機構４において、光学測定子２５を移動して左歯面測定用、右歯面測定用に切り換える状況を（Ａ）図、（Ｃ）図として示している。
図５は、測定機構４が歯車７の捩じれ角に沿って傾けられた状態を示しているものである。
図６は干渉系の参照光Ｒの光路中に歯面曲率と等価の補正レンズ３２を挿入した状況を示しており、同図のＸ−Ｘ矢視が一部取り出し図示してある。従って、この図６において図２に示した要素を同じ要素は同一番号で示してある。
【００３３】
図７と図８とは、図１〜図５に示した測定装置により実施される非接触測定方法の２つの手法、つまり、コンピュータ内蔵の歯車仕様に基づくシミュレーション像を基準面とする手法と実際のマスタ歯面を基準面とする手法との２手法を説明したフローチャートである。
図９と図１０および図１１とは、位相接続手法における従来技術の方法と本発明において用いる方法とを解説図示した説明図である。すなわち、図９は、測定装置のＣＲＴの画面上の歯面のｘｙ座標のうち、ｘ座標に沿った各ピクセル、すなわち、一断面の従来の方法による位相解析手法を示すもので、歯面がＣＲＴ上にどのように写っているかに依って異なるが、例えば、同図（ロ）のように撮影されていれば歯幅方向に沿った各ピクセルの従来の方法による位相解析の歯幅方向の１断面となる。図１０、図１１は、同じく、本発明による位相接続手法を示し、相対的位相差を求め、この位相差を接続して長さに換算して誤差を得るもので、得られた結果は１断面の誤差として表示される。
【００３４】
図１２は、図１０、図１１に示した本発明の方法をフローチャートで示した図である。
図１３は図１に示した本発明の測定方法の実施に用いる測定装置における主としてコンピュータ関係の構成とデータの流れ、自動測定の命令系の流れを示す図である。また、図１４は、データの表示例であり、この左右歯面の領域の上に色付けされた等高線図を載せて表示する。
【００３５】
次に、上述した図１等に示す非接触測定装置を用いた本測定方法を説明する。
先ず、測定が開始されると、歯車仕様から撮影用のパラメータがコンピュータによって指示され、光学測定子２５は、図４の（ｂ）に図示された中央０点位置に移動する。ここで、測定機構４は、被測定歯車７のねじれ角βに合致した状態まで傾けられる（図５参照）。通常は、このβなる角度は基礎円筒上のねじれ角βｇに設定するので、物体光Ｓのビームは、歯車の創成母線に沿って歯面を照射するようになる。この状態では、光学測定子２５の偏角プリズム１７のピンポール１７ｄはカメラ１０によって補足されており、モニターにも表示されている。なお、シミュレーションのプログラムに従って、歯車７をその緒元に応じて半ピッチ角度分だけ微動回転させ歯の中央を原点位置に選択、設定すれば原点位置が設定できる。
【００３６】
この状態で、左右何れかの歯面を選択し、光学測定子２５を左右何れかの歯面撮影時の所定の位置に移動し（図４（ａ）又は（ｃ））、かつ、測定プログラムで指示されている位置に測定機構４を移動すると、カメラ１０に干渉縞を持った歯面が現れる。コンピュータから位相シフト装置に指令を与え、位相シフト装置２７を駆動してそのミラー２７ａを波長の１／ｎずつ微動させ、ｎ回、即ち縞の１ピッチ分のデータを取り込む（図１０及び図１１参照）。
【００３７】
ここで、既述のような２つの手法におけるシミュレーション像を用いる時には図７に示す処理フローを経て測定が実施される。
また、マスタ歯面を用いる場合には、図８に示すように、上記の測定をマスタ歯面と被測定歯面の２回に渡って行ってデータを取り込む。
勿論、マスタ歯面は一度だけ測定しておき、コンピュータの記憶手段内部に記憶しておけば、常時、取り出して解析に使用することができる。
【００３８】
この解析過程は、図７、図８及び図１０、図１１に示すような、新しい方法が採られ、従来、極めて困難であった位相の繋ぎ（アンラッピング）の自動化が可能になるのである。歯面の位相が計算されるた後は、その点の入射角に従って変化する。レーザ光の実効波長から長さに換算する。このデータからは、立体表示のための等高線、その色分け、また歯形或いは歯すじに沿った切断面、更に、創成母線に沿った切断面等、各種のデータ表示の展開が可能になる。一般的には、はすば歯車でも歯車技術者が理解し易い図１４の方法を採られる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、従来のホログラム干渉を使用する方法では、先ず、基準面とそのホログラムの作製に時間と労力を要し、直ちに測定にはいることはできなかったが、本発明によれば、ホログラムの作製過程を排除でき、コンピュータによってシミュレーションされた、換言すれば、常に一定の基準歯面像との差が測定され、信頼度の高い測定結果を得ることができる。また、１つの基準歯面を取り出して、これと比較測定することも可能である。このことは、現代の複雑な設計のハイテクな歯車の設計や製造に貴重なデータを提供し、故に、品質に大きく寄与することができると言う効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る歯車の歯面形状の非接触測定方法の実施に用いる非接触歯面測定装置の概略外観図である。
【図２】同測定装置の測定機構の側面図と一部の取り出し矢視図である。
【図３】（ａ）は図２のＡ−Ａ線から見た正面図、（ｂ）は偏角プリズムの構造を示すための取り出し斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は左右歯面の切替え状態と中央０点位置とを示した測定機構の略示正面図である。
【図５】被測定歯車のねじれ角に従って測定装置における測定機構を回転した状態を示す略示正面図である。
【図６】干渉縞を減少させるために参照光々路の途中に歯面と等価の補正用レンズを設けた構成例を示す図２と同様の側面図である。
【図７】理論歯面のシミュレーション像を基準面とする測定方法のプロセスを示すフローチャートである。
【図８】マスタ歯面と被測定歯面との比較測定方法を実施する場合のフローチャートである。
【図９】画面上の歯面のｘｙ座礁のうち、ｘ座標に沿った各ピクセル、すなわち、一断面の従来の測定方法における位相解析手法を説明する説明図である。
【図１０】同断面の本発明による位相解析過程を説明する説明図の前半部である。
【図１１】同断面の本発明による位相解析過程を説明する説明図の後半部である。
【図１２】図１０、図１１に示す測定方法のフローチャートである。
【図１３】図１に示した被接触歯面形状測定装置におけるコンピュータによるデータ処理と自動測定処理等の構成を示す機構図である。
【図１４】歯面誤差の表示例である。
【符号の説明】
４…測定機構
７…被測定歯車
７ａ…支軸
１０…ＣＣＤカメラ
１５…偏光ビームスプリッタ
１６…ミラー
１７…偏角プリズム
１９…ハーフ・ミラー
２０…中心軸
２５…光学測定子
２７…位相シフト装置
３２…補正レンズ
Ｒ…参照光
Ｓ…物体光
【産業上の利用分野】
本発明は、歯車の歯面形状の非接触測定方法に関し、特に、光源から発した測定光を参照光と物体光とに分離して物体光を被測定歯面に入射、反射させ、参照光との干渉により干渉縞を得て基準歯面に関する同様な干渉縞との比較に基づいて測定データを得て歯面形状の非接触測定を行う従来の非接触測定方法に対比してより高精度かつ高速度で歯車の歯面の測定を可能とする歯車の歯面の非接触測定方法に関に関する。
【０００２】
本発明の歯車歯面形状の非接触測定方法によれば、近時の歯車加工が目指している複雑な歯面形状が設計通りの形状に加工され、かつ所要の修正が成されているかどうかを的確にしかも精密に測定データとして示して加工プロセスにフィードバックすることを可能にし、かつそのような非接触測定方法を実施するための装置が提供されるのである。
【０００３】
【従来の技術】
歯車の設計、製造は現在、歯面には複雑な修正を施して設計形状に可及的に一致させるようにしているため、高度の技術を必要とする。すなわち、如何に騒音と振動の少ない歯車装置を製造するか、各歯車製造社がしのぎを削っている状況にある。
【０００４】
一般的に、これらの歯車の歯面形状の測定には、コンピュータを導入した数値制御方式のＣＮＣ接触式測定機が使用されているが、最近の精密な加工では、このような接触式測定機を用いた測定方法ではせいぜい測定点の連なりで歯面形状を求めるものであり、歯面全面の形状を絶対的に測定、把握することが不可能であるために、実質的に当該接触式測定機では検出不能な形状誤差の修正を求められ、修正を施さねばならない場合が多発して来ている。
【０００５】
すなわち、このような接触式歯車測定機では上記のように歯面の１つの線上を触針でトレースして集約的なデータを得るに過ぎず、その他の歯面領域に関しては実際の測定データが不明である。そして、このような測定データの不明な歯面領域の形状に起因した騒音が発生することは珍しくない。
上述の不具合点を解消すべく、本出願人は、既に、非接触式の歯面形状測定方法と、その実施に直接用いる測定装置を提案している（米国特許第４，９１０，５６１号）。この非接触歯面形状測定方法では、ホログラフィック干渉を使用した非接触測定方法を採用し、この場合には、先ず、被測定対照歯車のホログラムを作製しなければならない。ホログラムの作製は、かなり専門的な知識を要し、測定作業者にこのホログラム作製工程の管理・作業を行わせるのでは、この測定機を使用する上でメリットをなくし、同測定機の持つ性能を生かした広範な利用を望めない状況にある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、被測定対象歯車の歯面形状のホログラムを作製することによる上述の煩瑣を解消することの可能な歯車の歯面形状の非接触測定方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、特に、歯車の歯面形状が有する非対称性に着目して、その非対称歯面形状を高精度に且つ簡便に参照光、物体光を用いた非接触手法で測定することが可能な歯車の歯面形状の非接触測定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の目的に鑑みて、歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する歯面形状の測定方法であって、
予めコンピュータに登録された歯車仕様に基づいて所定位置からの前記参照光および物体光に関して得た該歯車歯面のシミュレーション干渉縞像を基準歯面の像として該シミュレーション干渉縞像と被測定対象の歯車の歯面干渉縞像とを比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記基準歯面像と被測定歯面像とを比較して誤差データを算出、測定するときに、該基準歯面と被測定歯面との歯面に関して位相シフト法によって位相データを得て、各々の位相データの位相解析を行い、
各々の位相データを長さに換算する前に該位相解析された位相データの差を求め、
得られた位相データの差から長さに換算して被測定歯車歯面の誤差形状を得るようにしたことを特徴とした歯面形状の非接触測定方法を提供するものである。
【０００８】
本発明は又、歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する方法であって、
予め得たマスタ歯面形状の基準歯面干渉縞像に対し、前記参照光、物体光を用いた被測定歯車の歯面干渉縞像を比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記基準歯面像と被測定歯面像とを比較して誤差データを算出、測定するときに、該基準歯面と被測定歯面との歯面に関して位相シフト法によって位相データを得て、各々の位相データの位相解析を行い、
各々の位相データを長さに換算する前に該位相解析された位相データの差を求め、
得られた位相データの差から長さに換算して被測定歯車歯面の誤差形状を得るようにしたことを特徴とした歯面形状の非接触測定方法を提供するものである。
更に、本発明によれば、歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する歯面形状の測定方法であって、
予めコンピュータに登録された歯車仕様に基づいて所定位置からの前記参照光および物体光に関して得た該歯車歯面のシミュレーション干渉縞像を基準歯面の像として該シミュレーション干渉縞像と被測定対象の歯車の歯面干渉縞像とを比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記参照光の光路中に前記被測定歯車歯面の曲率に相当する等価レンズを挿入し、該被測定歯車歯面の干渉縞の次数を低減させ、以て測定の自動化を図るようにしたことを特徴とする歯面形状の非接触測定方法が提供される。
更に、本発明の他の特徴によれば、歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する方法であって、
予め得たマスタ歯面形状の基準歯面干渉縞像に対し、前記参照光、物体光を用いた被測定歯車の歯面干渉縞像を比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記参照光の光路中に前記被測定歯車歯面の曲率に相当する等価レンズを挿入し、該被測定歯車歯面の干渉縞の次数を低減させ、以て測定の自動化を図るようにしたことを特徴とする歯面形状の非接触測定方法が提供される。
【０００９】
【作用】
本発明は、従来のホログラムに代えてコンピュータによる歯面のシミュレーション像または基準歯面になし得る高精度の実際の歯面（マスタ歯面）を使用し、このようなシミュレーション像又はマスタ歯面に対する被測定対象歯車の歯面形状を非接触測定する方法としたものである。特に、上記マスタ歯面を用いる方法では、被測定歯車の加工過程で、騒音の少ない歯面を得た場合に、その歯車をマスタ歯車にして他の多数の歯車の歯面精度を測定して行く方法を採用することが可能となり、測定の煩瑣を大いに低減することができる。
【００１０】
また、この方法によれば、一旦マスタ歯車の歯面データをコンピュータの記憶手段内に記憶しておけば、以後の測定時に直ちにマスタ歯面とすることが可能であり、従って直ちに、測定を開始することが可能となる。
また、上述の本発明の測定方法によれば、解析途中で起こる位相の接続困難の問題、そのための精度劣化の問題に対し、演算方法を改良し、従来最大の難関であった位相接続の問題を解決することができるのである。また、これらに付随して測定の基準点の設定を容易にし、短時間で測定のデータが得られるようにすることが可能となるのである。
【００１１】
そして、このように、本来複雑なインボリュート等の歯車歯面の測定を容易化し、短時間で測定結果が得られ、かつ、その測定結果を設計、加工側に貴重なデータとしてフィードバックすることを可能にした歯車の下面形状測定方法が得られる結果のなるのである。
本発明によれば、米国特許第４，９１０，５６１号公報に開示した自由曲面形状測定装置の構造を改良して、同装置に取り付けた歯車が測定に適当な位置に自動的に回転して設定されるようにし、測定機構をコンピュータ指令によって、その歯車の最適測定位置に移動設定し、得られた干渉縞を高度のＣＣＤカメラによって撮影して、コンピュータに取り込み、その測定データを解析して歯面形状を得るようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法が提供されるものである。
【００１２】
なお、上記の測定方法には、（イ）コンピュータ・シミュレーションによる所定の撮影位置から見た歯面形状の演算処理手法で作成された基準歯面像と、実際の歯車の測定歯面とを比較し、その差を算出する方法と、（ロ）実際にワーク材料から切削、研削加工工程を経て製造、加工された基準歯面又は歯車製品中における騒音の少ない歯面を有した歯車を（基準）マスタ歯車として、実際の測定歯面と比較し、その差を算出する方法の２つの方法を採用することができる。
【００１３】
また、本発明によれば、下記のような手段をとって、測定結果の解析過程で、いままで困難であった縞解析を容易にする構成とすることもできる。
すなわち、上述した本発明に係る歯面形状の測定は、レーザ干渉計で干渉縞を得て、それを解析して位相面を作り、斜め入射されたレーザ光の実効波長から演算して面形状を得るが、実際に加工された歯面はかなり粗く、その位相データを自動的に繋いで、１つの面を得ることはかなり困難である。
【００１４】
よって、コンピュータによる位相の繋ぎ方に新しい方法を採り入れるようにすることが好ましい。すなわち、従来の方法では、後述する図９に示すように、被測定歯車について、位相解析および位相接続を行い、次の基準面に就いても同様に位相解析および位相接続を行って、この両者の差をとり、この相対的位相差を長さに換算した後、誤差を得るような工程を経るものであり、繋ぎ方に煩瑣が伴う欠点がある。然しながら、本発明では、後述する図１０に示すように、位相解析の段階で差引演算を行ってしまう。これにより、位相接続は１回で済むようになり、しかも干渉縞の縞数が少なくなるので、解析能力を高め、かつ非常に処理が容易になる。その結果、画像処理上で障害になっていた干渉縞解析の自動化を図り、短時間に高精度の歯面形状の測定データが容易に得られるのである。
【００１５】
従来の測定系における光干渉系では、物体光と参照光とが夫々、平面波であるが、その物体光が歯面で反射して球面波になった歯面からの反射物体光と、平面波のままの参照光との間で干渉縞を得ることになる。従って曲率の大きな歯面では、干渉縞は密になり、解析精度が落ちるが、本発明によれば、参照光の光路中に歯面の曲率に相当した光学効果を有する所謂等価レンズを挿入して干渉させると、干渉縞の縞数が少なくなり（次数の低減）、解析も容易になる。このような干渉系とすることにより、干渉計の物体光と参照光の干渉縞を少なくして解析を行い易くすることができる。
【００１６】
なお、上述した内容を持ち、図１より図１２に説明されているような構成の非接触歯車測定システムを構成することが好ましい。
本発明の方法では、コンピュータに記憶させた歯車の仕様、例えば、歯番号、モジュール、圧力角、ねじれ角、転位係数、歯幅等から、最適撮影位置の座標系のパラメータ、例えば、歯車の軸方向、半径方向、接線方向、ねじれ角等の移動量をデーターベースによって導き出すと（つまり、基準シミュレーション像を得る）、歯車と測定装置とをそれらのデータに従って設定し、干渉縞を得て、その干渉縞像を撮影する。然し、機械的光学的設定には精度に限度があり、特に歯車歯面のような非対称性な曲面を有したものの場合、基準シミュレーション干渉縞像とは直ちに一致し難い。つまり、基準シミュレーション干渉縞像は、歯面の形状と測定装置の干渉系の光学的仕様に従ってＣＣＤ面上に到達する歯面の像をコンピュータで計算したものである。そこで一方の撮影された測定歯面像の各ピクセルの位相を一応計算した後、基準シミュレーション像との不一致が大きければ、その歯面の位相を装置の光路に従って逆光線追跡を行い、データを元の歯面位置に戻す。次いで歯面像と比較して誤差を修正し、再度、光線追跡を行う。このようにして光線追跡、逆光線追跡を繰り返し、シミュレーション像と撮影像間のデータを収斂することによって的確な位相面を得る。
【００１７】
これらは、全てコンピュータによって実行される。この位相面をその各点に入射するレーザ光の実効波長に従って高低差に換算し、地図のように等高線に沿って色分けすれば、歯面の形状誤差表示を得られる。
また、本発明によれば、上述したシミュレーション像を基準歯面とすることに代えて歯面形状の基準となるもの（マスタ歯面）を特別に精密加工を行うことによって製造できた場合又は、一般の歯車製造の間に振動、騒音の発生が少ない極めて高品質の歯面形状が得られた場合に、これらの歯面を基準歯面にして、他の歯車、例えば、量産歯車の歯面形状の測定を行うようにしても良いのである。
【００１８】
前者のシミュレーション像を用いる測定方法は、所謂、理論的歯面像を基準としていて基準面の実体がないのに対し、後者のマスタ歯面または高品質の歯面を基準面とする方法では実体のある歯面同志の比較測定となる。
他方、本発明の歯面形状の被接触測定方法における干渉縞解析手法における位相計算は、次のようにして遂行される。すなわち、測定時に得られた干渉縞は、白黒縞模様がサイン波的に変化しており、そのままでは高低が不明である。
【００１９】
そこで、参照光の途中に波長をｎ分割して順次、ミラーを動かすことのできる装置、つまり位相シフト装置を置き、ミラーを微動して１／２波長の１／ｎづつｎ回移動させると、縞は１波長分移動する。撮影したｎ枚のデータの同一ピクセルｎ個のデータ（ＣＣＤカメラのデータは光の強度）を取り出して位相解析すると、歯面のそのピクセル点の位相が算出される。このような計算を全ての歯面上のピクセルについて実行すると、歯面の位相面が得られる。すなわち、位相シフト法として周知の方法である。
【００２０】
さて、歯面のような通常の加工面の面精度から見て粗い加工面では、この位相間には不連続の部分があって、面としてのデータ作成に当たって、その接続を自動的に行うことは容易でない。依って一般的には、一部を測定作業者による手作業に頼っているのが実情である。従って、作業は煩雑で、かつ作業者の主観的誤差も入り込むことがある。本発明は、この解析手法の自動化を図り得るようにしたものである。
【００２１】
すなわち、従来の方法によると、図７および図９に示すように、基準歯面と被測定歯面の２つの歯面の形状を解析し、差を算出しなければならない。これをｘ−ｘ断面に就いて行って順次並べたものが、図９（従来）及び図１０（本発明）に図示した解説略示図における位相解析の部分である。これは、−πから＋πの間の白黒縞になっているので、これを接続して面形状となし、実効波長から高低に換算して歯面を得るものである。つまり、この測定過程では、被測定歯面と基準歯面に就いて２回行い、それぞれ計算し、差引演算して誤差を算出していた。
【００２２】
この場合、干渉縞を接続する繋ぎ作業は先に述べたように、加工面の縞が細かくなり、かつ不連続な箇所があると、そのパターンをコンピュータで判定することは大変困難である。本発明では、図８に示すフローチャートと図１０に示す位相解析経過の解説図により説明してあるように、両者の位相が計算された段階で、これを繋がず、そのまま差引する。このようにすると、（１）縞数が少ない状態になる、（２）１回の位相接続で完了する等の利点を有する。この結果、本発明の測定方法によれば、従来、画像処理の自動化上の難点であった干渉縞の解析が容易になった。
【００２３】
また、従来の非接触測定方法によれば、干渉計で歯車を測定する場合、参照光と物体光とはビーム・エキスパンダによって拡張されて平面波として干渉しているが、３次元的に捩じれた歯面を経由した物体光との干渉縞は高密度になる。故に、そのままでは後の位相計算に劣化を来し、解析困難になる。
そこで、本発明は、参照光の途中に歯車歯面の曲率に略等価の光学要素としてレンズを配置し、これによって干渉縞数を減少させて解析を容易化するものである。この場合に歯面相当のレンズを多数、用意して頻繁に交換し、適正な干渉縞数に設定しても良いが、実用的ではない。然るに、例えば、自動車の車体内部に組み込まれる歯車であると、略その歯車仕様範囲に入り、極端に大きなバラツキはない。従って、平均的な等価レンズを配して縞数を少なくし、解析を容易化すれば良い。この場合、歯面はレンズのような完全な球面ではないので、シミュレーションによって干渉縞が最も少なくなるような形状のレンズを選択することができる。
【００２４】
本発明は、上記のような歯車の歯面形状を非接触測定し、解析するようにした歯面形状測定方法を提供するものである。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明による歯面形状の非接触測定方法の原理と作用とを添付図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る歯面形状の非接触測定に用いる測定装置の構成を示した斜視図である。同装置は、測定台２を有し、この測定台２はアイソレータ８によって装置の設置場所の周囲の振動から防護されたベース本体１の上に搭載され、測定機構４を搭載したまま、歯車の半径方向に、その大きさに従って、サーボモータ等の駆動モータ（図示に現れない）で移動・調整できる構造になっている。また、測定機構４は、コラム状の測定機構支持装置３により上下方向にも駆動モータ（図示なし）により移動可能になっている。測定台２上に操作盤５があり、歯車支持装置６の支軸７ａ上に被測定歯車７を設定したり、スイッチにより駆動モータを作動させて測定位置に測定機構４を移動、設定させることができる。
【００２６】
被測定歯車７や測定機構４の設定が終了すると、その後はコンピュータの指令によって所定の位置に移動する。
図２は、（ａ）が測定機構４の内部を側面から見た機構図であり、（ｂ）が、（ａ）におけるＸ−Ｘ矢視線から見た平面図である。同機構４の中心に回転中心軸２０があり、その周囲の干渉計の構成部品を背負ったまま、同中心軸２０は回転可能に支承されている。そして、被測定歯車７のねじれ角を設定する場合、その角度はロータリー・エンコーダ９によって読み取り可能に構成されている。
【００２７】
さて、レーザ光源２３から出た測定用のレーザ光束はプリズム又はミラー１６によって方向を変換されてビーム・エキスパンダ１１によって必要な規模のレーザ光束まで拡大されて平行光線となる。このビーム・エキスパンダ１１の中間には空間フィルタ１２が設けられており、レーザ光束中のノイズをカットする。ビーム・エキスパンダ１１によって拡大された光は、１／２波長板１３を通過後、偏光ビームスプリッタ１５に導かれる。ここで、参照光Ｒと物体光Ｓに分割される。参照光Ｒは一旦、下方に下がり、１／４波長板１４を通過し、位相シフト装置２７（図３（ａ）を参照）のミラー２７ａで反射され、再び、偏光ビームスプリッタ１５を通過してハーフ・ミラー１９に至る。
【００２８】
位相シフト装置２７は、その位置を前後に調整可能であり、歯面を照射する物体光Ｓとの光路長を等しくする調整が可能である。
物体光Ｓ、偏光ビームスプリッタ１５を通過して直進し、プリズムまたはミラー１６によって９０°に渡り進路方向を変更されて光学測定子２５の下部の偏角プリズム１７に入る。
【００２９】
ここで斜め入射方向に方向変換を受ける。ここで、物体光Ｓは被測定歯車７の歯面を照射し、その反射光は上部の偏角プリズム１７を通り、更に、ジンバル・プリズム１８を通って方向を変え、ＣＣＤカメラの方向にあるジンバル・ハーフミラー１９に向かう。そしてここで、参照光Ｒとの間で干渉が生じ、歯面形状に応じた縞を得る。撮像レンズ２４により干渉縞を有する歯面の像はカメラ１０のＣＣＤ面上に結像する。ジンバル・プリズム１８及びジンバル・ハーフミラー１９はＸ軸、Ｚ軸の周りに回転可能な構造で設けられ、歯面の反射像と参照光Ｒが干渉するように微動し、その像がカメラ１０に取り込めるよう、精密なマイクロ・サーボモータ（図示なし）を駆動手段にして駆動されるよう構成されている。
【００３０】
被測定歯車７は、歯車支持装置６に支承軸７ａを介して取付けられ、同歯車支持装置６が有する駆動モータによって所要の回転駆動がなされる。
図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ線から見た正面図ある。同図３（ａ）において、上記測定機構４の全体は、中心軸２０の周りに矢印Ｐで示す両方向に回転可能に設けられている。すなわち、同機構４はモータ２８ａと送りねじ２８ｂとによってベルト掛けされた装置によって駆動され、左右に±４５°の回転が可能に構成されている。
【００３１】
他方、偏角プリズム１７はプリズム角θを有して形成され、図３の（ｂ）に図示のような近二等辺三角形形状を有し、中央部に平行な面１７ｃを有している。上記偏角プリズム１７を担持する光学測定子２５は、歯車仕様によって交換可能であり、その光学測定子２５の上下に１個づつ当該偏角プリズム１７が取付けられているので、その角度θを選択することによって、被測定歯車７の歯面への入射角を変えることができる。
【００３２】
図４は、測定機構４において、光学測定子２５を移動して左歯面測定用、右歯面測定用に切り換える状況を（Ａ）図、（Ｃ）図として示している。
図５は、測定機構４が歯車７の捩じれ角に沿って傾けられた状態を示しているものである。
図６は干渉系の参照光Ｒの光路中に歯面曲率と等価の補正レンズ３２を挿入した状況を示しており、同図のＸ−Ｘ矢視が一部取り出し図示してある。従って、この図６において図２に示した要素を同じ要素は同一番号で示してある。
【００３３】
図７と図８とは、図１〜図５に示した測定装置により実施される非接触測定方法の２つの手法、つまり、コンピュータ内蔵の歯車仕様に基づくシミュレーション像を基準面とする手法と実際のマスタ歯面を基準面とする手法との２手法を説明したフローチャートである。
図９と図１０および図１１とは、位相接続手法における従来技術の方法と本発明において用いる方法とを解説図示した説明図である。すなわち、図９は、測定装置のＣＲＴの画面上の歯面のｘｙ座標のうち、ｘ座標に沿った各ピクセル、すなわち、一断面の従来の方法による位相解析手法を示すもので、歯面がＣＲＴ上にどのように写っているかに依って異なるが、例えば、同図（ロ）のように撮影されていれば歯幅方向に沿った各ピクセルの従来の方法による位相解析の歯幅方向の１断面となる。図１０、図１１は、同じく、本発明による位相接続手法を示し、相対的位相差を求め、この位相差を接続して長さに換算して誤差を得るもので、得られた結果は１断面の誤差として表示される。
【００３４】
図１２は、図１０、図１１に示した本発明の方法をフローチャートで示した図である。
図１３は図１に示した本発明の測定方法の実施に用いる測定装置における主としてコンピュータ関係の構成とデータの流れ、自動測定の命令系の流れを示す図である。また、図１４は、データの表示例であり、この左右歯面の領域の上に色付けされた等高線図を載せて表示する。
【００３５】
次に、上述した図１等に示す非接触測定装置を用いた本測定方法を説明する。
先ず、測定が開始されると、歯車仕様から撮影用のパラメータがコンピュータによって指示され、光学測定子２５は、図４の（ｂ）に図示された中央０点位置に移動する。ここで、測定機構４は、被測定歯車７のねじれ角βに合致した状態まで傾けられる（図５参照）。通常は、このβなる角度は基礎円筒上のねじれ角βｇに設定するので、物体光Ｓのビームは、歯車の創成母線に沿って歯面を照射するようになる。この状態では、光学測定子２５の偏角プリズム１７のピンポール１７ｄはカメラ１０によって補足されており、モニターにも表示されている。なお、シミュレーションのプログラムに従って、歯車７をその緒元に応じて半ピッチ角度分だけ微動回転させ歯の中央を原点位置に選択、設定すれば原点位置が設定できる。
【００３６】
この状態で、左右何れかの歯面を選択し、光学測定子２５を左右何れかの歯面撮影時の所定の位置に移動し（図４（ａ）又は（ｃ））、かつ、測定プログラムで指示されている位置に測定機構４を移動すると、カメラ１０に干渉縞を持った歯面が現れる。コンピュータから位相シフト装置に指令を与え、位相シフト装置２７を駆動してそのミラー２７ａを波長の１／ｎずつ微動させ、ｎ回、即ち縞の１ピッチ分のデータを取り込む（図１０及び図１１参照）。
【００３７】
ここで、既述のような２つの手法におけるシミュレーション像を用いる時には図７に示す処理フローを経て測定が実施される。
また、マスタ歯面を用いる場合には、図８に示すように、上記の測定をマスタ歯面と被測定歯面の２回に渡って行ってデータを取り込む。
勿論、マスタ歯面は一度だけ測定しておき、コンピュータの記憶手段内部に記憶しておけば、常時、取り出して解析に使用することができる。
【００３８】
この解析過程は、図７、図８及び図１０、図１１に示すような、新しい方法が採られ、従来、極めて困難であった位相の繋ぎ（アンラッピング）の自動化が可能になるのである。歯面の位相が計算されるた後は、その点の入射角に従って変化する。レーザ光の実効波長から長さに換算する。このデータからは、立体表示のための等高線、その色分け、また歯形或いは歯すじに沿った切断面、更に、創成母線に沿った切断面等、各種のデータ表示の展開が可能になる。一般的には、はすば歯車でも歯車技術者が理解し易い図１４の方法を採られる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、従来のホログラム干渉を使用する方法では、先ず、基準面とそのホログラムの作製に時間と労力を要し、直ちに測定にはいることはできなかったが、本発明によれば、ホログラムの作製過程を排除でき、コンピュータによってシミュレーションされた、換言すれば、常に一定の基準歯面像との差が測定され、信頼度の高い測定結果を得ることができる。また、１つの基準歯面を取り出して、これと比較測定することも可能である。このことは、現代の複雑な設計のハイテクな歯車の設計や製造に貴重なデータを提供し、故に、品質に大きく寄与することができると言う効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る歯車の歯面形状の非接触測定方法の実施に用いる非接触歯面測定装置の概略外観図である。
【図２】同測定装置の測定機構の側面図と一部の取り出し矢視図である。
【図３】（ａ）は図２のＡ−Ａ線から見た正面図、（ｂ）は偏角プリズムの構造を示すための取り出し斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は左右歯面の切替え状態と中央０点位置とを示した測定機構の略示正面図である。
【図５】被測定歯車のねじれ角に従って測定装置における測定機構を回転した状態を示す略示正面図である。
【図６】干渉縞を減少させるために参照光々路の途中に歯面と等価の補正用レンズを設けた構成例を示す図２と同様の側面図である。
【図７】理論歯面のシミュレーション像を基準面とする測定方法のプロセスを示すフローチャートである。
【図８】マスタ歯面と被測定歯面との比較測定方法を実施する場合のフローチャートである。
【図９】画面上の歯面のｘｙ座礁のうち、ｘ座標に沿った各ピクセル、すなわち、一断面の従来の測定方法における位相解析手法を説明する説明図である。
【図１０】同断面の本発明による位相解析過程を説明する説明図の前半部である。
【図１１】同断面の本発明による位相解析過程を説明する説明図の後半部である。
【図１２】図１０、図１１に示す測定方法のフローチャートである。
【図１３】図１に示した被接触歯面形状測定装置におけるコンピュータによるデータ処理と自動測定処理等の構成を示す機構図である。
【図１４】歯面誤差の表示例である。
【符号の説明】
４…測定機構
７…被測定歯車
７ａ…支軸
１０…ＣＣＤカメラ
１５…偏光ビームスプリッタ
１６…ミラー
１７…偏角プリズム
１９…ハーフ・ミラー
２０…中心軸
２５…光学測定子
２７…位相シフト装置
３２…補正レンズ
Ｒ…参照光
Ｓ…物体光
Claims (4)
- 歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する歯面形状の測定方法であって、
予めコンピュータに登録された歯車仕様に基づいて所定位置からの前記参照光および物体光に関して得た該歯車歯面のシミュレーション干渉縞像を基準歯面の像として該シミュレーション干渉縞像と被測定対象の歯車の歯面干渉縞像とを比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記基準歯面像と被測定歯面像とを比較して誤差データを算出、測定するときに、該基準歯面と被測定歯面との歯面に関して位相シフト法によって位相データを得て、各々の位相データの位相解析を行い、
各々の位相データを長さに換算する前に該位相解析された位相データの差を求め、
得られた位相データの差から長さに換算して被測定歯車歯面の誤差形状を得るようにしたことを特徴とした歯面形状の非接触測定方法。 - 歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する方法であって、
予め得たマスタ歯面形状の基準歯面干渉縞像に対し、前記参照光、物体光を用いた被測定歯車の歯面干渉縞像を比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記基準歯面像と被測定歯面像とを比較して誤差データを算出、測定するときに、該基準歯面と被測定歯面との歯面に関して位相シフト法によって位相データを得て、各々の位相データの位相解析を行い、
各々の位相データを長さに換算する前に該位相解析された位相データの差を求め、
得られた位相データの差から長さに換算して被測定歯車歯面の誤差形状を得るようにしたことを特徴とした歯面形状の非接触測定方法。 - 歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する歯面形状の測定方法であって、
予めコンピュータに登録された歯車仕様に基づいて所定位置からの前記参照光および物体光に関して得た該歯車歯面のシミュレーション干渉縞像を基準歯面の像として該シミュレーション干渉縞像と被測定対象の歯車の歯面干渉縞像とを比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記参照光の光路中に前記被測定歯車歯面の曲率に相当する等価レンズを挿入し、該被測定歯車歯面の干渉縞の次数を低減させ、以て測定の自動化を図るようにしたことを特徴とする歯面形状の非接触測定方法。 - 歯車の非対称性を有した歯面形状を参照光と物体光とを用いて非接触的に測定する方法であって、
予め得たマスタ歯面形状の基準歯面干渉縞像に対し、前記参照光、物体光を用いた被測 定歯車の歯面干渉縞像を比較して誤差データを算出、測定し、
このとき、該測定データの前記非対称性を有した被測定歯車歯面で生ずる機械的光学的不一致に起因する誤差を解消すべく、該測定データを逆光線追跡法、光線追跡法を繰り返し行い、
以て基準歯面像であるシミュレーション干渉縞像との差を収斂させるようにした歯車の歯面形状の非接触測定方法において、
前記参照光の光路中に前記被測定歯車歯面の曲率に相当する等価レンズを挿入し、該被測定歯車歯面の干渉縞の次数を低減させ、以て測定の自動化を図るようにしたことを特徴とする歯面形状の非接触測定方法。
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