JP3920566B2 - 軸受軌道曲率の光学的検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受等における軌道の曲率を検出する装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、軸受の内外輪における軌道の曲率を測定するには、軌道面に触針を当ててトレースし、適当な倍率に拡大して記録する装置が用いられてきた。
しかしながら、このような装置では軌道面に触針の圧痕が付くことがあり、かかる場合には製品として使用できなくなるという問題点があった。また、触針の正確な位置決めが容易でないため、測定に長時間を要するという問題点もあった。
【0003】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、軌道面を傷つけることなく迅速に軌道の曲率を検出することができる装置を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の軌道曲率の光学的検出装置は、光源と、曲率半径rの軌道を有する軸受の軌道輪の軌道底に光軸を合わせて当該軌道底から距離2rを隔てた位置に配置され、入射した平行光を、焦点距離f=rとなる焦点に収束させた後、球面波として発散させるゾーンプレートと、前記光源から放射された光を平行化して前記ゾーンプレートに導くとともに、当該ゾーンプレートを通過して軌道に照射され且つ、実質的に、前記軌道底を含む頂稜線から反射した後当該ゾーンプレートを通過して戻る光のみを導き且つ集光させる光学系と、画素が2次元に配列され、前記光学系により集光させた光の一方向への拡がり量を検出する検出器と、光を受けた画素数をカウントすることにより前記拡がり量を求め、これに基づいて前記頂稜線の曲率を求める演算装置とを備えたものである(請求項1)。
上記のように構成された軸受軌道曲率の光学的検出装置(請求項1)では、光学系により、光源から放射された光が平行化されてゾーンプレートに導かれる。この光は、焦点距離fが軌道の曲率半径rに等しいゾーンプレートにより収束させられた後、軌道の曲率中心と一致する焦点から発散する球面波として軌道に照射される。軌道の曲率半径に誤差がないとすれば、球面波の球面と一致する軌道面の頂稜線に入射した光は反射して入射光と同じ光路を戻り、ゾーンプレートから光学系を経て検出器上に集光させられ、検出器は光の拡がり量を検出する。この光の拡がり量は、軌道の曲率半径に誤差がないとすれば所定の理論値と一致するが、誤差があると、それに応じて変化する。
【0005】
また、検出器の画素が2次元に配列されていることにより、軌道面と検出器の検出面との間で光軸の平行性が確保されなくても、検出器上に入射する光の拡がり量を検出することができる。
【0006】
また、上記光学的検出装置(請求項1)において、光学系は平行化された光を所定の幅に調節する絞りを備えるとともに、ゾーンプレートは光学系に対して脱着可能に取り付けられていてもよい(請求項2)。
この場合、軌道曲率ごとにゾーンプレート及びそれに対応した絞りを各種用意しておき、これらを取り替えることにより、その他の部分は共通の装置を用いて、各種サイズの軌道曲率を検出することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態による軸受軌道曲率の光学的検出装置の構成を示す図である。図において、当該装置は、LED、レーザダイオード等の光源1と、コリメータレンズ2と、ビームスプリッタ3と、このビームスプリッタ3と密接したプリズム4と、プリズム4の一面上に脱着可能に設けられたゾーンプレート5と、集光レンズ6と、CCDからなる検出器7とを備えている。この検出器7には、演算装置8が接続される。なお、当該光学的検出装置の実物の大きさは、図示した寸法の概ね20分の1程度の、非常に小さなものである。
【0008】
上記光源1とコリメータレンズ2とは、互いに光軸A1を一致させて配置されており、光源1から放射された光はコリメータレンズ2で平行化され、X方向(図中の座標参照)への平行光となる。この平行光は、ビームスプリッタ3に対して垂直に入射する。ビームスプリッタ3は、脱着可能な絞り3aを備えており、この絞り3aにより、入射させる平行光の幅を図示のW1に調節する。また、ビームスプリッタ3の一面(図の下面)には、不要な外光の入射を防止するマスク3bが設けられている。プリズム4は図の45度傾斜面に、内面側が鏡面のミラー4aを備えている。ビームスプリッタ3に入射した平行光は、プリズム4のミラー4aで90度進路を変えて−Y方向に進み、ゾーンプレート5に入射する。
【0009】
ゾーンプレート5は、透明基板5a上に所定の輪帯を形成したものである。このようなゾーンプレート5は、半導体微細加工技術等を用いて容易に製作することができる。ゾーンプレート5は、被検査部材として例えば軸受の内輪9の軌道面9aに対向して配置されており、光軸A2が軌道底9bに合わせられている。軌道面9aは、曲率半径がrであり、その曲率中心はゾーンプレートの焦点Fと一致している。従って、ゾーンプレート5の焦点距離をfとすると、軌道底9bとゾーンプレート5との距離は2r(=f+r)、すなわち、f=rである。なお、ゾーンプレート5は収差がなく、任意の波面を作ることができる。本例におけるゾーンプレート5は、これを通過した光が焦点Fに収束した後発散して球面波を作るように構成されている。
【0010】
一方、集光レンズ6は、ビームスプリッタ3に対してY方向に配置されている。また、検出器7は、集光レンズの焦点距離fLよりさらにY方向の遠方である距離Dの位置に配置されている。検出器7の画素は、2次元すなわち図のX−Z平面にマトリクス状に配列されている。演算装置8は、各画素からの信号を受け取り、どの画素に光が入射したかを捉えて、光が入射した画素数をカウントする。
以上のような構成において、上記コリメータレンズ2、ビームスプリッタ3、プリズム4及び集光レンズ6は、後述するように、光源1から放射された光を平行化してゾーンプレート5に導くとともに、当該ゾーンプレート5を通過して軌道面9aに照射され且つ反射した後当該ゾーンプレート5を通過して戻る光を導き且つ集光させる光学系を構成している。
【0011】
次に、上記のように構成された軸受軌道曲率の光学的検出装置による軌道曲率の検査又は測定について説明する。まず、被検査部材である内輪9の軌道の曲率半径rに対してf=rとなる焦点距離を有するゾーンプレート5をプリズム4に取り付ける。また、ゾーンプレート5と軌道底9bとの距離が2rになるように位置関係を調整する。この状態において、ゾーンプレート5に入射した平行光は焦点Fに収束した後発散する球面波となる。軌道面9aは、図示のような内輪9の軸方向における断面形状で見ると、X−Y平面上に球面の頂稜線B(円弧)を含んでいるが、その頂稜線Bに対して軌道方向(Z又は−Z方向)へは、なだらかに下っていく曲面である。従って、発散する球面波の球面と完全に一致するのは、上記頂稜線Bのみである。ここで、曲率半径rに誤差がないとすると、上記頂稜線B上に入射した光は、曲率中心からの光であるため、頂稜線B上に入射するすべての光は当該頂稜線Bに対して垂直(入射角0度)である。従って、それらの反射光は、X−Y平面上で、入射光と全く同じ光路を逆戻りする。なお、当該頂稜線B以外の軌道面9aに入射した光の反射光は、拡散して入射光とは大きく異なる光路をたどる。従って、これらの反射光は実質的にゾーンプレート5には戻らない。
【0012】
頂稜線B上に入射して同一光路を逆戻りした光は、ゾーンプレート5を通過してプリズム4内でも同じ光路を戻り、ビームスプリッタ3でY方向に進路を変える。Y方向に進んだ光は集光レンズ6に入射して集光され、検出器7に入射する。このとき、集光レンズ6に入射する光の幅W2は、絞り3aで調節された幅W1と同じである。従って、検出器7上での光の拡がり量Wの理論値は、
W=W1・(D−fL)/fL=W0
となる。この拡がり量Wは、基本的には、X方向に平行な「線分の長さ」として検出器7上に現れる。
【0013】
上記のことから、軌道面9aの曲率半径rに誤差がなければ実質的に理論値通りの拡がり量W0が検出器7により検出される。なお、この拡がり量W0は、光を受けた画素数を演算装置8がカウントすることにより求められる。検出器7は前述のように2次元に構成されているため、軌道面9aに対する光軸A2と、検出器7の検出面に対する光軸A3との間で光軸の平行性が厳密に確保されなくても、検出器7上に入射する光の拡がり量を、拡がり方向に並んだ画素により検出することができる。従って、高い精度での組立が要求されず、装置の製造が容易である。
【0014】
一方、軌道面9aの実際の曲率半径rが、誤差のない本来の値r0に対してr>r0の関係にあったとすると、図2及びその一部を拡大した図3に示すように、ゾーンプレート5の焦点Fと曲率中心Rとが互いに一致しなくなる。この状態においては、焦点Fから発散する球面波が軌道面9aの頂稜線Bと一致せず、反射光は入射時とは異なる光路を通って戻り、ゾーンプレート5に入射する。この結果、図2に示すようにその後の光路が異なり、集光レンズ6を通過した光の収束位置は図1の場合より遠方になる。従って、検出器7上に入射する光の幅Wは、図1のW0より小さくなる。この差(W0−W)は曲率半径の誤差(r−r0)が大きくなるほど増大する。逆に、r<r0であれば、検出器7上に入射する光の幅Wは、図1のW0より大きくなり、この差(W−W0)は曲率半径の誤差(r0−r)が大きくなるほど増大する。
【0015】
図4は、曲率半径rと、検出器7上で検出される光の幅Wとの関係を示すグラフである。曲率半径rと光の幅Wとの間には図示のような一定の関係があり、曲率半径rがr0より大きくなるほど光の拡がり量Wは小さくなり、逆に、rがr0より小さくなるほど光の拡がり量Wは大きくなる。従って、演算装置8においてWの値に一定の許容範囲を設けて、その範囲内であれば検査結果が合格、その範囲を越えれば不合格として、軌道の曲率の検査を行うことができる。また、予めこれらの関係を調べておくことにより、演算装置8は、測定したWから曲率半径rを測定することもできる。なお、例えば、曲率半径r=1mmの場合、rの誤差の絶対値|r−r0|が数μmの範囲(図示のΔr)であれば変化はリニアである。従って、この範囲ではWの値から精度よくrの値を求めることができる。但し、実際には、より広範囲に、誤差±10〜20μmの範囲まで検査・測定の対象とする。
【0016】
以上のように、本実施形態の軸受軌道曲率の光学的検出装置によれば、軌道面9aの曲率(曲率半径)は、軌道面9aに非接触で光の拡がり量に変換されることにより検出され、しかも、検出は光学的に瞬時に行われる。従って、演算装置8により、軌道曲率の検査又は測定を瞬時に行うことができる。このようにして、軌道面9aを傷つけることなく迅速に軌道曲率を測定することができる。また、当該装置は光学系の一部において往路と復路が共通のコモンパスであるため、軌道曲率を検出するに際して、外乱(振動等)の影響を受けにくい。さらに、ゾーンプレート5及び絞り3aは前述のように脱着可能であるから、軌道曲率ごとにゾーンプレート5及びそれに対応した絞り3aを各種用意しておき、これらを取り替えることにより、その他の部分は共通の装置を用いて、各種サイズの軌道曲率を検出することができる。但し、絞り3aについては、開口が調節可能な構造のものを採用することにより、取り替えをしなくても、各種ゾーンプレートに対して汎用性を持たせることができる。
【0017】
なお、上記実施形態では、被検査部材を軸受の内輪として説明したが、上記の光学的検出装置は、非常に小さいため、外輪内面の軌道に対しても配置が容易であり、同様に使用可能である。また、ゾーンプレートは非常に小さい寸法のものを容易に作成可能である。従って、小径な軸受の曲率検出にも適用可能な装置を容易に作ることができる。また、当該装置の適用対象は、軸受に限らず、軌道を有する被検査部材に広く用いることができる。
【0018】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項1の軸受軌道曲率の光学的検出装置によれば、軌道の曲率半径に誤差がないとすれば、検出器が検出する光の拡がり量は所定の理論値と一致するが、誤差があると、それに応じて変化する。従って、光の拡がり量に基づいて、軌道面に非接触で迅速に曲率を検査又は測定することができる。
【0019】
また、軌道面と検出器の検出面との間で光軸の平行性が確保されなくても、検出器上に入射する光の拡がり量を検出することができるので、高い精度での組立が要求されず、装置の製造が容易である。
【0020】
請求項2の軸受軌道曲率の光学的検出装置によれば、軌道曲率ごとにゾーンプレート及びそれに対応した絞りを各種用意しておき、これらを取り替えることにより、その他の部分は共通の装置を用いて、各種サイズの軌道曲率を検出することができるので便利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態による軸受軌道曲率の光学的検出装置の構成を示す図である。
【図2】 上記軸受軌道曲率の光学的検出装置において、軌道曲率に誤差がある場合の光の進路を示す図である。
【図3】 図2の一部の拡大図である。
【図4】 軌道の曲率半径rと検出される光の幅Wとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 光源
2 コリメータレンズ
3 ビームスプリッタ
4 プリズム
5 ゾーンプレート
6 集光レンズ
7 検出器
8 演算装置
9 内輪
9a 軌道面
9b 軌道底
A2 光軸
B 頂稜線
F 焦点
Claims (2)
- 光源と、
曲率半径rの軌道を有する軸受の軌道輪の軌道底に光軸を合わせて当該軌道底から距離2rを隔てた位置に配置され、入射した平行光を、焦点距離f=rとなる焦点に収束させた後、球面波として発散させるゾーンプレートと、
前記光源から放射された光を平行化して前記ゾーンプレートに導くとともに、当該ゾーンプレートを通過して軌道に照射され且つ、実質的に、前記軌道底を含む頂稜線から反射した後当該ゾーンプレートを通過して戻る光のみを導き且つ集光させる光学系と、
画素が2次元に配列され、前記光学系により集光させた光の一方向への拡がり量を検出する検出器と、
光を受けた画素数をカウントすることにより前記拡がり量を求め、これに基づいて前記頂稜線の曲率を求める演算装置と
を備えたことを特徴とする軸受軌道曲率の光学的検出装置。 - 前記光学系は平行化された光を所定の幅に調節する絞りを備えるとともに、前記ゾーンプレートは前記光学系に対して脱着可能に取り付けられている請求項1記載の軸受軌道曲率の光学的検出装置。
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