JPS62502216A - 低位のフォ−ム誤差の光学的検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の名称］ 低位のフオーム誤差の光学的検出装置 ［技術的背景］ 本発明は低位のフオーム偏差を検出する装置に関するもので、更に詳細には第１ 位又は第２位のフオーム偏差を検出する装置に関するものである。

第１位から第３位へのフオーム偏差は粗さ、波又は溝として説明される。（第２ 位のフオーム偏差も時おり「チャツタ−・マーク」として説明される）この型式 のフオーム偏差及び特に例えば第２位のフオーム偏差はトランスミッション軸の 軸受軸内のうなりといった雑音発生における低周波数範囲となる。うなりの発生 は軸を除去する目的からトランスミッションの分解を必要とすることとなる。こ の時間のかかる作業を回避するため例えばトランスミッションの組立て中に低位 のフオーム偏差及び／又はフオーム誤差の発生、特に組立て前に雑音を生ずるチ ャツタ−・マークの発生に対し全ての軸をチェックすることが望ましいことにな ろう。

［従来の技術］ 今日迄、低位のフオーム偏差は例えばＩ（ａｈｒ社の［Ｐｅｒｔｈｅｎ−ＦＯｒ ｍａｅＳｔｅｒｊの如き機械的試験計器によってのみ工業的に測定されている。

しかしながら機械的フオーム試験は時間が比較的長くかかるという欠点だけでな く、フオーム試験を行うのに相当の努力を必要とする。例えば、試験スタンドは 低周波構築振動が無い状態でなければならない。

計器に対して相当の努力が投下された場合でも機械的フオーム試験の結果は例え ばトランスミッション軸が一旦据付けられた際「うなる」か否かの信頼ある評価 床として常に使用できるとは限らない。この理由から低位のフオーム偏差を光学 的に評価することが既に提案されている。（ＣＩＲＢ第３３／１／１９８４巻４ ０７ｆ頁の年鑑）表面欠陥の光学的検出に対するこの公知の装置の場合、反射角 度又はフオーム偏差から結果的に生ずる反射ビームの反射のこの角度における変 化は２個のフｔト・ダイオードから成る「光スケール」を使用して測定される。

しかしながらこの公知の装置には多くの欠陥がおる。

２個の受光器から成る光スケールを使用する測定ではある所望の角度解像に対し 、調べる表面上の検査光ビームのスポット寸法を自由に選択できない。その上、 検査する光のビームの強度を制御するのに比較的大きい電子的及び光学的作用が 必要である。

とりわけ高位のフオーム偏差、例えば、表面の粗さは粗さにより生ずる光ビーム の「分散化」に起因して測定結果に比較的大きい影響を及ぼす。

［本発明の説明］ 本発明の目的は、低位のフオーム偏差が比較的低い光学的及び電子的作用により 高精度に評価できる低位のフオーム偏差及び／又は表面誤差を光学的に検出する 装置を呈示することにある。

この目的は本発明によれば、基礎装置としてＩｒ＋ＩＲＰの年鑑、第３３／１− １９８４巻、４０７ｆ頁」から公知の如きクレーム１の中心思想による装置を備 え更にこの装置を特徴部分に記載された諸特徴で発展させることにより解決され る。

本発明によれば、受光装置が線状に配列された多数の受光系子に構成され且つ全 ての受光素子の出力信号が傾斜角度の決定に際し評価される場合に高精度の角し て、驚くべきことに受光素子の幅を相当下まわる反射光線のコア内におけるシフ トを解像することが可能である。本発明による方法には又、得られた測定結果が 表面粗さ等といった高位のフオーム偏差により実際上影響を受けない状態になる 驚くべき利点が備わっている。言う迄もなく、本発明による装置はスロープ・プ ロフィールにおける目視検査又はチャツタ−・マークと同様、統計的局部粗さ、 測定点上に集中された粗さ、集中されたプロフィールにおける波打ち、フオーム 及び局部的偏差といった多数の測定値を同時的に決定できる。

その上、測定点の寸法を変えることにより測定信号に対する粗さの影響を波打ち の影響から分離できるようにする一部のフィルター効果を得ることができる。

本発明による装置の別の利点は光学的試験ヘッドが試験中の目的物により送り出 される刺激的振動に対し機械的探り針より感応性が低いことにある。これは試験 すべき表面に直角の面と同様、その試験すべき目的物の表面の平面内における振 動方向に適用する。これは本発明による装置を生産ラインにて一体化させる可能 性をもたらす。本発明による装置は又、比較的広い範囲内で距離の変化に対し相 当感応性がない。

開発内容の別の改善内容については請求の範囲の副項に記載しである。

請求の範囲第２項においては簡単な式が与えられ、この式によって評価ユニット は個々の受光素子の出力信号からその探られた表面素子の傾斜角度を決定する。

この式は多大な努力を伴わずに受光系子の幅の１０％以下になし得る受光素子の 配列上での反射光線のコア内でのシフトを評価できる。本発明に従って使用され る式は又、光軸が垂直面内に存在するような様式で本装置を実際の面に対し自動 的に位置付けることができる。その結果、機械的探り針とは対比的に多数の探り 針を操作する必要がない。

請求の範囲第３項によれば、検査すべき本体のプロフィール曲線はこの様にして 得られる個々の表面素子の傾斜角度から簡単な様式で積分により決定できる。

本発明による装置の場合、例えば、波の振幅／波長の関係若しくは機能上の要求 に応じて傾斜と垂直プロフィールの間を選択するオプションもある。

本発明による装置の特別の利点はその均一な周波数応答即ち広い周波数範囲に亘 り広く一定した伝達機能にある。

この一定した周波数応答により評価ユニットの出力信号及び／又は積分回路の出 力信号は広い周波数範囲に亘りフーリエ変換を受けることができる。この様にし て得られたフーリエ・スペクトルから説明を簡単な様式で簡略化でき、これによ って加工部片の品質の迅速な検討ができる。例えば、あるフーリエ順位にての最 大値がチャツタ−・マークに対する特性となる。これらの順位の存在又は非存在 に応じて軸が使用可能か否かを容易に決定できる。フーリエ分析によって個々の 順位の角度振幅、最大値が例えば決定でき、垂直プロフィールの対応する振幅に 変換できる。この様にしてスクラッチ等の考えられる不規則な領域からの独立性 が達成される。

請求の範囲第５項においては本発明による装置の光学的部分の特に有利な設計が 特徴付けられている。探り針の光線が「斜めに入射する」ことからビーム分割器 を省略でき、そのため強度が削減されない。しかしながら、結局、調査すべき表 面と受光素子がレンズ系の焦点距離に大略等しい（レンズ系の関連ある主要面か ら測定した）レンズ系からの距離にある特許請求された距離の関係は、照射され る表面素子からある角度にて出る検査すべき表面から発するビームが受光素子に 当たるようにする。

これとは無関係に光軸は本装置の視野を改善する目的で直角の面外に回転できる 。

請求の範囲第６項による装置の改善によって探り針の方向に直角の表面内での粗 さの影響が無くなり、この様にして得ることのできる角度の解像が更に高まる。

探り針の方向における光点の寸法によって更に評価されるフオーム偏差の最も小 さい波長を決定できる。

探り針の方向における光点の寸法が解決すべき問題における測定問題（請求の範 囲第７項）に対し依然関係がある最小の波長に対し充分大きく選択されればそれ が有利である。

本発明による装置は低い順位のフオーム偏差の決定を可能にするだけでなく、単 一受光素子の出力信号から表面の粗さを決定することもできる。すなわちここで 、 Ｗｉ　：各受光素子から得られた拡散光の角度に＋１：受光素子の個数 Ｗ　：値Ｐ・及びＷｉ９平均値 署 Ｐｉ　：式（ｃ）による測定信号ｎ１ ｇ１　：測定信号ｎｉに対する修正係数である。この点に関してＤＥ−Ｏ５３０ ３７６２２を詳細に参照する（請求の範囲第９項）。

請求の範囲第１０項による受光素子としてフォト・ダイオードを使用することは 単一受光素子により幅が狭く感度の高いダイオード列が妥当な価格で標準的な形 態にて入手できるという利点を伴う。

探り針の方向とは反対に受光素子の配列の軸線を回転させると、「突出方向にお いて」フオーム偏差の方向における個々の受光素子の各素子の幅を「短くする」 ので角度上の感度が増加する（請求の範囲第１項）。

入れ子式光学系を使用すると、本発明による装置の解像度は受光列上での反射光 の分布を「広げる」ことにより増加できる。

本発明について説明例を使用し図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

第１図は本発明による測定原理の説明図。

第２図は本発明による装置の原理的構造を示す。

第３図ａ及び第３図すは「ひゆ一つと鳴く」固定子軸に対し且つ雑音を生じない 固定子軸に対する拡散分配のコアの曲線を示す。

第４図ａ及び第４図すは第３図に示された結果のフーリエ変換を示す。

第５図ａ及び第５図すはこれらの固定子軸での機械的型式の試験結果を比較目的 のため示す。

第１図は測定原理を説明したものである。光源１のビームはレンズ３からその検 査すべき表面４上に投射される。反射光はダイオード列５に当たる。「波状表列 ５上の異なる位置（Ｍｌ又はＭ２）に存在する。表面４の粗さが原因でその反射 光線は第１図に概略的形態で示された分布を示す。表面素子と表面素子で異なる この分布を使用することにより反射光線の位置を光のスケールで測定することが 例えば修正不能の大きい誤差を伴う。

第１図におけるレンズは延在する測定点７が作成されるようシリンダー・レンズ になっていることも注意すべきでおる。

第２図は低位の表面誤差の光学的検出を行う本発明による装置の説明例の断面図 と平面図を示す。概略的形態でのみ示しであるこの装置はこの場合も光源１゜コ リメータ２．測定レンズ３及びダイオード列５を所有している。

測定すべき表面４は本装置から即ち測定レンズ３の前方主要面からの距離即ち測 定レンズの焦点距離ｆに大略等しい距離を有している。光源１、例えば、レーザ ー又は発光ダイオードから出る光は（必要があれば）コリメータ２により平行に され、測定レンズ３の光軸６外でこのレンズに当たる。平行光線は測定すべき表 面４上に測定レンズ３によって焦点合せされる。測定点の個々の照射された点か ら出る光線は次に測定レンズ３によってダイオード列上に投射される。測定レン ズ３の後方主要面からのダイオード列５の距離は本過程においては大略測定レン ズの焦点距離に等しくなつ測定すべき表面の測定レンズに対するこの間隔割当て 又はダイオード列に対する測定レンズの間隔割当てが原因で表面４上の測定点の 個々の点からある角度にて発する光線はダイオード列５の同じ１つのダイオード 上に投射される。換言すれば、測定レンズ３と試験面又はダイオード列５はフー リエ系を形成する。

実際、３０％までの距離の変化は低位の表面誤差の検出に対してはめざましい効 果を有しないことが判明した。

（第２図に破線で示される如く）探りが入れられた表面素子の傾斜角度を決定す るため、ダイオード列５上の本発明による装置上で平面図として概略的に示され た拡散される光の分布が次の式に従って基準素子（第２図の連続線）に対して決 定される。

値である。

更に、式の中で に＋１：受光素子の個数 ｎｊ　：受光素子」の出力信号の振幅 ｂ　＝受光素子の幅 ｆ　：調査する表面素子からの受光素子の直線状列の距離 Ｘｊ　：素子ｒＯＪからの受光素子ｊの距離素子ｒｏｊ：Ｗ準素子上の「理想の 」反射にてビームが当たる受光素子 前掲の式によるダイオード列５の個々のダイオードの出力信号の評価にあたり、 ダイオードの幅すの１７１０の拡散された光分布のコア内におけるシフトが常時 解像可能である。実際の使用における解像限界はダイオード幅すの約１／１００ である。

例えば、ダイオード幅ｂ＝０．９Ｍで測定レンズ３の焦点距離ｆが２５Ｍの場合 、６．２′の角度を解像することが可能であり、一方、焦点距離が大略５０ａの 場合は３．０′の角度を解像できる。光軸６に対する測定レンズのビームの傾斜 はこの過程においては１０°乃至２０”でおる。

第３ａ図は据付けられた状態においてひゆ−と鳴る状態を生ぜしめる固定子軸の 回転角度の関数としてＭ値即ち反射される光線のコアの位置の曲線を示し、一方 、第３ｂ図はひゆ−と鳴る音を発生しない固定子軸に対するＭ値の依存性を示し ている。理解される如く、ひゅ−と鳴る音を発生する固定子軸に対し実質的に改 善された光学的Ｍ信号曲線が存在し、振幅は数倍高く、構造は一層定常的になっ ている。光の拡散性に対する簡単な特性としてＭ値の標準的な偏差を計算すれば 欠陥のない軸に対し典型的な標準偏差としてく０．１の値が得られ、一方、「ひ ゅ−と鳴る」軸の標準偏差は０．１より大きく、典型的には０．１５より大きい 。

第５ａ図及び第５ｂ図はこれらの軸に対するＭａｈｒ社のＰｅｒｔｈｅｎ−Ｆｏ ｒｍｔｅｓｔｅｒで得られる結果を示している。

驚くべきことに欠陥の無い軸、即ち据付は状態にある際ひゆ−と鳴る音を発生し ない軸の真円性の偏差は真円性の偏差が約２μｍであるひゆ−と鳴る音を発生す る軸の真円性の偏差より大きい大略４μｍになっている。

機械的フオーム試験計器の付属書には何ら重要な差が示されず、一方、本発明に よって決定されたＭ値はこうした著しい差を示していることが第３図及び第５図 から理解できる。

第４ａ図及び第４ｂ図に示された測定結果のフーリエ変換値においてひゅ−と鳴 る音を発生する軸とひゅ−と鳴る軸を発生しない軸の間の明らかな差を見ること ができる。系統的な調査の途中であるフオーム誤差は當時ある順位の最大値にな ることが判明した。例えば、ひゅ−と鳴る音を発生した軸は全て２２０番目の順 位付近で最大値を有した。

による中心思想内で最も変えられる改善例が可能である。

例えば、受光列の軸線と供給装置はある角度を包囲できる。このようにして受光 素子の有効幅が削減され、そこで解像度が増加される。

その上、最も変えられる光学列が使用可能である。

勿論、探り針の光線をほぼ９０’にて調査すべき面に当てることもできる。球状 の投射素子の代わりにシリンダー・パワーのある素子も使用可能であり、そのた め探り針の方向又はその方向に直角の間隙の幾何を測定問題に適合させることが できる。

各場合において本発明による装置は本装置によれば溝、孔等に亘り測定すること もできるという利点がある。更に、特別の表面フオームがソフトウェアによって 明らかにできる。

国際調査報告 纏−−−−−一炉１１−−１−−自―炉１−−鴫Ａ＠＠ｌｉ喝シー−ＩＳ−シー １１＋＠、ＰＣ′ｒ／ＤＥ８６１０００３７ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＬＩＨＥ　ＩＮ ＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＩ：、５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　０ＮＵＳ−Ａ−４３９ ０２７７２８１０６／８３　Ｎｏｎｅ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．調査する本体を光で探る光源と、本体から反射される光に対する受光装置及 び受光装置の出力信号からの本体の探られた表面素子の傾斜角度（α）を決定す る評価ユニットを備えた低位のフォーム誤差を光学的に検出する装置であって、 受光装置が直線状列の多数の受光素子を含むこと及び評価ユニットが受光素子の 全ての出力信号から傾斜角度を決定することを特徴とする光学的検出装置。
2. ２．評価ユニットが次式に従って本体の面内の基準素子に対する受光素子の出力 信号ｎｊから探れた表面素子の傾斜角度αを決定するようにしたことを特徴とす る請求の範囲第１項記載の装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼ ここで ▲数式、化学式、表等があります▼ ｋ＋１：受光素子の個数 ｎｊ：受光素子ｊの出力信号の振幅 ｂ受光素子の幅 ｆ：調査する表面素子からの受光素子の直線状列の距離 Ｘｊ：素子「Ｏ」からの受光素子ｊの距離素子「Ｏ」：基準素子上の「理想の」 反射にてビームが当たる受光素子
3. ３．本体のプロフィール曲線ｆ（ｘ）を決定する目的で各表面素子の傾斜角度α に比例する評価回路の出力信号を積分する評価ユニットに引続き積分回路が接続 してあることを特徴とする請求の範囲第１項又は同第２項に記載の装置。
4. ４．評価ユニットの出力信号及び／又は積分回路の出力信号をフーリエ変換する 変換回路が設けてあることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項の各項記載 の装置。
5. ５．表面を探る光線の軸線が理想表面の直角面と０以外の角度を包囲すること、 受光装置上の反射光の投射に対し表面から及び受光装置からの距離が各々の場合 において大略レンズ系の焦点距離に等しいレンズ系が設けられることを特徴とす る請求の範囲第１項乃至第４項の各項記載の装置。
6. ６．表面を探る光源が粗さの影響を無くす光学系に対し探る方向より探る方向に 直角の方が相当高い寸法を示すようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項乃 至第５項の各項記載の装置。
7. ７．探り方向における光点の寸法が依然解像できる微細なフォーム誤差の波長に 大略等しくなっていることを特徴とする請求の範囲第６）項に記載の装置。
8. ８．受光素子の出力信号が調査される面の粗さの決定に対しても使用されるよう にしたことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項の各項記載の装置。
9. ９．評価ユニットが次式による受光素子の出力信号から表面の粗さを決定するよ うにしたことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼；ｘ＝１又は２（ａ）▲数式、化学式、表等 があります▼（ｂ）▲数式、化学式、表等があります▼（ｃ）ここで、 ｗｉ：各受光素子から得られた拡散光の角度ｋ＋１：受光素子の個数 ｗ：値Ｐｉ及びＷｉの平均値 Ｐｉ：式（ｃ）による測定信号ｎｉ ｇｉ：測定信号ｎｉに対する修正係数
10. １０．受光素子がダイオード列であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第 ９項各項記載の装置。
11. １１．受光素子列の軸線が探り方向にて鋭角を包囲するようにしたことを特徴と する請求の範囲第１項乃至第１０項の各項記載の装置。
12. １２．反射光を受光装置上に投射する入れ子式光学系を特徴とする請求の範囲第 １項乃至第１１項の各項記載の装置。