| 【発明の名称】 |
機械部品の表面形状測定装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】橋本 浩司
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| 【要約】 |
【課題】押圧力や摩擦力、摩耗等の影響を受けることなく表面形状の高精度な計測を行うことができるようにした。
【解決手段】測定スピンドル１０の凹部１５に被測定物である転動体４を真空保持すると共に、駆動モータ１３を駆動させて測定スピンドル１０を回転させ、レーザドップラー速度計５により非接触でもって転動体４の真円度形状を計測する。また、レーザドップラー速度計５を含む装置本体部１は防音カバー３で覆われている。さらに、ローダー本体２５をインデックス２４を中心に回転させて供給シュート２３内の転動体４を測定スピンドル１０に搬送し、アンローダー本体２９をインデックス２８を中心に回転させて測定スピンドル１０上の転動体４を排出シュート３２に搬送する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被測定物を保持して回転駆動する被測定物保持手段と、該被測定物保持手段に保持されている被測定物の表面形状を計測する表面形状計測手段とを備えた機械部品の表面形状測定装置において、前記表面形状計測手段が、レーザドップラー速度計で構成されていることを特徴とする機械部品の表面形状測定装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は機械部品の表面形状測定装置に関し、より詳しくは、転がり軸受に組み込まれる転動体や軌道輪（内輪及び外輪）等の真円度等、機械部品の表面形状を計測する機械部品の表面形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、転がり軸受に組み込まれる転動体等の機械部品の表面形状は、一般に、図１０に示すような測定装置で測定されている。
【０００３】すなわち、該測定装置は、測定スピンドル１０１の先端にアダプタ１０２が装着されると共に、バネ１０３が基台１０５に立設された支持部材１０６に取り付けられ、かつ前記バネ１０３の先端には押え金具１０４が固着されている。また、前記測定スピンドル１０１はカップリング１０７を介して中間スピンドル１０８に連結されると共に、該中間スピンドル１０８の入力軸にはプーリ１０９が固着され、駆動モータ１１０からの動力が該駆動モータ１１０の出力軸に固着されたプーリ１１１及びベルト１１２を介して中間スピンドル１０８及び測定スピンドル１０１に伝達される。尚、１１３は防振ゴム等の緩衝部材である。
【０００４】そして、該測定装置では、アダプタ１０２と押え金具１０４とで転動体等の被測定物１１４を保持しながら測定スピンドル１０１を回転させる一方、測定子１１５を被測定物１１４の表面に所定の押圧力でもって常時接触させ、測定子１１５からの出力信号により被測定物１１４の真円度形状、すなわち表面形状を計測している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、パーソナルコンピュータ等に搭載されるハードディスクドライブ（ＨＤＤ）では高速回転になればなる程、記録密度を上がることが知られており、該記録密度を上げるために高速回転で使用されるようになってきている。したがって、ＨＤＤ用の転がり軸受では、高速回転時での性能確保が重要となってきており、このため転がり軸受の構成部品である転動体や軌道輪では、真円度が極めて良好であることが要請されている。
【０００６】しかしながら、上記従来の測定装置では、測定子１１５を被測定物１１４の表面に常時接触させて表面形状を計測しているため、測定子１１５の被測定物１１４への押圧力や摩擦力のバラツキにより高精度な計測を行うことができなくなる虞があるという問題点があった。
【０００７】また、被測定物１１４は、上述したように押え金具１０４で押圧されて保持されているため、該押え金具１０４との接触により被測定物１１４が摩耗してしまうという問題点もあった。
【０００８】このような摩擦力や摩耗による測定値への影響を回避するためには、被測定物１１４に潤滑油を塗布して真円度形状を計測する方策も考えられるが、斯かる方策では被測定物１１４の表面に形成されている微小な凹凸、すなわち「うねり」（waviness）が油膜に埋もれてしまって真円度形状の高精度な測定結果を得ることができないという新たな問題点が生じ得る。
【０００９】さらに、上記従来の測定装置では、被測定物１１４を測定装置に装着するためのローディングや被測定物１１４を測定装置から取出すためのアンローディングが手動で行われていて計測工程が自動化されておらず、このため、測定時に装置全体を覆うことができず、音や風等の外乱ノイズの影響を受けて測定精度の信頼性低下を招く虞があるという問題点があった。
【００１０】さらに、上記従来の測定装置では、測定スピンドル１０１と中間スピンドル１０８とがカップリング１０７を介して連結されているため、中間スピンドル１０８の振動や測定スピンドル１０１と中間スピンドル１０８との取付誤差が生じた場合は、斯かる振動や取付誤差の影響が測定スピンドル１０１に伝達され、その結果、測定スピンドル１０１の回転精度が悪化して測定精度に悪影響を及ぼすという問題点があった。
【００１１】本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであって、押圧力や摩擦力、摩耗等の影響を受けることなく真円度等の表面形状の高精度な計測を行うことができる機械部品の表面形状測定装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】従来の測定装置（図１０）では、上述したように、測定子１１５を被測定物１１４に所定の押圧力でもって常時接触させているため押圧力や摩擦力に起因して測定精度の低下を招来しており、したがって斯かる押圧力や摩擦力を回避するためには非接触式の測定器具を使用するのが望ましいと考えられる。
【００１３】しかしながら、本発明者が非接触式の測定器具について検討したところ、非接触式の測定器具であっても、光学式のレーザ変位計や渦電流式変位計、或いは静電容量形変位計等の変位センサでは「うねり」の山数が或る一定以上の周波数帯域に突入すると分解能特性が不足することが判明した。
【００１４】一方、ＨＤＤ用転がり軸受のように高速回転で使用する転がり軸受では、高速回転時でも高精度な測定結果を得て表面形状を的確に評価する必要があり、そのためには高周波数帯域でも分解能性能に優れた測定器具を使用するのが望ましい。
【００１５】しかるに、上記変位センサは、非接触式であるため押圧力や摩擦力等の影響を排除することは可能であるが、上述したように高周波数帯域での分解能性能が不足しているため、高周波帯域での高精度な測定結果を得ることはできない。つまり、非接触形の変位センサでは被測定物の「うねり」の山数が多い高周波数帯域では高精度な形状データを得ることができないことが判った。
【００１６】そこで、本発明者は、非接触式であって且つ高精度な測定結果を得ることのできる測定器具を検討した結果、レーザドップラー速度計を測定器具として使用することにより、所望の高精度な測定結果を得ることができることが判明した。
【００１７】すなわち、図１は被測定物としての転動体の「うねり」の山数とレーザドップラー速度計の分解能性能とを対比的に示した特性図であって、直径２ｍｍの転動体を１８／secの回転速度で回転させた場合の測定結果を示している。図中、横軸はレーザドップラー速度計の測定周波数（Ｈｚ）の１８分の１又は転動体の「うねり」の山数を示し、縦軸は片振幅（振幅の１／２）（ｎｍ）を示している。
【００１８】この図１に示すように、転動体の振幅は「うねり」の山数が多くなるほど小さくなるが、レーザドップラー速度計は高周波数帯域の方が分解能性能に優れているため、「うねり」の山数が多くなる高周波数帯域でも「うねり」の山数に追随した測定結果を得ることができ、被測定物を高速回転させて測定した場合であっても真円度等表面形状の測定を高精度で行うことができることが判る。
【００１９】したがって、本発明に係る機械部品の表面形状測定装置は、被測定物を保持して回転駆動する被測定物保持手段と、該被測定物保持手段に保持されている被測定物の表面形状を計測する表面形状計測手段とを備えた機械部品の表面形状測定装置において、前記表面形状計測手段が、レーザドップラー速度計で構成されていることを第１の特徴としている。
【００２０】上記第１の特徴によれば、非接触式であって且つ高周波数での分解能性能に優れたレーザドップラー速度計を使用して被測定物の表面形状を計測しているので、高速回転させて被測定物の表面形状を測定した場合の方が、「うねり」の山数の多くなる高周波数帯域での表面形状を高精度でもって計測することができる。
【００２１】また、本発明の機械部品の表面形状測定装置は、前記被測定物は前記被測定物保持手段に吸引保持されていることを第２の特徴としている。
【００２２】第２の特徴によれば、前記被測定物は前記被測定物保持手段に吸引保持されているので、前記被測定物が摩耗することもない。
【００２３】また、本発明の機械部品の表面形状測定装置は、被測定物保持手段への装着・離脱を自動的に行う装着・離脱機構と、前記被測定物の測定位相を自動的に変更する位相変更機構とを備えていることを第３の特徴としている。
【００２４】上記第３の特徴によれば、被測定物のローディング（装着）からアンローディング（離脱）までの計測工程が全て自動化され、作業効率の向上を図ることができる。
【００２５】さらに、本発明の機械部品の表面形状測定装置は、前記レーザドップラー速度計を含む装置本体部が遮蔽部材で覆われていることを第４の特徴としている。
【００２６】上記第４の特徴によれば、装置本体部が遮蔽部材で覆われているので、測定中における音や風等の外乱ノイズの影響を排除することが可能となり、測定結果の信頼性向上を図ることができる。
【００２７】また、本発明の機械部品の表面形状測定装置は、前記被測定物保持手段と該被測定物保持手段を回転駆動させる駆動モータとの間に中間回転部材が介装され、かつ該中間回転部材と前記被測定物保持手段とを切り離し可能とするクラッチ機構が設けられていることを第５の特徴としている。
【００２８】上記第５の特徴によれば、測定時には前記クラッチ機構を介して前記被測定物保持手段と前記中間回転部材とを切り離すことが可能となり、前記中間回転部材に振動が発生したり前記中間回転部材と前記被測定物保持手段との間に取付誤差が生じた場合であっても被測定物保持手段の回転精度が悪化して測定精度に悪影響を及ぼすことがなくなる。
【００２９】さらに、本発明の機械部品の表面形状測定装置は、上記第１〜第５の特徴を組み合わせることにより、高精度な形状データの要求に対し、より一層の測定精度の信頼性向上を図ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面に基づき詳説する。
【００３１】図２は本発明に係る機械部品の表面形状測定装置の平面図であり、図３は図２の正面図である。
【００３２】図２及び図３において、表面形状測定装置は、装置本体部１が、内壁に防音材２が張着された防音カバー３の内部に収容されている。
【００３３】装置本体部１は、被測定物としての転動体４の真円度（表面形状）を測定するレーザドップラー速度計５と、転動体４を保持しながら該転動体４を回転させる回転駆動系６と、転動体４を回転駆動系６に供給するローダー部７と、転動体４を回転駆動系６から取出すアンローダー部８とを備え、前記レーザドップラー速度計５、ローダー部７及びアンローダー部８は基台９に載設されている。
【００３４】レーザドップラー速度計５は、光のドップラー効果を測定原理としたセンサであって、被測定物である転動体４から反射される散乱光の周波数が転動体４の移動速度によって比例的に変化することを利用することにより、微小な表面振動をレーザを使用して非接触で表面形状を測定する。そして、レーザドップラー速度計５により得られた測定データはアンプ４２により増幅され、該アンプ４２からの出力信号はフィルタ４３によりノイズ成分が電気的に除去されて、メータ４４に測定値が表示される。
【００３５】また、回転駆動系６は、転動体４を吸着保持する測定スピンドル１０と、該測定スピンドル１０に連接される中間スピンドル１１と、該中間スピンドル１１と測定スピンドル１０との間に介在されたクラッチ部１２と、前記中間スピンドル１１を介して測定スピンドル１０に動力を伝達する駆動モータ１３とを備えている。そして、基台９には孔が貫設され、測定スピンドル１０は、該孔に挿通されると共に鍔部１４を介して基台９に固着されている。
【００３６】中間スピンドル１１は、断面Ｌ字状のスピンドル支持部材１９を介して基台９に固着されると共に、該中間スピンドル１１の回転軸にはプーリ２０が装着されている。
【００３７】駆動モータ１３は、断面Ｌ字状のモータ支持部材２１を介して基台９に固着されると共に、該駆動モータ１３の回転軸にはプーリ２２が装着されている。そして、プーリ２０とプーリ２２との間にはベルト５０が懸架され、駆動モータ１３からの動力は中間スピンドル１１を介して測定スピンドル１０に伝達される。
【００３８】また、ローダー部７は、転動体４を供給する供給シュート２３と、インデックス２４と、図３の仮想線に示すようにインデックス２４を中心に矢印Ｂ方向に旋回運動するローダー本体２５と、ローダー本体２５の先端近傍に取り付けられた吸入口２６と、該吸入口２６に接続された吸引パイプ２７と、該吸引パイプ２７に接続された真空ポンプ（不図示）とを備えている。
【００３９】さらに、アンローダー部８は、図４に示すように、インデックス２８と、仮想線に示すようにインデックス２８を中心に矢印Ｃ方向に旋回運動するアンローダー本体２９と、アンローダー本体２９の先端近傍に設けられた排出口３０と、該排出口３０に接続された吸引パイプ３１と、吸引パイプ３１に接続された真空ポンプ（不図示）と、転動体４を排出する排出シュート３２とを備え、さらに排出口３０にはシール部材（Ｏリング）３３が装着されている。
【００４０】また、測定スピンドル１０は、図５に示すように、スピンドル本体３４の回転軸と、ビス３５を介してスピンドル本体３４の回転軸の上部に固着される転動体保持部３６と、不図示のビスを介してスピンドル本体３４の回転軸の下部に固着される押え板３７とを有している。
【００４１】転動体保持部３６は、中央部に細孔３８が形成されると共に、細孔３８の上部には転動体４を吸引保持する略半円形状の凹部１５が形成され、さらに細孔３８の下部には該細孔３８より大径の孔３９が形成されている。
【００４２】また、スピンドル本体３４の回転軸には前記孔３９と連通する孔１６が形成されると共に、スピンドル本体３４の回転軸の下部には孔１６より大径の孔４０が形成されている。そして、孔４０の内部には矢印Ａ方向に弾発付勢するバネ１７と該バネ１７に固着されたボール１８とが収容されている。すなわち、押え板３７にはボール１８の直径よりも小径の孔４１が中央部に貫設されており、バネ１７は孔４０の拡開部４０ａに着座されると共に、ボール１８は押え板３７の孔４１に当接され、これによりスピンドル１０の下端がボール１８と孔４１とで封止可能とされている。
【００４３】次に、本測定装置を使用して転動体の真円度を測定する場合の測定方法について詳述する。
【００４４】図２〜図４において、まず、ローダー部７の真空ポンプ（不図示）を駆動させ、供給シュート２３に供給されている転動体４を吸引パイプ２６を介して吸入口２６に吸着させ、ローダー本体２５をインデックス２４を中心に矢印Ｂ方向に旋回させて図３の仮想線に示すように転動体４を測定スピンドル１０の凹部１５に載置し、その後ローダー本体２５を旋回させて実線に示す位置に戻す。
【００４５】次に、アンローダー本体２９をインデックス２８を中心に矢印Ｃ方向に旋回させて図４の仮想線に示すようにアンローダー部８の吸入口３０を測定スピンドル１０の凹部１５の上方に移動する。
【００４６】そして、図６に示すように、吸入口３０を凹部１５に被せ、測定スピンドル１０と吸引パイプ３１との間をシール部材３３によって気密状態とし、次いで真空ポンプを駆動させて吸引パイプ３１の内部を真空状態にする。これにより転動体４は吸引パイプ３１側に吸引されて上昇する一方、測定スピンドル１０の下端はバネ１７及びボール１８と押え板３７とにより封止されているので、測定スピンドル１０の内部、すなわち凹部１５、孔３９、１６、４０の空気が排出され、これにより測定スピンドル１０の内部が真空状態となる。
【００４７】このようにして測定スピンドル１０の内部が真空状態となると転動体４は下降し、転動体４が凹部１５に密着した状態で測定スピンドル１０の内部は真空状態を維持する。次いで、このように転動体４を真空吸引力で測定スピンドル１０の凹部１５に保持させた後、アンローダー本体２９を旋回させて実線で示す位置に戻す。
【００４８】次に、駆動モータ１３を駆動させて測定スピンドル１０を回転させ、レーザドップラー速度計５で転動体４の真円度形状を計測する。このとき測定スピンドル１０が所定の測定回転速度に到達するとクラッチ部１２を測定スピンドル１０から切り離し、測定時における中間スピンドル１１の振動や中間スピンドル１１と測定スピンドル１０との間の取付誤差の測定精度に及ぼす影響を排除する。
【００４９】また、転動体４の測定軌跡を変更する場合は、図７に示すように、クラッチ部１２に内蔵された押上げピン１２ａによりボール１８を矢印Ｄ方向に押し上げ、孔４１から測定スピンドル１０の内部に空気を導入して真空状態を破壊し、この後、再びアンローダー本体２８を凹部１５の上方に搬送して上述と同様の操作を行う。そしてこのとき吸引パイプ３１に吸引されて上昇している転動体４は、任意の回転運動をしながら下降して凹部１５に戻り、これにより測定軌跡の変更が行なわれる。
【００５０】このようにして１個の転動体４について、表面形状の測定が終了すると、上述と同様、真空状態を破壊した後、再びアンローダー本体２９を凹部１５の上方に搬送し、転動体４を吸引パイプ３１に吸着させた状態でインデックス２８を中心にアンローダー本体２９を旋回させて実線に示す位置に該アンローダー本体２９を戻し、真空ポンプを停止させて転動体４を排出シュート３２に収容する。
【００５１】このように本実施の形態では非接触式のレーザドップラー速度計５を使用して転動体４の真円度形状を計測しているので、従来のような押圧力や摩擦力の影響を受けることなく、「うねり」の山数の多い高周波数帯域でも転動体４の表面形状を高精度でもって計測することができる。しかも、転動体４を真空により吸引保持しているので、測定中に転動体４が摩耗等を生じることもない。
【００５２】また、本実施の形態では、測定中は装置本体部１を防音カバー３で覆っているので、測定中に音や風等の外乱ノイズの影響を受けることもなく、測定精度の信頼性向上を図ることができる。
【００５３】図８は、装置本体部１を防音カバー３で覆った場合と覆わなかった場合の非測定時における特性図であって、実線は装置本体部１を防音カバー３で覆った場合を示し、破線は装置本体部１を防音カバー３で覆わなかった場合を示している。尚、横軸は「うねり」の山数、縦軸はノイズ片振幅（ｎｍ）である。
【００５４】この図８から明らかなように、防音カバー３を設置することにより、風や音の外乱ノイズの影響が低減され、したがって、防音カバー３を設置することにより上述した外乱ノイズの影響が極力抑制されて高精度な測定データを得ることができることが判る。
【００５５】さらに、本実施の形態では測定スピンドル１０が所定の測定回転速度に到達するとクラッチ部１２を測定スピンドル１０から切り離し、これにより中間スピンドル１１の振動や測定スピンドル１０と中間スピンドル１１との間の取付誤差の影響を回避しているので、より高精度な測定結果を得ることができる。
【００５６】図９は中間スピンドル１１を測定スピンドル１０から切り離した状態（以下、「切離状態」という）における測定精度を中間スピンドル１１と測定スピンドル１０を連結した状態（以下、「連結状態」という）との対比で示した特性図であって、実線は直径２ｍｍの転動体を回転速度１８／secまで増速した後、切離状態直後の測定結果を示し、破線は同一条件で連結状態を維持した場合の測定結果を示す。尚、図中、横軸は「うねり」の山数、縦軸は変位片振幅（ｎｍ）である。
【００５７】この図９から明らかになるように、連結状態では転動体の真の表面形状データに中間スピンドル１１と測定スピンドル１０の取付誤差が加算されるため、正確な表面形状データを得ることができなくなる虞があるのに対し、切離状態では前記取付誤差の影響を受けないため測定結果として表面形状データのみが得られ、測定精度を向上させることができる。
【００５８】このように本測定装置によれば、レーザドップラー速度計５を使用し、且つ真空の吸引力により転動体４を測定スピンドル１０に保持しているので、高速回転時で計測した場合であっても「うねり」の山数の多い高周波数帯域で高精度な測定結果を得ることができ、しかも装置本体部１を遮音カバー３で覆っているので、音や風等の外乱ノイズの影響を極力排除することができ、またクラッチ部１２により測定中は測定スピンドル１０が中間スピンドル１１と分離されるので、中間スピンドル１１の振動や中間スピンドル１１と測定スピンドル１０との取付誤差の測定精度に及ぼす影響を極力排除することができ、信頼性の優れた真円度形状データを得ることができる。
【００５９】
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る機械部品の表面形状測定装置は、被測定物を保持して回転駆動する被測定物保持手段と、該被測定物保持手段に保持されている被測定物の表面形状を計測する表面形状計測手段とを備えた機械部品の表面形状測定装置において、前記表面形状計測手段が、非接触式のレーザドップラー速度計で構成されているので、押圧力や摩擦力の影響を受けることもなく、また高周波数帯域での分解能性能にも優れているため、高速回転時でも被測定物の表面形状を高精度に計測することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２０４
【氏名又は名称】日本精工株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月１５日（１９９９．１２．１５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８１８８０
【弁理士】
【氏名又は名称】渡部 敏彦
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１７４２３０（Ｐ２００１−１７４２３０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年６月２９日（２００１．６．２９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３５５８０４ |
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