JPH04258709A - 非接触自由曲面測定装置による歯車の歯面形状測定方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歯車の歯面形状を非接
触的に測定する方法に関し、特に、ホログラフィック干
渉を利用した自由曲面測定装置を用いて平歯車、はすば
歯車等の各種の歯車の歯面形状を測定する非接触歯面形
状測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】歯車は、駆動歯車と相手従動歯車が噛み
合って回転し、動力を伝達する。すなわち、より具体的
には駆動歯車の歯面が相手従動歯車の歯面と接触状態に
かみ合って回転し、動力を伝達するものである。このと
き、航空機・自動車を始めとする動力源からの動力を利
用して作動する全ての機械や装置には増速又は減速装置
として多く、歯車装置が取付けられる。このとき、歯車
装置が動力を伝達して車輪やプロペラ装置を駆動する過
程で、騒音・振動を伴うようでは、その機能を十分に果
すことができない。そこで、動力を滑らかに伝達すべく
、歯車装置の夫々の歯車の加工時に歯車の噛合作用部、
即ち、歯車の歯面の形状に極めて高度のノウハウである
複雑な形状修正を加えることが従来から行われているこ
とは周知である。このとき、所望の歯面形状に出来上が
っているかどうかを検査する歯車測定装置は、上記の複
雑な歯面修正量を測定して、測定結果のデータを歯切り
盤や歯研削盤等の加工機側による加工作業にフイードバ
ックする重要な役目を有している。

【０００３】然し、現在使用されている歯車測定装置は
、測定子で歯面をトレースして、サンプリングされた歯
車の回転角と、法線方向の長さからインボリュート曲線
を計算する方法を採っており、この方式では、歯車の１
つないし幾つかの歯の一断面を測定するのみであり、上
述のように歯面の広がり全体として相手側の歯面と次々
に噛合し、作動している歯面の機能データ或いは測定デ
ータとしては不足である。

【０００４】このような現状を打開すべく、歯車の歯面
のみならず、一般的な曲面形状をホログラフイック干渉
を利用して非接触式に測定するようにした光学的曲面形
状測定装置が開発され、本出願人の特開平１ー１１６４
０３号に開示されている。この非接触測定方法では、機
械加工における一般的な加工精度面から見れば、比較的
粗い歯車々面に対して斜にレーザー光を物体光として照
射して、十分な正反射光を得るようにしている。斜に投
射されたレーザー光は、入射角の余弦（　ＣＯＳ　）分
の１だけ、実効波長が長くなるので、あたかも長い波長
の光で観測していることになり、上記粗い歯面の測定に
対して有利である。この測定装置を用いた測定方法によ
れば歯車の歯面全体を直接測定することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】然し、はすば歯車等の
ように歯面が捩れた曲面形状を有する場合、平行なレー
ザー光は、各部分で入射角が異なることになる。歯面の
形状誤差を解析するには、歯面のどの部分が入射角何度
で照射されているかを厳密に知らねばならないという問
題がある。

【０００６】依って、本発明の目的は、特開平１−　１
１６４０３号に開示されたごとき光学的曲面形状測定装
置を利用して上記の問題を解決し、曲面の歯面を有した
歯車の歯面形状を測定、解析を可能にすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的に鑑みて、本
発明は、光源から発した可干渉光を参照光と物体光とに
分離し、物体光を目標曲面に照射することにより参照光
と物体光の反射光とから該目標曲面のホログラムを得る
ようにして曲面を有した基準歯面のホログラム像と同形
の被検歯面の像とから前者の歯面に対する後者のホログ
ラフィック干渉による歯面の誤差を測定する非接触自由
曲面測定機を用いた歯車の歯面形状の測定方法において
、上記基準歯面及び被検歯面を有する歯車の理論的歯面
の像を光線追跡によるシミュレーション法によって得て
、該理論的歯面の像から上記被検歯面上の各点における
物体光の入射角のデータを収集し、上記基準歯面と該基
準歯面の一部を切欠いた第２の基準歯面とに上記物体光
を照射した夫々の像の重ね合わせによって該基準歯面の
像の座標原点を決定し、上記座標原点の決定した基準歯
面のホログラム像と被検歯面の像とを重ね合わせて上記
座標原点が転移されたホログラフィック干渉像を得るよ
うにし、上記ホログラム干渉像と上記理論歯面のシミュ
レーション像とを重ねることにより、上記座標原点に基
づく各点に関して物体光の入射角と干渉縞の位相との対
応データを収集し、上記入射角のデータと位相のデータ
とから上記被検歯面の該各点における法線方向の上記基
準歯面との寸法誤差を演算し、以て基準歯面に対する被
検歯面の歯面形状誤差を測定するようにした非接触自由
曲面測定機による歯形々状測定方法を提供するものであ
る。以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づいて更
に、詳細に説明する。

【０００８】

【実施例】図１は、本発明のによる歯面形状測定方法の
実施に利用される非接触自由曲面測定装置の全体構成を
示す機構図、図２の（Ａ）は、歯車の被検歯面と、それ
に入射する物体光との関係を図示した側面図であり、（
Ｂ）は（Ａ）図の２ー２線による部分平面図、図３は、
コンピューターによるシミュレーション歯面、歯車の基
準歯面、歯車の被検歯面の合成関係を示した解説図、図
４は、基準歯面Ｂの１例を成す歯面形状の詳細を示した
部分斜視図で、図５は　　ねじれ歯面に入射する物体光
の光路差と歯面誤差との関係を説明する解析図である。

【０００９】さて、本発明による測定方法の記載に当た
り、本出願による上記先願（特開平１−　１１６４０３
号）の非接触式の光学的形状測定機の構成に就いて図１
を参照して説明する。

【００１０】図１に示すように、同機は、レーザ光源１
、同レーザ光源１から発するレーザ光を参照レーザ光Ｒ
（以下、単に、参照光Ｒ）と測定用レーザ光Ｓ（以下、
物体光Ｓ）とに分離するビームスプリッタ２、同参照光
Ｒと物体光Ｓとの反射ミラー３、４、反射ミラー３を経
て到達した参照光Ｒを受光すると共に反射ミラー４、被
測定歯車６の歯面６ａを照射、反射後に到達する物体光
を受光する受光面５、被測定歯車６の支持軸装置７、上
記受光面５に到達した参照光Ｒと被検歯面６ａで反射し
た物体光Ｓとの干渉によって上記受光面５に形成される
歯面６ａのホログラム６ｂを撮影するカメラ８等を具備
して形成されている。なお、物体光Ｓは被検歯面６ａに
大きな入射角で照射され、以てシーン現象で正反射光が
多くなる有利を得るようにすることは既述の通りである
。

【００１１】上記受光面５に形成された被検歯面６ａの
ホログラム６ｂは、カメラ８によって撮像され、撮像デ
ータはフレームメモリー１０によって記憶されると共に
インターフェース１１を介してパーソナルコンピュータ
やマイクロコンピュータ等から成るコンピュータ装置１
２（以下及び図示には、簡略のためＭＰＵ１２と記載す
る。）に入力され、又、必要に応じてＣＲＴ１３の画面
に表示される。故に、ＭＰＵ１２にはサーボモータ９ａ
を駆動源とし、歯車割出し用エンコーダ９ｂを有するサ
ーボ駆動装置９による回転駆動を受けて測定位置に割り
出された歯車の各被検歯面の位置データに対応した形態
で歯面のホログラムデータが次々に入力される。

【００１２】さて、物体光Ｓで歯面形状の測定をする場
合、測定機の支持軸装置７上に設定した歯車、つまり、
後述する基準歯車や被検歯車６の各歯面を同物体光Ｓで
照射するが、歯車６がはすば歯車のように、ねじれ角を
有した曲面であると、物体光の入射角も被検歯車６の歯
車仕様に従って、ピッチ円（直径Ｄ０）上のねじれ角β
０　の法線に対して所定の大きな入射角度を有するよう
に設定される。即ち、図２及び図３に示す如く、ピッチ
円径Ｄ０　を有する歯車の仕様における、ピッチ円上の
ねじれ角β０　、入射角θ及び歯面の中心から測定点ま
での回転角τが測定上のパラメータとなる。なお、物体
光Ｓの入射角θの設定は、特開平１ー１１６４３０号公
報に第１５図を参照して説明されており、これは、換言
すれば、図１の測定装置の座標系をサーボモータ９ａを
駆動源にしたサーボ駆動装置９や図示されていないミラ
ー４の角度調整用サーボ装置等によって設定し、歯面６
ａを照射するもので、このとき、後述するコンピュータ
装置に被検歯車の上述したピッチ円径Ｄ０　、ピッチ円
上のねじれ角β０　、入射角θ、および歯面の中心から
測定点までの回転角τ等の歯車緒言がデータ入力され、
記憶されるから、同じ歯車の仕様を持った被検歯車が測
定装置上に設定されたときは、同歯車仕様をコンピュー
タ装置から呼び出すことにより、サーボ駆動装置９が自
動的に作動し、最適の照射位置へ自動設定されることに
なる。

【００１３】上述した構成を有した光学的曲面形状測定
装置によって、ねじれ角を有することにより曲面化され
た歯車の例における歯面形状を測定するには、同歯面が
インボリュート・ヘリコイド曲面であるから、かかる歯
面を平行な物体光で照射すると、面上の各部分では面の
曲がりに応じて少しずつ入射角は異なる。故に、受光面
５に形成される歯面のホログラムは、この入射角の相違
分が含まれた正反射像になる。こうして受光面５に形成
されたねじれ歯面６ａのホログラム６ｂは既述のように
、カメラ８によって撮像され、撮像データはフレームメ
モリー１０によって記憶されると共にインターフェース
１１を介してＭＰＵ１２に入力され、又、ＣＲＴ１３の
画面にも表示され得る。故に、ＭＰＵ１２にはサーボ駆
動装置９による歯車の各歯面の位置データに対応した形
態でねじれ歯面のホログラムデータが次々と入力される
。

【００１４】さて、被検歯車６の各歯面の歯面形状の測
定を行うには先ず、その被検歯車に対応した基準のねじ
れ歯面を有した基準歯車に関して上述のようなホログラ
ム６ｂの撮影がＭＰＵ１２の指令の下にカメラ８で遂行
される。次に、被検歯車６の各歯面６ａの測定に入る。 即ち、基準歯面を有した基準歯車を被検歯面を多数有し
た被検歯車６に取替えて曲面測定装置に取付ける。該被
検歯車の１つの被検歯面に関し、上述と同様にして同被
検歯面のホログラムを受光面５に得られるようにする。 そして、サーボ駆動装置９を始めとするサーボ装置によ
って基準歯面のホログラム６ａに被検歯面の反射像を重
ねて合致させることにより、干渉縞を得る。この場合の
重ねて合わせ基準、方法は本出願人の特公平２ー１７０
４４号に開示されているように、両ホログラム像の干渉
時に発生する１次回折光が最大になった被検歯面の回転
角位置とするものである。

【００１５】次に、周知のフリンジスキャン法によって
、つまり、参照光Ｒの反射ミラー３を例えば、ピエゾ素
子３ａのようなアクチュエータ手段を利用して微動させ
ることにより、該参照光Ｒの１波長を等分割して、上記
に発生した干渉縞を細分化して等分割波長と干渉縞との
関係を示すデータをＭＰＵ１２に取込み、該データに基
づいて演算する手法を用いることにより、干渉縞の各点
の位相を演算、算出し、干渉縞の画像処理によって等高
線を得るものである。こうして得た等高線から成る干渉
縞に基づき、ねじれ歯面６ａの形状誤差を得るが、その
ためには、該ホログラフイク干渉による干渉縞の各測定
点の干渉縞の位相と入射角を知ることにより、歯面の形
状誤差を算出する。

【００１６】この際、物体光Ｓが照射した被検歯面６ａ
の各点の入射角θ°の値は、既述のように、該歯面６ａ
のねじれ面形状の故に異なった値となり、従って、各点
における実行波長が変化する。実効波長が変化すると、
干渉縞のピッチも位置も変わってくる。その上、実際の
被検歯面６ａは面取（チャンファリング）等の加工処理
も施されているので、ＣＲＴ１３上に被検歯面６ａの正
反射像を得て、その像の各点の座標位置と上記干渉縞の
位相、入射角のデータとの対比をつけることは極めて困
難である。故に、本発明は、曲面を有した歯面、例えば
、如上のねじれ歯面形状の測定に当たり、以下に詳述す
る測定方法を実行するものである。

【００１７】即ち、先ず、予め、歯車仕様から周知の光
線追跡法に基づき、カメラ８が捉える像の形状をＭＰＵ
１２を駆使して計算してシミュレーション像として計算
しておくことにより、該シミュレーション像を利用して
実際の被検歯面６ａの歯面形状の測定演算を実行するも
のである。次に、基準歯車の基準歯面Ａに関するホログ
ラムは、既述のようにカメラ８で撮影済みで、ＭＰＵ１
２にデータ入力されているので、光学的自由曲面測定機
の支持軸装置７に支持された基準歯車の撮影位置の各軸
γ，τ，θ等のデータは、該測定装置よりインターフエ
ース１１を介してＭＰＵ１２から取り出す。

【００１８】次に、図１と共に図４を参照すると、例え
ば、上記基準歯面Ａを有する基準歯車６の他の１つの歯
部分の一部を切り欠くことにより形成した特殊形状の第
２の基準歯面Ｂのゲージ機能を使用して、サーボ機構９
により、基準歯車６を微速旋回させて、撮影済みの上記
基準歯面Ａのホログラム１４に第２の基準歯面Ｂの正反
射像１５をＭＰＵ１２内のデータ上で合致させ、合致時
点におけるＣＲＴ１３の画面の正反射像により基準歯面
Ａと基準歯面Ｂとの基準点または基準線をＣＲＴ１３の
画面上で有座標像１６として定める。つまり、第２の基
準歯面Ｂの切欠き部の機械的寸法データは、予め、実測
値として得られているから、その機械的寸法データが既
知である切欠き部分がＣＲＴ１３の画面の切欠き像とし
て表示されているから、その切欠き部分の像内の点と線
を基準点、又は基準線とすれば、ＣＲＴ１３の画面の基
準歯面Ａの像の座標が有座標像１６から定義できること
になるのである。なお、ＭＰＵ１２におけるホログラム
像の１次回折光が最大になる位置で両画像を一致させる
ことは既述の通りである。

【００１９】次いで、測定対象である被測定歯車１７を
基準歯車６に代えて測定装置の支持軸装置７に取付け、
その正反射像１８と基準歯面Ａのホログラムである有座
標像１６との間でホログラフィック干渉縞２０を得る。 このとき、既述のフリンジスキャン法により、ｎ回、参
照光Ｒの波長λをλ／ｎずつ反射ミラー３を移動させ、
干渉縞を移動させて、その都度、データをＭＰＵ１２に
取り込む。そして、フーリエ解析法等を応用して干渉縞
の演算処理を行うと、干渉縞の１ピッチ間を内挿して、
各点の位相と移動方向との２つのデータから測定点の縞
の高低値を算出することができるのである。

【００２０】他方、上述の測定装置の各軸のデータから
、理論的歯面をシミュレーションし、シミュレーション
像１９を得る。そして、予め、ＣＲＴ１３上に投影され
る歯面の各点の理論上の位置とその入射角を計算し、Ｃ
ＲＴ１３上のホログラフィック干渉縞２０の像に重ね合
わせる。このようにして測定した後、上述したシミュレ
ーションの曲面状の歯面の座標を平面に戻し、方眼状に
歯面の各位置とその点の誤差を次々と連ねて２１で示す
等高線を得るものである。

【００２１】測定歯車１７の複数の被検歯面に就き、上
述した測定、演算処理を次々と実行すれば、それら複数
の曲面形状の歯面を有した被検歯面の各々に関して歯面
形状を実測することができるのである。上述した順次の
測定の過程が、図７及び図８（図６は結合図）に示すフ
ローチャートに説明されている。

【００２２】なお、複数の曲面形状の歯面を実測する際
には、１次回折光が最大になる位置を測定開始点として
、この時の主軸割出し位置を、測定の最初のスタート点
とするようにすれば、各歯面６ａに就き、正確な割出し
により、測定装置の支持装置７の軸の角度位置を定める
ことができるのである。以上を要約すれば、上述のシミ
ュレーションの像は入射角の情報を、また、測定された
ＣＲＴ１３の画面のホログラムは位相の情報を持ってい
るので、これを特殊基準面を利用して合致することによ
って、各点に就いて、歯車の歯面を測定するに当たって
は、歯面のシミュレーションが必要であることは、上述
の通りであるが、この計算の基準であるパラメータは、
図２に示したような歯車緒元の他に、物体光Ｓの照射位
置関係がある。

【００２３】図１に示すごとき測定装置上に基準歯車又
は被検歯車等の歯車が取付けられる時に同測定装置の中
心線に対して、歯車の溝の中心がτだけ回転していて、
図２に図示した状態になっている場合、物体光Ｓの中心
は距離値ｓだけ、オフセットして照射する。歯車仕様に
より適切あ照射位置があり、予めデータベースとして、
ファイルしておく。

【００２４】可干渉光としてのレーザ光の入射角θは、
歯面形状測定装置の偏角プリズムによって固定されてお
り、交換可能であるので、測定前にどのような仕様の偏
角プリズムを使用するか入力しておく。波長λの物体光
Ｓが歯面に大きな入射角θで入射する場合、その実行波
長λ’は、次式で定義される。

【００２５】λ’＝λ／ｃｏｓ　θ 例えばはすば歯車を例に採ると、その歯面がインボリュ
ート・ヘリコイドであるから、平行な物体光Ｓによって
照射されると各位置で入射角が異なるので、得られた干
渉縞（実は各点の位相φ）を解析するには、各点につい
て入射各θ’から実行波長λ’を計算し、その点の位相
φから面の法線方向の段差、即ち、形状誤差δを算出す
る。　　このとき、面の誤差（段差）δは、図５におけ
る２つの入射光々路Ｌ１　，Ｌ２　の光路差ΔとΔ＝２
δ・ｃｏｓθ なる関係がある。

【００２６】ここで前述したフリンジスキャン法により
算出された干渉縞の各点の位相φ’と光路差Δとの関係
は、 である。従って、上記両式から、各点における誤差δ’
は である。

【００２７】以上の説明において、図３における基準面
Ｂは、図４のように、半径方向にはピッチ円上で、歯巾
方向には　１／２の厚さにカットされている。基準歯面
Ｂは、基準歯面Ａの座標原点の決定に用いるものである
から、カット寸法は上記の　１／２　限られるものでは
なく、歯巾方向に　１／３，　１／４　等の段差形状を
形成するようにしても良いことは言うまでもない。

【００２８】また、実際の歯車の加工面は、必ずしも精
密な面取り仕上げが施してあるとは限らないので、かな
りバラツキがある。故に、本発明の方法を適用すれば、
そのようなバラツキを有した歯面の形状に対しても各点
の正確な座標値を得ることができるのである。

【００２９】

【発明の効果】以上の実施例の説明から明らかなように
、本発明によれば、従来、３次元形状を有する歯面の表
面上の１つの線に対する誤差としてしか捉えられなかっ
た歯面に関する形状測定データが、レーザ光から成る可
干渉光の波長を測定単位として、非接触で緻密な面とし
て測定されるので、歯面の実際の形状の把握が可能にな
る。しかも、近時、演算速度の高速化が著しいコンピュ
ーターを導入することによって、データの保管、管理を
行ってデータベース化し、測定位置の機械的制御、デー
タの取込み、解析、画像解析によるディスプレイ等が行
うことが可能となる効果も奏する。

【００３０】更に、上述のごとき、線から面への測定の
進歩は、近時、サブミクロンの精度を要求されつつある
歯車の設計、加工に極めて有効なデータを供給して、歯
車製品の品質向上に大きく寄与することができるのであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による歯面の形状誤差の測定に利用され
る形状測定装置の基本構成を示すブロック図である。

【図２】（Ａ）は、歯車の被検歯面と、それに入射する
物体光との関係を図示した側面図であり、（Ｂ）は（Ａ
）の２ー２線による部分平面図である。

【図３】コンピューターによるシミュレーション歯面、
歯車の基準歯面、歯車の被検歯面の合成関係を示した解
説図である。

【図４】基準歯面Ｂの形状の詳細を示した部分斜視図で
ある。

【図５】曲面形状を有した歯面の例としてのねじれ歯面
に入射する物体光の光路差と歯面誤差との関係を説明す
る解析図である。

【図６】図７及び図８の結合図である。

【図７】図３に示した測定過程のフローチャートの前半
部分である。

【図８】図３に示した測定過程のフローチャートの後半
部分である。

【符合の説明】

１…レーザ光々源、 ２…ビームスプリッタ、 ３…反射ミラー、 ３ａ…ピエゾ素子、 ４…反射ミラー、 ５…受光面、 ６…被検歯車、 ６ａ…被検歯面、 ７…支持軸装置、 ８…カメラ、 ９…サーボ駆動装置、 １０…フレームメモリ、 １２…ＭＰＵ、 １３…ＣＲＴ、 １７…被検歯車。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光源から発した可干渉光を参照光と物
   体光とに分離し、物体光を目標曲面に照射することによ
   り参照光と物体光の反射光とから該目標曲面のホログラ
   ム像を得るようにして曲面を有した基準歯面のホログラ
   ム像と同形の被検歯面の像からホログラフィック干渉に
   よって前者の歯面に対する後者の歯面の歯面形状誤差を
   測定する非接触自由曲面測定装置を用いた歯車の歯面形
   状の測定方法において、前記基準歯面及び被検歯面を有
   する歯車の理論的歯面の像を光線追跡によるシミュレー
   ション法によって得て、該理論的歯面の像から前記被検
   歯面上の各点における物体光の入射角のデータを収集し
   、前記基準歯面と該基準歯面の一部を切欠いた第２の基
   準歯面とに前記物体光を照射した夫々の像の重ね合わせ
   によって該基準歯面の像の座標原点を決定し、前記座標
   原点の決定した基準歯面のホログラムに、被検歯面の像
   とを重ね合わせて前記座標原点が転移されたホログラフ
   ィック干渉像を得るようにし、前記ホログラフィック干
   渉像と前記理論歯面のシミュレーション像とを重ねるこ
   とにより、前記座標原点に基づく各点に関して物体光の
   入射角と干渉縞の位相との対応データを収集し、前記入
   射角のデータと位相のデータとから前記被検歯面の該各
   点における法線方向の前記基準歯面との寸法誤差を演算
   し、以て、基準歯面に対する被検歯面の歯面形状誤差を
   測定するようにしたことを特徴とする非接触自由曲面測
   定装置による歯面形状測定方法。