(57)【要約】【課題】軸受を構成する転走体の表面性状を精度良く検査することができる表面性状検査方法及び装置を提供する。【解決手段】表面性状検査装置１は、転がり軸受等の転走体２を回転させる駆動部３と、回転される転走体２の転走面の形状を局所的に検出する接触式センサ４と、接触式センサ４で検出された転走面の形状に関する振幅データ信号を増幅させた後、ディジタルの振幅データ信号に変換するＡ／Ｄ変換器６と、Ａ／Ｄ変換器６から入力されたディジタルの振幅データ信号を、短時間フーリエ変換法、ウィグナ分布解析法、ウェーブレット変換法等を用いて位置−振動振幅データを解析するスペクトル解析部７とを備え、転走体２の表面性状の測定を実行し、解析後の円周上の位置−山数スペクトルを表示する。【選択図】　　　図１
2004020429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受を構成する転走体を所定の回転速度で回転させる回転ステップと、前記回転する転走体の表面性状を検出する検出ステップと、前記所定の回転速度に基づいて前記転走体の位置に関するデータを取得する取得ステップと、前記検出された表面性状に関するデータをディジタル信号に変換するディジタル変換ステップとを有する軸受の表面性状検査方法において、前記ディジタル信号と前記転走体の回転時の位置に関するデータとを関連づけて所定単位の回転分のデータを作成するデータ作成ステップと、前記作成されたデータを所定の方法により解析するスペクトル解析ステップとを有することを特徴とする軸受の表面性状検査方法。
【請求項２】
前記スペクトル解析ステップでは、前記所定の方法として短時間フーリエ変換法を用いることを特徴とする請求項１記載の軸受の表面性状検査方法。
【請求項３】
前記スペクトル解析ステップでは、前記所定の方法としてウィグナ分布法を用いることを特徴とする請求項１記載の軸受の表面性状検査方法。
【請求項４】
前記スペクトル解析ステップでは、前記所定の方法としてウェーブレット変換法を用いることを特徴とする請求項１記載の軸受の表面性状検査方法。
【請求項５】
前記データ作成ステップでは、さらに前記作成された所定の回転毎のデータを当該所定の回転位置に応じて平均化する同期平均化処理を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査方法。
【請求項６】
前記スペクトル解析ステップの後に、前記解析されたスペクトルを当該所定の回転位置に応じて平均化する平均化処理を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査方法。
【請求項７】
前記転走体の位置毎の形状誤差を評価するステップを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸受の表面検査方法。
【請求項８】
軸受を構成する転走体を所定の回転速度で回転させる回転手段と、前記回転する転走体の表面性状を検出するセンサと、前記所定の回転速度に基づいて前記転走体の回転時の位置に関するデータを取得する取得手段と、前記センサにより検出された前記表面性状に関するデータをディジタル信号に変換するディジタル変換手段とを備える軸受の表面性状検査装置において、前記ディジタル信号と前記転走体の回転時の位置に関するデータとを関連づけて所定単位の回転分のデータを作成するデータ作成手段と、前記作成されたデータを所定の方法により解析するスペクトル解析手段とを備えることを特徴とする軸受の表面性状検査装置。
【請求項９】
前記スペクトル解析手段は、前記所定の方法として短時間フーリエ変換法を用いることを特徴とする請求項８記載の軸受の表面性状検査装置。
【請求項１０】
前記スペクトル解析手段は、前記所定の方法としてウィグナ分布法を用いることを特徴とする請求項８記載の軸受の表面性状検査装置。
【請求項１１】
前記スペクトル解析手段は、前記所定の方法としてウェーブレット変換法を用いることを特徴とする請求項８記載の軸受の表面性状検査装置。
【請求項１２】
前記データ作成手段は、さらに前記作成された所定の回転毎のデータを平均化する当該所定の回転位置に応じて同期平均化処理を行うことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査装置。
【請求項１３】
前記スペクトル解析後に当該解析されたスペクトルを当該所定の回転位置に応じて平均化する平均化処理を行うことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査装置。
【請求項１４】
前記転走体の位置毎の形状誤差を評価する手段を備えることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の軸受の表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受の表面性状検査方法及び装置に関し、特に、軸受を構成する転走体の表面性状を検査する表面性状検査方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、機械の低騒音化が求められており、機械に使用されている軸受に対しても低騒音化が求められている。従来の転がり軸受においては、構成部品を組立てて転がり軸受を形成した後に騒音計又はアンデロメータ等を用いて該転がり軸受の音響特性を評価する。
【０００３】
これに対して、構成部品の段階で、その寸法精度、転走面形状、及び仕上げ面粗さ等の測定を行い、この測定データに基づいて音響特性を評価する方法が提案されている（特許３２２５６１８号掲載公報）。このように、構成部品の段階で音響特性を評価することにより、その後の組立て等の工程における無駄を減少させ、組立てられた転がり軸受の良品率を向上させている。
【０００４】
上記の構成部品形状の検査を行う方法として、構成部品の表面上に存在する凹凸（うねり）には定常性及び線形性があると仮定し、フーリエ変換によるハーモニック解析を行う検査方法が提案されている（特開平４−２５２９１３号公報）。この検査方法では、図３に示すように、構成部品の表面（図４（ａ））上を走査し（図４（ｂ））、走査して得られた構成部品の表面上に存在する凹凸（うねり）に基づく振動振幅データの１円周分についてフーリエ変換を実行し、フーリエ変換が実行された１円周上に１周期を持ち一定の振動振幅がある正弦波を基本成分として、その整数倍の周波数成分に分解する（ハーモニック解析）（図４（ｃ））。
【０００５】
その結果として、通常表１のようなデータを得ることができる。
【０００６】
【表１】
2004020429.tif 000003
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ハーモニック解析を行う検査方法では、構成部品の表面上に存在する凹凸（うねり）には定常性及び線形性があると仮定し、１円周上に一定の振動振幅があるとして解析するので、構成部品の表面全周に亘って形状誤差を生じているのか、構成部品の表面の一部分に形状誤差を生じているのかを検査することができない。
【０００８】
本発明の目的は、軸受を構成する転走体の表面性状を精度良く検査することができる軸受の表面性状検査方法及び装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１記載の軸受の表面性状検査方法は、軸受を構成する転走体を所定の回転速度で回転させる回転ステップと、前記回転する転走体の表面性状を検出する検出ステップと、前記所定の回転速度に基づいて前記転走体の位置に関するデータを取得する取得ステップと、前記検出された表面性状に関するデータをディジタル信号に変換するディジタル変換ステップとを有する軸受の表面性状検査方法において、前記ディジタル信号と前記転走体の回転時の位置に関するデータとを関連づけて所定単位の回転分のデータを作成するデータ作成ステップと、前記作成されたデータを所定の方法により解析するスペクトル解析ステップを有することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の軸受の表面性状検査方法は、請求項１記載の軸受の表面性状検査方法において、前記スペクトル解析ステップでは、前記所定の方法として短時間フーリエ変換法を用いることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の軸受の表面性状検査方法は、請求項１記載の軸受の表面性状検査方法において、前記スペクトル解析ステップでは、前記所定の方法としてウィグナ分布法を用いることを特徴とする請求項１記載の軸受の表面性状検査方法。
【００１２】
請求項４記載の軸受の表面性状検査方法は、請求項１記載の軸受の表面性状検査方法において、前記スペクトル解析ステップでは、前記所定の方法としてウェーブレット変換法を用いることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の軸受の表面性状検査方法は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査方法において、前記データ作成ステップでは、さらに前記作成された所定の回転毎のデータを当該所定の回転位置に応じて平均化する同期平均化処理を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の軸受の表面性状検査方法は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査方法において、前記スペクトル解析ステップの後に、前記解析されたスペクトルを当該所定の回転位置に応じて平均化する平均化処理を行うことを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の軸受の表面性状検査方法は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査方法において、前記転走体の位置毎の形状誤差を評価するステップを有することを特徴とする。
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項８記載の軸受の表面性状検査装置は、軸受を構成する転走体を所定の回転速度で回転させる回転手段と、前記回転する転走体の表面性状を検出するセンサと、前記所定の回転速度に基づいて前記転走体の回転時の位置に関するデータを取得する取得手段と、前記センサにより検出された前記表面性状に関するデータをディジタル信号に変換するディジタル変換手段とを備える軸受の表面性状検査装置において、前記ディジタル信号と前記転走体の回転時の位置に関するデータとを関連づけて所定単位の回転分のデータを作成するデータ作成手段と、前記作成されたデータを所定の方法により解析するスペクトル解析手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の軸受の表面性状検査装置は、請求項８記載の軸受の表面性状検査装置において、前記スペクトル解析手段は、前記所定の方法として短時間フーリエ変換法を用いることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０記載の軸受の表面性状検査装置は、請求項８記載の軸受の表面性状検査装置において、前記スペクトル解析手段は、前記所定の方法としてウィグナ分布法を用いることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１記載の軸受の表面性状検査装置は、請求項８記載の軸受の表面性状検査装置において、前記スペクトル解析手段は、前記所定の方法としてウェーブレット変換法を用いることを特徴とする。
【００２０】
請求項１２記載の軸受の表面性状検査装置は、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査装置において、前記データ作成手段は、さらに前記作成された所定の回転毎のデータを平均化する当該所定の回転位置に応じて同期平均化処理を行うことを特徴とする。
【００２１】
請求項１３記載の軸受の表面性状検査装置は、請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査装置において、前記スペクトル解析後に当該解析されたスペクトルを当該所定の回転位置に応じて平均化する平均化処理を行うことを特徴とする。
【００２２】
請求項１４記載の軸受の表面性状検査装置は、請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の軸受の表面性状検査装置において、前記転走体の位置毎の形状誤差を評価する手段を備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項１記載の方法及び請求項８記載の装置によれば、所定の回転速度で回転させた軸受を構成する転走体の表面性状に関するデータをディジタル信号に変換し、ディジタル信号と転走体の位置に関するデータとを関連づけて作成された所定単位の回転分のデータを所定の方法により解析するので、軸受を構成する転走体の表面性状を精度良く検査することができる。
【００２４】
請求項２〜４記載の方法及び請求項９〜１１記載の装置によれば、所定の方法として短時間フーリエ変換法、ウィグナ分布法、又はウェーブレット変換法を用いるので、軸受を構成する転走体の表面性状を精度良く検査することができる。
【００２５】
請求項５記載の方法及び請求項１２記載の装置によれば、さらに作成された所定の回転毎のデータを当該所定の回転位置に応じて平均化する同期平均化処理を行うので、所定時間毎のデータに存在するノイズを除去することができる。
【００２６】
請求項６記載の方法及び請求項１３記載の装置によれば、さらにスペクトル解析後に当該解析されたスペクトルを当該所定の回転位置に応じて平均化する平均化処理を行うので、所定時間毎のスペクトルに存在するノイズを除去することができる。
【００２７】
請求項７記載の方法及び請求項１４記載の装置によれば、転走体の位置毎の形状誤差を評価するので、軸受を構成する転走体の位置毎の形状誤差を精度良く検査することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る軸受の表面性状検査装置を図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１は、本発明の実施の形態に係る軸受の表面性状検査装置の内部構成を示すブロック図である。
【００３０】
図１において、表面性状検査装置１は、転がり軸受等の構成部品から成る転走体２を一定の回転速度で回転させると共に、一定の回転速度に基づいて転走体２の位置データを取得する駆動部３（回転手段，取得手段）と、回転する転走体２の転走面の形状（表面性状）を局所的に振動振幅データ信号として検出する接触式センサ４と、接触式センサ４で検出された振動振幅データ信号を増幅させるアンプ５と、アンプ５から入力された振動振幅データ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器６（ディジタル変換手段）と、当該ディジタル信号と駆動部３から入力された転走体２の位置データとを関連づけて所定の回転分の位置−振動振幅データを作成し、作成されたデータを後述する方法によりスペクトル解析するスペクトル解析部７（データ作成手段，スペクトル解析手段）と、スペクトル解析された位置−山数スペクトルを表示する表示部８とを備える。
【００３１】
また、表面性状検査装置１は、さらに同期加算部９を備え、同期加算部９は、Ａ／Ｄ変換器６からスペクトル解析部７に入力されたディジタル信号をＳ／Ｎ比の少ない信号にするために、駆動部３からの位置データを取得して同一位置毎のディジタル信号を所定個数ずつ加算する加算処理を行う。
【００３２】
以下、図１の表面性状検査装置１の作動を図２を用いて説明する。
【００３３】
図２は、図１の表面性状検査装置１によって実行される転走体２の表面性状測定処理の説明図である。
【００３４】
図２において、表面性状検査装置１は、転走体２の転走面性状の検査するために、転走体２の表面性状測定処理を実行する。
【００３５】
まず、表面性状検査装置１に転走体２が載置される。内輪、外輪、玉、ころ等の転走体２は、例えばその転走面上の部分的な位置に凹凸を有し、該凹凸は多数のうねり成分を持つ（図２（ａ））。
【００３６】
次いで、載置された転走体２の転走面に接触式センサ４を当接させ、転走体２を回転させる。転走体２が回転すると、当接している接触式センサ４は、転走面上を走査する。転走面上を走査すると、接触式センサ４により検出された振動振幅データ信号が得られ、得られた振動振幅データは、アンプ５、Ａ／Ｄ変換器６を順に介して、ディジタル信号としてスペクトル解析部７に入力される。また、スペクトル解析部７には、駆動部３から回転速度に基づく位置データが入力される。
【００３７】
そして、スペクトル解析部７では、この入力された位置データと、振動振幅データ信号とを関連づけて位置−振動振幅データを作成する（図２（ｂ））。図２（ｂ）は、横軸を１円周上の位置とした位置−振動振幅データを示している。この位置−振動振幅データは、例えば転走面１円周上の後半（円周上の位置Ｃ−Ｄ間）において凹凸（振動振幅）が大きい。
【００３８】
その後、作成された位置−振動振幅データのスペクトル解析がスペクトル解析部７で行われ、位置−山数スペクトルが表示部８に表示される（図２（ｃ））。
【００３９】
図２（ｃ）は、位置データに関連づけられている各うねり成分（山数成分）の振動振幅データが等高線、色分布等によるレベルと共に表示された位置−山数スペクトルを示している。例えば、この位置−山数スペクトルは、山数３における振動振幅データが、図２（ｂ）における凹凸（振動振幅）が大きい部分に対応して円周上の位置Ｃ−Ｄ間においてレベルが高くなっており、円周上の位置Ｃ−Ｄ間に山数３の形状誤差があることを示している。
【００４０】
図２（ｃ）によれば、転走体２の部分的な位置（Ｃ−Ｄ間）にある形状誤差の山数を検出することができ、軸受を構成する転走体２の表面性状を精度良く検査することができる。
【００４１】
上記図２の処理において、同期加算部９にも駆動部３からの位置データが入力されているので、同期加算部９は、この入力された位置データをもとに、スペクトル解析部７で作成される複数の位置−振動振幅データを適宜１円周分に相当する回転位置に応じて位置−振動振幅データに平均化する同期平均処理を行う。これにより、所定時間毎のデータに存在するノイズを除去することができ、精度良く測定を行うことができる。また、同期加算部９は、位置−振動振幅スペクトル解析後に当該解析された位置−振動振幅スペクトルを適宜１円周分に相当する回転位置に応じて平均化する平均化処理を行ってもよい。これにより、所定時間毎のスペクトルに存在するノイズを除去することができ、精度良く測定を行うことができる。
【００４２】
上記図１の構成では、駆動部３からの回転速度に基づく位置データは、スペクトル解析部７に入力されるとしたが、Ａ／Ｄ変換器６に入力されてもよく、この場合には、Ａ／Ｄ変換器６が位置−振動振幅データを作成する。また、作成された位置−振動振幅データは不図示のメモリ等に格納してもよい。これらの複数の位置−振動振幅データに対して、同期加算部９とＡ／Ｄ変換器６とを接続することにより同期平均処理を行ってもよい。
【００４３】
以下、上記スペクトル解析の方法について説明する。
【００４４】
このスペクトル解析の方法は、上述したような効果を奏することができる位置−山数スペクトルを作成するために、１周期上に一定の振動振幅があるとみなさないで位置−振動振幅スペクトルを解析するものであり、スペクトル解析方法としては、例えば短時間フーリエ変換法、ウィグナ分布法、ウェーブレット変換法等が考えられる。
【００４５】
短時間フーリエ変換は、微小な時間でその振動振幅データを区切り、その微小時間（ｔ〜（ｔ−τ））においてフーリエ変換を行うものであり、従来の高速フーリエ変換よりも時間分解能が向上している。このフーリエ変換では、振動振幅データが下記式（１）に示すｅ−ｊωτのように複数の振動関数の重ね合わせで表わされる。
【００４６】
【数１】
2004020429.tif 000004
【００４７】
短時間フーリエ変換法は、上記演算の対象となる区切られた微小時間における振動振幅データを時間軸方向にずらしながら次々にフーリエ変換を実行し、微小時間毎の時間−振動振幅スペクトルを得るものであり、この短時間フーリエ変換法を用いることによりこの時間−振動振幅スペクトルにおいて微小時間毎、即ち円周上の微小距離毎の振動振幅データの変化を観察することができる。
【００４８】
なお、式（１）において、Ｓ１　（ｔ，ω）は時刻ｔにおける短時間パワースペクトルにより求められる時間−周波数スペクトル、ωは角周波数、ｘ（τ）は時刻ｔにおける周波数データ、ｊは虚数単位、ｇ（ｔ−τ）は時間窓である。
【００４９】
スペクトル解析部７では、上記短時間フーリエ変換法を用いることにより時間軸をずらしながら次々にスペクトルを算出することにより、位置−山数スペクトルを作成する。
【００５０】
上記短時間フーリエ変換法により、円周上の位置毎の形状誤差を検査することができる。
【００５１】
ウィグナ分布法は、下記式（２）で定義され、微小時間τの時系列振動振幅データ及びその共役振動振幅データの積、即ちτだけ離れた解析信号の相関関数を求めてこの相関関数に対してフーリエ変換の演算を実行し、この演算の対象となる相関関数を時間軸方向にずらしながら次々にフーリエ変換を実行するものであり、このウィグナ分布法を用いることにより円周上の微小距離毎、即ち微小時間τ毎の振動振幅データの変化を観察することができる。
【００５２】
【数２】
2004020429.tif 000005
【００５３】
式（２）において、Ｓ２　（ｔ，ω）は時刻ｔにおけるウィグナ分布により求められる時間−周波数スペクトル、ωは角周波数、ｘ（ｔ＋（τ／２））は時刻（ｔ＋（τ／２））におけるデータ、τは時間遅れを意味する積分変数、ｊは虚数単位である。
【００５４】
スペクトル解析部７では、上記ウィグナ分布法を用いることにより、即ち時間軸をずらしながらウィグナ分布法を用いることにより、位置−山数スペクトルを作成する。
【００５５】
この処理より、円周上の位置毎の形状誤差を検査することができる。
【００５６】
ウェーブレット変換法は、転走体２の回転時間と位置に依存するように関数を定め、この関数の密度分布を作成するものである。下記式（３）で定義されるウェーブレット変換は、時間的にも空間的にも局在する関数ψ（（τ−ｔ）／ｆ））（ウェーブレット；有限の時間ｔの間にしか存在しない波束）を基底関数とした線形変換を行うものであり、このウェーブレット変換法を用いることによりごく短時間における振動振幅データの変化を観察することができる。
【００５７】
【数３】
2004020429.tif 000006
【００５８】
式（３）において、Ｓ３　（ｔ，ｆ）は有限の時間ｔにおけるウェーブレット変換により求められた時間−周波数スペクトル、ｆは周波数、ｘ（τ）はデータ、τは時間遅れを意味する積分変数である。
【００５９】
ウェーブレット変換法では、時間分解能は高周波数領域ほど高く、この高周波数領域ではデータの変化を非常に良く捉えることができる。
【００６０】
この処理より、円周上の位置毎の形状誤差を検査することができる。
【００６１】
また、上記実施の形態では、転がり軸受を構成する転走体２の転走面の形状を検出するとしたが、すべり軸受の摺動面、プーリのベルトの摺動面やはめ合い面、軸やハウジングのはめ合い面等の性状を検出してもよい。
【００６２】
上記実施の形態では、接触式センサ４としたが、キズが生じることを防止することができる点で、レーザー等を用いた非接触式センサとすることが好ましい。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１記載の方法及び請求項８記載の装置によれば、所定の回転速度で回転させた軸受を構成する転走体の表面性状に関するデータをディジタル信号に変換し、ディジタル信号と転走体の位置に関するデータとを関連づけて作成された所定単位の回転分のデータを所定の方法により解析するので、軸受を構成する転走体の表面性状を精度良く検査することができる。
【００６４】
請求項２〜４記載の方法及び請求項９〜１１記載の装置によれば、所定の方法として短時間フーリエ変換法、ウィグナ分布法、又はウェーブレット変換法を用いるので、軸受を構成する転走体の表面性状を精度良く検査することができる。
【００６５】
請求項５記載の方法及び請求項１２記載の装置によれば、さらに作成された所定の回転毎のデータを当該所定の回転位置に応じて平均化する同期平均化処理を行うので、所定時間毎のデータに存在するノイズを除去することができる。
【００６６】
請求項６記載の方法及び請求項１３記載の装置によれば、さらにスペクトル解析後に当該解析されたスペクトルを当該所定の回転位置に応じて平均化する平均化処理を行うので、所定時間毎のスペクトルに存在するノイズを除去することができる。
【００６７】
請求項７記載の方法及び請求項１４記載の装置によれば、転走体の位置毎の形状誤差を評価するので、軸受を構成する転走体の位置毎の形状誤差を精度良く検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る軸受の表面性状検査装置の内部構成を示すブロック図である。
【図２】図１の表面性状検査装置１によって実行される転がり軸受の表面性状測定処理の説明図であり、（ａ）は、転走体２の側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の転走体２を１円周走査して検出された位置−振動振幅データを示す図であり、（ｃ）は、（ｂ）の位置−振動振幅データの解析結果としての１円周分の位置−山数スペクトルを示す図である。
【図３】従来の表面性状検査装置によって実行される転がり軸受の表面性状測定処理を示す図であり、（ａ）は、転がり軸受の構成部品の側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の構成部品を１円周走査した形状データを示す図であり、（ｃ）は、（ｂ）の形状データについてフーリエ変換処理を実行した解析結果を示す図である。
【符号の説明】
１　表面性状検査装置
２　転走体
３　駆動部
４　センサ
７　スペクトル解析部
８　表示部
９　同期加算部
【図１】
2004020429.tif 000007
【図２】
2004020429.tif 000008
【図３】
2004020429.tif 000009