(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【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
【図１】
0003920566.tif 000002
【図２】
0003920566.tif 000003
【図３】
0003920566.tif 000004
【図４】
0003920566.tif 000005