(57)【要約】【課題】測定精度が高く、かつ、経済的な円筒内面の真円度測定方法を提供すること。【解決手段】測定光を、円周部分の表面、例えば円筒内面１０１に照射するための照射ファイバ２０と照射ファイバ２０に近接して配置され円筒内面１０１において反射された測定光を検出する検出ファイバ３０とを円筒内面１０１に対向させ、円筒内面１０１に対してセンサヘッド１０を相対的に回転移動させて測定光を照射し、円筒内面１０１において反射された反射光の強度分布のピークを示す座標の間隔から円筒内面１０１の変位を算出し真円度を測定する。【選択図】図２
2017151056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周部分を含む測定対象における前記円周部分の真円度を測定する方法において、測定光を前記円周部分の表面に照射する照射ファイバと前記円周部分の表面で反射された測定光を検出する検出ファイバとを前記円周部分の表面に対向させ、前記円周部分の表面に対して前記照射ファイバおよび前記検出ファイバを相対回転させて測定光を照射し、前記円周部分の表面で反射された測定光の強度分布のピークを示す座標の間隔から前記円周部分の表面の変位を算出し真円度を測定することを特徴とする、真円度測定方法。
【請求項２】
前記照射ファイバが多芯プラスチック光ファイバである、請求項１に記載の真円度測定方法。
【請求項３】
前記検出ファイバが多芯プラスチック光ファイバである、請求項１または請求項２に記載の真円度測定方法。
【請求項４】
前記測定対象は電気モータのステータであることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の真円度測定方法。
【請求項５】
円周部分を含む測定対象における前記円周部分の真円度を測定する装置であって、
測定光を前記円周部分の表面に照射する照射ファイバと、
該照射ファイバから照射され前記円周部分の表面で反射された測定光を検出する検出ファイバと、
前記測定対象の前記円周部分の表面に対して前記照射ファイバおよび前記検出ファイバを相対回転させる回転装置と、
該回転装置の回転動作を制御するとともに、前記円周部分の表面で反射された測定光の強度分布のピークを示す座標の間隔から前記円周部分の表面の変位を算出して真円度を測定する制御装置と、
を備えることを特徴とする真円度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真円度測定方法および真円度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、円筒の内面形状を測定する方法として、超音波探触子を移動しながら受信した超音波エコーに基づいて管の内面形状を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ダイヤルゲージなどの接触式または静電容量式などの非接触式の変位検出器を２つ用いて円筒体の表面変位を計測し、一方の変位検出器の測定値を補正して円筒体の形状を測定する円筒形状の測定方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２８９３６号公報
【特許文献２】特開２００６−２６６９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、超音波探触子を用いる方法では、位相差計測に複雑で高価な測定系が必要であるという問題があった。また、その他の測定方法においても、測定精度が低い、センサヘッドが大きく小径の円筒内面を有する測定対象の真円度を測定することが困難である、などの問題があった。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明は小径の円筒内面の真円度を測定するにあたって測定精度が高く、かつ、経済的な真円度測定方法および真円度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、測定光を、測定対象における円周部分、一例として円筒内面に照射するための照射ファイバと照射ファイバに近接して配置され円筒内面において反射された測定光を検出する検出ファイバを備えたセンサヘッドを円筒内面に対向させ、前記円筒内面に対して前記センサヘッドを相対的に回転移動させて測定光を照射し、前記円筒内面において反射された反射光の強度分布のピークを示す座標の間隔から前記円筒内面の変位を算出し真円度を測定する方法を用いることにより、上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成させた。
【０００７】
すなわち、本発明は以下のとおりである。
［１］
円周部分を含む測定対象における前記円周部分の真円度を測定する方法において、測定光を前記円周部分の表面に照射する照射ファイバと前記円周部分の表面で反射された測定光を検出する検出ファイバとを前記円周部分の表面に対向させ、前記円周部分の表面に対して前記照射ファイバおよび前記検出ファイバを相対回転させて測定光を照射し、前記円周部分の表面で反射された測定光の強度分布のピークを示す座標の間隔から前記円周部分の表面の変位を算出し真円度を測定することを特徴とする、真円度測定方法。
［２］
前記照射ファイバが多芯プラスチック光ファイバである、上記［１］に記載の真円度測定方法。
［３］
前記検出ファイバが多芯プラスチック光ファイバである、上記［１］または上記［２］に記載の真円度測定方法。
［４］
前記測定対象は電気モータのステータであることを特徴とする上記［１］から上記［３］に記載の真円度測定方法。
［５］
円周部分を含む測定対象における前記円周部分の真円度を測定する装置であって、
測定光を前記円周部分の表面に照射する照射ファイバと、
該照射ファイバから照射され前記円周部分の表面で反射された測定光を検出する検出ファイバと、
前記測定対象の前記円周部分の表面に対して前記照射ファイバおよび前記検出ファイバを相対回転させる回転装置と、
該回転装置の回転動作を制御するとともに、前記円周部分の表面で反射された測定光の強度分布のピークを示す座標の間隔から前記円周部分の表面の変位を算出して真円度を測定する制御装置と、
を備えることを特徴とする真円度測定装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、測定精度が高く、かつ、経済的な小径の円筒内面の真円度測定方法および真円度測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の真円度測定方法を用いた測定対象の一例である電気モータのステータ部の斜視図である。
【図２】本実施形態の真円度測定系の一態様の構成図である。
【図３】本実施形態の真円度測定装置の構成例を示す図である。
【図４】壁面からの反射光が検出ファイバの受光面に広がって受光される様子を示す図である。
【図５】f1(x,y)およびf2(x,y)の両受光レベル分布のピークレベル点を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）では、円周部分を含む測定対象における当該円周部分の真円度を測定する装置および方法の具体例として、測定対象が円筒内面を有する電気モータのステータ１１０である場合を例に説明する。なお、以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００１１】
近年、自動車産業、産業機器産業、ロボット産業のモータ製造分野では、モータの高出力化、小型軽量化、低消費電力化、が強く求められている中、そのモータのステータに巻線する技術において、できるだけ少ないスペースにできるだけ多くの巻線を施すことが必要である。その代表的なモータの製造方法が分割コア式である（例えば、特開２０１２−３９８３０号公報）。分割コア式では、個々の分割コアに巻線を施した後に、それぞれの分割コアを集めて、溶接等で結合する方法であるため、従来の一体コアに巻線する製造法に比べ、より多くの巻線をすることができ、高性能なモータが製造できるとされている。一方で、従来の製造法に比べ、溶接後の内径の真円度は悪くなってしまうという課題がある。通常、ステータの中には、ロータ（回転子）が配置されるが、ステータとロータのクリアランスはできるだけ小さい方が、性能が良くなるので、ステータの内径の真円度は重要な要素となる。よって、分割コア式のステータの溶接結合工程においては、溶接条件等で内径の真円度が規定の寸法を外れることのないよう管理する必要がある。本発明は、ステータ、特に分割コア式のステータの円筒内面の真円度を測定する方法として、好適に用いることができる。
【００１２】
真円度とは円筒形態の幾何学的に正しい円からの狂いの大きさと定義される。本発明はＪＩＳＢ７４５１真円度測定機により規定されている、対象物の円形形態の円周方向の半径の変化、または円周方向および軸方向の半径の変化を測定することを目的とする接触式真円度測定機の規定に基づいて、新たな非接触式の真円度測定方法を提供する。真円度の測定には、半径法、直径法、三点法の３つの方式が存在する。本発明の実施形態では、計測結果から求めた中心と同心の内接円と外接円の半径差を真円度とする。
【００１３】
図１は、本実施形態の真円度測定方法を用いた測定対象である電気モータのステータ１１０の斜視図である。それぞれ別個に珪素鋼板をプレス加工、積層した後に巻線加工を施した１分極を、溶接工程を経てステータ１１０として組み上げている。分割コア型ステータの内面は、溶接工程における加圧の不均等などによって、歪み、凹凸などが生じている可能性があり、これを製品とする際には高精度に測定する必要がある。ステータ内面に空隙が存在するなど、探針測定方式の採用は不可能であり、非接触測定が大前提となる。
【００１４】
図２は、本実施形態の真円度測定装置１を説明する一態様の構成図である。測定対象である円筒体のモデルを符号１００で表す。以下、円筒体１００の回転中心と、センサヘッド１０の回転中心が一致している場合について説明する。ＰＧ（Ｐｕｌｓｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２３から測定用パルス信号が出力され、ＬＥＤドライバー２２を経て、光源のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）２１を駆動し、測定光を照射ファイバ２０へ入射する。測定光は照射ファイバ２０を光導波路として端面まで進む。センサヘッド１０に固定された照射ファイバ２０から出射された測定光は円筒内面１０１で反射し、照射ファイバ２０に近接して配置された検出ファイバ３０へ入射する。検出ファイバ３０を伝搬した反射光は計測用デジタルカメラ３１に導かれ、ＰＣ（制御装置）４０による画像処理計測によって反射光の強度分布が計測される。回転ステージ（回転装置）５０上に設置された円筒体１００を回転して次の回転角での強度分布を求める。２点の強度分布のピークを示す座標の間隔から円筒内面１０１の変位を算出する。２点の強度分布のピークを示す座標の間隔から円筒内面１０１の変位を算出することで、円筒内面１０１の反射率変動による反射光強度ばらつきに依存しない、高精度な測定となる。これを一周（３６０°）繰り返すことによって真円度を算出する。さらにこの計測を円筒体１００の軸方向にずらして繰り返すことで円筒体１００の真円度を測定する。
【００１５】
照射ファイバ２０として石英ガラス、多成分ガラス、プラスチックを材料にした光ファイバを用いることができる。プラスチック光ファイバは可撓性があり曲げて配線できるため、小径のステータ内部に挿入するセンサヘッド１０の小型化が実現できるため好ましい。さらに好ましくは照射ファイバ２０として多芯プラスチック光ファイバを用いることである。多芯プラスチック光ファイバは多数の光ファイバを収束し、両端の配列を正確に対応させたものであり、片端に入射した光がもう一方の端面の対応した位置に出射する。このため、多芯プラスチック光ファイバの入射端面に入射した測定光は強度分布を保持して出射端面に伝送することができる。多芯プラスチック光ファイバは、屈折率の高い透明な芯樹脂からなり、多数の小さな芯繊維を個別に仕切る様に、芯繊維間に芯樹脂より屈折率の低い鞘樹脂を充満して一纏めにしたファイバ、または、屈折率の高い透明な芯樹脂からなり、多数の小さな芯繊維の周りを個別に芯樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な第１鞘樹脂でとり囲み、各々の芯繊維と第１鞘層の外側を第１鞘樹脂より屈折率の低い第２鞘樹脂を充満して一纏めにしたファイバなどがある。
【００１６】
検出ファイバ３０として石英ガラス、多成分ガラス、プラスチックを材料にした多芯光ファイバを用いることができる。多芯光ファイバは多数の光ファイバを収束し、両端の配列を正確に対応させたものであり、片端に入射した光がもう一方の端面の対応した位置に出射する必要がある。そのなかでも多芯プラスチック光ファイバは可撓性があり曲げて配線できるため、小径のステータ内部に挿入するセンサヘッド１０の小型化が実現できるので好ましい。
【００１７】
多芯プラスチック光ファイバは、芯数を７〜３００００、ファイバ直径を０．２〜３ｍｍ、断面に占める芯の割合を３０〜９０％くらいになるようにするが、この範囲に限定されない。照射ファイバ２０として用いる多芯プラスチック光ファイバの芯数は７〜１０００であれば半径１０ｍｍ以下に曲げて配線できるため好ましい。検出ファイバ３０として用いる多芯プラスチック光ファイバの芯数は１０００〜３００００であれば真円度測定の分解能を上げることができて好ましい。
【００１８】
光源としてはレーザダイオード、ＬＥＤ、ハロゲンランプなどを用いることができる。測定光は、経済性の観点からＬＥＤが好ましい。光源は、照射ファイバ２０に測定光を入射するためのコリメータなどの光学系を備えていてもよい。
【００１９】
図３は本実施形態の真円度測定方法の原理図である。円筒内面１０１の変位に対して反射光の強度分布のピークを示す座標が移動することを利用する。照射ファイバ２０から出射された測定光は、変位前の円筒内面（図３において符号１０１Ａで示す）で、反射角θで反射し、検出ファイバ３０で受信される。円筒体１００が相対回転して円筒内面１０１が１０１Ａから距離ｌ（Ｌの小文字。以下同じ。）だけ変位すると（変位後の円筒内面を図３において符号１０１Ｂで示す）、入射光は円筒内面１０１ＢのＱ点で、反射角θで反射し、検出ファイバ３０により受信される。両者の反射光の強度分布がそれぞれピークになる座標の間隔をｄとすると、変位ｌは式（１）で表すことができる。
【数１】
2017151056.tif 000003
【００２０】
すなわち、間隔ｄを測定することで変位ｌを求めることができる。これを一周（３６０°）に渡り繰り返して変位ｌを蓄積した角度−変位特性から真円度を求める。円筒体１００の回転中心と、センサヘッド１０の回転中心が一致していない場合、式（１）のｌ信号に対してフーリエ解析を行うことによりその基本波成分から中心軸のずれを算出し、該成分を減じることによって真円度を算出すれば良い。
【００２１】
円筒体１００の内壁面の平滑度にもよるが、一般的に内壁面からの反射光は検出ファイバ３０の受光面に広がって受光されることになる。その様子を図４に示す。同図で、f1(x,y)は、内壁面のある点における受光レベル分布、f2(x,y)は他の点からの反射光レベル分布を示す。更に両受光レベル分布のピークレベル点を図５に示す如く、それぞれ P1(x1,y1)、 P2(x2,y2)とすると、両点の座標は式（２）、式（３）により求めることができる。
【数２】
2017151056.tif 000004
【００２２】
【数３】
2017151056.tif 000005
【００２３】
これらの式から、あらためて
【数４】
2017151056.tif 000006
【００２４】
として式（１）に代入することにより、円筒体１００の内壁面に凹凸が存在する場合においても、真円度を高精度に測定することが可能となる。
【００２５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した実施形態では、電気モータのステータ１１０の円筒内面を対象とした場合を例示したが、これは、円周部分を含む測定対象における当該円周部分の真円度を測定する際の好適な一例にすぎない。特に詳しい説明はしないが、上述した測定原理からすれば、このほか、円筒外面の真円度、球体の表面における円周部分の真円度、円錐体の表面における円周部分の真円度など、種々の測定対象における円周部分の真円度を測定する際にも本発明を適用することができることは明らかである。
【実施例１】
【００２６】
以下、実施例により本実施形態を詳細に説明するが、本実施形態はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００２７】
［実施例１］
１２個のステータ分割コア１１０Ｂを周方向に配置し、溶接によって一体的に形成し、内径１００ｍｍ、真円度１．００ｍｍのステータ１１０を製作した。ここでの真円度測定はＪＩＳＢ７４５１真円度測定機を用いた。ＬＥＤ２１として、ＯｐｔｏＳｕｐｐｌｙ社製ＯＳＢ５ＸＮＥ３ＣＩＳを用いた。照射ファイバ２０として、芯数３７、芯直径０．４ｍｍの多芯プラスチック光ファイバを用いた。検出ファイバ３０として芯数７４００、ファイバ直径２．０ｍｍ、断面に占める芯の割合が８０％の多芯プラスチック光ファイバを用いた。
【００２８】
照射ファイバ２０と検出ファイバ３０を、反射角θが３０°になるように固定したセンサヘッド１０をステータ内面１１１に対向して保持した。ステータ１１０を１°刻みで高速回転ながら、測定を一周に渡り繰り返して間隔ｄを測定し、式（１）により変位ｌを求めて角度−変位特性を得た。結果、真円度は１．００±０．１０ｍｍであった。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の真円度測定装置および真円度測定方法は、測定精度が高く、かつ、経済的な、小径の円筒内面をはじめとする種々の測定対象の真円度測定手法を提供できる。
【符号の説明】
【００３０】
１…真円度測定装置
１０…センサヘッド
２０…照射ファイバ
３０…検出ファイバ
４０…ＰＣ（制御装置）
５０…回転ステージ（回転装置）
１００…測定対象の一例である円筒体のモデル
１０１…円筒内面（円周部分の表面）
１１０…電気モータのステータ（測定対象）
１１１…ステータ内壁面
【図１】
2017151056.tif 000007
【図２】
2017151056.tif 000008
【図３】
2017151056.tif 000009
【図４】
2017151056.tif 000010
【図５】
2017151056.tif 000011