JP5716459B2 - カム表面の観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、カム表面の観察方法に関し、特に広視野レーザ顕微鏡によるカム表面の観察方法に関する。

一般に自動車のエンジンには、高い安全性と信頼性が求められている部品が多い。特にカムシャフトはエンジンの吸排気を制御する重要な部品であり、内燃機関の性能を左右するため、その形状は高精度に仕上げられている。しかし、カム表面の状態や傷は、その性能に影響を与えるとともに、摩擦の上昇や焼き付きなどを引き起こす要因となる。そのため、カム表面の状態の把握や傷の検査など、その表面を観察することは非常に重要である。現在のカムシャフトの検査の問題点は、主に熟練者の目視による検査が行われている点である。したがって，傷や欠陥の見落となどの検査ミスの発生は避けられない。また，目視検査のための技術習得には時間を要する。そこで、カム表面全周を観察できる装置が必要となる。ここで、表面を詳しく観察するために、顕微鏡のようにある程度の倍率で観察可能な装置が望まれる。

しかし、一般的な顕微鏡では、カム形状のような曲面を短時間で観察することは困難である。また、観察装置の分解能を高めると視野が狭くなるため、広範囲を観察するには、さらに多くの時間を要する。このような事情のために、カム全周を効率的に観察する手段は、現在のところ開発されていない。

これまでに、本発明者らは過去に広視野レーザ顕微鏡を開発し、それを利用した円筒表面の観察法を開発した（非特許文献１）。この方法は、本発明者らが開発した広視野レーザ顕微鏡を用いるものであり、円筒の母線方向に高速にレーザ走査を行い、かつ円筒面を回転させることで、円筒面の全面を短時間で、かつ画像歪みを抑えて観察できる方法である。

しかしながら、この方法は円筒面の断面が完全に円形である場合に使用できる方法であり、この方法により断面が非円形であるカムの表面を観察することは困難であった。

江渕倫太郎・新田勇：広視野レーザ顕微鏡による円筒表面評価，日本機械学会北陸信越支部第47期総会・講演会講演論文集，(2010)，pp.541-542 新田勇・菅野明宏・岡本倫哉・長岡泰：シュリンクフィッタを用いた広視野レーザ顕微鏡，精密工学会誌，73(11)，pp.1226-1232

そこで、本発明は、カム表面を観察することのできる、広視野レーザ顕微鏡を用いた新規のカム表面の観察方法を提供することを目的とする。

本発明のカム表面の観察方法は、レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックｆθレンズに入射させ、該テレセントリックｆθレンズの焦点面近傍に近接配置したカム表面からの反射光を前記テレセントリックｆθレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタでレーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックｆθレンズの焦点面と共役の位置に設置したピンホールを通過させ、該ピンホールを通過した前記反射光の光量を受光素子で計測するカム表面の観察方法であって、前記カム表面を有するカムシャフトをその軸を中心に回転させるとともに、予め取得しておいた前記カム表面の大まかな形状のデータに基づいて、前記レーザ光に対して前記カム表面が常に垂直になるように前記カムシャフトを移動させ、かつ、前記レーザ光の焦点が常に前記カム表面に位置するように前記カムシャフトを前記レーザ光の光軸方向に移動させながら観察することを特徴とする。

また、前記走査光を前記カム表面の母線に沿って走査させることを特徴とする。

また、前記走査光が前記カム表面の母線を１回走査する毎に、前記走査光の走査方向に直交する方向に、前記走査光のスポット径に対応する量だけ前記カムシャフトをその軸を中心に回転させることを特徴とする。

また、前記受光素子で計測された光量に対応した光量信号とこの光量信号が得られた前記カム表面上の位置情報に基づいて、前記カム表面の３次元画像を作成して表示手段に表示することを特徴とする。

本発明のカム表面の観察方法によれば、カム表面を有するカムシャフトをその軸を中心に回転させるとともに、レーザ光に対してカム表面が常に垂直になり、かつ、レーザ光の焦点が常にカム表面に位置するように、カムシャフトを移動させながら計測することにより、カム表面の全面を簡単に、かつ、短時間で計測することができる。

また、走査光をカム表面の母線に沿って走査させることにより、カム表面を一回転させるだけでカム表面の観察が可能となり、短時間で計測することができる。

また、走査光がカム表面の母線を１回走査する毎に、走査光の走査方向に
直交する方向に、走査光のスポット径に対応する量だけカムシャフトをその軸を中心に回転させることにより、カム表面の全面にわたって、カム表面の形状を正確に測定することができ、同時にカム表面の表面画像を得ることすることができる。

また、受光素子で計測された光量に対応した光量信号とこの光量信号が得られたカム表面上の位置情報に基づいて、カム表面の３次元画像を作成して表示手段に表示することにより、測定結果を視覚的に分かりやすく表示することができる。

本発明のカム表面の観察方法に用いられる広視野レーザ顕微鏡の全体構成を示す概略図である。 本発明のカム表面の観察方法により観察されるカムの断面図である。 同上ある回転角でのカムの断面図である。 同上別の回転角でのカムの断面図である。 カム表面の観察結果を示す２次元画像である。 図５のＡ部分の拡大画像である。 カム表面の観察結果を示す３次元画像である。

以下、本発明のカム表面の観察方法の一実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。

本発明の円筒面の形状計測方法に用いられる共焦点レーザ走査型顕微鏡の原理を利用した広視野レーザ顕微鏡の一例を示す図１において、１はレーザ光源（例えば、波長４８８ｎｍの固体レーザ）であり、このレーザ光源１から出力されたレーザ光は、コリメータレンズ２により平行レーザ光束となり、この平行レーザ光束は、固定ミラー３により反射されて向きを変え、ビームスプリッタ４と１／４波長板５を通過し、モータ６によって回転する走査ミラー７に導かれるようになっている。そして、平行レーザ光束は、矢印Ａの向きに回転する走査ミラー７により反射されることによって走査光に変換され、テレセントリックｆθレンズ８を通過し、その焦点面近傍に近接配置されたカムシャフト９のカム表面10にて反射されるようになっている。ここで、走査ミラー７が矢印Ａの向きに回転すると、走査光はカム表面10の母線に沿って、カム表面10を矢印Ｂの向きに走査するようになっている。また、カムシャフト９は、図示しない保持手段により保持され、図示しない回転手段により軸ｚを中心に矢印Ｃの向きに回転するとともに、図示しない光軸方向移動手段によりレーザ光の光軸方向ｘに移動し、図示しない鉛直方向移動手段により鉛直方向ｙに移動するようになっている。なお、図１は平面図であり、光軸方向ｘ、鉛直方向ｙ、軸ｚは相互に直交している。

カム表面10にて反射された反射光である測定光は、テレセントリックｆθレンズ８を通過して反射平行光束に変換され、走査ミラー７により反射され、１／４波長板５を通過して、ビームスプリッタ４に導かれるようになっている。そして、反射平行光束は、ビームスプリッタ４により反射されることによりレーザ光源１からのレーザ光と分岐され、結像レンズ11に入射して集光され、テレセントリックｆθレンズ８の焦点面と共役の位置に設置されたピンホール板12のピンホール12ａを通過して、ホトマル等の受光素子13に入射するようになっている。

受光素子13は、入射した反射平行光束の光量を計測して光電変換を行い、光量に対応した光量信号をＡ／Ｄ変換ボード14へ送信し、Ａ／Ｄ変換ボード14は、この光量信号をＡ／Ｄ変換して演算手段15へ送信するようになっている。

また、走査ミラー７を回転させるモータ６の動作、カムシャフト９の回転及び移動は、図示しない制御手段により制御され、走査ミラー７の回転角度、カムシャフト９の回転角度及び移動の情報は制御手段から演算手段15へ送信されるようになっている。そして、演算手段15は、走査ミラー７の回転角度、カムシャフト９の回転角度及び移動量から光量信号が得られたカム表面10上の位置情報を算出し、光量信号とその位置情報に基づいて画像データを作成し、この画像データを表示手段16に出力するようになっている。

つぎに、上記の広視野レーザ顕微鏡を用いた本発明のカム表面の観察方法の原理について説明する。

観察対象となるカムの断面の一例を図２に示す。カムの断面は円形ではなく卵形をしている。カムの断面の半分は円形をしているために、この円形の部分ではレーザ光は垂直に反射して元の経路を戻り、カム表面の観察が可能である。しかしながら、図３に示すように、円形の部分以外ではレーザ光は垂直に反射しないので、カム表面を観察することができない。そこで、光軸方向移動手段と鉛直方向移動手段により、図４に示すように、レーザ光が垂直に反射する位置にカムを移動させて、カム表面を観察する。

以下、本発明のカム表面の観察方法について詳細に説明する。

カムシャフト９を保持手段に保持させる。そして、図示しない制御手段に指令を与えて、レーザ光源１からのレーザ光を点灯させるとともに、モータ６を矢印Ａの向きに回転させる。これにより、走査光がカム表面10の母線に沿って矢印Ｂの向きに走査され、カム表面10にて反射された測定光が発生する。

また、走査光がカム表面10の母線を１回走査する毎に、走査光の走査方向である矢印Ｂに直交する方向である矢印Ｃの向きに、走査光のスポット径に対応する量だけカムシャフト９をその軸ｚを中心に回転させる。なお、カムシャフト９は、矢印Ｃの向きに連続的に回転させてもよく、走査光の走査毎に非連続的に回転させてもよい。連続的に回転させる場合は、カムシャフト９の回転に起因してカム表面10上の走査線が捩れることになるので、データ処理により補正する必要がある。

ここで、単にカムシャフト９を回転させたのみでは、光軸方向の焦点のずれが生じてしまい観察画像を取得することができない。これはレーザ光がカム表面10に垂直に当たらず反射光を検出できない場合が生じるためである。そのために、予め取得しておいたカム表面10の大まかな形状のデータを使用する。なお、カム表面10の大まかな形状のデータは、例えばディジタルゲージやレーザ計測器を用いて測定することができる。そして、制御手段は、回転手段を動作させてカムシャフト９を回転させるときに、カム表面10の大まかな形状のデータに基づいて、レーザ光に対してカム表面10が常に垂直になるように、鉛直方向移動手段を動作させてカムシャフト９を鉛直方向ｙに移動させ、同時に、レーザ光の焦点が常にカム表面10に位置するように、光軸方向移動手段を動作させてカムシャフト９を光軸方向ｘに移動させる。

測定光は、テレセントリックｆθレンズ８により反射平行光束となり、ビームスプリッタ４によりレーザ光源１からのレーザ光と分岐される。そして、測定光は、結像レンズ11により集光され、ピンホール12ａにより余分な光がカットされて、焦点の合った光のみが受光素子13に入射する。受光素子13から送信された光量信号は、Ａ／Ｄ変換ボード14によりＡ／Ｄ変換された後、演算手段15へ送信される。

また、演算手段15は、図示しない制御手段から送信された走査ミラー７の回転角度及びカムシャフト９の回転角度等の情報に基づき、光量信号が得られたカム表面10上の位置情報を算出する。演算手段15は、光量信号とその位置情報を記憶する。そして、カムシャフト９が一回転するまで計測を続けることにより、カム表面10の全周の光量信号とその位置情報が演算手段15に蓄積される。演算手段15は、光量信号とその位置情報に基づいて、画像データを作成し表示手段16に出力する。その結果、カム表面10の全周の画像データが得られる。ここで得られた画像データは、カム表面10を展開した２次元画像として表示手段16に表示される。また、演算手段15によるデータ処理により、カム表面10を展開していないカム形状の３次元画像が作成され、表示手段16に表示される。なお、この３次元画像の座標値は、サブミクロン単位で特定可能である。

以下、実際の観察例について説明する。

はじめに、分解能０．１μｍのディジタルゲージを使用し、カム表面10の大まかな形状のデータを取得した。ディジタルゲージをカム表面10に接触させ、カムシャフト９を回転手段により一定のパルス量で回転させた。そのパルス量ごとの変位量をディジタルゲージで測定しパソコンへ出力した。なお、図２はその変位量に基づいて作成したカム表面10の大まかな形状である。そして、得られたデータから、各パルスにおけるカム表面10へのレーザ光照射位置の接線を求め、レーザ光に対してカム表面10が常に垂直になるように、また、レーザ光の焦点が常にカム表面10上に位置するように、各パルスにおける光軸方向、鉛直方向、回転方向の絶対位置のデータを作成した。そのデータを用いて、回転手段、鉛直方向移動手段、光軸方向移動手段を動作させて観察を行った。

カム表面10の全周の観察結果を図５に示す。一部で、レーザ光の反射強度が強くなりすぎて白く現れている部分が見られるが、全周の観察ができた。また、カム表面10には、無数の傷が付いており、カムシャフト９の回転方向に研磨痕が確認できた。研磨痕は母線方向にうねっており、これは研磨時の工具の動きによるものではないかと推測できる。図５のＡの部分を拡大すると、図６に示すように、小さな傷も確認することができた。ここで、観察画像中の各画素は、カムを移動させるための光軸方向、鉛直方向、回転方向の絶対位置のデータより３次元空間の座標とサブミクロン単位で結びつけることができる。そのため、傷の位置が高精度に特定できる。

つぎに、ＤｉｒｅｃｔＸを利用して作成した３次元表示プログラムを使用して、観察画像を３次元表示した。すなわち、カム表面10の３次元骨組み構造のメッシュを作成し、その上に観察画像を貼り付けて３次元表示を行った。メッシュの作成には、先にディジタルゲージで得たカム表面10のデータを用いた。３次元表示の例を図７に示す。図５の観察画像よりも、傷の位置が直感的に分かりやすくなった。また、プログラム上で自由に拡大や回転させることにより、カム表面の全周の状態や傷も確認することが可能であった。

以上のように、本実施例のカム表面の観察方法は、レーザ光源１からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタ４を介して走査ミラー７に導き、該走査ミラー７で前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックｆθレンズ８に入射させ、該テレセントリックｆθレンズ８の焦点面近傍に近接配置したカム表面10からの反射光を前記テレセントリックｆθレンズ８により平行光束に変換し、前記走査ミラー７で反射させた後に前記ビームスプリッタ４でレーザ光源１からのレーザ光と分離し、結像レンズ11によって集光して前記テレセントリックｆθレンズ８の焦点面と共役の位置に設置したピンホール12ａを通過させ、該ピンホール12ａを通過した前記反射光の光量を受光素子13で計測するカム表面の観察方法であって、前記カム表面10を有するカムシャフト９をその軸ｚを中心に回転させるとともに、レーザ光に対してカム表面10が常に垂直になり、かつ、レーザ光の焦点が常にカム表面10に位置するように、カムシャフト９を移動させながら観察するものであり、カム表面10の全面を簡単に、かつ、短時間で観察することができる。

また、走査光をカム表面10の母線に沿って走査させることにより、カム表面10を一回転させるだけでカム表面10の観察が可能となり、短時間で計測することができる。

また、走査光がカム表面10の母線を１回走査する毎に、走査光の走査方向に
直交する方向に、走査光のスポット径に対応する量だけカムシャフト９をその軸ｚを中心に回転させることにより、カム表面10の全面にわたって、カム表面10の形状を正確に測定することができ、同時にカム表面10の表面画像を得ることすることができる。

また、受光素子13で計測された光量に対応した光量信号とこの光量信号が得られたカム表面10上の位置情報に基づいて、カム表面10の３次元画像を作成して表示手段に表示することにより、測定結果を視覚的に分かりやすく表示することができる。

以上、本発明について上記実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内で種々の変形実施が可能である。なお、上記実施例では、レーザ走査干渉計に用いられる光学系の基本的な要素のみを例示したものであり、この種の光学系に設置される各種部材を必要に応じて追加してもよいし、適宜配置を変更してもよい。また、ビームスプリッタの反射側にレーザ光源を、通過側に受光素子を配置してもよい。さらに、余分な光をカットするためにピンホールを用いたが、その代わりにスリットを用いてもよい。

１ レーザ光源
４ ビームスプリッタ
７ 走査ミラー
８ テレセントリックｆθレンズ
９ カムシャフト
10 カム表面
10ａ 被観察円筒面
10ｂ 円筒軸
11 結像レンズ
12ａ ピンホール
13 受光素子
16 表示手段
ｘ 光軸方向
ｚ 軸

Claims (4)

1. レーザ光源からのレーザ光を平行光束としてビームスプリッタを介して走査ミラーに導き、該走査ミラーで前記レーザ光を走査光に変換してテレセントリックｆθレンズに入射させ、該テレセントリックｆθレンズの焦点面近傍に近接配置したカム表面からの反射光を前記テレセントリックｆθレンズにより平行光束に変換し、前記走査ミラーで反射させた後に前記ビームスプリッタでレーザ光源からのレーザ光と分離し、結像レンズによって集光して前記テレセントリックｆθレンズの焦点面と共役の位置に設置したピンホールを通過させ、該ピンホールを通過した前記反射光の光量を受光素子で計測するカム表面の観察方法であって、前記カム表面を有するカムシャフトをその軸を中心に回転させるとともに、予め取得しておいた前記カム表面の大まかな形状のデータに基づいて、前記レーザ光に対して前記カム表面が常に垂直になるように前記カムシャフトを移動させ、かつ、前記レーザ光の焦点が常に前記カム表面に位置するように前記カムシャフトを前記レーザ光の光軸方向に移動させながら観察することを特徴とするカム表面の観察方法。
2. 前記走査光を前記カム表面の母線に沿って走査させることを特徴とする請求項１記載のカム表面の観察方法。
3. 前記走査光が前記カム表面の母線を１回走査する毎に、前記走査光の走査方向に直交する方向に、前記走査光のスポット径に対応する量だけ前記カムシャフトをその軸を中心に回転させることを特徴とする請求項２記載のカム表面の観察方法。
4. 前記受光素子で計測された光量に対応した光量信号とこの光量信号が得られた前記カム表面上の位置情報に基づいて、前記カム表面の３次元画像を作成して表示手段に表示することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のカム表面の観察方法。