JPH07260425A

JPH07260425A - 回転体の振れ測定装置

Info

Publication number: JPH07260425A
Application number: JP7253594A
Authority: JP
Inventors: Kimio Miyazawa; 君男宮澤; Ryuichi Yamada; 隆一山田; Kazuhisa Yanagi; 柳　　和久
Original assignee: Union Tool Co
Current assignee: Union Tool Co
Priority date: 1994-03-17
Filing date: 1994-03-17
Publication date: 1995-10-13

Abstract

(57)【要約】【目的】回転体の振れを高精度で検出できるようにす
る。【構成】光出射部５０、５２は平行光をゲージピン１
０に照射する。フォトインタラプタ９２は、ゲージピン
１０に設けたマークを検出し、回転角演算部９４がその
検出信号からゲージピン１０の回転角を求める。光セン
サ８０〜８３の受光量の変化と回転角演算部９４が出力
する回転角とから、ゲージピン１０の検出回転角におけ
る２方向の変位を求め基礎円演算部１１２とベクトル生
成部１１４とに入力する。基礎円演算部は、ゲージピン
の回転軸の位置と偏心量とを求めてベクトル生成部に出
力する。ベクトル生成部は、２方向の変位と基礎円演算
部の出力とからゲージピンの振れベクトルを演算する。
プリンタ・表示装置１１６は、基礎円演算部、ベクトル
生成部の出力に基づいてリサージュ図形、偏心量、振れ
ベクトルを表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転軸などの回転体の
回転に伴う振れを計測する回転体の振れ測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種装置、機器の高精度化、小型
化の進展に伴って、回転装置、回転体も振れの少ない、
高精度のものが要求されている。例えば、プリント配線
基板に配線用の穴をあけるドリルは、振れが大きいと穴
位置やあけた穴の精度に影響するばかりでなく、一度に
穴をあけることができる基板の枚数にも影響し、コスト
の上昇をもたらす。このため、回転体の回転に伴う振れ
を高い精度で検出する技術に対する要求が、ますます高
まっている。

【０００３】従来、回転体の回転軸と直交した方向（ラ
ジアル方向）の振れは、一般に静電容量式または磁気式
により測定されていた。図８は、従来の静電容量式振れ
測定装置を示したものである。この静電容量式振れ測定
装置は、図８に示したように、被測定物となる丸棒状の
ゲージピン１０に近接して電極１４を配置し、ゲージピ
ン１０を矢印ａのように回転させ、ゲージピン１０と電
極１４との間の静電容量Ｃを検出するようになってい
る。両者間の静電容量Ｃは、ゲージピン１０と電極１４
との間の距離ｄによって変動し、

【数１】Ｃ＝ｆ（ｄ）として求められる。

【０００４】ゲージピン１０と電極１４との間の静電容
量Ｃは、変換器１６によって時間的に記憶され、変換器
１６が静電容量に対応した時系列の関数信号Ｃ（ｔ）に
変換して変換回路１８に入力する。そして、変換回路１
８は、関数信号Ｃ（ｔ）を距離の関数信号ｄ（ｔ）に変
換し、最大値保持回路２０と最小値保持回路２２とに送
出する。最大値保持回路２０は変換回路１８が出力した
距離の関数信号ｄ（ｔ）の最大値、すなわちゲージピン
１０が電極１４から最も遠くなったときの値を保持し、
最小値保持回路２２は変換回路１８の出力した距離の関
数信号ｄ（ｔ）の最小値を保持する。これらの最大値と
最小値とは、減算回路２４に入力され、減算回路２４が
両者の差を求めて振れ量として出力する。磁気式の振れ
測定装置の場合も、ほぼ同様にして行われる。

【０００５】ところで、回転体のラジアル方向の振れの
原因は、主として偏心量と軸心振れとからなっている。
偏心量は、回転中心が回転体の中心と一致しないことに
より生ずる。また、軸心振れは、回転体が回転すること
により回転中心が変動するもので、いわゆる回転精度を
示し、振れの大きさと方向（＝振れベクトル）をもって
表すことができる。この回転精度の測定法としてよく用
いられているものにリサージュ法があり、その原理は図
９のようになっている。

【０００６】リサージュ法は、例えばマスターボール２
６を僅かに偏心させて回転スピンドル２８に取り付け、
矢印３０のように回転させる。そして、マスターボール
２６の近傍に、例えば上記のような静電容量式の電極１
４と変換器１６とからなる検出部３２、３４を直交した
２方向に配置し、これらの検出部３２、３４によって測
定した静電容量Ｃに相当する電圧値または電流値を増幅
器３６、３８によって増幅したのち、演算器４０、４２
によってマスターボール２６の直交した２方向の変位量
として求め、オシロスコープ４４上に表示する方法であ
る。そして、回転精度は、２方向の測定データを離散化
してデータ中に含まれる偏心量を取り除いたのち、基礎
円に変動量を重畳させて描いた図１０のようなリサージ
ュ図形を求めて評価する。このリサージュ図形による回
転精度の評価は、通常、複数回転により得たリサージュ
図形の幅が再現性を表し、基礎円の中心に対する最大半
径と最小半径との差が回転精度であるとしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図８に示し
たような従来の振れ測定装置は、測定原理上、ゲージピ
ン１０と電極１４との距離を小さくしなければならない
ため、電極１４の設置が難しく、電極１４を設置するの
に時間がかかる。また、電極１４が正しくゲージピン１
０の回転中心の方向に向いていないと、高精度の測定が
できないという問題があった。一方、リサージュ図形に
よる回転精度の評価は、振れベクトルの始点と終点とが
明示されていない限り、回転体の任意の回転角における
振れの方向と大きさとを求めることが困難であり、振れ
の状態を正確に判断することができない。このため、リ
サージュ図形による場合、リサージュ図形の半径方向の
変動だけで軸心の振れを求めることは、振れの評価の正
確性を欠く。

【０００８】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、回転体の振れを高精度で検出す
ることができる回転体の振れ測定装置を提供することを
目的としている。また、本発明は、回転体の振れの検出
時間を大幅に短縮することを目的としている。さらに、
本発明は、振れ量を偏心成分と振れベクトル成分とに分
離し、任意の回転角における振れベクトルを容易に得ら
れるようにすることを目的としている。そして、本発明
の目的は、回転体の形状精度の影響を小さくすること等
を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る回転体の振れ測定装置は、回転する
被測定物の回転軸に直交した同一の平面内に配置した複
数の光出射部と、前記被測定物の前記各光出射部と反対
側において、各光出射部に対応した対向位置に設けら
れ、光出射部が出射した光を受光する複数の光量検出部
と、前記被測定物の回転角を検出する回転角検出部と、
この回転角検出部と前記各光量検出部との検出信号に基
づいて、前記被測定物の任意の回転角における振れ量を
求める振れ量演算部とを有する構成となっている。

【００１０】振れ量演算部には、被測定物の任意の回転
角における振れの大きさと方向とを示す振れベクトルと
偏心量とに分離して求める基礎円演算部とベクトル生成
部とを設けるようにする。また、複数の光出射部は、出
射光の光軸を相互に直交させて配置した一対であってよ
し、被測定物の周囲に１２０度間隔で配置した３つにす
ることができる。そして、各光出射部は、光源と、この
光源が出射した光を平行光にするレンズとによって構成
するようにする。このレンズが出射する平行光は、被測
定物の幅より大きくし、各光量検出部は、対応する光出
射部が出射する光の光軸に対して線対象に配置した一対
の光センサから構成することが望ましい。

【００１１】なお、光出射部を構成する光源としては、
発光ダイオードや半導体レーザ、各種レーザ装置さらに
は各種のランプを用いることができるが、出射光の安定
性やスペース、寿命などから発光ダイオードまたは半導
体レーザを用いることが望ましい。また、光量検出部を
構成する光センサとしては、フォトダイオードやフォト
トランジスタ、太陽電池、または光電導セルなどの使用
が可能であるが、受光量と出力との関係の安定性などか
ら、フォトダイオードまたはフォトトランジスタがよ
い。

【００１２】

【作用】上記のごとく構成した本発明に係る回転体の振
れ測定装置は、回転している被測定物に複数の方向から
光を照射し、被測定物の部分を通過してきた光を光量検
出部で受光する。そして、光量検出部の受光面積は、回
転によって被測定物が振れると変動し、検出値も変化す
る。そこで、回転角検出部によって検出した被測定物の
任意の回転角における複数の光量検出部の検出信号か
ら、被測定物の複数方向の変位量を求めることができる
ので、これらを合成することにより、任意の回転角にお
ける被測定物の振れを求めることができる。しかも、従
来の静電容量式や磁気式のように、電極などを被測定物
に近接して配置する必要がなく、検出部の配置が容易と
なり、振れの測定を高精度で極めて容易、迅速に求める
ことが可能となる。

【００１３】また、振れ量演算部には基礎円演算部とベ
クトル生成部とを設けて、振れ量から偏心量を分離した
振れベクトルを求めるようにすると、被測定物の任意の
回転角における振れの大きさと方向とを容易に得ること
ができ、被測定物の振れの状態を詳細かつ正確に把握で
きる。

【００１４】

【実施例】本発明に係る回転体の振れ測定装置の好まし
い実施例を、添付図面に従って詳細に説明する。図１
は、本発明の実施例に係る回転体の振れ測定装置のブロ
ック図である。

【００１５】図１において、一対の光出射部５０、５２
を構成している光源５４、５６は、被測定物である丸棒
状のゲージピン１０の軸５８に直交させた同一平面内に
設けてあり、図２に示したように、それぞれの出射光６
０、６２の光軸６４、６６が相互に直交するように配置
してある。そして、各光源５４、５６の前方には、光出
射部５０、５２を構成しているコリメートレンズ６８、
７０が設けてあり、光源５４、５６が出射した光６０、
６２を平行光７２、７４にしてゲージピン１０に照射で
きるようになっている。これらのコリメートレンズ６
８、７０は、１枚のレンズによって構成してもよいし、
複数のレンズを組み合わせたレンズ系として構成しても
よく、被測定物であるゲージピン１０の幅、すなわちゲ
ージピン１０の直径より大きな平行光７２、７４を出射
するようにしてある。

【００１６】ゲージピン１０の光源５４、５６と反対側
には、光量検出部７６、７８が配置してある。これらの
光量検出部７６、７８は、それぞれがフォトダイオード
などからなる一対の光センサ８０、８１と光センサ８
２、８３とから構成してあり、光センサ８０、８１が光
軸６４に対して線対称に配置され、光センサ８２、８３
が光軸６６に対して線対称に配置してある。そして、こ
れらの光センサの検出信号は、振れ量演算部である信号
処理装置９０の増幅器８６〜８９に入力するようになっ
ている。また、信号処理装置９０には、反射型のフォト
インタラプタ９２とともに、ゲージピン１０の回転角を
検出する回転角検出部を構成している回転角演算部９４
が設けてある。この回転角演算部９４は、フォトインタ
ラプタ９２の出力を波形整形する波形整形回路９６と、
波形整形回路９６が出力するパルスに基づいて、ゲージ
ピン１０の回転角度を演算する回転角演算器９８とから
構成してある。

【００１７】信号処理装置９０には、さらに差動増幅器
１００、１０２が設けてある。差動増幅器１００は増幅
器８６、８７の出力を差動増幅して出力し、差動増幅器
１０２は、増幅器８８、８９の出力を差動増幅して出力
する。これら各差動増幅器１００、１０２の出力は、回
転角演算器９８が出力するサンプリング信号に同期して
サンプリング回路１０４、１０６に取り込まれ、回転角
演算器９８が求めた回転角度における変位信号として基
礎円演算部１１２とベクトル生成部１１４とに入力され
る。基礎円演算部１１２は、変位出力信号からゲージピ
ン１０の偏心量を演算する。そして、ベクトル生成部１
１４は、変位信号と基礎円演算部１１２が求めた偏心量
とより振れベクトルを演算する。また、変位信号はリサ
ージュデータとして、基礎円演算部１１２が求めた偏心
量とベクトル生成部１１４が求めた振れベクトルととも
にプリンタ・表示装置１１６に送られ、リサージュ図
形、偏心量、振れベクトルがプリンタおよび表示装置に
表示される。

【００１８】上記のごとく構成した実施例の作用は、次
のとおりである。まず、ゲージピン１０の位置と変位出
力との関係を説明する。ゲージピン１０の位置と変位出
力信号との関係は、例えば図４のように表される。すな
わち、ゲージピン１０の中心が例えば光軸６４上にある
と、光センサ８０、８１の受光量は等しく、変位出力信
号は０となる。そして、ゲージピン１０が光軸６４より
光センサ８０側に移動するに従って、センサ８０の受光
量が減少して出力信号が小さくなり、光センサ８１の受
光量が増加して出力信号が増大し、両者の差を増幅する
差動増幅器１０２の出力信号が次第に大きくなって、出
力する変位信号も増大する。ゲージピン１０がさらに光
センサ８０側に振れて光センサ８０の光センサ８１側に
平行光７２が照射されるようになると、変位信号は、最
大値Ｖ_MAXから次第に減少する。ゲージピン１０が光セ
ンサ８１側に振れると、変位信号は、マイナス側に前記
と同様の変化をする。

【００１９】ゲージピン１０の周面の１ヶ所には、回転
の基準信号を得るためのマークが付けてある。ゲージピ
ン１０を回転装置のチャック等に装着して矢印ａのよう
に回転させると、このマークがフォトインタラプタ９２
により検出され、フォトインタラプタ９２の検出信号が
回転角演算部９４の波形整形回路９６に入力される。波
形整形回路９６は、フォトインタラプタ９２からの信号
が入力すると、図３（１）に示したように、基準パルス
信号を出力する。そして、回転角演算器９８は、波形整
形回路９６が出力した基準信号を基にある時間間隔のサ
ンプリング信号を作り、これを回転角度Δθの信号に変
換してサンプリング回路１０４、１０６に入力する。

【００２０】サンプリング回路１０４、１０６には、回
転角演算器９８が出力したサンプリング信号に同期して
差動増幅器１００、１０２の出力が入力する。そして、
回転角演算器９８が求めたゲージピン１０の回転角と、
差動増幅器１００、１０２の出力とから、回転角演算器
９８が求めたゲージピン１０の回転角におけるゲージピ
ン１０の変位、すなわちゲージピン１０の回転軸５８の
光軸６４、６６が交差する計測中心からのＸ軸方向、Ｙ
軸方向の変位量Ｓ_xi、Ｓ_yi（図３（３）、（４））を求
め、この変位量を基礎円演算部１１２とベクトル生成部
１１４とに入力する。

【００２１】基礎円演算部１１２は、ゲージピン１０の
回転角度におけるゲージピンの変位量Ｓ_xi、Ｓ_yiデータ
から、最小二乗法によって計測中心に対する回転中心の
偏位量（ずれ量）を演算し、偏心量（回転中心とゲージ
ピン１０の断面中心との差）を演算して基礎円を求める
とともに、求めた回転中心の偏位量と偏心量とをベクト
ル生成部１１４に送出する。ベクトル生成部１１４は、
変位量と基礎円演算部１１２の出力とに基づいて、振れ
ベクトルを演算し、プリンタ・表示装置１１６に出力す
る。

【００２２】図５は、振れベクトルＥの求め方を示す図
である。実施例の場合、図５のＸ軸は光軸６４と一致さ
せてあり、Ｙ軸は光軸６６と一致させてある。いま、回
転角θ_iにおいて、光センサ８２、８３の検出信号に基
づいて求めたＸ軸方向のゲージピン１０の変位量がＳ_xi
であり、光センサ８０、８１の検出信号に基づいて得た
Ｙ軸方向の変位量がＳ_yiであったとする。そして、基礎
円演算部１１２が求めた測定中心Ｏに対する回転中心Ｃ
の位置が（Ｃ_x，Ｃ_y）であったとすると、

【数２】Ｓ_xi＝Ｃ_x＋ｅ₀ｃｏｓθ_i＋Ｅ_ix

【数３】Ｓ_yi＝Ｃ_y＋ｅ₀ｓｉｎθ_i＋Ｅ_iy が成り立つ。ただし、ここに、ｅ₀は偏心量（回転中心
とゲージピンの断面中心との距離）であり、Ｅ_ix、Ｅ_iy
は、振れベクトルＥ、すなわち軸心の振れのＸ成分とＹ
成分とである。

【００２３】上式をＥ_ix、Ｅ_iyについて整理すると、

【数４】Ｅ_ix＝Ｓ_xi−Ｃ_x−ｅ₀ｃｏｓθ_i

【数５】Ｅ_iy＝Ｓ_yi−Ｃ_y−ｅ₀ｓｉｎθ_i となる。

【００２４】従って、振れの大きさ｜Ｅ｜と、振れの方
向（ベクトルの方向）α_iは、

【数６】｜Ｅ｜＝（Ｅ_ix ²＋Ｅ_iy ²)^1/2

【数７】α_i＝ｔａｎ^-1（Ｅ_iy／Ｅ_ix）として求めることができる。

【００２５】ただし、センサ原点Ｏから回転中心Ｃまで
のずれＣ_x、Ｃ_yと偏心量ｅ₀は、任意の回転角θ_iに
おける測定値Ｓ_xi、Ｓ_yiを中心座標（Ｃ_x，Ｃ_y）、半
径ｅ₀の円に最小二乗法を適用することにより求める。
なお、図５の符号１３０は振れが描く軌跡を示す。

【００２６】上記のようにして変位量はリサージュデー
タとして、基礎円演算部１１２が求めた偏心量、ベクト
ル生成部１１４が求めた振れベクトルとともにプリンタ
・表示装置１１６に出力され、リサージュ図形、偏心
量、振れベクトルがプリンタおよびディスプレイに表示
され、また必要に応じて外部記憶装置に記憶される。

【００２７】なお、前記実施例においては、光軸６４、
６６を相互に直交させた一対の光出射部５０、５２を設
けた場合について説明したが、図６に示したように、３
つの光出射部１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃと光量検出
部１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃとをゲージピン１０の
周囲に１２０度間隔で配置してもよい。このように３つ
の光出射部と光量検出部とを１２０度間隔で配置するこ
とにより、Ｘ軸に対する４５度方向、１３５度方向の振
れベクトルの状態を詳細に知ることができ、より精度の
高い振れの測定をすることができる。また、前記実施例
においては、各光量検出部７６、７８が一対の光センサ
８０、８１、光センサ８２、８３によって構成した場合
について説明したが、各光量検出部７６、７８を図７に
示したように、１つの光センサ１３８によって構成し、
平行光１４０をゲージピン１０の一端側に照射する、い
わゆる半径法によって振れ検出するようにしてもよい。
そして、前記実施例においては、被測定物がゲージピン
１０である場合について説明したが、被測定物は各種の
駆動軸、球体などであってもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、回転している被測定物に複数の方向から光を照射
し、被測定物の部分を通過してきた光の量を光量検出部
で検出するとともに、回転角検出部によって被測定物の
回転角を検出することにより、被測定物の任意の回転角
における振れの測定を高精度で極めて容易、迅速に求め
ることができる。

【００２９】また、偏心成分を分離し、振れ量演算部の
ベクトル生成部により、被測定物の任意の回転角におけ
る振れ大きさと方向とを求めているため、被測定物の振
れの状態を詳細に把握でき、回転装置の改善等に利用す
ることができる。また、レンズが出射する平行光を被測
定物の幅より大きくし、光軸に対して線対象に配置した
一対の光センサによって光量を検出するようにしている
ため、被測定物の形状精度の影響を小さくすることがで
き、測定精度をより向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る回転体の振れ測定装置の
構成ブロック図である。

【図２】実施例の光出射部と光量検出部との配置状態を
示す斜視図である。

【図３】実施例におけるサンプリングタイミングとＸ軸
方向、Ｙ軸方向の変位量の一例を示す図である。

【図４】実施例に係るゲージピンの位置と変位信号との
関係の一例を示す図である。

【図５】振れベクトルの求め方を説明する図である。

【図６】光出射部と光量検出部とを３つ設けた場合の、
それらの配置状態を示す平面図である。

【図７】半径法による振れ測定の原理を示す図である。

【図８】従来の静電容量式振れ測定方法の原理を説明す
る図である。

【図９】リサージュ法による振れ測定の原理を説明する
図である。

【図１０】振れを評価するためのリサージュ図形の一例
である。

【符号の説明】

１０被測定物（ゲージピン）５０、５２光出射部５４、５６光源６８、７０コリメートレンズ７６、７８光量検出部８０〜８３光センサ９０信号処理装置９２、９４回転角検出部（フォトインタラプタ、
回転角演算部）１１２基礎円演算部１１４ベクトル生成部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転する被測定物の回転軸に直交した同
一の平面内に配置した複数の光出射部と、前記被測定物
の前記各光出射部と反対側において、各光出射部に対応
した対向位置に設けられ、光出射部が出射した光を受光
する複数の光量検出部と、前記被測定物の回転角を検出
する回転角検出部と、この回転角検出部と前記各光量検
出部との検出信号に基づいて、前記被測定物の任意の回
転角における振れ量を求める振れ量演算部とを有するこ
とを特徴とする回転体の振れ測定装置。
【請求項２】前記振れ量演算部は、前記被測定物の中
心が回転中心に一致しないことによる偏心量と任意の回
転角における振れの大きさと方向とを示す振れベクトル
を求める基礎円演算部とベクトル生成部とを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の回転体の振れ測定装
置。
【請求項３】前記複数の光出射部は、出射光の光軸を
相互に直交させて配置した一対であることを特徴とする
請求項１または２に記載の回転体の振れ測定装置。
【請求項４】前記複数の光出射部は、前記被測定物の
周囲に１２０度間隔で配置した３つであることを特徴と
する請求項１または２に記載の回転体の振れ測定装置。
【請求項５】前記各光出射部は、光源と、この光源が
出射した光を平行光にするレンズとからなり、前記レン
ズが出射する前記平行光を前記被測定物の幅より大きく
するとともに、前記各光量検出部は前記各光出射部が出
射する光の光軸に対して線対象に配置した一対の光セン
サからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれ
か１に記載の回転体の振れ測定装置。