JP2557911B2

JP2557911B2 - 被検面の形状誤差の光学的検出装置

Info

Publication number: JP2557911B2
Application number: JP62273492A
Authority: JP
Inventors: 順平辻内; 捷夫本田; 善司脇本; 充男鈴木
Original assignee: Osaka Seimitsu Kikai Co Ltd
Current assignee: TPR Osaka Seimitsu Kikai Co Ltd
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1987-10-30
Publication date: 1996-11-27
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: US4910561A; EP0321639B1; DE3867452D1; JPH01116403A; EP0321639A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、可干渉光、特にレーザー光を用いて種々の
産業製品の３次元表面形状に就き、所望の基準面形状に
対する誤差を光学的手法で検出する装置に関し、特に歯
車の歯面のように空隙を介して多数の被検面が連続する
場合にも能率良く形状誤差を測定、検出することが可能
な被検面の形状誤差の光学的検出装置に関する。

〔従来技術〕

レーザー光を用いて被検物体表面の形状誤差を３次元
的に検出する方法が、例えば、米国特許第4,657,396号
公報に開示されている。この周知の方法は、レーザー光
により大きい入射角で被検物体表面を照射し、その正反
射光のみで予め基準表面に就いて作成したホログラムを
照射し、プラス１次解析波を収束させ、その収束状況を
光電検出素子により検出し、その光電検出素子の出力信
号を解析処理することにより被検物体表面の形状誤差を
測定、検出するものである。上述において、レーザー光
を大きな入射角で被検物体表面を照射するのは、被検物
体が機械加工面を有している場合には光学的見地からは
かなり粗い表面であり、精密な加工面でも光が散乱して
ホログラムの形成が困難になることから、入射角を大き
くして正反射光を多くする周知のシーン現像を利用する
ものである。

〔発明が解決すべき問題点〕

然しながら、上述した米国特許第4,657,396号公報に
開示の方法では、物体表面が光学的には粗い表面と見做
される歯面等の機械加工表面の形状誤差の検出をも可能
にするためにシーン現象用いるものであるが、光源から
発した可干渉光、例えば、周知のレーザー光を参照光と
信号光とに分離した後に信号光を大きな既知の入射角で
被検面に入射せしめ、正反射光を得るようにする実用性
のある光学機構の構成に就いては開示されていない。つ
まり、産業製品の加工現場や検査現場で実際に被検物体
の面の形状誤差を測定、検出する装置を実現するための
方法としては具体性に欠ける場合が有る。例えば、歯車
の加工現場や検査現場で、多数の歯の歯表面の形状を理
想的な例えばインボリュート歯面形状に近い基準歯面形
状に対比して形状誤差を能率良く検出するに当たり、信
号光を大きな入射角により歯表面に入射せしめ、また、
そこから正反射光を出射させる実用的構成が未だ開示さ
れていないと言う問題点が有る。また、発明を歯車の歯
表面の形状誤差の検出に限定するものではないが、特に
歯車においては、多数の歯が歯溝空間を隔てて等間隔に
設けられた構造を有し、これらの多数の歯面形状の誤差
を能率良く検出し、しかも、斜歯歯車や捩れ歯車の歯面
の形状誤差の検出をも可能にする光学的検出方法と装置
の開発が特に要望されている。

依って、本発明の目的は、歯車の歯面等の被検物体が
有する被検面の形状誤差を検出するために実用可能な被
検面の光学的検出装置を提供することにある。

また、本発明は、歯車等の多数の被検面を有する被検
物体における被検面の形状誤差を能率良く検出可能にす
る被検面の形状誤差の光学的検出装置を提供せんとする
ものである。

〔解決手段と作用〕

本発明によれば、可干渉性の検査光を発する光源から
発した検査光を光学的分離手段によって参照光と信号光
とに分離し、該参照光を所定位置に装脱自在に設けられ
た受光部材により受光すると共に複数の被検面を有する
被検物における１つの被検面を基準面に選定して該基準
面に前記信号光を入、反射させ、該反射光を前記受光部
材で前記参照光との干渉により基準面に関するホログラ
ムを形成し、該ホログラムに基づいて基準面に対する各
被検面の形状誤差を検出する光学的形状誤差検出装置に
おいて、前記被検面と空隙を介して対向した仮想平面に沿って
該被検面の近傍に前記信号光を導入する第１の光学系
と、前記信号光を前記空隙内で前記仮想平面に垂直な面内
で反射または屈折させて前記被検面に大きな入射角で入
射させる第２の光学系と、前記第２の光学系により大きな入射角で前記被検面に
入射され、正反射光として反射された前記信号光を再び
反射または屈折させて前記仮想平面と同じ仮想平面に沿
って取り出す第３の光学系と、該取り出した前記信号系の反射光または屈折光を前記
所定位置に装着された受光部材に投射する第４の光学系
と、を設け、先ず前記基準面に関して形成したホログラムに
対する前記少なくとも１つの被検面から前記第１〜第３
光学系を経た前記信号光の干渉から被検面の形状誤差を
光学的に検出する被検面の形状誤差の光学的検出装置が
提供されるのである。以下、本発明を実施例に従って更
に詳細に説明する。

〔実施例〕

第１図は、可干渉光を用いて物体表面に関するホログ
ラムを作成すると共に基準の物体表面に関して作成した
ホログラムに基づいて同位置に他の類似被検面を置き、
この基準表面のホログラムを用いて面形状の相違を検出
する原理を説明した原理図である。同第１図において、
光源から発した可干渉光の光線束ＬはレンズL₁、L₂で拡
大され、半透明鏡M₀で参照光Ｒと信号光Ｓとの２つの光
線束に分離される。参照光Ｒは全反射鏡M₁を経て一定位
置に保持されたホログラム形成用の受光又は感光部材Ｈ
に投射される。また、信号光Ｓは、全反射鏡M₂で反射さ
れて物体表面Ｑに入射され、正反射光が前記一定位置に
保持された感光部材Ｈに投射される。このように、感光
部材Ｈ上に参照光Ｒと物体表面Ｑで反射した信号光Ｓと
を重ね合わせると、感光部材Ｈ上に物体表面Ｑの形状情
報を含んだホログラムを作成することができるのであ
る。そして、物体表面Ｑを予め選定した基準表面として
基準のホログラムを感光部材Ｈに形成してから、そのホ
ログラムを上記一定位置に定置し、次ぎに物体表面Ｑを
基準表面からそれと対比すべき被検面Ｑに置き換え、そ
の被検面Ｑから反射させた信号光Ｓを上記基準のホログ
ラムを経て結像レンズL₃を通過させ、像面Ｑ′に被検面
Ｑの像を結像させるようにすると、像面Ｑ′には基準ホ
ログラムにより回折作用を受けた光とホログラムを透過
した反射光との干渉により、干渉縞が得られる。従っ
て、この干渉縞を光学的に解析すると、被検面Ｑと基準
表面との面形状の誤差を検出することができるのであ
る。

また、上述した干渉縞の形成に替えて、被検面Ｑから
の信号光の正反射光を基準のホログラムに投射すると、
１次回折光が該ホログラムから出射されるので、この１
次回折光を集光レンズL₄で集光すると共にピンホールＰ
の通過光量を測定すると、既述した米国特許第4,657,39
6号公報に開示された形状誤差の検出方法の原理が得ら
れる。

第２図は、本発明による被検面の形状誤差の検出装置
において、被検面への信号光を大きな入射角で入、反射
させる方法を説明した斜視図であり、また、第３図と第
４図とは第２図に２点破線で示した２つの仮想平面Ｉ、
IIによる断面であり、被検面は１例として歯車の歯面と
した場合である。

さて、第２図から第４図に示すように、本発明による
被検面の形状誤差の検出装置においては、図示されてい
ない光源を発した可干渉光、例えば、レーザー光の光束
が参照光Ｒ（図示なし）と信号光Ｓとに分離され、その
信号光Ｓは被検歯面10と対向する仮想平面Ｉに沿って導
入され、被検歯面10の直上方位置に達する。ここで、同
仮想平面Ｉ内で例えば全反射鏡12aに依って一旦、反射
により光の進み方向が偏光されて被検歯面10に導入し易
い接近位置まで進められ、ここで、偏角プリズム14aか
ら成る光学素子により、上記の仮想平面Ｉに垂直な他の
仮想平面IIに沿う方向に屈折されて被検歯面10の所望の
位置に大きな入射角θで入射される。ここで、上記の偏
角プリズム14aは、それによる偏角された信号光Ｓが予
め既知の量の入射角θとなり、かつシーン現象を利用し
得るような角度θは大きな既知量となるように正確な頂
角γを有するように製造される必要がある。被検歯面10
に入射した信号光Ｓは、そこで反射され、反射光は上記
偏角プリズム14aと一対を成す偏角プリズム14bにより再
び仮想平面Ｉ内に向けられ、同仮想平面Ｉ内で例えば全
反射鏡12bによる反射により、進路変更作用を受ける。
こうして、出射信号光Ｓ′として仮想平面Ｉ内で取り出
すようにするものである。このようにして取り出された
出射信号光Ｓ′は図示されていない参照光Ｒと共に第１
図に示したホログラム形成原理の機構と同じように一定
位置に保持された感光部材（図示なし）上に投射させれ
ば、被検歯面10に関するホログラムを形成することがで
きるのである。

このような第２図から第４図に図示した構成によれ
ば、被検歯面10に対して確実に大きな入射角θで信号光
Ｓを入射させることができ、しかも歯車のような多数の
歯面が比較的狭い歯溝16の空間を介して対向している場
合にもその歯溝16の空間内に在る仮想平面Ｉに沿って信
号光Ｓを導入することが容易に可能となり、次いで、仮
想平面Ｉに垂直な仮想平面IIに沿って反射または屈折さ
せることで、大きな入射角θによる信号光Ｓの入射が確
実に実現可能となるのである。このことは叉、歯車の場
合、その回転軸18の回りに回転させて次々の歯面を被検
歯面10の位置に設定すれば、それら歯面に就いて連続的
に形状誤差の検出を行うことを可能にするのである。し
かも、歯車のサイズの大小に応じて入射信号光Ｓと出射
信号光Ｓ′とを含んだ仮想平面Ｉの面に沿った方向に光
学系または歯車自体を移動させれば、例えば、歯車の本
体部や軸18と全反射鏡12a、12bや偏角プリズム14a、14b
等の光学系とが機械的干渉を起こすこと無く、回転軸18
に近い歯面を被検歯面10としても回転軸18から比較的遠
い歯面を被検歯面10とする場合の何れの場合にも常に容
易に被検歯面10に信号光Ｓを入射し得る利点も有する。

他方、第２図から第４図に示した構成に依れば、被検
物体が図示の歯車のような場合には、偏角プリズム14
a、14bによる屈折、偏角方向を同一の仮想平面II内で反
対にすれば、被検歯面10と歯溝16を介して対向した被検
歯面10′（第４図参照）に就いても信号光Ｓを大きな入
射角θで入射せしめ、かつ、反射した信号光Ｓを元の仮
想平面Ｉ沿って取り出すようにすることが可能であるこ
とは容易に理解できる。このような偏角プリズム14a、1
4bによる屈折、偏角方向を反対向きにする具体的構成と
しては、次の諸例を採用することができる。

（イ）入射側の偏角プリズム14aに入る前の信号光Ｓを
２つの互いに平行な第１、第２の信号光Ｓに分離し、互
いに平行な２つの仮想平面Ｉ、Ｉに沿って夫々導入し、
しかも偏角プリズム14a、14bの対を２組設けて互いに対
向した被検歯面10、10′に夫々第１、第２の信号光Ｓを
入、出射させる構成とすれば、２つの被検歯面10、10′
に就いて、逐次にホログラムの作成又は形状誤差の検出
を行うことができる。

（ロ）第５図に示すように、平行平面体22a又は22bの左
右両側に頂角γの２つの偏角プリズム部26a、26a′又は
26b、26b′を夫々逆向きに結合した２つの結合型偏角プ
リズム24a、24bを被検歯面10、10′の上方、下方に前述
した偏角プリズム14a、14bに換えて配置し、しかも該２
つの結合型偏角プリズム24a、24bを一体にして仮想平面
Ｉに垂直な方向にスライド可能に配置すれば、同一の信
号光Ｓと偏角プリズム部26a、26bとを使用して被検歯面
10のホログラム作成又は形状誤差の検出を行い、反対側
の偏角プリズム部26a′、26b′を使用して被検歯面10′
のホログラム作成又は形状誤差を検出を行うことが可能
な構成を得ることができる。

（ハ）第６図に示すように、被検歯面10の上方には１組
の偏角プリズム36a、36a′から成るプリズム組体34aを
配置し、下方には他の１組の偏角プリズム36b、36b′か
ら成るプリズム組体34bを配置し、これら両プリズム組
体34a、34bを同期して縦方向の一定軸心37の回りに旋回
可能に設けておけば、（ａ）の位置では被検歯面10に対
して信号光Ｓを偏角して、大きな入射角で入射せしめ、
正反射させることができ、他方両プリズム組体を軸心37
の回りに90゜旋回させた（ｂ）の位置を経過して180゜
旋回させた（ｃ）の位置に設定すれば、信号光Ｓを
（ａ）の場合とは逆の方向に偏角させることにより、該
信号光Ｓを被検歯面10′に入、反射させることができる
構成とすることができる。尚、上記各組の偏角プリズム
36a、36a′又は36a、36b′において、即ち、偏角プリズ
ム36aと36a′との間及び偏角プリズム36bと36b′との間
で軸心37回りに相対回転させることによって、入射角を
＋θから−θまでの任意の角度に連続的に設定でき、例
えば、被検歯面10又は10′の面粗度に応じて入射角を適
正化してシーン現象を最適に利用し得るようにすること
ができる。

上述の（イ）〜（ハ）の構成を用いれば、歯車の歯面
等、多数の被検面を有する面形状の誤差検出対象に就い
てもホログラムの形成又は基準面形状との誤差の検出を
逐次的に進捗せしめることが可能であり、検出能率を著
しく向上させることができる。従って、このような本発
明による検出原理を歯車の歯形の検査、つまり、基準の
歯形（例えば、インボリュート歯形）形状に対する誤差
の検出に適用すれば、歯車の加工現場や検査現場におけ
る検査能率を著しく向上させることができるのである。

第７図は、第２図から第４図に示した構成を用いて被
検歯面10又は10′等の３次元被検面における全面に渡っ
て緻密な形状誤差の検出を実行し、かつ、コンピーター
装置を利用して形状誤差の光学的検出と同時にその解析
をデータ処理技術により遂行する検出及び解析機構を形
成する場合の具体的構成を示した機構図である。

第７図に示す光学的検出及び解析機構において、レー
ザー光源40から発せられるHe−Neレーザー光等の可干渉
光Ｌは半透明鏡42で参照光Ｒと信号光Ｓとに分離され、
信号光は更に全反射鏡12a、偏角プリズム14aを経て、第
２図〜第４図において既述のように被検面10に入射さ
れ、正反射により、信号光Ｓ′として偏角プリズム14
b、全反射鏡12bを経て出射される。信号光Ｓ′は次いで
全反射鏡46で反射されてから、所定の位置に保持された
感光部材48に投射される。他方、参照光Ｒは全反射鏡44
により進路を変更され、感光部材48に投射される。従っ
て、感光部材48に被検面10に関するホログラムを記録、
作成することができる。ここで、被検面10を基準面に置
換してホログラムを先ず、記録、作成し、感光部材48上
に現像処理を施した後にそのホログラムを再び同一位置
に設定し、次いで検出対象である被検面10を基準面と同
じ検出位置に設定する。このようにすれば、被検面10か
らの正反射光Ｓ′は、基準ホログラム48に投射される。
このとき、被検面10をTVカメラ50等の撮像装置の撮像レ
ンズで撮像面に投射して撮像すれば、干渉縞が撮影でき
る。従って、この干渉縞を一旦、イメージフレームメモ
リーから成るメモリー手段52に記憶させる。次いで、こ
のメモリー手段52に記憶された干渉縞の撮像データをイ
ンターフェース54を介してプロセッサー56に入力して解
析処理を行えば、被検面全体に就いて基準の形状に対す
る評価を行うことができるのである。この解析結果は必
要に応じて、例えばCRT装置58或いは図示されていない
周知のプロッター装置に表示することも可能となる。

このように、コンピューター装置を利用したデータ解
析により、被検面10又は10′の全面に関して評価が可能
になれば、例えば、被検対象が歯車の歯面のように面自
体が作動要素になっている産業製品においては、製品の
機能、性能の判断が、より正確に成し得ることとなり、
極めて好ましい効果を得ることが可能となるのである。

ここで、干渉縞が観測されたとき、その１つの干渉縞
の１本に対応する、その表面の法線方向への形状差の感
度（縞感度Ｐと言う。）は、可干渉光（レーザー光）の
波長をλ、被検面10における信号光Ｓの入射角をθとす
れば、次式で示されることは周知である。

Ｐ＝λ/COS（θ）・・・・（１）故に、本発明の形状誤差の検出原理によれば、偏角プ
リズム14a、14bの頂角γを、予め精密に形成すること
で、入射角θの値が、正確に既知の値となり、故に、用
いられるレーザー光に応じてその波長λも既知の値とな
り、干渉縞の縞感度Ｐが計算可能となるのである。そし
て、この計算結果の干渉縞の縞感度Ｐから、面形状の誤
差データを得ることができ、故にその誤差データに基づ
いて、被検物体の面加工を修正することがてきるように
成るのである。

さて、被検物体、特に歯車の場合には、第２図に示し
たような回転軸18の軸心に対して歯車10が平行になって
いるとは限らない。即ち、はすば歯車では軸心に対して
歯面が傾いている。故に第２図〜第４図に示したような
軸心に平行な仮想平面１に沿って信号光Ｓを導入するこ
とでは、斜歯の歯面に信号光Ｓを入射することができな
い場合が発生する。その場合に、仮想平面Ｉが斜歯に対
向した面となるように歯車軸18を傾けることも考えられ
るが、そのようにすると、歯面の形状は歯車軸18の軸心
に対して３次元座標における形状を決定するものである
から、その基準となる歯車軸18を傾ける方法は好ましく
ない。従って、光学系を操作して信号光Ｓを導入する仮
想平面Ｉを被検面となる斜歯に対向するように旋回させ
得るように構成することが必要となる。本発明によれ
ば、これを容易に実現することも可能となるのである。
即ち、第８図、第９図は、その具体的な実施例を説明す
る機構図である。

さて、第８図に示す機構では被検物体をはすば歯車に
特定して説明すると、先ず、可干渉光Ｌははすば歯車の
軸心18′を含む平面上で、しかも歯幅の略中間位置に在
る線上から投射されるように構成され、この可干渉光Ｌ
を半透明鏡42により参照光Ｒと信号光Ｓとに分離し、参
照光Ｒは全反射鏡44、45を経て、一定位置に着脱自在に
保持された感光部材48に投射されるように構成する。他
方、信号光Ｓは、全反射鏡62、64を経てはすば歯車の軸
心18′を含む仮想平面に沿って導入され、全反射鏡12
a、偏角プリズム14aにより、大きな入射角で歯車に入射
され、反射後に偏角プリズム14b、全反射鏡12bを経て再
び上記と同一の仮想平面に戻されてから、更に全反射鏡
66を経て出射信号光Ｓ′として感光部材48に投射される
ように構成しておく。しかも、上記の鏡42、44、45、6
2、64、66、12a、12bや偏角プリズム14a、14b、感光部
材48等の光学要素を有した光学系全体を可干渉光Ｌの投
射軸線回りに矢印βで示すように回転可能に構成してお
けば、上記仮想平面をはすば歯車の歯の傾斜に応じて旋
回させることができ、故に仮想平面をはす歯々面に対向
した位置に到来させ得ることとなり、従って、第２図か
ら第４図に示した構成で説明した平歯車の場合と同じ原
理に従って、はすば歯面の形状誤差を検出することが可
能となる。このとき、可干渉光Ｌを発するレーザー光源
は、固定位置に置けば良いから、上記の光学系の旋回機
構は比較的簡単に構成することができる。

第９図は、第８図に示した構成において、出射信号光
Ｓ′を全反射鏡66を経た後に更に全反射鏡68を経由し
て、可干渉光Ｌと同じ光軸上に取り出し、固定鏡70を経
て参照光Ｒと共に感光部材48（ホログラム）上に取り出
すように構成したものである。このように構成すると、
光学系を可干渉光Ｌの光軸の回りに旋回させて、はすば
歯車の歯面と対向した仮想平面に沿って信号光Ｓを入射
させたとき、歯面で反射された出射信号光Ｓ′も再び可
干渉光Ｌと同一の光軸上に取り出されるから、旋回量の
如何に関わり無く、出射信号光Ｓ′は常に同一軸上に出
射することになる。次いでその出射信号光Ｓ′を固定鏡
70を経て感光部材48上に到達させることにより、参照光
Ｒの光学系や感光部材48（ホログラム）は固定位置に配
置しておけば良い。勿論、ホログラム48の後方に配置さ
れる干渉縞の撮影手段であるカメラやデータ処理機構等
を不動に配置し得ることは言うまでもない。故に第８図
に示した実施例より、光学系を旋回させる機構が簡単に
なる利点が有る。

第10図は、本発明による被検面の形状誤差の光学的検
出装置の実施例を示した斜視図である。この実施例は、
既述した（イ）の構成を備えることにより、２つの被検
面を逐次、光学的に観測して形状誤差の検出が可能にな
るように構成されている。第10図において、可干渉光か
ら分離された参照光Ｒは装置固定枠80に固定、保持され
た反射鏡82で反射され、上記固定枠80の定位置に装脱自
在に保持されたホログラム乾板（又は感光部材）84に投
射されるように成っている。ホログラム乾板84には既述
の場合と同様に被検面に対する基準面のホログラムが予
め記録・作成されており、勿論、感光部材84を配置して
被検面のホログラムを記録・作成をすることも可能にな
っている。

他方、信号光Ｓは固定枠80に対して適宜のブラケット
手段を介して固定された反射鏡88に入射されてから回転
性の中空円筒支持体86内に該円筒支持体86の中心の回転
軸心90に沿って進行するように成っている。円筒支持体
86は適宜の軸受手段92、92等を介して回転可能に配設さ
れた後述する光学系の支持部材である。円筒支持体86に
入った信号光Ｓは小鏡94、96で反射された後に光束拡大
レンズ98、100で拡大され、次いで反射鏡102、104を経
由して徐々に被検物体120に接近した位置に進行する。
反射鏡104を出た信号光Ｓは半透明鏡106により２つの信
号光S₁、S₂に分離される。信号光S₁は次いで反射鏡108
で反射され、偏角プリズム110に入る。また信号光S₂は
反射鏡112、114で反射されてから偏角プリズム116に入
る。ここで、反射鏡88から反射鏡108及び114に到る信号
光Ｓ、S₁、S₂の光路を決定する光学素子は被検物体120
の２つの被検面118a、118bと対抗した２つの平行な仮想
平面（図示なし）に最終的に信号光S₁、S₂を分離、導入
する光学系であり、偏角プリズム110と116は、これら信
号光S₁、S₂を該仮想平面と垂直な方向に偏角させてシー
ン現象を利用できる大きな入射角で被検面118a、118bに
入射させる光学系である。被検面118a、118bで正反射し
た夫々の信号光S₁、S₂は次いで、再度、１組の偏角プリ
ズム122、124によって入射時と同じ各仮想平面に沿うよ
うに信号光S₁′、S₂′として出射される。出射された夫
々の信号光S₁′、S₂は反射鏡群126〜142により夫々所望
の光路を経て最終的には支持筒86から離れた固定位置に
設けられた反射鏡144を介して感光部材84上に投射され
るように成っている。故に、該感光部材として基準面の
ホログラムが設定されていれば、被検面118a、118bの一
方の被検面118aを先ず、信号光S₁で照射し、次に被検面
118bを信号光S₂で照射するようにして両面に関して順次
に形状誤差の検出すべく、夫々の干渉縞を図示されてい
ない像面に形成して撮像し、既述のように、コンピータ
装置により解析が可能となる。また、感光部材84には、
被検面118a、118bの両面のホログラムを一緒に記録、作
成することもできる。従って、被検物体が歯車であり、
その多数の歯面の何れか１対の歯面を基準歯面として他
の多数の歯面の形状誤差を検出、評定を連続的に高能率
で遂行することができ、故に、歯車加工現場や検査現場
における検査能率の向上に寄与することができる。しか
も、本実施例の構成に依れば、回転支持筒86を軸90の回
りに回転させることにより、被検物体120が既述したは
すば歯車の場合にも傾斜した被検歯面と入射光の仮想平
面とを歯車の軸軸を傾けること無く、相互に対抗位置し
た状態に傾斜角度に応じて設定することができるのであ
る。

回転支持体86の回転駆動手段としては、周知の回転形
パルスモータを利用したり、或いは周知をリニアパルス
モータを利用し、回転支持筒86に巻設した牽引ロープの
一端を固定枠80に係止し、他端を該リニアパルスモータ
の可動子に結合した構成としても良い。

更に、ここで、第11図を参照すると、本発明にれば、
信号光Ｓから半透明鏡106で分離された信号光S₁、S₂に
関して、同第11図に示すように、前者の信号光S₁に係る
光学系を形成する反射鏡106、108、偏角プリズム110、1
22及び反射鏡126、134は同図に２点鎖線で示した平面X₁
上に配設し、後者の信号光S₂に係る光学系を形成する反
射鏡112、114、偏角プリズム116、124及び反射鏡128、1
32は同じく２点鎖線で示した平面X₂上に配設し、これら
両光学系は上記両平面X₁、X₂を互いに接近又は離反する
方向に相対変位可能な構成にすれば、被検物体120にお
ける対向した２つの被検面の間隙の大小に応じて両信号
光S₁、S₂を適正に両被検面118a、118bへ大きな入射角で
入射せしめ、かつ、正反射後に元の入射仮想面上に出射
させることができる。

また、このとき、第12図に示すように、信号光S₁に係
る光学系の内で反射鏡118、偏角プリズム110、122及び
反射鏡126は、同第12図に２点鎖線で示した平面Y₁上に
配設し、他の信号光S₂に係る光学系の内で反射鏡114、
偏角プリズム116、124及び反射鏡128は同じく２点鎖線
で示した平面Y₂上に配設して、これら両光学系は両平面
Y₁、Y₂に沿って相互に平行に移動変位し得る構成にすれ
ば、被検物体120の２つの被検面118a、118bの面上にお
ける３次元的に対応した同一位置に夫々の信号光S₁、S₂
を入射させ、かつ出射させることができるのである。こ
れら第11図、第12図に示した構成について、その作用原
理を第13図に基づいて説明すると、被検面118a、118bに
対して、上記平面X₁、X₂を接近又は離反させる変位を与
えれば、第13図に示した距離Ｍの大小の変化に対応して
信号光S₁、S₂の入・出射を調節することができ、また、
上記平面Y₁、Y₂を相互に変位させれば、距離Ｎを加減調
節して、信号光S₁、S₂を夫々被検面上における３次元的
に同一位相点へ入射せしめ得ることとなるのである。斯
くして、被検面118a、118bの最も適切な検出位置へ信号
光S₁、S₂を入射せしめ、その最適な検査位置に就いて面
の形状誤差に関するデータを得ることも可能となり、
叉、被検物体がはすば歯車の場合には、歯車噛み合い作
用に最も関与する歯幅Ｂにおける中間位置を選定し、し
かも捩れ角βに対応して、はす歯面の形状誤差を検出す
ることができるのである。

第14図は、第11図、第12図に示した平面X₁、X₂及び
Y₁、Y₂の移動変位を可能にするための移動手段の一実施
例を示したものである。第14図において、２つの支持体
150、152は固定横桁154に対して周知のリニアパルス駆
動方式により横方向に相互に接近・離反可能な摺動性の
支持体として形成し、しかも、これら２つの支持体15
0、152に対して上下に相対移動可能な支持体156、158を
設け、これらの後者の縦方向の移動も周知のリニアパル
ス駆動方式により遂行するように構成しておけば、上記
の第11図の平面X₁、X₂を支持体150、152に置き換え、平
面Y₁、Y₂を支持体156、158で置き換えることにより、リ
ニアパルス駆動方式によって、精密な平面X₁、X₂及び
Y₁、Y₂の移動変位を制御することができる。

第15図は、上述した第10図から第14図に示した構成を
備えた被検面の形状誤差の光学的検出装置を歯車の歯形
誤差検出装置に適応した場合の構成を示した立体図であ
る。

同第15図において、歯車の歯形誤差検出装置は基台20
0を有し、この基台200の上部には被検物体である歯車20
4をその軸心回りに回転可能に支持する取付軸202がコラ
ム201とブラケット203とで支持された状態で設けられ、
この取付軸202は基台200内に具備されたサーボモータSm
を駆動源にして、割出し駆動機構205を介して回動され
る構成にあり、該取付軸202の回動量は周知のエンコー
ダ装置206を上記割出し駆動機構205に装着し、そのエン
コーダ装置206を経て検出可能に成っている、このエン
コーダ装置206による取付軸202、従って被検物体である
歯車204の回転量はインターフェース208を経てコンピー
タ装置210に印加されており、故に、コンピータ装置210
により、歯車204の回転量を制御することが可能になっ
ている。つまり、歯車204の被検歯面を次々に検出位置
へ自動的に割り出すことが可能に成っている。

他方、基台200上において、取付軸202と向き合った位
置に本発明に係る形状誤差の検出部220を有した測定台2
22が搭載されている。この形状誤差の検出部220は、測
定台222が上記被検歯車204の取付軸202に接近又は離反
する方向に基台200の上面に沿って、例えば周知のリニ
アパルスモータ機構により、矢印Ｘで示す方向に摺動変
位可能に構成され、この測定台222にヘッド支持部226
が、同じくリニアパルスモータ機構により上下方向（矢
印Ｙ方向）に摺動可能に取付られ、また、このヘッド支
持部226に回転ヘッド228が装着され、この回転ヘッド22
8の内部に第14図に示したリニアパルスモータによる光
学系の支持体150、152、156、158を備えた光学的検出機
構部が装着されている。上記の回転ヘッド230は第10図
に示した回転性の支持筒86の機能を達成する部分であ
り、その一部の偏光プリズムが被検歯車204の近くに突
出した構造で設けられている。そして、基台200内に内
蔵されたHe−Neレーザ光発生装置234からレーザー光線
を可干渉検査光として発射し、複数の反射鏡236により
光路変更を受け、更に、反透明鏡238を経由することに
より、参照光Ｒと信号光Ｓとに分光されてから、信号光
Ｓは、上記回転ヘッド230内の光学機構部へ誘導され
る。そして、既述した検出原理に基づき、被検物体であ
る歯車204の歯面の形状、即ち、３次元歯形誤差の検出
を光学的に回転ヘッド230内の光学的機構部により遂行
する。また、参照光Ｒは、光路を適宜に変更されてから
第10図の反射鏡82に対応した反射鏡240により反射さ
れ、感光部材242（第10図の感光部材84に対応する）に
達する。勿論、この感光部材242には、上記光学的機構
部から出射した信号光Ｓが到達するように成っている。
そして、干渉縞が、この感光部材242上に得られるので
ある。

この干渉縞は、撮像用のカメラ244で撮像可能に構成
され、また、干渉縞は、フレームメモリー212に一旦記
憶され、このフレームメモリー212からインターフェー
ス208を経てコンピータ装置210に送入され、データ解析
処理を受け得るように構成されている。なお、被検歯面
のホログラムを記録、作成する場合の露光装置216及び
上記のデータ解析処理の結果をCRT表示装置214やハード
コピー装置（図示なし）等に表示させることも可能に構
成されている。また、感光部材242上に記録されたホロ
グラムを通過した１次回折光の光量を検出する光センサ
ー246も撮像用カメラ244に併設して具備されている。

本実施例に係る歯形誤差検出装置によれば、歯車の種
類、例えば、平歯車、はすば歯車等の種類に関わりな
く、叉歯の大きさ、歯車自体の大きさ等に関わり無く歯
面の３次元的形状を基準とする歯形のホログラムを介し
て検出することができるのである。第15図における248
は、歯形誤差検出装置に対して外部からの振動等の外乱
の影響を防止するエアーダンパであり、また、装置全体
を、扉付きの大きなケーシング250内に格納して、光学
的外乱の影響を防止するように成っている。

〔発明の効果〕

以上の各種実施例の説明から明らかなように、本発明
によれば、被検面の３次元的形状を基準の面形状に対す
る誤差量として光学的に非接触で検出することができる
と共に検出操作を極めて高能率化することができ、しか
も、コンピータ装置の導入と、基準ホログラムによる回
折光と被検面からの正反射信号光との干渉による干渉縞
を映像化することとにより、精密な被検面の形状誤差の
解析を行うことが可能となり、その解析結果を加工機に
反映させることにより、産業製品の面形状を高品質化す
ることも可能となるのである。しかも産業製品における
特に歯車の歯形の３次元形状を歯溝の狭広、歯面の傾斜
の有無に関わり無く、正確な面形状誤差を検出可能と
し、従って、歯車加工の品質向上にも大きく寄与するこ
とが可能となる効果を奏するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、可干渉光による被検面の形状誤差の検出を行
う周知の原理を説明する機構図、第２図は本発明による
被検面の形状誤差の検出装置の構成に最も重要な信号光
の大きな入射角による被検面への入射と偏角原理を説明
する機構図、第３図は第２図の一断面に沿う断面図、第
４図は他の断面図、第５図は、信号光の屈折を逆向きに
する偏角プリズムを１実施例の構造を示す略示図、第６
図は同じく偏角プリズムの他の実施例の説明図、第７図
は被検面の形状誤差の検出をコンピータ装置の導入でデ
ータ解析するための構成を示した構成図、第８図は、は
すば歯車の歯面の形状誤差等の検出を可能にする光学系
の構成原理を説明する機構図、第９図は第８図を更に改
善した実施例の機構図、第10図は、本発明による被検面
の形状誤差の検出装置の具体的な構成実施例を示した斜
視図、第11図と第12図とは第10図に示した検出装置内に
備えられる特定機構を説明するための斜視図、第13図は
２つの被検面の形状誤差を検出する場合の被検面間の距
離の変化に対処し、また、最適の面位置に信号光を入射
させるための要件に就いて説明する解説図、第14図は光
学系の支持体を横方向、縦方向にスライドさせるために
リニアパルスモータを用いた移動変位機構の１実施例の
斜視図、第15図は、本発明に係る被検面の形状誤差の検
出装置を歯車の歯形検査装置に応用する場合の構成を示
した立体的な機構図。 10……被検面、 12a、12b……全反射鏡、 14a、14b……偏角プリズム、Ｉ及びII……仮想平面、Ｒ……参照光、Ｓ、S₁及びS₂……信号光、Ｌ……可干渉光、42……半透明鏡、 48……感光部材またはホログラム、 86……回転正支持筒、 84……感光部材、 110、116、122、124……偏角プリズム。

フロントページの続き (72)発明者鈴木充男奈良県生駒市乙田町７―333 (56)参考文献特開昭60−200112（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】可干渉性の検査光を発する光源から発した
検査光を光学的分離手段によって参照光と信号光とに分
離し、該参照光を所定位置に装脱自在に設けられた受光
部材により受光すると共に複数の被検面を有する被検物
における１つの被検面を基準面に選定して該基準面に前
記信号光を入、反射させ、該反射光を前記受光部材で前
記参照光との干渉により基準面に関するホログラムを形
成し、該ホログラムに基づいて基準面に対する各被検面
の形状誤差を検出する光学的形状誤差検出装置におい
て、前記被検面と空隙を介して対向した仮想平面に沿って該
被検面の近傍に前記信号光を導入する第１の光学系と、前記信号光を前記空隙内で前記仮想平面に垂直な面内で
反射または屈折させて前記被検面に大きな入射角で入射
させる第２の光学系と、前記第２の光学系により大きな入射角で前記被検面に入
射され、正反射光として反射された前記信号光を再び反
射または屈折させて再び前記仮想平面に沿って取り出す
第３の光学系と、該取り出した前記信号系の反射光または屈折光を前記所
定位置に装着された受光部材に投射する第４の光学系
と、を設け、先ず前記基準面に関して形成したホログラムと
前記少なくとも１つの被検面から前記第１〜第３光学系
を経た前記信号光との干渉から被検面の形状誤差を光学
的に検出することを特徴とする被検面の形状誤差の光学
的検出装置。
【請求項２】前記被検物は、その回転軸を中心にして回
転可能に被検物保持手段に着脱自在に取付けられる歯車
から成り、該歯車の複数の歯面を被検歯面となし、前記受光部材に、該複数の歯面から予め選定した基準歯
面のホログラムを形成し、該基準歯面のホログラムを前
記第１〜第３光学系を経て前記各被検歯面から取り出し
た前記信号光で照射したとき、該受光部材に形成された
干渉縞を撮像する撮像手段と、該撮像した干渉縞を記憶する記憶手段と、前記記憶手段が記憶した干渉縞を解析して前記基準歯面
と前記各被検歯面との形状誤差を解析する電子的解析手
段と、を具備した特許請求の範囲１項に記載の被検面の形状誤
差の光学的検出装置。
【請求項３】前記第２、第３光学系は、各々光の屈折角
が予め既知である偏角プリズムを具備していることを特
徴とした特許請求の範囲１項に記載の被検面の形状誤差
の光学的検出装置。
【請求項４】前記第１〜第４の光学系は１つの円筒支持
部材に保持され、かつ、該円筒支持部材はその中心軸線
回りに回転可能に形成されることにより、種々相互に異
なる仮想平面に沿って前記信号光を入射せしめると共に
該仮想平面に垂直な面内で反射または屈折させて任意の
被検面の大きな入射角で入射可能にしたことを特徴とし
た特許請求の範囲１項に記載の被検面の形状誤差の光学
的検出装置。
【請求項５】前記第１の光学系は、前記信号光を第１及
び第２の２つの信号光に分離する分光素子と、該第１、
第２の信号光を２つの被検面に対してそれら被検面に対
向した互いに平行な２つの仮想平面に沿って導入する入
射光学素子群とを具備してなり、また、前記第２、第３
の光学系は、前記２つの被検面の夫々に大きな入射角で
前記第１、第２の信号光を入射させ、その正反射光を取
り出すように２組の偏向光学系として設けられ、更に、
前記第４の光学系も取り出された２つの正反射光を前記
所定位置に設けられた前記光学部材に向けて出射させる
２組の出射光学系として構成されていることを特徴とし
た特許請求の範囲１項に記載の被検面の形状誤差の光学
的検出装置。
【請求項６】前記第１の光学系の入射光学素子群と前記
第２、第３の光学系の２組の偏向光学系と前記第４の光
学系の２組の出射光学系とは互いに平行な２つの左右平
面上に分離・配置された左右２組の光学的測定系として
形成され、該左右２組の光学的測定系を前記左右平面の
接近、離間方向及びそれら平面に沿う方向に相対移動可
能にする移動機構が具備されて、前記第１、第２の信号
光を各被検面の最適な位置に入射せしめ得るようにした
ことを特徴とした特許請求の範囲５項に記載の被検面の
形状誤差の光学的検出装置。