专利名称：表面检查设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对检查对象的表面情况进行检查的表面检查设备。
背景技术：
对于检查筒形检查对象的内周表面的设备，已知的表面检查设备在使中空轴状的检查头绕其轴线旋转的情况下，沿检查头的轴向驱动出检查头。该表面检查设备将检查头插入检查对象的内部，从检查头的外周照射用作检查光的激光束，沿轴向从一端向另一端对检查对象的内周表面进行步进扫描，通过检查头接收来自检查对象的对应于扫描的反射光，并基于所接收的反射光的光量而确定检查对象的内周表面的情况，例如是否存在缺陷等(例如参见专利文献1)。另外，对于检查检查对象的表面(例如，筒形对象的内表面)的设备，上述表面检查设备通过驱动机构使得在末端设有光程改变装置的轴状检查头绕其轴线旋转的同时，使该检查头沿其轴线运动。同时，该表面检查设备通过光程改变装置改变沿轴线入射到检查头内部的检查光的光程，向孔的内表面施加光程被改变的检查光，并基于从内表面反射并再次入射到检查头内部的光的光量而检测内表面的情况。在该表面检查设备中，检查头构造成包括所述光程改变装置的单元。因而，当光程改变装置被涂污时，从驱动机构移除整个检查头，然后清洁光程改变装置。另外，当光程改变装置受损时，或者当有必要使布置成与锥形孔的倾斜度配合的光程改变装置来检查锥形孔的内表面时，更换整个检查头。专利文献1 JP11-A-28158
发明内容
本发明待解决的问题在上述表面检查设备中，为了提高检查效率，有必要加速检查头的旋转。但是，在加速检查头的旋转时，对于检查头的旋转中的振动需要更高精度。为了实现所述需要，检查头支撑结构必须具有适当的精度。另外，当在为了维修和检查而移除安装检查头或者更换检查头的同时在检查头中出现偏心时，有必要进行使检查头对中的作业。在花时间进行所述作业时，检查效率可能变差。另外，当从驱动机构移除整个检查头并将检查头再次安装在驱动机构中时，除了移除和安装检查头的作业之外，还必须再次进行检查头与驱动机构的对中。因而，消耗较长的作业时间。另外，当更换光程改变装置时，更换检查头也是一个成本问题。本发明的一个目的是提供一种检查头支撑结构，其能够提高检查头旋转中的振动精度，并能够减轻或消除移除和安装检查头或者更换检查头时对中作业的负担。另外，本发明的另一目的是提供一种表面检查设备，其能够以低成本容易地清洁和更换光程改变装置。解决问题的手段根据本发明一方面的检查头支撑结构应用于表面检查设备，所述表面检查设备在使检查头绕其轴线旋转的情况下从所述检查头的外周向检查对象照射检查光，接收从所述检查对象向所述检查头反射的反射光，并基于所述反射光的光量而对所述检查对象的表面进行检查，其中所述检查头包括中空的管状轴承装配部和从该轴承装配部向该检查头末端侧延伸的主轴部，所述检查头支撑结构包括同轴地布置在所述检查头的轴承装配部内的头支撑轴；一对轴承，所述一对轴承沿所述检查头的轴向彼此间隔一距离地布置在所述头支撑轴的外周与所述轴承装配部的内周之间，并且能够分别施加径向负载和单向轴向负载；多个内圈限制装置，每个内圈限制装置将所述一对轴承的各内圈限制在位于所述头支撑轴上方的轴向恒定位置处；呈筒形或环形形状的第一压力预载部件和第二压力预载部件，它们以可相对于所述检查头沿轴向运动的方式并排布置在所述一对轴承的外圈之间； 弹簧装置，该弹簧装置布置在所述第一压力预载部件和第二压力预载部件之间，并且各弹簧装置朝向所述一对轴承的各外圈推动各压力预载部件；布置在所述第一压力预载部件与所述轴承之一的外圈之间的弹性材料环，该弹性材料环的外周与所述轴承装配部的内周接触；以及多个外圈限制装置，各外圈限制装置通过布置在所述轴承装配部内的第一限制部和可拆装地布置在所述检查头的基端部的第二限制部，从外侧沿轴向限制所述一对轴承的各外圈，其中，所述检查头构造成，在所述检查头包含有所述轴承装配部和所述主轴部的情形下，通过从所述检查头移除所述第二限制部，能够从所述一对轴承的上方朝向所述末端侧沿轴向取出所述检查头。由此，可以解决上述问题。根据本发明的支撑结构，当第一和第二压力预载部件被弹簧装置推动时，所述一对轴承的外圈被轴向向外推动，从而向各轴承施加预载压力。以这种方式，可以通过减少轴承中的松动而提高检查头在旋转中的振动精度。当有必要移除检查头时，可以通过从检查头移除外圈限制装置的第二限制部并且从轴承的上方朝向末端侧沿轴向取出轴承装配部， 在检查头包含其轴承装配部和主轴部的状态下，一体地移除检查头。于是，在将检查头安装到轴承时，仅必须通过将检查头的轴承装配部装配到轴承的外周之上，将外圈限制装置的第二限制部安装到检查头的基端部上。没有必要将主轴部与轴承装配部分开。由于可以按照这样的方式在不移除轴承装配部和主轴部的情况下从轴承一体移除检查头，因此不必在将轴承装配部安装到轴承上之后在轴承装配部与主轴部之间进行对中作业。因而，可以减小或消除在拆装或更换检查头时的对中作业的负担。此外，通过弹簧装置的力使弹性材料环与轴承装配部的内周和轴承之一的外圈紧密接触，可以在这些接触表面之间施加摩擦力。由此，即使增加检查头旋转中的加速度或减速度，在轴承装配部与轴承的外圈之间也几乎不会产生滑动。因而，通过抑制由于滑动导致的轴承装配部的内表面磨损并抑制旋转中的振动精度的暂时变差，可以长时间地保持旋转中的高振动精度。在本发明的一方面中，多个弹簧部件作为所述弹簧装置可以沿所述检查头的周向以相等间隔布置在所述压力预载部件之间。通过用多个弹簧部件沿周向以共享方式推动压力预载部件，可以向轴承均勻地施加预载压力。因而，可以抑制由于预载压力负载的不平衡导致的旋转性能变差。
在本发明的一方面中，可以布置有0形环作为所述弹性材料环。通过使用作为密封部件能以低成本容易地获得的0形环作为弹性材料环，能以低成本容易地实施所述支撑结构。在本发明的一方面中，在所述轴承的外圈与所述检查头的轴承装配部之间的配合公差可以设在松配合范围内。通过将配合公差设在松配合范围内，可以更容易地从轴承移除轴承装配部。即使配合公差在松配合范围内，由于弹性材料环与轴承装配部紧密接触，因此在轴承装配部中也不会产生径向松动，从而旋转中的振动精度不会变差。在本发明的一方面中，所述检查头的轴承装配部可以形成为不能从所述主轴部拆卸所述轴承装配部的一体结构。由于如上所述可以从轴承一体地移除轴承装配部和主轴部，因此即使预先将轴承装配部和主轴部形成为不能拆卸的一体结构，也可以毫不困难地移除检查头。另外，通过将这些部件形成一体结构，可以消除在轴承装配部与主轴部之间产生偏心的可能性，从而可预先防止旋转中的振动精度变差。根据本发明另一方面的表面检查设备通过驱动装置使轴状检查头绕其轴线旋转的同时使所述检查头沿所述轴线运动，其中在所述轴状检查头的末端设有光程改变装置， 该表面检查设备同时通过所述光程改变装置改变沿所述轴线入射到所述检查头内部的检查光的光程，向检查对象照射光程被改变的检查光，基于被所述检查对象反射并再次入射到所述检查头内的检查光的光量而检测所述检查对象的表面情况，其中所述检查头包括附接于驱动装置的头主体，以及可拆装地设在所述头主体上并保持所述光程改变装置的保持部。由此，解决了上述问题。根据该表面检查设备，检查头由附接于驱动装置的头主体和保持光程改变装置的保持部这两个部件形成，并且保持部可从头主体移除并可安装到头主体中。由此，在更换光程改变装置时，在保持不触动附接于驱动装置的头主体的同时，可以仅移除和更换保持部。另外，在本发明的另一方面中，所述保持部可以按照受限方式布置在所述检查头的末端侧。由于这样将移除和安装的保持部以受限方式布置在所述检查头的末端侧，因此可以将保持部制造成较短形式，并且能以低成本制造更换部件。另外，在本发明的另一方面中，所述检查头可以包括待插入所述检查对象中的插入部，并且所述保持部可以比所述插入部更朝向所述驱动机构侧延伸。由此，可更换的保持部比所述插入部更朝向所述驱动装置侧延伸。因而，当预先制备具有不同长度的保持部时，例如可以根据待检查孔的内周的深度立即将保持部更换为具有合适长度的保持部。另外，由于头主体与保持部之间的接合部需要诸如螺钉的可移除结构，因此接合部需要比其它部分更厚。但是，根据该方面，由于保持部比插入部更朝向驱动装置侧延伸，因此接合位置位于插入部的外侧。因而，由于在插入部中不存在接合部，可以将插入部制成更纤细的形式，从而具有纤细末端的检查头可以制造成能够检查小孔的内部。另外，所述保持部可以包括外管形体和内管形体，所述外管形体可从所述头主体移除并可安装到所述头主体，所述内管形体保持所述光程改变装置，并可从所述外管形体的内部移除且可安装到所述外管形体的内部。由于可以进一步将保持光程改变部件的内管形体从可从头主体移除的外管形体移除，所以在更换光程改变部件时仅必须更换内管形体，从而能以低成本进行更换。
另外，在本发明的另一方面中，所述外管形体的末端闭合，在所述外管形体的管形侧表面上设有半透明孔，所述内管形体的两端开口，在所述内管形体的管形侧表面上设有半透明孔，在所述半透明孔中装配有半透明部件，并且在所述管形侧表面的内表面上可以设有多个狭缝，使狭缝相对于所述半透明孔对称并且相对于所述内管形体的轴线以预定角度倾斜。在该方面中，可以将例如作为镜的矩形或圆形光程改变部件插入内管形体的狭缝中，使其两端夹在所述狭缝之间，并且通过将狭缝制成为使得狭缝的角度与用作检查对象的孔的倾斜度相配，而可以容易地将光程改变部件的角度保持为预定角度。此外，由于内管形体的两端开口，所以即使在光程改变部件安装到内管形体的狭缝之后，也可以容易地接近被光程改变部件划分的内管形体内部的两个空间。由此，当内管形体整体不平衡时，可以例如调整光程改变部件的后部空间中粘合剂的位置和体积，从而在将光程改变部件安装到外管形体之前，容易地调整所述平衡。另外，当光程改变部件的表面被涂污时，可以容易地擦除污点。此外，由于内管形体插入到末端闭合的外管形体中，因此不能从外部可视地看到在其中通过粘合剂等调整平衡的空间，从而外观不会受损。由于内管形体和外管形体设有半透明孔，因此光程被光程改变部件改变了的检查光可以穿过这些半透明孔并照射检查对象。但是，由于半透明部件装配到内管形体的半透明孔中，因此防止了灰尘等进入检查头的内部。发明效果根据上述支撑结构，检查头被能够承受径向负载和单向轴向负载的一对轴承可旋转地支撑，另外可以向这些轴承中的每一个施加预载压力。由此，可以通过减少轴承的松动而提高检查头在旋转中的振动精度。由于检查头可以一体地从轴承移除并安装到轴承，因此在不移除检查头的轴承装配部和主轴部的情况下将轴承装配部安装到轴承上方之后，不必在轴承装配部与主轴部之间进行对中作业。因而，可以减轻或消除在移除和安装检查头或者更换检查头时对中作业的负担。另外，通过弹簧装置的力使弹性材料环与轴承装配部的内周和轴承之一的外圈紧密接触，从而在这些接触表面之间施加摩擦力。由此，即使增加检查头旋转中的加速度或减速度，在轴承装配部与轴承的外圈之间也几乎不会产生滑动。 以这种方式，通过抑制由于滑动导致的轴承装配部的内表面磨损并抑制旋转中的振动精度的暂时变差，可以长时间地保持旋转中的高振动精度。此外，通过增加旋转加速度或减速度并由此减少检查所需的时间，可以提高检查效率。另外，根据上述表面检查设备，由于可以从检查头中的头主体移除光程改变装置的保持部并可将该保持部安装到所述头主体，因此在更换光程改变装置时可以仅移除和更换保持部，而不移除附接于驱动装置的头主体。由此，能以低成本容易地清洁和更换光程改变装置。


图1是表示本发明第一实施方式中的表面检查设备的示意性结构的图。图2是表示组装在图1的表面检查设备中的检查头支撑结构的剖视图。图3是表示本发明第二实施方式中的表面检查设备的示意性结构的图。图4是图3所示的检查头的放大图。图5A是整个保持部的剖视图。
图5B是外管形体的剖视图。图5C是内管形体的剖视图。图6是表示本发明第三实施方式中的表面检查设备的检查头的图。
具体实施例方式图1表示本发明第一实施方式中的表面检查设备的示意性结构。表面检查设备1 是适于对检查对象100所设有的筒形内周表面IOOa进行检查的装置，包括用于进行检查的检查机构2、以及用于执行对检查机构2的操作控制并处理检查机构2等的测量结果的控制单元3。另外，检查机构2包括用作检测装置的检测单元5，该检测单元用于向检查对象 100投射检查光并接收来自检查对象100的反射光；以及驱动单元6，该驱动单元用于使检测单元5以预定方式作业。检测单元5包括用作检查光的光源的激光二极管11 (以下将称为LD)；光电探测器12(以下将称为PD)，其接收来自检查对象100的反射光，并输出与每单位时间的反射光的光量(反射光的强度)相对应的电流或电压信号；投光光纤13，其将从LD 11投射的检查光朝向检查对象100引导；受光光纤14，其将来自检查对象100的反射光向PD 12引导； 将这些光纤13、14保持为捆束状态的保持管15 ；以及中空的轴状检查头16，该检查头在保持管15的外部与保持管15同轴布置。检查头16还通过图2所示的支撑结构7在保持管 15的外部被可旋转地支撑。稍后将对支撑结构7的细节进行描述。返回图1，在保持管15的末端布置有透镜17，该透镜沿检查头16的轴线AX方向 (以下将称为轴向)投射由投光光纤13引导的光束式的检查光，并将沿着检查头16的轴向与检查光反向传播的反射光向受光光纤14聚集。在检查头16的末端部(图1中的右端部)固定有用作光程改变装置的镜18，并且在检查头16的外周处与镜18相对地布置有光透射窗口 16a。镜18将从透镜17投射的检查光的光程改变为朝向光透射窗口 16a，并沿朝向透镜17传播的方向改变从光透射窗口 16a入射到检查头16内部的反射光的光程。驱动单元6包括线性驱动机构30、旋转驱动机构40和调焦机构50。线性驱动机构30设置成用作使检查头16沿轴向运动的线性驱动装置。为了实现该功能，线性驱动机构30包括基部31、固定在基部31上的一对导轨32、可沿着导轨32在检查头16的轴向上运动的滑动件33、与检查头16的轴线AX平行地布置在滑动件33侧的导向螺杆34、以及旋转驱动导向螺杆34的电机35。滑动件33用作支撑整个检测单元5的装置。也就是说，LD 11和PD 12固定于滑动件33，检查头16通过旋转驱动机构40附接于滑动件33，并且保持管15通过调焦机构50附接于滑动件33。另外，螺母36固定于滑动件33，导向螺杆34螺接到螺母36中。因而，通过电机35旋转驱动导向螺杆34，使滑动件33沿着导轨32在检查头16的轴向上运动，同时伴随有由滑动件33支撑的整个检测单元5沿检查头16轴向的运动。通过使用线性驱动机构30来驱动检测单元5，可以沿检查头16的轴向改变检查光在检查对象100的内周面IOOa上的照射位置(扫描位置)。在基部31的前端(图1中的右端)处布置有壁部31a，并且壁部31a设有与检查头16同轴的通孔31b。样件37附接于通孔31b。样件37设置成用于确定表面检查设备1 的操作情况的样品，并且在其中心线上设有与检查头16同轴的通孔37a。通孔37a具有可供检查头16穿过的内径，检查头16穿过通孔37a并被驱动出而进入检查对象100的内部。
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旋转驱动机构40设置为使得检查头16绕轴线AX旋转的旋转驱动装置。为了实现该功能，旋转驱动机构40包括用作旋转驱动源的电机41以及将电机41的旋转传递给检查头16的传动机构42。对于传动机构42，可以使用诸如带传动装置或齿轮系的公知的旋转传动机构，但是在该实施方式中使用带传动装置。通过经由传动机构42将电机41的旋转传递给检查头16，检查头16在内部固定有镜18的同时绕轴线AX旋转。通过使用旋转驱动机构40使检查头16旋转，可以沿检查对象100的周向改变检查光在检查对象100的内周面IOOa上的照射位置。另外，通过将检查头16沿轴向的运动与其绕轴线AX的旋转相结合，可以用检查光对检查对象100的内周面IOOa在其整个表面上进行扫描。应注意，保持管15并不随着检查头16的旋转而旋转。另外，旋转驱动机构40设有旋转编码器43，每当检查头16旋转过预定单位角度，该旋转编码器就输出脉冲信号。从旋转编码器43输出的脉冲信号的数量与检查头16的旋转量(旋转角度)有关，并且脉冲信号的周期与检查头 16的旋转速度有关。调焦机构50设置为以使得检查光聚焦在检查对象100的内周面IOOa上的方式沿轴线AX方向驱动保持管15的调焦装置。为了实现该功能，调焦机构50包括固定于保持管 15的基端部的支撑板51、布置在线性驱动机构30的滑动件33与支撑板51之间并沿检查头 16的轴向引导支撑板51的导轨52、与检查头16的轴线AX平行布置并螺接到支撑板51中的导向螺杆53、以及旋转驱动导向螺杆53的电机M。通过电机M旋转驱动导向螺杆53， 使支撑板51沿导轨52运动，从而使保持管15沿检查头16的轴向运动。以这种方式，可以按照使得检查光聚焦在检查对象100的内周面IOOa上的方式，调整从透镜17经由镜18到内周面IOOa的光程的长度。下面将描述控制单元3。控制单元3包括用作计算单元的算术处理单元60，其对表面检查设备1所进行的检查过程进行管理，对检测单元5的测量结果进行处理，等等；操作控制单元61，其根据算术处理单元60的指示对检测单元5中的各单元的操作进行控制； 信号处理单元62，其对PD 12的输出信号执行预定处理；用于向算术处理单元60输入用户指示的输入单元63 ；用于向用户呈现由算术处理单元60处理的检查结果等的输出单元64 ； 以及存储单元65，用于存储待在算术处理单元60中执行的计算机程序、测量数据等。算术处理单元60、输入单元63、输出单元64和存储单元65可以采用诸如个人计算机的通用计算机设备构成。在这种情况下，输入单元63设有诸如键盘和鼠标的输入装置，输出单元64 是监视器设备。可以向输出单元64增设诸如打印机的输出装置。对于存储单元65，可以使用诸如硬盘存储装置或半导体存储器的能够保存其内容的存储装置。操作控制单元61和信号处理单元62可以被实施为硬件控制电路或计算机单元。在对检查对象100的内周面IOOa的表面进行检查的情况下，算术处理单元60、操作控制单元61和信号处理单元62将以如下方式分别进行操作。应注意，在这种情况下，检查对象100与检查头16同轴布置。在检查开始时，算术处理单元60根据来自输入单元63 的指示而指示操作控制单元61开始进行对检查对象100的内周面IOOa进行检查所需的操作。接收到该指示的操作控制单元61使得LD 11以预定的强度照射，并同时以如下方式控制电机35和41的操作，使得检查头16以恒速沿轴向运动并绕轴线AX旋转。另外，操作控制单元61以如下方式控制电机M的操作，使得检查光聚焦在用作待检查表面的内周面 IOOa上。通过这些操作控制，用检查光对内周面IOOa从一端向另一端进行扫描。应注意，对于沿轴向驱动出检查头16，可以以恒速驱动出检查头16，或者使得检查头16以每转预定间距间歇地运动。与内周面IOOa的上述扫描相关联地，将PD 12的输出信号相继引向信号处理单元 62。信号处理单元62执行必需的模拟信号处理，以对算术处理单元60中的PD 12的输出信号进行处理，进一步以预定的位数对所处理的模拟信号进行模数(A/D)转换，并将所获得的数字信号作为反射光信号输出给算术处理单元60。对于由算术处理单元60执行的信号处理，可以适当地使用各种处理，包括非线性放大输出信号以扩大由PD 12检测的反射光的明暗差异的处理，以及从输出信号除去噪音分量的处理。也可以适当地组合快速傅立叶变换、反向傅立叶变换等。另外，通过将从旋转编码器43输出的脉冲序列用作取样时钟信号，而执行由信号处理单元62进行的A/D转换。以这种方式，生成在音调上与在检查头 16旋转过预定角度期间PD 12的受光量有关的数字信号，并且从信号处理单元62输出该数字信号。接收到来自信号处理单元62的反射光信号的算术处理单元60将所获取的信号存储在存储单元65中。此外，算术处理单元60通过利用存储在存储单元65中的反射光信号以平面方式生成检查对象100的内周面IOOa的放大的二维图像。该二维图像与使内周面 IOOa在二维正交坐标系统限定的平面中延伸的图像相对应，其中例如将检查对象100的周向设为χ方向，将检查头16的轴向设为y轴方向。此外，可以通过对从反射光信号获得的原始图像进行边缘处理、二元化处理等，而在算术处理单元60中生成二维图像时生成将待检测的缺陷等强化的二维图像。然后，算术处理单元60通过用预定的算法对所获得图像进行处理而确定在内周面IOOa上是否存在超过容许限度的缺陷等，并将确定结果输出给输出单元64。图2表示用于检查头16的支撑结构7的细节。应注意，在图2中，检查头16的右端部对应于支撑结构7的末端部，左端部对应于支撑结构7的基端部。支撑结构7采用布置在上述保持管15与检查头16之间的头支撑管8作为同轴布置在检查头16内的头支撑轴。头支撑管8由滑动件33支撑，并且保持管15以可沿轴向运动的方式插入头支撑管8 的内部。应注意，在图2中省略了对保持管15的显示。另外，检查头16具有将头主体16A 和在头主体16A的末端可沿轴向拆装地安装的镜壳体16B组合而成的结构。头主体16A设有用作轴承装配部的中空管状轴承壳体16b，以及从轴承壳体16b朝向检查头16的末端侧 (图2中的右端侧)延伸的主轴部16c。轴承壳体16b还用作支撑结构7的一部分。轴承壳体16b形成为不能从主轴部16c拆卸的一体结构。例如，通过从单个管状材料切削加工轴承壳体16b和主轴部16c而形成头主体16A。主轴部16c形成为具有比轴承壳体16b小的直径，从而可插入检查对象100的内部。应注意，镜壳体16B包括同轴固定于主轴部16c 的末端处的外管16d，以及通过例如粘合的固定措施同轴固定于外管16d的内周上的镜保持管16e。镜18附接于镜保持管16e。但是，只要镜18可以附接于检查头16的末端部，镜壳体16B就可以与头主体16A成一体而作为主轴部16c的一部分。在头支撑管8的外周与检查头16的轴承壳体16b的内周之间布置有一对轴承 20A、20B，这对轴承沿轴向彼此间隔开。轴承20A、20B是分别能够承受径向负载和单向轴向负载的角接触型球轴承。轴承20A、20B以如下方式组装到头支撑管8的外周上，使得相应外圈20ο的后表面(在较厚壁侧的表面)彼此相对。轴承20Α、20Β的相应外圈20ο与轴承壳体16b之间的配合公差设在松配合范围内，使得检查头16可容易地从轴承20A、20B移除并可容易地安装到轴承20A、20B。在头支撑管8的外周上设有台阶部8a，并且位于检查头16基端侧的轴承20A的内圈20i通过垫圈21抵靠台阶部8a。在轴承20A、20B的内圈20i之间在头支撑管8的外周上装配有套筒22，并且在轴承20B的内圈20i的末端侧通过套环23将防松螺母M螺接到检查头16中。以这种方式，将轴承20A、20B的相应内圈20i限制在头支撑管8上沿检查头 16轴向的恒定位置。也就是说，台阶部8a、垫圈21、套筒22、套环23和防松螺母M的组合用作内圈限制装置。在套筒22的外周上布置有用作第一压力预载部件的间隔件25和用作第二压力预载部件的弹簧轴承环26，该间隔件和弹簧轴承环沿检查头16的轴向并排布置。间隔件25 和弹簧轴承环26可相对于套筒22旋转，并且可相对于检查头16的轴承壳体16b沿轴向运动。在间隔件25和弹簧轴承环沈之间沿检查头16的周向(旋转方向)以相等间隔布置有多个螺旋弹簧27。尽管在图2中仅示出了两个螺旋弹簧27，在该实施方式中沿周向以相等间隔布置有八个螺旋弹簧27。但是，螺旋弹簧27的数量可以是任意的。螺旋弹簧27具有相同的结构。间隔件25和弹簧轴承环沈被这些螺旋弹簧27以周向均勻力朝向外圈20ο 推动。这些螺旋弹簧27用作弹簧装置。在间隔件25的与外圈20ο相对的端部上安装有用作弹性材料环的0形环28。0形环洲布置成分别与轴承20Β的外圈20ο的背面和检查头16的轴承壳体16b的内周接触。 另外，在轴承壳体16b内部设有用作第一限制部的台阶部16f，并且台阶部16f从末端侧在检查头16的轴向上限制轴承20B的外圈20ο。在轴承壳体16b的基端侧(图2中的左端侧)处布置有用作第二限制部的端帽四。端帽四螺接到轴承壳体16b的内周中。轴承20A 的外圈20ο被端帽四从基端侧沿检查头16的轴向限制。也就是说，台阶部16f和端帽四用作外圈限制装置。应注意，旋转编码器43的旋转盘43a附接于端帽四。另外，传动机构 42的带轮4 一体且可旋转地附接于轴承壳体16b的基端侧的外周上。外圈20ο被台阶部16f和端帽四从外侧轴向限制，并且在该状态下螺旋弹簧27 被适当地压缩。间隔件25和弹簧轴承环沈被螺旋弹簧27抵抗压缩的排斥力朝向外圈20ο 推动。以这种方式，弹簧轴承环沈推靠外圈20ο的基端侧的背面，并向轴承20Α施加预载压力。另一方面，安装在间隔件25上的0形环观被螺旋弹簧27的力而推靠外圈20ο的基端侧的背面，并向轴承20Β施加预载压力。另外，0形环观被螺旋弹簧27的力轴向压缩， 由此0形环观沿检查头16的径向膨胀。以这种方式，0形环观与轴承壳体16b的内周紧密接触，并在二者之间施加合适的摩擦力。根据上述支撑结构7，使用角接触轴承作为可旋转地支撑检查头16的轴承20A、 20B，通过螺旋弹簧27的力向轴承20A、20B施加预载压力。由此，与使用通用的深槽球轴承的情况相比，可以减少轴承20A、20B中的松动，可以提高检查头16旋转中的振动精度。另外，由于沿周向以相等的间隔布置有多个螺旋弹簧27作为弹簧装置，因此可以均勻地向轴承20A、20B施加预载压力。当有必要移除检查头16时，可以通过使检查头16的轴承壳体16b相对于端帽四沿松动螺钉的方向旋转，从轴承20A、20B的外周朝向末端侧取出检查头16。以这种方式，可以一次移除检查头16的头主体16A或整个检查头16。在安装检查头16时，也可以通过将
10轴承壳体16b插入轴承20A、20B的外周之上并将端帽四螺接于其中，而一次安装检查头16 的头主体16A或整个检查头16。在安装轴承壳体16b之后，不必在轴承壳体16b与其主轴部16c之间进行对中作业。另外，将轴承20A、20B的外圈20ο与轴承壳体16b之间的配合公差设在松配合范围内，可以从轴承20A、20B容易地移除检查头16。此外，由于间隔件25 设有0形环观并且0形环观与轴承壳体16b的内周紧密接触，因此即使在以松配合将轴承20A、20B装配在轴承壳体16b中的结构中，在轴承壳体16b中也不会产生径向松动，从而旋转中的振动精度不会变差。此外，由于0形环28与轴承20B的外圈20ο和轴承壳体16b紧密接触，并且在它们之间施加摩擦力，因此即使当检查头16旋转中的加速度或减速度增加时，外圈20ο也不会相对于轴承壳体16b沿周向滑动。因而，不会产生由于外圈20ο与轴承壳体16b之间的滑动使得轴承壳体16b的内表面磨损。由此，也可以抑制旋转中的振动精度的暂时变差，从而可以长时间地保持旋转中的高振动精度。还具有的优点在于，增加旋转加速度和减速度可以通过减少检查所需的时间而提高检查效率。本发明并不限于上述实施方式，而可以各种形式进行实施。例如，在上述实施方式中，间隔件25和弹簧轴承环沈可以沿左右方向以之字形布置。第一压力预载部件和第二压力预载部件并不限于间隔件和弹簧轴承环的形状。只要它们具有筒形或环形形状并且以可沿轴向运动的方式并排布置在轴承的外圈之间，则可以对它们进行适当地修改。在上述实施方式中，对于轴承使用角接触型球轴承，但是轴承并不限于这种类型。只要轴承具有能够承受径向负载和单向轴向负载的结构，就可以通过沿其轴向施加预载压力并由此消除轴承中的松动，而提高检查头在旋转中的振动精度。作为实施例，可以使用圆锥滚子轴承。弹簧装置并不限于螺旋弹簧，可以使用诸如盘簧或片簧的各种弹簧装置。弹性材料环并不限于0形环，只要其具有环形形状并且是能够在其整个周边与检查头的内周接触的同时弹性变形的部件，则可以对其进行适当地改变。轴承装配部和主轴部的一体结构可以适当地改变，只要不必在安装检查头之后对二者进行对中作业即可。例如，可以通过将轴承装配部和主轴部焊接接合，在接合之后对轴承装配部和主轴部中的至少任一个进行切削或磨削以使二者的中心彼此对准，而使轴承装配部和主轴部成一体。即使在通过诸如螺栓的可移除接合装置将轴承装配部和主轴部接合时，也可以在对二者对中之后设置诸如定位销的偏心防止装置，从而消除了二者之间偏心的可能性，使得轴承装配部和主轴部形成为基本上不能拆卸的一体结构。另外，即使当轴承装配部和主轴部形成为可以拆卸的结构，只要可以在不拆卸轴承装配部和主轴部的情况下，沿检查头的轴向从轴承朝向末端侧取出轴承装配部，也就不必在安装检查头时拆卸检查头、轴承装配部和主轴部，由此可以减少或消除对中作业的负担。本发明的检查头支撑结构可以应用于各种形式的表面检查设备，只要检查头绕其轴线旋转即可。例如，本发明的支撑结构可以甚至应用于不具有使检查头沿轴向运动的机构的表面检查设备。检查头或者用于照射检查光并接收反射光的结构的形状也并不限于上述实施方式，可以进行适当修改。例如，本发明的支撑结构甚至可以应用于其中在检查头的外周上设有发光元件和受光元件的表面检查设备。图3表示本发明第二实施方式中的表面检查设备的示意性结构。表面检查设备 101是适于对检查对象200所设有的筒形内周面200a进行检查的装置，并包括用于进行检查的检查机构102、以及用于执行对检查机构102的控制操作并处理检查机构102的测量结果等的控制单元103。另外，检查机构102包括检测单元105，该检测单元用于向检查对象 200投射检查光并接收来自检查对象200的反射光；以及驱动单元106，该驱动单元用于使检测单元105以预定方式作业。检测单元105包括用作检查光的光源的激光二极管(LD)Ill ；光电探测器 112 (以下将称为PD)，其接收来自检查对象200的反射光，并输出与每单位时间的反射光的光量(反射光的强度)相对应的电流或电压的电信号；投光光纤113，其将从LD 111照射的检查光朝向检查对象200引导；受光光纤114，其将来自检查对象200的反射光向PD 112 引导；将这些光纤113、114保持为捆束形式的保持管115 ；以及中空的轴状检查头116，该检查头同轴布置在保持管115的外部。应注意，稍后将对检查头116的细节进行描述。在保持管115的末端布置有透镜117，该透镜沿检查头116的轴线A)Ca方向(以下将称为轴线 A)Ca方向)投射由投光光纤113引导的呈光束形状的检查光，并将沿着检查头116的轴线 AXa方向与检查光反向传播的反射光聚焦在受光光纤114上。在检查头116的末端部(图 3中的右端部)布置有用作光程改变装置的镜118。驱动单元106包括线性驱动机构130、旋转驱动机构140和调焦机构150。线性驱动机构130设置成用作使检查头116沿其轴线A)Ca方向运动的线性驱动装置。为了实现该功能，线性驱动机构130包括基部131、固定在基部131上的一对导轨132、可沿着导轨132 在检查头116的轴线A)Ca方向上运动的滑动件133、与检查头116的轴线A)Ca平行地布置在滑动件133侧的导向螺杆134、以及旋转驱动导向螺杆134的电机135。滑动件133用作支撑整个检测单元105的装置。也就是说，LD 111和PD 112固定于滑动件133，并且检查头 116通过旋转驱动机构140附接于滑动件133。保持管115通过调焦机构150附接于滑动件133。另外，导向螺杆134螺接到固定于滑动件133的螺母136中。因此，通过电机135 旋转驱动导向螺杆134，使滑动件133沿着导轨132在检查头116的轴线AXa方向上运动， 由滑动件133支撑的整个检测单元105与沿检查头116的轴线A)Ca方向的运动一起运动。 通过使用线性驱动机构130来驱动检测单元105，可以沿检查头116的轴线AXa的方向改变检查光在检查对象200的内周面200a上的照射位置。旋转驱动机构140设置成使得检查头116绕轴线A)Ca旋转的旋转驱动装置。为了实现该功能，旋转驱动机构140包括安装在保持管115与检查头116之间以可绕轴线AXa 旋转的方式支撑检查头116的轴承139 ；用作旋转驱动源的电机141 ；以及用作将电机141 的旋转传递给检查头116的传动机构的带142。应注意，传动机构并不限于带142，可以采用诸如齿轮系的其它旋转传动机构。通过经由带142将电机141的旋转传递给检查头116，检查头116与镜118 —起绕轴线AXa旋转。通过使用旋转驱动机构140使检查头116旋转， 可以沿检查对象200的周向改变检查光在检查对象200的内周面200a上的照射位置。于是，通过将检查头116沿轴向的运动与其绕轴线A)Ca的旋转相结合，可以用检查光对检查对象的整个内周面200a进行扫描。调焦机构150设置为以使得检查光聚焦在检查对象200的内周面200a上的方式沿轴线A)Ca方向驱动保持管115的调焦装置。为了实现该功能，调焦机构150包括固定于保持管115的基端部的支撑板151、布置在线性驱动机构130的滑动件133与支撑板151之间并沿检查头116的轴向引导支撑板151的导轨152、与检查头116的轴线A)Ca平行布置并螺接到支撑板151中的导向螺杆153、以及旋转驱动导向螺杆153的电机154。通过电机巧4旋转驱动导向螺杆153，使支撑板151沿导轨152运动，从而使保持管115沿检查头116 的轴线Afe方向运动。因而，可以按照使检查光聚焦在检查对象200的内周面200a上的方式，调整从透镜117经由镜118到内周面200a的光程的长度。控制单元103包括用作计算单元的算术处理单元160，其对表面检查设备101进行的检查过程进行管理，对测量结果进行处理，等等；操作控制单元161，其根据算术处理单元160的指示对检查机构102中的各单元的操作进行控制；信号处理单元162，其对PD 112的输出信号执行预定处理；用于向算术处理单元160输入用户指示的输入单元163 ；用于向用户呈现算术处理单元160中的测量结果等的输出单元164 ；以及存储单元165，用于存储待在算术处理单元160中执行的计算机程序、测量数据等。算术处理单元160、输入单元163、输出单元164和存储单元165可以采用诸如个人计算机的通用计算机设备构成。在这种情况下，输入单元163设有诸如键盘和鼠标的输入装置，输出单元164是监视器设备。 可以向输出单元164增设诸如打印机的输出装置。对于存储单元165，可以使用诸如硬盘存储装置或半导体存储器的能够保存其内容的存储装置。操作控制单元161和信号处理单元 162可以被实施为硬件控制电路或计算机单元。图4是检查头116的放大图。如上所述，检查头116包括通过带142附接于电机 141的头主体170 ；以及保持部171，其可拆装地布置在头主体170的末端处并保持镜118。头主体170包括通过轴承139可旋转地安装在保持管115周围的保持管外部172， 以及从保持管外部172朝向其末端沿轴向延伸的中空延伸部173。以使中空延伸部173的外径变小的方式切除其末端，并且切除部设有螺纹部173a。保持部171包括外管形体175，其可以从头主体170的中空延伸部173移除并可安装到该中空延伸部；以及内管形体176，其保持镜118并可以从外管形体175的内部移除且可安装到外管形体175的内部。图5A是整个保持部171的剖视图，图5B是外管形体175 的剖视图，图5C是内管形体176的剖视图。图5B所示的外管形体175是末端17 闭合的管形体，并且管形体的管形侧表面设有圆形半透明孔17恥。另外，在外管形体175的另一端内部设有螺纹部175c。在图5C所示的内管形体176中，其两端开口，并在其管形侧表面设有直径大于外管形体175的半透明孔17 的直径的圆形半透明孔176a。例如将诸如玻璃的半透明部件 176b装配到半透明孔176a中。另外，在内管形体176的内表面的两侧设有相对于半透明孔 176a对称的多个狭缝176c，并且所述狭缝相对于轴线AXa以预定角度倾斜，镜118装配到狭缝176c中。下面将对该实施方式的操作进行描述。首先，表面检查设备101布置成使得检查对象200的轴线与如图3所示的轴线A)Ca对准。制备内管形体176，在该内管形体中设置有能够布置镜118的狭缝176c。镜118以使得沿着轴线A)Ca传播的检查光的光程改变的角度布置，使得以预定角度相对于轴线AfeM斜的检查对象200的内周面200a(内周面200a 处于相对于图3中的轴线AXa以0°角度倾斜的平行状态)被检查光垂直照射。然后，如图5C所示，将镜118布置于狭缝176c。当在布置有镜118的状态下，内管形体176的重心没有位于轴线Afe上时，通过调整在镜118的后部空间176d中用于固定镜118的粘合剂的位置和体积，而调整整个内管形体176的平衡。由此，根据该实施方式，由于内管形体176
13的两端开口并因而可以接近内管形体176的后部空间176d，因此可以容易地调整内管形体 176的平衡。接着，从外管形体175的前表面将内管形体176插入外管形体175内，并将内管形体176布置成使得外管形体175的半透明孔17 的中心与内管形体176的半透明孔176a 的中心对准，从而完成保持部171。根据该实施方式，由于外管形体175的末端175a闭合，因此从外部不能可视地看到在其中通过粘合剂等对镜118的平衡进行调整的后部空间176d， 因此不会有损外观。然后，通过将外管形体175的螺纹部175c螺接到在头主体170端部处的螺纹部 173a中，将保持部171固定于头主体170的端部，如图4所示，从而完成检查头116。在这种情况下，由于是螺纹安装型，因此可以容易地安装。应注意，头主体170的保持部171和中空延伸部173用作待插入检查对象200的内表面200a内的插入部181。接着，通过轴承139将头主体170的保持管外部172安装在保持管115的外部，并且通过对中机构(未示出)进行头主体170与保持管115的对中。之后，当从图3所示的输入单元163指示开始操作时，从算术处理单元160向操作控制单元161指示开始进行对检查对象200的内周面200a进行检查所需的操作。接收到该指示的操作控制单元161使得LDlll以预定的强度照射，并同时以如下方式控制电机135和141的操作，即，使得检查头116以恒速沿轴线A)Ca方向运动并以恒速绕轴线A)Ca旋转。另外，操作控制单元161以如下方式控制电机154的操作，使得检查光聚焦在用作待检查表面的内周面200a上。通过这些操作控制，检查光从LD 111经由投光光纤113穿过透镜117，之后沿着轴线Afe在中空延伸部173中传播，通过保持部171的镜118改变光程，穿过半透明部件176b而经过半透明孔176a和半透明孔175b，从一端向另一端以螺旋的方式对内周面200a进行扫描。应注意，在检查内周面200a时，由于半透明部件176b装配到内管形体176的半透明孔176a中， 因此在检查期间灰尘等不会进入保持部171内部。然后，在作用于内周面200a的检查光当中，被内周面200a反射并到达半透明孔 175b的光穿过半透明部件176b而经过半透明孔176a，并且其光程在镜118处再次改变而沿轴线A)Ca在中空延伸部173中反向传播，并经过透镜117，入射到受光光纤114上，并且被引导到图3所示的PD 112。然后，引导到PD 112的光被传送到信号处理单元162，从信号处理单元162输出的反射光信号被算术处理单元160处理，并作为二维图像被输出单元 164显示。于是，通过该二维图像了解内表面的情况。当在这种方式的检查过程中镜被涂污或者当镜破碎时，或者当有必要检查具有不同倾斜度的内周面200a时，有必要清洁或更换镜。在这种情况下，通过使保持部171相对于头主体170旋转，从头主体170的螺纹部173a取出保持部171的螺纹部175c。然后，从外管形体175拉出内管形体176。之后，当镜被涂污时，进行诸如擦除镜的污点之类的清洁。 在这种情况下，由于内管形体176的两端开口，因此可以容易地清洁镜的表面。当镜破碎时，更换镜，或者将内管形体176更换为附接有新镜的另一内管形体176。当检查具有不同倾斜度的孔时，将其更换为内管形体176，在该内管形体176的以不同角度设置的狭缝176c 中安装有镜118。而且在这种情况下，当内管形体176的重心没有位于轴线A)Ca上时，有必要在将内管形体176插入外管形体175内之前调整平衡调整。但是，由于内管形体176的前端开口，因此可以容易地接近镜118的后表面空间176d，从而可以容易地调整镜118的平
接着，以与上述相似的方式，从外管形体175的前表面将内管形体176插入外管形体175内，并将内管形体176布置成使得外管形体175的半透明孔17 的中心与内管形体 176的半透明孔176a的中心对准，从而完成保持部171。而且在这种情况下，由于外管形体 175的前表面闭合，因此从外部不能可视地看到在其中通过粘合剂等调整平衡的镜118的后表面空间，因此不会有损外观。然后，通过将外管形体175的螺纹部175c螺接到设在头主体170末端处的螺纹部 173a中，将保持部171固定于头主体170，从而再次完成检查头116。在这种情况下，已经使头主体170与旋转驱动机构140对中，因此不必再进行调整。如上所述，根据该实施方式，由于镜118的保持部171可以从检查头116中的头主体170移除并可安装到头主体170，所以在更换镜118的情况下，可以仅移除和更换保持部 171，而不移除附接于旋转驱动机构140的头主体170。由此，能以低成本容易地清洁和更换镜 118。接下来将对本发明的表面检查设备的第三实施方式进行描述。图6是表示第三实施方式中本发明的表面检查设备的检查头216的图。应注意，由于该实施方式和第二实施方式除了检查头216之外均相同，因此省略对检查头216之外的部件的描述。检查头216包括旋转驱动机构、通过该旋转驱动机构附接于线性驱动机构的头主体220、以及可拆装地附接于头主体220并保持镜218的保持部271，该镜以与第二实施方式中的检查头216相似的方式作为光程改变部件。但是，与第二实施方式的不同之处在于， 头主体220并不包括插入检查对象中的插入部观1，也就是说，在检查头的中心延伸的中空延伸部273并没有包括在头主体220中，而是包括在保持部271中。保持部271包括布置在其末端处的外管形体275和内管形体276、从外管形体275 沿轴线A)Ca向驱动机构侧延伸的中空延伸部273、以及布置在中空延伸部273的基端部处的插入部观0。内管形体276具有与第二实施方式中的内管形体176相同的形状。外管形体 275也具有与第二实施方式中的外管形体175基本相同的形状，但是与其不同之处在于，在开口侧的内侧表面上未设有螺纹部。另外，在中空延伸部273的末端上未设有螺纹部，而是设有以使延伸部273外径变小的方式切除的切除部273a。切除部273a的外径与外管形体 275的内径几乎相等。从切除部273a向驱动机构侧延伸的中空延伸部273的中部27 的外径与外管形体275的外径相等。然后，在内管形体276布置在外管形体275内的情形下， 将外管形体275装配并附着于中空延伸部273的末端，形成整体上具有均勻直径的插入部 2810在中空延伸部273的基端部处的外径变大。设有直径从该处沿朝向驱动机构侧的方向逐渐变小的锥形部280a，并在其更前方设有螺纹部280b，由此形成插入部观0。头主体220是包括保持管外部272的管形部件，该保持管外部通过轴承139安装在保持管115的外部。其末端的厚壁沿轴向形成，在厚壁部27 中在筒形部件的内周上设有锥形部观加，锥形部观加的直径沿着从末端朝向驱动机构侧的方向逐渐变小，在其更前方设有螺纹部^2b，由此形成用于接收上述插入部观0的接收部观2。在该实施方式中，外管形体275和中空延伸部273没有形成诸如内螺纹的可移除结构，而是简单地通过粘合剂等将两个筒形部件中的一个装配到另一个中并将它们结合。 由此，与其中它们具有在所述部分处设有螺纹部等的可移除结构的情况相比，它们能以更薄的形式制造。由此，可以使得插入部观1的直径较小，还可以检查小孔的内周面。另外， 可相对于头主体220拆装的保持部271与待插入检查对象中的插入部281相比，进一步向驱动机构侧延伸。因此，一旦预先制备具有不同长度的保持部271，例如可以根据孔的深度将保持部271更换为具有合适长度的保持部，由此可以快捷地应用于各种孔。此外，由于在保持部271基端侧的插入部280和在头主体220末端的接收部282设有锥形部^0a、282a， 因此可以容易地使保持部271与头主体220对中。 上面对本发明的优选实施方式进行了描述，但是本发明并不限于上述实施方式， 而可以实施为各种形式。例如，可以通过使彼此设有螺纹部而将保持部和头主体相接合，但是接合并不限于此，而可以为任何形式，只要其可以拆装即可。此外，安装镜的方法可以不是在内管形体的侧表面中设置狭缝这样的形式，而可以例如是单独设置保持部件这样的形式。此外，光程改变装置并不限于镜，而可以是棱镜等。
权利要求
1.一种表面检查设备，该表面检查设备通过驱动装置使轴状检查头绕其轴线旋转的同时使所述检查头沿所述轴线运动，其中在所述轴状检查头的末端设有光程改变装置，该表面检查设备同时通过所述光程改变装置改变沿所述轴线入射到所述检查头内部的检查光的光程，向检查对象照射光程被改变的检查光，基于被所述检查对象反射并再次入射到所述检查头内的检查光的光量而检测所述检查对象的表面情况，其中所述检查头包括附接于驱动装置的头主体，以及可拆装地设在所述头主体上并保持所述光程改变装置的保持部。
2.根据权利要求1所述的表面检查设备，其中，所述保持部以受限方式布置在所述检查头的末端侧。
3.根据权利要求1所述的表面检查设备，其中，所述检查头包括待插入所述检查对象中的插入部，并且所述保持部比所述插入部更朝向所述驱动机构侧延伸。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的表面检查设备，其中，所述保持部包括外管形体和内管形体，所述外管形体可从所述头主体移除并可安装到所述头主体，所述内管形体保持所述光程改变装置，并可从所述外管形体的内部移除且可安装到所述外管形体的内部。
5.根据权利要求4所述的表面检查设备，其中，所述外管形体的末端闭合，在所述外管形体的管形侧表面上设有半透明孔，所述内管形体的两端开口，在所述内管形体的管形侧表面上设有半透明孔，并在该半透明孔中装配有半透明部件，并且在所述管形侧表面的内表面上设有多个狭缝，使所述狭缝相对于所述半透明孔对称并且相对于所述内管形体的轴线以预定角度倾斜。
全文摘要
本发明提供一种表面检查设备，该表面检查设备通过驱动装置使轴状检查头绕其轴线旋转的同时使所述检查头沿所述轴线运动，其中在所述轴状检查头的末端设有光程改变装置，该表面检查设备同时通过所述光程改变装置改变沿所述轴线入射到所述检查头内部的检查光的光程，向检查对象照射光程被改变的检查光，基于被所述检查对象反射并再次入射到所述检查头内的检查光的光量而检测所述检查对象的表面情况，其中，所述检查头包括附接于驱动装置的头主体，以及可拆装地设在所述头主体上并保持所述光程改变装置的保持部。
文档编号G01N21/954GK102175694SQ201010584369
公开日2011年9月7日 申请日期2007年5月16日 优先权日2006年5月23日
发明者堀内一宏, 有户立也 申请人:麒麟工程技术系统公司