JP2011252838A - 筒状体形状測定装置および筒状体形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】筒状体の軸方向及び周方向の全面の外径と肉厚を同時に測定し、その内径および内外径中心線のずれである位置度を測定する装置及び方法を提供する。
【解決手段】筒状体形状測定装置１０は、筒状体１の外面を軸方向および周方向に三次元座標を測定するための三次元測定用プローブと、この三次元測定用プローブと所定の距離を隔てて配置され、筒状体１の厚さを測定するための探触子と、この三次元測定用プローブおよび探触子を搭載したプローブユニット１２を走査させる走査手段１３，１４と、走査手段１３，１４を制御して前記筒状体の軸方向および周方向にわたる外面を走査し、前記筒状体の周方向および軸方向の外径と肉厚とを計測し、この計測結果に基づいて前記筒状体の周方向および軸方向の内径と、前記筒状体の内外径中心線のずれである位置度を算出する三次元・厚さ測定器１１を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体の形状測定の技術に係り、特に、筒状体の軸方向および周方向の全面の外径と肉厚を同時に測定し、その内径および位置度（内外径の中心線のずれ）の測定に適した筒状体形状測定装置および筒状体形状測定方法に関する。

管の外径を測定する測定装置および測定方法は既知の技術であり、管の外径に加えて肉厚を測定すれば内径等の形状を測定することができることが知られている。

管の肉厚を測定する装置および方法については、例えば、特開２００９−２０４３７０号公報（特許文献１）に記載されるように、管の内側に超音波厚さ計を用いた測定装置を挿入し、その装置を回転させ全周の厚さを測定する装置および方法がある。

また、特許文献１に記載される装置および方法以外の例としては、例えば、特開２００７−３２７８４１号公報（特許文献２）に記載されるように、超音波厚さ計を用いて軸方向に全長の肉厚を連続的に測定する装置および方法がある。

一方、精密な加工の要求される筒状体の一例としては、原子炉の制御棒駆動軸がある。この様な原子炉の制御棒駆動軸は、例えば、特開２００３−１３０９８１号公報（特許文献３）に記載される。

特開２００９−２０４３７０号公報 特開２００７−３２７８４１号公報 特開２００３−１３０９８１号公報

上述した管の肉厚を測定する装置および方法では、その肉厚の測定は、周方向の全面または軸方向の全長の何れか一方に限られている。そのため、筒状体の肉厚を周方向および軸方向の全面で測定するとともに、当該筒状体の外径および内径を測定する装置および方法が望まれていた。

また、筒状体である原子炉の制御棒駆動軸は、内部に挿入された棒状の制御棒を円滑に引く抜くため、内径中心線と外径中心線のずれ（位置度）を小さくする必要があり、精密な加工が要求される。そのため、このような精密な加工が要求される筒状体では、筒状体の肉厚を周方向および軸方向の全面で測定するとともに、位置度も測定可能な装置および方法が望まれていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、筒状体の軸方向および周方向の全面の外径と肉厚を同時に測定し、その内径および位置度の測定に適した筒状体形状測定装置および筒状体形状測定方法を提供する。

本発明に係る筒状体形状測定装置は、上述した課題を解決するため、筒状体の軸方向および周方向にわたる外面を、三次元座標を測定するための三次元測定用プローブと、この三次元測定用プローブと所定の方向に所定の距離を隔てて配置され、前記筒状体の厚さを測定するための探触子とを走査させる走査手段と、この走査手段を制御して前記筒状体の軸方向および周方向にわたる外面を走査し、前記筒状体の周方向および軸方向にわたる外径と肉厚とを計測し、この計測結果に基づいて前記筒状体の周方向および軸方向にわたる内径と、前記筒状体の位置度を算出する測定データ演算手段と、を具備することを特徴とする。

本発明に係る筒状体形状測定方法は、上述した課題を解決するため、筒状体の外面を軸方向および周方向にわたる外面を、三次元座標を測定するための三次元測定用プローブと、この三次元測定用プローブと所定の方向に所定の距離を隔てて配置され、前記筒状体の厚さを超音波により測定するための探触子とを走査させる走査手段と、この走査手段を制御して前記筒状体の軸方向および周方向にわたる外面を走査し、前記筒状体の周方向および軸方向にわたる外径、肉厚、内径および位置度を計測する測定データ演算手段とを具備する筒状体形状測定装置を用いて行なう筒状体形状測定方法であり、前記測定データ演算手段が、前記三次元測定用プローブの位置する前記筒状体の外面の三次元座標を取得するステップと、前記測定データ演算手段が、前記筒状体の周方向および軸方向にわたり前記三次元座標が示す位置での肉厚を計測した厚さ計測手段から取得するステップと、前記筒状体の外面の三次元座標に基づいて当該筒状体の外径を求めるステップと、前記筒状体の外面の三次元座標に基づいて当該筒状体の外径中心線を求めるステップと、前記筒状体の外面の三次元座標と肉厚に基づいて当該筒状体の内径を求めるステップと、前記筒状体の外面の三次元座標と肉厚に基づいて当該筒状体の内径中心線を求めるステップと、求めた外径中心線および内径中心線に基づいて前記筒状体の位置度を求めるステップと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、筒状体の軸方向および周方向の全面の外径と肉厚を同時に測定し、その内径および内径中心線と外径中心線のずれである位置度についても測定することができる。

本発明の実施形態に係る筒状体の形状測定装置の構成を概略的に示した構成図。 本発明の実施形態に係る筒状体の形状測定装置の機能的な構成を示した機能ブロック図。 本発明の実施形態に係る筒状体の形状測定方法（形状測定処理手順）の処理ステップを示した処理フロー図。

以下、本発明の実施形態に係る筒状体の形状測定装置（以下、「筒状体形状測定装置」と称する。）および形状測定方法（以下、「筒状体形状測定方法」と称する。）について、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る筒状体形状測定装置の一例である筒状体形状測定装置１０の構成を概略的に示す構成図である。

図１に示される筒状体形状測定装置１０では、測定被対象物である筒状体１は液体で満たした液槽２に収めた状態でセット（位置決め）され、プローブユニット１２で三次元測定と、超音波を用いた厚さ測定とを同時に行ない、筒状体１の軸方向および周方向の全面の外径と肉厚を同時に測定する。そして、測定した外径と肉厚の測定データを演算処理し、その筒状体１の内径および位置度を算出することによって、外径、肉厚だけでなく内径および位置度もユーザへ提示することができる測定装置である。

ここで、液槽２を満たす液体は、超音波厚さ測定時の接触媒質（カプラント）として働く。また、筒状体１は、通常の配管等よりもはるかに厳しい精度（例えば、軸（長手）方向に約５０００ｍｍの範囲に亘って外径と内径の中心軸のずれである位置度が１．５ｍｍ以内）を要求される制御棒駆動軸である。この筒状体１は、事前に加工されており、本発明装置で測定後に、より精密な加工を行ない最終的な製品である制御棒駆動軸が製作される。

筒状体形状測定装置１０は、三次元測定機能、厚さ測定機能、測定データ演算機能、データ蓄積機能および測定結果表示機能を有する三次元・厚さ測定器１１を備え、筒状体１の外形（外径面）に沿って移動（走査）可能なプローブユニット１２と、このプローブユニット１２を筒状体１の外径面に沿って走査させる走査手段としてのプローブユニット移動手段１３および筒状体保持回転手段１４とが、それぞれ三次元・厚さ測定器１１と接続される。

三次元・厚さ測定器１１は、プローブユニット１２を筒状体１の軸方向に移動させるプローブユニット移動手段１３と筒状体１を保持したまま回転させる筒状体保持回転手段１４の動作を制御することによって、筒状体１に密着させたまま外周に沿って走査させることができ、筒状体１の軸方向および周方向の全面の外径、肉厚、内径および位置度を求めることができる。

三次元・厚さ測定器１１が有する三次元測定機能とは、空間上に任意に設定された基準点（０，０，０）から筒状体１の外形の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を求めるための機能である。三次元測定機能には、プローブユニット１２を走査させるための機能であるプローブ移動機能と、筒状体回転機能も含まれる。

厚さ測定機能は、図１の例では、プローブユニット１２の探触子から超音波を筒状体１へ入射させて筒状体１で生じた反射波（超音波エコー）を受信し、受信した反射波を信号処理して測定箇所における筒状体１の肉厚（厚さ）を求める超音波厚さ測定機能である。厚さ測定機能には、三次元測定機能と同様にプローブ移動機能と筒状体回転機能も含まれる。また、超音波を筒状体１へ入射させて筒状体１で生じた反射波（超音波エコー）を得るための超音波送信機能および超音波受信機能も含まれる。

測定データ演算機能は、三次元測定機能によって取得した筒状体１とプローブユニット１２が接する位置、すなわち、筒状体１の外形を示す三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）と厚さ測定機能によって取得した筒状体１の測定箇所における肉厚ｔと、格納された演算式とを用いて演算処理し、内径と位置度を算出する機能である。

データ蓄積機能は、データを所定のデータ記憶領域に格納して蓄積する機能であり、例えば、測定回を識別する情報（測定回識別情報）と、三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）、測定箇所（ｘ，ｙ，ｚ）における肉厚ｔ、演算結果である内径ｄ２および位置度（測定結果）とを対応付けて、三次元・厚さ測定器１１が有するデータ記憶領域に記憶し蓄積することができる。

測定結果表示機能は、測定結果をディスプレイ等の表示手段に表示する機能である。例えば、図１に示される筒状体形状測定装置１０では、三次元・厚さ測定器１１が有するディスプレイに三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）、測定箇所（ｘ，ｙ，ｚ）における肉厚ｔ、演算結果である内径ｄ２および位置度が表示される。

プローブユニット１２は、超音波厚さ測定用の探触子と、三次元測定用のプローブ（以下、「三次元測定用プローブ」と称する。）とを有する。探触子は、三次元測定用プローブと所定の距離を隔てて配置されており、測定時には、この位置関係を考慮した位置補正処理を行なう。この位置補正処理により、同じ三次元座標における外径と肉厚を測定した結果を正しく提示することが可能となる。

プローブユニット移動手段１３は、プローブユニット１２を筒状体１に密着させつつ筒状体１の軸方向（図１に示されるｚ軸方向）に移動させることができる。図１に示される筒状体１において、筒状体保持回転手段１４が筒状体１を保持する付け根位置から下方向に、すなわちｚ座標が正の方向にプローブユニット１２を走査させる。

尚、このプローブユニット移動手段１３によれば、筒状体１を保持する付け根位置よりもｚ座標が負の方向、すなわち上側ではプローブユニット１２を筒状体１に密着させることはできないが、当該箇所は予め掴みしろとして残してある箇所であるため、最終的に製品とはならない。すなわち、筒状体保持回転手段１４が筒状体１を保持する箇所については測定を要しない箇所である。また、プローブユニット移動手段１３は、プローブユニット１２と筒状体１との接触状態を良好に保つため、ｘ軸およびｙ軸方向にも移動できるように構成されている。

筒状体保持回転手段１４は、筒状体１の端部をクランプして保持し、筒状体１を保持したまま回転させることができる。筒状体保持回転手段１４が筒状体１を回転させる際、プローブユニット移動手段１３はプローブユニット１２を筒状体１に密着させた状態を保持する。

尚、図１に示される筒状体保持回転手段１４は、時計方向に回転させる例であるが、反時計回りに回転させても良いし、何れの方向にも回転できるようにしても良い。また、筒状体１の保持方法も図１に示されたものに限定されない。例えば、軸を中心にして回転可能なテーブル上に筒状体１を固定することによって筒状体１を保持するようにしても良いし、略円筒の棒状体を内径側に挿入し、内径側から筒状体１を保持して筒状体１を軸回転させるようにしても良い。

較正用試験片１６は、超音波厚さ測定の事前準備として、三次元・厚さ測定器１１の一機能である超音波厚さ計の較正を実施するためのものである。

尚、実際に筒状体形状測定を実施する際には、必ずしも、図１に示される液体を満たした液槽２に筒状体１を収めることを要さない。例えば、超音波厚さ測定直前に接触媒質として適用する液体を付着させながら（吹き付け続けて）測定することもできる。

また、プローブユニット移動手段１３の形状は、必ずしも図１に示されるものに限定されない。プローブユニット１２を筒状体１の外表面に密着させたまま移動させることができ、かつ、筒状体１を回転させてもプローブユニット１２を筒状体１の外表面に密着させた状態を維持できる限りにおいて任意である。

さらに、図１に示される筒状体形状測定装置１０ではプローブユニット１２の移動をｚ軸方向としているが、筒状体１の周方向に移動するように構成しても良い。この場合、筒状体保持回転手段１４に筒状体回転機能を持たせずに構成することができる。逆に、筒状体保持回転手段１４は筒状体１を回転させているが、これをｚ軸方向へ移動可能に構成しても良い。この場合、プローブユニット移動手段１３にプローブ移動機能を持たせずに構成することができる。

図２は筒状体形状測定装置１０の機能的な構成を示した機能ブロック図である。

筒状体形状測定装置１０は、三次元測定機能を有する三次元測定手段２１と、超音波厚さ測定機能を有する超音波厚さ測定手段２２と、ユーザの入力を受け付けて受け付けた内容を測定データ演算手段２７へ送る入力手段２３と、データを読み出し可能に記憶し格納する記憶手段２４と、測定データを蓄積するデータ蓄積手段２５と、測定結果を表示する表示手段２６と、筒状体１の形状測定に必要な演算処理を行なう測定データ演算手段２７とを具備する。

また、測定データ演算手段２７は、筒状体１の外径ｄ１を計測する外径計測部３１と、筒状体１の肉厚ｔを計測する厚さ計測部３２と、筒状体１の外径の中心線ｃｌ１を算出する外径中心線算出部３３と、筒状体１の内径ｄ２を算出する内径算出部３４と、筒状体１の内径の中心線ｃｌ２を算出する内径中心線算出部３５と、筒状体１の位置度を算出する位置度算出部３６と、外径計測部３１、厚さ計測部３２、外径中心線算出部３３、内径算出部３４、内径中心線算出部３５および位置度算出部３６を制御する測定制御部３７と、を備える。

三次元測定手段２１は、三次元測定器に相当する三次元測定機能を有し、プローブユニット１２（三次元測定用プローブ）を筒状体１の外形（外側の表面）に接触させて、接触点、すなわち、筒状体１の外径面の三次元座標（例えば、三次元の直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で表された座標）を求める。

筒状体１の外径面の三次元座標を求める際には、プローブユニット移動手段１３がプローブユニット１２をｚ軸方向に移動させると同時に、筒状体保持回転手段１４が筒状体１を周方向に回転させて、筒状体１の周方向および軸方向にわたる外径面に対してプローブユニット１２（三次元測定用プローブ）を相対的に移動させる。これによって、三次元測定手段２１は、筒状体１の周方向および軸方向にわたる外径面を走査することができる。

ここで、取得する筒状体１の外径面の三次元座標の個数は、サンプリングする周期、または、プローブユニット移動手段１３が制御するプローブユニット１２の移動速度、若しくは筒状体保持回転手段１４が回転させる筒状体１の角速度を制御することによって調整することができる。通常、プローブユニット１２の移動速度と筒状体１の角速度は一定値に固定した状態でサンプリング周期を長短して調整する。

超音波厚さ測定手段２２は、超音波厚さ測定計に相当する超音波厚さ測定機能を有し、プローブユニット１２（探触子）から被測定対象物である筒状体１へ超音波を入射させて、その反射波を受信して所定の信号処理することによって、筒状体１の肉厚（厚さ）ｔの測定を行なうことができる。

超音波による肉厚（厚さ）ｔ（ｔは正の実数）を測定する際には、プローブユニット１２（探触子）を筒状体１の表面に接触媒質（カプラント）を介して筒状体１の中心線へ最短距離となる向きで伝搬するように密着させて超音波を入射させ、その反射波をプローブユニット１２（探触子）で受信する。超音波厚さ測定手段２２は、超音波エコーを受信して信号処理し、肉厚ｔを計測する。

超音波厚さ測定手段２２が測定する筒状体１の肉厚ｔは、プローブユニット１２における三次元計測用プローブと探触子との位置のずれを考慮して補正するため、肉厚は正しく計測される。

尚、取得する筒状体１の肉厚ｔを測定する箇所の数は、取得する筒状体１の外径面の三次元座標の個数と同様である。すなわち、サンプリングする周期、または、プローブユニット１２の移動速度、若しくは筒状体１の角速度を制御することによって調整することができ、通常は、プローブユニット１２の移動速度と筒状体１の角速度を一定値に固定のままサンプリング周期を長短して調整する。

入力手段２３は、ユーザの入力操作を受け付ける入力インターフェイスである。入力手段２３に入力された操作内容は測定データ演算手段２７へ送られる。すなわち、入力手段２３は筒状体形状測定装置１０（三次元・厚さ測定器１１）にユーザの指令を与えるための手段である。

記憶手段２４は、測定や演算処理の実行時等に必要となる情報を記憶し格納する手段である。筒状体１の外径の中心線ｃｌ１、筒状体１の内径ｄ２、筒状体１の内径の中心線ｃｌ２、筒状体１の位置度を算出するための数式情報が記憶されており、演算の際には測定データ演算手段２７が記憶手段２４に格納されるこれらの数式情報を参照する。

データ蓄積手段２５は、測定データを蓄積するデータ記憶領域を有し、例えば、今回の測定結果を示す情報等の所望のデータを格納して蓄積することができる。ここで、測定データとは、測定結果を示すデータであり、少なくとも、いつ行なった測定であるかを識別する情報（測定回識別情報）と、三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）、測定箇所（ｘ，ｙ，ｚ）における肉厚ｔ、演算結果である内径ｄ２および位置度Δｃｌ（測定結果）とが対応付けられた状態で保存される。

測定回識別情報と測定結果とを対応付けて保存することによって、筒状体形状測定装置１０では、ユーザが測定回識別情報を検索キーとして当該測定回の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）、測定箇所（ｘ，ｙ，ｚ）における肉厚ｔ、演算結果である内径ｄ２および位置度から少なくとも一の情報を呼び出すことができる。

表示手段２６は、筒状体形状測定装置１０からの情報をユーザに視覚的に提示する手段である。すなわち、表示手段２６は、測定データ演算手段２７から受け取った情報を表示する。例えば、測定結果である外径、肉厚、内径および位置度は、表示手段２６が測定データ演算手段２７から外径、肉厚、内径および位置度の情報を受け取り表示する。また、ユーザが入力手段２３から、例えば、三次元・厚さ測定器１１の電源の入／切状態等の所望の情報の表示要求を入力した場合、入力された要求を測定データ演算手段２７が認識し表示手段２６に与える。この結果、表示手段２６では測定データ演算手段２７から受け取った情報、すなわち、ユーザが入力手段２３から要求した情報が表示される。

尚、表示手段２６は、予め表示する情報を設定することができ、取得した情報から一部の情報を選択して表示させることもできる。

測定データ演算手段２７の外径計測部３１は、三次元測定手段２１から測定結果として測定箇所毎の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を取得し、取得した複数の三次元座標の情報に基づいて、筒状体１の径方向の断面（ｘ−ｙ平面）の形状を示す方程式にフィッティングさせる。フィッティングさせる方程式の情報は、例えば、記憶手段２４に格納される。

また、一例として、筒状体１を円筒としてフィッティングする場合、測定点を全てｘ−ｙ平面に投影し、ｘ−ｙ平面上における中心点（ｐ，ｑ）とする半径ｒの円の方程式である以下の式（１）、
（ｘ−ｐ）^２＋（ｙ−ｑ）^２＝ｒ^２ ・・・ （１）
にフィッティングさせる。フィッティングの結果、式（１）のｐ，ｑ，ｒは、例えば、ｐ＝ｐ１（ｐ１は実数）、ｑ＝ｑ１（ｑ１は実数）およびｒ＝ｒ１（ｒ１は正の実数）のように求まるので、筒状体１の外表面が形成する円の直径（半径ｒ１の２倍）に相当する外径ｄ１を算出することができるとともに、円の中心の座標（ｐ１，ｑ１）も算出することができる。

厚さ計測部３２は、超音波厚さ測定手段２２が計測した筒状体１の肉厚ｔを超音波厚さ測定手段２２から測定制御部３７を介して受け取り、筒状体１の肉厚ｔを取得する。

外径中心線算出部３３は、外径ｄ１の中心線ｃｌ１を算出する。中心線ｃｌ１を求める方法は適切に求められる限りにおいて任意であるが、例えば、上記式（１）でｐ，ｑ，ｒを上記例のように、ｐ＝ｐ１、ｑ＝ｑ１およびｒ＝ｒ１と求めた場合、筒状体１の径方向の断面の中心点（ｐ１，ｑ１）を通るｚ軸方向の直線を外径ｄ１の中心線ｃｌ１とみなすことができる。

内径算出部３４は、実質的には、外径計測部３１と同じ機能を有する。外径計測部３１との相違は、外径面の三次元座標を用いるか、内径面の三次元座標を用いるかの相違である。ここで、内径面の三次元座標は、超音波厚さ測定手段２２が計測した肉厚ｔが既知となっているので、外径面の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）から中心方向へ向けて肉厚ｔの分だけずらした三次元座標として算出することができる。

また、内径ｄ２については、内径の三次元座標が既知となっていれば、外径ｄ１と同様に上述した式（１）に基づいて算出することができる。すなわち、内径面の三次元座標と上述した式（１）に基づいて、中心点（ｐ２，ｑ２）と半径ｒ２を求めることができるので、筒状体１の内表面が形成する円の直径（半径ｒ２の２倍）に相当する内径ｄ２を算出することができる。

尚、単に内径ｄ２を求める場合には、外径計測部３１から受け取った外径ｄ１および厚さ（肉厚）ｔの測定結果と予め記憶手段２４に記憶され格納される内径ｄ２の算出式である以下の式（２）、
ｄ２＝ｄ１−２ｔ ・・・ （２）
とに基づいて内径ｄ２を算出することができる。内径ｄ２は外径ｄ１から肉厚ｔを差し引いて算出できる。そのため、内径面の三次元座標については、後述する内径中心線算出部３５で算出するようにしても良い。

内径中心線算出部３５は、実質的には、外径中心線算出部３３と同じ機能を有する。外径中心線算出部３３との相違は、外径面の三次元座標を用いるか、肉厚ｔを差し引いた内径面の三次元座標を用いるかの相違である。すなわち、内径面の三次元座標を用いて外径中心線算出部３３と同様の演算を行ない、内径中心線ｃｌ２を算出する。尚、内径面の三次元座標については、上記内径算出部３４で算出した結果を受け取るようにしても良い。

位置度算出部３６は、筒状体１の位置度として、筒状体１の中心線（軸）の位置度Δｃｌを算出する。位置度の精度は外径の中心線と内径の中心線との誤差を公差として算出することができる。すなわち、位置度Δｃｌは、外径中心線ｃｌ１と内径中心線ｃｌ２との差の絶対値である
｜ｃｌ１−ｃｌ２｜ ・・・ （３）
を計算すれば良い。この式（３）は予め記憶手段２４に格納される。

測定制御部３７は、外径計測部３１、厚さ計測部３２、外径中心線算出部３３、内径算出部３４、内径中心線算出部３５および位置度算出部３６の各々と情報の授受が可能であり、外径計測部３１、厚さ計測部３２、外径中心線算出部３３、内径算出部３４、内径中心線算出部３５および位置度算出部３６の処理を統制する。

より詳細には、測定制御部３７は、三次元測定手段２１から三次元測定結果である筒状体１の外径面の三次元座標を取得することができる。筒状体１の外径面の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、測定制御部３７から外径計測部３１へ送られる。

測定制御部３７は、超音波厚さ測定手段２２から厚さ測定結果である筒状体１の厚さ（肉厚ｔ）を取得することができる。筒状体１の肉厚ｔは測定制御部３７から厚さ計測部３２へ送られる。

測定制御部３７は、入力手段２３から操作の入力があった場合、当該操作に対応する指令を受け取り、当該指令を実行するのに適切な他の処理手段または処理部を選定して処理を実行させ、処理実行結果を取得する。

測定制御部３７は、記憶手段２４に格納される情報を読み出し、他の処理手段または処理部へ送ることができる。例えば、筒状体１の外径面が形成する外径ｄ１を上述した式（１）の情報を読み出して外径計測部３１へ送る。

測定制御部３７は、測定結果として取得した三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）、測定箇所（ｘ，ｙ，ｚ）における肉厚ｔ、演算結果である内径ｄ２および位置度Δｃｌをデータ蓄積手段２５に保存することができる。その際には測定結果と、測定回を示す識別情報（測定回識別情報）とを対応付けた状態で保存する。

測定制御部３７は、外径計測部３１から筒状体１の外径ｄ１を、厚さ計測部３２から筒状体１の肉厚ｔを、内径算出部３４から内径ｄ２を、位置度算出部３６から筒状体１の位置度Δｃｌをそれぞれ受け取り、受け取った筒状体１の外径ｄ１、肉厚ｔ、内径ｄ２および位置度Δｃｌを表示手段２６へ送る。すると、表示手段２６には、筒状体１の外径ｄ１、肉厚ｔ、内径ｄ２および位置度Δｃｌが表示される。

一方、測定制御部３７は、外径中心線算出部３３が外径中心線ｃｌ１を、内径算出部３４が内径ｄ２を、内径中心線算出部３５が内径中心線ｃｌ２を、位置度算出部３６が筒状体１の位置度Δｃｌを算出できるように、それぞれに必要な情報を送る。

外径中心線算出部３３に対しては、外径中心線ｃｌ１が筒状体１の径方向の断面において中心となる点（ｐ１，ｑ１）を通るｚ軸と平行な直線とみなせることから、例えば、外径計測部３１で算出されたｐ＝ｐ１，ｑ＝ｑ１の情報を送る。そして、測定制御部３７は、外径中心線ｃｌ１が算出されると、算出結果ｃｌ１を外径中心線算出部３３から受け取る。

また、外径中心線算出部３３は、外径中心線ｃｌ１を算出する際、三次元空間上の直線の一般式である
ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＋ｄ＝０ ・・・ （４） 但し、ａ≠ｂ≠ｃ≠０
を適用し、測定点である筒状体１の外径面の三次元座標が上記式（４）にフィッティングするように、上記ａ，ｂ，ｃ，ｄを求めることによって外径中心線ｃｌ１を算出しても良い。この場合、筒状体１の外径面において計測した三次元座標と、記憶手段２４に予め読み出し可能に格納しておく上記式（４）とを測定制御部３７から取得する。

内径算出部３４に対しては、筒状体１の外径面の三次元座標、肉厚ｔおよび内径ｄ２を算出する式である上記式（２）の情報を送る。そして、測定制御部３７は、内径ｄ２を算出すると、算出結果である内径ｄ２を内径算出部３４から受け取る。

内径中心線算出部３５に対しては、内径中心線ｃｌ２が筒状体１の径方向の断面において中心となる点（ｐ２，ｑ２）を通るｚ軸と平行な直線とみなせることから、例えば、内径算出部３４で算出されたｐ＝ｐ２，ｑ＝ｑ２の情報を送る。そして、測定制御部３７は、内径中心線ｃｌ２が算出されると、算出結果ｃｌ２を内径中心線算出部３５から受け取る。すなわち、外径中心線算出部３３に対して、送る情報が筒状体１の外径面の三次元座標ではなく、筒状体１の内径面の三次元座標である点が相違するが、その他の点は実質的に相違しない。換言すれば、外径中心線算出部３３の説明において、外径を内径、ｐ１をｐ２、ｑ１をｑ２、およびｃｌ１をｃｌ２と読み替えれば良い。

位置度算出部３６に対しては、外径中心線ｃｌ１、内径中心線ｃｌ２、および上記式（３）の情報を送る。そして、測定制御部３７は、筒状体１の位置度Δｃｌを算出すると、算出結果であるΔｃｌを３６から受け取る。

尚、図２において、筒状体形状測定装置１０の厚さ測定手段の一例として超音波厚さ測定手段２２を例示したが、必ずしも超音波による厚さ測定手段でなくても良い。すなわち、筒状体１の外表面を走査させることによって、厚さ測定が可能な方法であれば、厚さ測定方法は任意に採用でき、同様に筒状体形状測定装置１０を構成することができる。

例えば、被測定対象物が非磁性体の比較的肉厚の薄い筒状体１であれば、例えば、電磁式肉厚測定計等の電磁式の厚さ測定手段を採用しても良い。また、探触子として、電磁超音波法による肉厚測定が可能なＥＭＡＴ（Electromagnetic Acoustic Transducer）を採用しても良い。

次に、本発明の実施形態に係る筒状体形状測定方法について説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る筒状体形状測定方法の一例として、筒状体形状測定装置１０が実施する形状測定処理手順の処理ステップ（Ｓ１〜Ｓ１０）を示した処理フロー図である。

まず、形状測定処理手順の処理開始の要求が筒状体形状測定装置１０に入力されると、筒状体形状測定装置１０は、形状測定処理手順の処理ステップ（ステップＳ１〜ステップＳ１０）を開始する。

形状測定処理手順では、まず、外径計測部３１がプローブユニット１２の三次元測定用プローブの位置する筒状体１の外面（外径面）の三次元座標を取得して筒状体１の外径ｄ１を求める処理ステップ（ステップＳ１，Ｓ２）と、厚さ計測部３２がプローブユニット１２の探触子が受信した超音波エコーに基づいて、筒状体１の周方向および軸方向にわたり三次元座標が示す位置での肉厚ｔを求める処理ステップ（ステップＳ４，Ｓ５）とを並行して行なう。

外径ｄ１が計測された後は、外径中心線算出部３３が筒状体１の外面（外径面）の三次元座標に基づいて外径中心線ｃｌ１を求め（ステップＳ３）、外径ｄ１と肉厚ｔの両方とも計測された後は、筒状体１の外面（外径面）の三次元座標と肉厚ｔに基づいて内径算出部３４が内径ｄ２（ステップＳ７）を求める一方、内径中心線算出部３５が内径中心線ｃｌ２（ステップＳ８）を求める。

続いて、ステップＳ３，Ｓ８で外径中心線ｃｌ１と内径中心線ｃｌ２とが求められた後は、位置度算出部３６が求められた外径中心線ｃｌ１および内径中心線ｃｌ２に基づいて筒状体１の位置度Δｃｌを求める（ステップＳ９）。そして、測定制御部３７（測定データ演算手段２７）がステップＳ１〜Ｓ９で求められた筒状体１の外径ｄ１、厚さｔ、内径ｄ２および位置度Δｃｌを表示手段２６に表示する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０の処理ステップが完了すると、形状測定処理手順の全処理ステップ（ステップＳ１〜ステップＳ１０）は完了し、終了する（ＥＮＤ）。尚、図３では省略されているが、ステップＳ１〜Ｓ９で求められた筒状体１の外径ｄ１、厚さｔ、内径ｄ２および位置度Δｃｌの測定データは、例えばステップＳ１０が完了したとき等の算出後の任意のタイミングでデータ蓄積手段２５に保存される。これにより、事後的に測定データを読み出すことができる。

以上、筒状体形状測定装置１０および本発明の実施の形態に係る筒状体形状測定方法によれば、筒状体１の軸方向および周方向の全面の外径ｄ１と肉厚ｔを同時に測定し、その内径ｄ２および位置度を得ることができる。従って、これまで困難であった筒状体１の全周方向および全軸方向の全面の形状測定が可能となるのみならず、自動化により手間を省くことができるので測定時間を短縮することができる。

尚、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化しても良い。

また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。すなわち、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。例えば、データ蓄積手段２５は、三次元・厚さ測定器１１に備えられていなくても良く、三次元・厚さ測定器１１と接続して読み書き自在な記録手段を別途用意しても良い。また、表示手段２６として市販のディスプレイを三次元・厚さ測定器１１に接続して測定結果を表示させるようにしても良い。

１ 筒状体
２ 液槽
１０ 筒状体形状測定装置
１１ 三次元・厚さ測定器
１２ プローブユニット
１３ プローブユニット移動手段
１４ 筒状体回転保持手段
１６ 較正用試験片
２１ 三次元測定手段
２２ 超音波厚さ測定手段
２３ 入力手段
２４ 記憶手段
２５ データ蓄積手段
２６ 表示手段
２７ 測定データ演算手段
３１ 外径計測部
３２ 厚さ計測部
３３ 外径中心線算出部
３４ 内径算出部
３５ 内径中心線算出部
３６ 位置度算出部
３７ 測定制御部

Claims (8)

1. 筒状体の軸方向および周方向にわたる外面を、三次元座標を測定するための三次元測定用プローブと、この三次元測定用プローブと所定の距離を隔てて配置され、前記筒状体の厚さを測定するための探触子とを走査させる走査手段と、
   この走査手段を制御して前記筒状体の軸方向および周方向にわたる外面を走査し、前記筒状体の周方向および軸方向にわたる外径と肉厚とを計測し、この計測結果に基づいて前記筒状体の周方向および軸方向にわたる内径と、前記筒状体の外径中心線と内径中心線のずれである位置度を算出する測定データ演算手段と、を具備することを特徴とする筒状体形状測定装置。
2. 前記測定データ演算手段が計測および演算した結果を記憶し蓄積するデータ蓄積手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の筒状体形状測定装置。
3. 前記走査手段は、前記三次元測定用プローブおよび探触子を、両者の位置関係を維持しつつ保持するプローブユニットを移動させるプローブユニット移動手段と、
   前記筒状体を保持しつつ前記プローブユニットに接触させながら保持している筒状体を回転させる筒状体保持回転手段と、を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の筒状体形状測定装置。
4. 前記筒状体の肉厚を計測する際に、前記筒状体の測定箇所に接触媒質を付着させる液槽をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の筒状体形状測定装置。
5. 前記筒状体は、制御棒駆動軸に加工する対象として選定された材料であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の筒状体形状測定装置。
6. 筒状体の外面を軸方向および周方向にわたる外面を、三次元座標を測定するための三次元測定用プローブと、この三次元測定用プローブと所定の距離を隔てて配置され、前記筒状体の厚さを超音波により測定するための探触子とを走査させる走査手段と、この走査手段を制御して前記筒状体の軸方向および周方向にわたる外面を走査し、前記筒状体の周方向および軸方向にわたる外径、肉厚、内径および位置度を計測する測定データ演算手段とを具備する筒状体形状測定装置を用いて行なう筒状体形状測定方法であり、
   前記測定データ演算手段が、前記三次元測定用プローブの位置する前記筒状体の外面の三次元座標を取得するステップと、
   前記測定データ演算手段が、前記筒状体の周方向および軸方向にわたり前記三次元座標が示す位置での肉厚を計測した厚さ計測手段から取得するステップと、
   前記筒状体の外面の三次元座標に基づいて当該筒状体の外径を求めるステップと、
   を求めるステップと、
   前記筒状体の外面の三次元座標に基づいて当該筒状体の外径中心線を求めるステップと、
   前記筒状体の外面の三次元座標と肉厚に基づいて当該筒状体の内径を求めるステップと、
   前記筒状体の外面の三次元座標と肉厚に基づいて当該筒状体の内径中心線を求めるステップと、
   求めた外径中心線および内径中心線に基づいて前記筒状体の外径中心線と内径中心線のずれである位置度を求めるステップと、を備えることを特徴とする筒状体形状測定方法。
7. 前記筒状体の肉厚は、超音波を用いた厚さ計測手段によって測定され、
   前記筒状体の肉厚を計測する際に、前記筒状体の測定箇所に接触媒質を付着させるステップを備えることを特徴とする請求項６記載の筒状体形状測定方法。
8. 前記筒状体は、制御棒駆動軸に加工する対象として選定された材料であることを特徴とする請求項６又は７記載の筒状体形状測定方法。

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