JP2017190974A - ねじ付き管のねじ形状測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるフランク面の角度やねじ底Ｒ部の曲率半径を、ねじ付き管の製造ラインで測定可能とする。【解決手段】本発明のねじ形状測定装置１００は、ねじ付き管Ｐの端部に形成されたねじの形状を測定する装置であって、照明手段１と、撮像手段２と、演算手段３とを備える。撮像手段は、ねじ付き管のねじ軸Ａを含む面Ｍに沿って配置され、ねじ軸及びねじ軸の垂線Ｎの双方に対して傾斜した方向の視軸２１を有し、焦点位置を変更してねじ付き管の端部を複数回撮像する。照明手段は、ねじ軸を含む面から離れた位置に配置され、ねじ軸の垂線及び撮像手段の視軸の双方に対して傾斜した方向の光軸１１を有する。演算手段は、複数の撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づきねじ付き管の端部の３次元形状を算出し、該算出した３次元形状に基づきねじ付き管のねじの形状を演算する。【選択図】図２

Description

本発明は、油井管など、端部にねじが形成されたねじ付き管のねじ形状を測定する装置及び測定方法に関する。特に、本発明は、従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるねじ形状（フランク面の角度、特に、フランク面のうちフック状フランク面の角度や、ねじ底Ｒ部の曲率半径など）を、ねじ付き管の製造ラインで測定可能とするねじ付き管のねじ形状測定装置及び測定方法に関する。

従来、油井管等の管の端部同士を連結する方法として、管の端部の外周面にねじ（雄ねじ）を形成してねじ付き管とし、一対のねじ付き管の各ねじ（雄ねじ）を、内周面にねじ（雌ねじ部）が形成された継手（ボックス継手）にそれぞれ締結することで、管の端部同士を連結する方法が用いられている。
管の端部に形成されたねじの寸法精度が低いと、継手との締結状態が緩み、管同士の連結が解除されて脱落したり、管内部に流れる流体が外部に漏洩するおそれがある。特に油井管の場合には、近年の油井環境の過酷化に伴い、ねじの寸法精度や品質保証レベルに対する要求が年々厳格化している。

図１は、油井管の端部形状の一例を模式的に示す端面図である。図１（ａ）は油井管の端部の径方向片側の端面図（ねじ軸を含む面で切断した端面図）を、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す符号Ｘで囲った領域の拡大端面図を示す。
図１に示すように、油井管Ｐの端部は、ねじ山Ｐ１及びねじ溝Ｐ２が設けられたねじ部と、ねじ部に隣接してねじ部よりも管端面側に設けられたベベル部と、ベベル部に隣接してベベル部よりも管端面側に設けられたリップ部とから構成されている。
そして、近年の油井環境の過酷化に伴い、油井管Ｐとしては、ねじ部の各ねじ山Ｐ１を区画する一対のフランク面Ｐ３（ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１とねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１との間にある面）のうち、例えば、管端面側と反対側に位置するフランク面Ｐ３が、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１からねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１に向かうに従って管端面側に近づくように傾斜しているものが多く用いられている。逆に、管端面側に位置するフランク面Ｐ３が、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１からねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１に向かうに従って管端面と反対側に近づくように傾斜している場合もある。このように、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１からねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１に向かうに従ってフランク面Ｐ３が位置する側とは反対側に近づくフランク面を適宜「フック状フランク面Ｐ３ｈ」と称する。図１に示す例では、管端面側と反対側に位置するフランク面Ｐ３がフック状フランク面Ｐ３ｈとなっている。

従来、フランク面Ｐ３の角度（ねじ軸Ａの垂線Ｎと成す角度）βや、ねじ底Ｒ部（フランク面Ｐ３とねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１とが交差する部分）Ｐ４の曲率半径は、公知の手法を用いてオフラインで評価され、許容範囲との比較によって合否判定される。
上記のような評価は、多大な時間と手間を要するため、同一製造ロットの最初と最後の油井管Ｐについて検査するなどの抜き取り検査とならざるを得ず、全数検査は困難である。
また、許容範囲との比較によって合否判定しているに過ぎないため、ねじ形状の定量的な評価が困難である。

このような問題を解決するため、特許文献１〜３には、ねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１に沿って光を照射し、ねじ部を通過する光を検出することで、ねじ軸方向に沿ったねじの外形（表面の凹凸形状。ねじプロファイル）を測定する方法（光投影法）が提案されている。この光投影法によってねじ部のねじプロファイルを精度良く測定できれば、そのねじプロファイルからフランク面Ｐ３の角度やねじ底Ｒ部Ｐ４の曲率半径も精度良く算出できると考えられる。
しかしながら、ねじプロファイルは曲線を描いているため、透過光を検出する光投影法では、フランク面Ｐ３がねじ山Ｐ１の稜線の影に隠れることで、フランク面Ｐ３を正確に検出できない場合がある。特に、フランク面Ｐ３がフック状フランク面Ｐ３ｈである場合には、光投影法では検出できない。フランク面Ｐ３とねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１とが交差する部分に位置するねじ底Ｒ部Ｐ４についても同様である。

そこで、本発明者らは、特許文献４に記載のように、光投影法による測定に加えて、接触プローブを用いてねじ部のフランク面Ｐ３に関わる測定を行う方法を提案している。
しかしながら、接触プローブを順次移動させ、先端に取り付けられた球状の接触子をフランク面Ｐ３に接触させて測定を行うため、必然的に測定時間が長くなる。油井管Ｐの製造ラインで測定するためには測定時間を一定以下に短くする必要があるため、必然的に十分な測定点数が得られない。このため、測定装置を設置した雰囲気中に浮遊する粉塵等の微細なパーティクルが何れかの測定点に付着すると、少ない測定点数で直線近似したのでは誤差が大きくなり、フランク面Ｐ３の角度を精度良く測定できない場合がある。接触子にパーティクルが付着する場合も同様である。油井管Ｐのねじ部や接触プローブの接触子へのパーティクルの付着を抑制するには、測定装置を設置した雰囲気の浄化、ねじ部の洗浄、接触子の洗浄等が必要であり、場合によっては接触子の交換や校正も必要となるため、手間が掛かるという問題がある。また、接触子は繰り返し使用することで摩耗するため、摩耗に起因して測定精度が劣化する問題もある。
また、接触子の直径が０．１ｍｍ以上（特許文献４の段落００６７）であるため、数百μｍ程度のねじ底Ｒ部Ｐ４の曲率半径を測定することは困難である。

なお、上記の特許文献４や特許文献５には、ねじ軸の位置・方向を検出する方法が提案されている。

特許第３５５２４４０号公報 特開昭６３−２１２８０８号公報 特開２０１０−３８５５４号公報 特許第４４８６７００号公報 特許第４４５７３７０号公報

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるねじ形状を、ねじ付き管の製造ラインで測定可能とするねじ付き管のねじ形状測定装置及び測定方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意検討した結果、いわゆる合焦法（Depth from Focus法）を測定原理とする３次元形状測定方法を適用し、照明手段や撮像手段の配置を工夫すれば、従来は測定が困難であったフランク面の角度やねじ底Ｒ部の曲率半径を精度良く測定可能であることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を測定する装置であって、前記ねじ付き管の端部を照明する照明手段と、前記照明手段によって照明された前記ねじ付き管の端部を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された撮像画像に基づき、前記ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を演算する演算手段とを備え、前記撮像手段は、前記ねじ付き管のねじ軸を含む面に沿って配置され、前記ねじ軸及び前記ねじ軸の垂線の双方に対して傾斜した方向の視軸を有し、焦点位置を変更して前記ねじ付き管の端部を複数回撮像し、前記照明手段は、前記ねじ軸を含む面から離れた位置に配置され、前記ねじ軸の垂線及び前記撮像手段の視軸の双方に対して傾斜した方向の光軸を有し、前記演算手段は、前記撮像手段によって撮像された複数の撮像画像にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づき前記ねじ付き管の端部の３次元形状を算出し、該算出した３次元形状に基づき前記ねじ付き管のねじの形状を演算する、ことを特徴とするねじ付き管のねじ形状測定装置を提供する。

本発明に係るねじ形状測定装置が備える撮像手段は、ねじ付き管のねじ軸を含む面に沿って配置され、ねじ軸及びねじ軸の垂線の双方に対して傾斜した方向の視軸を有する。このため、撮像手段の撮像視野を適切に調整することで、ねじ軸に略平行なねじ溝の底面、及び、ねじ軸の垂線に略平行なフランク面の双方を撮像可能である。
なお、本発明の撮像手段の視軸は、必ずしもねじ軸を含む面内に厳密に位置する必要はなく、ねじ溝の底面及びフランク面の双方（ねじ軸を含む面におけるねじ溝の底面及びフランク面の断面形状）を撮像可能なように、ねじ軸を含む面に沿っていればよい。
また、本発明の撮像手段は、焦点位置を変更して前記ねじ付き管の端部を複数回撮像する。この「焦点位置の変更」とは、撮像手段を視軸方向に移動させることと、撮像手段が具備するレンズの焦点距離を変更することの双方を含む概念であり、いずれであってもよい。

ここで、油井管等のねじ付き管の端部表面は切削加工後の金属面であり光沢性が強い面であるため、撮像手段の同一の撮像視野内に照明光の金属光沢面での過度に強い正反射光が入射する領域と、逆に金属光沢面での反射光が殆ど入射しない領域とが存在すると、撮像手段が具備する撮像素子のダイナミックレンジには限界があるため、適正な撮像画像を撮像できず、後述の演算手段による撮像画像の合焦状態の判定に支障を来すおそれがある。上記のような反射光の入射光量の過大・過小の問題は、撮像手段の視軸と照明手段の光軸とが同じ面内（例えば、ねじ軸を含む面内）にある場合に特に顕著になると考えられる。
本発明に係るねじ形状測定装置が備える照明手段は、ねじ軸を含む面から離れた位置に配置され、ねじ軸の垂線及び撮像手段の視軸の双方に対して傾斜した方向の光軸を有する。換言すれば、本発明の照明手段の光軸は、撮像手段の視軸と同じ面内に位置しないため、ねじが形成された端部表面における反射光の入射光量の過大・過小の問題が低減され、適正な撮像画像を得ることが可能である。

本発明に係るねじ形状測定装置が備える演算手段は、撮像手段によって撮像された複数の撮像画像（撮像手段が焦点位置を変更して複数回撮像したねじ付き管の端部の撮像画像）にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づきねじ付き管の端部の３次元形状を算出し、該算出した３次元形状に基づきねじ付き管のねじの形状を演算する。すなわち、本発明の演算手段は、合焦法によってねじ付き管の端部の３次元形状を算出し、この算出した３次元形状に基づき、フランク面の角度や、ねじ底Ｒ部の曲率半径を演算する。合焦法によれば、高分解能で３次元形状を算出可能であるため、従来の接触プローブを用いた測定と異なり、ねじ付き管の製造ラインで測定する場合であっても、フランク面等の広い範囲を一度に測定することができる。このため、フランク面の３次元形状として多数の座標点を検出することができるので、パーティクルを異常点として検出し、異常点を除去するといった処理が可能となったり、除去した点をパーティクル近傍の座標点情報で補間するといった処理が可能となる。また、従来の接触プローブを用いた測定と異なり、接触子の直径の制約を受けないため、ねじ底Ｒ部を測定することも可能である。

以上のように、本発明に係るねじ形状測定装置によれば、従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるフランク面の角度やねじ底Ｒ部の曲率半径を、ねじ付き管の製造ラインで測定可能である。

好ましくは、前記ねじ軸を含む面に対して直交する方向から見て、前記照明手段の光軸は、前記ねじ軸の垂線に対して前記撮像手段の視軸と同じ側に位置し、前記照明手段の光軸と前記ねじ軸の垂線との成す角度をθとした場合、前記照明手段は、以下の式（１）を満足するように配置されている。
４０°≦θ≦６５° ・・・（１）

上記の好ましい構成によれば、ねじが形成された端部表面における反射光の入射光量の過大・過小の問題がより一層低減され、より適正な撮像画像を得ることが可能である。

また、好ましくは、前記ねじ軸を含む面に対して直交する方向から見て、前記照明手段の光軸は、前記ねじ軸の垂線に対して前記撮像手段の視軸と同じ側に位置し、前記照明手段の光軸と前記ねじ軸の垂線との成す角度をθとし、前記ねじ軸の方向から見て、前記照明手段の光軸と前記ねじ軸の垂線との成す角度をφとした場合、前記照明手段は、以下の式（２）及び式（３）を満足するように配置されている。
４５°≦θ≦６０° ・・・（２）
５５°≦φ≦６０° ・・・（３）

上記の好ましい構成によれば、ねじが形成された端部表面における反射光の入射光量の過大・過小の問題が更により一層低減され、更により適正な撮像画像を得ることが可能である。

また、好ましくは、前記ねじ軸を含む面に対して直交する方向から見て、前記撮像手段の視軸と前記ねじ軸の垂線との成す角度をαとした場合、前記撮像手段は、以下の式（４）を満足するように配置されている。
２５°≦α≦４５° ・・・（４）

上記の好ましい構成によれば、フランク面とねじ溝の底面とを同程度の分解能で撮像可能であると共に、撮像手段がねじ付き管の端部に衝突する危険性を回避することも可能である。

前記演算手段は、前記ねじ付き管のねじの形状として、少なくとも、従来測定が困難であったフランク面の角度及びねじ底Ｒ部の曲率半径を演算することが好ましい。ただし、演算手段が演算するねじの形状は、これらに限るものではない。

また、前記課題を解決するため、本発明は、ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を測定する方法であって、照明手段によって前記ねじ付き管の端部を照明する照明手順と、前記照明手段によって照明された前記ねじ付き管の端部を撮像手段によって撮像する撮像手順と、前記撮像手段によって撮像された撮像画像に基づき、前記ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を演算する演算手順とを含み、前記撮像手段は、前記ねじ付き管のねじ軸を含む面に沿って配置され、前記ねじ軸及び前記ねじ軸の垂線の双方に対して傾斜した方向の視軸を有し、前記照明手段は、前記ねじ軸を含む面から離れた位置に配置され、前記ねじ軸の垂線及び前記撮像手段の視軸の双方に対して傾斜した方向の光軸を有し、前記撮像手順において、前記撮像手段の焦点位置を変更して前記ねじ付き管の端部を複数回撮像し、前記演算手順において、前記撮像手段によって撮像された複数の撮像画像にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づき前記ねじ付き管の端部の３次元形状を算出し、該算出した３次元形状に基づき前記ねじ付き管のねじの形状を演算する、ことを特徴とするねじ付き管のねじ形状測定方法としても提供される。

本発明によれば、従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるねじ形状（フランク面の角度、特に、フランク面のうちフック状フランク面の角度や、ねじ底Ｒ部の曲率半径など）を、ねじ付き管の製造ラインで測定可能である。

油井管の端部形状の一例を模式的に示す端面図である。 本発明の一実施形態に係るねじ形状測定装置の概略構成を示す模式図である。 図２に示す演算手段が実行する合焦法の原理を説明する説明図である。 図２に示す演算手段が実行するねじ形状の演算方法を説明する説明図である。 図２に示す撮像手段の視軸の角度と、ねじ溝の底面及びフランク面の撮像分解能との関係の一例を示す図である。 図２に示す照明手段の光軸の角度θ、φを種々の値に変更したときの、欠損率を評価した結果の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るねじ形状測定装置によってねじ形状を算出した結果の一例を示す。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係るねじ付き管のねじ形状測定装置（以下、適宜、単に「ねじ形状測定装置」という）について説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係るねじ形状測定装置の概略構成を示す模式図である。図２（ａ）はねじ軸Ａを含む面Ｍに対して直交する方向から見た側面図であり、図２（ｂ）はねじ軸Ａの方向から見た正面図である。なお、説明の便宜上、図２に示す照明手段１及び撮像手段２は、ねじ付き管Ｐから離間した位置に図示されているが、実際には、もっとねじ付き管Ｐに近い位置に配置されている。本実施形態では、ねじ付き管Ｐの管端面側と反対側に位置するフランク面Ｐ３がフック状フランク面Ｐ３ｈとなっている場合を例に挙げて説明する。
図２に示すように、本実施形態に係るねじ形状測定装置１００は、照明手段１と、撮像手段２と、演算手段３とを備え、ねじ付き管Ｐの端部に形成されたねじの形状を測定する装置である。
なお、図２では、便宜上、ねじの図示を省略しているが、ねじ付き管Ｐのハッチングを施していない部分が、ねじ付き管Ｐの端部であり、図１を参照して前述したのと同様に、この端部に、ねじ部、ベベル部及びリップ部が形成されている。ねじ付き管Ｐは、本実施形態に係るねじ形状測定装置１００によってねじ形状を測定する際に、チャック（図示せず）等によって固定されている。また、検出方法の詳細については省略するが、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａの位置・方向は、公知の方法によって検出されている。

照明手段１は、ねじ付き管Ｐの端部を照明する手段であり、例えば集光レンズ付きのＬＥＤ照明が好適に用いられる。本実施形態の照明手段１は、リニアステージやゴニオステージ（図示せず）等の駆動機構に取り付けられており、その位置や光軸の方向を種々設定可能である。
照明手段１は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む面Ｍから離れた位置に配置され、面Ｍに含まれるねじ軸Ａの垂線Ｎ及び後述する撮像手段２の視軸２１の双方に対して傾斜した方向の光軸１１を有するように設定されている。換言すれば、照明手段１の光軸１１は、撮像手段２の視軸２１と同じ面内に位置しないため、ねじが形成された端部表面における反射光の入射光量の過大・過小の問題が低減され、適正な撮像画像を得ることが可能である。
なお、図２では、単一の照明手段１を図示しているが、本発明は、単一の照明手段１に限るものではなく、複数の照明手段１を備える構成とすることも可能である。

撮像手段２は、照明手段１によって照明されたねじ付き管Ｐの端部を撮像する手段であり、２次元配置されたＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を具備する。本実施形態の撮像手段２も、リニアステージやゴニオステージ（図示せず）等の駆動機構に取り付けられており、その位置や視軸の方向を種々設定可能である。
撮像手段２は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む面Ｍに沿って配置され、ねじ軸Ａ及びねじ軸Ａの垂線Ｎの双方に対して傾斜した方向の視軸２１を有するように設定されている（図２に示す例では、視軸２１は、ねじ軸Ａを含む面Ｍ内に位置している）。このため、撮像手段２の撮像視野を適切に調整することで、ねじ軸Ａに略平行なねじ溝の底面Ｐ２１、及び、ねじ軸Ａの垂線Ｎに略平行なフランク面Ｐ３の双方を撮像可能である。ただし、各ねじ山Ｐ１を区画する一対のフランク面Ｐ３を同時に撮像することは困難である。図２（ａ）に示す例では、撮像手段２の視軸２１は、ねじ軸Ａの垂線Ｎに対して管端面側と反対側に傾斜しているため、管端面側と反対側に位置する一方のフランク面（本実施形態ではフック状フランク面Ｐ３ｈ）しか撮像できない。このため、双方のフランク面の角度等を演算する場合には、図２に示すような一方のフランク面撮像用の撮像手段２と、視軸が管端面側に傾斜した他方のフランク面撮像用の撮像手段２との双方を配置すればよい。あるいは、撮像手段２で一方のフランク面を撮像した後、他方のフランク面を撮像できるように撮像手段２の位置及び視軸２１の方向を変更すればよい。
撮像手段２は、その焦点位置を変更してねじ付き管Ｐの端部を複数回撮像する。本実施形態では、撮像手段２が視軸２１の方向に移動することで焦点位置を変更する。

演算手段３は、撮像手段２に接続されており、撮像手段２によって撮像された撮像画像に基づき、ねじ付き管Ｐの端部に形成されたねじの形状を演算する手段であり、例えば、後述の演算処理を実行するためのプログラムがインストールされたパーソナルコンピュータから構成される。
演算手段３は、撮像手段２によって撮像された複数の撮像画像にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づきねじ付き管Ｐの端部の３次元形状を算出し、該算出した３次元形状に基づきねじ付き管Ｐのねじの形状を演算する。すなわち、演算手段３は、合焦法によってねじ付き管Ｐの端部の３次元形状を算出し、この算出した３次元形状に基づき、フランク面Ｐ３の角度やねじ底Ｒ部Ｐ４の曲率半径などのねじの形状を演算する。

図３は、演算手段３が実行する合焦法の原理を説明する説明図である。
図３に示すように、撮像手段２は、視軸２１の方向に一定量移動する毎に画像を撮像する。図３に示す状態では、ねじ付き管Ｐのフランク面Ｐ３（フック状フランク面Ｐ３ｈ）にある点Ｅで焦点が合っており、点Ｅは撮像手段２の撮像素子ｅ（画素ｅ）に結像されている。この状態で撮像された撮像画像の局所空間周波数を画像処理によって抽出すれば、画素ｅ周辺の画像領域における局所空間周波数は大きくなる。一方、ねじ溝の底面Ｐ２１にある点Ｆでは焦点が合っていないため、仮に焦点が合っているとすれば点Ｆが結像される位置にある撮像素子ｆ（画素ｆ）周辺の画像領域における局所空間周波数は小さくなる。
そして、図３に示す状態から撮像手段２が視軸２１の方向に移動し、図３に示す距離Ｈだけねじ付き管Ｐに近づけば、点Ｆで焦点が合うため、この状態で撮像された撮像画像の画素ｆ周辺の画像領域における局所空間周波数は大きくなり、逆に画素ｅ周辺の画像領域における局所空間周波数は小さくなる。
したがい、撮像手段２を一定量移動する毎に撮像した複数の撮像画像にそれぞれ局所空間周波数を抽出する画像処理を施し、局所空間周波数の大小に応じて各撮像画像を構成する各画素の合焦状態を判定すれば、各画素に対応するねじ付き管Ｐの端部の点の視軸２１の方向の座標を算出することが可能である。すなわち、合焦状態の判定結果に基づき、ねじ付き管Ｐの端部の３次元形状を算出することができる。局所空間周波数を抽出する画像処理としては、２次元フーリエ変換など、公知の画像処理アルゴリズムを種々適用可能である。
なお、合焦法によって被写体の３次元形状を算出する装置として、撮像視野が４ｍｍ×４ｍｍ程度で移動スパンが２５ｍｍ程度の装置が市販されている（例えば、アリコナ社製「光学式非接触三次元測定用センサーＲ２５」）ため、本実施形態の撮像手段２及び演算手段３の一部として、市販されている装置を適用することも可能である。

図４は、演算手段３が実行するねじ形状の演算方法を説明する説明図である。
図４（ａ）に示すように、演算手段３は、まず前述のように合焦法によってねじ付き管Ｐの端部の３次元形状を算出する。図４（ａ）の上図はフック状ではないフランク面近傍の３次元形状であり、下図はフック状フランク面近傍の３次元形状である。なお、図４に示すＸ軸は、概ねねじ付き管Ｐのねじ軸Ａに沿った方向である。Ｙ軸は、Ｘ軸に直交し、概ね管周方向に沿った方向である。Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸に直交し、概ね管径方向に沿った方向である。演算手段３が算出した３次元形状は、Ｘ軸座標、Ｙ軸座標及びＺ軸座標の組み合わせである点群データとして表わされる。

次に、図４（ｂ）に示すように、演算手段３は、面Ｍ近傍の点群データを抽出する。具体的には、上記の３次元形状を構成する点群データのうち、いくつかのＸ軸座標（図４（ｂ）に示す例では、Ｘ＝Ｘ１〜Ｘ１０の１０点）を有するＹ軸座標及びＺ軸座標の組み合わせを抽出する。換言すれば、各Ｘ軸座標を通るＹＺ平面の断面形状を抽出する。この断面形状を２次関数（Ｚ＝ａＹ^２＋ｂＹ＋ｃ）、又は、円（Ｚ＝（Ｒ^２−（Ｙ−ａ）^２）^１／２＋ｂ）（ａ、ｂ、ｃ、Ｒは定数）で近似する。なお、この近似の際、近似誤差の大きいＸ＝Ｘｎ（ｎは整数）の点群データは、ねじ山Ｒ部やねじ底Ｒ部等を含んだデータであるため、近似計算から除く必要がある。そして、各ＹＺ平面の断面形状（各Ｘ軸座標を有するＹ軸座標及びＺ軸座標の組み合わせ）について、近似した２次関数又は近似円におけるＺ軸座標が最大となる点を抽出し、各最大点のＹ軸座標との差の２乗和が最小となる近似直線Ｂ（Ｙ＝Ｙｃ、Ｙｃは定数）を算出する。

上記の近似直線Ｂは、ねじ軸Ａを含む面Ｍに含まれる直線であると考えてよいため、この近似直線Ｂ上のＺ軸座標を抽出することにより、図４（ｃ）に示すように、面Ｍで切断したねじ軸Ａ方向に沿ったねじの外形（ねじプロファイル）を算出することが可能である。このねじプロファイルに基づき、例えば、フランク面Ｐ３に相当する点群データを直線近似して、その近似直線の傾きを算出することにより、フランク面Ｐ３の角度を算出することが可能である。図４（ｃ）に示すねじプロファイルから直接算出できるフランク面Ｐ３の角度は、フランク面Ｐ３とねじ溝の底面Ｐ２１との成す角度である。しかしながら、本実施形態では、前述のように、ねじ軸Ａの位置・方向が検出されているため、フランク面Ｐ３とねじ軸Ａの垂線Ｎとの成す角度β（図１参照）としてフランク面Ｐ３の角度を算出することも可能である。また、例えば、ねじ底Ｒ部Ｐ４に相当する点群データを円近似して、その近似円の半径を算出することにより、ねじ底Ｒ部Ｐ４の曲率半径を算出することが可能である。

なお、図４（ｃ）に実線で示すねじプロファイルは、フック状ではないフランク面近傍の３次元形状に基づき算出されたものであり、図４（ｃ）に破線で示すねじプロファイルは、フック状フランク面近傍の３次元形状に基づき算出されたものである。上記のフランク面Ｐ３の角度やねじ底Ｒ部Ｐ４の曲率半径を算出する上では、必ずしも各ねじプロファイルを合成する必要はない。しかしながら、各ねじプロファイルには、それぞれ共通するねじ山の頂面Ｐ１１が含まれるため（図４（ｃ）では、実線によって破線が隠れているが、実際には、実線と破線は頂面Ｐ１１でオーバラップしている）、必要に応じて、図４（ｃ）に示すように、ねじ山の頂面Ｐ１１が重なるように各ねじプロファイルの回転・平行移動を行うことで、両者を合成することも可能である。これにより、算出するには双方のフランク面の形状が必要なねじ幅等を演算することも可能である。

以上に説明したように、演算手段３は、合焦法によってねじ付き管Ｐの端部の３次元形状を算出し、この算出した３次元形状に基づきねじの形状を演算する。合焦法によれば、高分解能で３次元形状を算出可能であるため、従来の接触プローブを用いた測定と異なり、ねじ付き管Ｐの製造ラインで測定する場合であっても、フランク面Ｐ３等の一定範囲の多数の３次元座標点を一度に検出することができる。このため、パーティクル付着の影響が抑制され、安定した測定が可能である。また、従来の接触プローブを用いた測定と異なり、接触子の直径の制約を受けないため、ねじ底Ｒ部Ｐ４を測定することも可能である。

以上のように、本実施形態に係るねじ形状測定装置１００によれば、従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるフランク面Ｐ３の角度やねじ底Ｒ部Ｐ４の曲率半径を、ねじ付き管Ｐの製造ラインで測定可能である。

以下、本実施形態に係るねじ形状測定装置１００を構成する撮像手段２の視軸２１の角度及び照明手段１の光軸１１の角度の好ましい設定例について説明する。

＜撮像手段２の視軸２１の角度＞
図５は、撮像手段２の視軸２１の角度と、ねじ溝の底面Ｐ２１及びフランク面Ｐ３の撮像分解能との関係の一例を示す図である。図５の横軸は、図２（ａ）に示すように、ねじ軸Ａを含む面Ｍに対して直交する方向から見て、撮像手段２の視軸２１とねじ軸Ａの垂線Ｎとの成す角度αを示す。図５は、ねじ溝の底面Ｐ２１がねじ軸Ａと平行であり、なお且つ、ねじ溝の底面Ｐ２１とフランク面Ｐ３とが９０°の角度を成していると仮定した場合の視軸２１の角度αと各面Ｐ２１、Ｐ３の撮像分解能との関係である。
図５に示すように、α＝４５°のとき、ねじ溝の底面Ｐ２１の撮像分解能と、フランク面Ｐ３の撮像分解能とが等しくなり（図５では、このときの撮像分解能を１としている）、この角度から外れるに従い、いずれか一方の撮像分解能が大きくなる。いずれか一方の撮像分解能が２倍以上劣化しない（大きくならない）ようにするには、２０°≦α≦７０°の範囲に設定する必要がある。

しかしながら、実際の油井管等のねじ付き管Ｐでは、フランク面Ｐ３がフック状フランク面Ｐ３ｈである場合には、ねじ溝の底面Ｐ２１に対するフック状フランク面Ｐ３ｈの角度は８５〜８７°程度である。また、ねじ溝の底面Ｐ２１がねじ軸Ａに対して傾斜（１．８°程度）しているテーパねじであったり、実際の測定の際にねじ軸Ａが変動する（±３°）ことなどを考慮すると、いずれか一方の撮像分解能が２倍以上劣化しない（大きくならない）ようにするには、２５°≦α≦６５°程度の範囲に設定する必要がある。
さらに、合焦法を適用する場合、一般に、撮像手段２とねじ付き管Ｐとは、視軸２１方向に数十ｍｍ程度の短い距離しか離れていないため、撮像手段２がねじ付き管Ｐに衝突するおそれを回避するには、αはできるだけ小さい方が好ましい。このため、ねじ溝の底面Ｐ２１の撮像分解能とフランク面Ｐ３の撮像分解能との間に優先順位が無い場合には、２５°≦α≦４５°に設定することが好ましい。

＜照明手段１の光軸１１の角度＞
図２（ａ）に示すように、ねじ軸Ａを含む面Ｍに対して直交する方向から見て、照明手段１の光軸１１は、ねじ軸Ａの垂線Ｎに対して撮像手段２の視軸２１と同じ側に位置する。図２（ａ）に示す例では、撮像手段２は管端面と反対側に位置するフック状フランク面を撮像するために、撮像手段２の視軸２１は、ねじ軸Ａの垂線Ｎに対して管端面側と反対側に傾斜している（図２（ａ）において反時計回りに傾斜している）。このため、照明手段１の光軸１１も、ねじ軸Ａの垂線Ｎに対して管端面側と反対側に傾斜している（図２（ａ）において反時計回りに傾斜している）。
ここで、ねじ軸Ａを含む面Ｍに対して直交する方向から見て、照明手段１の光軸１１とねじ軸Ａの垂線Ｎとの成す角度をθとする。また、図２（ｂ）に示すように、ねじ軸Ａの方向から見て、照明手段１の光軸１１とねじ軸Ａの垂線Ｎとの成す角度をφとする。

図６は、撮像手段２の角度α＝３０°とし、照明手段１の光軸１１の角度θ、φを種々の値に変更したときの、欠損率を評価した結果の一例を示す図である。図６（ａ）は、図２（ｂ）に示す照明手段１の光軸１１をねじ軸Ａの垂線Ｎに対して反時計回りに傾斜させた場合の結果を示す。図６（ｂ）は、図２（ｂ）に示す照明手段１の光軸１１をねじ軸Ａの垂線Ｎに対して時計回りに傾斜させた場合の結果を示す。図６では、時計回りと反時計回りとを区別するために、便宜上、反時計回りの角度φを正の値にし（図６（ａ））、時計回りの角度φを負の値（図６（ｂ））で示している。また、欠損率とは、撮像手段２が具備する撮像素子（約４００万画素）のうち、反射光の入射光量の過大・過小の問題で合焦状態を判定できず、３次元形状を算出できなかった画素の割合を示す。

図６から分かるように、４０°≦θ≦６５°であれば、角度φに関わらず、欠損率が２．０％以下となっている。
したがい、４０°≦θ≦６５°に設定することが好ましい。
また、図６（ａ）から分かるように、４５°≦θ≦６０°で、且つ、５５°≦φ≦６０°である場合には、欠損率が０．２％以下となっている。同様に、図６（ｂ）から分かるように、４５°≦θ≦６０°で、且つ、−６０°≦φ≦−５５°である場合にも、欠損率が０．２％以下となっている。
したがい、４５°≦θ≦６０°の条件に加え、時計回りと反時計回りの区別なく角度φ（絶対値）を５５°≦φ≦６０°に設定することがより一層好ましい。

図７は、本実施形態に係るねじ形状測定装置１００によって、ねじ形状として、フランク面Ｐ３（フック状フランク面Ｐ３ｈ）の角度、ねじ底Ｒ部Ｐ４の曲率半径に加え、ねじ山高さ（図１参照）、ねじ山Ｒ部（図１参照）の曲率半径を算出した結果の一例を示す。図７では、本実施形態に係るねじ形状測定装置１００による測定結果を、針式形状計（ミツトヨ製コントレーサＣＶ−１０００Ｎ２：精度±約３．５μｍ）による測定値との差で評価した。なお、角度θ＝５５°、角度φ＝６０°、角度α＝３０°に設定した。
図７に示すように、本実施形態に係るねじ形状測定装置１００によれば、上記いずれのねじ形状についても、実用に耐える精度の範囲内であることが分かった。

１・・・照明手段
２・・・撮像手段
３・・・演算手段
１１・・・光軸
２１・・・視軸
１００・・・ねじ形状測定装置
Ｐ・・・ねじ付き管

Claims (6)

1. ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を測定する装置であって、
   前記ねじ付き管の端部を照明する照明手段と、
   前記照明手段によって照明された前記ねじ付き管の端部を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段によって撮像された撮像画像に基づき、前記ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を演算する演算手段とを備え、
   前記撮像手段は、前記ねじ付き管のねじ軸を含む面に沿って配置され、前記ねじ軸及び前記ねじ軸の垂線の双方に対して傾斜した方向の視軸を有し、焦点位置を変更して前記ねじ付き管の端部を複数回撮像し、
   前記照明手段は、前記ねじ軸を含む面から離れた位置に配置され、前記ねじ軸の垂線及び前記撮像手段の視軸の双方に対して傾斜した方向の光軸を有し、
   前記演算手段は、前記撮像手段によって撮像された複数の撮像画像にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づき前記ねじ付き管の端部の３次元形状を算出し、該算出した３次元形状に基づき前記ねじ付き管のねじの形状を演算する、
   ことを特徴とするねじ付き管のねじ形状測定装置。
2. 前記ねじ軸を含む面に対して直交する方向から見て、前記照明手段の光軸は、前記ねじ軸の垂線に対して前記撮像手段の視軸と同じ側に位置し、前記照明手段の光軸と前記ねじ軸の垂線との成す角度をθとした場合、前記照明手段は、以下の式（１）を満足するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のねじ付き管のねじ形状測定装置。
   ４０°≦θ≦６５° ・・・（１）
3. 前記ねじ軸を含む面に対して直交する方向から見て、前記照明手段の光軸は、前記ねじ軸の垂線に対して前記撮像手段の視軸と同じ側に位置し、前記照明手段の光軸と前記ねじ軸の垂線との成す角度をθとし、前記ねじ軸の方向から見て、前記照明手段の光軸と前記ねじ軸の垂線との成す角度をφとした場合、前記照明手段は、以下の式（２）及び式（３）を満足するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のねじ付き管のねじ形状測定装置。
   ４５°≦θ≦６０° ・・・（２）
   ５５°≦φ≦６０° ・・・（３）
4. 前記ねじ軸を含む面に対して直交する方向から見て、前記撮像手段の視軸と前記ねじ軸の垂線との成す角度をαとした場合、前記撮像手段は、以下の式（４）を満足するように配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のねじ付き管のねじ形状測定装置。
   ２５°≦α≦４５° ・・・（４）
5. 前記演算手段は、前記ねじ付き管のねじの形状として、少なくとも、フランク面の角度及びねじ底Ｒ部の曲率半径を演算することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のねじ付き管のねじ形状測定装置。
6. ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を測定する方法であって、
   照明手段によって前記ねじ付き管の端部を照明する照明手順と、
   前記照明手段によって照明された前記ねじ付き管の端部を撮像手段によって撮像する撮像手順と、
   前記撮像手段によって撮像された撮像画像に基づき、前記ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を演算する演算手順とを含み、
   前記撮像手段は、前記ねじ付き管のねじ軸を含む面に沿って配置され、前記ねじ軸及び前記ねじ軸の垂線の双方に対して傾斜した方向の視軸を有し、
   前記照明手段は、前記ねじ軸を含む面から離れた位置に配置され、前記ねじ軸の垂線及び前記撮像手段の視軸の双方に対して傾斜した方向の光軸を有し、
   前記撮像手順において、前記撮像手段の焦点位置を変更して前記ねじ付き管の端部を複数回撮像し、
   前記演算手順において、前記撮像手段によって撮像された複数の撮像画像にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づき前記ねじ付き管の端部の３次元形状を算出し、該算出した３次元形状に基づき前記ねじ付き管のねじの形状を演算する、
   ことを特徴とするねじ付き管のねじ形状測定方法。

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