JP2017190980A - ねじ付き管のねじ形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、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。【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、光投影法を実行するための第１光学系１０と、合焦法を実行するための第２光学系２０と、演算手段３とを備える。演算手段３は、第１光学系及び第２光学系によって撮像された撮像画像に基づき、ねじ付き管の端部に形成された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に関する。特に、本発明は、従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、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、従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、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やねじ底Ｒ部を精度良く測定可能であることを見出した。
ただし、一般に、合焦法を測定原理とする３次元形状測定方法は、ねじ付き管の製造ラインで測定可能な程度に測定時間を短縮しようとすると、測定面積（撮像手段の撮像視野）を小さく制限せざるを得ない。このため、合焦法を測定原理とする３次元形状測定方法を用いて全てのねじ形状を測定することは困難である。
したがい、従来の光投影法で測定できるねじ形状については光投影法を用いて測定すると共に、光投影法で測定できないねじ形状については合焦法を測定原理とする３次元形状測定方法を適用して照明手段や撮像手段の配置を工夫すれば良いことに想到し、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し、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する第１光学系と、前記ねじ付き管の端部を照明し、該照明された端部を焦点位置を変更して複数回撮像する第２光学系と、前記第１光学系及び前記第２光学系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、前記第１光学系は、前記ねじ付き管のねじ軸の方向から見て、前記ねじ軸を含む第１面に対して略直交する方向から前記ねじ付き管の端部を照明する第１照明手段と、前記ねじ軸を含む第１面に対して前記第１照明手段と反対側に対向配置され、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する第１撮像手段とを具備し、前記第２光学系は、前記ねじ付き管の端部を照明する第２照明手段と、前記第２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第２撮像手段とを具備し、前記第２撮像手段は、前記ねじ付き管のねじ軸を含む第２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、前記第２照明手段は、前記ねじ軸を含む第２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第２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、前記第１撮像手段によって撮像された撮像画像に画像処理を施すことで、前記ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第１外形を算出し、前記第２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、前記ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第２外形を算出し、前記算出した第１外形及び第２外形に基づき、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第１光学系は、従来と同様の光投影法を実行するための光学系であり、第２光学系は、合焦法を実行するための光学系である。
第１光学系が具備する第１照明手段でねじ付き管の端部を照明し、第１照明手段に対向配置された第１撮像手段でねじから漏れ出た光を検出して撮像すれば、得られる撮像画像は、ねじ付き管の端部で遮られた画素領域は暗くなり、遮られなかった画素領域は明るくなる。このため、演算手段で撮像画像に２値化等の画像処理を施すことで、ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第１外形を算出することが可能である。この第１外形には、ねじ山の頂面やねじ溝の底面が含まれるが、フック状フランク面やねじ底Ｒ部は含まれない。

第２光学系が備える第２撮像手段は、ねじ付き管のねじ軸を含む第２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、第２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、第２光学系が備える第２撮像手段の視軸は、必ずしもねじ軸を含む第２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、ねじ軸を含む第２面に沿っていればよい。
また、第２光学系が備える第２撮像手段は、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。この「焦点位置の変更」とは、第２撮像手段を視軸方向に移動させることと、第２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、第２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、第２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、第２撮像手段の視軸と第２照明手段の光軸とが同じ面内（例えば、ねじ軸を含む第２面内）にある場合に特に顕著になると考えられる。
第２光学系が備える第２照明手段は、ねじ軸を含む第２面から離れた位置に配置され、ねじ軸の垂線及び第２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、第２光学系が備える第２照明手段の光軸は、第２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。

演算手段は、第２撮像手段によって撮像された複数の撮像画像（第２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、ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第２外形を算出する。この第２外形には、フック状フランク面やねじ底Ｒ部を含めることが可能である。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比較して、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。

演算手段は、算出した第１外形及び第２外形に基づき、ねじ付き管のねじの形状を演算する。例えば、演算手段は、第１外形に基づき、ねじ軸を検出できる他、ねじ軸方向のねじ山の位置に相当するねじ山の位相、管端面からねじ軸方向の所定位置におけるねじ山の外径であるねじ径、ねじ軸方向に沿ったねじ溝の底面の径変化であるテーパ等を演算可能である。また、例えば、演算手段は、第２外形に基づき、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、第１光学系によって従来の光投影法で測定できるねじ形状を、第２光学系によって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である。

好ましくは、前記演算手段は、前記第１外形に基づき、前記ねじ軸を検出すると共に、前記ねじ軸とねじ溝の底面との成す角度を演算し、前記第２外形に基づき、前記ねじ溝の底面とフランク面との成す角度を演算し、前記演算したねじ軸とねじ溝の底面との成す角度及び前記演算したねじ溝の底面とフランク面との成す角度に基づき、前記フランク面と前記ねじ軸の垂線との成す角度を演算する。

本来、フランク面の角度は、ねじ軸に対するねじ溝の底面の角度には加工誤差が含まれるため、第２外形に基づき演算可能なねじ溝の底面とフランク面との成す角度ではなく、フランク面とねじ軸の垂線との成す角度として品質管理されるものである（図１参照）。ねじ軸の位置・方向は、予め想定できるとしても、ねじ付き管を固定する機構とねじ付き管との芯ずれや、ねじ付き管の曲がり等に応じて微妙に変動するため、ねじ溝の底面とフランク面との成す角度のみでは、フランク面とねじ軸の垂線との成す角度を正確に演算することができない。ねじ溝の底面の径がねじ軸方向に沿って変化するテーパねじの場合も同様に、ねじ溝の底面とフランク面との成す角度のみでは、フランク面とねじ軸の垂線との成す角度を正確に演算することができない。
上記の好ましい構成によれば、第１外形に基づきねじ軸を実際に検出するため、ねじ付き管の芯ずれや曲がりが生じていたとしても、測定対象であるねじ付き管のねじ軸を正確に検出可能である。そして、第１外形に基づき演算したねじ軸とねじ溝の底面との成す角度と、第２外形に基づき演算したねじ溝の底面とフランク面との成す角度とを組み合わせて演算することにより、本来管理されるべきフランク面とねじ軸の垂線との成す角度を正確に演算可能である。

また、好ましくは、前記演算手段は、前記第１外形及び前記第２外形の共通する部分をフィッティングさせることで、前記第１外形及び前記第２外形が合成された合成外形を算出し、前記算出した合成外形に基づき、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算する。

ねじ山幅及びねじ谷幅を演算するには、管端面側と反対側に位置するフランク面及び管端面側に位置するフランク面の双方の外形が必要である（図１参照）。一方のフランク面がフック状フランク面である場合、第１光学系を用いて算出された第１外形に他方のフック状ではないフランク面を含ませることは可能であるとしても、前記一方のフック状フランク面を含ませることはできない。一方、第２光学系を用いて算出された第２外形に前記一方のフック状フランク面を含ませることは可能である。
上記の好ましい構成によれば、第１外形及び第２外形の共通する部分（例えば、ねじ溝の底面、ねじ山の頂面及びねじ山Ｒ部（図１参照））をフィッティングさせることで、第１外形及び第２外形が合成された合成外形を算出するため、この合成波形には双方のフランク面が含まれる。このため、この合成外形に基づき、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算することが可能である。

さらに、好ましくは、前記演算手段は、前記第１外形に基づき、ねじ山の位相を演算し、前記演算したねじ山の位相に基づき、前記ねじ軸方向についての前記第２光学系の位置を決定する。

前述のように、第２光学系は合焦法を実行するための光学系であるため、第２撮像手段の撮像視野をある程度小さく制限せざるを得ない。このため、第２光学系を用いてフランク面やねじ底Ｒ部を測定する場合には、第２撮像手段の撮像視野にフランク面及びねじ底Ｒ部が入るように、第２光学系を正確に位置決めする必要がある。
上記の好ましい構成によれば、第１光学系を用いて算出された第１外形に基づき、ねじ山の位相を演算するため、たとえ、第１光学系と第２光学系とが、ねじ付き管の周方向に離間した位置に配置されているとしても、フランク面及びねじ底Ｒ部が測定可能な位置に第２光学系を位置決め可能である。

本発明によれば、従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、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に示す第１面Ｑ、第２面Ｍ、及びリード角の関係を示す模式図である。 図２に示す演算手段が算出する第１外形の一例を模式的に示す図である。 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第２外形の算出方法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合成波形の算出方法を説明する説明図である。 図２に示す第２光学系の撮像視野の影響を説明する説明図である。 図２に示す第２光学系の位置決め方法を説明する説明図である。 図２に示す第２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に示す第２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を含む第２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に示す第２照明手段１及び第２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、第１光学系１０と、第２光学系２０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、後述のように、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａの位置・方向は、第１光学系１０を用いて検出されている。
以下、ねじ形状測定装置１００の構成要素について、順次説明する。

＜第１光学系１０＞
第１光学系１０は、ねじ付き管Ｐの端部を照明し、ねじから漏れ出た光を検出して撮像するための光学系である。すなわち、第１光学系１０は、光投影法を実行するための光学系である。
具体的には、第１光学系１０は、第１照明手段４と、第１撮像手段５とを具備する。本実施形態では、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを挟んで対向する部位を照明・撮像するために、第１光学系１０は、２組の第１照明手段４（４ａ、４ｂ）及び第１撮像手段５（５ａ、５ｂ）を具備している。

第１照明手段４は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａの方向から見て（図２（ｂ）参照）、ねじ軸Ａを含む第１面Ｑに対して略直交する方向からねじ付き管Ｐの端部を照明する手段である。第１照明手段４としては、例えば、ＬＥＤ照明、ハロゲンランプ、レーザ等が用いられる。本実施形態の第１照明手段４は、リニアステージ（図示せず）やゴニオステージ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。

第１撮像手段５は、ねじ軸Ａを含む第１面Ｑに対して第１照明手段４と反対側に対向配置され、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する手段である。第１撮像手段５は、２次元配置されたＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を具備する他、好ましくは、テレセントリックレンズを具備し、これにより撮像素子において平行光成分を容易に受光することが可能である。本実施形態の第１撮像手段５も、リニアステージ（図示せず）等の駆動機構に取り付けられており、その上下方向位置を種々設定可能である。
第１撮像手段５の上下方向位置は、第１撮像手段５の焦点がねじ付き管Ｐのねじの外縁に合うように調整される。これにより、ねじ付き管Ｐの端部で遮られた画素領域と遮られなかった画素領域との明暗の差がはっきりとした撮像画像を得ることが可能である。

図３は、図２に示す第１面Ｑ、第２面Ｍ、及びリード角の関係を示す模式図である。図３（ａ）は、ねじ付き管Ｐを第２面Ｍに沿った方向から見た平面図であり、ねじ山Ｐ１がリード角γを有していることを示している。なお、実際には、フック状フランク面Ｐ３ｈの高さ中心位置の軌跡を第２面Ｍに沿った方向から見ると（第１面Ｑに投影すると）、図３（ａ）に示すような直線状にはならず正弦波状になるが、図３（ａ）では簡略化して記載している。また、図３（ａ）では、便宜上、ねじを誇張すると共に、フランク面Ｐ３がねじ軸の垂線と平行であるように簡略化して図示している。また、図３（ｂ）は、ねじ付き管Ｐをねじ軸Ａの方向から見た正面図であり、第１光学系１０（第１撮像手段５の撮像視野の位置）と第２光学系２０（第２撮像手段２の撮像視野の位置）とが、ねじ付き管Ｐの周方向に角度δだけずらして配置されていることを示している。
図３（ａ）に示すように、ねじ山Ｐ１は、ねじ付き管Ｐの外周において螺旋状に設けられており、ねじ軸に垂直な面（第２面Ｍに対して垂直な面）に対して、一定の傾斜角（リード角γ）を有する。

＜第２光学系２０＞
第２光学系２０は、ねじ付き管Ｐの端部を照明し、該照明された端部を焦点位置を変更して複数回撮像するための光学系である。すなわち、第２光学系２０は、合焦法を実行するための光学系である。具体的には、第２光学系２０は、第２照明手段１と、第２撮像手段２とを具備する。
なお、本実施形態では、第２光学系２０（第２撮像手段２の撮像視野の位置）は、第１光学系１０（第１撮像手段５の撮像視野の位置）に対して、ねじ付き管Ｐの周方向に角度δだけずらして配置されている（図３（ｂ）参照）。角度δは、第１光学系１０及び第２光学系の配置の自由度の点から約９０°であることが好適であるものの、これに限定されることなく自由に設定可能である。

第２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。本実施形態の第２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。

第２照明手段１は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む第２面Ｍ（本実施形態では、第１面Ｑから角度δだけずらして配置された面）から離れた位置に配置され、第２面Ｍに含まれるねじ軸Ａの垂線Ｎ及び後述する第２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、第２照明手段１の光軸１１は、第２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、単一の第２照明手段１を図示しているが、本発明は、単一の第２照明手段１に限るものではなく、複数の第２照明手段１を備える構成とすることも可能である。

第２撮像手段２は、第２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。本実施形態の第２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。
第２撮像手段２は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む第２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を含む第２面Ｍ内に位置している）。このため、第２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第２光学系２０のみを用いて演算する場合には、図２に示すような一方のフランク面撮像用の第２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第２撮像手段２との双方を配置すればよい。あるいは、第２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第２撮像手段２の位置及び視軸２１の方向を変更すればよい。
第２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、第２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＞
演算手段３は、第１光学系１０（第１撮像手段５）及び第２光学系２０（第２撮像手段２）に接続されており（第１撮像手段５との接続線は図示省略）、第１光学系１０及び第２光学系２０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。
なお、演算手段３を複数のパーソナルコンピュータから構成してもよい。この場合には、第１光学系１０によって撮像された撮像画像の画像処理、第２光学系２０によって撮像された撮像画像の画像処理、第１光学系１０及び第２光学系２０の測定順序や測定位置の制御など、各動作毎に各パーソナルコンピュータが役割分担して、相互に通信を行う機能を有するように構成すればよい。

演算手段３は、第１光学系１０が具備する第１撮像手段５によって撮像された撮像画像に画像処理を施すことで、ねじ軸Ａ方向に沿ったねじの部分的な外形である第１外形を算出する。第１光学系１０が具備する第１照明手段４でねじ付き管Ｐの端部を照明し、第１撮像手段５でねじから漏れ出た光を検出して撮像すれば、得られる撮像画像は、ねじ付き管Ｐの端部で遮られた画素領域は暗くなり、遮られなかった画素領域は明るくなる。このため、演算手段３で撮像画像に２値化等の画像処理を施すことで、ねじ軸Ａ方向に沿ったねじの部分的な外形である第１外形を算出することが可能である。

図４は、演算手段３が算出する第１外形Ｃ１の一例を模式的に示す図である。第１外形Ｃ１は、第１外形Ｃ１ａと第１外形Ｃ１ｂから構成されている。第１外形Ｃ１ａは、第１照明手段４ａ及び第１撮像手段５ａの組み合わせで撮像された撮像画像に基づき算出された外形である。第１外形Ｃ１ｂは、第１照明手段４ｂ及び第１撮像手段５ｂの組み合わせで撮像された撮像画像に基づき算出された外形である。第１外形Ｃ１のうち、実線で示す部分は算出される外形であり、破線で示す部分は実際には存在するが算出されない外形である。この第１外形Ｃ１には、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１やねじ溝の底面Ｐ２１が含まれるが、フック状フランク面Ｐ３ｈやねじ底Ｒ部Ｐ４は含まれない。

演算手段３は、算出した第１外形Ｃ１に基づき、ねじ付き管Ｐのねじの形状を演算する。例えば、演算手段３は、第１外形Ｃ１に基づき、ねじ軸Ａを検出できる他、ねじ軸Ａ方向のねじ山Ｐ１の位置に相当するねじ山の位相、管端面からねじ軸Ａ方向の所定位置におけるねじ山Ｐ１の外径であるねじ径、ねじ軸Ａ方向に沿ったねじ溝の底面Ｐ２１の径変化であるテーパ等を演算可能である。
また、演算手段３は、算出した第１外形Ｃ１に基づき、ねじ山Ｐの外径とねじ溝の底面Ｐ２１の径とを算出し、両半径の差であるねじ山Ｐの高さを演算可能である。

ねじ軸Ａは、例えば、第１外形Ｃ１ａのねじ溝の底面Ｐ２１を構成する点群データに基づき近似直線Ｌ２１ａを算出し、第１外形Ｃ１ｂのねじ溝の底面Ｐ２１を構成する点群データに基づき近似直線Ｌ２１ｂを算出し、両近似直線Ｌ２１ａ、Ｌ２１ｂが成す角度の二等分線として検出可能である。

また、演算手段３は、第２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、ねじ軸Ａ方向に沿ったねじの部分的な外形である第２外形を算出する。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、第２外形を算出する。

図５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５に示すように、第２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５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は第２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５に示す状態から第２撮像手段２が視軸２１の方向に移動し、図５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、第２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、本実施形態の第２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６は、演算手段３が実行する第２外形Ｃ２の算出方法を説明する説明図である。
図６（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。なお、図６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６（ｂ）に示すように、演算手段３は、第２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６（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を含む第２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６（ｃ）に示すように、第２面Ｍで切断したねじ軸Ａ方向に沿ったねじの部分的外形である第２外形Ｃ２を算出することが可能である。図６（ｃ）に示す第２外形Ｃ２のうち、実線で示す部分は算出される外形であり、破線で示す部分は実際には存在するが算出されない外形である。この第２外形Ｃ２には、フック状フランク面Ｐ３ｈやねじ底Ｒ部Ｐ４を含めることが可能である。また、ねじ山の頂面Ｐ１１を含め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、第２外形Ｃ２を算出する。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、フック状フランク面Ｐ３ｈ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。

演算手段３は、算出した第２外形Ｃ２に基づき、ねじ付き管Ｐのねじの形状を演算する。例えば、演算手段３は、第２外形Ｃ２に基づき、フック状フランク面Ｐ３ｈ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、フック状フランク面Ｐ３ｈの角度を演算することが可能である。図６（ｃ）に示す第２外形Ｃ２から直接演算できるフック状フランク面Ｐ３ｈの角度は、フック状フランク面Ｐ３ｈ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、第１外形Ｃ１からねじ軸Ａを検出可能であるため、フック状フランク面Ｐ３ｈとねじ軸Ａの垂線Ｎとの成す角度β（図１参照）としてフック状フランク面Ｐ３ｈの角度を演算することも可能である。すなわち、第１外形Ｃ１に基づきねじ軸Ａとねじ溝の底面Ｐ２１との成す角度を演算し、第２外形Ｃ２に基づきねじ溝の底面Ｐ２１とフック状フランク面Ｐ３ｈとの成す角度を演算し、両演算結果を組み合わせて演算することにより、フック状フランク面Ｐ３ｈとねじ軸Ａの垂線Ｎとの成す角度を演算可能である。

また、演算手段３は、第２外形Ｃ２におけるねじ底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。

さらに、演算手段３は、第１外形Ｃ１及び第２外形Ｃ２の共通する部分をフィッティングさせることで、第１外形Ｃ１及び第２外形Ｃ２が合成された合成外形を算出することも可能である。

図７は、演算手段３が実行する合成波形の算出方法を説明する説明図である。
図７に示すように、第１外形Ｃ１及び第２外形Ｃ２の共通する部分として、ねじ山の頂面Ｐ１１、ねじ溝の底面Ｐ２１及びねじ山Ｒ部Ｐ５を挙げることができる。これらのフィッティング方法としては、例えば、以下の手順を例示できる。
（１）第１外形Ｃ１のねじ山の頂面Ｐ１１に相当する点群データを直線近似して、近似直線Ｌ１１を算出する。同様に、第１外形Ｃ１のねじ溝の底面Ｐ２１に相当する点群データを直線近似して、近似直線Ｌ２１を算出する。
（２）近似直線Ｌ１１と第２外形Ｃ２のねじ山の頂面Ｐ１１に相当する点群データとの差の２乗和と、近似直線Ｌ２１と第２外形Ｃ２のねじ溝の底面Ｐ２１に相当する点群データとの差の２乗和とを加算した総和が最小となるように、第１外形Ｃ１に対して第２外形Ｃ２を回転・平行移動させる。
（３）第２外形Ｃ２のねじ山Ｒ部Ｐ５に相当する点群データを円近似して、近似円を算出する。
（４）上記（３）の近似円と第１外形Ｃ１のねじ山Ｒ部Ｐ５に相当する点群データとの差の２乗和が最小となるように、上記（２）で回転・平行移動した後の第２外形Ｃ２を近似直線２１に沿って平行移動させる。

上記（１）〜（４）の手順により、第１外形Ｃ１及び第２外形Ｃ２が合成された合成外形を算出可能である。この合成波形には双方のフランク面Ｐ３が含まれる。このため、演算手段３は、算出した合成外形に基づき、例えば、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算することも可能である。

なお、演算手段３は、第１外形Ｃ１に基づき、ねじ山の位相を演算し、演算したねじ山の位相に基づき、ねじ軸Ａ方向についての第２光学系２０の位置を決定することが好ましい。そして、光学系２０がこの決定した位置となるように、第２照明手段１や第２撮像手段２が取り付けられた駆動機構を駆動すればよい。これにより、本実施形態のように、第１光学系１０と第２光学系２０とが、ねじ付き管Ｐの周方向に離間した位置に配置されているとしても、フック状フランク面Ｐ３ｈ及びねじ底Ｒ部Ｐ４が測定可能な位置に第２光学系２０を位置決め可能である。以下、上記の第２光学系２０の位置決めについて、図８及び図９を参照しつつ、より詳細に説明する。

図８は、第２光学系２０（第２撮像手段２）の撮像視野の影響を説明する説明図である。図８（ａ）は適切な撮像画像が得られる場合の撮像視野の例を、図８（ｂ）は不適切な撮像画像が得られる場合の撮像視野の例を示す。図８に実線で示す部分が撮像される部分であり、破線で示す部分が撮像されない部分である。
図８（ａ）に示す例では、撮像視野の中心がフック状フランク面Ｐ３ｈの高さ方向の中心位置にほぼ位置しており、これにより、ねじ溝の底面Ｐ２１、フック状フランク面Ｐ３ｈ及びねじ山の頂面Ｐ１１を同時に撮像可能である。これに対して、図８（ｂ）に示す例では、不連続な撮像画像になると共に、フック状フランク面Ｐ３ｈの一部しか撮像できない。したがい、図８（ａ）に示すような撮像視野が得られるように、第２光学系２０（第２撮像手段２）を位置決めすることが好ましい。

図９は、第２光学系２０（第２撮像手段２）の位置決め方法を説明する説明図である。
演算手段３は、前述のように、第１外形Ｃ１に基づき、ねじ山の位相を演算する。具体的には、図９に示すように、第１撮像手段５ｂの撮像画像によって得られた第１外形Ｃ１ａに基づき、第１撮像手段５ｂの撮像視野の中心Ａ１から管端面側に位置するフック状ではないフランク面Ｐ３までのねじ軸Ａ方向の距離ＦＳを演算する。本実施形態では、この距離ＦＳをねじ山の位相に相当するパラメータとして使用する。
ここで、予め設定した設定値としてのねじ山幅をＰＰとする。また、ねじ付き管Ｐの外半径をＲとする。また、ねじのピッチをＰＴとする。さらに、フック状フランク面Ｐ３ｈの高さ方向の中心位置が、管周方向に角度δ（図３参照）だけずれると、ねじ軸Ａ方向にＳだけずれるとする。この場合、第２撮像手段２が図８（ａ）に示すような適切な撮像視野を得る（図９に示すように、撮像視野の中心Ａ２がフック状フランク面Ｐ３ｈの高さ方向の中心位置にほぼ位置する）には、第２撮像手段の撮像視野の中心Ａ２の位置を第１撮像手段５ｂの撮像視野の中心Ａ１の位置に対して、ねじ軸Ａ方向に以下の式で表わされるＬだけずらせばよいことになる。
Ｌ＝ＦＳ＋ＰＰ−Ｓ
＝ＦＳ＋ＰＰ−Ｒ・ｔａｎγ
＝ＦＳ＋ＰＰ−Ｒ・（１−ｃｏｓδ）・ＰＴ／（２・Ｒ）
演算手段３が上記の式に基づきＬを演算することで、ねじ軸Ａ方向についての第２光学系２０（第２撮像手段２）の好適な位置を決定可能である。

本実施形態に係るねじ形状測定装置１００によれば、第１光学系１０によって従来の光投影法で測定できるねじ形状を、第２光学系２０によって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を構成する第２撮像手段２の視軸２１の角度及び第２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。

＜第２撮像手段２の視軸２１の角度＞
図１０は、第２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１０の横軸は、図２（ａ）に示すように、ねじ軸Ａを含む第２面Ｍに対して直交する方向から見て、第２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１０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１０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１０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、第２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、第２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。

＜第２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を含む第２面Ｍに対して直交する方向から見て、第２照明手段１の光軸１１は、ねじ軸Ａの垂線Ｎに対して第２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、第２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、第２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、第２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を含む第２面Ｍに対して直交する方向から見て、第２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、第２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１１は、第２撮像手段２の角度α＝３０°とし、第２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１１（ａ）は、図２（ｂ）に示す第２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１１（ｂ）は、図２（ｂ）に示す第２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１１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１１（ａ））、時計回りの角度φを負の値（図１１（ｂ））で示している。また、欠損率とは、第２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１１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１１（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１１（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１２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、ねじ山Ｒ部の曲率半径を算出した結果の一例を示す。図１２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１２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・・・第２照明手段
２・・・第２撮像手段
３・・・演算手段
４・・・第１照明手段
５・・・第１撮像手段
１０・・・第１光学系
１１・・・光軸
２０・・・第２光学系
２１・・・視軸
１００・・・ねじ形状測定装置
Ｐ・・・ねじ付き管

Claims (4)

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し、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する第１光学系と、
   前記ねじ付き管の端部を照明し、該照明された端部を焦点位置を変更して複数回撮像する第２光学系と、
   前記第１光学系及び前記第２光学系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、
   前記第１光学系は、前記ねじ付き管のねじ軸の方向から見て、前記ねじ軸を含む第１面に対して略直交する方向から前記ねじ付き管の端部を照明する第１照明手段と、前記ねじ軸を含む第１面に対して前記第１照明手段と反対側に対向配置され、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する第１撮像手段とを具備し、
   前記第２光学系は、前記ねじ付き管の端部を照明する第２照明手段と、前記第２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第２撮像手段とを具備し、
   前記第２撮像手段は、前記ねじ付き管のねじ軸を含む第２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、
   前記第２照明手段は、前記ねじ軸を含む第２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第２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、
   前記第１撮像手段によって撮像された撮像画像に画像処理を施すことで、前記ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第１外形を算出し、
   前記第２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、前記ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第２外形を算出し、
   前記算出した第１外形及び第２外形に基づき、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. 前記演算手段は、
   前記第１外形に基づき、前記ねじ軸を検出すると共に、前記ねじ軸とねじ溝の底面との成す角度を演算し、
   前記第２外形に基づき、前記ねじ溝の底面とフランク面との成す角度を演算し、
   前記演算したねじ軸とねじ溝の底面との成す角度及び前記演算したねじ溝の底面とフランク面との成す角度に基づき、前記フランク面と前記ねじ軸の垂線との成す角度を演算す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。
3. 前記演算手段は、
   前記第１外形及び前記第２外形の共通する部分をフィッティングさせることで、前記第１外形及び前記第２外形が合成された合成外形を算出し、
   前記算出した合成外形に基づき、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算することを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載のねじ付き管のねじ形状測定装置。
4. 前記演算手段は、
   前記第１外形に基づき、ねじ山の位相を演算し、
   前記演算したねじ山の位相に基づき、前記ねじ軸方向についての前記第２光学系の位置を決定す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。

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