JP2019158541A - 計測用ｘ線ｃｔ装置、及び、その量産ワーク測定方法 - Google Patents

計測用ｘ線ｃｔ装置、及び、その量産ワーク測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＣＭＭ測定値に近い高精度のＸ線ＣＴ測定値を、ＣＭＭ測定を行うことなく得る。【解決手段】回転テーブル１６上に配置したワークＷを回転させながらＸ線１３を照射し、その投影画像を再構成してワークＷのボリュームデータを生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置１により量産ワークを測定する際に、所定のワークのボリュームデータに値付けしてマスターデータとして記憶し、前記所定のワークと同じ条件で、量産ワークのボリュームデータを得、該ボリュームデータを測定して量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を得て、前記マスターデータを用いて量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を補正する。【選択図】図５

Description

本発明は、計測用Ｘ線ＣＴ装置、及び、その量産ワーク測定方法に係り、特に、量産ワークのボリュームデータの高精度な測定が可能な、計測用Ｘ線ＣＴ装置、及び、その量産ワーク測定方法に関する。
１９７０年代に医療用Ｘ線ＣＴ装置が実用に供され、この技術をベースに１９８０年代初期頃より工業用製品のためのＸ線ＣＴ装置が登場した。以来、工業用Ｘ線ＣＴ装置は、外観からでは確認困難な鋳物部品の鬆、溶接部品の溶接不良、および電子回路部品の回路パターンの欠陥などの観察・検査に用いられてきた。一方、近年３Ｄプリンタの普及に伴い、３Ｄプリンタによる加工品内部の観察・検査のみならず、内部構造の３Ｄ寸法計測とその高精度化の需要が増大しつつある。
上述の技術の動向に対して、計測用Ｘ線ＣＴ装置がドイツを中心に普及し始めている（特許文献１、２参照）。この計測用Ｘ線ＣＴ装置では、測定対象を回転テーブル中心に配置して測定対象を回転させながらＸ線照射を行う。
計測で使用する一般的なＸ線ＣＴ装置１の構成を図１に示す。Ｘ線を遮蔽するエンクロージャ１０の中にコーンビーム状のＸ線１３を照射するＸ線源１２、Ｘ線１３を検出するＸ線検出器１４、ワークＷを置いてＣＴ撮像の為にワークＷを回転させる回転テーブル１６、Ｘ線検出器１４に映るワークＷの位置や倍率を調整するためのＸＹＺ移動機構部１８があり、それらのデバイスを制御するコントローラ２０、及び、ユーザ操作によりコントローラ２０に指示を与える制御ＰＣ２２などで構成される。
制御ＰＣ２２は、各デバイス制御の他に、Ｘ線検出器１４に映るワークＷの投影画像を表示する機能や、ワークＷの複数の投影画像から断層画像を再構成する機能を有する。
Ｘ線源１２から照射されたＸ線１３は、図２に示す如く、回転テーブル１６上のワークＷを透過してＸ線検出器１４に届く。ワークＷを回転させながらあらゆる方向のワークＷの透過画像（投影画像）をＸ線検出器１４で得て、逆投影法や逐次近似法などの再構成アルゴリズムを使って再構成することにより、ワークＷの断層画像を生成する。
前記ＸＹＺ移動機構部１８のＸＹＺ軸と回転テーブル１６のθ軸を制御することにより、ワークＷの位置を移動することができ、ワークＷの撮影範囲（位置、倍率）や撮影角度を調整することができる。
Ｘ線ＣＴ装置１の最終目的であるワークＷの断層画像またはボリュームデータ（ワークＷの立体像または断層画像のＺ軸方向の集合）を得るには、ワークＷのＣＴスキャンを行う。
ＣＴスキャンはワークＷの投影画像取得とＣＴ再構成の２つの処理で構成され、投影画像取得処理では、Ｘ線照射中にワークＷを載せた回転テーブル１６を一定速度で連続的あるいは一定ステップ幅で断続的に回転し、全周囲方向（一定間隔）のワークＷの投影画像を取得する。得られた全周囲方向（一定間隔）の投影画像を逆投影法や逐次近似法などのＣＴ再構成アルゴリズムを使ってＣＴ再構成することで、図３に例示する如く、ワーク（図３ではマスターボール）の断層画像またはボリュームデータが得られる。
得られたボリュームデータを用いて、寸法測定や欠陥解析などの各種測定を行うことができる。
特開２００２−７１３４５号公報 特開２００４−１２４０７号公報
生成したボリュームデータを用いてワーク内部の各測定（寸法測定、欠陥解析等）を行うことができるが、その測定には各種条件（ワーク材質、透過長等）や誤差要因による様々な測定の不確かさが含まれている。それら各種条件や誤差要因と測定の不確かさには複雑な相関関係があり、複数素材で複雑な構造のワークについては条件を明確化することも難しく、各測定誤差を高精度に補正することは非常に困難であった。
測定の不確かさの要因としては、例えば、（１）ハードウェアについては、Ｘ線源（スペクトル、フォーカス特性、安定性）、Ｘ線検出器（安定性／熱的ドリフト、動特性、散乱、コントラスト感度、画素変動、ノイズ、横方向分解能、機械軸（幾何誤差、機械的安定性））があり、（２）ソフトウェア／データ処理については、３Ｄ再構成、閾値決定、データ間引（表面）、データ修正（スケール誤差）があり、（３）測定対象（ワーク）については、表面粗さ、透過長（減衰）、寸法及び構造、材料組成、ビーム硬化、散乱放射があり、（４）オペレータ設定については、事前処理、Ｘ線源電流、加速電圧、拡大率、測定対象の向き、視野数、空間分解能（線源、測定対象及びＸ線検出器間の相対距離）、Ｘ線検出器露出時間があり、（５）環境については、温度、振動、湿度がある。
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、例えば、ある量産ワークのボリュームデータをマスターデータとして利用することにより、他の量産ワークの測定値を補正し、ボリュームデータの高精度な測定を行うことができるようにすることを課題とする。
Ｘ線ＣＴによる測定の不確かさはワーク材質や透過長に大きく影響し、高精度な測定機、例えば三次元（座標）測定機（ＣＭＭ）による測定の不確かさに比べて大きい。一方、同一形状・材質同士の比較であれば、それらのＸ線ＣＴの測定の不確かさの差は（ワーク材質や透過長が同じため）小さい。
例えば図４のように材質ＡとＢから成るワークをＣＭＭとＸ線ＣＴそれぞれで寸法測定した場合、Ｘ線ＣＴの測定値（寸法）はＣＭＭの測定値と比べて測定の不確かさが大きく、材質によりその測定の不確かさが変化する。しかしながら、例えば量産ワークの１つを基準ワークとし、基準ワークと別の量産ワークをＸ線ＣＴで測定した場合は、材質や形状が同じため、それらの測定の不確かさは同程度になる。
ＣＭＭ測定値とＸ線ＣＴ測定値の差分をΔα、基準ワークと量産ワークの測定値の差分をΔβとした場合、それぞれ次のような誤差が含まれている。
Δα …Ｘ線ＣＴ測定の形状や材質に起因する誤差
Δβ …ワーク形状の個体差
量産ワークのＸ線ＣＴ測定値に対して、このΔα、Δβをマスターデータとして用いることで、その量産ワークをＣＭＭ測定値と同程度に補正することができる。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
本発明は、回転テーブル上に配置したワークを回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成してワークのボリュームデータを生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置において、予め値付けされた、所定のワークのボリュームデータをマスターデータとして記憶する手段と、前記所定のワークと同じ条件で、量産ワークのボリュームデータを得る手段と、該ボリュームデータを測定して量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を得る手段と、前記マスターデータを用いて量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を補正する手段と、を備えたことを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置により、前記課題を解決するものである。
ここで、前記所定のワークを、量産ワークの一つとすることができる。
本発明は、又、回転テーブル上に配置したワークを回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成してワークのボリュームデータを生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置により量産ワークを測定する際に、所定のワークのボリュームデータに値付けしてマスターデータとして記憶し、前記所定のワークと同じ条件で、量産ワークのボリュームデータを得、該ボリュームデータを測定して量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を得て、前記マスターデータを用いて量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を補正することにより、同様に前記課題を解決するものである。
本発明によれば、Ｘ線ＣＴによる量産ワークの測定において、ある特定の量産ワークの各種誤差を含むボリュームデータに値付けを行いマスターデータとし、各種誤差要因を考慮せずに一括して各量産ワークのボリュームデータを補正することで、各量産ワークの測定値を高精度に補正することができる。例えば、マスターデータの値付けにＣＭＭを用いた場合には、ＣＭＭと同等の高精度な測定値を得ることができる。
又、一般的にＸ線ＣＴ測定が苦手とする複数素材のワークに対しても簡単に適用できる。
計測用で使用する一般的なＸ線ＣＴ装置の全体構成を示す断面図 同じく要部配置を示す斜視図 ＣＴ再構成の概要を示す図 本発明の原理を説明するための図 本発明の実施形態における処理手順を示す図 本実施形態でマスターデータの値付けに用いるＣＭＭの例を示す斜視図 同じくマスターデータを得るまでの手順を示す流れ図 同じくワークと測定項目の例を示す図 同じくワークの測定位置を示す図 同じくＣＭＭによる測定位置を示す図 同じく量産ワークのＸ線ＣＴ測定値の補正手順を示す流れ図
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。
本発明の実施形態における処理手順を図５に示す。
ステップ１０１で基準ワークのＸ線ＣＴ測定値を求めると共に、ステップ１０２で、図６に例示するような三次元（座標）測定機（ＣＭＭ）６０を用いて基準ワークのＣＭＭ測定値を求め、ステップ１０３で、これらからマスターデータを求める。
前記ＣＭＭ６０は、基準面となる定盤６２と、該定盤６２上を前後方向（Ｙ軸方向）に移動可能な一対の支柱６４ａ、６４ｂ及び、その上に架け渡されたビーム６４ｃを有する門型フレーム６４と、該門型フレーム６４のビーム６４ｃ上を左右方向（Ｘ軸方向）に移動可能なコラム６６と、該コラム６６上を上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能なスライダ６８と、該スライダ６８の下端に固定されたプローブ７０と、該プローブ７０の先端（図では下端）に固定されたスタイラス７２ａ及び例えば球状の測定子７２ｂを備えている。
一方、ステップ１０４で量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を求め、ステップ１０５でマスターデータ１０３と比較・補正することにより、ステップ１０６で補正後のＸ線ＣＴ測定値を得ることができる。
これにより、量産ワークのＣＭＭ測定を行わずに、ＣＭＭ測定値と同程度の高精度の測定値を得ることができる。
マスターデータやそれを計算するための測定値は、ワークの所定部分の寸法でもいいし、どこか任意の基準を決めた座標値でも良い。
Ｘ線ＣＴ測定値に特有なワーク材質や形状に依存する誤差も、比較を用いた本発明の原理により吸収することができ、例えばＸ線ＣＴが苦手とする複数素材のワークも、単一素材のワークと同様に補正することが可能である。
以下、具体的に説明する。
ステップ１０３におけるマスターデータを得るまでの手順は、図７に示す如くである。
まず、ステップ２０１で量産ワークの中から基準とするワーク（基準ワーク）を選定して測定項目を決める。例えば、図８（Ａ）に示すような内部に空洞がある鋳造部品（ここでは自動車用エンジンの中空バルブ）を想定し、測定項目は図８（Ｂ）に示すようなワーク軸部の外径、内径（空洞部分の直径）とする。
次いでステップ２０２に進み、基準ワークをＣＴスキャンして、基準ワークのボリュームデータを得る。
ここでは、測定項目や測定項目を測定するために座標合わせ等で必要な基準箇所を含めるようにＣＴスキャンを行い、基準ワークのボリュームデータを生成する。また、このときのＣＴスキャン条件（Ｘ線設定、Ｘ線検出器設定、スキャン範囲など）は量産ワークのＣＴスキャンに必要なため記録しておく。
次いでステップ２０３に進み、ボリュームデータを測定し、基準ワークのＸ線ＣＴ測定値を得る（図５のステップ１０１）。
例えば、中空バルブの軸方向の２箇所を測定位置とし、取得したボリュームデータの同じ測定位置の断面について、軸部の外径と内径の境界検出（空気と材料の境界を検出）を行う。
上記で測定した境界検出点群を基に、図９に示すように、外径と内径をそれぞれ円筒フィッティングし、それぞれの円筒直径を計算する。ここでは外径直径をＲxo、内径直径をＲxiとする。
次いでステップ２０４に進み、基準ワークの外部／内部形状を図６に示したＣＭＭ６０で測定して、基準ワークのＣＭＭ実測値を得る（図５のステップ１０２）。
内部形状を測定する場合、基準ワークを分解／破壊して、パーツごとに内部形状を測定しても良い。
例えば、図１０に示すように、中空バルブの軸部を切断してその断面をＣＭＭ６０の測定子７２ｂを用いてＣＭＭ測定する。測定位置はＸ線ＣＴ測定のときと同じ位置（２箇所）とし、それぞれの測定位置（断面）について軸部の外径と内径を測定する。
上記で測定した測定点群（測定子径補正済み）を基に外径と内径をそれぞれ円筒フィッティングし、それぞれの円筒直径を計算する。ここでは外径直径をＲco、内径直径をＲciとする。
次いでステップ２０５に進み、基準ワークのＸ線ＣＴ測定値と基準ワークのＣＭＭ実測値からマスターデータを作成する（図５のステップ１０３）。
例えば、ここではＸ線ＣＴ測定値とＣＭＭ実測値から計算した外径直径Ｒxo、Ｒcoと内径直径Ｒxi、Ｒciの差分ΔＲo、ΔＲiをマスターデータとする。
ΔＲo＝Ｒco−Ｒxo …（１）
ΔＲi＝Ｒci−Ｒxi …（２）
図７で得られたマスターデータを用いて、図１１に示す如く、量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を補正する。
先ずステップ４０１で、基準ワークと同じ条件で量産ワークのＣＴスキャンを行い、量産ワークのボリュームデータを得る。
次いでステップ４０２に進み、ボリュームデータを測定して量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を得る（図５のステップ１０４）。
具体的には、基準ワークのボリュームデータと同じ測定位置を同様の方法で測定し、外径と内径の円筒直径を計算する。ここでは外径直径をＲwo、内径直径をＲwiとする。
次いでステップ４０３に進み、マスターデータΔＲo、ΔＲiを使って補正後のＸ線ＣＴ測定値を得る（図５のステップ１０６）。
具体的には、補正後のＸ線ＣＴ測定値である外径直径をＲ'wo、内径直径をＲ'wiとすると、その計算式は次のようになる。
Ｒ'wo＝Ｒwo＋ΔＲo …（３）
Ｒ'wi＝Ｒwi＋ΔＲi …（４）
前記実施形態においては、量産ワークの一つを基準ワークとしていたので、特別な基準ワークを作る必要が無い。なお、量産ワークとは別にマスターデータ取得用の基準ワークを特別に作ることも可能である。
なお、マスターデータに値付けする手段は三次元測定機に限定されない。
又、測定対象も中空のエンジンバルブに限定されない。
１…Ｘ線ＣＴ装置
１２…Ｘ線源
１３…Ｘ線
１４…Ｘ線検出器
１６…回転テーブル
６０…三次元（座標）測定機（ＣＭＭ）
７２ｂ…測定子
Ｗ…ワーク

Claims (3)

  1. 回転テーブル上に配置したワークを回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成してワークのボリュームデータを生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置において、
    予め値付けされた、所定のワークのボリュームデータをマスターデータとして記憶する手段と、
    前記所定のワークと同じ条件で、量産ワークのボリュームデータを得る手段と、
    該ボリュームデータを測定して量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を得る手段と、
    前記マスターデータを用いて量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を補正する手段と、
    を備えたことを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置。
  2. 前記所定のワークが、量産ワークの一つであることを特徴とする請求項１に記載の計測用Ｘ線ＣＴ装置。
  3. 回転テーブル上に配置したワークを回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成してワークのボリュームデータを生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置により量産ワークを測定する際に、
    所定のワークのボリュームデータに値付けしてマスターデータとして記憶し、
    前記所定のワークと同じ条件で、量産ワークのボリュームデータを得、
    該ボリュームデータを測定して量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を得て、
    前記マスターデータを用いて量産ワークのＸ線ＣＴ測定値を補正することを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置の量産ワーク測定方法。
JP2018044787A 2018-03-12 2018-03-12 計測用ｘ線ｃｔ装置、及び、その量産ワーク測定方法 Pending JP2019158541A (ja)

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