JP2020071181A - 計測用ｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転テーブル上に載置できない大型部品や建造物等の測定対象のＸ線ＣＴ検査や計測を可能とする。【解決手段】Ｘ線源１２とＸ線検出器１４との間に配置した測定対象１０にＸ線を照射してＣＴスキャンすることで投影画像を取得し、その投影画像をＣＴ再構成することで測定対象１０の三次元像を生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置１において、測定対象１０を配置する固定テーブル２０と、該固定テーブル２０を挟んで、その周りを移動可能な移動型Ｘ線源１２及び移動型Ｘ線検出器１４を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、工業製品のための計測用Ｘ線ＣＴ装置に係り、特に一般的な計測用Ｘ線ＣＴ装置で用いられている回転テーブル上に載置できない大型部品や建造物等の測定対象のＸ線ＣＴ検査や計測を行うことが可能な計測用Ｘ線ＣＴ装置に関する。

従来、特許文献１や２に記載されたような計測用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、および電子部品の欠陥などの観察や検査に用いられてきた。一方、近年の３Ｄプリンタの普及に後押しされて、加工品内部の３Ｄ寸法計測とその高精度化の需要が増大しつつある。このような需要に対して、長さのトレーサビリティを意識した計測用Ｘ線ＣＴ装置が開発されている。更に、これに触発され追従する形で、寸法計測の高精度化の要求に応えるため、様々な創意工夫が凝らされつつある。

図１（平面図）及び図２（側面図）に、従来の計測用Ｘ線ＣＴ装置の構成例を示す。この計測用Ｘ線ＣＴ装置１は、Ｘ線を照射する、例えばＸ線管であるＸ線源１２、Ｘ線源１２から照射されて測定対象であるワーク１０の周囲および内部を透過するＸ線ビーム１３を検出して、ワーク１０の投影像を画像化して投影画像を得る、例えばフラットパネルディスプレイであるＸ線検出器１４、Ｘ線源１２とＸ線検出器１４の間にあってワーク１０を搭載する回転テーブル１６、回転テーブル１６を測定空間領域の任意の位置に移動する走査機構１８及び演算制御部（図示省略）を主な構成要素としている。

なお、図１において、Ｘ線源１２から水平にＸ線検出器１４に向かう方向をＸ軸、紙面に垂直な方向をＹ軸として、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸とする。

回転テーブル１６は、ワーク１０を載せて走査機構１８によりＸＹＺ軸方向に移動することができ、θ軸によりワーク１０を回転することができる。これらの調整により、Ｘ線検出器１４で得られるワーク１０の投影像の位置や倍率を調整することができる。

計測用Ｘ線ＣＴ装置１の最終目的であるワーク１０の三次元像であるボリュームデータ（ＣＴ像）を得るには、ワーク１０のＣＴスキャンを行う。

ＣＴスキャンは、図３に示す如く、ワーク１０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１０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１０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、ワーク１０の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

上記のような一般的な計測用Ｘ線ＣＴ装置１で高品質のＣＴ像を取得するには、Ｘ線源１２の焦点、Ｘ線検出器１４及び回転テーブル１６の回転軸の幾何的な位置関係を高精度で把握し、維持する必要があるため、各デバイスは安定した構造物上に固定される。このため、回転テーブル１６上に載置できない大型部品や建造物等の測定対象は測定できないという問題があった。

本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであり、回転テーブル上に載置できない大型部品や建造物等の測定対象のＸ線ＣＴ検査や計測を可能とすることを課題としている。

本発明は、Ｘ線源とＸ線検出器との間に配置した測定対象にＸ線を照射してＣＴスキャンすることで投影画像を取得し、その投影画像をＣＴ再構成することで測定対象の三次元像を生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置において、測定対象を配置する固定テーブルと、該固定テーブルを挟んで、その周りを移動可能な移動型Ｘ線源及び移動型Ｘ線検出器と、を備えたことを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置を提供することにより、前記課題を解決するものである。

ここで、環境変動の影響を受けにくい材質と構造を持つ基準フレームと、該基準フレームに配置した、前記移動型Ｘ線源及び移動型Ｘ線検出器の位置及び姿勢をＣＴスキャン中に逐次検出するセンサーと、検出された位置をＣＴ再構成のパラメータとして用いる再構成手段と、を更に備えてもよい。

又、前記基準フレームが、前記Ｘ線源の所に配設され、該基準フレームに配設したレーザー干渉計により、前記Ｘ線検出器に配設したコーナーキューブを検出するようにすることができる。

又、前記固定テーブルに回転型偏芯測定器を配設すると共に、前記基準フレームに前記回転型偏芯測定器の位置を検出するためのセンサーを配設することができる。

又、前記センサーを、前記固定テーブル上の固定治具に配設したキャッツアイを検出するレーザートラッカーとすることができる。

本発明によれば、回転テーブル上に載置できない大型部品や建造物等の測定対象のＸ線ＣＴ検査や計測を行うことが可能となる。この際、Ｘ線源及びＸ線検出器の位置関係を逐次的に測定し、その変化量をＣＴ再構成のパラメータとして入力することで高品質のボリュームデータ生成を実現することができる。

従来の計測用Ｘ線ＣＴ装置の要部構成を示す平面図 同じく側面図 同じくＣＴ再構成の概要を示す図 本発明の基本構成を示す平面図 同じく幾何モデルを示す図 本発明の第１実施形態を示す斜視図 第１実施形態で用いられる回転型偏芯測定器を示す平面図 同じく側面図 本発明による処理手順の例を示す流れ図 本発明の第２実施形態を示す斜視図

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。

本発明は、図４に基本構成を示す如く、計測用Ｘ線ＣＴ装置１の構成として測定対象を載置する固定テーブル２０を備え、例えば移動機構２２、２４を設けて、Ｘ線源１２及びＸ線検出器１４を独立して移動（自走）できる構成とする。

Ｘ線源１２及びＸ線検出器１４の移動機構２２、２４は、地面を走行する四輪自動車方式や、空中を飛行するドローン方式等が可能である。なお、移動機構を省略して、例えばプロジェクタとスクリーンのように、三脚などで自立するＸ線源及びＸ線検出器を手動で移動させることも可能である。

必要なデータによっては、必ずしもＸ線源１２とＸ線検出器１４がワーク１０の周りを１回転しなくてもよい。

本発明に係る計測用Ｘ線ＣＴ装置１の幾何モデルを図５に示す。ワーク１０を載置する固定テーブル２０に対し、Ｘ線源１２とＸ線検出器１４が相対的に回転する機構をもつ幾何モデルとする。

ＣＴスキャン中に変化するパラメータとしては、固定テーブル２０の相対姿勢に関して、回転（３）、平行移動（３）、Ｘ線検出器（カメラモデル）１４に関して、焦点距離ｆ（２）、スキュー（１）、中心位置（２）がある。そこで本発明では、ＣＴスキャン中のパラメータ変化を常に検査し、高精度なＸ線ＣＴを実現している。

本発明の第１実施形態を図６に示す。

本実施形態は、環境変動の影響を受けにくい、例えば正方形状の基準フレームであるメトロロジーフレーム４０をＸ線源１２の所に配設して基準とする。

更に、前記メトロロジーフレーム４０に変位計４２を設けて、Ｘ線源１２のターゲット１２ＡのＸ軸方向の変位を検出すると共に、前記メトロロジーフレーム４０に配設した、例えば３つのレーザー干渉計出射部４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃにより、Ｘ線検出器１４に配設した同じく３つのコーナーキューブ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを検出する。

レーザー干渉計は、光源ユニット４４と、導光ファイバ４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃと、前記メトロロジーフレーム４０に装着された前記レーザー干渉計出射部４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃで構成されている。

これらにより、Ｘ線源１２とＸ線検出器１４の位置と姿勢を検出する。

更に、固定テーブル２０の下に、コーナーキューブ５０Ｄを取り付けた回転型偏芯測定器６０を設けて、メトロロジーフレーム４０に設けたレーザー干渉計出射部４８Ｄから出射されるレーザーを用いて固定テーブル２０の位置を検出すると共に、該回転型偏芯測定器６０を基準とした固定テーブル２０の偏芯を検出する。

前記回転型偏芯測定器６０は、図７（平面図）及び図８（側面図）に示す如く、固定テーブル２０の外周に基準面２０Ａ（真円度が小さいことが望ましい）を設け、その外周に設けた回転型偏芯測定フレーム６２に半径方向（図７）及び軸方向（図８）に感度をもつ変位計６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ、６４Ｄ、６４Ｅ、６４Ｆ（図示されず）を各方向に１つ以上設置し、回転型偏芯測定フレーム６２に対する固定テーブル２０の半径方向及び軸方向の変位を測定する。ここで、回転型偏芯測定フレーム６２は、コーナーキューブ５０Ｄがメトロロジーフレーム４０の方向を向くように回転する。

又、回転型偏芯測定器６０のメトロロジーフレーム４０からの距離は、該回転型偏芯測定器６０に設けたコーナーキューブ５０Ｄをメトロロジーフレーム４０に設けたレーザー干渉計出射部４８Ｄから出射したレーザーで検出することにより行う。図において、４６Ｄは導光ファイバである。

なお、変位計を追加して、ターゲット１２ＡのＹ軸方向及びＺ軸方向の変位を検出することも可能である。

前記レーザー干渉計や変位計４２、回転型偏芯測定器６０等で検出されるＣＴスキャン中に変動する位置データと姿勢データをＣＴ再構成処理時に利用することによって、変動の影響を抑制することができる。

具体的には、図９に示す如く、まずステップ１００で、計測用Ｘ線ＣＴ装置１のＸ線源１２の焦点、Ｘ線検出器１４、固定テーブル２０の幾何学的な位置関係を校正した後、初期校正値として保存する。

同時にステップ１１０で、メトロロジーフレーム４０のセンサーである変位計４２の変位値や回転型偏芯測定器６０の変位値を取得して、初期変位値として保存する。

次いでステップ１２０で、固定テーブル２０上にワーク１０を配置した後、Ｘ線ビームを照射してＣＴスキャンし、複数枚（例えば８００枚）の投影像を取得する。

この際ステップ１３０で、各投影像取得時のメトロロジーフレーム４０のセンサーの変位値を取得する（例えば８００データ）。

次いでステップ１４０に進み、ＣＴ再構成処理のパラメータとして、初期校正値、初期変位値、投影像取得時のセンサーの変位値を入力し、取得した投影像をＣＴ再構成処理し、ボリュームデータを生成する。

このＣＴ再構成処理において、投影像取得時のセンサーの変位値を利用することで、ＣＴ再構成中の幾何学的な位置変化の影響を抑制した高品質のボリュームデータを生成することができる。

次に、図１０を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態は、第１実施形態における固定テーブル２０の位置と偏芯の測定を、メトロロジーフレーム４０に設けたレーザートラッカー７０によって行うように変更したものである。

レーザートラッカー７０は、例えば固定治具７２に配設したキャッツアイ７４により固定テーブル２０の位置と偏芯を測定する。

他の点については、前記実施形態と同様であるので説明は省略する。

なお、前記実施形態においては、メトロロジーフレームとセンサーの組合せの例が示されていたが、メトロロジーフレームとセンサーの組合せはこれらに限定されず、必要に応じて、任意の組合せが可能である。

１…計測用Ｘ線ＣＴ装置
１０…ワーク（測定対象）
１２…Ｘ線源（Ｘ線管）
１４…Ｘ線検出器
２０…固定テーブル
２２、２４…移動機構
４０…メトロロジーフレーム（基準フレーム）
４４…レーザー干渉計光源ユニット
４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄ…レーザー干渉計出射部
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ…コーナーキューブ
６０…回転型偏芯測定器
６２…回転型偏芯測定フレーム
７０…レーザートラッカー
７２…固定治具
７４…キャッツアイ

Claims (5)

1. Ｘ線源とＸ線検出器との間に配置した測定対象にＸ線を照射してＣＴスキャンすることで投影画像を取得し、その投影画像をＣＴ再構成することで測定対象の三次元像を生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置において、
   測定対象を配置する固定テーブルと、
   該固定テーブルを挟んで、その周りを移動可能な移動型Ｘ線源及び移動型Ｘ線検出器と、
   を備えたことを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置。
2. 環境変動の影響を受けにくい材質と構造を持つ基準フレームと、
   該基準フレームに配置した、前記移動型Ｘ線源及び移動型Ｘ線検出器の位置及び姿勢をＣＴスキャン中に逐次検出するセンサーと、
   検出された位置をＣＴ再構成のパラメータとして用いる再構成手段と、
   を更に備えた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. 前記基準フレームが、前記Ｘ線源の所に配設され、該基準フレームに配設したレーザー干渉計により、前記Ｘ線検出器に配設したコーナーキューブを検出するようにされていることを特徴とする請求項２に記載の計測用Ｘ線ＣＴ装置。
4. 前記固定テーブルに回転型偏芯測定器が配設されると共に、前記基準フレームに前記回転型偏芯測定器の位置を検出するためのセンサーが配設されていることを特徴とする請求項２に記載の計測用Ｘ線ＣＴ装置。
5. 前記センサーが、前記固定テーブル上の固定治具に配設したキャッツアイを検出するレーザートラッカーであることを特徴とする請求項４に記載の計測用Ｘ線ＣＴ装置。