JP4586987B2 - Ｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Description

本発明は産業用のＸ線ＣＴ装置に関する。

例えばアルミ鋳物などの内部に巣があるか否か等を検査するには、Ｘ線画像が多用されている。単純な透視撮影はスループットが大きいという利点がある反面、巣の位置や形状を正確に定量的に把握することは困難であり、一般には透視画像を観察して良／不良を判断するオペレータの熟練度に依存するところが大きい。

これに対し、Ｘ線ＣＴ装置では断層像を観察できるので、巣の位置や大きさも正確に求められるという利点がある。しかながら、ＣＴ撮影は一般に撮影に相当の時間を要し、スループットが低いという問題がある。また、被検体の全体像を一回のＣＴ撮影でカバーしようとすると、測定領域（スキャン領域）が十分に大きければ、被検体の配置については視野に入りさえすればよいので特に注意をする必要はないが、測定領域が大きいが故に測定時間が長くなるばかりでなく、受光面積の大きなＸ線検出器を必要とするためにコストアップに繋がる。また、なにより空間分解能が低くなるため、微小な巣や欠陥を検出できないという問題がある。

分解能を上げるためには、被検体を局所的に拡大して撮影することになるが、この場合、視野が小さくなって全体像は観察することができない。被検体を局所的に拡大してＣＴ撮影を行う場合、被検体上の見たい位置をＸ線ＣＴ装置の測定領域に移動させる必要がある。このような被検体の移動には、通常、被検体に回転を与える回転ステージの上にｘｙテーブル等を搭載する構成が採用されている。被検体を位置決めする際には、被検体の透視画像をみながら、オペレータがｘｙステージを操作する（例えば特許文献１参照）。

被検体を回転ステージおよびｘｙステージ以外の構造を用いて位置決めおよび回転を与えるものとして、従来、ロボットのハンド部に設けたチャッキング装置を、ロボットの駆動軸により回転させるようにしたものが知られている（例えば特許文献２参照）。すなわち、この公報記載の技術においては、図４に示すように、Ｘ線発生装置４１とＸ線検出器４２に隣接して、複数の関節を備えたアーム４３ａの先端に、被検体Ｗの形状等に応じて適宜に交換されるチャッキング装置４３ｂを備えるとともに、そのチャッキング装置４３ｂをその中心軸の回りに回転させる回転機構４３ｃを備えてなる多軸ロボット４３を配置し、この多軸ロボット４３のチャッキング装置４３ｂで搬入ステージ４４上の被検体Ｗをチャッキングした後、Ｘ線発生装置４１とＸ線検出器４２の間のあらかじめ設定されている位置に被検体Ｗを搬送して位置決めし、回転機構４３ｃにより被検体Ｗに回転を与え、ＣＴ撮影を行う。撮影後の被検体Ｗは多軸ロボット４３でチャッキングしたまま、搬出ステージ４５へと搬送して解放する。
特開２００５−３０８６３３号公報 特開２００５−２２１４６０号公報

ところで、アルミ鋳物の検査では、最初のロットにおいては被検体の全領域を漏れなく観察する必要があるが、生産工程が安定してくると、通常、全ての領域を観察する必要はない。同じ被検体でも状況に応じて柔軟に、全体のＣＴ観察、部分的ＣＴ観察、透視観察のみなどと使い分けることができれば、生産現場の状況に速やかに対応できて望ましい。

回転ステージの上にｘｙステージを搭載して被検体の位置を変化させる方式では、アルミ鋳物の検査等において局所的な拡大断層像を得るべく、オペレータが被検体の透視画像を見ながらｘｙステージを操作する作業は容易ではない。

また、多軸ロボットを用いる従来の提案技術においては、チャッキング装置は回転機構の直近に設けられており、回転機構とチャッキング装置との位置関係並びに姿勢は一定であるが故に、被検体の同じ位置をスライスする場合には問題はないものの、アルミ鋳物の検査のように、被検体上の任意の位置を任意の切断方向に沿った断層像を得る必要がある場合には、対応が困難である。すなわち、特許文献２の技術では、回転軸とチャッキング装置は実質的に一体化しており、一旦被検体をチャッキングしてしまうと、回転軸上の位置から離れた箇所を中心とするＣＴ撮影ができず、また、回転軸に対してチャッキング装置を傾けることができないため、スライス面の角度を変化させることができない。複数の観察位置ないしはスライス角度で断層像を得るためには、被検体をチャッキングしなおす必要がある。

本発明は、例えばアルミ鋳物の検査等、ある程度拡大して撮影することで品質上問題となる微小な欠陥を観察することができることを前提とし、速やかに観察位置を変化させることができ、この変化のための被検体の移動において、被検体をチャッキングしなおす必要がなく、しかも観察位置と観察モード（透視またはＣＴか等）の設定を簡単に変更することのできるＸ線ＣＴ装置の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明のＸ線ＣＴ装置は、互いに対向配置されたＸ線発生装置とＸ線検出器の間に、当該Ｘ線発生装置の焦点とＸ線検出器の中心を結ぶ線に対して直交する回転軸を中心として被検体に回転を与える被検体ステージが設けられ、その回転軸を中心とする微小回転角度ごとに取り込んだ被検体のＸ線投影データを用いて、回転軸に直交する平面に沿った被検体の断層像を再構成するＸ線ＣＴ装置において、上記被検体ステージが、上記回転軸を中心として回転が与えられる回転機構と、その回転機構に支持され、被検体を把持してその位置および姿勢を変化させる多関節ロボットによって構成されていることにより特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記回転機構として、上記多関節ロボットの複数の駆動軸のうち、ベース直近の駆動軸を用いる構成（請求項２）を採用することができる。

また、本発明においては、上記Ｘ線発生装置からのＸ線光軸と上記回転軸が交わる位置を、互いに異なる方向から撮影する少なくとも２台の光学カメラを備え、その各光学カメラによる映像を表示する表示手段を備えた構成（請求項３）を好適に採用することができる。

本発明は、被検体をロボットを用いて把持した状態でＣＴ撮影のための回転を与えるのであるが、被検体を把持する多関節ロボットを、回転機構上に支持した構成とすることにより、回転軸に対して被検体を自由に移動および傾動させることを可能とし、課題を解決しようとするものである。

すなわち、本発明においては、被検体を把持した多関節ロボットごと、回転機構により回転が与えられるため、多関節ロボットの駆動により、被検体を回転機構の回転軸に対して任意の位置・姿勢に移動させることができる。その結果、被検体を把持し直すことなく任意の位置を任意のスライス角度のもとにＣＴ撮影することができる。そして、多関節ロボットにより被写体を把持した状態で位置並びに姿勢を変化させるので、ティーチングにより被写体の複数の位置・姿勢を設定しておくことで、所望の位置・姿勢に素早く被写体を移動させることが可能となる。

また、請求項２に係る発明のように、多関節ロボットのベース直近の駆動軸をＣＴ撮影時に被写体を回転させるための回転機構として用いても、上記と同様の作用を奏することができる。

そして、請求項３に係る発明のように、回転機構による回転軸とＸ線光軸が交わる位置を、少なくとも２台の光学カメラで互いに異なる方向から撮影し、その画像を表示器に表示するように構成すれば、例えばティーチング時において、ＣＴ撮影領域（スキャン領域）に対して被検体のどの位置がどのような姿勢となっているのかを直感的に把握することができる。

本発明によれば、回転機構上に多関節ロボットを支持し、その多関節ロボットにより被検体の回転軸に対する位置並びに姿勢を変化させるので、被検体上の任意の位置を、任意の姿勢のもとにＣＴ撮影することが可能となり、例えばアルミ鋳物の内部に巣があるか否か等の検査などに用いて、被検体を把持し直すことなく観察位置やスライス角度の変更が可能で、その作業が容易となる。

また、上記のようなアルミ鋳物の検査等において、巣などの生じやすい位置を最初のロット検査等において把握することができれば、ティーチングしておくことにより速やかに被写体を所要の位置・姿勢に移動させることができ、検査作業の容易化を達成することができる。

そして、請求項３に係る発明のように、回転軸とＸ線光軸が交わる位置を、少なくとも２台の光学カメラで互いに異なる方向から撮影して表示器に表示すると、撮影領域（スキャン領域）に対して被写体がどのような位置および姿勢となっているのかを直感的に把握することができ、マニュアルによる検査作業や多関節ロボットのティーチング作業が容易となる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図で、防護箱１の天井板を透視して表す機械的構成の模式的平面図と、システム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。また、図２は本発明の実施の形態の防護箱１内の主要な機械的構成を示す斜視図である。

防護箱１内に、Ｘ線発生装置２とＸ線検出器３が水平方向に対向配置されており、これらに隣接して垂直多関節ロボット４が配置されている。Ｘ線発生装置２はコーンビーム状のＸ線を水平方向に向けて発生する。Ｘ線検出器３は例えば２次元のイメージ管である。

垂直多関節ロボット４は、ベース４ａ上にアーム部４ｂを備え、そのアーム部４ｂの先端部に被検体Ｗを把持するためのハンド部４ｃを備えた公知の５軸垂直多関節ロボットであり、アーム部４ｂをベース４ａに対して鉛直の回転軸Ｒを中心として回転させることができる。その回転軸Ｒは、Ｘ線発生装置２のＸ線焦点とＸ線検出器３の受光面の中心を結ぶ線、つまりＸ線光軸Ｌに対して垂直に交叉している。そしてこの垂直多関節ロボット４のベース４ａは、Ｘ線光軸Ｌと平行に移動する直動機構５の上に載せられている。

防護箱１には扉１ａが設けられており、その扉１ａの外側にワーク台６が配置されている。垂直多関節ロボット４は、扉１ａを介してワーク台６上の被検体Ｗをハンド４ｃで把持して防護箱１内に搬入し、後述するようにＸ線発生装置２とＸ線検出器３の間に位置決めし、選択されたモードに応じた動作を行う。この各モードのうち、ＣＴ撮影モードにおいては、Ｘ線を照射しながら被検体Ｗに回転を与え、所定の回転角度ごとにＸ線投影データを取り込むのであるが、この回転は、垂直多関節ロボット４のベース４ａに対してアーム部４ｂを回転させる回転軸Ｒを利用する。

防護箱１内には、また、鉛直上方および水平方向からそれぞれ回転軸ＲとＸ線光軸Ｌが交わる位置の近傍を撮影するためのＣＣＤカメラ７および８が設けられている（図１においてＣＣＤカメラ７は図示略）。これらのＣＣＤカメラ７および８による映像信号はパーソナルコンピュータ１０に取り込まれ、外観像として表示器１１に表示される。

また、前記したＸ線検出器２の画素出力についてもパーソナルコンピュータ１０に取り込まれ、Ｘ線透視像を表示器１１に表示するとともに、パーソナルコンピュータ１０にインストールされている逆投影による断層像の再構成演算に供される。

図３に表示器１１の画面の構成例を示す。この例では、Ｘ線透視像または断層像を表示するためのＸ線画像表示エリアＰｘと、２台のＣＣＤカメラ７，８による外観像の表示エリアＰｃ１，Ｐｃ２が設けられているとともに、Ｘ線条件の設定エリアＳｘ、垂直多関節ロボット４のティーチングモード等の設定ボタンＢｒ、ＣＴ撮影開始ボタンＢｓ、画像の明るさおよびコントラストの設定ボタンＢｂ，Ｂｃ等が設けられている。

前記したＸ線発生装置２の管電圧および管電流はＸ線コントローラ１２から供給され、このＸ線コントローラ１２はパーソナルコンピュータ１０の制御下に置かれている。垂直多関節ロボット４はロボットコントローラ１３によって制御され、このロボットコントローラ１３についてもパーソナルコンピュータ１０の制御下に置かれている。更に、直動機構５はドライバ１４から供給される駆動信号により動作し、このドライバ１４についてもパーソナルコンピュータ１０の制御下に置かれている。

ロボットコントローラ１３およびドライバ１４には、操作部１５を操作することによって動作指令与えることができ、この操作部１５の操作によって、ロボット４のティーチングも行えるようになっている。

次に、以上の構成からなる本発明の実施の形態の動作について述べる。操作部１５の操作により、マニュアル透視撮影モード、マニュアルＣＴ撮影モード、ＣＴ撮影のティーチングモード、および自動ＣＴ撮影モードを選択することができる。

まず、マニュアル透視撮影モードにおいては、操作部１５の操作によりその旨の指令を与えると、扉１ａが開かれ、垂直多関節ロボット４がワーク台６上の被検体Ｗを把持して防護箱１内に搬入してＸ線発生装置２とＸ線検出器３の間のあらかじめ設定された位置に位置決めし、扉１ａが閉じられる。その状態でＸ線を照射しつつ、表示器１１に表示されるＸ線透視像を見ながら、オペレータのマニュアル操作により垂直多関節ロボット４を駆動し、被検体Ｗを上下左右に移動させたり傾けたりし、あるいは前後に移動させて透視拡大率を変化させ、巣などの欠陥がないか否かをオペレータが判断する。このとき、表示器１１にＸ線透視像と併せて、各ＣＣＤカメラ７，８による外観像が表示されるため、オペレータはどの位置をどの方向から透視しているのかを直感的に把握することができる。

マニュアルＣＴ撮影モードにおいては、撮影条件（撮影時間など）を設定または確認した後、上記と同様に垂直多関節ロボット４により被検体Ｗを把持してＸ線発生装置２とＸ線検出器３の間に位置決めし、オペレータの操作により垂直多関節ロボット４を駆動し、被検体Ｗを所要の位置並びに姿勢に位置決め固定した後、ＣＴ撮影の開始指令を与える。被検体Ｗの位置や姿勢を決めるに当たっては、被検体Ｗの透視像並びに２方向からの外観像を見ながら行うことができ、どの位置の断層像を撮ろうとしているのかを直感的に把握することができる。また、拡大率を変化させたい場合には、直動機構５を駆動して、被検体Ｗを把持した垂直多関節ロボット４ごとＸ線光軸Ｌ方向に移動させる。

ＣＴ撮影に際しては、垂直多関節ロボット４は、ハンド部４ｃで被検体Ｗを把持した状態で、回転軸Ｒを中心としてベース４ａに対してアーム部４ｂを回転させ、その微小回転角度ごとに被検体ＷのＸ線投影データが取り込まれる。また、このＣＴ撮影においては、ベース４ａに対してアーム部４ｂが３６０°以上回転できれば３６０°回転させる。できない場合には、１８０°＋Ｘ線ビームの開き角だけ回転させれば（ハーフスキャン）再構成することができる。

ＣＴ撮影のティーチングモードにおいては、上記したマニュアルＣＴ撮影モードによりあらかじめ撮影場所を順に登録する。この登録により、自動ＣＴ撮影モードでは、登録された順番に被写体Ｗを垂直多関節ロボット４が被検体Ｗを自動的に移動させ、順次ＣＴ撮影を行う。

以上の本発明の実施の形態において、Ｘ線発生装置２が例えばＨＳ２２５であり、最高管電圧２２５ｋＶ，３２０Ｗで、焦点は０．５ｍｍであって、Ｘ線検出器３が９インチイメージ管のマルチタイプであり、視野切り換えが可能とし、Ｘ線発生装置２の焦点とＸ線検出器３の水平方向距離を１０００ｍｍとして、被検体Ｗをその中央、つまりＸ線焦点から５００ｍｍの位置で回転軸Ｒを中心として回転させたとすると、撮影倍率は２倍となり、視野の幅が１４０ｍｍとすると、ＣＴ撮影可能領域は図２においてＡで示される領域であって、その直径が７０ｍｍ、高さ７０ｍｍの円筒領域となる。５００画素で再構成すると１画素が約０．１４ｍｍとなる。よって、０．５ｍｍ程度の欠陥を十分に検出することができる。

そして、以上の本発明の実施の形態によると、ＣＴ撮影時に被検体Ｗを回転させる回転軸Ｒは、垂直多関節ロボット４のベース４ａに対してアーム部４ｂを回転させる駆動軸を利用しており、被検体Ｗを把持するハンド部４ｃをその回転軸Ｒに対して自由に変位および傾けることができるため、被検体Ｗの任意の位置の任意の方向に沿った断層像を得ることができると同時に、回転ステージの上にｘｙステージを搭載して位置決めする場合に比して、マニュアル操作においてもその作業が容易であるし、自動ＣＴ撮影においてはティーチングにより各関節が同時に移動して素早く登録された位置・姿勢に位置決めされるため、スループットが大幅に改善される。

なお、以上の実施の形態においては、ＣＴ撮影時に被検体Ｗを回転させる回転軸Ｒとして、垂直多関節ロボットのベースに対するアーム部の回転駆動軸を利用したが、本発明はこれに限定されることなく、別途回転機構を設け、その上に垂直多関節ロボットを配置してもよい。

また、以上の実施の形態においては、撮影倍率（拡大率）を変化させるために、垂直多関節ロボットをＸ線光軸に沿って移動する直動機構の上に搭載したが、この直動機構については設けなくてもよい。

本発明の実施の形態の構成図で、防護箱１の天井板を透視して表す機械的構成の模式的平面図と、システム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。 本発明の実施の形態の防護箱１内の主要な機械的構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の表示器１１の表示画面の構成例の説明図である。 従来のロボットを用いたＸ線ＣＴ装置の構成の説明図である。

符号の説明

１ 防護箱
１ａ 扉
２ Ｘ線発生装置
３ Ｘ線検出器
４ 垂直多関節ロボット
４ａ ベース
４ｂ アーム部
４ｃ ハンド部
５ 直動機構
６ ワーク台
７，８ ＣＣＤカメラ
１０ パーソナルコンピュータ
１１ 表示器
１２ Ｘ線コントローラ
１３ ロボットコントローラ
１４ ドライバ
１５ 操作部
Ｗ 被検体

Claims (3)

1. 互いに対向配置されたＸ線発生装置とＸ線検出器の間に、当該Ｘ線発生装置の焦点とＸ線検出器の中心を結ぶ線に対して直交する回転軸を中心として被検体に回転を与える被検体ステージが設けられ、その回転軸を中心とする微小回転角度ごとに取り込んだ被検体のＸ線投影データを用いて、回転軸に直交する平面に沿った被検体の断層像を再構成するＸ線ＣＴ装置において、
   上記被検体ステージが、上記回転軸を中心として回転が与えられる回転機構と、その回転機構に支持され、被検体を把持してその位置および姿勢を変化させる多関節ロボットによって構成されていることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
2. 上記回転機構として、上記多関節ロボットの複数の駆動軸のうち、ベース直近の駆動軸を用いることを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
3. 上記Ｘ線発生装置からのＸ線光軸と上記回転軸が交わる位置を、互いに異なる方向から撮影する少なくとも２台の光学カメラを備え、その各光学カメラによる映像を表示する表示手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線ＣＴ装置。

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