JP6624162B2 - ねじ形状測定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、油井管等の鋼管の管端にネジ加工を施したねじ付き部材のねじ部を、撮像装置によって得られた画像に画像処理を行い、非接触で寸法測定を行うねじ形状測定装置および方法に関する。

油井管等の鋼管の端部に形成されたねじ部は、ねじ継手にねじ結合され、鋼管を接続する。管端部に形成されたねじ部の寸法精度が低いと十分なねじ結合を得られず、管内の搬送媒体を漏出するなどの問題を生じる恐れがある。とくに油井管は、近年、厳しい油井環境下で使用されることにより、ねじ部の寸法精度に対する要求はますます厳しくなっている。

このため、従来より、油井管のねじ継手をはじめ種々のねじ付き部材のねじ部の形状を測定する技術が提案されている。ねじ形状を測定する技術として、例えば、測定子をねじ溝に沿って移動させながら形状の判別を行う接触式の形状測定技術や、光源と撮像装置を用いて光を測定されるべき対象に照射し得られる画像からねじ形状を測定して判別を行う非接触式の光学式の形状測定技術がある。

非接触式の光学式の形状測定技術として、例えば、特許文献１には、鋼管、棒鋼などの外形を計測する技術が提案されている。特許文献１は、パイプ又は棒状材料の外形を、回転板に取付けた複数個のリニアイメージセンサカメラを用いて、計測部が連続回転しながら被検体の外形を光学的に計測する光学式外径計測装置である。

特開昭６１−１４９８１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術はパイプ又は棒状材料の形状を測定する外径計測技術ではあるが、光学仕様の記載が不十分であるため、検出精度の向上は未だ十分といえない。

また、一般的に、上述した撮像装置として例えばカメラを用いて測定されるべき対象（例えば、ねじ部）を撮影し、撮影した画像を用いてねじ部の形状の寸法の測定を行う光学式の形状測定技術では、通常数μｍ単位の高精度を求める測定を行う場合には、光学系の分解能、限界集光半径（エアリーディスク）ｄを極力小さくすることが有効とされる。そのため、カメラにおける投影レンズと絞りとを用い、Ｆナンバーの値を小さくすることにより、画像を鮮明に取得することが行われる。

しかし、製造工程でカメラを用いた光学式の形状測定技術を使ってオンラインでねじ形状測定を行う場合には、製造品の測定されるべき対象（以下、測定対象と称する場合もある。）における測定位置や形状は全て同一ではない。例えば、鋼管にパイプ中心軸とネジ加工軸とのズレによるねじ鼻曲りが生じた場合には、測定位置や形状が他の鋼管と異なる。そのため、Ｆナンバーの値を小さくすることにより浅くなった被写界深度から測定対象が外れることにより、画像上、精密な形状の境界位置を捉えることが困難になる問題がある（例えば、図３（Ａ）を参照）。また、Ｆナンバーの値を小さくすることにより光学系の分解能は高くなることから、下記の参考文献１に示すように回折現象による影響を受けやすく、測定対象の形状の境界面からの光の回り込みにより境界面付近に明部が発生し、測定の精度を悪化させる問題もある。
参考文献１：The Road towards Accurate Optical Width Measurements at the Industrial Level
Bernd Bodermannら Fringe 2013,7th International Workshop on Advanced Optical Imaging and Metrology

上記した被写界深度外れを避けるために、例えば、光学系にオートフォーカス機能を有した調整機構を設ける手段がある。しかし、製造工程におけるオンラインでねじ形状の測定を行う際に、数十秒、あるいはそれ以上の短いサイクルで測定することを望まれる場合がある。そのような場合、例えば１撮影ごとに０．２〜１ｓｅｃ程度を要し、撮影位置によってフォーカスすべき位置が異なるために撮影を繰り返す必要が生じたときには、オートフォーカスを撮影タイミング毎に実施することは製品の製造ピッチタイムの低下、すなわち生産性を阻害することに繋がる。また、オートフォーカス機能を付与することや、生産性を確保するために測定装置の台数を増やすことは、費用面で課題がある。

さらに、上記した回折現象による測定精度の悪化に関しては、実情として、有効な解決手段がない。

本発明は係る問題に鑑み、油井管等の鋼管の管端にネジ加工を施したねじ付き部材のねじ部を、撮像装置によって得られた画像に画像処理を行い、非接触で寸法測定を行うねじ形状測定装置および方法の提供を目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った。

上述のように、Ｆナンバーの値を小さくして光学系の分解能を高くし、画像を明るくすることは、測定精度を向上させるためには有効である。しかし、被写界深度が浅いため、測定材の焦点距離方向の位置ズレ（デフォーカス）が発生した場合には、ねじによって遮光されない明部と、ねじによって遮光される暗部との境界（以下、ねじシルエットと称する）の境界位置がぼけてしまう。そこで、本発明では、投影レンズと絞りとを用い、Ｆナンバーの値を大きくして被写界深度を深くすることにより、光学系の分解能は劣るものの、デフォーカスの影響を受けにくく、ねじシルエットを安定して撮影できることを見出した。

さらに、光学系の分解能が低下した画像からねじシルエットの境界位置を検出可能とする処理について種々検討をした。その結果、サブピクセル処理を行うことにより、Ｆナンバーの値の上昇に伴い低下した光学系の分解能を補完できることを見出した。

本発明は上述の知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とするものである。
［１］ 光をねじ付き部材のねじ部に平行に照射する光源と、前記ねじ部を挟んで前記光源に対向する位置に配置され、前記光源からの照射光を受光して得られる前記ねじ部の投影形状を撮像する前記光源の光軸と同一方向の受光光軸を有する光学系の受光素子と、を有する光学手段と、
前記ねじ部の管端位置の座標のデータを検出する管端位置検出手段と、
前記光学手段を前記ねじ部の管軸方向に走査し、前記ねじ部のねじシルエット画像のデータを生成する画像取得手段と、
前記ねじシルエット画像にサブピクセル処理を施して前記ねじ部の境界の位置を示す点を抽出し、抽出した点群によるねじプロフィールのデータを生成するプロフィール生成手段と、
前記ねじプロフィールと前記管端位置の座標を用いて演算し、前記ねじ部のねじ寸法を算出する寸法演算手段と、を有し、
前記受光素子は、投影レンズおよび絞りを用いたＦナンバーの値が６５以上９８以下であることを特徴とするねじ形状測定装置。
［２］ 前記受光素子の露光時間が３００μｓｅｃ以内であることを特徴とする［１］に記載のねじ形状測定装置。
［３］ ねじ付き部材のねじ部の管端位置の座標のデータを検出する管端位置検出工程と、
光源からの光を前記ねじ部に平行に照射し、前記ねじ部を挟んで前記光源に対向する位置に配置される前記光源の光軸と同一方向の受光光軸を有する光学系の受光素子を用いて、前記ねじ部を通過する前記光源からの照射光を受光して前記ねじ部の投影形状を撮像する光学手段を、前記ねじ部の管軸方向に走査させ、前記ねじ部のねじシルエット画像のデータを生成する画像取得工程と、
前記画像取得工程で得られた前記ねじシルエット画像にサブピクセル処理を施すことにより、前記ねじ部の境界の位置を示す点を抽出し、抽出した点群によるねじプロフィールのデータを生成するプロフィール生成工程と、
前記プロフィール生成工程で生成された前記ねじプロフィールと前記管端位置の座標とを用いて演算することにより、前記ねじ部のねじ寸法を算出する寸法演算工程と、を有し、
前記画像取得工程では、前記受光素子の投影レンズおよび絞りを用いてＦナンバーの値を６５以上９８以下に設定して撮像することを特徴とするねじ形状測定方法。
［４］ 前記画像取得工程では、前記受光素子の露光時間を３００μｓｅｃ以内として撮像することを特徴とする［３］に記載のねじ形状測定方法。

本発明によれば、油井管等の鋼管の管端にネジ加工を施したねじ付き部材のねじ部の形状を高精度に測定することができる。

図１は、本発明の一実施形態であるねじ形状測定装置の概略構成を説明する図である。 図２は、本発明の一実施形態であるねじ形状測定装置における光学手段の構成の一例を示す管正面図である。 図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、それぞれ本発明の一実施形態であるねじ形状測定装置における光学手段で撮影したねじ部のエッジ部分の一部拡大写真である。 図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、それぞれデフォーカスの有無による受光量分布の変化を説明するグラフである。 図５（Ａ）は、本発明のねじ形状測定方法による、Ｆナンバーの値とねじ幅の寸法測定結果との関係を説明するグラフであり、図５（Ｂ）は、本発明のねじ形状測定方法による、Ｆナンバー値とねじ高さの寸法測定結果との関係を説明するグラフである。 図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、それぞれ本発明の一実施形態であるねじ形状測定装置における光学手段で撮影したねじ部のエッジ部分の一部拡大写真である。 図７は、露光時間と繰り返し精度との関係を説明するグラフである。

以下、各図を参照して、本発明のねじ形状測定装置およびねじ形状測定方法について説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されない。

まず、本発明のねじ形状測定装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態であるねじ形状測定装置１０の概略構成を説明する図である。なお、図１においてねじ付き部材とは鋼管１５であり、図１には鋼管１５のねじ部１５ａの管側面図を示す。

図１に示すように、ねじ形状測定装置１０は、光源２と受光素子３とを有する光学手段１、管端位置検出手段４、画像取得手段５、プロフィール生成手段６、寸法演算手段７を有する。なお、ねじ形状測定装置１０は、入力部１１により指示された入力信号を制御部１２に出力し、制御部１２によりこの入力信号に基づいて上記各手段を制御し、必要に応じて得られた結果を記憶部１３や出力部１４に出力する。

光学手段１は、光源２と、光源２の光軸と同一方向の受光光軸を有する光学系の受光素子３とを有する。光学手段１は、後述の画像取得手段５により、ねじ部１５ａの管軸方向に沿って移動可能に制御される。

光源２は、測定対象であるねじ付き部材（鋼管）の管軸方向に対して略垂直の向きから、光をねじ部１５ａに照射する。光源２からの光は、レンズで平行光とされてねじ溝に沿って平行に照射される。光源２は、例えばハロゲンランプ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、メタルハライドランプと拡散板、およびテレセントリック光学系などで構成するものを用いる。

受光素子３は、ねじ部１５ａを挟んで光源２に対向する位置に配置される。受光素子３は、ねじ部１５ａのねじ溝を透過した光源２からの照射光を受光して結像し、ねじ部１５ａの投影形状として撮像するものである。このため、受光素子３は、光源２の平行光源と同一方向の光軸位置に配置したテレセントリック特性を有し、感度が高く、ノイズが少ない特性を有するものが好ましい。受光素子３は、例えばＣＣＤ素子、ＣＭＯＳ素子を用いる。

なお、本発明では、受光素子３として、例えばＣＣＤ型のラインセンサ（以下、撮像装置と称する場合もある）を用いる。撮像装置は、上述のようにねじ溝を透過して結像された光を、光の強度分布に対応した電気信号あるいは数値に変換する。撮像装置は、管径に略平行である方向の１次元センサである。撮像装置のラインセンサは、５０００〜１００００画像程度の画素数を有し、必要な測定分解能や測定速度に応じて１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度の測定周波数が選択される。撮像装置で検出した電気信号あるいは数値データは、光学手段１により、後述の画像取得手段５へ出力される。なお、光学手段１の詳細な説明については後述する。

管端位置検出手段４は、ねじ付き部材の長手方向の座標の基準となる管端位置の座標のデータを検出する。例えば、管端に、形状が例えば円柱状のピースを押し当てて、その端面座標をＣＣＤカメラなどの光学装置によって読み取り、管端位置とする。検出したねじ部１５ａの管端位置の座標は、管端位置検出手段４により、後述の寸法演算手段７へ出力される。

画像取得手段５は、光学手段１の光源２と受光素子３とを管軸方向に走査させる。この際、光学手段１はＸＹ平面上をＹ軸方向に走査することになる。画像取得手段５は、受光素子３（例えば撮像装置）によってマグネスケール１６の同期タイミングで撮像されて順次送信されてくるねじ部１５ａの投影形状の画像データを、管軸方向に沿って合成し、ねじシルエット画像のデータを生成する。生成したねじシルエット画像は、画像取得手段５により、後述のプロフィール生成手段６へ出力される。

プロフィール生成手段６は、生成されたねじシルエット画像のデータに対して画像処理を施し、ねじ部１５ａの境界の位置を示す点を抽出し、抽出した点群によるねじ部１５ａの形状プロフィール（以下、ねじプロフィールと称する）のデータを生成する。この画像処理として、ねじシルエット画像のエッジを検出することが可能な、例えばサブピクセル処理を用いる。サブピクセル処理とは、測定対象物の境界の近傍の画像信号の輝度勾配を微分することにより境界の位置を求める処理である。生成したねじプロフィールは、プロフィール生成手段６により、後述の寸法演算手段７へ出力される。なお、プロフィール生成手段６は、生成したねじプロフィールを記憶部１３、出力部１４などに出力してもよい。

寸法演算手段７は、生成されたねじプロフィールのデータと検出された管端位置の座標のデータを用いて演算を行い、ねじ部１５ａのねじ寸法（ねじ要素）を算出する。例えば測定対象が油井管ねじ１５の場合、ねじ寸法として、ねじ高さ、ねじ幅、ねじ底テーパー、先端平行部外径などの項目がある。

本発明の形状測定装置１０は、画像取得手段５により、光学手段１を管軸方向に移動させながらマグネスケール１６の同期タイミングでねじ部の投影形状の撮像データをサンプリングする。画像取得手段５は、管軸方向に対して直交した円周上の４箇所（４方向）を同時にサンプリングし、周方向で全周のねじシルエット画像を得る。そして、プロフィール生成手段６により、得られたねじシルエット画像に、画像処理を施すことにより、ねじプロフィールのデータを作成する。そして、寸法演算手段７でそのねじプロフィールのデータを演算処理することにより、各ねじ寸法へと変換するものである。これにより、本発明の形状測定装置により得られたねじ寸法を用いて、ねじ形状の寸法精度の合否判定を行うことができる。

次に、図２を参照して、本発明のねじ形状測定装置１０における光学手段１の構成について説明する。図２は、光学手段１の構成の一例であり、鋼管１５を正面方向からみた構成の概略図である。

図２に示すように、光学手段１は、測定対象となる鋼管１５のねじ部１５ａの管軸方向に対して鉛直方向と水平方向に、それぞれ２対ずつ配置された光源２と受光素子３（例えば、ＣＣＤカメラ）により構成される。光源手段１は、鋼管１５を囲む円の円周上の４箇所に配置される。光学手段を４箇所に配置した理由は、直径方向を円周に２箇所計測する目的である。なお、光学手段１は、少なくとも４箇所に配置されていればよい。

本発明のねじ形状測定装置１０の光学手段１の光学系として、物体側テレセントリック光学系を用いる。物体側テレセントリック光学系とは、レンズと像側の間の絞りをレンズの後側（像側）焦点位置に設置することで、物体側で主光線と光軸を平行にし、物体とレンズの距離が変化しても像のサイズが変化しないという特徴を有する光学系のことを指す。例えば、図２に示すように、４つの光源２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと４つの受光素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、鋼管１５を挟んで、それぞれ対向した位置に配置される。各光源２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄからの光線（照射光）は、各第１レンズ（集光レンズ）１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄで平行光とされてねじ溝に平行に照射される。ねじ溝を含む鋼管１５の円周方向の端部を通過した光線は、各第２レンズ（投影レンズ）１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄによって集光され、各受光素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄで受光し結像されてねじ部１５ａの投影形状として撮像される。

なお、光学系において、受光量を調整するために、絞り（図２に図示せず）と呼ばれる光を遮る孔を平行光の経路上に配置することが好ましい。絞りは、第２レンズ（以下、投影レンズと称する場合もある。）１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄと受光素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの間に配置する。この絞りを平行光の経路上に配置することの効果は、レンズを変えずに開口数（ＮＡ）を調整できることにある。

上述したように、一般的に、測定精度を向上させるためには、絞りを開けてＮＡを大きくすることにより、分解能を高くし、画像を明るくすることが有効である。しかし、被写界深度が浅くなるため、測定材の焦点距離方向の位置ずれ（デフォーカス）が発生した場合には、ねじ部１５ａの境界の位置のぼけた画像になってしまう。一方、絞りを閉じるとＮＡが小さくなり、対照的にＦナンバーの値が大きくなる。この場合、像は暗くなり、得られる画像は不鮮明になるが、被写界深度を向上させることができる。すなわち、被写界深度が深くなることにより、デフォーカスの影響を受けにくくなるため、ねじシルエット画像を安定して撮影することが可能となる。

そこで、図３、図４を参照して、光学手段１における受光素子３の投影レンズおよび絞りを用いたＦナンバーの値の大小の変化が、測定精度に及ぼす影響について説明する。図３は、上記した光学手段１で撮影したねじ部１５ａにおけるロードフランク面のエッジ部の一部拡大写真である。なお、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示す各写真は、上段はデフォーカスが±０ｍｍの場合（すなわちピント位置の場合）の写真であり、下段はデフォーカスが±１．５ｍｍの場合の写真である。また、図３（Ａ）はＦナンバーの値を１３に設定した場合の写真であり、図３（Ｂ）はＦナンバーの値を２３に設定した場合の写真であり、図３（Ｃ）はＦナンバーの値を５６に設定した場合の写真である。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示す各Ｆナンバーにおけるデフォーカスの有り無しによる受光量分布の変化を説明する図である。

本発明者らは、対物レンズ（例えば、ＷＤ＝１５６ｍｍ（Work Distance:レンズ−測定位置の距離））、テレセントリック光源、１次元ＣＣＤカメラ、サンプル一定速移動テーブルを用いて、種々の実験を行った。光学手段１における光学系のＦナンバーの値の大小の変化が測定精度に及ぼす影響を評価するために、適宜絞り径を変化させて比較実験を行った。なお、この実験に使用した対物レンズの被写界深度は、例えば、Ｆナンバーの値：１３では１．１ｍｍ、Ｆナンバーの値：２３では１．９ｍｍ、Ｆナンバーの値：５６では４．５ｍｍとする。その実験結果を図３、図４に示す。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示すロードフランク面のエッジ部の一部拡大画像を見ると、デフォーカス：±０ｍｍおよびデフォーカス：±１．５ｍｍのいずれの場合でも、Ｆナンバーの値：５６のとき（図３（Ｃ）を参照）には、Ｆナンバーの値：１３（図３（Ａ）を参照）およびＦナンバーの値：２３（図３（Ｂ）を参照）と比較すると画像がややぼける。しかし、Ｆナンバーの値：５６の場合には、デフォーカス：±０ｍｍおよびデフォーカス：±１．５ｍｍの両方で、エッジ部の境界面付近の明部（図３中に示す白線部分）が除去され、デフォーカスの影響を受けにくいことが確認された。なお、境界面付近の明部（白線）は、Ｆナンバーの値が小さい、すなわち光学系の分解能が高いことから、回折現象による影響を受けやすく、形状の境界面から光が回り込むことにより発生する。これにより、白線の分だけ境界位置がずれて検出されるため、測定精度が悪化する。

続いて、本発明者らは、Ｆナンバーの値の大小の変化が測定精度に及ぼす影響について、受光量分布の違いから評価した。図４に示すように、デフォーカス：±０ｍｍおよびデフォーカス：±１．５ｍｍのいずれの場合でも、Ｆナンバーの値：５６のとき（図４（Ｃ）を参照）には、Ｆナンバーの値：１３（図４（Ａ）を参照）およびＦナンバーの値：２３（図４（Ｂ）を参照）と比較すると受光量レベルは略同じである。Ｆナンバーの値：１３、２３の場合には、デフォーカス：±０ｍｍとデフォーカス：±１．５ｍｍの間に受光量レベルの差が生じており、これが境界面付近に明部（白線）を発生させた原因である。以上のことから、Ｆナンバーの値を大きくしたことにより、画像を敢えて不鮮明にしたことで、デフォーカスの影響を受けにくいことが確認された。

一般的に、上述したように、ミクロン単位のねじ形状測定装置に用いる光学仕様には分解能を優先した設計が必要と考えられる。しかし、図３、４に示す結果より、測定する対象の位置や形状が全て同一ではない鋼管のねじ形状の計測の場合には、被写界深度（測定位置の変動）の条件を満たし、さらに回折現象の影響を除去できる受光素子３、すなわちＦナンバーの値を上げたレンズを選定すべきであることが分かる。

次に、図５、図６を参照して、本発明の目的である高精度の測定を実現するために最適な受光素子のＦナンバーの範囲について説明する。図５（Ａ）は、本発明における所定のＦナンバーの値でのねじ幅の寸法測定結果を、絶対測定値との誤差、繰返し精度（３σ範囲）でそれぞれ評価した結果を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、本発明における所定のＦナンバーの値でのねじ高さの寸法測定結果を、絶対測定値との誤差、繰返し精度（３σ範囲）でそれぞれ評価した結果を示すグラフである。図５（Ａ）、（Ｂ）では、それぞれＦナンバーの値：４０、５６、９３とし、横軸：Ｆナンバーの値、縦軸：ねじ幅の測定値（ｍｍ）あるいはねじ高さの測定値（ｍｍ）とした。図６は、上記した光学手段１で撮影したねじ部１５ａにおけるロードフランク面のエッジ部の一部拡大写真である。なお、図６（Ａ）はＦナンバーの値：４０に設定した場合の写真であり、図６（Ｂ）はＦナンバーの値：５６に設定した場合の写真であり、図６（Ｃ）はＦナンバーの値：９３に設定した場合の写真である。

本発明者らは、図３、図４の結果をもとに、光学系のＦナンバーの値：５６を基本とし、適宜絞り径を調整した。光源は市販のテレセントリック平行光源を用いた。実験条件は図１に示す構成とし、対物レンズ（ＷＤ＝１７５ｍｍ）、テレセントリック光源、１次元ＣＣＤカメラ、光学手段１の一定速移動機構を用いた。そして、上記した寸法演算手段７によりねじ形状のねじ寸法の測定結果を算出し、最終的な絶対測定値と算出した測定結果との誤差、算出した測定結果の繰返し精度（３σ範囲）についてそれぞれ評価した。ここでは、ねじ寸法の測定結果として、基礎的な測定項目であるねじ幅、ねじ高さを用いた。また、絶対測定値として、標準測定器、例えばトレーサビリティのとれた３次元測定器により計測した既知の測定値を用いた。なお、使用した対物レンズの被写界深度は、例えば、Ｆナンバーの値：４０では３．２ｍｍ、Ｆナンバーの値：５６では４．５ｍｍ、Ｆナンバーの値：９３では７．４ｍｍとする。この評価結果を図５に示す。

ねじ幅の測定結果の繰返し精度に関しては、図５（Ａ）に示すように、Ｆナンバーの値：４０、５６、９３のどの条件でも、繰返し精度３σ：４μｍ程度と非常に良好であった。また、ねじ高さの測定結果の繰返し精度に関しては、図５（Ｂ）に示すように、Ｆナンバーの値：４０、５６、９３のどの条件でも、繰返し精度３σ：２〜３μｍと非常に良好であった。

参考文献１に示されるようにも、幅方向には校正ができないため、回折現象の影響を受ける。そのため、ねじ幅の測定結果と絶対測定値との誤差に関しては、図５（Ａ）に示すように、Ｆナンバーの値が小さいほど絶対測定値との誤差が大きくなる。一方、Ｆナンバーの値が大きくなるにつれて誤差は小さくなる。例えば、Ｆナンバーの値：４０では測定結果と絶対測定との誤差は−１２μｍであった。なお、径方向は、径変更ごとに径方向の校正を行っているため、回折現象の影響を受けない。そのため、ねじ高さの測定結果と絶対測定値との誤差に関しては、図５（Ｂ）に示すように、Ｆナンバーの値の大小の変化の影響をあまり受けない。例えば、Ｆナンバーの値：４０、５６、９３のどの条件でも測定結果と絶対測定値との誤差は１μｍ程度であった。

そこで、本発明者らは、Ｆナンバーの値の大小の変化が、測定結果と絶対測定値との誤差（絶対精度）に及ぼす影響について鋭意検討した。その結果を、図６を参照にして説明する。なお、ここでは、絶対測定値との誤差が大きくなる「ねじ幅」について検討を行った。

図６に示した各Ｆナンバーの値のロードフランク面のエッジ部の画像を確認すると、Ｆナンバーの値：４０の画像（図６（Ａ）を参照）およびＦナンバーの値：５６の画像（図６（Ｂ）を参照）では、回折現象により、ロードフランク面のエッジ部分の境界面付近に明部（白線）が見られる。このことからも、参考文献１に記載されているように、回折現象が幅測定の精度を悪化させていることが分かる。一方、Ｆナンバーの値：９３の画像（図６（Ｃ）を参照）を確認すると、境界面付近に明部（白線）はない。以上より、Ｆナンバーの値を上げることによって、回折現象の影響を除去していくと、ねじ幅の測定値が既知の測定値（絶対測定値）に近づき、絶対精度が向上していることが分かる。

Ｆナンバーの値を上げるほど、絶対精度が向上する理由には、境界位置を検出する演算処理の内容に依存することも挙げられるが、本発明により次の理由があることも新たに分かった。例えば、図６に示すように、白線の影響により実際の境界位置より明部に境界位置がずれることにより、ねじ幅の測定は小さくなる。しかし、白線を除去することにより、その影響が除去される。その結果、測定精度を向上させることができる。以上のことより、ねじ高さやねじ山ピッチなどの測定では、同一方向に境界位置がずれるため、鋼管などの直径形状の計測を片側ずつ、直径を挟み込むように２箇所の光学手段で計測する場合には、校正片など寸法が既知である測定対象との比較を行うオフセット演算処理を行う測定項目に関しては、白線の影響を受けないことが分かる。片側ずつ、直径を挟み込むように行う２箇所の光学手段とは、図２に示す光学手段１の配置の場合には、受光レンズの配置で３ｃ、３ｄの２箇所あるいは３ａ、３ｂの２箇所となる。

なお、ねじ径の測定に関しては、本発明のねじ形状測定装置１０でねじ寸法の既知の校正片のねじ径を測定することにより、ＣＣＤカメラの間隔を校正する。このため、白線の影響を除去することが可能である。

本発明では、目的とする高精度の形状測定を可能にするため、精度の目標を油井管の製品寸法公差の数十μｍに対して±８μｍの範囲と厳しく設定する。±８μｍを超える場合には、油井管の製品寸法公差に対して測定による誤差が大きいため、測定方法として採用することができない。そのため、絶対精度の目標を±３μｍ以内、繰返し精度を３σで５μｍ以内と設定する。したがって、本発明では、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す結果より、Ｆナンバーの値の下限を６５以上とする。なお、さらに高精度の測定を要求する場合には、絶対精度の目標を±２μｍの範囲に設定することが好ましい。この場合には、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す結果より、Ｆナンバーの値の下限は７５以上とすることが好ましい。

しかし、Ｆナンバーの値を上げていくと、光学系の分解能が必要以上に低下し、絶対精度を悪化させる懸念がある。さらに、画像が暗くなり、同一の光量を確保しようとした場合、露光時間を長くとる必要がある。そこで、本発明者らは、露光時間を長くとった場合の繰返し精度への影響について鋭意検討した。その結果を図７に示す。図７は、露光時間と繰返し精度との関係を説明する図である。なお、図７では、ねじ幅、ねじ高さのねじ寸法精度についてそれぞれ検証を行った。

図７に示すように、露光時間（μｓｅｃ）が増大するほど、想定通り、ねじ幅の繰返し精度：３σ（ｍｍ）が悪化している。これは、露光時間が大きい場合、一回の撮像におけるスキャン距離（走査する距離）が増加し、輪郭位置の明暗移行領域が増加したため、スキャン方向に対して急傾斜面であるねじ側面のエッジ部分の検出位置が不安定になり、ねじ幅の繰返し精度を低下させたためと考えられる。このことから、Ｆナンバーの値を大きくすることにより減少した光量を確保するため、露光時間を大きくして、動体を撮像すると、ブレて撮像されることと同じ現象が起きていると推測される。なお、ねじ高さの繰返し精度については、スキャン方向に対してねじの山面は急傾斜面ではないため、露光時間の大小の変化による影響はあまり受けないことが確認された。

したがって、上述のように、本発明の目的を達成するため、形状測定装置における繰り返し精度（３σ）の目標を５μｍ以内と厳しく設定することが好ましい。繰り返し精度３σ：５μｍ以内にするためには、図７に示す結果より、露光時間は３００μｓｅｃ以内とする。なお、露光時間：３００μｓｅｃにおけるＦナンバーの値は、以下に示す（１）式と実験によって得られた結果により求められる。
Ｆ＝ｆ／Φ …（１）式
ここで、ｆ：焦点距離（ｍｍ）、Φ：有効口径（ｍｍ）とする。

本発明では、露光時間：３００μｓｅｃ以内とするためには、Ｆナンバー値の上限を９８とすることが好ましい。なお、さらに高精度の測定を要求する場合には、繰り返し精度３σ：３．５μｍ以内とすることがより好ましい。この場合の露光時間は２７０μｓｅｃ以内とする。また、露光時間を２７０μｓｅｃ以内とするためには、Ｆナンバーの値は９３以下とする。

以上の結果より、製造工程におけるオンラインでの形状測定では、測定対象の位置や形状が全て同一ではない場合に、±１．５ｍｍを越える被写界深度外れあるいは回折現象による測定精度の悪化を解消するため、さらにはサイクルが速く、高精度な測定を行うためには、受光素子の第２レンズ（投影レンズ）のＦナンバーを上げ、境界位置付近の回折光を除去する。これにより、３μｍ以内の絶対精度を確保できる。さらに、Ｆナンバーの値は、繰り返し精度を悪化させないように露光時間を短く確保できる範囲内までとする光学系設計とすることができる。さらに、分解能が低下した画像の境界位置の検出処理として、サブピクセル処理を行い、Ｆナンバーの値の向上に伴い低下した光学系分解能を補完させることができる。

なお、本発明において、被写界深度外れを±1.5ｍｍとする理由は、鋼管のねじ部の曲りによりデフォーカスが発生し、その大きさがねじ部全長で１．５ｍｍとして管理されているためである。

本発明のねじ測定装置１０では、受光素子３の投影レンズおよび絞りを用いたＦナンバーの値を６５以上９８以下と大きくすることで、カメラでの像上における形状の境界位置の回折光を除去できる。また、受光素子の撮影毎の露光時間を３００μｓｅｃ以内と短くし光学系設計を行うことができる。さらに、分解能が低下した画像の境界位置の検出処理として、サブピクセル処理を行うことで、Ｆナンバーの値の上昇に伴い低下した光学系分解能を補完させることができる。これにより、カメラでの像上における形状の境界位置の回折光を除去し、±３μｍ以内の絶対精度を確保することができる。さらに、繰り返し精度３σ：５μｍ以内を確保することができる。

次に、本発明のねじ形状測定方法について説明する。なお、本発明のねじ形状測定方法は、例えば図１に示したねじ形状測定装置１０に適用することが好ましい。また、光学手段１は、例えば図２に示した配置とする。上記したねじ形状測定装置１０の各手段は、入力部１１、制御部１２、記憶部１３、出力部１４などを有する処理システムにより、以下に説明する管端位置検出工程（ｓ１）、画像取得工程（ｓ２）、プロフィール生成工程（ｓ３）、寸法演算工程（ｓ４）のプロセスが実施される。以下は、測定対象を、例えばねじ部１５ａを先端に設けた鋼管１５とする場合を例として説明する。

まず、ねじ形状測定装置１０に鋼管１５を設置する。

次に、管端位置検出工程（ｓ１）では、管端位置検出手段４により、ねじ付き部材１５の長手方向の座標の基準となる管端位置の座標を検出する。検出した管端位置の座標のデータは、管端位置検出手段４により、寸法演算手段７へ出力される。

次に、画像取得工程（ｓ２）では、画像取得手段５により、光学手段１の光源２と受光素子３とを管軸方向に走査させながら、マグネスケール１６が同期するタイミングで、測定対象であるねじ部分の投影形状の撮像データをサンプリングする。そして、受光素子３（例えば撮像装置３ａ）によって撮像され、順次送信されてくるねじ部１５ａの投影形状の画像データを、管軸方向に沿って合成し、ねじシルエット画像を生成する。生成したねじシルエット画像のデータは、画像取得手段５により、プロフィール生成手段６へ出力される。

光学手段１は、光源２と受光素子３を、鋼管１５を挟んで対向した位置に配置される。光源２からの光線（照射光）は、第１レンズ（集光レンズ）１７で平行光とされてねじ部１５のねじ溝に平行に照射される。ねじ溝を含む鋼管１５の円周方向の端部を通過した光線は、第２レンズ（投影レンズ）１８によって集光され、受光素子３で受光して結像されてねじ部１５ａの投影形状として撮像される。

なお、上述のように、受光量を調整するために、絞りと呼ばれる光を遮る孔を投影レンズ１８と受光素子３の間に配置することが好ましい。本発明では、受光素子３の投影レンズ１８および絞りを用いたＦナンバーの値を６５以上９８以下して撮像する。好ましくは、Ｆナンバーの値を７５以上９３以下とする。Ｆナンバーの値がこの範囲を外れる場合には、カメラでの像上における形状の境界位置の回折光を除去することができない。その結果、絶対精度の目標を±３μｍ以内とする高精度な測定を達成することができない。

また、受光素子の露光時間を３００μｓｅｃ以内として撮像することが好ましい。より好ましくは２７０μｓｅｃ以内とする。露光時間が３００μｓｅｃを超える場合、ブレて撮像されることと同じ現象が起こる恐れが高い。その結果、繰返し精度平均の目標を５μｍ以内とする高精度な測定を達成することができない。

次に、プロフィール生成工程（ｓ３）では、プロフィール生成手段６により、生成されたねじシルエット画像のデータに対して画像処理を施し、ねじ部１５ａの境界の位置を示す連続する曲線を抽出する。そして、ねじ部１５ａの形状プロフィール（以下、ねじプロフィールと称する）を生成する。この画像処理として、ねじシルエット画像のエッジを検出することが可能な、例えばサブピクセル処理を用いる。生成したねじプロフィールのデータは、プロフィール生成手段６により、寸法演算手段７へ出力される。

次に、寸法演算工程（ｓ４）では、寸法演算手段７により、ｓ３工程で生成されたねじプロフィールのデータとｓ１工程で検出された管端位置の座標のデータとを用いて演算処理を行う。そして、ねじ部１５ａのねじ寸法（ねじ要素）を算出する。

その後、以上のプロセスにより得られたねじ寸法を用いて、ねじ形状の寸法精度の合否判定を行うことができる。

以上のように、本発明のねじ形状測定方法を製造工程のオンラインでの形状測定に適用することにより、測定対象の位置や形状が全て同一ではない場合でも、被写界深度外れあるいは回折現象による測定精度の悪化の影響を受けずに形状測定を行うことができる。その結果、製造ピッチタイムが速く、高精度な測定が可能となる優れた効果を奏する。

以下、本発明の作用・効果について、実施例を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。

本発明例として、図１に示したねじ形状測定装置１０をねじ形状検査工程に用いて、本発明のねじ形状測定方法により、ねじ寸法の形状測定を行った。ここでは、ねじ形状測定を１００本行った。なお、ねじ形状測定装置１０として、対物レンズ（例えばＷＤ＝１５６ｍｍ）、テレセントリック光源、１次元ＣＣＤカメラ、サンプル一定速移動テーブルを使用した。また、受光素子３のＦナンバーは９３とする。一方、比較例として、上記従来技術に記載した方法で、ねじ形状測定を１００本行った。

本発明例と比較例を比較した結果、設計値と測定値との差の範囲が、比較例では±２０μｍ以内であり、測定精度として不十分であった。一方、本発明例では、±８μｍ以内であり、十分な測定精度であった。

１ 光学手段
２ 光源
３ 受光素子
４ 管端位置検出手段
５ 画像取得手段
６ プロフィール生成手段
７ 寸法演算手段７
１０ ねじ形状測定装置
１１ 入力部
１２ 制御部
１３ 記憶部
１４ 出力部
１５ 鋼管
１５ａ ねじ部
１６ マグネスケール
１７ 第１レンズ
１８ 第２レンズ

本発明は、光源とカメラ用いて物体を撮影し、撮影した画像に画像処理を施すことで形状測定する装置および方法として適用可能なものである。

Claims (4)

1. 光をねじ付き部材のねじ部に平行に照射する光源と、前記ねじ部を挟んで前記光源に対向する位置に配置され、前記光源からの照射光を受光して得られる前記ねじ部の投影形状を撮像する前記光源の光軸と同一方向の受光光軸を有する光学系の受光素子と、を有する光学手段と、
   前記ねじ部の管端位置の座標のデータを検出する管端位置検出手段と、
   前記光学手段を前記ねじ部の管軸方向に走査し、前記ねじ部のねじシルエット画像のデータを生成する画像取得手段と、
   前記ねじシルエット画像にサブピクセル処理を施して前記ねじ部の境界の位置を示す点を抽出し、抽出した点群によるねじプロフィールのデータを生成するプロフィール生成手段と、
   前記ねじプロフィールと前記管端位置の座標を用いて演算し、前記ねじ部のねじ寸法を算出する寸法演算手段と、を有し、
   前記受光素子は、投影レンズおよび絞りを用いたＦナンバーの値が６５以上９８以下であることを特徴とするねじ形状測定装置。
2. 前記受光素子の露光時間が３００μｓｅｃ以内であることを特徴とする請求項１に記載のねじ形状測定装置。
3. ねじ付き部材のねじ部の管端位置の座標のデータを検出する管端位置検出工程と、
   光源からの光を前記ねじ部に平行に照射し、前記ねじ部を挟んで前記光源に対向する位置に配置される前記光源の光軸と同一方向の受光光軸を有する光学系の受光素子を用いて、前記ねじ部を通過する前記光源からの照射光を受光して前記ねじ部の投影形状を撮像する光学手段を、前記ねじ部の管軸方向に走査させ、前記ねじ部のねじシルエット画像のデータを生成する画像取得工程と、
   前記画像取得工程で得られた前記ねじシルエット画像にサブピクセル処理を施すことにより、前記ねじ部の境界の位置を示す点を抽出し、抽出した点群によるねじプロフィールのデータを生成するプロフィール生成工程と、
   前記プロフィール生成工程で生成された前記ねじプロフィールと前記管端位置の座標とを用いて演算することにより、前記ねじ部のねじ寸法を算出する寸法演算工程と、を有し、
   前記画像取得工程では、前記受光素子の投影レンズおよび絞りを用いてＦナンバーの値を６５以上９８以下に設定して撮像することを特徴とするねじ形状測定方法。
4. 前記画像取得工程では、前記受光素子の露光時間を３００μｓｅｃ以内として撮像することを特徴とする請求項３に記載のねじ形状測定方法。