JP7021980B2 - 計測用ｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Description

本発明は、工業製品のための計測用Ｘ線ＣＴ装置に係り、特に測定誤差要因の一つとなる回転軸の傾斜量を測定して補正することによって測定対象の内部構造を含む全面の寸法計測を、より高精度に実施可能な計測用Ｘ線ＣＴ装置に関する。

計測用Ｘ線ＣＴ装置は、従来より、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、主に観察・検査に用いられてきた。しかし、近年、３Ｄプリンタの普及も手伝い、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、長さにトレーサブルな計測用Ｘ線ＣＴ装置が普及し始め、さらなる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に従来の計測用Ｘ線ＣＴ装置の基本的な構成例を示す。計測用Ｘ線ＣＴ装置１は、Ｘ線を放射するＸ線源２、Ｘ線源２から放射されて測定対象Ｗの周囲および内部を透過するＸ線ビーム２１を検出するＸ線検出器４、Ｘ線源２とＸ線検出器４の間にあって前記測定対象Ｗを搭載する回転テーブル６、回転テーブル６を測定空間領域の任意の位置に移動するステージ走査機構５、図示しない駆動制御機構部、およびデータ処理部を主な構成要素としている。図において、９は本体ベース、２２はＸ線源台、４１はＸ線検出器台、５１はＸ軸ステージ、５２はＹ軸ステージ、５３はＺ軸ステージである。なお、図１において、Ｘ線源２から水平にＸ線検出器４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。

測定に当たっては、Ｘ線ビーム２１を放射した状態で回転テーブル６の回転面盤６１上の測定対象Ｗを回転させ、複数の角度方向（例えば角度分割数１０００～６０００程度）からＸ線投影画像データを収集する。収集されたＸ線投影画像データは、データ処理部において、測定対象Ｗを水平に横断する後述のスライス面１０を基準面として再構成処理がなされ、測定対象Ｗの３次元ボリュームデータが作られる。

なお、上述の計測用Ｘ線ＣＴ装置による寸法計測をより高精度に実施するためには、測定開始前に装置固有の各種校正を行うことが重要である。例えば特許文献１には校正及び評価用の標準ゲージを用いたＸ線ＣＴ装置の校正方法及び評価方法が記載されている。

計測用Ｘ線ＣＴ装置１における校正として、Ｘ線源２やＸ線検出器４の個体差を補正するために測定対象Ｗを配置しない状態で行うエア校正、Ｘ線検出器４を構成するシンチレータ等の配列の歪みを校正するための歪校正、本発明に係わるスライス面校正、回転軸の振れ幅の中心を校正するための回転中心校正などが挙げられるが、以降の説明においては、本発明に係わりのあるスライス面校正に限定して説明する。

スライス面１０は、Ｘ線源２の焦点ＦからＸ線検出器４への垂線の足を結ぶ直線を包含し、かつ、回転軸８と直交する面として定義されている。スライス面１０の設定に関しては、いくつかの方法が提案されている。例えば、Ｘ線源２の焦点Ｆから回転テーブル６の回転軸８までの倍率設定された焦点－回転中心間距離ＦＣＤ（Focus-to-Center Distance）に移動後、基準球７を搭載した回転面盤６１を回転させ、Ｚ軸ステージ５３をＺ軸方向に走査しつつ、Ｘ線検出器４に投影される基準球７の軌跡を観察して行われる。ここで、Ｘ線検出器４に投影される基準球７の軌跡が一直線になる位置をもって、基準球７の円運動軌跡を含む面がスライス面１０となる。

このほか、特許文献２に記載のスライスファントムと称する平行平面で挟まれた隙間を有するスライス面設定用校正具を用い、前記平面上の隙間が回転軸に垂直になるように回転面盤上に載置し、Ｚ軸ステージをＺ軸方向に走査して、隙間の透過像が最も明瞭になる位置をもってスライス面とする手法もある。

以上の方法でスライス面１０が求められ、回転テーブル６の座標位置と回転面盤６１の上面から基準球７の中心までの高さ寸法を併せて、スライス面１０の位置を特定し処理部に記憶させることで設定が完了する。スライス面１０の設定後、回転面盤６１上に測定対象Ｗが搭載され、測定対象ＷのＸ線ＣＴ測定が実行される。設定されたスライス面１０は、Ｘ線ＣＴ測定により取得されたデータを再構成処理する際の基準面として使用される。Ｘ線ＣＴ測定においては、スライス面を正しく設定することが高精度測定への一要件である。

なお、特許文献３には、測定対象の中心線の傾きを検出する手段と、中心線を回転軸に一致させる角度調整手段を設けることが記載されているが、スライス面設定には有効でなかった。

特開２０１２－１８９５１７号公報 特開２０００－２９８１０５号公報 特公平６－９２８８８号公報

ところで、計測用Ｘ線ＣＴ測定の高精度化の需要が増加する一方で、高精度測定には、より適切な各種校正が必要となる。図２は、測定作業者によって指定された所定の測定倍率に対応する位置ＦＣＤ´に回転テーブル６が移動した時の状態を示す。回転テーブル６の移動は、ステージ走査機構５を駆動させることにより行われる。ステージ走査機構５は、Ｘ軸ステージ５１、Ｙ軸ステージ５２、およびＺ軸ステージ５３がシリアルに構成されている。例えば、図２は、回転テーブル６の移動に伴って、ＸＺ平面（紙面）内において回転軸８が角度φだけ傾斜した様子を示している。その傾斜角φは、Ｘ軸ステージ５１のピッチング、Ｙ軸ステージ５２のローリング、およびＺ軸ステージ５３のヨーイングの角度の誤差成分の合計値である。つまり、回転テーブル６を移動する際、ステージ走査機構５が有する固有の機構運動誤差のために、回転テーブル６の回転軸８の倒れが発生する。

計測用Ｘ線ＣＴの測定では、測定対象Ｗの測定ポイントや拡大倍率の選定および要求精度によって、回転テーブル６を測定空間内で適切な位置に移動させるが、前述のように、高精度な寸法測定のためには、回転テーブル６が移動する度毎に、スライス面１０の設定を適切に実行することが要求される。しかし、測定の高精度化のためのスライス面１０の設定は、一方で、多くの工数を要し測定効率を妨げるという問題がある。前述のスライス面設定方法では、Ｚ軸ステージ５３をＺ軸方向に走査し、スライス面１０と回転軸８が直交する位置を透過像を観察しながら探査するという煩雑な作業を伴い、しかも、必ずしも任意位置でのスライス面１０の設定ができないという問題もある。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたものであり、測定倍率を決めるＦＣＤ値の位置への移動の度毎に、スライス面設定作業を実施することなく、測定空間における任意の位置で、スライス面の設定を可能とし、一旦スライス面が設定されれば回転テーブルの移動に関わりなく設定が維持され、校正作業工数の削減による効率的で高精度なＸ線ＣＴ測定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、測定対象を搭載する回転テーブルと、該回転テーブルを測定空間領域の任意位置に移動可能な走査機構を備えた計測用Ｘ線ＣＴ装置において、前記回転テーブルの回転軸の傾斜を直接検出するための、前記回転テーブルと一体で姿勢変化するように設けられた第１の水準器を含む傾斜検出手段を設け、前記Ｘ線源から放射されるＸ線の投影画像から求められる前記回転軸の傾斜を基準として、前記傾斜検出手段により移動に伴う前記走査機構の幾何運動誤差に起因する前記回転軸の傾斜の変化量を直接検出し、前記傾斜検出手段からの出力を用いて形状および寸法測定値を補正することにより、前記課題を解決するものである。

ここで、前記傾斜検出手段が、更に、前記Ｘ線検出器の傾斜を検出する第２の水準器を含むことができる。

本発明は、又、Ｘ線源とＸ線検出器との間に、測定対象を搭載する回転テーブルと、該回転テーブルを測定空間領域の任意位置に移動可能な走査機構を備えた計測用Ｘ線ＣＴ装置において、前記回転テーブルの回転軸の傾斜を検出する傾斜検出手段を設け、該傾斜検出手段からの出力を用いて、前記回転軸の傾斜誤差マップを作成し、該傾斜誤差マップを用いて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。

前述のように、従来の計測用Ｘ線ＣＴ装置を用いて高精度なＣＴ測定を行う場合、測定作業者は、ＣＴ測定の前に各種校正を行う。その中の一つにスライス面校正があり、スライス面の設定後にＣＴ測定が行われるが、その後、必要に応じて測定対象を移動する度毎にスライス面の設定を行う必要があり、測定の作業効率上の課題となっている。これに対して、本発明によれば、最初のスライス面の設定を行えば、以降のスライス面の設定は不要となり、作業効率の高い計測用Ｘ線ＣＴ装置の提供が可能となる。

計測用Ｘ線ＣＴ装置の基本的な構成例を示す正面図 同じく所定の測定倍率に対応するＦＣＤ´の位置に回転テーブルを移動した時の状態を示す正面図 本発明の第１実施形態で測定対象載置前の状態を示す正面図 同じく測定対象載置後の状態を示す正面図 第１実施形態で用いられている電子水準器の構成を示す断面図 本発明の第２実施形態で用いる傾斜角マップの例を示す図

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。

本発明の第１実施形態を図３（測定対象載置前の状態）及び図４（測定対象載置後の状態）に示す。図３及び図４では、図１および図２に示す基本構成に対して、新たに外部振動を遮断する空気式除振台１４と、本発明に関連する第１及び第２の電子水準器１６、１７が設けられている。空気式除振台１４は床面１５と本体ベース９の下面の間に設けられ、床面１５から伝達される振動外乱を遮断する。

電子水準器１６、１７は、回転テーブル６の底面部と、本体ベース９の上面にそれぞれ配置され、回転テーブル６の回転軸８のＸ軸方向におけるピッチング成分の傾きは、両者の差動をとる形態で検出される。

電子水準器１６、１７は、図５に示す如く、例えば被測定面となる傾斜面に接触する３本の脚を有するフレーム１６１とその内部にフレーム１６１から支持される振り子１６２を有し、絶えず重力方向を指向する振り子１６２とフレーム１６１との相対的な角度変位をトランスデューサ（例えば差動トランス）１６３により検出する構成となっている。なお、本方式の電子水準器１６、１７は、公知の内容であり、市販の電子水準器の適用が可能である。また、電子水準器１６、１７は重力方向を基準に傾きを検出するが、スライス面校正で必要な情報は、計測用Ｘ線ＣＴ装置１内における本体ベース９上面の法線（正確にはＸ線検出器４の表面）に対する回転軸８の相対的な傾き角であるため、２台の電子水準器１６、１７の差動により検出している。なお、第２の電子水準器１７をＸ線検出器台４１の上に配設して精度を高めることもできる。

以上により、Ｘ線源２をＯＮにして計測用Ｘ線ＣＴ装置１を立ち上げ後、最初のスライス面校正を実行すれば、それ以降は、回転テーブル６を測定空間領域の任意の位置に移動しても、最初のスライス面校正時を基準とする本体ベース９の上面および回転軸８の傾斜の変化量が取得され、任意位置における本体ベース９の上面に対する回転軸８の相対的な傾斜量が求められる。

以上により、Ｘ線ＣＴ測定で取得された測定対象Ｗの複数の投影画像、もしくはそれを用いて行われる再構成処理の段階で、２台の電子水準器１６、１７で求められた回転軸８の傾斜量に基づき補正を行うことで、より高精度な測定対象の３次元ボリュームデータの作成が可能となる。

なお、本体ベース９の上面の傾きが問題にならない場合は、第２の電子水準器１７を省略することも可能である。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態では、ステージ走査機構５により回転テーブル６を走査し、測定空間領域のいかなる位置においても、回転テーブル６の位置座標とそのときの回転軸８の傾斜角の関係に、十分な再現性が認められることを前提とする。この前提のもとで、事前に測定空間を網羅するＸ・Ｙ・Ｚ座標の範囲内で回転テーブル６の座標位置に対する回転軸８の傾斜角φを第１実施形態と同様に取得し、図６に例示するような測定空間領域における回転軸８の傾斜角マップを作成してデータ処理部に記憶させる。

次にＸ線ＣＴ測定で取得された測定対象Ｗの複数の投影画像、もしくはそれを用いて行われる再構成処理の段階で、事前にデータ処理部で記憶された回転軸８の傾斜角φを読込み補正を行うことで、より高精度な測定対象の３次元ボリュームデータの作成が可能となる。

なお、前記実施形態においては、水準器として図５に例示する振り子を利用した電子水準器が用いられていたが、水準器の種類はこれに限定されず、他の電気／電子水準器、例えば気泡の位置を検出する水準器等を用いても良い。

１…計測用Ｘ線ＣＴ装置
２…Ｘ線源
４…Ｘ線検出器
５…ステージ走査機構
６…回転テーブル
８…回転軸
１０…スライス面
１６、１７…（電子）水準器
２１…Ｘ線ビーム
５１…Ｘ軸ステージ
５２…Ｙ軸ステージ
５３…Ｚ軸ステージ
Ｗ…測定対象
φ…傾斜角

Claims (3)

1. Ｘ線源とＸ線検出器との間に、測定対象を搭載する回転テーブルと、該回転テーブルを測定空間領域の任意位置に移動可能な走査機構を備えた計測用Ｘ線ＣＴ装置において、
   前記回転テーブルの回転軸の傾斜を直接検出するための、前記回転テーブルと一体で姿勢変化するように設けられた第１の水準器を含む傾斜検出手段を設け、
   前記Ｘ線源から放射されるＸ線の投影画像から求められる前記回転軸の傾斜を基準として、前記傾斜検出手段により移動に伴う前記走査機構の幾何運動誤差に起因する前記回転軸の傾斜の変化量を直接検出し、前記傾斜検出手段からの出力を用いて形状および寸法測定値を補正することを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置。
2. 前記傾斜検出手段が、更に、前記Ｘ線検出器の傾斜を検出する第２の水準器を含む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. Ｘ線源とＸ線検出器との間に、測定対象を搭載する回転テーブルと、該回転テーブルを測定空間領域の任意位置に移動可能な走査機構を備えた計測用Ｘ線ＣＴ装置において、
   前記回転テーブルの回転軸の傾斜を検出する傾斜検出手段を設け、
   該傾斜検出手段からの出力を用いて、前記回転軸の傾斜誤差マップを作成し、該傾斜誤差マップを用いて測定値を補正することを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置。

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