JP7211722B2 - 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が回転テーブルの回転軸の傾斜であることに対して、測定空間領域のどの位置においても、絶えず回転軸が一定の姿勢を維持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。

従来、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、およびホストコンピュータ１２１とモーションコントロール部１２２からなる演算制御部１２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、ＦＤＤは焦点－検出器間距離（Focus to Detector Distance）、ＦＣＤは焦点－回転中心間距離（Focus to rotation Center Distance）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（例えば角度分割数：数１００～数１０００程度）方向から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、演算制御部１２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１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、本発明に関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。なお、本発明はスライス面校正に関わる内容であるため、以降は、スライス面校正に注視して従来技術の説明を行う。

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に移動後、基準球１１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１１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１１の軌跡が一直線になる位置をもって、基準球１１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などがある。

上述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１１の中心までの高さ寸法を合せて、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１０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位置を検出する手段と、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、特許文献４には、回転テーブルの上に調整機構を具備する位置決め機構を設けることが記載されているが、いずれも、スライス面設定には有効ではなかった。

特開２０１２－１８９５１７号公報 特開２０００－２９８１０５号公報 特公平６－９２８８８号公報 特表２００９－５０５０８３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、回転テーブル６が、測定作業者によって指定された測定倍率に対応する位置（ＦＣＤ´）に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により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を移動する度毎に、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課題がある。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の設定ができないという問題もある。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、測定倍率を決めるＦＣＤ値への移動の度毎に、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、前記回転テーブルと、該回転テーブルを搭載する前記走査機構との間に、前記回転テーブルの回転軸の傾斜を修正可能なチルト調整テーブルを備え、該チルト調整テーブルは、テーブル搭載面上に固定されてＺ軸ステージと一体となる固定部と、前記回転テーブルを搭載して該回転テーブルと一体となるチルト可動部から構成され、該チルト可動部は、平面盤と凸球面盤とから構成され、該凸球面盤のＺ軸（－）側に凸球面が設けられ、前記固定部は、凹球面ベースを備え、該凹球面ベースのＺ軸（＋）側に設けられた凹球面と前記凸球面は、球を介して嵌合し、前記チルト可動部は前記固定部に対して、前記凹・凸球面の共通の円弧中心のもとで回転運動が可能となることにより、前記課題を解決するものである。

ここで、前記チルト調整テーブルは、前記チルト可動部の前記凸球面盤のＺ軸（－）端面側に、前記チルト可動部と一体になって動く第１の水準器が固定されることができる。

又、前記チルト調整テーブルは、内蔵する前記第１の水準器からの信号を基に、絶えずスライス面を水平に保持するため前記回転軸の傾斜を制御する自動制御機構を有することができる。

又、前記計測用Ｘ線ＣＴ装置全体を搭載するベース下面に、除振台を備え、前記チルト調整テーブルが内蔵する前記第１の水準器のほかに、前記Ｘ線検出器と一体となって傾斜角の信号を出力可能な第２の水準器を備えることができる。

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、事前に各種校正を行う。本発明は各種校正の一つであるスライス面設定に関するものであり、本発明を計測用Ｘ線ＣＴ装置に適用することで、下記の効果がある。

１）回転テーブルの任意の位置においてスライス面設定が可能となり、最初のスライス面の設定後回転テーブルが移動してもスライス面設定の作業は不要となり、作業効率の高い計測用Ｘ線ＣＴ計測が可能となる。

２）回転テーブルの移動に伴う回転軸の傾きを、ソフトウェア上の演算で補正するのではなく、実体ある幾何学的な調整を行うため、高精度な計測用Ｘ線ＣＴ計測が可能となる。

３）回転テーブルを測定空間内で駆動するステージ走査機構の幾何誤差の許容値を拡大することが可能になり、機械的な精度出しに投じる工数の削減が可能となる。

従来の計測用Ｘ線ＣＴ装置の構成例を示す正面図 同じく回転テーブルが測定作業者によって指定された測定倍率に対応する位置ＦＣＤ´に移動した時の状態を示す図 本発明の第１実施形態において、スライス面が設定された状態を示す正面図 第１実施形態で用いられているチルト調整テーブルの構成を示す拡大断面図 図３におけるスライス面が設定された状態から、回転軸の中心がＦＣＤ´に移動した状態を示す正面図 本発明の第２実施形態を示す正面図

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（スライス面が設定された状態を示す正面図）、図４（チルト調整テーブルの構成を示す拡大断面図）、図５（回転軸の中心がＦＣＤ´に移動した状態を示す正面図）に示す。

図３は、図１および図２に示す基本構成に対して、新たに第１の電子水準器７６を内蔵する搭載面の角度制御が可能なチルト調整テーブル７が設けられている。チルト調整テーブル７は、Ｚ軸ステージ５３のテーブル搭載面５３１上面と回転テーブル６のテーブル底面６２との間に設けられる。

図４にチルト調整テーブル７の詳細を示す。このチルト調整テーブル７は、テーブル搭載面５３１上に固定されてＺ軸ステージ５３と一体となる固定部７１と、回転テーブル６を搭載して回転テーブル６と一体となるチルト可動部７２から構成される。

チルト可動部７２は、平面盤７２１と凸球面盤７２２と角柱ブロック７２４および第１の電子水準器７６から構成され、凸球面盤７２２のＺ軸（－）側に凸球面７２３が設けられている。

固定部７１は、凹球面ベース７１１とチルト可動部７２に円弧運動を与えるための駆動ユニット７５とプリロードユニット７７を備える。凹球面ベース７１１のＺ軸（＋）側に設けられた凹球面７１２と前記凸球面７２３は、球７３１を介して嵌合し、チルト可動部７２は固定部７１に対して、凹・凸球面の共通の円弧中心のもとで回転運動が可能となる。

チルト可動部７２の凸球面盤７２２のＺ軸（－）端面側に、チルト可動部７２と一体になって動く第１の電子水準器７６が角柱ブロック７２４を介して固定されている。第１の電子水準器７６の内部には筐体７６３により軸受支持され、絶えず重力方向を指向する振り子７６１が内蔵されており、重力方向を基準として筐体７６３との相対的な傾斜角度を差動トランス７６２で検出し出力する。

角柱ブロック７２４は、ＸＺ平面に垂直な２面とＸＺ平面に平行な２面を有している。

凹球面ベース７１１のＸ軸（＋）側に駆動ユニット７５が設けられている。

駆動モータ７５１により送りねじ７５２を回転させることによって、駆動シャフト７５３をＸ軸方向に進退させる。駆動シャフト７５３の先端部は、ニードルローラ７４１を介して、リテーナ７４２により角柱ブロック７２４のＸＺ平面に垂直なＸ軸（＋）側の面を押し引きする。これによって、チルト可動部７２は凸球面７２３の円弧中心を回転中心として回転運動を行う。

一方、凹球面ベース７１１のＸ軸（－）側にはプリロードユニット７７が設けられている。

プリロードユニット７７の内部に設けられる圧縮コイル型のプリロードばね７７１は、プリロードシャフト７７２にＸ軸（＋）の方向への力を与え、ニードルローラ７４１を介して、リテーナ７４２により角柱ブロック７２４のＸ軸（－）側の面に押力を与える。

以上により、角柱ブロック７２４のＸ軸（－）側からの押力と、Ｘ軸（＋）側からの駆動シャフト７５３の推進力がバランスする箇所で、チルト可動部７２の姿勢が設定される。

前出の図３は、回転テーブル６がＦＣＤの位置において、チルト調整テーブル７の機能により、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に対して回転軸８が直交するように調整され、スライス面１０が設定された状態を示す。この状態をもって、第１の電子水準器７６からの出力値をホストコンピュータ１２１側に記憶させる。

図５は、図３におけるスライス面１０が設定された状態から、回転軸８の中心がＦＣＤ´に移動した状態を示す。

ＦＣＤ´への移動は、ステージ走査機構５の駆動により実行されるため、図２と同様に、Ｘ、Ｙ、Ｚの各ステージの運動誤差により、Ｚ軸ステージ５３のテーブル搭載面５３１は角度φの傾斜が生じる。しかし、図２の場合は、回転テーブル６の回転軸８も角度φの傾斜が生じたのに対して、図５では、ＦＣＤの位置（図３）において、スライス面１０の設定を行った際の第１の電子水準器７６の出力値を目標値とするモーションコントロール部１２２からの指令により、チルト調整テーブル７を駆動制御することで、回転軸８の姿勢を維持し、スライス面１０が確保されている。

なお、計測用Ｘ線ＣＴ装置１においては、外部振動を遮断するため、床面と本体ベース９の下面の間に空気式除振台１４を設けることがある。このような場合は、ステージ走査機構５による回転テーブル６の移動によって本体ベース９を含む装置全体が傾斜することがあるため、図６に示す第２実施形態のように、Ｘ線検出器４を支持するＸ線検出器台４１にも第２の電子水準器７６Ｂを搭載することが望ましい。この場合、まず、回転テーブル６がＦＣＤの位置において、最初のスライス面１０の設定が行われた後、設定完了時におけるチルト調整テーブル７内の第１の電子水準器７６とＸ線検出器台４１側の第２の電子水準器７６Ｂの双方の出力値をホストコンピュータ１２１側に記憶させ、ＦＣＤ´への移動後は、記憶された２つの電子水準器７６、７６Ｂの出力値の差分を目標値としてチルト調整テーブル７を駆動制御することで、スライス面１０が確保される。

なお、第２の電子水準器７６Ｂは、本体ベース９の上面に配置してもよい。

更に、前記実施形態においては、水準器として図４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よい。

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
７…チルト調整テーブル
８…回転軸
９…本体ベース
１０…スライス面
１２…演算制御部
１４…除振台
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
７１…固定部
７２…チルト可動部
７５…駆動ユニット
７６、７６Ｂ…電子水準器
７７…プリロードユニット
Ｗ…測定対象

Claims (4)

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、
   前記回転テーブルと、該回転テーブルを搭載する前記走査機構との間に、前記回転テーブルの回転軸の傾斜を修正可能なチルト調整テーブルを備え、
   該チルト調整テーブルは、テーブル搭載面上に固定されてＺ軸ステージと一体となる固定部と、前記回転テーブルを搭載して該回転テーブルと一体となるチルト可動部から構成され、
   該チルト可動部は、平面盤と凸球面盤とから構成され、該凸球面盤のＺ軸（－）側に凸球面が設けられ、
   前記固定部は、凹球面ベースを備え、該凹球面ベースのＺ軸（＋）側に設けられた凹球面と前記凸球面は、球を介して嵌合し、前記チルト可動部は前記固定部に対して、前記凹・凸球面の共通の円弧中心のもとで回転運動が可能となることを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置。
2. 前記チルト調整テーブルは、前記チルト可動部の前記凸球面盤のＺ軸（－）端面側に、前記チルト可動部と一体になって動く第１の水準器が固定されてい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. 前記チルト調整テーブルは、内蔵する前記第１の水準器からの信号を基に、絶えずスライス面を水平に保持するため前記回転軸の傾斜を制御する自動制御機構を有す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. 前記計測用Ｘ線ＣＴ装置全体を搭載するベース下面に、除振台を備え、前記チルト調整テーブルが内蔵する前記第１の水準器のほかに、前記Ｘ線検出器と一体となって傾斜角の信号を出力可能な第２の水準器を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の計測用Ｘ線ＣＴ装置。

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