JP7224598B2

JP7224598B2 - 傾斜ｘ線検査方法、傾斜ｘ線検査装置及びその精度評価方法

Info

Publication number: JP7224598B2
Application number: JP2019020769A
Authority: JP
Inventors: 昌司西川; 祐作伊藤
Original assignee: リョーエイ株式会社
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2023-02-20
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: JP2020128890A

Description

本発明は、大型で平板状のワークの内部欠陥を検出するに適した傾斜Ｘ線検査方法、傾斜Ｘ線検査装置及びその精度評価方法に関するものである。

自動車部品として多用されている金属部品のうち、特に鋳造部品やダイカスト部品には、金属が凝固する際に生ずる空洞（鋳巣）が不可避的に含まれている。従来はこれらの部品を機械加工した後に表面を検査し、加工面に空洞が現れたものを不良品として跳ね出していた。

ところが部品の小型化、薄肉化を限界まで追求した次世代自動車部品においては、部品表面に現れない内部の空洞が亀裂の起点となる可能性があるため、部品内部に隠れた空洞をも検出することが求められる。金属部品の内部空洞を検出する方法としては、Ｘ線検査方法が適している。

従来のＸ線検査方法としては、図１に示す直交Ｘ線ＣＴ法が一般的である。この方法はＸ線源１とディテクタ２とを一直線上に並べてその途中の回転台３に検査対象となるワークＷを置き、Ｘ線源１とディテクタ２とを結ぶ直線に直交する垂直軸を回転軸としてワークＷを３６０度回転させ、ワークのＸ線透視画像を得る方法である。

この直交Ｘ線ＣＴ法は、ワークＷが小型のものである場合には適している。しかしワークＷが大型である場合には、ワークの回転軌跡が大きな円を描くこととなる。このためＸ線源１とディテクタ２を大きく離して設置し、その全体をＸ線を防止する鉛を使用したＸ線防護ボックスで囲む必要が生じ、設備費用が高くなり、設備スペースも大きくなるという問題がある。また、平板状のワークＷをこの方法で検査する際には、Ｘ線がワークＷの内部を透過する距離が長くなるため、高出力のＸ線源１が必要となるという問題がある。

また従来のＸ線検査方法として、図２に示す傾斜Ｘ線ＣＴ法も知られている。この方法ではＸ線源１とディテクタ２をワークＷの回転軸に対して傾斜させて配置している。しかしこの方法でもワークＷを回転させる必要があるため、図１の直交Ｘ線ＣＴ法と同様、ワークＷが大型である場合には設備費用が高くなり、設備スペースも大きくなる。なお傾斜Ｘ線ＣＴ法は、特許文献１、特許文献２にも記載されている。

このほか、図３に示すようにワークＷを固定したまま、その回りにＸ線源１とディテクタ２とを対向した状態を保ったまま３６０度回転させ、ワークのＸ線透視画像を得る回転Ｘ線ＣＴ法もある。この方法では、ワークＷを回転させる必要はないが、ワークＷの最大寸法の外側にＸ線源１とディテクタ２を配置して回転させねばならない。このためワークＷが大型である場合にはやはり設備費用が高くなり、設備スペースも大きくなる。また平板状のワークＷをこの方法で検査する際には、Ｘ線がワークＷの内部を透過する距離が長くなるため、高出力のＸ線源１が必要となるという問題がある。なお回転Ｘ線ＣＴ法は、特許文献３にも記載されている。このように従来方法では、ワークが大型で平板状のものである場合には、設備の大型化やＸ線源１の高出力化を避けることができなかった。

特開２００３－３４４３１６号公報特開２００８－１２２３３７号公報特開２００６－１６２３３５号公報

従って本発明の目的は上記した従来技術の問題点を解決し、大型で平板状のワークの内部欠陥を、比較的小型の設備により効率よく検査することができる、傾斜Ｘ線検査方法、傾斜Ｘ線検査装置及びその精度評価方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の傾斜Ｘ線検査方法は、回転軸線のまわりに同一角速度で回転する上部円盤及び下部円盤にそれぞれ斜めに取り付けられたＸ線源とディテクタとを用いた傾斜Ｘ線検査方法であって、ワークを貫通する仮想直線上に、Ｘ線源とディテクタとをワークを挟んで正対させて配置し、ワークを固定したまま、かつ、Ｘ線源とディテクタとの正対関係を維持したまま、Ｘ線源とディテクタとを前記仮想直線に対して斜めに交差する前記回転軸線のまわりに同一角速度で回転させ、ワークのＸ線透視画像を得ることを特徴とするものである。なお、前記仮想直線がワークを斜めに貫通する直線であり、前記回転軸線が垂直線であることが好ましい。また、ワークが薄肉で大型の平板状部材であることが好ましい。

また上記の課題を解決するためになされた本発明の傾斜Ｘ線検査装置は、フレームの上下に設けられ垂直な回転軸線のまわりに同一角速度で回転する上部円盤及び下部円盤と、これらの上部円盤及び下部円盤にそれぞれ斜めに取り付けられたＸ線源とディテクタとからなり、これらのＸ線源とディテクタはワークを貫通する仮想直線上における正対関係を維持しつつ回転し、ワークのＸ線透視画像を得るものであることを特徴とする。

さらに本発明の傾斜Ｘ線検査装置の精度評価方法は、上記の傾斜Ｘ線検査装置のＸ線源とディテクタが回転する際の理想的な円軌道からのずれと、ディテクタ上のＸ線受光位置のずれとの関係を示す演算式を作成し、ゲージとマイクロメータを用いてＸ線源とディテクタの理想的な円軌道からのずれを測定し、それらの測定値を演算式に代入して傾斜Ｘ線検査装置の検出精度を演算することを特徴とするものである。

本発明の傾斜Ｘ線検査方法及び装置によれば、ワークが薄肉で大型の平板状部材である場合にも、ワークの斜め上方と斜め下方に配置したＸ線源とディテクタを垂直軸の周りに回転させるだけでワークのＸ線透視画像を得ることができる。このためワークのサイズにかかわらず、Ｘ線源とディテクタの回転領域だけをＸ線防護ボックスで囲めばよく、設備の小型化を図ることができる。

また本発明の傾斜Ｘ線検査方法及び装置によれば、平板状のワークに対して斜め方向にX線を照射するため、X線がワークＷの内部を透過する距離が短くなり、低出力のＸ線源により検査を行うことができる。

さらに本発明の傾斜Ｘ線検査装置の精度評価方法によれば、設備の寸法誤差とＸ線透視画像との関係を把握することができるので、求められる画像精度を得るためには設備の寸法精度をどのレベルに抑えねばならないかを知ることができる。また使用中における画像精度を検証することができるので、画像精度の低下による不良品の見落としをなくすことが可能となる。

従来の直交Ｘ線ＣＴ法の原理図である。従来の傾斜Ｘ線ＣＴ法の原理図である。従来の回転Ｘ線ＣＴ法の原理図である。本発明の傾斜Ｘ線検査方法の原理図である。大型で平板状のワークを傾斜Ｘ線検査する状態の説明図である。Ｘ線源とワークとディテクタとの関係を示す正面図と側面図である。本発明の傾斜Ｘ線検査方法により得られるボクセルデータのイメージ図である。本発明の傾斜Ｘ線検査装置の正面図である。本発明の傾斜Ｘ線検査装置の側面図である。Ｘ線源とディテクタとを回転させる状態の説明図である。ディテクタ上のＸ線受光位置の軌跡を示す斜視図である。ディテクタ上のＸ線受光位置の誤差の説明図である。Ｘ線源の軌道誤差の説明図である。ディテクタの軌道誤差の説明図である。ディテクタの３軸方向の回転誤差の説明図である。本発明の精度評価方法に用いる代表的な変数の説明図である。Ｘ線源とディテクタの理想的な円軌道からのずれを測定する手段を示す全体図である。図１７の上方部分の拡大図である。図１７の下方部分の拡大図である。

（傾斜Ｘ線検査方法）
以下に本発明の内容を実施形態とともに詳細に説明する。図４は本発明の傾斜Ｘ線検査方法の原理図である。１０はワーク支持台であり、ワークＷはその上に固定される。１１はワークＷを貫通する仮想直線であり、この仮想直線１１上に、Ｘ線源１２とディテクタ１３とをワークＷを挟んで正対させて配置する。

そしてワークＷをワーク支持台１０上に固定したまま、Ｘ線源１２とディテクタ１３とを仮想直線１１に対して斜めに交差する回転軸線１４のまわりに同一角速度で回転させる。この回転軸線１４は垂直線とすることが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。

この回転中もＸ線源１２とディテクタ１３とは正対関係を維持したまま、すなわち仮想直線１１上に位置させたまま、仮想直線１１とともに回転させる。このようにしてＸ線源１２とディテクタ１３とを３６０度回転させれば、ワークＷを斜め方向に透視する３６０度のＸ線透視画像を得ることができる。仮想直線１１と回転軸線１４とがなす角度θは、３０度～６０度の範囲とすることが好ましい。

図４の原理図では図１～図３との対比が明確となるようにワークＷを円柱形としたが、ワークＷが薄肉で大型の平板状部材である場合を図５に示す。図５から分かるように、ワークＷの上方と下方でＸ線源１２とディテクタ１３とを回転軸線１４のまわりに回転させればよいので、ワークＷが大型であっても装置全体を小さくまとめることができる。図５では仮想直線１１と回転軸線１４とが交差する部位の周囲がワークＷの撮影ポイント１５となるが、ワークＷを移動させれば撮影ポイント１５を移動させることができ、任意の部位を検査することができる。

ワークＷを固定したまま、本発明の傾斜Ｘ線検査を行うと、図６に示すようにワークＷを全周から斜め方向に透視したＸ線透視画像群が得られる。これらの画像を３次元処理すると、図７に示す略円錐台形状の立体画像のボクセルデータが得られ、その内部の空洞を検出することができる。

（傾斜Ｘ線検査装置）
図８と図９に本発明の傾斜Ｘ線検査装置の実施形態を示す。２０は剛性に優れた大型のフレームでありその中央部にワークＷが配置される。ワークＷは必ずしもワーク支持台１０に支持させる必要はなく、例えばロボットアームに支持させることも可能である。

フレーム２０の上部アーム２１の下側には上部円盤２２が設けられており、フレーム２０の下部アーム２３の上側には下部円盤２４が設けられている。これらの上部円盤２２と下部円盤２４は、垂直な回転軸線１４の周りを同一角速度で回転できる構造とする。上部円盤２２の下面には、Ｘ線源１２が好ましくは３０度～６０度の角度で斜め下向きに取り付けられ、下部円盤２４の上面にはディテクタ１３が斜め上向きに取り付けられている。前述した通り、Ｘ線源１２とディテクタ１３は仮想直線１１上で正対するように配置されており、図１０に示すように上部円盤２２と下部円盤２４とを回転させると仮想直線１１も回転するが、Ｘ線源１２とディテクタ１３は常に仮想直線１１上で正対する関係を維持している。この結果、ワークＷの撮影ポイント１５の周囲について３６０度のＸ線透視画像を得ることができることとなる。

この構造とすれば、ワークＷを横移動させることにより、撮影ポイント１５を自由に変えることができる。またＸ線防護ボックスはワークＷのサイズに拘わらず、小さくすることができる。またＸ線の透過距離は短くてよいため、Ｘ線源１２は低出力のものとすることができる。
（傾斜Ｘ線検査装置の精度評価方法）

上記した通り本発明の傾斜Ｘ線検査装置は、Ｘ線源１２とディテクタ１３を常に仮想直線１１上に維持したまま上部円盤２２と下部円盤２４とを回転させるのであるが、回転機構が上下に分離されているため、実際には不可避的に生ずる装置の製作誤差により、Ｘ線源１２とディテクタ１３の回転面が水平方向に０～１ｍｍ程度、上下方向にも０～１ｍｍ程度ずれる可能性がある。このずれの影響によりＸ線透視画像群に乱れが生じ、得られた３次元の撮影データ（ボクセルデータ）にもずれが生じて鮮明な画像が得られなくなるおそれがある。

実際の鋳造部品やダイカスト部品においては、小さな空洞（鋳巣）は１０個以下のボクセルデータの集まりとして検出され、大きな空洞（鋳巣）は数十個から数百個程度のボクセルデータの集まりとして検出される。このため多少の誤差があっても大きな空洞を見落とすことはないが、小さな空洞は検出できなくなるおそれがある。そこで本発明の精度評価方法では、Ｘ線源１２とディテクタ１３との回転ずれが検査装置の精度にどの程度影響するかを、演算で求められるようにした。以下にその具体的な内容を説明する。

理想的な状態においては、Ｘ線源１２とディテクタ１３を３６０度回転させたとき、ワークＷ中の座標（ｘ,ｙ,ｚ）で表される注目点（撮影ポイント）を通るＸ線の受光点は、図１１に示すようにディテクタ１３上で楕円軌跡を描く。しかし実際の装置ではＸ線源１２とディテクタ１３との円軌道が理想的な円軌道から僅かながらずれるので、ディテクタ１３上における楕円軌跡も僅かにずれる。このずれ量を図１２に示すように、ΔＰy(t),ΔPｚ(t)とする。

また図１３に示すように、Ｘ線源１２の理想回転半径をＲ_Ｆとし、実際の回転軌道の半径誤差をΔＲ_Ｆとする。この回転円の中心の理想点からの３次元的なずれを、ΔＸ_Ｆ,ΔＹ_Ｆ,ΔＺ_Ｆとする。またこの円軌道のＸ軸に対する傾きずれをΔΨ_Ｆ、Ｙ軸に対する傾きずれをΔΘ_Ｆ、Ｚ軸に対する傾きずれをΔΦ_Ｆとする。

同様にディテクタ１３についても図１４に示すように、理想回転半径をＲ_Ｉとし、実際の回転軌道の半径誤差をΔＲ_Ｉとする。この回転円の中心の理想点からの３次元的なずれを、ΔＸ_Ｉ,ΔＹ_Ｉ,ΔＺ_Ｉとする。またこの円軌道のＸ軸に対する傾きずれをΔΨ_Ｉ、Ｙ軸に対する傾きずれをΔΘ_Ｉ、Ｚ軸に対する傾きずれをΔΦ_Ｉとする。また図１５に示すように、ディテクタ受光面のＸ軸に対する傾きずれをΔψ_Ｉ、Ｙ軸に対する傾きずれをΔθ_Ｉ、Ｚ軸に対する傾きずれをΔφ_Ｉとする。

以上をまとめると図１６及び数１、数２の通りとなる。ただし注目点の座標（ｘ,ｙ,ｚ）は（0,0,0）とした。ＨとＷはディテクタ１３のサイズである。

また軌跡誤差ΔＰy(t),ΔPｚ(t)は数３の通りとなり、３６０度の積分を計算して求めた平均軌跡誤差は数４の通りとなる。なお詳細な説明は省略するが、この系の自由度は１１である。

実用的な寸法として、Ｒ_Ｆ=300mm、Ｚ_Ｆ=300mm、Ｒ_Ｉ=300mm、Ｚ_Ｉ=300mm、Ｗ=100mm、Ｈ=150mmを用いてみる。このときθ=45度、拡大率Ｍ=2となる。画素サイズはマイクロフォーカスをイメージして75μｍとすると、欠陥のサイズが0.5ｍｍの撮像画像のピクセル数は13.3ピクセルとなる。欠陥の検出を行うには、平均起動誤差の５倍くらいの欠陥でないと抽出は難しいため、平均軌道誤差は200μｍ以下にする必要がある。

200μｍを系の自由度である11で割ると18.2μｍとなるから、上記した平均軌道誤差の式の各項の誤差を18.2μｍ以下としたい。このためには、夫々の誤差の数値を数５に示すようにすることが求められる。

傾斜Ｘ線検査装置を組み立てたり調整するときに各因子の誤差を測定し、数4の式に代入すれば、平均軌道誤差のΔＰy,ΔPｚを求めることができ、その5倍以上が装置の撮影分解能と考えることができる。ここにディテクタ１３の画素サイズを考え合わせれば、装置の検出精度が得られる。

上記した説明は理論的なものであるが、実際の装置においては回転中心や軌道の位置のデータを知ることは容易ではない。そこで実際には、ゲージを用いて精度を測定することができる。例えば図１７に示すようにフレーム２０にゲージ３０を取り付ける。円盤３１はＸ線源１２の軌道測定用であり、円盤３２はディテクタ１３の軌道測定用である。これらは完全な同心度を保証されたゲージである。

また図１８に示すように、装置の上部円盤２２の下方に測定アーム３３を取り付け、上下方向と水平方向（半径方向）の変位を測定するためのマイクロメータ３４，３５を取り付ける。同様に、図１９に示すように、装置の下部円盤２４に測定アーム３６を取り付け、上下方向と水平方向（半径方向）の変位を測定するためのマイクロメータ３７、３８を取り付ける。そして装置の上部円盤２２と下部円盤２４とを回転させながらこれらのマイクロメータが示す変位の数値を記録すれば、数４の式に必要な数値を求めることができる。

このように本発明の傾斜Ｘ線検査装置の精度評価方法を用いれば、装置の上下の円盤２２、２４を回転させながら半径方向と高さ方向の変位を測定し、それらの変位の数値を数４の式に代入することによって、ディテクタ上におけるＸ線受光位置の誤差を算出することができ、装置の検出精度を確認することが可能となる。

以上に説明したように、本発明の傾斜Ｘ線検査方法及び装置によれば、大型で平板状のワークの内部欠陥を、比較的小型の設備により効率よく検査することができる。また本発明の精度評価方法によれば、その検出精度を確認することができる。

Ｗワーク
１ X線源（従来技術）
２ディテクタ（従来技術）
３回転台（従来技術）
１０ワーク支持台
１１仮想直線
１２Ｘ線源
１３ディテクタ
１４回転軸線
１５撮影ポイント
２０フレーム
２１上部アーム
２２上部円盤
２３下部アーム
２４下部円盤
３０ゲージ
３１円盤
３２円盤
３３測定アーム
３４マイクロメータ
３５マイクロメータ
３６測定アーム
３７マイクロメータ
３８マイクロメータ

Claims

回転軸線のまわりに同一角速度で回転する上部円盤及び下部円盤にそれぞれ斜めに取り付けられたＸ線源とディテクタとを用いた傾斜Ｘ線検査方法であって、
ワークを貫通する仮想直線上に、Ｘ線源とディテクタとをワークを挟んで正対させて配置し、ワークを固定したまま、かつ、Ｘ線源とディテクタとの正対関係を維持したまま、Ｘ線源とディテクタとを前記仮想直線に対して斜めに交差する前記回転軸線のまわりに同一角速度で回転させ、ワークのＸ線透視画像を得ることを特徴とする傾斜Ｘ線検査方法。
前記仮想直線がワークを斜めに貫通する直線であり、前記回転軸線が垂直線であることを特徴とする請求項1記載の傾斜Ｘ線検査方法。
ワークが薄肉で大型の平板状部材であることを特徴とする請求項１または２記載の傾斜Ｘ線検査方法。
フレームの上下に設けられ垂直な回転軸線のまわりに同一角速度で回転する上部円盤及び下部円盤と、これらの上部円盤及び下部円盤にそれぞれ斜めに取り付けられたＸ線源とディテクタとからなり、これらのＸ線源とディテクタはワークを貫通する仮想直線上における正対関係を維持しつつ回転し、ワークのＸ線透視画像を得るものであることを特徴とする傾斜Ｘ線検査装置。
請求項４に記載された傾斜Ｘ線検査装置のＸ線源とディテクタが回転する際の理想的な円軌道からのずれと、ディテクタ上のＸ線受光位置のずれとの関係を示す演算式を作成し、ゲージとマイクロメータを用いてＸ線源とディテクタの理想的な円軌道からのずれを測定し、それらの測定値を演算式に代入して傾斜Ｘ線検査装置の検出精度を演算することを特徴とする傾斜Ｘ線検査装置の精度評価方法。