JP7246732B2

JP7246732B2 - 金属パイプ内面の表面粗さ非破壊測定装置

Info

Publication number: JP7246732B2
Application number: JP2020000120A
Authority: JP
Inventors: 良三二九; 秀幸古屋
Original assignee: FUTAKU PRECISION MACHINERY INDUSTRY COMPANY
Current assignee: FUTAKU PRECISION MACHINERY INDUSTRY COMPANY
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: JP2021110539A

Description

本発明は、小径金属管内面の表面粗さを測定する装置に関するものである。

医療機器や分析分野で使用される小径金属管（ここでは内径２ｍｍ以下の金属管をいう）は、
管内を気体、液体がスムースに流れ、また、気体、液体内の異物等が管内に滞留するのを
防止するため内面研磨を施し、金属管内面を滑らかな状態にして使用される。
内面研磨後の表面粗さ測定は、小径金属管の場合は、表面粗さ計等を小径金属管内に挿入
することができないため、内面研磨を実施した金属管を反割りし、反割りし露出した小径
金属管内面を表面粗さ計等により粗さ測定を実施している。
通常、半割りし露出した小径金属管内面を長手方向で数箇所（金属管の両端と中央等）を
表面粗さ計等で測定し、その小径金属管内面の表面粗さとしている。
金属管内面の傷の検査については、「特開２０１６－９０２９３」の方法がある。
しかし、内面研磨後に必要な測定は、金属管内面の表面粗さである。また、「特開２０１６
－９０２９３」の方法で検査対象としている管径の最小は内径４ｍｍであり、内径２ｍｍ以下
の金属管には適用するができない。

特開２０１６－９０２９３号公報

ここで上記の小径金属管の表面粗さを測定するには、内面研磨を施した小径金属管を反割りし
破壊しなければならない。つまり顧客に納める数量に追加して、測定用にも製品、半製品を製造
する必要があり、製造コストを上昇させる要因の一つとなっている。
そして破壊（半割り）してしまった小径金属管は製品とはできないため廃棄することになる。
金属管に限らず、廃棄品の削減は今やグローバルな課題となっている。
また、品質保証の観点から、同じ製造条件で内面研磨を実施したロット内の小径金属管の表面粗さ
のバラツキを把握するためには多くの小径金属を破壊しなければならず、製造コストの上昇、
廃棄品の増加につながる。

破壊検査では顧客に納める全製品の全数保証ができない。特に医療・分析機器に使用されるものに
に対しては品質保証が十分とは言い難い。
また、破壊し露出させた小径金属管内面を、時間、コストを抑えるために金属管長手方向に数箇所
の測定を行っているが、金属管長手方向で全域にわたって表面粗さ測定を行っているわけではなく、
金属管長手方向全域に渡って表面粗さの保証をしているとは言い難い。

小径金属管にその小径金属管よりも小径のファイバースコープを通し、金属管内の画像をファイバー
スコープを通してCCDカメラにより撮影する。挿入されたファイバースコープに対して、小径金属管を
金属管長手方向に相対的に移動させ、金属管長手方向全域にわたり小径金属管内の画像を撮影する。

小径金属管内を一定の明るさで照射し撮影した場合、事前の検証から小径金属管の画像と表面粗さには
相関関係があることがわかっている。画像の各要素（各画素）が持っている明るさの情報（階調：８bit
の情報で１０進数にすると０～２５５の値）の総和が、小径金属管内の表面粗さと関連を持つ。またこの
相関関係は、小径金属管内径とも関連がある。このため、撮影された小径金属管の画像と小径金属管内径
から、画像と表面粗さデータの相関関係により、小径金属管の表面粗さを計算することが可能となる。

しかしながら、被測定小径金属管の内径は多種あり、そのすべての内径において、小径金属管内面の階調
総和と表面粗さの相関を取得しておくのは無理がある。そのため、代表的な小径金属管内径（例えばφ1.0、
φ1.2、φ1.4、φ1.6など）について、小径金属管内面の階調総和と表面粗さとの相関を取得しておき、
相関の情報が無い被測定小径金属管の内径の場合は、取得してある代表的な小径金属管内面の階調総和と
表面粗さとの相関関係を複数使用し、補間し、新たな相関関係とする。（例えば、被測定小径金属管内径が
φ1.1の場合の相関関係は、被測定小径金属管内径がφ1.0、φ1.2等の相関関係から補間し求める）

小径金属管の表面粗さを非破壊で計算できる。このため、これまでのような表面粗さを測定するために製品
の破壊をする必要がなく、また、余分な製品、半製品の製造が不要となる。
さらに、破壊をしないため廃棄品が生じることがなくなる。

小径金属管の表面粗さの全数測定が可能となり、ロット内のバラツキの把握が容易となる。
また、全数測定をすることで、顧客に対する全数の品質保証が可能となる。
さらに、小径金属管の表面粗さを金属管長手方向全域で特定でき、金属管長手方向でも品質保証がされる。

本発明の非破壊測定装置の全体図である。本発明の非破壊測定装置でディスプレイに出力、表示される被測定小径金属管の内径と測定プログラムの選択画面である。該当する小径金属管内径での、小径金属管内面画像の階調総和と表面粗さの相関関係の例である。本発明の非破壊測定装置で小径金属管の内面の撮影毎にディスプレイに出力、表示される小径金属管内面画像と階調総和及び、表面粗さの値である。本発明の非破壊測定装置で小径金属管内面の測定終了後にディスプレイに出力、表示される階調総和の平均の値及び、表面粗さの平均の値である。本発明の非破壊測定装置での小径金属管内面の画像取得と階調総和、表面粗さの計算のフローチャートである。本発明の非破壊測定装置で、金属長手方向の同位置で複数の画像を取得する場合の、説明図である。本発明の非破壊測定装置で、金属長手方向の同位置で複数の画像を取得する場合の、小径金属管内面の画像取得と階調総和、表面粗さの計算のフローチャートである。該当する小径金属管内径での、小径金属管内面画像の階調総和と表面粗さの相関の情報が無い場合の、事前に検証できている小径金属管内面画像の階調総和と表面粗さの相関関係を複数使用した新たな相関の構築例の１つ目である。該当する小径金属管内径での、小径金属管内面画像の階調総和と表面粗さの相関の情報が無い場合の、事前に検証できている小径金属管内面画像の階調総和と表面粗さの相関関係を複数使用した新たな相関の構築例の２つ目である。本発明の非破壊測定装置で、照度確認用の小径金属管を使用して、光源の基準照度を調整する説明である。

以下に本発明の実施形態について図面に基づき説明する。

図１に本発明の構成を示す。
被測定小径金属管２をプログラム等で制御が可能な電動ステージユニット１のテーブル１１に設置される。
被測定小径金属管２よりも小径のファイバースコープ３を被測定小径金属管内２に挿入する。
ファイバースコープ３はCCDカメラ４とCマウント等を通じて接続されている。ファイバースコープ３には光源５
から光が導かれ、被測定小径金属管２の内面を照明し、その反射光の映像をファイバースコープ３を通して
CCDカメラ４で撮影する。

CCDカメラ４の画像はコントローラ７を介してディスプレイ９に出力、表示する。

電動ステージユニット１のテーブル１１の移動とCCDカメラ４の撮影は、プログラムにより制御（何mm移動毎に、
金属管長手方向に何箇所撮影する等）される。これらのプログラムはコントローラ７に事前に保存され、測定開始
時に、ディスプレイ９に出力、表示し、該当するプログラムを、小径金属管内径とともに選択する。（図２）
コントローラ７からは、実施するプログラムに従い電動ステージユニット１のモーターに対してテーブル１１を
移動させる信号、テーブル１１に設置してある被測定金属管２をモーターを介して回転させる信号を出力する。

テーブル１１（被測定小径金属管２）が、被測定小径金属管２に挿入されているファイバースコープ４に対して
相対的に移動し、被測定小径金属管２の内面の画像を金属管長手方向全域でCCDカメラ４により撮影できる。
撮影した画像の階調総和から、事前に検証してあるその小径金属管内径の階調総和と表面粗さの相関関係（図３）
から表面粗さをコントローラ７の内部で計算し、その結果を被測定小径金属管２の内面の撮影画像とともに撮影毎に
ディスプレイ９に出力、表示する。（図４）

さらに、被測定小径金属管２のプログラムによる測定が終了した後は、金属管長手方向の表面粗さの平均値等の
統計値もコントローラ７の内部で計算し、その結果をディスプレイ９に出力、表示する。（図５）（図６）

また、被測定小径金属管２の内径とファイバースコープ４の外径とに差がある場合は、被測定小径金属２の内面
画像の階調総和の精度を上げるために、金属管長手方向の同じ位置の内面で、ファイバースコープ３の位置が異なる
複数の画像が必要となる。このため、被測定小径金属管２がテーブル１１上で回転する機構を持たせ、金属管長手
方向同位置の画像を複数回撮影させる。（図７）

被測定小径金属管２の内径を非破壊測定装置のディスプレイ９から選択する。（図２）
照明の照度確認のため、上記小径金属管の内径に対応した、照度確認用の小径金属管を電動ステージユニット１の
にテーブル１１に設定する。
CCDカメラ４に接続されたファイバースコープ３を照度確認用の小径金属管の前端まで挿入する。
ファイバースコープ３を挿入後、照度確認用の小径金属管の前端に遮光カバー６を設置する。

テーブル１１（電動ステージユニット１）の移動とCCDカメラ４による撮影を連動したプログラム郡の中から
照度確認用のプログラムを選択し（図２）、操作スイッチユニット８の開始ボタン８１を押下する。
照度確認用のプログラムは、照度確認用の小径金属管の内部を長手方向に５箇所撮影し、撮影毎にコントローラ内で
階調総和を計算するものである。

測定（プログラム）終了後に、撮影された各画像の階調総和が、基準照度として予め決められた範囲内に入っていれば
「OK」、入っていなければ「NG」をディスプレイ９に出力、表示するものになっている。
階調総和が基準照度の範囲内に入っていなければ、光源５の光量調整ボリュームにより調整し、再度、照度確認用の
小径金属管の測定を実施し、測定後のディスプレイ９の出力表示が「OK」になるまで繰り返す。（図１１）
照明の照度確認が終了した後は、遮光カバー６及び照度確認用の小径金属管からファイバースコープ３を退避する。

被測定小径金属管２を電動ステージユニット１のテーブル１１に設定し、CCDカメラ４に接続されたファイバースコープ３
を、被測定小径金属管２の前端まで挿入する。
ファイバースコープ３挿入後、被測定小径金属管２の前端に遮光カバー６を設置する。

テーブル１１（電動ステージユニット１）の移動とCCDカメラ４による撮影を連動したプログラム郡の中から連続自動
測定のプログラムを選択し（図２）、開始ボタン８１を押下する。
連続自動測定のプログラムは、テーブル１１（電動ステージユニット１）が何mm移動毎に、金属管長手方向に何箇所を
撮影するかが設定されており、撮影毎にコントローラ７の内部で階調総和を計算し、事前に検証してあるその小径金属管
内径の階調総和と表面粗さの相関関係（図３）から被測定小径金属管２の内面の表面粗さを計算し、その結果を
ディスプレイ９に出力表示する。（図４）

また、測定（プログラム）終了後は、被測定小径金属管２の内面の金属管長手方向の何箇所か計算した表面粗さの平均値
等の統計値もディスプレイ９に出力、表示するものである。（図５）（図６）
被測定小径金属管の測定（プログラム）終了後、遮光カバー及び被測定小径金属管からファイバースコープ３を退避する。

被測定小径金属管２の内径とファイバースコープ３の外径とに差がある場合は、被測定小径金属管２の内径画像の階調
総和及び表面粗さの計算精度を上げるために、金属管内面の金属管長手方向の同位置で、ファイバースコープ３の位置が
異なる複数の画像が撮影できるようにする。被測定小径金属管２がプログラム制御による回転できる機構を持った回転
ローラ１２により回転することができ、被破壊小径金属管２について移動、回転及び撮影が連動したプログラムを使用し、
測定を実施する。（図７）

金属管長手方向の同位置で、ファイバースコープ３の位置が異なる複数の画像を撮影するプログラムは、電動ステージが
何mm移動し、金属管長手方向の同位置で複数撮影するために、回転ローラ１２により被測定小径金属管２が何度毎に
回転し、撮影するものである。金属管長手方向同位置の複数画像の平均化処理等の画像処理を実施した上で、金属管長手
方向の表面粗さをコントローラ７の内部で計算し、その結果をディスプレイ９に出力、表示する。その後、再びテーブル
１１（電動ステージユニット１）が移動するというものである。（図８）

なお、被測定小径金属管２の内径が、小径金属管の内面の階調総和と表面粗さの相関関係の情報が無い場合は、事前に
検証できている複数の小径金属管の内面の階調総和と表面粗さの相関関係を使用し、補間した形での関係性を構築し、
被測定小径金属管２の内径の相関関係とする。（図９）（図１０）
この相関関係を使用し、被測定小径金属管２の内面の表面粗さをコントローラ７の内部で計算し、その結果を
ディスプレイ９に出力、表示する。

なお、上記の実施形態のCCDカメラは、CMOSカメラ等の撮影デバイスであってもよい。カメラはモノクロカメラ、
カラーカメラのどちらでもよい。

また、上記の実施形態の電動ステージの移動と撮影の連動するプログラムは、シーケンス、ラダー等の他、市販されている
コントローラ内のアプリでもよい。さらに作成されたプログラムは使用するプログラム言語は何でもよい。

また、上記の実施形態の小径金属管の内面画像の階調総和と表面粗さの計算や、画像処理の実施を行うのはコントローラ
の他に、PCやCPUを搭載した組み込みマイコン等の計算機でもよい。階調総和を計算する画像はCCDカメラ等で撮影された
オリジナル画像の他、ノイズ除去やエッジ検出等のフィルタリングを実施した後の画像でもよい。さらに、複数の画像から
新たに作成された画像であっても良い。
また、CCDカメラ等により撮影された画像の階調は８bitの他、10bit、12bit等、bit数はいくつでもよい。

また、上記の実施形態の照度合わせのための階調総和の基準照度範囲内への調整は、光源の光量調整ボリュームによる調整
の他、CCDカメラ等のシャッタースピードや、露光時間を変更したり、ゲインを変更したりして、階調総和を基準照度の範囲内
に調整してもよい。さらに、階調総和の基準照度範囲内への調整を、撮影された画像の階調総和情報に基づき、CCDカメラ等の
シャッタースピード等の変更をプログラム等で自動で行う仕組みでもよい。

本発明は、非破壊での、小径金属管の内面の表面粗さの測定を可能とする。また、小径金属管の内面全域での表面粗さの測定
が可能となる。
さらに非破壊での測定が可能となることら、製品（小径金属管）の全数検査が可能となる。全数測定により、小径金属管の品質
（内面の表面粗さのばらつき）を把握でき、小径金属管の製造技術の向上につなげられるだけでなく、顧客に対してトレーサ
ビリティを含めた品質保証の向上が図れる。

１電動ステージユニット
２被測定小径金属管
３ファイバースコープ
４ CCDカメラ
５光源
６遮光カバー
７コントローラ
８操作スイッチユニット
９ディスプレイ
１１テーブル
１２回転ローラ
８１開始スイッチ

Claims

小径金属内面の表面粗さを、事前に検証できている小径金属管の内面画像の階調総和と表面粗さの相関関係を基に、小径金属管の内径と、小径金属管内面の画像の階調総和から計算し、ディスプレイに出力、表示する装置。
請求項１の装置で、測定時の照度基準を一定にあわせるため、照度基準用の小径金属管を用いる装置。
請求項１の装置で、小径金属内面の表面粗さを金属管長手方向全域にわたって自動測定し、表面粗さを表示する装置。
請求項１の装置で、金属管長手方向の同位置での画像を複数回撮影するために、小径金属管を回転させる機構を有する装置。
請求項１の装置で、金属管長手方向の同位置での画像を複数回撮影し、小径金属内面の表面粗さを計算し表示する装置。
請求項１の装置で、金属管長手方向の同位置での画像を複数回撮影し、同位置での画像を平均化処理の画像処理を施した上で、小径金属内面の表面粗さを計算し、表示する装置。
請求項１の装置で、測定しようとしている小径金属管の内径で、事前に検証できている小径金属管の内面画像の階調総和と表面粗さの相関関係の情報が無い場合、事前に検証できている小径金属管の内面画像の階調総和と表面粗さの相関関係を複数使用し、補間し、新たに相関関係とすることで、この相関関係を使用して、小径金属内面の表面粗さを計算、表示する装置。