JPH10288512A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度で、効率良く、しかもデータを保存で
きる形状測定装置を提供する。 【解決手段】 人工疵２までの距離及び人工疵２からの
反射光の出力値を測定する非接触式レーザーフォーカス
変位計１１と、レーザーフォーカス変位計１１のセンサ
ー１１ａ及びこのセンサー１１ａを３次元方向に走査さ
せる移動機構１２とからなる測定機構部１５と、測定機
構部１５を制御する制御部１６と、制御部１６からの指
令による移動機構１２を介したセンサー１１ａの移動方
向及び移動量と、レーザーフォーカス変位計１１からの
出力信号に基づいて人工疵２の形状を演算する信号処理
部１７を備えた構成である。 【効果】 人工疵の形状を、迅速に、しかも、精密かつ
自動的に測定できる。加えて、データも保存できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば鋼管，鋼板
等の金属材料の超音波探傷に使用する試験片における人
工疵の形状を測定する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】試験片に設けた人工疵は、超音波探傷装
置の感度校正や判定レベルを設定する基準となる。この
ため、人工疵の深さ，幅，長さ，断面形状を定量的かつ
精密に測定することは、製品の品質を管理する上で重要
である。

【０００３】図１０（ａ）及び図１１（ａ）は先端形状
が異なる人工疵を超音波探傷した場合における、超音波
エコー１ａと人工疵２からの反射エコー１ｂの経路を示
した図である。人工疵２の先端形状が角型では、図１０
（ａ）に示すように、反射エコー１ｂが比較的同角度に
反射して、集束できているのに対して、人工疵２の先端
形状が丸みのあるＵ溝形状の場合には、図１１（ａ）に
示すように、散乱エコー１ｃが多くなる。従って、人工
疵２の先端形状が丸みのあるＵ溝形状の場合には、反射
エコー１ｂの高さも、図１０（ｂ）と図１１（ｂ）を比
較すると明らかなように、角形状の人工疵の場合に比べ
て低くなる。すなわち、同じ深さの人工疵であっても形
状の違いで判定レベルに違いがでることが判る。なお、
図１０（ａ）及び図１１（ａ）中の３は超音波探触子を
示す。

【０００４】このように、人工疵の形状（深さ，幅，先
端形状）に不具合があると、超音波探傷装置の判定レベ
ルが変化するので、製品の検査が適正に行えないおそれ
が生じる。従って、超音波探傷装置の校正においては、
試験片に設けた人工疵の形状を精度良く測定すること
が、品質管理をする上で非常に重要となってくる。

【０００５】ところで、試験片に設けた人工疵の深さ，
幅，長さを測定する方法としては、従来より、デプスゲ
ージやスキミゲージを用いた直接測定法や、型取り採取
による間接測定法を採用している。

【０００６】このうち、デプスゲージやスキミゲージを
用いた直接測定法は、人工疵の深さのみ、若しくは幅の
みを測定するものであり、人工疵の先端形状や人工疵の
加工具合（斜めに加工されている等）の情報が得られな
いので、疵が適正に判定できないおそれがある。従っ
て、超音波探傷試験装置の感度校正を行う上で、適正な
感度設定が行えず、過検出、未検出等の弊害がある。

【０００７】例えば、深さ測定を例にとると、デプスゲ
ージの測定ポイントが幅方向にずれると、測定値が実測
値の深さより小さくなる場合がある。この時、前記測定
値を基準とした試験片で、超音波探傷試験装置の感度校
正を行った場合、感度が正規の状態より高くなるので、
実際の超音波探傷時に過検出状態となる。その結果、疵
のない部分でも誤検出し、製造に支障をきたすことにな
る。

【０００８】一方、人工疵より型取りを採取し、型取り
の断面を切断した後、拡大顕微鏡で断面形状を測定する
間接測定法は、直接測定法と比較すると、断面形状が確
認できデータの保存も可能であるが、型取りの切断が容
易でないこと、採取から測定までに長時間を要し効率が
悪いこと、型が実際の疵形状と合致しないおそれがある
こと、専門の技術を要することが挙げられ、信頼性に欠
ける。

【０００９】また、試験片は、経年変化や、現場使用時
におけるロールとの接触等の摩耗が激しく、再製作する
タイミングが重要となってくるが、前記したような直接
測定法や間接測定法では即座に判断ができないので、直
接測定法で述べたように、感度校正に異常をきたす要因
となっている。このことは、試験片を製作した段階で、
製作した試験片の良否を判断する場合の対応においても
同様である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、試験
片に設けた人工疵の形状を従来の直接測定法や間接測定
法で測定した場合には、精度，効率面で問題がある。ま
た、精度面から超音波探傷試験装置の感度校正を行う上
でも支障をきたしている。加えて、直接測定法ではデー
タ保存面でも問題がある。

【００１１】本発明は、上記した従来の問題点に鑑みて
なされたものであり、非接触式レーザーフォーカス変位
計を被測定物に対して、３次元的に走査させることによ
り、被測定物の形状を、迅速に、しかも、精密かつ自動
的に測定することができる装置を提供することを目的と
している。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明の形状測定装置は、被測定物までの距離
及び被測定物からの反射光の出力値を測定する非接触式
レーザーフォーカス変位計のセンサーを３次元方向に走
査させ、このセンサーの移動方向及び移動量と、レーザ
ーフォーカス変位計からの出力信号に基づいて信号処理
部で被測定物の形状を演算するようにしている。そし
て、このようにすることで、被測定物の深さ，幅，先端
形状を含めた断面形状を、迅速に、しかも、精密かつ自
動的に測定できることになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の形状測定装置は、被測定
物までの距離及び被測定物からの反射光の出力値を測定
する非接触式レーザーフォーカス変位計と、このレーザ
ーフォーカス変位計のセンサー及びこのセンサーを３次
元方向に走査させる移動機構とからなる測定機構部と、
この測定機構部を制御する制御部と、この制御部からの
指令による移動機構を介した前記センサーの移動方向及
び移動量と、レーザーフォーカス変位計からの出力信号
に基づいて被測定物の形状を演算する信号処理部を備え
たものである。

【００１４】本発明の形状測定装置では、測定機構部の
センサーを例えばＵ溝形状の人工疵に対向して配置した
後、センサーのピント合わせを行う。次に、移動機構に
より人工疵の近傍を走査させ、反射光の出力レベルを記
録した後、センサーを再度走査させて反射光の出力値を
入力し、人工疵の幅を測定する。人工疵の幅を測定した
後は、測定した人工疵の幅中央にセンサーを移動し、セ
ンサーを高さ方向に走査させて人工疵の幅中央における
深さを測定する。幅中央における深さを測定した後は、
センサーを再度幅方向に走査させて、幅方向における深
さを測定する。これによって、人工疵の断面形状が測定
できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の形状測定装置を図１〜図４に
示す一実施例に基づいて説明する。図１は本発明の形状
測定装置の全体の装置構成を示す図面、図２は鋼管上に
本発明の形状測定装置の測定機構部を設置した状態を示
す説明図、図３は本発明の形状測定装置の測定機構部の
概略構成図、図４は本発明の形状測定装置のセンサーの
概略構成図である。

【００１６】図１〜図４において、１１は例えば試験片
４に設けた人工疵２の深さを１μｍ単位で測定する非接
触式レーザーフォーカス変位計であり、そのセンサー１
１ａはＸ軸（例えば管円周方向）移動部１２ａ，Ｙ軸
（例えば管軸方向）移動部１２ｂ，Ｚ軸（例えば上下方
向）移動部１２ｃからなる移動機構１２によって３次元
方向に走査できるように構成されている。

【００１７】前記センサー１１ａは、例えば図４に示す
ように、図示省略した電磁石により±０．３ｍｍの範囲
を０．１μｍのピッチで振動させられる音叉１１ａａに
よる自動ピント位置検出方式を採用している。すなわ
ち、半導体レーザー１１ａｂから照射されたレーザー
は、２個のハーフミラー１１ａｃ，コリメートレンズ１
１ａｄ，対物レンズ１１ａｅを通して試験片４に照射さ
れ、音叉１１ａａの前記振動による対物レンズ１１ａｅ
の移動により０．１μｍのピッチでピントの一致、不一
致を検出し、試験片４にピントを合わせた際の対物レン
ズ１１ａｅの移動距離を位置検出器１１ａｉで検出し、
これを位置信号としてレーザーフォーカス変位計１１に
取り込むものである。そして、この移動距離が人工疵２
の深さとなる。

【００１８】また、前記センサー１１ａには、超小型の
ＣＣＤカメラ１１ａｆが内蔵されており、前記した一方
のハーフミラー１１ａｃを介して試験片４からの反射光
を受光し、モニターを見ながら人工疵２の位置までの移
動、調整が行えるようになっている。なお、図４中の１
１ａｇは試験片４からの反射光を受光する受光素子、１
１ａｈは前記受光素子１１ａｇで受光した反射光を増幅
するアンプであり、このアンプ１１ａｈによって増幅さ
れた反射光はレーザーフォーカス変位計１１に取り込ま
れる。

【００１９】前記移動機構１２を構成するＸ軸移動部１
２ａ，Ｙ軸移動部１２ｂ，Ｚ軸移動部１２ｃは、例えば
図３に示すように、Ｘ軸パルスモータ１２ａａ，Ｙ軸パ
ルスモータ１２ｂａ，Ｚ軸パルスモータ１２ｃａの出力
軸の回転を、共に適宜の動力伝達手段を介して水平移動
に変換し、センサー１１ａをＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に例
えば１μｍ単位で移動させるものである。

【００２０】１３は前記したセンサー１１ａと移動機構
１２を試験片４の所定位置に固定する例えば２個で対を
なす電磁石であり、例えばリニアガイド１４を介してＹ
軸移動部１２ｂに設置されている。そして、これら電磁
石１３の位置を適宜変更することで、図２に示すよう
に、例えば試験片４が鋼管の場合には、鋼管の内面に固
定して鋼管の内面形状を測定したり、また、鋼管の外面
に固定して鋼管の外面形状を測定したりする。

【００２１】１５は前記したセンサー１１ａ，移動機構
１２，リニアガイド１４及び電磁石１３とからなる測定
機構部であり、この測定機構部１５のＸ軸移動部１２
ａ，Ｙ軸移動部１２ｂ，Ｚ軸移動部１２ｃの移動と、電
磁石１３による固定は制御部１６によって制御される。

【００２２】１７は信号処理部であり、前記制御部１６
からの指令による移動機構１２を介した前記センサー１
１ａの移動方向及び移動量と、レーザーフォーカス変位
計１１からの出力信号に基づいて人工疵２の形状を演算
する。なお、図１中の１８は信号処理部１７での演算結
果等を表示する表示部、図３中の１９はリニアガイド１
４の固定ねじを示す。

【００２３】本発明の形状測定装置は上記したような構
成であり、次にこの形状測定装置を用いて試験片４に設
けたＵ溝形状の人工疵２を測定する手順を図５〜図７を
用いて説明する。先ず、試験片４の人工疵２と測定機構
部１５のセンサー１１ａが相対する位置に、測定機構部
１５を電磁石１３で固定する。そして、この時のＸ，
Ｙ，Ｚ軸の座標を「位置決めデータ」として信号処理部
１７に取り込んでおく。センサー１１ａの位置決めを行
った後はセンサー１１ａのピント合わせを行う。

【００２４】次に、「位置決めデータ」を基に、制御部
１６からの信号に基づいて、例えばＸ軸移動部１２ａを
作動し、図５に示すように、センサー１１ａに人工疵２
付近の走査を行わせる。そして、センサー１１ａが人工
疵２付近を走査した際の反射光の出力レベルを記録す
る。

【００２５】その後、センサー１１ａを、再度、前記反
射光の出力レベル測定を行った際の測定開始点から測定
終点まで、例えば１μｍのピッチでＸ軸方向に走査さ
せ、その際の反射光の出力値を信号処理部１７に入力す
る。そして、この入力した反射光の出力値が、先の幅測
定を行った際の出力値よりも小さい区間を疵の幅として
判定する。これによって、人工疵２の幅測定が完了す
る。

【００２６】人工疵２の幅を測定した後は、図６に示す
ように、Ｘ軸移動部１２ａを作動し、前記測定した人工
疵２の幅中央にセンサー１１ａを移動する。その後、Ｚ
軸移動部１２ｃを作動し、センサー１１ａを昇降走査さ
せてセンサー１１ａのピントを合わせ、人工疵２の幅中
央における深さを測定する。

【００２７】人工疵２の幅中央の深さを測定した後は、
図７に示すように、先の幅測定時と同様に、再度、測定
開始点から測定終点まで、例えば１μｍのピッチでセン
サー１１ａをＸ軸方向に走査させ、１μｍのピッチ毎に
人工疵２の幅方向における深さを測定する。

【００２８】以上の幅，深さの出力レベルの測定値及び
各移動方向と移動距離を信号処理部１７に取り込んで演
算処理し、人工疵２の深さ及び幅を座標値に変換する。
この座標値より人工疵２の断面形状が測定できる。本発
明の形状測定装置を用いてＵ溝形状の人工疵２を測定し
た結果（幅：１．０００ｍｍ、深さ：１．６８２ｍｍ）
を図８に示す。また、図８に示す測定結果を得た人工疵
２の測定部位を切断して、ミクロ写真を撮った結果
（幅：１．０００ｍｍ、深さ：１．６８１ｍｍ）を図９
に示す。これら図８と図９を対比すると、±１μｍの精
度で、深さ、幅が測定できていることが判る。

【００２９】また、前記した図８に示す結果を得るまで
に要した測定時間は、測定機構部１５を試験片４に固定
してから約５分程度であり、図９に示した従来の間接測
定法による型取り方法の２日程度と比較して大幅に短縮
できた。

【００３０】上記した実施例では、長さ（本実施例にお
けるＹ軸方向）が保証されている人工疵２の形状を測定
する場合について説明したので、長さ方向に移動させて
いないが、３次元の微小形状を測定する場合には、前記
した操作を長さ方向にも一定ピッチで移動させて行うこ
とは言うまでもない。

【００３１】また、本発明の形状測定装置を構成するレ
ーザーフォーカス変位計１１の測定レンジは±０．３ｍ
ｍ（＝０．６ｍｍ）であるので、測定深さが０．６ｍｍ
以内であれば、Ｚ軸移動部１２ｃを作動させる必要はな
い。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の形状測定
装置によれば、被測定物の深さ，幅，先端形状を含めた
断面形状を、迅速に、しかも、精密かつ自動的に測定す
ることができる。加えて、本発明の形状測定装置によれ
ば、データを保存することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の形状測定装置の全体の装置構成を示す
図面である。

【図２】鋼管上に本発明の形状測定装置の測定機構部を
設置した状態を示す説明図である。

【図３】本発明の形状測定装置の測定機構部の概略構成
図である。

【図４】本発明の形状測定装置のセンサーの概略構成図
である。

【図５】本発明の形状測定装置を用いて人工疵の幅を測
定する場合の説明図で、（ａ）はセンサーと人工疵との
位置関係の説明図、（ｂ）は反射光の出力レベル図であ
る。

【図６】本発明の形状測定装置を用いて人工疵の深さ位
置を調整する場合の説明図で、（ａ）はセンサーと人工
疵との位置関係の説明図、（ｂ）は反射光の出力レベル
図である。

【図７】本発明の形状測定装置を用いて人工疵の深さを
測定する場合の説明図で、（ａ）はセンサーと人工疵と
の位置関係の説明図、（ｂ）は反射光の出力レベル図で
ある。

【図８】本発明の形状測定装置を用いて人工疵の形状を
測定した場合の測定結果を示す図である。

【図９】人工疵を実際に切断した場合の切断結果を示す
図である。

【図１０】（ａ）は人工疵の先端形状が角型の場合にお
ける超音波エコーと人工疵からの反射エコーの経路を示
した図、（ｂ）は反射エコーの高さを示す図である。

【図１１】（ａ）は人工疵の先端形状が丸みのあるＵ溝
形状の場合における超音波エコーと人工疵からの反射エ
コーの経路を示した図、（ｂ）は反射エコーの高さを示
す図である。

【符号の説明】

２ 人工疵 ４ 試験片 １１ レーザーフォーカス変位計 １１ａ センサー １２ 移動機構 １５ 測定機構部 １６ 制御部 １７ 信号処理部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物までの距離及び被測定物からの
   反射光の出力値を測定する非接触式レーザーフォーカス
   変位計と、このレーザーフォーカス変位計のセンサー及
   びこのセンサーを３次元方向に走査させる移動機構とか
   らなる測定機構部と、この測定機構部を制御する制御部
   と、この制御部からの指令による移動機構を介した前記
   センサーの移動方向及び移動量と、レーザーフォーカス
   変位計からの出力信号に基づいて被測定物の形状を演算
   する信号処理部を備えたことを特徴とする形状測定装
   置。