群馬県立産業技術センター研究報告（２０１３） X線 CTによる計測技術の維持・向上に関する研究髙橋勇一・中村哲也＊ A s t u d y o n r e l i a b i l i t y i m p r o v e m e n t o f The X-ray Computed Tomography. Yuichi TAKAHASHI , Tetsuya NAKAMURA Ｘ線ＣＴ装置の多くは内部欠陥等の有無の判定を行う検査機という位置づけであるため、規格化が進められている寸法計測は行えないお恐れがある。本研究は上記のＸ線ＣＴ装置の活用を目的として、断面画像を計測可能なデータへ変換するため、サンプルの中心を基準としたスケーリング、板厚を考慮したオフセットを行う校正器を開発により外観形状の計測精度の向上を目指すものである。キーワード： X線 CT、三次元計測 The X-ray Computed Tomography (CT) can provide detailed insight into complex shapes. CT images often suffer from artifacts caused by misaligned scanner geometry of CT system. X-ray CT systems must be traceably calibrated to give true etrological performance.The calibration kits in order to achieve high accuracy of the data is made by the number of spheres is selected to have a scale similar to sample the quality of the X-rays have been developed. Keywords: X-ray Computed Tomography,r e l i a b i l i t y , calibration kit １まえがき産業用Ｘ線ＣＴ装置を計測に利用するため、欧州、主にドイツにおいて、三次元計測器メーカによる三次元計測を目的としたＸ線ＣＴ装置が開発されている。一方、日本において、Ｘ線ＣＴ装置を「ものづくり」に生かした取り組みの件数では、日本は世界一であるといわれているが、クラックや内部欠陥の良／不良、可／非の判定を行う検査機としての用途が主流であり、寸法精度にかかわる三次元計測を目的としたものはまれである。そのため、日本国内の企業、大学、公設試に導入済みのＸ線ＣＴ装置では、現在規格化が進んでいるＸ線ＣＴ装置による寸法計測が行えない恐れがある。既存のＸ線ＣＴ装置では、断面画像（ CT データ）から作成したボリュームデータや STL データ等の校正は計測を行う上で重要生産システム係＊技術支援係な技術であるが、試料の形状等に対応して、ゲージの寸法の確認が、三次元計測機により適切に出来ない場合もあり得ることが分っている。そこで、本研究では接触式三次元測定機により、必要に応じていつでも校正器の、各部の寸法の実測が可能な校正器の開発を行った。図1 X線 CT装置概略図２研究内容図 1 に産業用Ｘ線ＣＴ装置概略図を示す。使用した装置は、株式会社島津製作所製マイクロフォーカス X 線 CT システム SMX225CT-SV」、計測に使用したソフトウェア、 Volume Graphics GmbH 社製「 VGStudio max2.2」及び Siemens 社製「 Imageware V13.0」である。断面画像の倍率はこの比で決まるが、 SDD/SRD の位置決め精度、ターンテーブルや検出器の傾きが寸法精度に影響を及ぼし、最大 ±5%の誤差を生じさせることが知られている。本研究ではこの誤差を、以下に示す①、 ②により補正を行うこととする。 ① 輝度を変化させても、断面画像の球の中心位置は変化がないことに着目し、スケーリングを行う。 ② 物質の厚さと密度に対して強度が指数関数的に変化する X 線の特徴から、同一素材で大きさを変えた球により輝度の閾値を設定し、オフセットを行う。３ (a) X方向研究結果３．１スケーリング産業用Ｘ線ＣＴ装置における測定領域全体をルビー球の球間距離を用いて寸法精度を求めた。評価に使用したフォレストゲージを図 2 に示す。フォレストゲージは 25 個のルビー球、カーボン（シャンク）、ネクセラ（基盤）から構成される。 (b) Y方向 Z X Y (c) Z方向図2 フォレストゲージ図3 測定領域の偏差図 3 に、産業用Ｘ線ＣＴ装置の測定領域の X、 Y、 Z の各方向の偏差を求めた結果を示す。縦軸は偏差、横軸は原点からの距離である。座標系の原点をフォレストゲージ中央のルビー球の中心とし、各ルビー球の中心間の距離を球間距離とする。偏差は、Ｘ線ＣＴ装置による測定値（各ルビー球の中心でベストフィットを行った結果）と、接触式三次元計測機による計測値との比較により求めた。 X 偏差、 Y 偏差で -50mm～ 50mm、 Z 偏差 0mm～ 30mm でグラフの傾きほぼ一直線となり、この範囲では、等倍のスケーリングが可能であると考えられる。３．２オフセット X 線管球から放出される X 線には、連続 X 線であるため、物質を透過する際、波長の長い（エネルギーの低い）ものがより多く吸収され、X 線の波長は短くなりエネルギーは高くなる。これを、ビームハードニングと呼ぶ。ビームハードニングが寸法精度に及ぼす影響として、図 4 に示すような本来均一なセル値を示す試料について周辺に比べ中央のセル値が低下するカッピング効果が知られている。ビームハードニングの影響を確認するために、図 5 に示すステップシリンダによる評価を行った。断面画像から作成したボリュームデータ、ボリュームデータから作成した STLデータ（図 6）から寸法を測定し不確かさを求めた。図5 (a) ボリュームデータ (b)STLデータ図6 ステップシリンダの形状データ図7 図4 ビームハードニング（カッピング効果）ステップシリンダ不確かさの評価結果図 7に、横軸を段数、縦軸を不確かさとしたグラフを示す。この結果から、単純なオフセットだけでは、厚みに関しての補正にはならないことが明らかになり、ビームハードニング対策を行う必要があることが分かった。３．３校正器の開発３．１、３．２の結果をもとに開発する校正器はそれぞれ図 8、 9のようになる。今回の研究ではさらにこの二つの校正器を合わせた図 10のような校正器を考案した。図 11に図 10を元に形状を再検討し、作製した校正器を示す。図8 スケーリング用校正器図9 オフセット用校正器図 10 スケーリングとオフセットを同時に行える校正器具体的な校正の手順は図 12に示すとおりである。 ① 校正器の CTスキャンを行う。 ② 断面画像から三次元形状データを作成する。 ③ 各球の中心を求め、あらかじめ三次元計測機により値付けを行っておいた球の中心と比較することにより、撮像空間の歪みを明らかする。 ④ X軸、 Y軸、 Z軸方向の各成分の寸法からスケーリングを行う。 ⑤ あらかじめを三次元計測機により値付けを行っておいた校正球の直径と三次元形状データの直径を比較し、オフセットを行う。この歪み成分から求めた校正値により、工業製品一般の形状データを校正可能し、形状計測の精度を向上させる。４図 11 まとめＸ線ＣＴ装置による寸法計測の精度向上のため、校正器を開発した。校正に使用するルビー球の直径および球間距離は接触式三次元測定機により、必要に応じていつでも寸法の実測が可能という特長を有する。校正器の形状および校正方法について特許出願を行った。（出願番号：２０１３－６８７０１）校正器 ④ ③ ①、② 校正前校正後工業製品のスケーリング X軸、 Y軸、 Z軸方向の各成分の寸法からスケーリングを行う校正器校正器の形状データ ⑤ 校正球の直径からオフセット図 12 校正の手順工業製品のオフセット