特許 6248887 フック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6248887

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】フック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20171211BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/24 A

   G01B11/24 K

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-204408(P2014-204408)

(22)【出願日】2014年10月3日

(65)【公開番号】特開2016-75502(P2016-75502A)

(43)【公開日】2016年5月12日

【審査請求日】2016年5月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105968

【弁理士】

【氏名又は名称】落合 憲一郎

(72)【発明者】

【氏名】竹中 秀同

(72)【発明者】

【氏名】児玉 俊文

【審査官】 神谷 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−１９１００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２４１９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１０２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０７１３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０３７５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０３１４２２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１３４８３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５５２１７０７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４５９８９９８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０１Ｂ ２１／００−２１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状を測定する装置であって、
１つの１次元三角測距方式のレーザ変位計が１つ又は複数のうちの各１つの支軸の軸線上を移動し前記軸線からの光線傾斜角９０°±１０°で前記ねじ付き部材のねじ部を走査してねじ部の１次プロフィール情報を取得する構成とした第１の光学手段と、
もう１つの１次元三角測距方式のレーザ変位計が前記第１の光学手段と同じ支軸の軸線上を移動し前記軸線からの光線傾斜角５０°±１０°で前記ねじ部を走査してねじ部の１次プロフィール情報を取得する構成とした第２の光学手段と、
ねじ軸線を光学的に探索するねじ軸探索手段と、
探索したねじ軸線に前記支軸の軸線からの光線傾斜角の定義平面を位置合わせするセンタリング手段と、
前記ねじ付き部材の先端位置情報を光学的に取得する先端位置検出手段と、
前記第２の光学手段のレーザ変位計の照射光がねじ部で多重反射することによって当該レーザ変位計の撮像素子に検出される多重反射光ピークを除去し、前記第２の光学手段からの１次プロフィール情報から２次プロフィール情報を生成する信号処理手段と、
前記第１の光学手段で取得した１次プロフィール情報、および前記第２の光学手段で取得した１次プロフィール情報を前記信号処理手段で信号処理して生成した２次プロフィール情報、および前記先端位置検出手段で取得した管端位置情報に基づいてねじ要素を演算するねじ要素演算手段と
を有することを特徴とするフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定装置。

【請求項2】

前記ねじ要素演算手段は、
前記第１の光学手段による前記１次プロフィール情報と、前記第２の光学手段および前記信号処理手段による前記２次プロフィール情報とを夫々前記第１、第２の光学手段の光線傾斜角に基づき補正し、補正後プロフィール情報を生成する第１の演算手段と、
前記第１の演算手段で生成した前記補正後プロフィール情報を基に、全体プロフィール情報を生成する第２の演算手段と、
前記全体プロフィール情報からねじ要素を算出する第３の演算手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載のフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定装置。

【請求項3】

請求項１に記載のねじ形状測定装置を用いてフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状を測定する方法であって、
前記ねじ軸探索手段にてねじ軸線を光学的に探索する工程と、
前記探索したねじ軸線に前記支軸の軸線からの光線傾斜角の定義平面を前記センタリング手段にて位置合わせする工程と、
前記先端位置検出手段にて前記ねじ部材の先端位置情報を取得する工程と、
前記第１、第２の光学手段にて前記１次プロフィール情報を取得する工程と、
前記信号処理手段にて前記第２の光学手段からの１次プロフィール情報から前記２次プロフィール情報を生成する工程と、
前記取得した１次プロフィール情報および前記生成した２次プロフィール情報に基づいて前記ねじ要素演算手段にてねじ要素を演算する工程と
を有することを特徴とするフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定方法。

【請求項4】

前記ねじ要素演算手段にてねじ要素を演算する工程は、
前記第１の光学手段による前記１次プロフィール情報と、前記第２の光学手段および前記信号処理手段による前記２次プロフィール情報とを夫々前記第１、第２の光学手段の光線傾斜角に基づき補正し、補正後プロフィール情報を生成する第１の演算工程と、
前記第１の演算工程で生成した前記補正後プロフィール情報を基に、全体プロフィール情報を生成する第２の演算工程と、
前記全体プロフィール情報からねじ要素を算出する第３の演算工程と
を有することを特徴とする請求項３に記載のフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、油井管のねじ継手を始めとする種々のねじ付き部材のうちフック状フランク部を有するねじ付き部材を対象としたねじ形状の測定に用いる、フック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定装置及び方法に関する。

【0002】

前記フック状フランク部とは、ねじ部においてロードフランク面（軸方向の引張力に対し負荷のかかる側のフランク面）がねじ山の先端部から基端部に行くに従ってねじ山中央部に近づく（ねじ山の基端部から先端部にかけてオーバーハング状態となっている）ねじ部分を云う。

【0003】

ねじ形状の測定は、ねじ軸方向のねじ形状プロフィールを求めるものであり、このねじ形状プロフィールに基づき、ねじ要素が測定される。ねじ要素には、例えば油井管ねじの場合、以下のような項目が含まれる。
・スタンドオフ：管に設けられた雄ねじと継手に設けられた雌ねじとの嵌め合わせ部の管軸方向寸法のことである。
・ねじ径：管端からの基準距離位置におけるねじ底の径（管径方向寸法）であり、この径と公称径（図面上の径）との差はすなわちスタンドオフの偏差になる。
・ノーズ外径：管端平行部の外径のことである。
・ねじリード：ねじ１回転当たりのねじ軸方向の進行距離（＝ねじピッチ×ねじ条数）のことである。
・ねじテーパ：ねじ軸方向の単位長さ当たりのねじ半径変化量のことである。
・ねじ高さ：ねじ底からねじ頂までのねじ半径方向寸法のことである。
・ねじ幅：ねじ底とねじ頂の中間点におけるねじ谷のねじ軸方向寸法のことである。

【背景技術】

【0004】

油井管のねじ継手を始め種々のねじ付き部材を対象とした、従来のねじ形状の測定技術には、以下のものがある。
（Ｃ１） 従来技術Ｃ１は、平行光を照射して、ねじ面を通過する光を検出してねじ形状を測定する光学式センサを管軸方向にスキャンさせることによってねじ要素を測定する方法および装置である（特許文献１参照）。
（Ｃ２） 従来技術Ｃ２は、平行光を、角度可変の反射鏡と受像軸と画角との関係が比例関係となるｆ−θレンズを通して、ねじ管径方向に対する一次元画像を順次検出し、２次元画像を生成することを特徴とするねじ形状測定方法および装置である（特許文献２参照）。尚、光学系を管周方向に回転させれば３次元ねじ形状測定も可能である。
（Ｃ３） 従来技術Ｃ３は、平行光をねじ付き管のねじ部に向けて照射し、ねじ形状を測定する光学式センサを管軸方向にスキャンさせ、ねじフランク面の測定に関わらない第１ねじ要素を測定する光学式センサと、３次元移動可能な接触プローブを備え、ねじフランク面に接触プローブを接触させ、接触時における当該接触プローブの空間座標を検出することにより、ねじフランク面の測定に関わる第２ねじ要素を測定する接触式センサと、前記光学式センサから得られた第１ねじ要素及び前記接触式センサから得られた第２ねじ要素を合成してねじ要素を演算する演算処理手段とを有することを特徴とするねじ要素測定方法および装置である（特許文献３参照）。これにより、フック形状を持ったねじの形状が測定可能である。
（Ｃ４） 従来技術Ｃ４は、ねじ軸を検出するねじ軸検出工程と、スリット状のレーザ光を出射する光源と、該光源の光軸とは異なる方向の視軸を有する撮像手段を用いてねじのフック形状を非接触で取得する方法(光切断法)である（特許文献４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３５５２４４０号公報

【特許文献2】特許第５２５１６１７号公報

【特許文献3】特許第４４８６７００号公報

【特許文献4】特許第５２８８２９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

平行光をねじに照射させる測定原理（従来技術Ｃ１、Ｃ２）では、図１０（ａ）のように平行光をねじ螺旋の接線方向に照射しても、平行光路は直線状であって螺旋状ではないから、図１０（ｂ）のように、平行光で捉えたねじ形状プロフィールは、ねじ奥行き方向の後側から前側にかけてフック状フランク部の断面領域が重なっていくため、太線で示した様な、実際とは異なるプロフィールとなる。そのため、フック状フランク部を持ったねじ形状の測定（特にねじ幅、リードの測定）は不可能であった。

【0007】

斯様な問題点を解決するために、平行光では測定できないフック状フランク部を接触式プローブで測定し、平行光で測定できる他部のプロフィールと重ね合わせる方法（従来技術Ｃ３）や、フック状フランク部をフランク面角度測定に適した角度に傾斜させる光切断法を用いる方法（従来技術Ｃ４）が提案されている。

【0008】

しかし、従来技術Ｃ３のような方法では、接触式プローブを順次移動させ、先端に取り付けられた球状の接触子をフランク面に接触させて測定を行うため、必然的に測定時間が長くなる上、測定点数が十分に得られないことからフランク面の角度を精度良く測定できないと云う問題があった。また、接触子との接触で製品に疵をつけてしまうという問題があった。また、接触子が所定の寸法を有するため、ねじ底曲面部の曲率を精度良く測定することも困難であった。

【0009】

又、従来技術Ｃ４のような方法は、非接触の測定方法である光切断法（２次元三角測距方式）を用いることによって接触式の問題点を解消しているが、（ア）演算誤差が±０．０４ｍｍ超と非常に大きいため、ねじ寸法公差を±０．０４ｍｍ以内とする項目もあるねじ付き部材の測定が困難である、（イ）ねじ全長に亘る測定をするのに時間がかかる、と云った問題点があった。

【0010】

尚、光切断法（２次元三角測距方式）の演算誤差が大きいのは、検出素子配列の寸法バラツキ範囲が０．０１〜０．０５ｍｍであることや、レーザ光多重反射の影響を受けた測定値（ノイズ）の除去による値漏れによるものと推測される。

【0011】

そこで本発明は、上述した従来技術の問題点（ア）、（イ）に鑑み、フック状フランク部を有するねじ形状の設計値と測定値の差で評価される測定精度が±０．０２ｍｍ以内である精密測定がねじ部全長に亘って簡易に且つ能率よく実行できるねじ形状測定装置及び方法を提供することを課題とした。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討し、その結果、光切断法(２次元三角測距方式)を用いるのではなく、１次元三角測距方式のレーザ変位計を用いることで、演算誤差を±０．０２ｍｍ以内に向上でき、ねじ全長に亘る測定に要する時間も短縮でき、また、レーザ光多重反射の影響を受けた測定値（ノイズ）と光多重反射の影響を受けない測定値（シグナル）とをより正確に区別でき、ノイズ除去による値漏れを低減できると云う知見を得た。

【0013】

本発明は、上述の知見に基づいて成されたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１） フック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状を測定する装置であって、
１つの１次元三角測距方式のレーザ変位計が１つ又は複数のうちの各１つの支軸の軸線上を移動し前記軸線からの光線傾斜角９０°±１０°で前記ねじ付き部材のねじ部を走査してねじ部の１次プロフィール情報を取得する構成とした第１の光学手段と、
もう１つの１次元三角測距方式のレーザ変位計が前記第１の光学手段と同じ支軸の軸線上を移動し前記軸線からの光線傾斜角５０°±１０°で前記ねじ部を走査してねじ部の１次プロフィール情報を取得する構成とした第２の光学手段と、
ねじ軸線を光学的に探索するねじ軸探索手段と、
探索したねじ軸線に前記支軸の軸線からの光線傾斜角の定義平面を位置合わせするセンタリング手段と、
前記ねじ付き部材の先端位置情報を光学的に取得する先端位置検出手段と、
前記第２の光学手段のレーザ変位計の照射光がねじ部で多重反射することによって当該レーザ変位計の撮像素子に検出される多重反射光ピークを除去し、前記第２の光学手段からの１次プロフィール情報から２次プロフィール情報を生成する信号処理手段と、
前記第１の光学手段で取得した１次プロフィール情報、および前記第２の光学手段で取得した１次プロフィール情報を前記信号処理手段で信号処理して生成した２次プロフィール情報、および前記先端位置検出手段で取得した管端位置情報に基づいてねじ要素を演算するねじ要素演算手段と
を有することを特徴とするフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定装置。
（２） 前記ねじ要素演算手段は、
前記第１の光学手段による前記１次プロフィール情報と、前記第２の光学手段および前記信号処理手段による前記２次プロフィール情報とを夫々前記第１、第２の光学手段の光線傾斜角に基づき補正し、補正後プロフィール情報を生成する第１の演算手段と、
前記第１の演算手段で生成した前記補正後プロフィール情報を基に、全体プロフィール情報を生成する第２の演算手段と、
前記全体プロフィール情報からねじ要素を算出する第３の演算手段と
を有することを特徴とする上記（１）に記載のフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定装置。
（３） 上記（１）に記載のねじ形状測定装置を用いてフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状を測定する方法であって、
前記ねじ軸探索手段にてねじ軸線を光学的に探索する工程と、
前記探索したねじ軸線に前記支軸の軸線からの光線傾斜角の定義平面を前記センタリング手段にて位置合わせする工程と、
前記先端位置検出手段にて前記ねじ部材の先端位置情報を取得する工程と、
前記第１、第２の光学手段にて前記１次プロフィール情報を取得する工程と、
前記信号処理手段にて前記第２の光学手段からの１次プロフィール情報から前記２次プロフィール情報を生成する工程と、
前記取得した１次プロフィール情報および前記生成した２次プロフィール情報に基づいて前記ねじ要素演算手段にてねじ要素を演算する工程と
を有することを特徴とするフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定方法。
（４） 前記ねじ要素演算手段にてねじ要素を演算する工程は、
前記第１の光学手段による前記１次プロフィール情報と、前記第２の光学手段および前記信号処理手段による前記２次プロフィール情報とを夫々前記第１、第２の光学手段の光線傾斜角に基づき補正し、補正後プロフィール情報を生成する第１の演算工程と、
前記第１の演算工程で生成した前記補正後プロフィール情報を基に、全体プロフィール情報を生成する第２の演算工程と、
前記全体プロフィール情報からねじ要素を算出する第３の演算工程と
を有することを特徴とする上記（３）に記載のフック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状測定方法。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、フック状フランク部を有するねじ付き部材のねじ形状の精密測定がねじ部全長に亘って簡易に且つ迅速に実行できると云う優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係るねじ形状測定装置の一例を示す概略図である。

【図2】１次元三角測距方式のレーザ変位計の測定原理を示す模式図である。

【図3】第１の光学手段の構成を示すねじ軸方向断面の模式図である。

【図4】第２の光学手段の構成を示すねじ軸方向断面の模式図である。

【図5】ねじ軸探索手段の構成の一例を示す管正面図である。

【図6】多重反射光ピークを除去する信号処理ロジックの説明図である。

【図7】補正後プロフィール情報の説明図である。

【図8】第２の演算工程のうちの前処理工程の説明図である。

【図9】第２の演算工程のうちの結合工程の説明図である。

【図10】従来技術（Ｃ１）、（Ｃ２）の問題点を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、本発明に係るねじ形状測定装置の一例を示す概略図である。この図１は、ねじ付き部材が管である場合における管側面図である。図１において、１は管（ねじ付き部材）、１Ａはねじ部、２は支軸、２Ａは軸線、３は第１の光学手段、４は第２の光学手段、５はねじ軸探索手段、６はセンタリング手段、７は先端位置検出手段、８は信号処理手段、９はねじ要素演算手段、１０はレーザ変位計（詳しくは、１次元三角測距方式のレーザ変位計）である。

【0017】

図２は、レーザ変位計１０の測定原理を示す説明図である。レーザ変位計１０は、光源１１から出たレーザ光を投光レンズ１２で集光して、測定対象物へ照射し、測定対象物からの拡散反射光の一部が受光レンズ１３を通して撮像素子１４上に光点（受光量が最大となる点）を結ぶ構成とされている。測定対象物（又はレーザ変位計１０）が移動するごとに撮像素子１４上の光点も移動するので、レーザ変位計１０に対する測定対象物の変位量を知ることができる。前記変位量は０．００１ｍｍ単位で計測可能である。尚、２つの測定対象点のうち光源１１に近い側をＮＥＡＲ側、遠い側をＦＡＲ側という。また、前記変位量は、光源１１から測定対象物までの距離に対応する。

【0018】

レーザ変位計１０を１つの支軸２当たりに１つだけ用いるのでは、ねじ部におけるフック状フランク部とフック状フランク部以外のねじ部分（非フック状フランク部とも云う）の双方の１次プロフィール情報を同時に高精度に取得することは困難である。そこで、本発明では、１つの支軸２当たりにレーザ変位計１０を２つ用い、うち１つは第１の光学手段３の構成要素とし、もう１つは第２の光学手段４の構成要素とする。図３、図４は夫々第１の光学手段３、第２の光学手段４の構成を示すねじ軸方向断面の模式図である。第１の光学手段３は、図１、図３に示すように、レーザ変位計１０が１つの支軸２の軸線２Ａ上を移動し、軸線２Ａからの光線傾斜角θ１＝９０°±１０°（８０°〜１００°の範囲内から選ばれる１つの角度値で、測定中は不変とする）で管１のねじ部１Ａを走査してねじ部１Ａの１次プロフィール情報を取得する構成とした。これにより、フック状フランク部以外のねじ部分（非フック状フランク部）の１次プロフィール情報が得られる。フック状フランク部には照射光が届かないため、フック状フランク部の１次プロフィール情報は得られない。

【0019】

一方、第２の光学手段４は、図１、図４に示すように、レーザ変位計１０が第１の光学手段３と同じ支軸２の軸線２Ａ上を移動し、軸線２Ａからの光線傾斜角θ２＝５０°±１０°（４０°〜６０°の範囲内から選ばれた１つの角度値で、測定中は不変とする）でねじ部１Ａを走査してねじ部１Ａの１次プロフィール情報を取得する構成とした。

【0020】

なお、レーザ変位計１０の移動距離は０．００１ｍｍ単位で制御可能である。

【0021】

これにより、ねじ部における非フック状フランク部とフック状フランク部の１次プロフィール情報を同時にかつ高精度に取得することが容易となる。第１の光学手段３の光線傾斜角θ１が９０°±１０°を外れると、非フック状フランク部の１次プロフィール情報を高精度に取得することが困難である。一方、第２の光学手段４の光線傾斜角θ２が５０°±１０°を外れると、フック状フランク部の１次プロフィール情報を高精度に取得することが困難である。

【0022】

また、この例では管周方向の４箇所を同時に測定できるように、第１、第２の光学手段３、４の支軸２は管１を囲む円の円周上の４箇所に１つずつ計４つ設けてある。但し、この４つに限定されるわけではない。

【0023】

前記管１を囲む円の中心軸をＸ軸とする。Ｘ軸は各支軸２と平行である。

【0024】

また、前記４箇所の位置を同じ円周方向において変更可能とすべく、前記４つの支軸２は１つの支持枠３０に固定し、支持枠３０は前記Ｘ軸の周りに回転可能としてある。

【0025】

そして、第１、第２の光学手段３、４の各光線傾斜角は、各軸線２Ａと前記Ｘ軸との共通平面内で定義される。すなわち、各軸線２ＡとＸ軸との共通平面は各軸線２Ａの光線傾斜角の定義平面である。

【0026】

ところで、ねじ要素は、ねじ軸方向断面内のプロフィール情報に基づいて算出される。それゆえ軸線２Ａ及び軸線２Ａからの光線は同一のねじ軸方向断面内にあることが必要である。そこで、本発明ではねじ軸線を光学的に探索するねじ軸探索手段５及び探索したねじ軸線に前記Ｘ軸を位置合わせするセンタリング手段６を設ける。Ｘ軸は、各光線傾斜角の定義平面に共通する直線であるから、ねじ軸線にＸ軸を位置合わせする事で、ねじ軸線に各光線傾斜角の定義平面を位置合わせする事ができる。

【0027】

ねじ軸探索手段５は、図１に示すように、管長手方向の２箇所に設置する。２箇所のうち１つはねじ先端側の非ねじ部位（便宜上、Ａ部位とする）であり、Ａ部位に設置するものをねじ軸探索手段５Ａとし、２箇所のうちもう１つはねじ基端側の非ねじ部位（便宜上、Ｂ部位とする）であり、Ｂ部位に設置するものをねじ軸探索手段５Ｂとする。

【0028】

ねじ軸探索手段５は、５Ａ、５Ｂとも、図５に示すように、相直交する管径方向であるｙ方向とｚ方向の各方向で管径両端点を光学的に検出し、ｙ方向で検出した管径両端点Ｐ、Ｑを結ぶ直線と、ｚ方向で検出した管径両端点Ｒ、Ｓを結ぶ直線との交点Ｃをねじ軸線上の１点と同定する。管長手方向の２箇所（Ａ部位、Ｂ部位）でねじ軸線上の点が同定されるから、ねじ軸線上の２点が特定され、ねじ軸線が探索できたことになる。

【0029】

管径端点を光学的に検出する手段として、図５では、投受光式の端検出器２０を例示した。これは、投光部２１からの平行光２３を物体端部を含む視野領域に当てて該視野領域からの透過光を受光部２２で受光して撮像してなる物体端部画像から、物体の端を検出するものである。斯かる投受光式の端検出器２０を、図５のように、ｙ方向、ｚ方向で各２本ずつの平行光２３が管１を井桁状に囲むように、合計４つ配置し、ねじ軸探索手段５Ａ、５Ｂの構成としている。

【0030】

なお、図５において、投受光式の端検出器２０に代えて、エリアカメラ式の端検出器としてもよい。エリアカメラ式の端検出器を用いたねじ軸探索手段の構成は、図５において、４つの投光部２１と受光部２２を削除し、受光部２２を削除した跡の４つの箇所にエリアカメラを、該エリアカメラの視野に管径端部が入るように配置する構成になる。

【0031】

センタリング手段６は、ねじ軸探索手段５により同定したねじ軸線に前記Ｘ軸を一致させる手段であって、図１に示すように、支持枠３０を、Ｘ軸方向、およびＸ軸に直交する２軸方向すなわちＹ軸方向とＺ軸方向に移動させる機構、ならびに、前記Ｙ軸、Ｚ軸の各軸周りに回転させる機構を具備した構成としてある。

【0032】

センタリング手段６による位置合わせ後のＸ軸がねじ軸線となす角度（０°に対する角度誤差）は、０．０１°以内に収まる。

【0033】

したがって、ねじ軸探索手段５とセンタリング手段６を有することにより、軸線２Ａ及び軸線２Ａ上の光源からの光線をねじ軸方向断面内に容易にかつ高精度に配位でき、正確な１次プロフィール情報を取得できる。

【0034】

また、第１、第２の各光学手段３、４の取得した１次プロフィール情報を基にねじ部全体のプロフィール情報を取得するためには、ねじ部材の先端位置情報（この例では管の先端位置情報）が必要である。そこで、本発明では、先端位置検出手段７を設けた。先端位置検出手段７は、レーザ距離計からなる。このレーザ距離計は、Ｘ軸に平行な配向とした測距用レーザ光で管１の先端までの距離を計測し、管の先端位置情報を取得する。この距離計測の起点位置は、第１、第２の光学手段３、４夫々の待機位置との間隔が既知である。したがって、前記取得した管の先端位置情報を用いて、第１、第２の光学手段３、４の各移動距離値を、管の先端位置を原点とするＸ軸方向の座標値に変換することができる。

【0035】

また、光線傾斜角θ２＝５０°±１０°のフック状フランク部を走査する第２の光学手段４のレーザ変位計１０では、図６に示すように、プロフィール情報の取得に用いる拡散反射光だけでなく、照射光がねじ部側面で正反射後、ねじ部底面で正反射してなる多重反射光も撮像素子１４に入射して、受光量のピークを示す場合がある。この場合、撮像素子１４には受光量がピークとなる受光位置が２つ現れる。２つのピークうち１つは多重反射光ピークであり、この多重反射光ピークを示す受光位置は真の測定対象点に対応しない。真の測定対象点に対応するのはもう１つのピークである拡散反射光ピークを示す受光位置である。そこで、多重反射光ピークは除去し、残った拡散反射光ピークの受光位置を測定対象点の位置とする信号処理手段８を設けることとした。これに先立ち、信号処理手段８の信号処理ロジックについて検討した結果、多重反射光ピークの受光位置（多重反射光ピーク位置とも云う）と拡散反射光ピークの受光位置（拡散反射光ピーク位置とも云う）を比べると、図６のように多重反射光ピーク位置がＦＡＲ側、拡散反射光ピーク位置がＮＥＡR側になっていることが分った。したがって、信号処理手段８は、撮像素子１４の受光位置に受光量のピークが２つ現れたとき、ピーク位置がＦＡＲ側となっているピークを除去する信号処理ロジックを実行し、第２の光学手段における１次プロフィール情報から２次プロフィール情報を生成する構成とすればよい。

【0036】

なお、光線傾斜角θ１＝９０°±１０°の第１の光学手段３では、多重反射光がレーザ変位計１０に入射することはないので、１次プロフィール情報がそのまま使用できる。

【0037】

次に、図１中のねじ要素演算手段９について説明する。ねじ要素演算手段９は、第１の光学手段３で取得した１次プロフィール情報、および第２の光学手段４で取得した１次プロフィール情報を信号処理手段８で信号処理して生成した２次プロフィール情報、および先端位置検出手段７で取得したＸ軸方向の管端位置情報に基づいてねじ要素を演算する手段である。

【0038】

ねじ要素演算手段９は、以下に述べる第１、第２、第３の演算工程を夫々実行する第１、第２、第３の演算手段を有することが好ましい。

【0039】

なお、管端位置情報を用いた第１、第２の光学手段３、４夫々のＸ軸方向の座標値の導出は第１の演算工程に先立って実行済みである。

【0040】

第１の演算工程について説明する。

【0041】

第１の演算工程では、前記第１の光学手段３による前記１次プロフィール情報と、前記第２の光学手段４および前記信号処理手段８による前記２次プロフィール情報とを夫々前記第１、第２の光学手段３、４の各光線傾斜角θ１、θ２に基づき補正し、補正後プロフィール情報を生成する。

【0042】

前記１次プロフィール情報は、第１の光学手段に関するものであって、管先端位置を原点とする光源位置のＸ軸方向の座標値（Ｘ１と記す）と当該光源位置からの距離計測値（Ｓ１と記す）の組を、測定順に配列したデータからなる。このデータは、ｉを配列順番、ｉ番目のＸ１、Ｓ１を夫々Ｘ１_ｉ、Ｓ１_ｉとし、（Ｘ１_ｉ，Ｓ１_ｉ）と表す。また、前記２次プロフィール情報は、第２の光学手段に関するものであって、管先端位置を原点とする光源位置のＸ軸方向の座標値（Ｘ２と記す）と当該光源位置からの距離計測値（Ｓ２と記す）の組を、測定順に配列したデータからなる。このデータは、ｊを配列順番、ｊ番目のＸ２、Ｓ２を夫々Ｘ２_ｊ、Ｓ２_ｊとし、（Ｘ２_ｊ，Ｓ２_ｊ）と表す。

【0043】

前記補正後プロフィール情報は、図７に示すように、測定対象点が光線傾斜角９０°で測定されたとしたときのプロフィール情報であり、全てのｉ、ｊについて次式で算出する。なお、補正後のデータの記号は、補正前の記号の頭にＡを付したものとした。

【0044】

ＡＸ１_ｉ＝Ｘ１_ｉ−Ｓ１_ｉ×cosθ１
ＡＳ１_ｉ＝Ｓ１_ｉ×sinθ１
ＡＸ２_ｊ＝Ｘ２_ｊ−Ｓ２_ｊ×cosθ２
ＡＳ２_ｊ＝Ｓ２_ｊ×sinθ２
次に、第２の演算工程について説明する。

【0045】

第２の演算工程では、前記第１の演算工程で生成した前記補正後プロフィール情報である第１の光学手段のデータ（ＡＸ１_ｉ，ＡＳ１_ｉ）、及び第２の光学手段のデータ（ＡＸ２_ｊ，ＡＳ２_ｊ）を基に、全体プロフィール情報を生成する。

【0046】

第２の演算工程には、第１、第２の光学手段間の機差による距離計測値のずれを修正する前処理工程と、該前処理工程後の第１、第２の光学手段の各データ同士を結合する結合工程とがある。

【0047】

まず、前処理工程では、全てのｊについて、次式で、ＢＳ２_ｊを算出する。

【0048】

ＢＳ２_ｊ＝ＡＳ２_ｊ−ΔＳ
ここで、ΔＳは、図８に示すように、ねじ先端側の非ねじ部における、第１の光学系の距離計測値の代表値（ＤＳ１と記す）を基準として、この基準からの第２の光学系の距離計測値の代表値（ＤＳ２と記す）のずれ、すなわちΔＳ＝ＤＳ２−ＤＳ１、である。このＤＳ１、ＤＳ２は、例えば次のように算出する。すなわち、ねじ先端側の非ねじ部長さの設計値をＬとして、Ｌ/３〜２×Ｌ/３の範囲内の、ＡＸ１_ｉに係るｉの範囲と、ＡＳ２_ｊに係るｊの範囲とを夫々求め、求めたｉの範囲に係るＡＳ１_ｉの平均値を算出してＤＳ１とし、一方、求めた_ｊの範囲に係るＡＳ２_ｊの平均値を算出してＤＳ２とする。第１の光学手段の方を基準としたのは、基準測定対象とした非ねじ部への光線の入射角がより０°に近い第１の光学手段の方が、より真値に近い距離値を示すからである。

【0049】

次に、結合工程では、データ（ＡＸ１_ｉ，ＡＳ１_ｉ）とデータ（ＡＸ２_ｊ，ＢＳ２_ｊ）とを結合する。結合の方法は、データ（ＡＸ１_ｉ，ＡＳ１_ｉ）の中のフック状フランク部測定値を含む区域を被置換部とし、データ（ＡＸ２_ｊ，ＢＳ２_ｊ）中の対応する区域である置換部にて置換するものとする。この置換の仕方について図９を用いて以下に説明する。
（ａ）まず、被置換部を決める（図９(ａ)参照）。決め方は、全てのｉについてデータ（ＡＸ１_ｉ，ＡＳ１_ｉ）の中から、隣接するｉのＡＳ１_ｉ同士の差が閾値（例えば、ねじ山高さの設計値の１/２）以上になる、隣接するｉの値ｍ、ｍ＋１を求める。そして、データ（ＡＸ１_ｍ，ＡＳ１_ｍ）、（ＡＸ１_ｍ+1，ＡＳ１_ｍ+１）を被置換部とする。このようなｍは１つのねじ山毎に１つずつ求まる。
（ｂ）次に、置換部を決める（図９(ｂ)参照）。決め方は、全てのｊについてデータ（ＡＸ２_ｊ，ＢＳ２_ｊ）の中から、データ（ＡＸ１_ｍ，ＡＳ１_ｍ）、（ＡＸ１_ｍ+1，ＡＳ１_ｍ+１）に夫々最も近いデータを求める。求まったデータが、ｉ＝ｍに対してはｊ＝ｐのデータ（ＡＸ２_ｐ，ＢＳ２_ｐ）、ｉ＝ｍ＋１に対してはｊ＝ｑのデータ（ＡＸ２_ｑ，ＢＳ２_ｑ）であるとする。そして、ｊ＝ｐからｊ＝ｑまでのデータ（ＡＸ２_ｐ，ＢＳ２_ｐ）〜（ＡＸ２_ｑ，ＢＳ２_ｑ）を置換部とする。置換部のデータ個数（＝ｑ−ｐ＋１）は１０個以上はある。
（ｃ）最後に、被置換部を置換部で置換する（図９（ｃ）参照）。この置換に際し、ｉ、ｊの二系列であったデータ配列順番を一元化して、図示のようにＫ系列とする。また、ＡＸ、ＡＳと記していたのを夫々単純化して、Ｘ、Ｓと記す。また、記号Ｘ１、Ｘ２は記号Ｘに統一し、記号Ｓ１、Ｓ２も記号Ｓに統一する。かくして得られた全てのＫについてのデータ（Ｘ_Ｋ，Ｓ_Ｋ）が、全体プロフィール情報である。尚、図中のK=Mに係るMは、i＝１からi＝ｍ−１までの間で行われたいくつかの置換毎の置換部のデータ個数を全て合算してｍ−１に加算した値になる。

【0050】

次に、第３の演算工程について説明する。

【0051】

第３の演算工程は、全体プロフィール情報である前記データ（Ｘ_Ｋ，Ｓ_Ｋ）からねじ要素を算出する。ところで、ねじ要素には、ねじ半径方向寸法に関係するねじ形状項目が含まれている（前述の定義参照）が、データ（Ｘ_Ｋ，Ｓ_Ｋ）はねじ半径方向寸法情報を含んでいない。そこで、データ（Ｘ_Ｋ，Ｓ_Ｋ）を、ねじ半径方向寸法情報を含むデータ（Ｘ_Ｋ，ｒ_Ｋ）に変換する。ここで、ｒ_ＫはX軸（ねじ軸と位置合わせ済みである）からねじ部外面の測定対象点までの距離である。一方、Ｓ_Ｋは支軸２の軸線２Ａから同じ測定対象点までの距離であり、支軸２の軸線２ＡからＸ軸までの距離（Ｒと記す）は既知である。従って、ｒ_Ｋ＝Ｒ−Ｓ_Ｋであり、データ（Ｘ_Ｋ，ｒ_Ｋ）にはねじ半径方向寸法が含まれている。すなわち、全てのＫにわたるデータ（Ｘ_Ｋ，ｒ_Ｋ）は、ねじ半径方向寸法情報を含んだ全体プロフィール情報であり、これを用いれば、ねじ形状項目の算出に必要なデータを容易に抽出できて、ねじ要素を容易に算出することができる。

【0052】

本発明に係るねじ形状測定装置を用いた好ましい測定方法は、以下のとおりである。
(i) 前記ねじ軸探索手段にてねじ軸線を光学的に探索する。
(ii) 前記探索したねじ軸線に前記支軸の軸線からの光線傾斜角の定義平面を前記センタリング手段にて位置合わせする。
(iii) 前記第１、第２の光学手段にて前記１次プロフィール情報を取得する。
(iv) 前記信号処理手段にて前記第２の光学手段からの１次プロフィール情報から前記２次プロフィール情報を生成する。
(v) 前記取得した１次プロフィール情報および前記生成した２次プロフィール情報に基づいて前記ねじ要素演算手段にてねじ要素を演算する。

【0053】

また、前記ねじ要素演算手段にてねじ要素を演算する工程では、前記第１、第２、第３の演算工程をこの順に実行することが好ましい。

【実施例】

【0054】

本発明に係るねじ形状測定装置を、図１に示した実施形態で、ねじ形状検査工程に使用し、油井管用ねじ継手のピンねじ部のねじ形状測定を１００本行い、本発明例とした。このピンねじ部はテーパねじであり、ロードフランク部がフック状フランク部となっている。また、前記従来技術（Ｃ４）の方法で同じピンねじ部のねじ形状測定を１００本行い、比較例とした。なお、レーザ変位計１０としては、ＫＥＹＥＮＣＥ：ＬＫ−Ｇ３０（登録商標）を使用した。

【0055】

その結果、ピンねじ部の円周方向４箇所で全長を同時に測定する場合において、測定の開始からねじ要素を算出するまでの、１本当たりに均した所要時間が、本発明例では、比較例と比べて約３０％短縮した。

【0056】

また、ねじ幅の設計値と測定値の差の範囲が、比較例では±０．０４ｍｍ以内であるが±０．０２ｍｍ以内ではなくて不十分な測定精度であったが、本発明例では、±０．０２ｍｍ以内であり、十分な測定精度であった。

【符号の説明】

【0057】

１ 管(ねじ付き部材)
１Ａ ねじ部
２ 支軸
２Ａ 軸線
３ 第１の光学手段
４ 第２の光学手段
５ ねじ軸探索手段
６ センタリング手段
７ 先端位置検出手段
８ 信号処理手段
９ ねじ要素演算手段
１０ レーザ変位計
１１ 光源
１２ 投光レンズ
１３ 受光レンズ
１４ 撮像素子
２０ 端検出器
２１ 投光部
２２ 受光部
２３ 平行光
３０ 支持枠

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】