JP2018116063A - 回折環計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回折環計測装置10は、X線照射部14と、回折環を撮像する撮像部15と、回折環画像を生成する画像処理部16と、回折環画像を解析するデータ処理部17とを備え、撮像部15はビームが通過する貫通孔を中央部に有し、回折環を撮像する固体撮像素子300を有し、固体撮像素子300は二次元状に直交配置された複数の光電変換部111を有し、画像処理部16は固体撮像素子300により撮像された画像を、直交座標から貫通孔を中央とする極座標に変換することにより回折環画像を生成し、固体撮像素子300は、1つの半導体基板上に複数の画素の半分ずつをそれぞれ有する2つのイメージセンサの回路を対称に備え、垂直転送パルスおよび水平転送パルスを含む駆動信号を共通化する。
【選択図】図1
Description
本実施の形態における回折環計測装置は、X線回折により発生する回折環を解析する装置である。回折環は、デバイ環、デバイ・シェラー環とも呼ばれる。この回折環計測装置は、計測対象物回折する性質をもつビームを照射する照射部と、計測対象物からの回折ビームにより形成される回折環を撮像する撮像部と、撮像部により撮像された回折環を表す回折環画像を生成する画像処理部と、画像処理部により生成された回折環画像を解析するデータ処理部とを備える。ここで、撮像部は(a)ビームが通過する貫通孔を中央部に有し、回折環を撮像する第1の固体撮像素子、および、(b)回折環の互いに異なる部分を撮像する複数の第2の固体撮像素子の何れか一方を有している。
いては後述する。
放される。
第1の構成例では、撮像部15は、1チップの第1の固体撮像素子を有している。この第1の固体撮像素子は、X線が通過する貫通孔と、円形の撮像エリアを有している。
第1の構成例では、第1の固体撮像素子の撮像エリアが円形である例を説明したが、第2の構成例では第1の固体撮像素子の撮像エリアが矩形である例について説明する。
第3の構成例では、撮像部15は、複数の第2の固体撮像素子を有している。複数の第2の固体撮像素子は、X線照射部から照射されるX線を中心として、X線と直交する平面に配置される。ここでは、複数の第2の固体撮像素子が2つである例を説明する。
第3の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が2つの例を説明したが、4つの例を説明する。
第4の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が4つの例を説明したが、第5の構成例では10個の例を説明する。
第5の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が10の例を説明したが、第6の構成例では12個の例を説明する。
第7の構成例では、撮像部15が複数の第2の固体撮像素子を有し、かつ、複数の第2の固体撮像素子のそれぞれが、貫通孔を中心とする扇形から扇央を含む扇形部分を除外した形状をもつ撮像エリアを有している。また、複数の第2の固体撮像素子は、貫通孔を中央とする極座標に沿って配置された複数の光電変換部を有する。さらに、複数の光電変換部のそれぞれの受光面積は、極座標の内側の光電変換部の受光面積よりも大きくなっている。
第8の構成例では、複数の第2の固体撮像素子は5つ以上のラインセンサである例を説明する。記5つ以上のラインセンサは貫通孔を中心に放射状に配置される。また、画像処理部は、5つ以上のラインセンサにより撮像された画像から回折環画像を形成する。
第8の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が16本のラインセンサである例を説明したが、第9の構成例では、複数の第2の固体撮像素子が32本のラインセンサである例を説明する。
第10の構成例では、第8の構成例におけるラインセンサの基台への取り付け角度に傾きを持たせる例について説明する。
第10の構成例では16本のラインセンサを有する例を説明したが、第11の構成例では32本のラインセンサを有する例について説明する。
つづいて、データ処理部17の解析方法(図2のステップS30)について詳細に説明する。
非特許文献1では、非特許文献2に開示されたX線応力測定方法の1つであるcosα法を発展させて回折環の2次元的データを解析することによって全平面応力成分を単一のX線照射によって同時一括に計測する手法が開示されている。その手法について図面を用いて説明する。
に、回折環9から、中心角α、π+α、−α、π−αの4方向の変形εα、επ+α、ε−α、επ−αを測定する。そして、この4つの測定値から、次の式(1)~(4)で計算される4種のパラメーターの値を求める。
ラメーターε− α(上バー付き)をcosαについてプロットすると直線関係が得られ、そ
の直線の傾きに非特許文献1の式(9)を適用することで被測定物のひずみ(応力状態)を求めることができる(この例ではx方向の応力σx)。
非特許文献1および非特許文献2によれば、cosα法の数値処理の都合上、次のような問題がある。
従来のcosα法にはこのような問題があるが、本願で開示する新たな手法としてのフーリエ級数を用いた解析(以下では、フーリエ方式と呼ぶ)ではこのような問題に対応することができる。以下、フーリエ方式について説明する。
続いて、フーリエ方式による回折環分析方法を行う回折環分析装置について図面を参照しながら説明する。
次に、回折環のフーリエ級数展開の内容を説明する。
0に設定するとき(以下の考察では妥当な設定である)
式(10)〜(14)では変数が6個あるのに対し、方程式は5個なのでこのままでは解くことができない。そこで通常は試験対象物の応力状態に仮定を置いて測定を行う。比較的単純な例として平面応力状態を考える。これは試験対象物の深さ方向に対して応力が変化しないという仮定で、近似的に多くの場合で成り立っており、工業的に重要である。具体的にはヤング率Eとポアソン比v、応力成分σx、σyおよびτxyを用いて
本発明のフーリエ方式を検証するためJIS-SS400C材に機械的負荷(四点曲げ)を与え、裏面に貼ったひずみゲージによる機械的応力と本フーリエ方式による測定値を比較した。回折用のビームにはX線(Cr-Kα線)を、回折画像の取得にはイメージングプレート(IP)を利用した。回折角θが78.44度なので、ηは11.56度であった。また試験対象物とIPとの距離は39mm、Ψ0=35度であった。
図25は回折環の円周角と変形との関係を示す図である。具体的には、10 MPaの負荷をかけたときに得られた回折環の変形εαの例を示す図である。同図の横軸は回折環の円周角α、縦軸は変形εαを表している。εαの実測値(図25の上図の実線で示す)をαについてフーリエ級数に展開し、各項の係数の2次以下の係数によってひずみを近似して求めると、図25の上図の破線のようになる。なお、ここでは高速フーリエ変換(FFT)によって係数を求めており、同図では4次までの係数を示している(実際にはさらに高次の係数も求まる)。
図26は、試験対象物に機械的負荷を10 MPaかけた状態で回折環の変形εαを測定し、フーリエ級数の係数を求めた結果を示す図である。同図で、係数a1、b1、a2、b2はそれぞれ、式(1)〜(4)に対応するものである。図26から明らかな様に、本実施形態の回折環分析方法および同装置では、従来のcosα法では求めることができなかった高次の係数a3、b3、a4、b4まで求めことが可能になっている。これは、本実施形態では、上記の様に、実測値との関係が明確に理論づけされているからに他ならない。
5、8、9 回折環
10 回折環計測装置
11 高圧電源
12 冷却部
13 制御部
14 X線照射部
6、15 撮像部
16 画像処理部
17 データ処理部
18 出力部
101 R転送部
102 光電変換部
111 画素
151、155 基台
152 貫通孔
200、300 固体撮像素子
201 撮像エリア
202 貫通孔
302 貫通孔
303 θ転送部
300、400a、400b、500a〜500d、600a〜600j 固体撮像素子
700a〜700l、800a〜800d、810a〜810d 固体撮像素子
301、401a、401b、501a〜501d、601a〜601j 撮像エリア
701a〜701l、801a〜801d、811a〜811d 撮像エリア
900a〜900p、901〜932 ラインセンサ
Claims (2)
- 回折により発生する回折環を計測する回折環計測装置であって、
計測対象物に回折する性質をもつビームを照射する照射部と、
前記計測対象物からの回折ビームにより形成される前記回折環を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された回折環を表す回折環画像を生成する画像処理部と、
前記画像処理部により生成された前記回折環画像を解析するデータ処理部と
を備え、
前記撮像部は、前記ビームが通過する貫通孔を中央部に有し、前記回折環を撮像する固体撮像素子を有し、
前記固体撮像素子は、二次元状に直交配置された複数の光電変換部を有し、
前記画像処理部は、前記固体撮像素子により撮像された画像を、直交座標から前記貫通孔を中央とする極座標に変換することにより前記回折環画像を生成し、
前記固体撮像素子は、1つの半導体基板上に複数の画素の半分ずつをそれぞれ有する2つのイメージセンサの回路を対称に備え、垂直転送パルスおよび水平転送パルスを含む駆動信号を共通化する
回折環計測装置。 - 回折により発生する回折環を計測する回折環計測装置であって、
計測対象物に回折する性質をもつビームを照射する照射部と、
前記計測対象物からの回折ビームにより形成される前記回折環を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された回折環を表す回折環画像を生成する画像処理部と、
前記画像処理部により生成された前記回折環画像を解析するデータ処理部と
を備え、
前記撮像部は、前記ビームが通過する貫通孔を中央部に有し、前記回折環を撮像する固体撮像素子を有し、
前記固体撮像素子は、前記貫通孔を中央とする極座標に沿って配置された複数の光電変換部を有し、
前記複数の光電変換部のそれぞれの受光面積は、前記極座標の内側の光電変換部の受光面積よりも大きい
回折環計測装置。
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