JP2019132599A - 搬送物の応力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搬送されている全ての搬送物の残留応力をリアルタイムで精度よく測定することができる応力測定装置を提供する。【解決手段】Ｘ線出射器１１、シャッタ１５等からなるＸ線照射手段が、一定の速度で搬送される１または複数の搬送物１に対して所定強度のＸ線を間欠的に照射する。該Ｘ線が照射されるごとに、２次元撮像素子１２が搬送物１で発生する回折Ｘ線を受光し、回折Ｘ線の像の形状をコンピュータ装置３０に送信する、コンピュータ装置３０は回折Ｘ線の像の形状に基づいて、搬送物１の残留応力を計算する。【選択図】図１

Description

本発明は、搬送物の応力測定装置に関する。

従来、鉄鋼材料連続鋳造工程や熱間圧延工程、冷間圧延工程、鍛造工程、線引き工程など、連続的に材料が生産されている現場では、生産された材料の品質を管理するために、搬送されている材料の中から所定の割合で測定用の材料を取り出し、Ｘ線回折を用いた応力測定装置により、材料の各部の平面残留応力を測定することが行われている。引張残留応力が材料の降伏強度を超過すると塑性変形やき裂が発生し、残留応力値が低くてもクリープ変形などで加工後の寸法変化や形状変化が起こるからである。このような応力測定装置には、特許文献１に示されるようにｓｉｎ^２ψ法による応力測定装置がある。この装置は、材料に対するＸ線の入射角を変更し、それぞれの入射角において回折角２θを検出することで平面残留応力を測定するものである。

ｓｉｎ^２ψ法による応力測定装置は、材料に対するＸ線の入射角を変更して測定する必要があるため、装置が大型化し測定に時間がかかるという問題がある。これに対し、材料に対するＸ線の入射角を固定して測定するＸ線回折を用いた応力測定装置として、特許文献２に示されるようにｃｏｓα法による応力測定装置がある。この装置は、材料からの回折Ｘ線により撮像面に回折環を形成し、この回折環の形状から平面残留応力を測定するものである。この装置は、装置を小型化でき測定時間を短くすることができるというメリットがある。なお、回折環を形成する撮像面には、特許文献２に示されるようにイメージングプレートの他、特許文献３に示されるように２次元に固体撮像素子を並べたものがある。

また、特許文献４に示されるように、移動する対象物に対してＸ線回折測定を行う装置が本発明者により開発されている。この装置は、Ｘ線を連続して対象物に照射し、対象物の移動に同期させてイメージングプレートを回転させ、スリットを介して回折Ｘ線の像をイメージングプレートに形成している。そして、回折Ｘ線の像の形成と並行して形成した像の半価幅を測定し、該半価幅により対象物の異常箇所を検出している。

特開２０１３−３６８６１号公報 特許第５５０５３６１号公報 特開２０１５−７８９３４号公報 特許第５９２０５９３号公報

特許文献２及び特許文献３に示されるＸ線回折を用いた応力測定装置は、材料を固定した状態でＸ線を照射して測定を行う場合を前提にした装置であり、搬送されている材料の応力をそのまま測定することはできない。また、特許文献４に示されるＸ線回折測定装置は、移動する対象物の回折Ｘ線の像の半価幅を測定する装置であり、残留応力を測定することを目的とした装置ではない。このように、これまでのＸ線回折を用いた応力測定装置には搬送されている材料の残留応力を精度よく測定する装置はなかった。

このため、搬送されている材料の残留応力を測定するには、搬送されている材料の中から所定の割合で測定用の材料を取り出す必要があり、測定用の材料を取り出してから残留応力の測定結果を得るまでには時間がかかり、得られた測定結果を搬送されている材料にフィードバックするのが困難であるという課題がある。また、材料を全数検査することができないため、異常がある材料を確実に検出することができないという課題がある。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、搬送されている全ての搬送物の残留応力をリアルタイムで精度よく測定することができ、検査結果を搬送物の生産工程に即座に反映させることができる応力測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る搬送物の応力測定装置は、一定の速度で搬送される１または複数の搬送物の残留応力を測定するための搬送物の応力測定装置であって、 搬送物に対して所定強度のＸ線を間欠的に照射するＸ線照射手段と、Ｘ線照射手段からＸ線が照射されたとき、搬送物で発生する回折Ｘ線を撮像面にて受光し、撮像面に回折Ｘ線の像を形成するとともに回折Ｘ線の像の形状を検出する受光手段と、受光手段にて検出された回折Ｘ線の像の形状に基づいて、搬送物の残留応力を計算する残留応力取得手段とを有することを特徴とする。

本装置によれば、X線照射手段により短時間で撮像面に回折Ｘ線の像が形成される強度のＸ線を短時間照射し、次のＸ線照射手段によるＸ線照射の前に受光手段により撮像面に形成された回折Ｘ線の像の形状を検出し、回折Ｘ線の像の形状が得られるごとに残留応力取得手段が残留応力を計算すれば、搬送物の残留応力を短い時間間隔でリアルタイムに測定することができる。すなわち、搬送物の残留応力を所定長さの間隔でリアルタイムに測定することができる。そして、測定される残留応力は、回折Ｘ線の像全体の形状に基づいて計算されるので高精度である。また、複数の搬送物が順次搬送されている場合は、それぞれの搬送物ごとに残留応力をリアルタイムで測定することができる。

これによれば、検査のために、所定の割合で搬送物をサンプリングしたり、応力測定のための試料を搬送物から切り出したりする必要がなく、経済的である。また、受光手段が回折Ｘ線の像の形状を検出した後、残留応力取得手段がすぐに残留応力の計算を行えば、各搬送物の残留応力を各搬送物へのＸ線照射後の比較的早い段階で得ることができる。これにより、各搬送物の検査結果を、搬送物の生産工程に即座に反映させることができ、搬送物の応力不足などの品質低下を迅速に是正することができる。また、応力不足の箇所や応力不足の搬送物自体を、次の工程に行く前の段階で取り除くことができ、無駄な工程が発生するのを防ぐこともできる。よって、この搬送物の応力測定装置は、鉄鋼材料連続鋳造工程や熱間圧延工程、冷間圧延工程、鍛造工程、線引き工程など、連続的に材料が生産されて搬送される現場等で好適に使用することができる。他にはアルミニウム合金や銅合金などの非鉄材料の加工工程はもちろんのこと、セラミックスや複合材料、デバイスの量産ラインでの検査など、応用範囲は多岐にわたる。

Ｘ線照射手段は、短時間で撮像面に回折Ｘ線の像が形成される強度のＸ線を短時間照射することができれば、どのようなものでもよく、例えば、チョッパ制御等により断続的にパルスＸ線を照射するものでもよいし、連続的に照射されるＸ線をシャッタの開閉制御で短時間通過させるものでもよい。また、受光手段は、撮像面に回折Ｘ線の像が形成され、形成された回折Ｘ線の像の形状を検出することができればどのようなものでも用いることができ、例えば、Ｘ線ＣＣＤやＸ線ＣＭＯＳ等の撮像素子を２次元に並べたイメージセンサ、２次元のマイクロギャップ方式、Ｘ線強度を検出する微小開口のセンサ（シンチレーションカウンタ等）を２次元で走査する手段、又はイメージングプレートと該イメージングプレートにレーザ光を走査して走査位置と蛍光強度を検出する手段等がある。

また、回折Ｘ線の像の形状から残留応力を計算する残留応力取得手段は、背景技術で説明したようにｓｉｎ^２ψ法とｃｏｓα法があり、どちらの方法も用いることができるが、ｓｉｎ^２ψ法は、搬送物に対するＸ線の入射角を変更してそれぞれの入射角ごとに回折Ｘ線の像を得る必要があるため、装置が大型化し測定に時間がかかるという問題があり、ｃｏｓα法の方が望ましい。なお、ｃｏｓα法における回折Ｘ線の像は回折環である。

受光手段を撮像素子を２次元に並べたイメージセンサにした場合、Ｘ線照射した後、回折Ｘ線の像の形状を得るまでの時間を短くすることができ、Ｘ線照射と次のＸ線照射との間の時間を短くすることができる。しかし、撮像素子を２次元に並べたイメージセンサは温度の影響を大きく受けるため、温度変動が大きい環境下では精度のよい残留応力測定が困難である。これに対し、受光手段をＸ線強度を検出する微小開口のセンサを２次元で走査する手段、又はイメージングプレートと該イメージングプレートにレーザ光を走査して走査位置と蛍光強度を検出する手段にした場合、温度の影響を大きく受けることはなく、温度変動が大きい環境下でも精度のよい残留応力測定ができる。しかし、撮像素子を２次元に並べたイメージセンサにした場合に比べ、回折Ｘ線の像の形状を得るまでの時間は長くなり、Ｘ線照射と次のＸ線照射との間の時間が長くなる。すなわち、搬送物の残留応力を測定する位置の間隔が長くなる。

また、受光手段を撮像素子を２次元に並べたイメージセンサにした場合でも、搬送物の残留応力を測定する位置の間隔を短くしていくと、イメージセンサの特性、残留応力取得手段の計算速度及び搬送物の搬送速度から定まる限界値がある。すなわち、受光手段をどのようなものにしても、搬送物の残留応力を測定する位置の間隔を短くしていくと限界値がある。

搬送物の残留応力を測定する位置の間隔を限界値以上に短くするには、Ｘ線照射手段及び受光手段は複数組設けられるとともに、それぞれのＸ線照射手段は搬送物の搬送方向の異なる位置にＸ線が照射され、それぞれのＸ線照射手段を制御して、それぞれのＸ線照射手段から照射されるＸ線が、搬送物の異なる位置に照射されるようにする照射制御手段を有し、残留応力取得手段は、それぞれの受光手段で検出された回折Ｘ線の像の形状に基づいて、各Ｘ線が照射された位置での残留応力を求めるよう構成されているようにすればよい。

この場合、Ｘ線照射手段及び受光手段のそれぞれの組の間隔を長くして、それぞれの組からＸ線が搬送物に照射されるタイミングが異なるようにしてもよいし、該間隔を狭くして、それぞれの組からＸ線が搬送物に照射されるタイミングが同時になるようにしてもよい。いずれの場合も照射制御手段が、それぞれのＸ線照射手段から照射されるＸ線が、搬送物の異なる位置に照射されるように制御すればよい。

残留応力取得手段をｃｏｓα法によるものにし、受光手段をイメージングプレートと該イメージングプレートにレーザ光を走査して走査位置と蛍光強度を検出する回折環検出手段にすれば、装置を小型化でき、残留応力測定は周囲の温度の影響を大きく受けることはないという利点がある。そして、Ｘ線照射手段及び受光手段を複数組設ければ、搬送物の残留応力を測定する位置の間隔を短くすることができる。ただし、Ｘ線照射手段及び受光手段の組の数を増やすほど装置のコストはアップする。

Ｘ線照射手段及び受光手段の組の数を増えることを抑制するには、イメージングプレートは２組あり、それぞれの組のイメージングプレートを、交互に回折Ｘ線が入射する位置まで移動させる移動手段と、一方の組のイメージングプレートに回折環が形成されている間、回折環検出手段及び回折環消去手段を制御して、別の組のイメージングプレートに形成された回折環の形状検出及び消去を行う測定制御手段とを有するようにすればよい。

これによれば、回折環の形成と回折環の検出、消去の２つを並行して行うことができるため、１つのＸ線照射手段及び受光手段の組でＸ線照射と次のＸ線照射との間の時間を短くし、搬送物の残留応力を測定する位置の間隔を短くすることができる。

また、イメージングプレートは３組あり、それぞれの組のイメージングプレートを、順に回折Ｘ線が入射する位置まで移動させる移動手段と、１つの組のイメージングプレートに回折環が形成されている間、回折環検出手段を制御して別の１つの組のイメージングプレートに形成された回折環の形状検出を行うとともに、回折環消去手段を制御して、別のもう１つの組のイメージングプレートに形成された回折環の消去を行う測定制御手段とを有するようにしてもよい。

これによれば、回折環の形成、回折環の検出及び回折環の消去の３つを並行して行うことができるため、１つのＸ線照射手段及び受光手段の組でＸ線照射と次のＸ線照射との間の時間をさらに短くし、搬送物の残留応力を測定する位置の間隔をさらに短くすることができる。

また、搬送物を３軸残留応力で検査したい場合は、受光手段は、回折Ｘ線の像の形状として回折環の形状を検出するものであり、Ｘ線照射手段及び受光手段は複数組設けられるとともに、それぞれのＸ線照射手段から照射されるＸ線は、搬送物に対してそれぞれ異なった方向から照射され、それぞれのＸ線照射手段を制御して、それぞれのＸ線照射手段から照射されるＸ線が、搬送物の同一の位置に照射されるようにする照射制御手段を有し、残留応力取得手段は、それぞれの受光手段で検出された回折環の形状に基づいて、Ｘ線が照射された位置での３軸残留応力を求めるよう構成されているようにすればよい。

この場合、それぞれのＸ線照射手段から照射されるＸ線は、同一位置に照射されるようにし、照射制御手段はそれぞれのＸ線照射手段を同時に照射するよう制御してもよいが、このようにすると、それぞれのＸ線照射手段及び受光手段の組をコンパクトにしなければならないという制約がある。よって、Ｘ線照射手段及び受光手段のそれぞれの組は、搬送物の搬送方向に沿って配置されているようにするのが望ましい。

このように本発明による搬送物の応力測定装置によれば、搬送されている全ての搬送物の平面残留応力を短い間隔でリアルタイムで精度よく測定することができる。また、搬送物を３軸残留応力で検査したい場合でも、３軸残留応力をリアルタイムで精度よく測定することができる。これにより、検査結果を搬送物の生産工程に即座に反映させることができる。

本発明の第１実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。 本発明の第２実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。 本発明の第３実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。 本発明の第３実施形態の変形例における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。 本発明の第４実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。 本発明の第５実施形態における搬送物の応力測定装置のＸ線回折装置を示す全体外略図である。 本発明の第６実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。 本発明の第６実施形態の変形例における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。 本発明の第６実施形態の別の変形例における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。この応力測定装置は、Ｘ線回折装置１０及びコンピュータ装置３０から構成され、Ｘ線回折装置１０は、搬送物１を一定方向に一定速度で搬送する搬送装置２の移動ステージの上方に搬送物１に対して適切な位置になるよう固定具１６で固定されている。搬送物１の搬送速度は、具体的な例では０．５ｃｍ／秒〜１０ｍ／秒である。また、コンピュータ装置３０はＸ線回折装置１０と電力線及び信号線等でＸ線回折装置１０と接続され、Ｘ線回折装置１０の近傍に設置されている。なお、図１では省略されているが、コンピュータ装置３０の近傍には、Ｘ線回折装置１０に高電圧の電力を供給する高電圧電源が設置されており、Ｘ線回折装置１０と電力線で接続されている。

Ｘ線回折装置１０は、筐体内に長尺の円柱状の形状を有するＸ線出射器１１を備えており、Ｘ線出射器１１は、Ｘ線制御回路２０により制御され、高電圧電源から高電圧が供給されると、Ｘ線を出射口から出射する。Ｘ線制御回路２０はコンピュータ装置３０から指令が入力すると、Ｘ線出射器１１が設定された強度のＸ線を出射するように、高電圧電源から供給される電力を制御する。この設定された強度は、搬送物１に照射されると搬送物１にて発生する回折Ｘ線により後述する２次元撮像素子１２に極短時間（例えば１秒以内）で回折環が形成される強度である。正確な表現をすると、２次元撮像素子１２に回折Ｘ線が入射してから、２次元撮像素子１２が回折環の形状を高精度に計算することができる信号を出力するまでの時間を、極短時間にすることができる強度である。

Ｘ線出射器１１の出射口の近傍にはシャッタ１５が固定されており、Ｘ線出射器１１からＸ線が照射されたとき、シャッタ１５が開状態になるとＸ線は後述する円筒状パイプ１４を通過して搬送物１に照射される。シャッタ１５は開閉制御回路２１により制御され、開閉制御回路２１はコンピュータ装置３０から「開」および「閉」の指令が入力する度に、シャッタ１５の駆動部に電力を供給してシャッタ１５の開閉を行う。コンピュータ装置３０が「開」の指令を出力してから「閉」の指令を出力するまでの時間は極短時間（例えば１秒以内）であり、Ｘ線は搬送物１に極短時間照射される。また、コンピュータ装置３０が「閉」の指令を出力してから次の「開」の指令を出力するまでの時間は、搬送物１の搬送速度と搬送物１の測定位置の間隔とから適宜設定される。

Ｘ線出射器１１からＸ線が出射され、シャッタ１５が開状態であると、Ｘ線は円盤状のテーブル１３の中心部分に固定されている円筒状パイプ１４に入射し、円筒状パイプ１４内部を通過して円筒状パイプ１４の先端から出射される。円筒状パイプ１４のそれぞれの端の内部には内径をそれ以外の箇所の内径より小さくする通路部材が固定されており、Ｘ線出射器１１から出射されるＸ線は進行方向に拡がるＸ線であるが、円筒状パイプ１４の内部を通過することで略平行なＸ線になる。

テーブル１３の表面には２次元撮像素子１２が固定されている。２次元撮像素子１２は例えばＸ線ＣＣＤやＸ線ＣＭＯＳ等の撮像素子を２次元に配置したイメージセンサであり、それぞれの撮像素子は入射したＸ線強度に相当する強度の信号を、設定された時間間隔でデータ取出回路２２に出力する。データ取出回路２２は入力したそれぞれの撮像素子の信号を処理することで、２次元撮像素子１２に入射したＸ線から形成される像のデータを作成する。Ｘ線が搬送物１に照射されると照射箇所では回折Ｘ線が発生するが、ブラッグの条件を満たす箇所では回折Ｘ線の強度が大きくなり、２次元撮像素子１２に回折Ｘ線が入射すると、Ｘ線の像として回折環が形成される。よって、Ｘ線が搬送物１に照射されると、データ取出回路２２では回折環の形状のデータが作成される。データ取出回路２２はコンピュータ装置２２から作動開始の指令が入力すると、回折環の形状のデータを設定された時間間隔で出力することを開始し、コンピュータ装置３０は「開」の指令の後「閉」の指令を開閉制御回路２１に出力した直後に、データ取出回路２２から入力したデータをメモリに記憶することで、回折環の形状のデータを取得する。

なお、上述したＸ線制御回路２０、開閉制御回路２１及びデータ取出回路２２は図１では、Ｘ線回折装置１０の筐体外にあるように描かれているが、実際はＸ線回折装置１０の筐体内に納められている。

搬送装置２の移動ステージの側面近傍には、移動する搬送物１の先端及び後端を検出するための端検出センサ３が固定されている。端検出センサ３は移動ステージの反対側の側面近傍にあるレーザ光の受光の有無から、測定対象物ＯＢの先端及び後端を検出するもの等を用いることができる。端検出センサ３は搬送物１の先端及び後端を検出するごとに、コンピュータ装置３０に「先端検出」及び「後端検出」を意味する信号を出力する。

コンピュータ装置３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、大容量記憶装置などを備えたマイクロコンピュータを主要部とした電子制御装置であり、端検出センサ３からの信号を入力するとともに、上述したＸ線制御回路２０、開閉制御回路２１及びデータ取出回路２２に指令を出力することでＸ線回折装置１０を制御する制御部３２と、データ取出回路２２から入力した回折環の形状のデータを処理することで残留応力を計算する計算部３１がある。これらは、コンピュータ装置３０にインストールされたプログラムである。

測定制御部３２は端検出センサ３から「先端検出」の信号を入力すると、Ｘ線制御回路２０とデータ取出回路２２に作動開始の指令を出力し、設定された時間が経過した後、設定された時間間隔で開閉制御回路２１に「開」と「閉」の指令を出力することを繰り返す。そして、「閉」の指令を出力した直後ごとに、データ取出回路２２から入力するデータをメモリに記憶する。そして、端検出センサ３から「後端検出」の信号を入力すると、Ｘ線制御回路２０とデータ取出回路２２に作動停止の指令を出力する。

計算部３１は、回折環の像のデータがメモリに記憶されると残留応力を算出する演算処理を行う。この演算方法は公知技術であるｃｏｓα法によるものであり、例えば特開２００５−２４１３０８号公報等に示されている。得られる残留応力は、図１の横方向（搬送物１の搬送方向）をＸ方向とし図１の紙面垂直方向をＹ方向とすると、Ｘ方向の残留垂直応力σｘ、Ｙ方向の残留垂直応力σｙ、及び残留せん断応力τｘｙであり、平面残留応力である。計算部３１は残留応力が得られると予め設定されている閾値と比較することで合否判定を行う。

コンピュータ装置３０にはキーボードやタッチパネル等の入力装置とディスプレイ等の表示装置があり、コンピュータ装置３０は得られた残留応力の値と合否判定結果を、搬送物１の識別情報とともに表示装置に表示する。また、応力測定装置に残留応力の測定を開始させる場合及び終了させる場合は、入力装置から測定開始及び測定停止の指令を入力することにより行う。さらに、コンピュータ装置３０に設定される、閉制御回路２１に出力する指令の時間間隔といった測定条件、Ｘ線の入射角、Ｘ線照射点から２次元撮像素子１２までの距離といった残留応力の計算に必要なパラメータ値、及び合否判定を行う際の閾値といった判定条件は、入力装置から作業者が入力することで設定される。

このように構成された第１実施形態の搬送物の応力測定装置によれば、搬送物１の平面残留応力を短い時間間隔で、すなわち搬送物１の搬送方向に短い間隔で精度よく測定することができる。また、リアルタイムで平面残留応力の測定結果と合否判定を表示することができる。

（第２実施形態）
上述した第１実施形態の搬送物の応力測定装置は、上述した効果を得ることはできるが、２次元撮像素子１２は温度の影響を強く受けるため、温度変動が大きい環境下では平面残留応力を精度よく測定することが困難である。これに対し、本発明の第２実施形態における搬送物の応力測定装置は、温度の影響を強く受けることはないものである。

図２は本発明の第２実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。この応力測定装置のＸ線回折装置４０が、先行技術文献の特許文献２に示されるＸ線回折装置と異なっている点は、装置が固定具１６で固定されている点とシャッタ１５が設けられている点であり、他は同じである。そして、固定具１６とシャッタ１５は第１実施形態のものと同一である。

第２実施形態における搬送物の応力測定装置は、２次元撮像素子１２の替わりにイメージングプレート４６に回折Ｘ線が入射し、イメージングプレート４６に回折環が形成される。そして、イメージングプレート４６に形成された回折環は移動機構４１の移動により光ヘッド４７の位置まで移動され、回折環の形状が検出される。この検出は、移動機構４１の移動及びイメージングプレート４６が取り付けられたテーブル４４に連結しているモータ４２の回転とともに光ヘッド４７からレーザ光が照射され、イメージングプレート４６で発生する蛍光の強度データを、モータ４２の回転角度データ及び移動機構４１の移動位置データとともにコンピュータ装置３０が取得することで行われる。また、回折環の形状検出の後、光ヘッド４７から消去用のＬＥＤ光が照射されて回折環が消去され、イメージングプレート４６は回折Ｘ線が入射する位置である元の位置まで移動する。

第２実施形態における搬送物の応力測定装置は、データ取出回路２２の替わりに移動制御回路４３と光ヘッド制御回路４８があり、コンピュータ装置３０からの指令により、モータ４２の回転、移動機構４１の移動及び光ヘッド４７からのレーザ光照射と消去用のＬＥＤ光照射を制御するとともに、上述したモータ４２の回転角度データ、移動機構４１の移動位置データ及びイメージングプレート４６で発生する蛍光の強度データをコンピュータ装置３０に送信する。

第２実施形態におけるコンピュータ装置３０の制御部３２は、開閉制御回路２１に「閉」の指令を出力した後、移動制御回路４３及び光ヘッド制御回路４８へ様々な指令を出力して上述した作動を行わせるとともに、回折環の形状データである上述したデータを入力することを行う。それ以外は、第１実施形態のコンピュータ装置３０と同じである。

このように構成された第２実施形態の搬送物の応力測定装置によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができ、温度変動が大きい環境下でも平面残留応力を精度よく測定することができるという効果がある。なお、第２実施形態の搬送物の応力測定装置は第１実施形態のものに比べ、Ｘ線を照射した後、回折Ｘ線の像の形状を検出するまでの時間が長くなり、搬送物１の測定位置の間隔を短くするのが困難である。この問題は、イメージングプレート４６へのレーザ光照射及び消去用のＬＥＤ光照射を、回折環が形成されている位置のみに限定して行うようにすれば、ある程度改善することができる。

（第３実施形態）
上述した第１実施形態および第２実施形態の搬送物の応力測定装置は、回折Ｘ線の像の形状を検出する機能、残留応力を計算する機能の特性及び搬送物１の搬送速度により、搬送物１の測定位置の間隔を小さくしていくと限界値があり、特に第２実施形態の搬送物の応力測定装置においては、この限界値が大きい。本発明の第３実施形態は、搬送物１の測定位置の間隔をこの限界値よりも小さくすることができるものである。

図３は本発明の第３実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。この応力測定装置は図２のＸ線回折装置４０を搬送物１の搬送方向に複数台、図２と同様に配置したものである。なお、Ｘ線回折装置４０は図１のＸ線回折装置１０であってもよく、Ｘ線回折装置４０は搬送物１の測定位置の間隔により別の台数を配置してもよい。

コンピュータ装置３０には、それぞれのＸ線回折装置４０を独立して制御する、個別制御部３２−１，３２−２，３２−３とそれぞれの個別制御部３２−１，３２−２，３２−３を制御する統括制御部３３がある。個別制御部３２−１，３２−２，３２−３は、第２実施形態の制御部３２と同一の制御を、Ｘ線回折装置４０−１，４０−２，４０−３に対してそれぞれ独立して行う。統括制御部３３はＸ線回折装置４０−１，４０−２，４０−３による搬送物１の測定位置が等しい間隔になるよう、個別制御部３２−１，３２−２，３２−３のそれぞれに作動を指令する。

第１実施形態および第２実施形態の端検出センサ３は、第３実施形態においてはＸ線回折装置４０−１，４０−２，４０−３に対してそれぞれ設けられており、コンピュータ装置３０の統括制御部３３は、それぞれの端検出センサ３からの信号を識別して、個別制御部３２−１，３２−２，３２−３のそれぞれに作動を指令する。端検出センサ３から信号が入力してから個別制御部３２−１，３２−２，３２−３のそれぞれが作動する時間を適切に設定することで、搬送物１の測定位置は等しい間隔になる。

図３は、Ｘ線回折装置４０−１，４０−２，４０−３をそれぞれ異なる搬送物１にＸ線が照射されるよう配置した場合であるが、図４に示すように、Ｘ線回折装置４０−１，４０−２を同一の搬送物１の互いに微小距離離れた位置にＸ線が照射するように配置し、同時にＸ線を照射して残留応力を測定するようにしてもよい。この場合、互いに微小距離離れた位置にＸ線を照射し、搬送物１に対するＸ線の入射角を所定の角度にするには、図４に示すように、図２のＸ線回折装置４０の長尺方向を紙面垂直方向にし、該長尺方向周りにＸ線回折装置４０を傾けてＸ線を照射するようにすればよい。

そして、この場合のＸ線回折装置４０−１，４０−２の筐体の形状は、搬送物１に接触せず、互いのＸ線回折装置４０−１，４０−２を近づけることができるような形状にすればよい。この筐体の形状は特許第５９６７３９４号公報に詳細に示されている。なお、Ｘ線の照射方向を搬送物１の表面に投影した方向が、残留垂直応力を精度よく測定したい方向にする必要があるので、Ｘ線回折装置４０を非常にコンパクトにしない限り、同一の搬送物１の互いに微小距離離れた位置にＸ線が照射する場合の照射点数は、図４に示すように２点が限度である。

このように構成された第３実施形態の搬送物の応力測定装置によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができ、搬送物１の測定位置の間隔をＸ線回折装置が１台のときの限界値よりも小さくすることができるという効果がある。

（第４実施形態）
上述した第３実施形態は、Ｘ線回折装置の台数を増やすため、搬送物の応力測定装置のコストがＵＰする。本発明の第４実施形態は、第２実施形態の方式のＸ線回折装置１台におけるＸ線照射と次のＸ線照射との時間間隔を小さくして、搬送物の応力測定装置のコストＵＰを抑制することができるものである。

図５は本発明の第４実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。この応力測定装置のＸ線回折装置５０は、イメージングプレート４６−１，４６−２を２組備え、イメージングプレート４６−１，４６−２を交互に回折Ｘ線が入射する位置（回折環が形成される位置）まで移動する移動機構４１を備えている。そして、イメージングプレート４６−１，４６−２に形成された回折環の形状を検出する機能と回折環を消去する機能も２組備え、片方のイメージングプレートに回折Ｘ線が入射しているとき（回折環を形成しているとき）、もう片方のイメージングプレートに形成された回折環の形状を検出し、次いでその回折環を消去するようになっている。

回折環の形状検出機能及び消去機能は、イメージングプレート４６−１，４６−２を取り付けたテーブル４４−１，４４−２に連結されているモータ４２−１，４２−２、光ヘッド４７−１，４７−２及び光ヘッド移動機構５１−１，５１−２と、これらの作動を制御し、回折環の形状データを得る、移動制御回路４３、光ヘッド制御回路４８−１，４８−２及び光ヘッド移動制御回路５２−１，５２−２である。第２実施形態と異なっているのは、移動制御回路４３以外は２組ある点と、回折環の形状を検出する際、移動機構４１による移動に替えて、光ヘッド移動機構５１−１，５１−２により光ヘッド４７−１，４７−２を移動させる点である。

すなわち、回折環の形状を検出する際、第２実施形態では移動機構４１によるイメージングプレート４６の移動で、レーザ光照射点をイメージングプレート４６の半径方向に移動させたが、第４実施形態では、光ヘッド移動機構５１−１，５１−２による光ヘッド４７−１，４７−２の移動で、レーザ光照射点をイメージングプレート４６−１，４６−２の半径方向に移動させている。

なお、図５では、Ｘ線回折装置５０の長尺方向と搬送物１の搬送方向は同一であるように描かれているが、実際は、Ｘ線回折装置５０の長尺方向は紙面垂直方向であり、該長尺方向周りに、Ｘ線回折装置５０は傾けられており、Ｘ線は搬送物１に所定の入射角度で入射するようになっている。

このように構成された第４実施形態の搬送物の応力測定装置によれば、第２実施形態と同様の効果を得ることができ、搬送物１の測定位置の間隔を第２実施形態より小さくすることができるという効果がある。そして、第３実施形態のようにＸ線回折装置を複数台設ける場合は、その台数を減らして搬送物の応力測定装置のコストＵＰを抑制することができる。

（第５実施形態）
上述した第４実施形態は、イメージングプレート４６と回折環の形状検出機能、消去機能とを２組にしたが、イメージングプレート４６を３組にし、回折環の形状検出機能及び消去機能を別々にして、第２実施形態の方式のＸ線回折装置１台におけるＸ線照射と次のＸ線照射との時間間隔をさらに小さくしたものが、本発明の第５実施形態である。

図６は本発明の第５実施形態における搬送物の応力測定装置のＸ線回折装置６０の構成を示す概略図であり、Ｘ線回折装置６０を上方から見た図である。このＸ線回折装置６０は、イメージングプレートを３組備え、それぞれのイメージングプレートを順に回折Ｘ線が入射する位置（回折環が形成される位置）まで移動する移動機構を備えている。図６ではイメージングプレートはテーブル４４−１，４４−２，４４−３の裏側に取り付けられている。移動機構はモータ６１及びテーブル４４−１，４４−２，４４−３と連結しているモータ４２−１，４２−２，４２−３を取り付けているプレート６２からなり、モータ６１を所定角度回転させることで、それぞれのイメージングプレートを順に回折Ｘ線が入射する位置にする。

そして１つのイメージングプレートが回折Ｘ線が入射する位置になっているとき、残りの１つのイメージングプレートに形成されている回折環が、光ヘッド４７−１の作動と光ヘッド移動機構５１−１の作動とモータ４２−１，４２−２，４２−３のいずれか１つの回転により検出される。さらに、残りのもう１つのイメージングプレートに形成されている回折環が、光ヘッド４７−２の作動と光ヘッド移動機構５１−２の作動とモータ４２−１，４２−２，４２−３のいずれか１つの回転により消去される。

すなわち、第４実施形態が回折環の形成及び回折環の形状検出と消去の２つを並行して行うのに対し、第５実施形態では回折環の形成、回折環の形状検出、及び回折環の消去の３つを並行して行う。そして、回折環の形状検出の時間と回折環の消去の時間は、回折環の形成（Ｘ線の照射）の時間よりも長いため、第５実施形態ではＸ線回折装置１台におけるＸ線照射と次のＸ線照射との時間間隔をさらに小さくすることができる。

なお、図６において、Ｘ線回折装置６０は搬送物１が載置されている移動ステージの面に対して、Ｘ線出射器１１の長尺方向周りに傾斜しており、Ｘ線は搬送物１に対して所定の入射角度で照射される。傾斜の回転軸はＸ線出射器１１の中心軸付近で、Ｘ線回折装置６０はモータ４２−２，４２−３がモータ４２−１より上側になるように傾斜している。

また、モータ６１は１２０度ずつ回転し、設定した角度だけ回転すると、反対方向に２４０度ずつ回転し、プラスマイナスの回転角度が０度になった後、元の方向に１２０度ずつ回転するようになっている。これは、モータ４２−１，４２−２，４２−３へ接続されている電力線、信号線がねじれるのを防止するためである。

このように構成された第５実施形態の搬送物の応力測定装置によれば、第２実施形態と同様の効果を得ることができ、搬送物１の測定位置の間隔を第４実施形態より小さくすることができるという効果がある。そして、第３実施形態のようにＸ線回折装置を複数台設ける場合は、その台数を第４実施形態より減らして搬送物の応力測定装置のコストＵＰを抑制することができる。

（第６実施形態）
上述した第１実施形態乃至第５実施形態は、搬送物１の平面残留応力を測定するものであるが、本発明の第６実施形態は３軸残留応力を測定するものである。

図７は本発明の第６実施形態における搬送物の応力測定装置を示す全体外略図である。この応力測定装置は図１のＸ線回折装置１０を搬送物１の搬送方向に複数台、図１と同様に固定したものである。なお、Ｘ線回折装置１０は図２のＸ線回折装置４０、図５のＸ線回折装置５０又は図６のＸ線回折装置６０であってもよい。

Ｘ線回折装置１０−１はＸ線光軸を搬送物１の表面に投影すると搬送方向と平行になるようにし、Ｘ線を搬送物１に所定の入射角度で照射する。また、Ｘ線回折装置１０−２はＸ線光軸を搬送物１の表面に投影すると搬送方向と垂直になるようにし、Ｘ線を搬送物１に所定の入射角度で照射する。そして、Ｘ線回折装置１０−３はＸ線光軸が搬送物１の表面に垂直になるようＸ線を照射する。

第３実施形態と同様、コンピュータ装置３０には、それぞれのＸ線回折装置１０−１，１０−２，１０−３を独立して制御する個別制御部３２−１，３２−２，３２−３と、それぞれの個別制御部３２−１，３２−２，３２−３を制御する統括制御部３３がある。第６実施形態においては、統括制御部３３はＸ線回折装置１０−１，１０−２，１０−３による搬送物１へのＸ線照射位置が等しくなるよう、個別制御部３２−１，３２−２，３２−３のそれぞれに作動を指令する。

それぞれのＸ線回折装置１０−１，１０−２，１０−３にて得られる回折環の形状から３軸残留応力を計算する方法は既存技術であり、特許５３３９２５３号公報に詳細に説明されている。

３軸残留応力を測定するためのＸ線回折装置の配置の仕方は図７以外にもある。図８は３軸残留応力を計算するためのＸ線回折装置の別の配置の仕方である。この場合は、Ｘ線光軸を搬送物１の表面に投影すると、搬送方向と搬送方向の直角方向に平行で、それぞれにおいて反対側の方向を有し、それぞれのＸ線の入射角度が所定の入射角度になるようＸ線回折装置１０−１，１０−２，１０−３，１０−４を配置する。この場合のそれぞれのＸ線回折装置１０−１，１０−２，１０−３，１０−４にて得られる回折環の形状から３軸残留応力を計算する方法も、特許５３３９２５３号公報に詳細に説明されている。

また、３軸残留応力を計算するためのＸ線回折装置の別の配置の仕方としては、搬送方向の垂直方向の残留垂直応力の精度を落としてもよい場合は、図７においてＸ線回折装置１０−１，１０−３のみにする配置の仕方もある。この場合のそれぞれのＸ線回折装置１０−１，１０−３にて得られる回折環の形状から３軸残留応力を計算する方法は、特許６０１１８４６号公報に詳細に説明されている。

さらに、３軸残留応力を計算するためのＸ線回折装置の別の配置の仕方としては、搬送方向の垂直方向の残留応力の精度を落としてもよい場合は、図８においてＸ線回折装置１０−１，１０−３のみにし、Ｘ線回折装置１０−３のＸ線光軸を搬送物１の表面に投影すると搬送方向と平行になるようにし、Ｘ線を搬送物１にＸ線回折装置１０−１と異なる入射角度で照射する配置の仕方もある。この場合のそれぞれのＸ線回折装置１０−１，１０−３にて得られる回折環の形状から３軸残留応力を計算する方法は、特許６０６０４７４ 号公報に詳細に説明されている。

また、上述した図７、図８及び図７の変形例におけるそれぞれのＸ線回折装置は、Ｘ線が異なる搬送物１に照射されるよう配置し、Ｘ線を照射するタイミングを調整して、Ｘ線の照射位置が等しくなるようにした。しかし、それぞれのＸ線回折装置を、Ｘ線が同一箇所に照射されるよう配置し、同時にＸ線を照射するようにしてもよい。この場合、Ｘ線回折装置１０を非常にコンパクトにしない限り、考えられるＸ線回折装置１０の配置の仕方は、図４に示すようにＸ線回折装置１０を長尺方向周りに傾けてＸ線が照射されるようにし、上方から見ると図９に示すようにＸ線回折装置を配置する仕方である。

このように構成された第６実施形態の搬送物の応力測定装置によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができ、搬送物１の３軸残留応力をリアルタイムで精度よく測定することができる。

なお、本発明の実施にあたっては、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上述した実施形態においては、残留応力の測定方法はいずれもｃｏｓα法によるものであった。しかし、ｓｉｎ^２Ψ法であっても、測定時間を短縮することができるならば、残留応力の測定方法として用いてもよい。

また、上述した実施形態においては、Ｘ線出射器１１からは連続してＸ線を出射し、シャッタ１５の開閉により短時間Ｘ線が搬送物１に照射されるようにした。しかし、短時間で回折Ｘ線の像が形成される強度のＸ線を短時間出射することができるならば、Ｘ線照射手段はどのようなものでもよい。例えば、チョッパ制御等により断続的にパルスＸ線を照射するようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、回折環を形成し該回折環の形状を検出する手段として、２次元撮像素子１２、及びイメージングプレート４６と該イメージングプレート４６にレーザ光を走査して走査位置と蛍光強度を検出する手段を用いた。しかし、回折環の形状を精度よく時間をかけずに検出できるならば、どのような手段を用いてもよい。例えば、２次元のマイクロギャップ方式の機器を用いてもよいし、微小開口のセンサ（シンチレーションカウンタ等）をテーブル４４の半径方向に複数設け、Ｘ線が照射される間にテーブル４４を１回転させて、半径位置と回転角度ごとにＸ線強度を検出するようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、コンピュータ装置３０がＸ線回折装置にＸ線を出射させるタイミングを定めるため、端検出センサ３で搬送物１の端を検出するようにした。しかし、搬送物１の設定した箇所にＸ線を照射することができるならば、どのような方法を用いてもよい。例えば、Ｘ線回折装置からＸ線の光軸と同じ光軸の可視の平行光を照射し、その反射光の受光強度が閾値を超えることで、搬送物１の端を検出するようにしてもよい。

本発明の第３実施形態の搬送物の応力測定装置により、搬送物１の平面残留応力測定を行った。Ｘ線回折装置としてはパルステック工業株式会社製のポータブル型Ｘ線残留応力測定装置「μ−Ｘ３６０」を用いた。これは本発明の第２実施形態に示されたＸ線回折装置４０に相当する装置である。測定対象の搬送物１として、冷間圧延工程により搬送されているＳＳ４００のＨ形鋼，断面寸法１００ｍｍ×２００ｍｍを用いた。Ｈ形鋼の圧延速度（搬送速度）は１ｃｍ／秒であり、Ｘ線回折装置４０をＨ形鋼の圧延方向に複数台を配置し、圧延方向を２０ｃｍの間隔で測定した。Ｘ線回折装置４０のＸ線出射器１１におけるＸ線源を空冷のＣｒ−Ｋα線源とし、管電圧を３０ｋＶ、管電流を１．５ｍＡとして、Ｘ線を照射した。Ｈ形鋼における測定点（Ｘ線の照射点）は圧延方向の中心線付近であり、Ｘ線の照射点の直径は１ｍｍ、Ｘ線の入射角は３５°でイメージングプレート４６に回折環を形成した。また、回折環におけるＸ線の回折角をα−Ｆｅ（２１１）の２θ_０＝１５６．４°とし、形成された回折環の形状に基づいて、コンピュータ装置３０の計算部３１により、ｃｏｓα法でＨ形鋼の平面残留応力を求めた。

Ｘ線出射器１１はまだ短時間で回折環が形成される強度のＸ線を出射するものではなかったため、１回でのＸ線の照射時間を１５秒とし、その間にＨ形鋼が移動する距離（Ｘ線照射点が移動する距離）１５ｃｍにおける平均の平面残留応力を求めた。また、求められる平面残留応力は、深さ約１０μｍまでの平均値である。Ｈ形鋼の圧延方向をｘ、それに垂直な方向をｙとしたとき、Ｈ形鋼の各点で求められた平面残留応力σｘ、σｙの範囲は、それぞれσｘ＝−３５〜−６９ＭＰａ、σｙ＝２８〜−６ＭＰａであった。

１ 搬送物
２ 搬送装置
３ 端検出センサ
１０ Ｘ線回折装置
１１ Ｘ線出射器
１２ ２次元撮像素子
１３ テーブル
１４ 円柱状パイプ
１５ シャッタ
１６ 固定具
２０ Ｘ線制御回路
２１ 開閉制御回路
２２ データ取出回路
３０ コンピュータ装置
３１ 計算部
３２ 制御部
３２−１，３２−２，３２−３ 個別制御部
３３ 統括制御部
４０ Ｘ線回折装置
４１ 移動機構
４２ モータ
４３ 移動制御回路
４４ テーブル
４６ イメージングプレート
４７ 光ヘッド
４８ 光ヘッド制御回路
５０ Ｘ線回折装置
５１−１，５１−２ 光ヘッド移動機構
５２−１，５２−２ 光ヘッド移動制御回路
６０ Ｘ線回折装置
６１ モータ
６２ プレート

Claims (7)

1. 一定の速度で搬送される１または複数の搬送物の残留応力を測定するための搬送物の応力測定装置であって、
   前記搬送物に対して所定強度のＸ線を間欠的に照射するＸ線照射手段と、
   前記Ｘ線照射手段からＸ線が照射されたとき、前記搬送物で発生する回折Ｘ線を撮像面にて受光し、前記撮像面に回折Ｘ線の像を形成するとともに回折Ｘ線の像の形状を検出する受光手段と、
   前記受光手段にて検出された回折Ｘ線の像の形状に基づいて、前記搬送物の残留応力を計算する残留応力取得手段とを有することを特徴とする搬送物の応力測定装置。
2. 前記Ｘ線照射手段及び前記受光手段は複数組設けられるとともに、それぞれの前記Ｘ線照射手段は異なる位置にＸ線が照射され、
   それぞれの前記Ｘ線照射手段を制御して、それぞれの前記Ｘ線照射手段から照射されるＸ線が、前記搬送物の搬送方向の異なる位置に照射されるようにする照射制御手段を有し、
   前記残留応力取得手段は、それぞれの前記受光手段で検出された回折Ｘ線の像の形状に基づいて、各Ｘ線が照射された位置での残留応力を求めるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の搬送物の応力測定装置。
3. 前記受光手段は、前記回折Ｘ線の像の形状として回折環の形状を検出するものであり、
   前記残留応力取得手段は、前記受光手段で検出された前記回折環の形状に基づいて、ｃｏｓα法により残留応力を計算するものであり、
   前記受光手段は、
   イメージングプレートと、
   前記イメージングプレートにレーザ光を走査し、前記走査の位置及び前記レーザ光の照射点から発生する蛍光の強度を同じタイミングで検出することで回折環の形状を検出する回折環検出手段と、
   前記イメージングプレートに形成された回折環を消去するための消去光を照射するとともに前記消去光を走査する回折環消去手段とから構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の搬送物の応力測定装置。
4. 前記イメージングプレートは２組あり、
   それぞれの組の前記イメージングプレートを、交互に回折Ｘ線が入射する位置まで移動させる移動手段と、
   一方の組の前記イメージングプレートに回折環が形成されている間、前記回折環検出手段及び前記回折環消去手段を制御して、別の組の前記イメージングプレートに形成された回折環の形状検出及び消去を行う測定制御手段とを有することを特徴とする請求項３に記載の搬送物の応力測定装置。
5. 前記イメージングプレートは３組あり、
   それぞれの組の前記イメージングプレートを、順に回折Ｘ線が入射する位置まで移動させる移動手段と、
   １つの組の前記イメージングプレートに回折環が形成されている間、前記回折環検出手段を制御して別の１つの組の前記イメージングプレートに形成された回折環の形状検出を行うとともに、前記回折環消去手段を制御して、別のもう１つの組の前記イメージングプレートに形成された回折環の消去を行う測定制御手段とを有することを特徴とする請求項３に記載の搬送物の応力測定装置。
6. 前記受光手段は、前記回折Ｘ線の像の形状として回折環の形状を検出するものであり、
   前記Ｘ線照射手段及び前記受光手段は複数組設けられるとともに、それぞれのＸ線照射手段から照射されるＸ線は、前記搬送物に対してそれぞれ異なった方向から照射され、
   それぞれの前記Ｘ線照射手段を制御して、それぞれの前記Ｘ線照射手段から照射されるＸ線が、前記搬送物の同一の位置に照射されるようにする照射制御手段を有し、
   前記残留応力取得手段は、それぞれの前記受光手段で検出された回折環の形状に基づいて、Ｘ線が照射された位置での３軸残留応力を求めるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の搬送物の応力測定装置。
7. 前記Ｘ線照射手段及び前記受光手段のそれぞれの組は、前記搬送物の搬送方向に沿って配置され、
   前記照射制御手段はそれぞれの前記Ｘ線照射手段から照射されるＸ線が、異なったタイミングで照射されるとともに、前記搬送物の同一の位置に照射されるようにすることを特徴とする請求項６に記載の搬送物の応力測定装置。

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