JP2022056837A - X線回折測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 X線をポリキャピラリにより測定点に集光するように照射し、X線照射点の面積を、通常のX線回折測定装置と同程度にした場合でも、X線回折測定装置の筐体を揺動させてX線回折測定をした場合と同じ効果を得ることができるX線回折測定装置を提供する。【解決手段】 X線を入射して出射する多数の細束管の集合体であるポリキャピラリ14において、多数の細束管は所定数ごとに群にされ、群ごとの細束管は、それぞれ略平行なX線を出射するとともに、略平行なX線は略1箇所で集光するようになっている。【選択図】図4

Description

本発明は、測定対象物にX線を照射し、測定対象物で発生する回折X線の強度を検出する、又は該回折X線による像を撮像するX線回折測定装置に関する。
従来から、測定対象物にX線を照射し、測定対象物で発生した回折X線の強度を所定の位置で検出する、又は該回折X線による像を撮像するX線回折測定装置は多くの種類の装置が存在する。それらの装置は、得られた回折X線の強度又は回折X線による像を用いて演算処理を行うことで、測定対象物の残留応力や表面硬さ等の特性値を測定することができる。そのような測定装置としては、例えば特許文献1に示されるように、測定対象物に所定の入射角でX線を照射して、測定対象物で発生した回折X線による像である回折環を撮像し、撮像された回折環の形状を検出してcosα法による分析を行い、測定対象物の残留応力等の特性値を測定するX線回折測定装置がある。特許文献1に示されている装置は、X線出射器、イメージングプレート等の撮像手段、レーザ検出装置等の読取手段、および移動機構と回転機構等のレーザ走査手段及びLED照射器等の回折環消去手段等を1つの筐体内に備えている。そして、測定対象物にX線を照射して発生する回折X線により、回折環をイメージングプレートに撮像する撮像工程、イメージングプレートにレーザ検出装置からのレーザ光を走査しながら照射することで回折環の形状を検出する読取工程、及び該回折環をLED光の照射により消去する消去工程を連続して行えるようになっている。
また、例えば特許文献2に示されるように、出射X線の光軸に垂直な平面内に複数のシンチレーションカウンターを出射X線の光軸からの距離を異ならせて配置し、出射X線を測定対象物に垂直に照射し、出射X線の光軸からの距離に対するそれぞれのシンチレーションカウンターが検出する回折X線の強度を、1つの半径方向における回折X線の強度の変化とみなして、該回折X線の強度の変化に基づく特性値を算出するX線回折測定装置がある。この特性値は、測定対象物の表面硬さにより変化するものであり、このX線回折測定装置を用いれば、1箇所における測定を極短時間で行うことができるので、X線回折測定装置に対して測定対象物を移動させれば、測定対象物の広い範囲で表面硬さに基づく特性値の分布を測定することができる。
X線回折測定の対象となる金属物体には様々なものがあるが、その中には結晶粒が大きいものがあり、そのような測定対象物においては回折面があらゆる方向に一様に存在せず、X線照射点から見て回折X線の強度が大きくなるべき方向においても、特定方向における回折X線の強度が小さい場合がある。そのような場合は、通常のX線回折測定では、精度のよいX線回折測定を行うことができないことが多い。例えば、特許文献1のX線回折測定装置においては撮像される回折環が不連続になったり、一部が不明瞭になったりする。また、特許文献2のX線回折測定装置においては、測定される特性値が測定対象物の表面硬さとは別の要因で変化する。この問題に対応するX線回折測定装置としては、例えば特許文献3に示されるX線回折測定装置のように、装置の筐体を揺動させる機構を設け、X線照射点を揺動の中心にして該筐体を揺動させながらX線照射を行うX線回折測定装置がある。このX線回折測定装置によれば、X線照射点から見て回折X線の強度が大きくなるべき方向において、ほとんどの方向における回折X線の強度が均一になり、精度のよいX線回折測定を行うことが可能になる。また、この効果は、特許文献3に示されるX線回折測定装置のように装置の筐体を揺動させる方向を複数の方向にし、それぞれのX線の入射方向の割合を均一になるようにすれば、より強くさせることができる。
しかし、このX線回折測定装置は、X線回折測定装置の筐体を揺動させる機構を設けると装置のコストがアップするという問題や、装置の重量がアップして運搬の負担が増大するという問題がある。また、特許文献2のように1箇所における測定を極短時間で行うX線回折測定装置においては適用できないという問題もある。この問題に対応するため、本願出願人は、特許文献4に示されているように、X線をポリキャピラリに入射させて測定点に向けて集光するように出射させる方法を適用したX線回折測定装置を考案した。この装置によれば、特許文献3に示されるX線回折測定装置のように、装置の筐体を複数の方向に揺動させてX線を照射したときと同様に、X線の入射方向を複数の方向にし、それぞれのX線の入射方向の割合を均一にさせることができるので、装置の筐体を揺動させた場合と同じ効果を得ることが期待できる。そして、このX線回折測定装置によれば、大がかりな機構を設ける必要はないので、装置のコストアップや重量アップを抑制することができる。また、このX線回折測定装置は、特許文献2のように1箇所における測定を極短時間で行うX線回折測定装置においても適用することができる。
特許第5835191号公報 特許第6676241号公報 特許第6195140号公報 特開2007-40992号公報
しかしながら、X線をポリキャピラリにより測定点に集光するように照射すると、回折X線が発生する結晶の数は少なくなり、X線回折測定の結果得られる残留応力等の特性値は微小領域での値になる。X線回折測定装置の筐体を揺動させて測定をした場合と同じ大きさの測定領域での特性値を得るには、X線が集光する点を測定点からずらすことが考えられるが、本願出願人は、そのようにして測定を行うと、装置を揺動させたときと同じ効果を得ることができないことを確認した。その原因は、図11に示すようにX線照射点を微小領域ごとに見たときのX線の光路の違いである。図11は、出射X線の光軸の垂直方向を拡大し、出射X線が集光する様子を誇張して示した図である。図11(a)に示すように、X線回折測定装置の筐体を揺動させながらX線を略平行光で照射したときのX線の入射方向は、X線照射点の微小領域ごとに見ても大きく変化する。これに対し、図11(b)に示すように、X線をポリキャピラリにより集光するように照射し、X線照射点の大きさを図11(a)と同程度にしたときのX線の入射方向は、X線照射点の微小領域ごとに見ると、ほとんど変化しない。このため、X線をポリキャピラリにより集光するように照射し、X線が集光する点を測定点からずらすことで測定領域を大きくした場合は、X線回折測定装置の筐体を揺動させた場合と同じ効果を得ることができないという問題がある。
本発明はこの問題を解消するためなされたもので、その目的は、測定対象物にX線を照射し、測定対象物で発生する回折X線の強度を検出する、又は当該回折X線による像を撮像するX線回折測定装置において、X線をポリキャピラリにより測定点に集光するように照射しても、X線回折測定装置の筐体を揺動させてX線回折測定をした場合と同じ大きさの測定領域で同じ効果を得ることができるX線回折測定装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、対象とする測定対象物に向けてX線を出射するX線出射手段と、X線出射手段から測定対象物に向けてX線が照射された際、測定対象物にて発生した回折X線を受光し、回折X線の強度を検出する、又は回折X線による像を撮像する受光手段とを備えたX線回折測定装置において、X線出射手段は、内部でX線を発生させて出射口よりX線を出射させるX線管と、X線管から出射したX線を入射口から入射し、通過させて出射口から出射する多数の細束管の集合体であるポリキャピラリとを備え、多数の細束管は所定数ごとに群にされ、群ごとの細束管は、それぞれ出射口から略平行なX線を出射するとともに、群ごとの細束管が出射する略平行なX線は、略1箇所で集光するようになっているようにしたことにある。
これによれば、X線照射点と断面径が略同一の平行なX線を複数の方向からX線照射点に入射させ、それぞれのX線の入射方向の割合を均一にすることができ、X線照射点の微小領域ごとにX線の入射方向を見ても、X線回折測定装置の筐体を複数の方向に揺動させながらX線を略平行光で照射したときと同様にすることができる。本願出願人は、実際にこのようにして測定対象物にX線を照射してX線回折測定を行った結果、X線回折測定装置の筐体を揺動させてX線回折測定をした場合と同じ効果を得ることができることを確認した。
また、本発明の他の特徴は、ポリキャピラリの入射口の近傍に、円形状の孔が複数形成されたプレートを備え、それぞれの円形状の孔の中心は、ポリキャピラリの群ごとの細束管の入射口における中心と略一致するようになっているようにしたことにある。
これによれば、ポリキャピラリの群ごとの細束管の断面にプレートの円形状の孔を投影して見たとき、群ごとの細束管の断面内にプレートの円形状の孔が収まるようになっていれば、群ごとの細束管からは断面が円形状の平行なX線を出射させることができる。すなわち、これによれば、それぞれのX線の入射方向において、断面が円形状の平行なX線にすることができ、X線回折測定装置の筐体を複数の方向に揺動させながらX線を略平行光で照射したときと、より同じ効果を得ることができる。
また、本発明の他の特徴は、ポリキャピラリの群ごとの細束管は、入射口において碁盤の目状に配置されているようにしたことにある。
これによれば、円形状の孔が複数形成されたプレートにおける円形状の孔を碁盤の目状にし、プレートを、ポリキャピラリに対して適切な位置と方向で設置することができるようにすれば、容易にそれぞれの円形状の孔の中心を、ポリキャピラリの群ごとの細束管の入射口における中心と略一致させることができる。
また、本発明を適用するX線回折測定装置を、受光手段が、回折X線を、X線出射手段から出射されるX線の光軸に対して垂直に交差する撮像面にて受光し、撮像面に回折X線の像である回折環を撮像する手段であるX線回折測定装置にすると、結晶粒が大きい場合でも撮像される回折環を明瞭にすることができ、残留応力等の特性値を精度よく測定することができる。
また、本発明を適用するX線回折測定装置を、受光手段が、回折X線の強度を検出する複数のX線検出センサであって、複数のX線検出センサは、X線出射手段から出射されるX線の光軸に対して垂直に交差する面において、X線の光軸上の点を中心点とした所定の円の円周位置付近に配置され、複数のX線検出センサの中心点からの距離は、それぞれ異なるようにされているX線回折測定装置にすると、X線回折測定装置に対して測定対象物を移動させれば、結晶粒が大きい場合でも測定対象物の表面硬さに基づく値の分布を精度よく測定することができる。
本発明の一実施形態に係るX線回折測定装置を含むX線回折測定システムを示す全体概略図である。 図1のX線回折測定装置の拡大図である。 図2のX線回折測定装置におけるX線出射機構部分を拡大して示す部分断面図である。 ポリキャピラリから出射されたX線が測定対象物に照射されるときのX線の光路を示した図である。 ポリキャピラリの入射口において、群ごとの細束管が碁盤の目状に配置されている様子を示した図である。 ポリキャピラリの入射口の前に配置されたプレートを、入射するX線の光軸方向から見た図である。 図3において、出射X線と同じ光軸となる可視のLED光を出射する部分を拡大して示す斜視図である。 本発明の別の実施形態に係るX線回折測定装置を含むX線回折測定システムを示す全体概略図である。 図8のX線回折測定装置の筐体の底面壁を外し、出射X線の光軸方向からX線回折測定装置を見た図である。 図8のX線回折測定装置におけるX線出射機構部分を拡大して示す部分断面図である。 (a)は、X線回折測定装置の筐体を揺動させたときの出射X線の光路を示した図であり、(b)は、ポリキャピラリで集光するようにX線を出射し、X線の照射点の大きさを(a)と同程度にしたときの出射X線の光路を示した図である。
(第1実施形態)
本発明の一実施形態に係るX線回折測定装置を含むX線回折測定システムの構成について図1乃至図7を用いて説明する。なお、このX線回折測定装置が先行技術文献の特許文献1に示されているX線回折測定装置と異なっている点で本願の発明に関わる点は、主に、X線出射機構のスピンドルモータ27の貫通孔に群ごとの細束管の集合体であるポリキャピラリ14を取り付けている点、およびX線管10から出射されるX線がポリキャピラリ14に入射される前に、円形状の孔が複数形成されたプレートを設けた点である。また、本実施形態は、本願出願人が特許文献1に示されるX線回折測定装置を小型化するために開発したX線回折測定装置をベースにしているため、本願の発明に直接関わらない点においても特許文献1に示されているX線回折測定装置と異なっている箇所がある。以下、特許文献1に示されているX線回折測定システムと機能及び構造が同じ箇所は、同じであることを述べて簡略的に説明するにとどめ、異なっている箇所は詳細に説明するようにする。
図1及び図2に示すように、このX線回折測定システムは、測定対象物OBを対象物セット装置60に載置し、X線回折測定装置1からX線を照射して撮像される回折環の形状から測定対象物OBの残留応力等を測定するものである。図1に示すように、X線回折測定システムは、X線回折測定装置1、対象物セット装置60、コンピュータ装置90及び高電圧電源95及びX線回折測定装置1の固定機構から構成される。図2に示すようにX線回折測定装置1の筐体50は傾斜状態で支持ロッド52に固定され、支持ロッド52は設置プレート53に固定されており、設置プレート53を作業台等に載置することで、X線回折測定装置1は位置と姿勢が固定される。このX線回折測定装置1の固定機構は特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じである。なお、以下、図1及び図2の紙面垂直方向をX軸方向、横方向をY軸方向、縦方向をZ軸方向として説明する。
図1及び図2に示すように、測定対象物OBは対象物セット装置60のステージ61に載置される。対象物セット装置60は、特許文献1に示されているX線回折測定システムのものと同じであり、X,Y,Z軸方向の移動とX,Y軸周りの傾斜角変更を行う機能を有し、ステージ61及びそこに載置された測定対象物OBの位置と姿勢を調整することができる。端的に説明すると、対象物セット装置60は、設置プレート62の上に高さ調整機構63、操作子63a及び第1プレート64からなるZ軸方向移動機能があり、その上に第2プレート65及び操作子65aからなるX軸周り傾斜角変更機能があり、その上に第3プレート66及び操作子66aからなるY軸周り傾斜角変更機能があり、その上に第4プレート67及び操作子67aからなるX軸方向移動機能があり、その上に第5プレート68、操作子68a及びステージ61からなるY軸方向移動機能がある。これにより、操作子63a,65a,66a,67a,68aを回転させることで、ステージ61及びそこに載置された測定対象物OBの位置と姿勢を変化させることができる。
図1及び図2に示すように、X線回折測定装置1は筐体50内に、X線管10、イメージングプレート15を取り付けるテーブル16、テーブル16を回転及び移動させるテーブル駆動機構20及び回折環を検出するレーザ検出装置30等を備えている。そして、X線回折測定装置1は筐体50内に、X線管10、テーブル駆動機構20及びレーザ検出装置30に接続され、それらの作動を制御したり、検出信号を入力したりするための各種回路も内蔵されており、図1において筐体50外に示された2点鎖線で囲われた各種回路は、筐体50内の2点鎖線内に納められている。そして、これらの各種回路はコンピュータ装置90に接続され、コンピュータ装置90のコントローラ91から入力する指令により作動する。コンピュータ装置90は入力装置92及び表示装置93を有し、入力装置92からの入力及びインスト-ルされているプログラムの作動により、上述した各種回路に指令を出力し、また該各種回路が出力したデータを入力してメモリに記憶する。また、図1に示すように、X線回折測定システムは高電圧電源95を備え、高電圧電源95はX線管10がX線を出射するための電圧及び電流をX線管10に出力する。これらの全体構成は、特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じである。
図2に示すように、X線回折測定装置1の筐体50は、底面壁50a、前面壁50b、後面壁50e、上面壁50f、側面壁(図示せず)、底面壁50aと前面壁50bの角部を紙面の表側から裏側に向けて切り欠くように設けた切欠き部壁50cと繋ぎ壁50d及び後面壁50eと上面壁50fの角部をなくすように設けた傾斜壁50gを有するように形成されている。切欠き部壁50cは底面壁50aに対し所定の角度を成す平板と底面壁50aにほぼ平行な平板とからなり、繋ぎ壁50dは側面壁と垂直であり前面壁50bと所定の角度を有している。この所定の角度は、例えば30~40度であり、X線回折測定装置1の筐体50は、繋ぎ壁50dが設置プレート53の上面及び下面と平行になるように支持ロッド52に固定されている。切欠き部壁50cには円形孔50c1があり、回折環撮像時にはこの円形孔50c1を通過してX線が出射され、測定対象物OBにて発生した回折X線はこの円形孔50c1を通過して撮像がされる。
コンピュータ装置90のコントローラ91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、入力装置92からの指令の入力により、大容量記憶装置に記憶されたプログラムを実行してX線回折測定装置1の作動を制御するとともに、入力したデジタルデータを用いて演算を行い、残留応力等の特性値の算出及び回折X線強度の分布図の作成等を行う。また、コントローラ91は、入力装置92から入力した測定条件やX線回折測定システムの作動状況、及び演算の結果得られた特性値や分布図を表示装置93に表示する。
図1及び図2に示すように、X線管10は筐体50内の上部にて図示左右方向に延設されて固定されている。この固定は、X線管10の側面が、後述するテーブル駆動機構20の板状プレート26に形成された円柱側面の一部の形状になっている溝に嵌合することで、位置決めがされたうえで行われている。そして、X線管10は、高電圧電源95からの高電圧の供給を受けると、その側面に形成された円状の出射口11からX線を図示下方向に出射する。図3に示すように、板状プレート26において出射口11と合わさる箇所には貫通孔26aが形成されており、出射口11から出射したX線は貫通孔26aを通過して下方向に進む。X線制御回路71は、コントローラ91から指令が入力すると、X線管10から一定強度のX線が出射するように、高電圧電源95からX線管10に供給される駆動電流及び駆動電圧を制御する。また、X線管10は、図示しない冷却装置を備えていて、X線制御回路71は、この冷却装置に供給される駆動信号も制御する。
図2に示すように、テーブル駆動機構20は、筐体50に固定され、X線管10の下方にて移動ステージ21を備えている。移動ステージ21の紙面反対側には凸部があり、この凸部はテーブル駆動機構20における板状プレート26に固定されたブロック28とブロック29に固定された板状のガイド25にある溝に嵌合している。これにより移動ステージ21は板状のガイド25にある溝の方向にのみ移動可能になっており、ブロック28に固定されたフィードモータ22、スクリューロッド23及びブロック29に固定された軸受部24が回転することにより移動する。この移動方向は、X線管10の中心軸方向であり、別の表現をすると出射X線の光軸に垂直で筺体50の側面壁に平行な方向である。フィードモータ22内には、エンコーダ22aが組み込まれており、エンコーダ22aはフィードモータ22が回転するとパルス列信号を、図1に示す位置検出回路72及びフィードモータ制御回路73へ出力する。
位置検出回路72及びフィードモータ制御回路73は、コントローラ91からの指令により作動し、位置検出回路72はエンコーダ22aからのパルス列信号をカウントすることで、移動限界位置を原点とした移動距離である移動位置をフィードモータ制御回路73とコントローラ91に出力する。また、フィードモータ制御回路73は、コントローラ91から入力した移動位置が位置検出回路72から入力する移動位置に等しくなるまで、フィードモータ22に駆動信号を出力する。さらに、フィードモータ制御回路73は、コントローラ91から移動方向と移動速度が入力すると、エンコーダ22aからのパルス列信号から計算される移動速度が入力した移動速度になるよう駆動信号の強度を制御する。位置検出回路72及びフィードモータ制御回路73のこれらの機能により、コントローラ91が指令を出力することで、移動ステージ21及び移動ステージ21と一体になっているスピンドルモータ27、テーブル16及びイメージングプレート15等は、回折環撮像位置、回折環読取位置及び回折環消去位置に移動し、コントローラ91が指定する移動方向に指定した移動速度で移動する。これらの機能は、特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じである。
コントローラ91の指令により移動ステージ21が回折環撮像位置になっていると、図3に示すように、X線管10の出射口11から出射され板状プレート26の貫通孔26aを通過したX線は、回転プレート45の方向に進む。後述するように、回転プレート45はモータ46の回転軸46aに接続されており、モータ46の回転により位置を変えるので、回転プレート45を貫通孔26aから出射したX線の進行方向にないようにすることができる。その状態であれば、貫通孔26aを通過したX線は移動ステージ21に形成された貫通孔21aに入射する。貫通孔21aに入射したX線は、移動ステージ21に固定されたスピンドルモータ27に形成された貫通孔27bの先端に固定されているプレート13の複数の貫通孔を通過する。スピンドルモータ27の出力軸27aには貫通孔27a1が形成されており、貫通孔27bは貫通孔27a1と中心軸が合ったうえでつながっており、貫通孔27a1はポリキャピラリ14を固定している。このため、プレート13の複数の貫通孔を通過したX線は、ポリキャピラリ14に入射する。ポリキャピラリ14は複数の細束管の束を一体にしたものであり、ポリキャピラリ14に入射したX線は、それぞれの細束管を進み、固定具18の貫通孔18aの先にあるポリキャピラリ14の出射口から出射する。スピンドルモータ27の出力軸27aは回転するため貫通孔27a1に固定されているポリキャピラリ14も回転するが、スピンドルモータ27の底面側に形成された貫通孔27bはポリキャピラリ14よりも大きくなっており、ポリキャピラリ14の回転に障害にならない。
テーブル16は円盤状であり、その中心軸に形成された貫通孔16aがスピンドルモータ27の出力軸27aの貫通孔27a1と位置が合うよう出力軸27aに固定されている。そして、テーブル16は、中心軸周りに下面中央部から下方へ突出した突出部17を有し、突出部17の外周面には、ねじ山が形成されている。テーブル16の下面に貫通孔15aを突出部17に嵌め込むようにイメージングプレート15を取り付け、突出部17の外周面上にナット状の固定具18をねじ込むことにより、イメージングプレート15はテーブル16に固定される。この構造は特許文献1に示されているX線回折測定装置と同じであるが、テーブル16の貫通孔16a、突出部17の貫通孔17a及び固定具18の貫通孔18aを貫くように貫通孔27a1にポリキャピラリ14が固定されている点が異なっている。上述したように、コントローラ91からX線制御回路71に指令が入力するとX線管10からX線が出射し、ポリキャピラリ14の先端からX線が測定対象物OBに照射されて照射点で回折X線が発生する。この回折X線が円形孔50c1を通過してイメージングプレート15に入射すると、回折X線の強度が大きい箇所に回折環が撮像される。この回折環撮像機能は特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じである。
ポリキャピラリ14は、多数の細束管の集合体であるが、通常のポリキャピラリとは異なり、いくつかの細束管が1つの群になり、それぞれの細束管の群は、ポリキャピラリ14の出射口から平行なX線を出射する。図4は、ポリキャピラリ14の細束管の群から出射された平行なX線が測定対象物OBに照射される様子を示した図であるが、図4に示すように、それぞれの細束管の群から出射された平行なX線は、測定対象物OBに集光するように照射される。このようにX線が照射されると、X線照射点の微小領域ごとにX線の入射方向を見ても、図11(a)の場合と同様に大きく変化する。また、図4は出射X線の光軸を含む平面で見たときの図であり、実際は複数の所定断面径の平行なX線が立体的に集光する。従って、このようにX線を照射してイメージングプレート15に回折環を撮像すると、X線回折測定装置1の筐体50を複数の方向に揺動させながらX線を略平行光で照射して回折環を撮像したときと、同様の効果を得ることができる。なお、図4においては、出射X線の光軸の垂直方向を拡大し、出射X線が集光する様子を誇張して示してある。
図5はポリキャピラリ14の入射口を、入射するX線の光軸方向に見た図であり、細束管の群ごとの境界線を示して、それぞれの細束管の群が分かるようにした図である。図5に示されるように、細束管の群は碁盤の目状になっている。また、図6は、ポリキャピラリ14にX線が入射する前にX線が通過するプレート13を入射するX線の光軸方向から見た図であり、図6に示されるように、プレート13に形成された複数の孔13aも碁盤の目状になっている。よって、ポリキャピラリ14のそれぞれの細束管の群ごとの中心と、プレート13に形成された複数の孔13aの中心とが一致するように、ポリキャピラリ14とプレート13を位置決めすれば、それぞれの細束管の群には断面が円形のX線が入射し、出射するX線も断面が円形になる。すなわち、複数の断面が円形の平行なX線が集光するように測定対象物OBに照射され、それぞれの断面径はX線照射点と同程度の径になる。これは、X線回折測定装置1の筐体50を複数の方向に揺動させながらX線を略平行光で照射した場合と同様であり、これにより、さらにX線回折測定装置1の筐体50を複数の方向に揺動させながらX線を略平行光で照射した場合と同様の効果を得ることができる。ポリキャピラリ14のそれぞれの細束管の群ごとの中心と、プレート13に形成された複数の孔13aの中心とを一致させる方法は後述する。
スピンドルモータ27内にはエンコーダ27cが組み込まれ、エンコーダ27cは、パルス列信号を、図1に示すスピンドルモータ制御回路74と回転角度検出回路75へ出力する。さらに、エンコーダ27cは、スピンドルモータ27が1回転するごとにインデックス信号を、回転角度検出回路75及びコントローラ91に出力する。スピンドルモータ制御回路74は、コントローラ91から回転速度を入力すると、エンコーダ27cから入力するパルス列信号から計算される回転速度が入力した回転速度になるように、駆動信号をスピンドルモータ27に出力する。また、回転角度検出回路75は、エンコーダ27cからインデックス信号を入力したタイミングで回転角度を0にし、その後に入力するパルス列信号のパルス数から回転角度を計算してコントローラ91に出力する。これにより、コントローラ91の指令でテーブル16は指定された回転速度で回転し、回転角度データがコントローラ91に入力する。これらの機能は、特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じである。なお、イメージングプレート15の回転角度0°の位置は、後述するレーザ検出装置30からのレーザ照射によりイメージングプレート15に形成された回折環を読み取る際、インデックス信号を入力した時点でレーザ光が照射されている位置であり、この位置はイメージングプレート15の各半径位置においてあるためラインである。そして、移動ステージ21の移動においてイメージングプレート15の中心軸は、出射X線の光軸とイメージングプレート15における回転角度0°のラインとが成す平面内に保たれた状態で、出射X線の光軸に垂直な方向に移動する。以下、出射X線の光軸とイメージングプレート15における回転角度0°のラインとが成す平面を基準平面という。
図1に示すように、レーザ検出装置30はレーザ検出制御回路77により制御され、回折環を撮像したイメージングプレート15にレーザ光を照射し、イメージングプレート15で発光した光の強度から、レーザ光照射位置における回折X線の強度を検出する。コントローラ91の指令で移動ステージ21が回折環読取位置になり、スピンドルモータ27とフィードモータ22が回転を開始したとき、レーザ検出制御回路77にはコントローラ91から指令が入力し、レーザ検出制御回路77はレーザ検出装置30に対し、レーザ光出射、出射レーザ光の強度制御、レーザ光照射点のイメージングプレート15への合焦制御、及びイメージングプレート15での発光強度のコントローラ91への出力といった制御を行う。レーザ検出装置30の構造は、先行技術文献の特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じであり、レーザ検出制御回路77の機能は、特許文献1と同じである。なお、特許文献1に示されているX線回折測定システムでは、レーザ検出制御回路77は、上述した制御ごとにいくつかの回路に分割されて示されている。コントローラ91は、レーザ検出制御回路77、スピンドルモータ制御回路74及びフィードモータ制御回路73に指令を出力した後、レーザ検出制御回路77から入力する発光強度のデータを、位置検出回路72と回転角度検出回路75が出力するデジタルデータと同じタイミングで取り込む。これにより、コントローラ91には撮像した回折環における回折X線の強度データが、移動距離データ及び回転角度データとともに蓄積される。これが回折環読取機能であり、この機能は特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じである。
また、図2に示すように、レーザ検出装置30にはLED光源43が設けられており、LED光源43は図1に示すLED駆動回路84によって制御されて、可視光を発してイメージングプレート15に撮像された回折環を消去する。回折環読取りがされた後、コントローラ91の指令により移動ステージ21が所定位置に戻り移動を再開したとき、LED駆動回路84にコントローラ91から指令が入力し、LED駆動回路84はLED光源43が所定の強度の可視光を出射する駆動信号を出力する。これが回折環消去機能であり、この機能も特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じである。
図3に示すように、移動ステージ21は、板状プレート26と対向する面にモータ46を取り付けており、モータ46は出力軸46aに回転プレート45を取り付けている。図7は、このモータ46と回転プレート45の拡大斜視図である。回転プレート45は、モータ46の回転により回転プレート45がストッパ47aに当たるまで回転すると、貫通孔26a、21aの中心軸と回転プレート45が交差する箇所が中心となるようにLED光源44を取り付けている。LED光源44は、図1に示すLED駆動回路85から駆動信号が入力すると可視のLED光を出射し、そのLED光は前述した出射X線の光路と同様ポリキャピラリ14に入射し、ポリキャピラリ14から出射して、測定対象物OBに集光するように照射される。これにより、出射X線の光軸及びX線の照射点をLED光の光軸および照射点として把握することができる。また、モータ46の回転により回転プレート45がストッパ47bに当たるまで回転すると、貫通孔26aと貫通孔21aの間には何もなくなり、前述したように貫通孔26aから出射されたX線は貫通孔21aに入射する。モータ46は図1に示すモータ制御回路86からの駆動信号により図7に示すD1方向及びD2方向に回転するようになっており、モータ制御回路86は、コントローラ91からの回転方向の指令が入力すると、モータ46のエンコーダ46bからのパルス列信号が入力しなくなるまで、入力した回転方向に回転するための駆動信号を出力する。また、LED駆動回路85は、コントローラ91からの指令が入力すると駆動信号をLED光源44に出力する。これにより、回転プレート45の回転位置及びLED光源44からのLED光照射は、コントローラ91により制御される。この出射X線の光軸と同じ光軸でLED光を照射する構造及び制御の方法は、特許文献1に示されるX線回折測定システムと同じである。
ここで、ポリキャピラリ14のそれぞれの細束管の群ごとの中心と、プレート13に形成された複数の孔13aの中心とを一致させる方法について説明する。コントローラ91からの指令によりモータ46を図7に示すD1方向に回転させ、LED光源44からLED光を出射すると、出射X線の光軸と同じ光軸でLED光が出射する。LED光が照射される位置がポリキャピラリ14の細束管の群ごとのLED光が集光する位置になっていれば、LED光の照射点は群ごとの平行なLED光の断面径に径が略等しい1つの点になるが、LED光が照射される位置がX線回折測定装置1から見てこの位置より後方にあるならば、それぞれの群の平行なLED光による複数の照射点が形成される。そして、それぞれの細束管の群ごとの中心と、プレート13に形成された複数の孔13aの中心とが一致しているならば、それぞれのLED光の照射点は円形になる。しかし、細束管の群ごとの中心と、プレート13に形成された複数の孔13aの中心とが一致していなければ、それぞれのLED光の照射点は円形にはならず、2つに分裂するような箇所も生じる。細束管の群ごとのLED光は完全な平行ではないので、LED光が照射される位置を、X線回折測定装置1から見てかなり後方にすれば、それぞれのLED光の照射点の形状を目視で確認することができる。よって、LED光の照射点の形状を確認しながらポリキャピラリ14の回転方向位置を調整することにより、ポリキャピラリ14のそれぞれの細束管の群ごとの中心と、プレート13に形成された複数の孔13aの中心とを一致させることができる。なお、この調整を行うときは、スピンドルモータ27の回転角度を0にする必要がある。それは、プレート13は固定されているのに対し、ポリキャピラリ14はスピンドルモータ27の回転により回転し、X線を照射してイメージングプレート15に回折環を撮像するときは、スピンドルモータ27の回転角度を0にするためである。
図2に示すように筐体50の切欠き部壁50cには結像レンズ48が設けられ、結像レンズ48により画像が形成される箇所には、撮像器49が設けられている。撮像器49は、CCD受光器又はCMOS受光器で構成され、各撮像素子ごとの受光強度に相当する強度の信号をセンサ信号取出回路88に出力する。結像レンズ48及び撮像器49は、イメージングプレート15に対して基準位置にある測定対象物OBにおけるLED光の照射点を中心とした領域の画像を撮像するデジタルカメラとして機能する。イメージングプレート15に対して基準位置とは、LED光の照射点からイメージングプレート15までの距離が、設定値となる位置である。この場合の結像レンズ48及び撮像器49による被写界深度は、前記照射点を中心とした前後の範囲で設定されている。センサ信号取出回路88は、撮像器49の各撮像素子ごとの信号強度データを、各撮像素子の位置(すなわち画素位置)が分かるデータと共に、又は各撮像素子の位置の順にコントローラ91に出力する。コントローラ91は入力した信号強度データを用いて、表示装置93に撮影画像を表示する。このカメラ機能は、特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じである。
コントローラ91は、入力装置92から位置及び姿勢調整の指令を入力すると、モータ制御回路86にモータ46をD1方向に回転させる指令を出し、LED駆動回路85にLED出射の指令を出力し、さらにセンサ信号取出回路88に作動開始の指令を出力する。これにより、出射X線と光軸が等しいLED光が測定対象物OBに照射され、測定対象物OBのLED光照射点付近の撮影画像データがコントローラ91に入力し、表示装置93には入力した撮影画像データから作成された撮影画像が表示される。作業者はこの撮影画像を見ながら、撮影画像上のLED光照射点とLED光の受光点が後述する基準位置になるよう、対象物セット装置60を用いてX線回折測定装置1に対する測定対象物OBの位置と姿勢の調整を行う。この調整方法は特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じである。
X線回折測定装置1に対する測定対象物OBの位置と姿勢の調整が終了すると、測定対象物OBにおけるLED光照射点(X線照射点と同)は意図した測定箇所になり、X線照射点からイメージングプレート15までの距離(以下、照射点―IP間距離という)は設定値になり、測定対象物OBに対するX線の入射角(本発明では出射X線は集光して入射するため、正確には出射X線の光軸が測定対象物OBのX線照射点における法線と成す角)は設定値になり、さらにX線照射点における法線は基準平面(出射X線の光軸と回転角度0のラインを含む平面)に含まれるようになる。このとき、ポリキャピラリ14から出射される群ごとの平行なX線が集光する点は、図4に示すよう測定対象物OB上の点になる。
結像レンズ48の光軸は、ポリキャピラリ14により出射X線が集光する点と交差している。結像レンズ48の光軸が撮像器49と交差する箇所は、照射点―IP間距離が設定値であるときLED光照射点が結像する位置であり、この位置が基準位置として撮像器49から出力される撮像信号から作成された画像上に画像データとは独立して、例えば十字マークで表示される。よって、撮影画像上のLED光照射点が基準位置に合うよう測定対象物OBの位置を調整することで、照射点―IP間距離を設定値にし、X線照射点を出射X線が集光する点にすることができる。また、結像レンズ48の光軸は基準平面に含まれ、出射X線の光軸と成す角度は、X線入射角の設定値の2倍の角度になっている。よって、照射点―IP間距離が設定値であり、出射X線の入射角が設定値であって、X線照射点の箇所の測定対象物OBの法線が基準平面に含まれていれば、結像レンズ48の光軸が撮像器49と交差する箇所は、照射されたLED光の反射光が結像レンズ48により集光して受光される点である。よって、撮影画像上のLED光照射点が基準位置に合うようにした後、撮影画像上のLED光の受光点も基準位置に合うよう測定対象物OBの姿勢を調整することで、測定対象物OBに対するX線の入射角は設定値になり、X線照射点における測定対象物OBの法線は基準平面に含まれるようになる。これらの説明は出射X線の集光を除き、特許文献1で詳細に説明されている。
上記のように構成したX線回折測定装置1を含むX線回折測定システムを用いて、測定対象物OBをX線回折測定する方法は、特許文献1に示されているX線回折測定システムと同じであり、特許文献1で詳細に説明されている。端的に説明すると、作業者は電源を投入してX線回折測定システムを作動させ、対象物セット装置60にセットし、入力装置92から位置及び姿勢調整の指令を入力してLED光を測定対象物OBに照射し、表示装置93の撮影画像を見ながら測定対象物OBの位置と姿勢を調整する。次に、入力装置92から測定条件を入力し、測定開始の指令を入力する。これにより、X線回折測定装置1は測定対象物OBにX線を照射してイメージングプレート15に回折環を撮像し、レーザ検出装置30からのレーザ照射により、撮像された回折環のそれぞれの箇所における回折X線強度を検出してコントローラ91にデータを出力し、撮像された回折環を消去する。そして、コントローラ91は入力したデータから残留応力等の特性値を計算して、計算結果、測定条件、及び回折環のそれぞれの箇所における回折X線強度に基づくマップ等を表示する。
上記説明からも理解できるように、上記実施形態においては、対象とする測定対象物OBに向けてX線を出射するX線出射機構と、X線出射機構から測定対象物OBに向けてX線が照射された際、測定対象物OBにて発生した回折X線を受光し、回折X線による像を撮像するイメージングプレート15とを備えたX線回折測定装置1において、X線出射機構は、内部でX線を発生させて出射口11よりX線を出射させるX線管10と、X線管10から出射したX線を入射口から入射し、通過させて出射口から出射する多数の細束管の集合体であるポリキャピラリ14とを備え、多数の細束管は所定数ごとに群にされ、群ごとの細束管は、それぞれ出射口から略平行なX線を出射するとともに、群ごとの細束管が出射する略平行なX線は、略1箇所で集光するようになっている。
これによれば、X線照射点と断面径が略同一の平行なX線を複数の方向からX線照射点に入射させ、それぞれのX線の入射方向の割合を均一にすることができ、X線照射点の微小領域ごとにX線の入射方向を見ても、X線回折測定装置1の筐体50を複数の方向に揺動させながらX線を略平行光で照射したときと同様にすることができる。本願出願人は、実際にこのようにして測定対象物OBにX線を照射してX線回折測定を行った結果、X線回折測定装置1の筐体を揺動させてX線回折測定をした場合と同じ効果を得ることができることを確認した。
また、上記実施形態においては、ポリキャピラリ14の入射口の近傍に、円形状の孔13aが複数形成されたプレート13を備え、それぞれの円形状の孔13aの中心は、ポリキャピラリ14の群ごとの細束管の入射口における中心と略一致するようになっている。
これによれば、ポリキャピラリ14の群ごとの細束管の断面にプレート13の円形状の孔13aを投影して見たとき、群ごとの細束管の断面内にプレート13の円形状の孔13aが収まるようになっていれば、群ごとの細束管からは断面が円形状の平行なX線を出射させることができる。すなわち、これによれば、それぞれのX線の入射方向において、断面が円形状の平行なX線にすることができ、X線回折測定装置1の筐体50を複数の方向に揺動させながらX線を略平行光で照射したときと、より同じ効果を得ることができる。
また、上記実施形態においては、ポリキャピラリ14の群ごとの細束管は、入射口において碁盤の目状に配置されているようにしてある。
これによれば、円形状の孔13aが複数形成されたプレート13における円形状の孔13aを碁盤の目状にし、プレート13を、ポリキャピラリ14に対して適切な位置と方向で設置することができるようにすれば、容易にそれぞれの円形状の孔13aの中心を、ポリキャピラリ14の群ごとの細束管の入射口における中心と略一致させることができる。
(第2実施形態)
上記実施形態においては、本発明を測定対象物OBにX線を照射して発生した回折X線により回折像を撮像するX線回折測定装置1に適用した。しかし、本発明は、測定対象物OBにX線を照射して発生した回折X線の強度を検出するX線回折測定装置にも適用することもできる。本発明の別の実施形態に係るX線回折測定装置を含むX線回折測定システムの構成について図8乃至図10を用いて説明する。なお、本実施形態によるX線回折測定システムは、特許文献2に示されているX線回折測定システムと機能及び構造が同じ箇所があるので、そのような箇所は同じであることを述べて簡略的に説明するにとどめる。また、第1実施形態と同じ装置、部品及び部材を使用している箇所は図に同じ番号を付し、第1実施形態と同じであることを述べるにとどめる。
図8に示すように、このX線回折測定システムは、X線回折測定装置2、アーム式移動装置、高電圧電源95、コンピュータ装置90、端検出センサ140及びベルトコンベアのように一定速度で移動する長尺状のステージStを有する移動機構から構成される。ステージStが移動すると、載置された測定対象物OBは移動して次々にX線回折測定装置2の直下に来て、X線回折測定装置2は測定対象物OBの先端から後端までX線を連続的に照射して回折X線の強度を複数の箇所で検出する。そして、検出した回折X線の強度に基づく特性値を算出して測定対象物OBの異常箇所を検出する検査を行う。この構成は特許文献2に示されているX線回折測定システムと同じである。なお、本実施形態では測定対象物OBは鉄製の平板とする。また、図8に示すようにステージStの移動方向をY方向とし、ステージStの平面の垂直方向をZ方向とし、Y方向とZ方向に垂直な方向をX方向とする。
図8に示すようにX線回折測定装置2は、筐体100内にX線を出射するX線管10、X線管10から出射されたX線を入射し、第1実施形態と同様に群ごとの平行なX線を集光するように出射するX線出射機構、可視のLED光を出射X線と同じ光軸で出射するLED光出射機構、測定対象物OBのX線照射点で発生する回折X線の強度を検出する複数のシンチレーションカウンター131、及びX線出射機構とシンチレーションカウンター131を取り付けた直方体状プレート130を収容している。また、筐体100内には、X線管10、シンチレーションカウンター131等に接続されて作動制御したり、検出信号を入力したりするための各種回路も内蔵されており、図8において筐体100外で2点鎖線で囲まれた各種回路は、筐体100内の2点鎖線内に納められている。なお、図8においては、回路基板、電線、固定具及び空冷ファン等は省略されている。また、筐体100の外壁の一部には、微小断面の可視のレーザ光を平行光で出射するレーザ出射器120が取り付けられている。
図9は、X線回折測定装置2の筐体100の底面壁100aと斜面壁100eを外し、出射X線の光軸方向からX線回折測定装置2を見た図である。図8及び図9に示すように、筐体100は略直方体状に形成され、底面壁100a、前面壁100b、後面壁100c、上面壁100d、斜面壁100e及び側面壁100fを有する。底面壁100aにはX線出射機構である固定ブロック132とポリキャピラリ14を、先端から所定の長さだけ筐体100の外に出すための円形状の孔100a1が形成されている。ポリキャピラリ14から出射するX線の光軸は、底面壁100a及び上面壁100dに略垂直であり、前面壁100b、後面壁100c及び側面壁100fに略平行である。また、側面壁100fの1つは回転部103を回転可能にしている回転台105に連結され、回転部103にはアーム式移動装置の先端アーム104が連結されている。回転部103は手動で回転台105に対して任意の回転角度にして固定することができるものであり、アーム式移動装置は複数のアームが関節で連結されていて先端の位置と姿勢を任意の状態で固定することができるものである。これにより、筐体100(X線回折測定装置2)は、ステージSt及び測定対象物OBに対する位置と姿勢を調整することができる。
X線管10は第1実施形態と同じものであり、筐体100内の上部にて中心軸が底面壁100a、上面壁100d及び側面壁100fに平行になるよう筐体100に固定されている。X線管10に高電圧電源95から電力が供給され、コントローラ91及びX線制御回路71により制御されてX線を出射する機能は、第1実施形態と同じであり、X線管10がX線制御回路71の制御により冷却される機能も第1実施形態と同じである。
図10は、X線回折測定装置2におけるX線出射機構、LED光出射機構及びシンチレーションカウンター131の部分を拡大して示す部分断面図である。LED光出射機構が第1実施形態のものと異なっている点は、LED光源126が回転プレート45から離れた位置に配置され、LED光源44があった位置に、貫通孔45aとフォトディテクタ127とハーフミラー125が中心軸が合うよう設けられている点であり、それ以外は同じである。よって、モータ46の回転により回転プレート45がD2方向に限界位置まで回転した状態であると、X線管10から出射されたX線は、固定ブロック132に形成された貫通孔132aに入射する。貫通孔132aの先には貫通孔132aよりやや小さな孔径の貫通孔132bがあり、この貫通孔132bにポリキャピラリ14が固定されている。また、貫通孔132aには、径がこれよりも僅かに小さいプレート13が入れられ、貫通孔132aと貫通孔132bの境にある段差の箇所で固定されている。よって、貫通孔132aに入射したX線は、プレート13の貫通孔13aを通過してポリキャピラリ14に入射し、ポリキャピラリ14の先端から出射する。プレート13及びポリキャピラリ14は第1実施形態と同じものであり、群ごとの平行なX線が略1点に集光するように出射する。
図10に示すように、固定ブロック132及びポリキャピラリ14は、直方体状プレート130の中心に、中心軸が直方体状プレート130の平面に略垂直になるよう固定されている。そして、直方体状プレート130の平面は筐体100の上面壁100d及び底面壁100aに平行に取り付けられているので、ポリキャピラリ14から出射し集光するX線は、その光軸が上面壁100d及び底面壁100aに垂直な状態で出射する。
図8乃至図10に示すように、直方体状プレート130は、固定ブロック132及びポリキャピラリ14の中心軸が直方体状プレート130の平面と交差する箇所(直方体状プレート130の中心と略同一)を中心にした所定の径の円周付近に、4つのシンチレーションカウンター131-1~131-4を、中心軸が直方体状プレート130の平面と垂直になるよう取り付けている。4つのシンチレーションカウンター131-1~131-4のX線入射面は直方体状プレート130の平面に平行な1つの平面内に含まれるようになっており、以後、この平面をX線検出平面という。図9に二点鎖線で示される円は、測定対象物OBのX線照射点からX線検出平面までの距離(以後、照射点-検出平面間距離という)が設定値であるとき、X線検出平面に形成される回折環の半径方向のX線強度がピークになる位置である。なお、図8及び図10においては、分かりやすくするため、4つのシンチレーションカウンター131-1~131-4が重ならないように描いているが、シンチレーションカウンター131-1~131-4の位置は図9に示すものが正式なものである。上述したように、群ごとの平行なX線は略1点で集光するが、この集光点からX線検出平面までの距離は、照射点-検出平面間距離の設定値であり、照射点-検出平面間距離が設定値になるよう、X線回折測定装置2(筐体100)の位置を調整すれば、X線照射点がX線の集光点になる。
シンチレーションカウンター131-1~131-4は、特許文献2に示されるシンチレーションカウンターと同じものであり、入射したX線の強度に相当する強度の信号を出力する。また、SD信号取出回路111~114も特許文献2に示されるものと同じであり、シンチレーションカウンター131-1~131-4が出力する電気信号の強度のデジタルデータを一定間隔でコントローラ91に対して出力する。よって、コントローラ91からSD信号取出回路111~114に測定開始の指令が出力すれば、コントローラ91には、4つのX線の強度データが一定間隔で入力され、メモリに記憶される。図9から分かるように、4つのシンチレーションカウンター131-1~131-4のX線入射面は、固定ブロック132及びポリキャピラリ14の中心軸(直方体状プレート130の中心軸)からの距離が異なっている。X線検出平面に形成される回折環の半径方向において、X線強度が所定以上になる範囲は広く存在するため、図9に示した二点鎖線の円の内側と外側に回折X線の強度が所定以上になる範囲が広範囲で存在している。よって、二点鎖線の円がX線入射面にかからないシンチレーションカウンター131-1,131-3も回折X線の強度を所定以上の強度で検出する。
上述したように、X線回折測定装置2の筐体100は、位置と姿勢を任意にして固定することができるので、後述する位置と姿勢の調整を行うことで、照射点-検出平面間距離を設定値にし、測定対象物OBの表面に対する出射X線の光軸を垂直にすることができる。測定対象物OBの表面に対する出射X線の光軸を垂直にすると、回折環の半径方向における回折X線の強度分布は、回折環の円周位置(回転角度)によらず略一定になる。よって、シンチレーションカウンター131-1~131-4の出射X線の光軸(固定ブロック132及びポリキャピラリ14の中心軸)からの距離(半径値)と、シンチレーションカウンター131-1~131-4が検出した回折X線の強度との関係は、回折環の1つの円周位置における半径方向での関係と略同一とみなすことができる。すなわち、該半径値と回折X線の強度との関係は、シンチレーションカウンター131-1~131-4を、回折環の1つの円周位置において半径方向に重ねて並べた場合と略同一の関係である。
回折環の半径方向における回折X線の強度分布の広がりは、測定対象物OBの表面硬さにより変化するため、シンチレーションカウンター131-1~131-4が検出した回折X線の強度から計算される特性値も測定対象物OBの表面硬さにより変化する。シンチレーションカウンター131-1~131-4が検出する回折X線の強度を、X線入射面が配置された箇所の半径値の大きい順にA,D,B,Cとし、{(D-A)+(B-C)}で計算される値を特性値にすると、該特性値は出射X線の強度が一定になるようにすれば、測定対象物OBの表面硬さと1:1の関係になる。よって、測定対象物OBをX線回折測定装置2と相対的に移動させ、移動位置ごとに該特性値を検出することで測定対象物OBの検査を行うことができる。入力装置92から検査開始の指令を入力すると、コントローラ91は、各種回路に作動開始の指令を出力し、後述する測定対象物OBの先端検出からの時間と予め記憶されているステージStの移動速度により測定対象物OBの位置を計算すると共に、入力した回折X線の強度を用いて該特性値を計算し、計算した特性値を予め設定されている許容値と比較することで、測定対象物OBの異常箇所を検出する。また、検出した特性値の大きさから検出した異常の程度を判定する。コントローラ91の、この作動システム、特性値の算出方法及び検査方法は、特許文献2に示されるX線回折測定システムと同じである。なお、測定対象物OBの表面硬さが小さい方を異常とするか、大きい方を異常とするかは測定対象物OBにより異なる。すなわち、{(D-A)+(B-C)}で計算される特性値が許容値より大きい方を異常とするか、許容値より小さい方を異常とするかは測定対象物OBにより異なる。
コントローラ91が、シンチレーションカウンター131-1~131-4が検出する回折X線の強度を用いて、測定対象物OBの検査を行うことができるためには、照射点-検出平面間距離が設定値にされ、測定対象物OBに対する出射X線の光軸が垂直にされている必要がある。言い換えると、図9に示すように、X線検出平面に形成される回折環(半径方向におけるX線強度分布曲線のピークとなる箇所の円)が、シンチレーションカウンター131-2とシンチレーションカウンター131-4の中間位置にあり、該X線強度分布曲線が回折環のいずれの円周位置においても同等である必要がある。筐体100内にあるLED光出射機構と筐体100の斜面壁100eにあるレーザ出射器120は、この条件を満たすよう、X線回折測定装置2の筐体100の位置と姿勢を調整するために設けられたものである。
図10に示すように、LED光出射機構は、LED光源126、回転プレート45に取り付けられたハーフミラー125及び回転プレート45のハーフミラー125の反対側の面に取り付けられたフォトディテクタ127から構成される。ハーフミラー125とフォトディテクタ127の回転プレート45への取り付け位置は、その中心軸が回転プレート45がD1方向の回転限界位置(ストッパ47aに回転プレート45が当たる位置)にあるときに、X線管10から出射するX線の光軸と一致する位置である。また、ハーフミラー125とフォトディテクタ127の間の回転プレート45には、それらの中心軸(X線管10から出射するX線の光軸)と合うよう、貫通孔132aと同程度の径の貫通孔45aがある。ハーフミラー125は回転プレート45の平面に水平に入射したLED光の略半分を反射して回転プレート45に垂直な光にするようになっているので、LED光源126が出射した可視のLED光の内、回転プレート45の平面に略平行な光路の光は、反射するとポリキャピラリ14に入射し、X線と同じ光路で出射する。LED光がポリキャピラリ14に入射してから出射するまでの構造は第1実施形態と同じである。なお、図10では、わかりやすくするためLED光源126を固定する部材は除いているが、LED光源126は直方体状プレート130に固定されており、図8に示すようにLED駆動回路115から駆動信号が入力すると可視のLED光を出射する。LED駆動回路115は、入力装置92から位置、姿勢調整の指令を入力すると、コントローラ91から作動開始の指令が入力し、LED光源126がLED光を出射するための駆動信号を出力する。
図8に示すように、レーザ出射器120は、円筒状の枠体121にレーザ光源123を固定し、円筒状の枠体121の先端近傍にコリメーティングレンズ122を固定したものであり、レーザ光源123から出射されたレーザ光は、コリメーティングレンズ122で平行光になって出射される。レーザ光源123はレーザ駆動回路118から駆動信号が入力することでレーザ光を出射し、レーザ駆動回路118は、入力装置92から位置、姿勢調整の指令を入力すると、コントローラ91から作動開始の指令が入力し、レーザ光源123がレーザ光を出射するための駆動信号を出力する。レーザ出射器120は固定ブロック101内に固定され、固定ブロック101は筐体100の斜面壁100eに固定されることで、レーザ出射器120は筐体100と一体になっている。この固定位置は、レーザ出射器120から出射されるレーザ光の光軸が、出射X線(LED光)が集光する点を通る位置である。
上述したように、入力装置92から位置、姿勢調整の指令を入力すると、LED光源126からLED光が出射され、レーザ光源123からレーザ光を出射され、測定対象物OBには、ポリキャピラリ14で集光したLED光の照射点と平行光であるレーザ光の照射点が形成される。そして、LED光(X線)が集光する点をレーザ光の光軸が通っているので、2つの照射点が一致するようにX線回折測定装置2(筐体100)の位置を調整すれば、測定対象物OBの表面でX線を集光させることができる。そして、上述したように、このときの照射点-検出平面間距離は設定値になる。
上述したように、回転プレート45のハーフミラー125が取り付けられた面の反対側の面であって、ハーフミラー125が取り付けられた箇所にはフォトディテクタ127が取り付けられており、回転プレート45のハーフミラー125とフォトディテクタ127に挟まれた箇所には、貫通孔45aが形成されている。測定対象物OBに照射され反射したLED光は、ポリキャピラリ14の出射口から入射してポリキャピラリ14を反対方向に進み、出射するLED光と同じ光路で反対方向からハーフミラー125に入射する。そして、半分の光が透過して貫通孔45aを通過し、フォトディテクタ127で受光される。ポリキャピラリ14を反対方向にLED光が進む場合は、測定対象物OBで発生するLED光の反射光の光路が入射したLED光と同じ場合であり、これは、出射X線の光軸が測定対象物OBに対して垂直になっている場合である。また、LED光は集光するので、照射点-検出平面間距離が設定値であるとき(測定対象物OBの表面にLED光が集光するとき)、出射X線の光軸が測定対象物OBに対して垂直であると、フォトディテクタ127で受光される光の強度は最大になる。よって、2つの照射点が一致するようにX線回折測定装置2(筐体100)の位置を調整したうえで、フォトディテクタ127で受光される光の強度が最大になるようX線回折測定装置2(筐体100)の姿勢を調整すれば、照射点-検出平面間距離は設定値になり、測定対象物OBに対する出射X線の光軸は垂直になる。
フォトディテクタ127は、受光した光の強度に相当する強度の信号を光強度検出回路119に出力し、光強度検出回路119は、入力装置92から位置、姿勢調整の指令を入力すると、コントローラ91から作動開始の指令が入力し、入力する信号を増幅してその強度をAD変換器でデジタルデータにし、コントローラ91に出力する。コントローラ91は入力したデジタルデータを受光強度の値にして表示装置93にて表示するので、作業者は表示装置93に表示される受光強度を見ながらX線回折測定装置2(筐体100)の姿勢を調整することができる。
ステージStの側面の近傍には、測定対象物OBの先端および後端が出射X線が照射される位置になったことを検出するための端検出センサ140が取り付けられている。端検出センサ140はステージStの反対側の側面近傍にあるレーザ光を受光すると信号を端検出回路141に出力し、端検出回路141は、コントローラ91から作動指令が入力した後、入力する信号の強度が所定強度から0になると、「先端検出」を意味する信号をコントローラ91に出力し、0から所定強度になると「後端検出」を意味する信号をコントローラ91に出力する。ステージStにより移動する測定対象物OBの先端および後端を検出するこの機能は、特許文献2のX線回折測定システムと同じである。
コンピュータ装置90は、第1実施形態に示すものと同じであり、コントローラ91は大容量記憶装置に記憶されたプログラムを実行してX線回折測定装置2の作動を制御するとともに、入力したデジタルデータを用いて演算を行い、硬さに相当する特性値の算出、合否判定及び異常程度の評価結果の表示等を行う。上記のように構成したX線回折測定システムを作動させるときは、まず、作業者はシステムの電源を投入し、X線回折測定装置2の直下に測定対象物OBが来る状態にして、入力装置92から位置、姿勢調整の指令を入力し、上述したようにX線回折測定装置2の位置と姿勢を調整する。次に作業者は、ステージStを移動させる装置を作動させ、入力装置92から検査開始を入力する。これにより、ステージStにより移動する測定対象物OBが次々に検査されて、検査結果が表示装置93に表示される。これらの機能も特許文献2のX線回折測定システムと同じである。
上記説明からも理解できるように、上記実施形態においても第1実施形態と同様、X線照射点と断面径が略同一の平行なX線を複数の方向からX線照射点に入射させ、それぞれのX線の入射方向の割合を均一にすることができ、X線回折測定装置2の筐体100を複数の方向に揺動させてX線回折測定をした場合と同じ効果を得ることができる。また、第2実施形態にようにX線回折測定装置2に対して測定対象物OBを移動させる場合でも、すなわちX線照射点ごとのX線照射時間が極短時間である場合でも、この効果を得ることができる。
さらに、本発明の実施にあたっては、上記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。
上記第1実施形態のX線回折測定装置1は、測定対象物OBで発生した回折X線により、イメージングプレート15に回折環を撮像し、レーザ検出装置30からレーザ光照射しながら走査して照射位置と光の強度を検出することで回折環を読取る装置にした。しかし、回折環を撮像できるならば、X線回折測定装置1はどのような装置であってもよい。例えば、イメージングプレート15と同じ広さの平面を有するX線固体撮像素子を備え、X線固体撮像素子の各画素が出力する電気信号により回折X線の強度分布を検出する装置でもよい。また、微小サイズのX線検出センサを位置を検出しながら走査し、X線検出センサが出力する電気信号とX線検出センサの走査位置から、回折X線の強度分布を検出する装置でもよい。また、X線回折測定装置1はイメージングプレート15に回折環を撮像するのみの装置にし、回折環が撮像されたイメージングプレート15を取り外して別の装置で読み取るようにしてもよい。なお、請求項における、回折X線による像を撮像する、なる記載、及び、回折環を撮像する、なる記載は、微小領域ごとの回折X線強度を電気信号で検出する場合も含むものとする。
また、上記第2実施形態のX線回折測定装置2は、測定対象物OBで発生した回折X線の強度を、出射X線の光軸からの距離が異なる4つの点でシンチレーションカウンター131-1~131-4により検出する装置にした。しかし、回折X線の強度を検出するならば、検出する点は何点であってもよく、シンチレーションカウンター以外の検出手段を用いてもよい。また、回折X線の強度が大きくなる領域に広範囲にスリットを設け、スリットから入射したX線の強度を電離箱等で一括で検出するというように、広い領域での回折X線の強度を検出する装置であってもよい。
また、上記第1実施形態又は第2実施形態の変更でなくとも、測定対象物OBにX線を照射し、発生した回折X線の強度を検出する、又は発生した回折X線による像を撮像するX線回折測定装置であれば、どのようなX線回折測定装置であっても、本発明は適用することができる。例えば、sinψ法のX線回折測定装置のように、X線入射角を変化させるごとに回折X線の強度を1点のみで検出または回折X線による像を1点のみで撮像するX線回折測定装置であっても、本発明は適用することができる。
また、上記第1実施形態及び第2実施形態においては、ポリキャピラリ14の群ごとの細束管は、入射口において碁盤の目状に配置されているようにし、プレート13のそれぞれの孔13aの中心は、ポリキャピラリ14の群ごとの細束管の入射口における中心と略一致するようにした。しかし、孔13aの孔の中心と群ごとの細束管の入射口における中心とが一致するようにできるならば、群ごとの細束管の入射口における配置のし方は別のものであってもよい。例えば、近傍の細束管の入射口における中心を結ぶ線が正三角形を形成するように配置してもよい。
また、上記第1実施形態及び第2実施形態においては、円形状の貫通孔13aが形成されたプレート13をポリキャピラリ14の入射口の前に配置し、ポリキャピラリ14の群ごとの細束管が出射するX線の断面が円形になるようにした。しかし、群ごとの細束管が出射するX線の断面が円形になるならば、プレート13を設けず、別の方法を用いてもよい。例えば、群ごとの細束管を径の大きなチューブに入れ、それぞれのチューブが出射するX線が1点で集光するようにし、チューブ間の隙間を軟体状の固形物で埋めるようにしてもよい。
また、上記第1実施形態及び第2実施形態においては、ポリキャピラリ14の群ごとの細束管が出射するX線の断面が円形になるようにしたが、X線回折測定システムが高い測定精度を有する必要がなければ、ポリキャピラリ14の群ごとの細束管が出射するX線の断面が同程度の面積であるようにすれば、断面形状は円形からずれていてもよい。
1,2…X線回折測定装置、10…X線管、11…出射口、13…プレート、13a…孔、14…ポリキャピラリ、15…イメージングプレート、15a,16a,17a,18a,21a,27a1,27b…貫通孔、16…テーブル、17…突出部、18…固定具、20…テーブル駆動機構、21…移動ステージ、22…フィードモータ、23…スクリューロッド、24…軸受部、25…ガイド、26…板状プレート、27…スピンドルモータ、28,29…ブロック、30…レーザ検出装置、43,44…LED光源、45…回転プレート、46…モータ、47a,47b…ストッパ、48…結像レンズ、49…撮像器、50…筐体、50a…底面壁、50c…切欠き部壁、50c1…円形孔、50d…繋ぎ壁、52…支持ロッド、53…設置プレート、60…対象物セット装置、90…コンピュータ装置、91…コントローラ、92…入力装置、93…表示装置、95…高電圧電源、100…筐体、101…固定ブロック、103…回転部、104…先端アーム、105…回転台、120…レーザ出射器、121…枠体、122…コリメーティングレンズ、123…レーザ光源、125…ハーフミラー、126…LED光源、127…フォトディテクタ、130…直方体状プレート、131,131-1~131-4…シンチレーションカウンター、132…固定ブロック、132a,132b…貫通孔、140…端検出センサ、OB…測定対象物、St…ステージ

Claims (5)

  1. 対象とする測定対象物に向けてX線を出射するX線出射手段と、
    前記X線出射手段から前記測定対象物に向けてX線が照射された際、前記測定対象物にて発生した回折X線を受光し、前記回折X線の強度を検出する、又は前記回折X線による像を撮像する受光手段とを備えたX線回折測定装置において、
    前記X線出射手段は、内部でX線を発生させて出射口よりX線を出射させるX線管と、
    前記X線管から出射したX線を入射口から入射し、通過させて出射口から出射する多数の細束管の集合体であるポリキャピラリとを備え、
    前記多数の細束管は所定数ごとに群にされ、前記群ごとの細束管は、それぞれ前記出射口から略平行なX線を出射するとともに、前記群ごとの細束管が出射する略平行なX線は、略1箇所で集光するようになっていることを特徴とするX線回折測定装置。
  2. 請求項1に記載のX線回折測定装置において、
    前記ポリキャピラリの入射口の近傍に、円形状の孔が複数形成されたプレートを備え、
    前記それぞれの円形状の孔の中心は、前記ポリキャピラリの群ごとの細束管の前記入射口における中心と略一致するようになっていることを特徴とするX線回折測定装置。
  3. 請求項2に記載のX線回折測定装置において、
    前記ポリキャピラリの群ごとの細束管は、前記入射口において碁盤の目状に配置されていることを特徴とするX線回折測定装置。
  4. 請求項1乃至請求項3に記載のX線回折測定装置において、
    前記受光手段は、前記回折X線を、前記X線出射手段から出射されるX線の光軸に対して垂直に交差する撮像面にて受光し、前記撮像面に前記回折X線の像である回折環を撮像する手段であることを特徴とするX線回折測定装置。
  5. 請求項1乃至請求項3に記載のX線回折測定装置において、
    前記受光手段は、前記回折X線の強度を検出する複数のX線検出センサであって、
    前記複数のX線検出センサは、前記X線出射手段から出射されるX線の光軸に対して垂直に交差する面において、前記X線の光軸上の点を中心点とした所定の円の円周位置付近に配置され、前記複数のX線検出センサの前記中心点からの距離は、それぞれ異なるようにされていることを特徴とするX線回折測定装置。
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