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4を用いて説明する。このX線回折測定システムは、X線回折測定装置を測定対象物OBの近傍に設置し、測定対象物OBに対して位置と姿勢を調整したうえで、X線を測定対象物OBに照射して測定対象物OBのX線照射点から発生する回折X線により形成される回折環における回折X線の強度に相当する強度の分布を検出する。そして、検出した強度分布を用いた演算により回折環の形状及び測定対象物OBに対するX線の入射角度等を求め、求めた値および既知の値を用いて、測定対象物OBの残留応力を求める。なお、本実施形態では、測定対象物OBは鉄製の部材である。
X線回折測定装置は、X線を出射するX線出射器10、回折X線による回折環が形成されるイメージングプレート15を取り付けるためのテーブル16と、テーブル16を回転及び移動させるテーブル駆動機構20と、イメージングプレート15に形成された回折環の形状を測定するためのレーザ検出装置30と、これらのX線出射器10、イメージングプレート15、テーブル16、テーブル駆動機構20及びレーザ検出装置30を収容する筐体50とを備えている。そして、X線回折測定システムは、前記X線回折測定装置とともに、測定対象物OBがセットされる対象物セット装置60、コンピュータ装置90及び高電圧電源95を備えている。また、筐体50内には、X線出射器10、テーブル16、テーブル駆動機構20及びレーザ検出装置30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1において筐体50外に示された2点鎖線で示された各種回路は、筐体50内の2点鎖線内に納められている。なお、図1及び図2においては、回路基板、電線、固定具、空冷ファンなどは省略されている。
筐体50は、略直方体状に形成されるとともに、底面壁50a、前面壁50b、後面壁50e、上面壁50f、側面壁(図示せず)、及び底面壁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に垂直な平板と平行な平板とからなり、繋ぎ壁50dは側面壁と垂直であり底面壁50aと所定の角度を有している。この所定の角度は、例えば30〜45度である。側面壁の1つには、支持アーム51に接続される接続部(図示せず)が設けられており、接続部は図1及び図2の紙面の垂直周りに回転可能になっている。支持アーム51は、図示されていないアーム式移動装置の先端であり、アーム式移動装置を操作することにより、筐体50(X線回折測定装置)を任意の位置と姿勢にすることができる。これにより、測定対象物OBに対して筐体50(X線回折測定装置)の位置と姿勢を調整することができる。
X線出射器10は、長尺状に形成され、筐体50内の上部にて図示左右方向に延設されて筐体50に固定されており、高電圧電源95からの高電圧の供給を受け、X線制御回路71により制御されて、X線を図1の下方に向けて出射する。筐体50の底面壁50aは出射されるX線の光軸に対して略垂直になっており、底面壁50aを測定対象物OBの表面と平行にすると、出射されるX線は測定対象物OBの表面に対して垂直になる。また、繋ぎ壁50dを測定対象物OBの表面と平行にすると、出射されるX線は測定対象物OBの表面の法線に対して繋ぎ壁50dと底面壁50aとが成す角度(例えば30〜45度)になる。
X線制御回路71は、後述するコンピュータ装置90を構成するコントローラ91によって制御され、X線出射器10から一定の強度のX線が出射されるように、X線出射器10に高電圧電源95から供給される駆動電流及び駆動電圧を制御する。また、X線出射器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。これにより、X線出射器10の温度が一定に保たれる。
テーブル駆動機構20は、X線出射器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は、フィードモータ22及びスクリューロッド23により、X線出射器10から出射されたX線の光軸と測定対象物OBの法線とが成す平面内であって、前記X線の光軸に垂直な方向に移動可能となっている。フィードモータ22は、テーブル駆動機構20内に固定されていて筐体50に対して移動不能となっている。スクリューロッド23は、X線出射器10から出射されたX線の光軸に垂直な方向に延設されていて、その一端部がフィードモータ22の出力軸に連結されている。スクリューロッド23の他端部は、テーブル駆動機構20内に設けた軸受部24に回転可能に支持されている。また、移動ステージ21は、それぞれテーブル駆動機構20内にて固定された、対向する1対の板状のガイド25,25により挟まれていて、スクリューロッド23の軸線方向に沿って移動可能となっている。すなわち、フィードモータ22を正転又は逆転駆動すると、フィードモータ22の回転運動が移動ステージ21の直線運動に変換される。フィードモータ22内には、エンコーダ22aが組み込まれている。エンコーダ22aは、フィードモータ22が所定の微小回転角度だけ回転するたびに、ハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を位置検出回路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開始する。測定開始直後において、フィードモータ制御回路73は、フィードモータ22を駆動して移動ステージ21をフィードモータ22側へ移動させる。位置検出回路72は、エンコーダ22aから出力されるパルス列信号が入力されなくなると、移動ステージ21が移動限界位置に達したことを表す信号をフィードモータ制御回路73に出力し、カウント値を「0」に設定する。フィードモータ制御回路73は、位置検出回路72から移動限界位置に達したことを表す信号を入力すると、フィードモータ22への駆動信号の出力を停止する。上記の移動限界位置を移動ステージ21の原点位置とする。したがって、位置検出回路72は、移動ステージ21が図1及び図2にて左上方向に移動して移動限界位置に達したとき「0」を表す位置信号を出力し、移動ステージ21が移動限界位置から右下方向へ移動すると、エンコーダ22aからのパルス列信号をカウントし、移動限界位置からの移動距離xを表す信号を位置信号として出力する。
フィードモータ制御回路73は、コントローラ91から移動ステージ21の移動先の位置を表す設定値を入力すると、その設定値に応じてフィードモータ22を正転又は逆転駆動する。位置検出回路72は、エンコーダ22aが出力するパルス信号のパルス数をカウントする。そして、位置検出回路72は、カウントしたパルス数を用いて移動ステージ21の現在の位置(移動限界位置からの移動距離x)を計算し、コントローラ91及びフィードモータ制御回路73に出力する。フィードモータ制御回路73は、位置検出回路72から入力した移動ステージ21の現在の位置が、コントローラ91から入力した移動先の位置と一致するまでフィードモータ22を駆動する。
また、フィードモータ制御回路73は、移動ステージ21の移動速度を表す設定値をコントローラ91から入力する。そして、エンコーダ22aから入力したパルス信号の単位時間当たりのパルス数を用いて、移動ステージ21の移動速度を計算し、前記計算した移動ステージ21の移動速度がコントローラ91から入力した移動速度になるようにフィードモータ22を駆動する。
一対のガイド25,25の上端は、板状の上壁26によって連結されている。上壁26には、貫通孔26aが設けられていて、貫通孔26aの中心位置はX線出射器10の出射口11の中心位置に対向しており、X線出射器10から出射されたX線は、出射口11及び貫通孔26aを介してテーブル駆動機構20内に入射する。
後述するイメージングプレート15が回折環撮像位置にある状態(図1乃至図3の状態)において、移動ステージ21の貫通孔26aと対向する位置には、図3に拡大して示すように、貫通孔21aが形成されている。移動ステージ21には、出射口11及び貫通孔26a,21aの中心軸線位置を回転中心とする出力軸27aを有するスピンドルモータ27が組み付けられている。出力軸27aは、円筒状に形成され、回転中心を中心軸とする断面円形の貫通孔27a1を有する。スピンドルモータ27の出力軸27aと反対側には、貫通孔27a1の中心位置を中心軸線とする貫通孔27bが設けられている。貫通孔27bの内周面上には、貫通孔27bの一部の内径を小さくするための円筒状の通路部材28が固定されている。
また、スピンドルモータ27内には、エンコーダ22aと同様のエンコーダ27cが組み込まれている。エンコーダ27cは、スピンドルモータ27が所定の微小回転角度だけ回転する度に、ハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を、スピンドルモータ制御回路74及び回転角度検出回路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、所定の短い期間だけローレベルからハイレベルに切り替わるインデックス信号を、コントローラ91及び回転角度検出回路75に出力する。
スピンドルモータ制御回路74及び回転角度検出回路75は、コントローラ91からの指令により作動開始する。スピンドルモータ制御回路74は、コントローラ91から、スピンドルモータ27の回転速度を表す設定値を入力する。そして、エンコーダ27cから入力したパルス信号の単位時間当たりのパルス数を用いてスピンドルモータ27の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ91から入力した回転速度(設定値)になるように、駆動信号をスピンドルモータ27に供給する。回転角度検出回路75は、エンコーダ27cから出力されたパルス列信号のパルス数をカウントし、そのカウント値を用いてスピンドルモータ27の回転角度すなわちイメージングプレート15の回転角度θpを計算して、コントローラ91に出力する。そして、回転角度検出回路75は、エンコーダ27cから出力されたインデックス信号を入力すると、カウント値を「0」に設定する。すなわち、インデックス信号を入力した位置が回転角度0°の位置である。なお、イメージングプレート15の回転角度0°の位置とは、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る。この位置は各半径位置においてあるためラインである。なお、後述するが、この回転角度0°の位置は仮の位置であり、回折環における強度分布を検出した後の演算処理により、X線出射器10から出射されるX線の光軸とX線照射点における測定対象物の法線とを含む平面がイメージングプレート15と交差するラインを、正規の回転角度0°の位置として定める。今後、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を仮の回転角度0°の位置と呼び、正規の回転角度0°の位置と区別する。
テーブル16は、円形状に形成され、スピンドルモータ27の出力軸27aの先端部に固定されている。テーブル16の中心軸と、スピンドルモータ27の出力軸の中心軸とは一致している。テーブル16は、一体的に設けられて下面中央部から下方へ突出した突出部17を有していて、突出部17の外周面には、ねじ山が形成されている。突出部17の中心軸は、スピンドルモータ27の出力軸27aの中心軸と一致している。テーブル16の下面には、イメージングプレート15が取付けられる。イメージングプレート15は、表面に蛍光体が塗布された円形のプラスチックフィルムである。イメージングプレート15の中心部には、貫通孔15aが設けられていて、この貫通孔15aに突出部17を通し、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が、固定具18とテーブル16の間に挟まれて固定される。固定具18は、円筒状の部材で、内周面に、突出部17のねじ山に対応するねじ山が形成されている。
テーブル16、突出部17及び固定具18にも貫通孔16a,17a,18aがそれぞれ設けられており、貫通孔16a,17a,18aの中心軸はテーブル16の中心軸と同じであり、貫通孔18aの内径は貫通孔16a,17aに比べて小さく、前述した通路部材28の内径と同じである。したがって、スピンドルモータ27の出力軸27aから出射されたX線は、貫通孔16a,17a,18aを介するとともに、切欠き部壁50cに設けた円形孔50c1を介して外部下方に位置する測定対象物OBに向かって出射される。この場合、通路部材28の内径及び貫通孔18aの内径は小さいので、通路部材28を介して貫通孔27b,27a1,16a,17a内に入射したX線はやや拡散しているが、貫通孔18aから出射されるX線は貫通孔27a1の軸線に平行な平行光となり、円形孔50c1から出射される。また、この円形孔50c1の内径は、測定対象物OBからの回折光をイメージングプレート15に導くために大きい。
イメージングプレート15は、フィードモータ22によって駆動されて、移動ステージ21、スピンドルモータ27及びテーブル16と共に、原点位置から回折環を撮像する回折環撮像位置へ移動する。前述のように、この回折環撮像位置において、X線出射器10から出射されたX線が測定対象物OBに照射されるようになっている。また、イメージングプレート15は、スピンドルモータ27によって駆動されて回転しながら、フィードモータ22によって駆動されて、移動ステージ21、スピンドルモータ27及びテーブル16と共に、撮像した回折環を読み取る回折環読取り領域内、及び回折環を消去する回折環消去領域内を移動する。なお、この場合のイメージングプレート15の移動においては、イメージングプレート15の中心軸が、X線出射器10から出射されたX線の光軸とイメージングプレート15における仮の回転角度0°の位置(ライン)とが成す平面内に保たれた状態で、前記X線の光軸に垂直な方向に移動する。
レーザ検出装置30は、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て、イメージングプレート15から入射した光の強度を検出する。レーザ検出装置30は、測定対象物OB及び回折環撮像位置にあるイメージングプレート15からフィードモータ22側に充分離れている。すなわち、イメージングプレート15が回折環撮像位置にあるとき、測定対象物OBにて回折したX線がレーザ検出装置30によって遮られないようになっている。レーザ検出装置30は、レーザ光源31と、コリメートレンズ32、反射鏡33、ダイクロイックミラー34、及び対物レンズ36を備えている。
レーザ光源31は、レーザ駆動回路77によって制御されて、イメージングプレート15に照射するレーザ光を出射する。レーザ駆動回路77は、コントローラ91によって制御され、レーザ光源31から所定の強度のレーザ光が出射されるように、駆動信号を制御して供給する。レーザ駆動回路77は、後述するフォトディテクタ42から出力された受光信号を入力して、受光信号の強度が所定の強度になるようにレーザ光源31に出力する駆動信号を制御する。これにより、イメージングプレート15に照射されるレーザ光の強度が一定に維持される。
コリメートレンズ32は、レーザ光源31から出射されたレーザ光を平行光に変換する。反射鏡33は、コリメートレンズ32にて平行光に変換されたレーザ光を、ダイクロイックミラー34に向けて反射する。ダイクロイックミラー34は、反射鏡33から入射したレーザ光の大半(例えば、95%)をそのまま透過させる。対物レンズ36は、ダイクロイックミラー34から入射したレーザ光をイメージングプレート15の表面に集光させる。この対物レンズ36から出射されるレーザ光の光軸は、X線出射器10から出射されたX線の光軸とイメージングプレート15における仮の回転角度0°の位置(ライン)とが成す平面内であって、前記X線の光軸に平行な方向、すなわち移動ステージ21の移動方向に対して垂直な方向である。
対物レンズ36には、フォーカスアクチュエータ37が組み付けられている。フォーカスアクチュエータ37は、対物レンズ36をレーザ光の光軸方向に移動させるアクチュエータである。なお、対物レンズ36は、フォーカスアクチュエータ37が通電されていないときに、その可動範囲の中心に位置する。
対物レンズ36によって集光されたレーザ光を、イメージングプレート15の表面であって、回折環が撮像されている部分に照射すると、輝尽発光(Photo−Stimulated Luminesence)現象が生じる。すなわち、回折環を撮像した後、イメージングプレート15にレーザ光を照射すると、イメージングプレート15の蛍光体が回折X線の強度に応じた光であって、レーザ光の波長よりも波長が短い光を発する。イメージングプレート15に照射されて反射したレーザ光の反射光及び蛍光体から発せられた光は、対物レンズ36を通過して、ダイクロイックミラー34にて蛍光体から発せられた光の大部分は反射し、レーザ光の反射光の大部分は透過する。ダイクロイックミラー34の反射方向には、集光レンズ38、シリンドリカルレンズ39及びフォトディテクタ40が設けられている。集光レンズ38は、ダイクロイックミラー34から入射した光を、シリンドリカルレンズ39に集光する。シリンドリカルレンズ39は、透過した光に非点収差を生じさせる。フォトディテクタ40は、分割線で区切られた4つの同一正方形状の受光素子からなる4分割受光素子によって構成されており、時計回りに配置された受光領域A,B,C,Dに入射した光の強度に比例した大きさの検出信号を受光信号(a,b,c,d)として、増幅回路78に出力する。
増幅回路78は、フォトディテクタ40から出力された受光信号(a,b,c,d)をそれぞれ同じ増幅率で増幅して受光信号(a’,b’,c’,d’)を生成し、フォーカスエラー信号生成回路79及びSUM信号生成回路80へ出力する。本実施形態においては、非点収差法によるフォーカスサーボ制御を用いる。フォーカスエラー信号生成回路79は、増幅された受光信号(a’,b’,c’,d’)を用いて、演算によりフォーカスエラー信号を生成する。すなわち、フォーカスエラー信号生成回路79は、(a’+c’)−(b’+d’)の演算を行い、この演算結果をフォーカスエラー信号としてフォーカスサーボ回路81へ出力する。フォーカスエラー信号(a’+c’)−(b’+d’)は、レーザ光の焦点位置のイメージングプレート15の表面からのずれ量を表している。
フォーカスサーボ回路81は、コントローラ91により制御され、フォーカスエラー信号に基づいて、フォーカスサーボ信号を生成してドライブ回路82に出力する。ドライブ回路82は、このフォーカスサーボ信号に応じてフォーカスアクチュエータ37を駆動して、対物レンズ36をレーザ光の光軸方向に変位させる。この場合、フォーカスエラー信号(a’+c’)−(b’+d’)の値が常に一定値(例えば、ゼロ)となるようにフォーカスサーボ信号を生成することにより、イメージングプレート15の表面にレーザ光を集光させ続けることができる。
SUM信号生成回路80は、受光信号(a’,b’,c’,d’)を合算してSUM信号(a’+b’+c’+d’)を生成し、A/D変換回路83に出力する。SUM信号の強度は、イメージングプレート15にて反射し、ダイクロイックミラー34で反射した微量のレーザ光の強度と輝尽発光により発生した光の強度を合わせた強度に相当するが、イメージングプレート15にて反射したレーザ光の強度はほぼ一定であるので、SUM信号の強度は、輝尽発光により発生した光の強度に相当する。すなわち、SUM信号の強度は、イメージングプレート15に入射した回折X線の強度に相当する。A/D変換回路83は、コントローラ91によって制御され、SUM信号生成回路80からSUM信号を入力し、入力したSUM信号の瞬時値をディジタルデータに変換してコントローラ91に出力する。
また、レーザ検出装置30は、集光レンズ41及びフォトディテクタ42を備えている。集光レンズ41は、レーザ光源31から出射されたレーザ光の一部であって、ダイクロイックミラー34を透過せずに反射したレーザ光をフォトディテクタ42の受光面に集光する。フォトディテクタ42は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。従って、フォトディテクタ42は、レーザ光源31が出射したレーザ光の強度に相当する受光信号をレーザ駆動回路77へ出力する。
また、対物レンズ36に隣接して、LED光源43が設けられている。LED光源43は、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。LED駆動回路84は、コントローラ91によって制御され、LED光源43に、所定の強度の可視光を発生させるための駆動信号を供給する。
また、X線回折測定装置は、LED光源44を有する。LED光源44は、図2乃至図4に示すように、X線出射器10とテーブル駆動機構20の上壁26との間に配置されたプレート45の一端部下面に固定されている。プレート45は、その他端部上面にて、筐体50内に固定されたモータ46の出力軸46aに固着されており、モータ46の回転により、テーブル駆動機構20の上壁26に平行な面内を回転する。テーブル駆動機構20の上壁26にはストッパ部材47a,47bが設けられており、ストッパ部材47aは、プレート45を図4のD1方向に回転させたとき、LED光源44がX線出射器10の出射口11及びテーブル駆動機構20の上壁26の貫通孔26aに対向する位置(A位置)に静止するように、プレート45の回転を規制する。一方、ストッパ部材47bは、プレート45を図4のD2方向に回転させたとき、プレート45がX線出射器10の出射口11とテーブル駆動機構20の上壁26の貫通孔26aとの間を遮断しない位置(B位置)に静止するように、プレート45の回転を規制する。言い換えれば、A位置は、プレート45が図2及び図3に示す状態にある位置であり、LED光源44から出射されるLED光がスピンドルモータ27の貫通孔27a1に設けた通路部材28の通路に入射する位置である。B位置は、X線出射器10から出射されるX線がプレート45によって遮られない位置である。
LED光源44は、コントローラ91によって作動制御されるLED駆動回路85からの駆動信号によりLED光を出射する。LED光は拡散する可視光であり、プレート45がA位置にあるとき、その一部は、貫通孔26a,21a、通路部材28の通路及び貫通孔27bを介して、スピンドルモータ27の出力軸27aの貫通孔27a1に入射し、貫通孔16a,17a,18a及び切欠き部壁50cの円形孔50c1から出射される。このLED光の場合も、通路部材28の内径及び貫通孔18aの内径は小さいので、通路部材28を介して貫通孔27b,27a1,16a,17a内に入射したX線はやや拡散しているが、貫通孔18aから出射されるLED光は貫通孔27a1の軸線に平行な平行光となり、円形孔50c1から出射される。したがって、LED光源44、通路部材28、貫通孔18aなどが、可視光である平行光を測定対象物OBに出射する本発明の可視光出射器を構成する。
モータ46はエンコーダ22a,27aと同様なエンコーダ46bを備えており、エンコーダ46bはモータ46が所定の微小回転角度だけ回転する度に、ハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を回転制御回路86に出力する。回転制御回路86は、コントローラ91から回転方向と回転開始の指示が入力されると、モータ46に駆動信号を出力して、モータ46を指示方向に回転させる。そして、エンコーダ46bからのパルス列信号の入力が停止すると、駆動信号の出力を停止する。これにより、プレート45を、上述したA位置及びB位置までそれぞれ回転させることができる。
筐体50の切欠き部壁50cには結像レンズ48が設けられているとともに、筐体50内部には撮像器49が設けられている。撮像器49は、多数の撮像素子をマトリクス状に配置したCCD受光器又はCMOS受光器で構成され、各撮像素子で受光した光の強度に応じた大きさの受光信号(撮像信号)を撮像素子ごとにセンサ信号取出回路87にそれぞれ出力する。これらの結像レンズ48及び撮像器49は、イメージングプレート15に対して設定された位置にある測定対象物OBにおけるLED光の出射点を中心とした領域の画像を撮像する。すなわち、結像レンズ48及び撮像器49は、測定対象物OBを撮像するディジタルカメラとして機能する。このイメージングプレート15に対して設定された位置とは、前記測定対象物OBにおけるX線及びLED光の出射点(照射点)からイメージングプレート15までの垂直距離Lが、予め決められた所定距離Loとなる位置である。なお、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、前記出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87は、撮像器49の各撮像素子からの受光信号(撮像信号)の強度データを、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コントローラ91に出力する。したがって、コントローラ91には、測定対象物OBにおけるLED光の照射点P1(図6参照)を含む、照射点P1近傍の画像を表す画像データが出力されることになる。
また、結像レンズ48の光軸は、X線出射器10から出射されるX線の光軸とイメージングプレート15の仮の回転角度0°のラインを含む平面に含まれるように調整されている。そして、結像レンズ48の光軸と、測定対象物OBに照射されるX線及びLED光の光軸が交わる点は、イメージングプレート15に対して設定された位置にある測定対象物OBにおけるX線及びLED光の照射点である。したがって、測定対象物OBがイメージングプレート15に対して設定された位置にある状態で、LED光源44からのLED光を測定対象物OBに照射した場合には、結像レンズ48の光軸が撮像器49と交差する点にLED光の照射点の像が形成される。また、逆に、センサ信号取出回路87が出力する画像データにより作成される撮像画像中に、結像レンズ48の光軸が撮像器49と交差する点を表示し、撮像画像中のLED光の照射点P1をこの点に合わせるようにX線回折測定装置(筐体50)の位置と姿勢を調整すれば、測定対象物OBをイメージングプレート15に対して設定された位置にすることができる。
コンピュータ装置90は、コントローラ91、入力装置92及び表示装置93からなる。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、大容量記憶装置に記憶された各種プログラムを実行してX線回折測定装置の作動を制御する。入力装置92は、コントローラ91に接続されて、作業者により、各種パラメータ、作業指示などの入力のために利用される。表示装置93は、表示画面上に撮像器49によって撮像された照射点P1を含む画像に加えて、測定対象物OBがイメージングプレート15に対して設定された位置にあるときにLED光の照射点P1が撮像される点を示すマークも表示される。このマークに関しては、詳しく後述する。さらに、表示装置93は、作業者に対して各種の設定状況、作動状況、測定結果なども視覚的に知らせる。高電圧電源95は、X線出射器10にX線出射のための高電圧及び電流を供給する。
以下に、上記のように構成したX線回折測定装置を含むX線回折測定システムを用いて、測定対象物OBである鉄製の部材に対してX線回折測定装置(筐体50)の位置と姿勢を調整した後、X線を照射し、測定対象物OBの残留応力を測定する具体的方法について説明する。この残留応力の測定は、電源を投入することによりX線回折測定システムの作動させた後、図5に示すように、位置姿勢調整工程S1、回折環撮像工程S2、回折環読取り工程S3,回折環消去工程S4及び残留応力計算工程S5を実行することにより行われる。
まず、位置姿勢調整工程S1について説明する。作業者は測定対象物OBの近傍にX線回折測定装置を設置し、筐体50に接続されたアーム式移動装置を操作して、X線回折測定装置(筐体50)の位置と姿勢を調整する。この位置と姿勢の調整は目視にて行う調整であり、おおよその感じで、筐体50の側面壁が測定対象物OBの表面と垂直で、残留応力の測定方向(出射されるX線の光軸を測定対象物OBの表面に投影した方向)が目的とする方向で、測定対象物OBの測定点にX線が設定された距離から設定された入射角度の範囲で照射されるようにする。次に作業者は、入力装置92を操作して、位置姿勢調整工程S1の開始をコントローラ91に指示する。この指示に応答して、コントローラ91は、フィードモータ制御回路73を制御して、イメージングプレート15を回折環撮像位置(図1及び図2の状態)に移動させる。また、コントローラ91は、回転制御回路86を制御し、モータ46をストッパ部材47aによりプレート45の回転が停止するまで図4のD1方向に回転させて、プレート45をA位置まで回転させる。この状態では、LED光源44がテーブル駆動機構20の上壁26に設けた貫通孔26aに対向して位置する。
その後、コントローラ91は、LED駆動回路85を制御して、LED光源44を点灯させる。このLED光源44の点灯により、LED光源44から出射されて拡散された可視光であるLED光の一部は、貫通孔26a、通路部材28、貫通孔27b,27a1,16a,17a,18aを介して固定具18から出射される。この場合、通路部材28及び貫通孔18aの内径は小さく、貫通孔18aから出射されるX線は貫通孔27a1の軸線に平行な平行光である。この平行光であるLED光は、筐体50の切欠き部壁50cに設けた円形孔50c1から外部へ出射され、測定対象物OBに照射される。
次に、コントローラ91は、センサ信号取出回路87に撮像器49からの撮像信号の入力を指示して、撮像器49による撮像信号をセンサ信号取出回路87からコントローラ91に出力させる。コントローラ91は、この撮像信号を表示装置93に出力して、撮像器49によって撮像されたLED光の照射位置近傍の画像を表示装置93に表示させる。この場合、表示装置93に表示される画像には、前記LED光の照射位置近傍の画像の中に、測定対象物OBにおけるLED光の照射点P1の画像がある。また、コントローラ91は、撮像器49によって撮像された照射点P1を含む、撮像器49からの撮像信号によって表示される画像とは独立して、結像レンズ48の光軸が撮像器49と交差する位置に相当する撮影画像上の位置に十字マークを表示する。
この場合、十字マークのクロス点は表示装置93の画面の中心に位置し、十字マークのX軸方向は画面の横方向に対応し、十字マークのY軸方向は画面の縦方向に対応する。そして、十字マークのクロス点は、測定対象物OBにおけるLED光の照射点からイメージングプレート15までの距離Lが所定距離Loであるときに、照射点P1が撮像器49に撮像される位置である。また、十字マークのY軸方向がLED光及びX線の照射方向であり、このY軸方向を測定対象物OBの表面に投影させた方向が、おおよその残留応力の測定方向である。
作業者は、表示装置93に表示される撮像画像を見ながら、X線回折測定装置の筐体50に接続されたアーム式移動装置を操作して筐体50の位置と姿勢を調整する。この調整の様子を示したものが図6(A)であり、図6(B)は表示装置93に表示される撮像画像であって、調整が完了した状態を示す撮像画像である。すなわち、作業者は、筐体50をX,Y,Z軸方向に移動させて、LED光の照射点P1が測定対象物の測定位置に合致するとともに、LED光の照射点P1が十字マークのクロス点に合致するようにする。このとき、X,Y軸方向への移動調整により照射点P1を測定対象物OBの測定位置に設定しても、その後に、Z軸方向への移動調整により照射点P1が十字マークのクロス点に合致するようにすると、照射点P1はY軸方向に多少ずれるので、X,Y,Z軸方向への移動調整は繰り返し行う必要がある。また、筐体50のZ軸周りの姿勢を調整して、十字マークのY軸方向が残留応力の測定方向になるようにする。なお、図6(B)では、測定対象物OBが明確に分かるように、測定対象物OBの輪郭が撮像画像上に現れるようにしているが、測定対象物OBにおける測定箇所及びLED光の照射方向が視認できれば、測定対象物OBにおける残留応力の測定箇所部分のみが画像上に現れるようにしてもよい。
この調整により、測定対象物OBに照射されるX線は測定箇所になり、X線の照射点からイメージングプレート15までの距離Lが所定距離Loになり、残留応力の測定方向が、おおよそ目的とする方向になる。
次に作業者は、入力装置92を操作してコントローラ91に調整終了を指示する。この指示に応答して、コントローラ91は、LED駆動回路85を制御してLED光源44を消灯させ、センサ信号取出回路87を制御して撮像器49から撮像信号の入力停止及び撮像信号のコントローラ91への出力を停止させ、かつ回転制御回路86を制御して、モータ46をストッパ部材47bによりプレート45の回転が停止するまで図4のD2方向に回転させて、プレート45をB位置まで回転させる。このプレート45の回転により、X線出射器10からのX線がテーブル駆動機構20の上壁26に設けた貫通孔26aに入射され得る状態となる。
次の回折環撮像工程S2において、作業者は入力装置92を用いて、測定対象物OBの材質(本実施例では、鉄)を入力し、残留応力の測定開始をコントローラ91に指示する。これにより、コントローラ91は、まずイメージングプレート15が撮像位置にある状態で、スピンドルモータ制御回路74を制御して、イメージングプレート15を低速回転させ、エンコーダ27cからインデックス信号を入力した時点で、イメージングプレート15の回転を停止させる。これにより、後述する回折環読取り工程S3による回折環の読取り開始時においてレーザ光が照射されている位置が仮の回転角度0°の位置になる。
次に、コントローラ91は、X線制御回路71を制御してX線出射器10にX線の出射を開始させ、所定時間の経過後に、X線制御回路71を制御してX線出射器10にX線の出射を停止させる。これにより、X線出射器10から出射されたX線は、貫通孔26a,21a、通路部材28、貫通孔27b,27a1,16a,17a,18a及び円形孔50c1を介して外部に出射され、測定対象物OBの測定箇所に所定時間だけ照射される。この測定対象物OBへのX線の所定時間の照射により、測定対象物OBの測定箇所から回折X線が発生し、イメージングプレート15には回折環が撮像される。
このような回折環撮像工程S2の後、コントローラ91は、自動的に又は作業者による入力装置92を用いた指示により、図5の回折環読取り工程S3を実行する。コントローラ91は、フィードモータ制御回路73を制御して、イメージングプレート15を回折環読取り領域内の読取り開始位置へ移動させる。このイメージングプレート15の読取り開始位置とは、対物レンズ36の中心すなわちレーザ光の照射位置が回折環基準半径Roの円に対して若干だけ内側になるような位置である。この場合、位置検出回路72から出力される位置信号は、移動ステージ21が移動限界位置にある状態から移動ステージ21が移動した移動距離xを表しており、移動ステージ21すなわちテーブル16(イメージングプレート15)が移動限界位置にある状態で、テーブル16(イメージングプレート15)の中心から対物レンズ36の中心位置までの距離は予め決められた所定値である。したがって、イメージングプレート15の読取り開始位置への移動は、位置検出回路72からの位置信号を用いて行われる。
回折環基準半径Roとは、測定対象物OBの残留応力が「0」であるときに、測定対象物OBに対するX線の照射によりイメージングプレート15上に形成される回折環の半径であり、測定対象物OBにおけるX線の回折角度Θx及びイメージングプレート15から測定対象物OBまでの距離Lに応じて決まる。そして、X線の回折角度Θxは測定対象物OBの材質で決まり、前記距離Lは前記X線入射角調整工程S1での調整で設定されて予め決められた所定距離Loである。したがって、測定対象物OBの材質ごとに予め回折角Θxを記憶しておけば、前記入力した測定対象物OBの材質を用いることにより、コントローラ91は回折環基準半径RoをRo=L・tan(2Θx)の演算によって自動的に計算する。なお、同一の材質の測定対象物OBの残留応力を繰り返し測定する場合には、前記回折環基準半径Roを計算することなく、繰り返し利用できる。
次に、コントローラ91は、スピンドルモータ制御回路74に、イメージングプレート15が所定の一定回転速度で回転するように、スピンドルモータ27の回転を制御させる。また、レーザ駆動回路77を制御してレーザ光源31によるレーザ光のイメージングプレート15に対する照射を開始させる。その後、コントローラ91は、フォーカスサーボ回路81にフォーカスサーボ制御の開始を指示して、フォーカスサーボ回路81にフォーカスサーボ制御を開始させる。したがって、対物レンズ36が、レーザ光の焦点がイメージングプレート15の表面に合うように光軸方向に駆動制御される。
次に、コントローラ91は、回転角度検出回路75及びA/D変換回路83を作動させて、回転角度検出回路75からスピンドルモータ27(イメージングプレート15)の基準位置からの回転角度θpを入力させ始めるとともに、A/D変換回路83からSUM信号の瞬時値Iのディジタルデータをコントローラ91に出力させ始める。次に、コントローラ91は、フィードモータ制御回路73を制御してフィードモータ22を回転させて、イメージングプレート15を読取り開始位置から図1及び図2の右下方向へ一定速度で移動させる。これにより、レーザ光の照射位置が、イメージングプレート15において、回折環基準半径Roの若干内側の位置から外側方向に一定速度で相対移動し始める。この若干内側の位置は、撮像した回折環の半径が回折環基準半径Roからずれる可能性のある位置よりもやや内側の位置である。これにより、レーザ光の照射位置は、相対的にイメージングプレート15上を螺旋状に回転し始める。
その後、コントローラ91は、イメージングプレート15が所定の小さな角度だけ回転するごとに、SUM信号の瞬時値IのディジタルデータをA/D変換回路83を介して入力するとともに、回転角度検出回路75からの回転角度θp及び位置検出回路72からの移動距離xを入力して、SUM信号の瞬時値Iのディジタルデータを、基準位置からの回転角度θpと、移動距離xに基づくイメージングプレート15の中心からのレーザ光の照射位置の径方向距離r(半径値r)とに対応させて順次記憶する。この場合も、移動ステージ21すなわちテーブル16(イメージングプレート15)が移動限界位置にある状態で、テーブル16(イメージングプレート15)の中心から対物レンズ36の中心位置までの距離は予め決められた所定値であるので、前記半径値rは移動距離xを用いて計算される。これにより、螺旋状に回転するレーザ光の照射位置に関して、SUM信号の瞬時値I、回転角度θp及び半径値rを表すデータが所定回転角度ごとに順次記憶されて蓄積されていく。
SUM信号の瞬時値I、回転角度θp及び半径値rを表すデータの所定回転角度ごとの記憶動作と並行して、コントローラ91は、回転角度θpごとに半径値rに対するSUM信号の瞬時値Iの曲線を作成し、曲線のピークに対応した半径値rαとSUM信号強度値Iαを記憶する。これは回折環の回転角度αごとに半径方向における回折X線の強度分布を求め、回折X線の強度がピークとなる箇所の半径値rαと回折X線の強度に相当する強度Iαを求める処理である。そして、すべての回転角度θp(回転角度α)において半径値rαと強度Iαを取得し、検出するSUM信号の瞬時値Iが強度Iαに対して充分小さくなった(例えば1/10以下になった)時点で、SUM信号の瞬時値I、回転角度θp及び半径値rを表すデータを所定回転角度ごとに検出し記憶する処理を終了する。これにより、回折環における回折X線の強度に相当する強度の分布(瞬時値I、回転角度θp及び半径値rのデータ群)、回折環の形状(回転角度αごとの半径値rα)および回折環の円周方向の回折X線の強度に相当する強度の変化(回転角度αごとの強度Iα)が検出されたことになる。
その後、コントローラ91は、フォーカスサーボ回路81によるフォーカスサーボ制御を停止させ、レーザ駆動回路77によるレーザ光源31のレーザ光の照射を停止させる。また、コントローラ91は、A/D変換回路83及び回転角度検出回路75の作動を停止させるとともに、フィードモータ制御回路73によるフィードモータ22の作動も停止させる。これにより、回折環読取り工程S3が終了される。なお、この状態では、位置検出回路72の作動及びイメージングプレート15の回転は、以前と同様のまま継続されている。
このような回折環読取り工程S3の後、コントローラ91は、自動的に又は作業者による入力装置92を用いた指示により、図5の回折環消去工程S4を実行する。この回折環消去工程においては、コントローラ91は、フィードモータ制御回路73を制御してイメージングプレート15を回折環消去領域内の消去開始位置へ移動させる。このイメージングプレート15の消去開始位置とは、LED光源43から出力される可視光の中心が回折環基準半径Roの円に対して前記読取り開始位置の場合よりもさらに内側になるような位置である。この場合も、前記読取り開始位置の場合と同様に、イメージングプレート15の移動は、位置検出回路72からの位置信号を用いて行われる。
次に、コントローラ91は、LED駆動回路84を制御してLED光源43による可視光のイメージングプレート15に対する照射を開始させるとともに、フィードモータ制御回路73を制御して、イメージングプレート15を前記消去開始位置から消去終了位置まで図1及び図2の右下方向に一定速度で移動させるように、フィードモータ22を回転させる。消去終了位置とは、LED光源43によるLED光の中心が回折環基準半径Roよりも前記消去開始位置と同じ程度の距離だけ外側となる位置である。これにより、LED光源43による可視光が、消去開始位置から消去終了位置まで、イメージングプレート15上に螺旋状に照射され、前記回折X線によって形成された回折環が消去される。
次に、コントローラ91は、フィードモータ制御回路73を制御してイメージングプレート15の移動を停止させるとともに、LED駆動回路84を制御してLED光源43による可視光の照射を停止させる。また、コントローラ91は、位置検出回路72の作動を停止させるとともに、スピンドルモータ制御回路74を制御してスピンドルモータ27によるイメージングプレート15の回転も停止させる。これにより、回折環消去工程S4が終了する。
このような回折環消去工程S4の後、コントローラ91は、自動的に又は作業者による入力装置92を用いた指示により、図5の残留応力計算工程S5を行う。なお、残留応力計算工程S5は、回折環消去工程S4と並行して行ってもよい。残留応力計算工程S6は、回折環読取り工程S3において得られた回折環の形状(回転角度αごとの半径値rα)及び回折環の円周方向の回折X線の強度に相当する強度の変化(回転角度αごとの強度Iα)を用いて、コントローラ91が行うプログラムによる演算処理である。コントローラ91はまず、回転角度αごとの強度Iαを用いてX線の入射角度を求める。具体的には回転角度αに対する強度Iαの関係から後述する演算値を求め、予め記憶されている演算値とX線の入射角度との関係テーブル又は関係曲線からX線の入射角度を求める。この演算処理の説明を行う前に、回折環の円周方向に対する回折X線の強度とX線の入射角度との関係を説明する。
図7は、回折環の円周方向に対する回折X線の強度変化(回転角度αと強度Iαとの関係)をX線の入射角度が0°、20°、45°の場合で示したものである。回転角度0°(360°)付近が強度が最も大きく、回転角度180°付近が強度が最も小さくなっており、X線の入射角度が小さくなるほど、この強度の差の度合は小さくなっている。その理由は以下のように考えられる。測定対象物OBに入射したX線は、微小ではあるが測定対象物OBの表面からある程度の深さまで浸透し回折する。そして、回折したX線は測定対象物OB中を進む距離が長いほど強度は弱くなる。図8は、測定対象物OBにおけるX線の回折を、回折する深さを誇張して示したものであるが、図8(a)に示されるように、回転角度0°(360°)の位置が回折したX線が測定対象物中OB中を進む距離が最も短く、回転角度180°の位置が回折したX線が測定対象物中を進む距離が最も長い。そして、図8(a)〜(c)に示されるように、X線の入射角度が小さくなるほど(X線の光軸と測定対象物表面の成す角度が大きくなるほど)、回転角度0°と180°における回折X線が測定対象物OB中を進む距離の差は小さくなる。これにより、回折環には図7に示すような円周方向に対する強度変化が生じ、この強度変化の度合はX線の入射角度が小さくなる程小さくなる。
従って、測定対象物OBの材質ごとに、既知の入射角度でX線を照射して撮像した回折環の回折環の円周方向に対する強度変化を得ることを複数のX線の入射角度にて行い、得られた強度変化から強度変化の度合を表す演算値を算出し、この演算値をX線の入射角度に対応させた関係テーブル又は関係曲線を記憶しておけば、測定において撮像した回折環からX線の入射角度を求めることができる。すなわち、上述のように得られた回転角度αに対する強度Iαの関係から強度変化の度合を表す演算値を計算し、この演算値を記憶させてある関係テーブル又は関係曲線に当てはめれば、X線の入射角度を求めることができる。強度変化の度合を表す演算値としては、以下のいずれかを用いるとよい。又は、以下の複数の演算値を用いて関係テーブル又は関係曲線を複数作成し、それぞれから求められたX線の入射角度を平均するようにしてもよい。
・強度変化曲線をスムージング処理した後の強度Iαのピーク値とボトム値の差を平均の強度で除算した値(変動範囲の割合)
・強度変化曲線における強度Iαの平均の強度からの差の絶対値を加算してデータ数で除算し、さらに平均の強度で除算した値(平均偏差の割合)
・強度変化曲線における強度Iαの平均の強度からの差の二乗を加算してデータ数で除算し、その正の平方根値を求め、さらに平均の強度で除算した値(標準偏差の割合)
なお、回折環を形成していないときのSUM信号の瞬時値Iの平均値を得ておき、この値を強度Iαから減算した値を強度Iαとして計算を行った演算値を用いると、微量ではあるがバックグランドの影響を除外でき、さらにX線の入射角度の検出精度を良くすることができる。
コントローラ91は次に、回転角度αごとの強度Iα(回折環の円周方向に対する強度変化)を用いて、X線の光軸とX線の照射点における測定対象物の法線とを含む平面が、撮像された回折環と交差する箇所の回転角度を求める。これは、X線の光軸と仮の回転角度0°のラインを含む平面に対して測定対象物の法線が成す角度を求めることである。測定対象物の法線がX線の光軸と仮の回転角度0°のラインを含む平面に含まれていれば、回折環の円周方向に対する強度変化の曲線は図7が示すように、回転角度0°(360°)がピーク点、回転角度180°がボトム点になる。しかし、目視によりX線回折装置の筐体50の側面壁が測定対象物OBの表面と垂直になるように筐体50の位置と姿勢を調整しているので、小さい値ではあるが、X線の光軸と仮の回転角度0°のラインを含む平面に対して測定対象物の法線が成す角度はある数値になる。この場合は、ピーク点、ボトム点は、回転角度0°(360°)、回転角度180°の位置からずれる。そして、ピーク点、ボトム点になる回転角度の0°(360°)、180°からのずれ量は、X線の光軸と仮の回転角度0°のラインを含む平面に対して測定対象物の法線が成す角度であり、X線の光軸とX線の照射点における測定対象物の法線とを含む平面が撮像された回折環と交差する箇所の、仮の回転角度0°、180°からのずれ量である。
このずれがあると、仮の回転角度0°を基準に回折環の形状(回転角度αごとの半径値rα)から残留応力を計算すると、残留応力の精度が悪くなる。よって、正規の回転角度0°の位置を定めたうえで回折環の形状から残留応力を計算する必要がある。また、このずれがあると、残留応力の測定方向は撮像画像のY軸方向から微量であるが変化する。この変化は、前述のように得られたX線の入射角度と、X線の光軸と仮の回転角度0°のラインを含む平面に対して測定対象物の法線が成す角度から計算することができる。よって、回折環の円周方向に対する強度変化の曲線におけるピーク点、ボトム点の回転角度の0°(360°)、180°からのずれ量を求め、正規の回転角度0°の位置を求めるとともに、残留応力の測定方向のY軸方向からの変化量を求め、正規の回転角度0°の位置は回折環の形状から残留応力を計算する際に使用し、残留応力の測定方向のY軸方向からの変化量は表示装置93に表示する。
回折環の円周方向に対する強度変化の曲線におけるピーク点、ボトム点の、回転角度の0°(360°)、180°からのずれ量は次のように計算する。回転角度αごとの強度Iαのデータを用いてスムージング処理を行った強度Iα’を求め、強度Iα’から強度Iα’の最小値を減算して強度Iα’の最大値と最小値の差で除算し、数値が0〜1までの値Iα”になるようにする(すなわち、規格化した値にする)。次にI=cos(α+Θd)のΘdに0近傍の値を定め、I=cos(α+Θd)に回転角度αを当てはめたときの、Iα”のIからのずれの2乗を、すべての回転角度αごとの強度Iα”に対して計算して加算し、データ数で除算して数値σ2を得る。この計算をΘdを変化させるごとに行い、σ2が最も小さくなるΘdを求める。これは視覚的には、回折環の円周方向に対する強度変化の曲線に対し、cosαの曲線を重ね、cosαの曲線を横方向に移動させて回折環の円周方向に対する強度変化の曲線に最も合致するときの移動量Θdを求める処理である。得られたΘdが、回折環の円周方向に対する強度変化の曲線におけるピーク点、ボトム点の回転角度の0°(360°)、180°からのずれ量Θdである。なお、このずれ量Θdは他の計算方法を用いて求めてもよく、例えばスムージング処理を行った後の強度変化の曲線のピーク点、ボトム点における回転角度の、0°(360°)、180°からのずれ量を平均して求めてもよい。
コントローラ91は次に、回折環の形状(回転角度αごとの半径値rα)を用いて残留応力を計算する。まず、回転角度αに前述のようにして得られたずれ量Θdを加算し、正規の回転角度0°に基づいた回転角度αにする。これ以降の計算は、背景技術に特許文献2として示した特開2005−241308号公報の〔0026〕〜〔0044〕に詳細に説明されているので省略するが、この計算において、前述のようにして得られた測定対象物OBに対するX線の入射角度ψと予め設定値に設定された測定対象物OBのX線照射点からイメージングプレート15までの距離Loが使用される。
コントローラ91は残留応力の計算が終了すると、表示装置に93に残留応力の計算結果、及び前述のように計算した残留応力の測定方向のY軸方向からの変化量を表示する。なお、これ以外に、X線の入射角度、X線の光軸と仮の回転角度0°のラインを含む平面に対して測定対象物の法線が成す角度、回折環の形状曲線(回転角度αごとの半径値rαから得られる曲線)、回折環の強度分布画像(瞬時値Iを明度にして瞬時値I、回転角度θp及び半径値rのデータ群から得られる画像)等を表示するようにしてもよい。作業者は結果を見ることで、測定対象物OBの疲労度の評価や、ショットピーニングなどによる加工結果の評価等を行うことができる。
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、測定対象物OBにX線を照射して得られる回折環におけるX線の回折光の強度に相当する強度の分布を検出した後、コントローラ91がプログラムによる演算処理により、検出した強度の分布に基づいて、回折環の円周方向に対する強度の変化を検出する。そして、コントローラ91は、検出した回折環の円周方向に対する強度変化、及び予めコントローラ91に記憶されている回折環の円周方向に対する強度変化と測定対象物OBに対するX線の入射角度との関係を用いて、測定対象物OBに対するX線の入射角度を検出する。これによれば、測定対象物OBが複雑な形状を有している場合であっても、又は測定対象物OBに対してX線回折測定装置の筐体50の位置と姿勢を調整する場合であっても、X線の入射角度を精度よく検出することができる。
また、上記実施形態においては、コントローラ91は、検出した回折環の円周方向に対する強度変化を用いて、X線出射器10から出射されるX線の光軸と測定対象物OBのX線の照射点における法線とを含む平面が、形成される回折環と交差するラインを正規の回転角度0°の位置として定めている。これによれば、回折環の形状から残留応力を計算する際、正確に定められた回転角度0°の位置による回転角度を用いて計算を行っているので、精度よく残留応力を求めることができる。
また、上記実施形態においては、X線出射器10からX線が出射されていない状態で、X線出射器10から出射されるX線と光軸を同一にした平行光であるLED光を測定対象物OBに出射するLED光源44と、LED光の照射点を含む領域の測定対象物OBの画像を結像する結像レンズ48、結像レンズ48によって結像された画像を撮像する撮像器49、及び撮像器49が出力する信号を撮像器49の画素ごとのデジタルデータに変換して撮像画像を画面表示する、センサ信号取出回路87、コントローラ91及び表示装置93からなる撮像システムとを備え、表示装置93は、測定対象物OBにおけるLED光の照射点からイメージングプレート15までの距離が所定距離であるとき、撮像システムにより撮像される照射点の画像上の位置を十字マークのクロス点として、撮像画像とは独立して画面上に表示するようにしている。これによれば、測定対象物OBにX線を照射する前にLED光を照射し、表示装置93に表示される撮像画像における可視光の照射点位置が十字マークのクロス点に合致するよう、X線回折測定装置の筐体50の位置と姿勢を調整すれば、X線の照射点からイメージングプレート15までの距離を所定距離Loにできる。よって、残留応力の計算に必要な距離Lも所定距離Loとして精度よく得ることができる。
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。
(変形例)
上記実施形態においては、回折環におけるX線の回折光の強度に相当する強度の分布に基づいて、回折環の円周方向に対する強度変化を検出し、この強度変化から測定対象物OBに対するX線の入射角度を検出したが、これに替えて、回折環の円周方向に対する回折環の半径方向の強度分布に基づく幅の変化、例えば半価幅の変化を検出し、この幅の変化から測定対象物OBに対するX線の入射角度を検出するようにしてもよい。この場合、図5の残留応力計算工程S5においてコントローラ91は、まず、回転角度θp(回転角度α)ごとの半径値rに対するSUM信号の瞬時値Iの曲線から半価幅Wαを計算する。次に、回転角度αの半価幅Wα得の関係から上記実施形態と同様の演算値を求め、予め記憶されている演算値とX線の入射角度との関係テーブル又は関係曲線からX線の入射角度を求める。回転角度αと半価幅Wαにも上記実施形態と同様の関係があることを以下に説明する。
図9は、回折環の円周方向に対する半価幅の変化(回転角度αと半価幅Wαとの関係)をX線の入射角度が0°、20°、45°の場合で示したものである。回転角度0°(360°)付近が半価幅が最も大きく、回転角度180°付近が半価幅が最も小さくなっており、X線の入射角度が小さくなるほど、この半価幅の差の度合は小さくなっている。その理由は以下のように考えられる。測定対象物OBに入射するX線はある程度の断面径を有し、X線照射点はある程度の面積を有する。図10は、測定対象物OBにおけるX線の回折を入射X線の断面径を誇張して示したものであるが、図10(a)に示されるように、X線照射点の各点から発生する回折X線がイメージングプレート15の回転角度0°の位置において受光される幅は広くなるが、回転角度180°の位置において受光される幅は狭くなる。そして、図5(a)〜(c)に示されるように、X線の入射角度が小さくなるほど、回転角度0°と180°における回折X線が受光される幅の差は小さくなる。これにより、回折環には図9に示すような円周方向位置(回転角度)に対する半価幅の変化が生じ、この半価幅の変化の度合はX線の入射角度により異なる。なお、上記実施形態と異なっている点は、強度のレベル(平均値)はX線の入射角度が変化すると変化するのに対し、半価幅のレベル(平均値)はX線の入射角度が変化してもあまり変化しない点である。ただし、この違いは変化の度合を表す演算値には影響せず、変化の曲線の縦軸を0〜1に規格化した場合はなくなるので、上記実施形態と同様の処理を行うことができる。
従って、測定対象物OBの材質ごとに、既知の入射角度でX線を照射して撮像した回折環の回折環の円周方向に対する半価幅の変化を得ることを複数のX線の入射角度にて行い、得られた半価幅の変化から半価幅の変化の度合を表す演算値を算出し、この演算値をX線の入射角度に対応させた関係テーブル又は関係曲線を記憶しておけば、測定において撮像した回折環からX線の入射角度を求めることができる。半価幅の変化の度合を表す演算値としては、上記実施形態と同様、以下のいずれかを用いるとよい。又は、上記実施形態と同様、複数を用いて平均するようにしてもよい。
・半価幅の変化曲線をスムージング処理した後の半価幅Wαのピーク値とボトム値の差を平均の半価幅で除算した値(変動範囲の割合)
・半価幅の変化曲線における各半価幅Wαの平均の半価幅からの差の絶対値を加算してデータ数で除算し、さらに平均の半価幅で除算した値(平均偏差の割合)
・半価幅の変化曲線における各半価幅Wαの平均の半価幅からの差の二乗を加算してデータ数で除算し、その正の平方根値を求め、さらに平均の半価幅で除算した値(標準偏差の割合)
また、この場合もX線の光軸とX線の照射点における測定対象物の法線とを含む平面が、撮像された回折環と交差する箇所の回転角度、すなわち、X線の光軸と仮の回転角度0°のラインを含む平面に対して測定対象物の法線が成す角度を求めることができ、その方法も上記実施形態と同様である。
さらに、本発明は上記実施形態および変形例以外にも種々の変更が可能である。上記変形例では、回折環の円周方向に対する回折環の半径方向の強度分布に基づく幅として半価幅を用いたが、半径方向の強度分布に基づく幅であれば、これ以外の値を用いてもよい。例えば積分幅でもよいし、ピーク値の1/βのレベルでスライスしたときの幅でβを適切な値に定めた幅でもよい。
また、上記実施形態および変形例では、回折環の回転角度(円周方向)に対する強度変化の曲線又は半価幅の変化曲線の変化の度合を表す演算値として、変動範囲の割合、平均偏差の割合又は標準偏差の割合を用いたが、変化曲線の変化の度合を表す演算値であれば、これ以外にどのような値を用いてもよい。例えば、変化曲線における0°を中心とした所定範囲における平均値と180°を中心とした所定範囲における平均値との差を全体の平均値で除算した値を用いてもよい。
また、上記実施形態および変形例では、X線回折測定装置の筐体50をアーム式移動装置に連結させ、測定対象物に対して筐体50の位置、姿勢を調整できる構成にしたが、本発明は、X線回折測定装置の筐体50に対して測定対象物OBの位置、姿勢を調整する場合でも適用することができる。この場合、本発明は測定対象物の形状が複雑な場合において有効である。
また、上記実施形態および変形例では、撮像器49が出力する信号を基に作成され表示される撮像画像においてLED光の照射点P1を十字マークのクロス点に一致させることで、X線の照射点からイメージングプレート15までの距離Lが設定距離Loになるようにしている。しかし、距離Lが精度よく得られれば残留応力を精度よく計算することができるので、これに代えて、予め撮像画像におけるLED光の照射点位置と距離Lとの関係を精度よく得て関係テーブル又は関係曲線をコントローラ91に記憶しておき、撮像器49が出力する信号を基に作成される撮像画像を処理してLED光の照射点位置を取得し、記憶してある関係テーブル又は関係曲線から距離Lを計算するようにしてもよい。これによれば、位置、姿勢の調整をより簡単にすることができる。
また、上記実施形態および変形例では、結像レンズ48の光軸が撮像器49と交差する位置に相当する撮影画像上の位置に十字マークを表示するようにしたが、測定対象物OBがイメージングプレート15に対して設定された位置にあるときにLED光の照射点の像が形成される位置を精度よく撮像画像中に表示できればよいので、結像レンズ48の光軸が撮像器49と交差する位置でなくてもよい。この場合は、測定対象物OBがイメージングプレート15に対して設定された位置にあるときにLED光の照射点の像が形成される撮像画像上の位置を検出し、その位置に十字マークを表示するようにすればよい。なお、結像レンズ48の中心を通過する光は結像レンズ48の光軸から離れるほど、形成されるスポットは大きくなるので、上記の位置は、結像レンズ48の光軸が撮像器49と交差する位置近辺にあることが好ましい。
また、上記実施形態および変形例では、結像レンズ48、撮像器49、センサ信号取出回路87、コントローラ91及び表示装置93からなる撮像システムを備える構成にしたが、X線回折測定装置の筐体50が固定され、測定対象物OBの位置、姿勢を調整する場合で、測定対象物OBの表面形状が複雑でも形状がほぼ一定の場合は、LED光の照射点がおよそ一定になるように位置を調整することで、X線の照射点からイメージングプレート15までの距離Lをぼぼ一定にすることができるので、予め距離Lを精度よく求めておけば、撮像システムを備えないようにすることができる。距離Lを精度よく求める方法としては、鉄粉を糊塗した測定対象物OBにX線を照射して回折環を撮像して形状を検出し、回折環の半径値と無応力のときの回折角度から距離Lを計算する方法などがある。また、測定対象物OBが単純形状で一定の大きさであるが、底面と表面が成す角度が異なるという場合は、X線回折測定装置の筐体50に対し測定対象物OBの位置と姿勢を一定にできれば、撮像システムに加えて、LED光源44、プレート45及びモータ46等からなるLED光照射システムを、備えないようにすることができる。
また、上記実施形態および変形例では、プレート45、モータ46及びストッパ部材47aによりLED光源44をX線の光軸上に移動させて、LED光を測定対象物OBに照射する構造にした。しかし、これに代えて、出射X線と光軸を同一にした可視の平行光を照射することができれば、どのような構造にしてもよい。例えば、ビームスプリッタを出射X線の光軸上に配置し、LED光をビームスプリッタで反射させて出射X線と光軸を同一にして照射するようにしてもよい。
また、上記実施形態および変形例では、スピンドルモータ27の貫通孔27bに内径の小さな通路部材28を設けるとともに、固定具18の貫通孔18aの内径を小さくして、LED光源44から出射されたLED光から小さな断面径の平行光が得られるようにしたが、小さな断面径の可視の平行光が得られるならば、別の構造にしてもよい。例えば、通路部材28の軸長を長くすることにより、LED光源44からのLED光から小さな断面径の平行光が得られるようにしてもよい。また、可視光であるレーザ光を出射するレーザ光源の近くにコリメートレンズとエキスパンダ―レンズを配置し、出射する小さな断面径のレーザ光の光軸をスピンドルモータ27の出力軸27aの貫通孔27a1の中心軸線と一致させるようにしてもよい。
また、上記実施形態および変形例では、イメージングプレート15に回折環を形成し、レーザ照射装置30からのレーザ照射と光の強度検出により、回折環における回折X線の強度に相当する強度の分布を検出し、LED光の照射により回折環の消去を行ったが、回折環を形成してその強度分布を検出することができるならば、回折環の形成と強度分布の検出はどのような方法を用いてもよい。例えば、イメージングプレート15の代わりに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CCDを備え、X線出射器10からのX線照射の際、X線CCDの各画素が出力する電気信号により回折環における強度分布を検出するようにしてもよい。また、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CCDの代わりに微小サイズのX線CCDを位置を検出しながら走査し、X線CCDの各画素が出力する電気信号とX線CCDの走査位置から回折環における強度分布を検出するようにしてもよい。