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、微小な測定対象物OBの残留応力又は残留応力に相当する特性値を測定及び評価するために、X線を測定対象物OBに照射するとともに、X線の照射によって測定対象物OBから出射される回折X線により回折環を形成し、形成した回折環の形状を検出して回折環の形状データを用いて演算を行う。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。筐体50の上面壁50fには、筐体50を持ち運ぶための取っ手51が設けられている。この筐体50の図示裏側の側面壁には、支持ロッド52(図1では省略)に固定される固定具が設けられており、筐体50は、切欠き部壁50cが対象物セット装置60の上面に対向するように、図示傾斜状態で支持ロッド52に固定される。支持ロッド52は、設置面上に載置された平板状に形成された設置プレート53上に立設固定されている。
対象物セット装置60は、いわゆるゴニオメータで構成されており、測定対象物OBが載置されるステージ61を、図示X,Y,Z軸方向にそれぞれ移動させるとともに、図示X軸及びY軸周りに回動(傾斜)させるものである。設置面上に載置された平板状に形成された設置プレート62上に、高さ調整機構63、第1乃至第5プレート64〜68及びステージ61がそれぞれ下から上に順に載置されている。高さ調整機構63は、操作子63aを有し、操作子63aの回動操作により第1プレート64を設置プレート62に対して上下動(すなわちZ軸方向に移動)させて、設置プレート62と第1プレート64間の垂直距離を変更することにより第1プレート64の高さすなわちステージ61の高さを変更する。
第2プレート65には操作子65aが組み付けられており、操作子65aの回動操作により、図示しない機構を介して第3プレート66が第2プレート65に対してX軸周りに回動されて、第3プレート66の第2プレート65に対するX軸周りの傾斜角すなわちステージ61のX軸周りの傾斜角が変更される。第3プレート66には操作子66aが組み付けられており、操作子66aの回動操作により、図示しない機構を介して第4プレート67が第3プレート66に対してY軸周りに回動されて、第4プレート67の第3プレート66に対するY軸周りの傾斜角すなわちステージ61のY軸周りの傾斜角が変更される。第4プレート67には操作子67aが組み付けられており、操作子67aの回動操作により、図示しない機構を介して第5プレート68が第4プレート67に対してX軸方向に移動されて、第5プレート68の第4プレート67に対するX軸方向の位置すなわちステージ61のX軸方向の位置が変更される。第5プレート68には操作子68aが組み付けられており、操作子68aの回動操作により、図示しない機構を介してステージ61が第5プレート68に対してY軸方向に移動されて、ステージ61の第5プレート68に対するY軸方向の位置すなわちステージ61のY軸方向の位置が変更される。
また、操作子65a、66aは回転角度(傾斜角度)を目盛りにより示すことができ、操作子65aが示す回転角度は図2のX軸方向に向かって左周りに回転したとき増加する。
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線を下方(図示左下方向)に向けて出射する。対象物セット装置60のX軸周りの傾斜角およびY軸周りの傾斜角が0であるとき、X線出射器10から出射されたX線の光軸のステージ61上面の垂直方向に対する角度(ステージ61上面に対するX線の入射角度ψ)が所定角度ψoとなるように、筐体50が支持ロッド52に対して組み付けられるとともに、X線出射器10の出射口11の向きが設定されている。この所定角度ψoは、例えば30度乃至45度の範囲内の所定角度である。
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度の基準位置である。なお、イメージングプレート15の回転基準位置(回転角度0度の位置)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。
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線がステージ61上の測定対象物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の回転基準位置のラインが含まれる平面内(X線の光軸とこの光軸と交差する傾斜角0のときのステージ61の表面の法線とが含まれる平面内)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の回転基準位置のラインとが含まれる平面内(X線の光軸とこの光軸に交差する傾斜角0のときのステージ61の表面の法線とが含まれる平面内)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(照射点)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乃至図8参照)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の回転基準位置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、この平面は、対象物セット装置60の傾斜角0のときのステージ61の表面に垂直になっている。また、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光の出射点(照射点)である。さらに、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光の出射点を通る、対象物セット装置60の傾斜角0のときのステージ61の表面の法線に対して、結像レンズ48の光軸がなす角度は、X線出射器10から出射されるX線及びLED光源44から出射されるLED光の光軸が前記法線に対してなす角度(X線及びLED光の入射角度ψ)に等しい。
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り、表面が傾斜角0のステージ61の上面と平行である状態で、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、照射点P1を含む測定対象物OBの画像が撮像器49で撮像されることに加えて、測定対象物OBにて反射したLED光の受光点P2(図6乃至図8参照)も撮像器49で照射点P1と同じ位置に撮像されることになる。すなわち、測定対象物OBに照射されるLED光は平行光であり、測定対象物OBにおけるLED光の照射点において、LED光は散乱光と、略平行光のまま反射する反射光を発生させる。そして、散乱光のうち結像レンズ48に入射した光は撮像器49の位置で結像して照射点P1の画像となり、結像レンズ48に入射した反射光は結像レンズ48により集光されて撮像器49で受光され、受光点P2の画像となる。測定対象物OBが設定された位置にあり、表面が傾斜角0のステージ61の上面と平行であるとき、結像レンズ48に入射する散乱光の光軸と反射光の光軸は、いずれも結像レンズ48の光軸と一致するため、照射点P1の画像と受光点P2の画像は同じ位置になる。なお、撮像器49は測定対象物OBを撮像するもので、撮像器49は結像レンズ48の焦点位置よりも若干量だけ後方に位置するので、厳密には、撮像器49によって受光される反射光は集光した後にやや拡散したものである。
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及び受光点P2を含む画像に加えて、ステージ61上の測定対象物OBの高さ及び傾斜角を適正に設定するための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複数のX線入射角度で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、X線入射角調整工程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を1度実行した後、X線入射角調整工程(2回目以降)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を繰り返して実行し、S5で記憶したデータ数が充分と判断した後、残留応力計算工程S5を実行する。
まず、X線入射角調整工程S1について説明する。作業者は対象物セット装置60のステージ61に測定対象物OBを置く。このとき目視で、後の工程で照射されるX線が測定対象物の測定位置近傍になり、残留応力の測定方向がY軸方向(図2参照)になるようににする。次に作業者は、入力装置92を操作して、ステージ調整工程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、測定対象物OBの表面が傾斜角0のステージ61の上面と平行に近い場合は、LED光の照射点で反射した反射光が結像レンズ48により集光されて、撮像器49が受光した受光点P2も画像として表示される。さらに、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及び受光された受光点P2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と同時に、距離Lが所定距離Loであり、測定対象物OBにおけるLED光の照射点部分の領域が傾斜角0のときのステージ61の表面に平行であるとき、測定対象物OBでの反射光が結像レンズ48により集光されて、撮像器49に受光点P2として受光される位置である。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、測定対象物OBの表面に投影させた方向が残留応力の測定方向である。また、十字マークのY軸線は、X線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面が、撮像器49と交差するラインであり、LED光の照射点における測定対象物OBの法線がX線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面内にあるときに受光点P2が表示されるラインである。
作業者は、表示装置93に表示される画像を見ながら、対象物セット装置60の操作子67a,68aを操作してステージ61すなわち測定対象物OBをX軸方向及びY軸方向にそれぞれ移動させて、画面上における照射点すなわちLED光の照射位置を測定対象物OBの測定箇所にする。また、測定対象物OBをステージ61上でZ軸周りに回転させて、十字マークのY軸方向を測定対象物OBの表面に投影させた方向が残留応力の測定方向になるようにする。また、操作子63aを操作して、ステージ61すなわち測定対象物OBをZ軸方向(すなわち高さ方向)に移動させて、照射点P1が十字マークのクロス点と一致するようにして、測定対象物OBにおける照射点からイメージングプレート15までの垂直距離Lを所定距離Loにする。さらに、操作子65a、66aを操作して、ステージ61すなわち測定対象物OBをX,Y軸周りに回動させて(姿勢を変化させて)、受光点P2が十字マークのクロス点と一致するようにして、測定対象物OBに対するLED光(X線)の入射角度ψを所定角度ψoにする。
この表示装置93の画像を見ながらのステージ61(測定対象物OB)のX軸方向位置、Y軸方向位置、Z軸方向位置(高さ)、X軸周りの傾斜角及びY軸周りの傾斜角の調整について、図6乃至図8を用いて説明すると、調整は以下の手順(1)〜(3)のように行われる。なお、図6(B)、図7(B)及び図8(B)は表示装置93に表示される画像を示しており、この場合、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。
(1)まず、図6(A)(B)に示すように、操作子67a,68aを操作してステージ61をX軸方向及びY軸方向にそれぞれ移動させるとともに、測定対象物OBをステージ61上でステージ61の平面内で回転させて、LED光の照射点P1すなわち測定対象物OBに対するLED光の照射点P1(照射位置)が測定対象物OBの所定位置(測定箇所)になるとともに、測定対象物OBに投影させた十字マークのY軸方向が所定方向(測定方向)になるようにしながら、操作子63aを操作してステージ61をZ軸方向(高さ方向)に移動させて、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調整する。特に、ステージ61のX軸方向及びY軸方向の移動調整により、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、照射点P1が十字マークのクロス点に位置するように、ステージ61のZ軸方向への移動調整を行うと、照射点P1(照射位置)は測定対象物OBのY軸方向に多少ずれるので、これらの位置調整を繰り返し行う必要がある。なお、図6(B)においては、LED光の照射点における測定対象物OBの表面が傾斜角0におけるステージ61の表面と平行でないため、反射光の受光点P2(図6(B)参照)は画像上に現れていないものとしている。
(2)次に、図7(A)(B)に示すように、操作子65a,66aを操作してステージ61をX軸周り及びY軸周りにそれぞれ回動させて、平行光であるLED光の反射光の受光点P2が画像の中心(十字マークのクロス点)になるように調整する。
(3)さらに、図8(A)(B)に示すように、操作子67a,68a,63a,65a,66aを操作して、ステージ61のX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の位置、並びにX軸周り及びY軸周りの傾斜角を微調整して、LED光の照射点P1(照射位置)が測定対象物OBの所定位置(測定箇所)に位置し、LED光の照射点P1及び反射光の受光点P2が十字マークのクロス点に完全に一致するようにする。また、測定対象物OBの残留応力の測定方向と画像の縦方向(Y軸方向)とがずれたときは、測定対象物OBの置き方を微調整する。
このような調整により、測定対象物OBに照射されるX線は測定箇所になり、照射されるX線の測定対象物OBの表面の投影方向が残留応力の測定方向になり、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になる。さらに、測定対象物OBに対するX線の入射角度
ψは所定角度ψoになる。調整が完了すると、作業者は入力装置92を操作して操作子65aが示す回転角度(X軸周りの傾斜角度)Θsを入力する。なお、対象物セット装置60のX軸周りの回転軸は、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の回転基準位置のラインを含む平面に対し垂直であり、この状態においてX線照射点における測定対象物OBの表面は対象物セット装置60のX軸周りの回転軸と平行になっている。よって、この後LED光の照射点を変えず、操作子65aを操作して測定対象物OBをX軸周りに回転させ、操作子65aが示す角度をΘmにしたときとき、X線の入射角度はψo+(Θm−Θs)で求めることができる。
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ける、イメージングプレート15の回転角度が0度に設定される。
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。なお、この場合におけるX線出射器10から測定対象物OBの表面に出射されるX線の光軸方向は前記LED光の場合と同じであり、X線の測定対象物OBに対する入射角度ψは、上述したLED光の場合と同様な所定角度ψoである。
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、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、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、選定した複数の回転角度ごとに、半径値rに対するSUM信号の瞬時値の変化曲線を作成し、変化曲線がピークを中心にして左右対称で得られた時点で、SUM信号の瞬時値、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。なお、測定対象物OBは微少量であるので回折環は全周形成されない可能性があり、選定した複数の回転角度の内、少なくとも1つの変化曲線がピークを中心にして左右対称になればよいとする。これにより、回折環の形状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の後の判断工程S5にて、コントローラ91は、表示装置93により全てのX線入射角度ごとのデータが得られたか問うので、作業者は次のX線入射角度における測定を行う必要があるときは「No」を入力する。これにより、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、回転制御回路86を制御し、モータ46を図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、LED光源44を貫通孔26aに対向させる。さらに、LED駆動回路85を制御してLED光源44を点灯させ、センサ信号取出回路87に撮像器49による撮像信号のコントローラ91への出力を指示し、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画像を表示装置93に表示させる。すなわち、初回のX線入射角調整工程S1のときと同じ状態にする。
2回目以降のX線入射角調整工程S1’にて、作業者は、表示装置93に表示される画像を見ながら、対象物セット装置60の操作子68a,63a,65aを操作して、測定対象物OBにおけるLED光の照射点P1の位置が変化せず、照射点P1が十字マークのクロス点と一致した状態のまま、操作子65aが示す角度を別の角度Θmにする。これは、測定対象物OBにおけるX線の照射点の位置を変化させず、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を所定距離Loにしたまま、X線の入射角度を変化させる操作である。前述したように、初回のX線入射角調整工程S1のとき操作子65aが示す角度をΘsとすると、X線の入射角度はψo+(Θm−Θs)で求めることができる。作業者は初回の入射角度(入射角度の設定値)から変化させたい角度分だけΘsに加算又は減算した角度付近になるよう操作子65aを操作し、調整完了したとき操作子65aが示す角度Θmを入力装置92からコントローラ91に入力する。
次に作業者は、入力装置92を操作してコントローラ91に調整終了を指示して、初回の回折環撮像工程S2のときと同様、X線出射器10からのX線が貫通孔26aに入射され得る状態にし、残留応力の測定開始をコントローラ91に指示する。この後のX線回折測定装置の作動および作業者による入力装置92からの入力は、前述した回折環撮像工程S2乃至回折環消去工程S4の説明と同じである。そして、判断工程S5にて、表示装置93に表示される全てのX線入射角度ごとのデータが得られたかの問いに対して「No」を入力装置92に入力する限り、2回目以降のX線入射角調整工程S1’乃至回折環消去工程S4が繰り返され、判断工程S5にて、「Yes」を入力するとコントローラ91は残留応力計算工程S6を行う。
残留応力計算工程S6は、得られた回折環の形状データ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は以下の(1)〜(5)順に演算処理を実行する。なお、演算処理の内、最後までデータが得られなくても演算可能なものは、前述したX線入射角調整工程S1’乃至回折環消去工程S4を行うときに並行して行うようにしてもよい
(1)回折環の回転角度αごとの半径値Rαを計算
回折環読取り工程S3で得られるデータは、SUM信号の瞬時値、回転角度θp及び半径値rが1つになったデータのデータ群である。これらのデータを用いて、回転角度αごとに半径値rに対するSUM信号の瞬時値(回折X線の強度に相当する)の曲線を作成する。得られる曲線は正規分布のような曲線になるので、ピーク位置の半径値Rを検出する。これにより、回転角度αごとの半径値Rαが得られる。この処理は視覚的に示すと、図9に示す円を得るものであり、この円の形状が回折環の形状である。
(2)回転角度αごとの演算値a1を計算
この演算処理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〔0027〕〜〔0041〕に詳細に説明されている。まず、回転角度αごとの半径値Rα、X線の照射点からイメージングプレート15までの距離Loを以下の数1に代入することで、回転角度αごとの回折角2Θαを得る
(数1)
Rα=−Lo・tan2Θα
次に回転角度αごとの回折角2Θαと、無ひずみのときの回折角である2Θ0を以下の数2に代入することで、回転角度αごとのひずみεαを計算する。
(数2)
εα=(1/2)・(2Θ0−2Θα)・cotΘ0
次に回転角度αごとのひずみεαを、以下の数3に代入することで、回転角度αごとの演算値a1を計算する。この場合の回転角度αは0〜90°の値を使用すると全てのデータを使用することになるので、ひずみεαの回転角度αは0〜90°の範囲である。
(数3)
a1=(1/2)・〔(εα−επ+α)+(ε−α−επ−α)〕
この処理は視覚的に示すと、図9に示す回折環の4つの箇所のひずみεαから演算値a1を得るものである。
(3)演算値a1の補正値a1’を計算
回転角度αごとの演算値a1は検出した回折環の形状ごとに得られ、回折環にはそれぞれのX線入射角度ψm(m=0,1,2・・・)がある。次に回転角度αごとの演算値a1とX線入射角度ψmを以下の数4に代入して演算値a1の補正値a1’を計算する
(数4)
a1’=a1・(sin2ψ0/sin2ψm)
補正値a1’を計算する意味を以下に説明する。cosαとa1とには、特開2005−241308号公報の〔0041〕に示されるように以下の関係がある。S2は定数であり、ηは無応力のときのブラッグ角の補角とみなしてよいので材料により定まる値であり、σS 11は残留圧縮応力である。
(数5)
a1=〔−(S2/2)・sin2η・sin2ψm〕・σS 11・cosα
よって、X線入射角度ψmで回折環を形成すれば、cosαとa1の値は原点を通る傾き〔−(S2/2)・sin2η・sin2ψm〕・σS 11の関係になる。X線入射角度ψmは回折環ごとに異なっているので、回折環ごとにcosαとa1の傾きは異なる。しかし、数5の両辺に(sin2ψ0/sin2ψm)を掛けると、右辺のψmはψ0になり、X線入射角度ψmによらない値になる。すなわち、cosαとa1’の関係は検出した回折環によらず、傾き〔−(S2/2)・sin2η・sin2ψ0〕・σS 11の一定の関係になる。
(4)残留応力を計算
次に回転角度αからcosαを計算し、cosαと補正値a1’を1つのデータ群にして、cosαとa1’から原点を通る回帰式a1’=−A・cosαを最小2乗法により計算する。前述したようにcosαと補正値a1’はX線入射角度ψmによらない一定の関係であるので、1つのデータ群にすることができる。そして、傾き−Aを〔−(S2/2)・sin2η・sin2ψ0〕で除算することで残留圧縮応力σS 11を計算する。なお、傾き−Aから計算する値は残留圧縮応力に相当する特性値であってもよい。
上記(2)から上記(4)までの演算処理を視覚的に示したものが図10である。図10は見やすくするため、それぞれのX線入射角度ψmごとのデータ数は少なくしているが、実際はもっと多い。また、X線入射角度ψmは3つの場合しかないが、もっと多くのX線入射角度ψmにおいてデータを得ることができる。図10に示すように、測定対象物が微少量である場合、それぞれのX線入射角度ψmにおいて回折環全周の形状データが得られない可能性があり、cosαとa1の関係図にするとデータがない箇所がある可能性があるが、全てのX線入射角度ψmのcosαとa1のデータを演算値a1を補正値a1’にして1つのデータ群にすれば、全範囲に渡ってデータを得ることができる。これは、背景技術の特許文献3に示すように微少量の測定対象物を揺動させて回折環全周が撮像されるようにすることに相当するが、cosαとa1の関係をX線入射角度ψmによらない関係にしたうえで1つのデータ群にしているので、測定対象物を揺動させて回折環を形成する場合よりも測定精度を向上させることができる。
なお、X線入射角度ψmごとのcosαとa1’の関係と、1つのデータ群にしたcosαとa1’の関係を比較して、関係が異なっているものは1つのデータ群から除外するようにしてもよい。具体的には、X線入射角度ψmごとに、1つのデータ群におけるcosαとa1’の回帰線からの各a1’のずれDevを求め、ずれDevの平均値と標準偏差を算出して、予め定めた許容値より大きいものは除外するようにすればよい。ずれDevの平均値が許容値より大きいということは、cosαとa1’のデータが、1つのデータ群におけるcosαとa1’の回帰線の片方に多く分布しているということである。また、ずれDevの標準偏差が許容値より大きいということは、cosαとa1’のデータの相関が悪いということである。なお、標準偏差の代わりに相関係数を用いるようにしてもよい。
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を表示する。また、それぞれのX線入射角度ψmごとの回折環、cosαとa1の関係図および1つのデータ群にしたときのcosαとa1’の関係図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、対象物セット装置60のステージ61に置いた測定対象物OBを、操作子65aを操作することでX線の測定対象物に対する入射角度を変化させて固定し、そのときのX線の入射角度を、設定したX線の入射角度と操作子65aが示す角度とにより検出している。そして、この後、X線出射器10からのX線照射によりイメージングプレート15に回折環を形成し、形成された回折環を、レーザ検出装置30からのレーザ照射により形状を検出している。これにより、測定対象物OBの同一箇所において複数のX線の入射角度に対応させて回折環の形状を検出し、コントローラ91に回折環の形状データを記憶させることができる。そして、コントローラ91は、演算処理により回折環の形状データに基づくデータを作成し、次いで作成したデータを回折環の形状データに対応するX線の入射角度と予め設定されたX線の入射角度とにより補正し、補正したデータを1つのデータ群にして測定対象物の特性値を計算している。すなわち、コントローラ91は、X線の入射角度ごとの回折環の形状に基づくデータを、X線の入射角度が設定された入射角度のときのデータになるよう補正したうえで、データを1つのデータ群にして特性値を計算している。したがって、上記実施形態によれば、X線の入射角度ごとに回折環の形状が異なる影響を除去することができる。また、X線の入射角度を変化させるのでX線の入射角度が一定の場合より多くの回折面からの情報を得ることができる。これにより、測定対象物が微小量であっても残留応力又は残留応力に相当する特性値を精度よく求めることができる。
また、上記実施形態においては、回折環の形状データからcosα法により測定対象物の特性値を計算しており、コントローラ91は、回折環の回転角度をαとしたときcosαと相対関係を有する演算値a1を複数計算して作成し、作成した演算値a1を、X線の入射角度ψmと予め設定されたX線の入射角度ψ0との割合を乗算することで補正値a1’にし、cosαと複数の補正値a1’との相対関係に基ずく値を特性値として計算している。すなわち、演算値a1を計算した後、演算値a1をX線の入射角度ψ0のときの補正値a1’に補正して、補正値a1’を1つのデータ群にして特性値を計算している。したがって、上記実施形態によれば、cosα法により測定対象物の特性値を計算する場合、X線の入射角度ごとに回折環の形状が異なる影響を除去して特性値を計算することができる。
また、上記実施形態においては、対象物セット装置60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における回転基準位置のラインとを含む基準面に対し、垂直な回転軸周りに、操作子65aを操作することでステージ61を回転してX線の入射角度を変化させるとともに、基準面に平行な回転軸周りに操作子66aを操作することで、基準面と測定対象物の表面が成す角度を変化させることができるようにしている。また、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可視光を測定対象物OBに出射するLED光源44と、LED光源44から出射されるLED光の測定対象物での反射光を受光して受光位置を表示するとともに、受光位置とは独立して測定対象物OBのLED光の照射点における法線が基準面と平行になるためのライン(Y軸線)と、ライン内の位置であってLED光の測定対象物に対する入射角度が設定された入射角度ψ0になるための反射光の基準受光位置が表示する撮像器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を備えている。そして、コントローラ91は、LED光の反射光が基準受光位置に受光された状態における操作子65aが示す角度Θsと角度Θs以外で操作子65aが示す角度Θmと設定された入射角度ψ0とから、X線の入射角度を計算している。したがって、上記実施形態によれば、測定対象物OBが複雑な形状をしていても、LED光源44からLED光を出射し、表示装置93が表示する反射光の受光位置が基準受光位置になるよう操作子65a,66aを操作すれば、X線の入射角度を設定値ψ0にすることができる。そして、この状態において操作子65aが示す角度Θsを検出して記憶しておけば、後はX線の入射角度を変化させても、測定対象物OBにおけるLED光の照射点の位置が変化しないようにすれば、角度Θsと操作子65aが示す角度ΘmとX線の入射角度の設定値ψ0とからX線の入射角度を検出することができる。
また、上記実施形態においては、測定対象物OBにて発生したX線の回折光を受光し、X線の回折光の像である回折環を記録するイメージングプレート15と、レーザ光を出射するレーザ光源31及びレーザ光の照射点にて発生する光を受光するフォトディテクタ40を有し、レーザ光をイメージングプレート15の受光面に、テーブル移動機構20による移動とスピンドルモータ27による回転により走査しながら照射するとともに、レーザ光の照射によってイメージングプレート15から出射された光を受光して受光強度に応じた受光信号を出力するレーザ検出装置30と、X線出射器10から対象とする測定対象物OBに向けてX線を照射して、測定対象物OBで回折したX線によってイメージングプレート15に測定対象物OBによる回折環を撮像する各種制御回路及びコントローラ91のプログラムと、レーザ検出装置30が出力する受光信号の強度をレーザ光の照射位置とともに検出して、イメージングプレート15に形成された回折環の形状を検出する各種制御回路及びコントローラ91のプログラムと、イメージングプレート15に回折環を消去する光であるLED光を、テーブル移動機構20による移動とスピンドルモータ27による回転により走査しながら照射する各種制御回路及びコントローラ91のプログラムとを備えている。したがって、上記実施形態によれば、X線入射角度の調整、回折環の形成、回折環の形状検出および回折環の消去を繰り返すことで、複数のX線入射角度に対応する回折環の形状を短時間で得ることができる。そして、イメージングプレート15に形成した回折環の位置ごとの回折X線の強度をレーザ光照射により発生する光の強度により検出するので、回折環の形状を精度よく検出することができる。
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、測定対象物OBを対象物セット装置60にセットし、対象物セット装置60の操作子65a,66aを操作してステージ61の傾斜角度を変化させることで、X線の入射角度を変化させるようにした。しかし、測定対象物OBが固定されていて取外しすることが不可能な場合は、測定対象物OBを対象物セット装置60にセットすることはできない。以下に示す実施形態(以下、変形例という)は、このような場合に対応するためのものであり、X線回折測定装置を測定対象物OBの近傍まで運搬して設置し、X線回折測定装置の筐体50の位置と姿勢を測定対象物OBに対して変化させる。以下、上記実施形態と異なる点のみを説明する。
本発明の変形例に係るX線回折測定装置を含むX線回折測定システムの構成は図11に示すものである。筐体50の形状は取っ手51がない点以外は、上記実施形態と同じである。また、筐体内部の構造は、上記実施形態と同じである。側面壁の1つには、支持アーム55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11の紙面の垂直周り、すなわち、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における回転基準位置のラインとを含む基準面に垂直な回転軸周りに回転可能になっている。支持アーム55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におけるX線の照射点を一定にしたまま測定対象物OBに対するX線の入射角度を調整することができる。
筐体50には傾斜センサ56が取り付けられており、筐体50の側面壁に平行な設定方向と垂直な方向の2方向における傾斜角度(2方向に対する重力方向の角度)に相当する信号を、傾斜センサ信号取出回路88へ出力する。なお、視点を変えると傾斜センサ56は、支持アーム55の筐体50への接続部の回転軸に垂直な設定方向と前記回転軸方向に対する重力方向の角度に相当する信号を出力する。傾斜センサ信号取出回路88は、コントローラ91から指令が入力すると、傾斜センサ56が出力する信号をデジタルデータにしてコントローラ91へ出力する。これにより、作業者が入力装置92から傾斜角度検出の指令を入力すると、コントローラ91には2つの傾斜角度データが記憶される。これは、上記実施形態において、作業者が操作子65aが示す角度を入力することに相当する。なお、コントローラ91が記憶した2つの傾斜角度からX線の入射角度の計算に使用するのは、筐体50の側面壁に平行な設定方向(支持アーム55の筐体50への接続部の回転軸に垂直な設定方向)における傾斜角度である。
変形例に係るX線回折測定装置を含むX線回折測定システムのこれ以外の箇所の構成は、上記実施形態と同じである。そして、変形例に係るX線回折測定装置を含むX線回折測定システムを用いて測定対象物OBの残留応力を測定する方法において、上記実施形態と異なっている点は2つのみである。1つは、対象物セット装置60の操作子を操作して測定対象物OBの位置と姿勢を調整する替わりに、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してX線の入射角度を調整する点である。もう1つは、作業者が操作子65aが示す角度を入力装置92から入力する替わりに、傾斜角度検出の指令を入力装置92から入力する点である。これ以外は、すべて上記実施形態と同じである
上記説明からも理解できるように、上記変形例においては、X線回折測定装置の筐体50をアーム式移動装置に連結し、アーム式移動装置を操作することで筐体50の位置と姿勢を調整している。そして、筐体50にセットされた傾斜センサ56および傾斜センサ信号取出回路88により、支持アーム55の筐体50への接続部の回転軸に垂直な設定方向に対する重力方向の角度を検出している。したがって、上記変形例によれば、測定対象物OBが固定されていて取り外しできない場合でも、X線回折測定装置を運搬して測定対象物OBの近辺に設置し、測定対象物OBにおける可視光の照射点を変化させずにX線回折測定装置の筐体50の位置と姿勢を変化させれば、複数のX線入射角度における回折環を得ることができる。また、X線の入射角度を容易に精度よく検出することができる。
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、X線回折測定装置の筐体50にセットされた傾斜センサ56および傾斜センサ信号取出回路88によりX線の入射角度の計算に必要な角度を検出した。しかし、アーム式移動装置において、アーム式移動装置とX線回折測定装置の筐体50との接続部以外に、前記接続部の回転方向に回転を行う関節がなければ、これに代えて前記接続部の回転軸周りの回転角度を検出するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、対象物セット装置60の操作子65aが示す角度を入力装置92によりコントローラ91に入力するようにしたが、これに代えて、操作子65aを電動式モータにし、モータ内のエンコーダが出力するパルス信号から角度を検出して、入力装置92からの指令によりコントローラ91に出力するようにしてもよい。また、上記変形例で筐体50にセットした傾斜センサを対象物セット装置60の第2プレート65より上部にセットし、上記変形例のように傾斜センサよび傾斜センサ信号取出回路によりX線の入射角度の計算に必要な角度を、コントローラ91に出力するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、測定対象物OB(ステージ61)の位置と姿勢を変化させるとき、X線回折測定装置からLED光を照射して表示装置93の作動により表示される撮像画像を見ながら、測定対象物OBのLED光照射点の位置を変化させずに、測定対象物OB(ステージ61)の姿勢(傾斜角度)を変化させた。しかし、測定対象物OBの形状が略一定であり、測定対象物OBをステージ61にセットしたとき、対象物セット装置60のX軸方向の回転軸が測定対象物OBの表面に略一致させることができれば、これに代えて、予め操作子65aが示す角度とX線の入射角度との関係を得てコントローラに記憶しておき、X線入射角調整工程S1,S1’は、操作子65aを操作して傾斜角度を調整した後、操作子65aが示す角度を入力装置92から入力するのみにしてもよい。これによれば、LED光の照射機構(LED光源44、モータ46及びプレート45等)、撮像機構(結像レンズ48、撮像器49、センサ信号取出回路87等)を不要にすることができる。また、この場合は前述のように操作子65aを電動式モータにするか、傾斜センサをセットすることで自動で角度がコントローラに入力するようにし、X線入射角調整工程S1,S1’乃至残留応力計算工程S6をすべてコントローラ91が実行するプログラム処理で行うようにしてもよい。
また、測定対象物OBの形状が略一定でなくても厚さがほぼ一定であり、対象物セット装置60のX軸方向の回転軸が測定対象物OBの表面に略一致させることができれば、これに代えて、LED光の照射機構はそのままにし、撮像機構をなくして、X線回折測定装置の筐体50の底部50aに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における回転基準位置のラインとを含む基準面が、X線照射点における測定対象物OBの法線と平行になるためのラインと、このライン内に可視光の反射光の受光点に対するX線入射角度の目盛を付けておくようにしてもよい。この場合は、目視によりLED光の反射光の受光点がライン上になるよう測定対象物OB(ステージ61)の姿勢を調整し、LED光の反射光の受光点が目盛のどこにくるかから、X線の入射角度を検出することができる。また、目盛を付けておく代わりにX線の入射角度が設定値になる基準点を付けておき、LED光の反射光の受光点が基準点になったときの操作子65aが示す角度と、その後における操作子65aが示す角度とから、上記実施形態と同じ計算方法によりX線の入射角度を計算するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、対象物セット装置60により、ステージ61(測定対象物OB)の傾斜角度を変化させてX線入射角度を調整し、上記変形例ではX線回折測定装置の筐体50に連結させているアーム式移動装置を操作してX線回折測定装置の筐体50の傾斜角度を変化させて、X線入射角度を調整したが、測定対象物OBを載置するステージとX線回折測定装置の筐体の双方に傾斜角度を調整する機構を備えてもよい。
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の形状を検出し、LED光の照射により回折環の消去を行ったが、繰り返して回折環を形成してその形状を検出することができるならば、回折環の形成と形状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の形状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の形状を検出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、回折環の形状データからcosα法により測定対象物の残留応力を計算する際、cosαと相対関係を有する演算値a1をX線の入射角度により補正して補正値a1’にした後、cosαと補正値a1’から残留応力を計算するようにしたが、cosα法以外で回折環の形状データから測定対象物の特性値を計算する方法があるならば、その方法においても回折環の形状データから算出したデータにX線の入射角度による補正を行い、測定対象物の特性値を計算することができる。