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5を用いて説明する。なお、このX線回折測定システムが、先行技術文献の特許文献2に示されているX線回折測定システムと異なっている点は、X線回折測定装置がアーム式移動装置に連結されている点、X線回折測定装置の筐体50の回転角度を検出する機能を備える点、対象物セット装置60に複雑な形状の測定対象物の位置と姿勢を調整しやすくするアーム機構69を備える点、LED光源44が取り付けられたユニットの配置、及びコントローラ91にX線の入射角を算出するプログラムを備える点であり、それ以外の構成は同一である。よって、特許文献2に示されているX線回折測定システムで既に説明されている箇所は、簡略的に説明するにとどめる。
このX線回折測定システムは、対象物セット装置60に測定対象物OBをセットしてX線回折測定を行い、測定対象物OBの残留応力を測定するものである。X線回折測定装置はアーム式移動装置により、測定対象物OBに対する位置と姿勢を変化させることができる。また、対象物セット装置60は、アーム機構、3軸方向の移動機構、及び2軸周りの傾斜機構を備え、X線回折測定装置に対して測定対象物OBの位置と姿勢を調整できる。このX線回折測定システムにより測定対象物OBのX線回折測定をするときは、まず、アーム式移動装置を操作してX線回折測定装置を測定対象物OBの測定ができる位置まで移動させ、測定対象物OBの測定点付近にX線が照射される姿勢にする。次に、対象物セット装置60を操作して、測定対象物OBにおけるX線照射点と測定対象物OBに対するX線の照射方向が目的とする位置と方向になるとともに、該X線照射点から回折環が形成されるイメージングプレート15までの距離が設定値になるようにする。次に、X線の入射角を測定する。そして、測定対象物OBへX線を照射してX線回折測定を行う、という順に作業を行う。なお、本実施形態では、測定対象物OBは鉄製のギヤである。
X線回折測定装置は、筐体50内に、X線出射器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線回折測定システムは、このX線回折測定装置とともに、アーム式移動装置(図示しない)、コンピュータ装置90、高電圧電源95、及び対象物セット装置60を備える。筐体50内には、上述した装置および機構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。
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。また、別の表現をすると、後述するX線出射器10から出射されるX線の光軸と後述する結像レンズ48の光軸とを含む平面の法線周りに回転可能になっている。支持アーム51は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。
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、ステージ61を、図1及び図2の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。ステージ61の上面の角近傍にはアーム機構69の一端が固定されており、アーム機構69のもう一端は正方形状の面を有する固定プレートPLに固定されており、固定プレートPLのアーム機構69が固定された面の反対側の面は磁石からできている。よって、図1及び図2に示すように、測定対象物OBが鉄やステンレスからなるものであれば、固定プレートPLの面に吸着させることにより、測定対象物OBを対象物セット装置60にセットすることができる。アーム機構69は複数の関節を有しており、固定プレートPL、即ちセットした測定対象物OBの位置と姿勢をおおまかに調整することができる。また、対象物セット装置60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。即ち、対象物セット装置60は、アーム機構69により測定対象物OBの位置と姿勢をおおまかに調整でき、操作子63a、65a〜68aにより測定対象物OBの位置と姿勢を微調整できるようになっている。
X線出射器10は、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線を図示下方向に出射する。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線出射器10から一定強度の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。
テーブル駆動機構20は、筐体50に固定され、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、テーブル駆動機構20における対向する1対の板状のガイド25,25により挟まれていて、テーブル駆動機構20に固定されたフィードモータ22、スクリューロッド23及び軸受部24により、出射X線の光軸が含まれる筐体50の側面壁に平行な平面内であって、出射X線の光軸に垂直な方向に移動する。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、移動ステージ21をフィードモータ22側へ移動させるようフィードモータ22に駆動信号を出力し、位置検出回路72は、移動ステージ21が移動限界位置に達して、エンコーダ22aからパルス列信号が入力されなくなると、駆動信号停止を意味する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、これにより駆動信号の出力を停止する。この移動限界位置が移動ステージ21の原点位置となり、位置検出回路72は、以後、移動ステージ21が移動するごとにエンコーダ22aからのパルス列信号をカウントし、移動方向によりカウント値を加算または減算して移動限界位置からの移動距離x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の移動先位置を入力すると、位置検出回路72から入力する位置信号が入力した移動先位置に等しくなるまで、フィードモータ22を正転又は逆転駆動する。 また、フィードモータ制御回路73は、コントローラ91から移動ステージ21の移動速度を入力すると、エンコーダ22aから入力したパルス列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、計算した移動速度が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おり、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、出射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スピンドルモータ27が組み付けられており、スピンドルモータ27の出力軸27aは円筒状で断面円形の貫通孔27a1を有する。スピンドルモータ27の出力軸27aの反対側には、貫通孔27bが設けられ、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27cが組み込まれ、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の単位時間当たりのパルス数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。回転角度検出回路75は、エンコーダ27cから入力するパルス列信号のパルス数をカウントし、そのカウント値から回転角度θpを計算してコントローラ91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すると、カウント値をリセットして「0」にする。これが回転角度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。
テーブル16は、円形状であり、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は、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18aの内径は通路部材28の内径と同じである。すなわち、出射X線は、貫通孔26a,21a,通路部材28,貫通孔27b,27a1,16a,17a,18aを介して出射され、通路部材28の内径及び貫通孔18aの内径は小さいので、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、筐体50の円形孔50c1から出射される。
イメージングプレート15は、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、回折環撮像位置へ移動し、また、後述する撮像した回折環を読み取る回折環読取り領域、及び回折環を消去する回折環消去領域へ移動する。この移動において、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°の位置(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。
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、イメージングプレート15が発光した光の強度を検出する。レーザ検出装置30は、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側に充分離れており、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、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等を備えた光ヘッドであり、光ディスクの記録再生に用いられるものと同様な構成である。 レーザ駆動回路77は、コントローラ91から指令が入力すると、フォトディテクタ42から入力する信号の強度が所定の強度になるようレーザ光源31に駆動信号を出力し。レーザ光源31からは一定強度のレーザ光が出射される。フォトディテクタ42は後述するダイクロイックミラー34で微量が反射し、集光レンズ41を介して受光したレーザ光の強度に相当する強度の信号を出力するが、ダイクロイックミラー34での反射の割合は一定であるので、出射したレーザ光の強度に相当する強度の信号を出力すると見なせる。コリメートレンズ32はレーザ光を平行光にし、反射鏡33はレーザ光を、ダイクロイックミラー34に向けて反射し、ダイクロイックミラー34は、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、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。対物レンズ36には、フォーカスアクチュエータ37が組み付けられており。後述するフォーカスサーボにより、レーザ光の焦点は常にイメージングプレート15の表面に合致する。
集光されたレーザ光が、イメージングプレート15の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、回折環撮像時における回折X線の強度に応じた光が発生する。この輝尽発光により発生した光はレーザ光の波長よりも波長が短く、レーザ光の反射光と共に対物レンズ36を通過するが、ダイクロイックミラー34にて大部分が反射し、レーザ光の反射光は大部分が透過する。ダイクロイックミラー34で反射した光は、集光レンズ38、シリンドリカルレンズ39を介してフォトディテクタ40に入射する。フォトディテクタ40は、4つの同一正方形状の受光素子からなる4分割受光素子からなり、4つの受光信号(a,b,c,d)を増幅回路78に出力する。なお、シリンドリカルレンズ39は非点収差を生じさせるためにある。
増幅回路78は、入力した4つの受光信号(a,b,c,d)を増幅して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。フォーカスエラー信号生成回路79は、非点収差法におけるフォーカスエラー信号を生成してフォーカスサーボ回路81へ出力する。フォーカスサーボ回路81は、コントローラ91により指令が入力すると作動開始し、入力した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、入力した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、これにより、レーザ光の焦点は常にイメージングプレート15の表面に合致する。
SUM信号生成回路80は、入力した4つの受光信号を合算してSUM信号を生成し、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にて反射する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、撮像された回折環における回折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から指令が入力すると、入力するSUM信号の瞬時値をデ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、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から指令を入力すると、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、移動ステージ21とテーブル駆動機構20の上壁26の下面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、移動ステージ21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、上壁26の下面に平行な面内を回転する。移動ステージ21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が上壁26の貫通孔26a及び移動ステージ21の貫通孔21aに対向する位置(A位置)で静止するように、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が上壁26の貫通孔26aと移動ステージ21の貫通孔21aとの間を遮断しない位置(B位置)で静止するように、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るが、プレート45がA位置にあるとき、その一部は、出射X線と同様の経路で貫通孔18aから出射するので、出射X線と同様、貫通孔27a1の軸線に平行な平行光になる。
モータ46はエンコーダ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令が入力されると、モータ46に駆動信号を出力し、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、筐体50内部には撮像器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87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に対して設定された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に対して設定された位置とは、測定対象物OBにおけるX線及びLED光の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87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コントローラ91に出力する。
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とともに、こ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光の照射点であるように調整されている。さらに、X線及びLED光の測定対象物OBに対する入射角度が設定値であるとき、結像レンズ48の光軸と測定対象物OBのX線及びLED光の照射点における法線方向とが成す角度は前記入射角度に等しい角度であるようにされている。したがって、測定対象物OBにおけるX線及びLED光の照射点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、LED光が測定対象物OBに設定された入射角度で照射された場合には、撮影画像におけるLED光の照射点と測定対象物OBで反射したLED光の受光点は同じ位置に生じる。測定対象物OBに照射されるLED光は平行光であるので、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が、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、受光点の画像となる。そして、LED光の照射点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、LED光が測定対象物OBに設定された入射角度で照射されたとき、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、照射点の画像と受光点の画像は同じ位置になる。なお、X線回折測定システムは測定対象物OBに対するX線の入射角を検出する機能を有するので、X線およびLED光の照射点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ようにすることは必須であるが、X線およびLED光が測定対象物OBに設定された入射角度で入射するようにすることは必須ではない。
X線回折測定装置の筐体50には傾斜センサ56が取り付けられている。傾斜センサ56は、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。別の表現をすると、傾斜センサ56は、支持アーム51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。また、上述したように、X線出射器10から出射されるX線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面(以下、基準平面という)の法線と、支持アーム51の筐体50への接続部の回転軸は平行であるので、前記回転軸は、基準平面の法線と読み替えることもできる。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が出力する傾斜角度に相当する信号の内、前記回転軸に垂直な設定方向に対する重力方向の角度に相当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。コントローラ91は、入力装置93から指令が入力されると、傾斜センサ信号取出回路88に指令を出力し、最初に入力したデータを初期データとして記憶し、それ以降入力したデータから初期データを減算することで前記回転軸周りに回転した角度を算出する。
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及び受光点を含む画像に加えて、測定対象物OBの測定箇所に対するX線回折測定装置(筐体50)の位置と姿勢を適正に設定するためのマークも表示される。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。
次に、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、X線回折測定装置に対する測定対象物OBの位置と姿勢を調整したうえで、測定対象物OBのX線回折測定を行う具体的方法について説明する。作業者は、測定対象物OBを対象物セット装置60のプレートPLに吸着させ、アーム式移動装置を操作してX線回折測定装置(筐体50)を測定対象物OBの近くまで移動させ、電源を投入してX線回折測定システムを作動させる。この後、X線回折測定は、位置姿勢調整工程S1、X線入射角検出工程S2、回折環撮像工程S3、回折環読取り工程S4,回折環消去工程S5及び残留応力計算工程S6の順に行われるが、先行技術文献の特許文献2で既に詳細に説明されている箇所は、簡略的に説明するにとどめる。
位置姿勢調整工程S1は、X線回折測定装置(筐体50)に対する測定対象物OBの位置と姿勢を調整する工程である。作業者は、まず、アーム式移動装置及び対象物セット装置60のアーム機構69と5つの操作子63a,65a,66a,67a,68aのいくつかを操作し、X線回折測定装置(筐体50)に対する測定対象物OBの位置と姿勢を調整することで、おおよそで測定対象物OBにおけるX線の照射点及びX線の入射方向を目的とする測定位置と方向にし、X線の照射点からイメージングプレート15までの距離を設定距離になるようにする。次に作業者は、入力装置92から位置姿勢の調整を行うことを入力する。この入力により、コントローラ91は、各回路に指令を出力し、イメージングプレート15を回折環撮像位置(図1乃至図3の状態)に移動させ、モータ46を駆動させてプレート45をA位置まで回転させ、LED光源44を点灯させる。これにより平行光であるLED光が筐体50の円形孔50c1から外部へ出射され、測定対象物OBの目的とする測定位置付近に照射される。さらに、コントローラ91は、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、この撮像信号から作成したLED光の照射位置近傍の画像を表示装置93に表示させる。このとき、表示される画像には、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、十字マークが表示される。
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、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が設定値であるときに、照射点が撮像される位置であると同時に、距離Lが設定値であり、LED光が測定対象物OBに設定された入射角度で入射されるとき、受光点が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、この方向を測定対象物OBに投影させた方向が残留垂直応力の測定方向である。
作業者は、表示装置93に表示される画像を見ながら、対象物セット装置60のアーム機構69と5つの操作子63a,65a,66a,67a,68aを操作し、X線回折測定装置(筐体50)に対する測定対象物OBの位置と姿勢を調整し、画面上におけるLED光の照射点が測定対象物OBの目的とする測定位置になるとともに、十字マークのクロス点と合致するようにする。そして、X線を測定対象物OBに設定された入射角度で入射させると判断すれば、受光点が十字マークのクロス点と合致するようにする。
また、X線を測定対象物OBに設定とは異なる入射角度で入射させると判断すれば、同様に、対象物セット装置60のアーム機構69と5つの操作子63a,65a,66a,67a,68aを操作し、LED光の照射点が測定対象物OBの目的とする測定位置になるとともに、十字マークのクロス点付近になるようにする。そして、受光点が十字マークのY軸と合致するようにした後、支持アーム51の筐体50への接続部の回転と、対象物セット装置60の操作子63a,67a,68aの操作による、X,Y,Z軸方向への移動により、X線の入射角を目的とする角度付近にし、LED光の照射点が測定対象物OBの目的とする測定位置になるとともに、十字マークのクロス点と合致するようにする。受光点が十字マークのY軸と合致するようにした後、測定対象物OBの姿勢を変更しないのは、基準平面傾き角(出射X線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面の法線方向が測定対象物OBのX線照射点周囲の微小平面と成す角度)を0°にするためである。基準平面(出射X線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面)は、出射X線の光軸とイメージングプレート15の回転角度0°のラインを含む平面でもある。基準平面傾き角を0°にするということは、基準平面に測定対象物OBのX線照射点における法線が含まれるようにするということであり、これを行うのは、回折環の形状からcosα法により残留応力を計算する際、回転角度0°のラインをX軸にして計算を行うため、基準平面に出射X線の光軸と測定対象物OBのX線照射点における法線とを含む平面が一致していないと、計算の結果得られる残留応力の精度が悪くなるためである。
この調整により、X線出射器10から出射されるX線は測定対象物OBの目的とする測定位置に照射され、X線の照射点からイメージングプレート15までの距離は設定値になる。そして、受光点を十字マークのクロス点と合致させれば、測定対象物OBに対するX線の入射角は設定値になるので、次のX線入射角検出工程S2は不要であり、回折環撮像工程S3へ行く。また、受光点を十字マークのクロス点と合致させなければ、次のX線入射角検出工程S2へ行く。
次のX線入射角検出工程S2において、作業者は、入力装置92からX線入射角検出を行うことを入力する。この入力により、コントローラ91は、図5及び図6に示すフローのプログラムをスタートさせる。以下、図5のフローに沿って説明する。まず、図5のフローのステップS12にて、取り込む撮像データに対応させる変数nを0にする。次に、ステップS14にて、フィードモータ制御回路73に、設定位置Aへ移動する指令を出力する。これにより移動ステージ21は、回折環撮像位置からレーザ検出装置30側にある設定位置Aまで移動する。なお、設定位置Aは、回折環撮像位置より微量だけ図1乃至図3の左側に移動した位置であり、移動量は例えば1mmである。次に、ステップS16及びステップS18の処理を繰り返し実行することで、位置検出回路72から入力する位置データが設定位置Aになるまで待ち、位置データが設定位置Aになったとき、ステップS18にてYesと判定してステップS20へ行き、フィードモータ制御回路73に、正方向へ移動する指令と移動速度を出力する。これにより、移動ステージ21は、設定位置Aへの移動とは反対側への移動を開始する。そして、ステップS22乃至ステップS30を繰り返し実行することで、移動位置が設定位置A,設定位置A+Δd,設定位置A+2・Δd・・・とΔd増加するごとに、センサ信号取出し回路87から撮像画像データを入力する。この処理を繰り返し実行していくと、移動位置は増加して行き、やがて移動位置は設定位置Bになるので、ステップS28にてYesと判定してステップS32へ行き、フィードモータ制御回路73に移動停止指令を出力する。これにより移動ステージ21の移動は設定位置Bで停止する。なお、設定位置Bは、回折環撮像位置より微量だけ図1乃至図3の右側に移動した位置であり、移動量は例えば1mmである。次にステップS34にてインクリメントされることで増加した変数nの最終の値をNとして記憶し、ステップS36にてフィードモータ制御回路73に回折環撮像位置へ移動する指令を出力し、ステップS38にてプログラムを終了する。これにより、移動ステージ21は、回折環撮像位置へ移動し、元の状態に戻る。
図6に示すフローのプログラムは、図5に示すフローのプログラムとともにスタートしている。以下、図6のフローに沿って説明する。まず、ステップS52にて、取り込む撮像画像データに対応させる変数nを0にする。次に、ステップS54にて、変数nに対応する撮像画像データが取り込まれているか判定することを繰り返し、撮像画像データが取り込まれているとYesと判定してステップS56へ行く。ステップS56にて、撮像画像データから撮像画像の十字マークのY軸に対応するデータ群を抽出し、ステップS58にて、データ値(明度)がピークとなる画素の位置を検出する。これは撮像器49における照射点の位置を検出する処理である。次に、ステップS60にて、予め記憶されている、移動位置ごとの、撮像器49における照射点の位置と、LED光照射点からイメージングプレート15までの距離との関係テーブル又は関係式に、ステップS58にて検出した撮像器49における照射点の位置を当てはめて、LED光照射点からイメージングプレート15までの距離を検出する。次に、ステップS62及びステップS64にて、図5に示すフローのステップS32による移動停止の指令が出力されているかの判定と、変数nの最終の値Nに現時点で処理した撮像画像データに対応するnが一致しているかの判定を行い、どちらもYesとならない限り、ステップS66にてnをインクリメントしてステップS54に戻る。これにより、移動ステージ21が設定位置Bまで移動し、取り込まれた撮像画像データの処理がすべて終了するまで、ステップS54乃至ステップS66の処理が繰り返される。そして、それぞれの移動位置ごとに、すなわち、設定位置A,設定位置A+Δd,設定位置A+2・Δd・・・設定位置Bごとに、LED光照射点からイメージングプレート15までの距離が得られる。移動ステージ21が設定位置Bまで移動し、取り込まれた撮像画像データの処理がすべて終了すると、ステップS62及びステップS64ともYesと判定してステップS68に行き、得られた移動位置ごとのLED光照射点からイメージングプレート15までの距離を用いてX線の入射角を計算して表示装置93に表示し、ステップS70でプログラムを終了する。
得られたデータからX線の入射角を計算する方法を示したものが図7である。図7は、移動位置ごとのLED光照射点からイメージングプレート15までの距離(以下、距離IP−OBという)のデータを、移動位置をX軸にし、設定値から距離IP−OBを減算した値をY軸にしたグラフにプロットしたものである。これは、測定対象物OBのイメージングプレート15の移動方向における表面プロファイルを示している。設定値から距離IP−OBを減算するのは、Y軸の正方向をLED光の出射方向とは逆方向にし、測定対象物OBの表面プロファイルを大地側を下にして示すためであり、設定値はどのような値でもよい。また、距離IP−OBの符号を反対にするのみでもよい。グラフのY軸の負方向は出射X線の方向であるので、測定対象物OBの表面プロファイルのX線(LED光)照射点における接線の垂直方向と、Y軸方向が成す角度がX線の入射角ψになる。これは、図7に示すように、測定対象物OBの表面プロファイルのX線(LED光)照射点における接線の傾き角度と等しいので、X線(LED光)照射点における接線の傾き(SL)を計算し、tan−1(SL)からX線の入射角ψを求めることができる。コントローラ91は得られたX線の入射角ψを記憶し、後述する残留応力計算工程S6で使用する。
ここで、コントローラ91に予め記憶されている、移動位置ごとの、撮像器49における照射点の位置と、距離IP−OBとの関係テーブル又は関係式の求め方について説明する。図8に示すように、距離IP−OBを1方向に変化させると撮像器49における照射点の位置も1方向に変化し、2つの値には1:1の関係がある。また、この関係は移動ステージ21を移動させ、LED光の光軸位置がその垂直方向に変化しても同様に成り立つので、移動位置ごとに、撮像器49における照射点の位置と距離IP−OBには1:1の関係がある。よって、移動位置ごとに距離IP−OBを設定値を中心にして変化させ、撮像器49における照射点の位置を検出する処理を行えばよい。それには、以下の処理を行えばよい。
まず、対象物セット装置60のステージ61に直方体状の基準ブロックを載置し、X線回折測定装置からLED光を照射して、この基準ブロックに当たるようにする。次にアーム式移動装置と対象物セット装置60の操作子65a,66aを操作してX線回折測定装置の筐体50の姿勢とステージ61の傾斜を調整し、LED光が基準ブロックに垂直に照射されるようにする。これは、基準ブロックの横にミラーを載置し、ミラーを見ながらLED光の反射光が固定具18の貫通穴18aに戻るよう調整すればよい。次に、対象物セット装置60の操作子63aを操作してステージ61の高さを変化させ、撮像画像の十字マークのクロス点とLED光の照射点が合致するようにする。この状態で、コントローラ91に図5、図6に示すフローのプログラムを実行させる。ただし、図6のフローにおけるステップS60とステップS68は実行せず、設定位置A,設定位置A+Δd,設定位置A+2・Δd・・・設定位置Bごとに、撮像器49における照射点の位置を得ればよい。このときの距離IP−OBは設定値である。次に、基準ブロックをΔwだけ厚さの異なる別の基準ブロックにし、同様にコントローラ91に図5、図6に示すフローのプログラムを実行させ、移動位置ごとの撮像器49における照射点の位置を得る。このときの距離IP−OBは設定値+Δwである。次に2・Δwだけ厚さの異なる別の基準ブロックにし、同様にコントローラ91に図5、図6に示すフローのプログラムを実行させ、移動位置ごとの撮像器49における照射点の位置を得る。このときの距離IP−OBは設定値+2・Δwである。このようにして、基準ブロックの厚さを最初の基準ブロックの厚さが中間の厚さになるよう変化させ、同様の処理を繰り返すことで、設定位置A,設定位置A+Δd,設定位置A+2・Δd・・・設定位置Bごとに、撮像器49における照射点の位置と距離IP−OBとの関係を得ることができる。この関係を関係テーブルの形で記憶するか、関係式の形で記憶するかは適宜選択すればよい。
X線入射角検出工程S2の説明に戻り、作業者は、表示装置93にX線の入射角が表示されると、このX線の入射角でよいか判断し、よければ、入力装置92から位置姿勢の調整終了を入力する。これにより、コントローラ91は、各回路に指令を出力し、LED光源44を消灯させ、撮像信号の出力を停止させ、モータ46を駆動させてプレート45をB位置まで回転させる。これにより、X線出射器10から出射されるX線が、移動ステージ21の貫通孔21aに入射され得る状態となる。
また、X線の入射角を別の値にしたいときは、上述した位置姿勢調整工程S1を再度行う。この工程を行う前に、入力装置92から「X線入射角補正」を入力すると、コントローラ91は、傾斜センサ信号取出回路88に作動指令を出力し、傾斜センサ信号取出回路88が出力する、支持アーム51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に相当するデータを入力して記憶する。そして、それ以降支持アーム51の筐体50への接続部が回転すると、傾斜センサ信号取出回路88が出力するデータから記憶したデータを減算して回転角度を算出し、計算により得られているX線の入射角にこの回転角度を加算または減算することで、新たなX線の入射角を算出し、表示装置93に表示する。作業者は、X線回折測定装置に対する測定対象物OBの位置と姿勢の調整を、支持アーム51の筐体50への接続部の回転と、対象物セット装置60の操作子63a,67a,68aの操作による、X,Y,Z軸方向への移動により行うならば、表示されるX線の入射角を見ながら、適切な入射角に設定することができる。そして、入力装置92から位置姿勢の調整終了を入力すると、上述したようにコントローラ91は各回路に指令を出力し、測定対象物OBにX線が照射され得る状態となる。なお、コントローラ91は、位置姿勢の調整終了を入力した時点で表示装置93に表示しているX線の入射角を記憶し、後述する残留応力の計算に使用するX線の入射角ψとする。
次の回折環撮像工程S3において、作業者は入力装置92から測定対象物OBの材質(本実施形態では、鉄)を入力し、測定開始を入力する。これにより、コントローラ91は、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、回折環の読取り時において回転角度0°となる状態で、イメージングプレート15に回折環が撮像されるようになる。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る。これにより、測定対象物OBにおけるX線照射点で発生した回折X線により、イメージングプレート15に回折環が撮像されていく。そして、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。
次にコントローラ91は、自動または作業者の入力により回折環読取り工程S4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。読取り開始位置とは、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。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、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2Θx(Θxはブラッグ角)及びX線照射点からイメージングプレート15までの距離LからRo=L・tan(2Θx)の計算式で計算される。そして、X線の回折角度2Θxは測定対象物OBの材質で決まり、距離Lは設定値に調整されているので、測定対象物OBの材質ごとに予め回折角2Θxを記憶しておけば、測定対象物OBの材質を入力することで回折環基準半径Roは計算できる。
次に、コントローラ91は、スピンドルモータ制御回路74を制御して、スピンドルモータ27を所定の回転速度で回転させ、レーザ駆動回路77を制御してレーザ検出装置30からレーザ光をイメージングプレート15に照射させ、フォーカスサーボ回路81を制御してフォーカスサーボを開始させる。さらに、回転角度検出回路75を制御して、スピンドルモータ27(イメージングプレート15)の回転角度θpの出力を開始させ、A/D変換回路83を制御して、SUM信号の瞬時値Iのデータ出力を開始させ、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、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、A/D変換回路83が出力するSUM信号の瞬時値Iのデータと、回転角度検出回路75が出力する回転角度θpのデータと位置検出回路72が出力する移動距離xのデータとを入力し、それぞれのデータを対応させて記憶する。なお、移動距離xはレーザ光照射位置の径方向距離r(半径値r)に変換したうえで記憶する。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時点で、データの記憶を終了する。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が瞬時値I、回転角度θp及び半径値rのデータ群で、および回折環の形状が回転角度αごとの半径値rαで検出されたことになる。その後、コントローラ91は、各回路に指令を出力し、フォーカスサーボを停止させ、レーザ光の照射を停止させ、A/D変換回路83と回転角度検出回路75の作動を停止させ、フィードモータ22の作動を停止させる。なおイメージングプレート15の回転は、継続されている。
次にコントローラ91は、自動または作業者の入力により回折環消去工程S5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LED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位置である。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LED光をイメージングプレート15に対して照射させ、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が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するよう、フィードモータ22を回転させる。消去終了位置とは、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光がイメージングプレート15上に螺旋状に照射され、撮像された回折環が消去される。
イメージングプレート15が消去終了位置になると、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、LED駆動回路84を制御してLED光の照射を停止させ、位置検出回路72の作動を停止させ、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(イメージングプレート15)の回転を停止させる。
次にコントローラ91は、自動または作業者の入力により残留応力計算工程S6を実行する。これは、回折環の形状である回転角度αごとの半径値rαのデータと、X線照射点からイメージングプレート15までの距離LおよびX線の入射角ψを用いて、cosα法を用いた演算により残留応力を計算する演算処理である。この演算は公知技術であり、例えば特開2005−241308号公報の〔0026〕〜〔0044〕に詳細に説明されているので、説明は省略する。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を表示する。なお、残留応力以外に、X線照射点からイメージングプレート15までの距離L、X線の入射角ψ等の測定条件、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Iαを明度に換算し、瞬時値Iαに対応する明度、回転角度θp及び半径値rのデータ群から作成される画像)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、対象とする測定対象物OBに向けてX線を出射するX線出射器10と、X線出射器10から測定対象物OBに向けてX線を出射し、測定対象物OBのX線照射箇所にて発生した回折X線を、X線出射器10から出射されるX線の光軸に対して垂直に交差するイメージングプレート15にて受光し、イメージングプレート15に回折X線の像である回折環を形成するとともに回折環の形状を検出するレーザ検出装置30、テーブル駆動機構20及び各種回路とを備えたX線回折測定装置を含むX線回折測定システムにおいて、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及び通路部材28,貫通孔27b等の通路からなるLED光出射器と、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、及び結像レンズ48によって結像された画像を撮像する撮像器49を有し、撮像された画像を表す撮像信号を出力するカメラと、LED光出射器から出射されるLED光を、LED光の光軸の方向を変化させないよう、X線出射器10から出射されるX線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面内を移動させるテーブル駆動機構20と、テーブル駆動機構20により移動が行われたとき、移動位置を検出するエンコーダ22a及び位置検出回路72と、エンコーダ22a及び位置検出回路72が検出する移動位置に対応させて、撮像信号を入力し、撮像信号からLED光の照射点の撮像器49における位置を検出することで、移動位置に対応させた撮像器49における照射点位置を検出するコントローラ91のプログラムと、コントローラ91のプログラムにより複数の移動位置に対応する撮像器49における照射点位置が検出されたとき、検出された複数の移動位置に対応する撮像器49における照射点位置、及び予め記憶されている移動位置ごとの撮像器49における照射点位置とLED光の照射点からイメージングプレート15までの距離との関係を用いて、X線出射器10から出射されるX線の測定対象物OBにおける入射角を算出するコントローラ91の別のプログラムとを備えたX線回折測定システムとしている。
これによれば、LED光出射器からLED光を測定対象物OBに出射させ、カメラを作動させて、テーブル駆動機構20によりLED光出射器から出射されるLED光を移動させるごとに、コントローラ91のプログラムにより移動位置に対応させて撮像器49におけるLED光の照射点位置を検出すれば、コントローラ91の別のプログラムが、検出された移動位置ごとの撮像器49における照射点位置と、記憶されている移動位置ごとの撮像器49における照射点位置とLED光の照射点からイメージングプレート15までの距離との関係を用いて、X線の測定対象物OBにおける入射角を算出することができる。すなわち、測定対象物OBに対するX線の入射角を任意の角度にしても、その入射角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、X線回折測定装置の筐体50を、X線出射器10から出射されるX線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面に垂直な回転軸周りに回転させることができる支持アーム51の筐体50への接続部と、該接続部の回転による回転角度を検出する傾斜センサ56、傾斜センサ信号取出回路88及びコントローラ91の演算プログラムからなる回転角度検出機能と、コントローラ91の別のプログラムにより入射角が算出された後、該接続部による回転が行われたとき、回転角度検出機能により検出された回転角度によりコントローラ91の別のプログラムにより算出された入射角を補正するコントローラ91の別の演算プログラムを備えたことにある。
これによれば、コントローラ91のプログラムによりX線の測定対象物OBにおける入射角が算出された後、支持アーム51の筐体50への接続部により筐体50を回転させることで、X線の測定対象物OBにおける入射角を変化させても、コントローラ91の別の演算プログラムが回転角度検出機能により検出された回転角度を用いて算出された入射角を補正し、最新の入射角を求めることができる。すなわち、一度コントローラ91が入射角を算出すれば、その後入射角を変化させても、リアルタイムで入射角を求めることができ、測定効率をよくすることができる。
(変形例1)
上記実施形態は、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。上記実施形態においては、移動ステージ21をΔd移動させるごとに撮像画像データを取り込み、それぞれの移動位置において、距離IP−OB(LED光照射点からイメージングプレート15までの距離)を求め、これにより測定対象物OBの表面プロファイルを求めてX線の入射角を算出した。しかし、測定対象物OBの測定箇所周囲の微少領域が平面と見なしてよい場合は、より簡単にX線の入射角を算出することができる。本変形例は、測定対象物OBの測定箇所周囲の微少領域が平面と見なして計算を行う形態であるが、本変形例のX線回折測定システムが上記実施形態と異なっている点は、X線の入射角検出においてコントローラ91が実行するプログラムと、コントローラ91に予め記憶されている関係テーブル又は関係式のみである。
以下に本変形例におけるX線の入射角検出において、コントローラ91が実行するプログラムのフローに沿って説明する。作業者は上記実施形態と同様に、LED光の照射点が測定対象物OBの目的とする測定位置になるとともに、撮像画像の十字マークのクロス点になるよう調整した後、入力装置92からX線入射角検出を行うことを入力する。これにより、コントローラ91は図9に示すフローのプログラムをスタートさせる。ステップS102にて、フィードモータ制御回路73に、設定位置Aへ移動する指令を出力する。これにより移動ステージ21は、回折環撮像位置からレーザ検出装置30側にある設定位置Aまで移動する。なお、設定位置Aは、上記実施形態と同様、回折環撮像位置より微量だけ図1乃至図3の左側に移動した位置であり、移動量は例えば1mmである。次に、ステップS104及びステップS106の処理を繰り返し実行することで、位置検出回路72から入力する位置データが設定位置Aになるまで待ち、位置データが設定位置Aになったとき、ステップS106にてYesと判定してステップS108へ行き、センサ信号取出し回路87から撮像画像データを入力する。次に、ステップS110にて、撮像画像データから撮像画像の十字マークのY軸に対応するデータ群を抽出し、ステップS112にて、データ値(明度)がピークとなる画素の位置を検出する。これは撮像器49における照射点の位置を検出する処理である。次に、ステップS114にて、予め記憶されている、撮像器49における照射点の位置と、X線入射角の傾きとの関係テーブル又は関係式に、ステップS112にて検出した撮像器49における照射点の位置を当てはめてX線の入射角を算出し、表示装置93に表示する。次に、ステップS116にて、フィードモータ制御回路73に回折環撮像位置へ移動する指令を出力し、ステップS118でプログラムを終了する。これにより移動ステージ21は、回折環撮像位置に移動し、元の状態に戻る。
本変形例では、設定位置Aにおける撮像器49における照射点の位置を関係テーブル又は関係式に当てはめてX線入射角を算出している。これが可能なことを示したものが図10である。回折環撮像位置で、撮像画像におけるLED光の照射点位置を十字マークのクロス点に合致させれば、X線回折測定装置に対する測定対象物OBのLED光照射点は一定位置である。X線入射角が変化するということは、LED光照射点を回転中心にして測定対象物OBの表面のライン(基準平面が測定対象物表面と交差するライン)が回転するということである。図10に示すように、測定対象物OBの表面のラインが回転すると(入射角が90°−Θ1から90°−Θ2に変化すると)、設定位置Aでの撮像器49における照射点位置はP1からP2へ変化する。すなわち、設定位置Aにおいて撮像器49における照射点位置とX線の入射角には1:1の関係があり、予めこの関係を関係テーブル又は関係式の形で得ておけば、設定位置Aでの撮像器49における照射点位置を検出することで、X線の入射角を算出することができる。なお、上述したように、この計算は測定対象物OBの測定箇所周囲の微少領域が平面と見なせる場合に適用することができる。
ここで、コントローラ91に予め記憶されている、設定位置Aでの撮像器49における照射点の位置と、X線の入射角との関係テーブル又は関係式の求め方について説明する。まず、対象物セット装置60のステージ61に直方体状の基準ブロックを載置し、X線回折測定装置からLED光を照射し、アーム式移動装置を操作してLED光がこの基準ブロックに当たるようにする。次に、センサ信号取出回路87を作動させて撮像画像を表示装置93に表示させ、上記実施形態と同様、対象物セット装置60のアーム機構69、操作子63a、65a、66a、67a,68aを操作して、撮像画像におけるLED光の照射点が基準ブロックに照射されたまま、十字マークのクロス点と合致するようにし、LED光の反射光の受光点も十字マークのクロス点と合致するようにする。次に、設定位置Aまで移動ステージ21を移動させて撮像画像データを取り込み、撮像器49における照射点位置を検出する。これにより、設定の入射角と設定位置Aでの撮像器49における照射点位置の関係が得られる。次に、入力装置92からX線入射角の設定値を入力し、「X線入射角補正」を入力した後、X線回折測定装置の筐体50を支持アーム51の筐体50への接続部により回転させる。これにより、上記実施形態と同様、傾斜センサ信号取出回路88から入力したデータを用いた演算により最新のX線の入射角が表示される。次に、対象物セット装置60の各操作子63a,67a,68aを操作して、撮像画像におけるLED光の照射点が基準ブロックに照射されたまま、十字マークのクロス点と合致するようにし、設定位置Aまで移動ステージ21を移動させて撮像画像データを取り込み、撮像器49における照射点位置を検出する。これにより、新たな入射角と設定位置Aでの撮像器49における照射点位置の関係が得られる。後は、X線回折測定装置の筐体50を回転させるごとに上述した処理を繰り返せば、X線入射角と設定位置Aでの撮像器49における照射点位置の関係を得ることができる。この関係を関係テーブルの形で記憶するか、関係式の形で記憶するかは適宜選択すればよい。
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、コントローラ91にインストールされているプログラムと、記憶されている関係テーブル又は関係式を除いて上記実施形態と同様の構成のX線回折測定システムにおいて、LED光源44及び通路部材28,貫通孔27b等の通路からなるLED光出射器から出射されるLED光を、LED光の光軸の方向を変化させないよう、X線出射器10から出射されるX線の光軸を含み結像レンズ48の光軸に平行な平面内を、予め設定された距離だけ移動させるテーブル駆動機構20、テーブル駆動機構20に接続された回路及びコントローラ91のプログラムと、撮像器49の撮像信号を入力し、撮像画像を作成するコントローラ91のプログラムと、コントローラ91のプログラムにより作成された撮像画像におけるLED光の照射点の位置が予め設定された位置にされ、テーブル駆動機構20、テーブル駆動機構20に接続された回路及びコントローラ91のプログラムによる移動がされたとき、撮像信号を入力し、入力した撮像信号からLED光の照射点の撮像器49における位置を検出し、検出された撮像器49における照射点位置及び予め記憶されている撮像器49における照射点位置と入射角との関係を用いて、X線出射器10から出射されるX線の測定対象物OBにおける入射角を算出するコントローラ91のプログラムとを備えている。
これによれば、LED光出射器からLED光を測定対象物OBに出射させ、カメラを作動させて、コントローラ91のプログラムにより作成された撮像画像を見て、LED光の照射点の位置が予め設定された位置になるようにする。そして、テーブル駆動機構20、テーブル駆動機構20に接続された回路及びコントローラ91のプログラムにより予め設定された距離だけLED光を移動させれば、コントローラ91のプログラムが、撮像信号を入力して撮像器49におけるLED光の照射点位置を検出し、検出された撮像器49における照射点位置と、記憶されている撮像器49における照射点位置と入射角との関係を用いて、X線の測定対象物OBにおける入射角を算出することができる。すなわち、この変形例によっても、測定対象物OBに対するX線の入射角を任意の角度にしても、その入射角を精度よく検出することができる。
(変形例2)
また上記実施形態及び変形例1においては、基準平面傾き角(出射X線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面の法線方向が測定対象物OBのX線照射点付近の表面と成す角度)を0°にするため、LED光の照射点が測定対象物OBの目的とする測定位置になるとともに、撮像画像における十字マークのクロス点付近になり、受光点が十字マークのY軸と合致するようにした。そして、この状態で、支持アーム51の筐体50への接続部の回転によりX線の入射角を変化させ、対象物セット装置60の操作子63a,67a,68aの操作による、X,Y,Z軸方向への移動により、LED光の照射点が測定対象物OBの目的とする測定位置になるとともに、撮像画像における十字マークのクロス点と合致するようにした。これであると、測定対象物OBの位置と姿勢を調整する作業の効率が悪くなる可能性がある。本変形例は、LED光の照射点が測定対象物OBの目的とする測定位置になるとともに、撮像画像における十字マークのクロス点に合致するよう調整した段階で、基準平面傾き角を検出する機能を新たに備えるものである。本変形例のX線回折測定システムが上記実施形態及び変形例1と異なっている点は、X線回折測定装置の筐体50を、支持アーム51の筐体50への接続部の回転軸の方向に移動させる筐体移動機構がある点と、コントローラ91が基準平面傾き角を検出するプログラムを備える点のみである。なお、該接続部の回転軸の方向への移動は、表現を変えると、基準平面の法線方向への移動であり、LED光の光軸と入射角を検出するときのLED光の光軸の移動方向の双方に垂直な方向への移動である。
X線回折測定装置の筐体50を、支持アーム51の筐体50への接続部の回転軸の方向に移動させる筐体移動機構はどのようなものでもよい。例えば、アーム式移動装置の途中のアームに該接続部の回転軸の方向に等しい中心軸のあるアームを設け、そのアームの長さを変化させる機構でもよい。なお、該接続部の回転軸の方向への移動は1mm程度の微量が可能であればよく、例えば回転により伸縮がされる機構でもよい。本変形例では、筐体移動機構を、移動可能範囲が1mm程度で、移動は作業者が手動操作で行うものとする。また、通常の移動位置は移動可能範囲の中間にされているものとする。
以下に本変形例における基準平面傾き角検出において、コントローラ91が実行するプログラムのフローに沿って説明する。作業者は上記実施形態と同様に、LED光の照射点が測定対象物OBの目的とする測定位置になるとともに、撮像画像の十字マークのクロス点に合致するよう調整した後、入力装置92から基準平面傾き角検出を行うことを入力する。これにより、コントローラ91は図11に示すフローのプログラムをスタートさせる。ステップS202にて、表示画面に「手前駆動限界位置へ移動」が表示されるので、作業者は筐体移動機構を手動操作し、X線回折測定装置の筐体50を、自分がいる側の駆動限界位置まで移動させ、入力装置92から移動完了を意味する入力を行う。これによりステップS204にて、Yesと判定してステップS206へ行き、撮像画像データを取り込み、ステップS208にて、撮像画像のY軸部分のデータを抽出し、ステップS210にて、明度がピークとなる画素位置、すなわち撮臓器49における照射点位置を検出する。次に、ステップS212にて、「反対側駆動限界位置へ移動」が表示されるので、作業者は筐体移動機構を手動操作し、X線回折測定装置の筐体50を、反対側の駆動限界位置まで移動させ、入力装置92から移動完了を意味する入力を行う。これによりステップS214にて、Yesと判定してステップS216へ行き、撮像画像データを取り込み、ステップS218乃びステップS220にて、同様に撮臓器49における照射点位置を検出する。次にステップS222にて、基準平面傾き角を算出し、表示装置93に表示し、ステップS224でプログラムを終了する。基準平面傾き角の計算は、次のように行われる。得られた撮臓器49における照射点位置のそれぞれを、予め記憶されている、撮像器49における照射点の位置と距離IP−OB(LED光照射点からイメージングプレート15までの距離)との関係テーブル又は関係式に当てはめ、2つの移動位置における、距離IP−OBを計算する。次に、2つの距離IP−OBの差を予め記憶されてる2つの移動位置の差(移動距離)で除算し、傾きSLを計算する。そして、tan−1(SL)を計算することで、基準平面傾き角を算出する。撮像器49における照射点の位置と距離IP−OBとの関係テーブル又は関係式は、上記実施形態で説明されている作業により得ることができる。なお、2つの移動位置の差(移動距離)は一定値であり、LED光照射点が撮像画像の十字マークのクロス点に合致するよう調整したうえで基準平面傾き角検出を行っているので、撮像器49における照射点位置の差と基準平面傾き角には1:1の関係がある。よって、撮像器49における照射点の位置の差と基準平面傾き角との関係テーブルまたは関係式を予め記憶しておけば、撮像器49における照射点位置の差からそのまま基準平面傾き角を算出することができる。
基準平面傾き角は、どちら側に傾いているかを示すことが必要であり、例えば、作業者から見てX線回折測定装置の筐体50の下側が近づき上側が遠くなる傾きを正、というように決めて符号をつける。この符号のつけ方は、2つの移動位置における、LED光照射点からイメージングプレート15までの距離の差を出す減算において、どちらを引かれる側(基準)にするか決めることにより決めることができる。作業者は表示された基準平面傾き角を見て、0°になっていないときは、対象物セット装置60の操作子65a,66a(主に操作子66a)を操作することで、基準平面傾き角が0°になるようにし、操作子63a,67a,68aの操作による、X,Y,Z軸方向への移動により、LED光の照射点が測定対象物OBの目的とする測定位置になるとともに、撮像画像の十字マークのクロス点になるよう調整する。そして、再度、入力装置92から基準平面傾き角検出を行うことを入力し、上述した操作と同じ操作を行う。
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線回折測定システムに、X線回折測定装置の筐体50を、X線出射器10から出射されるX線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面の法線方向に、両方向の駆動限界位置までそれぞれ移動させることが可能な筐体移動機構とと、筐体移動機構により駆動限界位置までの移動がそれぞれされたとき、撮像信号をそれぞれ入力し、入力した撮像信号からLED光の照射点の撮像器49における位置をそれぞれ検出し、それぞれ検出された照射点の位置から、X線出射器10から出射されるX線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面の法線方向が測定対象物の表面と成す角度を算出するコントローラ91のプログラムとを備えている。
これによれば、筐体移動機構によりX線回折測定装置の筐体50を、出射X線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面の法線方向に両方向の駆動限界位置まで移動させ、それぞれの駆動限界位置でコントローラ91が撮像信号を入力すれば、コントローラ91のプログラムによる演算処理で出射X線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面の法線方向が測定対象物OBの表面と成す角度(基準平面傾き角)を算出することができる。そして、算出された角度を基に、基準平面傾き角が0°になるようX線回折測定装置に対する測定対象物OBの位置と姿勢を調整することができる。すなわち、出射X線の測定対象物OBにおける入射角を算出する前に、基準平面傾き角を0°に調整する必要があるが、複雑な操作を行わなくても、この角度を0°にすることができるので、測定効率をよくすることができる。
さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態および変形例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。
上記実施形態および変形例においては、基準平面傾き角が0°になるようX線回折測定装置に対する測定対象物OBの位置と姿勢を調整した後、出射X線の測定対象物OBにおける入射角を検出するようにした。しかし、測定対象物OBの表面がステージ61の面と略平行な平面であるものに限定されており、X線回折測定装置の筐体50の姿勢が、基準平面(出射X線の光軸と結像レンズの光軸とを含む平面)が常にステージ61の面と垂直であるように規制されていれば、基準平面の傾き角は調整せずとも0°であるので、最初から出射X線の測定対象物OBにおける入射角を検出するようにすればよい。
また、上記実施形態および変形例においては、傾斜センサ55が出力する信号から、支持アーム51の筐体50への接続部の回転による回転角度を検出し、X線入射角の補正を行うようにしたが、該接続部の回転による回転角度を検出することができれば、どのような方法を採用してもよい。例えば、該接続部にモータのエンコーダのように回転によりパルスを出力する機器を取付け、その機器の出力する信号から回転角度を検出するようにしてもよい。また、測定効率を重要視しなければ、出射X線の測定対象物OBにおける入射角を検出した後、該入射角を変更したときは、その入射角の検出を再度LED光の移動と撮臓器49におけるLED光照射点位置の検出により行い、該接続部の回転による回転角度を検出する機能は設けないようにしてもよい。
また、上記実施形態および変形例においては、コントローラ91のプログラムにより、移動ステージ21を移動させ、すなわちLED光の基準平面内の移動を行い、各移動位置において撮臓器49におけるLED光照射点位置の検出を行うようにしたが、測定効率を重要視しなければ、作業者が入力装置92から入力を行うことで移動ステージ21を移動させ、各移動位置において撮臓器49におけるLED光照射点位置の検出を行うようにしてもよい。
また、上記実施形態および変形例においては、移動ステージ21を移動させることでLED光の基準平面内の移動を行うようにしたが、LED光を基準平面内で移動させるとともに移動位置を検出する、又は設定された距離移動させることができれば、別の手段で移動を行うようにしてもよい。例えば、X線回折測定装置の筐体50を移動させるようにしてもよいし、対象物セット装置60を置いた土台を移動させるようにしてもよい。
また、上記変形例2においては、コントローラ91のプログラムによる指示に従って、作業者が筐体移動機構を操作して、X線回折測定装置の筐体50を基準平面の法線方向に移動させるようにしたが、上記実施形態および変形例1にように、コントローラ91のプログラムによりコントローラ91から指令信号を各回路に出力して、自動で移動を行うようにしてもよい。また、上記変形例2においては、2つの移動位置での撮臓器49におけるLED光照射点位置から基準平面傾き角を算出するようにしたが、さらに精度よく基準平面傾き角の検出を行いたい場合は、上記実施形態のように、複数の移動位置での撮臓器49におけるLED光照射点位置から測定対象物OBの表面プロファイルを求め、基準平面傾き角を算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、X線回折測定装置を、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からのレーザ照射と光の強度検出により、回折環の形状を検出する装置としたが、回折環を撮像して形状を検出することができるならば、どのような方式の装置でもよい。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回折X線の強度分布を検出する装置でもよい。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、回折環における回折X線の強度分布を検出する装置でもよい。また、X線CCDに替えてシンチレータから出た蛍光を、光電子増倍管(PMT)で検出するシンチレーションカウンタを用いる装置でもよい。なお、このようにするとレーザ検出装置30は不要になり、回折環の撮像面を移動させる機構も不要になるため、LED光を基準平面内で移動させるためには、X線回折測定装置の筐体50を移動させる機構等を設ける必要がある。
また、上記実施形態および変形例においては、コントローラ91に回折環の形状から残留応力を計算する演算プログラムを備えた。しかし、X線回折測定に時間がかかってもよい場合は、X線回折測定システムは回折環の形状を得るまでにし、別のコンピュータ装置に回折環のデータを入力して、残留応力を計算するようにしてもよい。この場合、別のコンピュータ装置に回折環のデータを入力する方法としては、記録媒体を介する方法、ネット回線等を使用して転送する方法等、様々な方法が考えられる。また、計算の一部または全部を人為的に行ってもよい。
また、上記実施形態および変形例においては、X線回折測定装置の筐体50をアーム式移動装置に連結させ、また対象物セット60にアーム機構69と3方向の移動機構と2方向周りの回転機構を備えるようにしたが、X線回折測定装置に対する測定対象物OBの位置と姿勢を調整することができれば、どのような構成にしてもよい。例えば、測定対象物OBの大きさが大きく変わらなければ、X線回折測定装置の筐体50は固定し、対象物セット装置60のみで位置、姿勢を調整するようにしてもよい。また、測定対象物OBの大きさがほぼ一定であれば、対象物セット装置60からアーム機構69を除き、測定対象物OBをステージ61上に載置するようにしてもよい。
また、上記実施形態および変形例においては、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ーレンズを配置し、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、基準平面を、出射X線の光軸と結像レンズ48の光軸とを含む平面とし、LED光をLED光の光軸の方向を変化させないよう基準平面内を移動させるようにした。しかし、本発明は、基準平面が出射X線の光軸を含み結像レンズ48の光軸と平行である平面であれば成立する。すなわち、結像レンズ48の光軸を出射X線の光軸と交差させることは必須ではなく、結像レンズ48の光軸が出射X線の光軸と交差する位置に近く、出射X線の光軸とイメージングプレート15の回転角度0°のラインとを含む平面に平行であるようにされていれば、上記実施形態および変形例と同様の方法でX線入射角を検出することができる。なお、この場合は、距離IP−OBとX線入射角が設定値であるときの撮像画像におけるLED光の照射点位置と受光点位置は別の位置になるので、十字マークは変更する必要がある。