本発明の実施形態において用いられる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、測定対象物OBの残留応力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からの出射される回折X線により形成される回折環の形状を検出する。X線回折測定装置はアーム式移動装置の先端に連結され、測定対象物OBに対して位置と姿勢を調整できる。測定対象物OBをセットする装置は、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、測定対象物OBの測定箇所を水平にするとともに、X線回折測定装置に対する測定対象物OBの位置を調整できるようになっている。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、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。
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が固定された面とは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Y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X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65a〜68aにより測定対象物OBの位置と姿勢を微調整できるものである。なお、本発明のステージ移動機構は、X線回折測定装置に対して測定対象物OBの位置を変更できる機構であるため、対象物セット装置60のX軸、Y軸、Z軸方向への移動機構に加えて、アーム式移動装置の移動機構も指すものである。
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の側面壁は出射されるX線の光軸に対して略平行で、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いる。よって、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。
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。
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(それぞれの方向と重力方向が成す角度から90°を減算した角度)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おける傾斜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へ設定された時間間隔で出力する。これにより、作業者が入力装置92から傾斜角度表示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入力を開始する。コントローラ91には予め、X線出射器10から出射されるX線の光軸と筐体50の側面壁に平行な設定方向とが成す角度が記憶されており、コントローラ91はデータが入力するごとに、筐体50の側面壁に平行な設定方向における傾斜角度と筐体50の側面壁に垂直な方向における傾斜角度と予め記憶されている角度とから、重力方向とX線の光軸とが成す角度Aを計算し、表示装置93に表示する。測定箇所が重力方向に対して垂直であれば、即ち水平であれば、角度AがX線の入射角度である。また、筐体50の側面壁に垂直な方向における傾斜角度を角度Bとしてそのまま表示装置93に表示する。角度Bは、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が重力方向と成す角度であり、角度Bを0°にすると、測定箇所が水平であるとき、回転角度0°のラインが回折環における回転角度0°の位置と一致する。また、筐体50の側面壁と平行な平面と水平面が交差するラインの方向、及び表示装置93に表示される撮像画像の縦軸方向を水平面へ投影した方向が、回折環の形状から計算される残留圧縮応力の測定方向になる。
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、X線回折測定装置(筐体50)に対する測定対象物OBである鉄製のギヤの位置と姿勢を調整したうえで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、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。作業者はステージ61にアーム機構69により連結されている固定プレートPLに測定対象物OBであるギヤを測定箇所にX線が照射されるように吸着させる。次に、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することで、X線回折測定装置(筐体50)の位置と姿勢を調整して、おおよそでX線の照射点及び照射方向が意図した位置と方向になり、X線の照射点からイメージングプレート15までの距離が設定値になるようにする。次に作業者は、入力装置92から傾斜角度表示の指令を入力して表示装置93に上述した角度Aと角度Bを表示させ、アーム式移動装置を操作することで、角度Bが0°になり、角度Aが設定されたX線の入射角度になるようにX線回折測定装置(筐体50)の姿勢を調整する。
次に作業者は、図6に示す水準器LVまたは水準器LHを測定対象物OBの測定箇所にセットする。この水準器LV及び水準器LHについて以下に説明する。水準器LVは、傾斜確認部101、長尺部102、吸着部103から構成されており、セットした箇所の微小平面が重力方向に対して垂直である、即ち水平であることを確認するものである。傾斜確認部101は一般的な水準器と同じであり、後述する吸着部103の底面が重力方向に対して垂直であるとき、即ち水平であるとき気泡104が描画された円105の中心に入り、水平であることを示す。傾斜確認部101の底面部分から円柱状の長尺部102がありその先端部分はテーパー状になっており、先端には磁石からなる円柱状の吸着部103が取り付けられている。測定対象物OBが鉄やステンレスであれば吸着部103は測定対象物OBの表面に吸着するので、吸着部103を測定対象物OBに吸着させた状態で測定対象物OBの姿勢を調整し、傾斜確認部101で水平であることを確認すれば、測定対象物OBに吸着させた箇所は水平になる。水準器LHも同様に、傾斜確認部111、長尺部112、吸着部113から構成されており、セットした箇所の微小平面が水平であることを確認するものである。傾斜確認部111は一般的な水準器と同じであり、後述する吸着部113の底面が水平であるとき気泡114が描画された円115の中心に入り、水平であることを示す。傾斜確認部111の側面部分から板状の長尺部112があり、その先端部分の傾斜確認部111側とは反対側の面に磁石からなる円柱状の吸着部113が取り付けられている。測定対象物OBが鉄やステンレスであれば吸着部113は測定対象物OBの表面に吸着するので、吸着部113を測定対象物OBに吸着させた状態で測定対象物OBの姿勢を調整し、傾斜確認部111で水平であることを確認すれば、測定対象物OBに吸着させた箇所は水平になる。
水準器LVまたは水準器LHのどちらを測定対象物OBの測定箇所にセットするかは、測定対象物OBの形状及び測定箇所により適宜決めればよい。本実施形態のように測定対象物OBがギヤである場合は、図7に示すように、ギヤの歯と歯の間の箇所であるときは水準器LVをセットし、ギヤの歯の箇所であるときは水準器LHをセットすればよい。
次に、セットした水準器LVまたは水準器LHの傾斜確認部101,111を見ながらアーム機構69を操作して、測定箇所が水平に近くなるようにする。その後、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をX軸周り及びY軸周りにそれぞれ回動させて、セットした水準器LVまたは水準器LHの傾斜確認部101,111が水平を示すようにする。この調整により、測定箇所は水平になり、測定箇所に平行な平面に対するX線の入射角度は設定値通りになる。また、筐体50の側面壁と平行な平面と水平面が交差するラインの方向、及び表示装置93に表示される撮像画像の縦軸方向を水平面に投影した方向が、残留圧縮応力の測定方向になる。
次に、作業者は、入力装置92を操作して、LED光を照射しての位置調整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、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、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、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までの距離を所定距離にする。この操作の様子と表示装置93に表示される撮像画像を示したものが図8である。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の測定箇所に設定しても、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、これらの位置調整は繰り返し行う。
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までの距離は所定距離になる。また、LED光を照射しての位置調整の前に行う調整により、既にX線の入射角度は設定値通りで、残留圧縮応力の測定方向は目的とする方向になっている。
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=Lo・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)および回折環の形状(回転角度αごとの半径値rα)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LED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LED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S5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)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。この演算処理における計算方法は、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、この計算において回折環の形状データと共に、X線の入射角度ψの設定値とX線照射点からイメージングプレート15までの距離Lの設定値が使用される。従って、上述した調整方法により精度よく入射角度ψと距離Lが設定値になるよう調整されているので、残留応力(残留圧縮応力と残留せん断応力)を精度よく計算することができる。
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、これ以外に、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)及び入射角度ψ、距離L等の測定条件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の測定箇所に、長尺部102,112と、長尺部102,112の先端にある別物体に吸着可能な吸着部103,113と、吸着部103,113の平面が重力方向に対し垂直であるとき水平であることを示す傾斜確認部101,111とを備える水準器LV,LHを、吸着部103,113の平面を吸着させることで取り付ける水準器取付ステップと、アーム機構69と操作子65a,66aを操作して、水準器LV,LHの傾斜確認部101,111が水平を示すようにステージ61の傾斜角度を調整する測定対象物姿勢調整ステップとを行ったうえでX線照射による回折環撮像、回折環読取り、及び残留応力計算を行っている。これによれば、測定対象物姿勢調整ステップにより測定対象物OBの測定箇所を重力方向に対し垂直、即ち水平にすることができるので、X線出射器10から出射されるX線の光軸の重力方向に対する角度が適切な角度になるよう調整できれば、X線の入射角度を精度よく設定値にすることができる。
また、上記実施形態においては、X線回折測定装置は、X線出射器10及びイメージングプレート15に対するステージ61の位置を任意の位置にする対象物セット装置60の操作子67a,68a,63aの回転によるX,Y,Z軸方向の移動機構と、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LED光を測定対象物に出射するLED光源を備え、X線照射による回折環撮像の前に、LED光源からLED光を出射し、対象物セット装置60のX,Y,Z軸方向の移動機構を操作して測定対象物OBにおけるLED光の照射点が測定箇所になるようにステージ61の位置を調整している。これによれば、LED光の照射点を測定箇所になるようステージ61の位置を調整することで、測定対象物におけるX線の照射位置を精度よく意図した位置にすることができる。
また、上記実施形態においては、X線回折測定装置は、LED光の照射点を含む領域の測定対象物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、カメラから出力される撮像信号を入力して、撮像器によって撮像された画像を画面上に表示する表示装置93であって、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、撮像器49によって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、撮像信号により表示される画像とは独立して画面上に表示する表示装置93とを備え、測定対象物の位置調整の際に、さらに表示装置93に表示される可視光の照射点が十字マークのクロス点と合致するようにも調整している。これによれば、LED光の照射点を測定箇所になるよう調整することに加え、表示装置93に表示されるLED光の照射点がクロス点と合致するように調整することで、測定対象物OBにおけるX線の照射点からイメージングプレート15までの距離を精度よく設定値にすることができる。
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と、X線回折測定装置の筐体50に連結され、筐体50の姿勢を任意の姿勢にするアーム式移動装置と、筐体50にセットされ、X線出射器10から出射されるX線の光軸の重力方向に対する角度を計算可能な角度を検出する傾斜センサ56及び傾斜センサ信号取出回路88とを備え、X線照射による回折環撮像の前に、アーム式移動装置を操作することによりX線回折測定装置の筐体50の重力方向に垂直な方向周りの姿勢の調整を行い、傾斜センサ56及び傾斜センサ信号取出回路88が検出する角度を基にして、X線出射器10から出射されるX線の測定対象物OBに対する入射角を計算して表示装置93に表示している。これによれば、表示装置93に表示される入射角が設定値になるまで、X線回折測定装置の筐体の姿勢を調整すれば、X線の入射角度を精度よく設定値にすることができる。よって、X線の入射角度の設定値を様々な値にすることができる。
なお、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
上記実施形態では、測定対象物OBの測定箇所を水平に調整するために使用する水準器の先端を磁石からなる円柱状の吸着部にしたが、測定対象物の測定箇所の微小平面に密着して吸着する平面を有するものであれば、どのようなものを用いてもよい。例えば、吸盤により密着して吸着するものでもよい。また、水準器の水平を確認する傾斜確認部は、一般的な水準器のように水平であるとき気泡が描画された円の中心に入るものにしたが、水平が確認できるならば、どのような方式のものにしてもよい。例えば、水平面に対してレーザ光を出射し、反射したレーザ光の受光位置を検出する方式のものでもよい。
また、上記実施形態では、X線回折測定装置はアーム式移動装置により位置と姿勢を変更できる構成にしたが、X線回折測定装置をスタンドに固定し、スタンドを移動させることでX線回折測定装置の位置及び重力方向周りの姿勢は変更できるが、重力方向に垂直な方向周りの姿勢は固定されているようにしてもよい。これによれば、X線の入射角度は1つの設定値に固定されるが、アーム式移動装置および傾斜センサ56が不要になる分、装置のコストを抑制することできる。また、測定対象物OBが限定されており、測定対象物OBに対するX線回折測定装置の位置及び姿勢を大きく変更することがなければ、X線回折測定装置を固定設備に固定して、対象物セット装置60により測定対象物OBの位置と姿勢の調整を行うのみにしてもよい。
また、上記実施形態では、アーム式移動装置によりX線回折測定装置の筐体50の位置と姿勢の調整を行った後、対象物セット装置60により測定対象物OBの位置と姿勢の調整を行った。しかし、測定対象物OBの測定箇所を水平になり、X線の照射点が測定箇所になり、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およびX線の入射角度ψが設定値になるよう調整できればよいので、調整の順序は適宜変更できる。例えば、測定対象物OBの姿勢の調整を行って測定箇所を水平にし、次にLED光を照射してX線回折測定装置の筐体50の位置と姿勢を、入射角度ψが設定値になり、LED光の照射点がおおよそ測定箇所になるよう調整し、最後に測定対象物OBの位置をLED光の照射点が測定箇所になり距離Lが設定値になるよう調整してもよい。
また、上記実施形態では、アーム式移動装置と対象物セット装置60により、X線回折測定装置の筐体50の位置と測定対象物OBの位置の調整がそれぞれ可能な構成にしたが、位置の調整はどちらか一方のみが可能な構成にしても本発明は実施できる。例えば、対象物セット装置60を測定対象物OBの姿勢のみが調整可能な構成にした場合は、測定対象物OBの測定箇所が水平になるよう調整した後、X線回折測定装置の筐体50の位置と姿勢を調整して、LED光の照射点が測定箇所になり、距離Lと入射角度ψが設定値になるようにすればよい。
また、上記実施形態では、出射されるX線と光軸が同じLED光と、LED光の照射点付近を撮像するカメラとを用いて、測定対象物の位置を調整し、X線の照射点が測定位置になり、X線の照射点からイメージングプレート15までの距離が設定値になるようにしたが、X線回折測定装置が固定されているときは、測定対象物OBの測定箇所が所定位置になるよう対象物セット装置60を移動させるようにして、LED光とカメラを無くしてもよい。測定対象物OBの測定箇所を所定位置にする方法としては、所定位置で交差するレーザ光を用いる方法等が考えられる。
また、上記実施形態では、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、上記実施形態では、イメージングプレート15に回折環を形成した後、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。
また、上記実施形態では、X線回折測定装置として、回折環の形成と回折X線の強度に相当する強度の分布、即ち回折環の読取りと回折環の消去と残留応力の計算を行える装置にしたが、測定に時間がかかってもよければ、X線回折測定装置は回折環の形成のみを行う装置にし、回折環が形成されたイメージングプレート15をテーブル16から取り外して別の装置にセットし、回折環の読取り、回折環の消去及び残留応力の計算を別の装置で行うようにしてもよい。また、残留応力の計算をさらに別の装置で行うようにしてもよい。