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3を用いて説明する。このX線回折測定システムは、X線回折測定装置1、位置制御装置5、高電圧電源45、コンピュータ装置70、先端検出センサ60及びベルトコンベアのように一定速度で移動する長尺状のステージStを有する移動機構から構成される。ステージStは平面で、移動方向がこの平面に平行であり、一定間隔で測定対象物OBが載置されている。よって、ステージStが移動すると、載置された測定対象物OBは移動して次々にX線回折測定装置1の直下に来る。そして、X線回折測定システムは、X線回折測定装置1の直下に来た測定対象物OBに対して先端から後端までX線を連続的に照射して、回折X線の強度分布の広がりに基づく特性値を測定し、それぞれの測定対象物OBごとに異常箇所を検出する検査を行う。なお、本実施形態では測定対象物OBは鉄製の平板とする。また、図1に示すようにステージStの移動方向をY方向とし、ステージStの平面の垂直方向をZ方向とし、Y方向とZ方向に垂直な方向をX方向とする。
図1に示すようにX線回折測定装置1は、筐体30内にX線を出射するX線出射器10、X線出射器10から出射されるX線を通過させる円筒状パイプ22、測定対象物OBのX線照射点で発生する回折X線の強度を検出するシンチレーションカウンター21、及び円筒状パイプ22とシンチレーションカウンター21を取り付けた円盤状プレート20を収容している。また、筐体30内には、X線出射器10、シンチレーションカウンター21及び位置制御装置5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30外で2点鎖線で囲まれた各種回路は、筐体30内の2点鎖線内に納められている。なお、図1においては、回路基板、電線、固定具及び空冷ファン等は省略されている。
図1及び図2に示すように、筐体30は略直方体状に形成され、底面壁30a、前面壁30b、上面壁30c、後面壁30e、及び側面壁30dを有する。底面壁30aにはX線出射器10から円筒状パイプ22を介して出射されるX線を通過させ、X線照射点で発生する回折X線を通過させる、円形状の孔30a1が形成されている。円筒状パイプ22から出射されるX線の光軸は、底面壁30a及び上面壁30cに略垂直であり、前面壁30b、後面壁30e及び側面壁30dに略平行である。また、側面壁30dの1つは位置制御装置5の移動ステージ55に固定されており、移動ステージ55が移動することにより、筐体30(X線回折測定装置1)は移動する。位置制御装置5は移動ステージ55がZ方向に移動するよう姿勢が調整されており、筐体30(X線回折測定装置1)はZ方向(ステージStの平面の垂直方向)に移動する。
X線出射器10は長尺状に形成され、筐体30内の上部にて中心軸が底面壁30a、上面壁30c及び側面壁30dに平行になるよう筐体30に固定されており、高電圧電源45からの高電圧の供給を受け、X線制御回路40により制御されて、X線を出射口11から出射する。
X線制御回路40は、後述するコンピュータ装置70を構成するコントローラ71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45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62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は温度が一定に保たれる。
図3は、図1のX線出射器10の出射口11付近を拡大した部分断面図であるが、図3に示すように、出射口11から出射されたX線は、大部分が円筒状パイプ22の内部に入射し、円筒状パイプ22の反対側から出射する。出射口11から出射されるX線は進行方向に拡がるX線であるが、円筒状パイプ22の内部を通過することにより、円筒状パイプ22の中心軸と同一の光軸の略平行なX線となって円筒状パイプ22から出射する。図1乃至図3に示すように、円筒状パイプ22は円盤状プレート20の中心に、中心軸が円盤状プレート20の平面に略垂直になるよう固定されている。そして、円盤状プレート20の平面は筐体30の上面壁30c及び底面壁30aに平行になっているので、円筒状パイプ22から出射するX線は、光軸が上面壁30c及び底面壁30aに垂直な状態で、底面壁30aに形成された孔30a1から出射する。
図1及び図2に示すように、円盤状プレート20は、円筒状パイプ22の中心軸が円盤状プレート20の平面と交差する箇所(円盤状プレート20の中心と略同一)を中心にした所定の径の円周付近に、略90°間隔で4つのシンチレーションカウンター21−1〜21−4を、中心軸が円盤状プレート20の平面と垂直になるよう取り付けている。4つのシンチレーションカウンター21−1〜21−4のX線入射面は円盤状プレート20の平面に平行な1つの平面内に含まれるようになっており、この平面は回折X線検出平面である。図2に二点鎖線で示される円は、照射点−検出平面間距離(測定対象物OBのX線照射点から回折X線検出平面までの距離)が設定値であるとき、回折X線検出平面に形成される回折環の半径方向の強度がピークになる位置である。図2から分かるように、4つのシンチレーションカウンター21−1〜21−4のX線入射面は、円筒状パイプ22の中心軸が円盤状プレート20の平面と交差する箇所(円盤状プレート20の中心)からの距離が異なっている。
シンチレーションカウンター21−1〜21−4は、入射したX線により発生する蛍光の強度を光電子増倍管により増幅し、該蛍光の強度に相当する強度の信号を出力するもので、一般的に用いられているものであり、X線入射面はある程度の大きさがある。図2ではシンチレーションカウンター21−1,21−4のX線入射面は、回折環の半径方向の強度がピークになる二点鎖線の円から外れているが、回折X線の強度を所定以上の強度で検出する。これは、円筒状パイプ22の内径は、測定対象物OBの表面におけるX線の照射点の直径が約10mmになるような大きさにされており、回折環の半径方向において、回折X線の強度が所定以上になる範囲は広くなっているためである。すなわち、図2に示した二点鎖線の円の両側に回折X線の強度が所定以上になる範囲が広範囲で存在しており、シンチレーションカウンター21−1,21−4も回折X線の強度を所定以上の強度で検出する。
位置制御装置5の移動ステージ55は、X線回折測定装置1を、底面壁30aに形成された孔30a1から出射されるX線の光軸がZ方向になるよう取り付けており、X線回折測定装置1から出射されたX線は、測定対象物OBの表面に垂直に照射される。このため、回折環の半径方向(円盤状プレート20の半径方向)における回折X線の強度分布は、回折環の円周位置(回転角度)のよらず略一定になる。よって、シンチレーションカウンター21−1〜21−4の円盤状プレート20の中心からの距離(半径値)と、シンチレーションカウンター21−1〜21−4が検出した回折X線の強度との関係は、回折環の1つの円周位置における半径方向での関係と略同一とみなすことができる。すなわち、該半径値と回折X線の強度との関係は、シンチレーションカウンター21−1〜21−4を、回折環の1つの円周位置において半径方向に重ねて並べた場合と略同一の関係である。
図4は、横軸に円盤状プレート20の中心からの距離(半径値)をとり、縦軸に回折X線強度をとり、シンチレーションカウンター21−1〜21−4が検出した回折X線強度をプロットしたグラフである。グラフの上にはシンチレーションカウンター21−1〜21−4のX線入射面を半径値に対応させて示し、回折環の半径方向(円盤状プレート20の半径方向)における回折X線の強度分布を点線で示してある。(A)は出射X線が照射された箇所の表面硬さが小さい場合であり、(B)は出射X線が照射された箇所の表面硬さが大きい場合である。グラフの点線が示すよう、表面硬さが大きい箇所では回折X線の強度分布は広がる。そして、表面硬さが大きいほど、この強度分布の広がりは大きくなる。シンチレーションカウンター21−1〜21−4が検出する回折X線強度は、グラフにプロットした点が示すようX線入射面がある回折X線の強度分布曲線の平均値と見なすことができる。回折X線の強度分布の広がりを特性値で得るには、強度分布曲線の半価幅や積分幅といった値を計算すればよいが、4つのシンチレーションカウンター21−1〜21−4の値のみでは、すなわちグラフにプロットした点が4つでは半価幅や積分幅を計算することはできない。よって、シンチレーションカウンター21−1〜21−4が検出する回折X線強度を、X線入射面が配置された箇所の半径値の小さい順にA,B,C,Dとすると、{(B−A)+(C−D)}で計算される値を回折X線の強度分布の広がりを表す特性値とする。
図4の(A)と(B)における4つのプロットを比較すると分かるように、回折X線の強度分布が広がると(B−A)及び(C−D)の値は小さくなる。そして、これらの値は、回折X線の強度分布が広がるほど小さくなる。よって、{(B−A)+(C−D)}で計算される特性値は、回折X線の強度分布の広がりを表す特性値であり、出射X線の強度が一定になるようにし、許容値を定めれば、該特性値を許容値と比較することで異常箇所を検出することができる。また、該特性値の大きさから異常の程度を判定することもできる。なお、測定対象物OBの表面硬さが小さい方を異常とするか、大きい方を異常とするかは測定対象物OBにより異なる。すなわち、{(B−A)+(C−D)}で計算される特性値が許容値より大きい方を異常とするか、許容値より小さい方を異常とするかは測定対象物OBにより異なる。
シンチレーションカウンター21−1〜21−4は、入射したX線によりシンチレータで発生する蛍光を光電子増倍管により電子に変換して増幅し、増幅した電子による電気信号を出力するものであり、出力する電気信号の強度は入射したX線の強度に相当しているため、電気信号の強度としてX線強度を検出することができるものである。シンチレーションカウンター21−1〜21−4はSD信号取出回路31〜34と信号線がつながっており、シンチレーションカウンター21−1〜21−4が出力するX線強度に相当する電気信号は、SD信号取出回路31〜34に入力する。SD信号取出回路31〜34は入力する電気信号を積分回路等により平坦な信号に変換した後、AD変換器によりデジタルデータに変換して出力する回路であり、コントローラ71から作動開始の指令が入力するとAD変換器が作動し、X線強度に相当する電気信号の強度のデジタルデータがコントローラ71に入力する。そして、コントローラ71内にて{(B−A)+(C−D)}の計算が行われ、算出された値により異常の有無及び異常の程度が判定される。
シンチレーションカウンター21−1〜21−4が検出する回折X線強度に相当する値をコントローラ71に入力し、上述した判定を行うことができるためには、照射点−検出平面間距離(X線照射点から回折X線検出平面までの距離)が設定値にされている必要がある。言い換えると、図4に示すように、回折X線検出平面に形成される回折環の半径方向におけるX線強度分布曲線のピークが、シンチレーションカウンター21−2とシンチレーションカウンター21−3の中間位置にある必要がある。すなわち、照射点−検出平面間距離が設定値からずれると、図5の(A)に示すようにX線強度分布曲線はグラフの左右に移動し、これによりシンチレーションカウンター21−1〜21−4が検出する回折X線強度から計算される{(B−A)+(C−D)}の特性値は、4つのプロットが示すように小さくなり、測定対象物OBの表面硬さがより硬い場合の特性値となる。これは、ステージStの移動方向に測定対象物OBの厚さが変化している場合や測定対象物OB表面に凹凸がある場合に発生する。このため、エラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5により、シンチレーションカウンター21−1とシンチレーションカウンター21−4が出力する信号であるAとDの信号を用いて、照射点−検出平面間距離を常に設定値にする制御が行われる。
位置制御装置5は、図1及び図2に示すように、枠体51、フィードモータ52、スクリューロッド53、軸受部54及び移動ステージ55から構成される機構部分と、枠体51の一部に取り付けられているモータ駆動回路56及び移動位置検出回路57から構成される。枠体51は、直方体形状の金属体に直方体形状の穴が開けられたものであり、移動ステージ55に連結されたX線回折測定装置1から出射されるX線がZ方向(ステージStの平面の垂直方向)になるように、図1の裏面側が固定具50に連結されている。枠体51の上側にはフィードモータ52が固定され、フィードモータ52の回転軸にはスクリューロッド53が連結され、スクリューロッド53の反対側は軸受部54に連結されている。移動ステージ55は枠体51の直方体形状の穴に移動可能に嵌めこまれており、中心部分に雌ネジが切られた孔が開けられ、この孔と雄ネジが切れらたスクリューロッド53が迎合している。そして、フィードモータ52の回転軸及びスクリューロッド53の中心軸の方向は移動ステージ55に連結されたX線回折測定装置1から出射されるX線の光軸方向と平行であり、フィードモータ52が回転しスクリューロッド53が回転すると、移動ステージ55は出射X線の光軸方向であるZ方向に移動する。これにより、移動ステージ55に連結されたX線回折測定装置1(筐体30)もZ方向へ移動する。
フィードモータ52内には、エンコーダ52aが組み込まれており、エンコーダ52aはフィードモータ52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モータ駆動回路56及び移動位置検出回路57へ出力する。モータ駆動回路56は、コントローラ71から移動位置が入力すると、移動位置検出回路57から入力する移動位置がコントローラ71から入力した移動位置になるまでフィードモータ52へ駆動信号を出力する。また、モータ駆動回路56は、コントローラ71からフィードモータ52側の移動限界位置への移動指令を入力すると、後述する移動位置検出回路57から停止指令が入力するまでフィードモータ52へ駆動信号を出力する。そして、フィードモータ52へ駆動信号を出力するとき、フィードモータ52の回転が移動方向に対応する回転方向になり、エンコーダ52a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が、予め設定されている単位時間当たりのパルス数になるよう、駆動信号を制御する。これにより、コントローラ71から移動位置又は移動限界位置移動指令が出力すると、移動ステージ55及び筐体30は該移動位置又は原点位置まで設定された移動速度で移動して停止する。また、モータ駆動回路56は、コントローラ71から位置制御の指令が入力すると、後述するサーボ信号生成回路36から入力する信号の極性と強度に基づいた駆動信号をフィードモータ52へ出力する。
移動位置検出回路57はコントローラ71からフィードモータ52側の移動限界位置への移動指令を入力すると、エンコーダ52aから入力するパルス列信号のパルス数をカウントし、パルス数のカウントが停止すると、モータ駆動回路56に停止指令を出力して、パルス数のカウント値を「0」に設定する。以後、移動位置検出回路57はエンコーダ52aから入力するパルス列信号のパルス数をカウントし、移動方向によりカウント値を加算または減算し、カウント値から移動位置を算出してモータ駆動回路56とコントローラ71に出力する。これにより、移動ステージ55及び筐体30の移動位置がフィードモータ52側の移動限界位置を原点として検出される。
エラー信号生成回路35は、シンチレーションカウンター21−1とシンチレーションカウンター21−4が出力する信号であるAとDの信号を入力し、強度が(A−D)となる信号を作成してサーボ信号生成回路36に出力する。サーボ信号生成回路36はコントローラ71から位置制御開始の指令が入力すると、エラー信号生成回路35から入力した信号をローパスフィルタを通すことにより周波数の低い信号にし、この信号を照射点−検出平面間距離の設定値からのずれ量に相当する強度の信号に変換してモータ駆動回路に出力する。上述したように、モータ駆動回路56は、サーボ信号生成回路36から入力する信号の極性と強度に基づいた駆動信号をフィードモータ52へ出力する。これにより、エラー信号生成回路35が出力する信号である(A−D)の信号は0になるよう制御され、ステージStの移動方向に測定対象物OBの厚さが変動しても照射点−検出平面間距離が常に設定値となるよう制御される。言い換えると回折環の半径方向におけるX線強度分布曲線は、図4に示すように、常にピークがシンチレーションカウンター21−2とシンチレーションカウンター21−3の中間になるよう制御される。そして、この制御は、測定対象物OBのX線照射箇所の表面硬さによらず行うことができる。すなわち図5に示すよう、X線照射箇所が(A)にように表面硬さが小さい場合でも(B)のように表面硬さが大きい場合でも、照射点−検出平面間距離が設定値からずれると(X線強度分布曲線が左右に移動すると)、AとDの信号の強度には差が生じるので、(A−D)の信号を0にする制御が可能になる。なお、X線強度分布のピークがシンチレーションカウンター21−1〜21−4の範囲に発生していないと、上述した位置制御は不可能であるので、最初に照射点−検出平面間距離が設定値になるよう移動ステージ55及び筐体30を設定位置に移動させた後、上述した位置制御が行われる。
コントローラ71のメモリには、測定対象物OBの厚さが基準値であり、照射点−検出平面間距離が設定値であるときの((A−D)の信号が0であるときの)、移動位置検出回路57が検出する移動位置が基準移動位置として記憶されている。よって、移動位置検出回路57から入力する移動位置を基準移動位置から減算した値を厚さの基準値に加算することで、X線が照射されている箇所の厚さを検出することができる。これにより、{(B−A)+(C−D)}の特性値による評価に加え、測定対象物OBの厚さによっても評価を行うことができる。
ステージStの側面の近傍には、測定対象物OBの先端および後端が出射X線が照射される位置になったことを検出するための端検出センサ60が取り付けられている。端検出センサ60はステージStの反対側の側面近傍にあるレーザ光の受光の有無により、測定対象物OBの先端および後端を検出するものであり、レーザ光を受光すると所定強度の信号を出力し、レーザ光の受光がないと信号の出力はないようになっている。端検出回路61は端検出センサ60と一体になっており、コントローラ71から作動指令が入力した後、端検出センサ60から入力する信号の強度が所定強度から0になると、「先端検出」を意味する信号をコントローラ71に出力し、0から所定強度になると「後端検出」を意味する信号をコントローラ71に出力する。なお、端検出センサ60が検出するライン(反対側にあるレーザ光の光軸)は、測定対象物OBの移動方向に対して出射X線の光軸よりやや後方にあり、後述するように、「先端検出」の信号が出力されたときは、予め設定された時間をおいてX線の出射と回折X線の強度の検出を行い、「後端検出」の信号が出力されたときは、即座にX線の出射と回折X線の強度の検出を停止するようになっている。これは、出射X線が測定対象物OBの先端及び後端の縁にかかった状態では正常な評価ができないため、この状態のときは評価を行わないようにするためである。
コンピュータ装置70は、コントローラ71、入力装置72及び表示装置73からなる。コントローラ71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プログラムを実行してX線回折測定装置1及び位置制御装置5の作動を制御するとともに、入力したデジタルデータを用いて演算を行い、合否判定及び異常程度の評価を行う。入力装置72は、コントローラ71に接続されて、作業者により、各種パラメータ、作動指示などの入力のために利用される。表示装置73も、コントローラ71に接続されて、X線回折測定システムの各種の設定状況、作動状況及び検査結果などを表示する。
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、一定速度で移動する長尺状のステージStに載置された測定対象物OBを次々に評価する場合のX線回折測定システムの作動について説明する。なお、この説明においては、測定対象物OBの表面硬さが小さい方、すなわち、{(B−A)+(C−D)}で計算される特性値が許容値より大きい方を異常として説明する。まず、作業者はX線回折測定システムの電源を投入する。これにより、コントローラ71はモータ駆動回路56及び移動位置検出回路57に移動限界位置移動指令を出力し、移動ステージ55及び筐体30(X線回折測定装置1)はフィードモータ52側の移動限界位置である限界位置に移動する。次に作業者は、入力装置72から基準移動位置へ移動することを入力する。これにより移動ステージ55及び筐体30は、測定対象物OBの厚さが基準値であるときに照射点−検出平面間距離が設定値になる基準移動位置まで移動する。次に作業者は、ステージStを移動させる装置を作動させ、入力装置72から検査開始を入力する。これにより、コントローラ71はインストールされている図6に示すフローのプログラムの実行をステップS1にて開始する。以下、図6に示すフローに沿って説明する。
まず、コントローラ71はステップS2にて、コントローラ71に内蔵されたクロックによる時間計測を開始し、ステップS3にて端検出回路61に作動開始の指令を出力する。これにより端検出回路61は、上述したように端検出センサ60からの信号により測定対象物OBの先端と後端を検出するごとに、「先端検出」及び「後端検出」を意味する信号をコントローラ71に出力する。次にコントローラ71はステップS4にて測定対象物OBを識別する番号であるmを「1」にし、ステップS5にて測定点を識別する番号であるnを「1」にする。そして、ステップS6にて端検出回路61から最初の測定対象物OBにおける「先端検出」の信号が入力するのをNoの判定を繰り返しながら待ち、入力するとYesと判定してステップS7へ行き、ステップS7にて計測時間をリセットして0にし、ステップS8にて予め設定した時間Tが経過するのをNoの判定を繰り返しながら待つ。これは、上述したように、端検出センサ60が検出するライン(反対側にあるレーザ光の光軸)は、測定対象物OBの移動方向に対して出射X線の光軸よりやや後方にあり、出射X線が測定対象物OBの縁にかかると正確な検査が行われないため、X線照射点が測定対象物OBの縁より微小距離だけ離れ、正確に検査を行うことができるまで待つためである。
コントローラ71は、時間Tが経過するとYesと判定してステップS9へ行き、ステップS9にてX線制御回路40に出射開始の指令を出力し、ステップS10にてSD信号取出回路31〜34にデータ出力開始の指令を出力し、ステップS11にてサーボ信号生成回路36とモータ駆動回路56に位置制御開始の指令を出力する。これにより、X線回折測定装置1(筐体30)からX線が測定対象物OBに照射され、回折X線強度のデジタルデータがコントローラ71に入力し、照射点−検出平面間距離が常に設定値になるX線回折測定装置1(筐体30)の位置制御が開始される。
次に、コントローラ71はステップS12にて、時間が(T+Δt)になるまでNoの判定を繰り返しながら待ち、時間が(T+Δt)になるとYesと判定してステップS13へ行き、ステップS13にてSD信号取出回路31〜34から入力している回折X線強度に相当する強度のデータI(n,m)をメモリに取込み、ステップS14にて移動位置検出回路57から入力している移動位置のデータP(n,m)をメモリに取り込む。取り込み時間は予め設定されており、この設定時間中にSD信号取出回路31〜34及び移動位置検出回路57から入力しているデータはすべて取り込む。次にステップS15にて、取込んだ回折X線強度のデータI(n,m)を平均し、上述した信号A,B,C,Dのそれぞれの強度値にし、{(B−A)+(C−D)}の計算から特性値V(n,m)を算出する。そして、(A−D)の値から特性値V(n,m)を補正する。これは、上述した位置制御により、照射点−検出平面間距離は設定値になるよう、すなわち(A−D)の値は0になるよう制御されているが、信号A,B,C,Dの強度を瞬時値で見ると(A−D)の値は常に0になってはいないためである。別の言い方をすると、位置制御は図5に示すように(A−D)が0でない状態を検出してから図4に示すように(A−D)が0になる状態になるようにする制御であり、(A−D)の値を0を中心にして変動させる制御であるためである。(A−D)の値は、設定時間中にSD信号取出回路31〜34から取込んだデータを平均すれば、0に近い値になるが、測定対象物OBの表面の凹凸が狭い範囲で大きい場合は、取込んだデータを平均しても(A−D)は0からのずれが大きい値になることがある。よって、(A−D)の値から定まる補正係数を特性値V(n,m)に乗算する補正を行う。
この補正係数は、正常な測定対象物OBを用いて照射点−検出平面間距離を設定値から微小量づつずらし、それぞれの移動位置ごとに、SD信号取出回路31〜34から信号A,B,C,Dの強度のデジタルデータを複数取り込んで平均し、(A−D)が0のときの{(B−A)+(C−D)}をV’とし、(A−D)が0以外の値のときの{(B−A)+(C−D)}をVとし、(V’/V)を補正係数として計算すれば、得ることができる。
次に、コントローラ71はステップS16にて、取り込んだ移動位置のデータP(n,m)を平均し、この平均値を基準移動位置から減算した値を厚さの基準値に加算することで、測定対象物OBの厚さH(n,m)を算出する。そして、(A−D)の値から厚さH(n,m)を補正する。この理由も特性値V(n,m)の場合と同じであり、瞬時値で見るとデータP(n,m)の平均値を基準移動位置から減算した値が、厚さの基準値からのずれに常に等しくなっていないためである。この補正は(A−D)の値から定まる補正値を厚さH(n,m)に加算する補正である。この補正値は、正常な測定対象物OBを用いて照射点−検出平面間距離を設定値から微小量づつずらし、それぞれの移動位置ごとに、SD信号取出回路31,34から信号A,Dの強度のデータと移動位置検出回路57から移動位置のデータPを複数取り込んで平均し、(A−D)が0のときのPをP’とし、(A−D)が0以外の値のときのPをP’から減算した値を補正値とすれば得ることができる。
次に、コントローラ71はステップS17にて、ステップS15で得た特性値V(n,m)が許容値L以下である場合はYesと判定してステップS19へ行き、許容値Lを超える場合はNoと判定してステップS18へ行き、特性値V(n,m)を異常箇所データとして別のメモリ領域に記憶した後、ステップS19へ行く。次に、コントローラ71はステップS19にて、ステップS16で得た厚さH(n,m)の基準値Sからのずれが許容値以下である場合はYesと判定してステップS21へ行き、許容値を超える場合はNoと判定してステップS20へ行き、厚さH(n,m)を異常箇所データとして別のメモリ領域に記憶した後、ステップS21へ行く。そして、コントローラ71はステップS21にて、端検出回路61から最初の測定対象物OBにおける「後端検出」の信号が入力したか判定するが、この段階では検査を開始したばかりであるのでNoと判定してステップS22へ行き、nをインクリメントしてステップS12に戻る。そして、ステップS12にて計測時間がT+n・Δt(この場合はT+2・Δt)になるまで待ち、計測時間がT+n・ΔtになるとYesと判定してステップS13へ行き、上述したステップS13乃至ステップS22の処理を行ってステップS12へ戻る。
このようにして計測時間がT+Δt,T+2・Δt,T+3・Δt・・・と、Δtづつ増えるごとに、特性値V(n,m)及び厚さH(n,m)が取り込まれてそれぞれ合否判定が行われ、不合格(異常検出)の場合は、特性値V(n,m)又は厚さH(n,m)が異常箇所データとして別のメモリ領域に記憶されていく。そして、端検出回路61から「後端検出」の信号が入力すると、ステップS21にてYesと判定してステップS23へ行き、ステップS23にてX線制御回路40に出射停止の指令を出力し、ステップS24にてSD信号取出回路31〜34に出力停止の指令を出力し、ステップS25にてサーボ信号生成回路36とモータ駆動回路56に位置制御停止の指令出力する。これにより、測定対象物OBへのX線照射は停止し、回折X線強度に相当するデータの出力は停止し、X線回折測定装置1(筐体30)の位置制御は停止する。そして、ステップS26にてモータ駆動回路56に基準移動位置を出力し、これによりX線回折測定装置1(筐体30)は、検査開始時の移動位置に戻る。上述したように、端検出センサ60が検出するライン(反対側にあるレーザ光の光軸)は、測定対象物OBの移動方向に対して出射X線の光軸よりやや後方にあるため、端検出センサ60が後端を検出したときは、出射X線は測定対象物OBの後端の縁にかかっていない。よって、「後端検出」の信号が入力したときは、即座にX線照射とデータの出力を停止する。
次に、コントローラ71はステップS27にて、異常箇所データとして別のメモリ領域に記憶した特性値V(n,m)又は厚さH(n,m)があるか判定し、ない場合はNoと判定してステップS30へ行き、「合格」の表示をm=1に対応する測定対象物OBの識別情報とともに表示装置73へ表示させる。また、別のメモリ領域に記憶した特性値V(n,m)又は厚さH(n,m)がある場合は、Yesと判定してステップS28へ行き、「不合格」の表示をm=1に対応する測定対象物OBの識別情報とともに表示装置73へ表示させる。そして、ステップS29にて、記憶したデータのn、予め記憶されているステージStの移動速度F、時間Tおよび端検出センサ60が検出するラインから出射X線の光軸までの距離Bから、F・(T+n・Δt)−Bの計算を行い、異常箇所の測定対象物OBの先端からの距離を計算する。さらに、特性値V(n,m)から許容値Lを減算した大きさ、又は厚さH(n,m)の基準値Sからのずれ量を、予め記憶されている異常度合のテーブルに当てはめて異常度合を定める。異常度合のテーブルは、特性値V(n,m)から許容値Lを減算した大きさ、および厚さH(n,m)の基準値Sからのずれ量を範囲ごとに分け、「微」,「小」,「中」,「大」,「特大」又は「1」,「2」,「3」,「4」,「5」というように異常度合を定めたものである。なお、特性値V(n,m)から許容値Lを減算した大きさ、および厚さH(n,m)の基準値Sからのずれ量を、そのまま異常の度合いとしてもよい。そして、コントローラ71は、このように計算した異常箇所の先端からの距離と定めた異常の度合を、異常の種類(表面硬さの異常か、厚さの異常か)とともに表示装置73へ表示する。この表示において、数値での表示に加えて図で異常箇所と異常の度合を示す表示を行うと検査結果が分かりやすい。
次に、コントローラ71はステップS31にて、mをインクリメントしてステップS5に戻り、m=2の測定対象物OBに対して、上述したステップS5乃至ステップS30の処理を行う。そして、ステップS31にて、mをインクリメントしてステップS5に戻り、m=3の測定対象物OBに対して同様の処理を行う。このようにして、移動するステージStに載置されて次々に移動してくる測定対象物OBが検査され、検査結果が表示装置73に表示される。作業者は表示装置73に表示される結果を見て、不合格と判定された測定対象物OBをステージStから取り除き、それ以外の測定対象物OBと分別する。なお、不合格が厚さによるものである場合は、異常の原因が測定対象物OBの厚さによるものか、測定対象物OBのステージStへの載置の仕方によるものかを調査する。そして、検査する測定対象物OBがなくなり、作業者が入力装置72から検査停止の指令を入力すると、ステップS32にてYesと判定してステップS33へ行き、ステップS33にて端検出回路61へ作動停止の指令を出力し、内蔵されたクロックによる時間計測を停止する。次にステップS34にて、異常箇所データとして記憶した回折X線強度データI(n,m)及びずれ距離D(n,m)を別のメモリ領域に移動して、次回の検査の際に使用するメモリ領域を空にし、ステップS35にてプログラムの実行を終了する。
このように、ステージStを移動させた後、入力装置72から検査開始の指令を入力すれば、コントローラ71がインストールされたプログラムを実行することで、ステージStに載置された測定対象物OBの検査が次々に行われ、検査結果が順に表示装置73に表示される。作業者は異常が検出された測定対象物OBの異常の原因を詳細に分析したいときは、該測定対象物OBをX線回折像を得るX線回折測定装置にセットして、異常箇所のX線回折像を測定すればよい。なお、コントローラ71に設定されている合否判定レベルLは、測定対象物OBに照射されるX線の強度が一定である必要がある。上述したように、X線制御回路40は、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、高電圧電源45からX線出射器10に供給される駆動電流及び駆動電圧を制御しているが、長期間が経過するとX線出射器10から出射されるX線の強度が変化する可能性がある。よって、定期的に標準の測定対象物OBを測定して特性値Vが許容範囲内にあることを確認する。そして、許容範囲外になったときは、X線回折測定装置1のメンテナンスを行うか、X線制御回路40の設定を変えて標準の測定対象物OBの特性値Vを許容範囲内にするか、又は許容値レベルLを変更する。
上記説明からも理解できるように、上記実施形態においては、対象とする測定対象物OBに向けてX線を略平行光にして出射するX線出射器10及び円筒状パイプ22と、円筒状パイプ22から出射されるX線が測定対象物OBに照射されたとき、測定対象物OBにて発生する回折X線の強度を検出する複数のシンチレーションカウンタ21−1〜21−4であって、回折X線を入射するX線入射面が、円筒状パイプ22から出射されるX線の光軸上の点を中心にしたX線の光軸に垂直な平面内における所定の円の円周位置付近になるとともに、中心からの距離がそれぞれ異なるように配置されている複数のシンチレーションカウンタ21−1〜21−4と、それぞれのシンチレーションカウンタ21−1〜21−4におけるX線入射面の中心からの距離が記憶され、中心からの距離に対するそれぞれのシンチレーションカウンタ21−1〜21−4が検出した回折X線の強度を、所定の円の1つの円周位置における半径方向の回折X線の強度変化として、強度変化に基づく特性値Vを計算するコントローラ71にインストールされたプログラムの評価機能と、X線出射器10、円筒状パイプ22及び複数のシンチレーションカウンタ21−1〜21−4を含む筐体30とを備えたX線回折測定装置1を含むX線回折測定システムにおいて、複数のシンチレーションカウンタ21−1〜21−4の中で、X線入射面の中心からの距離が小さい側にあるシンチレーションカウンタ21−1と大きい側にあるシンチレーションカウンタ21−4とが検出する回折X線の強度の差がなくなるよう、測定対象物OBに対する筐体30の位置を制御するエラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5を備えたX線回折測定装置1を含むX線回折測定システムとしている。
これによれば、エラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5がX線入射面の中心からの距離が小さい側にあるシンチレーションカウンタ21−1と大きい側にあるシンチレーションカウンタ21−4とが検出する回折X線の強度の差がなくなるよう、測定対象物OBに対する筐体30の位置を制御すれば、X線の光軸上の点である中心からの距離に対してシンチレーションカウンタ21−1〜21−4を並べた場合、シンチレーションカウンタ21−1〜21−4の中央付近に常に回折X線の強度分布曲線のピークが来るよう制御される。すなわち、照射点−検出平面間距離が常に設定値になるよう制御される。そして、この制御においては、可視の平行光を照射する機能及び反射光の受光位置を検出する機能を設ける必要はないため装置のコストアップを抑制することができる。また、回折X線は測定対象物OBの反射率に関係なく発生するので、反射率が低い測定対象物OBでも制御が可能になる。
また、上記実施形態においては、シンチレーションカウンタ21−1〜21−4の個数は4つであり、シンチレーションカウンタ21−1〜21−4が検出する回折X線の強度を、シンチレーションカウンタ21−1〜21−4におけるX線入射面の中心からの距離が最も小さいものから順にA,B,C,Dとしたとき、エラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5は、(A−D)が0になるよう制御するようにしている。
これは、本発明が最も有効になる構成の1つである。すなわち、シンチレーションカウンタ21の数が少ないほど、コントローラ71にインストールされたプログラムの評価機能が計算する半径方向における回折X線の強度変化に基づく特性値V(言い方を換えると、回折X線の強度分布の広がりに基づく特性値V)は、回折X線の強度分布曲線におけるピーク位置の変動の影響、言い方を換えると照射点−検出平面間距離の変動の影響を受けるので、エラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5による位置制御が有効に作用する。しかし、シンチレーションカウンタ21が4つであれば、上記実施形態のように{(B−A)+(C−D)}で半径方向の回折X線の強度分布の広がりに基づく特性値Vを計算することができ、後述する変形例のようにシンチレーションカウンタ21を3つにしても該特性値Vを計算することができるが、シンチレーションカウンタ21を2つ以下にすると該特性値Vの計算が困難になる。よって、シンチレーションカウンタ21−1〜21−4の個数を4つにし、エラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5による位置制御が(A−D)が0になるよう制御する構成は、本発明が最も有効になる構成の1つである。
また、上記実施形態においては、コントローラ71にインストールされたプログラムは、計算した特性値Vと予め設定した許容値Lとを比較して合否判定を行う判定機能であって、特性値Vを算出する際に用いたシンチレーションカウンタ21−1〜21−4が検出した回折X線の強度から、X線入射面の中心からの距離が小さい側にあるシンチレーションカウンタ21−1と大きい側にあるシンチレーションカウンタ21−4とが検出した回折X線の強度の差を計算し、計算した強度の差を用いて、特性値Vを補正したうえで合否判定を行う判定機能を備えている。
これによれば、測定対象物OBが狭い領域において凹凸が大きい場合でも、精度のよい合否判定を行うことができる。すなわち、エラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5が照射点−検出平面間距離を常に設定値になるよう制御しても、回折X線の強度の差が発生してから、その差がなくなるよう制御するので、制御にはある程度の遅れが発生し、測定対象物OBが狭い領域において凹凸が大きい場合は、シンチレーションカウンタ21−1〜21−4が検出した回折X線の強度を瞬時値で見ると、X線入射面の中心からの距離が小さい側にあるシンチレーションカウンタ21−1と大きい側にあるシンチレーションカウンタ21−4とが検出する回折X線の強度の差が大きい場合がある。このずれは、回折X線の強度の瞬時値を多く取得し平均すれば許容できるまで小さくすることができるが、測定対象物OBが狭い領域において凹凸が大きい場合は瞬時値の個数を多くする必要があるので、1回の評価における範囲は広がり局所的な異常を発見しにくくなる。しかし、中心からの距離が小さい側にあるシンチレーションカウンタ21−1と大きい側にあるシンチレーションカウンタ21−4とが検出した回折X線の強度の差から特性値Vを補正すれば、回折X線の強度の瞬時値を多く取得しなくても、精度のよい合否判定を行うことができる。
また、上記実施形態においては、エラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5による位置制御により測定対象物OBに対して変化する筐体30の移動位置を検出する移動位置検出回路57と、基準厚さの測定対象物OBに対してエラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5が筐体30の位置を制御したときの、移動位置検出回路57が検出する筐体30の移動位置を基準移動位置として予め記憶し、移動位置検出回路57が検出した移動位置の基準移動位置からの差と基準厚さとから測定対象物OBの厚さHを算出するコントローラ71にインストールされたプログラムの算出機能を備えている。
これによれば、測定対象物OBをコントローラ71にインストールされたプログラムの評価機能が計算する、半径方向の回折X線の強度変化に基づく特性値Vに加え、測定対象物OBの厚さHによっても評価することができる。
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、4つのシンチレーションカウンタ21−1〜21−4を出射X線の光軸方向から見て90°の間隔で配置するようにしたが、X線入射面を、円筒状パイプ22の中心軸が円盤状プレート20の平面と交差する箇所(円盤状プレート20の中心)からの距離が異なるようにすれば、配置における間隔の回転角度は任意の角度にしてよい。また、シンチレーションカウンタ21−1〜21−4のX線入射面を本実施形態より小さくしても回折X線の強度を精度よく検出することができるならば、図7に示すように、シンチレーションカウンタ21−1〜21−4を回折環の半径方向に1列に並べてもよい。図7は図2に相当する図であり、筐体30の底面壁30aを外し、出射X線の光軸方向からX線回折測定装置1を見た図である。この場合は、円盤状プレート20を直方体状プレート25にし、X線出射器10の中心軸方向の垂直方向におけるX線回折測定装置1の幅を小さくすることができる。また、この場合は、底面壁30aに開けられた孔30a1は、通過した回折X線がシンチレーションカウンタ21−1〜21−4に入射すればいいので、細長い長方形状にすることができる。
また、上記実施形態では、4つのシンチレーションカウンタ21−1〜21−4が検出する回折X線の強度(出力する信号の強度)を、円盤状プレート20の中心からの距離が小さい順にA,B,C,Dとすると、(A−D)が0になるよう筐体30の位置をZ方向に変化させたが、照射点−検出平面間距離が設定値になるよう制御できれば、計算式は別の式であってもよい。例えば、(B−C)であってもよいし、{(A+B)−(C+D)}であってもよい。
また、上記実施形態では、シンチレーションカウンタ21の個数を4つにしたが、シンチレーションカウンタ21の個数を3つにした場合も、本発明が最も有効になる構成の1つである。すなわち、上述したようにシンチレーションカウンタ21の数が少ないほど、コントローラ71にインストールされたプログラムの評価機能が計算する、半径方向における回折X線の強度分布の広がりに基づく特性値Vは、回折X線の強度分布曲線におけるピーク位置の変動の影響を受けるので、エラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5による位置制御が有効に作用する。そして、シンチレーションカウンタ21が3つであれば、図8に示すように{(B−A)+(B−C)}で半径方向の回折X線の強度分布の広がりに基づく特性値Vを計算することができ、シンチレーションカウンタ21を2つ以下にすると該特性値Vの計算が困難になる。よって、シンチレーションカウンタ21−1〜21−4の個数を3つにし、エラー信号生成回路35、サーボ信号生成回路36及び位置制御装置5による位置制御が(A−C)が0になるよう制御する構成も、本発明が最も有効になる構成の1つである。
なお、図8は図4と同様のグラフであり、シンチレーションカウンター21の個数を3つにした場合の、それぞれのシンチレーションカウンター21が検出した回折X線強度をプロットしたグラフである。(A)のように表面硬さが小さくなるほど回折X線の強度分布の広がりは小さくなって{(B−A)+(B−C)}は値が大きくなり、(B)のように表面硬さが大きくなるほど回折X線の強度分布の広がりは大きくなって{(B−A)+(B−C)}は値が小さくなるので、{(B−A)+(B−C)}で計算される値を回折X線の強度分布の広がりを表す特性値とすることができる。
また、上記実施形態では、シンチレーションカウンタ21の個数を4つにしたが、シンチレーションカウンタ21の個数はこれよりも多くしてもよい。ただし、上述したように本発明による有効性はシンチレーションカウンタ21の個数が少ないときの方が大きい。すなわち、特許文献1で示されるX線回折測定装置のようにシンチレーションカウンタ21が12個あるようにした場合、図9に示すように、回折環の半径方向におけるX線強度分布曲線が(A)から(B)に変動しても、半価幅、積分値幅といったX線強度分布の広がりに基づく特性値は、問題なく算出することができる。よって、シンチレーションカウンタ21の数を多くした場合は、測定対象物OBの厚さの変化や表面の凹凸が大きい場合において、本発明は有効になる。なお、シンチレーションカウンタ21の数を多くした場合も、照射点−検出平面間距離が設定値になるよう制御できれば、シンチレーションカウンタ21の信号強度を用いた計算式は様々な式が考えられる。すなわち、照射点−検出平面間距離が設定値のとき回折X線強度が略同強度になる、中心からの距離が小さい側と大きい側の任意のシンチレーションカウンタ21を選定して減算する式でもよいし、中心からの距離が小さい側と大きい側のシンチレーションカウンタ21を複数選定し、それぞれの側で加算したものを減算する式でもよい。
また、上記実施形態では、シンチレーションカウンタ21の個数を4つにし、{(B−A)+(C−D)}により半径方向におけるX線強度分布の広がりに基づく特性値を計算したが、X線強度分布の広がりに基づく特性値を求めることができれば、別の計算式を用いてもよい。例えば、Kを定数として{(B+C)−K・(A+D)}で、許容値が0付近の値になるような計算式で特性値を求めてもよい。また、シンチレーションカウンタ21の個数を4つより増やした場合は、X線強度分布の広がりに基づく特性値は適切なものを定めればよい。例えば、シンチレーションカウンタ21の個数を6つにした場合、それぞれが出力する信号の強度を、中心からのX線入射面の距離が小さい順にA,B,C,D,E,Fとしたとき、(C−B−A)+(D−E−F)で特性値を計算してもよい。また、シンチレーションカウンタ21の個数をさらに増やしたときは、半価幅、積分値幅といった特性値を計算してもよい。
また、上記実施形態では、本発明を測定対象物OBが移動機構のステージSt上に載置され一定速度で移動する場合に適用したが、測定対象物OBがX線回折測定装置1に対して相対的に移動する場合であれば、どのような場合でも本発明は適用することができる。例えば、固定されたステージに測定対象物OBを載置し、X線回折測定装置1を測定対象物OBの表面と平行に移動させる場合でも本発明は適用することができる。また、測定対象物OBの厚さ測定が不要であれば、X線回折測定装置1を車両に搭載し、表面に凹凸がある測定対象物OB上を走行させる場合でも本発明は適用することはできる。また、本発明は測定対象物OBがX線回折測定装置1に対して相対的に移動する場合でなくても、測定対象物OBを次々に固定されたステージ上に載置し、それぞれの測定対象物OBの設定された箇所を検査する場合でも適用することができる。
また、上記実施形態では、X線回折測定装置1(筐体30)をZ方向に移動させる位置制御を行うようにしたが、照射点−検出平面間距離が常に設定値になるよう制御できればよいので、測定対象物OBを載置したステージをZ方向に移動させる位置制御を行ってもよい。ただし、上記実施形態のように、ステージがZ方向の垂直方向に移動する機構であると、ステージをZ方向に移動させる機構にするのは困難であるので、固定されたステージに測定対象物OBを載置し、X線回折測定装置1を測定対象物OBの表面と平行に移動させる場合に、ステージをZ方向に移動させる位置制御を行うことができる。
また、上記実施形態では、X線回折測定装置1(筐体30)をZ方向に移動させる位置制御装置5をフィードモータ52を回転させ移動ステージ55をZ方向に移動させる装置にした。しかし照射点−検出平面間距離が常に設定値になるようX線回折測定装置1(筐体30)をZ方向に移動させる制御ができれば、位置制御装置5はどのような作動方式のものでもよい。例えば、電磁石に流す電流強度を変化させることで吸引力又は反発力を変化させ、X線回折測定装置1(筐体30)を取り付けた箇所と固定箇所との間の距離を変化させる方式にしてもよい。
また、上記実施形態では、X線回折測定装置1から出射されたX線が垂直に測定対象物OBに照射されるようにしたが、測定対象物OBの測定箇所が複雑な形状をしている等の理由で垂直にX線を照射することが困難であれば、出射X線がある入射角で測定対象物OBに照射されるようにしてもよい。この場合、測定対象物OBの残留応力の大きさにより回折X線検出平面に形成される回折環の位置と形状が変化するが、測定対象物OBの表面硬さの変化による半径方向の回折X線の強度分布の広がりの変化に比べれば、その変化は僅かであるので、回折X線の強度分布の広がりに基づく特性値に大きな影響は生じない。なお、この場合は、位置制御装置5はX線回折測定装置1(筐体30)を出射X線の光軸方向に移動させる構造にし、X線回折測定装置1(筐体30)の位置制御によりX線照射点の位置が変動しないようにする。
また、上記実施形態では、位置制御に使用する2つのシンチレーションカウンター21−1,21−4が検出する回折X線強度の差(A−D)を用いて算出した特性値Vを補正するようにしたが、特性値Vを補正するのに換えて許容値Lを補正するようにしてもよい。この補正は、上記実施形態で説明した(V’/V)の補正係数で許容値Lを除算すればよい。
また、上記実施形態では、測定対象物OBを特性値Vと厚さHで評価するようにしたが、これ以外に取得した回折X線強度データIと移動位置データPで算出可能なものにより評価を行ってもよい。例えば、移動方向における特性値Vの変化曲線、これから計算される平均値、最大値、最小値及び変動範囲による評価を行ってもよいし、移動方向における測定対象物OBの表面プロファイルやこれから計算される変動範囲、Ra値及びRMS値で評価を行ってもよい。
また、上記実施形態では、回折X線の強度を検出するのにシンチレーションカウンター21を使用したが、X線の強度を精度よく高速で検出することができれば、どのようなX線検出センサを用いてもよい。
また、上記実施形態では、X線出射器10から出射されたX線を円筒状パイプ22を介して測定対象物OBに照射することで、照射するX線を略平行光にしたが、X線を適切な断面直径の略平行光にすることができるならば、どのような手段を用いてもよい。例えば、長尺の孔を有するブロックの孔を介してX線を測定対象物OBに照射するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、端検出センサ60はステージStの反対側から出射されているレーザ光の受光の有無により、測定対象物OBの先端および後端を検出するものにしたが、端検出センサ60は測定対象物OBの先端および後端を検出できれば、どのような作動原理のものでもよい。例えば、端検出センサ60を撮像機能のあるものにし、ステージStの反対側に輝点や特殊なマークを設けて、撮像画像から輝点や特殊なマークがなくなることや現れることで測定対象物OBの先端および後端を検出するものであってもよい。