JP7050273B2 - 回折環計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測対象物にＸ線等のビームを照射して形成された回折環を計測し、応力等の各種材料特性を計測、解析する装置に関する。

計測対象物の表面にＸ線等のビームを照射すると、結晶格子により回折された回折環が現れる。
この回折環は、デバイ環，デバイリング，デバイ・シェラー環とも称され、材料に有する結晶格子から得られる情報であり、その格子間隔等から応力等の測定に応用されている。
近年、この回折環の撮像精度及び解析精度の向上により、塑性歪み，硬さ，転位密度，疲労強度等の物性計測や材料評価への応用も期待されている。
本発明者は、これまで回折環の撮像から解析までをリアルタイムに行う計測装置（特許文献１）、測定精度の向上を目的とした装置（特許文献２）等を提案している。

特開２０１５－７８９３４号公報 特開２０１７－１５４６８号公報

本発明は、計測精度が高く、計測装置のコストダウンに有効な回折環計測装置の提供を目的とする。

本発明に係る回折環計測装置は、計測対象部に向けてＸ線等のビームを照射する照射部と、前記照射されたビームにて形成された回折環を部分的又は全部を撮像する固体撮像素子と、前記固体撮像素子を位置制御可能に支持する支持部とを備えたことを特徴とする。
固体撮像素子は、２つ以上の複数であってもよい。
照射部は、ビームの照射角度を制御する手段を有していてもよい。
ここで、固体撮像素子を位置制御可能に支持する支持部は、前記ビームの照射点に対して回転又は前記ビームに対して回転，直交，平行，斜めのいずれかに移動制御可能な位置制御手段を有しているのが好ましい。
例えば、固体撮像素子をビーム廻りに回転させることで回折環全周を撮像すると、ｃｏｓα法やフーリエ解析法にて応力測定ができる。
ビームの照射角度（入射角）の回転制御手段を用いると、ｓｉｎ^２Ψ法，三軸ｃｏｓα法等を用いて解析することができる。
ビームと直交する方向に固体撮像素子を移動制御し、２θピーク位置等を計測すると、複数の回折面（例えば鋼の測定サンプルの場合には、αＦｅ２１１，γＦｅ３１１，αＦｅ２００）等を用いて、応力や残留オーステナイトの量が分かる。
また、測定サンプル面内における応力測定方向の回転制御手段を有すると、応力テンソルを計測する２Ｄ法等にて解析することができる。
さらには、集合組織解析（ＯＤＦ解析）や、応力勾配を解析することができる。
また、斜め方向の位置制御手段を有すると、障害物等を避けながら測定できる。

Ｘ線等のビームと表現したのは、Ｘ線及び回折の性質を有するビームが含まれる趣旨である。
部分的に撮像する固体撮像素子とは、その大きさが回折環よりも小さいことを意味する。

本発明において、１つの固体撮像素子を用いて撮像してもよく、複数個の固体撮像素子を用いてもよい。

本発明において、固体撮像素子はＣＣＤセンサー、ＣＭＯＳセンサー等、各種イメージセンサーを用いることができるが、ピクセルサイズが小さく、計測対象となる材料の解析精度が高いＳＯＩ撮像素子であるＳＯＩピクセル検出器を用いるのが好ましい。
ＳＯＩとは、Ｓｉｌｉｃｏｎ－Ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ技術を用いた素子であり、ＳＯＩ ＣＭＯＳ等が例として挙げられる。

本発明において、例えば固体撮像素子を回折環に沿ってＸ線の照射廻りに回転させることで、撮像された全周の回折環画像に基づいて材料の応力等を解析することができるので、小さなサイズの固体撮像素子を１つ又は２つ以上用いて行うことができ、従来の回折環全体を大きなイメージセンサーで撮像するのと比較して、装置の小型化やコストダウンを図るのに有効である。
また、ロボット等を用いて回転の他に、平行，直交，斜め，入射角の回転等の制御をすると、各種データ解析手法を用いて解析することができる。

本発明に係る計測装置の構造を模式的に示す。（ａ）は固体撮像素子が１つの場合を示し、（ｂ）は固体撮像素子２つの場合を示す。 Ｘ線の照射角（入射角）を可変しながら計測する例を示す。 固体撮像素子を回転支持する例を示す。 回転駆動部の例を示す。（ａ）は駆動部の構成を示し、（ｂ）はその使用模式図を示す。 本発明に係る計測装置の構成図を示す。 本発明に係る計測装置の機能図を示す。 検出器（固体撮像素子）をＸ線照射中心に回転させる例を示す。 ロボットハンドにてＸ線管球と検出器を支持制御する例を示す。

本発明に係る計測装置の構造を図に基づいて以下説明する。
図１（ａ）は、計測対象物１の表面に垂直な垂直線に対して、入射角ψ_０のＸ線を照射すると、回折Ｘ線によって回折環が形成される。
この回折環は、材料に有する歪み（ε）の影響を受ける。
この現象に基づいて応力を計測するのがｃｏｓα法である。
本発明は、この回折環を計測するのに図１（ａ）に示したように、ＳＯＩ撮像素子からなる略長方形の固体撮像素子１１を回折環２に沿って周廻りに回転させながら回折環２の全周を計測する。
ここで、固体撮像素子の形状に制限はない。
ＳＯＩ撮像素子（ＳＯＩチップ）を固体撮像素子として用いると、比較的小さな二次元Ｘ線検出器でありながら、回折環の全周を撮像することができる。
なお、固体撮像素子は、ＳＯＩ撮像素子に限定されない。
図１（ｂ）は２つの固体撮像素子１１，１２を等間隔又は任意の間隔に配置し、回転させる例を示す。
このように、本発明においては固体撮像素子の数に制限はない。

図２は、Ｘ線の入射角ψ_０を変化（角度を回転させる）させて、回折環の一部を計測することで、従来のｓｉｎ^２Ψ法にて応力測定を可能にした例である。
このようにすると、ｃｏｓα法とｓｉｎ^２Ψ法とで計測し、その比較をすることができる。

本発明において、固体撮像素子を支持し、回折環に沿って周廻りに回転する回転支持部の構造に制限はない。
例えば、図３に示すようにＸ線を照射するコリメータ部の周囲に駆動部２０を設けて、シャフト２２を介して回転支持部２１を回転制御した例を示す。
この回転支持部２１に固体撮像素子１１を取り付けることになる。

図４に試作した回転機構を示す。
プレート状のベース部３５に、Ｘ線を照射するためのＸ線管球３４を支持させるとともに、検出器基板３０を固定した従動ギヤ３３とベアリング３６を介して、このベース部に連結してある。
ベアリング３６の中央には、Ｘ線照射孔３０ａを有し、Ｘ線が図４（ｂ）に示すように計測対象物に向けて照射される。
検出器基板３０には、ＳＯＩチップ等の固体撮像素子１１が取り付けられている。
この検出器基板３０は、モーター３１で駆動制御された駆動ギヤ３２の回転により、従動ギヤ３３が回転することで回転支持されている。

図４に示したような回転機構をロボットハンド等に組み込むことで、本発明に係る計測装置は、計測目的及び計測対象物に合せて多種類の機能を有するようになる。
図５に装置の構成図、図６に位置制御と解析手法の関係を示す。
また、図７に検出器（固体撮像素子）をＸ線照射中心に対して回転させる例を示し、図８にＸ線管球や検出器をロボットハンドにて支持制御させた例を示す。
１個又は複数のロボットハンド等により、ＳＯＩ検出器（ＳＯＩチップ）等の固体撮像素子を入射Ｘ線ビーム廻りに回転制御、このビームに対して直交又は平行に移動制御、入射角を可変回転制御、Ｘ線照射点を中心とした回転制御等をすることで、デバイリングから得られた計測データを各種データ解析理論に基づいて、解析することができる。
図６では、ＳＯＩ検出器の移動の制御機構と、それに対応する解析方法の例を右側に示した。

２ 回折環
１１ 固体撮像素子
１２ 固体撮像素子
２０ 駆動部
２１ 回転支持部
３０ 検出器基板
３０ａ Ｘ線照射孔
３１ モーター
３２ 駆動ギヤ
３３ 従動ギヤ
３４ Ｘ線管球
３５ ベース部

Claims (1)

1. 計測対象部に向けてＸ線のビームを照射する照射部と、
   前記照射されたビームにて形成された回折環を撮像する固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子を位置制御可能に支持する支持部とを備え、
   前記固体撮像素子は回折環をそれぞれ部分的に撮像する１つ又は複数の固体撮像素子からなるとともに当該固体撮像素子はＳＯＩピクセル検出器であり、
   前記照射部は照射角度の制御手段を有し、前記支持部は前記ビームに対して回転制御する位置制御手段を有することで、前記ＳＯＩピクセル検出器を前記回折環に沿って周廻りに回転させながら前記回折環の全周を計測できることを特徴とする回折環計測装置。

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