(57)【要約】【課題】  １回のＸ線回折像形成で、精度よく測定対象物の表面硬さを求める。【解決手段】  測定対象物ＯＢに向けてＸ線を出射し、発生したＸ線の回折光により回折環を撮像する。撮像した回折環の回折Ｘ線の強度分布を検出し、回折環の半径方向における強度分布に基づく幅である回折環幅を回折環の複数の箇所で算出して平均する。得られた平均値と、予め取得されている回折環幅と表面硬さの関係とを用いて測定対象物ＯＢの表面硬さを算出する。【選択図】図１
2016042050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象とする測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線出射器と、
前記Ｘ線出射器から前記測定対象物に向けてＸ線を照射して、前記測定対象物にて発生したＸ線の回折光を、前記Ｘ線出射器から出射されるＸ線の光軸に対して垂直に交差する撮像面にて受光し、前記撮像面に前記Ｘ線の回折光の像である回折環を形成する回折環形成手段とを備えたＸ線回折装置を用いた測定対象物の表面硬さ評価方法において、
前記回折環形成手段により回折環を形成する回折環形成ステップと、
前記回折環形成ステップにより形成された回折環におけるＸ線の回折光の強度に相当する強度の分布を検出する回折環強度分布検出ステップと、
前記回折環強度分布検出ステップにより検出された強度分布に基づいて、前記回折環の半径方向における強度分布に基づく幅である回折環幅を前記回折環の複数の箇所で算出して平均する回折環幅計算ステップと、
前記回折環幅計算ステップにより得られた回折環幅の平均値と、予め取得されている前記回折環幅と表面硬さの関係とを用いて測定対象物の表面硬さを算出する表面硬さ計算ステップとを行うことを特徴とする測定対象物の表面硬さ評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の測定対象物の表面硬さ評価方法において、
前記回折環幅計算ステップは、
前記回折環強度分布検出ステップにより検出された強度分布に基づいて、前記回折環幅の前記回折環の円周方向に対する変化曲線を算出する回折環幅変化曲線計算ステップと、
前記回折環幅変化曲線計算ステップにより算出された回折環幅の変化曲線から、前記回折環幅の平均値を算出する回折環幅平均ステップとからなることを特徴とする測定対象物の表面硬さ評価方法。
【請求項３】
請求項２に記載の測定対象物の表面硬さ評価方法において、
前記回折環幅平均ステップは、算出された変化曲線に対し予め曲線形状が設定されている基準変化曲線が最も一致するときの基準変化曲線におけるパラメータを算出し、前記算出したパラメータから回折環幅の平均値を算出することを特徴とする測定対象物の表面硬さ評価方法。
【請求項４】
請求項３に記載の測定対象物の表面硬さ評価方法において、
前記回折環幅変化曲線計算ステップは、変化曲線を算出した後、算出された変化曲線の曲線形状の前記基準変化曲線の曲線形状からのずれを算出し、前記算出したずれが予め設定された許容値を超えている箇所を、前記算出された変化曲線から除外することを特徴とする測定対象物の表面硬さ評価方法
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載の測定対象物の表面硬さ評価方法において、
前記回折環形成ステップは、測定対象物に対する前記Ｘ線出射器からのＸ線の入射角度を１０度以上にした上で行い、
前記回折環強度分布検出ステップにより検出された強度分布に基づいて、前記回折環の形状を検出し、前記検出した回折環の形状からcosα法を用いて測定対象物の残留応力を算出する残留応力計算ステップを行うことを特徴とする測定対象物の表面硬さ評価方法。
【請求項６】
対象とする測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線出射器と、
前記Ｘ線出射器から前記測定対象物に向けてＸ線を照射して、前記測定対象物にて発生したＸ線の回折光を、前記Ｘ線出射器から出射されるＸ線の光軸に対して垂直に交差する撮像面にて受光し、前記撮像面に前記Ｘ線の回折光の像である回折環を形成する回折環形成手段と、
前記回折環形成手段により形成された回折環におけるＸ線の回折光の強度に相当する強度の分布を検出する回折環強度分布検出手段と、
前記回折環強度分布検出手段により検出された強度分布に基づいて、前記回折環の半径方向における強度分布に基づく幅である回折環幅を前記回折環の複数の箇所で算出して平均する回折環幅計算手段と、
前記回折環幅計算手段により得られた回折環幅の平均値と、予め取得されている前記回折環幅と対象物の表面硬さとの関係とを用いて測定対象物の表面硬さを算出する表面硬さ計算手段とを備えたことを特徴とするＸ線回折測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載のＸ線回折測定装置において、
前記回折環幅計算手段は、
前記回折環強度分布検出手段により検出された強度分布に基づいて、前記回折環の半径方向における強度分布に基づく幅である回折環幅の、前記回折環の円周方向に対する変化曲線を算出する回折環幅変化曲線計算手段と、
前記回折環幅変化曲線計算手段により算出された回折環幅の変化曲線から、前記回折環幅の平均値を算出する回折環幅平均手段とからなることを特徴とするＸ線回折測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物にＸ線を照射して対象物で回折したＸ線によりＸ線回折像を形成するＸ線回折装置を用いて対象物の表面硬さを評価する方法に関する。および該評価方法を実行する演算装置を装置内に備えたＸ線回折測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、所定の処理を行った金属性物体の表面の硬さ、または年月が経過した金属性物体の表面の硬さを評価するため、様々な方法により表面の硬さが測定されている。それらの評価方法の中で、非破壊で表面硬さを評価することができる方法として、例えば特許文献１または特許文献２に示されるように、Ｘ線回折を用いた方法がある。この方法は、金属性物体の対象物にＸ線を照射して、対象物で発生した回折Ｘ線によりＸ線回折像を形成し、形成した像の回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値（半価幅、積分幅等）を求めて、予め得られている特性値と表面硬さとの関係を用いて表面硬さを求める方法である。この方法は、対象物を損傷させることなく表面の硬さを評価することができるとともに、短時間で評価を行うことができるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３４７４２５号公報
【特許文献２】特開２００７−２７１６００号公報
【発明の概要】
【０００４】
しかしながら、Ｘ線回折を用いて対象物の表面硬さを評価する方法には、いくつか問題点がある。第一の問題点は、対象物の結晶粒が大きい等の原因で正常な回折Ｘ線の強度分布が得られないことがあり、対象物の表面硬さを精度よく求めることができない場合がある、という問題である。第二の問題点は、回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値は、Ｘ線の強度、Ｘ線の照射時間、Ｘ線の入射角度及びＸ線の照射点からＸ線回折像を形成する箇所までの距離等、該特性値に影響する可能性があるパラメータをすべて同一にして、Ｘ線回折像を形成した場合でも、該特性値のばらつきが大きいという問題である。すなわち、数回の測定では精度よく対象物の表面硬さを求めることができず、多数回測定して平均値を求めることで精度をよくしようとすると、その分測定に時間がかかる、という問題である。第三の問題点は、対象物の形状がギヤのような複雑な形状をしていると、Ｘ線回折像を得るためにＸ線の入射角度を適切な角度にしなければならないが、Ｘ線の入射角度を変化させると回折Ｘ線の強度分布及び該分布に基づく特性値も変化してしまい、精度よく対象物の表面硬さを求めることができない、という問題である。
【０００５】
本発明はこの問題を解消するためなされたもので、その目的は、対象物にＸ線を照射して対象物で回折したＸ線によりＸ線回折像を形成するＸ線回折装置を用いた対象物の表面硬さ評価方法において、１回のＸ線回折像形成で精度よく対象物の表面硬さを求めることができるとともに、Ｘ線の入射角度を一定にしなくても精度よく対象物の表面硬さを求めることができる表面硬さ評価方法を提供することにある。および、該評価方法を実行する演算装置を装置内に備えたＸ線回折測定装置を提供することにある。
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、対象とする測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線出射器と、Ｘ線出射器から測定対象物に向けてＸ線を照射して、測定対象物にて発生したＸ線の回折光を、Ｘ線出射器から出射されるＸ線の光軸に対して垂直に交差する撮像面にて受光し、撮像面にＸ線の回折光の像である回折環を形成する回折環形成手段とを備えたＸ線回折装置を用いた測定対象物の表面硬さ評価方法において、回折環形成手段により回折環を形成する回折環形成ステップと、回折環形成ステップにより形成された回折環におけるＸ線の回折光の強度に相当する強度の分布を検出する回折環強度分布検出ステップと、回折環強度分布検出ステップにより検出された強度分布に基づいて、回折環の半径方向における強度分布に基づく幅である回折環幅を回折環の複数の箇所で算出して平均する回折環幅計算ステップと、回折環幅計算ステップにより得られた回折環幅の平均値と、予め取得されている回折環幅と表面硬さの関係とを用いて測定対象物の表面硬さを算出する表面硬さ計算ステップとを行うことにある。
【０００７】
これによれば、回折環の半径方向における回折Ｘ線の強度分布に正常でない箇所があっても、回折Ｘ線の強度分布が正常である箇所を抽出して回折環幅を算出することができるので、精度のよい表面硬さを求めることができる。また、複数の箇所で回折環幅を算出して平均しているので回折環幅のばらつきを小さくすることができ、１回のＸ線回折像形成で精度のよい表面硬さを求めることができる。
【０００８】
また、本発明の他の特徴は、回折環幅計算ステップは、回折環強度分布検出ステップにより検出された強度分布に基づいて、回折環幅の回折環の円周方向に対する変化曲線を算出する回折環幅変化曲線計算ステップと、回折環幅変化曲線計算ステップにより算出された回折環幅の変化曲線から、回折環幅の平均値を算出する回折環幅平均ステップとからなることにある。
【０００９】
これによれば、回折環幅を回折環全周に渡ってあらゆる箇所で算出し平均していることになるので、回折環幅のばらつきをさらに小さくすることができ、精度のよい表面硬さを求めることができる。さらに発明者は、対象物に対するＸ線の入射角度を変化させて回折環幅を測定したところ、Ｘ線の入射角度により、回折環の円周方向に対する回折環幅の変化曲線は変化しても、回折環幅の変化曲線から算出した回折環幅の平均値は変化しないことを見出した。また、これは理論的に説明できることも見出した。この理論的な説明については発明を実施するための形態で行う。すなわち、これによればＸ線の入射角度を一定にしなくても精度よく対象物の表面硬さを求めることができる。
【００１０】
また、本発明の他の特徴は、回折環幅平均ステップは、算出された変化曲線に対し予め曲線形状が設定されている基準変化曲線が最も一致するときの基準変化曲線におけるパラメータを算出し、算出したパラメータから回折環幅の平均値を算出することにある。
【００１１】
これによれば、測定対象物が複雑な形状をしている等の原因で回折Ｘ線が遮られ、回折環の一部が欠けている場合でも、算出された変化曲線に最も一致する基準変化曲線のパラメータを求めれば、回折環幅の平均値を精度よく求めることができ、精度のよい表面硬さを求めることができる。なお、発明者は、回折環の円周方向に対する回折環幅の変化曲線の形状は正弦曲線になることが理論的に説明できることを見出した。また、複数の対象物に対して回折環の円周方向に対する回折環幅の変化曲線を測定した結果もその通りになっていることを確認した。
【００１２】
また、本発明の他の特徴は、回折環幅変化曲線計算ステップは、変化曲線を算出した後、算出された変化曲線の曲線形状の基準変化曲線の曲線形状からのずれを算出し、算出したずれが予め設定された許容値を超えている箇所を、算出された変化曲線から除外することにある。
【００１３】
これによれば、回折環の円周方向に対する回折環幅の変化曲線に正常でない箇所があっても、その箇所を自動で除外した上で、最も一致する基準変化曲線のパラメータから、回折環幅の平均値を求めることができるので、短時間で回折環幅の平均値を精度よく求めることができ、精度のよい表面硬さを求めることができる。
【００１４】
また、本発明の他の特徴は、回折環形成ステップは、測定対象物に対するＸ線出射器からのＸ線の入射角度を１０度以上にした上で行い、回折環強度分布検出ステップにより検出された強度分布に基づいて、回折環の形状を検出し、検出した回折環の形状からｃｏｓα法を用いて測定対象物の残留応力を算出する残留応力計算ステップを行うことにある。これによれば、表面硬さ以外に残留応力によっても対象物を評価することができる。
【００１５】
さらに、本発明の実施にあたっては、Ｘ線回折装置を用いた表面硬さ評価方法に限定されるものではなく、上述した表面硬さ評価方法をプログラムにより実行する演算装置を装置内に備えたＸ線回折測定装置の発明としても実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に用いるＸ線回折測定装置を含むＸ線回折測定システムを示す全体概略図である。
【図２】図１のＸ線回折測定装置の拡大図である。
【図３】図２のＸ線回折測定装置におけるＸ線が通過する部分を拡大して示す部分断面図である。
【図４】図３のプレート部分の拡大斜視図である。
【図５】Ｘ線回折測定装置のカメラ機能により撮像される画像を、ＬＥＤ光の光軸、結像レンズの光軸とともに示す図である。
【図６】Ｘ線回折測定装置を用いて対象物の表面硬さの測定を行うときの工程図である。
【図７】回折環の半径方向の回折Ｘ線の強度分布と半価幅を示す図である。
【図８】回折環の周方向に対する半価幅の変化曲線をＸ線の入射角度ごとに示す図である。
【図９】半価幅と対象物の表面硬さとの関係を示す図である。
【図１０】図８の関係が生じる理由を説明する図である。
【図１１】図８の関係が生じる理由を数式を使用して説明するための図で、Ｘ線照射点を拡大して上方向から見た図である。
【図１２】図８の関係が生じる理由を数式を使用して説明するための図で、Ｘ線照射箇所を拡大して横方向から見た図である。
【図１３】図８の関係が生じる理由を数式を使用して説明するための図で、出射Ｘ線の断面径を誇張して回折Ｘ線の幅を示した図である。
【図１４】図８の関係が生じる理由を数式を使用して説明するための図で、Ｘ線入射角度が０°のときの回折環とＸ線照射点を直交座標により示した図である。
【図１５】図８の関係が生じる理由を数式を使用して説明するための図で、Ｘ線入射角度を所定の角度にしたときの回折環とＸ線照射点を直交座標により示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態に用いる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の表面硬さ及び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に照射して、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、形成した回折環の回折Ｘ線の強度分布を検出して演算処理を行う。なお、本実施形態では、測定対象物ＯＢは鉄製の部材である。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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、図５に示すように、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後述する表示装置９３に画像が表示されることになる。
【００４８】
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、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）に等しい。
【００４９】
したがって、測定対象物ＯＢ上の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、該照射点の表面が傾斜角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、図５に示すように、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。このとき、Ｘ線及びＬＥＤ光の照射点が設定された位置にあり、該照射点の表面が傾斜角０のステージ６１の上面と平行であれば、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と受光点Ｐ２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。
【００５０】
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は図５に示すように、表示画面上に撮像器４９によって撮像された画像に加えて、Ｘ線及びＬＥＤ光の照射点が設定された位置にあり、該照射点の表面が傾斜角０のステージ６１の上面と平行であるときに、照射点Ｐ１と受光点Ｐ２が表示される位置に十字マークを表示する。この十字マークは撮像画像とは独立して表示される。よって、照射点Ｐ１と受光点Ｐ２が十字マークと一致するように、対象物セット装置６０のステージ６１（測定対象物ＯＢ）の位置と姿勢を調整すれば、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が所定距離になり、Ｘ線の測定対象物ＯＢに対する入射角度が所定角度（Ｘ線の光軸と傾斜角０のステージ６１の上面の法線とが成す角度）になる。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。また、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。
【００５１】
なお、測定対象物ＯＢがギヤのように複雑な形状をしている場合は、回折Ｘ線が遮られない方向からＸ線を照射しなければならない場合があり、この場合はＸ線の測定対象物ＯＢに対する入射角度を所定角度にすることが困難である。このような場合は、照射点Ｐ１のみが十字マークと一致するように位置と姿勢を調整すればよい。Ｘ線の入射角度を所定角度にしなくても測定対象物ＯＢの表面硬さを求めることは可能であり、形成された回折環からＸ線の入射角度を算出して残留応力を求めることも可能である。これについては後述する。
【００５２】
このように構成した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の表面硬さと残留応力を測定するときは、図６に示す工程を行う。作業者はまずステージ調整工程Ｓ１でＸ線回折測定装置からＬＥＤ光を照射して対象物セット装置６０のステージ６１（測定対象物ＯＢ）の位置と姿勢を調整する。次に、回折環撮像工程Ｓ２で、Ｘ線を照射してイメージングプレート１５に回折環を形成する。次に、回折環読取り工程Ｓ３で、テーブル１６を回転させながらレーザ検出装置３０からレーザ光を照射して回折Ｘ線の強度分布を測定する。次に、回折環消去工程Ｓ４でイメージングプレート１５に形成された回折環を消去する。そして、計算工程Ｓ５で、回折環の半径方向の強度分布における半価幅を複数の箇所で算出して平均し、半価幅の平均値を予め得られている半価幅と表面硬さとの関係曲線に当てはめ、表面硬さを算出する。また、回折Ｘ線の強度分布から回折環の形状を検出して残留応力を計算する。
【００５３】
以下、工程Ｓ１〜Ｓ５について説明する。なお工程Ｓ１〜Ｓ４については、特開２０１４−９８６７７号公報に詳細に説明されているので、簡潔に説明するにとどめる。ステージ調整工程Ｓ１において、作業者はステージ６１に測定対象物ＯＢを残留応力の測定方向とＹ軸方向とが合うように置き、入力装置９２からステージ調整の開始を入力する。これにより、コントローラ９１は各回路に指令を出力し、イメージングプレート１５が回折環撮像位置（図１及び図２の状態）になり、プレート４５がＡ位置になり、ＬＥＤ光源４４が点灯してＬＥＤ光が出射して測定対象物ＯＢに照射される。さらに、撮像器４９から撮像信号が入力して表示装置９３に撮像画像が表示される。図５に示すように、撮像画像にはＬＥＤ光の照射点Ｐ１と反射光の受光点Ｐ２が表示されるので、作業者は撮像画像を見ながらステージ６１をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させ、照射点Ｐ１が測定箇所と十字マークに合致するように調整する。そして、ステージ６１をＸ軸周り、Ｙ軸周りに回転（傾斜）させ、受光点Ｐ２が十字マークに合致するように調整し、これにより照射点Ｐ１が測定箇所と十字マークからややずれるので、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の微量移動とＸ軸、Ｙ軸周りの微小回転とを繰り返して照射点Ｐ１と受光点Ｐ２が十字マークに合致するようにする。
【００５４】
これにより、測定対象物ＯＢに照射されるＸ線は測定箇所になり、Ｙ軸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が所定距離になり、測定対象物ＯＢに対するＸ線の入射角度が所定角度になる。なお、上述したように、測定対象物ＯＢが複雑な形状をしていてＸ線の入射角度を所定角度にすることが困難な場合は、照射点Ｐ１のみが十字マークと合致するように調整を行えばよい。
【００５５】
次に作業者は、入力装置９２からステージ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光の発光が停止し、撮像器４９からの信号入力を停止し、プレート４５をＢ位置まで回転させる。これで、ステージ調整工程Ｓ１は終了する。
【００５６】
次の回折環撮像工程Ｓ２において、作業者は入力装置９２から測定対象物ＯＢの材質（本実施例では、鉄）、及びＸ線入射角度ψが所定角度であるか否かを入力する。また、後述するが、Ｘ線入射角度ψを０°（垂直入射）にして測定を行うときは、垂直入射であることを入力する。そして、表面硬さ及び残留応力の測定開始を入力する。これにより、コントローラ９１は、各回路に指令を出力し、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が入力する角度である回転角度０°に設定した後、Ｘ線出射器１０からＸ線を出射させ、所定時間の経過後に出射を停止させる。これにより、イメージングプレート１５には所定時間で所定強度のＸ線により発生した回折Ｘ線により回折環が撮像される。
【００５７】
回折環撮像工程Ｓ２の後、コントローラ９１は自動で回折環読取り工程Ｓ３を実行する。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を回折環読取り開始位置へ移動させた後、テーブル１６を所定の一定回転速度で回転させ、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に照射させる。そして、レーザ光の焦点がイメージングプレート１５の表面に合わせるフォーカスサーボ制御を開始させ、イメージングプレート１５の図１及び図２の右下方向への移動を開始させる。この状態で、回転角度検出回路７５、位置検出回路７２及びＡ／Ｄ変換器８３の作動を開始させ、イメージングプレート１５の回転角度θｐが所定の小さな角度だけ回転するごとに、回転角度θｐ、レーザ光照射位置の径方向距離ｒ（半径値ｒ）、及びＡ／Ｄ変換器８３からの信号の瞬時値Ｉ（回折Ｘ線の強度）を入力して記憶することを開始する。これにより、螺旋状に回転するレーザ光の照射位置ごとに、回転角度θｐ、半径値ｒ及び瞬時値Ｉのデータが記憶されていく。
【００５８】
コントローラ９１は、記憶動作と並行して、設定されている複数の回転角度ごとに半径値ｒに対する瞬時値Ｉの変化曲線を作成し、すべての回転角度において該変化曲線が左右対称で得られた時点で、瞬時値Ｉ、回転角度θｐ及び半径値ｒの記憶動作を終了する。その後、コントローラ９１は、各回路に指令を出力し、フォーカスサーボ制御の停止、レーザ光照射の停止、イメージングプレート１５の移動の停止、及び回転角度検出回路７５とＡ／Ｄ変換器８３の作動の停止を行う。これにより、回折環読取り工程Ｓ３が終了する。この時点で、回折環における回折Ｘ線の強度分布が回転角度θｐ、半径値ｒ及び瞬時値Ｉのデータとして得られている。
【００５９】
回折環読取り工程Ｓ３の後、コントローラ９１は自動で回折環消去工程Ｓ４を実行する。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を回折環消去開始位置へ移動させた後、ＬＥＤ光源４３からＬＥＤ光を発光させてイメージングプレート１５へ照射させ、イメージングプレート１５を図１及び図２の右下方向に一定速度で移動させる。なお、イメージングプレート１５の回転と位置検出回路７２の作動は、回折環読取り工程Ｓ３から継続して行われている。これにより、ＬＥＤ光源４３による可視光が、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ていく。コントローラ９１は、回折環消去終了位置になると、各回路に指令を出力し、イメージングプレート１５の移動停止、ＬＥＤ光源４３の発光停止、イメージングプレート１５の回転停止、及び位置検出回路７２の作動停止を行う。これにより、回折環消去工程Ｓ４が終了する。
【００６０】
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からの指令により、計算工程Ｓ５を行う。なお、この計算工程Ｓ５は回折環消去工程Ｓ４と並行して行ってもよい。計算工程Ｓ５においてコントローラ９１は、インストールされている演算プログラムを実行させ、回転角度θｐ、半径値ｒ及び瞬時値Ｉのデータと予め記憶されている半価幅と表面硬さとの関係曲線を用いて測定対象物ＯＢの表面硬さを計算する。及び、回転角度θｐ、半径値ｒ及び瞬時値Ｉのデータと予め記憶されている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線の入射角度ψ及び格子面間隔等のパラメータを用いて残留応力を計算する。
【００６１】
まず表面硬さの計算方法から説明する。コントローラ９１は、以下に示す（１）〜（７）の順に計算を行い、表面硬さを計算する
（１）回折環の半径方向における回折Ｘ線の強度分布曲線作成
コントローラ９１は、回転角度θｐごとに瞬時値Ｉと半径値ｒのデータを用いて、図７に示すように半径値ｒに対する瞬時値Ｉの変化曲線（以下、ｒ−Ｉ変化曲線という）を作成する。これが、回折環の半径方向における回折Ｘ線の強度分布曲線である。データ処理上は、回転角度θｐごとに半径値ｒの数値順に半径値ｒと瞬時値Ｉのデータ群をまとめる処理である。なお、記憶されている半価幅と表面硬さとの関係曲線において半価幅が角度の単位になっているときは、半径値ｒはｔａｎ−１（半径値ｒ／距離Ｌ）の計算により角度の単位にする。
【００６２】
（２）正常な強度分布曲線の抽出
関係曲線は左右対称で尖った形状であるのが理想であるが、測定対象物ＯＢの結晶粒が大きい、測定対象物ＯＢが複雑な形状をしているため回折Ｘ線の一部が遮断される等の理由で、ｒ−Ｉ変化曲線の形状が悪い箇所があるので、次に、形状が悪いｒ−Ｉ変化曲線を除外する処理を行う。具体的には、ｒ−Ｉ変化曲線の歪度と尖度を計算し、予め記憶されている許容値より歪度が大きい場合と、予め記憶されている許容値より尖度が小さい場合を除外する処理を行う。歪度と尖度は、ｒ−Ｉ変化曲線のピーク値を平均値として統計学で使用されている通常の歪度と尖度の計算式を用いて計算すればよい。歪度は変化曲線の左右対称性を評価する値であり、尖度は変化曲線の尖りの程度を評価する値である。これにより、正常な形状のｒ−Ｉ変化曲線が抽出される。なお、このとき抽出されるｒ−Ｉ変化曲線の数が予め設定されている許容値より少ないときは、後述する半価幅の平均化処理を精度よく行うことができないので、表示装置９３に表面硬さの測定不可とＸ線を測定対象物ＯＢに垂直に（入射角度０°で）入射させて測定を行う指示を表示し、表面硬さの計算は終了する。その理由は後述する。また、Ｘ線を測定対象物ＯＢに垂直に入射させる方法についても後述する。
【００６３】
（３）半価幅計算
次に抽出されたｒ−Ｉ変化曲線すべてにおいて、ｒ−Ｉ変化曲線のピーク値とグランドレベル値の差を２で除算し、その値にグランドレベル値を加算したレベルで変化曲線をスライスしたときの、変化曲線の幅を半値幅Ｗとして求める。これは、図７にＷで示される幅である。
【００６４】
（４）円周方向位置（回転角度）に対する半価幅の変化曲線作成
得られた複数の半価幅Ｗを平均して、半価幅と表面硬さとの関係曲線に当てはめれば測定対象物ＯＢの表面硬さを求めることができる。しかし、本実施形態のようにＸ線を測定対象物ＯＢに対し所定の入射角度で入射させて回折環を作成した場合は、ｒ−Ｉ変化曲線で除外したものがない限り、すなわち、すべての回転角度θｐで半価幅Ｗが得られていない限り、通常の平均の計算では精度のよい平均値を求めることはできない。その理由は、円周方向位置（回転角度）θｐに対する半価幅Ｗの変化曲線は、常に回転角度０°をピーク点とする正弦曲線になり、ｒ−Ｉ変化曲線で除外したものがある場合は、この変化曲線の一部が欠けているということであるので、通常の平均の計算では、平均値が変化曲線の中心線の値（本来の平均値）からずれてしまうためである。よって、円周方向位置（回転角度）θｐに対する半価幅Ｗの変化曲線（以下、θｐ−Ｗ変化曲線という）を作成し、このθｐ−Ｗ変化曲線から半価幅Ｗの平均値を計算する。θｐ−Ｗ変化曲線の作成は、データ処理上は、回転角度θｐと半価幅Ｗのデータ群を用いてスムージング処理を行い、処理を行った半価幅Ｗ’のデータを得る処理である。
【００６５】
なお、（２）の処理で抽出されるｒ−Ｉ変化曲線の数が許容値より少ないとき計算処理を終了したのは、θｐ−Ｗ変化曲線において欠けている部分が多すぎると精度よく平均値を求めることができないためである。このときは、表示装置９３に表示されるようにＸ線を測定対象物ＯＢに入射角度０°で入射させ、測定を行う。Ｘ線を測定対象物ＯＢに入射角度０°で入射させるとθｐ−Ｗ変化曲線は、直線になるので、（３）までの処理を行った後、データ値を加算してデータ数で除算する通常の平均の計算で半価幅Ｗを平均することができる。
【００６６】
本願発明者は、多数の測定対象物ＯＢを複数回測定することにより、測定対象物ＯＢに対するＸ線の入射角度を０°にすると、θｐ−Ｗ変化曲線は直線になり、入射角度を０°から大きくしていくと、θｐ−Ｗ変化曲線は回転角度０°をピーク点とする正弦曲線で、その振幅値が大きくなっていくことを見出した。これを、示したものが図８である。また、Ｘ線の入射角度を変化させると振幅値は変化するが、平均値すなわちθｐ−Ｗ変化曲線の中心線の値は変化しないことも見出した。そして、これらのことは理論的に説明できることも見出した。よって、Ｘ線の入射角度を０°にしても、また設定値以外の値にしても、半価幅Ｗの平均値は変化せず、半価幅Ｗから計算される表面硬さも変化しない。よって、上述したようにθｐ−Ｗ変化曲線において欠けている部分が多い場合は、Ｘ線の入射角度を０°にして測定をやり直すことができ、また、測定対象物ＯＢが複雑な形状をしている場合は、Ｘ線の入射角度を所定角度にせずに測定を行うこともできる。θｐ−Ｗ変化曲線の上記特徴が理論的に説明できることは重要であるので後で詳細に説明する。
【００６７】
（５）半価幅の変化曲線の異常箇所除外
作成されたθｐ−Ｗ’変化曲線は正常であれば正弦曲線になるが、（２）の処理後でも正常でないｒ−Ｉ変化曲線が残存している等の理由で、正弦曲線からずれている箇所がある可能性がある。よって、θｐ−Ｗ’変化曲線から異常箇所を除外する処理を行う。この処理は、まず、θｐ−Ｗ’変化曲線のピーク値とボトム値の箇所を検出し、回転角度θｐが１８０°異なっていることを確認したうえで、全ての半価幅Ｗ’のデータからピーク値とボトム値の中間値を減算し、ピーク値と中間値との差（中間値とボトム値の差）で除算した半価幅Ｗ”を作成する。これは、規格化した曲線（ボトム値を−１、ピーク値を１にした曲線）を作成する処理である。このとき、ピーク値とボトム値のいずれか１つが（２）の処理の結果得られていなていないときは、ピーク値またはボトム値から９０度の位置にある点２つの半価幅Ｗ’のデータを平均した値を中間値にし、同様の処理を行う。また、ピーク値とボトム値の双方が得られていない場合は、（２）の処理で抽出されるｒ−Ｉ変化曲線の数が許容値より少ないときと同様、表示装置９３に表面硬さの測定不可とＸ線を測定対象物ＯＢに入射角度０°で入射させて測定を行う指示を表示し、表面硬さの計算は終了する。
【００６８】
半価幅Ｗ”を作成した後、θｐ−Ｗ”変化曲線とｓｉｎ（θｐ＋９０°＋α）の曲線を比較し、ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋α）からのずれが大きい箇所を除外する処理を行う。データ処理上は、ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋α）のαを微少量ずつ変化させ、それぞれの半価幅Ｗ”とｓｉｎ（θｐ＋９０°＋α）の値との差の２乗を加算してデータ数で除算した値が最小となるときのαをαｄとして求める。次に半価幅Ｗ”とｓｉｎ（θｐ＋９０°＋αｄ）の値との差の絶対値が許容値より大きい半価幅Ｗ”に対応する半価幅Ｗ’をθｐ−Ｗ’変化曲線から除外する。これによりθｐ−Ｗ’変化曲線から異常箇所が除外される。
【００６９】
ここでαの最小値αｄを求める理由を説明する。θｐ−Ｗ”変化曲線は、出射されるＸ線の光軸とＸ線照射点部分の表面の法線とを含む平面がイメージングプレート１５と交差するラインＸＩが回転角度０°のラインになっていれば、ｓｉｎ（θｐ＋９０°）の曲線になる。しかし、ステージ調整工程Ｓ１において、測定対象物ＯＢが複雑な形状をしているため、照射点Ｐ１のみを十字マークと合致するよう調整を行い、受光点Ｐ２の調整を行わなかった場合は、前記ラインＸＩは回転角度０°のラインからずれる可能性がある。この場合は、θｐ−Ｗ”変化曲線のピーク点、ボトム点は回転角度θｐが０°の点からずれた点になる。よって、ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋α）とし、αの最小値αｄを求める処理を行う。そして、αｄは、前記ラインＸＩと回転角度０°のラインとのずれの角度である。
【００７０】
（６）半価幅の平均値算出
次に、θｐ−Ｗ’変化曲線から半価幅Ｗの平均値を計算する。この処理は、（２）の処理と（５）の処理で除外したｒ−Ｉ変化曲線の数と半価幅Ｗ’の数の総計により計算方法が異なる。まず、１つも除外されなかった場合は、全ての半価幅Ｗを加算してデータ数で除算する通常の平均の計算を行う。これは、θｐ−Ｗ’変化曲線を積分して横軸の大きさ３６０°で除算する計算である。次に除外数が許容値以下であった場合は、θｐ−Ｗ’変化曲線の欠けているデータＷ’を両側のデータにより補間演算で作成し、全ての半価幅Ｗ’を加算してデータ数で除算する計算を行う。これは、θｐ−Ｗ’変化曲線の欠けている箇所を作成したうえで積分して横軸の大きさ３６０°で除算する計算である。次に除外数が許容値より多かった場合は、θｐ−Ｗ’変化曲線に最も一致する〔Ａ・ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋αｄ）＋Ｂ〕の曲線のＡとＢを求める計算を行う。この計算は以下のように行う。θｐ−Ｗ’変化曲線にピーク点とボトム点がある場合は、まず、（ピーク値−ボトム値）／２  をＡにし、（ピーク値＋ボトム値）／２  をＢにする。次にＡを微小量変化させるごとにＢを所定範囲で変化させ、それぞれの半価幅Ｗ’と〔Ａ・ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋αｄ）＋Ｂ〕の値と差の２乗を加算してデータ数で除算した値が最小となるときのＡ、Ｂを求める。θｐ−Ｗ’変化曲線にピーク点、ボトム点のいずれか一方しかない場合は、ピーク値又はボトム値から９０°の回転角度θｐの箇所の半価幅Ｗ’２つを平均した値Ｃを計算し、（ピーク値−Ｃ）または（Ｃ−ボトム値）をＡにし、ＣをＢにする。次に同様に、Ａを微小量変化させるごとにＢを所定範囲で変化させ、それぞれの半価幅Ｗ’と〔Ａ・ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋αｄ）＋Ｂ〕の値と差の２乗を加算してデータ数で除算した値が最小となるときのＡ、Ｂを求める。計算の結果得られたＢが半価幅Ｗの平均値である。これは、〔Ａ・ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋αｄ）＋Ｂ〕の曲線を積分して横軸の大きさ３６０°で除算するとＢになるためである。なお、Ａは半価幅Ｗの平均値には関係しない値であるが、上述したようにＸ線の入射角度を大きくしていくとθｐ−Ｗ変化曲線の振幅値は大きくなっていくので、後述するように、測定対象物ＯＢに対するＸ線の入射角度を計算する際に使用することができる。
【００７１】
（７）測定対象物ＯＢの表面硬さ計算
次に半価幅Ｗの平均値を、予め記憶されている半価幅と表面硬さとの関係曲線に当てはめて測定対象物ＯＢの表面硬さを計算する。半価幅と表面硬さとの関係曲線は図９に示すものであるが、この関係曲線は、表面硬さを変化させた試料を用意し、上述したＸ線回折測定システムを用いて上述した測定方法と演算方法で半価幅Ｗの平均値を求め、公知技術である破壊検査の手法により試料の表面硬さを測定すれば、得ることができる。半価幅と表面硬さに相関関係があることは、先行技術文献にも書かれているが、本願発明のように回折環を撮像し半価幅の平均値を求めれば、相関係数の高い半価幅と表面硬さの相関関係を得ることができる。
【００７２】
次に、コントローラ９１は、測定対象物ＯＢの残留応力を計算する。この計算は、測定対象物ＯＢの表面硬さ計算の（２）で算出したｒ−Ｉ変化曲線のピーク点における半径値ｒｐを計算した後、回転角度θｐと半径値ｒｐで表される回折環の形状と、Ｘ線照射点からイメージングプレート１５までの距離Ｌ、Ｘ線の入射角度ψ及び格子面間隔等のパラメータ等を用いて行う計算である。この計算方法は公知技術であり、特開２００５−２４１３０８号公報の〔００２６〕〜〔００４４〕及び特開２０１１−２７５５０号公報の〔０００７〕〜〔００１７〕等で詳細に説明されているので本願では省略する。また、ｒ−Ｉ変化曲線が正常でないためピーク点における半径値ｒｐが得られない箇所があり、回折環全体の形状が得られない場合は、別の方法により残留応力を計算する必要があるが、この方法は特許第５４０８２３４号公報で詳細に説明されているので本願では省略する。
【００７３】
なお、上述したステージ調整工程Ｓ１において、測定対象物ＯＢが複雑な形状をしているため、照射点Ｐ１のみを十字マークと合致するよう調整を行い、受光点Ｐ２の調整を行わなかった場合は、残留応力の計算の前に行う演算処理がある。これは、Ｘ線の入射角度ψは設定値になっておらず、出射されるＸ線の光軸とＸ線照射点部分の表面の法線とを含む平面がイメージングプレート１５と交差するラインＸＩが回転角度０°のラインと一致していないために行う演算処理であり、具体的には、Ｘ線の入射角度ψを求める処理と回転角度θｐのデータを補正する処理である。これについて、以下に説明する。
【００７４】
上述したようにＸ線の入射角度ψが大きくなるほど、正弦曲線であるθｐ−Ｗ変化曲線の振幅値は大きくなる。よって、予めθｐ−Ｗ変化曲線をスムージング処理したθｐ−Ｗ’変化曲線の振幅値とＸ線の入射角度ψとの関係曲線を求め、記憶しておけば、測定対象物ＯＢの表面硬さ計算の（６）で算出した〔Ａ・ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋αｄ）＋Ｂ〕の曲線のＡの値をこの関係曲線に当てはめることで、Ｘ線の入射角度ψを求めることができる。測定対象物ＯＢの表面硬さ計算の（６）で除外した数が許容値以下である場合は、この段階で上述した方法により〔Ａ・ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋αｄ）＋Ｂ〕の曲線のＡの値を算出する。θｐ−Ｗ’変化曲線の振幅値とＸ線の入射角度ψとの関係曲線は、表面がステージ６１と平行である測定対象物ＯＢを用意し、上述したＸ線回折測定システムを用いて上述した測定方法と演算方法で〔Ａ・ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋αｄ）＋Ｂ〕の曲線のＡの値を求め、以後、対象物セット装置６０の操作子６５ａを回動操作することでＸ線の入射角度ψを変化させるごとに、同様の方法で〔Ａ・ｓｉｎ（θｐ＋９０°＋αｄ）＋Ｂ〕の曲線のＡの値を求めればよい。初回のＸ線の入射角度ψは設定値になり、２回目以降のＸ線の入射角度ψは、回動操作後に操作子６５ａが示す回転角度から初回の操作子６５ａが示す回転角度を減算した角度を、入射角度ψの設定値に加算した角度になる。
【００７５】
回転角度θｐのデータの補正は、出射されるＸ線の光軸とＸ線照射点部分の表面の法線とを含む平面がイメージングプレート１５と交差するラインＸＩを回転角度０°にする補正である。具体的には、それぞれの回転角度θｐから、測定対象物ＯＢの表面硬さ計算の（６）で算出したラインＸＩと回転角度０°のラインとのずれの角度であるαｄを減算する補正である。
【００７６】
コントローラ９１は、測定対象物ＯＢの表面硬さと残留応力の計算が終了すると、表示装置９３に表面硬さと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Ｘ線入射角度ψ、Ｘ線照射点からイメージングプレート１５までの距離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、表面硬さの値から測定対象物ＯＢの表面硬さの評価をし、残留応力の値から測定対象物ＯＢの疲労度等を評価する。
【００７７】
ここで、表示装置９３に表面硬さの測定不可とＸ線を測定対象物ＯＢに垂直に（入射角度０°で）入射させて測定を行う指示が表示された場合、Ｘ線を測定対象物ＯＢに垂直に入射させる方法について説明する。ステージ調整工程Ｓ１において、照射点Ｐ１と受光点Ｐ２とを十字マークに合致するよう調整を行った場合は、Ｘ線を測定対象物ＯＢに対する入射角度は設定値である。よって、この場合は、対象物セット装置６０の操作子６５ａを回動操作し、回動操作後に操作子６５ａが示す回転角度から回動操作前の操作子６５ａが示す回転角度を減算した角度が、入射角度の設定値にマイナスを付けた値になるようにステージ６１の傾斜状態を調整すればよい。また、測定対象物ＯＢが複雑な形状をしているため、照射点Ｐ１のみを十字マークと合致するよう調整を行い、受光点Ｐ２の調整を行わなかった場合は、切欠き部壁５０ｃに設けた円形孔５０ｃ１の箇所に切欠き部壁５０ｃと平行に黒色のフィルムを設ける。そして、黒色のフィルム上に形成される２つのＬＥＤ光の照射点である、ＬＥＤ光源４４からの出射光の照射点と、測定対象物ＯＢからの反射光の照射点が、一致するよう、対象物セット装置６０の操作子６５ａと操作子６６ａを回動操作すればよい。
【００７８】
次に、上述したように回折環の円周方向に対する半価幅Ｗの変化曲線であるθｐ−Ｗ変化曲線が、以下の特徴を有することを、理論的に説明する。
・回転角度０°（Ｘ線の光軸と測定箇所の平面の法線を含む平面がイメージングプレートと交差するラインの箇所）をピーク点とする正弦曲線である。
・Ｘ線の入射角度が大きくなるほど振幅値は大きくなり、Ｘ線の入射角度が０°であるときは振幅値は０、すなわち直線になる。
・Ｘ線の入射角度を変化させると振幅値は大きくなるが、平均値（θｐ−Ｗ変化曲線の中心線の値）は変化しない。
【００７９】
測定対象物ＯＢに入射するＸ線はある程度の断面径を有し、Ｘ線照射点はある程度の面積を有する。よって、以後この説明ではＸ線照射点をＸ線照射円と呼ぶ。図１０は、測定対象物ＯＢにおけるＸ線の回折を入射Ｘ線の断面径を誇張して示したものであるが、Ｘ線照射円内の各点から回折Ｘ線が発生するとした場合、回転角度θｐにおける半価幅は、入射Ｘ線の光軸とイメージングプレート１５の回転角度θｐのラインとを含む平面が、Ｘ線照射円内の外周と交差する２点から発生する回折Ｘ線が、イメージングプレート１５に入射したときの幅（以下、撮像幅という）に比例すると見なすことができる。図１０（ａ）に示されるように、回転角度０°の位置において撮像幅は広くなるが、回転角度１８０°の位置において撮像幅は狭くなる。そして、図１０（ａ）〜（ｃ）に示されるように、Ｘ線の入射角度が小さくなるほど、回転角度０°と回転角度１８０°における回折Ｘ線の撮像幅の差は小さくなる。これにより、回転角度０°がピーク点となること、およびＸ線の入射角度が大きくなるほどθｐ−Ｗ変化曲線の振幅値は大きくなり、入射角度が０°であるときは振幅値は０になる（直線になる）ことが説明できる。ただし、この説明のみではθｐ−Ｗ変化曲線が正弦曲線になること、及びＸ線の入射角度により平均値（中心線の値）は変化しないことは、説明できないので、さらに数式を使った説明を行う。
【００８０】
測定対象物ＯＢにある入射角度で入射したＸ線の照射円を拡大して示すと図１１のようになるが、上述したように、また、図１３に示すように、回転角度θｐにおける半価幅Ｗは、入射Ｘ線の光軸とイメージングプレート１５の回転角度θｐのラインとを含む平面が、Ｘ線の照射円の外周と交差する２点から発生する回折Ｘ線が、イメージングプレート１５に入射したときの撮像幅Ｗｉに比例すると見なすことができる。ここでの回折Ｘ線は、Ｘ線の光軸と成す角度が所定角度である回折Ｘ線のみとする。すなわち、回折Ｘ線は頂点を回折Ｘ線の発生点としたときの円錐の側面に沿った直線であるとする。円錐の側面に沿った直線と円錐の底面とが成す角度はどの箇所でも一定であるように、回転角度θｐによらず回折Ｘ線がイメージングプレート１５に対する入射角度は一定である。従って、図１３に示すように、撮像幅Ｗｉは、Ｘ線照射円の外周の２点から発生する回折Ｘ線の幅Ｗｄに定数を乗算したものである。また、Ｘ線照射円の外周の２点から発生する回折Ｘ線の幅Ｗｄは、Ｘ線照射円の中心から発生する回折Ｘ線と、Ｘ線の照射円の外周点から発生する回折Ｘ線の幅Ｗｒを２倍した値である。従って、半価幅Ｗは回折Ｘ線の幅Ｗｒに比例すると見なすことができ、θｐ−Ｗ変化曲線は、回転角度θｐに対する回折Ｘ線の幅Ｗｒの変化曲線に曲線形状が等しいと見なすことができる。
【００８１】
次に、回転角度θｐにおけるＸ線照射円の中心からＸ線照射円の外周点までの距離Ｘｃｒにおいて成り立つ式を考える。断面が円であるＸ線がある入射角度で入射した場合、Ｘ線照射円は楕円となるので、楕円における中心から外周までの距離の式が成り立つ。すなわち、図１１に示すように、楕円における短軸半径をａ、長軸半径をｂとすると、次の数１の式が成り立つ。
【数１】
2016042050.tif 000003
Ｘ線照射円の平面で見ると、Ｘ線照射円の外周点と回転角度θｐのラインとは一致しないが、これはＸ線照射円の平面とイメージングプレート１５の平面は、Ｘ線入射角度分の角度がある関係であるためであり、入射Ｘ線の光軸とイメージングプレート１５の回転角度θｐのラインとを含む平面が、Ｘ線の照射円の外周と交差する２点は図１１で示す点になる。なお、これ以降の説明では計算式を分かりやすくするため、Ｘ軸、Ｙ軸の方向は図２と合わせているが、回転角度θｐはＸ軸方向を０°とし、反時計回りに値が増大するとする。すなわち、Ｘ軸方向は図１１下方向、Ｙ軸方向は図１１右方向とし、回転角度θｐは図１１下方向が０°で反時計回りに値が増大するとする。よって、これ以降の説明における回転角度θｐは、上述したＸ線回折システムによる半価幅Ｗの説明のときの回転角度θｐから９０°を減算した値である。
【００８２】
Ｘ線の入射角度をψとすると、図１２に示すように、楕円の短軸半径ａは照射されるＸ線の断面径Ｘｒに等しく、長軸半径ｂはＸｒ／ｃｏｓψになる。よって数１は次の数２に書き換えることができる。
【数２】
2016042050.tif 000004
【００８３】
次に、回転角度θｐにおける回折Ｘ線の幅Ｗｒを考える。図１３に示すように、入射Ｘ線の光軸とイメージングプレート１５の回転角度θｐのラインとを含む平面において、回折Ｘ線がＸ線照射円の平面となす角度をθｋ（以下、回折Ｘ線が平面となす角度θｋという）とすると、回折Ｘ線の幅ＷｒはＸｃｒ・ｓｉｎθｋとなる。このＸｃｒに、数２の式を代入すると、回折Ｘ線の幅Ｗｒは次の数３で表される。
【数３】
2016042050.tif 000005
回折Ｘ線が平面と成す角度θｋは回転角度θｐにより異なる。入射Ｘ線の光軸と回折Ｘ線がなす角度をθｒとすると、回折Ｘ線が平面と成す角度θｋは、回転角度θｐが９０°のときは、９０°−（ψ＋θｒ）になり、回転角度θｐが２７０°のときは９０°−（ψ−θｒ）になる。そして、回転角度θｐが９０°と２７０°の間にあるときは、回折Ｘ線が平面と成す角度θｋは、これら２つの値の中間の値になる。
【００８４】
次に回折Ｘ線が平面と成す角度θｋを求める式を考える。まず、図１４に示すように、照射されるＸ線が測定対象物の平面に垂直に照射される場合を考え、Ｘ線照射円の中心座標を（０，０，０）とし、入射Ｘ線の光軸とイメージングプレート１５の平面が交差する点の座標を（０，０，Ｌ）とする。入射Ｘ線の光軸と回折Ｘ線がなす角度θｒは一定であるので、入射Ｘ線の光軸とイメージングプレート１５の回転角度θｐのラインとを含む平面において、Ｘ線照射円の中心から発生した回折Ｘ線がイメージングプレート１５と交差する点までの距離はＬ・ｔａｎθｒである。よって、入射Ｘ線の光軸とイメージングプレート１５の回転角度θｐのラインとを含む平面において、Ｘ線照射円の中心から発生した回折Ｘ線がイメージングプレート１５と交差する点の座標は（Ｌ・ｔａｎθｒ・ｃｏｓθｐ，Ｌ・ｔａｎθｒ・ｓｉｎθｐ，Ｌ）である。
【００８５】
次にこの状態から、図１５に示すように、入射Ｘ線をψの角度だけ傾けた状態（Ｘ線入射角度をψにした状態）を考える。これは、Ｘ軸を回転軸としＸ軸方向に向かって左周りに座標群を回転させた状態と考えることができるので、回転前の座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転後の座標（ｘ’，ｙ’，ｚ’）には次の数４の式が成り立つ。
【数４】
2016042050.tif 000006
この（ｘ，ｙ，ｚ）に座標（０，０，０）、（０，０，Ｌ）及び（Ｌ・ｔａｎθｒ・ｃｏｓθｐ，Ｌ・ｔａｎθｒ・ｓｉｎθｐ，Ｌ）を代入したとき、対応する（ｘ’，ｙ’，ｚ’）の座標は、（０，０，０）、（０，Ｌ・ｓｉｎψ，Ｌ・ｃｏｓψ）及び（Ｌ・ｔａｎθｒ・ｃｏｓθｐ，Ｌ・ｔａｎθｒ・ｃｏｓψ・ｓｉｎθｐ＋Ｌ・ｓｉｎψ，−Ｌ・ｔａｎθｒ・ｓｉｎψ・ｓｉｎθｐ＋Ｌ・ｃｏｓψ）になる。この座標を座標Ｏ、座標Ｉｃ、座標Ｒとする。
【００８６】
次に、座標Ｏから座標Ｉｃに向かうベクトルＶと座標Ｏから座標Ｒに向かうベクトルＤとを外積したベクトルＳを考える。このベクトルＳは、入射Ｘ線の光軸とイメージングプレート１５の回転角度θｐのラインとを含む平面の法線ベクトルである。次にこのベクトルＳと（０，０，１）の単位ベクトルとを外積したベクトルＦを求める。このベクトルＦは、入射Ｘ線の光軸とイメージングプレート１５の回転角度θｐのラインとを含む平面がＸ線照射円の平面（図１５のＸＹ平面）と交差するラインに平行なベクトルである。図１５に示すように、回転角度θｐの箇所の回折Ｘ線が平面と成す角度θｋは、ベクトルＦとベクトルＤが成す角度であり、ベクトルＦおよびベクトルＤの大きさを｜Ｆ｜および｜Ｄ｜とすると、以下のベクトルの内積の式で求めることができる。
【数５】
2016042050.tif 000007
ベクトルＦとベクトルＤの成分を座標Ｏ、座標Ｉｃ、座標Ｒの座標値と外積の計算により求め、数５に代入し、式を整理すると、以下の数６の式が成り立つ。
【数６】
2016042050.tif 000008
【００８７】
これで回折Ｘ線が平面と成す角度θｋを求める式ができたので、数６の式を数３のθｋに代入して式を整理すると、次の数７ができる。
【数７】
2016042050.tif 000009
数７において、変数は回転角度θｐと回折Ｘ線の幅Ｗｒであり、Ｘ線の入射角度ψを設定すれば、後はすべて定数である。よって、回転角度θｐに対する回折Ｘ線の幅Ｗｒの変化曲線は、振幅値Ａが次の数８であり、中心線の値（平均値）Ｂが次の数９の正弦曲線になる。
【数８】
2016042050.tif 000010
【数９】
2016042050.tif 000011
【００８８】
数８において、振幅値Ａにおいて変化するのはＸ線の入射角度ψであり、それ以外は定数である。よって、数８から、Ｘ線の入射角度ψが大きくなるほど正弦曲線の振幅値Ａは大きくなり、Ｘ線の入射角度ψが０°のとき、振幅値Ａは０になることがわかる。また、数９においては全てが定数である。よって、数９から、Ｘ線の入射角度ψによらず正弦曲線の中心線の値（平均値）Ｂは変化しないことがわかる。上述したように、θｐ−Ｗ変化曲線は、回転角度θｐに対する回折Ｘ線の幅Ｗｒの変化曲線に曲線形状が等しいと見なすことができるので、θｐ−Ｗ変化曲線にも同様の特徴があるといえる。これにより、θｐ−Ｗ変化曲線の特徴を理論的に説明することができた。
【００８９】
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に向けてＸ線を出射し、測定対象物ＯＢにて発生した回折Ｘ線を、出射Ｘ線の光軸に対して垂直に交差する撮像面を有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に回折環を形成するＸ線回折システムを用いて測定対象物ＯＢの表面硬さを評価する際、イメージングプレート１５に回折環を形成し、形成した回折環における回折Ｘ線の強度分布を検出した後、Ｘ線回折システムのコントローラ９１が実行する演算プログラムにより、回折環の半径方向における回折Ｘ線の強度分布を用いて半価幅Ｗを回折環の複数の箇所で算出して平均し、得られた半価幅Ｗの平均値と、予め記憶されている半価幅と表面硬さの関係曲線とを用いて測定対象物ＯＢの表面硬さを算出している。
【００９０】
これによれば、回折環の半径方向における回折Ｘ線の強度分布に正常でない箇所があっても、回折Ｘ線の強度分布が正常である箇所を抽出して回折環幅を算出することができるので、精度のよい測定対象物ＯＢの表面硬さを求めることができる。また、複数の箇所で回折環幅を算出して平均しているので回折環幅のばらつきを小さくすることができ、１回のＸ線回折像形成で精度のよい測定対象物ＯＢの表面硬さを求めることができる。
【００９１】
また、上記実施形態においては、コントローラ９１が実行する演算プログラムは、検出された回折環における回折Ｘ線の強度分布に基づいて、半価幅Ｗの回折環の円周方向に対する変化曲線であるθｐ−Ｗ変化曲線を算出し、算出されたθｐ−Ｗ変化曲線から半価幅Ｗの平均値を算出している。
【００９２】
これによれば、半価幅Ｗを回折環全周に渡ってあらゆる箇所で算出し平均していることになるので、半価幅Ｗのばらつきをさらに小さくすることができ、精度のよい測定対象物ＯＢの表面硬さを求めることができる。また、上述したように、測定対象物ＯＢへのＸ線の入射角度ψによって、θｐ−Ｗ変化曲線の振幅は変化するが、θｐ−Ｗ変化曲線の中心線、すなわち半価幅Ｗの平均値は変化しないので、Ｘ線の入射角度を一定にしなくても精度よく測定対象物ＯＢの表面硬さを求めることができる。
【００９３】
また、上記実施形態においては、コントローラ９１が実行する演算プログラムは、算出されたθｐ−Ｗ変化曲線に正弦曲線が最も一致するときの正弦曲線の中心線値を算出し、算出した中心線値を半価幅Ｗの平均値にしている。
【００９４】
これによれば、測定対象物ＯＢが複雑な形状をしている等の原因で回折Ｘ線が遮られ、回折環の一部が欠けている場合でも、算出されたθｐ−Ｗ変化曲線に最も一致する正弦曲線の中心線値を求めれば、半価幅Ｗの平均値を精度よく求めることができ、精度よく測定対象物ＯＢの表面硬さを求めることができる。
【００９５】
また、上記実施形態においては、コントローラ９１が実行する演算プログラムは、θｐ−Ｗ変化曲線を算出した後、算出されたθｐ−Ｗ変化曲線を規格化し、規格化したθｐ−Ｗ変化曲線の正弦曲線からのずれを算出し、算出したずれが予め設定された許容値を超えている箇所を、θｐ−Ｗ変化曲線から除外している。
【００９６】
これによれば、θｐ−Ｗ変化曲線に正常でない箇所があっても、その箇所を自動で除外した上で、最も一致する正弦曲線の中心線値から、半価幅Ｗの平均値を求めることができるので、短時間で半価幅Ｗの平均値を精度よく求めることができ、精度よく測定対象物ＯＢの表面硬さを求めることができる。
【００９７】
また、上記実施形態においては、コントローラ９１が実行する演算プログラムは、検出された回折環における回折Ｘ線の強度分布に基づいて、回折環の形状を検出し、検出した回折環の形状からｃｏｓα法を用いて測定対象物ＯＢの残留応力を算出している。これによれば、表面硬さ以外に残留応力によっても対象物を評価することができる。
【００９８】
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。
【００９９】
上記実施形態においては、測定対象物ＯＢに対するＸ線の入射角度ψを所定の角度にし、測定対象物ＯＢの表面硬さに加えて測定対象物ＯＢの残留応力を測定することができるようにした。そして、θｐ−Ｗ変化曲線の正常部分が少ない場合は、測定対象物ＯＢに対するＸ線の入射角度ψを０°にして測定を行うようにした。しかし、測定対象物ＯＢの表面硬さのみを測定したい場合は、最初から測定対象物ＯＢに対するＸ線の入射角度ψを０°にして測定を行えばよい。この場合は、θｐ−Ｗ変化曲線は直線になるので、ｒ−Ｉ変化曲線が正常な箇所を抽出して、通常の平均の計算で半価幅を求めることができる。また、この場合は、作業者がｒ−Ｉ変化曲線を表示装置９３に表示し、適切と判断した箇所を抽出してもよい。さらに、Ｘ線回折測定装置を測定対象物ＯＢの表面硬さの測定のみに使用する場合は、Ｘ線回折測定装置の筐体５０をステージ６１に対してＸ線が垂直に入射する姿勢で支持ロッド５２に固定するようにしてもよい。
【０１００】
また、上記実施形態においては、測定対象物ＯＢに対するＸ線の入射角度ψを所定の角度にするよう調整し、測定対象物ＯＢの形状が複雑等の理由で調整が困難であるときは、調整を行わず、残留応力の計算において、Ｘ線の入射角度ψをθｐ−Ｗ変化曲線の振幅値から求めるようにしたが、残留応力の計算の精度を少々落としてもよければ、測定対象物ＯＢに対するＸ線の入射角度ψの調整は行わないようにしてもよい。これによれば、測定対象物ＯＢの表面硬さの測定精度を変化させず、調整の要する時間を短縮することができる。
【０１０１】
また、上記実施形態においては、イメージングプレート１５に回折環を形成し、回折Ｘ線の強度分布を検出した後、コントローラ９１の演算プログラムの実行により、測定対象物ＯＢの表面硬さと残留応力を計算するようにした。しかし、測定に時間がかかってもよければ、回折Ｘ線の強度分布データを用いての計算は別の装置で行ってもよいし、計算の一部または全部を人為的に行ってもよい。また、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Ｘ線の強度分布検出、回折環の消去を別の装置で行うようにしてもよい。
【０１０２】
また、上記実施形態においては、回折環の半径方向における強度分布に基づく幅として半価幅を用いたが、回折環の半径方向における強度分布に基づく幅であれば、これ以外の値を用いてもよい。例えば積分幅でもよいし、ピーク値の１／βのレベルでスライスしたときの幅でβを適切な値に定めた幅でもよい。
【０１０３】
また、上記実施形態では、対象物セット装置６０の移動機構、回転機構を用いて、測定対象物ＯＢの位置、姿勢を調整できる構成にしたが、測定対象物ＯＢは固定させ、Ｘ線回折測定装置の筐体５０をアーム式移動装置等に連結させて、測定対象物ＯＢに対して筐体５０の位置、姿勢を調整するようにしてもよい。この場合は、測定対象物ＯＢが重量物であるか、固定されていて運搬が困難な場合に有効である。
【０１０４】
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。
【符号の説明】
【０１０５】
１０…Ｘ線出射器、１５…イメージングプレート、１５ａ，１６ａ，１７ａ，１８ａ，２１ａ，２６ａ，２７ａ１，２７ｂ…貫通孔、１６…テーブル、１８…固定具、２０…テーブル駆動機構、２１…移動ステージ、２２…フィードモータ、２３…スクリューロッド、２７…スピンドルモータ、２８…通路部材、３０…レーザ検出装置、３１…レーザ光源、３６…対物レンズ、４４…ＬＥＤ光源、４５…プレート、４６…モータ、４７ａ，４７ｂ…ストッパ部材、４８…結像レンズ、４９…撮像器、５０…筐体、５０ａ…底面壁、５０ｃ…切欠き部壁、５０ｄ…繋ぎ壁、５２…支持ロッド、６０…対象物セット装置、６１…ステージ、６３ａ，６５ａ，６６ａ，６７ａ，６８ａ…操作子、９０…コンピュータ装置、９１…コントローラ、９２…入力装置、９３…表示装置、９５…高電圧電源 、ＯＢ…測定対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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