回折法によるひずみ測定装置及び測定方法
【課題】被測定物に発生しているひずみを測定するひずみスキャニング法において、一方向の測定のみで、解析的な補正を加える必要がなく、正しい回折角を測定できる技術を提供する。
【解決手段】試験片２４の表面２４ＡにＸ線を照射し、試験片２４を透過した回折Ｘ線の回折角２θから試験片２４のひずみを測定する。試験片２４を移動及び回転する測定位置変更工程と、前記測定位置変更工程により測定位置を変更した試験片２４に所定の光束の測定波を照射する照射工程と、試験片２４中及び／又はその近傍に設定される測定領域から透過回折された回折測定波たる回折Ｘ線を検出する検出工程とを備え、照射された所定の光束のＸ線による公称ゲージ体積の中心Ｓを回転中心にして試験片２４を回転するから、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。
【解決手段】試験片２４の表面２４ＡにＸ線を照射し、試験片２４を透過した回折Ｘ線の回折角２θから試験片２４のひずみを測定する。試験片２４を移動及び回転する測定位置変更工程と、前記測定位置変更工程により測定位置を変更した試験片２４に所定の光束の測定波を照射する照射工程と、試験片２４中及び／又はその近傍に設定される測定領域から透過回折された回折測定波たる回折Ｘ線を検出する検出工程とを備え、照射された所定の光束のＸ線による公称ゲージ体積の中心Ｓを回転中心にして試験片２４を回転するから、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線等のエネルギー波である測定波を被測定物（例えば、多結晶体材料）に照射し、被測定物から透過回折される透過測定波の回折角を測定することで被測定物に発生しているひずみを測定する測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造材料に発生している応力（ひずみ）を測定する方法として、Ｘ線等のエネルギー波の回折現象を利用して測定する方法が知られている（例えば、ｓｉｎ2Ψ法）。ｓｉｎ2Ψ法では、通常、被測定物に斜めからＸ線を照射する。被測定物に入射したＸ線は、被測定物中の回折条件を満たす結晶格子面で反射され回折を生じる。被測定物で反射された反射波は、回折を起こした結晶格子面の法線と被測定物表面の法線とのなす角（Ψ角）を所定値に固定した状態で散乱角２θを走査しつつ測定される。散乱角２θの操作及びＸ線強度の測定は、Ψ角を変更しながら繰り返し実行される。これによって、散乱角２θに応じたＸ線の散乱強度分布のΨ角に対する依存性が測定され、この依存性から被測定物に発生した応力の被測定物表面に平行な成分を測定する。
【０００３】
上述したｓｉｎ2Ψ法では、被測定物に発生している応力を精度良く測定できる反面、Ψ角を一定に保った状態で散乱角２θを走査しながらＸ線強度を測定しなければならないため、測定に長時間を要するという問題があった。また、ｓｉｎ2Ψ法は、被測定物の平面応力状態しか測定できず、被測定物の垂直方向に発生している応力（ひずみ）を測定することができなかった。
【０００４】
なお、ｓｉｎ2Ψ法によるひずみ測定に関する先行技術としては、例えば、特許文献１に開示された技術が知られている。
【０００５】
上述したｓｉｎ2Ψ法の問題点を解決するため、ひずみスキャニング法が注目を集めている。ひずみスキャニング法では、被測定物に斜めからＸ線等の測定波を照射し、被測定物から反射される反射波をスリット等を介して検出装置で検出する。このため、検出装置で検出される反射波は、被測定物の一部の領域（入射する測定波束と受光側のスリットで作られた領域（以下、測定領域という））から反射された反射波に制限される。したがって、検出装置で検出された検出結果から測定領域の平均ひずみを求め、被測定物に発生している応力を測定する。
【０００６】
上述の説明から明らかなように、ひずみスキャニング法では、被測定物中に設定される測定領域を移動させることで、被測定物に発生している任意の方向の応力分布を測定できる。また、ｓｉｎ2Ψ法のようにΨ角を一定にして散乱角２θを走査する等の複雑な操作が不要となるため、短時間で測定することができる。
【０００７】
しかしながら、ひずみスキャニング法では、被測定物の表面近傍のひずみを測定する際に測定領域が被測定物からはみ出して設定される。このため、検出される回折ピークがシフトし、見かけ上のひずみが測定されてしまうという問題があった（いわゆる、表面効果）。
【０００８】
この表面効果を解消する技術としては、受光側に単結晶アナライザを設置する測定方法が提案されており（非特許文献１）、この測定方法では、シンクロトロン放射光施設により得られる高輝度で且つ高エネルギーＸ線を測定波として用い、その高エネルギーＸ線は、大きな透過力を有し、この特徴を生かして、試験片の表面から透過させ背面から回折Ｘ線を測定し、試験片の残留応力を測定する。しかし、この測定方法によっても表面効果の影響を十分に解消し、満足な測定精度を得ることはできていない。
【０００９】
そして、表面効果を解消するため、（１）アナライザを使用する方法、（２）試験片に対して測定波の照射方向を変更して、往路と復路で測定し、その回折角の相加平均を取る方法などがあり、また、（３）解析的に補正する方法（例えば、特許文献２）も提案されている。
【００１０】
しかし、（１）アナライザを使用すると、回折強度の減衰が１/１００程度に減衰するために、偏向電磁石のビームラインではアナライザを使用したひずみスキャニングは困難であり、（２）往復の相加平均法は、２回の測定時間を要するために不利である。また、（３）の解析的に補正する方法は、煩雑な測定と計算を要する。
【特許文献１】特開２００４−１３２９３６号公報
【特許文献２】特開２００６−１７７３１号公報
【非特許文献１】Ｐ．Ｊ．Ｗｉｔｈｅｒｓ，「 Ａｎａｌｙｓiｓ ｏｆ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ ｂｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｎｅｕｔｒｏｎ ａｎｄ Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」，ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｍ．Ｅ． Ｆｉｔｚｐａｔｒｉｃｋ ａｎｄ Ａ． Ｌｏｄｉｎｉ，（２００３） ｐｐ．１７０−１８９，Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎｃｉｓ，Ｌｏｎｄｏｎ ａｎｄ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、被測定物に発生しているひずみを測定するひずみスキャニング法において、一方向の測定のみで、解析的な補正を加える必要がなく、正しい回折角を測定できる技術を提供することを目的とする。加えて、揺動効果が得られ、また、粗大粒の正確な測定が可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、前記被測定物の一側面に所定の光束の測定波を照射する照射手段と、前記被測定物を回折透過した回折測定波を検出する検出手段と、前記被測定物を前記照射手段側に移動する移動手段と、前記被測定物を回転する回転手段と、前記検出手段で検出される回折測定波を、被測定物中及び／又はその近傍に設定される測定領域から回折された回折測定波に制限する制限手段と、
を備えた測定装置である。
【００１３】
また、請求項２の発明は、被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、前記被測定物を保持する保持部と、前記保持部に保持された被測定物に所定の光束のＸ線を照射するＸ線照射装置と、前記被測定物から透過回折された回折Ｘ線を検出するＸ線検出装置と、前記保持部と前記Ｘ線検出装置との間に配置され、被測定物から透過回折された回折Ｘ線の一部を通過させる第１スリットと、前記第１スリットと前記Ｘ線検出装置との間に配置され、前記第１スリットを通過した回折Ｘ線の一部を通過させて前記Ｘ線検出装置に導く第２スリットと、前記被測定物を前記Ｘ線照射装置側に移動する移動装置と、前記被測定物へのＸ線の入射角を変更するために保持部を回転する回転装置と、前記移動装置及び回転装置による被測定物の位置変更に応じて前記第１スリット，前記第２スリット及び前記Ｘ線検出装置を移動させる受光側駆動装置と、前記Ｘ線照射装置，Ｘ線検出装置，移動装置，回転装置及び受光側駆動手段を制御する制御手段と、を備える測定装置である。
【００１４】
また、請求項３の発明は、被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定方法であって、前記被測定物を移動及び回転する測定位置変更工程と、前記測定位置変更工程により測定位置を変更した前記被測定物に所定の光束の測定波を照射する照射工程と、前記被測定物中及び／又はその近傍に設定される測定領域から透過回折された回折測定波を検出する検出工程と、を備え、照射された所定の光束のＸ線による公称ゲージ体積の中心を回転中心にして前記被測定物を回転する測定方法である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の構成によれば、被測定物の表面側では、所謂、表面効果により、検出される回折ピークがシフトし、見かけ上のひずみが測定され、測定誤差を生じるが、本測定装置では、回折Ｘ線の測定中に被測定物をゲージ体積中心で回転するようにすることにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００１６】
また、請求項２の構成によれば、被測定物を保持する保持部がＸ線照射装置側に移動し、且つ公称ゲージ体積の中心を回転中心にして被測定物を回転し、測定位置を変更することができ、測定位置を変更すると、それに応じて受光側駆動手段が作動し、被測定物から透過回折される回折Ｘ線を検出可能な位置にＸ線検出装置と第１スリット及び第２スリットが移動する。
【００１７】
そして、Ｘ線回折の測定中に被測定物をゲージ体積中心で回転するようにすることにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００１８】
また、請求項３の構成によれば、Ｘ線回折の測定中に被測定物がゲージ体積中心で回転することにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、従来とは異なる回折法によるひずみ測定装置及び測定方法を採用することにより、従来にない回折法によるひずみ測定装置及び測定方法が得られ、その回折法によるひずみ測定装置及び測定方法を夫々記述する。
【実施例１】
【００２０】
本発明を具現化した実施例１に係るひずみ測定方法について説明する。まず、従来の反射型ひずみスキャニング法で測定される回折角から応力を算出する手順と、反射型ひずみスキャニング法の原理について、簡単に説明しておく。尚、以下、上述した背景技術と同一部分に同一符号を付し、その説明を省略する。
【００２１】
図１０（ａ）は試験片に設定された座標系を示している。図１０（ａ）に示すように、試験片表面と平行な平面内の応力（ひずみ）をσ1（ε1），σ2（ε2）とし、試験片の深さ方向の応力（ひずみ）をσ3（ε3）とすると、３軸応力の関係は次式で与えられる。
ε1＝｛σ1−ν（σ2＋σ3）｝／Ｅ
ε2＝｛σ2−ν（σ1＋σ3）｝／Ｅ （１）
ε3＝｛σ3−ν（σ1＋σ2）｝／Ｅ
ここで、格子面の間隔ｄとひずみεとの関係は次式で与えられる（ｄ0は無ひずみの格子面間隔である）。
ε＝（ｄ−ｄ0）／ｄ0 （２）
また、格子面間隔ｄと回折角θとの関係は次式のブラッグの条件で与えられる（λは測定波の波長である）。
λ＝２ｄｓｉｎθ （３）
ここで、測定波の波長λと無ひずみの格子面間隔ｄ0は既知であるため、回折角θを測定できれば上記（３）式より格子面間隔ｄを算出することができ、その格子面間隔ｄからひずみεを算出することができる（上記（２）式）。したがって、試験片の３軸方向それぞれについて回折角θ1，θ2，θ3を測定できれば、それら回折角θ1，θ2，θ3から格子面間隔ｄ1，ｄ2，ｄ3を算出でき、その格子面間隔ｄ1，ｄ2，ｄ3からひずみε1，ε2，ε3を算出できる。ひずみε1，ε2，ε3が算出できれば、これらの値を上記（１）式に用いて、試験片の３軸方向の応力を全て算出できることとなる。
【００２２】
図１０（ｂ）は試験片の深さ方向のひずみε3を測定する際の光学系の模式図を示している。深さ方向のひずみε3を測定する場合は、試験片のｘ−ｙ面（表面）を上に向けて試験片がセットされる（図１０（ｂ））。セットされた試験片には斜め上方から測定波（例えば、Ｘ線，中性子線等のエネルギー波）を照射する。照射される測定波は、発散スリットＳｄによって所定の光束とされる。試験片で回折された回折測定波は、受光スリットＳｒを介して検出装置（図示省略）で検出される。この回折測定波の検出を試験片への入射角を変更しながら行うことで「回折測定波の強度−入射角」の関係が求まり、回折測定波の強度がピークとなる角度（すなわち、回折角）を特定することができる。特定した回折角からひずみε3の算出は、既に説明した手順で行うことができる。
【００２３】
なお、図１０（ｂ）から明らかなように、検出装置で検出される測定波は、発散スリットＳｄと受光スリットＳｒによって制限された測定領域（図中の菱形の領域）から反射された回折測定波のみが検出される。このため、特定された回折角から得られるひずみε3は、この測定領域における平均ひずみである。したがって、測定領域を試験片のＺ方向に移動させながら回折角を測定することで、試験片のＺ方向のひずみ分布を求めることができる。
【００２４】
また、図１０（ｃ）は試験片の平面内ひずみ（詳細にはｘ方向）を測定する際の光学系の模式図を示している。図１０（ｃ）に示すようにｘ方向のひずみε1を測定する場合は、試験片のｘ−ｙ面（表面）が測定波の入射側に対向し、かつ、測定領域を移動させる方向が試験片のｘ方向と一致するように試験片をセットする。試験片への測定波の照射及び試験片からの反射波の検出並びに回折角の特定等は、上述した場合と同様に行われる。
【００２５】
なお、ｙ方向のひずみε2の測定は、試験片をセットする方向を変えるだけでよい。すなわち、試験片のｘ−ｙ面（表面）が測定波の入射側に対向し、かつ、測定領域を移動させる方向が試験片のｙ方向と一致するように試験片をセットすればよい。
【００２６】
次に、本願発明の透過型回転ひずみスキャニング法について説明する。本願発明では、高エネルギー放射光Ｘ線を測定波として用い、非特許文献１と同様に、Ｘ線を試験片の表面から透過させ、背面から回折Ｘ線を測定し、試験片の残留応力を測定する透過型のひずみ測定方法を採用する。
【００２７】
測定に係る原理は、上記図１０に示した反射型ひずみスキャニング法と共通し、図１を用いてさらに説明する。図１に示すように、保持部たるＺ軸ステージ１上に、被測定物たる試験片２４をセットする。試験片２４は、その垂直方向の表面２４ＡをＸ線照射装置１０側に向け、その垂直方向の背面２４ＢをＸ線検出装置（Ｘ線カウンタ）２０側に向けてセットする。すなわち、試験片２４の厚さ方向（Ｚ方向）の一側が表面２４Ａで、他側が背面２４Ｂである。尚、試験片２４は、対向する外面同士が平行な直方体である。
【００２８】
Ｘ線照射装置１０は、高エネルギー放射光Ｘ線を出射するものであり、そのＸ線照射装置１０の出射口には発散スリット１２が配置されている。このため、Ｘ線照射装置１０から出射したＸ線は、発散スリット１２によって所定の幅のＸ線束となり、試験片２４に入射することとなる。したがって、本実施例ではＸ線照射装置１０と発散スリット１２によって請求項でいう照射手段が構成されている。また、Ｘ線検出装置２０の入射口側には受光スリット１６，１８が配置されている。このため、Ｘ線検出装置２０では受光スリット１６，１８を通過したＸ線だけが検出される。したがって、本実施例では受光スリット１６，１８が請求項でいう制限手段に相当する。
【００２９】
また、Ｘ線検出装置２０で検出される回折測定波は、発散スリット１２と受光スリット１６，１８によって制限された測定領域（図中の菱形の領域）から透過回折された回折測定波のみが検出される。そして、前記測定領域がひずみを評価するゲージ体積となる。Ｚ軸ステージ１をＸ線照射装置１０側に平行移動することで、試験片２４がＸ線照射装置１０に移動し、ゲージ体積は試験片２４の表面２４Ａから背面２４Ｂへ移動しながら回折Ｘ線の回折角２θを測定する。回折角２θは、上述した（２）式で表される。
【００３０】
したがって、Ｘ線の波長λが定数であるから，回折角２θを測定することで，格子面間隔ｄが求められる。そして、任意の位置の格子面間隔ｄの変化からその位置における材料のひずみを求めることができる。以上が、透過型回転ひずみスキャニング法の原理の説明である。
【００３１】
以下、透過型回転ひずみスキャニング法における表面効果について、考察する。図２の概略説明図に示すようにゲージ体積が試験片２４の表面を横切るとき、回折に与るゲージ体積の形状は公称の形と異なる。そのため、実際のゲージ体積の回折中心が、公称ゲージ体積の中心から外れた位置となる。その結果、測定される回折角２θがずれてしまう。この現象を表面効果(surface aberration effect)といい、そのために正確なひずみ測定が困難となる。
【００３２】
表面効果の影響は、図２（ａ)の往路の場合と図２（ｂ)の復路の場合で異なり、これを示すため往路と復路とで測定した回折角の値を図３に示す。尚、図３の例では、試験片２４にＳ４５Ｃを焼鈍した材料を用いたから、試験片２４には残留応力がないので、一定の回折角を示すはずである。しかし、同図からわかるようにゲージ体積が表面２４Ａ(Ｚ＝０mm)および背面２４Ｂ(Ｚ＝４mm)付近にあるとき、正しい回折角２θを測定できなくなる。図３では、往路と復路とで得られた回折角の平均値も表示しており、平均値を用いることにより、回折角２θの値がグラフ図中で略水平となり、試験片２４に残留応力の無いことが分かるが、２回の測定が必要となる。
【００３３】
そして、ひずみスキャニング法では、発散スリット１２と受光スリット１６，１８によって形成される測定領域と、実際に測定波を回折する回折領域（被測定物が存在する領域）とが異なると、見かけ上のひずみが測定される。
【００３４】
図１１には、受光側（Ｘ線検出装置２０側）に配置した２つのスリット、そのスリットによって形成される光学系が模式的に示されている。図１１に示すように、本実施例では２つのスリットＧ１，Ｇ２が光軸方向に所定の間隔Ｒ２だけ離れて配置される。２つのスリットＧ１，Ｇ２を光軸方向に離間して配置することで、２つのスリットＧ１，Ｇ２を通過する反射波の発散角はαに制限することができる。これによって、反射波の発散の影響が抑えられ、測定精度を上げることが可能となる。なお、図１１から明らかなように発散角αは次の式で求められる（ｒはスリットＧ１，Ｇ２の幅）。
α／２＝ｔａｎ−１（ｒ／Ｒ２） （４）
図１２は本実施例の光学系の全体構成を示す概略図であり、図１３は図１２に示す装置ゲージ体積を拡大して示している。図１２に示すように、測定波は発散スリットＤｓで幅ｒの光束とされ、試験片に入射する。試験片２４で回折された回折測定波は、幅ｒの受光スリットＲＳ１，ＲＳ２によりＸ線検出装器に導かれる。受光スリットＲＳ１，ＲＳ２を通過する回折測定波の発散角はαであることから、装置ゲージ体積は中央のひし形の領域（公称ゲージ体積）の上下に広がっている。そして、図１３に示すように、公称ゲージ体積の中心は、符号Ｓである。従来では、上述した見かけ上のひずみを測定し、その測定値を解析的に補正する必要があった。
【００３５】
これに対し、本実施例では、図４に示すように、試験片２４を回転ステージ２上に載置して保持し、この回転ステージ２を公称ゲージ体積の中心Ｓで回転させ、すなわち回転ステージ２の回転中心を公称ゲージ体積の中心Ｓに合わせ、その回転ステージ２上に前記Ｚ軸ステージ１を設ける。
【００３６】
また、前記回転ステージ２を回転駆動する回転装置３と、前記Ｚ軸ステージ１をＸ線検出装置２０側からＸ線照射装置１０側（Ｚ方向）に進退駆動する移動装置４とを備える。尚、Ｘ線検出装置２０側からＸ線照射装置１０側へと水平移動する方向がＺ方向である。前記移動手段４の駆動機構は、回転ステージ２とＺ軸ステージ１との間に設けられるものであるから、その移動手段４に制御用コードなどを接続すると、回転ステージ２が回転した際、回転ステージ２に巻き付き，測定が不可能となる。それを防止するために，スリップリング５を回転ステージ２に設置することにより，回転をかけながらＺ軸ステージ１の移動を制御できるようにした。すなわち、スリップリング５の上の回転ステージ２が回転し、スリップリング５より下部は固定され、スリップリング５を介して前記移動手段４に制御信号及び動力などを伝達している。
【００３７】
また、前記移動装置４及び回転装置３による被測定物の位置変更に応じて第１スリットたる受光スリット１６、第２スリットたる受光スリット１８及びＸ線検出装置２０を移動させる受光側駆動装置６を備える。そして、制御手段７が、Ｘ線照射装置１０，Ｘ線検出装置２０，移動装置４，回転装置３及び受光側駆動手段６を制御し、回折角２θを検出する。
【００３８】
本方法によれば、回折Ｘ線の測定中に試験片２４が公称ゲージ体積の中心Ｓを回転中心にして回転するために、上述した表面効果の影響をキャンセルすることが可能である。
【００３９】
試験片２４を回転させながら各深さＺで回折ピークを測定し、Ｚ軸ステージ１をＸ線照射装置１０側に進めることになる。つまり、試料片２４とＺ軸ステージは図４及び図５に示すように動くこととなる。尚、光学系であるＸ線照射装置１０及びＸ線検出装置２０と試験片２４の動きは相対的なものなので、試験片２４が回転せずに光学系，ゲージ体積が回転してもいいが、放射光施設ではそれは現実的でないので，本件では言及していない。
【００４０】
「透過型回転ひずみスキャニング法」を実施するために回転ひずみスキャニング用ステージを製作し、高輝度放射光の回折装置に装着して測定を行った様子を図７に示す。同図に示す「Ｘ線」（高エネルギー放射光Ｘ線）が図中左側から試験片２４に入射し、試験片２４で回折したＸ線は図中右側（Ｘ線検出装置側）に進む。回転ステージ２の上でＺ軸ステージ１が回転し、このＺ軸ステージ１上に試験片２４がセットされている。そして、回転しながら且つＺ方向にスキャンしながらその都度回折角２θを測定する。
【００４１】
試験片２４のＺ方向厚さは。この例では４mmであり、その上述した「透過型回転ひずみ
スキャニング法」による実験結果を図３の結果と併せて示したのが図８である。これにより、透過型回転ひずみスキャニング法により、表面効果が補正され，一定の回折角２θを測定でき、透過型回転ひずみスキャニング法の表面補正の効果が実証されたことが分かる。
【００４２】
つぎに、粗大粒の回折測定における回転ひずみスキャニング法の揺動効果について、検討した。
【００４３】
本実施例の回転ひずみスキャニング法は表面効果の補正効果だけでなく、結晶粒の大きい粗大粒の回折線測定にも威力を発揮する。前記試験片２４として、オーステナイト系ステンレスSUS304L（板厚５mm）の表面２４Ａ(Ｚ=０mm)にショットピーニングを施し、圧縮の残留応力を導入した。この表面２４Ａ側に残留応力を導入した試験片２４を、透過型回転ひずみスキャニング法によりひずみスキャニングした結果を図９（ｂ)に示す。同図は、縦軸が回折強度であり、深さＺにおける回折角２θを座標にした。
【００４４】
一般のひずみスキャニング法では、表面２４Ａ付近は粗大粒のため回折に与る結晶粒が十分でなく回折線が測定できず、ひずみの測定ができない。
【００４５】
これに対し、 本発明の透過型回転ひずみスキャニング法では、試験片２４をゲージ体積中心に回転するので，十分な結晶粒を得ることができる。その結果、図９(ｂ)に示すようにショットピーニングを受けた面（表面２４Ａ）でも回折曲線がきれいに測定でき、回折角２θの決定が十分可能である。
【００４６】
このように，透過型回転ひずみスキャニング法は表面効果の補正ができることに加え、粗大粒の測定にも有利であることが明らかである。
【００４７】
このように本実施例では、請求項１に対応して、被測定物たる試験片２４の一側面たる表面２４Ａに測定波たるＸ線を照射し、試験片２４を透過した回折測定波たる回折Ｘ線の回折角２θから試験片２４のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、試験片２４の表面２４Ａに所定の光束のＸ線を照射する照射手段たるＸ線照射装置１０と、試験片２４を回折透過した回折Ｘ線を検出する検出手段たるＸ線検出装置２０と、試験片２４をＸ線照射装置１０側に移動する移動手段たる移動装置４と、試験片２４を回転する回転手段たる回転装置３と、Ｘ線検出装置２０で検出される回折Ｘ線を、試験片２４中及び／又はその近傍に設定される測定領域から回折された回折Ｘ線に制限する制限手段たる受光スリット１６，１８とを備えたから、従来、試験片２４の表面側では、所謂、表面効果により、検出される回折ピークがシフトし、見かけ上のひずみが測定され、測定誤差を生じるが、本測定装置では、回折Ｘ線の測定中に試験片２４をゲージ体積の中心Ｓを回転中心して回転するようにすることにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００４８】
また、このように本実施例では、制限手段が、被測定物たる試験片２４と検出手段たるＸ線検出装置２０の間に配置され、試験片２４からＸ線検出装置２０に向かう回折測定波たる回折Ｘ線の一部を遮断する第１遮断部材たる受光スリット１６と、この受光スリット１６とＸ線検出装置２０の間に配置され、受光スリット１６を通過した回折Ｘ線の一部をさらに遮断する第２遮断部材たる受光スリット１８とを有するから、Ｘ線検出装置２０で検出される回折Ｘ線は、受光スリット１６，１８によってより制限され、回折測定波の発散による影響を低減することができる。特に、受光スリット１６，１８が光軸方向に離間して配置されると、光軸と略平行な回折Ｘ線のみが検出手段で検出される。
【００４９】
また、このように本実施例では、請求項２に対応して、被測定物たる試験片２４の一側面たる表面２４Ａに測定波たるＸ線を照射し、試験片２４の背面２４Ｂを透過した回折Ｘ線の回折角２θから試験片２４のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、被測定物たる試験片２４を保持する保持部たるＺ軸ステージ１と、Ｚ軸ステージ１に保持された試験片２４に所定の光束のＸ線を照射するＸ線照射装置１０と、試験片２４から透過回折された回折Ｘ線を検出するＸ線検出装置２０と、Ｚ軸ステージ１とＸ線検出装置２０との間に配置され、試験片２４から透過回折された回折Ｘ線の一部を通過させる第１スリットたる受光スリット１６と、この受光スリット１６とＸ線検出装置２０との間に配置され、受光スリット１６を通過した回折Ｘ線の一部を通過させてＸ線検出装置２０に導く第２スリットたる受光スリット１８と、試験片２４をＸ線照射装置１０側に移動する移動装置４と、試験片２４へのＸ線の入射角を変更するためにＺ軸ステージ１を回転する回転装置３と、移動装置４及び回転装置３による試験片２４の位置変更（向きの変更を含む）に応じて受光スリット１６，１８及びＸ線検出装置２０を移動させる受光側駆動装置６と、Ｘ線照射装置１０，Ｘ線検出装置２０，移動装置４，回転装置３及び受光側駆動手段６を制御する制御手段とを備えるから、試験片２４を保持するＺ軸ステージ１がＸ線照射装置１０側に移動し、且つ公称ゲージ体積の中心Ｓを回転中心にして試験片２４を回転し、測定位置を変更することができ、測定位置を変更すると、それに応じて受光側駆動手段６が作動し、試験片２４から透過回折される回折Ｘ線を検出可能な位置にＸ線検出装置２０と受光スリット１６，１８が移動する。
【００５０】
そして、Ｘ線回折の測定中に試験片２４をゲージ体積中心で回転するようにすることにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００５１】
また、このように本実施例では、請求項３に対応して、被測定物たる試験片２４の一側面たる表面２４Ａに測定波たるＸ線を照射し、試験片２４を透過した回折測定波たる回折Ｘ線の回折角２θから試験片２４のひずみを測定する回折法によるひずみ測定方法であって、試験片２４を移動及び回転する測定位置変更工程と、前記測定位置変更工程により測定位置を変更した試験片２４に所定の光束の測定波を照射する照射工程と、試験片２４中及び／又はその近傍に設定される測定領域から透過回折された回折測定波たる回折Ｘ線を検出する検出工程とを備え、照射された所定の光束のＸ線による公称ゲージ体積の中心Ｓを回転中心にして試験片２４を回転するから、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００５２】
また、実施例上の効果として、制御手段７は、回転装置３，移動装置４及び受光側駆動装置６を駆動して試験片２４への入射角を変更しながらＸ線照射装置１０からＸ線を照射させると共にＸ線検出装置１０に試験片２４から透過回折されたＸ線を検出させ、これにより得られた「入射角−Ｘ線強度」の関係からＸ線の回折角２θを特定することができる。
【００５３】
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では、シンクロトロン放射光源による高エネルギー放射光Ｘ線を、測定波として用いたが、他に中性子線等のエネルギー波を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例１を示すひずみ測定装置の要部の側面図である。
【図２】同上、往路と復路における被測定物とゲージ体積との方位関係を示す説明図である。
【図３】同上、往路と復路とで測定した回折角の値を示すグラフ図である。
【図４】同上、ひずみ測定装置の要部の側面図である。
【図５】同上、ひずみ測定装置の要部の平面図である。
【図６】同上、制御手段回りのブロック図である。
【図７】同上、透過型回転ひずみスキャニング用ステージの斜視図である。
【図８】同上、回折角の値を示すグラフ図である。
【図９】同上、Ｘ線強度と回折角と深さの関係を示すグラフ図であり、図９（ａ）は従来のひずみスキャニング法、図９（ｂ）は透過型回転スキャニング法によるものである。
【図１０】同上、ダブルスリットの光学系を説明する説明図である。
【図１１】同上、ダブルスリットの光学系を示す概略説明図である。
【図１２】同上、発散スリットと２つの受光スリットにより形成される光学系を示す概略説明図である。
【図１３】同上、図１１のゲージ体積の部分を拡大した概略説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ Ｚ軸ステージ（保持部）
２ 回転ステージ
３ 回転装置（回転手段）
４ 移動装置（移動手段）
５ スリップリング
６ 受光側駆動装置
７ 制御手段
１０ Ｘ線照射装置（照射手段）
１２ 発散スリット
１６ 受光スリット（第１遮蔽手段・第１スリット）
１８ 受光スリット（第２遮蔽手段・第２スリット）
２０ Ｘ線検出装置（検出手段）
２４ 試験片（被測定物）
Ｓ 中心
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線等のエネルギー波である測定波を被測定物（例えば、多結晶体材料）に照射し、被測定物から透過回折される透過測定波の回折角を測定することで被測定物に発生しているひずみを測定する測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造材料に発生している応力（ひずみ）を測定する方法として、Ｘ線等のエネルギー波の回折現象を利用して測定する方法が知られている（例えば、ｓｉｎ2Ψ法）。ｓｉｎ2Ψ法では、通常、被測定物に斜めからＸ線を照射する。被測定物に入射したＸ線は、被測定物中の回折条件を満たす結晶格子面で反射され回折を生じる。被測定物で反射された反射波は、回折を起こした結晶格子面の法線と被測定物表面の法線とのなす角（Ψ角）を所定値に固定した状態で散乱角２θを走査しつつ測定される。散乱角２θの操作及びＸ線強度の測定は、Ψ角を変更しながら繰り返し実行される。これによって、散乱角２θに応じたＸ線の散乱強度分布のΨ角に対する依存性が測定され、この依存性から被測定物に発生した応力の被測定物表面に平行な成分を測定する。
【０００３】
上述したｓｉｎ2Ψ法では、被測定物に発生している応力を精度良く測定できる反面、Ψ角を一定に保った状態で散乱角２θを走査しながらＸ線強度を測定しなければならないため、測定に長時間を要するという問題があった。また、ｓｉｎ2Ψ法は、被測定物の平面応力状態しか測定できず、被測定物の垂直方向に発生している応力（ひずみ）を測定することができなかった。
【０００４】
なお、ｓｉｎ2Ψ法によるひずみ測定に関する先行技術としては、例えば、特許文献１に開示された技術が知られている。
【０００５】
上述したｓｉｎ2Ψ法の問題点を解決するため、ひずみスキャニング法が注目を集めている。ひずみスキャニング法では、被測定物に斜めからＸ線等の測定波を照射し、被測定物から反射される反射波をスリット等を介して検出装置で検出する。このため、検出装置で検出される反射波は、被測定物の一部の領域（入射する測定波束と受光側のスリットで作られた領域（以下、測定領域という））から反射された反射波に制限される。したがって、検出装置で検出された検出結果から測定領域の平均ひずみを求め、被測定物に発生している応力を測定する。
【０００６】
上述の説明から明らかなように、ひずみスキャニング法では、被測定物中に設定される測定領域を移動させることで、被測定物に発生している任意の方向の応力分布を測定できる。また、ｓｉｎ2Ψ法のようにΨ角を一定にして散乱角２θを走査する等の複雑な操作が不要となるため、短時間で測定することができる。
【０００７】
しかしながら、ひずみスキャニング法では、被測定物の表面近傍のひずみを測定する際に測定領域が被測定物からはみ出して設定される。このため、検出される回折ピークがシフトし、見かけ上のひずみが測定されてしまうという問題があった（いわゆる、表面効果）。
【０００８】
この表面効果を解消する技術としては、受光側に単結晶アナライザを設置する測定方法が提案されており（非特許文献１）、この測定方法では、シンクロトロン放射光施設により得られる高輝度で且つ高エネルギーＸ線を測定波として用い、その高エネルギーＸ線は、大きな透過力を有し、この特徴を生かして、試験片の表面から透過させ背面から回折Ｘ線を測定し、試験片の残留応力を測定する。しかし、この測定方法によっても表面効果の影響を十分に解消し、満足な測定精度を得ることはできていない。
【０００９】
そして、表面効果を解消するため、（１）アナライザを使用する方法、（２）試験片に対して測定波の照射方向を変更して、往路と復路で測定し、その回折角の相加平均を取る方法などがあり、また、（３）解析的に補正する方法（例えば、特許文献２）も提案されている。
【００１０】
しかし、（１）アナライザを使用すると、回折強度の減衰が１/１００程度に減衰するために、偏向電磁石のビームラインではアナライザを使用したひずみスキャニングは困難であり、（２）往復の相加平均法は、２回の測定時間を要するために不利である。また、（３）の解析的に補正する方法は、煩雑な測定と計算を要する。
【特許文献１】特開２００４−１３２９３６号公報
【特許文献２】特開２００６−１７７３１号公報
【非特許文献１】Ｐ．Ｊ．Ｗｉｔｈｅｒｓ，「 Ａｎａｌｙｓiｓ ｏｆ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ ｂｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｎｅｕｔｒｏｎ ａｎｄ Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」，ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｍ．Ｅ． Ｆｉｔｚｐａｔｒｉｃｋ ａｎｄ Ａ． Ｌｏｄｉｎｉ，（２００３） ｐｐ．１７０−１８９，Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎｃｉｓ，Ｌｏｎｄｏｎ ａｎｄ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、被測定物に発生しているひずみを測定するひずみスキャニング法において、一方向の測定のみで、解析的な補正を加える必要がなく、正しい回折角を測定できる技術を提供することを目的とする。加えて、揺動効果が得られ、また、粗大粒の正確な測定が可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、前記被測定物の一側面に所定の光束の測定波を照射する照射手段と、前記被測定物を回折透過した回折測定波を検出する検出手段と、前記被測定物を前記照射手段側に移動する移動手段と、前記被測定物を回転する回転手段と、前記検出手段で検出される回折測定波を、被測定物中及び／又はその近傍に設定される測定領域から回折された回折測定波に制限する制限手段と、
を備えた測定装置である。
【００１３】
また、請求項２の発明は、被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、前記被測定物を保持する保持部と、前記保持部に保持された被測定物に所定の光束のＸ線を照射するＸ線照射装置と、前記被測定物から透過回折された回折Ｘ線を検出するＸ線検出装置と、前記保持部と前記Ｘ線検出装置との間に配置され、被測定物から透過回折された回折Ｘ線の一部を通過させる第１スリットと、前記第１スリットと前記Ｘ線検出装置との間に配置され、前記第１スリットを通過した回折Ｘ線の一部を通過させて前記Ｘ線検出装置に導く第２スリットと、前記被測定物を前記Ｘ線照射装置側に移動する移動装置と、前記被測定物へのＸ線の入射角を変更するために保持部を回転する回転装置と、前記移動装置及び回転装置による被測定物の位置変更に応じて前記第１スリット，前記第２スリット及び前記Ｘ線検出装置を移動させる受光側駆動装置と、前記Ｘ線照射装置，Ｘ線検出装置，移動装置，回転装置及び受光側駆動手段を制御する制御手段と、を備える測定装置である。
【００１４】
また、請求項３の発明は、被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定方法であって、前記被測定物を移動及び回転する測定位置変更工程と、前記測定位置変更工程により測定位置を変更した前記被測定物に所定の光束の測定波を照射する照射工程と、前記被測定物中及び／又はその近傍に設定される測定領域から透過回折された回折測定波を検出する検出工程と、を備え、照射された所定の光束のＸ線による公称ゲージ体積の中心を回転中心にして前記被測定物を回転する測定方法である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の構成によれば、被測定物の表面側では、所謂、表面効果により、検出される回折ピークがシフトし、見かけ上のひずみが測定され、測定誤差を生じるが、本測定装置では、回折Ｘ線の測定中に被測定物をゲージ体積中心で回転するようにすることにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００１６】
また、請求項２の構成によれば、被測定物を保持する保持部がＸ線照射装置側に移動し、且つ公称ゲージ体積の中心を回転中心にして被測定物を回転し、測定位置を変更することができ、測定位置を変更すると、それに応じて受光側駆動手段が作動し、被測定物から透過回折される回折Ｘ線を検出可能な位置にＸ線検出装置と第１スリット及び第２スリットが移動する。
【００１７】
そして、Ｘ線回折の測定中に被測定物をゲージ体積中心で回転するようにすることにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００１８】
また、請求項３の構成によれば、Ｘ線回折の測定中に被測定物がゲージ体積中心で回転することにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、従来とは異なる回折法によるひずみ測定装置及び測定方法を採用することにより、従来にない回折法によるひずみ測定装置及び測定方法が得られ、その回折法によるひずみ測定装置及び測定方法を夫々記述する。
【実施例１】
【００２０】
本発明を具現化した実施例１に係るひずみ測定方法について説明する。まず、従来の反射型ひずみスキャニング法で測定される回折角から応力を算出する手順と、反射型ひずみスキャニング法の原理について、簡単に説明しておく。尚、以下、上述した背景技術と同一部分に同一符号を付し、その説明を省略する。
【００２１】
図１０（ａ）は試験片に設定された座標系を示している。図１０（ａ）に示すように、試験片表面と平行な平面内の応力（ひずみ）をσ1（ε1），σ2（ε2）とし、試験片の深さ方向の応力（ひずみ）をσ3（ε3）とすると、３軸応力の関係は次式で与えられる。
ε1＝｛σ1−ν（σ2＋σ3）｝／Ｅ
ε2＝｛σ2−ν（σ1＋σ3）｝／Ｅ （１）
ε3＝｛σ3−ν（σ1＋σ2）｝／Ｅ
ここで、格子面の間隔ｄとひずみεとの関係は次式で与えられる（ｄ0は無ひずみの格子面間隔である）。
ε＝（ｄ−ｄ0）／ｄ0 （２）
また、格子面間隔ｄと回折角θとの関係は次式のブラッグの条件で与えられる（λは測定波の波長である）。
λ＝２ｄｓｉｎθ （３）
ここで、測定波の波長λと無ひずみの格子面間隔ｄ0は既知であるため、回折角θを測定できれば上記（３）式より格子面間隔ｄを算出することができ、その格子面間隔ｄからひずみεを算出することができる（上記（２）式）。したがって、試験片の３軸方向それぞれについて回折角θ1，θ2，θ3を測定できれば、それら回折角θ1，θ2，θ3から格子面間隔ｄ1，ｄ2，ｄ3を算出でき、その格子面間隔ｄ1，ｄ2，ｄ3からひずみε1，ε2，ε3を算出できる。ひずみε1，ε2，ε3が算出できれば、これらの値を上記（１）式に用いて、試験片の３軸方向の応力を全て算出できることとなる。
【００２２】
図１０（ｂ）は試験片の深さ方向のひずみε3を測定する際の光学系の模式図を示している。深さ方向のひずみε3を測定する場合は、試験片のｘ−ｙ面（表面）を上に向けて試験片がセットされる（図１０（ｂ））。セットされた試験片には斜め上方から測定波（例えば、Ｘ線，中性子線等のエネルギー波）を照射する。照射される測定波は、発散スリットＳｄによって所定の光束とされる。試験片で回折された回折測定波は、受光スリットＳｒを介して検出装置（図示省略）で検出される。この回折測定波の検出を試験片への入射角を変更しながら行うことで「回折測定波の強度−入射角」の関係が求まり、回折測定波の強度がピークとなる角度（すなわち、回折角）を特定することができる。特定した回折角からひずみε3の算出は、既に説明した手順で行うことができる。
【００２３】
なお、図１０（ｂ）から明らかなように、検出装置で検出される測定波は、発散スリットＳｄと受光スリットＳｒによって制限された測定領域（図中の菱形の領域）から反射された回折測定波のみが検出される。このため、特定された回折角から得られるひずみε3は、この測定領域における平均ひずみである。したがって、測定領域を試験片のＺ方向に移動させながら回折角を測定することで、試験片のＺ方向のひずみ分布を求めることができる。
【００２４】
また、図１０（ｃ）は試験片の平面内ひずみ（詳細にはｘ方向）を測定する際の光学系の模式図を示している。図１０（ｃ）に示すようにｘ方向のひずみε1を測定する場合は、試験片のｘ−ｙ面（表面）が測定波の入射側に対向し、かつ、測定領域を移動させる方向が試験片のｘ方向と一致するように試験片をセットする。試験片への測定波の照射及び試験片からの反射波の検出並びに回折角の特定等は、上述した場合と同様に行われる。
【００２５】
なお、ｙ方向のひずみε2の測定は、試験片をセットする方向を変えるだけでよい。すなわち、試験片のｘ−ｙ面（表面）が測定波の入射側に対向し、かつ、測定領域を移動させる方向が試験片のｙ方向と一致するように試験片をセットすればよい。
【００２６】
次に、本願発明の透過型回転ひずみスキャニング法について説明する。本願発明では、高エネルギー放射光Ｘ線を測定波として用い、非特許文献１と同様に、Ｘ線を試験片の表面から透過させ、背面から回折Ｘ線を測定し、試験片の残留応力を測定する透過型のひずみ測定方法を採用する。
【００２７】
測定に係る原理は、上記図１０に示した反射型ひずみスキャニング法と共通し、図１を用いてさらに説明する。図１に示すように、保持部たるＺ軸ステージ１上に、被測定物たる試験片２４をセットする。試験片２４は、その垂直方向の表面２４ＡをＸ線照射装置１０側に向け、その垂直方向の背面２４ＢをＸ線検出装置（Ｘ線カウンタ）２０側に向けてセットする。すなわち、試験片２４の厚さ方向（Ｚ方向）の一側が表面２４Ａで、他側が背面２４Ｂである。尚、試験片２４は、対向する外面同士が平行な直方体である。
【００２８】
Ｘ線照射装置１０は、高エネルギー放射光Ｘ線を出射するものであり、そのＸ線照射装置１０の出射口には発散スリット１２が配置されている。このため、Ｘ線照射装置１０から出射したＸ線は、発散スリット１２によって所定の幅のＸ線束となり、試験片２４に入射することとなる。したがって、本実施例ではＸ線照射装置１０と発散スリット１２によって請求項でいう照射手段が構成されている。また、Ｘ線検出装置２０の入射口側には受光スリット１６，１８が配置されている。このため、Ｘ線検出装置２０では受光スリット１６，１８を通過したＸ線だけが検出される。したがって、本実施例では受光スリット１６，１８が請求項でいう制限手段に相当する。
【００２９】
また、Ｘ線検出装置２０で検出される回折測定波は、発散スリット１２と受光スリット１６，１８によって制限された測定領域（図中の菱形の領域）から透過回折された回折測定波のみが検出される。そして、前記測定領域がひずみを評価するゲージ体積となる。Ｚ軸ステージ１をＸ線照射装置１０側に平行移動することで、試験片２４がＸ線照射装置１０に移動し、ゲージ体積は試験片２４の表面２４Ａから背面２４Ｂへ移動しながら回折Ｘ線の回折角２θを測定する。回折角２θは、上述した（２）式で表される。
【００３０】
したがって、Ｘ線の波長λが定数であるから，回折角２θを測定することで，格子面間隔ｄが求められる。そして、任意の位置の格子面間隔ｄの変化からその位置における材料のひずみを求めることができる。以上が、透過型回転ひずみスキャニング法の原理の説明である。
【００３１】
以下、透過型回転ひずみスキャニング法における表面効果について、考察する。図２の概略説明図に示すようにゲージ体積が試験片２４の表面を横切るとき、回折に与るゲージ体積の形状は公称の形と異なる。そのため、実際のゲージ体積の回折中心が、公称ゲージ体積の中心から外れた位置となる。その結果、測定される回折角２θがずれてしまう。この現象を表面効果(surface aberration effect)といい、そのために正確なひずみ測定が困難となる。
【００３２】
表面効果の影響は、図２（ａ)の往路の場合と図２（ｂ)の復路の場合で異なり、これを示すため往路と復路とで測定した回折角の値を図３に示す。尚、図３の例では、試験片２４にＳ４５Ｃを焼鈍した材料を用いたから、試験片２４には残留応力がないので、一定の回折角を示すはずである。しかし、同図からわかるようにゲージ体積が表面２４Ａ(Ｚ＝０mm)および背面２４Ｂ(Ｚ＝４mm)付近にあるとき、正しい回折角２θを測定できなくなる。図３では、往路と復路とで得られた回折角の平均値も表示しており、平均値を用いることにより、回折角２θの値がグラフ図中で略水平となり、試験片２４に残留応力の無いことが分かるが、２回の測定が必要となる。
【００３３】
そして、ひずみスキャニング法では、発散スリット１２と受光スリット１６，１８によって形成される測定領域と、実際に測定波を回折する回折領域（被測定物が存在する領域）とが異なると、見かけ上のひずみが測定される。
【００３４】
図１１には、受光側（Ｘ線検出装置２０側）に配置した２つのスリット、そのスリットによって形成される光学系が模式的に示されている。図１１に示すように、本実施例では２つのスリットＧ１，Ｇ２が光軸方向に所定の間隔Ｒ２だけ離れて配置される。２つのスリットＧ１，Ｇ２を光軸方向に離間して配置することで、２つのスリットＧ１，Ｇ２を通過する反射波の発散角はαに制限することができる。これによって、反射波の発散の影響が抑えられ、測定精度を上げることが可能となる。なお、図１１から明らかなように発散角αは次の式で求められる（ｒはスリットＧ１，Ｇ２の幅）。
α／２＝ｔａｎ−１（ｒ／Ｒ２） （４）
図１２は本実施例の光学系の全体構成を示す概略図であり、図１３は図１２に示す装置ゲージ体積を拡大して示している。図１２に示すように、測定波は発散スリットＤｓで幅ｒの光束とされ、試験片に入射する。試験片２４で回折された回折測定波は、幅ｒの受光スリットＲＳ１，ＲＳ２によりＸ線検出装器に導かれる。受光スリットＲＳ１，ＲＳ２を通過する回折測定波の発散角はαであることから、装置ゲージ体積は中央のひし形の領域（公称ゲージ体積）の上下に広がっている。そして、図１３に示すように、公称ゲージ体積の中心は、符号Ｓである。従来では、上述した見かけ上のひずみを測定し、その測定値を解析的に補正する必要があった。
【００３５】
これに対し、本実施例では、図４に示すように、試験片２４を回転ステージ２上に載置して保持し、この回転ステージ２を公称ゲージ体積の中心Ｓで回転させ、すなわち回転ステージ２の回転中心を公称ゲージ体積の中心Ｓに合わせ、その回転ステージ２上に前記Ｚ軸ステージ１を設ける。
【００３６】
また、前記回転ステージ２を回転駆動する回転装置３と、前記Ｚ軸ステージ１をＸ線検出装置２０側からＸ線照射装置１０側（Ｚ方向）に進退駆動する移動装置４とを備える。尚、Ｘ線検出装置２０側からＸ線照射装置１０側へと水平移動する方向がＺ方向である。前記移動手段４の駆動機構は、回転ステージ２とＺ軸ステージ１との間に設けられるものであるから、その移動手段４に制御用コードなどを接続すると、回転ステージ２が回転した際、回転ステージ２に巻き付き，測定が不可能となる。それを防止するために，スリップリング５を回転ステージ２に設置することにより，回転をかけながらＺ軸ステージ１の移動を制御できるようにした。すなわち、スリップリング５の上の回転ステージ２が回転し、スリップリング５より下部は固定され、スリップリング５を介して前記移動手段４に制御信号及び動力などを伝達している。
【００３７】
また、前記移動装置４及び回転装置３による被測定物の位置変更に応じて第１スリットたる受光スリット１６、第２スリットたる受光スリット１８及びＸ線検出装置２０を移動させる受光側駆動装置６を備える。そして、制御手段７が、Ｘ線照射装置１０，Ｘ線検出装置２０，移動装置４，回転装置３及び受光側駆動手段６を制御し、回折角２θを検出する。
【００３８】
本方法によれば、回折Ｘ線の測定中に試験片２４が公称ゲージ体積の中心Ｓを回転中心にして回転するために、上述した表面効果の影響をキャンセルすることが可能である。
【００３９】
試験片２４を回転させながら各深さＺで回折ピークを測定し、Ｚ軸ステージ１をＸ線照射装置１０側に進めることになる。つまり、試料片２４とＺ軸ステージは図４及び図５に示すように動くこととなる。尚、光学系であるＸ線照射装置１０及びＸ線検出装置２０と試験片２４の動きは相対的なものなので、試験片２４が回転せずに光学系，ゲージ体積が回転してもいいが、放射光施設ではそれは現実的でないので，本件では言及していない。
【００４０】
「透過型回転ひずみスキャニング法」を実施するために回転ひずみスキャニング用ステージを製作し、高輝度放射光の回折装置に装着して測定を行った様子を図７に示す。同図に示す「Ｘ線」（高エネルギー放射光Ｘ線）が図中左側から試験片２４に入射し、試験片２４で回折したＸ線は図中右側（Ｘ線検出装置側）に進む。回転ステージ２の上でＺ軸ステージ１が回転し、このＺ軸ステージ１上に試験片２４がセットされている。そして、回転しながら且つＺ方向にスキャンしながらその都度回折角２θを測定する。
【００４１】
試験片２４のＺ方向厚さは。この例では４mmであり、その上述した「透過型回転ひずみ
スキャニング法」による実験結果を図３の結果と併せて示したのが図８である。これにより、透過型回転ひずみスキャニング法により、表面効果が補正され，一定の回折角２θを測定でき、透過型回転ひずみスキャニング法の表面補正の効果が実証されたことが分かる。
【００４２】
つぎに、粗大粒の回折測定における回転ひずみスキャニング法の揺動効果について、検討した。
【００４３】
本実施例の回転ひずみスキャニング法は表面効果の補正効果だけでなく、結晶粒の大きい粗大粒の回折線測定にも威力を発揮する。前記試験片２４として、オーステナイト系ステンレスSUS304L（板厚５mm）の表面２４Ａ(Ｚ=０mm)にショットピーニングを施し、圧縮の残留応力を導入した。この表面２４Ａ側に残留応力を導入した試験片２４を、透過型回転ひずみスキャニング法によりひずみスキャニングした結果を図９（ｂ)に示す。同図は、縦軸が回折強度であり、深さＺにおける回折角２θを座標にした。
【００４４】
一般のひずみスキャニング法では、表面２４Ａ付近は粗大粒のため回折に与る結晶粒が十分でなく回折線が測定できず、ひずみの測定ができない。
【００４５】
これに対し、 本発明の透過型回転ひずみスキャニング法では、試験片２４をゲージ体積中心に回転するので，十分な結晶粒を得ることができる。その結果、図９(ｂ)に示すようにショットピーニングを受けた面（表面２４Ａ）でも回折曲線がきれいに測定でき、回折角２θの決定が十分可能である。
【００４６】
このように，透過型回転ひずみスキャニング法は表面効果の補正ができることに加え、粗大粒の測定にも有利であることが明らかである。
【００４７】
このように本実施例では、請求項１に対応して、被測定物たる試験片２４の一側面たる表面２４Ａに測定波たるＸ線を照射し、試験片２４を透過した回折測定波たる回折Ｘ線の回折角２θから試験片２４のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、試験片２４の表面２４Ａに所定の光束のＸ線を照射する照射手段たるＸ線照射装置１０と、試験片２４を回折透過した回折Ｘ線を検出する検出手段たるＸ線検出装置２０と、試験片２４をＸ線照射装置１０側に移動する移動手段たる移動装置４と、試験片２４を回転する回転手段たる回転装置３と、Ｘ線検出装置２０で検出される回折Ｘ線を、試験片２４中及び／又はその近傍に設定される測定領域から回折された回折Ｘ線に制限する制限手段たる受光スリット１６，１８とを備えたから、従来、試験片２４の表面側では、所謂、表面効果により、検出される回折ピークがシフトし、見かけ上のひずみが測定され、測定誤差を生じるが、本測定装置では、回折Ｘ線の測定中に試験片２４をゲージ体積の中心Ｓを回転中心して回転するようにすることにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００４８】
また、このように本実施例では、制限手段が、被測定物たる試験片２４と検出手段たるＸ線検出装置２０の間に配置され、試験片２４からＸ線検出装置２０に向かう回折測定波たる回折Ｘ線の一部を遮断する第１遮断部材たる受光スリット１６と、この受光スリット１６とＸ線検出装置２０の間に配置され、受光スリット１６を通過した回折Ｘ線の一部をさらに遮断する第２遮断部材たる受光スリット１８とを有するから、Ｘ線検出装置２０で検出される回折Ｘ線は、受光スリット１６，１８によってより制限され、回折測定波の発散による影響を低減することができる。特に、受光スリット１６，１８が光軸方向に離間して配置されると、光軸と略平行な回折Ｘ線のみが検出手段で検出される。
【００４９】
また、このように本実施例では、請求項２に対応して、被測定物たる試験片２４の一側面たる表面２４Ａに測定波たるＸ線を照射し、試験片２４の背面２４Ｂを透過した回折Ｘ線の回折角２θから試験片２４のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、被測定物たる試験片２４を保持する保持部たるＺ軸ステージ１と、Ｚ軸ステージ１に保持された試験片２４に所定の光束のＸ線を照射するＸ線照射装置１０と、試験片２４から透過回折された回折Ｘ線を検出するＸ線検出装置２０と、Ｚ軸ステージ１とＸ線検出装置２０との間に配置され、試験片２４から透過回折された回折Ｘ線の一部を通過させる第１スリットたる受光スリット１６と、この受光スリット１６とＸ線検出装置２０との間に配置され、受光スリット１６を通過した回折Ｘ線の一部を通過させてＸ線検出装置２０に導く第２スリットたる受光スリット１８と、試験片２４をＸ線照射装置１０側に移動する移動装置４と、試験片２４へのＸ線の入射角を変更するためにＺ軸ステージ１を回転する回転装置３と、移動装置４及び回転装置３による試験片２４の位置変更（向きの変更を含む）に応じて受光スリット１６，１８及びＸ線検出装置２０を移動させる受光側駆動装置６と、Ｘ線照射装置１０，Ｘ線検出装置２０，移動装置４，回転装置３及び受光側駆動手段６を制御する制御手段とを備えるから、試験片２４を保持するＺ軸ステージ１がＸ線照射装置１０側に移動し、且つ公称ゲージ体積の中心Ｓを回転中心にして試験片２４を回転し、測定位置を変更することができ、測定位置を変更すると、それに応じて受光側駆動手段６が作動し、試験片２４から透過回折される回折Ｘ線を検出可能な位置にＸ線検出装置２０と受光スリット１６，１８が移動する。
【００５０】
そして、Ｘ線回折の測定中に試験片２４をゲージ体積中心で回転するようにすることにより、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００５１】
また、このように本実施例では、請求項３に対応して、被測定物たる試験片２４の一側面たる表面２４Ａに測定波たるＸ線を照射し、試験片２４を透過した回折測定波たる回折Ｘ線の回折角２θから試験片２４のひずみを測定する回折法によるひずみ測定方法であって、試験片２４を移動及び回転する測定位置変更工程と、前記測定位置変更工程により測定位置を変更した試験片２４に所定の光束の測定波を照射する照射工程と、試験片２４中及び／又はその近傍に設定される測定領域から透過回折された回折測定波たる回折Ｘ線を検出する検出工程とを備え、照射された所定の光束のＸ線による公称ゲージ体積の中心Ｓを回転中心にして試験片２４を回転するから、表面効果の影響をキャンセルし、正確な測定が可能となる。また、合わせて、揺動効果が得られ、さらに、粗大粒の正確な測定が可能となる。
【００５２】
また、実施例上の効果として、制御手段７は、回転装置３，移動装置４及び受光側駆動装置６を駆動して試験片２４への入射角を変更しながらＸ線照射装置１０からＸ線を照射させると共にＸ線検出装置１０に試験片２４から透過回折されたＸ線を検出させ、これにより得られた「入射角−Ｘ線強度」の関係からＸ線の回折角２θを特定することができる。
【００５３】
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では、シンクロトロン放射光源による高エネルギー放射光Ｘ線を、測定波として用いたが、他に中性子線等のエネルギー波を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例１を示すひずみ測定装置の要部の側面図である。
【図２】同上、往路と復路における被測定物とゲージ体積との方位関係を示す説明図である。
【図３】同上、往路と復路とで測定した回折角の値を示すグラフ図である。
【図４】同上、ひずみ測定装置の要部の側面図である。
【図５】同上、ひずみ測定装置の要部の平面図である。
【図６】同上、制御手段回りのブロック図である。
【図７】同上、透過型回転ひずみスキャニング用ステージの斜視図である。
【図８】同上、回折角の値を示すグラフ図である。
【図９】同上、Ｘ線強度と回折角と深さの関係を示すグラフ図であり、図９（ａ）は従来のひずみスキャニング法、図９（ｂ）は透過型回転スキャニング法によるものである。
【図１０】同上、ダブルスリットの光学系を説明する説明図である。
【図１１】同上、ダブルスリットの光学系を示す概略説明図である。
【図１２】同上、発散スリットと２つの受光スリットにより形成される光学系を示す概略説明図である。
【図１３】同上、図１１のゲージ体積の部分を拡大した概略説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ Ｚ軸ステージ（保持部）
２ 回転ステージ
３ 回転装置（回転手段）
４ 移動装置（移動手段）
５ スリップリング
６ 受光側駆動装置
７ 制御手段
１０ Ｘ線照射装置（照射手段）
１２ 発散スリット
１６ 受光スリット（第１遮蔽手段・第１スリット）
１８ 受光スリット（第２遮蔽手段・第２スリット）
２０ Ｘ線検出装置（検出手段）
２４ 試験片（被測定物）
Ｓ 中心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、
前記被測定物の一側面に所定の光束の測定波を照射する照射手段と、
前記被測定物を回折透過した回折測定波を検出する検出手段と、
前記被測定物を前記照射手段側に移動する移動手段と、
前記被測定物を回転する回転手段と、
前記検出手段で検出される回折測定波を、被測定物中及び／又はその近傍に設定される測定領域から回折された回折測定波に制限する制限手段と、
を備えたことを特徴とする回折法によるひずみ測定装置。
【請求項２】
被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、
前記被測定物を保持する保持部と、
前記保持部に保持された被測定物に所定の光束のＸ線を照射するＸ線照射装置と、
前記被測定物から透過回折された回折Ｘ線を検出するＸ線検出装置と、
前記保持部と前記Ｘ線検出装置との間に配置され、被測定物から透過回折された回折Ｘ線の一部を通過させる第１スリットと、
前記第１スリットと前記Ｘ線検出装置との間に配置され、前記第１スリットを通過した回折Ｘ線の一部を通過させて前記Ｘ線検出装置に導く第２スリットと、
前記被測定物を前記Ｘ線照射装置側に移動する移動装置と、
前記被測定物へのＸ線の入射角を変更するために保持部を回転する回転装置と、
前記移動装置及び回転装置による被測定物の位置変更に応じて前記第１スリット，前記第２スリット及び前記Ｘ線検出装置を移動させる受光側駆動装置と、
前記Ｘ線照射装置，Ｘ線検出装置，移動装置，回転装置及び受光側駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする回折法によるひずみ測定装置。
【請求項３】
被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定方法であって、
前記被測定物を移動及び回転する測定位置変更工程と、
前記測定位置変更工程により測定位置を変更した前記被測定物に所定の光束の測定波を照射する照射工程と、
前記被測定物中及び／又はその近傍に設定される測定領域から透過回折された回折測定波を検出する検出工程と、
を備え、
照射された所定の光束のＸ線による公称ゲージ体積の中心を回転中心にして前記被測定物を回転することを特徴とする回折法によるひずみ測定方法。
【請求項１】
被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、
前記被測定物の一側面に所定の光束の測定波を照射する照射手段と、
前記被測定物を回折透過した回折測定波を検出する検出手段と、
前記被測定物を前記照射手段側に移動する移動手段と、
前記被測定物を回転する回転手段と、
前記検出手段で検出される回折測定波を、被測定物中及び／又はその近傍に設定される測定領域から回折された回折測定波に制限する制限手段と、
を備えたことを特徴とする回折法によるひずみ測定装置。
【請求項２】
被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定装置であって、
前記被測定物を保持する保持部と、
前記保持部に保持された被測定物に所定の光束のＸ線を照射するＸ線照射装置と、
前記被測定物から透過回折された回折Ｘ線を検出するＸ線検出装置と、
前記保持部と前記Ｘ線検出装置との間に配置され、被測定物から透過回折された回折Ｘ線の一部を通過させる第１スリットと、
前記第１スリットと前記Ｘ線検出装置との間に配置され、前記第１スリットを通過した回折Ｘ線の一部を通過させて前記Ｘ線検出装置に導く第２スリットと、
前記被測定物を前記Ｘ線照射装置側に移動する移動装置と、
前記被測定物へのＸ線の入射角を変更するために保持部を回転する回転装置と、
前記移動装置及び回転装置による被測定物の位置変更に応じて前記第１スリット，前記第２スリット及び前記Ｘ線検出装置を移動させる受光側駆動装置と、
前記Ｘ線照射装置，Ｘ線検出装置，移動装置，回転装置及び受光側駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする回折法によるひずみ測定装置。
【請求項３】
被測定物の一側面に測定波を照射し、被測定物を透過した回折測定波の回折角から被測定物のひずみを測定する回折法によるひずみ測定方法であって、
前記被測定物を移動及び回転する測定位置変更工程と、
前記測定位置変更工程により測定位置を変更した前記被測定物に所定の光束の測定波を照射する照射工程と、
前記被測定物中及び／又はその近傍に設定される測定領域から透過回折された回折測定波を検出する検出工程と、
を備え、
照射された所定の光束のＸ線による公称ゲージ体積の中心を回転中心にして前記被測定物を回転することを特徴とする回折法によるひずみ測定方法。
【図３】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図９】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図９】
【公開番号】特開２００９−８５７６７（Ｐ２００９−８５７６７Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５５７８２（Ｐ２００７−２５５７８２）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（３０４０２７２７９）国立大学法人 新潟大学 (310)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（３０４０２７２７９）国立大学法人 新潟大学 (310)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
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