JP6685078B2 - Ｘ線回折装置およびｘ線回折装置駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線回折技術を用いて、部位の強度関連特性を測定する装置および方法、特に、部位の様々な位置で強度関連特性を測定する装置および方法に関する。

金属やセラミック材料等の結晶物質における残留応力を測定するのにＸ線回折技術を用いることは周知されている。一般的に、Ｘ線回折は、材料にＸ線を放射して、得られた検知Ｘ線回折ピークを読み取って、部位材料の応力、残留オーステナイトおよび硬度等の強度関連特性を測定するものである。Ｘ線回折機器の中には、部位の十分な数の位置について測定をして、そこから情報が得られるよう、部位の周囲を動くＸ線ヘッドを有するものがある。

例えば、従来のＸ線回折機器のＸ線回折ヘッドは、付随コリメータ管を有しており、Ｘ線はその下端から分析部位に向かって放出される。Ｘ線回折ヘッドは、Ω軸周囲を旋回して、部位の分析中、χ軸周囲の弓形経路で動く。Ωおよびχ軸は、コリメータ管の遠位端で互いに垂直に交差する。しかしながら、これらの従来のＸ線回折機器は、Ωおよびχ軸周囲でＸ線ヘッドを移動させるために、複雑な駆動構造を用いている。複雑な構造であると、Ｘ線回折ヘッドをΩおよびχ軸周囲で所望どおり移動させるには、Ｘ線回折機器によって分析可能な部位のサイズが限定されてしまう。

本発明は概して、分析可能な部位のサイズを限定しないＸ線回折装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係るＸ線回折装置は、Ｘ線ヘッドと、前記Ｘ線ヘッドを支持するフレームと、前記Ｘ線ヘッドを第１の軸の周囲で移動させるよう構成された前記フレームの第１の駆動機構と、前記Ｘ線ヘッド、前記第１の駆動機構および前記第２の駆動機構を、前記第１の軸に略垂直な第２の軸の周囲で同時に移動させるよう構成された前記フレームの第２の駆動機構とを具備する。

本発明の他の形態に係るＸ線回折装置は、ある曲率半径を有する長尺状の弓形ガイド部材と、前記弓形ガイド部材の前記曲率半径の中心を通る所定のガイド軸の周囲を移動する前記弓形ガイド部材にマウントされたキャリッジと、前記キャリッジにマウントされたＸ線ヘッドと、前記キャリッジにマウントされ、前記ガイド軸に略垂直な所定のＸ線ヘッド軸の周囲で前記Ｘ線ヘッドを移動させる第１の駆動機構と、前記ガイド軸の周囲で、前記キャリッジおよびそれにマウントされた前記Ｘ線ヘッドを駆動するよう構成された第２の駆動機構とを具備する。

本発明のまた別の形態に係るＸ線回折装置は、横軸の周囲に延在する長尺状の弓形ガイド部材と、前記弓形ガイド部材にマウントされ、当該弓形ガイド部材に沿って移動可能なキャリッジと、前記弓形ガイド部材の１つの側面から横方向に前記キャリッジにマウントされたＸ線ヘッドと、前記キャリッジにマウントされ、前記横軸に略垂直なＸ線ヘッド軸の周囲で、前記Ｘ線ヘッドを駆動させるよう構成された駆動機構とを具備する。

本発明の他の形態に係るＸ線回折装置駆動方法は、第１のモータの駆動によりＸ線ヘッドを第１の軸の周囲で移動させ、第２のモータの駆動により前記Ｘ線ヘッド、前記第１のモータおよび前記第２のモータを前記第１の軸に略垂直な第１の軸の周囲で移動させる。

他のそれぞれの特徴が以下の説明により明らかになるであろう。

Ｘ線回折機器のコンパートメント内に配置されたＸ線回折装置を有するＸ線回折設備の斜視図である。 コンパートメントテーブルに固定された装置の搭載部分を示す図１のＸ線回折装置の斜視図である。 弓形ラックに沿って移動するよう構成されたキャリッジにマウントされた装置のＸ線ヘッドを示す図２のＸ線回折装置の斜視図である。 弓形ラックと係合するキャリッジの駆動ギアおよびローラを示す図２のＸ線回折装置の斜視図である。 コンパートメントテーブルに略平行に、ゼロ度の角度に、Ｘ線回折ヘッドの回転のΩ軸を向ける弓形ラックに沿った位置のキャリッジを示す図２のＸ線回折装置の正面図である。 コンパートメントテーブルに対してマイナス４５度の角度で延在するようΩ軸を向けるラックに沿って動くキャリッジを示す図５と同様の正面図である。 コンパートメントテーブルに対してプラス４５度の角度で延在するようΩ軸を向けるラックの反対の端部に沿って動くキャリッジを示す正面図である。 ラックから外側に延在するキャリッジを示す図２のＸ線回折装置の側面図である。

一態様によれば、Ｘ線回折ヘッドと、当該Ｘ線回折ヘッドを支持するフレームと、当該フレームに設けられた一対の駆動機構とを有するＸ線回折装置が提供される。一対の駆動機構は、当該一対の駆動機構により画定される各第１および第２の軸周囲にＸ線回折ヘッドを旋回させるよう構成される。フレームは、一方の駆動機構が第１の軸周囲のＸ線回折ヘッドを旋回させる動作により、第１の軸周囲の両方の駆動機構を旋回させるように構成されている。

一形態において、フレームは、第１の軸が交差する回転中心を有する弓形ガイドを有する。フレームは、キャリッジ等の駆動フレームを有する。駆動フレームは、弓形ガイドに接続され、Ｘ線回折ヘッドと、当該駆動フレームにマウントされた両駆動機構を有する。駆動機構の一方は、キャリッジを弓形ガイドに沿って駆動させるよう構成されており、これにより、弓形ガイドに沿って第１の軸の周囲を両駆動機構が動く。第１の軸はＸ線回折装置のχ軸、第２の軸はＸ線回折装置のΩ軸であってよい。

図１および２を参照すると、Ｘ線回折装置１４を収容する密閉コンパートメント１２を有するＸ線回折設備１０が図示されている。Ｘ線回折設備１０は、従来のＸ線回折設備よりも大きな部位を分析することができる。Ｘ線回折装置１４は、分析する部位に対する空間的な制限が少ないからである。

具体的には、Ｘ線回折装置１４は、長尺状のＸ線回折ヘッド２０を有している。当該Ｘ線回折ヘッド２０はコリメータ２２およびその遠位端２４を有し、分析している部位にＸ線を照射する。装置１４は、Ｘ線回折ヘッド２０を支持するフレーム３０を有する。フレーム３０により、装置１４の側部には、従来の機器の部位受入エリアよりも大きな拡大された部位受入エリア３２が形成されている。フレーム３０は、部位受入エリア３２に部位をロードおよびアンロードするための開放通路３４を与える。さらに、従来のＸ線回折機器のフレームは、コンパートメント内において、オペレータが大きな部位をロードするのを妨げる程度のスペースを占めていたが、フレーム３０は、それよりもコンパートメント１２内に占めるスペースが少なくて済む。

フレーム３０は、機器コンパートメント１２のテーブル４２に固定された基部取付け部４０と、コンパートメント１２内で基部取付け部４０から起立する、比較的狭い、または細い幅の支持部４４を有する。支持部４４は、図３および８に示すとおり、Ｘ線回折ヘッド２０の回転χ軸５２上に存在する回転中心７０の周囲で湾曲している弓形ラック５０を有する。フレーム３０は、ラック５０と回転中心７０間の距離７２を小さくするように構成されていて、図８に示すとおり、コンパートメント１２内の装置１４の奥行寸法７４を最小にすることができる。

図３を参照すると、フレーム３０は、Ｘ線ヘッド２０を、χ軸５２周囲および弓形ラック５０に沿って揺動させるための調節可能なマウント５４を有する。調節可能なマウント５４は、駆動機構６２を備えたキャリッジ６０を有している。駆動機構６２は、弓形ラック５０に沿ってキャリッジ６０を移動させるように動作する。一形態において、駆動機構６２は、弓形ラック５０に沿ってキャリッジ６０を選択的に進めるためのラック・アンド・ピニオン機構を有する。

図３に示すとおり、フレーム３０は、第２の調節可能なマウント８０を有する。第２の調節可能なマウント８０は、回転中心７０で、χ軸５２と垂直に交差するΩ軸９０周囲で、Ｘ線ヘッド２０を揺動させる。第２の調節可能なマウント８０は、Ｘ線ヘッド２０がマウントされたブラケット８４に結合された駆動機構８２を有する。駆動機構８２は、モータ８５を有していてもよい。モータ８５は、スクリュードライブ８６を回転させ、Ω軸９０周囲の略中央にあるＸ線ヘッド２０を回転させるよう構成された歯車装置を駆動する。

図４を参照すると、キャリッジ６０は、Ω軸駆動機構８２がマウントされた支持プレート１００およびχ軸駆動機構６２がマウントされた伝達プレート１０２を有する。このように、キャリッジ６０には、χ軸駆動機構６２とΩ軸駆動機構８２の両方がマウントされている。このようにすると、駆動機構６２または８２あるいはそのための支持構造のいずれも、Ｘ線ヘッド２０の軸５２および９０周囲の実質的に全ての回転運動を妨げることがなく、Ｘ線ヘッド２０により、歯車の歯等、複雑な幾何形状の部位のＸ線回折測定を行うことができる。

特に、χ軸駆動機構６２は、伝達プレート１０２に固定されたモータ１１０を有しており、そこから駆動シャフト１１２が延在している。χ軸駆動機構６２は、駆動シャフト１１２に固定された駆動ギア１１４を有し、弓形ラック５０は、それに沿って配置された駆動ギア１１４と係合するよう構成された外側ギア歯１２０を有する。

図４を参照すると、ラック５０は、放射状に内側に延在するレール１３２を備えた内側部分１３０と、ギア歯１２０から側方に外側放射状に配置された放射状に外側に延在するレール１３６を備えた外側部分１３４とを有する。χ軸駆動機構６２は、レール１３２、１３６に沿って係合および移動するよう構成されており、それにより、キャリッジ６０がラック５０周囲をねじれて動くのを抑え、χ軸５２に対して、長尺状のＸ線回折ヘッド２０の実質的に垂直な配向を維持する。

図３を参照すると、ラック５０は、内側および外側表面１４２、１４４を備えた矩形本体部１４０と、内側および外側表面１４２、１４４から延在するレール１３２、１３４とを有する。一形態において、ラックギア歯１２０は、表面１４４に形成され、キャリッジ６０の駆動ギア１１４と係合するよう構成されている。

図４を参照すると、キャリッジ６０は、ラック５０の対向する両側部に、伝達プレート１０２に回転可能にマウントされた組になった溝付きローラ１５０を有する。ローラ１５０は、周方向チャネルまたは溝１５２を有している。周方向チャネルまたは溝１５２は、レール１３２、１３４を受けて、キャリッジ６０をラック５０の内側および外側部分１３０、１３４と係合させるよう構成される。ローラ１５０と、ラック５０の内側および外側部分１３０、１３４との係合によって、キャリッジ６０の、χ軸５２周囲をラック５０に沿って揺動する弓形の動きが規定される。

図５〜７に、キャリッジ６０およびそこにマウントされたＸ線ヘッド２０の動きを示す。図５を参照すると、χ軸周囲のゼロ度位置におけるラック５０の中心部１５９に配置されたキャリッジ６０が示されており、Ω軸駆動機構８２により画定されるΩ軸９０は、コンパートメントテーブル４２に略平行に延在するよう方向付けられている。Ｘ線回折ヘッド２０をχ軸５２周囲で移動させるために（図３および８参照）、χ軸駆動機構６２は、駆動ギア１１４を回転させ、キャリッジ６０をラック５０の下端部１６０に移動させるように動作する。図６に示すとおり、弓形ラック５０によって、キャリッジ６０およびそれに連結されたΩ軸駆動機構８２は、駆動機構８２により画定されたΩ軸が、マイナス４５度の角度で延在するよう方向付けられる。χ軸駆動機構６２はまた、図７に示すとおり、駆動ギア１１４を逆方向に回転させて、キャリッジ６０をラック５０の上部分１６２に方向付けて移動させるように動作する。この位置で、弓形ラック５０により、キャリッジ６０およびそれに連結されたΩ軸駆動機構８２は、Ω軸がコンパートメントテーブル４２に対してプラス４５度の角度で延在するように方向付けられる。

本発明の特定の実施形態を例示および記載してきたが、当然のことながら、数多くの変更および修正を当業者であれば行え、こうした変更および修正は全て本発明の思想および範囲に含まれるものとする。

Claims (32)

1. Ｘ線ヘッドと、
   前記Ｘ線ヘッドを支持するフレームと、
   前記Ｘ線ヘッドを第１の軸の周囲で移動させるよう構成された前記フレームの第１の駆動機構と、
   前記第１の軸を横切る方向にＸ線を照射するよう構成された前記Ｘ線ヘッドのコリメータと、
   前記フレームの第２の駆動機構であって、前記Ｘ線ヘッド、前記第１の駆動機構および前記第２の駆動機構を、前記第１の軸に略垂直な第２の軸の周囲で共に移動させるよう構成された第２の駆動機構と
   を具備するＸ線回折装置。
2. 請求項１に記載のＸ線回折装置であって、
   前記フレームは、前記第２の軸周囲に延在する弓形ガイド部材を有し、
   前記第２の駆動機構は、前記Ｘ線ヘッド、前記第１の駆動機構および前記第２の駆動機構を同時に前記弓形ガイド部材に沿って移動するよう構成される
   Ｘ線回折装置。
3. 請求項１に記載のＸ線回折装置であって、
   前記フレームは、弓形ガイド部材と、前記弓形ガイド部材に沿って移動するように構成されたキャリッジとを有し、
   前記Ｘ線ヘッドは、前記キャリッジにマウントされる
   Ｘ線回折装置。
4. 請求項３に記載のＸ線回折装置であって、
   前記第２の駆動機構は、前記キャリッジおよびそれにマウントされたＸ線ヘッドを前記弓形ガイド部材に沿って駆動するように構成される
   Ｘ線回折装置。
5. 請求項３に記載のＸ線回折装置であって、
   前記第１の駆動機構および第２の駆動機構は、前記キャリッジにマウントされており、前記弓形ガイド部材に沿って移動可能である
   Ｘ線回折装置。
6. 請求項１に記載のＸ線回折装置であって、
   前記フレームは、ラックを有し、
   前記第２の駆動機構は、前記ラックと係合した回転可能な駆動部材を有し、
   前記Ｘ線ヘッド、第１の駆動機構および第２の駆動機構は、前記駆動部材の回転によって、前記ラックに沿って駆動される
   Ｘ線回折装置。
7. 請求項１に記載のＸ線回折装置であって、
   前記フレームは、ガイド部材と、前記ガイド部材に接続され、前記ガイド部材の片側に沿って移動し前記ガイド部材の片側へ延在するキャリッジとを有し、
   前記Ｘ線ヘッドは、前記ガイド部材の片側で前記ガイド部材から間隔をあけて前記キャリッジにマウントされる
   Ｘ線回折装置。
8. 請求項７に記載のＸ線回折装置であって、
   前記第１の駆動機構は、前記ガイド部材の片側で前記ガイド部材から間隔をあけて前記キャリッジにマウントされる
   前記Ｘ線回折装置。
9. 請求項１に記載のＸ線回折装置であって、
   前記フレームは、ガイド部材と、キャリッジとを有し、
   前記キャリッジは、
   当該キャリッジにマウントされた前記Ｘ線ヘッドならびに第１および第２の駆動機構と共に、前記ガイド部材に沿って移動可能であり、
   前記ガイド部材に係合し前記第２の駆動機構の駆動により前記ガイド部材に沿って当該キャリッジを回転駆動させるローラアセンブリを有する
   Ｘ線回折装置。
10. 請求項９に記載のＸ線回折装置であって、
    前記ガイド部材は、曲率半径を備えた弓形構成を有し、
    前記曲率半径の中心は、前記第２の軸と交差する
    Ｘ線回折装置。
11. 請求項１に記載のＸ線回折装置であって、
    前記フレームは、弓形ガイド部材と、キャリッジとを有し、
    前記第１の駆動機構は、前記キャリッジにマウントされ、
    前記キャリッジは、複数の所定の位置まで移動するために前記弓形ガイド部材に接続され、
    前記複数の所定の位置は、
    前記第１の軸が水平軸に関してプラス４５度の角度となるように、前記キャリッジが前記ガイド部材に沿って移動される上位置と、
    前記第１の軸が水平軸に関してゼロ度の角度となるように、前記キャリッジが前記ガイド部材に沿って移動される中間位置と、
    前記第１の軸が水平軸に関してマイナス４５度の角度となるように、前記キャリッジが前記ガイド部材に沿って移動される下位置とを含む
    Ｘ線回折装置。
12. 請求項１に記載のＸ線回折装置であって、
    前記第１の軸は、前記Ｘ線回折装置のΩ軸であり、
    前記第２の軸は、前記Ｘ線回折装置のχ軸である
    Ｘ線回折装置。
13. 請求項１に記載のＸ線回折装置であって、
    前記フレームは、一定の曲率半径を有する弓形ガイド部材と、前記弓形ガイド部材に沿って移動するよう構成された前記Ｘ線ヘッドを有するキャリッジとを有する
    Ｘ線回折装置。
14. ある曲率半径を有する弓形ガイド部材と、
    前記弓形ガイド部材の前記曲率半径の中心を通る所定のガイド軸の周囲を移動する前記弓形ガイド部材にマウントされたキャリッジと、
    前記キャリッジにマウントされたＸ線ヘッドと、
    前記キャリッジにマウントされ、前記Ｘ線ヘッドを前記キャリッジに対して異なる位置に移動させることを可能にする前記ガイド軸に略垂直な所定のＸ線ヘッド軸の周囲で前記Ｘ線ヘッドを前記キャリッジに対して移動させる第１の駆動機構と、
    前記キャリッジにマウントされた第２の駆動機構であって、前記弓形ガイド部材に沿って、前記ガイド軸の周囲で、前記キャリッジ、前記Ｘ線ヘッド及び当該第２の駆動機構を共に駆動するよう構成された第２の駆動機構と
    を具備するＸ線回折装置。
15. 請求項１４に記載のＸ線回折装置であって、
    前記キャリッジは、前記ガイド部材に係合し、前記第２の駆動機構の駆動により前記ガイド部材に沿って当該キャリッジを回転駆動させるローラアセンブリを有する
    Ｘ線回折装置。
16. 請求項１４に記載のＸ線回折装置であって、
    前記キャリッジは、前記弓形ガイド部材の対向する両側部に前記弓形ガイド部材と係合した複数の回転可能な部材を有する
    Ｘ線回折装置。
17. 請求項１４に記載のＸ線回折装置であって、
    前記弓形ガイド部材は、ラックを有し、
    前記第２の駆動機構は、前記ラックと係合した回転可能な駆動部材を有し、当該駆動部材により、前記キャリッジを前記ガイド軸の周囲で駆動する
    Ｘ線回折装置。
18. 請求項１４に記載のＸ線回折装置であって、
    前記キャリッジおよび前記弓形ガイド部材のうち一方は、溝を有し、
    前記キャリッジおよび前記弓形ガイド部材の他方は、前記溝と係合するレールを有する
    Ｘ線回折装置。
19. 請求項１４に記載のＸ線回折装置であって、
    前記キャリッジおよび前記弓形ガイド部材のうち一方は、一対の溝を有し、
    前記キャリッジおよび前記弓形ガイド部材の他方は、前記弓形ガイド部材の対向する両側部に前記溝と係合する一対のレールを有する
    Ｘ線回折装置。
20. Ｘ線回折装置であって、
    横軸の周囲に延在する弓形ガイド部材と、
    前記弓形ガイド部材にマウントされ、当該弓形ガイド部材に沿って移動可能なキャリッジと、
    前記弓形ガイド部材の１つの側面から横方向に前記キャリッジにマウントされたＸ線ヘッドと、
    前記キャリッジにマウントされ、前記横軸に略垂直なＸ線ヘッド軸の周囲で、前記Ｘ線ヘッドを前記キャリッジに対して移動させるよう構成された駆動機構と、
    前記Ｘ線ヘッド軸に略垂直な方向にＸ線を照射するように構成された前記Ｘ線ヘッドのコリメータと
    を具備するＸ線回折装置。
21. 請求項２０に記載のＸ線回折装置であって、
    前記駆動機構は、前記弓形ガイド部材の前記１つの側面から横方向に前記キャリッジにマウントされる
    Ｘ線回折装置。
22. 請求項２０に記載のＸ線回折装置であって、
    前記キャリッジにマウントされ、前記弓形ガイド部材に沿って前記キャリッジを移動させるよう構成された他の駆動機構をさらに具備する
    Ｘ線回折装置。
23. 請求項に２２記載のＸ線回折装置であって、
    前記他の駆動機構は、前記弓形ガイド部材の前記１つの側面から横方向に前記キャリッジにマウントされる
    Ｘ線回折装置。
24. 請求項２０に記載のＸ線回折装置であって、
    前記駆動機構は、前記Ｘ線ヘッドよりも遠くに、前記弓形ガイド部材から横方向に配置されたモータを有する
    Ｘ線回折装置。
25. 請求項２０に記載のＸ線回折装置であって、
    前記キャリッジは、前記弓形ガイド部材の片側に面する第１の側と、前記弓形ガイド部材の前記片側には向いていない第２の側とを有する伝達プレートを有し、
    前記Ｘ線ヘッドは、前記伝達プレートの前記第２の側にマウントされる
    Ｘ線回折装置。
26. 請求項２０に記載のＸ線回折装置であって、
    前記キャリッジは、前記弓形ガイド部材に沿って当該キャリッジを回転駆動させるローラアセンブリを有する
    Ｘ線回折装置。
27. 第１のモータの駆動によりＸ線ヘッドを第１の軸の周囲で移動させ、
    第２のモータの駆動により前記Ｘ線ヘッド、前記第１のモータおよび前記第２のモータを共に前記第１の軸に略垂直な第２の軸の周囲で弓形ガイド部材に沿って移動させる
    Ｘ線回折装置駆動方法。
28. 請求項２７に記載のＸ線回折装置駆動方法であって、
    前記第２のモータの駆動は、前記Ｘ線ヘッドおよび前記第１のモータを、前記弓形ガイド部材に沿って搬送するキャリッジを移動させることを含む
    Ｘ線回折装置駆動方法。
29. 第１のモータの駆動によりＸ線ヘッドを第１の軸の周囲で移動させ、
    第２のモータの駆動により前記Ｘ線ヘッド、前記第１のモータおよび前記第２のモータを共に前記第１の軸に略垂直な第２の軸の周囲で移動させ、
    前記第２のモータの駆動は、ラックと係合する駆動部材を回転させ、前記Ｘ線ヘッド、第１のモータおよび第２のモータを、前記ラックに沿って駆動することを含む
    Ｘ線回折装置駆動方法。
30. 請求項２７に記載のＸ線回折装置駆動方法であって、
    前記第２のモータの駆動は、前記Ｘ線ヘッド、第１のモータおよび第２のモータを、前記第１の軸が水平軸に関して略プラス４５度の角度となる上位置まで移動させることを含む
    Ｘ線回折装置駆動方法。
31. 請求項２７に記載のＸ線回折装置駆動方法であって、
    前記第２のモータの駆動は、前記Ｘ線ヘッド、第１のモータおよび第２のモータを、前記第１の軸が水平軸に関して略ゼロ度の角度となる中間位置まで移動させることを含む
    Ｘ線回折装置駆動方法。
32. 請求項２７に記載のＸ線回折装置駆動方法であって、
    前記第２のモータの駆動は、前記Ｘ線ヘッド、第１のモータおよび第２のモータを、前記第１の軸が水平軸に関して略マイナス４５度の角度となる下位置まで移動させることを含む
    Ｘ線回折装置駆動方法。