特許 7587967 Ｘ線回折測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-13

(45)【発行日】2024-11-21

(54)【発明の名称】Ｘ線回折測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/20033 20180101AFI20241114BHJP

   G01T 7/00 20060101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

G01N23/20033

G01T7/00 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020193007

(22)【出願日】2020-11-20

(65)【公開番号】P2022081823

(43)【公開日】2022-06-01

【審査請求日】2023-10-03

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３１年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業 研究成果最適展開支援プログラム シーズ育成タイプ、「重要機械部品に対するＸ線を用いた高速高精度な全数検査技術の開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(73)【特許権者】

【識別番号】504160781

【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学

(74)【代理人】

【識別番号】100176072

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 功

(74)【代理人】

【識別番号】100169225

【弁理士】

【氏名又は名称】山野 明

(72)【発明者】

【氏名】乾 典規

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 敏彦

(72)【発明者】

【氏名】三井 真吾

【審査官】井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２４１３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０３５６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００６／０９５４３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平５－０６７８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１３３７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０１３１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】Toshihiko Sasaki et al.，“X-ray tri-axial stress analysis system using two monolithic SOI pixel detectors”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2020年07月，Vol. 979，P.164426

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２３／００－２３／２２７６

Ｇ０１Ｔ ７／００－ ７／１２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線回折測定装置であって、
前記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線出射器に対してＸ線の出射方向側に設けられており、前記測定対象物にて回折したＸ線を検出する検出センサが一面に設けられた基板と、
一方の面が前記基板における前記一面と反対の他面側に設けられ、前記一方の面と反対の他方の面に前記Ｘ線出射器が載置され、冷却水を流すための流路が内部に形成され、前記基板を冷却する冷却部材と、
前記冷却部材における前記他方の面に取り付けられ、前記一方の面側に延伸し、前記Ｘ線の出射範囲を調整するコリメータと、
を備え、
前記流路は、前記基板側から前記冷却部材側を半透明視したときに、前記検出センサの近傍を通過し且つ前記コリメータを囲うように形成されている、
Ｘ線回折測定装置。

【請求項2】

前記冷却部材は、熱伝導性を有するとともに電気伝導性を有し、
前記基板と前記冷却部材の間に挟まれて前記基板と前記冷却部材と接触し、電気的絶縁性及び熱伝導性を有する絶縁部材、
を更に備える請求項１に記載のＸ線回折測定装置。

【請求項3】

前記流路は、前記基板側から前記冷却部材側を半透明視したときに、前記検出センサを囲うように形成されている、
請求項１又は２に記載のＸ線回折測定装置。

【請求項4】

前記検出センサは、前記測定対象物にて回折したＸ線を検出するセンサ部と、検出したＸ線を電気信号に変換する回路部とが一体化されている、
請求項１乃至３の何れか１項に記載のＸ線回折測定装置。

【請求項5】

前記検出センサは、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)センサを含む、
請求項４に記載のＸ線回折測定装置。

【請求項6】

前記流路を一方の流路としたとき、
前記Ｘ線出射器には、冷却水を流すための他方の流路が形成されている、
請求項１に記載のＸ線回折測定装置。

【請求項7】

前記絶縁部材及び前記基板には、前記コリメータが突出する貫通穴が設けられている、
請求項２に記載の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、Ｘ線回折測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、Ｘ線出射器から測定対象物に対してＸ線を照射し、当該測定対象物で回折したＸ線を受光した検出センサの受光信号に基づき、当該測定対象物の残留応力等を測定するＸ線回折測定装置が知られている。

【0003】

これに関し、特許文献１には、Ｘ線出射器の温度を一定に保つために冷却装置を備えることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－１１３７３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、Ｘ線出射器の温度を一定に保っても、Ｘ線回折測定装置の測定結果にばらつきが生じるという問題があった。

【0006】

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、測定結果のばらつきを抑制できるＸ線回折測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

発明者らは、各種実験を通して、基板に設けられた検出センサの発する熱が、測定結果のばらつきの原因となることを見出した。特に、検出センサをＳＯＩ（Silicon on Insulator）センサ等、測定対象物にて回折したＸ線を検出するセンサ部と、検出したＸ線を電気信号に変換する回路部とが一体化したセンサにした場合、測定結果のばらつきが顕著であったため、これを冷却することで測定結果のばらつきを抑制することを検討した。

【0008】

具体的には、上記課題を解決するために、本発明の第一態様におけるＸ線回折測定装置は、測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線回折測定装置であって、測定対象物にて回折したＸ線を検出する検出センサが一面に設けられた基板と、前記基板における前記一面と反対の他面側に設けられ、冷却水を流すための流路が内部に形成され、前記基板を冷却する冷却部材と、を備える。

【0009】

また、本発明の第二態様におけるＸ線回折測定装置では、前記冷却部材は、熱伝導性を有するとともに電気伝導性を有し、前記基板と前記冷却部材の間に挟まれて前記基板と前記冷却部材と接触し、電気的絶縁性及び熱伝導性を有する絶縁部材、を更に備える。

【0010】

また、本発明の第三態様におけるＸ線回折測定装置では、前記流路は、前記基板側から前記冷却部材側を半透明視したときに、前記検出センサを囲うように形成されている。

【0011】

また、本発明の第四態様におけるＸ線回折測定装置では、前記検出センサは、前記測定対象物にて回折したＸ線を検出するセンサ部と、検出したＸ線を電気信号に変換する回路部とが一体化されている。

【0012】

また、本発明の第五態様におけるＸ線回折測定装置では、前記検出センサは、ＳＯＩ (Silicon on Insulator)センサを含む。

【0013】

また、本発明の第六態様におけるＸ線回折測定装置では、測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線出射器を更に備え、前記Ｘ線出射器は、前記冷却部材に載置されている。

【0014】

また、本発明の第七態様におけるＸ線回折測定装置では、前記流路を一方の流路としたとき、前記Ｘ線出射器には、冷却水を流すための他方の流路が形成されている。

【0015】

また、本発明の第八態様におけるＸ線回折測定装置では、前記冷却部材において前記絶縁部材とは反対側の面に取り付けられ、前記基板側に延伸し、前記Ｘ線の出射範囲を調整するコリメータ、を更に備える。

【0016】

また、本発明の第九態様におけるＸ線回折測定装置では、前記絶縁部材及び前記基板には、前記コリメータが突出する貫通穴が設けられている。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、測定結果のばらつきを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】Ｘ線回折測定システムの全体構成の一例を示す図である。

【図2】Ｘ線回折測定装置の一部構成の一例を示す図である。

【図3】図２に示すＸ線回折測定装置の分解図である。

【図4】図２に示すＸ線回折測定装置の底面図である。

【図5】図４に示す底面図の一部拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

【0020】

＜全体構成＞
図１は、Ｘ線回折測定システム１の全体構成の一例を示す図である。
図１に示すように、Ｘ線回折測定システム１は、例えば、Ｘ線回折測定装置１０と、扉ボックスＢと、貯留タンク１２と、コンピュータ１４と、を備える。なお、図１では、Ｘ線回折測定装置１０の図示は簡略化している。

【0021】

Ｘ線回折測定装置１０は、歯車やシャフト等の測定対象物に向けてＸ線を出射し、当該測定対象物から回折したＸ線の回折強度を測定する機能を有する。

【0022】

扉ボックスＢは、Ｘ線回折測定装置１０を取り囲んでいる。扉ボックスＢは、扉を有し、ユーザがその扉を開けることで測定対象物をＸ線回折測定装置１０にセットできる。

【0023】

貯留タンク１２は、冷却水を貯留可能に構成されている。なお、この貯留タンク１２は、複数存在してもよい。

【0024】

コンピュータ１４は、Ｘ線回折測定装置１０に接続され、当該Ｘ線回折測定装置１０を制御する機能を有する。また、コンピュータ１４は、Ｘ線回折測定装置１０から回折強度の測定結果（電気信号）を受信し、当該測定結果に基づき、測定対象物の構造や特性の分析・測定を行う。本実施形態では、測定結果に基づき、測定対象物の残留応力を分析・測定する。

【0025】

＜Ｘ線回折測定装置１０の構成＞
図２は、Ｘ線回折測定装置１０の一部構成の一例を示す図である。また、図３は、図２に示すＸ線回折測定装置１０の分解図である。
図２及び図３に示すように、Ｘ線回折測定装置１０は、例えば、管球２０と、コリメータ２２と、他方の流路としての第一冷却流路２４と、基板２６と、冷却部材２８と、絶縁部材３０と、を備える。

【0026】

管球２０は、Ｘ線を生成し、生成したＸ線を測定対象物に向けて出射するＸ線出射器としての機能を有する。この管球２０は、冷却部材２８に載置される。

【0027】

コリメータ２２は、冷却部材２８において絶縁部材３０とは反対側の面に取り付けられ（図３参照）、基板２６側に延伸し、管球２０によるＸ線の出射範囲を調整する機能を有する。このコリメータ２２の先端は、基板２６から下側に突出している（図２参照）。

【0028】

第一冷却流路２４には、貯留タンク１２に接続されており、不図示のポンプにより貯留タンク１２から吸い上げられた冷却水が循環している。これにより、第一冷却流路２４は、管球２０を冷却している。

【0029】

基板２６の一面（図２及び図３では下面）には、測定対象物にて回折したＸ線を検出する検出センサ４０が設けられている。検出センサ４０としては、測定対象物にて回折したＸ線を検出するセンサ部と、検出したＸ線を電気信号に変換する回路部とが一体化されているものが好ましい。このような検出センサ４０としては、例えば、ＳＯＩ (Silicon on Insulator)センサが挙げられる。

【0030】

図４は、図２に示すＸ線回折測定装置１０の底面図である。
図４に示すように、検出センサ４０は、基板２６の一面において左右に２つ設けられている。また、２つの検出センサ４０の間には、コリメータ２２が突出している。また、基板２６の一面には、検出センサ４０が変換した電気信号をコンピュータ１４に送信するためのコネクタ４２等が設けられている。

【0031】

図２及び図３に戻って、冷却部材２８は、基板２６における一面と反対の他面側（管球２０側）に設けられ、一方の流路として冷却水を流すための第二冷却流路３２が内部に形成され、基板２６を冷却する機能を有する。この第二冷却流路３２には、貯留タンク１２又は他の貯留タンクに接続されており、不図示のポンプにより貯留タンク１２から吸い上げられた冷却水が循環している。これにより、第二冷却流路３２は、冷却部材２８を冷却し、ひいては、絶縁部材３０を介して基板２６の検出センサ４０を冷却する。言い換えると、検出センサ４０の熱が、基板２６及び絶縁部材３０を介して冷却部材２８に移動して検出センサ４０を冷却する。

【0032】

図５は、図４に示す底面図の一部拡大図である。
図５に示すように、第二冷却流路３２は、基板２６側から冷却部材２８側を半透明視したときに、２つの検出センサ４０を囲うように形成されている。具体的には、冷却部材２８が直方体であるとき、第二冷却流路３２は、冷却部材２８の長手方向の一端から他端まで延伸する冷却流路３２Ａと、当該冷却流路３２Ａに接続され、冷却部材２８の短手方向の一端から他端まで延伸する冷却流路３２Ｂと、当該冷却流路３２Ｂに接続され、冷却部材２８の長手方向の他端から一端まで延伸する冷却流路３２Ｃと、を含む。そして、２つの検出センサ４０は、冷却流路３２Ａと、冷却流路３２Ｂと、冷却流路３２Ｃとに間で近接して設けられている。

【0033】

図２及び図３に戻って、冷却部材２８は、冷却性能を高めるという観点から、熱伝導性を有することが好ましい。具体的には、冷却部材２８は、水よりも高い熱伝導率を有することが好ましい。また、冷却部材２８は、石英ガラスよりも高い熱伝導率を有することが好ましい。また、冷却部材２８は、基板２６との接触面積を大きくするという観点から、板材であることが好ましい。また、冷却部材２８は、基板２６がショートすることを回避するため、電気伝導性を有さないことが好ましい。しかしながら、本実施形態では、冷却部材２８が、熱伝導性を有するだけでなく電気伝導性も有する銅板である場合を説明する。この場合、以下のように、基板２６と冷却部材２８の間に絶縁部材３０を設ける。

【0034】

絶縁部材３０は、基板２６と冷却部材２８の間に挟まれて基板２６と冷却部材２８とに接触し、電気的絶縁性及び熱伝導性を有する。このような絶縁部材３０としては、例えば、シリコンシートが挙げられる。なお、絶縁部材３０及び基板２６には、コリメータ２２が突出する貫通穴３０Ａ、２６Ａが設けられている。

【0035】

以上、図２及び図３に示すように、Ｘ線回折測定装置１０は、基板２６の上に、絶縁部材３０、冷却部材２８、及び、管球２０が順に積層された構成になっている。

【0036】

＜効果＞
以上、本実施形態では、測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線回折測定装置１０が、測定対象物にて回折したＸ線を検出する検出センサ４０が一面に設けられた基板２６と、基板２６における一面と反対の他面側に設けられ、冷却水を流すための流路が内部に形成され、基板２６を冷却する冷却部材２８と、を備える。
この構成によれば、検出センサ４０の駆動時に熱が発生しても、冷却部材２８により検出センサ４０が冷却されるので、検出センサ４０による測定結果のばらつきを抑えることができる。また、冷却部材２８が基板２６の他面側に設けられているため、検出センサ４０付近まで冷却部材２８を設けることができ、冷却効率を高めることができる。

【0037】

また、本実施形態では、冷却部材２８は、熱伝導性を有するとともに電気伝導性を有し、基板２６と冷却部材２８の間に挟まれて基板２６と冷却部材２８と接触し、電気的絶縁性及び熱伝導性を有する絶縁部材３０、を更に備える。
この構成によれば、熱伝導性を有する冷却部材２８が、熱伝導性を有する絶縁部材３０を介して基板２６を冷却することができるとともに、冷却部材２８が電気伝導性を有していても絶縁部材３０で絶縁されているので、検出センサ４０を含む基板２６の電子回路がショートすることを抑制することができる。また、直接、基板２６と冷却部材２８を接触させる場合に比べて、基板２６が結露することを抑制することができる。

【0038】

また、本実施形態では、第二冷却流路３２は、基板２６側から冷却部材２８側を半透明視したときに、検出センサ４０を囲うように形成されている。
この構成によれば、検出センサ４０の冷却効率を高めることができるので、検出センサ４０による測定結果のばらつきを一層抑えることができる。

【0039】

また、本実施形態では、検出センサ４０は、測定対象物にて回折したＸ線を検出するセンサ部と、検出したＸ線を電気信号に変換する回路部とが一体化されている。
この構成によれば、センサ部と回路部が一体化されているため検出センサ４０に熱が発生し易いが、冷却部材２８によって、検出センサ４０の発熱により生じる測定結果のばらつきを抑えることができる。

【0040】

また、本実施形態では、検出センサ４０は、ＳＯＩ (Silicon on Insulator)センサを含む。
この構成によれば、検出センサ４０に熱が一層発生し易いが、冷却部材２８によって、検出センサ４０の発熱により生じる測定結果のばらつきを抑えることができる。

【0041】

また、本実施形態では、測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線出射器（管球２０）を更に備え、管球２０は、冷却部材２８に載置されている。
この構成によれば、管球２０の位置を安定させることができる。

【0042】

また、本実施形態では、管球２０には、冷却水を流すための第一冷却流路２４が形成されている。
この構成によれば、管球２０を冷却させることができるとともに、冷却部材２８と接触している箇所から、管球２０側から検出センサ４０側に熱が伝わることを抑制できる。

【0043】

また、本実施形態では、冷却部材２８において絶縁部材３０とは反対側の面に取り付けられ、基板２６側に延伸し、Ｘ線の出射範囲を調整するコリメータ２２、を更に備える。
この構成によれば、冷却部材２８において絶縁部材３０側の面にコリメータ２２が取り付けられる場合と比べて、冷却部材２８と絶縁部材３０との密着性を高めることができるため、冷却効率を高めることができる。

【0044】

また、本実施形態では、絶縁部材３０及び基板２６には、コリメータ２２が突出する貫通穴３０Ａ、２６Ａが設けられている。
この構成によれば、コリメータ２２が電気伝導性を有していても、基板２６の電子回路がショートすることを回避することができる。また、左右に配置した検出センサ４０の中間からＸ線を照射することで、回折Ｘ線が形成する回折環の撮像範囲を拡大できる。

【0045】

＜変形例＞
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。すなわち、上記の実施形態に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。また、上記の実施形態及び後述する変形例が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

【0046】

例えば、上記実施形態では、基板２６に送風手段を設けていないが、基板２６が結露することを抑制するために送風手段を設けてもよい。特に、送風手段は、検出センサ４０が設けられた基板２６の一面に設けることが好ましい。更に、検出センサ４０に向けて送風手段を送風させることが好ましい。これにより、結露を抑制するだけでなく、検出センサ４０の冷却効率を一層高めることができる。

【0047】

また、上記実施形態では、絶縁部材３０の厚みについては言及していないが、冷却部材２８による基板２６の冷却効率を高めるため、薄くすることが好ましい。例えば、絶縁部材３０は、冷却部材２８及び基板２６より薄い方が好ましい。

【0048】

また、上記実施形態では、冷却部材２８が銅板である場合を説明したが、アルミニウム板や、シリコン板であってもよい。ここで、シリコン板のように、冷却部材２８が絶縁性を有している場合、絶縁部材３０を省略することもできる。ただし、基板２６の他面には、はんだ付け等により凹凸があり、それを吸収して基板２６との接触面積を高めるという観点から、柔軟性を有する部材を、基板２６と冷却部材２８の間に設けることが好ましい。

【符号の説明】

【0049】

１０：Ｘ線回折測定装置、２６：基板、２８：冷却部材、４０：検出センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】