(57)【要約】  受光部３は、反射光をＳ偏光とＰ偏光とに分離する偏光分離部３２と、偏光分離部３２によって分離されたＳ偏光を検出し、検出されたＳ偏光の強度を示す電気信号を出力部４に出力するＳ偏光検出部３４と、偏光分離部３２によって分離されたＰ偏光を検出し、検出されたＰ偏光の強度を示す電気信号を出力部４に出力するＰ偏光検出部３３と、を備える。出力部４は、Ｓ偏光検出部３４及びＰ偏光検出部３３から出力された電気信号を用いてＳ偏光とＰ偏光との強度比から吸光度を算出し、任意の波数における吸光度の強度を用いて測定対象物Ｐの表面の組成及び／又は組成比を算出する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に対して赤外光を投光する投光部と、
前記測定対象物の表面で反射された前記赤外光を反射光として受光する受光部と、
前記受光部によって受光された反射光を用いて前記測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を算出する出力部と、を備え、
前記受光部は、
前記反射光をＳ偏光とＰ偏光とに分離する分離手段と、
前記分離手段によって分離されたＳ偏光を検出し、検出されたＳ偏光の強度を示す電気信号を前記出力部に出力するＳ偏光用検出手段と、
前記分離手段によって分離されたＰ偏光を検出し、検出されたＰ偏光の強度を示す電気信号を前記出力部に出力するＰ偏光用検出手段と、を備え、
前記出力部は、
前記Ｓ偏光用検出手段及び前記Ｐ偏光用検出手段から出力された電気信号を用いてＳ偏光とＰ偏光との強度比から吸光度を算出し、任意の波数における吸光度の強度を用いて前記測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を算出する
ことを特徴とする分光分析装置。
【請求項２】
前記測定対象物の赤外光の投光位置と分光測定装置との間の距離を測定する距離測定部を備え、
前記出力部は、前記距離測定部の測定値に応じて前記吸光度を補正することを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
【請求項３】
測定対象物に対して赤外光を投光する投光ステップと、
前記測定対象物の表面で反射された前記赤外光を反射光として受光する受光ステップと、
前記受光ステップにおいて受光された反射光を用いて前記測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を算出する出力ステップと、を含み、
前記受光ステップは、
前記反射光をＳ偏光とＰ偏光とに分離する分離ステップと、
前記分離ステップにおいて分離されたＳ偏光を検出し、検出されたＳ偏光の強度を示す電気信号を出力するＳ偏光用検出ステップと、
前記分離ステップにおいて分離されたＰ偏光を検出し、検出されたＰ偏光の強度を示す電気信号を出力するＰ偏光用検出ステップと、を含み、
前記出力ステップは、
前記Ｓ偏光用検出ステップ及び前記Ｐ偏光用検出ステップにおいて出力された電気信号を用いてＳ偏光とＰ偏光との強度比から吸光度を算出し、任意の波数における吸光度の強度を用いて前記測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を算出するステップを含む
ことを特徴とする分光分析方法。
【請求項４】
鋼帯を製造する製造ステップと、
請求項３に記載の分光分析方法を用いて前記製造ステップにおいて製造された鋼帯の表面の組成及び／又は組成比を分析する分析ステップと、
を含むことを特徴とする鋼帯の製造方法。
【請求項５】
請求項３に記載の分光分析方法を用いて鋼帯の表面の組成及び／又は組成比を分析する分析ステップと、
前記分析ステップで得られた分析結果から前記鋼帯の品質保証を行う品質保証ステップと、
を含むことを特徴とする鋼帯の品質保証方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を分析する分光分析装置、分光分析方法、鋼帯の製造方法、及び鋼帯の品質保証方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、測定対象物の表面の組成を分析する方法が記載されている。具体的には、特許文献１に記載の方法は、入射面に対し平行に偏光されたＰ偏光と入射面に対し垂直に偏光されたＳ偏光とを測定対象物の表面に入射し、それらの反射スペクトルの強度比を測定する。そして、特許文献１に記載の方法は、測定された強度比を予め標準試料について測定したＰ偏光による反射スペクトルとＳ偏光による反射スペクトルとの強度比で除算することにより、測定対象物の表面の組成を分析する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６３７１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の方法では、金ミラーをリファレンスとして入射面におけるＳ偏光の反射率がほぼ１であると仮定し、Ｓ偏光の反射スペクトル強度はテーブルデータを参照している。すなわち、特許文献１に記載の方法は、実質的にＰ偏光の反射スペクトル強度の測定のみで強度比を算出している。このため、特許文献１に記載の方法によれば、Ｓ偏光の反射スペクトル強度が外乱によって変化した場合、強度比を精度よく算出できず、結果として、測定対象物の表面の組成を精度よく分析することができない。ここで、外乱としては、（１）リフトオフ変動や表面粗さ等に起因する測定対象物の反射輝度の変化、（２）光学系の途中パスにおけるＣＯ２や水蒸気等の雰囲気の変化、（３）ミラーの汚れや光源の輝度の変動、（４）測定対象物の振動や形状不良等を例示することができる。【０００５】
なお、Ｓ偏光の反射スペクトル強度を測定するために、Ｓ偏光の反射スペクトル強度の測定とＰ偏光の反射スペクトル強度の測定とを順に繰り返し行う測定シーケンスを用いることが考えられる。しかしながら、この測定シーケンスでは、Ｓ偏光の反射スペクトル強度の測定、偏光子の切り換え、Ｐ偏光の反射スペクトル強度の測定、偏光子の切り換えという処理を繰り返し行わなければならない。このため、この測定シーケンスでは、測定対象物が移動している場合、測定対象物の同じ位置を測定することができずにやはり外乱となる。また、測定対象物の振動のような外乱を除去することはできない。さらに、偏光子の切り換え回数を増やすと、偏光子の切り換え処理によって律速されて測定周期が低下し、偏光子の切り換え処理中に通過する部分によって測定不可能な領域が増加する。【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、外乱が存在する場合であっても測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を精度よく分析可能な分光分析装置及び分光分析方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、所望の表面組成及び／又は表面組成比を有する鋼帯を歩留まりよく製造可能な鋼帯の製造方法を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、高品質の鋼帯を提供可能な鋼帯の品質保証方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る分光分析装置は、測定対象物に対して赤外光を投光する投光部と、前記測定対象物の表面で反射された前記赤外光を反射光として受光する受光部と、前記受光部によって受光された反射光を用いて前記測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を算出する出力部と、を備え、前記受光部は、前記反射光をＳ偏光とＰ偏光とに分離する分離手段と、前記分離手段によって分離されたＳ偏光を検出し、検出されたＳ偏光の強度を示す電気信号を前記出力部に出力するＳ偏光用検出手段と、前記分離手段によって分離されたＰ偏光を検出し、検出されたＰ偏光の強度を示す電気信号を前記出力部に出力するＰ偏光用検出手段と、を備え、前記出力部は、前記Ｓ偏光用検出手段及び前記Ｐ偏光用検出手段から出力された電気信号を用いてＳ偏光とＰ偏光との強度比から吸光度を算出し、任意の波数における吸光度の強度を用いて前記測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を算出することを特徴とする。【０００８】
本発明に係る分光分析装置は、上記発明において、前記測定対象物の赤外光の投光位置と前記分光測定装置との間の距離を測定する距離測定部を備え、前記出力部は、前記距離測定部の測定値に応じて前記吸光度を補正することを特徴とする。【０００９】
本発明に係る分光分析方法は、測定対象物に対して赤外光を投光する投光ステップと、前記測定対象物の表面で反射された前記赤外光を反射光として受光する受光ステップと、前記受光ステップにおいて受光された反射光を用いて前記測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を算出する出力ステップと、を含み、前記受光ステップは、前記反射光をＳ偏光とＰ偏光とに分離する分離ステップと、前記分離ステップにおいて分離されたＳ偏光を検出し、検出されたＳ偏光の強度を示す電気信号を出力するＳ偏光用検出ステップと、前記分離ステップにおいて分離されたＰ偏光を検出し、検出されたＰ偏光の強度を示す電気信号を出力するＰ偏光用検出ステップと、を含み、前記出力ステップは、前記Ｓ偏光用検出ステップ及び前記Ｐ偏光用検出ステップにおいて出力された電気信号を用いてＳ偏光とＰ偏光との強度比から吸光度を算出し、任意の波数における吸光度の強度を用いて前記測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を算出するステップを含むことを特徴とする。【００１０】
本発明に係る鋼帯の製造方法は、鋼帯を製造する製造ステップと、本発明に係る分光分析方法を用いて前記製造ステップにおいて製造された鋼帯の表面の組成及び／又は組成比を分析する分析ステップと、を含むことを特徴とする。【００１１】
本発明に係る鋼帯の品質保証方法は、本発明に係る分光分析方法を用いて鋼帯の表面の組成及び／又は組成比を分析する分析ステップと、前記分析ステップで得られた分析結果から前記鋼帯の品質保証を行う品質保証ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る分光分析装置及び分光分析方法によれば、外乱が存在する場合であっても測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を精度よく分析することができる。本発明に係る鋼帯の製造方法によれば、所望の表面組成及び／又は表面組成比を有する鋼帯を歩留まりよく製造することができる。本発明に係る鋼帯の品質保証方法によれば、高品質の鋼帯を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である分光分析装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す分光分析装置の変形例の構成を示す模式図である。
【図３】図３は、ロールと距離測定器の相対位置の変化に伴うＰ偏光及びＳ偏光の信号強度の変化を示す図である。
【図４】図４は、焦点ズレを生じさせた場合のＰ偏光の反射スペクトルの変化例を示す図である。
【図５】図５は、焦点ズレを生じさせた場合のＳ偏光の反射スペクトルの変化例を示す図である。
【図６】図６は、微動ステージにより距離測定器を昇降させながら測定対象物との間の距離を測定した例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態である分光分析処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】図８は、Ｐ偏光及びＳ偏光の反射スペクトルの測定データの一例を示す図である。
【図９】図９は、図８に示すＰ偏光及びＳ偏光の反射スペクトルから算出された反射率スペクトルを示す図である。
【図１０】図１０は、図９に示す反射率スペクトルから算出された吸光度スペクトルを示す図である。
【図１１】図１１は、リフトオフの変化に伴うＳ偏光の吸光度スペクトルの変化の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、リフトオフの変化に伴う吸光度の変化の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、焦点ずれ発生時のＰ偏光及びＳ偏光の吸光度スペクトルを示す図である。
【図１４】図１４は、距離補正前後のＳ偏光の吸光度スペクトルを示す図である。
【図１５】図１５は、ペースライン補正方法を説明するための図である。
【図１６】図１６は、図１４に示す距離補正後の吸光度スペクトルに対してベースライン補正を行った結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る分光分析方法の原理について説明する。
【００１５】
測定対象物が金属材料である場合、測定対象物に照射された赤外光は、金属内の自由電子との相互作用によって１８０°の位相変化を受ける。このため、赤外光の電場ベクトル、すなわち偏光方向が入射面に対して垂直（Ｐ偏光）である場合、入射光の電場ベクトルと反射光の電場ベクトルとが入射面で強め合うことによって定在波が形成され、入射面上の薄膜の情報を含む反射スペクトルとなる。
【００１６】
これに対して、赤外光の電場ベクトルが入射面に対して平行（Ｓ偏光）である場合には、電場ベクトルの強め合いが起こらず、入射面上の薄膜の情報を含まない反射スペクトルとなる。このため、測定対象物にＰ偏光を照射することにより測定対象物の表面に存在する薄膜の情報を特異的に取得できる。一方、測定中の外乱は、Ｓ偏光とＰ偏光とで同様に生ずる。そこで、本発明では、Ｓ偏光とＰ偏光とを同時に測定し、両者の比を取ることにより、外乱の影響を除去する。
【００１７】
具体的には、以下に示す数式（１）に示すようなＳ偏光反射率（Reflectance(S)）とＰ偏光反射率（Reflectance(P)）との比（Absorption）を算出することにより、薄膜の情報を含む反射スペクトルを取得できる。
【００１８】
【数１】
2019142569.tif 000003
【００１９】
しかしながら、実際の測定においては外乱に起因するノイズが反射スペクトルに含まれる。ここで、ノイズ（noise）を考慮するとＳ偏光反射率（Reflectance(S)）及びＰ偏光反射率（Reflectance(P)）は以下に示す数式（２），（３）のように表される。
【００２０】
【数２】
2019142569.tif 000004
【００２１】
【数３】
2019142569.tif 000005
【００２２】
従って、ノイズ（noise）を考慮した場合、Ｓ偏光反射率（Reflectance(S)）とＰ偏光反射率（Reflectance(P)）との比（Absorption）は以下に示す数式（４）のように表される。数式（４）から明らかなように、Ｓ偏光反射率（Reflectance(S)）及びＰ偏光反射率（Reflectance(P)）それぞれの信号を同時に取得して比（Absorption）を取ることにより、外乱の影響を除去できることがわかる。
【００２３】
【数４】
2019142569.tif 000006
【００２４】
これにより、本発明に係る分光分析方法によれば、外乱が存在する場合であっても測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を精度よく分析することができる。また、本発明に係る分光分析方法によれば、通常のフーリエ変換赤外分光（ＦＴＩＲ）測定において利用されることが多い金ミラーや金属ミラーを用いたリファレンス測定が一切不要である。すなわち、本発明に係る分光分析方法によれば、測定対象物で反射されたＳ偏光とＰ偏光の信号のみを用いて測定を行うことができるので、オフライン測定データを用いた補正を行う必要がない。
【００２５】
以下、上述した本発明に係る分光分析方法に基づく本発明の一実施形態である分光分析装置の構成について説明する。
【００２６】
〔構成〕
図１は、本発明の一実施形態である分光分析装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である分光分析装置１は、測定対象物Ｐの表面の組成及び／又は組成比を分析する装置であり、投光部２、受光部３、及び出力部４を主な構成要素として備えている。なお、測定対象物Ｐとしては、赤外線を吸収する層を上面に有し、母層が赤外線を反射する材料全般に適用することができ、具体例としては、オンラインで全面検査が必要な鋼帯を例示できる。また、本明細書中では、ｘ方向は、分光分析装置１と測定対象物Ｐの表面とが対向する水平面内方向（リフトオフ調整方向）、ｙ方向は、測定対象物Ｐの幅方向に平行な、ｘ方向と直交する水平面内方向（幅方向位置方向）、ｚ方向は、測定対象物Ｐの搬送方向である、ｘ方向及びｙ方向に対して垂直な鉛直方向（高さ・水平調整方向）を示している。
【００２７】
投光部２は、ＦＴＩＲ部２１及び対物ミラー２２を備えている。ＦＴＩＲ部２１は、光源２１ａ及び干渉計２１ｂを備えている。光源２１ａは、セラミックヒーター等のＦＴＩＲで用いられる一般的な赤外光源によって構成され、干渉計２１ｂに赤外光を照射する。干渉計２１ｂは、光源２１ａから照射された赤外光をコリメートして対物ミラー２２に出力する。対物ミラー２２は、平面ミラーや軸外し放物面鏡等によって構成され、干渉計２１ｂから出力された赤外光を赤外光ＩＲとして測定対象物Ｐの表面に所定の投光角度で投光する。
【００２８】
なお、赤外光ＩＲの投光角度αは６０°以上であることが望ましい。本明細書中において、投光角度αは測定対象物Ｐの垂線となす角度をいい、垂直投光角度を０°、測定対象物Ｐの表面に対して平行である場合を９０°と定義する。一般に、投光角度αが大きいほど測定対象物Ｐとの相互作用長が長くなることから、高感度になるとされている。但し、表面性状や測定対象物Ｐの表面にある被膜の性状等の要因によって散乱の影響が大きくなるなど、むしろ感度低下する場合もあるので、投光角度αは実験的に得られた最適値とすることが望ましい。
【００２９】
また、投光角度αが大きくなると、測定対象物Ｐと分光分析装置１との間の距離（リフトオフ、ｘ方向距離）を確保するためには、装置寸法が大きくなり、赤外光ＩＲの光路が長くなるといった問題もある。赤外光ＩＲの光路が長いと、微小な変位が光軸を大きくずらすため、分光分析装置１の据え付け精度に対する要求が厳しくなることは明らかである。また、赤外光ＩＲの光路が長くなることで途中雰囲気変動の影響を受けやすくなる等の問題もある。さらに、装置の小型化や調整の容易さのために接近させようとしても、移動している測定対象物Ｐのバタつきや形状不良、溶接点等の非定常部等により筐体への接触リスクがあり、それらの制約から接近させるには限度がある。
【００３０】
上述したリフトオフは、測定対象物Ｐのバタつき量や装置の配置制約によって適宜設計すればよいが、リフトオフが大きいと、装置が大きくなり、また光軸調整の難度が上がる。一方、リフトオフが小さい場合、測定対象物Ｐのバタつき等によって測定対象物Ｐと分光分析装置１とが接触する危険があるため、十分な安全余地を見て設定する必要がある。また、測定対象物Ｐが連続ラインにおける鋼帯である場合には、鋼帯の溶接点といった非定常部、鋼帯の形状、あるいは修理等における板抜き板通し、その他のオペレーター作業との兼ね合いについても考慮して、リフトオフを設定する必要がある。
【００３１】
受光部３は、対物ミラー３１、偏光分離部３２、Ｐ偏光検出部３３、及びＳ偏光検出部３４を備えている。対物ミラー３１は、測定対象物Ｐからの赤外光ＩＲの反射光を偏光分離部３２に向けて反射する。偏光分離部３２は、偏光ビームスプリッターにより構成されている。偏光分離部３２は、対物ミラー３１からの反射光をＳ偏光とＰ偏光とに分割し、Ｐ偏光及びＳ偏光をそれぞれＰ偏光検出部３３及びＳ偏光検出部３４に供給する。
【００３２】
Ｐ偏光検出部３３及びＳ偏光検出部３４は、ＦＴＩＲで一般的に用いられるＴＧＳ（TriGlycine  Sulfate）等の赤外検出素子によって構成されている。Ｐ偏光検出部３３は、偏光分離部３２によって分離されたＰ偏光のインターフェログラムを検出し、Ｐ偏光のインターフェログラムの強度を電気信号に変換して出力部４に出力する。Ｓ偏光検出部３４は、偏光分離部３２によって分離されたＳ偏光のインターフェログラムを検出し、Ｓ偏光のインターフェログラムの強度を電気信号に変換して出力部４に出力する。
【００３３】
ここで、Ｐ偏光検出部３３及びＳ偏光検出部３４はそれぞれ別の素子で構成することが望ましい。Ｐ偏光とＳ偏光とで個別の検出器を備えることによりＰ偏光の信号とＳ偏光の信号とを同時に取得することができる。また、Ｐ偏光とＳ偏光とで個別の検出器を備えることにより両者の差分処理を行うことができ、雰囲気の変動や光源のばらつき、光学系の途中パスでの視野欠け等の外乱に対してより強固になる。
【００３４】
これに対して、偏光子と一つの検出器からなる検出部を有し、偏光子の切り換えや回転等によってＰ偏光とＳ偏光とを切り換えて測定する構成も考えられる。しかしながら、この場合、一方の偏光の測定中に他方の偏光の測定を行うことができない。すなわち、Ｓ偏光の測定中にはＰ偏光の測定ができず、逆も同じことが起こる。このとき、短時間で雰囲気が変動する等の外乱が入った場合、その外乱の影響を受けてしまう。
【００３５】
また、オンライン計測においては、測定位置が時々刻々変化するため、Ｓ偏光とＰ偏光の測定位置がずれる。このため、Ｓ偏光の信号とＰ偏光の信号との差を用いて外乱影響を低減することはできない。このように、オンライン測定においては、検出器を個別に有し、偏光ビームスプリッターによりＳ偏光とＰ偏光を分離し、それぞれに対応する検出器を用いて同時に計測することが必要となる。
【００３６】
なお、偏光分離部３２を構成する偏光ビームスプリッターとしては、ワイヤグリッド偏光子を用いることが望ましい。具体的には、一般に、赤外線を透過する材料は少なく、可視光のような体積型ビームスプリッターを用いることはできない。そこで、赤外領域用の偏光子であるワイヤグリッド偏光子を用いて、例えば透過光をＳ偏光、反射光をＰ偏光とするよい。また、その逆の構成としても構わない。
【００３７】
また、ビームスプリッター素材の透過率が低いと、そもそもの光量低下によって測定不可能となる、又は、Ｓ／Ｎ比の低下による擬似ピーク等の問題が生じる。そこで、偏光子には、測定対象波数帯において７０％以上の透過率を有するものを使用することが望ましい。また、目的外偏光の混入は感度を低下させる原因になるので、目的外の偏光の混入率である消光比は１００以上を確保することが望ましい。
【００３８】
また、偏光ビームスプリッターとして用いる光学素子の材質は、ＢａＦ２（フッ化バリウム）、ＫＲＳ−５、ＺｎＳｅ、ゲルマニウム等から適宜選択すればよい。また、偏光純度を上げるため、反射側の検出器の前に、偏光ビームスプリッターに対して９０°直交の偏光子を入れてもよい。これは、偏光子表面でのフレネル反射によって透過すべき偏光成分が反射側に混入してしまうためであり、Ｓ／Ｎ比の低下の原因となる。
【００３９】
出力部４は、コンピュータ等の演算処理装置により構成され、Ｐ偏光検出部３３及びＳ偏光検出部３４から出力された電気信号に対して後述する分光分析処理を実行することにより、測定対象物Ｐの表面の組成及び／又は組成比を分析する。
【００４０】
なお、分光分析装置１を鋼板製造工場の連続ラインでの酸化膜評価に適用する場合には、環境対策を行うことが望ましい。測定に悪影響を及ぼす因子としては、粉塵、ＣＯ２、水蒸気等がある。途中パスにＣＯ２や水蒸気があると、赤外光が吸収されてしまう。粉塵等は、粉塵等の素材自体による吸収のみならず、散乱による光量低下を招く。さらには、ミラー等の光学系が粉塵や水蒸気に晒されることで、装置の構成素子であるミラー等が劣化する。そこで、乾燥窒素やアルゴン等の不活性ガスによるパージを行ったり、光学窓による密封構造を取ったりすることが望ましい。
【００４１】
具体的には、光学特性に影響を与えないように粉塵対策設計をする場合、光学系全体に対して不活性ガスによるパージを行い、粉塵や水蒸気を除去することが考えられる。光学系配置及びそれによって定められる窓寸法は雰囲気環境によって適宜設計すればよいが、一定圧力のアルゴンや乾燥窒素等の吹き込みが設計上比較的容易に実施可能である。測定対象に向かう面で、特に光軸が存在する部分に２箇所穴をあけ、そこからパージガスが吹き出る構造を取ることができる。穴の直径は、光軸の直径によって決定されるが、例えば直径２ｃｍ程度の穴とするのがよい。穴の直径が大きすぎると、高いパージ圧が必要で、ガスのコストが上昇する。また、粉塵の侵入が容易となり、用をなさない。逆に穴の直径が小さすぎると、赤外光が妨害され、やはり不適切である。
【００４２】
但し、上述の構成では、設置後常時パージしておく必要があり、その吹込ガスによるランニングコストの問題が生じる。そこで、光路に窓を取り付け、他は密閉するという方法がある。赤外線の投受光経路に差し込まれる窓材は、測定対象である８００〜１４００ｃｍ−１の波数範囲内において高い透過率を保つ必要がある。本実施形態の光学系は、投光側及び受光側の少なくとも２枚の窓を有するので、透過率が低いと光量が著しく低下する原因となる。そこで、少なくとも６０％以上、より望ましくは８０％以上の透過率を有する材料を選定する。偏光依存性がなく、透過特性がフラットであることが望ましいことは言うまでもない。さらに、窓材を使用する場合、その表面硬度による材質選定も重要な設計事項となる。外来粉塵が付着し、清掃したときに窓材に傷が付かないためには、素材硬度は高いほど望ましい。
【００４３】
また、この分光分析装置１では、赤外光ＩＲの投光角度αが大きいため、赤外光ＩＲの僅かな焦点のズレが検出感度に大きく影響する。このため、分光分析装置１の内部に測定対象物Ｐの測定位置と分光分析装置１との間の距離（ｘ方向距離）を測定する距離測定器を備えることが望ましい。距離測定器としては、一般的な距離計を用いればよいが、測定精度は０．１ｍｍ以下を確保することが望ましい。また、測定レンジは、距離測定器と測定対象物Ｐとの間の距離に応じて適宜定めればよい。距離測定器としては、レーザー距離計等が好適である。また、距離測定器を用いて測定対象物Ｐと分光分析装置１との間の距離を測定し、装置設置時の調整に活用することもできる。
【００４４】
距離測定器を備えた装置構成の例を図２に示す。図２に示すように、距離測定器５は、距離測定位置が赤外光ＩＲの焦点位置におおよそ一致する位置に設置されている。具体的には、赤外光ＩＲの光軸高さ（ｚ方向高さ）と距離測定器５の設置高さ（ｚ方向高さ）とが同じ高さになると共に、赤外光ＩＲの入射・反射光軸の位置から分光分析装置１の測定位置(焦点位置)中央に距離測定器５の測定位置が一致するように距離測定器５を設置し、分光分析装置１の測定位置において測定対象物Ｐとの距離を測定する。
【００４５】
なお、投光部２の使用波長は赤外線であり、本光学系においては、焦点距離の長いミラーを用いる必要があるために、強い集光ができず、焦点、すなわち測定位置でのスポットサイズは数ミリ程度になる。このため、距離測定器５の測定位置をこのスポットサイズに一致させるとよい。距離測定器５としてレーザー距離計を用いる場合には、その測定スポットは１ｍｍ程度以下となることが多いため、距離測定器５を赤外光のスポットの中心付近に配置するとよい。
【００４６】
そして、事前のサンプル測定等によって信号強度が最も強くなる位置を焦点位置と定め、そのときの距離測定器５の測定値を予め記録しておく。ライン内への設置等にあたっては、その測定値、すなわち焦点位置を基準として装置の設置位置を定めることができる。従って、距離測定器５の測定位置と分光分析装置１の測定位置とを一致させるように分光分析装置１の中央部分に距離測定器５を設置することが望ましい。分光分析装置１は赤外光ＩＲの投光角度αが大きい構成であることから、中央部分に距離測定器５を設置可能なスペースを取ることができ、赤外光の光軸と干渉せずに距離測定器５を設置することができる。
【００４７】
距離測定器５として、レーザー距離計を用いる場合、分光分析装置１の筐体に距離測定器５用の光学窓を設置し、防塵を行う必要がある。レーザー距離計は可視光を利用するので、ガラス等の可視光を透過する窓材を用いることができる。但し、ガラス窓を使用することにより、屈折が生じ、レーザー距離計の測定値がずれることがあるので、精度を確認した上で使用する必要がある。
【００４８】
実施例として、距離測定器５として三角測量方式のレーザー距離計を用いた。赤外光の焦点に一致するようにレーザー距離計を設置し、リフトオフの基準値である５０ｍｍにおいて、赤外光の中心点とレーザー距離計の光軸とを一致させた。レーザー距離計には、窓材として０．８ｍｍ程度のガラスを取り付け、外部から粉塵が侵入しないように密閉構造とした。ガラス設置前後でレーザー距離計の測定値を確認したところ、１ｍｍ程度のオフセットが確認されたが、直線性はほぼ維持されていた。リフトオフの基準値が５０ｍｍであることから、オンライン設置にあたってはレーザー距離計の測定値がそれに一致するように調整を行った。
【００４９】
図３は、ロールと距離測定器の相対位置の変化に伴うＰ偏光及びＳ偏光の信号強度の変化を示す図である。図３中、線Ｌ１はＰ偏光の信号強度、線Ｌ２はＳ偏光の信号強度を示す。縦軸は、相対的信号強度［ｄＢ］を示す。線Ｌ１と線Ｌ２のほぼ頂点を０ｄＢとし、１目盛１ｄＢとして目盛を刻んである。図３に示すように、測定対象物Ｐがｙ軸方向を回転軸として回転する円柱状の搬送ロールに巻き付くロール巻き付き部で測定する場合、光軸（ロールと距離測定器５との相対位置）がロール頂点からｚ方向にずれると信号強度が低下する。詳しくは、測定対象物Ｐと分光分析装置１との間のｘ方向距離が最も短くなるロール頂点が最も信号強度が強くなり、ロール頂点から外れるほど信号強度が低下する。また、単純な信号強度低下のみならず、波長依存性をもつ場合がある。このため、信号強度に基づいて分光分析装置１のｚ方向位置をロール頂点に対向するｚ方向位置に調整する必要がある。
【００５０】
一方、図４及び図５はそれぞれ、金ミラーをリファレンスとして故意にｘ方向に焦点ズレを生じさせた場合のＰ偏光及びＳ偏光の反射スペクトルの変化例を示す図である。図４及び図５は、平面ミラーにおいて焦点を遠方側（分光分析装置１と測定対象物Ｐとの間のｘ方向距離が長くなる方向）に３ｍｍずらした際の反射スペクトルの変化を示しており、実線Ｌ３，Ｌ５は焦点ズレがないときの反射スペクトル、破線Ｌ４，Ｌ６は焦点ズレがあるときの反射スペクトルを示している。図４及び図５に示すように、ｘ方向に焦点ズレを生じさせた場合、Ｐ偏光の反射スペクトルには大きな変化が見られないが、Ｓ偏光の反射スペクトルには特異なピークが現れることが確認できる。これは、光軸の変化に伴う途中光学系の寸法制約による光量の減少、及び途中光学系や検出素子における検出感度のゆらぎ等に起因するものであると考えられる。以上のことから、分光分析装置１と測定対象物Ｐとの位置調整は重要なパラメータとなる。
【００５１】
なお、ロール頂点位置は、距離測定器５の測定値から検出することもできる。図６は、微動ステージによりレーザー距離計をｚ方向に昇降させながら測定対象物Ｐとの間のｘ方向距離を測定した例である。横軸はロールとレーザー距離計の相対位置を示し、縦軸はレーザー距離計の測定値を示す。図６に示すように、レーザー距離計の測定値を曲線近似し、得られた近似曲線を用いてレーザー距離計の測定値が最小になる位置を求めることにより、ロール頂点位置を検出することができる。
【００５２】
ロール巻き付き部での測定は、パスラインの走行安定性という観点からオンライン測定を行うのに都合が良い測定位置と言える。一方で、測定対象物Ｐが反っているため、測定位置がロール頂点からずれると、赤外光ＩＲの反射角度が異なってしまい、信号強度が低下する。このため、ロール頂点を検出し、測定位置をロール頂点に合わせる必要があるが、定量的な評価・確認方法が求められる。そこで、図６のように、距離測定器５の測定値からロール頂点位置を検出できることを確認している。また、ガイド光と目視での頂点位置もおおよそ一致していることを確認している。
【００５３】
なお、レーザー距離計の読み値にも誤差が生じることや、大径ロールの頂点付近では値の変動が小さいことから、数点の距離測定値に対し放物線近似によるフィッティングを行い、ロールの頂点位置を算出して頂点位置決めを行うことが望ましい。具体的には、頂点を中心とした任意の範囲（具体的には２０ｍｍ程度）で、少なくとも数点においてリフトオフを測定し、それらの点群に対して円弧近似又は二次関数近似を行い、ロールの頂点位置を算出することができる。また、本装置では、赤外線を使用するために光軸は不可視である。そのため、レーザー距離計の光をガイドとして設置位置の調整を行うことができるという効果もある。
【００５４】
分光分析装置１の位置調整のために、多軸の調整機構を設けることが望ましい。典型的には６軸の調整機構を備えるとよい。軸数は実際の装置の据え付け精度要求等により省略することもできる。
【００５５】
具体的には、分光分析装置１本体の水平出し及び測定対象物Ｐとの角度調整（ｚ方向の調整）には３軸の調整機構を利用するとよい。分光分析装置１と測定対象物Ｐの角度調整は、精密に調整する必要がある。また、ロール巻き付き部での測定を行う場合、ロール頂点を狙い調整すると共に、架台の水平を確保し、測定点において光軸を垂直とする必要がある等、微調整が必要である。このため、高さ及び水平度について微調整可能とする必要がある。
【００５６】
測定対象物Ｐとの幅方向位置調整（ｙ方向の調整）には１軸の調整機構を利用するとよい。オンラインで幅方向分布を測定する場合等において、調整が必要となる。調整レンジは、測定対象の幅や測定したい対象のばらつきの程度によって定めればよい。非定常が発生しやすいエッジ部を集中して測定したいと言ったニーズに対して、板幅追従を行う場合等に利用される。
【００５７】
測定対象物Ｐと分光分析装置１との間のリフトオフ調整及び回転・傾きの調整（ｘ方向の調整）には２軸の調整機構を利用するとよい。リフトオフが変動した場合、反射光の位置が変化するため、信号強度に大きな影響を与える。また、分光分析装置１本体の設置に傾きがあると、赤外光ＩＲの入射角及び反射角がずれ、信号強度が著しく低下する懸念がある。このため、リフトオフ調整と傾き調整は独立して実施できることが望ましい。また、測定中の測定対象物Ｐの厚みの変化への追従にも活用できる。
【００５８】
調整機構としては、電動アクチュエーター等を用いることができるが、必要な分解能を持ち、分光分析装置１の重量を支えられる耐荷重性能を有するものを採用すればよい。ｚ方向及びｘ方向の調整軸は、特に精度が要求されるので、少なくとも０．０１ｍｍ以下の分解能を有するものとすることが望ましい。
【００５９】
〔分光分析処理〕
次に、図７〜図１６を参照して、本発明の一実施形態である分光分析処理の流れについて説明する。
【００６０】
図７は、本発明の一実施形態である分光分析処理の流れを示すフローチャートである。図７に示すフローチャートは、分光分析装置１に対して分光分析処理の実行命令が入力されたタイミングで開始となり、分光分析処理はステップＳ１の処理に進む。
【００６１】
ステップＳ１の処理では、投光部２が、測定対象物Ｐの表面に赤外光ＩＲを投光角度αで投光する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、分光分析処理はステップＳ２の処理に進む。
【００６２】
ステップＳ２の処理では、受光部３が、測定対象物Ｐからの赤外光ＩＲの反射光を受光し、受光した反射光をＳ偏光とＰ偏光とに分割してそれぞれＰ偏光検出部３３及びＳ偏光検出部３４に供給する。Ｐ偏光検出部３３は、偏光分離部３２によって分離されたＰ偏光のインターフェログラムを検出し、Ｐ偏光のインターフェログラムの強度を電気信号に変換して出力部４に出力する。Ｓ偏光検出部３４は、偏光分離部３２によって分離されたＳ偏光のインターフェログラムを検出し、Ｓ偏光のインターフェログラムの強度を電気信号に変換して出力部４に出力する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、分光分析処理はステップＳ３の処理に進む。
【００６３】
ステップＳ３の処理では、出力部４が、Ｐ偏光検出部３３及びＳ偏光検出部３４から出力されたインターフェログラムに対してフーリエ変換を施すことによりＰ偏光及びＳ偏光の反射スペクトルを算出する。図８は、Ｐ偏光及びＳ偏光の反射スペクトルの測定データの一例を示す図である。図８において、スペクトルＬ７がＰ偏光の反射スペクトルを示し、スペクトルＬ８がＳ偏光の反射スペクトルを示す。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、分光分析処理はステップＳ４の処理に進む。
【００６４】
ステップＳ４の処理では、出力部４が、上述した数式（１）に従ってＰ偏光の反射スペクトル強度とＳ偏光の反射スペクトル強度との比を反射率として算出する。図９は、図８に示すＰ偏光及びＳ偏光の反射スペクトルから算出された反射率スペクトルを示す図である。図９中に示した通り、反射率スペクトル中に主要な成分のピークを確認することができる。次に、出力部４は、常用対数を取ることによって反射率を吸光度に変換する。図１０は、図９に示す反射率スペクトルから算出された吸光度スペクトルを示す図である。これにより、測定対象物Ｐの表面に存在する被膜の吸収スペクトルを算出できる。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、分光分析処理はステップＳ５の処理に進む。
【００６５】
ステップＳ５の処理では、出力部４が、距離測定器５によって測定された測定対象物Ｐと分光分析装置１との間の距離（リフトオフ実績値）に基づいて、Ｐ偏光及びＳ偏光の吸光度スペクトルを補正する。詳しくは、前述したように、リフトオフが変化すると、全体の光量低下と特定波長におけるスペクトル変化が生じる。全体の光量低下はＳ偏光とＰ偏光の比の算出及びベースライン補正によってキャンセルされるが、スペクトル変化はキャンセルされず、外乱となってしまう。特に、リフトオフの変化によるスペクトル変化と測定対象物Ｐの成分のスペクトルとが重なっていると、測定が不可能となる。そこで、このステップＳ５の処理では、予めリフトオフ量に応じた吸光度スペクトルのデータを用意しておき、出力部４が、測定したリフトオフ実績値に対応する吸光度スペクトルのデータを参照してＰ偏光及びＳ偏光の吸光度スペクトルを補正する。
【００６６】
リフトオフ量に応じた吸光度スペクトルのデータの一例を図１１に示す。一例として、リフトオフ量を変化させたときの金ミラーの吸光度スペクトルのデータを用いることができる。図１１には、基準位置から０．２ｍｍずつ、焦点を中心とする範囲で±１ｍｍリフトオフを変化させたときのＳ偏光の吸光度スペクトルの変化を示す。次に、リフトオフ量の変化に対する吸光度の変化について補間式を作成しておく。一例として、波数９８０ｃｍ−１における吸光度の変化を図１２に示す。本例では吸光度を示す曲線は二次関数で近似することが適当と考えられるが、近似式はこれに限定されるものではない。測定したリフトオフが基準値からずれている場合は、スペクトル変化が重畳していると考え、リフトオフの変化量に対応する吸光度を差し引く。この操作をＳ偏光及びＰ偏光の吸光度スペクトルに対して適用し、実測定データについて距離補正を行う。
【００６７】
より具体的には、図１３に焦点ズレがあるときのＰ偏光及びＳ偏光の吸光度スペクトルの例を示す。図１３中、破線Ｌ９がＰ偏光の吸光度スペクトルを示し、実線Ｌ１０がＳ偏光の吸光度スペクトルを示す。図１３に示すように、Ｐ偏光の吸光度スペクトルＬ９では、シリカやファイアライトに相当する位置にピークが確認できる。一方、Ｓ偏光の吸光度スペクトルＬ１０では、波数１０００ｃｍ−１付近に先に述べたようなスペクトル変化が確認できる。このスペクトル変化の大きさはＰ偏光のスペクトルの変化に比較して大きいので、このままＰ偏光のスペクトルとＳ偏光のスペクトルの強度比を計算すると、ファイアライトに相当するスペクトルを覆い隠してしまう。
【００６８】
そこで、図１１及び図１２のデータをもとに補正演算を行う。このときのリフトオフの基準値からのズレは０．８ｍｍであったので、０．８ｍｍにおける金ミラーの吸光度スペクトルを計算に加える。その結果のＳ偏光の吸光度スペクトルを図１４に示す。図１４に示す実線Ｌ１１は補正前のＳ偏光の吸光度スペクトル（図１３に示す実線Ｌ１０と同一）、破線Ｌ１２は補正後のＳ偏光の吸光度スペクトルを示す。図１４に示すように、補正によって吸光度スペクトルの変形がなくなり、ほぼフラットになっていることがわかる。このようにして、リフトオフ実績を用いたスペクトル補正が可能になる。その結果、操業中のリフトオフ変動及び設置位置ズレに起因するスペクトル変化が抑制され、安定した表面組成の測定が可能となる。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、分光分析処理はステップＳ６の処理に進む。なお、リフトオフの変動量が許容範囲内にある場合は、このステップＳ５の処理を省略してもよい。
【００６９】
ステップＳ６の処理では、出力部４が、ステップＳ５の処理により得られた吸光度スペクトルに対してベースライン補正を行う。ベースライン補正は、測定対象物Ｐにおける既知の成分に起因するピーク波長を除いた領域をゼロとするように実施すればよい。例えば元素にシリコン（Ｓｉ）を含む鋼板であればファイアライトやシリカといった成分が含まれることは既知であり、そのスペクトルも既知である。そのため、ベースライン補正前の図１４に示す距離補正後の吸光度スペクトルからでも、これらの成分が含まれていることが確認できる。その他の元素を含む鋼材においても、対象とする元素とその酸化物に対して、同様の考え方で、既知スペクトルを求め、ベースライン補正を行うことができる。
【００７０】
但し、途中の光学系及び光源の偏光特性等によってオフセットがあることがわかる。そこで、出力部４はベースライン補正を行う。具体的には、本実施形態では、それぞれのピークの谷間をゼロとするような補正を適用する。詳しくは、赤外光に感度のない波数では、本来Ｓ偏光とＰ偏光は同じ吸光度になるべきである。そこで、ベースライン補正では、図１５に示すように、吸収スペクトルがないことを確認した上で、各点ピークの裾の極小点をゼロとする計算を行う。
【００７１】
より詳しくは、まず、既知の成分に起因する複数のピークの間に検索範囲を設定し、極小値（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）を求める。ここで、それぞれの極小値から補正前の吸光度をｙ、補正後の吸光度をＹとすると、傾きＡは以下に示す数式（５）により表される。次に、補正後吸光度Ｙを以下に示す数式（６）としてベースライン補正を行う。この考え方に従って、４つのピークに対してベースライン補正を行った結果を図１６に示す。既知の成分に起因するピークが明確に分離できていることが確認できる。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、分光分析処理はステップＳ７の処理に進む。
【００７２】
【数５】
2019142569.tif 000007
【００７３】
【数６】
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【００７４】
ステップＳ７の処理では、出力部４が、ベースライン補正により得られた吸光度スペクトルからピーク面積やピーク強度を用いた公知の手法により測定対象物の表面の組成及び／組成比を算出する。これにより、酸化皮膜の組成や酸素目付け量等を算出することができる。また、被膜組成としては、ファイアライト−シリカ比を算出し、酸化状態を監視すること、又は、ＦｅＯ等の（通常操業範囲を超える量や酸化数の操業上有害な）酸化物が出ていないことの確認等が可能となる。また、本装置を複数用い、あるいは幅方向に移動させることで、幅方向のばらつきを評価したり、鋼板の裏表での差の評価を行ったりすることも可能である。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、一連の分光分析処理は終了する。
【００７５】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば本発明を鋼帯の製造方法に含まれる検査ステップとして適用し、製造ステップにおいて製造された鋼帯の表面の組成及び／又は組成比を分析するようにしてもよい。さらに、本発明を鋼帯の品質保証方法に適用し、鋼帯の表面の組成及び／又は組成比を分析することにより鋼帯の品質保証を行うようにしてもよい。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明によれば、外乱が存在する場合であっても測定対象物の表面の組成及び／又は組成比を精度よく分析可能な分光分析装置及び分光分析方法を提供することができる。また、所望の表面組成及び／又は表面組成比を有する鋼帯を歩留まりよく製造可能な鋼帯の製造方法を提供することができる。さらに、高品質の鋼帯を提供可能な鋼帯の品質保証方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１  分光分析装置
２  投光部
３  受光部
４  出力部
５  距離測定器
２１  ＦＴＩＲ部
２１ａ  光源
２１ｂ  干渉計
２２，３１  対物ミラー
３２  偏光分離部
３３  Ｐ偏光検出部
３４  Ｓ偏光検出部
ＩＲ  赤外光
Ｐ  測定対象物
【図１】
2019142569.tif 000009
【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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【図１６】
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【国際調査報告】
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