(57)【要約】  非接触・非破壊で、簡便に、被検体の表面に形成された被膜の膜厚を測定し、被膜の組成の情報を得ることを目的として、分光装置１０が事前に既知の被検体の分光データを測定し、演算装置２２が、測定された分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、当該特徴量と前記既知の被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成との関係を算出し、分光装置１０が、前記被検体の分光データを測定し、演算装置２２が、測定された被検体の分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、算出された既知の被検体の分光データの特徴量と被膜の膜厚および組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する。
2013035726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を測定する測定方法であって、
事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定ステップと、
前記事前測定ステップで測定された分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、当該特徴量と前記既知の被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成との関係を算出する事前算出ステップと、
前記被検体の分光データを測定する測定ステップと、
前記測定ステップで測定された被検体の分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、前記事前算出ステップで算出された特徴量と被膜の膜厚および組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する算出ステップと、
を有する測定方法。
【請求項２】
前記基底分解に主成分分析を適用する請求項１に記載の測定方法。
【請求項３】
前記算出ステップは、前記被検体の分光データから算出された単一種または複数種の主成分得点または残差に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出し、表面性状を推定する請求項２に記載の測定方法。
【請求項４】
前記被検体は鉄鋼製品であり、前記被膜は酸化膜である請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定方法。
【請求項５】
前記酸化膜は、マグネタイト、ヘマタイト、ウスタイトのうちの少なくとも１種類を含んで組成される請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定方法。
【請求項６】
前記分光データは、１０〜２５μｍの波長の赤外線に対する反射率または吸光度である請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定方法。
【請求項７】
被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を測定する測定装置であって、
事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定手段と、
前記事前測定手段によって測定された分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、当該特徴量と前記既知の被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成との関係を算出する事前算出手段と、
前記被検体の分光データを測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された被検体の分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、前記事前算出手段によって算出された特徴量と被膜の膜厚および組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する算出手段と、
を備える測定装置。
【請求項８】
被検体の表面に形成された被膜の組成を測定する測定方法であって、
事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定ステップと、
前記事前測定ステップで測定された分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、当該特徴量と前記既知の被検体の表面に形成された被膜の組成との関係を算出する事前算出ステップと、
前記被検体の分光データを測定する測定ステップと、
前記測定ステップで測定された被検体の分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、前記事前算出ステップで算出された特徴量と被膜の組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の組成を算出する算出ステップと、
を有する測定方法。
【請求項９】
被検体の表面に形成された被膜の組成を測定する測定装置であって、
事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定手段と、
前記事前測定手段によって測定された分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、当該特徴量と前記既知の被検体の表面に形成された被膜の組成との関係を算出する事前算出手段と、
前記被検体の分光データを測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された被検体の分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、前記事前算出手段によって算出された特徴量と被膜の組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の組成を算出する算出手段と、
を備える測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼製品(steel  products)の表面に形成された酸化膜（oxide  film）などの被膜(film)の膜厚(thickness)および組成(composition)を測定する測定方法および測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱延鋼板や厚板などの鉄鋼製品は、スラブを加熱して、目的の厚さになるまで圧延した後に冷却して製造される。このような加熱、圧延、および冷却の過程では、鋼板の表面にスケールとよばれる酸化膜が形成される。【０００３】
このスケールは、鋼板の表面を保護する機能を有する。したがって、鋼板は、膜厚が均一で密着性の高いスケールに被われていることが望ましい。また、均一なスケールを有する鋼板は、外観や塗装性の面で優れているだけでなく、スケールが剥離しにくいためメンテナンス性の面でも優れている。とくに、鋼板をレーザーで切断する場合には、鋼板が黒く密着性の高いスケールに被われていることが望ましい。【０００４】
スケールは主に酸化鉄および添加元素の酸化物からなるが、その組成は複雑であり、様々な酸化数の物質の混合物で構成される。とくにスケールを構成する酸化鉄については、鋼板の表面側から順にＦｅ２Ｏ３（ヘマタイト）、Ｆｅ３Ｏ４（マグネタイト）、ＦｅＯ（ウスタイト）の層を成したスケールが形成される場合が多い。しかし、スケールは必ずしも明確に分離された多層構造を成すとは限らず、これらが混合した構造のスケールが形成される。【０００５】
一般にスケールがマグネタイトを中心に組成される場合、黒色のスケールとなり、機械的に優れた強度を持つ。一方、スケールがヘマタイトを中心に組成される場合は、赤色のスケールとなり、機械的な強度および密着性が劣り、剥離しやすい。この赤色スケール（赤錆）は、他所に転写したり汚染を生じたりするため忌避される傾向にある。このように、スケールの膜厚や組成は、鉄鋼製品の品質の重要な指標となる。【０００６】
そこで、膜厚が均一で密着性の高いスケールを有する鋼板を製造するための技術が多数開示されている。たとえば、特許文献１には、温度制御やスケール除去（デスケーリング）の最適化により、鋼板の表面にマグネタイトを主体とするスケールを選択的に形成させる技術が記載されている。【０００７】
しかし、上記のようなスケール製造技術を適用しても、製造条件の不適合により、意図しない膜厚や組成のスケールが生じたり、デスケーリングに失敗して不適切なスケールが鋼板の表面に残存したりすることがある。したがって、鉄鋼製品を製造する際に、鋼板の表面に形成されたスケールの膜厚を測定し組成を評価することは不可欠である。【０００８】
一般に、被膜の膜厚を測定する技術として、断面観察や電磁誘導式膜厚計、渦電流式膜厚計、超音波膜厚計などが知られている。【０００９】
切断面を研磨して顕微鏡で観察する断面観察は、最も正確な被膜の膜厚測定方法といえる。さらに、切断面にＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）やＲａｍａｎ分光法などの技術を適用することにより、被膜の化学的な組成も詳細に検討できる。【００１０】
電磁誘導式膜厚計は、磁気インピーダンスの変化を検出するもので、数ミクロン程度の非常に薄い被膜の測定が可能である。鉄の表面に存在する塗装膜などの非磁性膜の膜厚の測定に、可搬型の市販品が広く使用されている。【００１１】
渦電流式膜厚計は、導電体の表面の誘電体膜厚の測定に広く使用されている。【００１２】
超音波膜厚計は、被検体に超音波を入射し、下地と被膜との音響インピーダンスの差に起因する境界面での反射エコーを検出することで、被膜の膜厚を算出する。例えば、特許文献２には、熱交換器のパイプなどに形成されたスケールの膜厚を測定する技術が記載されている。【００１３】
特許文献３には、赤外線(infrared)を用いてスケールの膜厚を測定する技術が開示されている。この技術によれば、赤外線に対してスケールは半透明であるため、減衰率から膜厚を測定する。【００１４】
特許文献４には、酸化膜にレーザーを照射して酸化膜の組成を変化させ、酸化膜の組成による影響を排除してスケールの膜厚を測定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平５−１９５０５５号公報
【特許文献２】特開２００３−２４０５３０号公報
【特許文献３】特開平１０−２０６１２５号公報
【特許文献４】特開２００９−１８６３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、断面観察は破壊試験であるため、製造中の鉄鋼製品に適用（オンライン測定）することは難しい。【００１７】
また、電磁誘導式膜厚計は非磁性膜にのみ適用可能であるため、磁性を有するマグネタイトを含む鉄鋼製品のスケールの膜厚を測定することはできない。電磁誘導式膜厚計で磁性を有する層を含む被膜の膜厚を測定すると、磁性を有する層を磁束が透過するため、誤差が生じる。【００１８】
渦電流式膜厚計は、鉄などの磁性体の下地に形成された被膜の膜厚測定には適用できない。この場合、下地のみならず、スケールの磁性によっても影響を受けるため、鉄鋼製品の酸化膜の膜厚測定に適用することはできない。【００１９】
特許文献２に記載の超音波膜厚計によれば、数十ミクロン以上の厚い膜の膜厚を測定するもので、数ミクロン以下の薄いスケールの膜厚は、高周波超音波を使用しても反射エコーと表面エコーとの分離が困難であるため、測定できない。さらに、水柱などのカップリング媒質を使用する必要があり、簡便とはいえない。【００２０】
特許文献３に記載の技術は、装置が複雑であり、簡便とはいえない。また、赤外線の波長(wavelength)を選択して測定に使用するため、被膜の組成による減衰率の変化と膜厚による減衰率の変化とを区別できず、スケールの表面の性状や外来ノイズの影響を受けやすく高精度な測定は困難である。【００２１】
特許文献４に記載の技術によれば、レーザーによる加熱が必要であり、装置が複雑であることに加え、加熱によりスケールが成長したり表面の性状が変化したりする可能性がある。【００２２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、非接触・非破壊で、簡便に、被検体(material  under  measurement)の表面に形成された被膜の膜厚を測定するとともに、被膜の組成の情報を得ることができる測定方法および測定装置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】
【００２３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る測定方法は、被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を測定する測定方法であって、事前に既知の被検体の分光データ(spectroscopic  data)を測定する事前測定ステップと、前記事前測定ステップで測定された分光データを基底分解(basis  decomposition)して該分光データの特徴量(characteristic  parameters)を抽出し、当該特徴量と前記既知の被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成との関係を算出する事前算出ステップと、前記被検体の分光データを測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された被検体の分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、前記事前算出ステップで算出された特徴量と被膜の膜厚および組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する算出ステップと、を有する。【００２４】
また、本発明に係る測定方法は、上記発明において、前記基底分解に主成分分析(principal  component  analysis)を適用する。【００２５】
また、本発明に係る測定方法は、上記発明において、前記算出ステップは、前記被検体の分光データから算出された単一種または複数種の主成分得点(score  on  the  principal  component)または残差(residual)に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出し、表面性状(surface  texture)を推定する。【００２６】
また、本発明に係る測定方法は、上記発明において、前記被検体は鉄鋼製品であり、前記被膜は酸化膜である。【００２７】
また、本発明に係る測定方法は、上記発明において、前記酸化膜は、マグネタイト(magnetite)、ヘマタイト(hematite)、ウスタイト(Wustite)のうちの少なくとも１種類を含んで組成される。【００２８】
また、本発明に係る測定方法は、上記発明において、前記分光データは、１０〜２５μｍの波長の赤外線に対する反射率(reflectivity)または吸光度(absorptance)である。【００２９】
また、本発明に係る測定装置は、被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を測定する測定装置であって、事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定手段と、前記事前測定手段によって測定された分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、当該特徴量と前記既知の被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成との関係を算出する事前算出手段と、前記被検体の分光データを測定する測定手段と、前記測定手段により測定された被検体の分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、前記事前算出手段によって算出された特徴量と被膜の膜厚および組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する算出手段と、を備える。【００３０】
また、本発明に係る測定方法は、被検体の表面に形成された被膜の組成を測定する測定方法であって、事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定ステップと、前記事前測定ステップで測定された分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、当該特徴量と前記既知の被検体の表面に形成された被膜の組成との関係を算出する事前算出ステップと、前記被検体の分光データを測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された被検体の分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、前記事前算出ステップで算出された特徴量と被膜の組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の組成を算出する算出ステップと、を有する。【００３１】
また、本発明に係る測定装置は、被検体の表面に形成された被膜の組成を測定する測定装置であって、事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定手段と、前記事前測定手段によって測定された分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、当該特徴量と前記既知の被検体の表面に形成された被膜の組成との関係を算出する事前算出手段と、前記被検体の分光データを測定する測定手段と、前記測定手段により測定された被検体の分光データを基底分解して該分光データの特徴量を抽出し、前記事前算出手段によって算出された特徴量と被膜の組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の組成を算出する算出手段と、を備える。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、被検体の分光データを測定するだけで被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出するので、非接触・非破壊で、簡便に、被膜の膜厚のみならず、被膜の組成の情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態による膜厚測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本実施の形態の膜厚測定処理手順の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３は、サンプルの分光データを例示する図である。
【図４】図４は、図３のサンプルについて、本実施の形態の主成分分析により算出した主成分ベクトルを例示する図である。
【図５】図５は、サンプルについて、本実施の形態の主成分分析により算出した主成分得点とスケールの膜厚との関係を例示する図である。
【図６】図６は、本実施の形態の主成分分析により算出したスケールの膜厚と、断面観察により測定したスケールの膜厚との関係を例示する図である。
【図７】図７は、スケールを有する表面と、粗い機械研磨による金属面とにおける反射スペクトルの測定例を示す図である。
【図８】図８は、所定領域が機械研磨された板状サンプルについての各測定点での反射スペクトルから算出した主成分得点を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００３５】
まず、図１を参照して、本実施の形態による測定装置（以下、膜厚測定装置）１の概略構成について説明する。図１に示すように、膜厚測定装置１は、分光装置１０と制御部２０とを備えている。制御部２０は、事前測定ＤＢ２１と、演算装置２２と記憶装置２３とを備えている。
【００３６】
分光装置１０は、光源１１を備え、光源１１からの光を被検体３０に照射することにより、反射光または透過光の波長分布を分光データとして測定する。なお、分光データの形式は限定されず、本実施の形態には、反射率、減衰率、吸光度、自発光スペクトルなど、適宜な形式を選択して適用することが可能である。本実施の形態において、測定に使用する光の波長は被検体３０の特性に応じて適宜に選択可能であり、モノクロメータからなる分光装置１０の他、紫外・可視・近赤外分光装置やフーリエ変換赤外分光装置（ＦＴ−ＩＲ）なども適用可能である。また、被検体３０の自発光の分光データを測定する場合などには、光源１１は不要である。また、光源１１と被検体３０と分光装置１０との相対位置は、被検体３０や分光装置１０の特性に応じて適宜に変更可能である。本実施の形態においては、鉄鋼製品の表面に形成された、マグネタイト、ヘマタイト、ウスタイトのいずれか１種類以上を含む酸化膜の膜厚・組成を測定するために、正反射光学系あるいは垂直入射光学系を適用することが望ましい。
【００３７】
事前測定ＤＢ２１は、被膜の膜厚および組成が既知のサンプルについての分光データ（事前測定データ）を格納する。本実施の形態において、事前測定ＤＢ２１は、スケールが形成されていない鏡面サンプルや機械加工面サンプル、マグネタイトのみで組成されるスケールが形成されたサンプル、ヘマタイトを含むスケールが形成されたサンプルなどについて、あらかじめ分光装置１０により測定した分光データを格納する。
【００３８】
演算装置２２は、処理プログラム等を記憶したメモリおよび処理プログラムを実行するＣＰＵ等を用いて実現され、分光装置１０から得られたデータと事前測定ＤＢ２１を参照して得られた事前測定データとに基づいて、後述する膜厚測定処理を実行する。また、演算装置２２は、膜厚測定処理の結果を記憶装置２３に記憶させる。
【００３９】
次に、図２のフローチャートを参照して、膜厚測定装置１による被膜の膜厚と組成との測定処理（以下、膜厚測定処理）手順について説明する。図２のフローチャートは、例えば、操作者により図示しない入力部を介して膜厚測定開始の指示入力があったタイミングで開始となり、膜厚測定処理はステップＳ１の処理に進む。
【００４０】
ステップＳ１の処理では、演算装置２２が、事前測定ＤＢ２１から事前に測定されたサンプルの分光データを取得する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、膜厚測定処理は、ステップＳ２の処理に進む。
【００４１】
ステップＳ２の処理では、演算装置２２が、ステップＳ１の処理によって取得したサンプルの分光データの基底分解を行って基底ベクトルと係数とを算出し、サンプルの被膜の膜厚および組成に関する特徴量を抽出する。そして、演算装置２２は、抽出した特徴量と被膜の膜厚および組成との関係を算出する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、膜厚測定処理は、ステップＳ３の処理に進む。
【００４２】
本実施の形態においては、演算装置２２は、基底分解として、周知の主成分分析を適用し、サンプルの分光データの主成分ベクトルと特徴量としての主成分得点とを算出する。ただし、演算装置２２は、その他の多変数分解や独立成分分析を適用して基底となる関数を算出してもよい。
【００４３】
ここで、図３，４を参照して、ステップＳ２の具体的な処理について説明する。図３は、サンプルの分光データを例示する図である。サンプルとして、スケールが形成されていないフライス加工金属面、マグネタイトのみで組成される膜厚２．５μｍのスケールが形成されたサンプル、マグネタイトのみで組成される膜厚１０μｍのスケールが形成されたサンプル、ヘマタイトとマグネタイトで組成された膜厚２０μｍのスケールが形成されたサンプルの４種のサンプルについて、反射率の波長分布を示す分光データである。本実施の形態においては、１０〜２５μｍの波長の赤外線を使用して測定した。
【００４４】
図４は、図３に例示する分光データのうち、マグネタイトのみで組成される膜厚１０μｍのスケールが形成されたサンプルを除いた３種のサンプルについての分光データから、多数の参照点を抽出し、主成分分析を行って算出した主成分ベクトルを例示した図である。
【００４５】
ここで、主成分分析について具体的に説明する。分析対象のＮ個のデータのそれぞれをＰ個（本実施の形態ではＰ＝１０００）の要素からなるベクトルで表すと、分析対象のデータは、次式（１）のように行列Ｘで定義できる。この行列Ｘの各要素をｘ（ｉ，ｊ）とする。
【００４６】
【数１】
2013035726.tif 000003
【００４７】
このときの主成分ベクトルをｗ（ｉ，ｋ）とする。ただし、ｉ＝１，２，・・・，Ｐであり、ｋは主成分番号であって、ｋ＝１，２，・・・，Ｎである。ｋ＝１のとき、すなわち第１主成分ベクトルｗ（ｉ，１）は、次式（２）において、ｊについてのばらつきが最大になるように決定される。
【００４８】
【数２】
2013035726.tif 000004
【００４９】
また、ｋ＝２の第２主成分ベクトルｗ（ｉ，２）は、第１主成分ベクトルｗ（ｉ，１）と直交するベクトルの中で、次式（３）において、ｊについてのばらつきが最大になるように決定される。
【００５０】
【数３】
2013035726.tif 000005
【００５１】
同様にして、ｋ＝３の第３主成分ベクトルｗ（ｉ，３）も決定される。なお、主成分番号ｋは、ｋ＝１，２，・・・，Ｎの範囲で適用可能である。一般に、主成分ベクトルが低次であるほど（主成分番号ｋが小さいほど）、分析対象のデータｘ（ｉ，ｊ）の特徴量としての有効性が高い。本実施の形態においてはｋ＝１，２，３を適用した。
【００５２】
また、分析対象のあるデータｘｓについての第ｋ主成分ベクトルの主成分得点をａｓ（ｋ）とすると、ｘｓの推定値（再構築データ）は、以上のようにして得られた第１主成分ベクトルｗ（ｉ，１）、第２主成分ベクトルｗ（ｉ，２）、第３主成分ベクトルｗ（ｉ，３）を用いて、次式（４）のように表すことができる。
【００５３】
【数４】
2013035726.tif 000006
【００５４】
次に、新たに実測されたデータｘｓが与えられた際には、上記のようにして得られた第１主成分ベクトルｗ（ｉ，１）、第２主成分ベクトルｗ（ｉ，２）、第３主成分ベクトルｗ（ｉ，３）を用いて、以下に示すように主成分得点を算出する。すなわち、主成分得点を次式（５）のように表す。
【００５５】
【数５】
2013035726.tif 000007
【００５６】
また、主成分ベクトルの結合係数を次式（６）のように表す。
【００５７】
【数６】
2013035726.tif 000008
このとき、上記式（４）より、実測データｘｓは次式（７）のように表すことができる。
【００５８】
【数７】
2013035726.tif 000009
【００５９】
したがって、次式（８）が成立する。
【００６０】
【数８】
2013035726.tif 000010
【００６１】
ここで、各主成分ベクトルは正規直交基底として求めるので、次式（９）が成立する。
【００６２】
【数９】
2013035726.tif 000011
【００６３】
したがって、主成分得点は、次式（１０）のように算出することができる。
【００６４】
【数１０】
2013035726.tif 000012
【００６５】
以上の処理により、演算装置２２は、サンプルの分光データの主成分ベクトルと主成分得点とを算出する。これにより、各サンプルについての既知の被膜の膜厚および組成と、算出した主成分得点との関係を算出できる。
【００６６】
ステップＳ３の処理では、演算装置２２が、被検体３０について、分光装置１０で測定して分光データを取得する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、膜厚測定処理は、ステップＳ４の処理に進む。
【００６７】
ステップＳ４の処理では、演算装置２２が、ステップＳ３で取得した被検体３０の分光データについて、上記の式（５）〜（１０）に基づいて主成分得点を算出する。演算装置２２は、この算出した主成分得点を、ステップＳ２の処理において算出した既知の被膜の膜厚と主成分得点との関係と対比させることにより、被検体３０の被膜の膜厚および組成を算出する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、一連の膜厚測定処理は終了する。
【００６８】
図５は、図３の各サンプルについての既知の被膜の膜厚および組成と、算出した主成分得点との関係を例示した図である。図５では、図３の分光データから抽出した約３０の参照点について、膜厚と主成分得点との関係を示している。図５に示すように、スケールが形成された鋼材の分光データの第１主成分得点は、スケールの膜厚と相互に関係が強いことがわかる。この関係から、スケールの膜厚が未知の被検体３０については、第１主成分得点からスケールの膜厚を推定（算出）できる。
【００６９】
図６に、本実施の形態により算出した被検体３０の被膜の膜厚と、断面観察により測定した膜厚との関係を例示する。図６に示すように、本実施の形態の膜厚測定処理の精度が高いことがわかる。
【００７０】
また、図５に示すように、スケールが形成された鋼材の分光データの第３主成分得点は、スケールにヘマタイトを含む３つの参照点で正の値になり、ヘマタイトを含まない他の参照点で負の値になることがわかる。したがって、スケールの組成が未知の被検体３０については、第３主成分得点からヘマタイトの含有の有無を検知できる。本実施の形態においては、第３主成分得点に対して所定の閾値による閾値処理を行なうことで、ヘマタイト含有の有無を検知する。
【００７１】
前述したように、ヘマタイトを含むスケール（赤錆）は、下地鋼板との密着性が低く鉄鋼製品には忌避される傾向にあるため、ヘマタイトの含有の有無を検知できる意義は大きい。ヘマタイトの含有を検知した場合には、適切な手入れを行ったり出荷先を変更したりすることにより、不適合品の流出を未然に防止できる。また、ヘマタイトの含有の検知により、ヘマタイトの発生要因となる温度やデスケーリングなどの製造条件の不適合を検知できる。したがって、第３主成分得点は、設備監視や操業監視の指標としても活用可能である。
【００７２】
なお、測定対象の表面性状や、事前測定データ用のサンプルの選定や主成分ベクトルのとり方により、複数種類の主成分の主成分得点を用いた回帰式を利用して膜厚や組成を算出できる場合がある。例えば、表面粗度が極めて大きい場合には、反射率が全体的に低下するため、第１主成分の主成分得点が小さくなる傾向にある。しかし、同時にスペクトル形状が変化して他の主成分の主成分得点が変化するため、複数種類の主成分得点を組み合わせることで膜厚の算出精度を上げることができる場合がある。
【００７３】
図７は、スケールを有する表面と、粗い機械研磨による金属面とにおける反射スペクトルの測定例を示す図である。図７に示すように、この機械研磨面は表面粗度が極めて大きいため、反射率が全体的に低下し、かつ、波長依存性がほとんどないことがわかる。このとき、反射スペクトルの第１主成分の主成分得点は小さい値となり、第１主成分得点のみを用いて上記の膜厚測定処理により膜厚を算出すれば、スケールが存在しない面であるにもかかわらず、膜厚として大きな値が誤算出される場合がある。
【００７４】
この場合に、第１主成分得点に加え、他の主成分得点を用いて膜厚を算出する。図８は、幅方向の所定範囲Ｒにて長手方向に２列の領域が機械研磨された板状サンプルについて、サンプルの幅方向の各測定点での反射スペクトルから算出した主成分得点を例示する図である。図８に示すように、第１主成分の主成分得点は、どの測定点でもほぼ均一であり、スケール面と機械研磨面とで差がないことがわかる。また、ヘマタイトの有無を示す第３主成分得点についても、スケール面と機械研磨面とで差がないことがわかる。一方、第２主成分得点は、機械研磨面で大きく変化することがわかる。このことから、第２主成分得点が表面反射の有無などの表面性状に関わる値であると推測される。すなわち、第２主成分得点は、表面の平滑性や平坦性の指標として活用可能である。
【００７５】
上記のように、第１主成分得点と第２主成分得点とを用いて膜厚測定処理を行なうことで膜厚測定の精度が向上する。同様に、他の主成分得点を組み合わせた回帰式を用いて膜厚測定処理を行なうことで、膜厚測定の精度が向上することが期待できる。
【００７６】
さらに、主成分得点に加え、残差を活用することで、同様に膜厚測定の精度が向上する効果も期待できる。ここで、残差とは、反射スペクトルから各主成分の寄与を除いたものであり、残差が大きい場合、既知の主成分以外の寄与が大きいことを示す。したがって、例えば未知の現象の検知や、装置の経時変化、測定手順の誤りなどの異常検知などに活用可能である。
【００７７】
以上、説明したように、本実施の形態の膜厚測定装置１によれば、分光装置１０が、被検体３０の分光データを測定し、演算装置２２が、被検体３０の表面に形成された被膜の膜厚および組成の情報を多く含む成分を抽出して、被膜の膜厚および組成を算出するので、非接触・非破壊で、簡便に、また外来ノイズの影響を受けにくいため高精度に、被膜の膜厚のみならず、被膜の組成の情報を得ることができる。また、本実施の形態の膜厚測定装置１によれば、表面性状を推定することができる。すなわち、分光データより被膜の膜厚、組成、表面性状が測定（推定）可能である。なお、本発明によれば、分光データから得られる他の物理量についても、同様の手法により測定可能である。
【００７８】
また、上記実施の形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。上記実施の形態では、膜厚測定装置１における被膜の膜厚および組成の測定について記載しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施の形態の膜厚測定装置１における被膜の膜厚のみの測定や組成のみ測定も本発明の範囲内である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、鉄鋼製品の表面に形成された酸化膜などの被膜の膜厚および組成の測定に適用できる。
【符号の説明】
【００８０】
１  膜厚測定装置
１０  分光装置
１１  光源
２０  制御部
２１  事前測定ＤＢ
２２  演算装置
２３  記憶装置
３０  被検体
【図１】
2013035726.tif 000013
【図２】
2013035726.tif 000014
【図３】
2013035726.tif 000015
【図４】
2013035726.tif 000016
【図５】
2013035726.tif 000017
【図６】
2013035726.tif 000018
【図７】
2013035726.tif 000019
【図８】
2013035726.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月8日(2014.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を測定する測定方法であって、
事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定ステップと、
前記事前測定ステップで測定された分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、当該特徴量の組み合わせと前記既知の被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成との関係を算出する事前算出ステップと、
前記被検体の分光データを測定する測定ステップと、
前記測定ステップで測定された被検体の分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、前記事前算出ステップで算出された特徴量の組み合わせと被膜の膜厚および組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する算出ステップと、
を有する測定方法。
【請求項２】
前記基底分解に主成分分析を適用する請求項１に記載の測定方法。
【請求項３】
前記算出ステップは、前記被検体の分光データから算出された複数種の主成分得点または残差の組み合わせに基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する請求項２に記載の測定方法。
【請求項４】
前記主成分得点のうちのいずれか１つに基づいて表面性状を推定する請求項３に記載の測定方法。
【請求項５】
前記被検体は鉄鋼製品であり、前記被膜は酸化膜である請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定方法。
【請求項６】
前記酸化膜は、マグネタイト、ヘマタイト、ウスタイトのうちの少なくとも１種類を含んで組成される請求項５に記載の測定方法。
【請求項７】
前記分光データは、１０〜２５μｍの波長の赤外線に対する反射率または吸光度である請求項１〜６のいずれか１項に記載の測定方法。
【請求項８】
被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を測定する測定装置であって、
事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定手段と、
前記事前測定手段によって測定された分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、当該特徴量の組み合わせと前記既知の被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成との関係を算出する事前算出手段と、
前記被検体の分光データを測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された被検体の分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、前記事前算出手段によって算出された特徴量の組み合わせと被膜の膜厚および組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する算出手段と、
を備える測定装置。
【請求項９】
被検体の表面に形成された被膜の組成を測定する測定方法であって、
事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定ステップと、
前記事前測定ステップで測定された分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、当該特徴量の組み合わせと前記既知の被検体の表面に形成された被膜の組成との関係を算出する事前算出ステップと、
前記被検体の分光データを測定する測定ステップと、
前記測定ステップで測定された被検体の分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、前記事前算出ステップで算出された特徴量の組み合わせと被膜の組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の組成を算出する算出ステップと、
を有する測定方法。
【請求項１０】
被検体の表面に形成された被膜の組成を測定する測定装置であって、
事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定手段と、
前記事前測定手段によって測定された分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、当該特徴量の組み合わせと前記既知の被検体の表面に形成された被膜の組成との関係を算出する事前算出手段と、
前記被検体の分光データを測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された被検体の分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、前記事前算出手段によって算出された特徴量の組み合わせと被膜の組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の組成を算出する算出手段と、
を備える測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る測定方法は、被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を測定する測定方法であって、事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定ステップと、前記事前測定ステップで測定された分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、当該特徴量の組み合わせと前記既知の被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成との関係を算出する事前算出ステップと、前記被検体の分光データを測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された被検体の分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、前記事前算出ステップで算出された特徴量の組み合わせと被膜の膜厚および組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する算出ステップと、を有する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
また、本発明に係る測定方法は、上記発明において、前記算出ステップは、前記被検体の分光データから算出された複数種の主成分得点(score  on  the  principal  component)または残差(residual)の組み合わせに基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する。
また、本発明に係る測定方法は、上記発明において、前記主成分得点のうちのいずれか１つに基づいて表面性状を推定する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
また、本発明に係る測定装置は、被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を測定する測定装置であって、事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定手段と、前記事前測定手段によって測定された分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、当該特徴量の組み合わせと前記既知の被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成との関係を算出する事前算出手段と、前記被検体の分光データを測定する測定手段と、前記測定手段により測定された被検体の分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、前記事前算出手段によって算出された特徴量の組み合わせと被膜の膜厚および組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の膜厚および組成を算出する算出手段と、を備える。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
また、本発明に係る測定方法は、被検体の表面に形成された被膜の組成を測定する測定方法であって、事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定ステップと、前記事前測定ステップで測定された分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、当該特徴量の組み合わせと前記既知の被検体の表面に形成された被膜の組成との関係を算出する事前算出ステップと、前記被検体の分光データを測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された被検体の分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、前記事前算出ステップで算出された特徴量の組み合わせと被膜の組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の組成を算出する算出ステップと、を有する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
また、本発明に係る測定装置は、被検体の表面に形成された被膜の組成を測定する測定装置であって、事前に既知の被検体の分光データを測定する事前測定手段と、前記事前測定手段によって測定された分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、当該特徴量の組み合わせと前記既知の被検体の表面に形成された被膜の組成との関係を算出する事前算出手段と、前記被検体の分光データを測定する測定手段と、前記測定手段により測定された被検体の分光データ全体を基底分解して該分光データの複数種の特徴量を抽出し、前記事前算出手段によって算出された特徴量の組み合わせと被膜の組成との関係に基づいて、前記被検体の表面に形成された被膜の組成を算出する算出手段と、を備える。
【国際調査報告】
2013035726.tif 000021
2013035726.tif 000022
2013035726.tif 000023
2013035726.tif 000024