JP2014055830A - 分光測定装置および分光測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定対象の大きさによらず、被測定対象の全面を分光計測すること。
【解決手段】本発明の分光測定装置１は、駆動車輪を有する走行台車１０と、走行台車１０に備え付けられ、被測定対象Ｓの表面物質を分光測定する分光器２１と、駆動車輪の駆動を制御し、走行台車１０の現在位置を監視する駆動制御部３０と、分光測定の測定結果から同定された表面物質の組成および厚さと、分光測定時の走行台車１０の現在位置とを対応付けて、被測定対象Ｓにおける表面物質の組成および厚さのマップを作成する演算部２４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光測定装置およびこれを用いた分光測定方法に関する。

従来より、分光測定は極めて多岐に渡る領域で活用されている。例えば、医学、薬学、工学などの領域において、紫外光・可視光・近赤外光・赤外光などを測定光とした様々な分光測定が物質の同定や定量に用いられている。

しかしながら、これら多くの分光測定は、実験室内での利用にとどまっており、鋼板のような巨大な製品の全面の分光計測は行われていない。なぜならば、通常の分光測定の測定範囲は、数センチ平方が限界であることが多いからである。測定範囲を超える大きさの製品を分光測定する場合、被測定対象となる製品から測定サンプルを切り出す必要があり、製品から測定サンプルを切り出せば、必然的に製品の全数検査は不可能となる。

そこで、巨大な製品に対する分光測定では、可搬型の分光測定装置を利用して、製品の１点を代表として分光測定を実施すること、または製品の抜き取り検査として分光測定を実施するなどの運用をせざるを得なかった。例えば、分光測定に限定しない例では、一輪台車を用いた可搬型の測定装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００５−３０７８２号公報

しかしながら、鋼板のような巨大な製品の全面に対する分光計測の需要は大きい。例えば、鋼板の表面には、スケールと呼ばれる酸化膜が形成されている。このスケールは、Ｆｅ_２Ｏ_３（ヘマタイト）、Ｆｅ_３Ｏ_４（マグネタイト）、ＦｅＯ（ウスタイト）などの酸化鉄および添加元素の酸化物からなる複雑な組成をしているが、分光測定を用いれば、スケールの組成の同定および定量を行うことができる。

また、鋼板の表面のスケールには、鋼板を保護するという機能があるので、鋼板の表面に均等かつ均質にスケールが形成されていることが好ましい。さらに、鋼板の表面におけるスケールの分布の偏りは、鋼板の製造工程において温度ムラまたは圧延ムラが発生したことを示唆する指標となっている。したがって、鋼板の全面における分光計測を行うことができれば、鋼板の表面のスケールの組成および分布が測定され、鋼板の品質管理において大きな寄与が見込まれる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、被測定対象の大きさによらず、被測定対象の全面を分光計測することができる分光測定装置および分光測定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の分光測定装置は、駆動車輪を有する走行台車と、前記走行台車に備え付けられ、被測定対象の表面物質を分光測定する分光器と、前記駆動車輪の駆動を制御し、前記走行台車の現在位置を監視する駆動制御部と、前記分光測定の測定結果から同定された前記表面物質の組成および厚さと、該分光測定時の前記走行台車の現在位置とを対応付けて、前記被測定対象における表面物質の組成および厚さのマップを作成する演算部とを備えることを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の分光測定方法は、分光測定装置が被測定対象の測定範囲内の所定位置まで移動をする移動ステップと、前記分光測定装置が移動した前記測定範囲内の現在位置を前記分光測定装置が備える駆動制御部が取得する位置取得ステップと、前記分光測定装置が備える分光器が前記被測定対象の表面物質を分光測定する測定ステップと、前記分光測定装置が備える演算部が前記分光測定の結果から前記被測定対象の表面物質の組成および厚さを同定する同定ステップと、前記分光測定の測定結果から同定された前記表面物質の組成および厚さと、該分光測定時の前記走行台車の現在位置とを対応付けて、前記被測定対象における表面物質の組成および厚さのマップを作成するマップ作成ステップとを含むことを特徴とする。

本発明にかかる分光測定装置および分光測定方法は、被測定対象の大きさによらず、被測定対象の全面を分光計測することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態にかかる分光測定装置の上面図である。 図２は、本発明の実施形態にかかる分光測定装置の側面図である。 図３は、全方向移動車輪の一例を示す斜視図である。 図４は、測定ユニットの概略構成を示す模式図である。 図５は、演算部の機能ブロック図である。 図６は、本発明の実施形態にかかる分光測定方法の流れを示すフローチャートである。 図７は、事前測定のサブフローを示すフローチャートである。 図８は、分光測定したサンプルの一部の例を示す波長分布のグラフである。 図９は、主成分分析を実行して得られた波長分布の基底の例を示すグラフである。 図１０は、スケールの厚さおよび組成が既知となっているサンプルについて主成分分析を施した結果を例示する散布図である。 図１１は、鋼板の表面の測定スペクトルの例を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態にかかる分光測定装置および分光測定方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。

〔分光測定装置〕
図１は、本発明の実施形態にかかる分光測定装置の上面図であり、図２は、本発明の実施形態にかかる分光測定装置の側面図である。

図１および図２に示されるように、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１は、走行台車１０と測定ユニット２０と駆動制御部３０とを備える。

走行台車１０は、対向した２つの車軸方向が互いに直交した２組の計４個の駆動車輪としての全方向移動車輪１１と、これら計４個の全方向移動車輪をそれぞれ独立に駆動制御する駆動手段１２とを備える。全方向移動車輪１１とは、通常の車輪が１軸のみの回転しかできないところ、さらに車軸と垂直方向にも回転機構を設けることにより全方向の移動を可能にした車輪のことを云う。例えば、全方向移動車輪は、オムニホイール（登録商標）またはメカナムホイールという名で呼ばれており、図３は、全方向移動車輪１１の一例を示す斜視図である。

図３に示されるように、全方向移動車輪１１の一例は、第１車軸１１１を中心とした本体ホイール１１２の回転および第２車軸１１３を中心としたバレル１１４の回転が可能な構成となっている。そして、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１は、４つの全方向移動車輪１１を備えることにより、全方向に移動可能となっている。

なお、本発明の実施形態にかかる走行台車１０は、４つの全方向移動車輪１１を備える例であるが、３つ以上の全方向移動車輪１１を備えれば、走行台車１０が全方向に移動可能な構成とすることができる。また、全方向移動車輪１１の構成も、図３に示された例に限らず、進行方向を任意に変えられる仕様を満たす他の形態の車輪を用いることも可能である。

駆動手段１２は、全方向移動車輪１１の第１車軸１１１を回転駆動させる機構である。本発明の実施形態にかかる駆動手段１２は、ステッピングモータ１２１を動力源として用い、駆動ベルト１２２により、全方向移動車輪１１の第１車軸１１１を回転駆動させる構成である。また、ステッピングモータ１２１は、回転軸にエンコーダ１２３を備え、エンコーダ１２３により検出されるステッピングモータ１２１の回転軸の回転数を介して、全方向移動車輪１１の第１車軸１１１の回転数を監視することができる。なお、回転軸にエンコーダ１２３を設ける代わりに、ステッピングモータ１２１に入力されるパルス信号を計数することにより、ステッピングモータ１２１の回転軸の回転数を監視することでも、全方向移動車輪１１の第１車軸１１１の回転数を監視することができる。

駆動制御部３０は、駆動手段１２および走行台車１０の駆動にかかるその他の装置の制御を行う制御手段である。駆動制御部３０は、例えばオンボードの制御基板として構成される。駆動制御部３０は、外部のコントローラーなどから受信した駆動指令に対応して、駆動手段１２に駆動信号を発信する。具体的には、駆動制御部３０は、受信した駆動指令に含まれる走行台車１０の駆動距離から、対応するステッピングモータ１２１の回転ステップ数を算出し、この回転ステップ数に対応したパルス信号をステッピングモータ１２１へ発信する。

また、駆動制御部３０は、走行台車１０の現在位置を監視する機能を有する。すなわち、駆動制御部３０は、ステッピングモータ１２１の回転数のフィードバックから走行台車１０の駆動距離を算出し、走行台車１０の現在位置を取得する。ステッピングモータ１２１の回転軸にエンコーダ１２３を設けた実施形態においては、駆動制御部３０は、エンコーダ１２３の出力によりステッピングモータ１２１の回転数のフィードバックを得ることができる。その場合、エンコーダ１２３の出力とステッピングモータ１２１へ発信したパルス信号との差を監視し、ステッピングモータ１２１の空転による誤差を修正することも可能である。また、ステッピングモータ１２１の回転軸にエンコーダ１２３を設けない実施形態においては、駆動制御部３０は、ステッピングモータ１２１へ発信したパルス信号を計数することにより、走行台車１０の現在位置を取得する。

測定ユニット２０は、被測定対象の表面物質に照明光を照射して、被測定対象の表面物質から反射される観察光を分光測定するユニットである。図４は、測定ユニット２０の概略構成を示す模式図である。

図４に示されるように、測定ユニット２０は、内部に分光器２１と光源２２とを備える。光源２２は、走行台車１０の走行面である被測定対象Ｓの表面物質に照明光を照射し、分光測定器２１は、被測定対象Ｓの表面物質により反射される観察光を分光測定する。光源２２から照射される照明光は、紫外光、可視光、または赤外光など分光測定すべき波長に適した照明を選択する。例えば、被測定対象Ｓの表面物質が鋼板表面のスケールである場合、赤外光の照明が選択される。分光器２１は、分光部２１ａと検出部２１ｂとからなり、分光部２１ａは、被測定対象Ｓの表面物質にて反射された測定光を分光し、検出部２１ｂは、分光された測定光を測定する。

分光部２１ａは、例えばプリズムや回折格子などの分光素子によって構成され、フーリエ変換型赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）の場合、干渉計によって構成される。検出部２１ｂは、光電効果により測定光を電気信号に変換する素子である。例えば、検出部２１ｂにラインセンサー型の素子を用いれば、プリズムや回折格子などの分光素子によって分光された測定光を一度に検出することが可能である。フーリエ変換型赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）の場合、検出部２１ｂにより検出された測定光は、干渉計の移動鏡の位置との関係でフーリエ変換することにより測定光の分光が得られる。

測定ユニット２０は、さらに、電源２３と演算部２４と記録部２５とを備える構成とすることができる。しかしながら、分光測定装置１の重量を減らすために、測定ユニット２０が電源２３と演算部２４と記録部２５とを備えない構成とすることも可能である。例えば、電源２３は、走行台車１０の電源と共通構成とすることにより、測定ユニット２０に設けることを省略することができる。さらに、検出部２１ｂによって検出された測定光にかかる電気信号を無線または有線によって分光測定装置１の外部に送信することによって、演算部２４と記録部２５とを分光測定装置１の外部に設ける構成とすることができる。

電源２３は、分光器２１と光源２２と演算部２４と記録部２５とに電力を供給する。演算部２４は、分光器２１の検出部２１ｂにより電気信号に変換された測定信号と、エンコーダ１２３から出力される全方向移動車輪１１の回転量にかかる回転信号とに基づいて、分光測定による測定結果と分光測定を行った被測定対象Ｓにおける位置とのマッピング対応を演算する。記録部２５は、演算部２４により演算された測定結果と位置とのマッピングを記録する記録手段である。

図５は、演算部２４の機能ブロック図である。ここでは、説明を容易にするため、被測定対象Ｓの表面物質が鋼板表面のスケールである場合に演算部２４の機能ブロック図が示されている。なお、演算部２４が行う演算は、ハードウェアの機能として実現されるとしても、ソフトウェアの機能として実現されるとしても、本発明を適切に実施され得る。

図５に示されるように、演算部２４は、反射率取得手段２４ａと、スペクトル取得手段２４ｂと、スケール厚取得手段２４ｃと、スケール組成取得手段２４ｄと、事前測定ＤＢ２４ｅと、測定位置取得手段２４ｆと、マッピング対応手段２４ｇとを備えている。

反射率取得手段２４ａは、分光器２１によって検出された測定光の強度と照明光の強度とから鋼板の表面における反射率を算出する手段であり、スペクトル取得手段２４ｂは、分光器２１によって分光された測定光の波長分布を取得する手段である。

スケール厚取得手段２４ｃは、事前測定ＤＢ２４ｅに保存されている反射率とスケールの厚さとの関係を表す検量線に基づいて、反射率取得手段２４ａにより取得された照明光の反射率からスケールの厚さを算出する手段である。スケール組成取得手段２４ｄは、事前測定ＤＢ２４ｅに保存されているスケール組成と分光スペクトルとの関係を示すデータに基づいて、スペクトル取得手段２４ｂにより取得された測定光の波長分布からスケールの組成を同定する手段である。事前測定ＤＢ２４ｅに保存されているスケール組成と分光スペクトルとの関係を示すデータについては後に分光測定方法の説明の中で詳述するものとして、ここでは説明を省略する。

測定位置取得手段２４ｆは、駆動制御部３０が監視している走行台車１０の現在位置に基づいて、被測定対象の測定範囲内における分光測定が行われた測定位置を算出する手段である。先述したように、エンコーダ１２３は、全方向移動車輪１１の第１車軸１１１を回転駆動させるステッピングモータ１２１に設けられているので、エンコーダ１２３の出力から全方向移動車輪１１の現在位置を算出することができる。したがって、走行台車１０の位置と分光測定が行われた測定位置との相対関係は既知であることから、測定位置取得手段２４ｆは、分光測定が行われた測定位置を算出する。

マッピング対応手段２４ｇは、スケール厚取得手段２４ｃにより取得されたスケールの厚さと、スケール組成取得手段２４ｄにより同定されたスケールの組成と、測定位置取得手段２４ｆにより取得された分光測定の測定位置とを対応付ける手段である。すなわち、マッピング対応手段２４ｇは、測定位置とスケールの厚さおよび組成とを対応付けることにより、鋼板上におけるスケールの厚さおよび組成の分布を示すマップを作成する。

そして、マッピング対応手段２４ｇは、上記のように構成したスケールの厚さおよび組成の分布を示すマップを記録部２５に保存する。

以上説明した、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１は、上記の実施形態に限らず様々な変形形態を採用し得る。例えば、走行台車１０に磁石や吸盤を用いることよって、分光測定装置１が被測定対象Ｓに吸着する構造を採用すれば、被測定対象Ｓが水平面ではない場合にも分光測定装置１による分光測定を実施できる。分光測定装置１による測定は分光測定であるので、磁石などが被測定対象Ｓに近接しても測定上の影響が発生しない。特に被測定対象Ｓが鉄鋼製品の場合、電磁石を用いた吸着用の機構を備えることにより、傾いていたり、垂直状態、あるいは天地逆転した状態でも分光測定を行うことも可能になる。また、被測定対象Ｓに吸着することで分光器２１と被測定対象Ｓとの距離を一定にする効果も得られるので、測定精度も向上する。

また、以上説明した、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１の説明では、被測定対象Ｓの表面物質が鋼板表面のスケールである場合を扱ったが、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１を鋼板表面のスケールの測定以外にも適用可能である。例えば、鋼板以外の金属製品にも酸化膜が表面に生成する。また、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１は、酸化膜以外の塗装膜や化成膜についても適用可能である。

〔分光測定方法〕
次に、本発明の実施形態にかかる分光測定方法について説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態にかかる分光測定装置および演算部の構成の図面などを参照しながら本発明の実施形態にかかる分光測定方法について説明するが、本発明の実施形態にかかる分光測定方法は、これらの図面に表された構成により限定されるものではない。

図６は、本発明の実施形態にかかる分光測定方法の流れを示すフローチャートである。図７は、図６に示されたフローチャートにおける事前測定のサブフローを示すフローチャートである。以下の説明では、図７を参照しながら事前測定のサブフローを説明し、その後、図６を参照しながら本発明の実施形態にかかる分光測定方法のフローを説明する。

図７に示されるように、事前測定のサブフローは、スケールに関する特性が既知である鋼板のサンプルを分光測定することから始まる（ステップＳ２１）。すなわち、断面観測など別途の方法により、鋼板上のスケールの厚さおよび組成が既知となっているサンプルを用意し、分光測定装置１によりこのサンプルの分光測定が行われる。

上記スケールの厚さおよび組成が既知となっているサンプルは、複数必要である。すなわち、分光測定装置１は、サンプルの分光測定を行う都度、サンプルの全てを網羅したか否かを判定し（ステップＳ２２）、サンプルの全てを網羅していない場合（ステップＳ２２：Ｎｏ）、別のサンプルの分光測定を行うことを繰り返す（ステップＳ２１）。そして、サンプルの全てを網羅した場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、事前測定のサブフローは、次のステップへ進む。なお、サンプルの個数が多ければ統計的精度が向上するが、サンプルの個数は測定の目的に応じて適切に設定すればよい。また、ここでの複数のサンプルとは、別個の鋼板のサンプルとしてもよく、同一の鋼板における既知の測定点のサンプルとしてもよい。

図８は、上記のように分光測定装置１が分光測定したサンプルの一部の例を示す波長分布のグラフである。図８に示されるサンプルは、スケールが形成されていないフライス加工金属面、マグネタイトのみの組成を有する膜厚２．５μｍのスケールが形成されたサンプル、マグネタイトのみの組成を有する膜厚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との組成を有する膜厚２０μｍのスケールが形成されたサンプルの４種のサンプルである。図８は、これら４種のサンプルについて、測定光の波長に関する反射率をグラフ化したものである。

次に、事前測定のサブフローでは、スケールの厚さおよび組成が既知となっている複数のサンプルについて主成分分析が行われる（ステップＳ２３）。事前測定のサブフローにおける主成分分析は、分光測定装置１が内部に備える演算部２４によって実行される構成としてもよく、分光測定装置１の外部に設けた別途の汎用計算機によって実行される構成としてもよい。具体的には、主成分分析とは、以下の計算のことである。

主成分分析の対象となるＮ個のサンプルのそれぞれをＰ個の要素からなるベクトルで表すと、対象のサンプルは、次式（１）のように行列Ｘで定義される。この行列Ｘの各要素をｘ（ｉ，ｊ）とする。すなわち、ステップＳ２１の繰り返しにより分光測定されたサンプルの個数がＮ個であり、その各サンプルの波長分布をＰ個に分割して反射率を各要素の値とするベクトルを整列したものが行列Ｘである。

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。

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。

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）の特徴を多く含んでいる。したがって、主成分番号ｋの範囲を大きくとる程に、近似精度が向上するが、ここではｋ＝１，２，３とする。

すると、任意のデータｘ_ｓ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）、および第３主成分ベクトルｗ（ｉ，３）を用いて、次式（４）のように近似的に表すことができる。すなわち、任意のデータｘ_ｓが第１主成分ベクトルｗ（ｉ，１）、第２主成分ベクトルｗ（ｉ，２）、および第３主成分ベクトルｗ（ｉ，３）を基底とする基底分解される。よって、以下では、これら第１主成分ベクトルｗ（ｉ，１）、第２主成分ベクトルｗ（ｉ，２）、および第３主成分ベクトルｗ（ｉ，３）を第１主成分基底、第２主成分基底、第３主成分基底と省略して云うこともある。

なお、上記基底分解における第ｋ主成分ベクトルの係数ａ_ｓ（ｋ）を主成分得点と云い、第１主成分ベクトルｗ（ｉ，１）、第２主成分ベクトルｗ（ｉ，２）、および第３主成分ベクトルｗ（ｉ，３）を用いて、以下のように計算される。

すなわち、第ｋ主成分ベクトルｗ（ｉ，ｋ）は、正規直交基底になっているので、データｘ_ｓと第ｋ主成分ベクトルｗ（ｉ，ｋ）のそれぞれとの内積を計算することにより、第ｋ主成分ベクトルの主成分得点をａ_ｓ（ｋ）が計算される。

以上が事前測定のサブフローのステップＳ２３における主成分分析の計算である。図９は、上記のような主成分分析を実行して得られた波長分布の基底の例を示すグラフである。なお、当該グラフにおける波長分布の基底の物理的意味は、規格化された反射率である。すなわち、ステップＳ２１の繰り返しにより分光測定された複数のサンプルの波長分布を分割して反射率を各要素の値とするベクトルとした場合の主成分分析における、第１主成分ベクトルｗ（ｉ，１）、第２主成分ベクトルｗ（ｉ，２）、および第３主成分ベクトルｗ（ｉ，３）の波長に関するベクトルの値をグラフ化したものである。

次に、事前測定のサブフローでは、主成分分析により得られた主成分分析の基底とスケールの組成との対応付けを行う（ステップＳ２４）。

図１０は、スケールの厚さおよび組成が既知となっているサンプルについて主成分分析を施した結果を例示する散布図である。図１０に示される散布図は、縦軸が主成分得点を表し、横軸がスケールの膜厚を表し、各サンプルの第１主成分得点、第２主成分得点、および第３主成分得点がそれぞれ×、○、および▲でプロットされている。

図１０に示されるように、第１主成分得点とスケールの膜厚とは、負の相関がある。したがって、鋼板の分光測定の結果について第１主成分得点を算出すれば、その測定位置におけるスケールの膜厚を推定することができる。

また、図１０に示されるように、第２主成分得点はスケールにヘマタイトを含むか否かを判定することに用いることができる。図１０に示されるように、スケールにヘマタイトを含む場合、そのスケールの分光測定の結果について算出した第２主成分得点が正の値となっている。したがって、鋼板の分光測定の結果について第２主成分得点の正負を算出すれば、その測定位置におけるスケールにヘマタイトが含まれているか否かを判定することができる。

なお、第２主成分得点は、スケールの性質に直接的には関連しないが、表面反射の有無を検知可能と考えられる。例えば、第２主成分得点は、金属光沢を持つサンプルで値が小さくなり、スケール表面のような緻密な面でほぼ一定値となる。またスケール表面であっても、スケールの膜厚が１０μｍ以下の薄い領域では、わずかに光沢を持ち、第２主成分得点の値が変化する。したがって、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することが可能である。

以上のように、主成分分析の得点と鋼板の表面のスケールの組成とは関連がある。事前測定のサブフローのステップＳ２４では、鋼板の表面の分光測定の結果から主成分分析の得点を算出するために、事前に測定された既知サンプルの分光測定における主成分分析の基底とスケールの組成とを対応付ける。

その後、事前測定のサブフローでは、ステップＳ２４にて対応付けられた主成分分析の基底とスケールの組成との組が事前測定ＤＢ２４ｅに保存される（ステップＳ２５）。

以上で、事前測定のサブフローが終了し、上記一連のフローが図６に示される本発明の実施形態にかかる分光測定方法のフローにおけるステップＳ２の処理に相当する。ここで、図６の参照に戻り、本発明の実施形態にかかる分光測定方法のフローについての説明を行う。

図６に示されるように、本発明の実施形態にかかる分光測定方法は、事前測定を実行するか否かの判定から開始される。すなわち、本発明の実施形態にかかる分光測定方法は、初回測定であるか否かを判定し（ステップＳ１）、初回測定である場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、事前測定を行い（ステップＳ２）、一方、初回測定でない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、事前測定を省略してステップＳ３へ進む。

次に、本発明の実施形態にかかる分光測定方法では、分光測定装置１が鋼板上の測定位置まで移動する（ステップＳ３）。分光測定装置１の移動位置は、例えば事前にプログラムされた移動位置であり、またはオペレータによるマニュアル操作に従う移動位置である。分光測定装置１の駆動制御部３０は、駆動手段１２に駆動信号を発信することにより、分光測定装置１を所望位置に移動する。

次に、本発明の実施形態にかかる分光測定方法では、駆動制御部３０が、分光測定装置１の現在位置を取得する（ステップＳ４）。すなわち、駆動制御部３０は、ステッピングモータ１２１の回転数のフィードバックから走行台車１０の駆動距離を算出し、走行台車１０の現在位置を取得する。駆動制御部３０は、ステッピングモータ１２１の回転軸にエンコーダ１２３を設けない実施形態においては、ステッピングモータ１２１へ発信したパルス信号を計数することにより、走行台車１０の現在位置を取得する。

次に、本発明の実施形態にかかる分光測定方法では、分光測定装置１の測定ユニット２０が鋼板の表面の反射率を測定する（ステップＳ５）。赤外光領域の鋼板の表面の反射率は、鋼板の表面のスケールの厚さと相関する。図１１は、鋼板の表面の測定スペクトルの例を示すグラフである。図１１に示されるように、スケールの厚い鋼板とスケールの薄い鋼板では、反射率が異なる。

したがって、分光測定装置１は、測定ユニット２０よって検出された測定光の反射率を用いて、鋼板の表面のスケールの厚さを算出する（ステップＳ６）。スケールの厚さの算出は、演算部２４により実行される。演算部２４のスケール厚取得手段２４ｃは、事前測定ＤＢ２４ｅに保存されているスケールの厚さと反射率との関係を示す検量線に基づいて、測定ユニット２０よって検出された測定光の反射率からスケールの厚さを算出する。なお、図１０を参照しながら説明したように、スケールの厚さは第１主成分得点とも相関する。したがって、ステップＳ６におけるスケールの厚さの算出は、反射率の代わりに第１主成分得点を用いてもよい。

次に、本発明の実施形態にかかる分光測定方法では、分光測定装置１の測定ユニット２０が鋼板の表面の分光スペクトルを取得する（ステップＳ７）。分光測定装置１の測定ユニット２０は、分光器２１および光源２２を備えているので、分光測定装置１は、この光源２２により照明された鋼板の表面の反射光を分光器２１により分光測定する。

その後、分光測定装置１は、測定された分光スペクトルを用いて鋼板の表面のスケールの組成を同定する（ステップＳ８）。先述したように、分光スペクトルの主成分分析による主成分得点は、スケールの組成と関連がある。そこで、本発明の実施形態にかかる分光測定方法では、測定された分光スペクトルの主成分得点を算出することにより、スケールの組成を算出する。すなわち、演算部２４のスケール組成取得手段２４ｄは、事前測定ＤＢ２４ｅに保存されているスケールの組成と関連付けられた主成分分析の基底を用いて、測定された分光スペクトルの主成分得点を算出する。主成分分析の基底を用いて分光スペクトルの主成分得点を算出する方法は、先述の式（５）のように、内積の計算によって算出される。

その後、本発明の実施形態にかかる分光測定方法では、上記のように取得された分光測定装置１の現在位置とスケールの厚さおよびスケールの組成とを対応付ける（ステップＳ９）。すなわち、鋼板上の測定位置としての分光測定装置１の現在位置とスケールの厚さおよびスケールの組成の測定結果とが対応付けられ、鋼板表面のスケールの組成および厚さのマップが作成される。なお、鋼板上の測定位置とスケールの厚さおよびスケールの組成の測定結果との対応付けは、所望の測定範囲を網羅するまで繰り返される（ステップＳ１０）。測定範囲を網羅している場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、本発明の実施形態にかかる分光測定方法は終了し、測定範囲を網羅していない場合（ステップＳ１０：Ｎｏ）、ステップＳ３へ戻り分光測定装置１が次の測定位置へ移動される。

上記説明した本発明の実施形態にかかる分光測定方法により測定したスケールの組成および厚さのデータは、品質管理基準として活用する他、販売先へ提示するデータとしても使用することができる。具体的には、販売製品のスケールの厚さおよび組成が管理範囲内にあることを保証することにより、販売製品の表面性状を保証して製品に付加価値を付けることができる。例えば、レーザー溶接／切断を行う場合、または塗装の前処理の場合などにおいて、スケールの厚さやスケールの性状が既知であることは有益である。

なお、上記説明した本発明の実施形態にかかる分光測定方法を1メートル四方の測定範囲について、１０ｃｍ間隔の計１００箇所の測定点において実施したところ、分光測定装置１の移動時間を含めた総所要時間はおよそ２０分であった。したがって、本発明の実施形態にかかる分光測定方法は、従来の手動測定方法およびその他の測定方法と比較して、移動に要する時間、測定位置精度、および測定精度の点で優位である。鋼板の一種である厚板材では、１枚あたり幅および長さが数メートル以上であり、重量が数トンを越える場合が多い。このような被測定対象を保持するＸＹテーブルのような機構、またはガントリー型のＸＹスキャナと比較した場合、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１は、構造が容易かつ安価であることは顕著である。

以上より、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１は、駆動車輪を有する走行台車１０と、走行台車１０に備え付けられ、被測定対象の表面物質を分光測定する分光器２１と、駆動車輪の駆動を制御し、走行台車１０の現在位置を監視する駆動制御部３０と、分光測定の測定結果から同定された表面物質の組成および厚さと、分光測定時の走行台車１０の現在位置とを対応付けて、被測定対象における表面物質の組成および厚さのマップを作成する演算部２４とを備えるので、被測定対象の大きさによらず、被測定対象の全面を分光計測することができる。

また、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１の駆動制御部３０は、駆動車輪の車軸を回転駆動させるステッピングモータ１２１に駆動信号を送信することにより駆動車輪の駆動を制御し、ステッピングモータ１２１の回転軸に設けられたエンコーダ１２３の出力により走行台車１０の現在位置を監視することが考えられる。また、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１の駆動制御部３０は、駆動車輪の車軸を回転駆動させるステッピングモータ１２１に駆動信号を送信することにより駆動車輪の駆動を制御し、ステッピングモータ１２１に送信された信号のパルスを計数することにより走行台車１０の現在位置を監視することが考えられる。

さらに、本発明の実施形態にかかる分光測定装置１の駆動車輪は、対向した２つの車軸方向が互いに直交した２組の計４個の全方向移動車輪１１であり、駆動制御部３０は、前記計４個の全方向移動車輪１１をそれぞれ独立に駆動制御するので、被測定対象の測定範囲を全方向に移動しながら分光測定をすることができる。

本発明の実施形態にかかる分光測定装置１の演算部２４は、事前に測定したサンプルを主成分分析して作成した主成分分析基底を記憶しており、主成分分析基底と分光器２１による分光測定のスペクトルとの内積を計算することにより得る主成分分析得点に基づいて被測定対象の表面物質の組成を同定するので、精度の高い組成の同定を行うことができる。

本発明の実施形態にかかる分光測定装置１が測定する被測定対象の表面物質は、鋼板表面のスケールであり、演算部２４が、マグネタイト、ヘマタイト、ウスタイトの少なくとも1つ以上のスケールの組成を同定することが好ましい。

１ 分光測定装置
１０ 走行台車
１１ 全方向移動車輪
１１１ 第１車軸
１１２ 本体ホイール
１１３ 第２車軸
１１４ バレル
１２ 駆動手段
１２１ ステッピングモータ
１２２ 駆動ベルト
１２３ エンコーダ
２０ 測定ユニット
２１ 分光器
２１ａ 分光部
２１ｂ 検出部
２２ 光源
２３ 電源
２４ 演算部
２４ａ 反射率取得手段
２４ｂ スペクトル取得手段
２４ｃ スケール厚取得手段
２４ｄ スケール組成取得手段
２４ｅ 事前測定ＤＢ
２４ｆ 測定位置取得手段
２４ｇ マッピング対応手段
２５ 記録部
３０ 駆動制御部

Claims (8)

1. 駆動車輪を有する走行台車と、
   前記走行台車に備え付けられ、被測定対象の表面物質を分光測定する分光器と、
   前記駆動車輪の駆動を制御し、前記走行台車の現在位置を監視する駆動制御部と、
   前記分光測定の測定結果から同定された前記表面物質の組成および厚さと、該分光測定時の前記走行台車の現在位置とを対応付けて、前記被測定対象における表面物質の組成および厚さのマップを作成する演算部と、
   を備えることを特徴とする分光測定装置。
2. 前記駆動制御部は、前記駆動車輪の車軸を回転駆動させるステッピングモータに駆動信号を送信することにより前記駆動車輪の駆動を制御し、前記ステッピングモータの回転軸に設けられたエンコーダの出力により前記走行台車の現在位置を監視する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分光測定装置。
3. 前記駆動制御部は、前記駆動車輪の車軸を回転駆動させるステッピングモータに駆動信号を送信することにより前記駆動車輪の駆動を制御し、前記ステッピングモータに送信された信号のパルスを計数することにより前記走行台車の現在位置を監視する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分光測定装置。
4. 前記駆動車輪は、対向した２つの車軸方向が互いに直交した２組の計４個の全方向移動車輪であり、
   前記駆動制御部は、前記計４個の全方向移動車輪をそれぞれ独立に駆動制御する、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の分光測定装置。
5. 前記演算部は、事前に測定したサンプルを主成分分析して作成した主成分分析基底を記憶しており、前記主成分分析基底と前記分光器による分光測定のスペクトルとの内積を計算することにより得る主成分分析得点に基づいて前記被測定対象の表面物質の組成および厚さを同定することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の分光測定装置。
6. 前記被測定対象の表面物質は、鋼板表面のスケールであり、
   前記演算部は、マグネタイト、ヘマタイト、ウスタイトの少なくとも1つ以上のスケールの組成を同定する、
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の分光測定装置。
7. 分光測定装置が被測定対象の測定範囲内の所定位置まで移動をする移動ステップと、
   前記分光測定装置が移動した前記測定範囲内の現在位置を前記分光測定装置が備える駆動制御部が取得する位置取得ステップと、
   前記分光測定装置が備える分光器が前記被測定対象の表面物質を分光測定する測定ステップと、
   前記分光測定装置が備える演算部が前記分光測定の結果から前記被測定対象の表面物質の組成および厚さを同定する同定ステップと、
   前記分光測定の測定結果から同定された前記表面物質の組成および厚さと、該分光測定時の前記走行台車の現在位置とを対応付けて、前記被測定対象における表面物質の組成および厚さのマップを作成するマップ作成ステップと、
   を含むことを特徴とする分光測定方法。
8. 前記同定ステップは、事前に測定したサンプルを主成分分析して作成した主成分分析基底を用いて、前記主成分分析基底と前記分光器による分光測定のスペクトルとの内積を計算することにより得る主成分分析得点に基づいて前記被測定対象の表面物質の組成および厚さを同定することを特徴とする請求項７に記載の分光測定方法。

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