JP2024033391A - 分析装置、測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測プローブを小型化しつつ、部品内部の内径計測と同時に表面状態の分析が可能な分析装置を提供する。【解決手段】試料の表面に第１電磁波を照射する第１電磁波源と、前記試料の表面に第２電磁波を照射し、当該第２電磁波により前記試料の表面の形状を計測する計測光源と干渉計と、前記第１電磁波と前記第２電磁波の電磁波ビームを前記試料の照射箇所に集光する集光部と、前記試料からの前記第１電磁波および前記第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）と非弾性散乱波とを分離するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーで分離された前記非弾性散乱波に基づいて、前記試料の表面の化学組成および欠陥を計測する分光器と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、部品の形状及び状態を分析する分析装置の構成とそれを用いた測定方法に係り、特に、部品内部の内径計測と表面状態の分析に適用して有効な技術に関する。

近年、地球規模での環境や資源の問題がクローズアップされており、資源の有効活用、地球温暖化ガスの排出抑制のため、サーキュラーエコノミー（資源の循環的利用）が加速している。

対象製品には家電製品の他、ネットワーク装置等のＩＴ機器、建設機械ユニット、自動車用電装品、医療機器等を含む幅広い分野において再生可能資源の有効活用が期待されている。

一方、再生可能資源の再利用には、再生工程の効率化と再生率の向上が重要な課題となる。多くの分野では、部品の個々の損傷状態に対応するため、人手作業による非効率的な品質評価や再生工程のレシピ決定が行われており、使用状態の異なる回収部品の品質評価の効率化が望まれている。

例えば、回収部品の損傷状態の計測診断結果をデジタル化することで、後工程の補修とデータを連携させることができ、再生工程の効率化と再生率向上を実現できる。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「他物が対向している基板の外面やパイプの内面の分光反射光量を容易に測定できるようにするとともに、所望の測定箇所からの分光反射光量を短時間で得られる分光反射光量測定用光学系」が開示されている。（特許文献１の段落［０００５］等）

特開平１０－２６５１４号公報

ところで、回収部品の品質評価では、部品外部の形状や状態等の外観の評価に加えて、部品内部の形状や状態の評価も重要となる。

例えば、パイプ状の回収部品では、再生品としての品質を維持するために、内部の摩耗状態、傷や亀裂の有無等を評価するための形状計測に加えて、内部の腐食、変質、残留応力、結晶状態等の状態の計測も必要となる。

部品内部の形状計測には、従来の内径計測プローブを用いて行うことができるが、形状計測がメインであり、回収部品の再生可否判断に必要な部品内部の材料の腐食や変質、残留応力、結晶状態等の情報を得ることができない。

また、従来の一般的な内径計測プローブは、大型の制御ボックスが必要であり、計測ヘッド（計測プローブ）も比較的大きなものが多いため、適用できる回収部品が限られてしまう。

上記特許文献１では、ケーシング５を水平方向に移動することにより、基板処理台Ｂの上面と、基板処理台Ｂより所定高さ浮上された基板１２の下向きの外面Ｆとの間隙内に直角プリズム６を挿入し、基板１２の下向きの外面Ｆの所望の測定箇所での分光反射光量を測定する。（特許文献１の要約等）
しかしながら、特許文献１の分光反射光量測定用光学系を用いて、回収部品の内径を測定しようとした場合、分光反射光量測定用光学系全体または基板１２及び基板処理台Ｂを回転させる大掛かりな回転機構が必要となる。

また、ＣＣＤカメラ９で得た撮像画像の画像処理により表面の状態を測定するため、測定できる情報も限られてしまう。

そこで、本発明の目的は、計測プローブを小型化しつつ、部品内部の内径計測と同時に表面状態の分析が可能な分析装置及びそれを用いた測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、試料の表面に第１電磁波を照射する第１電磁波源と、前記試料の表面に第２電磁波を照射し、当該第２電磁波により前記試料の表面の形状を計測する計測光源と干渉計と、前記第１電磁波と前記第２電磁波の電磁波ビームを前記試料の照射箇所に集光する集光部と、前記試料からの前記第１電磁波および前記第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）と非弾性散乱波とを分離するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーで分離された前記非弾性散乱波に基づいて、前記試料の表面の化学組成および欠陥を計測する分光器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、（ａ）第１電磁波源から第１電磁波を発振し、第２電磁波源から第２電磁波を発振するステップ、（ｂ）前記第１電磁波と前記第２電磁波の電磁波ビームを集光し、試料に照射するステップ、（ｃ）前記試料からの前記第１電磁波および前記第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）と非弾性散乱波とを分離するステップ、（ｄ）前記（ｃ）ステップにおいて分離された前記弾性散乱波（主に反射波）に基づいて、前記試料の表面の形状を計測するステップ、（ｅ）前記（ｃ）ステップにおいて分離された前記非弾性散乱波に基づいて、前記試料の表面の化学組成および欠陥を計測するステップ、を有することを特徴とする。

本発明によれば、計測プローブを小型化しつつ、部品内部の内径計測と同時に表面状態の分析が可能な分析装置及びそれを用いた測定方法を実現することができる。

これにより、回収部品の高精度な品質評価が可能となり、部品の補修及び再生ビジネスに寄与できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係る分析装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る分析装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る測定方法を示すフローチャートである。 従来の内径計測装置の概略構成を示す図である。 従来の内径計測装置の概略構成を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

本発明を分かり易くするために、先ず、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、上述した従来の一般的な内径計測プローブについて説明する。

図４Ａ及び図４Ｂは、いずれも従来の内径計測装置の概略構成を示す図である。図４Ａは、インライン計測の例を示しており、図４Ｂは、大型の制御ユニット３０とそれに接続された計測ヘッド３２を示している。なお、図４Ａの右図は、左図のＡ部拡大図である。

図４Ａに示すように、従来の内径計測プローブ２５は、ベルトコンベア２７上に搭載されて移動する測定対象の部品２８の内部に計測プローブ２６を挿入し、計測プローブ２６の先端から励起光（レーザ）２１を部品２８の内壁面に照射しながら、計測プローブ２６を軸方向に回転させることで、部品２８の内部の内径や距離を計測する。

図４Ａに示す従来の内径計測プローブ２５は、形状計測がメインであり、部品２８の内部の材料の腐食や変質、残留応力、結晶状態等を測定することはできない。

図４Ｂに示すタイプの内径計測プローブ２９は、大型の制御ユニット３０と、光ファイバ３１を介して制御ユニット３０に接続された計測ヘッド３２とで構成されている。制御ユニット３０は、例えば、５００ｍｍ×５００ｍｍ×５００ｍｍ程度の大きさであり、励起光（レーザ）２１を発振するための光源を内部に備えている。

図４Ｂの内径計測プローブ２９は、制御ユニット３０から計測ヘッド３２へ励起光（レーザ）２１を伝搬するための光ファイバ３１が必要であり、計測プローブとして比較的大きくなるため、適用できる回収部品が限られてしまう。

次に、図１を参照して、本発明の実施例１に係る分析装置について説明する。図１は、本実施例の分析装置１の概略構成を示す図である。本実施例では、測定対象であるパイプ状の部品２の内部の形状及び状態測定を行う例を説明する。

図１に示すように、本実施例の分析装置１は、主要な構成として、励起レーザ及び計測光源と干渉計３と、ダイクロイックミラー８と、集光部となる放物面ミラー１０と、スペクトロメータ（分光器）１７と、放物面ミラー１０及びダイクロイックミラー８を保持するパイプ状のプローブ部９とを備えている。ダイクロイックミラー８は、ダイクロイックビームスプリッターとも呼ばれる。

励起レーザ及び計測光源と干渉計３は、第１電磁波を発振し、測定対象（試料）の表面に第１電磁波を照射する第１電磁波源（励起レーザ）と、第２電磁波を発振し、試料の表面に第２電磁波を照射して、当該第２電磁波により試料の表面の形状を計測する計測光源と干渉計とで構成される。

図１では、第１電磁波源（励起レーザ）と第２電磁波源（計測光源と干渉計）とを同一ユニットに収納した例を示しているが、それぞれ個別のユニットとして設置しても良い。また、第１電磁波と第２電磁波は、互いに異なる波長の電磁波であることを前提としているが、測定対象（試料）等の条件によっては、第１電磁波と第２電磁波に同じ波長の電磁波を用いても良い。

励起レーザ及び計測光源と干渉計３から出力された第１電磁波及び第２電磁波は、光ファイバ４を伝搬して、コリメータ５に導入される。コリメータ５に導入された第１電磁波及び第２電磁波は、励起光（レーザ）２１として光学フィルタ６を通過し、ミラー７及びダイクロイックミラー８により進路が変更されて、プローブ部９の先端部に配置されている放物面ミラー１０に導かれる。放物面ミラー１０は、集光角度θで励起光（レーザ）２１を集光し、測定対象（試料）であるパイプ状の部品２の内壁面に照射する。

放物面ミラー１０は、モータ１１を介してプローブ部９に設置されており、モータ１１によりプローブ部９の周方向に回転させることができる。モータ１１により放物面ミラー１０を３６０°回転させることで、部品２の内壁面の全周に励起光（レーザ）２１を照射することができる。

部品２の内壁面に照射された励起光（レーザ）２１は、第１電磁波（励起レーザ）と第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）と、非弾性散乱波として部品２の内壁面から放出される。第１電磁波（励起レーザ）と第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）、非弾性散乱波は、放物面ミラー１０により受光され、ダイクロイックミラー８に向かう方向に進路が変更される。

ダイクロイックミラー８に到達した第１電磁波（励起レーザ）と第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）と、非弾性散乱波は、ダイクロイックミラー８により第１電磁波及び第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）と、非弾性散乱波とに分離される。

ダイクロイックミラー８により分離された第１電磁波及び第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）は、ミラー７に向かって進行し、ミラー７により進路が変更される。ミラー７により進路が変更された第１電磁波及び第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）は、第１電磁波及び第２電磁波の導入経路とは逆に、光学フィルタ６、コリメータ５の順で通過し、コリメータ５で集光されて、光ファイバ４により励起レーザ及び計測光源と干渉計３に伝搬される。

励起レーザ及び計測光源と干渉計３に内蔵された第２電磁波源（計測光源と干渉計）は、導入された第２電磁波、具体的には部品２の内壁面から放出された第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）に基づいて、内径等の部品２の内部の形状を計測する。

なお、励起レーザ及び計測光源と干渉計３には、第１電磁波の弾性散乱波（主に反射波）も導入されるため、第１電磁波及び第２電磁波の両方の弾性散乱波（主に反射波）に基づいて、内径等の部品２の内部の形状を計測することも可能である。この場合、より高精度な形状計測が期待できる。

一方、ダイクロイックミラー８により分離された非弾性散乱波は、ミラー１２，１３により進路が変更される。ミラー１２，１３により進路が変更された非弾性散乱波は、集光レンズ１４によりラマン光２２として集光され、光ファイバアダプタ１５により受光された後、光ファイバ１６によりスペクトロメータ（分光器）１７に伝搬される。

スペクトロメータ（分光器）１７は、導入された非弾性散乱波に基づいて、ラマン分光により部品２内部の材料の腐食や変質、残留応力、結晶状態等の化学組成及び欠陥に関する情報を取得する。

なお、ダイクロイックミラー８とスペクトロメータ（分光器）１７は、他の分光方式を用いるように構成しても良い。例えば、原子分光（ＬＩＰＳ）、蛍光分光、赤外線または近赤外線による分子分光等により、部品２内部の状態を計測（分析）することも可能である。このときダイクロイックミラー８は、非弾性散乱波のみを透過・分離する仕様に限定されず、弾性散乱波も透過できる仕様に変更できる。

また、分析装置１は、プローブ部９を保持し、モータ２０によりプローブ部９を周方向に回転させる保持パイプ１８を備えている。モータ１１による放物面ミラー１０の回転に加えて、放物面ミラー１０及びダイクロイックミラー８を含むプローブ部９全体を回転させることにより、部品２の内壁面への励起光（レーザ）２１の照射位置をより高精度に制御することができる。

また、分析装置１は、保持パイプ１８を保持し、かつ、プローブ部９を所望の位置に移動可能な工具台１９を備えている。工具台１９は、位置決めステージを含んで構成されており、プローブ部９を部品２の内部の任意の位置に移動することができる。工具台１９によりプローブ部９を所望の位置に移動することで、プローブ部９により検出する第１電磁波及び第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）と、非弾性散乱波の受光量を調整することができる。

以上説明したように、本実施例の分析装置１は、部品２の内部（試料）の表面に第１電磁波を照射する第１電磁波源と、部品２の内部（試料）の表面に第２電磁波を照射し、当該第２電磁波により部品２の内部（試料）の表面の形状を計測する計測光源と干渉計と、第１電磁波と第２電磁波の電磁波ビームを部品２の内部（試料）の照射箇所に集光する集光部と、部品２の内部（試料）からの第１電磁波及び第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）と、非弾性散乱波とを分離するダイクロイックミラー８と、ダイクロイックミラー８で分離された非弾性散乱波に基づいて、部品２の内部（試料）の表面の化学組成及び欠陥を計測するスペクトロメータ（分光器）１７を備えている。

これにより、計測プローブを小型化しつつ、部品内部の内径計測と表面状態の分析を同時に行うことができる。

計測プローブを小型化できるため、従来の計測プローブと同一のシステムで使用することが可能である。

また、プローブ先端の光学部品（放物面ミラー１０）を小型のモータ１１で回転させるため、大型モータの回転振れに起因する測距誤差を低減し、かつ、プローブ筐体を小型化することができる。

図２を参照して、本発明の実施例２に係る分析装置について説明する。図２は、本実施例の分析装置１の概略構成を示す図であり、実施例１（図１）の変形例に相当する。本実施例では、集光部として、放物面ミラー１０に替えてミラー２４を用いる例を説明する。

図２に示すように、本実施例の分析装置１は、主要な構成として、励起レーザ及び計測光源と干渉計３と、ダイクロイックミラー８と、集光部となるミラー２４と、スペクトロメータ（分光器）１７と、ミラー２４及びダイクロイックミラー８を保持するパイプ状のプローブ部９とを備えている。その他の構成は、実施例１（図１）と同様である。

ミラー２４は、実施例１（図１）の放物面ミラー１０と同様に、モータ１１によりプローブ部９の周方向に回転できるように構成されている。

一般的に、放物面ミラー１０は、高い加工精度が要求され、比較的高価であるため、本実施例のように、集光部としてミラー２４を用いることで、コストを低減することができる。

なお、図２に示すように、ダイクロイックミラー８と集光部であるミラー２４との間に、補助的に、集光レンズ２３を配置しても良い。

図３を参照して、本発明の実施例３に係る測定方法について説明する。図３は、本実施例の測定方法を示すフローチャートである。本実施例では、実施例１及び実施例２で説明した分析装置１を用いて、部品内部の内径計測と表面状態の分析を実施する方法を説明する。

部品２の内部に分析装置１のプローブ部９を挿入した後、先ず、ステップＳ１において、励起レーザ（第１電磁波源）から第１電磁波を発振する。

次に、ステップＳ２において、計測光源と干渉計（第２電磁波源）から第２電磁波を発振する。なお、ステップＳ１とステップＳ２は、同時に実施しても良い。

続いて、ステップＳ３において、第１電磁波と第２電磁波の電磁波ビームを集光部（放物面ミラー１０またはミラー２４で集光し、部品２の内部（試料）に照射する。

次に、ステップＳ４において、部品２の内部（試料）からの第１電磁波及び第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）と、非弾性散乱波とをダイクロイックミラー８で分離する。

続いて、ステップＳ５において、ダイクロイックミラー８で分離された第１電磁波及び第２電磁波の弾性散乱波（主に反射波）に基づいて、計測光源と干渉計３（第２電磁波源）により部品２の内部（試料）の表面の形状（内径）を計測する。

また、ステップＳ６において、ダイクロイックミラー８で分離された非弾性散乱波に基づいて、スペクトロメータ（分光器）１７により部品２の内部（試料）の表面の化学組成及び欠陥を計測する。

なお、ステップＳ５とステップＳ６のそれぞれのタイミングは、励起レーザ及び計測光源と干渉計３とスペクトロメータ（分光器）１７の仕様や性能にも依存するため、同時に実施しても良く、多少の時間差が生じても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…分析装置、２，２８…部品（測定対象）、３…励起レーザ及び計測光源と干渉計、４，１６，３１…光ファイバ、５…コリメータ、６…光学フィルタ、７，１２，１３，２４…ミラー、８…ダイクロイックミラー、９…プローブ部、１０…放物面ミラー、１１，２０…モータ、１４，２３…集光レンズ、１５…光ファイバアダプタ、１７…スペクトロメータ（分光器）、１８…保持パイプ、１９…工具台、２１…励起光（レーザ）、２２…ラマン光、２５，２９…内径計測プローブ、２６…計測プローブ、２７…ベルトコンベア、３０…制御ユニット、３２…計測ヘッド。

Claims (10)

1. 試料の表面に第１電磁波を照射する第１電磁波源と、
   前記試料の表面に第２電磁波を照射し、当該第２電磁波により前記試料の表面の形状を計測する計測光源と干渉計と、
   前記第１電磁波と前記第２電磁波の電磁波ビームを前記試料の照射箇所に集光する集光部と、
   前記試料からの前記第１電磁波および前記第２電磁波の弾性散乱波と非弾性散乱波とを分離するダイクロイックミラーと、
   前記ダイクロイックミラーで分離された前記非弾性散乱波に基づいて、前記試料の表面の化学組成および欠陥を計測する分光器と、
   を備えることを特徴とする分析装置。
2. 請求項１に記載の分析装置であって、
   前記集光部および前記ダイクロイックミラーを保持するパイプ状のプローブ部を備えることを特徴とする分析装置。
3. 請求項２に記載の分析装置であって、
   前記集光部は、放物面ミラーまたはミラーであることを特徴とする分析装置。
4. 請求項３に記載の分析装置であって、
   前記放物面ミラーまたは前記ミラーを前記プローブ部の周方向に回転させるモータを備えることを特徴とする分析装置。
5. 請求項４に記載の分析装置であって、
   前記プローブ部を保持し、当該プローブ部を周方向に回転させるパイプ部を備えることを特徴とする分析装置。
6. 請求項５に記載の分析装置であって、
   前記パイプ部を保持し、かつ、前記プローブ部を所望の位置に移動可能な工具台を備え、
   前記工具台により前記プローブ部を移動することで、当該プローブ部により検出する前記弾性散乱波および前記非弾性散乱波の受光量を調整することを特徴とする分析装置。
7. 請求項１に記載の分析装置であって、
   前記分光器は、ラマン分光、原子分光（ＬＩＰＳ）、蛍光分光、赤外線または近赤外線による分子分光のいずれかにより前記試料の表面の化学組成および欠陥を計測することを特徴とする分析装置。
8. 以下のステップを有する測定方法：
   （ａ）第１電磁波源から第１電磁波を発振し、第２電磁波源から第２電磁波を発振するステップ、
   （ｂ）前記第１電磁波と前記第２電磁波の電磁波ビームを集光し、試料に照射するステップ、
   （ｃ）前記試料からの前記第１電磁波および前記第２電磁波の弾性散乱波と非弾性散乱波とを分離するステップ、
   （ｄ）前記（ｃ）ステップにおいて分離された前記弾性散乱波に基づいて、前記試料の表面の形状を計測するステップ、
   （ｅ）前記（ｃ）ステップにおいて分離された前記非弾性散乱波に基づいて、前記試料の表面の化学組成および欠陥を計測するステップ。
9. 請求項８に記載の測定方法であって、
   前記（ｄ）ステップと前記（ｅ）ステップとが、同時に行われることを特徴とする測定方法。
10. 請求項８に記載の測定方法であって、
    前記（ｄ）ステップにおいて、前記試料の内部の内径を計測することを特徴とする測定方法。

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