JPH09210908A - 金属材料表面の塗油量測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトな装置により、局所的な塗油むら
や励起による油の蒸発の影響を受け難い高精度な測定を
可能とする。 【解決手段】 油が塗布されたサンプル鋼板１０の表面
に、特定波長λ１のパルス状の励起光を、その照射位置
を所定の微少範囲内で走査しながら照射し、該照射によ
って生じる前記微少範囲内の蛍光の強度の積分値から鋼
板表面の油の塗布量を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料表面の塗
油量測定方法及び装置に係り、特に、製鉄業における焼
鈍工程や精整工程でのオフライン品質管理や検査に適用
するのに好適な、励起による油の蒸発の影響を受けにく
く、塗油量が微量であったり局所的な塗油むらがある場
合でも高精度な測定が可能な金属材料表面の塗油量測定
方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば鉄鋼業における冷間圧延工程や焼
鈍工程を経て製造された冷延鋼板の表面には、防錆や潤
滑を目的として油が塗布されている。その塗油方法は、
通常、静電塗油装置を用いた連続的な塗油方法が一般的
である。

【０００３】しかし、例えば防錆油の塗布量が不足した
り、塗布むらが生じたりすると、防錆効果の低下を招く
ので問題である。又、逆に塗り過ぎた過塗油の場合に
は、防錆油のコストが高くなって不利であると共に、次
工程でのスリップや、脱脂が必要なラインでの脱脂不良
等が発生するという問題が生じるため、最近では、防錆
油の油種、塗油量が指定され、製造工程での厳密な塗油
量管理が要求されている。

【０００４】ところで、従来行われている塗油量の管理
は、サンプリングによるオフラインバッチ測定が主流で
あり、例えば精密天秤による重量測定法や、水面上に形
成された単分子層の油の面積から塗油量を算出するハイ
ドロフィルバランス法等がある。

【０００５】又、これらの方法に代わるものとして、偏
光解析を利用する方法や、水銀ランプやレーザ光を用い
て油からの蛍光を検出する方法等も考案されており、オ
フライン測定だけでなく、鋼板が走行中に測定するオン
ライン測定にも一部利用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
重量測定法の場合は、１００ｍｇ／ｍ² 程度の軽塗油量
に対しては精度が悪く、ハイドロフィルバランス法で
は、測定に長時間を要し、作業負荷も大きいという問題
がある。又、偏光解析法は、装置が高価であるだけでな
く、下地鋼板の粗さ等、表面性状による影響を受け易い
ので、塗布された油の付着前後で測定して精度を上げる
等の対策が必要になり、作業負荷が大きくなるという問
題がある。

【０００７】一方、蛍光を利用する方法として、例えば
特開昭６３−６１１４６には、水銀ランプの励起波長光
（２５３．７７ｎｍ）を防錆油付着面に照射した際に生
じる蛍光量を測定することにより、油の付着量を算出す
る方法が提案されている。

【０００８】しかしながら、この方法では、軽塗油量領
域を対象にする場合、検出装置の検出感度を大きくする
ために、励起光のうちの他の基線スペクトルが蛍光波長
付近に重なり、測定分解能を落とすという問題が生じ
る。

【０００９】又、レーザ光を利用した方法として、特公
平４−１８７６３には、連続走行する鋼板又は鋼帯の表
面に塗布された油の塗油量をオンライン測定するに際し
て、特定波長の励起用レーザ光によって励起された蛍光
のうち、油にのみ含まれる成分の蛍光スペクトル強度を
検出し、これを下地鋼板又は鋼帯の表面粗度に応じて補
正したものから油の塗油量を求めることが記載され、更
に、この特公平４−１８７６３を改良するべく考案され
た特開平３−７７００３では、前記油にのみ含まれる成
分の蛍光スペクトル強度の検出と同時に、鋼板表面で反
射する励起レーザ光の散乱分布から鋼板表面性状を測定
して、この測定値を基に前記蛍光スペクトル強度を補正
して油の付着量を求めることが記載されている。

【００１０】しかしながら、これらの方法は、オンライ
ン測定を想定しているため、使用するレーザも比較的大
出力となり、全体装置も大きいという問題がある。従っ
て、オフライン用に必要となるコンパクト性、低価格を
実現し難いという問題が生じていた。

【００１１】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、金属材料表面の塗油量をオフライン
で正確に測定可能とすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属材料表面
の塗油量測定に際して、油が塗布された金属材料表面
に、特定波長のパルス状の励起光を、その照射位置を所
定の微少範囲内で走査しながら照射し、該照射によって
生じる前記微少範囲内の蛍光の強度の積分値から金属材
料表面の油の塗布量を測定するようにして、前記目的を
達成したものである。

【００１３】又、金属材料表面の塗油量測定装置におい
て、油が塗布された金属材料表面に、特定波長のパルス
状の励起光を照射する手段と、前記励起光の照射位置
を、所定の微少範囲内で走査する走査装置と、金属材料
表面からの蛍光を集光する集光装置と、集光された光を
分光する分光装置と、分光された光のうちの特定波長で
の蛍光強度を測定する光検出器と、前記励起光の照射タ
イミングと走査装置の走査タイミング及び光検出器の検
出タイミングを制御して、信号を取り込むための信号処
理装置と、処理された信号の測定値を用いて塗油量を算
出する演算処理装置とを備えることにより、同じく前記
目的を達成したものである。

【００１４】鋼板上に塗布された油の表面に、その油に
好適な励起波長の光を照射すると蛍光を発することが知
られており、この蛍光強度と塗油量との間には、比例関
係があるとの知見が得られている。通常、冷間圧延後の
調質圧延工程や精整工程において多く使用される防錆油
の蛍光特性を調べると、紫外波長領域、例えば波長３３
０〜３５０ｎｍ付近で励起すると効率良く蛍光が発し、
その蛍光は、波長４２０〜４５０ｎｍ付近であるとの結
果を得ており、肉眼でも蛍光を観察することができる。

【００１５】この原理を利用して、オフライン測定に適
用可能なコンパクトな装置を実現するには、ピークパワ
ーの強い波長３３７ｎｍの窒素（Ｎ₂ ）パルスレーザが
好適であるとの知見を実験により得た。従来Ｎ₂ パルス
レーザは、理化学実験用に用いられており、比較的大型
の装置が多かったが、最近はＮ₂ ガスを循環させなくて
も、２千万パルスを連続的に発振可能な、安価で小型の
レーザ発振器が市販されている。この発振器を例にする
と、繰り返し周波数２０Ｈｚ、１パルス当りのエネルギ
１２０μＪのＮ₂ レーザ光を集光して、鋼板上の油に照
射し、蛍光強度をパルス同期させて測定すると、Ｓ／Ｎ
の良い蛍光検出が可能であり、塗油量測定に応用できる
ことが分かった。

【００１６】一方、鋼板に油を塗布する方法としては、
実プロセスでは静電塗油装置が用いられており、油を噴
霧して粒状に付着するので、微視的に付着状態を観察す
ると、油の粒が斑になって表面に塗布されており、鋼板
表面上では均一ではないことが分かった。現在、塗油量
は重量測定法により管理されているが、この方法では、
平均的な塗油量が測定されるのに対して、従来のレーザ
蛍光による方法では、表面の照射位置毎に付着量のむら
があるため、発生する蛍光量にもばらつきが生じる。
又、レーザ光は集光されて油に照射されるので、パルス
毎のパワーは更に強くなり、油が瞬時に蒸発して蛍光強
度の経時変化も大きい。

【００１７】このような欠点に対処するため、本発明で
は、鋼板上の測定点を迅速に変えて測定するようにして
いる。即ち、鋼板等の金属材料を機械的に移動させて測
定する代わりに、例えば照射光を微少角度だけ振らせ
て、金属材料上の照射位置を変えながら、パルスレーザ
の発振に同期させて蛍光を検出するようにしている。一
定の時間内に、例えば同じだけ１次元又は２次元的に照
射位置を変化させ、その間の蛍光強度を積分して、ある
線又は面の平均的な値を得る。

【００１８】この方法によれば、表面の塗油むらやレー
ザ光による油の気化状態の影響を少なくすることがで
き、測定値の信頼性を高めると共に、機械的な駆動部の
ないコンパクトな装置が実現できる。

【００１９】励起光を走査する距離又は領域は、大きす
ぎると集光及び分光系による蛍光の受光効率を下げるの
で、例えば２ｍｍ程度の微少なものとし、走査速度は、
パルスレーザの繰り返し周波数や同期検出の測定条件
や、１回の測定時間等を考慮して決定すればよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００２１】図１は、本発明に係る塗油量測定装置の実
施形態の全体構成を示す正面図である。

【００２２】図において、１０は、その表面に油が塗布
されたサンプル鋼板である。通常、このサンプル鋼板１
０は、プロセスライン（図示省略）で切断されて、塗油
量測定用に供される。

【００２３】２０は、塗油量測定用の検出ヘッドであ
り、そのサンプル鋼板保持ホルダ２２にサンプル鋼板１
０がセットされて測定が実施される。

【００２４】４０は、レーザパルスの発振タイミング、
蛍光強度を測定する検出素子の検出タイミング、励起光
を走査する走査装置の動作等を制御するための信号処理
装置である。

【００２５】５０は、前記信号処理装置４０で処理され
た信号の測定値から塗油量を算出して出力すると共に、
一連の測定手順を制御する演算処理装置である。

【００２６】前記検出ヘッド２０は、例えば図２に詳細
に示す如く、サンプル鋼板１０の表面に励起波長λ１の
励起光ＬＢを照射する手段としての励起用（レーザ）光
源２４と、該励起用光源２４から発生される励起光ＬＢ
を集光するためのレンズ２６と、該レンズ２６によって
集光された光を微少範囲内で走査するための走査装置２
８とを含んでいる。この走査装置２８としては、例えば
偏光器と走査レンズを組合せた走査機構が利用可能であ
る。

【００２７】前記検出ヘッド２０は、更に、該走査装置
２８の動作を制御する走査制御装置３０と、サンプル鋼
板１０の表面から反射する、油からの蛍光を含む反射光
ＲＢを集光するための集光光学系３２と、該集光光学系
３２により集光された光を分光する分光素子３４と、該
分光素子３４によって分光された所定蛍光波長λ２の強
度を測定するための蛍光検出器３６を含んでいる。

【００２８】なお、励起光ＬＢは常時照射されると、サ
ンプル鋼板１０上の油を蒸発させてしまうので、測定し
ない間は、シャッタ３８で光路が閉じられている。この
シャッタ３８の開閉タイミングは、前記演算処理装置５
０により制御されている。

【００２９】前記励起光ＬＢは、サンプル鋼板１０の表
面に対して垂直に入射させ、反射光ＲＢは、垂直方向か
ら、ある一定角度、例えば４５°傾けて、サンプル鋼板
１０からの正反射を避けて測定することが望ましい。

【００３０】前記蛍光検出器３６により測定される信号
は、励起光ＬＢがパルス発光であるため、パルス状にな
る。そこで、レーザパルスをトリガ信号とした同期検出
とするために、信号処理装置４０が使用され、通常は、
この目的のために、周期的に入力される信号波形上の各
点を毎周期ごと同位相で加算・平均化することによっ
て、ランダムノイズに埋もれた周期的波形を測定するボ
ックスカー・アベレージャ（ボックスカー・インテグレ
ータとも称する）が利用される。

【００３１】前記励起用光源２４としては、小型化のた
めの波長３３７ｎｍのＮ₂ パルスレーザを用いるのが好
ましいが、油の励起波長を最適にするためには、Ｎ₂ レ
ーザにより励起される色素レーザも利用可能である。
又、パルスＹＡＧレーザの３倍波である波長３５５ｎｍ
の光や、これに励起される色素レーザも使用可能であ
る。

【００３２】前記分光素子３４としては、回折格子や、
中心波長以外のブロッキング特性に優れた光学干渉フィ
ルタを使用することができる。測定対象となる油が複数
種存在し、それぞれの検出に対して蛍光波長λ２を変え
て測定する際には、回折格子の波長を走査するか、光学
干渉フィルタを予め複数枚用意しておき、それぞれの中
心波長が蛍光波長に一致するように切り替えればよい。

【００３３】

【実施例】以下、前記のように構成された塗油量測定装
置による測定例を説明する。

【００３４】精整工程で冷延鋼板に静電塗油されたサン
プル鋼板に対して、本発明装置による蛍光強度測定値
と、従来の重量測定法により測定した塗油量実測値との
関係を図３に示す。図３から明らかなように、１０００
ｍｇ／ｍ² 程度までの塗油量変化に対して、塗油量実測
値と、本発明による蛍光強度測定値の間では良好な相関
関係が成立し、蛍光強度から塗油量の推定が可能であ
る。本実施例におけるパルスＮ₂ レーザの繰り返し周波
数は２０Ｈｚ、サンプル鋼板面で集光されたレーザのス
ポット径は約０．５ｍｍ、レーザ光の走査距離は２ｍｍ
であり、走査速度は０．５ｍｍ／秒とした。又、蛍光測
定波長は、この場合の油種に対して４３０ｎｍであっ
た。なお、重量測定法による塗油量実測値の精度は、繰
り返し測定による調査の結果、約±１５％であった。

【００３５】次に、本発明による蛍光強度測定法と、レ
ーザ光照射位置を走査することなく単一測定点に固定し
た蛍光強度測定法の比較例における測定結果との比較を
図４に示す。比較例では、塗油量８０〜１０００ｍｇ／
ｍ² 程度までのサンプル鋼板に対して、任意の１０箇所
の測定点でのばらつきの分散σを、１０点での平均値Ｍ
av（ｍｇ／ｍ² ）に対する割合（％）で求めた。一方、
本発明による測定においても、ほぼ同様の塗油量に対し
て、任意の１０箇所を選び、前記実施例と同様の走査条
件により測定を行い、平均値Ｍavに対する割合を求め
た。図４から明らかな如く、単一の測定点での測定結果
である比較例では、測定のばらつきが大きいのに対し
て、微少範囲内でレーザ光の照射位置を走査するように
した本発明による方法では、走査範囲内での測定値が積
分されて平均化されるため、測定のばらつきが小さく、
広い塗油量範囲で比較例のばらつきの約４０％以下に減
少することが確認できた。このようにして、本発明によ
れば、塗油むら等に起因する測定中のばらつきを少なく
して、測定の信頼性を高めることができる。

【００３６】なお、前記実施例においては、測定対象の
油種やサンプル鋼板の表面性状、例えば表面粗さを限定
して説明したが、これらが異なる場合には、予め蛍光強
度と塗油量との関係を表わす検量線を求めておき、それ
らを記憶させて、測定毎に最適な検量線を選択できるよ
うにすればよい。

【００３７】更に、本発明の適用範囲は、鋼板表面の塗
油量測定に限定されず、アルミニウム板や銅箔等の各種
非鉄分野を含む一般の金属材料表面の塗油量測定にも同
様に適用できることは明らかである。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、測定対象である金属材
料の表面に塗布された油の量を、単位面積当りの塗油量
が微量であっても、十分な感度で精度良く測定すること
が可能であり、更に、局所的な塗油むらがある場合で
も、面内での平均的な塗油量を迅速に計測可能である。
従って、測定作業負荷を軽減した自動測定が可能とな
り、測定頻度を増すことによる品質管理の向上が図ら
れ、且つ、目標通りに塗油量を安定的に塗布すること
で、過塗油を防止し、無駄を減らすことができるので、
経済的な効果が大きい。

【００３９】更に、本発明による装置は小型化が可能で
あり、持ち運び可能とすることでライン内でのバッチ測
定へも応用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る塗油量測定装置の実施形態の全体
構成を示す正面図

【図２】前記実施形態における光学測定系の構成例を示
す断面図

【図３】本発明の実施例における蛍光強度測定値と従来
の重量測定法での塗油量実測値の関係の例を示す線図

【図４】本発明により照射位置を走査した場合の測定精
度と、従来と同様にレーザ照射位置を固定した場合の測
定精度を比較して示す図表

【符号の説明】

１０…サンプル鋼板 ２０…検出ヘッド ２４…励起用光源 ＬＢ…レーザ光 λ１…励起波長 ２６…レンズ ２８…走査装置 ３０…走査制御装置 ＲＢ…反射光 ３２…集光光学系 ３４…分光素子 λ２…蛍光波長 ３６…蛍光検出器 ３８…シャッタ ４０…信号処理装置 ５０…演算処理装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】油が塗布された金属材料表面に、特定波長
   のパルス状の励起光を、その照射位置を所定の微少範囲
   内で走査しながら照射し、 該照射によって生じる前記微少範囲内の蛍光の強度の積
   分値から金属材料表面の油の塗布量を測定することを特
   徴とする金属材料表面の塗油量測定方法。
2. 【請求項２】油が塗布された金属材料表面に、特定波長
   のパルス状の励起光を照射する手段と、 前記励起光の照射位置を、所定の微少範囲内で走査する
   走査装置と、 金属材料表面からの蛍光を集光する集光装置と、 集光された光を分光する分光装置と、 分光された光のうちの特定波長での蛍光強度を測定する
   光検出器と、 前記励起光の照射タイミングと走査装置の走査タイミン
   グ及び光検出器の検出タイミングを制御して、信号を取
   り込むための信号処理装置と、 処理された信号の測定値を用いて塗油量を算出する演算
   処理装置と、 を備えたことを特徴とする金属材料表面の塗油量測定装
   置。