JP7741444B2 - レーザー発光分光分析用光学装置、レーザー発光分光分析装置、レーザー発光分光分析方法、及び、溶融金属めっき設備 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー発光分光分析用光学装置、レーザー発光分光分析装置、レーザー発光分光分析方法、及び、溶融金属めっき設備に関する。

溶融亜鉛めっき浴等の溶融金属浴においては、かかる溶融金属浴を用いて得られる製品（例えば、溶融亜鉛めっき鋼板等）の品質管理や、操業条件の管理上の問題から、構成成分を監視し、管理することが求められる。

例えば、溶融亜鉛めっき製造工程においては、めっき被膜と鋼板の適正化や防食効果向上のため、溶融亜鉛めっき浴中に微量のＡｌやＦｅが添加される。操業に際して溶融亜鉛めっき浴中を鋼板が通過することに伴い、Ａｌは減少し、Ｆｅは増加する傾向にある。

溶融亜鉛めっき浴中における微量元素の含有量が適切な範囲を逸脱すると、めっき不良の原因となったり、これらの微量元素が亜鉛と合金化してドロスを形成して操業の妨げとなったりする可能性がある。従って、これらの微量元素の含有量を連続的に分析することで管理して、適切な範囲となるように微量元素を添加したり、形成されたドロスを取り除いたりすることが重要である。

かかる微量元素の含有量の分析方法として、以下の特許文献１では、溶融金属のレーザー発光分光分析法及び装置が提案されている。また、以下の特許文献２では、レーザー誘起ブレークダウン分光法（Ｌａｓｅｒ－Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＬＩＢＳ）を溶融材料の分析に適用した方法及び装置が開示されている。

特開２００６－３００８１９号公報 特表２００５－５３０９８９号公報

しかしながら、上記特許文献１、及び、特許文献２において提案される装置は、いずれも大型であり、かつ、重量が大きい。そのため、例えば溶融金属浴の観測位置を変更するために装置の取り外し、搬送及び取り付けを行うのに、多大な労力を要する。また、溶融金属浴の構成によっては、装置の取り付け位置に制限が生じうる。例えば、従来の装置構成で小型化をしたとしても、５００ｍｍ（幅）×２５０ｍｍ（高さ）×６４０ｍｍ（奥行）の大きさが限界であった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、軽量かつ小型であり、かつ、十分な分析精度を実現することが可能な、レーザー発光分光分析用光学装置、レーザー発光分光分析装置、レーザー発光分光分析方法、及び、溶融金属めっき設備を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、十分な測定精度は保持しつつ、レーザー発振器から発振したレーザー光を所望の状態で導光するための光学系や、レーザー光を対象物に照射することで発生したプラズマから放射される発光を受光する際に、かかる発光を集光するための光学系などといった、従来必須であると考えられてきたものを可能な限り省略することで、装置の大幅な軽量化及び小型化が可能となることを知見した。
かかる知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。

（１）溶融金属の成分を分析するために用いられる光学装置であって、レーザー光を発振するレーザー発振器と、前記レーザー光を集光するものであり、前記レーザー発振器から射出された前記レーザー光が直接入射する１つの集光レンズと、前記レーザー光を前記溶融金属に照射することで発生したプラズマから放射される発光を受光端面で受光する光ファイバー受光部と、を有する筐体部と、中心軸が前記レーザー発振器における前記レーザー光の発振軸と平行となるように前記筐体部に接続されており、前記レーザー光の進行方向下流側に位置する開口端へ向けて不活性ガスを供給するとともに、前記レーザー光を前記開口端に導光して前記溶融金属に照射する筒状プローブと、を備え、前記光ファイバー受光部の前記受光端面における面法線方向が、前記レーザー光の発振軸と平行である、レーザー発光分光分析用光学装置。
（２）前記筒状プローブは、中心軸が前記レーザー光の発振軸と同軸となるように前記筐体部に接続される、（１）に記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
（３）前記集光レンズは、前記筐体部と前記筒状プローブとの接続部に設けられる、（１）又は（２）に記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
（４）前記光ファイバー受光部の前記受光端面には、前記発光の少なくとも一部が、集光されない状態で入射する、（１）～（３）の何れか１つに記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
（５）前記レーザー発振器は、ダイオード励起式のレーザー発振器である、（１）～（４）の何れか１つに記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
（６）前記集光レンズは、表面に前記レーザー光の反射を防止する反射防止膜を有する、（１）～（５）の何れか１つに記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
（７）前記集光レンズの取り付け角度を変化させることで前記集光レンズのレンズ光軸方向を調整する角度調整機構を更に備える、（１）～（６）の何れか１つに記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
（８）（１）～（７）の何れか１つに記載のレーザー発光分光分析用光学装置と、前記光ファイバー受光部により導光された前記発光を分光する分光光学部と、前記分光光学部により分光された前記発光を検出する検出器と、前記検出器による前記発光の検出結果に基づき、溶融金属の成分を分析する成分分析部と、を備える、レーザー発光分光分析装置。
（９）前記検出器は、イメージインテンシファイア電荷結合素子検出器である、（８）に記載のレーザー発光分光分析装置。
（１０）前記筐体部の内部を冷却する冷却機構を更に備える、（８）又は（９）に記載のレーザー発光分光分析装置。
（１１）（８）～（１０）の何れか１つに記載のレーザー発光分光分析装置を用いて、溶融金属めっきのめっき浴中の溶融金属を分析する、レーザー発光分光分析方法。
（１２）前記溶融金属めっきは、溶融亜鉛めっきである、（１１）に記載のレーザー発光分光分析方法。
（１３）（８）～（１０）の何れか１つに記載のレーザー発光分光分析装置を備える、溶融金属めっき設備。
（１４）溶融亜鉛めっきを施すための溶融亜鉛めっき設備である、（１３）に記載の溶融金属めっき設備。

以上説明したように本発明によれば、軽量かつ小型であり、かつ、十分な分析精度を実現することが可能な、レーザー発光分光分析用光学装置、レーザー発光分光分析装置、レーザー発光分光分析方法、及び、溶融金属めっき設備を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置の構成の他の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係るレーザー発光分光分析装置の構成の一例を模式的に示したブロック図である。 同実施形態に係るレーザー発光分光分析装置が有する演算処理ユニットの構成の一例を示したブロック図である。 同実施形態に係る演算処理ユニットのハードウェア構成の一例を示したブロック図である。 同実施形態に係る溶融金属めっき設備の一例としての溶融亜鉛めっき設備の一例を模式的に示した説明図である。 実施例において測定された溶融亜鉛めっき浴についてのＡｌ及びＺｎの信号強度を示すレーザー誘起ブレークダウンスペクトルである。 実施例において測定された溶融亜鉛めっき浴におけるＡｌ濃度の時間経過を示したグラフ図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（レーザー発光分光分析用光学装置について）
まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置について、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。

図１に示したレーザー発光分光分析用光学装置１は、対象物（より詳細には、溶融金属）の成分を分析するために用いられる光学装置であり、いわゆるレーザー誘起ブレークダウン分光分析（ＬＩＢＳ）を実施するためのレーザー発光分光分析装置の測定プローブとして用いられる装置である。

レーザー発光分光分析用光学装置１は、筒状プローブ２０から不活性ガスを供給するとともに、レーザー発振器１２により発振されるパルスレーザー光を対象物に向けて照射し、対象物と不活性ガスとの界面に生じたプラズマから放射される発光（以下、プラズマ光ともいう。）を受光する装置である。

図１に示したように、レーザー発光分光分析用光学装置１は、筐体部１０、筒状プローブ２０、及び、フード３０を有している。

図１に示したように、筐体部１０は、筐体１１と、レーザー発振器１２と、集光レンズ１３と、光ファイバー受光部１４と、を有している。
筐体１１は、ケーシングであり、その内部空間１１１に、レーザー発振器１２と、光ファイバー受光部１４のうち少なくとも受光部１４３と、を収納する。筐体１１は、本実施形態においてレーザー発振軸Ａと略平行な方向を長手方向とし、その先端側において集光レンズ１３を固定する。一方、筐体１１は、その基端側において開口部１１３を有し、開口部１１３は、レーザー発振器１２のメンテナンスのための作業空間として機能する他、未図示の配線等の通路となる。更に、開口部１１３は、後述する冷却機構４０による冷媒の排出口としても機能する。

かかる筐体１１は、各種の樹脂材料又は金属材料等といった、公知の材料を素材として用いることが可能である。また、筐体１１は、後述する理由により、従来のレーザー発光分光分析用光学装置の筐体と比較して小型である。

レーザー発振器１２は、パルスレーザー光（以下、単に「レーザー光」ともいう）を発振する装置である。レーザー発振器１２は、ＬＩＢＳ分析のための照明光源として機能することが求められるため、成分分析の対象となるもの（例えば、溶融金属の一例である溶融亜鉛めっき浴を構成する、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ等の各成分）を選択性なく蒸発させることが可能なパルスレーザー光の発振機能を有することが求められる。このようなレーザー発振器１２としては、ＬＩＢＳ分析が可能となるような高出力パルスレーザーを発振する、各種のパルスレーザー光源を用いることが可能である。このようなパルスレーザー光源として、例えば、ルビーレーザー、Ｔｉサファイヤレーザー、ＹＡＧレーザー等の固体レーザーや、ＣＯ_２ガスレーザー、Ａｒイオンレーザー、Ｈｅ－Ｎｅイオンレーザー、エキシマレーザー等の気体レーザーや、各種の半導体レーザーや、ファイバレーザー等を挙げることができる。

本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置１では、かかるレーザー発振器１２として、ダイオード励起式のレーザー発振器を用いることが特に好ましい。ダイオード励起式のレーザー発振器は、発振される１パルスの安定性に優れる発振器である。ＬＩＢＳでは、１パルスごとに分析を実施することから、１パルス１パルスのレーザー光の安定性がより向上する結果、分析精度の更なる向上を図ることが可能となる。

また、ダイオード励起式のレーザー発振器は、一般的に用いられるフラッシュランプ励起式のレーザー発振器と比較して、発振器のメンテナンスの頻度を低減することが可能となる。本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置１では、レーザー発振器１２から発振されたレーザー光が、後述する集光レンズ１３に直接入射するような構成を採っているため、メンテナンスを実施するたびにレーザー発振軸Ａの調整を厳密に行う必要がある。ダイオード励起式のレーザー発振器を用いることでメンテナンスの頻度を低減でき、レーザー発振軸Ａの調整頻度も低減できることから、利用者の利便性を向上させるだけでなく、レーザー発振軸Ａのバラツキに起因する測定精度のバラツキを抑制することが可能となる。

かかるレーザー発振器１２は、筐体１１内において、レーザー光のレーザー発振軸Ａが、筒状プローブ２０の中心軸と略平行になるように、配置される。これにより、本実施形態において、レーザー発振器１２から発振されるレーザー光は、従来用いられているレーザー反射ミラー等をはじめとする導光光学系を用いることなく、直接筒状プローブ２０へ導光される。また、レーザー光のレーザー発振軸Ａが、筒状プローブ２０の中心軸と略同軸になるように配置することが、より好ましい。これにより、レーザー発振器１２から発振されたレーザー光を無駄に散逸させることなく、確実に対象物へと導光することが可能となる。

一般に、レーザー発振軸の位置、角度は、レーザー発光分光分析において極めて重要であり、レーザー発振軸の位置、角度を調整するためには、レーザー反射ミラー等の導光光学系を用いることが従来必須であると考えられてきた。特に、溶融金属めっき浴等において溶融金属の分析を行う場合、比較的浴の深い位置での分析が必要となり、また、高温の溶融金属による装置の劣化・損傷を防止するためにも、筒状プローブは、比較的長くなる傾向にある。このような場合、レーザー発振軸がずれてレーザー光が不本意に筒状プローブに照射される可能性を考慮すると、レーザー反射ミラー等の導光光学系の重要性は、他の対象物を分析する場合と比較して大きいと一般には考えられる。このような従来の当業者の常識的な認識に反し、本発明者らは、溶融金属等を対象物とする比較的長い筒状プローブを有する装置において、レーザー反射ミラーをはじめとする導光光学系を省略しても、レーザー発振軸の位置、角度を測定に問題ない程度に設定できることを見出した。このようにレーザー反射ミラーをはじめとする導光光学系を省略することにより、レーザー発光分光分析用光学装置の小型化及び軽量化が可能となる。

また、レーザー発振器１２は、レーザー発振器１２の位置を調節可能な固定部材（図示せず。）により筐体１１に固定されていてもよい。これにより、レーザー発振器１２の位置が調節可能となり、レーザー発振軸の位置、角度の調整が可能となる。

集光レンズ１３は、筐体１１の先端側のレーザー発振軸Ｌ上に配置されており、レーザー発振器１２から射出されたレーザー光が、レンズ表面に直接入射する。集光レンズ１３は、レーザー発振器１２から出射されたレーザー光を集光して、レーザー光を筒状プローブ２０に導光する。

集光レンズ１３により集光されるレーザー光は、概して、後述する筒状プローブ２０の開口端２４付近、より好ましくは、開口端２４よりも更にレーザー光の進行方向前方において焦点を結ぶことが求められる。

また、本実施形態に係る集光レンズ１３は、図１に示したように、未図示のＯリング等を併用しながら筐体１１における筒状プローブ２０との境界（筒状プローブ２０の接続部と捉えることもできる。）に設けられる。これにより、集光レンズ１３は、筐体１１の内部空間１１１と、筒状プローブ２０内の空間とを区画する導光窓としても機能するほか、筒状プローブ２０へと供給される不活性ガスが筐体１１の内部空間１１１に侵入してくるのを、防止することができる。また、集光レンズ１３に上記のような複数の役割を持たせることで、別途の導光窓の配置を省略することができ、レーザー発光分光分析用光学装置１のより一層の軽量化を行うことが可能となる。

なお、かかる集光レンズ１３は、複数のレンズから構成されるレンズ群であってもよい。ただし、レーザー発光分光分析用光学装置１のより一層の軽量化という観点から、集光レンズ１３は、１枚のレンズで構成されることがより好ましい。

また、集光レンズ１３は、集光レンズ１３の取り付け角度を調節可能な固定部材（図示せず。）により、筐体１１に固定されていてもよい。このような固定部材は、集光レンズ１３のレンズ光軸方向を調整する角度調整機構として機能し、レーザー発振軸の位置、角度を調整することが可能となる。これにより、レーザー発振器１２から発振されたレーザー光を集光レンズ１３に直接入射させる場合であっても、レーザー発振軸の細かな調整が可能となり、測定精度の更なる向上を図ることが可能となる。

また、集光レンズ１３の少なくとも筒状プローブ２０側の表面１３１には、レーザー光の反射を防止するための反射防止膜が設けられることが好ましい。これにより、集光レンズ１３の表面１３１で反射したレーザー光が直接レーザー発振器１２へと到達し、レーザー発振器１２が損傷することを防止することができる。

このような反射防止膜としては、例えば誘電体被膜を多層に積層させた誘電体多層膜をはじめとする、公知の各種の反射防止膜を用いることが可能である。

光ファイバー受光部１４は、レーザー光を対象物に照射することで発生したプラズマから放射される発光（プラズマ光）を受光端面で受光する。この光ファイバー受光部１４は、図１に示したように、光ファイバーの束であるバンドルファイバー１４１と、受光部１４３と、出射部１４５と、を有している。

受光部１４３は、バンドルファイバー１４１の一方の端部に接続されており、光ファイバー受光部１４のうち少なくとも受光部１４３は、筐体１１の内部に収納される。本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置１では、受光部１４３は、図１に模式的に示したように、受光部１４３の受光端面１４４における面法線方向がレーザー発振軸Ａと平行となるように設けられる。これにより、受光部１４３の受光端面１４４には、プラズマ光の少なくとも一部が、集光されない状態で入射するようになる。

ここで、「受光端面１４４の面法線方向がレーザー発振軸Ａと平行である」とは、面法線方向とレーザー発振軸Ａとが完全に平行となる場合だけでなく、面法線方向がレーザー発振軸Ａに対して、ある許容角度だけ傾斜する場合も含むものとする。本発明者らが検討した結果、面法線方向とレーザー発振軸Ａとのなす角度が１０°以内であれば、求められる精度でのＬＩＢＳ分析を実施可能な程度のプラズマ光を、受光することが可能であった。面法線方向とレーザー発振軸Ａとのなす角度を平行に近づけるほど、プラズマ光の検出強度を増加させることが可能となる。面法線方向とレーザー発振軸Ａとのなす角度は、好ましくは１．０°以下であり、より好ましくは０．６°以下である。

対象物にレーザー光を照射することにより生じるプラズマ光は、微弱である。そのため、従来、精度よく分析を行うためには、プラズマ光をレンズ等で構成される集光光学系により集光して、発生したプラズマ光を可能な限り多く検出することが必要であると考えられてきた。しかしながら、本発明者らは、これらの集光光学系を省略して、プラズマ光を集光することなく、受光部１４３の受光端面１４４に入射させることを見出した。これにより、レーザー発光分光分析用光学装置１の大幅な軽量化及び小型化が可能となる。

また、本実施形態においては、受光部１４３の受光端面１４４が受光するプラズマ光は、集光されていないことから、発生した全体のプラズマ光の一部となる。しかしながら、集光してプラズマ光を受光する場合、レーザー光の光軸ずれが生じた場合、却って得られる信号強度の変動が大きくなる。このため、本発明者らは、集光せずにプラズマ光の一部のみを受光する本実施形態の場合、むしろ溶融金属めっき装置の熱による歪みや、振動、浴面変動による分析結果に対する影響を抑制できることを見出した。

かかる光ファイバー受光部１４において、バンドルファイバー１４１は、受光部１４３の受光端面１４４で受光したプラズマ光を、出射部１４５へと伝送する。出射部１４５には、レーザー発光分光分析用光学装置１がレーザー発光分光分析装置２に組み込まれる際に、後述する分光光学部が接続される。

図１に示したように、受光部１４３は、集光レンズ１３の近傍に、レーザー発振器１２から発振されるレーザー光を遮らないように配置されることが好ましい。受光部１４３が集光レンズ１３の近傍に位置することで、より多くのプラズマ光を受光することが可能となり、分析精度の更なる向上を図ることが可能となる。

筒状プローブ２０は、プローブ部２１と、プローブ部２１の基端側に設けられ、プローブ部２１を筐体１１に固定する基端部２３とを有する、筒状部材である。

基端部２３は、プローブ部２１よりも拡径しており、先端側においてプローブ部２１を支持するとともに、基端側において筐体１１に固定されている。また、基端部２３の側面には、不活性ガスの流入口（ガス流入口）２５が配置されており、このガス流入口２５を介して、筒状プローブ２０の中空部へ不活性ガスが供給される。

プローブ部２１は、分析の対象物とレーザー発振器１２との間の光路を構成する筒状部材であり、開口端２４が対象物に対し開口するように配置される。対象物が溶融金属である場合、プローブ部２１の先端部分は、溶融金属に浸漬される。レーザー発振器１２から照射されるパルスレーザー光は、プローブ部２１により導光され、開口端２４付近（より好ましくは、開口端２４よりもレーザー光進行方向の前方側）で集束される。

また、プローブ部２１には、ガス流入口２５から開口端２４へ向けて不活性ガスが供給され、開口端２４から対象物へ向けて放出される。プローブ部２１を介して導光されたレーザー光が対象物に照射されることにより、不活性ガスと対象物との界面においてプラズマが発生する。

ここで、不活性ガスの供給機構については、特に限定されるものではなく、不活性ガス源と供給配管等といった、公知の機構を用いることが可能である。供給される不活性ガスは、Ａｒ又はＨｅ等のように、プラズマ発光分析で一般的に使用されている不活性ガスであることが好ましい。

また、筒状プローブ２０は、その断面（より詳細には、中心軸に対して直交するように切断したときの断面）が、四角形状、多角形状、円形状、楕円形状等の各種の形状を有した、中空の部材である。また、本実施形態に係る筒状プローブ２０において、その中心軸方向に沿って、断面の大きさが一定でなくともよい。例えば、筒状プローブ２０のレーザー発振器１２側は太く、筒状プローブ２０の先端側は細い、又は、筒状プローブ２０のレーザー発振器１２側は細く、筒状プローブ２０の先端側は太い、のような形状であってもよい。ただし、その中空部によりレーザー光を導光する、という点を考慮すると、筒状プローブ２０は、円筒状のものであることがより好ましい。

かかる筒状プローブ２０は、その中心軸がレーザー発振器１２から発振されるレーザー光のレーザー発振軸Ａと平行となるように、筐体部１０に接続されており、より好ましくは、その中心軸がレーザー発振器１２から発振されるレーザー光のレーザー発振軸Ａと同軸となるように、筐体部１０に接続されている。ここで、「筒状プローブ２０の中心軸がレーザー発振軸Ａと平行」とは、筒状プローブ２０の中心軸とレーザー発振軸Ａとが完全に平行となる場合だけでなく、中心軸がレーザー発振軸Ａに対して、ある許容角度だけ傾斜する場合も含むものとする。また、「筒状プローブ２０の中心軸がレーザー発振軸Ａと同軸」とは、中心軸とレーザー発振軸Ａとが完全に一致する場合だけでなく、中心軸がレーザー発振軸Ａに対して、ある程度傾斜している場合をも含むものとする。

具体的には、上記のような「平行」又は「同軸」となる態様において、レーザー発振軸Ａと筒状プローブ２０の中心軸とのなす角度の許容範囲は、筒状プローブ２０の対象物への有効開口径をＤｅｆｆ（ｃｍ）、レーザー発振器１２から対象物までの距離をＬＬ（ｃｍ）としたときに、ａｒｃｔａｎ（Ｄｅｆｆ／ＬＬ）以下に制限される。例えば、Ｄｅｆｆ、ＬＬが、それぞれ、１．５ｃｍ、１２０ｃｍであるとき、筒状プローブ２０の中心軸とレーザー発振軸Ａとのなす角度は、０．３６°以下に制限される。

また、レーザー発振軸Ａと筒状プローブ２０の中心軸との同軸性については、集光レンズ１３のレーザー発振器１２側の表面における筒状プローブ２０の中心軸の延長線と、レーザー光の各交点との距離の最大値が、Ｄｅｆｆ（ｃｍ）以内、より好ましくは０．１×Ｄｅｆｆ（ｃｍ）以内であればよい。

なお、有効開口径とは、筒状プローブ２０の対象物側の開口端２４において、筒状プローブ２０の中心軸が対象物と交わる点を中心として、筒状プローブ２０の内壁に付着した凝固物を含まない最大円の直径である。これにより、レーザー発振器１２が発するレーザー光は、従来用いられているレーザー反射ミラーを用いることなく、筒状プローブ２０を通じて、対象物に照射されるようになる。

一般に、筒状プローブの長さは、レーザー光の光軸調整の容易性及びプラズマ光の検出効率という観点からは、短い方が好ましい。しかしながら、分析の対象物が溶融金属等の高温の物質である場合、レーザー発光分光分析用光学装置１の各構成は、溶融金属からの輻射熱等によって影響を受け、分析精度に影響を及ぼし得る。このような、光軸調整の容易性及びプラズマ光の検出効率と、輻射熱等に起因する分析精度への影響と、の双方を鑑みて、筒状プローブ２０の長さ（図１における長さＬ）は、６０ｃｍ以上１５０ｃｍ以下であることが好ましい。これにより、光軸調整の容易性及びプラズマ光の検出効率と、分析精度の低下防止と、の両立を図ることが可能となる。筒状プローブ２０の長さＬは、より好ましくは７０ｃｍ以上３００ｃｍ以下であり、更に好ましくは８０ｃｍ以上１５０ｃｍ以下である。

またプローブ部２１の直径（図１におけるｄ１）は、例えば１．５ｃｍ以上５．０ｃｍ以下とすることが好ましく、２．５ｃｍ以上３．５ｃｍ以下とすることがより好ましい。これにより、上述したように筒状プローブ２０の長さＬが比較的長い場合であっても、レーザー光の光路が筒状プローブ２０の内壁に衝突することを、より確実に防止できる。

筒状プローブ２０の開口端２４付近の内壁には、溶融金属等の対象物由来の固化物、付着物が付着している場合があり、レーザー光がこのような固化物、付着物に照射されると、分析が困難となる場合がある。そのため、レーザー光の対象物への照射点は、筒状プローブ２０の中心軸近傍となるように光軸制御する（換言すれば、レーザー発振器１２の設置位置を調整する）ことが好ましい。

フード３０は、筒状プローブ２０先端側から見て筒状プローブ２０の基端部２３及び筐体部１０を覆うように設けられている。フード３０が筒状プローブ２０の基端部２３及び筐体部１０を覆うことにより、対象物からの輻射熱による筐体部１０への影響を抑制することができる。また、フード３０は、後述する冷却機構６から供給される冷媒（例えば、冷却ガス等）の流路としても機能する。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置１は、レーザー発振器１２のレーザー発振軸Ａと筒状プローブ２０の中心軸とが略同軸をなし、かつ、受光部１４３の受光端面１４４における面法線方向がレーザー発振軸Ａと略平行となるように構成されている。これにより、レーザー発振器から発振されるレーザー光の光軸調整に用いられるレーザー反射ミラーや、プラズマ光の集光に利用される光学部材等といった従来必要とされてきた部品を、省略することが可能となる。このため、レーザー発光分光分析用光学装置１は、軽量かつ小型となる。

本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置１は、任意の物を分析の対象物とすることが可能であるが、対象物としては、比較的高温である溶融金属が好ましい。溶融金属は、比較的高温であるとともに、測定部位における温度むらや温度変化が大きいことから、信頼性のある分析結果を得るために、比較的深い位置での計測や、複数の位置における計測が望まれる。本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置１は、軽量かつ小型であることから、レーザー発光分光分析用光学装置１を移動させて複数の測定部位について計測を行うことも容易である。

以上より、レーザー発光分光分析用光学装置１は、溶融金属を取り扱う装置、例えば溶融金属めっき設備のめっき浴の分析に適している。めっき浴に貯留される溶融金属としては、例えば、溶融亜鉛、溶融アルミニウム等が挙げられる。

＜レーザー発光分光分析用光学装置の変形例＞
次に、図２を参照しながら、本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置１の変形例について説明する。図２は、本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置の構成の他の一例を模式的に示した説明図である。

本変形例に係るレーザー発光分光分析用光学装置１Ａは、集光レンズ１３が筐体１１内に配置されている点が、図１に示したレーザー発光分光分析用光学装置１と相違する。以下では、かかる相違事項を中心に説明し、同様の事項については説明を省略する。

上述したように本変形例に係るレーザー発光分光分析用光学装置１Ａは、集光レンズ１３が、筐体１１内における光ファイバー受光部１４の受光部１４３よりも、レーザー発振器１２側に配置されている。そして、筐体１１の筒状プローブ２０側には、集光レンズ１３に代えて導光窓１５が配置されている。集光レンズ１３の対象物側の表面１３１、及び、導光窓１５の対象物側の表面１５１には、レーザー光の反射防止膜が形成されている。

また、以上のような構成においても、レーザー発振器１２のレーザー発振軸Ａと筒状プローブ２０の中心軸とが略同軸となり、かつ、光ファイバー受光部１４の受光部１４３における受光端面１４４の面法線方向がレーザー発振軸Ａと略平行となるように構成される。これにより、上述したレーザー発光分光分析用光学装置１と同様に、レーザー発光分光分析用光学装置１Ａは、軽量かつ小型となる。

（レーザー発光分光分析装置について）
次に、図３を参照しながら、本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置１又はレーザー発光分光分析用光学装置１Ａを有するレーザー発光分光分析装置２について、詳細に説明する。図３は、本実施形態に係るレーザー発光分光分析装置の構成の一例を模式的に示したブロック図である。

本実施形態に係るレーザー発光分光分析装置２は、図３に示したように、レーザー発光分光分析用光学装置１、又は、レーザー発光分光分析用光学装置１Ａと、分光光学部３と、検出器４と、演算処理ユニット５と、を有する。また、本実施形態に係るレーザー発光分光分析装置２は、図１、図２に模式的に示したような、冷却機構６を更に有することが好ましい。

レーザー発光分光分析用光学装置１、１Ａについては、先だって図１及び図２を参照しながら説明した通りであるため、以下では詳細な説明は省略する。

分光光学部３は、レーザー発光分光分析用光学装置１、１Ａにおける光ファイバー受光部１４（より詳細には、出射部１４５）に接続されており、光ファイバー受光部１４により導光された発光（プラズマ光）を分光する。かかる分光光学部３としては、分析対象の元素（例えば溶融亜鉛の場合、少なくともＦｅ、Ｚｎ及びＡｌ）に対応する各波長の光を分離できる程度の分解能を有するものであれば、特に限定されるものではなく、回折格子や分光プリズム等といった公知の各種の分光光学素子を用いることが可能である。また、分光光学部３として、各種の分光器を用いることも可能である。かかる分光光学部３により、プラズマ光はそれぞれの波長へと分光され、後段に位置する検出器４により検出される。

検出器４は、分光光学部３により分光された発光（プラズマ光）を検出する機器であり、分光後の発光（プラズマ光）の各波長における強度を検出して、かかる強度に対応する電気信号を出力する。このような検出器４として、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＩＣＣＤ（Ｉｍａｇｅ ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ、イメージインテンシファイア電荷結合素子検出器）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の光センサや、ＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ：光電子倍増管）を挙げることができる。

上述した中でも、検出器４として、ＩＣＣＤを用いることがより好ましい。ＩＣＣＤは、上述した検出器の中でも、特に高い感度を有するものである。上述のように、光ファイバー受光部１４は、プラズマ光を集光することなく受光していることから、従来の光学部材を使用して集光した場合と比較して、プラズマ光の受光量は少ない。しかしながら、検出器４としてＩＣＣＤを用いることにより、このような少ない受光量であっても、分光されたプラズマ光の強度を精度よく検出することが可能となる。

検出器４は、対象物の対象元素（例えば溶融亜鉛の場合、Ｆｅ、Ｚｎ及びＡｌ）に対応する各波長を含む波長帯の強度を検出し、かかる強度に対応する電気信号を検出データとして、後述する演算処理ユニット５へと出力する。

演算処理ユニット５は、上記のようなレーザー発光分光分析用光学装置１、１Ａ、分光光学部３、及び、検出器４の動作を統括的に制御するとともに、検出器４から出力された検出データに基づいて、対象物について分光分析を行う装置である。以下では、図４を参照しながら、かかる演算処理ユニット５について、詳細に説明する。図４は、本実施形態に係るレーザー発光分光分析装置が有する演算処理ユニットの構成の一例を示したブロック図である。

本実施形態に係る演算処理ユニット５は、図４に示したように、制御部５０１と、演算処理部５０３と、結果出力部５０７と、表示制御部５０９と、記憶部５１１と、を主に有している。

制御部５０１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、入力装置、出力装置、通信装置等により実現される。制御部５０１は、本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置１、１Ａ、分光光学部３、及び、検出器４の機能を統括的に制御する処理部である。また、制御部５０１は、例えば以下で説明する冷却機構６のように、レーザー発光分光分析装置２に設けられたその他の機構についても、その機能を統括的に制御することが可能である。

より詳細には、制御部５０１は、対象物についての分析を開始する場合に、レーザー発光分光分析用光学装置１、１Ａに対して、レーザー発振器１２からのレーザー光の照射を開始させるための制御信号を送出し、レーザー発振器１２は、対象物に向けてレーザー光を照射する。また、制御部５０１は、分光光学部３及び検出器４に対して、受光したプラズマ光を分光して、各波長の強度に関する検出データを出力させるためのトリガ信号を送出し、検出器４は、プラズマ光に関する検出データを、演算処理ユニット５に対して出力する。

演算処理部５０３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。演算処理部５０３は、検出器４から出力される、プラズマ光に関する検出データを取得して、かかる検出データに対して各種の演算処理を施す処理部である。この演算処理部５０３は、図４に示したように、成分分析部５０５を有している。

成分分析部５０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。成分分析部５０５は、検出器４によるプラズマ光の検出結果（すなわち、検出データ）に基づき、対象物の成分を分析する。

より詳細には、成分分析部５０５は、検出器４による検出結果（すなわち、検出データ）に基づき、例えばＬＩＢＳによる成分分析を行う。具体的には、成分分析部５０５は、検出データを参照して、どの波長にどの程度の強度の光が検出されたのかを特定する。その上で、成分分析部５０５は、記憶部５１１等に格納されているデータベースを参照して、着目する波長の光が、どのような成分（元素）に由来するものであるかを特定する。これにより、着目する対象物に含有される成分を特定することができる。

また、成分分析部５０５は、得られた検出データに含まれる発光強度に関するデータから、特定された成分の含有量（濃度）を特定することが可能である。かかる含有量は、上記のようにして特定された各成分の発光強度から、相対的な含有量として算出されたものであってもよい。また、対象物に含まれる成分について、標準試薬等を用いて、発光強度と含有量の関係を示す検量線を事前に作成しておき、得られた発光強度から各成分の含有量を算出してもよい。

成分分析部５０５は、上記のようにして対象物に含有されている具体的な成分とその含有量を特定すると、得られた結果を、分析結果として結果出力部５０７へと出力する。また、成分分析部５０５は、取得した分析結果に関するデータを、当該データを取得した日時に関する時刻情報と関連付けた上で、履歴情報として記憶部５１１に格納してもよい。

結果出力部５０７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置、通信装置等により実現される。結果出力部５０７は、演算処理部５０３（より詳細には、成分分析部５０５）から出力された、着目する対象物の成分に関する情報を、レーザー発光分光分析装置２の使用者に出力する。具体的には、結果出力部５０７は、演算処理部５０３から出力された成分の分析結果に関するデータを、当該データが生成された日時等に関する時刻データと関連付けて、各種サーバや制御装置に出力したり、プリンタ等の出力装置を利用して紙媒体として出力したりする。また、結果出力部５０７は、分析結果に関するデータを、外部に設けられたコンピュータ等の各種の情報処理装置や各種の記録媒体に出力してもよい。

また、結果出力部５０７は、演算処理部５０３による分析結果に関するデータを、後述する表示制御部５０９に出力することができる。

表示制御部５０９は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置、通信装置等により実現される。表示制御部５０９は、結果出力部５０７から出力された分析結果を、レーザー発光分光分析装置２が備えるディスプレイ等の出力装置やレーザー発光分光分析装置２の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、レーザー発光分光分析装置２の使用者は、着目する対象物の成分についての分析結果を、その場で把握することが可能となる。

記憶部５１１は、レーザー発光分光分析装置２が備える記憶装置の一例であり、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ストレージ装置等により実現される。この記憶部５１１には、本実施形態に係るレーザー発光分光分析装置２が何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過（例えば、事前に格納されている各種のデータやデータベース、及び、プログラム等）が、適宜記録される。この記憶部５１１は、制御部５０１、演算処理部５０３、成分分析部５０５、結果出力部５０７、表示制御部５０９等が、自由にデータのリード／ライト処理を行うことが可能である。

以上、本実施形態に係る演算処理ユニット５の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。

なお、上述のような本実施形態に係る演算処理ユニットの各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータや上位演算処理装置であるプロセスコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。

また、レーザー発光分光分析装置２が有していることが好ましい冷却機構６は、レーザー発振器１２を初めとする筐体部１０内の機器を冷媒により冷却する。例えば、冷媒として冷却された空気を用いる場合、かかる冷却機構６は、未図示の送風機及び送風管を有しており、層風管の末端に、冷媒吹き出し口の一例としての吹き出し口６１ａ、６１ｂが設けられている。この際、図１及び図２に示したように、吹き出し口として、供給された冷媒を筐体１１の内部に供給する吹き出し口６１ａと、供給された冷媒を筐体１１の周囲に供給する吹き出し口６１ｂと、を設けることが好ましい。

吹き出し口６１ａは、筐体１１に取り付けられており、これにより筐体１１の内部空間１１１への冷媒の供給が可能となっている。内部空間１１１に供給された冷媒は、筐体１１内の各機器、特にレーザー発振器１２を冷却するとともに、開口部１１３より排出される。一方で、吹き出し口６１ｂは、例えばフード３０と筐体１１との間の空間に冷媒を供給する。これにより、筐体１１を外部から冷却することが可能となる。

これにより、筐体１１内の各機器が、２重の冷却機構により冷却され、対象物からの熱を効率よく遮断するとともに、筐体１１内の各機器が効率よく冷却される。

なお、上記では、冷却機構として空冷による態様を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却機構として、水冷等の液冷、ペルチェ素子等の熱電素子を用いた電子冷却等の各種冷却機構を採用してもよい。また、複数の冷却機構を組み合わせて用いてもよい。

（演算処理ユニット５のハードウェア構成について）
次に、図５を参照しながら、本発明の実施形態に係る演算処理ユニット５のハードウェア構成について、詳細に説明する。図５は、本実施形態に係る演算処理ユニット５のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。

演算処理ユニット５は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理ユニット５は、更に、バス９０７と、入力装置９０９と、出力装置９１１と、ストレージ装置９１３と、ドライブ９１５と、接続ポート９１７と、通信装置９１９とを備える。

ＣＰＵ９０１は、中心的な処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１３、又はリムーバブル記録媒体９２１に記録された各種プログラムに従って、演算処理ユニット５内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるバス９０７により相互に接続されている。

バス９０７は、ブリッジを介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バスに接続されている。

入力装置９０９は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９０９は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、演算処理ユニット５の操作に対応したＰＤＡ等の外部接続機器９２３であってもよい。更に、入力装置９０９は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。使用者は、この入力装置９０９を操作することにより、演算処理ユニット５に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。

出力装置９１１は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１１は、例えば、演算処理ユニット５が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理ユニット５が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。

ストレージ装置９１３は、演算処理ユニット５の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１３は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１３は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、及び外部から取得した各種のデータなどを格納する。

ドライブ９１５は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理ユニット５に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、ＣＤメディア、ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２１は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、又は、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。

接続ポート９１７は、機器を演算処理ユニット５に直接接続するためのポートである。接続ポート９１７の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート、ＲＳ－２３２Ｃポート、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ－Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９１７に外部接続機器９２３を接続することで、演算処理ユニット５は、外部接続機器９２３から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器９２３に各種のデータを提供したりする。

通信装置９１９は、例えば、通信網９２５に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９１９は、例えば、有線もしくは無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又はＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９１９は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９１９は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９１９に接続される通信網９２５は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、社内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。

以上、本発明の実施形態に係る演算処理ユニット５の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。

（溶融金属めっき設備）
次に、上述したレーザー発光分光分析装置を備える溶融金属めっき設備の一例について説明する。図６は、本実施形態に係る溶融亜鉛めっき装置の概略構成を示す側面図である。なお、溶融金属浴の一例として、代表的に溶融亜鉛めっき設備７００中の溶融亜鉛めっき浴７０１（以下単に「めっき浴」ともいう。）について説明するが、本発明はかかる例に限定されるものではなく、他の任意の溶融金属浴に適用することが可能である。

溶融亜鉛めっき設備７００は、鋼帯Ｓを、溶融亜鉛を満たしためっき浴７０１に浸漬させることにより、鋼帯Ｓの表面に溶融亜鉛を連続的に付着させるための設備である。溶融亜鉛めっき設備７００は、めっき槽７０３、スナウト７０５、浴中ロール７０７、サポートロール７０９、インダクタ７１１、ガスワイピング装置７１３、合金化炉７１５、及び、レーザー発光分光分析装置２を備える。

めっき槽７０３は、溶融亜鉛からなるめっき浴７０１を貯留する。なお、本実施形態に係るめっき浴７０１には、Ｚｎの他に、例えば、０．１２～０．１５質量％程度のＡｌ、及び、０．０２～０．１質量％程度のＦｅが含まれている。また、めっき浴７０１の温度は、例えば４４０～４８０℃程度である。スナウト７０５は、その一端をめっき浴７０１内に浸漬されるように傾斜配設される。浴中ロール７０７は、めっき槽７０３の内側の最下方に配設される。浴中ロール７０７は、鋼帯Ｓとの接触及びせん断によって、図示の矢印に沿って回転する。

サポートロール７０９は、めっき槽７０３の内側で、鋼帯Ｓの搬送方向における浴中ロール７０７の下流側に配置され、浴中ロール７０７から送り出された鋼帯Ｓを左右両側から挟み込むようにして配設される。サポートロール７０９は、不図示の軸受け（例えば、滑り軸受け、転がり軸受け等）により回転自在に支持される。なお、サポートロールは、１つだけ、又は、３つ以上設置されてもよいし、配置されなくてもよい。

インダクタ７１１は、めっき槽７０３に満たされためっき浴７０１を加熱する加熱装置の一例である。図６に示すように、本実施形態に係るインダクタ７１１は、めっき槽７０３の側壁部に複数設けられ、めっき浴７０１の浴温を調節する。なお、めっき浴７０１を加熱する加熱手段は、かかるインダクタ７１１に限定されるものではなく、公知の技術を用いることが可能である。

ガスワイピング装置７１３は、めっき槽７０３の上方に配置され、鋼帯Ｓの両側の表面にガス（例えば窒素、空気）を吹き付けて、鋼帯Ｓの表面に付着している溶融金属を掻き落とし、溶融金属の付着量を制御する機能を有する。

合金化炉７１５は、ガスワイピング後の鋼帯Ｓを所定の温度まで加熱する加熱装置の一例である。合金化炉７１５は、加熱により鋼帯Ｓの温度を上昇させ、鋼帯Ｓの表面に付着した溶融金属のめっき層の合金化を促進させる。なお、合金化炉７１５として、例えば、誘導加熱式のヒータ等といった公知の技術が用いられる。

上流工程である焼鈍炉で焼鈍された鋼帯Ｓは、スナウト７０５を介してめっき浴７０１で満たされためっき槽７０３に浸漬され、浴中ロール７０７、サポートロール７０９を通過して鉛直方向に引き上げられ、めっき浴７０１外に搬送される。めっき浴７０１外に搬送された鋼帯Ｓは、ガスワイピング装置７１３により表面に付着した溶融金属の目付が調整された後、合金化炉７１５を通過する。

レーザー発光分光分析装置２は、めっき浴７０１中に存在する各成分を検出及び分析する機能を有する装置である。レーザー発光分光分析装置２は、めっき浴７０１中に不活性ガスを供給しながらパルスレーザーを照射して得られた対象元素の信号強度のデータから、例えば、Ｆｅ及びＡｌの含有量を定量する。すなわち、本実施形態に係るレーザー発光分光分析装置２は、溶融亜鉛のめっき浴を測定対象としたＬＩＢＳ法を行うための構成を有する。

以上、本発明のレーザー発光分光分析装置が適用される溶融金属めっき設備の一例について説明した。

（レーザー発光分光分析方法について）
次に、本実施形態に係るレーザー発光分光分析方法について説明する。本実施形態に係るレーザー発光分光分析方法は、本発明のレーザー発光分光分析装置を用いて、溶融金属めっきのめっき浴中の溶融金属を分析する方法である。

以下では、上述したレーザー発光分光分析用光学装置１を備えるレーザー発光分光分析装置２を用い、溶融金属めっきとして、上述した溶融亜鉛めっき設備７００における溶融亜鉛めっきを分析する場合を例に挙げて、説明を行う。

まず、レーザー発光分光分析用光学装置１が備える筐体部１０のレーザー発振器１２は、演算処理ユニット５による制御のもとで、レーザー光を発振する。発振されたレーザー光は、集光レンズ１３により集光されつつ、筒状プローブ２０において導光されて、開口端２４付近において集束する。また、筒状プローブ２０のガス流入口５１からは、例えばＡｒ等の不活性ガスが、開口端２４へ向けて供給される。そして、レーザー光が対象物であるめっき浴７０１中の溶融金属（Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌ等）に照射される。これにより、不活性ガスと溶融金属との界面においてプラズマが発生し、これに伴いプラズマ光が発生する。

発生したプラズマ光は、筒状プローブ２０において導光され、集光されることなく、その一部が、筐体部１０にある光ファイバー受光部１４（より詳細には、受光部１４３の受光端面１４４）により受光される。受光されたプラズマ光は、バンドルファイバー１４１、出射部１４５を介して、分光光学部３へと導光される。分光光学部３は、演算処理ユニット５による制御のもとで、導光されてきたプラズマ光を各波長に分光し、分光されたプラズマ光は、後段の検出器４へと到達する。検出器４は、演算処理ユニット５による制御のもとで、分光されたプラズマ光を波長ごとに検出し、各波長におけるプラズマ光の強度を計測する。その後、検出器４は、プラズマ光の強度に対応する電気信号を計測データとして、演算処理ユニット５へと出力する。これにより、めっき浴７０１中に含まれるＦｅ、Ｚｎ及びＡｌ等の各成分に由来するプラズマ光の強度が、特定されることとなる。

演算処理ユニット５に設けられた成分分析部５０５は、上記のようなＦｅ、Ｚｎ及びＡｌ等の各成分に由来するプラズマ光の強度に対応する電気信号を含む計測データを用いて、公知の方法により、Ｆｅ、Ｚｎ及びＡｌ等の各成分の含有量（濃度）を分析する。これにより、着目するめっき浴７０１中のＦｅ、Ｚｎ及びＡｌ等の各成分の含有量（濃度）を把握することが可能となる。

この際、例えば、Ａｌ濃度の異なる溶融亜鉛めっきを本実施形態に係る分析方法で測定し、ＡｌとＺｎの発光強度比Ｉ（Ａｌ）／Ｉ（Ｚｎ）を得るとともに、各Ａｌ濃度の溶融亜鉛の一部をサンプリングし、酸溶解して、ＩＣＰ発光分析法等によって定量することで、予め、Ａｌ濃度と上記発光強度比との関係を示した検量線を作成しておき、かかる検量線を、記憶部５１１に格納しておく。成分分析部５０５は、取得した計測データと、かかる検量線と、を用いて、計測データから算出した発光強度比Ｉ（Ａｌ）／Ｉ（Ｚｎ）から、溶融亜鉛中のＡｌ濃度に換算することができる。

また、本実施形態においては、レーザー発光分光分析装置２が上記の構成を有することにより、発生したプラズマ光を集光することなく、その一部を光ファイバー受光部１４により受光して、検出器４においてＦｅ、Ｚｎ及びＡｌ等の溶融金属の各成分に対応する各波長の光の検出を行うことが可能である。これにより、溶融亜鉛めっき設備７００の熱による歪みや、振動、浴面変動による分析結果に対する影響を抑制でき、長時間にわたって比較的精度よく各成分の分析が可能となる。

更に、レーザー発光分光分析装置２が備えるレーザー発光分光分析用光学装置１は、上記の構成を有することにより、プラズマ光の集光やレーザー光の発振軸の調整のための光学部材の省略が可能であり、従来のレーザー発光分光分析用光学装置と比較して、大幅に小型化、軽量化されている。これにより、狭所等により従来配置できない位置における分析や、測定地点を変えての分析も容易となる。

以下では、具体例を示しながら、本実施形態に係るレーザー発光分光分析用光学装置、レーザー発光分光分析装置、レーザー発光分光分析方法、及び、溶融金属めっき設備について説明する。

まず、図１に示したレーザー発光分光分析用光学装置１に対応するレーザー発光分光分析用光学装置を作製した。具体的な装置構成と測定条件は、以下の通りである。

（レーザー）
レーザー発振器：ルミバード社製 Ｖｉｒｏｎ（ダイオード励起式 Ｎｄ：ＹＡＧレーザー）
レーザー発振条件：波長１０６４ｎｍ、２０Ｈｚ、５０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ
（集光レンズ）
焦点距離：９００ｍｍ
なお、集光レンズのレーザー発振器側の表面には、レーザー光の波長に対応した反射防止膜を設けた。
（光ファイバー受光部）
光ファイバー（三菱電線社製、１型 標準ファイバー １５ｍ（３２芯））
（冷却機構）
圧縮空気を用いた空冷方式

（分光光学部、検出器）
分光光学部及び検出器として、以下の分光器を用いた。
分光器：ＳＯＬ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社製 ダブルグレーティング分光器（ＮＰ２５０－２）ＴＯＰ：６００本／ｍｍ、ＢＯＴＴＯＭ：１２００本／ｍｍ、スリット幅：３０μｍ
検出器：Ａｎｄｏｒ社製 ＩＣＣＤカメラ（ｉｓｔａｒ、ゲイン：２０００、ゲート幅：１００００ｎｓ、ディレイ：１０００ｎｓ、積算回数：１回、繰り返し回数：１回）

（筒状プローブ）
筒状プローブ長さ：１０００ｍｍ
プローブ材質：サイアロン（窒化ケイ素系）

また、不活性ガスとして、純度９９．９９９９％以上の純Ａｒガスを用い、１．０Ｌ／分の流量で筒状プローブへと供給した。

以上の構成において、レーザー発振軸と筒状プローブの中心軸とは互いに平行となるようにし、光ファイバー受光部の受光端面における面法線方向と、レーザー発振軸とについても、互いに平行となるようにした。

上記のようにして作製したレーザー発光分光分析用光学装置の筐体の寸法は、３３０ｍｍ（幅）×２２０ｍｍ（高さ）×２００ｍｍ（奥行）であった。光軸調整のためのミラーを配置する従来の構成の場合、５００ｍｍ（幅）×２５０ｍｍ（高さ）×６４０ｍｍ（奥行）程度の大きさが小型化の限度となる。これより、作製したレーザー発光分光分析用光学装置は、大幅にサイズを小型化出来ると共に、それに伴い、軽量化についても達成された。

作製したレーザー発光分光分析用光学装置を用いてレーザー発光分光分析装置を構成し、検出した信号（信号強度）の積算時間を３００秒として、溶融亜鉛浴の経時的なＺｎ及びＡｌのスペクトル強度測定を行った。図７に、上記条件で測定した溶融亜鉛浴のレーザー誘起ブレークダウンスペクトル（ＬＩＢＳスペクトル）を示す。

図７に示すスペクトルのうち、Ａｌの発光波長に対応する３０７．６ｎｍの信号をＺｎの発光波長に対応する３０７．３ｎｍの信号で規格化した時間経過を図８に示す。

測定した溶融亜鉛浴中のＡｌ濃度は、意図的に変更されておらず、経時的に一定であるものとして仮定できる。図８に示すように、Ａｌ／Ｚｎのピーク比（信号強度比）は、ほぼ一定であった。以上、本実施形態に係るレーザー発光分光分析装置により、精度よく溶融金属の成分を経時的に定量することが可能であることが示された。

これに対し、プラズマ光を集光するためのレンズを用い受光部に入射する構成のレーザー発光分光分析用光学装置を用いて同様の実験をおこなったところ、約１日の測定において上述した集光を行わない本発明と比較して倍程度のＡｌ／Ｚｎのピーク比（信号強度比）のばらつきが生じた。これにより、プラズマ光を集光せずに受光する本発明の構成により、却って測定の精度が向上することが示唆された。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではない。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲、後述するような本発明の技術的範囲に属する構成及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。例えば、上記実施形態の構成要件は、その効果を損なわない範囲内で、任意に組み合わせることが可能である。また、当該任意の組み合せからは、組み合わせにかかるそれぞれの構成要件についての作用及び効果が当然に得られるとともに、本明細書の記載から当業者には明らかな他の作用及び他の効果が得られる。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的又は例示的なものであって、限定的ではない。つまり、本発明に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

１、１Ａ レーザー発光分光分析用光学装置
２ レーザー発光分光分析装置
３ 分光光学部
４ 検出器
５ 演算処理ユニット
６ 冷却機構
１０ 筐体部
１１ 筐体
１２ レーザー発振器
１３ 集光レンズ
１４ 光ファイバー受光部
２０ 筒状プローブ
２１ プローブ部
２３ 基端部
２４ 開口端
２５ ガス流入口
３０ フード
６１ａ、６１ｂ 冷媒吹き出し口
１１１ 内部空間
１１３ 開口部
１４１ バンドルファイバー
１４３ 受光部
１４５ 出射部
１４４ 受光端面
５０１ 制御部
５０３ 演算処理部
５０５ 成分分析部
５０７ 結果出力部
５０９ 表示制御部
５１１ 記憶部
７００ 溶融亜鉛めっき設備
７０１ めっき浴
７０３ めっき槽
７０５ スナウト
７０７ 浴中ロール
７０９ サポートロール
７１１ インダクタ
７１３ ガスワイピング装置
７１５ 合金化炉
Ｓ 鋼帯

Claims (15)

1. 溶融金属の成分を分析するために用いられる光学装置であって、
   レーザー光を発振するレーザー発振器と、
   前記レーザー光を集光するものであり、前記レーザー発振器から射出された前記レーザー光が直接入射する１つの集光レンズと、
   前記レーザー光を前記溶融金属に照射することで発生したプラズマから放射される発光を受光端面で受光する光ファイバー受光部と、
   を有する筐体部と、
   中心軸が前記レーザー発振器における前記レーザー光の発振軸と平行となるように前記筐体部に接続されており、前記レーザー光の進行方向下流側に位置する開口端へ向けて不活性ガスを供給するとともに、前記レーザー光を前記開口端に導光して前記溶融金属に照射する筒状プローブと、
   を備え、
   前記レーザー発振器は、前記レーザー発振器の位置を調整可能な固定部材により、前記筐体部に固定されており、
   前記光ファイバー受光部の前記受光端面における面法線方向が、前記レーザー光の発振軸と平行である、レーザー発光分光分析用光学装置。
2. 前記筒状プローブは、中心軸が前記レーザー光の発振軸と同軸となるように前記筐体部に接続される、請求項１に記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
3. 前記集光レンズは、前記筐体部と前記筒状プローブとの接続部に設けられる、請求項１又は２に記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
4. 前記光ファイバー受光部の前記受光端面には、前記発光の少なくとも一部が、集光されない状態で入射する、請求項１又は２に記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
5. 前記レーザー発振器は、ダイオード励起式のレーザー発振器である、請求項１又は２に記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
6. 前記集光レンズは、表面に前記レーザー光の反射を防止する反射防止膜を有する、請求項１又は２に記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
7. 前記集光レンズの取り付け角度を変化させることで前記集光レンズのレンズ光軸方向を調整する角度調整機構を更に備える、請求項１又は２に記載のレーザー発光分光分析用光学装置。
8. 請求項１に記載のレーザー発光分光分析用光学装置と、
   前記光ファイバー受光部により導光された前記発光を分光する分光光学部と、
   前記分光光学部により分光された前記発光を検出する検出器と、
   前記検出器による前記発光の検出結果に基づき、溶融金属の成分を分析する成分分析部と、
   を備える、レーザー発光分光分析装置。
9. レーザー光を発振するレーザー発振器と、前記レーザー光を集光するものであり、前記レーザー発振器から射出された前記レーザー光が直接入射する１つの集光レンズと、前記レーザー光を溶融金属に照射することで発生したプラズマから放射される発光を受光端面で受光する光ファイバー受光部と、を有する筐体部と、中心軸が前記レーザー発振器における前記レーザー光の発振軸と平行となるように前記筐体部に接続されており、前記レーザー光の進行方向下流側に位置する開口端へ向けて不活性ガスを供給するとともに、前記レーザー光を前記開口端に導光して前記溶融金属に照射する筒状プローブと、を有し、前記光ファイバー受光部の前記受光端面における面法線方向が、前記レーザー光の発振軸と平行である、レーザー発光分光分析用光学装置と、
   前記光ファイバー受光部により導光された前記発光を分光する分光光学部と、
   前記分光光学部により分光された前記発光を検出する検出器と、
   前記検出器による前記発光の検出結果に基づき、溶融金属の成分を分析する成分分析部と、
   前記筐体部の内部を冷却する冷却機構と、
   を備える、レーザー発光分光分析装置。
10. 前記検出器は、イメージインテンシファイア電荷結合素子検出器である、請求項８又は９に記載のレーザー発光分光分析装置。
11. 前記筐体部の内部を冷却する冷却機構を更に備える、請求項８に記載のレーザー発光分光分析装置。
12. 請求項８又は９に記載のレーザー発光分光分析装置を用いて、溶融金属めっきのめっき浴中の溶融金属を分析する、レーザー発光分光分析方法。
13. 前記溶融金属めっきは、溶融亜鉛めっきである、請求項１２に記載のレーザー発光分光分析方法。
14. 請求項８又は９に記載のレーザー発光分光分析装置を備える、溶融金属めっき設備。
15. 溶融亜鉛めっきを施すための溶融亜鉛めっき設備である、請求項１４に記載の溶融金属めっき設備。