(57)【要約】【課題】鋼材の一表面状態を、他の表面状態が変動する条件下でも、迅速に安定して精度良く測定することできる表面状態測定装置及び表面状態測定方法を提供すること。【解決手段】移動する鋼材の表面状態を測定する表面状態測定装置１０を提供する。この表面状態測定装置は、鋼材Ｓ表面からの距離が相異なりかつ各コイル端面が鋼材表面に対向するように同一軸上に並べて配置されコイル特性が相等しく空芯である励磁コイル２１Ｉ，２２Ｉ，２３Ｉを有するプローブセット２０と、一の測定時間内で励磁コイルに交流電圧を印加して励磁させる励磁部１１と、励磁部１１により励磁された励磁コイルが発生させる磁束を検出して、電気信号へ変換する磁束検出部３０と、３の励磁コイルそれぞれに対して磁束検出部が変換した電気信号に基づいて、一の測定時間内にコイル端面と対向した位置における鋼材の表面状態を導出する表面状態導出部４０とを有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する鋼材の表面状態を測定する表面状態測定装置であって、
各コイル端面が前記鋼材表面に対向するように同一軸上に並べて配置され、コイル特性が相等しく空芯である１の励磁コイルと１又は２の検出コイルとを含むプローブを３つ有し、前記各励磁コイルのコイル特性が相等しく、各励磁コイルが同一軸上に位置して前記鋼材表面からの距離が相異なるように３の前記プローブが並べて配置されるプローブセットと、
一の測定時間内で前記プローブセットに含まれる３の励磁コイルそれぞれに交流電圧を順次印加して該３の励磁コイルを１ずつ励磁させる励磁部と、
前記励磁部により励磁された励磁コイルが発生させる磁束を、該励磁コイルが含まれる前記プローブの検出コイルにより検出して、電気信号へ変換する磁束検出部と、
前記３の励磁コイルそれぞれに対して前記磁束検出部が変換した電気信号に基づいて、前記一の測定時間内に前記コイル端面と対向した位置における前記鋼材の表面状態を導出する表面状態導出部と、
を有することを特徴とする、表面状態測定装置。
【請求項２】
少なくとも１の前記プローブに含まれる励磁コイルは、該プローブと隣接する他の前記プローブに前記検出コイルとして共有されており、
前記磁束検出部は、前記他のプローブの励磁コイルが前記励磁部により励磁されている際に、前記少なくとも１のプローブの励磁コイルを、前記他のプローブの検出コイルとして使用して、前記他のプローブの励磁コイルに対する磁束を検出することを特徴とする、請求項１に記載の表面状態測定装置。
【請求項３】
前記プローブセットは、同一軸上で相隣接して配置された前記３の励磁コイルと、それぞれ前記３の励磁コイルよりも前記鋼材表面に近い位置、及び、前記鋼材表面から遠い位置において該３の励磁コイルと同軸上に並べて配置された２の前記検出コイルとを有し、
前記磁束検出部は、前記他のプローブの励磁コイルが前記励磁部により励磁されている際に、該励磁コイルに隣接する、他の２の前記励磁コイル、又は、他の１の前記励磁コイル及び１の前記検出コイルから、前記励磁コイルの磁束の検出結果である２の電気信号を取得し、該２の電気信号の差の電気信号へと変換することを特徴とする、請求項２に記載の表面状態測定装置。
【請求項４】
前記励磁部は、前記一の測定時間内で少なくとも２の周波数の前記交流電流を前記励磁コイルに印加し、
前記磁束検出部は、前記２の周波数毎の磁束を検出して電気信号に変換し、
前記表面状態導出部は、前記電気信号の絶対値が最も大きい前記周波数に対する電気信号に基づいて、前記表面状態を導出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の表面状態測定装置。
【請求項５】
前記表面状態導出部が導出する表面状態は、前記鋼材表面の形状、透磁率又は導電率であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の表面状態測定装置。
【請求項６】
前記表面状態導出部は、前記３の励磁コイルそれぞれに対する電気信号と共に、前記鋼材毎に予め測定した前記電気信号と前記表面状態との関係に基づいて、前記表面状態を導出することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の表面状態測定装置。
【請求項７】
移動する鋼材の表面状態を測定する表面状態測定方法であって、
各コイル端面が前記鋼材表面に対向するように同一軸上に並べて配置され、コイル特性が相等しく空芯である１の励磁コイルと１又は２の検出コイルとを含むプローブを３つ有し、前記各励磁コイルのコイル特性が相等しく、各励磁コイルが同一軸上に位置して前記鋼材表面からの距離が相異なるように３の前記プローブが並べて配置されるプローブセットに、励磁部が、一の測定時間内で交流電圧を順次印加して前記プローブセットに含まれる３の励磁コイルを１ずつ励磁させる励磁ステップと、
磁束検出部が、前記励磁ステップで励磁された励磁コイルが発生させる磁束を、該励磁コイルが含まれる前記プローブの検出コイルにより検出して、電気信号へ変換する磁束検出ステップと、
表面状態導出部が、前記３の励磁コイルそれぞれに対して前記磁束検出ステップで変換した電気信号に基づいて、前記一の測定時間内に前記コイル端面と対向した位置における前記鋼材の表面状態を導出する表面状態導出ステップと、
を有することを特徴とする、表面状態測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面状態測定装置及び表面状態測定方法に関し、渦電流を利用して非接触で測定対象の表面状態を測定する表面状態測定装置及び表面状態測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄業においては、製造する鋼材の表面状態を制御して品質を維持することが非常に重要である。また、製造時だけでなく、完成した鋼材の表面状態を測定することも、その鋼材を使用する上などにおいて非常に重要である。しかしながら、製鉄工程等における鋼材は、移動していたり、高温であったり、冷却水が飛散しているなど、鋼材の測定は容易ではないのが実情である。
【０００３】
鋼材の表面状態を測定することが非常に重要になる製鉄業における工程の一例として、連続鋳造工程が挙げられる。この連続鋳造工程では、溶鋼から直接鋼片（鋼材の一例。鋳片とも言う。）をつくる非常に重要な工程であり、溶鋼を鋳型に注ぎ、側面が凝固したものを鋳型の底から引き出すことにより、鋳片を形成する。この際、外側の凝固殻が薄いと、内部の溶鋼の静圧などにより、鋳片を引き出すロール間における鋳片が膨れるようにたわむ、いわゆる「バルジング変形」が発生する。この際、バルジング変形の有無、つまり、鋼材の表面の形状（表面状態の一例）を測定することが、製造の安定性を維持したり後段の処理工程後の製品品質を維持する上で非常に重要である。
【０００４】
このようなバルジング変形による変形量（以下「バルジング量」とも言う。）を、鋼材の表面状態の一例として測定する測定装置が多数開発されている。このような測定装置は、例えば、接触式・間接的な接触式・非接触式に大別される。
【０００５】
例えば、接触式の測定装置の一例として、特許文献１の測定装置が挙げられる。この特許文献１の測定装置は、先端に丸みを帯びた頭部を有する環状の接触子をシリンダで鋳片に押しつけ、接触位置を検出することで鋳片の位置を検出する。また、この測定装置は、先端から冷却水を噴出させることで耐熱性と耐久性対策としている。しかしながら可動部を有し、かつ、高温部に接触していることから長期的に安定して使用することは難しい。
【０００６】
また、間接的な接触式の測定装置の一例として、特許文献２，３の測定装置が挙げられる。特許文献２の測定装置は、鋼材に対して水柱を形成し、その水柱を音波の伝達媒体として超音波距離計で距離を計測する。しかしながら、この測定装置では、作業環境が安定せず、鋼材への冷却水などが飛散する高温の環境下では、安定した水柱を形成することは難しい。また、特許文献３の測定装置は、鋳型内部の湯面レベルと鋳片搬送用代表ロールのロール反力を計測し、その計測結果からバルジング量を求める。しかしながら、この測定装置では、突発的な極一部分のバルジングを検出することは難しい。従って、これらの間接的な接触式測定装置であっても、鋼材の表面状態を正確かつ安定して測定することは難しいのが実情である。
【０００７】
これらに対して比較的安定した測定が可能な非接触式の測定装置の一例として、特許文献４の測定装置が挙げられる。特許文献４の測定装置は、渦流式距離計を鋼材表面に対してスキャンして、そのスキャン結果からバルジング量を得る。例えば連続鋳造における二次冷却帯では冷却水が噴霧され、高温の鋼材が冷却されるが、特許文献４の測定装置は、このような悪条件下でも、比較的安定した測定が可能であると言われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１３０５４９号公報
【特許文献２】特開昭６１−６７５５０号公報
【特許文献３】特開平９−２０６９０６号公報
【特許文献４】特開平３−２６８８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、例えば鋳型の直下のように鋳片の温度が著しく変化する場合、鋳片の透磁率及び導電率などの他の表面状態も大きく変化する。例えば、キュリー点前後の温度である場合、温度の変動に伴い、鋼材の透磁率は非常に大きく変動し、かつ、導電率も大きく変動してしまう。従って、このように鋼材の他の表面状態が大きく変化する条件下では、特許文献４の測定装置は、その都度校正が必要になるなど、迅速な測定が難しく、また、校正をしない場合には、安定した精度のよい測定を行うことが難しくなる場合が多い。
【００１０】
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、鋼材の一表面状態を、他の表面状態が変動する条件下でも、迅速に安定して精度良く測定することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、移動する鋼材の表面状態を測定する表面状態測定装置であって、
各コイル端面が上記鋼材表面に対向するように同一軸上に並べて配置され、コイル特性が相等しく空芯である１の励磁コイルと１又は２の検出コイルとを含むプローブを３つ有し、上記各励磁コイルのコイル特性が相等しく、各励磁コイルが同一軸上に位置して上記鋼材表面からの距離が相異なるように３の上記プローブが並べて配置されるプローブセットと、
一の測定時間内で上記プローブセットに含まれる３の励磁コイルそれぞれに交流電圧を順次印加して該３の励磁コイルを１ずつ励磁させる励磁部と、
上記励磁部により励磁された励磁コイルが発生させる磁束を、該励磁コイルが含まれる上記プローブの検出コイルにより検出して、電気信号へ変換する磁束検出部と、
上記３の励磁コイルそれぞれに対して上記磁束検出部が変換した電気信号に基づいて、上記一の測定時間内に上記コイル端面と対向した位置における上記鋼材の表面状態を導出する表面状態導出部と、
を有することを特徴とする、表面状態測定装置が提供される。
【００１２】
また、少なくとも１の上記プローブに含まれる励磁コイルは、該プローブと隣接する他の上記プローブに上記検出コイルとして共有されており、
上記磁束検出部は、上記他のプローブの励磁コイルが上記励磁部により励磁されている際に、上記少なくとも１のプローブの励磁コイルを、上記他のプローブの検出コイルとして使用して、上記他のプローブの励磁コイルに対する磁束を検出してもよい。
【００１３】
また、上記プローブセットは、同一軸上で相隣接して配置された上記３の励磁コイルと、それぞれ上記３の励磁コイルよりも上記鋼材表面に近い位置、及び、上記鋼材表面から遠い位置において該３の励磁コイルと同軸上に並べて配置された２の上記検出コイルとを有し、
上記磁束検出部は、上記他のプローブの励磁コイルが上記励磁部により励磁されている際に、該励磁コイルに隣接する、他の２の上記励磁コイル、又は、他の１の上記励磁コイル及び１の上記検出コイルから、上記励磁コイルの磁束の検出結果である２の電気信号を取得し、該２の電気信号の差の電気信号へと変換してもよい。
【００１４】
また、上記励磁部は、上記一の測定時間内で少なくとも２の周波数の上記交流電流を上記励磁コイルに印加し、
上記磁束検出部は、上記２の周波数毎の磁束を検出して電気信号に変換し、
上記表面状態導出部は、上記電気信号の絶対値が最も大きい上記周波数に対する電気信号に基づいて、上記表面状態を導出してもよい。
【００１５】
また、上記表面状態導出部が導出する表面状態は、上記鋼材表面の形状、透磁率又は導電率であってもよい。
【００１６】
また、上記表面状態導出部は、上記３の励磁コイルそれぞれに対する電気信号と共に、上記鋼材毎に予め測定した上記電気信号と上記表面状態との関係に基づいて、上記表面状態を導出してもよい。
【００１７】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、移動する鋼材の表面状態を測定する表面状態測定方法であって、
各コイル端面が上記鋼材表面に対向するように同一軸上に並べて配置され、コイル特性が相等しく空芯である１の励磁コイルと１又は２の検出コイルとを含むプローブを３つ有し、上記各励磁コイルのコイル特性が相等しく、各励磁コイルが同一軸上に位置して上記鋼材表面からの距離が相異なるように３の上記プローブが並べて配置されるプローブセットに、励磁部が、一の測定時間内で交流電圧を順次印加して上記プローブセットに含まれる３の励磁コイルを１ずつ励磁させる励磁ステップと、
磁束検出部が、上記励磁ステップで励磁された励磁コイルが発生させる磁束を、該励磁コイルが含まれる上記プローブの検出コイルにより検出して、電気信号へ変換する磁束検出ステップと、
表面状態導出部が、上記３の励磁コイルそれぞれに対して上記磁束検出ステップで変換した電気信号に基づいて、上記一の測定時間内に上記コイル端面と対向した位置における上記鋼材の表面状態を導出する表面状態導出ステップと、
を有することを特徴とする、表面状態測定方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明によれば、一の測定時間内でプローブセット内の３のプローブの各励磁コイルを順次励磁させて、それぞれの磁束を検出し、その磁束を表す電気信号に基づいて、鋼材の一表面状態を導出することができる。従って、鋼材の一表面状態を、他の表面状態が変動する条件下でも、迅速に安定して精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置の適用先の例である連続鋳造の概要について説明するための説明図である。
【図２】本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置の適用先の例である連続鋳造の概要について説明するための説明図である。
【図３】本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置が使用する磁界とバルジング量との関係との関係について説明するための説明図である。
【図４】本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置が使用する磁界とバルジング量との関係との関係について説明するための説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る表面状態測定装置の構成等について説明するための説明図である。
【図６】本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置が使用する磁界とバルジング量との関係との関係における不感帯について説明するための説明図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る表面状態測定装置が有するプローブセットの第１例について説明するための説明図である。
【図８】同実施形態に係る表面状態測定装置が有するプローブセットの第２例について説明するための説明図である。
【図９】同実施形態に係る表面状態測定装置による表面状態導出過程について説明するための説明図である。
【図１０】同実施形態に係る表面状態測定装置による表面状態導出過程における動作について説明するための説明図である。
【図１１】同実施形態に係る表面状態測定装置による相関関係導出過程における動作について説明するための説明図である。
【図１２】同実施形態に係る表面状態測定装置が使用する相関関係の導出結果例を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
なお、以下で説明する本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置は、鋼材の表面状態（特性）として、鋼材表面の形状、透磁率、導電率のいずれかを、同一又は類似の構成により測定することが可能である。そこで、以下では説明の便宜上、表面状態の一例として「鋼材表面の形状」を測定する場合を例に説明する。また、この表面状態測定装置の効果がより明確になるように、鋼材表面の形状の一例として、悪条件下である連続鋳造におけるバルジングを測定する場合を例に挙げて説明する。なお、バルジングの測定は、例えば、鋼材表面までの距離を定位置から測定して、その距離を鋼材の表面に沿って（移動する鋼材に対して）測定し、その結果、鋼材の表面形状を導出することにより、行うことが可能である。従って、換言すれば、以下では、表面状態測定装置が鋼材の表面までの距離を測定する場合を例示して説明する。そして、鋼材の他の表面状態を測定する場合の変更例等については、適宜補足的に説明することにする。
【００２２】
また、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置は、非接触でバルジングを測定するために、主に磁界を利用する。そして、この表面状態測定装置は、安定的かつ精度の良い測定を迅速に可能とするために、様々な構成を備える。従って、まず、測定が行われる連続鋳造の概要について説明し、その後、この表面状態測定装置が利用する磁束とバルジング量との関係の概要について説明した後、本発明の各実施形態の構成及び動作等について説明する。つまり、以下では、本発明の各実施形態について次の順序で説明する。
１．連続鋳造の概要について
２．磁束とバルジング量との関係について
３．第１実施形態
【００２３】
＜１．連続鋳造の概要について＞
図１は、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置の適用先の例である連続鋳造の概要について説明するための説明図である。
【００２４】
図１に示すように、浸漬ノズル１から鋳型２に注ぎ込まれた溶鋼Ｓ１は、側面から凝固して、その側面に凝固殻Ｓ２が形成される。その凝固殻Ｓ２が形成された鋼材Ｓは、鋳型２の床からある程度整形された半製品として引き出される。この際、引き出された鋼材Ｓは、ロール３により挟持されつつ下方（ｖ軸正の方向）へと搬送され、例えば冷却水等により２次冷却されて、更に凝固させられる。図１では、冷却水を噴霧する構成等については省略しているが、鋼材Ｓの凝固殻Ｓ２が、下方に引き出されるにつれて徐々に厚くなる様子を模式的に示している。このような鋳型２の直下の位置は、非常に高温で、冷却水が飛散するなど、鋼材Ｓの表面状態を測定するには環境が非常に悪い。しかし、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置は、このような悪条件下での表面状態測定を可能にしている。
【００２５】
一方、図１に示すように、凝固殻Ｓ２が適切な厚みで形成されていない場合、つまり、凝固が十分でない場合などでは、鋼材Ｓの搬送方向に連続するロール３間における鋼材Ｓの表面は、内部の溶鋼Ｓ１の静圧等に凝固殻Ｓ２が耐えきれず、膨れるようにたわんでしまい、ひどい場合には凝固殻Ｓ２が破裂し溶鋼Ｓ１が流出することがある。このような変形を「バルジング変形」ともいう。このバルジング変形が発生した場合、ロール３の直下の凝固殻Ｓ２には大きな引張力が生じる。一方、凝固の過程では、鋼材Ｓは、延びや曲げに弱いもろい性質（脆化）となる特定の温度となることがある。この温度下で、上記バルジング変形等による過大な引張力が生じると、鋼材Ｓに割れが生じる原因となる。
【００２６】
そこで、このバルジング変形の有無やバルジングＢの形状、バルジング量Δｄ（鋼材の表面形状の凹凸量など）等を測定し、バルジング変形の有無などに応じて、鋳造速度を減速する、あるいは、冷却水量を増加させるなどにより凝固殻Ｓ２の厚みを厚くするなどによりバルジングを早期に抑えるなど、割れが発生する前に適切な処理を取る必要がある。バルジング変形の有無やバルジングＢの形状、バルジング量Δｄは、鋼材の表面形状、つまり、表面に発生した凹凸を測定することにより測定することができる。換言すれば、鋼材の表面形状を測定すれば、その鋼材の部分的な凸部はバルジングＢに相当する可能性があり、その凸部の他の表面からの突出量がバルジング量Δｄに相当する。
【００２７】
そこで、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置１０は、図１に示すように、ロール３間の鋼材Ｓ表面に対向し、かつ、位置が固定されて配置され、鋼材Ｓの表面までの距離（ギャップ）ｄを測定する。つまり、表面状態測定装置１０は、図２に示すように、鋼材Ｓの表面までの距離ｄの測定を鋼材Ｓが移動している際に繰り返すことにより表面形状を測定し、その表面形状からバルジング変形の発生有無や、バルジング量Δｄを測定する。なお、図２では、鋼材Ｓをｖ軸正の方向（下方）へ移動させる代りに、表面状態測定装置１０をｖ軸負の方向（上方）へ移動させることにより、測定状態を模式的に示している。この際、この表面状態測定装置１０は、鋼材Ｓを間に挟んで２以上配置され、鋼材Ｓの両表面までの距離ｄを測定することが望ましい。
【００２８】
この表面状態測定装置１０により、移動している鋼材Ｓまでの距離ｄを測定し、バルジングＢを検出する、つまり、鋼材Ｓの表面形状を測定するためには、迅速な距離ｄの測定が必要である。鋼材Ｓの移動速度、つまり、連続鋳造速度が、例えば、約２５００ｍｍ／分（４２ｍｍ／秒）である場合、鋼材Ｓの表面形状を測定するためには、約０．１秒以下の時間間隔毎に距離ｄを測定することが望ましい。よって、単に距離ｄが測定できればよいと言うものではなく、一の測定に要する測定時間が短いことも非常に重要である。これに対して、以下で説明する本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置１０は、十分に迅速な測定を可能としているが、そのための構成等については実施形態において詳しく説明する。
【００２９】
＜２．磁束とバルジング量との関係について＞
図３及び図４を参照しつつ、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置が使用する磁束（出力電圧Ｖ）とバルジング量（距離ｄ）との関係について説明する。図３及び図４は、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置が使用する磁界とバルジング量との関係について説明するための説明図である。なお、ここで説明する関係は、本発明の発明者らが鋼材Ｓの表面状態測定等について鋭意研究を行った結果、見出した事項であることを付言しておく。
【００３０】
図３には、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置１０が有するプローブセット２０の一部の構成、より具体的にはプローブセット２０が有する３のプローブ（第１プローブ２１〜第３プローブ２３）のうちの１のプローブの構成を模式的に図に示している。プローブセット２０は、磁界を利用して鋼材Ｓまでの距離ｄの測定に使用されうるため、ここでは距離計（変位計）とも言う。しかし、このプローブセット２０は、距離ｄ（つまり鋼材Ｓの表面形状）だけではなく、他の鋼材の表面状態（例えば透磁率や導電率）を測定することも可能である。
【００３１】
この図３に示すプローブセット２０に含まれる１のプローブは、例えば３つのコイルを有する。図３では、その３つのコイルとして、１の励磁コイル２０Ｉと、２の検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄが配置されている。なお、ここでは、励磁コイル２０Ｉ及び検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄを区別しない場合には、単にコイルということにする。
【００３２】
これら３つのコイルは、全て同じコイル特性、即ち、コイル断面積、コイル長さ、巻数を有する。つまり、この３つのコイルは、周囲の透磁率等の外的要因を除きコイル単体としては、自己インダクタンス値が全て等しい。このようなコイルは、例えば、材質・太さ等が等しい同一のコイル巻線を同一のピッチ間隔・コイル面積・巻き数で巻くことにより、形成することができる。そして、３つのコイルは、図３に示すように、いずれも空芯で形成される。
【００３３】
この３つのコイルは、全てのコイルが同一軸上に配置される。換言すれば、３つのコイルの各コイル軸は、同一直線上に乗る。そして、３つのコイルそれぞれの一方のコイル端面は、測定対象である鋼材Ｓの表面と対向する。つまり、３つのコイルは、全てコイル端面が鋼材Ｓに向くように、同心上に並べて配置される。この際、励磁コイル２０Ｉは、検出コイル２０Ｏｕと、検出コイル２０Ｏｄとの間に配置され、各コイル間の間隔は、等しく設定されることが望ましい。なお、ここでは便宜上、鋼材Ｓに近い方のコイルを検出コイル２０Ｏｄとし、遠い方のコイルを検出コイル２０Ｏｕとしている。なお、上述の通り、３つのコイルは、同一軸上に配置され、この軸は、鋼材Ｓの表面と直交することが望ましいが、鋼材Ｓに交差すればよい。このように配置された３つのコイルは、結果として、鋼材Ｓの表面からの距離が、それぞれ異なる。つまり、検出コイル２０Ｏｄが一番鋼材Ｓに近く、続いて励磁コイル２０Ｉ・検出コイル２０Ｏｕの順で鋼材Ｓに近い。ここでは、励磁コイル２０Ｉの基準位置として、鋼材Ｓの表面に対向したコイル端面を例に挙げて、この基準位置から鋼材Ｓの表面までの距離ｄについて説明する。しかし、この基準位置は、便宜上の位置であり、励磁コイル２０Ｉのどこの位置にとってもよい。
【００３４】
このように鋼材Ｓの表面上に所定の距離を離して配置されたプローブセット２０は、励磁コイル２０Ｉが交流電流により励磁されると磁束Φを発生する。この磁束Φの大きさは、鋼材Ｓの表面状態（距離ｄ，導電率σ，透磁率μ）に依存する。よって、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置１０は、表面状態の少なくとも１つ（ここでは導電率σ，透磁率μ。既知である必要はない。）を固定して、検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄにより磁束Φを測定することにより、その測定結果の電圧から、他の表面状態（ここでは距離ｄ）を測定することが可能である。より具体的にこの関係について距離ｄを例に説明すると以下の通りである。
【００３５】
ここでは、距離ｄと磁束Φとの関係を定性的に説明し、実際の出力電圧Ｖ（電気信号の一例）についても定性的に説明する。しかしながら、ここで説明する定性的な内容は、あくまで本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置１０の効果等の理解を容易にするためのものであり、この定性的な内容に含まれない原理や作用等を除外するものではない。
【００３６】
図３に示すように、励磁コイル２０Ｉに、交流の電圧ＶＩが印加されると、そのコイル巻線には、交流の電流Ｉが流れる。その結果、励磁コイル２０Ｉは、マクスウェルの方程式等の電磁気学からも判るように、交番の磁束Φを発生させることになる（図３では鋼材Ｓ方向の磁束Φを励磁している。）。
【００３７】
この励磁コイル２０Ｉが発生させる磁束Φの一部は、軸が等しく励磁コイル２０Ｉを挟んだ検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄのコイル端面を交差する。その結果、検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄでは、誘導起電力が発生し、出力端子間にはそれぞれ電圧（電位差）ＶＯｕ，ＶＯｄが生じる。なお、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置１０は、これらの電圧ＶＯｕ，ＶＯｄの差を取ることにより出力電圧Ｖを得る差動構成を有する（Ｖ＝ＶＯｄ−ＶＯｕ）。その結果、この表面状態測定装置１０は、より精度の良い表面状態測定を可能としている。しかし、差動構成とせずに、どちらか一方の検出コイルのみを配置して、出力電圧を得ることも可能である。
【００３８】
一方、励磁コイル２０Ｉが発生させる磁束Φは、電圧ＶＩ及びその周波数ｆ等が一定であれば、励磁コイル２０Ｉのインダクタンスに依存し、励磁コイル２０Ｉのインダクタンスは、鋼材Ｓが近傍に配置された場合、その鋼材Ｓ表面の形状（距離ｄ）、鋼材Ｓの透磁率μ、鋼材Ｓの導電率σ等の表面状態に依存する。従って、検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄから出力される出力電圧Ｖも、鋼材Ｓまでの距離ｄ、鋼材Ｓの透磁率μ、鋼材Ｓの導電率σ等の表面状態に依存することとなる。ここで、図４を参照しつつ、定性的に透磁率μによる影響と導電率σによる影響とに分けて考えて、距離ｄと出力電圧Ｖとの関係について説明する。図４は、上記差動構成による出力電圧Ｖ（＝ＶＯｄ−ＶＯｕ）を縦軸とし、距離ｄを横軸とした概念的なグラフである。ただし、出力電圧Ｖとしては、透磁率μと導電率σとの影響は厳密には分離できないことは言うまでもない。また、この図４では、交番電流Ｉの周波数ｆは一定と仮定している。
【００３９】
鋼材Ｓの透磁率μによる影響
鋼材Ｓが磁性体である場合、図４に示すように、励磁コイル２０Ｉが発生させる磁束Φは、鋼材Ｓの透磁率μの影響を受けて、磁束Φが大きくなると共に、鋼材Ｓ側に偏る（図３参照。）。また、この鋼材Ｓの透磁率μによる影響は、鋼材Ｓまでの距離ｄが近ければ近いほど、大きい。
図４中、相関関係Ｆ１は、透磁率μ１及び導電率σ１の鋼材Ｓに対して、距離ｄを変化させた場合における出力電圧Ｖの変化を模式的に表している。相関関係Ｆ１を見れば判るように、距離ｄが大きくなれば（ｄ１＜ｄ２＜ｄ３）、透磁率μ１による影響は低減して、出力電圧Ｖは約０に減衰する（Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３）。これは、鋼材Ｓの透磁率μ１による影響が小さいと、磁束Φの量は図３の上下方向で等しくなり、同量の磁束が各検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄを鎖交する結果、各電圧ＶＯｕ，ＶＯｄの絶対値が等しくなるためである。
一方、図４中、相関関係Ｆ２は、透磁率μ２及び導電率σ１の鋼材Ｓに対して、距離ｄを変化させた場合における出力電圧Ｖの変化を模式的に表している。この際、透磁率μ２は、透磁率μ１より大きい。相関関係Ｆ２も、相関関係Ｆ１と同様に変化するが、透磁率μ２が大きいため、相関関係Ｆ１と比べて、磁束Φが大きくなり、かつ、鋼材Ｓ側に大きく偏るため、その出力電圧Ｖも大きくなっている。
つまり、磁性体の場合、距離ｄが大きくなると、出力電圧Ｖは絶対値は小さくなり、透磁率μが大きくなると、出力電圧Ｖは正の方向に大きくなるという関係が見て取れる。
【００４０】
鋼材Ｓの導電率σによる影響
一方、鋼材Ｓは、磁性体であろうと非磁性体であろうと、図３に示すように、励磁コイル２０Ｉが発生させた交番磁束Φがその表面を鎖交すると、その磁束Φを打ち消すような方向の磁束Φｗを発生させるように渦電流Ｉｗが流れる。この結果、磁性体で説明すると、図３に示すように鋼材Ｓの透磁率μの影響により鋼材Ｓ側に偏った磁束Φは、渦電流Ｉｗの磁束Φｗにより、逆に鋼材Ｓから離れる方向へと押し戻される。その結果、各検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄを鎖交する磁束の差は減少して、出力電圧Ｖ（＝ＶＯｄ−ＶＯｕ）は、負の方向へと変化する。この鋼材Ｓの導電率σによる影響、つまり、渦電流Ｉｗによる影響は、磁性体・非磁性体を問わず、鋼材Ｓの透磁率μによる影響と同様に、距離ｄが大きくなれば、小さくなる。従って、鋼材Ｓの導電率σによる影響による出力電圧Ｖの負の方向への変化も、距離ｄが大きくなる程小さくなる。よって、距離ｄ等が一定の場合、磁性体に対する出力電圧Ｖは、この鋼材Ｓの導電率σによる影響と、上記の鋼材Ｓの透磁率μによる影響との差し引きにより決定される。磁性体の場合、鋼材Ｓの導電率σによる影響は、上記の鋼材Ｓの透磁率μによる影響よりも小さく、従って、図４の相関関係Ｆ１，Ｆ２に示すように、出力電圧Ｖ（＝ＶＯｄ−ＶＯｕ）は正となる場合が多い。
これに対して、図４では、非磁性体に対する関係を相関関係Ｆ３，Ｆ４に示している。非磁性体の場合、鋼材Ｓの透磁率μ（μ３，μ４）は、磁性体のそれより小さく、この透磁率μによる影響は、殆ど無いか、小さくなる。よって、ここで説明した渦電流Ｉｗの磁束Φｗによる影響が大きくなり、励磁コイル２０Ｉが発生させる磁束Φは、鋼材Ｓの表面から遠ざかる方向へと偏る。その結果、図４に示すように、出力電圧Ｖ（＝ＶＯｄ−ＶＯｕ）は負となる場合が多い。この相関関係Ｆ３，Ｆ４では、距離ｄが大きくなるほど、上述の通り鋼材Ｓの導電率σによる影響も小さくなるため、出力電圧Ｖは約０に減衰する。これも、鋼材Ｓの導電率σによる影響が小さいと、磁束Φの量は図３の上下方向に等しくなり、同量の磁束が各検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄを鎖交する結果、各電圧ＶＯｕ，ＶＯｄの絶対値が等しくなるためである。また、非磁性体では、導電率σが大きくなれば（σ３＞σ４）、この鋼材Ｓの導電率σによる影響も強くなるため、出力電圧Ｖの絶対値も大きくなる。この場合、出力電圧Ｖは、負の方向で大きくなることとなる。
つまり、非磁性体の場合、距離ｄが大きくなると、出力電圧Ｖの絶対値は小さくなり、導電率σが大きくなると、出力電圧Ｖは負の方向へ大きくなるという関係が見て取れる。
【００４１】
以上の関係をまとめると概ね以下のことが言える。
磁性体の場合）磁束Φと導電率σの影響で渦電流Ｉｗが発生し、磁束Φの鋼材Ｓ方向への変化を妨げるが、それ以上に、透磁率μが高いことの効果により、磁束Φは鋼材Ｓ方向へと偏り、出力電圧Ｖは正の値となる。また、距離ｄが近いほど、出力電圧Ｖは増加する。透磁率μが大きいほど、出力電圧Ｖはやはり増加するが、導電率σが大きい場合、出力電圧Ｖは減少する。しかし、この導電率σによる影響は、透磁率μの影響よりも小さい。
非磁性体の場合）透磁率μの影響は小さく無視できる程度となるが、磁束Φと導電率σの影響でやはり渦電流Ｉｗが発生し、鋼材Ｓから離れる方向へと磁束Φを押しやる。そのため、出力電圧Ｖは負の値となる。また、距離ｄが近いほど、出力電圧Ｖは負の方向で増加する。
なお、ここでは出力電圧Ｖとして、差動構成による上下２つのコイルの差分信号である場合について説明した。しかしながら、どちらか一方の検出コイルを使用することも可能である。この場合、出力電圧Ｖの出力値や正負増減等について、同様の考察から、ここで説明した関係と類似の関係が存在することは言うまでもない。
【００４２】
以上、磁束（出力電圧Ｖ）とバルジング量（距離ｄ）との関係について説明した。本発明の発明者らは、鋼材Ｓの表面状態測定等について鋭意研究を行った結果、このような関係を明らかにし、本発明の各実施形態を完成させた。以下、この各実施形態について説明する。なお、ここで説明した事項は、定性的なものであり、原因や作用等を限定するものではなく、また、出力電圧Ｖの値等は、コイルの特性や配置位置等の装置構成等にも依存する。そこで、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置１０は、所定の構成により、所望の鋼材Ｓに対する相関関係Ｆを予め実験等から求め、その相関関係Ｆと出力電圧Ｖとから表面状態（距離ｄ、導電率σ又は透磁率μ）を測定することを可能としている。更に、この表面状態測定装置１０は、単純にこの関係を使用可能とするだけでなく、更に、安定的に精度良く迅速な測定が可能なように、様々な構成を有する。よって、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置１０の特徴は、ここで説明した事項のみに限定されるものでないことは、言うまでもない。以下、この本発明の第１実施形態に係る表面状態測定装置１０について、詳しく説明する。
【００４３】
＜３．第１実施形態＞
まず、図５を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る表面状態測定装置１０の構成等について説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係る表面状態測定装置１０の構成等について説明するための説明図である。
【００４４】
（３−１．表面状態測定装置の構成）
図５に示すように、表面状態測定装置１０は、大きく分けて、励磁部１１と、プローブセット２０と、磁束検出器３０と、表面状態導出部４０とを有する。
【００４５】
各構成の概要について説明すると以下の通りである。
プローブセット２０は、上述の通り図３に示した１の励磁コイルを含むプローブを３つ有しており、励磁部１１が、このプローブセット２０に交流電流を供給し、プローブセット２０が有する合計３の励磁コイルを順次励磁させる。この励磁による磁束の変化を表した電圧を、検出コイルを用いて磁束検出部３０が検出して、信号処理を行い所定の差動電気信号へと変換する。その電気信号は、表面状態導出部４０に送られ、この表面状態導出部４０が、電気信号に基づいて鋼材Ｓの表面状態（ここでは距離ｄ）を導出する。
【００４６】
上記「磁束とバルジング量との関係」、つまり、「出力電圧Ｖと距離ｄとの関係」では、一の距離ｄに対して、１の励磁コイル２０Ｉと２の検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄとから、１の差動出力電圧Ｖが測定される場合について説明した。本実施形態の適用例である連続鋳造機では、図１及び図２等に示すように、鋼材Ｓまでの距離ｄを測定することとなるが、鋼材Ｓの導電率σ及び透磁率μ等の表面状態も測定時には正確な値が未知であることが多い。特に、キュリー点（約７７０℃）前後の温度域の鋼材Ｓを測定する場合、そのキュリー点を跨げば非磁性体から磁性体へと変化するため、透磁率μ等の変化は非常に大きなものとなる。つまり、３つの表面状態（距離ｄ、導電率σ、透磁率μ）の全てが未知であったり、少なくとも１の表面状態が大きく変化する鋼材Ｓの表面状態を測定する必要が生じることも多い。そのため、上記のような磁束Φを利用した距離ｄの測定は難しい。
【００４７】
これに対して、本発明の第１実施形態に係る表面状態測定装置１０は、表面状態が反映された磁束Φの変化に基づく出力電圧Ｖを、距離ｄが異なる３個所からの励磁により測定することにより、表面状態の導出を可能としている。つまり、この表面状態測定装置１０は、３の励磁コイルを備え、その励磁コイルをそれぞれ鋼材Ｓの表面からの距離ｄが異なるように並べて配置し、各励磁コイルからの出力電圧Ｖを得ることにより、表面状態を測定することを可能としている。例えるならば、未知の３つの変数（表面状態）に対して、３つの式に対応する値を測定し、その結果から、少なくとも１の変数を導出することを可能にしている。また、単に、３の励磁コイルそれぞれから鋼材Ｓまでの距離ｄが異なればよいという訳ではなく、この表面状態測定装置１０は、鋼材Ｓの表面に対して交差する同一軸上における距離ｄが異なる３個所から磁束Φを発生させることにより、精度良く迅速な測定を可能としている。仮に励磁コイルが同一軸上に無い場合、鋼材Ｓの表面が平らで、距離ｄの基準からその表面までの距離が一定であれば、同一軸上に無くとも距離ｄの測定は可能となる場合もある。しかしながら、本発明の各実施形態で測定対象である移動する鋼材Ｓの表面形状（表面状態の一つ）を測定することは、励磁個所が同一軸上に無い場合、非常に困難である。従って、このような移動する鋼材の性質等について明らかにした本発明者らが完成させた表面状態測定装置１０は、励磁個所を同一軸上とすることなどにより、移動する鋼材Ｓの表面形状の測定をも可能としている。また、一見、測定に寄与する磁束Φを増やすために、励磁コイルに芯を設ければ、測定精度を向上させられるとも考えられる。しかしながら、本発明者らは、励磁個所を同一軸上とする場合、芯を設ければ、各励磁コイル間の相関関係が強くなり過ぎて測定が難しくなることをも明らかにした。そこで、単に同一軸上とするだけなく、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、各励磁コイルを空芯とすることで、表面状態の測定を可能としている。一方、図４に示すように、出力電圧Ｖの絶対値は、距離ｄが大きくなれば小さくなる。同一軸上に各励磁コイルを配置する場合、励磁コイル間の距離（Δｄ１，Δｄ２）は、同一軸上に配置しない場合に比べて、制限された値となる。そこで、以下で説明する本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、励磁コイル間の距離を縮めるために、更に改良されたプローブセット２０（プローブセットの第２例）を有することにより、測定精度を高めることをも可能としている。しかし、所望の測定精度が得られる場合には、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、励磁コイル間の距離（Δｄ１，Δｄ２）が制限されたプローブセット２０（プローブセットの第１例）をも使用することが可能である。そこで、以下では、本実施形態に係る表面状態測定装置１０が有する各構成について説明するが、このプローブセット２０による効果等の理解が容易となるように、プローブセット２０の説明において、プローブセットの第１例について説明した後、更に改良されたプローブセットの第２例について説明する。
【００４８】
（励磁部１１）
励磁部１１は、一の測定時間内で、プローブセット２０が有する３の励磁コイルに交流電圧を印加して、その３の励磁コイルの全てを少なくとも１回以上励磁させる（交流電圧を１回以上印加する）。そのために、励磁部１１は、交流電源等の回路を有することが望ましい。なお、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、表面状態導出時の信号処理等にかかる時間を短縮することができるため、一の測定時間を、鋼材Ｓの進む速さより十分に小さくすることが可能である。また、ここで言う一の測定時間とは、距離ｄの測定を１回行う時間間隔を意味する。仮に、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、連続鋳造速度が、約４２ｍｍ／秒である場合、測定時間を約０．１秒以下とすることを可能としている。この場合、鋼材Ｓの表面形状測定における分解能は約４．２ｍｍ間隔となり、非常に高い精度の測定が可能である。
【００４９】
上述の通り、励磁部１１は、一の測定時間内で、交流電流を３の励磁コイルに順次印加して、３の励磁コイルを１つずつ励磁させる。つまり、励磁部１１は、一の測定時間内で、例えば、第１励磁コイルを選択して励磁させ、次に、第２励磁コイルを選択して励磁させ、そして、第３励磁コイルを選択して励磁させる。そのために、励磁部１１は、励磁コイル選択部を有することが望ましい。なお、励磁させる順番及び一の測定時間内で励磁させる回数は、特に限定されるものではない。以下で説明するプローブセット２０において、プローブセットの第２例の場合、上記のように１の励磁コイルずつ励磁させることにより、励磁コイル間の間隔（Δｄ１，Δｄ２）を短くすることを可能として、測定精度を向上させることが可能となる。この測定精度向上のための構成については、プローブセットの第２例の説明において、詳しく説明する。
【００５０】
更に、この励磁部１１は、一の測定時間内で少なくとも２の周波数の交流電流を、各励磁コイルに印加する。つまり、励磁部１１は、異なる２の周波数の交流電流を、各励磁コイルの全てに印加することにより、各励磁コイルを２の周波数で励磁させることが望ましい。本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、このように２の周波数を使用することで、より確実な表面状態測定を可能としている。そのために、励磁部１１は、例えば、２種類の交流電源を有するか、周波数変換回路等を有することが望ましい。この２周波を使用することについて、図４及び図６を参照しつつ説明する。図６は、本発明の各実施形態に係る表面状態測定装置が使用する磁界とバルジング量との関係との関係における不感帯について説明するための説明図である。
【００５１】
図４では、「磁束とバルジング量との関係」、つまり、「出力電圧Ｖと距離ｄとの関係」が、鋼材Ｓの表面状態（距離ｄ，導電率σ，透磁率μ）に依存することについて説明した。しかし、この出力電圧Ｖは、距離ｄ，導電率σ，透磁率μ等のバランスによっては、０となることがある。ここでは、このような状態を「不感帯」ともいう。この不感帯に入ってしまった相関関係ＦＮを図６に示す。
【００５２】
図６に示すように、相関関係ＦＮは、導電率σ，透磁率μ等のバランスによって、距離ｄに寄らずに、その出力電圧Ｖが０となっている。この場合、３の励磁コイルにより、出力電圧Ｖを得たとしても、出力電圧Ｖが０となるか、有効な出力値を得られず、相関関係を同定することが難しくなる。
【００５３】
一方、この出力電圧Ｖは、磁束Φに依存し、磁束Φは、励磁コイルのコイル特性等だけでなく、励磁電流の周波数ｆにも依存する。このことが不感帯を防ぐ上で利用可能であることを見出した本発明者らは、更に、周波数が大きくなれば、その出力電圧Ｖは、負の方向に増加することをも見出した。そこで、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、この関係を利用して、２の周波数ｆ１，ｆ２で測定を行うことで、不感帯となり測定が不可能になる場合を除外することに成功した。
【００５４】
より具体的に説明する。
ここで、導電率σ１，透磁率μ１の磁性体である鋼材Ｓに対して、例えば、周波数ｆ１の交流電圧を使用した場合の相関関係を相関関係Ｆ５とし、周波数ｆ２を使用した場合を相関関係Ｆ６とし、周波数ｆ１は周波数ｆ２よりも大きいと仮定する。すると、図６に示すように、相関関係Ｆ６は、距離ｄが同じならば、相関関係Ｆ５よりも高い出力電圧Ｖを得ることが可能であることが判る。
一方、導電率σ３，透磁率μ３の非磁性体である鋼材Ｓに対して、例えば、周波数ｆ１の交流電圧を使用した場合の相関関係を相関関係Ｆ７とし、周波数ｆ２を使用した場合を相関関係Ｆ８とし、周波数ｆ１は周波数ｆ２よりも大きいと仮定する。すると、図６に示すように、相関関係Ｆ７は、距離ｄが同じならば、相関関係Ｆ８よりも高い出力電圧Ｖを得ることが可能であることが判る。
そこで、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、励磁部１１から２周波の交流電圧を印加して測定を行い、出力電圧Ｖの絶対値の大きい方の周波数を使用して、表面状態を導出することにより、不感帯を回避することが可能である。
【００５５】
ただし、不感帯が回避できる場合には、１の周波数のみを使用して、測定を行うことが可能であることは言うまでもない。また、励磁部１１が２の周波数ｆ１，ｆ２の交流電圧を各励磁コイルに印加する場合、その２の周波数ｆ１，ｆ２を別々の時間に印加することも可能であるが、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、この２の周波数ｆ１，ｆ２を重畳させて、一の印加時間内で両周波数ｆ１，ｆ２に対する出力電圧Ｖを得る。従って、この表面状態測定装置１０は、一の測定時間を短縮することを可能とし、上記のように非常に迅速な測定を行うことが可能である。なお、ここでは２の周波数ｆ１，ｆ２を重畳させる場合について説明したが、重畳される周波数の個数は２に限定されるものではなく、３以上であってもよい。３以上の周波数を重畳させて各励磁コイルに印加する場合、不感帯を回避した出力電圧Ｖのセットを複数取得することが可能である。従って、この場合、出力電圧Ｖの絶対値が大きいセットを用いることにより、更に誤差の少ない表面状態測定が可能となる。また、更にこの場合、不感帯を回避した複数の出力電圧Ｖのセットそれぞれについて表面状態を導出し、その表面状態の平均値を取ることにより、より一層誤差の少ない表面状態測定をおこなうことができる。
【００５６】
（プローブセット２０）
プローブセット２０については、一プローブ分の概念的な構成を図３に示したが、上述の通り、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、図３に例示したようなプローブを３つ有し、結果として合計３の励磁コイルを有する。従って、概念的には、図３に示した励磁コイル２０Ｉが３つ備えられることとなる。これに対して、２の検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄが各励磁コイルに対して備えられることとなる。その一例として、図７に示すプローブセット２０の第１例が挙げられる。ここでは、１の励磁コイルとその励磁コイルの磁束Φを検出する検出コイルとのセットを、それぞれプローブと呼び、便宜上、鋼材Ｓに近い方から順に第１プローブ２１，第２プローブ２２，第３プローブ２３と呼ぶこととする。つまり、各プローブを示すときは、第１〜第３プローブ２１〜２３と言うのに対して、第１〜第３プローブ２１〜２３の全体を示すときは、プローブセット２０と言う。
【００５７】
また、以下では、図３から理解が容易なプローブセットの第１例（図７）について、まず説明し、その後、測定精度等を向上させることが可能な更に改良されたプローブセットの第２例（図８）について説明する。この際、プローブセットの第２例では、プローブセットの第１例と同じ構成については省略し、プローブセットの第１例と異なる点を中心に説明する。
【００５８】
（プローブセット２０の第１例）
第１例に係るプローブセット２０について、図７を参照しつつ説明する。図７は、本発明の第１実施形態に係る表面状態測定装置が有するプローブセットの第１例について説明するための説明図である。
【００５９】
図７に示すように、プローブセット２０は、それぞれ励磁コイルを１ずつ有する３つの第１〜第３プローブ２１〜２３を有する。まず、この各励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉについて説明する。
【００６０】
３つの励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉは、図７に示すように、鋼材Ｓの表面からの距離ｄが異なる（距離ｄ１，ｄ２，ｄ３）。つまり、例えば鋼材Ｓの表面に対向するコイル端面の位置を基準とした場合、その各基準からの距離ｄは、励磁コイル２１Ｉでは距離ｄ１となり、励磁コイル２２Ｉでは距離ｄ２となり、励磁コイル２３Ｉでは距離ｄ３となるように、各励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉが配置される。ただし、この距離ｄの基準は、一方のコイル端面の位置に限られるものではなく、適宜変更して設定可能である。
【００６１】
また、３つの励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉは、全てのコイルが同一軸ＡＸ上に配置される。換言すれば、３つの励磁コイルの各コイル軸は、同一直線上に乗る。そして、３つの励磁コイルそれぞれの一方のコイル端面は、測定対象である鋼材Ｓの表面と対向する。つまり、３つの励磁コイルは、全てコイル端面が鋼材Ｓに向くように、同心上に並べて配置される。この際、各励磁コイル間の間隔（Δｄ１＝ｄ２−ｄ１，Δｄ２＝ｄ３−ｄ２）は、等しく設定されることが望ましい。なお、上述の通り、３つの励磁コイルは、同一軸ＡＸ上に配置され、この軸ＡＸは、鋼材Ｓの表面と直交することが望ましいが、鋼材Ｓに交差すればよい。このように全ての励磁コイルが同一軸ＡＸ上に配置されることにより、移動される鋼材Ｓの同一個所を一の測定時間内で測定することを可能とし、測定時間の短縮を可能としている。
【００６２】
そして、３つの励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉは、全て同じコイル特性を有する。つまり、この３つの励磁コイルは、周囲の透磁率等の外的要因を除きコイル単体としては、自己インダクタンス値が全て等しい。このような励磁コイルは、例えば、材質・太さ等が等しい同一のコイル巻線を同一のピッチ間隔・コイル面積・巻き数で巻くことにより、形成することができる。そして、３つの励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉは、図３に示すように、いずれも空芯で形成される。同軸上に配置された励磁コイルを空芯で構成することにより、各励磁コイル間の相互作用を低減して、より正確な測定を可能としている。
【００６３】
また、この第１例に係るプローブセット２０は、各第１〜第３プローブ２１〜２３内のそれぞれに、各励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉに対応する検出コイルを２ずつ有する。つまり、第１プローブ２１には励磁コイル２１Ｉの上下（軸ＡＸ上の鋼材Ｓに近い側と遠い側）に検出コイル２１Ｏｄ，２１Ｏｕが配置され、第２プローブ２２には励磁コイル２２Ｉの上下に検出コイル２２Ｏｄ，２２Ｏｕが配置され、第３プローブ２３には励磁コイル２３Ｉの上下に検出コイル２３Ｏｄ，２３Ｏｕが配置される。
【００６４】
なお、各検出コイル２１Ｏｄ〜２３Ｏｕは、各第１〜第３プローブ２１，２２，２３内の励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉに対して、図３に示した励磁コイル２０Ｉに対する検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄに相当する。つまり、第１プローブ２１を例に挙げれば、励磁コイル２１Ｉは、励磁コイル２０Ｉに相当し、検出コイル２１Ｏｕは、検出コイル２０Ｏｕに相当し、検出コイル２１Ｏｄは、検出コイル２０Ｏｄに相当する。
【００６５】
そして、各検出コイル２１Ｏｄ〜２３Ｏｕは、上記図３における検出コイル２０Ｏｕ，２０Ｏｄと同様に形成される。つまり、第１プローブ２１を例に挙げれば、検出コイル２１Ｏｕ，２１Ｏｄは、励磁コイル２１Ｉと同じコイル特性を有して空芯で形成され、励磁コイル２１Ｉとコイル軸が一致し、かつ、一方のコイル端面が鋼材Ｓと対向するように、励磁コイル２１Ｉの上下に並べて配置される。
【００６６】
その結果、プローブセット２０全体としては、合計９個のコイルを有し、各コイルは、同じコイル特性を有して空芯で形成され、全てのコイル軸は、同一直線上に並び、各コイルの一方のコイル端面は、鋼材Ｓの表面と対向することとなる。
【００６７】
このように形成されるプローブセット２０は、上記励磁部１１により、各第１〜第３プローブ２１〜２３が順番に１つずつ２の周波数ｆ１，ｆ２の重畳した交流電圧ＶＩで励磁され、各検出コイルから出力電圧が出力される。なお、第１〜第３プローブ２１〜２３のいずれの励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉに交流電圧ＶＩを印加するかの選択は、上述の通り、励磁部１１により行われる一方、いずれの検出コイル２１Ｏｄ〜２３Ｏｕから出力を得るかの選択は、励磁部１１の励磁と同期して、以下で説明する磁束検出部３０により選択される。また、プローブセット２０は、各第１〜第３プローブ２１〜２３それぞれから、その差動出力（出力電圧Ｖ１〜Ｖ３）が出力されるように、差動構成を有してもよいが、本実施形態に係る表面状態測定装置１０では、磁束検出部３０がこのような差動構成を有する。
【００６８】
以上、プローブセット２０の第１例について説明した。
この第１例に係るプローブセット２０は、図７に示すように、合成９個のコイルを有し、そのコイルが同一直線上に配置される。従って、各励磁コイル間には、検出コイルが２個配置されることとなる。一方、図６に示すように、出力電圧Ｖの絶対値は、距離ｄが大きくなるほど減衰する。そこで、この出力電圧Ｖの絶対値を大きく保ち、測定精度を向上させるためには、励磁コイル間の距離Δｄ１，Δｄ２を小さくすることが望ましい。従って、この第１例に係るプローブセット２０では、例えば、相隣接する２の検出コイル（検出コイル２１Ｏｕと検出コイル２２Ｏｄ、及び、検出コイル２２Ｏｕと検出コイル２３Ｏｄ）を共用の１つの検出コイルとすることも可能である。一方、以下で説明する第２例のプローブセット２０は、更に、励磁コイル間の距離Δｄ１，Δｄ２を小さくして、測定精度を向上させることを可能としている。この第２例のプローブセット２０について、図８を参照しつつ説明する。
【００６９】
（プローブセット２０の第２例）
図８は、本発明の第２実施形態に係る表面状態測定装置が有するプローブセットの第２例について説明するための説明図である。
【００７０】
図８に示すように、この第２例に係るプローブセット２０も、それぞれ励磁コイルを１ずつ有する３つの第１〜第３プローブ２１〜２３を有する。この各励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉは、上記第１例に係るプローブ（図７）と同様に構成される。しかしながら、この第２例のプローブセット２０は、各励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉ間に配置された検出コイル２１Ｏｕ，２２Ｏｄ，２２Ｏｕ，２３Ｏｄを省略し、検出専用のコイルとしては、検出コイル２１Ｏｄと検出コイル２３Ｏｕのみを有する。そして、差動信号を検出するためのコイルとして、励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉを活用する。換言すれば、励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉは、隣接する他の励磁コイルが励磁されている間、検出コイルとして活用される。つまり、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、下記表１に示すように、励磁コイル２１Ｉが励磁されている場合、第１プローブ２１の検出コイル２１Ｏｕの代りに、励磁コイル２２Ｉに磁束Φを検出させ、励磁コイル２２Ｉが励磁されている場合、第２プローブ２２の検出コイル２２Ｏｄ，２２Ｏｕの代りに、励磁コイル２１Ｉ，２３Ｉに磁束Φを検出させ、そして、励磁コイル２３Ｉが励磁されている場合、第３プローブ２３の検出コイル２３Ｏｄの代りに、励磁コイル２２Ｉに磁束Φを検出させる。
【００７１】
【表１】
2010164431.tif 000003
【００７２】
換言すれば、この第２例に係るプローブセット２０では、３の励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉは、図８に示すように、同軸ＡＸ上で相互に隣接して配置され、その軸ＡＸ上において、その３の励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉよりも鋼材Ｓの表面に近い位置と、遠い位置には、１ずつ検出コイル２１Ｏｄ，２３Ｏｕが配置される。一方、上述の通り、いずれの検出コイルから出力電圧Ｖを得るかは、以下で説明する磁束検出部３０により選択されるが、磁束検出部３０は、この場合、一の励磁コイルが励磁されている間、当該一の励磁コイルに隣接配置された、２の他の励磁コイル、又は、１の他の励磁コイル及び１の検出コイルを選択して、その選択したコイルから出力電圧Ｖを取得する。
【００７３】
なお、図８に示す第２例に係るプローブセット２０の構成について、全ての励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉが、励磁だけでなく磁束Φ検出用として兼用される場合について説明しているが、少なくとも一の励磁コイルを、励磁中の励磁コイルに対する磁束検出用の検出コイルとして使用してもよい。例えば、図７に示した第１例に係るプローブセット２０の構成から、励磁コイル２１Ｉと励磁コイル２２Ｉとの間の検出コイルのみを省略するか、又は、励磁コイル２２Ｉと励磁コイル２３Ｉとの間の検出コイルのみを省略することも可能である。この場合、省略された検出コイルの上下の励磁コイル（励磁コイル２１Ｉと励磁コイル２２Ｉ、又は、励磁コイル２２Ｉと励磁コイル２３Ｉ）が、励磁だけでなく磁束Φ検出用として兼用される一方、間に検出コイルが配置された励磁コイルは、励磁のためだけに使用されることになる。更に言えば、磁束Φを検出する際に差動構成としない場合、つまり、１の励磁コイルの片側の磁束Φを検出する場合には、図８に示す第２例に係るプローブセット２０の構成から更に、検出コイル２１Ｏｄ又は検出コイル２３Ｏｕも省略することが可能である。
【００７４】
この第２例のプローブセット２０を有する場合、表面状態測定装置１０は、各励磁コイル間に検出コイルを挿入せずに済むため、各励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉ間の距離Δｄ１（＝ｄ２−ｄ１）、Δｄ２（＝ｄ３−ｄ２）を縮めることができる。その結果、この表面状態測定装置１０は、検出信号である出力電圧Ｖの絶対値を高めることができ、測定精度を向上させることが可能である。なお、以下では、この図８に示した第２例に係るプローブセット２０を使用する場合について説明する。
【００７５】
（磁束検出部３０）
磁束検出部３０は、励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉのそれぞれが発生させた磁束Φを検出して、表面状態導出に使用する電気信号（ここでは出力電圧Ｖ）に変換する。なお、上述の通り、この磁束検出部３０は、磁束Φの検出に使用する検出コイルとして、励磁されている励磁コイルに相隣接する２のコイルを選択して、そのコイルそれぞれから、２の電圧ＶＯｕ，ＶＯｄを取得し、この電圧ＶＯｕ，Ｖｏｄに基づいて差動信号である出力電圧Ｖを出力する。この際、図８に示す第２例に係るプローブセット２０を使用する場合、検出コイルは、励磁されていない励磁コイルと２の検出コイル２１Ｏｄ，２３Ｏｕから選択されることとなる。また、上述の通り、励磁部１１は、２の周波数ｆ１，ｆ２が重畳された交流電流を、励磁コイルに印加するため、この２の電圧ＶＯｕ，ＶＯｄには、２の周波数成分が含まれる。そこで、磁束検出部３０は、この２の周波数成分を分離して、それぞれの周波数ｆ１，ｆ２に対して、電気信号である出力電圧Ｖを出力する。ここでは、出力電圧を、周波数ｆ１に対しては出力電圧ＶＡとし、周波数ｆ２に対しては出力電圧ＶＢとする。
【００７６】
磁束検出部３０は、上記の処理を行う具体的な構成として、図５に示すように、電圧取得部３１と、差動増幅部３２と、周波数分離部３３と、電気信号出力部３４１，３４２とを備える。
【００７７】
電圧取得部３１は、励磁部１１と同期して、励磁部１１が励磁している１の励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉに対して、２の検出コイルを励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉと検出コイル２１Ｏｄ，２３Ｏｕから選択する。そして、電圧取得部３１は、その選択した検出コイルそれぞれから、励磁コイルが発生した磁束Φを表す電圧ＶＯｕ，ＶＯｄを取得する。
【００７８】
差動増幅部３２は、電圧取得部３１が取得した電圧ＶＯｕ，ＶＯｄそれぞれの差を取り（Ｖ＝ＶＯｄ−ＶＯｕ）、その差信号を増幅させる。
【００７９】
周波数分離部３３は、差動増幅部３２が差を取り増幅させた電気信号を２の周波数ｆ１，ｆ２の信号に分離し、それぞれ電気信号出力部３４１，３４２に出力する。そのために、周波数分離部３３は、例えば、周波数ｆ１，ｆ２の電気信号をそれぞれ抽出する２のバンドパスフィルタを有してもよい。
【００８０】
電気信号出力部３４１，３４２は、最大値検出回路と励磁信号（励磁部１１による交流電圧）に対する位相検出回路をそれぞれ有し、入力された電気信号から、各周波数ｆ１，ｆ２に対する正又は負の出力電圧ＶＡ，ＶＢ（電気信号の一例）を生成して出力する。より具体的には、周波数分離部３３により分離された周波数ｆ１の電気信号を取得した電気信号出力部３４１は、最大値検出回路により電気信号の最大値を検出し、更に、位相検出回路により励磁信号に対する電気信号の位相を検出する。そして、電気信号出力部３４１は、電気信号の位相が励磁信号に対して９０°進んでいれば（位相差が０°以上１８０°未満の場合でもよい。）、符合を正とし、値を上記検出した最大値とする出力電圧ＶＡを出力する。一方、電気信号出力部３４１は、電気信号の位相が励磁信号に対して９０°遅れていれば（位相差が−１８０°以上０°未満の場合でもよい。）、符合を負とし、値を上記検出した最大値とする出力電圧ＶＡを出力する。これに対して、電気信号出力部３４２は、周波数分離部３３により分離された周波数ｆ２の電気信号に対して同様の処理を行い出力電圧ＶＢを生成して出力する。
【００８１】
（表面状態導出部４０）
表面状態導出部４０は、磁束検出部３０が変換した電気信号に基づいて、一の測定時間内にプローブセット２０のプローブ面が対向した位置における鋼材Ｓの表面状態（ここでは距離ｄ、つまり表面形状）を導出する。この際、磁束検出部３０は２周波それぞれの出力電圧ＶＡ，ＶＢを出力するが、表面状態導出部４０は、この出力電圧ＶＡ，ＶＢを比較して、絶対値の大きい方の周波数に対する出力電圧（両出力電圧が正であれば大きい方、負であれば小さい方）を選択して使用する。表面状態測定装置１０は、図６で説明した通り、これにより不感帯を除くことができ、確実な表面状態測定が可能である。また、表面状態導出部４０は、測定時の温度を変化させることによって透磁率μ及び導電率σを変化させた複数通りの条件で、鋼材Ｓ毎に予め測定された出力電圧Ｖと距離ｄとの関係（電気信号と表面状態との関係の一例。上記相関関係に相当。）を記録しており、一の測定時間内で測定される３のプローブ（第１〜第３プローブ２１〜２３）毎の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３に基づいて、測定対象となっている鋼材Ｓの相関関係を決定し、その相関関係に少なくとも１以上の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３を当てはめて、距離ｄを導出する。
【００８２】
そのために、表面状態導出部４０は、表面状態導出部４０と、周波数選択部４１と、相関関係決定部４２と、相関関係記憶部４３と、表面状態特定部４４と、表面状態記憶部４５と、表面状態変化出力部４６と、表面状態取得部４７と、相関関係導出部４８とを有する。以下、各構成について説明するが、まず、相関関係は予め記録されているものとして説明し、その後、相関関係を記録するための構成である表面状態取得部４７及び相関関係導出部４８について説明する。
【００８３】
なお、出力電圧Ｖと距離ｄとの相関関係の例としては、図４及び図６に示したような相関関係Ｆ１〜Ｆ８などが挙げられるが、ここでは、図９に示すような相関関係Ｆ９，Ｆ１０を例に説明する。また、予め測定された相関関係は、出力電圧Ｖが代入され距離ｄを出力する関数として表されてもよい。しかしながら、一の測定時間を短縮するために、３の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３により距離ｄが特定されるルックアップテーブルを、相関関係として使用することが望ましい。但し、以下の説明では、距離ｄの導出過程の理解が容易になるように、まず、相関関係が関数である場合について説明し、その後、ルックアップテーブルを使用する場合について説明する。
【００８４】
（表面状態を導出する構成）
周波数選択部４１は、磁束検出部３０から取得した２周波ｆ１，ｆ２それぞれの出力電圧ＶＡ，ＶＢを比較して、いずれの周波数ｆ１，ｆ２を表面状態導出に使用するのかを決定する。この際、周波数選択部４１は、第１〜第３プローブ２１〜２３のいずれの出力電圧Ｖ１〜Ｖ３同士を比較しても良いが、鋼材Ｓに最も近い第１プローブ２１による出力電圧Ｖ１が最も大きな信号となるため、この出力電圧Ｖ１同士を比較し、その絶対値が大きい方（Ｖ１が正であれば大きい方、負であれば小さい方）の周波数を選択することが望ましい。そして、選択された周波数に対する出力電圧Ｖ１〜Ｖ３は、相関関係決定部４２及び相関関係導出部４８に出力される。なお、この際、いずれの周波数を使用したのかという情報も、相関関係決定部４２及び相関関係導出部４８に出力されることが望ましい。
【００８５】
相関関係決定部４２は、周波数選択部４１により選択された周波数に対する出力電圧Ｖ１〜Ｖ３に基づいて、予め相関関係記憶部４３に記録された相関関係から、表面状態導出に使用する一の相関関係を決定する。３の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３のそれぞれが測定された距離ｄは未知であるが、それらの間の距離Δｄ１，Δｄ２は既知であるため、相関関係決定部４２は、出力電圧Ｖ１〜Ｖ３から一の相関関係を決定することができる。例えば、図９に示すように、相関関係記憶部４３には、複数の相関関係Ｆ９，Ｆ１０が予め記録されている。そこで、相関関係決定部４２は、この複数の相関関係Ｆ９，Ｆ１０から、３の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３が乗る相関関係を選択する。図９では、横軸を出力電圧Ｖとし、縦軸を距離ｄとし、３の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３をそれぞれ＃１〜＃３とし、各測定に対する出力電圧Ｖ１〜Ｖ３を●，▲，□で表した。例えば、一の測定時間内で、●（黒丸）の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３が得られたと仮定する。すると、この場合、相関関係決定部４２は、●＃１〜＃３が乗る相関関数Ｆ９を決定することになる。また、例えば、一の測定時間内で、▲（黒三角）の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３が得られたと仮定する。すると、この場合、相関関係決定部４２は、▲＃１〜＃３が乗る相関関数Ｆ９を決定することになる。一方、例えば、一の測定時間内で、□（白四角）の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３が得られたと仮定する。すると、この場合、相関関係決定部４２は、□＃１〜＃３が乗る相関関数Ｆ１０を決定することになる。なお、●と▲は同一の相関関係Ｆ９上に乗るため、これらの測定は、同一の表面状態を有する鋼材Ｓに対して、距離ｄが異なる場合に行われたことを意味する。
【００８６】
表面状態特定部４４は、相関関係決定部４２が決定した相関関係に、少なくとも１の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３を当てはめることにより、測定すべき表面状態の例である距離ｄを特定する。つまり、相関関係が出力電圧Ｖが入力されて距離ｄを導出する関数である場合、表面状態特定部４４は、相関関係決定部４２が決定した相関関係に、例えば、出力電圧Ｖ１を代入することにより、距離ｄを導出する。ここで出力電圧Ｖ１を使用する理由は、出力電圧Ｖ１が他の出力電圧Ｖ２，Ｖ３よりも大きな絶対値を取りうるため、測定精度を向上させることが可能だからである。しかし、他の出力電圧Ｖ２，Ｖ３を使用することももちろん可能である。更に例を挙げて具体的に説明する。出力電圧Ｖ１〜Ｖ３が●の場合と、▲の場合は、同一の相関関係Ｆ９が選択される。しかし、この相関関係Ｆ９に出力電圧Ｖ１（●＃１，▲＃１）が代入されると、導出される距離ｄは異なり、両者が同一の鋼材Ｓではあるものの距離ｄが異なることが導出される。一方、出力電圧Ｖ１（●＃１，□＃１）は値がほぼ等しいものの、相関関係Ｆ９，Ｆ１０が異なるため、両者は異なる鋼材Ｓに対する測定結果であり、かつ、導出される距離ｄも異なることが判る。このように導出された距離ｄは、表面状態記憶部４５に表面状態（距離ｄ）の経時変化（履歴）として記録される。
【００８７】
なお、ここでは、相関関係が出力電圧Ｖを入力とし距離ｄを出力とする関数である場合について説明した。しかしながら、距離ｄではなく、他の表面状態（導電率σ，透磁率μ）を導出する場合には、表面状態導出部４０は、相関関係として出力電圧Ｖを入力としその表面状態を出力とする関数を使用することが可能である。また、上述の通り、相関関係は、３の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３で距離ｄ（及び／又は他の表面状態）を特定するルックアップテーブルであってもよい。この場合、３の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３と、それに対応づけられた距離ｄ（及び／又は他の表面状態）とを、ルックアップテーブルとして、相関関係記憶部４３に記録しておく。そして、相関関係決定部４２は、測定された３の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３が記録されたデータ（相関関係の他の例）を、このルックアップテーブルから決定し、表面状態特定部４４は、その決定されたデータに対応づけれられた距離ｄ（及び／又は他の表面状態）を特定してもよい。
【００８８】
表面状態変化出力部４６は、表面状態記憶部４５に記録された表面状態の時間変化を例えばモニタ等の表示装置に出力して表示させる。この場合、出力される表面状態の変化は、図１及び図２に示すような表面状態測定装置１０から移動する鋼材Ｓの表面までの距離ｄの変化を表しており、この変化の大きさがバルジング量Δｄに相当する。従って、表面状態変化出力部４６は、このバルジング量Δｄを算出し、その値が閾値を越えたか否かを判定して、バルジングＢの発生の有無の判定結果を出力してもよい。
【００８９】
（相関関係を導出する構成）
ここで、相関関係を導出する構成について説明する。相関関係は、上述のように、鋼材Ｓの表面状態（距離ｄ，導電率σ，透磁率μ）等に依存するだけでなく、更に、周波数ｆ及びプローブセット２０や磁気検出部３０の構成等にも依存する。従って、実際の測定に使用するプローブセット２０及び磁気検出部３０により、表面状態が既知の鋼材Ｓに対して測定を行うことにより、出力電圧Ｖと鋼材の表面状態（例えば距離ｄ）との間の相関関係が導出される。
【００９０】
表面状態取得部４７は、相関関係を導出するために測定が行われている鋼材Ｓの表面状態（距離ｄ，導電率σ，透磁率μ）を取得する。この表面状態取得部４７は、表面状態測定装置１０を制御する上位の制御装置や作業者による入力データから、この表面状態を取得する。なお、作業者による入力データから表面状態を取得する場合、作業者は、例えば、導電率σについては接触式の導電率計を使用することができ、透磁率μについては接触式の透磁率計を使用することができる。そして、作業者は、これらの計測器による測定結果を入力装置（図示せず）を介して表面状態導出部４０に入力し、表面状態取得部４７は、この入力データを取得することとなる。
【００９１】
相関関係導出部４８は、プローブセット２０，磁束検出部３０により検出され、周波数選択部４１により選択された出力電圧Ｖ１〜Ｖ３と、表面状態取得部４７が取得した表面状態とに基づいて、相関関係を導出して相関関係記憶部４３に記録する。
【００９２】
この際、相関関係導出部４８は、例えば、導電率σ及び透磁率μが同一の鋼材Ｓに対して、距離ｄ１〜ｄ３を順次変化させて複数のデータ点を取得し、そのデータ点から近似曲線を求めることにより、相関関係（関数）を導出してもよい。また、上記のようにルックアップテーブルを使用する場合、相関関係導出部４８は、導出した相関関係（関数）に距離ｄ１〜ｄ３を代入して得られる出力電圧Ｖ１〜Ｖ３を、測定すべき表面状態である距離ｄ１（場合によっては距離ｄ１〜ｄ３や他の表面状態）とを関連付けると言う処理を、距離ｄ１〜ｄ３等を変化させて行うことにより、ルックアップテーブルを作成してもよい。
【００９３】
（３−２．表面状態測定装置の動作）
以上、本発明の第１実施形態に係る表面状態測定装置１０の構成等について説明した。
次に、図１０及び図１１を参照しつつ、本実施形態に係る表面状態測定装置１０の動作等について説明する。なお、以下ではまず図１０を参照しつつ表面状態導出過程における動作について説明した後、図１１を参照しつつ相関関係導出過程における動作について説明する。
【００９４】
（表面状態導出過程）
図１０は、本実施形態に係る表面状態測定装置による表面状態導出過程における動作について説明するための説明図である。
【００９５】
表面状態導出過程では、図１０に示すように、まず、ステップＳ１０１が処理され、このステップＳ１０１（励磁ステップの一例）では、励磁部１１により、プローブセット２０の１の励磁コイル２１Ｉ，２２Ｉ，２３Ｉのいずれかが選択されて励磁される。そして、ステップＳ１０３に進む。
【００９６】
ステップＳ１０３（磁束検出ステップの一例）では、磁束検出部３０が、励磁部１１と同期して、励磁された励磁コイルが発生する磁束Φを検出し、その後のステップＳ１０５では、磁束検出部３０が、各周波数毎の電気信号（出力電圧ＶＡ，ＶＢ）を導出する。つまり、電圧取得部３１が、励磁された励磁コイルに対する検出コイルを選択し、選択した検出コイルから電圧ＶＯｕ，ＶＯｄを取得する。そして、差動増幅部３２が、この電圧ＶＯｕ，ＶＯｄの差信号である出力電圧Ｖを生成し、周波数分離部３３が、出力電圧Ｖを周波数分離する。更に、電気信号出力部３４１，３４２が、周波数分離された出力電圧Ｖについて最大値を検出し、そして、その最大値を、上記出力電圧Ｖの位相が励磁信号に対して９０°進んでいれば（位相差が０°以上１８０°未満の場合でもよい。）正の値にし、励磁信号に対して９０°遅れていれば（位相差が−１８０°以上０°未満の場合でもよい。）負の値にして、各周波数ｆ１，ｆ２に対する出力電圧ＶＡ，ＶＢ（電気信号の一例）として出力する。このステップＳ１０５の処理後はステップＳ１０７に進む。
【００９７】
ステップＳ１０７では、表面状態測定装置１０が、３の励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉの全てが励磁されて、各励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉに対する検出信号Ｖ１〜Ｖ３が取得されたか否かを確認する。そして、励磁されていない励磁コイルがある場合、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０５の処理が繰り替えられる一方、全ての励磁コイルが励磁された場合、ステップＳ１０９に進む。
【００９８】
ステップＳ１０９では、表面状態導出部４０の周波数選択部４１が、出力電圧ＶＡ，ＶＢ（例えば出力電圧Ｖ１に対する出力電圧ＶＡ，ＶＢ）を比較して、表面状態導出に使用する周波数ｆを選択する。そして、選択された周波数ｆに対応する出力電圧Ｖ１〜Ｖ３は、相関関係決定部４２に出力される。そして、ステップＳ１１１に進む。
【００９９】
ステップＳ１１１では、相関関係決定部４２が、出力電圧Ｖ１〜Ｖ３と、相関関係記憶部４３に記録されている相関関係とに基づいて、表面状態導出に使用する一の相関関係を決定する。そして、ステップＳ１１３に進む。
【０１００】
ステップＳ１１３（表面状態導出ステップの一例）では、表面状態特定部４４が、ステップＳ１１１で決定された相関関係と、少なくとも１の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３とに基づいて、表面状態（例えば距離ｄ）を特定する。そして、その後のステップＳ１１５では、表面状態特定部４４が、特定した表面状態を表面状態記憶部４５に記録させる。そして、ステップＳ１１７に進む。
【０１０１】
ステップＳ１１７では、表面状態測定装置１０が、測定が終了したか否かを確認し、測定が終了していない場合には、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返すことにより、表面状態（例えば距離ｄ）の時間変化が表面状態記憶部４５に記録される。一方、測定が終了している場合には、表面状態測定装置１０は、動作を終了する。
【０１０２】
なお、このステップＳ１０１〜ステップＳ１１７により、表面状態記憶部４５に記録された表面状態の変化は、表面状態変化出力部４６により、例えば表示装置などに出力されてもよい。
【０１０３】
（相関関係導出過程）
図１１は、本実施形態に係る表面状態測定装置による相関関係導出過程における動作について説明するための説明図である。
【０１０４】
相関関係導出過程では、図１１に示すように、まず、ステップＳ２０１が処理され、このステップＳ２０１で、表面状態が既知である鋼材Ｓが用意・配置される。そして、ステップＳ２０３に進み、ステップＳ２０３では、その鋼材Ｓのプローブセット２０に対する距離ｄが設定され、その距離ｄは、各測定に対して表面状態取得部４７が取得する。そして、ステップＳ２０５に進む。
【０１０５】
ステップＳ２０５では、励磁部１１，プローブセット２０，磁束検出部３０及び周波数選択部４１による電気信号（出力電圧Ｖ１〜Ｖ３）の測定等が行われる。具体的には、このステップＳ２０５では、図１０のステップＳ１０１〜ステップＳ１０９が処理されて、選択された一の周波数ｆに対する出力電圧Ｖ１〜Ｖ３が得られる。そして、ステップＳ２０７に進む。
【０１０６】
ステップＳ２０７では、相関関係導出部４８が、必要なデータ点数が検出されているか否かを確認する。必要なデータ点数が得られていない場合には、ステップＳ２０３以降の処理が繰り返され、ステップＳ２０３で異なる距離ｄが設定されて、同一の鋼材Ｓに対するデータ点数が更に得られる。一方、必要なデータ点数が得られている場合には、ステップＳ２０９に進む。なお、ここで必要なデータ点数とは、出力電圧Ｖを入力とし表面状態（例えば距離ｄ）を出力とする近似曲線を導出することが可能な数のデータ点数を意味する。
【０１０７】
ステップＳ２０９では、表面状態取得部４７が、測定が行われた鋼材Ｓに対する他の表面状態を取得する。なお、ステップＳ２０３では、表面状態取得部４７が表面状態の１つである距離ｄを取得している。従って、他の表面状態（導電率σ，透磁率μ）を測定したい場合に、このステップＳ２０９において、その表面状態が表面状態取得部４７により取得される。そして、ステップＳ２０９の処理後は、ステップＳ２１１に進む。
【０１０８】
ステップＳ２１１では、相関関係導出部４８が、距離ｄとその距離ｄにおける出力信号Ｖ１〜Ｖ３との複数のセットに基づいて、出力信号Ｖ１〜Ｖ３を入力とし距離ｄを出力とする近似関数を算出する。なお、この近似関数としては、例えば、２次・３次・４次関数等や指数関数等の関数が使用可能であるが、この例に限定されるものではない。このステップＳ２１１の処理後は、ステップＳ２１３に進む。
【０１０９】
ステップＳ２１３では、相関関係導出部４８が、ステップＳ２１１で算出した近似関数に基づいて、ルックアップテーブルを作成する。つまり、相関関係導出部４８は、距離ｄ１〜ｄ３を所定の範囲（少なくとも実際の測定で取りうる範囲を含むことが望ましい。）内で変化させ、その距離ｄ１〜ｄ３のそれぞれを近似関数に代入することにより、出力電圧Ｖ１〜Ｖ３の組と、それに対応する距離ｄ（例えば距離ｄ１。他の表面状態等を含んでもよい。）とを関連付けて、ルックアップテーブルを作成する。そして、ステップＳ２１５において、相関関係導出部４８が、このルックアップテーブルを相関関係記憶部４３に記録させる。なお、ルックアップテーブルを使用せず、近似関数を直接使用する場合、このステップＳ２１３は省略されて、ステップＳ２１５において、近似関数が相関関係として相関関係記憶部４３に記録される。しかし、このようにルックアップテーブルを使用することにより、測定時間を短縮することができ、迅速な測定が可能となる。ステップＳ２１５の処理後は、ステップＳ２１７に進む。
【０１１０】
ステップＳ２１７では、表面状態測定装置１０が、必要な鋼材Ｓの相関関係が全て導出されたか否かを確認する。必要な全ての相関関係が導出されていない場合には、ステップＳ２０１以降の処理が繰り返される。この場合、ステップＳ２０１では導電率σ，透磁率μ，温度等が異なる鋼材Ｓが配置され、それらの鋼材Ｓ全てに対して相関関係が測定されることが望ましい。一方、全ての相関関係が導出されている場合には、相関関係導出動作は終了し、ここで導出された相関関係が使用されて、図１０に示したような表面状態導出過程が処理可能となる。なお、全ての相関関係の導出ができない場合には、導出された相関関係を補完して求めることも可能である。つまり、ステップＳ２１７及びステップＳ２０１等により導電率σ，透磁率μ，温度等が異なる全ての鋼材Ｓについて相関関係を導出することは難しい。そこで、導電率σ，透磁率μ，温度等の値が離散的に異なる複数の鋼材Ｓそれぞれについて相関関係を導出し、その相関関係から、実際には測定されていない導電率σ，透磁率μ，温度等の鋼材Ｓに対する相関関係を補間することも可能である。
【０１１１】
（３−２．相関関係の例）
ここで、図１１に示した相関関係導出過程で導出され、図１０に示した表面状態導出過程で使用される相関関係の導出結果例について、図１２を参照しつつ説明する。図１２は、本実施形態に係る表面状態測定装置が使用する相関関係の導出結果例を説明する説明図である。
【０１１２】
プローブセット２０としては、図８に示すプローブセットの第２例を使用し、各励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉ及び検出コイル２１Ｏｄ，２１Ｏｕとしては、材質が銅で径が０．５ｍｍのエナメル銅線を、コイル端面の直系３０ｍｍで２０ターン巻いたコイルを使用した。この場合の各コイルの高さは１０ｍｍとし、各プローブ２１〜２３間の距離Δｄ１，Δｄ２は、約１０ｍｍとした。そして、励磁周波数ｆ１，ｆ２としては、１０ｋＨｚ，１ｋＨｚを使用した。また、測定対象として平板の磁性体（ＳＳ４００）と非磁性体（ＳＵＳ３０４）を使用し、各プローブの下面から鋼材Ｓまでの距離（ｄ−１０ｍｍ）を１０ｍｍ〜６０ｍｍまで変更して、出力電圧Ｖの測定を、上記表面状態測定装置１０により行った。この測定結果を図１２に示す。
【０１１３】
図１２に示すように、磁性体である鋼材（ＳＳ４００）については、１ｋＨｚで相関関係Ｆ１１が得られ、１０ｋＨｚで相関関係Ｆ１２が得られることが判る。一方、非磁性体である鋼材（ＳＵＳ３０４）については、１ｋＨｚで相関関係Ｆ１３が得られ、１０ｋＨｚで相関関係Ｆ１４が得られることが判る。このように得られた相関関係Ｆ１１〜Ｆ１３（近似曲線）又はその近似曲線から得られるルックアップテーブルが、相関関係記憶部４３に記録され、表面状態導出過程において使用可能である。
【０１１４】
（３−３．本実施形態による効果の例）
以上、本発明の第１実施形態に係る表面状態測定装置１０について説明した。
この表面状態測定装置１０によれば、直線上に配置された空芯の３つの励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉを使用することにより、移動する鋼材Ｓの表面状態（例えば距離ｄ，導電率σ，透磁率μ）の時間変化を測定することが可能である。この際、３つの励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉからの３の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３により、測定すべき表面状態に対する相関関係を決定することができるため、他の表面状態が変動するような条件下でも使用することが可能である。更に、この測定は非接触で行われ、高い測定精度であり、かつ、一の測定時間が非常に短く済むため、高温であったり冷却水が飛散するような悪条件下であっても、安定して正確に、そして、迅速な表面状態の測定が可能である。従って、連続鋳造に適用することも可能であり、この場合、鋳型２の直下におけるバルジングの測定が可能である。従って、凝固殻Ｓ２の異常による形状のふくれ（表面状態の一例）を検出することができ、鋼材Ｓ（鋳片）のブレークアウトの防止などの安定操業を実現することが可能となる。
【０１１５】
なお、迅速な測定という意味では、上記図１２に示す例の場合、１の測定に要する時間としては、第１プローブ２１〜２３のそれぞれについて約０．０３秒程度で済み、その後の相関関係決定処理や表面状態特定処理等の処理は約０．０１秒程度で行うことが可能である。従って、一の測定時間は約０．１秒程度以下であり、約４２ｍｍ／秒でｖ軸正の方向に進む鋼材Ｓであれば、約４．２ｍｍ程度の分解能を実現することができる。なお、上記実施形態では、３つの励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉで測定を行うことにより、相関関係を素早く決定することを可能にしている。これに対して、未知の変数が３であり３の測定値を利用するという意味では、例えば、単に３以上の周波数を変更して、インダクタンス値を求め、そこから回帰分析により表面状態を求めることも考え得るが、この場合、合計３以上の周波数を使用する必要があるため、装置の構成（励磁部１１の構成）が大きくなり製造コストが増加するばかりか、回帰分析を行う必要があるため、一の測定時間が数十秒程度と長くなり迅速な測定は難しい。このことからも、上記本実施形態に係る表面状態測定装置１０が如何に迅速な測定を可能としているかが理解できる。
【０１１６】
また、この表面状態測定装置１０は、同一軸上に空芯の３の励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉを配置することにより、移動する鋼材Ｓの局所的な表面状態（距離ｄ，導電率σ，透磁率μ）を測定することを可能としている。なお、３の励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉが同軸上に配置されない場合には、このような鋼材Ｓの局所的な表面状態を測定することは非常に難しく、このことからも、上記本実施形態に係る表面状態測定装置１０が如何に正確な表面状態測定を可能としているかが理解できる。
【０１１７】
また、この際、表面状態測定装置１０は、図８に示すような特別なプローブセット２０を使用することにより、各励磁コイル２１Ｉ〜２３Ｉ間の距離Δｄ１，Δｄ２を短縮することに成功し、その結果、測定精度を向上させつつ、測定時間の短縮を可能にしている。更に、測定時間の短縮という意味で、本実施形態に係る表面状態測定装置１０は、相関関係をルックアップテーブルとして記録することにより、一の測定時間を更に短縮することを可能にしている。また、ルックアップテーブルを使用する場合であろうと、近似曲線の関数を使用する場合であろうと、この際、入力値としては、出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を使用して特定（距離ｄ）を得ることができる。従って、例えば、キュリー点（約７７０℃）を跨ぐような物性値が大きく変化する鋼材Ｓの特定をも、表面状態測定装置１０は正確に測定することが可能である。
【０１１８】
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ことは言うまでもない。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、各種の変更例また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。
【０１１９】
例えば、上記実施形態では、鋼材Ｓの表面状態として、距離ｄ（つまり表面状態）を測定する場合について説明した。しかしながら、上述の通り、測定対象とする鋼材Ｓの表面状態としては、距離ｄ以外にも導電率σ，透磁率μ等であってもよく、かつ、これらを同時に測定することが可能である。上記実施形態で説明したように、表面状態を特定するためのルックアップテーブルが実験的に測定されて算出された近似関数から生成される場合、そのルックアップテーブルは、図９や図１２に示すような近似曲線である相関関係Ｆ９〜Ｆ１４から導出される。しかしながら、これらの相関関係Ｆ９〜Ｆ１４は、鋼材Ｓの導電率σ，透磁率μ等が決まれば一義に決定される。従って、ルックアップテーブルとして、各出力電圧Ｖ１〜Ｖ３の組に対して、その距離ｄだけでなく、更に、その出力電圧Ｖ１〜Ｖ３が得られた鋼材Ｓの導電率σ，透磁率μ等が対応付けられたルックアップテーブルを用意することにより、鋼材Ｓの複数の表面状態を同時に測定することが可能である。なお、ルックアップテーブルの場合だけでなく、近似曲線を使用する場合も、同様に、他の表面状態（導電率σ，透磁率μ等）が導出される近似曲線を作成することにより、材Ｓの複数の特定を同時に測定することが可能である。
【０１２０】
尚、本明細書において、フローチャートに記述されたステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的に又は個別的に実行される処理をも含む。また時系列的に処理されるステップでも、場合によっては適宜順序を変更することが可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１２１】
１        浸漬ノズル
２        鋳型
３        ロール
１０      表面状態測定装置
１１      励磁部
２０      プローブセット
２１      第１プローブ
２２      第２プローブ
２３      第３プローブ
２０Ｉ，２１Ｉ，２２Ｉ，２３Ｉ            励磁コイル
２０Ｏｕ，２１Ｏｕ，２２Ｏｕ，２３Ｏｕ    検出コイル
２０Ｏｄ，２１Ｏｄ，２２Ｏｄ，２３Ｏｄ    検出コイル
３１      電圧取得部
３２      差動増幅部
３３      周波数分離部
３４１，３４２      電気信号出力部
４０      表面状態導出部
４１      周波数選択部
４２      相関関係決定部
４３      相関関係記憶部
４４      表面状態特定部
４５      表面状態記憶部
４６      表面状態変化出力部
４７      表面状態取得部
４８      相関関係導出部
Ｓ        鋼材
Ｓ１      溶鋼
Ｓ２      凝固殻
ｄ，ｄ１，ｄ２，ｄ３      距離
Δｄ      バルジング量
Δｄ１，Δｄ２      距離
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６，Ｆ７，Ｆ８      相関関係
Ｆ９，Ｆ１０，Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，Ｆ１４，ＦＮ      相関関係
ｆ，ｆ１，ｆ２                周波数
μ，μ１，μ２，μ３，μ４    透磁率
σ，σ１，σ２，σ３，σ４    導電率
Ｖ，ＶＡ，ＶＢ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３        出力電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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