(57)【要約】【課題】  波立っている液面の高さを検出することで、物品の表層の鋳造厚の変化を少なくして、鋳造品質を高めることである。【解決手段】  溶解ルツボ４内の溶湯Ｗの液面Ｗａで反射された反射光Ｌ2 を当てて乱反射させるための反射手段を、受光手段により撮像可能なように前記溶湯Ｗの液面Ｗａの近傍に配置し、前記溶湯Ｗの最初の液面で反射した反射光Ｌ2 の乱反射位置Ｑを基準位置として、溶湯Ｗが減少した液面で反射した反射光Ｌ2'の乱反射位置Ｑ’との高さの変位ｈを撮像して、溶湯Ｗの減少量ｄを計測する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解ルツボ内の溶湯の液面に光線を照射し、その反射光が当たる位置を検出することによって、前記溶湯の液面の高さ位置の変化を計測するための液面変位計測装置において、
前記溶湯液面で反射された反射光を当てて乱反射させるための反射手段が、受光手段によって撮像可能になるように前記溶湯液面の近傍に配置されていて、
前記受光手段により、前記溶湯の液面で反射された反射光が前記反射手段に当たる位置を撮像し、この位置と、予め設定された基準位置との差から、溶湯の液面の高さ位置の変化を計測するように構成したことを特徴とする溶湯の液面変位計測装置。
【請求項２】
前記反射手段は、前記溶解ルツボから独立した不変位置に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の溶湯の液面変位計測装置。
【請求項３】
前記反射手段は、前記光線を乱反射可能なプレートであって、溶解ルツボが収容されている真空槽の内壁部から延設された支持棹に取付けられていることを特徴とする請求項２に記載の溶湯の液面変位計測装置。
【請求項４】
前記プレートの高さは、少なくとも測定範囲の２倍であることを特徴とする請求項２又は３に記載の溶湯の液面変位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶解ルツボ内の溶湯液面に光線を照射し、その反射光が当たる位置を検出することによって、前記溶湯の液面の高さ位置の変化を計測するための液面変位計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋳造方法の一つとして、物品の表面に溶湯を不着冷却させることにより、前記物品の表層を鋳造する方法（以下、「表面鋳造方法」という）があり、この表面鋳造方法の実施には、溶解ルツボ等に収容され溶湯に物品の一部を浸漬させた状態で移動させることにより行っている。この表面鋳造方法では、溶解ルツボ内の溶湯の液面が一定していないと、物品の表層の鋳造厚が変化してしまうので、溶解ルツボ内の溶湯の高さを検出して、物品の表層の鋳造厚を許容限度内に収めることが、鋳造品質を高めることとなる。なお、この表面鋳造方法では、鋳造回数に比例して溶解ルツボ内の溶湯が減少して、その液面が低下するので、一定限度を超えて溶湯の液面が低下した場合には、溶解ルツボと、該溶解ルツボに対して移動する物品とを相対的に上下動させて、前記鋳造厚を許容範囲内に収めている。
【０００３】
このため、レーザ光を使用して、溶湯の液面の変位を計測する液面変位計測装置が公知である。この種の液面変位計測装置では、溶湯の液面に浮かべられた浮き子にレーザ光を照射し、その反射光を受けることによって、溶湯の液面の位置を計測するものが存している（例えば、特許文献１参照）。しかし、この技術では、前記浮き子が常に溶湯と接しているため、そのメンテナンスを行わなければならないという不具合を有している。
【０００４】
ここで、溶湯Ｗがある種の金属（例えば、シリコン等）の場合、照射されたレーザ光を正反射させるという性質を有している。図５に示されるように、従来の液面変位計測装置Ａ’では、この性質を利用して、レーザ発振器１からの照射光５１を溶湯Ｗの液面で反射させ、その反射光５２を受光カメラ等の受光手段２で検出することによってその液面の高さ位置を計測している。即ち、溶湯Ｗが使用されることによって、その液面の高さ位置が低くなると、受光手段２で検出される反射光５２の位置がずれる。このずれを、前記受光手段２に接続された画像処理装置３で演算して、溶湯Ｗの液面の高さ方向の変位（即ち、溶湯Ｗの減少量）を計測する。図５において、減少した溶湯Ｗの液面と、該液面で正反射した反射光５３を、それぞれ一点鎖線で示す。なお、図５において、符号Ｂは真空誘導溶解炉であり、符号６は真空槽である。
【０００５】
しかし、溶解ルツボ４内の溶湯Ｗは、溶解用の高周波誘導加熱コイル５から発せられる高周波により微振動が与えられている（誘導攪拌）。この影響により、該溶湯Ｗの液面には微振動が発生し、いわゆる「波立ち」状態を呈していて、その液面が凹凸状態となっている。前記照射光５１が、波立っている溶湯Ｗの液面の傾斜部分で反射した場合、その反射光５４は、前記溶湯Ｗの液面が平坦な場合の反射角度とは異なる角度で反射する。すると、正確な液面の高さの検出ができず、更には、受光手段２によって、前記反射光５４を検出できなくなる場合がある。特に、溶湯Ｗの液面から受光手段２までの距離が長ければ長い程、受光手段２の取付位置付近での反射光５４の位置が大きくずれ、前記受光手段２で検出できる範囲外となってしまう。この問題を解決するため、受光手段２を溶湯Ｗに接近させることが望ましいが、該溶湯Ｗは超高温であり、前記受光手段２を損傷させるおそれがあるため、実現は困難である。なお、図５において、波立ち状態の溶湯Ｗの液面で反射した反射光５４を二点鎖線で示す。
【特許文献１】特開平８−１０９２４号公報の請求項１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記した不具合に鑑み、波立っている溶湯液面の高さを検出することで、物品の表層の鋳造厚の変化を少なくして、鋳造品質を高めることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、溶解ルツボ内の溶湯液面に光線を照射し、その反射光が当たる位置を検出することによって、前記溶湯の液面の高さ位置の変化を計測するための液面変位計測装置であって、前記溶湯液面で反射された反射光を当てて乱反射させるための反射手段が、受光手段によって撮像可能なように前記溶湯液面の近傍に配置されていて、前記受光手段により、前記溶湯の液面で反射された反射光が前記反射手段に当たる位置を撮像し、この位置と、予め設定された基準位置との差から、溶湯の液面の高さ位置の変化を計測するように構成したことを特徴としている。
【０００８】
溶湯の液面に向けて照射された光線は、該溶湯の液面で正反射し、その反射光が反射手段に当たって乱反射する。この乱反射位置が、受光手段によって撮像される。そして、この乱反射位置が、溶湯の液面の基準位置とされる。溶湯が減少して、液面の高さが変化すると、減少後の液面で正反射した反射光は、前記反射手段における基準位置よりも、所定の高さだけ下方の位置に当たって乱反射する。このとき、溶湯の減少量（ｄ）は、前記高さの変位（ｈ）の半分である。このように、反射手段における反射光の乱反射位置を撮像することにより、溶湯の高さ位置の変化（即ち、溶湯の減少量）が計測される。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明を前提として、前記反射手段は、前記溶解ルツボから独立した不変位置に取付けられていることを特徴としている。このため、溶解ルツボを交換することにより、該溶解ルツボの位置がずれても、溶湯の液面の高さ位置が交換前後で同一であれば、反射手段における反射光の乱反射位置（基準位置）も同一である。この結果、溶解ルツボを交換しても、その都度、前記基準位置を設定する作業を行わなくても済み、溶解ルツボの交換に伴う作業時間を大幅に短縮することができる。また、前記基準位置が常に一定であるため、計測に係る精度を向上させることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明を前提として、前記反射手段は、前記光線を乱反射可能なプレートであって、溶解ルツボが収容されている真空槽の内壁部から延設された支持棹に取付けられていることを特徴としている。このため、前記プレートの設置が容易になると共に、該プレートを、溶解ルツボのほぼ中央部、即ち、溶湯の表面張力の影響を受けにくい部分の直上に設置することができる。この結果、計測に係る精度が良好である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明を前提として、前記プレートの高さは、少なくとも溶湯の測定範囲の２倍であることを特徴としている。このため、溶湯の減少による液面の高さ位置の変化を、確実に計測することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る溶湯の液面変位計測装置では、溶湯の液面で反射された反射光を当てて乱反射させるための反射手段が、受光手段によって撮像可能となって前記溶湯液面の近傍に配置されている。このため、液面が波立っていても、乱反射位置を撮像することが可能である。この結果、溶湯の減少量の計測に係る精度が向上する。これにより、上記した表面鋳造方法を実施する際に、溶湯の減少量が許容限度を超えた場合には、溶解ルツボと表面鋳造される物品とを相対的に上下動させることにより、表面鋳造厚の変化が少なくなるため、表面鋳造厚を一定に保持することができ、鋳造品質を高めることができる。
【００１３】
また、溶湯の液面で正反射する反射光を当てるための反射手段が、溶解ルツボから独立した不変位置に取付けられている場合には、溶解ルツボを交換しても、前記反射手段に反射光が当たって乱反射する位置（基準位置）は、常に一定である。この結果、溶解ルツボを交換しても、新たに基準位置を設定しなくても済むと共に、溶湯の減少量の計測に係る精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の最良実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明に係る液面変位計測装置Ａ1 が取付けられた真空誘導溶解炉Ｂの正面断面図、図２は液面変位計測装置Ａ1 を使用して、溶湯Ｗの減少量ｄを計測するための原理図である。図１に示されるように、真空誘導溶解炉Ｂを構成する真空槽６の内部に、溶解ルツボ４が配設されている。この溶解ルツボ４の周囲には、高周波誘導加熱コイル５が取付けられていて、前記溶解ルツボ４内の溶湯Ｗは、前記高周波誘導加熱コイル５から発せられる高周波により、常に溶解状態で保持されている。また、前記真空槽６の内部は、真空又は不活性ガスの雰囲気となっている。
【００１６】
本発明に係る液面変位計測装置Ａ1 は、前記溶湯Ｗの液面に向けてレーザ光（照射光Ｌ1 ）を照射するためのレーザ発振器１と、前記溶解ルツボ４の内壁面４ａに当たって乱反射する反射光Ｌ2 の乱反射位置Ｑを撮像するための受光手段２とで構成されている。前記真空槽６における周壁部の上部には、レーザ発振器１からレーザ光（照射光Ｌ1 ）を照射するための窓部８が斜めに取付けられている。前記レーザ発振器１から照射された照射光Ｌ1 は、溶湯Ｗの液面Ｗａで正反射する。即ち、図２に示されるように、入射角θでもって溶湯Ｗの液面Ｗａに入射した照射光Ｌ1 は、液面上の反射位置Ｐにおいて、前記入射角θと同一の反射角θでもって反射される。なお、レーザ光は、赤熱状態の溶湯Ｗに吸収されないように、該溶湯Ｗの液面と異なる色のもの（例えば、グリーンレーザ光）であることが望ましい。また、受光手段は、例えば、カメラやフォトセンサ等の乱反射したレーザ光の位置を撮像できるものが望ましい。
【００１７】
乱反射させるための反射手段として最も簡単に利用できるものは、前記溶解ルツボ４の内壁面４ａである。前記溶解ルツボ４は、内壁面４ａに当たったレーザ光を乱反射させることができる材質（例えば、カーボン等）から成る。
【００１８】
そして、前記窓部８の外側には、レーザ発振器１に隣接して、受光手段２が取付けられている。この受光手段２は、反射光Ｌ2 の乱反射位置Ｑを、溶解ルツボ４の内壁の上端から液面の最下限までの範囲全域で撮像できるように、予めその取付位置が調整されている。図１では、前記受光手段２が、溶解ルツボ４の内壁全域を認識している状態を示している。また、前記受光手段２には、該受光手段が撮像したデータを画像処理するための画像処理装置３が接続されている。
【００１９】
次に、レーザ光により、溶湯Ｗの液面Ｗａの減少量ｄを計測する原理について説明する。図１及び図２に示されるように、レーザ発振器１から、溶湯Ｗの液面Ｗａに向けてレーザ光（照射光Ｌ1 ）を照射し、該溶湯Ｗの液面（反射位置Ｐ）Ｗａで正反射させる。この反射光Ｌ2 は、そのまま溶解ルツボ４の内壁面４ａに当たり、その位置（乱反射位置Ｑ）で乱反射する。この乱反射位置Ｑを、「基準位置」として受光手段２に検出させる。
【００２０】
溶湯Ｗが使用されてその液面Ｗａが低下すると、前記照射光Ｌ1 の反射位置Ｐも、その低下分（溶湯Ｗの減少量ｄ）だけ斜め下方に移動する。その状態を、図２において、二点鎖線で示す。レーザ発振器１の取付位置は不変であるため、照射光Ｌ1 は、減少後の溶湯Ｗの液面における反射位置Ｐ’で正反射し、そのまま溶解ルツボ４の内壁面４ａに当たり、その位置（乱反射位置Ｑ’）で乱反射する。この乱反射位置Ｑ’が、受光手段２によって検出される。そして、各乱反射位置Ｑ，Ｑ’の高さ方向の変位ｈが検出される。この高さの変位ｈは、溶湯Ｗの減少量ｄの２倍である（後述）。このようにして、溶解ルツボ４の内壁面４ａにおける各反射光Ｌ2,Ｌ2'の乱反射位置Ｑ，Ｑ’の高さの変位ｈを検出することによって、溶湯Ｗの減少量ｄが計測される。
【００２１】
次に、各反射光Ｌ2,Ｌ2'の乱反射位置Ｑ，Ｑ’の高さの変位ｈが、溶湯Ｗの減少量ｄの２倍になることについて説明する。ここで、図２に示されるように、入射角θでもって溶湯Ｗの液面に照射された照射光Ｌ1 が反射する場合において、最初の溶湯Ｗの液面の反射位置Ｐから、減少後の溶湯Ｗの液面の反射位置Ｐ’までの直線距離を「ａ」とすると、溶湯Ｗの減少量ｄは、（ｄ＝ａ×ｃｏｓθ）で表される。また、溶解ルツボ４の内壁面４ａにおいて、各反射光Ｌ2,Ｌ2'の乱反射位置Ｑ，Ｑ’の変位ｈは、（ｈ＝２×ａ×ｃｏｓθ）で表される。これらの式から、溶解ルツボ４の内壁面４ａにおける高さの変位ｈは、（ｈ＝２×ｄ）で表される。
【００２２】
上述したように、本発明に係る液面変位計測装置Ａ1 では、溶湯Ｗで反射した反射光Ｌ2 を乱反射させる反射手段を備えている。本実施形態では、反射手段として、溶解ルツボ４の内壁面４ａを利用している。溶湯Ｗの液面の反射位置Ｐと反射手段との距離が短いために、液面が波立っていても、乱反射位置Ｑは大きく揺れて撮像範囲外に外れることを抑制できる。この結果、溶湯Ｗの減少量ｄの計測精度が向上する。
【００２３】
実施例１では、図１に示されるように、レーザ発振器１と受光手段２とがほぼ平行に取付けられた形態である。こうすることによって、レーザ発振器１と受光手段２とを一体にした状態で設置することができ、また、真空槽６に設けられる窓部８も１つで済む。しかし、前記受光手段２の取付位置は、反射手段における反射光Ｌ2 の乱反射位置Ｑを検出できる位置であれば、いかなる位置であっても構わない。例えば、反射手段に相対向して、水平に近い角度で取付けられていても構わない。また、液面に照射される光線は、レーザ光以外の光線であっても構わない。
【実施例２】
【００２４】
図３は本発明に係る液面変位計測装置Ａ2 が取付けられた真空誘導溶解炉Ｂの正面断面図、図４は液面変位計測装置Ａ2 を使用して、溶湯Ｗの減少量ｄを計測するための原理図である。前記実施例１との相違は、溶解ルツボ４の直上に反射プレート７を設置していることである。真空槽６の周壁部の内面で、溶解ルツボ４よりも少し上方には、支持棹９が水平に取付けられている。この支持棹９の先端部は、平面視における溶解ルツボ４のほぼ中央部に配置されていて、当該部分に反射プレート７が取付けられている。本実施例の反射プレート７は、正面視において縦長の略長方形状である。反射プレート７は、レーザ光を乱反射させることが可能であり、かつ高温に耐えられる材質（例えば、カーボン等）から成る。前記反射プレート７の下端面は、溶解ルツボ４の溶湯Ｗの液面よりも僅かに上方に配置されている。また、その高さ方向における実使用寸法（高さ）は、後述するように、溶湯Ｗの減少量ｄの２倍である。
【００２５】
また、図３及び図４に示されるように、実施例２における計測原理は、実施例１の計測原理と同一である。しかしながら、実施例１においては、溶解ルツボ４の交換等によって設置位置が変わった場合、反射位置Ｐと溶解ルツボ４の内壁との距離が変わるため、液面の高さ位置は変化していなくても、撮像される乱反射位置はＱからＱ’に変わってしまうため、溶解ルツボ４を設置する毎に基準位置を設定し直す必要がある。
【００２６】
実施例２によると、反射手段は、溶解ルツボ４とは独立に設置されているため、溶解ルツボ４の設置の毎に基準位置の設定を行う必要がない。この結果、溶解ルツボ４を交換してから、計測を開始するまでの工数を大幅に削減できる。図４において、前述のように、反射プレート７において、各反射光Ｌ2,Ｌ2'の乱反射位置Ｑ，Ｑ’の変位ｈは、（ｈ＝２×ａ×ｃｏｓθ）で表わされる。これらの式から、反射プレート７における高さの変位ｈは、（ｈ＝２×ｄ）で表される。この結果、反射プレート７の高さは、少なくとも測定範囲（溶湯の最大量から、最小量までの範囲）の２倍以上の寸法が必要である。
【００２７】
実施例２では、反射プレート７で支持する支持棹９は、真空槽６の内壁部に、略水平に取付けられている。このため、反射プレート７の設置が容易である。しかし、前記反射プレート７が、溶解ルツボから独立した不変位置であれば、それ以外の位置（例えば、真空槽６の天井から吊り下げる形態）に取付けられても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る液面変位計測装置Ａ1 が取付けられた真空誘導溶解炉Ｂの正面断面図である。
【図２】液面変位計測装置Ａ1 を使用して、溶湯Ｗの減少量ｄを計測するための原理図である。
【図３】本発明に係る液面変位計測装置Ａ2 が取付けられた真空誘導溶解炉Ｂの正面断面図である。
【図４】液面変位計測装置Ａ2 を使用して、溶湯Ｗの減少量ｄを計測するための原理図である。
【図５】従来の液面変位計測装置Ａ’が取付けられた真空誘導溶解炉Ｂの正面断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
Ａ1 ，Ａ2 ：液面変位計測装置
ｄ：溶湯の減少量（高さ位置の変化）
Ｌ1 ：照射光（光線）
Ｌ2,Ｌ2'：反射光
Ｑ，Ｑ’：乱反射位置（反射光が当たる位置）
Ｗ：溶湯
Ｗａ：溶湯の液面
２：受光手段
４：溶解ルツボ
４ａ：溶解ルツボの内壁面
６：真空槽
７：反射プレート（反射手段）
９：支持棹
【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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