(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁超音波法を用いて、金属薄板の板厚方向に伝播する超音波を発生及び検出し、当該金属薄板の厚さ方向の超音波厚み共振スペクトルを測定する方法であって、当該金属薄板の表面と裏面との間で共鳴振動を起こす周波数成分を含み、かつ板厚の超音波伝搬時間よりも長い時間幅をもつパルス幅内で連続的に周波数変化をする１つのチャープパルス波形を超音波送信波形として用い、パルス送信後に得られる受信波形を周波数解析することによって厚み共振スペクトルを測定することを特徴とする金属薄板の厚み共振スペクトル測定方法。
【請求項２】
金属薄板の物理量を測定する方法であって、請求項１に記載の金属薄板の厚み共振スペクトル測定方法を、その工程中に含むことを特徴とする金属薄板の電磁超音波計測方法。
【請求項３】
請求項２に記載の金属薄板の電磁超音波計測方法であって、求められた超音波厚み共振スペクトルと既知である前記金属薄板の音速より、前記金属薄板の板厚を求めることを特徴とする金属薄板の電磁超音波計測方法。
【請求項４】
請求項２に記載の金属薄板の電磁超音波計測方法であって、求められた超音波厚み共振スペクトルと既知である前記金属薄板の板厚より、前記金属薄板の音速を求めることを特徴とする金属薄板の電磁超音波計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触、非破壊で金属薄板に超音波を伝播させ、金属薄板の超音波厚み共振スペクトルを測定する方法、及び求めれられた厚み共振スペクトルを用いて、金属薄板の諸物理量を測定する方法に関するものである。ここで、金属薄板の諸物理量とは、例えば、金属薄板の厚さ、音速、超音波の減衰係数、または、それから求められる結晶粒径などである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波を被検査体の板厚方向に伝播させることによって、板厚ないしは音速、または減衰を利用して結晶粒径等が求められることがわかっている。例えば、それらの超音波を板厚方向に伝播させて被検査体の厚さ等を測定する方法として、共振法及びパルス反射法がある。
【０００３】
共振法による厚さ測定としては、例えば特開昭５２−１８５９１号公報に開示されているように、超音波探触子を被検査体に接触させて超音波を連続的に被検査体に入射し、超音波の波長と被検査体の厚さとで決まる共振周波数に応じて探触子の電気的インピーダンスが変化することを利用して共振周波数を求め、この共振周波数と既知である被検査体中の音速から、被検査体の厚みを求める方法が知られている。
【０００４】
また、パルス反射法により被検査体の厚みを求める方法も周知である。これは、超音波探触子からインパルス状の超音波を被検査体に入射し、被検査体から反射してきた超音波パルスを同一の探触子で受信し、超音波が被検査体を往復した時間を測定し、この時間と既知である被検査体中の音速から、被検査体の厚みを求める方法である。
【０００５】
どちらの方法も超音波を用いた厚み測定方法として、例えば丹羽登著「超音波計測」（昭昇堂出版）P.70に記載されているように良く知られた技術である。
しかしながら、これらの技術を金属薄板に適用しようとすると、種々の問題が発生する。
【０００６】
まず、パルス反射法を薄板に適用しようとする場合について述べる。この方法は伝播過程の異なるパルスを比較することによって、伝播過程相当の伝播時間や減衰を求めるため、送信パルス幅が厚さ方向の伝播時間より長くなると、送信パルスと受信パルス、及び異なる回数の反射を行った受信パルス同士が分離できなくなり、異なる伝播過程のパルスを比較できない問題が発生する。そのため、測定できる被検査体の厚さに限界がある。
【０００７】
また、共振法を薄板に適用しようとする場合について述べる。この方法は、そもそも、共振周波数を求めるために被検体に対して連続的に入射する超音波の周波数を掃引しなければならないため、測定時間がパルス反射法に比較して長いという問題があり、さらに、薄板の場合には、共振周期が長くなるため、さらに掃引時間が長くなる問題が発生する。そのため、自動測定には適しておらず、特に生産ライン等において迅速な測定が求められるオンライン測定では使い物にならない。
【０００８】
このような問題点を解決する方法として、特開平５−１９１０号公報に開示される発明がなされている。この方法は、広帯域のインパルスを送信し、その後得られる干渉波形を周波数解析することで、パルス幅より厚い材料の厚さを測定することを可能にしている。そのため、パルス反射法が使用できないような薄板においても、パルス反射法と同等の測定時間で測定が行えるという利点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−１９１０号公報に開示されている方法は、生産ライン等において迅速な測定が求められるオンライン測定には適用が困難であると言う問題点がある。すなわち、この方法は、超音波プローブと被検査体の間の超音波の伝達を機械的な振動で伝える手法によってのみ、実現できるものである。
【００１０】
勿論、実験室のような所で静止した対象を測定する場合は問題がないが、鋼板の製造ラインのようなところでは、超音波プローブと被検査体を間接的に接触させた状態で測定を行う必要があり、水などの接触媒質の使用が前提となってしまう。しかし、冷延鋼板のような水を嫌う対象の場合には、このような方法が適用できない。
【００１１】
接触媒質を使用せず、製造ライン等でも使える金属薄板の超音波測定方法としては、非接触超音波法である電磁超音波法が考えられるが、やはり次のような種々の問題が発生する。
【００１２】
まず、電磁超音波のパルス反射法に関して言うと、そもそも電磁超音波法では計測に十分な感度で広帯域のインパルスを出せないという問題がある。これは、電磁超音波に用いる高電圧パルサーに広帯域なものが無いということに由来する。そこで、高周波のバースト波を用いることも考えられるが、電磁超音波法は高周波化が困難であるという問題がある。これもまた、電磁超音波センサー用の高電圧パルサーに起因しており、10MHz以上のパルスを効率よく発生できるものが世の中に無い理由から10MHz以上での感度が急激に低下してしまう。
【００１３】
このような理由から、電磁超音波では、インパルス送受信によるパルス反射法が困難で、そのためインパルスの干渉を使用した方法も適用できない。
【００１４】
次に電磁超音波法に共振法を適用した場合を述べる。この方法には、例えば、特開平６−１４８１４８に開示された方法がある。この方法では電磁超音波の発受信コイルに、時間幅の長いバースト波或いは正弦波の高周波電流を流し、周波数を掃引して、各周波数での受信振幅を記録し、共振スペクトルを得ている。送信波に連続波を用いているため感度はパルス反射法に比較して良いものの、非常に長い測定時間を要するといった問題は、やはり発生する。例えば、各周波数の測定を１msとして、100kHz毎に０〜10MHzまで掃引した場合、約100msの測定時間を要してしまう。
【００１５】
以上のように、金属薄板の製造ラインで使えるような、迅速な非接触の超音波測定法は無いのが現状である。本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、被検査体である金属薄板を電磁超音波法で計測する方法であって、非接触での測定が短時間で完了でき、さらに感度よく超音波を送受信でき、高精度な計測を可能にするものを提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、電磁超音波法を用いて、金属薄板の板厚方向に伝播する超音波を発生及び検出し、当該金属薄板の厚さ方向の超音波厚み共振スペクトルを測定する方法であって、当該金属薄板で共鳴振動を起こす周波数成分を含み、かつパルス幅内で周波数変化をするパルス波形を超音波送信波形として用い、パルス送信後に得られる受信波形を周波数解析することによって厚み共振スペクトルを測定することを特徴とする金属薄板の厚み共振スペクトル測定方法である。
【００１７】
インパルス波形は全周波数成分を含みかつ時間幅が狭いので、十分に高周波数まで含むものであれば、パルス反射法にも適用でき、かつＦＦＴ等の周波数解析を行なえば共振スペクトルを得ることも可能である。しかしながら、先述のように電磁超音波法は周波数が高くなるほど感度が低くなるために、単純なインパルス波形を送信波に用いた場合、パルス反射法では、金属薄板内の多重反射エコーが分離できない問題が発生する、また共振スペクトルを得るためにＦＦＴ等の周波数解析を行なっても、１つのパルスに全周波数成分が含まれているために、各周波数成分の強度が低く、感度が十分に取れない問題がある。
【００１８】
そこで、時間幅を短くすることをあきらめ、板厚の超音波伝播時間より長い時間幅のパルスであるが、そのパルス幅内に、被検査対象である金属薄板で共鳴振動を起こす周波数成分を含み、かつパルス幅内で周波数変化をするパルス波形を送信波形に用いる。この場合、勿論、受信波形は多重反射エコーのそれぞれのエコーが分離できないようなものになってしまうが、送信波において各周波数の送信強度がダイナミックレンジ最大の値であることより、ＦＦＴ等の周波数解析をしても十分な感度でスペクトルを得ることができる。即ち、パルス反射法に近い測定時間で、共振スペクトルを精度良く測定することができる。
【００１９】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、送信波にチャープパルス波を用いることを特徴とするものである。
【００２０】
被検査対象である金属薄板で共鳴振動を起こす周波数成分を含み、かつパルス幅内で周波数変化をするパルス波形として、チャープパルスは最もシンプルなものであり、最も短いパルス幅で周波数特性がフラットな波形を表現できる。勿論、高感度化のメリットも備えている。
【００２１】
例えば、送信波に電圧振幅±１kV、10MHz、1波のインパルス波を用いるより、時間幅を増やして電圧振幅±１kV、周波数１〜10MHzチャープパルス波形を用いた方が各周波数成分の強度は大きくなることは言うまでも無く、その結果、ノイズの影響を受けにくく、受信波から高精度で共振スペクトルを得ることが可能になる。しかも、パルス１回の送受信で測定できるので、短時間での測定が可能である。
【００２２】
前記課題を解決するための第３の手段は、金属薄板の物理量を測定する方法であって、前記第１の手段又は第２の手段を、その工程中に含むことを特徴とする金属薄板の電磁超音波計測方法である。
【００２３】
例えば、金属薄板の厚さ、音速、超音波の減衰係数、または、それから求められる結晶粒径等の金属薄板の物理量には、厚み共振スペクトルを求めてそこから計算により求められるものが多い。本手段においては、これら物理量を求めるために必要な厚み共振スペクトルを、前記第１の手段又は第２の手段を用いて測定しているので、これらの物理量を測定する際においても、実ラインにおいて被接触で、かつ短時間で高精度の測定を行うことができる。なお、電磁超音波計測方法とは、電磁超音波を利用してある量の計測を行う方法をいう。
【００２４】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、求められた超音波厚み共振スペクトルと既知である前記金属薄板の音速より、前記金属薄板の板厚を求めることを特徴とするものである。
【００２５】
金属薄板の超音波厚み共振スペクトルと当該金属薄板中の音速が分かれば、当該金属薄板の板厚が求まることは周知の事実である。本手段においては、このうち超音波厚み共振スペクトルを測定するのに前記第１の手段又は第２の手段を使用しているので、実ラインにおいて被接触で、かつ短時間で高精度の測定を行うことができる。
【００２６】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第５の手段であって、求められた超音波厚み共振スペクトルと既知である前記金属薄板の板厚より、前記金属薄板の音速を求めることを特徴とするものである。
【００２７】
金属薄板の超音波厚み共振スペクトルと当該金属薄板の板厚が分かれば、当該金属薄板中の音速が求まることは周知の事実である。本手段においては、このうち超音波厚み共振スペクトルを測定するのに前記第１の手段又は第２の手段を使用しているので、実ラインにおいて被接触で、かつ短時間で高精度の測定を行うことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を示す。本実施の形態は、被検査体である公称板厚1.2mmの熱延鋼板に電磁超音波法で板厚方向に超音波を発生ならびに検出し、これから熱延鋼板の厚み共振スペクトルを求め、さらにこれから板厚を測定するものである。
【００２９】
図１は、本発明の実施の形態を実施するための装置の構成を示すものであり、図１において、１は被検査体、２は被検査体内を伝播する超音波、３はチャープパルス波形発生手段、４は電圧増幅器、５はダイプレクサー、６は電磁超音波センサー、７は前置増幅器、８はＡＤ変換器、９は周波数解析手段、１０は板厚演算手段である。
【００３０】
先ず、チャープパルス波形発生手段３は、パルス幅10μs、周波数帯域０〜10MHzのチャープパルス波を発生させ、その波形を電圧増幅器４に送信する。図２に、本実施の形態で用いるチャープパルス波形の例を示す。ここで、チャープパルス波発生手段３が発生させる周波数帯機は、被検査体２である公称板厚1.2mmの熱延鋼板の共振周波数を含むものであれば良く、パルス幅も測定に許される時間内であればいくらでも構わない。
【００３１】
ただし、共振周波数ｆrは、次式(1)で与えられる。
fr = v・n/(2d)  …(1)
但し、v  ：音速
d  ：厚さ
n  ：正の整数
である。もちろん、実際の共振周波数は未知であり測定によって求まるものなので、ここで用いている共振周波数とは想定される共振周波数という意味である。
【００３２】
電圧増幅器４はチャープパルス波発生手段から送られた波形を1.2kVの電圧まで増幅し、ダイプレクサー５に送信する。ここで、増幅する電圧は電磁超音波センサーの耐圧以内なら何Ｖでもよく、増幅度が増すほど電磁超音波センサーが発生させる超音波の強度は強くなる。ダイプレクサー５は、増幅された高電圧のチャープパルス波形を電磁超音波センサー６に送り、送信終了後、電磁超音波センサー６から受信される受信波形を前置増幅器７に送る。
【００３３】
前置増幅器７は、受信波形を60dB増幅し、ＡＤ変換器８に送信する。ここで、前置増幅器の増幅度はＡＤ変換器で受信できる振幅以上でかつ飽和しない程度であればいくらでもよいが、できるだけ大きい方が好ましい。ＡＤ変換器８は、受信波形をデジタル化し周波数解析手段９に送る。図３に、ＡＤ変換器８によりデジタル化された受信波形の例を示す。
【００３４】
周波数解析手段９は、受信波形を周波数解析しスペクトルを求める。図４に、図３に示す受信波形を周波数解析手段９によりＦＦＴを行なって得られたスペクトルを示す。
【００３５】
図４に示すスペクトルは、超音波が板厚方向に伝播する際、チャープパルス波の周波数成分の一部が、その厚さによって共振を起こしたものであり、それぞれのスペクトルピークは、共振周波数を示すものである。図５は、図４の第一共振スペクトルを拡大して示したものである。
【００３６】
板厚演算手段１０は、この共振スペクトルから共振周波数を決定し、(1)式によって板厚を算出する。実際の例においては、図５から求まる第１共振周波数1.40MHzから(1)式を使って厚さを1.15mmと測定することができた。ここで、音速は鋼材の横波音速3.23μs／mmを用いた。図５は、図４の第一共振スペクトルを拡大したものである。
【００３７】
ここでは、共振周波数を求めるのにスペクトルから最も低い周波数の共振ピークを読み取って第一共振周波数を求めたが、隣り合う共振ピークの差から共振周波数を求めることも可能である。
【００３８】
また、本実施の形態では、被検査体の音速を既知として、スペクトルから共振周波数を求めて、板厚を求めたが、逆に板厚が既知であれば、音速測定も可能である。さらに、スペクトルの共振ピークのプロファイルからは、共振周波数の減衰を求めることが可能なので、減衰を測定して結晶粒径を算出することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１に係る発明においては、パルス反射法に近い測定時間で、共振スペクトルを精度良く測定することができる。
請求項２に係る発明においては、最も短いパルス幅で周波数特性がフラットな波形を表現できる。
請求項３から請求項５に係る発明においては、実ラインにおいて被接触で、かつ短時間で高精度の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を実施するための装置の構成を示す図である。
【図２】本実施の形態で用いるチャープパルス波形の例を示す図である。
【図３】ＡＤ変換器によりデジタル化された受信波形の例を示す図である。
【図４】図３に示す受信波形を周波数解析手段によりＦＦＴを行なって得られたスペクトルを示す図である。
【図５】図４の第一共振スペクトルを拡大して示した図である。
【符号の説明】
１…被検査体
２…被検査体内を伝播する超音波
３…チャープパルス波形発生手段
４…電圧増幅器
５…ダイプレクサー
６…電磁超音波センサー
７…前置増幅器
８…ＡＤ変換器
９…周波数解析手段
１０…板厚演算手段
【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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