(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体に超音波を発生させる超音波発生手段と、
前記被検査体内を伝播した超音波を受信する超音波受信手段と、
前記受信した超音波の波形から、超音波の伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、
前記被検査体の測定部の温度Ｔ（ここで、Ｔ＞Ｔ０）を推定する温度推定手段と、
前記推定された温度Ｔにおける被検査体の見かけの音速を、見かけの音速の温度特性に基づいて、算出する音速算出手段と、
前記伝播時間と前記見かけの音速とを乗算して前記被検査体の温度Ｔ０における厚さを算出する厚さ算出手段とを具備した被検査体の温度Ｔ０における被検査体の厚さを測定する超音波厚さ計であって、
前記見かけの音速の温度特性は、温度Ｔ０で厚さＷＴ０の前記被検査体と同じ材料の試験片について、温度Ｔ０より高温の複数の温度において前記試験片の超音波伝播時間を測定し、前記厚さＷＴ０を前記測定した複数温度での各伝播時間で除算して、定められることを特徴とする熱間超音波厚さ計。
【請求項２】
前記超音波発生手段はパルスレーザであり、前記超音波受信手段は電磁超音波センサーであることを特徴とする請求項１記載の熱間超音波厚さ計。
【請求項３】
前記電磁超音波センサーは、パルスレーザ光を通過させる貫通穴を有していることを特徴とする請求項２記載の熱間超音波厚さ計。
【請求項４】
被検査体に超音波を発生させ、前記被検査体内を伝播した超音波を受信し、この受信した超音波の波形から超音波の伝播時間を算出し、
温度推定手段により前記被検査体の測定部の温度Ｔ（ここで、Ｔ＞Ｔ０）を推定し、
前記推定された温度Ｔにおける前記被検査体の見かけの音速を、見かけの音速の温度特性に基づいて算出し、
前記見かけの音速と前記被検査体内の超音波の伝播時間とを乗算して前記被検査体の温度Ｔ０における前記被検査体の厚さを求める厚さ計測方法であって、
前記見かけの音速の温度特性は、温度Ｔ０での厚さＷＴ０の前記被検査体と同じ材料の試験片について、温度Ｔ０より高温の複数の温度において前記試験片の超音波伝播時間を測定し、前記厚さＷＴ０を前記測定した複数の温度での各伝播時間で除算して定められたことを特徴とする厚さ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスレーザと電磁超音波センサーを用いた熱間超音波厚さ計及び厚さ計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄鋼製品の高品質化に伴って、鉄板の厚さや鉄管の肉厚において保証精度の高いものが要求されている。従って、製造工程において、圧延直後に厚さを測定し、この測定結果を製造ラインに反映させることが望まれる。このような要望からγ線厚さ計等が発明されており、このγ線厚さ計が厚板等の製造ラインに据付けられている。しかし、γ線厚さ計は、非常に高価なものであるため、付加価値の小さい製品を製造するラインには普及されていない。また、鉄管の厚さを測定するには、特開平６−１６００６８に開示されているような高度な測定方法が必要とされる。従って、γ線厚さ計は限られた製造ラインでしか使われていない。
【０００３】
そこで、安価に熱間で厚さを測定する方法として、特開昭６０−５３８０６に開示されるように、超音波で被検査体の厚さを測定する方法が発明された。この超音波を用いた測定方法は、鋼管の厚さ計測にも適用でき、さらに、γ線厚さ計のように設備が高価でないという利点がある。
【０００４】
しかしながら、上記のような超音波を用いた被検査体の厚さを測定する方法には以下の問題がある。
【０００５】
まず、第１の問題として、超音波の送受信手段として電磁超音波センサーを用いており、非常に感度が悪い。一般に、電磁超音波による超音波の送信は、圧電素子を用いた方法と比較して、１／１００〜１／１０００程度感度が悪い。さらに、電磁超音波による超音波の送受信では、上述した感度の悪さの自乗で感度低下を招く。従って、被検査体とセンサーの距離（以下、リフトオフという）を２ｍｍ以下にする必要があるため、電磁超音波センサーは非常に扱いづらい。一方、鉄鋼製品の圧延ラインでは、５ｍｍ程度のパスライン変動は避けられないものであるため、リフトオフが２ｍｍ程度の非接触の超音波送受信技術において電磁超音波センサーは使い物にならない。そこで、電磁超音波センサーの感度の問題を回避するために、数キロボルトの送信電圧を用いて電磁超音波の送信出力を向上させる試みがなされている。さらに、１Ｔもの直流磁場が発生する磁化器を用いて電磁超音波の送受信感度を向上させる試みもなされている。しかし、これらの試みによる感度向上では不十分であった。このため、電磁超音波を使用した厚さ計は、一部の冷間において接触に近い状態で用いられる場合を除いては、実動されていないのが現状である。
【０００６】
また、第２の問題として、超音波を用いて被検査体の厚さを測定する場合、温度によって音速が変化してしまう。熱間で超音波を伝播させて被検査体の厚さを測る方法では、熱間の超音波伝播時間から被検査体の厚さを測定する。このため、予め熱間での被検査体の音速を測定しておくことは当然必要であるが、熱間での音速を用いて算出される被検査体の厚さは、熱間における被検査体の厚さである。それゆえ、特開昭６０−５３８０６に開示される方法では、材料の線膨張係数αを用いて、熱間での被検査体の厚さから冷間での被検査体の厚さを算出している。しかしながら、線膨張係数αは温度に依存して変化するため、予め熱間で線膨張係数αを測定しておく必要がある。即ち、従来の方法では、熱間の各温度Ｔにおける音速Ｖ（Ｔ）及び熱膨張率α（Ｔ）を予め測定しておく必要があるため、被検査体の厚さ測定に手間がかかる。さらに、実際の測定では、熱間での被検査体の厚さから冷間での被検査体の厚さを算出しなければならないため、２段階のステップで冷間の厚さを算出する。従って、熱間での被検査体の厚さから冷間での被検査体の厚さを算出する際に誤差が入ってしまう等の問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、安価な装置構成であり、非接触かつ高感度で超音波を送受信することが可能である熱間超音波厚さ計を提供することにある。また、熱間での超音波伝播時間から、簡便かつ精度よく冷間における被検査体の厚さを測定できる厚さ計測方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために以下に示す手段を用いている。
【０００９】
本発明の熱間超音波厚さ計は、被検査体に超音波を発生させる超音波発生手段と、前記被検査体内を伝播した超音波を受信する超音波受信手段と、前記受信した超音波の波形から、超音波の伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、前記被検査体の測定部の温度Ｔ（ここで、Ｔ＞Ｔ０）を推定する温度推定手段と、前記推定された温度Ｔにおける被検査体の見かけの音速を、見かけの音速の温度特性に基づいて、算出する音速算出手段と、前記伝播時間と前記見かけの音速とを乗算して前記被検査体の温度Ｔ０における厚さを算出する厚さ算出手段とを具備した被検査体の温度Ｔ０における被検査体の厚さを測定する超音波厚さ計であって、前記見かけの音速の温度特性は、温度Ｔ０で厚さＷＴ０の前記被検査体と同じ材料の試験片について、温度Ｔ０より高温の複数の温度において前記試験片の超音波伝播時間を測定し、前記厚さＷＴ０を前記測定した複数温度での各伝播時間で除算して、定められる。
【００１０】
上述する本発明の熱間超音波厚さ計において、前記超音波発生手段はパルスレーザであり、前記超音波受信手段は電磁超音波センサーである。
上述する本発明の熱間超音波厚さ計において、前記電磁超音波センサーは、パルスレーザ光を通過させる貫通穴を有していてもよい。
【００１１】
本発明の厚さ計測方法は、被検査体に超音波を発生させ、前記被検査体内を伝播した超音波を受信し、この受信した超音波の波形から超音波の伝播時間を算出し、温度推定手段により前記被検査体の測定部の温度Ｔ（ここで、Ｔ＞Ｔ０）を推定し、前記推定された温度Ｔにおける前記被検査体の見かけの音速を、見かけの音速の温度特性に基づいて算出し、前記見かけの音速と前記被検査体内の超音波の伝播時間とを乗算して前記被検査体の温度Ｔ０における前記被検査体の厚さを求める厚さ計測方法であって、前記見かけの音速の温度特性は、温度Ｔ０での厚さＷＴ０の前記被検査体と同じ材料の試験片について、温度Ｔ０より高温の複数の温度において前記試験片の超音波伝播時間を測定し、前記厚さＷＴ０を前記測定した複数の温度での各伝播時間で除算して定められる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【００１３】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態は、透過型の熱間超音波厚さ計を用いて、熱間における被検査体の厚みを超音波で計測し、熱膨張係数を用いることなく、冷間における被検査体の厚さを算出することに特徴がある。
【００１４】
まず、線膨張係数を用いることなく、冷間における被検査体の厚さが測定できる原理について説明する。
【００１５】
冷間温度Ｔ0で厚さＬ（Ｔ0）の試験片は、熱間温度Ｔで長さＬ（Ｔ）となり、この関係は式（１）で表される。ここで、αは線膨張係数であり、線膨張係数αは式（２）で表される。
【００１６】
Ｌ（Ｔ）＝Ｌ（Ｔ0）＋Ｌ（Ｔ0）×α×（Ｔ−Ｔ0）…（１）
α＝１／Ｌ×ｄＬ／ｄＴ…（２）
一方、温度Ｔで超音波の伝播時間がΔｔ（Ｔ）のとき、音速Ｖ（Ｔ）は、（厚さ／伝播時間）で定義される。このため、音速Ｖ（Ｔ）は式（３）で表される。
【００１７】
Ｖ（Ｔ）＝Ｌ（Ｔ）／Δｔ（Ｔ）…（３）
しかし、熱間における試験片の熱膨張を無視して、冷間温度Ｔ0での厚さＬ（Ｔ0）を使った音速Ｖ’（Ｔ）は、式（４）で表される。
【００１８】
Ｖ’（Ｔ）＝Ｌ（Ｔ0）／Δｔ（Ｔ）…（４）
従って、式（１）、（３）、（４）より、音速Ｖ（Ｔ）と音速Ｖ’（Ｔ）の違いは、式（５）で表される。
【００１９】
Ｖ（Ｔ）＝Ｖ’（Ｔ）×｛１＋α×（Ｔ−Ｔ0）｝…（５）
今、ある被検査対象を測定したところ、温度がＴ、片道の超音波の伝播時間がΔｔ’であったとする。従って、この被検査対象の厚さＷＴ（Ｔ）は、式（３）の音速を用いて、式（６）のように表される。
【００２０】
ＷＴ（Ｔ）＝Ｖ（Ｔ）×Δｔ’…（６）
この厚さＷＴ（Ｔ）は、温度Ｔでの厚さであるため、冷間温度Ｔ0での厚さＷＴ（Ｔ0）は線膨張係数αを用いて計算する必要がある。従って、冷間温度Ｔ0での厚さＷＴ（Ｔ0）は、式（７）で表される。
【００２１】
ＷＴ（Ｔ0）＝ＷＴ（Ｔ）／｛１＋α×（Ｔ−Ｔ0）｝…（７）
この式（７）を書き換えると、式（８）になる。
【００２２】
ＷＴ（Ｔ0）＝Ｖ（Ｔ）×Δｔ’／｛１＋α×（Ｔ−Ｔ0）｝
＝Ｖ’（Ｔ）×｛１＋α×（Ｔ−Ｔ0）｝×Δｔ’／｛１＋α×（Ｔ−Ｔ0）｝
＝Ｖ’（Ｔ）×Δｔ’…（８）
即ち、予め測定に必要な温度Ｔでの見かけの音速Ｖ’（Ｔ）と超音波の伝播時間Δｔ’を調べておけば、線膨張係数を用いずに、冷間の厚さＷＴ（Ｔ0）を測定することができる。
【００２３】
次に、超音波により被検査体の厚さを測定するための熱間超音波厚さ計について説明する。
【００２４】
図１（ａ）は熱間超音波厚さ計の構成図を示す。図１（ｂ）は、図１（ａ）の温度推定部１３に放射温度計７を適用した構成図を示す。尚、温度推定の方法は放射温度計７を使用することに限定されず、伝熱計算や接触式の温度計による測定でも、被検査体の温度が推定できれば何でもよい。
【００２５】
図１（ａ）、図１（ｂ）において、１は被検査体、２はパルスレーザ、３ａは電磁超音波センサーを示す。また、第１の実施形態は、透過法で超音波を受信するため、電磁超音波センサー３ａが、被検査体１を挟んで、パルスレーザ２の反対側に配置してある。また、図１（ｂ）に示す放射温度計７は、ファイバー６により被検査体１とつながれている。
【００２６】
このような熱間超音波厚さ計を用いる場合、被検査体の厚さはレーザ超音波法により測定される。このレーザ超音波法では、パルスレーザ光や変調された光を被検査体に照射することにより、被検査体の表面が溶発の反作用若しくは熱応力を受けて、超音波を発生する。この超音波の発生強度は、照射するパルスレーザ光の条件次第で任意に変えることができる。従って、超音波の発生強度は、圧電素子で発生できる通常の強度の１０倍程度にすることも可能である。このような強度な超音波を電磁超音波センサーで受信すると、従来の電磁超音波による送受信法に比べ、１０００〜１００００倍の感度で超音波が受信できる。
【００２７】
以下、上述したレーザ超音波法により、被検査体の厚さを測定する方法について詳細に説明する。
【００２８】
まず、パルスレーザ２より光密度１０ＭＷ／ｃｍ2以上のパルスレーザ光５が発射される。ここで、パルスレーザ光５は、パルスエネルギーが例えば２００ｍＪ、パルス幅が例えば５ｎｓである。このパルスレーザ光５を例えば２ｍｍに集光させて鋼板のような被検査体１に照射させる。その結果、被検査体１の表面１ｂがアブレーションを起こし、このアブレーションの反作用で超音波４が発生する。この超音波４は、被検査体１の裏面１ａ又は表面１ｂで反射され、被検査体１内を複数回往復する。ここで、被検査体１の裏面１ａに電磁超音波センサー３ａが配置されている。このため、超音波４が電磁超音波センサー３ａ側の被検査体１の裏面１ａに到達するたびに、電磁超音波センサー３ａから超音波４が検出される。この電磁超音波センサー３ａは、磁束密度が例えば３５００ガウスの磁石と例えば１０ターンのコイルで構成されている。
【００２９】
次に、電磁超音波センサー３ａで検出された超音波４の信号は、広帯域アンプ８により、４０〜８０ｄＢに増幅される。この増幅された信号のうち、材料を透過する超音波の周波数帯域のみが、バンドパスフィルター９により通過される。その後、Ａ／Ｄ変換部１０により、図２に示すような超音波の多重反射波形が得られる。この際、電磁超音波センサー３ａのリフトオフは例えば８ｍｍ、広帯域アンプ８のゲインは例えば８０ｄＢ、バンドパスフィルター９の帯域は例えば１〜５ＭＨｚである。
【００３０】
図２に示す多重反射波形は、透過法の配置で得られたものであるため、図中の最初のエコーピークＰ１は、電磁超音波センサー３ａに超音波４が最初に到達した際のピークである。２番目のエコーピークＰ２は、最初のエコーピークＰ１から１往復したものである。３番目のエコーピークＰ３は、２番目のエコーピークＰ２からさらに１往復したものである。ここで、２番目のエコーピークＰ２と３番目のエコーピークＰ３の時間間隔Δｔを測定すると、Δｔ＝７．７４４μｓであった。また、図２に示す多重反射波形が得られた時、温度推定部１３として用いた放射温度計７（図１（ｂ）に示す）の指示値は８７２℃であった。
【００３１】
また、図３に被検査体１と同じ材料の被検査体の音速と温度の関係を示す。図３によれば、温度が高くなるにつれて音速が下がっているように、音速は温度に依存していることがわかる。尚、図３についての詳細な説明は後述する。この図３のグラフを用いて音速を求めると、温度が８７２℃のときの音速は４９７０ｍ／ｓである。
【００３２】
従って、式（９）より、Δｔ＝７．７４４μｓ、音速Ｖ＝４９７０ｍ／ｓのとき、冷間における被検査体の厚さＷＴは１９．２４ｍｍである。
【００３３】
ＷＴ＝Δｔ×Ｖ÷２…（９）
このようにして、厚さ算出部１１において冷間における被検査体の厚さＷＴが算出され、この結果が表示部１２により表示される。
【００３４】
尚、同様な実験を多数回行い、マイクロメーターによる測定と比較した。その結果、マイクロメーターにより測定した厚さと上述する方法で算出した厚さＷＴとの差は全て１０μｍ未満であった。
【００３５】
ところで、本来熱間で超音波の伝播時間を測定し、熱間音速を用いて被検査体の厚さを計算すると、熱間での被検査体の厚さ、即ち、熱膨張した被検査体の厚さがわかることになる。しかし、本発明では、直接常温での被検査体の厚さを算出している。これは、図３に示す音速が真の音速ではないからである。
【００３６】
図３に示すような温度と音速との関係は、次のようにして導いた。まず、マイクロメーターを用いて、音速を知りたい材料の常温Ｔ0℃での厚さＷＴ0を測定する。次に、熱間の超音波送受信法により、超音波の伝播時間Δｔ0を測定する。この厚さＷＴ0と伝播時間Δｔ0から、常温Ｔ0℃での音速Ｖ0を求める。次に、材料を順次加熱しながら、各温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3、…で、伝播時間Δｔ1、Δｔ2、Δｔ3、…を測定し、材料の音速を求める。ここで、音速算出に用いる厚さは、熱間での熱膨張した厚さではなく、常温Ｔ0℃での厚さＷＴ0を用いる。このようにして、図３に示すような音速と温度の関係が導かれる。従って、図３による音速と熱間の伝播時間とを用いれば、即、常温の厚さを算出することができる。
【００３７】
尚、第１の実施形態は、図３のグラフを用いて音速を直接算出し、常温での厚さを測定しているが、これに限定されない。任意の温度での厚さを用いて、上記のような手法で音速と温度の関係を導き出せば、温度域の異なる材料の伝播時間の測定から熱膨張の補正なしで、いかなる温度における厚さも算出することができる。
【００３８】
また、第１の実施形態は、被検査体１の表面温度から音速を求めている。これは、被検査体１を放冷した時、表面温度と内部温度とに生じる温度差が約１０℃未満であったため、温度分布による厚さ算出誤差が０．２％以上になり得ない。従って、被検査体１の表面温度を材料の温度として代表させている。
【００３９】
また、被検査体１の表面１ｂをパルスレーザ光５でアブレーションさせているが、一回のアブレーションで表面が溶ける量は、深さ１μｍ程度であり、製品の品質を落とす程度ではない。
【００４０】
上記第１の実施形態による熱間超音波厚さ計よれば、被検査体の厚さを測定する手段として、超音波を使用している。このため、γ線を用いたものより、安全かつ安価な熱間超音波厚さ計を提供できる。
【００４１】
また、超音波を使用して厚さを測定しているため、従来の電磁超音波による送受信法に比べ、１０００〜１００００倍の感度で、超音波４が受信できる。従って、高感度で超音波を送受信できるため、電磁超音波センサー３ａのリフトオフを１０ｍｍ以上離してもＳ／Ｎ比が２以上で受信できる。このように、リフトオフが大きく取れれば、電磁超音波センサー３ａに冷却機構を設けることも容易になるため、輻射熱の影響を低減できる。さらに、リフトオフが大きく取れれば、被検査対象のライン変動の追従にも余裕ができ、常に一定のリフトオフを保つ必要がなくなる。従って、熱間の被検査対象に対し、超音波の送受信が容易に安定して行うことができる。
【００４２】
上記第１の実施形態による厚さ計測方法によれば、熱膨張係数を用いることなく、熱間での伝播時間から、常温での被検査体の厚さを知ることができる。従って、簡便かつ精度よく被検査体の厚さを測定できる。
【００４３】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態は、反射型の熱間超音波厚さ計を用いて、熱間における被検査体の厚みを超音波で計測し、熱膨張係数を用いることなく、冷間における被検査体の厚さを算出することに特徴がある。尚、第２の実施形態では、上記第１の実施形態と同様の構造については説明を省略し、異なる構造のみ説明する。
【００４４】
図４（ａ）は熱間超音波厚さ計の構成図を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の温度推定部１３に放射温度計７を適用した構成図を示す。
【００４５】
図４（ａ）、図４（ｂ）において、１は被検査体、２はパルスレーザ、３ｂは電磁超音波センサーを示す。また、第２の実施形態は、反射法で超音波を受信するため、電磁超音波センサー３ｂが、被検査体１に対してパルスレーザ２と同じ側に配置してある。また、電磁超音波センサー３ｂの中心をパルスレーザ光５が通過できるように、電磁超音波センサー３ｂの中心に貫通穴１４が空けてある。図１（ｂ）に示す放射温度計７は、ファイバー６により被検査体１とつながれている。
【００４６】
以下、上述した熱間超音波厚さ計を用いて、被検査体の厚さを測定する方法について説明する。
【００４７】
まず、第１の実施形態と同様に、パルスレーザ２より光密度１０ＭＷ／ｃｍ2以上のパルスレーザ光５が発射される。このパルスレーザ光５を例えば２ｍｍに集光させ、貫通穴１４を通過して鋼板のような被検査体１に照射させる。これにより、被検査体１の表面１ｂがアブレーションを起こし、このアブレーションの反作用で超音波４が発生する。この超音波４は、被検査体１の裏面１ａ又は表面１ｂで反射され、被検査体１内を複数回往復する。ここで、被検査体１の表面１ｂに電磁超音波センサー３ｂが配置されている。このため、超音波４が電磁超音波センサー３ｂ側の被検査体１の表面１ｂに到達するたびに、電磁超音波センサー３ｂから超音波４が検出される。以下は、第１の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
【００４８】
上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第２の実施形態は、パルスレーザ光５を通すことができるように、電磁超音波センサー３ｂの中心に貫通穴１４を設けている。このため、γ線のような透過法だけでなく、反射法での超音波送受信を可能にしている。従って、第２の実施形態による熱間超音波厚さ計は、鋼管のような被検査体にも適用できる。
【００４９】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、安価な装置構成であり、非接触かつ高感度で超音波を送受信することが可能である熱間超音波厚さ計を提供できる。また、熱間での超音波伝播時間から、簡便かつ精度よく冷間における被検査体の厚さを測定できる厚さ計測方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる透過法を用いた熱間超音波厚さ計の構成図を示す。
【図２】本発明の第１の実施形態に係わる熱間超音波厚さ計によって得られた多重反射波形の例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態で用いた被検査体の音速と温度の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わる反射法を用いた熱間超音波厚さ計の構成図を示す。
【符号の説明】
１…被検査体、
１ａ…被検査体の裏面、
１ｂ…被検査体の表面、
２…パルスレーザ、
３ａ、３ｂ…電磁超音波センサー、
４…超音波、
５…レーザ光、
６…ファイバー、
７…放射温度計、
８…広帯域アンプ、
９…バンドパスフィルター、
１０…Ａ／Ｄ変換部、
１１…厚さ算出部、
１２…表示部、
１３…温度推定部、
１４…貫通穴。
【図１】
0004411734.tif 000002
【図２】
0004411734.tif 000003
【図３】
0004411734.tif 000004
【図４】
0004411734.tif 000005