(57)【要約】【課題】被計測物の内部温度分布や厚み等の影響を受けずに、被計測物の内部状態を精度良く計測できるようにする。【解決手段】被計測物２００に対して、所定の周波数領域における各周波数の超音波を送信する超音波送受信装置１２０と、被計測物２００の内部を伝播した前記各周波数の超音波に基づいて被計測物２００における複数の共振周波数を検出する共振周波数検出部１３２と、共振周波数検出部１３２で検出された複数の共振周波数の隣接する２つの共振周波数における周波数間隔をそれぞれ算出する周波数間隔算出部１３３と、周波数間隔算出部１３３で算出された周波数間隔の変動量を算出する変動量算出部１３４と、変動量算出部１３４で算出された変動量に基づいて被計測物２００の内部状態を判定する内部状態判定部１３６を備える。【選択図】図５
2009068914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受信して被計測物の内部状態を計測する内部状態計測装置であって、
前記被計測物に対して、所定の周波数領域における各周波数の超音波を送信する超音波送信手段と、
前記被計測物の内部を伝播した前記各周波数の超音波に基づいて前記被計測物における複数の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、
前記共振周波数検出手段で検出された複数の共振周波数の隣接する２つの共振周波数における周波数間隔をそれぞれ算出する周波数間隔算出手段と、
前記周波数間隔算出手段で算出された周波数間隔の変動量を算出する変動量算出手段と、
前記変動量算出手段で算出された変動量に基づいて前記被計測物の内部状態を判定する判定手段と
を有することを特徴とする内部状態計測装置。
【請求項２】
閾値を記憶する閾値記憶手段を更に有し、
前記判定手段は、前記変動量算出手段で算出された変動量が前記閾値記憶手段に記憶されている閾値よりも大きいか否かに応じて、前記被計測物の内部状態を判定することを特徴とする請求項１に記載の内部状態計測装置。
【請求項３】
前記変動量算出手段は、所定数の前記変動量を算出して、当該所定数の変動量を平均化して平均変動量を算出し、
前記判定手段は、前記平均変動量を用いて前記被計測物の内部状態を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内部状態計測装置。
【請求項４】
前記超音波送信手段は、前記被計測物の所定位置に対して前記各周波数の超音波を送信すると共に、前記被計測物の内部を伝播した前記各周波数の超音波を前記所定位置で受信する超音波送受信手段を構成するものであり、
前記検出手段は、前記超音波送受信手段で受信した前記各周波数の超音波に基づいて前記被計測物における複数の共振周波数を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内部状態計測装置。
【請求項５】
超音波を送受信して被計測物の内部状態を計測する内部状態計測方法であって、
前記被計測物に対して、所定の周波数領域における各周波数の超音波を送信する超音波送信ステップと、
前記被計測物の内部を伝播した前記各周波数の超音波に基づいて前記被計測物における複数の共振周波数を検出する共振周波数検出ステップと、
前記共振周波数検出ステップで検出された複数の共振周波数の隣接する２つの共振周波数における周波数間隔をそれぞれ算出する周波数間隔算出ステップと、
前記周波数間隔算出ステップで算出された周波数間隔の変動量を算出する変動量算出ステップと、
前記変動量算出ステップで算出された変動量に基づいて前記被計測物の内部状態を判定する判定ステップと
を有することを特徴とする内部状態計測方法。
【請求項６】
前記判定ステップでは、前記変動量算出ステップで算出された変動量が閾値よりも大きいか否かに応じて、前記被計測物の内部状態を判定することを特徴とする請求項５に記載の内部状態計測方法。
【請求項７】
前記変動量算出ステップでは、所定数の前記変動量を算出して、当該所定数の変動量を平均化して平均変動量を算出し、
前記判定ステップでは、前記平均変動量を用いて前記被計測物の内部状態を判定することを特徴とする請求項５又は６に記載の内部状態計測方法。
【請求項８】
前記超音波送信ステップでは、前記被計測物の所定位置に対して前記各周波数の超音波を送信するものであり、
前記被計測物の内部を伝播した前記各周波数の超音波を前記所定位置で受信する超音波受信ステップを更に有し、
前記検出ステップでは、前記超音波受信ステップで受信した前記各周波数の超音波に基づいて前記被計測物における複数の共振周波数を検出することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の内部状態計測方法。
【請求項９】
超音波を送受信して被計測物の内部状態を計測する内部状態計測方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
前記被計測物に対して、所定の周波数領域における各周波数の超音波を送信する超音波送信ステップと、
前記被計測物の内部を伝播した前記各周波数の超音波に基づいて前記被計測物における複数の共振周波数を検出する共振周波数検出ステップと、
前記共振周波数検出ステップで検出された複数の共振周波数の隣接する２つの共振周波数における周波数間隔をそれぞれ算出する周波数間隔算出ステップと、
前記周波数間隔算出ステップで算出された周波数間隔の変動量を算出する変動量算出ステップと、
前記変動量算出ステップで算出された変動量に基づいて前記被計測物の内部状態を判定する判定ステップと
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１０】
請求項９に記載のプログラムを記憶したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて被計測物の内部状態を計測する内部状態計測装置及び内部状態計測方法、当該内部状態計測方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、並びに、当該プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波を用いて被計測物の内部状態を計測することが行われている。例えば、被計測物である高温の鋼板の内部に液層部（溶鋼部）があるか否かを外部から超音波を用いて計測する従来技術としては、下記の特許文献１、特許文献２及び非特許文献１のものがある。以下に、この特許文献１、特許文献２及び非特許文献１による計測方法を、図面を用いて説明する。
【０００３】
図１１は、従来技術における被計測物の内部状態の計測方法を示す模式図である。
具体的に、特許文献１及び特許文献２では、被計測物２００である鋼板の表面に超音波送信装置から横波超音波を送信し、当該横波超音波を鋼板の裏面に配設された超音波送信装置で受信して、当該横波超音波の透過率から鋼板の内部に液層部２００ａがあるか否かを計測するようにしている。
【０００４】
また、非特許文献１では、被計測物２００である鋼板の表面に超音波送信装置から縦波超音波を送信し、当該縦波超音波を鋼板の裏面に配設された超音波送信装置で受信して、当該縦波超音波の透過時間から鋼板の内部に液層部２００ａがあるか否かを計測するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５２−１３０４２２号公報
【特許文献２】特開２００５−１７７８６０号公報
【非特許文献１】日本鉄鋼協会第７６・７７回西山記念技術講座「鉄鋼における計測と制御の最近の進歩」、昭和５６年、ｐ．２２７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来技術における被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測方法では、当該被計測物の内部温度分布や当該被計測物２００の厚みＤ等による誤差が大きく、精度良く計測を行うことが困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、被計測物の内部温度分布や厚み等の影響を受けずに、被計測物の内部状態を精度良く計測できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の内部状態計測装置は、超音波を送受信して被計測物の内部状態を計測する内部状態計測装置であって、前記被計測物に対して、所定の周波数領域における各周波数の超音波を送信する超音波送信手段と、前記被計測物の内部を伝播した前記各周波数の超音波に基づいて前記被計測物における複数の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、前記共振周波数検出手段で検出された複数の共振周波数の隣接する２つの共振周波数における周波数間隔をそれぞれ算出する周波数間隔算出手段と、前記周波数間隔算出手段で算出された周波数間隔の変動量を算出する変動量算出手段と、前記変動量算出手段で算出された変動量に基づいて前記被計測物の内部状態を判定する判定手段とを有する。
【０００９】
本発明の内部状態計測方法は、超音波を送受信して被計測物の内部状態を計測する内部状態計測方法であって、前記被計測物に対して、所定の周波数領域における各周波数の超音波を送信する超音波送信ステップと、前記被計測物の内部を伝播した前記各周波数の超音波に基づいて前記被計測物における複数の共振周波数を検出する共振周波数検出ステップと、前記共振周波数検出ステップで検出された複数の共振周波数の隣接する２つの共振周波数における周波数間隔をそれぞれ算出する周波数間隔算出ステップと、前記周波数間隔算出ステップで算出された周波数間隔の変動量を算出する変動量算出ステップと、前記変動量算出ステップで算出された変動量に基づいて前記被計測物の内部状態を判定する判定ステップとを有する。
【００１０】
本発明のプログラムは、超音波を送受信して被計測物の内部状態を計測する内部状態計測方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記被計測物に対して、所定の周波数領域における各周波数の超音波を送信する超音波送信ステップと、前記被計測物の内部を伝播した前記各周波数の超音波に基づいて前記被計測物における複数の共振周波数を検出する共振周波数検出ステップと、前記共振周波数検出ステップで検出された複数の共振周波数の隣接する２つの共振周波数における周波数間隔をそれぞれ算出する周波数間隔算出ステップと、前記周波数間隔算出ステップで算出された周波数間隔の変動量を算出する変動量算出ステップと、前記変動量算出ステップで算出された変動量に基づいて前記被計測物の内部状態を判定する判定ステップとをコンピュータに実行させるためのものである。
【００１１】
本発明のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、前記プログラムを記憶する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被計測物の内部温度分布や厚み等の影響を受けずに、被計測物の内部状態を精度良く計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照して説明を行う。なお、以下の説明においては、被計測物として連続鋳造により製造される鋼板を適用し、また、計測対象の鋼板の内部状態として鋼板の内部に液層部（溶鋼部）があるか否かを計測する例について記述する。
【００１４】
−本発明の骨子−
まず、具体的な実施形態を説明する前に、本発明の骨子について説明する。
本発明者は、被計測物の内部温度分布や厚み等の影響を受けずに、被計測物の内部状態を精度良く計測することを実現するために、まず、超音波の共振周波数に着目することにした。この超音波の共振周波数に関して、図１を用いて以下に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の概念を説明するための模式図である。
図１（ａ）に示すように、本発明では、まず、超音波送受信装置から、被計測物（鋼板）２００における表面の所定位置（計測位置）に各周波数の超音波（具体的には、縦波超音波）を厚みＤの方向に送信し、被計測物（鋼板）２００の内部を伝播した各周波数の超音波を前記所定位置で超音波送受信装置により受信する。これにより、超音波の周波数と振幅との関係から複数の共振周波数（図１（ｂ）に示すｆ1〜ｆ4）を検出できる。
【００１６】
そして、本発明者は、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部２００ａがないサンプルと、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部２００ａがあるサンプルを用いて、それぞれのサンプルについて、図１（ａ）に示す計測システムを用いて超音波の共振周波数の検出を行った。この検出結果を、図１（ｂ）に示す。
【００１７】
図１（ｂ）に示す結果から、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部２００ａがないサンプルでは、共振周波数（ｆ1〜ｆ4）における周波数間隔Δｆがほぼ一定である結果が得られた。一方、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部２００ａがあるサンプルでは、共振周波数（ｆ1〜ｆ4）における周波数間隔Δｆが共振周波数によって大きくなったり小さくなったりする結果が得られた。具体的に、図１（ｂ）では、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部２００ａがあるサンプルにおいて、共振周波数ｆ1とｆ2との周波数間隔が小さくなっており、共振周波数ｆ3とｆ4との周波数間隔が大きくなっている。
【００１８】
そこで、本発明者は、図１（ｂ）に示す結果から、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量に着目し、この変動量を用いることで、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部（溶鋼部）２００ａがあるか否かを計測することを思料した。
【００１９】
以下に、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部２００ａがある場合に、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動が発生するメカニズムについて説明する。
【００２０】
被計測物（鋼板）２００に超音波を送信する際に、送信する周波数を制御して送信すると、厚みＤの２倍が超音波の波長λの整数倍（この整数を「ｎ」とする）の条件において共振状態となり、強い受信信号が得られる。この際、共振周波数ｆnは、下記の数式１で表される。
２Ｄ＝ｎλ＝ｎＶ／ｆn  ・・・（数式１）
ここで、Ｖは、被計測物（鋼板）２００の内部を伝播する超音波の音速である。
【００２１】
また、それぞれの共振周波数の周波数間隔Δｆは、下記の数式２で表される。
Δｆ＝ｆn+1−ｆn＝Ｖ／（２Ｄ）  ・・・（数式２）
【００２２】
この数式２から被計測物（鋼板）２００の内部を伝播する超音波の音速Ｖが変化すると、共振周波数の周波数間隔Δｆが変化（即ち、変動）することが分かる。この点、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部２００ａがない場合には、被計測物（鋼板）２００の内部が固層部のみで形成されているため、超音波の音速Ｖがほぼ一定となり、共振周波数における周波数間隔Δｆも変動せずにほぼ一定となると考えられる。
【００２３】
一方、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部２００ａがある場合には、被計測物（鋼板）２００の内部が固層部と液層部２００ａで形成されており、固層部と液層部２００ａとでは超音波の音速Ｖが大きく異なるため、共振周波数における周波数間隔Δｆが大きく変動すると考えられる。また、この場合、周波数間隔Δｆが共振周波数によって大きくなったり小さくなったりする事象については、液層部２００ａの位置が、超音波の定在波における腹に位置するか節に位置するかによって生じると考えられる。
【００２４】
次に、本発明者は、被計測物（鋼板）２００の内部状態を計測する際のパラメータである共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量と、被計測物（鋼板）２００の内部温度分布及び被計測物（鋼板）２００の厚みＤとの関係について調査した。
【００２５】
図２は、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量と被計測物（鋼板）２００の厚みＤとの関係を示す特性図である。具体的に、図２は、横軸に周波数、縦軸に共振周波数の周波数間隔Δｆを採り、被計測物（鋼板）２００として固層部のみからなる鋼板の厚みＤを２５０ｍｍ、２７０ｍｍ及び２９０ｍｍとした際のシミュレーションによる特性が示されている。なお、図２に示す各板厚の鋼板における内部温度分布については、それぞれ、同じ条件（具体的には、鋼板の表面及び裏面の温度を９００℃、鋼板内部の中央部の温度を１４００℃）としている。
【００２６】
図２において、各板厚の鋼板における共振周波数の周波数間隔Δｆに注目すると、各板厚ともに、周波数が０．１ＭＨｚ以上の周波数領域（所定の周波数領域）では、共振周波数の周波数間隔Δｆに大幅な変動が見られなかった。この結果から、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量を、被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測パラメータとすることは、被計測物（鋼板）２００の厚みＤによる影響を受けずに、精度良く計測を行えることが分かる。
【００２７】
図３は、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量と被計測物（鋼板）２００の内部温度分布との関係を示す特性図である。具体的に、図３は、横軸に周波数、縦軸に共振周波数の周波数間隔Δｆを採り、被計測物（鋼板）２００として固層部のみからなる鋼板の内部温度分布を９００℃〜１５３０℃、９００℃〜１４００℃及び９００℃〜１２００℃とした際のシミュレーションによる特性が示されている。ここで、内部温度分布が９００℃〜１５３０℃の鋼板とは、鋼板の表面及び裏面の温度が９００℃、鋼板内部の中央部の温度が１５３０℃のものを示している。なお、図３に示す各内部温度分布の鋼板における厚みＤについては、それぞれ、同じ条件（具体的には、厚みＤを２５０ｍｍ）としている。
【００２８】
図３において、各内部温度分布の鋼板における共振周波数の周波数間隔Δｆに注目すると、各内部温度分布ともに、周波数が０．１ＭＨｚ以上の周波数領域（所定の周波数領域）では、共振周波数の周波数間隔Δｆに大幅な変動が見られなかった。この結果から、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量を、被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測パラメータとすることは、被計測物（鋼板）２００の内部温度分布による影響を受けずに、精度良く計測を行えることが分かる。
【００２９】
以上説明したように、本発明では、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量を被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測パラメータとすることにより、被計測物の内部温度分布や厚み等の影響を受けずに、被計測物の内部状態を精度良く計測することを実現するようにした。即ち、本発明の計測方法は、極めてロバスト性の優れた方法であるといえる。
【００３０】
さらに、本発明では、共振周波数を用いて計測を行うため、図１（ａ）に示すように、被計測物（鋼板）２００に対して一方の面（表面）に超音波送受信装置を設ければ計測を行うことができ、図１１に示す従来技術のように、被計測物（鋼板）２００に対して両方の面（表面及び裏面）にそれぞれ超音波送信装置及び超音波受信装置を設ける必要がない。このことは、装置のメンテナンス性の観点から有益である。また、本発明では、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量を被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測パラメータとしているため、当該内部状態の計測に際して、例えば、被計測物（鋼板）２００の厚みＤ等を事前に測定する必要もない。
【００３１】
−本発明の骨子を踏まえた具体的な実施形態−
次に、上述した本発明の骨子を踏まえた具体的な実施形態について説明する。
【００３２】
図４は、本発明の実施形態に係る内部状態計測装置の外観の一例を示す模式図である。
図４に示すように、内部状態計測装置１００は、ＥＭＡＴ（電磁超音波）センサ１１０と、超音波送受信装置１２０と、情報処理装置１３０を有して構成されている。
【００３３】
ＥＭＡＴセンサ１１０は、例えば、被計測物（鋼板）２００に対して磁束を発生させる永久磁石等からなる磁束発生部（不図示）と、通電されるコイル（不図示）とを具備して構成されている。なお、ＥＭＡＴセンサ１１０の耐熱性を持たせるために、図４に示すように、冷却水循環装置１４０にホースで連結された水冷ホルダ１４１にＥＭＡＴセンサ１１０を収納するようにしても良い。
【００３４】
超音波送受信装置１２０は、例えば、ＥＭＡＴセンサ１１０のコイルに対して、所定の周波数領域における各周波数の交流電流を順次送信する。これにより、被計測物（鋼板）２００の表面には、ＥＭＡＴセンサ１１０のコイルに流れる交流電流と逆向きの渦電流が発生し、当該渦電流と被計測物（鋼板）２００内に発生した磁束により力が生じ、これが縦波の超音波振動となって被計測物２００の内部を板厚方向に伝播する。
【００３５】
また、超音波送受信装置１２０は、送信した交流電流の各周波数毎に、被計測物（鋼板）２００の内部を板厚方向に伝播した超音波を、例えば、ＥＭＡＴセンサ１１０のコイル内に発生した誘導起電力として受信する。また、超音波送受信装置１２０は、プリアンプ１２１が設けられており、被計測物（鋼板）２００の内部を板厚方向に伝播した超音波に基づく誘導起電力を増幅して受信できるようになっている。
【００３６】
情報処理装置１３０は、超音波送受信装置１２０における超音波の送信動作及び受信動作を制御すると共に、超音波送受信装置１２０で受信した超音波に基づいて被計測物（鋼板）２００の内部状態を計測する際の各種の処理を行う。また、情報処理装置１３０には、表示部１３１が設けられており、例えば、被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測結果を表示できるようになっている。
【００３７】
図５は、本発明の実施形態に係る内部状態計測装置の内部構成の一例を示す模式図である。ここで、図５には、情報処理装置１３０における各機能動作を示す機能ブロックを示している。なお、図５では、冷却水循環装置１４０及び水冷ホルダ１４１は図示していない。
【００３８】
図５に示すように、情報処理装置１３０は、表示部１３１と、共振周波数検出部１３２と、周波数間隔算出部１３３と、変動量算出部１３４と、閾値記憶部１３５と、内部状態判定部１３６を有して構成されている。
【００３９】
図５に示す情報処理装置１３０において、表示部１３１は、被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測結果を表示したり、当該情報処理装置１３０における動作状況などを表示したりする。
【００４０】
共振周波数検出部１３２は、被計測物（鋼板）２００の内部を伝播し、超音波送受信装置１２０で受信した各周波数の超音波に基づいて、被計測物（鋼板）２００における複数の共振周波数を検出する。
【００４１】
周波数間隔算出部１３３は、共振周波数検出部１３２で検出された複数の共振周波数の隣接する２つの共振周波数における周波数間隔（Δｆ）をそれぞれ算出する。
【００４２】
変動量算出部１３４は、周波数間隔算出部１３３で算出された周波数間隔（Δｆ）の変動量を算出する。具体的に、変動量算出部１３４は、共振周波数の周波数間隔（Δｆ）における変動量として、例えば、周波数間隔算出部１３３で算出された複数の周波数間隔（Δｆ）における所定数の変動量を算出して、当該所定数の変動量を平均化して平均変動量を算出する。
【００４３】
閾値記憶部１３５には、被計測物（鋼板）２００の内部状態を判定する際に用いる閾値が記憶されている。具体的に、本実施形態では、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部（溶鋼部）２００ａがあるか否かを判定する際に用いる閾値が記憶されている。この閾値記憶部１３５に記憶される閾値は、内部に液層部（溶鋼部）２００ａがある鋼板のサンプルと内部に液層部（溶鋼部）２００ａがない鋼板のサンプルとを用いて予め実験又はシミュレーションを行い、これらを分別する値が適用される。
【００４４】
内部状態判定部１３６は、変動量算出部１３４で算出された変動量が閾値記憶部１３５に記憶されている閾値よりも大きいか否かに応じて、被計測物（鋼板）２００の内部状態を判定する。この際、内部状態判定部１３６は、変動量算出部１３４により算出された平均変動量を用いて、被計測物（鋼板）２００の内部状態、即ち、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部（溶鋼部）２００ａがあるか否かを判定する。
【００４５】
そして、内部状態判定部１３６により判定された被計測物（鋼板）２００の内部状態の結果は、情報処理装置１３０の制御により、表示部１３１に表示される。
【００４６】
次に、内部状態計測装置１００による具体的な内部状態計測方法について説明する。
図６は、本発明の実施形態に係る内部状態計測装置による内部状態計測方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。なお、図６に示すフローチャートの以下の説明においては、図５に示す内部状態計測装置１００の内部構成図を参照しながら説明する。
【００４７】
まず、図６のステップＳ１０１において、超音波送受信装置１２０は、情報処理装置１３０の制御により、ＥＭＡＴセンサ１１０を介して被計測物（鋼板）２００の表面の所定位置（計測位置）に対して所定の周波数領域における各周波数の縦波の超音波を送信する。
【００４８】
続いて、ステップＳ１０２において、超音波送受信装置１２０は、前記所定の周波数領域の各周波数毎に、被計測物（鋼板）２００の内部を板厚方向に伝播した縦波の超音波を、例えば、ＥＭＡＴセンサ１１０のコイル内に発生した誘導起電力として受信する。
【００４９】
続いて、ステップＳ１０３において、情報処理装置１３０の共振周波数検出部１３２は、超音波送受信装置１２０で受信した各周波数の超音波に基づいて、被計測物（鋼板）２００における複数の共振周波数を検出する。具体的に、共振周波数検出部１３２は、超音波送受信装置１２０で受信した各周波数の超音波に基づいて、各周波数毎に当該受信した超音波における波形のエネルギー値を算出し、算出した各周波数毎のエネルギー値から被計測物（鋼板）２００における複数の共振周波数を検出する。以下に、共振周波数検出部１３２における共振周波数の具体的な検出方法について説明する。
【００５０】
図７は、本発明の実施形態を示し、周波数ｆｍの受信超音波における波形のエネルギー値の算出方法を示す模式図である。
図７には、上から、被計測物（鋼板）２００に対して送信された超音波の送信波形、当該送信波形と共に超音波の送信後に被計測物（鋼板）２００から受信した超音波の受信波形、当該受信波形のエネルギー値を算出する期間を指示するゲート信号の各タイムチャートが示されている。ここで、受信波形に示されているＳi及びＳi+1は、データとして用いるサンプリングポイントを示しており、また、ゲート信号は、情報処理装置１３０から指示される。
【００５１】
図７に示すゲート信号で指示された期間において、共振周波数検出部１３２は、図７に示されたエネルギー値Ｐｍの数式に基づき、周波数ｆｍの超音波における受信波形のエネルギー値を算出する。この際に算出される受信波形のエネルギー値は、図７に示す受信波形の斜線部の面積に相当する。そして、共振周波数検出部１３２は、この受信波形のエネルギー値の算出を、前記所定の周波数領域における各周波数毎に行う。
【００５２】
図８は、本発明の実施形態を示し、共振周波数検出部１３２において各周波数毎に算出した受信波形のエネルギー値の一例を示す模式図である。ここで、図８は、前記所定の周波数領域を０．３７ＭＨｚ〜０．４５ＭＨｚとし、また、被計測物（鋼板）２００として、固層部のみからなり厚みＤが２５０ｍｍの鋼板を適用した場合の例を示している。また、図８は、図１（ｂ）の縦軸における受信超音波の振幅として、受信超音波の受信波形のエネルギー値を適用した場合の例を示している。
【００５３】
共振周波数検出部１３２は、図８に示す受信波形のエネルギー値における極大値（図８のＰ１〜Ｐ８）を抽出し、当該極大値における周波数を共振周波数として、被計測物（鋼板）２００における複数の共振周波数（例えば、図８のｆ1、ｆ2、ｆ3、・・・、ｆ8）を検出する。
【００５４】
続いて、ステップＳ１０４において、情報処理装置１３０の周波数間隔算出部１３３は、共振周波数検出部１３２で検出された複数の共振周波数の隣接する２つの共振周波数における周波数間隔（例えば、図８のΔｆ1、Δｆ2、・・・、Δｆ7）をそれぞれ算出する。
【００５５】
続いて、ステップＳ１０５において、情報処理装置１３０の変動量算出部１３４は、周波数間隔算出部１３３で算出された周波数間隔の変動量Ｈを算出する。具体的に、変動量算出部１３４は、共振周波数の周波数間隔の変動量Ｈとして、例えば、周波数間隔算出部１３３で算出された複数の周波数間隔における所定数の変動量を算出して、当該所定数の変動量を平均化して平均変動量を算出する。
【００５６】
この平均変動量の算出について、図８を用いてより詳細に説明をする。
変動量算出部１３４は、まず、共振周波数ｆ1とｆ2との周波数間隔Δｆ1、及び、共振周波数ｆ2とｆ3との周波数間隔Δｆ2を用いて、第１の変動量Ｈ1を下記の数式３により算出する。
Ｈ1＝｜Δｆ1−Δｆ2｜  ・・・（数式３）
【００５７】
同様にして、変動量算出部１３４は、周波数間隔Δｆ2及び周波数間隔Δｆ3を用いて第２の変動量Ｈ2を算出し、周波数間隔Δｆ3及び周波数間隔Δｆ4を用いて第３の変動量Ｈ3を算出し、周波数間隔Δｆ4及び周波数間隔Δｆ5を用いて第４の変動量Ｈ4を算出し、周波数間隔Δｆ5及び周波数間隔Δｆ6を用いて第５の変動量Ｈ5を算出し、周波数間隔Δｆ6及び周波数間隔Δｆ7を用いて第６の変動量Ｈ6を算出する。このように、本例では、第１の変動量Ｈ1〜第６の変動量Ｈ6までの合計６個の変動量を算出する。
【００５８】
そして、本例の場合、変動量算出部１３４は、共振周波数の周波数間隔の変動量Ｈとして、下記の数式４により、各変動量を平均化して平均変動量を算出する。
Ｈ＝（Ｈ1＋Ｈ2＋Ｈ3＋Ｈ4＋Ｈ5＋Ｈ6）／６  ・・・（数式４）
【００５９】
なお、本例では、図８に基づいて第１の変動量Ｈ1〜第６の変動量Ｈ6までの合計６個の変動量を平均化して平均変動量を算出するようにしているが、これは例示であって、例えば、１０個以上の変動量を平均化して平均変動量を算出するようにしてもよい。
【００６０】
続いて、ステップＳ１０６において、情報処理装置１３０の内部状態判定部１３６は、変動量算出部１３４で算出された変動量（平均変動量）Ｈに基づいて、即ち、変動量算出部１３４で算出された変動量（平均変動量）Ｈが閾値記憶部１３５に記憶されている閾値よりも大きいか否かに応じて、被計測物（鋼板）２００の内部状態を判定する。
【００６１】
具体的に、本実施形態では、内部状態判定部１３６は、変動量算出部１３４で算出された変動量が閾値記憶部１３５に記憶されている閾値よりも大きい場合には、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部（溶鋼部）２００ａがあると判定する。逆に、内部状態判定部１３６は、変動量算出部１３４で算出された変動量が閾値記憶部１３５に記憶されている閾値よりも大きくない（即ち、以下である）場合には、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部（溶鋼部）２００ａがないと判定する。
【００６２】
続いて、ステップＳ１０７において、情報処理装置１３０は、内部状態判定部１３６で判定された被計測物（鋼板）２００の内部状態の結果を、表示部１３１に表示する。具体的に、本実施形態では、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部（溶鋼部）２００ａがあるか否かの計測結果が表示部１３１に表示される。これにより、計測者は、表示部１３１に表示された計測結果を視認することで、被計測物（鋼板）２００の内部状態を把握することができる。
【００６３】
以上のステップＳ１０１〜ステップＳ１０７の処理を経ることにより、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量を計測パラメータとする、被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測方法が実行される。
【００６４】
次に、被計測物（鋼板）２００として、内部に液層部２００ａがない固層部のみからなる鋼板のサンプルと、内部に液層部２００ａがある鋼板のサンプルとを用いたシミュレーションの結果について説明する。
【００６５】
図９は、本発明の実施形態を示し、被計測物２００として、内部に液層部２００ａがない固層部のみからなる鋼板のサンプルと、内部に液層部２００ａがある鋼板のサンプルとを用いたシミュレーションの結果を示す模式図である。
【００６６】
この図９において、横軸は、超音波送受信装置１２０で受信した（或いは、超音波送受信装置１２０から送信された）超音波の所定の周波数領域（図９に示す例では、周波数０．１ＭＨｚ〜０．７ＭＨｚの領域）における周波数を示している。また、この図９において、縦軸は、周波数間隔算出部１３３において算出される共振周波数の周波数間隔（Δｆ）を示している。また、図９中の○は、内部に液層部２００ａがない固層部のみからなる鋼板のサンプルにおける共振周波数の周波数間隔を示し、図９中の●は、内部に液層部２００ａがある鋼板のサンプルにおける共振周波数の周波数間隔を示している。また、図９に示すシミュレーションにおいては、鋼板の厚みＤを２５０ｍｍとし、また、内部に液層部２００ａがある鋼板のサンプルについては、当該液層部２００ａの厚みを３０ｍｍとして行った。
【００６７】
ここで、図１０を用いて、図９に示すシミュレーションにおける処理内容を詳細に説明する。
【００６８】
図１０は、図９に示すシミュレーションにおける処理内容を説明するための被計測物（鋼板）２００の模式図である。
【００６９】
図９に示すシミュレーションでは、まず、図１０に示すように、被計測物２００をＭ枚の層に分割して、Ｍ層複合板として考える。超音波送受信装置１２０からＥＭＡＴセンサ１１０を介して送信された超音波が被計測物２００の表面（ｚ＝０）及び裏面（ｚ＝ｚM）の間を多重反射している状態では、第ｍ層における超音波振幅Ｕmは上下に進行する２つの波の和として与えられると考えることができ、以下の数式５のように表せる。
【００７０】
【数１】
2009068914.tif 000003
【００７１】
数式５において、ｋmは第ｍ層における超音波の波数を示し、ｋm＝２πｆ／Ｖmで表せる。この際、Ｖmは第ｍ層における超音波の速度を示す。また、αm（ｆ）は第ｍ層における超音波の減衰定数を示し、ｆはその周波数を示す。この際、超音波の速度Ｖmや超音波の減衰定数αm（ｆ）等については、固層部と液層部２００ａとで異なる値が設定される。また、ｚは第１層の表面（被計測物２００の表面）からの距離を示し、第ｍ層と第ｍ＋１層との境界の位置はｚmとなる。また、Ａm、Ｂmは複素定数を示し、ｊ＝√（−１）は虚数単位を示す。
【００７２】
そして以下の［１］〜［３］に示す境界条件を規定する。
［１］第ｍ層と第ｍ＋１層との境界（ｚ＝ｚm）において、両層における超音波の粒子速度と応力が等しい。
［２］被計測物２００の表面（第１層の表面：ｚ＝０）に単位強さの超音波源があるとして、その表面における応力を１（Ｐａ）とする。
［３］被計測物２００の裏面（ｚ＝ｚM）は自由表面とし、そこでの応力を０とする。
【００７３】
上述した［１］〜［３］の境界条件を数式５にあてはめると、以下の数式６〜数式８に示すような、Ａ1、Ｂ1、ＡM、ＢMに関する連立１次方程式が得られ、それらを求めることができる。
【００７４】
【数２】
2009068914.tif 000004
【００７５】
そして、他の全てのＡm、Ｂmも、Ａ1、Ｂ1、ＡM、ＢMと境界条件により求めることができる。被計測物２００の表面（第１層の表面：ｚ＝０）における振幅は｜Ａ1＋Ｂ1｜である。よって、被計測物２００の表面に対して所定の周波数領域における各周波数の超音波を送信した際に、被計測物２００の表面における各周波数毎の振幅を算出することができる。
【００７６】
図９に示すシミュレーションでは、例えば、図１０において、被計測物２００の表面（ｚ＝０）に、超音波送受信装置１２０から超音波を送信するようにする。ここで、被計測物２００の分割数Ｍは、各分割層における音速ができるだけなめらかに変化している状況に近づけるために、例えば、Ｍ＝１０１のように大きくとることが望ましい。そして、上述した数式５〜数式８による演算処理を行うことにより、各被計測物において、当該各被計測物の内部を伝播した各周波数における超音波の振幅｜Ａ1＋Ｂ1｜の大きさを算出する。
【００７７】
これにより、例えば、図１（ｂ）に示すような横軸を超音波の周波数とし、縦軸を超音波の振幅とした特性を取得することができ、この特性から共振周波数の検出、及び、検出した共振周波数における周波数間隔の算出がなされて、図９のシミュレーション結果が得られる。
【００７８】
ここで、再び、図９の説明に戻る。
上述したように、図９中の○及び●は、各サンプルにおける共振周波数の周波数間隔を示しているため、○と○とを結ぶ線分及び●と●とを結ぶ線分は、それぞれ、共振周波数における周波数間隔の変動量を表していることになる。
【００７９】
この図９に示すシミュレーション結果から、内部に液層部２００ａがない固層部のみからなる鋼板のサンプルでは、図９中の○で示すように、共振周波数における周波数間隔の変動がほとんど発生せずに、ほぼ一定であることが分かる（周波数０．１ＭＨｚ〜０．７ＭＨｚの範囲で変動幅が約０．０５ｋＨｚ）。
【００８０】
一方、内部に液層部２００ａがある鋼板のサンプルでは、図９中の●で示すように、共振周波数における周波数間隔の変動が、内部に液層部２００ａがない固層部のみからなる鋼板のサンプルに比べて、著しく大きいことが分かる（周波数０．１ＭＨｚ〜０．７ＭＨｚの範囲で変動幅が約１．５ｋＨｚ）。
【００８１】
本実施形態では、内部状態判定部１３６は、変動量算出部１３４で算出された平均変動量を用いて内部状態の判定を行う形態であるため、例えば、図９に示す例では、閾値を０．２ｋＨｚ程度に設定すれば、内部に液層部（溶鋼部）２００ａがある鋼板と内部に液層部（溶鋼部）２００ａがない鋼板とを分別できると考えられる。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態の内部状態計測装置１００では、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量を被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測パラメータとするようにしたので、被計測物の内部温度分布や厚み等の影響を受けずに、被計測物の内部状態を精度良く計測することができる。さらに、共振周波数における周波数間隔Δｆの変動量を被計測物（鋼板）２００の内部状態の計測パラメータとするようにしたので、当該内部状態の計測に際して、例えば、被計測物（鋼板）２００の厚みＤ等を事前に測定する必要がなく、当該計測に係る処理を簡素化することができる。
【００８３】
また、本実施形態の内部状態計測装置１００では、共振周波数を用いて計測を行うようにしたので、被計測物（鋼板）２００に対して一方の面（表面）に超音波送受信装置を設ければ計測を行うことができ、例えば、図１１に示す従来技術と比較して、装置のメンテナンス性の向上を図ることができる。また、本実施形態の内部状態計測装置１００では、縦波の超音波を用いて計測を行うようにしたので、横波の超音波を用いた場合と比較して、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部（溶鋼部）２００ａがあっても当該超音波を進行させて被計測物（鋼板）２００における適性な共振周波数の検出が行えると共に、発生効率を高めるために被計測物（鋼板）２００を冷却する必要もない。
【００８４】
なお、上述した本実施形態では、変動量算出部１３４で共振周波数の周波数間隔における変動量を算出する際に、所定数の変動量を算出して当該所定数の変動量を平均化して平均変動量を算出するようにしているが、例えば、算出した所定数の変動量のうち、上限値と下限値との変動幅を共振周波数の周波数間隔における変動量として用いる形態であってもよい。
【００８５】
また、本実施形態では、被計測物（鋼板）２００の内部状態として、被計測物（鋼板）２００の内部に液層部（溶鋼部）があるか否かを計測する例について記述したが、本発明においてはこれに限定されるものではない。例えば、被計測物（鋼板）２００の内部状態として、鋼板以外のアルミや銅など非鉄金属材の内部の液層部の有無を計測する形態も本発明に適用することができる。
【００８６】
前述した本実施形態に係る内部状態計測装置１００を構成する図５の各構成部、並びに当該内部状態計測装置１００による内部状態計測方法を示す図６の各ステップは、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明に含まれる。
【００８７】
具体的に、前記プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記憶媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。前記プログラムを記録する記憶媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、前記プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等）システムにおける通信媒体を用いることができる。また、この際の通信媒体としては、光ファイバ等の有線回線や無線回線などが挙げられる。
【００８８】
また、本発明は、コンピュータが供給されたプログラムを実行することにより本実施形態に係る内部状態計測装置１００の機能が実現される態様に限られない。そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）或いは他のアプリケーションソフト等と共同して本実施形態に係る内部状態計測装置１００の機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発明に含まれる。また、供給されたプログラムの処理の全て、或いは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて本実施形態に係る内部状態計測装置１００の機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発明に含まれる。
【００８９】
また、前述した本実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の概念を説明するための模式図である。
【図２】共振周波数における周波数間隔の変動量と被計測物（鋼板）の厚みとの関係を示す特性図である。
【図３】共振周波数における周波数間隔の変動量と被計測物（鋼板）の内部温度分布との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の実施形態に係る内部状態計測装置の外観の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態に係る内部状態計測装置の内部構成の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る内部状態計測装置による内部状態計測方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態を示し、周波数ｆｍの受信超音波における波形のエネルギー値の算出方法を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態を示し、共振周波数検出部において各周波数毎に算出した受信波形のエネルギー値の一例を示す模式図である。
【図９】本発明の実施形態を示し、被計測物として、内部に液層部がない固層部のみからなる鋼板のサンプルと、内部に液層部がある鋼板のサンプルとを用いたシミュレーションの結果を示す模式図である。
【図１０】図９に示すシミュレーションにおける処理内容を説明するための被計測物（鋼板）の模式図である。
【図１１】従来技術における被計測物の内部状態の計測方法を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９１】
１００  内部状態計測装置
１１０  ＥＭＡＴ（電磁超音波）センサ
１２０  超音波送受信装置
１２１  プリアンプ
１３０  情報処理装置
１３１  表示部
１３２  共振周波数検出部
１３３  周波数間隔算出部
１３４  変動量算出部
１３５  閾値記憶部
１３６  内部状態判定部
１４０  冷却水循環装置
１４１  水冷ホルダ
２００  被計測物（鋼板）
２００ａ  液層部（溶鋼部）
【図１】
2009068914.tif 000005
【図２】
2009068914.tif 000006
【図３】
2009068914.tif 000007
【図４】
2009068914.tif 000008
【図５】
2009068914.tif 000009
【図６】
2009068914.tif 000010
【図７】
2009068914.tif 000011
【図８】
2009068914.tif 000012
【図９】
2009068914.tif 000013
【図１０】
2009068914.tif 000014
【図１１】
2009068914.tif 000015