(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の内部温度を測定する内部温度分布測定装置であって、
周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる超音波発生手段と、
前記超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置に、第三レーザビームを導くと共に、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得するビーム取得手段と、
前記ビーム取得手段で取得された前記第三レーザビームに基づいて、前記超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する周波数変化検出手段と、
前記周波数変化検出手段で検出された前記第三レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて前記超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める演算手段と、
を備え、前記超音波の発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、前記演算手段は、前記超音波発生手段が前記各進行方向に前記超音波を発生させる度に当該進行方向に発生した前記超音波の伝播時間を求めると共に、前記各進行方向に発生した前記超音波の伝播時間に基づいて前記各層における前記超音波の音速を算出し、その算出した前記各層における前記超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求めることを特徴とする内部温度分布測定装置。
【請求項２】
前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とする請求項１記載の内部温度分布測定装置。
【請求項３】
前記超音波発生手段は、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記超音波の発生時の進行方向を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の内部温度分布測定装置。
【請求項４】
前記ビーム取得手段は、前記超音波発生手段によって前記測定対象物の内部に発生された前記超音波のうち縦波の超音波が前記測定対象物の表面に戻ってきた位置に、前記第三レーザビームを導くことを特徴とする請求項１、２又は３記載の内部温度分布測定装置。
【請求項５】
板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の内部温度を測定する内部温度分布測定方法であって、
周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる第一ステップと、
前記超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置に、第三レーザビームを導くと共に、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得する第二ステップと、
前記第二ステップで取得された前記第三レーザビームに基づいて、前記超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する第三ステップと、
前記第三ステップで検出された前記第三レーザビームの周波数の変化を表す波形データに基づいて前記超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第四ステップと、
前記超音波の発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定された前記各進行方向に前記超音波を順に発生させて、前記第一ステップから前記第四ステップまでを繰り返すことにより、前記各進行方向に発生した前記超音波の伝播時間を得る第五ステップと、
前記各進行方向に発生した前記超音波の伝播時間に基づいて前記各層における前記超音波の音速を算出する第六ステップと、
前記第六ステップで算出された前記各層における前記超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求める第七ステップと、
を具備することを特徴とする内部温度分布測定方法。
【請求項６】
前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とする請求項５記載の内部温度分布測定方法。
【請求項７】
前記第一ステップでは、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記超音波の発生時の進行方向を制御することを特徴とする請求項５又は６記載の内部温度分布測定方法。
【請求項８】
前記第二ステップでは、前記第一ステップにおいて前記測定対象物の内部に発生させた前記超音波のうち縦波の超音波が前記測定対象物の表面に戻ってきた位置に、前記第三レーザビームを導くことを特徴とする請求項５、６又は７記載の内部温度分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鋼材の内部温度分布を非接触で測定する内部温度分布測定装置及び内部温度分布測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、熱間の厚板製造プロセスにおいては、制御圧延の圧下条件や冷却条件をコントロールすることにより、所望の仕様特性を有する厚板を製造している。
【０００３】
このとき、厚板の温度情報は、圧下条件や冷却条件をコントロールする上でとても重要である。従来は、放射温度計などを用いて厚板の表面温度を測定すると共に、シミュレーション等のモデル計算を行って厚板の内部温度を推定することにより、厚板の温度情報を得ていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、上述のように、厚板の内部温度については、モデル計算による推定値しか得られないため、実際の内部温度分布との誤差が大きく、所望の仕様特性を有する厚板を製造できない場合があった。特に、板厚が厚くなるほど、板厚中心部の組織や材質制御が問題となる。中心偏析の影響や圧延歪みが板厚中心部に及び難く、また、中心部の温度がとても高いことが、その理由である。したがって、厚板の内部温度について正確な情報が得られれば、より良い制御圧延が可能になる。
【０００５】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、測定対象物の内部温度分布を正確に測定することができる内部温度分布測定装置及び内部温度分布測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の内部温度を測定する内部温度分布測定装置であって、周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる超音波発生手段と、前記超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置に、第三レーザビームを導くと共に、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得するビーム取得手段と、前記ビーム取得手段で取得された前記第三レーザビームに基づいて、前記超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する周波数変化検出手段と、前記周波数変化検出手段で検出された前記第三レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて前記超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める演算手段と、を備え、前記超音波の発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、前記演算手段は、前記超音波発生手段が前記各進行方向に前記超音波を発生させる度に当該進行方向に発生した前記超音波の伝播時間を求めると共に、前記各進行方向に発生した前記超音波の伝播時間に基づいて前記各層における前記超音波の音速を算出し、その算出した前記各層における前記超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求めることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の内部温度分布測定装置において、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の内部温度分布測定装置において、前記超音波発生手段は、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記超音波の発生時の進行方向を制御することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の内部温度分布測定装置において、前記ビーム取得手段は、前記超音波発生手段によって前記測定対象物の内部に発生された前記超音波のうち縦波の超音波が前記測定対象物の表面に戻ってきた位置に、前記第三レーザビームを導くことを特徴とするものである。
【００１０】
また、上記の目的を達成するための請求項５記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の内部温度を測定する内部温度分布測定方法であって、周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる第一ステップと、前記超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置に、第三レーザビームを導くと共に、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得する第二ステップと、前記第二ステップで取得された前記第三レーザビームに基づいて、前記超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する第三ステップと、前記第三ステップで検出された前記第三レーザビームの周波数の変化を表す波形データに基づいて前記超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第四ステップと、前記超音波の発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定された前記各進行方向に前記超音波を順に発生させて、前記第一ステップから前記第四ステップまでを繰り返すことにより、前記各進行方向に発生した前記超音波の伝播時間を得る第五ステップと、前記各進行方向に発生した前記超音波の伝播時間に基づいて前記各層における前記超音波の音速を算出する第六ステップと、前記第六ステップで算出された前記各層における前記超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求める第七ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の内部温度分布測定方法において、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の内部温度分布測定方法において、前記第一ステップでは、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記超音波の発生時の進行方向を制御することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項８記載の発明は、請求項５、６又は７記載の内部温度分布測定方法において、前記第二ステップでは、前記第一ステップにおいて前記測定対象物の内部に発生させた前記超音波のうち縦波の超音波が前記測定対象物の表面に戻ってきた位置に、前記第三レーザビームを導くことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態である内部温度分布測定装置の概略構成図、図２はある鋼材についての内部温度と縦波音速との関係を示すグラフである。
【００１５】
本実施形態の内部温度分布測定装置は、測定対象物の内部の温度分布を非接触で測定するものである。ここで、測定対象物としては、例えば、製鉄所において、熱間プロセスにより製造される板状の鋼材（厚板）を想定している。かかる厚板の表面温度は、通常、７００℃ぐらいである。特に、本実施形態では、厚板をその厚さ方向に沿って複数の層に区分して考え、ある測定位置において各層の平均温度を算出することにより、厚板の内部温度分布を求めることにする。
【００１６】
ところで、よく知られているように、各種の鋼材では、その内部温度とその内部を伝播する縦波の音速との間に密接な関係がある。図２にある鋼材についての内部温度と縦波の音速との関係の一例を示す。図２において、横軸は鋼材の内部温度、縦軸は縦波の音速である。このグラフから、縦波の音速が遅いほど、鋼材の内部温度は高いという傾向があることが分かる。本実施形態の内部温度分布測定装置では、厚板の各層における縦波の速度を求めた後、図２に示すような内部温度と縦波音速との関係を利用して、厚板の内部温度を求めることにする。このとき、厚板の各層における縦波の音速はレーザ超音波法を用いて算出する。
【００１７】
本実施形態の内部温度分布測定装置は、図１に示すように、超音波発生用レーザ１０と、超音波発生部２０と、超音波検出用レーザ３０と、二つの集光レンズ４１，４２と、二つの光ファイバ５１，５２と、ビーム取得部６０と、ファブリ・ペロー干渉計（周波数変化検出手段）７０と、光検出器８０と、コンピュータ（演算手段）９０とを備える。
【００１８】
超音波発生用レーザ１０は、測定対象物２内に超音波を励起させるためのレーザである。超音波発生用レーザ１０としては、例えばＹＡＧレーザやＣＯ２レーザなどの高エネルギーパルスレーザを使用する。以下では、この超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームの周波数をｆ１、その波長をλ１とする。
【００１９】
超音波発生部２０は、干渉縞走査法を用いて、測定対象物２の内部に、その表面に対して斜めに進行する超音波を発生させるものである。この超音波発生部２０は、ビームスプリッタ２１と、ミラー２２と、音響光学素子２３とを有する。
【００２０】
超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームは、ビームスプリッタ２１によって、ビームスプリッタ２１で反射される第一レーザビームＬ１と、ビームスプリッタ２１を透過する第二レーザビームＬ２とに分けられる。第一レーザビームＬ１はそのまま測定対象物２の表面に入射する。一方、第二レーザビームＬ２は、ミラー２２で反射された後、音響光学素子２３に入射する。
【００２１】
音響光学素子２３は、音響光学効果（acousto-optic effect）を利用した素子であり、ここでは、周波数シフタとして利用する。音響光学素子２３に適当な周波数の電気信号を与えると、音響光学素子２３の内部に設けられた媒体が超音波振動を行い、弾性歪みや圧力が場所によって変化する。これにより、その媒体には屈折率変動が生じ、外部からの光がこの屈折率の変動領域に入射すると、その光は回折を起こす。このとき、その回折した光は超音波振動に起因するドップラーシフトを受け、一次回折光の周波数は、元の入射光の周波数から超音波の周波数分だけシフトした値となる。したがって、音響光学素子２３から出射される第二レーザビームＬ２の周波数は、元の周波数ｆ１からシフトする。こうして周波数がシフトした第二レーザビームＬ２は、測定対象物２の表面に入射する。ここで、周波数がシフトした第二レーザビームＬ２の周波数をｆ２とする。
【００２２】
次に、干渉縞走査法について説明する。図３は干渉縞走査法の原理を説明するための図、図４は本実施形態の内部温度分布測定装置における超音波発生部２０の具体的な構成を説明するための図である。
【００２３】
ここでは、図３に示すように、ビームスプリッタ２１で反射した第一レーザビームＬ１は、測定対象物２の厚さ方向（測定対象物表面の法線方向）に対して角度（入射角度）θをもって測定対象物２に入射するものとする。一方、音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２は、第一レーザビームＬ１とは反対側から、測定対象物２の厚さ方向に対して角度（入射角度）θをもって、第一レーザビームＬ１の照射位置と同一の照射位置に入射するものとする。すなわち、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは互いに角度２θをなして測定対象物２上の同じ位置に照射される。また、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは、測定対象物２の幅方向に垂直な同一平面内にあるものとする。
【００２４】
このような状況で、ビームスプリッタ２１で反射した第一レーザビームＬ１と音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２とが測定対象物２上の同一位置に照射されると、二つのビームは干渉しあい、光波が強め合うところと弱め合うところが交互に現れる干渉縞を生じる。しかも、二つのレーザビームＬ１，Ｌ２の光周波数がわずかに異なることから、この干渉縞は測定対象物２の表面上を移動する。ここで、干渉縞の移動方向は測定対象物２の圧延方向である。また、干渉縞の走査速度ＶＲ、干渉縞の波長λａｃｏは、
ＶＲ＝λ１・（ｆ２−ｆ１）／２sinθ
λａｃｏ＝λ１／２sinθ
で与えられる。
【００２５】
干渉によって生じる干渉縞は熱応力のパターンに対応するので、このパターンに応じた超音波が発生する。この超音波の波長は、干渉縞の波長λａｃｏと同じである。特に、干渉縞の走査速度ＶＲを測定対象物２の内部における超音波の音速よりも大きくすることによって、測定対象物２の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させることができる。このとき、縦波超音波と横波超音波が同時に発生する。かかる超音波は、測定対象物２の幅方向に垂直な平面内を進行する。本実施形態では、超音波のうち縦波だけを考えることにする。図２に示す内部温度と縦波音速との関係から温度を求める際には、縦波についての情報を得れば十分だからである。
【００２６】
この縦波についてその発生時の進行方向角度（測定対象物２の厚さ方向に対する角度）をφ、そのときの測定対象物２の内部における縦波の音速をＶＬ０とすると、
φ＝sin−１（ＶＬ０／ＶＲ）
という関係がある。したがって、干渉縞の走査速度ＶＲ、すなわち、入射角度θあるいは周波数差ｆ２−ｆ１を調整することによって、縦波の発生時の進行方向角度φを制御することができる。
【００２７】
尚、横波の発生時における進行方向角度は、上式において、縦波の音速を横波の音速で置き換えた式によって与えられる。
【００２８】
ところで、後に詳述するが、測定対象物２の各層における縦波の音速を求めるには、その縦波の発生時の進行方向角度を層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定した各進行方向角度に縦波を発生させる度に、各進行方向角度に発生した縦波が測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を測定する必要がある。このため、縦波の発生時の進行方向角度φを制御する必要があるが、本実施形態では、かかる制御を、レーザビームの入射角度θを調整することによって行うことにする。具体的には、入射角度θの調整を容易に行えるようにするために、超音波発生部２０を、図４に示すような構成としている。
【００２９】
すなわち、ビームスプリッタ２１で反射された第一レーザビームＬ１を測定対象物２の表面に垂直に入射させることにする。また、音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２を反射し、測定対象物２に照射するためのミラー２４を設ける。そして、リニアステージ等を用いて、このミラー２４の位置を測定対象物２の圧延方向に沿って移動させることにより、第二レーザビームＬ２の入射角度の制御を行う。ここで、図４では、第二レーザビームＬ２の実際の入射角度は２θであるが、本実施形態では、その半分の角度θのことも入射角度と称することにする。
【００３０】
尚、当然のことではあるが、縦波発生時の進行方向角度φについての制御は、第二レーザビームＬ２の代わりに第一レーザビームＬ１の入射角度を調整することにより、あるいは、第一レーザビームＬ１及び第二レーザビームＬ２の両方の入射角度を調整することにより、行うようにしてもよい。
【００３１】
図５に、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度、３０度、４０度、５０度に制御する場合の入射角度θの設定値の一例を示す。この例では、周波数差ｆ２−ｆ１を８０ＭＨｚとしている。図５に示すように、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度にするには入射角度θを０．１４度に設定すればよい。また、縦波の発生時の進行方向角度φを３０度にするには入射角度θを０．２１度に、その発生時の進行方向角度φを４０度にするには入射角度θを０．２６度に設定すればよい。そして、縦波の発生時の進行方向角度φを５０度にするには入射角度θを０．３２度に設定すればよい。
【００３２】
この例から分かるように、入射角度θの設定値はとても小さいので、通常は、測定対象物２の表面からある程度遠く離れた位置、例えば４ｍ離れた位置に、ミラー２４を設置することにしている。図５の表に示した「ビーム間隔」とは、測定対象物２の表面から４ｍ離れた高さ位置において測った、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２との間隔のことである。具体的に、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度にするにはビーム間隔を９．８ｍｍに設定すればよい。また、縦波の発生時の進行方向角度φを３０度にするにはビーム間隔を１４．４ｍｍに、その発生時の進行方向角度φを４０度にするにはビーム間隔を１８．５ｍｍに設定すればよい。そして、縦波の発生時の進行方向角度φを５０度にするにはビーム間隔を２２．０ｍｍに設定すればよい。
【００３３】
尚、縦波と同時に横波も発生するので、参考として、図５には、その縦波と動じに発生した横波の進行方向角度も示している。縦波と横波の進行方向が異なるのは、測定対象物２の内部における縦波の音速と横波の音速とが相違するからである。
【００３４】
また、縦波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくる位置（検出点位置）は、おおよそ予測することができる。一例として、図６にビーム間隔と縦波の検出点候補位置との関係を示す。ここで、横軸は、測定対象物２の表面から４ｍ離れた高さ位置におけるビーム間隔であり、縦軸は、レーザビームＬ１，Ｌ２の入射位置から圧延方向に沿って測った、縦波の検出点候補位置である。かかる検出点候補位置は、測定対象物２の厚さに依存するので、図６では、例として、測定対象物２の板厚が３０ｍｍ、５０ｍｍである場合を示している。ところで、この図６のグラフは、縦波の進行方向が測定対象物２の内部で一定であると仮定して求めたものである。しかしながら、実際には、測定対象物２の内部温度は場所によって異なり、超音波の音速も一定ではないので、超音波の進行方向は、測定対象物２の内部で変化する。このため、図６のグラフを利用して求めた縦波の検出点候補位置は、実際の検出点位置とは異なる。このような理由から、図６では、検出点位置ではなく、「検出点候補位置」という表現を使っている。本実施形態では、かかる図６に示すようなビーム間隔と検出点候補位置との関係を、実際の縦波の検出点位置を得るための参考として利用する。具体的には、まず、図６のようなグラフを利用して、縦波の検出点候補位置を見い出す。次に、実際に縦波超音波を発生させることにより、その検出点候補位置の周辺領域において、測定対象物２内を伝播してきた縦波の強度を検出する。そして、最も大きな強度位置を、実際の縦波の検出点位置として決定する。
【００３５】
超音波検出用レーザ３０は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの照射によって測定対象物２内に発生し、測定対象物２内を伝播してきた超音波（縦波）を検出するためのレーザである。超音波検出用レーザ３０としては、単一周波数のレーザビームを発するものを用いる。
【００３６】
超音波検出用レーザ３０から発せられたレーザビーム（第三レーザビーム）Ｌ３は、集光レンズ４１で集光された後、光ファイバ５１に入射する。この光ファイバ５１は、第三レーザビームＬ３をビーム取得部６０に導くものである。
【００３７】
ビーム取得部６０は、第三レーザビームＬ３を所定の検出点位置に導くと共に、測定対象物２の表面で反射・散乱した第三レーザビームＬ３を取得するものであり、図１に示すように、二つの集光レンズ６１，６２と、ハーフミラー６３とを有する。また、このビーム取得部６０は、一体的に構成されており、測定対象物２の圧延方向に沿って移動することができる。
【００３８】
ビーム取得部６０に入射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ６１で集光され、ハーフミラー６３を透過した後、測定対象物２上の所定の検出点位置に照射される。測定対象物２の表面は粗面であるため、かかる第三レーザビームＬ３は測定対象物２の表面においてほぼ等方的に散乱される。このとき、当該検出点位置に、測定対象物２の内部を伝播してきた縦波が戻ってくると、当該検出点位置が超音波振動をする。これにより、測定対象物２の表面で散乱された第三レーザビームＬ３は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化する。
【００３９】
測定対象物２の表面で散乱された第三レーザビームＬ３のうち、その一部は、ハーフミラー６３で反射され、集光レンズ６２で集光された後、光ファイバ５２に入射する。この光ファイバ５２は、かかる第三レーザビームＬ３をファブリ・ペロー干渉計７０に導くものである。光ファイバ５２から出射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ４２で集光された後、ファブリ・ペロー干渉計７０に入射する。
【００４０】
ファブリ・ペロー干渉計７０は、超音波振動に起因して生じる第三レーザビームＬ３の周波数変化を検出するものであり、互いに対向する二つの反射ミラー７１，７２を有する。この二つの反射ミラー７１，７２は共振器を構成し、第三レーザビームＬ３を二つの反射ミラー７１，７２の間で多重反射させることによりバンドパスフィルタとして機能する。二つの反射ミラー７１，７２間の距離を調節することにより、この共振器を透過する光の周波数を調節することができる。
【００４１】
ここで、ファブリ・ペロー干渉計７０における共振曲線について説明する。図７はこの共振曲線の一例を示す図である。図７において、横軸は入射する光の周波数ｆを、縦軸はファブリ・ペロー干渉計７０からの出力、すなわちファブリ・ペロー干渉計７０を透過する光の強度Ｉを示している。図７から分かるように、透過光強度Ｉは、特定の周波数において急峻なピークを示すが、ピークの前後では速やかに低下する。このピークを示す周波数は、ファブリ・ペロー干渉計７０の反射ミラー７１，７２間の距離を調節することによって変えることができる。
【００４２】
そこで、図７に示す曲線の傾きが最大となる点（共振曲線動作点）Ａにおける周波数が、ちょうど第三レーザビームＬ３の発振周波数と一致するように反射ミラー７１，７２間の距離が調節されていれば、周波数のわずかな変化±Δｆを、相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換することができる。これにより、ファブリ・ペロー干渉計７０は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化した第三レーザビームＬ３が入力したときに、その周波数の変化を透過光強度の変化として出力する。
【００４３】
ファブリ・ペロー干渉計７０から出力された透過光強度は、光検出器８０に送られる。光検出器８０は、透過光強度を電気信号に変換するものである。これにより、超音波振動は、最終的に電気的な信号として捉えられる。光検出器８０からの信号は、コンピュータ９０に送られ、波形データとして記録される。
【００４４】
コンピュータ９０は、かかる波形データに基づいて、縦波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を求める。超音波発生用レーザ１０からレーザビームが発せられたタイミングと、かかるレーザビームが測定対象物２に照射するタイミングとは予め分かっている。このため、コンピュータ９０は、光検出器８０から送られた波形データから、周波数変化を検出したタイミングを調べることにより、縦波の伝播時間を求めることができる。
【００４５】
本実施形態では、縦波の発生時の進行方向角度を測定対象物２の層の数と同じ数だけ予め設定しておき、コンピュータ９０は、超音波発生部２０が各進行方向角度に縦波を発生させる度に、当該進行方向に発生した縦波の伝播時間を求める。すなわち、縦波の発生時の進行方向角度を制御して、上記の伝播時間の測定処理を所定回数だけ繰り返す。コンピュータ９０は、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間に基づいて、測定対象物２の各層における縦波の音速を算出する。
【００４６】
また、コンピュータ９０は、その算出した各層における縦波の音速に基づいて測定対象物２の各層における内部温度を求める。ここで、コンピュータ９０には、各種の鋼材についての内部温度と縦波音速との対応関係を示すデータベースが構築されている。このため、コンピュータ９０は、そのデータベースを利用して、測定対象物２の各層における縦波の音速から各層の内部温度を容易に求めることができる。
【００４７】
次に、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間から測定対象物２の各層における縦波の音速を算出する方法について詳しく説明する。図８及び図９は測定対象物２の各層における縦波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【００４８】
熱間プロセスで製造される厚板の場合、その内部温度は場所によって異なり、超音波の音速も一定ではない。このため、超音波の進行方向は厚板の内部で変化する。本実施形態では、超音波発生部２０によって発生された縦波の伝播領域に対応する測定対象物２の領域においては、縦波の音速が測定対象物２の各層内で一定であると仮定する。この場合、測定対象物２の各層の厚さを小さく設定すればするほど、その仮定した縦波の音速は実際の値に近似する。したがって、各層の厚さを十分小さく設定すれば、内部温度を高い精度で測定することが可能である。
【００４９】
いま、図８及び図９に示すように、測定対象物２である厚板をその厚さ方向に沿って四つの層に区分した場合を考えることにする。これら各層を、厚板の表面側から順番に、第１層、第２層、第３層、第４層と称する。ここで、第ｋ層（ｋ＝１，２，３，４）における厚さをｄｋ、そこでの縦波の平均音速をＶｋとする。そして、縦波の発生時における進行方向角度がφｊ（ｊ＝１，２，３，４）のとき、縦波の伝播時間をｔｊとする。
【００５０】
また、上記の仮定の下では、各層における縦波の進行方向は一定であるので、図９に示すように、縦波は各層の境界面を通過する際に屈折すると考える必要がある。但し、図８では、かかる屈折を省略し、縦波の伝播経路を直線で示している。ここで、図９に示すように、縦波が測定対象物２の第１層を進行方向角度φｊ（ｊ＝１，２，３，４）で伝播したとき、第１層と第２層の境界面における屈折角度をφｊ２、第２層と第３層の境界面における屈折角度をφｊ３、第３層と第４層の境界面における屈折角度をφｊ４とする。
【００５１】
縦波が測定対象物２の第１層を進行方向角度φｊ（ｊ＝１，２，３，４）で伝播した場合、縦波の伝播時間ｔｊは、
ｔｊ＝２［ｄ１／（Ｖ１・cosφｊ）＋ｄ２／（Ｖ２・cosφｊ２）＋ｄ３／（Ｖ３・cosφｊ３）＋ｄ４／（Ｖ４・cosφｊ４）］
である。ここで、各境界面においてスネルの法則を適用すると、
0003799453.tif 000002
と表すことができる。ただし、ｍ＝２，３，４である。したがって、
0003799453.tif 000003
となる。ここで、ｊ＝１，２，３，４である。
【００５２】
かかる四つの伝播時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の式において、縦波の発生時の進行方向角度φ１，φ２，φ３，φ４は干渉縞走査法により既知のパラメータであり、各層の厚さｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４も予め分かっている。したがって、コンピュータ９０は、レーザ超音波法を利用して求めた縦波の伝播時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４を、上記の各式に代入し、四つの縦波音速Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を未知数とする非線形連立方程式を解くことにより、各層における縦波の音速Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を算出することができる。
【００５３】
次に、本実施形態の内部温度分布測定装置において、測定対象物２の内部温度分布を測定する手順について説明する。図１０はその内部温度分布測定装置において測定対象物２の内部温度分布を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【００５４】
まず、オペレータは、測定対象物２をその厚さ方向に沿って区分する層の数、各層の厚さを設定すると共に、干渉縞走査法により発生させる縦波の進行方向角度を層の数と同数だけ設定する（Ｓ１）。そして、オペレータは、これらの設定値をコンピュータ９０に入力する（Ｓ２）。
【００５５】
次に、オペレータは、ステップＳ１で設定した複数の縦波の進行方向角度のうち、一の進行方向角度を選択する（Ｓ３）。そして、その選択した進行方向角度に縦波が発生するように、超音波発生部２０におけるミラー２４の位置を調節する（Ｓ４）。その後、図６に示すようなビーム位置と検出点候補位置との関係を参考にして、実際に、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発することにより、測定対象物２の内部に発生した縦波の実際の検出点位置を検出する。そして、超音波検出用レーザ３０から発せられた第三レーザビームＬ３が当該縦波の検出点位置に照射されるように、ビーム取得部６０の位置を調整する（Ｓ５）。
【００５６】
こうして準備が整うと、次に、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発することにより測定対象物２の内部に縦波を発生させると共に、超音波検出用レーザ３０から第三レーザビームを発する。これにより、ビーム取得部６０及びファブリ・ペロー干渉計７０は、縦波超音波の振動に起因して生じる第三レーザビームの周波数変化を検出する。そして、コンピュータ９０は、その周波数変化を表す波形データに基づいて、縦波の伝播時間を求める（Ｓ６）。この縦波の伝播時間はコンピュータ９０の所定のメモリに記憶される。
【００５７】
Ｓ３からＳ６までの処理は、ステップＳ１において設定したすべての縦波の進行方向角度に対して繰り返される（Ｓ７）。こうして、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間が測定される。
【００５８】
次に、コンピュータ９０は、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間に基づいて、測定対象物２の各層における縦波の音速を算出する（Ｓ８）。その後、コンピュータ９０は、当該測定対象物２についての内部温度と縦波音速との対応関係を示すデータベースを利用し、測定対象物２の各層における縦波の音速から各層の内部温度を求める（Ｓ９）。こうして得られた各層の内部温度は、例えば、コンピュータ９０の画面に表示される。
【００５９】
本実施形態の内部温度分布測定装置では、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する縦波超音波を発生させ、かかる縦波を複数の進行方向の各々に発生させたときの縦波の伝播時間を求める。そして、その求めた複数の縦波の伝播時間に基づいて、厚さ方向に沿って予め区分された測定対象物の各層における縦波音速を算出し、その算出した各層における縦波音速に基づいて各層の内部温度を求める。したがって、本実施形態の内部温度分布測定装置では、従来のように測定対象物の内部温度をモデル計算等により推定するのではないので、測定対象物の内部温度を正確に求めることができる。
【００６０】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００６１】
上記の実施形態では、縦波の音速に基づいて測定対象物の内部温度を求める場合について説明したが、横波の音速に基づいて測定対象物の内部温度を求めるようにしてもよい。この横波の音速は、上述した縦波の音速を算出する方法と全く同じ方法で算出することができる。また、この場合は、コンピュータに、各種の鋼材についての内部温度と横波の音速との対応関係のデータベースを構築しておく必要がある。
【００６２】
また、上記の実施形態では、測定対象物をその厚さ方向に沿って四つの層に区分して各層の内部温度を測定する場合について説明したが、一般に、測定対象物を四つ以上の複数の層に区分して、各層の内部温度を測定してもよい。特に、区分する層の数が多ければ多いほど、測定対象物の内部における温度分布の測定精度が向上する。このため、かかる測定精度を考慮して、測定対象物を区分する層の数を決定する必要がある。
【００６３】
更に、上記の実施形態では、測定対象物として、熱間プロセスで製造される厚板を用いた場合について説明したが、本発明の内部温度分布測定装置は、かかる厚板以外のどのような物に対しても適用することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の内部温度分布測定装置では、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する超音波を発生させ、かかる超音波を複数の進行方向の各々に発生させたときの超音波の伝播時間を求める。そして、その求めた複数の超音波の伝播時間に基づいて、厚さ方向に沿って予め区分された測定対象物の各層における超音波の音速を算出した後、その算出した各層における超音波の音速に基づいて各層の内部温度を求める。したがって、本発明では、従来のように測定対象物の内部温度をモデル計算等により推定するのではないので、測定対象物の内部温度を正確に求めることができる。
【００６５】
また、本発明の内部温度分布測定方法によれば、上記と同様に、測定対象物の内部温度分布を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である内部温度分布測定装置の概略構成図である。
【図２】ある鋼材についての内部温度と縦波音速との関係を示すグラフである。
【図３】干渉縞走査法の原理を説明するための図である。
【図４】本実施形態の内部温度分布測定装置における超音波発生部の具体的な構成を説明するための図である。
【図５】縦波の発生時の進行方向角度φを制御する場合のレーザビームの入射角度θの設定値の一例を示す図である。
【図６】ビーム間隔と縦波の検出点候補位置との関係を示すグラフである。
【図７】本実施形態の内部温度分布測定装置におけるファブリ・ペロー干渉計の共振曲線の一例を示す図である。
【図８】測定対象物の各層における縦波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【図９】測定対象物の各層における縦波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【図１０】本実施形態の内部温度分布測定装置において測定対象物の内部温度分布を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
２    測定対象物
１０    超音波発生用レーザ
２０    超音波発生部
２１    ビームスプリッタ
２２，２４    ミラー
２３    音響光学素子
３０    超音波検出用レーザ
４１，４２    集光レンズ
５１，５２    光ファイバ
６０    ビーム取得部
６１，６２    集光レンズ
６３    ハーフミラー
７０    ファブリ・ペロー干渉計
７１，７２    反射ミラー
８０    光検出器
９０    コンピュータ
【図１】
0003799453.tif 000004
【図２】
0003799453.tif 000005
【図３】
0003799453.tif 000006
【図４】
0003799453.tif 000007
【図５】
0003799453.tif 000008
【図６】
0003799453.tif 000009
【図７】
0003799453.tif 000010
【図８】
0003799453.tif 000011
【図９】
0003799453.tif 000012
【図１０】
0003799453.tif 000013