(57)【要約】本発明は、薄板でも十分に長い超音波伝播距離を確保することができる表面波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｗａｖｅ）の減衰係数を用いた鋼板の結晶粒径測定装置に関するものであり、本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置は、鋼板の一地点に超音波を印加する超音波発生部と、上記鋼板の一地点からそれぞれ異なる距離だけ離隔した二地点に伝播した超音波を受信する超音波受信部と、上記二地点に伝播した超音波の強度と上記二地点間の距離による減衰係数に基づいて、上記鋼板の平均結晶粒径を算出する結晶粒径計算部と、を含むことができ、表面反射度や表面粗さなどの表面特性の変化に関係なく減衰係数を算出することができるという効果がある。
2020502531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の一地点に超音波を印加する超音波発生部と、
前記鋼板の一地点からそれぞれ異なる距離だけ離隔した二地点に伝播した超音波を受信する超音波受信部と、
前記二地点に伝播した超音波の強度と前記二地点間の距離による減衰係数に基づいて、前記鋼板の平均結晶粒径を算出する結晶粒径計算部と、
を含む、鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項２】
前記超音波受信部は、前記鋼板の一地点から前記二地点に伝播した超音波の表面波を受信する、請求項１に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項３】
前記超音波受信部の前記二地点の超音波測定効率は同一である、請求項１に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項４】
前記超音波発生部は、パルスレーザーを用いて超音波を発生させる、請求項１に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項５】
鋼板の２つの発生地点にそれぞれ超音波を印加する超音波発生部と、
前記鋼板の２つの発生地点の間に位置した２つの受信地点に伝播した超音波を受信する超音波受信部と、
前記２つの受信地点に伝播した超音波の強度と前記二地点間の距離による減衰係数に基づいて、前記鋼板の平均結晶粒径を算出する結晶粒径計算部と、
を含む、鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項６】
前記超音波受信部は、前記鋼板の２つの発生地点から前記２つの受信地点にそれぞれ伝播した超音波の表面波を受信する、請求項５に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項７】
前記結晶粒径計算部は、前記２つの受信地点にそれぞれ伝播した４つの表面波信号から減衰係数を算出する、請求項５に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項８】
前記超音波発生部は、前記２つの発生地点に超音波を発生させるパルスレーザーを含む、請求項５に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板の結晶粒径測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非破壊検査分野において金属の結晶粒径（Ｇｒａｉｎ  Ｓｉｚｅ）は通常、超音波減衰係数を用いて測定する。これは、金属のように結晶粒からなる物質の内部を超音波が伝播する際に結晶粒界（Ｇｒａｉｎ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ）で超音波の散乱が発生するため、超音波振幅の減衰が発生し、超音波が減衰する程度と結晶粒サイズに相関関係があるためである。
【０００３】
製鉄所で生産されている鋼板は、製品に応じて様々な厚さを有する。このうち電気鋼板は、厚さが０．２〜０．３ｍｍ程度と非常に薄い。超音波を用いて結晶粒径を測定する際は、通常、鋼板面に対して垂直方向に伝播する縦波が主に用いられる。
【０００４】
即ち、鋼板内部において厚さ方向に多重反射する超音波から一連の順次的な信号を測定した後、伝播距離による信号強度の変化を用いて減衰係数を算出し、一定の相関式を用いて結晶粒径を求める。
【０００５】
このような超音波減衰係数を用いた結晶粒径測定の信頼性を高めるためには、超音波伝播経路上に多数の結晶粒が存在しなければならない。超音波減衰は、物質による超音波の吸収、拡散（Ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）、結晶粒界での散乱などによって発生する。もし、超音波経路上に存在する結晶粒の数が少ないと、結晶粒界での散乱による超音波減衰が、吸収や拡散のような他の影響による減衰に比べて相対的に小さいため、全体減衰係数から信頼性のある結晶粒径を算出することが困難になる。
【０００６】
しかし、鋼板の厚さが薄いほど波長の短い高周波の超音波を用いなければならないが、コスト及び製品の体積のため、生産現場での適用が困難であるという問題点がある。
【０００７】
このような従来技術については、特開１９９５−０９２１４１号公報及び特開１９９６−０７５７１３号公報などを参照して、容易に理解することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一実施形態によると、表面波を用いることで、薄板でも十分に長い超音波伝播距離を確保することができる表面波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｗａｖｅ）の減衰係数を用いた鋼板の結晶粒径測定装置が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の本発明の課題を解決するために、本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置は、鋼板の一地点に超音波を印加する超音波発生部と、上記鋼板の一地点からそれぞれ異なる距離だけ離隔した二地点に伝播した超音波を受信する超音波受信部と、上記二地点に伝播した超音波の強度と上記二地点間の距離による減衰係数に基づいて、上記鋼板の平均結晶粒径を算出する結晶粒径計算部と、を含むことができる。
【００１０】
さらに、本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置は、鋼板の２つの発生地点にそれぞれ超音波を印加する超音波発生部と、上記鋼板の２つの発生地点の間に位置した２つの受信地点に伝播した超音波を受信する超音波受信部と、上記２つの受信地点に伝播した超音波の強度と上記二地点間の距離による減衰係数に基づいて、上記鋼板の平均結晶粒径を算出する結晶粒径計算部と、を含むことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一実施形態によると、鋼板の厚さが薄くても信頼性のある結晶粒径の算出が可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の概略的な構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の一地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図である。
【図３】本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の概略的な構成図である。
【図４ａ】本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の二地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図である。
【図４ｂ】本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の二地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図である。
【図５】本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の表面波の伝播距離による強度の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付された図面を参照して、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるように、好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の概略的な構成図である。
【００１５】
図１を参照すると、本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置は、超音波発生部、超音波受信部及び結晶粒径計算部を含むことができる。
【００１６】
超音波発生部は、鋼板１の表面の一地点に超音波を印加することができる。
【００１７】
上記超音波発生部は、パルスレーザーを用いて鋼板１の表面の一地点Ｇ１に超音波を印加することができる。
【００１８】
例えば、上記超音波発生部は、パルスレーザー４、パルスレーザー４から発生したレーザーパルスを反射させる全反射ミラー７、反射されたレーザーパルスを鋼板１の一地点Ｇ１に集光させるパルス集光ヘッド８を含むことができる。
【００１９】
上記超音波受信部は、鋼板１の表面の一地点Ｇ１から一定の距離だけ離隔した二地点Ｄ１、Ｄ２に伝播した超音波の表面波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｗａｖｅ）を受信することができる。
【００２０】
超音波が発生する一地点Ｇ１と、表面波を受信する二地点Ｄ１、Ｄ２は、一直線上に位置することができる。
【００２１】
上記超音波受信部は、二地点Ｄ１、Ｄ２に伝播した表面波を受信するために、表面波を受信するレーザービーム送受信ヘッド１３、１４及び受信したレーザーを上記結晶粒径計算部に送信する光ファイバを含むことができる。
【００２２】
上記結晶粒径計算部は、二地点Ｄ１、Ｄ２に伝播した超音波の強度と二地点Ｄ１、Ｄ２間の距離による減衰係数に基づいて、鋼板１の平均結晶粒径を算出することができる。そのためには、測定用レーザー及び干渉計１０を含むことができる。
【００２３】
図２は本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の一地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図である。
【００２４】
図２を参照すると、鋼板１の表面の一地点Ｇにレーザーパルスが入射すると、鋼板の厚さ方向にバルク音波（縦波及び横波）が伝播し、鋼板の表面に沿って表面波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｗａｖｅ）も伝播する。表面波は、鋼板の厚さＴが表面波の波長ｌよりも大きい場合に発生し得る表面波の一種である。
【００２５】
Ｔ（鋼板の厚さ）＞ｌ（表面波の波長）＝ＶＲ／ｆ      …式（１）
【００２６】
上記式２において、ＶＲは表面波の速度、ｆは表面波の周波数である。
【００２７】
例えば、厚さが０．２ｍｍである電気鋼板の場合、表面波が発振するためには、波長が０．２ｍｍよりも短くなる必要があるため、周波数は次の通りである。
【００２８】
【数１】
2020502531.tif 000003
【００２９】
即ち、超音波の周波数が１５ＭＨｚ以上であり、厚さが０．２ｍｍである鋼板では、表面波を発振させることができる。
【００３０】
表面波は、バルク音波（縦波、横波）が物質の境界面、即ち、鋼板の表面で互いに結合して形成される表面波の一種である。したがって、表面波も減衰現象を有する。したがって、鋼板１の表面上の二地点Ｄ１、Ｄ２で測定された超音波の強度と二地点間の距離ＤＬが得られると、減衰係数の測定が可能であり、測定された減衰係数と一定の検量線を用いて平均結晶粒径を算出することができる。
【００３１】
図２に示すように、超音波発振地点Ｇから一定の距離にある二地点Ｄ１、Ｄ２で表面波を測定すると、表面波減衰係数を算出することができる。このとき、２つの測定地点Ｄ１、Ｄ２の間に十分な数の結晶粒径が含まれるように２つの測定地点が十分な距離を有するようにすることで、平均結晶粒径の測定程度を向上させることができる。
【００３２】
図２に示すように、鋼板の一地点から超音波を発生させた後、一定の距離を有する二地点で表面波の強度を測定して減衰係数及び平均結晶粒径を算出する際の基本的な前提事項は、二地点での超音波測定効率が同一となることである。非接触式遠隔超音波測定が可能なレーザー干渉計の一例として、ファブリ・ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）レーザー干渉計の測定原理は次の通りである。
【００３３】
１）測定用レーザー光を測定地点に照射する。
【００３４】
２）測定地点で反射されたレーザー光を捕集し、干渉計を構成する共振器（Ｃａｖｉｔｙ）の内部に入射させる。
【００３５】
３）共振器の両端は、高い反射率を有する部分反射ミラーで構成され、共振器の内部に流入した光は、両端のミラーを介して多重反射される。
【００３６】
４）共振器の内部で多重反射されるそれぞれの光は、互いに干渉して部分反射ミラーを透過する光の量を決定する。
【００３７】
５）測定用レーザー光が照射された位置に超音波が到達すると、表面変位が発生し、ドップラー効果によって反射されるレーザー光の周波数遷移が発生する。
【００３８】
６）超音波によるレーザー反射光の周波数遷移は、共振器内の多重反射による干渉条件を変化させることにより、透過する光の光量変化を誘導して超音波信号を得る。
【００３９】
上述の１）〜６）の手順で得られた干渉計の信号の大きさは、超音波による周波数遷移量と干渉計に流入する反射光量によって決定される。したがって、一貫した条件下で超音波強度測定を行うためには、干渉計に流入する光量が常に一定でなければならない。鋼板に照射される測定用レーザー光の強度を一定に維持すると、干渉計に流入する光量は、測定地点における鋼板の反射度（＝入射光量−吸収光量）と表面粗さによる反射パターンによって決定される。
【００４０】
本発明の目的は、電気鋼板のような薄板の実生産ラインで鋼板が移送される間にオンラインで結晶粒径を算出することである。したがって、薄板の鋼種及び成分、表面清浄度による反射度と表面粗さは常に変わる。これにより、鋼板に照射されるレーザー光の強度を常に一定に維持しても、干渉計に流入する反射光の強度は変わることがある。
【００４１】
図３は本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の概略的な構成図である。
【００４２】
図３を参照すると、本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の超音波発生部は、図１の超音波発生部と比較して、２つの発生地点Ｇ１、Ｇ２に超音波を印加するために、部分反射ミラー６とパルス集光ヘッド９をさらに含むことができる。
【００４３】
２つの発生地点Ｇ１、Ｇ２と２つの受信地点Ｄ１、Ｄ２は、一直線上に位置することができる。
【００４４】
即ち、短いパルス幅を有するパルスレーザー４で発生したパルス光５は、部分反射ミラー６から２つのパルス光に分割されてそれぞれ２つの集光ヘッド８、９に送信される。集光ヘッド８、９は、パルス光を適切な大きさと形状にして鋼板の表面に集光させて超音波を発生させる。超音波測定用レーザー１０で発生したレーザー光は、二本の光ファイバ１１、１２を介して２つのレーザービーム送受信ヘッド１３、１４に送信される。レーザービーム送受信ヘッド１３、１４は、レーザー光を鋼板の表面に集光させるとともに、反射されたレーザー光を捕集して、光ファイバ１１、１２を介して超音波測定用干渉計１０に送信する。
【００４５】
その他の超音波発生部の構成、超音波受信部及び結晶粒径計算部の構成は、図１を参照して説明した超音波発生部、超音波受信部及び結晶粒径計算部の構成と同一であるため、詳細な説明は省略する。
【００４６】
図４ａ及び図４ｂは本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の二地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図であり、図５は本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の表面波の伝播距離による強度の測定結果を示すグラフである。
【００４７】
このような本発明の他の一実施形態において、上述の干渉計に入射する光量の変化による誤差を補正するために、図４ａ及び図４ｂに示すように表面波の伝播経路上に多数の結晶粒径が含まれるように、十分に遠く離れた鋼板の表面上の二地点Ｇ１、Ｇ２でそれぞれ同時に超音波（表面波）を発生させ、２つの超音波発生地点の間にある二地点Ｄ１、Ｄ２で順次に到着する超音波をそれぞれ測定する。これにより、合計４つの表面波信号を確保し、発振位置での超音波強度の変化と測定地点でのレーザー反射度の変化が減衰係数の算出に及ぼす影響を根本的に補正することができる。
【００４８】
このとき、２つの測定地点Ｄ１、Ｄ２の間に十分な数の結晶粒径が含まれるように２つの測定地点が十分な距離を有するようにすることで、平均結晶粒径の測定程度を向上させることができる。
【００４９】
図４ａ及び図４ｂに示す方法で測定した表面波の波形を図５に示した。図５において測定された４つの信号はそれぞれ次の通りである。図４ａ及び図４ｂにおけるＬ１はＬ２よりも大きいものと仮定する。
【００５０】
Ｓ１１：レーザーパルスＧ１によって発生した超音波がレーザービームＤ１によって測定された超音波信号の強度
【００５１】
Ｓ２２：レーザーパルスＧ２によって発生した超音波がレーザービームＤ２によって測定された超音波信号の強度
【００５２】
Ｓ１２：レーザーパルスＧ１によって発生した超音波がレーザービームＤ２によって測定された超音波信号の強度
【００５３】
Ｓ２１：レーザーパルスＧ２によって発生した超音波がレーザービームＤ１によって測定された超音波信号の強度
【００５４】
上記測定信号の強度は、超音波発生条件及び測定条件によって次の式のように表すことができる。
【００５５】
【数２】
2020502531.tif 000004
または
【００５６】
式３において、ＳｉｊはレーザーパルスＧｉによって発生した超音波がレーザービームＤｊによって測定された超音波信号であり、ＡｉはレーザーパルスＧｉによって生成された表面波の初期強度であり、Ｒｊは測定位置Ｄｊでのレーザー反射度、ｋｊは測定位置Ｄｉでの表面粗さによる反射パターン率（Ｆａｃｔｏｒ）、ａは減衰係数、Ｌｉｊは表面波の伝播距離である。式３から次の２つの測定式を得ることができる。
【００５７】
【数３】
2020502531.tif 000005
【００５８】
【数４】
2020502531.tif 000006
【００５９】
上記式４と式５から次の式６を得ることができる。
【００６０】
【数５】
2020502531.tif 000007
【００６１】
上記式６を用いると、合計４つの超音波強度信号から、測定地点での反射度、表面粗さなどのような鋼板の表面の条件に関係なく正確な超音波減衰係数ａを得ることができる。
【００６２】
上述のように、本発明によると、鋼板の少なくとも一地点に超音波を発生させ、その地点から十分に離れた二地点で表面波の強度を測定して十分に多い結晶粒を通過した表面波の減衰係数を測定することにより、鋼板の厚さが薄くても信頼性のある結晶粒径の算出が可能である。
【００６３】
以上で説明した本発明は、上述の実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、後述する特許請求の範囲によって限定され、本発明の構成は、本発明の技術的思想を外れない範囲内で、その構成を様々に変更及び改造することができることを、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は容易に分かる。
【図１】
2020502531.tif 000008
【図２】
2020502531.tif 000009
【図３】
2020502531.tif 000010
【図４ａ】
2020502531.tif 000011
【図４ｂ】
2020502531.tif 000012
【図５】
2020502531.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月9日(2019.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板の結晶粒径測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非破壊検査分野において金属の結晶粒径（Ｇｒａｉｎ  Ｓｉｚｅ）は通常、超音波減衰係数を用いて測定する。これは、金属のように結晶粒からなる物質の内部を超音波が伝播する際に結晶粒界（Ｇｒａｉｎ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ）で超音波の散乱が発生するため、超音波振幅の減衰が発生し、超音波が減衰する程度と結晶粒サイズに相関関係があるためである。
【０００３】
製鉄所で生産されている鋼板は、製品に応じて様々な厚さを有する。このうち電気鋼板は、厚さが０．２〜０．３ｍｍ程度と非常に薄い。超音波を用いて結晶粒径を測定する際は、通常、鋼板面に対して垂直方向に伝播する縦波が主に用いられる。
【０００４】
即ち、鋼板内部において厚さ方向に多重反射する超音波から一連の順次的な信号を測定した後、伝播距離による信号強度の変化を用いて減衰係数を算出し、一定の相関式を用いて結晶粒径を求める。
【０００５】
このような超音波減衰係数を用いた結晶粒径測定の信頼性を高めるためには、超音波伝播経路上に多数の結晶粒が存在しなければならない。超音波減衰は、物質による超音波の吸収、拡散（Ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）、結晶粒界での散乱などによって発生する。もし、超音波経路上に存在する結晶粒の数が少ないと、結晶粒界での散乱による超音波減衰が、吸収や拡散のような他の影響による減衰に比べて相対的に小さいため、全体減衰係数から信頼性のある結晶粒径を算出することが困難になる。
【０００６】
しかし、鋼板の厚さが薄いほど波長の短い高周波の超音波を用いなければならないが、コスト及び製品の体積のため、生産現場での適用が困難であるという問題点がある。
【０００７】
このような従来技術については、特開１９９５−０９２１４１号公報及び特開１９９６−０７５７１３号公報などを参照して、容易に理解することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一実施形態によると、表面波を用いることで、薄板でも十分に長い超音波伝播距離を確保することができる表面波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｗａｖｅ）の減衰係数を用いた鋼板の結晶粒径測定装置が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の本発明の課題を解決するために、本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置は、鋼板の一地点に超音波を印加する超音波発生部と、上記鋼板の一地点からそれぞれ異なる距離だけ離隔した二地点に伝播した超音波を受信する超音波受信部と、上記二地点に伝播した超音波の強度と上記二地点間の距離による減衰係数に基づいて、上記鋼板の平均結晶粒径を算出する結晶粒径計算部と、を含むことができる。
【００１０】
さらに、本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置は、鋼板の２つの発生地点にそれぞれ超音波を印加する超音波発生部と、上記鋼板の２つの発生地点の間に位置した２つの受信地点に伝播した超音波を受信する超音波受信部と、上記２つの受信地点に伝播した超音波の強度と上記二地点間の距離による減衰係数に基づいて、上記鋼板の平均結晶粒径を算出する結晶粒径計算部と、を含むことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一実施形態によると、鋼板の厚さが薄くても信頼性のある結晶粒径の算出が可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の概略的な構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の一地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図である。
【図３】本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の概略的な構成図である。
【図４ａ】本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の二地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図である。
【図４ｂ】本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の二地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図である。
【図５】本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の表面波の伝播距離による強度の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付された図面を参照して、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるように、好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の概略的な構成図である。
【００１５】
図１を参照すると、本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置は、超音波発生部、超音波受信部及び結晶粒径計算部を含むことができる。
【００１６】
超音波発生部は、鋼板１の表面の一地点に超音波を印加することができる。
【００１７】
上記超音波発生部は、パルスレーザーを用いて鋼板１の表面の一地点Ｇ１に超音波を印加することができる。
【００１８】
例えば、上記超音波発生部は、パルスレーザー４、パルスレーザー４から発生したレーザーパルスを反射させる全反射ミラー７、反射されたレーザーパルスを鋼板１の一地点Ｇ１に集光させるパルス集光ヘッド８を含むことができる。
【００１９】
上記超音波受信部は、鋼板１の表面の一地点Ｇ１から一定の距離だけ離隔した二地点Ｄ１、Ｄ２に伝播した超音波の表面波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｗａｖｅ）を受信することができる。
【００２０】
超音波が発生する一地点Ｇ１と、表面波を受信する二地点Ｄ１、Ｄ２は、一直線上に位置することができる。
【００２１】
上記超音波受信部は、二地点Ｄ１、Ｄ２に伝播した表面波を受信するために、表面波を受信するレーザービーム送受信ヘッド１３、１４及び受信したレーザーを上記結晶粒径計算部に送信する光ファイバを含むことができる。
【００２２】
上記結晶粒径計算部は、二地点Ｄ１、Ｄ２に伝播した超音波の強度と二地点Ｄ１、Ｄ２間の距離による減衰係数に基づいて、鋼板１の平均結晶粒径を算出することができる。そのためには、測定用レーザー及び干渉計１０を含むことができる。
【００２３】
図２は本発明の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の一地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図である。
【００２４】
図２を参照すると、鋼板１の表面の一地点Ｇにレーザーパルスが入射すると、鋼板の厚さ方向にバルク音波（縦波及び横波）が伝播し、鋼板の表面に沿って表面波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｗａｖｅ）も伝播する。表面波は、鋼板の厚さＴが表面波の波長ｌよりも大きい場合に発生し得る表面波の一種である。
【００２５】
Ｔ（鋼板の厚さ）＞ｌ（表面波の波長）＝ＶＲ／ｆ      …式（１）
【００２６】
上記式１において、ＶＲは表面波の速度、ｆは表面波の周波数である。
【００２７】
例えば、厚さが０．２ｍｍである電気鋼板の場合、表面波が発振するためには、波長が０．２ｍｍよりも短くなる必要があるため、周波数は次の通りである。
【００２８】
【数１】
2020502531.tif 000014
【００２９】
即ち、超音波の周波数が１５ＭＨｚ以上であり、厚さが０．２ｍｍである鋼板では、表面波を発振させることができる。
【００３０】
表面波は、バルク音波（縦波、横波）が物質の境界面、即ち、鋼板の表面で互いに結合して形成される表面波の一種である。したがって、表面波も減衰現象を有する。したがって、鋼板１の表面上の二地点Ｄ１、Ｄ２で測定された超音波の強度と二地点間の距離ＤＬが得られると、減衰係数の測定が可能であり、測定された減衰係数と一定の検量線を用いて平均結晶粒径を算出することができる。
【００３１】
図２に示すように、超音波発振地点Ｇから一定の距離にある二地点Ｄ１、Ｄ２で表面波を測定すると、表面波減衰係数を算出することができる。このとき、２つの測定地点Ｄ１、Ｄ２の間に十分な数の結晶粒径が含まれるように２つの測定地点が十分な距離を有するようにすることで、平均結晶粒径の測定程度を向上させることができる。
【００３２】
図２に示すように、鋼板の一地点から超音波を発生させた後、一定の距離を有する二地点で表面波の強度を測定して減衰係数及び平均結晶粒径を算出する際の基本的な前提事項は、二地点での超音波測定効率が同一となることである。非接触式遠隔超音波測定が可能なレーザー干渉計の一例として、ファブリ・ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）レーザー干渉計の測定原理は次の通りである。
【００３３】
１）測定用レーザー光を測定地点に照射する。
【００３４】
２）測定地点で反射されたレーザー光を捕集し、干渉計を構成する共振器（Ｃａｖｉｔｙ）の内部に入射させる。
【００３５】
３）共振器の両端は、高い反射率を有する部分反射ミラーで構成され、共振器の内部に流入した光は、両端のミラーを介して多重反射される。
【００３６】
４）共振器の内部で多重反射されるそれぞれの光は、互いに干渉して部分反射ミラーを透過する光の量を決定する。
【００３７】
５）測定用レーザー光が照射された位置に超音波が到達すると、表面変位が発生し、ドップラー効果によって反射されるレーザー光の周波数遷移が発生する。
【００３８】
６）超音波によるレーザー反射光の周波数遷移は、共振器内の多重反射による干渉条件を変化させることにより、透過する光の光量変化を誘導して超音波信号を得る。
【００３９】
上述の１）〜６）の手順で得られた干渉計の信号の大きさは、超音波による周波数遷移量と干渉計に流入する反射光量によって決定される。したがって、一貫した条件下で超音波強度測定を行うためには、干渉計に流入する光量が常に一定でなければならない。鋼板に照射される測定用レーザー光の強度を一定に維持すると、干渉計に流入する光量は、測定地点における鋼板の反射度（＝入射光量−吸収光量）と表面粗さによる反射パターンによって決定される。
【００４０】
本発明の目的は、電気鋼板のような薄板の実生産ラインで鋼板が移送される間にオンラインで結晶粒径を算出することである。したがって、薄板の鋼種及び成分、表面清浄度による反射度と表面粗さは常に変わる。これにより、鋼板に照射されるレーザー光の強度を常に一定に維持しても、干渉計に流入する反射光の強度は変わることがある。
【００４１】
図３は本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の概略的な構成図である。
【００４２】
図３を参照すると、本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の超音波発生部は、図１の超音波発生部と比較して、２つの発生地点Ｇ１、Ｇ２に超音波を印加するために、部分反射ミラー６とパルス集光ヘッド９をさらに含むことができる。
【００４３】
２つの発生地点Ｇ１、Ｇ２と２つの受信地点Ｄ１、Ｄ２は、一直線上に位置することができる。
【００４４】
即ち、短いパルス幅を有するパルスレーザー４で発生したパルス光５は、部分反射ミラー６から２つのパルス光に分割されてそれぞれ２つの集光ヘッド８、９に送信される。集光ヘッド８、９は、パルス光を適切な大きさと形状にして鋼板の表面に集光させて超音波を発生させる。超音波測定用レーザー１０で発生したレーザー光は、二本の光ファイバ１１、１２を介して２つのレーザービーム送受信ヘッド１３、１４に送信される。レーザービーム送受信ヘッド１３、１４は、レーザー光を鋼板の表面に集光させるとともに、反射されたレーザー光を捕集して、光ファイバ１１、１２を介して超音波測定用干渉計１０に送信する。
【００４５】
その他の超音波発生部の構成、超音波受信部及び結晶粒径計算部の構成は、図１を参照して説明した超音波発生部、超音波受信部及び結晶粒径計算部の構成と同一であるため、詳細な説明は省略する。
【００４６】
図４ａ及び図４ｂは本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置によって鋼板の二地点で直線型レーザーパルスによって発生した表面波の伝播距離による強度の測定を概略的に示す図であり、図５は本発明の他の一実施形態による鋼板の結晶粒径測定装置の表面波の伝播距離による強度の測定結果を示すグラフである。
【００４７】
このような本発明の他の一実施形態において、上述の干渉計に入射する光量の変化による誤差を補正するために、図４ａ及び図４ｂに示すように表面波の伝播経路上に多数の結晶粒径が含まれるように、十分に遠く離れた鋼板の表面上の二地点Ｇ１、Ｇ２でそれぞれ同時に超音波（表面波）を発生させ、２つの超音波発生地点の間にある二地点Ｄ１、Ｄ２で順次に到着する超音波をそれぞれ測定する。これにより、合計４つの表面波信号を確保し、発振位置での超音波強度の変化と測定地点でのレーザー反射度の変化が減衰係数の算出に及ぼす影響を根本的に補正することができる。
【００４８】
このとき、２つの測定地点Ｄ１、Ｄ２の間に十分な数の結晶粒径が含まれるように２つの測定地点が十分な距離を有するようにすることで、平均結晶粒径の測定程度を向上させることができる。
【００４９】
図４ａ及び図４ｂに示す方法で測定した表面波の波形を図５に示した。図５において測定された４つの信号はそれぞれ次の通りである。図４ａ及び図４ｂにおけるＬ１はＬ２よりも大きいものと仮定する。
【００５０】
Ｓ１１：レーザーパルスＧ１によって発生した超音波がレーザービームＤ１によって測定された超音波信号の強度
【００５１】
Ｓ２２：レーザーパルスＧ２によって発生した超音波がレーザービームＤ２によって測定された超音波信号の強度
【００５２】
Ｓ１２：レーザーパルスＧ１によって発生した超音波がレーザービームＤ２によって測定された超音波信号の強度
【００５３】
Ｓ２１：レーザーパルスＧ２によって発生した超音波がレーザービームＤ１によって測定された超音波信号の強度
【００５４】
上記測定信号の強度は、超音波発生条件及び測定条件によって次の式のように表すことができる。
【００５５】
【数２】
2020502531.tif 000015
または
【００５６】
式３において、ＳｉｊはレーザーパルスＧｉによって発生した超音波がレーザービームＤｊによって測定された超音波信号であり、ＡｉはレーザーパルスＧｉによって生成された表面波の初期強度であり、Ｒｊは測定位置Ｄｊでのレーザー反射度、ｋｊは測定位置Ｄｉでの表面粗さによる反射パターン率（Ｆａｃｔｏｒ）、ａは減衰係数、Ｌｉｊは表面波の伝播距離である。式３から次の２つの測定式を得ることができる。
【００５７】
【数３】
2020502531.tif 000016
【００５８】
【数４】
2020502531.tif 000017
【００５９】
上記式４と式５から次の式６を得ることができる。
【００６０】
【数５】
2020502531.tif 000018
【００６１】
上記式６を用いると、合計４つの超音波強度信号から、測定地点での反射度、表面粗さなどのような鋼板の表面の条件に関係なく正確な超音波減衰係数ａを得ることができる。
【００６２】
上述のように、本発明によると、鋼板の少なくとも一地点に超音波を発生させ、その地点から十分に離れた二地点で表面波の強度を測定して十分に多い結晶粒を通過した表面波の減衰係数を測定することにより、鋼板の厚さが薄くても信頼性のある結晶粒径の算出が可能である。
【００６３】
以上で説明した本発明は、上述の実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、後述する特許請求の範囲によって限定され、本発明の構成は、本発明の技術的思想を外れない範囲内で、その構成を様々に変更及び改造することができることを、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は容易に分かる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の一地点に超音波を印加する超音波発生部と、
前記鋼板の一地点からそれぞれ異なる距離だけ離隔した二地点に伝播した超音波を受信する超音波受信部と、
前記二地点に伝播した超音波の強度と前記二地点間の距離による減衰係数に基づいて、前記鋼板の平均結晶粒径を算出する結晶粒径計算部と、
を含む、鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項２】
前記超音波受信部は、前記鋼板の一地点から前記二地点に伝播した超音波の表面波を受信する、請求項１に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項３】
前記超音波受信部の前記二地点の超音波測定効率は同一である、請求項１または２に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項４】
前記超音波発生部は、パルスレーザーを用いて超音波を発生させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項５】
鋼板の２つの発生地点にそれぞれ超音波を印加する超音波発生部と、
前記鋼板の２つの発生地点の間に位置した２つの受信地点に伝播した超音波を受信する超音波受信部と、
前記２つの受信地点に伝播した超音波の強度と前記二地点間の距離による減衰係数に基づいて、前記鋼板の平均結晶粒径を算出する結晶粒径計算部と、
を含む、鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項６】
前記超音波受信部は、前記鋼板の２つの発生地点から前記２つの受信地点にそれぞれ伝播した超音波の表面波を受信する、請求項５に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項７】
前記結晶粒径計算部は、前記２つの受信地点にそれぞれ伝播した４つの表面波信号から減衰係数を算出する、請求項５または６に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【請求項８】
前記超音波発生部は、前記２つの発生地点に超音波を発生させるパルスレーザーを含む、請求項５〜７のいずれか一項に記載の鋼板の結晶粒径測定装置。
【国際調査報告】
2020502531.tif 000019
2020502531.tif 000020
2020502531.tif 000021
2020502531.tif 000022