JP4871952B2 - レーザ超音波式特性測定装置 - Google Patents

Description

被測定対象物の表面にレーザ光を照射することにより被測定対象物内に超音波を励起し、被測定対象物内を伝播する超音波の波形の変化を検知し、これに基づいて被測定対象物の特性を測定する装置に関する。

従来、金属の結晶粒径などの特性を測定する方法として、レーザ超音波式の特性測定方法が用いられている。

このレーザ超音波式の特性測定方法は、被測定対象物にレーザ光を照射して超音波を励起し、この超音波が被測定対象物内を伝播したときの波形変化を計測することにより被測定対象物の特性を測定するものである。

上述の測定方法の原理を図１３を参照しながら説明する。被測定対象物Ｍ（典型的には金属）の表面に励起レーザ光源８２からパルスレーザ光を照射して被測定対象物Ｍに小規模な爆発（アブレーション）を起こし、これにより、対象物Ｍ内にパルス状の超音波を生じさせる。この超音波は、被測定対象物Ｍ内を伝播しながら減衰し、被測定対象物Ｍの裏面に微小な振動として現れる。この裏面に対して探測レーザ光源８４から探測レーザ光を照射し、干渉計８６により、その反射光と基準光との間で干渉を生じさせることにより、被測定対象物Ｍの裏面に現れた微小振動を電圧信号として読み取ることができる。その電圧信号がコンピュータ８８に入力され、波形解析により、結晶粒径、ヤング率、又はランクフォード値などが取得される。

このように、レーザ超音波式の特性測定装置を用いることにより、非接触で被測定対象物の特性を測定することができ、被測定対象物が高温の場合においても測定が可能である。

また、レーザ超音波式の特性測定装置では、対象物Ｍ内に数十〜数百ＭＨｚの高周波の超音波振動を励起することができ、とりわけ、圧延鋼板の結晶粒径を測定する場合に好適である。

ところで、上述したようなレーザ超音波式測定装置では、励起レーザ光を被測定対象物に照射するときは被測定対象物表面で小規模な爆発（アブレーション）を励起させるため、また、探測レーザ光を被測定対象物に照射するときには干渉計での測定を可能にするために、十分な強度を有するレーザ光を用いる必要がある。特に、励起レーザ光を放出するレーザ装置として、ＪＩＳ（日本工業規格 Ｃ ６８０２（１９９１）「レーザ製品の放射安全基準」）で定めるクラス４以上の高出力レーザ装置が必要である。

このような高出力レーザ装置を用いる場合には、作業者の安全を確保するためにレーザの散乱光や反射光の強度を十分に小さくしなければならない。このため、従来のレーザ超音波式測定装置は、多くの場合、密閉された無人の実験室内で、遠隔操作で使用されており、例えば圧延鋼板の製造ラインでの使用は事実上不可能であった。

密閉された実験室内以外でレーザ超音波式装置を使用する方法として、特開２００４−１０１１８９号公報に記載の欠陥検査方法がある。この検査方法では、遮光カバーでレーザ光の光路および被照射部のみを覆うことにより、作業者の安全が確保されている。

しかし、この方法を用いた場合、遮光カバーを被測定対象物に密着させる必要があるが、金属の圧延加工をする製造ライン上などでは被測定対象物が高温であること、被測定対象物が移動すること、被測定対象物の表面が平坦でない場合があることなどから密着を保つことが困難であり、レーザの散乱光、反射光などが漏洩するという問題があった。

さらに、被測定対象物と遮光カバーとを密着させることにより、被測定対象物の表面にキズを生じさせたり、被測定対象物の温度を低下させたり、遮光カバーを磨耗させたりする不都合があった。

本発明は、これらの問題を解決するためになされ、その目的は、遮光構造物と被測定対象物とを密着させる必要がなく、被測定対象物の出し入れを容易に行うことができるレーザ超音波式特性測定装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、被測定対象物が遮光構造物よりも大きい場合にも漏洩するレーザの散乱光、反射光の強度を十分に小さくすることができるレーザ超音波式特性測定装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明の第１の態様は、被測定対象物（Ｍ）に励起レーザ光を照射して該被測定対象物（Ｍ）に超音波を励起する送信部（１２，３２）と、被測定対象物（Ｍ）に探測レーザ光を照射し、被測定対象物（Ｍ）からの探測レーザ光の反射光を受光して超音波を検出する受信部（１４）と、被測定対象物（Ｍ）の通過を許容する第１の開口部（１６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａ，４７ａ）を有し、被測定対象物（Ｍ）を受入可能な遮光構造物（１６，２６，３６，４６，４７）と、第１の開口部（１６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａ，４７ａ）を覆うとともに開放可能であるカバー（１８）と、を備え、前記遮光構造物（１６，２６，３６，４６，４７）が、前記第１の開口部（１６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａ，４７ａ）の開口方向と直交する方向を向いた少なくとも一つの第２の開口部（１６ｂ，２６ｂ，３６ｂ，４６ｂ，４７ｂ）と、該第２の開口部（１６ｂ，２６ｂ，３６ｂ，４６ｂ，４７ｂ）と前記励起レーザ光が照射されるべき位置との間に設けられる少なくとも一つの遮光板（Ｐ１〜Ｐ４）と、を含むことを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様のレーザ超音波式特性測定装置であって、遮光構造物（１６，２６，３６，４６，４７）の長さ（Ｌ）と、遮光板（Ｐ１〜Ｐ４）および被測定対象物（Ｍ）の間の第１の隙間長さ（ｈ）とが第２の開口部（１６ｂ，２６ｂ，３６ｂ，４６ｂ，４７ｂ）から直接に漏洩する散乱光の強度、被測定対象物（Ｍ）の厚さ、および被測定対象物（Ｍ）の反り量に基づいて決定され、遮光板（Ｐ１〜Ｐ４）の位置が、第１の隙間長さ（ｈ）と、遮光構造物（１６，２６，３６，４６，４７）および被測定対象物（Ｍ）の間の第２の隙間長さ（Ｈ）との比に基づいて決定されることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様のいずれか一つのレーザ超音波式特性測定装置であって、カバー（１８）が第１の開口部に対して開いていることを検出して検出信号を送出する検出器（Ｓ）と、検出信号を受信し、励起レーザ光が放出されるのを防ぐシャッター（１３）と、を更に備えることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明の第４の態様は、第１から第３の態様のいずれか一つのレーザ超音波式特性測定装置であって、送信部（１２）が、遮光構造物（２６）に対して嵌合するよう取り付けられることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明の第５の態様は、第１から第４の態様のいずれか一つのレーザ超音波式特性測定装置であって、遮光構造物（１６，２６，３６，４６，４７）が、被測定対象物（Ｍ）を搬送する搬送用ローラ（４６ｃ）を有することを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明の第６の態様は、第１から第５の態様のいずれか一つに記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、遮光構造物（１６，２６，３６，４６，４７）に設けられる２つの第２の開口部（１６ｂ，２６ｂ，３６ｂ，４６ｂ，４７ｂ）と、第２の開口部（１６ｂ，２６ｂ，３６ｂ，４６ｂ，４７ｂ）の一方に面して配置され被測定対象物（Ｍ）を遮光構造物（１６，２６，３６，４６，４７）へ送出する送出機（５２）と、第２の開口部（１６ｂ，２６ｂ，３６ｂ，４６ｂ，４７ｂ）の他方に面して配置され、送出機（５２）とともに、遮光構造物（１６，２６，３６，４６，４７）から送出される被測定対象物（Ｍ）に張力を付加する受取機（５４）と、を更に備えることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明の第７の態様は、第６の態様のレーザ超音波式特性測定装置であって、送出機（５２）が被測定対象物（Ｍ）を圧延する機能を併有することを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明の第８の態様は、第６又は第７の態様のレーザ超音波式特性測定装置であって、受取機（５４）が、遮光構造物（１６，２６，３６，４６，４７）から送出される被測定対象物（Ｍ）を巻き取る巻取装置（５４）であることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明の第９の態様は、第１から第６の態様のいずれか一つのレーザ超音波式特性測定装置であって、第１の開口部（１６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａ，４７ａ）方向へ被測定対象物（Ｍ）を押し出す搬出機（５）を有することを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明の第１０の態様は、第１から第７の態様のいずれか一つのレーザ超音波式特性測定装置であって、第１の開口部（１６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａ，４７ａ）の開口方向と反対の向きに遮光構造物を移動する移動機（７）を更に備えることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置を提供する。

本発明によれば、遮光構造物と被測定対象物とを密着させる必要がなく、被測定対象物の出し入れを容易に行うことができるレーザ超音波式特性測定装置が提供される。また、被測定対象物が遮光構造物よりも大きい場合にも漏洩するレーザの散乱光、反射光の強度を十分に小さくすることができるレーザ超音波式特性測定装置が提供される。

図１は、本発明の第１の実施形態によるレーザ超音波式測定装置の概略図である。 図２は、本発明の第２の実施形態によるレーザ超音波式測定装置の概略図である。 図３（ａ）は、被測定対象物に照射される励起レーザ光、反射光、および散乱光を模式的に示す図であり、（ｂ）は図２に示すレーザ超音波式測定装置の遮光板の側面図であり、（ｃ）は散乱光の光路を模式的に示す図である。 図４は、図２に示す測定装置の遮光板の位置決めを説明する図である。 図５は、本発明の第３の実施形態によるレーザ超音波式測定装置の一部を示す概略図である。 図６（ａ）は、第３の実施形態によるレーザ超音波式測定装置の変形を示す断面図であり、（ｂ）は嵌合長さを説明する図である。 図７は、本発明の第４の実施形態によるレーザ超音波式測定装置を示す概略図である。 図８は、本発明の第５の実施形態によるレーザ超音波式測定装置を示す概略図である。 図９は、本発明の第６の実施形態によるレーザ超音波式測定装置を示す概略図である。 図１０は、図９に示すレーザ超音波式測定装置のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 図１１は、本発明の第７の実施形態によるレーザ超音波式測定装置を示す概略図である。 図１２は、本発明の第８の実施形態によるレーザ超音波式測定装置を示す概略図である。 図１３は、レーザ超音波式測定装置の原理を説明する概略図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。図中、同一の部材又は要素には同一の参照符号を付し、これらに関する重複する説明を省略する。添付図面は、各実施形態によるレーザ超音波式測定装置を模式的に示しているに過ぎない。このため、各構成要素間の比率等が現実の設計通りに現されているとは限らないことに留意すべきである。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態によるレーザ超音波式特性測定装置（以下、単に測定装置という）の概略図である。図示の通り、第１の実施形態による測定装置１０は、送信部１２、受信部１４、遮光構造物１６、およびカバー１８を備える。

送信部１２は、被測定対象物Ｍ（以下、対象物Ｍという）に励起レーザ光を照射して対象物Ｍ内に超音波を励起する。送信部１２は、図１に示すように、レーザ光源１２ａ、光学系１２ｂ、および出射口１２ｃを含む。レーザ光源１２ａは、励起レーザ光として、対象物Ｍの表面でアブレーションを発生させるのに十分なエネルギーを有するパルスレーザ光を放出する。レーザ光源１２ａは、これに限定するものではないが、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザ装置（波長１０６４ｎｍ）である。光学系１２ｂは、レーザ光源１２ａから放出される励起レーザ光が透過するのを許容し、かつ、そのビーム径および照射方向を調整する。具体的には、ビーム径は、レーザ光源１２ａの容量（エネルギー）や対象物Ｍの表面状態に応じて決定される。光学系１２ｂを通過した励起レーザ光は、出射口１２ｃを通して、遮光構造物１６内へ放出される。

受信部１４は、対象物Ｍに探測レーザ光を照射し、対象物Ｍからの探測レーザ光の反射光を受光して超音波を検出する。受信部１４は、レーザ光源１４ａ、干渉計１４ｂ、および出射口（図示せず）を含む。レーザ光源１４ａは、探測レーザ光として連続レーザ光を放出する。レーザ光源１４ａは、これに限定するものではないが、例えば、ＹＡＧレーザ装置である。なお、探測レーザ光の強度が高いほど対象物に励起される超音波を明瞭に検出できるため、レーザ光源１４ａは、対象物Ｍの裏面においてアブレーションが発生しない範囲で強度の高いレーザ光を放出することができると好ましい。干渉計１４ｂとしては、探測レーザ光が照射される面（対象物Ｍの裏面）が粗くても安定して測定をすることができ、周波数特性に優れるファブリペロー干渉計、又はフォトリフラクティブ結晶を用いた二波長混合式干渉計を始めとする種々の干渉計を用いることができる。受信部１４の出射口は、探索レーザ光の通過とその反射光の通過を許容するように設けられている。

遮光構造物１６は、金属で箱状に形成され、その内部に対象物Ｍを収容する。遮光構造物１６は、溶接、鋳造、鍛造または成形といった方法により形成することができる。また、遮光構造物１６は、対象物Ｍが搬入され、また搬出される開口部１６ａと、送信部１２の出射口１２ｃと合致する貫通孔（図示せず）と、受信部１４の出射口と合致する貫通孔（図示せず）とを有する。これらの貫通孔は、それぞれのレーザ光が通過でき、また、受信部１４が反射光を集光するのを妨げない限りにおいてできるだけ小さいことが望ましい。また、図１に示す通り、送信部１２および受信部１４を遮光構造物１６に直接取り付ければ、レーザ光の漏洩を防止する観点から、一層好ましい。さらに、遮光構造物１６の内面は、励起レーザ光および探測レーザ光の反射を防止するため、これらのレーザ光の波長における反射率が低くなるよう処理されると好ましい。具体的には、その内面が黒色に塗装されると有用である。

カバー１８は、開口部１６ａを覆うことができるとともに、遮光構造物１６の開口部１６ａの上方に設けられた蝶番（図示せず）により、開放可能に設けられている。カバー１８は、閉まっているときには、遮光構造物１６内からレーザ光が外部へ漏洩するのを防止することができ、また、開いているときには、遮光構造物１６の開口部１６ａを通した対象物Ｍの搬入および搬出を可能とする。カバー１８は、手動により又は自動で開閉することができる。なお、第１の実施形態においては、カバー１８は、開口部１６ａの上方に設けられた蝶番を中心に上下に旋回するように構成されているが、水平方向に旋回可能であってもよい。また、カバー１８は、単体のパネルに限らず、２枚以上のプレートから構成されていてよい。この場合には、対象物Ｍの大きさに合わせ、複数のパネルの一部のみを開閉可能とすることができる。また、カバー１８は、２枚のプレートから構成される両開きパネルであってもよい。さらにまた、蝶番によらず、水平方向または垂直方向にスライドすることにより開閉可能であっても構わない。

また、受信部１４にはコンピュータ（図示せず）が電気的に接続され、受信部１４で検出された超音波波形の電圧信号に基づき、波形解析が行われ、結晶粒径、ヤング率、又はランクフォード値などが取得される。

上記の構成によれば、送信部１２から対象物Ｍの表面に励起レーザ光としてのパルスレーザ光が照射され、対象物Ｍの表面において小規模な爆発が発生し、これにより、対象物Ｍ内に超音波が励起される。この超音波は、対象物Ｍ内を減衰しながら伝播し、その裏面に微小な振動として現れる。一方、対象物Ｍの裏面には受信部１４から探測レーザ光としての連続レーザ光が照射される。照射されたレーザ光の反射光は、受信部１４の干渉計１４ａにより基準光と干渉を生じさせ、対象物Ｍの裏面に現れた微小振動が電圧信号として取得される。その後、この電圧信号が解析され、対象物Ｍの結晶粒径やランクフォード値などが得られる。

第１の実施形態による測定装置１０によれば、開口部１６ａを有する遮光構造物１６と、開口部１６ａを覆うカバー１８とにより、対象物Ｍに照射されて反射され又は散乱されるレーザ光が外部に漏洩するのを防止することができ、よって、作業者の安全が確保される。また、測定装置１０には、カバー１８を開けることにより遮光構造物１６の開口部１６ａを通して対象物Ｍの搬入および搬出が容易に行えるという利点がある。さらに、レーザ光の光路や照射部のみを遮光部材で覆うのとは異なり、対象物Ｍに密着する部材が不要である。このため、対象物Ｍの表面にキズを発生させたり、その表面を磨耗したりするのを防止できる。また、送信部１２と対象物Ｍとの間隔を長くすることができるため、たとえ対象物Ｍが高温であっても測定することが可能である。

なお、特に圧延鋼板の結晶粒径を測定する場合には、対象物Ｍ内に数十〜数百ＭＨｚの高周波の超音波振動を励起することが好ましく、この観点から、超音波の励起および受信には、レーザ光を使用することが望ましい。しかし、測定環境、測定事項に応じて、送信および受信の何れか一方に、圧電型若しくは電磁型の超音波発生素子、又は種々の超音波送受信手段を使用することも可能である。

なお、第１の実施形態の測定装置１０においては、送信部１２および受信部１４が垂直方向に配置されているが、これに限らず、両者を並置し、その間に対象物を介在させてもよい。さらに、探測レーザ光が励起レーザ光と同じ面に照射されるように、受信部１４を配置しても構わない。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態による測定装置の概略図である。図示の通り、第２の実施形態による測定装置２０は、送信部１２、受信部１４、遮光構造物２６、およびカバー１８を備える。遮光構造物２６は、遮光構造物１６の開口部１６ａに相当する開口部２６ａに加えて他の開口部を有する点において、第１の実施形態の遮光構造物１６と相違する。すなわち、遮光構造物２６は、開口部２６ａの両端に位置し、開口部２６ａの開口方向と直交する方向に向いた開口部２６ｂを有する。開口部２６ｂは対象物Ｍが遮光構造物２６に接触せずに通過できる大きさを有し、図２から明らかなように、開口部２６ｂから対象物Ｍの搬入および搬出が可能である。

この遮光構造物２６には、図３（ｂ）に示すように、対象物Ｍに照射するレーザ光の照射点と開口部２６ａとの間に、散乱光の進行方向を横切るように、具体的には、本実施形態においては遮光構造物２６の対象物Ｍの載置面と垂直に、複数の遮光板Ｐ１〜Ｐ４が設けられている。これらの遮光板Ｐ１〜Ｐ４は、励起レーザ光Ｉの散乱光および反射光を反射しながら減衰させる機能を有している。

励起レーザ光Ｉの散乱光について図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
図３（ａ）に示すように、励起レーザ光Ｉが対象物Ｍの上方から照射点Ａに垂直に照射されると、矢印で示すように反射光Ｒと散乱光Ｓとが発生する。矢印の長さは、概ね、反射光Ｒおよび散乱光Ｓの強度を示している。散乱光Ｓの強さは、対象物Ｍの粗度など表面状態により異なるが、一般的には散乱角θ（対象物Ｍの表面と成す角度）が小さい程よわくなる。すなわち、励起レーザ光Ｉの強度をＩ_０とすると、散乱光の強度Ｉ_Ｓは、式（１）で表される。

Ｉ_Ｓ＝Ｉ_０×ｆ（θ） （１）
図３（ｂ）に、照射点Ａからの散乱光が進行する光路の例を示す。図示の通り、散乱光Ｓ１〜Ｓ４は、それぞれ遮光板Ｐ１〜Ｐ４に入射し反射され、その後、反射が数回繰り返される。また、図３（ｂ）に光路Ｃで表される散乱光は、いずれの遮光板に反射されることなく直接外部へ漏れる。ここで、遮光構造物２６の長さＬ（遮光構造物２６における励起レーザ光Ｉの入射点から開口部２６ｂまでの長さ）を長くし、遮光板Ｐ１〜Ｐ４と対象物Ｍとの間の隙間長さｈを小さくすると、散乱角θが小さく強度が小さい散乱光のみが、光路Ｃに沿って外部に漏れることになるため、外部に漏れる散乱光の強度を著しく小さくすることができる。ただし、長さｈは少なくとも対象物Ｍが接触しない程度の寸法とする必要がある。したがって、長さｈは、対象物の板厚や板の反り量を考慮し、これらに加えて余裕代を加えた値とする。

ｈ＝板厚＋反り量＋余裕代 （２）
第２の実施形態では、図示の通り、開口部２６ｂの高さと同じである。

次に、遮光構造物２６の長さＬは、直接に外部に漏れる散乱光の強度が十分に小さくなるように、つまり、次の式を満たすように決める。

Ｉ_ＵＬ ≧ Ｉ＝Ｉ_０×ｆ（θ_ＭＡＸ） （３）
ここで、Ｉ_ＵＬは、直接に外部に漏れることが許容される散乱光強度の上限値であり、測定装置２０の設置状態、運用状態により決定される値であり、θ_ＭＡＸは直接に外部に漏れることが許容される散乱光と対象物Ｍとのなす角の最大値である。

これをθについて解くと式（４）が得られる。

θ_ＭＡＸ≦ｆ^−１（Ｉ_ＵＬ／Ｉ_０） （４）
このθ_ＭＡＸを用いて式（５）により、遮光構造物の長さＬを決めればよい。ただし、長さＬは、測定装置２０の設置状況、製造コスト等を考慮して決定してよい。

Ｌ＝ｈ／ｔａｎθ_ＭＡＸ （５）
図４は、遮光板Ｐ１〜Ｐ４の設置位置の決定方法の一例を説明する図である。点Ａからの散乱光のうち、散乱角が範囲φ５に属する散乱光Ｓおよび反射光Ｒは遮光板Ｐ１〜Ｐ４には当たらないが、進行方向がほぼ上方であるので、遮光構造物２６の内面と対象物Ｍの間で反射を繰り返し、徐々に吸収され、その強度は十分に低減される。散乱角が範囲φ１に属する散乱光は、上述の通り、長さＬと長さｈの調整により強度が十分に低減されるから、遮光板にあたることなく外部に放出されても問題とならない。

一方、散乱角が範囲φ２〜φ４に属する散乱光は、以下のように配置される遮光板Ｐ１〜Ｐ４に当たって進行方向が変わり、繰り返して反射され、よって、その強度が十分に低減される。

図４において、遮光板Ｐ４は、式（５）により決められたＬの位置、すなわち、遮光構造物２６の開口端に設けられる。換言すると、遮光板Ｐ４は、遮光構造物２６の一部を構成している。遮光板Ｐ４は、散乱角が範囲φ１よりも大きい範囲φ２に属する散乱光を反射して、開口部２６ｂと反対の方向へ進行させることができる。このため、そのような散乱光は、何度も反射されて、その強度が低減される。

次に、遮光板Ｐ３は、散乱角が範囲φ３に属する散乱光を反射することができるように位置ｘ１（図４）に設けられる。位置ｘ１は、三角形の相似関係から容易に計算でき、式（６）で与えられる。

ｘ１＝Ｌ×ｈ／Ｈ （６）
ここで、Ｌは上述の遮光構造物２６の長さ、Ｈは遮光構造物２６の内部の高さ、ｈは遮光板Ｐ１〜Ｐ４と対象物Ｍとの間の隙間長さである。

同様に、遮光板Ｐ２の位置ｘ２は、散乱角範囲φ４に属する散乱光を反射して、開口部２６ｂと反対の方向へ進行させることができる位置に設けられる。遮光板の位置ｘ２は式（７）で得られる。

ｘ２＝ｘ１×ｈ／Ｈ （７）
遮光板Ｐ１の位置ｘ３ついても同様に、式（８）で与えられる。

ｘ３＝ｘ２×ｈ／Ｈ （８）
なお、遮光板が遮光構造物の開口端にしか無い場合には、図３（ｃ）の光路Ｓ１０、Ｓ１１のように、照射点Ａからの散乱光（特に、散乱角が範囲φ３からφ４に属する散乱光）は、遮光構造物２６の内面と対象物Ｍとの間で比較的少ない反射回数（例えば、１回から２回）で開口部に達するため、強度が十分に減衰されないまま散乱光が外部に放出され、作業者の安全を脅かすこととなる。しかし、第２の実施形態による測定装置２０によれば、散乱光が開口部２６ｂから漏洩したとしても、遮光板Ｐ１〜Ｐ４により強度が十分に減衰されているため、作業者の安全が確保される。

図３および図４を参照しながら、遮光板の枚数が４枚の場合を説明したが、これよりも遮光板の枚数を多くすれば、より効果的に散乱光を減衰させることも可能である。遮光板の枚数は、使用する励起レーザ光の強度、コスト等を考慮して、適宜決定されるべきことは言うまでもない。

以上、第２の実施形態による測定装置２０によれば、遮光構造物２６において、カバー１８で覆われる開口部２６ａの開口方向と直交する方向に開口する開口部２６ｂが設けられているため、これらを通して対象物Ｍを搬入し、搬出でき、また、長尺の対象物Ｍであっても切断することなく測定することができる。さらに、開口部２６ｂにはカバー１８に相当する部材が設けられていないが、遮光構造物２６内において開口部２６ｂと光路孔１２ｃとの間に遮光板Ｐ１〜Ｐ４が設けられており、これらによって散乱光が複数回反射され、その強度が減衰するため、散乱光の外部への漏洩を十分に低減することができる。

なお、第２の実施形態では、２つの開口部２６ｂが設けられる場合を例示したが、開口部２６ｂは、一つであってもよい。この場合であっても、励起レーザ光の照射点と開口部２６ｂとの間に設けられる複数の遮光板により、外部へ漏洩する散乱光の強度を十分に低減することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態による測定装置は、送信部および遮光構造物が一部変更されている点を除き、第１の実施形態の測定装置１０と同一に構成されている。図５は、その変更点を中心として、本発明の第３の実施形態による測定装置の一部を示す概略図である。

図示の通り、送信部３２は凸部３２ａを有し、遮光構造物３６は凹部３６ｅを有している。凸部３２ａは中空円筒状であり、その内部を通して励起レーザ光が出射される。凹部３６ｅは円形であり、その内径は、凸部３２ａが凹部３６ｅに挿入されたときに、送信部３２が過剰な遊びなく固定されるように調整される。凹部３６ｅの底面の略中央には、送信部３２からの励起レーザ光が通過する貫通孔３６ｃが設けられている。

このような構成により、送信部３２はその凸部３２ａが凹部３６ｅに挿入されて遮光構造物３６に取り付けられ、励起レーザ光は凸部３２ａの内部および貫通孔３６ｃを通って対象物に照射される。

なお、送信部３２は、凸部３２ａを有している点を除き、送信部１２と同一に構成されている。また、遮光構造物３６は、凹部３６ｅを有している点を除き、開口部２６ａや開口部３６ｂ（図６（ａ））を有している点を含めて、遮光構造物１６又は遮光構造物２６と同一に構成されている。

また、図６（ａ）に示すように、凹部３６ｅに代わって、凸部３２ａが嵌合する貫通孔３６ｆを遮光構造物３６に設けてもよい。この場合、凹部３２ａと貫通孔３６ｆの嵌め合わせ長さＤは、送信部３２からの励起レーザ光が対象物（図示せず）に照射され、反射した反射光又は散乱された散乱光Ｓが、凸部３２ａと孔３６ｆとの間隙において複数回反射して、所望の強度以下まで低減されるように決定される（図６（ｂ）参照）。散乱光の強度は対象物の表面の粗さや散乱方向により異なるので、予め実験を行って、適切な嵌め合わせ長さＤを求めておくと好ましい。なお、長さＤの調整のため、図６（ｂ）に示すように、遮光構造物３６に環状凸部（またはスリーブ）３６ｄを設けて良い。

上記の構成により、送信部３２を遮光構造物３６に容易に取り付けることが可能となる。また、遮光構造物３６とは独立に、対象物Ｍと送信部３２との距離を調整することも可能であり（図６（ａ）中の二重矢印）、送信部３２の光学系（図示せず）の調整によらずに、たとえば、焦点距離の調整が可能となる。さらに、凸部３２ａと凹部３６ｅまたは貫通孔３６ｆとの間の適度な遊びにより、遮光構造物３６に発生する機械振動から送信部３２を保護することが可能となる。

なお、上述した説明では、凸部３２ａは中空円筒状であり、凹部３６ｅは円形であったが、このような形状に限られることはない。両者が適切に嵌め合わされる限りにおいて、種々の形状とすることができる。また、凸部３２ａは、中空に限らず、レーザ光の通過を許容する貫通孔を有する限りにおいて、中実であって良い。さらに、遮光構造物２６に凸部が設けられ、送信部１２に凹部または貫通孔が設けられ、両者が嵌合するように構成してもよい。すなわち、送信部３２に凸部および凹部の一方が設けられ、凸部および凹部の他方が遮光構造物３６に設けられ、送信部３２と遮光構造物３６が凸凹嵌合によりに互いに取り付けられれば良い。

また、第１および第２の実施形態における受信部１４に対して凸部３２ａを設け、遮光構造物１６の裏面に凹部または貫通孔を設けることも可能である。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態による測定装置を示す概略図である。図示の通り、第４の実施形態による測定装置４０は、送信部１２、受信部１４、遮光構造物４６、およびカバー１８を備える。遮光構造物４６は、第２の実施形態における遮光構造物２６の開口部２６ａに相当する開口部４６ａと、開口部２６ｂに相当する開口部４６ｂとを有している。加えて、遮光構造物４６は複数の搬送ローラ４６ｃを有する。搬送ローラ４６ｃは、手動又は電動で回転可能であり、対象物Ｍを支持するとともに、回転により対象物Ｍを移動することができる。また、搬送ローラ４６ｃは、受信部１４から放出される探測レーザ光とその反射光との光路を妨害しないように配置されている。なお、各搬送ローラ４６ｃは空気圧や油圧によって駆動されてもよい。

測定装置４０によれば、対象物Ｍを開口部４６ａから搬入し、搬出することができ、また、搬送ローラ４６ｃにより対象物Ｍを開口部４６ａの一方から他方へ移動させながら複数の測定点で測定をすることができる。ただし、開口部４６ａから対象物Ｍを搬入したり、搬出したりすることも可能である。特に、搬送ローラ４６ｃにより対象物Ｍを搬送しているときに、何らかの理由で対象物Ｍを開口部４６ｂから取り出せなくなったときは、開口部４６ａからの対象物Ｍを除去することが有用である。

（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態による測定装置を示す概略図である。図示の通り、第５の実施形態による測定装置５０は、送信部１２、受信部１４、遮光構造物４６、カバー１８、圧延機５２、および巻取装置５４を備える。圧延機５２は、一方の開口部４６ｂに面する位置に配置され、例えば高温の鋼鉄のスラブやビレットを圧延して圧延板条とし、これを遮光構造物４６内へ送出する。遮光構造物４６内では、搬送ローラ４６ｃにより圧延板条が他方の開口部４６ｂへ送出される。巻取装置５４は、他方の開口部４６ｂに面する位置に配置され、遮光構造物４６を通り抜けた圧延板条をロールへと巻き取る。

このような構成によれば、圧延鋼板の製造中に、結晶粒径などの測定が可能となる。また、巻取装置５４若しくは圧延機５２または両者の駆動速度の調節により、遮光構造物４６を通過する圧延板条に適度の張力が印加され、スムースな送出が可能となる。さらに、適度な張力により、対象物Ｍ内で超音波が良好に伝播するという効果が提供される。

なお、巻取装置５４に代わってピンチローラを配置してもよいし、また、巻取装置５４と開口部４６ｂとの間に、追加のピンチローラを配置してもよい。この場合、ピンチローラにより圧延板条の張力が調整される。

（第６の実施形態）
図９は、本発明の第６の実施形態による測定装置を示す概略図である。図示の通り、第６の実施形態による測定装置６０は、第５の実施形態による測定装置５０に対して搬出機５が付加された構成を有する。搬出機５は、アーム５ａ、押出プレート５ｂ、および油圧シリンダ５ｃから構成される。アーム５ａは、図１０に示す通り、遮光構造物４７の背面に設けられた貫通孔４７ｃを通して遮光構造物４７内に挿入される。挿入されたアーム５ａの先端には、押出プレート５ｂが取り付けられている。押出プレート５ｂは、搬送ローラ４６ｃの上または上方に位置し、搬送ローラ４６ｃ上に載置される対象物Ｍを側方から押出すことができるように設けられている。アーム５ａの他端は油圧シリンダ５ｃに接続されており、油圧シリンダ５ｃの動作により、アーム５ａを介して押出プレート５ｂが対象物Ｍを開口部４７ａ方向に押出す。

以上の構成によれば、たとえば、搬送ローラ４６ｃにより対象物Ｍを搬送しているときに、何らかの理由で対象物Ｍを開口部４６ｂから取り出せなくなったときに、カバー１８を開き、対象物Ｍを搬出機５により搬出することができる。対象物Ｍが高温である場合には、搬出機５による搬出は特に有用である。なお、貫通孔４７ｃの長さは、アーム５ａと貫通孔４７ｃとの間の間隙に入射した散乱光が、これらの間で繰り返して反射されて強度が十分に減衰するよう決定される。また、必要に応じてスリーブ４７ｄを設けてもよい。

（第７の実施形態）
図１１は、本発明の第７の実施形態による測定装置を示す概略図である。図示の通り、第７の実施形態による測定装置６０は、第２の実施形態による測定装置２０に対して移動機７が付加された構成を有する。

移動機７は、車輪７ａ１と車輪７ａ１を駆動する動力源７ａ２とを有し測定装置２０が載置される台座７ａと、車輪７ａ１を移動可能に支持するレール７ｂと、を有する。

この構成によれば、動力源７ａ２を起動することにより、台座７ａがレール７ｂ上を移動し、台座７ａに載置される測定装置２０が図１１中の矢印の方向に移動する。このため、第７の実施形態は、対象物Ｍが例えば長尺であって搬出が困難な場合に、測定装置２０を移動してメンテナンス作業を行うことができるという利点を提供することができる。

（第８の実施形態）
図１２は、本発明の第８の実施形態による測定装置を示す概略図である。図示の通り、第８の実施形態による測定装置８０は、送信部１２、受信部１４、遮光構造物１６、およびカバー１８を備える。送信部１２は、出射口１２ｃを覆って、レーザ光源１２ａからの励起レーザ光が送信部１２から放出されるのを妨げるシャッター１３を有している。また、遮光構造物１６の開口部１６ａの下部には、カバー１８が開いたことを検知するスイッチＳが設けられている。

カバー１８が開くと、開いたことを感知したスイッチＳが検出信号をコントローラＣへ送信する（矢印Ａ１）。コントローラＣは、検出信号を受信すると、シャッター１３に対して指示信号を送信する（矢印Ａ２）。指示信号を受信したシャッター１３は、出射口１２ｄを塞ぐように回動し、よって、励起レーザ光が送信部１２から放出されるのを防止する。また、受信部１４に対しても、レーザ光の放出を妨げることができる開閉可能なシャッターを設け、コントローラＣからの指示信号によりシャッターを閉じるよう構成することができる。これは、高出力の探測レーザ光を用いる場合に有用である。

このようなインターロック装置を設けると、測定中に誤ってカバー１８が開いた場合でも、レーザ光の放出を遮断できるため、作業者の安全が一層確実に確保される。

以上、いくつかの実施形態を提示し、本発明による材質測定装置を説明したが、本発明は、これらの実施形態に限られず、種々の変更が可能である。

たとえば、送信部１２および受信部１４が、遮光構造物の外側に配置される場合を例示したが、第１の実施形態の測定装置１０にあっては、遮光構造物の内側に配置されても構わない。

送信部１２のレーザ光源１２ａから放出される励起レーザ光の進行方向を偏向する偏向器を更に備えることも可能である。このようにすれば、例えば、長尺の圧延鋼板が遮光構造物４６、４７中を移動中に、移動方向と直交する方向に励起レーザ光を偏向することにより、圧延鋼板の広い範囲において、結晶粒径を測定することができる。

第５の実施形態において、圧延機５２と巻取装置５４を含む測定装置５０を説明したが、測定装置４０を圧延鋼材の製造ラインの粗圧延機と仕上圧延機との間や、仕上圧延機と巻取装置との間に配置することも有用である。

第６の実施形態において、油圧シリンダ５ｃを利用したが、押出プレート５ｂによる対象物Ｍの押出しが可能であれば、これに限られるものではない。

第７の実施形態における動力おいて、車輪７ａ１と動力源７ａ２を有する台座７ａと、レール７ｂとを有する移動機７を説明したが、遮光構造物２６の開口部２６ａの開口方向と反対に測定装置２０を移動できるのであれば、移動機７に限られない。例えば、台座７ａに動力源７ａ２を設けずに牽引機を設け、牽引機により台座７ａを牽引するよう移動機を構成してよい。また、牽引機を設けずに手動で台座７ａを移動するようにしても構わない。なお、動力源７ａ２としてはモータが好適であるが、空気圧や油圧を利用した動力源であっても構わない。また、第７の実施形態においては、測定装置の全体を移動するようにしたが、遮光構造物のみを移動するよう構成してもよい。

産業上の利用の可能性

本発明によれば、レーザ光の漏洩が抑制されて作業者の安全が確保されるため、無人の実験室に限らず、例えば、圧延鋼板の製造ラインにおいても使用することができ、製造中の特性をモニタすることを通して高品質な鋼板の製造を可能とする。

Claims (10)

1. 被測定対象物に励起レーザ光を照射して該被測定対象物に超音波を励起する送信部と、
   前記被測定対象物に探測レーザ光を照射し、前記被測定対象物からの前記探測レーザ光の反射光を受光して前記超音波を検出する受信部と、
   前記被測定対象物の通過を許容する第１の開口部を有し、前記被測定対象物を受入可能な遮光構造物と、
   前記第１の開口部を覆うとともに開放可能であるカバーと、
   を備え、
   前記遮光構造物が、前記第１の開口部の開口方向と直交する方向を向いた少なくとも一つの第２の開口部と、該第２の開口部と前記励起レーザ光が照射されるべき位置との間に設けられる少なくとも一つの遮光板と、を含むことを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。
2. 請求項１に記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、
   前記遮光構造物の長さと、前記遮光板および前記被測定対象物の間の第１の隙間長さとが前記第２の開口部から直接に漏洩する散乱光の強度、前記被測定対象物の厚さ、および前記被測定対象物の反り量に基づいて決定され、
   前記遮光板の位置が、前記第１の隙間長さと、前記遮光構造物および前記被測定対象物の間の第２の隙間長さとの比に基づいて決定されることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。
3. 請求項１又は２のいずれか１項に記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、
   前記カバーが前記第１の開口部に対して開いていることを検出して検出信号を送出する検出器と、
   前記検出信号を受信し、前記励起レーザ光が放出されるのを防ぐシャッターと、
   を更に備えることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、
   前記送信部が、前記遮光構造物に対して嵌合するよう取り付けられることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、
   前記遮光構造物が、前記被測定対象物を搬送する搬送用ローラを有することを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、
   前記遮光構造物に設けられる２つの前記第２の開口部と、
   前記第２の開口部の一方に面して配置され前記被測定対象物を前記遮光構造物へ送出する送出機と、
   前記第２の開口部の他方に面して配置され、前記送出機とともに、前記遮光構造物から送出される前記被測定対象物に張力を付加する受取機と、
   を更に備えることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。
7. 請求項６に記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、
   前記送出機が前記被測定対象物を圧延する機能を併有することを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。
8. 請求項６又は７に記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、
   前記受取機が、前記遮光構造物から送出される前記被測定対象物を巻き取る巻取装置であることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。
9. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、
   前記第１の開口部方向へ前記被測定対象物を押し出す搬出機を有することを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。
10. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ超音波式特性測定装置であって、
    前記第１の開口部の開口方向と反対の向きに前記遮光構造物を移動する移動機を更に備えることを特徴とするレーザ超音波式特性測定装置。

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