結晶粒径計測装置、結晶粒径計測方法、プログラム及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体
【課題】被計測板の板厚が非常に薄い場合であっても、被計測板の結晶粒径を高精度に計測できるようにする。
【解決手段】被計測板１０１の板厚方向に伝播した共振周波数を含む所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を波形検出手段３０で検出し、検出した超音波の波形に基づいて、エネルギー値算出手段４０で所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出する。そして、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値の中から、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出し、この最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を比算出手段６０で算出し、結晶粒径算出手段８０において、比算出手段６０で算出したエネルギー値の比に基づいて、被計測板１０１における結晶粒径を算出するようにする。
【解決手段】被計測板１０１の板厚方向に伝播した共振周波数を含む所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を波形検出手段３０で検出し、検出した超音波の波形に基づいて、エネルギー値算出手段４０で所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出する。そして、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値の中から、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出し、この最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を比算出手段６０で算出し、結晶粒径算出手段８０において、比算出手段６０で算出したエネルギー値の比に基づいて、被計測板１０１における結晶粒径を算出するようにする。
【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板の結晶粒径を計測する結晶粒径計測装置、結晶粒径計測方法、当該結晶粒径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及びこの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、鋼板等の材料の結晶粒径を計測する方法として、材料の組織の顕微鏡写真を撮ることによって計測する方法が知られている。しかし、この方法は破壊試験であるため、例えば、鋼板等の製造プロセスおいては使用することができなかった。そこで、鋼板等の材料の結晶粒径を非破壊試験で計測する方法として、電磁超音波（ＥＭＡＴ）による共振法を利用した計測が考えられている。
【０００３】
この電磁超音波による共振法を利用した従来の結晶粒径の計測方法の一例について、以下に説明する。
図９は、電磁超音波（ＥＭＡＴ）による共振法を説明するための概略図である。
図９において、１１１は電磁超音波振動子であり、電磁超音波の発信と受信の両方に用いられる。１１２は板状材料からなる板厚ｄの被計測板である。電磁超音波振動子１１１に交流電圧を加えつつ、その交流電圧の周波数を連続的に変化させると、次の数式１が成り立つときに被計測板１１２内部に超音波の共振がおこる。
【０００４】
【数１】
【０００５】
数式１において、ｄは被計測板１１２の板厚、λは超音波の波長、ｎは正の整数である。すなわち、被計測板１１２の板厚ｄが超音波の波長λの半分の整数倍のときに超音波の共振がおこる。ここで、ｎが１、２、３、…のときの共振をそれぞれ１次、２次、３次、…の共振という。図９には、一例として２次の共振状態時に形成される定在波を示している。一方、超音波の速度Ｖ、波長λ、周波数ｆの間には、次の数式２が成り立つことが一般的によく知られている。
【０００６】
【数２】
【０００７】
また、数式１、数式２から、次の数式３を導くことができる。
【０００８】
【数３】
【０００９】
そして、数式３のｆはｎ次の共振のときの周波数であるので、これを明確に示すためにｆnと書き直すと、次の数式４となる。
【００１０】
【数４】
【００１１】
この共振周波数の測定に関しては、例えば、電磁超音波振動子１１１において、周波数を連続的に変化させた超音波を被計測板１１２に対して発振し、被計測板１１２の板厚方向に伝播した超音波の共振スペクトルを計測することによって行われる。図１０に、共振スペクトルの計測結果の一例を示した特性図を示す。
【００１２】
ここで、図１０は、横軸に発振した超音波の周波数（ＭＨｚ）をとり、縦軸に検出した超音波波形（減衰波形）のエネルギー値をとったものを示している。また、図１０には、被計測板１１２として、板厚が０．３５ｍｍで平均結晶粒径が４０．４μｍのものと、板厚が０．３５ｍｍで平均結晶粒径が８７．５μｍのものの２種類の共振スペクトルが示されており、それぞれエネルギー値が最も大きい最大のエネルギー値Ｐ１及びＰ２における周波数は共振周波数に相当するものである。
【００１３】
そして、従来の結晶粒径計測装置では、この共振周波数域における定在波の減衰量から、被計測板１１２の結晶粒径を算出するものであった（例えば、下記の特許文献１〜４を参照）。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−３４３３６５号公報
【特許文献２】特開２００１−３４３３６６号公報
【特許文献３】特開平６−１４８１４８号公報
【特許文献４】特開平６−３４７４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図１０に示した共振スペクトルの計測結果からもわかるように、結晶粒径の大きいもの（図１０の例では、平均結晶粒径が８７．５μｍのもの）は、結晶粒径の小さいもの（図１０の例では、平均結晶粒径が４０．４μｍのもの）に比べて、共振周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値が小さくなり、また、共振しない他の周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値の割合が大きくなっている。これは、結晶粒径が大きいほど、発振した超音波における結晶粒の界面での散乱が大きいためであると考えられる。
【００１６】
図１０の例では、被計測板１１２の板厚ｄがともに０．３５ｍｍ（３５０μｍ）であるため、平均結晶粒径が４０．４μｍのものでは被計測板１１２の板厚方向に約８〜９個の結晶粒が存在し、平均結晶粒径が８７．５μｍのものでは被計測板１１２の板厚方向にわずか４個程度の結晶粒が存在することになる。すなわち、被計測板１１２の板厚ｄに対して結晶粒径の大きさの比率が高くなってくると、換言すれば、被計測板１１２の結晶粒径に対して被計測板１１２の板厚ｄが薄くなってくると、上述したように、共振周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値が小さくなり、また、共振しない他の周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値の割合が大きくなっていく。
【００１７】
しかしながら、従来の結晶粒径計測装置では、共振周波数域に基づいて被計測板１１２の結晶粒径を算出するようにしていたため、被計測板１１２の板厚ｄが薄いものであるほど、結晶粒径の大きさに起因した超音波の散乱による結晶粒径の計測誤差が大きくなってしまい、結晶粒径を高精度に計測することが困難であるといった問題があった。
【００１８】
本発明は上述の問題点にかんがみてなされたものであり、被計測板の板厚が非常に薄い場合であっても、被計測板の結晶粒径を高精度に計測することが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】
【００１９】
本発明の結晶粒径計測装置は、被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振手段と、前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出手段と、前記波形検出手段で検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出手段と、前記エネルギー値算出手段で算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出手段と、前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出手段と、前記比算出手段で算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出手段とを有する。
【００２０】
本発明の結晶粒径計測方法は、被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振ステップと、前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出ステップと、前記波形検出ステップで検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出ステップと、前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出ステップと、前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出ステップと、前記比算出ステップで算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出ステップとを有する。
【００２１】
本発明のプログラムは、被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振ステップと、前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出ステップと、前記波形検出ステップで検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出ステップと、前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出ステップと、前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出ステップと、前記比算出ステップで算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出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。
【００２２】
本発明のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、前記プログラムをコンピュータに読み取り可能に記憶する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、被計測板の板厚が非常に薄い場合であっても、被計測板の結晶粒径を高精度に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】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る結晶粒径計測装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、１０１は支持体１０２によって支持された鋼板等からなる板厚ｄの被計測板であり、１００は被計測板１０１の結晶粒径を測定する結晶粒径計測装置である。
【００２５】
図１の結晶粒径計測装置１００において、１０は、被計測板１０１の表面の所定位置に配置され、被計測板１０１に対して超音波を送信するとともに被計測板１０１の板厚方向に伝播した当該超音波を受信する送受信プローブである。なお、この送受信プローブ１０は、例えば、電磁超音波振動子等で形成されている。
【００２６】
図１の結晶粒径計測装置１００において、２０は、超音波を発振する超音波発振手段であり、被計測板１０１の表面の所定位置に配置された送受信プローブ１０を介して、被計測板１０１の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振するものである。
【００２７】
図１の結晶粒径計測装置１００において、３０は、超音波発振手段２０から発振され、被計測板１０１の板厚方向に伝播した所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形（減衰波形）を、所定位置に配置された送受信プローブ１０を介して検出する波形検出手段である。
【００２８】
図１の結晶粒径計測装置１００において、４０は、波形検出手段３０で検出した超音波の波形（減衰波形）に基づいて、所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出手段である。
【００２９】
図１の結晶粒径計測装置１００において、５０は、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値の中から、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出手段である。
【００３０】
図１の結晶粒径計測装置１００において、６０は、最大エネルギー値検出手段５０で検出した最大のエネルギー値と、エネルギー値算出手段４０で算出した当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出手段である。
【００３１】
図１の結晶粒径計測装置１００において、７０は、予め実験等により算出した、前記最大のエネルギー値と前記他のエネルギー値との比に対する平均結晶粒径の相関値を記憶する相関値記憶部である。
【００３２】
図１の結晶粒径計測装置１００において、８０は、比算出手段６０で算出したエネルギー値の比に基づいて、相関値記憶部７０に記憶されている相関値を参照することにより、被計測板１０１における平均結晶粒径を算出する結晶粒径算出手段である。
【００３３】
次に、結晶粒径計測装置１００における計測方法について説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る結晶粒径計測装置１００で行う結晶粒径計測方法の一例を示したフローチャートである。
【００３４】
まず、送受信プローブ１０を被計測板１０１の表面の所定位置に配置した後、ステップＳ１０１では、超音波発振手段２０は、この送受信プローブ１０を介して、被計測板１０１の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を、それぞれ各周波数ごとに独立して発振する。
【００３５】
このステップＳ１０１では、例えば、図３に示すような、いわゆるバースト波を各周波数ごとに発振する。図３には、バースト波として周波数３ＭＨｚのものを５波発振する例を示している。また、本実施形態においては、発振する超音波の所定の周波数領域として、周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚを例にして以下に説明を行う。
【００３６】
続いて、ステップＳ１０２では、波形検出手段３０は、超音波発振手段２０から発振され、被計測板１０１の板厚方向に伝播した所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波の波形（減衰波形）を、所定位置に配置された送受信プローブ１０を介して検出する。
【００３７】
図４は、波形検出手段３０で検出したある周波数における超音波の波形の一例を示した図である。
図４に示された超音波の波形は、その縦軸に超音波の振幅の大きさを電圧（Ｖ）で示しており、その横軸に経過時間（ｔ）を示したものである。本実施形態では、波形検出手段３０において、第１波の超音波を検出してから所定時間Ｔまでに到達した超音波の波形を検出している。
【００３８】
続いて、ステップＳ１０３では、エネルギー値算出手段４０は、波形検出手段３０で検出した超音波の波形（減衰波形）に基づいて、所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波のエネルギー値を算出する。図５は、図４の超音波の検出波形に対するエネルギー値の算出イメージを示した図である。図５の斜線で示した部分の積分値の合計が算出されるエネルギー値となる。
【００３９】
続いて、ステップＳ１０４では、最大エネルギー値検出手段５０は、ステップＳ１０３においてエネルギー値算出手段４０で算出した、所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数におけるエネルギー値の中から、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する。
【００４０】
図６は、エネルギー値算出手段４０で算出された、所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波のエネルギー値の特性図である。図６には、縦軸に超音波のエネルギー値を示し、横軸に周波数を示している。また、図６は、平均結晶粒径が１２．０μｍ、２０．５μｍ、３５．７μｍ及び５３．６μｍである各被計測板１０１の所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波のエネルギー値の特性図を示している。そして、最大エネルギー値検出手段５０は、図６の例では、平均結晶粒径が１２．０μｍである被計測板１０１の場合には最大のエネルギー値Ｐ３を検出し、平均結晶粒径が２０．５μｍである被計測板１０１の場合には最大のエネルギー値Ｐ４を検出し、平均結晶粒径が３５．７μｍである被計測板１０１の場合には最大のエネルギー値Ｐ５を検出し、平均結晶粒径が５３．６μｍである被計測板１０１の場合には最大のエネルギー値Ｐ６を検出する。ここで、これらの最大のエネルギー値Ｐ３〜Ｐ６は、各被計測板１０１の板厚方向における共振周波数の超音波のエネルギー値に相当するものである。
【００４１】
続いて、ステップＳ１０５では、比算出手段６０は、最大エネルギー値検出手段５０で検出した最大のエネルギー値と、エネルギー値算出手段４０で算出した当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する。
【００４２】
このステップＳ１０５での比算出手段６０によるエネルギー値の比の具体的な算出方法としては、いくつかの方法が考えられる。
第１の方法としては、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値のうち、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の平均値を前記他のエネルギー値として、前記最大のエネルギー値との比を算出する方法である。第２の方法としては、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値のうち、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の中で最も大きいエネルギー値を前記他のエネルギー値として、前記最大のエネルギー値との比を算出する方法である。なお、本発明においては、比算出手段６０によるエネルギー値の比の算出方法としては、これらの具体的な算出方法に限定されるものではない。
【００４３】
続いて、ステップＳ１０６では、結晶粒径算出手段８０は、ステップＳ１０５において比算出手段６０で算出したエネルギー値の比に基づいて、被計測板１０１における平均結晶粒径を算出する。
【００４４】
ここで、具体的に、被計測板１０１の平均結晶粒径の算出方法について説明する。
まず、被計測板１０１と同一工程で形成したサンプル板に対して、前記最大のエネルギー値と前記他のエネルギー値との比と、平均結晶粒径との関係を予め実験等により求める。図７は、最大のエネルギー値と他のエネルギー値との比と、平均結晶粒径との関係を示した特性図である。そして、図７に示すように、求めた特性値に対して近似処理を行って、最大のエネルギー値と他のエネルギー値との比に対する平均結晶粒径の相関値を算出し、算出した各相関値を予め相関値記憶部７０に記憶しておく。そして、結晶粒径算出手段８０は、比算出手段６０で算出されたエネルギー値の比に基づいて、相関値記憶部７０に記憶されている該当する平均結晶粒径の相関値を抽出して、被計測板１０１における平均結晶粒径を算出する。
【００４５】
このステップＳ１０１〜ステップＳ１０６までの処理を経ることにより、共振スペクトルにおける超音波の最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比に基づいた被計測板１０１の平均結晶粒径の算出が行われる。
【００４６】
次に、本発明者は、［発明が解決しようとする課題］の欄で指摘した事項、すなわち、図１０に示した平均結晶粒径が小さい被計測板（４０．４μｍ）に対して平均結晶粒径が大きい被計測板（８７．５μｍ）の共振周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値が小さくなり、かつ、共振しない他の周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値の割合が大きくなるという事象の考察を行った。
【００４７】
まず、本発明者は、上述した事象が生じる要因として、結晶粒の結晶方位に注目し、図１０における被計測板とは異なるサンプルではあるが、平均結晶粒径が小さい被計測板と、当該被計測板に比べて平均結晶粒径が大きい被計測板のそれぞれについて、板厚方向の主な結晶方位について計測を行った。この際、被計測板として鋼板を用いて計測を行った。図８にその結果を示す。
【００４８】
図８に示すように、板厚方向の主な結晶方位については、平均結晶粒径が小さい被計測板では結晶方位＜１１１＞となり、平均結晶粒径が大きい被計測板では結晶方位＜１１１＞と＜１１０＞となる結果が得られた。そして、本発明者は、この結晶方位から、各被計測板の板厚方向における共振周波数を算出することを試みた。以下に、その算出方法を示す。
【００４９】
被計測板として鋼板を用いた場合、その結晶は立方晶であり、ｘ、ｙ、ｚ軸を結晶軸にとったときの弾性率テンソルＴは、次の数式５で表せることがわかっている。
【００５０】
【数５】
【００５１】
また、横波超音波の伝播方向が結晶方位＜１１１＞の場合には、その横波超音波の音速Ｖｓが、次の数式６で表せることがわかっている。
【００５２】
【数６】
【００５３】
また、横波超音波の伝播方向が結晶方位＜１１０＞の場合には、その横波超音波の音速が２種類存在し、それぞれの音速Ｖｓ１及びＶｓ２が、次の数式７及び数式８で表せることがわかっている。
【００５４】
【数７】
【００５５】
ここで、数式６〜８において、鉄の単結晶の場合には、弾性定数Ｃ11が２．３３１×１０11（Ｎ／ｍ2）、弾性定数Ｃ44が１．１７８×１０11（Ｎ／ｍ2）、弾性定数Ｃ12が１．３５４×１０11（Ｎ／ｍ2）であり、密度ρが７．８６×１０3（ｋｇ／ｍ3）であることがわかっている。
【００５６】
平均結晶粒径が小さい被計測板では、主な結晶方位が＜１１１＞であるため、数式６に基づいて横波超音波の音速を算出すると、図８に示すように３０２３（ｍ／ｓ）となる結果が得られた。一方、平均結晶粒径が大きい被計測板では、主な結晶方位が＜１１１＞と＜１１０＞であるため、数式６〜数式８に基づいて横波超音波の音速を算出すると、図８に示すように３０２３（ｍ／ｓ）、２４９２（ｍ／ｓ）及び３８７１（ｍ／ｓ）の３種類の音速が混在する結果が得られた。
【００５７】
そして、各被計測板での横波超音波の音速から、数式４に基づいて共振周波数を算出すると（この場合、ｎ＝１とする）、図８に示すように、平均結晶粒径が小さい被計測板では、共振周波数が４．３１８（ＭＨｚ）の１種類のみ存在するのに対して、平均結晶粒径が大きい被計測板では、共振周波数が４．３１８（ＭＨｚ）、３．５６（ＭＨｚ）及び５．５３（ＭＨｚ）の３種類が存在する結果となった。
【００５８】
これにより、平均結晶粒径が小さい被計測板では、共振周波数が１種類のみ存在するため、最大のエネルギー値の値が大きくなるとともに、共振しない他の周波数におけるのエネルギー値の割合が小さくなることが判明した。一方、平均結晶粒径が大きい被計測板では、共振周波数が３種類も存在するため、最大のエネルギー値の値が小さくなるとともに、当該最大のエネルギー値以外の他の周波数におけるのエネルギー値の割合が大きくなることが判明した。すなわち、本発明者は、被計測板を伝播する超音波のエネルギー値が当該被計測板の結晶方位に起因することを実証した。
【００５９】
以上、説明したように、本実施形態に係る結晶粒径計測装置１００では、超音波発振手段２０において、被計測板１０１の表面の所定位置に、被計測板１０１の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振し（ステップＳ１０１）、波形検出手段３０において、被計測板１０１の板厚方向に伝播した所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を前記所定位置で検出し（ステップＳ１０２）、エネルギー値算出手段４０において、波形検出手段３０で検出した超音波の波形に基づいて、所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出し（ステップＳ１０３）、最大エネルギー値検出手段５０において、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値の中から、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出し（ステップＳ１０４）、比算出手段６０において、前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出し（ステップＳ１０５）、結晶粒径算出手段８０において、比算出手段６０で算出したエネルギー値の比に基づいて、被計測板１０１における結晶粒径を算出するようにしている（ステップＳ１０６）。
【００６０】
また、本実施形態に係る結晶粒径計測装置１００では、比算出手段６０におけるエネルギー値の比の算出方法の具体例として、以下の２つの態様を示している。
第１の態様としては、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値のうち、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の平均値を前記他のエネルギー値として、前記最大のエネルギー値との比を算出する方法である。第２の態様としては、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値のうち、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の中で最も大きいエネルギー値を前記他のエネルギー値として、前記最大のエネルギー値との比を算出する方法である。なお、本発明においては、比算出手段６０によるエネルギー値の比の算出方法としては、これらの具体的な算出方法に限定されるものではない。
【００６１】
本実施形態に係る結晶粒径計測装置１００によれば、被計測板の板厚が非常に薄い場合であっても、被計測板の結晶粒径を高精度に計測することができる。
【００６２】
なお、本実施形態に係る結晶粒径計測装置１００を構成する図１の各手段、並びに結晶粒径計測方法を示した図２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憶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。
【００６３】
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、ある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播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（光ファイバ等の有線回線や無線回線等）を用いることができる。
【００６４】
また、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結晶粒径計測装置１００の機能が実現されるだけでなく、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）ある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結晶粒径計測装置１００の機能が実現される場合や、供給されたプログラムの処理の全て、ある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結晶粒径計測装置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。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係る結晶粒径計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る結晶粒径計測装置１００で行う結晶粒径計測方法の一例を示したフローチャートである。
【図３】超音波発振手段から発振する超音波波形の一例を示した図である。
【図４】波形検出手段で検出したある周波数における超音波の波形の一例を示した図である。
【図５】図４の超音波の検出波形に対するエネルギー値の算出イメージを示した図である。
【図６】エネルギー値算出手段で算出された、所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波のエネルギー値の特性図である。
【図７】最大のエネルギー値と他のエネルギー値との比と、平均結晶粒径との関係を示した特性図である。
【図８】各被計測板における結晶方位、音速及び共振周波数の結果を示した図である。
【図９】電磁超音波（ＥＭＡＴ）による共振法を説明するための概略図である。
【図１０】共振スペクトルの計測結果の一例を示した特性図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０ 送受信プローブ
２０ 超音波発振手段
３０ 波形検出手段
４０ エネルギー値算出手段
５０ 最大エネルギー値検出手段
６０ 比算出手段
７０ 相関値記憶部
８０ 結晶粒径算出手段
１００ 結晶粒径計測装置
１０１ 被計測板
１０２ 支持体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて被計測板の結晶粒径を計測する結晶粒径計測装置、結晶粒径計測方法、当該結晶粒径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及びこの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、鋼板等の材料の結晶粒径を計測する方法として、材料の組織の顕微鏡写真を撮ることによって計測する方法が知られている。しかし、この方法は破壊試験であるため、例えば、鋼板等の製造プロセスおいては使用することができなかった。そこで、鋼板等の材料の結晶粒径を非破壊試験で計測する方法として、電磁超音波（ＥＭＡＴ）による共振法を利用した計測が考えられている。
【０００３】
この電磁超音波による共振法を利用した従来の結晶粒径の計測方法の一例について、以下に説明する。
図９は、電磁超音波（ＥＭＡＴ）による共振法を説明するための概略図である。
図９において、１１１は電磁超音波振動子であり、電磁超音波の発信と受信の両方に用いられる。１１２は板状材料からなる板厚ｄの被計測板である。電磁超音波振動子１１１に交流電圧を加えつつ、その交流電圧の周波数を連続的に変化させると、次の数式１が成り立つときに被計測板１１２内部に超音波の共振がおこる。
【０００４】
【数１】
【０００５】
数式１において、ｄは被計測板１１２の板厚、λは超音波の波長、ｎは正の整数である。すなわち、被計測板１１２の板厚ｄが超音波の波長λの半分の整数倍のときに超音波の共振がおこる。ここで、ｎが１、２、３、…のときの共振をそれぞれ１次、２次、３次、…の共振という。図９には、一例として２次の共振状態時に形成される定在波を示している。一方、超音波の速度Ｖ、波長λ、周波数ｆの間には、次の数式２が成り立つことが一般的によく知られている。
【０００６】
【数２】
【０００７】
また、数式１、数式２から、次の数式３を導くことができる。
【０００８】
【数３】
【０００９】
そして、数式３のｆはｎ次の共振のときの周波数であるので、これを明確に示すためにｆnと書き直すと、次の数式４となる。
【００１０】
【数４】
【００１１】
この共振周波数の測定に関しては、例えば、電磁超音波振動子１１１において、周波数を連続的に変化させた超音波を被計測板１１２に対して発振し、被計測板１１２の板厚方向に伝播した超音波の共振スペクトルを計測することによって行われる。図１０に、共振スペクトルの計測結果の一例を示した特性図を示す。
【００１２】
ここで、図１０は、横軸に発振した超音波の周波数（ＭＨｚ）をとり、縦軸に検出した超音波波形（減衰波形）のエネルギー値をとったものを示している。また、図１０には、被計測板１１２として、板厚が０．３５ｍｍで平均結晶粒径が４０．４μｍのものと、板厚が０．３５ｍｍで平均結晶粒径が８７．５μｍのものの２種類の共振スペクトルが示されており、それぞれエネルギー値が最も大きい最大のエネルギー値Ｐ１及びＰ２における周波数は共振周波数に相当するものである。
【００１３】
そして、従来の結晶粒径計測装置では、この共振周波数域における定在波の減衰量から、被計測板１１２の結晶粒径を算出するものであった（例えば、下記の特許文献１〜４を参照）。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−３４３３６５号公報
【特許文献２】特開２００１−３４３３６６号公報
【特許文献３】特開平６−１４８１４８号公報
【特許文献４】特開平６−３４７４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図１０に示した共振スペクトルの計測結果からもわかるように、結晶粒径の大きいもの（図１０の例では、平均結晶粒径が８７．５μｍのもの）は、結晶粒径の小さいもの（図１０の例では、平均結晶粒径が４０．４μｍのもの）に比べて、共振周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値が小さくなり、また、共振しない他の周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値の割合が大きくなっている。これは、結晶粒径が大きいほど、発振した超音波における結晶粒の界面での散乱が大きいためであると考えられる。
【００１６】
図１０の例では、被計測板１１２の板厚ｄがともに０．３５ｍｍ（３５０μｍ）であるため、平均結晶粒径が４０．４μｍのものでは被計測板１１２の板厚方向に約８〜９個の結晶粒が存在し、平均結晶粒径が８７．５μｍのものでは被計測板１１２の板厚方向にわずか４個程度の結晶粒が存在することになる。すなわち、被計測板１１２の板厚ｄに対して結晶粒径の大きさの比率が高くなってくると、換言すれば、被計測板１１２の結晶粒径に対して被計測板１１２の板厚ｄが薄くなってくると、上述したように、共振周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値が小さくなり、また、共振しない他の周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値の割合が大きくなっていく。
【００１７】
しかしながら、従来の結晶粒径計測装置では、共振周波数域に基づいて被計測板１１２の結晶粒径を算出するようにしていたため、被計測板１１２の板厚ｄが薄いものであるほど、結晶粒径の大きさに起因した超音波の散乱による結晶粒径の計測誤差が大きくなってしまい、結晶粒径を高精度に計測することが困難であるといった問題があった。
【００１８】
本発明は上述の問題点にかんがみてなされたものであり、被計測板の板厚が非常に薄い場合であっても、被計測板の結晶粒径を高精度に計測することが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】
【００１９】
本発明の結晶粒径計測装置は、被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振手段と、前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出手段と、前記波形検出手段で検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出手段と、前記エネルギー値算出手段で算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出手段と、前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出手段と、前記比算出手段で算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出手段とを有する。
【００２０】
本発明の結晶粒径計測方法は、被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振ステップと、前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出ステップと、前記波形検出ステップで検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出ステップと、前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出ステップと、前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出ステップと、前記比算出ステップで算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出ステップとを有する。
【００２１】
本発明のプログラムは、被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振ステップと、前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出ステップと、前記波形検出ステップで検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出ステップと、前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出ステップと、前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出ステップと、前記比算出ステップで算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出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。
【００２２】
本発明のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、前記プログラムをコンピュータに読み取り可能に記憶する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、被計測板の板厚が非常に薄い場合であっても、被計測板の結晶粒径を高精度に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】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る結晶粒径計測装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、１０１は支持体１０２によって支持された鋼板等からなる板厚ｄの被計測板であり、１００は被計測板１０１の結晶粒径を測定する結晶粒径計測装置である。
【００２５】
図１の結晶粒径計測装置１００において、１０は、被計測板１０１の表面の所定位置に配置され、被計測板１０１に対して超音波を送信するとともに被計測板１０１の板厚方向に伝播した当該超音波を受信する送受信プローブである。なお、この送受信プローブ１０は、例えば、電磁超音波振動子等で形成されている。
【００２６】
図１の結晶粒径計測装置１００において、２０は、超音波を発振する超音波発振手段であり、被計測板１０１の表面の所定位置に配置された送受信プローブ１０を介して、被計測板１０１の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振するものである。
【００２７】
図１の結晶粒径計測装置１００において、３０は、超音波発振手段２０から発振され、被計測板１０１の板厚方向に伝播した所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形（減衰波形）を、所定位置に配置された送受信プローブ１０を介して検出する波形検出手段である。
【００２８】
図１の結晶粒径計測装置１００において、４０は、波形検出手段３０で検出した超音波の波形（減衰波形）に基づいて、所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出手段である。
【００２９】
図１の結晶粒径計測装置１００において、５０は、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値の中から、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出手段である。
【００３０】
図１の結晶粒径計測装置１００において、６０は、最大エネルギー値検出手段５０で検出した最大のエネルギー値と、エネルギー値算出手段４０で算出した当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出手段である。
【００３１】
図１の結晶粒径計測装置１００において、７０は、予め実験等により算出した、前記最大のエネルギー値と前記他のエネルギー値との比に対する平均結晶粒径の相関値を記憶する相関値記憶部である。
【００３２】
図１の結晶粒径計測装置１００において、８０は、比算出手段６０で算出したエネルギー値の比に基づいて、相関値記憶部７０に記憶されている相関値を参照することにより、被計測板１０１における平均結晶粒径を算出する結晶粒径算出手段である。
【００３３】
次に、結晶粒径計測装置１００における計測方法について説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る結晶粒径計測装置１００で行う結晶粒径計測方法の一例を示したフローチャートである。
【００３４】
まず、送受信プローブ１０を被計測板１０１の表面の所定位置に配置した後、ステップＳ１０１では、超音波発振手段２０は、この送受信プローブ１０を介して、被計測板１０１の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を、それぞれ各周波数ごとに独立して発振する。
【００３５】
このステップＳ１０１では、例えば、図３に示すような、いわゆるバースト波を各周波数ごとに発振する。図３には、バースト波として周波数３ＭＨｚのものを５波発振する例を示している。また、本実施形態においては、発振する超音波の所定の周波数領域として、周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚを例にして以下に説明を行う。
【００３６】
続いて、ステップＳ１０２では、波形検出手段３０は、超音波発振手段２０から発振され、被計測板１０１の板厚方向に伝播した所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波の波形（減衰波形）を、所定位置に配置された送受信プローブ１０を介して検出する。
【００３７】
図４は、波形検出手段３０で検出したある周波数における超音波の波形の一例を示した図である。
図４に示された超音波の波形は、その縦軸に超音波の振幅の大きさを電圧（Ｖ）で示しており、その横軸に経過時間（ｔ）を示したものである。本実施形態では、波形検出手段３０において、第１波の超音波を検出してから所定時間Ｔまでに到達した超音波の波形を検出している。
【００３８】
続いて、ステップＳ１０３では、エネルギー値算出手段４０は、波形検出手段３０で検出した超音波の波形（減衰波形）に基づいて、所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波のエネルギー値を算出する。図５は、図４の超音波の検出波形に対するエネルギー値の算出イメージを示した図である。図５の斜線で示した部分の積分値の合計が算出されるエネルギー値となる。
【００３９】
続いて、ステップＳ１０４では、最大エネルギー値検出手段５０は、ステップＳ１０３においてエネルギー値算出手段４０で算出した、所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数におけるエネルギー値の中から、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する。
【００４０】
図６は、エネルギー値算出手段４０で算出された、所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波のエネルギー値の特性図である。図６には、縦軸に超音波のエネルギー値を示し、横軸に周波数を示している。また、図６は、平均結晶粒径が１２．０μｍ、２０．５μｍ、３５．７μｍ及び５３．６μｍである各被計測板１０１の所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波のエネルギー値の特性図を示している。そして、最大エネルギー値検出手段５０は、図６の例では、平均結晶粒径が１２．０μｍである被計測板１０１の場合には最大のエネルギー値Ｐ３を検出し、平均結晶粒径が２０．５μｍである被計測板１０１の場合には最大のエネルギー値Ｐ４を検出し、平均結晶粒径が３５．７μｍである被計測板１０１の場合には最大のエネルギー値Ｐ５を検出し、平均結晶粒径が５３．６μｍである被計測板１０１の場合には最大のエネルギー値Ｐ６を検出する。ここで、これらの最大のエネルギー値Ｐ３〜Ｐ６は、各被計測板１０１の板厚方向における共振周波数の超音波のエネルギー値に相当するものである。
【００４１】
続いて、ステップＳ１０５では、比算出手段６０は、最大エネルギー値検出手段５０で検出した最大のエネルギー値と、エネルギー値算出手段４０で算出した当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する。
【００４２】
このステップＳ１０５での比算出手段６０によるエネルギー値の比の具体的な算出方法としては、いくつかの方法が考えられる。
第１の方法としては、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値のうち、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の平均値を前記他のエネルギー値として、前記最大のエネルギー値との比を算出する方法である。第２の方法としては、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値のうち、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の中で最も大きいエネルギー値を前記他のエネルギー値として、前記最大のエネルギー値との比を算出する方法である。なお、本発明においては、比算出手段６０によるエネルギー値の比の算出方法としては、これらの具体的な算出方法に限定されるものではない。
【００４３】
続いて、ステップＳ１０６では、結晶粒径算出手段８０は、ステップＳ１０５において比算出手段６０で算出したエネルギー値の比に基づいて、被計測板１０１における平均結晶粒径を算出する。
【００４４】
ここで、具体的に、被計測板１０１の平均結晶粒径の算出方法について説明する。
まず、被計測板１０１と同一工程で形成したサンプル板に対して、前記最大のエネルギー値と前記他のエネルギー値との比と、平均結晶粒径との関係を予め実験等により求める。図７は、最大のエネルギー値と他のエネルギー値との比と、平均結晶粒径との関係を示した特性図である。そして、図７に示すように、求めた特性値に対して近似処理を行って、最大のエネルギー値と他のエネルギー値との比に対する平均結晶粒径の相関値を算出し、算出した各相関値を予め相関値記憶部７０に記憶しておく。そして、結晶粒径算出手段８０は、比算出手段６０で算出されたエネルギー値の比に基づいて、相関値記憶部７０に記憶されている該当する平均結晶粒径の相関値を抽出して、被計測板１０１における平均結晶粒径を算出する。
【００４５】
このステップＳ１０１〜ステップＳ１０６までの処理を経ることにより、共振スペクトルにおける超音波の最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比に基づいた被計測板１０１の平均結晶粒径の算出が行われる。
【００４６】
次に、本発明者は、［発明が解決しようとする課題］の欄で指摘した事項、すなわち、図１０に示した平均結晶粒径が小さい被計測板（４０．４μｍ）に対して平均結晶粒径が大きい被計測板（８７．５μｍ）の共振周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値が小さくなり、かつ、共振しない他の周波数における超音波波形（減衰波形）のエネルギー値の割合が大きくなるという事象の考察を行った。
【００４７】
まず、本発明者は、上述した事象が生じる要因として、結晶粒の結晶方位に注目し、図１０における被計測板とは異なるサンプルではあるが、平均結晶粒径が小さい被計測板と、当該被計測板に比べて平均結晶粒径が大きい被計測板のそれぞれについて、板厚方向の主な結晶方位について計測を行った。この際、被計測板として鋼板を用いて計測を行った。図８にその結果を示す。
【００４８】
図８に示すように、板厚方向の主な結晶方位については、平均結晶粒径が小さい被計測板では結晶方位＜１１１＞となり、平均結晶粒径が大きい被計測板では結晶方位＜１１１＞と＜１１０＞となる結果が得られた。そして、本発明者は、この結晶方位から、各被計測板の板厚方向における共振周波数を算出することを試みた。以下に、その算出方法を示す。
【００４９】
被計測板として鋼板を用いた場合、その結晶は立方晶であり、ｘ、ｙ、ｚ軸を結晶軸にとったときの弾性率テンソルＴは、次の数式５で表せることがわかっている。
【００５０】
【数５】
【００５１】
また、横波超音波の伝播方向が結晶方位＜１１１＞の場合には、その横波超音波の音速Ｖｓが、次の数式６で表せることがわかっている。
【００５２】
【数６】
【００５３】
また、横波超音波の伝播方向が結晶方位＜１１０＞の場合には、その横波超音波の音速が２種類存在し、それぞれの音速Ｖｓ１及びＶｓ２が、次の数式７及び数式８で表せることがわかっている。
【００５４】
【数７】
【００５５】
ここで、数式６〜８において、鉄の単結晶の場合には、弾性定数Ｃ11が２．３３１×１０11（Ｎ／ｍ2）、弾性定数Ｃ44が１．１７８×１０11（Ｎ／ｍ2）、弾性定数Ｃ12が１．３５４×１０11（Ｎ／ｍ2）であり、密度ρが７．８６×１０3（ｋｇ／ｍ3）であることがわかっている。
【００５６】
平均結晶粒径が小さい被計測板では、主な結晶方位が＜１１１＞であるため、数式６に基づいて横波超音波の音速を算出すると、図８に示すように３０２３（ｍ／ｓ）となる結果が得られた。一方、平均結晶粒径が大きい被計測板では、主な結晶方位が＜１１１＞と＜１１０＞であるため、数式６〜数式８に基づいて横波超音波の音速を算出すると、図８に示すように３０２３（ｍ／ｓ）、２４９２（ｍ／ｓ）及び３８７１（ｍ／ｓ）の３種類の音速が混在する結果が得られた。
【００５７】
そして、各被計測板での横波超音波の音速から、数式４に基づいて共振周波数を算出すると（この場合、ｎ＝１とする）、図８に示すように、平均結晶粒径が小さい被計測板では、共振周波数が４．３１８（ＭＨｚ）の１種類のみ存在するのに対して、平均結晶粒径が大きい被計測板では、共振周波数が４．３１８（ＭＨｚ）、３．５６（ＭＨｚ）及び５．５３（ＭＨｚ）の３種類が存在する結果となった。
【００５８】
これにより、平均結晶粒径が小さい被計測板では、共振周波数が１種類のみ存在するため、最大のエネルギー値の値が大きくなるとともに、共振しない他の周波数におけるのエネルギー値の割合が小さくなることが判明した。一方、平均結晶粒径が大きい被計測板では、共振周波数が３種類も存在するため、最大のエネルギー値の値が小さくなるとともに、当該最大のエネルギー値以外の他の周波数におけるのエネルギー値の割合が大きくなることが判明した。すなわち、本発明者は、被計測板を伝播する超音波のエネルギー値が当該被計測板の結晶方位に起因することを実証した。
【００５９】
以上、説明したように、本実施形態に係る結晶粒径計測装置１００では、超音波発振手段２０において、被計測板１０１の表面の所定位置に、被計測板１０１の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振し（ステップＳ１０１）、波形検出手段３０において、被計測板１０１の板厚方向に伝播した所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を前記所定位置で検出し（ステップＳ１０２）、エネルギー値算出手段４０において、波形検出手段３０で検出した超音波の波形に基づいて、所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出し（ステップＳ１０３）、最大エネルギー値検出手段５０において、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値の中から、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出し（ステップＳ１０４）、比算出手段６０において、前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出し（ステップＳ１０５）、結晶粒径算出手段８０において、比算出手段６０で算出したエネルギー値の比に基づいて、被計測板１０１における結晶粒径を算出するようにしている（ステップＳ１０６）。
【００６０】
また、本実施形態に係る結晶粒径計測装置１００では、比算出手段６０におけるエネルギー値の比の算出方法の具体例として、以下の２つの態様を示している。
第１の態様としては、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値のうち、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の平均値を前記他のエネルギー値として、前記最大のエネルギー値との比を算出する方法である。第２の態様としては、エネルギー値算出手段４０で算出したエネルギー値のうち、共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の中で最も大きいエネルギー値を前記他のエネルギー値として、前記最大のエネルギー値との比を算出する方法である。なお、本発明においては、比算出手段６０によるエネルギー値の比の算出方法としては、これらの具体的な算出方法に限定されるものではない。
【００６１】
本実施形態に係る結晶粒径計測装置１００によれば、被計測板の板厚が非常に薄い場合であっても、被計測板の結晶粒径を高精度に計測することができる。
【００６２】
なお、本実施形態に係る結晶粒径計測装置１００を構成する図１の各手段、並びに結晶粒径計測方法を示した図２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憶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。
【００６３】
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、ある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播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（光ファイバ等の有線回線や無線回線等）を用いることができる。
【００６４】
また、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結晶粒径計測装置１００の機能が実現されるだけでなく、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）ある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結晶粒径計測装置１００の機能が実現される場合や、供給されたプログラムの処理の全て、ある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結晶粒径計測装置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。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係る結晶粒径計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る結晶粒径計測装置１００で行う結晶粒径計測方法の一例を示したフローチャートである。
【図３】超音波発振手段から発振する超音波波形の一例を示した図である。
【図４】波形検出手段で検出したある周波数における超音波の波形の一例を示した図である。
【図５】図４の超音波の検出波形に対するエネルギー値の算出イメージを示した図である。
【図６】エネルギー値算出手段で算出された、所定の周波数領域（周波数３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）の各周波数における超音波のエネルギー値の特性図である。
【図７】最大のエネルギー値と他のエネルギー値との比と、平均結晶粒径との関係を示した特性図である。
【図８】各被計測板における結晶方位、音速及び共振周波数の結果を示した図である。
【図９】電磁超音波（ＥＭＡＴ）による共振法を説明するための概略図である。
【図１０】共振スペクトルの計測結果の一例を示した特性図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０ 送受信プローブ
２０ 超音波発振手段
３０ 波形検出手段
４０ エネルギー値算出手段
５０ 最大エネルギー値検出手段
６０ 比算出手段
７０ 相関値記憶部
８０ 結晶粒径算出手段
１００ 結晶粒径計測装置
１０１ 被計測板
１０２ 支持体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振手段と、
前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出手段と、
前記波形検出手段で検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出手段と、
前記エネルギー値算出手段で算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出手段と、
前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出手段と、
前記比算出手段で算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出手段と
を有することを特徴とする結晶粒径計測装置。
【請求項２】
前記比算出手段は、前記エネルギー値算出手段で算出したエネルギー値のうち、前記最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の平均値を、前記他のエネルギー値とすることを特徴とする請求項１に記載の結晶粒径計測装置。
【請求項３】
前記比算出手段は、前記エネルギー値算出手段で算出したエネルギー値のうち、前記最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の中で最も大きいエネルギー値を、前記他のエネルギー値とすることを特徴とする請求項１に記載の結晶粒径計測装置。
【請求項４】
被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振ステップと、
前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出ステップと、
前記波形検出ステップで検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出ステップと、
前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出ステップと、
前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出ステップと、
前記比算出ステップで算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出ステップと
を有することを特徴とする結晶粒径計測方法。
【請求項５】
前記比算出ステップは、前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値のうち、前記最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の平均値を、前記他のエネルギー値とすることを特徴とする請求項４に記載の結晶粒径計測方法。
【請求項６】
前記比算出ステップは、前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値のうち、前記最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の中で最も大きいエネルギー値を、前記他のエネルギー値とすることを特徴とする請求項４に記載の結晶粒径計測方法。
【請求項７】
被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振ステップと、
前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出ステップと、
前記波形検出ステップで検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出ステップと、
前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出ステップと、
前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出ステップと、
前記比算出ステップで算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出ステップと
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項８】
請求項７に記載のプログラムをコンピュータに読み取り可能に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。
【請求項１】
被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振手段と、
前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出手段と、
前記波形検出手段で検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出手段と、
前記エネルギー値算出手段で算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出手段と、
前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出手段と、
前記比算出手段で算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出手段と
を有することを特徴とする結晶粒径計測装置。
【請求項２】
前記比算出手段は、前記エネルギー値算出手段で算出したエネルギー値のうち、前記最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の平均値を、前記他のエネルギー値とすることを特徴とする請求項１に記載の結晶粒径計測装置。
【請求項３】
前記比算出手段は、前記エネルギー値算出手段で算出したエネルギー値のうち、前記最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の中で最も大きいエネルギー値を、前記他のエネルギー値とすることを特徴とする請求項１に記載の結晶粒径計測装置。
【請求項４】
被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振ステップと、
前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出ステップと、
前記波形検出ステップで検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出ステップと、
前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出ステップと、
前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出ステップと、
前記比算出ステップで算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出ステップと
を有することを特徴とする結晶粒径計測方法。
【請求項５】
前記比算出ステップは、前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値のうち、前記最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の平均値を、前記他のエネルギー値とすることを特徴とする請求項４に記載の結晶粒径計測方法。
【請求項６】
前記比算出ステップは、前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値のうち、前記最大のエネルギー値を除いた各エネルギー値の中で最も大きいエネルギー値を、前記他のエネルギー値とすることを特徴とする請求項４に記載の結晶粒径計測方法。
【請求項７】
被計測板の表面の所定位置に、前記被計測板の板厚方向における共振周波数を含む所定の周波数領域の超音波を発振する超音波発振ステップと、
前記被計測板の板厚方向に伝播した前記所定の周波数領域の各周波数における超音波の波形を、前記所定位置で検出する波形検出ステップと、
前記波形検出ステップで検出した超音波の波形に基づいて、前記所定の周波数領域の各周波数における超音波のエネルギー値を算出するエネルギー値算出ステップと、
前記エネルギー値算出ステップで算出したエネルギー値の中から、前記共振周波数における超音波のエネルギー値である最大のエネルギー値を検出する最大エネルギー値検出ステップと、
前記最大のエネルギー値と、当該最大のエネルギー値以外の他のエネルギー値との比を算出する比算出ステップと、
前記比算出ステップで算出したエネルギー値の比に基づいて、前記被計測板における結晶粒径を算出する結晶粒径算出ステップと
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項８】
請求項７に記載のプログラムをコンピュータに読み取り可能に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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−１０１３６０（Ｐ２００７−１０１３６０Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９１５４６（Ｐ２００５−２９１５４６）
【出願日】平成１７年１０月４日（２００５．１０．４）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月４日（２００５．１０．４）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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