磁性体の内部構造測定装置およびその方法
【課題】鋼板等の磁性体の溶接状態や内部欠陥等の内部構造を，非破壊で，かつ，表面状態の影響をなるべく受けずに内部構造を測定できる装置および方法を提供すること。
【解決手段】測定対象の磁性体である薄鋼板９０，９１のスポット溶接箇所９２に，変動する外部磁界を印加する。ただし，薄鋼板９０，９１の磁化が安定するには至らない程度とする。これにより，磁化の進行度に測定対象の内部構造が敏感に反映される。これを，電流遮断後の磁化の戻り量を測定することにより検出する。さらにこれを，磁化を進展させる能力に差がある２種類の励磁パターンにて行いその差を取る。これにより，表面状態にあまり影響されずに磁性体の内部構造を適切に測定することができる。
【解決手段】測定対象の磁性体である薄鋼板９０，９１のスポット溶接箇所９２に，変動する外部磁界を印加する。ただし，薄鋼板９０，９１の磁化が安定するには至らない程度とする。これにより，磁化の進行度に測定対象の内部構造が敏感に反映される。これを，電流遮断後の磁化の戻り量を測定することにより検出する。さらにこれを，磁化を進展させる能力に差がある２種類の励磁パターンにて行いその差を取る。これにより，表面状態にあまり影響されずに磁性体の内部構造を適切に測定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，鋼板等の磁性体の溶接状態や内部欠陥等の内部構造を測定する装置および方法に関する。さらに詳細には，対象物である磁性体を非破壊で，かつ，表面状態の影響をなるべく受けずに内部構造を測定できる装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から，鋼板等の磁性体が，自動車はじめ各種の工業製品の構造材として多用されている。ここで，構造材である鋼板等は，製品としての必要から，スポット溶接されて使用される場合がある。鋼板のスポット溶接部は通常，ナゲット部と呼ばれる箇所を有している。これは，溶接時に一旦溶融してその後凝固することにより溶着した箇所である。このナゲット部の径，すなわちナゲット径は，スポット溶接の良否を示す重要な指標である。また，スポット溶接部においては通常，その表面部分が周囲に比べて少し凹んでいる。溶接時に受けた加圧のためである。
【０００３】
このようなスポット溶接部など，磁性体の内部構造を非破壊で測定する従来の技術としては，特許文献１に記載されたものが挙げられる。特許文献１に記載された技術では基本的に，被測定物である磁性体への静磁界の印加により，被測定物の内部構造に関する情報を取得する。このような手法により内部構造に関する情報を取得できるのは，ナゲット部のような顕著な熱履歴を経験した箇所とそうでない箇所とでは，磁気特性が大きく異なるからである。このため，同一の条件の静磁界を印加しても，それによる被測定物の磁化の状況は，内部構造の影響を受けるのである。
【特許文献１】特許第3098193号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら前記した従来の技術には，次のような問題点があった。すなわち，測定結果が，内部構造ばかりでなく表面状態にも影響されてしまうのである。このため，測定結果から表面状態に起因する部分を除去して純粋に内部構造に起因する部分を取り出すことが難しい。特許文献１では，表面形状とナゲット径と等を分離して別々に測定できると述べているが，そこにおけるナゲット径の測定にしても，表面形状の影響自体は排除しがたい。
【０００５】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，鋼板等の磁性体の溶接状態や内部欠陥等の内部構造を，非破壊で，かつ，表面状態の影響をなるべく受けずに内部構造を測定できる装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題の解決を目的としてなされた本発明に係る磁性体の内部構造測定装置は，測定対象の磁性体に印加する磁界を発生する励磁コイルと，励磁コイルにより測定対象の磁性体に印加される磁界の経路に配置された磁気検出センサと，励磁コイルに電流を印加する電流印加部と，磁気検出センサの出力を取得するセンサ出力取得部とを有する装置であって，電流印加部は，励磁コイルに，第１の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，励磁コイルに，第１の励磁パターンによる印加電流が遮断された後に，第１の励磁パターンとは異なる第２の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するものであり，センサ出力取得部は，第１の励磁パターンによる印加電流が遮断されるときの磁気検出センサの出力を取得するとともに，第２の励磁パターンによる印加電流が遮断されるときの磁気検出センサの出力を取得するものであり，第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方が，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンであるものである。なお，内部構造とは，機械的な構造の他，磁気的性質や化学組成，結晶組織の場所による相違を含む。
【０００７】
また，本発明に係る磁性体の内部構造測定方法は，測定対象の磁性体に印加する磁界を発生する励磁コイルと，励磁コイルにより測定対象の磁性体に印加される磁界の経路に配置された磁気検出センサとを用いて行われる。すなわち，励磁コイルに，第１の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，電流が遮断されるときの磁気検出センサの出力を取得し，励磁コイルに，第１の励磁パターンによる印加電流が遮断された後に，第１の励磁パターンとは異なる第２の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，電流が遮断されるときの磁気検出センサの出力を取得する。ここで，第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方として，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンを用いる。
【０００８】
本発明においては，第１または第２の励磁パターンにより，変動する磁界を測定対象の磁性体に印加する。これにより，測定対象の磁性体の磁化を進展させる。このときの磁化の進展の程度は，測定対象の内部構造に左右される。すなわち，磁化されやすい組織を多く含む構造であれば，磁化の進展の程度は大きい。一方，磁化されにくい組織を多く含む構造であれば，磁化の進展の程度は小さい。しかも，この違いはかなり敏感に現れる。第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方が，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンだからである。
【０００９】
また当然，第１および第２の励磁パターンの，対象物を磁化させる能力にも左右される。励磁パターンによる違いは，特に，測定対象が，磁化されにくい組織を多く含む構造である場合に顕著に表れる。これに対し，磁化されやすい組織を多く含む構造である場合には，励磁パターンによる違いはさほど現れない。このため，第１および第２の励磁パターンによる磁化の進展度合の差は，測定対象の磁化のされやすさを表していると言える。そこで，両励磁パターンによる電流を遮断したときの磁気検出センサの出力をそれぞれ取得する。これにより磁化の戻り量を測定できる。よって，両励磁パターン後の戻り量を対比することで，測定対象が内部に，磁化されにくい組織を多く含むか少ししか含まないかを測定できるのである。
【００１０】
本発明で主として測定対象とするのは，鋼板のスポット溶接箇所である。この場合，第１の励磁パターンの電流印加後の遮断時の磁気検出センサの出力と，第２の励磁パターンの電流印加後の遮断時の前記磁気検出センサの出力との差により，スポット溶接箇所のナゲット形成状況を測定することができる。
【００１１】
ここにおいて，第１の励磁パターンの好ましい例として，パターン初期からパターン終期まで電流値を増加させ続けるパターンが挙げられる。その場合の第２の励磁パターンの好ましい例として，第１の励磁パターンの後半にパルスを付加したパターンが挙げられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば，鋼板等の磁性体の溶接状態や内部欠陥等の内部構造を，非破壊で，かつ，表面状態の影響をなるべく受けずに内部構造を測定できる装置および方法を提供することにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，２枚の薄鋼板を重ね合わせてスポット溶接により接合した接合部の内部構造を測定する測定装置およびその測定装置による測定方法として，本発明を具体化したものである。
【００１４】
本形態に係る内部構造測定装置は，図１に示すように構成されている。図１の内部構造測定装置は，鉄心２１と，鉄心２１に巻回された励磁コイル２２と，鉄心２１の一方の磁極１１の面上に配置された磁気センサアレイ３とを有している。磁気センサアレイ３は，多数のコイルを２次元的に配置したものである。個々のコイルが，当該箇所における磁界強度の変化率に比例する電流を出力するようになっている。すなわち，磁気センサアレイ３は位置分解能を有している。本形態の内部構造測定装置はさらに，励磁コイル２２に電流を印加する電流印加部４，その電流印加のパターンを記憶するパターン記憶部５，磁気センサアレイ３の出力を取得するデータ取得部６を有している。
【００１５】
本形態で測定対象となる磁性体は，薄鋼板である。より詳細には，２枚の薄鋼板９０，９１を重ね合わせてスポット溶接により接合したスポット溶接部９２が，本形態の測定対象箇所である。スポット溶接部９２の内部には，ナゲット部１００が存在している。また，スポット溶接部９２における薄鋼板９０，９１は，図１では分からない程度であるが，表面９３，９４がわずかに凹んでいる。
【００１６】
ナゲット部１００においては，その熱履歴のため，結晶組織が，薄鋼板９０，９１の本来の結晶組織とは大きく異なっている。具体的には，結晶粒が細かく，配向がランダムとなっている。このためナゲット部１００では，ナゲット部１００以外の部分と比較して，磁界が掛かったときに磁化が進行しにくい。また磁界の印加を遮断したときにも磁化が戻りにくい。このためナゲット部１００は，ナゲット部１００以外の部分と比較して，透磁率が低く残留磁化が高い。
【００１７】
本形態では，図１に示すように，電流印加部４により励磁コイル２２に通電することにより鉄心２１から発せられる磁界Ｈを，測定対象箇所であるスポット溶接部９２に印加する。そして，励磁コイル２２への通電を遮断した後における，磁極１１と薄鋼板９０との間の磁界の状況を，磁気センサアレイ３によりモニタするのである。具体的には，図２に示すように，励磁コイル２２への印加電流（以下，コイル電流という）を，ゼロからピーク電流Ｉまで増加させる。そしてコイル電流を急激に減少させるのである。
【００１８】
ここで，コイル電流の印加開始からピーク電流Ｉに達するまでの時間（励磁時間，時刻ｔ０〜時刻ｔ１）は，０.３〜４.０ミリ秒程度（好ましくは０.３〜１.５ミリ秒程度）とする。ピーク電流Ｉは，測定対象の薄鋼板９０，９１が飽和磁化に達しない程度の電流とする。励磁コイル２２の巻き数などの要因にもよるが，ここでは例えば，０.５〜１.５アンペア程度の値とする。コイル電流がピーク電流Ｉからゼロに戻るまでの時間（遮断時間，時刻ｔ１〜時刻ｔ２）は，励磁時間より圧倒的に短く，０.５〜１.５マイクロ秒程度である。つまり図２のグラフ中の横軸は，時刻ｔ１より右側では大幅に拡大して示されているのである。
【００１９】
このように本形態ではスポット溶接部９２に，まず，時刻ｔ０〜時刻ｔ１の励磁時間において，変動磁界を印加する。そしてその終了時（時刻ｔ１）における印加磁界の強さは，薄鋼板９０，９１を飽和磁化に至らせない程度の強さである。このため，時刻ｔ１における薄鋼板９０，９１の励磁状態は，安定するには至っていない。時刻ｔ１における薄鋼板９０，９１の内部は，未だ，印加磁界の影響による磁化の進展の途上にある。
【００２０】
よって，時刻ｔ１における薄鋼板９０，９１の実際の磁化の程度は，主として，次の２つの要因に支配される。１つは，薄鋼板９０，９１における磁化のしやすさである。ここに，スポット溶接部９２の内部構造の影響が現れる。もう１つは，図２のグラフ中の励磁時間における電流波形である。電流波形如何により，磁化が実際に進行する程度が異なるからである。その一方で，薄鋼板９０，９１の表面９３，９４の状態にはあまり左右されない。
【００２１】
そこで本形態ではさらに，励磁時間におけるコイル電流のパターンとして，２種類の励磁パターンを使用する。図２に示したのはそのうちの第１の励磁パターンの１例である。第２の励磁パターンは，種々あり得るが例えば図３に示すものが挙げられる。図３の励磁パターンでは，ピーク電流Ｉの値や励磁時間の長さは図２中のものと同じである。しかし，励磁時間の途中でスパイク状のパルスＰが存在する点で図２の励磁パターンと異なる。図３の励磁パターンでは，パルスＰの時点でのコイル電流はピーク電流Ｉを超えている。このことは，それによって時刻ｔ１の時点で薄鋼板９０，９１の励磁状態が安定してしまうのでない限り，問題ない。この，コイル電流の励磁パターンは，パターン記憶部５に記憶されている。
【００２２】
そして本形態では，コイル電流を時刻ｔ１で遮断した後の遮断時間（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）にわたり，磁気センサアレイ３の出力をデータ取得部６で取得してこれを積分する。遮断時間におけるコイル電流の減少のパターンおよび所要時間は，励磁時間における励磁パターンに関わらず一定とする。これにより，時刻ｔ１と時刻ｔ２とでの，薄鋼板９０，９１の磁化の差が検出される。むろんこの間，薄鋼板９０，９１の磁化は減衰していく途上にある。つまり，コイル電流の磁界により進展した磁化の戻り量が検出されるのである。これを，第１の励磁パターンによる励磁後と第２の励磁パターンによる励磁後とのそれぞれにおいて行うのである。
【００２３】
ここで両励磁パターン後の遮断時の電流パターンが同じであることから，ここでの磁気センサアレイ３の出力のうち，鉄心２１から発せられる外部磁界Ｈの減少に起因する部分は同じである。よって，両励磁パターン間での磁気センサアレイ３の出力の差は，薄鋼板９０，９１の磁化の減少量の差に起因するのである。
【００２４】
本形態の方法では，時刻ｔ１の時点で，両励磁パターンともに，測定対象物の磁化状態が未だ安定するに至っていない。このため，この時点での磁化の進展量には，そこに至るまでの励磁のパターンの違いの影響がまともに現れるのである。そしてそれがそのまま，遮断後の磁化の戻り量として測定にかかるのである。こうして本形態の方法では，内部構造の違いがより敏感に測定結果に現れるのである。このため，測定対象物の表面に仮に凹みがあったとしても，その影響は従来の方法の場合に比して相対的に小さいことになる。こうして，表面状態の情報よりも主として内部構造の情報を得ることができるのである。
【００２５】
なお，本形態では，少なくとも一方の励磁パターンにて励磁後の磁化状態が安定に至っていなければ，従来の方法に比して一応の利点はある。ただし，両方の励磁パターンの双方ともにそうであった方がさらによい。
【００２６】
ここで，本形態で主として測定対象とする薄鋼板９０，９１のスポット溶接部９２には，次のような因子による種々の種類がある。例えば，鋼板の厚さおよびその組み合わせ，鋼板の鋼種およびその組み合わせ，鋼板の表面処理の種類およびその組み合わせ，鋼板の圧延方向同士がなす角，周辺の加工状況，スポット溶接時の電極のサイズや電流量，などである。さらにいえば本形態の内部構造測定装置は，薄鋼板９０，９１のスポット溶接部９２に限らず，磁性体であれば他の物でも測定対象としうるものである。
【００２７】
ただ，図２および図３に例示した励磁パターンの組み合わせが，上記のような種々の種類の測定対象のいずれに対しても有効であるとは限らない。測定対象の種類によっては，図２および図３の励磁パターンの組み合わせでは良好な測定結果が得られないこともある。そのような場合でも，別の励磁パターンを用いることにより，良好な測定結果が得られることもある。つまり，測定対象の種類に応じて，励磁パターンの組み合わせを選択すべきなのである。
【００２８】
測定対象の種類と励磁パターンの好ましい組み合わせとの関係は，理論的に解明できているわけではないが，トライアルアンドエラーにより，好ましい組み合わせを選択することが可能である。すなわち，同一の種類の測定対象について，実際のナゲット径が既知でありかつ異なる種々のサンプルを用意しておく。これらのサンプルの実ナゲット径とその測定結果との相関関係のよい組み合わせが，その種類の測定対象にとって好ましい組み合わせなのである。
【００２９】
以上詳細に説明したように本実施の形態では，測定対象の磁性体である薄鋼板のスポット溶接箇所に，変動する外部磁界を印加する。ただし，薄鋼板の磁化が安定するには至らない程度とする。これにより，磁化の進展度合に測定対象の内部構造が敏感に反映されるようにしている。これを，電流遮断後の磁化の戻り量を測定することにより検出する。さらにこれを，磁化を進展させる能力に差がある２種類の励磁パターンにて行いその差を取ることで，表面状態にあまり影響されずに磁性体の内部構造を適切に測定できるようにしている。
【００３０】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，鉄心１の形状は図示の通りには限らない。測定対象の形状が許せば，２つの磁極で測定対象を表裏から挟み込むようなものとすることも可能である。第１および第２の励磁パターンの印加の順序は逆でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態に係る内部構造測定装置を示す構成図である。
【図２】実施の形態における励磁パターンの１つの例を示すグラフである。
【図３】実施の形態における励磁パターンの別の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
２１ 鉄心
２２ 励磁コイル
３ 磁気センサアレイ
４ 電流印加部
５ パターン記憶部
６ データ取得部
【技術分野】
【０００１】
本発明は，鋼板等の磁性体の溶接状態や内部欠陥等の内部構造を測定する装置および方法に関する。さらに詳細には，対象物である磁性体を非破壊で，かつ，表面状態の影響をなるべく受けずに内部構造を測定できる装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から，鋼板等の磁性体が，自動車はじめ各種の工業製品の構造材として多用されている。ここで，構造材である鋼板等は，製品としての必要から，スポット溶接されて使用される場合がある。鋼板のスポット溶接部は通常，ナゲット部と呼ばれる箇所を有している。これは，溶接時に一旦溶融してその後凝固することにより溶着した箇所である。このナゲット部の径，すなわちナゲット径は，スポット溶接の良否を示す重要な指標である。また，スポット溶接部においては通常，その表面部分が周囲に比べて少し凹んでいる。溶接時に受けた加圧のためである。
【０００３】
このようなスポット溶接部など，磁性体の内部構造を非破壊で測定する従来の技術としては，特許文献１に記載されたものが挙げられる。特許文献１に記載された技術では基本的に，被測定物である磁性体への静磁界の印加により，被測定物の内部構造に関する情報を取得する。このような手法により内部構造に関する情報を取得できるのは，ナゲット部のような顕著な熱履歴を経験した箇所とそうでない箇所とでは，磁気特性が大きく異なるからである。このため，同一の条件の静磁界を印加しても，それによる被測定物の磁化の状況は，内部構造の影響を受けるのである。
【特許文献１】特許第3098193号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら前記した従来の技術には，次のような問題点があった。すなわち，測定結果が，内部構造ばかりでなく表面状態にも影響されてしまうのである。このため，測定結果から表面状態に起因する部分を除去して純粋に内部構造に起因する部分を取り出すことが難しい。特許文献１では，表面形状とナゲット径と等を分離して別々に測定できると述べているが，そこにおけるナゲット径の測定にしても，表面形状の影響自体は排除しがたい。
【０００５】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，鋼板等の磁性体の溶接状態や内部欠陥等の内部構造を，非破壊で，かつ，表面状態の影響をなるべく受けずに内部構造を測定できる装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題の解決を目的としてなされた本発明に係る磁性体の内部構造測定装置は，測定対象の磁性体に印加する磁界を発生する励磁コイルと，励磁コイルにより測定対象の磁性体に印加される磁界の経路に配置された磁気検出センサと，励磁コイルに電流を印加する電流印加部と，磁気検出センサの出力を取得するセンサ出力取得部とを有する装置であって，電流印加部は，励磁コイルに，第１の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，励磁コイルに，第１の励磁パターンによる印加電流が遮断された後に，第１の励磁パターンとは異なる第２の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するものであり，センサ出力取得部は，第１の励磁パターンによる印加電流が遮断されるときの磁気検出センサの出力を取得するとともに，第２の励磁パターンによる印加電流が遮断されるときの磁気検出センサの出力を取得するものであり，第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方が，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンであるものである。なお，内部構造とは，機械的な構造の他，磁気的性質や化学組成，結晶組織の場所による相違を含む。
【０００７】
また，本発明に係る磁性体の内部構造測定方法は，測定対象の磁性体に印加する磁界を発生する励磁コイルと，励磁コイルにより測定対象の磁性体に印加される磁界の経路に配置された磁気検出センサとを用いて行われる。すなわち，励磁コイルに，第１の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，電流が遮断されるときの磁気検出センサの出力を取得し，励磁コイルに，第１の励磁パターンによる印加電流が遮断された後に，第１の励磁パターンとは異なる第２の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，電流が遮断されるときの磁気検出センサの出力を取得する。ここで，第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方として，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンを用いる。
【０００８】
本発明においては，第１または第２の励磁パターンにより，変動する磁界を測定対象の磁性体に印加する。これにより，測定対象の磁性体の磁化を進展させる。このときの磁化の進展の程度は，測定対象の内部構造に左右される。すなわち，磁化されやすい組織を多く含む構造であれば，磁化の進展の程度は大きい。一方，磁化されにくい組織を多く含む構造であれば，磁化の進展の程度は小さい。しかも，この違いはかなり敏感に現れる。第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方が，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンだからである。
【０００９】
また当然，第１および第２の励磁パターンの，対象物を磁化させる能力にも左右される。励磁パターンによる違いは，特に，測定対象が，磁化されにくい組織を多く含む構造である場合に顕著に表れる。これに対し，磁化されやすい組織を多く含む構造である場合には，励磁パターンによる違いはさほど現れない。このため，第１および第２の励磁パターンによる磁化の進展度合の差は，測定対象の磁化のされやすさを表していると言える。そこで，両励磁パターンによる電流を遮断したときの磁気検出センサの出力をそれぞれ取得する。これにより磁化の戻り量を測定できる。よって，両励磁パターン後の戻り量を対比することで，測定対象が内部に，磁化されにくい組織を多く含むか少ししか含まないかを測定できるのである。
【００１０】
本発明で主として測定対象とするのは，鋼板のスポット溶接箇所である。この場合，第１の励磁パターンの電流印加後の遮断時の磁気検出センサの出力と，第２の励磁パターンの電流印加後の遮断時の前記磁気検出センサの出力との差により，スポット溶接箇所のナゲット形成状況を測定することができる。
【００１１】
ここにおいて，第１の励磁パターンの好ましい例として，パターン初期からパターン終期まで電流値を増加させ続けるパターンが挙げられる。その場合の第２の励磁パターンの好ましい例として，第１の励磁パターンの後半にパルスを付加したパターンが挙げられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば，鋼板等の磁性体の溶接状態や内部欠陥等の内部構造を，非破壊で，かつ，表面状態の影響をなるべく受けずに内部構造を測定できる装置および方法を提供することにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，２枚の薄鋼板を重ね合わせてスポット溶接により接合した接合部の内部構造を測定する測定装置およびその測定装置による測定方法として，本発明を具体化したものである。
【００１４】
本形態に係る内部構造測定装置は，図１に示すように構成されている。図１の内部構造測定装置は，鉄心２１と，鉄心２１に巻回された励磁コイル２２と，鉄心２１の一方の磁極１１の面上に配置された磁気センサアレイ３とを有している。磁気センサアレイ３は，多数のコイルを２次元的に配置したものである。個々のコイルが，当該箇所における磁界強度の変化率に比例する電流を出力するようになっている。すなわち，磁気センサアレイ３は位置分解能を有している。本形態の内部構造測定装置はさらに，励磁コイル２２に電流を印加する電流印加部４，その電流印加のパターンを記憶するパターン記憶部５，磁気センサアレイ３の出力を取得するデータ取得部６を有している。
【００１５】
本形態で測定対象となる磁性体は，薄鋼板である。より詳細には，２枚の薄鋼板９０，９１を重ね合わせてスポット溶接により接合したスポット溶接部９２が，本形態の測定対象箇所である。スポット溶接部９２の内部には，ナゲット部１００が存在している。また，スポット溶接部９２における薄鋼板９０，９１は，図１では分からない程度であるが，表面９３，９４がわずかに凹んでいる。
【００１６】
ナゲット部１００においては，その熱履歴のため，結晶組織が，薄鋼板９０，９１の本来の結晶組織とは大きく異なっている。具体的には，結晶粒が細かく，配向がランダムとなっている。このためナゲット部１００では，ナゲット部１００以外の部分と比較して，磁界が掛かったときに磁化が進行しにくい。また磁界の印加を遮断したときにも磁化が戻りにくい。このためナゲット部１００は，ナゲット部１００以外の部分と比較して，透磁率が低く残留磁化が高い。
【００１７】
本形態では，図１に示すように，電流印加部４により励磁コイル２２に通電することにより鉄心２１から発せられる磁界Ｈを，測定対象箇所であるスポット溶接部９２に印加する。そして，励磁コイル２２への通電を遮断した後における，磁極１１と薄鋼板９０との間の磁界の状況を，磁気センサアレイ３によりモニタするのである。具体的には，図２に示すように，励磁コイル２２への印加電流（以下，コイル電流という）を，ゼロからピーク電流Ｉまで増加させる。そしてコイル電流を急激に減少させるのである。
【００１８】
ここで，コイル電流の印加開始からピーク電流Ｉに達するまでの時間（励磁時間，時刻ｔ０〜時刻ｔ１）は，０.３〜４.０ミリ秒程度（好ましくは０.３〜１.５ミリ秒程度）とする。ピーク電流Ｉは，測定対象の薄鋼板９０，９１が飽和磁化に達しない程度の電流とする。励磁コイル２２の巻き数などの要因にもよるが，ここでは例えば，０.５〜１.５アンペア程度の値とする。コイル電流がピーク電流Ｉからゼロに戻るまでの時間（遮断時間，時刻ｔ１〜時刻ｔ２）は，励磁時間より圧倒的に短く，０.５〜１.５マイクロ秒程度である。つまり図２のグラフ中の横軸は，時刻ｔ１より右側では大幅に拡大して示されているのである。
【００１９】
このように本形態ではスポット溶接部９２に，まず，時刻ｔ０〜時刻ｔ１の励磁時間において，変動磁界を印加する。そしてその終了時（時刻ｔ１）における印加磁界の強さは，薄鋼板９０，９１を飽和磁化に至らせない程度の強さである。このため，時刻ｔ１における薄鋼板９０，９１の励磁状態は，安定するには至っていない。時刻ｔ１における薄鋼板９０，９１の内部は，未だ，印加磁界の影響による磁化の進展の途上にある。
【００２０】
よって，時刻ｔ１における薄鋼板９０，９１の実際の磁化の程度は，主として，次の２つの要因に支配される。１つは，薄鋼板９０，９１における磁化のしやすさである。ここに，スポット溶接部９２の内部構造の影響が現れる。もう１つは，図２のグラフ中の励磁時間における電流波形である。電流波形如何により，磁化が実際に進行する程度が異なるからである。その一方で，薄鋼板９０，９１の表面９３，９４の状態にはあまり左右されない。
【００２１】
そこで本形態ではさらに，励磁時間におけるコイル電流のパターンとして，２種類の励磁パターンを使用する。図２に示したのはそのうちの第１の励磁パターンの１例である。第２の励磁パターンは，種々あり得るが例えば図３に示すものが挙げられる。図３の励磁パターンでは，ピーク電流Ｉの値や励磁時間の長さは図２中のものと同じである。しかし，励磁時間の途中でスパイク状のパルスＰが存在する点で図２の励磁パターンと異なる。図３の励磁パターンでは，パルスＰの時点でのコイル電流はピーク電流Ｉを超えている。このことは，それによって時刻ｔ１の時点で薄鋼板９０，９１の励磁状態が安定してしまうのでない限り，問題ない。この，コイル電流の励磁パターンは，パターン記憶部５に記憶されている。
【００２２】
そして本形態では，コイル電流を時刻ｔ１で遮断した後の遮断時間（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）にわたり，磁気センサアレイ３の出力をデータ取得部６で取得してこれを積分する。遮断時間におけるコイル電流の減少のパターンおよび所要時間は，励磁時間における励磁パターンに関わらず一定とする。これにより，時刻ｔ１と時刻ｔ２とでの，薄鋼板９０，９１の磁化の差が検出される。むろんこの間，薄鋼板９０，９１の磁化は減衰していく途上にある。つまり，コイル電流の磁界により進展した磁化の戻り量が検出されるのである。これを，第１の励磁パターンによる励磁後と第２の励磁パターンによる励磁後とのそれぞれにおいて行うのである。
【００２３】
ここで両励磁パターン後の遮断時の電流パターンが同じであることから，ここでの磁気センサアレイ３の出力のうち，鉄心２１から発せられる外部磁界Ｈの減少に起因する部分は同じである。よって，両励磁パターン間での磁気センサアレイ３の出力の差は，薄鋼板９０，９１の磁化の減少量の差に起因するのである。
【００２４】
本形態の方法では，時刻ｔ１の時点で，両励磁パターンともに，測定対象物の磁化状態が未だ安定するに至っていない。このため，この時点での磁化の進展量には，そこに至るまでの励磁のパターンの違いの影響がまともに現れるのである。そしてそれがそのまま，遮断後の磁化の戻り量として測定にかかるのである。こうして本形態の方法では，内部構造の違いがより敏感に測定結果に現れるのである。このため，測定対象物の表面に仮に凹みがあったとしても，その影響は従来の方法の場合に比して相対的に小さいことになる。こうして，表面状態の情報よりも主として内部構造の情報を得ることができるのである。
【００２５】
なお，本形態では，少なくとも一方の励磁パターンにて励磁後の磁化状態が安定に至っていなければ，従来の方法に比して一応の利点はある。ただし，両方の励磁パターンの双方ともにそうであった方がさらによい。
【００２６】
ここで，本形態で主として測定対象とする薄鋼板９０，９１のスポット溶接部９２には，次のような因子による種々の種類がある。例えば，鋼板の厚さおよびその組み合わせ，鋼板の鋼種およびその組み合わせ，鋼板の表面処理の種類およびその組み合わせ，鋼板の圧延方向同士がなす角，周辺の加工状況，スポット溶接時の電極のサイズや電流量，などである。さらにいえば本形態の内部構造測定装置は，薄鋼板９０，９１のスポット溶接部９２に限らず，磁性体であれば他の物でも測定対象としうるものである。
【００２７】
ただ，図２および図３に例示した励磁パターンの組み合わせが，上記のような種々の種類の測定対象のいずれに対しても有効であるとは限らない。測定対象の種類によっては，図２および図３の励磁パターンの組み合わせでは良好な測定結果が得られないこともある。そのような場合でも，別の励磁パターンを用いることにより，良好な測定結果が得られることもある。つまり，測定対象の種類に応じて，励磁パターンの組み合わせを選択すべきなのである。
【００２８】
測定対象の種類と励磁パターンの好ましい組み合わせとの関係は，理論的に解明できているわけではないが，トライアルアンドエラーにより，好ましい組み合わせを選択することが可能である。すなわち，同一の種類の測定対象について，実際のナゲット径が既知でありかつ異なる種々のサンプルを用意しておく。これらのサンプルの実ナゲット径とその測定結果との相関関係のよい組み合わせが，その種類の測定対象にとって好ましい組み合わせなのである。
【００２９】
以上詳細に説明したように本実施の形態では，測定対象の磁性体である薄鋼板のスポット溶接箇所に，変動する外部磁界を印加する。ただし，薄鋼板の磁化が安定するには至らない程度とする。これにより，磁化の進展度合に測定対象の内部構造が敏感に反映されるようにしている。これを，電流遮断後の磁化の戻り量を測定することにより検出する。さらにこれを，磁化を進展させる能力に差がある２種類の励磁パターンにて行いその差を取ることで，表面状態にあまり影響されずに磁性体の内部構造を適切に測定できるようにしている。
【００３０】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，鉄心１の形状は図示の通りには限らない。測定対象の形状が許せば，２つの磁極で測定対象を表裏から挟み込むようなものとすることも可能である。第１および第２の励磁パターンの印加の順序は逆でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態に係る内部構造測定装置を示す構成図である。
【図２】実施の形態における励磁パターンの１つの例を示すグラフである。
【図３】実施の形態における励磁パターンの別の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
２１ 鉄心
２２ 励磁コイル
３ 磁気センサアレイ
４ 電流印加部
５ パターン記憶部
６ データ取得部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の磁性体に印加する磁界を発生する励磁コイルと，
前記励磁コイルにより測定対象の磁性体に印加される磁界の経路に配置された磁気検出センサと，
前記励磁コイルに電流を印加する電流印加部と，
前記磁気検出センサの出力を取得するセンサ出力取得部とを有する磁性体の内部構造測定装置において，
前記電流印加部は，
前記励磁コイルに，第１の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，
前記励磁コイルに，前記第１の励磁パターンによる印加電流が遮断された後に，前記第１の励磁パターンとは異なる第２の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するものであり，
前記センサ出力取得部は，
前記第１の励磁パターンによる印加電流が遮断されるときの前記磁気検出センサの出力を取得するとともに，
前記第２の励磁パターンによる印加電流が遮断されるときの前記磁気検出センサの出力を取得するものであり，
前記第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方が，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンであることを特徴とする磁性体の内部構造測定装置。
【請求項２】
測定対象の磁性体に印加する磁界を発生する励磁コイルと，
前記励磁コイルにより測定対象の磁性体に印加される磁界の経路に配置された磁気検出センサとを用いて行う磁性体の内部構造測定方法において，
前記励磁コイルに，第１の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，電流が遮断されるときの前記磁気検出センサの出力を取得し，
前記励磁コイルに，前記第１の励磁パターンによる印加電流が遮断された後に，前記第１の励磁パターンとは異なる第２の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，電流が遮断されるときの前記磁気検出センサの出力を取得し，
前記第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方として，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンを用いることを特徴とする磁性体の内部構造測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載の磁性体の内部構造測定方法において，
鋼板のスポット溶接箇所を測定対象とし，
前記第１の励磁パターンの電流印加後の遮断時の前記磁気検出センサの出力と，前記第２の励磁パターンの電流印加後の遮断時の前記磁気検出センサの出力との差により，スポット溶接箇所のナゲット形成状況を測定することを特徴とする磁性体の内部構造測定方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の磁性体の内部構造測定方法において，
前記第１の励磁パターンが，パターン初期からパターン終期まで電流値を増加させ続けるパターンであり，
前記第２の励磁パターンが，前記第１の励磁パターンの後半にパルスを付加したパターンであることを特徴とする磁性体の内部構造測定方法。
【請求項１】
測定対象の磁性体に印加する磁界を発生する励磁コイルと，
前記励磁コイルにより測定対象の磁性体に印加される磁界の経路に配置された磁気検出センサと，
前記励磁コイルに電流を印加する電流印加部と，
前記磁気検出センサの出力を取得するセンサ出力取得部とを有する磁性体の内部構造測定装置において，
前記電流印加部は，
前記励磁コイルに，第１の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，
前記励磁コイルに，前記第１の励磁パターンによる印加電流が遮断された後に，前記第１の励磁パターンとは異なる第２の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するものであり，
前記センサ出力取得部は，
前記第１の励磁パターンによる印加電流が遮断されるときの前記磁気検出センサの出力を取得するとともに，
前記第２の励磁パターンによる印加電流が遮断されるときの前記磁気検出センサの出力を取得するものであり，
前記第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方が，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンであることを特徴とする磁性体の内部構造測定装置。
【請求項２】
測定対象の磁性体に印加する磁界を発生する励磁コイルと，
前記励磁コイルにより測定対象の磁性体に印加される磁界の経路に配置された磁気検出センサとを用いて行う磁性体の内部構造測定方法において，
前記励磁コイルに，第１の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，電流が遮断されるときの前記磁気検出センサの出力を取得し，
前記励磁コイルに，前記第１の励磁パターンによる印加電流が遮断された後に，前記第１の励磁パターンとは異なる第２の励磁パターンに従って時間とともに変化する電流を印加して，その後に電流を遮断するとともに，電流が遮断されるときの前記磁気検出センサの出力を取得し，
前記第１および第２の励磁パターンの少なくとも一方として，電流の遮断時に至っても測定対象の磁性体の磁化の程度を安定させるに至らないパターンを用いることを特徴とする磁性体の内部構造測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載の磁性体の内部構造測定方法において，
鋼板のスポット溶接箇所を測定対象とし，
前記第１の励磁パターンの電流印加後の遮断時の前記磁気検出センサの出力と，前記第２の励磁パターンの電流印加後の遮断時の前記磁気検出センサの出力との差により，スポット溶接箇所のナゲット形成状況を測定することを特徴とする磁性体の内部構造測定方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の磁性体の内部構造測定方法において，
前記第１の励磁パターンが，パターン初期からパターン終期まで電流値を増加させ続けるパターンであり，
前記第２の励磁パターンが，前記第１の励磁パターンの後半にパルスを付加したパターンであることを特徴とする磁性体の内部構造測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−６３４４１（Ｐ２００９−６３４４１Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３１８６１（Ｐ２００７−２３１８６１）
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９９００９０１９）株式会社マグネグラフ (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９９００９０１９）株式会社マグネグラフ (8)
【Ｆターム（参考）】
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