金属材料の亀裂を検出するための方法および装置
【課題】金属材料の亀裂深さ以外に、コイルと測定対象物との間の距離、表面上の磁性酸化物、組成材料の物理特性の変化、コイルに対する亀裂の位置および亀裂長さなどのパラメータが、磁場の変化に影響を及ぼす。この受信コイルによって測定された変化が、亀裂深さが原因か、または別のパラメータが原因かの判別がつく検査方法を提供する。
【解決手段】金属材料Ｍに磁場を発生させる送信コイル３に第１の大きさの電流を供給するステップ、金属材料Ｍの最も深い亀裂深さよりも深くまで磁場が貫通しているとき、第２の大きさを有するように電流を制御するステップ、検出した磁場によって受信コイル５に信号を発生させるステップ、第１の時間範囲における第１の信号特性値を求めるステップ、第１の時間範囲の後の第２の時間範囲において第２の信号特性値を求めるステップ、第１の特性値および第２の特性値に基づいて、亀裂深さを求めるステップとを、含む方法。
【解決手段】金属材料Ｍに磁場を発生させる送信コイル３に第１の大きさの電流を供給するステップ、金属材料Ｍの最も深い亀裂深さよりも深くまで磁場が貫通しているとき、第２の大きさを有するように電流を制御するステップ、検出した磁場によって受信コイル５に信号を発生させるステップ、第１の時間範囲における第１の信号特性値を求めるステップ、第１の時間範囲の後の第２の時間範囲において第２の信号特性値を求めるステップ、第１の特性値および第２の特性値に基づいて、亀裂深さを求めるステップとを、含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、金属材料の品質検査に関し、特に、電磁誘導を利用した金属材料表面の亀裂検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の亀裂を非接触式に測定する、知られている方法は、光学手段を利用することである。金属材料は光で照射されてもよく、カメラなどの光学センサによって亀裂が検出されてもよい。光学方法の欠点は、金属材料の表面上で視認できない亀裂を検出できない点と、金属材料の色の変化が光学センサによって亀裂として見なされることがある点である。光学方法は、完全に清浄で滑らかな金属表面を検査する以外の用途に使用することが困難であることが分かっている。
【０００３】
例えば、鉄鋼生産において金属材料を検査する際、誘導手法が利用されてきた。誘導手法を用いる場合、時変電流が供給された送信コイルによって生じる同様の時変磁場によって、例えば、スラブや金属板などの金属材料に電流が誘導される。誘導された電流が、金属材料の亀裂に出会うと、亀裂は誘導電流の障害になる。その結果、亀裂は、亀裂がない金属材料と比較すると、亀裂箇所で誘導電流に変化を起こす。電流に変化が起きると、電流周辺の磁場が変化する。磁場の変化は、受信コイルによって測定され、検査された金属材料の表面部分に亀裂が存在することを求め得る。
【０００４】
金属材料の亀裂検出に今日用いられている誘導手法には、いくつかの欠点がある。例えば、亀裂深さ以外のいくつかのパラメータが、磁場の変化に影響を及ぼすことがある。このようなパラメータの例として、コイルと測定対象物との間の距離、対象物の表面上の磁性酸化物、対象物の組成材料の物理特性の変化、コイルに対する亀裂の位置および亀裂長さが挙げられる。このため、受信コイルによって変化が測定されると、この変化が、亀裂深さが原因であるか、または変動しうる別のパラメータが原因であるかの判別がつきにくい場合がある。影響を及ぼすパラメータを一定に保持することが困難であるため、鋳造された金属表面などの不規則な表面の亀裂を検査するために誘導手法を使用することが困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上の点を鑑みて、本開示の一般的な目的は、金属材料の亀裂深さを求めるための誘導方法を提供することである。
【０００６】
本開示の別の目的は、金属材料の亀裂長さを求める誘導方法を提供することである。
【０００７】
さらなる別の目的は、実際の亀裂深さ以外の他のプロセスパラメータが測定に及ぼす影響が最小限である、金属材料の亀裂深さの誘導測定法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本開示の第１の態様によれば、金属材料の亀裂の亀裂深さを求める方法であって、
金属材料に磁場を発生させる送信コイルに第１の大きさの電流を供給するステップと、
金属材料において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで磁場が貫通していることが推定されるとき、第２の大きさを有するように電流を制御するステップと、
受信コイルによって磁場を検出し、検出した磁場によって受信コイルに信号を発生させるステップと、
第１の時間範囲における第１の信号特性値を求めるステップであって、第１の時間範囲が、
第２の大きさを得るための電流制御による外乱が終了したことが推定され、
第２の大きさを得るための電流制御による金属材料に誘導された電流が、金属材料の表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれていない亀裂深さよりも金属材料の深くまで貫通する時間に開始され、
第１の時間範囲が、第２の大きさを得るための電流制御によって金属材料に誘導された電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する金属材料の深さまで貫通すると終了するステップと、
第１の時間範囲の後の第２の時間範囲において第２の信号特性値を求めるステップと、
第１の特性値および第２の特性値に基づいて、亀裂の存在の可能性および亀裂深さを求めるステップと
を含む方法が提供される。
【０００９】
上記所定の時間範囲に従って第１の特性値および第２の特性値を求めることによって、亀裂深さを、求める亀裂深さ値に影響する他のプロセスパラメータなしに独立して求めてもよい。このようにして、高信頼性の亀裂深さの測定値が与えられてもよい。
【００１０】
一実施形態において、供給ステップにおいて、電流は基本的に一定である。
【００１１】
一実施形態において、金属材料において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで貫通した磁場の推定は、送信コイルへの電流の供給が開始されるとき、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、ならびに金属材料の比透磁率および電気抵抗率に基づく。
【００１２】
一実施形態において、第１の時間範囲の始まりは、第２の大きさを得るための電流制御が開始される時間および金属材料の比透磁率と電気抵抗率との関係に基づいて推定される。
【００１３】
一実施形態において、第１の時間範囲の終わりは、電流が第２の大きさを得る時間、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、ならびに金属材料の比透磁率および電気抵抗率に基づいて推定される。
【００１４】
一実施形態において、第１の特性値を求めるステップは、第１の時間範囲中に信号を積分するステップを含む。
【００１５】
一実施形態において、第２の特性値を求めるステップは、第２の時間範囲中に信号を積分するステップを含む。
【００１６】
一実施形態において、亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求めるステップは、第１の特性値と第２の特性値との関係を求めるステップを伴う。
【００１７】
一実施形態は、第３の時間範囲において第３の信号特性値を求めるステップを含み、第３の時間範囲は、第１の時間範囲と同時に開始され、第１の時間範囲の始まりと第１の時間範囲の終わりに基づいて求められた時間に終了し、亀裂の存在の可能性および亀裂深さを求めるステップは、第１の特性値、第２の特性値および第３の特性値に基づいて、存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるステップを含む。上述したように第３の特性値を求めることによって、検査対象の金属材料の表面と平行な平面において受信コイルの広がりよりも短い広がりの亀裂の亀裂深さが求められてもよい。さらに、第３の特性値はまた、第１の特性値および第２の特性値とともに、亀裂長さを求めるのに十分な情報を提供する。
【００１８】
一実施形態において、第３の特性値を求めるステップは、第３の時間範囲中に信号を積分するステップを含む。
【００１９】
本開示の第２の態様によれば、金属材料の亀裂の亀裂深さを求める装置であって、金属材料に磁場を発生させるように構成された送信コイルと、磁場を検出するように構成された受信コイルと、金属材料に磁場を発生させる送信コイルに、第１の大きさの電流を供給するように構成された信号発生器と、金属材料において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで磁場が貫通していることが推定されるとき、電流が第２の大きさを得るように信号発生器を制御するように構成された制御ユニットと、受信コイルによって検出された磁場によって生成された信号を受信し、第１の時間範囲における第１の信号特性値を求めるように構成された計算装置とを含み、第１の時間範囲が、
第２の大きさを得るための電流制御による外乱が終了したことが推定され、
第２の大きさを得るための電流制御による金属材料に誘導された電流が、金属材料の表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれていない亀裂深さよりも金属材料の深くまで貫通する時間に開始し、
第１の時間範囲が、第２の大きさを得るための電流制御によって金属材料中に誘起された電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する金属材料の深さまで貫通した後に終了し、計算装置が、さらに、第１の時間範囲の後に第２の時間範囲に第２の信号特性値を求めるとともに、第１の特性値および第２の特性値に基づいて、亀裂の存在の可能性および亀裂深さを求めるように構成される装置が提供される。
【００２０】
一実施形態において、計算装置が、第３の時間範囲における第３の信号特性値を求めるように構成され、第３の時間範囲は、第１の時間範囲と同時に開始され、第１の時間範囲の始まりと第１の時間範囲の終わりに基づいて求められた時間に終了し、計算装置が、第１の特性値、第２の特性値および第３の特性値に基づいて、存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるように構成される。
【００２１】
一般に、特許請求の範囲において使用されるすべての用語は、本明細書において別段明確に定義されない限り、当技術分野における通常の意味に従って解釈されるべきものである。「ａ／ａｎ／ｔｈｅが前に置かれた要素、装置、構成要素、手段、ステップなど」の参照はすべて、別段明確に述べない限り、要素、装置、構成要素、手段、ステップなどの少なくとも１つの場合について言及していることとして広く解釈されるべきである。本明細書に開示されるいずれの方法のステップも、明確に述べない限り、開示されている通りの順序で実行される必要はない。
【００２２】
本発明の概念は、添付の図面を参照しながら、例示的に以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】金属材料の亀裂を検出する装置の一例の略図である。
【図２ａ】図１の装置によって検出された信号の特性値を求める第１、第２および第３の時間範囲の図を示す。
【図２ｂ】図１の装置によって検出された信号の特性値を求める第１、第２および第３の時間範囲の図を示す。
【図３】金属材料の亀裂深さを求める方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の概念は、添付の図面を参照しながら以下により十分に説明され、図面には本発明の概念のいくつかの実施形態が示されている。しかしながら、本発明の概念は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書に示す実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、これらの実施形態は、本開示が詳細かつ完全なものになるとともに、当業者に対して本発明の概念の範囲を十分に伝えるように例示的に提供されるものである。
【００２５】
本明細書に提示された装置は、亀裂の亀裂深さを求めることによって金属材料の亀裂を検出するように適合される。この装置は、いくつかの実施形態において、亀裂長さを求めることもできる。有利なことには、この装置は、過酷な条件下、例えば、鋳造プロセスまたは圧延プロセスなどの金属製造プロセスにおいて使用されてもよい。この装置は、特に、粗い金属表面にある亀裂の亀裂深さを正確に測定するために使用されてもよい。
【００２６】
金属材料に電流を誘導できる程度に高い伝導率を有する任意の金属材料が、本明細書において提示される方法および装置によって検査されてもよい。
【００２７】
図１ａは、金属材料Ｍの表面１９にある亀裂を検出する装置の一例の略図を示す。装置１は、出力信号を発生させるように構成された信号発生器７と、信号発生器７の出力信号を制御するように構成された制御ユニット９と、信号発生器７から出力信号を受信して、亀裂検査がなされる金属材料Ｍに磁場を発生させるように構成された送信コイル３と、第１の抵抗器Ｒ１と、磁場を検出して、検出された磁場に基づいて信号を生成するように構成された受信コイル５と、第２の抵抗器Ｒ２と、受信コイル５からの信号を増幅するようにされた増幅器１１と、存在する可能性のある亀裂深さを求めることによって金属材料に亀裂が存在するかを求めるために、増幅器１１からの信号を処理するように構成された計算装置１２とを含む。計算装置１２は、第１のユニット１３、第２のユニット１５および第３のユニット１７などの種々のサブユニットを含んでもよい。
【００２８】
一般に、本開示により、以下に詳述するように、金属材料Ｍに磁場を発生させること、磁場を検出すること、および所定の時間範囲で検出された磁場に関する信号特性値を求めることに関与し、亀裂深さと、いくつかの実施形態において、亀裂長さを求めることができる。
【００２９】
以下、図１〜図３を参照しながら、装置１の動作の実施例についてさらに詳細に記載する。亀裂Ｃの検査対象の金属材料Ｍ、例えば、スラブまたは金属板は、送信コイル３および受信コイル５の近くに配置される。
【００３０】
金属材料Ｍは、一実施形態において、金属材料Ｍの表面１９に沿って検査できるように亀裂検査中に送信コイル３および受信コイル５に対して移動してもよい。
【００３１】
制御ユニット９は、信号発生器７に制御信号を供給して、送信コイル３に与えられる信号発生器７の出力信号、例えば、電流を制御するように構成される。信号発生器７は、例えば、送信コイル３に電流を供給する開状態または送信コイル３に電流を供給しない閉状態にあるように制御ユニット９によって制御されてもよいトランジスタを含んでもよい。
【００３２】
一実施形態において、制御ユニット９は、信号発生器が、図２ａに示すように、第１の時間スパンｔ１〜ｔ０において第１の大きさＩ１を有する基本的に一定の電流を発生させるために、信号発生器７を制御するように構成される。
【００３３】
第１のステップＳ１において、第１の大きさＩ１を有する電流は送信コイル３に供給される。それによって、金属材料Ｍに磁場が生じる。亀裂検査中、金属材料Ｍの表面１９は、送信コイル３の周囲の磁場が金属材料Ｍ内に貫通して、金属材料Ｍに磁場を生成することができるように、送信コイル３の十分近くに配設される。
【００３４】
金属材料Ｍにおいて測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも金属材料Ｍ内に深く磁場が貫通していることが推定される時点ｔ１で、信号発生器７によって供給される電流は、第２のステップＳ２において、基本的に一定の電流が第２の大きさＩ２を得るように制御ユニット９によって制御される。第２の大きさＩ２は、例えば、基本的にゼロまたはゼロであってもよい。このように、第２のステップＳ２は、トランジスタを閉状態に設定することを伴うものであってもよい。第１の大きさＩ１から第２の大きさＩ２へ電流供給を変更すると、金属材料Ｍに誘導電流が発生する。
【００３５】
信号発生器７によって供給される電流は、好ましくは、図２ａの最上段の図に示すようなパルス列２２ａの形式のものである。以下にさらに詳細に述べるように、典型的に、後続するパルス間で磁場の測定が行われる。
【００３６】
金属材料Ｍにおいて測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも金属材料Ｍ内に深く磁場が貫通している場合の推定は、理論的推定に基づいたものであってもよく、推定された時間は、それに応じて信号発生器７によって出力される電流を制御できるように制御ユニット９のソフトウェアにプログラミングされる。
【００３７】
この推定は、送信コイル３への電流供給が開始される時、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、金属材料Ｍの比透磁率μおよび電気抵抗率ρに基づいたものであってもよい。このような推定は、例えば、以下の式によって与えられてもよい。
ｔ１−ｔ０＞１．５＊μ＊（ＣＤｍａｘ）２／ρ
式中、ｔ１は、図２ａ〜図２ｂに示すように、電流が第２の大きさＩ２を得る時間（ミリ秒）であり、ｔ０は、電流が第１の大きさＩ１を得る時間であり、ＣＤｍａｘは測定が望まれる最大亀裂深さ（ミリメートル）であり、μは金属材料Ｍの比透磁率であり、ρは金属材料Ｍの電気抵抗率（ナノ・オーム・メートル、ｎΩｍ）である。
【００３８】
第２のステップＳ２の後、送信コイル３のエネルギーは、第１の抵抗器Ｒ１によって即座に放出されうる。このように、第１の抵抗器Ｒ１は、電流が第２の大きさＩ２を得たときに送信コイル３からエネルギーを放出するように構成される。一実施形態において、第１の抵抗器Ｒ１は、送信コイル３と並列接続に配設されてもよい。
【００３９】
第３のステップＳ３において、電流が第２の大きさＩ２を得たとき、誘導電流によって生成される磁場は、受信コイル５によって検出される。受信コイル５によって検出される磁場は、増幅器１１によって増幅されてもよい受信コイルに、信号、例えば電圧を誘起する。
【００４０】
増幅器１１は、計算装置１２に増幅信号を供給する。一実施形態において、計算装置１２は、第４のステップＳ４および第５のステップＳ５において、第１の信号特性値ＣＶ１および第２の信号特性値ＣＶ２をそれぞれ求めるように構成される。一実施形態において、制御ユニット９は、図２ａ〜図２ｂに示すように、第１のユニット１３が、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１において第１の特性値ＣＶ１を求め、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３において第２の特性値ＣＶ２を求めることができるように、第１のユニット１３に制御信号を供給するように構成される。
【００４１】
第３のステップＳ３において受信コイル５によって磁場が検出される前または検出されるのと同時に、磁場によって受信コイル５に生成されたエネルギーは、第２の抵抗器Ｒ２によって放出される。このように、第２の抵抗器Ｒ２は、電流が第２の大きさＩ２を得たときに受信コイル５からエネルギーを放出するように構成される。一実施形態において、第２の抵抗器Ｒ２は、受信コイル５と並列接続に配設されてもよい。
【００４２】
第１の抵抗器Ｒ１および第２の抵抗器Ｒ２の抵抗を適切に選択し、電流の第１の大きさＩ１と第２の大きさＩ２との間で高速に切り換えることによって、送信コイル３および受信コイル５のエネルギーが迅速に放出されてもよいため、受信コイル５によって磁場測定を始める前の期間ｔ１１−ｔ１が短くなる。
【００４３】
第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の開始時間ｔ１１は、一実施形態において、第２の大きさＩ２を得るための電流制御による外乱が終了したことが推定され、第２の大きさＩ２を得るための電流制御による金属材料Ｍでの誘導電流が、金属材料Ｍの表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれない浅い亀裂深さよりも金属材料Ｍの深くまで貫通したときである。
【００４４】
本明細書で説明される時間範囲の各開始点および終了点は、典型的に、制御ユニット９のソフトウェアにプログラミングされ、制御ユニット９は、制御信号を計算装置１２、例えば、第１のユニット１３に供給して、第１の特性値ＣＶ１、第２の特性値ＣＶ２を求めることができ、第３の特性値ＣＶ３が求められる実施形態においては、第３の特性値ＣＶ３をも求めることができる。
【００４５】
電流が金属材料Ｍの表面の不規則性および測定が望まれない浅い亀裂深さよりも深い深さまで電流が貫通する時間の推定は、深さが１ｍｍ以下の亀裂深さおよび表面不規則性の測定を望まない場合、以下の関係によって与えられてもよい。
ｔ１１−ｔ１≒０．２＊μ／ρ
式中、ｔ１は、電流が第２の大きさＩ２を有するように制御されるときの時間（ミリ秒）であり、μは金属材料Ｍの比透磁率であり、ρは電気抵抗率（ｎΩｍ）である。同様の式は、測定が望まれる最小亀裂深さに依存して導き出される。
【００４６】
第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１は、第２の大きさを得るための電流制御によって金属材料に誘導された電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する金属材料の深さまで貫通したときに終了する。第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の終わりｔ１２の推定は、例えば、以下の関係式によって得られる。
ｔ１２−ｔ１≒０．２＊μ＊（ＣＤｍａｘ）２／ρ
推定という用語は、一般に、時間範囲およびパルス持続時間の理論的推定を意味することを理解されたい。
【００４７】
第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の間、第１の特性値ＣＶ１は、計算装置１２によって、例えば、第１のユニット１３によって求められる。第１の特性値ＣＶ１は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１においてとられる信号の単一の値、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の信号の平均値または第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１における信号の積分のいずれであってもよい。
【００４８】
図２ａの中段の図において、実線２２−１は、金属材料Ｍに亀裂が存在するときの受信コイル５によって検出される信号の一例を示し、点線２２−２は、金属材料に亀裂Ｃが存在しないときの受信コイル５によって検出される信号の一例を示す。図２ａの最下段の図は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の間に線２２−１および２２−２の信号が積分されて、第１の特性値ＣＶ１を求める一例を示す。亀裂が存在する場合の信号値が、亀裂が存在しない場合の信号値と比較した場合に異なっていることが分かる。
【００４９】
第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３の始まりは、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の後である。一実施形態において、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１と、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の持続時間と同じ大きさの持続時間を有する第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３との間に、中間時間範囲ｔ１３−ｔ１２があり、その時間の間は、信号のサンプルがとられていない。中間時間範囲の他の持続時間もまた可能であってもよい。
【００５０】
第５のステップＳ５において、第２の特性値ＣＶ２は、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３において求められ、第２の時間範囲は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の後であり、時間ｔ１３で始まる。一実施形態において、第２の時間範囲の持続時間は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１と同じ大きさのものである。第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３は、時間ｔ１４で終わる。
【００５１】
第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３の間、第２の特性値ＣＶ２は、計算装置１２によって、例えば、第１のユニット１３および第２のユニット１５によって求められる。第２の特性値ＣＶ２は、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３においてとられる信号の単一の値、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３における信号の平均値または第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３における信号の積分のいずれであってもよい。
【００５２】
図２ａの最下段の図は、亀裂がない信号と亀裂がある信号が、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３の間に積分されて、第２の特性値ＣＶ２を求める例を示す。亀裂が存在する場合の信号値が、亀裂が存在しない場合の信号値と比較した場合に異なることが分かる。
【００５３】
第１の特性値ＣＶ１および第２の特性値ＣＶ２は、第２のユニット１５に与えられる。第１の特性値ＣＶ１および第２の特性値ＣＶ２は、第２のユニット１５に配設されたサンプルホールド回路によって電圧としてアナログ信号の形態で、または、あるいは第２のユニット１５に配設されたＡ／Ｄ変換器によってディジタル信号として与えられてもよい。
【００５４】
第１の特性値ＣＶ１および第２の特性値ＣＶ２は、時間ｔ１６で第２のユニット１５によって第３のユニット１７に与えられてもよく、第１のユニット１３は、次の測定のために、すなわち、次の電流パルスの特性値を求めるために、時間ｔ１５でリセットされうる。これは、図２ａの最下段の図に示されている。
【００５５】
ステップＳ７において、第１の特性値ＣＶ１および第２の特性値ＣＶ２に基づいて亀裂深さを求めることによって、亀裂が存在するかが求められる。亀裂深さは、第１の特性値ＣＶ１と第２の特性値ＣＶ２との間の関係を求めることによって、第３のユニット１７において求められうる。
【００５６】
本発明者は、第１の特性値ＣＶ１と第２の特性値ＣＶ２との間の関係ＣＶ１／ＣＶ２は、金属材料Ｍの表面１９からの送信コイル３および受信コイル５の距離、金属材料Ｍの抵抗率ρおよび金属材料Ｍの表面上に存在し得る不規則性とは無関係であることを認識している。したがって、第１の特性値ＣＶ１と第２の特性値ＣＶ２との間の関係は、有利なことには、金属材料Ｍの亀裂を検査している際に金属材料Ｍの表面１９と平行な平面における受信コイル３の広がりに対して、亀裂長さが比較的大きい場合に、亀裂深さを求めるために使用されてもよい。亀裂深さＣＤは、特に、例えば、以下の式によって求められてもよい。
ＣＤ≒Ｃ１＊（ＣＶ１／ＣＶ２−Ｃ２）
式中、Ｃ１およびＣ２は２つの定数である。Ｃ２は、金属材料Ｍの測定時に亀裂がない場合、亀裂深さＣＤがゼロになるように求められる。Ｃ１は、既知の深さを有する亀裂深さを測定することによって、または理論的計算によって求められてもよい。定数Ｃ１およびＣ２は、例えば、第３のユニット１７のメモリに格納され、それによって亀裂深さを計算する際に使用されてもよい。
【００５７】
一実施形態において、特に、金属材料Ｍの亀裂を検査する際に金属材料Ｍの表面１９と平行な平面における受信コイル３の寸法より小さな長さ範囲を有する亀裂の亀裂深さを求めるのに適した一実施形態において、第３の特性値ＣＶ３が、亀裂深さを求めるステップＳ７の前のステップＳ６において計算装置１２によって求められてもよい。第３の特性値ＣＶ３は、図２ｂの最下段の図に示されるように、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１が始まる時間ｔ１１で始まり、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の終了時間ｔ１２の前の時間ｔ１７で終わる第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１において求められる。
【００５８】
第３の時間範囲ｔ１１−ｔ１７の間、第３の特性値ＣＶ３は、計算装置１２によって、例えば、制御ユニット９からの制御信号による開始により、第１のユニット１３によって求められる。第３の特性値ＣＶ３は、第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１においてとられる信号の単一の値、第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１の信号の平均値または第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１における信号の積分のいずれであってもよい。第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１の終了時間ｔ１７は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の開始時間ｔ１１と、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の終了時間ｔ１２とに基づいて求められてもよい。第３の時間範囲の終了時間ｔ１７を求めるための関係式の一例は以下の通りである。
【数１】
【００５９】
ステップＳ６において第３の特性値ＣＶ３が求められた実施形態において、ステップＳ７において、亀裂長さも求められてもよい。存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるステップＳ７は第１の特性値ＣＶ１、第２の特性値ＣＶ２および第３の特性値ＣＶ３に基づくものであってもよい。亀裂長さＣＬは、例えば、以下の関係式によって求められてもよい。
【数２】
亀裂深さＣＤは、以下の式によって求められてもよい。
【数３】
式中、Ｃ３およびＣ４は定数である。定数Ｃ３およびＣ４は、実験的研究によって、例えば、金属材料の亀裂の既知の亀裂深さおよび亀裂長さの測定によって求められてもよい。定数Ｃ３およびＣ４は、計算装置１２のメモリ、例えば、第３のユニット１７のメモリに格納されてもよい。
【００６０】
亀裂深さまたは亀裂長さの寸法を得るために、既知の亀裂深さおよび亀裂長さに関する関係式ＣＶ１／ＣＶ２の形式の第１の特性値ＣＶ１と第２の特性値ＣＶ２との間の関係と、第１の特性値ＣＶ１と第３の特性値ＣＶ３との間の関係ＣＶ１／ＣＶ３は、データ構造、例えば、表に与えられてもよく、亀裂深さおよび亀裂長さの補間は、データ構造の値に基づいて実行されてもよい。
【００６１】
電流パルスは、時間ｔ２で信号発生器７によって送信コイル３に供給され、上記ステップＳ１〜Ｓ５およびＳ７が繰り返される。亀裂長さが受信コイル３の範囲より短い実施形態においては、ステップＳ６も繰り返される。
【００６２】
本発明の概念は、いくつかの実施形態を参照しながら主に上述してきた。しかしながら、当業者であれば、上記に開示されたもの以外の他の実施形態が、添付の特許請求の範囲に規定されるように、本発明の範囲内において同等に可能であることを容易に認識するであろう。
【符号の説明】
【００６３】
１ 装置
３ 送信コイル
５ 受信コイル
７ 信号発生器
９ 制御ユニット
１１ 増幅器
１２ 計算装置
１３ 第１のユニット
１５ 第２のユニット
１７ 第３のユニット
１９ 金属材料の表面
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、金属材料の品質検査に関し、特に、電磁誘導を利用した金属材料表面の亀裂検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の亀裂を非接触式に測定する、知られている方法は、光学手段を利用することである。金属材料は光で照射されてもよく、カメラなどの光学センサによって亀裂が検出されてもよい。光学方法の欠点は、金属材料の表面上で視認できない亀裂を検出できない点と、金属材料の色の変化が光学センサによって亀裂として見なされることがある点である。光学方法は、完全に清浄で滑らかな金属表面を検査する以外の用途に使用することが困難であることが分かっている。
【０００３】
例えば、鉄鋼生産において金属材料を検査する際、誘導手法が利用されてきた。誘導手法を用いる場合、時変電流が供給された送信コイルによって生じる同様の時変磁場によって、例えば、スラブや金属板などの金属材料に電流が誘導される。誘導された電流が、金属材料の亀裂に出会うと、亀裂は誘導電流の障害になる。その結果、亀裂は、亀裂がない金属材料と比較すると、亀裂箇所で誘導電流に変化を起こす。電流に変化が起きると、電流周辺の磁場が変化する。磁場の変化は、受信コイルによって測定され、検査された金属材料の表面部分に亀裂が存在することを求め得る。
【０００４】
金属材料の亀裂検出に今日用いられている誘導手法には、いくつかの欠点がある。例えば、亀裂深さ以外のいくつかのパラメータが、磁場の変化に影響を及ぼすことがある。このようなパラメータの例として、コイルと測定対象物との間の距離、対象物の表面上の磁性酸化物、対象物の組成材料の物理特性の変化、コイルに対する亀裂の位置および亀裂長さが挙げられる。このため、受信コイルによって変化が測定されると、この変化が、亀裂深さが原因であるか、または変動しうる別のパラメータが原因であるかの判別がつきにくい場合がある。影響を及ぼすパラメータを一定に保持することが困難であるため、鋳造された金属表面などの不規則な表面の亀裂を検査するために誘導手法を使用することが困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上の点を鑑みて、本開示の一般的な目的は、金属材料の亀裂深さを求めるための誘導方法を提供することである。
【０００６】
本開示の別の目的は、金属材料の亀裂長さを求める誘導方法を提供することである。
【０００７】
さらなる別の目的は、実際の亀裂深さ以外の他のプロセスパラメータが測定に及ぼす影響が最小限である、金属材料の亀裂深さの誘導測定法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本開示の第１の態様によれば、金属材料の亀裂の亀裂深さを求める方法であって、
金属材料に磁場を発生させる送信コイルに第１の大きさの電流を供給するステップと、
金属材料において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで磁場が貫通していることが推定されるとき、第２の大きさを有するように電流を制御するステップと、
受信コイルによって磁場を検出し、検出した磁場によって受信コイルに信号を発生させるステップと、
第１の時間範囲における第１の信号特性値を求めるステップであって、第１の時間範囲が、
第２の大きさを得るための電流制御による外乱が終了したことが推定され、
第２の大きさを得るための電流制御による金属材料に誘導された電流が、金属材料の表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれていない亀裂深さよりも金属材料の深くまで貫通する時間に開始され、
第１の時間範囲が、第２の大きさを得るための電流制御によって金属材料に誘導された電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する金属材料の深さまで貫通すると終了するステップと、
第１の時間範囲の後の第２の時間範囲において第２の信号特性値を求めるステップと、
第１の特性値および第２の特性値に基づいて、亀裂の存在の可能性および亀裂深さを求めるステップと
を含む方法が提供される。
【０００９】
上記所定の時間範囲に従って第１の特性値および第２の特性値を求めることによって、亀裂深さを、求める亀裂深さ値に影響する他のプロセスパラメータなしに独立して求めてもよい。このようにして、高信頼性の亀裂深さの測定値が与えられてもよい。
【００１０】
一実施形態において、供給ステップにおいて、電流は基本的に一定である。
【００１１】
一実施形態において、金属材料において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで貫通した磁場の推定は、送信コイルへの電流の供給が開始されるとき、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、ならびに金属材料の比透磁率および電気抵抗率に基づく。
【００１２】
一実施形態において、第１の時間範囲の始まりは、第２の大きさを得るための電流制御が開始される時間および金属材料の比透磁率と電気抵抗率との関係に基づいて推定される。
【００１３】
一実施形態において、第１の時間範囲の終わりは、電流が第２の大きさを得る時間、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、ならびに金属材料の比透磁率および電気抵抗率に基づいて推定される。
【００１４】
一実施形態において、第１の特性値を求めるステップは、第１の時間範囲中に信号を積分するステップを含む。
【００１５】
一実施形態において、第２の特性値を求めるステップは、第２の時間範囲中に信号を積分するステップを含む。
【００１６】
一実施形態において、亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求めるステップは、第１の特性値と第２の特性値との関係を求めるステップを伴う。
【００１７】
一実施形態は、第３の時間範囲において第３の信号特性値を求めるステップを含み、第３の時間範囲は、第１の時間範囲と同時に開始され、第１の時間範囲の始まりと第１の時間範囲の終わりに基づいて求められた時間に終了し、亀裂の存在の可能性および亀裂深さを求めるステップは、第１の特性値、第２の特性値および第３の特性値に基づいて、存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるステップを含む。上述したように第３の特性値を求めることによって、検査対象の金属材料の表面と平行な平面において受信コイルの広がりよりも短い広がりの亀裂の亀裂深さが求められてもよい。さらに、第３の特性値はまた、第１の特性値および第２の特性値とともに、亀裂長さを求めるのに十分な情報を提供する。
【００１８】
一実施形態において、第３の特性値を求めるステップは、第３の時間範囲中に信号を積分するステップを含む。
【００１９】
本開示の第２の態様によれば、金属材料の亀裂の亀裂深さを求める装置であって、金属材料に磁場を発生させるように構成された送信コイルと、磁場を検出するように構成された受信コイルと、金属材料に磁場を発生させる送信コイルに、第１の大きさの電流を供給するように構成された信号発生器と、金属材料において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで磁場が貫通していることが推定されるとき、電流が第２の大きさを得るように信号発生器を制御するように構成された制御ユニットと、受信コイルによって検出された磁場によって生成された信号を受信し、第１の時間範囲における第１の信号特性値を求めるように構成された計算装置とを含み、第１の時間範囲が、
第２の大きさを得るための電流制御による外乱が終了したことが推定され、
第２の大きさを得るための電流制御による金属材料に誘導された電流が、金属材料の表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれていない亀裂深さよりも金属材料の深くまで貫通する時間に開始し、
第１の時間範囲が、第２の大きさを得るための電流制御によって金属材料中に誘起された電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する金属材料の深さまで貫通した後に終了し、計算装置が、さらに、第１の時間範囲の後に第２の時間範囲に第２の信号特性値を求めるとともに、第１の特性値および第２の特性値に基づいて、亀裂の存在の可能性および亀裂深さを求めるように構成される装置が提供される。
【００２０】
一実施形態において、計算装置が、第３の時間範囲における第３の信号特性値を求めるように構成され、第３の時間範囲は、第１の時間範囲と同時に開始され、第１の時間範囲の始まりと第１の時間範囲の終わりに基づいて求められた時間に終了し、計算装置が、第１の特性値、第２の特性値および第３の特性値に基づいて、存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるように構成される。
【００２１】
一般に、特許請求の範囲において使用されるすべての用語は、本明細書において別段明確に定義されない限り、当技術分野における通常の意味に従って解釈されるべきものである。「ａ／ａｎ／ｔｈｅが前に置かれた要素、装置、構成要素、手段、ステップなど」の参照はすべて、別段明確に述べない限り、要素、装置、構成要素、手段、ステップなどの少なくとも１つの場合について言及していることとして広く解釈されるべきである。本明細書に開示されるいずれの方法のステップも、明確に述べない限り、開示されている通りの順序で実行される必要はない。
【００２２】
本発明の概念は、添付の図面を参照しながら、例示的に以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】金属材料の亀裂を検出する装置の一例の略図である。
【図２ａ】図１の装置によって検出された信号の特性値を求める第１、第２および第３の時間範囲の図を示す。
【図２ｂ】図１の装置によって検出された信号の特性値を求める第１、第２および第３の時間範囲の図を示す。
【図３】金属材料の亀裂深さを求める方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の概念は、添付の図面を参照しながら以下により十分に説明され、図面には本発明の概念のいくつかの実施形態が示されている。しかしながら、本発明の概念は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書に示す実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、これらの実施形態は、本開示が詳細かつ完全なものになるとともに、当業者に対して本発明の概念の範囲を十分に伝えるように例示的に提供されるものである。
【００２５】
本明細書に提示された装置は、亀裂の亀裂深さを求めることによって金属材料の亀裂を検出するように適合される。この装置は、いくつかの実施形態において、亀裂長さを求めることもできる。有利なことには、この装置は、過酷な条件下、例えば、鋳造プロセスまたは圧延プロセスなどの金属製造プロセスにおいて使用されてもよい。この装置は、特に、粗い金属表面にある亀裂の亀裂深さを正確に測定するために使用されてもよい。
【００２６】
金属材料に電流を誘導できる程度に高い伝導率を有する任意の金属材料が、本明細書において提示される方法および装置によって検査されてもよい。
【００２７】
図１ａは、金属材料Ｍの表面１９にある亀裂を検出する装置の一例の略図を示す。装置１は、出力信号を発生させるように構成された信号発生器７と、信号発生器７の出力信号を制御するように構成された制御ユニット９と、信号発生器７から出力信号を受信して、亀裂検査がなされる金属材料Ｍに磁場を発生させるように構成された送信コイル３と、第１の抵抗器Ｒ１と、磁場を検出して、検出された磁場に基づいて信号を生成するように構成された受信コイル５と、第２の抵抗器Ｒ２と、受信コイル５からの信号を増幅するようにされた増幅器１１と、存在する可能性のある亀裂深さを求めることによって金属材料に亀裂が存在するかを求めるために、増幅器１１からの信号を処理するように構成された計算装置１２とを含む。計算装置１２は、第１のユニット１３、第２のユニット１５および第３のユニット１７などの種々のサブユニットを含んでもよい。
【００２８】
一般に、本開示により、以下に詳述するように、金属材料Ｍに磁場を発生させること、磁場を検出すること、および所定の時間範囲で検出された磁場に関する信号特性値を求めることに関与し、亀裂深さと、いくつかの実施形態において、亀裂長さを求めることができる。
【００２９】
以下、図１〜図３を参照しながら、装置１の動作の実施例についてさらに詳細に記載する。亀裂Ｃの検査対象の金属材料Ｍ、例えば、スラブまたは金属板は、送信コイル３および受信コイル５の近くに配置される。
【００３０】
金属材料Ｍは、一実施形態において、金属材料Ｍの表面１９に沿って検査できるように亀裂検査中に送信コイル３および受信コイル５に対して移動してもよい。
【００３１】
制御ユニット９は、信号発生器７に制御信号を供給して、送信コイル３に与えられる信号発生器７の出力信号、例えば、電流を制御するように構成される。信号発生器７は、例えば、送信コイル３に電流を供給する開状態または送信コイル３に電流を供給しない閉状態にあるように制御ユニット９によって制御されてもよいトランジスタを含んでもよい。
【００３２】
一実施形態において、制御ユニット９は、信号発生器が、図２ａに示すように、第１の時間スパンｔ１〜ｔ０において第１の大きさＩ１を有する基本的に一定の電流を発生させるために、信号発生器７を制御するように構成される。
【００３３】
第１のステップＳ１において、第１の大きさＩ１を有する電流は送信コイル３に供給される。それによって、金属材料Ｍに磁場が生じる。亀裂検査中、金属材料Ｍの表面１９は、送信コイル３の周囲の磁場が金属材料Ｍ内に貫通して、金属材料Ｍに磁場を生成することができるように、送信コイル３の十分近くに配設される。
【００３４】
金属材料Ｍにおいて測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも金属材料Ｍ内に深く磁場が貫通していることが推定される時点ｔ１で、信号発生器７によって供給される電流は、第２のステップＳ２において、基本的に一定の電流が第２の大きさＩ２を得るように制御ユニット９によって制御される。第２の大きさＩ２は、例えば、基本的にゼロまたはゼロであってもよい。このように、第２のステップＳ２は、トランジスタを閉状態に設定することを伴うものであってもよい。第１の大きさＩ１から第２の大きさＩ２へ電流供給を変更すると、金属材料Ｍに誘導電流が発生する。
【００３５】
信号発生器７によって供給される電流は、好ましくは、図２ａの最上段の図に示すようなパルス列２２ａの形式のものである。以下にさらに詳細に述べるように、典型的に、後続するパルス間で磁場の測定が行われる。
【００３６】
金属材料Ｍにおいて測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも金属材料Ｍ内に深く磁場が貫通している場合の推定は、理論的推定に基づいたものであってもよく、推定された時間は、それに応じて信号発生器７によって出力される電流を制御できるように制御ユニット９のソフトウェアにプログラミングされる。
【００３７】
この推定は、送信コイル３への電流供給が開始される時、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、金属材料Ｍの比透磁率μおよび電気抵抗率ρに基づいたものであってもよい。このような推定は、例えば、以下の式によって与えられてもよい。
ｔ１−ｔ０＞１．５＊μ＊（ＣＤｍａｘ）２／ρ
式中、ｔ１は、図２ａ〜図２ｂに示すように、電流が第２の大きさＩ２を得る時間（ミリ秒）であり、ｔ０は、電流が第１の大きさＩ１を得る時間であり、ＣＤｍａｘは測定が望まれる最大亀裂深さ（ミリメートル）であり、μは金属材料Ｍの比透磁率であり、ρは金属材料Ｍの電気抵抗率（ナノ・オーム・メートル、ｎΩｍ）である。
【００３８】
第２のステップＳ２の後、送信コイル３のエネルギーは、第１の抵抗器Ｒ１によって即座に放出されうる。このように、第１の抵抗器Ｒ１は、電流が第２の大きさＩ２を得たときに送信コイル３からエネルギーを放出するように構成される。一実施形態において、第１の抵抗器Ｒ１は、送信コイル３と並列接続に配設されてもよい。
【００３９】
第３のステップＳ３において、電流が第２の大きさＩ２を得たとき、誘導電流によって生成される磁場は、受信コイル５によって検出される。受信コイル５によって検出される磁場は、増幅器１１によって増幅されてもよい受信コイルに、信号、例えば電圧を誘起する。
【００４０】
増幅器１１は、計算装置１２に増幅信号を供給する。一実施形態において、計算装置１２は、第４のステップＳ４および第５のステップＳ５において、第１の信号特性値ＣＶ１および第２の信号特性値ＣＶ２をそれぞれ求めるように構成される。一実施形態において、制御ユニット９は、図２ａ〜図２ｂに示すように、第１のユニット１３が、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１において第１の特性値ＣＶ１を求め、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３において第２の特性値ＣＶ２を求めることができるように、第１のユニット１３に制御信号を供給するように構成される。
【００４１】
第３のステップＳ３において受信コイル５によって磁場が検出される前または検出されるのと同時に、磁場によって受信コイル５に生成されたエネルギーは、第２の抵抗器Ｒ２によって放出される。このように、第２の抵抗器Ｒ２は、電流が第２の大きさＩ２を得たときに受信コイル５からエネルギーを放出するように構成される。一実施形態において、第２の抵抗器Ｒ２は、受信コイル５と並列接続に配設されてもよい。
【００４２】
第１の抵抗器Ｒ１および第２の抵抗器Ｒ２の抵抗を適切に選択し、電流の第１の大きさＩ１と第２の大きさＩ２との間で高速に切り換えることによって、送信コイル３および受信コイル５のエネルギーが迅速に放出されてもよいため、受信コイル５によって磁場測定を始める前の期間ｔ１１−ｔ１が短くなる。
【００４３】
第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の開始時間ｔ１１は、一実施形態において、第２の大きさＩ２を得るための電流制御による外乱が終了したことが推定され、第２の大きさＩ２を得るための電流制御による金属材料Ｍでの誘導電流が、金属材料Ｍの表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれない浅い亀裂深さよりも金属材料Ｍの深くまで貫通したときである。
【００４４】
本明細書で説明される時間範囲の各開始点および終了点は、典型的に、制御ユニット９のソフトウェアにプログラミングされ、制御ユニット９は、制御信号を計算装置１２、例えば、第１のユニット１３に供給して、第１の特性値ＣＶ１、第２の特性値ＣＶ２を求めることができ、第３の特性値ＣＶ３が求められる実施形態においては、第３の特性値ＣＶ３をも求めることができる。
【００４５】
電流が金属材料Ｍの表面の不規則性および測定が望まれない浅い亀裂深さよりも深い深さまで電流が貫通する時間の推定は、深さが１ｍｍ以下の亀裂深さおよび表面不規則性の測定を望まない場合、以下の関係によって与えられてもよい。
ｔ１１−ｔ１≒０．２＊μ／ρ
式中、ｔ１は、電流が第２の大きさＩ２を有するように制御されるときの時間（ミリ秒）であり、μは金属材料Ｍの比透磁率であり、ρは電気抵抗率（ｎΩｍ）である。同様の式は、測定が望まれる最小亀裂深さに依存して導き出される。
【００４６】
第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１は、第２の大きさを得るための電流制御によって金属材料に誘導された電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する金属材料の深さまで貫通したときに終了する。第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の終わりｔ１２の推定は、例えば、以下の関係式によって得られる。
ｔ１２−ｔ１≒０．２＊μ＊（ＣＤｍａｘ）２／ρ
推定という用語は、一般に、時間範囲およびパルス持続時間の理論的推定を意味することを理解されたい。
【００４７】
第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の間、第１の特性値ＣＶ１は、計算装置１２によって、例えば、第１のユニット１３によって求められる。第１の特性値ＣＶ１は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１においてとられる信号の単一の値、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の信号の平均値または第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１における信号の積分のいずれであってもよい。
【００４８】
図２ａの中段の図において、実線２２−１は、金属材料Ｍに亀裂が存在するときの受信コイル５によって検出される信号の一例を示し、点線２２−２は、金属材料に亀裂Ｃが存在しないときの受信コイル５によって検出される信号の一例を示す。図２ａの最下段の図は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の間に線２２−１および２２−２の信号が積分されて、第１の特性値ＣＶ１を求める一例を示す。亀裂が存在する場合の信号値が、亀裂が存在しない場合の信号値と比較した場合に異なっていることが分かる。
【００４９】
第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３の始まりは、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の後である。一実施形態において、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１と、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の持続時間と同じ大きさの持続時間を有する第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３との間に、中間時間範囲ｔ１３−ｔ１２があり、その時間の間は、信号のサンプルがとられていない。中間時間範囲の他の持続時間もまた可能であってもよい。
【００５０】
第５のステップＳ５において、第２の特性値ＣＶ２は、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３において求められ、第２の時間範囲は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の後であり、時間ｔ１３で始まる。一実施形態において、第２の時間範囲の持続時間は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１と同じ大きさのものである。第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３は、時間ｔ１４で終わる。
【００５１】
第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３の間、第２の特性値ＣＶ２は、計算装置１２によって、例えば、第１のユニット１３および第２のユニット１５によって求められる。第２の特性値ＣＶ２は、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３においてとられる信号の単一の値、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３における信号の平均値または第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３における信号の積分のいずれであってもよい。
【００５２】
図２ａの最下段の図は、亀裂がない信号と亀裂がある信号が、第２の時間範囲ｔ１４−ｔ１３の間に積分されて、第２の特性値ＣＶ２を求める例を示す。亀裂が存在する場合の信号値が、亀裂が存在しない場合の信号値と比較した場合に異なることが分かる。
【００５３】
第１の特性値ＣＶ１および第２の特性値ＣＶ２は、第２のユニット１５に与えられる。第１の特性値ＣＶ１および第２の特性値ＣＶ２は、第２のユニット１５に配設されたサンプルホールド回路によって電圧としてアナログ信号の形態で、または、あるいは第２のユニット１５に配設されたＡ／Ｄ変換器によってディジタル信号として与えられてもよい。
【００５４】
第１の特性値ＣＶ１および第２の特性値ＣＶ２は、時間ｔ１６で第２のユニット１５によって第３のユニット１７に与えられてもよく、第１のユニット１３は、次の測定のために、すなわち、次の電流パルスの特性値を求めるために、時間ｔ１５でリセットされうる。これは、図２ａの最下段の図に示されている。
【００５５】
ステップＳ７において、第１の特性値ＣＶ１および第２の特性値ＣＶ２に基づいて亀裂深さを求めることによって、亀裂が存在するかが求められる。亀裂深さは、第１の特性値ＣＶ１と第２の特性値ＣＶ２との間の関係を求めることによって、第３のユニット１７において求められうる。
【００５６】
本発明者は、第１の特性値ＣＶ１と第２の特性値ＣＶ２との間の関係ＣＶ１／ＣＶ２は、金属材料Ｍの表面１９からの送信コイル３および受信コイル５の距離、金属材料Ｍの抵抗率ρおよび金属材料Ｍの表面上に存在し得る不規則性とは無関係であることを認識している。したがって、第１の特性値ＣＶ１と第２の特性値ＣＶ２との間の関係は、有利なことには、金属材料Ｍの亀裂を検査している際に金属材料Ｍの表面１９と平行な平面における受信コイル３の広がりに対して、亀裂長さが比較的大きい場合に、亀裂深さを求めるために使用されてもよい。亀裂深さＣＤは、特に、例えば、以下の式によって求められてもよい。
ＣＤ≒Ｃ１＊（ＣＶ１／ＣＶ２−Ｃ２）
式中、Ｃ１およびＣ２は２つの定数である。Ｃ２は、金属材料Ｍの測定時に亀裂がない場合、亀裂深さＣＤがゼロになるように求められる。Ｃ１は、既知の深さを有する亀裂深さを測定することによって、または理論的計算によって求められてもよい。定数Ｃ１およびＣ２は、例えば、第３のユニット１７のメモリに格納され、それによって亀裂深さを計算する際に使用されてもよい。
【００５７】
一実施形態において、特に、金属材料Ｍの亀裂を検査する際に金属材料Ｍの表面１９と平行な平面における受信コイル３の寸法より小さな長さ範囲を有する亀裂の亀裂深さを求めるのに適した一実施形態において、第３の特性値ＣＶ３が、亀裂深さを求めるステップＳ７の前のステップＳ６において計算装置１２によって求められてもよい。第３の特性値ＣＶ３は、図２ｂの最下段の図に示されるように、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１が始まる時間ｔ１１で始まり、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の終了時間ｔ１２の前の時間ｔ１７で終わる第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１において求められる。
【００５８】
第３の時間範囲ｔ１１−ｔ１７の間、第３の特性値ＣＶ３は、計算装置１２によって、例えば、制御ユニット９からの制御信号による開始により、第１のユニット１３によって求められる。第３の特性値ＣＶ３は、第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１においてとられる信号の単一の値、第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１の信号の平均値または第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１における信号の積分のいずれであってもよい。第３の時間範囲ｔ１７−ｔ１１の終了時間ｔ１７は、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の開始時間ｔ１１と、第１の時間範囲ｔ１２−ｔ１１の終了時間ｔ１２とに基づいて求められてもよい。第３の時間範囲の終了時間ｔ１７を求めるための関係式の一例は以下の通りである。
【数１】
【００５９】
ステップＳ６において第３の特性値ＣＶ３が求められた実施形態において、ステップＳ７において、亀裂長さも求められてもよい。存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるステップＳ７は第１の特性値ＣＶ１、第２の特性値ＣＶ２および第３の特性値ＣＶ３に基づくものであってもよい。亀裂長さＣＬは、例えば、以下の関係式によって求められてもよい。
【数２】
亀裂深さＣＤは、以下の式によって求められてもよい。
【数３】
式中、Ｃ３およびＣ４は定数である。定数Ｃ３およびＣ４は、実験的研究によって、例えば、金属材料の亀裂の既知の亀裂深さおよび亀裂長さの測定によって求められてもよい。定数Ｃ３およびＣ４は、計算装置１２のメモリ、例えば、第３のユニット１７のメモリに格納されてもよい。
【００６０】
亀裂深さまたは亀裂長さの寸法を得るために、既知の亀裂深さおよび亀裂長さに関する関係式ＣＶ１／ＣＶ２の形式の第１の特性値ＣＶ１と第２の特性値ＣＶ２との間の関係と、第１の特性値ＣＶ１と第３の特性値ＣＶ３との間の関係ＣＶ１／ＣＶ３は、データ構造、例えば、表に与えられてもよく、亀裂深さおよび亀裂長さの補間は、データ構造の値に基づいて実行されてもよい。
【００６１】
電流パルスは、時間ｔ２で信号発生器７によって送信コイル３に供給され、上記ステップＳ１〜Ｓ５およびＳ７が繰り返される。亀裂長さが受信コイル３の範囲より短い実施形態においては、ステップＳ６も繰り返される。
【００６２】
本発明の概念は、いくつかの実施形態を参照しながら主に上述してきた。しかしながら、当業者であれば、上記に開示されたもの以外の他の実施形態が、添付の特許請求の範囲に規定されるように、本発明の範囲内において同等に可能であることを容易に認識するであろう。
【符号の説明】
【００６３】
１ 装置
３ 送信コイル
５ 受信コイル
７ 信号発生器
９ 制御ユニット
１１ 増幅器
１２ 計算装置
１３ 第１のユニット
１５ 第２のユニット
１７ 第３のユニット
１９ 金属材料の表面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料（Ｍ）の亀裂（Ｃ）の亀裂深さを求める方法であって、
前記金属材料（Ｍ）に磁場を発生させる送信コイル（３）に第１の大きさ（Ｉ１）を有する電流を供給するステップ（Ｓ１）と、
前記金属材料（Ｍ）において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで前記磁場が貫通していることが推定されるとき、第２の大きさ（Ｉ２）を得るように前記電流を制御するステップ（Ｓ２）と、
受信コイル（５）によって前記磁場を検出し、検出した磁場によって前記受信コイル（５）に信号を発生させるステップ（Ｓ３）と、
第１の時間範囲における第１の信号特性値（ＣＶ１）を求めるステップ（Ｓ４）であって、前記第１の時間範囲が、
前記第２の大きさを得るための前記電流制御による外乱が終了したことが推定され、
前記第２の大きさを得るための前記電流制御によって前記金属材料に誘導された電流が、前記金属材料（Ｍ）の表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれていない亀裂深さよりも前記金属材料（Ｍ）の深くまで貫通する時間に開始され、
前記第１の時間範囲が、前記第２の大きさを得るための電流制御による前記金属材料（Ｍ）に誘導された電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する前記金属材料の深さまで貫通すると終了するステップ（Ｓ４）と、
前記第１の時間範囲の後の第２の時間範囲で、第２の信号特性値（ＣＶ２）を求めるステップ（Ｓ５）と、
前記第１の特性値（ＣＶ１）および前記第２の特性値（ＣＶ２）に基づいて、亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求めるステップ（Ｓ７）と
を含む方法。
【請求項２】
前記供給するステップ（Ｓ１）において、前記電流が基本的に一定である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属材料において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで貫通した前記磁場の推定が、前記電流を前記送信コイル（３）へ前記供給するステップが開始されるとき、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、ならびに前記金属材料（Ｍ）の比透磁率および電気抵抗率に基づく、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の時間範囲の始まりが、前記第２の大きさ（Ｉ２）を得るための前記電流制御が開始される時間および前記金属材料（Ｍ）の比透磁率と電気抵抗率との関係に基づいて推定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の時間範囲の終わりが、前記電流が前記第２の大きさ（Ｉ２）を得る時間、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、ならびに前記金属材料（Ｍ）の比透磁率および電気抵抗率に基づいて推定される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の特性値（ＣＶ１）を求める前記ステップ（Ｓ４）が、前記第１の時間範囲中の前記信号を積分するステップを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の特性値（ＣＶ２）を求める前記ステップ（Ｓ５）が、前記第２の時間範囲中の前記信号を積分するステップを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求める前記ステップ（Ｓ７）が、前記第１の特性値と前記第２の特性値との関係を求めるステップを伴う、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
第３の時間範囲において第３の信号特性値（ＣＶ３）を求めるステップ（Ｓ６）を含み、前記第３の時間範囲が、前記第１の時間範囲と同時に開始され、前記第１の時間範囲の始まりと前記第１の時間範囲の終わりに基づいて求められた時間に終了し、亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求める前記ステップ（Ｓ７）が、前記第１の特性値、前記第２の特性値および前記第３の特性値に基づいて、存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるステップを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第３の特性値（ＣＶ３）を求める前記ステップ（Ｓ６）が、前記第３の時間範囲中の信号を積分するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
金属材料（Ｍ）の亀裂の亀裂深さを求める装置（１）であって、
前記金属材料（Ｍ）に磁場を発生させるように構成された送信コイル（３）と、
前記磁場を検出するように構成された受信コイル（５）と、
前記金属材料（Ｍ）に前記磁場を発生させる前記送信コイル（３）に、第１の大きさ（Ｉ１）の電流を供給するように構成された信号発生器（７）と、
前記金属材料（Ｍ）において測定が望まれる最も深い亀裂深さより深くまで前記磁場が貫通していることが推定されるとき、前記電流が第２の大きさ（Ｉ２）を得るように前記信号発生器（７）を制御するように構成された制御ユニット（９）と、
前記受信コイル（３）によって検出された前記磁場によって生成された信号を受信し、第１の時間範囲における第１の信号特性値（ＣＶ１）を求めるように構成された計算装置（１２）とを含み、前記第１の時間範囲が、
前記第２の大きさを得るための前記電流制御による外乱が終了したことが推定され、
前記第２の大きさ（Ｉ２）を得るための前記電流制御による前記金属材料（Ｍ）に誘導された電流が、前記金属材料（Ｍ）の表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれていない亀裂深さよりも前記金属材料（Ｍ）の深くまで貫通する時間に開始され、
前記第１の時間範囲が、前記第２の大きさ（Ｉ２）を得るための前記電流制御によって前記金属材料（Ｍ）に誘導された前記電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する前記金属材料（Ｍ）の深さまで貫通した後に終了し、
前記計算装置（１２）が、さらに、前記第１の時間範囲の後に第２の時間範囲において第２の信号特性値（ＣＶ２）を求めるとともに、前記第１の特性値（ＣＶ１）および前記第２の特性値（ＣＶ２）に基づいて、亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求めるように構成される装置（１）。
【請求項１２】
前記計算装置（１２）が、第３の時間範囲における第３の信号特性値（ＣＶ３）を求めるように構成され、前記第３の時間範囲が、前記第１の時間範囲と同時に開始され、前記第１の時間範囲の始まりと前記第１の時間範囲の終わりに基づいて求められた時間に終了し、前記計算装置（１２）が、前記第１の特性値（ＣＶ１）、前記第２の特性値（ＣＶ２）および前記第３の特性値（ＣＶ３）に基づいて、存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるように構成される、請求項１１に記載の装置（１）。
【請求項１】
金属材料（Ｍ）の亀裂（Ｃ）の亀裂深さを求める方法であって、
前記金属材料（Ｍ）に磁場を発生させる送信コイル（３）に第１の大きさ（Ｉ１）を有する電流を供給するステップ（Ｓ１）と、
前記金属材料（Ｍ）において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで前記磁場が貫通していることが推定されるとき、第２の大きさ（Ｉ２）を得るように前記電流を制御するステップ（Ｓ２）と、
受信コイル（５）によって前記磁場を検出し、検出した磁場によって前記受信コイル（５）に信号を発生させるステップ（Ｓ３）と、
第１の時間範囲における第１の信号特性値（ＣＶ１）を求めるステップ（Ｓ４）であって、前記第１の時間範囲が、
前記第２の大きさを得るための前記電流制御による外乱が終了したことが推定され、
前記第２の大きさを得るための前記電流制御によって前記金属材料に誘導された電流が、前記金属材料（Ｍ）の表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれていない亀裂深さよりも前記金属材料（Ｍ）の深くまで貫通する時間に開始され、
前記第１の時間範囲が、前記第２の大きさを得るための電流制御による前記金属材料（Ｍ）に誘導された電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する前記金属材料の深さまで貫通すると終了するステップ（Ｓ４）と、
前記第１の時間範囲の後の第２の時間範囲で、第２の信号特性値（ＣＶ２）を求めるステップ（Ｓ５）と、
前記第１の特性値（ＣＶ１）および前記第２の特性値（ＣＶ２）に基づいて、亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求めるステップ（Ｓ７）と
を含む方法。
【請求項２】
前記供給するステップ（Ｓ１）において、前記電流が基本的に一定である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属材料において測定が望まれる最も深い亀裂深さよりも深くまで貫通した前記磁場の推定が、前記電流を前記送信コイル（３）へ前記供給するステップが開始されるとき、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、ならびに前記金属材料（Ｍ）の比透磁率および電気抵抗率に基づく、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の時間範囲の始まりが、前記第２の大きさ（Ｉ２）を得るための前記電流制御が開始される時間および前記金属材料（Ｍ）の比透磁率と電気抵抗率との関係に基づいて推定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の時間範囲の終わりが、前記電流が前記第２の大きさ（Ｉ２）を得る時間、測定が望まれる最も深い亀裂深さ、ならびに前記金属材料（Ｍ）の比透磁率および電気抵抗率に基づいて推定される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の特性値（ＣＶ１）を求める前記ステップ（Ｓ４）が、前記第１の時間範囲中の前記信号を積分するステップを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の特性値（ＣＶ２）を求める前記ステップ（Ｓ５）が、前記第２の時間範囲中の前記信号を積分するステップを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求める前記ステップ（Ｓ７）が、前記第１の特性値と前記第２の特性値との関係を求めるステップを伴う、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
第３の時間範囲において第３の信号特性値（ＣＶ３）を求めるステップ（Ｓ６）を含み、前記第３の時間範囲が、前記第１の時間範囲と同時に開始され、前記第１の時間範囲の始まりと前記第１の時間範囲の終わりに基づいて求められた時間に終了し、亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求める前記ステップ（Ｓ７）が、前記第１の特性値、前記第２の特性値および前記第３の特性値に基づいて、存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるステップを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第３の特性値（ＣＶ３）を求める前記ステップ（Ｓ６）が、前記第３の時間範囲中の信号を積分するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
金属材料（Ｍ）の亀裂の亀裂深さを求める装置（１）であって、
前記金属材料（Ｍ）に磁場を発生させるように構成された送信コイル（３）と、
前記磁場を検出するように構成された受信コイル（５）と、
前記金属材料（Ｍ）に前記磁場を発生させる前記送信コイル（３）に、第１の大きさ（Ｉ１）の電流を供給するように構成された信号発生器（７）と、
前記金属材料（Ｍ）において測定が望まれる最も深い亀裂深さより深くまで前記磁場が貫通していることが推定されるとき、前記電流が第２の大きさ（Ｉ２）を得るように前記信号発生器（７）を制御するように構成された制御ユニット（９）と、
前記受信コイル（３）によって検出された前記磁場によって生成された信号を受信し、第１の時間範囲における第１の信号特性値（ＣＶ１）を求めるように構成された計算装置（１２）とを含み、前記第１の時間範囲が、
前記第２の大きさを得るための前記電流制御による外乱が終了したことが推定され、
前記第２の大きさ（Ｉ２）を得るための前記電流制御による前記金属材料（Ｍ）に誘導された電流が、前記金属材料（Ｍ）の表面の不規則性に対応する深さおよび測定が望まれていない亀裂深さよりも前記金属材料（Ｍ）の深くまで貫通する時間に開始され、
前記第１の時間範囲が、前記第２の大きさ（Ｉ２）を得るための前記電流制御によって前記金属材料（Ｍ）に誘導された前記電流が、測定が望まれる最も深い亀裂深さに対応する前記金属材料（Ｍ）の深さまで貫通した後に終了し、
前記計算装置（１２）が、さらに、前記第１の時間範囲の後に第２の時間範囲において第２の信号特性値（ＣＶ２）を求めるとともに、前記第１の特性値（ＣＶ１）および前記第２の特性値（ＣＶ２）に基づいて、亀裂の存在の可能性およびその亀裂深さを求めるように構成される装置（１）。
【請求項１２】
前記計算装置（１２）が、第３の時間範囲における第３の信号特性値（ＣＶ３）を求めるように構成され、前記第３の時間範囲が、前記第１の時間範囲と同時に開始され、前記第１の時間範囲の始まりと前記第１の時間範囲の終わりに基づいて求められた時間に終了し、前記計算装置（１２）が、前記第１の特性値（ＣＶ１）、前記第２の特性値（ＣＶ２）および前記第３の特性値（ＣＶ３）に基づいて、存在する可能性のある亀裂の亀裂長さを求めるように構成される、請求項１１に記載の装置（１）。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−７６７００（Ｐ２０１３−７６７００Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２１７４６６（Ｐ２０１２−２１７４６６）
【出願日】平成２４年９月２８日（２０１２．９．２８）
【出願人】（５１１１６９６６７）エービービー テクノロジー アーゲー (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２１７４６６（Ｐ２０１２−２１７４６６）
【出願日】平成２４年９月２８日（２０１２．９．２８）
【出願人】（５１１１６９６６７）エービービー テクノロジー アーゲー (5)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]