JP2005530173A - 永久状態偏差を感知する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、例えば、機械など既存生産装置内部の、ハードウェア設計及び構造に対して重要な部分におけるリアルタイムの一時的な内部材料振動を検知することによって永久状態偏差を感知及び表示、及び／または予め構築されたインフラ設備を監視する方法及び装置に関する。高導磁性及び比較的高い磁気歪みを有する１つあるいは１つ以上の少なくとも約２０μｍの厚さの非晶性あるいはナノ結晶性のバンドエレメントが付属物に接着され、１つあるいは１つ以上のバンドエレメントはマルチ−ターンコイルにより少なくとも部分的に巻かれ、その部分における状態偏差として任意に生じる原子運動（振動）は１つあるいは１つ以上のバンドエレメントに伝達される。この偏差は前記原子運動に比例するコイルの電磁流量変化（ｄＢ／ｄｔ）を明確に測定でき且つ検知でき、あるいは、１つまたは１つ以上のコイルにおけるインダクタンス変化を同様に明確に測定でき且つ検知できる。

Description

本発明は、例えば、プロトタイプ試験、企業内既存生産装置など、ハードウェア設計及び構造に対して重要な部分におけるリアルタイムの一時的な内部材料振動を検知することによって永久状態偏差を感知及び表示、及び／または監視することによって予め構築されたインフラ設備を維持するための方法及び装置に関する。

近年のマイクロ電子技術分野の発展、とりわけますます強化されるコンピュータに関するメモリーの発展は、製品設計における寸法に重要な大きさを測定することを対象とした加速計、曲げ／変形表示計、アコースティックエミッション用インジケータなどのトランスデューサあるいはセンサが市場において異なる型を生じることによりそれらの組立てが過度に複雑化され、その結果として、過度に場所をとり、更に、近代的なハードウェア設計がますます要求され、とりわけ近代的なソフトウェアが使用可能な程度まで応用するのにコストがかかることを伴ってきた。

発明の要点

したがって、本発明の主要な目的の１つは、原理上非常に簡潔なトランスデューサエレメントあるいはセンサ及びそれらの配置を実現することにより、その組立てにおいて場所を節約することができるため、従来では想像できないトランスデューサあるいはセンサ構造を実現し、同時に、これまで可能だった範囲より広い範囲に対する感度及び精度をかなり増大させた測定が可能となり、その上、従来ではほとんど検知できなかった大きさの測定が可能となる機会を与えることである。本発明の別の目的は非常に小さい固有の質量を有することにより、その検知される対象物の大きさが、これにより影響されないようなセンサ配置を実現することである。

上記に概略した目的は、付属品に添加される高導磁性及び比較的高い磁気歪みを有する１つ以上の少なくとも約２０μｍの厚さの非晶形あるいはナノ結晶性のバンドエレメントから構成される装置であり、前記バンドエレメントは、所望の材料構造物を実現するために、磁気的熱処理により処理し、前記バンドエレメントはマルチ−ターンコイルにより少なくとも部分的に巻かれ、この状態偏差として任意に生じる原子運動は１つ以上のバンドエレメントに伝達され、前記原子運動に比例するコイルの電磁流量変化（ｄＢ／ｄｔ）を明確に測定でき且つ検知でき、あるいは１つ以上のコイルにおけるインダクタンス変化を同様に明確に測定でき且つ検知できる装置及方法により達成される。

本発明を、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。

詳細説明

ガラス破損率センサへの応用
機能原理
トランスデューサあるいはインジケータは非晶質強磁性体から構成され、これは極めて高い導磁性、５，０００＜μ＜２００，０００を有すると同時に、ある合金組成に対して、比較的高い磁気ひずみ、５＜λ_ｓａｔ＜４０ｐｐｍを有する特性を所有する。全体としてみると、これは非常に高い磁気−弾性関係を備えた材料を提供し、且つそれゆえにセンサ材料として非常に適している。

２２μｍの厚さを有する非晶質材料シートから切断し、その後任意の材料上に接着した約３＊１０ｍｍのバンドを使用して、材料の伸縮性を検知できる。非晶質材料は圧延方向に対して別の方向に切断することにより別の特性を提供でき、本発明においては、圧延方向に対して縦方向及び横方向に作成されたものが使用される。

また、材料パラメータは結晶化温度に近いがそれより低い温度で磁界における材料を熱処理することにより変性される。破損ガラス及び通常のアコースティックエミッションの場合には、電磁流量の変化は、マルチ−ターンコイルが図１及び２に示されるように、バンドの周囲に巻かれることにより検知される。

理論
高い周波数の信号を検知するために、流量変化を検知して、これがバンドに対する変形量に比例することを推定するだけの簡単な利点を有する。このことは、非磁性バンドが伸長変化において流量変化を生じないため、磁気的に明確な初期状態が達成されることを意味する。

磁化基礎状態を達成するために、原則的にアース磁化状態は３０−６０μＴ（２０−４０Ａ／ｍ）で充分であるが、他方では、インジケータが搭載され測定される際にはアース磁界の大きさ及び方向を監視することは非実用的である。

満足な初期状態を達成するための２つの方法があり：
わずかな磁気封入及び巻き上げコイルへの直流、及び
わずかな磁気封入及び永久磁石を備えたバイアス磁化がある。

磁界の大きさは磁化が０，２−０，７Ｔとなるようにして、これはバンドにおける磁界が２−５６Ａ／ｍの大きさの程度となることを意味する。磁界の大きさは通常次式から計算される。

ここで、Ｈは磁界であり、Ｂは電磁流量密度であり、自由空間に対する導磁率μ_０＝４π・１０^−７Ｖｓ／Ａｍであり、この場合における非晶質バンドへの相対導磁率μである。

測定信号は伸長／圧縮に由来するバンドにおける流量変化量を検知することにより得られる。

直線的な場合に関して、以下の連立方程式がその関数を示す。

ここで、σは機械的応力を示し、ｄは磁気−弾性関係係数を示す。この冒頭のΔは初期値からの変化量を示す。材料パラメータｄは、、一定の機械的応力、Δσ＝０、での最大磁気ひずみを、磁気飽和状態における磁界で割ることにより近似させる。
すなわち、

従って、

ここで、λ_ｍａｘ＝３５・１０^−６であり、且つＨ_ｍａｘ＝２００Ａ／ｍから、関係因子ｄ＝１．７５・１０^−７ｍ／Ａとなり、全ての型の磁気弾性関係に対して非常に高い値となる。

期待される出力信号は流量変化量及び機械的応力に比例する。

ここで、Ｎは巻上コイルにおけるターンの回数であり、更にＡは非晶質バンドの断面積である。ΔＨ＝０と仮定すると、以下の方程式が当てはまる。

ここでＥ^Ｈは一定の磁界における弾性率である。周波数面への変換及び上記方程式の利用率は、次式で与えられる。

ここでωはｒｏｗｓ／ｓｅｃの角周波数である。この曲折アクセントは、振幅値が与えられることを示す。弾性率が１００ＧＰａの大きさを有すると仮定すると、１００，０００ｋＨｚにおけるセンサの伸縮は、図４及び５の中央に示されるＰｌ＿２の場合に対して０，００２５ｐｐｍの大きさを示す。

測定結果
ガラススライドへ接着したセンサの初期実験では周波数の範囲が４０ｋＨｚ−１ＭＨｚの振動を検知できたことを示す。

以下の比較試験が実施された。

この試験はガラススライドのかどが破損されており、且つ出力信号がおよそ１００倍増幅されたもので実施した。

図３はセンサＰｌ＿１、Ｐｌ＿２、Ｐｌ＿３の異なる伸縮に対するインダクタンス変化を示す。ここで、横方向に切断されたバンドを有するＰｌ＿１及びＰｌ＿２は一番高い磁気−弾性関係を示すことが明確に示される。これらの２つのサンプルはまた非常に高い導磁率を表示する。このことはガラス破損実験においても、同様な励起状態における信号レベルがＰｌ＿１及びＰｌ＿２に対して高いことが示される。Ｐｌ＿２は、Ｐｌ＿１及びＰｌ＿３と比較してかなり広帯域の信号スペクトルを示す。これはおそらく表１に示される、より大きな接着特性により説明される。

実静的測定を行う一般加速計の開発した最初の試作品への適用
機能的原理
トランスデューサあるいはインジケータは非晶質強磁性体から構成され、これは極めて高い導磁性、５，０００＜μ＜２００，０００を有すると同時に、ある合金組成に対して比較的高い磁気ひずみ、５＜λ_ｓａｔ＜４０ｐｐｍを有する特性を所有する。全体としてみると、これは非常に高い磁気弾性関係を備えた材料を提供し、且つそれゆえにセンサ材料として非常に適している。トランスデューサあるいはインジケータは３・１６・０．０２２ｍｍの大きさの２つの非晶質バンドからできている。このバンドは図１に示されるように固定ブロックに対して接着される。固定ブロックでは１つのコイルが各バンドの周囲に巻かれる。この１つ以上のコイルは図２に示されるように半ブリッジで接続される。両バンドにおける類似の変化が信号を提供しないようにこれらコイルを接続することにより、温度に対する不感受性の高さ及び別の対称崩壊が実現される。２つの非晶質バンド及び中間プラスチックバンドから構成される「ビーム」を屈曲させると、片方のバンドの伸長が別のバンドの圧縮を同時に生じさせる。コイルからの出力信号がその後正反対となり、すなわち伸長におけるインダクタンス（導磁性）の増加及び圧縮における減少を生じる。

曲げビームの先端部に位置する反応塊（図１４）は加速度、ビームの長さ及び質量に比例する曲げモーメントを提供する。このことは当然、ほぼどんな最大加速度に対しても加速計が適応できるようにする。この周波数特性はビーム剛性及び反応塊の質量により実質決定される。

理論
このトランスデューサあるいはインジケータが実静的測定を有するため、測定原理は流量変化により誘発される引張に基づくことがない。本発明では、バンドの相対導磁性は加速計の期待バンド幅よりもおよそ１０倍高い周波数を有する搬送波を使用して測定される必要がある。

直線性の場合には以下の連立方程式がその関数を示す。

ここでＨは磁界であり、Ｂは電磁流量密度であり、自由空間に対する導磁率μ_０＝４π・１０^−７Ｖｓ／Ａｍであり、この場合における非晶質バンドへの相対導磁率μである。

更に、σは機械的引張を示し、ｄは磁気−弾性関係係数を示す。この冒頭のΔは初期値からの変化量を示す。材料パラメータｄは、一定の機械的応力、Δσ＝０、での最大磁気ひずみを、磁気飽和状態における磁界で割ることにより近似させる。
すなわち、

従って、

ここで、λ_ｍａｘ＝３５・１０^−６であり、且つＨ_ｍａｘ＝２００Ａ／ｍから、関係因子ｄ＝１．７５・１０^−７ｍ／Ａとなり、全ての型の磁気−弾性関係に対して高い値となる。ここで関心となる測定の大きさは伸縮関数としての導磁率である。明確な磁化状態、すなわち一定の公知な磁界が達成されたと仮定すると、上記の方程式の補正を含む電磁流量密度の変化は以下のように表される。

従って、電磁流量密度の変化は、Ｅ^Ｈ＝１００ＧＰａであり、およそ１．７５・１０^４Ｔである比例定数ｄ・Ｅ^Ｈと、バンドの伸縮に比例する。

コイルが半ブリッジで接続され、片方のバンドが１０ｐｐｍの伸長を有し且つ他方のバンドが１０ｐｐｍの圧縮を有すると仮定する。Ｈフィールドは一定とされ、且つＢフィールドの変化は導磁率の変化及び当然コイルのインダクタンスに比例するため、平衡状態のブリッジからの出力信号は以下の式で表される。

これは、出力信号が非常に強力であるため増幅する必要がない。

測定結果
各コイルは８００ターンを有し、８，２ｍＨのインダクタンスを提供する。この半ブリッジは４，４Ｖ及び１９，３ｋＨｚの振幅の正弦波電波を提供する。このコイルは直列に接続されているため、ブリッジインピーダンスは１０ｋΩの大きさで維持され、これはオペアンプにより増幅されて良好に適用できることを意味する。

トランスデューサの較正のために、引力として９．８１Ｇの重力が使用される。これは３５ｍＶ／Ｇの感度を提供する。このトランスデューサはおよそ１Ｖで飽和状態となり、これは直線面積がおよそ±０．５Ｃでありこれは±１４Ｇに等しいことを示す。共振周波数は以下の式で表される。

これはインパルス応答を調べると図３に示すようにおよそ８０Ｈｚまで測定された。

加速計試験装置における測定
直線性を調べるために、ある程度の周波数特性まで、加速計試験装置にて測定された。

図４、５、６及び７に共通する特徴として、ある相対的に大きな出力信号変動曲線が基準加速計からの出力信号を示し、別の同様に大きな出力信号変動曲線が原型加速計からの信号を示し、一方ほぼ実線の連続曲線はまさに正確である解析的模擬加速度を示す。軸の目盛としてｙ軸においては加速度Ｇであり、ｘ軸においては時間、秒である。およそ１，５周期が全体を通して存在した。

加速計の出力信号を模擬加速度と比較し、相関させることにより、周波数応答が図８で示されるように導かれる。

開発された加速計が期待直線性限界の１４Ｇまで良好な直線性を示す。周波数が８０Ｈｚの共振周波数に接近し始めるまで周波数依存を示すような形状を推測するものは全くない。図８中の１１Ｈｚにおける下り勾配は飽和が達成されたことを説明する。

アコースティックエミッション用センサの開発された最初の試作品への適用
機能的原理
トランスデューサあるいはインジケータは非晶質強磁性体から構成され、これは極めて高い導磁性、５，０００＜μ＜２００，０００を有すると同時に、ある合金組成に対して比較的高い磁気ひずみ、５＜λ_ｓａｔ＜４０ｐｐｍを有する特性を所有する。全体としてみると、これは非常に高い磁気−弾性関係を備えた材料を提供し、且つそれゆえにセンサ材料として非常に適している。トランスデューサあるいはインジケータは３・１８・０，０２２ｍｍの大きさの１つの非晶質バンドからできている。このバンドは間に介在する絶縁性プラスチックバンドと共に２ターンして巻かれる。このバンドは次に短絡化二次巻線として機能するため、このバンドの異なる層がたがいに電気接点を有さないことが必須的に重要である。結果としてできた活性シリンダは薄い接着部を有して測定対象物上に接着され更に反対側では半球形のプラスチックボビンの底部まで接着される。プラスチックボビンの底部上に、反応塊が固定され一方１，０００ターンのコイルがその側面上を巻かれる。このトランスデューサの原理は唯１つのコイルだけが存在するため動的周期を検知するのに最適である。半ブリッジに接合させた２つのコイルを使用することにより（コイルが異なって操作され、すなわち正の加速度に対して１つのコイルが正の出力信号を提供する一方で別のコイルが相当する負の出力信号を提供すると仮定する）、コイルに対して対称的に生じる外部の、大域現象（熱、磁界など）により生じる変動、全ての電流（空中電磁波など）の影響は減少／除去される利点がある。

このプラスチックボビンの底部に固定される反応塊（図１４）はその加速度及び質量に比例する活性シリンダの反力を提供する。これは当然加速計をいかなる最大加速度及びどんな共振周波数に対しても適用可能であることを示す。この周波数特性はシリンダの剛性及び同様に反応塊の質量により実質決定される。

理論
高い周波数の信号を検知するために、流量変化を検知して、これがバンドに対する変形量に比例することを推定するだけの簡単な利点を有する。このことは、非磁性バンドが伸長変化において流量変化を生じないため、磁気的に明確な初期状態が達成されることを意味する。磁化基礎状態を達成するために、原則的にアース磁界は３０−６０μＴ（２０−４０Ａ／ｍ）で充分であるが、他方では、インジケータが搭載され測定される際にはアース磁界の大きさ及び方向を監視することは非実用的である。

満足な初期状態を達成するための２つの方法がある。
１．わずかな磁気封入及び巻き上げコイルへの直流。
２．わずかな磁気封入及び永久磁石を備えたバイアス磁化がある。

磁界の大きさは磁化が０，２−０，７Ｔとなるようにして、これはバンドにおける磁界が２−５６Ａ／ｍの大きさの程度となることを意味する。磁界の大きさは通常次式から計算される。

ここで、Ｈは磁界であり、Ｂは電磁流密度であり、自由空間に対する導磁率μ_０＝４π・１０^−７Ｖｓ／Ａｍであり、この場合における非晶質バンドへの相対導磁率μである。測定信号は伸長／圧縮に由来するバンドにおける電磁流量変化量を検知することにより得られる。

直線的な場合に関して、以下の連立方程式がその関数を示す。

ここで、σは機械的応力を示し、ｄは磁気−弾性関係係数を示す。この冒頭のΔは初期値からの変化量を示す。材料パラメータｄは、一定の機械的応力、Δσ＝０、での最大磁気ひずみを、磁気飽和状態における磁界で割ることにより近似させる。すなわち、

従って、

ここで、λ_ｍａｘ＝３５・１０^−６であり、且つＨ_ｍａｘ＝２００Ａ／ｍから、関係因子ｄ＝１．７５・１０^−７ｍ／Ａとなり、全ての型の磁気弾性関係に対して高い値となる。

期待される出力信号は電磁流量変化量及び機械的応力に比例する。

ここで、Ｎは巻上コイルにおけるターンの回数であり、更にＡは非晶質バンドの断面積である。ΔＨ＝０と仮定すると、以下の方程式が当てはまる。

ここでＥ^Ｈは一定の磁界における弾性率である。周波数面への変換及び上記方程式の利用率は、次式で与えられる。

ここでωはｒｏｗｓ／ｓｅｃの角周波数である。この曲折アクセントは、振幅値が与えられることを示す。

測定結果
６５０ターンを有するコイルは、３．２ｍＨのインダクタンスを提供する。この共鳴周波数は以下の式で計算される。

ここで、弾性率が１００ＧＰａであり、活性シリンダの高さが３ｍｍであり、断面積が２・３・π・０，０２２ｍｍ^２であり、反応塊が４グラムであると仮定すると、共鳴周波数はおよそ１０ｋＨｚである。図２は大きな鉄ブランク上に搭載し、更にハンマーの打撃により励起させた際に、トランスデューサからの５０倍増幅させた出力信号を示す。

図１５において時系列での周波数解析が示され約５ｋＨｚまで上昇する信号が広帯域で生じその後８ｋＨｚと６０ｋＨｚの別個のピークを有する。８ｋＨｚの信号はトランスデューサ共振であり、一方６０ｋＨｚ信号は従来からアコースティックエミッションと呼ばれる、例えば材料変形エネルギーの過渡的開放であることが明らかである。５ｋＨｚ以下の広帯域信号分は試験体における振動から構成される。

１ミリメートル紙上で撮影されたアコースティックエミッション用センサを示す。 アコースティックエミッションを検知するセンサの概略図である。 インダクタンス変化の測定における正と負の伸縮における負荷の関数としての出力信号を示す。 各トランスデューサ、Ｐｌ＿１（ａ．上）、Ｐｌ＿２（ｂ．中央）、Ｐｌ＿３（ｃ．下）からの報時信号を示す。 Ｐｌ＿１、Ｐｌ＿２、Ｐｌ＿３（それぞれａ．上、ｂ．中央、ｃ．下）に関するガラスの破損における出力信号に対する周波数スペクトルを示す。 非晶質材料でできた加速計の具現化した概略図を示す。 加速計の結線及びそこからの信号処理の原理を示す。 加速計のインパルス応答を示し、Ｙ軸の信号は（ｍＶ）で示す出力信号であり、Ｘ軸は時間軸を示す。 １．７Ｈｚにおける加速計の測定結果を示す。 ３．０Ｈｚで実施された測定結果を示す。 ４．４Ｈｚで実施された測定結果を示す。 １０．９４Ｈｚで実施された測定結果を示す。 基準加速度計及び製造された加速度計の相対度数レスポンスを示す。 非晶質材料でできたＡＥセンサ（ＡＥとはアコースティックエミッションのことである）あるいは加速計の具現化した概略図を示す。 過渡状態出口におけるＡＥセンサの出力信号を示す。

Claims (8)

1. 機械など既存生産装置内部の、ハードウェア設計及び構造に対して重要な部分におけるリアルタイムの一時的な内部材料振動を検知することによって永久状態偏差を感知及び表示し、及び／または予め構築されたインフラ設備の監視する方法において、
   高導磁性及び比較的高い磁気歪みを有する１つ以上の少なくとも約２０μｍの厚さの非晶性あるいはナノ結晶性のバンドエレメントは付属物に接着され、該１つあるいは１つ以上のバンドエレメントは各々マルチ−ターンコイルにより少なくとも部分的に巻かれ、その部分における状態偏差としての任意に生じる原子運動（振動）は１つあるいは１つ以上のバンドエレメントに伝達され、該偏差は前記原子運動に比例するコイルの電磁流量変化（ｄＢ／ｄｔ）を明確に測定でき且つ検知でき、あるいは１つあるいは１つ以上のコイルにおけるインダクタンス変化を同様に明確に測定でき且つ検知できることを特徴とする方法。
2. わずかな振幅、例えば２０ｋＨｚの搬送波（電圧）は１つあるいは１つ以上のコイルに印加し、純粋変形に対してコイルを通る電流が測定され、あるいは複数のブリッジに接続されたコイルを使用する測定に対して、複数のブリッジに接続されたコイル間の電圧差が測定され、これらの大きさがバンドにおける機械的応力に実質比例することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 機械など、既存生産装置内部の、ハードウェア設計及び構造に対して重要な部分におけるリアルタイムの一時的な内部材料振動を検知することによって永久状態偏差を感知及び表示し、及び／または予め構築されたインフラ設備の監視する装置において、
   高導磁性及び比較的高い磁気歪みの１つ以上の少なくとも約２０μｍの厚さの非晶性あるいはナノ結晶性のバンドエレメントであって、この１つあるいは１つ以上のエレメントは所望の材料構造物を得るよう、磁気加熱処理を行い、前記１つあるいは１つ以上のバンドエレメントは各々マルチ−ターンコイルにより巻かれ、状態偏差としての任意に生じる原子運動（振動）は１つあるいは１つ以上のバンドエレメントを変化させ、前記原子運動に比例するコイルの電磁流量変化（ｄＢ／ｄｔ）を明確に測定でき且つ検知でき、あるいは１つあるいは１つ以上のコイルにおけるインダクタンス変化を同様に明確に測定でき且つ検知できることを特徴とする装置。
4. 前記１つあるいは１つ以上のコイルが結合された１つあるいは１つ以上のバンドエレメントは弾性変形可能なエポキシポリマーで囲まれることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記１つあるいは１つ以上のバンドエレメント及び１つあるいは１つ以上のコイルは対象物に接着されその永久状態偏差を表示させることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
6. １つあるいは１つ以上のバンドエレメントの感受性は、その材料における方向依存特性のため、バンドエレメントの圧延方向に対する検知方向の方向付け次第で異なることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１つに記載の装置。
7. コイルが結合されたバンドエレメントはブリッジ及び増幅器を接続させて、感受性及び検知性をそれぞれ増加させることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１つに記載の装置。
8. ガラス破損率インジケータ、加速計、アコースティックエミッション用トランスデューサ、あるいは負荷インジケータとして実現される請求項３乃至７のいずれか１つに記載の装置。

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