JP6898333B2 - セルラーセラミック物品のアイソスタティック強度を特徴付ける非接触方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、その内容が依拠され、その全体がここに参照することによって本願に援用される、２０１６年１月１５日出願の米国仮特許出願第６２／２７９，３９７号の優先権の利益を主張する。

本開示は、セルラーセラミック物品に関し、詳細には、押出セルラーセラミック物品のようなセラミック物品のアイソスタティック強度を特徴付ける方法に関する。

米国付与前公開特許出願第２０１３／０２１２１５１号、及び、２００４年３月８日に発行された、Ｓ．Ｔ．Ｇｕｌａｔｉ等による論文である、「押出コージエライトセラミック基質のアイソスタティック強度」と題される、ＳＡＥ ２００４ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ， ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ ２００４−０１−１１３５，２００４，ｄｏｉ：１０．４２７１／２００４−０１−１１３５を含む、本明細書に説明される任意の刊行物又は特許文献の開示全体が、参照により本願に援用される。

セルラーセラミック物品は、内燃機関中で粒子フィルタ及び触媒コンバータとして使用される。触媒物質を、セルを通過する排気ガスと反応させるために、比較的大きい表面積が提供されるようにセルが高密度で配置されてもよい。壁は、実質的に大きいオープンの前面領域を提供するように比較的薄い断面寸法を有してもよく、これによって、排気システム全体における背圧が低減される。セルラーセラミック物品は、通常の自動車用の衝撃及び熱的要求に耐えるために、十分な機械的及び熱的完全性を必要とする。

特に、車両のフィルタ又は触媒コンバータとして使用するために製造されるセラミック物品は、「キャンニング（canning）」と称されるプロセス中に金属筐体中に配置されて残存するように十分な機械的強度を有しなければならない。セラミック物品の機械的強度の１つの目安がアイソスタティック強度である。セラミック物品のアイソスタティック強度は、アイソスタティック力又は圧力の量を構造上の破損点まで増加させてセラミック物品にかけることによって測定できる。しかしながら、そのような測定によって、セラミック物品に損傷が生じる又はセラミック物品が破壊されるので、特に製造環境において、アイソスタティック強度を特徴付けるための方法として好ましくない。そのようにアイソスタティック強度を直接測定することはまた、非常に時間を消費し、生産性を落としうる。

本開示のある態様は、セルの配列を定める壁によって画定されるウェブを有するセラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特徴付ける非接触方法である。本発明の方法は、以下を含む：ａ）ウェブのデジタル画像を記録する工程；ｂ）記録されたデジタル画像に基づいて、内部にウェブを含むセラミック物品の２次元（２Ｄ）表現を形成する工程；ｃ）２Ｄ表現に与えられるアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯの選択量をシミュレートし、ウェブの２Ｄ表現内の最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を特定する工程；及びｄ）最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を用いて、セラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特定する工程。

本開示の別の態様は、工程ｂ）が、長方形ビーム要素を用いてウェブを表現する工程を含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、工程ｃ）が、有限要素分析を行う工程を含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、工程ｄ）が以下の工程を含む、上記の方法である：応力濃縮係数σ_Ｆ＝σ_{Ｃ−ＭＡＸ}／Ｐ_ＩＳＯを定める工程；及び式１／σ_Ｆ＝α・ＳＣ−βにより計算応力ＳＣを特定する工程であって、α及びβは、式への適合度によるが試験セラミック物品上で行われるアイソスタティック強度ＳＭの測定値を用いて特定される定数である。

本開示の別の態様は、工程ｄ）の後に、アイソスタティック強度ＳＣを閾値Ｓ_ＴＨと比較する工程をさらに含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、セルの配列を定める壁によって画定されるウェブを有するセラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特徴付ける非接触方法である。この方法は、以下を含む：ａ）ウェブのデジタル画像を記録する工程；ｂ）記録されたデジタル画像に基づいて、内部にウェブを含むセラミック物品の２Ｄ表現を形成する工程；ｃ）選択量のシミュレートされたアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯを用いてセラミック物品の２Ｄ表現上で有限要素分析を行い、ウェブの２Ｄ表現内の最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を特定する工程；及びｄ）最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を用いて、セラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特定する工程。

本開示の別の態様は、工程ｂ）のセラミック物品の２Ｄ表現を形成する工程が、２Ｄ長方形ビーム要素を用いてウェブを表現する工程を含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、工程ａ）とｂ）との間に、以下の工程をさらに含む、上記の方法である：記録されたデジタル画像を処理し、フィルタリングオペレーション、動的閾値オペレーション、島除去（island-removal）オペレーション、スムージングオペレーション、及びホール充填（hole-filling）オペレーションの少なくとも１つを用いて処理済み画像を形成し、次いで、処理済み画像を用いて工程ｂ）〜ｄ）を行う工程。

本開示の別の態様は、工程ｄ）が以下の工程を含む、上記の方法である：応力濃縮係数σ_Ｆ＝σ_{Ｃ−ＭＡＸ}／Ｐ_ＩＳＯを定める工程；及び式１／σ_Ｆ＝α・ＳＣ−βにより計算応力ＳＣを特定する工程であって、α及びβは、式への適合度によるが試験セラミック物品上で行われるアイソスタティック強度ＳＭの測定値を用いて特定される定数である。

本開示の別の態様は、工程ａ）が、２次元イメージセンサにより２次元デジタル画像を直接記録する工程、又は、リニアイメージセンサにより一連の１次元画像を記録する工程のいずれかを含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、工程ｄ）の後に、アイソスタティック強度ＳＣを閾値Ｓ_ＴＨと比較する工程をさらに含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、閾値Ｓ_ＴＨをセラミック物品の予想される用途に準拠させる工程を含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、セルの配列を定める壁を含むウェブを有するセラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特徴付ける非接触方法である。この方法は、以下を含む：ａ）セラミック物品及びその内部のウェブのデジタル画像を記録する工程；ｂ）デジタル画像を処理して処理済み画像を形成する工程；ｃ）長方形ビーム要素を用いて、処理済み画像からセラミック物品の２Ｄ表現を生成し、ウェブを表現する工程；ｄ）セラミック物品の２Ｄ表現への選択量のアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯの印加をシミュレートすることにより、ウェブ内の最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を特定する工程；及びｅ）最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を用いて、セラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特定する工程。

本開示の別の態様は、デジタル画像を処理する工程が、フィルタリングオペレーション、動的閾値オペレーション、島除去オペレーション、スムージングオペレーション、及びホール充填オペレーションの少なくとも１つを行う工程を含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、工程ｄ）が、有限要素分析を行う工程を含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、工程ｄ）が以下の工程を含む、上記の方法である：応力濃縮係数σ_Ｆ＝σ_{Ｃ−ＭＡＸ}／Ｐ_ＩＳＯを定める工程；及び式１／σ_Ｆ＝α・ＳＣ−βにより計算応力ＳＣを特定する工程であって、α及びβは、式への適合度によるが試験セラミック物品上で行われるアイソスタティック強度ＳＭの測定値を用いて特定される定数である。

本開示の別の態様は、工程ａ）が、２次元イメージセンサにより２次元デジタル画像を直接記録する工程、又は、リニアイメージセンサにより一連の１次元画像を記録する工程のいずれかを含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、工程ｅ）の後に、アイソスタティック強度ＳＣを閾値Ｓ_ＴＨと比較する工程をさらに含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、閾値Ｓ_ＴＨをセラミック物品の予想される用途に準拠させる工程を含む、上記の方法である。

本開示の別の態様は、予想される用途がセラミック物品のキャンニングである、上記の方法である。

追加の特徴及び利点が、以下の詳細な説明に記載され、一部には、その説明から当業者に容易に明らかとなり、あるいは、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面に記載された実施形態を実践することによって認識されよう。前述の概要及び以下の詳細な説明はいずれも、単に例示であり、特許請求の範囲の性質及び特徴を理解するための概観又は枠組みを提供することが意図されていることが理解されるべきである。

添付の図面は、さらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に取り込まれてその一部を構成する。図面は、１つ以上の実施形態を例証しており、発明の詳細な説明と併せて、さまざまの実施形態の原理及び動作を説明する役割を担う。したがって、本開示は、添付の図面と併せて読まれる場合に、以下の詳細な説明からより完全に理解されるようになるであろう。

押出セルラーセラミック物品のような例示的なセルラーセラミック物品の側面図 図１の例示的なセルラーセラミック物品の拡大正面図 セラミック物品のアイソスタティック強度を低減しうるウェブ中の構造的欠陥の３つの異なるタイプを図示する、セルラーセラミック物品の例示的なウェブの拡大図 セラミック物品のアイソスタティック強度を低減しうるウェブ中の構造的欠陥の３つの異なるタイプを図示する、セルラーセラミック物品の例示的なウェブの拡大図 セラミック物品のアイソスタティック強度を低減しうるウェブ中の構造的欠陥の３つの異なるタイプを図示する、セルラーセラミック物品の例示的なウェブの拡大図 セラミック物品のアイソスタティック強度を低減しうるウェブ中の構造的欠陥の３つの異なるタイプを図示する、セルラーセラミック物品の例示的なウェブの拡大図 コンベヤ上に存在するセルラーセラミック物品の前部に隣接して配置されるデジタルカメラを示す概念図 図４Ａと類似し、デジタルカメラがリニアセンサを含む実施例を示す図 オリジナルの又は「未加工の（raw）」記録画像の例示的部分の表示 図４Ｂの未加工の記録画像から形成された処理済み画像の実施例の表示 図５Ｂと類似し、ウェブの中心を通りウェブ壁に沿ったさまざまの位置におけるウェブの厚さを特定するために使用される骨格の実施例を示す図 ウェブ壁の厚さが骨格に基づいてどのように特定されるかを示す拡大図 図６Ａと類似し、ウェブ壁の厚さと共にサイズが変化する長方形ビーム要素によりウェブが表現される、セルラーセラミック物品の２次元表現を示す図 図６Ｂと類似し、図７Ａのウェブ壁の一部を画定するいくつかの例示的な長方形ビーム要素の拡大図 セラミック物品の例示的な２次元表現を示す図であり、シミュレーションにしたがって、大きい矢印は、外表面において内側に印加されるアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯを示す 同じ種類の１１の試験セラミック物品をモデリング及び次いで試験して得られるデータについて測定されたアイソスタティック強度ＳＭ（バール）に対する１／σ_Ｆのプロットであり、プロットは、０．９のＲ^２値を有する最良適合ラインを含む。

本発明のさまざまの実施形態が詳細に参照され、その実施例が添付の図面に例証される。可能な限り、同じ又は同様の部分の参照には、図面を通じて同じ又は同様の参照番号及び記号が用いられる。図面は、必ずしも倍率をかける必要はなく、当業者は、本開示の重要な態様を例証するために図面が単純化されることを認識するであろう。

以下に示される特許請求の範囲は、本詳細な説明に組み込まれ、その一部を構成する。

参照のためにいくつかの図面においてデカルト座標が示され、これは方向又は位置付けについて制限的であることを意図しない。

図１は、例示的なセルラーセラミック物品（「セラミック物品」）１０の側面図である。図２は、図１の例示的なセラミック物品１０の拡大された正面図である。セラミック物品１０は、中心軸Ａ１、前部１２、後部１４、及び外表面１６を備える。セラミック物品は、セル２０を定める壁３０により画定されるウェブ１８を含む。セル２０は、セラミック物品１０を形成するために使用される押出ダイの種類に依存して、三角形、六角形などのような四角形以外の形状を有してもよい。外壁又はスキン４０は、セラミック物品１０の外形並びに外表面１６を画定する。図２の拡大された差込図は、完全なセル２０を画定する完全に形成された壁３０を有する完全に形成されたウェブ１８の例示的な部分を図示する。

図３Ａ〜３Ｄは、セラミック物品１０のアイソスタティック強度を低減しうる構造的欠陥の３つの異なる種類を図示する例示的ウェブ１８の拡大図である。図３Ａは、変形したセル２０を形成する異形「波状（wavy）」壁３０を示す。図３Ｂは、本質的に全体として欠損している１つの壁を含む、壁欠陥３０Ｄを表す欠損（missing）部分を有する壁を示す。図３Ｃは、壁３０中の局所的変形の実施例を示し、これによって、欠陥又は異形セル２０Ｄの高度に局在化したグループが生じる。図３Ｄは、外壁又はスキン４０に隣接して配置される「波状」壁３０を示す。

ウェブ１８の壁３０が、セラミック物品１０のアイソスタティック強度を定めるのに大いに役立つことを考えると、壁／セル欠陥によりアイソスタティック強度を低減できると考えられる。しかしながら、今日まで、壁／セル欠陥の種類及び位置とアイソスタティック強度との間に非常に良好な相関関係はなかった。これによって、壁／セル欠陥の特徴付け及び位置を用いてアイソスタティック強度の適当な推定値を得ることが非常に困難であった。

特徴付け方法
本明細書に開示されるアイソスタティック強度を特徴付ける例示的な方法は、以下の４つの主要な工程又は作用を含む：１）画像記録、２）セラミック物品の２Ｄ表現の画定、３）ウェブ中の最大応力の計算；及び４）アイソスタティック強度の計算。

計算アイソスタティック強度を閾値と比較する５番目の工程が本発明の方法に含まれてもよい。

上記の主要な工程の各々は、以下に記載されるような１つ以上の副工程、オペレーション、作用などを含んでもよい。

工程１−画像記録
本発明の方法の第１の工程は、セラミック物品１０及びその内部のウェブ１８の画像を記録する工程を含む。図４Ａは、セラミック物品１０の前部１２に隣接して動作可能に配置されるデジタルカメラ１２０を示す概念図である。セラミック物品１０は、デジタルカメラ１２０を通過してセラミック物品を搬送するコンベヤ１３０により支持される。デジタルカメラ１２０は、ピクセル１２４を有するイメージセンサ１２２を備える。デジタルカメラ１２０は、ディスプレイ１４２を有するコンピュータ１４０に動作可能に（例えば電気的に）連結されて示される。デジタルカメラ１２０は、セラミック物品の前部１２においてウェブ１８の少なくとも一部の（未加工）デジタル画像１５０Ｒを記録するよう構成される。

図４Ｂに示される実施例において、イメージセンサ１２２は、ｙ−方向に続く拡大挿入図に示されるピクセル１２４のラインによって定められるリニアイメージセンサである。リニアイメージセンサ１２２を用いて、セラミック物品がデジタルカメラ１２０を通過して搬送される際にセラミック物品１０の前部１２のライン画像を記録する。ある実施例において、リニアイメージセンサ１２２は、ラインスキャナとして使用され、スキャンされたデジタル画像を記録するためにセラミック物品１０の前部１２の直近に配置される。

ある実施例において、ウェブ１８のライン−スキャン画像を縫合してより大きい２Ｄの未加工記録画像１５０Ｒを形成するために、コンピュータ１４０が用いられる。ある実施例において、未加工記録画像１５０Ｒは、ウェブ１８全体を含むように、セラミック物品１０の前部１２全体を含む。図４Ａ及び４Ｂは、コンピュータ１４０のディスプレイ１４２上に表示される未加工記録画像１５０Ｒを示す。セラミック物品は押出により形成され、任意の欠陥はセラミック物品の軸方向寸法に沿って実質的に同じである押出関連の欠陥である傾向があるので、セラミック物品１０の一端（例えば、前部１２）の画像を記録することが、本明細書に開示される方法を行うのに通常は十分である。

記録された未加工画像１５０Ｒは、ピクセルサイズと記録画像のサイズとの間の関係により定められる第１の解像度と関係する。ある実施例において、デジタルカメラ１２０は、イメージセンサ１２２の各ピクセル１２４がウェブ１８の５マイクロメートル×５マイクロメートルの領域を表すように構成される。異なる光学的解像度を用いて、このピクセル対領域（pixel-to-region）関係を変えてもよい。光学的解像度は、測定されるセラミック物品１０の特徴、例えば異なるセル密度に依存して選択されてもよい。セラミック物品１０の直径の範囲は、４インチ（１０．１６ｃｍ）〜１４インチ（３５．５６ｃｍ）でもよい。断面形状もまた変化してよく、例えば円形又は長円形である。したがって、ピクセルレベルあたり５マイクロメートルにおける記録された未加工画像１５０Ｒは、４インチ（１０．１６ｃｍ）部分について２０，０００×２０，０００ピクセル〜１４インチ（３５．５６ｃｍ）部分について７０，０００×７０，０００ピクセルのサイズ範囲でもよい。記録された未加工画像の一部の実施例が、図５Ａに示される。

セラミック物品１０の前部１２の記録された未加工画像１５０Ｒが得られると、１つ以上の処理工程を用いて処理されて処理済み画像１５０Ｐを形成することができ、その実施例が図５Ｂに示される。ある実施例において、処理済み画像１５０Ｐは、記録された未加工画像１５０Ｒの第１の解像度以下の第２の解像度を有する。厳密に言えば、画像処理工程は、メインの画像記録工程内で随意的であるが、本明細書に開示される特徴付け方法は、以下に説明するようにそれを含むことによって有益となる。

ある実施例において、画像処理工程は、適切なカーネルサイズを有する記録画像にミーンフィルタ（mean filter）を適用する工程を含む。カーネルサイズは、ミーンフィルタの結果がその部分に亘って照度の変動を表すように選択される。ある実施例において、カーネルサイズは、フィルタ済み画像が個々のセルを示さないよう十分大きいが、フィルタ済み画像が画像中の全体の明暗に変動を示すよう十分に小さい。ある実施例において、カーネルサイズは、８〜１６セル、又はさらに１０〜１２セルをカバーする。

次に、動的閾値オペレーションを、オリジナルの（未加工の）記録画像１５０Ｒにおいて行う。このオペレーションにより、ミーンフィルタ済み画像中の対応するピクセル値より特定の量だけ明るい全てのピクセル値が分かる。ある実施例において、Ｎグレーレベルの閾値が用いられる。これによって、ミーンフィルタ済み画像中の対応するピクセルの値よりも少なくともＮグレーレベルが明るい全てのピクセル値が、おそらくセラミック物品に帰属するものとして選択される。この強度閾値よりも暗い値を有するピクセルは、ウェブ１８又はスキン４０を表すものではないバックグラウンドピクセルと考えられる。

次に、ある固定サイズよりも小さい連結された明るいピクセルの任意の孤立領域又は「島」が除去される。処理済み画像１５０Ｐ中の非連結明領域は実際にはセラミック物品１０の一部ではないと考えることができるので、ノイズを低減するためにこの「島除去」工程が行われる。これは、例えば１００ピクセル未満の最小閾値サイズを有する島について行われてもよい。

次に、まず特定のサイズより小さいセラミック物品中の任意の小さい暗領域を閉鎖し、次いでセラミック物品画像の外形をオリジナルのサイズに戻すようにモルフォロジーオープニングを行うことにより、モルフォロジースムージングオペレーションを行う。ある実施例において、約３ピクセルのモルフォロジースムージング半径が便宜である。

次に、動的限界値を満たさない画像中の小さい暗領域により表される任意の小さいホールを充填する。例えば、サイズが４００ピクセルよりも小さいホールを充填する。セル２０が約１６０×１６０ピクセル（領域で２５，６００ピクセル）である実施例において、通常のセルの１．５％のサイズであるホールが充填されてもよい。このオペレーションは、本明細書において「ホール充填」と称される。

処理済み画像１５０Ｐ中に残存する全ての明るいピクセルは、セラミック物品１０の一部であると考えられる。図５Ａは、オリジナルの（未加工の）記録画像１５０Ｒの実施例部分を表すのに対し、図５Ｂは、対応する処理済みの記録画像１５０Ｐの実施例を示す。

したがって、ある実施例において、画像処理工程は、フィルタリングオペレーション、動的閾値オペレーション、島除去オペレーション、スムージングオペレーション、及びホール充填オペレーションの少なくとも１つを含む。

未加工の記録画像１５０Ｒ及び処理済み画像１５０Ｐはそれぞれ、ウェブ１８の２次元表現を画定する。フィルタリング、閾値、充填及びスムージングオペレーションにより、最初の記録画像１５０Ｒと比較して処理済み画像１５０Ｐについて低減された第２の解像度が生じる。低減された解像度により、その後の方法の工程又は動作が単純化され、特徴付けられるセラミック物品１０のアイソスタティック強度の正確な特徴付けを得るための十分な情報が維持される。例えば、記録された未加工画像１５０Ｒは通常、アイソスタティック強度特性に悪影響を及ぼしうるノイズを含む。処理済み画像１５０Ｐは、記録された未加工画像１５０Ｒと比較してノイズを低減する態様で処理され、したがって、アイソスタティック強度のより正確な特徴付けを達成するために有効に使用できる。

工程２−セラミック物品の２Ｄ表現の画定
画像記録工程が完了すると、生じた画像（記録画像１５０Ｒ又は処理済み画像１５０Ｐのいずれか）を用いて、数値シミュレーション又はモデリングの実行における使用に適切なセラミック物品１０の２次元（２Ｄ）表現（「２Ｄ表現」）１０Ｒを画定する（以下に持ち出され議論される図７Ａ参照）。以下の議論において、説明のために、２Ｄ表現１０Ｒを画定するために処理済み画像１５０Ｐが用いられることが前提となる。

ある実施例において、２Ｄ表現１０Ｒは、一連の２Ｄビーム要素ＢＥとして処理済み画像１５０Ｐ中でウェブ１８の壁３０及び外壁又はスキン４０を表現することにより生成される。ある実施例において、２Ｄビーム要素ＢＥは長方形である。図６Ａを参照すると、これは、処理済み画像１５０Ｐ中でウェブ１８の骨格２００及び外壁又はスキン４０をまず見いだすことにより達成される。骨格２００は、ウェブ１８及びスキン４０の中間軸に従う一連の単一ピクセルラインである。

図６Ｂを参照すると、次の工程は、骨格２００に沿った各ピクセルから最も近いバックグラウンド（暗い）ピクセルまでの距離ｄを計算する工程を含む。この距離ｄは、骨格２００に沿った各点における壁３０の厚さの半分を表す。この距離の２倍は、所定の測定点における全ての又はウェブの厚さＴＨである。図６Ｂは、垂直の壁３０における骨格２００に沿ったある点について距離ｄの測定を示す。

次の工程は、ウェブ１８中の各壁３０のサイズ、形状及び位置を概算する一連のビーム要素ＢＥを生成する工程を含む。ある実施例において、ビーム要素ＢＥは、長方形の形状を有し、所定の壁３０に沿った骨格２００の経路に従うことにより生成される（以下に持ち出され議論される図７Ｂ参照）。所定のビーム要素ＢＥは、所定の位置で壁３０の厚さＴＨと等しい幅を有する。新しいビーム要素ＢＥは、所定数以上のピクセルだけ骨格２００の方向が直線からそれる、又は所定数以上のピクセルだけ壁厚ＴＨが変化する、任意の時に生成される。

図７Ａは、図６Ａと類似し、セラミック物品１０の例示的な２Ｄ表現１０Ｒを表す。２Ｄ表現１０Ｒは、ウェブ１８Ｒ、壁３０Ｒ及びセル２０Ｒを含む。図６Ａと７Ａとの間の違いはわずかであるが、詳細に調べることにより、図７Ａは、ウェブ１８Ｒの壁３０Ｒを画定する明部とセル２０Ｒを画定する画像の黒いバックグラウンド部との間のより四角形に区切られた端部を有することが示される。図７Ｂは、ウェブ１８Ｒの一部の拡大図であり、点線のボックスにより同定されるように、多くの例示的なビーム要素ＢＥを示す。図７Ｂ中のビーム要素ＢＥは、容易に見つけられるように実際のサイズよりわずかに小さく図示される。

ある実施例において、数ピクセル以上の（例えば、１〜３ピクセル）骨格２００における方向の変化又は壁３０Ｒにおける厚さの変化が、新しいビーム要素ＢＥを画定するために探知及び使用される。新しいビーム要素ＢＥを画定するために使用される変化閾値が小さくなるほど、セラミック物品１０の実際の形態が２Ｄ表現１０Ｒによってより正確に記録される。より大きい変化閾値を用いることによって正確性は低減するが、生成されるビーム要素ＢＥの数も減少し、したがって、以下に説明するように応力を計算するために必要な計算時間が減少する。

ビーム要素ＢＥは、ウェブ１８Ｒを構成するためのさまざまの壁３０Ｒについて画定される。ある実施例において、標準的なコンピュータ技術を用いて、ビーム要素ＢＥを画定し、互いにリンクしてウェブ１８Ｒを形成できる。これは、コンピュータ１４０、及び、例えば、ＡＳＣＩＩコード化ファイルからの長方形ビームデータの読出しをサポートするＡＮＳＹＳファイルを用いることによる、標準的なコンピュータ技術を用いて行うことができる。ＡＮＳＹＳファイルは、セラミック物品１０の個々の長方形ビーム要素、及びこれらのビーム要素がどのように互いにリンクされてウェブ１８Ｒ並びにスキン４０Ｒを形成するかを記載する（以下に持ち出され議論される図８参照）。

ある実施例において、コンピュータ１４０は、セラミック物品１０の２Ｄ表現１０Ｒのウェブ１８Ｒを画定するための、生成されたビーム要素ＢＥのリストを移動する非一時的コンピュータ読取可能媒体における指示実施形態を含む。

工程３−ウェブ中の最大応力の計算
次に、標準的な計算技術を用いて、選択（シミュレートされた）アイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯに対するセラミック物品の２Ｄ表現１０Ｒの２Ｄ機械的応答をモデル化（シミュレート）する。図８は、セラミック物品１０の例示的な２Ｄ表現１０Ｒを示し、矢印ＡＲは、シミュレーションに従ってスキン４０Ｒの外表面１６Ｒにおいて内側に印加されるアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯを示す。ある実施例において、印加されるアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯの選択量は、例えばゼロ付近からその設計アイソスタティック強度までのフィールドにおいてセラミック物品１０が通常受けうる適当なアイソスタティック圧力の範囲内である。

２Ｄ機械的応答のこのモデリング又はシミュレーションは、例えば有限要素分析を用いて達成でき、機械的応答は、ウェブ１８Ｒ中でのさまざまの位置（例えばビーム要素ＢＥ）における応力について測定される。ある実施例において、有限要素分析のアウトプットには、各長方形ビーム要素ＲＢについての線形化計算応力値σ_Ｃが含まれる。この結果は、例えばＡＳＣＩＩファイルとしてコンピュータ１４０に保存できる。計算応力の最大値はσ_{Ｃ−ＭＡＸ}として示され、計算応力値σ_Ｃのリストから容易に特定される。

ある実施例において、最大計算応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を用いて、応力濃縮係数σ_Ｆを画定する。応力濃縮係数σ_Ｆは、印加されたアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯに対する最大計算応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}の比により定められ、例えば、σ_Ｆ＝σ_{Ｃ−ＭＡＸ}／Ｐ_ＩＳＯである。計算応力値及びアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯは同じ単位、例えばＰＳＩ又はバールを有するので、応力濃縮係数σ_Ｆには単位がない。ある実施例において、応力濃縮係数σ_Ｆは、約５〜約８０の範囲内に大部分入り、下限及び上限をとりうる。

工程４−アイソスタティック強度の計算
次の工程は、アイソスタティック強度ＳＣを計算する工程を含む。これは、ある実施例において、応力濃縮係数σ_Ｆを計算アイソスタティック強度ＳＣと関連付ける方程式（関係）により達成される。

例示的な方程式は、以下のように表される：
１／σ_Ｆ＝α・ＳＣ−β 式１
ここで、α及びβは、ＳＣの平面において試験セラミック物品上でアイソスタティック強度ＳＭの実際の測定値を用いる式１への適合度により特定される定数である。試験セラミック物品はまた、σ_Ｆの対応する数値を得るために上記で説明される方法を用いてモデル化され、測定されたアイソスタティック強度ＳＭについて異なる数値を有する十分なデータが、適当な曲線当てはめを行うために得られる。最良の結果を得るために、試験セラミック物品は、本明細書に開示される非接触方法を用いてアイソスタティック強度が特徴付けられるセラミック物品と実質的に同じである（及び好ましくは可能な限り同一の態様で形成される）必要がある。

ある実施例において、アイソスタティック強度ＳＭの測定は、１インチ（２．５４ｃｍ）あたり２００セルの密度及び０．００８インチ（０．０２０３２ｃｍ）のウェブ壁厚を有する正方形のセルを有するコージエライトから形成される試験セラミック物品上で行われた。試験セラミック物品は、剪断セル、変形セル及び欠損セル壁を含むさまざまのウェブ及びセル欠陥を有し、したがって、一定範囲の測定されたアイソスタティック強度ＳＭを有した。アイソスタティック強度ＳＭの測定は、従来の装置を用いて行われた。応力濃縮係数σ_Ｆを得るためのモデリングは、試験セラミック物品の各々について上記の工程ごとに行われた。用いられたビーム要素ＢＥは長方形であった。

図９は、上記の試験セラミック物品において行われたモデリング及び測定から得られたデータについての１／σ_Ｆ対測定されたアイソスタティック強度ＳＭ（バール）のプロットである。黒丸は、剪断セル２０を有する試験セラミック物品を表し、白丸は、カットウェブ１８（すなわち、壁３０中の切れ目）を有する試験セラミック物品を表す。

図９中のデータの適合度計算を、以下の式２に基づいて行い、これは図９において点線の直線により表される：
１／σ_Ｆ＝α・ＳＭ−β 式２

標準的なスプレッドシートソフトウェアを用いて適合度計算を行い、曲線当てはめ定数α及びβについて生じた数値は、α＝０．００４１及びβ＝０．００５４であり、Ｒ^２値は０．９であり、応力濃縮係数σ_Ｆと測定アイソスタティック強度ＳＭとの間の良好な相関性が示される。α及びβのこれらの数値は、式１において、上記のように同様のセラミック物品についてのアイソスタティック強度の非接触特徴付けに使用することができる。

応力濃縮係数σ_Ｆとアイソスタティック強度との間の関係を定めるための曲線当てはめアプローチは、組成、セルデザイン（六角形、三角形、正方形、八角形・正方形（octasquare）、非対称など）及びウェブ／セル形態（例えば、セルサイズ及び密度、壁厚など）と関係なく、任意の種類のセラミック物品１０、特に押出セラミック物品について行うことができる。

アイソスタティック強度の特徴付けにおいて、応力の最大値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}のみが必要とされる。したがって、本発明の方法の実施形態は、最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}のみを用いてセラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特徴付ける工程を含む。

工程６−計算アイソスタティック強度の閾値との比較。

計算アイソスタティック強度ＳＣが得られると、これを閾値Ｓ_ＴＨと比較してもよい。閾値Ｓ_ＴＨは、セラミック物品１０についての使用により定められ、そのような使用の要求が特定のセラミック物品において生じる。例えば、閾値Ｓ_ＴＨは、キャンニング工程及びセラミック物品がその工程後に残存しうるかにより画定又は要求される。すべてのキャンニング工程が同じアイソスタティック強度の必要条件を有するものではなく、したがって、閾値Ｓ_ＴＨは、異なるキャンニング工程間で変わりうる。例えば、いくつかのキャンニング工程は、アイソスタティック強度の閾値Ｓ_ＴＨ＝１０バールを有しうるのに対し、他の工程は、アイソスタティック強度の閾値Ｓ_ＴＨ＝３０バール又は５０バール又はそれ以上を有してもよい。アイソスタティック強度の非接触特徴付けを有することの利点は、セラミック物品が、特徴付けられたアイソスタティック強度によってグループ化でき、次いで、セラミック物品を損傷又は破壊せずに閾値必要条件が満たされる用途に使用できるということである。

本明細書に開示されるセラミック物品のアイソスタティック強度を特徴付ける非接触方法は、単一のパラメータ−すなわち、計算応力σ_{Ｃ−ＭＡＸ}の最大値（又は最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}にのみ基づく応力濃縮係数）に基づくという利点を有する。この方法は、剪断セル、変形セル、欠損ウェブ、薄化ウェブなどのような多くの異なる種類の起こりうるセルまたはウェブの欠陥の試験又は特徴付けを必要とせず、そのような欠陥の位置の特定を必要としない。

理論に縛られることは望まないが、セラミック物品１０のウェブ１８内の十分に高い応力のたった１つの位置によって、セラミック物品全体の構造的強度が妥協され、例えば所望の閾値Ｓ_ＴＨ以下までアイソスタティック強度の実質的な低減が生じうる。例えば、アイソスタティック力又は圧力がセルまたはウェブ欠陥を含むセラミック物品１０の外表面１６に印加されると、この力は、ウェブ１８を介して最高応力位置まで伝わり、これはウェブ又はセル欠陥と厳密に対応しないかもしれない。この力によって、高応力位置で又はその近くでウェブ１８内において１つ以上の壁３０の破損が生じうる。この壁の破損によって、印加された力は、最も近いウェブ１８の周囲壁３０にすぐに再配分される。次いで、加えられた力によって、１つ以上の周囲壁が破損され、これによって、印加された力は隣接する周囲壁３０に再び再配分される。この破損工程は、最終的にはウェブ１８の実質的な部分を落ちていき、セラミック物品の構造的破損が生じる。

ある実施例において、本明細書に開示される非接触方法は、セラミック物品の製造に使用され、ウェブの画像が得られる製造工程に沿った任意の工程で行ってもよい。ある実施例において、非接触方法は、新しく押し出されたウェットログにおいて行われるのに対し、別の実施例において非接触方法は乾燥したログで行われ、さらに別の実施例では非接触方法は乾燥及び焼結されたログで行われる。ある実施例において、非接触方法は、１分未満で行われ、それによって、直接の接触ベースの方法と比較してアイソスタティック強度の比較的素早い特徴付けが提供される。したがって、この関連で、本明細書で用いたように「セラミック物品」なる用語は、新しく押出しされたウェットログ、又は乾燥ログ又は未焼成ログ、又は焼結ログ、あるいは、新しく押出しされたウェットセルラー構造体、又は乾燥セルラー構造体などのような未焼成体又は未完成体のような「セラミック−形成物品」も含むことが意図される。

添付の特許請求の範囲に定められる本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される本開示の好ましい実施形態にさまざまの変更を行うことができることが当業者に明らかであろう。したがって、本開示には、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内における変更及びバリエーションが含まれる。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
セルの配列を定める壁によって画定されるウェブを有するセラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特徴付ける非接触方法であって、
ａ）ウェブのデジタル画像を記録する工程；
ｂ）記録されたデジタル画像に基づいて、内部にウェブを含むセラミック物品の２次元（２Ｄ）表現を形成する工程；
ｃ）２Ｄ表現に与えられるアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯの選択量をシミュレートし、ウェブの２Ｄ表現内の最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を特定する工程；及び
ｄ）最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を用いて、セラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特定する工程
を含む方法。

実施形態２
工程ｂ）が、長方形ビーム要素を用いてウェブを表現する工程を含む、実施形態１に記載の非接触方法。

実施形態３
工程ｃ）が、有限要素分析を行う工程を含む、実施形態２に記載の非接触方法。

実施形態４
工程ｄ）が、
応力濃縮係数σ_Ｆ＝σ_{Ｃ−ＭＡＸ}／Ｐ_ＩＳＯを定める工程；及び
式１／σ_Ｆ＝α・ＳＣ−βにより計算応力ＳＣを特定する工程
を含み、α及びβは、式への適合度によるが試験セラミック物品上で行われるアイソスタティック強度ＳＭの測定値を用いて特定される定数である、実施形態１に記載の非接触方法。

実施形態５
工程ｄ）の後に、アイソスタティック強度ＳＣを閾値Ｓ_ＴＨと比較する工程をさらに含む、実施形態１に記載の非接触方法。

実施形態６
セルの配列を定める壁によって画定されるウェブを有するセラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特徴付ける非接触方法であって、
ａ）ウェブのデジタル画像を記録する工程；
ｂ）記録されたデジタル画像に基づいて、内部にウェブを含むセラミック物品の２Ｄ表現を形成する工程；
ｃ）選択量のシミュレートされたアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯを用いてセラミック物品の２Ｄ表現上で有限要素分析を行い、ウェブの２Ｄ表現内の最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を特定する工程；及び
ｄ）最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を用いて、セラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特定する工程
を含む方法。

実施形態７
工程ｂ）のセラミック物品の２Ｄ表現を形成する工程が、２Ｄ長方形ビーム要素を用いてウェブを表現する工程を含む、実施形態６に記載の非接触方法。

実施形態８
工程ａ）とｂ）との間に、記録されたデジタル画像を処理し、フィルタリングオペレーション、動的閾値オペレーション、島除去オペレーション、スムージングオペレーション、及びホール充填オペレーションの少なくとも１つを用いて処理済み画像を形成し、次いで、処理済み画像を用いて工程ｂ）〜ｄ）を行う工程
を含む、実施形態６に記載の非接触方法。

実施形態９
工程ｄ）が、
応力濃縮係数σ_Ｆ＝σ_{Ｃ−ＭＡＸ}／Ｐ_ＩＳＯを定める工程；及び
式１／σ_Ｆ＝α・ＳＣ−βにより計算応力ＳＣを特定する工程
を含み、α及びβは、式への適合度によるが試験セラミック物品上で行われるアイソスタティック強度ＳＭの測定値を用いて特定される定数である、実施形態６に記載の非接触方法。

実施形態１０
工程ａ）が、２次元イメージセンサにより２次元デジタル画像を直接記録する工程、又は、リニアイメージセンサにより一連の１次元画像を記録する工程のいずれかを含む、実施形態６に記載の非接触方法。

実施形態１１
工程ｄ）の後に、アイソスタティック強度ＳＣを閾値Ｓ_ＴＨと比較する工程をさらに含む、実施形態６に記載の非接触方法。

実施形態１２
閾値Ｓ_ＴＨをセラミック物品の予想される用途に準拠させる工程を含む、実施形態１１に記載の非接触方法。

実施形態１３
セルの配列を定める壁を含むウェブを有するセラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特徴付ける非接触方法であって、
ａ）セラミック物品及びその内部のウェブのデジタル画像を記録する工程；
ｂ）デジタル画像を処理して処理済み画像を形成する工程；
ｃ）長方形ビーム要素を用いて、処理済み画像からセラミック物品の２次元（２Ｄ）表現を生成し、ウェブを表現する工程；
ｄ）セラミック物品の２Ｄ表現への選択量のアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯの印加をシミュレートすることにより、ウェブ内の最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を特定する工程；及び
ｅ）最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を用いて、セラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特定する工程
を含む方法。

実施形態１４
デジタル画像を処理する工程が、フィルタリングオペレーション、動的閾値オペレーション、島除去オペレーション、スムージングオペレーション、及びホール充填オペレーションの少なくとも１つを行う工程を含む、実施形態１３に記載の非接触方法。

実施形態１５
工程ｄ）が、有限要素分析を行う工程を含む、実施形態１３に記載の非接触方法。

実施形態１６
工程ｄ）が、
応力濃縮係数σ_Ｆ＝σ_{Ｃ−ＭＡＸ}／Ｐ_ＩＳＯを定める工程；及び
式１／σ_Ｆ＝α・ＳＣ−βにより計算応力ＳＣを特定する工程
を含み、α及びβは、式への適合度によるが試験セラミック物品上で行われるアイソスタティック強度ＳＭの測定値を用いて特定される定数である、実施形態１３に記載の非接触方法。

実施形態１７
工程ａ）が、２次元イメージセンサにより２次元デジタル画像を直接記録する工程、又は、リニアイメージセンサにより一連の１次元画像を記録する工程のいずれかを含む、実施形態１３に記載の非接触方法。

実施形態１８
工程ｅ）の後に、アイソスタティック強度ＳＣを閾値Ｓ_ＴＨと比較する工程をさらに含む、実施形態１３に記載の非接触方法。

実施形態１９
閾値Ｓ_ＴＨをセラミック物品の予想される用途に準拠させる工程を含む、実施形態１８に記載の非接触方法。

実施形態２０
用途がセラミック物品のスキャンニングである、実施形態１９に記載の非接触方法。

１０ セラミック物品
１２ 前部
１４ 後部
１６ 外表面
１８ ウェブ
２０ セル
３０ 壁
１２０ デジタルカメラ
１２２ イメージセンサ
１２４ ピクセル
１４０ コンピュータ

Claims (4)

1. セルの配列を定める壁によって画定されるウェブを有するセラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特徴付ける非接触方法であって、
   ａ）前記ウェブのデジタル画像を記録する工程；
   ｂ）前記記録されたデジタル画像に基づいて、内部に前記ウェブを含む前記セラミック物品の２次元（２Ｄ）表現を形成する工程；
   ｃ）前記２Ｄ表現に与えられるアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯの選択量をシミュレートし得られた線形化計算応力値σ _Ｃ のリストから、前記ウェブの前記２Ｄ表現内の最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を特定する工程；及び
   ｄ）前記最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を用いて、前記セラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特定する工程であって、
   応力濃縮係数σ _Ｆ ＝σ _{Ｃ−ＭＡＸ} ／Ｐ _ＩＳＯ を画定する工程、および
   式１／σ _Ｆ ＝α・ＳＣ−βにより計算応力ＳＣを特定する工程
   を含み、α及びβは、試験セラミック物品上で行われるアイソスタティック強度ＳＭの実際の測定値を用いて前記式への適合度により特定される定数である、アイソスタティック強度ＳＣを特定する工程
   を含む方法。
2. 前記工程ｂ）が、長方形ビーム要素を用いて前記ウェブを表現する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の非接触方法。
3. 前記工程ｃ）が、有限要素分析を行う工程を含むことを特徴とする、請求項２に記載の非接触方法。
4. セルの配列を定める壁によって画定されるウェブを有するセラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特徴付ける非接触方法であって、
   ａ）前記ウェブのデジタル画像を記録する工程；
   ｂ）前記記録されたデジタル画像に基づいて、内部に前記ウェブを含む前記セラミック物品の２次元（２Ｄ）表現を形成する工程；
   ｃ）選択量のシミュレートされたアイソスタティック圧力Ｐ_ＩＳＯを用いて前記セラミック物品の前記２Ｄ表現上で有限要素分析を行い、得られた線形化計算応力値σ _Ｃ のリストから前記ウェブの前記２Ｄ表現内の最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を特定する工程；及び
   ｄ）最大応力値σ_{Ｃ−ＭＡＸ}を用いて、前記セラミック物品のアイソスタティック強度ＳＣを特定する工程であって、
   応力濃縮係数σ _Ｆ ＝σ _{Ｃ−ＭＡＸ} ／Ｐ _ＩＳＯ を画定する工程、
   式１／σ _Ｆ ＝α・ＳＣ−βにより計算応力ＳＣを特定する工程
   を含み、α及びβは、試験セラミック物品上で行われるアイソスタティック強度ＳＭの実際の測定値を用いて前記式への適合度により特定される定数である、アイソスタティック強度ＳＣを特定する工程
   を含む方法。

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