KR20010022327A - 내포된 정보에 의해 금속물체를 추적하기 위한 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고형물로 이루어진 물체의 표층에 정보를 도입하고 검색하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 이 정보는 집중된 빔으로 표면에 도입되고, 또 빔의 전력밀도가 가시변형(visible deformation)을 야기하는 빔의 전력밀도보다는 더 작지만 재료에 일반적으로 있는 고유의 구조적 불균일성과 균형이 잡힌 불균일성을 (빔의 직경의 크기의 단위내에서) 야기하는 빔의 전력밀도보다는 더 크도록 하여 적어도 재료구조의 표층에 영구변경(permanent change)을 일으키도록 선택된 전력밀도를 갖는다. 본 발명은 고에너지밀도 표면처리로(특히, 강자성체의 국부적인 레이저 처리로) 변경될 수 있는(처리의 위치에서) 모든 물질의 구조나 내부응력에 이용될 수 있다.
Description
프로세스 진행에 있어서, 정보는 적어도 재료표층의 구조의 비가역변화를 안전하게 하는 레벨로 조정된 전력밀도와 더불어 표면에 집중된 빔의 도움으로 인가된다. 마킹은 자기, 전기 또는 음향특성의 측정을 통해 비파괴성과 무접촉식 방법으로 판독될 수 있고, 마킹의 정보내용(코드화(coded))이나 위치(국부화(locali zation))는 특정 전자공학이나 측정시스템의 도움으로 결정될 수 있다.
복수의 영역은 그들 자신이나 서로에 대한 그들의 관계에 의해 정보를 전달하는 서로에 대한 마킹이나 마킹세트를 이용한다. 이러한 마킹은, 예컨대 차량의 일련번호와 섀시번호(chassis number), 지폐의 일련번호 및, 미터로드(meter rod) 길이의 마킹이나 거리결정에 대한 측정도구이다. 바코드는 이를테면 자체 정보를 전달하고, 마킹간의 거리를 측정하기 위해 인가된 마킹의 경우에는 정보를 포함한다. 이들 마킹은 기판에 부착한 재료의 도움, 예컨대 페인팅(painting), 핀(pin)이나 볼(ball)의 배치, 캐리어 재료 표면의 시각적으로 인식할 수 있는 변경, 예컨대 펀칭번호(punching number)와 스크래치(scratch) 등에 의해 형성된다. 이들 마킹은 종종 적절하여 사용자는 마킹을 이용함으로써 그들의 목적을 달성하지만, 몇몇 경우에는 마킹이 쉽게 위조될 수 있기 때문에 적절하지 않다.
본 발명은 구조의 변경이나 물질내의 내부응력을 매개로 마킹 또는 마킹시스템(marking system)의 복잡한 준비와 이들 마킹 또는 마킹세트(marking set)의 비파괴성 판독을 위한 프로세스에 관한 것이다. 본 발명은 구조(조직)의 변경이나 고에너지 밀도(high energy density; HED) 표면처리에 의해 물질의 표면에 가까운 층의 국부응력을 매개로 마크(mark)와 마킹을 하기 위해 마킹의 표시와 판독을 위한 프로세스와 설비시스템인 복잡한 시스템을 제공한다.
도 1은 집중된 레이저빔 온도변화가 국부적인 구조적 변경(재료구조, 잔류응력)을 일으키기에 충분한 워크피스(workpiece)의 표면에서 발생하는 것을 이동함으로써, 레이저빔으로 마킹의 준비를 나타낸 도면이고,
도 2는 마킹세트 둘레에 형성된 타원이 응력피크(stress peak; 구조에 잠재적으로 손실을 끼치는)를 제한하는 마킹의 가능한 세트를 나타낸 개략도,
도 3은 BN(Barkhausen noise)의 의 측정을 통해 페이트된 표면 구성요소의 움직임으로 마킹을 판독하기 위한 가능한 측정배열을 나타낸 도면,
도 4는 플럭스를 검출하기 위한 유도형 프로브(probe)의 가능한 배열을 나타낸 도면,
도 5는 제어 바(bar)와 데이터 바로 이루어지고, 2개의 독립된 측정채널과 조합된 신호로부터 발생된 신호분배를 이용하여 판독가능한 바시스템(bar system)을 나타낸 도면,
도 6은 철도 트랙 레일의 간격의 측정을 위한 가능한 배열을 나타낸 도면,
도 7은 초음파의 도움으로 조직변경에 의해 준비된 마킹의 인식과 결정을 나타낸 도면,
도 8은 방사상으로 배치된 제어 바와 데이터 바 및 적당한 판독을 위한 회전 듀얼(dual) 자기헤드를 갖춘 마킹세트의 준비를 나타낸 도면,
도 9는 표유(stray) 플럭스 측정을 위한 블록도,
도 10은 표유 플럭스 측정의 파라미터를 측정하는 특성을 나타낸 도면,
도 11은 마킹에 형성하는 플럭스 밀도에 의해 야기된 도 9에 나타낸 측정배열의 프로부로 유도된 전압의 크기를 나타낸 개략도,
도 12는 프로브의 공급의 폭이 마킹의 폭과 균형이 잡힌다면, 다른 간격으로 3개 마킹에 의해 도 9에 나타낸 측정배열의 프로브로 유도된 전압의 크기를 나타낸 도면이다.
대부분의 경우에 있어서, 정보를 쉽게 판독할 수 없게 하는 것이 중요하다. 즉, 정보는 은폐되야만 한다는 것이다. 다른 경우에 있어서, 통상적인 가시적(광학적) 판독은 환경적인 조건(예컨대, 오염, 부식)에 의해 확실히 이용될 수 없다. 본 발명의 목적은, 금속물체에 내포되거나 속박된 마킹과 마크를 인가하고, 이어서 판독함으로써 금속물체를 추적하고, 기록데이터와 판독정보를 비교하기 위한 시스템을 개선하는 것이다. 이 시스템은 소정의 패턴을 통해 금속물체에 정보를 인가하는 마킹장치(marking device)와, 기록유지장치 및 마크된 물체로부터 정보를 판독하기 위한 장치를 구비하고 있다.
더욱이, 프로세스는 정보를 전달하는 마킹을 인가하는 다른 방법에 대한 정보를 제공하고, 판독하기 위한 방법과 부가된 청구항에 규정되는 것을 위해 적절한 기구를 나타낸다.
프로세스의 간단한 설명
재료의 가까운 표층의 고에너지 밀도 표면처리(예컨대, 레이저)를 통해 공지된 특성의 마크, 마킹 또는 마킹세트의 준비를 제공한다. 마킹은 식별을 도울 수 있는 아날로그나 디지털 정보를 전달하고, 부호화(예컨대, 바코드로 일련번호를 나타낸다)되거나 기하학적 자리(예컨대, 길이측정의 거리단위)를 결정한다. 마킹은 눈에 보이지 않을 것이다(예컨대, 페인트에 의해 덮이고, 플라스틱이나 페이퍼에 묻히거나, 부식된 표면 아래에 있을 것이다). 정지하거나 이동하는 판독헤드를 갖춘 마킹은 어떤 공극이 있거나 또는 없이 판독될 수 있다. 마킹의 부호화된 정보는 특정 전자장치의 도움으로 디코드될 수 있다. 소정의 간격은 특정 측정기로 결정될 수 있다.
본 출원은 정교한 방식으로 이들 과제를 해결하기에 적당하고 시스템에 수집되는 방법을 제공한다.
본 출원에서 설명된 경우에 있어서, 정보는 가까운 표층에 야기된 재료구조의 잔류하는 변경에 의해 제공되고, 그것의 인식할 수 없는 자기, 전기나 음파특성의 판독률(readability)을 통해 제공된다. 비파괴성 방식으로 어떤 접촉도 없는 코팅(페인트, 부식)을 통해 신호의 현저한 약화나 파괴없이 스캐닝 모드로 측정(판독)될 수 있는 구조적 변경을 이용하기에 편리하다. 이 구조적 변경은 다른 재료 때문에 다를 수 있다(예컨대, 조직내의 강철 변경, 잔류응력상태 때문에 자기구조내의 강철 변경도 적당하다).
마킹과 판독신호의 원리(물리적 및 구조적)
구조내의 국부적 변경 및/또는 재료의 가까운 표층내의 잔류응력상태의 경우, 자기와 전기 및 음파특성은 각각 국부적인 편향(local deviation)도 나타낸다.
그것에 의해 야기된 변경의 결과로서 국부적인 열에너지의 도입의 경우(인가의 조건하에서 잔류하는), 국부적인 재료 크립(creep; 플라스틱 변형), 국부적인 잔류응력변경은 고체재료로 야기될 수 있다.
고체가 다른 구조적 상태(위상, 그레인(grain), 동소체 형태)로 존재할 수 있으면, 필요한 에너지밀도로 처리를 적용함으로써 국부적인 구조적 변경을 야기시키는 것이 가능하게 된다.
재료의 구조와 응력에 의존하는 자화재료의 투자율, 보자력(coercive force) 등과 같은 전자기 특성이 잘 공지되어 있다.
따라서, 자화재료 때문에 응력의 국부변경은 자기특성의 국부변경을 초래할 것이다.
이를테면, 낮은 탄소강(0.1%) 때문에 플로우 리미트(flow limit) 근처의 응력상태의 BN(Barkhausen noise)은 응력 프리상태(free state)로 측정된 다중화일 수 있다.
자화재료에 있어서, 국부적으로 변경된 재료구조(또는 비자화재료에 있어서 국부적으로 변경된 자성재료구조)는 국부적으로 변경하는 자기특성을 초래할 것이다.
예: 구조적 강(0.2~0.8C%) 때문에, 충분히 큰 전력밀도를 갖는 레이저에 의해 실행되고, 재료 자체에 의해 확보된 고속 내부 열전도에 의해 야기된 표면 열처리를 통해 존화된(zoned) 마텐자이틱(martensitic) 변형을 일으킬 수 있다. 마텐자이틱 변형의 존의 동일 조건하에서 측정된 자기 BN는 단지 기재(base material)의 BN의 분수부이다. 따라서, 어닐된(annealed) 존의 기하학적 위치와 크기는 BN 측정을 기초로 하여 쉽게 검출할 수 있다.
예: 국부처리의 결과로서, 강자성체 변경은 측정할 수 있는 자기 BN값을 (명료하게) 초래하는 방부 오스테니틱강(corrosion resistant austenitic steel)에 나타난다.
자기특성의 측정의 경우, 응력상태와 그것의 변경에 대해 처리의 어떤 위치와 어떤 특성이 결정될 수 있는지의 여부를 기초로 하여 연역적 결론에 도달할 수 있는 것이 상기의 다음에 일어난다.
충분한 전력밀도로 실행되는 처리를 통해 달성된 재료구조의 국부변경은, 처리의 위치와 어떤 특성이 결정되는 것을 가능하게 하면서, 도전성 재료의 전기도전율의 국부변경을 일으킬 것이다.
조직내의 변경과 기계적 응력은 음파특성의 변경(속도 감소)을 일으킨다.
마킹의 준비(기재로, 반완성품과 완성품)
마킹은 HED 프로세스로 특유하게 준비될 수 있다. 이들은 레이저, 플라즈마, 이온, 전자 및 집중된 광선에 의한 프로세싱(원하는 기하학적인 특성과 재료에 의존하는)을 포함하고 있지만, 어떤 다른 방법에서는 강한 가열이나 냉각을 야기하는 국부적인 구조적 변경 트로프(trough) 그것의 전력밀도를 발생시키는 것이 예상될 수 있다.
본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
고에너지 밀도를 갖는 열전달 시스템은 본 발명의 다른 실시예를 실행하는데 유리하게 이용될 수 있다. 이들 시스템은 선택적으로 유도되고 (만족스럽게 규정된 크기에) 적당한 소자에 의해 집중된 다른 방사의 다른 빔, 특히 금속 트로프 열처리의 프로세싱(커팅, 스멜팅(smelting), 어닐링)에 일반적으로 이용되는 광을 포함한다. 또, 열전달은, 예컨대 히트 브리지(heat-bridge)를 설립하거나 표면으로 냉각매체의 집중된 분사를 지시함으로써, 열제거와 국부적인 냉각을 위해 실행될 수 있다. 전력밀도(P)의 특성 데이터와 고에너지 밀도 프로세싱 기술의 실효지름은 다음과 같다.
레이저: P = 103~108W/㎟ d = 10-3~100mm
전자빔: P = 103~107W/㎟ d = 10-3~100mm
플라즈마 아크(arc): P = 103~104W/㎟ d = 100~101mm
고에너지 밀도(예컨대,레이저) 표면처리의 경우에 있어서, 표면에 도달하는 집중된 빔의 고에너지 밀도의 결과로서, 표면은 재료에 대한 변환 온도특성 이상의 온도로 약 107K/s의 속도로 가열된다(그러나, 표면처리의 타입에 의존하는 것은 용해조차도 될 수 있다). 화살표(303; 도 1)로 나타낸 빔과 처리된 워크피스(workpi ece)간의 상대적인 움직임 때문에, 워크피스의 포인트에 관련이 있는 열입력은 빠른 온도상승후에 중지한다. 온도상승이 집중된 빔(101)의 크기의 단위로 매우 작은 체적에 영향을 미치기 때문에, 열입력의 종결후에 주위의 큰 체적의 기재는 처리부분으로부터 열을 즉시로 제거한다. 이에 따라, 가열속도와 거의 동일한 냉각속도를 야기하게 된다. 결정성 물질의특징은, 격자구조를 변경하게 되는 그들의 변태온도 이상의 온도로 냉각할 때 그들의 조직구조가 변경되는 것이다. 따라서, 내부응력 상태를 변경하게 된다.
열입력과 같은 스폿(spot)의 경우에 있어서, 가열되지 않는 워크피스 부분은 반무한공간(semi infinite space)으로 생각될 수 있기 때문에, 열제거는 반공간(ha lf space)의 모든 방향의 동일량으로 발생한다. 결과는 마킹(102)으로 간주된 반원 단면을 갖춘 가정적으로 어닐된 존이다. 마킹의 소정의 세트(102)는 마킹그룹 (201)으로 불리워진다(도 2).
어닐된 존에 의해 야기된 국부적인 내부응력 필드는 응력을 적당한 디자인으로 파괴하거나 약화시키는 영향으로부터 보호되야만 하고, 같은 시간에 구조는 어닐된 존에 의해 야기된 최후의 유해한 응력집중으로부터 보호되야만 한다. 하나의 방법은 어닐된 커브(annealed curve; 202)의 한계를 정하는 클로우즈 응력(closed stress)내에 그들을 배치함으로써 응력의 시점에서 주변으로부터 마킹(102)이나 마킹그룹(201)의 한계를 정하는 것이다. 도 2에 나타낸 마킹그룹(201) 둘레의 타원은 이 솔루션을 나타낸다.
레이저(또는, 예컨대 전자) 빔 마킹의 기술적 데이터는 복수의 파라미터에 의존한다. 통상적으로, 그들은 이용에 대응하는 예비적인 기술적 실험으로 결정된다.
레이저 표면처리효과는 표면의 빔 흡수력과 레이저의 파장에 의해 크게 영향을 받는다(처리에 이용된 레이저의 파장은 유효한 선정으로부터 선택될 수 있다). 주어진 파장에서 흡수를 증가시킴으로써, 동일 레이저 전력은 더 큰 볼륨(volume)으로 변하거나, 반대 경우에 감소된 레이저 전력은 동일 깊이를 갖춘 마킹을 달성할 수 있다.
예컨대, 레이저 기술의 데이터(빔 전력, 조사된 스폿의 크기, 빔의 상대적인 이동속도는 등)는 재료의 특성, 특성(구성물, 표면거칠기, 빔 흡수력 등), 레이저빔의 특성(파장, 모더스(modus) 구조 등)에 영향을 받는다. 마킹의 실제 준비에 의존하는 것은 일어나는 변경의 타입을 결정할 수 있다(용해가 조직변경만을 허용하는지의 여부나 잔류응력변경이 처리로부터 발생하는지의 여부). 마킹의 내구성은 마킹이 준비되는 방법에 의존한다(예컨대, 잔류응력 부분은 시간이 흐름에 따라 빌드다운(build down)할 수 있다).
선화(line drawing)의 방향에 직각을 이룬 마킹의 단면은 신뢰도를 증가시키기 위해 가능한 한 반원형상을 닮아야만 한다.
예컨대, 마킹의 형태(깊이)-내식성(철도트랙 레일)의 관점으로부터 마킹은 가능한 한 깊이 배치되야만 하고, 마킹 세트의 간격은 알려진 온도(예컨대, 20℃)에서 주어진 간격(예컨대, 840mm)으로 형성되야만 한다.
차량 프레임의 넘버 시트에 이용된 마킹의 경우에 있어서, 마킹은 영속성이 있어야만 하지만, 표면질을 손상시키지 않는 방법으로 준비되야만 하고, 마킹의 경우에 각각의 제작관리, 재료취급 및 품질보증의 다음의 제조상태에 이용될 수 있기 때문에 선제조(pre-manufacturing)의 상태동안 준비되야만 한다. 프로세스가 제조프로세스에 삽입되는 제작의 스테이지에 의존하면서, 마킹은 다음 처리동안 응력을 덜 받는 플랫 시트(flat sheet)로 냉각 프레스(cold pressing)하기 전이나 로드(load; 중립응력필드)에 덜 노출된 위치에서 냉각 프레스한 후에 인가될 수 있다.
제조동안 마킹의 준비
마킹은 다음에 캐리어 재료뿐만 아니라 그것의 제조동안에도 준비될 수 있다. 이 경우에 있어서, 마킹은 국부적인 에너지입력에 의해서가 아니라 국부적인 에너지제거와 로컬 냉각(예컨대, 액체분사 스프레이를 갖춘) 각각에 의해 준비된다.
예컨대, 캐스팅(casting)동안 증가된 열제거의 결과로서 구형 그래파이트(gr aphite) 구조는 플레이트(plate) 그래파이트 구조 대신에 나타날 것이다. 국부적인 열제거는 캐스트 산물의 적당한 위치, 예컨대 소위 프로젝션(projection)에서 캐스트 캐스팅 몰드(mould)로 설치된 히트브리지를 통해 달성될 수 있다.
일정한 한계의 경우, 압연 생성물의 마킹을 돕는 열간 압연(hot rolling)동안 선택적인 열제거를 적용할 수도 있다.
급속냉각에 의한 금속-유리 리본(ribbon)의 제조에 있어서, 냉각드럼은 다른 열전달특성의 세그먼트에 설치함으로써 선택적으로 다른 냉각특성으로 준비된다.
마크되는 재료에 내포된 마킹 캐리어 재료를 이용함으로써 제작된 마킹
복합재료는 공업제품의 많은 영역에 이용된다. 본 출원의 마킹과 판독시스템은 모든 재료나 그것의 주요 볼륨 컴포넌트에 이용하기 불가능하거나 어려운 반면, 복합재료가 컴포넌트(예컨대, 일정한 타입의 파이버 강화(fiber reinforce ment))를 갖는 것을 가능하다. 마킹은 내포하기 전에 복합재료의 적당한 컴포넌트로 준비될 수 있거나, 복합재료로 설치한 후에 어떤 환경하에서 준비될 수 있다. 예는 금속 필라멘트가 강화된 플라스틱, 직물, 금속 필라멘트 종이이다. 거기에 마킹이 필요하면, 마킹에 적당한 컴포넌트는 복합재료(예컨대, 마킹에 적당한 금속 필라멘트를 갖춘 종이 뱅크 노트)에 고의적으로 결합될 수 있다.
이 방법은 동일한 원리를 적용함으로써 마찬가지로 생물학적 재료에 이용될 수 있다.
마킹으로부터 마킹그룹의 준비
마킹그룹(201)에서의 마킹(102)의 배열은 이용의 환경에 의존하여 다른 방법으로 실행될 수 있다.
소위 제어 바(503; 도 5 참조)를 적용하는 것은 저장된 정보의 판독을 용이하게 한다. 이 제어 바(503)는 프로브를 수동으로 이동하는 코스대로 확보하고, 프로브의 불안정한 속도는 잘못된 판독, 즉 신호의 손실을 초래하지 않는다.
도 5는 그것을 위해 가능한 실시예를 나타낸다.
제어바와 데이터 바로 이루어진 도 5에 나타낸 바 시스템은 2개의 독립한 측정채널의 이용과 함께 적용될 수 있다. 제1프로브(501)는 데이터 바에 대응하는 간격에 따라 배치된 마킹(102)으로 이루어진 제어 바(505)를 측정하고, 제2프로브 (502)는 데이터 바(504)를 측정한다. 도면의 전압분포(505)는 프로브(501, 502)에 유도된 전압을 부가함으로써 얻어진다. 도 5는 원래 정보가 제어바(509)의 2개의 제어바(508)간에 데이터 및 제어바(507)와 데이터 및 제어 바의 2개의 데이터 및 제어 바(510) 없이 506으로 되돌려질 수 있음을 기초로 한 전압레벨을 나타낸다.
데이터 바의 존재나 비존재(예/아니오, I/O)는 거기에 제어 바가 있으면 제어 바에서 측정된 신호에 기초하여 결정될 수 있지만, 거기에 데이터 바가 없으면 정보는 0이고, 제어 바와 데이터 바가 있으면 정보는 1이다.
1차원 기하학적 측정(직선을 따라) 마킹(102)을 실행하기 위해, 측정되는 간격(602)의 방향과 직각을 이루게 배치된 2개 이상의 마크로 이루어진 마킹그룹 (201)이 이용될 수 있다.
통상적인 바코드 시스템의 경우, 찾아내어 판독하는 마킹그룹(201)은 방향에 의존하고, 즉 판독률은 바와 변위의 방향의 방위에 의해 규정된 각이 90。와 다르면 각도 에러로 더욱 나빠진다.
마킹(102)이 소정의 각도 간격으로 센터 둘레에 방사형 바로서 배열되고(도 8), 판독이 회전 프로브로 실행되면, 어떤 소자를 감지한 후에 어떤 방향으로부터 마킹그룹(201)에 접근하여 적당한 정렬을 확보할 수 있다. 모든 마킹을 감지한 후에, 집중 정렬은 감지하는 제어바(503)의 기하학적 측정의 조건인 동일 간격을 기초로 하여 확보되고, 부호화된 정보도 판독될 수 있다.
평면, 다중축 측정은 적어도 2개의 마킹(102)을 포함하는 마킹그룹(201)으로 실행될 수 있다. 바람직한 배열은 도 8에 나타낸다.
이 경우에 있어서, 마킹의 판독은 라인을 따라 이동하는 프로브에 의해 실행되는 것이 아니라, 회전 프로브에 의해 실행되고, 도 8에 나타낸 바와 같이 배열된 마킹그룹은 회전의 규정된 반경에 따라 이동하는 프로브(501, 502)에 의해 판독될 수 있다. 2개의 프로브로 측정된 전압의 총합으로부터의 정보의 회복은 도 5를 기초로 하여 나타낸 것과 동일하다. 더 큰 반경을 따라 이동하는 측정 헤드 프로브(501)로 마킹그룹에 접근하는 것은 제어 바를 가로지르고, 마킹그룹으로 정렬을 돕는다. 정확한 정렬은 제어 바에 의해 발생된 신호의 주기성이 일정한지에 따라 확인될 수 있다. 프로브(502)는 제어 바내의 정보 바를 판독한다.
상대변위(303)의 기능으로 마킹그룹(201)에서 측정된 물리적 특성은 상대변위(303)의 기능으로 전기전압을 제공할 것이다. 이 전기전압의 존재나 비존재 또는 그것의 특성값중 하나, 예컨대 피크값의 다음 위치나 굴곡점은 마킹(102)에 할당될 수 있거나, 측정결과는 마킹그룹의 반값(half value)에 속하는 포인트의 산술평균으로부터 유도된 값이다.
마크(마크 및 마킹)를 판독하는 원리
구조적 변경의 위치와 크기를 결정하는데 적합한 모든 방법이 마킹을 판독하는데 예상될 수 있다. 실제 애스펙트(aspect)로부터, 빠른 스캐닝 판독에 적합한 방법이 이용될 수 있다. 이들 방법은 자기, 전기 및 음파특성의 변경의 측정 각각을 기초로 하여 작용한다.
이용된 가장 빈번한 방법은 바크하우젠 잡음, 표유 플럭스(stray flux), 와전류(eddy current), 초음파이다.
이들 모든 방법의 공통특징은, 스캐닝 모드로 직접 접촉하지 않고 국부적인 자기특성, 도전율이나 음파특성의 변경을 나타내는데 적합하다는 것이다.
구조적 변경을 나타내는 마킹기술과 더불어 이들 방법의 과정에서는 소정의 기하학과 함께 소정의 위치에서 이루어지고 있다. 이들 구조적 변경은 자기, 전기 및 음파특성의 변경 각각을 야기시키고, 그것은 위에 나타낸 방법의 도움으로 측정될 수 있으며, 그 결과 정보내용으로부터 마킹의 기하학적 위치를 결정할 수도 있다(광학적 비가시 마킹의 경우조차도 측정에 따라 재구성하는 것이 가능하다).
초음파 측정방법으로 금속의 재료구조의 변경의 위치와 크기를 판독하기 위한 측정배열
도 7은 조직변경과 기재(base material; 103)를 위해 이루어진 마킹(102)의 인터페이스로부터 반사된 초음파가 마킹을 인식하고 결정하는데 적합한 것을 나타낸다.
또한, 초음파(702)는 국부적인 구조적 변경(인터페이스, 경계)을 나타내는데 적합하다. 조직변경과 기재(103)를 위해 이루어진 마킹(102)간의 인터페이스로부터 반사된 초음파(702)는, 경계벽 반향이나 어떤 다른 반사면으로부터 도달하는 다른 반향, 다른 경로를 기초로 하는 응답신호(703)로부터 분리될 수 있다. 그러므로, 마킹(102)은 인식할 수 있고, 그것의 위치는 프로브(701)를 발생하고 검출하는 초음파의 도움으로 결정될 수 있다.
재료구조의 변경의 위치와 크기 및 바크하우젠 잡음 측정방법을 적용하는 무접촉식으로 자화재료의 가까운 표면 내부응력을 판독하기 위한 측정배열
자화재료의 자기 반전(magnetic reversal)동안 발생된 소위 자기 바크하우젠 잡음의 특성(예컨대, RMS값)이 검사된 재료의 구조 및 응력조건에 의존한다는 것은 잘 알려져 있다[Pashley, R.L: Barkhausen effect-an indication of stress, Materials Evaluation, Vol.28.No.7.pp.157~161, 1970].
레이저로 어닐링을 통해 유도된 잔류응력상태와 재료구조의 변경이 바크하우젠 잡음의 측정에 의해 검출될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다[Altpeter I, Meyendorf N: Microscopic techniques for non-destructive characterization of materials structures and measurement of local residual stresses with high resolution, Proc. of 6th ECNDT, Nice, Tome 1, pp.531~535, 1994].
자기 바크하우젠 잡음의 측정이 표면에 관해 정지상태나 스캔모드로 실행될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다[Titto, S.I: Barkhausen noise method for stress and defecting in hard steel, U.S.Patent No.4,634,976, 06 Jan. 1987].
자기 바크하우젠 잡음의 측정에서 테스트중인 재료를 직접 접촉하기 위해 측정헤드가 필요하지 않고, 측정의 결과는 측정헤드와 재료간의 간격을 측정하여 정정될 것이며, 공극의 크기에 관계없는 특정 두께 결과인 공극의 경우에 획득될 수 있다[METALELKTRO Kft: STRESSTEST 20.04 User Guide, 1995].
그러므로, 본 출원의 과제이고, 레이저 표면처리로 이루어진 마킹은 접촉없이 자기 바크하우젠 잡음 측정헤드로 판독될 수 있다(도 3).
측정은 공극이나 페인트층(paint layer)을 통하거나 직접적으로 마킹(304)에 의해 전달된 정보를 포함하는 물체(302)에 적용되는 바크하우젠 잡음 측정헤드로 실행될 수 있다. 측정헤드(301)는 바에 반대되는 방향에서 바 마킹의 경우에 마킹 (304)에 비례하여 화살표 (303)방향으로 옮겨질 수 있다.
자기 바크하우젠 잡음의 측정
자기 바크하우젠 잡음을 측정하기 위한 마킷(market)의 유효한 도구가 있다(예컨대, 미국 AST회사로부터의 STRESSCAN 타입이나 헝가리 회사 METALELEKTRO로부터의 STRESSTEST 타입).
측정의 원리는, 10...100Hz의 주파수로 주기적으로 번갈아 일어나는 사인모양의 에너자이징 필드(energizing field)를 적용하여 고주파 전자기 응답신호의 이미션(emission)을 야기하는 재료의 자기 극성을 반대로 하는 것이다. 일반적으로, 응답신호는 수100Hz부터 수100kHz까지 교번하는 주파수대의 측정코일에 의해 검출된다.
바크하우젠 잡음의 측정에 적합한 장치의 구성은 이전의 특허(WO 96/35974)에서 발견될 수 있다.
작업에 적합한 검출기의 구조
플럭스 통전 철코어(flux conducting iron core; 402)는 검사되는 기재(103)의 방향으로 오픈한다. 플럭스 도체를 떠나는 플럭스 라인부분은 테스트재료(test material)를 매개로 클로우즈(close)한다. 플럭스라인이 재료를 통과하는 테스트재료의 표면은 검출기의 비전필드(vision field)로 불리워진다. 비전필드의 크기는 플럭스 도체의 폭과 플럭스 도체의 갭의 폭 각각에 비례하고, 테스트재료로부터의 프로브의 간격과, 플럭스 도체 및 테스트재료의 자기특성에 의존한다.
도 4는 다른 프로브 구조를 나타낸다. 프로브는 철코어(402)에 위치한 코일(401)로 이루어져 있고, 그것을 위해 가능한 변형에는 테이프 레코더(tape recorder) 헤드 페라이트(ferrite) 코어를 갖춘 프로브(403), 테이프 레코더 헤드 페라이트 코어의 반을 갖춘 프로브(405), U자형상의 페라이트 코어를 갖춘 프로브 (406)가 있다. 철코어의 재료에는 연자성 페라이트, 고주파, 낮은 바크하우젠 잡음 재료, 예컨대 철압분 코어(iron-dust-core)나 나노 결정성물질(nano-crystall ine material)이 있다.
위치와 크기에 대한 어닐된 각각의 마킹에서 측정된 자기 바크하우젠 잡음의 분포를 결정하는 정확성은 마킹의 특성치수, 즉 마킹으로 측정된 자기 바크하우젠 잡음의 특성 위치분포에 대한 비전의 검출기 필드의 특성치수의 관계에 의존한다. 검출기의 사이트 간격(sight distance), 즉 검출기가 재료를 여전히 조사하고 있는 공극의 두께가 비전의 더 작은 필드의 단위와 같은 단위의 크기에 있기 때문에, 검출기의 비전의 검출기의 필드의 특성치수는 모든 제한을 넘어 감소될 수 없다.
플럭스 도체 철코어(402)에 이용된 갭의 통상적인 치수는 수십mm이고, 철코어의 폭은 수mm이다.
에너자이징의 방향 선택하기
에너자이징의 방향은, 특허 WO 96/35497호를 기초로 하여 레이저 어닐링으로 준비된 바 둘레에 형성된 응력상태의 특징이 있는 차이로 선택된다. 주응력은 바의 2개의 기하학적 방향으로 정렬된다. 그러므로, 그것은 어닐된 스트립(strip)에 평행하게 에너자이징하는 방향을 선택하는데 실용적이다.
에너자이징 레벨의 최적화
에너자이징 레벨의 최적화는 특허 WO96/35947호에 따라 주어진 재료에 대한 에너자이징의 최적레벨이 재료의 몇몇 소정의 포인트로 측정된 결과와 기재 및 어닐된 스트립을 평균화함으로써 얻어진 에너자이징 레벨로 되는 차이로 이루어진다.
스캔속도
알려진 바크하우젠 잡음 측정헤드에 대한 스캔속도의 한계는 자기반전의 주파수[3]에 의해 결정된다.
표유 플럭스 측정과 함께 무접촉식으로 자화재료의 가까운 표면 내부응력과 재료구조의 변경의 위치와 크기를 판독하기 위한 측정배열
레이저빔으로 처리된 스트립과 기재 조직의 상대 투자율과 자화곡선이 서로 다른다는 것은 잘 알려져 있다.
더욱이, 자기 바이어스 및/또는 잔류 자화에서 생기는 레이저 처리된 스트립의 접경의 플럭스분포는 검출되어 자기 프로브에 집중하게 된다. 이러한 프로브는 자기유도(코일), 홀효과(hall effect), 자기저항 변경, 코어공진을 기초로 하여 동작할 수 있다.
자기유도의 원리에 기초한 표유플럭스의 측정으로 마킹을 판독하기
시간이 흐름에 따라 자속의 변경은 주변코일의 전압을 유도한다. 전압의 크기는 코일의 감은 수와 플럭스 변경의 속도에 정비례한다.
철코어를 갖춘 유도코일은 표유 플럭스를 검출하는데 더 적합하고, 철코어의 형상과 공극의 폭은 검출면을 결정한다.
유도를 검출하는 동안, 시간이 흐름에 따라 플럭스의 필요한 변경은 순환식, 연속적인 직선운동이나 시간이 흐름에 따라 연속적으로 교번하는 자기장에서 측정되는 볼륨이나 코일을 이동함으로써 확보될 수 있다.
가능한 측정배열의 구조를 도 9에 나타낸다.
샘플(103)의 자화는, 다이렉트(direct)나 교번하는 전압으로 통전될 수 있으면서 에너자이징 유닛(901)에 접속된 철코어 솔레노이드(902)로 이루어지지만, 솔레노이드 대신에 자석을 이용할 수도 있다. 신호는 화살표(303)에 따른 상대변위동안 오픈 철코어 프로브(406)로 검출된다.
수신신호(102)는 적절하게 선택된 파라미터를 갖는 직렬로 접속된 증폭기 (903, 905)와 필터(904)를 통과한 후, A/D유닛(906)에서 계수화되고, 그 후 디지털값은 A/D유닛에 접속된 PC에 의해 모아져 평가된다.
프로브에서 유도신호 발생하기
자화를 초래하는 에너자이징 코일(902)은 측정동안에 프로브(406)로부터 일정간격(1003)에 위치하게 된다. 그러므로, 일정 유도전압은 균등의 상대적으로 정지한 자기장의 프로브에서 발생된다. 기재(103)의 모든 포인트는 동일하게 자화되고 감자(demagnetize)되기 때문에, 자기 애스펙트로부터 상대적으로 균등하고 등방향적으로 되는 샘플(303)의 상대적인 움직임은 프로브의 앞에 프로브(406)에 일정전압을 유도하고, 플럭스 분포(1101)에 변동이 없는 동질성에 의해 발생한다.
어닐된 스트립과 기재와 같은 비균등의(inhomogeneous) 자기특성을 갖는 샘플은 자기장(플럭스(1101))에 영향을 미친다. 그러므로, 발생된 변화 자기장은 프로브(406)에 유도전압을 발생시킬 것이다.
또, 프로브(406)에 유도된 신호는 서로 다른 자기특성을 갖는 재료의 볼륨에서 서로 다른 특성의 2개 재료의 경계에서 발생된 플럭스 변화(1101)의 효과를 포함할 것이다.
검출된 신호에 영향을 미치는 파라미터는 주어진 작업에 대응하는 일련의 측정으로 최적화될 수 있다. 이것을 도 10에 나타낸다. 여기에서, 참조부호 103은 기재, 102는 마킹, 1004는 마킹의 폭, 1006은 프로브(406)의 공극의 폭, 1005는 기재(103)의 표면으로부터 프로브까지의 간격, 1002는 기재(103)의 표면으로부터 에너자이징 코일(902)까지의 간격, 1007은 에너자이징 전류의 세기, 1003은 프로브 (406)로부터 에너자이징 코일(902)까지의 간격, 303은 상대변위의 속도를 나타낸다.
프로브에 유도된 전압은 기재, 레이저 어닐된 스트립, 레이저 어닐된 스트립의 폭(1004), 프로브 공극의 폭(1006), 샘플의 표면으로부터 프로브까지의 간격 (1005), 샘플의 표면으로부터 에너자이징 코일까지의 간격(1002), 에너자이징 전류의 세기(1007), 프로브로부터 에너자이징 코일까지의 간격(1003), 상대속도의 크기(303)에 의존한다. 이들 세팅(setting)의 경우, 얻어진 신호/잡음비는 7이다.
도 11의 곡선은 상기 파라미터로 측정될 수 있는데, 이 경우 비전의 검출기의 필드가 스트립의 폭과 균형이 잡히면, 다른 특성을 갖는 스트립의 폭이 크기가 어떤 단위에 의해 검출기의 비전필드보다 더 크다. 도 12의 신호형태는 1개나 2개 스트립으로 생성된다.
본 발명의 몇개의 특성응용
1. 차량 일련번호의 비가시 마킹과 마킹의 빠른 비파괴성 판독에 대해
지금까지 차량의 일련번호(모터번호, 섀시번호 등)는 일반적으로, 예컨대 스탬핑(stamping)과 별개 번호판의 리벳팅(riveting) 및 때때로 페인팅(painting)에 의해 제조업자에 의해 기계적으로 응용되었다. 레이저에 의해 응용된 근래에 판독가능한 번호나 레이저의 준비 시리즈는 접근하기 어려운 숨겨진 위치에서 마킹으로서 구멍을 뚫는다. 이들 방법은 시각 판독의 가능성이 있다는 것이 특징이다. 몇몇 제조업자는 전자 코딩을 채용했다.
차량 절도로부터 수집된 경험은, 이들 사인과 마킹이 최소 비용으로 쉽게 재기록될 수 있고, 재기록된 마킹은 시각적으로 원래의 것과 혼동시키게 된다는 것을 나타낸다(비록 진짜임을 증명하기 위한 방법이 있을지라도).
마킹에 이용될 수 있는 다른 방법은, 예컨대 접착 바코드(glued barcode)는 바꾸는 것이 비교적 쉽고, 자기 마킹은 강한 자기장에서 손상을 입을 수 있으며, 분실되거나 몇몇 경우에는 재기록될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 다른 공지된 방법보다 더 신뢰할 수 있다. 마킹시스템은 정보를 발생시키고 저장하기 위해 재료구조나 내부응력의 적당한 변경을 이용한다. 그러므로, 예컨대 컬러의 국부적인 변경 때문에 마킹은 비주얼 방법(visual method)에 의해 판독할 필요는 없지만, 눈에 보일 수 있는 재료는 있다. 마킹은, 판독헤드가 페이트의 코팅 아래로부터조차 공극을 갖는 마킹의 내용을 감지할 수 있는 비파괴성 방법으로 판독될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에 있어서, 마킹의 위치는 적당한 레벨로 측정시간을 유지하기 위해 알려져야만 한다.
제조하는 동안, 일련번호의 마킹은 레이저빔에 의해 준비되고 임의로 선택된 종래 위치에(섀시의 모든 컴포넌트에조차) 적용된 바코드 마킹(마킹그룹)에 있다. 이 바코드는 반드시 육안으로 볼 수 있는 것은 아니다. 레이저빔 기술에 의해 발생된 마킹(바)의 깊이는 실제로는 일반적으로 약 수십mm로 선택된다. 레이저 마킹기술이 제조라인에 쉽게 삽입될 수 있고, 품질관리에도 이점을 더욱 제공하는 바와 같이, 이들 마킹의 응용은 통상적인 응용(예컨대, 넘버 스탬핑)보다 더 고가이지 않고, 매우 복잡한 제조환경내의 문제점을 내지 않는다. 이들 마킹의 도움으로 발생정보를 임시로 전달할 수 있다(모든 컴포넌트는 컴퓨터에 의해 포획되는 섀시번호와 컴포넌트 번호 마킹에 의해 CIM(Computer Integrated Manufacturing)시스템을 도울 수 있다). 그러므로, 제조관리의 유효성은 같은 시간에 향상될 수 있다.
냉간 스탬핑(cold stamping)에 의해 제조된 복수의 섀시 부품에서, 부품 리스트는 각 차량을 위해 편집되고 저장될 수 있으며, 부품의 다음 교체는 소비자와 판매자 모두에게 감시될 수 있다. 더욱이, 이 시스템은 어셈블리 관리에 대해 기초가 된다.
0.1%C를 함유한(롤드(rolled), 방부) 깊은 드로잉(drawing) 강 시트(steel sheet)의 경우에 마킹을 준비하기 위해, 거의 TEM00모더스구조의 CO2레이저가 즉, P=300~400W 파워와 약 33~50mm/sec의 스캔 속도를 갖는 조사된(irradiated) 스폿의 직경을 고려하는 2~3mm 디포커스(defocus)로 설정되는 것을 추천하고 있다(포커스 스폿(spot)은 재료 내부로 떨어질 것이다). 스캔속도를 감소시키고 레이저의 파워와 재료의 흡수력을 증가시킴으로써, 변형된 구조의 깊이는 증가할 것이고, 거기에는 표층을 용해할 위험이 있다. 포커스 스폿의 직경을 감소시키면, 동일 레벨로 파워를 유지하는 동안 구조적 변경에 동일한 효과를 가져올 것이고, 또 포커스 직경의 감소는 처리의 예상깊이를 감소시킬 것이다.
이용된 장치는 반도체 레이저나 집중된 광을 방사하는 다른 장치일 수 있다.
비파괴성 방법으로 쉽게 판독할 수 있는 마킹은, 약 1mm의 스트립 폭과 수십mm(0.4~0.5mm)의 깊이로 국부구조(조직)나 내부 잔류응력 변경을 야기하는 쉽게 제어할 수 있는 레이저 빔에 의한 국부적인 어닐링의 결과로서 발생된다. 판독장치는, 스캔모드로 페인트되거나 부식되고 일반적으로 작은 공극을 갖는 표면 아래의 마킹정보를 판독하는데 적합하다.
마킹의 판독은 비교적 간단한 장치, 예컨대 작은 공극의 갖는 바크하우젠 잡은 판독기나 스캔모드로 측정하는 표유 플럭스 회전 검출기로 실행될 수 있다. 수동 이동에 의한 스캐닝은 자기 바크하우젠 잡음이나 캐리지(carriage)를 바꾸어 놓을 수 있는 광에 의해 지지되는 표유 플럭스 판독 헤드로 실행될 수 있다. 장치의 이용은 공공의 길에 빠르고 신뢰할 수 있는 시험을 허용하면서, 접경을 횡단하는 포인트에서 간단하다. 판독장치는 작동하기 쉽고, 비교적 저가로 이동형태로 제작될 수 있다.
예: 다음의 파라미터를 가지고 자기 바크하우젠 잡음측정의 원리에 기초한다.
기재: 0.1%C 강
어닐된 스트립의 조직: 20% 볼륨 레이트 마르텐사이트계(martensitic)
어닐된 스트립의 폭: 1004=0.8mm
에너자이징: 1kHz 사인꼴
자기장 세기: 0.4kA/m
프로브의 회전수: 300
신호 필터링: 32kHz~250kHz
신호증폭: 104
A/D변환: 12비트
측정헤드의 속도: 0.005m/s
신호/잡음비: 6.5
예: 도 10의 신호에 대응하는 세트 파라미터를 가지고 표유 플럭스 측정의 원리에 기초한다.
기재: 0.1%C 강
어닐된 스트립의 조직: 20% 볼륨 레이트 마르텐사이트계
프로브 공극의 폭: 1006=0.4mm
샘플의 표면으로부터 프로브까지의 간격: 1005=0.8mm
샘플의 표면으로부터 프로브까지의 간격: 1002=8.0mm
에너자이징 전류의 세기: 1007=0.35A(0.2kA/m)
프로브로부터 에너자이징 코일까지의 간격: 1003=7mm
상대속도의 크기: 303=20m/s
신호/잡음비: 5.0
제조라인에 있어서, 마킹은 마크될 수 있는 모든 부분, 예컨대 섀시, 승객 영역, 패키지 영역, 엔진 보넷(bonnet), 도어(door)에 개별적으로 적용될 수 있다(되야만 한다). 이 방법의 경우, 차량의 다른 부분이 서로에게 할당될 수 있기 때문에, 마킹뿐만 아니라 품질보증도 실현할 수 있다. 마킹을 제거하기 위해 구조의 온도를 변태온도 이상 증가시킬 필요가 있기 때문에, 통상의 차량 몸체와 섀시 재료의 경우에 있어서 이것은 수백℃로 가열하는 것을 의미하고, 이것은 페인트나 차실내장(upholstery)을 손상시키지 않는 것은 실제로 불가능하다. 그러므로, 나중에 정보내용을 교체하는 것은 통상의 재료의 경우에조차 간단한 방법으로 실행될 수 없게 한다.
매우 복잡한 레이저 기술에서 정보의 과잉기록(overwriting)은, 조립이 완성된 차량의 경우에는 고가이고, 다루기 힘들며, 완성의 변경 때문에 부분적으로 뒤에 발견될 수 있고(예컨대, 범죄의 경우에), 레이저의 이용은 사용시의 타입과 시간에 의존하는 특성을 갖기 때문에 마킹의 깊이 형상으로부터 부분적으로 뒤에 발견될 수 있다. 그러므로, 마킹은 제조라인의 비용을 거의 증가시키지 않는 동안, 다음 변경의 비용은 중요하고, 거의 무의미하다.
마킹을 변형하기 위해 구조(마킹을 내포하는 볼륨)의 온도를 증가(변태온도 이상의 온도까지)시킬 필요가 있기 때문에, 마킹은 시간방해(time resistant)를 한다.
시스템의 구성요소
- 마킹을 인가하기 위한 레이저 마킹장치(마크되는 모든 컴포넌트의 기술제조라인으로 삽입되는),
- 마킹을 위해 허용된 위치의 선택부,
- 컴포넌트에 대응하는 마킹을 위한 기술적 데이터의 선택부,
- 마킹의 내용에 대응하는 코딩시스템,
- 마킹을 디코드하기 위한 자기 바크하우젠 잡음이나 표유 플럭스 판독헤드(관리나 검증을 위해 각 디코딩 위치에 배치됨)
- 상기 헤드는 움직임을 스캐닝하고 부호화 신호를 해독하면서, 마킹의 허용된 위치에 정렬되야만 한다.
방법 채용의 이점
이것은 마킷 이점을 나타낼 수 있기 때문에, 즉 더욱 신뢰할 수 있는 마킹은 경쟁사와 비교해서 가격의 증가를 허용할 수 있기 때문에, 제조업자는 더욱 신뢰할 수 있는 도난방지(antitheft) 마킹의 채용에 흥미가 있었다.
보험회사는, 쉽게 과잉기록될 수 없는 마킹으로 보험에 든 차량의 보험금을 줄일 것이다.
제조업자가 상술한 마킹시스템을 이용하면, 이것은 중고차량의 부품의 식별에 있어서 새로운 가능성을 나타낼 것이다.
2. 변형의 측정이나 제한된 변형의 경우에 강구조(브리지, 철도트랙 레일, 빌딩구조 등)의 최종 잔류응력의 측정을 위한 방법의 이용
본 발명의 과제인 방법은, 마킹이 재료에 내포되기 때문에, 기계응력에 의해 야기된 구조의 치수변경 및/또는 온도변경의 제어를 위해 특히 유리하게 이용될 수 있다. 마킹간의 어떤 시간에서의 실제 간격은, 기계응력 및/또는 온도변경의 효과에 대한 알려진 온도, 알려진 간격에서 응력 프리상태로 적용되었다. 2개 타입의 변경이 동시에 발생하면, 기계응력은 열팽창 계수와 탄성계수를 고려하는 실제로 측정된 간격과 온도의 기능으로 계산될 수 있다.
중성온도나 철도트랙의 측정에 대해
용접트랙에 있어서, 받침(sleeper)은 크랙 고착소자를 매개로 트랙 레일의 변위를 막는다. 레일이 죄어진 후에, 어떤 온도변경은 팽창의 제한에 의한 레일의 응력을 야기시킨다. 이 응력은 열응력으로 불리워진다. 레일의 조사된 횡단면의 열응력이 0인 온도는 중성온도로 불리워진다. 한 쌍의 마킹이 레일의 알려진 온도와 알려진 열응력상태에서 레일에 적용된 후에, 마킹간의 간격이 충분한 정확도로 측정될 수 있으면, 그 후에 열응력, 즉 그 레일피스(rail piece)의 중성온도를 항상 결정할 수 있을 것이다.
제한된 팽창에 의해 야기된 용접 철도트랙에 설치한 레일에 발생되는 열응력은 마킹의 측정된 간격, 알려진 측정온도, 기본간격 및 대응하는 온도 각각으로부터 결정될 수 있다. 중성온도는 열응력으로부터 계산될 수 있다.
측정 절차는, 응력 프리레일의 알려진 간격과 알려진 온도나 레일의 알려진 응력상태에서의 마킹의 제작과, 동작레일의 알려진 온도에서의 마킹이 간격의 측정을 구비하고 있다.
현재 실행에 있어서, 마킹은 레일위에 페이스트(paste)되고, 구멍을 뚫거나 스탬프된 기점이고, 일반적으로 그들 간격의 판독은 수동으로 기계적 측정에 의해 실행된다.
새로운 측정방법의 기초는 레일의 적당한 위치의 구조적 변경을 매개로 한 시간방해 마킹의 제작과, 요즈음보다 더 정확히 직접적인 접촉없이 그들 위치와 간격의 측정이다.
마킹은 본 발명의 지식을 기초로 하여 레이저 표면처리로 제작될 수 있다.
그것은 하나의 마크가 아니라 마킹그룹을 제작하고, 레일에 제조하는 마킹에 링크(lin k)될 수 있는 위치를 제작하는데 실용적이고, 시각 국부화를 용이하게 하는데 실용적이다.
마킹은 레이저빔에 의해 이루어진 수mm의 평행바(parallel bar)로 이루어져 있다.
예: 0.45~0.6%C 함유한 강철의 레이저 어닐링으로 마킹을 준비하기 위해, TEM00모더스 구조의 CO2레이저가 P=300~400W 파워와 200~300mm/min의 최소 스캔속도로 3~6mm 디포커스로 설정된다(포커스 스폿은 재료 외부에 있다).
스캔속도를 감소시키고 레이저의 파워와 재료의 흡수력을 증가시킴으로써, 변형된 구조의 깊이는 증가할 것이고, 거기에는 표층을 용해할 위험이 있다. 포커스 스폿의 직경을 감소시키면, 동일 레벨로 파워를 유지하는 동안 구조적 변경에 동일한 효과를 가져올 것이고, 또 포커스 직경의 감소는 처리의 예상깊이를 감소시킬 것이다.
레이저빔 처리는 처리의 위치에서 조직을 변경하고, 이것은 예컨대 마크하우젠 잡음 처리를 기초로 하여 값의 변경에 의존하는 위치로부터 국부화될 수 있다. 서로로부터의 마크의 간격이 예정되고, 판독헤드와 다른 요구에 따라 최적화된다. 마크(바)의 수는 판독위치 결정의 정확성을 증가시키기 위해 2개 이상이어야만 한다. 가장 간단한 것은 마킹을 등간격으로 제작하는 것이다. 마킹그룹은 결정될 수 있는 레일을 따라 기하학적 위치를 나타낸다. 예컨대, 3개 마크의 마킹그룹의 대칭축은 길이를 결정하기 위한 기선(basis line)일 수 있다. 이 기하학적 위치는 실제로는 마킹그룹의 초기점, 끝점, 중간점 등일 수 있다.
자기 바크하우젠 잡음측정의 원리에 기초하여 마크의 판독을 실행하는 것은 다음의 파라미터로 신호를 발생시키고 판독하는데 유리하다.
기재: 0.5%C 강
어닐된 스트립의 조직: 50% 볼륨 레이트 마르텐사이트계
어닐된 스트립의 폭: 1004=1.0mm
판독시의 에너자이징: 1kHz 사인꼴
자기장 세기: 1.0kA/m
프로브의 회전수: 300
신호 필터링: 32kHz~250kHz
신호이득: 105
A/D변환: 12비트
측정헤드의 속도: 0.005m/s
신호/잡음비: 7.5
마킹의 판독이 표유 플럭스 측정의 원리에 기초하면, 마킹은 다음의 파라미터로 유리하게 제작되고 판독될 수 있다(파라미터는 도 10의 사인에 따라 설정된다).
기재: 0.5%C 강
어닐된 스트립의 조직: 50% 볼륨 레이트 마르텐사이트계
어닐된 스트립의 폭: 1004=1.0mm
프로브 공극의 폭: 1006=0.4mm
샘플의 표면으로부터 프로브까지의 간격: 1005=0.8mm
샘플의 표면으로부터 에너자이징 코일까지의 간격: 1002=10.0mm
에너자이징 전류의 세기: 1007=1.0A(0.6kA/m)
프로브로부터 에너자이징 코일까지의 간격: 1003=10.0mm
상대속도의 크기: 303=15m/s
신호/잡음비: 7.0
마킹세트는 마킹의 온도의 지식에서 통상의 간격으로 배치되야만 하고, 2개의 마킹간의 레일선택의 중성온도를 인식하거나 계산하는 트랙에 용접된 레일을 위해 배치되야만 한다.
소정의 레일온도는 응력 프리상태에서의 마킹그룹의 간격이 일정한(예컨대, 870mm) 온도(예컨대, 20℃)이다. 이 간격은 소정의 간격으로 불리워진다.
정정된 간격은 합쳐서 전체를 이루는 마킹세트가 마킹시의 레일온도에 따라 제작되야만 하는 마킹세트간의 간격이고, 트랙에 설치한 레일의 경우에 중성온도는 소정의 온도로부터 벗어난다. 정정된 간격은 프리 스탠딩(standing) 레일의 경우에 마킹시의 레일온도로부터 계산될 수 있고, 트랙에 설치한 레일의 경우에는 중성온도와 레일의 재료의 열팽창계수로부터 계산될 수 있다.
바의 방향과 직각을 이룬 레이저에 의해 유도된 국부적인 재료구조의 횡단면의 형상은 부식 때문에 가능한 한 깊숙이 들어간(예컨대, 0.5mm) 반원형상이어야만 한다(도 1). 그러므로, 오랜 시간동안 판독의 가능성을 확보하게 된다.
마킹그룹의 배치는 벤딩(bending)과 커빙(curving)의 효과를 최소화하고, 수동 측정장치와 카트(cart)에 장착된 측정장치에 의해 판독되도록 레일상에서 선택해야만 한다. 이 목적 때문에, 예컨대 레일의 헤드의 양측면은 휠(wheel)을 갖춘 접촉점의 레벨 아래에 적당하다. 도 6은 철도트랙 레일(601)에서 간격의 측정을 위해 가능한 배열을 나타낸다. 마킹(201)은 헤드의 하부 에지(edge)를 따라 레일의 양측에 위치한다. 마킹그룹(602)의 간격은 합쳐서 전체를 이루는 마킹그룹의 특성점(characteristic point; 예컨대, 중점)간의 간격이다.
레일의 벤딩으로부터 발생하는 길이변경의 효과는 레일의 양측에서 이루어진 마킹그룹을 측정함으로써 정정될 수 있다.
마킹의 위치는 무접촉식으로 결정될 수 있다. 복수의 기술적 솔루션은 충분한 정확도로 마킹의 간격을 측정하기 위해 수동적 및 카트 장착 버젼에 의해 실현될 수 있다.
수동판독
수동판독을 위한 장치는, 알려진 프로브간의 간격으로 직선을 따라 이동하는 2개의 프로브로 구성된다. 마킹을 하는데 이용된 기술에 따르면(제조마킹에 관련되어 있는 마킹그룹의 위치), 수동측정장치는 제조마킹에 위치하여 장착된다. 직선을 따라 이동하는 측정헤드는 자기특성의 분포를 측정하고, 분포의 몇몇 특성간의 차이를 결정할 수 있는 분포를 형성한다. 이 차이를 알면, 레일의 재료, 영 모듈러스(young modulus), 온도의 열팽창계수와, 중성온도가 결정될 수 있다.
이동 또는 스캔된 판독
철도트랙 레일상을 이동하는 캐리지(carriage)에 장착된 이동 판독장치는, 레일의 마크된 표면에 접근하는 직선에 배치된 2개의 측정헤드를 구비하고 있다. 헤드의 간격은 알려져 있다.
직선을 따라 이동하는 캐리지의 움직임 동안에 측정헤드는 자기특성의 분포를 판독한다. 분포를 형성하는 것은 분포의 몇몇 특성간의 차이를 결정할 수 있게 한다. 이 차이를 알면, 레일의 재료, 영 모듈러스, 온도의 열팽창계수와, 중성온도가 결정될 수 있다.
방법의 정확성의 평가
현재 지식에 따르면, 열거된 모든 인자를 고려하는 수동측정에 의한 중성온도의 결정은 1~2℃의 정확도를 가지고, 15m/s 이하의 속도에서의 이동측정의 경우에는 2~3℃의 정확도가 추정될 수 있다.
마킹은 새로운 레일, 소위 긴 레일이나 셋업(set up)설비를 갖춘 컷(cut)에 설치되는 레일 또는 이동설비를 갖춘 트랙에 설치된 레일에서 제작될 수 있다.
3. 지폐와 문서의 비가시 마킹과, 이들 마킹의 빠르고 비파괴적인 판독
소위, 금속 필라멘트 종이가 지폐와 유가증권 등을 제작하는데 이용된다는 것은 잘 알려져 있다. 금속 필라멘트 종이의 제작과 분포가 제한되어 있기 때문에, 이것은 중요한 것이다. 그러므로, 위조하는 것은 어렵다. 종이내의 금속 필라멘트는 종이에 인쇄된 텍스트(text; 예컨대, 발권은행의 이름)와 관련된 정보를 거의 전달하지 않는다.
본 출원의 과제인 이 방법의 이용을 통해, 예컨대 액면금액, 시리즈, 일련번호를 갖춘 돈의 경우에 종이에 인쇄된 텍스트와 관련시키기 위해 이루어질 수 있는 금속 필라멘트의 일련의 마킹을 할 수 있다.
마킹은 종이에 넣기 전에 금속 필라멘트에 적용될 수 있지만, 종이의 각 텍스트에 따라 개별적으로도 적용될 수 있다.
조직의 변경은 국부적인 어닐링으로 균등의 금속 필라멘트에서 일어날 수 있다. 예컨대, 레이저 어닐링의 경우에 있어서, 철 붕소 실리콘 유리 금속을 위해 P=100W 파워와 200~300mm/min의 최소 스캔속도로 3~6mm 디포커스로 설정된(포커스 스폿은 재료위에 있다) TEM0모더스 구조의 CO2레이저이용을 추천한다.
조직적인 기하학으로 냉각드럼의 열제거속도를 변경함으로써 유리금속을 제조하게 된다(0.5mm 폭의 결정본드는 마킹을 형성하는데 적당하다). 이러한 경우에 있어서, 유리금속 리본은 종이에 그들을 삽입하는데 이용된 기술에 의해 나중에 변경되지 않을 동일마크를 포함한다. 그러므로, 종이는 에너지 입력이나 금속에 일어나는 구조적 변경에 의해 손상을 입지 않는다.
완성된 종이의 금속 필라멘트는 종이를 손상시키지 않는 방법으로 마크되야만 한다. 이 목적을 위해서는 이들 재료가 적당하고, 이 경우 상태변형은 금속 필라멘트가 입력된 에너지를 흡수하는 것을 다소 방지하면서 종이를 손상시키지 않고 하부온도에서 일어날 수 있다. 예컨대, 구조적 변경(구조적 이완과 결정화)은 종이의 인화점 훨씬 아래의 낮은 온도에서 소위 비정질 금속(금속유리)이나 비결정 금속에서 일어날 수 있고, 이들 구조적 변경은 역전할 수 없다. 필요한 에너지는 , 예컨대 금속 필라멘트에 충분히 흡수되는 전자빔으로 입력될 수 있다. 그러므로 각 특성의 도입을 허용하게 된다.
금속 필라멘트에 기록된 정보는, 상술한 방법중 하나를 이용하여 자기특성을 측정함으로써 판독될 수 있다.
마킹의 판독이 자기 바크하우젠 잡음측정의 원리에 기초하고 있으면, 마킹은 다음의 파라미터로 유리하게 제작되고 검출될 수 있다.
기재: Fe80B20 유리금속(비정질)
어닐된 스트립: 구조적 이완220℃
에너자이징: 1kHz 사인꼴
자기장 세기: 0.05kA/m
프로브의 회전수: 300
신호 필터링: 32kHz~250kHz
신호이득: 105
A/D변환: 12비트
측정헤드의 속도: 0.005m/s
신호/잡음비: 5.5
마킹의 판독이 표유 플럭스측정의 원리에 기초하고 있으면, 마킹은 다음의 파라미터로 유리하게 제작되고 판독될 수 있다(파라미터는 도 10의 사인에 따라 설정된다).
기재: Fe80B20 유리금속(비정질)
어닐된 스트립: 구조적 이완220℃
어닐된 스트립의 폭: 1004=0.4mm
프로브 공극의 폭: 1006=0.4mm
샘플의 표면으로부터 프로브까지의 간격: 1005=0.5mm
샘플의 표면으로부터 에너자이징 코일까지의 간격: 1002=5.0mm
에너자이징 전류의 세기: 1007=0.05A(0.06kA/m)
프로브로부터 에너자이징 코일까지의 간격: 1003=10.0mm
상대속도의 크기: 303=10.0m/s
신호/잡음비: 6.5
본 발명은 고형물로 이루어진 물체의 표층에 정보를 도입하고 검색하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명에 따르면, 이 정보는 집중된 빔으로 표면에 도입되고, 또 빔의 전력밀도가 가시변형(visible deformation)을 야기하는 빔의 전력밀도보다는 더 작지만 재료에 일반적으로 있는 구조적 불균일성과 균형이 잡힌 불균일성을 (빔의 직경의 크기의 단위내에서) 야기하는 빔의 전력밀도보다는 더 크도록 하여 적어도 재료구조의 표층에 영구변경(permanent change)을 일으키도록 선택된 전력밀도를 갖는다.
본 발명은 고에너지밀도 표면처리로(특히, 강자성체의 국부적인 레이저 처리로) 변경될 수 있는(처리의 위치에서) 모든 물질의 구조나 내부응력에 이용될 수 있다(도 1).
본 발명에 따르면, 특히 유일하거나 연속적인 번호의 등록을 위한 바코드 시스템과 마찬가지로, 마크나 마킹그룹(에너지 빔으로 처리된 표면상의)은 필요한 정보를 전달하도록 배열된 일련의 작은 스폿과 스트립 또는 그들의 조합을 구비하고 있고, 마크나 마킹그룹은 주어진 치수에 따라 특히 길이를 측정하기 위해, 기하학적 위치(예컨대, 포인트)를 나타내는 주어진 위치에 배치되었다(도 2).
표면으로부터 물질의 내부를 향한 마킹이나 마킹 구성요소의 깊이(그리고, 다른) 치수는, 마크된 구조와 정보내용의 파라미터에 따라 선택되는 표면처리의 특성에 의존한다. 그래서, 임의의 코팅과 페인트 및 작은 깊이의 표면부식 아래조차부터도 의도된 이용에 의해 필요한 내구성과 판독률을 확보하게 된다.
마킹과 마킹시스템은, 특히 직접적인 접촉없이 비파괴적인 방법으로(정지 또는 스캔모드로) 자기 및 전기특성의 측정을 통해 재료의 구조적 변경의 위치와 크기를 검출하는데 적당한 모든 방법의 도움으로 판독될 수 있다(도 3).
마킹과 마킹의 구성요소는 내료의 특성구조나 응력이완의 타입의 변형을 초래하는 처리를 수행하는 더 뒤의 시간에서 단지 삭제되거나 과잉기록될 수 있다.
Claims (13)
- 인가와 이어지는 판독 및 내포된 정보와 저장된 데이터의 비교에 의해 금속물체를 추적하는 시스템에 있어서,소정의 패턴을 따라 물체에 정보를 인가하는 장치와, 마크된 물체로부터 정보를 판독하기 위한 장치를 구비하고,상기 정보를 인가하는 장치는, 마크되는 물체의 표층을 소정의 깊이로 영구적으로 변경함으로써 마킹을 하기 위한 소정의 패턴을 따라 국부적인 열에너지 전달을 수행하도록 적용된 구성요소를 포함하며,상기 정보판독장치는, 적어도 마킹의 깊이까지 마크된 물체의 표층을 통전하도록 적용된 에너자이징 유닛과, 상기 에너자이징 유닛에 의해 마크된 물체로부터 유도되는 응답신호를 검출하기 위한 검출유닛 및, 상기 응답신호의 국부적인 불균일성에 의해 야기된 편향으로부터 정보를 회복하기 위한 유닛을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 마킹장치는 에너지빔을 제조하는 유닛을 포함하고, 상기 에너지 빔의 에너지밀도와 상기 빔의 크기는 비처리된 상태로부터의 응답신호에 있는 불균일성과 비교되는 상기 에너자이징에 의해 유도된 응답신호의 검출가능한 불균일성을 야기하는 영구변경을 적어도 마크되는 물체의 표층에 야기시키는데 충분하며, 검출된 불균일성으로부터 정보를 회복시키는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 마킹장치는 마킹의 패턴에 대응하는 마크되는 물체의 표면으로부터의 국부적인 열제거에 적합한 구성요소를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 열제거 구성요소는 마크되는 물체의 표면과 접촉을 일으키는 물체를 처리하는 설비부분에 결합된 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 판독장치는 자기 에너자이징 유닛과, 에너자이징에 응답으로서 마크된 물체에 의해 방출되는 응답신호를 감지하는 검출유닛 및, 검출된 응답신호의 변경으로부터 마킹에 의해 전달되는 정보를 회복하는 유닛을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 검출유닛은 마크된 물체의 표면으로부터 생기는 자속을 검출하기 위한 센서유닛을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 에너자이징 유닛은 교번하는 플럭스를 만들고, 바크하우젠 잡음 검출유닛은 상기 검출유닛에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 판독장치는 마크된 물체에 음향학상 연결되도록 적용된 초음파 발생기와, 마크된 물체의 응답신호를 검출하기 위한 유닛 및, 상기 응답신호의 불균일성으로부터 상기 마킹에 의해 전달된 정보를 회복시키기 위한 유닛을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 간격을 조절하기 위한 장치는 서로로부터 소정의 간격으로 하나 이상의 마킹을 적용하기 위한 상기 마킹장치에 연결되어 있고, 상기 판독장치는 마킹간의 간격을 측정하는 장치에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제9항에 있어서, 상기 판독장치는 상기 소정의 간격에 대응하는 간격에 위치한 적어도 2개의 검출유닛을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속물체는 비금속물체에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 금속물체는 정보의 기록을 위해 상기 비금속물체에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 금속물체는 정보의 기록후에 코팅되는 것을 특징으로 하는 추적시스템.
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