JP2006234733A

JP2006234733A - 磁気異方性センサ

Info

Publication number: JP2006234733A
Application number: JP2005052933A
Authority: JP
Inventors: Sadaaki Sakai; 禎明境
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】応力勾配の大きな測定対象の応力測定ができる磁気異方性センサを提供する。
【解決手段】磁性材料である測定対象に外部磁界を印加し、前記測定対象の磁気異方性を検出する磁気異方性センサであって、励磁コイル５が巻かれると共に一対の対向する励磁用の先端部１ａを有する励磁コア１と、励磁コア１に対して直交方向に配置されて検出コイル９が巻かれると共に一対の対向する検出用の先端部３ａを有する検出コア３とを備えてなり、少なくとも励磁コア１の対向する先端部１ａの間隔をコイルが巻かれたコイル巻回部１ｂの間隔よりも狭く設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は磁性材料である測定対象に外部磁界を印加し、前記測定対象の磁気異方性を検出する磁気異方性センサに関する。

図１０は特許文献１に示された磁気異方性センサの原理を説明する説明図であり、図１０（ａ）が原理説明図、図１０（ｂ）が磁気異方性センサの説明図である。以下、図１０に基づいて磁気異方性センサの原理を説明する。
図１０において、５１は励磁コア、５１ａは励磁コイル、５２は励磁コア５１と互いに直交状態に配設された磁気異方性検出コア、５２ａは磁気異方性検出コイル、５３は交流定電流電源、５４は電圧計、５５は測定対象物である。

上記のように構成された磁気異方性センサの動作原理を説明する。測定対象物５５にひずみ（応力）が作用すると、透磁率μに異方性が生じる。例えば、測定対象物５５が図１０（ａ）に示すような応力状態にある場合、引張応力方向であるＸ方向の透磁率μｘがＹ方向の透磁率μｙに比べて相対的に大きくなる。
このとき、励磁コイル５１ａに電流を流すと、励磁コア５１の片方の足Ｅ1の先端から出た磁束の大部分は最短距離で直接他方の足Ｅ2に向かうが、Ｅ1Ｄ1間及びＤ2Ｅ2間はＥ1Ｄ2間及びＤ1Ｅ2間に比べて透磁率がμｘ―μｙだけ大きいために、一部は図中の矢印で示すように磁気異方性検出コア５２の中を経由して、励磁コア５１の他方の足Ｅ2に向かう。
以上の動作を交流磁界で考えると、磁気異方性検出コイル５２ａには誘導電流が流れ、電圧計５４に電圧が検出される。この電圧は透磁率の異方性が大きい程より大きなものとなる。また、このとき磁気異方性センサを測定対象上で回転させると、磁気異方性センサの出力Ｖは（１）式で表現される様な周期１８０°の余弦関数となる。
Ｖ＝Ａ＋Ｂ・cos２（θ−Ｃ) ------（１）
但し、Ａ：オフセット、Ｂ：変動振幅量、Ｃ：位相角

センサ出力Ｖは励磁コア５１または磁気異方性検出コア５２と主応力の方向が４５°のときに最大出力となり、このときセンサ出力は、Ｘ方向の透磁率μｘとＹ方向の透磁率μｙの差、すなわちμｘ―μｙに比例する。
Ｖ＝Ｋ０・（μｘ―μｙ） -------（２）
但し、Ｋ０は比例定数

透磁率μは被測定物のひずみ（応力）と比例関係にあるため、結果的に下記の（３）式となる。
Ｖ＝Ｋ１・（σｘ―σｙ） --------（３）
但し、Ｋ１は比例定数
この比例定数Ｋ１が磁歪感度であり、測定対象に応じて較正試験を実施して求められるものである。
磁歪感度が分かれば、（３）式よりσｘ―σｙが求められることになる。
以上が磁気異方性センサによる応力測定の原理である。
特開２００２−３５０４０３号公報

磁気異方性センサは上記のような原理によることから、測定される応力は応力測定範囲であるおよそセンサのコアの外形を直径とする円で囲まれる範囲内の応力の平均となる。
ところで、測定対象物に切り欠きなどがあるような形状の不連続部近傍、あるいは溶接部の近傍などは場所によって応力が急激に変化する、いわゆる大きな応力勾配を有することが知られている。このような大きな応力勾配がある場所では、正確な応力測定をするためには前記コアの外形を直径とする円で囲まれる範囲をできるだけ狭くして測定することが要請される。そのためには、センサのコアの対向する足の間隔をできるだけ狭くする必要がある。

他方、磁気異方性センサでは、励磁コア、検出コア共にコイルを巻いて構成されるが、センサの感度を確保し、さらには高い感度を実現するためにはコイルの巻き数を多くしてコイルの積層数を多くする必要がある。また、同様にセンサの感度を確保し、さらには高い感度を実現するためには特に励磁コアについてはコイルにできるだけ大きな電流を流すことが必要であり、コイルに用いる線材の断面積を大きく、すなわち線径を太くする必要がある。
そして、コイルの積層数を多くし、コイルの線径を太くするにはコアの間隔を広くする必要がある。

以上のように、応力勾配の大きなものを測定対象とするにはセンサにおける応力測定範囲を狭くする必要があり、そのためにはセンサコアの対向する足の間隔をできるだけ狭くする必要があるが、これにはセンサ感度の関係から一定の限界がある。
このため、従来の磁気異方性センサでは前述したような応力勾配の大きな測定対象には適用することができなかった。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、応力勾配の大きな測定対象の応力測定ができる磁気異方性センサを提供することを目的としている。

（１）本発明に係る磁気異方性センサは、磁性材料である測定対象に外部磁界を印加し、前記測定対象の磁気異方性を検出するものであって、励磁コイルが巻かれると共に一対の対向する励磁用の先端部を有する励磁コアと、該励磁コアに対して直交方向に配置されて検出コイルが巻かれると共に一対の対向する検出用の先端部を有する検出コアとを備えてなり、少なくとも前記励磁コアの対向する先端部の間隔をコイルが巻かれたコイル巻回部の間隔よりも狭く設定したことを特徴とするものである。

（２）また、磁性材料である測定対象に外部磁界を印加し、前記測定対象の磁気異方性を検出する磁気異方性センサであって、励磁コイルが巻かれると共に一対の対向する励磁用の先端部を有する励磁コアと、該励磁コアに対して直交方向に配置されて検出コイルが巻かれると共に一対の対向する検出用の先端部を有する検出コアとを備えてなり、前記検出コアの検出用先端部を前記励磁コアの一方の励磁用先端部側に寄せて配置したことを特徴とするものである。

（３）また、磁性材料である測定対象に外部磁界を印加し、前記測定対象の磁気異方性を検出する磁気異方性センサであって、励磁コイルが巻かれると共に一対の対向する励磁用の先端部を有する励磁コアと、該励磁コアに対して直交方向に配置されて検出コイルが巻かれると共に一対の対向する検出用の先端部を有する検出コアとを備えてなり、前記検出コアの先端部の間隔を前記励磁コアの先端部の間隔よりも狭く設定すると共に前記検出コアの検出用先端部を前記励磁コアの一方の励磁用先端部側に寄せて配置したことを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）に記載のものにおいて、検出コアの検出用先端部を励磁コアの一方の励磁用先端部側に寄せて配置したことを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）に記載のものにおいて、検出コアの先端部の間隔を励磁コアの先端部の間隔よりも狭く設定すると共に前記検出コアの検出用先端部を前記励磁コアの一方の励磁用先端部側に寄せて配置したことを特徴とするものである。

本発明においては、少なくとも前記励磁コアの対向する先端部の間隔をコイルが巻かれたコイル巻回部の間隔よりも狭く設定したことにより、センサの感度を十分確保しながら、微小な範囲の応力を測定ができ、応力勾配の大きな測定対象の応力測定ができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の一実施の形態に係る磁気異方性センサの説明図である。
本実施の形態の磁気異方性センサは略門形状の励磁コア１と、同じく略門形状の検出コア３を有している。
励磁コア１は門形の足部がその中央部で内方に向けて屈曲しており、その結果、足先端部１ａの間隔が狭くなっている。検出コア３も同様に門形の足部が中央部で内方に向けて屈曲しており、その結果、足先端部３ａの間隔が狭くなっている。

励磁コア１の足部における間隔の広い部位はコイル巻回部１ｂとなって励磁コイル５が巻回されており、該励磁コイル５には交流電流を流すための交流低電流電源７が接続されている。
励磁コイル５は足部におけるコイル巻回部１ｂは対極側との距離が十分あることから、線径の太いコイルを複数層重ねて巻くことができる。
励磁コア１に発生させる磁束は、励磁コイル５の巻き数に比例し、また励磁コイル５に流れる電流に比例するが、前記のような線径の太いコイルを複数層、すなわち巻き数を多く巻くことによって励磁コア１にはより大きな磁束を発生させることができ、感度のよいセンサにすることができる。

また、検出コア３についても励磁コア１と同様にその足部における間隔の広い部位はコイル巻回部３ｂとなって検出コイル９が巻回されており、該検出コイル９には電圧計１１が接続されている。
検出コイル９は励磁コイル５と同様に足部における間隔の広い部位、すなわち対極側との距離が十分ある部位であるコイル巻回部３ｂに巻回されていることから、コイルを複数層重ねて巻くことが可能である。
検出コイル９に発生する誘導電流は、検出コイル９の巻き数に比例するが、前記のようにコイルを複数層重ねて巻くことが可能なことからより多い巻き数を多く巻くことによってより多くの励磁電流を流すことができ、したがってより高い電圧を電圧計１１で計測することか可能となり感度のよいセンサにすることができる。

他方、励磁コア１、検出コア３ともにその足部が中央部で内方に向けて屈曲していることからそれらの対向する足先端部１ａ、３ａの間隔が狭くなっている。足先端部１ａ、３ａの間隔が狭いということは、その狭い範囲での応力を測定できるということであり、前述したように、測定対象物に切り欠きなどがあるような形状の不連続部近傍、あるいは溶接部近傍などの大きな応力勾配を有する部位についての測定が可能になる。換言すれば、より微小な領域における磁気異方性、すなわち応力の大きさと主応力の方向を計測することが可能である。

以上のように、本実施の形態においては、励磁コア１、検出コア３共に門形状からなりその足部が中央部で内方に向けて屈曲しており、その結果、足部上部の対極間の隙間が広いコイル巻回部１ｂ、３ｂにコイルを十分に巻くことができ、しかも足先端部１ａ、３ａの先端の間隔は狭くなっていることから微小な領域の応力測定ができる。つまり、本実施形態のセンサであれば、センサの感度を十分確保しながら、微小な範囲の応力を測定ができる。

なお、上記実施の形態においては励磁コア１、検出コア３共に図２（ａ）に示すようにその断面がコイル巻回部と足の先端部で同一断面であったが、図２（ｂ）に示すように、足部の屈曲部より下方の部分における外側部を上から下に向って肉薄にすることによって足先端部１ａ、３ａの断面積が小さくなるようにしてもよい。
このように、足部先端部１ａ、３ａの断面積を小さくすることにより、より励磁コア１および検出コア３の先端で囲まれる部分の範囲を狭くすることができ、より微小範囲の応力測定が可能となる。

［実施の形態２］
図３（ａ）は本発明の他の実施の形態に係る磁気異方性センサの要部の説明図である。本実施の形態においては励磁コア２１および検出コア２３の全体形状を略門形状としてその足部の付根の部分２１ｃ、２３ｃから内側に向けて両足の間隔が徐々に狭くなるようにしたものである。

励磁コア２１および検出コア２３を、図３（ａ）に示すような形状にし、門形の足の上部にコイルを巻くようにすれば、足の上部は対向する足の間隔が広いので、コイルを複数層重ねて巻くことが可能である。
他方、励磁コア２１および検出コア２３の足先端部２１ａ、２３ａは幅狭になっているので、実施の形態１と同様に微小範囲の応力検出に好適である。

さらに、本実施の形態においては、実施の形態１のように門形の足部をその途中で屈曲させることがないので、形状が単純であり製造が容易である。
なお、図３（ｂ）に示すように図２（ｂ）の場合と同様に、励磁コア２１および検出コア２３の足部をその外側部を下方に向って肉薄にすることで、足先端部２１ａ、２３ａの断面積を小さくしてもよい。このようにすることで、図２（ｂ）の場合と同様に、より微小範囲の応力測定に好適となる。

［実施の形態３］
図４は本発明の他の実施の形態の磁気異方性センサの説明図、図５は図４に示した磁気異方性センサの励磁コア３１および検出コア３３の足先端部３１ａ、３３ａの配置の説明図である。図４において、実施の形態１を示した図１と同一または対応する部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態に係る磁気異方性センサは励磁コア３１、検出コア３３ともに従来例と同様の足部が真っ直ぐな門形状とし、検出コア３３の対向する足の間隔Ｓ２を励磁コア３１の足の間隔Ｓ１よりも狭く設定すると共に、検出コア３３を励磁コア３１の片方の足側にΔだけ寄せて配置したものである。

本実施の形態においては、励磁コア３１の対向する足の間隔を広めに設定しているので、コイルを複数層重ねて巻くことが可能である。したがって、励磁コア３１には大きな磁束を発生させることができ、感度のよいセンサにすることができる。
他方、検出コア３３については両足間の間隔を狭く設定しており、かつ図５に示すように検出コア３３を励磁コア３１の片方の足側にΔだけ寄せて配置しているので、励磁コア３１の足先端部３１ａと検出コア３３の足先端部３３ａが近接している。このとき応力測定範囲は概略、励磁コア３１の足先端部３１ａとこれに近接配置された検出コアの足先端部３３ａで囲まれる範囲となり、応力測定の範囲が狭くなり、微小範囲の測定が可能となる。

以上のように、本実施の形態においては、門形の励磁コア３１の両足間の間隔を必要な間隔とし、検出コア３３の対向する足の間隔を励磁コア３１のそれよりも狭く設定すると共に、検出コア３３を励磁コア３１の中央よりも片側に寄せて配置したことにより、必要な磁界の印加が可能であることから検出感度を高く保ちつつ、微小範囲の応力測定が可能である。

なお、励磁コアに巻く励磁コイルは感度を上げるためにその積層数を多くすると共にその線径を太くする要請があることから、コイル巻回部のスペースを広くする必要があるが、検出コイルに巻く検出コイルは感度をあげるためにその積層数を多くする要請はあるもののコイルを流れる電流値が小さいので線径を太くする要請は励磁コイルほど大きくない。そのため、本実施の形態のように、検出コア３３については対向する足の間隔を狭くすることが可能である。

なお、上記実施の形態３においては、検出コア３３の対向する足の間隔を狭く設定すると共に検出コア３３を励磁コア３１の片方の足に寄せて配置する例を示した。しかし、図６に示すように、励磁コア３１と検出コア３３の足の間隔は等しくしておき（Ｓ１＝Ｓ２）、検出コア３３を励磁コア３１の片方の足側にΔだけ寄せて配置するようにしてもよい。このように配置すれば、励磁コア３１の足先端部３１ａと検出コア３３の足先端部３３ａの距離が検出コア３３を励磁コア３１の中央に配置した場合よりも近づくので、検出コア３３を励磁コア３１の中央に配置した場合よりも微小な範囲の応力の測定が可能となる。つまり、検出コア３３を励磁コア３１の足の間隔が同じであって検出コア３３を励磁コア３１の片方の足側に寄せて配置することにより、微小範囲の応力測定という目的に対して一定の効果が得られるのである。

［実施の形態４］
図７は本発明の他の実施の形態の磁気異方性センサの説明図、図８は図７に示した磁気異方性センサの励磁コア４１および検出コア４３の足先端部の配置の説明図である。図７において、実施の形態１を示した図１と同一または対応する部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態に係る磁気異方性センサは励磁コア４１、検出コア４３ともに実施の形態１と同様にその全体形状を門形状にすると共に足部の中央部を内方に向けて屈曲させた形状である。そして、検出コア４３の足の間隔を励磁コア４１の足の間隔よりも狭く設定すると共に、検出コア４３を励磁コア４１の片方の足側にΔだけ寄せて配置したものである。

本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、実施の形態３で示した検出コア４３の足の間隔を励磁コア４１の足の間隔よりも狭く設定すると共に検出コア４３を励磁コア４１の片方の足側に寄せて配置することの効果を得ることできる。すなわち、本実施の形態によれば、実施の形態１、３の場合よりもよりもさらに微小範囲の応力測定に好適である。

なお、本実施の形態においては、検出コア４３の対向する足部をその中央部で内側に向けて屈曲させて足先端部４３ａの間隔を狭く設定すると共に検出コア４３の足の間隔を励磁コア４１の足の間隔よりも狭く設定し、さらに検出コア４３を励磁コア４１の片方の足側に寄せて配置する例を示した。
しかし、本実施の形態の場合も実施の形態３で説明したのと同様に、図９に示すように、励磁コア４１と検出コア４３の足の間隔は等しくしておき（Ｓ１＝Ｓ２）、検出コア４３を励磁コア４１の片方の足側に寄せて配置するようにしてもよい。

このように配置すれば、励磁コア４１の足先端部４１ａと検出コア４３の足先端部４３ａの距離が検出コア４３を励磁コア４１の中央に配置した場合よりも近づくので、検出コア４３を励磁コア４１の中央に配置した場合よりも微小な範囲の応力の測定が可能となる。つまり、検出コア４３を励磁コア４１の足の間隔が同じであって検出コア４３を励磁コア４１の片方の足側に寄せて配置することにより、微小範囲の応力測定という目的に対して一定の効果が得られるのである。もっとも、図９の例も全体形状を門形状にすると共に足部の中央部を内方に向けて屈曲させる形状を前提としているので、実施の形態１で述べた効果が得られるのはいうまでもない。

以上のように、上記の実施の形態１〜４においては微小範囲の応力測定を可能にするための構成として励磁コアおよび検出コアの形状、配置の具体例を示した。
以下においては各実施の形態で示した各構成を列挙すると共にその構成の他の態様を説明すると共に各実施の形態が各構成のどの構成を採用しているかを述べる。

＜実施の形態で示した構成＞
（１）励磁コア、検出コアにおけるコイル巻回部の対向片の間隔よりも足先端部の間隔を狭く設定する。
この具体的な手段として、例えば図１に示したように、励磁コア、検出コアを門形状に形成してその途中を内方に向けて屈曲させる。あるいは、図３に示したように、励磁コア、検出コアを門形状に形成して各足の基部から内方に向けて傾斜させる。さらには、図２（ｂ）、図４に示したように、足部の外側を上から下に向って肉薄にすることによって足先端部の断面積が小さくなるようにする。なお、図２（ｂ）、図４では、足を屈曲させたり、傾斜させたりするのを前提としているが、これらを前提としない従来例に示したのと同様な足が真っ直ぐな門形状の場合であっても、足部の外側を上から下に向って肉薄にするという構成をとれば、応力測定範囲を狭くするという一定の効果が得られるので、このようなものも含む。
その他に、例えば、図３、図４に示したものの変形として励磁コア、検出コアの先端部を幅狭にしたＵ字状のものや、一部が切欠されたリング状のものがある。つまり、コイル巻回部の形状が湾曲等の形状であってもよく、この部分の形状は問わず、要するにコイル巻回部の対向片の間隔よりも足先端部の間隔を狭くなっていればよい。

（２）検出コアを励磁コアの片側の足部に寄せて配置する。
この例は、図４、図５、図６、図７、図８、図９に示されている。

（３）検出コアの足先端部の間隔を励磁コアの足先端部の間隔よりも狭く設定して、かつ検出コアを励磁コアの片側の足部に寄せて配置する。
ここで、検出コアの足部の間隔を狭く設定する方法としては、上記（１）で述べたような方法の他に、図４に示したように、足が真っ直ぐな門形状でありながら検出コアの足の間隔が励磁コアの足の間隔よりも狭いような場合も含む。

以上の（１）〜（３）の各構成が上記の実施の形態１〜４の中で示された各構成である。そして、実施の形態１、２においては上記構成（１）を励磁コア、検出コアの両方に適用したものを示し、実施の形態３においては上記構成（２）単独のもの（図６参照）と、上記構成（３）単独のもの（図４、図５参照）を示し、実施の形態４においては上記構成（１）を励磁コア、検出コアの両方に適用したものと（３）を組み合わせたもの（図７、図８参照）と、上記構成（１）を励磁コア、検出コアの両方に適用したものと（２）を組み合わせたもの（図９参照）を示した。

上記の実施の形態に示した組み合わせの他に、例えば上記構成（１）を検出コアのみに適用したものと（３）を組み合わせたものや、上記構成（１）を励磁コアのみに適用したものと（２）を組み合わせたものもでもよい。
また、構成（１）と他の構成とを組み合わせる場合において、上記実施の形態で示した形状に限られるものではなく構成（１）で示した他の形状にして組み合わせてもよい。

本発明の一実施の形態に係る磁気異方性センサの説明図である。図１に示された実施の形態の他の態様の説明図である。本発明の実施の形態２に係る磁気異方性センサの要部の説明図である。本発明の実施の形態３に係る磁気異方性センサの説明図である。図４に示した磁気異方性センサの足先端部の配置の説明図である。図４に示した実施の形態３に係る磁気異方性センサの他の態様の説明図である。本発明の実施の形態４に係る磁気異方性センサの説明図である。図７に示した磁気異方性センサの足先端部の配置の説明図である。図７に示した実施の形態３に係る磁気異方性センサの他の態様の説明図である。従来例の説明図である。

符号の説明

１励磁コア、１ａ励磁コアの足先端部、１ｂ励磁コアのコイル巻回部、３検出コア、３ａ検出コアの足先端部、３ｂ検出コアのコイル巻回部、５励磁コイル、７交流低電流電源、１１電圧計。

Claims

磁性材料である測定対象に外部磁界を印加し、前記測定対象の磁気異方性を検出する磁気異方性センサであって、励磁コイルが巻かれると共に一対の対向する励磁用の先端部を有する励磁コアと、該励磁コアに対して直交方向に配置されて検出コイルが巻かれると共に一対の対向する検出用の先端部を有する検出コアとを備えてなり、少なくとも前記励磁コアの対向する先端部の間隔をコイルが巻かれたコイル巻回部の間隔よりも狭く設定したことを特徴とする磁気異方性センサ。
磁性材料である測定対象に外部磁界を印加し、前記測定対象の磁気異方性を検出する磁気異方性センサであって、励磁コイルが巻かれると共に一対の対向する励磁用の先端部を有する励磁コアと、該励磁コアに対して直交方向に配置されて検出コイルが巻かれると共に一対の対向する検出用の先端部を有する検出コアとを備えてなり、前記検出コアの検出用先端部を前記励磁コアの一方の励磁用先端部側に寄せて配置したことを特徴とする磁気異方性センサ。
磁性材料である測定対象に外部磁界を印加し、前記測定対象の磁気異方性を検出する磁気異方性センサであって、励磁コイルが巻かれると共に一対の対向する励磁用の先端部を有する励磁コアと、該励磁コアに対して直交方向に配置されて検出コイルが巻かれると共に一対の対向する検出用の先端部を有する検出コアとを備えてなり、前記検出コアの先端部の間隔を前記励磁コアの先端部の間隔よりも狭く設定すると共に前記検出コアの検出用先端部を前記励磁コアの一方の励磁用先端部側に寄せて配置したことを特徴とする磁気異方性センサ。
検出コアの検出用先端部を励磁コアの一方の励磁用先端部側に寄せて配置したことを特徴とする請求項１に記載の磁気異方性センサ。
検出コアの先端部の間隔を励磁コアの先端部の間隔よりも狭く設定すると共に前記検出コアの検出用先端部を前記励磁コアの一方の励磁用先端部側に寄せて配置したことを特徴とする請求項１に記載の磁気異方性センサ。