JP2018096852A - 物性値評価装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被評価材料が強磁性体の場合でも、小型で被評価材料の抵抗率及び透磁率の双方を評価することが可能な物性値評価装置を提供する。【解決手段】本実施形態の物性値評価装置は、被評価材料１に渦電流を誘起する第１のコイル２と、第１のコイル２に交流電流を供給する交流電源４と、交流電源４の周波数を掃引する周波数掃引手段６と、周波数掃引手段６と第１のコイル２との間に接続され、第１の静電容量と第１静電容量と異なる第２の静電容量を切り替える静電容量切替手段７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、物性値評価装置及び方法に関する。

金属材料の元素濃度変化、あるいは疲労、歪み、脆化等による劣化が生じると、金属材料の抵抗率、あるいは金属材料が強磁性体である場合は透磁率も変化する。この現象を利用して金属材料の抵抗率又は透磁率を測定することで、金属材料の元素濃度変化又は劣化具合を評価する技術が知られている。

従来では、例えばコイルを用いて金属材料である鋼材に渦電流を誘起し、鋼材の抵抗率を測定する技術があり、これにより鋼材の元素濃度を測定している。また、この技術は、鋼材が強磁性体であるため、元素濃度変化が透磁率にも影響を与える。この透磁率が変化することで、抵抗率の測定精度を低下させている。

また、金属材料である被評価材料の近傍に配置したコイルにより被評価材料に渦電流を誘起させることで、被評価材料の影響を受けた状態での抵抗成分やインダクタンス成分を求める方法が従来から知られている。

特許第３９４８５９４号公報 C. C. Cheng, C. V. Dodd, and W. E. Deeds : "General Analysis of Probe Coils Near Stratified Conductors", Int. J. Nondestructive Testing, Vol.3, pp.109-130

従来では、透磁率への影響を抑制するため、被評価材料に対して飽和磁化レベル近傍まで直流磁場を印加している。しかし、この飽和磁化レベル近傍まで直流磁場を印加するためには、渦電流誘起用のコイルよりも大きなコイル及び直流電源が必要になる。その結果、装置の大型化及び高コスト化を招くという課題がある。

また、被評価材料が強磁性体の場合には、飽和磁化レベル近傍まで直流磁場を印加すると、装置の大型化や高コスト化を招くという課題がある。

本実施形態が解決しようとする課題は、被評価材料が強磁性体の場合でも、小型で被評価材料の抵抗率及び透磁率の双方を評価することが可能な物性値評価装置及び方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本実施形態に係る物性値評価装置は、被評価材料に渦電流を誘起する第１のコイルと、前記第１のコイルに交流電流を供給する交流電源と、前記交流電源の周波数を掃引する周波数掃引手段と、前記周波数掃引手段と前記第１のコイルとの間に接続され、第１の静電容量と前記第１静電容量と異なる第２の静電容量を切り替える静電容量切替手段と、を備えることを特徴とする。

本実施形態の物性値評価方法は、被評価材料に第１の静電容量を介して周波数を掃引しながら渦電流を誘起して前記被評価材料の前記第１の静電容量に対する第１の共振周波数を測定し、前記被評価材料に前記第１の静電容量と異なる第２の静電容量を介して周波数を掃引しながら渦電流を誘起して前記被評価材料の前記第２の静電容量に対する第２の共振周波数を測定し、前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数に基づき、前記被評価材料の抵抗成分とインダクタンス成分を求めることを特徴とする。

本実施形態によれば、小型で被評価材料の抵抗率及び透磁率の双方を評価することが可能になる。

第１実施形態の物性値評価装置を示す回路図である。 第１実施形態の物性値評価装置の電圧測定結果の例を示す波形図である。 （ａ），（ｂ）は第１実施形態の物性値評価装置を示す等価回路図である。 第１実施形態の変形例の物性値評価装置を示す回路図である。 第２実施形態の物性値評価装置を示す回路図である。

以下、本実施形態に係る物性値評価装置及び方法について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
（構 成）
図１は第１実施形態の物性値評価装置を示す回路図である。図２は第１実施形態の物性値評価装置の電圧測定結果の例を示す波形図である。

図１に示すように、被評価材料１の表面には、第１のコイル２が設置される。被評価材料１としては、例えば強磁性体の金属材料が用いられる。第１のコイル２は、被評価材料１に渦電流を誘起する。第１のコイル２には、交流電源４が接続されている。交流電源４は、第１のコイル２に交流電流を供給する。第１のコイル２の両端には、その両端電圧を測定するための電圧測定回路５が接続されている。

交流電源４と第１のコイル２との間には、周波数掃引手段の一例としての周波数掃引回路６が接続されている。この周波数掃引回路６は、交流電源４の周波数を掃引する。具体的には、周波数掃引回路６は、交流電源４からの電流又は電圧の周波数を変化させる回路であり、与えられた任意の周波数の範囲内で連続的あるいは離散的に周波数を変化させること（周波数スキャン，周波数スイープ）ができるように構成される。周波数掃引回路６としては、例えばオシロスコープ、ネットワークアナライザ、及びＦＦＴ（スペクトルアナライザ）に用いられる周波数を変化させる回路を適用したり、あるいはこれらの回路と同様にして構成することが可能である。なお、周波数掃引回路６が周波数を離散的に変化させるように構成される場合、離散的な周波数変化の幅は、周波数の掃引を行なう際に与えられる任意の周波数の幅に対して十分に小さいことが望ましい。

第１のコイル２と周波数掃引回路６との間には、静電容量切替手段の一例としての静電容量切替回路７が接続されている。この静電容量切替回路７は、第１の静電容量とこの第１静電容量と異なる第２の静電容量を切り替える回路である。

具体的には、図１に示した本実施形態において静電容量切替回路７は、並列に設けられた第１の静電容量素子としての第１のコンデンサ３と、第２の静電容量素子としての第２のコンデンサ１０と、これら第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ１０との接続を切り替えるスイッチ９と、を備える。第１のコイル２には、静電容量切替回路７、周波数掃引回路６及び交流電源４が直列に接続されて閉回路を構成する。

（作 用）
交流電源４から第１のコイル２に交流電流を供給すると、被評価材料１の表層に渦電流が誘起される。このとき、電圧測定回路５により第１のコイル２の両端電圧を測定すると、渦電流が作る反作用磁束の大きさに応じて、ある一定の電圧が測定される。

この状態から周波数掃引回路６により任意の範囲で交流電源４の周波数を掃引する（すなわち周波数を離散的あるいは連続的に変化させる周波数スキャン（周波数スイープ）を行なう）と、図２に実線で示す第１のコンデンサ３での測定結果のように、第１のコイル２の両端電圧は、ある周波数ｆ_ｒ１で極大値をとる。そして、この極大値を示す周波数ｆ_ｒ１が第１のコンデンサ３での共振周波数である。

次に、図１に示すスイッチ９を用いて、第１のコイル２に接続するコンデンサを、第１のコンデンサ３とは静電容量の異なる第２のコンデンサ１０に切り替え、第１のコンデンサ３の場合と同様に、周波数掃引回路６により任意の範囲で交流電源４の周波数を掃引しながら第１のコイル２の両端電圧を測定する。

すると、図２に破線で示す第２のコンデンサ１０での測定結果のように、第１のコイル２の両端電圧は、第１のコンデンサ３での共振周波数ｆ_ｒ１とは異なる周波数ｆ_ｒ２で極大値をとる。そして、この極大値を示す周波数ｆ_ｒ２が第２のコンデンサ１０での共振周波数である。

図３（ａ），（ｂ）は第１実施形態の物性値評価装置を示す等価回路図である。

図３（ａ）は、第１のコイル２及び交流電源４を含む閉回路と、被評価材料１の抵抗１３と被評価材料１のインダクタンス１４を含む閉回路との間の相互誘導を表している。図３（ｂ）は、相互誘導を考慮して図３（ａ）に示す２つの閉回路を合成した等価回路である。このとき、図３（ｂ）に示す等価回路の入力インピーダンスＺは（１）式で表される。
Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ （１）

ここで、Ｒは入力インピーダンスＺの抵抗成分、Ｘは入力インピーダンスＺのリアクタンス成分である。そして、抵抗成分Ｒ、リアクタンス成分Ｘ共に（２）式、（３）式に示すように、第1のコンデンサ３（Ｃ_１）又は第２のコンデンサ１０（Ｃ_２）、第１のコイル２の巻線抵抗１５（Ｒ_１）、第１のコイル２の浮遊容量１６（Ｃ_ｆ）、相互誘導を考慮した抵抗成分１７（Ｒ_１’）、相互誘導を考慮したインダクタンス成分１８（Ｌ_１’）、交流電源４の周波数ｆの関数である。
Ｒ＝Ｒ（Ｃ_１，Ｃ_２，Ｒ_１，Ｃ_ｆ，Ｒ_１’，Ｌ_１’，ｆ） （２）
Ｘ＝Ｘ（Ｃ_１，Ｃ_２，Ｒ_１，Ｃ_ｆ，Ｒ_１’，Ｌ_１’，ｆ） （３）

ここで、上記回路定数の内、第１のコンデンサ３（Ｃ_１）又は第２のコンデンサ１０（Ｃ_２）、第１のコイル２の巻線抵抗１５（Ｒ_１）、第１のコイル２の浮遊容量１６（Ｃ_ｆ）、交流電源４の周波数ｆは測定可能な既知数であり、相互誘導を考慮した抵抗成分１７（Ｒ_１’）、相互誘導を考慮したインダクタンス成分１８（Ｌ_１’）が未知数として扱われる。図３（ｂ）に示す等価回路が共振状態にあるときは（４）式が成立する。
Ｘ（Ｃ_１，Ｃ_２，Ｒ_１，Ｃ_ｆ，Ｒ_１’，Ｌ_１’，ｆ）＝０ （４）

先に測定した第１のコンデンサ３での共振周波数ｆ_ｒ１、第２のコンデンサ１０での共振周波数ｆ_ｒ２を代入すると、次の（５）式、（６）式が得られる。
Ｘ（Ｃ_１，Ｒ_１，Ｃ_ｆ，Ｒ_１’，Ｌ_１’，ｆ_ｒ１）＝０ （５）
Ｘ（Ｃ_２，Ｒ_１，Ｃ_ｆ，Ｒ_１’，Ｌ_１’，ｆ_ｒ２）＝０ （６）
（５）式と（６）式は、２つの未知数である相互誘導を考慮した抵抗成分１７（Ｒ_１’）、相互誘導を考慮したインダクタンス成分１８（Ｌ_１’）を含む２つの方程式であるため、（５）式と（６）式を連立して解くことで、２つの未知数である相互誘導を考慮した抵抗成分１７（Ｒ_１’）、相互誘導を考慮したインダクタンス成分１８（Ｌ_１’）を求めることができる。

また、非特許文献１等の記載に基づけば、上記で求めた相互誘導を考慮した抵抗成分１７（Ｒ_１’）、相互誘導を考慮したインダクタンス成分１８（Ｌ_１’）と測定可能な既知数である第１のコイル２のインダクタンス１９（Ｌ_１）から、被評価材料１の抵抗１３（Ｒ_２）、あるいは被評価材料１のインダクタンス１４（Ｌ_２）を求めることができ、さらにこれらに基づいて被評価材料１の抵抗１３（Ｒ_２）に係る抵抗率ρや、被評価材料１と第１のコイル２との間の相互インダクタンス２０（Ｍ_１２）に係る透磁率μを求めることができる。

このようにして求められた被評価材料１の抵抗１３やインダクタンス１４（あるいは抵抗率ρや透磁率μ）を、例えば劣化が生じていない健全な材料のものと比較することで、被評価材料１の疲労、歪み、脆化等による劣化の度合いを評価することが可能となる。あるいは、被評価材料１の抵抗１３やインダクタンス１４（あるいは抵抗率ρや透磁率μ）の経時的な変化を見ることで、劣化の度合いを評価するようにしてもよい。

このように本実施形態によれば、渦電流誘起用の第１のコイル２のみを用いて被評価材料１の抵抗率ρ及び透磁率μの双方を評価することができるため、小型で、低コストの物性値評価装置を提供することが可能になる。

（第１実施形態の変形例）
図４は第１実施形態の変形例の物性値評価装置を示す回路図である。なお、前記第１実施形態と同一の部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図４に示すように、本変形例は、静電容量切替回路７Ａが第１の静電容量素子としての第１のコンデンサ３と、第１のコンデンサ３に直列に接続可能な第２の静電容量素子としての第２のコンデンサ１０と、を備えている。

具体的には、静電容量切替回路７Ａは、第１のコンデンサ３と、第２のコンデンサ１０と、第１のコンデンサ３に対して第２のコンデンサ１０を直列に接続するか否かを切り替えるスイッチ９と、を備える。

その他の構成及び作用は、前記第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように本変形例によれば、静電容量切替回路７Ａが第１のコンデンサ３と、この第１のコンデンサ３に直列に接続可能な第２のコンデンサ１０と、を備えることにより、前記第１実施形態と同様に、小型で、低コストの物性値評価装置を提供することが可能になる。

（第２実施形態）
図５は第２実施形態の物性値評価装置を示す回路図である。なお、前記第１実施形態と同一又は対応する部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態では、前記第１実施形態において第１のコイル２の両端電圧を測定する代わりに、第１のコイル２の近傍に第２のコイル２１を配置し、この第２のコイル２１の両端電圧を測定している。具体的には、第２のコイル２１は、第１のコイル２により被評価材料１に誘起された渦電流による誘導起電力を測定するために用いられる。

そして、前記第１実施形態では、第１のコイル２及び交流電源４を含む閉回路と、被評価材料１の抵抗１３と被評価材料１のインダクタンス１４を含む閉回路との間の相互誘導を考慮した等価回路を用いていた。

本実施形態では、この等価回路に加えて第１のコイル２及び交流電源４を含む閉回路と第２のコイル２１を含む閉回路との間の相互誘導、第２のコイル２１を含む閉回路と被評価材料１の抵抗１３及び被評価材料１のインダクタンス１４を含む閉回路との間の相互誘導を考慮した等価回路を用いている。これにより、前記第１実施形態と同様の手法から被評価材料１の抵抗１３（Ｒ_２）に係る抵抗率ρや、被評価材料１と第１のコイル２との間の相互インダクタンス２０（Ｍ_１２）に係る透磁率μを求めることができる。

なお、本実施形態では、第１のコイル２の上方近傍に第２のコイル２１を配置しているが、これに限らず第１のコイル２の上方に第２のコイル２１を接触させるか、あるいは第１のコイル２の周囲に配置してもよく、要するに第２のコイル２１は、被評価材料１に誘起された渦電流が作る反作用磁束の影響を受ける位置に配置すればよい。

このように本実施形態によれば、前記第１実施形態の効果に加えて、例えば第２のコイル２１の巻線数を増加するか、あるいは外径を小さくする等して電圧測定に特化したコイルを用いることができる。そのため、測定電圧の感度及び分解能が向上する等、高精度な物性値評価が可能になる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

なお、上記各実施形態及び変形例では、第１のコンデンサ３と、第２のコンデンサ１０の２つのコンデンサを直列又は並列に接続した例について説明したが、これに限らず３つ以上のコンデンサを接続するようにしてもよい。

また、第１のコイル２が浮遊容量を有していることから、この浮遊容量を第１の静電容量とし、この第１静電容量と異なる第２の静電容量として第１のコンデンサ３又は第２のコンデンサ１０を用いてもよい。そして、これらを直列又は並列に接続するようにしてもよい。

さらに、実施形態にかかる物性評価装置は、第１のコンデンサ３や第２のコンデンサ１０等を第１のコイル２に直列に挿入可能な端子を静電容量切替手段として備えるものであってもよい。このような実施形態の物性評価装置とする場合の物性評価方法として、例えば、第１のコンデンサ３を静電容量切替手段としての端子間に接続して第１のコンデンサ３での共振周波数ｆ_ｒ１を測定した後、この第１のコンデンサ３を端子間から取り外し、代わりに第２のコンデンサ１０を端子間に接続して第２のコンデンサ１０での共振周波数ｆ_ｒ２を測定する、といった方法を用いることができる。このようにする場合、物性評価装置には前記第１実施形態とその変形例で説明したような静電容量切替回路７，７Ａを備えなくても実施形態にかかる物性評価方法を実施することができる。

１…被評価材料、２…第１のコイル、３…第１のコンデンサ（第１の静電容量素子）、４…交流電源、５…電圧測定回路、６…周波数掃引回路（周波数掃引手段）、７…静電容量切替回路（静電容量切替手段）、７Ａ…静電容量切替回路（静電容量切替手段）、９…スイッチ、１０…第２のコンデンサ（第２の静電容量素子）、１３…被評価材料の抵抗、１４…被評価材料のインダクタンス、１５…第１のコイルの巻線抵抗、１６…第１のコイルの浮遊容量、１７…相互誘導を考慮した抵抗成分、１８…相互誘導を考慮したインダクタンス成分、１９…第１のコイルのインダクタンス、２０…被評価材料と第１のコイルとの間の相互インダクタンス、２１…第２のコイル

Claims (5)

1. 被評価材料に渦電流を誘起する第１のコイルと、
   前記第１のコイルに交流電流を供給する交流電源と、
   前記交流電源の周波数を掃引する周波数掃引手段と、
   前記周波数掃引手段と前記第１のコイルとの間に接続され、第１の静電容量と前記第１の静電容量と異なる第２の静電容量を切り替える静電容量切替手段と、
   を備えることを特徴とする物性値評価装置。
2. 前記静電容量切替手段は、並列に設けられた第１の静電容量素子と第２の静電容量素子と、前記第１の静電容量素子と前記第２の静電容量素子との接続を切り替えるスイッチとを備えることを特徴とする請求項１に記載の物性評価装置。
3. 前記静電容量切替手段は、第１の静電容量素子と、前記第１の静電容量素子に直列に接続可能な第２の静電容量素子と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の物性評価装置。
4. 前記第１のコイルにより前記被評価材料に誘起された渦電流による誘導起電力を測定するための第２のコイルをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の物性値評価装置。
5. 被評価材料に第１の静電容量を介して周波数を掃引しながら渦電流を誘起して前記被評価材料の前記第１の静電容量に対する第１の共振周波数を測定し、
   前記被評価材料に前記第１の静電容量と異なる第２の静電容量を介して周波数を掃引しながら渦電流を誘起して前記被評価材料の前記第２の静電容量に対する第２の共振周波数を測定し、
   前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数に基づき、前記被評価材料の抵抗成分とインダクタンス成分を求めることを特徴とする物性値評価方法。

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