JP2021038962A - 応力分布計測装置および応力分布計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体における応力を適切に測定できるようにする。
【解決手段】交流電流によって被検体に交流磁気を励起する励振コイル１０１と、被検体に流れる交流磁気によって交流電流が誘導される検出コイル１０３と、を各々が備える第１および第２の磁歪センサ５２−１，５２−２と、第１の磁歪センサ５２−１の励振コイル１０１に対して第１の励振電圧Ｖ１を印加し、第２の磁歪センサ５２−２の励振コイル１０１に対して、第１の励振電圧Ｖ１とは位相または波形が相違する第２の励振電圧Ｖ２を印加する励振回路５０１と、第１の励振電圧Ｖ１に基づいて第１の磁歪センサ５２−１の検出コイル１０３に流れる電流を同期検波する第１の検出器５０２−１と、第２の励振電圧Ｖ２に基づいて第２の磁歪センサ５２−２の検出コイル１０３に流れる電流を同期検波する第２の検出器５０２−２と、を有する検出回路５０３と、を応力分布計測装置５０に設けた。
【選択図】図５

Description

本発明は、応力分布計測装置および応力分布計測方法に関する。

強磁性材料に荷重が作用すると、透磁率に異方性が生じ、荷重方向の透磁率が大きくなり、反対に荷重方向と直角方向の透磁率が小さくなる。磁歪応力測定法は、この性質を利用し、両透磁率の差を磁歪センサによって検出し、主応力の方向および大きさを測定する手法である。磁歪応力測定法は、非接触で応力を測定することが可能であるため、金属製品の製造工程において、磁歪センサを設置することが容易であり、製造工程の前後で金属製品に生じる応力を計測し、その差分を算出することで工程ごとの応力変化を得ることができる。一般に、製造工程における応力変化は製品の品質に影響するため、計測した応力変化を用いて製品品質を管理することが考えられる。

一方、金属製品の表面の一点の応力のみではなく、対象物表面の応力分布や応力の偏りが製品品質に大きく影響することがある。従って、非接触で応力を測定することが可能である磁歪応力測定法を用いて、対象物表面の応力分布や応力の偏りを計測する方法が必要とされている。このような課題に対応する方法として、例えば、下記特許文献１の請求項１には、「管軸方向に間隔をあけた少なくとも２つの位置で、管軸方向と周方向との各透磁率が異なることに起因した出力Ｖを導出する磁歪センサを、管の周方向に移動して周方向にわたる応力を測定し、この少なくとも２つの周方向にわたる応力測定値のうち、同一周方向位置の範囲Δθ１にわたって現れる特異値を管の溶接部分の応力測定値と判定し、周方向にわたる応力測定値から管の溶接部分の応力測定値を除去し、残余の応力測定値を、管軸まわりの角度に対応した余弦波形で近似させて、その振幅Ｂに対応する応力を求めることを特徴とする溶接管の磁歪応力測定方法。」と記載されている。

特許第３１３０１１６号公報

上述した特許文献１において、磁歪応力の被検体は「管」であったが、平板等「管」以外の任意の形であっても、特許文献１記載の方法によれば、磁歪応力を測定可能であると考えられる。すなわち、磁歪センサを対象物表面で走査し、走査方向にわたる応力を測定し、磁歪センサの位置と測定した応力を対応させることで、対象物表面の静的な応力分布や応力の偏りを計測することが可能であると考えられる。しかし、被検体が、加工、切削、溶接などの製造工程を経る場合、その前後の応力変化量だけでなく、工程中の応力の変化が製品品質に影響することがある。このような工程中の変化は、一般に、応力分布の変化速度よりも速くセンサを走査することは困難であるため、応力分布の短時間の変化を計測することは困難である。また、単純に磁歪センサを複数個用いて応力分布を計測する場合、隣接する磁歪センサからの漏れ磁束によって、ノイズ（クロストークノイズ）が生じ、応力を正確に測定することが困難になる。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、被検体における応力を適切に測定できる応力分布計測装置および応力分布計測方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の応力分布計測装置は、交流電流によって被検体に交流磁気を励起する励振コイルと、前記被検体に流れる交流磁気によって交流電流が誘導される検出コイルと、を各々が備える第１および第２の磁歪センサと、前記第１の磁歪センサの前記励振コイルに対して第１の励振電圧を印加し、前記第２の磁歪センサの前記励振コイルに対して、前記第１の励振電圧とは位相または波形が相違する第２の励振電圧を印加する励振回路と、前記第１の励振電圧に基づいて前記第１の磁歪センサの前記検出コイルに流れる電流を同期検波する第１の検出器と、前記第２の励振電圧に基づいて前記第２の磁歪センサの前記検出コイルに流れる電流を同期検波する第２の検出器と、を有する検出回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、被検体における応力を適切に測定できる。

本発明の一実施形態に適用される磁歪センサの模式図である。 磁歪センサ、被検体等に対する磁気等価回路の回路図である。 磁歪センサ群の模式図である。 磁歪センサ、被検体等に対する他の磁気等価回路の回路図である。 本実施形態による応力分布計測装置の全体構成を示すブロック図である。 励振回路の構成を示すブロック図である。 励振回路の動作を示すフローチャートである。 検出器の構成を示すブロック図である。 検出器の動作を示すフローチャートである。 表示装置に表示される表示画面の例を示す図である。 表示装置の動作を示すフローチャートである。 感度校正処理のフローチャートである。 磁歪センサの感度校正曲線の例を示す図である。

〈応力計測の基本原理〉
次に、本発明の一実施形態による応力分布計測装置について説明するが、まず、本実施形態における応力計測の原理を説明する。
図１は、本実施形態に適用される磁歪センサ１２の模式図である。
磁歪センサ１２は、励振コア１００と、励振コイル１０１と、検出コア１０２と、検出コイル１０３と、発振回路１０４と、検出器１０５と、を備えている。励振コア１００および検出コア１０２は、Ｕ字状に形成され、各々の両端を被検体１０６に対向させている。励振コイル１０１および検出コイル１０３は、それぞれ励振コア１００および検出コア１０２に巻回されている。

励振コア１００の両端に現れる磁極を磁極Ａ，Ａ’と呼び、検出コア１０２の両端に現れる磁極を磁極Ｂ，Ｂ’と呼ぶ。そして、磁極Ａ，Ａ’は正方形（図示せず）の一方の対頂角の位置に配置され、磁極Ｂ，Ｂ’は該正方形の他方の対頂角の位置に配置されている。励振コイル１０１には、所定の励振周波数ｆの交流電流を発生させる発振回路１０４が接続されている。励振コイル１０１に流れる電流を励振電流Ｉと呼ぶ。励振コイル１０１に励振電流Ｉが供給されると、励振コア１００に磁束が生じる。その磁束が、励振１００コア内から磁極Ａ，Ａ’を通り、被検体１０６内を流れる。そして、被検体１０６内を流れる磁束の一部が磁極Ｂ，Ｂ’を通り、検出コア１０２内を流れ、検出コイル１０３に出力電圧Ｖが誘起される。検出器１０５は、この出力電圧Ｖを計測する。

被検体１０６が正の磁歪定数を持つ場合、被検体１０６に応力を印加すると、逆磁歪効果により、応力方向で比透磁率が変化して磁気異方性が生じる。このため、応力を印加すると、被検体１０６内の磁気抵抗は、方向により大きさが異なり、検出コイル１０３に誘起する出力電圧Ｖは、応力によって変化する。従って、校正用に検出コイル１０３の出力電圧Ｖと応力との関係を予め測定しておくことにより、出力電圧Ｖから被検体１０６に印加された応力を測定することができる。

図２は、図１に示した磁歪センサ１２、被検体１０６等に対する磁気等価回路２２の回路図である。磁気等価回路２２は、起磁力２００と、磁気抵抗２０１，２０２と、計測部２０３と、磁気抵抗２０４〜２０７と、を備えている。起磁力２００は、励振コイル１０１（図１参照）によって流れる励振電流Ｉによる起磁力である。また、磁気抵抗２０１，２０２は、各々励振コア１００および検出コア１０２の内部の磁気抵抗である。計測部２０３は、検出器１０５に対応し、検出コア１０２に流れる磁束を計測する。

磁気抵抗２０４〜２０７は、それぞれ、被検体１０６（図１参照）内において磁極Ａ，Ｂ間、Ａ，Ｂ’間、Ａ’，Ｂ間、Ａ’，Ｂ’間の磁気抵抗である。被検体１０６に応力が印加されていない無応力下では、磁気抵抗２０４〜２０７は等しい抵抗値を持ち、検出コア１０２に流れる磁束は、理想的な磁極配置ではゼロである。一方、被検体１０６に応力を印加すると、磁気抵抗２０４〜２０７の値が変化することで、検出コア１０２に磁束が流れ、その磁束が計測部２０３で検出される。

〈センサ間の干渉による問題点〉
図１に示した磁歪センサ１２を被検体１０６の表面に沿って複数配列することにより、被検体１０６における応力分布の変化を短時間で計測できると考えられる。しかし、このような構成では、磁歪センサ１２間で干渉が起こるという問題が生じる。図３および図４を参照し、その詳細を説明する。
図３は、磁歪センサ群３０の模式図である。磁歪センサ群３０は、２個の磁歪センサ３２，３４を備えている。磁歪センサ３２，３４は、何れも図１に示した磁歪センサ１２と同様に構成されている。

但し、磁歪センサ３４において、励振コア１００の両端に現れる磁極を磁極Ｃ，Ｃ’と呼び、検出コア１０２の両端に現れる磁極を磁極Ｄ，Ｄ’と呼ぶ。磁歪センサ３２，３４は、磁極Ａ’，Ｂ’と磁極Ｃ，Ｄとが近接して配置される。この時、磁極Ｃ，Ｄから被検体１０６に流れた磁束が、漏れ磁束３００となって磁極Ａ’，Ｂ’流入することが考えられる。漏れ磁束３００は、磁歪センサ３２，３４の検出コイル１０３によって検出されノイズ（以下、クロストークノイズと呼ぶ）となる。

図４は、図３に示した磁歪センサ３２、被検体１０６等に対する磁気等価回路４２の回路図である。磁気等価回路４２においては、磁気抵抗２０７に対して、漏れ磁束発生源４００が並列接続されている。それ以外の磁気等価回路４２の構成は、磁気等価回路２２の構成（図２参照）と同様である。図４における漏れ磁束発生源４００は、図３に示した漏れ磁束３００に対応する。なお、実際に漏れ磁束３００が流入する磁極は磁極Ａ’，Ｂ’に限られるものではないが、図４では、磁極Ａ’，Ｂ’間に漏れ磁束３００が流入する場合を例示している。このように、漏れ磁束３００が検出コアに流入することでクロストークノイズが発生すると、個々の磁歪センサ３２，３４（図３参照）における計測結果が不正確になるという問題が生じる。

〈実施形態の構成〉
（全体構成）
図５は、本実施形態による応力分布計測装置５０の全体構成を示すブロック図である。
図５において、応力分布計測装置５０は、発振回路１０４と、励振回路５０１と、複数の（Ｎ個の）磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎ（第１の磁歪センサ、第２の磁歪センサ、…、第Ｎの磁歪センサ）と、検出回路５０３と、表示装置５０４と、を備えている。磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎは、何れも上述した磁歪センサ１２（図１参照）から、発振回路１０４と、検出器１０５とを除いた構成を有している。

発振回路１０４は、所定の励振周波数ｆの交流電圧を出力する。励振回路５０１は、各磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎの励振コイル１０１に対して、励振電圧を印加することによって励振電流を供給する。なお、励振回路５０１の詳細は後述する。検出回路５０３は、複数の（Ｎ個の）検出器５０２−１〜５０２−Ｎ（第１の検出器、第２の検出器、…、第Ｎの検出器）を備えている。これら検出器５０２−１〜５０２−Ｎは、各々、対応する磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎにおける検出コイル１０３（図１参照）の出力電圧Ｖを計測する。以下、磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎを総称して「磁歪センサ５２」と呼ぶことがある。また、検出器５０２−１〜５０２−Ｎを総称して「検出器５０２」と呼ぶことがある。

表示装置５０４は、検出回路５０３の出力信号を表示するものであり、表示方法選択部５１２と、演算処理部５１４と、画像表示部５１６と、を備えている。画像表示部５１６は、供給された画像データを表示する。表示方法選択部５１２は、複数の候補の中から画像表示部５１６における表示方法を選択する。演算処理部５１４は、表示方法選択部５１２において選択された表示方法に基づいて、検出回路５０３の出力信号に演算処理を施し、その結果得られた画像データを画像表示部５１６に供給する。

（励振回路５０１の構成）
図６は、図５に示した励振回路５０１の構成を示すブロック図である。
励振回路５０１は、一対の入力端子６１０，６１２と、周波数変調量設定部６００と、周波数変調部６０１と、位相変調量設定部６０２と、位相変調部６０３と、振幅増幅部６０４，６０５と、複数の出力端子６２０〜６２６と、を備えている。

入力端子６１０，６１２には、入力電圧Ｖ０として、発振回路１０４（図５参照）の出力信号（正弦波の交流電圧）が供給される。振幅増幅部６０４は、この交流電圧の振幅を増幅し、Ｍ系統の出力端子６２０，６２２を介して出力する。振幅増幅部６０４の出力電圧を励振電圧Ｖ１（第１の励振電圧）と呼ぶ。なお、系統数Ｍは、磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎの系統数Ｎを「２」で除算し小数点以下を切り上げた数である。周波数変調部６０１は、入力端子６１０，６１２に印加された交流電圧に対して、必要に応じて周波数変調を施す。周波数変調量設定部６００は、周波数変調部６０１に対して周波数変調量を設定する。ここで、周波数変調量とは、周波数変調を行うか否か、および、周波数変調を行う場合には、その変調周波数を指す。

位相変調部６０３は、周波数変調部６０１の出力信号に対して、必要に応じて位相変調を施す。位相変調量設定部６０２は、位相変調部６０３に対して位相変調量を設定する。ここで、位相変調量とは、位相変調を行うか否か、および、位相変調変調を行う場合には、その位相値を指す。振幅増幅部６０５は、位相変調部６０３の出力信号の振幅を増幅し、「Ｎ−Ｍ」系統の出力端子６２４，６２６を介して出力する。振幅増幅部６０５の出力電圧を励振電圧Ｖ２（第２の励振電圧）と呼ぶ。ここで、周波数変調部６０１、位相変調量設定部６０２、振幅増幅部６０４，６０５は、一般的な電気回路やデジタル信号処理等によって実現することができる。

図７は、励振回路５０１の動作を示すフローチャートである。
図７において、処理がステップＳ１０１（印加ステップ）に進むと、励振回路５０１の入力端子６１０，６１２において、発振回路１０４（図４参照）の出力信号を受信する。次に、処理がステップＳ１０２（印加ステップ、周波数変調ステップ）に進むと、周波数変調部６０１（図６参照）は、周波数変調量設定部６００に設定された設定値に基づいて、入力信号（発振回路１０４の出力信号）を周波数変調する。次に、処理がステップＳ１０３（印加ステップ、位相変調ステップ）に進むと、位相変調部６０３は、位相変調量設定部６０２に設定された設定値に基づいて、入力信号（周波数変調部６０１の出力信号）を位相変調する。

次に、処理がステップＳ１０４（印加ステップ）に進むと、振幅増幅部６０４は、入力信号（発振回路１０４の出力信号）を振幅増幅する。同様に、振幅増幅部６０５も、入力信号（位相変調部６０３の出力信号）を振幅増幅する。次に、処理がステップＳ１０５（印加ステップ）に進むと、振幅増幅部６０４は、増幅した信号を、出力端子６２０，６２２を介して、励振電圧Ｖ１として出力する。同様に、振幅増幅部６０５は、増幅した信号を、出力端子６２４，６２６を介して、励振電圧Ｖ２として出力する。

（検出器５０２の構成）
図８は、図５の検出回路５０３を構成する検出器５０２（すなわち５０２−１〜５０２−Ｎ）の構成を示すブロック図である。
検出器５０２は、位相シフト量設定部８００と、位相シフタ８０１と、混合器８０２と、時定数設定部８０３と、積分器８０４と、信号増幅量設定部８０５と、信号増幅部８０６と、計測信号入力端子８１０と、参照信号入力端子８１２と、出力端子８１４と、を備えている。

計測信号入力端子８１０には、対応する磁歪センサ５２（図５参照）の検出コイル１０３の出力信号が、計測信号Ｓｉとして入力される。また、参照信号入力端子８１２には、励振回路５０１（図５参照）が磁歪センサ５２の励振コイル１０１に印加する励振電圧が、参照信号Ｓｒとして供給される。位相シフタ８０１は、参照信号Ｓｒの位相を変化させ、位相シフト量設定部８００は位相シフタ８０１における位相シフト量を設定する。混合器８０２は、計測信号Ｓｉと位相シフトした参照信号Ｓｒとを混合（乗算）する。混合器８０２の出力信号を混合信号Ｓｍと呼ぶ。

積分器８０４は、設定された時定数で、混合信号Ｓｍを積分する。また、積分器８０４はローパスフィルタとしても機能する。時定数設定部８０３は、積分器８０４の時定数を設定する。信号増幅部８０６は、積分器８０４の出力信号を増幅し、その結果を検出信号Ｓoutとして出力端子８１４から出力する。信号増幅量設定部８０５は、信号増幅部８０６における増幅量を設定する。
ここで、位相シフタ８０１、混合器８０２、積分器８０４、信号増幅部８０６等は、一般的な電気回路やデジタル信号処理等によって実現することができる。

図９は、検出器５０２（図８参照）の動作を示すフローチャートである。
図９において、処理がステップＳ２０１（同期検波ステップ）に進むと、検出器５０２は、計測信号入力端子８１０において、検出コイル１０３から計測信号Ｓｉを受信する。次に、処理がステップＳ２０２（同期検波ステップ）に進むと、検出器５０２は、参照信号入力端子８１２において、励振回路５０１（図５参照）から励振コイル１０１に印加される励振電圧を参照信号Ｓｒとして受信する。次に、処理がステップＳ２０３（同期検波ステップ、位相変調ステップ）に進むと、位相シフタ８０１は、位相シフト量設定部８００に設定された位相シフト量だけ、参照信号Ｓｒを位相シフトさせる。

次に、処理がステップＳ２０４（同期検波ステップ、混合ステップ）に進むと、混合器８０２は、位相シフトした参照信号Ｓｒと計測信号Ｓｉとを混合（乗算）し、その結果を混合信号Ｓｍとして出力する。次に、処理がステップＳ２０５（同期検波ステップ、積分ステップ）に進むと、積分器８０４は、混合器８０２の出力信号を、時定数設定部８０３に設定した時定数に基づいて積分する。これにより、積分器８０４は、混合信号Ｓｍの直流成分を出力する。次に、処理がステップＳ２０６（同期検波ステップ）に進むと、信号増幅部８０６は、信号増幅量設定部８０５に設定された増幅量の設定値に基づいて、積分器８０４の出力信号を増幅する。次に、処理がステップＳ２０７（同期検波ステップ、信号増幅ステップ）に進むと、検出器５０２は、出力端子８１４を介して、信号増幅部８０６の出力信号を出力する。

上記のように応力分布計測装置５０を構成すると、励振回路５０１の出力端子６２０，６２２（図６参照）から無変調の励振電圧Ｖ１を出力でき、出力端子６２４，６２６からは変調を施した励振電圧Ｖ２を出力できる。そして、図５に示す磁歪センサ５２−Ｋ（但し、１≦Ｋ≦Ｎ）のうちＫが奇数である磁歪センサ５２−Ｋの励振コイル１０１に無変調の励振電圧Ｖ１を印加し、Ｋが偶数である磁歪センサ５２−Ｋの励振コイル１０１に変調を施した励振電圧Ｖ２を印加してゆくことができる。

ここで、励振電圧Ｖ１，Ｖ２が、互いに直交する直交信号を形成するように、周波数変調量設定部６００における周波数変調量および位相変調量設定部６０２における位相変調量を設定することが好ましい。なお「直交する」とは、ここでは独立した信号路を形成できることを指す。励振電圧Ｖ１，Ｖ２が互いに直交することにより、隣接する磁歪センサ５２からのクロストークノイズを除去することができる。また、励振電圧Ｖ１，Ｖ２が理想的な直交信号にならない場合であっても、検出器５０２において、クロストークノイズを低減することができる。

（表示画面の例）
図１０は、図５の表示装置５０４に表示される表示画面９００の例を示す図である。
図１０において、表示画面９００は、表示方法選択部１０００，１００１と、表示センサ選択部１００２と、表示部１００３，１００４と、を含んでいる。表示センサ選択部１００２は、ユーザの操作に基づいて、Ｎ個の磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎのうち１個を指定する。表示部１００３は、表示センサ選択部１００２において指定された単一の磁歪センサ５２−Ｋ（１≦Ｋ≦Ｎ）に対する検出信号Ｓout（図８参照）を表示する。

表示方法選択部１０００は、ユーザの操作に基づいて、表示部１００３における検出信号Ｓoutの表示方法を選択する。表示部１００４は、複数の磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎに係る複数系統の検出信号Ｓout対して複合的な演算を施した結果を表示する。表示方法選択部１００１は、ユーザの操作に基づいて、表示部１００４における表示方法を選択する。

表示方法選択部１０００において選択可能な単一の検出信号の表示方法としては、例えば、図示の例のように、時系列の信号変化を表示する方法（Ｙ−Ｔ図）が考えられる。また、表示方法選択部１００１において選択可能な複数系列の検出信号の表示方法としては、例えば、図示の例のように、時間と磁歪センサの位置情報とを二軸として、検出信号の大きさをコンター図で表示する方法（時空間等高線図）等が考えられる。

図１１は、表示装置５０４の動作を示すフローチャートである。
図１１において、処理がステップＳ３０１（表示ステップ）に進むと、表示装置５０４は、検出回路５０３から各検出器５０２（図５参照）の検出信号Ｓoutを受信する。次に、処理がステップＳ３０２（表示ステップ）に進むと、表示装置５０４の表示方法選択部５１２は、ユーザの操作に基づいて、表示方法選択部１０００，１００１における表示方法を設定する。次に、処理がステップＳ３０３（表示ステップ、演算ステップ）に進むと、演算処理部５１４は、設定された表示方法に基づいて、各検出信号Ｓoutに対して演算処理を施す。

次に、処理がステップＳ３０４（表示ステップ、画像表示ステップ）に進むと、画像表示部５１６（図５参照）は、表示部１００３，１００４に対して、演算結果を表示する。以上のように、表示装置５０４においては、被検体１０６（図１参照）における短時間の応力分布の変化をユーザに分かりやすく提示することができる。なお、上述したステップＳ３０３で実行する演算は、アナログ回路やデジタル回路の信号処理で実現してもよいし、コンピュータで信号処理を行ってもよい。

〈応力分布計測装置の感度校正方法〉
上述したように、励振回路５０１（図６参照）が出力する励振電圧Ｖ１，Ｖ２は、互いに直交信号になるようにすると、クロストークノイズを低減できる点で好ましい。ここで、被検体１０６は、周波数によって、磁歪応答特性が異なることがある。従って、互いに直交信号になるように励振電圧Ｖ２の周波数を変調すると、磁歪センサ５２（図５参照）ごとに検出感度が変化することがある。この検出感度の変化は、予め感度を校正することで補償できる。その詳細を以下説明する。

図１２は、応力分布計測装置５０において実行される、感度校正処理のフローチャートである。
図１２において処理がステップＳ４０１（センサ設置ステップ）に進むと、ユーザは被検体１０６にＮ個の磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎを設置する。次に、処理がステップＳ４０２（励振ステップ）に進むと、１個の磁歪センサ５２−Ｋ（１≦Ｋ≦Ｎ）を選び、励振回路５０１において、周波数、位相を変調することなく単一磁歪センサとして励振する。

次に、処理がステップＳ４０３に進むと、応力分布計測装置５０は、発振回路１０４の励振周波数ｆ（図１参照）を、計測したい他の励振周波数に変更して、検出回路５０３で磁歪センサの検出信号Ｓoutを得る。次に、処理がステップＳ４０４（記録ステップ）に進むと、応力分布計測装置５０は、ステップＳ４０３で得られた検出信号Ｓoutの信号の大きさと参照信号Ｓｒ（これは励振電圧Ｖ１，Ｖ２の何れかに等しい）の振幅値との比（Ｓout／Ｓｒ）を感度として記録する。

次に、処理がステップＳ４０５に進むと、応力分布計測装置５０は、使用する周波数範囲で、感度の記録が完了したかを判定する。すなわち、本ルーチンにおいては、励振電圧Ｖ１，Ｖ２の周波数として採用し得る周波数範囲を所定間隔で区切った複数の励振周波数について、感度が記録される。ステップＳ４０５においては、これら全ての励振周波数について感度が記録されたか否かが判定される。

ステップＳ４０５において「Ｎｏ」と判定されると、処理はステップＳ４０３に戻る。そして、応力分布計測装置５０は、発振回路１０４の励振周波数のうち未だ検出信号Ｓoutを得ていない別の励振周波数に変更して、検出回路５０３で磁歪センサの検出信号Ｓoutを得る。一方、使用する周波数範囲で記録が完了した場合、すなわち、全ての励振周波数についてステップＳ４０４の処理が完了した場合は、ステップＳ４０５において「Ｙｅｓ」と判定され、処理はステップＳ４０６に進む。

この段階で、対象とされた磁歪センサ５２−Ｋについて検出信号Ｓoutの周波数特性が取得され、校正が完了したことになる。ステップＳ４０６では、全ての磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎの校正が完了したか否かが判定される。ここで「Ｎｏ」と判定されると、処理はステップＳ４０２に戻り、未だ校正が完了していない他の磁歪センサ５２−Ｋが選択され、ステップＳ４０３〜Ｓ４０６の処理が繰り返される。そして、全ての磁歪センサ５２−１〜５２−Ｎの校正が完了すると、本ルーチンの処理が終了する。

図１３は、図１２の感度校正処理によって得られる単一の磁歪センサの感度校正曲線の例を示す図である。
横軸の周波数（上述した励振周波数）の変化に対して、感度測定値１３００すなわち上述した「Ｓout／Ｓｒ」をプロットしていき、感度測定値１３００の間を補間することで、感度校正曲線１３０１を得ることができる。応力分布計測装置５０は、応力分布計測時には、検出器５０２の信号増幅量設定部８０５（図８参照）に、得られた感度測定値１３０１に基づく増幅量を設定する。これにより、被検体１０６の磁歪応答特性が周波数によって異なる場合においても、応力分布の正確な変化を測定することができる。

ここで、感度測定値１３００の間を補間する方法は、線形補間等の計算によって求める方法や、「感度測定値１３０１が適当なモデル式に該当する」例えば「周波数の平方根に比例する」等の仮定のもとで最小二乗法によって求める方法等が考えられる。
なお、検出回路５０３で位相シフト量設定部８００に設定する位相シフト量についても、被検体１０６で単一磁歪センサの検出感度が最大になるようにあらかじめ計測しておくことにより、上記の周波数による校正と同様の手順で感度を校正することができる。
このようにして、非接触で金属製品等の表面応力の計測が可能な磁歪応力測定法を用いて、短時間の応力分布の変化を計測することができる。

〈変形例〉
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記実施形態の構成に他の構成を追加してもよく、構成の一部について他の構成に置換をすることも可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記実施形態の励振回路５０１（図６参照）によれば、入力電圧Ｖ０に対して周波数変調を施し、その結果に位相変調を施した結果を励振電圧Ｖ２として出力した。しかし、周波数変調および位相変調の順番を入れ替えてもよい。

（２）上記実施形態の励振回路５０１（図６参照）によれば、入力電圧Ｖ０に対して周波数変調および位相変調の双方を施した結果を励振電圧Ｖ２として出力した。しかし、周波数変調または位相変調のうち一方のみを施した結果を励振電圧Ｖ２として出力してもよい。

（３）上記実施形態の励振回路５０１（図６参照）によれば、入力電圧Ｖ０をそのまま増幅した結果を励振電圧Ｖ１として出力した。しかし、励振電圧Ｖ２と同様に、入力電圧Ｖ０に周波数変調または位相変調を施した結果を励振電圧Ｖ１として出力してもよい。

（４）上記実施形態の励振回路５０１（図６参照）によれば、正弦波、正弦波に周波数変調を施した結果、正弦波に位相変調を施した結果、または正弦波に位相変調および周波数変調の双方施した結果を励振電圧Ｖ１またはＶ２として出力した。しかし、これら以外の励振電圧Ｖ１，Ｖ２を採用してもよい。例えば、直流電圧をある拡散符号で拡散した結果を励振電圧Ｖ１とし、励振電圧Ｖ１に対して直交する他の拡散符号で直流電圧を拡散した結果を励振電圧Ｖ２としてもよい。この場合、検出回路５０３は、これら拡散符号に基づいて、復号化を実行するように構成するとよい。

（５）上記実施形態における励振回路５０１、検出回路５０３および表示装置５０４のハードウエアは一般的なコンピュータによって実現できるため、図７、図９、図１１、図１２に示したフローチャート、その他上述した各種処理を実行するプログラム等を記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。

〈実施形態の効果〉
以上のように本実施形態の応力分布計測装置（５０）によれば、第１の磁歪センサ（５２−１）の励振コイル（１０１）に対して第１の励振電圧（Ｖ１）を印加し、第２の磁歪センサ（５２−２）の励振コイル（１０１）に対して、第１の励振電圧（Ｖ１）とは位相または波形が相違する第２の励振電圧（Ｖ２）を印加する励振回路（５０１）と、第１の励振電圧（Ｖ１）に基づいて第１の磁歪センサ（５２−１）の検出コイル（１０３）に流れる電流を同期検波する第１の検出器（５０２−１）と、第２の励振電圧（Ｖ２）に基づいて第２の磁歪センサ（５２−２）の検出コイル（１０３）に流れる電流を同期検波する第２の検出器（５０２−２）と、を有する検出回路（５０３）と、を備える。
このように、同期検波によって第１および第２の磁歪センサ（５２−１，５２−２）の検出コイル（１０３）に流れる電流を検出するため、クロストークノイズを抑制しつつ、応力を迅速に測定することができ、被検体（１０６）における応力を適切に測定できる。

また、励振回路（５０１）は、第１および第２の励振電圧（Ｖ１，Ｖ２）に対して周波数差を付与する周波数変調部（６０１）と、第１および第２の励振電圧（Ｖ１，Ｖ２）に対して位相差を付与する位相変調部（６０３）と、周波数変調部（６０１）に対して周波数変調量を設定する周波数変調量設定部（６００）と、位相変調部（６０３）に対して位相変調量を設定する位相変調量設定部（６０２）と、を備え、周波数変調部（６０１）または位相変調部（６０３）の出力信号を第２の励振電圧（Ｖ２）として適用することによって第１および第２の励振電圧（Ｖ１，Ｖ２）に対して周波数差または位相差を設定する。
これにより、第１および第２の励振電圧（Ｖ１，Ｖ２）に位相または周波数の差異を付与することができ、第１および第２の磁歪センサ（５２−１，５２−２）に生じるクロストークノイズを一層抑制することができる。

また、第１および第２の検出器（５０２−１，５０２−２）は、それぞれ、第１または第２の励振電圧（Ｖ１，Ｖ２）である参照信号（Ｓｒ）の位相をシフトする位相シフタ（８０１）と、位相シフタ（８０１）の位相シフト量を設定する位相シフト量設定部（８００）と、第１または第２の磁歪センサ（５２−１，５２−２）の出力信号である計測信号（Ｓｉ）と、位相シフタ（８０１）の出力信号と、を混合して混合信号（Ｓｍ）を生成する混合器（８０２）と、混合信号（Ｓｍ）を積分する積分器（８０４）と、積分器（８０４）における時定数を設定する時定数設定部（８０３）と、積分器（８０４）における積分結果を増幅する信号増幅部（８０６）と、信号増幅部（８０６）における信号増幅量を設定する信号増幅量設定部（８０５）と、を備える。
このように、位相シフト量設定部（８００）、位相シフタ（８０１）、混合器（８０２）時定数設定部（８０３）および積分器（８０４）によって、計測信号（Ｓｉ）を適切に同期検波することができ、クロストークノイズを一層抑制することができる。

また、応力分布計測装置（５０）は、検出回路（５０３）の出力信号の表示方法を選択する表示方法選択部（５１２）と、選択された表示方法に基づいて演算処理を行う演算処理部（５１４）と、演算処理部（５１４）における演算結果を画像として表示する画像表示部（５１６）と、を有する表示装置（５０４）をさらに備える。
これにより、ユーザは、所望の方法で、検出回路（５０３）の出力信号を表示させることができる。

また、本実施形態による応力分布計測方法は、被検体（１０６）に第１または第２の磁歪センサ（５２−１，５２−２）を設置するセンサ設置ステップ（Ｓ４０１）と、第１または第２の励振電圧（Ｖ１，Ｖ２）によって第１または第２の磁歪センサ（５２−１，５２−２）を励振する励振ステップ（Ｓ４０２）と、第１または第２の励振電圧（Ｖ１，Ｖ２）の励振周波数を変更しつつ、第１の励振電圧（Ｖ１）と第１の磁歪センサ（５２−１）の出力信号の比、または第２の励振電圧（Ｖ２）と第２の磁歪センサ（５２−２）の出力信号の比を記録する記録ステップ（Ｓ４０４）と、をさらに有し、これによって感度校正曲線を取得する。
これにより、被検体（１０６）の磁歪応答特性が周波数によって異なる場合においても、応力分布の正確な変化を測定することができる。

５０ 応力分布計測装置
５２−１ 磁歪センサ（第１の磁歪センサ）
５２−２ 磁歪センサ（第２の磁歪センサ）
１０１ 励振コイル
１０３ 検出コイル
１０６ 被検体
５０１ 励振回路
５０２−１ 検出器（第１の検出器）
５０２−２ 検出器（第２の検出器）
５０３ 検出回路
５０４ 表示装置
５１２ 表示方法選択部
５１４ 演算処理部
５１６ 画像表示部
６００ 周波数変調量設定部
６０１ 周波数変調部
６０２ 位相変調量設定部
６０３ 位相変調部
８００ 位相シフト量設定部
８０１ 位相シフタ
８０２ 混合器
８０３ 時定数設定部
８０４ 積分器
８０５ 信号増幅量設定部
８０６ 信号増幅部
１３０１ 感度校正曲線
Ｓｉ 計測信号
Ｓｍ 混合信号
Ｓｒ 参照信号
Ｖ１ 励振電圧（第１の励振電圧）
Ｖ２ 励振電圧（第２の励振電圧）
Ｓ１０１ ステップ（印加ステップ）
Ｓ１０２ ステップ（印加ステップ、周波数変調ステップ）
Ｓ１０３ ステップ（印加ステップ、位相変調ステップ）
Ｓ１０４ ステップ（印加ステップ）
Ｓ１０５ ステップ（印加ステップ）
Ｓ２０１ ステップ（同期検波ステップ）
Ｓ２０２ ステップ（同期検波ステップ）
Ｓ２０３ ステップ（同期検波ステップ、位相変調ステップ）
Ｓ２０４ ステップ（同期検波ステップ、混合ステップ）
Ｓ２０５ ステップ（同期検波ステップ、積分ステップ）
Ｓ２０６ ステップ（同期検波ステップ）
Ｓ２０７ ステップ（同期検波ステップ、信号増幅ステップ）
Ｓ３０１ ステップ（表示ステップ）
Ｓ３０２ ステップ（表示ステップ）
Ｓ３０３ ステップ（表示ステップ、演算ステップ）
Ｓ３０４ ステップ（表示ステップ、画像表示ステップ）
Ｓ４０１ ステップ（センサ設置ステップ）
Ｓ４０２ ステップ（励振ステップ）
Ｓ４０４ ステップ（記録ステップ）

Claims (10)

1. 交流電流によって被検体に交流磁気を励起する励振コイルと、前記被検体に流れる交流磁気によって交流電流が誘導される検出コイルと、を各々が備える第１および第２の磁歪センサと、
   前記第１の磁歪センサの前記励振コイルに対して第１の励振電圧を印加し、前記第２の磁歪センサの前記励振コイルに対して、前記第１の励振電圧とは位相または波形が相違する第２の励振電圧を印加する励振回路と、
   前記第１の励振電圧に基づいて前記第１の磁歪センサの前記検出コイルに流れる電流を同期検波する第１の検出器と、前記第２の励振電圧に基づいて前記第２の磁歪センサの前記検出コイルに流れる電流を同期検波する第２の検出器と、を有する検出回路と、を備える
   ことを特徴とする応力分布計測装置。
2. 前記励振回路は、
   前記第１および第２の励振電圧に対して周波数差を付与する周波数変調部と、
   前記第１および第２の励振電圧に対して位相差を付与する位相変調部と、
   前記周波数変調部に対して周波数変調量を設定する周波数変調量設定部と、
   前記位相変調部に対して位相変調量を設定する位相変調量設定部と、
   を備え、
   前記周波数変調部または前記位相変調部の出力信号を前記第２の励振電圧として適用することによって前記第１および第２の励振電圧に対して周波数差または位相差を設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の応力分布計測装置。
3. 前記第１および第２の検出器は、それぞれ、
   前記第１または第２の励振電圧である参照信号の位相をシフトする位相シフタと、
   前記位相シフタの位相シフト量を設定する位相シフト量設定部と、
   前記第１または第２の磁歪センサの出力信号である計測信号と、前記位相シフタの出力信号と、を混合して混合信号を生成する混合器と、
   前記混合信号を積分する積分器と、
   前記積分器における時定数を設定する時定数設定部と、
   前記積分器における積分結果を増幅する信号増幅部と、
   前記信号増幅部における信号増幅量を設定する信号増幅量設定部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の応力分布計測装置。
4. 前記検出回路の出力信号の表示方法を選択する表示方法選択部と、
   選択された前記表示方法に基づいて演算処理を行う演算処理部と、
   前記演算処理部における演算結果を画像として表示する画像表示部と、
   を有する表示装置をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１記載の応力分布計測装置。
5. 交流電流によって被検体に交流磁気を励起する励振コイルと、前記被検体に流れる交流磁気によって交流電流が誘導される検出コイルと、を各々が備える第１および第２の磁歪センサの前記各励振コイルに対して、励振回路が第１および第２の励振電圧を各々印加する印加ステップと、
   前記第１の励振電圧に基づいて前記第１の磁歪センサの前記検出コイルに流れる電流を同期検波し、前記第２の励振電圧に基づいて前記第２の磁歪センサの前記検出コイルに流れる電流を同期検波する同期検波ステップと、を有する
   ことを特徴とする応力分布計測方法。
6. 前記印加ステップは、
   前記第１および第２の励振電圧に対して周波数差を付与する周波数変調ステップと、
   前記第１および第２の励振電圧に対して位相差を付与する位相変調ステップと、を有する
   ことを特徴とする請求項５記載の応力分布計測方法。
7. 前記同期検波ステップは、
   前記第１または第２の励振電圧である参照信号の位相を設定値に基づいて位相変調する位相変調ステップと、
   前記位相変調ステップによる位相変調結果と、前記第１または第２の磁歪センサの出力信号である計測信号と、を混合して混合信号を生成する混合ステップと、
   設定された時定数に基づいて、前記混合信号を積分する積分ステップと、
   設定された信号増幅量に基づいて、前記積分ステップにおける積分結果を増幅する信号増幅ステップと、を有する
   ことを特徴とする請求項５記載の応力分布計測方法。
8. 前記同期検波ステップによる同期検波結果を表示する表示ステップをさらに有し、前記表示ステップは、
   選択された表示方法に基づいて前記同期検波結果の演算処理を行う演算ステップと、
   前記演算ステップにおける演算結果を画像として表示する画像表示ステップと、を有する
   ことを特徴とする請求項５記載の応力分布計測方法。
9. 前記信号増幅ステップは、前記第１または第２の磁歪センサの感度校正曲線に基づいて、前記信号増幅量を決定する
   ことを特徴とする請求項７記載の応力分布計測方法。
10. 前記被検体に前記第１または第２の磁歪センサを設置するセンサ設置ステップと、
    前記第１または第２の励振電圧によって前記第１または第２の磁歪センサを励振する励振ステップと、
    前記第１または第２の励振電圧の励振周波数を変更しつつ、前記第１の励振電圧と前記第１の磁歪センサの出力信号の比、または前記第２の励振電圧と前記第２の磁歪センサの出力信号の比を記録する記録ステップと、
    をさらに有し、これによって前記感度校正曲線を取得する
    ことを特徴とする請求項９記載の応力分布計測方法。

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