JP3500967B2

JP3500967B2 - 応力測定方法及び近似関数の特定方法

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Publication number: JP3500967B2
Application number: JP16867698A
Authority: JP
Inventors: 禎明境
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2004-02-23
Anticipated expiration: 2018-06-16
Also published as: JP2000002601A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪センサを用い
て被測定物に作用している応力を測定する応力測定方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、鉄鋼材料などの強磁性体は、
磁化されるとその方向に長さが伸縮する（磁歪効果）。
また、これとは逆に、被測定物に応力が作用すると当該
被測定物の磁気的性質が変化する（磁歪効果の逆効
果）。

【０００３】従来より、この磁歪効果の逆効果を利用し
て、被測定物に作用している応力を測定する方法が用い
られている。特に、特開昭６２−１２１３２５号公報、
実開平１−１３５３３８号公報、特開平７−１１０２７
０号公報等に開示されている技術では、磁歪効果の逆効
果によって生じる磁気異方性を利用して鋼構造物や機械
部品に負荷されている応力を非破壊で比較的簡単に測定
できる点で有効である。

【０００４】上記の方法は、以下のような原理に基づい
ている。図１４は、磁気異方性を利用する応力測定方法
における磁歪センサの配置例を示す斜視図である。

【０００５】磁歪センサ１は、励磁用コイル２を巻いた
コの字型の励磁用ヨーク３と、検出用コイル４を巻いた
コの字型の検出用ヨーク５とが互いにヨーク鞍部の中央
部で直交するように配置されて構成される。

【０００６】この励磁用コイル２には、交流電流を流し
て磁性材料である被測定物６を励磁するための交流電源
７が備えられている。さらに、検出用コイル４には、誘
起される起電力を測定して被測定物６を流れる磁束を検
出するための電圧計８が備えられている。また、図１４
の矢印は、磁束の方向を示している。

【０００７】いま、被測定物６のＸ方向に引っ張り応力
σ_X が作用したとする。このときの被測定物６のＸ方向
の透磁率をμ_X とする。また、Ｘ方向と垂直なＹ方向の
被測定物６の透磁率をμ_Y とする。

【０００８】この場合、この透磁率μ_X 、μ_Y は、応力
σ_X による磁歪効果の逆効果により下記の（１）式の関
係、すなわち磁気異方性が生じる。 μ_X ＞ μ_Y …（２）このような磁気異方性が生じている状態にある被測定物
６に上記の磁歪センサ１の両ヨーク３、４の開口部側を
接近させ、この磁歪センサ１の励磁用ヨーク３に巻かれ
た励磁用コイル２に交流電源７によって交流電流を流し
て被測定物を励磁すると、励磁用ヨーク３の一方の開口
端３ａから出た磁束の大部分は直接励磁用ヨーク３の他
方の開口端３ｂへ向かう。

【０００９】しかし、被測定物６には引っ張り応力σ_X
により（２）式のような磁気異方性が生じているため、
磁束の一部は検出用ヨーク５を経由して励磁用ヨーク３
の開口端３ｂに流れる。

【００１０】このため、検出用ヨーク５に巻かれた検出
用コイル４に取付けられた電圧計８には、下記の（３）
式に示す起電力が誘起され、この起電力が出力される。Ｖ＝Ｍ₀ ・（μ_X −μ_Y ）・ＣＯＳ[ ２・（θ−π／４）] …（３）ここで、Ｖは検出用コイル４に誘起される交流起電力の
整流値である。また、Ｍ₀ は励磁条件やコイル、被測定
物６の磁気的特性などによって定まる値である。さら
に、ＣＯＳ[ ２・（θ−π／４）] は余弦関数であり、
θは検出用ヨーク５の一方の開口端５ａと他方の開口端
５ｂとを結ぶ直線とＸ軸のなす角度である。

【００１１】さらに、透磁率の差（μ_X −μ_Y ）は応力
の差（σ_X −σ_Y ）に比例するため、（３）式は下記の
（４）式に書き換え可能である。Ｖ＝Ｍ・（σ_X −σ_Y ）・ＣＯＳ[ ２・（θ−π／４）] …（４）ここで、Ｍは励磁条件やコイルの条件、被測定物６の磁
気的特性などによって定まる値である。

【００１２】したがって、電圧Ｖを測定し、（４）式を
用いることにより、被測定物６に作用している応力の差
を求めることができる。また、ここでは応力がＸ方向に
作用している場合を示しているので、この応力差から応
力を求めることができる。

【００１３】図１５は、被測定物６の応力と磁歪センサ
１の出力Ｖとの関係を示す図である。この図１５に示さ
れているように、応力と磁歪センサの出力Ｖは、所定の
線形範囲Ｔ₁ ではほぼ線形関係を有する。

【００１４】したがって、（４）式の係数Ｍ（以下、
「磁歪感度」という）は、所定の線形範囲Ｔ₁ では定数
として定義可能である。ゆえに、この所定の線形範囲Ｔ
₁ における磁歪感度Ｍは、例えば最小二乗近似などの統
計的手法によって図１５の特性を直線に回帰させること
で定義することができる。

【００１５】しかしながら、この磁歪感度Ｍは、磁歪セ
ンサ１と被測定物６との距離（以下、「リフトオフ」と
いう）に影響を受けて変化する。一般的に、被測定物６
である鋼構造物や機械部品などには防食のために塗装等
が施されているが、この塗装の厚さは厳密ではなく、ば
らつきを有する。

【００１６】このため、測定時のリフトオフを厳密に規
定することは困難である。また、たとえこのような防食
対策が施されていない場合であっても、測定を自動化、
高速化して非接触測定を行う場合等には、リフトオフを
厳密に規定することが困難である。

【００１７】このようなリフトオフによる影響を防ぐた
めに、磁歪センサ１と被測定物６によるリフトオフを検
出して利用する方法が、特開平９−２５７５９８号公報
に開示されている。

【００１８】この応力測定方法においては、まず、図１
６に示すようなリフトオフとパラメータＡの関係が求め
られる。ここで、図１６（ａ）は、リフトオフに対する
リフトオフ電圧Ｖ_L の変化の状態を示す概念図である。

【００１９】また、図１６（ｂ）は、被測定物６として
ＳＭ４９０を適用した場合の具体例を示す図である。次
に、この応力測定方法では、図１７に示すようなリフト
オフと磁歪感度Ｍの関係が求められる。

【００２０】そして、求められた図１６と図１７とか
ら、図１８に示すパラメータＡと磁歪感度Ｍの関係が求
められる。ゆえに、被測定物６に作用している応力の測
定時には、まずパラメータＡが測定される。

【００２１】次に、この測定されたパラメータＡと先で
求めた図１８とを用いて、リフトオフによる影響が補正
された磁歪感度Ｍが求められる。そして、測定された磁
歪センサ出力Ｖ及び磁歪感度Ｍが（４）式に代入され、
応力が求められる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の応力測定方法では、例えば図１５のよう
に、応力により発生する磁歪センサの出力特性を線形と
して扱っていることから、被測定物６の応力状態が大き
い場合又は小さい場合の磁歪センサ１の出力特性が非線
形な範囲Ｔ₂ 、Ｔ₃ では、実際の磁歪感度に比べて評価
に用いる磁歪感度が大きくなり、応力が結果的に小さく
求められることになる。

【００２３】これでは、構造物や機械部品に実際に作用
している応力が危険なレベルであっても、測定した応力
が危険レベルに到達していないと判断される場合が発生
する。すなわち、構造物や機械部品に作用している応力
をその破壊に対する安全性の観点で評価する場合に危険
側の結果となってしまう。

【００２４】このような問題の対策として、例えば、図
１５に示すような応力に対する磁歪センサ１の出力特性
を近似する際に、その非線形性を考慮して高次の多項式
に近似することが考えられる。

【００２５】しかし、この場合には、前述したリフトオ
フに対する補正の数学的処理が非常に複雑になり、実用
上困難となる。本発明は、以上のような実状に鑑みてな
されたもので、応力に対する磁歪センサの起電力の非線
形性を考慮し、またリフトオフに対する磁歪センサの出
力特性の補正を実現する応力測定方法を提供することを
目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために以下のような手段を講じた。本発明は、励
磁用コイルを巻いたコの字型のヨークと検出用コイルを
巻いたコの字型のヨークを、互いにヨーク鞍部の中央部
で直交するように配置してなる磁歪センサを用いて被測
定物に作用している応力を測定する方法に関するもので
ある。

【００２７】この発明を具体的に説明すると、まず両コ
の字型ヨークの開口端側を被測定物に接近させる。次
に、励磁用コイルに交流電流を流して磁歪センサを回転
させる。これにより検出用コイルに誘起される起電力の
出力波形を下記の（１）式であらわし、各パラメータ
Ａ、Ｂ、Ｃの値であるＡ_s 、Ｂ_s 、Ｃ_s を求める。次
に、パラメータ値Ａ_s と、パラメータＡと無次元化に利
用する値との関係を示す関数とを用いて、パラメータ値
Ｂ_s を無次元化する。そして、無次元化されたパラメー
タ値Ｂ_s と、応力と無次元化された磁歪センサの起電力
との関係を示す関数とに基づいて、被測定物に作用して
いる応力を測定する。

【００２８】Ｖ＝Ａ＋Ｂ・ＣＯＳ[ ２・（θ−Ｃ）] …（１）Ｖ：磁歪センサに誘起される交流起電力の整流値 θ：両コの字型ヨークの開口端を結んだ直線がなす角度
の二等分線と、被測定物の基準軸とのなす角度Ａ、Ｂ、Ｃ：パラメータここで、上記において利用される関数は、予め較正試験
の結果に基づいて設定されている。本発明において利用
される関数は、予め較正試験の結果に基づいて設定され
ている。

【００２９】この上記の方法で応力を測定することで、
任意のリフトオフに対して磁歪センサの非線形性の特性
の影響を受けることなく、簡易にかつ精度よく応力を測
定することができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る応
力測定方法では、予め較正試験を実行してデータを収集
し、このデータを解析して応力測定に必要な近似関数
φ、ρを特定する関数特定処理を実行しておく。そし
て、この近似関数φ、ρを用いて被測定物に作用してい
る応力を測定する応力測定処理を実行する。

【００３１】なお、以下において、先に述べた図１４乃
至図１８と同一のものに対しては、同一の符号を付して
その説明を省略する。まず、関数特定処理について説明
する。

【００３２】図１は、この関数特定処理の流れを示すフ
ローチャートである。この処理では、まず、被測定物と
同種あるいは同規格の材料から製造された較正試験片が
準備される（ｓ１）。

【００３３】図２は、この較正試験片の一例を示す上面
図である。この較正試験片９には、試験時の負荷応力を
検出可能とするためのひずみゲージ１０ａ、１０ｂが取
り付けられている。また、磁歪センサ１の設置位置１１
が指定されている。さらに、ここでは較正試験片９の長
手方向をＸ方向、幅方向をＹ方向とし、このＸ方向とな
す角度がθとされる。

【００３４】次に、関数特定処理においては、この較正
試験片９が荷重負荷装置にセットされる（ｓ２）。この
荷重負荷装置は、較正試験片９に応力となる荷重を負荷
させる装置である。この荷重負荷装置としては、例えば
較正試験片９に引っ張り応力及び圧縮応力の双方を負荷
可能な４点曲げ載荷試験装置が用いられる。

【００３５】次に、磁歪センサ１が較正試験片９のセン
サ設置位置１１上に任意のリフトオフを有する状態で配
置される（ｓ３）。このように磁歪センサ１を較正試験
片９から浮かせてリフトオフを確保することで、磁歪セ
ンサ１の軸を回転軸とし、この回転軸を較正試験片９の
法線とほぼ平行に回転可能となる。

【００３６】次に、荷重負荷装置によって較正試験片９
に任意の応力がＸ方向に負荷される（ｓ４）。次に、磁
歪センサ１の軸を回転軸とし、当該回転軸が較正試験片
９の法線と平行になるように、磁歪センサ１を回転機構
によって回転させる（ｓ５）。

【００３７】図３は、磁歪センサ１を回転させる回転機
構を示す概念図である。この回転機構１２のハウジング
１３内には、ピニオンギア１４とリングギア１５を介し
て、磁歪センサ１が回転可能に設けられている。また、
このハウジング１３内には、エンコーダを備えたＤＣサ
ーボモータ１６が設けられている。Ｃリング１７はＤＣ
サーボモータ１６による磁歪センサ１の回転位置を保つ
作用を有する。ボールベアリング１８はＤＣサーボモー
タ１６による磁歪センサ１の回転を円滑に行う作用を有
する。さらに、リングスペーサ１９は、磁歪センサ１と
較正試験片９又は被測定物との間に配置されるものであ
り、ある程度のリフトオフを確保する作用を有する。こ
のようにリングスペーサ１９によってリフトオフを確保
することで、リフトオフが非常に小さくなった場合に発
生する磁歪センサ１の起電力の飽和を防止することが可
能となる。

【００３８】次に、関数特定処理においては、回転角θ
毎に磁歪センサ１の検出用コイル４に誘起される磁歪セ
ンサ１の起電力の出力値Ｖが測定される（ｓ６）。図４
は、回転角θに対する磁歪センサ出力Ｖの変化を示す図
である。

【００３９】この図４に示すように、磁歪センサ１を回
転させて検出した起電力Ｖの変化は（１）式と同様のも
のとなる。Ｖ＝Ａ＋Ｂ・ＣＯＳ[ ２・（θ−Ｃ）] …（１）ここで、Ｖは検出コイル４に誘起される交流起電力の整
数値であり、θは両ヨークの開口端を結んだ直線がなす
角度の二等分線が、較正試験片９の基準方向となす角度
である。また、ＣＯＳ[ ２・（θ−Ｃ）] は余弦関数で
ある。さらに、Ａ、Ｂ、Ｃはパラメータである。

【００４０】したがって、関数特定処理においては、回
転角θに対する磁歪センサ出力Ｖの変化が（１）式によ
って近似される（ｓ７）。ここで、近似により定められ
たパラメータＢは、較正試験片９に作用されている主応
力差に相当する電圧値、すなわち主応力相当電圧値であ
る。また、パラメータＢ、Ｃから、較正試験片９に作用
されている応力の主方向を特定可能である。

【００４１】定められたパラメータＡ、Ｂ、Ｃは、現状
のリフトオフ及び応力と関係付けされて保持される。次
に、このパラメータＢ、Ｃを用いて、下記の（５）式に
より、応力の主方向（ここではＸ方向）における磁歪セ
ンサ出力Ｖ_a が求められる（ｓ８）。すなわち、このＶ
ａは、磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分である。

【００４２】Ｖ_a ＝Ｂ・ＣＯＳ（２Ｃ） …（５）また、（５）式を適用することで、主応力差相当電圧を
示すパラメータＢに符号がもたされることにもなってい
る。

【００４３】次に、この起電力Ｖａ測定時における較正
試験片９の負荷応力がひずみゲージによって求められる
（ｓ９）。上記のようなパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、及び磁
歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a を求める処理は、
較正試験片９に作用させる任意の応力を適当なピッチで
変化させながら順次実行される。これにより、様々な応
力に対する磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a が求
められる（ｓ１０）。

【００４４】図５は、応力を変化させた場合における磁
歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a の変化を示す図で
ある。また、現状のリフトオフにおいて、十分な数の応
力に対して磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a を測
定した場合には、現状のリフトオフを他の状態に変化さ
せる（ｓ１１）。

【００４５】そして、変化後の新規のリフトオフに対す
るパラメータＡ、Ｂ、Ｃが上記の処理と同様に応力を変
化させながら測定され、これにより各リフトオフにおけ
る磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a と負荷応力の
関係が求められる（ｓ１２）。

【００４６】図６は、種々のリフトオフにおける磁歪セ
ンサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a と負荷応力の関係を示
す図である。ここで、図６（ａ）は、３種のリフトオフ
Ｌ₁ 〜Ｌ₃ において、応力を変化させた場合の磁歪セン
サ出力の主応力方向成分Ｖ_a の変化（リフトオフ毎の較
正曲線）を示した概念図である。

【００４７】また、図６（ｂ）は、較正試験片９として
厚さ２０ｍｍのＳＭ４９０を用いた場合の具体的変化を
示している。この図６（ｂ）では、リフトオフが１．０
ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍの場合を例示している。

【００４８】通常、磁歪効果の逆効果を考慮すると、較
正試験片９に作用している応力がゼロの場合には、磁歪
センサ１を回転させて得られる起電力Ｖの出力波形の振
幅Ｂもゼロになるため、この起電力Ｖの主応力方向成分
Ｖ_a はゼロとなると考えられる。

【００４９】しかしながら、図６では、負荷応力が＋Δ
Ｘのときに、磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a が
ゼロとなっている。すなわち、この図６より、較正試験
片９の残留応力は−ΔＸとなることが分かる。

【００５０】したがって、この関数特定処理において
は、磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a と応力（＝
σ_X −σ_Y ）の特性（較正曲線）を残留応力の分だけ応
力の負方向にシフトさせることで、絶対的な応力（絶対
応力）に対する磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a
の特性が求められる（ｓ１３）。

【００５１】図７は、磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成
分Ｖ_a と絶対応力との関係を示す図であり、３種のリフ
トオフＬ₁ 〜Ｌ₃ に関して示している。ここで、図８を
用いて、磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a と、絶
対応力の特性を説明する。なお、この図８では、説明を
簡略化させるために１つのリフトオフＬ₁ における場合
の特性のみを例示している。

【００５２】この図８中の応力σ_max には、例えば被測
定物の材料の降伏応力や設計許容応力のような実在する
応力のレベルが用いられる。絶対応力に対する磁歪セン
サ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a の特性は、磁歪センサ１
の動作原理により、原点において点対称となる。すなわ
ち、絶対応力の絶対値が等しく符号が異なる場合には、
磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a も絶対値が等し
く符号が異なる関係を有する。例えば、絶対応力σ_max
に対する磁歪センサ出力の主応力方向成分Ｖ_a がＶ_max
となる場合には、絶対応力−σ_max に対する磁歪センサ
出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a は−Ｖ_max となる。

【００５３】同様に、絶対応力σ₁ 〜σ₃ における磁歪
センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_ａがＶ_１〜Ｖ₃ の場
合には、絶対応力−σ₁ 〜−σ₃ における磁歪センサ出
力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a は、−Ｖ₁ 〜−Ｖ₃ となる。

【００５４】次に、この関数特定処理においては、絶対
応力に対する磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a の
特性が、Ｖ_max によって無次元化（正規化）される（ｓ
１４）。

【００５５】図９は、絶対応力に対する無次元化された
磁歪センサ出力Ｐの特性を示す図である。この図９中に
おけるＰ_max 、Ｐ₃ 〜Ｐ₁ 、−Ｐ₁ 〜−Ｐ₃ 、−Ｐ_max
は、先の図８に示す磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分
Ｖ_max 、Ｖ₃ 〜Ｖ₁ 、−Ｖ₁ 〜−Ｖ₃ 、−Ｖ_max を無次
元化した値であり、以下の（６）〜（１３）式から求ま
る。

【００５６】Ｐ_max ＝Ｖ_max ／Ｖ_max …（６）Ｐ₃ ＝Ｖ₃ ／Ｖ_max …（７）Ｐ₂ ＝Ｖ₂ ／Ｖ_max …（８）Ｐ₁ ＝Ｖ₁ ／Ｖ_max …（９） −Ｐ₁ ＝（−Ｖ₁ ）／Ｖ_max …（１０） −Ｐ₂ ＝（−Ｖ₂ ）／Ｖ_max …（１１） −Ｐ₃ ＝（−Ｖ₃ ）／Ｖ_max …（１２） −Ｐ_max ＝（−Ｖ_max ）／Ｖ_max …（１３）この図９で示す無次元化された磁歪センサ出力Ｐの特性
は、図８の場合と異なり、磁歪センサ１のリフトオフに
関係なく一義的に定義される。

【００５７】次に、この無次元化された磁歪センサ出力
Ｐと絶対応力との関係を示す図９のｘ軸、ｙ軸が入れ替
えられて、図１０が得られる（ｓ１５）。ここで、この
図１０（ａ）は、無次元化された磁歪センサ出力Ｐをｘ
軸とし、絶対応力をｙ軸とした概念図である。

【００５８】一方、図１０（ｂ）は、較正試験片９とし
て厚さ２０ｍｍのＳＭ４９０を用いた場合の具体的変化
を示している。すなわち、この図１０（ｂ）は、図６
（ｂ）の特性（リフトオフが１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、
２．０ｍｍの場合）をシフトし、無次元化し、ｘ軸及び
ｙ軸を入れ替えたものである。

【００５９】次に、この図１０に示す無次元化された磁
歪センサ出力Ｐと絶対応力の関係を高次の多項式によっ
て近似し、近似関数φが定義される（ｓ１６）。以上の
ような処理により、無次元化された磁歪センサ出力Ｐか
ら応力を求める近似関数φが求められる。

【００６０】続いて、近似関数ρを求めるための処理で
は、先に示した図７の絶対応力に対する磁歪センサ出力
Ｖの主応力方向成分Ｖ_a の特性と、図８のおいて説明し
たσ_max とから、リフトオフ毎のＶ_max が求められる
（ｓ１７）。

【００６１】図１１は、このリフトオフ毎のＶ_max の状
態を示す概念図である。また、先で求められたパラメー
タＡとリフトオフ毎のＶ_max の関係が求められる（ｓ１
８）。

【００６２】図１２は、このパラメータＡとリフトオフ
毎のＶ_max の絶対値との関係を示す図である。ここで、
図１２（ａ）は、概念図を示しており、図１２（ｂ）
は、較正試験片９として厚さ２０ｍｍのＳＭ４９０を用
いた場合の具体例を示している。

【００６３】次に、この図１２に示すパラメータＡとリ
フトオフ毎のＶ_maxの絶対値の特性が適当な式によって
近似され、これにより近似関数ρが定義される（Ｓ１
９）。この近似関数ρを用いると、任意のリフトオフに
おけるＶ_maxを推定することが可能となる。

【００６４】そして、得られた近似関数φ、ρは、磁歪
センサ１の出力特性としてデータベース化される（Ｓ２
０）。以上のように、関数特定処理においては、パラメ
ータＡから無次元化に用いるための値Ｖ_maxを求めるた
めの近似関数ρ、及び無次元化された磁歪センサ出力か
ら応力を求めるための近似関数φが求められる。

【００６５】次に、この近似関数ρ及び近似関数φを用
いて、実際に被測定物の応力を求める応力測定処理につ
いて説明する。図１３は、この応力測定処理の流れを示
すフローチャートである。

【００６６】まず、被測定物の任意の観測点Ｓにおい
て、磁歪センサ１が回転され（ｔ１）、この回転により
得られる起電力Ｖの出力波形が（１）式に近似されてパ
ラメータＡ、Ｂ、Ｃが求められる（ｔ２）。

【００６７】ここで、この求められたパラメータＡ、
Ｂ、ＣはそれぞれＡ_s 、Ｂ_s 、Ｃ_s であるとする。この
とき、下記の（１４）式に示すように、パラメータＡと
Ｖ_max の関係を示す近似関数ρに、求められたパラメー
タＡの値であるＡ_s が代入されて、観測点ＳにおけるＶ
_max である（Ｖ_max ）_s が求められる（ｔ３）。

【００６８】（Ｖ_max ）_s ＝ρ（Ａ_s ） …（１４）次に、下記の（１５）式、Ｂ_s 、（Ｖ_max ）_s を用い
て、観測点Ｓにおける無次元化された磁歪センサ出力Ｐ
_s が求められる（ｔ４）。

【００６９】Ｐ_s ＝Ｂ_s ／（Ｖ_max ）_s …（１５）次に、下記の（１６）式に示すように、無次元化された
磁歪センサ出力Ｐから絶対応力を求める近似関数φに、
求められた磁歪センサＰ_s が代入され、観測点Ｓの絶対
応力差（σ₁ −σ₂ ）_s が求められ、この応力差により
応力が測定される（ｔ５）。

【００７０】（σ₁ −σ₂ ）_s ＝φ（Ｐ_s ）…（１６）なお、この絶対応力差（σ₁ −σ₂ ）_s が得られる応力
方向はＣ_s で示される。

【００７１】したがって、被測定物の主応力方向成分の
応力（σ_x −σ_y ）_s は、下記の（１７）式によって求
められる。（σ_x −σ_y ）_s ＝（σ₁ −σ₂ ）_s ・ＣＯＳ（２Ｃ_s ）…（１７）以上説明したように、本実施の形態に係る応力測定方法
においては、まず関数特定処理によって、パラメータＡ
からＶ_max を求める近似関数ρ、及び無次元化された磁
歪センサ出力Ｐから応力を求める近似関数φが求められ
る。

【００７２】そして、応力測定処理によって、磁歪セン
サ１を回転させて得られる磁歪センサ出力の特性、パラ
メータＡ、Ｂ、Ｃ、及び近似関数φ、ρとから応力が求
められる。

【００７３】この上記の方法を適用すると、任意のリフ
トオフに対して、磁歪センサの起電力出力に発生する非
線形の特性に影響されることなく、簡易にかつ正確に応
力を測定することができる。

【００７４】なお、本実施の形態において、較正試験片
の具体例として用いたＳＭ４９０は、炭素を０．２０重
量％以下、ケイ素を０．５５重量％以下、マンガンを
１．６０重量％以下、リンを０．０３５重量％以下、硫
黄を０．０３５重量％以下含有する鋼材である。

【００７５】

【発明の効果】以上詳記したように本発明の応力測定方
法においては、磁歪センサを回転させることによって誘
起される起電力の出力波形をあらわすパラメータを測定
し、磁歪センサの出力特性を無次元化して応力を測定す
る。

【００７６】この本発明の応力測定方法を適用すること
により、磁歪センサの出力特性の非線形性や、被測定物
と磁歪センサの間の距離であるリフトオフに影響を受け
ることなく、応力を測定することができる。ゆえに、容
易に、かつ精度よく応力を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る関数特定処理の流れ
を示すフローチャート。

【図２】較正試験片の一例を示す上面図。

【図３】磁歪センサを回転させる回転機構を示す概念
図。

【図４】回転角θに対する磁歪センサ出力Ｖの変化を示
す図。

【図５】応力と磁歪センサの起電力Ｖの主応力方向成分
Ｖ_a の関係を示す図。

【図６】種々のリフトオフにおける磁歪センサの起電力
Ｖの主応力方向成分Ｖ_a と負荷応力の関係を示す図。

【図７】種々のリフトオフにおける磁歪センサの起電力
Ｖの主応力方向成分Ｖ_a と絶対応力との関係を示す図。

【図８】磁歪センサの起電力Ｖの主応力方向成分Ｖ_a と
絶対応力との具体的関係を示す図。

【図９】絶対応力と無次元化された磁歪センサの起電力
Ｐとの関係を示す図。

【図１０】ｘ軸、ｙ軸を入れ替えた絶対応力と無次元化
された磁歪センサの起電力Ｐとの関係を示す図。

【図１１】リフトオフ毎のＶ_max の状態を示す概念図。

【図１２】パラメータＡの値とＶ_max の絶対値との関係
を示す図。

【図１３】本発明の実施の形態に係る応力測定処理の流
れを示すフローチャート。

【図１４】磁気異方性を利用する応力測定方法における
磁歪センサの配置例を示す斜視図。

【図１５】被測定物の応力と磁歪センサの出力Ｖとの関
係を示す図。

【図１６】リフトオフとリフトオフ検出用コイルの起電
力Ｖ_L の関係を示す図。

【図１７】リフトオフと磁歪感度Ｍの関係を示す図。

【図１８】リフトオフ検出用コイルの起電力Ｖ_L と磁歪
感度Ｍの関係を示す図。

【符号の説明】

１…磁歪センサ２…励磁用コイル３…励磁用ヨーク４…検出用コイル５…検出用ヨーク６…被測定物７…交流電源８…電圧計９…較正試験片１０ａ、１０ｂ…ひずみゲージ１１…センサ設置位置１２…回転機構１３…ハウジング１４…ピニオンギア１５…リングギア１６…ＤＣサーボモータ１７…Ｃリング１８…ボールベアリング１９…リングスペーサ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】励磁用コイルを巻いたコの字型のヨーク
と、検出用コイルを巻いたコの字型のヨークとを、互い
にヨーク鞍部の中央部で直交するように配置してなる磁
歪センサを用いて被測定物に作用している応力を測定す
る方法において、前記両コの字型ヨークの開口端側をリフトオフだけ離し
て前記被測定物に接近させ、前記励磁用コイルに交流電流を流して前記磁歪センサを
回転させた際に前記検出用コイルに誘起される起電力Ｖ
の出力波形を、前記両コの字型のヨークの開口端を結ん
だ直線がなす角度の二等分線と前記被測定物の基準軸と
のなす角度をθと定義してＶ＝Ａ＋Ｂ・ＣＯＳ［２・
（θ−Ｃ）］で表した場合の各パラメータＡ、Ｂ、Ｃの
値Ａ_s、Ｂ_s、Ｃ_sを求め、前記パラメータ値Ａ_sを用い、前記パラメータＡとリフ
トオフ毎の前記被測定物の許容応力に対する前記磁歪セ
ンサの起電力の主応力方向成分Ｖ_maxとの関係を示す予
め保存した近似関数ρ（Ａ）＝Ｖ_maxに基づいて、前記
被測定物の許容応力に対する前記磁歪センサの起電力の
主応力方向成分（Ｖ_max）_s＝ρ（Ａ_s）を求め、得られた起電力の主応力方向成分（Ｖ_max）_sにより、前
記パラメータ値Ｂ_sを正規化し、当該正規化により得られたＰ_s（＝Ｂ_s／（Ｖ_max）_s）を
用い、応力差（σ₁−σ₂）と前記正規化により得られる
値Ｐとの関係を示す予め保存した近似関数φ（Ｐ）＝
（σ₁−σ₂）に基づいて、応力差（σ₁−σ₂）_s＝φ
（Ｐ_s）を求め、得られた応力差（σ₁−σ₂）_sと前記パ
ラメータ値Ｃ_sとを用いて、前記被測定物に作用してい
る応力を求めることを特徴とする応力測定方法。
【請求項２】励磁用コイルを巻いたコの字型のヨーク
と、検出用コイルを巻いたコの字型のヨークとを、互い
にヨーク鞍部の中央部で直交するように配置した磁歪セ
ンサを用いて、前記両コの字型ヨークの開口端側を前記
被測定物に接近させ、前記励磁用コイルに交流電流を流
して前記被測定物を励磁し、前記検出用コイルに誘起さ
れる起電力を測定し、前記被測定物に作用する応力を測
定するために用いられる近似関数の特定方法であって、較正試験片から任意のリフトオフを有する状態で前記磁
歪センサを配置して前記較正試験片に任意の応力を負荷
し、前記磁歪センサを回転させて前記検出用コイルに誘起さ
れる前記磁歪センサの起電力出力Ｖの波形を、前記両コ
の字型のヨークの開口端を結んだ直線がなす角度の二等
分線と前記被測定物の基準軸とのなす角度をθと定義し
て第１式で表した場合のパラメーＡ，Ｂ，Ｃの値を求
め、前記パラメータＢ，Ｃの値と第２式とより、前記磁歪セ
ンサの起電力Ｖの主応力方向成分Ｖ_aを求め、前記任意のリフトオフについての前記任意の応力と前記
起電力Ｖの主応力方向成分Ｖ_aの特性を残留応力の分だ
けシフトし、前記任意のリフトオフについての絶対応力
に対する前記起電力Ｖの主応力方向成分Ｖ_aの特性を求
め、前記被測定物の許容応力σ_maxに対する前記起電力Ｖの
主応力方向成分Ｖ_maxによって前記起電力Ｖの主応力方
向成分Ｖ_aを割って無次元化し、絶対応力に対する無次
元化された起電力出力Ｐの特性を求め、この特性を近似
して前記磁歪センサの無次元化された起電力出力から応
力を求めるための近似関数φを求めるとともに、前記任
意のリフトオフ毎の絶対応力に対する前記起電力Ｖの主
応力方向成分Ｖ_aから、前記任意のリフトオフ毎に前記
許容応力σ_maxに対応する前記起電力Ｖの主応力方向成
分Ｖ_maxを求め、前記パラメータＡの値と前記任意のリ
フトオフ毎のＶ_maxの絶対値との関係から、前記パラメ
ータＡの値からＶ_maxを求めるための近似関数ρを求め
ることを特徴とする近似関数の特定方法。Ｖ＝Ａ＋Ｂ・ＣＯＳ［２・（θ−Ｃ）］…第１式Ｖ_a＝Ｂ・ＣＯＳ（２Ｃ）…第２式
【請求項３】請求項２記載の近似関数の特定方法によ
って得られた近似関数を用いた応力測定方法であって、前記被測定物の観測点で前記磁歪センサを回転させて測
定した前記磁歪センサの起電力出力の波形を前記第１式
で表した場合のパラメータＡ，Ｂ，Ｃの値Ａ_s，Ｂ_s，Ｃ
_sを求め、前記近似関数ρに前記Ａ_sが代入され、前記観測点にお
けるＶ_maxの値である（Ｖ_max）_sを求め、前記Ｂ_s，前記（Ｖ_max）_sと第３式とにより、前記観測
点における無次元化された磁歪センサの出力Ｐ_sを求
め、前記近似関数φに前記Ｐ_s を代入して前記観測点の絶対
応力差（σ₁−σ₂）_sを求め、前記絶対応力差（σ₁−σ₂）_sと前記Ｃ_sと第４式に基づ
いて、前記被測定物の主応力方向成分の応力差（σ_x−
σ_y）_sを求め、前記被測定物に作用している応力を測定
することを特徴とする応力測定方法。Ｐ_s＝Ｂ_s／（Ｖ_max）_s…第３式（σ_x−σ_y）_s＝（σ₁−σ₂）_s・ＣＯＳ（２Ｃ_s）…第４式