JP3696270B2

JP3696270B2 - 応力測定センサ

Info

Publication number: JP3696270B2
Application number: JP20797294A
Authority: JP
Inventors: 浩山川; 克彦武部; 肇後藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: JPH0854296A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アモルファス磁性体が有する磁気歪特性を利用した応力測定センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファス磁性体に応力が作用すると、このアモルファス磁性体の透磁率が変化する。このような磁気歪特性を利用した応力測定手段としては、例えば、本出願人が特開平５−１４２１３０号公報において提案するものがある。この測定手段は、車体等の構造材として用いられるＦＲＰ（繊維強化プラスチック）部材の応力状態や内部損傷の有無を検出するために用いられることが多い。
【０００３】
この応力測定手段は、ＦＲＰ部材を製作する過程で樹脂中に配合されたアモルファス磁性体と、ＦＲＰ部材の外部にこれに近接して配置された励磁用コイルおよび検出用コイルとから構成されている。励磁用コイルに交流電流を流してこれを励磁すると、相互誘導作用により検出用コイルには交流起電力が誘起される。そして、この交流起電力の大きさから間接的にアモルファスワイヤに作用する応力の大きさが測定できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記応力測定手段では、構造材の外側に励磁用コイルおよび検出用コイルを配設するためのスペースが必要となり、応力測定が可能な場所がこのようなスペースを確保できる場所に制限されるという問題がある。
【０００５】
ところで、上記応力測定手段により、構造材における広い範囲での応力測定を行おうとする場合は、両コイルを構造材に沿って適宜移動させることが行われる。そして、このようなコイルの移動をロボット等によって自動的に行わせる場合がある。しかしながら、構造材の形状が複雑である場合には、ロボット等によりコイルを構造材にうまく沿わせながら移動させるのは困難であり、応力測定の自動化を図る上でのネックとなっている。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、測定場所を選ばず、応力測定の自動化に最適な応力測定センサを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的達成のため、請求項１に係る本発明においては、アモルファス磁性体により作られ、外部から受ける応力に応じて磁気歪特性が変化するワイヤ状部材と、このワイヤ状部材の周囲に巻かれ、ワイヤ状部材を通る磁界を発生させる励磁用コイルと、ワイヤ状部材の周囲に巻かれ、上記磁界により磁気歪特性に応じた相互誘導起電力を発生させる検出用コイルとを有し、ワイヤ状部材が励磁用コイルと検出用コイルとが巻かれた状態で端部同士を繋いでループ状とされるとともに、このようにループ状とされたワイヤ状部材が平面上に格子状に並んで応力測定の対象となる構造材に複数埋設されて、応力測定センサが構成される。
また請求項２に係る本発明においては、アモルファス磁性体により作られ、外部から受ける応力に応じて磁気歪特性が変化する二本のワイヤ状部材と、このうち一方のワイヤ状部材の周囲に巻かれ、ワイヤ状部材を通る磁界を発生させる励磁用コイルと、他方のワイヤ状部材の周囲に巻かれ、磁界により磁気歪特性に応じた相互誘導起電力を発生させる検出用コイルとを有し、励磁用コイルが巻かれた一方のワイヤ状部材および検出用コイルが巻かれた他方のワイヤ状部材は、それぞれ正逆Ｕ字状に交互に折り曲げて形成されるとともに、励磁用コイルが巻かれた一方のワイヤ状部材におけるＵ字状の側辺部と検出用コイルが巻かれた他方のワイヤ状部材におけるＵ字状の側辺部とが交互に且つ並列に並んで、応力測定の対象となる構造材に埋設されて応力測定センサが構成される。
【０００８】
このように請求項１に係る本発明の応力測定センサは、励磁用コイルおよび検出用コイルが巻かれたワイヤ状部材がループ状に形成された状態で、構造材（ＦＲＰ部材等）内に埋設される。これにより、従来のように構造材の外側にコイルを配置するためのスペースを設ける必要がなくなり、このスペースの有無によって測定場所が制限されることがない。しかも、ワイヤとコイルとが一体になっているため、構造材の内部におけるこのセンサの配置を適宜工夫すれば、検出用コイルを構造材に対して移動させることなく簡単に構造材の広い範囲で応力を測定することができ、応力測定の自動化も行い易くなる。特に、ワイヤ状部材の端部同士を繋いでループ状に形成しているため、ワイヤ状部材の端部からの漏れ磁束をなくすことができ、センサ感度が向上する。さらに、このようにループ状とされたワイヤ状部材が平面上に格子状に並んで応力測定の対象となる構造材に複数埋設されているため、縦方向の検出値と横方向の検出値とから、内部損傷の発生位置を詳しく特定することができる。
【０００９】
また請求項２に係る本発明の応力測定センサは、励磁用コイルが巻かれたワイヤ状部材と検出用コイルが巻かれたワイヤ状部材とが、それぞれ正逆Ｕ字状に交互に折り曲げて形成されるとともに、励磁用コイルが巻かれた一方のワイヤ状部材におけるＵ字状の側辺部と検出用コイルが巻かれた他方のワイヤ状部材におけるＵ字状の側辺部とが交互に且つ並列に並んで、応力測定の対象となる構造材に埋設される。このような構成とした場合にも、上述の応力測定センサと同様に、従来のように構造材の外側にコイルを配置するためのスペースを設ける必要がなくなり、このスペースの有無によって測定場所が制限されることがなく、ワイヤとコイルとが一体になっているため、構造材の内部におけるこのセンサの配置を適宜工夫すれば、検出用コイルを構造材に対して移動させることなく簡単に構造材の広い範囲で応力を測定することができ、応力測定の自動化も行い易くなる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１には、応力測定センサの第１の基本構成（概念図）を示している。この応力測定センサ１は、Ｆｅ（鉄）系又はＣｏ（コバルト）系のアモルファス磁性体から作られたワイヤ１１と、このワイヤ１１に巻かれた励磁用コイル１２と、この励磁用コイル１２からワイヤ１１の長手方向に離れた位置にてワイヤ１１に巻かれた検出用コイル１３とから構成される。ワイヤ１１は、応力が作用すると、このワイヤ２１の透磁率が上記応力の大きさに対応して変化するという性質（磁気歪特性）を有する。励磁用コイル１２の両端には交流電源１４が接続される。また、検出用コイル１３の両端には電圧計１５が接続される。
【００１２】
交流電源１４によって励磁用コイル１２に交流電流を供給しこれを励磁すると、ワイヤ１１を通って、交流電圧の極性が反転する毎に向きが変わる磁界Ｈが発生する。そして、この磁界Ｈによる相互誘導作用により検出用コイル１３には交流起電力（誘導起電力）が誘起される。交流起電力の大きさは、検出用コイル１３のインダクタンスの大きさに対応し、さらにこのインダクタンスはワイヤ１１の透磁率に対応する。このため、ワイヤ１１に作用する応力に変化が生じて透磁率が変化すれば、交流起電力の大きさも変化する。したがって、検出用コイル１３に生じた交流起電力の電圧値を電圧計１５により測定すれば、ワイヤ１１に作用する応力（ひいてはこのセンサ１を埋設するＦＲＰ板に作用する応力）を求めることができる。
【００１３】
応力測定センサ１におけるワイヤ１１に作用する応力（引張応力）と検出用コイル１３に発生する誘導起電力との関係を示したのが図２である。
この図から分かるように、ワイヤ１１に作用する引張応力が大きいほど発生する誘導起電力Ｖの大きさは大きくなる。そして、引張応力が範囲Ｅの間にあるときは、引張応力に対して誘導起電力Ｖはほぼリニアに変化する。このため、応力測定センサ１は、範囲Ｅ内にある応力を検出するのに適している。
【００１４】
図３には、この応力測定センサ１の具体的な使用方法を示している。図３（Ａ）に示す応力測定センサ１では、ワイヤ１１は、両端が接続されて楕円ループ状に形成されており、この楕円の両側に励磁用コイル１２と検出用コイル１３とが離れて配置されている。このようにワイヤ１１をループ状にすることにより、ワイヤ１１の端部からの漏れ磁束をなくすことができ、センサとしての感度向上に有効である。そして、このように作られた複数個の応力測定センサ１が、ＦＲＰ板３０の内部に、それぞれＦＲＰ板３０の上下面に平行になるように且つ主応力方向（引張力Ｔの作用方向）に延びるように埋設されている。
【００１５】
さらに詳しく説明すれば、図３（Ｂ）に示すように、ＦＲＰ板３０は上下の樹脂層３１とこれら樹脂層３１間に形成された接着層３２とから構成されている。そして、ＦＲＰ板３０の製作過程において、下側の樹脂層３１の上面に接着材を塗布して接着層３２を形成するときに、応力測定センサ１（即ち、両コイル１２，１３が巻かれた状態のワイヤ１１）は一体のものとしてこの接着層３２中に埋設される。接着層（接着材）３２が硬化するまでは、ワイヤ１１に図２中の点Ｅ0 に対応する引張応力を作用させておく。これにより、ワイヤ１１は、硬化した接着層３２によって初期引張応力が作用した状態に拘束され、これ以後点Ｅ0 に対応する応力がＦＲＰ板３０に作用する応力の測定基準点となる。
【００１６】
このように複数の応力測定センサ１が埋設されたＦＲＰ板３０に、図３に示すように引張力Ｔが作用すると、各応力測定センサ１のワイヤ１１にもこれが伝わる。このため、ワイヤ１１の透磁率が変化し、検出用コイル１３に発生する誘導起電力Ｖの大きさは、図２のグラフ上において点Ｅ0 に対応する電圧（初期電圧）よりも高くなる。また、ＦＲＰ板３０に引張力Ｔとは逆方向に圧縮力が作用すると、誘導起電力Ｖの大きさは初期電圧よりも低くなる。ただし、図３に示すようにＦＲＰ板３０の各部によって引張力Ｔ1 〜Ｔ3 の大きさが異なる場合や圧縮力の大きさが異なる場合は、応力測定センサ１毎に誘導起電力の大きさも異なる。このため、応力測定センサ１の埋設位置毎にＦＲＰ板３０に作用している応力の方向および大きさを求めることができ、簡単にＦＲＰ板３０全体の応力分布を知ることができる。
【００１７】
一方、ＦＲＰ板３０の接着層３２に疲労破壊現象による内部損傷が生じると、ワイヤ１１を初期応力が作用した状態に保持していた接着層３２の拘束が緩み、ワイヤ１１に作用する引張応力が小さくなる。このため、検出用コイル１３に発生する誘導起電力Ｖの大きさは、初期電圧よりも低くなる。このため、この誘導起電力Ｖの低下を通じて、ＦＲＰ板３０における内部損傷の発生を知ることができ、さらにこのような誘導起電力Ｖの低下が生じた応力測定センサ１の埋設位置を調べることにより、内部損傷のＦＲＰ板３０における横方向（主応力方向に直交する方向）位置をほぼ特定することができる。
【００１８】
なお、図４には複数の応力測定センサ１を、ＦＲＰ部材３０′の内部に格子状に埋設した場合（本発明の第１の実施形態）を示している。この場合に、例えば、縦方向に並んだ応力測定センサ１のうち図中にＡで示すセンサの誘導起電力Ｖと、横方向に並んだ応力測定センサ１のうちＢで示すセンサの誘導起電力Ｖとが低下したとすると、両センサが交差する部分に近い、図中にＣで示す範囲内で内部損傷が生じた可能性が高いといえる。このように、応力測定センサ１を格子状に埋設することによって、内部損傷の位置をさらに詳しく特定することができる。
【００１９】
応力測定センサ１では、励磁用コイルと検出用コイルとがワイヤの長手方向に離れて巻かれた応力測定センサについて説明したが、図５に示すように、励磁用コイル１２′と検出用コイル１３′とが一緒になってワイヤ１１′に巻かれた応力測定センサ（応力測定センサの第２の基本構成）１′も、応力測定センサ１と同様の特性を有し、応力測定センサ１と同様の用い方をすることができる。なお、励磁用コイル１２′および検出用コイル１３′はそれぞれ絶縁被覆電線を用いて作られているため、両者が短絡することはない。この応力測定センサ１′は、両コイル１２′，１３′が一緒に巻かれた分、ワイヤ１１′の長さを短くすることができるため、特に小さなＦＲＰ部材の応力・内部損傷検出に適する。
【００２０】
図６には、応力測定センサの第３の基本構成を示している。この応力測定センサ５は、アモルファス磁性体から作られた２本のワイヤ（第１ワイヤ５１ａおよび第２ワイヤ５１ｂ）と、第１ワイヤ５１ａに巻かれた励磁用コイル５２と、第２ワイヤ５１ｂに巻かれた検出用コイル５３とから構成される。各ワイヤ５１ａ，５１ｂは、応力が作用すると、各ワイヤ５１ａ，５１ｂの透磁率が上記応力の大きさに対応して変化するという性質（磁気歪特性）を有する。励磁用コイル５２の両端には交流電源５４が接続される。また、検出用コイル５３の両端には電圧計５５が接続される。
【００２１】
交流電源５４によって励磁用コイル５２に交流電流を供給しこれを励磁すると、第１ワイヤ５１ａおよび第２ワイヤ５１ｂを通って、交流電圧の極性が反転する毎に向きが変わる磁界Ｈが発生する。そして、この磁界Ｈによる相互誘導作用により検出用コイル５３には交流起電力（誘導起電力）が誘起される。交流起電力の大きさは、励磁用コイル５２および検出用コイル５３のインダクタンスの大きさに対応し、さらにこのインダクタンスは第１ワイヤ５１ａ，第２ワイヤ５１ｂの透磁率に対応する。このため、第１ワイヤ５１ａおよび第２ワイヤ５１ｂに作用する応力に変化が生じて透磁率が変化すれば、交流起電力の大きさも変化する。したがって、検出用コイル５３に生じた交流起電力の電圧値を電圧計５５により測定すれば、第１ワイヤ５１ａおよび第２ワイヤ５１ｂに作用する応力（ひいては、このセンサ５が埋設されるＦＲＰ板に作用する応力）を求められる。
【００２２】
応力測定センサ５の両ワイヤ５１ａ，５１ｂに作用する引張応力と検出用コイル５３に発生する起電力との関係は、図２と同様であるのでここでの説明は省略する。
【００２３】
図７には、この応力測定センサ５の具体的な使用方法（本発明の第２の実施形態）を示している。ここに示す応力測定センサ５では、ワイヤ５１ａ，５１ｂは、それぞれ正逆Ｕ字を交互に３つ並べた形状（又は千鳥形状）に折曲げられており、互いに相手方の各Ｕ字形の間に割り込むように配置されている。また、各ワイヤ５１ａ，５１ｂのほぼ全長にわたってコイル５２，５３が巻かれている。なお、図では、励磁用コイル５２と検出用コイル５３とが交差する箇所があるが、両コイル５２，５３はそれぞれ絶縁被覆電線を用いて作られているため、両者が短絡することはない。
【００２４】
そして、このように作られた応力測定センサ５は、ＦＲＰ板７０の内部（上下の樹脂層の間の接着層）に、このＦＲＰ板７０の上下面に平行になるように且つ各ワイヤ５１ａ，５１ｂの長い部分が主応力方向（引張力Ｔの作用方向）に延びるように埋設されている。なお、第２ワイヤ５１ｂには、適当な初期引張応力が加えられる。
【００２５】
このように応力測定センサ５が埋設されたＦＲＰ板７０に、図７に示すように引張力Ｔが作用すると、応力測定センサ５のワイヤ５１ａ，５１ｂにもこれが伝わる。このため、両ワイヤ５１ａ，５１ｂの透磁率が変化し、検出用コイル１３に発生する誘導起電力Ｖの大きさは初期電圧よりも高くなる（図２参照）。また、ＦＲＰ板７０に引張力Ｔと逆方向の圧縮力が作用すると、誘導起電力Ｖの大きさは初期電圧よりも低くなる。これにより、ＦＲＰ板７０に作用している応力の方向および大きさを求めることができる。
【００２６】
一方、ＦＲＰ板７０の接着層に疲労破壊現象による内部損傷が生じると、両ワイヤ５１ａ，５１ｂを初期引張応力が作用した状態に保持していた接着層の拘束が緩むため、両ワイヤ５１ａ，５１ｂに作用する引張応力が小さくなる。このため、検出用コイル５３に発生する誘導起電力Ｖの大きさは初期電圧よりも低くなる。したがって、この誘導起電力Ｖの低下を通じて、ＦＲＰ板７０における内部損傷の発生を知ることができる。
【００２７】
さらに図８には、この応力測定センサ５をＦＲＰ板７０の縦横方向に複数個ずつ埋設した場合を示している。この場合、誘導起電力Ｖの低下が生じた応力測定センサ５の埋設位置を調べることにより、大きなＦＲＰ板７０の中でどの範囲に内部損傷が生じたかを容易に特定することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の応力測定センサは、アモルファス磁性体のワイヤ状部材にコイル（励磁用コイルおよび検出用コイル）を巻いて作られており、これらの全体を構造材に埋設して用いるようになっている。このため、本応力測定センサを用いれば、構造材の外部にコイルを配置することが不要となるため、このようなコイルの配置スペースがない場所においても応力測定を行うことができる。また、構造材内部におけるセンサの配置を適宜工夫することにより、従来のようにコイルを構造材に沿って移動させることなく、構造材の広い範囲での応力測定を簡単に行うことができる。このため、応力測定の自動化も容易に行うことができる。特に、ワイヤ状部材の端部同士を繋いでループ状に形成すれば、ワイヤ状部材の端部からの漏れ磁束をなくすことができ、センサ感度が向上する。さらに、ループ状とされたワイヤ状部材が平面上に格子状に並んで応力測定の対象となる構造材に複数埋設するように構成すれば、縦方向の検出値と横方向の検出値とから、内部損傷の発生位置を詳しく特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る応力測定センサの第１の基本構成を示す概念図である。
【図２】上記応力測定センサの特性を示す概念図である。
【図３】上記応力測定センサの使用状態を示す概念図である。
【図４】上記応力測定センサの使用状態（第１の実施形態）を示す概念図である。
【図５】本発明に係る応力測定センサの第２の基本構成を示す概念図である。
【図６】本発明に係る応力測定センサの第３の基本構成を示す概念図である。
【図７】上記応力測定センサの使用状態（第２の実施形態）を示す概念図である。
【図８】上記応力測定センサの使用状態を示す概念図である。

Claims

アモルファス磁性体により作られ、外部から受ける応力に応じて磁気歪特性が変化するワイヤ状部材と、
このワイヤ状部材の周囲に巻かれ、前記ワイヤ状部材を通る磁界を発生させる励磁用コイルと、
前記ワイヤ状部材の周囲に巻かれ、前記磁界により前記磁気歪特性に応じた相互誘導起電力を発生させる検出用コイルとから構成され、
前記ワイヤ状部材が前記励磁用コイルと前記検出用コイルとが巻かれた状態で端部同士を繋いでループ状とされるとともに、このようにループ状とされた前記ワイヤ状部材が平面上に格子状に並んで応力測定の対象となる構造材に複数埋設されていることを特徴とする応力測定センサ。
アモルファス磁性体により作られ、外部から受ける応力に応じて磁気歪特性が変化する二本のワイヤ状部材と、
一方の前記ワイヤ状部材の周囲に巻かれ、前記ワイヤ状部材を通る磁界を発生させる励磁用コイルと、
他方の前記ワイヤ状部材の周囲に巻かれ、前記磁界により前記磁気歪特性に応じた相互誘導起電力を発生させる検出用コイルとから構成され、
前記励磁用コイルが巻かれた前記一方のワイヤ状部材および前記検出用コイルが巻かれた前記他方のワイヤ状部材は、それぞれ正逆Ｕ字状に交互に折り曲げて形成されるとともに、前記励磁用コイルが巻かれた前記一方のワイヤ状部材におけるＵ字状の側辺部と前記検出用コイルが巻かれた前記他方のワイヤ状部材におけるＵ字状の側辺部とが交互に且つ並列に並んで、応力測定の対象となる構造材に埋設されていることを特徴とする応力測定センサ。