JP3971661B2

JP3971661B2 - ベクトル磁気測定装置および測定方法

Info

Publication number: JP3971661B2
Application number: JP2002181145A
Authority: JP
Inventors: 敬介藤崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: JP2004028608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性材料を２方向の励磁コイルにより励磁して磁束密度（Ｂ）と磁界強度（Ｈ）とをベクトル量として測定するベクトル磁気測定装置および測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の単板試験装置などによる鉄および非鉄金属を含む磁性材料の磁気測定方法は、交番磁束条件下において磁界強度（Ｈ）と磁束密度（Ｂ）が平行であることを前提とするスカラー測定法であった。
しかし、異方性磁性材料の場合、磁化容易軸方向から印加磁界方向が傾くと、材料中で磁束密度（Ｂ）と磁界強度（Ｈ）とのベクトル方向が異なり、両者のベクトル間に空間的位相差が生じる。
【０００３】
従来の磁気測定法は前述のようにスカラー測定のため、その状態を測定できなかったため、材料の磁気特性を正確に測定することができなかった。
そこで、磁性材料を２方向の励磁コイルにより励磁して磁束密度（Ｂ）と磁界強度（Ｈ）とをベクトル量として測定するベクトル磁気測定装置が提案され、例えば、Journal of Materials Processing Technology 108(2001)225-231に具体的なベクトル磁気測定装置の構造が開示されている。
【０００４】
図１は、ベクトル磁気測定装置の全体構成を示す平面図である。
図１において、磁気特性を測定する８０ｍｍ×８０ｍｍ程度サイズの試料が、ベクトル磁気測定装置の中央にセットされる。
この試料の周辺の４方向に励磁コイルが設置されており、図１に示すＸ方向とＹ方向から同時に磁界を働かせる。
また、試料の周囲には、試料中の磁束密度（Ｂ）を設定するための図示されていないＢコイルと、磁界強度（Ｈ）を設定するための図示されていないＨコイルとが設置されており、試料のＸ方向およびＹ方向に任意の磁界をかけることができるようになっている。
【０００５】
さらに、試料の表面には、Ｘ、Ｙ方向の磁界強度（Ｈ_X，Ｈ_Y）および磁束密度（Ｂ_X，Ｂ_Y）を測定するセンサーが設置されている。
このような装置構成により、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向の磁束密度（Ｂ_X，Ｂ_Y）を変化させたときの磁界強度（Ｈ_X，Ｈ_Y）を測定して、Ｘ，Ｙの２方向の成分を有する磁束密度（Ｂ）と磁界強度（Ｈ）との関係を求めることができ、異方性を有する磁性材料の比透磁率（μ）などの磁気特性を正確に測定することができる。
【０００６】
しかし、従来のベクトル磁気測定装置では、Ｘ方向およびＹ方向の励磁コイルの各端子間にアナログの電圧を印加していたため、使用されているトランジスタの特性上の制約から、あまり大きな電圧を印加することができず、その結果、試料中の磁束密度（Ｂ）を１．０Ｔ以上にすることができないという問題点があった。
一方、実際に使用されている磁性材料が受ける磁束密度は平均１．５Ｔ程度に達しており、従来のベクトル磁気測定装置では、実際の使用環境下における磁気特性を正確に測定することができなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決し、異方性を有する磁性材料の実際の使用環境下における比透磁率などの磁気特性を正確に測定できるベクトル磁気測定装置および測定方法を提供することを課題とする。
具体的には、磁束密度が２．０Ｔ程度の鉄鋼素材における磁気飽和領域における磁気特性を正確に測定できるベクトル磁気測定装置および測定方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、励磁コイルにパルス状の電圧を印加することにより、試料中の磁束密度（Ｂ）を２．０Ｔ程度まで高めることができるベクトル磁気測定装置および測定方法を提供するものであり、その要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
【０００９】
（１）磁性材料を２方向の励磁コイルにより励磁して磁束密度（Ｂ）と磁界強度（Ｈ）とをベクトル量として測定するベクトル磁気測定装置において、前記励磁コイルの端子間に０Ｖ，＋Ｅ０Ｖ，−Ｅ０Ｖのいずれかのパルス状の電圧を印加し、磁束密度の指令値が磁束密度の測定値より大きいときには、前記励磁コイルの電圧が＋Ｅ０Ｖと０Ｖの状態のパルス状とし、磁束密度の指令値が磁束密度の測定値より小さいときには、前記励磁コイルの電圧が−Ｅ０Ｖと０Ｖの状態のパルス状とすることを特徴とするベクトル磁気測定装置。（２）磁性材料を２方向の励磁コイルにより励磁して磁束密度（Ｂ）と磁界強度（Ｈ）とをベクトル量として測定するベクトル磁気測定装置において、前記励磁コイルの端子間に０Ｖ，＋Ｅ０Ｖ，−Ｅ０Ｖの整数倍の整数種類のパルス状の電圧を印加することを特徴とするベクトル磁気測定装置。ここに、Ｅ０Ｖとは、一定の電圧値を意味し、任意に設定することができる値である。
【００１０】
（３）前記パルス状の電圧を、半導体素子を備えた電源装置により印加することを特徴とする（１）または（２）に記載のベクトル磁気測定装置。
（４）（１）乃至（３）記載のベクトル磁気測定装置を用いて磁束密度（Ｂ）と磁界強度（Ｈ）とをベクトル量として測定することを特徴とするベクトル磁気測定方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図２乃至図４を用いて詳細に説明する。
図２は、本発明に用いるパルス状の電圧を印加する電源装置を示す図である。
図２において、所定の磁束密度（Ｂ_XO、Ｂ_YO）となるようにＸ方向とＹ方向の励磁コイルに印加する電圧の指令値が与えられると、この指令値に基づいて、半導体素子のベース電流のＯｎ/Ｏｆｆ制御により、励磁コイルの端子間に印加する電圧の出力を０Ｖ，+Ｅ０Ｖ，-Ｅ０Ｖのいずれかのパルス状の電圧にすることができる。
【００１２】
このように、パルス状の電圧を印加することにより、従来のアナログによる電圧のようにトランジスタの特性上の制約から電圧の上限がないため、試料に鉄の磁気飽和領域に近い２．０Ｔ程度の磁束密度をかけることができる。
なお、図２の例では、半導体素子を直列に２個設置しているが、これを３個以上設置することにより、励磁コイルの端子間に０Ｖ，+Ｅ０Ｖ，-Ｅ０Ｖの整数倍の整数種類のパルス状の電圧を印加することができる。
図３は、励磁コイルに印加するパルス状の電圧を示す図である。
図３において、例えば、試料のＸ方向に所定の磁束密度Ｂ_XOをかける指令に対して、磁束密度の測定値Ｂ_XEが指令値Ｂ_XOより小さい場合には、Ｘ方向の励磁コイルに印加する電圧を＋Ｅ０Ｖとすることにより、磁束密度の測定値Ｂ_XEを指令値Ｂ_XOに近づけることができる。
【００１３】
逆に、磁束密度の測定値Ｂ_XEが指令値Ｂ_XOより大きい場合には、Ｘ方向の励磁コイルに印加する電圧を−Ｅ０Ｖとすることにより、磁束密度の測定値Ｂ_XEを指令値Ｂ_XOに近づけることができる。このパルス状の電圧の周期は２〜２０ｋＨｚが好ましく、精密な測定をするには磁束密度のサンプリング周期を小さくする必要がある。
この磁束密度のサンプリング周期を大きくする方法を以下に例示する。
磁束密度のサンプリング周期を一定にし、その間に、「電圧が＋Ｅ０Ｖと０Ｖの状態」または「電圧が−Ｅ０Ｖと０Ｖの状態」を設定する。
【００１４】
「電圧が＋Ｅ０Ｖと０Ｖの状態」は、磁束密度の指令値（Ｂ_XO、Ｂ_YO）が磁束密度の測定値（Ｂ_XE，Ｂ_YE）より大きいときに適用する。
また、＋Ｅ０Ｖと０Ｖの時間の比を、磁束密度の指令値と測定値との差が大きいほど、大きくすることによって、測定値を指令値に早く近づけることができる。
例えば、ｔ_+E0/ｔ₀＝ｋ（Ｂ_XO-Ｂ_XE），ただしｋ：定数とし、
０≦ｔ_+E0/ｔ₀≦１となるようにリミッタを設けることが好ましい。
【００１５】
逆に「電圧が-Ｅ０Ｖと０Ｖの状態」は、磁束密度の指令値（Ｂ_XO、Ｂ_YO）が磁束密度の測定値（Ｂ_XE，Ｂ_YE）より小さいときに適用する。
また、-Ｅ０Ｖと０Ｖの時間の比を、磁束密度の指令値と測定値との差が大きいほど、大きくすることによって、測定値を指令値に早く近づけることができる。
例えば、ｔ_-E0/ｔ₀＝ｋ（Ｂ_XO-Ｂ_XE），ただしｋ：定数とし、
０≦ｔ_-E0/ｔ₀≦１となるようにリミッタを設けることが好ましい。
この方法によって、磁束密度のサンプリング周期を大きくすることができる。
【００１６】
図４は、本発明に用いる所定の磁束密度を例示す図である。
図４において、Ｘ方向、Ｙ方向の磁束密度を図示した場合に、楕円状となる磁束密度を例示しており、この楕円の長軸をＢ_MAX，短軸をＢ_MIN，長軸に対する短軸の比をα、長軸のＸ軸からの傾きをφとする。
このようにして、所定の磁束密度Ｂ_XO，Ｂ_YOを設定し、試料に働く磁束密度がこの所定の値になるように励磁コイルにパルス状の電圧を印可し、このときの磁界強度（Ｈ_XE，Ｈ_YE）を測定することによって、異方性を有する試料の磁気特性を正確に測定することができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、励磁コイルにパルス状の電圧を印加することにより、電圧の大きさの制約をなくし、異方性を有する磁性材料の実際の使用環境下における比透磁率などの磁気特性を正確に測定できるベクトル磁気測定装置および測定方法を提供することができる。
具体的には、磁束密度が２．０Ｔ程度の鉄鋼素材における磁気飽和領域における磁気特性を正確に測定できるベクトル磁気測定装置および測定方法を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ベクトル磁気測定装置の全体構成を示す平面図である。
【図２】本発明に用いるパルス状の電圧を印加する電源装置を示す図である。
【図３】励磁コイルに印加するパルス状の電圧を示す図である。
【図４】本発明に用いる所定の磁束密度を例示す図である。

Claims

磁性材料を２方向の励磁コイルにより励磁して磁束密度（Ｂ）と磁界強度（Ｈ）とをベクトル量として測定するベクトル磁気測定装置において、前記励磁コイルの端子間に０Ｖ，＋Ｅ０Ｖ，−Ｅ０Ｖのいずれかのパルス状の電圧を印加し、
磁束密度の指令値が磁束密度の測定値より大きいときには、前記励磁コイルの電圧が＋Ｅ０Ｖと０Ｖの状態のパルス状とし、磁束密度の指令値が磁束密度の測定値より小さいときには、前記励磁コイルの電圧が−Ｅ０Ｖと０Ｖの状態のパルス状とすることを特徴とするベクトル磁気測定装置。
磁性材料を２方向の励磁コイルにより励磁して磁束密度（Ｂ）と磁界強度（Ｈ）とをベクトル量として測定するベクトル磁気測定装置において、前記励磁コイルの端子間に０Ｖ，＋Ｅ０Ｖ，−Ｅ０Ｖの整数倍の整数種類のパルス状の電圧を印加することを特徴とするベクトル磁気測定装置。