JP7454165B2

JP7454165B2 - 磁性体材料計測プローブおよび磁性体材料計測装置

Info

Publication number: JP7454165B2
Application number: JP2022121772A
Authority: JP
Inventors: 弘紹菊池; 慶一松村
Original assignee: インフイテックエム株式会社
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2024-03-22
Anticipated expiration: 2042-07-29
Also published as: JP2024018428A

Description

本発明は磁性体材料計測プローブと磁性体材料計測方法ならびに磁性体材料装置に関する。

合金鋼などの軟磁性体金属の硬度や内部応力を計測する方法としてバルクハウゼンノイズを検出する方法が知られている。特許文献１は、磁性体材料の非破壊検査を目的として、被検物に磁界を発生させる励磁用コイルを巻き付けた磁性体材料製のU字形状の鉄心（ヨーク）である電磁石を含む磁界発生手段と、U字形状の電磁石を跨るように設置することでその受感軸が磁界発生手段の近く配置された磁界によって誘導される振れ信号を感受するための抗磁材料をベースとしたセンサと、その受感軸を磁性体である被検物の表面に実質的に垂直に配置した、抗磁材料をベースとしたセンサの抵抗の変動を感知する抗磁材料をベースとしたセンサに関する交信をする手段と、を備えるプローブを開示している。

バルクハウゼンノイズを検出するためには、被検物に発生させる磁界において、励磁手段であるヨークが磁束線方向に被検物と接触していることが重要である。ヨークと被検物との間に隙間（エアギャップ）があると、磁気抵抗が増加するため被検物への磁束供給が減少する結果、被検物から発生される漏れ磁束（バルクハウゼンノイズ）の検出が難しくなるからである。

特許文献２はエアギャップの影響を少なくするため、被検物を磁化する励磁コイルと磁化された被検物が発するバルクハウゼンノイズを検出するノイズ検出センサと、励磁コイルに磁化のための交流磁界を発生させる交流電流を供給する電源とを備えたバルクハウゼンノイズ検査装置において、ノイズ検出センサと被検物との間のエアギャップを検出するエアギャップ検出センサと、このエアギャップ検出センサの出力に基づきノイズ検出センサの出力を補正するセンサ出力補正手段を設けたバルクハウゼンノイズ検査装置を開示している。

ＵＳ２００２／００２４３３７Ａ１号広報特開２０１１―１９６９８０号広報

従来のバルクハウゼンノイズ検出装置は、被検物が平面であることが前提とされていた。本発明の目的は、被検物がタービンのブレード、歯車の歯元や歯底のように曲面の場合にもバルクハウゼンノイズを検出することができる磁性体材料計測プローブおよび磁性体材料計測装置を提供することである。

Ｕ字形のヨークと、ヨークの桁部に巻き付けた励磁コイルと、ヨークの２本の脚の端部近傍であって２本の脚の中間に配置されたＭＢＮセンサと、ヨークの２本の脚の端面に設置され被検物に接する側が磁束線方向と直交する２または３以上の楕円形状を有する磁性体である補助ヨークと、を含む磁性体材料計測プローブによって解決される。

また、ヨークの２本の脚の１本の脚の端部近傍に検出コイルをさらに設けたプローブでもよい。

さらに、交番電流発生装置と、電圧を増幅する手段と、周波数範囲を限定する手段と、出力波をディジタル変換してパワースペクトルを算出する手段と、プロセッサを有する制御部、とを含む磁性体材料計測装置であって、請求項２に記載の磁性体材料計測プローブと連慟して磁性体材料を計測する装置によって磁性体材料を計測しても良い。

本発明によって、被検物がタービンのブレード、歯車の歯元や歯底のように曲面の場合にもバルクハウゼンノイズを検出することができる磁性体材料の計測プローブおよび磁性体材料計測装置が提供される。

図１は本発明の１実施形態である磁性体材料計測プローブの斜視図である。図２は本発明の１実施形態のである磁性体材料計測装置のブロック図である。図３は本発明のための試験片の熱処理と硬度の一覧表である。図４は試験片に引張り又は圧縮荷重をかけていない場合における（以下、図５乃至図７において同じ）磁気バルクハウゼンノイズ（以下「MBN」と呼ぶ）計測値から算出した出力電圧実効値（以下「RMS値」と呼ぶ）の印加電流に対する変化を表すグラフである。図５は磁束密度と磁界の強さのヒステリシスを表すグラフである。図６は図４を基に得られる試験片の硬度とRMS値との関係を表すグラフである。図７は図５に基に得られる試験片の硬度と残留磁束密度（以下「保磁力」と呼ぶ）との関係を表すグラフである。図８は試験片に引張り又は圧縮荷重をかけた場合における（以下、図９において同じ）RMS値のひずみ依存性を表すグラフである。図９は実応力と計測応力との関係を表すグラフである。図１０は先端形状が異なるヨークを表す図である。図１１は先端形状が異なるヨークによる磁束密度と磁界の強さの関係を表すグラフである。図１２は本発明の１実施形態である磁性体材料計測装置によって磁性体材料の内部応力と硬度を計測する手順を示すチャートである。

図１および図２を用いて本発明の１実施形態を説明する。図１は磁性体材料計測プローブ１の斜視図を示す。磁性体材料計測プローブ１（以下、「プローブ１」と呼ぶ）はヨーク１０、補助ヨーク１１，励磁コイル１２、MBNセンサ１４、および検出コイル１７を含む。

ヨーク１０は桁１０ａと脚１０ｂ・１０ｃからなるＵ字型の積層板である。材質としてはケイ素鋼板、アモルファス、パーメンジュール、フェライトであれば良い。

補助ヨーク１１は、磁励磁コイル１２の励磁による束線方向Ｙの長さがヨーク１０の脚１０ｂ・１０ｃの磁束線方向Yの幅W・Ｗと同じで、補助ヨーク１１の幅は磁束線方向Yと直交するヨーク１０の奥行Bと同じである。補助ヨーク１１は補助ヨーク１１がヨーク１０に固定される面は平面であるが、反対側の面、すなわち補助ヨーク１１が被検物１００と接する面は磁束線方向Yでは直線で磁束線方向Yと直交する方向では２つの楕円形状の突起Pを有する面形状を有する。補助ヨーク１１の材質としては磁性体であれば良く、例えばパーメンジュールが好ましい。

ヨーク１０の桁１０ａには励磁コイル１２が巻き付けられる。励磁コイル１２は脚１０ｂ・１０ｃを挟んで桁１０ａの全長に渡って多重に巻き付けられる。コイル１２の両端１２ａ・１２ｂにはコの字形状のカラー１３・１３が挿設される。カラー１３は絶縁材料、例えばベークライトでも良い。

絶縁材料製の床板１６が、その底面をヨーク１０の脚１０b・１０cの底面１０ｂ１・１０c1と面一にして、脚１０ｂと１０ｃとの間に挿設される。底板１６の中央には貫通孔（不図示）が加工されている。床板１６の貫通孔にはＭＢＮセンサ１４の一部が挿設されている。ＭＢＮセンサの上に絶縁材料製の屋根板１５が脚１０ｂおよび１０ｃの間に挟まれて設置される。

脚１０ｂには間隔Ｇを空けて絶縁材料製のカラー１８・１８が挿設される。カラー１８・１８は、屋根板１５と干渉しない位置に設置される。間隙Ｇには検出コイル１７が巻き付けられる。なお、カラー１８・１８および検出コイル１７は脚１０ｃに設置されても良い。

補助ヨーク１１がヨーク１０の脚１０ｂ・１０ｃの底面１０ｂ１・１０ｃ１に接着材等で固定される。

プローブ１にはMBNセンサ１４および検出コイル１７の出力信号を増幅する増幅器（不図示）と、MBNセンサ１４に対しては１００kHz以下の信号を遮断するハイパスフィルタ（不図示）、検出コイル１７に対しては１００kHz以上の信号を遮断するローパスフィルタ（不図示）が設けられている。なお、MBNセンサ１４は空芯コイルでも鉄心コイルでも良く、ホールセンサでも良い。

図２は、磁性体材料計測装置２（以下「計測装置２」と呼ぶ）の計測ブロック図である。計測装置２はプローブ１およびプローブ１と連働する応力計測システム装置３（以下「システム装置３」と呼ぶ）からなる。システム装置３は交番電流発生装置２１、増幅器２２、バンドパスフィルタ２３、FFTアナライザ２４およびこれらのハード機器を制御する制御部２５を備える。制御部２５はプロセッサ（不図示）、記憶装置および揮発性メモリ（不図示）を含む。さらに、操作用画面や解析結果を表示するディスプレイ（不図示）を設置するとよい。なお、結線A・B・Cはそれぞれ単にプローブ１とシステム装置３のそれぞれの構成要素との関係を示すに過ぎない。

つぎに図３乃至図１０によって計測装置２によって被検物の内部応力および硬度を計測するためのデータを得る方法を説明する。図３は試験片の熱処理温度と熱処理後に実測した硬度の一覧表である。焼入れによって材料の硬さを高くすることが求められる機械部品を想定して、試験片は引張りまたは圧縮試験をするためＪＩＳ規格のＪＩＳＺ２２４１に規定される形状に加工された。材質としてはＪＩＳ規格のＳＵＳ４２０Ｊ１相当のステンレス鋼板材を使用した。なお、図４～図１０はプローブ１に補助ヨーク１１を設置しない状態で計測した結果である。

図３に示すように試験片は焼入れしたままの硬いもの（試験片No１）から焼き鈍しによって硬さを変えた試験片の７つである。引張り又は圧縮荷重を加えた計測を行う場合には試験片にストレンゲージを貼り付けてMBN等と同時にひずみも計測した。

図４は、ひずみ０の場合のMBN計測出力からRMS値を計算し印加電流に対してプロットしたグラフである。硬度の違いによりRMS値のピークとなる電流が異なることが示される。

図５は、ひずみ０の場合の検出コイル１７で検出した磁界の強さと被検物の磁束密度の関係を示したグラフである。

図６は、図４のデータをもとに試験片のＲＭＳ値と硬度の関係を示したグラフである。図６に示すように被検物の硬度とＲＭＳ値とは相関している。

図７は、図５のデータをもとに試験片の保磁力と硬度の関係を示したグラフである。図７が示すように被検物の保磁力と硬度とは比例関係にある。

図８は、試験片に引張り又は圧縮荷重を加えて上記の図４乃至図７に相当するデータ（不図示）を計測すると同時に、ストレンゲージとホイーストンブリッジ（不図示）によってひずみを計測したデータ（不図示）をもとに試験片のRMS値とひずみとの関係を示した図である。図８よりRMS値は近似的にはひずみに対して直線的に変化するといえる。

図７の結果によると供試材料のＳＵＳ４２０Ｊ１相当材料においては、保磁力Ｈｃと硬度Ｈｖとは式（１）の関係がある。
Ｈｃ＝１７．７７４Ｈｖ ― ４４９０．６（１）
また、ＲＭＳ値は応力と比例関係を示すので式（２）で表現できる。
ＲＭＳ＝ｍ×εｉ＋ｎ（２）
ただし、εｉはひずみであり、ｍ、ｎはそれぞれ直線の傾きと切片であるが、これは硬度とそれぞれ式（３）、（４）の関係を有する。
ｍ＝ ―０．０００３５２１５Ｈｖ＋０．１９８３２（３）
ｎ＝０．０３９０９９Ｈｖ＋４７．２７８（４）
式（１）、（２）よりそれぞれ式（５）、（６）に変形できる。
Ｈｖ＝（４４９０．６＋Ｈｃ）÷ １７．７７４（５）
εｉ＝（ＲＭＳ ― ｎ）÷ ｍ（６）

保磁力Ｈｃを測定すれば、硬度Ｈｖが決定でき、そのＨｖを用いれば式（３）、（４）よりｍ、ｎが求まるので式（６）よりひずみが決定できる。よって、式（７）により応力を決定できる。
σ ＝２×Ｅ×εｉ÷Ｋ_Ｂ［ＰＡ］（７）
ここで、Ｋ_Ｂはゲージ補正係数、Ｅはヤング率である。

図９は、試験片Ｎｏ．１～Ｎｏ．７について計測装置２で計測した応力（「計測応力」と呼ぶ）とストレンゲージで測定した応力（「実応力」と呼ぶ）との関係を示す。計測応力はおおむね３０～５０MPaの誤差で実測応力に一致する結果となっている。

図１０は、補助ヨークの形状を３パターンとしたプローブ１の側面図を示す。説明のためプローブ１の構成を簡略化して図示した。図１０（a）は、被検物１００に接する側の形状を磁束線方向Ｙ（図１参照）に直交する１つの楕円の一部（「楕円形状」と呼ぶ。）とした場合、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は同様に２つの楕円形状とした場合の補助ヨーク１１である。る図１０（a）、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）の補助ヨーク１１をそれぞれ「１線接触」、「２線接触１」および「２線接触２」と呼ぶことにする。

２線接触１と２線接触２との違いは、２線接触２の楕円の短径が０．７５であるのに対して２線接触１の楕円の短径は１．５と大きいということである。

図１１は、ＦＥＭ解析により被検物の磁束密度と磁界の強さを計算したグラフである。
被検物の表面を平面としているので、１線接触のプローブは従来のプローブで曲面の被検物のMBNを検出することに相当する。また、補助ヨーク１１の効果を確認するため、従来のプローブで被検物１００を励磁した場合も計算した（図１１の「平面接触」がこれに相当する）。

図１１（a）は被検物の磁束線方向Yの磁束密度分布の計算結果を示す。平面接触の場合が最も大きな磁束供給が可能であり被検物１００の内部の磁界も大きい。

１線接触と２線接触１および２線接触２とを比較すると、２線接触の磁束は１線接触の場合と比べてやや減少しているが、ＭＢＮ検出には実用上は問題ないレベルである。

２線接触同士で比較すると２線接触２の場合は２線接触１よりもより多くの磁束を供給している。これは、これは２線接触２の方がヨーク１１の中実な面Ｘと被検物１００とのエアギャップＶが小さいためと考えられる。

図１１（ｂ）は被検物の磁束線方向Yの磁界の分布の計算結果である。平面接触と場合と比較して１線接触および２線接触は大幅に低下している。１線接触と２線接触１および２線接触２の関係は図１１（a）と同様である。

図１２は計測装置２によって被検物１００の応力と硬度を計測するフローを示す。被検物１００にプローブ１を接触させて計測装置２を起動させると被検物を励磁して被検物１００から発せられるバルクハウゼンノイズを検出してＲＭＳ値を計算する（Ｓ－１）。

計測装置２はシステム装置３の記憶装置に記憶されているデータベースから被検物１００の材料に相当するＲＭＳ値と応力との関係から応力値を計算する（Ｓ－２）。

被検物１００の磁界の強さと磁束密度の計測値からヒステリシスカーブを計算し（Ｓ－４）、保磁力を計算する（Ｓ－５）。

システム装置３の記憶装置に記憶されているデータベースの被検物１００の材料の保磁力と硬度の関係から被検物１００の硬度を計算する（Ｓ－６）。

以上のように被検物１００の材質および熱処理条件ごとに図４乃至図８に相当する計測を行ってデータを蓄積することによって、磁性体であれば有りと有らゆる被検物の内部応力と硬度を計測することができる。

また、本発明のプローブおよび計測装置によれば、被検物１００の表面が曲面であっても被検物１００に磁束を十分供給することができるので実用上十分な精度で内部応力と硬度を計測することができる。

また、本発明のプローブによれば、励磁コイル１２および励磁コイル１２によって発生する被検物の磁束線（磁界）のMBNセンサおよび検出コイルへの磁気干渉が少ないのでプローブを手の平に入る程コンパクトなサイズに製作することができる。これにより対象材若しくは製品物材の大きさによらずMBN計測が可能な大量生産の製品であれば全数検査をすることができる。また、受注生産の大型製品や構造物であれば検査の手間を大幅に減らすことができる。

さらに本発明のプローブおよび計測装置によって計測できるのは、被検物の内部応力と硬度に限定されない。被検物の組織の転移、すなわちミクロな塑性変形を解析するためのデータを計測することができる。これによってタービンのロータや橋脚などの構造物の余寿命診断をすることができる。

１磁性体材料計測プローブ
２磁性体材料計測装置
３応力計測システム装置
１０ヨーク
１１補助ヨーク
１２励磁コイル
１４ＭＢＮセンサ
１７検出コイル
２１交番電流発生装置
２２増幅器
２３バンドパスフィルタ
２４ＦＦＴアナライザ
２５制御部
Ｙ磁束線方向

Claims

Ｕ字形のヨークと、前記ヨークの桁部に巻き付けた励磁コイルと、
前記ヨークの２本の脚の端部近傍であって前記２本の脚の中間に配置されたＭＢＮセンサと、
前記ヨークの２本の脚の端面に設置され被検物に接する側が磁束線方向と直交する２または３以上の楕円形状を有する磁性体である補助ヨークと、を含む磁性体材料計測プローブ。
前記ヨークの２本の脚のうちの１本の脚の端部近傍に検出コイルを巻き付けたことを特徴とする、請求項１に記載の磁性体材料計測プローブ。
交番電流発生装置と、電圧を増幅する手段と、周波数範囲を限定する手段と、出力波をディジタル変換してパワースペクトルを計算する手段と、制御部と、を含む磁性体材料計測装置であって、請求項１又は２に記載の磁性体材料計測プローブを備えて磁性体材料を計測する装置。
磁性体材料に磁界を発生させて飽和磁束密度を検出することによって、前記磁性体材料の硬度と飽和磁束密度との関係を表すデータを用いて、前記磁性体材料の硬度を計測する、請求項３に記載の磁性体材料計測装置。
磁性体材料に磁界を発生させてバルクハウゼンノイズを検出することによって、前記磁性体材料の内部応力を計測する、請求項４に記載の磁性体材料計測装置。
前記Ｕ字形のヨークと、前記ヨークの桁部に巻き付けた励磁コイルと、前記ヨークの２本の脚の端部近傍であって前記２本の脚の中間に配置されたＭＢＮセンサと、前記ヨークの２本の脚のうちの１本の脚の端部近傍に検出コイルを巻き付けた磁性体材料計測プローブにおいて、
前記励磁コイルの両端をそれぞれ絶縁部材で区画し、前記ＭＢＮセンサを前記ヨークの２本の脚と２つの絶縁部材で区画し、前記検出コイルの両端を絶縁部材で区画したことを特徴とする、請求項１に記載の磁性体材料計測プローブ。