JP3500966B2

JP3500966B2 - 応力測定方法及び近似関数の特定方法

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Publication number: JP3500966B2
Application number: JP16867598A
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: JP2000002600A

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 …（１）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（１）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（２）
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）] …（２）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、（２）式は下記の
（３）式に書き換え可能である。Ｖ＝Ｍ・（σ_X −σ_Y ）・ＣＯＳ[ ２・（θ−π／４）] …（３）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、（３）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、（３）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、図１６に示すように、励磁用ヨーク３に励磁用コ
イル２とは別のリフトオフ検出用コイル９を巻いた磁歪
センサ１を用いて応力を測定する方法が特開昭６２−１
２１３２５号公報、及び実願昭６３−３３６４７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
７に示すようなリフトオフとリフトオフ検出用コイル９
の起電力Ｖ_L （以下、「リフトオフ電圧」という）の関
係が求められる。

【００１９】ここで、図１７（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。また、図１７（ｂ）は、被測定物６としてＳＭ４９
０を適用した場合の具体例を示す図である。

【００２０】次に、この応力測定方法では、図１８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。
そして、求められた図１７と図１８とから、図１９に示
すリフトオフ電圧Ｖ_Lと磁歪感度Ｍの関係が求められ
る。

【００２１】ゆえに、被測定物６に作用している応力の
測定時には、まずリフトオフ電圧Ｖ_L が測定される。次
に、この測定されたリフトオフ電圧Ｖ_L と先で求めた図
１９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（３）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
磁用コイル及びリフトオフ検出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】本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。また、この際に検出用コイルに誘起される起電力の
出力波形に基づいて、応力に相当する電圧値を求める。
次に、リフトオフ検出用コイルに誘起される起電力と、
リフトオフ検出用コイルの起電力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、応力に相当する電圧
値を無次元化する。そして、この無次元化された応力に
相当する電圧値と、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
用されている応力を測定する。

【００２８】この発明において、例えば応力に相当する
電圧値は、検出用コイルに誘起される起電力の出力波形
を下記の（４）式であらわした際のパラメータＢが適用
される。

【００２９】Ｖ＝Ａ＋Ｂ・ＣＯＳ［２・（θ−Ｃ）］…（４）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：パラメータまた、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。

【００３０】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。

【００３１】

【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、Ψ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、Ψ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。

【００３２】なお、以下において、先に述べた図１４乃
至図１９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。

【００３３】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）。

【００３４】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１０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１１ａ、１１ｂが
取り付けられている。また、リフトオフ検出用コイル９
を有する磁歪センサ１の設置位置１２が指定されてい
る。さらに、ここでは較正試験片１０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。

【００３５】次に、関数特定処理においては、この較正
試験片１０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１０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１０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。

【００３６】次に、磁歪センサ１が較正試験片１０のセ
ンサ設置位置１２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１０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
１０の法線とほぼ平行に回転可能となる。

【００３７】次に、荷重負荷装置によって較正試験片１
０に任意の応力がＸ方向に負荷され（ｓ４）、この任意
のリフトオフを有する状態でのリフトオフ電圧Ｖ_L が磁
歪センサ１によって測定される（ｓ５）。この求められ
たリフトオフ電圧Ｖ_L は、リフトオフの値に対応付けさ
れて保持される。

【００３８】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１０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（ｓ６）。
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。

【００３９】この回転機構１３のハウジング１４内に
は、ピニオンギア１５とリングギア１６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１４内には、エンコーダを備えたＤＣサーボモー
タ１７が設けられている。Ｃリング１８はＤＣサーボモ
ータ１７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１９はＤＣサーボモータ１７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２０は、磁歪センサ１と較正試験
片１０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２０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。

【００４０】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（ｓ７）。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。

【００４１】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（４）式と同様のも
のとなる。Ｖ＝Ａ＋Ｂ・ＣＯＳ［２・（θ−Ｃ）］…（４）ここで、Ｖは検出コイル４に誘起される交流起電力の整
流値であり、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１０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。

【００４２】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（４）式によ
って近似される（ｓ８）。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１０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１０に
作用されている応力の主方向を特定可能である。

【００４３】定められたパラメータ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（ｓ９）。すなわち、このＶａ
は、磁歪センサ出力Ｖの主応力方向成分である。

【００４４】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。

【００４５】次に、この起電力Ｖａ測定時における較正
試験片１０の負荷応力がひずみゲージによって求められ
る（ｓ１０）。上記のような磁歪センサ出力Ｖの主応力
方向成分Ｖ_a を求める処理は、較正試験片１０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（ｓ１１）。

【００４６】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（ｓ１２）。

【００４７】そして、変化後の新規のリフトオフに対す
るパラメータ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（ｓ１３）。

【００４８】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。

【００４９】また、図６（ｂ）は、較正試験片１０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．
０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍの場合を例示してい
る。

【００５０】通常、磁歪効果の逆効果を考慮すると、較
正試験片１０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。

【００５１】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１０の残留応力は−ΔＸとなることが分かる。

【００５２】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（ｓ１４）。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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Ｖ₁ 〜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。

【００５６】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
１５）。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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（ｓ１６）。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。

【００６０】一方、図１０（ｂ）は、較正試験片１０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。

【００６１】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（ｓ１７）。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。

【００６２】続いて、近似関数Ψ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
（ｓ１８）。

【００６３】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、先において測定されたリ
フトオフ毎のリフトオフ電圧と、求められたリフトオフ
毎のＶ_max の関係が求められる（ｓ１９）。

【００６４】図１２は、このリフトオフ毎のリフトオフ
電圧と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１０として厚さ２０ｍｍのＳＭ４
９０を用いた場合の具体例を示している。

【００６５】次に、この図１２に示すリフトオフ電圧に
対する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Ψが定義される（ｓ２０）。こ
の近似関数Ψ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。

【００６６】そして、得られた近似関数φ、Ψ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
１）。以上のように、関数特定処理においては、リフト
オフ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Ψ、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。

【００６７】次に、この近似関数Ψ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。

【００６８】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（４）式に近似されてパ
ラメータＢ、Ｃが求められ（ｔ２）、また磁歪センサ１
によってリフトオフ電圧ＶLが測定される（ｔ３）。

【００６９】ここで、この求められたパラメータＢ、Ｃ
はそれぞれＢ_s 、Ｃ_s であるとする。また、測定された
リフトオフ電圧Ｖ_L はＬ_s であるとする。このとき、下
記の（１４）式に示すように、リフトオフ電圧ＬとＶ
_max の関係を示す近似関数Ψに、測定したリフトオフ電
圧Ｌ_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（ｔ４）。

【００７０】（Ｖ_max ）_s ＝Ψ（Ｌ_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（ｔ５）。

【００７１】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（ｔ６）。

【００７２】（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。

【００７３】したがって、被測定物の主応力方向成分の
応力差（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、リフトオフか
らＶ_max を求める近似関数Ψ、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。

【００７４】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、リフ
トオフ起電力、及び近似関数φ、Ψとから応力が求めら
れる。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】

【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検
出用コイルに誘起される起電力の出力波形に基づいて応
力に相当する電圧値を求め、この応力相当電圧値を無次
元化し、この無次元化された応力相当電圧値に基づい
て、応力を測定する。

【００７８】この上記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】リフトオフ毎のリフトオフ電圧と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】リフトオフ検出用コイルを備えた励磁用ヨー
クを示す斜視図。

【図１７】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１８】リフトオフと磁歪感度Ｍの関係を示す図。

【図１９】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…リフトオフ検出用コイル１０…較正試験片１１ａ、１１ｂ…ひずみゲージ１２…センサ設置位置１３…回転機構１４…ハウジング１５…ピニオンギア１６…リングギア１７…ＤＣサーボモータ１８…Ｃリング１９…ボールベアリング２０…リングスペーサ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】励磁用コイル及びリフトオフ検出用コイ
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Ｂ、Ｃのパラ
メータ値Ｂ_s、Ｃ_sを求め、前記リフトオフ検出用コイルに誘起される起電力Ｌ_sを
用い、リフトオフ検出用コイルの起電力Ｖ_L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Ψ（Ｖ_L）＝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＝Ψ（Ｌ_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】励磁用コイル及びリフトオフ電圧を測定
するためのリフトオフ検出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、前記任意のリフトオフに対して前記磁歪センサによって
リフトオフ電圧を測定し、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
メータ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、前記任意のリフトオフ毎のリフトオフ
電圧とＶ_maxの絶対値との関係から、前記磁歪センサに
よって測定されたリフトオフ電圧からＶ_maxを求めるた
めの近似関数Ψ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の波形を前記第１式で表
した場合のパラメータＢ，Ｃの値Ｂ_s，Ｃ_sを求め、前記
磁歪センサによりリフトオフ電圧Ｌ_sを測定し、前記近似関数Ψに前記リフトオフ電圧Ｌ_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−σ
₂）_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求め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