(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘ、ｙ、ｚ軸方向に配列され、地球磁場を除去する３軸ヘルムホルツコイルと、
前記ヘルムホルツコイル内の中央に設けられ、前記３軸ヘルムホルツコイル内に形成された磁場を測定する３軸磁気センサと、
測定された磁場に応じて、前記３軸ヘルムホルツコイルに前記測定された磁場を相殺させる相殺電流を供給する第２電源供給部と、
前記３軸ヘルムホルツコイル内に挿入及び設置された可変直流磁場印加コイルと、
前記可変直流磁場印加コイル内に挿入及び設置された周波数可変交流磁場印加コイルと、
前記周波数可変交流磁場印加コイル内に挿入及び設置され、被試験体である試験片が挿入及び設置される磁気音響共鳴信号検出コイルと、
前記周波数可変交流磁場印加コイルに交流電流信号を印加する信号発生器と、
前記可変直流磁場印加コイルに直流電流信号を印加する第１電源供給部と、
前記磁気音響共鳴信号検出コイルで検出される磁気音響共鳴周波数を測定する信号測定部と、
前記磁気音響共鳴周波数を用いてヤング率を計算し、前記第２電源供給部に前記相殺電流を供給するように命令する計算手段と、を含む外部磁気擾乱を最小化したヤング率変化量測定装置。
【請求項２】
前記第１電源供給部は、前記可変直流磁場印加コイルに直流電流を段階的に増加させて前記試験片に加えられる磁場を変化させ、
前記第２電源供給部は、直流及び交流電流信号の両方を供給する、請求項１に記載の外部磁気擾乱を最小化したヤング率変化量測定装置。
【請求項３】
前記ヤング率を下記の数式により算出する、請求項１または２に記載の外部磁気擾乱を最小化したヤング率変化量測定装置。
Ｅ＝４ｌ２ｆｒ２ρ
（ここで、Ｅ：磁気音響共鳴周波数（ｆｒ）に依存したヤング率、ｌ：試験片の長さ、ｆｒ：磁気音響共鳴周波数、ρ：密度）
【請求項４】
前記計算手段は、前記３軸磁気センサ、第１電源供給部、第２電源供給部、信号発生器、信号測定部のうち少なくとも何れか一つと信号を送受するためのアナログ-デジタル変換手段を含む、請求項１または２に記載の外部磁気擾乱を最小化したヤング率変化量測定装置。
【請求項５】
前記３軸ヘルムホルツコイルの各軸のコイルは二つの同軸コイルで構成され、前記二つの同軸コイルは前記同軸コイルの半径だけ離隔されて位置される、請求項１または２に記載の外部磁気擾乱を最小化したヤング率変化量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部磁気擾乱（external magnetic disturbance）を最小化したヤング率変化量測定装置に関し、より詳細には、地球磁場と磁性体器具及び機器によるバイアス効果を除去し、磁気音響共鳴法を利用して磁場下でのヤング率（弾性係数：elastic modulus）の変化（△Ｅ）を測定するヤング率変化量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、地球磁場の変化量を減少させて無磁場空間を形成するために、高透磁率の磁性材料を用いて磁気遮蔽(magnetic shielding)させる方法(以下、磁気遮蔽方法)と、外部磁場の変化量を測定して、大きさが同じで方向が反対である磁場を印加して磁場を相殺(magnetic field compensation)させる方法(以下、磁場相殺方法)などが提示されている。
【０００３】
このうち後者の例として、図１に示すような装置が挙げられる。図１は地球磁場相殺装置において直流磁場相殺部の構造を示している。直流電流源を用いて、各方向のヘルムホルツコイルに地球磁場と大きさが同じで方向が反対である磁場を発生させて、直流地球磁場成分が相殺された空間を作る。
【０００４】
そのために、非磁性棟１０には、大型の３−軸ヘルムホルツコイル装置１０２、１０４、１０６がそれぞれ垂直、南北、東西方向に調整されて設けられ、この建物から南側に５０ｍ離れた地点にある観測室１２には、小型のヘルムホルツコイル１２２、１２４、１２６がそれぞれの方向が一致するように調整されて直列に連結される。非磁性棟１０から北側に５０ｍ離れた測定室１４には、直流地球磁場を相殺させるための三つの電流源１４２、１４４、１４６が設けられている。
【０００５】
また、垂直成分を相殺させる二つのヘルムホルツコイルの間のコイル定数を一致させるために、分流抵抗（ＲＶ）、南北方向（Ｎ−Ｓ）に連結された分流抵抗（ＲＮ）、東西方向（Ｅ−Ｗ）に連結された分流抵抗（ＲＥ）が用いられている。また、東西方向は精密磁場発生器であるソレノイドと同じ方向であるため、ヘルムホルツコイルの中心部空間で均一度を向上させ、二つの大型のヘルムホルツコイルの間のコイル定数を一致させるために、分流抵抗（ＲＥ１，ＲＥ２）が用いられている。
【０００６】
それぞれのヘルムホルツコイルにおいて、直流成分と時間によって変わる成分を同時に相殺できるようにするために、直流コイルと、時間による変化分を相殺させるコイルとが同一のコイルボビンに巻取されている。
【０００７】
互いの相互干渉を排除するために、二つのヘルムホルツコイルは３０ｍ以上離隔されて設けられなければならず、二つのコイルの大きさは異なるが、コイル定数（電流による磁場の大きさ）は同じであり、互いに直列に連結されて、二個所の地球磁場を同時に相殺させる。
【０００８】
次に、時間によって変わる成分を除去するために、磁気共鳴測定器を用いて地球磁場の変化量に比例する磁気共鳴周波数を測定し、最初に設定した基準周波数と比較して、その周波数の差（磁場の差）に該当する電流（電圧）を位相比較部(phase comparator)を用いて発生させる。これをヘルムホルツコイルに印加して、地球磁場の大きさに比例する磁場を反対に発生させることにより、地球磁場を相殺させる。
【０００９】
図１に示す装置については、韓国登録特許第１０-０６０８１１０号(発明の名称:地球磁場相殺装置)に詳細に記述されているため、これ以上の説明は省略する。
【００１０】
ところが、このような従来技術によると、非磁性棟に如何なる外部的な影響も及ばないようにするために、非磁性棟は鉄などの磁性物質を用いずに建てられる建物でなければならない。
【００１１】
また、外部からの干渉を無くすために、非磁性棟は道路から一定距離以上離隔されていなければならないなどの空間的な制約がある。
【００１２】
従って、非磁性棟でない場所では、外部磁場だけでなく、磁性を有する周囲環境(例えば、家電製品、鉄骨建物などが挙げられる)によって磁気擾乱が発生しやすいという欠点がある。
【００１３】
また、軟磁性体(soft magnetic material)の場合、周囲のこのような磁性を有する電子製品、鉄骨構造などの影響を受けやすいため、高精度の測定が困難であるという欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記のような従来技術の問題点を解消するために、本発明は、地球磁場によるバイアス効果を除去するだけでなく、家電製品、鉄骨建物などの磁性による外部磁気擾乱を最小化することができる装置を提供することをその目的とする。
【００１５】
また、本発明は、外部磁気擾乱を最小化して、磁性材料(特に、軟磁性体)の磁場下でのヤング率の変化量を高精度に測定することができる装置を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するために、本発明によると、外部磁気擾乱を最小化したヤング率変化量測定装置が提供される。このヤング率変化量測定装置は、ｘ、ｙ、ｚ軸方向に配列され、地球磁場を除去する３軸ヘルムホルツコイルと、前記ヘルムホルツコイル内の一軸に設けられ、前記３軸ヘルムホルツコイルに形成された磁場を測定する３軸磁気センサと、測定された磁場に応じて、前記３軸ヘルムホルツコイルに前記測定された磁場を相殺させる相殺電流を供給する第２電源供給部と、前記３軸ヘルムホルツコイル内に挿入及び設置された３次コイルと、前記３次コイル内に挿入及び設置された２次コイルと、前記２次コイル内に挿入及び設置され、被試験体である試験片が挿入及び設置される１次コイルと、前記２次コイルに交流電流信号を印加する信号発生器と、前記３次コイルに直流電流信号を印加する第１電源供給部と、前記１次コイルで発生する磁気音響共鳴周波数を測定する信号測定部と、前記磁気音響共鳴周波数を用いてヤング率を計算し、前記第２電源供給部に前記相殺電流を供給するように命令する計算手段と、を含む。
【００１７】
ここで、前記２次コイルに交流電流信号を信号発生器を用いて印加し、信号の周波数を増加させながら磁気音響共鳴信号を測定する前記１次コイルでの出力信号を、信号発生器の信号を参照信号として測定すると、特定周波数で図７のような磁気音響共鳴信号を測定してヤング率を計算することができる。
【００１８】
この際、前記ヤング率は、下記の数式により算出されることができる。
【００１９】
Ｅ＝４ｌ２ｆｒ２ρ
（ここで、Ｅ：磁気音響共鳴周波数（ｆｒ）に依存したヤング率、ｌ：試験片の長さ、ｆｒ：磁気音響共鳴周波数、ρ：密度）
【００２０】
第１電源供給部は、前記３次コイルに印加される電流を段階的に増加させて前記試験片に加えられる磁場を変化させ、前記第２電源供給部は、直流及び交流電流信号の両方を供給することができる。
【００２１】
また、前記計算手段は、前記３軸磁気センサ、第１電源供給部、第２電源供給部、信号発生器、信号測定部のうち少なくとも何れか一つと信号を送受するためのアナログ-デジタル変換手段を含むことができる。
【００２２】
ここで、前記３軸ヘルムホルツコイルの各軸のコイルは二つの同軸コイルで構成され、前記二つの同軸コイルは前記同軸コイルの半径だけ離隔されて位置することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、３軸ヘルムホルツコイルを用いて外部磁気擾乱を最小化する空間を提供し、磁気音響共鳴(megneto-acoustic resonance)方式を用いてヤング率を測定して、磁場下でのヤング率の変化を測定することができる複数のコイル構造を有するヤング率及びヤング率変化量測定装置を前記空間に挿入することにより、外部磁気擾乱を最小化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術による地球磁場相殺装置の構成図である。
【図２】本発明の一実施例によるΔＥ（ヤング率の変化）効果によるヤング率変化量測定装置の構成図である。
【図３】図２に図示された信号測定部の構成図である。
【図４】図２のヤング率変化量測定装置において、ヘルムホルツコイル内に磁場がほぼ一定に維持されることを示すグラフである。
【図５】磁性材料が磁場に露出される場合に大きさが変化する状態を示す状態図である。
【図６】磁性材料と非磁性材料の応力-歪みの曲線を比較して示すグラフである。
【図７】本発明の一実施例による磁気音響効果を用いて発生した磁気音響共鳴周波数のグラフである。
【図８】本発明の一実施例による磁場の変化によるヤング率の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明する。
【００２６】
韓国の場合、地表面で地球磁場の大きさは約０．５Ｇ(Gauss)である。低い保磁力及び高い透磁率を有する磁性材料(例えば、非晶質材料)は、このような地球磁場によっても相当な磁化がなされる。その他にも、磁性材料(特に軟磁性体(soft magnetic material))は、磁性のある外部環境の影響も受ける。
【００２７】
図５は、磁気歪の例を示しており、ｉ)は温度がキュリー温度より高い場合(T>Tc)であり、磁区(magnetic domain)が任意(random)の方向に配列されることを示す。
【００２８】
図５のｉｉ）は、磁性体の温度がキュリー温度（Ｔｃ）より低く、外部に磁場がない場合、磁性体の自発磁化によって磁区(magnetic domain)が理想的に配列されることを示す。
【００２９】
図５のｉｉｉ）は、磁性体の温度がキュリー温度（Ｔｃ）より低く、磁性体が自発磁化された方向に垂直に外部から磁場が印加された場合、印加された外部磁場方向に磁区が配列されて磁気歪（△Ｌ２）が生じることを示す。これは、磁性体に外部からの物理的な応力(stress)が加えられなくても、歪み(strain)が生じるということを意味する。
【００３０】
図６は磁性材料(磁性体ともいう)と非磁性材料(非磁性体ともいう)の磁場下での応力−歪みの曲線を比較して示すグラフである。
【００３１】
図６には、非磁性材料或いは磁気的に飽和された(saturated)磁性体に対する曲線６００と、消磁された(demagnetized)磁性材料に対する曲線６１１が図示されている。消磁された磁性体の場合が、非磁性体或いは飽和された磁性体の場合より、同じ応力でより多くの歪みが誘導されることが分かる。これは、磁性体の場合、上述のように磁気歪が追加されたためである。磁性材料の曲線６１０、６１１は次のように区分されることができる。
【００３２】
（ａ）強い異方性の磁性材料６１１
（ｂ）弱い異方性の磁性材料６１０
【００３３】
即ち、勾配が（ａ）＞（ｂ）となるが、これは、強い異方性の磁性材料により強い異方性が作用するためである。
【００３４】
上記の図６に図示されたグラフに基づいてヤング率Eとヤング率の変化△Ｅを計算すると、下記の式で表することができる。
【００３５】
［数１］
0005472666.tif 000002
【００３６】
ここで、Ｅｄは消磁された状態でのヤング率であり、εｅｌは磁性に関わらず如何なる材料でも発生する弾性変形率であり、εｍｅは印加応力による磁区ベクトル(magnetic domain vector)の再配列に起因した値を示す磁気弾性歪であり、σは応力である。
【００３７】
［数２］
0005472666.tif 000003
【００３８】
ここで、Ｅｓは飽和された状態でのヤング率、或いは非磁性体のヤング率である。
【００３９】
数式１と数式２から、下記の式が導き出される。
【００４０】
［数３］
0005472666.tif 000004
【００４１】
△Ｅ／Ｅｅｆｆの値の例として、ニッケル（Ｎｉ）の場合は約６％であり、鉄の場合は１％より小さい。
【００４２】
従って、図６と上記の数式１〜数式３を参照すると、△Ｅは、消磁された磁性材料と飽和された磁性材料の応力−歪みの曲線において初期勾配の差である。
【００４３】
上述したように、磁性材料を高精度に測定するためには、地球磁場と外部磁場を除去して△Ｅ効果を測定しなければならない。
【００４４】
このようなヤング率変化量測定装置の構成を図２に図示する。
【００４５】
即ち、図２は本発明の一実施例によるヤング率変化量測定装置の構成図である。図面を参照すると、ヤング率変化量測定装置には、３軸ヘルムホルツコイル２７１、２７２、２７３、この３軸ヘルムホルツコイルに挿入される△Ｅ測定コイル２８０、ヘルムホルツコイルの内部の３軸磁気センサから出力される信号を測定するための３軸磁気センサ２３０、△Ｅ測定コイルに挿入される測定材料である試験片２９０からの信号を測定する信号測定部２４０、△Ｅ測定コイルに信号を提供する信号発生器２５０及び第１電源供給部２６０、３軸ヘルムホルツコイルに信号を提供する第２電源供給部２７０、測定部から出力される信号を受信し、供給部に信号を伝達するための多機能ＤＡＱボード（Multi-functional DAQ board）２１０が内蔵されたコンピュータ２００などが含まれる。これら構成要素について説明すると、次のとおりである。
【００４６】
３軸ヘルムホルツコイル２７１、２７２、２７３は、ｘ軸コイル２７１−２７１´、ｙ軸コイル２７３−２７３´、ｚ軸コイル２７２−２７２´などで構成される。ここで、ｙ軸コイル２７３´は図示されていない。ヘルムホルツコイルの場合、二つの同軸コイルをその半径だけ互いに離隔して位置させることにより、その間の磁場をほぼ一定にする。これを図４に図示する。
【００４７】
また、３軸ヘルムホルツコイル２７１、２７２、２７３の内部での磁場を測定するためには、３軸磁気センサ２３０が３軸ヘルムホルツコイル２７１、２７２、２７３の中央に備えられる。３軸磁気センサ２３０は、３軸（ｘ, ｙ, ｚ）ヘルムホルツコイル２７１、２７２、２７３の内部の磁場を測定する機能をする。この３軸磁気センサ２３０は、磁場の強度を測定して、これをDAQボード２１０を介してコンピュータ２００に伝送する。
【００４８】
従って、ヘルムホルツコイルの中央の磁場強度を３軸磁気センサ２３０で測定した後、ヘルムホルツコイルの中央の磁場と大きさが同じで方向が反対である磁場が生成されるように、多機能ＤＡＱボード２１０から第２電源供給部２７０に信号を伝送し、第２電源供給部はこの信号を電流に変換して３軸ヘルムホルツコイルに印加する。これにより、ヘルムホルツコイルの内部では外部磁気擾乱が相殺され、磁場値が「０」となる。より容易な理解のために、ｘ軸コイルのみを例として説明する。
【００４９】
（１）まず、ｘ軸コイル２７１、２７１´のコイル内の磁場を測定する。
【００５０】
（２）もし、測定された磁場が「０」でないと、第２電源供給部２７０はｘ軸コイル２７１、２７１´に電流を印加する。この際、電流は、上記の（１）で測定された磁場と大きさが同じで方向が反対となるように、方向と強度が調節される。勿論、これら調節値はコンピュータ２００により計算され、ＤＡＱ(Data Acquisition)ボード２１０を介して第２電源供給部２７０に伝送される。第２電源供給部２７０は、これを電流に変換してｘ軸コイル２７１、２７１´に流す。
【００５１】
（３）さらに、ｘ軸コイル２７１、２７１´のコイル内の磁場を測定する。
【００５２】
（４）測定された磁場が「０」となると、これは外部磁気擾乱が相殺されたことを意味する。
【００５３】
上記の（１）〜（４）の過程を、残りのｙ、ｚ軸コイル２７２、２７３にも同様に適用すると、３軸空間の磁気擾乱が相殺される。
【００５４】
図２について引き続き説明すると、この３軸ヘルムホルツコイル２７１、２７２、２７３内に△Ｅ測定コイル２８０が挿入及び設置される。この△Ｅ測定コイル２８０は、三つのコイル２８０ａ、２８０ｂ、２８０ｃ、即ち、磁気音響共鳴信号検出コイル２８０ａ、周波数可変交流磁場印加コイル２８０ｂ及び可変直流磁場印加コイル２８０ｃで構成される。
【００５５】
△Ｅ測定コイル２８０内の磁気音響共鳴信号検出コイル２８０ａ内に、被試験体である試験片２９０が挿入及び設置される。この試験片２９０は磁性材料であり、ワイヤ、厚膜などであることができる。
【００５６】
第１電源供給部２６０は、可変直流磁場印加コイル２８０ｃにＤＣ電流を印加する。
【００５７】
信号発生器２５０は、周波数可変交流磁場印加コイル２８０ｂにＡＣ電流信号を印加する役割をする。即ち、信号発生器２５０は、５０Ｈｚ〜３ＭＨｚの周波数を有するサイン波信号を発生させることができる。また、微細な磁場のみを発生させればよいため、電力増幅器は用いなかった。
【００５８】
信号測定部２４０は、磁気音響共鳴信号検出コイル２８０ａで検出された磁気音響共鳴信号を測定する役割をする。この信号測定部２４０は、ロックイン増幅器（Lock-In Amplifier）であり、磁気音響共鳴信号検出コイル２８０aで発生した信号と基準信号(ref)の周波数を互いに比較することによりノイズを除去し、所望の信号のみを測定する。この信号測定部２４０の構成図を図３に図示する。これについての説明は、本発明の明確な理解のために後述する。
【００５９】
周波数可変交流磁場印加コイル２８０ｂは信号発生器２５０に連結され、交流信号を受信するため、コイル２８０ａ内に交流磁場が生成される。これにより、試験片２９０も磁気弾性効果(magneto elastic effect)によって長さが伸び縮みを微細に繰り返すようになり、特定周波数で共鳴する。このような共鳴は、磁気音響共鳴信号検出コイル２８０ａで磁気音響共鳴信号として測定される。これを図７に図示する。
【００６０】
磁気音響共鳴信号検出コイル２８０ａで測定された磁気音響共鳴周波数７００と信号を、信号測定部２４０を用いて多機能ＤＡＱボード２１０で受信できる信号に調節した後、多機能ＤＡＱボード２１０に伝送する。前記多機能ＤＡＱボード２１０は、受信された信号をデジタルに処理して、処理された信号をコンピュータ２００に伝送する。
【００６１】
この際、この磁気音響共鳴周波数７００を用いてヤング率を計算することができ、下記の式で表することができる。
【００６２】
［数４］
Ｅ＝４ｌ２ｆｒ２ρ
【００６３】
ここで、Ｅは磁気音響共鳴周波数（ｆｒ）に依存したヤング率、ｌは試験片の長さ、ｆｒは磁気音響共鳴周波数、ρは密度である。
【００６４】
ヤング率Ｅが算出されると、△Ｅを測定することができる。△Ｅは、上述したように、可変直流磁場印加コイル２８０ｃに印加されるＤＣ電流信号を調節して測定することができる。即ち、より詳細に説明すると、図３において第１電源供給部２６０が可変直流磁場印加コイル２８０ｃにＤＣ信号を段階的に増加させると、磁気歪が発生して歪みが増加し、結果的に磁気音響共鳴信号検出コイル２８０ａで測定される磁気音響共鳴周波数が変わり、数式４によって計算されるヤング率も変化する。従って、数式４によって最初に計算されたヤング率Ｅと現在のヤング率Ｅとの差を計算すると、△Ｅが算出される。
【００６５】
即ち、磁場が変わるとヤング率も変化する。これをグラフで示した例が図８である。
【００６６】
図８のグラフにおいて、力率（弾性係数Ｅ）の単位はＧＰａ（ギガパスカル）またはｋｇ／ｍｍ２である。１Ｐａ＝９．８７＊ｅ−６ａｔｍ＝１．０２＊ｅ−５ｋｇｆ／ｃｍ２である。磁場の単位はＯｅである。１Ｏｅ＝７９．５８Ａ／ｍである。
【００６７】
次に、図３に図示された信号測定部２４０について説明する。この信号測定部２４０は、信号チャンネル部４００、ＰＳＤ部４１０、基準チャンネル部４２０で構成される。信号チャンネル部４００は、磁気音響共鳴信号検出コイル２８０ａからの信号入力である磁気音響共鳴周波数信号をフィルタリングしてノイズを除去する。基準チャンネル部４２０は、ＰＬＬ(Phase-Locked Loop)と位相シフタを備え、入力された基準信号(ref)を変更させる。
【００６８】
ＰＳＤ(Phase Sensitive Detector)部４１０は、フィルタリングされた磁気音響共鳴周波数信号と位相変位された基準信号の位相差によって出力信号を生成し、これをＤＡＱ（図２の２１０）を介してコンピュータ２００に伝送する。
【００６９】
以上、添付図面を参照して本発明の好ましい一実施例について説明したが、本発明の権利範囲はこのような実施例に限定されず、様々な変形例がありえるということは、当業者であれば理解するであろう。従って、本発明の範囲は添付の請求範囲とその均等物によって決まるべきである。
【図１】
0005472666.tif 000005
【図２】
0005472666.tif 000006
【図３】
0005472666.tif 000007
【図４】
0005472666.tif 000008
【図５】
0005472666.tif 000009
【図６】
0005472666.tif 000010
【図７】
0005472666.tif 000011
【図８】
0005472666.tif 000012