(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）被測定物に対し第１の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップと、
（ｂ）センサを用いて上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することにより第１の測定値を得るステップと、
（ｃ）上記被測定物に対し第１の方向と直交する第２の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップと、
（ｄ）上記センサを用いて上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することにより第２の測定値を得るステップと、
（ｅ）第１の測定値と第２の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第１の測定値と第２の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求めるステップと、
を具備することを特徴とする応力測定方法。
【請求項２】
上記ステップ（ｂ）は、上記被測定物に対し第１及び第２の方向と異なる第３の方向に交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定するステップを含み、
上記ステップ（ｄ）は、上記被測定物に対し第３の方向に所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の応力測定方法。
【請求項３】
被測定物に対し互いに直交する第１の方向と第２の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するための消磁器と、
上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定するためのセンサと、
上記消磁器に電流を供給して減衰交流磁界を発生させ、上記センサに電流を供給して所定の交流磁界を発生させる１つ又は複数の発振器と、
上記被測定物を第１の方向に消磁した後で、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することにより第１の測定値を得るとともに、上記被測定物を第２の方向に消磁した後で、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することにより第２の測定値を得るように、少なくとも上記発振器を制御する制御回路と、
第１の測定値と第２の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第１の測定値と第２の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求める演算器と、
を具備することを特徴とする応力測定装置。
【請求項４】
上記センサの出力を増幅して、所定の交流磁界を発生させる電流に対して同期整流するための手段をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の応力測定装置。
【請求項５】
上記センサが、上記被測定物に対し第１及び第２の方向と異なる第３の方向に所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することを特徴とする請求項３又は４記載の応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鉄道レール等の鉄鋼製構造物あるいは鉄鋼製機械部品における応力を非破壊的に測定する方法及び装置に関する。特には、被測定物内の残留応力や、被測定物表面の塗料や被覆物、錆等の存在とは無関係に、より正確な応力測定を行うことができる磁気異方性センサを用いた応力測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
鉄鋼製品の応力測定においては、従来から磁気異方性センサ（Magnetic  Anisotropy  Sensor；略称ＭＡＳ）を用いる方法が知られている。この方法は、短時間で測定できるとか、測定装置が小型で安価であるとか、測定自由度が大きい等、多くの利点を有する。しかしその反面、被測定物の表面に塗料や被覆物、錆等があると、測定値がリフトオフに左右され易いという短所もある。なお、ここにいうリフトオフとは、センサの磁芯から被測定物までの距離をいう。
【０００３】
この種の応力測定装置の従来例としては、例えば本発明者による特公平６―９５０５２号公報を挙げることができる。この公報に開示された応力測定装置は、塗料や被覆物、錆等の有無にかかわらず、リフトオフと無関係に応力の測定を行えるものである。
【０００４】
上記公報の応力測定装置は、互いに直交する２つのコの字型磁芯を有する磁気異方性センサを備えている。同センサの一方の磁芯には励磁用コイル及びリフトオフ検出用コイルが巻かれており、他方の磁芯には磁位差検出用コイルが巻かれている。励磁用コイルは、発振器に接続されている。この発振器からは、励磁用コイルに定常電流が供給される。リフトオフ検出用コイルは、増幅器を介して整流器に接続されている。一方、磁位差検出用コイルは、増幅器を介して同期整流器に接続されている。この同期整流器では、磁位差検出用コイルの出力電圧を発振器の信号と同期して整流する。同期整流器及び整流器は、演算器に接続されている。この演算器では、同期整流器の出力電圧Ｖ1（δ，σ）と、整流器の出力電圧Ｖ2（δ）と、測定対象のない場合の整流器の出力電圧Ｖ2（∞）とから、出力比Ｖ1（δ，σ）／｛Ｖ2（δ）−Ｖ2（∞）｝を演算する。ここで、δはリフトオフを表し、σは応力を表す。この演算器に接続されている表示器に、演算器の出力が表示される。
【０００５】
この応力測定装置の磁気異方性センサによれば、励磁用コイル及びリフトオフ検出用コイルが巻かれた磁芯の先端と、磁位差検出用コイルが巻かれた磁芯の先端とのリフトオフの差を調節することができる。これにより、リフトオフ検出用コイルの出力と、磁位差検出用コイルの出力とにおいて、リフトオフ特性を一致させることができる。すなわち、リフトオフの差を調節することにより、演算器により演算される出力比Ｖ1（δ，σ）／｛Ｖ2（δ）−Ｖ2（∞）｝の値を、リフトオフに依存しないようにすることができる。
【０００６】
測定値（センサ出力値）Ｖと被測定物の応力σとの関係は、一般に非線形であり、グラフに描くと曲線になる。Ｖとσとの関係が曲線であると、曲線の各部位において応力感度χ（＝ｄＶ／ｄσ）が異なる。未知の残留応力が存在する被測定物に外力が作用している場合には、応力感度χが定まらないため、外力による応力σapが正確に測れない。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、磁気異方性センサを用いた応力測定において、残留応力及びリフトオフの影響を排除して、より正確な応力測定を行うことができる応力測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る応力測定方法は、（ａ）被測定物に対し第１の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップと、（ｂ）センサを用いて上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することにより第１の測定値を得るステップと、（ｃ）上記被測定物に対し第１の方向と直交する第２の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップと、（ｄ）上記センサを用いて上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することにより第２の測定値を得るステップと、（ｅ）第１の測定値と第２の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第１の測定値と第２の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求めるステップとを具備する。
【０００８】
本発明によれば、第１の測定値と第２の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第１の測定値と第２の測定値との差で割ることにより、被測定物における応力に対応する出力値が広い範囲で直線になる。このため、応力感度χが一定になり、残留応力の存在にかかわらず外力による応力σａｐを求めることができる。また、リフトオフδの項が消去されるので、リフトオフの影響も排除することができる。
【０００９】
上記応力測定方法においては、上記ステップ（ｂ）は、上記被測定物に対し第１の及び第２の方向と異なる第３の方向に交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定するステップを含み、上記ステップ（ｄ）は、上記被測定物に対し第３の方向に所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定するステップを含むことが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る応力測定装置は、被測定物に対し互いに直交する第１の方向と第２の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するための消磁器と、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定するためのセンサと、上記消磁器に電流を供給して減衰交流磁界を発生させ、上記センサに電流を供給して所定の交流磁界を発生させる１つ又は複数の発振器と、上記被測定物を第１の方向に消磁した後で、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することにより第１の測定値を得るとともに、上記被測定物を第２の方向に消磁した後で、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定することにより第１の方向における第２の測定値を得るように、少なくとも上記発振器を制御する制御回路と、第１の測定値と第２の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第１の測定値と第２の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求める演算器とを具備する。
【００１１】
上記応力測定装置においては、上記センサの出力を増幅して、所定の交流磁界を発生させる電流に対して同期整流するための手段をさらに具備することが好ましい。この同期整流するための手段により、一軸応力の正負（引張り・圧縮）を判別することができる。
【００１２】
また、上記応力測定装置においては、上記センサが、上記被測定物に対し第１及び第２の方向と異なる第３の方向に所定の交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る応力測定装置の測定器を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は下側から見た図である。
図１（Ａ）に示すように、測定器１は、消磁器２及び磁気異方性センサ（ＭＡＳ）３を含む。消磁器２は、例えば積層珪素鋼板やフェライト等からなる上下２つのコの字型磁芯５、６を備えている。上磁芯５と下磁芯６とは、第１及び第２の方向において互いに直交している。両磁芯５、６には、それぞれ消磁用コイル５Ａ、６Ａが巻かれている。ＭＡＳ３は、消磁器２の中心位置に配置されている。ＭＡＳ３には、図１（Ｂ）に示すように、第１の方向と４５°の角度をなすＸ方向に設けられた励磁用の磁芯４Ａと、Ｙ方向に設けられた検出用の磁芯４Ｂとが埋め込まれている。両磁芯４Ａ、４Ｂには、それぞれ励磁用コイルと検出用コイルが巻かれている。これら消磁器２及びＭＡＳ３は、測定器１のケーシング（図示されず）内に一体にモールドされている。
【００１４】
ここで、図２を参照しながら、ＭＡＳの測定原理について説明する。図２に示すように、主応力σ1、σ2の作用している測定対象上に四脚のＭＡＳが置かれているとき、励磁用磁芯４ＡのＥ1から出た磁束は測定対象の表層を広がってＥ2に向かう。その内の一部は、透磁率の大きい検出用磁芯４Ｂを通る経路（実線と破線の矢印で示す）を通ってＥ2に向かう。σ1＞σ2のとき、σ1方向の透磁率がσ2方向の透磁率より大きくなり、実線で示す磁束が破線で示す磁束よりも大きくなる。検出用磁芯中を通る磁束は、両磁束の差となる。ＭＡＳの出力に基づいて、主応力差σ1−σ2を測定することができる。
【００１５】
次に、図３を参照しつつ応力測定装置の全体の構成を説明する。
図３は、応力測定装置の全体構成を示すブロック図である。
この応力測定装置は、大別して以下の各構成要素からなる。
（１）消磁器２に接続された発振器１２
この発振器１２は、消磁器２の２つのコイル５Ａ、６Ａに、それぞれ所定の電流Ｉ1とＩ2を供給する。この発振器１２からの電流の供給により、消磁器２は、被測定物１０に対して、互いに直交する第１の方向（上磁芯５により生じる磁界の方向）と第２の方向（下磁芯６により生じる磁界の方向）とに、順番に減衰交流磁界をかけて消磁する。
【００１６】
（２）ＭＡＳ３に接続された発振器１３
この発振器１３は、ＭＡＳ３の励磁用コイルに所定の電流を供給する。この発振器１３からの電流の供給により、ＭＡＳ３は、被測定物１０が各方向に消磁された後で、被測定物１０に対し第１及び第２の方向と異なる第３の方向（図１（Ｂ）及び図２におけるＸ方向）に所定の交流磁界をかけて、検出用コイルにより第１の方向における磁化の強さを測定する。
【００１７】
（３）発振器１２、１３に接続された制御回路１５
この制御回路１５では、発振器１２から消磁器２に供給される電流を制御することにより、被測定物１０を第１の方向（上磁芯５により生じる磁界の方向）に消磁した後で、この被測定物１０に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定し、第１の測定値を得る。また、被測定物１０を第２の方向（下磁芯６により生じる磁界の方向）に消磁した後で、この被測定物１０に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定し、第２の測定値を得る。また、制御回路１５は、発振器１３からＭＡＳ３に供給される電流を制御する。ＭＡＳ３は、被測定物１０に対し第１の及び第２の方向と異なる第３の方向（図１（Ｂ）及び図２のＸ方向）に交流磁界をかけて、第１の方向における磁化の強さを測定する。そして、これらの測定値を演算器１８に出力する。
【００１８】
（４）ＭＡＳ３に増幅器１６を介して接続された同期整流器１７
ＭＡＳ３の出力は、増幅器１６により増幅された後、同期整流器１７において、発振器１３からＭＡＳ３に供給される励磁電流を基準として同期整流される。同期整流を行うことにより、一軸応力の正負（引張り・圧縮）を判別することができる。
【００１９】
（５）同期整流器１７に接続された演算器１８及び表示器１９
演算器１８は、制御回路１５において得られた第１の測定値と第２の測定値に基づき、これらの値の平均値から所定値を引き算して、その結果を第１の測定値と第２の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求める。演算器１８の演算結果は、表示器１９において表示される。
【００２０】
次に、上記の構成からなる応力測定装置を用いた応力測定方法について説明する。
図４（Ａ）は、ＭＡＳ出力と応力の関係を表す図であり、図４（Ｂ）は、消磁方向によるＭＡＳ出力の差を表す図である。
まず、残留応力のない鉄鋼試験片に対しては、ＭＡＳの出力Ｖと、負荷による一軸応力σapとの関係は、消磁方向θをパラメータとして、図４（Ａ）に示すような曲線になる。さらに、図４（Ａ）におけるθ＝０の場合の出力Ｖ1とθ＝π／２の場合の出力Ｖ2とに注目すると、これら両曲線の出力差は、応力の絶対値の小さいところでは大きく、大きいところでは小さい。これは、図４（Ｂ）に示すような分布曲線となる。残留応力のない鉄鋼試験片でこのようなＶ−σap曲線を求めておくと、同一の鉄鋼材料における未知の残留応力σrを含む全応力σ＝σap＋σrをＭＡＳで測定できる。
【００２１】
ところで、実際の鉄道レールは、輪重や横圧力等の繰り返し荷重を受け、応力履歴効果が存在する。鉄道レールの一軸応力を測定するような場合には、レールのウェブ（腹部）にＭＡＳを当てて行うが、レールの長手方向の各箇所で残留応力σrが異なるため、レールの一軸応力σapを正確に求めることが困難になる。
【００２２】
このことをさらに詳しく説明すると、鉄道レールのような残留応力σrが存在する被測定物に対して、外力による応力σapを加えると、図４（Ａ）の曲線の原点をずらしたものになる。この場合の二軸圧縮のグラフを図５（Ａ）に、一軸圧縮のグラフを図５（Ｂ）に示す。図４（Ａ）と図５とを比べると、同一の大きさの応力σapを加えたとき、図４（Ａ）の出力Ｖよりも図５（Ａ）及び（Ｂ）の出力Ｖの方が小さくなる。これは、Ｖとσapの関係が曲線であるため、曲線の各部位で応力感度χ（＝ｄＶ／ｄσ；すなわち接線の傾き）が異なるからである。外力による応力σapも残留応力σrも共に応力であるため、ＭＡＳ３はこれらを区別して測定することができず、これらの和である全応力σ＝σap＋σrを測定してしまう。したがって、外力による応力σapを求める際には、残留応力σrが異なると、正確な測定値を得ることができない。
【００２３】
そこで、本発明に係る応力測定では、応力に対応するＭＡＳ出力値を広い範囲において直線にすることで、応力感度χを一定にし、残留応力の存在にかかわらず外力による応力をより正確に求めることを実現する。
これについて、図３及び図６を参照しながら説明する。まず、被測定物１０に測定器１を当てて、電源スイッチ（図示されず）をＯＮにする。そして、図６に示すように、最初のステップ（ａ）で、発振器１２から上磁芯５に電流を供給し、被測定物１０に対し上磁芯５により生じる磁界の方向（第１の方向）に減衰交流磁界をかけて消磁する。次に、ステップ（ｂ）で、発振器１３からＭＡＳの励磁用コイルに電流を供給し、被測定物１０に対し図１（Ｂ）のＸ方向（第３の方向）に交流磁界をかけて、第１の方向における磁化の強さを測定する。これらステップ（ａ）及び（ｂ）に要する時間は約１秒程度である。
【００２４】
次いで、ステップ（ｃ）では、発振器１２から下磁芯６に電流を供給し、被測定物１０に対し下磁芯６により生じる磁界の方向（第２の方向）に減衰交流磁界をかけて消磁する。次に、ステップ（ｄ）で、発振器１３からＭＡＳの励磁用コイルに電流を供給し、被測定物１０に対し図１（Ｂ）のＸ方向に交流磁界をかけて、第１の方向における磁化の強さを測定する。
そして、ステップ（ｂ）及び（ｄ）で得られた磁化の強さを、増幅器１６を介して同期整流器１７に出力し、さらに演算器１８に出力する。ここで、同期整流器１７においては、発振器１３からＭＡＳに供給される電流（ＭＡＳにおいて交流磁界を発生させる電流）に対して、ＭＡＳからの出力を同期整流する。これにより、一軸応力の正負（引張り・圧縮）を判別できる。
【００２５】
次いで、ステップ（ｅ）で、演算器１８により以下の演算処理を行う。
まず、消磁方向をθ、応力をσ、ＭＡＳの出力をＶ（θ，σ）とすると、θ＝０の場合の出力Ｖ1とθ＝π／２の場合の出力Ｖ2との平均値Ｖ（＝（Ｖ1＋Ｖ2）／２）は次式で与えられる。
【数１】
0003644628.tif 000002
ここでは、上磁芯５による出力を消磁方向θ＝０としてＶ（０，σ）と表し、下磁芯６による出力を消磁方向θ＝π／２としてＶ（π／２，σ）と表している。
【００２６】
ところが、実際のＭＡＳの出力Ｖ（θ，σ）は、本来の応力による出力Ｖｓに、被測定物の形状に依存する見掛けの出力Ｖｃが加えられている。したがって、Ｖは次式で与えられる。
【数２】
0003644628.tif 000003
さらに、本来の応力による出力Ｖｓは、リフトオフの距離δにも依存するため、ある測定方向における応力をＡ（σ）とすると、次式で表される。
【数３】
0003644628.tif 000004
ここに、Δは無視できる程度の定数（δの１／１０以下）を表す。
【００２７】
ここで、被測定物１０の測定部位がＭＡＳの寸法に比べて十分広い（約３倍以上）平面でない場合は、ＭＡＳの出力Ｖには、測定部位の曲率や測定部位近傍の端部の形状等により、見掛けの出力Ｖｃが含まれる。ところが、この見掛けの出力Ｖｃはリフトオフの距離δには鈍感であり、逆に本来の応力による出力Ｖｓはリフトオフの距離δに極めて敏感である。そこで、実際の測定の際にリフトオフの距離δを大きくとると（ＭＡＳを被測定物１０から少し離すようにする）、本来の応力による出力Ｖｓは無視できるほど小さくなり、図７に示すように、見掛けの出力Ｖｃのみが測定できる。したがって、ＭＡＳの出力Ｖから見掛けの出力Ｖｃを差し引くと、本来の応力による出力Ｖｓが得られる。
【００２８】
したがって、上述した消磁方向θ、応力σ及びリフトオフの距離δを考慮すると、一般的なＭＡＳの出力は、これらθ、σ及びδの関数として次式で表される。
【数４】
0003644628.tif 000005
なお、この式において、見掛けの出力ＶｃはＶ（θ，σ，∞）を意味する。
【００２９】
そこで、演算器１８では、リフトオフの距離δの影響をなくすために、第１の測定値Ｖ（０，σ，δ）と第２の測定値Ｖ（π／２，σ，δ）との平均値から見掛けの出力Ｖｃ＝Ｖ（θ，σ，∞）を引き算して、その結果を第１の測定値と第２の測定値との差｛Ｖ（０，σ，δ）−Ｖ（π／２，σ，δ）｝で割ることにより、被測定物における応力に対応する出力Ｕを演算する。
【数５】
0003644628.tif 000006
【００３０】
上式からわかるように、出力Ｕはリフトオフの距離δには依存しないことがわかる。これにより、ＭＡＳの出力は、図８に示すような直線化されたものとなる。すなわち、図４（Ａ）における消磁方向θ＝０とθ＝π／２に注目すると、これら両曲線の出力差は、図４（Ｂ）に示すように応力の小さいところでは大きく、大きいところでは小さい。そこで、これら両曲線の平均、すなわち中央の曲線で表される出力を各応力において出力差で割ることにより、図８に示すような広い範囲で直線化された関係を得ることができる。このため、応力感度χが一定になり、残留応力の存在にかかわらず外力による応力σapを求めることができる。
【００３１】
このＭＡＳの演算結果は、図６に示すステップ（ｆ）において表示器１９で表示する。なお、測定器１を当てて電源をＯＮにしてから、ステップ（ａ）〜（ｆ）を終了するまでのトータルの所要時間は、約２秒程度である。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、第１の測定値と第２の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第１の測定値と第２の測定値との差で割ることにより、被測定物における応力に対応する出力値が広い範囲で直線になって、応力感度χが一定になるので、残留応力や、被測定物表面の塗料や被覆物、錆等の存在とは無関係に、より正確な応力測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る応力測定装置の測定器を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は下側から見た図である。
【図２】ＭＡＳを用いた応力測定の原理を説明するための図である。
【図３】同応力測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図４】図４（Ａ）は、ＭＡＳ出力と応力の関係を表す図であり、図４（Ｂ）は、消磁方向によるＭＡＳ出力の差を表す図である。
【図５】図５（Ａ）は、二軸圧縮の場合のＭＡＳ出力と応力の関係を表す図であり、図５（Ｂ）は、一軸圧縮の場合のＭＡＳ出力と応力の関係を表す図である。
【図６】本実施形態に係る応力測定方法の測定手順を説明するための説明図である。
【図７】ＭＡＳ出力とリフトオフの関係を表す図である。
【図８】本発明を適用した場合のＭＡＳ出力と応力の関係を表す図である。
【符号の説明】
１  測定器                            ２  消磁器
３  磁気異方性センサ（ＭＡＳ）        ４Ａ、４Ｂ  磁芯
５、６  磁芯                          ５Ａ、６Ａ  消磁用コイル
１０  被測定物
１２、１３  発振器                    １５  制御回路
１６  増幅器                          １７  同期整流器
１８  演算器                          １９  表示器
【図１】
0003644628.tif 000007
【図２】
0003644628.tif 000008
【図３】
0003644628.tif 000009
【図４】
0003644628.tif 000010
【図５】
0003644628.tif 000011
【図６】
0003644628.tif 000012
【図７】
0003644628.tif 000013
【図８】
0003644628.tif 000014