(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象物の表面における応力を測定する応力測定装置であって、
被測定対象物に変動磁界を印加する磁界印可手段と、
被測定対象物表面に光を照射する光照射手段と、
被測定対象物表面からの反射光の偏光面角度を検出するための偏光面角度検出手段と、
前記偏光面角度検出手段により検出された偏光面角度より被測定対象物表面の応力を演算する表面応力演算手段と、
を具備し、前記表面応力演算手段にて、下記数式１に基づいて演算することにより、被測定対象物表面の応力を演算することを特徴とする表面応力測定装置。
【数１】
0005990808.tif 000007
【請求項２】
前記被測定対象物表面における光照射位置を移動させる光照射位置移動手段を備え、光照射位置を移動させながら前記被測定対象物表面の応力を測定することにより、被測定対象物表面の応力分布をマッピングすることを特徴とする請求項１に記載の表面応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面応力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種金属加工品は、その製造工程において、機械加工、鋳造、溶接、熱処理など、種々の加工を施される。その際、加工に伴って引張や圧縮の残留応力が生じ、加工品の強度や形状精度に悪影響を及ぼすことが多い。そのため、大きな力が作用すると思われる箇所や変形が生じては困る箇所については、残留応力の大きさを測り、不具合が生じないように対策を講じておく必要がある。
【０００３】
また、工具や伝動部品などの製品開発過程において、その製品の使用時にどのような応力が発生しているかについて詳細に調べることは、その性能を改良して新たな製品の開発する際に非常に有用である。また同様に、各種製品の開発段階における試作において外力に対する製品の表面応力の変化を測定することにより、その試作品の強度、耐久性等を評価することが可能となる。
【０００４】
このように、製品の応力測定は、製品の管理や新製品の開発等に必要不可欠な工程といえる。
【０００５】
現在、この応力測定の方法としては、歪ゲージを用いる方法が最も広く採用されている。歪ゲージを被測定対象物の表面に貼り付け、歪ゲージにて測定された歪量と被測定対象物のヤング率の値から応力を算出し、貼付部分の応力変化を読み取ることができる。特許文献１ではこの歪ゲージを用いた応力測定方法の一例が開示されている。しかし、この方法では、測定する箇所すべてに歪ゲージを貼りつける必要があり、測定に大きな労力が必要となる問題がある。加えて貼り付けに使用する接着剤や歪ゲージ自体の応力がバイアスとして加わってしまう問題もある。また歪の変化から応力を測定する方式であるため残留応力は測定できないという問題がある。
【０００６】
また、その他の応力測定方法として、赤外線による応力測定方法の一例が特許文献２に開示されている。この方法は、被測定対象物に繰り返し外力を与えた際の熱弾性効果に基づく被測定対象物表面の温度変化を測定することで、応力を測定する方法である。この方法では、応力分布を簡易的に測定することが可能ではあるが、被測定対象物の変形を前提とする測定方法であり、非破壊検査を要する用途では使えないという問題がある。また、残留応力の測定も原理上不可能である。
【０００７】
また、その他の応力測定方法として、Ｘ線解析による応力測定方法の一例が特許文献３に開示されている。この方法は、多結晶体材料において、その内部結晶の格子間距離が応力によって変化することを利用し、Ｘ線解析により被測定部材上Ｘ線照射表面の結晶格子面間距離の変化を読み取り、その変化からＸ線照射表面の表面応力の大きさを測定する方法である。この方法では、非破壊的かつ微小な領域の測定が可能であるが、高角度で回析する適切な結晶面が表面に存在していないと測定が難しいという問題がある。また、非晶質の測定は行うことができない。加えて、Ｘ線を使用する機器であるため、使用にある程度の法的制限があるとともに、装置の価格が高価になってしまう問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許公開２００２−２２５７９
【特許文献２】特許公開２００１−９１３７１
【特許文献３】特許公開２０１２−１３４２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記のごとき状況に鑑みてなされたものであり、非接触かつ安全に被測定対象物表面の応力を測定することが可能な表面応力測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決する請求項１に係る発明は、被測定対象物の表面における応力を測定する応力測定装置であって、
被測定対象物に変動磁界を印加する磁界印可手段と、
被測定対象物表面に光を照射する光照射手段と、
被測定対象物表面からの反射光の偏光面角度を検出するための偏光面角度検出手段と、
前記偏光面角度検出手段により検出された偏光面角度より被測定対象物表面の応力を演算する表面応力演算手段と、
を具備し、前記表面応力演算手段にて、数式１に基づいて演算することにより、被測定対象物表面の応力を演算することを特徴とする表面応力測定装置である。
【００１３】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の実施形態において、前記被測定対象物表面における光照射位置を移動させる光照射位置移動手段を備え、光照射位置を移動させながら前記被測定対象物表面の応力を測定することにより、被測定対象物表面の応力分布をマッピングすることを特徴とする表面応力測定装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、非接触かつ非破壊な手段により、安全かつ簡便に被測定対象物表面の応力を測定することができる。また、被測定対象物表面の微小領域の応力測定を行うことが可能であり、測定領域を移動させながら応力測定を行うことにより被測定部材表の応力分布のマッピングを行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一の実施形態
【図２】本発明の第二の実施形態
【図３】応力による異方性磁界の変化
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための第１の形態について、図１を使用して説明する。本発明は被測定対象物の表面における応力を測定する応力測定装置であって、被測定対象物１に変動磁界を印加する磁界印可手段２と、被測定対象物１表面に光を照射する光照射手段３と、被測定対象物１表面からの反射光９の偏光面角度を検出するための偏光面角度検出手段４と、前記偏光面角度検出手段４により検出された偏光面角度より被測定対象物１表面の応力を演算する表面応力演算手段５とから構成される。必要に応じて、既知である複数の材料の磁歪定数、無応力時異方性磁界の値を格納したデータ格納手段６が構成要素として加わる。また、多くの場合、光照射手段３から照射された入射光８の経路上に入射光８を偏光するための偏光フィルター１０が設置される。
【００１７】
本発明は被測定部材１が磁性体であることを前提としている。磁界印可手段２は、ソレノイドコイル、ヘルムホルツコイルまたは電磁石と、それらを駆動する励磁電源とから構成される。その形状は、被測定部材全体もしくは被測定対象物１表面の被測定領域に磁界を印加できるように設計されている必要がある。光照射手段３としては、レーザー発振器、単色光ランプを使用することができる。また、偏光面角度検出手段４としては、フォトダイオード、光電子増倍管などの光センサと回転偏光子とを組み合わせたものを使用することができる。より精度が必要な場合は、この構成にロックインアンプを加えるとよい。また、表面応力演算手段５としては、パーソナルコンピューター、組み込みマイコン、アナログ演算器などを使用する。また、データ格納手段６として、ハードディスク、光ディスク、半導体メモリなどの記憶媒体を使用する。
【００１８】
磁界印可手段２より、被測定対象物１に変動磁界を与えると、被測定対象物１表面の磁化が、この変動磁界により変化する。このとき、変動磁界は正弦波状もしくは三角波状であることが好ましい。この磁界中にある被測定対象物１に、光照射手段３より光を照射すると、その反射光９の偏光面は、被測定対象物１の磁化の大きさに比例して回転する。この偏光面の回転は「カー効果」として知られる現象である。この反射光９を、回転する偏光子を通して、光センサに入光させると、回転偏光子の角度と反射光の偏光面角度が一致する場合に、光センサへの入光量が最大となる。すなわち、この入光量が最大となる回転偏光子の角度を求めることにより、反射光９の偏光面角度を求めることができる。この偏光面角度の変化は磁化の変化に比例するため、測定された偏光面角度を表面応力演算手段５に入力することで被測定対象物１表面の磁化の大きさを算出することができる。
【００１９】
磁性体である被測定対象物１に応力が生じた場合、被測定対象物１内部の磁気異方性エネルギーが変化する。この応力によって変化する異方性エネルギーを磁歪異方性エネルギーといい、その大きさは数式３で表される。このエネルギー変化は、異方性磁界Ｈｋの変化として読み取ることができ、数式４の関係があることが知られている。これを変形することにより数式５が得られる。すなわち、被測定対象物１の磁歪定数と無応力時の異方性磁界の大きさが既知であれば、応力の変化を異方性磁界の変化として読み取ることが可能となる。
【００２０】
【数３】
0005990808.tif 000002
【００２１】
【数４】
0005990808.tif 000003
【００２２】
【数５】
0005990808.tif 000004
【００２３】
異方性磁界Ｈｋの大きさは図３のように定義される。ここで磁化Ｉの大きさは反射光の偏光面角度の変化に比例することを考慮すると、Ｈｋの値は数式６にて求めることができる。この数式６を数式５に代入すると、数式７が得られる。すなわち、変動磁界に対する偏光面の回転角度の変化と２つの定数α、βを表面応力演算手段５に入力することにより、数式１によって被測定対象物表面の応力を算出することができる。実際にはこの２つの定数α、βは、被測定対象物１の特性（飽和磁化、無応力時異方性磁界、磁歪定数）や磁界角度、光の入射角度、被測定対象物１の形状、磁界印可手段２の形状等の様々な因子によって変化する。事前に各測定条件を合わせた状態で、既知の応力を被測定材料に加えながら、測定を行っておけば、各測定条件における２定数α、βを定めることができる。
【００２４】
【数６】
0005990808.tif 000005
【００２５】
【数７】
0005990808.tif 000006
【００２６】
本発明を実施するための第２の形態について、図２を使用して説明する。基本的な構成は第１の形態と同様である。第２の形態では、第１の形態における構成要素に加えて、被測定対象物１表面における光照射位置を移動させる光照射位置移動手段７を備えている。光照射位置移動手段７としては、被測定対象物を取り付けることを可能としたＸＹステージ、ＸＹＺステージ、ＸＹθステージ、ＸＹＺθステージを想定している。または、光照射手段３の照射方向を変化させる照射角度調節機構を光照射位置移動手段７として用いてもよい。これら光照射位置移動手段７は、自動制御で光照射位置を移動させることが可能であることが望ましい。光照射手段３の照射方向を変化させて光照射位置を移動させる場合は、その反射光９をトラッキングする必要があるため、偏光面角度検出手段４に自動トラッキング可能な位置制御装置を組み合わせる必要がある。
【００２７】
第２の形態における応力測定のプロセスは、第１の形態と同様であるが、光照射位置を移動させながら前記被測定対象物表面の応力を測定することにより、被測定対象物表面の応力分布をマッピングすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によれば、非接触かつ非破壊な手段により、安全かつ簡便に工業製品の表面応力を測定することができ、耐久性試験や新製品の開発に有用である。また、オンサイト型の機器とすることにより、すでに建造済の建築物の構造材や配管などの疲労試験や補強が必要な個所の発見等に役立てることができると考えられる。
【符号の説明】
【００２９】
１  被測定対象物
２  磁界印可手段
３  光照射手段
４  偏光面角度検出手段
５  表面応力演算手段
６  データ格納手段
７  光照射位置移動手段
８  入射光
９  反射光
１０  偏光子
【図１】
0005990808.tif 000008
【図２】
0005990808.tif 000009
【図３】
0005990808.tif 000010