(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定材に端面を接触させた棒状の第１磁気コアと、当該第１磁気コアの外周に巻回された第１励磁コイルと、前記被測定材に比して十分に透磁率が大きい基準材に端面を接触させた前記第１磁気コアと同形の第２磁気コアと、当該第２磁気コアの外周に巻回された第２励磁コイルと、前記第１励磁コイルへ定電圧で交流通電する第１通電回路と、前記第２励磁コイルへ定電圧で交流通電する第２通電回路と、前記第１励磁コイルへの通電電流に応じた出力と前記第２励磁コイルへの通電電流に応じた出力の差の逆数に基づいて前記被測定材の透磁率を算出する演算回路とを具備する透磁率測定装置。
【請求項２】
外周に励磁コイルを巻回した棒状の磁気コアの端面を被測定材に接触させるとともに、外周に励磁コイルを巻回した前記磁気コアと同形の他の棒状の磁気コアの端面を前記被測定材に比して十分に透磁率が大きい基準材に接触させ、両励磁コイルにそれぞれ定電圧で交流通電して、この時の通電電流に応じた出力の差の逆数より前記被測定材の透磁率を算出することを特徴とする透磁率測定方法。
【請求項３】
棒状の第１磁気コアと、当該第１磁気コアの外周に巻回された第１励磁コイルと、前記第１励磁コイルへ定電圧で交流通電する第１通電回路と、前記第１磁気コアの端面を被測定材に比して十分に透磁率が大きい基準材に接触させて前記第１励磁コイルに前記第１通電回路により交流通電した際の通電電流に相当する出力を生じる疑似出力発生回路と、前記第１磁気コアの端面を前記被測定材に接触させた状態で前記第１通電回路により前記第１励磁コイルへ通電した際の通電電流に応じた出力と前記疑似出力発生回路の出力との差の逆数に基づいて前記被測定材の透磁率を算出する演算回路とを具備する透磁率測定装置。
【請求項４】
前記擬似出力発生回路の入力側に、前記第１磁気コアと同形の棒状の第２磁気コアの外周に巻回した第２励磁コイルに定電圧で通電する第２通電回路を接続した請求項３に記載の透磁率測定装置。
【請求項５】
外周に励磁コイルを巻回した棒状の磁気コアの端面を、被測定材に比して十分に透磁率が大きい基準材に接触させて前記励磁コイルに定電圧で交流通電した際の通電電流に相当する出力を疑似出力発生回路に発生させるとともに、前記磁気コアを被測定材に接触させて前記励磁コイルに定電圧で交流通電して、この際の通電電流に応じた出力と前記擬似出力発生回路の出力の差の逆数より前記被測定材の透磁率を算出することを特徴とする透磁率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は透磁率測定装置および透磁率測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオテープレコーダのマイクロシャフトのような小型部品の透磁率を精度良く測定するものとして例えば特開平３−２５５３８０号公報に記載のものが知られている。これは図１２に示すように、両端面を球面に成形した強磁性材よりなる棒状磁気コア９１の外周に励磁コイル９２を巻回して、これを交流電源９３に接続するとともに、励磁コイル９３を挟んで上下位置に、差動コイルを構成する一対の検出コイル９４Ａ，９４Ｂを巻回したものである。磁気コア９１の端面を図１２に示すように被測定材３に接触させ、この時の検出コイル９４Ａ，９４Ｂの出力信号を基準ベクトルの回転により位相解析して、これにより得られる透磁率に対応する電気信号を表示する。このような透磁率測定装置は、磁気コア９１の外径を小さくすることによって小型部品の局所的な透磁率を非破壊的に測定することが可能であり、材料欠陥等を容易に知ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来装置の磁気回路は磁気コア９１、被測定材３、および空気層で構成され、磁気回路の磁気抵抗Ｒmは下式（１）で表わされる。
【０００４】
Ｒm＝Ｌ1／（μ1・Ｓ）＋Ｌ2／（μ2・Ｓ）＋Ｌ3／（μ3・Ｓ）…（１）
【０００５】
ここで、Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3はそれぞれ磁気コア９１、被測定材３、空気層の磁路の長さであり、μ1，μ2，μ3はそれぞれ磁気コア、被測定材、空気層の透磁率、Ｓは磁路の断面積である。
【０００６】
ここで、空気層の透磁率μ3は磁気コア９１や被測定材３の透磁率μ1，μ2よりも二桁以上小さいため、被測定材３の透磁率が大きい領域では磁気回路の磁気抵抗が空気層の磁気抵抗にほぼ等しくなって特性が飽和する。このため、測定可能な範囲が透磁率の小さい範囲に限られるという問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するもので、空気層等の透磁率の影響を排することによって小型部品等の透磁率を小さい値から大きい値まで広い範囲で簡易かつ正確に測定することができる透磁率測定装置および透磁率測定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本第１発明の透磁率測定装置は、被測定材（３）に端面を接触させた棒状の第１磁気コア（１Ａ）と、第１磁気コアの外周に巻回された第１励磁コイル（２Ａ）と、被測定材に比して十分に透磁率が大きい基準材（４）に端面を接触させた上記第１磁気コアと同形の第２磁気コア（１Ｂ）と、第２磁気コアの外周に巻回された第２励磁コイル（２Ｂ）と、第１励磁コイル（２Ａ）へ定電圧で交流通電する通電回路（５Ａ）と、第２励磁コイル（２Ｂ）へ定電圧で交流通電する第２通電回路（５Ｂ）と、第１励磁コイル（２Ａ）への通電電流に応じた出力と第２励磁コイル（２Ｂ）への通電電流に応じた出力の差の逆数に基づいて被測定材の透磁率を算出する演算回路（８１，８３）とを具備している。
【０００９】
本発明において、第１通電回路と第２通電回路の通電電流に応じた出力の差をとると、この差出力中では空気層と磁気コアの透磁率がキャンセルされるから、空気層の小さな透磁率の影響を受けて被測定材の透磁率の測定範囲が制限されるという問題は生じない。そして、基準材の透磁率を被測定材の透磁率に比して十分大きくしたから、被測定材の透磁率は上記差電流の逆数に比例した値として一義的に定められる。さらに、磁気コアの外径を小さくすることによって小型部品の局所的な透磁率を測定することが可能であるとともに、磁気コアに励磁コイルだけを巻回すれば良いから、磁気コアを含む測定部全体の構造が簡易となる。
【００１０】
なお、本第１発明は以下の構成を有する測定方法としても実現することができる。すなわち、本発明の透磁率測定方法は、外周に励磁コイル（２Ａ）を巻回した棒状の磁気コア（１Ａ）の端面を被測定材（３）に接触させるとともに、外周に励磁コイル（２Ｂ）を巻回した上記磁気コア（１Ａ）と同形の他の棒状の磁気コア（１Ｂ）の端面を上記被測定材（３）に比して十分に透磁率が大きい基準材（４）に接触させ、両励磁コイル（２Ａ，２Ｂ）にそれぞれ定電圧で交流通電して、この時の通電電流の差の逆数より被測定材（３）の透磁率を算出するものである。
【００１１】
本第２発明の透磁率測定装置は、棒状の第１磁気コア（１Ａ）と、当該第１磁気コア（１Ａ）の外周に巻回された第１励磁コイル（２Ａ）と、第１励磁コイル（２Ａ）へ定電圧で交流通電する第１通電回路（５Ａ）と、第１磁気コア（１Ａ）の端面を被測定材（３）に比して十分に透磁率が大きい基準材（４）に接触させて第１励磁コイル（２Ａ）に第１通電回路（５Ａ）により交流通電した際の通電電流に相当する出力を生じる疑似出力発生回路（８５）と、第１磁気コア（１Ａ）の端面を被測定材（３）に接触させた状態で第１通電回路（５Ａ）により第１励磁コイル（２Ａ）へ通電した際の通電電流に応じた出力と疑似出力発生回路（８５）の出力との差の逆数に基づいて被測定材（３）の透磁率を算出する演算回路（８１，８３）とを具備している。
【００１２】
本第２発明においては、上記第１発明の効果に加えて、擬似出力発生回路を備えたことにより、基準材を測定装置内に設ける必要がなくなり、装置構成が簡略化される。
【００１３】
本第３発明では、本第２発明における上記擬似出力発生回路（８５）の入力側に、上記第１磁気コア（１Ａ）と同形の棒状の第２磁気コア（１Ｂ）の外周に巻回した第２励磁コイル（２Ｂ）に定電圧で通電する第２通電回路（５Ｂ）を接続する。
【００１４】
本第３発明においては、擬似出力発生回路の入力側に、第１磁気コアの側と同様の回路を設けることによって、その後の差出力を取った際に、温度変化に伴なう第１励磁コイルのインピーダンス変動や第１通電回路のドリフト変動等を相殺して補償することができる。
【００１５】
なお、本第２発明は以下の構成を有する測定方法としても実現することができる。すなわち、本発明の透磁率測定方法は、外周に励磁コイル（２Ａ）を巻回した棒状の磁気コア（１Ａ）の端面を、被測定材（３）に比して十分に透磁率が大きい基準材（４）に接触させて励磁コイル（２Ａ）に定電圧で交流通電した際の通電電流に相当する出力を疑似出力発生回路（８５）に発生させるとともに、磁気コア（１Ａ）を被測定材（３）に接触させて励磁コイル（２Ａ）に定電圧で交流通電して、この際の通電電流に応じた出力と擬似出力発生回路（８５）の出力の差の逆数より被測定材（３）の透磁率を算出する。また、鉛直方向からの磁気コア（１Ａ）の傾きを検出して励磁コイル（２Ａ）の出力電流を補正する手段（９，８６，８７）を設けることができる。
【００１６】
上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には、本発明の透磁率測定装置の全体構成を示す。図において、上下の端面を球面とした丸棒状のパーマロイ等よりなる磁気コア１Ａが設けられ、その下端部１１は、透磁率を測定すべき被測定材３の表面に接触している。この被測定材３の一例としては例えば炭素鋼材がある。磁気コア１Ａの外周には励磁コイル２Ａが例えば１６０回巻回してあり、この励磁コイル２Ａは通電回路５Ａによって定電圧の交流電源（例えば１ＫＨｚ）６に接続されている。また、通電回路５Ａには、これに流れる通電電流に応じた電圧を生じる電流−電圧変換器７Ａが設けられている。一方、予想される上記被測定材３の透磁率に比して十分に透磁率が大きい基準材４が設けられており、これの表面に、既述したものと同一構造の、励磁コイル２Ｂを巻回した磁気コア１Ｂの下端１１が接触させてある。基準材４の一例としては例えばフェライト、パーマロイがある。励磁コイル２Ｂは通電回路５Ｂによって上記交流電源６に接続されており、通電回路５Ｂには電流−電圧変換器７Ｂが設けられている。
【００１８】
磁気コア１Ａ，１Ｂは実際には図２に示すように、下端部１１のみを露出させて、下方へ開放する円筒状のセンサケース１２内に収納され、このセンサケース１２は、下方へ開放する円筒状の保持具１３内に収納されている。センサケース１２の頂壁と保持具１３の頂壁との間にはコイルバネ１４が配設されて、保持具１３から突出する方向へセンサケース１２を付勢している。このような構造により、図２に示すように、保持具１３の開口端面１３１を被測定材３ないし基準材４の表面に当てると、磁気コア１Ａ，１Ｂは被測定材３ないし基準材４の表面に対して垂直姿勢を保持し、かつその下端面はバネ力によって一定の力で被測定材３ないし基準材４の表面に接触させられる。この結果、透磁率の測定中に、被測定材３等に対する磁気コア１Ａ，１Ｂの姿勢変化や接触圧の変動を生じず、安定した測定が可能になる。
【００１９】
図１において、電流−電圧変換器７Ａ，７Ｂの出力は差動アンプ８１に入力し、て、両通電回路５Ａ，５Ｂに流れる通電電流Ｉａ，Ｉｂの差ΔＩがとられる。電流差信号は次段の交流−直流変換器８２に入力して直流電圧信号に変換され、続いて逆数演算器８３に入力して電流差の逆数（１／ΔＩ）に応じた信号が出力される。この電流差の逆数（１／ΔＩ）に応じた信号は後述のように被測定材３の透磁率μ2に比例したものとなっており、所定の係数を乗じることによって表示器８４上に被測定材３の透磁率μ2が表示される。
【００２０】
上記構成の透磁率測定装置において、磁気コア１Ａと被測定材３とで形成される磁気回路は空気層Ｒを含んで図３に示すようなモデルで表わすことができ、この磁気回路の磁気抵抗Ｒmは従来技術で説明したのと同様に上式（１）で表わされる。また、巻数Ｎの励磁コイル２Ａに周波数ｆの通電電流Ｉａを流すと、励磁コイル２Ａの両端電圧Ｖ（すなわち交流電源６の電圧）は下式（２）で表わされる。
【００２１】
Ｖ＝２π・ｆ・Ｎ2・Ｉａ／Ｒm…（２）
【００２２】
したがって、式（１）、式（２）より、通電電流Ｉａは式（３）で表わされる。
【００２３】
Ｉａ＝（Ｖ／２π・ｆ・Ｎ2）｛（Ｌ1／（μ1・Ｓ）＋Ｌ2／（μ2・Ｓ）＋Ｌ3／（μ3・Ｓ）｝…（３）
【００２４】
一方、透磁率μ4の基準材４に接触させられた磁気コア１Ｂの励磁コイル２Ｂ（巻数Ｎ）への通電電流Ｉｂは、上記と同様の関係により、式（４）で表わされる。
【００２５】
Ｉｂ＝（Ｖ／２π・ｆ・Ｎ2）｛（Ｌ1／（μ1・Ｓ）＋Ｌ2／（μ4・Ｓ）＋Ｌ3／（μ3・Ｓ）｝…（４）
【００２６】
差動アンプ８１で通電電流の差ΔＩを求めると式（５）のようになり、既述のようにμ2＜＜μ4であるから、逆数演算器８３でΔＩの逆数（１／ΔＩ）を算出すると、これは式（６）に示すように、被測定材３の透磁率μ2に比例したものとなる。したがって、差電流の逆数（１／ΔＩ）に適当な係数を乗じることによって被測定材３の透磁率μ2を得ることができる。
【００２７】
ΔＩ＝Ｉａ−Ｉｂ＝（Ｖ・Ｌ2）（１／μ2−１／μ4）／（２π・ｆ・Ｎ2・Ｓ）…（５）
【００２８】
μ2＝｛（Ｖ・Ｌ2）／（２π・ｆ・Ｎ2・Ｓ）｝・（１／ΔＩ）…（６）
【００２９】
図４には、被測定材３の比透磁率と逆数演算器８３の出力との関係を示す。図から明らかなように、本実施形態の測定装置では、空気層Ｒと磁気コア１Ａ，１Ｂの透磁率の影響を排除しているから、逆数演算器８３の出力は透磁率が大きくなるにつれてある程度は飽和の傾向を示しているが、従来装置と比較すると小さな透磁率から大きな透磁率まで広い範囲で出力に飽和を生じることなく、被測定材の透磁率を正確に測定することができる。また、本実施形態の測定装置では磁気コア１Ａ，１Ｂの外径を小さくすることによって小型部品の局所的な透磁率を測定することができるとともに、従来のように検出コイルを磁気コアに巻回する必要がなく、励磁コイルだけを巻回すれば良いから、磁気コアを含む測定部全体の構造が簡易となる。
【００３０】
（第２実施形態）
本実施形態では第１実施形態におけるような基準材４を装置内に設ける必要がない透磁率測定装置の構成について説明する。すなわち、図５において、第１実施形態と異なり、磁気コア１Ｂはその下端部１１が基準材４の表面に接触させられることなく全体が空中に配設されている。そして、磁気コア１Ｂに通電する通電回路５Ｂに設けた電流−電圧変換器７Ｂの後段に疑似出力発生回路８５が設けられてその出力が差動アンプ８１に入力し、ここで、通電回路５Ａに設けた電流−電圧変換器７Ａの出力との差が算出される。なお、疑似出力発生回路８５はこれに入力する交流信号の振幅と位相を任意に変更することができるものであり、他の装置構成は第１実施形態と同一である。
【００３１】
このような構成の透磁率測定装置において、被測定材３の透磁率を測定するのに先立って、図６に示すように磁気コア１Ａの下端部１１を基準材４に接触させ、この状態で差動アンプ８１の出力が零になるように疑似出力発生回路８５の出力の振幅と位相を調整しておく。この場合に通電回路５Ａに流れる電流は、第１実施形態において通電回路５Ｂに流れる電流に等しいＩｂであり、電流−電圧変換器７Ａの出力は電流Ｉｂに応じたものとなる。したがって、疑似出力発生回路８５の出力は、あたかも磁気コア１Ｂの下端部１１を基準材４に接触させた際に通電回路５Ｂに流れる電流Ｉｂに応じた電圧出力と等しい値になる。
【００３２】
このように疑似出力発生回路８５の出力を設定した後に、図５に示すように磁気コア１Ａの下端部１１を被測定材３の表面に接触させて、この時、通電回路５Ａに流れる電流Ｉａに応じた電流−電圧変換器７Ａの出力を、疑似出力発生回路８５の出力と上記差動アンプ８１で比較することにより、第１実施形態と同様に、被測定材３に接触させた磁気コア１Ａの励磁コイル２Ａに流れる電流Ｉａと、仮想的に基準材４に接触させた磁気コア１Ｂの励磁コイル２Ｂに流れる電流Ｉｂとの電流差信号ΔＩが得られ、以下、第１実施形態と同様にして電流差の逆数（１／ΔＩ）より被測定材３の透磁率μ2を得ることができる。本実施形態では、疑似出力発生回路を設けてその出力を上述のように基準材接触相当の出力に設定してあるから、測定装置内に基準材３を設ける必要がなく、装置構成が簡素化される。
【００３３】
（第３実施形態）
上記第２実施形態で、基準材４にも被測定材３にも実際には接触することがない磁気コア１Ｂとその通電回路２Ｂおよび電流−電圧変換器７Ｂを設けた理由は、磁気コア１Ａの側と同様の回路を設けることによって、温度変化に伴なう励磁コイル２Ａのインピーダンス変動や電流−電圧変換器７Ａのドリフト変動等を差動アンプ８１で相殺して補償するためである。
【００３４】
したがって、上記インピーダンス変動やドリフト変動等がそれほど問題とならない場合には、図７に示すように疑似出力発生回路８５を電源６に直接接続して、第２実施形態における磁気コア１Ｂや通電回路５Ｂ、および電流−電圧変換器７Ｂを省略することができる。これにより、装置構成をさらに大幅に簡素化することができる。
【００３５】
（第４実施形態）
磁気コア１Ａの下端部１１を被測定材３の表面に対して垂直姿勢で接触させるように第１実施形態では保持具１２とセンサケース１３を使用したが、磁気コア１Ａの姿勢が垂直から傾いた場合に逆数演算器８３の出力を補正して誤差の発生を最小限に抑えるようにした構成を図８に示す。
【００３６】
図８において、被測定材３に下端部１１を接触させた磁気コア１Ａには傾きセンサ９が設けてあり、その出力が傾き測定回路８６に入力している。傾き測定回路８６の出力は、逆数演算器８３の後段に設けられた感度補正回路８７に入力し、ここで、磁気コア１Ａの傾きの程度に応じて逆数演算器８３の出力が後述するように補正される。他の構成は既に説明した第１実施形態と同一である。
【００３７】
傾きセンサ９は図９に示すように磁気コア１Ａの外周の４箇所に周方向等間隔でホール素子９１を設けたもので、これらホール素子９１によって磁気コア１Ａの外周を径方向へ通過する磁束密度が測定される。傾き測定回路８６は図１０に示すように、対向する位置に設けたホール素子９１の磁束密度出力Ｂ１〜Ｂ４の差（Ｂ１−Ｂ２）（Ｂ３−Ｂ４）を算出して、これらよりｘ方向の磁束密度差Ｂｘと、ｘ方向に直交するｙ方向の磁束密度差Ｂｙを得、さらにこれら磁束密度差Ｂｘ，Ｂｙの２乗平均値を算出する。この２乗平均値θｖは磁気コア１Ａの鉛直線からの傾き角に比例しているから、これを感度補正回路８７へ入力させることにより逆数演算器８３の出力を補正する。その一例を図１１に示す。磁気コア１Ａが垂直姿勢に保持されている場合の、被測定材３の比透磁率に対する逆数演算器８３の出力特性は線ｘで示すものであるのに対して、磁気コア１Ａの傾き角が１０°になると、上記出力特性は線ｙのように全体として小さな値になってしまう。そこで、磁気コア１Ａの傾き角に応じてこの時の逆数演算器８３の出力に所定の定数を乗じることにより、線ｙで示す逆数演算器８３の出力特性が、線ｚで示すようにほぼ線ｘで示す出力特性に沿った特性に補正される。
【００３８】
なお、上記第２実施形態および第３実施形態においては、基準材４を実際に磁気コア２Ａに接触させて、この状態で差動アンプ８１の出力が零になるように疑似出力発生回路８５の出力を調整したが、基準材４を磁気コア２Ａに接触させた時の電流−電圧変換器７Ａの出力を予想できる場合には、基準材４を全く使用することなく上記予想値を直接疑似出力発生回路８５に設定すれば良い。なお、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での種々の変形実施が可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の透磁率測定装置および透磁率測定方法によれば、空気層等の透磁率の影響を排することによって小型部品等の透磁率を小さい値から大きい値まで広い範囲で簡易かつ正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における、透磁率測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】磁気コアの保持具の断面図である。
【図３】磁気コアの磁気回路を示すモデル図である。
【図４】被測定材の比透磁率と逆数演算器の出力の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態における、透磁率測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図６】磁気コアを基準材に接触させた状態の部分断面側面図である。
【図７】本発明の第３実施形態における、透磁率測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第４実施形態における、透磁率測定装置の要部構成を示すブロック図である。
【図９】磁気コアの部分断面側面図である。
【図１０】傾き測定回路における演算手順を示すブロック図である。
【図１１】比透磁率に対する出力特性図である。
【図１２】従来の透磁率測定装置に使用する磁気コアの概略側面図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ…磁気コア、２Ａ，２Ｂ…励磁コイル、３…被測定材、４…基準材、５Ａ，５Ｂ…通電回路、８１…差動アンプ、８３…逆数演算器、８５…擬似出力発生回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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