JPS61258161A - 無接触検知方法及び検知器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物体に影響を与える応力及び温度等の物理的
状態を測定する無接触磁気検知方法及び装置に関するも
のである１強磁性物質の磁気特性における変化に影響を
与える任意の物理的状態を測定することが可能である。

強磁性物質の磁化特性は、印加される磁界の関数として
、寧ろ連続的というよりも１個別的パルスの形態で変化
することは公知である。この現象はバルクハウゼン（Ｂ
ａｒｋｈａｕｓｅｎ）効果、又は小バルクハウゼン効果
として知られており、それは、印加磁界の結果として強
磁性物質の磁気ドメインがスイッチされる時に小さなり
リック（即ち、バルクハウゼンノイズ）によって検証さ
れる。この小バルクハウゼン効果は、磁界が印加される
前に該磁性物質のドメイン即ち領域が支配的に整合され
ていると、増幅させることが可能である。ドメインが支
配的に整合されていると、成るスレッシュホールドの磁
界において該磁性物質の磁化特性において急激なスイッ
チングが発生する。これは大バルクハウゼン効果として
知られている。この大バルクハウゼン効果の１例は、例
えば、ｒＶｅｉｇａｎｄ　ｌ１ｉｒｅ：磁気装置用の新
しい物質（Ｎｅｗ　Ｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒ　Ｍａｇｎ
ｅｔｉｃ−Ｄｅｖｉｃｅｓ）Ｊ、エレクトロニクス雑誌
。

１９７５年７月１０日、１００−１０５頁の文献に記載
されている。

大バルクハウゼン効果及び小バルクハウゼン効果の両方
を利用する方法が開発されている１例えば、Ｒ，Ｗ、　
Ｌｅｅｐ及びＲ，Ｌ、　Ｐａ５ｌｅｙに発行された米国
特許第３，４２７，８７２号は、テスト試料内に磁化を
誘起する為の第１コイル及び／又は磁気コイル要素を使
用しており、且つ該試料内の磁化が変化する時のバルク
ハウゼンノイズ（即ち、小バルクハウゼン効果）を検知
する第２コイル手段を使用している。この様な装置から
得られる信号レベルは非常に弱く且つ応答時間が遅過ぎ
るので迅速に回転するシャフト等における応力及び／又
はトルクの有意義な解析を行うことが出来ないので、　
Ｌｅａｐの装置の様な装置では問題が発生する。

Ｓ、　Ｂａｒｋｈｏｕｄａｒｉａｎに発行された米国特
許第４，４１６．１６１号は、回転シャフト上に装着し
てＷｉｅｇａｎｄ装置を使用するトルク測定装置を開示
している。負荷されたシャフトの近傍で磁界が発生され
る時に大バルクハウゼン効果が発生する。　Ｂａｒｋｈ
ｏｕｄａｒｉａｎ装置は、大バルクハウゼン効果パルス
幅又は振幅の何れかを測定することによって該シャフト
上のトルクを決定する。

該シャフト上の応力を特性付ける為にパルス幅又は振幅
の測定を使用することから本質的な困難性が発生する。

何故ならば、これらのパラメータは、トルクの関数とし
て変動することに加えて、シャフト速度の関数としても
変化する。ここで、該シャフトの速度が一定のままであ
ると、これらのパラメータを使用する測定は良好である
が、該シャフトの速度がテスト中に変化すると非常に測
定は困難となる。速度に対する補正は非線形であり、ト
ルクの計算を非常に困難とする。

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、大バルクハウゼン効
果の検知を利用して、静止しているか又は回転するテス
ト物体上の応力、又はトルク、温度、又は歪等のその他
の物理的状態を測定する方法及び装置を提供することを
目的とする。

好適実施例において、テスト物体の表面上に接着して異
なった強磁性物質の２つの薄い層を形成する。テストを
行う前に、各磁気層に対して磁化容易軸を形成する。該
容易軸は、各層の磁気ドメインを成る方向に平行又は逆
平行に自己整合する傾向とさせる。該容易軸は、該層に
プレストレスをかけ、該層を非常に薄く且つ幅狭の寸法
に形成し、又は該層をバイアス磁界の存在下で付着させ
ることを包含する何れかの適宜の方法で形成することが
可能である。

静止テスト物体の場合、ドメインを支配的に整合させ且
つ該物体をその動作モードとさせた後に。

該層を、ＡＣコイル等によって形成される磁界等の交番
時間変動磁界に露呈させる。

その結果急激なドメインの逆転、それは大バルクハウゼ
ン効果を表しているが、が各磁気層に対して異なった時
間に発生する。何故ならば、これらの層は異なった物質
から形成されているからである。テスト物体上の応力、
又は検討中のその他の物理的状態が、これらのドメイン
逆転間の時間差の関数として測定される。この時間差を
、既知の応力で同じ状態の下に形成された同様な層で行
われた較正（キャリブレーション）テストによって得ら
れた値と比較することによって、該テスト物体上の応力
を決定することが可能である。

回転物体の場合、テスト装置は多少異なる。ドメイン逆
転をトリガする為に２個の磁石を使用する。これらの磁
石を回転シャフトの近傍の位置に位置させ、該シャフト
が回転すると、該層が該磁石の一方の磁界に露呈され、
該磁界がドメインを１方向へ整合させる。シャフトが回
転を継続すると、該層は第１磁石とは反対方向に極性化
されている第２磁石の磁界に露呈される。従って、磁気
ドメインは該回転シャフトの各周期毎に逆転され且つリ
セットされる。ドメイン逆転間の時間差を決定し且つこ
の値を較正テストからの値と比較することによって、応
力の計算が静止実施例の場合と同様になされる。応力に
加えて、温度等のその他の物理的状態が物質の磁界に対
する応答に影響を与えることが可能である。異なった物
理的状態は、テストすることを所望する物理的状態に磁
気的に応答する物質から較正される層を注意深く選択す
ることによって決定することが可能である。

本発明は、磁界検知方法によってテスト物体上の印加応
力の精密な測定を行うことを目的とする。

本発明の別の目的とするところは、物体がその通常の環
境にあり通常の態様で負荷された状態で非破壊的且つ無
接触で該物体上の応力を測定することである０本発明の
更に別の目的とするところは。

テスト物体上の温度等のその他の物理的状態の精密な測
定を行うことである。

以下、添付の図面を参考に１本発明の具体的実施の態様
に付いて詳細に説明する。第１図は、静止した非強磁性
テスト物体１０に影響を与える応力及び温度等のその他
の物理的状態を測定する為に適合した装置を示している
。以下の説明は、主に、応力の測定に関するものである
が、以下に更に詳細に説明する如く１本装置は温度及び
その他の物理的状態を測定する為に容易に適合させるこ
とが可能である。

異なった強磁性物質からなる２つ又はそれ以上の薄い層
１２．１４をテスト物体１０の表面１６上に形成する。

制限的ではなく例示的として、薄い層１２．１４はニッ
ケル、コバルト、鉄、希土類元素、及びこれらの合金か
ら構成することが可能である。これらの薄い層は、糊、
真空付着、イオン注入、鍍金、ペイント、又はその他の
接着手段によってテスト物体１０上に直接的に付着又は
接着させることが可能であり、又は該層をそれらを包含
する膜ゲージを介してテスト物体１０に取り付けること
が可能である。何れの場合にも、薄い層１２．１４は充
分に薄く且つ充分に接着され、テスト物体の物理的状態
における何等かの変化が薄い層１２．１４内のその状態
における相関的な変化を誘起するものでなければならな
い。最適には、層１２，１４は約０．００１インチ（０
，００２５４ｃｍ）のオーダの厚さでなければならない
。

物体をテストする前に、モニタされる物理的状態に拘ら
ず、各薄いＭｊｊ１２．１４に対して磁化容易軸が形成
されることが必要である。容易軸の形成は、磁気ドメイ
ンを与えられた方向と平行又は逆平行に自己整合させる
傾向とさせ、従って薄い層１２，１４を大バルクハウゼ
ン効果を起すことを可能とさせる。ドメインが平行であ
るか又は逆平行であるかは、薄い層１２．１４が最も最
近に露呈された磁界の方向に依存する。薄い層１２．１
４が一度磁化容易軸を誘起すると、それらは磁化され且
つ磁気層１２．１４として表される。

容易軸を形成するのには多数の方法があり、その幾つか
の方法を以下にリストする。

１）該薄い層をテスト物体上に付着させるか又は取り付
ける前又は後に該薄い層にストレスをかける、例えば、
テスト物体にプレストレスをかけ、該物質を付着させ、
次いで該テスト物体を解放させ、該付着物をストレスを
かけた状態とさせる。

２）物質の幾何学的形状が磁化特性に影響を与えること
は公知である。非常に幅狭で薄い層を形成することは自
然の容易軸を形成する。

３）静的バイアス磁界の存在下での該層の付着は容易軸
の形成となる。

テスト物体１０上に磁気層１２．１４を形成した後に、
該テスト物体をモニタすべき物理的状態に露呈させるこ
とが可能である。第１図において、テスト物体１０は静
的であり、磁気層１２．１４と共に、矢印１７．１７’
で示した如くストレスがかけられている。静止物体１０
にストレスかがけられると、磁気層１２．１４は磁界１
８に露呈され、該磁界は特定のスレッシュホールド磁界
で各層内に急激な磁気ドメイン反転（即ち、大バルクハ
ウゼン効果）を発生する。好適には、交番時間変動磁界
１８を使用して、モニタ中の物理的状態の各レベルにお
け複数個の検知を容易に得ることが可能である。交番時
間変動磁界１８の発生源１９はＡＣコイル、１組の回転
磁石、又は結果的に所要の磁界が発生される運動する何
等かの磁石とすることが可能である。交番磁界１８の各
半サイクルの成るスレッシュホールドレベルで各磁気層
１２．１４内に大バルクハウゼン効果が発生する。

層１２．１４は、その各々が異なったスレッシュホール
ドレベルを持つ様に選択されており、従って１時間変動
磁界１８の影響下において異なった時間にそれらのスレ
ッシュホールドレベルに到達する。該スレッシュホール
ドレベルは、物質組成の関数であることに加えて、物質
内の歪の関数でもあり、従って、以下に説明する如く、
物質に印加される応力を決定する為に使用することが可
能である。大バルクハウゼン効果は、磁気ピックアップ
コイル、ホール（Ｈａｌｌ）プローブ、又はオプチカル
フィバ−磁気検知器等の時間変動磁界を検知することの
可能な何等かの検知器２０によって検知することが可能
である。各大バルクハウゼン効果は、検知器２０上にパ
ルスとして現われ。

それは１００μ秒の長さのオーダであり、従って従来の
電子フィルタ動作によってより遅い時間変動磁界１８の
他の効果から容易に分離することが可能である。

テスト物体上の応力を計算する為に、較正（キャリブレ
ーション）テストが必要である。較正の為に、実際のテ
ストの間に使用することを意図される層を同じ組成及び
寸法の磁気物質からなる層を、実際のテスト物体１ｏに
対して意図されるのと同一の態様で較正テスト物体に接
着させる。更に、前述した如く、実際のテスト物体１ｏ
に対して予期されるので同じ態様で容易軸を形成する。

較正テスト用の磁気層１２．１４が実際のテストにおけ
る磁気層１２．１４と同じ方向に配向されることが重要
である。既知の応力及び磁界を較正テスト物体１０へ印
加する。磁気層１２．１４内の検知した大バルクハウゼ
ン効果の時間を複数個の既知の応力に対して記録紙、磁
気層１２．１４内で大バルクハウゼン効果が発生する時
間の差Δｔを決定する。大バルクハウゼン効果間の時間
差Δｔの関数としての応力σの較正プロットを公式化す
ることが出来、即ちσ＝ｆ（Δｔ）が得られる。

テスト物体１０は強磁性物質で構成することは出来ない
。この場合に強磁性物質を使用することは、磁気回路を
短絡することとなる。限定する為ではなく例として、テ
スト物体１０はステンレススチール、銅、黄銅、アルミ
ニウム、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）、ワスブ合金（
Ｗａｓｐａｌｌｏｙ）、プラスチック又はガラスの非金
属構造物質等から構成することが可能である。

実際の応力テストの間、較正テストにおける如く磁気層
１２．１４を最初に形成する。磁界１８が導入されると
、検知した大バルクハウゼン効果間の時間差が決定され
且つプロットした較正テストと比較して応力の表示を与
える。

磁界１８が変動周波数を持っている場合、上述したのと
同じ方法を使用することが可能であるが。

較正テストにおける応力は、大バルクハウゼン効果間の
時間差Δｔと磁界１８の周期Ｔとの比の関数、即ちσ＝
ｆ（Δｔ／Ｔ）として決定される。

本発明は、更に、回転シャフトに影響を与えるトルクの
如き物理的状態の値を決定する為に利用することが可能
である。これらの測定を得る為の好適方法を第２図に示
しである。静止した場合と同じく、シャフト１０′へ付
着又は取り付けることによって磁気層１２’　、１４’
　を形成する。然し乍ら１本例の場合、応力測定は好適
にはシャフト１０′の近傍に位置させた２４で示した永
久磁石又は電磁石で磁気ドメイン（即ち、大バルクハウ
ゼン効果を発生する）を反転させることによって達成さ
れる。

矢印２６で示した方向に磁気層１２’　、１４’が回転
すると、磁石２４′によってドメインが１方向に磁化さ
れる。検知器２０′の近傍にあり且つその磁極は第１磁
石２４′のものと対向して配向されている第２磁石２４
に向かへ継続する回転は静止型実施例に付いて説明した
変動磁界１９に類似している。静止型方法の場合と同じ
く、ピックアップコイル、ホールプローブ、又はオプチ
カルファイバー磁気検知器等磁界検知器２０’　によっ
て大バルクハウゼン効果を検知する。

回転シャフト１０′上のトルクを決定する手法は上述し
たものと同様であり、即ち較正テストを行って磁気層１
２’　、１４″のドメイン反転間の時間の関数としてト
ルクを決定する。シャフトの速度が変化していると、歪
従属パラメータとして、大バルクハウゼン効果間の差Δ
ｔと回転シャフトの周期Ｔｓとの比を使用して応力の計
算、即ちσ＝ｆ（Δｔ／Ｔｓ）、することが可能である
。

上述した如く、本発明は、その静止型実施例又は回転型
実施例として示した如く、応力以外の物理的状態を測定
する為に使用することが可能である０本検知器によって
測定される物理的状態は、磁界に対しての磁気層１２．
１４の応答時間に影響を与える物理的状態でなければな
らない０例えば、磁気層１２．１４の磁気物質は温度に
依存して異なった時間で大バルクハウゼン効果を経験す
る様に選択することが可能であるから、温度を本発明で
測定することも可能である。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は静止テスト物体上の物理的状態を測定する為の
無接触型応力検知器の実施例の概略図。 第２図は回転型テスト物体上の物理的状態を測定する無
接触型検知器の実施例の概略図、である。 （符号の説明） １０：テスト物体 １２．１４：磁気層 １８：磁界 ２０：検知器 ２４．２４’　　：磁石 南 手続補正書防幻 昭和６１年６月９日 特許庁長官　　宇　賀　道　部　殿 １、事件の表示　　　昭和６１年　特　許　願　第６２
０２７号２、発明の名称　　　無接触磁気応力及び温度
検知器３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非強磁性物体上の物理的状態の無接触決定方法にお
   いて、各々が異なった強磁性材料であり且つ各々が磁化
   容易軸を持っている少なくとも２つの磁気層を持った該
   物体を各磁気層の磁界に対する応答時間に影響を与える
   物理的状態へ露呈させ、前記磁気層を磁界に露呈してそ
   の際に前記磁気層の各々において大バルクハウゼン効果
   を発生させ、前記磁気層の各々における大バルクハウゼ
   ン効果を検知し、前記磁気層内において前記大バルクハ
   ウゼン効果が起る時間差Δｔを測定し、前記時間差を前
   記物理的状態の既知のレベルに露呈された較正物体上に
   同様に形成した磁気層を使用して測定した時間差と比較
   することによって該物体の物理的状態を決定する、上記
   各ステップを有することを特徴とする方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、該決定される物理
   的状態は応力であることを特徴とする方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、該決定される物理
   的状態は温度であることを特徴とする方法。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記容易軸を、該
   物体にプレストレスをかけ、該物体上に該磁性物質を付
   着させ、次いで該物体を解放することによって形成する
   ことを特徴とする方法。 ５、特許請求の範囲第１項において、静的なバイアス用
   磁界の存在下において該物体上に該磁性物質を付着させ
   ることによって該容易軸及び磁気層を形成することを特
   徴とする方法。 ６、特許請求の範囲第１項において、該物体上に磁性物
   質からなる２つの磁気層を形成することを特徴とする方
   法。 ７、特許請求の範囲第１項において、大バルクハウゼン
   効果をピックアップコイルによって検知することを特徴
   とする方法。 ８、特許請求の範囲第１項において、前記磁気層はそれ
   らを包含する膜ゲージを介してそれらを該物体に取り付
   けることによって形成することを特徴とする方法。 ９、特許請求の範囲第１項において、該物体は静止して
   おり、且つ前記磁界は周期Ｔを持った交番的時間変動磁
   界であることを特徴とする方法。 １０、特許請求の範囲第１０項において、該時間変動磁
   界の時間差Δｔと周期Ｔとの比、即ちΔｔ／Ｔ、を取り
   、且つこの比を前記物理的状態の既知のレベルに露呈さ
   れた較正物体上に同様に形成した磁気層を使用して決定
   した比と比較することによって該物理的状態の決定を行
   うことを特徴とする方法。 １１、特許請求の範囲第１項において、該物体は周期Ｔ
   ｓで回転可能なシャフトであり、前記磁気層を磁界へ露
   呈する方法が、前記磁気層を第１磁界を介して回転させ
   て該磁気層の磁気ドメインを該容易軸に沿う第１方向に
   整合させ、前記磁気層を第２磁界を介して回転させて前
   記磁気ドメインを反転させる、各ステップを有すること
   を特徴とする方法。 １２、特許請求の範囲第１１項において、該決定される
   物理的状態はトルクであることを特徴とする方法。 １３、特許請求の範囲第１１項において、前記磁界は対
   向して配向された極を持った２つの永久磁石によって発
   生されることを特徴とする方法。 １４、特許請求の範囲第１１項において、前記磁界は対
   向して配向された極を持った２つの電磁石によって発生
   されることを特徴とする方法。 １５、特許請求の範囲第１１項において、該シャフトの
   時間差Δｔと回転周期Ｔｓとの比、即ちΔｔ／Ｔｓ、を
   とり、且つこの比を該物理的状態の既知のレベルに露呈
   された較正物体上に同様に形成された層を使用して決定
   された比と比較することによって前記計算を行うことを
   特徴とする方法。 １６、非強磁性静止物体上の応力を無接触で決定する方
   法において、各々が異なった強磁性物質であり各々が磁
   化容易軸を持っている少なくとも２つの磁気層を持った
   該物体に応力を加え、前記磁気層を交番時間変動磁界に
   露呈してその際に大バルクハウゼン効果を前記磁気層の
   各々の中に発生させ、前記磁気層の各々の中の大バルク
   ハウゼン効果を検知し、前記磁気層内で前記大バルクハ
   ウゼン効果が発生する時間の差を測定し、前記時間差を
   既知レベルの応力に露呈された較正物体上に同様に形成
   した磁気層を使用して測定した時間差と比較することに
   よって該物体の物理的状態を決定する、上記各ステップ
   を有することを特徴とする方法。 １７、非強磁性の回転可能なシャフト上のトルクを無接
   触で決定する方法において、各々が異なった磁性物質で
   あり各々が磁化容易軸を持っている少なくとも２つの磁
   気層を持った該物体にトルクをかけ、前記磁気層を第１
   磁界を介して回転させて該磁気層の磁気ドメインを該容
   易軸上の第１方向に整合させ、前記磁気層を第２磁界を
   介して回転させその際に大バルクハウゼン効果を前記磁
   気層の各々内で起させ、前記各磁気層内に大バルクハウ
   ゼン効果を検知し、前記大バルクハウゼン効果が前記磁
   気層内で発生する時間の差を測定し、前記時間差を既知
   レベルのトルクに露呈された較正物体上に同様に形成し
   た磁気層を使用して測定した時間差と比較することによ
   って該シャフト上のトルクを決定する、上記各■■ップ
   を有することを特徴とする方法。 １８、物理的状態を決定する無接触検知器において、非
   強磁性物体、前記物体上に形成されており各々の層が異
   なった強磁性物質であり各々が磁化容易軸を持った少な
   くとも２つの磁気層、前記磁気層の各々に大バルクハウ
   ゼン効果を発生する為に前記磁気層を磁界へ露呈させる
   手段、前記各層内の大バルクハウゼン効果を検知する検
   知手段、前記検知手段と連動しており前記磁気層内に前
   記バルクハウゼン効果が発生する時間における差を測定
   し且つ前記時間差を前記物理的状態の既知レベルに露呈
   された較正物体上に同様に形成された磁気層を使用して
   測定した時間差と比較することによって該物体の物理的
   状態を決定する手段、を有することを特徴とする検知器
   。 １９、特許請求の範囲第１８項において、該決定される
   物理的状態は応力であることを特徴とする検知器。 ２０、特許請求の範囲第１８項において、該決定される
   物理的状態は温度であることを特徴とする検知器。 ２１、特許請求の範囲第１８項において、該物体は静止
   しており、且つ該磁界を発生する手段は交番時間変動磁
   気源を有していることを特徴とする検知器。 ２２、特許請求の範囲第１８項において、該物体は回転
   可能なシャフトであり、且つ前記磁気層を磁界に露呈さ
   せる手段が、前記磁気層の磁気ドメインを該容易軸上の
   第１方向に整合させる為の磁界を発生させる為の該シャ
   フトの近傍における第１磁石、前記磁気層内に大バルク
   ハウゼン効果を発生させる為に前記第１磁石と対向して
   配向された極を具備しており該シャフトの近傍における
   第２磁石を有することを特徴とする検知器。 ２３、特許請求の範囲第２２項において、該決定される
   物理的状態はトルクであることを特徴とする検知器。 ２４、特許請求の範囲第２２項において、該決定される
   物理的状態は温度であることを特徴とする検知器。