JPH0875836A

JPH0875836A - 磁場測定方法

Info

Publication number: JPH0875836A
Application number: JP20966294A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ishigaki; 博行石垣; Toshiaki Oya; 敏明應矢
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 1996-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】測定環境による制約を小さくし、しかも、任
意の時刻における磁場分布を記録して、これを後から読
み出すことができるようにする。【構成】磁場測定空間に、オーステナイト系ステンレ
ス鋼製の板状磁場分布保存部材１を配置し、磁場分布保
存部材１に応力を付加した後に応力を除くことにより、
応力を付加したときの磁場測定空間の磁場分布を磁場分
布保存部材１に凍結させ、この磁場分布保存部材１に凍
結された磁場分布を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、磁場分布を測定する
磁場測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、核融合や超伝導技術、各種アクチ
ュエータ技術など、磁場を応用する機器の開発が活発に
行われており、これらの開発には磁場分布の把握（測
定）が必要不可欠である。

【０００３】磁場分布の測定方法として、従来、磁場測
定空間内においてホール素子や磁気抵抗素子などの磁気
センサを順次移動させ、空間内の各点の磁場の強さを順
次測定するものが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の磁場測定
方法では、磁気測定空間内の各点の磁場の強さを順次測
定していくので、磁気測定空間内全体の磁場分布を同時
に測定することができない。したがって、磁場分布が変
化するような場合、任意の時刻における磁場分布を測定
することは不可能である。

【０００５】また、磁気測定空間内に磁気センサを配置
して移動させるものであるから、測定環境による制約が
大きく、測定が不可能な場合がある。すなわち、磁気セ
ンサを配置できないような狭い空間内の磁場測定は、不
可能である。また、人間が入れないような厳しい特殊環
境では、磁場測定が不可能である。

【０００６】この発明の目的は、上記の問題を解決し、
測定環境による制約が小さく、しかも、任意の時刻にお
ける磁場分布を記録し、これを後から読み出すことがで
きる磁場測定方法を提供することにある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明による磁場測
定方法は、磁場測定空間に、オーステナイト系ステンレ
ス鋼製の板状磁場分布保存部材を配置し、磁場分布保存
部材に応力を付加した後に応力を除くことにより、応力
を付加したときの空間の磁場分布を磁場分布保存部材に
凍結させ、この磁場分布保存部材に凍結された磁場分布
を測定することを特徴とするものである。

【０００８】この明細書において、板状磁場分布保存部
材の「板」には、通常の板の他に、薄板（シート）、箔
など、板に近い形状の部材が全て含まれる。

【０００９】

【作用】オーステナイト系ステンレス鋼は、応力を受け
ると、マルテンサイト変態（応力誘起変態により非磁性
材料であるオーステナイト組織から強磁性材料であるマ
ルテンサイト組織に変態すること）を起こし、強磁性体
になる。この変態を磁場中で行うと、ステンレス鋼中に
残留磁気が生じ、その大きさは応力だけでなく、外部磁
場の強さにも影響を受ける。したがって、測定すべき磁
場中でオーステナイト系ステンレス鋼製の板状磁場分布
保存部材に均一な応力を付加した後に応力を除くことに
より、応力を付加した瞬間における外部磁場の分布に対
応する残留磁気分布が保存部材に凍結される。このよう
に保存部材に凍結された磁場分布は、応力を付加しない
限り、その後の外部磁場の影響をほとんど受けず、応力
を付加した瞬間における磁場分布が保存部材に記録され
る。このように磁場分布が凍結された保存部材を磁場測
定空間から取出し、別の場所において、たとえば磁気力
顕微鏡に類似した構造の磁気読取装置（磁気力センサ）
によって保存部材上を走査し、これに記録された残留磁
気分布を磁気力分布として測定することにより、応力を
付加した瞬間の磁場分布に対応する情報が得られる。

【００１０】この発明の磁場測定方法によれば、上記の
ように、磁場測定空間内に配置した保存部材に任意の時
刻に応力を付加して、その瞬間における磁場分布を保存
部材に記録することができ、後から、別の場所で、保存
部材に記録された磁場分布を測定することによって上記
任意の時刻における磁場分布を測定することができる。

【００１１】また、磁場測定空間内に板状の保存部材を
配置してこれに応力を付加するだけでよいので、測定環
境による制約が小さく、たとえば、狭い空間や人間が入
れないような特殊環境においても、磁場測定が可能にな
る。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。

【００１３】図１は、この発明による磁場測定方法の手
順の１例を示している。

【００１４】図１において、まず、オーステナイト系ス
テンレス鋼製の板状磁場分布保存部材(1) を準備し、こ
れを磁場測定空間内に配置する（図１(a) 参照）。そし
て、磁場分布を測定すべき任意の時刻において、保存部
材(1) に均一な応力を付加する（図１(b) 参照）。たと
えば、油圧、空気圧あるいは電磁力などの適当な手段に
より、図面に矢印で示すように、保存部材(1) を横方向
に引張って、引張り応力を付加する。所定時間応力を付
加したならば、応力を除く。均一な応力をステンレス鋼
に付加することにより、応力誘起変態が材料の面内に均
一に生じ、同時に材料内の磁区はその時点の外部の磁場
分布に沿った向きに再配列や拡大を起こす。これらの磁
区は外部の磁場分布の情報を保ったまま、材料内に固定
され、外部磁場を取り除いても、磁区の残留磁場分布が
変態層に凍結されている。このように保存部材(1) に凍
結された磁場分布はその後の外部磁場の影響をほとんど
受けず、応力を付加した瞬間における磁場分布が保存部
材(1) に記録される。磁場分布の記録が終わると、保存
部材(1) を磁場測定空間から取出し、たとえば磁気力セ
ンサ(2) などの磁気読取装置を使用して、保存部材(1)
に記録された磁場分布を読み取り、応力を付加した瞬間
における磁場分布を測定する（図１(c) 参照）。

【００１５】図２は保存部材(1) に記録された磁場分布
を読み取るための磁気読取装置の１例を示し、図３はそ
の要部の詳細を示している。この磁気読取装置(10)は、
本発明者らが提案した特開平５−３３４６０２号公報に
記載された磁気読取装置と同様のものであり、次のよう
に構成されている。

【００１６】図２において、水平なベース(11)上に支柱
(12)が垂直に固定されている。ベース(11)の上にＸＹテ
ーブル(13)が設けられ、このテーブル(13)の上に試料台
(14)が固定されて、テーブル(13)の駆動によって水平面
内を移動しうるようになっている。支柱(12)にははり支
持体(15)が昇降自在に取り付けられ、このはり支持体(1
5)に変位計支持体(16)が昇降自在に取り付けられてい
る。

【００１７】試料台(14)の上には、上記の保存部材(1)
がのせられる。

【００１８】はり支持体(15)の下部に弾性体製の水平な
片持ちはり(18)の基端部が固定され、このはり(18)の自
由端部に水平な反射鏡(19)が固定されている。はり(18)
は、たとえば、互いに平行な２本の細いガラスファイバ
で構成されている。反射鏡(19)は、たとえば、アルミニ
ウム箔で構成されている。反射鏡(19)の下面中央部に、
永久磁石製の探針(20)が垂直下向きに固定されている。

【００１９】変位計支持体(16)の前端部下面に、次のよ
うに、光学式変位計(21)が設けられている。すなわち、
支持体(16)の下面に三角形状の切欠き(22)が形成されて
おり、切欠き(22)の一方の傾斜面に反射鏡(19)を向くよ
うに発光器(23)が設けられ、他方の傾斜面に反射鏡(19)
を向くように半導体形１次元ポジションセンサ(24)が設
けられている。ここで、ポジションセンサとは、位置検
出素子のことで、たとえばフォトダイオードを応用した
光スポットの位置センサなどのことをいう。

【００２０】はり支持体(15)に対して変位計支持体(16)
を昇降させることにより、はり(18)の反射鏡(19)と変位
計(21)の上下間隔が調整される。変位計(21)の発光器(2
3)から出た光は、反射鏡(19)で反射して、ポジションセ
ンサ(24)に到達する。はり(18)に弾性変形が生じると、
反射鏡(19)の位置および角度が変わり、反射鏡(19)で反
射した光のポジションセンサ(24)への到達点が移動す
る。そして、この到達点の移動をポジションセンサ(24)
で検出することにより、はり(18)の弾性変形量が求めら
れる。

【００２１】図示は省略したが、磁気読取装置(10)に
は、変位計(21)の出力を処理することにより保存部材
(1) に記録された磁場の２次元分布を求めるためのコン
ピュータおよびディスプレイ装置などが設けられてい
る。

【００２２】支柱(12)に対してはり支持体(15)を昇降さ
せることにより、保存部材(1) と探針(20)の上下間隔が
調整される。また、テーブル(13)を駆動することによ
り、探針(20)によって保存部材(1) の表面が走査され
る。保存部材(1) 表面の各点において、永久磁石製の探
針(20)によって保存部材(1) に外部磁場が与えられ、探
針(20)と保存部材(1) との間に作用する磁気力の垂直成
分に対応してはり(18)に弾性変形が生じる。このはり(1
8)の弾性変形量が前記のように変位計(21)で検出され、
変位計(21)の出力が図示しないＡＤ変換器を介してコン
ピュータに入力し、コンピュータにおいてはり(18)の弾
性変位量の２次元分布が求められる。さらに、コンピュ
ータにおいて、この変位量が予め求めておいた変位量と
力の関係から磁気力に換算され、保存部材(1) に記録さ
れた磁気力すなわち磁場の２次元分布としてディスプレ
イ装置に表示される。図４は、このようにして求められ
た保存部材(1) に記録された磁場の２次元分布の１例を
示している。

【００２３】上記の磁場測定方法によれば、磁場測定空
間内に配置した保存部材(1) に任意の時刻に応力を付加
して、その瞬間における磁場分布を保存部材(1) に記録
することができ、後から、別の場所で、保存部材(1) に
記録された磁場分布を測定することによって上記任意の
時刻における磁場分布を測定することができる。

【００２４】上記の効果を確認するため、外部磁場内で
保存部材に一様な方向の引張り応力を付加し、磁場を保
存部材の変態層に残留させる種々の実験を行い、主とし
て下記の諸項目を明らかにすることを試みた。

【００２５】ａ．一様な応力下での磁場の凍結現象の確
認ｂ．凍結された磁場による磁気力分布と元の外部磁場に
よる磁気力分布との関係ｃ．凍結された磁場の以後の外部磁場に対する破壊強さ
の把握次に、図４〜図１１を参照して、この磁場の記録および
読み出しに関する実験例について説明する。

【００２６】実験に用いた保存部材の形状寸法、引張り
装置の構成は、次のとおりである。

【００２７】保存部材の試験片の形状および寸法を図１
０に示す。試験片(30)の形状は、ＪＩＳＺ２２０１
（金属材料引張り試験片）の７号試験片を参考にし、引
張り装置に適した形状とした。試験片(30)の材料には、
オーステナイト系ステンレス鋼の代表鋼であるＳＵＳ３
０４を用いた。

【００２８】試作した引張り装置の概略を図１１に示
す。この引張り装置(31)は、図示しない手動油圧ポンプ
（理研機器株式会社製、Ｐ−１Ｃ−０）、ミニシリンダ
(32)およびローラガイド式スライドテーブル(33)で構成
されている。引張り試験片(30)の一端側がベース(34)上
の固定部(35)に、他端側がスライドテーブル(33)上の移
動部(36)に固定される。そして、油圧で作動するミニシ
リンダ(32)で移動部(36)を押すことにより、試験片(30)
が引張られる。引張り速度は約１５０Ｎ／秒である。

【００２９】外部磁場は、直径０．５ｍｍの純鉄線に直
径０．１ｍｍの銅線を巻いたコイルに電流を流すことに
より生じる磁場を用いた。銅線の巻き数は、３０巻×４
重にした。なお、零磁場で発生した保存部材の変態層
と、前記の磁気読取装置(10)の変位計(21)の探針(20)と
の間には引張り力が生じるため、残留磁場が観察しやす
くなるように、凍結される磁場の磁極が探針(20)のそれ
と同じになる方向に電流を流した。つまり、探針(20)と
残留磁場との間に反発力が生じ、それが磁場分布図にお
いて上側に表示されるようにした。

【００３０】まず、保存部材（試験片）に外部磁場を与
えるため、コイル先端面が保存部材の中央になるように
コイルを固定した。保存部材表面とコイル先端面の間の
クリアランスは、０．３ｍｍにした。次に、コイルに流
す電流値を上げて磁場を発生させ、その後、約１５０Ｎ
／秒の割合で保存部材に引張り力を加えていった。引張
り荷重は、塑性変形が少なくかつ磁気力が測定できる程
度の値、すなわち３０００Ｎ（引張り応力４００ＭＰ
ａ）とし、この値に１０秒間保持した後、引張り力を除
いた。除荷後、コイルの電流値をゆっくり下げて、発生
している磁場を零にした。そして、前記の磁気読取装置
(10)により、保存部材に凍結された磁場を測定した。

【００３１】図４は、保存部材の外部磁場が発生してい
た側の面を磁気読取装置で測定することにより得られた
磁気力分布図の１例である。図４には、均一応力場内で
コイルに発生した磁場の一部が保存部材の変態層に凍結
されていることがはっきりと現れており、これにより、
前記の第１の検討項目である磁場の凍結現象が確認でき
た。

【００３２】次に、第２の検討項目である外部磁場と凍
結磁場の関係を調べた。図５に、コイルから発生した外
部磁場の磁気力分布図を示す。この外部磁場の強さの分
布はガウスメータの分解能の問題で測定できないが、コ
イル先端面より上方０．３ｍｍの点でガウスメータで測
定したところ、強さの最大値は１Gauss であった。な
お、ガウスメータのホール素子の面形状がコイル先端面
より大きいため、実際の値はこの値より大きい。以後に
示すコイルの磁場の強さは、上記の誤差を含んでいる。
図４に示す凍結磁場を得るための実験に使用した外部磁
場の強さは、磁気力センサの測定範囲を越えてしまう。
そのため、実際には、凍結磁場を得るための実験に使用
した外部磁場より弱い外部磁場を発生させて、図５のよ
うな磁気力分布図を求め、凍結磁場を得るための実験に
使用した外部磁場の磁気力分布は図５の分布に比例する
と考えて、検討を行った。なお、図４に示す凍結磁場を
得るための実験に使用した外部磁場の強さは、図５に示
す磁気力分布を得るための実験においてコイルから発生
した磁場の強さより最大値で１２倍大きい。

【００３３】外部磁場による磁気力分布（以下、外部分
布と呼ぶ。）と凍結された磁場による磁気力分布（以
下、凍結分布と呼ぶ。）の分布形の相似性を検討するた
め、それぞれの分布の最大高さを同じにして、分布の比
較を行った。その結果を図６に示す。図６において、
(a) は外部分布、(b) は凍結分布をそれぞれ示してい
る。図６から明らかなように、両者の分布形はかなり良
好な一致を示しているが、外部分布はほぼ完全な軸対称
分布を有するのに対し、凍結分布は引張り応力方向に少
し引きのばされた分布形になっている。両者の磁気力の
最大値とその前後の分布曲線を図７に示し、それぞれの
半価幅を測定してみると、次の表１の結果が得られた。

【００３４】表１外部分布と凍結分布の半価幅（ｍｍ）外部分布凍結分布磁気力の分布曲線イの半価幅２．３７２．４２磁気力の最大値の分布曲線ロの半価幅２．４１２．３９磁気力の分布曲線ハの半価幅２．４０２．３５両者は、半価幅ではほとんど同じ値を示しており、引張
り応力の影響は見られない。しかし、図７の分布曲線で
は、両者の広がり具合に若干の違いが見られ、凍結分布
から元の外部磁場を厳密に推定する場合には、補正など
の適当な対策が必要になるものと思われる。

【００３５】次に、外部磁場と凍結された磁場の強さの
絶対値の比較を試みた。図６に示した測定結果から、凍
結される磁場の強さは外部磁場のそれよりかなり小さい
ことが予想される。図４の実験条件では、凍結された磁
場の強さを通常の磁場測定装置で測定することは困難で
ある。そこで、凍結時に与える外部磁場としては、図４
のものよりはるかに大きい外部磁場を与えることにし
た。

【００３６】外部磁場はフェライト磁石（２５００Gaus
s ）を用い、これを保存部材に密着させた状態で、引張
り応力４４０ＭＰａを加え、磁場を凍結させた。この凍
結させた磁場の強さをガウスメータよりはるかに高感度
の磁場測定装置であるクラックスゲートメータ（ＷＡＬ
ＫＥＲサイエンティフィック社製、ＦＧＭ−３Ｄ１）を
用いて測定したところ、９．０×１０^-3Gauss であっ
た。

【００３７】以上の結果から、凍結された磁場の強さは
外部磁場の３．６×１０^-6倍といったきわめて低いもの
であることがわかる。

【００３８】最後に、第３の検討項目である凍結磁場の
外部磁場に対する破壊強さを検討した。凍結磁場の破壊
強さが十分高ければ、応力を保存部材に加えることが磁
場測定における測定時刻の同定につながる。すなわち、
時間的に変動する磁場を測定する場合のトリガとして応
力の付与が利用できることになる。

【００３９】磁場の測定にこの発明による方法を用いた
場合、磁場が凍結された保存部材を磁場測定空間から取
出す際に、凍結された磁場が他の外部磁場にさらされる
危険性がある。また、磁場測定空間から取出した後も、
凍結磁場を測定するまでの間に凍結磁場が他の外部磁場
にさらされる危険性がある。

【００４０】そこで、このような外部磁場の影響を調べ
た。まず、コイルによる外部磁場を保存部材に凍結さ
せ、凍結分布を測定した。このときの外部磁場の最大強
さは１２Gauss 、引張り応力は４００ＭＰａであった。
次に、応力を零にした状態で、先に与えた外部磁場より
も強い外部磁場を１０秒間与えた。そして、凍結分布を
測定し、最初に測定した凍結分布と比べて、変化がなけ
れば、さらに強い外部磁場を同様の方法で与え、凍結磁
場が破壊されるまで外部磁場を強くしていった。このよ
うにして得られて凍結分布図を図８に示す。図８におい
て、(a) は外部磁場１２Gauss 、引張り応力４００ＭＰ
ａで凍結された磁場の凍結分布（最初の凍結分布）、
(b) は凍結分布に外部磁場３２Gauss を与えた後の凍結
分布、(c) は凍結分布に外部磁場５２Gauss を与えた後
の凍結分布、(d) は凍結分布に外部磁場５７Gauss を与
えた後の凍結分布、(e) は凍結分布に外部磁場７３Gaus
s を与えた後の凍結分布、(f) は凍結分布に外部磁場８
２Gauss を与えた後の凍結分布をそれぞれ示している。
破壊強さを検討するために、図８の各分布図からそれぞ
れの磁気力の最大値を求め、横軸に外部磁場の増加率
を、縦軸に凍結磁場の磁気力の最大値の増加率（以下、
最大磁気力の増加率と呼ぶ。）をとると、図９のように
なった。外部磁場の増加率および最大磁気力の増加率
は、次の式(1) および(2) で定義される。

【００４１】外部磁場の増加率〔％〕＝〔（Ｂ_n−Ｂ_o）／Ｂ_o〕×１００……(1) 最大磁気力の増加率〔％〕＝〔（Ｆ_n−Ｆ_o）／Ｆ_o〕×１００……(2) ここで、Ｂ_oは凍結させるために与えた外部磁場〔Gaus
s 〕、Ｂ_nは凍結された磁場を破壊するために与えた外
部磁場〔Gauss 〕、Ｆ_oは磁場を凍結させて得られた凍
結分布の磁気力の最大値〔μＮ〕、Ｆ_nは凍結された磁
場を破壊するために外部磁場を与えた後の凍結分布の磁
気力の最大値〔μＮ〕である。

【００４２】最大磁気力の増加率が１０％以下まで外部
磁場の影響を受けていないと考えると、図９より、凍結
された磁場は外部磁場の増加率４００％位まで影響を受
けずに保存されていることになる。

【００４３】以上のことから、応力がトリガの役目を果
たし、磁場を保存部材に凍結させることができた。その
凍結された磁場は、外部からの応力を除いている限り、
上記の例では、凍結された磁場の５倍程度の強さまで影
響を受けずに保存されていることから、変態現象を応用
して任意の時刻における磁場分布を推定することが可能
である。

【００４４】

【発明の効果】この発明の磁場測定方法によれば、上述
のように、測定環境による制約が小さく、しかも、任意
の時刻における磁場分布を記録し、これを後から読み出
すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法による磁場測定方法の１例を順
に示す説明図である。

【図２】この発明の磁場測定方法において保存部材に凍
結された磁場分布を測定するために用いられる磁気読取
装置の１例を示す斜視図である。

【図３】図２の磁気読取装置の主要部を拡大して示す側
面図である。

【図４】保存部材に凍結された磁場の磁気力分布の１例
を示す説明図である。

【図５】コイルから発生した外部磁場の磁気力分布の１
例を示す説明図である。

【図６】外部磁場による磁気力分布と凍結された磁場に
よる磁気力分布の１例を示す説明図である。

【図７】外部磁場による磁気力分布曲線およびその半価
幅ならびに凍結された磁場による磁気力分布曲線および
その半価幅の１例を示す説明図である。

【図８】凍結された磁場による磁気力分布の外部磁場に
よる変化の１例を示す説明図である。

【図９】外部磁場と最大磁気力の増加率の関係を表わす
グラフである。

【図１０】実験に用いた保存部材の試験片の形状および
寸法を示す図面である。

【図１１】実験に用いた引張り装置を概略的に示す斜視
図である。

【符号の説明】

(1) 板状磁場分布保存部材 (2) 磁気力センサ (10) 磁気読取装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁場測定空間に、オーステナイト系ステン
レス鋼製の板状磁場分布保存部材を配置し、磁場分布保
存部材に応力を付加した後に応力を除くことにより、応
力を付加したときの磁場測定空間の磁場分布を磁場分布
保存部材に凍結させ、この磁場分布保存部材に凍結され
た磁場分布を測定することを特徴とする磁場測定方法。