JP2001056266A - 衝撃負荷の加わる強磁性体内の衝撃波の時間特性の決定方法及び装置 - Google Patents
衝撃負荷の加わる強磁性体内の衝撃波の時間特性の決定方法及び装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ドリルの如き工具等の強磁性体の構成体内の
衝撃波時間特性を求める方法と装置であって、渦流の影
響を極力少なくする。 【解決手段】 構成体内の衝撃作用による磁束の変化速
度を求めるにあたり、測定電圧に付加的重畳量を加え、
測定電圧の積分によって衝撃波の特性を求めることによ
り、測定における渦流の影響を極力少なくする。
衝撃波時間特性を求める方法と装置であって、渦流の影
響を極力少なくする。 【解決手段】 構成体内の衝撃作用による磁束の変化速
度を求めるにあたり、測定電圧に付加的重畳量を加え、
測定電圧の積分によって衝撃波の特性を求めることによ
り、測定における渦流の影響を極力少なくする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は強磁性体の工具の如
き構成体内の衝撃波の時間特性を決定する方法及び装置
に関するもので、同工具は打撃性または衝撃性応力を受
けるものであって、本方法においては、構成体に打撃作
用が加えられる場合、構成体に装着した計測手段に生ず
る測定電圧により磁束の時間的変化を測定するものであ
る。
き構成体内の衝撃波の時間特性を決定する方法及び装置
に関するもので、同工具は打撃性または衝撃性応力を受
けるものであって、本方法においては、構成体に打撃作
用が加えられる場合、構成体に装着した計測手段に生ず
る測定電圧により磁束の時間的変化を測定するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】工具の如き構成体内の衝撃波の時間的特
性を知ることは、試験及び駆動プログラムにおける技術
的条件を最適なものとするために、必要であることが知
られており、またハンマードリルのような打撃による破
壊工具では品質管理上もこれを知る必要がある。このよ
うな衝撃波を測定するには、従来はほとんどの場合、ス
トレーンゲージ（歪みゲージ）が使用されていた。この
ような場合、ストレーンゲージを工具の軸又は測定用ロ
ッドに装着するのは可成り厄介な手数を要した。更に回
転工具の場合には、複雑な変換用電子回路を必要とし
た。またこれに加え、ストレーンゲージの電気端子は振
動に対し極めて敏感であるという欠点があった。
性を知ることは、試験及び駆動プログラムにおける技術
的条件を最適なものとするために、必要であることが知
られており、またハンマードリルのような打撃による破
壊工具では品質管理上もこれを知る必要がある。このよ
うな衝撃波を測定するには、従来はほとんどの場合、ス
トレーンゲージ（歪みゲージ）が使用されていた。この
ような場合、ストレーンゲージを工具の軸又は測定用ロ
ッドに装着するのは可成り厄介な手数を要した。更に回
転工具の場合には、複雑な変換用電子回路を必要とし
た。またこれに加え、ストレーンゲージの電気端子は振
動に対し極めて敏感であるという欠点があった。
【０００３】静的又は準静的な力を測定する為には、ス
トレーンゲージの代替として磁気弾性原理（マグネトエ
ラスティック--- ＭＥ）に基づくセンサが考えられる。
（文献〔１〕参照）。磁気弾性現象（文献〔２〕及び
〔３〕参照）、及びその逆現象たる磁歪作用は、機械的
応力による磁気特性の変化、例えば透磁率μr の変化に
よるものと考えられる。とくにその後者（μr)の場合
は、加えられた機械的応力の関数として、強磁性材料内
に誘起する磁束を変化させる。図１は既知の磁化・ヒス
テリシス曲線に対する圧縮応力の影響を量的に示すもの
である。構成体１に加えられる機械的応力を測定する
為、図２に示した工具構成体１に設けた磁化コイル２に
ＡＣ電流Ｉを流し、交番磁界によって磁化する。これに
よって生じた交番磁界は、第２のコイルとして設けてあ
る測定コイル３内に磁束の変化速度に比例する電圧を発
生させる。この為、工具構成体１に加えられる負荷たる
機械的応力は、磁界を検出する磁化コイル２内の電流Ｉ
と、測定電圧Ｕとの増幅比より計算によって求められ
る。
トレーンゲージの代替として磁気弾性原理（マグネトエ
ラスティック--- ＭＥ）に基づくセンサが考えられる。
（文献〔１〕参照）。磁気弾性現象（文献〔２〕及び
〔３〕参照）、及びその逆現象たる磁歪作用は、機械的
応力による磁気特性の変化、例えば透磁率μr の変化に
よるものと考えられる。とくにその後者（μr)の場合
は、加えられた機械的応力の関数として、強磁性材料内
に誘起する磁束を変化させる。図１は既知の磁化・ヒス
テリシス曲線に対する圧縮応力の影響を量的に示すもの
である。構成体１に加えられる機械的応力を測定する
為、図２に示した工具構成体１に設けた磁化コイル２に
ＡＣ電流Ｉを流し、交番磁界によって磁化する。これに
よって生じた交番磁界は、第２のコイルとして設けてあ
る測定コイル３内に磁束の変化速度に比例する電圧を発
生させる。この為、工具構成体１に加えられる負荷たる
機械的応力は、磁界を検出する磁化コイル２内の電流Ｉ
と、測定電圧Ｕとの増幅比より計算によって求められ
る。
【０００４】衝撃波の場合に生ずるような急激に変化す
る機械的応力を測定するためには、ＤＣ磁界を用いる磁
化を利用することもできる。（文献〔４〕，〔５〕参
照）。機械的応力の変化速度、すなわち、数学的表現を
用いると、衝撃波の一次導関数が測定コイル３によって
求められる。衝撃波の応力特性は簡単な積分で求められ
る。（積分回路４による）。
る機械的応力を測定するためには、ＤＣ磁界を用いる磁
化を利用することもできる。（文献〔４〕，〔５〕参
照）。機械的応力の変化速度、すなわち、数学的表現を
用いると、衝撃波の一次導関数が測定コイル３によって
求められる。衝撃波の応力特性は簡単な積分で求められ
る。（積分回路４による）。
【０００５】例えばドリルのような電気的に導電性のあ
る材料の工具の構成体の場合、構成体に加えた衝撃波に
よる極めて急速な磁束の変化による逆作用として導電性
材料内に渦流（エディカレント）を生ずる。この場合、
部分的に生ずる渦流によって磁束に影響が加わり、従っ
て測定コイル３の端子に生ずる電圧Ｕの特性に影響を及
ぼす。この現象の詳細は、参照文献〔６〕に記載されて
いる。電流の移動現象により、渦流は主として構成体の
表面の近くの領域を移動するので、工具の周縁にハッチ
を設けて渦流を減少させることが提案されている。
る材料の工具の構成体の場合、構成体に加えた衝撃波に
よる極めて急速な磁束の変化による逆作用として導電性
材料内に渦流（エディカレント）を生ずる。この場合、
部分的に生ずる渦流によって磁束に影響が加わり、従っ
て測定コイル３の端子に生ずる電圧Ｕの特性に影響を及
ぼす。この現象の詳細は、参照文献〔６〕に記載されて
いる。電流の移動現象により、渦流は主として構成体の
表面の近くの領域を移動するので、工具の周縁にハッチ
を設けて渦流を減少させることが提案されている。
【０００６】この種の構成体内の機械的応力を測定する
ため特に顕著な電気的抵抗を有する材料、例えばアモル
ファス金属の条片を工具構成体に接着させて設け、この
条片内の磁束の変化を検出することも既知である。しか
し乍らこの方法は、ストレーンゲージの場合と同様に複
雑な接着工程を必要とするという欠点がある。
ため特に顕著な電気的抵抗を有する材料、例えばアモル
ファス金属の条片を工具構成体に接着させて設け、この
条片内の磁束の変化を検出することも既知である。しか
し乍らこの方法は、ストレーンゲージの場合と同様に複
雑な接着工程を必要とするという欠点がある。
【０００７】本発明においては、請求項１に記載した方
法により上述の問題を解決する。すなわち、請求項１で
は、打撃又は衝撃性負荷の加わる工具の如き強磁性構成
体内の衝撃波の時間特性を決定する方法であって、衝撃
動作を受けた際、この強磁性体に設けてある測定手段に
生ずる測定電圧の変化速度によって時間特性を決定する
方法において、測定電圧に付加的に重畳させてある測定
電圧の積分値によって衝撃波特性を決定することを特徴
とする。
法により上述の問題を解決する。すなわち、請求項１で
は、打撃又は衝撃性負荷の加わる工具の如き強磁性構成
体内の衝撃波の時間特性を決定する方法であって、衝撃
動作を受けた際、この強磁性体に設けてある測定手段に
生ずる測定電圧の変化速度によって時間特性を決定する
方法において、測定電圧に付加的に重畳させてある測定
電圧の積分値によって衝撃波特性を決定することを特徴
とする。
【０００８】上述の本発明の基本的構想の詳細について
は更に従属請求項に記載の如くであり、その利点につい
て以下に説明する。
は更に従属請求項に記載の如くであり、その利点につい
て以下に説明する。
【０００９】本発明の方法を実施する装置については請
求項４及び５に記載の如くである。
求項４及び５に記載の如くである。
【００１０】上に説明した如く、工具等の構成体内に誘
起される渦流の作用によって、従来技術では、ＭＥセン
サによって衝撃波の特性を正確に測定することが困難で
あった。（文献〔５〕参照）。本発明においては、数学
的モデル又は等価回路によって、衝撃波の特性に及ぼす
渦流の影響を求め、これを除くことを可能としたもので
ある。この着想の出発点は、渦流は磁束の変化方向と反
対の方向で生ずるということである。この考えによれ
ば、周波数を増加させれば、磁束は工具構成体内の機械
的応力に比例しなくなるが、依然として該機械的応力の
積分成分を含んでいるということが判る。これを換言す
ると、周波数を増加させた場合の測定電圧は、衝撃波の
正確な微分値ではなくなるが、周波数の増加につれて、
その比例成分をより多く含むことが判った。
起される渦流の作用によって、従来技術では、ＭＥセン
サによって衝撃波の特性を正確に測定することが困難で
あった。（文献〔５〕参照）。本発明においては、数学
的モデル又は等価回路によって、衝撃波の特性に及ぼす
渦流の影響を求め、これを除くことを可能としたもので
ある。この着想の出発点は、渦流は磁束の変化方向と反
対の方向で生ずるということである。この考えによれ
ば、周波数を増加させれば、磁束は工具構成体内の機械
的応力に比例しなくなるが、依然として該機械的応力の
積分成分を含んでいるということが判る。これを換言す
ると、周波数を増加させた場合の測定電圧は、衝撃波の
正確な微分値ではなくなるが、周波数の増加につれて、
その比例成分をより多く含むことが判った。
【００１１】実施例 以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。図３
は、測定電圧に対する渦流電流の影響を説明するための
１例を示す。原理的に見て本例は遮断周波数ｆｅが次
式、 Ｆｅ＝利得／２π で表わされる値をもった高域通過濾波器であって、増幅
率が １／利得 である帯域制限差動増幅器と見做すこ
とができる。
は、測定電圧に対する渦流電流の影響を説明するための
１例を示す。原理的に見て本例は遮断周波数ｆｅが次
式、 Ｆｅ＝利得／２π で表わされる値をもった高域通過濾波器であって、増幅
率が １／利得 である帯域制限差動増幅器と見做すこ
とができる。
【００１２】図４の等価回路図に示すように、測定電圧
より衝撃波を再現するためには、逆関数を用いる。この
関数は次の如く説明できる。すなわち測定コイルの端子
間の電圧信号は、単に部分的にのみしか積分されない。
すなわち周波数ｆｅ以下のものしか実質的に積分されな
い。上述において説明した発見を用いるためには、渦流
が既に積分態様で作用していると云いうる。
より衝撃波を再現するためには、逆関数を用いる。この
関数は次の如く説明できる。すなわち測定コイルの端子
間の電圧信号は、単に部分的にのみしか積分されない。
すなわち周波数ｆｅ以下のものしか実質的に積分されな
い。上述において説明した発見を用いるためには、渦流
が既に積分態様で作用していると云いうる。
【００１３】図４の等価回路図、あるいは機能図（ファ
ンクションダイヤグラム）により、測定電圧より衝撃波
を再構成、再現するためには図５に示すような電子回路
を用いる。センサ、すなわち、測定コイルよりの測定電
圧を、積分回路として接続してある差動増幅器Ａ1 の反
転入力に供給する。この入力には、低いバイアス電圧Ｕ
1 が特定の応答点とて加えられている。差動増幅器Ａ1
の出力を帯域制限増幅器Ａ2 の反転入力に供給し、この
差動増幅器Ａ2 の出力信号を、測定コイルの信号と共
に、加算増幅器Ａ3 の反転入力に供給する。
ンクションダイヤグラム）により、測定電圧より衝撃波
を再構成、再現するためには図５に示すような電子回路
を用いる。センサ、すなわち、測定コイルよりの測定電
圧を、積分回路として接続してある差動増幅器Ａ1 の反
転入力に供給する。この入力には、低いバイアス電圧Ｕ
1 が特定の応答点とて加えられている。差動増幅器Ａ1
の出力を帯域制限増幅器Ａ2 の反転入力に供給し、この
差動増幅器Ａ2 の出力信号を、測定コイルの信号と共
に、加算増幅器Ａ3 の反転入力に供給する。
【００１４】図５の回路の各構成素子は、１例として次
の如くの値とする。 Ｕ1 ・・・７５ mＶ 差動増幅器Ａ1,Ａ2,Ａ3 ・・・ ＴＬ ０８４ Ｒ1,Ｒ2,Ｒ4,Ｒ6,Ｒ7 ・・・ １０ KΩ Ｕ2,Ｕ3 ・・・ １５ V Ｒ3 ・・・ １０ MΩ Ｒ5 ・・・１００ KΩ Ｃ1 ・・・１００ nＦ Ｒ8 ・・・ ４７ KΩ
の如くの値とする。 Ｕ1 ・・・７５ mＶ 差動増幅器Ａ1,Ａ2,Ａ3 ・・・ ＴＬ ０８４ Ｒ1,Ｒ2,Ｒ4,Ｒ6,Ｒ7 ・・・ １０ KΩ Ｕ2,Ｕ3 ・・・ １５ V Ｒ3 ・・・ １０ MΩ Ｒ5 ・・・１００ KΩ Ｃ1 ・・・１００ nＦ Ｒ8 ・・・ ４７ KΩ
【００１５】上述の各装置以外に、図２に示し、その等
価回路図を図６Ａに略図で示した回路も、磁化コイル２
と測定コイル３との構成として本発明に使用することが
できる。磁化コイル２に供給を行い測定信号を得るため
の他の変形も可能である。図６Ｂないし６Ｄに示すよう
に測定コイル３を省略することもできる。これは衝撃に
もとづく磁束の変化が、同様に測定コイル２内の電圧の
変化をもたらすからである。従って測定信号は、磁化コ
イル２のタップより導くこともできる。
価回路図を図６Ａに略図で示した回路も、磁化コイル２
と測定コイル３との構成として本発明に使用することが
できる。磁化コイル２に供給を行い測定信号を得るため
の他の変形も可能である。図６Ｂないし６Ｄに示すよう
に測定コイル３を省略することもできる。これは衝撃に
もとづく磁束の変化が、同様に測定コイル２内の電圧の
変化をもたらすからである。従って測定信号は、磁化コ
イル２のタップより導くこともできる。
【００１６】図６Ｂに示すように、図６Ａに示した電流
源５は、第１変形例として直列インダクタンス８を有す
る電圧源に置換えることができる。この場合の直列イン
ダクタンス８は、磁化コイル２のインダクタンスより数
倍大きなインダクタンスのものとする必要がある。
源５は、第１変形例として直列インダクタンス８を有す
る電圧源に置換えることができる。この場合の直列イン
ダクタンス８は、磁化コイル２のインダクタンスより数
倍大きなインダクタンスのものとする必要がある。
【００１７】図６Ｃは電子的に反結合したタップの例を
示し、直列インダクタンス８に対し変圧器結合を介し測
定信号に対しインピーダンスをマッチさせることにより
実現しうる。
示し、直列インダクタンス８に対し変圧器結合を介し測
定信号に対しインピーダンスをマッチさせることにより
実現しうる。
【００１８】図６Ｄに示すように、急速制御可能な電流
源７を介して、磁化コイル２に給電することが可能であ
れば、制御回路１０によって供給される可変量をそのま
ま直接制御信号として使用することができる。この例に
よると、信号検出に関し特に簡単な変形例が得られるこ
ととなり、特定の用途に対しては極めて有用である。
源７を介して、磁化コイル２に給電することが可能であ
れば、制御回路１０によって供給される可変量をそのま
ま直接制御信号として使用することができる。この例に
よると、信号検出に関し特に簡単な変形例が得られるこ
ととなり、特定の用途に対しては極めて有用である。
【図１】 図１は、強磁性体の構成体に機械的圧縮圧力
を加えたときの磁化・ヒステリシス曲線を示す図であ
る。
を加えたときの磁化・ヒステリシス曲線を示す図であ
る。
【図２】 図２は、当該構成体にＤＣ又はＡＣ磁化を加
えたときの衝撃波特性を求める構成を示す原理図であ
る。
えたときの衝撃波特性を求める構成を示す原理図であ
る。
【図３】 図３は強磁性体に衝撃波応力を加えた場合の
渦流の作用を示すモデル又は等価回路図である。
渦流の作用を示すモデル又は等価回路図である。
【図４】 図４は、記録された測定電圧より衝撃波を再
構成するモデル又は等価回路図である。
構成するモデル又は等価回路図である。
【図５】 図５は、測定電圧より衝撃波を再構成して求
める回路の１例を示す図である。
める回路の１例を示す図である。
【図６】 図６Ａは磁気コイルに供給を行い測定信号を
得る配置の１例、図６Ｂはその変形例、図６Ｃはさらに
その変形例、図６Ｄはさらに他の変形例である。 参照文献 文献〔１〕 ジヤロセビック エイ（Jarosevic. A.)
他、“建築構成体のプレストレス測定”(Vorspannungsm
essung an Baukonstruktionen ),〔 Prestressmeasurem
ent on building structures〕，Braunschweiger Build
ing Seminar ：Neue Technologien im Bauwesen,〔New
Technologies in Building〕，ブラウンシュバイゲル
ビルディング ゼミナー、Braunschweig Nov. 12−13，
1992，Vol.97，pp. 71−82 文献〔２〕 ゼーキルヘル ヨット（Seekircher.
J.）：MagnetoelastischeKraftsensoren mit amorphen
Metallen 〔アモルファス金属による磁気電気力の測
定〕VDI Fortschritt-Berichete, Reihe 8： Mess-, St
euerungs- undRegelungstechnik No. 266, VDI Verlag 文献〔３〕 ボール アール（Boll. R.) ：Weichmagne
tische Werkstoffe 〔軟磁性材料〕，４版、ISBN 3−80
09−1546−４，Vacuumschmelze GMBH, 1990 文献〔４〕 ヘッカー アール；シュレーダー．ピー
（Hecker. R., Schroder. P.) ：Nutzung, mechanische
r u. elektromechanischer Effekte zur Mesgungelasti
scher Wellen in Staben 〔棒内の弾性波測定に対する
機械的及び電磁的効果の利用〕，Technisches Messen t
m 11／95, R. Oldenburg Verlag 文献〔５〕 ヘッカー アール（ Hecker. R. ）：Anwe
ndung des magnetoelastischen Effekts zur Messung v
on Dehnwellen in stabformigen Korpernschlagender M
aschinen〔打撃機械の棒状体内の膨張波の測定における
磁気・電気効果の応用〕、Technisches Messen tm ６／
88, Vol.55, 1988 文献〔６〕 マルキィンスキィ エル エム（ Malkins
ky, L. M. ）：〔衝撃エネルギー測定における磁気電気
センサーの設計について、〕ArbeitsberichtA-IF ７−4
5／94, Konzern-Forschung, Hilti AG,シャーン 1994
得る配置の１例、図６Ｂはその変形例、図６Ｃはさらに
その変形例、図６Ｄはさらに他の変形例である。 参照文献 文献〔１〕 ジヤロセビック エイ（Jarosevic. A.)
他、“建築構成体のプレストレス測定”(Vorspannungsm
essung an Baukonstruktionen ),〔 Prestressmeasurem
ent on building structures〕，Braunschweiger Build
ing Seminar ：Neue Technologien im Bauwesen,〔New
Technologies in Building〕，ブラウンシュバイゲル
ビルディング ゼミナー、Braunschweig Nov. 12−13，
1992，Vol.97，pp. 71−82 文献〔２〕 ゼーキルヘル ヨット（Seekircher.
J.）：MagnetoelastischeKraftsensoren mit amorphen
Metallen 〔アモルファス金属による磁気電気力の測
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───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファボ ペーター スロヴァキア国 84215 ブラティスラヴ ァ ムリンスカ ドリナ エフ ２ (72)発明者 ジャロセヴィッチ アンドレイ スロヴァキア国 84215 ブラティスラヴ ァ ムリンスカ ドリナ エフ ２
Claims (4)
- 【請求項１】 打撃又は衝撃性負荷の加わる工具の如き
強磁性構成体内の衝撃波の時間特性を決定する方法であ
って、衝撃動作を受けた際、この強磁性体に設けてある
測定手段に生ずる測定電圧の変化速度によって時間特性
を決定する方法において、 測定電圧に付加的に重畳させてある測定電圧の積分値に
よって衝撃波特性を決定することを特徴とする衝撃負荷
の加わる強磁性体内の衝撃波の時間特性の決定方法。 - 【請求項２】 強磁性構成体を包囲する様に設けられて
いる磁化コイル（２）によって誘起される磁束により衝
撃波の時間特性を求める請求項１記載の方法において、 磁化コイル（２）のタップより測定電圧を得ることを特
徴とする方法。 - 【請求項３】 請求項１記載の方法を実施する装置であ
って、強磁性構成体を包囲する様に設けられている磁化
コイル（２）によって誘起される磁束により衝撃波の時
間特性を求める装置において、 電圧源（６）より、直列接続インダクタ（８又は８，
９）を介して磁化コイル（２）に電流を供給し、該直列
接続インダクタのタップより測定電圧を得ることを特徴
とする衝撃負荷の加わる強磁性体内の衝撃波の時間特性
の決定装置。 - 【請求項４】 強磁性構成体を包囲して配置された磁化
コイル（２）により磁束を誘起させる請求項１記載の方
法を実施する装置において、 制御した電流源より磁化コイル（２）に電流を供給し、
その制御電圧を測定電圧として使用することを特徴とす
る衝撃負荷の加わる強磁性体内の衝撃波の時間特性の決
定装置。
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