特開 2024-111553 単板試験器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024111553

(43)【公開日】2024-08-19

(54)【発明の名称】単板試験器

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/02 20060101AFI20240809BHJP

   G01R 33/12 20060101ALI20240809BHJP

【ＦＩ】

G01R33/02 B

G01R33/12 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023016129

(22)【出願日】2023-02-06

(71)【出願人】

【識別番号】507076126

【氏名又は名称】株式会社ＩＦＧ

(72)【発明者】

【氏名】森 仁

(72)【発明者】

【氏名】八島 建樹

【テーマコード（参考）】

2G017

【Ｆターム（参考）】

2G017AA07

2G017AD03

2G017AD04

2G017AD05

2G017CB02

2G017CB15

2G017CB23

(57)【要約】      （修正有）

【課題】試料表面からの漏れ磁束による空隙部の磁束変化の影響を反映し正確な磁気特性の測定結果を得る。
【解決手段】励磁コイル１ａ、磁束密度検出コイル２ａ、空隙補償コイル３ａ、二つのリターンヨーク６ａ，６ｂで構成され、励磁コイル１ａに内包される磁束密度検出コイル２ａは、その磁束密度検出方向が励磁コイル１ａの発生磁界方向と平行、且つ上記中心面５にて、面対称となる形状および位置に構成され、空隙補償コイル３ａは、その磁束密度検出方向が磁束密度検出コイル２ａの磁束密度検出方向と平行であり、且つ磁束密度検出コイル２ａの内包空間を中心面５で二分割した際の分割された空間のいずれか一方とほぼ同一の内包空間を持った形状および位置に構成され、測定時においては、測定される試料４は上記中心面５上またはその近傍面上に配置され、励磁コイル１ａの外側に突出した試料４の両端が二つのリターンヨーク６ａ，６ｂの間に挟まれている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状軟磁性材料の磁気特性を測定する単板試験機であって、
磁界を発生する励磁コイル１ａ、試料４内部および空隙部の磁束変化を検出する磁束密度検出コイル２ａ、空隙部の磁束変化を検出する空隙補償コイル３ａ、二つのリターンヨーク６ａ，６ｂで構成され、
励磁コイル１ａは、励磁コイル１ａの形状を面対称に分かち、励磁コイル１の発生磁界方向に平行な中心面５を持ち、
励磁コイル１ａに内包される磁束密度検出コイル２ａは、その磁束密度検出方向が励磁コイル１ａの発生磁界方向と平行であり、且つ上記中心面５にて、磁束密度検出コイル２ａの形状が面対称となる形状および位置に構成され、
空隙補償コイル３ａは、その磁束密度検出方向が磁束密度検出コイル２ａの磁束密度検出方向と平行であり、且つ磁束密度検出コイル２ａの内包空間を中心面５で二分割した際の分割された空間のいずれか一方とほぼ同一の内包空間を持った形状および位置に構成され、
測定時においては、測定される試料４は上記中心面５上またはその近傍面上に配置され、励磁コイル１ａの外側に突出した試料４の両端が二つのリターンヨーク６ａ，６ｂの間に挟まれていることを特徴とする単板試験機。

【請求項2】

空隙補償コイル３ａの表面と試料４が密着していることを特徴とする請求項１に記載の単板試験機。

【請求項3】

空隙補償コイル３ａの巻き数が、磁束密度検出コイル２ａの巻き数の略２倍であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単板試験機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁鋼板等の板状軟磁性材料の交流磁化特性、鉄損を測定する単板試験器の改良に関する。

【背景技術】

【0002】

電磁鋼板やアモルファス材料、ナノ結晶材料など、軟磁性材料の磁気特性を測定する方法として単板試験器が用いられている（非特許文献１）。単板試験器では、板状の軟磁性材料である試料を、磁性体を材料とするリターンコアで挟んで、この試料を経路とする閉磁路を構成し、この閉磁路を励磁コイルで励磁しながら、試料のまわりにまいたピックアップコイル（以降「磁束密度検出コイル」と呼称する）にて、試料内部の磁束を検出し、試料の磁気特性を測定する。

【0003】

この単板試験器の磁束密度検出コイルには、その内側の磁束変化に比例した起電力が生じ、これを積分することにより、磁束密度検出コイル内側を貫通する磁束を求めることができる。測定したい磁束は、試料内部の磁束だけであるが、磁束密度検出コイルで拾われる磁束には、試料のない部分すなわち空隙に生じている磁束も含まれてしまっている。そのため、この空隙に生じている磁束を差し引くために空隙補償コイルというものが使用される。非特許文献１には空隙補償コイルとして、一次側を励磁コイルに、二次側を磁束密度検出コイルに直列接続した外部相互誘導器を使用する方法、または励磁コイル内部に配置したピックアップコイルを使用する方法が、記載されている。

【0004】

励磁コイル内部に配置する空隙補償コイルの１例として、特許文献１には、磁束密度検出コイルと空隙補償コイルの構成例の一つが記載されている。特許文献１では、お互いの領域が重ならないように配置した磁束密度検出コイル２ａと空隙補償コイル３ａの組を複数利用した発明の形態が記載されている。この構成で用いられる磁束密度検出コイル２ａと空隙補償コイル３ａの組を図４、図５に示す。以降、この構成例を従来技術例１とする。

【0005】

また、試料４近傍の磁界を測定するＨコイルというコイルを磁束密度検出コイル２ａの内側に配置し、このコイルを空隙補償コイル３ａとしても活用する構成例が、非特許文献１に記載されている。この構成を図６、図７に示す。以降、この構成例を従来技術例２とする。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】ＪＩＳ Ｃ ２５５６（１９９６）、「電磁鋼板単板磁気特性試験方法」

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１９－４５３３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

一般に、空隙補償コイルの出力は、磁束密度検出コイルの出力に含まれる空隙部分の磁束由来の信号と同じ大きさかつ逆符号になるように調整される。その調整方法としては、空隙補償コイルの断面積を調整する方法、空隙補償コイルのターン数を調整する方法、空隙補償コイルの出力につなげたプリアンプの増幅度を調整する方法、ＡＤ変換により計算機に取り込まれたデジタル信号に係数をかける方法などがある。この調整は、試料がない状態でおこなわれ、空隙補償コイルの出力と磁束密度検出コイルの出力の和が略ゼロになるように調整される。この調整状態を得ることで、空隙部分の磁束が磁束密度検出コイルから差し引かれ、試料をセットした場合には試料内部の磁束のみが検出されるとされている。

【0009】

一方、実際に試験機に試料をセットした場合、試料の表面からは漏れ磁束が発生し、試料周辺の空隙部分の磁束密度分布を大きく変化させてしまう問題がある。外部相互誘導器を空隙補償コイルとして用いた場合には、試料の漏れ磁束による空隙部分の磁束密度分布の変化は空隙補償コイルの検出信号には一切含まれない状態となってしまう。また図４乃至図７に示したように励磁コイル１ａ内部に空隙補償コイル３ａを設置している場合でも、試料４周辺の磁束密度分布変化すべてを空隙補償コイル３ａの検出信号に取り込むことはできず、あくまで空隙補償コイル３ａの設置位置における漏れ磁束のみが測定結果に反映されることになり、実際の試料内部の磁束変化とは異なる結果が観測されてしまう課題がある。

【0010】

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、試料表面からの漏れ磁束による空隙部の磁束変化の影響を反映したより正確な磁気特性の測定結果を得ることを可能とする単板試験器の提供を目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

請求項１に記載の単板試験機は、板状軟磁性材料の磁気特性を測定する単板試験機であって、
磁界を発生する励磁コイル１ａ、試料４内部および空隙部の磁束変化を検出する磁束密度検出コイル２ａ、空隙部の磁束変化を検出する空隙補償コイル３ａ、二つのリターンヨーク６ａ，６ｂで構成され、
励磁コイル１ａは、励磁コイル１ａの形状を面対称に分かち、励磁コイル１の発生磁界方向に平行な中心面５を持ち、
励磁コイル１ａに内包される磁束密度検出コイル２ａは、その磁束密度検出方向が励磁コイル１ａの発生磁界方向と平行であり、且つ上記中心面５にて、磁束密度検出コイル２ａの形状が面対称となる形状および位置に構成され、
空隙補償コイル３ａは、その磁束密度検出方向が磁束密度検出コイル２ａの磁束密度検出方向と平行であり、且つ磁束密度検出コイル２ａの内包空間を中心面５で二分割した際の分割された空間のいずれか一方とほぼ同一の内包空間を持った形状および位置に構成され、
測定時においては、測定される試料４は上記中心面５上またはその近傍面上に配置され、励磁コイル１ａの外側に突出した試料４の両端が二つのリターンヨーク６ａ，６ｂの間に挟まれていることを特徴とする。

【0012】

請求項２の本発明は、請求項１に記載の単板試験機において、
空隙補償コイル３ａの表面と試料４が密着していることを特徴とする。

【0013】

請求項３は、請求項１または請求項２に記載の単板試験機において、
空隙補償コイル３ａの巻き数が、磁束密度検出コイル２ａの巻き数の略２倍であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明により、試料表面からの漏れ磁束による空隙部の磁束変化の影響を反映した正確な磁気特性測定を行うことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の単板試験機のＹＺ断面図である。

【図2】本発明の単板試験機のＸＺ断面図である。

【図3】本発明の単板試験機において発生する空隙部の磁束を模式的に示した図である。

【図4】従来技術例１による単板試験機のＹＺ断面図である。

【図5】従来技術例１による単板試験機のＸＺ断面図である。

【図6】従来技術例２による単板試験機のＹＺ断面図である。

【図7】従来技術例２による単板試験機のＸＺ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の詳細を実施形態に基づいて説明する。なお、この実施形態は本発明に付いて、当業者の理解を容易にするためのものである。すなわち、本発明の明細書の全体に記載されている技術思想によってのみ限定されるものであり、本実施例のみに限定されるものでないことは理解されるべきである。

【0017】

本発明を図示した図１、図２を用いて、本発明の実施形態について説明する。本実施形態の単板試験機は、通常の単板試験機と同様に、複数のコイルとその巻き枠、磁性体を材料とするリターンコア６ａおよび６ｂにより構成される。コイルは表面が樹脂等で絶縁された銅線を非金属（樹脂やセラミック）の巻き枠に巻き付けて製作される。コイルは、励磁コイル１ａ、磁束密度検出コイル２ａ、空隙補償コイル３ａの３種類が構成に含まれる。

【0018】

励磁コイル１ａは、励磁コイル用の巻き枠１ｂの外周に巻き付けて製作される。製作が容易であるという観点からは、巻き枠１ｂは巻き線部分に溝を切った中空の直方体であることが望ましいが、必ずしも直方体である必要はない。この励磁コイル１ａの発生する主要磁界方向をＸ方向とする。励磁コイル１ａは、その形状が面対称となるＸ方向に平行な面を持つ。以降、この面を励磁コイルの中心面５と定義する。言い換えれば、励磁コイル１ａを磁界方向を法線とした平面で切断した場合、その断面は線対称な形状となっている必要があり、そのすべての断面の対称線は同一の平面上に存在している必要がある。この条件を満たす励磁コイル１ａの巻き枠形状の例としては、直方体や円柱、磁界方向にテーパーのついた角錐台、円錐台などの形状が想定される。この中心面５の法線方向をＺ方向（上下方向）とする。また、ＸＺ面に垂直な方向をＹ方向とする。

【0019】

磁束密度検出コイル２ａは、磁束密度検出コイル用の巻き枠２ｂに巻き付けて製作される。製作が容易であるという観点からは、巻き枠２ｂは巻き線部分に溝を切った中空の直方体であることが望ましいが、必ずしも直方体である必要はない。磁束密度検出コイル２ａは、励磁コイル１ａに内包され、その磁束密度の検出方向は、励磁コイル１ａの発生磁界方向と平行であり、励磁コイル１ａの中心面５を対称面として、磁束密度検出コイル２ａが面対称な形状となるようにその形状および位置が構成される。この条件を満たす磁束密度検出コイル２ａの巻き枠形状の例としては、励磁コイル１ａと同様に、直方体や円柱、磁界方向にテーパーのついた角錐台、円錐台などの形状が想定される。

【0020】

空隙補償コイル３ａは、空隙補償コイル用の巻き枠３ｂに巻き付けて製作される。製作が容易であるという観点からは、巻き枠３ｂは巻き線部分に溝を切った中空の直方体であることが望ましいが、必ずしも直方体である必要はない。空隙補償コイル３ａの磁束密度検出方向は、磁束密度検出コイル２ａの磁束密度検出方向と平行であり、空隙補償コイル３ａにて内包される空間の形状は、磁束密度検出コイル２ａにて内包される空間を中心面５で二分割した形状とほぼ同一にし、空隙補償コイル３ａの外周のうちこの分割面にあたる面が中心面５に平行かつ近接するように空隙補償コイル３ａは配置される。すなわち、磁束密度検出コイル２ａの内包空間を中心面５で二分割した空間のいずれか一方の空間（図１、図２では下半分の空間）と空隙補償コイル３ａの内包空間がほぼ同一となる構造となる。磁束密度検出コイル２ａの出力と空隙補償コイル３ａの出力を同じ大きさにするためには、空隙補償コイル３ａの巻き数は、磁束密度検出コイル２ａの略２倍の巻き数とすることが望ましいが、それぞれの出力を個別で収録し、調整する場合はその限りではない。空隙補償コイル用の巻き枠３ｂは内部を中空とすることで、磁界を検出するＨコイル（図示しない）を配置することが可能であり、Ｈコイルを含む構成とすれば、非特許文献１に記載されたＨコイル法による磁気特性測定も実施可能である。

【0021】

測定対象である軟磁性体を材料とする試料４は板状の形状であって、中心面５上またはその近傍面上に配置される。試料４の漏れ磁束をもれなく拾うため、試料４は空隙補償コイル３ａの表面に密着させることが望ましい。試料４は、その両端を励磁コイル１ａの外側まで突出できる長さを持ち、その突出した部分をリターンヨーク６ａおよび６ｂの間に挟み込む。図２に示すリターンヨーク６ａおよび６ｂは、Ｕ字型の形状をしており、一般には、ケイ素鋼板や鉄系アモルファス材料の薄体を枠状に巻いて成形したものをカットして製作される。この形状のリターンヨークを用いる構造は、いわゆる縦型ヨーク構造である。非特許文献１に示されるように、他のヨーク構造として、積層したケイ素鋼板を用いた横型ヨーク構造がある。横型ヨーク構造でも、同様に試料４をその間に挟み込む構造とすることで同様の発明の効果が得られるが、本願明細書では図示しない。

【0022】

励磁コイル１ａに図示しない外部交流電源から電流が供給されることで、励磁コイル１ａの内部に磁界１０が発生し、試料４とリターンヨーク６ａ，６ｂにより構成される閉磁路に起磁力が与えられる。この起磁力により試料４内部および空隙部の磁束が変化し、その変化が磁束密度検出コイル２ａに誘導起電力として出力される。また空隙部の磁束変化が空隙補償コイル３ａに、誘導起電力として出力される。磁束密度検出コイル２ａの出力から空隙補償コイル３ａの出力を差し引くことで、空隙部の磁束変化が含まれない、試料４内部の磁束変化のみを検出することができる。この磁束変化に基づく検出信号を積分し、試料４の断面積の大きさで割ることで、試料４内部の磁束密度が得られる。

【0023】

ここで、図３を用いて、本発明によって空隙部の磁束変化を磁束密度検出コイル２ａの出力から正確に取り除くことが可能となる原理について説明する。図３は、図２のリターンヨーク６ａ，６ｂを簡略表示するとともに、重要ではない引出線を省略して、本発明の構造をより簡易的に示した図である。

【0024】

本発明の構成によれば、励磁コイル１ａと磁束密度コイル２ａが中心面５にて対称な形状となっているため、励磁コイル１ａにて磁界を発生した際、励磁コイル１ａの発生する磁界１０の分布は中心面５に面対称な分布となり、磁束密度コイル２ａの内包空間においても、中心面５に面対称な分布となる。加えてこの中心面５の下側に位置する空隙補償コイル３ａの内包空間における分布は、磁束密度コイル２ａの内包空間の中心面５下側の分布と略同一となる。ここで、各コイルの内包空間に存在する空気やコイル巻き枠は非磁性体であり、その内部の磁束密度は、磁界に真空の透磁率μ０をかけあわせた値で近似できることを考慮すると、磁束密度コイル２ａの内包空間を貫く励磁コイル１ａ由来の磁束は、空隙補償コイル３ａの内包空間を貫く磁束の略２倍となる。

【0025】

同様に、試料４の表面から発生する漏れ磁束９について考える。試料４は中心面５上またはその近傍面上に配置されており、さらに励磁コイル１ａにて加えられている磁界１０の分布も中心面５を対称面として対称であるため、試料４表面から発生する漏れ磁束９の密度分布も中心面５を対称面としたほぼ面対称な分布となる。よって、磁束密度検出コイル２ａの内包空間においても、漏れ磁束の密度分布は中心面５を対称面として面対称な分布となる。加えてこの中心面５の下側に位置する空隙補償コイル３ａの内包空間における漏れ磁束の密度分布は、磁束密度検出コイル２ａの内包空間の中心面５下側の分布と略同一となる。よって、磁束密度検出コイル２ａの内包空間を貫く試料４の漏れ磁束由来の磁束は、空隙補償コイル３ａの内包空間を貫く磁束の略２倍となる。

【0026】

すなわち、本願の実施形態によれば、中心面５を対称面とした面対称な構造が生む磁界分布および漏れ磁束分布の対称性の効果により、試料４の有無にかかわらず、磁束密度検出コイル２ａの内部の空隙部磁束は、空隙補償コイル３ａ内部の空隙部磁束の略２倍となる。よって、空隙補償コイル３ａの巻き線数を磁束密度検出コイル２ａの巻き数の略２倍として、空隙部の磁束変化による起電力が打ち消されるように直列接続することにより、試料４の内部の磁束変化のみを取り出すことが可能となる。または、巻き数による調整ではなく、各コイルの出力を個別で収録し、信号の増幅度調整や数値計算で同様の処理を行うことも可能である。

【0027】

この実施形態は、図１、図２に示した構造の上下を反転しても、横倒しにした構成でも同様の効果を得ることが可能であるが、より精度の高い測定のためには、試料４と空隙補償コイル３ａの外部表面が近接している必要があるため、重力方向を考えると試料４と空隙補償コイル３ａが密着しやすい図１、図２に示した構造が最も望ましいと考えられる。

【0028】

ここで、図４乃至図７を用いて、従来技術の構成のデメリットを記載する。先に従来技術例１として記載した図４、図５に示す構造では、励磁コイル１ａの発生する磁界由来の磁束は、コイル形状に対称性を付与することにより、磁束密度検出コイル２ａおよび空隙補償コイル３ａ内部に中心面５ａを対称面として対称に発生させることが可能であり、励磁コイル由来の空隙磁束は補償することが可能である。一方、巻き枠２ｂおよび磁束密度コイル２ａの厚みにより、試料４は中心面５から離れた面に配置されるため、試料４に加わる磁界は試料４の上下面にて非対称な状態となってしまう。加えて、試料４の表面からの漏れ磁束は主として磁束密度検出コイル２ａ内部を貫通することとなり、それに比して空隙補償コイル３ａ内部を貫通する磁束は少なくなるため、各コイルの誘導起電力に占める励磁コイル１ａ由来の磁束と試料４の漏れ磁束の比が異なった状態となってしまう。さらに、試料４の磁化状態によって、励磁コイル１ａの磁界と試料４の漏れ磁束の関係は大きく変動するため、空隙補償コイル３ａの出力を用いて、磁束密度検出コイル２ａの出力から、漏れ磁束による誘導起電力を正確に差し引くことは困難を伴う。

【0029】

また、先に従来技術例２として記載した図６、図７に示す構造では、空隙補償コイル３ａでは、磁束密度検出コイル２ａ内部を貫通する試料４からの漏れ磁束の一部しか拾うことができない。漏れ磁束の分布は、試料４の磁化状態により、大きく変動するため、この一部の漏れ磁束の情報のみで、磁束密度検出コイル２ａ内部の漏れ磁束を補償することは難しい。

【符号の説明】

【0030】

１ａ：励磁コイル
１ｂ：励磁コイルの巻き枠
２ａ：磁束密度検出コイル
２ｂ：磁束密度検出コイルの巻き枠
３ａ：空隙補償コイル
３ｂ：空隙補償コイルの巻き枠
４：試料
５：励磁コイルの中心面
６ａ：上部リターンヨーク
６ｂ：下部リターンヨーク
７：ＺＸ断面線
８：ＹＺ断面線
９：試料表面からの漏れ磁束
１０：励磁コイルが発生する磁界および磁束

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】