JP2009074813A - 磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性材料が検出装置に対して相対的に移動している場合にも、高精度にかつ磁性材料エッジの不感帯を小さくすることが可能な、磁気特性の局所的変動部位を検出する、磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法および装置を提供することを目的とする。
【解決手段】磁性材料の所定方向に関する磁気特性の局所的変動部位を交流磁束を印加することで検出する磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法であって、前記所定方向に対して直交する方向に交流磁束を印加し、該交流磁束と磁性材料との相互作用により生じる磁場を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁鋼板などの磁性材料が検出装置に対して相対的に移動している場合に、その所定方向、例えば移動方向や圧延方向に関する磁気特性の局所的変動部位を検出する磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法および装置に関するものである。

金属材料の透磁率、鉄損、導電率などの電磁気的特性あるいは電磁気的特性と相関のある量の非接触での測定は、様々な目的に使用されている。たとえば、特許文献１の段落番号[００１５]には、電磁鋼帯製造ライン内に鉄損測定用の大型の１次コイルおよび2次コイルを設置し、この中に鋼板を通して交流磁束を用いて鋼帯幅方向の平均的な鉄損を測定する例に言及している。

また、特許文献２には、測定対象（鋼）に交流磁束を印加し、その磁束と測定対象との相互作用により生じる磁場を測定することで、導電率や透磁率の、測定対象の温度による変化を測定し、最終的には温度を測定する方法について述べられている。

このような測定を行うためのセンサとしては様々な形態があり得るが、その中でコの字形コアを持つセンサは一般的なものの一つである。

コの字形コアが一般的に使用される理由としては、主に強磁性体コア脚部間で磁束が流れるため、(1)被検体の局所的な部位に磁束の流れる範囲を限定でき、局所的な電磁気特性が測定できる、(2)磁束の流れる方向が限定でき、異方性のある材料の特定方向の電磁気特性が測定できる、などがある。適用例としては、たとえば、特許文献３に開示されている。すなわち、浸炭に伴い磁気的性質が変化することから、コの字形強磁性体コアに励磁用コイルと検出用コイルを巻き、脚部を測定対象に対向させ、センサの出力から浸炭深さを求めるものである。
特許２５１９６１５号公報 特開昭５３−２０９８６号公報 特開２００４−２７９０５５号公報

例えば、コの字形コアを持つ磁気センサにて測定する様子を示す図６のような場合には、磁性材料の所定方向（磁気特性を評価したい方向や評価する際に基準とする方向であり、例えば、図６では圧延方向である。以下、圧延方向を例にあげて説明する。）に関する磁気特性（鉄損、透磁率など）を定量的に測定する場合には、被検体である磁性材料の所定方向（鋼板の圧延方向や鋼板１の移動方向）に主に磁束を印加する必要がある。

よって、センサ６(ここでは、コアのみ図示し、コイル部は省略している)の両脚部の間を磁束が流れるため、磁束が圧延方向になるように、両脚部を圧延方向に沿って配置する。しかし、この場合、磁束１１は、主に圧延方向に流れるものの、幅方向にも膨らむ（図６参照）ため、鋼板幅エッジ１０近傍にセンサ６が近づくと、エッジの存在により磁束、あるいは渦電流が大きく乱される。その結果、センサ６の出力信号が乱れることから測定が困難となり、エッジ近傍では不感帯が生じる。

これを回避するための手段の一つは、磁束を流す圧延方向の範囲を小さくし、幅方向の磁束のふくらみを小さくすることである。そのためには、コの字形コアセンサの両脚部間の距離を小さくすればよい。しかしながら、センサに対する鋼帯の相対的移動速度に比べて低い周波数における磁気特性を対象にする場合、鉄損などＢ-Ｈカーブの原点近傍での磁気特性だけでは評価しにくいので励磁磁束の振幅を大きくする必要がある場合については、この対処方法では以下の問題点がある。

[問題点１]
センサと鋼板が圧延方向に相対的に移動する際、低い周波数における磁気特性を測定する必要がある場合には、センサがそれぞれの測定部位を移動する間に、交流磁束がＢ−Ｈカーブのループを繰り返すサイクル数が、数サイクル以上となるようにする必要がある。

たとえば、圧延方向の磁束の存在範囲（測定対象範囲）がa[m]、鋼板の相対的移動速度がv[m/s]、とすると、v/a[Hz]以下の交流磁束の周波数では、交流磁束のサイクル（Ｂ−Ｈループ）の途中で測定範囲からはずれてしまうことになり、励磁周波数で決まる周波数の磁気特性を正確に測定できないことになる。そのため、正確に測定するためには、与えられた移動速度と周波数に対し、磁束の存在範囲（測定対象範囲）を十分長くする必要がある。

一方で既に述べたように、エッジの不感帯を小さくする場合には、磁束の存在範囲を小さくする必要があるという制約もあり、磁束存在範囲に関し、相反する要請であるため、適切な値の選定が場合によっては困難となる。

[問題点２]
励磁磁束の振幅を大きくする必要がある場合には、基本的には(1)励磁コイルに流れる電流を増す、(2)励磁コイルの巻数を増す必要がある。前者の(1)に関しては、コイル自体の抵抗が大きいと電流が流しづらく、発熱もしやすいため、線径の大きなコイルが用いられる。

さらに後者の(2)に関しては、巻数を増やすと、線径という意味でも、巻数という意味でもコイルを巻くためのスペースは大きくなってしまう。このことは一般にセンサのサイズ増大に繋がるが、これはエッジ不感帯を小さくするために、センサを小さくする必要があるという制約と相反するため、両制約を満足する適切な仕様を選定することが場合によっては困難になる。

本発明は、このような問題を鑑みなされたものであり、電磁鋼板などの磁性材料が検出装置に対して相対的に移動している場合にも、高精度で、かつ、磁性材料のエッジ部の不感帯を小さくすることが可能な、所定方向（例えば、移動方向、圧延方向など）の磁気特性の局所的変動部位を検出する、磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、磁性材料の所定方向に関する磁気特性の局所的変動部位を交流磁束を印加することで検出する磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法であって、前記所定方向に対して略直交方向に交流磁束を印加し、該交流磁束と磁性材料との相互作用により生じる磁場を測定することを特徴とする磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、磁性材料の所定方向に関する磁気特性の局所的変動部位を交流磁束を印加することで検出する磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法であって、励磁コイルおよび検出コイルが巻かれたコの字形コアセンサの両脚部を前記所定方向に対して略直交方向に並ぶように、かつ前記コアセンサの脚部端部を磁性材料に対して対向するように配置して、磁性材料に励磁コイルにより交流磁場を印加し、発生する磁場を検出コイルにより測定することを特徴とする磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法である。

また本発明の請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法において、前記磁性材料は鋼板であり、所定方向はを圧延方向であることを特徴とする磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法である。

さらに本発明の請求項４に係る発明は、磁性材料の所定方向に関する磁気特性の局所的変動部位を交流磁束を印加することで検出する磁性材料の磁気特性変動部位の検出装置であって、励磁コイルおよび検出コイルが巻かれたコの字形コアセンサと、励磁コイルに所定周波数の交流電流を流す交流電源と、検出コイルで検出された誘導電圧信号を増幅するロックインアンプと、該ロックインアンプで増幅された信号に信号処理を行い最終的な測定値を得る信号処理装置とを備え、前記コアセンサの両脚部を前記所定方向に対して略直交方向に並ぶように、かつ前記コアセンサの脚部端部を磁性材料に対して対向するように配置することを特徴とする磁性材料の磁気特性変動部位の検出装置である。

本発明により、これまで困難であった、電磁鋼板などの磁性材料が検出装置に対して相対的に移動している場合にも、高精度にかつ磁性材料の幅エッジの不感帯を小さくすることが可能となった。またこれにより、特に、エッジ部不感帯を小さくして磁気特性を管理する必要がある鉄鋼連続生産ラインにて、広い幅範囲において局所的な磁気特性の変動量を管理することが可能となるため、均質な磁気特性を持つ、高品質な電磁鋼板の製造に大きく寄与することができる。

本発明では上記課題を解決するため、磁性材料の「磁気特性変動を評価したい方向や評価するための基準方向に対して直交する方向の磁気特性変動から検知しうる」という発明者らの知見を利用した。例えば、鋼板であれば「圧延方向磁気特性変動が、幅方向磁気特性変動から検知しうる」ということである。ここで、幅方向磁気特性を測定するということは磁束を幅方向に印加することになるが、そのような幅方向磁化を実現するセンサ配置、構成においては、上記問題点に示した、相反する複数の制約条件を満たす測定装置の仕様を選定することが非常に難しいという状況が大幅に緩和されることを見いだし、本発明に想到した。

以下、図面を参照しながら、本発明を具体的に説明してゆく。図３は、本発明で用いるコの字形コアセンサの基本的構成を示す図である。図中、２は検出コイル（二次コイル）、３は励磁コイル（一次コイル）、４は金属被検体（磁性材料）、５はコの字形強磁性体コア、６は磁気センサ、７は交流電源、８はロックインアンプ、および９は信号処理装置をそれぞれ表す。

まず図３を用いて、その動作を説明する。コの字形強磁性体コア５の２つの脚部を、金属被検体４に対向して配置する。コの字形強磁性体コア５には、検出コイル２と励磁コイル３が巻回されている。励磁コイル３には、交流電源７により所定周波数の交流電流が流されており、それにより、交流磁束が発生する。発生した交流磁束は、主にコの字形強磁性体コア５に沿って流れ、一方のコア脚部の、金属被検体４に対向する端部からコア外部に流れ出し、もう一方のコア脚部に戻り、再びコの字形強磁性体コア５に沿って流れ、励磁コイル３に戻るループとなる。そのループの途中に検出コイル２が設置され、交流磁束による誘導電圧信号を検出する。

その誘導電圧信号は、ロックインアンプ８で増幅された後、信号処理装置９で最終的に求めたい量に対応付ける検量線処理など適当な信号処理を経て、センサシステムとしての測定値が得られることになる。一方のコア脚部からコア外部に流れ出す磁束は、空中を通り、もう一方の脚部に到達するものもあるが、ある割合は、コア５と金属被検体４の間のギャップを介して、金属被検体４内部に入り、その表層部を通って、再びコア５と金属被検体４の間のギャップを介してもう一方のコア脚部に向かう。

交流磁束が金属被検体４の内部（表層部）を通過する際には、渦電流効果などにより、金属被検体４の電磁気的特性（透磁率、導電率、形状、損失など）の影響を受け、交流磁束の振幅、位相、波形が変化する。この変化を検出することで、金属被検体４の電磁気的特性、ひいては電磁気的特性と相関のある諸量（結晶粒径、温度など）を検量線などを用いて求めることができる。

次に電磁鋼板を例に、鋼板の圧延方向の磁気特性変動部位が幅方向磁気特性変動と相関がある例について示す。鋼板の磁気特性は、結晶粒、磁区の大きさ、結晶粒の向き、成分、析出物、歪みなどにより影響を受ける。

圧延方向に関し、磁気特性が何らかの事情により変動する場合には、上に列挙した影響パラメータの性質から考えて、幅方向磁気特性に関しても何らかの変動が起こる可能性がある。

図２は、方向性電磁鋼板における圧延方向磁気特性変動が幅方向磁気特性に影響を与える例を示す図である。２つのプロットのうち、白抜き四角印は圧延方向の磁気特性が通常レベルの場合の幅方向の磁気特性を示し、もう一方の黒抜き丸印は、圧延方向の磁気特性が通常レベルから変動している部位での幅方向の磁気特性を示している。

全体的に両者に差があることが見て取れるが、特にＨが300[A/m]以下の範囲では大きな差があることが分かる。このような相関を利用することで、幅方向の磁気特性を測定することで、圧延方向の磁気特性の変動部位を知ることができる。幅方向励磁は、一般に、いわゆる磁壁移動領域が好ましく、図２の例では、50〜300[A/m]が望ましい。

次に、幅方向の磁気特性を測定する場合に、圧延方向磁化の場合に存在していた相反する複数の制約条件がどのように緩和されるかを説明する。

幅方向の磁気特性を測定するということは、幅方向に磁束を印加すると言うことであり、それはコの字形コアを持つセンサを使用する場合には、両脚部を幅方向に並べて配置することを意味する。図１は、本発明に係るコの字形コアと鋼帯の位置関係を示す図である。

圧延方向にコの字形コアの両脚部を並べた場合と同様、コの字形コア両脚部間に流れる磁束は両脚部の並び方向に主に流れるものの、やはり両脚部の並び方向とは垂直方向に膨らむ成分が存在する。

しかしながら、このような幅方向に両脚部を並べる配置においては、コアの圧延方向のサイズと、「膨らむ成分」の膨らむ範囲とはあまり関係がなく、また「膨らむ成分」は、幅エッジ方向には膨らまないため、エッジ不感帯の大小とは直接関係がない。そのため、[発明が解決しようとする課題]の問題点１に示した、励磁周波数と鋼帯の移動速度から決められる制約条件と、エッジ不感帯の強い相関も解消できることになる。

また、「膨らむ成分」自体とエッジ不感帯が直接の関係がないことから、問題点２に上げた、強く励磁する場合のセンサの大型化と「膨らむ」範囲との強い相関も解消できることになる。

なお、上記説明は、方向性電磁鋼板を測定対象として説明したが、それに限定されるものでなく、磁性材料であれば同様に測定可能である。また、圧延方向に対する磁気特性を測定する例を説明したが、特に圧延方向に限定されず、磁性材料が移動する場合には、移動方向としてもよく、磁気特性を評価したい方向に適用可能である。

方向性電磁鋼板の製造ライン（ライン通板速度1m/s）にて、結晶方向の局所的な異常により、透磁率、鉄損などの電磁気的品質に関し、基準値よりも悪い部位の幅方向分布を幅1000mmの鋼帯全長にわたり測定した実施例について、以下に説明する。

図４は、本実施例におけるコの字形コアと鋼帯の位置関係を示す図である。磁気センサ６は、幅方向全体の異常部分布を測定するため、鋼帯１の幅方向にアレイ状に配置する。

各センサは、脚部間サイズは20mm、圧延方向サイズは100mmとした。また鋼帯とセンサ下面との距離（リフトオフ）は5mm、励磁周波数は50Hzとした。その際、幅方向に関し、測定できない部位が存在しないように、２列の千鳥配置とした。異なる列に置かれ、かつ相互に近接しているセンサ間の圧延方向の距離は、干渉しないよう100mmとした。センサの検出コイルの出力はロックインアンプに接続され、同期検波される。ロックインアンプ出力を用いて、予め決定しておいた閾値をもとに、健全部位か、異常部位かを判定した。

図５は、本実施例における測定結果の一例を示す図である。図から、エッジ不感帯も小さく（20mm以下）、異常部幅方向分布が測定されていることが分かる。なお、本実施例では、センサ仕様は同じものを使用したが、詳細な（空間分解能の高い）検出を行いたい部分がある場合には、部分的に脚部間サイズを小さくするなど仕様（サイズ、測定条件）を変更してもよい。また、本実施例では、ライン通板速度1m/sで移動している場合について述べているが、鋼帯が止まっている場合にも、本発明は当然適用可能である。

本発明に係るコの字形コアと鋼帯の位置関係を示す図である。 方向性電磁鋼板における圧延方向磁気特性変動が幅方向磁気特性に影響を与える例を示す図である。 本発明で用いるコの字形コアセンサの基本的構成を示す図である。 本実施例におけるコの字形コアと鋼帯の位置関係を示す図である。 本実施例における測定結果の一例を示す図である。 コの字形コアを持つセンサにて測定する様子を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 電磁鋼板（鋼帯）
２ 検出コイル（二次コイル）
３ 励磁コイル（一次コイル）
４ 金属被検体
５ コの字形強磁性体コア
６ 磁気センサ
７ 交流電源
８ ロックインアンプ
９ 信号処理装置
１０ 鋼帯幅方向エッジ
１１ 磁束

Claims (4)

1. 磁性材料の所定方向に関する磁気特性の局所的変動部位を交流磁束を印加することで検出する磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法であって、
   前記所定方向に対して略直交方向に交流磁束を印加し、該交流磁束と磁性材料との相互作用により生じる磁場を測定することを特徴とする磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法。
2. 磁性材料の所定方向に関する磁気特性の局所的変動部位を交流磁束を印加することで検出する磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法であって、
   励磁コイルおよび検出コイルが巻かれたコの字形コアセンサの両脚部を前記所定方向に対して略直交方向に並ぶように、かつ前記コアセンサの脚部端部を磁性材料に対して対向するように配置して、
   磁性材料に励磁コイルにより交流磁場を印加し、発生する磁場を検出コイルにより測定することを特徴とする磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法。
3. 前記磁性材料は鋼板であり、所定方向は圧延方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性材料の磁気特性変動部位の検出方法。
4. 磁性材料の所定方向に関する磁気特性の局所的変動部位を交流磁束を印加することで検出する磁性材料の磁気特性変動部位の検出装置であって、
   励磁コイルおよび検出コイルが巻かれたコの字形コアセンサと、
   励磁コイルに所定周波数の交流電流を流す交流電源と、
   検出コイルで検出された誘導電圧信号を増幅するロックインアンプと、
   該ロックインアンプで増幅された信号に信号処理を行い最終的な測定値を得る信号処理装置とを備え、
   前記コアセンサの両脚部を前記所定方向に対して略直交方向に並ぶように、かつ前記コアセンサの脚部端部を磁性材料に対して対向するように配置することを特徴とする磁性材料の磁気特性変動部位の検出装置。

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