JP2019020272A - 表面きず検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検査材の表面に存在する微小な表面きずであって、深さが浅いものを高いＳ／Ｎ比で検出することが可能な表面きず検査装置を提供すること。【解決手段】表面きず検査装置１０は、強磁性体からなる被検査材１２に交流磁場を印加するための磁化器２０と、被検査材１２からの漏洩磁束を検出するための第１磁気センサ及３４ａび第２磁気センサ３６ａを備えたセンサ部３０ａとを備えている。第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａは、ｚ軸方向に感磁方向を持ち、かつ、同一極性又は反対極性の奇関数特性を持つ。第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ｂは、両者の出力の差分又は和分が出力されるように接続されている。センサ部３０ａは、被検査材１２の検査面側に設置され、磁化器２０は、被検査材１２の検査面側又は非検査面側に設置されている。さらに、センサ間距離は、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、表面きず検査装置に関し、さらに詳しくは、きず深さが相対的に小さい微小な表面きずを探傷するための表面きず検査装置に関する。

鋼材の表面きずを検出する方法としては、目視（画像）検査法、渦電流探傷法、浸透探傷法、レーザー計測法、超音波探傷法、磁気探傷法などの方法が知られている。
これらの内、磁気探傷法は、強磁性体からなる被検査材を磁化した際に、表面きずなどの磁気的不連続部より漏洩する空間磁場を検出する非破壊検査法である。磁気探傷法としては、漏洩磁束の検出方法の異なる種々の方法が知られている。例えば、磁粉探傷法は、被検査材の表面に散布した強磁性粉末を用いて漏洩磁束を検出する方法である。また、漏洩磁束探傷法は、サーチコイル、ホール素子、磁気抵抗素子などの磁気検出素子を用いて漏洩磁束の強度と分布を計測する方法である。

これらの中でも漏洩磁束探傷法は、非常に小さなきずを発見することができる、高速走査が可能であり、自動化に適している、等の利点がある。そのため、漏洩磁束探傷法及び漏洩磁束探傷装置に関し、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、薄鋼板の表面側及び裏面側に、それぞれ、トンネル磁気抵抗素子及び磁化器を配置し、薄鋼板表面の微小凹凸欠陥に起因する漏洩磁束の垂直方向成分（薄鋼板表面の法線方向成分）を検出する微小表面欠陥の検出装置が開示されている。
同文献には、
（ａ）トンネル磁気抵抗素子を用いることにより、より小さな磁場で直径１ｍｍ程度の微小凹凸表面欠陥を検出できる点、及び、
（ｂ）このような検出装置を用いると、薄鋼板が磁化されていない状態であっても、欠陥信号のＳ／Ｎ比が８程度になる点、
が記載されている。

特許文献２には、磁場に対する出力電圧の出力特性が偶関数となる磁気センサに対して変調交流磁場（＝交流磁場に直流磁場を重畳させた磁場）を印加し、変調交流磁場と同じ周波数によって磁気センサの信号出力を検波する磁気計測装置が開示されている。
同文献には、このような方法を用いると、偶関数特性を示す磁気センサを用いる場合であっても、直流バイアス磁場を印加することなく、計測磁場の極性を判別することができる点が記載されている。

特許文献３には、中空円筒形状の検査対象物の筒軸心に沿う検査方向に沿って一対のホール素子（間隔：数ｍｍ）を設け、各ホール素子において検査対象物表面の法線方向の磁束成分を検出し、一対のホール素子の検出信号の差分を出力する欠陥深さ推定装置が開示されている。
同文献には、
（ａ）移動方向に配設された一対のホール素子を用いて同一の欠陥を同時にセンシングし、差分信号を出力させることで、検出信号の増幅が可能となる点、及び、
（ｂ）このような方法により、直径が１０ｍｍ、３０ｍｍ、あるいは、５０ｍｍである欠陥を検出することができる点
が記載されている。

さらに、非特許文献１には、コの字型の磁気コアを備えた磁化器と、磁化器の磁極断面と同一平面上の磁極間中央に配置したＭＩセンサとを備えた漏洩磁束探傷プローブが開示されている。
同文献には、このようなプローブにより、開口幅：０．１５ｍｍ、長さ：５ｍｍ、深さ：０．５〜１．５ｍｍの人工きずを定量的に評価できる点が記載されている。

漏洩磁束探傷法においては、通常、コの字型のヨークを備えた磁化器を被検査材に近接させ、磁化器により被検査材を磁化している。磁化器を用いて被検査材を磁化する場合、被検査材の内部だけでなく、磁化器の周囲の空間にも磁場（浮遊磁場）が発生する。浮遊磁場は、被検査材の表面に対して水平方向成分だけでなく、垂直方向成分も持つ。

漏洩磁束探傷では、通常、磁化器による浮遊磁場の影響が小さい垂直方向成分の漏洩磁束を検出している。しかし、微小欠陥から漏洩する磁束は、一般に極めて小さい。そのため、１個の磁気センサを用いて漏洩磁束の垂直方向成分を検出した場合、検出信号は、微少欠陥に由来する信号と、ノイズに由来する信号と、浮遊磁場の垂直方向成分に由来する信号とが加算された値となる。そのため、微少欠陥を検出する場合には、Ｓ／Ｎ比が小さくなるという問題がある。

一方、特許文献３に記載されているように、２個の磁気センサを欠陥近傍に配置し、法線方向の磁束成分の差分を出力させると、検出信号を増幅することができる。しかし、素子間隔が数ｍｍ程度である場合、直径が１０ｍｍ以上の相対的に大きな欠陥を検出することはできるが、きず深さが浅い微小な表面きずを検出することは難しい。また、素子間隔が大きくなりすぎると、各磁気センサで検出される浮遊磁場の垂直方向成分の誤差が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題がある。

特開２０１６−０３８３０７号公報 特開２０１７−００３３３６号公報 特開２０１５−１７９０２８号公報

Jorunal of JSNDI, Vol. 63, No. 9, pp.89-95(2014)

本発明が解決しようとする課題は、被検査材の表面に存在する微小な表面きずであって、深さが浅いものを高いＳ／Ｎ比で検出することが可能な表面きず検査装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る表面きず検査装置は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記表面きず検査装置は、
強磁性体からなる被検査材に交流磁場を印加するための磁化器と、
前記被検査材からの漏洩磁束を検出するための第１磁気センサ及び第２磁気センサを備えたセンサ部と
を備えている。
（２）前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサは、それぞれ、ｚ軸方向（＝前記被検査材の検査面の法線方向）に感磁方向を持ち、かつ、奇関数特性を持つ磁気センサからなり、
前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサが同一極性を持つ時は、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサは、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサの出力の差分が出力されるように接続され、
前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサが反対極性を持つ時は、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサは、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサの出力の和分が出力されるように接続されている。
（３）前記センサ部は、前記表面きず検査装置を前記ｚ軸方向から見た時に、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサが前記磁化器に備えられるヨークの磁極の先端に挟まれた領域内に来るように、前記被検査材の検査面側に設置されており、
前記磁化器は、前記被検査材の検査面側又は非検査面側に設置されている。
（４）センサ間距離（＝前記第１磁気センサの中心と前記第２磁気センサの中心との間の水平方向（ｘ軸方向）の距離）は、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。

微少な表面きずがある被検査材を磁化した場合、漏洩磁束は、表面きずを中心として正規分布状の曲線を描く。すなわち、漏洩磁束の垂直方向成分は、表面きずの両側に位置する２つの変曲点において極値を取る。この２つの極値の水平方向の間隔（ピーク間距離）は、主にリフトオフ（＝被検査材の表面から磁気センサの先端までの距離）と、表面きずの開口幅（きず幅）に依存する。例えば、リフトオフが１ｍｍであり、きず深さが０．１ｍｍ程度であり、きず幅が０．１〜１．０ｍｍである場合、ピーク間距離は１ｍｍ程度となる。
そのため、ｚ軸方向に感磁方向を持ち、かつ、同一極性（又は、反対極性）の奇関数特性を持つ２つの磁気センサをピーク間距離にほぼ相当する距離だけ水平方向に離間して配置し、両者の差分（又は、和分）を出力させると、微小な表面きずを高い精度で検出することができる。

本発明の一実施の形態に係る表面きず検査装置の模式図（図１（Ａ）：平面図、図１（Ｂ）：正面図）である。 種々の構造を備えたセンサ部の模式図である。 ２つのセンサ出力の差分を出力するための回路図の一例である。 漏洩磁束の垂直方向成分の模式図である。 きず幅と漏洩磁束のピーク間距離との関係を示す図である。

リフトオフと漏洩磁束のピーク間距離との関係（きず幅：０．３ｍｍ）を示す図である。 磁気センサチップの外観写真（ＳＥＭ像）である。 センサ部の外観写真（右図）及び断面模式図（左図）である。 本発明に係る表面きず検査装置で得られた、きず深さが０．０７ｍｍである表面きずの探傷波形である。

ＧＩＧＳ（登録商標）アレイセンサの外観写真である。 表面きずを形成した被検査材の外観写真である。 ＧＩＧＳ（登録商標）アレイセンサを用いて得られた表面きずの画像である。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 表面きず検査装置］
図１に、本発明の一実施の形態に係る表面きず検査装置の模式図（図１（Ａ）：平面図、図１（Ｂ）：正面図）を示す。図１において、表面きず検査装置１０は、
強磁性体からなる被検査材１２に交流磁場を印加するための磁化器２０と、
被検査材１２からの漏洩磁束を検出するための第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａを備えたセンサ部３０ａと
を備えている。

［１．１． 被検査材］
被検査材１２は、強磁性体からなる。本発明において、被検査材１２の材料は、強磁性体である限りにおいて、特に限定されない。被検査材１２としては、各種鋼材などがある。
また、被検査材１２の形状は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な形状を選択することができる。被検査材１２の形状としては、例えば、薄板、厚板、管、棒などがある。

［１．２． 磁化器］
磁化器２０は、被検査材１２に交流磁場を印加するためのものである。磁化器２０の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。図１において、磁化器２０は、コの字型のヨーク２２と、ヨーク２２の一方の磁極２２ａの先端近傍に設けられた第１コイル２４と、ヨーク２２の他方の磁極２２ｂの先端近傍に設けられた第２コイル２６とを備えている。
ヨーク２２には、高透磁率材料が用いられる。ヨーク２２の材料としては、例えば、珪素鋼板、パーマロイ、フェライトなどがある。第１コイル２４及び第２コイル２６は、被検査材１２に交流磁場を印加することができるように、ヨーク２２の先端近傍に巻き付けられている。

第１コイル２４及び第２コイル２６に交流電流を流すと、交流磁場が発生し、磁極２２ａ、２２ｂから磁束が流出・流入する。ヨーク２２の一方の磁極２２ａから流出した磁束の大部分は、被検査材１２の内部に入り、被検査材１２の内部を通って、ヨーク２２の他方の磁極２２ｂに戻る。しかし、被検査材１２に微少な表面きず１２ａがあると、表面きず１２ａの近傍において被検査材１２の表面から磁束の一部が漏洩する。

漏洩磁束は、表面きず１２ａを中心として正規分布状の曲線を描くため、漏洩磁束の水平方向成分（磁力線のｘ軸方向成分）は、表面きず１２ａのほぼ中心で最大となる。また、漏洩磁束の垂直方向成分（磁力線のｚ軸方向成分）は、表面きず１２ａの両側に位置する２つの変曲点Ａ、Ｂにおいて極値を取る。図１に示す例において、左側の変曲点Ａでは、漏洩磁束の垂直方向成分は＋ｚ軸方向となる。一方、右側の変曲点Ｂでは、漏洩磁束の垂直方向成分は−ｚ軸方向となる。

また、磁極２２ａ、２２ｂの周囲の空間には、浮遊磁場が発生する。浮遊磁場が作る磁力線は、磁極２２ａ、２２ｂと同一平面上ではほぼ水平方向（ｘ軸方向）であるが、磁極２２ａ、２２ｂから−ｚ軸方向に遠ざかるほど、曲率半径の小さな円弧状となる。そのため、浮遊磁場が作る磁力線は、被検査材１２の表面に対して水平方向成分だけでなく、垂直方向成分も持つ。また、水平方向成分及び垂直方向成分の大きさは、厳密には場所によって異なる。

［１．３． センサ部］
センサ部３０ａは、被検査材１２からの漏洩磁束を検出するためのものであり、基板３２ａと、第１磁気センサ３４ａと、第２磁気センサ３６ａとを備えている。

［１．３．１． 基板］
基板３２ａは、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａを支持すると同時に、検査に必要な回路を実装するためのものである。後述するように、微小な表面きず１２ａを正確に検出するためには、第１磁気センサ３４ａと第２磁気センサ３６ａとの間の水平方向の距離（センサ間距離ｄ）を所定の間隔にする必要がある。基板３２ａの形状は、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａを所定の間隔で支持することができる限りにおいて、特に限定されない。

図１において、センサ部３０ａは、薄板状の基板３２ａを備えている。基板３２ａは、長辺がｚ軸方向となり、短辺がｙ軸方向となるように配置されている。第１磁気センサ３４ａは基板３２ａの一方の面側に固定され、第２磁気センサ３６ｂは基板３２ａの他方の面側に固定されている。

なお、図１では、見やすくするために、基板３２ａの厚さ（ｘ軸方向の寸法）を拡大して描いてある。また、図１において、「ｘ軸方向」とは、被検査材１２の検査面に平行な方向であって、センサ部３０ａの走査方向（すなわち、磁極２２ａ、２２ｂを結ぶ方向）をいう。「ｙ軸方向」とは、被検査材１２の検査面に平行な方向であって、ｘ軸方向に対して垂直な方向をいう。「ｚ軸方向」とは、被検査材１２の検査面の法線方向をいう。
さらに、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａの近傍に付記された矢印は、それぞれ、各磁気センサの極性を表す。この点は、後述する。

図２に、種々の構造を備えたセンサ部の模式図を示す。図２（Ａ）に示すセンサ部３０ａは、図１に示すセンサ部３０ａと同様であるので説明を省略する。
図２（Ｂ）に示すセンサ部３０ｂは、薄板状の基板３２ｂを備えている。基板３２ｂは、長辺がｘ軸方向となり、短辺がｚ軸方向となるように配置されている。第１磁気センサ３４ｂ及び第２磁気センサ３６ｂは、いずれも、感磁方向がｚ軸方向であり、所定の間隔を隔てて基板３２ｂの一方の面（ｘ−ｚ平面）に固定されている。
図２（Ｃ）に示すセンサ部３０ｃは、薄板状の基板３２ｃを備えている。基板３２ｃは、長辺がｘ軸方向となり、短辺がｙ軸方向となるように配置されている。第１磁気センサ３４ｃ及び第２磁気センサ３６ｃは、いずれも、感磁方向がｚ軸方向であり、所定の間隔を隔てて、基板３２ｃの下面（ｘ−ｙ平面）に固定されている。

［１．３．２． 磁気センサ］
図１において、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａは、それぞれ、ｚ軸方向（＝被検査材１２の検査面の法線方向）に感磁方向を持ち、かつ、奇関数特性を持つ磁気センサからなる。「感磁方向」とは、センサの出力が最大となるときの外部磁場の印加方向をいう。
また、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａが同一極性を持つ時は、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａは、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａの出力の差分が出力されるように接続されている。
一方、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａが反対極性を持つ時は、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａは、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａの出力の和分が出力されるように接続されている。

［Ａ． センサ素子の種類］
第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａは、それぞれ、奇関数特性を持つセンサ素子を備えている。なお、単独では偶関数特性を持つセンサ素子であっても、バイアス磁場を印加することにより、奇関数特性にすることができる。さらに、微小な表面きず１２ａを高い精度で検出するためには、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａは、それぞれ、所定の間隔で近接して配置することが可能なものが好ましい。

奇関数特性を持つセンサ素子、又は奇関数特性にすることが可能なセンサ素子としては、例えば、
（ａ）検出用コイル（最小寸法：２ｍｍ程度）、
（ｂ）ホール素子（最小寸法：０．１ｍｍ角程度）、
（ｃ）異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子（最小寸法：０．５ｍｍ角程度）、
（ｄ）強磁性層（フリー層）、非磁性層、及び強磁性層（ピン層）の積層膜からなるＧＭＲ素子（最小寸法：０．０２〜０．２ｍｍ程度）、
（ｅ）強磁性層（フリー層）、絶縁体層、及び強磁性層（ピン層）の積層膜からなるＴＭＲ素子（最小寸法：０．０２〜０．２ｍｍ程度）、
（ｆ）軟磁性材料からなる薄膜ヨークの間に、ＴＭＲ効果を示すナノグラニュラー材料からなるＴＭＲ膜を挿入した薄膜磁気センサ素子（以下、「グラニュラーインギャップセンサ（ＧＩＧＳ：登録商標）素子」ともいう）（最小寸法：０．０２ｍｍ角程度）、
（ｇ）ＭＩセンサ（最小寸法：０．８ｍｍ×６ｍｍ）
などがある。

これらの中でも、ＧＩＧＳ（登録商標）素子は、
（ａ）磁場感度が高い、
（ｂ）耐熱性が高い、
（ｃ）素子寸法を極めて小さくすることができる、
（ｄ）単独では偶感数特性を示すが、バイアス磁場を印加すると線形性の高い奇関数特性を示す、
等の利点がある。そのため、ＧＩＧＳ（登録商標）素子は、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａを構成するセンサ素子として特に好適である。

さらに、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａは、それぞれ、奇関数特性を持つセンサ素子のみからなるものでも良く、あるいは、奇関数特性を持つセンサ素子を含むブリッジ回路を備えているものでも良い。すなわち、第１磁気センサ素子３４ａ及び第２磁気センサ素子３６ａは、それぞれ、
（ａ）漏洩磁束を検出するための１個のセンサ素子を備えているもの、
（ｂ）１個のセンサ素子と１個の参照抵抗からなるハーフブリッジ回路を備えているもの、
（ｃ）２個のセンサ素子を備えたハーフブリッジ回路であって、２個のセンサ素子の感磁方向が互いに直交するように前記センサ素子が配置されているもの、
（ｄ）感磁方向が平行である２個のセンサ素子と２個の参照抵抗からなるフルブリッジ回路を備えているもの、又は、
（ｅ）４個のセンサ素子を備えたフルブリッジ回路であって、４個のセンサ素子の感磁方向が互いに直交するように前記センサ素子が配置されているもの
のいずれであっても良い。

［Ｂ． 極性］
第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａは、ともにｚ軸方向に感磁方向を持つが、その極性は同一でも良く、あるいは、反対でも良い。両センサの極性が同一である場合、両者の出力の差分が出力される。一方、両センサの極性が反対である場合、両者の出力の和分が出力される。
図１に示す例において、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａは、いずれも、−ｚ軸方向の外部磁場が印加されると、出力が増大する極性を持つ。そのため、変曲点Ａ及び変曲点Ｂの近傍に、それぞれ、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａを配置し、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６の差分を出力させると、検出信号を増幅させることができ、かつ、浮遊磁場の垂直方向成分をキャンセルすることができる。反対極性を持つ２つのセンサ出力の和分を出力させる場合も同様である。

［Ｃ． 回路］
センサ部３０ａの構造は、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａの極性に応じて、両センサの出力の差分又は和分を出力することが可能な限りにおいて、特に限定されない。図３に、２つのセンサ出力の差分を出力するための回路図の一例を示す。

［Ｃ．１． ハーフブリッジ回路］
図３（Ａ）は、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａが、それぞれ、ハーフブリッジ回路を備えている例である。図３（Ａ）において、第１磁気センサ３４ａは、第１センサ素子４２ａと、第１参照抵抗４４ａとが直列に接続されたものからなる。同様に、第２磁気センサ３６ａは、第２センサ素子４２ｂと、第２参照抵抗４４ｂとが直列に接続されたものからなる。第１センサ素子４２ａと第１参照抵抗４４ａの中点は、差動増幅回路４６ａの負極の入力端子（−）に接続されている。また、第２センサ素子４２ｂと第２参照抵抗４４ｂの中点は、差動増幅回路４６ａの正極の入力端子（＋）に接続されている。その結果、差動増幅回路４６ａの出力端子（Ｖ_o）から、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａの出力の差分を出力することができる。

［Ｃ．２． フルブリッジ回路］
図３（Ｂ）は、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａが、それぞれ、フルブリッジ回路を備えている例である。図３（Ｂ）において、第１磁気センサ３４ａは、第１センサ素子４２ａ、第２センサ素子４２ｂ、第１参照抵抗４４ａ、及び第２参照抵抗４４ｂが四角形に接続されたものからなる。同様に、第２磁気センサ３６ａは、第３センサ素子４２ｃ、第４センサ素子４２ｄ、第３参照抵抗４４ｃ、及び第４参照抵抗４４ｄが四角形に接続されたものからなる。

第１センサ素子４２ａと第１参照抵抗４４ａの中点は、第１差動増幅回路４６ａの正極側の入力端子（＋）に接続され、第２センサ素子４２ｂと第２参照抵抗４４ｂの中点は、第１差動増幅回路４６ａの負極側の入力端子（−）に接続されている。
また、第３センサ素子４２ｃと第３参照抵抗４４ｃの中点は、第２差動増幅回路４６ｂの正極側の入力端子（＋）に接続され、第４センサ素子４２ｄと第４参照抵抗４４ｄの中点は、第２差動増幅回路４６ｂの負極側の入力端子（−）に接続されている。

さらに、第１差動増幅回路４６ａの出力端子は、第３差動増幅回路４６ｃの負極の入力端子（−）に接続され、第２差動増幅回路４６ｂの出力端子は、第３差動増幅回路４６ｃの正極の出力端子（＋）に接続されている。その結果、第３差動増幅回路４６ｃの出力端子（Ｖ_o）から、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａの出力の差分を出力することができる。

［Ｃ．３． センサ素子のみからなる回路］
図３（Ｃ）は、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａが、それぞれ、センサ素子のみからなる例である。図３（Ｃ）において、第１磁気センサ（＝第１センサ素子）３４ａ及び第２磁気センサ（＝第２センサ素子）３６ａは、電気的に直列に接続されている。その結果、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａの中点から、各センサ出力の差分を出力することができる。

［Ｄ． センサ部の設置位置］
図１（Ａ）に示すように、センサ部３０ａは、表面きず検査装置１０をｚ軸方向から見た時に、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａが磁化器２０に備えられるヨーク２２の磁極２２ａ、２２ｂの先端に挟まれた領域内に来るように、被検査材１２の検査面側に設置されていれば良い。浮遊磁場の水平方向成分及び垂直方向成分は、厳密には場所によって異なる。そのため、センサ部３０ａの設置位置によっては、第１磁気センサ３４ａにより検出される浮遊磁場の垂直方向成分の値は、必ずしも第２磁気センサ３６ａのそれと同一にはならない。しかし、本発明においては、センサ間距離が従来に比べて短いので、センサ部３０ａの設置位置の相違に起因する浮遊磁場の検出誤差は小さい。すなわち、センサ部３０ａは、必ずしもヨーク２２の中心に設置する必要はない。

磁化器２０は、被検査材１２の検査面側又は非検査面側に設置されている。すなわち、磁化器２０は、被検査材１２に対して、センサ部３０ａと同一面側に設置されていても良く、あるいは、反対面側に設置されていても良い。被検査材１２の厚さが相対的に厚い場合には、センサ部３０ａ及び磁化器２０をともに検査面側に設置するのが好ましい。

［Ｅ． センサ間距離］
「センサ間距離ｄ」とは、第１磁気センサ３４ａの中心と第２磁気センサ３６ａの中心との間の水平方向（ｘ軸方向）の距離をいう。
変曲点Ａと変曲点Ｂとの間の水平方向の距離（＝ピーク間距離）は、通常、表面きず１２ａの幅や深さ、リフトオフＬ（＝被検査材１２の検査面からセンサ部３０ａの先端までの距離）の大きさなどにより異なる。しかし、表面きず１２ａのサイズが小さくなるほど、ピーク間距離は、少なくとも表面きず１２ａの幅には依存しなくなる。例えば、表面きず１２ａの深さが０．１ｍｍ程度である場合において、リフトオフが１ｍｍ程度である時には、ピーク間距離は、表面きず１２ａの幅によらず、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度となる。

一方、このような微小な表面きず１２ａを高精度に検出するためには、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａをそれぞれ変曲点Ａ及び変曲点Ｂの近傍に設置し、変曲点Ａの近傍における磁場と変曲点Ｂの近傍における磁場とを同時に、かつ、独立に検出する必要がある。

そのため、センサ間距離ｄが小さくなりすぎると、変曲点Ａ、Ｂの近傍における磁場を同時に、かつ、独立に検出するのが困難となる。従って、センサ間距離ｄは、０．５ｍｍ以上である必要がある。
同様に、センサ間距離ｄが大きくなりすぎると、変曲点Ａ、Ｂの近傍における磁場を同時に、かつ、独立に検出するのが困難となる。従って、センサ間距離ｄは、２．０ｍｍ以下である必要がある。センサ間距離ｄは、好ましくは、１．８ｍｍ以下、さらに好ましくは、１．５ｍｍ以下である。

［Ｆ． センサの外寸］
「センサの外寸」とは、第１磁気センサ３４ａ又は第２磁気センサ３６ａの外形の寸法であって、ｘ軸方向（センサ部３０ａの走査方向）の寸法の最大値をいう。
本発明においては、被検査材１２の表面に沿ってセンサ部３０ａを走査させながら表面きず１２ａの検出が行われる。上述したように、表面きず１２ａを検出するためには、センサ間距離ｄを上述した範囲内とする必要がある。しかし、センサの外寸が大きくなりすぎると、センサ間距離ｄを上述した範囲内とすることが物理的に困難となる。従って、センサの外寸は、０．５ｍｍ以下が好ましい。センサの外寸は、好ましくは、０．１ｍｍ以下、さらに好ましくは、０．０５ｍｍ以下である。上述した各種センサ素子の内、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子、あるいは、ＧＩＧＳ（登録商標）素子を用いた磁気センサは、センサの外寸を０．１ｍｍ以下とするのが比較的容易である。

［Ｇ． アレイ構造］
センサ部３０ａは、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａからなるセンサ対がｙ軸方向（＝走査方向（ｘ軸方向）に対して垂直な方向）に沿って複数個配列しているアレイ構造を備えていても良い。２個１組の磁気センサからなるセンサ対を１セットとして、ｙ軸方向に複数個のセンサ対を配列させると、１回の走査で複数箇所を検査することができる。
また、ｙ軸方向の寸法が小さい磁気センサを用いると、センサ対間の距離（ピッチ）を小さくすることができる。例えば、ＧＩＧＳ（登録商標）素子を用いた磁気センサの場合、ピッチを１ｍｍ程度にすることができる。このようなピッチが小さいアレイセンサを用いると、表面きずを画像化することができる。

［１．４． 用途］
本発明に係る表面きず検査装置１０は、種々の用途に用いることができるが、特に、ある特定の方向（例えば、鋼材の圧延方向、搬送方向など）に沿って長く伸長しており、かつ、幅（欠陥が伸びている方向に対して垂直方向の長さ）及び深さが相対的に小さい表面きず（いわゆる「線きず」）の検出に対して有効である。

本発明に係る表面きず検査装置１０を用いた場合において、センサ部３０ａの構造を最適化すると、深さが０．１ｍｍ以下である微小な表面きず１２ａを検出することができる。センサ部３０ａの構造をさらに最適化すると、深さが０．０７ｍｍ以下である表面きず１２ａを検出することができる。
検出可能な表面きず１２ａの深さの下限値は、使用するセンサ素子の種類により異なる。例えば、ＧＩＧＳ（登録商標）素子を用いた表面きず検査装置１０の場合、検出可能な表面きず１２ａの深さの下限値は、０．００１ｍｍ程度である。

［２． 使用方法］
本発明に係る表面きず検査装置１０を用いた表面きず１２ａの検出は、以下のようにして行う。
すなわち、磁化器２０により被検査材１２に交流磁場を印加する。次いで、表面きず１２ａの幅方向にセンサ部３０ａを走査させながら、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａを用いて、表面きず１２ａ近傍に生じる漏洩磁束の垂直方向成分を検出する。この時、センサ間距離ｄ及びリフトオフＬを最適化すると、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａを用いて、それぞれ、変曲点Ａ及び変曲点Ｂの近傍に発生する漏洩磁束の垂直方向成分を検出することができる。

第１磁気センサ３４ａと第２磁気センサ３６ａの極性が同一である場合、第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａで検出された波形は、位相が反転している。そのため、これを差分した後、同期検波することで、浮遊磁場の垂直方向成分をキャンセルし、かつ、表面きずで生じる信号を最大化することができる。一方、第１磁気センサ３４ａと第２磁気センサ３６ａの極性が反対である場合、位相が同一であるため、両者の波形を和分すれば、浮遊磁場の垂直方向成分をキャンセルし、かつ、表面きずで生じる信号を最大化することができる。
本発明によれば、良好なＳ／Ｎ比で表面きずを検出することができる。例えば、丸棒表面に設けた深さ：０．０７ｍｍ、幅：０．３ｍｍ、長さ：１０ｍｍ程度の人工欠陥をＳ／Ｎ＝５程度で検出することができる。

［３． 作用］
図１に示すように、表面に微小な表面きず１２ａがある被検査材１２を磁化した場合、漏洩磁束は、表面きず１２ａを中心として正規分布状の曲線を描く。すなわち、漏洩磁束の垂直方向成分は、表面きず１２ａの両側に位置する２つの変曲点Ａ、Ｂにおいて極値（極大値、極小値）を取る。この２つの極値の水平方向の間隔（ピーク間距離）は、主にリフトオフ（＝被検査材１２の表面から磁気センサまでの距離）と、表面きず１２ａの開口幅（きず幅）に依存する。例えば、リフトオフが１ｍｍであり、きず幅が０．１ｍｍ程度であり、きず幅が０．１〜１．０ｍｍである場合、ピーク間距離は１ｍｍ程度となる。そのため、同一極性（又は、反対極性）の奇関数特性を持つ２つの磁気センサをピーク間距離に相当する距離だけ水平方向に離間して配置し、両者の差分（又は、和分）を出力させると、微小な表面きず１２ａを高い精度で検出することができる。

通常のセンサ素子は、センサの外寸が大きいため、ピーク間距離に適合するように磁気センサを配置するのが難しい。これに対し、ある種のセンサ素子（例えば、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＧＩＧＳ（登録商標）素子など）は、センサの外寸が極めて小さいため、微少な領域の磁場の変化を検出することができ、かつ、極めて狭い間隔でセンサ素子を配置することができる。そのため、このような外寸の小さなセンサ素子を用いてセンサ部３０ａを構成すると、微少な表面きず１２ａを高精度に検出することができる。

（実施例１）
［１． 試験方法］
図４に、漏洩磁束の垂直方向成分の模式図を示す。漏洩磁束の垂直方向成分は、図４に示すように、２つの極値を取る。この場合、振幅の極大値と極小値との差（極値の縦軸方向の差）は、主として表面きずの深さと相関がある。
一方、漏洩磁束のピーク間距離（極値の横軸方向の差）は、表面きずの深さ、幅、及びリフトオフにより決定される。リフトオフは、一般に１ｍｍ程度とされる。リフトオフがこれより大きくなると、センサでの検出が難しくなる。一方、リフトオフがこれより小さくなると、センサと被検査材とが接触してしまう。ここでは、リフトオフを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、又は１．５ｍｍとし、欠陥の深さを０．１ｍｍとした時の、きず幅ごとのピーク間距離をシミュレーションにより求めた。

［２． 結果］
図５に、きず幅と漏洩磁束のピーク間距離との関係を示す。図６に、リフトオフと漏洩磁束のピーク間距離との関係（きず幅：０．３ｍｍ）を示す。図５及び図６より、以下のことが分かる。
（１）リフトオフが一定である場合、ピーク間距離は、きず幅によらずほぼ一定となる。
（２）きず幅が一定である場合、ピーク間距離は、リフトオフにほぼ比例する。
（３）漏洩磁束の極大値及び極小値をそれぞれ２つのセンサで同時に、かつ、独立に検出するためには、センサ間距離を０．５ｍｍ〜２．０ｍｍにする必要がある。

（実施例２）
［１． 試験方法］
図１に示す表面きず検査装置１０を用いて、被検査材１２の表面きず１２ａの検出を行った。第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａには、それぞれ、ＧＩＧＳ（登録商標）素子を備えた磁気センサチップを用いた。センサ部３０ａには、厚さ１ｍｍの基板の表裏面に磁気センサチップを接合したものを用いた。図７に、センサ部３０ａに使用した磁気センサチップの外観写真（ＳＥＭ像）を示す。図８に、センサ部３０ａの外観写真（右図）及び断面模式図（左図）を示す。被検査材１２には、人工きず（深さ：０．０７ｍｍ、きず幅：０．３ｍｍ、きず長さ：１０ｍｍ）を形成した鋼材を用いた。

［２． 結果］
図９に、きず深さが０．０７ｍｍである表面きずの探傷波形を示す。図９より、明瞭なきず信号が得られていることがわかる。図９の場合、Ｓ／Ｎ＝５であった。

（実施例３）
［１． 試験方法］
第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａからなるセンサ対をｙ軸方向に配列させたアレイセンサを用いて、表面きず１２ａの検出を行った。第１磁気センサ３４ａ及び第２磁気センサ３６ａには、それぞれ、ＧＩＧＳ（登録商標）素子を備えた磁気センサチップを用いた。センサ対の数は８個とし、ピッチは１ｍｍとした。被検査材１２には、３本の平行な線きず（深さ：０．０７ｍｍ）を形成した鋼材を用いた。図１０に、ＧＩＧＳ（登録商標）アレイセンサの外観写真を示す。図１１に、被検査材の外観写真を示す。

［２． 結果］
図１２に、ＧＩＧＳ（登録商標）アレイセンサを用いて得られた表面きずの画像を示す。図１２より、被検査材の３つの表面きずを明瞭に検出できていることがわかる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る表面きず検査装置は、各種鋼材の表面きずの検査に用いることができる。

１０ 表面きず検査装置
１２ 被検査材
１２ａ 表面きず
２０ 磁化器
２２ ヨーク
３０ａ センサ部
３２ａ 基板
３４ａ 第１磁気センサ
３６ａ 第２磁気センサ

Claims (7)

1. 以下の構成を備えた表面きず検査装置。
   （１）前記表面きず検査装置は、
   強磁性体からなる被検査材に交流磁場を印加するための磁化器と、
   前記被検査材からの漏洩磁束を検出するための第１磁気センサ及び第２磁気センサを備えたセンサ部と
   を備えている。
   （２）前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサは、それぞれ、ｚ軸方向（＝前記被検査材の検査面の法線方向）に感磁方向を持ち、かつ、奇関数特性を持つ磁気センサからなり、
   前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサが同一極性を持つ時は、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサは、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサの出力の差分が出力されるように接続され、
   前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサが反対極性を持つ時は、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサは、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサの出力の和分が出力されるように接続されている。
   （３）前記センサ部は、前記表面きず検査装置を前記ｚ軸方向から見た時に、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサが前記磁化器に備えられるヨークの磁極の先端に挟まれた領域内に来るように、前記被検査材の検査面側に設置されており、
   前記磁化器は、前記被検査材の検査面側又は非検査面側に設置されている。
   （４）センサ間距離（＝前記第１磁気センサの中心と前記第２磁気センサの中心との間の水平方向（ｘ軸方向）の距離）は、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。
2. 前記センサ間距離は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である請求項１に記載の表面きず検査装置。
3. 前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサは、それぞれ、
   （ａ）前記漏洩磁束を検出するための１個のセンサ素子を備えているもの、
   （ｂ）１個の前記センサ素子と１個の参照抵抗からなるハーフブリッジ回路を備えているもの、
   （ｃ）２個の前記センサ素子を備えたハーフブリッジ回路であって、２個の前記センサ素子の感磁方向が互いに直交するように前記センサ素子が配置されているもの、
   （ｄ）感磁方向が平行である２個の前記センサ素子と２個の前記参照抵抗からなるフルブリッジ回路を備えているもの、又は、
   （ｅ）４個の前記センサ素子を備えたフルブリッジ回路であって、４個の前記センサ素子の感磁方向が互いに直交するように前記センサ素子が配置されているもの
   からなる請求項１又は２に記載の表面きず検査装置。
4. 前記センサ素子は、軟磁性材料からなる薄膜ヨークの間に、ＴＭＲ効果を示すナノグラニュラー材料からなるＴＭＲ膜を挿入した薄膜磁気センサ素子からなる請求項３に記載の表面きず検査装置。
5. 前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサは、それぞれ、外寸が０．５ｍｍ以下である請求項１から４までのいずれか１項に記載の表面きず検査装置。
6. 深さが０．１ｍｍ以下である微小な表面きずを検出するために用いられる請求項１から５までのいずれか１項に記載の表面きず検査装置。
7. 前記センサ部は、前記第１磁気センサ及び前記第２磁気センサからなるセンサ対がｙ軸方向（＝走査方向（ｘ軸方向）に対して垂直な方向）に沿って複数個配列しているアレイ構造を備えている請求項１から６までのいずれか１項に記載の表面きず検査装置。

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