JP2665294B2 - 磁気光学式欠陥検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強磁性体の表面欠陥及
び表層内部欠陥を検出する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】強磁性体を磁化し、欠陥より漏洩する漏
洩磁束をホール素子や検出コイルにて検出する方法は、
磁粉探傷法に較べて検査速度が速いことと、深さに対す
る検出出力の相関性が高いうえ、渦流探傷法等のその他
の方法に比較して強磁性体材料の表面粗度、スケールや
透磁率のばらつきの影響が少ないため、鋼管の自動探傷
方法等で多数使用されている。また特開平３ー２４５０
５２号公報には、光磁界測定法を欠陥検出に適用する方
法が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は鋼板の
製造過程において生じる鋼板表面の微小欠陥を精度良く
自動的に検出することにある。

【０００４】従来の方法では、漏洩磁束を磁界の変化分
として検出しているため、欠陥の大きさが小さくなる
と、磁界が漏れている範囲が急速に小さくなり、これを
高速に検出するためには小さな磁界検出素子を多数、被
検査材の表面に近接して配置し、相手に追従させる必要
がある。しかし数千本の信号配線を有するセンサーヘッ
ドを、高速で移動する鋼帯や厚板に高速追従する機構を
製作する事は非常に困難であった。またコスト的に非常
に困難であった。

【０００５】更に圧延材においては、欠陥は一般に圧延
方向に延びており、この欠陥を検出するために従来の方
法では、センサを幅方向にスキャンする必要があった。
しかし高速ラインにおいては、幅方向に機械的に走査す
る方法は実現不可能であり、検出出来るのは短い欠陥に
限られていた。

【０００６】特開平３ー２４５０５２号公報の技術は鋼
板の欠陥の検出の為のものであり、前述の圧延方向に延
びた欠陥も検出できる様になるものの、スラブや厚板の
探傷の場合の様な、広い表面積と厚みを有する対象で
は、直流磁化では磁束が鋼片内部に拡散し減衰するた
め、漏洩磁束を発生する事が困難になる。

【０００７】まず本発明に至った経緯を説明する。

【０００８】本発明者らは磁気光学効果を使って広い範
囲を高速にかつ微小な欠陥まで検出する方法を研究し
た。その結果、光アイソレータや光スイッチに使われて
いる希土類・鉄・ガーネット（ＲＩＧ）垂直磁化膜の中
に高感度な材料があり、かつ垂直以外の面内方向につい
ては磁化困難特性を有し、欠陥よりの漏洩磁束を発生す
るための水平磁界に依っては磁気飽和せず、かつ垂直方
向のファラデー回転は変化しないという漏洩磁束センサ
ーとしての優れた特徴を有することが判明した。ＲＩＧ
垂直磁化膜は、偏光顕微鏡で見たときに白黒に見える迷
路状につらなった帯状の磁区構造を有し、一般の磁界検
出センサーとして使用する場合は、大きなスポットで、
その平均値としてファラデー回転を検出するため問題な
い。しかし、小さい欠陥の検出を目標として高感度な磁
気光学素子を本方法に適用しようとした場合、高感度な
磁気光学素子では、表面の磁区模様の幅が広く、イメー
ジセンサの磁気光学素子上の視野をズーミングすると幅
の広い白黒の磁区模様が大きなノイズ源になり精度の良
い検出が困難になるということが解った。

【０００９】更に膜に垂直磁界がかかった時に磁区の成
長が起きるが、通常は大きい面内磁界がかかっても動か
ない磁区構造が、垂直磁界の存在下では、磁化困難方向
の磁界に影響され、そのときの水平磁界方向に整列しや
すいことが判明した。これらのことは光学的走査による
微小な磁界分布を検出する上で場合に依っては大きな測
定誤差を発生させることになる。

【００１０】上記問題点がある中で磁気光学効果素子を
漏洩磁束検出素子として使用し、精度を向上させる方法
が考えられ、例えば若林らの論文（日本応用磁気学会誌
15,773−778 1991）にも掲載されている。若林らは磁
気効果素子としてＧＰＲを用い表面画像のコントラスト
反転により背景光の影響を抑えコントラストを増す方法
を提案している。

【００１１】また、野村らの報告（第６回日本応用磁気
学会学術講演概要集1982.11）でもファラデー素子を用
い反転画像の差分をとって磁区模様のコントラストを増
加させる方法が提案されている。

【００１２】しかしながら本発明者らの研究によると、
磁気光学効果素子を、例えば鋼板等の欠陥検出に適用し
ようとした場合、以下の研究結果から磁区のコントラス
トを増加させる事は、検出できる欠陥の大きさを制限す
るだけでなく欠陥検出精度の劣化につながる、という知
見を得た。

【００１３】図３および図４は、偏光顕微鏡で観察した
磁気光学効果素子画像の１例である。但し図３と図４で
は、磁界の極性が反転している。２３は無欠陥部であ
り、迷路状の黒白の磁区模様が観察される。２４は人工
欠陥（0.1mm深さのスリット）部分の磁区模様であり、
漏洩磁界の大きさと方向に応じて磁区が成長しているこ
とがはっきりと観察できる。

【００１４】従って、リニアアレイイメージセンサカメ
ラの分解能が高く、検出対象とする欠陥の大きさが磁区
模様の太さと近い場合には、無欠陥部の磁区模様が高い
周波数のパルス状の大きなノイズ源となる。またこのノ
イズは、空間ローパスフィルタによりかなり減衰させる
事も可能であるが、空間分解能を低下させ、検出可能な
欠陥の大きさを制限する要因となる、と言う知見を得
た。

【００１５】更に図３と図４とを比較すると、欠陥部の
みが白黒反転し、無欠陥部の磁区模様は垂直磁界がない
ため、不変である。またこの磁区模様は安定であり、外
部磁界を取り去ると、元に戻るという事が分かった。

【００１６】本発明は以上の知見に基づいてなされたも
のである。

【００１７】本発明はこのような問題点に鑑み、これを
抜本的に解決し、直流磁化困難な大きな検査対象であっ
ても、１つの検出部で広い範囲の漏洩磁界を検査可能に
し、高速でかつ高精度な表面および表層の欠陥の検出を
可能ならしむる画期的光磁界式欠陥検出方法を提供する
ことを課題とする。

【００１８】

【課題を解決する為の手段】本発明では、強磁性の被検
査材に磁界を印加し、その欠陥部に生じた漏洩磁界を、
被探傷材と相対移動する磁気光学素子に透過させた直線
偏光の偏光面回転に基づいて検出する磁気光学式欠陥検
出方法において、光源を帯状拡散偏光光源とし、印加磁
界を交流とする。また、交流印加による磁界の正負の極
性変化過程の中で、磁化の反転に同期して、磁気光学効
果素子表面の画像を撮像する。撮影された磁気光学効果
素子表面の画像は、例えば、正方向磁化の場合に正常
（ポジ）画像、負方向磁化の場合に白黒反転（ネガ）画
像として記憶し、ポジ画像とネガ画像の信号の加算結果
より欠陥検出を行う事を特徴とする。

【００１９】

【実施例】以下、本発明方法の実施例について図面に基
づいて作用と共に説明する。

【００２０】図１は、本発明に用いる光学部の１実施例
を示している。

【００２１】帯状ストロボ拡散光源１は、棒状のクセノ
ンストロボランプの全面に乳白色の透過拡散板を配置す
る事によって構成される。偏光板２は偏光用のポラロイ
ドフィルムを帯状に切断した物であり、照明光の１方向
の直線偏光成分のみを透過する。３は希土類鉄ガーネッ
トの垂直磁化膜であり、面に垂直な方向以外は難磁化特
性を有し５００〜１０００エルステッド程度の水平磁界
では磁区の移動や磁気飽和が起きない物を使用する。ま
た膜の上面には無反射コーティング、底面には全反射コ
ーティングが施されており、膜内に入射した光は底面で
反射されてでて行くが、光はこの往復透過の間にファラ
デー効果により、透過距離，膜の感度常数，および膜の
存在する位置の垂直方向の磁束により偏光角度を検出す
る。４は被検査材、５は干渉フィルタであり磁気光学効
果素子の最高検出感度帯の波長のみを透過し、他のノイ
ズ源となる波長域はカットしている。本方法例では、中
心波長800nm、半値幅は100nmを使用している、６は偏光
板であり偏光板２とは透過する光の角度が45度に設定さ
れ、磁気光学効果素子上で反射された照明光を透過して
いる。７はイメージセンサであり磁気光学効果素子の表
面を、磁化器からの同期信号にあわせて撮影している。

【００２２】図２に、本発明に用いる信号処理部の構成
の一例を示す。図２中の８は、図１に示した光学系全体
に対応する。

【００２３】９は発振器であり、その出力は、イメージ
センサの画像の水平同期信号に同期させた三角波を非線
形化して正弦波または方形波に加工している。発信器９
の出力は、電力増幅器の信号源およびの極性変換器16の
極性変換トリガ信号源となる。10は電力増幅器であり、
増幅された交流は磁化コイル11に送られる。磁化コイル
11は交流磁束を発生し被検査物を磁化する。交流磁化に
よる表皮効果により、磁束が表面に集中し、厚手被探傷
材の探傷が可能となる。12は磁化コイルの鉄心である。
13は移相器、14はストロボ制御電源、15はＡＤ変換器で
ありイメージセンサ７で計測した画像をＡＤ変換する。
その一例として、図３に磁化極性が正の場合の磁気光学
効果素子の表面画像を、また、図４に図３の時点から交
流周期の半周期経過した後の、磁化極性が負の場合の磁
気光学効果素子の表面画像を示す。23は正常部分、24は
欠陥の部分を示す。

【００２４】16は極性変換器でありＡＤ変換器15で変換
された画像の極性反転（ポジ→ネガ）を半周期おきに行
う。例えば、極性変換器は極性検出器17の信号が正の場
合だけ極性を反転させる操作を行う。その例として、図
５に図４の反転（ネガ）画像を示す。図５では、磁区模
様の白黒は反転し、また欠陥部分の白黒の割合は、磁化
極性が反転した場合の図３の画像と同様になっている。

【００２５】極性検出器17は、現在の磁化方向の正／負
を発信器９からの信号から判定する。18はフレームバッ
ファであり、半周期毎に同時に画像の掃き出しと取り込
みを行う。19は加算器であり、フレームバッファ18に蓄
積されている半周期前の画像と、ＡＤ変換器により変換
された直後の画像信号を加算する。その例として、図３
と図５を加え合わせた画像の欠陥パターンを図６に模式
的に示す。図６では、反転した磁区模様の加算によっ
て、磁区模様がほとんど打ち消され、ノイズは画期的に
低下する。さらに欠陥部分の白黒のコントラストは倍増
されるという効果がある。

【００２６】20は画像処理装置であり、ローパスフィル
タ，縦平均，ハイパスフィルタ等の処理を行う。その例
として、画像処理を行った後の１ラインの輝度分布信号
を図７に示す。ローパスフィルタにより前の処理でわず
かに残った磁区模様のノイズは平滑化され、さらに縦方
向平均により欠陥信号のＳ／Ｎが改善される。またハイ
パスフィルタにより磁化器による緩やかな垂直磁界分布
による画像全面の輝度むらを除去し、欠陥のみを抽出す
る。25は画像処理前の１ラインの輝度分布信号であり、
磁区模様に対応した輝度がノイズとなり、欠陥部分の信
号がわかりにくい。

【００２７】26は画像処理後の１ラインの輝度分布信号
であり、画像処理により、いままで大きなノイズ源とな
り問題となっていた磁区模様のノイズを完全に打ち消す
事ができ、欠陥部の信号をＳ／Ｎ良く検出することがで
きる。22は欠陥表示器、21は欠陥弁別器である。以降同
様に、反転器16は印加磁界周波数に同期して正常画像、
または反転画像を交互にフレームメモリ18に送り出す。
フレームメモリでは、１画像を取り込むと同時にその直
前に記録した画像を加算器19に送り出す。加算器19はそ
の時点での生画像とフレームメモリからの画像の加算を
行い画像処理装置20へ画像信号を送る事により、前に述
べた磁区部分のノイズを完全に打ち消す事が可能となり
欠陥部の信号をＳ／Ｎ良く検出することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明にあっては、磁束の
表皮効果により、磁束が表面に集中し、厚手被探傷材の
探傷が可能になると同時に、逆極性磁化状態の磁区模様
ノイズを減算する事により、完全に打ち消すと同時に、
欠陥信号を倍増させ、更に感度の良い光磁気効果素子を
利用可能にすることともあいまって、微小欠陥の検出が
可能になる。本発明方法の構成では磁気光学効果素子と
イメージセンサのみを被測定対象材に追従させるだけで
よく、従来方法に比べはるかに軽量コンパクト化し追従
性能の大幅な向上とセンサー及び配線系統の故障トラブ
ルを減少させるという効果を得る事が出来る。

【００２９】また本発明では、光学的に幅方向に高速走
査するため圧延材の長手方向に長く延びた欠陥でも検出
できるという、画期的な特徴を備えている。

【００３０】更に本発明においては、光学的に走査する
ため走査速度は対象部材の振動に比較して充分速くする
事が可能で、光学系の倍率を変えることにより従来より
小さな欠陥も検出できるようになり、検出精度も向上し
た。

【００３１】また、後処理において通常の画像信号と同
じ信号処理が適用可能であり、従来の方法に比べて欠陥
のパターン認識や欠陥種判別が可能になる。

【００３２】近年オプトエレクトロニクス分野の進歩は
めざましく、高感度垂直磁化膜、イメージセンサ７とし
て１万画素レベルの広幅のリニアアレイイメージセンサ
カメラのいずれもが安価に実現可能であり、従来の小型
センサーを多数並列化したものに比べて回路数にして数
百分の１になり、画期的に経済性を向上できる。また、
構成部品数が少なくなった為故障が減り、保守性が画期
的に向上した。

【００３３】本発明により、経済的困難性から精度の良
い漏洩磁気探傷法を適用できていなかった領域に例えば
厚板の表面自動探欠陥方法に適用可能であり、省力化や
自動化を通しての生産性向上効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の装置の光学部を示す斜視図である。

【図２】 実施例の装置の計測制御部を示すブロック図
である。

【図３】 磁化極性が正の場合の磁気光学効果素子の表
面画像を示す平面図である。

【図４】 図３から交流周期の半周期後経過した後の磁
化極性が負の場合の磁気光学効果素子の表面画像を示す
平面図である。

【図５】 図４の反転（ネガ）画像を示す平面図であ
る。

【図６】 図３と図５を加え合わせた欠陥画像を示す模
式図である。

【図７】 第６図に画像処理装置により画像処理を行っ
た後の横方向輝度分布の波形と画像処理前の横方向輝度
分布の波形を示す波形図である。

【符号の説明】

１：帯状ストロボ拡散光源 ２：偏光
板 ３：光磁気効果素子 ４：被検査材 ５：干渉
フィルタ ６：検光子 ７：イメージセンサ ８：光学
系全体 ９：発振器 10：電力増幅器 11：磁化
コイル 12：鉄心 13：移相器 14：スト
ロボ制御電源 15：ＡＤ変換器 16：極性変換器 17：極性
検出器 18：フレームバッファ 19：加算
器 20：画像処理装置 21：欠陥表示器 22：欠陥
弁別器 23：正常部分 24：欠陥の部分 25：画像処理後の横方向輝度分布の波形 26：画像処理前の横方向輝度分布の波形

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−76650（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−102103（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−245052（ＪＰ，Ａ) 特公 昭54−37831（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強磁性の被検査材に磁界を印加し、その
   欠陥部に生じた漏洩磁界を、被探傷材と相対移動する磁
   気光学効果素子に透過させた直線偏光の偏光面回転に基
   づいて検出する磁気光学式欠陥検出方法において、光源
   を帯状拡散偏光光源とし、印加磁界を交流とし、磁界の
   正負の極性変化過程の中で、磁化の反転に同期して、磁
   気光学効果素子の像を撮像し、順次極性反転毎に撮像し
   た画像信号の符号を反転記憶し、今回と前回の信号の加
   算結果より欠陥検出を行う事を特徴とする磁気光学式欠
   陥検出方法。