JP6875073B2

JP6875073B2 - 欠陥検出装置

Info

Publication number: JP6875073B2
Application number: JP2016097927A
Authority: JP
Inventors: 村上　美廣; 美廣村上
Original assignee: エヌディアール株式会社
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2036-05-16
Also published as: JP2017207293A

Description

本発明は、磁気センサを用いて漏洩磁束を検出し、薄鋼板等の被検査材の欠陥を検査する欠陥検出装置に関するものである。

薄鋼板のような被検査材の欠陥を検出する方法として、漏洩磁束法が広く使用されている。漏洩磁束法において、被検査体が磁化器に近接した位置を通過したとき、磁化器により発生する磁束の大部分は磁気抵抗の少ない被検査体の中を通過する。ところが、被検査体中に欠陥が存在すると、その欠陥により磁束の通過が妨げられ一部の磁束が空中に漏洩する。磁気センサが漏洩した磁束を検出することにより、被検査材の表面もしくは内部に存在する欠陥を検出することができる。

上述した漏洩磁束法により欠陥検出を行う際、被検査材を一方向に走行させながら磁気センサによって欠陥を検出することが行われる（たとえば特許文献１、２参照）。特許文献１には、金属帯の幅方向に隣接する２つ以上の磁気センサを直列に接続し、各磁気センサの出力信号を直列加算し、直列加算した信号を閾値処理することにより欠陥を検出する磁気探傷装置が開示されている。特許文献２には、複数の磁気センサを被検査材の走行方向に千鳥状に並べるとともに被検査材を走行方向に沿って磁化させ、複数の磁気センサによって薄鋼板を検査する磁気探傷装置が開示されている。

特開平５−２３２０８７号公報（段落００４１、図８）特開２０１３−１４８４４９号公報

特許文献１の場合、幅方向に幅広い検出感度分布特性を得ることができるが、雑音レベルが高く、誤検出が多くなってしまうという問題がある。特許文献２の場合、複数の磁気センサは、走行方向の前後に沿って千鳥状に配置されているため、個々の磁気センサが磁極中心から走行方向の前後にずれて配置された状態になっている。したがって、各磁気センサは異なる検査条件で欠陥を検出していることになり、検出精度が低下してしまう。特に、被検査材となる鋼板は振動を抑えるためにロールに巻き付けた状態で行う場合がある。このとき、被検査材の検査面は平面ではなく曲面になるため、磁気センサと被検査材との距離（リフトオフ）は走行方向において微小に異なる。千鳥状に配置した場合にはこの距離のばらつきが検出精度の悪化につながるという問題がある。一方で、配列された磁気センサ間の隙間領域について、高い精度で欠陥検出を行うことが望まれている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、検査精度の向上を図ることができる欠陥検出装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る欠陥検出装置は、一方向に走行する被検査材を走行方向に磁化する磁化器と、被検査材の幅方向に設定距離だけ離れて配置された１対の磁気センサからなる磁気センサユニットが、被検査材の幅方向に複数配列されて構成され、磁気センサが被検査材の欠陥から漏洩する磁束を検出する磁気センサ群と、磁気センサユニットの１対の磁気センサが検出した磁束を加算して得られた検知信号に対し、幅方向に隣接する磁気センサユニット同士の検知信号の差分を差分信号として算出する差分算出手段と、差分算出手段により算出された差分信号に基づいて、被検査材の欠陥を判定する欠陥判定手段とを有し、被検査材の幅方向に隣接する磁気センサユニット同士は、被検査材の幅方向に隙間無くもしくは重複して配置され、１対の磁気センサは、被検査材の走行方向に所定量だけずれた位置に配置されている。

本発明の欠陥検出装置によれば、磁気センサユニットが被検査材の幅方向に設定距離だけ離れて配置された１対の磁気センサからなり、被検査材の幅方向に隣接する磁気センサユニット同士が被検査材の幅方向に隙間無くもしくは重複して配置されていることにより、被検査材の幅方向の欠陥検出特性を向上させることができる。このため、磁気センサを走行方向及び磁化方向に沿ってずらして配置する必要がなくなり、各磁気センサユニットが走行方向のほぼ同一の磁極中心での検知が行われることになり、検出精度の向上を図ることができる。

本発明の欠陥検出装置の好ましい実施の形態を示す模式図である。図１の磁気センサ群の配置例及び検出特性の一例を示す模式図である。図３は、図２の磁気センサ単体の検出特性の一例を示すグラフである。磁気センサユニットの検出特性の一例を示すグラフである。磁気センサユニットの検出特性の一例を示すグラフである。図１の磁気センサ群の配置例及び検出特性の別の一例を示す模式図である。図１の欠陥検出装置の幅方向の検出特性を示すグラフである。図１の欠陥検出装置の幅方向の検出特性を示すグラフである。従来の１つのホール素子を千鳥状に配列した欠陥検出装置による幅方向の特性を示すグラフである。図１の欠陥検出装置１と、従来の１つのホール素子を千鳥状に配列した欠陥検出装置とによる温度特性を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の欠陥検出装置の実施形態について説明する。図１は本発明の欠陥検出装置の好ましい実施形態を示す模式図であり、図１を参照して欠陥検出装置１について説明する。欠陥検出装置１は、たとえば長尺の薄鋼板等の被検査材Ｓの表面の傷もしくは内部に存在する不純物等の欠陥を検出するものであって、支持体２、磁化器３、磁気センサ群１０、差分算出手段２０、欠陥判定手段３０を備えている。

支持体２は、被検査材Ｓの欠陥を検査する際に被検査材Ｓを支持するものであり、非磁性体からなっている。支持体２は、ロール状に形成されており、被検査材Ｓは支持体２表面に支持されながら走行方向αに向かって走査していく。このように支持体２側に押しつけながら走行させることにより、走行中の被検査材Ｓの振動を最小限に抑えることができる。

磁化器３は、被検査材Ｓの走行方向αに対して局部的な磁化を行うものであって、支持体２内部に被検査材Ｓに近接して設置されている。磁化器３は、１対の磁化ポール３Ａ、３Ｂを有している。磁化ポール３Ａは走行方向αの上流側に配置されておりＮ極に磁性化されている。一方、磁化ポール３Ｂは磁化ポール３Ａに対し走行方向αの下流側に配置されておりＳ極に磁性化されている。１対の磁化ポール３Ａ、３Ｂはギャップを形成しており、ギャップ内を通過する被検査材Ｓを局所的に磁性化する。

なお、磁化ポール３Ａ側がＮ極、磁化ポール３Ｂ側がＳ極である場合について例示するが、磁化ポール３Ａ側がＳ極、磁化ポール３Ｂ側がＮ極であってもよい。それに限らず、１対の磁化ポール３Ａおよび３Ｂが同じ極性を有しており、双方ともにＮ極もしくはＳ極であってもよい。この場合、磁化ポール３Ａ、３Ｂの極性に従い、被検査材ＳはＮ極またはＳ極のいずれか一方に着磁されることになる。被検査材Ｓに欠陥がある場合（略均一でない場合）、被検査材Ｓの欠陥部位から励磁した反対の極性の磁気が発生する。各磁気センサ１１ａ、１１ｂは発生した磁気を検出することにより、応力ひずみ信号や組成班等の欠陥を検出することができる。

図２は、図１の磁気センサ群の配置例及び検出特性の一例を示す模式図であり、図１及び図２を参照して磁気センサ群１０について説明する。図２の磁気センサ群１０は、被検査材Ｓの幅方向βに配列され、被検査材Ｓの欠陥から漏洩する磁束を検知して検知信号を出力する複数の磁気センサユニット１１を有する。複数の磁気センサユニット１１は、磁化器３の磁化ポール３Ａ、３Ｂの間であって、被検査材Ｓの走行方向αに直交する方向（被検査材Ｓの幅方向β）に沿って配列されている。なお、図２においては、３つの磁気センサユニット１１が設けられている場合について例示しているが、２以上の複数であれば個数は問わない。

磁気センサユニット１１は、被検査材Ｓの幅方向βに設定距離Ｄだけ離れて配置された１対の磁気センサ１１ａ、１１ｂからなっている。磁気センサ１１ａ、１１ｂは、例えば被検査材Ｓの漏洩磁束を検出するホール素子から構成されている。図３は、図２の磁気センサ単体の検出特性の一例を示すグラフである。図３において、横軸は磁気センサの中心からの幅方向βの距離を示し、縦軸は磁気センサの出力を示す。図３に示すように、各磁気センサ１１ａ、１１ｂは、それぞれ中心位置（距離＝０ｍｍ）において出力が最大になり、中心位置からの距離が大きくなるにつれてセンサ出力が小さくなる特性を有する。

図４及び図５は、磁気センサユニットの検出特性の一例を示すグラフである。図４及び図５において、横軸は磁気センサユニット１１全体の中心からの幅方向βの距離を示し、縦軸は磁気センサユニット１１の出力を示す。なお、図４はリフトオフＬＬ＝１．０ｍｍの場合を示し、図５はリフトオフＬＬ＝３．０ｍｍの場合を示す。図４及び図５に示すように、磁気センサユニット１１は、それぞれ中心位置（距離＝０ｍｍ）から所定の距離範囲まで、センサ出力のピーク値がほぼ平坦（フラット）になるような特性を得ることができる。言い換えれば、磁気センサユニット１１は、図３の磁気センサ単体の場合に比べて、幅方向βの広範囲において高い欠陥検出特性を有していることになる。さらに、図５に示すように、リフトオフＬＬ＝３．０ｍｍが大きくなった場合であっても、図４のリフトオフＬＬ＝１．０ｍｍの場合とほぼ同等の検出特性を有している。

磁気センサユニット１１における１対の磁気センサ１１ａ、１１ｂの幅方向βの設定距離Ｄは、平坦な検出特性を得るような隙間が空いていればよいが、好ましくはＤ＝０．５ｍｍ〜１．５ｍｍに設定され、より好ましくはＤ＝１．０ｍｍに設定されている。これは、設定距離Ｄが０．５ｍｍ未満の場合、図４及び図５の磁気センサユニット１１の検出特性において、中心位置付近のセンサ出力が大きくなってしまい、平坦な検出特性を得ることができないからである。一方、設定距離Ｄが１．０ｍｍより大きい場合、中心位置付近のセンサ出力に凹みが生じてしまい、平坦な検出特性を得ることができないからである。

図２において、被検査材Ｓの幅方向βに隣接する磁気センサユニット１１同士は、それぞれ被検査材Ｓの幅方向βに所定距離Ａだけ重複するように配置されている。そして、図２に示すように、磁気センサ群１０は、隣接する磁気センサユニット１１の感度領域の端部が互いに重複するように配列されている。したがって、各磁気センサユニット１１間において検出性能が落ち込むことを防止することができる。

なお、図２において、隣接する磁気センサユニット１１同士が、それぞれ被検査材Ｓの幅方向βに所定距離Ａだけ重複するように配置されている場合について例示しているが、幅方向βに隙間無く配置されていてもよい。図６は、図１の磁気センサ群の配置例及び検出特性の別の一例を示す模式図である。図６において、隣接する磁気センサユニット１１同士は、幅方向βに隙間無く（Ａ＝０）配置されている。この場合であっても、隣接する磁気センサユニット１１の感度領域の端部が互いに重複する。よって、各磁気センサユニット１１間において検出性能が落ち込むことを防止することができる。

図１の差分算出手段２０は、たとえば差動アンプからなるものであって、幅方向βに隣接する磁気センサユニット１１同士の検知信号の差分を差分信号として算出するものである。被検査材Ｓの表面もしくは内部に欠陥が存在する場合、磁化器３により磁性化された被検査材Ｓ内の多くの磁束が外部に流出する。磁気センサユニット１１は漏洩磁束の発生源である欠陥に近ければ近いほど多くの磁束を検出する。このため、幅方向βに配列された隣接する２つの磁気センサユニット１１のうち、欠陥に近い磁気センサユニット１１からの出力が大きくなる。また、欠陥の大きさが大きければ大きいほど検出信号の信号値は大きくなり、差分信号は大きな振幅になる。

この際、差分算出手段２０は、１つの磁気センサユニット１１に含まれる１対の磁気センサ１１ａ、１１ｂのそれぞれから出力される検出信号を加算し、加算した検出信号同士の差分を差分信号として算出する。また、差分算出手段２０は、隣接する磁気センサユニット１１のペアを１つずつずらしながら差分信号を算出する。したがって、各磁気センサユニット１１が配列されている幅方向βにおいて、隙間の漏洩磁束は必ず検出されることになり、被検査材Ｓの全面検査を行うことができる。また、幅方向βに隣接する磁気センサユニット１１同士の差分を算出することにより、振動等に起因するノイズ成分を除去することができる。

欠陥判定手段３０は、差分信号を用いて被検査材Ｓに欠陥が存在するか否かを判定するものである。たとえば欠陥判定手段３０は、差分信号を整流し、整流した直流成分の大きさが予め設定された閾値を超えたときに欠陥があると自動的に判断する。なお、欠陥判定手段３０は、差分信号を用いて判定できるものであれば上記手法を問わず種々の公知の手法を用いることができる。

次に、図１から図６を参照して欠陥検出装置１の動作例について説明する。走行方向αに走行している被検査材Ｓに対し磁化器３により磁化が加えられ、被検査材Ｓの磁化を局所的に飽和させる。そして、２つの隣接した磁気センサユニット１１からそれぞれ検出信号が出力される。その後、差分算出手段２０において、１対の磁気センサ１１ａ、１１ｂから出力された検出信号が加算されるとともに、磁気センサユニット１１の組み合わせを１つずつずらした差分信号がそれぞれ算出される。欠陥が生じている部位からは信号値の大きい差分信号が出力される。そこで、欠陥判定手段３０によりこの差分信号に基づいて被検査材Ｓに欠陥等が生じているか否かが判定される。

図７及び図８は図１の欠陥検出装置による幅方向の検出特性を示すグラフであり、図９は従来の１つのホール素子を千鳥状に配列した欠陥検出装置による幅方向の特性を示すグラフである。なお、図７〜図９は、口径φ１＝０．０５ｍｍ、φ２＝０．１ｍｍ、φ３＝０．２ｍｍのドリルホールが走行方向αに沿って形成された薄鋼板を被検査材Ｓとして検査したときのグラフである。さらに、図７及び図８はドリルホールを磁気センサユニット１１の中心位置（＝０．０ｍｍ）から±３．５ｍｍの範囲で０．５ｍｍ刻みでずらした場合について例示し、図９はホール素子の中心位置（＝０．０ｍｍ）から±２．０ｍｍの範囲で０．５ｍｍ刻みでずらした場合について例示している。また、図７及び図９はリフトオフＬＬ＝１．００ｍｍに設定した場合について例示し、図８はリフトオフＬＬ＝３．００ｍｍに設定した場合について例示する。

図７及び図８の欠陥検出装置１による検査結果は、欠陥が中心位置から幅方向βにずれた場合であっても、図９の従来の欠陥検出装置１の検査結果に比べて検出精度が高く、幅方向βの感度特性が向上していることがわかる。

図１０は、図１の欠陥検出装置１と、従来の１つのホール素子を千鳥状に配列した欠陥検出装置とによる温度特性を示すグラフである。なお、図９は、口径φ１＝０．０５ｍｍ、φ２＝０．１ｍｍ、φ３＝０．２ｍｍのドリルホールの他に、折り目Ｂを走行方向αに沿って形成された薄鋼板を被検査材Ｓとして検査したときのグラフである。また、図９では、リフトオフＬＬ＝１．０ｍｍに設定され、磁気センサユニット１１のセンサ温度もしくはセンサ周囲温度が常温（２５℃）、高温（１００℃）、低温（０℃）である場合について例示する。図１０の従来の欠陥検出装置による比較例に示すように、温度変化に起因する検出結果にばらつきが生じている。

ホール素子の検出特性は、周辺温度や被検査材Ｓからの輻射熱など、もしくはホール素子そのものの温度に強く影響される。特に、ホール素子は半導体の温度ドリフトがあり、周囲温度・センサ温度によって感度が変化する。よって、図１０の比較例のように、ホール素子単体（１ｃｈ）による検査が行われた場合、センサ温度もしくはセンサ周囲温度の温度変化に起因して検出結果にもばらつきが生じる。

一方、図１０に実施例に示すように、欠陥検出装置１の磁気センサ１１ａ、１１ｂとしてホール素子を用いた場合に、センサ温度もしくはセンサ周囲温度に温度変化が生じても、温度変化に起因する検出結果のばらつきが小さいことがわかる。特に、−２０度〜＋５０度の温度範囲内ではほぼ一定の感度を示すことがわかった。また、図１の欠陥検出装置１の場合、端末の反射による偽信号Ｒが発生していない。このように、図１の欠陥検出装置１は、温度変化による感度特性の変化を最小限に抑え、高い精度の欠陥検出を行うことができる。

上記実施形態によれば、磁気センサユニット１１が被検査材Ｓの幅方向βに設定距離Ｄだけ離れて配置された１対の磁気センサ１１ａ、１１ｂからなり、被検査材Ｓの幅方向βに隣接する磁気センサユニット１１同士が被検査材Ｓの幅方向βに隙間無くもしくは重複して配置されていることにより、被検査材Ｓの幅方向βの欠陥検出特性を向上させることができる。このため、磁気センサを走行方向α（磁化方向）に沿ってずらして配置する必要がなくなり、各磁気センサユニット１１が走行方向αのほぼ同一の位置で検知が行われることになり、検出精度の向上を図ることができる。

すなわち、従来において、千鳥状（入れ子状）に配列されており、重なり合う領域を有する複数のセンサ出力のうち最も大きい信号を使用するようにしている。しかしながら、各磁気センサの磁極中心は走行方向αの前後で差が生じる。特に、被検査材Ｓとなる鋼板は振動を抑えるためにロールに巻き付けた状態で行うため（図１参照）、被検査材Ｓの検査面は平面ではなく曲面になる。このため、磁気センサ１１ａ、１１ｂと被検査材Ｓとの距離（リフトオフＬＬ）が検出位置毎に微小に異なってしまう。つまり、千鳥状の各磁気センサが同一の検出条件で検出されたものではないため、これらの信号を選択的に使用しても検出精度の向上につながらない。

一方、図２の欠陥検出装置１において、隣接する磁気センサユニット１１は、それぞれ走行方向αの磁極中心ＣＬはほぼ同一の位置になり、隣接する磁気センサユニット１１同士の差分が算出される。このため、従来のように走行方向αの前後に磁気センサユニット１１を配置することに起因する検出精度の劣化を防止することができる。また、差分信号に基づき欠陥を検出することにより、振動等によるノイズ成分を除去することができる。さらに、各磁気センサユニット１１が幅方向βに配列された１対の磁気センサ１１ａ、１１ｂからなるため、従来のように走行方向αに沿って千鳥状に配置する必要がなく、幅方向βに平坦な検出特性が得られ、装置全体の検出特性を向上させることができる。また、幅方向βに広範囲な検出特性を得ることができるため、磁気センサ群１０に含まれる磁気センサ１１ａ、１１ｂの数を減らすことができる。

１欠陥検出装置、２支持体、３磁化器、３Ａ磁化ポール、３Ｂ磁化ポール、１０磁気センサ群、１１磁気センサユニット、１１ａ、１１ｂ磁気センサ、２０差分算出手段、３０欠陥判定手段、Ａ所定距離、ＣＬ磁極中心、Ｄ設定距離、ＬＬリフトオフ、Ｓ被検査材、α 走行方向、β 幅方向、φ１、φ２、φ３口径。

Claims

一方向に走行する被検査材を走行方向に磁化する磁化器と、
前記被検査材の幅方向に設定距離だけ離れて配置された１対の磁気センサからなる磁気センサユニットが、前記被検査材の幅方向に複数配列されて構成され、前記磁気センサが前記被検査材の欠陥から漏洩する磁束を検出する磁気センサ群と、
前記磁気センサユニットの１対の前記磁気センサが検出した磁束を加算して得られた検知信号に対し、幅方向に隣接する前記磁気センサユニット同士の前記検知信号の差分を差分信号として算出する差分算出手段と、
前記差分算出手段により算出された前記差分信号に基づいて、前記被検査材の欠陥を判定する欠陥判定手段と
を有し、
前記被検査材の幅方向に隣接する前記磁気センサユニット同士は、前記被検査材の幅方向に隙間無くもしくは重複して配置され、
１対の前記磁気センサは、前記被検査材の前記走行方向に所定量だけずれた位置に配置されている欠陥検出装置。
１対の前記磁気センサ間の前記設定距離は、略０．５ｍｍ〜１．０ｍｍである請求項１に記載の欠陥検出装置。
前記磁気センサは、ホール素子からなる請求項１または２に記載の欠陥検出装置。