JP2016500812A - 磁石の磁界分布を、磁石の主表面に沿って決定する装置および方法 - Google Patents

Abstract

磁石の磁界分布を、上記磁石の主表面に沿って決定する装置であって、上記装置は、互いに関して固定の相対位置に配列された少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの配列であって、各磁界カメラモジュールは、各検出表面を用いて磁界カメラモジュールが曝露される磁界分布を測定するのに適合している、配列と；上記主表面と上記配列との間の所定の相対運動を提供する部材であって、それによって、上記主表面に沿って上記磁石の上記磁界分布をスキャンする、部材と、を含む、装置、および関連する方法。

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本開示は、磁石の磁界分布を決定する装置および方法に関する。

〔背景技術〕
電気ドライブの開発と製造において、永久磁石の高速で正確な品質検査の重要性が増大している。コギングトルク、効率および電力などのパラメータは、電気ドライブにおける永久磁石の品質によって影響を受ける。さらに、希土類金属の最近の価格高騰により、電気ドライブの開発者および製造者は、効率的な方法で、廃棄する磁石材料の量を最小にしてこれらの貴重な材料を用いることを強いられ、これは、言い換えれば、最小量の磁石材料から最大限の性能を得るということであり、これは、各磁石が厳密な品質要求を満たす必要があることを意味する。

完全な磁石品質を正確に決定するために、残留磁化ベクトルとその角度偏差、磁石の均質性、材料の欠陥の存在、磁化偏差など、種々の磁石パラメータを経済的な方法で測定する必要がある。電気ドライブを自動車に使用することが増加した結果、全てのこれらの重要な磁石特性を測定することができるだけではなく、電気ドライブの自動生産とも両立する、経済的な磁石検査の解決策が必要とされている。これは、検査の解決策が、高速で、上述の磁石特性の全てに対して量的な結果を与え、製造ラインで容易に実施できる必要があることを意味する。従来の磁気測定技術は、遅すぎたり、単一の磁石特性しか測定しなかったり、デジタルでなかったりなどの原因により、上記の要件の全てを同時には満たすことができない。

磁気測定システムが知られており、これは磁界カメラとも称されるが、これは、種々の応用において、一軸および多極の磁石を含め、全種類の永久磁石に対する、優れた磁石検査技術である。磁界カメラ技術は、複数の磁界センサを用いた磁石の磁界分布のマッピングに基づいている。

欧州特許出願ＥＰ１７２００２６には、磁気カメラモジュールとも称される、このような磁界カメラの例が記載されている。

欧州特許出願ＥＰ２５０８９０６には、磁気システムの入力パラメータの初期化されたセットに基づく磁気システムの特徴付けのための構成が記載されており、この構成は：
− 磁界分布を測定する部材であって、典型的には、磁気カメラモジュールとして具現されたもの、および
− 磁気システムの最適な予想される磁界分布を決定する部材
を有している。

しかしながら、実際には、磁気システム、特に、比較的大きな表面、典型的には、現状の磁気カメラモジュールのサイズよりも大きくてもよい表面、を有する磁気システムを特徴付ける改良された自動的な装置および方法が産業的に要求されている。

〔発明の概要〕
本開示の目的は、磁石の磁界分布を、上記磁石の主表面に沿って決定する装置を提供することである。この目的は、第１の独立請求項の技術的特徴を示す装置の開示によって達成される。

本開示の別の目的は、磁石の磁界分布を、上記磁石の主表面に沿って決定する方法を提供することである。この目的は、第２の独立請求項の技術的特徴を示す方法の開示によって達成される。

本発明の第１の様態において、磁石の磁界分布を、上記磁石の主表面に沿って決定する装置であって、
（ａ）互いに関して固定の相対位置に配列された少なくとも２つの、すなわち複数の、独立した磁界カメラモジュールの配列であって、各磁界カメラモジュールは、各検出表面を用いて磁界カメラモジュールが曝露される磁界分布を測定するのに適合している、配列と；
（ｂ）上記主表面と上記配列との間の、好ましくは所定の、相対運動を提供する部材であって、それによって、上記主表面に沿って、例えば上記主表面全体に沿って、上記磁石の上記磁界分布をスキャンする、部材と、を含む、
装置が開示される。

本発明の実施形態の利点は、磁石の、例えばその主表面全体についての、磁界分布が、高速に、および／または自動的に決定できることである。

本発明の実施形態のさらなる利点は、単一の磁気カメラの検出表面よりも大きいまたは実質的に大きい、磁石の主表面に対して、磁界分布が効率的に決定できることである。

磁界カメラまたは磁界カメラモジュールは、例えばマトリクス構成またはライン構成で配列された、複数のセンサであって、各センサが磁界の特性を測定することができるようになっているセンサを有しており、また、磁界分布を測定することができる、装置とすることができる。磁界カメラは、例えば、ＥＰ１７２００２６またはＥＰ２５０８９０６に開示されたようなカメラとすることができ、これらはここに参照により取り込まれる。これは例えば、２次元（２Ｄ）ホール（Hall）センサアレイとすることができる。

所定の相対運動を提供する部材は、当業者に知られた任意の適切な部材や装置とすることができる。

磁石の主表面に沿った磁石の磁界分布のスキャンは、主表面に沿って磁界分布を測定することを含むことができる。好ましい実施形態によれば、スキャンは、測定と相対運動とが同時に起こる、連続処理とすることができる。別の好ましい実施形態によれば、スキャンは、相対運動と測定とが順次行われる、不連続処理とすることができる。

好ましい実施形態によれば、磁界カメラモジュールは、その検出表面を構成する個々のセンサ素子のマトリクスを有することができる。ある実施形態によれば、これらの素子の全てがスキャン処理に関与することができる。別の実施形態によれば、これらの素子の全てがスキャン処理に関与しているわけではないか、または、素子の全てが関与していなくてもよい。例えば、適用される相対運動に応じて、用いられるまたは存在するカメラモジュールのうちの１つ以上について、単一の列または単一のカラムのカメラモジュールだけを用いることで十分でありうる。これにより、スキャン処理の速度を増加させることができる。

好ましい実施形態によれば、磁界カメラモジュールはみな同じものである。磁界カメラモジュールは、検出表面を有する上表面を有し、この上表面は、検出表面を超えてさらに延びて、適用される磁界の測定ができないカメラモジュールのデッドゾーンを規定する。カメラモジュールは、本質的には立方体形状とすることができるが、任意の他の形状とすることができる。上表面は、本質的には正方形とすることができるが、任意の他の形状とすることができる。上表面がカメラモジュールの側壁の横寸法を規定する場合は、上表面は、好ましくは、近接した構成で、すなわち、２つの隣接するカメラモジュール間に空間を空けないで、上表面が積層されることができるようなものとされる。カメラモジュールの検出表面は、正方形または長方形とすることができるが、任意の形状とすることができる。例えば、検出表面は、カメラモジュールの上表面上で、中央に置かれる、または、対称的な位置に置かれることができる。カメラモジュールは、さらに、内部の電子部品を有してもよく、また、部材の外部制御装置に有線または無線で接続されていてもよい。

好ましい実施形態によれば、上記所定の相対運動を提供する部材は、さらに、運動を制御するコントローラを有してもよい。

第１の一般的なタイプの好ましい実施形態によれば、少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの全てが、その検出表面が単一の平面内にあるように配列される。

好ましい実施形態によれば、各検出表面が、単一の線に沿って配列されて配置されている。これは、相対運動が、ラインスキャンタイプのスキャン処理を具現するときに有利でありうる。

好ましい実施形態によれば、各検出表面が２つの平行線に沿って配列されて配置され、それによって、各検出表面の、上記２つの平行線に平行な架空線上の正射影が、上記架空線の単一の途切れない部分を提供する。これは、相対運動が、ラインスキャンタイプのスキャン処理を具現するときに有利でありうる。これは、例えば、詳細な説明に記載されるような、１．５Ｄスキャンの実施形態に対応しうる。

好ましい実施形態によれば、上記所定の相対運動を提供する部材が、上記配列と上記磁石の主表面との間の１つ以上の相対的な並進運動を提供するのに適合しており、それによって、上記検出表面と上記主表面とが、運動中に平行に維持される。

好ましい実施形態によれば、上記配列と上記磁石の主表面との間の１つ以上の相対的な平行な並進運動が、すでに存在しているデッドエリア、すなわち、少なくとも２つの所定の検出表面の間の例えばデッドゾーンであるゆえにどのカメラモジュールによってもこれまでにまだスキャンされていない領域、を橋渡しするのに適合している。

好ましい実施形態によれば、上記所定の相対運動を提供する部材が、回転軸の周りに、上記配列および／または上記主表面間の相対的な回転運動を提供するのに適合している。

好ましい実施形態によれば、上記所定の相対運動を提供する部材は、以下のうちの少なくとも１つを提供するのに適合している：
− 単一の平面内にある検出表面の、第１の回転軸の周りの回転運動であって、単一の平面が、第１の回転軸に平行に（そして好ましくは第１の回転軸に沿った回転に対して接線の方向に）ある、回転運動；および
− 磁石の主表面の、第２の回転軸の周りの回転運動であって、主表面が、第２の回転軸に平行に（そして好ましくは第２の回転軸に沿った回転に対して接線の方向に）あり、それによって、もし、上記所定の相対運動を提供する部材が両方の回転運動を提供するのに適合していれば、第１の回転軸と第２の回転軸とが同一である、回転運動。

第２の一般的なタイプの好ましい実施形態によれば、上記少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの第１のサブセットが、その検出表面が第１の平面内にあるように配列され、上記少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの、共通の要素を持たない(disjoint)第２のサブセットが、その検出表面が上記第１の平面とは異なる第２の平面内にあるように配列されている。

カメラモジュールの第１および第２のサブセットはシングレットとすることができる。サブセットのそれぞれは、例えば、１，２，３，４またはそれより多いカメラモジュールのうちの任意のものを有することができる。

好ましい実施形態によれば、上記第１のサブセットの各検出表面が、第１の単一の線に沿って配列されて配置され、上記第２のサブセットの各検出表面が、第２の単一の線に沿って配列されて配置され、上記第１の単一の線と第２の単一の線とが平行である。

好ましい実施形態によれば、上記第１の平面と上記第２の平面とが平行である。

好ましい実施形態によれば、第１のサブセットおよび第２のサブセットの検出表面は、互いに向き合っていない。例えば、装置は、近−遠−近−遠−近−遠の設定のカメラモジュールの直線状配列を有することができ、ここで、「近」の指標が付いたカメラモジュールは、第１のサブセットを構成し、「遠」の指標が付いたカメラモジュールは、第２のサブセットを構成する。このような設定は、磁界に関して、深さ情報、またそれゆえ一般的には３次元の情報を得ることができるという利点を提供する。

好ましい実施形態によれば、第１のサブセットおよび第２のサブセットの検出表面は、平行であり、互いに向き合っている。これは、例えば、磁石の主表面を測定するまたはスキャンするときに、第１のサブセットの検出表面と第２のサブセットの検出表面とが磁石から異なる距離に配列されているときに、前の段落における実施形態と同じ利点を提供することができる。

好ましい実施形態によれば、上記第１の平面と上記第２の平面とが、０°および１８０°とは異なる角度を成す。これは、例えば第１のサブセットのカメラモジュールのデッドゾーンおよび特定の配列（例えば相互間距離）ゆえに、カメラモジュールの第１のサブセットを有する磁石の主表面のスキャンによって残されるデッドエリアを、カメラモジュールの第２のサブセットの配列によって容易にスキャンすることができるという利点を提供する。第２のサブセットのカメラモジュールと第１のサブセットのカメラモジュールとが平面的ではないので、より自由度の高い装置／システムの設計が達成される。

好ましい実施形態によれば、上記第１のサブセットおよび上記第２のサブセットの各検出表面の、上記第１および第２の単一の線に平行な架空線上の正射影が、上記架空線の単一の途切れない（連続した）(uninterrupted)部分をカバーする。これは、カメラモジュールの第１のサブセットおよび第２のサブセットが、主表面の連続的な表面を、例えば主表面全体を、スキャンすることができるという利点を提供する。もちろん、モジュールの第１のサブセットおよび第２のサブセットにおいて隣接するカメラモジュール間のデッドゾーンがあるので、典型的には、第１のサブセットおよび第２のサブセット自身の各投影がこの特徴を提供するわけではないのが実情であることに注意されたい。

好ましい実施形態によれば、第１のサブセットの磁気カメラモジュールの検出表面の正射影および第２のサブセットの磁気カメラモジュールの検出表面の正射影は、第１の単一の線および第２の単一の線に平行な架空線上で、互いに関して実質的にオフセットされている。これは、好ましくは、部分的な重なりを示し、また、理論的な極限状況では、重なりを示さなくてもよい。カメラモジュールの検出表面の各投影は、例えば、架空線に沿った方向に運動するときに、交互に、互いを追跡することができる。

好ましい実施形態によれば、上記所定の相対運動を提供する部材が、回転軸の周りに、上記配列および／または上記主表面の間の相対的な回転運動を提供するのに適合している。

好ましい実施形態によれば、上記所定の相対運動を提供する部材は、以下のうちの少なくとも１つを提供するのに適合している：
− 配列の、第１の回転軸の周りの回転運動であって、第１の平面と第２の平面とが、第１の回転軸に平行に（そして好ましくは第１の回転軸に沿った回転に対して接線の方向に）ある、回転運動；および
− 磁石の主表面の、第２の回転軸の周りの回転運動であって、主表面が、第２の回転軸に平行に（そして好ましくは第２の回転軸に沿った回転に対して接線の方向に）あり、それによって、もし、上記所定の相対運動を提供する部材が両方の回転運動を提供するのに適合していれば、第１の回転軸と第２の回転軸とが同一である、回転運動。

好ましい実施形態によれば、回転の部材または装置は、電磁エンジンの回転部を有する。

好ましい実施形態によれば、使用時すなわち上記主表面と上記配列との間の所定の相対運動を行うときに、上記主表面の少なくとも一部が、上記第１のサブセットのカメラモジュールおよび上記第２のサブセットのカメラモジュールによって、上記主表面からの異なる距離にてスキャンされるように、上記第１の平面および上記第２の平面が配列されている。

好ましい実施形態によれば、第１および第２の一般的なタイプの両方について、所定の運動は、少なくとも１つ、または少なくとも２つのカメラモジュールによって、主表面の全ての部分がスキャンされるようなものになっている。これは、測定エラーを修正することができて、隣接する測定を効率良く一緒に縫合することができるという利点を提供する。

本発明の第２の様態によれば、磁石の磁界分布を、上記磁石の主表面に沿って決定する方法であって、
− 磁石を提供することと；
− 互いに関して固定の相対位置に配列された少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの配列であって、各磁界カメラモジュールは、各検出表面を用いて磁界カメラモジュールが曝露される磁界分布を測定するのに適合している、配列を提供することと；
− 上記主表面と上記配列との間の所定の相対運動を提供し、それによって、上記主表面に沿って上記磁石の上記磁界分布をスキャンすることと、
を含む、方法が開示される。

好ましい実施形態によれば、上記所定の相対運動を提供することが、上記配列と上記磁石の主表面との間の１つ以上の相対的な並進運動を提供することを含み、それによって、上記検出表面と上記主表面とが、運動中に平行に維持される。

好ましい実施形態によれば、上記配列と上記磁石の主表面との間の１つ以上の相対的な平行な並進運動が、少なくとも２つの所定の検出表面の間にすでに存在しているデッドゾーンを橋渡しするのに適合している。

好ましい実施形態によれば、上記所定の相対運動を提供することが、回転軸の周りに、上記配列および／または上記主表面の間の相対的な回転運動を提供することを含む。

第１の様態に対して説明された特徴と利点は、必要な変更を加えて、第２の様態にも適用でき、逆もまた同様である。

本発明の第３の様態によれば、本発明の第１および／または第２の様態の任意の実施形態に係る装置および／または方法の使用は、以下の任意のものの検査および／または品質管理に対して開示される：永久磁石、一軸磁化を有する永久磁石、多極磁化を有する永久磁石、強磁性、常磁性、反磁性、走磁性、および／または超伝導材料、および／または、磁気応答の他の形式を有する材料、電磁石、磁気アセンブリ、または、スポット溶接、突起溶接、他の抵抗溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接およびアーク溶接を含むがこれに限定されない、溶接の検査および／または品質管理に対して開示される。

本発明の第４の様態によれば、磁気システムの入力パラメータの初期化されたセットに基づく磁気システムの特徴付けのための装置が開示され、この装置は、
− 磁界分布を測定する部材であって、本発明の第１の様態の任意の実施形態に係る装置を含むもの、および
− 磁気システムの最適な予想される磁界分布を決定する部材
を有している。

好ましい実施形態によれば、装置はさらに、予想される磁界分布を決定する部材を有しており、
（ｉ）理論的なシミュレーションモデルを用いて、計算された磁界分布を決定する部材と、
（ｉｉ）予想された磁界分布を、測定された磁界分布値と比較する部材と、
（ｉｉｉ）最適化スキームを用いて、磁気システムの予想される磁界分布を得る部材と、
を有する。

本発明の第５の様態によれば、磁気システムの入力パラメータの初期化されたセットに基づく磁気システムの特徴付けのための方法が開示され、この方法は、
− 本発明の第１の様態の任意の実施形態に係る装置、および／または、本発明の第２の様態の任意の実施形態に係る方法を用いて、磁界分布を測定するステップ、および
− 磁気システムの最適な予想される磁界分布を決定するステップ
を有している。

好ましい実施形態によれば、予想される磁界分布を決定することは、
（ｉ）入力パラメータの初期値から、理論的なシミュレーションモデルを用いて、計算された磁界分布を決定するステップと、
（ｉｉ）予想された磁界分布を、測定された磁界分布値と比較するステップと、
（ｉｉｉ）最適化スキームを用いて、磁気システムの予想される磁界分布を得るステップと、
（ｉｖ）予想された磁界分布が、測定された磁界分布値と、許容誤差内で同じになるまで、上記ステップ（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）を繰り返すステップと、
を有することができる。

本発明の第４および第５の様態の任意の配列、装置および方法は、本発明の様態に係る改良された装置および方法に適用または使用可能であることが理解されるであろう。

〔図面の簡単な説明〕
本開示は、以下の記述および添付図面によってさらに説明される。

図１は、本発明の一実施形態に係る配列の平面図である。

図２は、図１に関して記載された配列の動作例を示す図である。

図３は、本発明のさらなる一実施形態に係る配列の平面図である。

図４は、図３に関して記載された配列の動作例を示す図である。

図５は、本発明のさらなる一実施形態に係る配列の斜視図である。

図６は、図５に関して記載された配列の動作例を示し、また、図５のＺ−Ｘ平面に沿った垂直断面を示す図である。

図７は、図５に関して記載された配列の動作例を示し、また、図５のＺ−Ｙ平面に沿った垂直断面を示す図である。

〔発明の詳細な実施形態〕
本開示は、特定の実施形態について、特定の図面を参照して述べられるが、この開示は、これに限定するものではなく、請求項によってのみ限定されるものである。記載された図面は、説明のためだけのものであり、限定を意図するものではない。図面において、いくつかの要素の大きさは、説明の目的のために、誇張され、スケール通りには描かれないことがある。寸法や相対的な寸法は、本開示の実際のものへの実際の減少には必ずしも対応していない。

さらに、明細書や請求項の用語「第１」、「第２」、「第３」などは、類似の要素間を区別するために用いられており、順番や時期順を必ずしも示さない。これらの用語は、適切な状況下では相互に交換可能であり、本開示の実施形態は、ここに説明または図示したのとは別の順序で動作することもできる。

さらに、明細書や請求項の用語「頂上」、「底」、「上」、「下」などは、説明の目的のために用いられており、相対的な位置を必ずしも示さない。これらの用語は、適切な状況下では相互に交換可能であり、本開示の実施形態は、ここに説明または図示したのとは別の方向に動作することもできる。

さらに、種々の実施形態が、「好ましい」と称されるが、本開示の範囲を限定するというよりも、本開示を実行可能な方法の例として解釈すべきものである。

以下に説明する実施形態は、１２８×１２８（＝１６３８４）顕微鏡ホールセンサアレイの統合された２Ｄアレイを有するセンサチップを用いて、磁石の磁界分布の高分解能および高速の量的２Ｄマッピングに基づく測定原理に基づいている。センサは、Ｘ方向およびＹ方向のいずれにも、０．１ｍｍのピッチ（空間分解能）を有する。各ホールセンサは、４０μｍ×４０μｍのアクティブ領域を有し、センサが曝露される磁界の垂直成分（Ｂ_ｚ）を局所的に測定するのに適合している。全てのセンサが高速で電子的にスキャンされ、その結果、１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍの領域にわたって量的で高分解能の磁界マップが得られた。最大分解能の磁界マップが、１秒未満で捕捉できた。

磁界カメラチップは、１２８×１２８のセンサマトリクスの任意のサブマトリクスを記録するための、組み込み上の柔軟性を有していた。Ｘ方向およびＹ方向で、スタート画素、ストップ画素およびステップサイズを指定することができる。これにより、例えば半分分解能モード（１画素おきに測定する）で動作できるだけでなく、例えば１つの単一の画素を連続的に測定する、または、１つの行を連続的に記録することもできる。後者の構成は、この説明で後に用いられ、回転部の検査の実施形態と同様に、大きな範囲のラインスキャンする実施形態を構成する。

１つのセンサチップ（すなわち、１つの磁界カメラモジュール）上の画素が、順次読み出され、その結果、各画素は、およそ５０μ秒の測定時間を要した。このことは、フレーム中の画素の総数を１画素あたりの時間５０μ秒で乗算するだけで、１フレームを記録するのに要する総時間を計算できることを意味する。

いくつかの特定のケースでの測定時間は以下の通りである：
・センサアレイ全体： ｔ＝１２８×１２８×５０μｓ＝０．８秒
・半分分解能、範囲全体： ｔ＝６４×６４×５０μｓ＝０．２秒
・１行、最大分解能： ｔ＝１×１２８×５０μｓ＝６．４ｍｓ
・１行、半分分解能： ｔ＝１×６４×５０μｓ＝３．２ｍｓ。

磁気カメラモジュールは、およそ２４ｍｍ×２４ｍｍ×２４ｍｍのサイズを有していた。カメラモジュールは、検出表面２１とこの検出表面に隣接する検出不能の部分２２とを有する上表面２を有する。磁気カメラモジュールの横サイズ（２４ｍｍ×２４ｍｍ）は、このサイズによって、複数のモジュールを互いに隣接させて配置できる一方、カメラ自体のアクティブ測定サイズ（すなわち１２．８ｍｍ）よりもモジュール間のデッド測定ゾーン６（すなわちデッドゾーン）（２４ｍｍ−１２．８ｍｍ＝１１．２ｍｍ）が小さくなるようなサイズであった。この原理によれば、各方向に１２ｍｍの１つの単一のステップを有するモジュールのセットを移動させることにより、このデッドゾーン６を満たすことができる。以下に示すように、この原理によって、大きな面積の磁界マッピング測定を高速に行うのに適した多くの異なるモジュール構成が可能になる。

磁界カメラを用いて大きな面積をカバーする最も直接的な方法は、磁界カメラをＸＹ（Ｚ）スキャンステージ（またはロボット）上に載せて、それに続いて一緒に縫合される複数の小規模の磁界マップを順次測定して、大きな面積の画像を得ることである。この方法の利点は、単一の磁界カメラモジュールしか要しないことである。

種々の測定画像を大きな画像へと正確に縫合するために、いくつかのアプローチを採ることができる。（Ｘ方向およびＹ方向の）どちらかのスキャンステップを、測定領域の対応サイズ（すなわち１２．８ｍｍ）に正確に一致させておくようにすることができる。この場合、連続画像間に重なりは無い。このとき、得られる縫合画像の品質は、スキャンステージの正確さ、および、スキャンステージのＸ・Ｙ軸に対するセンサのＸ・Ｙ軸の配置の正確さに依存する。

光学画像縫合においてさらに見出される別の技術は、隣接画像間の重なり領域を確保するために、スキャンステップをセンササイズよりいくぶん小さくすることである。このようにして、画像縫合アルゴリズムが画像に適用されることができ、最適な重なり位置が自動的に検出される。この方法は、スキャンステージの正確さの欠如、または、スキャンステージ軸に対するセンサの配置の正確さの欠如を修正することができる。

磁界カメラの測定速度は比較的高くすることができる（すなわち、最大分解能で１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍ^２／０．８秒）ので、この技術を用いることで、大きな面積を迅速に測定できる。しかしながら、高速インライン検査などのいくつかの応用では、特に、より大きな面積に対し、速度は十分ではない可能性がある。この構成での速度は、例えば以下の要因によって制限される：
・測定は、順次行われる。すなわち、同時並行ではない
・機械的ステップの数が、測定面積に対応している。

大まかには、面積「Ａ」に対する総測定時間は、

に等しい。ここで、
Ｔ_{ｔｏｔａｌ}は、総測定時間であり、
Ｔ_{ｓｉｎｇｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ}は、単一の１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍの画像を測定するのに要する時間であり、
Ａは、測定される面積であり、
Ａ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、センサの面積、すなわち１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍである。

以下の考察では、Ａ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、以下の理由により、１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍではなく１２ｍｍ×１２ｍｍに設定されている：第１に、通常は、半分分解能でしか測定されず、これはアレイの最後の画素が記録されないことを意味し、有効面積が１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍに減少するからである。第２に、自動的な縫合アルゴリズムを使用可能にするために、異なる画像間の重なりがいくらか許容されるからである。そのために、実際には、１２．０ｍｍのスキャンステップが用いられている。

式（１）は、測定する面積に比例して総測定時間が増加することを示している。この式に基づいて、いくつかの実際のケースに対して量的な測定時間を計算することができる。

単一の測定あたりの時間に関し、以下のアプローチを行った。実際には、磁界カメラの測定は、特に、より大きな磁石に対しては、最大分解能（すなわち０．１ｍｍ）の代わりに、半分分解能（すなわち０．２ｍｍ）で行われることが多い。これは、ＸおよびＹ方向で１つおきの画素しか測定されず、その結果全画素の４分の１だけが有効に読み出されることを意味する。これはまた、１フレームあたりの測定時間が４倍小さい、すなわち、およそ０．２／フレームであることを意味する。他方、通常は、測定ノイズを減らすために、複数フレームを記録して平均する。実際の平均の数は５とし、したがって１フレームあたりの総測定時間は１秒になり、これは最大分解能の単一のフレームの時間に匹敵する。

上記式における第２のパラメータは、機械的スキャンステップに要する時間（Ｔ_{ｓｃａｎｓｔｅｐ}）であり、このスキャンステップは、ＸまたはＹのいずれかの方向に１２ｍｍである。この時間は、用いられるスキャンステージのタイプによって変化することができる。２４ｍｍ／ｓの速度に対応してこの時間を０．５ｓに設定し、組み合わせた単一の測定の時間とスキャンステップとを合計すると、１．５ｓとなる。

表１から明らかなように、大きな面積に対しては、測定時間が相対的に長くなる。本発明の任意の実施形態に応じて複数のカメラモジュールの構成を用いることによって、この測定時間は著しく短くすることができる。

いくつかの実施形態を以下に述べる。

第１の実施形態によれば、装置は、例えば支持部Ｓに載せた、磁界カメラモジュールの２Ｄアレイを有する。図１に、４つの磁気カメラモジュールＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶの規則的な２×２アレイすなわちマトリクス（例えば４８ｍｍ×４８ｍｍの総測定面積を有する）の例を示す。ここでは、モジュールは、「近接積層」で互いに隣接している、すなわち、モジュール自身の間に隙間がない、が、このようにする必要はない。これは、隣接するカメラモジュールの検出表面間のデッドゾーン６が、カメラモジュールの上表面のデッドゾーン２２の幅の２倍に等しいということを意味する。この実施形態は、大きな面積の測定を、その大きな面積を単一のカメラモジュール１にて直進で前方にスキャンするよりもはるかに高速に、かつ、空間分解能を失うことなく、実現できる。

この実施形態のいくつかの利点は、２Ｄアレイの全てのカメラモジュール１が同時並行に測定され、総測定時間を減らすこと；および、用いられるカメラモジュールの個数と無関係に、またそれゆえ実際の測定面積と無関係に、モジュール間の「デッド測定ゾーン」６を、１２ｍｍの、構成全体のわずか３つの機械的なスキャンステップ（１つはＸ方向、１つはＹ方向、１つはＸ＋Ｙ方向）で満たすことができることである。この目的を達するために、カメラアレイは、例えば、モータ駆動のＸＹ（Ｚ）スキャンステージに載せることができ、または、カメラアレイは、手動で移動させることができ、または、アート移動プラットホームの状態に応じて移動させることができる。

この原理を図２に示す；４つのカメラモジュールは、まず、「Ａ」とマークされた４つの領域を測定する。Ｘ方向に、全ての配列のシフトを実行し、その後、「Ｂ」とマークされた領域を測定する。小さな重なり領域３が予見される。Ｙ方向に、全ての配列のさらなるシフトを実行し、その後、「Ｃ」とマークされた領域を測定する。再び、小さな重なりがある。その後、Ｘ方向に、全ての配列のさらなるシフトを実行し（再び、小さな重なり３がある。）、その後、「Ｄ」とマークされた領域を測定し、最終的に、およそ４×４の検出表面領域の総表面が完全にカバーされる。

この構成の総測定時間は、

である。

式（２）は測定面積に無関係であることに注意されたい。わずか３つの機械的なスキャンステップが必要なだけであるが、初期位置に戻る（第４）ステップが含まれており、それによって、測定期間全体をカバーしており、すなわち、Ｔ_{ｔｏｔａｌ}の後に、新しい測定をすぐに行うことができる。

この構成が著しくもっと速い測定サイクルを可能にすることを示すために、表２は、いくつかの測定面積の値に対する測定時間を示している。

表２から、以下のことを結論づけることができる：
・２４ｍｍ×２４ｍｍまでの面積に対しては、カメラモジュールは１つだけ必要である。
・２４×２４ｍｍ^２より大きい（すなわち、２４×４８ｍｍ^２から始まる）面積に対しては、面積に無関係に、測定時間は、いつも６秒である。
・さらなるカメラを追加すると、２４×２４ｍｍ^２の測定面積が増加する。

上記のことから、領域にわたって単一のカメラをスキャンするのと比べて、カメラアレイ構成を用いることによって、より大きな面積に対し、著しい速度ゲインが実現されることが明らかである。例えば、１つの単一のカメラを用いる（２４秒）よりも、２×２のカメラアレイを用いると（６秒）、４８×４８ｍｍ^２の領域が、４倍速くスキャンされる。

さらに、測定速度は、例えばさらに以下のものによって増加させることができる：
・より少ない平均フレームを記録すること、
・フレームあたりの空間分解能を減少させること、
・機械的なスキャン速度を増加させること。

例えば、カメラモジュールの２×１アレイ（測定面積４８ｍｍ×２４ｍｍ^２）を用いて、４０ｍｍ×２０ｍｍの横サイズを有するＮｄＦｅＢモータ磁石を測定することができる。高速なインライン測定サイクルとしては、０．２ｍｍの空間分解能で確かに十分である。磁石によって強い磁界（すなわち、大きな信号／ノイズ比）が生成されるのであれば、通常は平均化も不要である。それゆえ、１つのカメラショットは、０．２ｓしかかからない。そのとき、機械的なスキャン速度も１２０ｍｍ／ｓのオーダーにまで増加すれば、１２ｍｍのステップが０．１ｓで行われ、１つの測定フェーズのための時間が０．３ｓにまで下がる。それゆえ、全体の領域は、４×０．３ｓ＝１．２秒でスキャンされる。

この時間は、１秒のオーダーで、インライン検査ステーションに要する典型的な測定時間に合致する。それゆえ、例えば大きな（モータ）磁石の１００％インライン品質管理を行うことが、現実的な選択肢になる。得られた上記１．２秒の時間は、測定サイズに無関係であること、すなわち、追加のカメラモジュールを追加するだけで、正確に同一の時間で、より大きな面積が測定されることに注意されたい。

第２の実施形態によれば、装置は、図３および図４に示すような磁界カメラモジュールＩ、ＩＩ、ＩＩＩの「１．５次元」アレイを有するラインスキャンタイプのものである。

磁気カメラモジュール１の本来持っている柔軟性とそのモジュールアプローチとによって、１つ以上のカメラモジュールをラインスキャナとして機能するのに用いることができるような、別の磁界カメラ構成を形成することができる。実際に、磁気カメラモジュール１のセンサチップの空間範囲は、非常に柔軟にプログラムされることができ、それによって、読み出しのために、１２８×１２８のセンサ画素マトリクスの任意のサブマトリクスを選択することができる。このようなサブマトリクスのいくつかの特別なケースは以下の通りである：
・任意の単一のセンサ画素（１×１マトリクス）
・センサアレイ全体（１２８×１２８）
・範囲全体だが半分（またはそれより少ない）分解能
・ＸまたはＹ方向のいずれかにおける任意の単一のライン。

単一のラインだけを読み出すようにセンサアレイがプログラムされた場合、ラインスキャナの機能を具現化することができ、多くの状況で有利となりうる。

例えば、製造ラインで磁界カメラを連続的に通過する、（センサ応用のためのバンド磁石のような）非常に長い磁石を想像することができる。この場合、ステップ的なスキャンスキームを行うのは現実的ではない。むしろ、（バンド磁石の幅全体を覆う）磁界カメラの同一ラインを連続的に読んで、ラインを縫合して１つまたは複数の２Ｄ画像にし、さらなる分析に付すことに意味がある。

別の応用は、製造ラインにおいて、個々の磁石５が連続的にコンベヤベルト上を通過しており、磁界カメラ測定のためにベルトを止めるのは望ましくないような場合である。そこでは、磁石は、磁界カメララインスキャナの上（または下）を一定速度で通過することができ、これは、磁界分布の２Ｄ画像をも形成する。さらに、このようなスキームは、手動の磁石操作が不要なので、完全な自動化に対し、完全に好適である。

このラインスキャナ構成では、測定される磁石５の（移動方向の）長さには実際には制限がないことが明らかである。しかしながら、カメラの寸法（１２．８ｍｍ）より大きな幅の磁石をどのようにして測定すればよいかという疑問が生じる。解決策が図３に示されている。

この場合、２×１アレイが、３６ｍｍのライン長さを提供する。

「１．５次元」の解決策は、カメラの第１の列の後ろに第２の列を配置し、それによっていずれの列も互いに対し半分の期間（＝１２ｍｍ）だけシフトした構成である。図３と図４とからわかるように、ラインスキャナに近づく磁石５は、まず、磁気カメラモジュールＩおよびＩＩに出会い、これらの磁気カメラモジュールは、例えば各ライン（例えば各カメラモジュールの列またはカラム）Ｌ１・Ｌ２を用いて、磁石５の一部分をそれぞれ測定する。モジュールＩおよびＩＩの間にデッドゾーン６があるため、磁石の中央部分はまだ測定されていない。しかし、磁石が移動を続けると、磁石は、モジュールＩおよびＩＩによってそれぞれ規定されるラインＬ１・Ｌ２といくらか重なり領域を含んでいる、例えばラインＬ３（例えば第３のカメラモジュールの列またはカラム）を用いて磁石の中央部分を測定する磁気カメラモジュールＩＩＩに出会う。ライン（１および２）とライン３との間のＹ方向の距離、ならびに磁石５の移動速度（より一般的には、相対的な移動速度と方向）がわかっていれば、ラインＬ１、Ｌ２およびＬ３によって記録される磁界画像は、一緒に正確に縫合されることができ、その結果、ＸおよびＹ方向の両方において高い分解能で、磁界分布の、継ぎ目のない２Ｄ画像が得られる。さらに、隣接画像間の重なり領域によって、画像縫合アルゴリズムを用いて、例えば、カメラモジュールの配置不良、ライン間のＹ距離の逸脱、または、異なるカメラ間のタイミング誤りにおける、任意のエラーを消すことができる。

この実施形態／構成の測定速度は、以下のようにして計算することができる。所望の空間分解能は、ＸおよびＹ方向で等しいと仮定する。次いで、この分解能が、１つのラインの測定速度を決定する：なぜなら、この分解能が、そのラインに記録されるセンサの数を決定するからである。Ｘ方向は記録されるラインに沿った方向であり、Ｙ方向は磁石の移動方向であるとの決まりを用いた。

例えば、最大分解能（０．１ｍｍ）の場合は、１ラインは、１２８個のセンサ画素から成り、これはそれぞれおよそ５０μ秒かかるので、Ｘ方向における記録ラインあたりの総時間は６．４ｍｓになる。Ｙ方向で同じ０．１ｍｍの分解能を得るためには、磁石は、６．４ｍｓのタイムフレーム以内にＹ方向に０．１ｍｍ移動していなければならない。これには、Ｙ方向でおよそ１６ｍｍ／ｓの移動速度を要する。より低い空間分解能を用いることによって、移動速度（およびそれゆえ測定速度）を増加させることができる。半分（０．２ｍｍ）分解能画像の場合は、１ラインは、記録に３．２ｍｓの総時間を要するわずか６４個のセンサから成る。この時間に、磁石は、０．２ｍｍ移動する必要があるので、必要な移動速度は６４ｍｍ／ｓとなり、これは、最大分解能の場合よりも４倍高速である。実際には、また、より大きな磁石に対しては確実に、半分空間分解能が一般的であるので、この６４ｍｍ／ｓの形態は、ほとんどの応用において用いることができる。

この「１．５Ｄ」構成は容易に拡張可能であり、それゆえ、両方の列にＸ方向に沿ってカメラモジュールを追加することによって、測定速度に影響を与えずに、より長いラインを得ることができる。

次に、図５、図６および図７に関連して、第３の実施形態について述べる。モータ磁石検査で見られることの多い別の応用は、回転部に載置された磁石５の検査である。この場合、回転部の周りに３６０°にわたって、かつ、回転部の軸長全体に沿って、磁界の半径方向成分Ｒを測定することが望ましいことが多い。この構成は、半径方向の磁化を有するリング形状のセンサ磁石などの、円筒形状の、他の磁石または磁石アセンブリでも見られる。

磁界カメラの２Ｄセンサアレイの平面的な性質は、回転部の曲がった表面とは基本的に合致しないが、ここでの解決策もまた、これまでのセクションで述べたようなラインスキャンモードでカメラを用いることにある。実際、半径方向に対して垂直なホールセンサ表面を有する、軸方向のセンサラインは、平面であるにもかかわらず、磁界の半径方向の成分を測定している。

もちろん、図３および図４に示した平面的ラインスキャナの解決策に関して、いくつかの改造を行う必要がある。

第１に、磁界カメラ上、すなわち複数の磁界カメラモジュールの配列上を直線状に移動する磁石の代わりに、回転部は、回転可能（軸４の周りに回転可能）な固定物にスピンドルで載置される。スピンドルは、例えば、小さな増加角度で回転部を正確に回転させることができるステッパモータに取り付けられている。第２に、全ての磁界カメラモジュールは、好ましくは、回転部の半径方向に垂直である。これは、カメラモジュールの単一の列Ｒ１については、問題ではない。各カメラモジュールについて利用可能なセンサの２Ｄアレイがあるので、完全に半径方向に向いたラインが必ずある。したがって、横方向における回転部の位置も重要ではない（もちろん、カメラモジュールの上の高さは、好ましくは、スピンドルの高さとカメラモジュールに対する平行度とを用いて正確に制御される）。しかし、カメラモジュールの第２の（シフトした）列Ｒ２は、第２の列のカメラを回転部の半径方向に垂直にするために、第１の列Ｒ１の平面から取り出さなければならない。これは、図５に示すように、カメラモジュールの第２の列を、角度α、例えば９０°、回転させることによって達成することができる。基本的に、第２の列は、４５°、１３５°、または１８０°のように、他の角度で配置することもできる。ある実施形態では、もちろん、このシフトしたカメラモジュールの列Ｒ２を、第１の列Ｒ１の場合と同一の、回転部からの測定距離のところに配置するよう、および、軸方向において回転部表面に平行に配置するよう、注意が必要である。

測定手順は、例えば以下のように行うことができる：
１．回転部の角度をその初期位置に設定する。
２．全てのカメラモジュールＩ、ＩＩ、ＩＩＩが、１つ以上のラインスキャンを同時並行に記録する。平均化のためには、複数のラインを用いることができる。
３．回転部が、あらかじめ決められたステップ角度だけ回転する。
４．全てのカメラを読み出す。
５．などを、３６０°（または他の角度）全体が測定されるまで行う。
６．大きな２Ｄ磁界画像を得るために、異なるカメラの画像を一緒に縫合する。この処理では、第２の列により記録される画像は、第１の列の画像と比べて、ある角度値だけ、すなわち、両方のカメラモジュール列の角度オフセット（例えば図５の場合は９０°）だけ、シフトさせる必要がある。

スキャンを段階的に行うのではなく、回転部を一定速度で回転させながら連続的にカメラを読み出すこともでき、これは、ラインスキャナカメラ配列の下を一定速度で移動する磁石と同等である。

回転部検査構成の測定速度は、直線状のラインスキャン構成と同様に表現することができる。ただし、ここでは、関係があるのは、Ｙ方向の直線状の分解能ではなく、回転部の回転方向の所望の角分解能である。１つのラインは、（軸方向に０．２ｍｍの分解能では）３．２ｍｓで記録される。

このとき、３６０°のスキャンのための全時間は、

に等しい。ここで、
Ｔ_ｌｉｎｅは、１つのラインに対する時間（我々のケースでは３．２ｍｓ）であり、
α_ｓｔｅｐは、角分解能である（単位は「°」）。

このとき、回転部で必要な回転速度は、

に等しい。

例えば１°の、現実的な分解能に対しては、以下の値が得られる：

上記の結果は、回転部全体の磁界画像を、およそ１秒で記録することができることを示している。この場合もやはり、この時間は、インライン検査の要件に合致する。

本発明の様態に係る大面積の磁界カメラシステムが、ドライブの応用に通常見られるような大きな磁石の高速で正確な検査についての新しい可能性を開き、製造ラインでの自動的なインラインの磁石検査、自動または手動の品質管理、および、多様な磁気システムのＲ＆Ｄを行うための柔軟性を与えることが理解されるであろう。

本発明の一実施形態に係る配列の平面図である。 図１に関して記載された配列の動作例を示す図である。 本発明のさらなる一実施形態に係る配列の平面図である。 図３に関して記載された配列の動作例を示す図である。 本発明のさらなる一実施形態に係る配列の斜視図である。 図５に関して記載された配列の動作例を示し、また、図５のＺ−Ｘ平面に沿った垂直断面を示す図である。 図５に関して記載された配列の動作例を示し、また、図５のＺ−Ｙ平面に沿った垂直断面を示す図である。

Claims (15)

1. 磁石の磁界分布を、上記磁石の主表面に沿って決定する装置であって、上記装置は、
   （ａ）互いに関して固定の相対位置に配列された少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの配列であって、各磁界カメラモジュールは、各検出表面を用いて磁界カメラモジュールが曝露される磁界分布を測定するのに適合している、配列と；
   （ｂ）上記主表面と上記配列との間の所定の相対運動を提供する部材であって、それによって、上記主表面に沿って上記磁石の上記磁界分布をスキャンする、部材と、を含む、
   装置。
2. 上記少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの全てが、その検出表面が単一の平面内にあるように配列されている、請求項１に記載の装置。
3. 各検出表面が、単一の線に沿って配列されて配置されている、請求項２に記載の装置。
4. 各検出表面が２つの平行線に沿って配列されて配置され、それによって、各検出表面の、上記２つの平行線に平行な架空線上の正射影が、上記架空線の単一の途切れない部分を提供する、請求項２に記載の装置。
5. 上記所定の相対運動を提供する部材が、上記配列と上記磁石の主表面との間の１つ以上の相対的な並進運動を提供するのに適合しており、それによって、上記検出表面と上記主表面とが、運動中に平行に維持される、請求項３または４に記載の装置。
6. 上記配列と上記磁石の主表面との間の１つ以上の相対的な平行な並進運動が、少なくとも２つの所定の検出表面の間にすでに存在しているデッドゾーンを橋渡しするのに適合している、請求項５に記載の装置。
7. 上記所定の相対運動を提供する部材が、回転軸の周りに、上記配列および／または上記主表面の間の相対的な回転運動を提供するのに適合している、請求項３に記載の装置。
8. 上記少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの第１のサブセットが、その検出表面が第１の平面内にあるように配列され、上記少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの、共通の要素を持たない第２のサブセットが、その検出表面が上記第１の平面とは異なる第２の平面内にあるように配列されている、請求項１に記載の装置。
9. 上記第１のサブセットの各検出表面が、第１の単一の線に沿って配列されて配置され、上記第２のサブセットの各検出表面が、第２の単一の線に沿って配列されて配置され、上記第１の単一の線と第２の単一の線とが平行である、請求項８に記載の装置。
10. 上記第１の平面と上記第２の平面とが平行である、請求項９に記載の装置。
11. 上記第１の平面と上記第２の平面とが、０°および１８０°とは異なる角度を成す、請求項９に記載の装置。
12. 上記第１のサブセットおよび上記第２のサブセットの各検出表面の、上記第１および第２の単一の線に平行な架空線上の正射影が、上記架空線の単一の途切れない部分をカバーする、請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 上記所定の相対運動を提供する部材が、回転軸の周りに、上記配列および／または上記主表面の間の相対的な回転運動を提供するのに適合している、請求項８ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 使用時すなわち上記主表面と上記配列との間の所定の相対運動を行うときに、上記主表面の少なくとも一部が、上記第１のサブセットのカメラモジュールおよび上記第２のサブセットのカメラモジュールによって、上記主表面からの異なる距離にてスキャンされるように、上記第１の平面および上記第２の平面が配列されている、請求項８ないし１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 磁石の磁界分布を、上記磁石の主表面に沿って決定する方法であって、上記装置は、
    − 磁石を提供することと；
    − 互いに関して固定の相対位置に配列された少なくとも２つの独立した磁界カメラモジュールの配列であって、各磁界カメラモジュールは、各検出表面を用いて磁界カメラモジュールが曝露される磁界分布を測定するのに適合している、配列を提供することと；
    − 上記主表面と上記配列との間の所定の相対運動を提供し、それによって、上記主表面に沿って上記磁石の上記磁界分布をスキャンすることと、
    を含む、方法。

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