JP4005765B2

JP4005765B2 - 磁性測定方法

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Publication number: JP4005765B2
Application number: JP2000229500A
Authority: JP
Inventors: 純南田; 康弘真弓; 育世野村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: JP2002039997A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性体である被測定物の磁性を連続して測定する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁性体である被測定物の磁性測定方法としては、例えばＪＩＳＣ２５５０に示されているように、エプスタインサンプルと呼ばれる一定サイズの試験片を圧延方向に平行にサンプリングし、応力除去焼きなましを施した後、鉄損、磁束密度等を測定する手法が一般的に行なわれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の磁性測定方法では、被測定物を一旦破壊し、一定の規格サイズに揃えなければ測定できないという問題があった。
更には、サンプリングした箇所の平均値としてしか磁性が測定できず、例えば被測定物の長手方向や幅方向での各微少箇所の磁性を個別に測定することは困難であった。
【０００４】
そこで本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、非破壊で各微小箇所毎の磁性評価を実現するとともに、不感帯となる境界近傍の磁性測定及び静止していない被測定物を連続的に容易且つ正確に測定することを可能とする磁気測定装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁性測定方法は、２つの同一の樹脂系物質からなるセンサヘッドコアと検出コイルからなる渦流センサを離間距離が一定となるように対向保持し、両者間に被測定物を配置して前記渦流センサから交流磁場を発生させ、当該被測定物の容易磁化方向の磁性を測定するに際して、前記渦流センサは、前記被測定物との対向面が矩形状とされており、その一辺の寸法をＬ、他辺の寸法をＣとして、Ｌ／Ｃ＞１又はＣ／Ｌ＞１である断面形状であって、前記対向面の長手方向が前記被測定物の容易磁化方向となるように設定され、前記各渦流センサからの出力を加算し、前記被測定物の上下動に起因して発生する距離変動外乱を除去して、当該被測定物の容易磁化方向の磁性を測定することを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記構成の本発明の基本原理について詳細に説明する。
【０００８】
本発明では、被測定物について非破壊で各微小箇所の磁性測定をするために、渦流センサを適用する。そこで先ず、渦流センサの一般的な性質及び用途について述べる。
【０００９】
渦流センサは、当該渦流センサが発生する磁力線が通る範囲の磁気抵抗（Ｒｍ）を測定するものである。磁気抵抗とは、磁気回路のオームの法則のＲｍであり、▲１▼式で表現される。
Ｉ・Ｎ＝Ｒｍ・Φ …▲１▼式
（Ｉ：電流、Ｎ：コイル巻き数、Ｒｍ：磁気抵抗、Φ：磁束）
一般に、渦流センサーが測定する磁気抵抗は、▲２▼式で表されるように、空間の磁気抵抗(Ｒｍ₀)と磁性体の磁気抵抗(Ｒｍ₁)の和である。
Ｒｍ＝Ｒｍ₀＋Ｒｍ₁ …▲２▼式
【００１０】
図１は渦流センサを用いた磁気抵抗測定の模式図である。
１１は渦流センサであり、１２は渦流センサが発生する磁力線、１３は磁性体の例（鋼板）である。
【００１１】
Ｒｍ₀∝ｌ₀／μ₀ …▲３▼式
（μ0：空間の透磁率）
Ｒｍ₁∝ｌ₁／μ₁ …▲４▼式
（μ1：鋼板の透磁率）
▲２▼式から分かるように、Ｒｍ₁が一定の時、渦流センサが測定する変化はＲｍ₀の変化であり、Ｒｍ₀はｌ₀に比例するので、渦流センサーと被測定物との離間距離を測定することができる。渦流センサは、この原理を利用して距離センサとして利用することができる。
【００１２】
本発明は、渦流センサの前記性質を利用し、距離センサとして利用する場合とは逆に、Ｒｍ₀を一定にすることでＲｍ₁の変化を捉え、μ1、すなわち磁性体である被測定物の磁性そのものを測定しようとするものである。
【００１３】
しかしながら、単に上述の渦流センサを用いて被測定物の磁性を測定しようとする場合、以下のような問題が生じる。
通常、大気中のＲｍ₀は鋼板のＲｍ₁より約１万倍程大きいため、測定精度が悪く、被測定物の磁性測定への実用化は非常に困難である。しかも、静止していない被測定物を連続的にオンラインで測定することを目的としているため、渦流センサと被測定物との距離変動の影響を受け易く、この点でも測定精度の劣化を招く。更には、Ｒｍ₀の影響が大きいため、特に磁性体の境界近傍では磁性体の磁性測定に大きな誤差が生じる。
【００１４】
そこで本発明では、一対の渦流センサを用い、各渦流センサを離間距離を固定して対向配置させ、その間に被測定物である磁性体を配する。この状態で上下の渦流センサの出力和を測定すると（図３参照）、上下の渦流センサ間で如何に被測定物が上下動したとしても（図５参照）、上部の渦流センサから被測定物までの距離と、下部の渦流センサから被測定物までの距離の合計は不変に保たれているため、距離変動による外乱が対向する渦流センサによって相互補完されることを見出した（図６、図７参照）。
【００１５】
従って、各渦流センサの出力和は、被測定物である磁性体の磁性そのものを捉えていることになり、上下動のある被測定物のオンライン測定が可能となる。また、距離変動外乱を除去できたことにより、被測定物の磁気抵抗を純粋に測定しているので、精度良く磁性の特性値を評価することができる。更に、磁性不良を検出する目的にも使用可能である。
【００１６】
本発明の一態様では、前記調整手段により、対向する前記渦流センサから発生する交流磁場を同位相にし、両者を干渉させて発生磁場の発散を防止することにより、前記被測定物の中央部のみならず、前記被測定物の端部近傍の磁性も測定する。これは、各渦流センサから発生する交流磁場を同位相とすることで、お互いの発生する交流磁場を擬似的に磁性体として認識できるようにし、前記被測定物のエッジ（境界）部位における特異性を打ち消すことにより、当該エッジ部位の磁性を正確に測定する手法である（図８参照）。
【００１７】
また、本発明の一態様では、前記調整手段により、対向する前記渦流センサから発生する交流磁場の周波数を1ｋＨｚとして、交流磁場の前記被測定物への潜り込み深さを調整し、前記被測定物の特定の層における磁性を測定する。基本的に感度Ｑは、Ｑ＝２πｆ・Ｌ／Ｒ（ｆ：発振周波数、Ｌ：ヘッドコイルのリアクタンス分、Ｒ：ヘッドコイルの抵抗分）で表され、周波数ｆに比例する。従って、交流磁場の周波数が１ｋＨｚ未満では十分な感度を得ることが困難であることから、交流磁場の周波数を1ｋＨｚ以上の所定値に調整することで、前記被測定物の特定層の磁性測定が可能となる。
【００１８】
また、本発明の一態様では、前記渦流センサの前記被測定物との対向面が矩形状とされており、その一辺の寸法をＬ、他辺の寸法をＣとして、Ｌ／Ｃ＞１又はＣ／Ｌ＞１である断面形状であって、磁性に方向性を有する前記被測定物を測定対象とする。即ち、渦流センサの断面形状を矩形状にして、発生する交流磁場強度に方向特性を持たせることにより、方向性のある磁性を持った前記被測定物の磁性を感度良く測定できる。
【００１９】
また、本発明の一態様では、測定した前記被測定物の磁性と、前記被測定物の測定位置の座標とを関係付けて、前記被測定物の測定位置に対応した磁性分布を構成する。これにより、前記被測定物の磁性分布を明確に把握することが可能となり、磁性材料等の品質改善に極めて有効である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態について、図２〜図８を参照しながら詳細に説明する。
図２は、本実施形態による磁性測定装置を示す模式図である。
図２において、２１は磁性体からなる被測定物であり、電磁鋼板、シールド材等の鋼板やアモルファス等の磁性を持つ物質がある。また、磁性としては透磁率、磁束密度、鉄損、保磁力等が挙げられる。このなかでは透磁率を測定することが望ましいが、磁束密度、鉄損、保持力についても事前に透磁率との相関（検量線）を求めておくことにより測定が可能である。２２，２３は一対の渦流センサであり、２４，２５は渦流センサ２２，２３のセンサアンプ、２６，２７は渦流センサ２２，２３のファンクションジェネレータ（周波数可変式発振電源）、２８は一対の渦流センサ２２，２３の出力を加算及びモニターするアナログ・コントローラである。
【００２１】
被測定物２１の上下部位に、一定値に保持固定された離間距離ｄ１をもって一対の渦流センサ２２，２３を対向配置し、各センサの出力は、各センサアンプ２４，２５を通じてアナログ・コントローラ２８にて加算される仕組みになっている。渦流センサ２２，２３の発振周波数は、各センサアンプ２４，２５に接続されたファンクションジェネレーター２６，２７によって調整することができる。
【００２２】
図３は、図２の磁性測定装置のうち、渦流センサと被測定物との配置関係を説明するための概略斜視図である。
２１は被測定物（図２と同様）、３２，３２'はセンサヘッドコアであり、樹脂系物質が使用されている。３３，３３'は検出コイル（サーチコイル）、３４，３４'は温度補償コイル（ダミーコイル）である。磁性に方向性のある被測定物の磁性を測定する場合には、センサヘッドコア３２，３２'の断面形状は矩形状が好ましく、この場合、その一辺の寸法をＬ、他辺の寸法をＣとして、Ｌ／Ｃ＞１又はＣ／Ｌ＞１であることが望ましい。当該断面形状としては、用途に応じて、円形、楕円形、多角形等としても良い。また、特に異方性を有する磁性体の磁性を測定する際には、容易磁化方向を長手方向とした渦流センサの設定が望ましい。ｄ１は上下のセンサヘッドコア３２，３２'の離間距離であり、所定値に保持固定されている。
【００２３】
渦流センサは、センサーヘッドコア３２，３２’と、検出コイル３３，３３’及び温度補償コイル３４，３４’とで形成される。検出コイル３３，３３’は、磁性体の磁性を検出するための磁場発生及び磁性体の磁性を検出する役割を持ち、温度補償コイル３４，３４’は、検出コイルの温度特性を補正するためのコイルである。基本的な測定は、対向配置した一対の渦流センサの間に被測定物２１を置いた状態で行う。
【００２４】
上下の渦流センサ間の離間距離ｄ１を固定し、各渦流センサの出力をアナログコントローラ２８により加算して出力和を測定すると、上下の渦流センサ間で被測定物２１が振動しても、その上下振動による距離変動外乱を取り除けるので、被測定物２１そのものの磁性を精度良く測定することができる。
【００２５】
また、ファンクションジェネレータ２６，２７で発振周波数を調整し、渦流センサが発生する磁場が被測定物２１に潜り込む深さを制御すると、狙いの表層深さの磁性を精度良く測定することが可能である。図４に発振周波数と被測定物の透磁率の測定精度(感度)との関係を示す。発振周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚで透磁率の測定精度(感度)が非常に良好になっていることが判る。測定対象の特性により感度の良い周波数領域を探索しておくことが望ましい。
【００２６】
次に、測定中に被測定物が上下振動しても、あるいは測定が被測定物の境界条件にあっても精度良く磁性測定できる原理を以下に説明する。
【００２７】
まず、被測定物の上下振動の場合について説明する。
図５〜図７は、被測定物が上下震動しても距離変動外乱を消去する原理を示した模式図である。
図５は、固定距離をもって配置された上下の渦流センサ間で、被測定物が上下振動した際の上部の渦流センサと被測定物との距離、下部の渦流センサと被測定物との距離の変化を示した模式図である。
２１は被測定物（図２と同様）、２１’は被測定物２１が震動変位した状態を示し、３２，３２’はセンサヘッドコア（図３と同様）、３３，３３’は検出コイル（図３と同様）、３４，３４’は温度補償コイル（図３と同様）である。
【００２８】
同一の渦流センサを、離間距離ｄ１をもって対向配置すると、上下の渦流センサ間で、被測定物２１が上下動しても、上部の渦流センサと被測定物２１との間の距離ｄ２，ｄ２’と、下部の渦流センサと被測定物２１との間の距離ｄ３，ｄ３’の合計は常に離間距離ｄ１に等しいので、上下動による距離変動の外乱を取り除くことができる。
【００２９】
図６は、図５における上下の渦流センサと被測定物との間の距離の変化を示す特性図である。
ｄ２は、上部の渦流センサと被測定物との距離、ｄ３は下部の渦流センサと被測定物との距離であり、横軸は時間、縦軸は上下の渦流センサの出力である。被測定物が上下振動をすることによって、上下の渦流センサと被測定物との間の距離が変化するため、各渦流センサの出力が変化していることが分かる。
【００３０】
図７は、図５における上下の渦流センサと被測定物との間の距離の和の変化を示す特性図である。
図６と同様に、ｄ２は上部の渦流センサと被測定物との距離、ｄ３は下部の渦流センサと被測定物との距離であり、横軸は時間、縦軸は上下の渦流センサの出力和を示す。被測定物が上下振動をしても、上下センサーと磁性体間の距離の合計は変化しないことが分かる。
【００３１】
以上のようにして、被測定物の上下振動による距離変動外乱を取り除くことにより、被測定物自体の磁性を精度良く測定することができる。
【００３２】
次に、被測定物の境界近傍における測定精度の向上について説明する。
図８は、被測定物の境界近傍の磁性検出誤差を少なくする原理を示す模式図である。
２１は被測定物（図２と同様）、２１’は疑似磁性体イメージであり、２２，２３は渦流センサ（図２と同様）、８１，８１’は渦流センサ２２，２３が発生する交流磁場である。通常、被測定物近傍では、渦流センサーの発生磁場が磁性体のない所で発散するために正確に測定できないが、対向する渦流センサーの磁場を相互認識させると、擬似的に被測定物が存在している状態を再現できるため、測定誤差を少なくすることができる。この際、対向磁場は、ファンクションジェネレータ２６，２７の発振電源の位相を同期させ、疑似磁性体の磁性を被測定物の磁性と同等になるように強度を調節する必要がある。
【００３３】
以上のようにすると、被測定物の境界近傍におけるセンサーが発生する磁場発散を防止し、被測定物の境界近傍の磁性の測定誤差を少なくすることができる。
【００３４】
図９は、以上の磁性測定装置を用いることにより、被測定物の座標と、それぞれの座標における磁性をリンクさせ、被測定物の等磁性線を引いて作成した磁性マップを示す模式図である。
９１は、被測定物の外形例（鋼板）であり、９２は等磁性線である。この磁性マップを作成することで、被測定物の磁性分布を一目で観察することが可能となり、磁性体品質評価に大いに役立てることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、非破壊で各微小箇所毎の磁性評価を可能とするとともに、不感帯となる境界近傍の磁性測定及び静止していない被測定物を連続的に容易且つ正確に測定することができる磁性測定装置及び方法が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】渦流センサを用いた磁気抵抗測定の模式図である。
【図２】本実施形態による磁性測定装置を示す模式図である。
【図３】図２の磁性測定装置のうち、渦流センサと被測定物との配置関係を説明するための概略斜視図である。
【図４】発振周波数と被測定物の透磁率の測定精度(感度)との関係を示す特性図である。
【図５】固定距離をもって配置された上下の渦流センサ間で、被測定物が上下振動した際の上部の渦流センサと被測定物との距離、下部の渦流センサと被測定物との距離の変化を示した模式図である。
【図６】図５における上下の渦流センサと被測定物との間の距離の変化を示す特性図である。
【図７】図５における上下の渦流センサと被測定物との間の距離の和の変化を示す特性図である。
【図８】被測定物の境界近傍の磁性検出誤差を少なくする原理を示す模式図である。
【図９】本実施形態の磁性測定装置を用いることにより、被測定物の座標と、それぞれの座標における磁性をリンクさせ、被測定物の等磁性線を引いて作成した磁性マップを示す模式図である。
【符号の説明】
２１被測定物
２２，２３一対の渦流センサ
２４，２５センサアンプ
２６，２７ファンクションジェネレータ
２８アナログ・コントローラ
３２，３２’ センサヘッドコア
３３，３３’ 検出コイル
３４，３４’ 温度補償コイル
ｄ１離間距離
ｄ２，ｄ２’ 上部の渦流センサと被測定物との間の距離
ｄ３，ｄ３’ 下部の渦流センサと被測定物との間の距離

Claims

２つの同一の樹脂系物質からなるセンサヘッドコアと検出コイルからなる渦流センサを離間距離が一定となるように対向保持し、両者間に被測定物を配置して前記渦流センサから交流磁場を発生させ、当該被測定物の容易磁化方向の磁性を測定するに際して、
前記渦流センサは、前記被測定物との対向面が矩形状とされており、その一辺の寸法をＬ、他辺の寸法をＣとして、Ｌ／Ｃ＞１又はＣ／Ｌ＞１である断面形状であって、前記対向面の長手方向が前記被測定物の容易磁化方向となるように設定され、
前記各渦流センサからの出力を加算し、前記被測定物の上下動に起因して発生する距離変動外乱を除去して、当該被測定物の容易磁化方向の磁性を測定することを特徴とする磁性測定方法。
前記渦流センサから発生する磁場の発振周波数を調整して、対向する前記渦流センサから発生する交流磁場を同位相にし、両者を干渉させて発生磁場の発散を防止することにより、前記被測定物の中央部のみならず、前記被測定物の端部近傍の磁性も測定することを特徴とする請求項１に記載の磁性測定方法。
前記渦流センサから発生する磁場の発振周波数を調整して、対向する前記渦流センサから発生する交流磁場の周波数を１ｋＨｚとして、交流磁場の前記被測定物への潜り込み深さを調整し、前記被測定物の特定の層における磁性を測定することを特徴とする請求項１に記載の磁性測定方法。
測定した前記被測定物の磁性と、前記被測定物の測定位置の座標とを関係付けて、前記被測定物の測定位置に対応した磁性分布を構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁性測定方法。
前記被測定物の透磁率を磁性として測定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁性測定方法。