JP4192708B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、電磁気現象を用いたくし形の磁気センサに関する。電磁気現象を用いたセンサとは、例えば、鋼帯の表面または表層に存在する非金属介在物やスケール（鉄酸化物）のかみ込みなどの欠陥を検出するためのセンサ、被検体の電磁気的な物性を測定するセンサ、渦流距離計などが挙げられる。

強磁性体をコアに持つコイルにより励磁し（励磁用コイル）、同じく強磁性体をコアに持つコイルにて磁束を検出する（検出用コイル）ことで種々の測定が行われている。
用途としては、例えば、表面欠陥、および表層欠陥を検出する非破壊検査、導電体との距離を測定する変位計測、対象の電気的性質や磁気的性質を測定する物性計測などの例がある。
コイルの構成としては、励磁用コイルと検出用コイルが同一の場合もあれば、それぞれ別に設ける場合もある。励磁用コイルあるいは検出用コイルは差分など特定の機能を実現するため、複数使用する場合がある。またコイルを巻き付ける強磁性体を複数設けたり、強磁性体の形を用途に応じてコの字型として２本の脚部のコイルをペアとして使用したり、強磁性体の形をＥ型として、３本の脚部のコイルを一組で使用したりすることもある。また１本の脚部に複数のコイルを巻装することもある。

このような強磁性体をコアに持つコイルに励磁用コイルと検出用コイルを持つセンサの一例としては、例えばＥ型コアを用いた鋼帯などの金属被検体の表面欠陥の非破壊検査装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１６４７４５号公報（請求項１、２、段落［００３１］−［００３４］、図１）

特許文献１は、図４に示すようなＥ型の強磁性体コア８を持つセンサ７（以下、Ｅ型センサと呼ぶ）を使用して、鋼板等の金属被検体の上面および下面の両面に存在する孔食を渦電流手法で検出する手法を開示している。このようにＥ型センサを使用すると金属被検体の表面または表層の微小な欠陥を精度良く検出できる。Ｅ型センサは、Ｅ型形状の強磁性体コアの３本の脚部それぞれにコイル９Ａ、９Ｂ、９Ｃが巻装されており、脚部端面を金属被検体１０に対向させて、かつ３本の脚部を金属被検体１０の幅方向に並べて配置される。中央の脚部に巻装された一次コイル９Ｂにより交流磁束を発生させ、外側の二次コイル９Ａ、９Ｃにて差分検出を行う。欠陥１１が存在する場合には二次コイルに流れ込む交流磁束５Ａと５Ｃに差が生じるため、差分出力が生じ、欠陥が検出できる。交流磁束印加による幅方向差分を行う上で、上記の配置にてＥ型センサを使用するメリットは、磁束の流れる被検体内の領域を励磁コイルと検出コイルの間に限定できるため、磁束が広がってしまう場合と比べ、検出能を向上させることができる点と、磁束の流れる向きを欠陥を検出する上で適当な方向に制御できるという点である。

通常の交流磁束を用いた欠陥検出用センサ（渦流探傷に用いる、円筒状の強磁性体に一次コイルと二次コイルを巻いて、強磁性体端面を被検体に対向させたもの）では、磁束は被検体面に沿って略二次元的に放射状に流れる。そのため、欠陥の方向による、検出能の変化がないというメリットがある。しかし、例えば、圧延方向に長い欠陥だけを検出するためには、３６０度均一に磁束の流れる方式は最適ではない。磁束が欠陥によって遮られる程度が大きいほど検出能が上がると考えられるため、圧延方向に長い欠陥を検出するには、磁束の向きは金属被検体の圧延方向に集中させることが望ましい。Ｅ型センサでは、磁束の流れる方向は、３本の脚部の並び方向によって制御され、ここでは幅方向に並べられているため、磁束は金属被検体の幅方向に流れ、欠陥検出能が向上するのである。また脚部付け根部分（上側水平部）は共通で強磁性体であるため、上記の磁束がループとして流れやすいというメリットがある。
以上に述べたように金属被検体の厚み方向には表層領域に磁束が集中し、またＥ型センサの採用により、平面的には金属被検体の幅方向に磁束が集中できるということになり、表層に存在する、圧延方向に長い欠陥の検出能を向上させることができる（すなわち、より小さい欠陥まで安定して検出できるようになる）。

ところで、幅方向の広い範囲を短時間で測定するためには、上記のＥ型センサをアレイ化することが考えられる。その一例を以下に説明する。
Ｅ型センサを幅方向に並べてアレイ化する場合には、センサとセンサの間の感度低下領域をカバーするため、圧延方向に複数列配置（千鳥配置）する必要がある。脚部に巻くコイルの厚さや付帯的な構成要素の厚さなどが存在し、センサを密に配設することができないからである。図５に示すような、Ｅ型センサの脚部の数を、脚部並び方向に増大させた、くし形形状コアを持つセンサ（以下、くし形センサと呼ぶ）を用いるとＥ型センサを密に配設したのと同等の効果が得られる。
くし形センサは、くし形形状の強磁性体コア１の複数本（４本以上）の脚部それぞれにコイルが巻装されており、脚部端面を金属被検体に対向させて、かつ脚部を金属被検体の幅方向に並べて配置される。励磁は中央の脚部に巻かれたコイルで、検出は両端の脚部に巻かれた２つのコイルでというように、脚部の位置に応じて機能が固定されているＥ型センサの場合とは異なり、くし形センサでは、励磁、検出に使用する脚の数は３本であり、Ｅ型センサと同じであるが、どの脚で励磁、検出を行うかという点については、電子走査の切替タイミングに伴って変化する。

図５を使って、具体的な動作シーケンスについて述べる。まず「タイミング１」においては、３Ａ、３Ｂ、３Ｃの３つのコイルを励磁と検出に使用する。３本のうち、中央の脚部に巻装されたコイル３Ｂにより交流磁束を発生させ、外側の２つのコイル３Ａ、および３Ｃにて差分検出を行う。欠陥が存在する場合には両二次コイル３Ａ、３Ｃに流れ込む交流磁束５Ａと５Ｃに差が生じるため、欠陥が検出できる。次に、「タイミング２」においては、使用する脚の数は変わらず３本であるが、位置は右に１本ずつずれ、励磁を３Ｃ、検出を３Ｂ、３Ｄで行う。「タイミング３」においては、使用する連続した３本組の脚の位置は、さらに右に１本ずつずれ、励磁を３Ｄ、検出を３Ｃ、３Ｅで行う。
このように、くし形センサは、Ｅ型センサを連続化したものに相当し、Ｅ型センサを幅方向にアレイ化して配設する場合と比べると、幅方向のセンサの集積度を上げ、コンパクトなセンサヘッドを構成する上で、効果がある。また、個別のＥ型センサを組み合わせて、１組のセンサアレイを構成する場合と比べ、くし形センサの場合、一体成形などの工夫もしやすく、センサアレイとしての寸法精度を向上させることがより容易である。

しかしながら、従来技術では次のような課題が存在する。
くし形センサの端部付近に存在するコイルを使用した場合と、くし形センサの中央部付近のコイルを使用した場合とでは、測定結果が大きく異なるという点である。そのため、検出感度むら、あるいは励磁レベルむらが生じ、アレイセンサとして重要評価項目である感度の均一性という点で問題になる。
コイル自体のインダクタンスというコイルの代表的なパラメータにより、両端と中央のコイルの違いを示すと、脚のピッチを２ｍｍとし、コイル巻き数を５０ターンとした７脚くし形センサの場合、両端のコイルでは、中央部の８５％程度小さくなってしまう。その結果、探傷に使用する際には、同じ欠陥に対しても、検出信号（信号レベル、位相）、励磁レベルなどが変化し、欠陥のサイズによる検出特性などにも差が出てしまう。

したがって、本発明は、くし形センサにおいて、端部付近のコイルを使用した場合の検出感度と、中央部付近のコイルを使用した場合の検出感度との差異がなるべく生じないように感度の均一化を図ることを課題としている。

調査の結果、このような感度のむらは以下のような原因により生じることがわかった。
くし形形状センサの中央部付近のコイルの場合は、そのコイルの両側に十分多くの脚部があり、周囲の強磁性体の配置状況はほぼ同じと考えられるが、くし形形状センサの端部付近に存在するコイルは、中央部に向かう側では、十分に多くの脚部が存在するが、もう一方の側は脚がないか、あるいは非常に少ない状態である。よって、コイルの両側の強磁性体の配置が、コイル周囲の磁束の流れに大きな影響を与え、コイルの検出・励磁特性に大きく影響するのである。
本発明においては上記課題を解決するため、以下のような手段を講じた。すなわち、くし形センサの両端部の感度変化を防ぐため、両端部に測定には使用しないダミー脚をそれぞれ１本以上設けることとしたものである。
また、ダミー脚には必ずしもコイルを巻く必要はないが、コイル（ダミーコイル）を巻いてもよい。
本発明では上記のような構成とすることにより、くし形センサの両端部付近のコイルからみた周囲の強磁性体の配置を、中央部付近と実質的に同じとみなせるレベルにすることが可能となり、感度の均一化が図れる。しかも、別途感度較正をするための装置を設けるなどの手段をとることなく、簡便に物理的に本質的な方法にて感度を均一化することができる。

また、本発明の磁気センサは、感度の均一化が図られているため、本磁気センサの脚部を被検体面に対向して略垂直に配置し、隣接する３本の測定用脚部の組の選択を時間的に切替ながら、選択された３本の脚部のうち、中央の脚部に巻かれたコイルに交流電圧を印加して励磁用コイルとし、外側の２本の脚部それぞれに巻かれたコイルを検出用コイルとして使用して、誘起された電圧の差分信号をとることで表面または表層の欠陥を精度良く検出することができる。

また、本発明の磁気センサは、アレイ型距離計としても使用することができ、その場合には、本磁気センサを被検体面に対向して略垂直に配置し、それぞれのコイルのインピーダンスを検出して、脚の並び方向の被検体とコイル間の距離を測定する。これによって、被検体の表面性状を高精度に測定することができる。

以上に述べたごとく本発明の磁気センサは、強磁性体からなる複数の脚部を有するくし形形状で、脚部に励磁用あるいは検出用のコイルが巻かれたアレイ型磁気センサであって、前記複数の脚部のうち両端部それぞれに少なくとも１本以上は測定に使用しないダミー脚を有するものとしたので、くし形形状アレイセンサの感度を、別途感度較正をするための装置を設けるなどの手段をとることなく、簡便に物理的に本質的な方法にて均一化することができる。

実施の形態１．
前述した鋼板の表面・表層欠陥を検出するくし形センサに対して、本発明を適用した例について述べる。
図１は本発明の磁気センサの構成図である。図１に示すように、本発明の磁気センサは、くし形形状の強磁性体コア１の両端の脚部２Ａ、２Ｂを除き、各々の脚部にコイル３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、・・・を巻装してなるものである。換言すれば、くし形形状センサの両端部に（少なくとも）１本ずつダミー脚２Ａおよび２Ｂを設けるものである。ダミー脚２Ａ、２Ｂはコイルを用いて信号検出、励磁を行わないという点以外は、脚間のピッチ、脚の形状などは他の脚と同じような寸法、形状、材質とする。なお、図１において、４は差動増幅器のごとき検出回路である。

本磁気センサを使用して、例えば、圧延されて移動する金属被検体１０の表面または表層に存在する欠陥１１をオンラインで検出する場合には、くし形形状の強磁性体コア１の両端のダミー脚２Ａ、２Ｂを含む全ての脚部を金属被検体面に対向して略垂直に配置し、かつその脚部が金属被検体１０の圧延方向あるいは、移動方向と直交する方向となる幅方向に略平行に並べて配置される。そして、脚部のそれぞれにコイルが巻かれた隣り合う３本の脚部の組を、例えば図１の左から選択し、この３本の脚部のそれぞれに巻かれたコイルの組について、図５について説明したように、中央の脚部に巻装されたコイル３Ｂに交流電流を印加することにより、一次コイル、すなわち励磁コイルとして、交流磁束を発生させ、外側の２つのコイル３Ａおよび３Ｃを二次コイルである検出用コイルとして誘起された電圧の信号にて差分検出を行う。欠陥が存在する場合には両二次コイル３Ａ、３Ｃに流れ込む交流磁束５Ａと５Ｃに差が生じるため、欠陥を検出することができる。この動作を電子走査でタイミングを切替ながら、選択する３本の脚部の組を右方向へ１本ずつずらしていく。そして、最終組の３つのコイル３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ（中央のコイル３Ｅを励磁、外側の２つのコイル３Ｅ、３Ｇを検出に使用する）による測定が終了するまでこの探傷検査を行う。

図３に両端のダミー脚以外にコイルの巻いてある脚が５本ある場合の各コイルのインダクタンスの分布を調べた結果を示す。横軸は脚番号であり、ここでは０番と６番がダミー脚となっている。縦軸はインダクタンスを最大値で正規化した値であらわしてある。この図から明らかなように、各コイルのインダクタンスのばらつきは１％以下に抑えられており、感度の均一化が図られていることがわかる。
ここでは一例としてインダクタンスというパラメータにより効果を示したが、他のパラメータ（欠陥探傷時の出力レベルなど）を選んで調べても同様の結果が得られる。このように感度の均一化は、微小な差異を検出する差分型センサの分野では特に重要である。
したがって、両端部にそれぞれダミー脚２Ａ、２Ｂを有するくし形形状センサを使用してこのセンサを金属被検体の幅方向にほぼ並行に対向配設すれば、感度が均一になる結果、例えば圧延方向に延びる欠陥がエッジ近傍に存在していたとしても、その欠陥が中央部付近に存在する場合とほぼ同様の精度で確実に検出することができる。

実施の形態２．
ダミー脚２Ａ、２Ｂは測定には使用しないものであるため、一般にはコイルを巻く必要はなく強磁性体のみで構わないが、図２のようにダミーコイル６を巻いてもよい。ダミー脚にダミーコイルを巻くことでさらに端部の特殊性を減らすことができる。それは交流磁場によってダミーコイルに生じる渦電流効果に関しても、端部以外の脚と同様の物理的状況を実現できるからである。
ダミーコイルを巻く場合、理想的な接続方法は、図２（Ａ）に示すように、他の励磁・検出用のコイル３と全く同じ電子回路あるいは、それと同等のインピーダンスＺに接続することである。現実的には、抵抗、あるいはさらにインダクタンスを追加して、インピーダンスを構成することになる。あるいは、状況によってはもっと簡単に、図２（Ｂ）のように、ダミーコイル６が閉回路を構成するよう単に短絡するだけでよい場合もある。

実施の形態３．
本発明をくし形センサを用いた渦流距離計アレイに適用した例を図１を参照しながら述べる。この場合はコイル３は一つ一つ独立に動作する。コイル３Ａに交流電流を流し、金属体を近づけると、渦電流効果などにより、コイル３Ａのインピーダンスが変化する。そのことを利用し、コイルのインピーダンスから、金属体−コイル間の距離を測定することができる。
このように、くし形構造により渦流距離計アレイを構成することができ、コイル３Ｂ、コイル３Ｃ、・・・についても同様の測定を行うことで、脚の並び方向に関して距離の変化を調べることが可能になる。その際、くし形センサ両端部にダミー脚２Ａ、２Ｂを（少なくとも）１本ずつ設けることで、同じ測定対象においては、コイル３Ａなど端部に近いコイルを用いた測定も、中央部に近いコイル３Ｃなどを用いた測定とほぼ同じ値を示し、アレイの並び方向に関し、距離の変化を正確に測定することができる。なお、この場合も、ダミー脚には必ずしもコイルを巻く必要はないが、コイルを巻く場合は実施の形態２で示した接続方法とするのがよい。

なお、上記各実施形態では、一次元的なアレイであるくし形センサの場合を説明したが、二次元的な脚配列の場合でも、同様の考え方で、強磁性体コアを並べたセンサについて感度の均一化を図ることができる。
また、金属被検体は磁化器により予め磁化することなく探傷などを行うこととしているが、対象物の状況により透磁率を低下させるおそれがなければＳＮ比を上げるために磁化を行うようにしてもよい。

本発明の磁気センサの構成図である。 ダミーコイルの接続方法を示す図である。 この磁気センサの効果の一例を示す図である。 Ｅ型センサの動作を示す図である。 くし形センサの動作を示す図である。

符号の説明

１ 強磁性体コア
２Ａ、２Ｂ ダミー脚
３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、・・・） くし形センサの脚部に巻かれたコイル
４ 検出回路
５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、・・・） 磁束
６ ダミーコイル
１０ 金属被検体
１１ 欠陥

Claims (5)

1. 強磁性体からなる複数の脚部を有するくし形形状で、脚部に励磁用あるいは検出用のコイルが巻かれたアレイ型磁気センサであって、前記複数の脚部のうち両端部それぞれに少なくとも１本以上はコイルの巻かれていない強磁性体ダミー脚を有することを特徴とする磁気センサ。
2. 強磁性体からなる複数の脚部を有するくし形形状で、脚部に励磁用あるいは検出用のコイルが巻かれたアレイ型磁気センサであって、前記複数の脚部のうち両端部それぞれに少なくとも１本以上は励磁せず、かつ検出もしない、ダミーコイルの巻かれた強磁性体ダミー脚を有することを特徴とする磁気センサ。
3. 請求項１または２に記載の磁気センサであって、前記磁気センサの脚部は被検体面に対向して略垂直に配置され、隣接する３本の測定用脚部の組の選択を時間的に切替ながら、選択された３本の脚部のうち、中央の脚部に巻かれたコイルに交流電圧を印加して励磁用コイルとし、外側の２本の脚部それぞれに巻かれたコイルを検出用コイルとして使用して、誘起された電圧の差分信号をとることで表面または表層の欠陥を検出することを特徴とする磁気センサ。
4. 請求項１または２に記載の磁気センサであって、被検体面に対向して略垂直に配置され、それぞれのコイルのインピーダンスを検出して、脚の並び方向の被検体とコイル間の距離を測定することを特徴とする磁気センサ。
5. 前記ダミー脚にダミーコイルを巻く場合、そのダミーコイルは前記脚部に巻かれたコイルと同等のインピーダンスを有することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の磁気センサ。

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