JP5181298B2 - 金属材料の欠陥検査装置 - Google Patents

Description

この発明は、金属材料の表面や内部に生じる欠陥を検査する、金属材料の欠陥検査装置に関する。

金属材料の欠陥検査装置は、金属材料の表面や内部に生じる傷や異物等の欠陥を検査する。一般的には、金属材料の送り方向と直角な方向に検出器が一走査する毎に、検出器は所定の時間停止する。検出器が所定の時間停止している間に、金属材料を載置している機台は、検出器の停止時間に同期して、金属材料の表面に対し間欠的に検出器の幅の長さだけ移動する。これを繰り返すことで、金属材料の欠陥検査装置は、金属材料の表面や内部に生じる欠陥を検査することができる。

特許文献１には、金属面の欠陥を検査する検出器を、検査方向に対し直交する方向に往復移動させると共に、一つの走査毎に走査端にて短時間停止し、検出器が走査端に停止する時間に同期して検出器の幅長さ分だけ金属面と検出器とを相対的に移動させる金属面の欠陥検出方法が開示されている。

特許文献１に開示されている方法によれば、検出器を検査方向に対し直交する方向に往復移動させる動作と、金属材料の検査方向に金属面と検出器を相対的に移動させる動作とを交互に行うことで、金属材料を載置している機台の走行に伴う振動が、検査データに影響することがなく、ノイズの少ない検査データを得ることが可能となる。

特開昭６０−１３３３６３号公報

特許文献１に開示されている方法によれば、検出器は次の一連の動作を繰り返す。まず機台が停止した状態で、金属材料の送り方向と直角な方向に検出器は走査する。検出器が走査を終えた後、検出器は停止する。検出器が停止した後、機台は走行する。機台が所定の距離だけ走行した後、機台は停止する。再び、機台が停止した状態で、金属材料の送り方向と直角な方向に検出器は走査する。

この一連の動作は、検査対象である金属材料が連続的に送られる場合には、適用することができない。この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、金属材料を連続的に送りながら、金属材料の表面や内部に生じる欠陥を検査することができる金属材料の欠陥検査装置を提供することを目的とする。

この発明に基づいた金属材料の欠陥検査装置は、金属材料を表面に載置して、上記金属材料を連続して第１の方向に搬送する搬送装置と、上記金属材料の欠陥を検出するため、上記金属材料の表面と対向するように列状に配置された複数の検出器を有する検出ヘッドと、上記金属材料の上方において上記検出ヘッドを支持すると共に、上記第１の方向に略直交する第２の方向に上記検出ヘッドを往復移動させる支持装置と、を備え、上記支持装置は、上記第１の方向と平行な方向である第１の姿勢と、上記第１の姿勢と略直交する第２の姿勢とに上記検出ヘッドを回転可能に支持する回転機構を含んでいる。

上記発明の他の形態においては、上記金属材料の表面と上記検出器との間の距離を検知する位置センサと、上記位置センサにより得られた情報に基づいて、上記検出ヘッドを上下方向に移動させ、上記距離が一定になるように上記検出ヘッドを制御する昇降機構とをさらに備えている。

上記発明の他の形態においては、上記搬送装置は、上記検出ヘッドの、上記金属材料が搬送される上記第１の方向の前方および後方に配置され、上記金属材料を上下方向から挟み込むローラーである。

上記発明の他の形態においては、上記ローラーの回転角度を検出するためのエンコーダをさらに備えている。

本発明によれば、金属材料を連続的に送りながら、金属材料の表面や内部に生じる欠陥を検査することができる金属材料の欠陥検査装置を提供することができる。

実施の形態１における金属材料の欠陥検査装置の構成を示し、検出ヘッドが第１の姿勢に支持された状態を示す斜視図である。 実施の形態１における金属材料の欠陥検査装置の構成を示し、検出ヘッドが第２の姿勢に支持された状態を示す斜視図である。 実施の形態１において、検出ヘッドが第１の姿勢に支持された状態のときの検出器の軌跡を、模式的に示す平面図である。 実施の形態１において、検出ヘッドが第２の姿勢に支持された状態のときの検出器の軌跡を、模式的に示す平面図である。 実施の形態２における金属材料の欠陥検査装置の構成を示す斜視図である。 実施の形態３における金属材料の欠陥検査装置の構成を示す斜視図である。

本発明に基づいた各実施の形態における金属材料の欠陥検査装置について、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

（実施の形態１）
（金属材料の欠陥検査装置の構成）
図１および図２を参照して、本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態における検出ヘッド３が、第１の姿勢Ｐ１に支持された状態を示している。図２は、本実施の形態における検出ヘッド３が、第２の姿勢Ｐ２に支持された状態を示している。検出ヘッド３、第１の姿勢Ｐ１、および第２の姿勢Ｐ２について、詳細は後述する。

まず図１を参照して、本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置は、搬送装置９と、検出ヘッド３と、支持装置８とを備えている。搬送装置９は、金属材料１を表面に載置する。搬送装置９は、金属材料１を表面に載置した状態で、金属材料１を連続して第１の方向Ｄ１（紙面左下方向）に搬送する。本実施の形態にかかる第１の方向Ｄ１は、金属材料１の長手方向に相当している。以下、第１の方向Ｄ１を、長手方向と称する。

検出ヘッド３は、金属材料１の欠陥を検出するための複数の検出器２、２を有している。検出器２、２は、下面において金属材料１の欠陥を検出することができる。検出ヘッド３は、金属材料１の表面と検出器２、２の下面とを対向させるように、検出器２、２を列状に配置する。検出器２、２は１列に配置されていてもよいが、列状であれば２列以上であってもよい。金属材料１の表面だけでなく内部も含めて欠陥を検出するため、検出器２、２には、渦電流探傷（ＥＴ）または超音波（ＵＴ）等の非破壊検査方式の検出器を用いる。

支持装置８は、金属材料１の上方において検出ヘッド３を支持する。検出ヘッド３が支持されることで、検出器２、２は金属材料１の表面と所定の間隔を空けて対向することができる。支持装置８は、長手方向（第１の方向Ｄ１）に略直交する第２の方向Ｄ２に、検出ヘッド３を往復移動させる。本実施の形態にかかる第２の方向Ｄ２は、金属材料１の幅方向に相当している。以下、第２の方向Ｄ２を、幅方向と称する。

支持装置８は、検出ヘッド３を回転可能に支持する。支持装置８は、検出ヘッド３を長手方向（第１の方向Ｄ１）と平行な方向である第１の姿勢Ｐ１に支持する。また、支持装置８は、検出ヘッド３を第１の姿勢Ｐ１と略直交する第２の姿勢Ｐ２（図２参照）に支持する。第２の姿勢Ｐ２では、検出ヘッド３は幅方向（第２の方向Ｄ２）と平行に支持される（図２参照）。

再び図１を参照して、支持装置８の構成について、より具体的に説明する。支持装置８は、回転機構４と、梁５と，リニアガイド６、６と、支持台７とを含んでいる。

回転機構４は、金属材料表面と直交する方向に、回転の中心軸を有している。回転機構４は、検出ヘッド３を回転可能に支持している。回転機構４は、金属材料１の表面と平行な面上に、検出ヘッド３を回転させる。より具体的には、回転機構４は、金属材料１の表面と平行な面上に、列状に配置される検出器２、２を回転させる。回転機構４は、検出ヘッド３を第１の姿勢Ｐ１および第２の姿勢Ｐ２に回転させる。回転機構４は、検出ヘッド３を回転させる動力としてモータなどを含んでいるとよい。

梁５は、金属材料１の長手方向（第１の方向Ｄ１）と平行な方向に延びて設けられている。回転機構４は、梁５の中央部側面に支持されている。

リニアガイド６、６は、金属材料１の幅方向（第２の方向Ｄ２）と平行な方向に、並んで設けられている。梁５は、リニアガイド６、６の間の上方において橋を形成するように設けられている。リニアガイド６，６は、梁５を摺動可能に支持している。リニアガイド６、６は、長手方向に所定の間隔を空けて並んで設けられている。リニアガイド６、６が長手方向に所定の間隔を空けて並んで設けられているため、検出ヘッド３は幅方向に往復移動でき、かつ回転機構によって回転することができる。

支持台７は、金属材料１を跨ぐように、金属材料１の上方においてリニアガイド６、６を上面に支持している。支持台７が金属材料１を跨ぐように、金属材料１の上方においてリニアガイド６、６を支持することにより、検出器２、２の下面は、検出ヘッド３、回転機構４、梁５、リニアガイド６、６を介して金属材料１の表面と所定の間隔を空けて対向することができる。

（動作：第１の姿勢）
図１〜図４を参照して、本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置の動作について説明する。まず図１および図３を参照して、検出ヘッド３が第１の姿勢Ｐ１に支持された状態について説明する。図１を参照して、金属材料１の表面全体を検査する場合には、検出器２、２が並ぶ方向と金属材料１の長手方向とが平行になるように、支持装置８は検出ヘッド３を第１の姿勢Ｐ１に支持する。

このとき、検出ヘッド３が金属材料１の表面全体を検査できるようにする。具体的には図１および図３を参照して、金属材料１の幅Ｗ（ｍｍ）、金属材料１の送り速度Ｓ（ｍｍ／ｓ）、複数の検出器２、２の長手方向の検出可能長さＬ（ｍｍ）を用いた場合、検出ヘッド３が幅方向に往復運動する速度Ｓｐ（ｍｍ／ｓ）は、Ｓｐ＝２×Ｓ×Ｗ／Ｌの式を満足するようにする。

図３を参照して、金属材料１の表面全体を検査した場合、検出器２、２の軌跡群Ｒ１が描かれる。この軌跡群Ｒ１は、長手方向（第１の方向Ｄ１）に搬送される金属材料１に対して、幅方向（第２の方向Ｄ２）にのみ往復移動する検出ヘッド３によって金属材料１の表面に描かれる軌跡を模式的に表している。このとき、検出ヘッド３は、第１の姿勢Ｐ１に支持されている。

図３の中では、説明の便宜上、４つの検出器２、２から構成される検出ヘッド３を示しているが、検出器２、２は４つに限られない。検出器２、２の軌跡を線状に記載しているが、実際は検出器２、２の大きさの分だけ所定の幅を持った軌跡が描かれる。検出ヘッド３の幅を、検出器２、２の検出可能長さＬと表している。また、検出ヘッド３が等速度運動で往復移動している場合を示しているが、実際には加減速、Ｓ字近似等のパターンで往復移動している。

上述のような構成によれば、支持装置８が、検出ヘッド３を第１の姿勢Ｐ１に支持しつつ、速度Ｓｐで往復移動させることにより、検出器２、２が金属材料１の表面全体を検査できるようになる。特に、幅Ｗが長い場合や、配置する検出器２、２の数が少ない場合であっても、上述のような構成によれば、検出ヘッド３が金属材料１の表面全体を検査できるようになる。

換言すると、上述のような構成によれば、配置する検出器２、２の数が少なくてもよい。たとえば、金属材料１の幅Ｗ（ｍｍ）＜検出器２、２の長手方向の検出可能長さＬ（ｍｍ）となるように検出器２、２の数を少なくする。この場合であっても、検出ヘッド３が速度Ｓｐで往復移動することにより、検出ヘッド３が金属材料１の表面全体を検査することができる。結果として、設備規模を小さくしたり、製造コストを削減したりすることが可能となる。

（動作：第２の姿勢）
次に図２および図４を参照して、検出ヘッド３が第２の姿勢Ｐ２に支持された状態について説明する。図２を参照して、金属材料１の表面の部分的な領域を検査する場合には、検出器２、２の並び方向と金属材料１の幅方向とが平行になるように、支持装置８は検出ヘッド３を第２の姿勢Ｐ２に支持する。

このとき、図２および図４を参照して、金属材料１の幅Ｗ（ｍｍ）、複数の検出器２、２の長手方向の検出可能長さＬ（ｍｍ）を用いた場合、検出ヘッド３は、距離Ｗ−Ｌ（ｍｍ）だけ幅方向に往復運動すればよい。

図４を参照して、金属材料１の表面の部分的な領域を検査する場合、検出器２、２の軌跡群Ｒ２が描かれる。この軌跡群Ｒ２は、長手方向（第１の方向Ｄ１）に搬送される金属材料１に対して、幅方向（第２の方向Ｄ２）にのみ往復移動する検出ヘッド３によって金属材料１の表面に描かれる軌跡を模式的に表している。このとき、検出ヘッド３は、第２の姿勢Ｐ２に支持されている。

図３と同様に、図４の中でも、説明の便宜上、検出器２、２の軌跡を線状に記載しているが、実際は検出器２、２の大きさの分だけ所定の幅を持った軌跡が描かれる。検出ヘッド３の幅を、検出器２、２の検出可能長さＬと表している。また、検出ヘッド３が等速度運動で往復移動している場合を示しているが、実際には加減速、Ｓ字近似等のパターンで往復移動している。

第２の姿勢Ｐ２によれば、第１の姿勢Ｐ１に比べて検出ヘッド３が往復移動する距離が短い。より具体的には、検出ヘッド３の往復移動に必要な距離は、片道の場合、全域検出時と比べて、Ｗ−（Ｗ−Ｌ）＝Ｌ（ｍｍ）、つまり検出ヘッド３の長さ分だけ短い距離で済むことになる。したがって、第２の姿勢Ｐ２によれば、金属材料１の表面の部分的な領域を検査する場合、第１の姿勢Ｐ１に比べてより短い時間で検査をすることが可能となる。

再び図４を参照して、金属材料１の表面のより限定的な領域を検査する場合には、支持装置８が検出ヘッド３を第２の姿勢Ｐ２に支持した状態で、検出器２、２のうち一部の検出器２（２Ａ）のみを使用（いわゆる間引き使用）すればよい。一部の検出器２Ａのみを使用することで、部分検査において欠陥を検出し、欠陥の位置を特定するために必要な時間を短くすることができる。

この間引き使用は、支持装置８が検出ヘッド３を第１の姿勢Ｐ１に支持した状態で適用してもよい。具体的には、再び図３を参照して、金属材料１の表面の部分的な領域を検査する場合には、支持装置８が検出ヘッド３を第１の姿勢Ｐ１に支持した状態で、検出器２、２のうち一部の検出器２（２Ａ）のみを使用すればよい。一部の検出器２Ａのみを使用することで、部分検査において欠陥を検出し、欠陥の位置を特定するために必要な時間を短くすることができる。

（効果）
本実施の形態にかかる金属材料の欠陥検査装置によれば、搬送装置９が金属材料１を連続して長手方向（第１の方向Ｄ１）に搬送している。支持装置８は、金属材料１の連続的なこの動きと同期させることなく、検出ヘッド３を幅方向（第２の方向Ｄ２）に往復移動させる。このため、金属材料１を連続的に送りながら、金属材料１の表面や内部に生じる欠陥を検査することができる。

さらに、本実施の形態にかかる金属材料の欠陥検査装置によれば、支持装置８が第１の姿勢Ｐ１と第２の姿勢Ｐ２とに検出ヘッド３を回転可能に支持している。このため、目的に応じてこれらを自由に選択し、金属材料１の表面全体を検査したり、部分的な領域を検査したりすることが可能となる。

なお、支持装置８は、第１の姿勢Ｐ１と第２の姿勢Ｐ２とに検出ヘッド３を支持すると説明したが、これら以外の姿勢に検出ヘッド３を支持してもよい。第１の姿勢Ｐ１において、検出器２、２が金属材料１の表面を検出できる範囲は最も広く、金属材料１の表面の全体を検出することもできる。第２の姿勢Ｐ２において、検出器２、２が金属材料１の表面を検出できる範囲は最も小さくなる。したがって、所望の検出範囲に応じて、支持装置８は、第１の姿勢Ｐ１と第２の姿勢Ｐ２との間の任意の姿勢に検出ヘッド３を支持してもよい。

（実施の形態２）
図５を参照して、本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置の構成について説明する。本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置は、実施の形態１の構成に加え、位置センサ１１と昇降機構１０とをさらに備えている。

位置センサ１１は、金属材料１の表面と検出器２、２との間の距離を検知する。位置センサ１１は、検出ヘッド３に埋設されているとよい。昇降機構１０は、位置センサ１１により得られた情報に基づいて、上下方向Ｄ３に検出ヘッド３を移動させる。このとき、検出ヘッド３は、昇降機構１０を介して梁５に取り付けられているとよい。昇降機構１０は、金属材料１の表面と検出器２、２との間の距離が一定になるように、検出ヘッド３の高さを制御する。

上述のとおり、金属材料の送り方向（検査方向）とは直交する方向へ検出器を往復移動させる動作と、金属材料の送り方向（検査方向）に金属面と検出器を相対的に移動させる動作とを交互に行うと、金属材料を載置している機台の走行に伴う振動が、検査データに影響することがなく、ノイズの少ない検査データを得ることが可能となる（特許文献１）。この検査方法によれば、検出器が往復移動するときには機台が走行していないため、ノイズの影響が少ない欠陥の検出が可能とされている。ところが、検出器自身の走査により発生するノイズに対する影響は残る。

本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置によれば、位置センサ１１の検出値に応じて昇降機構１０を駆動させ、検出器２と金属材料１のすき間（クリアランス）を一定に保つようにする。このため、検出ヘッド３が往復移動したときに、リニアガイド６から受ける振動によるノイズを抑えることが可能となる。結果として、金属材料の表面や内部に生じる欠陥を、より精度良く検査することが可能となる。

（実施の形態３）
図６を参照して、本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置の構成について説明する。本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置と、実施の形態１または実施の形態２とは、搬送装置９において相違する。本実施の形態にかかる搬送装置９は、ローラー１２、１２である。

ローラー１２、１２は、金属材料１が搬送される長手方向（第１の方向Ｄ１）において、検出ヘッド３の前方および後方に配置するとよい。ローラー１２、１２は、金属材料１を上下方向Ｄ３から挟み込みながら、金属材料を連続して第１の方向Ｄ１に搬送する。

ローラー１２、１２は、金属材料１を上下方向Ｄ３から挟み込むことで、金属材料１の高さ方向の動きを拘束する。このため、金属材料１が搬送されるときに、搬送装置９（ローラー１２、１２）から受ける振動によるノイズを押させることが可能となる。結果として、金属材料の表面や内部に生じる欠陥を、より精度高く検査することが可能となる。

特に、実施の形態２にかかる搬送装置９に対して、ローラー１２、１２を適用することで、位置センサ１１により検出ヘッド３が往復移動したときにリニアガイド６から受ける振動によるノイズを抑えることが可能となるだけでなく、搬送装置９（ローラー１２、１２）から受ける振動によるノイズを押させることも可能となる。結果として、金属材料の表面や内部に生じる欠陥を、より精度良く検査することが可能となる。

（実施の形態３の他の構成）
再び図６を参照して、本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置の構成について説明する。本実施の形態における金属材料の欠陥検査装置は、実施の形態３の構成に加え、ローラー１２、１２の回転角度を検出するためのエンコーダ１３をさらに備えている。

エンコーダ１３には、サーボモータに使用されるような回転軸に設置する光学式位置検出センサを用いるとよい。エンコーダ１３は、ローラー１２、１２の回転位置（もしくは回転量）を検出する。

エンコーダ１３を備えていない場合について考える。たとえば、上記の各実施の形態の構成によれば、欠陥の有無、検出ヘッド３や金属材料１の送り速度、および欠陥を発見した時間などから、欠陥の位置情報を算出し、実際の欠陥の位置を特定することができる。これは、検出を開始した位置から、経過した時間と送り速度とを基に、相対的な位置情報として欠陥の位置情報を算出し、実際の欠陥の位置を特定することができる。

一方、本実施の形態のようなエンコーダ１３を用いることで、検出器２、２によって検出した欠陥の有無情報と、ローラー１２、１２の回転位置から算出される欠陥の位置情報とを結びつけることで、実際の欠陥の位置を特定することができる。エンコーダ１３を用いることで、上記の各実施の形態の構成に比べてより迅速かつより高精度に欠陥の位置を特定することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 金属材料、２，２Ａ 検出器、３ 検出ヘッド、４ 回転機構、５ 梁、６ リニアガイド、７ 支持台、８ 支持装置、９ 搬送装置、１０ 昇降機構、１１ 位置センサ、１２ ローラー、１３ エンコーダ、Ｄ１ 長手方向（第１の方向）、Ｄ２ 幅方向（第２の方向）、Ｄ３ 上下方向、Ｐ１ 第１の姿勢、Ｐ２ 第２の姿勢、Ｒ１，Ｒ２ 軌跡群、Ｓ，Ｓｐ 速度、Ｗ 幅。

Claims (4)

1. 金属材料を表面に載置して、前記金属材料を連続して第１の方向に搬送する搬送装置と、
   前記金属材料の欠陥を検出するため、前記金属材料の表面と対向するように列状に配置された複数の検出器を有する検出ヘッドと、
   前記金属材料の上方において前記検出ヘッドを支持すると共に、前記第１の方向に略直交する第２の方向に前記検出ヘッドを往復移動させる支持装置と、
   を備え、
   前記支持装置は、前記第１の方向と平行な方向である第１の姿勢と、前記第１の姿勢と略直交する第２の姿勢とに前記検出ヘッドを回転可能に支持する回転機構を含む、
   金属材料の欠陥検査装置。
2. 前記金属材料の表面と前記検出器との間の距離を検知する位置センサと、
   前記位置センサにより得られた情報に基づいて、前記検出ヘッドを上下方向に移動させ、前記距離が一定になるように前記検出ヘッドを制御する昇降機構と、
   をさらに備える、請求項１に記載の金属材料の欠陥検査装置。
3. 前記搬送装置は、前記検出ヘッドの、前記金属材料が搬送される前記第１の方向の前方および後方に配置され、前記金属材料を上下方向から挟み込むローラーである、
   請求項１または２に記載の金属材料の欠陥検査装置。
4. 前記ローラーの回転角度を検出するためのエンコーダをさらに備える、
   請求項３に記載の金属材料の欠陥検査装置。

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