JPH05264510A - 光磁界分布測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強磁性体の欠陥を検出するに際し、従来の方
法よりも性能価格比を画期的に向上させ、従来自動化の
できなかった領域にも適用可能な測定装置を提供する。 【構成】 帯状拡散光源と、偏光子と、膜面に垂直方向
に磁化容易軸を有する光磁気効果素子と、干渉フィルタ
と、検光子と、リニアイメ−ジセンサカメラと信号処理
部から構成される光磁界分布測定装置。 【効果】 設備の信頼性が画期的に向上し、微小欠陥お
よび長い欠陥の検出能力が画期的に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強磁性体の表面欠陥及
び表層内部欠陥を検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】強磁性体を磁化し、欠陥より漏洩する漏
洩磁束をホール素子や検出コイルにて検出する装置は、
磁粉探傷に較べて検査速度が速いことと、深さに対する
検出出力の相関性が高いうえ、渦流探傷法等のその他の
装置に比較して強磁性体材料の表面粗度、スケールや透
磁率のばらつきの影響が少ないため、鋼管の自動探傷装
置等で多数使用されている。また特開平２ー２２７６８
３号公報には光磁界測定法を漏洩磁束の検出に適用する
為の装置例が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の装置は
漏洩磁束を磁界の変化分として検出しているため、欠陥
の大きさが小さくなると磁界が漏れている範囲が急速に
小さくなり、これを検出するためには小さな磁界検出素
子を多数、被検査材の表面に近接して配置し、相手に追
従させる必要がでてくる。数千本の信号配線を有するセ
ンサーヘッドを高速に移動する鋼帯や厚板に高速追従す
る機構を製作する事は非常に困難であり、またコスト的
に非常に困難であった。

【０００４】更に圧延材においては、欠陥は一般に圧延
方向に延びており、この欠陥を検出するためには従来法
では、センサを幅方向にスキャンする必要があった。し
かし高速ラインにおいては、幅方向に機械的に走査する
装置は実現不可能であり、検出出来るのは短い欠陥に限
られていた。

【０００５】さらに前述した特開平２ー２２７６８３号
公報はあくまでも微小欠陥の検出の為の点計測に関わる
ものであり、広い表面積を有する鋼帯や厚板の探傷の場
合に必要な、設備コストと検査速度及び検査精度の相互
矛盾を解決する手段は皆無であった。

【０００６】さらに近年、顧客の製品に対する品質要求
は厳しくなる一方であり、従来の磁気探傷装置と同じ磁
化レベルでは検出できない様な、小さい欠陥の保証を要
求される様になり、磁化レベルを従来は飽和磁束密度の
０．８倍程度の磁化レベルが最適と言われていたもの
が、例えば薄板の微小介在物検出においてはその４０倍
近い磁界強度が必要になっている。一般には感度の高い
センサーは弱い磁界中でしか使えず、強い背景磁界の中
での微弱な磁界変化分布を検出するという困難な問題点
が生じてきた。

【０００７】また、オフラインでの磁粉探疵装置による
疵検出では磁化強度は被検査材が飽和しない強度に抑え
なければならず、検出性能に限界があることや磁化強度
の調節等、制約も多く使いにくい装置となっていた。

【０００８】上記問題点がある中で光磁気効果素子を漏
洩磁束検出素子として使用する装置が考えられ、例えば
若林らの論文（日本応用磁気学会誌15,773−778 199
1）にも掲載されている。この論文では、磁気効果素子
として（ＧＰＲ）を用い表面画像のコントラスト反転に
より背景光の影響を抑え磁区模様のコントラストを増加
させる装置を報告している。

【０００９】また、野村らの報告（第６回日本応用磁気
学会学術講演概要集1982.11）でもファラデー素子を用
い反転画像の差分をとって磁区模様のコントラストを増
加させる装置が報告されている。

【００１０】しかしながら本発明者らの研究によると、
光磁気効果素子を例えば鋼板等の疵検出に適用しようと
した場合、以下の研究結果から磁区のコントラストを増
加させる事は、検出できる疵の大きさを制限するだけで
なく疵検出の精度を劣化させるという知見を得た。

【００１１】図５は偏光顕微鏡で観察した光磁気効果素
子画像の１例である。１７は無欠陥部であり、迷路状の
黒白の磁区模様が観察される。１８は人工欠陥（0.1mm
深さのスリット）部分の磁区模様であり、漏洩磁界の大
きさと方向に応じて磁区が成長していることがはっきり
と観察できる。

【００１２】従って、リニアアレイイメージセンサカメ
ラの分解能が高く検出対象とする疵の大きさが磁区模様
の太さと近い場合は、無欠陥部の磁区模様が高い周波数
のパルス状の大きなノイズ源となる。またこのノイズは
空間ローパスフィルタによりかなり減衰させる事も可能
であるが、空間分解能を低下させ、検出可能な疵の大き
さを制限する要因となる、と言う知見を得た。

【００１３】本発明はこのような従来装置の問題点を抜
本的に解決し、一つの検出部で広い範囲の漏洩磁束を計
測し、高速かつ高精度な表面欠陥の検出を可能ならしむ
る画期的光磁界分布測定装置を提供することを課題とす
る。

【００１４】

【課題を解決する為の手段】本発明は、光磁気効果を使
った光磁界分布測定装置において、膜面に垂直方向に磁
化容易軸を有する帯状の光磁気効果素子と、これに直線
偏光した拡散光線を上方より投射する帯状光源装置と、
光磁気効果素子膜の底面より正反射した光の中で磁気光
学性能指数が最大となる波長帯のみを透過させる干渉フ
ィルタと、光の偏波面の回転量を光量変化に変換する検
光子と、光磁気効果素子の像を結像させる結像レンズと
結像部に配置され、像の明るさを測定するリニアアレイ
イメージセンサカメラと、センサ出力を処理し、欠陥部
を抽出する信号処理部を有することを特徴とする。

【００１５】更に欠陥部を抽出する信号処理部は、磁区
模様が原因で起こるパルス状ノイズを消去するために、
欠陥の無い場合のリニアアレイイメージセンサカメラの
出力信号を１走査分記憶遅延し、次回走査以降の対応す
る位置の信号より減算した後、ローパス処理を施す事に
より、欠陥部のみを抽出する事を特徴とする。

【００１６】

【作用】以下、本発明に至った経緯を説明する。

【００１７】本発明者らは、光磁気効果を使って広い範
囲を高速にかつ微小な欠陥まで検出する装置を研究し
た。その結果、光アイソレータや光スイッチに使われて
いる光磁気効果素子である、希土類・鉄・ガーネット
（ＲＩＧ）の中に高感度な材料があり、かつ垂直以外の
面内方向については磁化困難特性を有し、欠陥よりの漏
洩磁束を発生するための水平磁界に依っては磁気飽和せ
ず、かつ垂直方向のファラデー回転は変化しないという
漏洩磁束センサーとしての優れた特徴を有することを見
いだした。

【００１８】光磁気効果素子は、偏光顕微鏡で見たとき
に白黒に見える迷路状につらなった帯状の磁区構造を有
する。光磁気効果素子を一般の磁界検出センサーとして
使用する場合は、大きな検出スポットで、白黒の軸模様
の平均値としてファラデー回転を検出するため問題はな
い。しかし、微小な欠陥を検出するために検査用のスポ
ットをズーミングすると、光磁気効果素子の磁区模様
が、大きなノイズ源になる。さらに感度の良い光磁気効
果素子は、磁区模様が太くなる。このため、感度の良い
光磁気効果素子表面を分解能の良いリニアアレイイメー
ジセンサカメラで計測すると太い磁区模様がパルス状の
大きなノイズ源となり微小な疵の検出は困難になるとい
う知見を得た。

【００１９】膜に垂直磁界がかかった時に磁区の成長が
起きるが、通常は大きい面内磁界がかかっても動かない
磁区構造が、垂直磁界の存在下では、磁化困難方向の磁
界に影響され、そのときの水平磁界方向に整列しやすい
という知見を得た。

【００２０】本発明は以上の知見に基づいてなされたも
のである。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面に基づい
て説明する。

【００２２】図２は、本発明に用いる装置の全体構成を
示している。拡散光源１は、ハロゲンランプ等の棒状光
源の前にスリガラス等の拡散板を配置する事によって構
成され、検査対象を照明する。偏光子２は、偏光ポラロ
イドフィルムを長方形に切断したものであり、照明光の
一方向の直線偏光成分のみを透過する。３は直線偏光し
た光を示している。光磁気効果素子４は、希土類鉄ガー
ネットの垂直磁化膜であり、面に垂直な方向以外は難磁
化特性を有し、５００〜１０００エルステッド程度の水
平磁界では磁区の移動や磁気飽和がおきないものを使用
する。また膜の上面には無反射コーティング、底面には
全反射コーティングが施されており、膜内に入射した光
は底面で反射されて垂直方向にでていく。

【００２３】光は、ファラデー効果により、この膜内を
往復透過する距離と膜の感度常数と減衰常数、および膜
の存在する位置の垂直方向の磁界強度の積に比例して、
偏光面が回転する。反射光は干渉フィルタ５を通過して
検光子６に至る。干渉フィルタ５の透過波長は、光磁気
効果素子の感度波長帯域と減衰常数の波長特性より決ま
る磁気光学性能指数が極大となる波長λｍを中心とす
る。光磁気効果素子の表面には無反射コーティングが施
されているとはいえ、設計波長域以外の照明光は反射さ
れ、リニアアレイセンサカメラに検出され、磁界の検出
に無効な光量を増加させ、ノイズの原因の１つとなる。
また、λｍより長波長側においては、照明光は光磁気効
果素子中を容易に透過しかつ、偏波面の回転が少ないた
め相対的に検出感度を低下させる事となる。

【００２４】本装置に於いては、例えば光磁気効果素子
厚みが２０μｍの場合、干渉フィルタ５の中心波長は８
００ｎｍ，半値幅は４０ｎｍである。この干渉フィルタ
５を装着した場合のＳ／Ｎ比の改善は１０ｄＢ以上であ
った。

【００２５】図２は、漏洩磁束探傷法の原理を説明する
ものであり、４は磁気光学効果素子であり、８は検査さ
れる鋼材である。１０は鋼材の内部にある欠陥であり、
１１は鋼材を磁化する磁化器のヨークを示している。１
２は磁化器から発生する磁束であり、一方のヨークから
出て鋼材の中に入り、もう一方のヨークに戻る。

【００２６】検光子６の偏光軸の角度は、光磁気効果素
子の厚みによって変化させ、例えば本発明装置で光磁気
効果素子の厚みが２０μｍのとき偏光軸の角度は+４５
°または-４５゜を中心とし±２０°以内はＳ／Ｎの劣
化は少ない。７はリニアアレイイメージセンサカメラで
あり、入射した光を光電変換し、電圧時系列信号として
出力するものである。リニアアレイイメージセンサカメ
ラ７の波長感度特性は、光磁気効果素子４の感度波長帯
域と減衰常数の波長特性より決まる磁気光学性能指数が
極大となる波長帯をカバーしている必要がある。

【００２７】磁化ロール９の中には、図２に示す磁化器
１１が入っており、微小欠陥を検出するために磁化器１
１により強い磁化をかけると、被検査材が完全に磁気飽
和したあとは、強い背景磁界が飛ぶようになる。本発明
装置では、磁粉探疵装置のように被検査材が完全に磁気
飽和したあとは、検出不可能となることはなく、磁化強
度は強ければ強いほど検出感度は増加する。被検査材に
欠陥が無ければ、磁化ロール９の中心付近においては、
磁束の方向は水平であり垂直方向の磁界成分はない。し
かし被検査材にある欠陥１０の近傍においては、欠陥を
迂回する漏洩磁束のため垂直の磁界成分が生じる。これ
により光磁気効果素子４の磁化容易軸方向（垂直方向）
の磁化が進み、これが光の偏光面の回転を引き起こし
て、検光子６により光量変化に変換され、７のリニアア
レイイメージセンサカメラに入射して電圧信号系列とし
て検出される事となる。

【００２８】図３は、本発明装置の信号処理部の装置構
成例を示しており、図４はその信号の一例を示す。７は
リニアアレイイメージセンサカメラ、２３はＡＤ変換
器、１３は１走査信号記憶読み出し部、１４は減算器、
１５はローパスフィルタ処理部、１６は比較器である。

【００２９】また、図４に本発明装置の信号の一例を示
す。信号１９は無欠陥部の記憶読みだし信号、信号２０
は欠陥が在る場合の信号、信号２１は両者の差分信号で
あり、信号２２はローパスフィルタを施した結果であ
る。

【００３０】１走査信号記憶読み出し部１３は、無欠陥
時の信号を記憶し、以後リニアアレイイメージセンサカ
メラの走査に合わせて読みだすためもので、メモリとア
ドレス発生器からなっており、アドレス発生器はリニア
アレイイメージセンサカメラの画素毎のアドレスに対応
したアドレスを、カメラの読み出し用クロックから生成
する。記憶モードの時は、スイッチ２４は１走査信号を
記憶読みだし部１３側に切りかえられＡＤ変換された信
号１９が対応メモリに記憶される。読みだしモードの時
には、スイッチ２４は１４の減算器側に切り替えられ、
メモリからカメラの信号に同期してカメラの画素に対応
するアドレス信号１９が読み出され、減算器１４へと送
られる。リニアアレイイメージセンサカメラの出力２０
と、疵の無い時点での１走査信号１３の信号を減算す
る。したがって、演算部１４本信号処理部の出力は、無
欠陥部では出力信号が零になり、磁区模様ノイズを消去
できる。一方、欠陥が在れば、垂直磁界の変化分に応じ
て、疵信号のみが出力される事となる。しかし垂直磁界
が強い場合には、図５に見られるように疵部はなめらか
な模様となり、したがって無欠陥の時の信号１９を減算
すると信号に磁区模様の高周波が残るようになる。そこ
で減算部からの信号２１をローパスフィルタ処理部１５
に入力することにより、常になめらかな信号２２を得る
事が出来る。

【００３１】更に本発明によれば、照明のばらつき等に
よる幅方向のシェーディングや背景の微弱な垂直磁界に
よる影響も補正できることになる。

【００３２】本実施例に於いては、厚み５ｍｍ以上の鋼
板で光磁気効果素子と鋼板表面との距離（ギャップ）が
０．３ｍｍのとき、被検査材表面と水平な方向の磁界が
１５エルステッドで欠陥深さ０．３ｍｍ、２００エルス
テッドで０．１ｍｍの欠陥の検出が可能となった。ま
た、被検査材厚みが薄い場合（＜７ｍｍ）や光磁気効果
素子と鋼板表面との距離（ギャップ）が小さい場合、磁
化強度が少なくても上記と同等の検出能力を発揮する事
ができることを確認している。また、逆に被検査材厚み
が厚い場合（＞７ｍｍ）や、光磁気効果素子と鋼板表面
との距離（ギャップ）が大きい場合でも、磁化強度をあ
げる事により前記と同等の検出能力がある事を確認し
た。

【００３３】

【発明の効果】本発明の装置によれば、光磁気効果素子
とリニアアレイイメージセンサカメラのみを被測定対象
材に追従させるだけでよく、従来装置に比べはるかに軽
量コンパクト化され、追従性能の大幅な向上とセンサー
及び配線系統の故障トラブルを減少させるという効果を
得る事が出来る。

【００３４】本発明では、光学的に幅方向に高速走査す
るため、圧延材の長手方向に長く延びた欠陥でも検出で
きるという、画期的な特徴を備えている。

【００３５】また本発明においては、光学的に走査する
ため走査速度は対象部材の振動に比較して充分速くする
事が可能で、光学系の倍率を変えることにより従来より
小さな欠陥も検出できるようになり、検出精度も向上し
た。

【００３６】また後処理において、通常の画像信号と同
じ信号処理が適用可能であり、従来の装置に比べて疵の
パターン認識や疵種判別が可能になる。

【００３７】近年オプトエレクトロニクス分野の進歩は
めざましく、高感度垂直磁化膜、１万画素レベルの広幅
のリニアアレイイメージセンサカメラのいずれもが安価
に実現可能であり、従来の小型センサーを多数並列化し
たものに比べて回路数にして数百分の１になり、画期的
に経済性を向上できる。

【００３８】また構成部品数が少なくなった為故障が減
り、保守性が画期的に向上した。

【００３９】本発明により、経済的困難性から精度の良
い漏洩磁気探傷法を適用できていなかった領域、例えば
厚板の表面自動探疵装置に漏洩磁気探傷法を適用可能で
あり、省力化や自動化を通しての生産性向上効果は大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の装置の外観を示す斜視図である。

【図２】 漏洩磁束法の原理と本発明の関係を示す模式
図である。

【図３】 実施例の信号処理系を示すブロック図であ
る。

【図４】 信号波形の例を示す波形図である。

【図５】 光磁気効果素子による検査画像の１例を示す
平面図である。

【符号の説明】

１：帯状拡散光源 ２：偏光子 ３：直線
偏光光線 ４：光磁気効果素子 ５：干渉フィルタ ６：検光
子 ７：リニアアレイイメージセンサカメラ ８：被検
査材 ９：磁化ロール １０：欠陥 １１：磁
化器の鉄心 １２：磁束 １３：１走査信号記憶読みだ
し部 １４：減算器 １５：空間フィルタ部 １６：比較器 １７：無欠陥部の磁区模様 １８：欠陥部の磁区模様 １９：無欠陥部の信号 ２０：欠陥がある時の信号 ２１：差
分信号 ２２：ローパスフィルタ信号処理部 ２３：Ａ
Ｄ変換器 ２４：スイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光磁気効果を使った光磁界分布測定装置
   において、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する帯状の
   光磁気効果素子と、これに直線偏光した拡散光線を上方
   より投射する帯状光源装置と、光磁気効果素子膜の底面
   より正反射した光の中で磁気光学性能指数が最大となる
   波長帯のみを透過させる干渉フィルタと、光の偏波面の
   回転量を光量変化に変換する検光子と、光磁気効果素子
   の像を結像させる結像レンズと、結像部に配置され像の
   明るさを測定するリニアアレイイメージセンサカメラ
   と、センサ出力を処理し、欠陥部を抽出する信号処理部
   を有することを特徴とする光磁界分布測定装置。
2. 【請求項２】 前記センサ出力を処理し、欠陥部を抽出
   する信号処理部が欠陥の無い場合のリニアアレイイメー
   ジセンサカメラの出力信号を１走査分記憶遅延し、次回
   走査以降の対応する位置の信号より減算した後ローパス
   フィルタ処理を施す事により、高感度光磁気効果素子膜
   の磁区模様ノイズを除去処理し欠陥部のみを抽出する機
   能を有する事を特徴とする前記請求項１記載の光磁界分
   布測定装置。