JP4207711B2 - アレイ型磁気センサの校正方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、漏洩磁束探傷器等に用いられるアレイ型磁気センサ（磁気センサを一列に配列した磁気センサ列を一列または複数列有するもの）の出力を校正する方法および装置に関するものである。

複数個の磁気センサを配列したアレイ型磁気センサは、漏洩磁束探傷器等に用いられている。その一例として、特開平２０００−２２７４１９号公報（特許文献１）に示される探傷装置を、図２に示す。図２において、１１ は金属帯、１２と１３は搬送ロール、１４は磁気探傷装置、１５は磁化器、１６ａと１６ｂは金属帯の幅方向に複数個配置された磁気センサ、１７は信号処理装置、１８は欠陥である。

ここで、磁気センサ１６ａは磁化器１５の磁極センタ上に配置し、磁気センサ１６ｂはそれより金属帯の走行方向にずらした位置に配置され、磁気センサ１６ａとは異なる磁化条件での測定を担当する。また、これらのセンサは磁気検出面を被測定対象である金属帯と平行に配置され、金属帯と垂直方向の磁場を検出する。

磁化器１５により金属帯１１を磁化する。金属帯１１の表面又は内部に欠陥１８があると、欠陥に起因して金属帯１１より漏洩磁束が発生する。この漏洩磁束を磁気探傷装置４ 内に複数個配置された磁気センサ１６ａと１６ｂにより検出し、この２つ磁気センサによって測定した、異なる磁化条件での測定結果をもとに、処理回路１７で信号処理を行うことにより疵を検出する。磁気センサ１６ａ と１６ｂは、金属帯１１の幅方向に、金属帯１１の全幅を覆うように複数個配列されているので、金属帯１１を走行させながら探傷を行うことにより、金属帯１１の全面の探傷が可能である。

この漏洩磁束探傷器により疵を検出するためには、各磁気センサの感度を均一にし、かつ、検出される疵の大きさと磁気センサの出力の関係を所定の関係に保つ必要があり、このために各磁気センサの校正が必要である。

磁気センサの校正方法としては、ドリル穴等の人工疵を加工した金属帯を、人工疵が個々の磁気センサの直下を通過するように移動させ、そのときの磁気センサの出力が規定値となるように感度を調整することが一般的に行われている。

しかしながら、前記人工疵を加工した金属帯を用いて校正を行う方法では、複数の磁気センサを校正するためには、金属帯の位置を幅方向に移動させて、同じ疵が各々のセンサの直下を通過するようにする必要があり、磁気センサの数の回数だけ金属帯を移動させなければならず、多大な手間と時間を要する。また、全ての磁気センサについて、磁気センサと通過する人工疵の相対位置を同一に保つことは非常に困難である。

これを避けるためには、幅方向に複数の人工疵を加工した金属帯を用いて校正を行うことが考えられるが、全く同じ人工疵を複数個加工することは、特に人工疵の大きさが小さい場合には非常に困難である。

この問題を解決する方法として、特開平９−２２９９０５号公報（特許文献２）に示された技術が提案されている。この技術では、磁気センサ列の配列方向に延線された導線に、所定の電流を流して磁界を発生させ、当該磁界を基準磁界として用いて磁気センサ列の校正を行うことで上記問題を解決している。
特開平２０００−２２７４１９号公報 特開平９−２２９９０５号公報

しかしながら、特許文献２で示された技術では、導線を磁気センサ列と対面させるため、導線からの磁場は、磁気センサ列を構成する面と平行となる。このため、磁気センサとして、感磁面を持つ、例えばホール素子やコイルなどの磁気センサを用いて、特定方向の磁場(ここでは磁気センサを構成する面に垂直な磁場)を測定しようとする場合には、実際に使用する垂直方向の磁場を磁気センサに与えることが出来ないという問題が生じる。

また、特許文献２では、ロール表面に導線を貼り付け、ロールを回転させながら出力の最大値によって校正を行う方法も提案されているが、別途に回転するロールを用意するなど装置が大規模なものとなってしまう問題がある。さらに、特に磁気センサ列が複数列存在する場合には、ロールの曲率の影響を受け、それぞれの列に対してリフトオフを一定に保てないので、磁場強度が列の位置が違うと変り、実質的に校正になっていないという問題も生じる。

本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、簡便な方法で正確に校正を行うことのできる、１列ないしは複数列のアレイ型磁気センサの校正方法および装置を提供することを目的とする。

特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、複数個の磁気センサを一列に配置してなる磁気センサ列を、一または複数有して、前記磁気センサ列を構成する面に垂直な磁場を測定するアレイ型磁気センサの出力を校正する方法において、単線の直線状の導線を校正装置ホルダに設置し、その設置された単線の直線状の導線が、前記磁気センサ列の中心線と各磁気センサの感磁面の法線とでなす平面上以外の位置に、前記磁気センサ列に対して平行に、かつ、磁気センサの感磁面の中心と導線とを結ぶ直線と、磁気センサの感磁面とのなす角度が３０度から６０度の範囲となるように、前記校正装置ホルダを、前記アレイ型磁気センサを保持する磁気センサホルダに密着し、かつ、磁気センサ列の配列に対して垂直な方向にずれないように固定して、当該単線の直線状の導線に所定の電流を流して磁界を発生させて、当該磁界を基準磁界として用いることを特徴とするアレイ型磁気センサの校正方法である。

また請求項２記載の発明は、複数個の磁気センサを一列に配置してなる磁気センサ列を、一または複数有して、前記磁気センサ列を構成する面に垂直な磁場を測定するアレイ型磁気センサの出力を校正するアレイ型磁気センサの校正装置において、
単線の直線状の導線が設置され、前記磁気センサ列の中心線と各磁気センサの感磁面の法線とでなす平面上以外の位置に、前記磁気センサ列に対して平行に、かつ、磁気センサの感磁面の中心と導線とを結ぶ直線と、磁気センサの感磁面とのなす角度が３０度から６０度の範囲になるように、前記アレイ型磁気センサを保持する磁気センサホルダに密着し、かつ、磁気センサ列の配列に対して垂直な方向にずれないように固定される校正装置ホルダを備えることを特徴とするアレイ型磁気センサの校正装置である。

本発明によれば、アレイ型磁気センサの配列方向に延線された導線に所定の電流を流して磁界を発生させ、当該磁界を基準磁界として用いてアレイ型磁気センサの校正を行うので、簡単な方法で複数の磁気センサを正確に校正することができ、信頼性の向上と能率の向上を図ることができる。

本発明の一実施の形態を、図１を用いて説明する。図１ は、本発明を適用した装置を示す図であり、（ａ)は平面図、（ｂ)は断面図である。図中、１は磁気センサ、２は磁気センサ列、３はアレイ型磁気センサ、４は磁気センサホルダ、５は校正装置ホルダ、６は校正用導線であることをそれぞれ示す。

この場合磁気センサ列２は、磁気センサ１の感磁面を同一方向に向け、かつ２４個の磁気センサ１を直線上に等間隔に配置している。そして、アレイ型磁気センサ３は、前記磁気センサ列２を２列並べており、磁気センサホルダ４ に固定されている。校正の際には、この磁気センサホルダ４ごと取り出し、磁気センサ列２の配列に対して垂直な方向にずれることがないように、校正装置ホルダ５ に固定している。感磁面とはここでは、センサの検知する磁場方向と垂直な断面である。

電源（図示せず） により校正装置ホルダ５ に設けられた校正用導線６ に規定電流を流し、各磁気センサの出力を検出する。そして、各磁気センサの出力が所定値となるように感度を調整する。これにより、各磁気センサの出力の校正を行うことができる。なお、磁気センサの校正は、磁気センサそのものの感度を調整することにより行ってもよいし、磁気センサに接続された増幅器の感度を調整することによって行ってもよい。また、校正用導線６は、線状のもの以外、棒状のものなども含む導体でもよい。
導線に電流を流すと、その導線の回りに磁束が発生する。この磁束の大きさは、導線の長さ方向（磁気センサの配列方向）のいずれの位置でも一定であるので、各磁気センサに対して同一の基準として用いることができる。よって、所定の電流を流したとき、各磁気センサの出力が予め定められた値になるように校正を行うことにより、正確な校正が実施できる。また、導線の回りに発生する磁界は、漏洩磁束探傷器において疵により発生する漏洩磁束と形状が類似しているので、漏洩磁束探傷器に用いられる磁気センサの校正に適している。
良く知られるように、導線が直線状に無限長に設置されている場合に、導線に流れる電流の発生する磁場分布は、Ｈを磁界の強さ、Ｉを電流、rを導線からの距離とすれば、（１）式のように表される。

図３に、直線電流が発生する磁界分布のイメージ図を示す。図３中、６は導線であり、同心円状の破線で示すような等磁界の分布が形成される。実際には、導線を無限長にとることはできないが、十分な長さがあれば無限長と考えて良い。本発明の場合も無限長と考えてよく、以下の説明でも同様とする。
図４は、導線が磁気センサに与える磁界について説明する図である。図中、６は導線、１は磁気センサを示しており、磁気センサ１は図の紙面内上下方向に感磁面を向け、導線６は紙面と垂直方向に配線されているものとする。また、磁気センサ１は紙面と垂直方向に複数個並べられ磁気センサ列をなしている。図４（ｂ）のように、磁気センサ列の中心を結ぶ線と磁気センサの感磁面の法線の作る平面上に導線６を設けた場合、導線の発生する磁場は、磁気センサの感磁面と平行となり、磁気センサに磁場を与えることができない。
さらに、図４（ｃ）に示すように、磁気センサ列の中心を結ぶ線と磁気センサの感磁面の法線の作る平面上を避けて導線を配置することで、導線６が磁気センサ１の感磁面に対して垂直な磁場成分Ｈｙを発生させ、磁気センサに校正用の磁場を与えることができる。
特に、図４（ａ)のように磁気センサの感磁面と同一平面上に導線を配置すると、導線の発生する磁場が、磁気センサの感磁面と垂直に交わるため、導線と磁気センサの距離を一定とした場合、最も効率よく校正が可能であることがわかる。
この校正用の導線１は、簡単に位置を再現できるような機構を組み込んだホルダとして製作し、校正時に取り付けるようにする。
また、一般的には、校正用ホルダを配置するのに十分なスペースがない、導線を配置すると計測に影響を与えるなどの理由で、導線を磁気センサの感磁面と同一平面に配置することが出来ないことがある。この場合は、磁気センサの感磁面と垂直方向にある距離を離れた位置に導線を配置することとなる。
図４（ｃ）に示されている例で、この場合の磁気センサの感磁面における垂直方向磁場について、以下説明する。先ず、磁気センサの感磁面と平行な方向の磁気センサ１と導線６との距離をｄとし、さらに磁気センサの感磁面と垂直な方向の磁気センサ１と導線６との距離をｈとする。この場合、導線に電流Ｉを流した時に、磁気センサの位置に発生する磁場は、（２）式のように表される。

さらに、磁気センサの感磁面と垂直な磁場Ｈｙは、（３）式のように展開できる。

図５は、ｈを一定値(＝１mm)としたときのｄとＨｙの関係を示す図である。 ｄ＝ｈ(＝１mm)となる点で、Ｈｙは極大かつ最大となる。このことは、磁気センサの感磁面と、磁気センサの感磁面の中心と導線を結ぶ垂線とが、４５度の角度をなすように導線を配置することで、最も効率よく磁気センサを磁化できることを示している。そしてこの角度は、垂直な磁場Ｈｙの変動が少ない（５％以内）ことから、３０度〜６０度の範囲であることが望ましい。このように導線を配置することにより、磁気センサと導線との距離（感磁面と平行な方向）が少々変化したとしても、磁界への影響が小さく安定したセンサ校正が可能であることも示している。
また、磁気センサ列を複数列並べたアレイ型磁気センサを校正する場合、磁気センサ列間の垂直二等分線上に導線を配置することで、各センサ列に対して導線を用意する場合に比べて簡易な構成で、１つの導線を各センサ列に移動して各センサ列毎に校正する場合に比べて、位置の調整を行う回数を減らすことができ、より簡易な方法で校正をすることが可能となる。
図６は、２本の平行に配置した導線ａと導線ｂに、逆向きに電流を流した場合に発生する垂直方向磁界の分布を示す図である。図６（ａ）で示すように２本の導線を３mmの間隔で配置し、それぞれ逆向きに電流を流している。図６（ｂ）は、磁気センサを、２本の導線から垂直方向に１mmはなれた平行線（図６（ａ）中に破線にて図示）上に沿って移動させた場合での、垂直方向磁界の分布を示す図である。
図５に示した場合と比較して、１mm〜２mmの範囲で垂直方向磁界の変動（磁界分布曲線の傾き）が小さいことが分かる。このことはまた、図中に示したように磁界の強度が最大の垂直方向磁界から５％低下するまでの範囲が、図５の場合と比較して広い、すなわち磁界分布が安定していることもみてとれる。
このことから、磁気センサ列の両側に導線を配置する構成をとり、磁気センサを挟むように電流を流すことで、位置の変動に対してより安定した校正が可能である。また、両側に導線を配置したことで、磁気センサ列の長手方向を軸とする回転に対しても変動の影響を受けにくい校正も可能である。この効果は、２本の導線の真中に磁気センサを配置する構成、すなわち磁気センサから両側等距離の位置に導線を配置した場合、磁気センサの位置で極値を持つことから効果が大きい。
以下、数式を用いてさらに詳説する。図６（ａ）で示すように、磁気センサと磁気センサの感磁面と平行な方向の導線間の距離をｌ、磁気センサの感磁面と垂直な方向の磁気センサと２つの導線を含む平面までの距離をｈとする。まず導線ａがセンサ位置に作る、感磁面に垂直な方向の磁場Ｈｙａは、（３）式と同様に（４）式で表わせる。

同様に、導線ｂがセンサ位置に作る、感磁面に垂直な方向の磁場Ｈｙｂは、（５）式で表わせる。

よって、導線ａと導線ｂによる合成磁場Ｈｙは、（４）・（５）式の重ね合わせである（６）式となる。

さらに、合成磁場Ｈｙのｄについての１回微分Ｈｙ'と２回微分Ｈｙ' 'は、それぞれ（７）・（８）式のように展開できる。

（７）式から、ｄ＝ｌ／２のときに１回微分Ｈｙ'がゼロとなり、合成磁場Ｈｙが極値をもつことが分かる。さらに、（９）式を満足するようなｌを選べば、（８）式からＨｙ' ' ＜０であり、Ｈｙは上に凸でｄ＝ｌ／２のときにセンサでの合成磁場Ｈｙが極大となる。このような導線間の距離ｌを選ぶことで、高効率でかつ変動の影響を受けにくい計測が可能となる。

さらに、（９）式の内の等号、すなわち（１０）式で表わされる導線間の距離ｌ場合は、ｄ＝ｌ／２のときに（８）式からＨｙ' ' ＝０であり、Ｈｙは変極点をとる。これは、Ｈｙの傾きであるＨｙ' 'の変化が最小である点である。上述したように極大である事とあわせて考えると、最もＨｙの変化の小さい点とする事が可能であり、最も高効率でかつ変動の影響を受けにくい計測が可能である。

次に、本発明の他の実施の形態を、図７を用いて説明する。図７ は、本発明を適用した装置を示す図であり、（ａ)は平面図、（ｂ)は断面図である。図１と共通する符号に関しては、説明を省略する。

図７の探傷装置の例では、アレイ型磁気センサ３は、磁気センサ列２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの４列からなり、２ａ、２ｂと２ｃ、２ｄの間隔x１はそれぞれ４mm、２ｂと２ｃの間隔x２は８mmである。また、校正用導線は、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆの６列設け、磁気センサとの水平方向間隔ｄは２mm、またリフトオフｈも２mmとなるよう磁気センサホルダ４を構成している。

磁気センサホルダ４ に校正装置ホルダ５ を所定の位置に、磁気センサホルダと校正装置ホルダが密着し、かつ、磁気センサ列の配列に対して垂直な方向（断面図（ｂ)における上下方向）にずれないように固定する。

電源（図示せず） により校正装置ホルダ５ に設けられた、校正用導線６ａ、６ｂ に同じ大きさで逆向きの規定電流をそれぞれ流し、磁気センサ列２ａ内の各磁気センサの出力を検出する。そして、各磁気センサの出力が所定値となるように感度を調整する。これにより、磁気センサ列２ａに属する各磁気センサの出力の校正を行うことができる。

続いて、校正用導線６ｂ、６ｃを用いて磁気センサ列２ｂ内の磁気センサを同様に校正する。以下、同じように校正用導線６ｄ、６ｅを用いて磁気センサ列２ｃ、校正用導線６ｅ、６ｆを用いて磁気センサ列２ｄ内の磁気センサを校正する。

また、例えば磁気センサ列２ａを校正する際に、導線６ａ、６ｂに流す電流は、導線６ａと６ｂとで一つのループを形成するように流してもかまわないし、それぞれに別々のループとして流してもかまわない。また、導線に流す電流は、磁気センサの形態に応じて、交流でも直流でもかまわない。

磁気センサホルダと、校正装置ホルダの固定に関しては、磁気センサに校正装置ホルダを取り付ける形式でもかまわないし、例えば装置脇に固定されている校正装置ホルダに、磁気センサホルダを計測位置から移動させてきて固定する方式でもかまわない。

本発明の一実施の形態を示す図である。 従来の磁気探傷装置を説明する図である。 直線電流が発生する磁界分布を説明する概念図である。 導線が磁気センサに発生させる磁界を説明する概念図である。 導線の発生する磁界分布を示す図である。 ２本の導線の発生する磁界分布を示す図である。 本発明の他の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ 磁気センサ
２ 磁気センサ列
２ａ 磁気センサ列
２ｂ 磁気センサ列
２ｃ 磁気センサ列
２ｄ 磁気センサ列
３ アレイ型磁気センサ
４ 磁気センサホルダ
５ 校正装置ホルダ
６ 校正用導線
６ａ 校正用導線
６ｂ 校正用導線
６ｃ 校正用導線
６ｄ 校正用導線
６ｅ 校正用導線
６ｆ 校正用導線
１１ 金属帯
１２ 搬送ロール
１３ 搬送ロール
１４ 磁気探傷装置
１５ 磁化器
１６ａ、１６ｂ 金属帯の幅方向に複数個配置された磁気センサ
１７ 信号処理装置
１８ 欠陥

Claims (2)

1. 複数個の磁気センサを一列に配置してなる磁気センサ列を、一または複数有して、前記磁気センサ列を構成する面に垂直な磁場を測定するアレイ型磁気センサの出力を校正する方法において、
   単線の直線状の導線を校正装置ホルダに設置し、その設置された単線の直線状の導線が、前記磁気センサ列の中心線と各磁気センサの感磁面の法線とでなす平面上以外の位置に、前記磁気センサ列に対して平行に、かつ、磁気センサの感磁面の中心と導線とを結ぶ直線と、磁気センサの感磁面とのなす角度が３０度から６０度の範囲となるように、前記校正装置ホルダを、前記アレイ型磁気センサを保持する磁気センサホルダに密着し、かつ、磁気センサ列の配列に対して垂直な方向にずれないように固定して、当該単線の直線状の導線に所定の電流を流して磁界を発生させて、当該磁界を基準磁界として用いることを特徴とするアレイ型磁気センサの校正方法。
2. 複数個の磁気センサを一列に配置してなる磁気センサ列を、一または複数有して、前記磁気センサ列を構成する面に垂直な磁場を測定するアレイ型磁気センサの出力を校正するアレイ型磁気センサの校正装置において、
   単線の直線状の導線が設置され、前記磁気センサ列の中心線と各磁気センサの感磁面の法線とでなす平面上以外の位置に、前記磁気センサ列に対して平行に、かつ、磁気センサの感磁面の中心と導線とを結ぶ直線と、磁気センサの感磁面とのなす角度が３０度から６０度の範囲になるように、
   前記アレイ型磁気センサを保持する磁気センサホルダに密着し、かつ、磁気センサ列の配列に対して垂直な方向にずれないように固定される校正装置ホルダを備えることを特徴とするアレイ型磁気センサの校正装置。

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