JPH081458B2 - 光磁界分布測定装置 - Google Patents

光磁界分布測定装置

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JPH081458B2
JPH081458B2 JP3264034A JP26403491A JPH081458B2 JP H081458 B2 JPH081458 B2 JP H081458B2 JP 3264034 A JP3264034 A JP 3264034A JP 26403491 A JP26403491 A JP 26403491A JP H081458 B2 JPH081458 B2 JP H081458B2
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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−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、渦流探傷装置等その他の
装置に比較して強磁性体材料の表面粗度、及びスケ−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2−227
683号公報に見られるごとく光磁界測定法を漏洩磁束
の検出に適用する為の発明もなされている。
【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
従させる必要がある。しかし、数千本の信号配線を有す
るセンサ−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
ト的にも非常に困難があった。
【0004】さらに前述した特開平2−227683号
公報はあくまでも徴小欠陥の検出の為の点計測に関する
ものであり、広い表面積を有する鋼帯や厚板の探傷の場
合の様な、設備コストと検査速度及び検査精度の相互矛
盾を解決する手段に関する従来技術は皆無である。
【0005】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−は弱い磁界中でしか使えないが、小さい欠陥
の検出を可能にするには強い背景磁界の中で微弱な磁界
変化分布を検出する必要がある。
【0006】本発明はこのような課題に鑑み、これを抜
本的に解決し、一つの検出部で広い範囲の漏洩磁気を検
査可能とし、高速でかつ高精度な表面欠陥の検出を可能
ならしむる画期的な光磁界分布測定装置を提供すること
を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、基本的には光
磁気効果を使った磁界測定装置において、膜面に垂直方
向に磁化容易軸を有する光磁気効果素子と、これに直線
偏光した扇状光線を上方より投射する装置と、光磁気効
果素子膜の底面より正反射した光の偏波面の回転量を光
量変化に変換する検光子と、透過光量を測定するリニア
イメ−ジセンサ−とから構成される。
【0008】更に、好ましい態様においては、前記扇状
光線を上方から投射する装置を、扇状光線の広がり方向
に対し直交方向には、扇状光線をイメ−ジセンサ−の光
電面上に集束するように構成し、扇状光の広がり方向と
イメ−ジセンサ−の走査方向を一致させる。
【0009】
【作用】まず本発明に至った経緯を説明する。
【0010】本発明者は、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−タや光スイッチに使われている
希土類・鉄・ガ−ネット(RIG)垂直磁化膜の中には
高感度な材料があり、該材料は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−回転は変化しないという漏洩磁束セン
サ−としての優れた特徴を有することが判明した。
【0011】しかしRIG垂直磁化膜は、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
構造を有し、一般の磁界検出センサ−として使用する場
合は、大きなスポットで、その平均値としてファラデ−
回転を検出するため問題ないものの、高感度の材料ほど
帯の幅が広いため、小さい欠陥を検出するため検査用の
光スポットを小さくすると大きなノイズ源になり精度の
良い検出が困難になるということが解った。
【0012】更に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
すいことが判明した。これらのことは光学的走査により
微小な磁界分布を検出する上で場合に依っては大きな測
定誤差を発生させることになる。
【0013】次に本発明者が実験によって得た新しい知
見である光磁気光学効果素子の強い面内磁界下の挙動に
ついて、図3,図4および図5を参照しながら説明す
る。
【0014】図3は、偏光顕微鏡で観察した水平磁界を
かけない状態での磁気効果素子を示すものであるが、ラ
ンダムな方向に延びた白黒ストライプが観察できる。こ
れは垂直磁化膜の磁区模様であり、その面積比は1:1
である。これを光電変換すると、白い部分は正電圧に、
黒い部分は負電圧になる。従来は全体の平均値として磁
界を測定していたため問題はなかった。ストライプの幅
は約40μmであり、割れ系欠陥の幅が100μm程度
であるから無視できない大きさであり、磁区のノイズを
低滅するために、計測用画素を大きくすると、欠陥検出
感度が低くなるという第1の問題がでてきた。
【0015】図4は、向って左右方向に約500エルス
テッドの水平磁界をかけて、同じように磁区模様を観察
したものであるが、白黒の面積比は変わらないものの、
図3に比較してストライプが左右方向に整列しているも
のが多いことがわかる。この素子は垂直方向にはわずか
Hs=40エルステッドで磁気飽和を起こす高感度な材
料であるにもかかわらず、この様な面内方向の強磁界下
においても、面に垂直な方向の平均値としての特性は変
化しないという特徴を持つということが解る。しかし、
整列が部分的に起こるためランダム性は残存しており、
微小なスポットで幅方向にスキャンすると、周波数的に
低い成分が発生するようになるため、ロ−パスフィルタ
−のみではSN比の改善が出来なくなるという第2の問
題点がある。
【0016】図5は、縦方向に筋状の欠陥の有る強磁性
体に強い水平磁界をかけて漏洩磁束を発生させた状態
で、その表面に磁気効果素子を近接させて、偏光顕微鏡
で観察したものであるが、縦方向に延びた欠陥の左側
は、黒い部分8が肥大化し、右側は白い部分9が肥大化
しており、この部分に垂直上下方向の磁界があることが
わかる。また、ストライプの幅が変化している部分にお
いては、ストライプの磁界方向への整列が起きているこ
とが観察できる。一方、垂直磁界の存在しない部分で
は、磁区模様の方向はランダムであり、水平方向の整列
すら起きていない。この測定に使用した材料は、垂直方
向には200エルステッドで磁気飽和を起こす材料であ
る。この様に、材料を選ぶ事により欠陥の存在しない領
域での第2の問題点への対処が可能であり、欠陥の顕在
化特性を向上できる。
【0017】しかるに欠陥部においては、磁界方向への
磁区の整列が発生する事と、このストライプの幅は、5
〜50μm程度であり、割れの幅や、微小介在物の幅と
あまり変わらない。またイメ−ジセンサ−の画素も同程
度であるため、これらの重なり具合によっては検出電圧
に大きなばらつきがでる。
【0018】本発明は以上の知見に基づいてなされたも
のである。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【0020】図1は、本発明に用いる装置の全体構成を
示している。1は扇状光の光源であり、2はそれより射
出する扇状光を示している。3は偏光子であり、4は半
透過鏡、5は光磁気効果素子、6は検光子、7はリニア
アレイイメ−ジセンサ−である。偏光子3は、扇状光2
を扇状光の造る平面に垂直な方向の振動成分のみを直線
偏光させる。4は半透過鏡は扇状光の半分を真直ぐ透過
させ、残りを垂直におりまげて、5の光磁気効果素子に
投射する。光磁気効果素子5は、希土類鉄ガ−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に
て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−ティング、面には全反射
コ−ティングが施されており、膜内に入射した光は
で反射されて垂直方向にでていく。光はファラデ−効果
により、この膜内を往復透過する距離と膜のヴェルデ常
数と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、4の半透過鏡を通
過して検光子6に至る。検光子6は、その偏光軸が偏光
子3に対し45°傾いている。7はリニアアレイイメ−
ジセンサ−であり入射した扇状光を光電変換し、電圧時
系列信号として出力するものである。
【0021】さて、扇状光2は扇状平面に垂直な方向に
は集束光としており、その焦点はイメ−ジセンサ−の光
電変換面となっている。一方、図2は、図1の光学系に
おいて扇状光が広がって行く様子を説明するための模式
図であり、図1の対応する同一の要素には同一の符号を
付して示してある。
【0022】さて、図2においてL1 〔mm〕は扇状光
源1の内部にある扇状光2の焦点位置より磁気光学効果
素子5までの距離であり、L2 〔mm〕は磁気光学効果
素子よりリニアイメ−ジセンサ−7までの距離である。
いま K1 =(L1 +L2 )/L1 ・・・・・・(1) とすると磁気光学効果素子5の上で幅 W1〔mm〕の
像はリニアイメ−ジセンサ−7の位置では 1 倍されて 2 =K 1 ・W 1 ・・・・・・・(2) となる。一方、図1において扇状光源1の出口の縦方向
の径がD0 〔mm〕の磁気光学効果素子5の上での同方
向の径を 1 〔mm〕とする時、先のL1〔mm〕を、扇
状光源1の出口より磁気光学効果素子5までの距離にお
きかえると、 K2 =(L1 +L2 )/L1 ・・・・・・・(3) D1 =1/K2 ・D0 ・・・・・・・(4) とあらわされる。リニアイメ−ジセンサ−7の位置での
径D2 〔mm〕は、レ−ザ−の回折限界により定まり D2 =1.22・λ・(L1 +L2 )/D0 ・・・・(5) で表わされる。ここでλ〔mm〕はレ−ザ−波長であ
る。しかし実際には、これにレンズの収差が加わったも
のとなる。
【0023】このD2 はリニアイメ−ジセンサ−7の画
素より小さく選ぶ事が可能である。従って、リニアイメ
−ジセンサ−の画素の大きさが一辺をa〔mm〕とする
正方形であるとした時、実際に磁界を検出する磁気効果
素子の表面においては、幅方向は 1 分の1、縦方向に
は逆にD1/a倍となり、細長い長方形の視野を持つこ
とができる。
【0024】従って、本発明に用いている光学系を図5
に示す対象に適用し、扇状光の広がり方向と水平磁界を
かける方向を一致させると、イメ−ジセンサ−の視野は
疵の方向に細長くなり、かつストライプの整列方向と直
交しているために、確実に多数の白黒ストライプの平均
化を行うことができる。
【0025】圧延された金属の欠陥は、一般に圧延方向
にのびているから、圧延方向と直交方向に水平磁界をか
けることにより、1mm程度は取ることが出来、充分な
数の磁区の平均化ができ、ばらつきの低減がなされる。
またイメ−ジセンサ−の走査方向については、10μm
以下の分解能が確保でき、合わせて高精度高分解能の理
想的な欠陥検出装置が実現できる。
【0026】なお本発明を用いて広い面積を検査する場
合には、垂直磁界を抑えたままで強力な、かつ一定な水
平磁界を長距離に渡って発生させることが必要である
が、例えば特開昭59−160750号公報に示される
様な均一水平磁界を発生させる全く同一の棒状電磁石
を、実開昭62−111539号公報に示される様に、
2本平行に配置し、その軸対称の線に沿って被検査材を
配置すれば、垂直磁界については打ち消しあい、水平磁
界については強め合うため、強力かつ均一な水平磁界を
得ることが出来る。このようにすれば帯状の被検査材を
幅方向に垂直磁界を抑えながら強力な水平磁界を発生す
る事も可能である。
【0027】また本発明においては、電子的に走査する
ため、走査速度は対象部材を振動させる場合と比較する
と充分に速くする事が可能で、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、例えば、特開
平2−227683号公報において課題としているリフ
トオフ変化による磁界変化の影響は、単純な空間微分処
理のみで除去可能であり、更に疵のパタ−ン認識や疵種
判別が可能になる。
【0028】
【発明の効果】近年オプトエレクトロニクス分野の進歩
はめざましく、光出力半導体レ−ザ−やアイソレ−タ用
の高感度ファラデ−回転材料、大型ファクシミリ用の大
型密着センサ−等が従来に比較して安価に入手できる様
になったため、広幅の扇状光源,高感度垂直磁化膜,広
幅のイメ−ジスキャナ−のいずれもが安価に実現可能で
あり、本発明の装置は従来の小型センサ−を多数並列化
したものと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。
【0029】また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。
【0030】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。
【0031】本発明の装置は、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あらゆる領
域に適用可能であり、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】本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。
【図2】図1の装置を示す模式図である。
【図3】磁界をかけない場合の磁気効果素子の偏光顕微
鏡写真をスケッチした平面図である。
【図4】向って左右方向に磁界をかけた場合の磁気効果
素子の偏光顕微鏡写真をスケッチした平面図である。
【図5】筋状の欠陥の有る強磁性体に強い水平磁界をか
けて、その表面に磁気効果素子を近接させた時の、磁気
効果素子の偏光顕微鏡写真をスケッチした平面図であ
る。
【符号の説明】
1:扇状光光源 2:扇状光 3:偏光子 4:半透過鏡 5:光磁気効果素子 6:検光子 7:リニアアレイイメ−ジスキャナ− 8:黒色ストライプ肥大化部 9:白色ストライプ
肥大化部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光磁気効果を使った磁界測定装置におい
    て、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する光磁気効果素
    子と、これに直線偏光した扇状光線を上方より光磁気効
    果素子全幅に亘って同時に投射する装置と、光磁気効果
    素子膜の底面より正反射した光の偏波面の回転量を光量
    変化に変換する検光子と、光磁気効果素子全幅に対応す
    透過光量を測定するリニアイメ−ジセンサ−とから構
    成されることを特徴とする光磁界分布測定装置。
  2. 【請求項2】 扇状光線を上方から投射する装置は、扇
    状光線の広がり方向に対し直交方向には、扇状光線をイ
    メ−ジセンサ−の光電面上に集束するように構成され、
    扇状光の広がり方向とイメ−ジセンサ−の走査方向とが
    一致するように構成されたことを特徴とする、前記請求
    項1記載の光磁界分布測定装置。
JP3264034A 1991-10-11 1991-10-11 光磁界分布測定装置 Expired - Fee Related JPH081458B2 (ja)

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JPH05100001A JPH05100001A (ja) 1993-04-23
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