(57)【要約】【課題】励磁コイルからの交流磁界と同一周波数となるノイズ成分を打ち消すことにより、バックグラウンドノイズ成分をより小さくした、金属異物検出装置を提供する。【解決手段】本発明に係る金属異物検出装置１Ａ（１）は、交流磁界が透過可能な基体１０に対し、交流磁界を印加する励磁コイル２と、基体の表面あるいは内部に存在する金属異物１１に由来する、交流磁界の磁気変動を検出する磁気センサ４と、交流磁界に対し所定の磁界を発生させることで、磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すキャンセルコイル５と、キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御するキャンセルコイル制御手段６と、を備え、キャンセルコイル制御手段は、磁気センサの出力信号に含まれる、磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が極小となるように、キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流磁界が透過可能な基体に対し、交流磁界を印加する励磁コイルと、
前記基体の表面あるいは内部に存在する金属異物に由来する、交流磁界の磁気変動を検出する磁気センサと、
前記交流磁界に対し所定の磁界を発生させることで、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すキャンセルコイルと、
前記キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御するキャンセルコイル制御手段と、を備え、
前記キャンセルコイル制御手段は、前記磁気センサの出力信号に含まれる、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が極小となるように、前記キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御することを特徴とする、金属異物検出装置。
【請求項２】
バンドパスフィルタ回路またはロックインアンプをさらに備え、
前記バンドパスフィルタ回路または前記ロックインアンプを介して、前記磁気センサからの出力信号成分を検出することを特徴とする、請求項１に記載の金属異物検出装置。
【請求項３】
前記バンドパスフィルタ回路が振動子を用いて構成されており、
前記振動子が、水晶振動子、セラミック振動子、シリコン振動子のいずれかよりなることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属異物検出装置。
【請求項４】
前記磁気センサが、磁界の印加に対して電気的抵抗が変化する磁気抵抗素子、あるいは、磁界の印加に対して電気的インピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子からなることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属異物検出装置。
【請求項５】
前記磁気センサが磁気抵抗素子からなり、
前記磁気センサは、第一の磁気抵抗素子と第二の磁気抵抗素子とを有し、
前記第一の磁気抵抗素子と前記第二の磁気抵抗素子とは、それらの感磁方向が互いに逆方向となるように配されていることを特徴とする、請求項４に記載の金属異物検出装置。
【請求項６】
前記励磁コイルにコンデンサが接続されてなる共振回路を、さらに備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の金属異物検出装置。
【請求項７】
交流磁界が透過可能な基体に対し、交流磁界を印加する励磁コイルと、
前記基体の表面あるいは内部に存在する金属異物に由来する、交流磁界の磁気変動を検出する磁気センサと、
前記交流磁界に対し所定の磁界を発生させることで、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すキャンセルコイルと、
前記励磁コイルの駆動電流および位相を制御する励磁コイル制御手段と、を備え、
前記励磁コイル制御手段は、前記磁気センサの出力信号に含まれる、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が極小となるように、前記励磁コイルの駆動電流および位相を制御することを特徴とする、金属異物検出装置。
【請求項８】
交流磁界が透過可能な金属基体に対し、交流磁界を印加する励磁コイルと、
前記金属基体の表面あるいは内部に存在する欠陥に由来する、前記交流磁界の磁気変動を検出する磁気センサと、
前記交流磁界に対し所定の磁界を発生させることで、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すキャンセルコイルと、
前記キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御するキャンセルコイル制御手段と、を備え、
前記キャンセルコイル制御手段は、前記磁気センサの出力信号に含まれる、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が最小（極小）となるように、前記キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御することを特徴とする、渦電流探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属異物を対象とした非破壊検査に用いられる金属異物検出装置、および、金属基体を対象とした非破壊検査に用いられる渦電流探傷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気を用いて金属異物を検出する方法には、金属異物に対して直流磁界を印加して検出する方法と、交流磁界を印加して検出する方法がある。
金属異物に対して直流磁界を印加して検出する方法では、金属異物を帯磁させるため検出対象の金属異物が磁性材料である必要があり、非磁性材料の検出に用いることはできない。
【０００３】
金属異物に対して交流磁界を印加して検出する方法では、金属異物が磁性材料の場合では帯磁による磁界変動を検出し、金属異物が非磁性材料の場合では、交流磁界により金属異物内部に発生する渦電流による二次的な磁界を検出する。このため、この方法は、金属異物が磁性／非磁性であるにも関わらず検出可能となり、混入する金属異物の種類が不特定である場合には非常に有効な方法である。
【０００４】
非磁性材料である金属異物を検出する方法には、検出コイル、磁気センサを用いる方法が知られている。
検出コイルを用いた方法では、特許文献１のように「渦電流によって生じる磁束変化によってもたらされる、検知コイルにおけるインダクタンスの変化を位相の変化として捉える」ことにより金属異物の検出を行っている。しかしながらこの方法では、感度が小さい、周波数特性が悪い、検知部のサイズが大きい、という問題点がある。
【０００５】
磁気センサを用いた方法として、ＳＱＵＩＤ、フラックスゲート、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子を用いた方法がある。ＳＱＵＩＤを用いた方法では感度の点で非常に優れているが、液体ヘリウムによる冷却を必要とするため、経済性が悪く、検知部のサイズが大きくなるという問題点がある。またフラックスゲートを用いた方法では、小型にすると巻線数が下がるためＳＮＲが低下する、周波数特性が悪い、という問題点がある。磁気抵抗崇子、磁気インピーダンス素子を用いた場合、高感度、広い周波数特性、小型、の要件を満たすことができるため、金属異物の検出に適している。
【０００６】
しかしながら、金属異物内部に発生する渦電流から生じる二次的な磁界の強度は弱く、励磁コイルからの交流磁界により磁気センサ出力に影響する成分、例えば励磁コイルからの交流磁界によりセンサ配線に誘起される電圧や、センサ周辺のピンや磁石等の金属製の構成材内部に発生する渦電流により生じる二次的な磁界、等によりＳＮＲが低下するという問題点がある。また渦電流の位相は表面からの深さに比例して遅れが生じるため、金属製の構成材内部に発生する渦電流により生じる二次的な磁界は位相遅れが生じる。さらには、センサの傾きや磁界内の位置によっては、センサ配線や金属製の構成材に加わる磁界も変化するため、信号成分と同―周波数のバックグランドノイズ全体の振幅と位相は一定でなく、センサや装置毎の個体差が生じる。
【０００７】
また、特許文献２、特許文献３には、ＳＱＵＩＤを用いた構成が記載されている。何れの文献においても、キャンセルコイルを備えているが、励磁コイルと同じ大きさで逆符号の信号によりキャンセルコイルを駆動する方式であり、位相の制御は行っていない。
特許文献４では、薄膜フラックスゲート型磁気センサを用いており、異なる構成となっている。また振幅および位相を調整しているが、これは励磁コイルからの交流磁界が磁気センサに直接作用することによって生じたノイズ成分を打ち消すためであり、励磁コイルからの交流磁界がセンサ配線や金属製の構成材に作用することによって間接的に生じるノイズ成分を打ち消すものではない。
したがって、特許文献１乃至４に示すような従来技術では、励磁コイルからの交流磁界と同一周波数となるノイズ成分を打ち消すことにより、バックグラウンドノイズ成分の抑制を図ることが極めて困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２３０６０５号公報
【特許文献２】特開平４−２２１７５７号公報
【特許文献３】特開平８−１５２２９号公報
【特許文献４】特開２００１−３３４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、励磁コイルからの交流磁界と同一周波数となるノイズ成分を打ち消すことにより、バックグラウンドノイズ成分の抑制を図ることが可能な、金属異物検出装置を提供することを第一の目的とする。
また、励磁コイルからの交流磁界と同一周波数となるノイズ成分を打ち消すことにより、バックグラウンドノイズ成分の抑制を図ることが可能な、渦電流探傷装置を提供することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に記載の金属異物検出装置は、交流磁界が透過可能な基体に対し、交流磁界を印加する励磁コイルと、前記基体の表面あるいは内部に存在する金属異物に由来する、交流磁界の磁気変動を検出する磁気センサと、前記交流磁界に対し所定の磁界を発生させることで、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すキャンセルコイルと、前記キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御するキャンセルコイル制御手段と、を備え、前記キャンセルコイル制御手段は、前記磁気センサの出力信号に含まれる、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が極小となるように、前記キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御することを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の金属異物検出装置は、請求項１において、バンドパスフィルタ回路またはロックインアンプをさらに備え、前記バンドパスフィルタ回路または前記ロックインアンプを介して、前記磁気センサからの出力信号成分を検出することを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の金属異物検出装置は、請求項１または２において、前記バンドパスフィルタ回路が振動子を用いて構成されており、前記振動子が、水晶振動子、セラミック振動子、シリコン振動子のいずれかよりなることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の金属異物検出装置は、請求項１乃至３のいずれか一項において、前記磁気センサが、磁界の印加に対して電気的抵抗が変化する磁気抵抗素子、あるいは、磁界の印加に対して電気的インピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子からなることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の金属異物検出装置は、請求項４において、前記磁気センサが磁気抵抗素子からなり、前記磁気センサは、第一の磁気抵抗素子と第二の磁気抵抗素子とを有し、前記第一の磁気抵抗素子と前記第二の磁気抵抗素子とは、それらの感磁方向が互いに逆方向となるように配されていることを特徴とする。
本発明の請求項６に記載の金属異物検出装置は、請求項１乃至５のいずれか一項において、前記励磁コイルにコンデンサが接続されてなる共振回路を、さらに備えることを特徴とする。
本発明の請求項７に記載の金属異物検出装置は、交流磁界が透過可能な基体に対し、交流磁界を印加する励磁コイルと、前記基体の表面あるいは内部に存在する金属異物に由来する、交流磁界の磁気変動を検出する磁気センサと、前記交流磁界に対し所定の磁界を発生させることで、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すキャンセルコイルと、前記励磁コイルの駆動電流および位相を制御する励磁コイル制御手段と、を備え、前記励磁コイル制御手段は、前記磁気センサの出力信号に含まれる、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が極小となるように、前記励磁コイルの駆動電流および位相を制御することを特徴とする。
本発明の請求項８に記載の渦電流探傷装置は、交流磁界が透過可能な金属基体に対し、交流磁界を印加する励磁コイルと、前記金属基体の表面あるいは内部に存在する欠陥に由来する、前記交流磁界の磁気変動を検出する磁気センサと、前記交流磁界に対し所定の磁界を発生させることで、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すキャンセルコイルと、前記キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御するキャンセルコイル制御手段と、を備え、前記キャンセルコイル制御手段は、前記磁気センサの出力信号に含まれる、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が最小（極小）となるように、前記キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属異物検出装置において、励磁コイルからの交流磁界により磁気センサ出力に影響する成分に起因する、同一周波数のバックグランドノイズ成分を、キャンセルコイル制御手段を用いて駆動電流や位相を制御している。これにより、従来よりもバックグラウンドノイズ成分の抑制が図れるので、本発明は高感度な金属異物検出装置の提供に貢献する。
また、本発明によれば、金属異物検出装置において、励磁コイルからの交流磁界により磁気センサ出力に影響する成分に起因する、同一周波数のバックグランドノイズ成分を、励磁コイル制御手段を用いて駆動電流や位相を制御している。このように、「キャンセルコイル制御手段」に代えて「励磁コイル制御手段」を用いた場合でも、従来よりもバックグラウンドノイズ成分の抑制が図れるので、本発明は高感度な金属異物検出装置の提供に寄与する。
【００１２】
さらに、本発明によれば、渦電流探傷装置において、励磁コイルからの交流磁界により磁気センサ出力に影響する成分に起因する同一周波数のバックグランドノイズ成分を、キャンセルコイル制御手段を用いて駆動電流や位相を制御している。これにより、従来よりもバックグラウンドノイズ成分の抑制が図れるので、本発明は高感度な渦電流探傷装置をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る金属異物検出装置の一構成例を模式的に示す図。
【図２】本発明に係る金属異物検出装置の一構成例を模式的に示す図。
【図３】金属異物を検出する際の、磁気センサからの出力信号の波形を示す図。
【図４】キャンセルコイルの駆動電流とノイズ出力との関係を示す図。
【図５】キャンセルコイルの位相とノイズ出力との関係を示す図。
【図６】キャンセルコイルの駆動電流および位相を決定するための手順を示すフローチャート。
【図７】２つの磁気抵抗素子を有する磁気センサの一例を示す平面図。
【図８】ブリッジ回路の一構成例を模式的に示す図。
【図９】本発明に係る金属異物検出装置の他の一構成例を模式的に示す図。
【図１０】本発明に係る金属探傷装置の一構成例を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、本発明に係る金属異物検出装置および渦電流探傷装置の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１５】
＜第一実施形態＞
図１および図２は、本実施形態に係る金属異物検出装置の一構成例を模式的に示す図である。ここで、図１は、異物検知を行う前に、信号成分と同一周波数のバックグランドノイズのキャンセルを行う際のブロック図であり、図２は、異物検出を行う際のブロック図である。また、図３は、この金属異物検出装置を用いて金属異物を検出する際の、磁気センサからの出力信号の波形を示す図である。
【００１６】
この金属異物検出装置１Ａ（１）は、励磁コイル２と、励磁コイル制御手段３と、磁気センサ４と、キャンセルコイル５と、キャンセルコイル制御手段６と、バンドパスフィルタ回路７と、ブリッジ回路８と、を備える。
励磁コイル２は、交流磁界が透過可能なシート体（基体）１０に対し、交流磁界を印加する。なお、本発明における「交流磁界が透過可能なシート体（基体）１０」は、「金属異物に由来する磁気変動が透過可能な基体」あるいは「渦電流により生じた二次的な磁界が透過可能な基体」と換言することもできる。
励磁コイル制御手段３は、励磁コイル２の駆動電流および位相を制御する。
【００１７】
励磁コイル２にコンデンサが接続されてなる共振回路（図示略）をさらに備えていることが好ましい。励磁コイル２にコンデンサを接続した共振回路を用い、共振回路の共振周波数近辺にて励磁コイル２を駆動することにより、共振回路のインピーダンスが小さくなり、励磁コイル２に対してより多くの電流を流せるようになる。このため、金属異物１１に印加する交流磁界強度が大きくなり磁気センサ４からの出力信号が大きくなる。
【００１８】
磁気センサ４（感磁素子）は、シート体１０の表面あるいはシート体１０の内部に存在する金属異物１１に由来する、交流磁界の磁気変動を検出する。
磁気センサ４としては、磁界の印加に対して電気的抵抗が変化する異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）、ナノグラニュラ膜と軟磁性薄膜からなるトンネル磁気抵抗素子などの磁気抵抗素子や、磁界の印加に対して電気的インピーダンスが変化する、軟磁性材料により構成されるアモルファスワイヤあるいは薄膜からなる磁気インピーダンス素子が用いられる。
このような磁気センサ４は、その感磁方向が、励磁コイル２による交流磁界と垂直となるように、励磁コイル２の直下に配置されている。
【００１９】
磁気センサ４には、バルク磁石（図示略）により、バイアス磁界が印加されていてもよい。バルク磁石には、例えば、サマリウムとコバルトを主成分とするＳｍＣｏ磁石を用いる。磁石の形状は、例えば、０．８ｍｍ２×０．５ｍｍ厚の角型に加工されたもので、磁極面が０．８ｍｍ２の両面となるように着磁されている。
バルク磁石としては、サマリウムとコバルトを主成分とするＳｍＣｏ磁石以外に、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石や、酸化鉄を主成分とするフェライト磁石、アルミニウムとニッケルとコバルトと鉄を主成分とするアルニコ磁石、鉄とクロムとコバルトを主成分とする磁石を用いることができる。本実施形態では、温度安定性が良好であり、加工性の良いＳｍＣｏ磁石を用いる。
【００２０】
磁気センサ４からの出力信号成分は、バンドパスフィルタ回路７を介して検出することが好ましい。バンドパスフィルタ回路７を用い通過周波数の帯域幅を狭めることにより、信号成分と異なる周波数のノイズ成分を低減可能になる。このため、出力信号成分とノイズ成分の比であるＳＮＲが向上する。
【００２１】
特に、バンドパスフィルタ回路７が、振動子を用いて構成されていることが好ましい。高Ｑとなる（選択度の高い）振動子を用いて構成したバンドパスフィルタ回路７を用いることにより、通過周波数の帯域幅をさらに狭めることが可能になり、信号成分と異なる周波数のノイズ成分を大幅に低減可能になる。このような振動子としては、例えば、水晶振動子、セラミック振動子、シリコン振動子などが挙げられる。
【００２２】
なお、本実施形態では、バンドパスフィルタ回路７を備えた場合を例に挙げて説明したが、バンドパスフィルタ回路７に代えて、ロックインアンプを備えていてもよい。
このような金属異物検出装置１Ａ（１）を用いて、金属異物検出を行う際には、励磁コイル制御手段３により励磁コイル２が駆動され、交流磁界が印加される。このとき、磁気センサ４出力には、励磁コイル２からの交流磁界により直接的または間接的に同一周波数のバックグランドノイズが生じる。これらのバックグランドノイズを最小化するために、キャンセルコイル５が配されている。
【００２３】
キャンセルコイル５は、励磁コイル２による交流磁界に対し所定の磁界を発生させることにより、磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消す。
キャンセルコイル５は、ブリッジ回路８、バンドパスフィルタ回路７を通して出力された成分に応じて、励磁コイル２と対面するように直下に配置されている。
【００２４】
キャンセルコイル制御手段６は、キャンセルコイル５の駆動電流および位相を制御する。キャンセルコイル制御手段６を用いて、キャンセルコイル５の駆動電流および位相を制御することにより、磁気センサ４の出力信号から、バックグランドノイズ成分をキャンセルする。
【００２５】
ここで、本発明の金属異物検出装置１Ａ（１）は、キャンセルコイル制御手段６が、前記磁気センサ４の出力信号に含まれる、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が極小となるように、キャンセルコイル５の駆動電流および位相を制御する。
【００２６】
図４は、位相φを一定にした状態で、電流Ｉを変化させた場合の、キャンセルコイル５の駆動電流Ｉとノイズ出力ＶＮ  との関係を示す図である。
図４（ａ）〜図４（ｃ）は順に、位相をそれぞれ特定の数値φ１  、φ２  、φ３  に一定とした場合における、キャンセルコイル５の駆動電流Ｉ（横軸）とノイズ出力ＶＮ  （縦軸）との関係を示している。
駆動電流Ｉを変化させたときに、ノイズ出力ＶＮ  は必ずしも極小値を有するとは限らない。以下では、図４を用いて、その事例を個別に説明する。
図４（ａ）は、駆動電流Ｉが大きくなるにつれてノイズ出力ＶＮ  が大きくなる事例であり、右肩上がりのグラフとなる。図４（ｂ）は、駆動電流Ｉが大きくなるにつれてノイズ出力ＶＮ  が小さくなる事例であり、右肩下がりのグラフとなる。すなわち、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すグラフでは、極小値を有さない。これに対し、図４（ｃ）は、駆動電流Ｉが大きくなるにつれてノイズ出力が下向きに凸状を成するように変化し、極小値ＶＮ１を有する事例である。このとき（極小値ＶＮ１が観測されたとき）の駆動電流値をＩＳ  とする。
【００２７】
これに対して、図５は、駆動電流Ｉを特定の数値に一定とした場合における、キャンセルコイル５の位相φ（横軸）とノイズ出力ＶＮ  （縦軸）との関係を示す図である。図５には、極小値を有する事例のみを示しているが、図４の場合と同様に、位相φを変化させた場合も、ノイズ出力ＶＮ  は必ずしも極小値を有するとは限らない。
【００２８】
そこで、本発明者らは、ノイズ出力ＶＮ  が最小となる条件（駆動電流Ｉと位相φとの組み合わせ）を決定する手法を検討した。
すなわち、本発明では、まずキャンセルコイル５の駆動電流Ｉを変化させながら、ノイズ出力ＶＮ  が極小となる電流値ＩＳ  を求める。次に、その電流値ＩＳ  において、今度はキャンセルコイル５の位相φを変化させながら、ノイズ出力ＶＮ  が極小となる位相φＳ  を求める。すなわち、「キャンセルコイル５の駆動電流Ｉと位相φとに対して繰り返し極小値を探すことにより、最終的にノイズ出力の最小値が得られる駆動電流Ｉと位相φとの組み合わせを求める手法」が、本発明の骨子である。
以下では、図６を用いて、本発明の手法を詳細に説明する。
【００２９】
図６は、本発明において、キャンセルコイル制御手段６が、キャンセルコイル５の駆動電流および位相を決定するための手順を示すフローチャートであり、「最終的にノイズ出力の最小値が得られる駆動電流Ｉと位相φとの組み合わせを求める手法」を表している。このフローチャートの実行は、図１の構成、すなわち、金属異物１１が影響しない状況下において行われる。
【００３０】
まず第１ステップ（Ｓ１）において、キャンセルコイル５の位相φを一定として、駆動電流Ｉを変化させながら、ノイズ出力ＶＮ１を求める。
次に第２ステップ（Ｓ２）において、ノイズ出力ＶＮ１が極小値であるか否かを判断する。すなわち、図４（ｃ）のグラフが観測されるか否かにより、この判断は行われる。
ノイズ出力ＶＮ１が極小値ではない場合、すなわち、図４（ａ）や図４（ｂ）に示すグラフが観測された場合は「ＮＯ」と判断され、ステップＳ１に戻り、再び電流Ｉを変化させて、ノイズ出力ＶＮ１を求める。
ノイズ出力ＶＮ１の極小値が得られるまで、このループ（Ｌａ：Ｓ１→Ｓ２→ＮＯ→Ｓ１）を繰り返し実行する。
【００３１】
上記ループＬａによって、ノイズ出力ＶＮ１が極小値をもつ場合（「駆動電流Ｉと位相φの組み合わせ」が確認された場合）は「ＹＥＳ」と判断され、第３ステップ（Ｓ３）に進む。
第３ステップ（Ｓ３）においては、第２ステップ（Ｓ２）で確認された「極小値であるノイズ出力ＶＮ１」が、「駆動電流Ｉを一定として、位相φを変化させた場合のノイズ出力ＶＮ２（初回のみ、予め設定した所定の数値を用いる。２回目以降は、後述する第５ステップ（Ｓ５）において得られたノイズ出力ＶＮ２を用いる）」と比べて、小さいか否かを判定する。
【００３２】
第２ステップ（Ｓ２）で確認された「極小値であるノイズ出力ＶＮ１」が、ノイズ出力ＶＮ２よりも小さい場合（Ｙｅｓ：ＶＮ２＞ＶＮ１）には、次の第４ステップ（Ｓ４）に進む。
第２ステップ（Ｓ２）で確認された「極小値であるノイズ出力ＶＮ１」が、ノイズ出力ＶＮ２よりも大きいか、又は等しい場合（Ｙｅｓ：ＶＮ２≦ＶＮ１）には、次の第４ステップ（Ｓ４）には進まず、本フローチャートを終了する「ＥＮＤ」へ進み、この時点における駆動電流と位相との組み合わせにより、ノイズ出力ＶＮ  の最小値が得られたと判断する。
【００３３】
前段の第３ステップ（Ｓ３）でＹｅｓ（ＶＮ２＞ＶＮ１）と判断された場合は、第４ステップ（Ｓ４）において、キャンセルコイル５の駆動電流Ｉを一定として、位相φを変化させることにより、ノイズ出力ＶＮ２を求める。
次に第５ステップ（Ｓ５）において、ノイズ出力ＶＮ２が極小値であるか否かを判断する。すなわち、図５のグラフが観測されるか否かにより、この判断は行われる。
ノイズ出力ＶＮ２が極小値を持たない場合、すなわち、極小値が観測されず、単調増加あるいは単調減少が観測された場合は「ＮＯ」と判断され、ステップＳ４に戻り、再び位相φを変化させて、ノイズ出力ＶＮ２を求める。
ノイズ出力ＶＮ２の極小値が得られるまで、このループ（Ｌｂ：Ｓ４→Ｓ５→ＮＯ→Ｓ４）を繰り返し実行する。
【００３４】
上記ループＬｂによって、ノイズ出力ＶＮ２が極小値をもつ場合（「駆動電流Ｉと位相φの組み合わせ」が確認された場合）は「ＹＥＳ」と判断され、第６ステップ（Ｓ６）に進む。
第６ステップ（Ｓ６）においては、第５ステップ（Ｓ５）で確認された「極小値であるノイズ出力ＶＮ２」が、「位相φを一定として、駆動電流Ｉを変化させた場合のノイズ出力ＶＮ１（前述した第２ステップ（Ｓ２）において得られたノイズ出力ＶＮ１を用いる）」と比べて、小さいか否かを判定する。
【００３５】
第５ステップ（Ｓ５）で確認された「極小値であるノイズ出力ＶＮ２」が、ノイズ出力ＶＮ１よりも小さい場合（Ｙｅｓ：ＶＮ１＞ＶＮ２）には、次のＥＮＤには進まず、もう一度、第１ステップ（Ｓ１）に戻る。
第５ステップ（Ｓ５）で確認された「極小値であるノイズ出力ＶＮ２」が、ノイズ出力ＶＮ１よりも大きいか、又は等しい場合（Ｎｏ：ＶＮ１≦ＶＮ２）には、第１ステップ（Ｓ１）には戻らず、本フローチャートを終了する「ＥＮＤ」へ進み、この時点における駆動電流と位相との組み合わせにより、ノイズ出力ＶＮ  の最小値が得られたと判断する。
【００３６】
このように、本発明では、まずキャンセルコイル５の位相φを固定して、駆動電流Ｉを変化させることにより、ノイズ出力ＶＮ１の極小値が観測される電流値（駆動電流Ｉ）を求める。その電流値（駆動電流Ｉ）において、今度はキャンセルコイル５の位相φを変化させることにより、ノイズ出力ＶＮ２のが極小値が観測される位相φを求める。すなわち、キャンセルコイル５の駆動電流Ｉと位相φについて繰り返し、ノイズ出力ＶＮ  の「極小値」を探すことにより、最終的にノイズ出力の「最小値」が得られる駆動電流Ｉと位相φとの組み合わせを求める。これにより、磁気センサ４の出力信号に含まれるノイズ成分を、従来より低レベルに抑えることが可能となる。
なお、上述した例では、まず駆動電流Ｉを変化させたが、先に位相φを変化させて、その後に、駆動電流Ｉを変化させても構わない。
【００３７】
図２は、図１の金属異物検出装置１Ａ（１）を用いて異物検出を行う際のブロック図を示している。
励磁コイル制御手段３により励磁コイル２が駆動され、シート体１０に対して交流磁界が印加される。シート体１０上の金属異物１１に対して、励磁コイル２から交流磁界を印加することで、金属異物１１が磁性材料の場合は、帯磁による磁界変動が生じる。金属異物１１が非磁性材料の場合は、交流磁界により金属異物１１内部に発生する渦電流による二次的な磁界変動が生じる。
磁気センサ４は、感磁方向が励磁コイル２による交流磁界と垂直となる（直交する）ように、励磁コイル２の直下、かつ、金属異物１１を含むシート体１０の下側に配置される構成が好ましい。
【００３８】
キャンセルコイル制御手段６は、上述した方法により求められた「バックグランドノイズ成分ＶＮ  」を、キャンセルした際の駆動電流と位相を用いて、キャンセルコイル５を駆動する。励磁コイルからの交流磁界により磁気センサ出力に影響する成分に起因する同一周波数のバックグランドノイズ成分を、キャンセルコイル制御手段を用いて駆動電流や位相を制御して補正することにより、出力信号成分とノイズ成分の比であるＳＮＲを向上することができる。
【００３９】
そして、バンドパスフィルタ回路７を通すことにより、素子起因の雑音や外部環境磁界による雑音を除去して、磁気センサ４からの出力を検出する。これにより、雑音の影響を小さくして金属異物１１に由来する磁気変動を検出することが可能になる。また、各装置毎に駆動電流や位相を制御することにより、個体差を減らし安定して出力信号成分を検出することが可能になる。
【００４０】
図３は、図１および図２に示した金属異物検出装置１Ａ（１）を用いて、非磁性材からなる金属異物１１を検出する際の、磁気センサ４からの出力信号の波形を示している。
出力信号は、一定の交流磁界内において磁気センサ４と金属異物１１間の距離によって変わる。そのため、磁気センサ４の感磁方向に沿って磁気センサ４の直上を通って金属異物１１を移動させると、出力信号は図３で示したような形状になる。出力信号は、金属異物１１内部に発生する渦電流による二次的な磁界変動によるものであるため、交流信号になっているが、ここではその振幅値をとることにより信号としている。金属異物１１が磁気センサ４の直上にある場合（すなわち、金属異物１１が磁気センサ４に最接近する狭い領域にある場合）は、金属異物１１内部に発生する渦電流による二次的な磁界変動が相殺されるため、信号が小さくなる。
【００４１】
なお、上述した実施形態では、磁気センサ４として１つの磁気抵抗素子を備える場合を例として説明したが、図７に示すように、磁気センサ４は、磁気抵抗素子を２つ備えていてもよい。
すなわち、磁気センサ４は、第一の磁気抵抗素子４ａと第二の磁気抵抗素子４ｂとを有し、第一の磁気抵抗素子４ａと第二の磁気抵抗素子４ｂとは、それらの感磁方向が互いに逆方向となるように配されている。２つの磁気抵抗素子４ａ，４ｂを、それらの感磁方向が互いに逆方向となるように配することにより、環境磁界や素子自身の特性に起因する雑音の影響を大幅に低減可能になる。
【００４２】
また、磁気センサ４を構成する磁気抵抗素子は、図８に示すように、ブリッジ回路８を構成していてもよい。２つの磁気抵抗素子４ａ，４ｂ（４）を有する場合、図８に示すように、それらの感磁方向が互いに逆方向となるように配して磁気検出ブリッジ回路８を構成することにより、環境磁界や素子自身の特性に起因する雑音の影響を大幅に低減可能になる。なお、磁気抵抗素子が１つのみの場合は、図８における磁気抵抗素子４ａの部分に配すればよい。
【００４３】
また、上述した実施形態では、磁気センサ４の出力信号に含まれるノイズ成分が極小となるように、キャンセルコイル５の駆動電流と位相の制御を行った、しかし、本発明はこれに限定されず、励磁コイル２の駆動電流と位相の制御を行う構成としてもよい。
すなわち、金属異物検出装置１Ａ（１）において、励磁コイル制御手段３は、磁気センサ４の出力信号に含まれる、磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が極小となるように、励磁コイル２の駆動電流および位相を制御してもよい。
【００４４】
励磁コイル２の駆動電流および位相を決定するための手順は、キャンセルコイル５の駆動電流および位相を決定するための手順とほぼ同様であるので（図６参照）、その具体的な説明は省略する。
すなわち、まず、励磁コイル２の駆動電流を変化させながら、ノイズ出力が極小となる電流値を求める。その電流値において、今度は励磁コイル２の位相を変化させながら、ノイズ出力が極小となる位相を求める。すなわち、励磁コイル２の駆動電流と位相とに対して繰り返し極小値を探すことにより、最終的にノイズ出力の最小値が得られる駆動電流と位相との組み合わせを求める。これにより、磁気センサ４の出力信号に含まれるノイズ成分をより最小限に抑えることができる。
【００４５】
また、上述した実施形態では、励磁コイル２とキャンセルコイル５の大きさは同じとしたが、必ずしも同じである必要はなく、キャンセルコイル５の径を小さくしてもよい。キャンセルコイル５の径を小さくすることにより、効率的に磁気センサ４の出力信号のノイズ成分のキャンセルを行うことが可能になる。
【００４６】
＜第二実施形態＞
図９は、本発明の第二実施形態にかかる金属異物検出装置１Ｂ（１）の一例を示す図である。
なお、以下の説明では、上述した実施形態と略同一の部分に関しては同一の符号を付するとともに、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
この金属異物検出装置１Ｂ（１）は、シート体１０を搬送する移送機構を有している。移送機構は、例えば搬送ローラー２０である。
移送機構により一方向に移動しているシート体１０に対して、図１、２と同様の構成により、金属異物１１の検出を行う。移送機構によりシート体１０を搬送しながら検査を行うことにより、例えば生産現場においてラインを止めることなく、逐次的に非接触で金属異物１１検査を行うことが可能になる。
【００４８】
＜渦電流探傷装置３０＞
図１０は、本発明の渦電流探傷装置３０の一構成例を示す図であり、金属シート体１５の表面あるいは金属シート体１５内の欠陥１６を検出する渦電流探傷を行う際のブロック図である。
なお、以下の説明では、上述した金属異物検出装置１Ａ（１）と略同一の部分に関しては同一の符号を付するとともに、その詳細な説明は省略する。
【００４９】
この渦電流探傷装置３０は、交流磁界が透過可能な金属シート体（金属基体）１５に対し、交流磁界を印加する励磁コイル２と、金属シート体１０の表面あるいは金属シート体１５内に存在する欠陥１６に由来する、交流磁界の磁気変動を検出する磁気センサ４と、交流磁界に対し所定の磁界を発生させることで、磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すキャンセルコイル５と、キャンセルコイル５の駆動電流および位相を制御するキャンセルコイル制御手段６と、を備える。
【００５０】
このような渦電流探傷装置３０を用いて、欠陥検出を行う際には、励磁コイル制御手段３により励磁コイル２が駆動され、交流磁界が印加される。このとき、磁気センサ４出力には、励磁コイル２からの交流磁界により、直接的または間接的に同一周波数のバックグランドノイズが生じる。これらのバックグランドノイズを最小化するために、キャンセルコイル５が配されている。
【００５１】
そしてこの渦電流探傷装置３０では、キャンセルコイル制御手段６が、前記磁気センサ４の出力信号に含まれる、前記磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分が極小となるように、前記キャンセルコイル５の駆動電流および位相を制御する。
【００５２】
キャンセルコイル５の駆動電流および位相を決定するための手順は、上述した金属異物検出装置１Ａ（１）において、キャンセルコイル５の駆動電流および位相を決定する手順と同様であるので（図６参照）、その具体的な説明は省略する。
本発明では、まず駆動電流Ｉを変化させながら、ノイズ出力ＶＮ  が極小となる電流値を求める。その電流値において、今度は位相φを変化させながら、ノイズ出力Ｖが極小となる位相を求める。すなわち、駆動電流Ｉと位相φとに対して繰り返し極小値を探すことにより、最終的にノイズ出力の最小値が得られる駆動電流Ｉと位相φとの組み合わせを求める。これにより、磁気センサ４の出力信号に含まれるノイズ成分をより最小限に抑えることができる。
【００５３】
この渦電流探傷装置３０を用いて欠陥１６の検出を行う際には、励磁コイル制御手段３により励磁コイル２が駆動され、金属シート体１５に対して交流磁界が印加される。金属シート体１５の表面あるいは金属シート体１５の内部の欠陥１６に対して励磁コイル２から交流磁界を印加することで、欠陥１６の不連続部により渦電流の流れが変化して磁界変動が生じる。
磁気センサ４は、感磁方向が励磁コイル２による交流磁界と垂直となるように、励磁コイル２の直下、かつ、金属異物１１を含む金属シート体１５の下側に配置されている。
【００５４】
キャンセルコイル制御手段６は、上述した方法により求められた、バックグランドノイズ成分をキャンセルした際の駆動電流と位相を用いて、キャンセルコイル５を駆動する。励磁コイルからの交流磁界により磁気センサ出力に影響する成分に起因する同一周波数のバックグランドノイズ成分を、キャンセルコイル制御手段を用いて駆動電流や位相を制御して補正することにより、出力信号成分とノイズ成分の比であるＳＮＲを向上することができる。
【００５５】
そして、バンドパスフィルタ回路７を通して素子起因の雑音や外部環境磁界による雑音を除去して、磁気センサ４からの出力を検出する。これにより、雑音の影響を小さくして金属シート体１５の表面あるいは金属シート体１５の内部の欠陥１６に由来する、磁気変動を検出することが可能になる。また、各装置毎に駆動電流や位相を制御することにより、個体差を減らし安定して出力信号成分を検出することが可能になる。
【００５６】
なお、図１０では、金属シート体１５は励磁コイル２の下側に配置されており、磁気センサ４は、感磁方向が励磁コイル２による交流磁界と垂直となるように、励磁コイル２直下、かつ、金属シート体１５の下側に配置されている様子を示したが、本発明は、これに限定されない。たとえば、励磁コイル２の直下に磁気センサ４とキャンセルコイル５を配置し、さらに下側に金属シート体１５を配置しても良い。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。なお、以下の実施例では具体的な数値を挙げて説明しているが、これらの数値はあくまでも一例であり、本発明はこの数値に限定されるものではない。
実施例１および実施例２では、上述したような金属異物検出装置において、異物がない状態で、磁気センサの出力信号に含まれるノイズ成分が極小となるように、キャンセルコイルの駆動電流および位相を制御した。
【００５８】
＜実施例１＞
実施例１では、図１に示したような、磁気センサとして巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）を１つ備えた金属異物検出装置を用いた。
励磁コイル制御手段により３２．７６６１ｋＨｚ、１２９．３Ｖp-p 、０°にて励磁コイル［Ｉ．Ｄ．（内径）＝２０ｍｍ、Ｒ＝０、１９Ω、Ｌ＝０．２０５ｍＨ］を駆動した。磁気センサにはＧＭＲをブリッジ回路の１ゲージとして用いた。
励磁コイル端から磁気センサまでの距離を約６ｍｍ、キャンセルコイル端から磁気センサまでの距離を約４ｍｍとして配置した。励磁コイルとキャンセルコイルからの磁界は、同じ極性の電流により駆動している場合、互いに逆方向になる。
【００５９】
上述した方法により、ノイズ成分が極小となるような、キャンセルコイルの駆動電流と位相との組み合わせを求めた。
キャンセルコイル制御手段を用いてキャンセルコイル［Ｉ．Ｄ．（内径）＝２０ｍｍ、Ｒ＝０．１９Ω、Ｌ＝０．２０５ｍＨ］を同周波数の３２．７６６１ｋＨｚ、５２．９Ｖp-p 、１３１°にて駆動したところ、磁気センサからの出力が、励磁コイル駆動前とほぼ同等になり、同一周波数のノイズ成分を打ち消すことができた。
【００６０】
＜実施例２＞
実施例２では、図７に示したような、磁気センサとして巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）を２つ備えた金属異物検出装置を用いた。
励磁コイル制御手段により３２．７６６１ｋＨｚ、１２９．３Ｖp-p 、０°にて励磁コイル［Ｉ．Ｄ．（内径）＝２０ｍｍ、Ｒ＝０、１９Ω、Ｌ＝０．２０５ｍＨ］を駆動した。磁気センサにはＧＭＲを２つ用い、感磁方向が互いに逆方向となるように、それぞれのＧＭＲに印加するバイアス磁界を互いに逆方向に配置して、ブリッジ回路の電源側の２ゲージとして用いた。励磁コイル端から磁気センサまでの距離を約６ｍｍ、キャンセルコイル端から磁気センサまでの距離を約４ｍｍとして配置した。励磁コイルとキャンセルコイルからの磁界は、同じ極性の電流により駆動している場合、互いに逆方向になる。
【００６１】
上述した方法により、ノイズ成分が極小となるような、キャンセルコイルの駆動電流と位相との組み合わせを求めた。
キャンセルコイル制御手段を用いてキャンセルコイル［Ｉ．Ｄ．（内径）＝２０ｍｍ、Ｒ＝０．１９Ω、Ｌ＝０．２０５ｍＨ］を同周波数の３２．７６６１ｋＨｚ、２７Ｖp-p 、１３．２°にて駆動したところ、磁気センサからの出力が、励磁コイル駆動前とほぼ同等になり、同―周波数のノイズ成分を打ち消すことができた。
【００６２】
実施例３および実施例４では、金属異物がある状態で、金属異物の位置を調整し出力振幅が最大になる位置での信号成分と、出力信号に残留するノイズ成分を比較して、ＳＮＲを求めた。
【００６３】
＜実施例３＞
実施例３では、図１に示したような、磁気センサとしてＧＭＲセンサを１つ備えた金属異物検出装置を用いた。
実施例１の条件でφ３ｍｍのＡｌ球の非磁性材の金属異物検出を行った。金属異物は磁気センサより約１ｍｍ直上の平面内に配置されており、磁気センサの感磁方向に沿って磁気センサの直上を通って金属異物を移動させ、出力信号を検出した。
キャンセルコイル制御手段を用いてキャンセルコイル［Ｉ．Ｄ．（内径）＝２０ｍｍ、Ｒ＝０．１９Ω、Ｌ＝０．２０５ｍＨ］を同周波数の３２．７６６１ｋＨｚ、５２．９Ｖp-p 、１３１°にて駆動した。
【００６４】
このとき、ブリッジ回路から計装アンプ（図示略）を通して得られた信号のＳＮＲは１．１０であった。また計装アンプ後の出力を中心周波数が３２．７７ｋＨｚ、Ｑ≒３０のバンドパスフィルタを通して得られた信号のＳＮＲは１．７７であった。さらにバンドパスフィルタ後の出力を中心周波数が３２．７６６１ｋＨｚの水晶振動子フィルタを通して得られた信号のＳＮＲは１３．８となった。
【００６５】
以上の結果から、キャンセルコイルにより、金属異物に由来する磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すことにより、信号成分となる磁気変動と同一周波数のバックグランドノイズの影響を低減可能になる。
特に、バンドパスフィルタ回路を用い通過周波数の帯威幅を狭めることにより、信号成分と異なる周波数のノイズ成分を低滅可能になるため、出力信号成分とノイズ成分の比であるＳＮＲが向上する。
【００６６】
＜実施例４＞
実施例４では、図に示したような、磁気センサとしてＧＭＲを２つ備えた金属異物検出装置を用いた。
実施例２の条件でφ３ｍｍのＡｌ球の非磁性材の金属異物検出を行った。金属異物は磁気センサより約１ｍｍ直上の平面内に配置されており、磁気センサの感磁方向に沿って磁気センサの直上を通って金属異物を移動させ、出力信号を検出した。
キャンセルコイル制御手段を用いてキャンセルコイル［Ｉ．Ｄ．（内径）＝２０ｍｍ、Ｒ＝０．１９Ω、Ｌ＝０．２０５ｍＨ］を同周波数の３２．７６６１ｋＨｚ、２７Ｖp-p 、１３．２°にて駆動した。
【００６７】
このとき、ブリッジ回路から計装アンプを通して得られた信号のＳＮＲは２．２５であった。また計装アンプ後の出力を中心周波数が３２．７７ｋＨｚ、Ｑ≒３０のバンドパスフィルタを通して得られた信号のＳＮＲは５．１３であった。さらにバンドパスフィルタ後の出力を中心周波数が３２．７６６１ｋＨｚの水晶振動子フィルタを通して得られた信号のＳＮＲは３６．８となった。
【００６８】
以上の結果から、キャンセルコイルにより、金属異物に由来する磁気変動以外の同一周波数のノイズ成分を打ち消すことにより、信号成分となる磁気変動と同一周波数のバックグランドノイズの影響を低減可能になる。
特に、磁気センサとして、２つの磁気抵抗素子をそれらの感磁方向が互いに逆方向となるように配することにより、環境磁界や素子自身の特性に起因する雑音の影響を大幅に低減可能になり、ＳＮＲが向上することが確認された。
【００６９】
また、参考実験として、実施例２の条件でφ１ｍｍのＡｌ球の非磁性材料の金属異物検出を行った。金属異物は磁気センサより約１ｍｍ直上の平面内に配置されており、磁気センサの感磁方向に沿って磁気センサの直上を通って金属異物を移動させて、出力信号を検出した。このとき、ブリッジ回路から計装アンプ、中心周波数が３２．７７ｋＨｚ、Ｑ≒３０のバンドパスフィルタ、さらに中心周波数が３２．７６６１ｋＨｚの水晶振動子フィルタを通して得られた信号のＳＮＲは１．７４となった。より小さい異物も検出可能であるが、一方でＳＮＲは小さくなってしまう。
【００７０】
以上、本発明の金属異物検出装置および渦電流探傷装置について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、金属異物検出装置および渦電流探傷装置に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１Ａ，１Ｂ（１）  金属異物検出装置、２  励磁コイル、３  励磁コイル制御手段、４  磁気センサ、５  キャンセルコイル、６  キャンセルコイル制御手段、７  バンドパスフィルタ回路、８  ブリッジ回路、１０  シート体（基体）、１１  金属異物、１５  金属シート体（金属基体）、１６  欠陥、３０  渦電流探傷装置。
【図１】
2015102513.tif 000003
【図２】
2015102513.tif 000004
【図３】
2015102513.tif 000005
【図４】
2015102513.tif 000006
【図５】
2015102513.tif 000007
【図６】
2015102513.tif 000008
【図７】
2015102513.tif 000009
【図８】
2015102513.tif 000010
【図９】
2015102513.tif 000011
【図１０】
2015102513.tif 000012