(57)【要約】【課題】多くのコストを要することなく簡単な構成で微小凹凸表面欠陥を精度高く検出すること。【解決手段】本発明に係る微小凹凸表面欠陥の検出装置は、鋼板上の微小凹凸表面欠陥を検出する微小凹凸表面欠陥の検出装置であって、鋼板に磁場を印加する直流電源１１と、微小凹凸表面欠陥による鋼板の歪みに起因する磁気信号を検知するトンネル磁気抵抗素子１と、トンネル磁気抵抗素子１によって検知された磁気信号に基づいて微小凹凸表面欠陥を検出する直流電圧測定部１３と、を備えている。これにより、多くのコストを要することなく簡単な構成で微小凹凸表面欠陥を精度高く検出することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板上の微小凹凸表面欠陥を検出する微小凹凸表面欠陥の検出方法であって、
鋼板に磁場を印加し、トンネル磁気抵抗素子を利用して微小凹凸表面欠陥による鋼板の歪みに起因する磁気信号を検知することによって微小凹凸表面欠陥を検出するステップを含むことを特徴とする微小凹凸表面欠陥の検出方法。
【請求項２】
前記磁場の大きさが鋼板の飽和磁束密度の７５％未満の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の微小凹凸表面欠陥の検出方法。
【請求項３】
前記トンネル磁気抵抗素子の磁場感度方向が鋼板の表面垂直方向に略一致するように前記トンネル磁気抵抗素子を配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の微小凹凸表面欠陥の検出方法。
【請求項４】
鋼板上の微小凹凸表面欠陥を検出する微小凹凸表面欠陥の検出装置であって、
鋼板に磁場を印加する磁場印加手段と、
微小凹凸表面欠陥による鋼板の歪みに起因する磁気信号を検知するトンネル磁気抵抗素子と、
前記トンネル磁気抵抗素子によって検知された磁気信号に基づいて微小凹凸表面欠陥を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする微小凹凸表面欠陥の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板に形成された微小凹凸表面欠陥の検出方法及び検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼板の製造プロセスでは、製造ライン内に設置されているロールに付着した異物やその異物がロールに噛み込まれることによってロール表面に形成された凹凸が鋼板に転写されることにより、ロール性欠陥が発生することがある。このロール性欠陥の中には、板厚が０．８〜１．６ｍｍの範囲内にある薄鋼板の表面粗さＲａが０．５〜２μｍの範囲内にある粗面中に存在し、なだらかな輪郭(曲率半径Ｒ≧１０ｍｍ)を有し、凹凸量５μｍ以下、面積１０ｍｍ２以上の微小凹凸表面欠陥がある。この微小凹凸表面欠陥の面積は１０〜数十ｍｍ２程度であるが、その凹凸量は５μｍ以下、最も小さいものにあっては１μｍ前後と、薄鋼板の表面粗さＲａと同じオーダーの非常に小さいものである。
【０００３】
凹凸量が比較的大きい大部分のロール性欠陥は、視認可能であるために製造ライン上での発見も容易である。しかしながら、微小凹凸表面欠陥は、凹凸量が薄鋼板の表面粗さＲａと同じオーダーであり、光学的な差が小さいために、そのままの状態で観察しても発見することは難しく、製造ライン上での発見は困難である。ところが、微小凹凸表面欠陥は、薄鋼板が塗装され、塗料に埋められることによって薄鋼板の表面粗さＲａが滑らかになると、明瞭に見えるようになり、外観上大きな問題となる。そのため、薄鋼板を塗装する前に微小凹凸表面欠陥を発見することは品質管理上重要な問題である。
【０００４】
微小凹凸表面欠陥の形態としては、ロール疵のような点状の疵や、線状マークや絞りマークのような薄鋼板の長手方向に続く疵がある。微小凹凸表面欠陥は、ロールに形成された凹凸が薄鋼板に転写されることによって発生し、一旦発生するとロールを交換したり、製造プロセスを改善したりするまで連続的に発生する。このため、微小凹凸表面欠陥を早期に発見して対策を講じることは、歩留向上の点からも極めて重要である。
【０００５】
従来、微小凹凸表面欠陥を発見するために、薄鋼板の製造プロセスの各検査ラインにおいては、全てのコイルについて、操業中に薄鋼板の走行を停止し、検査員が薄鋼板に対して砥石がけを行った後に目視検査を行っている。薄鋼板に対して砥石がけを行うと、凹部に比べて凸部がより砥石にあたり、凸部の反射率が高くなり、凹の反射率と凸部の反射率との差が大きくなるために、微小凹凸表面欠陥を目視で確認することが容易になる。一般に、この作業は砥石がけ検査と呼ばれている。
【０００６】
しかしながら、砥石がけ検査を行う際には、薄鋼板の走行を停止しなければならず、また目視検査に多くの時間を要するために、薄鋼板の製造効率が低下する。このような背景から、近年、微小凹凸表面欠陥を自動検出するする方法が提案されている。具体的には、特許文献１には、漏洩磁束探傷法を利用して微小凹凸表面欠陥を自動検出する技術が記載されている。詳しくは、特許文献１記載の方法を提案した発明者らは、冷延鋼板の製造中、圧延ロールによって生じる微小凹凸表面欠陥を検出するために、複数の欠陥に対してＸ線回折測定を行い、その物理性状を解析した。そして、解析の結果、発明者らは、微小凹凸表面欠陥にはロールから疵が転写された際に生じたと考えられる歪みが存在し、形状起因の信号のみでは微小凹凸表面欠陥を十分に検出できないが、歪みに起因する信号を併せて検出することで微小凹凸表面欠陥を検出できると提案している。
【０００７】
そして、特許文献１記載の方法では、欠陥信号のＳ／Ｎ比を向上するための薄鋼板の磁化条件として、磁束を印加された薄鋼板の磁束密度が飽和磁束密度の７５％以上９５％未満である条件、又は、この条件と磁束を印加された薄鋼板の磁束密度が９５％以上である条件とを組み合わせた条件、又は、薄鋼板に印加する磁場の強度が４０００〜２５０００Ａ／ｍである条件が記載されている。また、欠陥信号を検出する磁束検出素子としてホール素子を用いることが前提とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−５２９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、薄鋼板を磁化するためには通常電磁石が用いられるが、特許文献１記載の磁化条件のような大きな磁場を印加する場合には、電磁石が大型となり、また大きな電流を流す必要がある。また、電磁石をオンライン化する場合には、電磁石の固定方法を詳細に検討する必要があり、また電磁石の製作や運転のためのコストが大きくなる。
【００１０】
さらに、磁束検出素子としてホール素子を用いた場合、印加する磁化レベルの低下に伴い、欠陥信号のレベルが減少すると共に熱雑音の影響が顕著になることによって欠陥信号のＳ／Ｎ比が低下する。なお、このような問題を解決するために、磁束検出素子としてＳＱＵＩＤ（Superconducting QUantum Interference Device）やＭＩ（Magneto Impedance）素子といったホール素子と同等の磁気感度を有するセンサを用いることが考えられる。
【００１１】
しかしながら、ＳＱＵＩＤを用いる場合には、液体ヘリウム等の寒剤によってＳＱＵＩＤを冷却する必要があるために、装置が非常に大掛かりになり、コストが増加する。また、ＭＩ素子は、温度に敏感であるため、ＭＩ素子の周囲の温度を均一に保つ等の措置が必要になり、やはりコスト面で不利である。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、多くのコストを要することなく簡単な構成で微小凹凸表面欠陥を精度高く検出可能な微小凹凸表面欠陥の検出方法及び検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る微小凹凸表面欠陥の検出方法は、鋼板上の微小凹凸表面欠陥を検出する微小凹凸表面欠陥の検出方法であって、鋼板に磁場を印加し、トンネル磁気抵抗素子を利用して微小凹凸表面欠陥による鋼板の歪みに起因する磁気信号を検知することによって微小凹凸表面欠陥を検出するステップを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る微小凹凸表面欠陥の検出方法は、上記発明において、前記磁場の大きさが鋼板の飽和磁束密度の７５％未満の大きさであることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る微小凹凸表面欠陥の検出方法は、上記発明において、前記トンネル磁気抵抗素子の磁場感度方向が鋼板の表面垂直方向に略一致するように前記トンネル磁気抵抗素子を配置することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る微小凹凸表面欠陥の検出装置は、鋼板上の微小凹凸表面欠陥を検出する微小凹凸表面欠陥の検出装置であって、鋼板に磁場を印加する磁場印加手段と、微小凹凸表面欠陥による鋼板の歪みに起因する磁気信号を検知するトンネル磁気抵抗素子と、前記トンネル磁気抵抗素子によって検知された磁気信号に基づいて微小凹凸表面欠陥を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る微小凹凸表面欠陥の検出方法及び検出装置によれば、多くのコストを要することなく簡単な構成で微小凹凸表面欠陥を精度高く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出装置において用いられるトンネル磁気抵抗素子の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出装置の構成を示す回路図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出方法を説明するための模式図である。
【図４】図４は、ロール上に付着した異物が薄鋼板に転写されることによって生じた欠陥に由来する磁気信号の一例を示す図である。
【図５】図５は、薄鋼板に印加する磁束密度の大きさを変化させた際の欠陥信号及びノイズ信号のレベル変化を示す図である。
【図６】図６は、本実施例及び従来の欠陥信号のＳ／Ｎ比を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の発明者らは、多くのコストを要することなく簡単な構成で微小凹凸表面欠陥を精度高く検出することができるように、特許文献１記載の方法における薄鋼板の磁化条件の範囲を広げ、より小さな磁場で微小凹凸表面欠陥を検出することができないか検討を行った。その結果、本発明の発明者らは、非常に高感度な磁気センサであるトンネル磁気抵抗素子を用いることによって、より小さな磁場で微小凹凸表面欠陥を検出できるという技術思想を想倒するに至った。トンネル磁気抵抗素子は、小さい磁場に対して非常に高感度であり、温度ドリフトが他の磁気センサに比べて小さいという特徴を有している。以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出装置の構成について説明する。
【００２０】
〔トンネル磁気抵抗素子の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出装置において用いられるトンネル磁気抵抗素子の構成について説明する。
【００２１】
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出装置において用いられるトンネル磁気抵抗素子の構成を示す模式図である。図１（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出装置において用いられるトンネル磁気抵抗素子１は、強磁性体薄膜により形成された固定層２ａ及び自由層２ｂと、固定層２ａと自由層２ｂとによって挟持された絶縁膜３と、を備え、トンネル磁気抵抗素子１に磁場が印加された際の固定層２ａの磁化方向Ｂ１は予め固定されている。
【００２２】
このような構成を有するトンネル磁気抵抗素子１では、図中矢印Ａで示すように自由層２ｂ側から固定層２ａ側に向けて電圧が印加されている状態において自由層２ｂに磁束が侵入すると、固定層２ａ及び自由層２ｂの磁化方向又は磁束密度の大きさに応じて磁気抵抗が変化する。
【００２３】
すなわち、図１（ａ）に示すように、固定層２ａの磁化方向Ｂ１と自由層２ｂの磁化方向Ｂ２とが同じ方向である場合、トンネル磁気抵抗素子１の磁気抵抗が減少し、電流が流れやすくなる。一方、図１（ｂ）に示すように固定層２ａの磁化方向Ｂ１と自由層２ｂの磁化方向Ｂ２とが異なる場合には、トンネル磁気抵抗素子１の磁気抵抗が増加し、電流が流れにくくなる。
【００２４】
〔微小凹凸表面欠陥の検出装置の構成〕
次に、図２，図３を参照して、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出装置の構成について説明する。図２は、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出装置の構成を示す回路図である。図３は、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出方法を説明するための模式図である。
【００２５】
図２に示すように、本発明の一実施形態である微小凹凸表面欠陥の検出装置（欠陥検出装置）１０は、図１に示すトンネル磁気抵抗素子１と、直流電源１１と、抵抗素子１２と、直流電圧測定部１３と、を備えている。
【００２６】
直流電源１１は、トンネル磁気抵抗素子１に対して直列に接続され、トンネル磁気抵抗素子１に直流電圧を印加する。
【００２７】
抵抗素子１２は、トンネル磁気抵抗素子１に対して直列に接続された抵抗素子である。
【００２８】
直流電圧測定部１３は、抵抗素子１２にかかる電圧を測定することによってトンネル磁気抵抗素子１、直流電源１１、及び抵抗素子１２によって構成される直列回路を流れる電流を測定する。直列回路を流れる電流は、トンネル磁気抵抗素子１の磁気抵抗によって変化する。なお、図示しないが、電圧信号を増幅する増幅器や電圧信号に含まれる高周波のノイズ信号を取り除くフィルタを直流電圧測定部１３に設けてもよい。
【００２９】
このような構成を有する欠陥検出装置１０を利用して微小凹凸表面欠陥を検出する際は、図３（ａ）に示すように、薄鋼板Ｓの表面から所定のリフトオフ量だけ離間させた状態で、磁場感度方向（図２に示す双方向矢印Ｂ方向）が薄鋼板Ｓの表面垂直方向に略一致するようにトンネル磁気抵抗素子１を配置する。そして、直流電源１１を利用してトンネル磁気抵抗素子１に直流電圧を印加する。
【００３０】
このような状態において薄鋼板Ｓに形成された微小凹凸表面欠陥によってトンネル磁気抵抗素子１の自由層２ｂの磁化方向又は磁束密度が変化すると、トンネル磁気抵抗素子１の磁気抵抗が変化する。トンネル磁気抵抗素子１の磁気抵抗の変化は、直流電圧測定部１３によって測定される電流値の変化によって検出することができる。従って、直流電圧測定部１３によって測定される電流値の変化を検出することによって、薄鋼板Ｓに形成された微小凹凸表面欠陥を検出することができる。
【００３１】
なお、微小凹凸表面欠陥の検出処理において、薄鋼板Ｓを磁化する場合には、図３（ｂ）に示すように、磁化器２０の磁極間の中心位置に対応する位置にトンネル磁気抵抗素子１を設置する。また、この場合、所定の磁化レベルで微小凹凸表面欠陥が存在しない薄鋼板Ｓを磁化した際、直流電圧測定部１３によって測定される電流値が磁場が０ガウスの時のトンネル磁気抵抗素子１の磁気抵抗値に対応する値となるようにトンネル磁気抵抗素子１の位置を予め調整しておく。
【００３２】
また、実ラインにおいては広い面積の検査を同時に行うことが求められる。通板される鋼板の幅方向に対して複数のトンネル磁気抵抗素子１を１列に並べて疵検出を行うのが効率的である。こうした場合、検出が必要となる微小凹凸欠陥の大きさに対して素子の間隔が空きすぎないように配置する。薄鋼板Ｓに導入された歪により漏洩する磁束が拡がる範囲を考慮すると、素子間隔として許容されるのは、検出したい疵の薄鋼板表面上の大きさのおよそ２〜１０倍程度の範囲であり、これは素子の感度と効率（経済性）とによって定められる。また、各素子は鋼板Ｓの走行方向に対して垂直方向、且つ、鋼板Ｓに対して平行方向に配置するのがよい。 
【００３３】
〔薄鋼板の磁化条件〕
薄鋼板に外部から力を加えて薄鋼板全体に歪を生じさせた状態での磁化曲線（Ｂ−Ｈ曲線）と歪を加えない状態での磁化曲線とでは、飽和磁束領域よりも小さい磁化レベルの領域（回転磁化領域）において大きな差が生じる。このため、微小凹凸表面欠陥を検出する場合、微小凹凸表面欠陥による歪に起因した信号を高感度で検出するために、飽和磁束密度よりも小さい磁化レベルで薄鋼板を磁化することが望ましい。そこで、本発明の発明者らは、微小凹凸表面欠陥を高感度で検出できる磁化レベルについて検討を重ねた。なお、薄鋼板に印加する磁場の強度とは、薄鋼板を磁化する磁化器から発生している磁場の総和ではなく、薄鋼板の検査領域に直接かかっている磁場、すなわち薄鋼板の検査領域で磁化曲線を描いた時の磁界の強さＨに相当する量である。
【００３４】
本発明の発明者らは、薄鋼板の磁化レベルを徐々に小さくしていった結果、薄鋼板を全く磁化しない場合でも微小凹凸表面欠陥による歪みに起因する磁気信号を検出できることを知見した。これは微小凹凸表面欠陥による歪みが付与された薄鋼板領域は、局所的にスピンが揃うことによって磁化されていることを意味している。但し、薄鋼板の磁化レベルを下げていくに従って欠陥信号のＳ/Ｎ比が低下していくので、検出したい最小欠陥の磁気信号レベルに応じて薄鋼板を磁化することが望ましい。
【００３５】
特許文献１等に見られるホール素子を磁束検出素子として用いた場合、磁化レベルの低下に伴って欠陥信号のレベルが減少すると共に熱雑音の影響が顕著になるために、欠陥信号のＳ／Ｎ比が低下する。これに対して、磁束検出素子としてトンネル磁気抵抗素子１を用いた場合には、熱雑音の影響が小さいので、磁化レベルの低下に伴って欠陥信号のレベルが減少しても良好なＳ／Ｎ比が得られる。
【００３６】
なお、通常、欠陥検査装置は、最終ラインでの製品検査に用いられ、欠陥発生時から検査までの間に様々な工程が存在する。これらの工程の中には、例えば欠陥発生時に生じた歪みが熱によって除去される、通板時の張力等の他のストレスによって歪が開放される等の現象が生じ、歪みが開放された状態となる工程があり、そのような工程では歪に起因した磁気信号を検出できない可能性がある。このため、微小凹凸表面欠陥を検出する場所も検討が必要となるのは通常の漏洩磁束探傷装置の場合と同様である。
【実施例】
【００３７】
本実施例では、トンネル磁気抵抗素子１に５Ｖの直流電圧を印加し、抵抗素子１２として１ｋΩの抵抗素子を用いた。直流電圧測定部１３は、４０ｄｂの増幅器で電圧信号を増幅し、さらに探傷速度に応じてフィルタ定数を変更可能なローパスフィルタを用いた。トンネル磁気抵抗素子１の大きさは、幅０．９ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、長さ０．８ｍｍであった。薄鋼板からのリフトオフ量は漏洩磁束探傷で最適とされている１ｍｍとした。トンネル磁気抵抗素子１の磁場感度方向は、素子の長さ方向に対して垂直方向、且つ、素子の幅方向に対して平行方向であった。
【００３８】
図４は、ロール上に付着した異物が薄鋼板に転写されることによって生じた欠陥に由来する磁気信号の一例を示す図である。本実施例では、欠陥の形状は直径１ｍｍ程度の円形形状であり、欠陥の断面形状は凸型形状であった。また、本実施例では、薄鋼板の磁化は行わなかった。特許文献１記載の磁化条件と同様の磁化条件で測定した欠陥信号のＳ／Ｎ比からすると０．０００３７程度の歪が生じていることが確認された。また、薄鋼板を徐々に磁化していくと欠陥信号のレベルは増大した。また、このとき、ノイズ信号も徐々に増加したが、ノイズ信号の増加率は欠陥信号の増加率に比べはるかに小さく、Ｓ／Ｎ比は増大した。
【００３９】
図５は、薄鋼板が磁気飽和した時の磁束密度（飽和磁束密度）を１００％として、薄鋼板に印加する磁束密度の大きさを変化させた際の欠陥信号及びノイズ信号のレベル変化を示す図である。図６は、図５から計算された本実施の欠陥信号のＳ／Ｎ比及び従来の欠陥信号のＳ／Ｎ比を示す図である。図６に示すように、本実施例によれば、薄鋼板が磁化されていない状態であっても、欠陥信号のＳ／Ｎ比が８程度と従来例である特許文献１記載の方法による欠陥信号のＳ／Ｎ比より十分に大きくなることが確認された。また、測定した飽和磁束密度に対する磁束密度の割合が７５％未満の全範囲に渡って十分なＳ／Ｎ比が得られることが確認された。
【００４０】
なお、本実施例における磁束密度の値は、予め測定した磁化曲線に基づいて磁界の強さＨから求められている。磁界の強さＨに関しては、薄鋼板の検査位置の近傍の空間の値を測定して用いても構わない。また、本実施例では直流の漏洩磁束を用いて微小凹凸表面欠陥を検出したが、歪に起因した信号を検知できれば、交流の漏洩磁束法や渦流探傷法であってもトンネル磁気抵抗素子を利用して微小凹凸表面欠陥を検出することができる。
【００４１】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１  トンネル磁気抵抗素子
２ａ  固定層
２ｂ  自由層
３  絶縁膜
１０  欠陥検出装置
１１  直流電源
１２  抵抗素子
１３  直流電圧測定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2016038307.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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