ウィサラット（SRIRATANA WITSARUT）

学位被授与者氏名

スリラタナ

学位の名称

博士（工学）

学位番号

博（一）第３６号

学位授与年月日

平成２６年９月２２日

論文題目Study of Devised Hall Effect Sensor System for Industrial Measurement andNon-destructive Inspection

論文題目（英訳または和訳）

産業及び非破壊検査への応用を目的としたホール素子を用いたセンシングシステムの開発

論文審査委員

論文審査委員会
委員主査 ：福岡工業大学大学院物質生産システム工学専攻教授
同審査委員：福岡工業大学大学院物質生産システム工学専攻教授
同審査委員：福岡工業大学大学院物質生産システム工学専攻教授
同審査委員：福岡工業大学大学院知能情報システム工学専攻教授

村山朱
呉
赤木理一
世杰
行正
文男

論文審査機関福岡工業大学大学院工学研究科

論文内容の要旨（和文）

半導体技術の進歩により、磁束密度測定を主目的とした安価なホールセンサが普及している。また、ホールセンサを利用した形状測定や距離測定も種々検討されている。本
論文は、このようなホールセンサを利用し、種々なタイプの磁石を検討することによりホールセンサに負荷する磁場分布を計測対象に特化させることにより、従来に無い角度等の計測能力を有するホールセンサシステムを開発した。開発したホールセンサシステ
ムを用いて、角度や粘性等の工業製品の品質管理に必須の指標の評価を試み実用化に耐えうる評価精度を得た。また非破壊検査へのホールセンサシステムの適用についても検討し、超音波センサの一種である電磁超音波センサの比較評価で優位な性能を得た。本論文はホールセンサの産業への適用可能性を拡大する内容となっている。
本論文は１１章からなり、第１章では序論として本論文での研究目的とホールセンサの概要を示している。
第２章では、ホールセンサについて、動作原理及び既存応用例について詳述している。
第３章では本論文でとりあげる応用事例のために改善されるホールセンサシステムについてのアイデアについて解説している。
第４章ではホールセンサに付加するヘルムホルツコイルやアレイ型永久磁石によりホールセンサ上に、どのような磁束密度分布が発生するかについて電磁場解析プログラムを用いて計算し、ホールセンサの性能にどのような影響を与えるかを評価している。
第５章では、ホールセンサの性能改善を図る手段として、受信信号の周波数解析が有効であることを示している。
第６章では、ヘルムホルツコイルを付加したホールセンサシステムにより、構造物の角度測定が産業利用に有効な精度で測定できることを示している。
第７章では２個の直方体形状を付加したホールセンサシステムにより構造物の傾き測定が産業利用に有効な精度で測定できることを示している。
第８章では１個の直方体形状を付加したホールセンサシステムにより、エンジン等の中に存在する潤滑油の劣化（粘性）測定が可能であることを示している。
第９章では、第５章で言及した周波数解析を利用した測定精度評価について第６章から第８章の応用例について再評価しており、周波数解析を用いることが精度向上に役立つことが述べられている。
第１０章ではアレイ状配列された種々のタイプの永久磁石群を付加したホールセンサシステムと超音波センサの一種でホールセンサと同様に自動走行が可能な電磁超音波センサとの比較評価を実施することにより非破壊検査への適用可能性を検討した。その結果、電磁超音波センサよりも表面欠陥に対する検出性に優れている結果を得た。
第１１章では本論文の主要な結果を要約し、ホールセンサの産業応用に対する可能性について述べている。

論文内容の要旨（英文）This study proposes a new design for a new sensor module for the application of asemiconductor known as a Hall Effect sensor and a measurement method for the angulardeclination, the angular alignment, the contamination of metal particles by lubricants, andnon-destructive material imperfection. In order to find ways of enhancing the effectiveness of aconventional Hall Effect sensor, this study was divided into 3 parts: 1) the new configuration andits theoretical performance, 2) a consideration of an appropriate placement of a Hall generator, 3)a preliminary experimental test. The use of a magnetic field to stimulate a Hall Effect sensor in
the case of angular declination measurement was based on the angular relationship oftrigonometric functions. The stimulation was created by an electromagnetic field which wasgenerated by a Helmholtz coil and a magnetic field generated by a permanent magnet. The system
was designed by using Helmholtz coil to provide the measuring resolution of 1 deg per step in themeasuring range of -15 deg to 15 deg from the normal line with 95% accuracy. However, the newsensor module was designed by using a permanent magnet to provide the greater measuringresolution of 0.01 deg per step in the measuring range of -20 deg to 20 deg from normal line with
99% of accuracy. With regard to the application of the new sensor module in the measurement of
the contamination of lubricants in this study aims to assess the contamination level of metal
particles during the work period of an industrial machine. It can also predict the period oflubricant replacement if the lubricant quality is lower than the standard of NAS1638. Analysis ofcontamination of metal particles in lubricant has a relationship with the output signal of a newsensor module due to the metal particles moving to a permanent magnet. From empirical study,enhancement of the conventional Hall Effect sensor by determining the appropriate placement ofHall generator and permanent magnet as well as the number of Hall generators in a new sensor
module is significant for several measurements such as the inspection of metal material
completion by measuring the dimensions of the holes on the surface of the test specimen. In
comparison with EMAT, the generation of ultrasonic waves using the EMAT method would not
be appropriate for small specimens as the error was greater than 4.51% and the standard deviation
was about 0.279. However, a new sensor module can be effectively used with small specimens as
it would cause the error to be less than 0.24% with a standard deviation of 0.014. Moreover,compared to the ultrasonic wave, the new sensor module could provide the high resolution ofmeasurement at each position, as well as ease of installation and a simple experiment procedure ata reasonable cost.
論文審査結果

この論文は半導体技術の進歩により、磁束密度測定を主目的とした安価なホール素子が普及していることに着目し、磁気を測定するホール素子の基本的な駆動原理、性能、主要な産業への応用例、例えば回転速度計や距離計についての調査・検討から研究を進め、ホール素子と種々のタイプの磁石を組み合わせることで従来にない性能を発揮できるホールセンサシステムを研究・開発し最終的に産業に適用することを目的として実施した。
この論文で、産業への応用としてかかげた目標は大きく３つに分けられる。１点目はエンジン等で使う潤滑油の劣化或いはそれに基づく粘性の変化の測定である。２点目は構造物の傾きを従来以上に高精度に広範囲の角度で計測しようというものである。３点目は、製造ライン上で高速で移動する材料の表面疵を検出しようとするものである。
まず潤滑油の劣化、或いは粘性変化の測定では、ホール素子に印加される永久磁石の磁場が、燃料中の鉄粉等の浮遊物に影響を受けることに着目し、ホール素子とホール素子上に設置する角型永久磁石の距離を最適化することで、ホール素子の出力と燃料中の浮遊物の量或いは燃料の粘性の程度と相関がある磁束密度領域があることを見出し1.25mg/25mg 程度の浮遊物を充分な感度で検出できることを確認した。
次に、傾斜検出を目的として、ヘルムホルツコイルとホール素子を組み合わせたホールセンサシステム、及び円弧状に曲がった平板型の対向する２つの磁極として使用し、ホール素子を挟んだ構造を持つホールセンサシステムを開発した。その結果、円弧状平板磁極型システムで、-20 度～+20 度の範囲を 0.1 度の角度で測定可能であることを確認した。
次に、材料の表面疵を検出することを目的として、３つのパターンの２次元アレイ上に並べた永久磁石とホール素子との組み合わせシステムについて研究・開発し、単一のホールセンサシステムを使って、疵部の存在による磁場の乱れを検出するよりも、高い精度での疵部の検出を狙ったものである。なお性能比較のための、超音波センサの中で自動検査ができる電磁超音波センサを試作し、同時に評価した。その結果、超音波セン
サよりも高い精度で表面疵を検出可能であること、及び直径 3mm までの穴の幅と高さを計測可能であることを確認した。また出力信号を周波数解析することで、周波数変動と疵径、深さの相関が一層高まることも確認できた。
本論文に纏められている研究の成果は、査読付き論文７編（第１著者６編）と国際会議８編（第１著者５編）に公表されており、学位論文審査基準を満たしている。これら 2つの観点から、学位審査委員会は本論文が学位論文として認められる内容であると判断した。
学位論文公聴会においては、論文内容に関連する種々の工学的及び技術的な質問があったが、いずれも適切な回答を行うことができた。また公聴会後の最終試験においては、学位論文に関連する分野の学識を有し、今後研究を進めていくための研究能力を備えていることが判明した。
以上の結果から、学位審査委員会はこの論文が博士（工学）の学位に適格であると判定した。
主な研究業績

参考論文 ５編１冊
Journals Papers
1

Application of the HES in Angular Analysis "，Journal of Sensor Technology(JST), Vol. 2, No. 2, June, pp. 87-93 (2012)
Authors: W. Sriratana, R. Murayama, and L. Tanachaikhan

2Remote Sensing Sensor Using Giant Magnetostrictive Materials，Journal ofthe Japan Society of Applied Electromagnetics and Mechanics, Vol. 20, No. 2,June, pp. 508-513 (2012)
Authors: R. Murayama, Z. Yamaji, W. Sriratana, M. Kobayashi, and C. Jen

3

Analysis of Land Subsidence Using the HES，Journal of ElectromagneticAnalysis and Applications (JEMAA), Vol. 4, No. 7, July, pp. 310-316 (2012)
Authors: W. Sriratana, and R. Murayama

4

Elimination of Oil Residual inside the Copper Pipe Using Ladder Technique，Engineering (ENG), Vol. 5, No. 1, January, pp. 8-15 (2013)
Authors: W. Sriratana, and R. Murayama

5

Application of Magnetic Field Method for Measuring Lubricant Viscosity，Advanced Materials Science and Technology, Periodical of Materials Science,Vol. 750, pp. 116-124 (2013)
Authors: W. Sriratana, and R. Murayama

6

Synthesis and Analysis of PZT Using Impedance Method of Reactance
Estimation，Advances in Materials Physics and Chemistry (AMPC), Vol. 3,
No. 1 (2013)
Authors: W. Sriratana, R. Murayama, and L. Tanachaikhan

7

Measurement of the Lubricant Properties Using Hall Effect Sensor: A Studyon Contamination and Viscosity，Engineering (ENG), Vol.5 No.4, April, pp.
386-393 (2013)
Authors: W. Sriratana, and R. Murayama

International Conference Papers
1 Remote Sensing of an Ultrasonic Sensor Using Giant Magnetostrictive
Materials，The 20th MAGDA Conference in Pacific Asia, Kaohsiung, Taiwan,
14-16 November (2011)
Authors: R. Murayama, Z. Yamaji, W. Sriratana, M. Kobayashi, and C. Jen

2 Nondestructive Testing Using Giant Magnetostrictive Materials as an
Ultrasonic Sensor，The ICEM15-15th International Conference on
Experimental Mechanics, Proto, 22-27 July (2012)
Authors: R. Murayama, W. Sriratana, M. Kobayashi, and C. Jen
3 Analysis of Lubricant Viscosity Using Magnetic Field Method，The EightInternational Forum on Advanced Material Science and Technology(IFAMST-8), Fukuoka, 1-4 August (2012)
Authors: W. Sriratana, and R. Murayama
4Lubricant Viscosity Measurement Using Hall Effect Sensor，The Society ofInstrument and Control Engineers (SICE Annual Conference 2012), Akita,
20-23 August (2012)
Authors: W. Sriratana, and R. Murayama

5 Application of Hall Effect Sensor: A Study on the Influences of Sensor
Placement，The 22nd IEEE International Symposium on IndustrialElectronics (ISIE 2013), Taiwan, 28-31 May (2013)
Authors: W. Sriratana, and R. Murayama
6 Analysis of Hall Effect Sensor Placement Based on Frequency Domain，The
Society of Instrument and Control Engineers (SICE Annual Conference 2013),
Nagoya, 14-17 September (2013)
Authors: W. Sriratana, and R. Murayama
7

Performance Comparison of Hall Effect Sensor and EMATs in Measurementof Specimen with Various Hole Depths，International Conference onExperimental Mechanics (ICEM 2013) and The Twelfth Asian Conference on
Experimental Mechanics (ACEM 12), Bangkok, 25-27 November (2013)
Authors: W. Sriratana, and R. Murayama

8Development of A Guide Wave Inspection System using A Polarized Shear
Wave-EMAT and Evaluation of its Performance，International Conference on
Experimental Mechanics (ICEM 2013) and The Twelfth Asian Conference on
Experimental Mechanics (ACEM 12), Bangkok, 25-27 November (2013)
Authors: R. Murayama, and W. Sriratana

Local Conference Paper
1Study of Non-contact Drive Ultrasonic Sensor using a Giant Magnetostrictive
Material，Japan Society of Mechanical Engineers, Okayama, 8 -11
September (2013)
W. Duangsuwan, S. Kenji, U. Yutaka, W. Sriratana, R. Murayama