JP2005351890A - 全方向性渦電流プローブ及び検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、導電性材料の非破壊試験のための渦電流プローブに関する。
【解決手段】 一つの駆動コイル（１６）は、検知コイルの近傍でＥＣチャネルのための検査フィールドを発生させるように構成されている。全方向性ＥＣ検査システム（５０）は、多数のＥＣチャネルと駆動コイルを含む全方向性ＥＣアレイプローブ（ＥＣＡＰ）を含んでいる。各ＥＣチャネルは、反対の極性を持つ第一及び第二検知コイルを含んでいる。これらの駆動コイルは、交互に変わる極性を持っている。電気的接続部は、それぞれのＥＣチャネルについて差動検知を行う。訂正駆動コイル（２２、２４）が、ＥＣチャネルのそれぞれの端に配置されていて、検査フィールドを発生させる。一つの渦電流計器（４２）が、全方向ＥＣＡＰに接続されていて、ＥＣチャネルからの差動検知信号を受信する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的には渦電流の検査、さらに詳細には、導電性材料の非破壊試験のための渦電流プローブに関する。

渦電流の検査は、導電性材料の表面傷についての非破壊試験のために一般的に用いられる技術である。渦電流の検査は、電流を流す駆動コイルが一次磁場を発生させることにより試験供試体内部に渦電流を誘起する、という電磁誘導の原理に基づいている。そのようにして誘起された渦電流は、次に、二次磁場を誘起し、その磁場が、検知コイル内に電位差を誘起し、それによって信号を生成し、さらにその信号が傷を検知するために分析される。試験供試体内に傷がある場合、例えば、ひびや裂け目がある場合には、試験供試体内部の渦電流の流れが変わり、それによって検知コイルに誘起される信号が変わる。信号のこの変化が傷を示すのに用いられる。

一般的に、高い解析精度を達成するために、サイズが比較的小さい（例えば、長さが０．１〜１．０ミリメートルのオーダーで）コイルが用いられる。例えば、サットン・ジュニア他による「複数のセンサー・アレイにより可撓性支持体を有する構成要素を検査するための渦電流装置」という名称の特許文献１は、小さな傷を検知するために、直列接続された幾つかの検知コイルを用いている。この構成の電圧出力は、２つの差動検知コイルからの信号の差に依存している。そのコイルは、できる限り同一に作られているので、外部の電磁ノイズは除去される。差動センサーのもう一つの長所は、リフトオフのわずかな違いに関連するノイズが小さいことである。

しかし、上述の渦電流プローブは、亀裂の方向を前もって知っておくことが必要であるという点で、その有用性に限界がある。差動渦電流プローブのこの方向性のため、一つより多い傷の方向が予測されている場合には、傷を見つけるために、試験供試体を異なる方向に繰り返し走査しなければならない。繰り返し走査することで、この方法は手間と時間のかかるものになってしまう。
米国特許第５、３１５、２３４号公報

したがって、ランダムな方向を持った亀裂及び他の線形の傷を検知するための、改良された渦電流プローブ及び検査システムをもつことが望ましい。さらに、この改良された渦電流プローブは、広い適用領域を持ち、試験供試体中の小さい傷及び長い傷の両方に対して感度を有することが望ましい。

要するに、本発明の一実施形態によれば、全方向性渦電流（ＥＣ）プローブは、少なくとも１つのＥＣチャネルを含み、該ＥＣチャネルは、第一方向（ｘ）及び第二方向（ｙ）において互いにオフセットされ、第一及び第二方向（ｘ,ｙ）の少なくとも一つにおいて互いに重なった第一検知コイル及び第二検知コイルを有する。少なくとも一つの駆動コイルが設けられる。駆動コイルは、第一及び第二検知コイルに隣接するＥＣチャネルに検査フィールドを発生させるように構成されている。

本発明の他の実施形態によれば、全方向性ＥＣアレイプローブ（ＥＣＡＰ）は、幾つかのＥＣチャネルを含む。各々のＥＣチャネルは、反対の磁極を持つ第一及び第二検知コイルを含む。多数の駆動コイルが設けられる。少なくとも一つの駆動コイルは、第一及び第二検知コイルの近傍においてＥＣチャネルの各々のための検査フィールドを発生させるように構成されている。駆動コイルは、隣接する駆動コイルとの間で交互に変わる極性を持っている。電気的接続部が、第一及び第二検知コイルを、各ＥＣチャネル内で動作的に接続する。

全方向性ＥＣ検査システムは、全方向性ＥＣアレイプローブ（ＥＣＡＰ）を備えており、この全方向性ＥＣアレイプローブ（ＥＣＡＰ）は、多数のＥＣチャネル、多数の駆動コイル、各ＥＣチャネルに差動検知を行うように構成されている電気的接続部、及び一対の訂正駆動コイルを持つ。一つの訂正駆動コイルは、ＥＣチャネルの一端に配置されている。他方の訂正駆動コイルは、ＥＣチャネルの他端に配置されている。各訂正駆動コイルは、検査フィールドを発生するように構成されている。全方向性ＥＣ検査システムは、さらに、全方向性ＥＣＡＰに接続され、ＥＣチャネルから多数の異なる検知信号を受け取るように構成されている渦電流計器を含んでいる。

本発明のこれらの、及びその他の特徴、態様、並びに利点は、全体を通して同様な符号が同様な部分を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、さらによく理解されるであろう。

図１は、本発明の全方向性渦電流（ＥＣ）プローブ１０の実施形態を示すものである。図１に示すように、全方向性ＥＣプローブ１０は、少なくとも一つの渦電流（ＥＣ）チャネル１８を含む。ＥＣチャネル１８は、第一検知コイル１２と第二検知コイル１４を含む。示されているように、第一及び第二検知コイル１２、１４は、第一方向（ｘ）及び第二方向（ｙ）において互いにオフセットされ、第一及び第二方向（ｘ,ｙ）の少なくとも一つにおいて互いに重なっている。ここに用いられる、「オフセット」と「重なる」という用語は、相互に排他的ではない。例えば、図１における例示的な第一及び第二検知コイル１２、１４は、ｙ方向においてオフセット及び重なり合いの両方の状態にある。別の言い方をすれば、この構成では、第一及び第二検知コイル１２、１４は、ｙ方向には部分的にオフセットされているが、ｘ方向には完全にオフセットされている（重なり合いはない）。ある特定の実施形態においては、第一及び第二検知コイル１２、１４は、第二方向ｙには、検知コイル１２、１４の長さ３０の少なくとも約２５パーセントにわたって重なり合っている。別の特定の実施形態では、第一及び第二検知コイル１２、１４は、第二方向ｙにおいて、検知コイル１２、１４の長さ３０の少なくとも約３３パーセントにわたり重なり合っている。もう一つ別の実施形態では、重なり合いがもっと増えて、第一及び第二検知コイル１２、１４は、第二方向ｙに、検知コイル１２、１４の長さ３０の少なくとも約５０パーセントにわたり重なり合っている。

図１にまた示されるように、全方向性ＥＣプローブ１０は、第一及び第二検知コイル１２、１４の近傍においてＥＣチャネル１８のための検査フィールドを生成するように構成された少なくとも一つの駆動コイル１６をさらに含む。図１の例示的な実施形態では、駆動コイル１６は、第一及び第二検知コイル１２、１４の回りに延びて、それぞれのＥＣチャネル１８を形成している。

全方向性ＥＣプローブ１０は、導電性構成部品、例えば、ディスク、スプール、ブレードのような航空機用エンジンの構成部品における表面又は表面近くの亀裂（表面と結びついた傷）を検出するために用いられる。例示的な構成部品は、ニッケル合金及びチタン合金により形成される。しかし、本発明は、種々の導電性構成部品に適用でき、これらの特定の構成部品及び材料は、その例にすぎない。

動作的には、駆動コイル１６は励磁されて、磁束（検査フィールド）を発生する。導電性試験物体（図１には示されていない）に入る磁束が試験物体の表面に渦電流を発生させ、次いでその渦電流が二次磁場を発生させる。表面の傷（示されていない）の場合、この二次磁場は、傷が存在しないときの正常な方向から、傷の方向と一致した方向に変位する。この変位した二次磁場が、検知コイル１２、１４に対応する信号（検知信号）を誘起し、それによって、表面の傷の存在を示す。二つの方向（ｘとｙ）におけるオフセットのために、検知コイル１２、１４の差動対が、あらゆる方向の亀裂に対応する二次磁束の方向の変位も都合よく検知し、したがって、ＥＣプローブ１０は、全方向に対して感度を持つことができる。さらに、ｙ方向における検知コイルの重なり合いが、プローブによって試験物体を第一方向ｘに走査している間の補足的な検知を可能にする。

図１に示される例示的な実施形態では、第一検知コイル１２が正極であり、第二検知コイル１４が負極である。例示的な全方向性ＥＣプローブ１０は、さらに、第一及び第二検知コイル１２、１４を動作的に接続する電気的接続部２０を含む。図１の例示的実施形態では、電気的接続部２０は、差動検知（「ＤＩＦＦ」と表示）と絶対検知（「ＡＢＳ」と表示）の両方を行うように構成されている。差動検知と絶対検知の両方の特徴を含むことは、小さい亀裂と長い亀裂の両方の検出を容易にするという利点がある。

比較的広い表面領域を走査するためには、ＥＣチャネル１８のアレイを用いるのが好ましい。したがって、図１に示されている例示的な全方向性ＥＣプローブ１０は、多数のＥＣチャネル１８と多数の駆動コイル１６を含んでいる。少なくとも一つの駆動コイル１６が、ＥＣチャネル１８の各々に設けられており、また、ある特定の実施形態では、一つの駆動コイル１６がＥＣチャネル１８の各々に設けられている。図４の特定の実施形態では、複数のチャネル１８に一つの駆動コイル１６が設けられている。特定の実施形態によれば、全方向性ＥＣプローブ１０は、２４個のＥＣチャネル１８が設けられる。しかし、ＥＣチャネル１８の数は、走査される領域と用いられる機器の両方に依存することになる。

図１に示されているように、ＥＣチャネル１８の各々を形成する第一及び第二検知コイル１２、１４は、反対の極（「＋」と「−」で示されている）を持ち、また、電気的接続部２０は、それぞれのＥＣチャネル１８の各々内で、第一及び第二検知コイル１２、１４を動作的に接続している。図１示されているように、駆動コイル１６は、隣接する駆動コイル１６との間で、交互に変わる極性を持っている（これもまた「＋」と「−」で示されている）。それに対応して、第一及び第二検知コイル１２、１４の極性は、隣接するＥＣチャネルの間で交互に変わる。例えば、図１で中央にあるＥＣチャネル１８内の検知コイル１２、１４は、図１で上と下にあるＥＣチャネル１８内の検知コイル１２、１４に対して、反対の極性を持つ。

ある一つのＥＣチャネル１８に関連する駆動コイル１６によって生成される検査フィールドに加えて、ＥＣチャネル１８によって検査されている試験物体（図に示されていない）の部分は、隣接する駆動コイル１６の検査フィールドにも影響される。したがって、何らの訂正手段がない場合には、アレイの中の最初と最後のＥＣチャネル１８によって検査される試験物体の部分は、中間のＥＣチャネル１８によって感知される検査フィールドと同じフィールドを感知することにはならない。なぜなら、最初と最後のＥＣチャネル１８のそれぞれは、隣接するＥＣチャネル１８は只１個だけであるが、他のＥＣチャネル１８のそれぞれには、２個の隣接するＥＣチャネル１８があるからである。他の実施形態においては、この不均衡を修正するために、全方向ＥＣプローブ１０は、例えば図２に示すように、一対の訂正駆動コイル２２、２４をさらに含んでいる。便宜上、図２に示されている全方向性ＥＣプローブ１０は、２個のＥＣチャネル１８を持つだけである。しかし、この実施形態は、例えば、２４個のＥＣチャネル１８というように、どんな数のＥＣチャネル１８も持つこともできる。図１に示すように、訂正駆動コイル２２の第１のものは、ＥＣチャネル１８の第１の端２６に配置され、訂正駆動コイル２４の２番目のものは、ＥＣチャネル１８の第２の端２８に配置される。訂正駆動コイル２２、２４の各々は、検査フィールドを発生させるように構成されている。訂正駆動コイル２２、２４は、最初と最後のＥＣチャネル１８の感度を改善するものとすることが望ましい。図２に示すように、電気的接続部２０は、ＥＣチャネル１８のそれぞれについて、差動検知を行うように構成されている。それに加えて、図２の実施形態では、電気的接続部２０は、さらに、そのＥＣチャネル１８に対して絶対検知を行うように構成されている。

図１及び２を参照して上述した多チャネル全方向性ＥＣプローブ１０は、また、ここでは全方向性ＥＣアレイプローブ又はＥＣＡＰ１０とも呼ぶことにする。例えば、図２に示すように、かつ、ある特定の実施形態においては、全方向ＥＣＡＰ１０は、可撓性基体をさらに含んでいる。例示的な可撓性基体は、可撓性で誘電性の基体、例えば、ポリイミドのような柔軟性有機ポリマーから形成され、その一例としては、Ｋａｐｔｏｎという商標で市販されているものがある。図２の実施形態では、ＥＣチャネル１８、駆動コイル１６、及び電気的接続部２０は、公知のフォトリゾグラフィー法を用いて、可撓性基体３２上に形成される。銅、銀及び金などの種々の導電性材料が用いられる。保護のために、ＥＣチャネル１８、駆動コイル１６、及び電気的接続部２０は、可撓性基体３２上で内包することができる。可撓性基体３２は、不規則な基準サンプル及び試験物体の表面（図１及び２には、示されていない）に順応し、プローブの揺れと持ち上がりを減らし、電磁場を試験物体に効率的に結合するという点で優れている。特定の実施形態においては、基体３２は比較的薄く、例えば、厚さ２５μmのＫａｐｔｏｎ（商標）基体の上に形成さている例示的なプローブでは、約２５−１００μmの範囲にある。

感度を高めるため、多層アーキテクチャーを用いることもできる。図３に概略的に示されているように、この実施形態では、全方向性ＥＣＡＰ１０は、スタック３４状に配列された多数の可撓性基体３２（すなわち、多層基体３２）をさらに含んでおり、該基体は、例として、軟質又は硬質のプリント回路板とすることができる。図３に示すスタックは、２層を含むだけであるが、スタック３４は、望まれる感度、空間的制約、及び特定の回路設計に応じて、もっと多くの層を含むことができる。図３のスタック３４における例示的な層が図４に隣り合って示されている。例えば図４で示されているように、ＥＣチャネル１８、駆動コイル１６、及び電気的接続部２０が、可撓性基体３２の上に形成される。

図４の例示的実施形態においては、各ＥＣチャネル１８は、少なくとも一つの検知コイル３６の補助対をさらに含む。図示されているように、各検知コイル３６の補助対は、第一検知コイル１２に対して整列配置された第一補助検知コイル３８及び第二検知コイル１４に対して整列配置された第二補助検知コイル４０を含む。検知コイルの補助対３６は、全方向ＥＣＡＰ１０の感度を増加させる利点がある。特定の実施形態においては、第一検知コイル１２の極性は、第一補助検知コイル３８の極性と一致する。同様に、この実施形態においては、第二補助検知コイル４０の極性は、第二検知コイル１４の極性と一致する。図４に示されているように、第一及び第二検知コイル１２、１４は、第一番目の可撓性基体３２（図４の左側の３２）の上に配置されおり、また、第一及び第二補助検知コイル３８、４０は、他方の可撓性基体３２（図４の右側の３２）の上に配置されている。検知コイル１２、１４と補助検知コイル３８、４０は、共に長方形として描かれているが、コイルは、他の形状を取ることもできることを注記しておく。同様に、駆動コイル１６は、図示した特定の例示的な長方形に限定されるものではない。

図５を参照して、全方向渦電流（ＥＣ）検査システム５０について説明する。図５に示すように、ＥＣ検査システム５０は、図１ないし図４を参照して上述した全方向性渦電流アレイプローブ（ＥＣＡＰ）１０を含んでいる。全方向性ＥＣＡＰ１０は、単一層又は多層構造であり、差動検知及び／又は絶対検知を行うように構成することができる。ＥＣ検査システム５０は、全方向性ＥＣＡＰ１０に接続された渦電流計器４２をさらに含み、ＥＣチャネル１８からの多数の検知信号（差動及び／又は絶対）を受けるように構成されている。別の構成として、渦電流計器４２は、信号を駆動コイル１６に供給するための独立した信号発生器と検知コイル１２、１４、３８、４０からの検知信号を受信、比較、及び分析するための比較モジュールによって、置き換ることができる。一つの例示的な比較モジュールは、差動増幅器である。結果データを集めて分析するために、コンピュータを用いることもでき、データを表示するために、表示モジュール（図示していない）を用いることもできる。

本発明の幾つかの特徴だけをここに図示し、説明してきたが、当業者には、多くの修正及び変更が可能であろう。請求項における参照番号は、本発明の範囲を狭くする意図のものではなく、理解しやすくするためのものである。

本発明の全方向性渦電流（ＥＣ）プローブの実施形態を示す図。 訂正駆動コイルを利用した本発明の全方向性ＥＣプローブの実施形態を示す図。 例示的な多層全方向性ＥＣプローブの実施形態を示す分解図。 図３の全方向性ＥＣプローブの層を横に並べて示す図。 全方向性ＥＣ検査システムの実施形態のブロック図。

符号の説明

１０ 全方向性渦電流（ＥＣ）プローブ
１２ 、第一検知コイル
１４ 第二検知コイル
１８ 渦電流（ＥＣ）チャネル

Claims (10)

1. 第一検知コイル（１２）と第二検知コイル（１４）とを備え、前記第一及び第二検知コイルは、第一方向（ｘ）及び第二方向（ｙ）に互いにオフセットされ、前記第一及び第二方向（ｘ,ｙ）の少なくとも一つにおいて互いに重なり合っている、少なくとも一つのＥＣチャネル（１８）と、
   前記第一及び第二検知コイルの近傍において前記ＥＣチャネルのための検査フィールドを生成するように構成された少なくとも一つの駆動コイル（１６）と、
   を含むことを特徴とする全方向性渦電流（ＥＣ）プローブ（１０）
2. 前記第一検知コイル（１２）が一つの極性を持ち、前記第二検知コイル（１４）が反対の極性を持つ請求項１に記載した全方向性ＥＣプローブ（１０）であって、前記第一及び第二検知コイルを動作的に接続する複数の電気的接続部を含み、
   前記少なくとも一つの駆動コイル（１６）は、前記第一及び第二検知コイルの回りに延びて前記ＥＣチャネル（１８）を形成しており、
   前記第一及び第二検知コイルは、第二方向（ｙ）において重なり合っている、
   ことを特徴とする全方向性ＥＣプローブ（１０）。
3. 請求項２に記載した全方向性ＥＣプローブ（１０）であって、前記第一及び第二検知コイル（１２、１４）は、前記第二方向（ｙ）において前記検知コイルの長さ（３０）の少なくとも約約２５パーセントにわたって重なり合っていることを特徴とする全方向性ＥＣプローブ（１０）。
4. 請求項３に記載した全方向性ＥＣプローブ（１０）であって、前記第一及び第二検知コイル（１２、１４）は、前記第二方向（ｙ）において前記検知コイルの長さ（３０）の少なくとも約３３パーセントにわたって重なり合っていることを特徴とする全方向性ＥＣプローブ（１０）。
5. 請求項２に記載した全方向性ＥＣプローブ（１０）であって、前記電気的接続部（２０）が、差動検知を遂行するように構成されたことを特徴とする全方向性ＥＣプローブ（１０）。
6. 請求項５に記載した全方向性ＥＣプローブ（１０）であって、前記電気的接続部（２０）が、さらに絶対検知を遂行するように構成されたことを特徴とする全方向性ＥＣプローブ（１０）。
7. 請求項１に記載した全方向ＥＣプローブ（１０）であって、
   複数のＥＣチャネル（１８）、複数の駆動コイル（１６）、及びそれぞれの前記ＥＣチャネルの各々内において前記第一及び第二検知コイルを動作的に接続する複数の電気的接続部（２０）を含み、少なくとも一つの駆動コイルが、前記のＥＣチャネルの各々に設けられ、
   各前記のＥＣチャネルを形成する前記第一及び第二検知コイルは、それぞれ、一つの極性及び反対の極性を有し、
   前記駆動コイルの各々は、前記第一及び第二検知コイルの回りに延びて前記ＥＣチャネルのそれぞれを形成しており、
   前記駆動コイルは、隣接する駆動コイルとの間で交互に変わる極性を持っている、
   ことを特徴とする全方向ＥＣプローブ（１０）。
8. 請求項７に記載した全方向性ＥＣプローブ（１０）であって、
   一対の訂正駆動コイル（２２、２４）をさらに含み、
   第一番目の前記訂正駆動コイル（２２）は、前記ＥＣチャネル（１８）の第一端（２６）に配置され、
   第二番目の前記訂正駆動コイルは、前記ＥＣチャネルの第二端（２８）に配置されて、
   それぞれの前記訂正駆動コイルは、検査フィールドを発生させるように構成されている、
   ことを特徴とする全方向性ＥＣプローブ（１０）。
9. 請求項７に記載した全方向性ＥＣプローブ（１０）であって、前記第一及び第二検知コイル（１２、１４）は、それぞれの前記ＥＣチャネルにおいて、第二方向（ｙ）に前記検知コイルの長さ（３０）の少なくとも約２５パーセントにわたって重なり合っていることを特徴とする全方向性ＥＣプローブ（１０）。
10. 請求項７に記載した全方向性ＥＣプローブ（１０）であって、前記電気的接続部（２０）は、それぞれの前記ＥＣチャネル（１８）において、差動検知を遂行するように構成され、さらに、少なくとも一つの前記ＥＣチャネルにおいて、絶対検知を行うように構成されていることを特徴とする全方向性ＥＣプローブ（１０）。

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