JP2006322860A - 渦電流探傷プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 リフトオフ雑音を発生しない渦電流探傷プローブにおいて、キズ検出の空間分解能を高くしてキズを高精度で検出すること。
【解決手段】 励磁コイル２０は、コイル面を検査体１０の検査面と垂直に配置し、励磁コイル２０と検査体１０の検査面の間にＧＭＲセンサ３０を配置してある。ＧＭＲセンサ３０は、検査体１０の検査面と直交する方向の磁束に感磁するが、検査体１０の検査面と平行な磁束には感磁しない。励磁コイル２０に励磁電流を流すと、検査体１０の検査面に一様な渦電流Ｉｅが発生し、その検査面にキズ１１があるときは、キズ１１に沿って局所的に渦電流Ｉｆが発生する。ＧＭＲセンサ３０は、渦電流Ｉｆにより発生する磁束の検査体１０の検査面と直交する方向の磁束に感磁するが、渦電流Ｉｅにより発生する検査体１０の検査面と平行な方向の磁束には感磁しない。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、巨大磁気抵抗効果センサ（ＧＭＲセンサ）を用いた渦電流探傷プローブに関する。

従来原理的にリフトオフ雑音が発生しない渦電流探傷プローブとして、励磁コイルと検出コイルが直交するように配置したもの（例えば特許文献１参照）と、一様渦電流を利用したもの（例えば特許文献２参照）が提案されている。

図７により従来の励磁コイルと検出コイルが直交するように配置した渦電流探傷プローブを説明する。
図７（ａ）は、図７（ｂ）のＸ２方向の平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＸ１方向の断面図、図７（ｃ）は検査体にキズがないときの渦電流を示す図、図７（ｄ）は、検査体にキズがあるときの渦電流を示す図である。
円形状（パンケーキ状）の励磁コイル２１は、コイル軸が検査体１０の検査面と直交するように（コイル軸に直交するコイル面が検査面と平行になるように）配置し、四角形の検出コイル２２は、コイル面が励磁コイル２１のコイル面と直交するように配置してある。励磁コイル２１に励磁電流を流すと、図７（ｃ）のように、検査体１０の検査面に励磁コイル２１の巻線方向の渦電流Ｉｅが発生するが、渦電流Ｉｅは、検出コイル２２の巻線方向には流れないため検出コイル２２に起電力は発生しない。即ち検査体１０の検査面にキズがないときは、検出コイル２２にはいわゆるキズ信号は発生しない。検査体１０の検査面にキズ１１があると、図７（ｄ）のように、キズ１１に沿って渦電流Ｉｆが発生する。渦電流Ｉｆは、検出コイル２２の巻線方向に流れなるため検出コイル２２に起電力が発生する。即ち検出コイル２２にキズ信号（検出信号）が発生する。

図８により従来の一様渦電流を利用した渦電流探傷プローブを説明する。
図８（ａ）は、図８（ｂ）のＸ２方向の平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＸ１方向の側面図、図８（ｃ）は検査体にキズがないときの渦電流を示す図、図８（ｄ）は、検査体にキズがあるときの渦電流を示す図である。
四角形の励磁コイル２１は、コイル面が検査体１０の検査面に垂直になるように配置し、円形状（パンケーキ状）の検出コイル２２は、コイル面が検査体１０の検査面と平行になるように、検査体１０の検査面と励磁コイル２１の間に配置してある。
励磁コイル２１に励磁電流を流すと、図８（ｃ）のように、検査体１０の検査面に励磁コイル２１の巻線方向の一様な渦電流Ｉｅが発生する。検出コイル２２には、渦電流Ｉｅにより検出コイル２２の左右（励磁コイル２１の巻き線方向の左右）の部分に起電力が発生するが、お互いに打ち消し合い結局検出コイル２２に出力は発生しない。検査体１０の検査面にキズ１１があるときは、図８（ｄ）のように、キズ１１に沿って渦電流Ｉｆが発生するため、検出コイル２２には、渦電流Ｉｆによって起電力が発生し、いわゆるキズ信号（検出信号）が発生する。

特開２００２−２１４２０２号公報 特開２００４−２０５２１２号公報

図７、図８の渦電流探傷プローブは、検出コイル２２によってキズ１１に起因する渦電流Ｉｆを検出しているから、キズ１１の幅等の検出精度は、検出コイル２２の空間分解能に依存する。検出コイル２２の空間分解能は、検出コイル２２のサイズに依存するが、検出コイル２２の小型化には、作製上の限度があり、例えばパンケーキ状コイルの場合、直径１ｍｍ以下のものを作製することは困難である。また検出コイル２２に発生するキズ信号の周波数（或いは周期）は、渦電流探傷プローブを走査するとき検出コイル２２がキズ１１上を通過する時間によって決まるが、検出コイル２２のサイズが大きいとその通過時間が長くなるため、キズ信号の周期が大きくなりキズ信号の周波数が低くなる。検査体１０の検査面は、一般に真平であることは少なく凹凸状であるため、検出コイル２２には、キズ信号以外に検査面の形状に起因する雑音、いわゆる外部雑音が混入する。そのためフィルタを用いて検出コイル２２の出力から外部雑音を除去しているが、キズ信号の周波数が低くなるとその外部雑音の周波数に近くなるため外部雑音の除去が困難になるとともに、高精度のフィルタが必要になる。
本願発明は、従来の渦電流探傷プローブの前記問題に鑑み、空間分解能が高く、キズを高精度で検出でき、周波数の高いキズ信号が得られる渦電流探傷プローブを提供することを目的とする。

本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の渦電流探傷プローブは、検査体の検査面に渦電流を発生する励磁コイルとキズを検出するＧＭＲセンサを備え、そのＧＭＲセンサは、前記検査面と直交する方向の磁束に感磁することを特徴とする。
請求項２に記載の渦電流探傷プローブは、請求項１に記載の渦電流探傷プローブにおいて、前記励磁コイルはそのコイル面が前記検査面と垂直になるように配置してあり、前記ＧＭＲセンサは前記励磁コイルと前記検査面の間に配置してあることを特徴とする。
請求項３に記載の渦電流探傷プローブは、請求項１又は請求項２に記載の渦電流探傷プローブにおいて、前記ＧＭＲセンサを複数個直線状に配置してあることを特徴とする。
請求項４に記載の渦電流探傷プローブは、請求項１、請求項２又は請求項３に記載の渦電流探傷プローブにおいて、前記励磁コイルは磁芯を備えていることを特徴とする。

本願発明の渦電流探傷プローブは、検査体のキズの検出にＧＭＲセンサを用い、その感磁方向を検査体の検査面に直交する方向に設定してあるから、ＧＭＲセンサは、キズに起因する渦電流が発生する磁束の検査面と直交する方向の磁束にのみ感磁して出力を発生する。即ち本願発明の渦電流探傷プローブは、検査面にキズがあるときのみ出力を発生するから、リフトオフ雑音を発生しない。そしてＧＭＲセンサは、高い感磁特性を有するから検査面と直交する方向の磁束を確実に検出することができる。

ＧＭＲセンサは、従来の検出コイルに比べてサイズが極めて小さく微小サイズであるから、空間分解能が高くなる。したがって本願発明の渦電流探傷プローブは、キズの位置、キズの幅等を精確に検出することができる。そしてキズの幅を精確に測定できるから、キズの深さも測定できる。また複数のキズが近接して存在する場合、それらのキズの位置、幅を各別に検出することができる。

本願発明の渦電流探傷プローブは、ＧＭＲセンサを密接して直線状に配置できるからＧＭＲセンサ列の幅を狭くすることができ、空間分解能の高い長尺のＧＭＲセンサ列を形成することができる。
本願発明の渦電流探傷プローブは、有芯の励磁コイルを用いて励磁磁束を検査体の検査面のキズ付近に集中させることができるから、探傷感度を高めることができる。

本願発明は、渦電流探傷プローブにおいて、キズの検出に巨大磁気抵抗効果センサ（以下本願においてＧＭＲセンサと呼ぶ）を用い、ＧＭＲセンサの感磁方向を検査体の検査面と直交する方向に設定してある。即ちＧＭＲセンサは、検査面と直交する方向の磁束（或いは磁界）に対して巨大磁気抵抗効果を奏し、検査面と並行な磁束には感磁しないように配置してある。このように配置することにより、ＧＭＲセンサは、検査面にキズがないときの渦電流が発生する磁束（検査面と平行な磁束）には感磁せずに、検査面にキズがあるときのみ、そのキズに起因する渦電流が発生する磁束の検査面と直交する方向の磁束に感磁して出力（キズ信号）を発生する。またＧＭＲセンサの巨大磁気抵抗効果を奏する部分（素子）は、厚み数十ｎｍ、サイズ数十μｍ平方に形成することもできるから、渦電流探傷プローブは、空間分解能が高くなり、キズの検査精度が高くなる。
図１〜図６により本願発明の実施例を説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。

図１は、本願発明の実施例１に係る渦電流探傷プローブの構成を示す。
図１（ａ）は、図１（ｂ）のＹ２方向の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＹ１方向の側面図、図１（ｃ）は、検査体の検査面にキズがないときの渦電流を示す図、図１（ｄ）は、検査体の検査面にキズがあるときの渦電流を示す図である。
図１において、１０は検査体、１１はキズ、２０は四角形の励磁コイル、３０はキズ検出用のＧＭＲセンサである。渦電流探傷プローブは、励磁コイル２０とＧＭＲセンサ３０からなり、励磁コイル２０は、コイル面が検査体１０の検査面に垂直になるように（コイル軸が検査体１０の検査面と平行になるように）配置してある。ＧＭＲセンサ３０は、後述するように検査体１０の検査面と直交する方向の磁束に感磁するように配置してある。
ここでコイル面は、コイルの巻き線に囲まれた面で、コイル軸と直交する面（開口面）である。

励磁コイル２０に励磁電流を流すと、図１（ｃ）のように、検査体１０の検査面に励磁コイル２０の巻線方向の一様な渦電流Ｉｅが発生する。渦電流Ｉｅは、広い範囲でその大きさが同じである。検査体１０の検査面にキズ１１があるときは、図１（ｄ）のようにキズ１１に沿って渦電流Ｉｆが局所的に発生する。渦電流Ｉｆの大きさは、キズの端部付近で最も大きく、キズを離れるほど小さくなる。渦電流Ｉｅが発生すると、検査体１の検査面と並行で、渦電流Ｉｅと直交する方向に磁束が発生するが、ＧＭＲセンサ３０は、検査面と並行の磁束には感磁しないから出力（検出電圧）を発生しない。一方検査面にキズ１１があると、そのキズ１１に起因する渦電流Ｉｆが発生し、渦電流Ｉｆの周囲に磁束が発生する。ＧＭＲセンサ３０は、その磁束の検査面と直交する方向の磁束に感磁して検出電圧、即ちキズ信号を発生する。その際ＧＭＲセンサ３０は、高い感磁特性を有するから検査体１１の検査面と直交する方向の磁束を確実に検出することができる。

ここで図５により図１のＧＭＲセンサ３０と従来のパンケーキ状の検出コイルに発生する検出電圧について説明する。
図５（ａ）は、検査体１０上にＧＭＲセンサ３０とパンケーキ状の検出コイル２２を配置した平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＹ１方向の側面図、図５（ｃ）は検出電圧の波形図である。図５（ｃ）において、縦軸は、ＧＭＲセンサ３０の検出電圧、横軸は、検査体１０の検査面上の位置を示す。
ＧＭＲセンサ３０とパンケーキ状の検出コイル２２を、検査体１０の検査面上をＹ２方向へ所定の速度で移動すると、検査面にキズ１１があるときは、図５（ｃ）のように、ＧＭＲセンサ３０に電圧Ｖ３０（実線の波形）と検出コイル２２に電圧Ｖ２２（破線の波形）が発生する。電圧Ｖ３０のピークは、キズ１１の前端部１１ｆと後端部１１ｂ付近に現れるが、電圧Ｖ２２のピークは、キズ１１の前端部１１ｆと後端部１１ｂから外側へ離れた位置に現れる。この違いは、ＧＭＲセンサ３０はサイズが小さくかつ検査面と直交する方向の磁束にのみ感磁することによるもので、ＧＭＲセンサ３０の空間分解能が検出コイル２２の空間分解能よりも高いことを意味している。

ＧＭＲセンサ３０の検出電圧は、キズ１１の前端部１１ｆと後端部１１ｂ付近にピークが現れるから、それらのピークの位置からキズ１１の幅Ｗ１を精確に測定することができる。また一般にキズ信号の大きさは、キズの体積に比例するが、ＧＭＲセンサ３０は、キズの幅を精確に測定できるから、キズの深さを高い精度で推定することもできる。
また複数のキズが狭い間隔で近接して存在する場合、従来の検出コイル２２は一個のキズとして検知してしまうが、ＧＭＲセンサ３０は、空間分解能が高いから各キズを個別に検出できるとともに、各キズの位置や大きさを精確に検出できる。
ＧＭＲセンサ３０の検出電圧の周期（例えばピークとピークの間隔）は、従来の検出コイル２２の検出電圧の周期よりも短くなる。したがってＧＭＲセンサ３０の検出電圧の周波数は、従来の検出コイル２２の検出電圧の周波数よりも高くなり、外来雑音の除去が容易になる。

図２は、図１のＧＭＲセンサ３０の配置例を示す図である。
図２（ａ）は、検査体１０上にＧＭＲセンサ３０を配置した斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＹ１方向の平面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＹ２方向の側面図である。
図２において、３１は、ＧＭＲセンサ３０の入出力用電極である。
ＧＭＲセンサ３０は、検査体１０の検査面と直交する方向の磁束Ｂ２に感磁するが、検査体１０の検査面と平行な方向の磁束Ｂ１には感磁しない。またＧＭＲセンサ３０は、検査体１０の検査面上で位置を変えても、例えば図２（ｂ）上でＧＭＲセンサ３０を９０度回転しても磁束Ｂ２に対する感磁方向は変わりないから、渦電流探傷プローブを作製するときの位置調整が容易になる。
なおＧＭＲセンサ３０は、用途に応じて種々のサイズのものが作製されているが、周囲を保護部材で覆い、内部に巨大磁気抵抗効果を有する部分（素子）を備えている。巨大磁気抵抗効果を有する部分（素子）は、前述したように厚み数十ｎｍ、サイズ数十μｍ平方のものも作製されている。

図３は、図１の検査体１０のキズ１１と渦電流探傷プローブの位置関係を示す。
図３（ａ）、図３（ｂ）は、励磁コイル２０をそのコイル面が検査面と垂直になるように配置した例であり、図３（ｃ）は、パンケーキ状の励磁コイル２０をそのコイル面が検査面と平行になるように配置した例である。
図３（ａ）は、励磁コイル２０の巻線方向がキズ１１の長手方向と平行するように渦電流探傷プローブを設置した例を示し、図３（ｂ）は、励磁コイル２０の巻線方向がキズ１１の長手方向と直交するように渦電流探傷プローブを設置した例を示す。図３（ａ）、図３（ｂ）いずれの場合も、微小サイズのＧＭＲセンサ３０を用いるから、空間分解能は、従来の検出コイルを用いる場合よりも高くなるが、図３（ａ）の場合の方が図３（ｂ）の場合よりも高くなる。
また図３（ｃ）の例の場合も、微小サイズのＧＭＲセンサ３０を用いるから、空間分解能は、従来の検出コイルを用いる場合よりも高くなる

図６は、渦電流探傷プローブを図３（ａ）のように設置したときのＧＭＲセンサ３０の検出電圧の測定結果を示し、図６（ａ）は、検出電圧の波形を、図６（ｂ）は、検出電圧のピーク間距離を示す。
まず図６（ａ）において、縦軸は、ＧＭＲセンサ３０の検出電圧を、横軸は、検査体１０の検査面上の位置を示し、Ｖ３０は、ＧＭＲセンサ３０の検出電圧を、１０は、検査体を示す。
図６（ａ）の検出電圧の測定に用いた励磁コイル２０のサイズ等は、次の通りである。励磁コイル２０のサイズはコイル面１１×１１ｍｍ、軸方向の長さ１２ｍｍ、ＧＭＲセンサ３０のサイズは０．１×０．１ｍｍ、厚さ０．１μｍ、試験体１０は板厚３ｍｍのアルミニウム板でキズ幅４．７ｍｍ、深さ２ｍｍ、リフトオフは０．１ｍｍである。励磁コイル２０には、周波数２５ＫＨｚ、±１０Ｖの励磁電圧を印加した。

図６（ａ）から分かるように、検出電圧Ｖ３０のピークは、検査体１０のキズの両端部１１ｆ、１１ｂと略一致し、そのピーク間距離は、キズの幅と略一致している。したがって本願発明の渦電流探傷プローブは、キズの位置や大きさを精確に検出することができる。
次に図６（ｂ）において、縦軸は、ＧＭＲセンサ３０の検出電圧のピーク間距離を、横軸は、キズの幅を示す。
図６（ｂ）から分かるように、検出電圧のピーク間距離は、キズの幅と略一致し、両者は、直線的関係にある。したがって本願発明の渦電流探傷プローブは、ＧＭＲセンサ３０の検出電圧のピーク間距離を求めることによりキズの幅を精確に検出することができる。

図４は、本願発明の実施例２に係り、キズ信号発生用のＧＭＲセンサを複数個列状に配置した例である。
図４（ａ）は、平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＹ１方向の側面図である。
図４は、ＧＭＲセンサ３０１，３０２，・・・，３０ｎをｎ個列状に配置してある。この場合には、一度に広い範囲の探傷が可能になる。従来多数のパンケーキ状の検出コイルを列状に配置する場合には、コイルの厚みが死角となり探傷漏れの恐れがあるため、検出コイルを千鳥状に配置している。そのため検出コイル列の幅は、検出コイルの直径よりも広くなり、空間解像度が低下してしまう。それに対してＧＭＲセンサは、密接して並設できるから直線状に配置でき、かつ一個のＧＭＲセンサは微小サイズであるからＧＭＲセンサ列の幅を狭くすることができるから空間解像度を高くすることができる。ＧＭＲセンサ３０１，３０２，・・・，３０ｎの間隔は、例えば０．２〜５ｍｍに設定する。
ＧＭＲセンサ３０１，３０２，・・・，３０ｎは、グループ化してグループ毎に出力を取り出すことにより、ＧＭＲセンサ列の長手方向のキズの位置を特定することもできる。

前記各実施例は、空芯の励磁コイルについて説明したが、有芯の励磁コイルを用いることもできる。その場合磁芯の材料は、高透磁率のものを用い、積層構造にするとなお良い。有芯の励磁コイルを用いた場合には、励磁磁束を検査体の検査面のキズ付近に集中させることができるから、大きな渦電流を発生することができ、探傷感度を高くすることができる。

本願発明の実施例１に係る渦電流探傷用プローブの構成を示す。 図１のＧＭＲセンサの配置例を示す。 図１の検査体のキズと渦電流探傷プローブの位置関係を示す。 本願発明の実施例２に係り、ＧＭＲセンサを複数個列状に配置した例を示す。 図１のＧＭＲセンサの検出電圧と従来のパンケーキ状検出コイルの検出電圧を示す。 図１の渦電流探傷用プローブの検出電圧と検出電圧のピーク間距離の測定結果を示す。 従来の励磁コイルと検出コイルを直交するように配置した渦電流探傷プローブの構成を示す。 従来の一様渦電流を利用した渦電流探傷プローブの構成を示す。

符号の説明

１０ 検査体
１１ キズ
１１ｆ キズの前端部
１１ｂ キズの後端部
２０ 励磁コイル
３０，３０１，３０２，３０ｎ ＧＭＲセンサ
３１ ＧＭＲセンサの入出力電極
Ｂ１，Ｂ２ 磁束
Ｉｅ，Ｉｆ 渦電流
Ｖ３０ 検出電圧

Claims (4)

1. 検査体の検査面に渦電流を発生する励磁コイルとキズを検出するＧＭＲセンサを備え、そのＧＭＲセンサは、前記検査面と直交する方向の磁束に感磁することを特徴とする渦電流探傷プローブ。
2. 請求項１に記載の渦電流探傷プローブにおいて、前記励磁コイルはそのコイル面が前記検査面と垂直になるように配置してあり、前記ＧＭＲセンサは前記励磁コイルと前記検査面の間に配置してあることを特徴とする渦電流探傷プローブ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の渦電流探傷プローブにおいて、前記ＧＭＲセンサを複数個直線状に配置してあることを特徴とする渦電流探傷プローブ。
4. 請求項１、請求項２又は請求項３に記載の渦電流探傷プローブにおいて、前記励磁コイルは磁芯を備えていることを特徴とする渦電流探傷プローブ。

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