JP2013242205A - 渦電流探傷装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】走査中のコイルセンサのリフトオフや傾斜角に起因する検出信号の障害を低減する渦電流探傷技術を提供する。
【解決手段】渦電流探傷装置１０は、プローブ軸２３に対して中心軸２２が垂直方向を成すように環状配列された複数のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）と、これらコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）に励磁磁場を生じさせる交流電源３１と、コイル２１の検出信号を出力する検出部Ｄ（Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄）と、検出信号を入力して演算する演算処理部３２と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検査体に存在するき裂等の欠陥を非破壊で検出する渦電流探傷技術に関する。

金属の表面近傍に存在するき裂等の欠陥を検出する手段として渦電流探傷装置が用いられている。
この渦電流探傷装置によれは、交流電源に接続される励磁コイルから励磁磁場を被検査体に付与し、この被検査体の表面に渦電流を発生させ、この渦電流に誘導された誘導磁場を検出コイルで検出する。
そして、プローブの先端に設けられたコイルセンサを被検査体の表面に走査し、この表面に存在する欠陥による渦電流の変化を誘導磁場の変化として捉えることで、欠陥の検出が行われる。

ところで、渦電流探傷試験装置においては、走査中のコイルセンサと被検査体との距離（リフトオフ）が、検出信号の感度低下及びノイズ増大を招き、欠陥の識別性を低下させる課題がある。
このリフトオフの課題を解決する従来技術として、２個のコイルを十字状に交差させたコイルセンサを使用するものが知られている。
この従来技術によれば、検出信号の感度が欠陥方向に依存し、プローブ軸の被検査体表面に対する傾斜角に起因するノイズが発生するといった新たな課題が発生する。
この課題をさらに解決するために、励磁コイル及び検出コイルの形状ならびにそれらの配置に工夫をこらしたコイルセンサが提案されている（例えば、特許文献１）。

特許第３９３８８８６号公報

しかし、上記提案されている技術では、コイルセンサの構造が複雑化し、製造上もしくはその他の新たな課題を生じさせる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、簡単な構成を有し、走査中のコイルセンサのリフトオフや傾斜角に起因する検出信号の障害を低減する渦電流探傷技術を提供することを目的とする。

渦電流探傷装置において、プローブ軸に対して中心軸が垂直方向を成すように環状配列された複数のコイルと、前記コイルに励磁磁場を生じさせる交流電源と、前記コイルの検出信号を出力する検出部と、前記検出信号を入力して演算する演算処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明により、簡単な構成を有し、走査中のコイルセンサのリフトオフや傾斜角に起因する検出信号の障害を低減する渦電流探傷技術が提供される。

本発明に係る渦電流探傷装置の第１実施形態を示すブロック図。 第１実施形態に係る渦電流探傷装置を構成する検出部のブロック図。 （Ａ）第１実施形態に係る渦電流探傷装置の動作説明図、（Ｂ）各種欠陥に対するコイル検出信号の演算処理を示す表。 本発明に係る渦電流探傷装置の第２実施形態を示すブロック図。 （Ａ）第２実施形態に係る渦電流探傷装置の動作説明図、（Ｂ）各種欠陥に対するコイル検出信号の演算処理を示す表。 本発明に係る渦電流探傷装置の第３実施形態を示すブロック図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように第１実施形態の渦電流探傷装置１０は、プローブ軸２３に対して中心軸２２が垂直方向を成すように環状配列された複数のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）と、これらコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）に励磁磁場を生じさせる交流電源３１と、コイル２１の検出信号を出力する検出部Ｄ（Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄）と、検出信号を入力して演算する演算処理部３２と、を備えている。

渦電流探傷装置１０は、コイルセンサ２０を先端部分に内蔵したプローブ（図示略）と、検出部Ｄ（Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄）,演算処理部３２及び表示部３３から構成される制御部３０と、がケーブルにより接続されている。
このプローブ（図示略）は、被検査体１１の表面を、表面法線とプローブ軸２３が極力一致するように走査される。

コイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）は、同形状の４個のものの中心軸２２が互いに直交するように環状配列して、コイルセンサ２０を構成している。
このコイルセンサ２０は、プローブ（図示略）の先端部分に内蔵され、環状配列するコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）の対称軸がプローブ軸２３となる。

検出部Ｄ（Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄）は、それぞれコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）に対応して設けられている。
そして、図２に示すように、検出部Ｄの各々は、コイル２１を含む４つのインダクタＺa，Ｚb，Ｚc，Ｚdから成るブリッジ回路で構成されている。
ブリッジ回路においては、次式（１）が成立するときは、平衡バランスがとれている状態で、増幅回路３４に流れる電流が０になる。
Ｚa×Ｚd＝Ｚb×Ｚc （１）

次に、検出部Ｄの動作例を示す。
交流電源３１を動作させてコイル２１に励磁磁場を生じさせると、被検査体１１に渦電流が励起する。そして、この渦電流により発生する誘導磁場が、コイル２１に鎖交すると、このコイル２１に誘導起電圧を発生させる。
欠陥の無い検査面にコイル２１を近付けた状態で、励磁磁場を生じさせ可変インダクタＺdを調整して、ブリッジ回路の平衡バランスを取る。

そして、コイル２１を走査して欠陥の近傍を通過すると、この欠陥を迂回して渦電流が流れて誘導磁場の分布が変化するためにコイル２１の誘導起電圧も変化する。このようなコイル２１（Ｚc）のインピーダンス変化を反映して、ブリッジ回路の平衡バランスが崩れ増幅回路３４で電流が検出されるようになる。
このように、第１実施形態の渦電流探傷装置は、励磁磁場による渦電流の発生及びこの渦電流による誘導磁場の検出を、単独のコイル２１で担う自己誘導型である。

なお、上述した検出部Ｄの構成は、例示であって、走査中のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）の各々のインピーダンス変化を検出することができるものであれば適宜採用される。また、これらコイル２１は、交流電源３１に対し並列接続しているが、直列接続される場合もある。

演算処理部３２は、検出部Ｄ（Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄）から出力されるそれぞれの検出信号を入力し、加算又は減算といった演算を実行し、その演算結果を表示部３３に表示する。

図３を参照して第１実施形態に係る渦電流探傷装置の動作を説明する。
図３（Ａ）は、第１実施形態において、コイルセンサ２０の走査方向４４に、き裂の欠陥４１，４２，４３を有する被検査体１１を、平面視したものである。

この場合、コイル２１₁とコイル２１₂は、欠陥４１に対して対称であるため、検出部Ｄ₁，Ｄ₂から出力される検出信号の感度は同じになる。同様に、コイル２１₃とコイル２１₄も、欠陥４１に対して対称であるため、検出部Ｄ₃，Ｄ₄から出力される検出信号の感度も同じになる。

したがって、コイル２１₁（検出部Ｄ₁）及びコイル２１₂（検出部Ｄ₂）から出力される各々の検出信号を演算処理部３２において加算することにより欠陥４１の検出感度を向上させることができる。
同様に、コイル２１₃（検出部Ｄ₃）及びコイル２１₄（検出部Ｄ₄）から出力される各々の検出信号を演算処理部３２において加算することにより欠陥４１の検出感度を向上させることができる。
なお、欠陥４１のうちコイル２１₁及びコイル２１₂と平行な欠陥は、その位置関係から、コイル２１₃（検出部Ｄ₃）及びコイル２１₄（検出部Ｄ₄）の検出信号の方が、コイル２１₁（検出部Ｄ₁）及びコイル２１₂（検出部Ｄ₂）の検出信号よりも、高感度で検出される。

ここで、コイルセンサ２０の走査中に、各々のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）と被検査体１１との間に、同じ長さのリフトオフが生じたとする。各々の検出部Ｄ（Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄）は、このリフトオフに起因するノイズを検出するが、各々のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）と被検査体１１との位置関係は同等であるため、検出されるノイズ感度は、各々の検出部Ｄにおいて同等である。

したがって、図３（Ｂ）に示すように、欠陥４１に対しては、検出部Ｄ₁及び検出部Ｄ₂の検出信号の和と、検出部Ｄ₃及び検出部Ｄ₄の検出信号の和と、の差を取ることで、感度を維持したまま、リフトオフによるノイズを相殺することができる。
同様の考え方で、欠陥４２又は欠陥４３に対しては、検出部Ｄ₁及び検出部Ｄ₂の検出信号の差と、検出部Ｄ₃及び検出部Ｄ₄の検出信号の差と、の差を取ることで、感度を維持したまま、リフトオフによるノイズを相殺することができる。

さらに、コイルセンサ２０の走査中に、各々のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）が成すプローブ軸２３（図１）と被検査体１１との間に傾斜角が生じた場合について検討する。
ここで、傾斜方向４０とした場合、各々のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）と被検査体１１との位置関係を鑑みると、各コイル２１間の対称性から、欠陥に対する感度を維持したまま、リフトオフと傾斜によるノイズを相殺することができる。
例えば、傾斜方向４０でコイル２１₁，２１₃側が低くなる傾きの場合、図３（Ｂ）に示す各式では、傾きによりコイル２１₁と２１₃が受ける影響が同等であり、コイル２１₂と２１₄が受ける影響もまた同等である。したがって、傾斜による影響は最終的に相殺される。

（第２実施形態）
図４に基づいて、第２実施形態の渦電流探傷装置を説明する。なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
図４に示すように第２実施形態の渦電流探傷装置１０は、プローブ軸２３に対して中心軸２２が垂直方向を成すように環状配列された複数のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）と、コイル２１₁，２１₂に励磁磁場を生じさせる交流電源３１と、コイル２１₃，２１₄の検出信号を出力する検出部Ｄ₃，Ｄ₄と、この検出信号を入力して演算する演算処理部３２と、を備えている。

このように、第２実施形態の渦電流探傷装置１０は、励磁磁場を生じて被検査体１１に渦電流を励起させる励磁コイル２１₁，２１₂と、この渦電流により発生する誘導磁場を検出して誘導起電圧を発生させる検出コイル２１₃，２１₄と、が別々のコイルで構成される相互誘導型である。

さらに、第２実施形態の渦電流探傷装置１０は、交流電源３１から出力する交流の位相を可変して励磁コイル２１₂に励磁磁場を生じさせる位相可変部３５を備えている。
この位相可変部３５は、例えば交流の位相をπ(rad)だけ遅らせるように設定すれば、励磁コイル２１₁，２１₂から出力される励磁磁場の振動方向を一致させたり反転させたりすることができる。

なお、この位相可変部３５は、限定されることはなく種々の形態を取り得る。
例えば、励磁コイル２１₁，２１₂から出力される励磁磁場の振動方向を一致させたり反転させたりする機能を実現するのであれば、位相可変部３５は、いずれか一方のコイルに対する交流極性の正逆を切替可能に構成すればよい。

次に、第２実施形態に係る渦電流探傷装置の動作例を示す。
交流電源３１を動作させて励磁コイル２１₁，２１₂に励磁磁場を生じさせると、被検査体１１に渦電流が励起する。そして、この渦電流により発生する誘導磁場が、検出コイル２１₃，２１₄に鎖交すると、この検出コイル２１₃，２１₄に誘導起電圧を発生させる。

そして、この検出コイル２１₃，２１₄の誘導起電圧は、検出部Ｄ₃，Ｄ₄から、検出信号として出力される。
演算処理部３２は、検出部Ｄ₃，Ｄ₄から出力されるそれぞれの検出信号を入力し、加算又は減算といった演算を実行し、その演算結果を表示部３３に表示する。

そして、コイルセンサ２０を走査して欠陥の近傍を通過すると、この欠陥を迂回して渦電流が流れて誘導磁場の分布が変化するために検出コイル２１₃，２１₄の誘導起電圧も変化する。このような、検出信号の変化を観察することにより、欠陥を検出することができる。

図５を参照して第２実施形態に係る渦電流探傷装置の動作を説明する。
図５（Ａ）は、第２実施形態において、コイルセンサ２０の走査方向４４に、き裂の欠陥４１，４２，４３を有する被検査体１１を、平面視したものである。

この場合、検出コイル２１₃，２１₄は、欠陥４１に対して対称であるが、励磁コイル２１₁，２１₂による励磁磁場の方向が互いに逆向きである。このため、欠陥４１による検出信号の大きさは同じであるが、符号がお互いに正負反転することになる。
したがって、検出コイル２１₃（検出部Ｄ₃）及び検出コイル２１₄（検出部Ｄ₄）から出力される各々の検出信号を演算処理部３２において減算することにより欠陥４１の検出感度を向上させることができる。

このような設定を、図５（Ｂ）において、励磁側設定（Ｄ１＋Ｄ２）、演算処理（Ｄ３−Ｄ４）として示した。なお、欠陥４１に対しては、励磁側設定（Ｄ１−Ｄ２）、演算処理（Ｄ３＋Ｄ４）としても良い。
ここで励磁側設定（Ｄ１−Ｄ２）とは、位相可変部３５によって、励磁コイル２１₁，２１₂に通電される交流の極性がそれぞれ逆方向に設定されていることを示している。
図５（Ｂ）には、欠陥４１の場合と同様に、欠陥４２及び欠陥４３に対する効果的な励磁側設定と演算処理の組み合わせも示されている。

ここで、コイルセンサ２０の走査中に、各々のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）と被検査体１１との間に、同じ長さのリフトオフが生じたとする。しかし、第２実施形態のコイルセンサ２０の構成によれば、リフトオフが生じる前後において、検出コイル２１₃，２１₄に鎖交する磁束量はほとんど変化しないために、リフトオフに起因するノイズはほとんど発生しない。

さらに、コイルセンサ２０の走査中に、各々のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）が成すプローブ軸２３（図１）と被検査体１１との間に傾斜角が生じた場合について検討する。
ここで、傾斜方向４０とした場合、各々のコイル２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄）と被検査体１１との位置関係を鑑みると、各コイル２１間の対称性から、欠陥に対する感度を維持したまま、リフトオフと傾斜によるノイズを相殺することができる。

（第３実施形態）
図６に基づいて、第３実施形態の渦電流探傷装置を説明する。図６において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
図６に示すように第３実施形態の渦電流探傷装置１０は、プローブ軸に対して中心軸が垂直方向を成すように環状配列された複数のコイル２１（２１₁〜２１₈）と、これらコイル２１（２１₁〜２１₈）に励磁磁場を生じさせる交流電源３１と、コイル２１の検出信号を出力する検出部Ｄ（Ｄ₁〜Ｄ₈）と、検出信号を入力して演算する演算処理部３２と、を備えている。
コイル２１（２１₁〜２１₈）は、同形状の８個のものの中心軸が互いに交差するように環状配列して、コイルセンサ２０を構成している。

この図６に示される渦電流探傷装置は、励磁磁場による渦電流の発生及びこの渦電流による誘導磁場の検出を、単独のコイル２１で担う自己誘導型である。
一方、図示を省略するが、第３実施形態の渦電流探傷装置１０は、相互誘導型として構成することもできる。
この相互誘導型の場合、コイルセンサ２０は、励磁磁場を生じて被検査体１１に渦電流を励起させる励磁コイル２１₁，２１₂，２１₅，２１₆と、この渦電流により発生する誘導磁場を検出して誘導起電圧を発生させる検出コイル２１₃，２１₄，２１₇，２１₈と、で構成される。

このように、コイルセンサ２０を構成するコイル２１の数を増やすことにより、リフトオフ及び傾斜角に起因する障害を低減させるとともに、欠陥方向に依存する検出信号の感度がより一様になる効果が得られる。
なお、実施形態において、コイルセンサ２０を構成するコイル２１の配列数として、４又は８のものを例示したが、この配列数は特に限定されない。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の渦電流探傷装置によれば、複数のコイルを環状配列してセンサを構成することにより、簡単な構造で、リフトオフ及び傾斜角に起因するノイズ発生、並びに探傷感度の欠陥方向依存性を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…渦電流探傷装置、１１…被検査体、２０…コイルセンサ、２１（２１₁，２１₂，２１₃，２１₄，２１₅，２１₆，２１₇，２１₈）…コイル、２２…コイルの中心軸、２３…プローブ軸、３０…制御部、３１…交流電源、３２…演算処理部、３３…表示部、３４…増幅回路、３５…位相可変部、４０…傾斜方向、４１，４２，４３…欠陥、４４…走査方向、Ｄ（Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄）…検出部、Ｚa，Ｚb，Ｚc，Ｚd…インダクタ。

Claims (6)

1. プローブ軸に対して中心軸が垂直方向を成すように環状配列された複数のコイルと、
   前記コイルに励磁磁場を生じさせる交流電源と、
   前記コイルの検出信号を出力する検出部と、
   前記検出信号を入力して演算する演算処理部と、を備えることを特徴とする渦電流探傷装置。
2. 請求項１に記載の渦電流探傷装置において、
   励磁及び検出を単独のコイルで担う自己誘導型であることを特徴とする渦電流探傷装置。
3. 請求項１に記載の渦電流探傷装置において、
   励磁及び検出を別々のコイルで担う相互誘導型であることを特徴とする渦電流探傷装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の渦電流探傷装置において、
   交流の位相を可変して前記コイルに前記励磁磁場を生じさせる位相可変部を備えることを特徴とする渦電流探傷装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の渦電流探傷装置において、
   前記複数のコイルの配列数は、４又は８であることを特徴とする渦電流探傷装置。
6. プローブ軸に対して中心軸が垂直方向を成すように環状配列された複数のコイルを被検査体の表面に走査するステップと、
   前記コイルに励磁磁場を生じさせるステップと、
   前記コイルの検出信号を出力するステップと、
   前記検出信号を入力して演算するステップと、を含むことを特徴とする渦電流探傷方法。

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