JP2016057225A - 渦電流探傷センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】傷周辺を流れる渦電流は、傷中央部では流れがバランスして傷の検出が困難となる。【解決手段】渦電流探傷センサ装置１０は、検査面４６に対して離間されるとともに巻軸Ｃ１，Ｃ２が検査面４６に対してともに平行に向けられた、一対の励磁コイル２４Ａ，２４Ｂと、一方に対して他方が逆極性となるように励磁コイル２４Ａ，２４Ｂに励磁電流を供給する交流電源１２を備える。さらに、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの間であって巻軸方向Ｃ１，Ｃ２中心に配置されるとともに、自身の巻軸Ｃ３が検査面４６に対して平行かつ励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの巻軸Ｃ１，Ｃ２と垂直となるように向けられ、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂによって検査面４６に誘起された渦電流の変化を検出する検出コイル２８を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、渦電流探傷センサ装置に関する。

従来から、検査体表面上の傷を検出する探傷センサとして、渦電流探傷センサが知られている。例えば特許文献１では、巻軸が検査体表面と平行に向けられた励磁コイルと、当該励磁コイルと検査体表面との間に置かれるとともにその巻軸は検査体表面に垂直に向けられた検出コイルを備えた、渦電流探傷プローブが開示されている。

また、特許文献２では、一対の励磁コイルを備えた渦電流探傷プローブが開示されている。各励磁コイルの巻軸は検査体表面に対して垂直に向けられており、各励磁コイルにはそれぞれ逆極性の励磁電流が流される。各励磁コイルによって誘起された渦電流は重ね合わされて、その結果、検出感度が向上する。

特許第４１１７６４５号公報 特許第３７９６５７０号公報

ところで、従来の渦電流探傷センサでは、検出コイルよりも長い傷について、特に中央部分を検知することが困難となる。すなわち、検査体表面に流れる渦電流は、傷周辺ではその傷に沿って流れる。このとき、傷の端部では渦電流の流れが偏ることから当該傷端部を検出することが可能であるが、傷中央部では渦電流の流れがバランスして（相殺されて）検出が困難となる。これは例えば特許文献１の図４（ｂ）のグラフ上の点（ロ）や特許文献２の図５のスキャン結果から明らかである。傷の長手方向両端部分が検知できてもその中央部分が検知できないことになると、検出結果の解析において、検出された傷が単一の長い傷であるか、２つの短い傷であるかの判別が困難となるおそれがある。

また、渦電流に加えて漏洩磁束を用いた探傷方法では、傷を跨ぐようにして検査体表面から漏洩磁束が生じることから、傷の中央部分も検知することが可能であるが、検査体が磁束の生じないアルミニウム等の非磁性体である場合には当該方法は有効ではない。そこで、本発明は、渦電流のみにて傷の中央部分の検知が可能な、渦電流探傷センサ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る渦電流探傷センサ装置は、検査面に対して離間されるとともに巻軸が前記検査面に対してともに平行に向けられた一対の励磁コイルと、一方に対して他方が逆極性となるように前記一対の励磁コイルに励磁電流を供給する交流電流源と、前記一対の励磁コイルの間であって前記巻軸方向中心に配置されるとともに自身の巻軸が前記検査面に対して平行かつ前記励磁コイルの巻軸と垂直となるように向けられ、前記一対の励磁コイルによって前記検査面に誘起された渦電流の変化を検出する検出コイルと、を備える。

また、本発明に係る渦電流探傷センサ装置の別態様は、検査面に対して離間されるとともに巻軸が前記検査面に対してともに平行に向けられた一対の励磁コイルと、一方に対して他方が逆極性となるように前記一対の励磁コイルに励磁電流を供給する交流電流源と、前記一対の励磁コイルの間であって前記巻軸方向中心に配置されるとともに自身の巻軸が前記励磁コイルの巻軸と平行となるように向けられ、前記一対の励磁コイルによって前記検査面に誘起された渦電流の変化を検出する検出コイルと、を備える。

また、上記発明において、前記一対の励磁コイル及び検出コイルは一体のプローブユニットとして組み付けられ、前記プローブユニットは、前記検出コイルの巻軸に対して垂直方向に走査されることが好適である。

請求項1、２に係る発明によれば、渦電流のみにて傷の中央部分の検知が可能となる。また、請求項３に係る発明によれば、傷を高精度に検出することができる。

本実施形態に係る渦電流探傷センサ装置の構成を説明するブロック図である。 プローブユニットを例示する斜視図である。 励磁コイルにより誘起された渦電流分布を示す図である。 渦電流のバランス関係を説明する図である。 渦電流のバランス関係を説明する図である。 検出コイルの検出信号波形を例示する図である。 本実施形態に係る渦電流探傷センサ装置の実施例を説明する図である。 本実施形態に係る渦電流探傷センサ装置による計測結果を示す図である。

＜渦電流探傷センサ装置の全体構成＞
図１に、本実施の形態に係る渦電流探傷センサ装置１０のブロック図を例示する。渦電流探傷センサ装置１０は、交流電源１２、アンプ１４、プローブユニット１６、計測ステージ１８、計測器２０、及び演算処理器２２を含んで構成される。

なお、図１〜図８では、検査体２６の検査面４６を、直交するＸ座標及びＹ座標からなるＸ−Ｙ平面とし、これに垂直な軸をＺ軸とする。

交流電源１２からプローブユニット１６の励磁コイル２４Ａ，２４Ｂに対して励磁電流が供給される。これを受けて計測ステージ１８上の導体からなる検査体２６に渦電流が誘起される。プローブユニット１６の検出コイル２８はこの渦電流の変化を検出する。計測器２０は検出コイル２８からの信号を加工して演算処理器２２に送る。演算処理器２２では検出結果が表示される。

＜各構成の詳細＞
交流電源１２は、励磁電流を励磁コイル２４Ａ，２４Ｂに供給する交流電流源である。交流電源１２は、例えば、電圧や周波数が可変なＶＶＶＦ電源であってよい。交流電源１２から出力された励磁電流は、アンプ１４によって増幅されて励磁コイル２４Ａ，２４Ｂに供給される。

交流電源１２は、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂに対して、一方が他方に対して逆極性となるように、それぞれ励磁電流を供給する。このようにすることで、後述するように、各励磁コイル２４Ａ，２４Ｂにより誘起された渦電流が重畳される。

計測器２０は、検出コイル２８から取得した信号からノイズ成分を除去したり、ノイズ除去後の信号を増幅するなどの機能を有している。計測器２０は、例えば、位相検波器３０、アンプ３２、フィルタ３４、及び表示手段３６を備える。

位相検波器３０は、検出コイル２８から取得した電圧信号のうち、交流電源１２が励磁コイル２４Ａ，２４Ｂに印加した入力電圧と同位相の成分を取り出す。アンプ３２は、位相検波後の信号を増幅する。フィルタ３４は、増幅後の信号から、位相検波器３０で除去し切れなかった成分（例えば、高周波成分）を除去する。

表示手段３６は、フィルタ３４を通過した信号波形を表示する。表示された信号振幅等に基づいて交流電源１２の出力を調整するなど、測定条件の調整が可能となる。

演算処理器２２は、計測器２０から信号を受け取るとともに、信号の演算処理を行う。
演算処理器２２は、例えば、Ａ／Ｄ変換器３８、記憶装置４０、データ処理装置４２、及び表示手段４４を備える。

Ａ／Ｄ変換器３８は、計測器２０から送られたアナログ信号をデジタル信号に変換する。記憶装置４０は、変換後のデジタル信号を記憶する。データ処理装置４２は、変換後の信号から検査体２６の特性を求めるための演算処理を行う。表示手段４４は、演算処理後の信号に基づいた、検査体２６の特性マップ（図８）を表示する。

＜プローブユニットの詳細＞
プローブユニット１６は、一対の励磁コイル２４Ａ，２４Ｂ及び検出コイル２８を組み付けて一体化させたものである。また、プローブユニット１６と検査体２６の検査面４６との離間距離（リフトオフ量）を調整するため、及び、検査面４６上を走査するために、計測ステージ１８に対するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の相対距離を調整可能な三次元移動機構をプローブユニット１６に備えるようにしてもよい。

励磁コイル２４Ａ，２４Ｂは、交流電源１２から送られる励磁電流によって磁界を発生させ、もって検査体２６に渦電流を誘起させる。図２に示すように、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂは、検査体２６の探傷検査時に、検査体２６の検査面４６に対して離間されて配置される。加えて、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂは、それぞれの巻軸Ｃ１，Ｃ２が検査面４６に対してともに平行に向けられる。

検出コイル２８は、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂによって検査面４６に誘起された渦電流の変化を検出する。検出コイル２８は、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの間であって巻軸Ｃ１，Ｃ２方向中心に配置される。加えて、検出コイル２８は、自身の巻軸Ｃ３が検査面４６に対して平行かつ励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの巻軸Ｃ１，Ｃ２と垂直になるように向けられる。例えば図２では、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの巻軸Ｃ１，Ｃ２はＸ軸と平行に向けられ、検出コイル２８の巻軸Ｃ３はＹ軸と平行に向けられる。

なお、本実施形態における垂直及び平行とは、それぞれ９０°及び０°の場合のみを示すものではなく、計測上許容される範囲の誤差を含むものとする。例えば８５°以上９５°以下を垂直に含め、−５°以上＋５°以下の範囲を平行に含める。

＜本実施形態に係る渦電流探傷の原理＞
図３には、本実施形態に係る励磁コイル２４Ａ，２４Ｂにそれぞれ逆極性の励磁電流を供給したときの、検査体２６に誘起される渦電流密度を、有限要素法により計算した結果が示されている。この計算では、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの検査面４６側の底面と検査面４６との距離（リフトオフ量）を５ｍｍとした。また、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの巻軸Ｃ１，Ｃ２をＸ軸方向に向けた。さらに、この計算は、検査面４６に傷が無いとの条件で行ったものである。なお、当然のことながら、渦電流は交番的に変化し、電流の向き（矢印）は先頭と末尾とに周期ごとに切り替わるが、図３では便宜上、そのうち一方の極性の渦電流密度分布を示している。

図３では、図２の平面図が示されている。Ｙ軸の周辺に着目して、渦電流のＹ軸方向成分は、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂに流れる励磁電流の極性が逆であるために、対応する渦電流もそれぞれ逆方向に誘起される。

さらに、Ｙ軸方向に生じた渦電流が４つのループ軌道に沿って流れるとともに、２つの励磁コイル２４Ａ，２４Ｂに挟まれた領域の中央付近でＸ軸方向に迂回する。このとき、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂによる渦電流の成分方向が同一であるため、両者は重畳し強め合う。すなわち、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂに挟まれた領域では、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの渦電流が重畳されて渦電流が最大密度となる。このことから、Ｘ軸方向成分、つまり、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの巻軸Ｃ１，Ｃ２に平行な渦電流成分を積極的に利用することで、高感度の探傷を行うことができる。

この図から分かるように、Ｘ−Ｙ平面の原点、つまり励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの間であって巻軸方向中心部分は渦電流がバランスされている。したがって、図４の模式図に示すように、この箇所に検出コイル２８を配置すると、検査面４６に傷が無い状態では、検出コイル２８の出力は理想的には０になることが理解される。なお、図４の矢印は渦電流密度を表している。

図５には、検出コイル２８の一端側に傷４８が形成された場合の渦電流分布が例示されている。傷４８によって渦電流のＸ軸方向の流れが遮られ、Ｙ軸方向に迂回する。このとき、渦電流のＸ軸方向成分に注目すると、傷４８の形成されていない他端と比較して傷４８側の端部は渦電流密度が低下する。つまり渦電流密度のバランスが崩れる。このとき、検出コイル２８は図４のバランスされた状態と比較して電圧値が増加（０から正側及び負側への増加）する。

図５における渦電流密度の偏りは、検出コイル２８から見て対称的であるため、検出コイル２８の検出信号も対称的なものとなる。例えば図５上段にて電圧値が正の最大値をとる場合、下段では負の最大値をとるようになる。すなわち、図５上段から下段に、言い換えると、傷４８を右側にした状態から傷４８を跨ぐように検出コイル２８を右方向に走査させる、つまり、検出コイル２８の巻軸Ｃ３に対して垂直方向（Ｘ軸方向）にプローブユニット１６を走査した場合、検出コイル２８による検出電圧は図６に示すような波形を示すようになる。このように、検出コイル２８の巻軸Ｃ３に対して垂直方向にプローブユニット１６を走査させることで、検出電圧の山と谷が明瞭に現れるようになり、その結果、傷４８を高精度に検出することができる。

なお、渦電流の乱れは、傷４８の向きによって異なる。すなわち、検出コイル２８の巻軸Ｃ３に垂直である、つまり検出コイル２８の両端部における渦電流の流れと平行である場合には、渦電流の流れを遮る効果が相対的に低くなる。一方、検出コイル２８の巻軸Ｃ３に平行である、つまり検出コイル２８の両端部における渦電流の流れと垂直である場合には、渦電流の流れを遮る効果が相対的に高くなる。この点から、本実施形態に係る渦電流探傷センサ装置１０は、検出コイル２８の巻軸Ｃ３に平行である（検出コイル２８の両端部における渦電流の流れと垂直である）傷４８の検出に適している。

また、検出コイル２８の巻軸Ｃ３に平行である傷４８の検出に際して、傷４８の長手方向中心が図３のＸ軸上にある場合に渦電流を遮る効果が最も高くなる、つまりバランスの乱れが最も大きくなることが理解される。このことから、本実施形態に係る渦電流探傷センサ装置１０は、検出コイル２８の巻軸Ｃ３に平行である傷４８の中心部分を高精度に検出することが可能となる。

＜実施例＞
図７に示すように、検査体２６の検査面４６に人工的に傷４８を形成させて、本実施形態に係る渦電流探傷センサ装置１０の動作確認を行った。検査体２６として、長さ（Ｙ軸方向長さ）１２０ｍｍ、幅（Ｘ軸方向長さ）１００ｍｍ、厚さ（Ｚ軸方向長さ）５ｍｍのＳＵＳ３１６板を用いた。

傷４８として、放電加工により、矩形スリットを検査面４６の中心に形成した。この矩形スリットの形状は、深さ（Ｚ軸方向深さ）１．５ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向長さ）５ｍｍ、幅（Ｘ軸方向長さ）０．１５ｍｍとした。

また、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂについて、それぞれコイル断面（Ｙ−Ｚ断面）を５×５ｍｍ^２とし、コイル長さ（Ｘ軸方向長さ）を１０ｍｍとした。巻数は３０回とした。また、検出コイル２８について、コイル断面（Ｘ−Ｚ断面）を５×５ｍｍ^２とし、コイル長さ（Ｙ軸方向長さ）を３ｍｍとした。巻数は３３回とした。励磁電流は１００ｋＨｚ、０．２００Ａとした。

計測条件として、計測範囲は傷周辺の４０×４０ｍｍ^２の範囲とした。また、計測間隔は０．５ｍｍとした。検査面４６とプローブユニット１６の底面との離間距離（リフトオフ量）は１ｍｍとした。

図８に、上記条件による計測結果を示す。横軸はＸ座標を示し、縦軸はＹ座標を示す。この図では、各座標における計測信号の強度が示されている。なお強度として、無欠陥部に対する計測信号の差分を用いている。また、傷４８は、Ｘ−Ｙ座標の原点にその中心点が位置するとともに、Ｙ軸方向に延びるように図示されている。

この図から、傷４８の左右に信号強度の極値（正及び負の最大値）が現れていることが理解される。これらの最大値の中間点を求めることで、検査面４６上の傷４８の位置を特定することが可能となる。

＜他の実施形態＞
なお、上述した実施形態では、検出コイル２８の巻軸Ｃ３を、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの巻軸Ｃ１，Ｃ２に対して垂直に向けていたが、この形態に限らない。図３に示したように、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの両端部にて渦電流密度は最大となるが、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの中心部分、つまりＹ軸上においても、両端部に準じて渦電流密度が高くなる。このことから、Ｙ軸方向の渦電流のバランスを検出するようにしてもよい。

具体的には、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの間であって巻軸Ｃ１，Ｃ２方向中心に検出コイル２８を配置するとともに、自身の巻軸Ｃ３を、励磁コイル２４Ａ，２４Ｂの巻軸Ｃ１，Ｃ２と平行となるように向ける。このようにすることで、図７に示したものとは方向が異なる傷４８、例えばＸ軸方向に平行またはそれに近い方向の傷４８であっても、検出を高精度に行うことが可能となる。

なお、傷４８の検出に当たり、傷４８を跨ぐようにしてプローブユニット１６を走査させることが好適である。つまり、言い換えると検出コイル２８の巻軸Ｃ３に対して垂直方向に（Ｙ軸方向に）プローブユニット１６を走査させることが好適である。このようにすることで、図６に示した例と同様に、検出電圧の山と谷が明瞭に現れるようになり、その結果、傷４８を高精度に検出することができる。

１０ 渦電流探傷センサ装置、１２ 交流電源、１６ プローブユニット、２０ 計測器、２２ 演算処理器、２４Ａ，２４Ｂ 励磁コイル、２８ 検出コイル、４６ 検査面。

Claims (3)

1. 検査面に対して離間されるとともに、巻軸が前記検査面に対してともに平行に向けられた、一対の励磁コイルと、
   一方に対して他方が逆極性となるように、前記一対の励磁コイルに励磁電流を供給する交流電流源と、
   前記一対の励磁コイルの間であって前記巻軸方向中心に配置されるとともに自身の巻軸が前記検査面に対して平行かつ前記励磁コイルの巻軸と垂直となるように向けられ、前記一対の励磁コイルによって前記検査面に誘起された渦電流の変化を検出する検出コイルと、
   を備えることを特徴とする、渦電流探傷センサ装置。
2. 検査面に対して離間されるとともに、巻軸が前記検査面に対してともに平行に向けられた、一対の励磁コイルと、
   一方に対して他方が逆極性となるように、前記一対の励磁コイルに励磁電流を供給する交流電流源と、
   前記一対の励磁コイルの間であって前記巻軸方向中心に配置されるとともに自身の巻軸が前記励磁コイルの巻軸と平行となるように向けられ、前記一対の励磁コイルによって前記検査面に誘起された渦電流の変化を検出する検出コイルと、
   を備えることを特徴とする、渦電流探傷センサ装置。
3. 請求項１または２に記載の渦電流探傷センサ装置であって、
   前記一対の励磁コイル及び検出コイルは一体のプローブユニットとして組み付けられ、
   前記プローブユニットは、前記検出コイルの巻軸に対して垂直方向に走査されることを特徴とする、渦電流探傷センサ装置。