JP2018009874A - 磁気探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟性を有する基材に対する磁気センサの接合強度を高めることができる磁気探触子を提供する。【解決手段】磁気探触子４は、１または複数の磁気センサ１２と、磁気センサ１２が取り付けられる柔軟性を有する基材１０ａと、磁気センサ１２のそれぞれと基材１０ａとの間に設けられる複数の導通部４０と、磁気センサ１２のそれぞれと基材１０ａとの間に設けられ、少なくとも導通部４０の周囲の領域を封止するアンダーフィル部４３と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気探触子に関する。

従来、対象物の表層のきず（JIS Z 2300：2009）を検出するための磁気を利用した非破壊検査として、漏洩磁束探傷法（Magnetic Flux Leakage：ＭＦＬ）や渦電流探傷法（Eddy Current Testing：ＥＣＴ）等が知られている。漏洩磁束探傷法は、対象物の探傷面を磁化し、きずから漏洩する磁束の有無等を磁気センサにより測定する方法である。また、渦電流探傷法は、対象物の表層に渦電流を発生させ、その電流が発生する磁界を磁気センサにより測定する方法である。

特許文献１には、磁気センサとして、ＳＱＵＩＤ（Superconducting QUantum Interference Device）センサを用いた非破壊検査装置が記載されている。ＳＱＵＩＤセンサは、底板に実装されている。ＳＱＵＩＤセンサは、底板に設けられた配線パターンに対して、超電導バンプにより接続されている。

特開平９−１１９９１８号公報

バンプ接合は、磁気センサに対して、導通部のみにおいて設けられる。たとえば、平板状に延在する磁気センサにおいて、磁気センサの四隅のみがバンプ接合され得る。磁気センサが非常に小さい場合、または、接合領域が非常に小さい場合には、接合強度が不足する場合がある。特に、フレキシブル基板等の柔軟性を有する基板が用いられる場合には、フレキシブル基板が湾曲した際に磁気センサが剥離してしまう虞がある。

本発明は、柔軟性を有する基材に対する磁気センサの接合強度を高めることができる磁気探触子を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る磁気探触子は、１または複数の磁気センサと、磁気センサが取り付けられる柔軟性を有する基材と、磁気センサのそれぞれと基材との間に設けられる複数の導通部と、磁気センサのそれぞれと基材との間に設けられ、少なくとも導通部の周囲の領域を封止するアンダーフィル部と、を備える。

この磁気探触子によれば、磁気センサは、導通部のみならず、導通部の周囲の領域を封止するアンダーフィル部によって基材に対して接合されている。基材は柔軟性を有するが、基材が変形した場合でも、アンダーフィル部による補強効果によって、磁気センサの剥離や破損等が防止される。このように、アンダーフィル部によって、柔軟性を有する基材に対する磁気センサの接合強度が高められている。

いくつかの態様において、アンダーフィル部は、基材に対面する磁気センサの表面の全面に密着している。この場合、アンダーフィル部による補強効果が高められ、磁気センサがより確実に接合される。

いくつかの態様において、磁気探触子は、対象物の探傷面上を磁気センサが走査することにより探傷面を含む表層のきずを探傷する漏洩磁束探傷装置に用いられる。漏洩磁束探傷装置において、柔軟性を有する基材を用いた場合、磁気探触子は、基材を変形させながら凹部や狭隘部等に挿入され得る。その場合でも、アンダーフィル部による補強効果によって、磁気センサの剥離や破損等が防止される。

本発明のいくつかの態様によれば、アンダーフィル部によって、柔軟性を有する基材に対する磁気センサの接合強度が高められる。

図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係る漏洩磁束探傷装置の概略構成を示す図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の磁気探触子を示す平面図である。 図２（Ａ）は漏洩磁束探傷法による検査の対象物の断面図であり、図２（Ｂ）は漏洩磁束探傷法による検査の原理を示す図である。 図１中の磁気探触子の磁気センサ部分の断面図である。 図３中の導通部を拡大して示す断面図である。 図１中の磁気探触子における磁気センサの配列状態を示す平面図である。 図１中の磁気探触子が対象物に押し当てられた状態を示す断面図である。 他の実施形態に係る磁気探触子の磁気センサ部分の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１（Ａ）に示されるように、漏洩磁束探傷装置１は、磁気探触子４を用いて検査対象である対象物Ｏの探傷面Ｅを走査し、探傷面Ｅを含む表層のきずＸを探傷するための装置である。対象物Ｏは、たとえば航空機のジェットエンジンのシャフト等であるが、これに限られない。対象物Ｏは、磁性体であれば何であってもよい。

漏洩磁束探傷法の原理について説明する。漏洩磁束探傷法とは、図２（Ａ）に示されるように、強磁性体からなる対象物Ｏの表面を含む表層に存在し得るきずＸを、磁気センサＴを用いて探索する検査法である。図２（Ｂ）に示されるように、漏洩磁束探傷法では、種々の方法により対象物Ｏを磁化することにより、対象物Ｏに所定方向の磁束Ｆを発生させる。磁束Ｆを遮るきずＸがある場合には、そのきずＸに起因して漏洩磁束Ｆａが発生する。対象物Ｏの探傷面Ｅ上で磁気センサＴを走査方向Ｄに走査させることにより、漏洩磁束Ｆａが検出される。磁気センサＴからの信号を用いる漏洩磁束探傷法は、従来採用されてきた磁粉探傷法に比して、探傷の自動化と結果のデジタル化とが容易であるという利点を有する。

図１（Ａ）に示されるように、漏洩磁束探傷装置１は、対象物Ｏの探傷面Ｅを走査するための磁気探触子４と、磁気探触子４からの信号を入力して所定の処理を行い、探傷試験の結果を出力するパーソナルコンピュータ（処理部。以下、ＰＣという）２０とを備える。磁気探触子４には複数のリード線１４が設けられており、これらのリード線１４が、たとえばＡＤ変換器１５に接続される。ＡＤ変換器１５とＰＣ２０とは、ＵＳＢケーブル等のケーブル１６によって接続される。磁気探触子４は、走査方向Ｄに走査させられる。この走査は、手動で行われてもよく、自動で行われてもよい。磁気探触子４を保持するアーム等が走査方向Ｄに移動することで走査が行われてもよいし、磁気探触子４を固定した状態で、対象物Ｏを保持したステージ等が走査方向Ｄと逆方向に移動することで走査が行われてもよい。

図１（Ｂ）に示されるように、磁気探触子４は、計装アンプ基板１１と、計装アンプ基板１１に取り付けられたセンサモジュール１０とを含む。計装アンプ基板１１は、磁気探触子４から出力される信号を増幅させる。センサモジュール１０は、フレキシブル基板（基材）１０ａと、フレキシブル基板１０ａに搭載された複数の磁気センサ１２（図２（Ｂ）に示される磁気センサＴに相当）と、を含む。フレキシブル基板１０ａは、計装アンプ基板１１に対して差し込まれ、コネクタ接続されている。磁気探触子４において、センサモジュール１０のみを交換することが可能になっている。漏洩磁束探傷装置１は、磁気探触子４の位置情報を取得するためのエンコーダ１３を備えており、エンコーダ１３のワイヤの端部がフレキシブル基板１０ａに連結されている。

ＰＣ２０は、磁気探触子４から出力される、磁束に基づく磁界を示す信号と、エンコーダ１３から出力される磁気探触子４の位置情報とを入力し、対象物Ｏの探傷面（表面）Ｅを含む表層におけるきずＸの有無判定のための探傷試験結果を出力する。きずＸが存在する場合には、探傷試験結果において、きず指示が表れる。探傷試験結果に表れるきず指示に基づいて、きずＸの有無だけでなく、きずＸの幅や長さを推定することも可能である。

以下、図３〜図５を参照して、一実施形態に係る磁気探触子４について詳細に説明する。漏洩磁束探傷装置１の磁気探触子４は、対象物Ｏに当接して湾曲した場合でも、フレキシブル基板１０ａに対する磁気センサ１２の剥離や破損等を防止し得る構造を有している。磁気探触子４のセンサモジュール１０は、柔軟性を有するフレキシブル基板１０ａを含む。フレキシブル基板１０ａは、主として高分子材料からなるシート状の基材である。フレキシブル基板１０ａには、配線パターンが形成されている。これらの配線パターンは、各磁気センサ１２の電極部１２ｃ（図４参照）と、上記の計装アンプ基板１１の回路とを電気的に接続する。計装アンプ基板１１は、柔軟性を有しておらず、定形性を有する。すなわち、磁気探触子４では、柔軟性を有するフレキシブル基板１０ａからセンサ部が構成され、定形性を有する計装アンプ基板１１から信号出力部が構成される。

フレキシブル基板１０ａには、たとえば複数の磁気センサ１２が取り付けられている。磁気センサ１２は、探傷面Ｅの近傍において磁界の大きさを測定可能なセンサである。磁気センサ１２は、磁界検出部（図示せず）を含む。磁気センサ１２としては、ＭＩ（Magneto-Impedance）センサ、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）センサ、ＴＭＲ（Tunnel Magneto-Resistance）センサ、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistance）センサ、ＦＧ（Flux-Gate）センサ、ホール素子、ＳＱＵＩＤ（Superconducting QUantum Interference Device）センサ、コイル等が用いられ得る。

各磁気センサ１２は、フレキシブル基板１０ａに搭載されている。磁気センサ１２は、なお、磁気センサ１２の個数は、特に限定されない。磁気センサ１２の個数は、１個であってもよい。複数の磁気センサ１２が設けられる場合、磁気センサ１２は、一列に配列されてもよいし、複数列に配列されてもよい。磁気センサ１２が複数列に配列される場合、複数の磁気センサ１２が千鳥状に配置されてもよい（図５参照）。

フレキシブル基板１０ａに実装される磁気センサ１２としては、非常に小型の磁気センサが用いられ得る。磁気センサ１２は、一辺の長さが１ｍｍ以下の磁気センサ（ＴＭＲセンサ等）であってもよい。磁気センサ１２は、一辺の長さが２ｍｍ以下の磁気センサであってもよく、一辺の長さが４ｍｍ以下の磁気センサ（ＡＭＲセンサ等）であってもよい。

図３および図４に示されるように、磁気センサ１２は、フレキシブル基板１０ａに対して平行に設けられ、フレキシブル基板１０ａに対面している。磁気センサ１２の第２面１２ｂが、フレキシブル基板１０ａの第１面１０ｂに対面している。磁気センサ１２とフレキシブル基板１０ａとの間には、複数の導通部４０が設けられている。導通部４０は、たとえば、磁気センサ１２の電極部１２ｃに対応して、矩形の磁気センサ１２の４つの隅部に設けられている。

導通部４０は、フレキシブル基板１０ａの第１面１０ｂに設けられた電極パッド４２と、電極パッド４２と電極部１２ｃとを接合する接合部４１とを含む。電極パッド４２は、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）層と、パラジウム（Ｐｄ）層と、金（Ａｕ）層とを含む（いずれも図示せず）。接合部４１は、図４に示されるように、電極部１２ｃに当接するバンプ４１ａと、バンプ４１ａおよび電極パッド４２を接合する半田部４１ｂとを含む。バンプ４１ａは、たとえば金からなる。接合部４１における接合は、超音波ボンディングによって行われてもよい。上記したように磁気センサ１２は微小なセンサであるので、電極部１２ｃおよび導通部４０は、たとえば０．１ｍｍ程度の微小なサイズになり得る。超音波ボンディングによれば、微小な電極部１２ｃに対しても接合強度を高めることができる。

さらに、センサモジュール１０は、磁気センサ１２とフレキシブル基板１０ａとの間に設けられたアンダーフィル部４３を備える。アンダーフィル部４３は、たとえばエポキシ系樹脂等の樹脂からなる。アンダーフィル部４３は、超音波ボンディングによって導通部４０を形成した後に、たとえば、磁気センサ１２とフレキシブル基板１０ａとの間の間隙に樹脂材料を流し込み、特定の温度で所定時間加熱した後、更に温度を上げて所定時間加熱するといった手法によって形成される。アンダーフィル部４３は、たとえば柔軟性を有する材料であってもよいが、柔軟性が低い硬質の材料であってもよい。硬質の材料を用いた場合は、センサモジュール１０（磁気探触子４の）ロバスト性の向上を図ることができる。

アンダーフィル部４３の第１面４３ａは、導通部４０を除く領域において、磁気センサ１２の第２面１２ｂの全面に密着する。アンダーフィル部４３の第２面４３ｂは、導通部４０を除く領域において、フレキシブル基板１０ａの第１面１０ｂに密着する。アンダーフィル部４３は、磁気センサ１２よりも一回り大きく形成されてもよい。言い換えれば、フレキシブル基板１０ａに対して、その第１面１０ｂに垂直な方向に磁気センサ１２とアンダーフィル部４３を投影した場合に、アンダーフィル部４３の投影領域は磁気センサ１２の投影領域を含む。アンダーフィル部４３は、磁気センサ１２の側面を覆うと共に、磁気センサ１２の外周から広がるように傾斜する側面部４３ｃを含んでもよい。

アンダーフィル部４３は、磁気センサ１２とフレキシブル基板１０ａとの間であって、導通部４０を除く領域のすべてに充填されてもよい。磁気センサ１２とフレキシブル基板１０ａとの間の全域を封止するアンダーフィル部４３によれば、磁気センサ１２の接合強度が高められる。なお、磁気センサ１２とフレキシブル基板１０ａとの間において、アンダーフィル部４３が存在しない領域があってもよい。アンダーフィル部４３は、少なくとも導通部４０の周囲の領域を封止してもよい。

上記した探触子４を用いて走査が行われる際には、対象物Ｏが、公知の手段（ハンドマグナ等）によって磁化される。そして、センサモジュール１０は、走査方向Ｄに移動させられる。磁気センサ１２は、フレキシブル基板１０ａの対象物Ｏに対面する面（すなわち第２面１０ｃ）とは反対側（すなわち第１面１０ｂ側）に配置され得る。このような配置により、磁気センサ１２が探傷面Ｅに当接することが防止され得る。

センサモジュール１０において、第２面１０ｃが対象物Ｏの探傷面Ｅに押し付けられる。この際、図６に示すように、柔軟性を有するフレキシブル基板１０ａは湾曲し得る。一方で、柔軟性を有さない磁気センサ１２は、ほとんど湾曲しない。磁気センサ１２とフレキシブル基板１０ａとの間に設けられたアンダーフィル部４３は、磁気センサ１２の接合強度を高めているので、フレキシブル基板１０ａが変形した場合でも、磁気センサ１２の剥離が防止されている。

なお、磁気センサ１２は、対象物Ｏの探傷面Ｅに対面するように配置されてもよい。磁気センサ１２の第１面１２ａは、対象物Ｏの探傷面Ｅに当接してもよい。磁気センサ１２の第１面１２ａ上に、磁束の測定に影響を与えない保護シートが設けられてもよい。その場合に、センサモジュール１０が対象物Ｏの探傷面Ｅに押し付けられてフレキシブル基板１０ａが変形したとしても、アンダーフィル部４３は、磁気センサ１２の剥離を防止する。

センサモジュール１０による走査の結果、探傷面Ｅの近傍における磁気センサ１２が検出する磁界の大きさに応じた電気信号が、磁気センサ１２からＰＣ２０に対して出力される。

本実施形態の磁気探触子４によれば、磁気センサ１２は、導通部４０のみならず、導通部４０の周囲の領域を封止するアンダーフィル部４３によってフレキシブル基板１０ａに対して接合されている。フレキシブル基板１０ａは柔軟性を有するが、フレキシブル基板１０ａが変形した場合でも、アンダーフィル部４３による補強効果によって、磁気センサ１２の剥離や破損等が防止される。このように、アンダーフィル部４３によって、柔軟性を有するフレキシブル基板１０ａに対する磁気センサ１２の接合強度が高められている。

アンダーフィル部がフレキシブル基板１０ａに対面する磁気センサ１２の第２面１２ｂの全面に密着しているので、アンダーフィル部４３による補強効果が高められ、磁気センサ１２がより確実に接合されている。

磁気探触子４は漏洩磁束探傷装置１に用いられる。漏洩磁束探傷装置１において、柔軟性を有するフレキシブル基板１０ａを用いた場合、磁気探触子４は、フレキシブル基板１０ａを変形させながら凹部や狭隘部等に挿入され得る。その場合でも、アンダーフィル部４３による補強効果によって、磁気センサ１２の剥離や破損等が防止される。

図７を参照して、他の実施形態に係る磁気探触子４Ａのセンサモジュール１０Ａについて説明する。磁気探触子４Ａは、漏洩磁束探傷法とは異なる手法を用いた探傷方法及び探傷装置に適用される。磁気を用いて対象物の表層の探傷を行う手法としては、上記実施形態で説明した漏洩磁束探傷方法のほかに、渦電流探傷法（Eddy Current Testing：ＥＣＴ）が挙げられる。渦電流探傷法とは、交流の電流を流した励磁コイルによって探傷対象面に渦電流を誘起させると共に、きずに由来する渦電流の変化を磁気センサで検出する手法である。

図７に示されるように、渦電流探傷装置に適用される磁気探触子４Ａのセンサモジュール１０Ａは、フレキシブル基板１０ａの第２面１０ｃに設けられた励磁コイルＣを備える。励磁コイルＣは、第２面１０ｃに垂直な方向に投影された場合に、上記した磁気センサ１２の磁界検出部よりも大きくなっている。励磁コイルＣは、磁気センサ１２が設けられた領域をカバーする大きさおよび位置に設けられている。このようなセンサモジュール１０Ａを備えた磁気探触子４Ａによっても、上記実施形態と同様の作用・効果が奏される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。たとえば、基材はフレキシブル基板１０ａである場合に限られない。フレキシブル基板１０ａ以外の柔軟性を有する基板が用いられてもよい。

導通部４０の接合部４１において、バンプ接合が用いられなくてもよい。バンプ４１ａを用いずに、半田部４１ｂのみとしてもよい。導通部４０の構造は、公知のあらゆる手段が用いられ得る。

１ 漏洩磁束探傷装置
４ 磁気探触子
４Ａ 磁気探触子
１０ センサモジュール
１０Ａ センサモジュール
１０ａ フレキシブル基板（基材）
１１ 計装アンプ基板
１２ 磁気センサ
１２ａ 第１面
１２ｂ 第２面（表面）
１２ｃ 電極部
２０ ＰＣ
４０ 導通部
４１ 接合部
４１ａ バンプ
４１ｂ 半田部
４２ 電極パッド
４３ アンダーフィル部
Ｄ 走査方向
Ｅ 探傷面
Ｆ 磁束
Ｆａ 漏洩磁束
Ｏ 対象物
Ｔ 磁気センサ
Ｘ きず

Claims (3)

1. １または複数の磁気センサと、
   前記磁気センサが取り付けられる柔軟性を有する基材と、
   前記磁気センサのそれぞれと前記基材との間に設けられる複数の導通部と、
   前記磁気センサのそれぞれと前記基材との間に設けられ、少なくとも前記導通部の周囲の領域を封止するアンダーフィル部と、を備える、磁気探触子。
2. 前記アンダーフィル部は、前記基材に対面する前記磁気センサの表面の全面に密着している、請求項１に記載の磁気探触子。
3. 対象物の探傷面上を磁気センサが走査することにより探傷面を含む表層のきずを探傷する漏洩磁束探傷装置に用いられる、請求項１または２に記載の磁気探触子。
   

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