JP4003975B2 - 金属検査方法および金属検査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属からなる被検体の表面検査、探傷検査、残留応力検査、材質検査などに用いられる金属検査方法及び金属検査装置に関し、特に、検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイルを用いながら、高精度な検査を行うことができる金属検査方法及び金属検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気、特に交流磁界を利用し、金属からなる被検体の表面検査、探傷検査、残留応力検査、材質検査などを行う金属検査装置が知られている（例えば、特開昭５４−１０８６８５号公報、特開昭６０−１７３５１号公報参照。）。例えば、特開昭５４−１０８６８５号公報に示される渦流探傷用検出器は、コイル内周面又はコイル外周面が被検体の表面に沿うように配置され、被検体の内部や表面空間に、被検体の表面に沿う交流磁界を発生させる励磁コイルと、コイル内周面又はコイル外周面が被検体の表面に沿うように配置され、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する検出コイルとを備えて構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭５４−１０８６８５号公報に示される検出コイルは、被検体（パイプなど）の外周面全体又は外周面の半分を囲むように形成され、その検出範囲が広範囲であったため、検出信号が平均化されたものとなり、小さな傷や凹凸を精度良く検出したいという用途には不向きであった。また、特許文献１に示されるものでは、励磁コイルと検出コイルとを、間隔を空けて並列状に配置しているため、装置が大型になるだけでなく、検出コイル近傍の磁界強度が弱くなるという問題があった。
一方、特開昭６０−１７３５１号公報に示される表面疵探傷装置は、被検体の内部や被検体の表面空間を存して、ループ状の磁気回路を形成するコアと、このコアを交流励磁して、被検体の内部や被検体の表面空間に交流磁界を発生させる励磁コイルと、被検体の表面近傍で局部的に磁束変化を検出する検出コイルとを備えて構成されているため、被検体の局部的な検査を行うことが可能になる。
しかしながら、特開昭６０−１７３５１号公報に示される表面疵探傷装置は、コイル中心線が被検体の表面に対して垂直方向を向くように配置された検出コイルや、ホール素子などの汎用の磁気検出素子を用いて磁束変化を検出するため、検出精度に限界があったり、用途が限定されるという問題がある。
つまり、励磁コイルが発生させる交流磁界は、被検体の表面に対して略平行であり、被検体の表面形状や傷などによる磁気的な変化は、主に被検体の表面に沿う磁束の変化として現れるが、被検体の表面に対して垂直に配置された検出コイルは、磁束変化の垂直成分のみを検出するため、被検体の表面に沿う磁束の微小な密度変化までは検出できないという欠点がある。
また、金属検査装置においては、検査対象や要求検出精度に応じて、検出部の形状を適宜変更する必要があるが、ホール素子などの磁気検出素子は、予めサイズが規定され、形状変更の自由度が低いため、金属検査装置の用途が限定されたり、要求精度を確保できないといった不都合を招く欠点がある。
本発明の目的は、被検体の内部や表面空間に、被検体の表面に沿う方向の交流磁界を発生させながら、被検体の表面近傍で局部的に磁束変化を検出するにあたり、汎用の磁気検出素子を用いることなく、検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイルを用いるものでありながら、被検体の表面に沿う方向の磁束変化をきわめて精度良く検出することができる金属検査方法及び金属検査装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、金属からなる被検体の内部状態及び／又は被検体の表面状態を磁気的に検査する金属検査方法であって、被検体の内部及び／又は被検体の表面空間に、被検体の表面に沿う交流磁界を発生させながら、コイル中心線が被検体の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体の表面に局部的に対向する検出コイルによって、被検体の表面近傍における磁束変化を検出するにあたり、検出コイルは、非磁性体からなる十字状の芯材４ａに対し、差分電圧が検出可能な差動コイルを構成する一対のコイルが被検体の表面に沿って並ぶよう直列に接続したものを交差状に配して一体化した２軸型にしたものであり、該２軸型になった検出コイルを被検体２の表面に沿って相対的に移動させながら検出するものであることを特徴とする金属検査方法である。
請求項２の発明は、金属からなる被検体の内部状態及び／又は被検体の表面状態を磁気的に検査する金属検査装置であって、被検体の内部及び／又は被検体の表面空間に、被検体の表面に沿う交流磁界を発生させる励磁部と、コイル中心線が被検体の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体の表面に局部的に対向するように配置され、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する検出コイルとを備えるにあたり、検出コイルは、非磁性体からなる十字状の芯材４ａに対し、差分電圧が検出可能な差動コイルを構成する一対のコイルを、被検体２の表面に沿って並ぶよう直列に接続されたものを交差状に配して一体化した２軸型であることを特徴とする金属検査装置である。
つまり、被検体の内部や表面空間に、被検体の表面に沿う方向の交流磁界を発生させながら、被検体の表面近傍で局部的に磁束変化を検出するにあたり、ホール素子などの磁気検出素子を用いることなく、検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイルを用いるものでありながら、コイル中心線が被検体の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体の表面に局部的に対向する検出コイルによって、被検体の表面近傍における磁束変化を検出することにより、被検体の表面に沿う方向の磁束変化をきわめて精度良く検出することが可能になる。しかも、このように配置した検出コイルは、被検体の表面に沿う方向の小型化が容易であるため、金属検査装置の分解能を簡単に向上させることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施の形態に係る金属検査装置の基本構成を示す側断面図である。この図に示される金属検査装置１は、金属からなる被検体２の内部や表面空間に交流磁界を発生させながら、被検体２の表面近傍で磁束変化を検出するために、少なくとも励磁コイル３及び検出コイル４を備えて構成されている。
【０００６】
励磁コイル３は、任意の芯材に巻装されるものであり、コイル内周面又はコイル外周面が被検体２の表面に沿うように配置され、所定周波数の交流電圧が印加される。励磁コイル３に交流電圧を印加すると、被検体２の内部や表面空間に、被検体２の表面に沿う交流磁界が発生する。この交流磁界の磁束は、被検体２の材質（磁束変化要因：透磁率、導電率など）、表面状態（磁束変化要因：透磁率、伝導率、渦電流、検出ギャップ、漏れ磁束など）、内部状態（磁束変化要因：透磁率、伝導率、渦電流、漏れ磁束など）などに応じて変化する。この磁束変化には、被検体２の表面に平行な成分と、被検体２の表面に垂直な成分とが含まれており、比較的大きい磁束変化の場合は、垂直成分にも大きな変化が現れるが、微小な磁束変化の場合は、垂直成分が殆ど変化せず、主に平行成分に変化が現れる。
【０００７】
このように構成される励磁コイル３は、被検体２と磁気回路を形成しないので、被検体２から多少離しても、被検体２の表面に必要な磁界強度を確保することができる。尚、励磁コイル３に印加する交流電圧の周波数は、被検体２の交流磁界による表皮効果を考慮して設定される。例えば、被検体２の表面を検査する場合は、交流電圧の周波数を高くし、被検体２の内部又は裏側表面を検査する場合は、交流電圧の周波数を低くすることが好ましい。
検出コイル４は、コイル中心線が被検体２の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体２の表面に局部的に対向するように配置され、被検体２の表面近傍で磁束変化を検出する。つまり、本発明の金属検査装置１は、励磁コイル３によって被検体２の内部や表面に交流磁界を発生させながら、被検体２の表面近傍における局部的な磁束変化を検出するにあたり、検出コイル４を、被検体２の表面に対して垂直方向に配置することなく、コイル中心線が被検体２の表面に沿うように配置している。これにより、垂直成分が殆ど変化せず、主に平行成分が変化するような微小な磁束変化であっても、精度良く検出することが可能になる。
【０００８】
また、検出コイル４は、励磁コイル３の内周部もしくはその近傍、又は、前記励磁コイル３の外周部もしくはその近傍に配置される。これにより、検出コイル４の近傍における磁界強度を強くして検出精度を更に高めることができるだけでなく、金属検査装置１の小型化を図ることが可能になる。
図２は、検出コイルの基本形を示す斜視図、図３は、検出回路を示すブロック図である。図２に示される検出コイル４は、差分電圧を検出可能な差動コイルである。差動コイルを構成する一対のコイルＬ１、Ｌ２は、被検体２の表面に沿って並ぶように直列に接続されており、その両端部から引き出される端子Ｔ１、Ｔ２の他に、コイルＬ１、Ｌ２間から引き出されるセンタータップ端子Ｔ３を備える。
【０００９】
図３に示すように、検出回路５は、コイルＬ１、Ｌ２及び一対の抵抗Ｒ１、Ｒ２（又は可変抵抗）によってブリッジ回路６を構成しており、このブリッジ回路６からコイルＬ１、Ｌ２の差動電圧が出力される。ブリッジ回路６は、被検体２が無いとき、その差動出力が所定の値となるように抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が初期調整される。これにより、コイルＬ１、Ｌ２の固有誤差や温度誤差が相殺された検出信号を得ることができるだけでなく、コイル中心線方向の分解能を高めることが可能になる。
ブリッジ回路６の差動出力は、差動増幅回路７によって増幅された後、同期検波回路８に入力される。同期検波回路８は、９０゜移相器９を介して、励磁コイル３の交流励磁回路部１０から同期信号を入力すると共に、その周期で上記差動出力を検波し、磁束変化信号を得る。尚、この磁束変化信号は、コイルＬ１、Ｌ２の差動信号（微分信号）であるため、図３に示す検出回路５には、金属検査装置１の走査距離をパラメータとして積分処理を行う積分回路１１が設けられている。
【００１０】
次に、金属検査装置１の具体的な構成について説明する。
図４は、検出コイルの具体的な説明図である。これらの図に示す検出コイル４は、いずれも空心コイルとしてある。例えば、図４（Ａ）の参考例の検出コイル４（第２図のものと同等）は、非磁性体の芯材４ａに、絶縁被覆された導線を巻いてコイルＬ１、Ｌ２を形成している。また、図４（Ｂ）に示す本発明を実施した形態のものは、一対の検出コイル４を交差状に一体化した２軸型であり、いずれの検出コイル４も、被検体２の表面に沿うように配置される。このように構成された２軸型によれば、一方の検出コイル４が被検体２の線状欠陥（クラックなど）に対して平行になっても、他方の検出コイル４が線状欠陥に対して交差するので、線状欠陥を見落すことなく確実に検出することが可能になる。
図４（Ｃ）の別の参考例のものは、コイル中心線方向の厚さが可及的に薄くなるように形成された検出コイル４を示している。この検出コイル４に用いる巻枠（ボビン）４ｂの外周部には、所定間隔（例えば、５０μｍ）を存して、所定幅（例えば、５０μｍ）のコイル巻装溝が２本形成されており、各コイル巻装溝に、絶縁被覆された導線を多層巻きすることにより検出コイル４が構成されている。このように構成された検出コイル４は、コイル中心線方向の厚さが薄く、しかも、コイルＬ１、Ｌ２の間隔が小さいため、コイル中心線方向の分解能を大幅に向上させることができる。
【００１１】
叙述の如く構成された金属検査装置１を使用すれば、金属からなる被検体２の内部状態や表面状態を磁気的に検査するにあたり、被検体２の内部や表面空間に、被検体２の表面に沿う交流磁界を発生させながら、コイル中心線が被検体２の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体２の表面に局部的に対向する検出コイル４によって、被検体２の表面近傍における磁束変化を検出するという金属検査方法が可能になる。
【００１２】
つまり、被検体２の内部や表面空間に、被検体２の表面に沿う方向の交流磁界を発生させながら、被検体２の表面近傍で局部的に磁束変化を検出するにあたり、ホール素子などの磁気検出素子を用いることなく、検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイル４を用いるものでありながら、コイル中心線が被検体２の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体２の表面に局部的に対向する検出コイル４によって、被検体２の表面近傍における磁束変化を検出することにより、被検体２の表面に沿う方向の磁束変化をきわめて精度良く検出することが可能になる。しかも、このように配置した検出コイル４は、被検体２の表面に沿う方向の小型化が容易であるため、金属検査装置１の分解能を簡単に向上させることができる。
【００１３】
また、上記の金属検査方法において、検出コイル４を被検体２の表面に沿って相対的に移動させながら、被検体２の表面近傍における磁束変化を検出するようにすれば、一つの検出コイル４で１次元の検出データを得たり、１次元に配列した検出コイル４で２次元の検出データを得ることができるため、検出コイル４の個数を削減できるだけでなく、金属検査装置１の小型化を図ることができる。
【００１４】
また、金属検査装置１の励磁部は、コイル内周面又はコイル外周面が被検体２の表面に沿うように配置され、被検体２の内部や表面空間に、被検体２の表面に沿う交流磁界を発生させる励磁コイル３であり、検出コイル４が、励磁コイル３の内周部もしくはその近傍、又は、励磁コイル３の外周部もしくはその近傍に配置されるので、励磁コイル３と検出コイル４を離して配置する場合に比べ、検出コイル４近傍における磁界強度を強くして検出精度を高めることができるだけでなく、装置の小型化を図ることができる。
【００１５】
また、検出コイル４は、差分電圧を検出可能な差動コイルであり、該差動コイルを構成する一対のコイルＬ１、Ｌ２が、被検体２の表面に沿って並ぶため、コイルＬ１、Ｌ２の固有誤差や温度誤差を相殺して、検出精度を更に向上させることができる。
また、金属検査装置１では、検出コイル４が、被検体２の表面に沿って並ぶように複数設けられるので、検出コイル４又は被検体２を、検出コイル４の配列方向に対して、直交方向に走査することにより、２次元の検出データを得ることができ、また、複数の検出コイル４を２次元に配列すれば、検出コイル４や被検体２を走査しなくても、２次元の検出データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 金属検査装置の基本構成を示す側断面図である。
【図２】 検出コイルの基本形を示す斜視図である。
【図３】 検出回路を示すブロック図である。
【図４】 （Ａ）は検出コイルの参考例の形態、（Ｂ）は本発明の実施の形態、（Ｃ）検出コイルの別な参考例の形態である。
【符号の説明】
１ 金属検査装置
２ 被検体
３ 励磁コイル
４ 検出コイル
４ａ 芯材

Claims (2)

1. 金属からなる被検体の内部状態及び／又は被検体の表面状態を磁気的に検査する金属検査方法であって、
   被検体の内部及び／又は被検体の表面空間に、被検体の表面に沿う交流磁界を発生させながら、コイル中心線が被検体の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体の表面に局部的に対向する検出コイルによって、被検体の表面近傍における磁束変化を検出するにあたり、
   検出コイルは、非磁性体からなる十字状の芯材４ａに対し、差分電圧が検出可能な差動コイルを構成する一対のコイルが被検体の表面に沿って並ぶよう直列に接続したものを交差状に配して一体化した２軸型にしたものであり、該２軸型になった検出コイルを被検体２の表面に沿って相対的に移動させながら検出するものであることを特徴とする金属検査方法。
2. 金属からなる被検体の内部状態及び／又は被検体の表面状態を磁気的に検査する金属検査装置であって、
   被検体の内部及び／又は被検体の表面空間に、被検体の表面に沿う交流磁界を発生させる励磁部と、
   コイル中心線が被検体の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体の表面に局部的に対向するように配置され、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する検出コイルとを備えるにあたり、
   検出コイルは、非磁性体からなる十字状の芯材４ａに対し、差分電圧が検出可能な差動コイルを構成する一対のコイルを、被検体２の表面に沿って並ぶよう直列に接続されたものを交差状に配して一体化した２軸型であることを特徴とする金属検査装置。

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