JP4117645B2

JP4117645B2 - 磁性材料の渦電流探傷プローブと渦電流探傷装置

Info

Publication number: JP4117645B2
Application number: JP2002370917A
Authority: JP
Inventors: 洋星川; 潔小山
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: JP2004205212A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、一様な渦電流と漏洩磁束により磁性材料のキズを検出する渦電流探傷プローブとそのプローブを備えた渦電流探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】
平成１４年５月２８日社団法人日本非破壊検査協会発行の平成１４年度春季大会講演概要集（第２０９，２１０頁）
図９〜図１１を参照して従来の渦電流探傷プローブを説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。
【０００３】
図９は、従来の渦電流探傷プローブの斜視図（図９(ａ)）と渦電流を示す図（図９（ｂ））である。図９の渦電流探傷プローブは、例えば【非特許文献１】を参照。
磁性材料の検査体Ｔには、パンケーキ状の励磁コイルＥ０と矩形状の縦置き型の検出コイルＤ０とからなる渦電流探傷プローブを設置してある。励磁コイルＥ０に励磁電流を流すと、検査体Ｔには、図９（ｂ）のように励磁コイルＥ０の巻線方向の渦電流Iｅが発生する。この場合、渦電流Iｅは、検出コイルＤ０の巻線方向に流れる成分を有しないから、電磁誘導により検出コイルＤ０に起電力が誘導されることはない。したがって検出コイルＤ０には、電流が発生しない。
【０００４】
図１０は、検査体Ｔのキズの方向と検出コイルＤ０の配置関係を示す図で、図１０(ａ)は、キズＦ０が検出コイルＤ０のコイル面と平行する方向（コイルの軸と直交する方向）にある場合を、図１０（ｂ）は、キズＦ０が検出コイルＤ０のコイル面と直交する方向（コイルの軸方向）にある場合を示す。
【０００５】
まず図１０(ａ)の場合、渦電流Iｅは、検査体Ｔにおいて乱れて変化し、キズＦ０に沿って流れる成分が生じるため、検出コイルＤ０には、起電力が誘導され、いわゆるキズ信号が発生する。したがって検出コイルＤ０に発生するキズ信号によりキズＦ０を検出できる。他方図１０(ｂ)の場合、検出コイルＤ０の巻線方向に流れる成分はほとんどないため、検出コイルＤ０には、キズ信号はほとんど発生しない。したがって図１０(ｂ)の場合には、キズＦ０の検出が難しくなる。
【０００６】
そこで図１０(ａ)と図１０（ｂ）のキズＦ０を検出する方法として、図１１のように、励磁コイルＥ０内に２つの検出コイルＤ１，Ｄ２を直交させて配置した渦電流探傷プローブが提案されている（【非特許文献１】参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１１の従来の渦電流探傷プローブは、励磁コイルＥ０内に２つの検出コイルＤ１，Ｄ２を直交させて配置しなければならないが、２つのコイルを交差させて組み立てることは、構造的に難しく、かつ渦電流探傷プローの構造が複雑になるためその組立て作業が困難であった。
本願発明は、これらの問題点に鑑み、キズの方向に関係なく、１個の検出コイルにより図１０(ａ)のキズも、図１０（ｂ）のキズも検出できる渦電流探傷プローブを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、その目的を達成するため請求項１に記載の磁性材料の渦電流探傷装置は、縦置き型で磁性材料の検査体に一様な渦電流と一様な磁束を発生する励磁コイル及び前記励磁コイルと前記検査体の間にコイル面を検査面と平行に配置し、前記検査体の励磁コイルのコイル面と垂直な方向のキズによって発生する渦電流の変化と励磁コイルのコイル面と平行な方向のキズによって発生する漏洩磁束を検出する検出コイルからなる渦電流探傷プローブ、前記励磁コイルに励磁電流を供給する励磁電流供給器、前記渦電流の変化と漏洩磁束によって検出コイルに誘導されるキズ信号を検出するキズ信号検出器、キズ信号検出器が検出したキズ信号に基づいて検査体のキズの有無を評価するキズ評価器、並びに前記渦電流探傷プローブを前記励磁コイルのコイル面と垂直な方向に走査するプローブ駆動装置を備えていることを特徴とする。
請求項２に記載の磁性材料の渦電流探傷装置は、請求項１に記載の磁性材料の渦電流探傷装置において、前記励磁コイルは矩形状であり、前記検出コイルはパンケーキ状であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１〜図７により、本願発明の実施の形態に係る渦電流探傷プローブを説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。
【００１１】
図１は、本願発明の実施の形態に係る渦電流探傷プローブの構成を示す図で、
図１（ａ）は、渦電流探傷プローブを検査体Ｔに設置したときの平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＹ１−Ｙ１部分の断面図である。
図１において、Ｔは、磁性材料の検査体、Ｅは、コイル面が矩形状の縦置き型の励磁コイル、Ｄは、パンケーキ状の検出コイル、Ｅｃは、励磁コイルＥの巻線である。ｔ１〜ｔ４は、検査体Ｔの端部を示す。渦電流探傷プローブの検出コイルＤは、励磁コイルＥと検査体Ｔの間にコイル面を検査体Ｔの検査面と平行に設置してある。
【００１２】
図２は、図１の励磁コイルＥに励磁電流を流したとき、検査体Ｔに発生する渦電流と磁束を説明する図で、図２（ａ）は、平面図、図２（ｂ）は、図１（ａ）のＹ２−Ｙ２部分の断面図である。
励磁コイルＥに励磁電流を流すと、図２（ａ）のように励磁コイルＥの巻線方向に一様に同じ方向に流れる渦電流、いわゆる一様な渦電流Ｉｅ１が発生する。検出コイルＤには、渦電流Ｉｅ１により起電力Ｅｄ１，Ｅｄ２が誘導されるが、起電力Ｅｄ１，Ｅｄ２は、検出コイルＤの巻線方向に関して逆方向となり、互いに打消し合う。その結果検出コイルＤには、起電力が発生しない。したがって検出コイルＤには、電流が発生しない。
【００１３】
また励磁コイルＥに励磁電流を流すと、図２（ｂ）のように、励磁コイルＥのコイル面と垂直な方向（励磁コイルＥの巻線方向と直交する方向或いは励磁コイルＥの軸方向）に一様な磁束Ｍｆ１が発生する。磁束Ｍｆ１は、検査体Ｔ中に発生し、検査体Ｔの外へ出ないから、磁束Ｍｆ１により検出コイルＤに起電力が誘導されことはない。したがって検出コイルＤには、電流が発生しない。
【００１４】
図３は、検査体Ｔにキズがある場合の渦電流と磁束の変化を説明する図である。
まず図３（ａ）のように、検査体Ｔに渦電流Ｉｅ１と直交（或いは交差）する方向のスリット状のキズＦ１があるときは、キズＦ１付近で渦電流Ｉｅ１が乱れて変化し、キズＦ１に沿って流れる渦電流Ｉｅ２が生じる。
また図３（ｂ）のように、検査体Ｔに渦電流Ｉｅ１と平行する方向（キズＦ１と直交（或いは交差）する方向）のスリット状のキズＦ２があるときは、磁束Ｍｆ１の一部は、キズＦ２において検査体Ｔの外へ漏れ、いわゆる漏洩磁束Ｍｆ２が生じる。
【００１５】
図４、図５は、渦電流探傷プローブを励磁コイルＥのコイル面と垂直な方向に走査したときに発生するキズ信号を説明する図である。
図４は、キズＦ１に起因して発生する渦電流Ｉｅ２とキズ信号の関係を説明する図である。
【００１６】
図４（ａ）において、検出コイルＤを矢印Ｓ方向に走査した場合、検出コイルＤには、渦電流Ｉｅ２により起電力が誘導され、キズ信号は、図４（ｂ）のようになる。キズ信号は、検出コイルＤがキズＦ１に対して位置イにあるとき最大になり、位置ロにあるとき０になる。検出コイルＤが位置ロにあるときは、渦電流Ｉｅ２は、キズＦ１の長さ方向と垂直な軸に関して対称になるから、検出コイルＤの起電力は打消し合い、キズ信号は発生しない。検出コイルＤが位置ロを過ぎると、キズ信号は極性が反転し、位置ハで最大になる。
【００１７】
図５は、キズＦ２に起因して発生する漏洩磁束Ｍｆ２とキズ信号の関係を説明する図である。
図５（ａ）において、検出コイルＤを矢印Ｓ方向に走査した場合、検出コイルＤには、漏洩磁束Ｍｆ２により起電力が誘導され、キズ信号は、図５（ｂ）のようになる。キズ信号は、検出コイルＤがキズＦ２に対して位置ニにあるとき最大になり、位置ホにあるとき０になる。検出コイルＤが位置ホにあるときは、キズＦ２が検出コイルＤの中心を貫いているため、検出コイルＤの起電力が打消し合い、キズ信号は発生しない。検出コイルＤが位置ホを過ぎると、キズ信号は極性が反転し、位置ヘで最大になる。
【００１８】
図４、図５から分かるように、本願発明の渦電流探傷プローブは、そのプローブを励磁コイルＥのコイル面と垂直な方向に走査した場合、検査体Ｔのキズが渦電流Ｉｅ１と垂直な方向にあるときは渦電流によってキズを検出し、また検査体Ｔのキズが渦電流Ｉｅ１と平行な方向にあるときは漏洩磁束によってキズを検出することができる。したがって本願発明の渦電流探傷プローブは、キズの方向に関係なく検査体Ｔのキズを検出することができる。
【００１９】
図６は、本願発明の渦電流探傷プローブを用いて測定したキズ信号パターンを示す図で、図６（ａ）は、検査体が磁性材料の場合を、図６（ｂ）は、検査体が非磁性材料の場合を示す。
図６において、横軸は、励磁信号と同相のキズ信号成分を表し、縦軸は、励磁９０度進相したキズ信号成分を表している。またキズの角度０度は、励磁コイルのコイル面と直交する方向のキズ（図４（ａ）に相当）を、キズの角度９０度は、励磁コイルの巻線方向と平行な方向のキズ（図５（ａ）に相当）を示す。なお図６は、正規化してある。
【００２０】
測定に用いた渦電流探傷プローブ等の寸法は、次の通りである。
励磁コイルは、幅３０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、検出コイルは、巻線断面積１×１ｍｍ²、外径６ｍｍである。検査体は、１６０×１６０×１５ｍｍ³のＳＭ鋼材板（磁性材料）と１６０×１６０×１．５ｍｍ³の黄銅板（非磁性材料）を用い、ＳＭ鋼材板には、深さ１．５ｍｍ、長さ１５ｍｍ、幅０．２ｍｍのスリット状キズを形成し、黄銅板には、深さ１．２ｍｍ、長さ１５ｍｍ、幅０．５ｍｍのスリット状キズを形成した。励磁コイルには、２０ｋＨｚの励磁電流を流した。
【００２１】
渦電流探傷プローブを用いると、検査体が磁性材料の場合には、図６（ａ）のようにキズ角度が０度のときも、９０度のときもともに大きなキズ信号を検出することができる。他方検査体が非磁性材料の場合には、図６（ｂ）のようにキズ角度が０度のときのキズ信号は大きいが、９０度のときのキズ信号は小さくなってしまう。
【００２２】
図６から、検査体が磁性材料の場合には、漏洩磁束を検出することにより渦電流を検出する場合と同程度にキズ信号を検出できることが分かる。本願発明の渦電流探傷プローブは、漏洩磁束を利用することにより、１個の検出コイルを用いるのみで従来の２個の検出コイルを用いた場合と同様に直交（交差）する２方向のキズを検出することができる。
【００２３】
図７は、本願発明の渦電流探傷プローブを用い、磁性材料の検査体について、キズの深さを変えて測定したキズ信号とリフトオフ雑音を示す。図７は、検出された信号の振幅の最大値のみをプロットしてある。
測定は、キズの角度が０度と９０度で、キズの深さが、１．５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．５ｍｍ、０．２５ｍｍの４種類のキズについて、渦電流探傷プローブのリフトオフ（渦電流探傷プローブと検査体Ｔの距離）の変化が０．１〜２．０ｍｍの範囲で行った。
【００２４】
図７から、本願発明の渦電流探傷プローブは、キズの角度が０度、９０度いずれの場合にも、広い範囲の深さのキズを検出することができ、深さ０．２５ｍｍの程度の浅いキズも検出できることがわかる。また本願発明の渦電流探傷プローブは、リフトオフの変化に起因して発生する雑音、いわゆるリフトオフ雑音が非常に小さくなるから、リフトオフの変化の影響を受けずにキズを検出することができる。
なお検出されたキズ信号の振幅は、キズの深さによって異なるから、この振幅の違いからキズの深さを判別することもできる。
【００２５】
前記実施の形態の渦電流探傷プローブは、矩形状の励磁コイルとパンケーキ状検出コイルについて説明したが、励磁コイルは、一様な渦電流と一様な磁束を発生するコイルであれば矩形状に限らず、例えば三角形状等他の形状であってもよい。また検出コイルは、パンケーキ状に限らず矩形状、三角形状等他の形状であってもよい。
【００２６】
図８は、本発明の渦電流探傷プローブを用いた渦電流探傷装置の構成図である。
励磁コイルＥと検出コイルＤからなる渦電流探傷プローブＰは、渦電流探傷プローブ駆動装置１１によって、磁性材料の検査体Ｔ上を励磁コイルＥのコイル面と垂直な方向（矢印Ｓ）へ走査する。渦電流探傷プローブＰの励磁コイルＥは、励磁電流供給器１２から供給される励磁電流によって、検査体Ｔに一様な渦電流と一様な磁束を発生する。検査体Ｔのキズによって発生する渦電流の変化と漏洩磁束によって、プローブＰの検出コイルＤに誘導されるキズ信号をキズ信号検出器１３によって検出し、キズ評価器１４より検査体Ｔのキズの有無、キズの深さ等を評価する。
【００２７】
【発明の効果】
本願の発明者は、一様な渦電流を発生する励磁コイルは、一様な磁束を発生し、検査体にキズがある場合には、そのキズの部分において漏洩磁束を発生することを突き止めた。そしてその漏洩磁束は、キズの検出に利用できることを実験により確認した。
【００２８】
本願発明の渦電流探傷プローブは、そのプローブを励磁コイルのコイル面と垂直な方向に走査した場合、検査体のキズが励磁コイルのコイル面と垂直（走査方向と平行）なキズは渦電流によって検出し、また検査体のキズが励磁コイルのコイル面と平行（走査方向と直交）なキズは漏洩磁束によって検出することができる。したがって本願発明の渦電流探傷プローブは、検査体のキズの方向に関係なくそのキズを検出することができる。
【００２９】
本願発明の渦電流探傷プローブは、１個の検出コイルを用いるのみでよく、従来のように２つのコイルを交差させる必要がないから、構造が簡単になり、組立て作業が容易になる。その結果本願発明は、渦電流探傷プローブのコストを低減することもできる。
本願発明の渦電流探傷プローブは、一様な渦電流と一様な磁束を利用するから、リフトオフ雑音がほとんど発生しない。したがって本願発明の渦電流探傷プローブは、リフトオフ変動の影響を受けることなく高いＳＮ比でキズ信号を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施の形態に係る渦電流探傷プローブの構成を示す図である。
【図２】本願発明の実施の形態に係る渦電流探傷プローブにより、キズのない検査体に発生する渦電流と磁束を説明する図である。
【図３】本願発明の実施の形態に係る渦電流探傷プローブにより、キズのある検査体に発生する渦電流と磁束の変化を説明する図である。
【図４】図３（ａ）の渦電流Ｉｅ２とキズ信号の関係を説明する図である。
【図５】図３（ｂ）の漏洩磁束Ｍｆ２とキズ信号の関係を説明する図である。
【図６】本願発明の実施の形態に係る渦電流探傷プローブにより、磁性材料と非磁性材料の検査体について検出した信号パターンを示す図である。
【図７】本願発明の実施の形態に係る渦電流探傷プローブにより、磁性材料の検査体の深さが異なるキズについて検出した信号パターンを示す図である。
【図８】本発明の渦電流探傷プローブを用いた渦電流探傷装置の構成図である。
【図９】従来の渦電流探傷プローブの斜視図と渦電流を説明する図である。
【図１０】従来の渦電流探傷プローブの検出コイルによる検査体のキズの検出を説明する図である。
【図１１】従来の検出コイルを２個備えた渦電流探傷プローブの平面図である。
【符号の説明】
Ｄ検出コイル
Ｅ励磁コイル
Ｅｃ励磁コイルの巻線
Ｆ１，Ｆ２検査体のキズ
Ｅｄ１，Ｅｄ２起電力
Ｉｅ１，Ｉｅ２渦電流
Ｍｆ１，Ｍｆ２磁束
Ｐ渦電流探傷プローブ
Ｔ検査体
ｔ１〜ｔ４検査体Ｔの端部

Claims

縦置き型で磁性材料の検査体に一様な渦電流と一様な磁束を発生する励磁コイル及び前記励磁コイルと前記検査体の間にコイル面を検査面と平行に配置し、前記検査体の励磁コイルのコイル面と垂直な方向のキズによって発生する渦電流の変化と励磁コイルのコイル面と平行な方向のキズによって発生する漏洩磁束を検出する検出コイルからなる渦電流探傷プローブ、前記励磁コイルに励磁電流を供給する励磁電流供給器、前記渦電流の変化と漏洩磁束によって検出コイルに誘導されるキズ信号を検出するキズ信号検出器、キズ信号検出器が検出したキズ信号に基づいて検査体のキズの有無を評価するキズ評価器、並びに前記渦電流探傷プローブを前記励磁コイルのコイル面と垂直な方向に走査するプローブ駆動装置を備えていることを特徴とする磁性材料の渦電流探傷装置。
請求項１に記載の磁性材料の渦電流探傷装置において、前記励磁コイルは矩形状であり、前記検出コイルはパンケーキ状であることを特徴とする磁性材料の渦電流探傷装置。