JP4598601B2 - 金属体の欠陥検出方法及びスキャニング式欠陥検出器 - Google Patents
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Description
そこで、磁性金属体の欠陥を検出するのに、金属体を磁化し、金属体の表面を磁気センサでスキャニングし、磁束漏洩箇所を検出して欠陥位置を検知することが、所謂、漏洩磁束探傷試験方法として知られている。
この試験方法では、試験品の形状、寸法等に応じ磁化方法を異ならしめており、試験品に応じて軸通電法、直角通電法、プロッド法、電流貫通法、コイル法、極間法、磁束貫通法の何れかを選択している。
従来の漏洩磁束探傷試験方法では、磁気センサに、ホールセンサ、磁気抵抗素子、フラックスゲートセンサ等を使用しており、前記の磁化方法を選択しても、感度や空間分解能の面から、軽度の欠陥や表面から深い位置に存在する欠陥を検出することは困難である。
本発明者等の鋭意検討結果によれば、前記した磁気インピーダンス効果型センサを漏洩磁束探傷試験方法の磁気センサとして使用すると、磁気インピーダンス効果型センサが磁化前に既に発生している微小漏洩磁束にも反応してこれが検出エラーとなることが判明した。
請求項2に係る金属体の欠陥検出方法は、金属体の磁化状態を一様にするように着磁を行う着磁手段と金属体の欠陥箇所に漏洩磁束を発生させるための磁化手段と金属体の欠陥箇所での漏洩磁束の法線成分を検出する磁気インピーダンス効果型センサを有する欠陥検出器で金属体の表面をスキャニングし、このスキャニング中、着磁手段により脱磁または着磁を行った跡を追跡して磁化手段の磁界で欠陥箇所に漏洩磁束を発生させ、その漏洩磁束の法線成分を磁気インピーダンス効果型センサで検出することを特徴とする。
請求項3に係る金属体の欠陥検出方法は、請求項1〜2何れか記載の金属体の欠陥検出方法において、磁化手段による磁界を金属体の欠陥の方向に対し交差方向好ましくは直交方向に加えることを特徴とする。
請求項4に係る金属体の欠陥検出方法は、請求項1〜2何れか記載の金属体の欠陥検出方法において、磁化手段による磁界を異なる方向の二以上の磁界とすることを特徴とする。
請求項5に係る金属体の欠陥検出方法は、請求項1〜2何れか記載の金属体の欠陥検出方法において、互いに交差する二方向好ましくは互いに直交する二方向にスキャニングすることを特徴とする。
請求項6に係る金属体の欠陥検出方法は、請求項1〜2何れか記載の金属体の欠陥検出方法において、互いに交差する二方向好ましくは互いに直交する二方向及びこれら両方向の中間方向にスキャニングすることを特徴とする。
請求項7に係るスキャニング式欠陥検出器は、請求項1〜6何れかの金属体の欠陥検出方法に使用する欠陥検出器であり、金属体の磁化状態を一様にするように着磁を行う着磁手段と金属体の欠陥箇所に漏洩磁束を発生させるための磁化手段と金属体の欠陥箇所での漏洩磁束を検出する磁気インピーダンス効果型センサを有し、前記センサの磁気インピーダンス効果素子をスキャニング方向に対し所定の距離を隔てた2個とし、検出部をこれら両素子の差動出力を検出する差動式としたことを特徴とする。
請求項8に係るスキャニング式欠陥検出器は、請求項1〜3または5〜6何れかの金属体の欠陥検出方法に使用する欠陥検出器であり、金属体の欠陥箇所での漏洩磁束を検出する磁気インピーダンス効果型センサをフレーム内に収容し、金属体の欠陥箇所に漏洩磁束を発生させるためのU字型コイルを前記フレームの外側にU字開放側を金属体表面に近接させ得るように装着し、位置的にU字型コイルに先行して金属体の磁化状態を一様にするように着磁を行う着脱磁用コイルを同フレームに取付けたことを特徴とする。
請求項9に係るスキャニング式欠陥検出器は、請求項4の金属体の欠陥検出方法に使用する欠陥検出器であり、金属体の欠陥箇所での漏洩磁束を検出する磁気インピーダンス効果型センサをフレーム内に収容し、金属体の欠陥箇所に漏洩磁束を発生させるためのU字型コイルを複数個かつ異なる向きで前記フレームの外側にU字開放側を金属体表面に近接させ得るように装着し、位置的にU字型コイルに先行して金属体の磁化状態を一様にするように脱磁または着磁を行う着脱磁用コイルを同フレームに取付けたことを特徴とする。
(2)磁気インピーダンス効果型センサと磁化用コイルとの相対的位置関係を固定としているから、磁気インピーダンス効果型センサの移動中の位置に関係なしに磁気インピーダンス効果素子直下の磁界強度・方向を一定にでき、従って、磁気インピーダンス効果素子が通過する欠陥箇所での磁束漏洩が一定の磁界のもとで発生され、同じ基準で欠陥の重軽傷度を適切に評価できる。
(3)磁化状態を一様にするための着磁を欠陥検出のためのスキャニング時に行っているから、脱磁または着磁を別の前処理として行う場合よりも能率的であり作業時間を短縮できる。
(4)磁界方向と欠陥の方向との相対的関係により欠陥箇所の漏洩磁束の大きさが影響されることも考慮して検出しているから、かかる面からも欠陥の重軽傷度を正確に評価できる。
図1は磁気インピーダンス効果素子を使用した磁気センサの一例の回路構成を示している。
図1において、1は磁気インピーダンス効果素子であり、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが使用される。かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波励磁電流を流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μθは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。而るに、この通電中のアモルファスワイヤの軸方向に被検出磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と被検出磁界磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μθが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。この変動現象は磁気インダクタンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流(搬送波)が被検出波(信号波)で変調される現象ということができる。更に、上記通電電流の周波数がMHzオ−ダになると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ=(2ρ/wμθ)1/2(μθは前記した通り円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数をそれぞれ示す)がμθにより変化し、このμθが前記した通り、被検出磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も被検出磁界で変動するようになる。この変動現象は磁気インピーダンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流(搬送波)が被検出波(信号波)で変調される現象ということができる。
磁気インピーダンス効果素子1には、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤの外、アモルファスリボン、アモルファススパッタ膜等も使用できる。
図3において、1a,1bは実質的に同一特性の磁気インピーダンス効果素子、2は両磁気インピーダンス効果素子1a,1bに励磁電流を流す高周波電源回路、3a,3bは各磁気インピーダンス効果素子1a,1bの軸方向に作用する被検出磁界(信号波)で高周波励磁電流(搬送波)を変調させた被変調波を復調する検波回路、40は両検波回路3a,3bの復調波出力を差動増幅する差動増幅回路、5は出力端、6a,6bは差動増幅回路の出力を各磁気インピーダンス効果素子1a,1bに負帰還させる負帰還用コイル、7a,7bは各磁気インピーダンス効果素子1a,1bのバイアス磁界用コイルである。
図3において、各磁気インピーダンス効果素子1a,1bの軸方向に作用する磁界をHexa及びHexbとすると、差動出力Eoutは、Eout=k(Hexa−Hexb)で与えられる。
また、被変調波(周波数fs)に同調させた周波数fsの方形波を被変調波に乗算して信号波をサンプリングする同調検波を使用することができる。
上記の実施例では、被変調波の復調によって被検出磁界を取り出しているが、これに限定されず、磁気インピーダンス効果素子に作用する被検出磁界(信号波)で変調された高周波励磁電流波(搬送波)から被検出磁界を検波し得るものであれば、適宜の検波手段を使用できる。
図4において、100は基板チップであり、例えばセラミックス板を使用できる。101は基板片の片面に設けた電極であり、磁気インピーダンス効果素子接続用突部102を備えている。この電極は導電ペースト、例えば銀ペーストの印刷・焼付けにより設けることができる。1xは電極101,101の突部102,102間にはんだ付けや溶接により接続した磁気インピーダンス効果素子であり、前記した通り零磁歪乃至負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等を使用できる。103は鉄やフェライト等からなるC型鉄芯、6xはC型鉄芯に巻装した負帰還用コイル、7xは同じくバイアス磁界用コイルであり、磁気インピーダンス効果素子1xとC型鉄芯103とでループ磁気回路を構成するように、C型鉄芯103の両端を基板片100の他面に接着剤等で固定してある。鉄芯材料としては、残留磁束密度の小さい磁性体であればよく、例えば、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を挙げることができる。
図5において、81はフレームであり、2枚のプレート811をスペーサ812で締結してある。Aは磁気インピーダンス効果型センサであり、図3に示した差動式に属し、基板片100に2箇の磁気インピーダンス効果素子1a,1bを配設し、各磁気インピーダンス効果素子1a,1bに図4で示したように鉄芯を設け、各鉄芯に各磁気インピーダンス効果素子に対する負帰還用磁界コイル及びバイアス用磁界コイルを巻付けた鉄芯コイル付き磁気インピーダンス効果ユニットBを備え、各磁気インピーダンス効果素子に対する検波回路及び差動増幅回路並びに高周波励磁電流発生回路からなる駆動回路bや差動増幅回路並びに高周波励磁電流発生回路の電源としてのバッテリーcを搭載した主回路板Cに前記鉄芯コイル付き磁気インピーダンス効果ユニットBを導体バーeにより接続してあり、主回路板Cをフレーム81内に収容してホルダー813でフレーム81に固定してある。
82は磁化用のU字型コイルであり、U字型鉄芯にコイルを巻き付けてあり、図6に示すように両磁気インピーダンス効果素子1a,1bに対し同一方向・同一強度の磁界を作用させるようにフレーム81の外側に装着してある。U字型鉄芯には、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を使用できる。
図5において、Eは被検出体としての金属体の表面を示し、欠陥検出器8はこの表面Eに磁気インピーダンス効果素子1a,1bを法線方向に向け、かつ各素子1a,1bの先端を表面Eに近接させると共にU字型コイル82の鉄芯端820,820及び着磁用コイル83のスライド面を金属体表面Eに近接させるようにして移動される。
この残留磁気帯有箇所は傷ではなく、この残留磁気に基づく局部的漏洩磁束を検出してしまうと、エラーとなる。
金属体の磁化状態を一様であれば、通常、表面からの漏洩磁束は存在し得ないし、万一存在しても一様であるために、前記差動式では検出され得ず、前述したエラーは排除できる。
磁気双極子による欠陥モデルによれば、磁気双極子の磁気強度をσ、傷の巾を2a、傷の深さをdとすると、漏洩磁束の法線成分ΔBzは
而して、図9の(ハ)のように、ピークが傷の巾両端で生じる。
図10は図9の(ハ)に示す漏洩磁束の法線成分を速度vで磁界方向に走行する欠陥検出器のセンサAで検出した波形を示し、ピーク間の間隔ΔTは、傷の巾をwとすれば、
Δt=w/v
で与えられる。
磁気インピーダンス効果素子間の間隔をDとすれば、前方の磁気インピーダンス効果素子の検出出力と後方の磁気インピーダンス効果素子の検出出力とが時間ΔT=D/vの間隔で離隔され、傷の巾wに較べて磁気インピーダンス効果素子間の間隔Dが充分に広いと、両出力は重ならない。磁気インピーダンス効果素子間の間隔Dに対し傷の巾wが広くなって両出力が重なっても、差動のために図に示すように重畳部分では検出波高値が加算により大きくされる。傷の巾w(2a)が広くなると、前記の数式からも明らかなように、漏洩磁束密度が小さくなり検出値がそれだけ減少されるが、前記の重なりによる検出波高値の増加のために、巾の広い傷でも充分に検出可能である。
従って、漏洩磁束密度が小となる巾の広い傷や金属体表面から深い位置に存在する欠陥でも、充分に検出できる。
図11において、Sは傷方向と磁化方向とが直交する場合の漏洩磁束分布を、Wは傷方向と磁化方向とが一致する場合の漏洩磁束分布をそれぞれ示し、傷方向と磁化方向との間の角度が90°→0°に近づくにつれて点線Mで示すようにピーク箇所間の間隔がピーク値が減少して漏洩磁束分布が平坦化し、検出感度が低下していく。
従って、輸送管のように傷の方向が既知の場合は、磁界の方向と傷の方向とを直交させるように、前記U字型コイルの向きを設定することが望ましい。
この場合、走査回数が2回または3回以上となるが、2回目以降の走査においては、脱・着磁用コイルによる脱・着磁処理を省略してもよい。
図12はこの場合に使用する欠陥検出器における磁気センサを示し、磁気インピーダンス効果素子1a,1bが共通の軸線上に長手方向に間隔を隔てて配設されている点及びU字型コイル82の配設位置をその鉄芯両端820,820を結ぶ線を両磁気インピーダンス効果素子間の中央線に一致させるように設定した点を除けば、図5に示したものに実質的に同じである。
図12において、Eは被検出体の金属体の表面を示し、欠陥検出器はこの表面に磁気インピーダンス効果素子を平行に向け、かつ各素子の側面を表面に近接させると共にU字型コイルの鉄芯端及び脱・着磁用コイルのスライド面を金属体表面に近接させるようにして移動される。
1a 磁気インピーダンス効果素子
1b 磁気インピーダンス効果素子
8 欠陥検出器
81 フレーム
82 U字型コイル
83 着磁用コイル
Claims (9)
- 金属体の磁化状態を一様にするように着磁を行う着磁手段と金属体の欠陥箇所に漏洩磁束を発生させるための磁化手段と金属体の欠陥箇所での漏洩磁束を検出する磁気インピーダンス効果型センサを有する欠陥検出器で金属体の表面をスキャニングし、このスキャニング中、着磁手段により着磁を行った跡を追跡して磁化手段の発生磁界で欠陥箇所に漏洩磁束を発生させ、その漏洩磁束を磁気インピーダンス効果型センサで検出することを特徴とする金属体の欠陥検出方法。
- 金属体の磁化状態を一様にするように着磁を行う着磁手段と金属体の欠陥箇所に漏洩磁束を発生させるための磁化手段と金属体の欠陥箇所での漏洩磁束の法線成分を検出する磁気インピーダンス効果型センサを有する欠陥検出器で金属体の表面をスキャニングし、このスキャニング中、着磁手段により着磁を行った跡を追跡して磁化手段の発生磁界で欠陥箇所に漏洩磁束を発生させ、その漏洩磁束の法線成分を磁気インピーダンス効果型センサで検出することを特徴とする金属体の欠陥検出方法。
- 磁化手段による磁界を金属体の欠陥の方向に対し交差方向に加えることを特徴とする請求項1〜2何れか記載の金属体の欠陥検出方法。
- 磁化手段による磁界を異なる二方向以上の磁界とすることを特徴とする請求項1〜2何れか記載の金属体の欠陥検出方法。
- 互いに交差する二方向にスキャニングすることを特徴とする請求項1〜2何れか記載の金属体の欠陥検出方法。
- 互いに交差する二方向及びこれら両方向の中間方向にスキャニングすることを特徴とする請求項1〜2何れか記載の金属体の欠陥検出方法。
- 請求項1〜6何れか記載の金属体の欠陥検出方法に使用する欠陥検出器であり、金属体の磁化状態を一様にするように着磁を行う着磁手段と金属体の欠陥箇所に漏洩磁束を発生させるための磁化手段と金属体の欠陥箇所での漏洩磁束を検出する磁気インピーダンス効果型センサを有し、前記センサの磁気インピーダンス効果素子をスキャニング方向に対し所定の距離を隔てた2個とし、検出部をこれら両素子の差動出力を検出する差動式としたことを特徴とするスキャニング式欠陥検出器。
- 請求項1〜3または5〜6何れか記載の金属体の欠陥検出方法に使用する欠陥検出器であり、金属体の欠陥箇所での漏洩磁束を検出する磁気インピーダンス効果型センサをフレーム内に収容し、金属体の欠陥箇所に漏洩磁束を発生させるためのU字型コイルを前記フレームの外側に斜めに、しかもU字開放側を金属体表面に近接させ得るように装着し、位置的にU字型コイルに先行して金属体の磁化状態を一様にするように着磁を行う着脱磁用コイルを同フレームに取付けたことを特徴とするスキャニング式欠陥検出器。
- 請求項4記載の金属体の欠陥検出方法に使用する欠陥検出器であり、金属体の欠陥箇所での漏洩磁束を検出する磁気インピーダンス効果型センサをフレーム内に収容し、金属体の欠陥箇所に漏洩磁束を発生させるためのU字型コイルを複数個、かつ異なる向きで前記フレームの外側にU字開放側を金属体表面に近接させ得るように装着し、位置的にU字型コイルに先行して金属体の磁化状態を一様にするように着磁を行う着脱磁用コイルを同フレームに取付けたことを特徴とするスキャニング式欠陥検出器。
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