JP5851783B2 - 渦電流探傷用プローブ - Google Patents

Description

本発明は、渦電流探傷法に用いられるプローブに関するものである。

金属の非破壊検査方法として、渦電流探傷法（ＥＣＴ; Eddy Current Testing）が知られている。これは、励磁電流を供給したＥＣＴコイルが発生する磁束により，被測定部材に渦電流を発生させ、さらにこの渦電流により発生する磁束を表す検出信号をＥＣＴコイルの出力信号として得て、この時の検出信号が被検体の欠陥（傷）の位置、形状、深さ等を反映したものとなることから、検出信号に基づき被検体の探傷を行うものである。

しかしながら、被検体が磁性体である場合、または探傷範囲に磁性体が含まれている場合には、主に材質のばらつきに起因する透磁率の局部的な変動が生じているために、検出信号に含まれるノイズが大きくなり、欠陥の検出精度を低下させる。
透磁率の変化に起因するノイズによる検出精度の低下に対しては、検出信号を被検体の傷に起因するものか、又は、ノイズに起因するものかを判別するという方策（例えば特許文献１）と、磁気飽和用の永久磁石をＥＣＴコイルに付設して透磁率の変動の影響を解消しようという方策（例えば特許文献２）が提案されている。

特開２００８−３０９５７３号公報 特開２００５−５５３２５号公報

これまでの提案により欠陥の検出精度は向上されてきているが、微小な傷には対応できない場合がある。特に、傷の探傷に一次的に係る渦電流探傷用プローブでノイズを拾わないことが、検出精度のさらなる向上に望まれる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、透磁率に起因するとされるノイズをさらに低減できる渦電流探傷用プローブを提供することを目的とする。

本発明者は、ＥＣＴコイルとして、走査方向に対して直交及び平行な欠陥に対する検出性が優れるとされるクロスコイルを用いるとともに、透磁率の変動の影響を解消するための永久磁石を備えた渦電流探傷用プローブによるノイズ低減を検討した。その結果、クロスコイルを励磁することによってコイルを流れる電流の向きと、永久磁石から生じる磁場の向きと、が交差した渦電流探傷用プローブを用いることにより、ノイズを著しく低減できることを知見した。
この知見に基づく本発明の渦電流探傷用プローブは、所定の間隔を空けて配置される第１永久磁石と第２永久磁石を有し、第１永久磁石から第２永久磁石に向けた磁束Ｍ１と、第２永久磁石から第１永久磁石に向けた磁束Ｍ２と、を生じさせる永久磁石群と、第１永久磁石と第２永久磁石の間に配置される、第１コイルと第２コイルを有し、第１コイルと第２コイルが互いに直交するように巻き回されているクロスコイルと、を備える。
本発明のプローブは、第１永久磁石と第２永久磁石は、それぞれが直方体状の永久磁石部材からなるとともに、第１永久磁石と第２永久磁石は、互いに平行に、かつ、被検体に対して垂直に配置される。
本発明における第１コイルは、走査時に被検体と平行に対向する一対の対向部と、走査時に被検体に対して垂直に立ち上る一対の立設部と、を備える矩形状のコイル部材からなる。また、第２コイルは、走査時に被検体と平行に対向する一対の対向部と、走査時に被検体に対して直交する一対の立設部と、を備える矩形状のコイル部材からなる。
そして、本発明のプローブは、第１永久磁石と第２永久磁石が延設される向きＭＤに対して、第１コイルの一対の対向部が延設される向きＣＤ１が３０〜６０°の角度の範囲で交差し、かつ、第２コイルの一対の対向部が延設される向きＣＤ２が３０〜６０°の角度の範囲で交差することを特徴とする。

本発明によれば、透磁率に起因するとされるノイズをさらに低減できる渦電流探傷用プローブを提供できる。

本実施形態における渦電流探傷用プローブを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本実施形態における渦電流探傷用プローブの、電流の流れる向きと磁束の向きとを示す図である。 （ａ）は本実施形態における渦電流探傷用プローブを用いて行う渦流探傷の概略を示し、（ｂ），（ｃ）は比較のために作製した渦電流探傷用プローブを用いて行う渦流探傷の概略を示し、 本実施形態における渦電流探傷用プローブの効果を説明するための図である。 マルチコイル型のプローブに本発明を適用する例を示している。 セグメント磁石から永久磁石を構成する例を示している。 本実施形態における渦電流探傷用プローブの保持具を示す断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態の渦電流探傷用プローブ（以下、単にプローブ）１は、図１に示すように、間隔を隔てて配置される一対の永久磁石３，５と、永久磁石３，５の間に設けられるクロスコイル７と、を備えている。渦流探傷は、プローブ１を、被検体２０に対して永久磁石３，５が垂直になるように配置させ、かつ矢印αで示す方向に走査して行なわれる場合を説明する。プローブ１が被検体２０に対してこのように配置されることを、プローブ１が正立する、ということにする。

平板状の永久磁石３，５は、各々、一端部側をＮ極に、他端部側をＳ極に着磁してある。そして、永久磁石３のＮ極と永久磁石５のＳ極、永久磁石３のＳ極と永久磁石５のＮ極、が対向して配置される。したがって、磁束ＭＦは、図１に示されるように永久磁石３から永久磁石５に向けてと、永久磁石５から永久磁石３に向けて形成される。探傷部分に生じている透磁率の変動の影響を解消することを目的として、被検体２０にこの磁束ＭＦを作用させる。図１の場合、永久磁石３，５の下側、つまり被検体２０に対向する側に生じる磁束ＭＦが被検体２０に作用する。なお、永久磁石３，５としては、磁気特性の高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石を用いることが好ましい。

クロスコイル７は、自己誘導形自己比較方式のクロスコイルであり、各々縦置きの矩形コイルである、第１コイル９と、第２コイル１１と、を備える。ただし、このコイル形態は一例であり、楕円形（円形を含む）であってもかまわない。第１コイル９と第２コイル１１は、互いに直交するように巻き回されている。なお、第１コイル９と第２コイル１１は、第１コイル９の全体が第２コイル１１の内側（又はその逆）に配置している例を示しているが、第１コイル９と第２コイル１１を一層ずつ交互に積層してもよい。
第１コイル９は、走査時に被検体２０と平行に対向する対向部９ａ、９ｃと、走査時に被検体２０に対して垂直に立ち上る立設部９ｂ、９ｄと、を備える。同様に、第２コイル１１は、対向部１１ａ、１１ｃと、走査時に被検体２０に対して直交する立設部１１ｂ、１１ｄと、を備える。
自己誘導形のクロスコイル７は、第１コイル９と第２コイル１１が励磁と検出を同じコイルで兼ねるものであり、各検出コイルでの検出信号の差（各検出コイル間の差動信号）を出力するように構成されている。被検体２０に含まれる磁性体部分で磁気ノイズを持つ場合に、磁気ノイズの影響を第１コイル９と第２コイル１１の信号の差を見ることでキャンセルしやすい特徴を有する。また、クロスコイル７は、原理的にリフトオフによるノイズが発生することなく欠陥を検出できるので、欠陥を信頼性高く検出することが可能とされている。

さて、プローブ１は、永久磁石３，５に対してクロスコイル７が以下のように交差して配置されているところに特徴を有する。つまり、プローブ１が正立しているとき、永久磁石３，５が延設される向きＭＤに対して、第１コイル９の対向部９ａ（９ｃ）が延設される向きＣＤが交差するように、クロスコイル７が永久磁石３，５の間に配置されている。同様に、プローブ１が正立しているとき、永久磁石３，５が延設される向きＭＤに対して、第２コイル１１の対向部１１ａ（１１ｃ）が延設される向きＣＤが交差するように、クロスコイル７が永久磁石３，５の間に配置されている。
永久磁石３，５に対して以上のように配置されたクロスコイル７に電流を流したとする。図２に示すように、クロスコイル７（第１コイル９の対向部９ａ、第２コイル１１の対向部１１ａ）に流れる電流の向き９ｉ、１１ｉと永久磁石から生じる磁束ＭＦの向きが交差する。

本実施形態によるプローブ１の効果確認のために行った試験例を以下説明する。
被検体２０に対して図３（ａ）に示す向きで本実施形態のプローブ１を走査することで渦流探傷を行った（実施例）。比較として、図３（ｂ）、（ｃ）に示す形態のプローブ１００，１０１を作製し、同じ被検体２０を用い同図に示す向きに走査して渦流探傷を行った。プローブ１とプローブ１００，１０１は、永久磁石３，５に対するクロスコイル７の向きが異なる以外は仕様が同じである。また、永久磁石３，５を用いないでクロスコイル７のみでも渦流探傷を行った。
渦流探傷は、サイズを表１に複数のサイズの永久磁石３，５を用いたプローブ１、プローブ１００，１０１について行い、また、クロスコイル７に印可する電流を１００ｋＨｚと４００ｋＨｚの２種類とした。以上の条件で検知したノイズ信号の電圧を表１に示す。

クロスコイル７のみに比べて、永久磁石３，５を設けることでノイズ信号電圧を相当低減できるが、さらに、永久磁石３，５に対してクロスコイル７を傾斜させて配置する本実施形態のプローブ１は、プローブ１００、１０１よりノイズ信号電圧を半分以下に低減できる。

本実施形態によるプローブ１によりノイズが著しく低減される理由は明らかではないが、本発明者が推察している理由を、図４を参照して、以下に説明する。
図４（ａ）、（ｃ）に示すようにプローブ１の端部に透磁率の変動する領域が対応する場合を考える。図４（ａ）に示すように、本実施形態によるプローブ１の場合、透磁率の変動する領域に、渦電流が生ずる領域（白抜き矢印先端、以下同じ）と永久磁石３，５による磁場が重複するので、磁気飽和の効果が大きく、透磁率の変動によるノイズを低減できる。これに対して、図４（ｃ）に示すように、プローブ１が永久磁石３，５に対して交差することなく対向していると、透磁率の変動する領域に、渦電流が生ずる領域と永久磁石３，５による磁場が重複しないので、磁気飽和の効果が小さく、透磁率の変動によるノイズ低減効果は小さい。
次に、図４（ｂ）、（ｄ）に示すようにプローブ１の中心に磁率の変動する領域が対応する場合を考える。図４（ｂ）に示すように本実施形態によるプローブ１の場合、永久磁石３，５による磁場がクロスコイル７により渦電流が生ずる領域に均等に作用するのでノイズを低減できる。これに対して、図４（ｄ）に示すように、プローブ１が永久磁石３，５に対して交差することなく対向していると、図中水平方向の渦電流が生ずる領域に磁場が作用しないため磁気飽和の効果が向きにより異なることになり、ノイズ低減効果は小さい。
交差の角度（図２のθ）を本発明は問わないが、以上より、３０〜６０°の角度で交差することが好ましく、４０〜５０°の角度で交差することがさらに好ましく、４５°の角度で交差することが最も好ましい。

なお、上記実施形態ではクロスコイル７として自己誘導型自己比較方式について示したが、相互誘導型自己比較方式、相互誘導型標準比較方式のクロスコイルについても本発明を適用できる。
また、上記実施形態では単一のクロスコイル７を永久磁石３，５の間に配置した例について示したが、図５に示すように永久磁石３，５の間に複数のクロスコイル７を設けるマルチコイル型のプローブを本発明に適用できる。なお、図５には３つのクロスコイル７の例を示しているが、クロスコイル７の数は任意である。

上記実施形態では、永久磁石３，５が一体で構成された例を示したが、本発明は図６に示すように複数のセグメント磁石１３から永久磁石３，５を構成することができる。しかもこの場合、各セグメント磁石１３の接合面に電気絶縁層１５を介在させることが好ましい。そうすることの利点は以下の通りである。クロスコイル７に電流を印可すると永久磁石３，５に渦電流が生じ、この渦電流がクロスコイル７による欠陥の検知結果に影響を与える。ところが、永久磁石３，５を複数のセグメント磁石１３で構成し、しかも接合面に電気絶縁層１５を介在させることで、渦電流の発生を抑制する。したがって、永久磁石３，５を設けても、設けない場合と同様の検知結果を得ることができる。なお、電気絶縁層１５を介してセグメント磁石１３を接合するには、樹脂製の接着剤によりセグメント磁石１３を接着すればよい。

次に、プローブ１により実際に渦流探傷を行う際に、例えば図７に示す保持具３０を用いるのが好ましい。
保持具３０は、図７に示すように、プローブ１、つまり永久磁石３，５とクロスコイル７が相互の位置関係を変えることなく一体的に昇降可能な本体３１と、本体３１を収容するハウジング３２と、本体３１に接続されるバネ３３と、を備えている。
作業者は、保持具３０を持って被検体に対して移動させながら渦流探傷を行う。その際、被検体に凹凸があっても、バネ３３によりプローブ１がその凹凸に倣いながら移動する。しかも、プローブ１は、永久磁石３，５とクロスコイル７の相対的な位置関係が変わらないので、クロスコイル７内に電流が誘起される恐れがない。

これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１ 渦電流探傷用プローブ
３，５ 永久磁石
７ クロスコイル
９ 第１コイル
１１ 第２コイル
１３ セグメント磁石
１５ 電気絶縁層
２０ 被検体
３０ 保持具
３１ 本体
３２ ハウジング
３３ バネ

Claims (1)

1. 所定の間隔を空けて配置される第１永久磁石と第２永久磁石を有し、前記第１永久磁石から前記第２永久磁石に向けた磁束Ｍ１と、前記第２永久磁石から前記第１永久磁石に向けた磁束Ｍ２と、を生じさせる永久磁石群と、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石の間に配置される、第１コイルと第２コイルを有し、前記第１コイルと前記第２コイルが互いに直交するように巻き回されているクロスコイルと、を備え、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は、それぞれが直方体状の永久磁石部材からなるとともに、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は、互いに平行に、かつ、被検体に対して垂直に配置され、
   前記第１コイルは、走査時に前記被検体と平行に対向する一対の対向部と、走査時に被検体に対して垂直に立ち上る一対の立設部と、を備える矩形状のコイル部材からなり、
   前記第２コイルは、走査時に前記被検体と平行に対向する一対の対向部と、走査時に前記被検体に対して直交する一対の立設部と、を備える矩形状のコイル部材からなり、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石が延設される向きＭＤに対して、
   前記第１コイルの一対の前記対向部が延設される向きＣＤ１が３０〜６０°の角度の範囲で交差し、かつ、前記第２コイルの一対の前記対向部が延設される向きＣＤ２が３０〜６０°の角度の範囲で交差する、
   ことを特徴とする渦電流探傷用プローブ。

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