JP7301506B2 - 渦電流探傷装置および渦電流探傷方法 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、渦電流探傷装置および渦電流探傷方法に関する。

一般的に渦電流探傷は、検査対象となる被検査体として金属材料を対象とし、交流電源から交流電流を励磁コイルに供給して被検査体の表面近傍に渦電流を誘起し、この渦電流が作る反作用磁場を検出コイルで検出している。仮に、被検査体の表面近傍に欠陥が存在すると、欠陥により渦電流の流れが変化すると共に、渦電流が作る反作用磁場の強度や分布も変化するので、欠陥の有無を検出することができる。

一方、二つ以上の異なる材料で構成される複合材料は、積層構造の採用や繊維の利用等をしているため、金属材料と比較して導電率が低くなる場合がある。このような複合材料を渦電流探傷の検査対象とすると、複合材料の導電率が低いために、複合材料に誘起される渦電流密度が低くなる。このため、渦電流が作る反作用磁場の磁束密度も低くなり、欠陥検出の感度が低下する。

特開平９－３３４８９号公報

微小磁場条件における渦電流探傷の欠陥検出感度を向上するために、ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ（超伝導量子干渉計））磁束計を用いる技術が知られている。このような技術においては、磁場に対するＳＱＵＩＤ磁束計の感度が高いため、微小磁場条件における渦電流探傷の欠陥検出感度向上が期待できる。しかし、ＳＱＵＩＤ磁束計は冷却が必要であり、装置構成が複雑になり、装置も高価になる等の課題が残る。

複合材料は金属材料より導電率が低い場合があり、複合材料を渦電流探傷の対象とすると、複合材料に流れる渦電流密度と渦電流が作る磁束密度が低下するため、渦電流探傷による欠陥検出感度が低下する。また、渦電流探傷の検出手段に高感度磁気センサを用いると、装置構成の複雑化や、装置の高価格化を招く場合がある。

本発明の実施形態は、たとえば複合材料などの導電率が低い材料の検査対象に対しても、簡素で安価な装置構成で高感度の欠陥検出が可能な渦電流探傷を行うことを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、渦電流探傷装置は、被検査体に渦電流を誘起させるとともに、前記渦電流によって生じる反作用磁場の変化を検出することが可能な励磁・検出器と、前記被検査体をはさんで前記励磁・検出器の反対側に配置された強磁性体の背面部材と、を有し、前記励磁・検出器は、前記被検査体に渦電流を誘起可能な励磁器と、前記渦電流によって生じる反作用磁場の変化を検出可能な検出器とを別体とし、この前記励磁器と前記検出器は前記被検査体の同一表面側に有することを特徴とする。

また、本発明の他の実施形態によれば、渦電流探傷方法は、被検査体に渦電流を誘起可能な励磁器と、前記渦電流によって生じる反作用磁場の変化を検出可能な検出器とを被検査体に近接させてこの被検査体の同一表面側に配置する励磁・検出器配置ステップと、前記被検査体をはさんで前記励磁器および前記検出器の反対側で前記被検査体に近接して強磁性体の背面部材を配置する背面部材配置ステップと、前記励磁・検出器配置ステップおよび前記背面部材配置ステップの後に、前記励磁器により前記被検査体に渦電流を誘起させる励磁ステップと、前記渦電流によって生じる反作用磁場の変化を前記検出器で検出する検出ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、たとえば複合材料などの導電率が低い材料の検査対象に対しても、簡素で安価な装置構成で高感度の欠陥検出が可能な渦電流探傷を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。 本発明の第７の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る渦電流探傷装置および渦電流探傷方法について、図面を参照しながら説明する。ここで、同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。

この第１の実施形態では、検査対象となる被検査体１１は、通常の金属材料よりも導電率の低い複合材料からなる。複合材料は、たとえば、炭化ケイ素繊維を用いた複合材料、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などを対象とできる。被検査体１１は、たとえば平板状であって、第１の平面１２と、その裏側で第１の平面１２に平行な第２の平面１３とを有する。第１の平面１２に欠陥部（薄肉部）１４が存在するものとする。

この第１の実施形態の渦電流探傷装置は、第１の励磁・検出器である励磁器２０と、第２の励磁・検出器である検出器２１とを有する。励磁器２０および検出器２１は、たとえば、らせん状のコイルである。励磁器２０は被検査体１１の第１の平面１２に接して配置され、検出器２１は被検査体１１の第２の平面１３に接して配置される。励磁器２０および検出器２１は、それらのコイルの軸Ａが第１の平面１２および第２の平面１３に垂直を向くように配置される。励磁器２０には交流電源２２が接続されている。検出器２１は、図示しない検出器回路に接続されている。

励磁器２０を構成するコイル素線は、検出器２１を構成するコイル素線よりも太いものとする。これは、励磁器２０には比較的大きな電流を流す必要があるから、そこでのジュール損失を抑制するためである。

交流電源２２により励磁器２０に交流電流が供給されると、励磁器２０の周りに、変動磁場が形成される。このときの磁力線Ｍを図１に破線で示す。励磁器２０によって形成される磁場は、励磁器２０の軸Ａに対してほぼ対称であるが、図１では軸Ａより右側の磁力線Ｍだけを示す。

励磁器２０の周りに変動磁場が形成されることにより、被検査体１１に渦電流が誘起される。この渦電流により、反作用磁場が形成される。この反作用磁場は検出器２１および検出器回路によって電圧として検出される。欠陥部１４の存在によって反作用磁場が変化するため、検出器回路によって電圧の変化として、欠陥部１４を検出することができる。

被検査体１１が通常の金属材料である場合は、表皮効果によって、磁力線はほとんどが被検査体１１の内部を通り、被検査体１１の裏面（第２の平面１３）には磁場がほとんど存在しない。たとえば、被検査体１１が、厚さ２ｍｍのステンレス鋼であって、供給される交流電流の周波数が５００ｋＨｚの場合、表皮効果による磁場の浸透深さは約０．７ｍｍである。

一方、被検査体１１が導電率の低い複合材である場合は、被検査体１１が通常の金属材料である場合に比べて、表皮効果による磁場の浸透深さが深くなり、磁場は、図１に示すように、被検査体１１を透過して、被検査体１１の裏面（第２の平面１３）にも磁場が存在することになる。ただし、この場合、被検査体１１が通常の金属材料である場合に比べて、被検査体１１内に生じる磁束密度が低い。

この実施形態では、励磁器２０と検出器２１とを別体として、被検査体１１をはさんで励磁器２０と検出器２１とを配置する。これにより、励磁器２０と検出器２１の両方を被検査体１１に近接して配置することができる。すなわち、比較的磁束密度が高い位置に検出器２１を配置することができ、比較的高精度の探傷を行うことができる。

また、励磁器２０と検出器２１の構造・仕様を互いに同じにする必要はなく、それぞれに適したコイルの線径、巻き数、形状、サイズなどの設計とすることができる。ここで、励磁器２０のコイルには比較的大きな電流を流す必要があるので、コイルの線径を太くするのが望ましい。一方、検出器２１のコイルには大きな電流を流す必要はないが、大きな電圧として検出するのが望ましいので、コイルの線径を比較的細くして巻き数を多くするのが望ましい。

なお、被検査体１１が複合材料などの低導電率材料である場合に、電源の周波数を高く設定することにより、磁力線の浸透深さを浅くして、高感度の探傷を行うことができる。そのため、電源の周波数をＭＨｚオーダとすることが望ましい。

［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。

この第２の実施形態の渦電流探傷装置は、第１の励磁・検出器２５と、第２の励磁・検出器２６とを有する。

第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６は、たとえばらせん状のコイルである。第１の励磁・検出器２５は被検査体１１の第１の平面１２に接して配置され、第２の励磁・検出器２６は被検査体１１の第２の平面１３に接して配置される。第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６は、それらのコイルの軸Ａが第１の平面１２および第２の平面１３に垂直を向くように配置される。第１の励磁・検出器２５には交流電源２２が接続されており、第２の励磁・検出器２６には交流電源２２ａが接続されている。第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６は、それぞれ、図示しない検出器回路に接続されている。

第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６は、互いにほぼ同じ構造のものであって、それぞれが、励磁器としての機能と検出器としての機能の両方を有する。交流電源２２、２２ａは、互いに同じ構造のものであってもよく、好ましくは、周波数も位相も互いに同じであって同期しているのが好ましい。交流電源２２、２２ａは別個のものとせず、１個の交流電源としてもよい。

この第２の実施形態によれば、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６による励磁作用が重なり合うので、より高い磁束密度が得られ、被検査体１１に誘起される渦電流が強められる。これにより、渦電流によって生じる反作用磁場の変化が大きくなる。それにより、検出器としての第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６によって、比較的大きな電圧の変化として検出することができる。さらに、検出器としての第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６で得られる電圧を足し合わせることにより、さらに大きな電圧の変化として検出することができる。

なお、上記説明では、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６に供給される交流電流は、周波数も位相も互いに同じであって同期しているのが好ましいとした。しかし、かかる条件が満たされない場合であっても、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６それぞれが発生する磁場が互いに強めあう条件が存在するので、そのように磁場が互いに強めあう条件のもとで探傷を行うことでもよい。

さらに、上記説明では、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６の両方を検出器として機能させてそれらによって検出された電圧信号を足し合わせるものとしたが、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６に供給される交流電流の位相の関係によっては、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６で検出された電圧信号の引き算を行うことによって探傷を行う場合もある。

さらに、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６のうちの一方のみを検出器として機能させて、それによって検出された電圧信号によって探傷を行うこともできる。

［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。

この第３の実施形態は、第２の実施形態の変形であって、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６の外側のうちで被検査体１１と対向していない部分を強磁性体のカバー３０で覆っている。その他の構成は第２の実施形態と同様である。

この第３の実施形態によれば、第２の実施形態の作用・効果を得られるとともに、さらに、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６に交流電流を供給することにより生成される磁場は、強磁性体のカバー３０が作る磁路に沿う分布を形成し、磁束密度が高くなる。これにより、欠陥部１４を通って第１の励磁・検出器２５または第２の励磁・検出器２６と鎖交する磁束密度を高くすることができ、高感度の欠陥検出が可能となる。

なお、図３に示す例では、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６の外側のうちで被検査体１１と対向していない部分全体を強磁性体のカバー３０で覆っている。この例の変形として、カバー３０が、第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６の外側のうちで被検査体１１と対向していない部分の一部分だけを覆うようにしてもよい。その場合でも、部分的に強磁性体のカバー３０の効果を得ることができる。

上記説明では、第３の実施形態は第２の実施形態の変形であるとして、第２の実施形態の渦電流探傷装置の第１の励磁・検出器２５および第２の励磁・検出器２６の外側のうちで被検査体１１と対向していない部分を強磁性体のカバー３０で覆うものとした。この第３の実施形態の変形として、第１の実施形態の渦電流探傷装置の励磁器２０および検出器２１の外側のうちで被検査体１１と対向していない部分を強磁性体のカバー３０で覆うようにしてもよい。その場合であっても、強磁性体のカバー３０によって被検査体１１内の磁束密度を高める効果を得ることができる。

［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。

この第４の実施形態に係る渦電流探傷装置は、励磁・検出器３５と、強磁性体の背面部材３６とを有する。励磁・検出器３５は、第２の実施形態の第１の励磁・検出器２５と同様のものであって、被検査体１１の第１の平面１２に接して配置されている。励磁・検出器３５には、交流電源２２が接続されており、さらに、図示しない検出器回路が接続されている。強磁性体の背面部材３６は、被検査体１１をはさんで励磁・検出器３５の反対側の位置で第２の平面１３に接するように配置されている。背面部材３６は、被検査体１１をはさんで励磁・検出器３５の反対側全体を覆うように配置するのが望ましい。励磁・検出器３５は、励磁器としての機能と検出器としての機能の両方を有する。

この第４の実施形態によれば、交流電源２２から励磁・検出器３５に交流電流が供給され、被検査体１１の内部およびその周辺に変動磁場が形成される。これにより、被検査体１１の内部に渦電流が誘起され、さらに、反作用磁場が形成される。この反作用磁場を検出器としての励磁・検出器３５によって、電圧信号として検出することができる。この場合に、強磁性体の背面部材３６の存在によって、被検査体１１内の磁束密度を高めることができ、それにより、欠陥部１４の検出感度を高めることができる。

［第５の実施形態］
図５は、本発明の第５の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。

この第５の実施形態は第４の実施形態の変形であって、第４の実施形態の励磁・検出器３５を励磁器２０と検出器２１で置き換えたものである。励磁器２０および検出器２１の構造は第１の実施形態の励磁器２０および検出器２１の構造と同様である。ただし、この第５の実施形態では、励磁器２０は被検査体１１の第１の平面１２に接して配置され、検出器２１は励磁器２０をはさんで被検査体１１の反対側に配置されている。その他の構成は第４の実施形態と同様である。

この第５の実施形態によれば、第４の実施形態と同様に、強磁性体の背面部材３６の存在によって、被検査体１１内の磁束密度を高めることができ、それにより、欠陥部１４の検出感度を高めることができる。また、第１の実施形態と同様に、励磁器２０と検出器２１とが別体であることから、励磁器２０と検出器２１の構造・仕様を互いに同じにする必要はなく、それぞれに適したコイルの線径、巻き数、形状、サイズなどの設計とすることができる。

［第６の実施形態］
図６は、本発明の第６の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。

この第６の実施形態は第５の実施形態の変形であって、第５の実施形態と同様に構成され配置された励磁器２０と検出器２１の外側を覆うように強磁性体製のカバー４０が配置されている。

この第６の実施形態によれば、第５の実施形態の効果が得られることに加えて、強磁性体製のカバー４０の存在によって、被検査体１１内の磁束密度をさらに高めることができ、それにより、欠陥部１４の検出感度をさらに高めることができる。

［第７の実施形態］
図７は、本発明の第７の実施形態に係る渦電流探傷装置による探傷中の状況を示す模式的断面図である。

この第７の実施形態は第５の実施形態の変形であって、励磁器２０と検出器２１が、被検査体１１の第１の平面１２に接して並列配置されている。強磁性体の背面部材３６は、被検査体１１をはさんで励磁器２０および検出器２１の反対側の位置で第２の平面１３に接するように配置されている。背面部材３６は、被検査体１１をはさんで励磁器２０および検出器２１の反対側全体を覆うように配置するのが望ましい。その他の構成は第５の実施形態と同様である。

この第７の実施形態によれば、第５の実施形態と同様に、強磁性体の背面部材３６の存在によって、被検査体１１内の磁束密度を高めることができ、それにより、欠陥部１４の検出感度を高めることができる。また、励磁器２０と検出器２１とが別体であることから、励磁器２０と検出器２１の構造・仕様を互いに同じにする必要はなく、それぞれに適したコイルの線径、巻き数、形状、サイズなどの設計とすることができる。

［他の実施形態］
上記実施形態の特徴を互いに組み合わせることも可能である。たとえば、第６の実施形態のカバー４０を第４の実施形態または第７の実施形態に追加してもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…被検査体、 １２…第１の平面、 １３…第２の平面、 １４…欠陥部（薄肉部）、 ２０…励磁器（第１の励磁・検出器）、 ２１…検出器（第２の励磁・検出器）、 ２２，２２ａ…交流電源、 ２５…第１の励磁・検出器、 ２６…第２の励磁・検出器、 ３０…カバー、 ３５…励磁・検出器、 ３６…背面部材、 ４０…カバー

Claims (4)

1. 被検査体に渦電流を誘起させるとともに、前記渦電流によって生じる反作用磁場の変化を検出することが可能な励磁・検出器と、
   前記被検査体をはさんで前記励磁・検出器の反対側に配置された強磁性体の背面部材と、
   を有し、
   前記励磁・検出器は、前記被検査体に渦電流を誘起可能な励磁器と、前記渦電流によって生じる反作用磁場の変化を検出可能な検出器とを別体とし、この前記励磁器と前記検出器は前記被検査体の同一表面側に有することを特徴とする渦電流探傷装置。
2. 前記励磁器および前記検出器はともに素線をらせん状に巻いたコイルを備え、
   前記励磁器のコイルの素線が前記検出器のコイルの素線よりも太いこと、を特徴とする請求項１に記載の渦電流探傷装置。
3. 前記励磁器および前記検出器の周囲であって前記被検査体に対向しない部分の少なくとも一部を覆うように配置された強磁性体のカバーをさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の渦電流探傷装置。
4. 被検査体に渦電流を誘起可能な励磁器と、前記渦電流によって生じる反作用磁場の変化を検出可能な検出器とを被検査体に近接させてこの被検査体の同一表面側に配置する励磁・検出器配置ステップと、
   前記被検査体をはさんで前記励磁器および前記検出器の反対側で前記被検査体に近接して強磁性体の背面部材を配置する背面部材配置ステップと、
   前記励磁・検出器配置ステップおよび前記背面部材配置ステップの後に、前記励磁器により前記被検査体に渦電流を誘起させる励磁ステップと、
   前記渦電流によって生じる反作用磁場の変化を前記検出器で検出する検出ステップと、
   を有することを特徴とする渦電流探傷方法。

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