JPH05149923A - 周波数位相変化による電磁誘導検査装置及びその検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電磁誘導による周波数−位相偏位特性を利用
して検査対象物の欠陥、異質などの態様を高感度、高精
度で検出する電磁誘導検査装置を提供すること。 【構成】 電磁誘導検査装置１は電磁誘導により起電力
を発生させる検査コイル３０を有し、電磁誘導を励起さ
せる印加電源周波数の変化に対する誘導起電力の位相変
化によって磁場中に置かれた検査物Ｓの存在、異質、欠
陥などの態様を正確に検査する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、検査物を磁場中に置く
ことで生じる電磁誘導起電力の位相変化によって検査物
の存在、異質、欠陥などを正確に検査する電磁誘導検査
装置及びその検査方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】交流磁界中に物体をおくと磁束に変化が
生じ、同じ磁場中に置かれたコイルのインダクタンスが
変化する。このインダクタンスは、磁場中の物体の誘電
率、透磁率などの物性、大きさ、磁場中の位置などの因
子に比例して変化する。これらのうちのいくつかの既知
の因子を一定にして、検査物を磁場中におくと、他の未
知因子を認識することができる。この電磁誘導の原理を
利用して検査物の存在、検査物中の欠陥、異常などの様
態を検査する磁気非破壊検査装置が多数提案されてい
る。

【０００３】電磁誘導を利用した検査装置には、単一乃
至等価的に単一のコイルを用いた自己誘導型と、励磁用
の一次コイルと誘導用の二次コイルよりなる検査コイル
を用いた相互誘導型がある。前者自己誘導型の検査装置
は、自己インダクタンスの変化率（基底インダクタンス
に対する変化時のインダクタンスとの差）が極めて小さ
く検査分解能が不十分であるため、後者の相互誘導型の
検査装置が精度の点で有利である。

【０００４】一例として、図６に示すような相互誘導を
利用した検査装置４０がある。この従来装置は、交流電
源４１に励磁される励磁コイル（一次コイル）４２と、
励磁コイル４２の磁束を受けて起電力を生じる一対の検
出コイル（２次コイル）４３ａ、４３ｂと、差動増幅器
４４とからなる。検出コイル４３ａ、４３ｂは逆方向に
巻回されて直列に差動接続され、定常状態において励磁
コイル４２の磁束Ｍを均等に受けて起電力を相殺する構
成になっている。つまり、定常状態では検出コイル４３
ａ、４３ｂの出力点Ｐ１、Ｐ２の差動電圧（差動増幅器
４４の出力Ｖｏｕｔ）は理論的に零である。

【０００５】この検査装置では通常、励起コイル４２と
検出コイル４３ａ、４３ｂとの間の検査路４５に検査物
Ｓを通過させると、検査物Ｓが励起コイル４２からの磁
束Ｍに鎖交することで検出コイル４３ａ、４３ｂが受け
る磁束鎖交数が変化し、検出コイル４３ａ、４３ｂの夫
々のインダクタンスが非平衡になり、差動出力Ｖｏｕｔ
が現れる。すなわち、誘導起電力の大きさ（電力量ある
いは電圧）の変化によって、検査物Ｓの材質、大きさ、
あるいは、各種工作物の欠陥乃至異質などが検出でき
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の相互誘導型
の検査装置では、誘導コイルを含む平衡回路における誘
導インダクタンスの非平衡状態を差動電圧として検出す
るが、インダクタンスは一次コイルに印加する交流電流
の周波数によって大きく変化する。それも、印加電流の
周波数が僅かに変動するだけでも、インダクタンスは大
きく変化する。つまり、印加周波数の変動を抑えなけれ
ば、また、印加周波数を正確に設定できなければ、検査
精度の向上は望めないことを意味している。しかし、イ
ンダクタンス変化を無視できる程度まで周波数を安定さ
せることは困難である。このように、従来のこの種の検
査装置では測定誤差が不可避的に発生する要因を内在さ
せていた。

【００７】また、従来の相互誘導型の検査装置は、図１
２に示すように、検査時に検出コイル４３ａの近傍に検
査物Ｓが存在して検出コイル４３ａに鎖交する磁束に変
化を及ぼすと検出コイル４３ａのインダクタンスが変化
するが、この時点で基準インダクタンスとなるべき検出
コイル４３ｂのインダクタンスも多かれ少なかれ変化す
る。すなわち、検査物Ｓによって検出コイル４３ａの起
電力を、同時に変化する検出コイル４３ｂの起電力が打
ち消すことになる。この起電力の相殺作用は検査物Ｓの
コイルに対する相対位置によって複雑に変化し、更に
は、検出コイル間における電磁誘導の干渉によって、所
期の起電力変化量が場合によっては無視できないほどの
検出誤差をもたらす。

【００８】上述したように、従来の電磁誘導検査装置で
は、検査対象物の欠陥等の微小対象物の検出に精度が劣
り、検査物の材質同定などのような微妙な検査には到底
対応できなかった。また、検査対象物としては磁性体、
誘電体などのように磁気に対する感応性が高く誘導変化
が著しい磁性体材料を主体とするため、適用範囲が極め
て狭かった。

【００９】さらに、従来の電磁誘導検査装置は更に重大
な欠点を持っている。すなわち、検査物の欠陥の状態に
よっては電磁誘導の変化が正常な場合と変化が現れない
ことがある。この現象は検出感度を如何に向上させても
起り得る。たとえば、スポット溶接の溶接部（ナゲッ
ト）を電磁誘導の変化で非破壊検査する場合、正常溶接
部でも電磁誘導にバラツキがあるため当然ながら良品を
判定するためにインダクタンス変動の許容範囲が設定さ
れる。

【００１０】一方、スポット溶接部でも割れや融合不良
等の欠陥の大きさが不良と見なすには十分であるにも拘
らず発生位置よってインダクタンスの変化として現れに
くいことがある。こうした場合、欠陥によるインダクタ
ンス変化率が良品における許容範囲内に入るため良品と
見紛う危険性があった。

【００１１】そこで本発明者は、従来の相互誘導型検査
コイルが複数の検出コイル間での望ましくない電磁誘導
の干渉を回避することができると共に、電磁誘導による
検査を高感度に行なえる検査コイルの完成を経て、検査
コイルで得られる電磁誘導起電力の位相が印加する交流
電流の周波数によって変化することを発見した。この、
印加周波数による誘導起電力の位相変化を利用すること
で検査対象物の内部欠陥などを含む様々な態様を高精
度、高分解能で認識することに成功した。

【００１２】本発明は上記した本発明者の知見に基づい
てなされたもので、その目的とするところは、電磁誘導
起電力の位相の周波数特性を利用して、磁性体、誘電体
のみならず非磁性体を含むあらゆる材質の検査対象物で
も欠陥乃至異質を高感度、高精度で検出することができ
る電磁誘導検査装置を提供することにある。更に、本発
明の目的は、検査対象物内部の欠陥の大きさや位置など
の様態を正確に判別することができる電磁誘導検査装置
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明に係わる電磁誘導検査装置は、交流電流の印加に
よる磁場中で電磁誘導起電力を発生させる検査コイルを
有し、該誘導起電力の周波数の位相の変化によって磁場
中に置かれた検査物の様態を判定するが主な特徴であ
る。

【００１４】また、本発明に係わる電磁誘導検査方法
は、検査コイルに交流電流を印加して磁界を発生させ、
前記磁界による該検査コイルの誘導起電力を検出し、検
査コイルに印加する交流電流の周波数を変動させること
による前記誘導起電力の位相変化によって前記磁界中に
検査物の態様を判定することよりなる。

【００１５】前記誘導起電力の位相変化と共に、前記誘
導起電力の振幅の変化によって磁場中に置かれた検査物
の態様を判定できる。また、前記検査コイルを励磁コイ
ルと誘導コイルで形成し、前記励磁コイルに交流電流を
印加して磁界を発生させ、前記誘導コイルを前記励磁コ
イルの磁界中に配置して前記磁界による誘導コイルから
の誘導起電力が検出できる。

【００１６】

【作用】検査コイルに交流電流を印加することで磁場を
励起し、それによる電磁誘導によって起電力を出力す
る。印加する交流電流の周波数を変化させながら、誘導
起電力の位相を調べる。検査コイルによって励起された
磁場中に物質が存在しない場合、低周波数領域から高周
波数領域の全域に亙って誘導起電力の位相に変化は見ら
れない。ところが、磁場中に検査対象物を置くことで、
印加周波数に応じて誘導起電力の位相変化が見られる。
誘導起電力は、検査対象物の欠陥などの態様によって特
有の位相変化を示す。この電磁誘導起電力の位相変化を
分析することで、検査物の存在、異質、欠陥などの様態
を正確に認識できる。誘導起電力の位相変化をデータ化
することで、様々な物質の検査が可能となる。

【００１７】検査コイルを一次側の励磁コイルと二次側
の誘導コイルを一体構成することで電磁干渉性の少ない
相互誘導作用を享受できる。更に、誘導コイルを励磁コ
イルに同軸状に一部を接触させて一体に設けることで磁
束鎖交率が高まり、インダクタンス変化率を高めること
ができ、検出感度が向上する。

【００１８】

【実施例】図は本発明に係る電磁誘導検査装置の一実施
例を示し、図１は電磁誘導検査装置のシステム全体を示
す概略説明図であり、図２は本発明の検査装置に用いる
検査コイルの概略図である。本発明による電磁誘導検査
装置１は、一例として図１に示すように、交流電源部１
０と、位相測定が可能な測定器２０と、検査コイル３０
とからなる。交流電源部１０は特定周波数を設定できる
調整ダイアル１２を有し、調整ダイアル１２を操作する
ことで必要に応じて出力周波数を連続的に変化させるこ
とができる。

【００１９】この実施例に適用する測定器２０は、基準
周波数信号と検査対象信号を入力して、検査対象信号の
周波数の基準周波数に対する位相偏位量を検出する機能
を有する。また、入力信号の振幅強度（電圧など）を測
定する機能も測定器２０は備えている。図示の測定器２
０は、基準周波数信号Ｉｒを入力する基準信号入力コネ
クタ２２と、検査対象信号Ｉｓを入力する検査信号入力
コネクタ２４と、検査対象信号Ｉｓの周波数ｆｓの基準
周波数ｆｒに対する位相偏位量Δｆを表示する位相表示
部２６と、入力信号の振幅強度を表示する振幅表示部２
８を備えている。位相表示部２６あるいは振幅表示部２
８のゼロ調整や任意スケール設定のための調整ダイアル
２６ａ、２８ａが備えられている。

【００２０】交流電源部１０の出力コネクタ１４と測定
器２０入力コネクタ２４の夫々に着脱可能に接続される
検査コイル３０は、図２に概略図示するように、交流電
源部１０からの交流電流Ｉｒの印加を受けて励磁し交流
磁界（磁束Ｍ）を形成する励磁コイル３０ａと、励磁コ
イル３０ａの外周面の一方端の一部に密接状に同軸巻回
され励磁コイル３０ａの交流磁界によって電磁誘導して
起電力Ｉｓを出力する誘導コイル３０ｂとからなる。一
次側の励磁コイル３０ａと二次側の誘導コイル３０ｂが
一体になっており、誘導コイル３０ｂが励磁コイル３０
ａによる励起磁束Ｍの全てに鎖交するので、極めて高い
効率で誘導コイル３０ｂに相互インダクタンスが起り、
大きい交流起電力が出力される。

【００２１】検査コイル３０は、図３に示すように、ボ
ビン３２の外周に導電性線材を多重巻回して励磁コイル
３０ａを形成し、励磁コイル３０ａの外周面の一部にア
ルミ箔などの電磁シールド層３４と絶縁シート３６を層
状に巻きつけ、更に絶縁シート３６の外周面に導電性線
材を多重巻回して誘導コイル３０ｂを形成することで構
成できる。検査コイル３０として使用する際は、ボビン
３２を取り除いてもよい。しかしながら、基本的に励磁
コイルと誘導コイルよりなる検出コイル部の製作方法、
構成要素は特にこれに限定するものではなく、様々な方
法で製作できることは言うまでもない。

【００２２】上記検査コイル３０をブリッジ回路などの
平衡回路に介在させて作動増幅回路を構成するなどの方
法によって、検査コイル３０の誘導起電力を処理しやす
いレベルに加工することが可能である。そこで、図２に
示すように、励磁コイル３０ａによる磁束Ｍを鎖交する
ように被検査物Ｓをおくと誘導コイル３０ｂのインダク
タンスに変化がみられる。このインダクタンスの変化は
被検査物Ｓの大きさ、材質などの因子によって異なる。
したがって、誘導コイル３０ａのインダクタンス変化を
分析することで被検査物Ｓの態様を認識することが可能
である。

【００２３】また、電源部１０の出力電流Ｉｒの周波数
ｆｒと誘導コイル３０ｂから出力される誘導起電力Ｉｓ
の周波数ｆｓを比較すると、励磁コイル３０ａが励起す
る磁界に物質が存在するか否かでその位相が変化する。
したがって、励磁コイル３０ａによる磁場に被検査物Ｓ
が存在していない定常状態における誘導コイル３０ｂの
位相と、同上磁場中に被検査物Ｓが存在する場合の位相
を比較することで、単に被検査物Ｓの在否乃至大きさの
みならず、その材質、更には、被検査物Ｓに混入する異
物の存在をも正確に識別することができる。

【００２４】次に、本発明の検査装置による検査原理
を、実際に行なった検査実験に従って説明する。実験の
検査対象は軟鋼板（５mm厚）に施したスポット溶接のナ
ゲット部（溶融部）Ｓｎである。実験は、図４に示すよ
うに、検査コイル３０をナゲット部（８mmφ以下）の表
面に接触させ、この時に印加する交流電流Ｉｒを基準と
して変化させ、これによる誘導起電力周波数ｆｓの位相
変化ΔＦと共に、誘導起電力Ｉｓの振幅強度ΔＶを調べ
た。

【００２５】この検査実験で使用した検査コイル３０
は、直径０．１mmの銅線を３００回巻回して外径（ｄ
１）を３mmに形成した一次側の励磁コイル３０ａと、同
じく直径０．１mmの銅線を３００回巻回して外径（ｄ
２）を８mmに形成した二次側の誘導コイル３０ｂよりな
る。励磁コイル３０ａへの印加電流（Ｉｒ）は１００m
A、電圧６Ｖであった。

【００２６】実験は、欠陥のないスポット溶接のナゲッ
ト部（ＧＤ）と欠陥のあるナゲット部（ＮＧ）の２試料
で得られる誘導起電力を検出した。更に詳しくは、上記
実験条件で、一次側の励磁コイル３０ａへの印加電流Ｉ
ｒの周波数ｆｒを約１０ｋHzから約５０ｋHzに５ｋHz毎
に変化させた時に得られた誘導電流Ｉｓを検出してその
周波数による位相と誘導電圧（振幅）の変化を調べた。
下記の表１がその結果である。

【００２７】

【表１】

【００２８】上記実験結果の周波数変動に対する誘導電
流の振幅および位相の変化特性グラフを図５に示す。な
お、実験では欠陥のない良品検査物（ＧＤ）に対する欠
陥のある検査物（ＮＤ）の位相変化を把握しやすいよう
に、５ｋHz毎の周波数設定毎に正常検査物の位相をゼロ
調整した。同図の位相変化グラフから明らかなように、
欠陥検査物（ＮＧ）と良品検査物（ＧＤ）において誘導
起電力の位相に明確な差が生じた。また、誘導起電力の
強度（振幅）にも欠陥検査物（ＮＧ）と良品検査物（Ｇ
Ｄ）の間に判別可能な差が生じ、これも検査物の態様を
認識する上で利用できる。

【００２９】特に上記した周波数−位相偏位特性は被検
査物（試料）の物性及び構造的条件によって異なったパ
ターンを呈する。敷衍すると、被検査物の内部構造（た
とえば、溶接による溶融部のクラックやピンホールなど
の欠陥）によって上記周波数−位相偏位特性のパターン
が顕著に変化する。

【００３０】このように、検査物内部の欠陥の状態によ
って周波数−位相偏位特性パターンに明確な差が生じる
ので、未知の試料の周波数−位相偏位特性をとって、そ
の特性パターンを比較することで、たとえば、上述した
ようなスポット溶接のナゲット部の内部欠陥の種類、大
きさ、位置を正確に認識することが可能となる。更に
は、起電力の強度（振幅）の変化の分析を併用すること
で、高精度の検査が可能となる。

【００３１】言うまでもなく、上記実施例は一例として
スポット溶接のナゲット部の検査を対象に説明したが、
検査対象は材質、大きさ、物性、構造を問わず、特性パ
ターンをデータ化することであらゆる物質に適用可能で
ある。

【００３２】

【効果】以上説明したように、本発明による電磁誘導検
査装置は、交流電流の印加による磁場中で電磁誘導起電
力を発生させる検査コイルを有し、該誘導起電力の周波
数に対する位相の変化によって磁場中に置かれた検査物
の様態を判定するようにしたので、周波数−位相偏位の
変化パターンから検査物の存在のみならず、検査物の異
質、内部構造などの様々な様態分析判定が極めて容易、
且つ、正確に行なえる。

【００３３】しかも、本発明による検査コイルが交流電
流の印加により励磁して磁束を形成する励磁コイルと、
励磁コイルによる磁束に鎖交して起電力を誘導させる誘
導コイルとからなるため、一次側の励磁コイルによる磁
気エネルギーを二次側の誘導コイルが高効率で捕獲する
ことができ、低損失で高能率に誘導起電力の発生条件を
もたらすことができる。これによって、感度及び分解能
の向上が望める。

【００３４】更に、励磁コイルと誘導コイルを同軸に一
部を接触させて一体に設けたので、相互誘導の条件因子
に雑音成分を介在させることがなく、低雑音の電磁誘導
を高効率、高感度で行なわれる。

【００３５】その上、印加電源周波数に対する位相偏位
の変化パターンをデータ化することで、検査物内部の欠
陥などの分析を極めて容易、且つ、正確に行なえるの
で、判定に経験や特殊技術を要せず、能率のよい非破壊
検査を実施することが可能となる。

【００３６】また、装置がポータブルで構成が簡単であ
り、取扱いが極めて簡単でありながら、高性能の機能を
有し、汎用性があるので金属・非金属工業、食品製造
業、薬品製造業、建築土木などを含む様々な業種分野の
非破壊検査装置として極めて有用に利用できる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による周波数位相変化による電磁誘導検
査装置の概略構成図。

【図２】図１の検査装置に適用する検査コイルの部分欠
截概略斜視図。

【図３】図２の検査コイルの半断面概略側面図。

【図４】本発明による検査コイルを用いて溶接部を検査
する場合の概略側面図。

【図５】本発明による検査コイルの周波数−位相偏位特
性図。

【図６】従来の相互誘導型検査装置の概略説明図。

【符号の説明】

１ 電磁誘導検査装置 １０ 交流電源 ２０ 測定器 ３０ 検査コイル ３０ａ 励磁コイル ３０ｂ 誘導コイル Ｓ 被検査物 Ｍ 磁束

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電流の印加による磁場中で電磁誘導
   起電力を発生させる検査コイルを有し、該誘導起電力の
   周波数に対する位相の変化によって磁場中に置かれた検
   査物の様態を判定する電磁誘導検査装置。
2. 【請求項２】 請求項１における導起電力の位相変化と
   共に、該誘導起電力の振幅の変化によって磁場中に置か
   れた検査物の態様を判定する請求項１記載の電磁誘導検
   査装置。
3. 【請求項３】 該検査コイルが、交流電流の印加により
   励磁して磁束を形成する励磁コイルと、該励磁コイルに
   よる磁束に鎖交して起電力を誘導させる誘導コイルとか
   らなる請求項１または２記載の電磁誘導検査装置。
4. 【請求項４】 該励磁コイルと該誘導コイルを同軸に一
   部を接触させて一体に設けた請求項３記載の電磁誘導検
   査装置。
5. 【請求項５】 印加電源周波数に対する該誘導起電力の
   位相変化パターンによって検査物の態様を判定する請求
   項１または２記載の電磁誘導検査装置。
6. 【請求項６】 検査コイルに交流電流を印加して磁界を
   発生させ、前記磁界による該検査コイルの誘導起電力を
   検出し、検査コイルに印加する交流電流の周波数を変動
   させることによる該誘導起電力の位相変化によって前記
   磁界中に検査物の態様を判定する電磁誘導検査方法。
7. 【請求項７】 請求項６における誘導起電力の位相変化
   と共に、該誘導起電力の振幅の変化によって磁場中に置
   かれた検査物の態様を判定する請求項６記載の電磁誘導
   検査方法。
8. 【請求項８】 該検査コイルを励磁コイルと誘導コイル
   で形成し、該励磁コイルに交流電流を印加して磁界を発
   生させ、該誘導コイルを該励磁コイルの磁界中に配置し
   て前記磁界による誘導コイルからの誘導起電力を検出す
   る請求項６または７記載の電磁誘導検査方法。
9. 【請求項９】 印加電源周波数に対する該誘導起電力の
   位相変化パターンによって検査物の態様を判定する請求
   項６乃至８記載の電磁誘導検査装置。