JPH0772123A - 回転磁界／渦電流式の検査装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、熱交換器のチューブのような導電
性の構造物の非破壊試験に関するが、導電性の構造物の
中で渦電流を誘起させるための回転磁界を利用すること
を最も主要な特徴とする。 【構成】 回転磁界／渦電流式の検査装置が発信／受信
モードで構成される。すなわち、各々の発信巻線に電気
交番信号が付与され、それにより周方向構造の周囲で回
転交番磁界が生成され、それにより材料の中で渦電流が
流れる。受信巻線は、材料の渦電流からの回転交番磁界
を受信し、受信コイルの中で渦電流を生成する。これが
渦電流測定回路で測定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的に言うと、熱交
換器におけるチューブのような導電性の構造物の非破壊
試験に関するが、特に、導電性の構造物の中で渦電流を
誘起させるための回転磁界を利用している一つの新しく
て有用な渦電流式の検査装置に関する。

【従来の技術】交流電圧で励磁される導線のコイルは、
交番磁界を発生する。もし導電性の材料がその磁界の影
響範囲内にあるならば、その導体の中で電流が発生す
る。導体の中で誘起されるその電流はレンツの法則で説
明されており、それは渦電流と呼ばれる。この電流は、
励磁コイルによって生成される磁界が変化するのを防げ
る方向に生ずる。励磁コイルは、同様に、導体の中の渦
電流の流れによって生成された外部磁界による影響に反
応する。

【０００２】二次的電流の流れの発生と、その二次的電
流の流れに対しての励磁コイルの反応は、変圧器のモデ
ルに類似している。コイルは一次回路、試験材料は二次
回路であり、一次電流の二次電流（渦電流）に対する反
応は、反射インピーダンスである。この反射インピーダ
ンスは、適当な回路構成によれば容易に測定され得る。
導体の中での渦電流の流れの方向と密度は、その材料
の中での正味の磁界、その材料の電気抵抗と透磁率、お
よび材料の形状の関数である。導体の中にクラックがあ
れば、それが材料の電気抵抗を変化させるので、渦電流
式の計器によって測定される反射インピーダンスが変化
することになる。

【０００３】渦電流を用いる試験は、熱交換器における
チューブの非破壊検査（ＮＤＥ）のための標準的な方法
になっている。多くの非鉄（強磁性体でない）材料のチ
ューブの検査のためには、典型的には、差動ボビンコイ
ルプローブが、反射インピーダンスのモードで用いられ
る。ボビンコイルは、コイルの軸線がチューブの軸線と
同軸になるように位置される。

【０００４】差動コイルボビンプローブの利点は、検査
が速くできることと、その方法が一つの標準として受入
れられていることにある。

【０００５】ＮＤＥ試験の技術が進歩すると共に、ボビ
ンコイルを用いる検査の、幾つかの欠点が明らかになっ
て来た。誘起された渦電流がチューブの回りを周方向に
走るという事実のため、周方向のクラックの形の欠陥に
対してはプローブの感度が低下する。プローブは、ま
た、それの視野の中にある材料の複数の不連続箇所を平
均化してしまう。この平均化の故に、同一高さにある複
数の欠陥や体積の小さい欠陥の姿を把握するプローブの
能力が、著しく制限される。

【０００６】ボビンコイルを用いる検査でこれらの問題
があるために、回転パンケーキコイル式のプローブシス
テムの発達が助長された。このプローブシステムも、や
はり反射インピーダンスのモードで作動する。

【０００７】これらの回転パンケーキコイル（ＲＰＣ）
式のシステムは、より良いイメージング能力を有するこ
とを実証した。ボビンプローブが軸方向においてだけデ
ータをとるのに対し、ＲＰＣプローブは、渦電流のデー
タを二軸的に（軸方向と周方向で）とることができる。
それにより、同一軸方向位置にある複数の欠陥がより詳
細になるという、より良いイメージングが可能になり、
それらの欠陥の姿がより正確に把握され得るようになっ
た。

【０００８】さらに、それらＲＰＣシステムは、コイル
が被検査面に沿って動き得るように設計された。これに
より、管板でのロールの遷移域で起こる形状による影響
の大部分が除去された。

【０００９】ＲＰＣシステムの欠点は、速度と信頼性が
低く、コストが高くなることにあった。ＲＰＣシステム
は、典型的には、何がしかの取り外し／組み付けの時間
を必要としており、そのため、原子力プラントの場合に
は、余分な放射線被爆を覚悟する必要がある。

【００１０】回転プローブシステムが機械的設計のもの
であるために、それらシステムは、断面が円形の場合に
だけ、そしてまた、チューブ回りの形状が回転駆動トル
クを容易に伝達し得るような場合にだけしか用いられな
い。

【００１１】渦電流を用いる試験の、反射のモードと大
いに似ている第２のモードは、発信／受信モード、すな
わち、ドライバー／ピックアップモードである。主とし
て異なっているのは、渦電流の原因である交番磁界を発
生させるためと、次に渦電流の場を検出するために、別
々のコイルが用いられることにある。このモードは、強
磁性体材料の試験にも強磁性体でない材料の試験にも、
ある程度用いられている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の回転磁界式の
プローブの基本的概念は、導電性材料の渦電流式の試験
のための磁界を発生させるために多相の巻線を用いるこ
とにある。多相の巻線は、原理的には、電動機のステー
ター巻線、またはシンクロシステムにおいて用いられて
いるものと類似している。各相の巻線に付与される電圧
の間での位相や振幅の関係によって、その巻線によって
発生される磁界の方向が決まる。

【００１３】回転磁界式のプローブの概念では、作動の
モードとして下記の三つがあり得る。それは、反射イン
ピーダンスのモード、発信／受信のモード、および、磁
界集束のモードである。

【００１４】上述したように、現今最もよく知られてい
る試験は反射インピーダンスのモードを用いているが、
回転磁界の概念の形態化は、発信／受信モードの試験
に、より直接的に適用される。

【００１５】本発明の原理実証試験の大部分は、三相の
コイルでの発信／受信のモードで行われた。本発明の説
明や試験結果の提示は、主としてこの基本の形態につい
てのものである。しかし、ここでの提示の対称物が本発
明の範囲を限定するのではない。

【００１６】本発明の目的は、回転磁界／渦電流式の発
信／受信モードによる検査装置と方法を提供することに
ある。

【００１７】本発明の他の目的は、本発明の装置と共に
用いられる種々の回路の構造と巻線の形態、特に言うな
らば、発信巻線と受信巻線を坦持しているプローブの構
造を提供することにある。

【００１８】本発明のまたさらなる目的は、動く部品が
なく、設計が簡単で構造が頑丈であり、経済的に製造さ
れるような、回転磁界／渦電流式の検査装置を提供する
ことにある。

【００１９】本発明の特徴になっている種々の新規性の
ある特質は、ここに添付されて開示されている特許請求
の範囲の中で、詳細に指摘されている。本発明と、それ
の作動上の利点と、それを用いて達せられる個々の目的
をよりよく理解するためには、本発明の望ましい実施例
を示している添付の図面と説明文を見れば十分に理解さ
れよう。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、一つの回転磁界／渦電流式の検査装置と方法を提
供することであって、その検査装置は、複数の発信巻線
を含む一つの発信コイルと、前記の発信巻線を、軸方向
寸法を有して周方向に配列されるように、すなわち、各
々の発信巻線が、周方向構造の回りを延びて、軸方向寸
法の少なくとも一部に沿って延びている複数の軸方向セ
グメントを有するように支持するための一つの巻型と、
周方向構造の回りを延びている少なくとも一つの受信巻
線を有する一つの受信コイルと、互いに相が外れてい
る、各々の発信巻線に電気的交番信号を付与し、それに
より、周方向構造の回りにおいて、一つの回転交番磁
界、すなわち、周方向構造の回りにある導電性の試験材
料に付与すればその材料の中で渦電流が生成するような
磁界を生成させるために、発信巻線の各々に接続されて
いる回路手段と、材料の渦電流からの回転交番磁界を受
信し、それにより、受信コイルの中で渦電流を生成させ
ている前記の少なくとも一つの受信巻線に接続されてい
る渦電流測定手段を含んでいる。

【００２１】また、導電性の材料を検査するための方法
は、導電性材料に近接して周方向に複数の発信巻線、す
なわち、各々が、周方向構造の回りに分布配列された複
数の軸方向セグメントを有していてなお軸方向寸法を有
している複数の発信巻線を分布配列し、発信巻線に電気
的な回転交番信号を付与することにより、材料の中で渦
電流を生成させ、発信巻線の回りに、渦電流を受信する
ための、少なくとも一つの受信巻線を設け、受信巻線の
中の渦電流を測定する、という導電性材料を検査するた
めの方法である。

【００２２】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照して
説明すると共に本実施例による処理を説明する。

【００２３】本発明の回転磁界式のプローブシステム
は、典型的には、三相の巻線とピックアップコイルを有
している図１のプローブ１０と、一つの接続回路１２で
成っていて、その接続回路１２は、プローブ１０と標準
的渦電流用計器１４の間に介在して、多相の励磁を成就
している。

【００２４】三相の発信巻線を有する本発明のプローブ
は、発信コイルの外周上に巻かれた一つの受信巻線を有
している。このプローブは、外径 0.625インチのチュー
ブの検査のための標準的な差動ボビンコイルの輪郭の中
に収まるように設計された。一つの形の発信巻線を、幾
つかの相異なる受信巻線と組み合わせて試験した。

【００２５】三相の巻線が、渦電流のための励磁を実現
するが、巻線の中で発生される正味の磁界は、各相の磁
界が重畳したものである。三相の巻線の各コイルに供給
される信号の位相（時間）シフト／振幅の関係を変える
ことによって、正味の磁界を回転させることができる。
正味の磁界が変化すると共に、試験材料の中で誘起され
る渦電流のパターンが変化する。

【００２６】図２に示されているように、本発明の三相
のコイル１６は、巻型２０または２２の上に、図２，
３，または４に示されているパターンで一緒に進行する
ように巻かれている三つの導線１７，１８，１９で成っ
ている。導線１７は位相または振幅１を有し、導線１８
は位相または振幅２を有し、導線１９は位相または振幅
３を有する。図３に示されている巻型２０は、図示のよ
うなフックすなわち巻き付け点２４のパターンを有して
いる。巻き付けは、三つのコイルを同時に出発させ、プ
ローブの巻型２０が回転させられるにつれて、各々の導
線を該当するフックに巻き付けて行くことで行われる。
形の異なったフツク付きの巻型２２が図４に示されてい
る。図５においては、フック２４上の二つの相のための
ものが示されている。このように、パターンは、プロー
ブの巻型と、各相の巻線が経て行くフックの選択の仕方
によって決まってくる。

【００２７】図６において、プローブの全体構造１０が
示されている。プローブ１０のボディ３０は、各コイル
と接続する共軸の電気的部分を含んでおり、なお、プロ
ーブヘッドの構造を確固にしている。オプションとし
て、発信の磁界をより強くするために発信巻線の中央に
おいてフェライトコア３２を設けてもよい。巻型２０の
上に発信コイル１６があり、コイル１６の上に一つの差
動型の受信コイル３４があることが示されている。プロ
ーブ１０は、芯合わせデバイス３６，３７によって、検
査されるべきチューブ１００の内部で芯合わせされる。

【００２８】巻型、巻きのパターン、及び相の数は、適
用分野に応ずるように変えられる。渦電流式の試験での
標準的な発信／受信のモードにおいては、一つのコイル
が材料の中での渦電流を誘起させるために用いられ、第
２のコイルが、正味の磁界すなわち発信コイルと試験材
料の中の誘起された渦電流の両者による発生磁界を検出
するために用いられる。受信コイルが、その正味の磁界
に応答し、信号を渦電流用計器の方へと回送する。この
計器において、受信コイルの信号が、発信信号と90度の
位相差をもって復調される。この復調によって、渦電流
の位相と振幅の情報が回復される。本発明の原理実証試
験の間においては、オプションとしての３種類の受信コ
イルを試験した。第１の種類は、発信巻線の上にあるよ
うに同心配置されたボビンコイルであった。試験された
他の２種類の受信コイルは、あるパターンで発信コイル
の上に直接に巻き付けられた。受信巻線３４が図６に示
されている。試験結果は、主として、単一ボビンコイル
型の受信巻線を基準にしている。試験された受信巻線が
図７，８，および９に示されている。

【００２９】図６において、受信コイル３４は、実際に
は、上側と下側の、電流が互いに反対方向に流れる二つ
のコイルセグメントを有している。図７において、発信
コイル１６の上に重ねられた受信コイルすなわち巻線３
８は、電流を一方向にのみ流すものであり、ボビン型の
ものである。二重の巻線すなわちコイルを有している図
６の実施例は、差動ボビン型のものである。

【００３０】図８がＧ型の受信コイル４０を示している
一方で、図９はＤ型の受信巻線、すなわち巻線の対４２
を示している。

【００３１】図１のドライブ回路１２の機能は、発信コ
イルに、三相／振幅（または多相／振幅）のドライブ信
号を供給することである。この回路は、渦電流の信号を
振幅（または位相）変調するための構成部分と、磁界回
転の信号に応答して各々のドライブ信号の変調を変える
ための構成部分を有している。磁界回転用回路として試
験されたものが、ブロック線図の形で図１０に示されて
いる。主たる構成部分は、回転信号入力５０と、渦電流
信号入力５１と、三つの位相オフセット調節５２，５
３，５４と、三つの市販の数学的関数のチップ５５，５
６，５７と、三つの乗算関数のチップ５８，５９，６０
と、三つの出力増幅器／電流ドライバー６１，６２，６
３；６４，６５，６６である。

【００３２】この回路の作動は、一つの相についての説
明によって最もよく説明される。回転信号入力５０は、
磁界の角度（θ）を表す。正弦関数発生器５５は、市販
の数学的関数のチップであって、これは、位相オフセッ
ト信号５２に角度入力θを加え、関数sin(θ＋オフセッ
ト）に等しい出力を作り出す。このアナログ信号は、乗
算のチップ５８への被乗数入力の一つである。第２の被
乗数は、渦電流ドライバーの基準信号５１そのものであ
る。乗算器５８の出力は、sin(θ＋オフセット）で変調
された渦電流の信号である。この変調された渦電流の信
号が、増幅器６１で増幅され、それから出力電流ドライ
バー６４に送られる。他の二つの相は、オフセットが異
なるが、同様に機能する。そして、各々の相が、巻線す
なわちコイル１７，１８，１９の一つをドライブする。

【００３３】回転の信号５０は、磁界のθすなわち角度
の直線的変化を表す電圧の傾斜（ramp）関数に従ってい
る。第１の相の信号は、下記のようになる。

【００３４】渦電流ドライブ信号・sin(θ＋0) 他の二つの相の信号は、120度進むかまたは遅れること
として、同じ変調のパターンに従う。

【００３５】この回路設計は、簡単である故に選定され
たものである。これは、代案としてディジタルからアナ
ログへの変換器（ＤＡＣ）をドライブする計算機メモリ
ーのセグメントを用いることとしても、容易に実施され
得る。その場合には、ＤＡＣの出力が、乗算器をドライ
ブするために用いられる。この設計は、変調をよりフレ
キシブルにし、なお、発信巻線のプログラミングされた
励磁を可能にする。回路を、位相変調のモードで作動す
るように設計することもできる。

【００３６】回転磁界の発信／受信の例についてなお述
べるならば、本発明と共に用いられる図１の渦電流用計
器１４は、発信／受信（すなわち、ドライバー／ピック
アップ）モードで作動し得るものでなければならない。
原理実証試験の間の種々の段階においては、２種類の市
販の渦電流用計器を用いた。

【００３７】第１の計器は、矩形波の励磁信号を用いる
もので、データ記憶デバイスのない単一チャンネルの計
器であった。

【００３８】試験が進捗した段階で、第２の計器とし
て、データ記憶能力のあるマルチチャンネルの計器を用
いた。この計器は、磁界回転の信号が渦電流のデータと
共存して記憶されることを可能にした。磁界回転の信号
が、一つの地勢プロット（渦電流応答：軸方向位置：磁
界回転位置の関係）のフォーマットにおいてのデータの
解析を可能にした。

【００３９】発信巻線によって生成される磁界が、試験
材料の中で渦電流を誘起させ、その渦電流は発信巻線の
磁界の変化を防げるように作用する。試験材料と発信巻
線との間の空間における正味の磁界は、発信コイルの磁
界と、誘起された渦電流からの反抗磁界が重畳したもの
になる。

【００４０】この空間の中に置かれた受信コイルは、そ
の正味の磁界を検出し、その信号を、渦電流用計器の受
信（すなわちピックアップ）接続部に伝達する。受信さ
れた信号は、基準の渦電流信号と90度の位相差をもって
復調され、それにより、渦電流の位相と振幅の情報が回
復される。

【００４１】回転の信号上での一つの値θの入力に対し
て、発信巻線の中の三つの相の間で一つの決まった振幅
の関係があることになる。それにより、巻線の中で一つ
の正味の磁界が生成し、それが、試験材料の中において
固有の渦電流パターンを誘起する。受信される信号も、
θの固有の関数になる。

【００４２】プローブの対称（発信巻線、発信の励磁、
および受信コイルの対称）の状態の故に、もしプローブ
の周囲付近も一様であるならば、θが変わるにつれての
受信された信号における変化は最小になるはずである。
理想的に、プローブが正確に対称である場合には、渦電
流インピーダンス面ディスプレイ上で一つのドットが生
成するはずである。原型のプローブは、空気中、または
欠陥のないチューブの部分の中では、円形またはオーバ
ル形の応答リサージュ図形を生成した。

【００４３】もしチューブの状態が、材料の欠陥の故に
一様ではないとなれば、誘起される渦電流のパターンの
中、および受信巻線の信号の中において混乱が生ずる。
この混乱は、磁界の角度θと、欠陥の形状、深さ、およ
び発信巻線に対する位置の関数になる。

【００４４】典型的なデータ採取は、プローブを、良好
なチューブの標準の中に置いて開始される。磁界が回転
すると共に、残留リサージュ応答が姿を現す。そこで、
この残留の信号が、イメージング用計算機において信号
から数学的に除去され、それにより、ボビンコイルの信
号は“バランス”される。

【００４５】プローブが、欠陥のあるチューブを経て引
き出されるとき、プローブの磁界は回転し続ける。欠陥
による渦電流のゆがみの故に、残留渦電流の信号は、
“バランス”の状態からゆがんで来る。このゆがみは、
磁界の回転の故に、磁界の角度θの周期関数になる。プ
ローブが欠陥のある領域の外へと動くと、残留リサージ
ュ信号は当初の“バランス”状態に戻る。

【００４６】ここで注意しておくべきことは、もし適用
される分野が要求するのであれば、固定プローブ励磁
（回転がない）を確立し、プローブを、標準的ボビンプ
ローブでの検査として引き出す、ということも可能であ
ることである。このプローブは、標準的ボビンコイルよ
りも多くの軸方向の渦電流の流れを有するため、周方向
の欠陥に対してのより高い感度を可能にする。

【００４７】ひとたびデータが採取されたならば、その
データは、地勢ディスプレイ上の渦電流リサージュ応答
の一つのコンポーネントを軸方向および周方向の位置に
対してプロットする一つの二次元の解析ソフトウェアを
用いて解析され得る。これは、ＲＰＣのデータの場合に
用いられた典型的解析である。

【００４８】ディスプレイフォーマットの一つの例が図
１１に示されている。このプロットは、100%管肉厚（TW
D）の底が平らな穴からのデータを示している。地勢マ
ップ上でデータを揃えるために用いられた同期信号（周
方向エンコーディング）は、磁界回転の信号θからとら
れている。正常なチューブの残留リサージュ信号が、デ
ータから数学的に除去される。それにより、欠陥による
混乱が、平らな地勢プロットで表わされる“バランス”
の状態からの明らかな偏りとして表わされる。

【００４９】ここで示した地勢面は、普通のリサージュ
信号の垂直方向コンポーネントだけのものである。解析
する人が選択するならば、水平方向コンポーネントが見
られるはずである。データプレートの右上方に示されて
いるリサージュパターンは、データの周方向または軸方
向のトレースに沿っての、水平方向と垂直方向のデータ
の対の結合されたトレースである。面白いことに、ここ
で表示されているリサージュパターンは、普通のボビン
コイル渦電流式の検査技術において典型的に生成される
はずのものと同じである。この信号は、欠陥の情報の位
相角度の大きさを知るために用いられ得るはずである。

【００５０】本発明の原型のプローブを、回路と共に、
外径 0.625インチのインコネル 600のチューブの中の一
連の機械加工された欠陥を用いて試験した。結果を要約
するならば下記のとおりである。

【００５１】プローブは、外径面で見られる直径が0.08
インチで底が平らな穴の、100%肉厚（TWD）から 20% TW
Dまでの範囲のものを明白に検出し得ることを実証し
た。

【００５２】プローブは、長さが0.75インチで軸方向の
放電加工（ＥＤＭ）ノッチの、100%TWDから20% TWDまで
の範囲のものを明白に検出し得ることを実証した。

【００５３】プローブは、180度に亘っている周方向の
ＥＤＭ加工ノッチの、100% TWDから20 % TWDまでの範囲
のものを明白に検出し得ることを実証した。

【００５４】プローブは、外径面で見られる軸方向およ
び周方向の長さ 0.2インチのＥＤＭ加工ノッチの、下限
界が 40% TWDの範囲のものを満足できる程度に検出し得
ることを実証した。

【００５５】プローブは、位相解析に用いられ得るよう
な典型的な渦電流のリサージュ応答を生成する。

【００５６】地勢プロット上のピークの応答は、プロー
ブに対しての欠陥の回転の関数になっている。

【００５７】幾つかのデータは、典型的な回転パンケー
キコイルシステムよりも速い12 RPSで取られた。

【００５８】本発明によって解決された諸問題は下記の
とおりである。

【００５９】ａ．回転磁界式のプローブは、ボビンコイ
ル式の技術よりも、周方向の欠陥に対する感度が良くな
っている。そのような欠陥は、ある種の熱交換器におい
て関心が高まっているものである。

【００６０】ｂ．設計が簡単であることによって、回転
パンケーキプローブと比べて、より低コストでより信頼
性のあるプローブができている。このプローブには、モ
ーターやスリップリングがない。

【００６１】ｃ．回転部分がないため、回転速度を大い
に速くでき、したがつて、引き出し速度も速くできる。
理論上、プローブの磁界は、機械的に回転させられるプ
ローブシステムにおいて可能であるよりも遥かに速い速
度で回転し得る。

【００６２】ｄ．このような設計は、機械的に回転させ
る設計が用いられ得ない場合にも用いられ得る可能性が
ある。そのような場合としては、平らな板の検査や、オ
ーバル形のチューブの検査のほか、機械的回転のコイル
の設計にとってはあまりにも小さいチューブの検査があ
る。

【００６３】ｅ．この設計は、標準的なボビンコイルの
プローブの中に組み入れられ得る。そうするならば、必
要な場合には、同じプローブを、ボビンコイルでの検査
にも回転磁界での検査にも用いるということが可能にな
る。

【００６４】ｆ．チューブシートや管板の境界部を電子
的に可視化することが、発信コイルの各端にバイアスコ
イルを設けることによって可能になる。

【００６５】本発明の商業的意義は、それが、プローブ
のコストを低減させ、検査の速度を速くし、ボビン式の
検査からＲＰＣ式の検査に移行するについて覚悟するこ
とが必要であった放射線被爆と時間を少なくする、とい
うことを可能にすることにある。

【００６６】本発明の利点としてあるのは下記のとおり
である。

【００６７】ａ．このプローブには可動の部品がない。

【００６８】ｂ．このプローブは、回転パンケーキコイ
ル式のプローブよりも簡単であり安価である。

【００６９】ｃ．このプローブは、ボビンプローブシス
テムよりも、周方向のクラックに対する感度が良い。

【００７０】ｄ．このプローブの設計は、遥かに速い回
転の速さを可能にしている。それにより検査のコストが
低下する。

【００７１】ｅ．このプローブは、適用のためにサイズ
を縮小する必要がある場合のほか、機械的回転が目下の
ところ実用的でないような場合に適用され得る。

【００７２】ｆ．個々の適用分野のために、必要ならば
電子的な最適化が行われ得る。

【００７３】本発明は、多数の可能な実施態様を有して
いる。下記に示した種々の代案のすべては、回転磁界式
プローブという本発明の基本から派生したものである。

【００７４】回転磁界式プローブの概念には、三つの可
能な作動のモードがある。反射インピーダンスモード
は、多相の巻線の各相が渦電流を誘起させ、そして、試
験材料の相互作用からの反射インピーダンスがあればそ
れを検出する、というモードである。多相の励磁が変わ
ると共に、それが受ける正味の反射インピーダンスが、
試験材料の状態の関数として変化する。

【００７５】発信／受信（ドライバー／ピックアップ）
モードでは、多相のコイルの磁界が試験材料の中で渦電
流を誘起する。発信磁界の励磁が変わると共に、磁界の
方向が変わる。試験材料の中で誘起される渦電流のパタ
ーンもずれて行く。別個の受信巻線が、発信コイルの磁
界と誘起された渦電流の磁界が重畳することで生成され
る正味の合成された磁界を検出する。

【００７６】第３の可能な作動のモードは、磁界集束の
モードと呼ばれる。このモードにおいては、多相の巻線
が、渦電流を誘起させる磁界とは別個の一つの磁界を生
成させるために用いられる。この別個の磁界は、試験材
料の中の渦電流のパターンを変調する（集束または発散
させる）。変調された渦電流の磁界は、誘導コイルによ
って反射インピーダンスモードでモニタリングされる。

【００７７】適用対象物の形状と目標になる欠陥のタイ
プに依存して、発信コイルの設計への要求が種々あり得
る。本発明の基本的概念は、渦電流での試験のための磁
界を誘起するために多相の巻線を適用することにある。
当初の試験は、特定のパターンの三相のコイルで行われ
たが、この概念の直接的な延長であるところの他のオプ
ションもある。

【００７８】発信巻線において、より多くの相とか異な
った数の極を用いることは、この概念のロジカルな延長
であって、ある種の適用目的の場合に用いられ得る。発
信巻線において種々の巻線のパターンを用いることが、
所望の渦電流のパターンを発生させるために必要にな
る。この種のパターンの変形の二つのオプションが、図
１２と１３に示されている。

【００７９】図３や５の発信巻線の構造とは異なって、
図１２の巻線の構造は、複数の巻線を用いているが、各
相については、例として、周方向セグメント７２と７３
が互いに軸方向に離れて巻型を巡ってあって軸方向セグ
メント７４と７５によつて相互間を接続されており、そ
れら軸方向セグメントが相互間で狭まっていることによ
って、周方向セグメント７２と７３は軸方向において互
いにオーバーラップしている、という一つの巻線になっ
ている。これは、図３の巻線パターン、すなわち、巻線
１７の軸方向セグメントが、例として、巻線の一方の軸
方向端から他方のそれまで、オーバーラップすることが
なく、巻線の軸方向セグメントは相互間で広がってい
る、という巻線パターンと対照的である。図４は一つの
極端な場合を示していて、そこでは、パターンは大体に
おいて三角形である。図１３は、軸方向セグメントが相
互間でより激しく狭まって、向き合った周方向セグメン
トがより大きくオーバーラップしているというパターン
を示している。図１２と１３における軸方向のオフセッ
トは、図示上、個々の巻線を区別して示すために設けら
れたものである。実際のコイルでは、すべての巻線の周
方向セグメントはオーバーラップしている。

【００８０】ある種の適用目的の場合、巻線において、
極を、より多くまたはより少なくすることが必要になる
かもしれない。個々の適用目的のためにコイルを設計す
るについては、磁界の重畳の原理が適用され得る。分解
能を増大させるために、二つまたはより多くの、別個で
同形の（多相用の）発信巻線が、異なった磁界回転速度
と共に用いられ得る。

【００８１】検出または分解能の改善のために、磁界を
重畳させるように、二つまたはより多くの、別個でパタ
ーンが相異なる多相用の発信巻線が用いられ得る。この
ことは、所望のプローブの磁界のパターンのために複数
の磁界を重畳させることに、離散的なフーリェ級数の原
理を適用することになる。バイアスボビンは、それの情
報を、欠陥のデータを解析するために境界部を示すとか
またはコイルをスイッチオフするために用いることの例
である。

【００８２】受信コイルは、それに最も近い渦電流の磁
界に対して最も敏感であるから、このことが、個々の適
用目的のためのコイルを設計するために利用され得る。

【００８３】この設計においては、幾つかの原理が適用
可能である。受信コイルは、残留信号応答を最小にする
ためには、発信巻線に対して対称であるべきである。受
信コイルは、問題である領域をカバーしているべきであ
る。受信巻線のどのセグメントも、同じ欠陥に対して一
つの方向に応答している他のセグメントと矛盾しないで
働くべきである。ただし、この技術は、非対称の欠陥を
確認する間において、スリーブの端とかロールの遷移域
のようなところでの不都合な応答を除去するためには用
いられ得る。

【００８４】限られた数の受信巻線しか試験されなかっ
た。試験結果の大部分は、簡単さの故に用いられた単一
ボビンコイルのものである。試験された他の巻線は、検
出において、ある種の利点／欠点を有していた。

【００８５】上述の原理に基づいて考案された追加的な
受信巻線のパターンが、図１４，１５，１６，１７に示
されている。これらは、本発明の基本概念から展開され
得るはずの多くのパターンの一部分にしか過ぎない。

【００８６】図１４は、各々の巻線が、軸方向の間隔を
おいてある１対の周方向の部分８２と８３が、斜めの軸
方向セグメント８４によって相互に接続されていて、そ
れら軸方向セグメントが三角形のパターンを形成してい
る、という受信巻線用の三角形パターンを示している。
図１５の実施例において、パターンの中の、間に間隔を
おいてある三角形のセグメントでは、発信コイルの巻線
の軸方向セグメントのうちの幾つかのものだけにオーバ
ーラップしている軸方向セグメントしか設けられていな
い。図１６における受信コイル巻線のための平行四辺形
のパターンは、図１７の場合でもそうであるが、オーバ
ーラップしていない軸方向セグメントを有している。

【００８７】最初に試験されたドライブ回路は、各々の
相対的変調信号を確定するために数学的関数チップを用
いる三相の振幅変調回路に基づくものである。原型の回
路は、同じ位相にあるが振幅が相異なる三つのドライブ
信号（振幅が基準の１倍から−１倍）を生成した。これ
は、振幅シフト型の変調によって決まる速度で回転する
磁界を生成した。

【００８８】第２の作動モードとしてあるのは、振幅変
調の代わりに位相変調を用いることである。つまり、三
つ（またはより多く）の相が、振幅は同じであるが、位
相が、基準の渦電流ドライバー信号からずれることにな
る。この場合、磁界は、交流同期電動機のように、ドラ
イブ信号の周波数で回転することになる。信号解析は、
標準的渦電流解析とは異なって来る。

【００８９】当初の回路は、変調信号を作り出すために
簡単な関数チップを用いていた。その回路は、ディジタ
ル設計を用いて実現され得たので、変調包絡線が、プロ
グラミングされてメモリーに入れられ、それから、乗算
器のチップへの入力のためのＤＡＣをドライブするため
に用いられた。これにより、原型の回路における何がし
かの非線形性が除去されたし、将来には、ドライブ信号
の、プログラミングされた、すなわちスマートな変調の
実現が可能になる。発信磁界を容易に変更（磁界に情報
を付加）し得る能力が、将来の、検出、感度、および分
解能の向上のために、利用されるはずである。

【００９０】原型のプローブは、極めて簡単な設計のも
のであった。発信巻線の内部においてフェライトコアを
用いることにより、チューブの中における発信巻線の磁
界が強められるはずである。

【００９１】このプローブが可動の部品を有しないこと
は、その設計が、多くの様々の寸法／形状の適用目的物
に適合させられ得る、ということを意味する。このプロ
ーブは、オーバル形のチューブや、回転が許されないチ
ューブの中で用いられるように設計され得るはずである
し、もし必要ならば、リニア配置の形にも設計され得
る。

【００９２】このプローブは、幾つかの作動のモードで
用いられ得る。回転磁界モードのほか、このプローブは
適当な発信コイル励磁でもって、一つの標準的ボビンコ
イルとして使われ得るはずである。それは、電流の垂直
方向コンポーネントがあることにより、周方向のクラッ
クに対してのより良い感度をはずである。このプローブ
を、磁界が一つの既知の方向になるようにセットし、回
転させずに抜き出す、ということができるはずである。

【００９３】つまり、このプローブを、スクリーニング
検査のために標準的ボビンコイルの代わりに用い、次い
で、追加的情報を得るために必要ならば、回転のモード
で用いる、ということができるはずである。

【００９４】以上において、本発明の原理の応用を説明
するために、本発明の特定の実施例を示し、詳細に説明
したが、本発明の実施態様は、そのような原理から外れ
ることなしに、他にも種々あり得るということが、理解
されるであろう。

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、回転磁界
／渦電流式の検査方式とし発信コイル、該コイルを形成
する発信巻線を支持する巻型、および受信コイルで構成
し、前記発信巻線に交番信号を与えることにより、周方
向まわりの導電性被検査体に回転交番磁界を付与すれ
ば、その材料の中で渦電流が生成され、発信巻線の回り
に渦電流を受信するための受信巻線を設け、受信巻線の
中の渦電流を測定する構成としまたこれを用いた検査方
法を適用することにより下記の効果を奏する。 Ｉ．本プローブは、ボビンコイル式の技術よりも、周方
向のきずに対する感度がよい。 ＩＩ． 本プローブは、回転パンケーキコイル式のプロ
ーブよりも簡単で、モータやスリップリングが無いため
より信頼性がありかつ低コストである。 ＩＩＩ．本プローブは回転部分が無いため、回転速度を
著しく速くでき、したがって引き出し速度も速くできそ
れにより検査のコストが低下する。 ＩＶ．本プローブは、適用するためにサイズを縮小する
必要がある場合のほか、機械的回転が実用的でないよう
な場合にも用いられる得る（平な板の検査等）。 Ｖ．個々の適用分野において必要ならば電子的に最適化
することが可能になる。 ＶＩ．検査の速度を速くできることにより、ボビン式の
検査からＲＰＣ式の検査に移行するにあたり必要であっ
た放射線被爆及び時間を減少することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体的構成を示すブロック線図であ
る。

【図２】本発明の、円筒面上の切頭正弦曲線形の三相二
極巻線の配置を平らに展開したものの側面立面図であ
る。

【図３】図２と同様の図であつて、本発明の巻型の上の
一つの巻線を示す図である。

【図４】図３と同様の図であって、本発明の別の実施例
を示す図である。

【図５】図３と同様の図であって、本発明の巻型の上の
二つの巻線を示す図である。

【図６】熱交換器のチューブの中に、そのチューブの非
破壊試験のために入れられた本発明のプローブの概略的
側面立面図である。

【図７】本発明の一つの実施例としての、発信巻線の上
に巻かれて円筒面上にある単一の受信巻線を、平らに展
開したものの図である。

【図８】図７と同様な図であって、受信コイルの他の構
造を示す図である。

【図９】図７と同様なもう一つの図であつて、受信巻線
のさらに別の実施例を示す図である。

【図１０】本発明の三相ドライブ回路のブロック線図で
ある。

【図１１】本発明によって得られた、典型的な底が平ら
な穴に対する応答の試験結果の模型的プロットを示す図
である。

【図１２】巻線の周方向セグメントから出発した軸方向
セグメントが相互間で狭まっている、という多相の発信
コイルの巻線を示す図である。

【図１３】図１２と同様な図であって、本発明による別
の発信巻線のオプションを示す図である。

【図１４】本発明の受信コイルのための一つの巻線のオ
プションを示す図である。

【図１５】図１４と同様な図であって、別の三角形構造
の受信コイルを示す図である。

【図１６】図１４と同様な図であって、さらに別の、平
行四辺形の構造の受信巻線を示す図である。

【図１７】図１６と同様な図であって、受信コイルのた
めの、もう一つの巻線のオプションを示す図である。

【符号の説明】

１０ プローブ １２ 接続回路 １４ 渦電流用計器 １６ コイル １７，１８，１９ 導線 ２０，２２ 巻型 ２４ フック ３０ ボディ ３２ フェライトコア ３４ 受信コイル（受信巻線） ３６，３７ 芯合せ装置 ３８ 受信コイル ４０ 受信コイル（Ｇタイプ） ４２ 受信巻線（Ｄタイプ） ５０ 回転信号入力 ５１ 渦電流信号入力 ５２，５３，５４ 位相オフセット調節 ５５，５６，５７ 正弦波発生器 ５８，５９，６０ 乗算器 ６１，６２，６３ 出力増幅器 ６４，６５，６６ 電流ドライバー ７０ 発信巻線 ７２，７３ 周方向セグメント（発信巻線の） ７４，７５ 軸方向セグメント（発信巻線の） ８２，８３ 周方向の部分（受信巻線の） ８４ 軸方向セグメント（受信巻線の） １００ チューブ

フロントページの続き (72)発明者 ジョン シー． グリフィス アメリカ合衆国 24502 バージニア州リ ンチバーグ バインディングウェイ ロー ド 219

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の発信巻線を含む一つの発信コイル
   と、 前記の発信巻線を軸方向寸法を有して周方向に配列され
   るように、すなわち、各々の発信巻線が、周方向構造の
   回りを延びて、軸方向寸法の少なくとも一部に沿って延
   びている複数の軸方向セグメントを有するように支持す
   るための、一つの巻型と、 周方向構造の回りを延びている少なくとも一つの受信巻
   線を有する一つの受信コイルと、 互に相が外れている各々の発信巻線に電気的交番信号を
   付与し、それにより、周方向構造の回りにおいて、回転
   交番磁界、すなわち、周方向構造の回りにある導電性の
   試験材料にその磁界を付与すればその材料の中で渦電流
   が生成するような適当な磁界を生成させるために、発信
   巻線の各々に接続されている回路手段と、 材料の渦電
   流からの回転交番磁界を受信し、それにより、受信コイ
   ルの中で渦電流を生成させている前記の少なくとも一つ
   の受信巻線に接続されている渦電流測定手段を含んでい
   る、回転磁界／渦電流式の検査装置。
2. 【請求項２】 各々の発信巻線が、発信巻線の前記の軸
   方向セグメント同志の間に接続されている複数の周方向
   セグメントを含んでいる、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 各々の周方向セグメントに接続された軸
   方向セグメントが、軸方向寸法の一方の軸方向端にある
   周方向セグメントと、軸方向寸法の他方の軸方向端にあ
   る軸方向セグメントの間で、軸方向のオーバーラップが
   ないように、相互間で広がっている、請求項２記載の装
   置。
4. 【請求項４】 各々の周方向セグメントに接続された軸
   方向セグメントが、軸方向寸法の一方の軸方向端にある
   周方向セグメントが、軸方向寸法の他方の軸方向端にあ
   る軸方向セグメントと、少なくとも部分的にオーバーラ
   ップするように、相互間で狭まっている、請求項２記載
   の装置。
5. 【請求項５】 各々の発信巻線の軸方向セグメントが多
   角形を形成している、請求項１記載の装置。
6. 【請求項６】 多角形が三角形である、請求項５記載の
   装置。
7. 【請求項７】 多角形が台形であって、軸方向セグメン
   トによって相互間を接続された周方向セグメントを含ん
   でいる、請求項５記載の装置。
8. 【請求項８】 一つの発信巻線の軸方向セグメントが、
   他のどの発信巻線の軸方向セグメントからも周方向に離
   れている、請求項１記載の装置。
9. 【請求項９】 前記の受信巻線が、発信巻線の回りで周
   方向に延びている、請求項１記載の装置。
10. 【請求項１０】 受信巻線が、相互に軸方向に離れてい
    る複数の軸方向セグメントを含んでいて、それら軸方向
    セグメントは、軸方向セグメント同志の間に接続された
    周方向セグメントの相互間を接続して、それにより、周
    方向構造の回りに分布配列された複数の多角形を形成し
    ている、請求項１記載の装置。
11. 【請求項１１】 受信巻線での多角形が三角形である、
    請求項１０記載の装置。
12. 【請求項１２】 受信巻線での多角形が平行四辺形であ
    る、請求項１０記載の装置。
13. 【請求項１３】 導電性の材料を検査するための方法で
    あつて、 導電性材料に近接して周方向に複数の発信巻線、すなわ
    ち、各々が、周方向構造の回りに分布配列された複数の
    軸方向セグメントを有していてなお軸方向寸法を有して
    いる複数の発信巻線を分布配列し、 発信巻線に電気的な回転交番信号を付与することによ
    り、材料の中で渦電流を生成させ、発信巻線の回りに、
    渦電流を受信するための、少なくとも一つの受信巻線を
    設け、 受信巻線の中の渦電流を測定する、 ところの導電性材料を検査するための方法。
14. 【請求項１４】 信号を回転させるために、交流電流
    を、一つの発信巻線から次の発信巻線へと位相ずれさせ
    ることを含む、請求項１３記載の方法。
15. 【請求項１５】 発信巻線に付与される、回転する交流
    電流の信号を振幅変調することを含む、請求項１３記載
    の方法。