WO2020065875A1

WO2020065875A1 - 渦電流を利用した材質異常部検知方法および材質異常部検知装置

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Publication number: WO2020065875A1
Application number: PCT/JP2018/036105
Authority: WO
Inventors: 俊之鈴間; 祥之太田; 爲成　純一; 想祐西脇
Original assignee: 日本製鉄株式会社
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02
Also published as: CN112740025B; KR102508695B1; JPWO2020065875A1; CN112740025A; JP7103423B2; KR20210040445A

Abstract

この材質異常部検知方法は、非磁性導電体である板材を準備する準備工程と；第１渦流センサを前記板材の一方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第１渦流センサ配置工程と；前記第１渦流センサに第１交流電流を通電させることにより、交流磁界を該一方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第１渦流センサ励起工程と；該渦電流によって生じる磁束を検出する第１渦流センサ検出工程と；第２渦流センサを前記板材の前記一方の面と反対側に位置する他方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第２渦流センサ配置工程と；前記第２渦流センサに第２交流電流を通電させることにより、交流磁界を該他方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第２渦流センサ励起工程と；該渦電流によって生じる磁束を検出する第２渦流センサ検出工程と；を有し、前記第１渦流センサ励起工程及び前記第２渦流センサ励起工程では、同一時点における、前記第１渦流センサが前記板材の前記一方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きと、前記第２渦流センサが前記板材の前記他方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きとが一致するように渦電流を誘起し、さらに、前記第１渦流センサ及び前記第２渦流センサを、前記板材を挟んで略同一直線上に配置する。

Description

渦電流を利用した材質異常部検知方法および材質異常部検知装置

　本発明は、渦電流を利用した材質異常部検知方法および材質異常部検知装置に関する。特に、本発明は、渦流センサによって非磁性導電体の板材内に生成される磁束の広がりを抑制することで、該板材の異常部を高感度に検知することが可能な渦電流を利用した材質異常部検知方法および材質異常部検知装置に関する。

　導電性材料から形成された板材などの被探傷材の健全性を管理・保証する手法の一つとして渦流探傷法が知られている。渦流探傷法は、渦流センサが具備する励磁コイルで被探傷材に交流磁界を作用させて該被探傷材に渦電流を誘起し、きずにより渦電流の経路が変化することを渦流センサが具備する検出コイルのインピーダンス変化として検出する手法である。

　渦流探傷法できず検出感度を高めるには、被探傷材内に所望する渦電流分布を如何に実現するかが重要である。具体的には、以下の事項が重要である。
　（１）被探傷材に効率良く渦電流を誘起するには、被探傷材に作用させる交流磁界を効率良く被探傷材に到達させる必要がある。
　（２）検出することが必要なきずの最小寸法に応じて設計された渦流センサが、設計通りに渦流センサ直下に渦電流を誘起するには、渦流センサによって生成される交流磁界が広がりを持たずに被探傷材に入り、被探傷材内に生成される磁束の広がりが抑制されることが重要である。

　上記の（１）、（２）の事項を満足するには、渦流センサと被探傷材との間の距離であるリフトオフは小さければ小さいほどよい。また、リフトオフの変動は、渦流センサと被探傷材との結合インピーダンスを変化させて、不要な信号変動、すなわちノイズの発生要因となるため、これも小さければ小さいほどよい。
　すなわち、渦流探傷法できず検出感度を高めるには、渦流センサは可能な限り被探傷材に近づけ、被探傷材との距離変動の無い状態にすることが好ましい。

　上記の観点から、これまでにも種々の渦流探傷装置が提案されている。例えば、特許文献１には、検査対象物の移送手段に配置する非破壊検査装置が開示されている。この非破壊検査装置は、前記検査対象物の下面または上面のいずれか一面に接触するように非導電性のシートを配するギャップ保持手段と、該ギャップ保持手段のシートを検査対象物とで挟み込む渦流探傷のプローブとを備え、前記ギャップ保持手段はシートの厚みでプローブ先端から検査対象物までのギャップを一定にし、検査対象物の移送中に非破壊検査を行うように構成している。

　特許文献１に記載の装置によれば、非導電性のシートとして、例えば厚みが上限である０．５ｍｍ程度のシートを用いれば、一般的には十分と認識される程度に渦流センサ（特許文献１ではプローブ）を被探傷材（特許文献１では検査対象物）に近づけることができ、なお且つ、その距離変動を抑制することが可能である、とされている。

　しかしながら、本発明者らは、鋭意検討した結果、被探傷材が厚み０．５ｍｍの薄板であり、渦流センサと被探傷材とのリフトオフが０．５ｍｍであったとしても、渦流センサによって被探傷材内に生成される磁束に渦流センサの寸法を超える広がりが生じてしまうことを知見した。また、被探傷材に誘起された渦電流のシールド効果によって、被探傷材の渦流センサを配置した側の面に生成される磁束密度に比べ、渦流センサを配置した側の面と反対側の面に生成される磁束密度が著しく低下することを知見した。これらの事象により、所望するきず検出感度が得られない場合があることがわかった。

日本国特開２０１１－１８００１０号公報

　本発明は、上記従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、渦流センサによって非磁性導電体の板材内に生成される磁束の広がりを抑制することで、該板材の異常部を高感度に検知することが可能な材質異常部検知方法及び材質異常部検知装置を提供することを課題とする。

　本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る材質異常部検知方法では、非磁性導電体である板材を準備する準備工程と；第１渦流センサを前記板材の一方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第１渦流センサ配置工程と；前記第１渦流センサに第１交流電流を通電させることにより、交流磁界を該一方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第１渦流センサ励起工程と；該渦電流によって生じる磁束を検出する第１渦流センサ検出工程と；第２渦流センサを前記板材の前記一方の面と反対側に位置する他方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第２渦流センサ配置工程と；前記第２渦流センサに第２交流電流を通電させることにより、交流磁界を該他方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第２渦流センサ励起工程と；該渦電流によって生じる磁束を検出する第２渦流センサ検出工程と；を有し、前記第１渦流センサ励起工程及び前記第２渦流センサ励起工程では、同一時点における、前記第１渦流センサが前記板材の前記一方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きと、前記第２渦流センサが前記板材の前記他方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きとが一致するように渦電流を誘起し、さらに、前記第１渦流センサ及び前記第２渦流センサを、前記板材を挟んで略同一直線上に配置する。

（２）上記（１）に記載の材質異常部検知方法では、前記第１渦流センサ配置工程及び前記第２渦流センサ配置工程では、前記第１渦流センサ及び前記板材の前記一方の面との距離と、前記第２渦流センサ及び前記板材の前記他方の面との距離を略同一に設定し、前記各距離を０～２．０ｍｍに設定してもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の材質異常部検知方法では、前記第１渦流センサ励起工程及び前記第２渦流センサ励起工程では、前記第１交流電流の周波数と前記第２交流電流の周波数とを、略同一に設定し、さらに、前記第１交流電流の位相と前記第２交流電流の位相とを、一致するように設定してもよい。

（４）本発明の別の一態様に係る材質異常部検知装置は、上記（１）～（３）のいずれか一項に記載の材質異常部検知方法により板材の異常部を検知する手段を備える。

　本発明によれば、渦流センサによって非磁性導電体の板材内に生成される磁束の広がりを抑制することで、該板材の異常部を高感度に検知することが可能である。

本発明の一実施形態に係る材質異常部検知装置１００の概略構成を示す図であり、板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）から見た側面図である。図１Ａを板材Ｓの幅方向（Ｙ方向）から見た正面図である。同実施形態の、第１渦流センサ１が作用させる交流磁界（中心磁界Ｈ１）と、第２渦流センサ２が作用させる交流磁界（中心磁界Ｈ２）との関係を模式的に示すグラフである。比較例について算出された所定の時点での磁束の分布を示す正面図であり、第１渦流センサ１のみを備える場合を示す。比較例について算出された所定の時点での磁束の分布を示す正面図であり、第２渦流センサ２のみを備える場合を示す。図２Ａに示す場合において、板材Ｓの表面Ｓ１に生成される磁束密度の分布のイメージを示す図である。図２Ａに示す場合において、板材Ｓの裏面Ｓ２に生成される磁束密度の分布のイメージを示す図である。本発明の一実施形態に係る実施例について算出された所定の時点での磁束の分布を示す正面図である。本発明の一実施形態に係る実施例において、板材Ｓの表面Ｓ１に生成される磁束密度の分布のイメージを示す図である。本発明の一実施形態に係る実施例において、板材Ｓの裏面Ｓ２に生成される磁束密度の分布のイメージを示す図である。本発明の他の実施形態に係る材質異常部検知装置４００の概略構成を示す正面図であり、被試験材が管材Ｐである場合を示す。図６Ａを管材Ｐの長手方向（Ｘ方向）から見た側面図である。

　以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係る材質異常部検知方法および材質異常部検知装置について説明する。本実施形態では、被試験材が板材である場合を例に挙げて説明する。まず、非磁性導電体である板材を準備する（板材の準備工程）。板材としては、例えば非磁性導電体であるチタン合金製の薄板を挙げることができる。非磁性導電体とは、主に金属からなる、電気を通す性質のある物質で、透磁率などの磁気特性が、ほぼ真空のそれと等しいものを指す。非磁性体の場合、磁性体に比べて磁場が浸透しやすく、一般的には、非磁性体の侵入長は磁性体の侵入長に比べて１０倍以上となり、深部を検知することができる。その他の板材としては、ステンレス合金などの非磁性体から形成された薄板でもよいし、強磁性導電体から形成された薄板であっても透磁率を下げるために十分に磁気飽和された状態であればよい。
　図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る材質異常部検知装置１００の概略構成を示す図である。図１Ａは、本実施形態に係る材質異常部検知装置１００を板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）から見た側面図である。図１Ｂは、本実施形態に係る材質異常部検知装置１００を板材Ｓの幅方向（Ｙ方向）から見た正面図である。図１Ｃは、材質異常部検知装置１００が備える第１渦流センサ１が作用させる交流磁界（中心磁界Ｈ１）と、材質異常部検知装置１００が備える第２渦流センサ２が作用させる交流磁界（中心磁界Ｈ２）との関係を模式的に示すグラフである。
　図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態に係る材質異常部検知装置１００は、第１渦流センサ１と、第２渦流センサ２とを備えている。また、本実施形態に係る材質異常部検知装置１００は、第１交流電源３と、第２交流電源４とを備えている。

　第１渦流センサ１は、板材Ｓの表面（上面）Ｓ１側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置され（第１渦流センサ配置工程）、表面Ｓ１に対して中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界（中心磁界Ｈ１）を表面Ｓ１に作用させて板材Ｓに渦電流を誘起し（第１渦流センサ励起工程）、該渦電流によって生じる磁束を検出する（第１渦流センサ検出工程）。具体的には、第１渦流センサ１は、板材Ｓの表面Ｓ１に対して略垂直な方向周りに巻回されたコイル１１を具備する。なお、第１渦流センサ１の中心軸が板材Ｓの表面Ｓ１に対して略垂直とは、板材Ｓの法線方向と第１渦流センサ１の中心軸とのなす角度が、５度以内であること、より望ましくは１度以内であることである。コイル１１は、板材Ｓの表面Ｓ１に交流磁界を作用させる励磁コイルとして機能すると共に、板材Ｓに誘起された渦電流によって生じる磁束を検出する検出コイルとしても機能する。すなわち、第１渦流センサ１は、励磁コイルと検出コイルとが同じ一つのコイル１１で構成された自己誘導方式の渦流センサである。ただし、本発明の一実施形態に係る第１渦流センサ１は、これに限るものではない。例えば、板材Ｓの表面Ｓ１に対して略垂直な方向周りに互いに同心状に配置された励磁コイル及び検出コイルを具備する等、励磁コイルと検出コイルとが別体とされた相互誘導方式の渦流センサを採用することも可能である。

　第２渦流センサ２は、板材Ｓの表面Ｓ１と反対側に位置する裏面（下面）Ｓ２側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置され（第２渦流センサ配置工程）、裏面Ｓ２に対して中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界（中心磁界Ｈ２）を裏面Ｓ２に作用させて板材Ｓに渦電流を誘起し（第２渦流センサ励起工程）、該渦電流によって生じる磁束を検出する（第２渦流センサ検出工程）。具体的には、第２渦流センサ２は、板材Ｓの裏面Ｓ２に対して略垂直な方向周りに巻回されたコイル２１を具備する。なお、第２渦流センサ２の中心軸が板材Ｓの裏面Ｓ２に対して略垂直とは、板材Ｓの法線方向と第２渦流センサ２の中心軸とのなす角度が、５度以内であること、より望ましくは１度以内であることである。第２渦流センサ２は、第１渦流センサ１と同様に、励磁コイルと検出コイルとが同じ一つのコイル２１で構成された自己誘導方式の渦流センサである。ただし、第１渦流センサと同様に、本発明の一実施形態に係る第２渦流センサ２は、これに限るものではない。例えば、励磁コイルと検出コイルとが別体とされた相互誘導方式の渦流センサを採用することも可能である。

　第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、板材Ｓを挟んで略同一直線上に配置されている。具体的には、第１渦流センサ１が具備するコイル１１の中心軸（中心磁界Ｈ１が通る軸）と、第２渦流センサ２が具備するコイル２１の中心軸（中心磁界Ｈ２が通る軸）とが略一致するように、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２は、板材Ｓを挟んで上下に配置されている。なお、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２が板材Ｓを挟んで略同一直線上に配置とは、第１渦流センサ１が具備するコイル１１と第２渦流センサ２が具備するコイル２１が略円形断面の場合、各コイルの中心軸間のずれ量が、各コイルの直径の１／４よりも小さい範囲にあることである。第１渦流センサ１が具備するコイル１１と第２渦流センサ２が具備するコイル２１が略矩形断面の場合、短辺および長辺それぞれの方向の許容ずれ量が、各々の辺の長さの１／４よりも小さい範囲にあることである。
　なお、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２が相互誘導方式の渦流センサである場合には、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２がそれぞれ具備する各励磁コイルの各中心軸が板材Ｓを挟んで略同一直線上に配置されると共に、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２がそれぞれ具備する各検出コイルの各中心軸が板材Ｓを挟んで略同一直線上に配置されることになる。なお、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２の各励磁コイルの各中心軸及び各検出コイルの各中心軸が板材Ｓを挟んで略同一直線上に配置とは、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２がそれぞれ具備するコイルが略円形断面の場合、各コイルの中心軸間のずれ量が、各コイルの直径の１／４よりも小さい範囲にあることである。第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２がそれぞれ具備するコイルが略矩形断面の場合、短辺および長辺それぞれの方向の許容ずれ量が、各々の辺の長さの１／４よりも小さい範囲にあることである。
　このような配置により、第１渦流センサ１が作用させる交流磁界と、第２渦流センサ２が作用させる交流磁界とは、上記の同一直線（コイルの中心軸）に対して板材Ｓの面において線対称な分布となる。
　このため、板材Ｓの一方の面及び他方の面に沿った方向の成分に関し、第１渦流センサ１が作用させる交流磁界の成分と第２渦流センサ２が作用させる交流磁界の成分とは互いに逆向きで相殺される部分が増える結果、板材Ｓに生成される一方の面及び他方の面に沿った方向の磁束の成分はより一層小さくなる。
　したがい、上記の好ましい構成によれば、従来のように第１渦流センサ又は第２渦流センサを単独で用いた場合と比べると、板材Ｓ内に生成される磁束の広がりがより一層抑制され、板材Ｓ内に生成される磁束密度（板材Ｓの一方の面及び他方の面に対して略垂直な方向の磁束密度）が大きくなることで、板材Ｓの異常部をより一層高感度に検知することが可能である。なお、板材Ｓ内に生成される磁束の広がりとは、板材Ｓの一方の面及び他方の面に沿った方向の広がりである。渦流センサの平面視形状が円形である場合には、等方的（軸対称的）な広がりで、渦流センサの平面視形状が矩形である場合には、矩形を構成する各辺に沿った広がりである。

　第１交流電源３は、第１渦流センサ１（コイル１１）に電気的に接続され、第１渦流センサ１に第１交流電流を通電する。これにより、前述のように、板材Ｓの表面Ｓ１に作用する交流磁界（中心磁界Ｈ１）が生成されることになる。
　同様に、第２交流電源４は、第２渦流センサ２（コイル２１）に電気的に接続され、第２渦流センサ２に第２交流電流を通電する。これにより、前述のように、板材Ｓの裏面Ｓ２に作用する交流磁界（中心磁界Ｈ２）が生成されることになる。

　ここで、第１交流電源３から通電される交流電流と、第２交流電源４から通電される交流電流とは、周波数が同一に設定されると共に、位相が一致するように所定の同期手段（図示せず）によって同期されている。また、好ましくは、各交流電流の振幅値も同一に設定される。
　そして、第１渦流センサ１が具備するコイル１１の巻回方向と、第２渦流センサ２が具備するコイル２１の巻回方向とは同一にされている。
　以上の構成により、図１Ｃに示すように、同一時点（例えば、時点ｔ）における、第１渦流センサ１が板材Ｓの表面Ｓ１に作用させる交流磁界の中心軸の向き（中心磁界Ｈ１の向き）と、第２渦流センサ２が板材Ｓの裏面Ｓ２に作用させる交流磁界の中心軸の向き（中心磁界Ｈ２の向き）とが一致することになる。図１Ｃにおいて、例えば、中心磁界Ｈ１、Ｈ２が下向きの場合を正とし、上向きの場合を負とすると、時点ｔでは、中心磁界Ｈ１、Ｈ２の双方が下向きになっている。他の時点についても、中心磁界Ｈ１、Ｈ２の向きは同一である。
　このため、板材の一方の面及び他方の面に対して略垂直な方向の成分に関し、第１渦流センサが作用させる交流磁界の成分と第２渦流センサが作用させる交流磁界の成分とは互いに強め合う。その結果、板材に生成される一方の面及び他方の面に対して略垂直な方向の磁束の成分も大きくなる。
　一方、板材の一方の面及び他方の面に沿った方向の成分に関し、第１渦流センサが作用させる交流磁界の成分と第２渦流センサが作用させる交流磁界の成分とは互いに逆向きで相殺される部分がある。その結果、板材に生成される一方の面及び他方の面に沿った方向の磁束の成分は小さくなる。
　したがい、本実施形態に係る材質異常部検知装置によれば、従来のように第１渦流センサ又は第２渦流センサを単独で用いた場合と比べると、板材Ｓ内に生成される磁束の広がりがより一層抑制され、板材Ｓ内に生成される磁束密度（板材Ｓの一方の面及び他方の面に対して略垂直な方向の磁束密度）が大きくなることで、板材Ｓの異常部をより一層高感度に検知することが可能である。なお、板材Ｓ内に生成される磁束の広がりとは、板材Ｓの一方の面及び他方の面に沿った方向の広がりである。渦流センサの平面視形状が円形である場合には、等方的（軸対称的）な広がりで、渦流センサの平面視形状が矩形である場合には、矩形を構成する各辺に沿った広がりである。

　なお、第１渦流センサ１と板材Ｓの表面Ｓ１との間の距離（リフトオフ）と、第２渦流センサ２と板材Ｓの裏面Ｓ２との間の距離（リフトオフ）とは略同一に設定されることが好ましい。各リフトオフの値は、異常部の存在が高感度に検出できる範囲の離間距離として、０～２．０ｍｍ程度に設定されることが好ましい。各リフトオフを一定の値に維持するには、例えば、特許文献１に記載の非導電性のシートを、第１渦流センサ１及び板材Ｓの表面Ｓ１との間と、第２渦流センサ２及び板材Ｓの裏面Ｓ２との間との双方に介在させる手段を設けてもよい。

　また、本実施形態に係る材質異常部検知装置によって異常部を検知する被試験材を管材とすることも可能である。被試験材が管材である場合、「一方の面に対して中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界」とは、管材の外面（又は内面）の接平面に対して中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界を意味する。また、「他方の面に対して中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界」とは、管材の内面（又は外面）の接平面に対して中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界を意味する。なお、管材の外面（又は内面）の接平面に対して中心軸が略垂直とは、管材の外面（又は内面）の接平面の法線方向と渦流センサの中心軸とのなす角度が、５度以内であること、より望ましくは１度以内であることである。

　なお、本実施形態では、第１交流電源３から通電される交流電流と第２交流電源４から通電される交流電流との周波数を同一に設定すると共に、位相が一致するように同期させる。これにより、同一時点における中心磁界Ｈ１の向きと中心磁界Ｈ２の向きとを一致させているが、本発明はこれに限るものではない。
　例えば、第１渦流センサ１が具備するコイル１１と、第２渦流センサ２が具備するコイル２１とを直列接続し、この直列接続された両コイル１１、２１に単一の交流電源を接続することによっても、同一時点における中心磁界Ｈ１の向きと中心磁界Ｈ２の向きとを一致させることが可能である。

　以下、本実施形態に係る材質異常部検知装置１００によって得られる効果を電磁場解析によって評価した結果の一例について説明する。

　＜比較例＞
　最初に、比較例として、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２のうち、何れか一方の渦流センサのみを備える従来の渦流探傷装置によって生成される磁束を電磁場解析によって算出した結果について説明する。
　この比較例では、第１渦流センサ１が具備するコイル１１及び第２渦流センサ２が具備するコイル２１の平面視形状は矩形とし、板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）に沿った前記矩形の辺の長さを５ｍｍ、板材Ｓの幅方向（Ｙ方向）に沿った前記矩形の辺の長さを８０ｍｍに設定した。また、板材Ｓとして厚み０．５ｍｍのチタン合金製の薄板（比透磁率１、導電率２.３４×１０^６［Ｓ／ｍ］）を設定し、第１渦流センサ１と板材Ｓの表面Ｓ１とのリフトオフ、又は、第２渦流センサ２と板材Ｓの裏面Ｓ２とのリフトオフを０．８ｍｍに設定し、各渦流センサと板材Ｓとの間に空気が介在する条件で電磁場解析を行った。

　図２Ａ及び図２Ｂは、比較例について算出された所定の時点での磁束の分布を示す正面図である。図２Ａは第１渦流センサ１のみを備える従来の渦流探傷装置によって生成される磁束の分布を、図２Ｂは第２渦流センサ２のみを備える従来の渦流探傷装置によって生成される磁束の分布を示す。図２Ａ及び図２Ｂ中に示す矢印の向きは、磁束の向きを意味する。なお、図２Ａ及び図２Ｂにおいては、第１交流電源３、第２交流電源４、コイル１１、及びコイル２１の図示を省略している。
　図２Ａに示すように、第１渦流センサ１の直下の領域（図中に破線で挟まれた領域）では、板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）における第１渦流センサ１の端部に近づくにつれ、上下方向（Ｚ方向）の成分よりも板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）の成分の方が大きな磁束が存在することが分かる。同様に、図２Ｂに示すように、第２渦流センサ２の直上の領域（図中に破線で挟まれた領域）でも、板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）における第２渦流センサ２の端部に近づくにつれ、上下方向（Ｚ方向）の成分よりも板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）の成分の方が大きな磁束が存在することが分かる。換言すれば、図２Ａ及び図２Ｂで示す従来の渦流探傷装置では、渦流センサによって板材Ｓ内に生成される磁束に渦流センサの板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）における寸法を超える広がりが生じてしまう。
　なお、上記では、板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）についての磁束の広がりを例に挙げて説明したが、板材Ｓの幅方向（Ｙ方向）についても同様に渦流センサの板材Ｓの幅方向（Ｙ方向）における寸法を超える磁束の広がりが生じている。

　図３Ａは、図２Ａに示す従来の渦流探傷装置を用いる場合において、板材Ｓの表面Ｓ１に生成される磁束密度の分布のイメージを、図３Ｂは、図２Ａに示す従来の渦流探傷装置を用いる場合において、板材Ｓの裏面Ｓ２に生成される磁束密度の分布のイメージを示す図である。図３Ａ及び図３Ｂで用いられた交流磁場の周波数は、３２ｋＨｚである。図３Ａ及び図３Ｂはモノクロ表示であるが、実際には、図の右端に示すカラーバーに従い、磁束密度の大きさに応じた異なる色が付されて表示されている。なお、図３Ａ及び図３Ｂに示す結果は、第１渦流センサ１の半分（板材Ｓの幅方向（Ｙ方向）について半分）について得られた結果のみを示しているが、実際にはＹ方向の残りの半分についても同一の分布図が得られる。
　図３Ａ及び図３Ｂに示すように、第１渦流センサ１を配置した側の表面Ｓ１に生成される磁束密度（図３Ａ）に比べ、反対側の裏面Ｓ２に生成される磁束密度（図３Ｂ）が著しく低下している。すなわち、図３Ａに示す略矩形状の色の濃い領域Ｓ１１の磁束密度は、図３Ｂに示す略矩形状の色の濃い領域Ｓ２１の磁束密度よりも大きく、その大きな磁束密度に対応する色が色付けされている。このように、第１渦流センサ１を配置した側の表面Ｓ１に生成される磁束密度に比べ、反対側の裏面Ｓ２に生成される磁束密度が著しく低下しているのは、板材Ｓに誘起された渦電流のシールド効果が原因であると考えられる。

　＜実施例＞
　次に、実施例として、図１Ａ及び図１Ｂに示す本実施形態に係る材質異常部検知装置１００によって生成される磁束を電磁場解析によって算出した結果について説明する。
　この実施例では、比較例と同様に、第１渦流センサ１が具備するコイル１１及び第２渦流センサ２が具備するコイル２１の平面視形状は矩形とし、板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）に沿った前記矩形の辺の長さを５ｍｍ、板材Ｓの幅方向（Ｙ方向）に沿った前記矩形の辺の長さを８０ｍｍに設定した。また、板材Ｓとして厚み０．５ｍｍのチタン合金製の薄板（比透磁率１、導電率２.３４×１０^６［Ｓ／ｍ］）を設定し、第１渦流センサ１と板材Ｓの表面Ｓ１とのリフトオフ、及び、第２渦流センサ２と板材Ｓの裏面Ｓ２とのリフトオフを０．８ｍｍに設定し、各渦流センサと板材Ｓとの間に空気が介在する条件で電磁場解析を行った。

　図４は、本実施例について算出された所定の時点での磁束の分布を示す正面図である。図４は、第１渦流センサ１および第２渦流センサ２を備える材質異常部検知装置１００によって生成される磁束の分布を示す。図４中に示す矢印の向きは、磁束の向きを意味する。なお、図４においては、第１交流電源３、第２交流電源４、コイル１１、及びコイル２１の図示を省略している。
　図５Ａは、本実施例において板材Ｓの表面Ｓ１に生成される磁束密度の分布のイメージを、図５Ｂは本実施例において板材Ｓの裏面Ｓ２に生成される磁束密度の分布のイメージを示す図である。図５Ａ及び図５Ｂで用いられた交流磁場の周波数は、３２ｋＨｚである。図５Ａ及び図５Ｂはモノクロ表示であるが、実際には、図の右端に示すカラーバーに従い、磁束密度の大きさに応じた異なる色が付されて表示されている。なお、図５Ａ及び図５Ｂに示す結果は、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２の半分（板材Ｓの幅方向（Ｙ方向）について半分）について得られた結果のみを示しているが、実際にはＹ方向の残りの半分についても同一の分布図が得られる。
　板材Ｓの表面Ｓ１及び裏面Ｓ２に対して略垂直な方向である上下方向（Ｚ方向）の成分に関し、第１渦流センサ１の直下の領域及び第２渦流センサ２の直上の領域（図４中の破線で挟まれた領域）において、第１渦流センサ１が作用させる交流磁界の成分と第２渦流センサ２が作用させる交流磁界の成分とは互いに強め合う。
　一方、板材Ｓの表面Ｓ１及び裏面Ｓ２に沿った方向（Ｘ方向及びＹ方向）の成分に関し、第１渦流センサ１の直下の領域外及び第２渦流センサ２の直上の領域外（図４中の破線で挟まれた領域外）において、第１渦流センサ１が作用させる交流磁界の水平(図４の紙面左右方向)成分と第２渦流センサ２が作用させる交流磁界の水平(図４の紙面左右方向)成分とは互いに逆向きで相殺される。図２Ａと図２Ｂとを対比して参照すれば、板材Ｓの長手方向（Ｘ方向）の成分に関し、第１渦流センサ１の直下の領域外及び第２渦流センサ２の直上の領域外（図４中の破線で挟まれた領域外）において、第１渦流センサ１が作用させる交流磁界の水平(図４の紙面左右方向)成分と第２渦流センサ２が作用させる交流磁界の水平(図４の紙面左右方向)成分とが互いに逆向きで相殺されることは明らかである。
　板材Ｓの幅方向（Ｙ方向）に関しても同様であり、第１渦流センサ１の直下の領域外及び第２渦流センサ２の直上の領域外（図４中の破線で挟まれた領域外）において、第１渦流センサ１が作用させる交流磁界の水平(図４の紙面左右方向)成分と第２渦流センサ２が作用させる交流磁界の水平(図４の紙面左右方向)成分とが互いに逆向きで相殺されることになる。このことは、図３Ａ及び図５Ａに示す略矩形状の色の濃い領域Ｓ１１のＹ方向の広がりの差異（図５Ａに示す略矩形状の色の濃い領域Ｓ１１の方がＹ方向の広がりが少ない）からも示唆される。

　上記の結果、図４に示すように、第１渦流センサ１の直下及び第２渦流センサ２の直上の領域（図中に破線で挟まれた領域）において、板材Ｓに生成される上下方向（Ｚ方向）の磁束の成分の方が、表面Ｓ１及び裏面Ｓ２に沿った方向（Ｘ方向及びＹ方向）の磁束の成分よりも大きくなる。また、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１渦流センサ１を配置した側の表面Ｓ１に生成される磁束密度（図５Ａ参照）と、第２渦流センサ２を配置した側の裏面Ｓ２に生成される磁束密度（図５Ｂ参照）とは同等になる。すなわち、図５Ａに示す略矩形状の色の濃い領域Ｓ１１の磁束密度は、図５Ｂに示す略矩形状の色の濃い領域Ｓ２１の磁束密度と同等であり、その磁束密度の大きさに対応する色が色付けされている。

　ここで、磁束が材料内に浸透する深さ（侵入長）δについて説明する。磁束が材料内に浸透する深さδ（侵入長）は、以下の式で与えられる。
　δ（ｍ）＝１／（π・ｆ・μ・σ）^１／２
　　π：３．１４
　　ｆ：周波数（本実施形態では、３２ｋＨｚ（３２０００Ｈｚ））
　　μ：透磁率（本実施形態では、４π×１０^－７）　［Ｈ／ｍ］
　　σ：導電率（本実施形態では、２．３４×１０^６）　［Ｓ／ｍ］
　ここで、侵入長δは、過電流および磁束の大きさが材料の表面（最大値となる位置）に比べて約３７％（１／ｅ）となる深さを指す。
　本実施形態の場合、侵入長δ＝１．８×１０^－３＝１．８ｍｍとなる。この場合、侵入長δは、厚み０．５ｍｍのチタン合金製の薄板において、侵入長が板厚に比べて十分深くなり、磁束が板の中心まで十分浸透する程度となる。周波数が、本実施形態の周波数よりも高ければ磁束が透過しにくくなり、低ければ磁束が透過しやすくなる。

　以上のように、本実施例の材質異常部検知装置１００によれば、第１渦流センサ１又は第２渦流センサ２を単独で用いた比較例の渦流探傷装置（図２Ａ及び図２Ｂ参照）と比べると、板材Ｓ内に生成される磁束の広がり（板材Ｓの表面Ｓ１及び裏面Ｓ２に沿った方向の広がり）が抑制され、板材Ｓ内に生成される上下方向（Ｚ方向）の磁束密度が大きくなることで、板材Ｓの異常部を高感度に検知することが可能であることが分かる。

　なお、本実施形態では、被試験材が板材Ｓである場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、被試験材が管材である場合にも適用可能である。

　図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の他の実施形態に係る材質異常部検知装置４００の概略構成例を示す正面図であり、被試験材が管材Ｐである場合を示す。図６Ａ及び図６Ｂにおいては、第１渦流センサ１に交流電流を通電する第１交流電源３（図１Ａ及び図１Ｂ参照）及び第２渦流センサ２に交流電流を通電する第２交流電源４（図１Ａ及び図１Ｂ参照）の図示を省略している。
　図６Ａ及び図６Ｂに示すように、被試験材が管材Ｐである場合、第１渦流センサ１は管材Ｐの外面Ｐ１側に対向配置され、外面Ｐ１に対して（外面Ｐ１の接平面に対して）中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界を外面Ｐ１に作用させる。第２渦流センサ２は管材Ｐの内面Ｐ２側に対向配置され、内面Ｐ２に対して（内面Ｐ２の接平面に対して）中心軸が略垂直な方向に延びる交流磁界を内面Ｐ２に作用させる。そして、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２は、管材Ｐ（管材Ｐの肉厚）を挟んで略同一直線上に配置される。なお、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２が管材Ｐ（管材Ｐの肉厚）を挟んで略同一直線上に配置とは、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２の各コイルの中心軸間のずれ量が、各コイルの直径の１／４よりも小さい範囲にあることである。

　第１渦流センサ１は、例えば一軸ステージ５のステージ５１に取り付けられ、管材Ｐの長手方向（Ｘ方向）に延びるガイドレール５２に沿ってステージ５１と共に移動する。同様に、第２渦流センサ２は、例えば一軸ステージ６のステージ６１に取り付けられ、管材Ｐの長手方向（Ｘ方向）に延びるガイドレール６２に沿ってステージ６１と共に移動する。この際、第１渦流センサ１と第２渦流センサ２との相対的な位置関係は移動前後で維持される。そして、管材Ｐが軸周りに回転することで、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２によって、管材Ｐの全面が検知されることになる。

　ただし、本実施形態はこれに限るものではなく、例えば、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２の位置を固定し、管材Ｐを長手方向に搬送しつつ軸周りに回転させることでも、管材Ｐの全面を検知可能である。

　被試験材が管材Ｐである場合、管材Ｐの外面Ｐ１は平坦ではなく、管材Ｐの外面Ｐ１側に配置された第１渦流センサ１に向けて凸の円弧状に湾曲しているため、第１渦流センサ１の中心軸（第１渦流センサ１が具備するコイルの中心軸）におけるリフトオフ（第１渦流センサ１と管材Ｐの外面Ｐ１との距離）の方が、第１渦流センサ１の端部におけるリフトオフよりも小さくなる。同様に、管材Ｐの内面Ｐ２は平坦ではなく、管材Ｐの内面Ｐ２側に配置された第２渦流センサ２に向けて凹の円弧状に湾曲しているため、第２渦流センサ２の中心軸（第２渦流センサ２が具備するコイルの中心軸）におけるリフトオフ（第２渦流センサ２と管材Ｐの内面Ｐ２との距離）の方が、第２渦流センサ２の端部におけるリフトオフよりも大きくなる。
　したがい、被試験材が管材Ｐであって、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２のうち何れか一方の渦流センサのみを備える場合には、渦流センサの中心軸と端部におけるリフトオフの差に起因して、渦流センサときずとの位置関係に応じて、きず検出感度が変動するおそれがある。しかしながら、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第１渦流センサ１及び第２渦流センサ２の双方を備える材質異常部検知装置４００の場合、第１渦流センサ１の中心軸と端部におけるリフトオフの差と、第２渦流センサ２の中心軸と端部におけるリフトオフの差とが互いに逆向きで相殺される。すなわち、第１渦流センサ１は中心軸におけるリフトオフの方が小さく、第２渦流センサ２は端部におけるリフトオフの方が小さくなるため、リフトオフの差に起因した異常部検知感度の変動が生じ難いという利点を有する。

　本発明によれば、渦流センサによって非磁性導電体の板材内に生成される磁束の広がりを抑制することで、該板材の異常部を高感度に検知することが可能となる。よって、本発明は、産業上の利用可能性は大である。

１・・・第１渦流センサ
２・・・第２渦流センサ
３・・・第１交流電源
４・・・第２交流電源
１００、４００・・・材質異常部検知装置
Ｓ・・・板材（被試験材）
Ｓ１・・・表面（一方の面）
Ｓ２・・・裏面（他方の面）

Claims

　非磁性導電体である板材を準備する準備工程と；
　第１渦流センサを前記板材の一方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第１渦流センサ配置工程と；
　前記第１渦流センサに第１交流電流を通電させることにより、交流磁界を該一方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第１渦流センサ励起工程と；
　該渦電流によって生じる磁束を検出する第１渦流センサ検出工程と；
　第２渦流センサを前記板材の前記一方の面と反対側に位置する他方の面側に対して中心軸が略垂直な方向に延びるように対向配置する第２渦流センサ配置工程と；
　前記第２渦流センサに第２交流電流を通電させることにより、交流磁界を該他方の面に作用させて前記板材に渦電流を誘起する第２渦流センサ励起工程と；
　該渦電流によって生じる磁束を検出する第２渦流センサ検出工程と；
　を有し、
　前記第１渦流センサ励起工程及び前記第２渦流センサ励起工程では、同一時点における、前記第１渦流センサが前記板材の前記一方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きと、前記第２渦流センサが前記板材の前記他方の面に作用させる交流磁界の中心軸の向きとが一致するように渦電流を誘起し、さらに、前記第１渦流センサ及び前記第２渦流センサを、前記板材を挟んで略同一直線上に配置する
ことを特徴とする前記板材の異常部を検出する材質異常部検知方法。
　前記第１渦流センサ配置工程及び前記第２渦流センサ配置工程では、前記第１渦流センサ及び前記板材の前記一方の面との距離と、前記第２渦流センサ及び前記板材の前記他方の面との距離を略同一に設定し、
　前記各距離を０～２．０ｍｍに設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の材質異常部検知方法。
　前記第１渦流センサ励起工程及び前記第２渦流センサ励起工程では、前記第１交流電流の周波数と前記第２交流電流の周波数とを、略同一に設定し、さらに、前記第１交流電流の位相と前記第２交流電流の位相とを、一致するように設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の材質異常部検知方法。
　請求項１～３のいずれか一項に記載の材質異常部検知方法により板材の異常部を検知する手段を備えることを特徴とする材質異常部検知装置。