(57)【要約】【課題】検出感度を向上させることができる渦電流探傷プローブを提供する。【解決手段】素線が筒状に巻き回されて構成され、互いにコイル軸がほぼ平行となるように配置されて、互いに逆向きの電流が流れる対の励磁コイル１Ａ，１Ｂを有し、励磁コイル１Ａ，１Ｂのコイル軸が対象物の検査面に対しほぼ垂直となるように配置される渦電流探傷プローブにおいて、素線が筒状に巻き回されて構成され、励磁コイル１Ａ，１Ｂのそれぞれに対してほぼ同軸となるように外周側に配置されて、互いに巻き方向が逆となる状態で直列に結線された検出コイル２Ａ，２Ｂを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素線が筒状に巻き回されて構成され、互いにコイル軸がほぼ平行となるように配置されて、互いに逆向きの電流が流れる対の励磁コイルを有し、前記対の励磁コイルのコイル軸が対象物の検査面に対しほぼ垂直となるように配置される渦電流探傷プローブにおいて、
素線が筒状に巻き回されて構成され、前記対の励磁コイルのそれぞれに対してほぼ同軸となるように外周側又は内周側に配置されて、互いに巻き方向が逆となる状態で直列に結線された対の検出コイルを有することを特徴とする渦電流探傷プローブ。
【請求項２】
素線が筒状に巻き回されて構成され、互いにコイル軸がほぼ平行となるように配置されて、互いに逆向きの電流が流れる対の励磁コイルを有し、前記対の励磁コイルのコイル軸が対象物の検査面に対しほぼ垂直となるように配置される渦電流探傷プローブにおいて、
前記対の励磁コイルのそれぞれに対して素線が一緒に巻き回されて構成され、互いに巻き方向が逆となる状態で直列に結線された対の検出コイルを有することを特徴とする渦電流探傷プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに逆向きの電流が流れる対の励磁コイルを有し、渦電流探傷プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁的な非破壊検査法の一つとして、渦電流探傷方法が広く実用化されている。この渦電流探傷方法は、金属製の試験体（対象物）上に配置したコイルに交流電流を通電することで試験体に渦電流を発生させ、そのコイルのインピーダンスを直接測定するか、若しくは別のコイルを設けて渦電流に起因する誘起電圧を測定し、試験体にきずが存在する場合の渦電流の乱れに起因する測定値の変化から、きずを感知するものである。渦電流は、励磁周波数に依存する表皮効果に従い、試験体の表面（検査面）で強度が高く、裏面側に向かい低下する。そのため、表面及び表層のきずに対して検出感度が高いという利点を持つ。一方、超音波検査方法は、原理的に裏面側のきずの検出性に優れているため、反検査面の検査に広く利用されている。しかし、接触媒質等が必要であり、検査時間が長いといった欠点がある。そこで、近年、渦電流探傷方法による反検査面の検査の検討が進められている。
【０００３】
具体的には、例えば、互いにコイル軸がほぼ平行となるように配置されて、互いに逆向き（逆回り）の電流が流れる２つの励磁コイルと、これら励磁コイルの間の領域にて励磁コイルに対しコイル軸がほぼ平行となるように配置された差動型の検出コイルとを有し、励磁コイル及び検出コイルのコイル軸が試験体の検査面に対しほぼ垂直となるように配置される渦電流探傷プローブが提唱されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術では、励磁コイルの間の領域においてそれぞれの励磁コイルによって生じる渦電流を重ね合わせることにより、試験体の裏面に強力な渦電流を発生させるようになっている。また、裏面側のきず検出信号が表面のノイズに強く影響されないようにするため、検出コイルの直下における試験体の裏面電流密度と表面電流密度との比が０．５以上となるように、励磁コイルの間の隙間距離を１０ｍｍ以上に設定している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７０２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記渦電流探傷プローブでは、裏面側のきず検出信号が表面のノイズに強く影響されないようにするため、検出コイルの直下における試験体の裏面電流密度と表面電流密度との比が０．５以上となるように、励磁コイルの間の隙間距離を１０ｍｍ以上に設定している。ところが、試験体によっては表面のノイズの影響が小さい場合がある。具体的には、精密加工部品等は表面粗さ等の影響をほとんど無視することができる。このような場合、試験体の裏面電流密度と表面電流密度との比を考慮する必要がなく、渦電流をより大きくして検出感度を向上させることが重要となる。このような観点から、励磁コイルの間の隙間距離は、１０ｍｍ未満に設定することが好ましいと考えられる。しかしながら、上記渦電流探傷プローブでは、励磁コイルの間の隙間距離を小さくすれば、励磁コイルの間に配置された検出コイルの断面積が小さくなるため、検出コイル自体の検出感度が低減する。
【０００６】
本発明の目的は、検出感度を向上させることができる渦電流探傷プローブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、素線が筒状に巻き回されて構成され、互いにコイル軸がほぼ平行となるように配置されて、互いに逆向きの電流が流れる対の励磁コイルを有し、前記対の励磁コイルのコイル軸が対象物の検査面に対しほぼ垂直となるように配置される渦電流探傷プローブにおいて、素線が筒状に巻き回されて構成され、前記対の励磁コイルのそれぞれに対してほぼ同軸となるように外周側又は内周側に配置されて、互いに巻き方向が逆となる状態で直列に結線された対の検出コイルを有する。
【０００８】
このように本発明においては、対の検出コイルは、対の励磁コイルのそれぞれに対してほぼ同軸となるように例えば外周側に配置されている。これにより、励磁コイルの間に検出コイル全体を配置する従来技術と比べて、励磁コイルの間の隙間距離を小さくしながら検出コイルの断面積を大きくすることができる。すなわち、励磁コイルによる渦電流の重ね合わせの効果を高めるとともに、検出コイル自体の検出感度も高めることができる。また、対の検出コイルは、互いに巻き方向が逆となる状態で直列に結線されて絶対値型の検出コイルとして機能することにより、差動型の検出コイルに比べて、きず検出信号を大きくすることができる。したがって本発明においては、検出感度を向上させることができる。
【０００９】
（２）上記目的を達成するために、本発明は、素線が筒状に巻き回されて構成され、互いにコイル軸がほぼ平行となるように配置されて、互いに逆向きの電流が流れる対の励磁コイルを有し、前記対の励磁コイルのコイル軸が対象物の検査面に対しほぼ垂直となるように配置される渦電流探傷プローブにおいて、前記対の励磁コイルのそれぞれに対して素線が一緒に巻き回されて構成され、互いに巻き方向が逆となる状態で直列に結線された対の検出コイルを有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、検出感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の渦電流探傷プローブは、試験体の表面のノイズの影響が小さい場合において、試験体の内部や裏面の探傷に好適なものである。
【００１２】
図１（ａ）は、本実施形態の渦電流探傷プローブの全体構造を表す断面図であり、図１（ｂ）は、平面図である。図２は、励磁コイルの結線及び検出コイルの結線を表す図である。
【００１３】
これら図１（ａ）、図１（ｂ）、及び図２において、渦電流探傷プローブは、一対の励磁コイル１Ａ，１Ｂと、一対の検出コイル２Ａ，２Ｂとを有している。励磁コイル１Ａ，１Ｂは、素線が円筒状（例えば、内径寸法１ｍｍ、外径寸法１０ｍｍ、高さ寸法５ｍｍ程度）に巻き回されて構成されており、互いにコイル軸がほぼ平行となるように配置されている。そして、互いに逆向き（逆回り）の電流を通電するため、励磁コイル１Ａの巻き始め側（図２中上側）と励磁コイル１Ｂの巻き終わり側（図２中下側）とが端子３ａで結線され、励磁コイル１Ａの巻き終わり側（図２中下側）と励磁コイル１Ｂの素線巻き始め側（図２中上側）とが端子３ｂで結線され、それら端子３ａ，３ｂの間に交流電源４が接続されている。言い換えれば、励磁コイル１Ａ，１Ｂは、互いに逆向きの電流が通電されるように、交流電源４に並列接続されている。なお、図示しないが、励磁コイル１Ａ，１Ｂは、互いに逆向きの電流が通電されるように、交流電源４に直列接続されてもよい。
【００１４】
検出コイル２Ａ，２Ｂは、素線が円筒状（例えば、内径寸法１０．５ｍｍ、外径寸法１１．５ｍｍ、高さ寸法５ｍｍ程度）に巻き回されて構成されており、励磁コイル１Ａ，１Ｂのそれぞれに対してほぼ同軸（詳細には、同軸であるが、製造・組立上の誤差で励磁コイルの外径寸法に対して数％程度となるずれを含む）となるように外周側に配置されている。また、検出コイル２Ａ，２Ｂは、互いに巻き方向が逆となる状態で直列に結線されて、絶対値型の検出コイルとして機能するようになっている。具体的には、検出コイル２Ａの巻き終わり側（図２中下側）と検出コイル２Ｂの巻き終わり側（図２中下側）とが接続され、検出コイル２Ａの巻き始め側（図２中上側）の端子５ａと検出コイル２Ｂの巻き始め側（図２中上側）の端子５ｂとの間の誘起電圧Ｖが検出されるようになっている。
【００１５】
励磁コイル１Ａ，１Ｂの間の隙間距離Ｗは、４ｍｍ以下とすることが好ましく（後述の図６参照）、例えば２ｍｍ程度に設定されており、励磁コイル１Ａ，１Ｂ及び検出コイル２Ａ，２Ｂが互いに接近するように配置されている。なお、本実施形態では、励磁コイル１Ａ，１Ｂ及び検出コイル２Ａ，２Ｂのコイル軸を空心として構成しているが、磁心を入れて構成してもよい。
【００１６】
以上のように本実施形態においては、検出コイル２Ａ，２Ｂは、励磁コイル１Ａ，１Ｂのそれぞれに対してほぼ同軸となるように外周側に配置されている。これにより、励磁コイル１Ａ，１Ｂの間に検出コイル全体を配置する従来技術と比べて、励磁コイル１Ａ，１Ｂの間の隙間距離を小さくしながら検出コイルの断面積を大きくすることができる。すなわち、励磁コイルによる渦電流の重ね合わせの効果を高めるとともに、検出コイル自体の検出感度も高めることができる。また、励磁コイルと検出コイルをコイル軸方向に連ねて配置する場合とは異なり、励磁コイルと検査面との間隔並びに検出コイルと検査面との間隔を共に小さくすることができるので、検出感度を高めることができる。また、検出コイル２Ａ，２Ｂは、互いに巻き方向が逆となる状態で直列に結線されて絶対値型の検出コイルとして機能することにより、差動型の検出コイルに比べて、きず検出信号を大きくすることができる。したがって本実施形態においては、検出感度を向上させることができる。
【００１７】
次に、上述した本実施形態の作用効果の詳細を、本願発明者らが行った数値解析（詳細には、有限要素法による３次元電磁場解析プログラムを用いた数値解析）により説明する。本実施形態の渦電流探傷プローブは、渦電流を発生させる励磁側と、試験体のきずの影響による渦電流の乱れに対応した磁界の変化（実際には、この磁界によって誘起された電圧）を検出する検出側とにおいて、検出感度を向上させる工夫がなされている。以下、励磁側、検出側の順に説明する。
【００１８】
（１）励磁側
まず、１つの励磁コイルによって試験体に生じる渦電流の大きさを計算した。図３は、１つの励磁コイル及び試験体からなる計算モデルを表す概略図である。試験体６は、板厚５ｍｍ、材質ＳＵＳ３１６Ｌの平板を用いている。円筒状の励磁コイル７Ａは、試験体６の表面（検査面）に配置した内径寸法１ｍｍ、外径寸法１０ｍｍ、高さ寸法５ｍｍとし、１０ｋＨｚ（低周波）の電流を通電している。励磁コイル７Ａによって試験体６に生じる渦電流のＸ軸方向分布（詳細には、図３で示す試験体６の破線位置のように、励磁コイル７Ａのコイル軸中心に対応するＹ軸座標位置におけるＸ軸方向分布）を図４に表す。
【００１９】
この図４において、横軸は、試験体６のＸ軸方向位置（但し、励磁コイル７Ａのコイル軸中心に相当する位置を零とする）を示し、縦軸は、規格化した（詳細には、渦電流の最大値を１として）渦電流の大きさを示す。渦電流は、励磁コイル７Ａの素線に対応する位置（＋５ｍｍ，−５ｍｍ）で最大となり、それらの位置から離れるに従って急激に減衰するようになっている。
【００２０】
次に、２つの励磁コイルによって試験体に生じる渦電流の大きさを、励磁コイルの間の隙間距離Ｗの条件を変えて計算した。図５は、２つの励磁コイル及び試験体からなる計算モデルを表す概略図である。円筒状の励磁コイル７Ａ，７Ｂは、互いにコイル軸がほぼ平行となるように、上記試験体６上に配置されている。励磁コイル７Ａ，７Ｂは、内径寸法１ｍｍ、外径寸法１０ｍｍ、高さ寸法５ｍｍとし、互いに逆向きで１０ｋＨｚの電流を通電している。励磁コイル７Ａ，７Ｂによって試験体６に生じる渦電流のＸ軸方向分布（詳細には、図５で示す試験体６の破線位置のように、励磁コイル７Ａ，７Ｂのコイル軸中心に対応するＹ軸座標位置におけるＸ軸方向分布）を図６に表す。
【００２１】
この図６において、横軸は、試験体６のＸ方向位置（但し、励磁コイル７Ａ，７Ｂのコイル軸間の中心位置を零とする）を示し、縦軸は、規格化した（詳細には、上述した励磁コイル７Ａのみを配置した場合の渦電流の最大値を１として）渦電流の大きさを示す。励磁コイル７Ａ，７Ｂの間の隙間距離Ｗ＝０ｍｍの場合（図６中一点鎖線で示す）は、渦電流の重ね合わせ効果が最大となり、渦電流の最大値が励磁コイル７Ａのみを配置した場合の約２倍となる。そして、励磁コイル７Ａ，７Ｂの間の隙間距離Ｗが大きくなるに従って渦電流の最大値は減少し、励磁コイル７Ａ，７Ｂの間の隙間距離Ｗ＝４ｍｍの場合（図６中実線で示す）には渦電流の最大値が励磁コイル７Ａのみを配置した場合の約１．３倍となり、励磁コイル７Ａ，７Ｂの間の隙間距離Ｗ＝１０ｍｍの場合（図６中点線で示す）には渦電流の最大値が励磁コイル７Ａのみを配置した場合の約１．１倍となる。
【００２２】
図７は、試験体６の表面からの深さの条件（０ｍｍ、１ｍｍ、４ｍｍ）毎に、励磁コイル７Ａ，７Ｂの間の隙間距離Ｗと渦電流の大きさとの関係を表す図である。この図７において、横軸は、励磁コイル７Ａ，７Ｂの間の隙間距離Ｗを示し、縦軸は、規格化した（詳細には、深さの条件毎に、励磁コイル７Ａのみを配置した場合の渦電流の最大値を１として）渦電流の大きさを示す。この図７から、試験体６の表面のみならず内部においても、励磁コイル７Ａ，７Ｂの間の隙間距離Ｗが小さくなるに従って渦電流の大きさが増加する傾向を確認することができる。
【００２３】
（２）検出側
図８に示す計算モデルのように、上記試験体５において上記励磁コイル７Ａ，７Ｂの真下に位置し且つ励磁コイル７Ａ，７Ｂの並び方向に延在するきず（スリット）８を設定し、このきず８の影響による渦電流の乱れに対応する磁界の変化を計算した。なお、きず８の深さは２ｍｍ、長さは１０ｍｍで設定し、励磁コイル７Ａ，７Ｂの間の隙間距離Ｗは２ｍｍに設定している。試験体６のきず８の影響によって生じる磁束のＺ軸方向成分の二次元分布（Ｘ軸−Ｙ軸方向分布）を図９に表す。この図９に示すように、磁束のZ軸方向成分は、きず８の一方側端部近傍で正のピーク値をとり、他方側端部近傍で負のピーク値をとる。ここで本実施形態では、絶対値型の検出コイルを採用しており、磁束のＺ軸方向成分の絶対値（磁束密度）を検出するようになっている。
【００２４】
図１０は、試験体６のきず８の影響によって生じる磁束密度のＸ軸方向分布（詳細には、図８で示す試験体６の破線断面位置のように、励磁コイル７Ａ，７Ｂのコイル軸中心に対応するＹ軸座標位置におけるＸ軸方向分布）を表す図である。この図１０において、横軸は、試験体６のＸ軸方向位置（但し、励磁コイル７Ａ，７Ｂのコイル軸間中心に相当する位置を零とする）を示し、縦軸は、磁束密度を示している。また、図中の一点鎖線は、励磁コイル７Ａ，７Ｂのコイル軸間の中心位置と試験体６のきず８の長さ方向中心位置との間におけるＸ軸方向の相対距離が０ｍｍとなる場合の磁束密度の分布を表しており、この場合に磁束密度のピーク値及び積分値が最大となっている。すなわち、図中の実線は、Ｘ軸方向の相対距離が２．５ｍｍの場合の磁束密度の分布を表し、図中の点線は、Ｘ軸方向の相対距離が５．０ｍｍの場合の磁束密度の分布を表しているが、Ｘ軸方向の相対距離が大きくなるに従って磁束密度は減少している。このような観点から、検出コイルは、Ｘ軸方向の相対距離が０ｍｍとなる場合の２つの磁束密度のピーク値を捉えるように配置することが好ましい。
【００２５】
上述した磁束密度のピーク値の間隔は、きず８の深さや長さの影響をほとんどうけず、励磁コイル７Ａ，７Ｂの存在する部分に対応する傾向がある。図１１は、きず８の長さを１０ｍｍに固定し、深さの条件（１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ）に変更した場合の磁束密度のＸ軸方向分布を表す図である。図中の一点鎖線は、きず深さが１ｍｍの場合の磁束密度の分布を表し、図中の実線は、きず深さが２ｍｍの場合の磁束密度の分布を表し、図中の点線は、きず深さが４ｍｍの場合の磁束密度の分布を表しているが、磁束密度のピーク値の間隔は約８ｍｍでほとんど変化していないことが確認できる。また、図１２は、きず８の深さを２ｍｍに固定し、長さの条件（２０ｍｍ、１０ｍｍ、４ｍｍ）に変更した場合の磁束密度のＸ軸方向分布を表す図である。図中の一点鎖線は、きず長さが２０ｍｍの場合の磁束密度の分布を表し、図中の実線は、きず深さが１０ｍｍの場合の磁束密度の分布を表し、これらの場合の磁束密度のピーク値の間隔は約８ｍｍであった。また、図中の点線は、きず長さが４ｍｍの場合の磁束密度の分布を表し、この場合の磁束密度のピーク値の間隔は約４ｍｍであった。このことから、磁束密度のピーク値の間隔は、励磁コイル７Ａ，７Ｂの存在する部分に対応する傾向があることが確認できる。これは、試験体のきずによって生じる渦電流の乱れは、きずの上に励磁コイルが存在するときに顕著に生じるものであり、対応する磁束密度の変化分も同様であることが理由と考えられる。
【００２６】
そして、本実施形態においては、検出コイル２Ａ，２Ｂは、励磁コイル１Ａ，１Ｂのそれぞれに対してほぼ同軸となるように外周側に配置しているので、上述した２つの磁束密度のピーク値を捉えることができる。したがって、検出感度を高めることができる。
【００２７】
なお、上記一実施形態においては、円筒状の励磁コイル１Ａ，１Ｂ及び円筒状の検出コイル２Ａ，２Ｂを備えた渦電流探傷プローブを例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば図１３に示す変形例のように、矩形筒状の励磁コイル９Ａ，９Ｂ及び矩形筒状の検出コイル１０Ａ，１０Ｂを備えた渦電流探傷プローブとしてもよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。また、本変形例においては、励磁コイル９Ａ，９Ｂによる渦電流の重なりの２次元分布を直線状に形成することができるため、上記一実施形態に比べて、一度により広範囲の探傷検査を実施することが可能である。
【００２８】
また、上記一実施形態においては、検出コイル１Ａ，１Ｂは、励磁コイル１Ａ，１Ｂのそれぞれに対してほぼ同軸となるように外周側に配置した場合を例にとって説明し、上記一変形例においては、検出コイル９Ａ，９Ｂは、励磁コイル８Ａ，８Ｂのそれぞれに対してほぼ同軸となるように外周側に配置した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、対の検出コイルは、対の励磁コイルに対してほぼ同軸となるように内周側に配置してもよい。また、例えば図１４及び図１５に示す変形例のように、励磁コイル素線１１と検出コイル素線１２とが一緒に巻き回されてそれぞれ構成された複合コイル１３Ａ，１３Ｂを備えた渦電流探傷プローブとしてもよい。これらの変形例では、複合コイル１３Ａ，１３Ｂの間の隙間距離（言い換えれば、励磁コイルの間の隙間距離）を零とすることが可能であり、渦電流の重ね合わせの効果を最大とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の渦電流探傷プローブの一実施形態の全体構造を表す断面図及び平面図である。
【図２】本発明の渦電流探傷プローブの一実施形態における励磁コイルの結線及び検出コイルの結線を表す図である。
【図３】１つの励磁コイルと試験体とで構成された計算モデルを表す図である。
【図４】１つの励磁コイルによって試験体に生じる渦電流の一次元分布を表す図である。
【図５】２つの励磁コイルと試験体とで構成された計算モデルを表す図である。
【図６】２つの励磁コイルによって試験体に生じる渦電流の一次元分布を、励磁コイルの間の隙間距離の条件毎に表す図である。
【図７】励磁コイルの間の隙間距離と渦電流の大きさとの関係を、試験体の表面からの深さの条件毎に表す図である。
【図８】２つの励磁コイルときずが設けられた試験体とで構成された計算モデルを表す図である。
【図９】試験体のきずの影響によって生じる磁束密度の二次元分布を表す図である。
【図１０】試験体のきずの影響によって生じる磁束密度の一次元分布を、励磁コイルと試験体のきずとの相対位置の条件毎に表す図である。
【図１１】試験体のきずの影響によって生じる磁束密度の一次元分布を、きず深さの条件毎に表す図である。
【図１２】試験体のきずの影響によって生じる磁束密度の一次元分布を、きず長さの条件毎に表す図である。
【図１３】本発明の渦電流探傷プローブの一変形例の全体構造を表す断面図及び平面図である。
【図１４】本発明の渦電流探傷プローブの他の変形例の全体構造を表す断面図及び平面図である。
【図１５】本発明の渦電流探傷プローブの他の変形例における複合コイルの構造を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１Ａ，１Ｂ      励磁コイル
２Ａ，２Ｂ      検出コイル
９Ａ，９Ｂ      励磁コイル
１０Ａ，１０Ｂ  検出コイル
１１            励磁コイル素線
１２            検出コイル素線
１３Ａ，１３Ｂ  複合コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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