(57)【要約】磁気回路を形成しない磁界発生タイプの磁気プローブにおいて、被検体の表面状態や内部状態を局部的に精度良く検査できるようにする。金属成分を含む被検体２の内部及び／又は被検体２の表面空間に交流磁界を発生させながら、被検体２の表面近傍で磁束変化を検出する磁気プローブ１であって、コイル内周面又はコイル外周面が被検体２の表面に沿うように配置され、被検体２の内部及び／又は被検体の表面空間に、被検体２の表面に沿う交流磁界を発生させる励磁コイル３と、被検体２の表面に局部的に対向するように配置され、被検体２の表面近傍で磁束変化を検出する検出コイル４（検出部）とを備え、検出コイル４が、励磁コイル３の内周部もしくはその近傍、又は、励磁コイル４の外周部もしくはその近傍に配置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属成分を含む被検体の内部及び／又は被検体の表面空間に交流磁界を発生させながら、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する磁気プローブであって、
コイル内周面又はコイル外周面が被検体の表面に沿うように配置され、被検体の内部及び／又は被検体の表面空間に、被検体の表面に沿う交流磁界を発生させる励磁コイルと、
被検体の表面に局部的に対向するように配置され、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する検出部とを備え、
前記検出部が、前記励磁コイルの内周部もしくはその近傍、又は、前記励磁コイルの外周部もしくはその近傍に配置される
ことを特徴とする磁気プローブ。
【請求項２】
前記検出部は、コイル中心線が被検体の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体の表面に局部的に対向するように配置され、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する検出コイルであることを特徴とする請求項１記載の磁気プローブ。
【請求項３】
前記検出コイルは、差分電圧を検出可能な差動コイルであり、該差動コイルを構成する一対のコイルが、被検体の表面に沿って並ぶことを特徴とする請求項２記載の磁気プローブ。
【請求項４】
前記検出コイルは、コイル中心線方向の厚さが薄い渦巻コイルを用いて構成されることを特徴とする請求項２又は３記載の磁気プローブ。
【請求項５】
前記検出コイルは、絶縁体からなるベース材に薄膜状の回路パターンとして形成されることを特徴とする請求項４記載の磁気プローブ。
【請求項６】
前記検出コイルは、差分電圧を検出可能な差動コイルであり、該差動コイルを構成する一対のコイルが、前記ベース材を挟んで積層状に形成されることを特徴とする請求項５記載の磁気プローブ。
【請求項７】
前記検出部は、被検体の表面に沿って並ぶように複数設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁気プローブ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、金属成分を含む被検体の表面検査、探傷検査、残留応力検査、材質検査などに用いられる磁気プローブの技術分野に属し、特に、磁気回路を形成しない磁界発生タイプでありながら、被検体の表面や内部を局部的に精度良く検査することができる磁気プローブに関する。
背景技術
磁気、特に交流磁界を利用し、金属成分を含む被検体の各種検査を行う磁気プローブが知られている。この種の磁気プローブは、その励磁方式によって、磁気回路形成タイプと磁界発生タイプとに分類することができ、いずれのタイプも、金属の表面検査、探傷検査、残留応力検査、材質検査などで既に利用されている。
磁気回路形成タイプの磁気プローブは、被検体の内部や被検体の表面空間を存して、ループ状の磁気回路を形成するコ字状のコアと、このコアを交流励磁して、被検体の内部や被検体の表面空間に交流磁界を発生させる励磁コイルと、被検体の表面近傍で局部的に磁束変化を検出する検出コイルとを備えて構成されている（例えば、特開昭６０−１７３５１号公報参照。）。
上記のように構成された磁気プローブは、被検体の所望の位置に強い磁界を発生させることができるため、被検体の局部的な検査に適している。しかしながら、磁気回路形成タイプの磁気プローブは、コアを被検体から離すと、そのギャップに応じて、被検体における交流磁界の強さが著しく低下するため、コアを被検体に近接又は接触させることができない用途では、要求精度を達成できないという問題がある。
また、上記従来の磁気プローブは、コイル中心線が被検体の表面に対して垂直方向を向くように配置された検出コイルによって磁束変化を検出するため、検出精度に限界がある。つまり、励磁コイルが発生させる交流磁界は、被検体の表面に対して略平行であり、被検体の表面形状や傷などによる磁気的な変化は、主に被検体の表面に沿う磁束の変化として現れるが、被検体の表面に対して垂直に配置された検出コイルは、磁束変化の垂直成分のみを検出するため、被検体の表面に沿う磁束の微小な密度変化までは検出できないという欠点がある。
一方、磁界発生タイプの磁気プローブは、コイル内周面又はコイル外周面が被検体の表面に沿うように配置され、被検体の内部や表面空間に、被検体の表面に沿う交流磁界を発生させる励磁コイルと、コイル内周面又はコイル外周面が被検体の表面に沿うように配置され、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する検出コイルとを備えて構成されている（例えば、特開昭５４−１０８６８５号公報参照。）。このように構成された磁気プローブは、被検体の表面に対して略平行な磁束変化を確実に検出することができるだけでなく、励磁コイルを被検体の表面から離間させても、必要な磁界強度を維持できるという利点がある。
しかしながら、磁界発生タイプの磁気プローブに設けられる従来の検出コイルは、被検体（パイプなど）の外周面（特開昭５４−１０８６８５号公報の検出コイルは半周）を囲むように形成され、その検出範囲が広範囲であったため、検出信号が平均化されたものとなり、小さな傷や凹凸を精度良く検出したいという用途には不向きであった。しかも、特開昭５４−１０８６８５号公報に示される磁気プローブでは、励磁コイルと検出コイルとを、間隔を空けて並列状に配置しているため、磁気プローブが大型になるだけでなく、検出コイル近傍の磁界強度が弱くなるという問題があった。
本発明の目的は、被検体の表面に対して略平行な磁束変化を確実に検出することができるだけでなく、励磁コイルを被検体の表面から離間させても、必要な磁界強度を維持できる磁界発生タイプ（磁気回路を形成しないタイプ）のものでありながら、被検体の表面状態や内部状態を局部的に精度良く検査することができる磁気プローブの提供を目的とする。
発明の開示
上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、金属成分を含む被検体の内部及び／又は被検体の表面空間に交流磁界を発生させながら、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する磁気プローブであって、コイル内周面又はコイル外周面が被検体の表面に沿うように配置され、被検体の内部及び／又は被検体の表面空間に、被検体の表面に沿う交流磁界を発生させる励磁コイルと、被検体の表面に局部的に対向するように配置され、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する検出部とを備え、前記検出部が、前記励磁コイルの内周部もしくはその近傍、又は、前記励磁コイルの外周部もしくはその近傍に配置されることを特徴とする。
磁気プローブをこのように構成すれば、被検体の表面に対して略平行な磁束変化を確実に検出することができるだけでなく、励磁コイルを被検体の表面から離間させても、必要な磁界強度を維持できる磁界発生タイプ（磁気回路を形成しないタイプ）のものでありながら、検出部は、被検体の表面に局部的に対向すると共に、励磁コイルの内周部もしくはその近傍、又は、励磁コイルの外周部もしくはその近傍に配置されるため、検出部近傍における磁界強度を強くし、被検体の表面状態や内部状態を局部的に精度良く検査することができるだけでなく、磁気プローブの小型化を図ることができる。
また、前記検出部は、コイル中心線が被検体の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体の表面に局部的に対向するように配置され、被検体の表面近傍で磁束変化を検出する検出コイルであることを特徴とする。この場合においては、コイル中心線が被検体の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体の表面に局部的に対向するように配置された検出コイルにより、被検体の表面状態や内部状態を局部的に精度良く検査することができ、しかも、この検出コイルは、被検体の表面に沿う方向の小型化が容易であるため、磁気プローブを走査（又は被検体を移動）させながら、被検体の表面を検査する場合、その分解能を容易に向上させることができる。
また、前記検出コイルは、差分電圧を検出可能な差動コイルであり、該差動コイルを構成する一対のコイルが、被検体の表面に沿って並ぶことを特徴とする。この場合においては、コイルの固有誤差や温度誤差を相殺して、検出精度を更に向上させることができる。
また、前記検出コイルは、コイル中心線方向の厚さが薄い渦巻コイルを用いて構成されることを特徴とする。この場合においては、磁気プローブ又は被検体を、検出コイルのコイル中心線方向に走査しながら検査を行うことにより、磁気プローブの分解能を高めることができる。
また、前記検出コイルは、絶縁体からなるベース材に薄膜状の回路パターンとして形成されることを特徴とする。この場合においては、検出コイルのコイル中心線方向の厚さを飛躍的に薄くし、磁気プローブの分解能を更に高めることができる。
また、前記検出コイルは、差分電圧を検出可能な差動コイルであり、該差動コイルを構成する一対のコイルが、前記ベース材を挟んで積層状に形成されることを特徴とする。この場合においては、磁気プローブの分解能を飛躍的に向上させることができるだけでなく、コイルの固有誤差や温度誤差を相殺して、信頼性の高い検査データを得ることができる。また、薄膜基板用のベース材を使用すれば、既存の薄膜基板製造技術によって、きわめて薄い検出コイルを形成することができる。
また、前記検出部は、被検体の表面に沿って並ぶように複数設けられることを特徴とする。この場合においては、磁気プローブ又は被検体を、検出部の配列方向に対して、直交方向に走査することにより、２次元の検出データを得ることができ、また、複数の検出部を２次元に配列すれば、磁気プローブや被検体を走査しなくても、２次元の検出データを得ることができる。
発明を実施するための最良の形態
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［磁気プローブ］
まず、本発明に係る磁気プローブの基本的な構成について説明する。第１図は、磁気プローブの基本構成を示す側断面図である。この図に示される磁気プローブ１は、金属成分を含む被検体２の内部や表面空間に交流磁界を発生させながら、被検体２の表面近傍で磁束変化を検出するために、少なくとも励磁コイル３及び検出コイル（検出部）４を備えて構成されている。
励磁コイル３は、任意の芯材に巻装されるものであり、コイル内周面又はコイル外周面が被検体２の表面に沿うように配置され、所定周波数の交流電圧が印加される。励磁コイル３に交流電圧を印加すると、被検体２の内部や表面空間に、被検体２の表面に沿う交流磁界が発生する。この交流磁界の磁束は、被検体２の材質（磁束変化要因：透磁率、導電率など）、表面状態（磁束変化要因：透磁率、伝導率、渦電流、検出ギャップ、漏れ磁束など）、内部状態（磁束変化要因：透磁率、伝導率、渦電流、漏れ磁束など）などに応じて変化する。この磁束変化には、被検体２の表面に平行な成分と、被検体２の表面に垂直な成分とが含まれており、比較的大きい磁束変化の場合は、垂直成分にも大きな変化が現れるが、微小な磁束変化の場合は、垂直成分が殆ど変化せず、主に平行成分に変化が現れる。
このように構成される励磁コイル３は、被検体２と磁気回路を形成しないので、被検体２から多少離しても、被検体２の表面に必要な磁界強度を確保することができる。尚、励磁コイル３に印加する交流電圧の周波数は、被検体２の交流磁界による表皮効果を考慮して設定される。例えば、被検体２の表面を検査する場合は、交流電圧の周波数を高くし、被検体２の内部又は裏側表面を検査する場合は、交流電圧の周波数を低くすることが好ましい。
検出コイル４は、コイル中心線が被検体２の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体２の表面に局部的に対向するように配置され、被検体２の表面近傍で磁束変化を検出する。つまり、本発明の磁気プローブ１は、励磁コイル３によって被検体２の内部や表面に交流磁界を発生させながら、被検体２の表面近傍における局部的な磁束変化を検出するにあたり、検出コイル４を、被検体２の表面に対して垂直方向に配置することなく、コイル中心線が被検体２の表面に沿うように配置している。これにより、垂直成分が殆ど変化せず、主に平行成分が変化するような微小な磁束変化であっても、精度良く検出することが可能になる。
また、検出コイル４は、励磁コイル３の内周部もしくはその近傍、又は、前記励磁コイル３の外周部もしくはその近傍に配置される。これにより、検出コイル４の近傍における磁界強度を強くして検出精度を更に高めることができるだけでなく、磁気プローブ１の小型化を図ることが可能になる。
［検出回路］
第２図は、検出コイルの基本形を示す斜視図、第３図は、検出回路を示すブロック図である。第２図に示される検出コイル４は、差分電圧を検出可能な差動コイルである。差動コイルを構成する一対のコイルＬ１、Ｌ２は、被検体２の表面に沿って並ぶように直列に接続されており、その両端部から引き出される端子Ｔ１、Ｔ２の他に、コイルＬ１、Ｌ２間から引き出されるセンタータップ端子Ｔ３を備える。
第３図に示すように、検出回路５は、コイルＬ１、Ｌ２及び一対の抵抗Ｒ１、Ｒ２（又は可変抵抗）によってブリッジ回路６を構成しており、このブリッジ回路６からコイルＬ１、Ｌ２の差動電圧が出力される。ブリッジ回路６は、被検体２が無いとき、その差動出力が所定の値となるように抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が初期調整される。これにより、コイルＬ１、Ｌ２の固有誤差や温度誤差が相殺された検出信号を得ることができるだけでなく、コイル中心線方向の分解能を高めることが可能になる。
ブリッジ回路６の差動出力は、差動増幅回路７によって増幅された後、同期検波回路８に入力される。同期検波回路８は、９０°移相器９を介して、励磁コイル３の交流励磁回路部１０から同期信号を入力すると共に、その周期で上記差動出力を検波し、磁束変化信号を得る。尚、この磁束変化信号は、コイルＬ１、Ｌ２の差動信号（微分信号）であるため、第３図に示す検出回路５には、金属検査装置１の走査距離をパラメータとして積分処理を行う積分回路１１が設けられている。
次に、磁気プローブ１の具体的な構成について説明する。
［検出コイルの各種実施形態］
第４図及び第５図は、検出コイルの各種実施形態を示す説明図である。これらの図に示す検出コイル４は、いずれも空心コイルとしてある。例えば、第４図（Ａ）の検出コイル４（第２図のものと同等）は、非磁性体の芯材４ａに、絶縁被覆された導線を巻いてコイルＬ１、Ｌ２を形成している。また、第４図（Ｂ）に示すものは、一対の検出コイル４を交差状に一体化した２軸型であり、いずれの検出コイル４も、被検体２の表面に沿うように配置される。このように構成された２軸型によれば、一方の検出コイル４が被検体２の線状欠陥（クラックなど）に対して平行になっても、他方の検出コイル４が線状欠陥に対して交差するので、線状欠陥を見落すことなく確実に検出することが可能になる。
第４図（Ｃ）は、コイル中心線方向の厚さが可及的に薄くなるように形成された検出コイル４を示している。この検出コイル４に用いる巻枠（ボビン）４ｂの外周部には、所定間隔（例えば、５０μｍ）を存して、所定幅（例えば、５０μｍ）のコイル巻装溝が２本形成されており、各コイル巻装溝に、絶縁被覆された導線を多層巻きすることにより検出コイル４が構成されている。このように構成された検出コイル４は、コイル中心線方向の厚さが薄く、しかも、コイルＬ１、Ｌ２の間隔が小さいため、コイル中心線方向の分解能を大幅に向上させることができる。
第５図に示される検出コイル４は、絶縁体からなるベース材４ｃに薄膜状の回路パターン（渦巻コイル）として形成されている。このような検出コイル４は、例えば、既存の薄膜基板製造技術によって形成することが可能であるが、半導体製造技術やマイクロマシニング技術を用いれば、さらに微小で薄い検出コイルを形成することができる。
第５図に示される検出コイル４は、薄膜基板用のベース材４ｃ（例えば、セラミック基板）を用い、その表裏に形成される導体層（例えば、銅箔）を、回路パターンに基づいて蒸着処理することにより、薄膜状のコイルＬ１、Ｌ２が形成される。つまり、差動コイルを構成する一対のコイルＬ１、Ｌ２が、きわめて薄いベース材４ｃを挟んで積層状に形成されるため、コイル中心線方向の分解能を飛躍的に向上させることが可能になる。
また、上記のように形成される検出コイル４は、第５図（Ｂ）に示すように、複数のコイルＬ１、Ｌ２を１次元に配列することが容易である。このように複数のコイルＬ１、Ｌ２を１次元に配列すれば、磁気プローブ１又は被検体２を、コイルＬ１、Ｌ２の配列方向に対して、直交方向に走査することにより、２次元の検出データを得ることができる。また、第５図（Ｃ）に示すように、複数のコイルＬ１、Ｌ２が１次元に配列された検出コイル４を、金属検査装置１の走査方向に並設してもよい。この場合には、前後の検出コイル４に形成されるコイルＬ１、Ｌ２を、互いに半ピッチずらして配置することにより、１次元配列方向の隙間を無くし、検出漏れを防止することができる。尚、複数の検出コイル４を２次元に配列してもよく、この場合には、磁気プローブ１や被検体２を走査しなくても、２次元の検出データが得られる。
［磁気プローブの各種実施形態］
第６図は、磁気プローブの各種実施形態を示す説明図である。この図に示すように、磁気プローブ１は、被検体２の形態や検査箇所、検査目的に応じて、形態が適宜変更される。第６図（Ａ）は、基本的な配置関係を示しており、励磁コイル３は、外周面が被検体２の表面に沿うように配置され、検出コイル４は、励磁コイル３の外周面と被検体２の表面との間に複数配置される。また、第６図（Ｂ）は、パイプの内周面検査に適した形態を示しており、励磁コイル３は、外周面が被検体２の内周面に沿うように配置され、検出コイル４は、励磁コイル３の外周面と被検体２の内周面との間に複数配置される。
また、第６図（Ｃ）は、パイプの外周面検査に適した形態であり、励磁コイル３は、内周面が被検体２の外周面に沿うように配置され、検出コイル４は、励磁コイル３の内周面と被検体２の外周面との間に複数配置される。また、第６図（Ｄ）は、棒材、コインなどの検査に適した形態であり、励磁コイル３は、内周面が被検体２の表裏面に沿うように配置され、検出コイル４は、励磁コイル３の内周面と被検体２の表裏面との間に複数配置される。
第７図及び第８図は、硬貨識別に用いられる磁気プローブを示している。これらの図に示される硬貨識別用の磁気プローブ１は、コイルボビン（芯材）３ａの外周部に励磁コイル３を巻装すると共に、コイルボビン３ａの内周部に、複数の検出コイル４を並列状に配置して構成されている。このように構成された磁気プローブ１を、硬貨（被検体）２の通路１２に介設すると、通路１２を通過する硬貨２の表面形状（表裏両面）を２次元的にスキャンすることが可能になる。
第９図は、探傷に用いられる磁気プローブを示している。この図に示される磁気プローブ１は、四角柱状の芯材３ａに励磁コイル３を巻装すると共に、その外周部に、複数の検出コイル４を並列状に配置して構成されている。このように構成された磁気プローブ１を、被検体２の表面に沿って移動させると、被検体２の表面欠陥や内部欠陥を２次元的にスキャンすることが可能になる。
叙述の如く構成された磁気プローブ１は、被検体２の表面に対して略平行な磁束変化を確実に検出することができるだけでなく、励磁コイル３を被検体２の表面から離間させても、必要な磁界強度を維持できる磁界発生タイプのものでありながら、検出コイル４を、コイル中心線が被検体２の表面に沿い、かつ、コイル外周面が被検体２の表面に局部的に対向するように配置したため、被検体２の表面や内部を局部的に精度良く検査することが可能になる。
しかも、検出コイル４は、励磁コイル３の内周部もしくはその近傍、又は、前記励磁コイル３の外周部もしくはその近傍に配置されるため、検出コイル４の近傍における磁界強度を強くして検出精度を高めることができるだけでなく、磁気プローブ１の小型化を図ることができる。また、検出コイル４は、被検体２の表面に沿う方向の小型化が容易であるため、磁気プローブ１を走査させながら、被検体２の表面を検査する場合、その分解能を容易に向上させることができる。
また、検出コイル４を、差分電圧を検出可能な差動コイルとし、該差動コイルを構成する一対のコイルＬ１、Ｌ２を、被検体２の表面に沿って並ぶように配置した場合には、コイルＬ１、Ｌ２の固有誤差や温度誤差を相殺して、検出精度を更に向上させることができる。
また、検出コイル４を、コイル中心線方向の厚さが薄い渦巻コイルを用いて構成した場合には、磁気プローブ１又は被検体２を、検出コイル４のコイル中心線方向に走査しながら検査を行うことにより、磁気プローブ１の分解能を高めることができる。
また、検出コイル４を、絶縁体からなるベース材５ｃに薄膜状の回路パターンとして形成した場合には、検出コイル４のコイル中心線方向の厚さを飛躍的に薄くし、磁気プローブ１の分解能を更に高めることができる。しかも、一対のコイルＬ１、Ｌ２を、ベース材５ｃを挟んで積層状に形成することができるため、差動出力型の検出コイル４を飛躍的に薄型化することができる。また、薄膜基板用のベース材５ｃを使用すれば、既存の薄膜基板製造技術を用いて上記検出コイル４を容易に形成することができる。
また、検出コイル４を、被検体２の表面に沿って並ぶように複数設けた場合には、磁気プローブ１又は被検体２を、検出コイル４の配列方向に対して、直交方向に走査することにより、２次元の検出データを得ることができ、また、複数の検出コイル４を２次元に配列すれば、磁気プローブ１や被検体２を走査しなくても、２次元の検出データを得ることができる。
尚、本発明は、前記実施形態に限定されないことは勿論であって、例えば、前記実施形態では、検出コイルを用いて検出部を構成しているが、ホール素子、磁気抵抗素子などの磁気検出素子を用いて検出部を構成してもよい。但し、この場合には、被検体の表面近傍における磁束変化のうち、平行成分を精度良く検出できるように磁気検出素子の向きを最適化することが好ましい。
産業上の利用可能性
本発明は、金属成分を含む被検体の表面検査、探傷検査、残留応力検査、材質検査などに用いられる磁気プローブに関するものであり、特に、磁気回路を形成することなく、被検体の表面状態や内部状態を局部的に精度良く検査することが要求される磁気プローブにおいて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、磁気プローブの基本構成を示す側断面図である。
第２図は、検出コイルの基本形を示す斜視図である。
第３図は、検出回路を示すブロック図である。
第４図（Ａ）〜（Ｃ）は検出コイルの各種実施形態を示す説明図であり、（Ａ）は検出コイルの側面図、（Ｂ）は検出コイルの平面図、（Ｃ）は検出コイルの側断面図である。
第５図（Ａ）〜（Ｃ）は検出コイルの各種実施形態を示す説明図であり、（Ａ）は検出コイルの正面図および側面図、（Ｂ）は検出コイルの正面図、（Ｃ）は検出コイルの平面図である。
第６図（Ａ）〜（Ｄ）は磁気プローブの各種実施形態を示す説明図である。
第７図（Ａ）は硬貨識別用磁気プローブの平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。
第８図（Ａ）は硬貨識別用磁気プローブの斜視図、（Ｂ）は内部斜視図である。
第９図（Ａ）は探傷用磁気プローブの断面図、（Ｂ）は走査方向を示す説明図である。
【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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【国際調査報告】
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2003091657.tif 000013
2003091657.tif 000014
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