(57)【要約】非破壊検査装置（Ｘ１）は、検査対象部に磁場を形成するための磁束を励出する磁束励出面（１１）を有する励磁極（１０）と、磁束励出面（１１）から励出された磁束を回収する磁束回収面（３１）を有する回収極（３０）と、磁束励出面（１１）から励出された磁束が検査対象部に至る前に通過可能な複数のループコイルを有し、磁束励出面（１１）に対して回収極（３０）の方向へ偏移して設けられたコイルアレイ（５０）と、を備える。
2003027660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象部に磁場を形成するための磁束を励出する磁束励出面を有する励磁極と、
前記磁束励出面から励出された磁束を回収する磁束回収面を有する回収極と、
前記磁束励出面から励出された磁束が前記検査対象部に至る前に通過可能な複数のループコイルを有し、前記磁束励出面に対して前記回収極の方向へ偏移して設けられたコイルアレイと、を備える、非破壊検査装置。
【請求項２】
前記コイルアレイは、前記磁束励出面の幅方向中心と前記磁束励出面の回収極側縁部との間に対応した領域内に配設されている、請求項１に記載の非破壊検査装置。
【請求項３】
前記磁束励出面と前記磁束回収面との間の離隔距離は、１．０〜２．０ｍｍである、請求項１に記載の非破壊検査装置。
【請求項４】
前記磁束励出面および前記磁束回収面は、合同な形状を有する、請求項１に記載の非破壊検査装置。
【請求項５】
前記磁束励出面は、全体にわたって、前記励磁極の胴部と同一の幅を有する、請求項１に記載の非破壊検査装置。
【請求項６】
前記コイルアレイの前記ループコイルは、複数のコイル列を構成し、各コイル列は、前記励磁極および前記回収極の離隔方向に対して垂直な方向に延設されている、請求項１に記載の非破壊検査装置。
【請求項７】
検査対象部に磁場を形成するための磁束を励出する磁束励出面を有する励磁極と、前記磁束励出面から励出された磁束を回収する磁束回収面を有する回収極と、前記磁束励出面から励出された磁束が前記検査対象部に至る前に通過可能な複数のループコイルを有し、前記磁束励出面に対して前記回収極の方向へ偏移して設けられたコイルアレイと、を備える非破壊検査装置を用いて行う非破壊検査方法であって、
前記検査対象部に第１静磁場を印加することによって前記検査対象部を磁化する工程と、
前記第１静磁場を遮断し、磁化された前記検査対象部を通る第１残留磁場の複数の位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と、
各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第１時定数として求める工程と、
前記検査対象部に第２静磁場を印加することによって前記検査対象部を磁化する工程と、
前記第２静磁場を遮断し、磁化された前記検査対象部を通る第２残留磁場の前記各測定位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と、
前記各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第２時定数として求める工程と、
前記測定位置における前記第１時定数の分布と前記第２時定数の分布との相違に基づいて、前記検査対象部の内部構造についての情報を求める情報取得工程と、を含む、非破壊検査方法。
【請求項８】
前記検査対象部は、２枚の金属板をスポット溶接した接合板材におけるスポット溶接部であり、前記情報取得工程では、前記スポット溶接部に含まれるナゲット部の形状についての情報を求める、請求項７に記載の非破壊検査方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、鉄鋼板などの磁性体部材における、溶接状態、硬度、および内部欠陥などの内部構造についての情報を、非破壊で得るための非破壊検査装置および非破壊検査方法に関する。
背景技術
自動車や家電製品などの製造において利用することのできる金属板間の接合技術として、スポット溶接が知られている。スポット溶接に際しては、まず、図２３に示すように、重ね合わせた２枚の金属板１００ａ，１００ｂを一対の電極１５０ａ，１５０ｂで挟む。この状態で、一対の電極１５０ａ，１５０ｂにより金属板１００ａ，１００ｂを局所的に加圧しつつ、電極１５０ａ，１５０ｂの間を通電する。電流は、金属板１００ａ，１００ｂにおいて電極１５０ａ，１５０ｂに挟まれた箇所を集中的に流れてジュール熱を発生させる。このジュール熱により金属板１００ａ，１００ｂの一部を溶融させた後、通電を停止する。金属板１００ａ，１００ｂにおける当該溶融部位が冷却して凝固することによって、金属板１００ａ，１００ｂは溶接されることとなる。
図２４は、上述のようにしてスポット溶接された２枚の金属板１００ａ，１００ｂにおけるスポット溶接部の断面図である。スポット溶接部において、金属板１００ａ，１００ｂの外表面は、電極１５０ａ，１５０ｂによる加圧に起因して凹んでいる。この凹みをインデンテーション１０１といい、その長さＬ１をインデンテーション径という。スポット溶接部には、ナゲット部１０２と、その周辺の圧接部１０３とが形成される。ナゲット部１０２は、金属板１００ａ，１００ｂにおいて、加圧および加熱により一旦溶融した後に凝固した結果、一体化した部位である。ナゲット部１０２についての長さＬ２をナゲット径という。ナゲット径Ｌ２がスポット溶接部における溶接強度を大きく左右する。ナゲット径Ｌ２が長いほど、当該スポット溶接部の溶接強度は大きくなる。圧接部１０３は、金属板１００ａ，１００ｂが圧着する程に加熱および加圧の影響を受けた部位である。ナゲット部１０２と圧接部１０３を合せて接合部１０４といい、接合部１０４の長さＬ３を接合径という。接合部１０４の周囲の母材１０５は、スポット溶接における接合強度に関与しない部位である。
適切に溶接が達成されたスポット溶接部におけるナゲット径Ｌ２や圧接径Ｌ３は、一般に１０ミリメートル以下であり、比較的小さい。そのため、スポット溶接部については、溶接強度が充分であるかどうかの検査を必要とする場合が多い。スポット溶接部の溶接強度はナゲット径Ｌ２に大きく左右されるため、スポット溶接部の溶接状態の良否については、ナゲット径Ｌ２に基づいて判断するのが有効である。
特開平１０−２６６０９号公報は、ナゲット径Ｌ２を非破壊で測定し、測定結果に基づいてスポット溶接部の溶接状態の良否を判別することを目的の一つとする検査技術について、開示している。当該公報によると、検査に際して、検査対象部の近傍に励磁コイルを配設するとともに、検査対象部と励磁コイルの間にセンサとしてのループコイルを配設する。この状態で、励磁コイルに直流電流を流すことによって、検査対象部とともにセンサを通過する静磁場を発生させる。次に、静磁場を遮断した後、検査対象部に残留する磁場の消失過程をループコイルを介して追跡することによってループコイルのインダクタンス（またはインダクタンスに比例する物理量）を求める。このインダクタンスには、残留磁場が通過するスポット溶接部を構成するナゲット部１０２や圧接部１０３などの透磁率が反映される。このような測定を検査対象部に対して複数の位置について行うと、得られる複数のインダクタンスに変化が生ずる。インダクタンス変化には、スポット溶接部の内部構造の変化が反映される。したがって、当該非破壊検査技術によると、スポット溶接部の内部構造変化に由来する透磁率変化ひいてはインダクタンス変化を検出することによって、ナゲット径Ｌ２が推定されるのである。
図２５は、上述の非破壊検査方法を実行するための従来の非破壊検査装置Ｘ２を表す。非破壊検査装置Ｘ２は、励磁極２１０と、これに巻き付けられた励磁コイル２２０と、回収極２３０と、励磁極２１０および回収極２３０を接続する連結部２４０と、励磁極２１０の近傍に配設されたコイルアレイ２５０とを備える。
励磁極２１０は、励磁コイル２２０に電流が流されたときに誘導形成される磁場の磁束密度を高めるための鉄心であり、連結部２４０を介して回収極２３０と一体である。励磁極２１０は、先細状であって、その先端に磁束励出面２１１を有する。磁束励出面２１１は、コイルアレイ２５０を介して検査対象部に対向配置される面である。励磁コイル２２０は、直流電源、スイッチ、および所定の抵抗が組み込まれた駆動回路（図示略）に接続されている。回収極２３０は、その先端に回収面２３１を有する。励磁極２１０の磁束励出面２１１から励出される磁束は、回収面２３１にて回収される。
コイルアレイ２５０は、検査対象部近傍の磁気変化を検知して電圧として出力するためのものであり、磁束励出面２１１に対向して一列に配置された所定数のループコイル２５１よりなる。ループコイル２５１は、Ｃｕなどの導体材料よりなり、フレキシブル基板（図示略）上にパターン形成されている。
図２６は、図２５の線ＸＸＶＩ−ＸＸＶＩに沿った断面図を含み、駆動回路のスイッチをオンにして直流電源から出力される電圧を励磁コイル２２０に印加することによって、鉄鋼板１１０のスポット溶接部に静磁場Ｆ３を印加した状態を表す。鉄鋼板１１０内の磁束通過部分は、その静磁場Ｆ３に応じて磁化されている。非破壊検査装置Ｘ２は、この静磁場Ｆ３を遮断した後に、当該磁化箇所の残留磁場が消失する過程を各センサコイル２５１で追跡し、各磁束消失過程の過渡変化における時定数を測定することができるように構成されている。
しかしながら、従来の非破壊検査装置Ｘ２では、磁束励出面２１１と磁気回収面２３１との離隔距離Ｌ４が約３ｍｍと比較的長い。磁束励出面２１１と回収面２３１の離隔距離Ｌ４が長いと、静磁場Ｆ３遮断後において、残留磁場がナゲット部１０２以外の部位を通過する距離もそれに応じて長くなる。そのため、残留磁場の消失過程においてノイズが入り易く、精度およびＳ／Ｎ比の観点より、ナゲット部１０２に関して充分な情報を得ることができない場合がある。
加えて、従来の非破壊検査装置Ｘ２おいては、コイルアレイ２５０を構成する各センサコイル２５１は、磁束励出面２１１の幅Ｌ５方向全体にわたる長さで設けられている。このような構成では、静磁場Ｆ３の遮断後において、ナゲット部１０２を通過しない静磁場Ｆ３に対応する残留磁場の消失過程の成分も検出されてしまい、精度およびＳ／Ｎ比の観点より好ましくない。
更に、従来の非破壊検査装置Ｘ２の磁束励出面２１１の幅Ｌ５は、励磁極２１０の幅Ｌ６に対して幅狭に形成されており、磁束が励出される面積が狭められている。その結果、静磁場Ｆ３印加時において、磁束がナゲット部１０２を通過しにくい、すなわち、スポット溶接部を良好に磁化できない場合が生ずる。
このように、従来の非破壊検査装置Ｘ２は、静磁場Ｆ３の印加時におけるスポット溶接部の磁化、および、静磁場Ｆ３遮断後における残留磁場の検出において、問題を有していた。その結果、例えばスポット溶接部のナゲット径Ｌ２の測定において、充分に信頼性のある結果を得ることができない場合があった。
発明の開示
本発明は、磁性体部材の溶接状態、硬度、および内部欠陥などの内部構造についての情報を得るための非破壊検査において、信頼性の高い検査結果を得ることが可能な非破壊検査装置および非破壊検査方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の側面によると非破壊検査装置が提供される。この非破壊検査装置は、検査対象部に磁場を形成するための磁束を励出する磁束励出面を有する励磁極と、磁束励出面から励出された磁束を回収する磁束回収面を有する回収極と、磁束励出面から励出された磁束が検査対象部に至る前に通過可能な複数のループコイルを有し、磁束励出面に対して回収極の方向へ偏移して設けられたコイルアレイと、を備えることを特徴とする。
このような構成によると、スポット溶接部における溶接状態の良否などの非破壊検査において、信頼性の高い検査結果を得ることができる。本装置の使用にあたって励磁極により磁束を励磁した場合には、励磁された磁束は、回収極へ向かう成分、すなわちスポット溶接部におけるナゲット部を通過する成分と、反対方向へ向かう成分とに分かれて磁束励出面から励出する。磁束励出面に対してコイルアレイが回収極の方向へ偏移して設けられているため、当該反対方向へ向かう成分のコイルアレイの通過量は低減される。したがって、コイルアレイは、回収極側の磁束すなわちナゲット部を通過する磁束の磁束変化を良好に追跡することができる。その結果、Ｓ／Ｎ比が向上し、信頼性の高い検査結果を得ることが可能となるのである。
好ましくは、コイルアレイは、磁束励出面の幅方向中心と磁束励出面の回収極側縁部との間に対応した領域内に配設されている。このような構成によると、上述の効果を担保することができる。
好ましくは、磁束励出面と磁束回収面との間の離隔距離は、１．０〜２．０ｍｍである。従来の非破壊検査装置においては、上述のように、磁束励出面と磁束回収面との間の離隔距離は３ｍｍ程度であり、比較的長く設計されていた。これに対し、本構成においては、磁束励出面と磁束回収面との間の離隔距離が１．０〜２．０ｍｍであり、磁束通過距離が適切に短縮されている。磁束通過距離が短いと、安定な磁場が形成される傾向にある。その結果、残留磁場の消失過程において、センサであるループコイルによる検出について、ノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上することが可能となる。
好ましくは、磁束励出面および磁束回収面が相互に合同な形状を有する。このような構成によると、安定した磁束を励出することができ、その結果、高精度の検出結果を得ることが可能となる。
好ましくは、磁束励出面は、全体にわたって励磁極と同一幅を有するように形成されている。従来の非破壊検査装置においては、上述のように、励磁極は、先細状であって、その先端には平坦な磁束励出面を有する。すなわち、磁束励出面は、励磁極の胴部よりも幅狭である。これに対し、本構成においては、磁束励出面が全体にわたって励磁極と同一幅を有するように形成されており、可能な限り広面積の磁束励出面が確保されている。その結果、励出される磁束が、例えばスポット溶接部におけるナゲット部を通過し易くなる。
好ましくは、コイルアレイのループコイルは、複数のコイル列を構成し、各コイル列は、励磁極および回収極の離隔方向に対して垂直な方向に延設されている。このような構成によって、検査対象部の深さ方向において、より広面積で磁束の変化を観測することができ、その結果、より多くのまたは高精度の検出結果を得ることが可能となる。
本発明の第２の側面によると、検査対象部に磁場を形成するための磁束を励出する磁束励出面を有する励磁極と、磁束励出面から励出された磁束を回収する磁束回収面を有する回収極と、磁束励出面から励出された磁束が検査対象部に至る前に通過可能な複数のループコイルを有し、磁束励出面に対して回収極の方向へ偏移して設けられたコイルアレイと、を備える非破壊検査装置を用いて行う非破壊検査方法が提供される。この非破壊検査方法は、検査対象部に第１静磁場を印加することによって検査対象部を磁化する工程と、第１静磁場を遮断し、磁化された検査対象部を通る第１残留磁場の複数の位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と、各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第１時定数として求める工程と、検査対象部に第２静磁場を印加することによって検査対象部を磁化する工程と、第２静磁場を遮断し、磁化された検査対象部を通る第２残留磁場の各測定位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と、各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第２時定数として求める工程と、測定位置における第１時定数の分布と第２時定数の分布との相違に基づいて、検査対象部の内部構造についての情報を求める情報取得工程と、を含む。２連の検査結果に基づくこのような非破壊検査方法によると、検査対象部の内部構造等について信頼性の高い推定を行うことが可能である。
好ましくは、検査対象部は、２枚の金属板をスポット溶接した接合板材におけるスポット溶接部であり、情報取得工程では、スポット溶接部に含まれるナゲット部の形状についての情報を求める。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、以下に述べる測定原理を利用する非破壊検査装置および非破壊検査方法である。
図１および図２は、静磁場の印加および遮断を利用して非破壊検査を実行するための装置の概略構成と、当該装置の動作とを表す概念図である。非破壊検査装置は、鉄心２に巻き付けられた励磁コイル１と、励磁コイル１を駆動するための駆動回路３と、複数のセンサコイル４とを備える。駆動回路３には、直流電源３ａと、スイッチ３ｂと、抵抗３ｃとが組み込まれている。センサコイル４はループコイルである。検査時においては、この装置は、検査対象部に近接して配設される。図１および図２においては、装置は、２枚の鉄鋼板がスポット溶接されてなる鉄鋼板材１１０におけるスポット溶接部に近接して配設されている。このスポット溶接部の内部には、ナゲット部１０２が存在する。
図１に示すように、スイッチ３ｂをオンにするとスポット溶接部に静磁場Ｆ１が印加される。具体的には、スイッチ３ｂをオンにすると、直流電源３ａから出力される電圧が励磁コイル１に印加されて励磁コイル１に直流電流が流れ、その結果、励磁コイル１の周辺に静磁場Ｆ１が形成される。静磁場Ｆ１の一部は、鉄鋼板材１１０内に形成される。鉄鋼板材１１０における磁場形成箇所すなわち磁束通過箇所は、磁場の強さに応じて磁化される。ナゲット部１０２のサイズに基づいてスポット溶接部の溶接状態の良否を判別するためには、当該非破壊検査装置は、静磁場印加時に磁束がナゲット部１０２を通過するように配置される。
図２に示すように、スイッチ３ｂをオフにすると静磁場Ｆ１は遮断される。具体的には、スイッチ３ｂをオフにすると、それまで励磁コイル１を流れていた直流電流が遮断され、その結果、静磁場Ｆ１は遮断される。静磁場Ｆ１の遮断により、静磁場Ｆ１の磁束のループは、励磁コイル１の周辺の磁束の閉ループＣ１と鉄鋼板材１１０の周辺の磁束の閉ループＣ２とに分離する。閉ループＣ１は急速に減少して消失する。これに対し、閉ループＣ２は、磁性体である鉄鋼板材１１０に磁気エネルギーとして保持される作用が働くため、直ちには消失せずに徐々に消失していく。
閉ループＣ２の消失過程において、鉄鋼板材１１０の表面近傍に配置された各センサコイル４により、鉄鋼板材１１０の近傍における磁束の変化を検出する。静磁場遮断後にセンサコイル４で検出される磁束の変化は、理想的には指数関数的に単調減少する。しかし、実際には理想的な変化から逸脱する。この逸脱は、鉄鋼板材１１０に蓄えられた磁気エネルギー（残留磁場）の消失過程において、鉄鋼板材１１０内の磁化状態の変化に誘導されて鉄鋼板材１１０に発生する渦電流に起因するものと考えられる。そこで、静磁場遮断後における残留磁場の磁束変化については、以下に述べるモデルを仮定することができる。
図３は残留磁場の消失過程モデルを表す。この消失過程では、図３に示すように、一つのセンサコイル４を通過する磁束Φの密度をＢとする。また、磁束密度Ｂの変化によって鉄鋼板材１１０内に誘導される複数の渦電流をＩｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３，・・・とし、これら誘導渦電流についての誘導係数を各々Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・とする。磁束密度Ｂの変化から誘導された渦電流Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３，・・・は、相互に独立であると考える。ここで、渦電流Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３，・・・は、磁束密度Ｂの変化に応じて誘導係数Ｍ＝ΣＭｉ（ｉ＝１，２，３，・・・）で誘導される単一の渦電流ｉ２に置き換えることができる。したがって、一つのセンサコイル４を通過する磁束Φの消失過程は、磁束密度Ｂと、磁束密度Ｂの変化によって誘導係数Ｍで誘導される渦電流ｉ２で表すことができる。
図４は、図３の等価回路を表す。ここで、Ｒ２は渦電流ｉ２についての電気抵抗を示し、Ｌ２は渦電流ｉ２についてのインダクタンスを示す。
図５は、図４の回路図における磁束Φの閉ループ（図２において単一のセンサコイル４を通過する閉ループＣ２）を、磁気等価回路に置き換えたものである。ここで、ｉ１は磁束密度（図４におけるＢ）に相当する。Ｒ１は与えられた磁束Φの戻りにくさに相当する。Ｌ１は磁気回路のインダクタンスに相当し、後述するように、磁束Φを保持している全磁束空間の体積に比例する物理量である。また、図５に示す回路図においては、誘導係数Ｍは、磁気回路のインダクタンスＬ１と渦電流回路のインダクタンスＬ２と間の相互インダクタンスに相当することとなる。
図６は、静磁場Ｆ１を遮断した後に単一のセンサコイル４を通過する磁束Φ（磁束密度Ｂ（＝ｉ１））の閉ループＣ２を模式的に表したものである。静磁場遮断後は、静磁場印加中に鉄鋼板材１１０にて蓄えられた磁気エネルギーＷは、上述のように直ちに消失せずに、徐々に消失していく。この磁気エネルギーＷは磁束Φの閉ループ空間に保持され、磁束Φの戻りにくさＲ１に基づいて徐々に消失していくと考えられる。一般に、磁気エネルギーＷについては、式（１）で表すことができる。
2003027660.tif 000003
ここで、Ｌは、磁束密度ｉ１の磁束を保持している空間の体積に、すなわち磁気エネルギーを保持する空間の体積に比例する値である。一方、式（１）は、インダクタンスＬのコイルに電流ｉ１を流したときに蓄積されるエネルギーを表す式と同じ式である。したがって、図５に示す回路図におけるインダクタンスＬ１は、磁束を保持している全空間の体積に比例することがわかる。
図５に示す等価回路は、式（２）で表すことができる。
2003027660.tif 000004
式（２）で表される連立微分方程式をｉ１およびｉ２について解くと、各々の解として、式（３ａ）および式（３ｂ）が得られる。
2003027660.tif 000005
ここで、初期条件として、静磁界Ｆ１を遮断した時（ｔ＝０）における磁束密度ｉ１（＝Ｂ）をＢ０として、式（３ａ）および式（３ｂ）の各定数を定める。このとき、誘導係数Ｍが小さくて磁束密度ｉ１の変化から誘導される渦電流ｉ２が極めて小さいとすると、すなわちＬ１・Ｌ２》Ｍ・Ｍとすると、以下の結果を得る。
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式（４ａ）および式（４ｂ）を式（３ａ）に代入するとともに、ｉ１をＢに置き代えると、次の式（５）が得られる。
2003027660.tif 000008
式（５）は、静磁場遮断後における、センサコイル４を通る磁束Φの磁束密度Ｂの過渡変化を表す。ここで、式（４ｄ）を考慮すると、式（５）の右辺第２項は無視することができる。したがって、図６に示す閉ループＣ２を構成する磁束Φの磁束密度Ｂの変化は、式（５）の右辺第１項のみで近似することができる。図７ａは、静磁場遮断時（ｔ＝０）以降において、式（５）の右辺第１項のみで与えられる磁束密度Ｂの過渡変化を表す。ｔ＝０以前の磁束密度の値は、静磁場印加時における磁束密度Ｂ０を示す。一方、磁場消失過程においてセンサコイル４によって実際に検知される過渡電圧は、磁束密度Ｂの時間に対する変化の変化率すなわち微分磁束密度ｄＢ／ｄｔに、センサコイル４を通過する磁束の断面積を乗じた値である。そこで、式（５）の両辺を時間ｔで微分し、式（６）すなわち微分磁束密度の式を導出する。
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図７ｂは式（６）で与えられる微分磁束密度の過渡変化を表す。この波形は、磁気センサとしてセンサコイル４を用いて実際に測定したときに得られる波形と略一致することが知られている。したがって、図３〜図６を参照して説明したモデルは、残留磁場の消失過程を正しく反映するものであるといえる。すなわち、式（５）はセンサコイル４を通る磁束Φの磁束密度Ｂの変化を表す式であり、式（６）は、その微分磁束密度ｄＢ／ｄｔの変化を表す式である。
ここで、式（６）の右辺第１項のτ１は、式（４ａ）から理解できるようにＬ１／Ｒ１に等しいことから、図５に示す磁束密度ｉ１（＝Ｂ）の磁気回路の時定数に相当することが解かる。したがって、式（６）の右辺第１項は、静磁場Ｆ１を遮断した後に、鉄鋼板材１１０近傍における磁束の磁束密度Ｂが指数的に減少する理想的な単調減少特性、すなわち磁気エネルギーの理想的な減衰特性を表す項である。式（６）の右辺第１項の時定数であるτ１を、主時定数ということとする。図７ｃは、式（６）の右辺第１項で表される磁気エネルギー（磁束Φの閉ループＣ２）の減衰特性を示す。
主時定数τ１を求めるには、まず、式（６）の右辺第１項で表されるｆ１（ｔ）の両辺の対数をとり、式（７）を得る。式（７）をグラフ化すると、傾き１／τ１の直線を得ることができる。そして、当該傾きよりτ１を求めることができる。
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以上のようにして、静磁場遮断後において消失していく残留磁場の微分磁束密度の過渡変化の主時定数を求めることができる。スポット溶接部においては、一旦溶融することに起因金属組成に変化が生じているナゲット部と、金属組成にそのような変化が生じていないナゲット部以外とでは、時定数τ１に変化が生じることが実験的に確認されている。したがって、スポット溶接部における時定数τ１の分布を測定し、これを分析することによって、ナゲット部のような金属的に組成変化の生じている部分の形状・寸法について、情報を得ることが可能なのである。
一方、式（６）の右辺第２項のτ２は、式（４ｂ）から理解できるようにＬ２／Ｒ２に等しいことから、図５に示す渦電流ｉ２の等価回路の時定数に相当する。したがって、式（６）の右辺第２項は、渦電流損失の減衰特性を表す項である。図７ｄは、式（６）の右辺第２項で表される渦流電流損失の減衰特性を示す。式（６）の右辺第２項の時定数であるτ２を、副時定数ということとする。τ２を求める方法は、τ１に関して上述したのと同様である。Ｒ２は渦電流についての抵抗、すなわち渦電流の流れる箇所の材料の電気抵抗に相当する。また、Ｌ２は、渦電流の磁化空間の体積に担当する。図６に示すように、鉄鋼板１１０内における磁化箇所の長さを、磁束通過面積をｄｓとすると、Ｌ２を式（８）で表すことができる。
2003027660.tif 000011
式（４ｂ）および式（８）から、渦電流損失の減衰特性の時定数τ２は、次の式（９）に示すように、渦電流が発生する磁路、すなわち鉄鋼板内を通過する磁路の長さに比例することが解る。
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したがって、スポット溶接部付近を通過する磁束の磁路ｌの長さの変化は、式（６）の右辺第２項の減衰特性の時定数τ２の変化として検出することができるのである。
図８は、静電場印加時におけるスポット溶接部における接合部１０４の端部近傍を表す。図８においては、図１および図２に示すよりも多数のセンサコイル４が一列に配設されているものとする。静磁場印加時において、接合部１０４および空隙部１０６の境界Ｐの近傍における静磁場Ｆ１の磁束は、図８示すような状態となる。このとき、接合部１０４の端部近傍のある位置において、磁束の経路が大きく左右にわかれる箇所が存在する。例えば、図８において、磁束線Ａは、鉄鋼板１１０間の空隙部１０６の上側を通過するが、磁束線Ｂは接合部１０４を経由して空隙部１０６の下側を通過する。このように磁束線が分離するのは、接合部１０４と空隙部１０６の境界Ｐが存在するためである。静磁場印加時におけるこのような磁路の相違は、静磁場遮断後における残留磁場に反映される。したがって、残留磁場を構成する磁束の通過経路が急に変化する位置を知ることができれば、接合部１０４の端の位置も推定することが可能となる。ここで、Ａ，Ｂの違いは磁束経路の長さ、すなわち磁路長の違いとなって現われてくる。
図９は、センサコイル４の位置に対する渦電流損失の減衰特性における時定数τ２の分布の関係を表す。鉄鋼板１１０のスポット溶接部近傍に複数のセンサコイル４を配置し、各センサコイル４位置における時定数τ２を測定すると、図９に示すような時定数の急変化点すなわち磁路長の急変化点を求めることが可能である。このような急変化点に基づき図２４に示す接合部１０４の端を推定でき、その結果、スポット溶接部の接合径Ｌ３を推定することが可能となる。
図１０は、本発明の非破壊検査装置Ｘ１を表す。図１１は、図１０の線ＸＩ−ＸＩに沿った断面図である。非破壊検査装置Ｘ１は、静磁場の印加および遮断を伴う上述の測定原理を利用した装置として構成されたものである。非破壊検査装置Ｘ１は、励磁極１０と、これに巻き付けられた励磁コイル２０と、回収極３０と、励磁極１０および回収極３０を接続する連結部４０と、励磁部１０の近傍に配設されたコイルアレイ５０とを備える。
励磁極１０は、励磁コイル２０に電流が流されたときに誘導形成される磁場の磁束密度を高めるための鉄心であり、連結部４０を介して回収極３０と一体である。励磁極１０は、その先端に磁束励出面１１を有する。励磁極１０の胴体部の幅Ｌ７と、磁束励出面１１の幅Ｌ８とは同一である。本実施形態では、幅Ｌ７および幅Ｌ８は、３．０〜５．０ｍｍである。回収極３０の胴体部の幅Ｌ９も、励磁極１０の胴体部の幅Ｌ７と同一であって３．０〜５．０ｍｍである。回収極３０は、その先端に回収面３１を有する。励磁極１０の磁束励出面１１から励出される磁束は、回収面３１にて回収される。回収面３１は、励磁極１０の磁束励出面１１と合同な形状を有する。回収面３１と磁束励出面１１との離隔距離Ｌ１０は、従来よりも短く、本実施形態では１．０〜２．０ｍｍである。
コイルアレイ５０は、複数のループコイル（図１０および図１１において図示略）よりなり、静磁場印加中および遮断後における検査対象部近傍の磁気変化を検知して電圧として出力するためのものである。各ループコイルは、Ｃｕなどの導体材料よりなり、フレキシブル基板５５にパターン形成されている。コイルアレイ５０はフレキシブル基板５５のコイルアレイ形成部５５ａ（斜線箇所）に形成されている。
フレキシブル基板５５は、そのコイルアレイ形成部５５ａが磁束励出面１１に対面するように配設されている。図１２は、フレキシブル基板５５にパターン形成されたコイルアレイ５０を表す。コイルアレイ５０は、磁気センサとしての１６個のループコイル５１ａを一列に配列した第１コイル列５１と、同じく１６個のループコイル５２ａを一列に配列した第２コイル列５２とからなる。コイルアレイ形成部５５ａにて形成されているコイルアレイ５０は、図１０および図１１に示すように、磁束励出面１１の直下において、磁束励出面１１とは所定の間隔をあけて保持され、第１および第２コイル列５１，５２が磁束励出面１１の長手方向に延びるように配設されている。また、コイルアレイ５０は、磁束励出面１１に対して回収極３０の方向に偏移して配設されている。具体的には、本実施形態のコイルアレイ５０は、磁束励出面１１における幅方向中心ａ１から回収極３０に近い側の縁部ａ２までの領域に対向して配設されている。
図１３は、非破壊検査装置Ｘ１を作動させるためのシステムの構成を表す。当該システムは、センサ操作部６０、制御部７０、およびデータ処理部８０を備える。
センサ操作部６０は、センサ出力切換部６１およびバッファアンプ６２を備える。センサ出力切換部６１は、コイルアレイ５０を構成する複数のループコイル５１ａ，５２ａからの出力のうち一つの出力のみを選択してバッファアンプ６２に出力する回路である。センサ出力切換部６１は、４ビットのセンサ出力切換信号Ｓ１に従って、各ループコイル５１ａ，５２ａの出力を順次選択してバッファアンプ６２に出力する。バッファアンプ６２はセンサ出力切換部６１からの出力信号を、検出信号Ｓ２として制御部７０に出力するバッファ回路である。
制御部７０は、データ処理部８０に汎用バス７８を介して接続される制御回路として構成されたものであり、センサ制御部７０ａおよび信号処理部７０ｂを備える。センサ制御部７０ａは、励磁制御部７１およびセンサ出力制御部７２を備える。信号処理部７０ｂは、波形整形部７３、Ａ／Ｄ変換部７４、デュアルポートメモリ７５、Ａ／Ｄ制御部７４ａ、および、メモリ制御部７５ａを備える。制御部７０は、コンピュータの汎用スロットに接続される制御基板に形成されている。
センサ制御部７０ａの励磁制御部７１は、励磁コイル２０に対して、所定強度の静磁場の発生および遮断を行うための駆動信号Ｓ３を出力する。すなわち、励磁制御部７１は、励磁コイル２０に対して所定の電圧の印加および遮断を行う。センサ出力制御部７２はコイルアレイ５０に含まれる複数のループコイル５１ａ，５２ａからの出力を順次選択するための４ビットのセンサ出力切換信号Ｓ１を、センサ出力切換部６１に出力する。
信号処理部７０ｂの波形整形部７３は、バッファアンプ６２からの検出信号Ｓ２をＡ／Ｄ変換部７４の入力仕様に整合させる。Ａ／Ｄ変換部７４は、入力された検出信号をＡ／Ｄ変換する。デュアルポートメモリ７５は、Ａ／Ｄ変換後のデジタルデータを記憶する。Ａ／Ｄ制御部７４ａは、Ａ／Ｄ変換部７４のタイミングを制御する。メモリ制御部７５ａは、デュアルポートメモリ７５の書き込み／読み出しを制御する。
検出信号Ｓ２の過渡変化特性のうち、渦電流損失の影響が顕著に現れるのは、検査対象が鉄鋼板の場合には、静磁場遮断後１０μｓ程度以下（平均３〜６μｓ程度）である。この事実と、データ処理精度とを考慮すると、Ａ／Ｄ変換部７４は、４Ｍｓｐｓ以上の変換速度、および、１２ビット以上の変換精度を有するのが好ましい。
データ処理部８０は、図示しないＣＰＵやメインメモリを備える一般的なコンピュータにより実現される。データ処理部８０では、センサ操作部６０から出力されて信号処理部７０ｂによって信号処理された検出データを処理することによって、スポット溶接部のナゲット径が求められる。データ処理部８０は、種々の測定波形および測定データテーブルを表示するためのモニタを備える。後述する種々のデータ処理は、データ処理部８０において、メインメモリ（記憶媒体）に記憶されたコンピュータプログラムをＣＰＵが実行することによって実現される。
次に、図１３および図１４ａ〜図１４ｃを参照して、非破壊検査装置Ｘ１により実行可能な検査の一例を説明する。
まず、静磁場の印加および遮断について説明する。上述のように、図１３に示す励磁制御部７１から駆動信号Ｓ３を出力することによって、励磁コイル２０による静磁場の発生および遮断が制御される。静磁場の印加に際しては、まず、高速に静磁場を発生させるため、図１４ａに示すように、駆動信号Ｓ３を期間Ｔ１において高電圧信号Ｖ１とする。次に、測定対象内の磁束密度を安定させるために必要な期間Ｔ２において、駆動信号Ｓ３を低電圧信号Ｖ２とする。その後、静磁場を遮断するため、遮断時間Ｔ３で駆動信号Ｓ３を遮断する。遮断時間Ｔ３は、検査対象部が鉄鋼板の場合、例えば約３〜６μｓであるのがよい。図１４ｂは、このような駆動信号Ｓ３すなわち電圧印加に応じて形成される静磁場の磁束密度の時間変化を表す。
次に、磁気変化測定について説明する。静磁場の発生および遮断の過程において、測定対象近傍の磁束変化を、非破壊検査装置Ｘ１のコイルアレイ５０で測定する。まず、センサ出力制御部７２からセンサ出力切換信号Ｓ１を出力し、コイルアレイ５０の中からループコイル５１ａ，５２ａを一つ選択する。次いで、上述したように静磁場の印加および遮断を行い、当該選択されたループコイル５１ａ，５２ａからの出力電圧を検出する。図１４ｃは、こうして得られた一つのループコイルの出力変化を示している。この出力電圧の変化は、磁束密度の時間微分の変化に相当する。この出力は、検出信号Ｓ２として信号処理部７０ｂで信号処理される。そして、全てのループコイル５１ａ，５２ａについて、順次、このような磁束変化の測定を行う。なお、信号処理部７０ｂでは、検出信号Ｓ２が、Ａ／Ｄ変換部７４により、変換速度４Ｍｓｐｓで１２ビットのデジタルデータに変換されて、デュアルポートメモリ７５に記憶される。
このようにして、各ループコイル５１ａ，５２ａについての測定データが得られた後に、図１３に示すデータ処理部８０において、デュアルポートメモリ７５に記憶された各ループコイル５１ａ，５２ａの検出データについてデータ処理し、ナゲット径などの特定に必要なデータを求める。
図１５は、上述の測定動作において、非破壊検査装置Ｘ１によってスポット溶接部に対して静磁場Ｆ２を印加した状態を表す。本発明の非破壊検査装置Ｘ１では、フレキシブル基板５５のコイルアレイ形成部５５ａにパターン形成されたコイルアレイ５０は、励磁極１０の磁束励出面１１に対して回収極３０の方向へ偏移して配設されている。具体的には、本実施形態のコイルアレイ５０は、磁束励出面１１における幅方向中心ａ１から回収極３０に近い側の縁部ａ２までの領域に対向して配設されている。励磁された磁束は、回収極３０へ向かう成分すなわちスポット溶接部におけるナゲット部１０２およびその近傍を通過する成分と、反対方向へ向かう成分とに分かれて磁束励出面１１から励出するが、コイルアレイ５０が磁束励出面１１に対して回収極３０の方向へ偏移して設けられているため、コイルアレイ５０は、ナゲット部１０２を通過する磁束の磁束変化を良好に追跡することができる。その結果、Ｓ／Ｎ比が向上し、信頼性の高い検査結果を得ることが可能となるのである。
また、非破壊検査装置Ｘ１では、磁束励出面１１の幅Ｌ８が、励磁極１０の胴体部の幅Ｌ７と同一であって、３．０〜５．０ｍｍである。そのため、静磁場印加時において、磁束は、従来よりも広面積で磁束励出面１１から励出し、その結果、検査対象部を良好に磁化することが可能となっている。
また、非破壊検査装置Ｘ１では、励磁極１０の磁束励出面１１と回収極３０の回収面３１とが合同な形状、従って同一面積とされている。そのため、磁束励出面１１から励出される全磁束の磁束密度と、回収面３１へ回収される全磁束の磁束密度とが略同一となり、安定した静磁場Ｆ２を形成することができるのである。
また、非破壊検査装置Ｘ１では、磁束励出面１１と回収面３１との離隔距離Ｌ１０は、従来よりも短く１．０〜２．０ｍｍである。そのため、静磁場遮断時において、残留磁場がナゲット部１０２以外の部位を通過する距離が従来よりも短くて済み、残留磁場の消失過程においてノイズが入りにくい。その結果、ナゲット部１０２に関して、精度およびＳ／Ｎ比の観点より良好な情報を得ることが可能となる。
また、非破壊検査装置Ｘ１では、コイルアレイ５０は、磁束励出面の幅方向に並べられた２列のコイル列５１，５２よりなる。そのため、図１５に示すように、検査対象部の深さ方向において、より広く又は高解像度で磁気変化を検出することが可能となっている。
次に、非破壊検査装置Ｘ１によりナゲット径を求める方法を説明する。まず、第１コイル列５１に含まれる全てのループコイル５１ａ、または、第２コイル列５２に含まれる全てのループコイル５２ａからの検出信号Ｓ２に基づいて、各ループコイル位置における合計１６個のτ１を求める。各ループコイル位置に対する時定数τ１の変化データは、横軸をコイル位置として縦軸をτ１とすると、ステップ関数として表される。このステップ関数について、最小二乗法により近似曲線ｆ（ｘ）を求める。このとき、近似曲線の近似精度を考慮して６次以上の近似式とすることが好ましい。ただし、６次以上に限定されるものではなく、近似される波形形状によっては５次以下でもよい。τ１の急変点は、当該近似曲線ｆ（ｘ）において変曲点として表れるので、近似曲線の１階微分ｆ’（ｘ）および２階微分ｆ”（ｘ）を求める。図１６は、上述の２階微分ｆ”（ｘ）すなわち解析グラフの一例を表す。ｆ”（ｘ）＝０の解のうちｆ’（ｘ）に代入した場合に最大および最小を示す解β１およびβ２を求める。これらβ１およびβ２の位置が、ナゲット部における金属組成変化の影響によりτ１が急変する位置である。したがって、ナゲット径Ｌ２は下式（１０）から求めることができる。接合径Ｌ３は、各ループコイル位置に対する時定数τ２の変化データより、インデテーション径Ｌ１は、静磁場印加時における静磁束密度の変化データより、上述と同様にして、求めることが可能である。
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次に、非破壊検査装置Ｘ１によりナゲット径を求める他の方法を説明する。単一のコイル列に含まれるループコイルの位置に対する一連のτ１のデータから得られる近似曲線ｆ（ｘ）の２階微分ｆ”（ｘ）は、上述のように図１６のような形状を有する。一方、スポット溶接部において、ナゲット部１０２と、圧着部１０３と、母材１０５との間には、磁化力ないし磁場Ｈに応じて生じる磁束密度Ｂについて、一般に、おおよそ図１７に掲げるグラフに示される関係があることが実験的に求められる。ｄＢ／ｄＨ、すなわち図１７のグラフにおける傾きは、透磁率μに相当する。図１７のグラフでは、磁場Ｈ１および磁場Ｈ２において、ナゲット部１０２の透磁率μは殆ど変化しない。これに対し、圧着部１０３および母材１０５の透磁率μは、磁場がＨ１からＨ２に増大するにつれて大きな値をとるようになる。τ１は、上述の測定原理におけるインダクタンスＬ１に比例し、Ｌ１は、Ｌ１の通る部位の透磁率μに比例するので、τ１は透磁率μに比例する。したがって、τ１の変化率は、透磁率μの変化率と同一であり、τ１の分布関数を求めることは透磁率μの分布関数を求めることに相当する。
そこで、非破壊検査装置Ｘ１を用いて、第１コイル列５１または第２コイル列５２において、電源電圧を適切に調節してＨ１の静磁場を印加した場合とＨ２の静磁場を印可した場合の２連の測定を行う。ただし、Ｈ１およびＨ２は、図１７に示すグラフのそれらと同様にナゲット部１０２の透磁率μを殆ど変化させない磁場とする。各磁場Ｈ１，Ｈ２に基づいたτ１についての２つの解析グラフ（近似曲線の２階微分曲線）を求めると、図１８に示すように、当該２つのグラフにおいて、重なる部分ないし平行を成す部分β３−β４が存在する。ただし、図１８のグラフにおける横軸は、図１６のそれとは異なる位置にとっている。図１８の２つの解析グラフは、スポット溶接部におけるβ３−β４部分では、磁場が変化しても透磁率が大きく変化していないことを示す。そして、他の部分は、磁場の変化に起因して透磁率が大きく変化していることを示す。すなわち、検査対象部の部材表面からの同一深さにおいて、β３−β４部分がナゲット部１０２に相当し、これ以外の部分が圧着部１０３および母材１０５に相当するのである。このβ３−β４間の距離をナゲット径Ｌ２と認定すると、単一の解析グラフに基づきナゲット径Ｌ２を推定するよりも、より正確にナゲット径を推定できることが実験的に確認されている。したがって、このような方法によると、スポット溶接部の溶接状態の良否において、信頼性の高い検査を行うことが可能となる。
上述のいずれかのナゲット径測定方法を２つのコイル列５１，５２の各々において同時に実行すると、ナゲット部１０２に関して、より多くの情報を得ることが可能である。
図１９は、ナゲット部１０２が例えば図２０に示すように厚い場合に、コイル列５１，５２の各々から一連のτ１測定により得られる２つの解析グラフ（近似曲線の２階微分曲線）を表す。グラフＧ１は第１コイル列５１による検出から得られたものであり、グラフＧ２は第２コイル列５２による検出から得られたものである。グラフＧ１に基づいて推定されるナゲット部１０２に関する寸法をＬａ１とし、グラフＧ２に基づいて推定されるナゲット部１０２に関する寸法をＬｂ１とする。一方、図２１は、ナゲット部１０２が例えば図２２に示すように薄い場合に、コイル列５１，５２の各々から一連のτ１測定により得られる２つの解析グラフ（近似曲線の２階微分曲線）を表す。グラフＧ１’は第１コイル列５１による検出から得られたものであり、グラフＧ２’は第２コイル列５２による検出から得られたものである。グラフＧ１’に基づいて推定されるナゲット部１０２に関する寸法をＬａ２とし、グラフＧ２’に基づいて推定されるナゲット部１０２に関する寸法をＬｂ２とする。図２２に示すようにナゲット部１０２が薄いと、第１コイル列５１のループコイル５１ａを通過する磁束はナゲット部１０２を殆ど通過しない場合があり、そのときのＬａ２は、図２１に示すように、極めて小さいか或は０である。
例えばパラメータとしてＬａ１／Ｌｂ１およびＬａ２／Ｌｂ２に着目すると、これらの値はナゲット部１０２の形状に応じて異なる場合が多い。第２コイル列５２による検出から得られる寸法情報Ｌｂ１，Ｌｂ２が近似している場合であっても、寸法情報Ｌａ１，Ｌａ２が有意に異なれば、パラメータＬａ１／Ｌｂ１，Ｌａ２／Ｌｂ２は相互に有意に異なるのである。この相違は、ナゲット部１０２の厚みに関する情報を反映する。
このように、非破壊検査装置Ｘ１によると、２つのコイル列５１，５２を協働させて検査を実施することにより、より多くの情報を得ることができ、ひいては、ナゲット径Ｌ２などについてより正確な推定を行うことが可能となる。
以上、本発明について、スポット溶接部の非破壊検査装置および非破壊検査方法を例に挙げて説明した。本発明は、これに限らず、鉄鋼などの磁性体部材の内部欠陥、硬度、作用応力などを非破壊の状態で測定および検査する装置および方法にも適用できる。また、非破壊検査方法については、グラフを掲げて視覚的な概念を説明したが、種々のデータ処理ないし解析は、各グラフに相当する関数に基づく演算処理によりを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、静磁場の印加および遮断を利用して非破壊検査を実行するための装置の概略構成と、当該装置の動作とを表す概念図である。
図２は、静磁場の印加および遮断を利用して非破壊検査を実行するための装置の概略構成と、当該装置の動作とを表す別の概念図である。
図３は、静磁場遮断後における磁束の閉ループの消失過程モデルを表す。
図４は、図３の渦流電流についての等価回路を表す。
図５は、図４における磁束密度の閉ループを磁気等価回路に置き換えたものである。
図６は、静磁場を遮断した直後に単一のセンサコイルを通過する磁束の閉ループを表す。
図７ａ〜図７ｄは、本発明に係る非破壊検査における各物理量の過渡変化を表す。
図８は、スポット溶接部における接合部の端部近傍の磁束の状態を表す。
図９は、センサコイルの配設位置に対する、渦電流損失の減衰特性における時定数τ２の分布の関係を表す。
図１０は、本発明に係る非破壊検査装置の斜視図である。
図１１は、図１０の線ＸＩ−ＸＩに沿った断面図である。
図１２は、フレキシブル基板にパターン形成されたコイルアレイを表す。
図１３は、図１０に示す非破壊検査装置を作動するためのシステムの構成を表す。
図１４ａ〜図１４ｃは、各々、図１０に示す非破壊検査装置の作動時における、印加電圧変化、磁束密度変化、および、出力電圧変化（微分磁束密度変化）を表す。
図１５は、図１０に示す非破壊検査装置による静磁場印加状態を表す。
図１６は、τ１に基づいて求められる解析グラフ（近似曲線の２階微分曲線）を表す。
図１７は、スポット溶接部を構成する各部位の、印加磁場に対する磁束密度を表す。
図１８は、本発明に係る非破壊検査方法において求められた２つの解析グラフを表す。
図１９は、本発明に係る非破壊検査装置の２つのコイル列を協働させた場合の検出結果の一例を表す。
図２０は、図１９に示すような検出結果が得られるときのスポット溶接部断面の一例を表す。
図２１は、本発明に係る非破壊検査装置の２つのコイル列を協働させた場合の検出結果の他の例を表す。
図２２は、図２１に示すような検出結果が得られるときのスポット溶接部断面の一例を表す。
図２３は、スポット溶接を表す図である。
図２４は、スポット溶接された２枚の金属板におけるスポット溶接部の断面図である。
図２５は、従来の非破壊検査装置を表す。
図２６は、図２５の線ＸＸＶＩ−ＸＸＶＩに沿った断面図を含む図である。
【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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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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１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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