(57)【要約】【課題】電気絶縁性被膜を除去することなく、その上から電位差法による非破壊検査を可能とすることで、検査の省力化、簡素化、高速化を図る。【解決手段】交流電流を流す誘導コイル１２と誘起電圧を検出する検出コイル１４とが重ねて空間に配置され、検出コイルはその巻線の半分ずつで巻き方向が互いに逆となり差動型コイルを形成するようにし且つそれら両方のコイル部分の誘導コイルと作用する巻線長さを等しくする。この電磁誘導プローブ１０を導電性を有する被検査試料１６に当接し、誘導コイルに交流電流を供給することにより被検査試料に電磁誘導による電流を流し、被検査試料に流れる電流からの誘導起電力を検出コイルで検出する。健全な基準試料に検出コイルを当接したときに誘導される電圧の逆数の実数成分と被検査試料に検出コイルを当接したときに誘導される電圧の逆数の実数成分の比を求める。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電位差法により非破壊検査を行う際に使用する計測用プローブにおいて、交流電流を流す誘導コイルと誘起電圧を検出する検出コイルとが重ねて空間に配置され、該検出コイルはその巻線の半分ずつで巻き方向が互いに逆となり差動型コイルを形成するようにし且つそれら両方のコイル部分の前記誘導コイルと作用する巻線長さが等しく設定されていることを特徴とする電位差法用電磁誘導プローブ。
【請求項２】
巻芯の巻軸に直交する側面中央に貫通孔を設け、誘導コイルは該巻芯の外周を一方向に巻き付け、検出コイルは前記貫通孔を通して８の字状に巻芯の外周に巻き付けた請求項１記載の電位差法用電磁誘導プローブ。
【請求項３】
巻芯の巻軸に直交する側面中央に貫通孔を設け、誘導コイルは該巻芯の外周を一方向に巻き付け、検出コイルは前記貫通孔を通して半分ずつ両側で巻き方向が逆になるように巻芯の外周に同じ回数ずつ巻き付けた請求項１記載の電位差法用電磁誘導プローブ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電位差法用電磁誘導プローブを導電性を有する被検査試料に当接し、その誘導コイルに交流電流を供給することにより被検査試料に電磁誘導による電流を流し、被検査試料に流れる電流からの誘導起電力を検出コイルで検出するようにし、健全な基準試料に検出コイルを当接したときに誘導される電圧の逆数の実数成分と被検査試料に検出コイルを当接したときに誘導される電圧の逆数の実数成分の比を求めることにより非破壊検査を行うことを特徴とする検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気絶縁性被膜の上からでも電位差法による欠陥検査等を可能とする非破壊検査技術に関し、更に詳しく述べると差動型の検出コイルを組み込んだ電位差法用電磁誘導プローブ及びそれを用いる検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非破壊検査技術の一つに電位差法がある。これは、金属等の導電性の被検査試料に一定電流を流し、それによる電圧降下の変化を電極で検出・測定する方法であり、これによって被検査試料の欠陥や材料に関する様々な情報を得ることができる。例えば、亀裂等の欠陥検査では亀裂や欠陥の検出と大きさの計測、物性検査では導電率の測定とそれに関連する物性値の計測、寸法検査では線材や板材の寸法測定あるいは切欠き等の寸法測定に利用されている。
【０００３】
被検査試料への電流供給方法としては、被検査試料に直接電線を接続して通電する方法と、電磁誘導を利用して通電する方法がある。しかし、いずれの場合でも、電圧降下による電位差の計測は、被検査試料に直接取り付けた電極を用いて行われている。従って、被検査試料の表面が酸化被膜や塗料等の電気絶縁性被膜で覆われている場合には、何らかの方法によりその被膜を除去して、被検査試料自体に直接接触するように電極を取り付ける必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来技術では被検査試料の表面を覆っている電気絶縁性の被膜を除去して、被検査試料自体に直接接触するように電極を取り付けなければならないため、作業性が悪く、高速検査が行えない欠点があった。また、被膜除去に伴う研磨や薬品処理のため、製品（被検査試料）に悪影響を及ぼす恐れがある。更に、電極位置の選定・調整などに熟練作業を必要とし、測定のばらつきが大きい欠点がある。
【０００５】
本発明の目的は、電気絶縁性被膜を除去することなく、その上から電位差法による非破壊検査を可能とすることで、検査の省力化、簡素化、高速化を図り、製品への悪影響を無くし、未熟練者でも確実に且つ容易に検査作業を行うことができるように工夫した電位差法用電磁誘導プローブ及びそれを用いる検査方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電位差法により非破壊検査を行う際に使用する計測用プローブにおいて、交流電流を流す誘導コイルと誘起電圧を検出する検出コイルとが重ねて空間に配置され、該検出コイルはその巻線の半分ずつで巻き方向が互いに逆となり差動型コイルを形成するようにし且つそれら両方のコイル部分の前記誘導コイルと作用する巻線長さが等しく設定されていることを特徴とする電位差法用電磁誘導プローブである。
【０００７】
ここで、巻芯の巻軸に直交する側面中央に貫通孔を設け、誘導コイルは該巻芯の外周を一方向に巻き付け、検出コイルは前記貫通孔を通して８の字状に巻芯の外周に巻き付けた構成が好ましい。あるいは、巻芯の巻軸に直交する側面中央に貫通孔を設け、誘導コイルは該巻芯の外周を一方向に巻き付け、検出コイルは前記貫通孔を通して半分ずつ両側で巻き方向が逆になるように巻芯の外周に同じ回数ずつ巻き付ける構成などでもよい。
【０００８】
また本発明は、このような電位差法用電磁誘導プローブを導電性を有する被検査試料に当接し、その誘導コイルに交流電流を供給することにより被検査試料に電磁誘導による電流を流して、被検査試料に流れる電流からの誘導起電力を検出コイルで検出するようにし、健全な基準試料に検出コイルを当接したときに誘導される電圧の逆数の実数成分と被検査試料に検出コイルを当接したときに誘導される電圧の逆数の実数成分の比を求めることで抵抗比を算出し、その分布を求める検査方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る非破壊検査方法の計測原理を示す説明図である。電位差法用の電磁誘導プローブ１０は、交流電流を流す誘導コイル１２と誘起電圧を検出する検出コイル１４とが重ねて空間に配置され、該検出コイル１４は、８の字状に巻き回され、巻線の半分ずつで巻き方向が互いに逆となり差動型コイルを形成するように構成されている。
【００１０】
周知のように、２つのコイルを重ねて空間に配置し、一方のコイルに交流電流を流すと、電磁誘導により他方のコイルには電圧が誘起される。ところが、図１に示すように、一方のコイル（誘導コイル１２）はそのままとするが、他方のコイル（検出コイル１４）を８の字状にねじり、８の字となる半分ずつのコイル部分（上半分と下半分）が電源側の誘導コイル１２と作用する巻線長さが互いに等しくなるようにすると、誘導コイル１２に交流電流を流しても検出コイル１４の端子間には電圧は誘起されない。これは、８の字状にねじった片方ずつのコイル部分の誘導起電力が逆向きとなるために互いに打ち消し合って、端子電圧として現れないためである。
【００１１】
本発明は、このことを利用して電位差法用の電磁誘導プローブ１０を構成しているのである。ここで図１に示すように、ねじった検出コイル１４の片方のコイル部分に試料（金属等の導電性の物体）１６を近づけると、誘導コイル１２に流れる電流Ｉ１　による誘導起電力に加えて、試料１６に流れる電流Ｉ２　からの誘導起電力が検出コイル１４に重畳されるので、検出コイル１４の誘導起電力のバランスが崩れて電圧Ｅ３　が発生する。
【００１２】
この電磁誘導プローブ１０を試料１６に近づけた状態での計測系の等価回路を図２に示す。図２において、Ｉは電流、Ｅは電圧、Ｒは抵抗、Ｌは自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンスを表している。添字は、「１」が定電流電源と誘導コイルの回路、「２」が試料を流れる電流の回路、「３」が検出コイルと計測器の回路を表している。相互インダクタンスは対応するそれぞれの回路の添字を付けている。また、ｊは√−１、ωは周波数ｆの正弦波交流電流の角周波数（＝２πｆ）であり、Ｉ，Ｅはベクトル量である。
【００１３】
試料１６に流れる電流Ｉ２　は、誘導コイル１２に流れる電流Ｉ１　、誘導コイル１２と試料１６の相互インダクタンスＭ１２、及びそれぞれの自己インダクタンスＬ１　，Ｌ２　と抵抗Ｒによって決まる。また、試料１６を流れる電流Ｉ２　によって検出コイル１４に誘起される電圧Ｅ３　は、試料１６の電流Ｉ２　、試料１６と検出コイル１４の相互インダクタンスＭ２３及びそれぞれの自己インダクタンスＬ２　，Ｌ３　と抵抗Ｒによって決まる。検出コイル１４に接続する電圧計は、一般に極めて高いインピーダンスになっているので、この回路に流れる電流Ｉ３　は無視できる。更に、誘導コイル１２と検出コイル１４の間の相互インダクタンスＭ１３は、これを打ち消すように検出コイル１４をねじっているのでこれも無視できる。
【００１４】
そこで図２に示す等価回路において、正弦波の一定電流Ｉ１　を誘導コイル１２に流した場合に検出コイル１４に誘起される電圧Ｅ３　を求めると、次のように表すことができる。
Ｅ３　＝ｊωＭ２３Ｉ２　　　…（１）
ここで、試料１６を流れる電流Ｉ２　は、
Ｉ２　＝ｊωＭ１２Ｉ１　／（Ｒ＋ｊωＬ２　）　　…（２）
である。従って（１）式に（２）式を代入すると、
Ｅ３　＝−ω２　Ｍ１２Ｍ２３Ｉ１　／（Ｒ＋ｊωＬ２　）　　…（３）
となって、検出コイル１４に誘起される電圧Ｅ３　と試料１６中の抵抗Ｒまたは自己インダクタンスＬ２　との関係を示すことができる。一定周波数で制御された交流定電流電源により電流を供給すれば、誘導コイル１２の電流Ｉ１　及び周波数ｆは定数と見なすことができ、相互インダクタンスＭ１２とＭ２３は電磁誘導プローブ１０と試料１６との位置関係を一定に保持すれば定数と見なすことができる。それ故、検出コイル１４に誘起される電圧Ｅ３　は、試料１６の抵抗Ｒと自己インダクタンスＬ２　によるリアクタンスωＬ２　とのベクトル和に関連づけて表すことができる。また抵抗ＲとリアクタンスωＬ２　は位相が９０度ずれているのでそれぞれを分離して計測することが可能である。通常、電位差法で亀裂を跨ぐ電流によって亀裂深さを計測する場合には、試料の亀裂深さが増すとそれによる電圧降下も大きくなる。しかし、本発明に係る電磁誘導プローブでは、試料の抵抗が増加すると検出コイルに誘起される電圧が低下する。
【００１５】
ところで、検出コイル１４に誘起される電圧の逆数の実数成分（１／Ｅ３　）Ｒ　は、次のように表すことができる。
（１／Ｅ３　）Ｒ　＝−Ｒ／（ω２　Ｍ１２Ｍ２３Ｉ１　）　　…（４）
ここで、前述の通り誘導コイル電流、周波数、相互インダクタンスが一定と仮定する。基準試料（欠陥の無い試料）に検出コイルを当てたときに誘導される電圧の逆数の実数成分を基準として、被検査試料に検出コイルを当てたときに誘導される電圧の逆数の実数成分との比を求めると、それは次のように試料の抵抗比に等しくなる。
（１／Ｅ３Ｘ）Ｒ　／（１／Ｅ３０）Ｒ　＝ＲＸ　／Ｒ０　　　…（５）
ここで、（１／Ｅ３０）Ｒ　は抵抗Ｒ０　の基準試料に検出コイルを当てたときに誘起される電圧の逆数の実数成分、（１／Ｅ３Ｘ）Ｒ　は抵抗ＲＸ　の被検査試料に検出コイルを当てたときに誘起される電圧の逆数の実数成分である。（５）式は、電圧の逆数の実数成分を使うことによって抵抗の比を求めることができ、本発明の電磁誘導プローブで交流電位差法と同様の検査が可能であることを示している。
【００１６】
なお、試料の自己インダクタンスによる影響が小さい場合（即ち（３）式のωＬ２　が小さい場合、周波数が数百Ｈｚ以下）は、（５）式を次のように簡略化することが可能である。
Ｅ３０Ｒ　／Ｅ３ＸＲ　≒ＲＸ　／Ｒ０　　　…（６）
ここで、Ｅ３０Ｒ　は抵抗Ｒ０　の基準試料に検出コイルを当てたときに誘起される電圧の実数成分、Ｅ３ＸＲ　は抵抗ＲＸ　の被検査試料に検出コイルを当てたときに誘起される電圧の実数成分である。
【００１７】
【実施例】
本発明に係る電磁誘導プローブの一実施例を図３に示す。ここで電磁誘導プローブ２０は、矩形平板状の巻芯２２を用い、該巻芯２２の外周に誘導コイル１２と検出コイル１４を巻き回した例である。この場合には、図示のように電磁誘導プローブ２０を立てて、コイルの１辺（例えば図３の下面）を試料（図示せず）に沿わせるようにして計測する。
【００１８】
巻芯２２は全体として矩形平板状をなし、その対向する主面（面積の広い面）が巻枠となって狭幅の外周面よりも外側にやや張り出していて、外周面のうちの対向する２つの側面間を貫通するように側面中央位置に貫通孔２４が形成されている形状である。従って主面に垂直な中心軸が巻軸となり、巻線は、凹溝となっている外周部に施される。巻芯２２の材質は、アクリル樹脂や塩化ビニル樹脂などのプラスチック材料、あるいはアルミナや窒化ホウ素あるいは窒化アルミニウムなどのセラミックス材料などからなり、使用する周波数の範囲内で電磁気的に透明なものが使用できる。
【００１９】
誘導コイル１２は、銅線やアルミニウム線のような良導体の絶縁電線を巻線に使用し、巻芯２２の外周に沿って数回巻き付ける。絶縁電線は単線であっても撚り線であってもよい。巻線の太さと巻数は、交流定電流電源の容量と試料に誘起したい電流値とを勘案して決める。誘導コイルと試料が電磁気的に完全に結合していれば、誘導コイルの電流と巻数の積に相当する電流が試料に流れる。検出コイル１４も、銅線やアルミニウム線のような良導体の絶縁電線を巻線に使用し、巻芯２２の外周に沿って巻き付けるが、途中で中央の貫通孔２４を通して巻き回し方向を変えることにより、誘導コイル１２のコイル面内で８の字状になるようにする。このようにして検出コイル１４は、その巻線の半分ずつで巻き方向が互いに逆となり差動型コイルを形成するようにし、且つそれら両方（上半分と下半分）のコイル部分の前記誘導コイル１２と作用する巻線長さは等しく設定する。試料に流れる電流が一定とすれば、検出コイル１４に誘起される電圧は検出コイル１４の巻数に比例するので、巻数を多くした方が高い電圧を誘起できる。誘導コイル１２と検出コイル１４のリード線は、互いに電磁気的に干渉しないように処置する必要がある。そのためには、それぞれのリード線同士を撚り合わせて誘導コイルのリード線から検出コイルのリード線への誘起起電力の不平衡分を打ち消す方法が簡便で好ましい。
【００２０】
なお、図３の例では、巻芯を使用し、それに巻線を施してコイルを形成しているが、巻芯を使わずにコイルを形成することもできる。その場合、コイル形状を保つために樹脂でモールドするなどの対策をするのが好ましい。また、検出コイルは、貫通孔の両側（上半分と下半分）をそれぞれ同じ巻き回数になるように１本の電線で巻き、巻き方向が逆になるようにすることにより、差動コイルを構成してもよい。
【００２１】
図４に、この電磁誘導プローブ２０を使用した検査システムの構成例を示す。誘導コイル１２は、発振器３０で制御された交流定電流増幅器４２の出力に接続される。その電源側回路に挿入した抵抗３４の両端の電圧降下をデジタルマルチメータ３６で検出することにより電流をモニタしている。他方、検出コイル１４は、１：１００の増幅トランス３８を介して２位相ロックイン増幅器４０に接続される。電源側の交流電流による参照信号と検出コイルからの検知信号が２位相ロックイン増幅器４０に入力し、検出信号値が計測される。なお、オシロスコープ４２は波形モニタ用である。電磁誘導プローブ２０の底辺部を試料１６の表面に沿って位置を変えて計測を行う。
【００２２】
本発明により検査を行う場合は、健全な試料（亀裂やスリットの無いもの）を基準試料、既知の試料（既知の寸法のスリットを加工した試料、既知の材質、既知の寸法など）を標準試料として用意し、基準試料と標準試料との抵抗比に対する標準試料の関係を求め、それと同一条件で被検査試料を測定した時の基準試料に対する抵抗比から被検査試料の状態を測定・検査する。
【００２３】
例えば、板に発生した亀裂の深さを計測する場合には、以下の手順で行う。
（ａ）この板（被検査試料）と同一形状（十分に広い板であれば、板厚が同一であればよい）、同一材質の板に異なる寸法のスリットを加工したもの（標準試料）を数種類用意する。また、スリットの無いもの（基準試料）も用意する。
（ｂ）電流値、周波数を一定にして、基準試料に電磁誘導プローブを当て、そのときの電圧値（絶対値Ｅ０　と供給した電流に対する位相θ０　）を計測する。
（ｃ）絶対値の逆数にｃｏｓθ０　を掛け、電圧の逆数の実数成分（１／Ｅ０　）・ｃｏｓθ０　＝（１／Ｅ０　）Ｒ　を求める。または絶対値をｃｏｓθ０　で割り、Ｅ０　／ｃｏｓθ０　を求める。
（ｄ）各標準試料のスリット部に電磁誘導プローブを当て、その時の電圧値を順次測定し、上記（ｃ）と同様に電圧の逆数の実数成分（１／ＥＳ　）・ｃｏｓθＳ　＝（１／ＥＳ　）Ｒ　を求める。または、ＥＳ　／ｃｏｓθＳ　を求める。
（ｅ）次の計算を行い、それぞれの深さのスリットについて抵抗比を求める。
〔（１／ＥＳ　）・ｃｏｓθＳ　〕／〔（１／Ｅ０　）・ｃｏｓθ０　〕＝（Ｅ０　・ｃｏｓθＳ　）／（ＥＳ　・ｃｏｓθ０　）＝ＲＳ　／Ｒ０
または、
（Ｅ０　／ｃｏｓθ０　）／（ＥＳ　／ｃｏｓθＳ　）＝（Ｅ０　・ｃｏｓθＳ　）／（ＥＳ　・ｃｏｓθ０　）＝ＲＳ　／Ｒ０
（ｆ）ＲＳ　／Ｒ０　とスリット深さの関係を求める（相関グラフ上に校正曲線を引くか、最小自乗法により相関の近似式を求める）。
（ｇ）亀裂のある板（被検査試料）にプローブを当て、その時の電圧と位相から電圧の逆数の実数成分（１／ＥＸ　）・ｃｏｓθＸ　またはＥＳ　／ｃｏｓθＸ　を求める。
（ｈ）上記の（ｅ）と同様にして（添え字ｓをｘに置き換える）ＲＸ　／Ｒ０　と等しいＲＳ　／Ｒ０　のときのスリット深さを亀裂深さとする。
【００２４】
本発明方法においても、従来の電位差法と同様、基本的には測定の都度校正を行う必要がある。但し、同一条件（電流値、周波数、試料形状、同一プローブなど）の場合には一度校正を行っておけば、その校正曲線または校正式を使って校正を行うことができる。
【００２５】
この検査システムを用いて、金属の表面に発生した実際の亀裂を計測した結果を図５〜図８に示す。この計測は亀裂面から行い、誘導コイルに流した電流の周波数は１７０Ｈｚである。亀裂中心から両側６０ｍｍずつの範囲にわたって計測を行った。図５は絶対値の分布を、図６は抵抗成分の分布を、図７は抵抗比の分布を、それぞれ表している。また図８は、本発明方法による探傷結果と超音波探傷結果の比較である。亀裂中心位置の深さで校正したものであるが、両者は極めてよく一致しており、本発明方法が有効であることが示されている。
【００２６】
本発明による電磁誘導プローブの形状は、上記の実施例に限られるものではない。例えば、２つの同一形状の巻芯のそれぞれに誘導用巻線と検出用巻線を同様に巻き、それぞれの誘導用巻線同士、検出用巻線同士を接続した形状としてもよい。但し、片方の巻芯に巻いた誘導用巻線と検出用巻線の極性（巻き方向）がもう一方の巻芯に巻いた巻線に対して逆方向となるようにする。これにより、両コイルを空中に置いて誘導用巻線に電流を流したときに、誘導コイルから直接検出コイルに誘起される電圧を相殺することができる。使用するときは、片方のコイルのみを試料に当てればよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は上記のように、誘導コイルと検出コイルとが重ねて空間に配置され、検出コイルはその巻線の半分ずつで巻き方向が互いに逆となり差動型コイルを形成するようにし且つそれら両方のコイル部分の誘導コイルと作用する巻線長さが等しく設定されている電磁誘導プローブであるから、電気絶縁性被膜の上から電位差法による非破壊検査を行うことができる。酸化被膜や塗料などの除去作業が不要となるので、検査作業の省力化、簡素化を図ることができ、高速探傷が可能となる。また、被膜除去に伴う研磨や薬品処理による製品への悪影響を無くすことができる。更には、電極位置の調整などの熟練作業が不要となるので、未熟練者でも作業を確実に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非破壊検査方法の計測原理を示す説明図。
【図２】その電磁誘導プローブの等価回路図。
【図３】本発明に係る電磁誘導プローブの一実施例を示す構造説明図。
【図４】検査装置の構成例を示す説明図。
【図５】測定結果の一例（絶対値の分布）を示すグラフ。
【図６】測定結果の一例（抵抗成分の分布）を示すグラフ。
【図７】測定結果の一例（抵抗比の分布）を示すグラフ。
【図８】本発明方法と超音波探傷法との比較結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１０　電磁誘導プローブ
１２　誘導コイル
１４　検出コイル
１６　試料
【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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