(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（２４）と、
該ハウジングの先端（１８）に取付けられた変形可能な材料のノーズ（２８）と、
該ノーズの外面の上に巻付けられていて、誘起コイル（２０）及び感知コイル（２２）を持つ可撓性ストリップ（２６）と、
前記誘起コイルを電源（２７）に接続し、前記感知コイルを渦電流信号処理装置（２５）に接続する前記感知コイルに対する結合部（３６）と
を有し、
前記ハウジング（２４）は、渦電流プローブの先端が物体の表面と接触するときに信号を発生する接触トリガープローブスイッチ（４０）に接続されており、前記接触トリガープローブスイッチ（４０）が発生する信号によって、当該渦電流プローブの動きを停止し、渦電流の測定を開始する、渦電流プローブ。
【請求項２】
前記可撓性ストリップ（２６）が、誘起コイルと可撓性ストリップの第１の端（３０）にあるコネクタ対の間に１対の導電線（３４）を含む請求項１記載の渦電流プローブ。
【請求項３】
前記可撓性ストリップ（２６）が、前記感知コイルと、前記第１の端と向かい合った可撓性ストリップの第２の端（３０）の間に第２対の導電線（３４）を含む請求項２記載の渦電流プローブ。
【請求項４】
前記可撓性ストリップ（２６）が、前記感知コイルから伸びる導電線の境となるアース遮蔽体（５６）を含む請求項３記載の渦電流プローブ。
【請求項５】
前記ノーズ（２８）の外面が丸くした稜部の形を有する請求項１記載の渦電流プローブ。
【請求項６】
前記ノーズ（２８）がシリコーンゴムで構成される請求項１記載の渦電流プローブ。
【請求項７】
前記ハウジングが、１端に前記接触トリガプローブスイッチ（４０）のフィンガ（４８）を受入れる凹部（４２）を持つ円筒形本体を有する請求項１記載の渦電流プローブ。
【請求項８】
前記凹部（４２）が更にコイルばね（４４）及び前記接触トリガプローブスイッチ（４０）と係合するピストン（４６）を受入れる請求項７記載の渦電流プローブ。
【請求項９】
前記可撓性ストリップ（２６）が、積層された可撓性の２枚の被膜の間に誘起コイル及び感知コイルを挟む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の渦電流プローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の表面に渦電流を誘起して測定することにより、導電材料の表面及び表面下の領域の傷及び厚さを検出する渦電流プローブに関する。本発明は特に、金属及び半導電の材料の表面被覆、表面下のひび割れ及び表面の傷を検出するのに適している。渦電流プローブを使って、金属又は半導電の材料の上にある絶縁被覆の厚さを測定することも出来る。
【０００２】
【従来技術】
渦電流プローブは金属及び半導電の物体の表面を検査する為に使われる。ある用途では、蒸気及びガスタービンのロータ動翼のような金属物体の表面を検査するのに渦電流プローブが用いられる。渦電流プローブは、ロータ動翼を検査する為の非破壊試験を提供する。
【０００３】
渦電流プローブが、検査される金属又は半導電性の物体の表面（又は表面の近く）に適用される。導電面に役に立つ渦電流を誘起する為に、プローブが電磁界を表面に加えて、渦電流を誘起する。この電磁界は渦電流プローブの誘起（駆動）コイルの電流によって発生される。表面に誘起された渦電流は比較的エネルギが弱く、表面の上（又は少なくともその近く）に配置されたプローブによって検出するのが最善である。渦電流プローブ内の感知コイルを表面に当てて配置し、感知コイルの電流が表面渦電流の影響を受けるようにする。表面渦電流の感知コイルの電流に対する影響が、プローブに関連する処理回路によって測定される。絶縁被覆の厚さを測定するには、被覆の下にある導電又は半導電の面上の渦電流を測定する。この渦電流の測定値が、渦電流プローブとこの被覆を持つ部分との間の結合度を表す。このプローブとこの部分との間の結合度は、プローブのコイルと絶縁被覆の下にある導電又は半導電の面との間の距離の関数である。従って、被覆の厚さを、プローブによって測定された渦電流から決定することが出来る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
渦電流プローブを用いて検査される多くの物体は複雑な表面の輪郭を持っている。例えば、ロータ動翼は、捩れた翼形柱体、フランジ及びパイントリー（松の木形）の根元を持っている。渦電流プローブをロータ動翼又はその他の物体の表面の輪郭に当てることは困難であり、ロボット制御の検査器械を用いるときは、特にそうである。渦電流プローブの先端が被検体の表面と同形にならないことがある。渦電流プローブと表面との間に良好な接触が得られないか、又はプローブと表面の間に空隙があると、プローブが、導電又は半導電の面の上に誘起された渦電流を正確に測定することが出来ない。同様に、プローブの先端は、無理に表面に押し当てると、破損することがある。従って、変わった表面形状に順応するのに十分な可撓性をもち、検査される面との衝撃に耐えることが出来る渦電流プローブに対する要望がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
箔ストリップに埋設されていて、プローブのセンサ先端にある変形可能なノーズによって支持された１対の導電コイルを持つ新規な渦電流プローブを開発した。箔ストリップが変形可能なノーズの上に巻付けられて、ストリップ内のコイルを可撓的に支持する。この可撓性により、コイル、ストリップ及びノーズが検査される表面と同形になることが出来ると共に、この表面との衝撃に耐えることが出来る。１対の導電コイルの内、誘起コイル（駆動コイル）が被検体の表面に渦電流を誘起する。他方のコイル（感知コイル）が導電又は半導電の面上の渦電流からの磁束によって誘起された電流を通す。感知コイルの誘起された電流は、表面渦電流を表し、被検体の表面渦電流の強さを測定するのに使われる。
【０００６】
渦電流プローブの箔ストリップが、一緒に積層された可撓性の２枚の被膜の間に誘起コイル及び感知コイルを挟む。コイルは箔ストリップの中心に配置して、被膜の長さに沿って横方向に伸びるワイヤの平行なトラックにより、ストリップの端にある端子に接続することが出来る。箔の中心部分では、各々のコイルは矩形の渦巻形コイルに配置することが出来る。両方のコイルはストリップ内で巣ごもりにすることが出来る。
【０００７】
コイルを埋設した箔ストリップを渦電流プローブの可撓性ノーズに巻付ける。ノーズが被膜及びコイルを支持する柔らかい基部となる。ノーズはシリコーンゴム又はその他の変形可能な材料で形成することが出来る。研削の用途では、切削流体の影響をより受け難いＶＩＴＯＮ（登録商標）のようなゴム材料が必要になることがある。ノーズの基部をプローブハウジングに取付ける。ノーズの外面は丸くした稜部であってもよいし、或いは測定しようとする目的の表面と同形の他の何らかの形を持っていてよい。ノーズを表面に押し付けると、それが変形して、この表面と同形になる。ノーズは弾力性があり、表面から持ち上げると、もとの形に戻る。箔ストリップをノーズに巻付けて、ノーズの外面の上に滑らかにはめる。従って、ノーズが箔及びコイルに対する支持面となり、箔が、別の表面と接触するときに、撓むことが出来るようにする。
【０００８】
渦電流プローブを被検体の表面の上に位置ぎめするとき、プローブのセンサ先端を、ノーズを変形させる位の力で、表面に押し付け、箔とコイルが表面の輪郭と同形になるようにする。コイルが表面と同形になったとき、コイルが表面に渦電流を誘起すると共に、それを測定するのに適切であるように、表面に対して正しく位置ぎめされる。コイルを表面にぴったりと沿わせることにより、コイルは本質的に、表面にすぐ隣接して、コイルと表面の間に空気ポケットがなくなるように位置ぎめされる。誘起コイルが表面にあるから、このコイルの電流は、導電又は半導電の面上に測定可能な渦電流を誘起するのに、比較的控え目にすることが必要である。同様に、感知コイルが表面に接近している為に、表面上の渦電流によって、このコイルは比較的大きな電流を誘起することが出来る。従って、コイルを測定しようとする物体の表面に当ててそれと同形にすることが出来ることは、本発明の渦電流プローブの有利な特徴である。
【０００９】
本発明の渦電流プローブの箔ストリップ及びコイルを表面に直接的に当てることは、１つには、渦電流プローブにある変形可能なノーズの為である。プローブが表面と接触するとき、被膜がプローブのノーズによって表面に対してしっかりと圧接される。ノーズと表面との間の力によってノーズが変形するとき、被膜が表面にぴったりと沿い、こうして被膜ストリップと表面との間に良好な接触をもたらす。従って、変形可能なノーズは、コイルを表面と同形にさせ、渦電流の良好な測定を行うのに役立つ。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はプローブを用いて検査される物体１６、例えばタービン動翼の表面１４上に渦電流１２を誘起して感知する渦電流プローブ１０を示す。渦電流プローブの先端１８が、電源２７からの交流電流を通す誘起コイル２０（又は駆動コイル）を有する。電源からの交流電流が誘起コイル２０を流れて、このコイルを取巻く磁界を発生する。誘起コイルからの磁束が、表面１４上にプローブ先端の近辺に渦電流１２を発生する。
【００１１】
渦電流プローブ１０の先端１８が感知コイル２２を持っている。感知コイルは、被検体の表面の上並びに渦電流プローブの先端部の近辺にある渦電流１２に対して敏感である。渦電流が表面のすぐ近辺の磁界に影響を与える。感知コイル２２は、表面上の渦電流によって発生されたこの磁界の中にある。渦電流からの磁束が感知コイル２２に電流を生ずる。感知コイル内の電流に対する表面渦電流の影響が、渦電流プローブに結合された処理回路２５によって検出される。
【００１２】
渦電流プローブを、座標測定機械又は計算機数値制御（ＣＮＣ）機械により、表面の１つの場所から別の場所へ移動させることが出来る。渦電流プローブが表面の１つの場所から別の場所へ移動するとき、各々の場所で渦電流の測定を行い、それを処理回路２５で解析する。処理回路からの渦電流データが渦電流表示装置２９又はその他の装置に入力され、そこで渦電流データを、そのデータを求めた表面の場所と相関させて評価する。
【００１３】
渦電流プローブ１０内の感知コイル２２の電流が、被検体の表面上の渦電流に関する情報を提供する。渦電流プローブの感知コイルからの電流信号が処理回路によって解析されて、表面の傷を示すかもしれないような、表面のある場所で、渦電流が突然に変化するかどうかに関する情報を発生する。感知コイルからの電流信号は、表面の１つの場所と、表面の別の場所とを比較した渦電流の相対的な大きさに関する情報をも提供する。処理回路が、被検体の表面上のどこで、渦電流が強く、どこで弱いかを示す情報を、報告書、表示画像並びに／又はグラフの形で作成する。
【００１４】
導電面が非導電被覆３１を持つ場合、渦電流は、被覆の下方の導電性の表面下３３に流れることがある。渦電流プローブは、被覆３１の厚さだけ、渦電流から隔たっている。プローブによって感知した渦電流の相対的な強さは、導電面の上の被覆の厚さによるものであることがある。従って、感知コイルによってピックアップした信号の渦電流の相対的な強さを使って、表面下３３の上にある被覆３１の厚さを測定することが出来る。渦電流が強いところ及び弱いところでプローブから得られた情報を比較することにより、物体の表面上の被覆の相対的な厚さを決定することが出来る。
【００１５】
図２は、弾丸形金属ハウジング２４、ハウジングの１端にあるプローブ先端１８及びハウジング及びプローブに対する取付け部となる基部３８を持つ１実施例の渦電流プローブ１０を示す。プローブの先端が、箔ストリップ２６の中に埋設された１対の誘起及び感知コイル２０、２２を持っている。ストリップ２６が、柔らかくて形成可能な材料で形成されたノーズ２８に巻付けられる。ストリップ２６内の感知コイル２０、２２が、渦電流プローブの１番外側の先端に来るようにする為に、ノーズ２８の先端の上に整合している。ストリップ２６の反対側の端３０（１端が図１に示されており、他端は見えない）が、プローブハウジング２４に取付けられたプリント配線板（ＰＣＢ）３２に固定されている。箔ストリップ内のワイヤ３４がプリント配線板とコイル２０、２２を接続している。ＰＣＢ  ３２が電気端子３５を持ち、これがワイヤ及び箔ストリップ内のコイルを外部電気接続部に接続する。ＰＣＢの端子に取付けられたリードワイヤ３６が、コイル並びにそのワイヤを処理回路２５及び電源２７に結合する。更に、ＰＣＢとノーズの先端との間で、箔ストリップは３８に示すように細めてあって、プローブのノーズの周りに巻付けることを容易にしている。
【００１６】
プローブ１０は、プローブの先端を被検体の表面に精密に位置ぎめする座標測定機械２３又はＣＮＣ機械に取付けることが出来る。座標測定機械が、渦電流の測定をしようとする表面の位置を定める。コンピュータ（図に示していない）がプローブの表面の場所と、プローブから得られた渦電流データとを相関させる。この相関により、渦電流データを、測定する物体の表面の画像又は図面に写像することが出来る。
【００１７】
渦電流プローブ１０は、レニショー（登録商標）ＴＰ２スイッチのような接触トリガープローブスイッチ４０に取付けることが出来る。接触トリガープローブスイッチは、渦電流プローブの先端が物体の表面と接触するとき、信号を発生する。渦電流プローブ１０が接触トリガープローブ４０に取付けられているとき、渦電流プローブの先端１８が物体の表面と接触するとき、スイッチ４０によって信号が発生される。接触トリガープローブスイッチは、接触スイッチ４０が信号を発生するに至るような、プローブ１０の先端１８に加えられる力の大きさを設定するように調節することが出来る。接触トリガースイッチ４０に対する力の設定は、それが、渦電流プローブの先端１８を測定される物体の表面にしっかりと圧接し、こうしてノーズ２８を変形させ、コイル２０、２２を表面に対してぴったりさせるようにするのに十分であるように選ぶことが出来る。接触トリガースイッチは、渦電流プローブが表面上の所定位置にあるという信号を発生する前に、コイル２０、２２が表面にしっかりと当たっていることを保証する。更に、接触トリガースイッチ４０は、プローブの先端１８と表面との間の力が、表面で渦電流の測定を行う度に、略同じ力の大きさになることを保証する。接触トリガープローブからの信号を用いて、座標測定機械によって選ばれた表面の場所に於ける渦電流の測定を開始することが出来る。
【００１８】
動作について説明すると、座標測定機械２３が渦電流プローブを、被検体の表面上の予定の位置へ移動させる。この表面の位置で、渦電流プローブの先端は、プローブの柔らかいノーズ２８が変形してコイル２０、２２を表面の輪郭と同形にさせるまで、表面に対して圧接される。表面からプローブの先端に加えられる力が、接触トリガースイッチ４０の力の設定を超えるとき、スイッチによって信号が発生され、それが座標測定機械による渦電流プローブの動きを停止し、渦電流測定手順を開始する。渦電流プローブが、被検体上の新しい表面位置へ移動する度に、この過程が繰り返される。
【００１９】
図３は渦電流プローブ１０の分解端面図を示す。ハウジング２４が円形凹部４２を持ち、これがばね４４と、渦電流プローブを接触トリガースイッチに結合する為に使われるピストン４６とを受け容れる。円筒形ハウジング２４が接触トリガースイッチ４０の端にあるポスト（図３ではスイッチの接触フィンガ４８によって示されている）にはまる。ハウジングの側面にある溝孔５０が、接触トリガースイッチの側面から伸びるねじ５２を受け容れる。溝孔とねじの接続により、渦電流プローブと接触トリガースイッチの間で限られた往復動が出来る。ピストン４６が接触トリガースイッチの端に坐着し、ばね４４が渦電流プローブを接触トリガースイッチから外向きに偏圧する。ばねのスチフネスは、渦電流プローブの変形可能なノーズ２８よりも強くすべきである。渦電流プローブの先端１８が表面と接触すると、ノーズが変形し、その後ばね４４によって、トリガーフィンガ４８が渦電流プローブのハウジング２４内の凹部４２の底に接触するまで、渦電流プローブが接触トリガースイッチの中に若干摺動することが出来る。フィンガ４８がプローブの凹部の底に接触すると、接触トリガースイッチ４０が、座標測定機械による渦電流プローブのそれ以上の動きを停止する信号を発生する。
【００２０】
柔らかいノーズ２０は接着剤によってハウジング２４の前端に取付けられる。ノーズはシリコーンゴム又はＶＩＴＯＮ（登録商標）で形成することが出来、外面は丸くした稜部にすることが出来る。ノーズの形は、それに対してノーズを配置する表面の輪郭に応じて変えることが出来る。ノーズは、表面に対して圧接されたとき、表面に対して平坦な接触区域を形成するように、わざと変形可能にしてある。コイル２０、２２及び箔ストリップ２６がノーズ２０の接触区域及び表面の間に挟まれて、コイルが表面に対して正しく配置されるように保証される。ノーズが変形する為に、ノーズ並びにコイルは、不規則な表面の形又はプローブと表面の間の若干の不整合に対して容易に同形になることが出来る。
【００２１】
箔ストリップ２６がノーズ２０の外面の上に巻付けられる。ノーズが箔ストリップに対する支持部となる。箔ストリップは、接着剤によってノーズに取付けることが出来、ストリップの端をプリント配線板３２に固定することが出来る。ストリップ内にあるコイル２０、２２は、渦電流プローブの外側末端にあるように、ノーズ２０の稜部と整合している。
【００２２】
図４は埋設コイル２０、２２を持つ可撓性箔ストリップ２６の平面図である。ストリップ２６は上側箔被膜及び下側箔被膜で形成されていて、コイル２０、２２及びワイヤ３４が箔ストリップ上でその間に挟まれている。箔ストリップは銅めっきのＫＡＰＴＯＮ（登録商標）である。接着剤を使って、上側及び下側箔被膜を積層すると共に、コイルを箔ストリップ内に密封する。上側及び下側箔被膜及びコイルを箔ストリップに組み立てた後、接着剤に熱を加えて硬化することが出来る。ワイヤ及びコイルが被膜の間に配置され、被膜、ワイヤ及びコイルが熱によって積層されて、複合箔ストリップを形成する。
【００２３】
コイル２０、２２は、矩形配置の中心に向かってだんだん小さくなる巣ごもり状の矩形ワイヤループとして配置することが出来る。この代わりに、コイルは円形配置で渦巻き状のワイヤにしてもよい。コイルのこのような配置が、出願人に譲渡された米国特許第４、５９３、２４５号、発明の名称「半導電材料の傷を検出する渦電流方法」に示されている。
【００２４】
図５は箔の断面図で、コイル構造を支持する積層された箔の層を示している。例えば、コイル構造は、互いに上下に重ね合わされた箔層Ｌ１（６４）、Ｌ２（６６）及びＬ３（６８）の上に分布させることが出来る。感熱接着剤６９がこれらの層を一緒に積層する。１番上の層（Ｌ１）は１つの感知コイル２２及び１つの誘起（駆動）コイル２０を有する。２番目の層（Ｌ２）は第２の駆動コイル７０を持ち、３番目の層（Ｌ３）は第２の感知コイル７２を有する。層（Ｌ１）にある駆動コイルの１端からの電気接続部が、この層（Ｌ１）を通って２番目の層（Ｌ２）内にある駆動コイルまで伸び、完全な駆動コイル回路を形成する。２番目の層（Ｌ２）内の駆動コイルの戻りのリード線が層（Ｌ１）まで戻される。駆動コイル回路に対する戻りのリード線が、１番面の層（Ｌ１）にある駆動回路に対する入力リード線に隣接して、１番目の層（Ｌ１）の上側にある金めっき接点で終端する。感知コイルも１番目の層の上にパターンぎめされ、２番目の層（Ｌ２）を通り抜けて、３番目の層（Ｌ３）にある感知コイルに接続される。感知コイルの戻りのリード線が、３番目の層（Ｌ３）から２番目及び１番目の層を通り抜けて、１番目の層の上側にある金めっき接点で終端する。実際、コイルに接続する為の全ての電気パッドを、層Ｌ１の上側に持ってくることが出来る。
【００２５】
駆動コイルは直列に接続される。これらは矩形渦巻き形コイルである。感知コイルは、各層（Ｌ１）及び（Ｌ３）で１ターン又は数ターンとして配置されている。感知コイルも、導電面上の被覆の厚さを決定する用途では、直列に接続することが出来る。並列、２重又は差動の為の平衡対のようなこの他の接続の組合せも可能である。
【００２６】
１番目の層（Ｌ１）にあるこれらの駆動及び感知コイルの各々は、その下方にある駆動又は感知コイルと注意深く整合させる。取付け孔も、コイル構造に対して注意深く位置ぎめする。このような幾何学的なパラメータを制御することにより、プローブ箔毎の非常に一貫性のある性能を保つ手段が得られる。コイルは、銅のメタライズパターンを支持する薄手のＫＡＰＴＯＮ（登録商標）シートの上に作られる。層の上に参照マークを使うことにより、接着剤を用いてシートを繋ぎ合わせる。典型的には、無めっきＫＡＰＴＯＮ（登録商標）シートをＬ１の上側及びＬ３の下側の両方に結合する。金めっき接点パッドはＫＡＰＴＯＮ（登録商標）層で覆わない。ワイヤ−コイルは、円形、渦巻き形、楕円形のコイル配置のような、矩形以外の配置にしてもよい。
【００２７】
箔ストリップが誘起コイル２０及び感知コイル２２と、コイルからストリップの両端にある金属接点５４まで伸びるワイヤ３４を含む。誘起コイル２０に通ずるワイヤ３４は、ストリップの右側の端にある１対の接点５４まで伸びていてよく、感知コイル２２に通ずるワイヤは、ストリップの左側の端にある別の１対の接点５４まで伸びていてもよいし、或いはその逆であってもよい。ワイヤ及びコイルは、約２／１０００吋（２ミル）の幅及び０．１乃至０．５ミルの厚さを持つ細い銅のワイヤであってよい。アースストリップ７０が、コイルから接点５４まで伸びるワイヤの両側に配置される。アースストリップは例えば銅の導電ストリップであって、コイル及びワイヤに対する電磁遮蔽になる。アースストリップが、アースストリップに合わせた導電端子６０（図２）に接続される接点５８を持っていてよい。箔ストリップ２６の端が孔６０を持ち、ねじ６２（図２）がそれを通り抜けて、ストリップ及びプリント配線板４２をプローブのハウジング２４に結合する。
【００２８】
本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明が好ましい実施例に制限されず、特許請求の範囲に含まれる種々の変更及び均等物をもカバーすることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】物体の表面の渦電流を測定する渦電流プローブを示す。
【図２】図１に示す渦電流プローブの詳細側面図。
【図３】図１に示した渦電流プローブの部品の分解図。
【図４】図１に示した渦電流プローブの部品である埋込みコイルを持つ可撓性箔の平面図。
【図５】図４に示した箔を線５−５で切った断面図。
【符号の説明】
１０    渦電流プローブ
１２    渦電流
１４    タービン動翼表面
１６    タービン動翼
１８    渦電流プローブの先端
２０    誘起コイル
２２    感知コイル
２３    座標測定機械
２４    プローブハウジング
２５    処理回路
２６    箔ストリップ
２７    電源
２８    ノーズ
２９    渦電流表示装置
３１    非導電被覆
３２    プリント配線板
３４    ワイヤ
３５    電気端子
３６    リードワイヤ
３８    基部
４０    トリガープローブスイッチ
４２    凹部
４４    ばね
４６    ピストン
４８    接触フィンガ
５０    溝孔
５２    ねじ
５４    接点
６０    導電端子
５８    接点
６０    孔
６２    ねじ
６９    感熱接着剤
７０    第２駆動コイル
７２    第２感知コイル
Ｌ１    第１層
Ｌ２    第２層
Ｌ３    第３層
【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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