(57)【要約】【課題】電線の導体の欠陥箇所での電流乱れに起因して生じる電線長手方向磁界成分を利用して電線における欠陥箇所を小型の磁気センサで容易に充分に高い精度で正確に検知することを可能にする。【課題手段】電線における導体の欠陥箇所には、電流乱れに基づく局部的な急峻変化磁界が発生すると共に導体通電電流に基づく大きな周回路磁界が作用する。磁気センサの感磁方向と電線の長手方向との間の角度をθとすると、周回路磁界と急峻変化磁界に対する磁気センサの感磁量は前記の角度θにより変化する。その感磁量を磁気センサの測定レンジ内に納めるように角度θを調整しており、磁気センサが多少ぶれても前記電流乱れに基づく局部的な急峻変化磁界を感磁できるから、導体の欠陥箇所を確実に検知できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気センサの感磁方向を電線の長手方向に対し、平行方向と直角方向との中間方向の向きにして磁気センサを電線に沿い移動させ、磁気センサの出力変化から電線の導体欠陥箇所を検知することを特徴とする電線の導体欠陥箇所検知方法。
【請求項２】
磁気インピーダンス効果素子をセンサ素子とする磁気インピーダンス効果型磁気センサを磁気センサとして使用することを特徴とする請求項１記載の電線の導体欠陥箇所検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電線の導体欠陥箇所を検知する方法に関し、電線の導体の断線、傷、不導体化並びに応力腐食割れ等の劣化といった不良（欠陥）を検知するのに有用である。
【背景技術】
【０００２】
断線、傷、不導体化ならびに応力腐食割れ等の劣化といった不良ならびに欠陥を検知する方法の一つとして、実際に流れている負荷電流が欠陥部分で乱れを生じ、そによって発生する磁場の変化を検出する方法が知られている。
前記欠陥が発生すると、その箇所の導体断面の輪郭が非円形化され、同断面の電流路中心がずれ、導体電流に基づく周回路磁界の分布が変化する。この事実に着目して欠陥箇所を検知することが提案されている。（特許文献１、非特許文献１）
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−７３６３１号公報
【非特許文献１】野中崇、他２名，「電線の非破壊磁気探傷に関する基礎的検討」Ｔ，ＩＥＥjapan,Ｖｏｌ，１２１−Ａ，Ｎｏ．３，２００１，ｐ２８２−２８７
【０００４】
特許文献１では、図９に示す、電線の周囲にサーチコイル１ｏ，１ｏ'を１８０°隔てた対の複数対にて電線中心から等距離の位置に配設し、サーチコイルのコア方向と電線同心円の接線方向とを一致させ、各対の両サーチコイルの出力の差をセンサ出力としている。
図９において、撚線導体の電流路断面の中心の変位がゼロ、すなわち周回路磁界分布変化が無い場合、両コイルの出力が等しくセンサ出力が０となり欠陥無しとされる。周回路磁界分布変化が生じている場合、両コイルの出力が等しくならずにセンサ出力が発生し、欠陥有りと判定される。
【０００５】
非特許文献１では、図１０に示すように電流路断面の中心Ｃ1(Cx1,Cy1)が任意座標点ｐ1(x1,y1)及びｐ2(x2,y2)とそれら任意座標点ｐ1(x1,y1)及びｐ2(x2,y2)での磁束密度(Ｂｘ1，Ｂy1)及び(Ｂｘ2，Ｂy2)から次式で与えられることから
【数１】
2005257594.tif 000002
任意座標点ｐ1(x1,y1)における磁束密度(Ｂｘ1，Ｂy1)及びｐ2(x2,y2)における磁束密度(Ｂｘ2，Ｂy2)をサーチコイルにより測定し、これらの測定値から電流路断面の中心座標Ｃ1(Cx1,Cy1)を計算し、この中心座標の変位から撚線導体の欠陥箇所を評価している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来例では、磁気センサを電線に沿って移動させる間、電線の軸心に対する磁気センサのぶれが避けられず、このぶれが上記撚線導体の電流路断面の中心のずれを相対的に生じることになるから、導体の欠陥箇所の正確な検知は困難である。
【０００７】
導体電流をＩとすると、導体中心から距離ｒにおける磁界強度Ｈは、
Ｈ＝Ｉ／（２πｒ）
で与えられる。
架線された電線には、数１０Ａ〜数１００Ａの電流が通電されており、電線外周上での磁束密度は極めて高い。例えば、電流値を１５０Ａ、電線半径を１５ｍｍとすると、電線表面での磁束密度は１６００Ａ／ｍもの高磁束密度となる。磁界センサには、測定限度があり１６００Ａ／ｍもの高磁界を測定することは困難である。
しかるに、上記従来例では、サーチコイルをその感磁方向を電線の周回路磁界の方向に向けて配設しており、１５０Ａもの高導体電流に対しては、レンジ上、サーチコイルを電線中心からかなり隔てた位置に配置する必要があり、センサの大型化が避けられない。
更に、特許文献１記載の従来例では、電線の周囲にサーチコイルを１８０°隔てた対で電線中心から等距離を隔てた位置に２箇配設し、撚線導体の導電路断面の電流中心がずれたときの両サーチコイルの出力差をセンサ出力としているが、ずれΔＬに対する周囲磁界強度Ｈの変化ΔＨは、ΔＨ＝ＨΔＬ／ｒで与えられ、サーチコイルを電線中心からかなり隔てた位置に配置してｒを大きくすると、それだけ両サーチコイルの出力差が小さくなってセンサ出力ΔＨが低下し、充分な検出感度を保証し難い。
【０００８】
近来、高い磁界検出分解能、微小寸法の磁界センサ素子として磁気インピーダンス効果素子が開発されている。
【０００９】
本発明の目的は、電線の導体の欠陥箇所での電流乱れに起因して生じる電線長手方向磁界成分を利用して電線における欠陥箇所を小型の磁気センサで容易に充分に高い精度で正確に検知することを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る電線の導体欠陥箇所検知方法は、磁気センサの感磁方向を電線の長手方向に対し、平行方向と直角方向との中間方向の向きにして磁気センサを電線に沿い移動させ、磁気センサの出力変化から電線の導体欠陥箇所を検知することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る電線の導体欠陥箇所検知方法は、請求項１の電線の導体欠陥箇所検知方法において、磁気インピーダンス効果素子をセンサ素子とする磁気インピーダンス効果型磁気センサを磁気センサとして使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
電線における導体の欠陥箇所には、電流乱れに基づく局部的な急峻変化磁界が発生すると共に導体通電電流に基づく大きな周回路磁界が作用する。磁気センサの感磁方向と電線の長手方向との間の角度をθとすると、周回路磁界と急峻変化磁界に対する磁気センサの感磁量は前記の角度θにより変化する。
本発明では、その感磁量を磁気センサの測定レンジ内に納めるように角度θを調整しており、磁気センサが多少ぶれても前記電流乱れに基づく局部的な急峻変化磁界を感磁できるから、導体の欠陥箇所を確実に検知できる。
また、磁気インピーダンス効果素子の感磁方向を電線長手方向に対し角度θに向け、磁気インピーダンス効果素子を電線の表面に近接させた磁気センサを使用でき、磁気インピーダンス効果型センサの小型・高感度のために検知作業を容易に、高感度で行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明において使用する磁気センサの基本的構成を示している。
図１において、１は磁気インピーダンス効果素子であり、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが使用されている。かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波励磁電流を流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μθは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。而るに、この通電中のアモルファスワイヤの軸方向（最大感磁方向）に被検出磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と被検出磁界磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μθが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。この変動現象は磁気インダクタンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出波（信号波）で変調される現象ということができる。更に、上記通電電流の周波数がＭＨｚオ−ダになると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ＝（２ρ／wμθ）１／２（μθは前記した通り円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数をそれぞれ示す)がμθにより変化し、このμθが前記した通り、被検出磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も被検出磁界で変動するようになる。この変動現象は磁気インピーダンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出波（信号波）で変調される現象ということができる。
【００１４】
図１において、２は磁気インピーダンス効果素子に高周波励磁電流を加えるための高周波電源、３は磁気インピーダンス効果素子の軸方向に作用する被検出磁界（信号波）で前記高周波励磁電流（搬送波）を変調させた被変調波を復調する復調回路、４は復調波を増幅する増幅回路、５は出力端、６は負帰還用コイル、７はバイアス磁界用コイルである。磁気インピーダンス効果素子１には、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤの外、アモルファスリボン、アモルファススパッタ膜等も使用できる。
【００１５】
磁気インピーダンス効果素子においては、前記した通り励磁電流に基づく円周方向磁束と被検出磁界による軸方向磁束との合成により、円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれされるために、周方向透磁率μθが変化し、インダクタンスが変動され、この円周方向透磁率μθの高周波表皮効果の表皮深さの変化でインピーダンスが変動される。従って、被検出磁界の±により上記合成磁界による周方向ずれφも±φになるが、周方向の磁界の減少倍率cos(±φ)は変わらず、従ってμθの減少度は被検出磁界の方向の正負によっては変化されない。従って、被検出磁界−出力特性は、図２の（イ）のように被検出磁界をｘ軸に、出力をｙ軸にとると、ｙ軸に対してほぼ左右対称となる。この被検出磁界−出力特性は非線形である。非線形特性では、高感度の測定が困難である。そこで、負帰還用コイル６で負帰還をかけて図２の（ロ）に示すように特性を直線化している。図２の（ロ）において、Δｗは、負帰還無しのときの利得  が非常に大きく帰還率βのみにより利得が定まるリニア範囲である。しかし、この出力特性では、被検出磁界の極性判別を行ない得ないので、バイアス用コイル７でバイアス磁界をかけ、図２の（ハ）に示すように極性判別可能としている。すなわち、図２の（ロ）の特性を、バイアス磁界によりｘ軸のマイナス方向に移動させ、被検出磁界の最大範囲−Ｈmax〜＋Ｈmaxを単斜め線領域の範囲内に納めている。更に、図２の（ニ）に示すように０点調整により原点を通る直線特性としている。従って、図２の（ニ）において被検出磁界を＋Ｈeとすると出力が＋Ｅoとなり、被検出磁界を−Ｈeとすると出力が−Ｅoとなって被検出磁界を極性判別のもとで正確に測定できる。
【００１６】
前記極性判別可能なリニア出力特性を得るのに図３に示すように、出力より反転入力端子に負帰還をかけた演算増幅器Ｑ(負帰還路挿入インピーダンスＺ２、入力側挿入インピーダンスＺ１)を使用することもできる。この場合、負帰還用コイルに挿入した抵抗をＲ、同コイルの巻数をｎ、長さをＬ、復調増幅部３４の利得をＡ、被検出磁界をＨex、出力をＥoutとすると、
【００１７】
Ａ≫Ｚ１ＲＬ／（Ｚ２ｎ）
【００１８】
のもとで
【００１９】
Ｅout＝ＲＬＺ１Ｈex／（ｎＺ２）＋ＶccＺ１Ｒ／〔Ｚ２（Ｚ２＋Ｒ）〕
【００２０】
が成立し、この出力特性を諸定数（Ｚ１，Ｚ２，抵抗Ｒ，コイル巻数ｎ等）の調整によりｘ軸の±方向にシフトさせることができ、その調整により極性判別可能な斜め直線部を最大被検出磁界の範囲±Ｈmax内に位置させることが可能となり、更にｙ軸方向の０点調整により図２の（ニ）に示すような極性判別可能な直線性の出力特性を得ることができる。
【００２１】
図４の（イ）は本発明において使用する磁気センサの一例を使用状態により示す図面であり、Ｓｅはセンサ、Ｃａは電線、Ｍは地上計測器である。センサには、電線抱挾車輪が取り付けられ、ワイヤの牽引でセンサが移動されるが、これらの構成は図示されていない。
図４の（ロ）は同上センサの回路図である。
図４において、ｐは基板である。１は磁気インピーダンス効果素子であり、出力特性をリニア特性とするための負帰還用コイル及び出力特性を極性判別可能とするためのバイアス用コイルを付設してある。
【００２２】
図５の（イ）はそのコイル付き磁気インピーダンス効果素子の一例を示す側面図、図５の（ロ）は同じく底面図、図５の（ハ）は図５の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図５において、１００は基板チツプであり、例えばセラミックス板を使用できる。１０１は基板片の片面に設けた電極であり、エレメント接続用突部１０２を備えている。この電極は導電ペースト、例えば銀ペーストの印刷・焼付けにより設けることができる。１ｘは電極１０１，１０１の突部１０２，１０２間にはんだ付けや溶接により接続した磁気インピーダンス効果素子であり、前記した通り零磁歪乃至負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等を使用できる。１０３はＣ型鉄芯、６ｘはＣ型鉄芯に巻装した負帰還用コイル、７ｘは同じくバイアス磁界用コイルであり、磁気インピーダンス効果素子１ｘとＣ型鉄芯１０３とでループ磁気回路を構成するように、Ｃ型鉄芯１０３の両端を基板片１００の他面に接着剤等で固定してある。鉄芯材料としては、残留磁束密度の小さい磁性体であればよく、例えば、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を挙げることができる。１０４，１０４は電極１０２，１０２に溶接等により接合したリード導体である。
【００２３】
図４において、ｕはコイル付き磁気インピーダンス効果素子である。ｐは基板であり、コイル付き磁気インピーダンス効果素子ｕをリード導体１０４において支持し、磁気インピーダンス効果素子１の感磁方向（軸方向）を電線Ｃａの長手方向に対し角度θとするようにリード導体１０４を曲げてある。
２は磁気インピーダンス効果素子を励磁するための高周波電流源であり、被検出磁界（導体の欠陥箇所での電流乱れに基づき発生する磁界の電線長手方向成分）を信号波とし、高周波励磁電流を搬送波とする被変調波が磁気インピーダンス効果素子の出力端に現れる。３は復調回路であり、前記被変調波が復調されて前記の信号波が出力される。４は増幅器であり、出力が負帰還用コイル６を経て磁気インピーダンス効果素子１に負帰還されて出力が直線化される。また＋Ｖcc電源でバイアス用コイル７を経て磁気インピーダンス効果素子１にバイアス磁界がかけられて出力特性が極性判別可能とされる。
上記の高周波電流源、復調回路及び増幅器は基板に搭載されている。
【００２４】
本発明により、電線の導体の欠陥箇所を検知するには、磁気センサの感磁方向を電線の長手方向に対し、平行方向と直角方向との中間方向の角度θに向けて磁気センサを電線に沿い移動させ、磁気センサの出力変化が生じた位置を電線の導体の欠陥箇所と判定する。
【００２５】
電線の導体に欠陥が発生すると、その発生箇所の導体断面が偏って減少され、図６の（イ）に示すように電流が絞られるため、図６の（ロ）に示すように対をなす逆極性の電流ポールｐ，ｐ’を仮想でき、この電流ホールにより磁界が発生される。
この磁界の電線長手方向に沿っての直角方向成分Ｈｙの分布パターンを考察すると、狭い間隔の電流ポールｐ，ｐ’間に高密度磁束が凝縮され、電流ポールの外側では磁束が打消されて粗密度とされるために、図６の（ハ）に示すように欠陥箇所ｅ近傍での変化が急峻で、かつ波高値が高いパターンとなる。
電線長手方向と磁気センサとの間の角度をθにして磁気センサを電線の長手方向に移動させると、前記直角方向成分Ｈｙに対する磁気センサの感磁量はＨｙ・cosθとなる。  更に、導体の通電電流による周回路磁界Ｈcに対する前記磁気センサの感磁量がＨc・cosθであるから、総感磁量は(Ｈｙ・cosθ＋Ｈc・cosθ）で与えられる。
Ｈｙ・cosθが、磁気センサの導体欠陥箇所通過時に突然に感磁される磁界であるのに対し、Ｈc・cosθは磁界センサの移動中コンスタントに感磁される磁界であり、総感磁量(Ｈｙ・cosθ＋Ｈc・cosθ）を磁気センサの感磁量−出力特性に併記すれば、図７の通りである。
本発明においては、磁気センサの感磁方向の電線長手方向に対する角度θを調整することにより総感磁量(Ｈｙ・cosθ＋Ｈc・cosθ）を測定レンジ−Ｈmax〜＋Ｈmaxの範囲内に納め得る限度内で可能な限り小さくして磁界センサをこの傾き角度θで電線の長手方向に移動させていき、急峻変化磁界を検出し、この検出時の磁界センサ位置を導体の欠陥箇所と判定する。
【００２６】
上記実施例では使用する磁気インピーダンス素子の本数を一本としているが、二本の磁気インピーダンス効果素子を電線を中央に挾んで配設し、図８に示すように導体の欠陥箇所の電流乱れに基づき発生する磁場を、例えば一方の磁気インピーダンス効果素子１ａを電線長手方向経路ａ−ａ’で、他方の磁気インピーダンス効果素子１ｂをその電線長手方向経路ａ−ａ’に対しほぼ電線の半周の距離ｗ／２を隔てた電線長手方向経路ｂ−ｂ’で移動させるようにすれば、何れか一方の経路を導体の欠陥箇所ｅに充分に近くできてその経路を移動する磁気センサが感磁するＨyの感磁量Ｈｙ・cosθを大きくできるから、検出感度が経路に影響されるのをよく軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明において使用する磁気インピーダンス効果型センサを示す図面である。
【図２】本発明において使用する磁気インピーダンス効果型センサの出力特性を示す図面である。
【図３】本発明において使用する磁気インピーダンス効果型センサの別例を示す図面である。
【図４】本発明において使用する導体欠陥箇所検知用センサの一例を示す図面である。
【図５】図４のセンサにおけるコイル付き磁気インピーダンス効果素子を示す図面である。
【図６】本発明に係る電線の導体欠陥箇所検知方法で検知する磁界を示す図面である。
【図７】本発明に係る電線の導体欠陥箇所検知方法において磁気ゼンサの感磁方向の電線に対する角度θとセンサの出力特性との関係を示す図面である。
【図８】本発明に係る電線の導体欠陥箇所検知方法の別実施例を示す図面である。
【図９】従来例を示す図面である。
【図１０】上記とは別の従来例を示す図面である。
【符号の説明】
【００２８】
１                磁気インピーダンス効果素子
２                高周波励磁用電流源
３                復調回路
４                増幅器
Ｃａ              電線
ｅ                導体の欠陥箇所
【図１】
2005257594.tif 000003
【図２】
2005257594.tif 000004
【図３】
2005257594.tif 000005
【図４】
2005257594.tif 000006
【図５】
2005257594.tif 000007
【図６】
2005257594.tif 000008
【図７】
2005257594.tif 000009
【図８】
2005257594.tif 000010
【図９】
2005257594.tif 000011
【図１０】
2005257594.tif 000012