(57)【要約】検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイルを用いる磁気プローブにおいて、被検体の表面に沿う方向の磁束変化を精度良く検出できるようにする。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、複数の被検体近接部３ａを有し、被検体２の内部及び／又は被検体２の表面空間を存して、ループ状の磁気回路を形成する強磁性体のコア３と、コア３を交流励磁し、被検体２の内部及び／又は被検体２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４と、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検出コイル５とを備える。
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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、
複数の被検体近接部を有し、被検体の内部及び／又は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強磁性体のコアと、
前記コアを交流励磁し、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、
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と
を備えることを特徴とする磁気プローブ。
【請求項２】
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１記載の磁気プローブ。
【請求項３】
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１又は２記載の磁気プローブ。
【請求項４】
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３記載の磁気プローブ。
【請求項５】
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４記載の磁気プローブ。
【請求項６】
前記検出コイルは、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１〜５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、検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイルを用いながら、高精度な検査を行う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、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、材質検査などで既に利用されているが、その利用範囲を広げるために、検出精度を向上させることが強く要望されている。
そこで、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る磁気プローブが提案されている（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、被検体と共に磁気回路を形成するため、被検体の所望の位置に局部的な強い磁界を発生させることができ、また、励磁部と検出部が独立しているため、検出コイルを小型化できるという利点がある。
しかしながら、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や、ホール素子などの汎用の磁気検出素子を用いて磁束変化を検出するため、検出精度に限界があったり、磁気プローブの用途が限定されるという問題があった。
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。
また、磁気プローブにおいては、検査対象や要求検出精度に応じて、検出部の形状を適宜変更する必要があるが、ホール素子などの磁気検出素子は、予めサイズが規定され、形状変更の自由度が低いため、磁気プローブの用途が限定されたり、要求精度を確保できないといった不都合を招く欠点がある。
本発明の目的は、励磁コイル及びコアによってループ状の磁気回路を形成しつつ、被検体の表面近傍で局部的に磁束変化を検出するにあたり、汎用の磁気検出素子を用いることなく、検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイルを用いるものでありながら、被検体の表面に沿う方向の磁束変化をきわめて精度良く検出することができる磁気プローブを提供することにある。
【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、複数の被検体近接部を有し、被検体の内部及び／又は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強磁性体のコアと、前記コアを交流励磁し、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、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とを備え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、励磁コイル及びコアによってループ状の磁気回路を形成しつつ、被検体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、ホール素子などの磁気検出素子を用いることなく、検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイルを用いるものでありながら、検出コイルを、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することにより、被検体の表面に沿う方向の磁束変化をきわめて精度良く検出することが可能になる。しかも、このように配置した検出コイルは、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、前記検出コイルは、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、検出コイル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。
【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）〜（Ｆ）はコアの各種実施形態を示す説明図である。
第５図（Ａ）〜（Ｃ）は励磁コイルの各種実施形態を示す説明図である。
第６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７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８図（Ａ）〜（Ｅ）はコア及び検出コイルの配置例を示す説明図である。
【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、少なくともコア３、励磁コイル４及び検出コイル５を備えて構成されている。
コア３は、複数の被検体近接部３ａを有しており、被検体２の内部や表面空間を存して、ループ状の磁気回路を形成するように、強磁性材料を用いて形成されている。
励磁コイル４は、コア３に巻装され、所定周波数の交流電圧が印加される。励磁コイル４に交流電圧を印加すると、コア３が交流励磁され、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。
検出コイル５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４及びコア３によってループ状の磁気回路を形成しつつ、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５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。
［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５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、コイルＬ１、Ｌ２は、一対の抵抗Ｒ１、Ｒ２（又は可変抵抗）と共にブリッジ回路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４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、図３に示す検出回路には、磁気プローブ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の各部を詳細に説明する。
［コア］
第４図は、コアの各種実施形態を示す説明図である。この図に示されるコア３は、いずれも磁気回路を形成可能な強磁性体であり、例えば、フェライトを用いて形成されている。コア３の形状（側面視）としては、第４図（Ａ）に示すようなコ字型、第４図（Ｂ）に示すようなＵ字型、第４図（Ｃ）に示すようなＶ字型、第４図（Ｄ）に示すようなＣ字型などを採用することができる。また、コア３は、励磁範囲（検査範囲）に応じて寸法が設定されており、例えば、第４図（Ｅ）に示すように、励磁コイル４の巻き方向に幅広とすれば、コア３の内周部に多数の検出コイル５を１次元に配列して、検査領域を拡張することができる。また、第４図（Ｆ）に示すように、複数のコア３を並設しても同等の効果が得られる。
［励磁コイル］
第５図は、励磁コイルの各種実施形態を示す説明図である。この図に示される励磁コイル４は、いずれも絶縁被覆された導線からなり、コア３に巻装されている。コア３に対する励磁コイル４の巻装位置は、第５図（Ａ）に示すように、コア３の上部に限らず、第５図（Ｂ）に示すように、コア３の左右脚部としてもよい。また、第５図（Ｃ）に示すように、コア３の上部及び左右脚部に励磁コイル４を巻装してもよい。励磁コイル４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］
第６図及び第７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５は、いずれも空心コイルとしてある。例えば、第６図（Ａ）の検出コイル５（第２図のものと同等）は、非磁性体の芯材５ａ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６図（Ｂ）に示すものは、一対の検出コイル５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５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５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５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６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５を示している。この検出コイル５に用いる巻枠（ボビン）５ｂ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５が構成されている。このように構成された検出コイル５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７図に示される検出コイル５は、絶縁体からなるベース材５ｃ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５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７図に示される検出コイル５は、薄膜基板用のベース材５ｃ（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５ｃ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５では、第７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７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５を、磁気プローブ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５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５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。
［コア及び検出コイルの配置］
第８図は、コア及び検出コイルの配置例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においては、被検体２の形態や検査箇所、検査目的に応じて、コア３と検出コイル５との配置関係を任意に設定することが可能である。第８図（Ａ）は、基本的な配置関係を示しており、検出コイル５は、コア３の被検体近接部３ａ間に配置されている。また、第８図（Ｂ）は、Ｃ型のコア３を用いる場合の配置例を示しており、被検体２の端面検査などに適している。また、第８図（Ｃ）は、丸棒やパイプの外周面検査に適した配置であり、検出コイル５が被検体２を挟むように配置されている。また、第８図（Ｄ）は、被検体２を挟んで、コア３と検出コイル５とを配置した例を示している。更に、第８図（Ｅ）は、丸棒などの端面検査に適した配置である。
叙述の如く構成された磁気プローブ１は、励磁コイル４及びコア３によってループ状の磁気回路を形成しつつ、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、ホール素子などの磁気検出素子を用いることなく、検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイル５を用いるものでありながら、検出コイル５を、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２の表面に局部的に対向するように配置することにより、被検体２の表面に沿う方向の磁束変化をきわめて精度良く検出することが可能になる。
しかも、このように配置した検出コイル５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（又は被検体を移動）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５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５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５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５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５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５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５を容易に形成することができる。
また、検出コイル５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５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５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。
【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、検査対象や要求検出精度に応じて自由に形状などの変更が可能な検出コイルを用いて、高精度な検査を行う場合に有用なものである。
【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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【国際調査報告】
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2004094939.tif 000012
2004094939.tif 000013
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