(57)【要約】【課題】コイルセンサを用いる非破壊検査について、単一の励磁コイルで最表面から所定深さまでの広い領域を連続的かつ迅速に検査できるようにする。【解決手段】導電線１１０を巻回した励磁コイルを備え、導電線１１０に交番電流を流して交番磁界を生じさせてその周波数レベルに応じた深さの検査領域で被検査物５０に反磁界を生じさせ、検出手段で検出しながら被検査物５０の性状を検査する非破壊検査用コイルセンサ１０Ａにおいて、その導電線１１０を小径の小導電線が外周側を互いに電気的に絶縁されながら複数本束ねられて１本の大径の大導電線を構成したものとし、その両端側が個々の小導電線に分離されて接続状態切換手段１２に各々接続されたものとして、小導電線の相互の接続状態を直列、並列、直列と並列の組み合わせの間で切り換えることで、励磁コイル１１全体のインピーダンスを目標とする検査領域に適合した大きさに変更可能なものとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の導電線を保持体に巻回してなる励磁コイルを備え、前記導電線に所定周波数の交番電流を流すことで交番磁界を生じながらその周波数レベルに応じた深さの検査領域にて被検査物に反磁界を生じさせ、該反磁界を検出手段で検出しながら前記被検査物における前記検査領域の性状を検査するための非破壊検査用コイルセンサにおいて、
前記導電線は、小径の小導電線が外周側を互いに電気的に絶縁されながら複数本束ねられて１本の大径の大導電線を構成してなり、該大導電線の両端側が個々の前記小導電線に分離されて所定の接続状態切換手段に各々接続されており、前記接続状態切換手段で前記大導電線を構成している前記小導電線の全部又は一部における相互の接続状態を、直列、並列、直列と並列の組み合わせの間で切り換えることで、前記励磁コイル全体のインピーダンスを目的とする前記検査領域に適合した大きさに変更可能とされている、ことを特徴とする非破壊検査用コイルセンサ。
【請求項２】
前記接続状態切換手段はデジタルスイッチであって、前記大導電線を構成している複数本の前記小導電線について、総て直列の状態、総て並列の状態、複数の並列が直列した状態、並列と直列を組み合わせた状態、これらの接続状態及びこれらと接続されていないものを含む状態、の間で接続状態を切換えることが可能とされている、ことを特徴とする請求項１に記載した非破壊検査用コイルセンサ。
【請求項３】
前記大導電線は、導電性素線の集合撚りからなる前記小導電線の複数本を１本に束ねて撚った複合撚りにて形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載した非破壊検査用コイルセンサ。
【請求項４】
前記小導電線は、エナメル線による導電性素線を複数本撚り合わせてなるリッツ線であり、前記大導電線は前記リッツ線を６本以上束ねてなるものである、ことを特徴とする請求項３に記載した非破壊検査用コイルセンサ。
【請求項５】
請求項１，２，３又は４に記載した非破壊検査用コイルセンサと、交流電源と、該交流電源から供給される交流電力の周波数を調整して前記非破壊検査用コイルセンサに出力する周波数調整手段と、前記非破壊検査用コイルセンサの検出手段で検出したデータを基にその検査領域における前記被検査物の性状を判定して出力する判定手段を備えており、前記接続状態切換手段で前記小導電線同士の接続状態を切り換えながら前記励磁コイル全体のインピーダンスを変更することにより、異なる深さ領域の検査を連続的に実施可能とされている、ことを特徴とした非破壊検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊検査用コイルセンサ及びこれを備えた非破壊検査装置に関し、殊に、高周波交番磁界を用いて金属の最表面から所定の深さまで連続的に非破壊検査を行うためのコイルセンサ、及びこれを備えた非破壊検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コイルによる高周波交番磁界を金属表面に当てて反磁界（渦電流磁界）を生じさせ、これを収集・解析することで微小な傷の有無、ボイド・焼入れの有無、硬さ等の検査・評価を行う非破壊検査方法が普及しており、例えば特開２００６−１０６６５号公報には、逆向きの極性のコイルを組み合わせて金属表面から４０ｍｍ程度の深い領域まで検査可能とした渦電流探傷法が提案されている。
【０００３】
一方、最近においては金属最表面（０〜１０μｍ）の評価が重要視されるようになり、ショットピーニング処理等で金属製品の表面処理を行ってその強度を高めることが広く行われるようになった。そこで、ショットピーニング処理を行った鋼材の最表面の性状について、コイルセンサ（コイルプローブ）を用いてその残留応力を精度高く検査する非破壊検査方法が、特開２００８―２９７３号公報に提案されている。
【０００４】
この励磁コイルによる高周波交番磁界で金属の表面近傍に流れる渦電流は、マスクウェルの電磁方程式で導かれ、その渦電流の浸透深さは下記の数１に示す式で表される。即ち、励磁周波数ｆ（導電率σ、透磁率μ被検査物の性状）が大きいほど渦電流の表皮効果が顕著となって被検査物の表面近くの領域に渦電流が流れることとなる。そのため、深い領域（５００〜１００μｍ）まで検査する場合は、数１０ＫＨｚ〜２００ＫＨｚ程度の周波数、最表面を含む浅い領域（〜５〜１００μｍ）を検査する場合は、２００ＫＨｚ〜２０ＭＨｚ程度の周波数が必要となる。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
そして、現状の鉄製品や鉄系合金製品の表面検査においても、数１０ＫＨｚ〜〜２００ＫＨｚ程度の検査領域に加え、２００ＫＨｚ〜２０ＭＨｚ程度までの広範囲で共振点を持たずに連続的に検査できることが好ましいところ、このような広範囲の周波数領域を１つの励磁コイルでカバーしながら各領域で充分な励磁電流を流せるようなコイルセンサは、現状において存在しない。
【０００７】
即ち、導電線を巻回したコイルにおいて、そのインダクタンスＬのインピーダンスはωＬ＝２πｆＬであり、そのときの周波数に比例することから、１０ＭＨｚで１０Ωとすると１０ＫＨｚでは０．０１Ωとなるため、１０ＭＨｚで１０Ｖの電圧を加えた場合はオームの法則により１Ａの電流になるのに対し、１０ＫＨｚの１０Ｖでは１０００Ａの電流が流れてコイルが焼け焦げてしまう。
【０００８】
したがって、今までの検査領域から最表面領域まで非破壊検査を行う場合は、周波数領域毎に励磁コイルを複数種類作成し、各領域に応じてこれらを交換しながら段階的な検査を実施しているのが現状である。しかしながら、一つの金属検体に対して数種類もの励磁コイルを作成して用意しておくことは、装置の大型化とコストの高騰を招くことに加え、複数回の交換・切り換えを行うことで検査時間（タクトタイム）を過剰に要してしまうことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１０６６５号公報
【特許文献２】特開２００８―２９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、コイルセンサを用いる非破壊検査について、単一の励磁コイルで最表面から所定深さまでの広い領域を連続的かつ迅速に検査できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、本発明は、所定の導電線を保持体に巻回してなる励磁コイルを備え、その導電線に所定周波数の交番電流を流すことで交番磁界を生じながらその周波数レベルに応じた深さの検査領域にて被検査物に反磁界を生じさせ、これを検出手段で検出しながら前記被検査物における前記検査領域の性状を検査するための非破壊検査用コイルセンサにおいて、前記導電線は、小径の小導電線が外周側を互いに電気的に絶縁されながら複数本束ねられて１本の大径の大導電線を構成してなり、その両端側が個々の小導電線に分離されて所定の接続状態切換手段に各々接続されており、前記接続状態切換手段で大導電線を構成している小導電線の全部又は一部における相互の接続状態を、直列、並列、直列と並列の組み合わせの間で切り換えることで、励磁コイル全体のインピーダンスを目標とする前記検査領域に適合した大きさに変更可能とされている、ことを特徴とするものとした。
【００１２】
このように、コイルを構成する導電線を複数本の小導電線が互いに絶縁された状態で束ねられてなるものとし、その各両端側を接続状態切換手段に個々に接続しながら、その複数本の小導電線における相互の接続状態を直列、並列、直列と並列の組み合わせの間で切り換えて励磁コイル全体のインピーダンスを変更可能としたことにより、単一の励磁コイルであってもそのインピーダンスの大きさを目標とする検査領域に応じて変更しながら、広範囲の領域を連続的かつ迅速に検査可能なものとなる。
【００１３】
また、この非破壊検査用コイルセンサにおいて、その接続状態切換手段はデジタルスイッチであって、前記大導電線を構成している複数本の小導電線について、総て直列の状態、総て並列の状態、複数の並列が直列した状態、並列と直列を組み合わせた状態、これらの接続状態及びこれらと接続されていないものを含む状態、の間で接続状態を切換えることが可能とされている、ことを特徴としたものとすれば、単一の励磁コイルで極めて多様なインピーダンスを実現可能として、極めて多様な深さ領域の検査について連続的且つ迅速に実施できるものとなる。
【００１４】
さらに、上述した非破壊検査用コイルセンサにおいて、その大導電線は、導電性素線の集合撚りからなる小導電線の複数本を１本に束ねて撚った複合撚りにて形成されている、ことを特徴としたものすれば、全体的に可とう性に優れてボビン等の保持体への巻回性が良好であるとともに、各小導電線の可とう性・操作性にも優れて接続状態切換手段への接続も容易なものとなる。
【００１５】
この場合、前記小導電線は、エナメル線による導電性素線を複数本撚り合わせてなるリッツ線であり、前記大導電線は前記リッツ線を６本以上束ねたものである、ことを特徴としたものとすれば、高周波による交流抵抗の増加が小さくコイルの温度上昇を抑制しやすいとともに、装置の小型化・高効率化を達成しやすいものとなる。
【００１６】
そして、前述した非破壊検査用コイルセンサと、交流電源と、この交流電源から供給される交流電力の周波数を調整して前記非破壊検査用コイルセンサに出力する周波数調整手段と、前記非破壊検査用コイルセンサの検出手段で検出したデータを基にその検査領域における被検査物の性状を判定して出力する判定手段を備えており、前記接続状態切換手段で小導電線同士の接続状態を切り換えながら励磁コイル全体のインピーダンスを変更することにより、異なる深さ領域の検査を連続的に実施可能とされている、ことを特徴とした非破壊検査装置とすれば、単一の励磁コイルによるシンプルな装置を用いながら、様々な被検査物における幅広い検査領域を、手間を要さずに連続的に検査することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
コイルの導電線を複数本の小導電線を束ねてなるものとしてその相互の接続状態を切り換えながら全体のインピーダンスを変更する方式とした本発明によると、単一の励磁コイルでも最表面から所定深さまでの幅広い領域を連続的かつ迅速に検査できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明における実施の形態としての非破壊検査用コイルセンサの構成図である。
【図２】（Ａ）は図１の非破壊検査用コイルセンサの導電線の末端側の詳細を示す部分拡大図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う拡大した断面図である。
【図３】図１の非破壊検査用コイルセンサの導電線を構成している小導電線の組み合わせによる接続状態を説明するための模式図である。
【図４】（Ａ）は図３の小導電線の総てを直列に接続した場合の模式図、（Ｂ）は図３の小導電線の総てを並列に接続した場合の模式図、（Ｃ）は図３の小導電線の３本を直列にしたものを並列に接続した場合の模式図である。
【図５】図３の小導電線をインピーダンス等価回路で示した模式図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）は図５の小導電線の接続方法の例を示す模式図である。
【図７】図５の小導電線の接続方法の例を示すものであって、（Ｅ）は一部開放の状態、（Ｆ）は一部ショートの状態を示す模式図である。
【図８】図７（Ｆ）の一部ショートの場合の共振周波数とＱ値の状態を示すグラフである。
【図９】本発明による検出コイルと励磁コイルを兼ねたコイルプローブを備えた空芯タイプのコイルセンサを示す写真である。
【図１０】左は本発明による平面状検体用のコイルセンサの検出コイルと励磁コイル兼ねたコイルプローブを示す平面写真であり、右はそのコイルセンサの計測時の状態を示す写真である。
【図１１】右は本発明による平板状検体用のコイルセンサによるコイルプローブを構成する励磁コイル及び検出コイルで丸棒スライス状検体を挟んで計測している状態を示す写真、左はその丸棒スライス状検体の平面写真である。
【図１２】左は本発明による平面状検体用のコイルセンサのＥコア型上置用コイルプローブの平面写真、右はその検出コイルが見える状態の底面写真である。
【図１３】図１２のコイルプローブの構成を説明するための縦断面図である。
【図１４】本発明における実施の形態としての非破壊検査装置のインピーダンス測定手段の一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態である非破壊検査用コイルセンサ１０Ａの構成を簡略的に示したものである。この非破壊検査用コイルセンサ１０Ａは、導電線１１０をボビン１３に巻回してなる空芯のコイルプローブ１１と、その導電線１１０の両端側が接続されている接続状態切換手段１２を備え、筒状のコイルプローブ１１の中心に挿通した被検査物５０の表面に所定周波数の交番磁界を当てて反磁界を生じさせるとともに、その反磁界の検出手段を兼ねたコイルプローブ１１でこれを検出することにより、被検査物５０の最表面から所定深さまでの領域について、図示しない検査装置本体側で微小な傷の有無、ボイド・焼入れの有無、硬さ等の項目による被検査物５０の性状評価を行わせるようになっている。
【００２１】
図２（Ａ）は、前述した非破壊検査用コイルセンサ１０Ａの導電線１１０の接続状態切換手段１２側に接続する端部側の構成を拡大して示したものである。この導電線１１０は、６本の小径の小導電線１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ，１１０ｆが外周側を互いに電気的に絶縁された状態で束ねられて１本の大径の大導電線を構成してなるものであり、その両端側が個々の小導電線に分離された状態で接続状態切換手段１２に各々接続されている。
【００２２】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う拡大した断面図を示しており、この導電線１１０は、銅線等による導電性素線の集合撚りからなる小導電線１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ，１１０ｆを１本に束ねて撚った複合撚りにて形成されているため、全体として可とう性に優れてボビン１３への巻回性が良好なものとなっており、且つ、その小導電線１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ，１１０ｆも各々可とう性に優れて操作性が良いことから、接続状態切換手段１２への接続性にも優れている。
【００２３】
そして、その導電線１１０としては、エナメル線による導電性素線を複数本撚り合わせてなるリッツ線が好適であり、本実施の形態では２ＵＥＷ  ６／３８／０．１（２種ポリウレタン絶縁銅線φ０．１ｍｍの３８本を束ねた小導電線の６本撚り）のリッツ線を想定している。このようなリッツ線を用いることにより、高周波交番電流による抵抗の増加が比較的小さく抑えられるため、コイルプローブ１１の温度上昇を抑制しやすいことに加え、装置の小型化・高効率化を実現しやすいものとなる。
【００２４】
図３は、コイルプローブ１１による励磁コイルのインピーダンスを変更する接続状態切換手段１２による６本の小導電線の接続状態を模式的に示したものであり、例えば図４（Ａ）のように総て直列の状態で６Ｚのインピーダンスとすると、図４（Ｂ）のように総て並列の状態では１／６Ｚのインピーダンス、図４（Ｃ）のように３本直列の２組が並列になった直並列の状態では２／３Ｚのインピーダンスとなる。
【００２５】
図５は、コイルプローブ１１の導電線（大導電線）１１０を構成している６本の小導電線の接続状況毎のインピーダンスを実際に求めることを想定してインピーダンスの等価回路で示したものであり、具体的には、導電線１１０を解きほぐして６本の小導電線に分け、１本のインピーダンスをＺ０として巻き始め・巻き終わりを意識しながら接続を行うものとする（Ｒ：ＤＣ抵抗、Ｌｓ：自己インダクタンス、Ｌｍ相互インダクタンス）。
【００２６】
そして、接続状態切換手段１２を用いて６本の小導電線を接続する際の組み合わせとしては極めて多くのパターンが想定されるが、図６（Ａ）〜（Ｄ）はその標準的な接続例を示しており、そのインピーダンスは次の数式にて計算することができる。
【００２７】
【数２】
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【００２８】
上述したように、６本直列の場合に最も大きなインピーダンス値のＺ＝６Ｚ0となり、励磁コイルとは別に検出コイルがある場合にはこれに電流が流れるため、相互インピーダンスの値を加味する必要がある。また、図７に示すように６本の小導電線のうち、使用していないものをそのまま開放しておくか、短絡（巻始め・巻終りをショート）することでインピーダンス値が変動することが分かっており、図７（Ｆ）のように不使用のものを短絡した場合は、図８のグラフに示すように共振周波数とＱ値が下がる傾向が見られる。
【００２９】
次に、被検査物の形態に応じたコイルプローブ及びそれを備えた非破壊検査用コイルセンサの実際の態様について説明する。図９の写真は、上述のコイルプローブ１１を備えた非破壊検査用コイルセンサ１０Ａを実際に製作したものであり、棒状の被検査物の非破壊検査に適したものとなっている。尚、この写真の実施例では、接続状態切換手段としてマニュアル（手動）による抜き挿し方式を採用している。
【００３０】
図１０左の写真は、平面検体用のコイルプローブを示しており、右の写真は、このコイルプローブとデジタルスイッチ式の接続状態切換手段を備えた非破壊検査用コイルセンサを示している。このコイルプローブの検出手段による検出信号は、非破壊検査装置の図示しない本体側に送信されるようになっている。
【００３１】
尚、その非破壊検査装置は、前述の非破壊検査用コイルセンサのほか、交流電源と、その交流電源から供給される交流電力の周波数を調整して前記非破壊検査用コイルセンサに出力する周波数調整手段と、小導電線の組み合わせ毎にそのインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、前記非破壊検査用コイルセンサの検出手段で検出したデータ等を基にその検査領域における被検査物の性状を判定して出力する判定手段を備えている。
【００３２】
図１１の写真は、平板状検体、殊に丸棒スライス状検体に適したコイルプローブを示しており、対向した励磁コイルと検出コイルの間に被検査物を挟み込んで検査する方式となっている。図１２の写真は、平面状検体用の上置式のＥコア型コイルプローブであるが、裏面から見た図１２右の写真のように、励磁コイルの下面側に検出コイルが配設されており、図１３の縦断面図に示すような状態で非破壊検査を行うものである。
【００３３】
上述したように、本発明による非破壊検査用コイルセンサは、単一の励磁コイルからなるシンプルな構成のコイルプローブにより、過剰なコストや手間を要することなく被検査物の最表面から所定深さまでの領域の性状について、連続的且つ的確に非破壊検査することが可能なものであり、この非破壊検査用コイルセンサを備えた非破壊検査装置も同様である。
【００３４】
図１４は、本発明による非破壊検査装置のインピーダンス計測回路の一例を示している。本発明においては、広範囲の周波数（例えば４０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ）による交番電流を連続的に使用する点を特徴としているが、その小導電線の接続の組み合わせによるコイルのインピーダンスを計測する手段としては、それを複素量（ベクトル）として計測するＩ−Ｖ法が好適である。
【００３５】
このＩ−Ｖ法の計測原理は、コイルインピーダンスＺｘが電圧÷電流であることに着目して、被測定物（コイル）に流れる電流と被測定物端子両端の電圧を計測し、その値から計算によりインピーダンスを求めるものとなっている。また、斯かる１−Ｖ法を実施する手段として、図１４に示したインピーダンス計測回路を採用することにより、数ＭＨｚの周波数レベルまで計測する場合であっても、コイルの浮遊容量、寄生容量、配線インダクタンス、配線抵抗等の影響を最小限に抑えながら、そのインピーダンスを正確に計測しやすいものとなる。
【００３６】
そして、出力されるＶ１（電流信号）及びＶ２（電圧信号）を整流平滑して、図示しないマイコンを備えた制御部に取り込みながら、所定の計算を行うことにより、インピーダンスＺｘ、インダクタンスＬｘを求める方式でとなっている。尚、複数本の小導電線における端部側の接続状態を切り換えるための接続状態切換手段であるデジタルスイッチには、周知のものを利用することができる。
【００３７】
以上、述べたように、コイルセンサを用いる非破壊検査について、本発明により、単一の励磁コイルで最表面から所定深さまでの広い領域を連続的かつ迅速に検査できるようになった。
【符号の説明】
【００３８】
１０Ａ  非破壊検査用コイルセンサ、１１  コイルプローブ、１２  接続状態切換手段、１３  ボビン、５０  被検査物、１１０  導電線、１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ，１１０ｆ  小導電線
【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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【図１４】
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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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