(57)【要約】【課題】  渦流探傷装置を一例とする一定周波数の印加交流磁場に対する誘導電流を利用した測定装置において、印加交流磁場の周波数が数Hz以下という極めて小さい場合でも測定システム全体の感度が劣化せず、導体試料深部欠陥の検出が可能な、小型軽量の高感度磁気測定装置を実現する。【解決手段】  交流磁場印加を行なうための磁石と、磁気信号検出を行なうためのコイルとを備えた磁気測定装置であって、交流磁場印加を行なうための磁石が一定の周波数で機械的に周期運動する永久磁石であり、磁気信号を検出するコイルが、一定の周波数で機械的に振動するコイルであって、かつ、永久磁石の周期運動の周波数と、振動検出コイルの振動周波数の、二つの周波数が異なることを特徴とする磁気測定装置により達成される。【選択図】           図１
2009002681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電流を利用した測定装置において、導体試料に交流磁場を印加するための磁石と、磁気信号検出を行なうためのコイルと、を備えた磁気測定装置であって、交流磁場印加を行なうための前記磁石が一定の周波数で機械的に周期運動する永久磁石であり、磁気信号検出を行なう前記コイルが一定の周波数で機械的に振動するコイルであって、かつ、前記永久磁石の周期運動の周波数と、前記振動コイルの振動の周波数の、二つの周波数が異なることを特徴とする磁気測定装置。
【請求項２】
機械的に周期運動する請求項１記載の永久磁石が、機械的に振動する永久磁石であって、かつ、磁気信号検出を行なうための機械的に振動する請求項１記載のコイルが、機械的に振動する空芯コイルであって、前記空芯コイルの振動軸線が、振動する前記永久磁石の振動軸線と、同一直線上にあることを特徴とする請求項１記載の磁気測定装置。
【請求項３】
機械的に周期運動する請求項１記載の永久磁石が、導体試料に対して極性が交互に反転するような回転を行なう永久磁石であって、かつ、磁気信号検出を行なうための機械的に振動する請求項１記載のコイルが、機械的に振動する空芯コイルであって、振動する前記空芯コイルの振動軸線が、回転する前記永久磁石の回転軸線と、前記空芯コイルの振動軸線上で交わることを特徴とする請求項１記載の磁気測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体内に発生する誘導電流を利用した磁気測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２は従来の誘導電流を利用した磁気測定装置を説明する模式図である。図２の中で、５は交流磁場を導体試料３に印加するための磁石を表し、６は磁気信号を検出する磁気センサを表す。磁気センサ６は、多くの場合、常伝導金属線を巻いた誘導コイルからなるが、他種の磁気センサであってもよい。ここでは便宜上、金属線誘導コイルを考える。前記磁気センサ６が金属線誘導コイルの場合、前記磁気センサ６を検出コイル６という。
【０００３】
図２において、通常、磁石５は電磁石であるが、後述するように、永久磁石を機械的に動かすことで導体試料３の内部に誘導電流を誘起することも出来る。磁石５が電磁石の場合、一つのコイルが磁石５と検出コイル６の機能を兼ねてもよい。ここでは便宜上、図２のような二つのコイルを含む装置を考える。磁石５が電磁石の場合、磁石５を印加コイル５と呼ぶ。
【０００４】
一般に、誘導電流を利用した磁気測定装置では、磁石５を用いて交流磁場を印加すると、導体試料３の内部に誘導電流(渦電流)が発生し、その渦電流のつくる磁場を磁気センサ６により検出する。このような測定装置は、例えば、金属部品などの欠陥を検出する渦流探傷装置である。通常、前記磁気センサ６を導体試料３の表面近傍で走査し、前記磁気センサ６の出力の変動をモニターすることで前記導体試料３内部の欠陥箇所の検出を行なう。
【０００５】
渦流探傷装置は、導体試料内の渦電流の変化を検出することにより、欠陥の存在を検知する。渦流探傷装置において、深部にある欠陥を検出するためには、導体試料深部まで十分に大きな渦電流を発生させることと、欠陥によって生じる渦電流の乱れが深部にあり磁気信号が小さくても高感度に検出できることが必要である。
【０００６】
ここで、導体試料３の深部に大きな渦電流を発生させるためには、導体試料３の表皮効果のため、印加交流磁場の周波数は低周波でなければならない。電磁気学から、半無限大の導体試料表面に平行に交流磁場を印加した場合には、交流磁場が導体試料内部に侵入しうる長さの目安となる表皮深さが、交流磁場の周波数の平方根に反比例することが知られている。表皮効果については、例えば下記の非特許文献１に記載されている。交流磁場の磁力線は、定義により、途中で切れずに閉じなければならないため、交流磁場を有限の大きさの磁石によって有限の大きさの導体試料表面に垂直に印加した場合も、表皮効果はほぼ同様に起こり、従って、導体試料の大きさが前記磁石５に比べて十分大きいときは、表皮深さは導体試料表面に平行に交流磁場を印加した場合にほぼ等しく、表皮深さは、交流磁場の周波数の平方根にほぼ反比例すると考えてよい。従って、交流磁場を導体試料表面に垂直に印加した場合でも、導体試料３の深部に大きな渦電流を発生させるためには、印加交流磁場の周波数は低周波でなければならない。ところが、交流磁場の周波数が小さくなると、電磁誘導の法則とオームの法則により、導体試料３の内部に発生する渦電流密度も比例して小さくなる。
【０００７】
そのため、深部に大きな渦電流を発生させるには、振幅の大きな低周波交流磁場を印加する必要がある。通常の電磁石を使って振幅の大きな交流磁場を発生するためには、振幅の大きな交流電流を前記印加コイル５に流す必要があり、印加コイル５が大型のものとなるだけでなく、大型の交流電流源も必要となる。印加コイルと交流電流源の大型化は装置全体の大型化につながり、渦流探傷装置として実用できる用途が大きく限定されてしまう。
【０００８】
小型で強力な低周波交流磁場を印加するには、前記磁石５を強力な永久磁石とし、永久磁石５を導体試料３の近傍で周期的に振動させることで解決できることが、以前より知られている。
【０００９】
ところが、前記磁石５として永久磁石を用いた場合、使用可能な磁気センサ６の種類が限られてしまう。すなわち、磁気センサ６としてホールセンサ、フラックスゲート磁束計など、センサ材料の物性を利用するものを選択した場合は、強磁場中で使用可能なものは、感度が高くなく、逆に、高感度なものは、強磁場中で使用すると出力が飽和してしまうことが多い。そのため、強磁場中で使用するためには、常伝導金属線を巻いた空芯誘導コイルを前記検出コイル６として用いるのがよい。
【００１０】
従って、従来の技術によれば、小型で強力な０００８記載の永久磁石５を低周波で機械的に周期運動させて導体試料３に渦電流を発生させ、その渦電流の変化を試料近傍に置いた０００９記載の空芯検出コイル６で検出することになる。一般の渦流探傷装置では、前記検出コイル６を導体試料３の表面近傍で走査するが、従来の技術によれば、前記検出コイル６に発生する信号電圧のうち、印加交流磁場と同一の周波数、即ち、前記永久磁石５の周期運動の周波数と同一の周波数で時間変化する成分を、信号電圧として検出する。前記検出コイル６に発生する信号電圧をロックイン検出する場合には、参照信号の周波数は、前記永久磁石５の周期運動の周波数である。
【００１１】
従来の技術によれば、深部の欠陥を検出するために、永久磁石５を周期運動させる周波数を低周波にする必要があるが、そうすると、０００６で説明したように渦電流の大きさが小さくなるだけでなく、検出コイル６に発生する誘導起電力も小さくなる。検出コイル６に発生する誘導起電力は、検出コイル６に鎖交する磁束の時間変化率(周波数)に比例するからである。一般に、低周波微小信号の高感度測定は難しく、印加磁場の周波数が極めて小さく数Hzという超低周波領域になると、様々な原因によって測定システムの感度が悪くなる。
【００１２】
印加交流磁場を参照信号としてロックイン検出する場合でも、参照信号周波数が数Hzという超低周波領域になると、ロックインアンプを含むエレクトロニクス４自体のドリフト、温度特性などのため、信号雑音比(SN比)の改善が難しくなり、高価なロックインアンプを必要とするなど、エレクトロニクス４が複雑になる。
【００１３】
結局、従来の技術によれば、導体試料深部の欠陥を検出できる小型軽量な渦流探傷装置を製作することが難しい。このような問題から、導体試料深部の欠陥を検出するための、数Hz以下の交流磁場印加が可能な渦流探傷装置の成功例は未だ報告されていないのが現状である。
【非特許文献１】砂川重信著、理論電磁気学、第２版、紀伊國屋書店、１９７３年９月３０日発行。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
渦流探傷装置を一例とする、一定周波数の印加交流磁場に対する誘導電流を利用した測定装置において、印加交流磁場の周波数が数Hz以下という極めて小さい場合でも測定システム全体の感度が劣化せず、深部欠陥の検出が可能な、小型軽量の高感度磁気測定装置を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題の解決は、導体試料に交流磁場を印加するための磁石と、磁気信号検出を行なうためのコイルと、を備えた磁気測定装置であって、交流磁場印加を行なうための前記磁石が一定の周波数で機械的に周期運動する永久磁石であり、磁気信号検出を行なう前記コイルが一定の周波数で機械的に振動するコイルであって、かつ、前記永久磁石の周期運動の周波数と、前記振動検出コイルの振動の周波数の、二つの周波数が異なることを特徴とする磁気測定装置により達成される。
【発明の効果】
【００１６】
従来の技術において、印加交流磁場周波数が超低周波領域にある場合に感度劣化等の問題が生じる根本原因は、検出コイルが機械的に固定されているためであり、本発明は、その根本原因を取り除くことで、印加交流磁場の周波数とは無関係に、前記振動検出コイルの振動周波数でロックイン検出することが可能となり、前記振動検出コイルの振動周波数で決定される磁場勾配検出感度をもつようになる。本発明では、交流磁場を印加する磁石を超低周波で周期運動する永久磁石とすることにより、強い超低周波交流磁場を印加でき、かつ、小型軽量という特徴を持たせることができる。これにより、導体試料深部の欠陥を高感度に検出できる小型で実用的な磁気測定装置を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の、導体試料に交流磁場を印加するための磁石と、磁気信号検出を行なうためのコイルと、を備えた磁気測定装置であって、交流磁場印加を行なうための前記磁石が一定の周波数で機械的に周期運動する永久磁石１であり、磁気信号検出を行なう前記コイルが一定の周波数で機械的に振動するコイル２であって、かつ、前記永久磁石１の周期運動の周波数と、前記振動検出コイル２の振動の周波数の、二つの周波数が異なることを特徴とする磁気測定装置、を説明する模式図である。ここで、図１における前記永久磁石１の周期運動の形態および前記振動検出コイル２の振動方向はそれぞれ任意である。また、図１におけるエレクトロニクス４は、前記振動検出コイル２に誘起された微小信号を高感度に増幅できるものであれば、どのようなものであってもよい。
【００１８】
従来の技術における、印加交流磁場の周波数が超低周波領域にある場合に感度劣化等の問題が生じる根本原因である、検出コイルが機械的に固定されているという特徴が取り除かれたため、印加交流磁場の周波数とは無関係に、前記振動検出コイル２の振動周波数でロックイン検出することが可能となり、前記振動検出コイル２の振動周波数で決定される磁場勾配検出感度をもつ。
【００１９】
機械的に振動させることにより、前記振動検出コイル２に局所的空間分布をもつ磁場が鎖交すると、前記振動検出コイル２に、振動周波数で変調された誘導起電力が生じる。即ち、前記振動検出コイル２の出力には、局所的な磁場勾配に比例した成分が含まれる。この磁場勾配信号は、前記振動検出コイル２の振動周波数でロックイン検出することが可能である。磁場勾配検出感度は前記振動検出コイル２の振動周波数で決定されるため、印加交流磁場の周波数を任意に低くすることができる。即ち、００１７記載の永久磁石１の、周期運動の周波数を任意に低くすることができる。前記振動検出コイル２の振動周波数を十分に大きくしておけば、印加交流磁場の周波数が超低周波領域にある場合でも、顕著な感度の劣化が生じず、導体試料３深部の欠陥を高感度に検出することが可能となる。
【００２０】
導体試料３の内部の、出来るだけ深部で誘導電流を発生させようとすると、交流磁場を印加するための周期運動を行なう００１７記載の永久磁石１と、前記導体試料３の表面からの距離を、出来るだけ小さくするのが望ましく、かつ、出来るだけ高感度に誘導電流の変化を検出するためには、前記振動検出コイル２と、前記導体試料３の表面からの距離(リフトオフ)を、出来るだけ小さくするのが望ましい。
【００２１】
さらに、導体試料３の内部に発生する誘導電流の大きさが最も大きくなる領域が、前記永久磁石１の直下付近であるため、出来るだけ高感度に誘導電流の変化を検出するためには、前記振動検出コイル２が、誘導電流最大の領域に最も近くなるように配置されるのが望ましい。
【００２２】
図３は、本発明の、機械的に周期運動する００１７記載の永久磁石１が、振動する永久磁石であって、かつ、磁気信号検出を行なうための機械的に振動する００１７記載のコイル２が、振動する空芯コイルであって、振動する前記空芯コイル２の振動軸線が、振動する前記永久磁石１の振動軸線と、同一直線上にあることを特徴とする磁気測定装置、を説明する模式図である。
【００２３】
図３から明らかなように、前記振動検出コイル２は前記振動永久磁石１に対し、同心空芯コイルとなっており、前記振動永久磁石１の振動の中心点と、前記振動検出コイル２の振動の中心点との、前記導体試料３の表面からの距離、を同じ、即ち、最小にすることが出来る。これは、００２０で説明したように、前記導体試料３の内部に出来るだけ大きな渦電流を発生させるために有利な配置であり、また、渦電流の変化を出来るだけ高感度に検出するために有利な配置である。さらに、図３から明らかなように、前記振動検出コイル２は、前記導体試料３の内部に発生する誘導電流の大きさが最も大きくなる領域の直上にあり、００２１で説明したように、さらに誘導電流の変化を高感度に検出することが出来る配置となっている。
【００２４】
図４は、本発明の、機械的に周期運動する００１７記載の永久磁石１が、導体試料３に対して極性(N極、S極)が交互に反転するような回転を行なう永久磁石であって、かつ、磁気信号検出を行なうための機械的に振動する００１７記載のコイル２が、振動する空芯コイルであって、振動する前記空芯コイル２の振動軸線が、回転する前記永久磁石１の回転軸線と、前記空芯コイル２の振動軸線上で交わることを特徴とする磁気測定装置、を説明する模式図である。
【００２５】
図４から明らかなように、この場合も図３と同様に、回転する前記永久磁石１の回転軸と前記振動検出コイル２の振動の中心点との前記導体試料３の表面からの距離を同じにすることが出来るため、前述したように、前記導体試料３の内部に出来るだけ大きな渦電流を発生させるためと、渦電流の変化を出来るだけ高感度に検出するために有利な配置である。さらに、図４から明らかなように、この場合も、振動検出コイル２は、導体試料３の内部に発生する誘導電流の大きさが最も大きくなる領域の直上に置かれているため、さらに誘導電流の変化を高感度に検出するために有利な配置となっている。
【実施例１】
【００２６】
図５は、本発明の、交流磁場印加を行なうための振動永久磁石１と、磁気信号検出を行なうための振動検出コイル２とを備え、かつ、二つの振動周波数が異なることを特徴とする磁気測定装置であって、かつ、振動検出コイル２が空芯コイルであって、その振動軸線が、振動永久磁石１の振動軸線と、同一直線上にあることを特徴とする磁気測定装置、の一実施例を説明する模式図である。
【００２７】
図５から明らかなように、前記振動永久磁石１は架台に固定された振動子７によって、機械的に振動する。前記振動検出コイル２は、図５のように、前記振動永久磁石1に対し、同心軸上に配置され、架台に固定された振動子８によって、機械的に振動する。即ち、「てこ」を架台に固定する固定具が「てこ」の支点となり、「てこ」の他端と前記振動子8との接触点が力点となり、前記振動検出コイル２が配置されている点が作用点となる。図５に示したような構造は、あくまでも一例であって、以下の実施例２および実施例３から明らかなように、前記振動永久磁石１と前記振動検出コイル２の架台に対する固定方法、および機械的振動を実現する構造は、用途に応じて、様々な構造を取りうる。本発明の実施例１における要点は、振動検出コイル２が空芯コイルであって、その振動軸線が、振動永久磁石１の振動軸線と、同心軸をなす、という点である。
【００２８】
図５から明らかなように、前記振動検出コイル２が前記振動永久磁石1に対し、同心軸上に配置されているため、両者の振動の中心点の導体試料３の表面からの距離を同じにすることが出来る。従って、導体試料３内の深部にある欠陥を検出するために、両者を可能な限り導体試料３表面に近づけることが可能となる。さらに、前記振動検出コイル２は、導体試料３の内部に発生する誘導電流の大きさが最も大きくなる領域の直上に置かれているため、誘導電流の変化を高感度に検出するために有利な配置となっている。
【００２９】
図６は、本発明における、第二の実施例を説明する模式図である。
【００３０】
図６から明らかなように、振動検出コイル２は中空円筒状に成形された振動子９によって振動する。前記振動検出コイル２が、前記振動永久磁石1に対し、同心軸上に配置されているという特徴は、第一の実施例と同様である。
【００３１】
図７は、本発明における、第三の実施例を説明する模式図である。
【００３２】
第三の実施例では、図７から明らかなように、振動検出コイル２は中空円筒状に成形された振動子９によって振動する。永久磁石１は回転するように架台に固定され、架台に固定された回転装置１０の回転を回転伝達装置１１によって前記永久磁石１に伝達することで前記永久磁石１を回転させる。この場合も、回転する前記永久磁石１と前記振動検出コイル２の架台に対する固定方法、および機械的回転もしくは振動を実現する構造は、用途に応じて、様々な構造を取りうる。
【００３３】
第三の実施例でも、回転する前記永久磁石１の回転軸と前記振動検出コイル２の振動の中心点との、導体試料３の表面からの距離を同じにすることが出来、また、前記振動検出コイル２を、導体試料３の内部に発生する誘導電流の大きさが最も大きくなる領域の直上に置くことが出来、深部欠陥の高感度検出に有利な配置となっている。
【００３４】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、従来の技術における、印加交流磁場の周波数が超低周波領域にある場合に感度劣化等の問題が生じる根本原因である、検出コイルが機械的に固定されているという特徴を取り除くことが出来、かつ、大型のコイルや電源を用いることなく、永久磁石によって強力な超低周波交流磁場を印加することが可能となり、従って、小型・軽量かつ深部欠陥検出が可能であるなどの特徴を持つ実用性の高い高感度な渦流探傷装置を実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、小型で軽量かつ深部欠陥を高感度に検出できる渦流探傷装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の、機械的に周期運動する永久磁石と機械的に振動するコイルを備え、かつ、二つの周波数が異なることを特徴とする磁気測定装置を説明する模式図である。
【図２】従来の、誘導電流を利用した磁気測定装置を説明する模式図である。
【図３】本発明の、振動検出コイルが空芯コイルであって、その振動軸線が、振動する永久磁石の振動軸線と、同一直線上にあることを特徴とする磁気測定装置を説明する模式図である。
【図４】本発明の、振動検出コイルが空芯コイルであって、その振動軸線が、回転する永久磁石の回転軸線と、振動検出コイルの振動軸上で交わることを特徴とする磁気測定装置を説明する模式図である。
【図５】本発明の一実施例を説明する模式図である。（実施例１）
【図６】本発明の第２の実施例を説明する模式図である。（実施例２）
【図７】本発明の第３の実施例を説明する模式図である。（実施例３）
【符号の説明】
【００３７】
１  周期運動する永久磁石
２  振動検出コイル
３  導体試料
４  エレクトロニクス
５  磁石
６  磁気センサ
７  振動子
８  振動子
９  中空円筒状振動子
１０  回転装置
１１  回転伝達装置
【図１】
2009002681.tif 000003
【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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