渦流探傷用プローブ
【課題】高周波数交流電源で効率よく動作する渦流探傷用励磁素子を提供する。
【解決手段】励磁素子及び検出コイルを含む渦流探傷用プローブにおいて、励磁素子を１枚又は複数枚の導電板から構成し、導電板の両端から高周波数の交流電圧を印加して導電板に面電流を流して、導電板の周囲に励磁磁界を発生する。発生した励磁磁界を導体からなる検査体に印加して、検査体上に渦流を電磁誘導させる。１枚の導電板の形状を円筒形状にするか、複数の導電板を組み合わせて全体で略円筒形状となる部分を形成するように、それぞれの導電板の一部分の断面が一つの円弧を形成するよう加工する。
【解決手段】励磁素子及び検出コイルを含む渦流探傷用プローブにおいて、励磁素子を１枚又は複数枚の導電板から構成し、導電板の両端から高周波数の交流電圧を印加して導電板に面電流を流して、導電板の周囲に励磁磁界を発生する。発生した励磁磁界を導体からなる検査体に印加して、検査体上に渦流を電磁誘導させる。１枚の導電板の形状を円筒形状にするか、複数の導電板を組み合わせて全体で略円筒形状となる部分を形成するように、それぞれの導電板の一部分の断面が一つの円弧を形成するよう加工する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属等の導体の表面近傍にある傷の検出に用いられる渦流探傷用プローブに関し、特に、高周波電源で励磁する励磁素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
導体の表面に交流磁界を印加すると、電磁誘導により導体表面に渦電流が発生し、導体表面近傍の傷の有無、及び傷の形状によりその渦電流分布が変化する。この渦電流分布の変化を検出して傷を検出する渦流探傷検査は非破壊検査として知られている。渦流探傷用プローブは、交流磁界を発生する励磁コイルと、その交流磁界により導体（検査体）に発生した渦電流による磁界を検出する検出コイルを有している。通常の励磁コイルは、例えば、特開平２００２−２１４２０２号公報、特開平２００３−２１５１０７号公報に開示されているように、絶縁導線をコイル状に巻回したものを使用している。
【特許文献１】特開２００２−２１４２０２
【特許文献２】特開２００３−２１５１０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
渦流探傷試験において、微小欠陥を検出したい場合、励磁コイルに流す励磁電流の周波数を高くする方法がとられる。また、検出の分解能や作業性を向上させる要請があるため、コイルを小型にする必要がある。しかし、絶縁導線をコイル状に巻いて、高周波数の交流電流で励磁すると、インピーダンスが高くなりすぎて、電流が流れにくくなるために、強い磁場を発生するのが困難である。また、コイルを小型にするなどの目的で、コイルの線径を細くすると、その製作が困難となり、また、断線が発生しやすくなるため、歩留まりが悪くなり、製作コストが高くなる問題があった。本発明は、従来の励磁コイルが有する上記の問題を解決するために、励磁コイルに変わる励磁手段を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、絶縁導線を円筒状に巻いたコイルに替えて、図１に示すように、導電体の板を、例えば、円筒状に形成して励磁手段として使用する。図１(ａ)は円筒の軸に垂直な横断面で、図１（ｂ）は、図１(ａ)の線Ａ−Ａに沿った縦断面図である。円筒状に形成した板の相対する端面（断面積Ｓ）を接着せずに開放端とし、その両端面間に交流電圧を印加して円筒状導電板に面電流を流して交流磁界を発生する。
【０００５】
良く知られているように、絶縁導線をきっちり巻いた円筒形のコイル（ソレノイド）が直径に比べて非常に長い場合、コイル内側の磁場は、コイルの巻数ｎとコイルに流れる電流の積に比例する。ここで、絶縁導線の断面積をｓ、コイルに流れる電流の電流密度をｊとすると、コイル電流ｉは、
ｉ＝ｓｊ
と表わすことができる。
【０００６】
次に、図１に示す導電板の厚さ方向の断面積をＳとし、図１の矢印で示す方向に導電板内に電流密度ｊで電流が流れているとすると、導電板の円筒面に環状に流れる電流ｉは、
ｉ＝Ｓｊ
と表わされる。
【０００７】
一枚の導電板と巻数ｎのコイルにより同一磁界が発生するとすると、近似的に
Ｓｊ≒ｎｉ＝ｎｓｊ
が成り立つ。即ち、導電板に環状に流れる面電流Ｓｊは、断面積がｓの絶縁導線からなる巻数ｎのコイルに電流密度ｊを流したものとほぼ等価と考えられ、導電板円筒の内部の磁界もソレノイド内部の磁界とほぼ同様に考えることができる。円筒状導電板による励磁手段によれば、コイルの巻数をｘ倍する代わりに励磁電流をｘ倍することでそのコイルと略同等の磁場を発生することができる。
【０００８】
図１に記載の励磁手段は、従来のコイルに模した方法であるが、磁場を発生させるのに導電板を円筒状に加工する必要はない。例えば、図２のような平らな導電板の両端に励磁電圧を印加して導電板に図２（ｂ）に示すように電流を流せば、導電板の周りに図２(ａ)に示すような磁場が発生する。この磁場発生方法により、コイル面が検査体表面に対して垂直なタンジェンシャルコイルと同様な渦流探傷用プローブを製作することもできる。また、プリント基板上に薄い導電層を設けて、非常に薄い渦流探傷用プローブを製作することも可能となる。
【０００９】
図３(ａ)は、導電板１を励磁素子として使用する場合に、抵抗Ｒを介して交流電源３を接続して導電板１の両端に交流電圧を印加する状態を簡略模式的に図示したものである。導電板１の略中央に検出コイル２が配置されている。検出コイル２は、通常使用されているパンケーキ形状のコイルを図示しているが、他のプレーナー形検出コイル等を使用してもよい。図３（ｂ）は、導電板１と検出コイル２の部分の側面図である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、コイルを巻く必要がないので、製作が容易である。また、導電板を円筒状に加工しているため、高周波数で電圧を印加して電流を流した場合でも、インピーダンスの増加が少ない。このため、容量の小さい電源でも大きな電流を容易に流すことができる。また、コイルを巻く手間がないため、製作も容易になり、歩留まりも向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図４を参照して本発明を実施するための形態を説明するが、これは単に例示的なものでであることを了承されたい。図４(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ本発明に係る渦流探傷用プローブを使用した実施の形態の概略構成を示す平面図、正面図、及び側面図である。図４（ｃ）に示すように、励磁素子１１は図３に示す導電板１の中央部を略半円形状にしたものである。ここで、導電板からなる励磁素子１１の厚さは、０．１ｍｍ、幅は、１４ｍｍ、長さは、４０ｍｍ、半円形状部分の曲率半径は、約１０ｍｍである銅板を使用した。交流電圧は、２５ｋＨｚで、１０乃至２０Ｖの範囲の電圧を選択し、抵抗Ｒは、３．３Ωを使用した。検出コイル２は、パンケーキ形状で、コイル直径１０ｍｍ、ターン数２２０、線径０．０７ｍｍの銅線を使用した。探傷器としては、マークテック株式会社製（本出願人）ＥＴ-1（アナログ版）を用いた。図５は、渦流探傷器の簡略ブロック図であるが、位相検波器２２は、検出コイル２からの検出電圧を増幅器２３で増幅した出力と、高周波発振器２１からの出力の位相差を公知の技術により位相解析を行う。位相解析の結果はオシロスコープ等で表示される。これは従来と同様であるので詳細な説明は省略する。検査体１２は鋼材ＳＳ４００で、検査体１２の表面に、深さ１ｍｍ、長さ１０ｍｍ、幅０．２ｍｍの放電加工傷を有するもので実施した。図６は探傷した結果で、横軸は走査方向の位置を示し、縦軸は検出コイルの出力電圧を示している。
【００１２】
図１では、導電板を円筒形状に加工して励磁素子にしたが、高周波の励磁電圧を印加すると、自己インダクタンスにより導電板のインピーダンスが増加して、電流が流れにくくなってしまう。そこで、１つの導電板を円筒形状にするのではなく、複数の導電板を組み合わせて略円筒形状となるように、それぞれの導電板の断面が一つの円弧を形成するよう加工する。そして、各導電板に印加する励磁電圧の位相を調整して磁場を発生させる。これによりインピーダンスの増加を抑えることができる。例えば、図７は、２枚の導電板をそれぞれ中央部の断面が半円弧形状になるように加工し、その２枚の導電板を重ね合わせて全体の形状が略円筒状の部分を有する様にしたものである。そして、各導電板に互いに位相が１８０度ずれた励磁電圧を印加する。
【００１３】
また、図２の示す導電板において、磁場を強くするために導電板の厚さ方向断面Ｓを大きくすると、高周波では表皮効果により導電板内部に電流が流れず、発熱が生じ、所望の強さの磁場も得られない。その問題を解決するために、厚さの薄い複数の導電板を図８に図示するように厚さ方向に互いに間隔をおいて多層にして励磁素子を構成し、複数の導電板を高周波交流電圧に対し電気的に並列に接続する。この構成により高周波に対するインピーダンスを小さくし、励磁電流を大きくして磁場を強くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
励磁周波数を高くできるので、導電体にある微小欠陥検出用の渦流探傷装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】導電板を円筒形状にした本発明の一実施例の励磁素子を示し、図（ａ）は円筒の軸に垂直な横断面で、図（ｂ）は、図(ａ)の線Ａ−Ａに沿った縦断面図である。
【図２】平らの導電板による本発明の一実施例の励磁素子を示し、図（ａ）は導電板の周囲に発生する磁界を示す導電板の側面図で、図（ｂ）は導電板内部の電流密度分布を示す導電板の平面図である。
【図３】導電板１を励磁素子として使用する場合の検出コイル２との配置関係を示す簡略模式図。
【図４】図(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ本発明に係る渦流探傷用プローブを使用した実施の形態の概略構成を示す平面図、正面図、及び側面図である。
【図５】渦流探傷器の簡略ブロック図である。
【図６】検査体上の放電加工傷を探傷した結果を表わす図である。
【図７】２枚の導電板を重ね合わせて全体の形状が略円筒状に形成した部分を有する励磁素子を示す。図(ａ)は励磁素子の一部を横断面で示す概略構成図で、図（ｂ）は励磁素子の側面図である。
【図８】厚さの薄い複数の導電板を電源に対し電気的に並列に接続し、互いに間隔をおいて重ね合わせて構成した励磁素子を示す。
【符号の説明】
【００１６】
１ 導電板、２ 検出コイル、３ 交流電源、１１ 励磁素子、１２ 検査体、２１ 高周波発振器（交流電源）、２２ 位相検波器、２３ 増幅器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属等の導体の表面近傍にある傷の検出に用いられる渦流探傷用プローブに関し、特に、高周波電源で励磁する励磁素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
導体の表面に交流磁界を印加すると、電磁誘導により導体表面に渦電流が発生し、導体表面近傍の傷の有無、及び傷の形状によりその渦電流分布が変化する。この渦電流分布の変化を検出して傷を検出する渦流探傷検査は非破壊検査として知られている。渦流探傷用プローブは、交流磁界を発生する励磁コイルと、その交流磁界により導体（検査体）に発生した渦電流による磁界を検出する検出コイルを有している。通常の励磁コイルは、例えば、特開平２００２−２１４２０２号公報、特開平２００３−２１５１０７号公報に開示されているように、絶縁導線をコイル状に巻回したものを使用している。
【特許文献１】特開２００２−２１４２０２
【特許文献２】特開２００３−２１５１０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
渦流探傷試験において、微小欠陥を検出したい場合、励磁コイルに流す励磁電流の周波数を高くする方法がとられる。また、検出の分解能や作業性を向上させる要請があるため、コイルを小型にする必要がある。しかし、絶縁導線をコイル状に巻いて、高周波数の交流電流で励磁すると、インピーダンスが高くなりすぎて、電流が流れにくくなるために、強い磁場を発生するのが困難である。また、コイルを小型にするなどの目的で、コイルの線径を細くすると、その製作が困難となり、また、断線が発生しやすくなるため、歩留まりが悪くなり、製作コストが高くなる問題があった。本発明は、従来の励磁コイルが有する上記の問題を解決するために、励磁コイルに変わる励磁手段を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、絶縁導線を円筒状に巻いたコイルに替えて、図１に示すように、導電体の板を、例えば、円筒状に形成して励磁手段として使用する。図１(ａ)は円筒の軸に垂直な横断面で、図１（ｂ）は、図１(ａ)の線Ａ−Ａに沿った縦断面図である。円筒状に形成した板の相対する端面（断面積Ｓ）を接着せずに開放端とし、その両端面間に交流電圧を印加して円筒状導電板に面電流を流して交流磁界を発生する。
【０００５】
良く知られているように、絶縁導線をきっちり巻いた円筒形のコイル（ソレノイド）が直径に比べて非常に長い場合、コイル内側の磁場は、コイルの巻数ｎとコイルに流れる電流の積に比例する。ここで、絶縁導線の断面積をｓ、コイルに流れる電流の電流密度をｊとすると、コイル電流ｉは、
ｉ＝ｓｊ
と表わすことができる。
【０００６】
次に、図１に示す導電板の厚さ方向の断面積をＳとし、図１の矢印で示す方向に導電板内に電流密度ｊで電流が流れているとすると、導電板の円筒面に環状に流れる電流ｉは、
ｉ＝Ｓｊ
と表わされる。
【０００７】
一枚の導電板と巻数ｎのコイルにより同一磁界が発生するとすると、近似的に
Ｓｊ≒ｎｉ＝ｎｓｊ
が成り立つ。即ち、導電板に環状に流れる面電流Ｓｊは、断面積がｓの絶縁導線からなる巻数ｎのコイルに電流密度ｊを流したものとほぼ等価と考えられ、導電板円筒の内部の磁界もソレノイド内部の磁界とほぼ同様に考えることができる。円筒状導電板による励磁手段によれば、コイルの巻数をｘ倍する代わりに励磁電流をｘ倍することでそのコイルと略同等の磁場を発生することができる。
【０００８】
図１に記載の励磁手段は、従来のコイルに模した方法であるが、磁場を発生させるのに導電板を円筒状に加工する必要はない。例えば、図２のような平らな導電板の両端に励磁電圧を印加して導電板に図２（ｂ）に示すように電流を流せば、導電板の周りに図２(ａ)に示すような磁場が発生する。この磁場発生方法により、コイル面が検査体表面に対して垂直なタンジェンシャルコイルと同様な渦流探傷用プローブを製作することもできる。また、プリント基板上に薄い導電層を設けて、非常に薄い渦流探傷用プローブを製作することも可能となる。
【０００９】
図３(ａ)は、導電板１を励磁素子として使用する場合に、抵抗Ｒを介して交流電源３を接続して導電板１の両端に交流電圧を印加する状態を簡略模式的に図示したものである。導電板１の略中央に検出コイル２が配置されている。検出コイル２は、通常使用されているパンケーキ形状のコイルを図示しているが、他のプレーナー形検出コイル等を使用してもよい。図３（ｂ）は、導電板１と検出コイル２の部分の側面図である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、コイルを巻く必要がないので、製作が容易である。また、導電板を円筒状に加工しているため、高周波数で電圧を印加して電流を流した場合でも、インピーダンスの増加が少ない。このため、容量の小さい電源でも大きな電流を容易に流すことができる。また、コイルを巻く手間がないため、製作も容易になり、歩留まりも向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図４を参照して本発明を実施するための形態を説明するが、これは単に例示的なものでであることを了承されたい。図４(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ本発明に係る渦流探傷用プローブを使用した実施の形態の概略構成を示す平面図、正面図、及び側面図である。図４（ｃ）に示すように、励磁素子１１は図３に示す導電板１の中央部を略半円形状にしたものである。ここで、導電板からなる励磁素子１１の厚さは、０．１ｍｍ、幅は、１４ｍｍ、長さは、４０ｍｍ、半円形状部分の曲率半径は、約１０ｍｍである銅板を使用した。交流電圧は、２５ｋＨｚで、１０乃至２０Ｖの範囲の電圧を選択し、抵抗Ｒは、３．３Ωを使用した。検出コイル２は、パンケーキ形状で、コイル直径１０ｍｍ、ターン数２２０、線径０．０７ｍｍの銅線を使用した。探傷器としては、マークテック株式会社製（本出願人）ＥＴ-1（アナログ版）を用いた。図５は、渦流探傷器の簡略ブロック図であるが、位相検波器２２は、検出コイル２からの検出電圧を増幅器２３で増幅した出力と、高周波発振器２１からの出力の位相差を公知の技術により位相解析を行う。位相解析の結果はオシロスコープ等で表示される。これは従来と同様であるので詳細な説明は省略する。検査体１２は鋼材ＳＳ４００で、検査体１２の表面に、深さ１ｍｍ、長さ１０ｍｍ、幅０．２ｍｍの放電加工傷を有するもので実施した。図６は探傷した結果で、横軸は走査方向の位置を示し、縦軸は検出コイルの出力電圧を示している。
【００１２】
図１では、導電板を円筒形状に加工して励磁素子にしたが、高周波の励磁電圧を印加すると、自己インダクタンスにより導電板のインピーダンスが増加して、電流が流れにくくなってしまう。そこで、１つの導電板を円筒形状にするのではなく、複数の導電板を組み合わせて略円筒形状となるように、それぞれの導電板の断面が一つの円弧を形成するよう加工する。そして、各導電板に印加する励磁電圧の位相を調整して磁場を発生させる。これによりインピーダンスの増加を抑えることができる。例えば、図７は、２枚の導電板をそれぞれ中央部の断面が半円弧形状になるように加工し、その２枚の導電板を重ね合わせて全体の形状が略円筒状の部分を有する様にしたものである。そして、各導電板に互いに位相が１８０度ずれた励磁電圧を印加する。
【００１３】
また、図２の示す導電板において、磁場を強くするために導電板の厚さ方向断面Ｓを大きくすると、高周波では表皮効果により導電板内部に電流が流れず、発熱が生じ、所望の強さの磁場も得られない。その問題を解決するために、厚さの薄い複数の導電板を図８に図示するように厚さ方向に互いに間隔をおいて多層にして励磁素子を構成し、複数の導電板を高周波交流電圧に対し電気的に並列に接続する。この構成により高周波に対するインピーダンスを小さくし、励磁電流を大きくして磁場を強くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
励磁周波数を高くできるので、導電体にある微小欠陥検出用の渦流探傷装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】導電板を円筒形状にした本発明の一実施例の励磁素子を示し、図（ａ）は円筒の軸に垂直な横断面で、図（ｂ）は、図(ａ)の線Ａ−Ａに沿った縦断面図である。
【図２】平らの導電板による本発明の一実施例の励磁素子を示し、図（ａ）は導電板の周囲に発生する磁界を示す導電板の側面図で、図（ｂ）は導電板内部の電流密度分布を示す導電板の平面図である。
【図３】導電板１を励磁素子として使用する場合の検出コイル２との配置関係を示す簡略模式図。
【図４】図(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ本発明に係る渦流探傷用プローブを使用した実施の形態の概略構成を示す平面図、正面図、及び側面図である。
【図５】渦流探傷器の簡略ブロック図である。
【図６】検査体上の放電加工傷を探傷した結果を表わす図である。
【図７】２枚の導電板を重ね合わせて全体の形状が略円筒状に形成した部分を有する励磁素子を示す。図(ａ)は励磁素子の一部を横断面で示す概略構成図で、図（ｂ）は励磁素子の側面図である。
【図８】厚さの薄い複数の導電板を電源に対し電気的に並列に接続し、互いに間隔をおいて重ね合わせて構成した励磁素子を示す。
【符号の説明】
【００１６】
１ 導電板、２ 検出コイル、３ 交流電源、１１ 励磁素子、１２ 検査体、２１ 高周波発振器（交流電源）、２２ 位相検波器、２３ 増幅器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁素子及び検出コイルを含む渦流探傷用プローブにおいて、前記励磁素子が導電板からなり、前記導電板の両端から高周波数の交流電圧を印加して前記導電板に面電流を流して、前記導電板の周囲に励磁磁界を発生するように構成した、渦流探傷用プローブ。
【請求項２】
請求項１に記載の渦流探傷用プローブにおいて、前記導電板の中央部が略半円筒形状に湾曲している、渦流探傷用プローブ。
【請求項３】
請求項１に記載の渦流探傷用プローブにおいて、前記導電板の両端が開放された円筒形状であり、前記両開放端に高周波数の交流電圧を印加する、渦流探傷用プローブ。
【請求項４】
請求項１に記載の渦流探傷用プローブにおいて、前記導電板が複数の導電板からなり、それぞれの導電板の断面が一つの円弧を形成する部分を有し、前記複数の導電板を組み合わせて、それぞれの前記円弧の全体で略円筒形状部が構成され、前記複数の導電板のそれぞれに互いに位相のずれた高周波交流電圧が印加されるように構成された、渦流探傷用プローブ。
【請求項５】
励磁素子及び検出コイルを含む渦流探傷用プローブにおいて、前記励磁素子は複数の導電板からなり、前記複数の導電板は厚み方向に互いに間隔をおいて多層に構成され、高周波交流電圧に電気的に並列に接続されている、渦流探傷用プローブ。
【請求項１】
励磁素子及び検出コイルを含む渦流探傷用プローブにおいて、前記励磁素子が導電板からなり、前記導電板の両端から高周波数の交流電圧を印加して前記導電板に面電流を流して、前記導電板の周囲に励磁磁界を発生するように構成した、渦流探傷用プローブ。
【請求項２】
請求項１に記載の渦流探傷用プローブにおいて、前記導電板の中央部が略半円筒形状に湾曲している、渦流探傷用プローブ。
【請求項３】
請求項１に記載の渦流探傷用プローブにおいて、前記導電板の両端が開放された円筒形状であり、前記両開放端に高周波数の交流電圧を印加する、渦流探傷用プローブ。
【請求項４】
請求項１に記載の渦流探傷用プローブにおいて、前記導電板が複数の導電板からなり、それぞれの導電板の断面が一つの円弧を形成する部分を有し、前記複数の導電板を組み合わせて、それぞれの前記円弧の全体で略円筒形状部が構成され、前記複数の導電板のそれぞれに互いに位相のずれた高周波交流電圧が印加されるように構成された、渦流探傷用プローブ。
【請求項５】
励磁素子及び検出コイルを含む渦流探傷用プローブにおいて、前記励磁素子は複数の導電板からなり、前記複数の導電板は厚み方向に互いに間隔をおいて多層に構成され、高周波交流電圧に電気的に並列に接続されている、渦流探傷用プローブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１８４１２３（Ｐ２００６−１８４１２３Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７７７９５（Ｐ２００４−３７７７９５）
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（３９０００２８０８）マークテック株式会社 (42)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（３９０００２８０８）マークテック株式会社 (42)
【Ｆターム（参考）】
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