JPH1038854A - 導電性材料の非破壊検査方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 導電性材料中の微小な傷や欠陥を環境磁気雑
音の存在に拘わらず高感度で検出することができる磁束
検出型の非破壊検査方法および装置。 【解決手段】 導電性材料の被検体１６に並行に密着し
て戻りの電気回路１１を設け、被検体と戻り回路の間を
絶縁し、被検体と戻り回路に互いに逆の方向に同じ強さ
の電流を流し、このとき外部に発生する磁場の分布を測
定し、被検体内の電流路異常を検出して解析することに
より欠陥等を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導電性材料の非破
壊検査方法の分野に属し、特に、材料を流れる電流によ
り発生する磁場に基づいて表面や内部の欠陥を検出した
り、欠陥が発生する前の磁気特性変化に基づいて材料損
傷を検出するための、磁束計を用いた、特に好ましくは
ＳＱＵＩＤを用いた非破壊検査方法の分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】材料の中に存在する傷やクラックなどの
欠陥を見つけ、良品のみを選別して活用するため、古く
から非破壊検査が行われてきた。ところで、近年、ＬＮ
Ｇタンク、原子力機器、橋梁、飛行機等、破損が重大な
事故をもたらす構造物が多くなってきたため、破損や破
壊に至る前に材料の微小欠陥や微小傷を検出する要請が
大きくなってきた。また、これらの高価な構造物を長期
間使用可能とするため構造物の余寿命評価技術が注目さ
れ、このためにも材料の微小な傷や欠陥を非破壊的に検
査する技術が必要とされる。このように、原子力設備や
構造物の耐久性の診断、航空機や船舶の製造ならびに保
守、材料の劣化診断など、各種分野において安全性の確
保や信頼性の向上の要請に応えるためにも、微小傷検出
が可能な精度の高い非破壊検査技術が望まれている。さ
らに、測定環境からの必要や計測精度の信頼性の要請か
ら、非破壊検査を自動で行うようにすることが好まし
い。

【０００３】従来用いられてきた非破壊検査技術には、
放射線透過試験、超音波探傷試験、磁粉探傷試験、蛍光
染料を用いた浸透探傷試験、渦流探傷試験等がある。こ
れらはそれぞれ傷検出能力に制約がある。例えば、超音
波探傷技術においては材料の表面にプローブを接触させ
て測定する必要があり、また表面反射の影響で不感帯が
あるため表面から浅い傷の検出が困難である。渦流探傷
技術では高周波磁場を印加したときに表層部に誘導され
る電流を用いるため、表面の傷しか検出できず傷の大き
さや深さ方向の延長状態を正確に知ることができない。
磁粉探傷試験では内部の欠陥や傷を検出できず、さらに
材料表面に磁粉を塗布するための前処理が必要とされ
る。放射線透過試験では表面の傷は検出しにくいばかり
でなく、連続的な試験を行うことができない。このよう
に、これら非破壊検査技術はそれぞれ制約があり、実際
の非破壊検査では幾つかの手法を相補的に使用して不足
を補っていた。例えば、材料内部の欠陥や傷の検出には
主に超音波探傷試験や放射線透過試験が用いられ、材料
表層部の欠陥や傷の検出には磁粉探傷試験、浸透探傷試
験、渦流探傷試験等が用いられてきた。

【０００４】これらの検査方法と異なる原理を有するも
のとして、導電性材料に電流を流したときに発生する磁
場を測定して材料中の欠陥部分を検出する方法がある。
すなわち、導電性材料に電流を流すと、その電流の強さ
と向きに応じて電流の周囲に磁場が誘導される。材料内
部に傷や欠陥がないときは材料中を流れる電流は均質
で、周囲に誘起される磁場の状態も均質になる。ところ
が、材料中に欠陥等があると、電流はその部分を迂回し
て流れたり欠陥等を通過する電流が小さくなったりす
る。このように、欠陥部における電流は方向と強さが変
化することになる。このとき常態と偏倚した電流により
発生する磁場分布のゆらぎは、欠陥や傷の大きさや形状
により特有のパターンを呈する。従って、導電性材料に
所定の電流を供給して材料の外側の磁場分布を測定する
ことにより材料表面や内部の欠陥等を検出することがで
きる。

【０００５】近年、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）
などの高感度の磁気検出が可能な磁束計が得られるよう
になり、上記原理を活用して磁束計を用いる材料試験方
法が注目されるようになってきた。ＳＱＵＩＤは、従来
の磁気センサに対して高感度であり、直流から数１０ｋ
Ｈｚ間での広い周波数領域において検出感度が周波数に
依存しないという特徴を持っている。また、ＳＱＵＩＤ
は、薄膜素子で構成することにより極めて微小な素子と
することができるため、空間分解能が高い。これら特性
のため、既に脳磁波や心磁波などの生体磁気計測や地上
磁気探査などの地球物理計測用として広く活用されてい
る。このような小型で高感度のＳＱＵＩＤは、感度が１
０ｆＴといわれるのに対し、条件にもよるが上記原理に
より発生する磁界はほぼ数１０ｐＴレベルであるから、
材料に電流を流して発生する異常磁場をＳＱＵＩＤを用
いて測定することにより材料内部の欠陥や傷を非破壊検
出することが可能となる。

【０００６】生体磁気計測は高性能な磁気シールドルー
ムの中で行うことができるが、非破壊検査は通常磁気シ
ールドルームに頼ることができないところで実施される
ので、検出対象からの磁気信号よりはるかに大きい磁気
雑音の妨害を受けることになる。通常５０μＴ程度とさ
れる地磁気の影響も検出対象からの磁気信号と比較する
と極めて大きい。また、環境磁気雑音をできるだけ小さ
くするため、例えば、被検体に電流を導く回路はできる
だけ遠くに配置して測定磁場への影響を避けたり、磁束
センサを冷却するための冷凍機の部品として使われる強
磁性体を隔離して据えたりそのものを磁気シールドする
などの工夫が行われる。

【０００７】しかし、この原理による非破壊検査では、
局所的に存在する傷や欠陥を迂回して方向を変化させた
一部の電流に起因して周囲の磁場が部分的に変化すると
ころを検出するわけであるから、材料を流れる電流全体
が発生する磁場に対して欠陥等の周囲の迂回電流に起因
する磁場変動は小さい。このように周囲の環境に存在す
る磁場が大きく、測定信号が埋もれて検出しにくかっ
た。従って、測定に当たっては、全体電流により誘起さ
れた大きな磁束に対して加算される変動磁束分を抽出し
て欠陥等の判定を行う必要がある。このように、検出感
度を上げて実用的に使用できるようにするためには、環
境磁気レベルや材料に流す電流に基づく磁場を相殺して
測定対象の欠陥部分等に起因する磁場のみを抽出して拡
大する高度な信号処理技術が必要とされる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、導電性材料中の微小な傷を高感度
で検出することができる磁束検出型の非破壊検査方法お
よび装置を提供することにある。また、材料中の欠陥が
表層にあっても深層にあっても検出することが可能な非
破壊検査方法を提供することにある。さらに、検査現場
の磁気雑音の存在に拘わらず検出が可能な磁束検出型の
非破壊検査方法および装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の導電体材料の非破壊検査方法は、被検体に並行に密
着して戻りの電気回路を設け、被検体と戻り回路の間を
絶縁し、被検体と戻り回路に逆方向に同じ強さの電流を
流して、外部に発生する磁場の分布を測定することによ
り、被検体の電流路異常を検出することを特徴とする。
また、本発明の非破壊検査方法は、２以上の異なる周波
数が重畳した交流電流を被検体と戻り回路に流すことが
好ましい。さらに、戻り回路の形状を被検体とほぼ同じ
形態に形成し、被検体と戻り回路の間を薄い絶縁層で絶
縁して検査することが好ましい。また、磁束センサを被
検体表面に対して相対的に移動しながら磁場分布の測定
を行うことが好ましい。さらに、磁場分布の測定信号を
印加する電流の信号でロックインして異常磁気部分の信
号を抽出して磁場分布を算出することが好ましい。ま
た、磁場分布の測定はＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素
子）により行うことができる。

【００１０】上記課題を解決する本発明の導電体材料の
非破壊検査装置は、一端が第１の電極と接続され他端に
接点を有する導電体で構成された載置台と、被検体に接
続される第２の電極と、第１電極と第２電極に接続され
て直流電流もしくは１以上の周波数を有する交流電流を
供給する電源装置と、載置台に近接した位置に発生する
磁束を検出する磁束センサと、磁束センサと載置台を相
対的に移動させる走査装置とを備えて、載置台に絶縁体
を介して被検体を密着して載置し、被検体の一端を載置
台の接点に、他端を第２電極に接続し、第１電極と第２
電極の間に電流を流し、磁束センサで外部に誘起された
磁場の分布を測定することにより、被検体の欠陥もしく
は傷を検出することを特徴とする。また、本発明の非破
壊検査装置は、電源装置の出力電流を検出する電流セン
サと、ロックイン検出器と、波形解析装置とをさらに備
え、ロックイン検出器が磁束センサの出力を電流センサ
の出力でロックインして印加電流と同じ周波数の磁気検
出出力を位相を含めて抽出して、波形解析装置が印加電
流と同じ周期成分の磁束検出出力に基づいて波形を解析
するものであってよい。さらに、ＳＱＵＩＤを磁束セン
サとして使用することがより好ましい。また、磁束セン
サは１次元もしくは２次元のアレイ状に複数のＳＱＵＩ
Ｄを配列したものとしてもよい。

【００１１】本発明の導電体材料の非破壊検査方法によ
れば、被検体となる導電性材料に並行に導電性の戻り電
気回路を密着して設けて、被検体に電流を流し、戻り電
気回路にこの電流と同じ量の電流を逆向きに流すから、
被検体を流れた電流に起因して外部に誘起される磁場は
密着した戻り回路を流れる電流により誘起される磁場と
反対向きでほぼ同じ強さとなり、ふたつの磁場が重畳さ
れることによりほぼ相殺される。そこで、もし被検体中
に欠陥等が存在すれば、被検体中を流れる電流はこの欠
陥等を回避して局所的に尋常と異なる流路をとるため誘
起磁場が偏倚するが、このとき、被検体全体を流れる電
流に起因する磁場が戻り回路を流れる電流に基づく磁場
に打ち消されて、異常部分の電流に基づく偏倚分だけが
残る。このような偏倚分の磁束パターンは欠陥の形状や
大きさに基づき特有の形態を有するため、偏倚の測定結
果に基づいて欠陥の形状や大きさを推定することができ
る。

【００１２】従来技術では、磁束センサは全体電流が誘
起する磁場の中の僅かな偏倚分を検出できるだけのレン
ジアビリティが要求された上、信号処理により偏倚分の
み抽出する必要があったが、本発明の方法によれば、戻
り回路による相殺が行われて、磁束センサはこの偏倚分
を直接測定すればよいから、欠陥等が小さくて偏倚分が
微小であってもレンジアビリティがそれほど高くない磁
束センサで感度良く検出することができ、高度な信号処
理も必要とならない。このように、本発明によれば極く
簡単な構成により、不要なバイアスを排除した測定信号
を直接得るようにしたから、極く小さな欠陥も感度良く
検出することができるようになった。また、高度な信号
処理技術を援用する必要もなくなり装置製造上の経済性
も高まった。本発明の非破壊検査方法を援用することに
より、極めて小さい欠陥を正確に測定できるようになっ
たため、高温、腐食環境、荷重、振動などによって起こ
る材料の損傷の様子を定量的にかつ経時的に把握するこ
とができるようになり、航空機、化学プラント、原子力
プラントなどに用いられている金属材料の寿命予測のた
めのデータ蓄積が容易になった。

【００１３】また、上記の非破壊検査方法で、２以上の
異なる周波数が重畳した交流電流を被検体と戻り回路に
流すようにしたものは、欠陥等が材料中の深さ方向にど
のように分布するかを検出することができる。すなわ
ち、電流の表皮効果により電流が流れる深さは周波数に
より異なる。従って、高周波電流であれば表層部のみし
か流れないため検出できるのは表層部の欠陥等に限られ
るが、低周波電流を使用すると深層部の欠陥も検出でき
るようになる。そこで印加する電流の周波数を調整する
ことにより測定範囲を画定することが可能となり、ま
た、複数の周波数を重畳した交流電流を使用してそれぞ
れの周波数における測定結果を複合することにより、欠
陥等の深さ方向の形状を把握することができるようにな
る。さらにまた、２以上の異なる周波数を重畳させた交
流電流をもちいることにより、１の周波数で測定したと
きに環境雑音で紛れる場合に、他の周波数による測定で
明確化するようにすることも可能となる。ここで、複数
の周波数を重畳するとは、複数の周波数成分を同時に含
む交流を用いる場合と、異なる周波数の交流を時間的に
交代して用いて時系列的に混合する場合と、およびこれ
らを複合した場合とを含む。

【００１４】さらに、戻り回路の形状を被検体とほぼ同
じ形態に形成すれば、被検体を流れる電流の分布と戻り
回路を流れる電流の分布がほぼ同じになるので、両者が
密接して配置されると両電流により誘起される外部磁場
がほぼ正確に相殺されて、被検体に欠陥等があるときの
検出がより容易になる効果がある。また、このような構
成にすることにより、複雑なパターンを有する回路基板
などの欠陥等を一挙に検出するようにすることも可能と
なる。例えば、良品のプリント基板を戻り回路とし、そ
の上に薄い絶縁膜を介して被検体としてのプリント基板
を載置し、同形のリードパターンに相互に逆向きに電流
を流して外部磁場を測定すると、被検体に欠陥があれば
上下の対応した電流に差が生じるためその部分に異常な
磁場パターンが現れるから、容易に欠陥等の検出ができ
る。

【００１５】また、磁束センサを被検体表面に対して相
対的に移動しながら磁場分布の測定を行うようにすれ
ば、少ない磁束センサにより検査装置を構成することが
できる。信号処理回路は磁気センサに対応して設けるた
め、磁気センサの数は総体としてのコストに影響を与え
ることになる。なお、磁束センサは単独でなく、リニア
アレイ状に並べたものや２次元のマトリックスに配列し
たものであっても良い。こうすることにより、１回の走
査により測定できる領域が広くなり測定時間を短くする
ことができる。さらに、磁場分布の測定信号を印加する
電流の信号でロックインして異常磁気部分の信号を抽出
して磁場分布を算出するようにすれば、電流電源から積
極的に印加した電流に起因する磁束のみが抽出されるこ
とになり、環境磁気雑音の影響を遮断して正確な測定が
可能となる。

【００１６】また、磁場分布の測定をＳＱＵＩＤ（超伝
導量子干渉素子）を磁束センサとして行えば、フラック
スゲート型の磁束センサ、半導体磁気センサ、あるいは
ホール素子を用いたセンサ等を用いた磁束センサより格
段に感度の良い測定が可能となる。なお、ＳＱＵＩＤに
おける検出コイルの構造をグラジオメータとすることに
よって環境磁気雑音をより低減することができる。グラ
ジオメータの次数は環境磁気雑音の空間的な勾配の複雑
さに応じて、１次微分型や２次微分型などから選択する
ことができる。

【００１７】本発明の導電体材料の非破壊検査装置は、
載置台上に絶縁層を介して近接して被検体を配置して電
源装置から電流を流すと、電流は第１電極、載置台の一
端、載置台、載置台の他端の接点、被検体、第２電極と
直列に接続された回路を流れる。従って、載置台と被検
体を流れる電流は同じ大きさで向きが反対となり、両電
流路は近接しているから、両電流により誘起されて被検
体あるいは載置台の外側にできる磁場はほぼ相殺されて
低いレベルにとどまる。そこで、もし被検体中に欠陥等
が存在して被検体中を流れる電流が局所的に偏った流路
をとると、欠陥等により乱された電流に基づく磁場の偏
倚分だけが外部の磁場に現れる。磁束センサと載置台の
一方を固定して他方を移動しながら外部磁場分布を測定
すると、得られた偏倚分の磁束パターンに基づいて欠陥
の形状や大きさを推定することができる。また、印加電
流の周波数を選択することにより電流の到達する深さを
調整することができるので、欠陥等の材料中の深さ方向
の位置を感知することができる。このように、本発明の
導電体材料の非破壊検査装置は、先に述べた本発明の非
破壊検査方法を実施するために用いることができる。

【００１８】また、印加する電流を検出する電流センサ
とロックイン検出器を備えた非破壊検査装置は、印加電
流の周期波形に基づいて磁束センサ出力をロックインす
るので、磁束センサの測定出力のうち印加電流を起因と
する成分のみを抽出することができる。したがって、環
境磁気雑音の影響が少ない情報密度の高い信号を得るこ
とができ、磁束パターンの解析が容易になる。なお、磁
束センサと被検体が相対的に移動するため被検体中の欠
陥等移動速度と印加電流の周波数とがほぼ同期する場合
には細かい欠陥を検出することが困難になるが、印加電
流の周期で正確にロックインすれば欠陥信号の見落とし
が少なくなる。また、周波数を変更したり２以上の周波
数成分を含む電流を印加して各周波数についてロックイ
ンして解析をすれば欠陥は見落としなく検出ができるよ
うになる。

【００１９】さらに、磁束検出の感度が極めて高く、空
間分解能が高いＳＱＵＩＤを磁束センサとして使用すれ
ば、極めて小さい欠陥や傷も確実に検出することができ
る。なお、磁束センサを被検体に対して相対的に走査す
ることにより測定対象領域全体の測定を行うが、磁束セ
ンサは極めて小さいため広い表面を有する被検体を迅速
にくまなく走査するためには、磁束センサあるいは被検
体の移動速度を十分速くする必要がある。そこで、磁束
センサを１次元もしくは２次元のアレイ状に複数のＳＱ
ＵＩＤを配列して構成したものとすれば、単独のＳＱＵ
ＩＤ素子を使用する場合と比較して測定範囲が大きくな
るので、被検体部分の走査速度が向上し短時間で測定を
終了させることができるようになる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の導電性材料の非破壊検査
方法は、導電体に電流を流すと内部に存在する欠陥等に
よって乱れるため電流によって誘導される磁場にも乱れ
が生じるので、導電体の外部の磁場の分布を観察するこ
とによって導電体内に存在する欠陥や傷を検出するもの
である。導電体内に欠陥類が存在しなければその中を流
れる電流は導電体の形状により決まる一定の分布状態を
有し、この電流が導電体の外に誘起する磁場は電流分布
に対応した一定の分布状態を表す。しかし、導電体内に
欠陥類が存在すると、電流はその欠陥部分で欠陥の形状
や大きさに対応した乱れを生じる。この電流の乱れは、
導電体外部に誘起した磁場の分布状態に影響を及ぼし、
欠陥の位置や形状、大きさを反映した乱れを与える。

【００２１】例えば図１に模式的に示したように、導電
性材料１中に電流２を横切る方向にスリット状の切り欠
き３が存在すると、電流は切り欠き３を迂回して流れる
ため、電流が誘起する導電性材料の表面近くの磁場分布
には局所的な乱れが生じる。これをマグネトメータで測
定したときの測定出力は、図に等高線４で表現した通
り、電流の上流から見て切り欠き３の右端部に山５を有
し左端部に谷６を有するパターンを呈する。このような
磁場の乱れは欠陥の形状や向きなどその状態に対応した
特定のパターンを有する。従って、導電性材料に電流を
流してその表面付近の磁場分布を測定し乱れ部分を抽出
して解析することにより、非破壊的に材料中の欠陥状態
を検出することができる。

【００２２】ただし、この電流の乱れによる磁場変化は
材料の全断面を流れる電流により誘起されている磁場の
強度と比較すると小さく、感度がかなり良くしかもレン
ジアビリティの高い磁束センサを使用しても直接的に検
出することは容易でない。このため、材料中を流れる全
電流に起因する磁場強度を相殺して欠陥類を原因とする
磁場の乱れのみを抽出するための高度な信号処理を必要
とする。また、磁場を測定する磁束センサには、半導体
磁気センサやフラックスゲート型センサ、さらにＳＱＵ
ＩＤ（超伝導量子干渉素子）センサなど、高い感度のも
のが使われるため、装置自体が持っている強磁性体部品
や装置中を流れる電流の影響や、周辺におかれた装置類
を起因とする磁場、さらに地磁気などの環境磁気雑音を
無視することができない。

【００２３】そこで、本発明の非破壊検査方法は、磁束
センサで測定した磁場分布情報を信号処理することによ
り相対的に小さな乱れを検出する代わりに、被検体を流
れる全電流による磁場を反対方向に流れる同じ大きさの
電流により発生する磁場で相殺して、被検体の表面付近
における磁束分布が直接被検体内における欠陥類を反映
するように構成するようにしたものである。本発明の構
成により、磁気センサで欠陥類が反映した磁場を直接測
定するため、高度な信号処理を行わなくても高い感度で
欠陥類を検出することが可能となる。また、本発明の非
破壊検査方法において、被検体に印加する電流は直流で
あってもよいが、交流電流を使用することもできる。交
流電流を使用するときはその周期情報を用いて磁束セン
サの測定出力をロックインすることにより、環境磁気雑
音から信号を分離することが容易に可能となる。また、
２個以上の周波数を使用すると欠陥等を原因とする磁場
と環境磁気とをさらに容易に分離することできる。以
下、実施例を用いて本発明の導電体材料の非破壊検査方
法および装置を詳しく説明する。

【００２４】

【実施例】図２は本発明の導電体材料の非破壊検査装置
の実施例における主要な検査工程中の検出部分を表す一
部断面図、図３はその主要部を表すブロック図である。
図２の（ａ）は被検体を載置台に供給する工程、（ｂ）
は被検体を載置台に固定する工程、（ｃ）は磁束センサ
を走査しながら外部磁場を測定する工程、（ｄ）は検査
後の被検体を排出する工程を示したものである。

【００２５】図２（ａ）に示すように、本発明の非破壊
検査装置は、平らな導電性材料を検査するもので、載置
台１１に被検体１６を自動的に供給して固定し測定し
て、測定後はやはり自動的に被検体１６を排出して次の
被検体１６を供給して、連続的な検査が可能になってい
る。載置台１１の芯体は導電性材料で作成されており、
被検体１６を流れる電流の戻り回路を構成する。芯体
は、内部および表面に電流の流れの障害となるような欠
陥類がなく、良品の被検体中の電流と同じ電流分布を現
出するように構成されることが好ましい。芯体は、１端
の裏側で第１電極１３に接続され、他端の表側には接点
１５が配設されていて表面に露出している。載置台１１
の上面は端部を除いて薄い絶縁体１２に覆われている。
載置台１１の上記第１電極１３のある端の側に第２電極
１４が配設されていて載置台１１の絶縁体１２表面に露
出している。第２電極１４は載置台１１の芯体と電気的
に絶縁されている。被検体１６はローラ１７により載置
台１１まで搬送されてきて、載置台１１の上に据えられ
る。

【００２６】図２（ｂ）に示すように、搬送されてきた
被検体１６は載置台１１に押圧され、端部がそれぞれ第
２電極１４と接点１５に圧接されて、薄い絶縁層１２を
介して芯体の表面と対向する。被検体１６を載置台１１
の表面に密着させるため、載置台１１の表面には真空吸
引設備が設けられている。なお、載置台１１の芯体の表
面は被検体１６の表面と同程度に平坦に仕上げられてい
る必要があるため、真空回路は絶縁体１２内部もしくは
載置台１１の両端部分に配設されている。

【００２７】次に、図２（ｃ）に示すように、図外の電
源装置から第１電極１３と第２電極１４に直流電流また
は交流電流を供給しながら、磁束センサ１８の下で載置
台１１をＸ軸方向とＹ軸方向に駆動し、被検体１６の被
測定部位全域を走査して磁場を測定し、そのパターンに
基づいて内部欠陥の検出を行う。電流は、第１電極１
３、載置台１１芯体、接点１５、被検体１６、第２電極
１４の順に接続されて構成される電気回路を流れる。従
って被検体１６を流れる電流と載置台１１芯体を流れる
電流は向きが逆になり、芯体は被検体に対する戻り回路
になっている。芯体中の電流分布が欠陥が無いときの被
検体と同じであれば外部に生起される磁場は相殺されて
ゼロの水準となり、被検体中に欠陥があるときだけその
欠陥を反映した磁束パターンを表す。

【００２８】電源装置は電流の周波数を調整することが
できる。この検査装置は電流が流れる部分における欠陥
を検出するものであるから、表皮効果に基づき周波数を
調整して電流の流れる表皮厚さを調節することにより、
所定の深さまでに存在する欠陥等を検出するようにする
ことができる。また、複数の周波数における検出結果を
複合的に解析することにより、欠陥等の深さ方向の延長
状態を計測することや所望の深さにおける欠陥の状況を
把握することも可能となる。なお、磁気雑音の周波数が
測定電流の周波数と近似する場合にも、複数の周波数を
使用することにより混同を回避することもできる。測定
用の電流に複数の周波数を使用するためには、電源装置
で複数の周波数成分を同時に含む交流を発生させてもよ
く、また異なる周波数の交流を時間的に交代させて用い
てもよい。

【００２９】磁気センサ１８は、半導体技術を用いて薄
膜素子で構成されたＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）
に、ニオブ等の超伝導ワイヤをボビンに巻いて形成した
検出コイルを結合して構成したもので、液体ヘリウム容
器に浸けて、測定中、超伝導状態を維持するようにして
使用する。載置台１１の駆動は、環境磁気雑音を増大さ
せないため電動式の機器を避けて、流体駆動式のアクチ
ュエータによるようにしている。印加電流の周波数が低
い方が電流が深層部に到達するので被検体内部の欠陥類
を検出することが容易となるが、欠陥の検出分解能が低
下するので、載置台１１の移動速度が大きいと欠陥を見
落とす確率が高くなる。従って電流の周波数と載置台の
移動速度の間には適当な均衡がある。さらに図２（ｄ）
に示すように、測定が終了すると真空吸引が解かれ被検
体１６が載置台１１から解放されて、供給ローラ１７の
反対側に設置された排出ローラ１９上に押し出され排出
されて、載置台１１は次の被検体１６を受け入れる状態
になる。

【００３０】図３は、本実施例における測定系のブロッ
ク図である。第１電極１３と第２電極１４は電源装置２
１の出力端子に接続されて、被検体１６と載置台１１芯
体からなる電気回路に低周波の測定電流が流される。電
流は磁気ノイズを低減するためツイストペア線により供
給される。検出コイル２３とＳＱＵＩＤ２４はクライオ
スタット２５に収納されて高感度な磁束センサ１８を構
成し、被検体１６の表面に近接して接触しないように配
置されている。磁束センサ１８は、ＳＱＵＩＤ駆動回路
２６に制御されて被検体表面付近における磁束密度を測
定する。ＳＱＵＩＤ駆動回路２６から出力された磁束密
度検出信号はロックイン検出器２７に入力される。ロッ
クイン検出に必要な参照信号を供給するため、ロックイ
ン検出器２７には、さらに電源装置２１の出力端子に接
続された電流変換器２２で所定振幅を有し出力電流と同
じ周波数を有する位相信号が入力される。ロックイン検
出器２７は、磁束検出信号のうち出力電流と同じ周波数
を有する信号成分を抽出し、参照信号の位相を基準とす
る位相差を検出する。こうして抽出された磁束信号は、
検査装置や周辺の機器類に起因する磁場や地磁気など環
境磁気雑音を排除して被検体内の欠陥等のみを反映した
ものとなる。被検体１６を搭載した載置台１１は図外の
走査装置によりＸ軸とＹ軸の方向に移動させられて、磁
気センサ１８が被測定領域の全面を走査できるようにな
っている。

【００３１】ロックイン検出器２７からの出力は波形解
析・画像処理装置２８に入力される。波形解析・画像処
理装置２８は、走査装置から取得する磁気センサの位置
情報と波形解析・画像処理装置２８から入力された磁束
情報に基づいて被検体１６表面近傍の磁場の状態を表す
分布図を生成し、予め求めた欠陥等と磁束分布の対応関
係に基づき分布図を解析して傷や欠陥を検出しその形状
を評価し、画像処理して人が把握できるような傷画像に
変換し表示装置２９に表示する。本実施例においては、
磁束センサとしてマグネトメータ型のコイルを利用した
ものを使用したが、２次微分型の検出コイルとＳＱＵＩ
Ｄを利用したもの、さらにこれらを薄膜で一体に形成し
たもの、あるいは、これに限らず１次微分型のコイルを
使用することもでき、またフラックスゲート型センサや
半導体磁気センサなどを磁束センサに使用することもで
きる。半導体磁気センサなどはクライオスタットを必要
とせず姿勢上の制約もないから、検査装置の下面から走
査するように構成することができ、設計上の自由度が増
加する利点がある。

【００３２】なお、正逆両方向の測定電流により誘起さ
れる磁場は被検体側にも載置台側にも同じように現れる
から、どちら側の面を磁束センサで走査しても被検体内
の欠陥等を検出することができる。また、上述のように
検出コイルとＳＱＵＩＤを１対にして薄膜素子として形
成したものを利用することができるが、１対のみでなく
これらを線状に並べたリニアアレイや面上にマトリック
ス状に配列した２次元アレイにしたものを使用すること
もできる。このように多数のセンサを並置したものを利
用すれば、１回の走査でカバーできる面積が大きくな
り、また測定の空間分解能が向上する。なお、被検体と
載置台の戻り回路とを絶縁するため絶縁体としてはセラ
ミック、合成樹脂、紙質体等、各種のものが利用できる
が、また真空空間や空気層を形成することによっても良
質な絶縁を得ることが出来る。また、被検体と載置台の
密着には真空吸引以外の各種方法も利用できる。例え
ば、載置台の上方にチャックを備え、載置台上に載せた
被検体を上から押圧して機械的に固定しても良い。載置
台端部に顎型把持具を備えて載置台と被検体を挟んで固
定するのでも良い。

【００３３】図４は、本発明の導電性材料の非破壊検査
装置の別の態様における検出部分を示す断面図である。
本態様は、上記のものと比較すると、被検体が平板でな
く任意の形状を有する場合に便利な検出部を有する。図
４において、３１が導電性を有する被検体である。被検
体３１の表面は曲面になっているため、平面の載置台を
使用することは適当でない。そこで被検体３１の表面に
絶縁体で絶縁層３２を形成し、その上から導電性材料か
らなるカバー３３をかける。絶縁体は被検体の表面形状
によく適合するように成形された合成樹脂製の膜状絶縁
体や、表面形状に合わせて変形するフィルムでよく、ま
た絶縁性の高い塗膜などであってよい。被検体３１とカ
バー３３の一端側を導線３４で電気的に接続し、他端側
でカバーに接続された第１電極１３と被検体３１に接続
された第２電極１４との間に電流を流して、磁束センサ
１８を走査させながら外部に形成された磁場を測定すれ
ば、磁場のパターンから被検体内の欠陥が検出できる。

【００３４】図５は、本発明の導電性材料の非破壊検査
装置をパイプ肉厚内の欠陥検知に使用する態様における
検出部分を示す斜視図である。図５において、４１が被
検体となる例えば鋳鉄など導電性材料からなるパイプで
ある。パイプ４１の外側に絶縁性の高い厚手のフィルム
４２を巻き、その上からパイプ４１と類似の材料からな
る円筒状のカバー４３をかける。絶縁性フィルムを用い
る代わりに絶縁性の塗膜を形成しても良い。カバー４３
は軸方向に２つ割りになっていて一方の側端同士が蝶番
で繋がれており、開閉ができるようになっている。ま
た、他方の側端には留め具４４が設けられていて、パイ
プ４１に巻き付けて端部同士が突き合わされた状態で係
止するようにする。カバー４３の両端には銅などの良導
体からなる導電帯が円周方向に巻き付けられており、電
流をカバー４３の幅全体に分散させてカバー内の電流が
偏流するのを防ぐようになっている。一方の端部の導電
帯４５からはパイプ４１を挟み込んで電流を供給する第
１の顎型金具４６が連結されている。また他端の導電帯
４５からは図外の電源装置の１極に接続される電線が接
続されている。

【００３５】一方、電源装置の他の極に連結された第２
の顎型金具４７が、カバー４３のかかっている部分の手
前でパイプ４１を挟み止めている。磁束センサ４８を走
査しながらカバー４３の外側表面の近傍における磁場を
測定する。磁束センサは２次微分型のものが使用され、
磁場に変動があると変化分を拡大して検出する。電源装
置からの電流は、第２顎型金具４７、パイプ４１、第１
顎型金具４６、カバー４３の回路を通って流れる。パイ
プ４１の肉の内部に欠陥がないときは、パイプ４１中の
電流が発生する磁場とカバー４３中の電流が発生する磁
場が相殺されて、磁束センサ４８の測定信号には大きな
変化が見られないが、パイプ４１中に欠陥があるときに
はそこで電流が方向を変えるため外部に現れる磁場が変
化して、磁束センサ４８が感度良く検出する。

【００３６】図６は、本発明の導電性材料の非破壊検査
装置をプリント基板の回路を検査するために使用する態
様における検出部分を示す断面図である。図６におい
て、５１が被検体となるプリント基板である。プリント
基板５１には銅やアルミニウムなど導電体により所望の
プリントパターン５２が形成されている。一方、図中、
５３は検査における比較基準となる基準プリント基板で
ある。基準基板５３に形成されたプリントパターン５４
は被検体のプリントパターンと同じもので、パターン中
に欠陥がないことが確認されている。基準基板５３は被
検体のうちの良品から選択して用いることができる。被
検体５１は絶縁シート５５を挟んで基準基板５３の下に
同じ方向に重ねられる。従って、被検体５１と基準基板
５３のプリントパターン同士は絶縁層を挟んで対峙する
状態になっている。なお、絶縁シートに代えて周囲に枠
を挟み込んで枠５５に囲まれた空気からなる絶縁層を利
用するようにすることも可能である。こうすることによ
り、被検体５１の表面を汚損する心配が無くなる利点が
ある。また、プリント基板の絶縁層をそのまま被検体と
基準基板間の絶縁層として利用することも可能である。

【００３７】一端側の対応する位置にある適当数のスル
ーホール５６同士が電極５７により電気的に接続され、
他端側の対応する適当なスルーホール５８、５９を電極
６０、６１を介してそれぞれ電源と繋いで電流を流す。
すると、基準基板５３のプリントパターン５４中を流れ
る電流は、被検体５１のプリントパターン５２を電流が
流れる回路とそっくり同じ回路を逆方向に流れるように
なる。被検体５１中に欠陥が存在すると外部に形成され
る磁場に異常パターンが出現し、これを基準基板５３の
上に配設された磁束センサ板６２により検出する。磁束
センサ板６２は多数の半導体磁束センサを平面上に２次
元アレイ状に形成したもので、電気的に磁束センサを走
査することにより、一挙に大きな面積の磁場状態を測定
することができる。なお、磁束センサ板６２が基準基板
５３より小さい場合には基準基板表面を磁束センサで１
次元あるいは２次元的に走査しながら磁場を測定するよ
うにしてもよい。このようにして、本実施態様の非破壊
検査装置は、特定の基準回路を製作せずに良品をそのま
ま利用して、プリントパターン５２中に存在する欠陥を
迅速に高感度で検出して製品検査を行うことができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の導電性材料
の非破壊検査方法および装置は、戻り回路を用いて検出
部分を構成することにより、試料中の電流により誘起さ
れる外部磁場を戻り回路を流れる電流でほぼ相殺するよ
うにして、磁束センサにより導電性材料中の微小な傷を
高感度で検出するようにすることができる。また、本発
明の導電性材料の非破壊検査方法および装置は、材料中
の欠陥が表層にあっても深層にあっても検出することが
可能で、しかもその位置を明確にすることができる。さ
らに、検査現場の環境磁気雑音の存在に拘わらず検出が
可能で、実用性の高い非破壊検査装置を提供するができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における検出原理を説明する図面であ
る。

【図２】本発明の導電性材料の非破壊検査装置の実施例
における検出部分の構成を表す一部断面図である。

【図３】本実施例の主要部を表すブロック図である。

【図４】本実施例の別の態様における検出部分の構成を
表す断面図である。

【図５】本実施例のさらに別の態様における検出部分の
構成を表す斜視図である。

【図６】本実施例のもうひとつ別の態様における検出部
分の構成を表す断面図である。

【符号の説明】

１ 導電性材料 ２ 電流 ３ 切り欠き ４ 等高線 ５ 磁場の山 ６ 磁場の谷 １１ 載置台 １２ 絶縁体 １３、１４ 電極 １５ 接点 １６ 被検体 １７ 供給ローラ １８ 磁束センサ １９ 排出ローラ ２１ 電源装置 ２２ 電流変換器 ２３ 検出コイル ２４ ＳＱＵＩＤ ２５ クライオスタット ２６ ＳＱＵＩＤ駆動回路 ２７ ロックイン検出器 ２８ 波形解析・画像処理装置 ２９ 表示装置 ３１ 被検体 ３２ 絶縁層 ３３ カバー ３４ 導線 ４１ 被検体パイプ ４２ 絶縁性フィルム ４３ 円筒状カバー ４４ 留め具 ４５ 導電帯 ４６、４７ 顎型金具 ４８ 磁束センサ ５１ プリント基板 ５２、５４ プリントパターン ５３ 基準プリント基板 ５５ 絶縁シート ５６、５８、５９ スルーホール ５７、６０、６１ 電極 ６２ 磁束センサ板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大西 勝 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工業 株式会社野田工場内 (72)発明者 原口 憲次郎 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工業 株式会社野田工場内 (72)発明者 神谷 祥二 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工業 株式会社野田工場内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体に並行に密着して電気回路を設
   け、該被検体と該電気回路の間を絶縁し、該被検体と該
   電気回路に逆方向に同じ電流を流して、外部に発生する
   磁場の分布を測定することにより、被検体の電流路異常
   を検出することを特徴とする導電体材料の非破壊検査方
   法。
2. 【請求項２】 前記電流を２以上の異なる周波数が重畳
   した交流とすることを特徴とする請求項１記載の導電体
   材料の非破壊検査方法。
3. 【請求項３】 前記被検体と電気回路の間の絶縁が両者
   に挟まれた薄い絶縁層によって行われ、前記電気回路が
   対向する被検体とほぼ同等の形状を有することを特徴と
   する請求項１または２記載の導電体材料の非破壊検査方
   法。
4. 【請求項４】 前記磁場分布の測定が被検体と相対的に
   移動する磁束検出端により行われることを特徴とする請
   求項１ないし３のいずれかに記載の導電体材料の非破壊
   検査方法。
5. 【請求項５】 前記磁場分布の測定信号を前記電流でロ
   ックインして異常部分の信号を抽出し、該抽出された信
   号により磁場分布を算出することを特徴とする請求項１
   ないし４のいずれかに記載の導電体材料の非破壊検査方
   法。
6. 【請求項６】 前記磁場分布の測定をＳＱＵＩＤ（超伝
   導量子干渉素子）により行うことを特徴とする請求項１
   ないし５のいずれかに記載の導電体材料の非破壊検査方
   法。
7. 【請求項７】 一端を第１の電極に接続され他端に接点
   を有する導電体で構成された載置台と、被検体に接続さ
   れる第２の電極と、第１電極と第２電極に接続されて直
   流電流もしくは１以上の周波数を有する交流電流を供給
   する電源装置と、磁束を検出する磁束センサと、該磁束
   センサを前記載置台に対して相対的に移動させる走査装
   置とを備えて、前記載置台に絶縁体を介して被検体を密
   着して載置し、該被検体の一端に前記接点を接続し、他
   端に第２電極を接続し、第１電極と第２電極の間に電流
   を流し、前記磁束センサで外部に発生する磁場の分布を
   測定することにより、被検体の欠陥もしくは傷を検出す
   ることを特徴とする導電体材料の非破壊検査装置。
8. 【請求項８】 前記電源装置の出力電流を検出する電流
   センサと、ロックイン検出器と、波形解析装置とをさら
   に備え、前記ロックイン検出器が前記磁気センサの出力
   を前記電流センサの出力でロックインして印加電流と同
   じ周波数の磁気検出出力を位相とともに抽出して、前記
   波形解析装置が前記同じ周期の磁気検出出力に基づいて
   波形を解析することをことを特徴とする請求項７記載の
   導電体材料の非破壊検査装置。
9. 【請求項９】 前記磁束センサがＳＱＵＩＤであること
   を特徴とする請求項７または８記載の導電体材料の非破
   壊検査装置。
10. 【請求項１０】 前記磁束センサが１次元もしくは２次
    元のアレイ状に複数のＳＱＵＩＤを配列したものである
    ことを特徴とする請求項９記載の導電体材料の非破壊検
    査装置。