針状磁気プローブによる 金属表面微小傷の非接触検出

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1 針状磁気プローブによる 金属表面微小傷の非接触検出
A-36 卒　業　論　文　発　表 針状磁気プローブによる 金属表面微小傷の非接触検出 平成23年2月21日 発表者 磁気応用工学研究室 　細川　拓人 針状磁気プローブによる金属表面微小傷の非接触検出と題しまして磁気応用工学研究室の細川が発表させていただきます．

2 渦電流探傷法 渦電流探傷法(ECT : Eddy Current Testing)
　　(1)非破壊検査(保守検査)の一種であり，金属表面の欠陥検出に適している． 　　(2)構成が簡単(励磁コイルと磁気センサ)であり，小型化が容易． 　　(3)狭い空間にもプローブを走査し検査することが可能である． 励磁磁界 励磁コイル 磁気センサ 近年，工業製品の安全性・信頼性を高めるために保守検査の重要性が高まってきています． 保守検査の中でも検査対象に非接触で欠陥を検出できる非破壊検査が特に注目されています． 本研究では，非破壊検査の中でも電磁的な方法である渦電流探傷法に注目しました． 渦電流探傷法は構成が励磁コイルと磁気センサからなる単純な構成であり，小型化が容易であるという特徴があります． (クリック)渦電流探傷法では，まず励磁コイルに励磁電流を流し，検査対象を貫通するように励磁磁界を発生させます． (クリック)励磁磁界を印加された検査対象は，励磁磁界を打ち消すように検査対象表面に渦電流が誘起されます． この時，欠陥があると渦電流は欠陥を避けるようにしてながれます． (クリック)渦電流からは励磁磁界に比べ微小な磁界が発生します．欠陥がある場合，欠陥がない場合に比べ欠陥付近の渦電流の流れがことなるため，磁界のベクトルも異なります． (クリック)渦電流探傷法ではこの磁界のベクトルの変化を磁気センサで検出することで，検査対象の欠陥を検出します． 渦電流による磁界 検査対象 渦電流 欠陥 渦電流探傷法の原理図

3 リフトオフ高さを小さくすることにより向上する ECT検出感度
検査対象と磁気センサとの距離である リフトオフ高さを小さくすることにより向上する ECT検出感度 リフトオフ高さを小さくできる検査プローブが要求される 検査プローブ 渦電流から生じる磁界は励磁磁界に比べ微小なため，検査対象に磁気センサを近付けることで磁界検出の感度が向上すると考えられます． (クリック)磁界の検出感度ため，検査対象と磁気センサの距離であるリフトオフ高さを小さくできるプローブが要求されます． (クリック)リフトオフ高さを小さくすることで，磁界の検出感度が向上するため既存のプローブより小さい傷に対応できると考えられます． リフトオフ高さを小さくなることで感度が向上し 既存のプローブより小さい傷に対応できる 対象傷

4 針状磁気プローブ 針状磁気プローブは0.2 mm径の極細の針形状の先に数十µmサイズのSV-GMR
(Spin Valve –Giant Magneto Resistance)センサを付けたプローブ． 検出部 SV-GMR 45 µm 75 µm y ①微小素子(75 x 45 µm) ②感度の指向性(x方向) ③高分解能(0.01 µT) SV-GMRの特徴 x z 15 mm z x y リフトオフ高さ(絶縁膜＋ギャップ) 検査対象 本研究で用いる針状磁気プローブについて説明します． (クリック)針状磁気プローブは15 mmと比較的長い形状をしており，その先端部には磁気センサとして数十µmと微小なSV-GMRが取り付けられています． (クリック)SV-GMRは感度に指向性があるため，励磁磁界の影響を受けることなく渦電流の磁界の影響のみを検出できるというメリットがあります．また，高分解能であるため渦電流から生じる微小な磁界変化を検出することも可能です． (クリック)針状磁気プローブでは外部への配線の引き出しを針部では行わず，針から離れた場所で行うためプローブの保護膜である絶縁膜が0.01 mmと他のプローブにはない薄さを実現しています．そのため，針状磁気プローブはリフトオフ高さを小さくできるプローブとして期待できます． 針状磁気プローブ プローブの保護膜である絶縁膜が0.01 mm と 他プローブにはない薄さを実現している．

5 研究目的 (1)針状磁気プローブを用いることで針部の絶縁膜0.01 mmを実現．
(2)リフトオフ高さを小さくすることにより，ECTの感度が向上すると考えられる． (3)これまで検出できなかった小さい傷を検出する． アルミニウム板に存在する深さ0.2 mmの微小傷を 検出することを目的とする (クリック)以上より，本研究では針状磁気プローブを用いてアルミニウム板に存在する深さ0.2 mmの微小傷を検出することを目的とします． (クリック)これより，航空機翼などの断裂の原因となる欠陥を早期発見できるため安全性・信頼性が向上すると考えられます． これにより，航空機翼などの断裂の原因となる 欠陥を早期発見できるため安全性・信頼性が向上する

6 針状磁気プローブによる信号検出方法 プローブ走査方向とSV-GMRの高感度方向を一致させることで
走査ラインに存在する微小傷近辺の磁界変化を検出できる 励磁コイルによって検査対象に 渦電流を誘起する STEP 1 アルミニウム 走査方向 傷がある場合，渦電流はx方向からy方向に流れが変化する (x方向の磁界が生じる) STEP 2 傷 渦電流 励磁コイル 傷の始端と終端で渦電流の向きが 180度異なるため，センサに感知されるx方向の磁界も180度異なる． STEP 3 本研究で用いる針状磁気プローブを用いて，どのように傷信号を検出するかを説明します．針状磁気プローブの先端を励磁コイルの中央に固定し，x方向へ走査させます． (クリック)まず，はじめに励磁コイルに電流を流すことで検査対象に渦電流を誘起します．この時，渦電流は励磁コイルに沿うような形で流れます． (クリック)傷がない場合は渦電流はx方向に流れているが，傷がある場合は渦電流は傷に流れを遮られるためy方向に流れが変化します． (クリック)傷の始端と終端では渦電流の向きが180度異なるため，センサに感知されるx方向の磁界も180度異なりこのx方向の磁界の変化を磁気センサが検出します． (クリック)これより，傷がある場合のみ出力に正負の電圧ピークが現れます． x z y 磁界 針状磁気プローブ 出力に正負のピークが現れる STEP 4 傷信号検出方法

7 表皮深さδは渦電流がどの深さに流れているかの指標となる． 表皮深さが傷より深いと渦電流の大部分は傷の下を流れる．
表皮効果 励磁周波数が高くなるにつれて電流は導体の表面に集中する． 電流が金属表面での強さの「１／ｅ」に減少する点を一般的には表皮深さ“δ”で表す． アルミニウム 導電率σ=3.55×107S/m 透磁率μ=4π×10-7H/m 次に表皮効果について説明します．表皮効果は電流が励磁周波数が高くなるにつれて導体の表面に集中するという現象であり，励磁周波数が低いと渦電流が導体内部に流れやすくなり傷に遮られる電流密度が低くなってしまう．つまり，磁界の強度が弱まり検出感度が悪くなってしまう．また，励磁周波数が高すぎると対象とする傷の深さに満たない傷でも渦電流が遮られてしまうため，ノイズが多くなる・対象とする傷における出力が弱くなってしまうなどが原因で傷信号の検出感度が悪くなってしまいます．このため，励磁周波数は適切な値を選択する必要があります． 電流密度が金属表面の4割程度まで減少する点を表皮深さδで表すことができます． 表皮深さは導体の導電率・透磁率で異なり，アルミニウムの場合は図のように表されます． 図の横軸が励磁周波数で縦軸が表皮深さとなります． 表皮深さが，深さ0.2 mmより浅くなるのは励磁周波数がおよそ200 kHzであり， 本研究では，表皮深さによる出力の影響を調べるために100,200,300 kHzで実験を行いました． 表皮深さδは渦電流がどの深さに流れているかの指標となる． 表皮深さが傷より深いと渦電流の大部分は傷の下を流れる．

8 金属表面探傷の実験系・条件 Function Generator Exciting coil Lock-in Amplifier Power
Supply SV-GMR Sensor PC 交流電流を励磁コイルに印加 励磁磁界 Model 渦電流によるx方向の磁界 直流電流 Ic 検出信号 基準信号 基準信号と同位相の検出信号を出力 直流電流 Ic ：1 mA 励磁電流:90 mA 励磁磁束密度:100 µT 励磁周波数: 100 kHz~300kHz 走査距離：1.8 mm (0.01 mm/point) 実験条件 以上を考慮し，このような実験系で実験を行いました． SV-GMRセンサから出力電圧を得るために，SV-GMRセンサに直流電流を1 mA流しました． また，励磁磁束密度をSV-GMRの抵抗変化が線形領域内である100 µTとしました． 励磁周波数は表皮効果を考慮し，100 kHzから300 kHzとしました． 走査距離は，傷の上を通過するようにx方向へ1.8 mmとし，走査間隔を0.01 mmといたしました． 金属表面探傷の実験系

9 表皮効果により，励磁周波数が高くなるにつれて
微小傷付近における出力電圧の変化 深さ0.2 mm,幅0.3 mmの微小傷に対して走査を行った． 0.6 mm 300 kHz 200 kHz 100 kHz 表皮効果により，励磁周波数が高くなるにつれて 傷に遮られる渦電流密度が高くなった． 実際に深さ0.2 mm,幅0.3 mmの微小傷に対して走査を行った際の出力電圧の変化を示します． 横軸が測定距離，縦軸が出力電圧となっています． この図より，正負のピーク電圧が確認できるため傷を確認できたと考えられます． (クリック)出力電圧の正負のピーク距離は0.6 mmと実際の傷の幅よりも広くなっていることがわかります． これより傷界面では抵抗が高いので，やや金属内側で渦電流密度が高くなったことが考えられます． (クリック)また，励磁周波数が高くなるにつれてピーク電圧値が大きくなっていることがわかります．これは，表皮効果により渦電流がアルミニウム表面に集中し，傷に遮られる密度が高くなったためだと考えられます． 深さ0.2 mm傷に対しての走査結果

10 異なる傷深さの出力電圧 励磁周波数300 kHzにおける深さ0.2 mm傷，深さ0.1 mm傷の出力電圧を示す． 0.2 mm 0.1 mm
傷の深さによりピーク電圧値が異なる． 傷に遮られる渦電流の密度が異なるため． 次に励磁周波数を300 kHzに統一した時の深さ0.2 mmの傷と深さ0.1 mmの傷との出力電圧の比較を行います． (クリック)励磁周波数が同じ場合，傷に遮られる0.2 mmの傷の方が出力のピーク電圧が大きいことがわかります． 傷深さにより出力ピークが違うため，出力電圧にある閾値を設けることで想定する深さ以上の傷を検出できると考えられます． 今回の場合であれば4 µVに閾値を設ければ，深さ0.2 mmの傷と深さ0.1 mmの傷を区別できます． このように励磁周波数と閾値選択により，ある程度傷の深さを推定可能であると考えました． 励磁周波数300 kHzによる出力電圧

11 まとめ 今後の課題 (1)リフトオフ高さの縮小化 (2)針状磁気プローブによる傷検出 (1)励磁コイル (2)深さ0.1 mm以下の傷検出
以上をまとめます． 針状磁気プローブを用いることで，リフトオフ高さを縮小し磁界の検出感度向上を検討しました． 実際に測定を行うと，傷の始端と終端で正負のピーク電圧が確認できたため傷を検出できたと考えられます． 本研究で用いた励磁コイルでは300 kHz程度を想定して作製したため， 今後は1 MHz程度の励磁周波数に耐えうる励磁コイルを作製し，深さ0.1 mm以下の傷を判別できるようになればよいと考えます．

12 おわり ご静聴ありがとうございました． 以上で発表を終わります． ご静聴ありがとうございました．

13 針状磁気プローブ 針状プローブ z x y 針プローブが振動によって折れないように するための補強板(アクリル板) 励磁コイル 針部

14 表皮効果 伝導率σ=3.55×107S/m 透磁率μ=4π×10-7H/m 励磁周波数が高くなるにつれて電流は導体の表面に集中する．
電流が金属表面での強さの「１／ｅ」(＝1/2.718＝0.368）に減少するライン「Ａ」との交点までの深さを各々の周波数での電流の浸透深さ（Penetration Depth）と称して、一般的には“δ”で表す． 伝導率σ=3.55×107S/m 透磁率μ=4π×10-7H/m

15 基準値を決め，それより深い傷を対象とする
表皮効果 どの程度の深さの傷を対象にするか？ 電流は高周波になるほど導体の表面を流れる現象を利用する(表皮効果)． 基準値を決め，それより深い傷を対象とする 傷 電流 導体 図5．傷が基準より浅い場合

16 長方形コイルであるメリット 幅が狭いことで，より短い傷を探傷できる． (コイルの幅より短い傷ほど出力は小さくなるため)
長いことにより，コイル端からの磁界の影響が少ない． 図3．金属表面の傷検出モデル

17 磁気センサの比較 ホール素子は素子に垂直な磁界を検出するので，励磁磁界の影響を受けてしまう．

18 励磁磁界の理論値(導出) 図3においてのP地点での磁界を求める． 図4．励磁磁束の求め方

19 励磁磁界の理論値(導出) ビオ・サバールの法則を用いると
上式のようになるが，H1のx線に垂直な分力は下辺からの磁界の垂直分力により打ち消され，x方向の分力H2のみが残る． 図4．励磁磁束の求め方

20 励磁磁界の理論値(導出) 図4．励磁磁束の求め方

21 励磁磁界の理論値(導出) 下辺による磁界もH2と同じである。左右両辺による磁界も全く同様にして求められ，aとbを取り換えれば良いだけである．
図4．励磁磁束の求め方

22 励磁磁界の理論値(導出) 長方形全体によるP点の磁界はx線上で右向き 図4．励磁磁束の求め方

23 励磁磁界の理論値 本研究の励磁コイルはa=5mm,b=10mmであり，励磁コイルとSV-GMRの距離x=3mmである。
導線の直径が1巻あたり0.1mmなので、xの長さは巻目ごとに変化する。 励磁磁界の理論値を巻目毎の磁界の合成によって算出する。 図3．励磁磁束の求め方

24 微小信号の検出 検波器(ロックインアンプ)を用いる 検波器を用いることで多重周波数のノイズを含む信号から微小信号を検出できる
図3．微小信号の検出回路

25 微小信号の検出原理 ①入力信号と入力信号から取り出したい周波数成分と同周波数である参照信号とをPSDで乗算する。 ②ノイズ成分は全て交流となり、LPFで除去されることになる。 ③目的の信号と参照信号との位相を調整することによって、目的信号の振幅値に比例した直流電圧値が得られる。

26 2位相ロックインアンプ PSDを2つ設け、それぞれ90度位相差のある信号で乗算する。
すると目的の信号をそれぞれ極座標上の実部と虚部成分で検出する。 これにより位相を調整することなく目的の信号の振幅値および参照信号との位相差が求まる。 図4．微小信号の検出回路

27 2位相ロックインアンプ 0.5A{cos(2ωt+a)+cos(a)} 0.5Acos(a) Asin(ωt+a) -0.5Asin(a)
0.5A{sin(2ωt+a)-sin(a)} 図3．微小信号の検出回路