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A-3
針状磁気プローブによる金属板角欠陥の
非破壊検査に関する研究
磁気応用工学研究室
金森周矢
はじめに
背景
精密機器や製品の小型化の発達により，微小な欠陥
の探傷が必要
従来の磁気センサでは検出困難
目的
針状磁気プローブを用いたうず電流探傷法
特徴
•小型の磁気センサ
•高感度(3 µV/µT)
•感度指向性
•極細プローブ
金属板の角部分の欠陥の非破壊検査の検証
針状磁気プローブの構成，特徴
75 µm
z
針状磁気プローブ
75 µm
y x
感度方向
20 µm
SV-GMRセンサ
z
y
z
y
0.5 mm
0.5 mm
x
Bx
Bz
By
Magnetic field [T]
•素子が極めて小さい
•感度に指向性(x方向)
•高感度(3 µV/µT)
x
30 mm
Voltage at SV-GMR sensor [V]
小振幅交流磁界下での
SV-GMRの特性
•狭空間での計測
•リフトオフ高さの低減
角部分の欠陥に
対して有効
プローブと励磁コイルの位置関係
針状磁気プローブ
a
z
b
a
b
•センサを励磁コイルの中心に設置
x，y軸方向の磁界成分が相殺
励磁コイル
z
B  k
x
 0 Iab


1
1
 2
[T ]

2
2
2 
2
2
2
b  (z  ck) 
π a  b  (z  ck)  a  (z  ck)
n 1
y
µ0 :空気中の透磁率，I：励磁電流，n-1：コイルの巻き数
z：コイル底面とセンサとのz軸上の距離
板角部分の探傷原理
検査対象
y
y
うず電流
励磁磁界の向き
Bx
針状磁気プローブ
z
z
励磁コイル
y
感度方向
x
x
欠陥なし
検査対象
Bx
Bx
走査ライン
出力電圧 [V]
走査ライン
z
端部による
ピーク
欠陥
欠陥による
ピーク
x座標
x
角部分の欠陥の探傷条件
•駆動電流 1.0 mA
•励磁磁束密度 100 μT
•感度方向 x方向
•走査ピッチ0.1 mm
•励磁周波数 100~500 kHz
•リフトオフ高さ 0.1~0.5 mm
y
針状磁気プローブ
リフトオフ高さ
針状磁気プローブ
0.5 mm
x
0.2 mm
o
1.0 mm
検査対象
励磁コイル
z
y
3.2 mm
x
4.0 mm
24 mm
50.0 mm
感度方向
30.0 mm
周波数変更時の出力信号
3.00
リフトオフ高さ0.1 mm
欠陥なし500 kHz
端部によるピーク
2.50
欠陥なし300 kHz
欠陥によるピーク
出力電圧 [µV]
2.00
欠陥なし100 kHz
1.50
欠陥
欠陥あり300 kHz
1.00
欠陥あり500 kHz
欠陥あり100 kHz
0.50
0.00
0.0
0.5
1.0
1.5
x座標 [mm]
2.0
2.5
3.0
表皮効果の影響により，欠陥に沿って流れるうず電流の密度が増加
リフトオフ高さ変更時の出力信号
3.00
欠陥なし0.1 mm
励磁周波数500 kHz
端部によるピーク
2.50
出力電圧 [µV]
欠陥なし0.3 mm
欠陥によるピーク
2.00
1.50
欠陥
1.00
欠陥あり0.1 mm
欠陥あり0.3 mm
欠陥あり0.5 mm
0.50
欠陥なし0.5 mm
0.00
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
x座標 [mm]
検査対象とセンサの距離を縮めることで局所的な磁界を検出
まとめ
針状磁気プローブを用いて金属板の角部分における
欠陥の非破壊検査の検証を行った
角部分の欠陥の探傷実験
周波数による影響
励磁周波数300，500 kHzで欠陥による信号を確認
リフトオフ高さによる影響
リフトオフ高さ0.1 mmで欠陥による信号を確認
針状磁気プローブを用いることで金属板の
角部分における欠陥を検出
ご清聴ありがとうございました
うず電流探傷法
• 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．
• 構成が簡単であり，小型化が容易．
励磁磁界
励磁コイル
渦電流による磁界
磁気センサ
渦電流
検査対象
傷
V CC
SV-GMR
V
チップ抵抗
V
out
z
V CC
y
x
ref
θ
I
r'
θ
r
o
a
b
a
φ
H1 φ
P
b
x
z
y
z
H1z
aI
abI
H 1z 
cosθ
2
2πr
2π(a 2  z 2 ) a 2  b 2  z 2
金属表面探傷の実験系
ファンクション
ジェネレータ
アンプ
うず電流による
磁界
励磁磁界
交流電流
励磁コイル
検査対象
直流電源
SV-GMR
センサ
参照信号
針状磁気プローブ
直流電流
z
y
x
PC
検出信号
参照信号と同周波数の
検出信号
励磁コイル
感度方向
ロックイン
アンプ
検査対象
2位相ロックインアンプ
Asin(ωt+α)
Input from
SV-GMR sensor
Band pass filter
Low pass filter
sinωt
0.5Acosα
Real part
Amplitude
Phase
Reference
signal
sinωt
Phase shift circuit
Low pass filter
cosωt
Imaginary part
0.5Asinα
Asin(ωt+α)×sinωｔ=0.5A｛-cos(2ωt+α)+cosα｝
Asin(ωt+α)×cosωｔ=0.5A｛sin(2ωt+α)+sinα｝
ダイナミックリザーブ
最大雑音電圧(Peak- to - peak)
 20log
入力信号フルスケール (rms)
表皮効果
周波数が高くなると導体の表面に集中して電流が流れる
表皮深さ
表面のうず電流の値の1/e=36.8 ％になるときの深さ
2
1
d


f
f： 周波数
σ: 導電率
µ: 透磁率
3
d [mm]
2.5
アルミニウム
2
σ=3.55×107S/m
μ=4π×10-7H/m
1.5
1
d=0.2 mmとなるのは，
f=111 kHzの時
0.5
0
1
10
100
Frequency [kHz]
1000
スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果(SV-GMR)素子
反強磁性層
磁性層(ピン層)
非磁性層(導電材料)
磁性層(フリー層)
外部磁界によるSV-GMR素子の抵抗変化
外部磁界によってフリー層の磁化方向が回転
フリー層
外部磁界
フリー層とピン層の磁化方向が平行
抵抗が小さい
抵抗
フリー層とピン層の磁化方向が反平行
抵抗が大きい
外部磁界
SV-GMRセンサの特徴
(1) 素子は2端子で，配線が容易
(2) 材料は金属であり，耐環境性が高い
(3) 感度は高く，ホール素子に比べ1000倍程度
(4) 定電流駆動により素子両端の電圧が変化し，計測が容易
(5) 素子サイズが極めて小さく空間的分解能が高い
(6) 厚みが数十nmと薄く，極表面近くの計測ができる
(7) 測定磁界が面内方向（ホール素子は垂直方向）
(8) 周波数特性が素子の形状により直流から数１００MHz以上まで動作可能
(9) 印加電流は数mA程度であり極低電力駆動
(10)温度変動が小さく，ホール素子に比べ20倍程度
(11)静電気放電耐圧が高い
表面上での探傷
励磁コイル
欠陥
磁気センサ
出力電圧 [V]
うず電流
x座標
端部の影響
従来の磁気センサ
うず電流
SV-GMRセンサ(空間分解能高)
端部の影響と欠陥の影響を個々に受ける
出力電圧 [V]
励磁コイル
x座標
角部分での探傷
励磁コイル
磁気センサ
検査対象表面に照射される磁束が減少
うず電流
表面に流れるうず電流が減少
針状磁気プローブ
励磁コイル
検査対象