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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
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
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
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
検査プローブ
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
対象傷
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
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
y
75 µm
x
z
SV-GMRの特徴
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)
45 µm
15 mm
z
リフトオフ高さ(絶縁膜＋ギャップ)
検査対象
y
x
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．
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
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
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
STEP 1
励磁コイルによって検査対象に
渦電流を誘起する
アルミニウム
走査方向
STEP 2
励磁コイル
渦電流
傷
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 3
y
z
磁界
針状磁気プローブ
x
傷信号検出方法
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 4
出力に正負のピークが現れる
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．
0.3
Skin depth(mm)
•
•
アルミニウム
0.25
0.2
0.15
2
0.1
導電率σ=3.55×107S/m
透磁率μ=4π×10-7H/m
0.05
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Excitation frequency(kHz)
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．
金属表面探傷の実験系・条件
交流電流を励磁コイ
ルに印加
渦電流による
x方向の磁界
励磁磁界
実験条件
直流電流 Ic ：1 mA
Function
Generator
Exciting
coil
Model
励磁電流:90 mA
励磁磁束密度:100 µT
基準信号
Power
Supply
SV-GMR
Sensor
直流電流 Ic
Lock-in
Amplifier
PC
励磁周波数:
100 kHz~300kHz
基準信号と同
位相の検出信
号を出力
走査距離：1.8 mm
(0.01 mm/point)
検出信号
金属表面探傷の実験系
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
Output Voltage(µV)
8.00
300 kHz
200 kHz
6.00
4.00
100 kHz
2.00
0.00
-2.00
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．
-4.00
-6.00
-8.00
0.00
0.30
0.60
0.90
1.20
1.50
Displacement(mm)
深さ0.2 mm傷に対しての走査結果
1.80
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．
Output Voltage(µV)
8.00
0.2 mm
6.00
4.00
0.1 mm
2.00
0.00
-2.00
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．
-4.00
-6.00
-8.00
0.00
0.30
0.60
0.90
1.20
1.50
Displacement(mm)
励磁周波数300 kHzによる出力電圧
1.80
まとめ
(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
今後の課題
(1)励磁コイル
(2)深さ0.1 mm以下の傷検出
おわり
• ご静聴ありがとうございました．
針状磁気プローブ
針状プローブ
励磁コイル
針部
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)
z
y
x
表皮効果
Skin depth(mm)
•
•
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．
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
2
伝導率σ=3.55×107S/m
透磁率μ=4π×10-7H/m
0.1
1
10
100
Excitation frequency(kHz)
1000
表皮効果
• どの程度の深さの傷を対象にするか？
基準値を決め，それより深い傷を対象とする
• 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)．
傷
電流
導体
図5．傷が基準より浅い場合
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
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．
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．
b
b
r a x , cosθ
r´
a 2 b2 x2
2
2
図4．励磁磁束の求め方
励磁磁界の理論値(導出)
• ビオ・サバールの法則を用いると
H1
I
I
(cosθ＋cosθ)
cosθ
4πr
2πr
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
励磁磁界の理論値(導出)
a
H 2 H1sinφsin
, φ
r
Ia
Iab
H 2
cosθ
2
2πr
2π(a 2 x 2 ) a 2 b 2 x 2
図4．励磁磁束の求め方
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．
H 2´
Iab
2π(b 2 x 2 ) a 2 b 2 x 2
図4．励磁磁束の求め方
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
1
1
H (H 2 H 2´) 2
2
[ A / m]
2
2
2
2
2
2
b x
π a b x a x
Iab
図4．励磁磁束の求め方
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
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
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。
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
2位相ロックインアンプ
Asin(ωt+a)
0.5A{cos(2ωt+a)+cos(
a)}
0.5A{sin(2ωt+a)sin(a)}
図3．微小信号の検出回路
0.5Acos(a)
-0.5Asin(a)