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
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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
A-3
はじめに
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
針状磁気プローブを用いたうず電流探傷法
金属板の角部分の欠陥の非破壊検査の検証
背景
従来の磁気センサでは検出困難
目的特徴•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
針状磁気プローブの構成，特徴
•素子が極めて小さい•感度に指向性 (x 方向 )•高感度 (3 µV/µT)
•狭空間での計測•リフトオフ高さの低減
Bx
Bz
By
Magnetic field [T]Volta
ge a
t SV-
GM
R se
nsor
[V]
yxz
0.5 mm
0.5 mm
小振幅交流磁界下での SV-GMR の特性
30 mm
針状磁気プローブ
75 µm
75 µm
20 µm
y x
z
感度方向
x
yz
SV-GMR センサ
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
x
y
z
b b
a
az
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
][ck)z(b
1
ck)z(a
1
ck)z(ba
1
2222222
0 TIab
Bn
k
π
•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
針状磁気プローブ
励磁コイル
板角部分の探傷原理
x
yz
感度方向
針状磁気プローブ
励磁コイル
検査対象
x
y
z
Bx
欠陥なし
検査対象
走査ライン励磁磁界の向き
うず電流
欠陥x
y
z
Bx Bx走査ライン
x 座標
出力
電圧
[V]
端部によるピーク
欠陥によるピーク
4.0 mm
30.0 mm50.0 mm
•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
感度方向
3.2 mm24 mm
角部分の欠陥の探傷条件
針状磁気プローブ
励磁コイル
検査対象
x
yz
1.0 mm
リフトオフ高さ
針状磁気プローブ
0.5 mmo x
y
0.2 mm
周波数変更時の出力信号
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
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
x 座標 [mm]
出力
電圧
[µV
]
欠陥なし 500 kHz
欠陥あり 500 kHz
欠陥なし 300 kHz
欠陥あり 100 kHz
欠陥あり 300 kHz
欠陥なし 100 kHz
端部によるピーク
欠陥
リフトオフ高さ 0.1 mm
欠陥によるピーク
リフトオフ高さ変更時の出力信号
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
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
x 座標 [mm]
出力
電圧
[µV
]
欠陥なし 0.1 mm
欠陥あり 0.1 mm
欠陥なし 0.3 mm
欠陥あり 0.3 mm
欠陥なし 0.5 mm
欠陥あり 0.5 mm
端部によるピーク 励磁周波数 500 kHz
欠陥
欠陥によるピーク
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
励磁周波数 300 ， 500 kHz で欠陥による信号を確認
周波数による影響
リフトオフ高さ 0.1 mm で欠陥による信号を確認
リフトオフ高さによる影響
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
励磁コイル
磁気センサ渦電流
検査対象
励磁磁界
渦電流による磁界
傷
• 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．
V CC
V CC
V out V ref
SV-GMR チップ抵抗
x
y
z
x
y
z
a
ba b
r r'I
θ
θ
φ φH1
H1z
o
Pz
2222221zba)z(a2
cos2
π
θπ
abI
r
aIH z
金属表面探傷の実験系
ファンクション
ジェネレータ
交流電流 励磁磁界 うず電流による磁界
直流電流 検出信号
参照信号
参照信号と同周波数の検出信号
アンプ 励磁コイル 検査対象
直流電源 SV-GMRセンサ PCロックイン
アンプ
x
yz
感度方向
針状磁気プローブ
励磁コイル
検査対象
Reference signal
Input fromSV-GMR sensor Real part
Imaginary part
Amplitude
Phase
Band pass filter
Phase shift circuit
Low pass filter
Low pass filter
Asin(ωt+α)×sinω ｔ =0.5A ｛ -cos(2ωt+α)+cosα ｝
Asin(ωt+α)×cosω ｔ =0.5A ｛ sin(2ωt+α)+sinα ｝
Asin(ωt+α)
sinωt
sinωt
cosωt
0.5Acosα
0.5Asinα
(rms)
peak)-to-(Peak20log
入力信号フルスケール最大雑音電圧
ダイナミックリザーブ
2 位相ロックインアンプ
表皮効果
表皮深さ
f ： 周波数σ: 導電率µ: 透磁率 f
d12
表面のうず電流の値の 1/e=36.8 ％になるときの深さ
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
σ=3.55×107S/mμ=4π×10-7H/m
アルミニウム
1 10 100 10000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Frequency [kHz]
d [m
m]
d=0.2 mm となるのは，f=111 kHz の時
スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果 (SV-GMR) 素子
磁性層 ( フリー層 )
磁性層 ( ピン層 )
非磁性層 ( 導電材料 )
反強磁性層
外部磁界による SV-GMR 素子の抵抗変化
外部磁界
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
抵抗フリー層とピン層の磁化方向が平行 フリー層とピン層の磁化方向が反平行
抵抗が小さい 抵抗が大きい
(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
SV-GMR センサの特徴
x 座標
出力
電圧
[V]
表面上での探傷励磁コイル 欠陥
うず電流
磁気センサ
x 座標
出力
電圧
[V]
従来の磁気センサ 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
端部の影響
励磁コイル
うず電流
磁気センサ
角部分での探傷
励磁コイル
うず電流検査対象表面に照射される磁束が減少
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
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