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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

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. 小振幅交流磁界下での SV-GMR の特性. z. 針状磁気プローブ. y. Bx. Bz. 75 µm.

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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

  3. 針状磁気プローブの構成，特徴 小振幅交流磁界下での SV-GMRの特性 z 針状磁気プローブ y Bx Bz 75 µm Voltage at SV-GMR sensor [V] x By z 75 µm x y Magnetic field [T] SV-GMRセンサ 感度方向 20 µm • 素子が極めて小さい • 感度に指向性(x方向) • 高感度(3 µV/µT) 30 mm 0.5 mm • 狭空間での計測 • リフトオフ高さの低減 0.5 mm z 角部分の欠陥に対して有効 x y

  4. 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 a b 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 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 x

  5. 板角部分の探傷原理 検査対象 z 出力電圧 [V] y うず電流 x座標 励磁磁界の向き y y x 走査ライン 走査ライン Bx Bx Bx 針状磁気プローブ 欠陥 欠陥なし x 端部による ピーク 欠陥による ピーク x z z 励磁コイル 感度方向 検査対象

  6. 角部分の欠陥の探傷条件 • 駆動電流　1.0mA • 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 z y y 針状磁気プローブ x リフトオフ高さ 針状磁気プローブ 4.0 mm 0.5 mm o 24 mm x 0.2 mm 3.2 mm 1.0 mm 50.0 mm 検査対象 30.0 mm 励磁コイル 感度方向

  7. 周波数変更時の出力信号 リフトオフ高さ0.1 mm 欠陥によるピーク 欠陥 周波数100kHzの時の出力結果 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 • 傷長さ1 mmに対し，誤差0.3 mm

  8. リフトオフ高さ変更時の出力信号 励磁周波数500 kHz 欠陥によるピーク 欠陥 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

  9. 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

  10. ご清聴ありがとうございました

  11. 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 傷 検査対象

  12. SV-GMR チップ抵抗 z y x

  13. θ I r' θ r o a φ H1 φ z b a x P H1z b z y

  14. 金属表面探傷の実験系 z うず電流による磁界 励磁磁界 交流電流 y ファンクション ジェネレータ アンプ 励磁コイル 検査対象 x 参照信号 針状磁気プローブ 直流電源 SV-GMR センサ ロックイン アンプ PC 直流電流 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 検査対象

  15. 2位相ロックインアンプ Asin(ωt+α) Band pass filter Low pass filter 0.5Acosα Input from SV-GMR sensor Real part Amplitude sinωt Phase Reference signal Imaginary part 0.5Asinα Phase shift circuit Low pass filter sinωt cosωt Asin(ωt+α)×sinωｔ=0.5A｛-cos(2ωt+α)+cosα｝ Asin(ωt+α)×cosωｔ=0.5A｛sin(2ωt+α)+sinα｝

  16. 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 f：　周波数 σ:　導電率 µ:　透磁率 アルミニウム σ=3.55×107S/m μ=4π×10-7H/m d=0.2 mmとなるのは， f=111 kHzの時

  17. 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)

  18. 外部磁界によるSV-GMR素子の抵抗変化 抵抗 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 外部磁界 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 抵抗が大きい 抵抗が小さい

  19. SV-GMRセンサの特徴 素子は2端子で，配線が容易 材料は金属であり，耐環境性が高い 感度は高く，ホール素子に比べ1000倍程度 定電流駆動により素子両端の電圧が変化し，計測が容易 素子サイズが極めて小さく空間的分解能が高い 厚みが数十nmと薄く，極表面近くの計測ができる 測定磁界が面内方向（ホール素子は垂直方向） 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 印加電流は数mA程度であり極低電力駆動 温度変動が小さく，ホール素子に比べ20倍程度 静電気放電耐圧が高い　

  20. 表面上での探傷 励磁コイル 欠陥 出力電圧 [V] x座標 磁気センサ うず電流

  21. 端部の影響 うず電流 従来の磁気センサ SV-GMRセンサ(空間分解能高) 出力電圧 [V] x座標 端部の影響と欠陥の影響を個々に受ける 励磁コイル

  22. 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

  23. 針状磁気プローブ 励磁コイル 検査対象

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