JP3769889B2

JP3769889B2 - Eddy current flaw detection sensor and flaw detection method using it

Info

Publication number: JP3769889B2
Application number: JP22949997A
Authority: JP
Inventors: 耕司高嶋; 紀仁河口; 譲司篠原
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JPH1164294A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力機器や航空機器の部品材料の欠陥やクラックを非破壊で検出する渦流探傷センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
渦流探傷センサは、コイルに電流を流して、部品材料に近づけ、部品材料の表面に誘導渦電流を形成し、渦電流により発生する磁界の変化から部品材料の欠陥やクラックの有無を探傷するものである。現在市販されている渦流探傷センサは、手巻のワークコイルを使ったプローブタイプのものがあるが、微細な欠陥を検知するためのセンサ形状の微細化や、特性の揃ったコイルの量産が難しいなどの問題がある。本願の出願人は上記問題を解決するため実用新案登録出願（実願平５−７５６７（出願日平成５年２月２６日））を行った。
【０００３】
図４ないし図６は、上記出願に開示された渦電流センサの図面である。
図４は上記考案の概略斜視図を示したもので、センサ基板１０の表面には、多数千鳥状に配列された薄膜コイル１１からなる探傷検出部１２が設けられると共に図示していない検出回路と接続するための接続コード１３が接続される。
【０００４】
図５に示すように薄膜コイル１１は、部品材料表面に渦電流を発生させるための誘導電流発生コイル１４と信号検出コイル１５からなり、誘導電流発生コイル１４は渦巻状に形成され、信号検出コイル１５は、その誘導電流発生コイル１４の外周に位置するようにリング状に形成され、それぞれのコイル１４，１５の端部には引出電極１６，１７が一体に接続される。
【０００５】
この薄膜コイル１１の形成は、図６に示すように、先ずセンサ基板１０上に、例えばＳｉＯ₂ の絶縁膜１８を形成し、その絶縁膜１８上に、誘導電流発生コイル１４と信号検出コイル１５からなる薄膜コイル１１と引出電極１６，１７をリソグラフなどで形成する。この場合、誘導電流発生コイル１４の内側の引出電極１６ａは、誘導電流発生コイル１４を横断するため両者が接触しないように絶縁層１８ａを介在させる。
【０００６】
薄膜コイル１１と引出電極１６，１７を形成した後、ＳｉＯ₂ などの絶縁材からなる保護膜１９で被覆する。また引出電極１６，１７には、リード線２０をそれぞれ接続し、そのリード線２０を図４に示した接続コード１３に接続する。この場合リード線２０は、図では示していないがセンサ基板１０内を通すように設ける。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した渦電流センサは探傷検出部の形状が円形であるため、傷の有無の検出には有効であるものの、傷の方向（平面視でどの方向を向いているのか）や深さの認識は難しかった。
【０００８】
本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、傷の有無のみならず、傷の方向や深さの形状認識が可能な渦流探傷センサと、それを用いた探傷方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願第１発明の渦流探傷センサは、センサ基板の絶縁膜上に渦巻状の薄膜コイルを形成し、該薄膜コイルを保護膜で被覆してなる渦流探傷センサであって、長方形または楕円形に形成された２個の薄膜コイルを長手方向が互に略直交するように積層してなるものである。
【００１０】
上記渦流探傷センサは、略５ｍｍ角程度の大きさであることが好ましい。
【００１１】
複数個の上記渦流探傷センサを直線状または千鳥状に並べて探傷プローブを形成するようにしてもよい。
【００１２】
また、本願第２発明の上記渦流探傷センサを用いた探傷方法は、上記渦流探傷センサを渦流探傷器に接続し、各薄膜コイルに周波数の異なる交流電圧を重畳して印加し、それぞれの周波数についてインピーダンスの変化または起電力の変化を検出して探傷を行うものである。
【００１３】
次に本発明の作用を説明する。
渦巻状の薄膜コイルが長方形または楕円形に形成されているので、被検査体の表面に発生する渦電流も長方形または楕円形になる。その場合その渦電流の長手方向に平行な傷は渦電流に影響を与えず、したがって、ほとんど検出されないのに対し、長手方向に直角な傷は渦電流に大きな影響を与えるのではっきり検出される。本発明では薄膜コイルは長手方向が互に直交するように積層して形成されているので、いずれの方向の傷についてもどちらかの薄膜コイルで検出することができるし、それによって傷の方向もわかる。
【００１４】
また、薄膜コイルに印加される交流電圧の表皮効果は周波数に依存することがわかっている。すなわち、低い周波数の交流電流は、被検査体に深い渦電流を惹起するし、高い周波数の交流電流は、被検査体に浅い渦電流を惹起する。したがって、薄膜コイルに異なる周波数の交流電圧を印加し、それぞれの周波数についてインピーダンスの変化または起電力の変化を検出すれば傷の深さを検知することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の１実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の渦流探傷センサの図面であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。なお、これらの図において、図３ないし図５で説明したものと同様の部分については、同じ符号を付しており重複した説明を省略する。図１において、１は長方形に形成した薄膜コイルであり、薄膜コイル１ａの上に薄膜コイル１ｂを、長手方向が互に略直交するように積層してなるものである。薄膜コイル１の形成は、センサ基板１０上に、例えばＳｉＯ₂ の絶縁膜１８を形成し、その絶縁膜１８上に、薄膜コイル１をリソグラフなどにより、高アスペクト比の加工技術を適用して作成する。薄膜コイル１は例えば幅５０μｍ、厚さ１μｍ程度の素線を有し、直流抵抗が約５Ω、リアクタンスが約５０Ω程度になるようにする。薄膜コイル１は略５ｍｍ角程度の大きさとするのが好ましい。
【００１６】
薄膜コイル１には引出線２が接続されており、渦流探傷器３に接続する。渦流探傷器３内には発振器３ａを有しており、薄膜コイル１ａには２つの異る周波数ＦA1およびＦA2の交流電流を重畳して流し、薄膜コイル１ｂには２つの異る周波数ＦB1およびＦB2の交流電流を重畳して流す。渦流探傷器３は各周波数の交流電流について、インピーダンスの変化を検知するものであり、種々の原理のものがあるが、例えば図２に示す回路を有するものがある。
【００１７】
一般に傷によって生じる信号は急激に変化するが、傷以外の因子によって生じる信号の多くは穏やかに変化する場合が多い。したがって、自動平衡器の応答速度を調整することにより、急激な変化に対しては追従せず、穏やかな変化に対してだけ応答する速度を選ぶことにより不要な因子を取り除き欠陥検出をしやすくすることができる。
【００１８】
図２は最も基本的な回路である。自動平衡器は増幅器の信号を検出回路により検出し、検出回路からの信号により、サーボモータＭｘ、Ｍｙを動かして、穏やかな変化に対するブリッジの不平衡分を自動的に除くようにしている。
【００１９】
次に本実施形態の作用を説明する。
図３は薄膜コイル１によって部品材料の表面に発生する渦電流を示している。４は渦電流、ＸおよびＹは傷を示している。渦電流４は薄膜コイル１の形状と同様な形状となるものであり、薄膜コイル１が長方形または楕円形をしているので渦電流４も長方形または楕円形の異方性のある形状をしている。したがって、傷が図３のＸに示すように、長手方向に対して直角方向を向いているときには渦電流４に大きな影響があるので渦流探傷器３にインピーダンスの変化として現れて傷の長さが検知でき、傷がＹに示すように長手方向に平行な場合には、渦電流４にほとんど影響がなく、したがって、渦流探傷器３にインピーダンスの変化が現れないので傷の存在も検知できない。本発明では薄膜コイル１ａ、１ｂは長手方向が互に直交するように積層して形成されているので傷Ｘは薄膜コイル１ａに接続した渦流探傷器３により長さが検出されるのに対し、傷Ｙは薄膜コイル１ｂに接続した渦流探傷器３により長さが検出されるので、いずれの方向の傷についてもどちらかで検出できる。また、斜め方向の傷は両方の薄膜コイル１ａ、１ｂのインピーダンスの変化として現われるので斜めであることがわかる。
【００２０】
薄膜コイル１ａ、１ｂに印加される交流電流は低い周波数（ＦA1またはＦB1）と高い周波数（ＦA2またはＦB2）が重畳して印加されている。一般に低い周波数の交流電流は、被検査体に深い渦電流４を惹起するし、高い周波数の交流電流は被検査体に浅い渦電流４を惹起するので、それぞれの周波数についてインピーダンスの変化を検出すれば傷Ｘ、Ｙの深さを検知することができる。
【００２１】
本発明は以上説明した実施形態に限定するものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、薄膜コイル１は、励磁コイルと検出コイルが一体のものとして説明したが、図５に示すように別体のものとしてもよい。この場合には検出コイルの起電力の変化を検知すればよい。また、渦流探傷センサはプローブに１個設けてもよいが、図４に示すように千鳥状に多数配置するようにしてもよい。このようなプローブを使用すれば長い傷を一度で検知することができる。さらに千鳥状でなく一直線に配置してもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の渦流探傷センサは異方性のある薄膜コイルを長手方向が互いに直交するように積層配置されているので、傷の方向と長さを検知することができるし、本発明の探傷方法は上記薄膜コイルに異なる周波数の交流電流を印加して、それぞれの周波数についてインピーダンスの変化を検知するようにしたので傷の方向だけでなく傷の深さも検知することができるなどの優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の渦流探傷センサの説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図２】渦流探傷器の回路図である。
【図３】渦電流の説明図である。
【図４】従来の渦電流センサの斜視図である。
【図５】従来の渦電流センサの平面図である。
【図６】従来の渦電流センサの断面図である。
【符号の説明】
１薄膜コイル
３渦流探傷器
１０センサ基板
１８絶縁膜
１９保護膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an eddy current flaw detection sensor that nondestructively detects defects and cracks in component materials of nuclear equipment and aircraft equipment.
[0002]
[Prior art]
An eddy current flaw detection sensor is a sensor that detects the presence or absence of defects or cracks in a component material from a change in the magnetic field generated by the eddy current by causing an electric current to flow in the coil, approaching the component material, forming an induced eddy current on the surface of the component material. It is. Currently, there are probe type sensors that use hand-wound work coils, but eddy current flaw detection sensors on the market are difficult to miniaturize the sensor shape to detect minute defects and to mass-produce coils with uniform characteristics. There are problems such as. In order to solve the above problems, the applicant of the present application has filed a utility model registration application (actual application No. 5-7567 (application date: February 26, 1993)).
[0003]
4 to 6 are drawings of the eddy current sensor disclosed in the above application.
FIG. 4 shows a schematic perspective view of the above-described device. On the surface of the sensor substrate 10, a flaw detection detector 12 comprising thin film coils 11 arranged in a staggered manner is provided and a detection circuit (not shown) and A connection cord 13 for connection is connected.
[0004]
As shown in FIG. 5, the thin film coil 11 includes an induction current generation coil 14 and a signal detection coil 15 for generating an eddy current on the surface of a component material. The induction current generation coil 14 is formed in a spiral shape, and the signal detection coil. 15 is formed in a ring shape so as to be positioned on the outer periphery of the induction current generating coil 14, and extraction electrodes 16, 17 are integrally connected to end portions of the respective coils 14, 15.
[0005]
As shown in FIG. 6, the thin film coil 11 is formed by first forming an insulating film 18 of, for example, SiO ₂ on the sensor substrate 10, and on the insulating film 18, an induced current generating coil 14 and a signal detecting coil 15. The thin film coil 11 and the extraction electrodes 16 and 17 are formed by lithography. In this case, since the extraction electrode 16a inside the induction current generating coil 14 crosses the induction current generation coil 14, an insulating layer 18a is interposed so that they do not contact each other.
[0006]
After the thin film coil 11 and the extraction electrodes 16 and 17 are formed, they are covered with a protective film 19 made of an insulating material such as SiO ₂ . Further, lead wires 20 are connected to the extraction electrodes 16 and 17, respectively, and the lead wires 20 are connected to the connection cord 13 shown in FIG. In this case, the lead wire 20 is provided so as to pass through the sensor substrate 10 although not shown in the drawing.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Although the eddy current sensor described above has a circular shape of the flaw detection detector, it is effective in detecting the presence or absence of a flaw, but it recognizes the direction of the flaw (which direction in plan view) and depth are recognized. Was difficult.
[0008]
The present invention has been devised in view of such problems of the prior art, and provides an eddy current flaw detection sensor capable of recognizing not only the presence or absence of flaws but also the direction and depth of flaws, and a flaw detection method using the eddy current flaw detection sensor. The purpose is to do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the eddy current flaw detection sensor according to the first invention of the present application is an eddy current flaw detection sensor in which a spiral thin film coil is formed on an insulating film of a sensor substrate and the thin film coil is covered with a protective film. Two thin film coils formed in a rectangular or elliptical shape are laminated so that their longitudinal directions are substantially orthogonal to each other.
[0010]
The eddy current flaw detection sensor preferably has a size of about 5 mm square.
[0011]
A plurality of eddy current flaw detection sensors may be arranged in a straight line or a staggered pattern to form a flaw detection probe.
[0012]
Further, in the flaw detection method using the eddy current flaw detection sensor according to the second invention of the present application, the eddy current flaw detection sensor is connected to an eddy current flaw detector, and AC voltages having different frequencies are superimposed and applied to each thin film coil. A flaw detection is performed by detecting a change in impedance or a change in electromotive force.
[0013]
Next, the operation of the present invention will be described.
Since the spiral thin film coil is formed in a rectangular or elliptical shape, the eddy current generated on the surface of the object to be inspected also becomes a rectangular or elliptical shape. In that case, flaws parallel to the longitudinal direction of the eddy current do not affect the eddy current and are therefore hardly detected, whereas flaws perpendicular to the longitudinal direction are clearly detected because they have a large influence on the eddy current. In the present invention, since the thin film coils are laminated so that their longitudinal directions are orthogonal to each other, any thin film coil can detect a flaw in either direction, and the direction of the flaw can also be detected. Recognize.
[0014]
It has also been found that the skin effect of the AC voltage applied to the thin film coil depends on the frequency. That is, a low-frequency alternating current causes a deep eddy current in the object to be inspected, and a high-frequency alternating current causes a shallow eddy current in the object to be inspected. Therefore, the depth of the flaw can be detected by applying alternating voltages of different frequencies to the thin film coil and detecting a change in impedance or a change in electromotive force for each frequency.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a drawing of an eddy current flaw detection sensor according to the present invention, FIG. 1 (A) is a plan view, and FIG. 1 (B) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1 (A). In these drawings, the same parts as those described with reference to FIGS. 3 to 5 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a thin film coil formed in a rectangular shape, which is formed by laminating a thin film coil 1b on a thin film coil 1a so that their longitudinal directions are substantially orthogonal to each other. The thin film coil 1 is formed by, for example, forming an insulating film 18 of SiO ₂ on the sensor substrate 10 and applying the high aspect ratio processing technique on the insulating film 18 by lithography or the like. To do. The thin film coil 1 has, for example, a strand having a width of about 50 μm and a thickness of about 1 μm so that the DC resistance is about 5Ω and the reactance is about 50Ω. The thin film coil 1 is preferably about 5 mm square.
[0016]
A lead wire 2 is connected to the thin film coil 1 and connected to the eddy current flaw detector 3. The eddy current flaw detector 3 has an oscillator 3a. An alternating current having two different frequencies FA1 and FA2 is superimposed on the thin film coil 1a, and two different frequencies FB1 and FB2 are flowed on the thin film coil 1b. The alternating current of The eddy current flaw detector 3 detects a change in impedance with respect to an alternating current of each frequency, and there are various principles, for example, there is one having a circuit shown in FIG.
[0017]
In general, the signal caused by a flaw changes rapidly, but many signals caused by factors other than the flaw often change gently. Therefore, by adjusting the response speed of the automatic balancer, it is easy to detect defects by removing unnecessary factors by selecting a speed that does not follow sudden changes but responds only to gentle changes. be able to.
[0018]
FIG. 2 is the most basic circuit. The automatic balancer detects the signal of the amplifier by a detection circuit, and moves the servo motors Mx and My according to the signal from the detection circuit to automatically remove the unbalanced portion of the bridge with respect to a gentle change.
[0019]
Next, the operation of this embodiment will be described.
FIG. 3 shows eddy currents generated on the surface of the component material by the thin film coil 1. 4 indicates an eddy current, and X and Y indicate scratches. The eddy current 4 has a shape similar to the shape of the thin film coil 1, and since the thin film coil 1 has a rectangular or elliptical shape, the eddy current 4 also has a rectangular or elliptical anisotropic shape. Yes. Therefore, as indicated by X in FIG. 3, since the eddy current 4 is greatly affected when the scratch is oriented in a direction perpendicular to the longitudinal direction, it appears in the eddy current flaw detector 3 as a change in impedance and the length of the scratch is reduced. If the scratch is parallel to the longitudinal direction as indicated by Y, there is almost no effect on the eddy current 4, and therefore no change in impedance appears in the eddy current flaw detector 3, so the presence of the scratch cannot be detected. In the present invention, since the thin film coils 1a and 1b are formed by being laminated so that their longitudinal directions are orthogonal to each other, the length of the wound X is detected by the eddy current flaw detector 3 connected to the thin film coil 1a. Since the length of the flaw Y is detected by the eddy current flaw detector 3 connected to the thin film coil 1b, a flaw in either direction can be detected in either direction. Further, it can be seen that the scratches in the oblique direction are oblique because they appear as changes in the impedance of both thin film coils 1a and 1b.
[0020]
The alternating current applied to the thin film coils 1a and 1b is applied with a low frequency (FA1 or FB1) and a high frequency (FA2 or FB2) superimposed. In general, a low frequency alternating current causes a deep eddy current 4 in the object to be inspected, and a high frequency alternating current causes a shallow eddy current 4 in the object to be inspected, so that a change in impedance can be detected for each frequency. If so, the depth of the scratches X and Y can be detected.
[0021]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, the thin-film coil 1 has been described as one in which the excitation coil and the detection coil are integrated, but may be separate as shown in FIG. In this case, a change in the electromotive force of the detection coil may be detected. Further, although one eddy current flaw detection sensor may be provided in the probe, a large number may be arranged in a staggered manner as shown in FIG. If such a probe is used, a long flaw can be detected at a time. Further, they may be arranged in a straight line instead of a staggered pattern.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, since the eddy current flaw detection sensor of the present invention is formed by stacking anisotropic thin film coils so that their longitudinal directions are perpendicular to each other, the direction and length of the flaw can be detected. In the flaw detection method of the invention, an alternating current having a different frequency is applied to the thin film coil so that a change in impedance is detected for each frequency, so that not only the direction of the flaw but also the flaw depth can be detected. Has an excellent effect.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are explanatory diagrams of an eddy current flaw detection sensor according to the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
FIG. 2 is a circuit diagram of an eddy current flaw detector.
FIG. 3 is an explanatory diagram of eddy current.
FIG. 4 is a perspective view of a conventional eddy current sensor.
FIG. 5 is a plan view of a conventional eddy current sensor.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional eddy current sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin film coil 3 Eddy current flaw detector 10 Sensor substrate 18 Insulating film 19 Protective film

Claims

センサ基板の絶縁膜上に平面渦巻状の薄膜コイルを形成し、該薄膜コイルを保護膜で被覆してなる渦流探傷センサであって、長方形に形成された２個の薄膜コイルを長手方向が互いに略直交して十字を形成するように積層してなり、その大きさは略５ｍｍ角程度であり、複数個の上記渦流探傷センサを千鳥状に整列させて配置してなることを特徴とする渦流探傷センサ。An eddy current flaw detection sensor in which a planar spiral thin film coil is formed on an insulating film of a sensor substrate, and the thin film coil is covered with a protective film. An eddy current characterized by being stacked so as to form a cross substantially orthogonally, having a size of about 5 mm square, and a plurality of eddy current flaw detection sensors arranged in a staggered manner. Flaw detection sensor.

薄膜コイルの素線の幅は５０μｍ程度である請求項１記載の渦流探傷センサ。 2. The eddy current flaw sensor according to claim 1 , wherein the width of the wire of the thin film coil is about 50 [mu] m .

薄膜コイルは直流抵抗が約５Ω、リアクタンスが約５０Ωである請求項１または請求項２記載の渦流探傷センサ。3. The eddy current flaw detection sensor according to claim 1 , wherein the thin film coil has a DC resistance of about 5Ω and a reactance of about 50Ω .

請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の渦流探傷センサを渦流探傷器に接続し、各薄膜コイルに周波数の異なる交流電圧を重畳して印加し、それぞれの周波数についてインピーダンスの変化または起電力の変化を検出して探傷を行うことを特徴とする渦流探傷センサを用いた探傷方法。 The eddy current flaw detection sensor according to any one of claims 1 to 3 is connected to an eddy current flaw detector, an alternating voltage having a different frequency is applied to each thin film coil in a superimposed manner, and impedance change or A flaw detection method using an eddy current flaw detection sensor characterized in that flaw detection is performed by detecting a change in electromotive force.