JPH07128296A - バルクハウゼンノイズ検出用磁気ヘッドおよびそれを用いた検出システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バルクハウゼンノイズを簡単に検出できるよ
うにする。 【構成】 磁性体の局部領域を励磁するための励磁ヘッ
ドを、励磁コイルが巻かれた金属系の軟質磁性材料のＵ
型コアで構成するとともに、上記局部領域の磁化の変化
を検出するための検出ヘッドを空芯コイルによって構成
し、かつ上記空芯コイルの検出面を被測定面に対して平
行に配置し、さらに、上記Ｕ型コアの両脚部内側の距離
をａとし、上記距離ａ方向に対して垂直方向に測定した
上記Ｕ型コアの厚みをｂとする。また、上記両脚部の厚
みｂの中点同士を結んだ線の中点を原点０、上記原点０
から上記両脚部に沿う方向にＸ軸を定義し、上記Ｘ軸に
対して垂直方向にＹ軸を定義した場合、上記空芯コイル
の検出面の重心を上記励磁ヘッドに対して、｜ｘ｜≦0.
2a ,｜ｙ｜≦0.8bで囲まれる領域内に固定することによ
り、バルクハウゼンノイズの電圧を、励磁周波数と同じ
周波数を持つ低周波の電圧波形に対して相対的に大きく
検出できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバルクハウゼンノイズ検
出用磁気ヘッドおよびそれを用いた検出システムに係わ
り、特に、被測定物の磁気的性質からその組織、応力、
疲労度等を非破壊で検査するために用いられる磁気ヘッ
ドおよび検出システムに関し、例えば鉄鋼材料等へ適用
して好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、材料の磁気的性質が、結晶粒
径や析出物などの組織、ひずみ等に依存することを利用
して、被測定物の材質を非破壊的に検査することが試み
られている。すなわち、被測定物を励磁すると、被測定
物の磁化が変化するが、この変化から被測定物の組織や
ひずみの状態を知ることができるのを利用して検査する
ようにしている。

【０００３】具体的には、例えば、透磁率を測定して鋼
材の引っ張り強さを見積もる方法や保磁力によって焼き
入れ強度を見積もる方法等がある。また、最近では磁化
の不連続性に起因するバルクハウゼンノイズを用いた方
法が注目されており、それを用いて軟鋼の疲労強度
（Ｌ．Ｐ．Ｋａｒｊａｌａｉｎｅｎら、ＩＥＥＥ Ｔｒ
ａｎｓ．Ｍａｇ．ＭＡＧ１６、５１４（１９８０））
や、工具鋼の靱性を推定する方法などが提唱されてい
る。

【０００４】例えば、透磁率を測定して鋼材の引っ張り
強さを見積もる方法、保磁力によって焼き入れ強度を見
積もる方法等がある。また、最近では磁化の不連続性に
起因するバルクハウゼンノイズを用いた方法が注目され
ている。

【０００５】ところで、強磁性体である被測定物を交流
励磁すると、被測定物の内部では励磁磁場の変化に伴い
磁化が変化する。通常、磁化の変化は磁壁移動によって
行われ、この磁壁の移動は析出物、結晶粒界、ひずみの
存在する領域で不連続な動きをする。

【０００６】したがって、被測定物の磁化も不連続的に
変化し、検出コイルには不連続変化に対応した高周波な
パルス状の電圧波形が誘起される。このパルス状の電圧
波形をバルクハウゼンノイズと言う。このバルクハウゼ
ンノイズは析出物、結晶粒界、ひずみ等と密接に相関す
るために、被測定物を磁気的な方法で非破壊検査すると
きには重要なパラメータとなる。例えば、軟鋼の疲労強
度（Ｌ．Ｐ．Ｋａｒｊａｌａｉｎｅｎら、ＩＥＥＥ Ｔ
ｒａｎｓ．Ｍａｇ．ＭＡＧ１６，５１４（１９８０））
や工具鋼の靱性をバルクハウゼンノイズを用いて推定す
る方法（仲居他，鉄と鋼，７５，８３３（１９８９））
などが提唱されている。

【０００７】一般に、被測定物を励磁する方法として電
流貫通法、通電法、コイル法、およびヨーク法などがあ
る。これらの方法の中で、ヨーク法は実ラインで製造さ
れる鉄鋼製品や既設構造物などの比較的大きな製品の一
部分に当てるだけで簡便にそれを励磁できる利点がある
ので、上記した材質検査用の励磁用として使用されてい
る。

【０００８】一方、被測定物の磁化の変化を検出する方
法に関しては、コイル法、ヨーク法、ホール素子法、磁
気抵抗素子法などがあるが、被測定物の温度の影響を受
けにくいコイル法やヨーク法が簡便である。

【０００９】図５に、従来から用いられているバルクハ
ウゼンノイズ検出システムを示す。この検出システム
は、磁気ヘッドと信号処理システムとから構成されてい
る。磁気ヘッドは、励磁ヘッドコア１１、検出ヘッドコ
ア１２および各コアに巻かれた励磁コイル１３、検出コ
イル１４から構成されている。

【００１０】励磁ヘッドコア１１および検出ヘッドコア
１２の材質としては、珪素鋼、パーマロイ、ソフトフェ
ライト等の軟質磁性材料が用いられる。そして、磁気シ
グナルを検出するために、励磁ヘッドコア１１で被測定
物１５を交流励磁する。

【００１１】すなわち、波形発生器１７において三角波
または正弦波の交流電流を発生させ、これを電流増幅器
１８で電流を増幅する。この交流電流を励磁コイル１３
に流し、磁気ヘッドを被測定物１５の表面に接触させて
局部的に励磁する。励磁された被測定物１５の内部に
は、励磁方向に応じて磁束１６が発生する。

【００１２】被測定物１５の表面に、被測定物１５より
も高い透磁率を持つ検出ヘッドコア１２を接触させる
と、上記検出ヘッドコア１２内に磁束の一部が流れ込
み、検出コイル１４に誘起電圧が発生する。

【００１３】上記誘起電圧の波形は、励磁と同じ周波数
を持つ低周波の電圧波形に高周波なバルクハウゼンノイ
ズ波形が重畳したものである。上記バルクハウゼンノイ
ズ波形の大きさは、低周波波形の大きさに比べて微小で
あるので、通常オシロスコープ２１の解析ダイナミック
レンジ内ではバルクハウゼンノイズ波形のみを十分に増
幅することはできない。

【００１４】そこで、バルクハウゼンノイズ波形のみを
取り出すために、従来は低周波成分を周波数フィルタリ
ング装置１９でカットし、さらに電圧増幅器２０で増幅
するシステムを用いている。

【００１５】例えば、三島らはソフトフェライトコアか
らなる磁気ヘッドを用いて、バルクハウゼンノイズ波形
の検出を行っているが、励磁ヘッドと検出ヘッドの相対
位置が適正化されていないので、検出システムには周波
数フィルタリング装置が必須である（配管技術、Ｖｏ
ｋ．３５，Ｎｏ．２，ＰＰ８６−８９，１９９３）。

【００１６】また、Ｃ．Ｇ．Ｇａｒｄｎｅｒらは、検出
コイルに空芯コイルを用いた磁気ヘッドでバルクハウゼ
ンノイズの検出を行っている（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉ
ｖｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ，１９７１，Ｖｏｌ．３，ｐｐ１
３１−１６９）。この場合にも、バルクハウゼンノイズ
波形を取り出すために、空芯コイルで誘起された電圧波
形を周波数フィルタリング装置に通してフィルタリング
処理を行っている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のバルクハウゼンノイズ検出システムは、周波数フィル
タリング装置を必須な構成要件としていた。このため、
従来のバルクハウゼンノイズ検出システムは、システム
全体の体積が大きくなるとともに、電力も多くかかって
いた。したがって、上記周波数フィルタリング装置が高
価であることから、システムのコストアップの原因にも
なっていた。

【００１８】本発明は上述の問題点にかんがみ、周波数
フィルタリング装置を用いることなくバルクハウゼンノ
イズを簡単に検出できるようにすることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明のバルクハウゼン
ノイズ検出用磁気ヘッドは、磁性体の局部領域を励磁す
るための励磁ヘッドと、上記局部領域の磁化の変化を検
出するための検出ヘッドとから構成される磁気ヘッドに
おいて、上記励磁ヘッドが、励磁コイルが巻かれた金属
系の軟質磁性材料のＵ型コアからなるとともに、上記検
出ヘッドが、空芯コイルからなり、かつ上記空芯コイル
の検出面が被測定面に対して平行に配置され、さらに、
上記Ｕ型コアの両脚部内側の距離をａとし、上記脚部内
側の距離ａ方向に対して垂直方向に測定した上記Ｕ型コ
アの厚みをｂとし、上記両脚部の厚みｂの中点同士を結
んだ線の中点を原点０、上記原点０から上記両脚部に沿
う方向にＸ軸を定義し、上記Ｘ軸に対して垂直方向にＹ
軸を定義した場合、上記空芯コイルの検出面の重心が上
記励磁ヘッドに対して、｜ｘ｜≦0.2a ,｜ｙ｜≦0.8bで
囲まれる領域内に固定されていることを特徴としてい
る。

【００２０】また、本発明の磁気ヘッドの他の特徴とす
るところは、上記検出ヘッドが、上記空芯コイルの中に
金属系の軟質磁性材料を配置している。

【００２１】また、本発明の磁気ヘッドを用いたバルク
ハウゼンノイズ検出システムは、被測定物に励磁電流を
流すための波形発生器と、上記波形発生器から導出され
る電流を増幅するための電流増幅器と、上記被測定物か
ら検出される電圧波形を増幅するための電圧増幅器と、
上記増幅された波形を解析するオシロスコープとから構
成される。

【００２２】

【作用】本発明の磁気ヘッドを用いることによって、従
来の信号処理で必要とされていた周波数フィルタリング
装置を省略してもバルクハウゼンノイズを通常のダイナ
ミックレンジのオシロスコープ等で解析できるようにな
る。すなわち、従来に比べて小型軽量であるとともに省
電力であり、かつ廉価な信号処理装置を提供できるよう
になり、それを用いた非破壊検査が可能となる。

【００２３】以下に、本発明のバルクハウゼンノイズ検
出用磁気ヘッドおよびそれを用いた検出システムの詳細
を述べる。本発明によるバルクハウゼンノイズ検出用磁
気ヘッドの概略を、図１に示す。励磁ヘッドは、金属系
の軟質磁性材料で作られたＵ型コア１、それに巻かれて
いる励磁コイル２で構成される。

【００２４】コア１には珪素鋼、パーマロイ等の金属系
軟質磁性材料を用いる。望ましくは、方向性珪素鋼板の
ような飽和磁化の高いものを選び、被測定物表面から離
れても十分に被測定物を励磁できるようにする。ここ
で、上記Ｕ型コアの両脚部内側の距離をａとし、両脚部
内側の距離ａの方向に対して垂直方向に測定した当該Ｕ
型コア１の厚みをｂとする。

【００２５】そして、両脚部の厚みｂの中点同士を結ん
だ線の中点を原点０、原点０からａ方向にＸ軸，Ｘ軸に
垂直方向にＹ軸を定義する。ここでａ，ｂの大きさは、 5mm ≦ a≦150mm, 3mm ≦ b≦50mm 以下であることが望ましい。

【００２６】なぜならば、a ＜5 mm，b ＜3 mmでは励磁
コイル２を十分な回数だけ巻くことができなくなるため
であり、a ＞150mm ，b ＞50mmでは励磁電力が大きくな
るためである。被測定物を励磁コアで磁化すると、被測
定物の内部では励磁磁場の変化に伴い磁化が変化する。
そして、被測定物の表面からは磁化による漏れ磁束が発
生し、磁化の変化に伴い漏れ磁束量が変化する。この磁
束の変化の中に不連続磁化変化を起因とするバルクハウ
ゼンジャンプが含まれている。

【００２７】本発明の本発明者は、被測定物表面の本発
明領域内において、励磁周波数と同じ周波数を持つ低周
波の電圧波形が小さくなり、相対的に、その低周波の電
圧波形に重畳しているバルクハウゼンノイズの電圧が大
きくなることを見いだした。かつ、バルクハウゼンノイ
ズを発生させる磁束が、被測定面に垂直方向で大きくな
ることも見いだした。

【００２８】したがって、本発明領域において、検出面
を被測定面に平行に配置することによって、周波数フィ
ルタリング装置を用いなくても、電圧増幅のみによって
直接オシロスコープでバルクハウゼンノイズの測定が可
能になり、その波形解析も可能となる。ここで、構成コ
イルとして用いる空芯コイル３は、アクリルやベークラ
イト等の非磁性芯材にエナメル細線を巻いたものであ
る。

【００２９】次に、空芯コイル３の配置について述べ
る。図２および図３に、空芯コイルの検出面の重心位置
を変えて、それに伴う低周波の電圧波形とバルクハウゼ
ンノイズ波形の変化について調べた結果を示す。ここで
は、周波数フィルタリング装置を用いて二つの波形を分
離した。この結果より、｜ｘ｜≦0.2a ,｜ｙ｜≦0.8bで
示される領域において、バルクハウゼンノイズの実効値
電圧が低周波波形の実効値電圧に比べてほぼ等しいか、
それ以上の大きさであることが判った。

【００３０】したがって、本発明では、この領域に空芯
コイルの検出面の重心が存在するようにする。検出面の
重心が上記領域に位置しない場合には、バルクハウゼン
ノイズの実効値電圧は低周波波形の電圧に比べて著しく
小さくなる。特に、0.2a≦｜ｘ｜≦0.5a ,｜ｙ｜≦0.8b
で示される領域では、バルクハウゼンノイズの実効値電
圧は低周波波形の電圧に比べて著しく小さいので、バル
クハウゼンノイズの分離には周波数フィルタリング装置
を必要とする。

【００３１】また、｜ｙ｜＞0.8bの領域では、被測定物
表面に垂直な漏れ磁束成分が小さいので、Ｓ／Ｎ比の高
いバルクハウゼンノイズは得られない。以上のように、
本発明領域に空芯コイルの検出面の重心を配置すること
によって、初めてバルクハウゼンノイズを周波数フィル
タリング装置なしで解析することができる。

【００３２】本発明の磁気ヘッドは、空芯コイル３の中
に金属系の軟質磁性材料からなるコアを配置することに
よって、さらに磁気シグナルの誘起電圧を高くできる。
例えば、コア材としてパーマロイやＦｅ系あるいはＣｏ
系アモルファス材を用いることによって、さらに高感度
な磁気ヘッドを構成できる。

【００３３】本発明の磁気ヘッドを用いて発明したバル
クハウゼンノイズ検出システムを、図４に示す。本シス
テムは、励磁電流を流すための波形発生器１７および電
流増幅器１８、検出される電圧波形を増幅する電圧増幅
器２０、増幅された波形を解析するデジタルオシロスコ
ープ２１から構成される。したがって、従来に比べて周
波数フィルタリング回路を用いる必要がなく、その分だ
け全体重量および消費電力を小さくすることが可能であ
る。

【００３４】

【実施例】以下、第１の実施例に基づき、本発明を詳細
に説明する。図１に示した本発明の磁気ヘッドを用い
て、バルクハウゼンノイズ波形の検出実験を行った。被
測定物は40mm×30mm×15mmの低炭素鋼である。そして、
40mm×30mmの部分を被測定面とした。

【００３５】励磁ヘッドコアには、珪素鋼板を積層した
ものを用いた。コアの寸法は、両脚部内側の距離ａが20
mm，両脚部内側の距離ａ方向に対して垂直に測定方向に
測定したコアの厚みｂが10mmである。励磁はコイルに周
波数が2.5Hz の正弦波電流を入力して行った。被測定面
に対して励磁ヘッドが1.0mm 離れるように励磁コイルを
設置した。

【００３６】検出コイルには、アクリル製の芯材にエナ
メル細線を巻き付けた空芯コイルを用いた。空芯コイル
の方向は検出面が被測定面と平行になるようにした。ま
た、空芯コイルの下部と被測定面の間の距離を1 mmと
し、空芯コイルの検出面の重心をｘ−ｙ座標面で移動さ
せた。比較のために、検出コイルとして従来型のＵ型コ
アにはパーマロイ板を積層したものを用いて、被測定物
表面にヘッド面が密着するようにした。

【００３７】また、検出コイルの向きは両脚部を結ぶ線
がＸ軸に平行になるようし、実験ではＵ型コアの中心軸
をｘ−ｙ座標上で移動させた。ここで、本発明の空芯コ
イルの検出面の重心位置およびＵ型検出ヘッドの中心軸
は、｜ｘ｜≦4mm,｜ｙ｜≦8.0mm の領域内にあるように
した。

【００３８】また、それぞれの検出コイルで誘起された
電圧をアンプによって同じ増幅率で増幅し、オシロスコ
ープを用いて波形解析した。下記の表１には、空芯コイ
ルの位置を変えて磁気シグナルを検出した結果と、比較
としてＵ型検出コア用いた結果を示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１における発明例１，２に示したよう
に、本発明のバルクハウゼンノイズ検出用磁気ヘッドを
用いると、低周波波形の実効値電圧に比べて高い実効値
電圧のバルクハウゼンノイズが得られる。なお、表１に
おける比較例１，２では、従来の磁気ヘッドの検出ヘッ
ドを発明例１，２の空芯コイルと同じ位置に設置した
が、低周波波形の実効値電圧はバルクハウゼンノイズに
比べて著しく大きいことが判る。

【００４１】さらに、空芯コイルの中にパーマロイ板を
積層したコアを挿入し、この検出ヘッドを用いてバルク
ハウゼンノイズの検出を行った。その結果、空芯コイル
を用いたときに比べて約２倍の実効値電圧を持つバルク
ハウゼンノイズを検出することができた。

【００４２】以上の結果より、本発明のバルクハウゼン
ノイズ検出用磁気ヘッドを用いることによって、低周波
波形の実効値電圧に比べて同程度もしくは大きな実効値
電圧を持つバルクハウゼンノイズが被測定物から得られ
ることが判った。

【００４３】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
第１の実施例で示した励磁ヘッドと空芯コイルを用い
て、バルクハウゼンノイズ波形の空芯コイル位置依存性
を調べた。表２にその結果を示した。

【００４４】

【表２】

【００４５】表２における比較例１，２のように、空芯
コイルの位置が本発明の条件を満たさないと、バルクハ
ウゼンノイズが著しく小さかったり、低周波波形の実効
値電圧がバルクハウゼンノイズに比べて著しく大きいこ
とが判る。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
バルクハウゼンノイズを高感度で検出することができる
ので、本発明のバルクハウゼンノイズ検出用磁気ヘッド
および検出システムを用いることによって、従来の信号
処理システムに比べて周波数フィルタリング装置を省略
することができる。したがって、信号処理システム全体
の軽量小型化を可能とすることができ、持ち運び等の作
業性を大幅に向上させることができる。また、省電力化
も実現することができるので、電池で駆動させる場合に
は、メンテナンスの頻度を減らせることができて、労力
の低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバルクハウゼンノイズ検出用磁気ヘッ
ドの概略を示す図である。

【図２】低周波波形およびバルクハウゼンノイズの実効
値電圧と空芯コイル検出面の重心位置との関係を示す図
である。

【図３】低周波波形およびバルクハウゼンノイズの実効
値電圧と空芯コイル検出面の重心位置との関係を示す図
である。

【図４】本発明の磁気ヘッドと検出システムの概略を示
す図である。

【図５】従来用いられている磁気ヘッドと検出システム
の概略を示す図である。

【符号の説明】

１ Ｕ型コア ２ 励磁コア ３ 空芯コイル １１ 励磁ヘッドコア １２ 検出ヘッドコア １３ 励磁コイル １４ 検出コイル １５ 被測定物 １６ 磁束 １７ 波形発生器 １８ 電流増幅器 １９ 周波数フィルタリング装置 ２０ 電圧増幅器 ２１ デジタルオシロスコープ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性体の局部領域を励磁するための励磁
   ヘッドと、上記局部領域の磁化の変化を検出するための
   検出ヘッドとから構成される磁気ヘッドにおいて、 上記励磁ヘッドが、励磁コイルが巻かれた金属系の軟質
   磁性材料のＵ型コアからなるとともに、上記検出ヘッド
   が、空芯コイルからなり、かつ上記空芯コイルの検出面
   が被測定面に対して平行に配置され、さらに、上記Ｕ型
   コアの両脚部内側の距離をａとし、上記脚部内側の距離
   ａ方向に対して垂直方向に測定した上記Ｕ型コアの厚み
   をｂとし、上記両脚部の厚みｂの中点同士を結んだ線の
   中点を原点０、上記原点０から上記両脚部に沿う方向に
   Ｘ軸を定義し、上記Ｘ軸に対して垂直方向にＹ軸を定義
   した場合、上記空芯コイルの検出面の重心が上記励磁ヘ
   ッドに対して、 ｜ｘ｜≦0.2a ,｜ｙ｜≦0.8b で囲まれる領域内に固定されていることを特徴とするバ
   ルクハウゼンノイズ検出用磁気ヘッド。
2. 【請求項２】 上記検出ヘッドが、上記空芯コイルの中
   に金属系の軟質磁性材料を配置していることを特徴とす
   る請求項１記載のバルクハウゼンノイズ検出用磁気ヘッ
   ド。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の磁気ヘッドを用
   いるとともに、被測定物に励磁電流を流すための波形発
   生器と、上記波形発生器から導出される電流を増幅する
   ための電流増幅器と、上記被測定物から検出される電圧
   波形を増幅するための電圧増幅器と、上記増幅された波
   形を解析するオシロスコープとを具備することを特徴と
   するバルクハウゼンノイズ検出システム。