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機関誌

2014年度バックナンバー11月

2014年11月1日更新



機関誌「非破壊検査」 バックナンバー 2014年11月度

巻頭言

「高感度磁気センサの非破壊検査への応用」特集号刊行にあたって  塚田 啓二

 磁気を用いた非破壊検査には,渦電流探傷試験や磁粉探傷試験,漏洩磁束探傷試験などがあり,主 に表面あるいは表面近傍の検査となっています。例えば渦電流探傷試験では渦電流を発生させ,その 電流が発生する磁場を計測しています。この渦電流は表面に集中する表皮効果があるので,表面情報 を高感度に捉えることができます。また,漏洩磁束探傷法も表面にあるきずから漏洩してくる磁場を 計測しているので表面検査となっています。このように,磁気を用いた検査は従来表面探傷法として 分類されてきています。表面近傍を捉えるためには高い周波数が好ましく,磁気センサとしてサーチ コイルで十分な感度を得ることができます。従来このサーチコイルの形状や配置を工夫することによ り特色ある磁気検査方法が生まれてきました。一方,磁気センサとして近年のマイクロデバイスの発 展とともに,磁気抵抗素子(MR)や磁気インピーダンス素子(MI),フラックスゲート素子(FG),ホー ル素子,超伝導量子干渉素子(SQUID)等の開発が盛んに行われて来ています。特に磁気抵抗素子は 民生用の磁気記録媒体のデータ読み出しに使われており,デジタル機器応用として急速な発展と普及 がなされてきました。また最近では,デジタル応用とは異なり,方位センサ等のアナログ磁気センサ としても普及してきており,その高感度化が進んできています。また,超伝導現象を用いたSQUID は 最も高感度な磁気センサで,生体の脳や心臓の疾患を診断するのに応用されています。いままでは超 伝導システムが複雑なため,非破壊分野ではまったく見向きもされていませんでしたが,高温超伝導 SQUID の実用化とともに簡単な装置で可能となってきました。今回は,こうした高感度な磁気センサ が広く普及されている状況から,非破壊検査への適用の可能性について見直そうと考えました。マイ クロデバイス化された磁気センサの特徴は,サーチコイルとは異なり,周波数依存性がなく直流から 高周波まで感度が一定なのと,デバイスが小さいことから局所的な情報を得ること等が挙げられます。 極低周波領域から計測できる特徴により,いままで表面検査であったものが深部まで,また局所的な 検査が可能な特徴から,多数個並べたセンサアレイによる画像化が可能という新たな磁気検査方法を 期待することができます。
 本特集では各種磁気センサを用いた特色ある非破壊検査の研究開発をしている方々に執筆をお願い しました。波頭経裕先生及び田中三郎先生には高温超電導量子干渉素子の原理と非破壊応用,内山 剛先生には磁気インピーダンス素子(MI),山田外史先生には巨大磁気抵抗効果素子(GMR),中根英 章先生にはフラックスゲート素子,紀和利彦先生には異方性磁気抵抗効果素子(AMR)について解説し ていただきました。この特集を通して,読者の方々には,これら高感度な磁気センサをより身近なも のとし,非破壊検査分野での新たな検査の可能性等を感じとっていただければ幸いです。

 

 

解説 高感度磁気センサの非破壊検査への応用

高温超電導SQUID を用いた金属資源探査
 波頭 経裕  塚本  晃   (公財)国際超電導産業技術研究センター

Exploration of Metal Resources Utilizing HTS-SQUID
International Superconductivity Technojogy Center Tsunehiro HATO and Akira TSUKAMOTO

キーワード SQUID,電磁探査,金属資源,誘導磁場,誘導電流



1. はじめに
 資源探査と非破壊検査は一見無関係に思えるかもしれない。しかし,高感度磁気センサを地上に設置して,地中深くに孔 をあけること無く,地上から地下1000 m の資源の探査を行う電磁探査法は,「地球の非破壊検査技術」である。未知の層構造, 地層の中に潜む異物,金属鉱床を検出するのである。そこには,磁気センサを用いた非破壊検査システムの開発において, 共通の課題があり,本システムの開発について紹介させていただく意味があると考えた。
 銅や鉄などの日常の生活でも欠かせない金属資源の探査は,ますます人の近づくことが困難な地域,そしてより深くに及 んでいる。1980 年以降,鉱山の深さは1000 m を超え,現在,カナダやオーストラリアでは,2000 m から3000 m に達するも のもある。大陸では1000 m までの深さのものでは,露天掘りで採鉱する場合もあるが,それより深いものでは地下にトン ネルを掘って採鉱する。
 図1 に金属資源探査の流れを示す。まずはじめに行われるのが人工衛星を用いた広域概査で,赤外線を利用して行われ る。続いて,航空機やヘリコプタを用いて,重力異常や磁気異常を計測する。これらの方法は,受動的に自然界に存在す る信号を受信する方法で,広い範囲を二次元的に効率よく探査できる利点がある一方,深さ方向の情報を得ることができな い。そこで,次に行われる,深さ情報を含んだ三次元情報を取得することが任務である準精査が重要になる。ここで利用され る方法の1 つが,今回紹介させていただくTEM 法(TransientElectromagnetic)という,電磁探査法である1),2)。鉱床の深 さ情報を取得するのは,きずの検査で言えばきずの深さや,内部のきずを探すこと,地下深くを探査することは,検査対象の 表面から深いところにあるきずを検査することに相当する。広域概査から準精査までの地下資源探査は,掘削や森林伐採を 行わない限りは検査で言う非破壊検査に相当する。探査の最終段階,精査ではボーリングで試験採取することになる。これ は破壊検査と言えるだろう。ボーリング調査には,例えば深さ1000 m でおよそ1 億円の経費がかかる。そのため,非破壊で正 確に探査できる技術は,地球環境保護の観点だけでなく経済的にも重要になっている。さらに,最近では車両の乗り入れが困 難な標高が4000 m を超えるような山岳地帯での探査も始まっており,探査装置は馬でも運搬が可能なほど,小型軽量であるこ とが求められる。このような背景から本システムは,(独)石油天然ガス・金属鉱物資源機構(JOGMEC)の委託事業「平成22 年度−平成23 年度次世代SQUITEM 機器開発」により,(公財)国際超電導産業技術研究センター( ISTEC)と三井金属資源開 発(株)(MINDECO)が共同開発したものである。現在,金属資源探査や地熱発電用の熱水層の探査に利用され始めている。

 

 

SQUID を用いた食品および電池内異物検査
   田中 三郎   豊橋技術科学大学

Contaminant Detection System for Food and Battery using SQUID Sensor
Toyohashi University of Technology Saburo TANAKA

キーワード SQUID,非破壊検査,食品異物,電池内異物,高感度検出



1. はじめに
 食品や工業製品は,製造工程において金属異物混入事故を防止するために細心の注意が払われ製造されている。しかしなが ら,小さな金属片,または加工機械からの細線など小さな金属異物混入の可能性は残されてしまう。これらの異物を検出する 現状の検出方法としては,量子干渉素子(SQUID 磁気センサ)方式1)−4),渦電流検査方式, X 線方式などがあり,その中で も渦電流検査方式は,広く食品検査のために使用されている。しかし,その感度は金属異物の導電率および食品自体の導電率 に影響される。また,X 線方式も有用な技術で多く使われてきているが,実際のX 線による検出下限は1 mm 程度であり,X 線使用による食品のイオン化や善玉菌の死滅,味の劣化など問題もある。従って,X 線方式は乳酸菌を含むヨーグルトなどの 食品に適用することができない。我々は,上記課題を解決するためにSQUID 磁気センサを用いた検査システムを提案してい る5)−7)。この検査システムの場合,食品中の金属異物検出の目標サイズはφ 0.5 mm であり,工業製品のそれはφ 50 mm とし ている。検出原理は, SQUID センサを用いて金属異物の残留磁化を検出することに基づいている。次の2 つの節では,我々が 開発した金属異物の検査システム2 タイプについて説明する。

 

MI センサを用いた非破壊検査
    内山  剛    名古屋大学

Nondestructive Testing Utilizing MI Sensor
Nagoya University Tsuyoshi UCHIYAMA

キーワード MI センサ,CMOS,グラジオメータ,異物検知,鉄筋破断



1. はじめに
 磁気センサは,工業用途から生体磁気計測までさまざまな分野で利用されている。磁気インピーダンス(MI)センサは,他 の民生用や工業用の磁界センサと比較して,pT(ピコテスラ)~mT(ミリテスラ)レベルと微弱な磁気が計測できる画期的な磁 気センサである。1993 年に名古屋大学毛利教授によって,表皮効果によるMI(Magneto -Impedance)効果について報告が なされた1)。MI 効果とは,アモルファス磁性ワイヤに高周波正弦電流を通電すると,外部磁界によって磁性体のインピー ダンスが極めて大きく変化する電磁現象である。通電する正弦電流の周波数を高くするとインピーダンス変化量(磁気感 度)が大きくなることが分かり,1995 年には,通電する高周波正弦電流をパルス電流にすることで,さらに高感度化に成 功している2)。上記のような,インピーダンス変化量を測定する手法では,磁極の判別ができない。この問題に対してさ まざまな提案があり2)−5),2002 年にアモルファス磁性ワイヤの周りにピックアップコイルを巻き,インピーダンス変化 (磁化ベクトルの方向変化)に比例した誘導起電力を出力とすることにより,磁極の判別が可能となっている6)。現在,MI センサは,さまざまな分野で利用されている。1 ~ 1000 μT レベルの検知には,ピックアップコイルを大量生産に適しためっ き法でMI 素子を作製し,専用電子回路に結合し商品化されている7)。このセンサは,民生用,特に,近年,急激に市場 拡大している情報端末機器などに電子コンパスとして使用されている。また,nT レベルの検知には,ピックアップコイル を銅線で機械巻きしたMI 素子を回路に結合して商品化されている。このセンサは,非常に高感度であり,異物検知や微 小磁場計測用などに利用されている。
 本稿では,まず,高感度MI センサの回路構成と動作原理について説明する。次に,MI センサの高感度特性を利用した 食品パッケージ内異物検知システムについて述べる。最後に,食品パッケージ内異物検知システム以外の非破壊検査への応 用事例を紹介する。

 

針形状GMR 磁気センサプローブを用いた非破壊検査
    山田 外史  金沢大学

Nondestructive Inspection by Needle Type Giant Magneto-Resistance Probe
Kanazawa University Sotoshi YAMADA

キーワード 巨大磁気抵抗効果センサ,針形状プローブ,磁気ビーズ,医療検査,狭空間,微小きず



1. はじめに
 磁気センサの一つとしての巨大磁気抵抗効果素子(GiantMagneto-Resistance:GMR)は,大容量記憶装置(ハードディ スク)の記録読出ヘッドの素子として急速に発展し(現在ヘッド用としてはトンネル形GMR:TMR),記憶装置の記憶容量, 密度,読出の高速化へ多大なる貢献をした1)。
 このGMR 素子を記憶装置以外での磁気センサとして応用開発が進んでいる。GMR 素子は,ホール素子,磁気インピー ダンス素子(MI)などの小型磁気センサと比べ,超小型(かつ薄い),感度,温度特性などにおいて極めて高い優位性がある。 しかし,飽和特性,非線形性が強い,また計測範囲が狭いなどの応用を妨げる面もあるが,工業分野では方位・力学センサと して車載搭載用機器などへの応用開発の例がある1),2)。また医療機器における磁気センサして,癌治療や免疫学的検査法 に用いられるミクロンサイズ以下の磁気ビーズ(マーカ)の検出等への応用研究が進んでいる3)。
 著者は,高感度・高分解能を目指す磁気を利用した非破壊検査での磁界検出素子としてGMR センサに注目した。GMR 素 子の超小型,高感度に焦点をあて,金属製品の微細きずの検出を目標としたマイクロ渦電流探傷技術(μ-ECT)を検討した4)。 特に,電子工業における非破壊検査応用として, 電子製品の検査への適用について検討した。その例が製造段階でのプリント 基板,すなわちベアボード(素子が接続される前の基板)の不良検査やLSI などのパッケージに用いられるBGA 技術(Ball Grid Array)でのハンダボールの配置検査である5)−8)。
 これらの経緯から,さらにGMR センサの特徴を生かす構造として,GMR センサを極細のセラミック材の針先につけた 針形状センサプローブを考案した。このセンサプローブを非破壊検査におけるミクロな検査対象への適用,生体検査分野 へのセンサ応用の展開を行った。すなわち,針形状磁気センサを生体内の信号源の極近傍または測定対象の中に挿入する ことにより,高感度に信号源近傍の磁界信号を検出,また微細な溝や穴の中にプローブを挿入することによりきず検査を する非破壊検査が可能である。本稿ではGMR センサプローブの構成とその性能について解説し,針形状磁気センサの応 用例の概要について紹介する。

 

フラックスゲート磁気センサを用いた非破壊検査
 中根 英章  室蘭工業大学

Eddy Current Testing using Fluxgate Magnetic Sensor
Muroran Institute of Technology Hideaki NAKANE

キーワード 渦電流探傷,フラックスゲート磁気センサ,非破壊検査,表皮効果,アルミニウム合金



1. はじめに
 渦電流探傷試験(Eddy Current Testing:ECT)は金属製品表面付近の微細なきず(欠陥)を高感度で検出する手法として,鉄 鋼製品の製造工程での検査,火力,原子力発電プラントでの熱交換器伝熱管検査や航空機の保守検査など広く用いられている。 従来,渦電流磁界を検出するのに誘導コイルを用いていたため,高い周波数での検査となる。高い周波数では表皮効果により渦電 流が表面から急激に減衰するため,極く表面の欠陥を検出することになる。もし,内部に欠陥があるときは,より低い周波数での 検査が必要になるが,誘導コイルでは,低い周波数の渦電流磁界の検出は困難となる。このような課題を解決するため,低い周波 数の磁界でも十分に検出できる磁気センサ,ここではフラックスゲート磁気センサを用いた渦電流探傷法を紹介するものである。

 

磁気抵抗効果センサを用いた非破壊検査
 紀和 利彦/堺  健司/塚田 啓二/岡山大学

Non-destructive Testing using Magneto-resistive Sensors
Okayama University Toshihiko KIWA, Kenji SAKAI and Keiji TSUKADA

キーワード 非破壊検査,磁気探傷試験,センサ,渦電流探傷装置,波形解析



1. はじめに
 構造物の安全安心確保とコスト管理の最適な解を見いだすことにおいて,非破壊検査の重要性が日ごとに増している。 その中で,検査対象に磁気を印加することで発生する渦電流や漏洩磁束など,検査対象から二次的に発生する磁場信号を 検出する磁気非破壊検査は,簡便性・高速性などから期待の集まる検査方法であり,多くの新しい技術が開発されてきて いる。
 従来,交流磁場を印加する手法においては,磁場信号の検出に検出コイルを用いることが一般的であった1)−3)。検出コ イルでは,検査対象から発生する二次的な磁場がコイルへ導入される。この時にコイルを鎖交する磁束の変化を検出コイ ルの複素インピーダンス変化として計測する。この複素インピーダンスの計測は,本質的には鎖交磁束によるコイルの起 電力を計測していることと等価である。発生する起電力V は,ファラデーの電磁誘導の法則で記述でき,鎖交磁束φ の時間 変化に比例し,以下の式で表される。
 V=-ndφ/dt          ………………………………………(1)
但し,n はコイルの巻き数,t は時間である。従って,鎖交磁束が単一周波数f で振動しているとき,起電力は周波数に比 例することになる。
 一方で,導電性材料への磁場の侵入あるいは,材料内で発生する渦電流の浸透深さδ は,印加する磁場の周波数を用 いて,
 δ=√ρ/(πfμ)        ……………………………………(2)
と表される。但し,ρ は導電性材料の抵抗率,μ である。図1は銅およびアルミニウムの浸透深さの周波数依存性(縦左軸) である。また,コイルに発生する起電力と印加磁場周波数の関係を同じ図内にプロットする(縦右軸)。銅およびアルミニウ ムの抵抗率としてそれぞれ,16.0 mΩ・cm および4.3 mΩ・cmを用いた。浸透深さは,印加磁場の周波数が増加するとともに 小さくなることが分かる。それに対して,コイルの起電力は,周波数が低くなるにつれて減少していくことが分かる。これ は,検出コイルを用いた磁気探傷試験では,試料深部の試験に対して検出感度が低下することを意味している。また,計 測する複素インピーダンス変化は,検出コイルのサイズ・形状に大きく依存する。
 これに対して,半導体製造技術の発展により,様々な種類の磁気センサが開発され,安価に供給されるようになってき た。その中で,磁気抵抗効果(MR)を利用したセンサは,小型化が容易でありハードディスクドライブの磁気ヘッドや, 携帯電話に内蔵された磁気コンパスをはじめとする多くの電子機器内部で活用されている。
 MR センサは,直流磁場から数MHz の交流磁場までの広い周波数領域で高感度検出が可能である。その為,低周波数の 磁場印加に対して,試料から発生する二次的な磁場信号を感度良く検出できる可能性がある。また,動作周波数帯域を十 分に広く確保することで,磁場信号の時間領域波形を歪ませることなく測定することが可能である。
 本稿では,まず磁気センサの中でも,我々グループがこれまでに活用実績を多く持っているAMR(異方性磁気抵抗効果: Anisotropic Magneto Resistive)センサの原理について概説し,その後,AMR センサを用いた具体的な磁気非破壊検査につい て解説をする。

 

資料

第5回日米NDT シンポジウム報告  横野 泰和 シンポジウム組織委員長,ポニー工業(株)

Report on the Fifth US-Japan NDT Symposium
Chairman of Symposium Organizing Committee, Pony Industry Co., Ltd. Yoshikazu YOKONO

キーワード 非破壊検査,非破壊試験,JSNDI,ASNT,国際会議



 (一社)日本非破壊検査協会(JSNDI)が米国非破壊検査協会(ASNT)と合同で開催する唯一の行事である日米NDT シ ンポジウムが,2014 年6 月16 日(月)~ 6 月19 日(木)に米国ハワイ州マウイ島のマケナビーチ&ゴルフリゾートホテ ルで開催された。
 この日米NDT シンポジウムは,1996 年6 月にオアフ島のタートルベイヒルトンホテルで第1 回目が開催されて以来, 第2 回目は同じ会場で1999 年6 月に開催され,その後第3 回から会場がマウイ島のマウイプリンスホテルに移って2005 年 6 月に開催された。続く第4 回は2010 年6 月で,同じホテルが会場となったが,この間に経営者が変わりマケナビーチ& ゴルフリゾートホテルと改名された。主催は,第1 回及び第3回がASNT,第2 回及び第4 回はJSNDI と持ち回りで開催さ れ,第5回目の今回はASNT が主催であった。このシンポジウムのサブテーマは,“Emerging NDE Capabilities for a Safer World”であり,「より安全な世界のための新たなNDE の可能性」を追求しようとするものである。

 

 

 

 

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