JP3843343B2

JP3843343B2 - 非破壊検査用渦電流センサ

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Publication number: JP3843343B2
Application number: JP2003277355A
Authority: JP
Inventors: 外史山田; 茂庄司
Original assignee: Kanazawa University NUC; TDK Corp
Current assignee: Kanazawa University NUC; TDK Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2023-07-22
Also published as: US7098655B2; US20050140355A1; JP2005043206A

Description

本発明は、非破壊で物体の形状や欠陥などを検知する非破壊検査用渦電流センサに関する。

渦電流探傷検査（Ｅｄｄｙ−ＣｕｒｒｅｎｔＴｅｓｔｉｎｇ）技術は、原子力発電設備や航空機などの重要金属機械部品の非破壊検査に多く用いられている。このような渦電流を利用した非破壊検査用のＥＣＴプローブは、一般に、励磁コイルとこの励磁コイルから与えられる交番磁界によって誘起される渦電流に基づく磁界を検知するための検出コイルとから主として構成される（例えば特許文献１〜４）。

また、本願の一部発明者は、プリント基板検査用のＥＣＴプローブとして、ミアンダ形励磁コイルと渦電流検知用の８の字形検出コイルとからなるＥＣＴプローブを提案している（例えば非特許文献１及び２）。

特開平７−８３８８４号公報特開平９−１８９６８２号公報特開平１１−２４８６８５号公報特開２００２−９０４９０号公報宮越貴久、ダリウス・カスプラザック、山田外史、岩原正吉、「ＥＣＴ技術によるプリント配線の欠陥検出の可能性」、日本応用磁気学会誌、Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．４−２、第１６１３頁〜第１６１６頁、１９９９年山田外史、岩原正吉、「プレーナ形マイクロうず電流プローブによる探傷技術の動向」、日本応用磁気学会誌、Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．７、第１８１７頁〜第１８２５頁、１９９９年

上述したごとき従来のＥＣＴプローブは、渦電流に基づいて発生する磁界を検出するための手段としてコイルを使用しているため、その寸法の小型化及び感度の向上には限界があった。即ち、検出コイルは、ある程度の長さ、幅及び厚さを有しており、従って、従来のＥＣＴプローブはミリ単位以上の比較的大きな欠陥や変化に対してのみ、実用的に検知可能であった。

しかしながら、最近は、物体の表面における微細欠陥の有無の検査やプリント基板の微細化パターンの検査など、非常に精細な検査にＥＣＴプローブを使用する要望が大きくなってきている。

このような要求に従来の構造のＥＣＴプローブで対応しようとすると、以下のような問題が生じる。即ち、
（１）分解能を上げるために、検出コイルの巻き数、コイル径、長さなどを小さくしようとしても物理的限界がある、
（２）コイルの感度はコイルの断面積及び巻き数に比例するため、分解能を上げるためにコイルの巻き数やコイル径、長さを小さくすると感度が低下してしまう、
（３）感度が低下すると、信号対ノイズ（ＳＮ）比が低下するため、信号自体の信頼性が低下してしまう。

特に、励磁コイルより被検査体側に突出部が形成されないように、検出コイルを励磁コイルの被検査体とは反対側に設けようとした場合、検出コイルの感度をさらに高めないと信頼性の高い検査を期待することができない。

従って本発明の目的は、非常に高い感度及び非常に高い分解能の両方を具備した非破壊検査用渦電流センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、高速で応答可能な非破壊検査用渦電流センサを提供することにある。

本発明によれば、検査時に互いに逆方向の励磁電流が流れる互いに平行な１対の電流線路を少なくとも有しており非破壊検査すべき被検査体に印加される交流磁界を励磁電流によって発生する平坦形状を有するミアンダ形の励磁コイルと、１対の電流線路間の中心軸線上であって、励磁コイルの被検査体とは反対側の位置に設けられており、励磁コイルの平坦面と平行に積層されていて磁化固定層及び磁化自由層を含む多層膜を備えており、交流磁界により発生した渦電流によって被検査体から新たに生じる磁界を検出するための少なくとも１つのスピンバルブ磁気抵抗効果（ＭＲ）素子とを備えており、磁化固定層の磁化方向が、１対の電流線路と平行に設定されており、外部磁界が存在しない際の磁化自由層の磁化方向が、積層面内方向であって１対の電流線路と垂直に設定された非破壊検査用渦電流センサが提供される。

渦電流変化によって生じる磁界を検出する手段としてＭＲ素子を用いているため、被検査体側に突出部が存在しないように励磁コイルの被検査体とは反対側の位置にこのＭＲ素子を設置した場合にも、非常に高い感度で渦電流方向の微小変化のみを検出することができる。しかも、検出手段を大幅に小型化できるため、検知分解能も非常に高めることが可能となる。さらにまた、素子の磁気モーメントが小さくかつ磁気応答性が良好であるため、励磁周波数を高めることができるので、高速のスキャニングが可能となり、分解能を上げたときの検査速度の低下を防止することができる。従って、高感度、高速かつ高分解能であり、ＳＮ比が高く高信頼性を有する非破壊検査を行なうことができる。

この非破壊検査用渦電流センサが、少なくとも１つの薄膜チップを備えており、少なくとも１つのスピンバルブＭＲ効果素子が１つのスピンバルブＭＲ効果素子であって、この少なくとも１つの薄膜チップが、チップ基板と、このチップ基板上に形成されたこの１つのスピンバルブＭＲ効果素子と、この１つのスピンバルブＭＲ効果素子の両端部に接続された１対の電極端子とを備えており、励磁コイル上に固着されていることが好ましい。

少なくとも１つのスピンバルブＭＲ素子が、１対の電流線路間の中心軸線上に配置又は配列された単一の又は複数のスピンバルブＭＲ素子であることも好ましい。

この非破壊検査用渦電流センサが、少なくとも１つの薄膜チップを備えており、少なくとも１つのスピンバルブＭＲ効果素子が複数のスピンバルブＭＲ効果素子であって、この少なくとも１つの薄膜チップが、チップ基板と、このチップ基板上に形成されたこの複数のスピンバルブＭＲ効果素子と、この複数のスピンバルブＭＲ効果素子の両端部にそれぞれ接続された複数対の電極端子とを備えており、励磁コイル上に固着されていることも好ましい。

この場合、少なくとも１つの薄膜チップが、１対の電流線路間の中心軸線上に配置又は配列され励磁コイル上に固着されている単一の又は複数の薄膜チップであることが好ましい。

励磁コイルが、基板上に形成されたコイル導体層とこのコイル導体層を覆う絶縁層とを備えてなることも好ましい。

本発明によれば、被検査体側に突出部が存在しないように励磁コイルの被検査体とは反対側の位置にＭＲ素子を設置した場合にも、非常に高い感度で渦電流方向の微小変化のみを検出することができる。しかも、検出手段を大幅に小型化できるため、検知分解能も非常に高めることが可能となる。さらにまた、素子の磁気モーメントが小さくかつ磁気応答性が良好であるため、励磁周波数を高めることができるので、高速のスキャニングが可能となり、分解能を上げたときの検査速度の低下を防止することができる。従って、高感度、高速かつ高分解能であり、ＳＮ比が高く高信頼性を有する非破壊検査を行なうことができる。

図１は本発明の好ましい実施形態における非破壊検査用渦電流センサの構成を概略的に示す斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。

これらの図において、１０は絶縁材料によって形成された基板、１１は基板１０上に折り返しを有する平面パターンとして形成されたコイル導体からなるミアンダ形の励磁コイル、１２及び１３は基板１０上に形成されており、励磁コイル１１の両端に電気的に接続されている１対の電極端子、１４〜１８は励磁コイル１１上に固着されており、各々が例えばＳＶＭＲ素子などのＧＭＲ素子を搭載している薄膜チップをそれぞれ示している。

励磁コイル１１は、図２から明らかのように、絶縁性の基板１０上に形成されたコイル導体層２０と、このコイル導体層２０を覆う絶縁層２１とを含んでいる。励磁コイル１１の励磁部は、基板１０のＺ方向に互いに平行に伸長し両端部で折り返している複数の電流線路を有している。隣り合う電流線路には、検査時に、互いに逆方向の交番励磁電流が流れる。

薄膜チップ１４〜１８は、励磁コイル１１のＸ方向で中央部に位置する１対の電流線路１１ａ及び１１ｂの中心軸線上に一列状態で配列されている。基板１０の図１において見える側の面と反対側の面が被検査体に対向する面であり、従って、薄膜チップ１４〜１８は、励磁コイル１１の被検査体とは反対側の面上に固着されている。

図３は本実施形態における各薄膜チップの構成を概略的に示す斜視図である。なお、図３においては、理解を容易にするため、ＧＭＲ素子が誇張して大きく描かれている。

薄膜チップ１４〜１８の各々は、チップ基板３０上に、例えばＳＶＭＲ素子などのＧＭＲ素子３１と、そのＧＭＲ素子３１に電気的に接続された１対のリード導体３２及び３３と、リード導体３２及び３３にそれぞれ電気的に接続された１対の電極端子３４及び３５とを薄膜技術によって形成したものである。

図４はＧＭＲ素子３１を例えば構成するＳＶＭＲ素子の主要部における２つの膜構成例を概略的に示す斜視図である。

同図（Ａ）に示す膜構成例において、ＳＶＭＲ素子の主要部は、基板側から強磁性材料によるフリー層４０、非磁性導電材料によるスペーサ層４１、強磁性材料によるピンド層４２及び反強磁性材料によるピンニング層４３を順次積層してなるＳＶＭＲ多層膜から構成されている。このＳＶＭＲ多層膜において、ピンド層４２及びピンニング層４３の磁化方向は、層の面内方向の−Ｚ方向であり、外部磁界が存在しないときのフリー層４０の磁化方向は層の面内方向の＋Ｘ方向である。

同図（Ｂ）に示す膜構成例において、ＳＶＭＲ素子の主要部は、基板側から反強磁性材料によるピンニング層４３´、強磁性材料によるピンド層４２´、非磁性導電材料によるスペーサ層４１´及び強磁性材料によるフリー層４０´を順次積層してなるＳＶＭＲ多層膜から構成されている。このＳＶＭＲ多層膜において、ピンド層４２´及びピンニング層４３´の磁化方向は、層の面内方向の−Ｚ方向であり、外部磁界が存在しないときのフリー層４０´の磁化方向は層の面内方向の＋Ｘ方向である。

このような多層膜構成を有するＳＶＭＲ素子は、層に垂直なＹ方向の磁界成分に対しては感度が低く、層に水平なＸ方向及びＺ方向の磁界成分に対して高い感度を有している。特に、Ｚ方向の磁界成分に対しては非常に高い検出感度を有している。

図３からも分かるように、ＧＭＲ素子３１は、その各層が１対の電流線路１１ａ及び１１ｂの面内（励磁コイルの平坦面）方向（Ｘ及びＺ方向）と平行となるように設定されている。特に、本実施形態では、ピンド層４２又は４２´の磁化方向が１対の電流線路１１ａ及び１１ｂの伸長方向（Ｚ方向）と平行となり、外部磁界が存在しないときのフリー層４０又は４０´の磁化方向がこれら１対の電流線路１１ａ及び１１ｂの伸長方向と垂直でありかつその線路の面内（励磁コイルの平坦面）方向となるように（Ｘ方向に）設定されている。

図５は本実施形態における非破壊検査用渦電流センサを用いて行なうプリント基板の配線チェックの原理を説明するための平面図であり、図６はプリント基板の配線路の部分のみを拡大して示した平面図である。

配線チェックを行なう場合、非破壊検査用渦電流センサを、その励磁コイル１１に高周波電流を流しながら、被検査体であるプリント基板と面平行に２次元スキャニングする。その状態で、ＧＭＲ素子にセンス電流を流して出力を検出する。

今、図５に示すように、プリント基板上の配線路５０と非破壊検査用渦電流センサの電流線路とが互いに平行でありかつ電流線路１１ａ及び１１ｂの間に配線路５０が位置している状態を考える。図５（Ａ）及び図６（Ａ）は配線路５０に断線がない場合、図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）は断線がある場合である。

図５（Ａ）に示すように、励磁コイル１１を流れる高周波の励磁電流５１により、配線５０には、渦電流５２がその線路方向に沿って誘起される。この状態は、図６（Ａ）も表されている。図５（Ａ）に示すように、この渦電流５２によって新たに磁界（渦電流誘起磁界）５３が誘起され、ＧＭＲ素子はこの磁界５３のＸ方向成分に応じた電圧を出力する。

配線路５０´に断線５４が存在すると、渦電流５２´は、図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）に示すように、その断線５４の手前で折り返し、その結果、この折り返す渦電流５２´の分だけ渦電流が余分に流れることとなり、断線の部分の渦電流誘起磁界が変化する。ＧＭＲ素子はこの変化した渦電流誘起磁界のＸ方向成分に応じた電圧を出力する。

本実施形態によれば、渦電流変化によって生じる磁界を検出する手段として、ＧＭＲ素子をそれぞれ備えた複数の薄膜チップ１４〜１８を用いているため、被検査体側に突出部が存在しないように励磁コイル１１の被検査体とは反対側の位置にこのこれら薄膜チップを設置した場合にも、非常に高い感度で渦電流方向の微小変化のみを検出することができる。しかも、検出手段を大幅に小型化できるため、検知分解能も非常に高めることが可能となる。さらにまた、ＧＭＲ素子は、磁気モーメントが小さくかつ磁気応答性が良好であるため、励磁周波数を高めることができるので、高速のスキャニングが可能となり、分解能を上げたときの検査速度の低下を防止することができる。従って、高感度、高速かつ高分解能であり、ＳＮ比が高く高信頼性を有する非破壊検査を行なうことができる。

図７は本発明の他の実施形態における非破壊検査用渦電流センサの構成を概略的に示す斜視図である。

同図において、７０は絶縁材料によって形成された基板、７１は基板７０上に折り返しを有する平面パターンとして形成されたコイル導体からなるミアンダ形の励磁コイル、７２及び７３は基板７０上に形成されており、励磁コイル７１の両端に電気的に接続されている１対の電極端子、７４は励磁コイル７１上に固着されており、例えばＳＶＭＲ素子などのＧＭＲ素子を搭載している薄膜チップをそれぞれ示している。

励磁コイル７１は、図１の実施形態の場合と同様に、絶縁性の基板７０上に形成されたコイル導体層と、このコイル導体層を覆う絶縁層とを含んでいる。励磁コイル７１の励磁部は、基板７０のＺ方向に互いに平行に伸長し両端部で折り返している複数の電流線路を有している。隣り合う電流線路には、検査時に、互いに逆方向の交番励磁電流が流れる。

薄膜チップ７４は、励磁コイル７１のＸ方向で中央部に位置する１対の電流線路７１ａ及び７１ｂの中心軸線上に配置されている。基板７０の図７において見える側の面と反対側の面が被検査体に対向する面であり、従って、薄膜チップ７４は、励磁コイル７１の被検査体とは反対側の面上に固着されている。

以上の説明から明らかなように、図７の実施形態は、薄膜チップが複数ではなく単一であることを除いて、図１の実施形態とほぼ同様の構成を有するものである。従って、本実施形態の作用効果などの説明は省略する。

図８は図１又は図７の実施形態における薄膜チップの構成の変更態様を概略的に示す斜視図である。なお、図８においては、理解を容易にするため、ＧＭＲ素子が誇張して大きく描かれている。

この変更態様において、薄膜チップは、チップ基板８０上に、例えばＳＶＭＲ素子などの４つのＧＭＲ素子８１〜８４と、これらＧＭＲ素子８１〜８４にそれぞれ電気的に接続された４対のリード導体８５及び８６、８７及び８８、８９及び９０並びに９１及び９２と、これらリード導体にそれぞれ電気的に接続された４対の電極端子９３及び９４、９５及び９６、９７及び９８並びに９９及び１００とを薄膜技術によって形成したものである。

ＧＭＲ素子８１〜８４の各々の一例であるＳＶＭＲ素子の主要部における膜構成は、図４に示したものと同様である。即ち、ＳＶＭＲ素子の主要部は、基板側から強磁性材料によるフリー層４０、非磁性導電材料によるスペーサ層４１、強磁性材料によるピンド層４２及び反強磁性材料によるピンニング層４３を順次積層してなるＳＶＭＲ多層膜から構成されているか、又は基板側から反強磁性材料によるピンニング層４３´、強磁性材料によるピンド層４２´、非磁性導電材料によるスペーサ層４１´及び強磁性材料によるフリー層４０´を順次積層してなるＳＶＭＲ多層膜から構成されている。このＳＶＭＲ多層膜において、ピンド層４２又は４２´及びピンニング層４３又は４３´の磁化方向は、層の面内方向の−Ｚ方向であり、外部磁界が存在しないときのフリー層４０又は４０´の磁化方向は層の面内方向の＋Ｘ方向である。

図８からも分かるように、ＧＭＲ素子８１〜８４の各々は、その各層が１対の電流線路１１ａ及び１１ｂ（７１ａ及び７１ｂ）の面内（励磁コイルの平坦面）方向（Ｘ及びＺ方向）と平行となるように設定されている。特に、本実施形態では、ピンド層４２又は４２´の磁化方向が１対の電流線路１１ａ及び１１ｂ（７１ａ及び７１ｂ）の伸長方向（Ｚ方向）と平行となり、外部磁界が存在しないときのフリー層４０又は４０´の磁化方向がこれら１対の電流線路１１ａ及び１１ｂ（７１ａ及び７１ｂ）の伸長方向と垂直でありかつその線路の面内（励磁コイルの平坦面）方向となるように（Ｘ方向に）設定されている。

なお、上述の実施形態は、薄膜チップがＳＶＭＲ素子などのＧＭＲ素子を備えている場合について述べたが、薄膜チップが、ＧＭＲ素子に代えて、さらに高感度のＴＭＲ素子を備えていても良いことは明らかである。

以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

本発明による非破壊検査用渦電流センサは、原子力発電設備や航空機などの重要金属機械部品の非破壊検査のみならず、物体の表面及び内面における微細欠陥の有無の検査やプリント基板の微細化パターンの検査など、非常に精細な非破壊検査に極めて有用である。

本発明の好ましい実施形態における非破壊検査用渦電流センサの構成を概略的に示す斜視図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１の実施形態における各薄膜チップの構成を概略的に示す斜視図である。図３のＧＭＲ素子を例えば構成するＳＶＭＲ素子の主要部における２つの膜構成例を概略的に示す斜視図である。図１の実施形態における非破壊検査用渦電流センサを用いて行なうプリント基板の配線チェックの原理を説明するための平面図である。図５におけるプリント基板の配線路の部分のみを拡大して示した平面図である。本発明の他の実施形態における非破壊検査用渦電流センサの構成を概略的に示す斜視図である。図１又は図７の実施形態における薄膜チップの構成の変更態様を概略的に示す斜視図である。

符号の説明

１０、７０基板
１１、７１励磁コイル
１２、１３、３４、３５、７２、７３、９３〜１００電極端子
１４〜１８、７４薄膜チップ
１１ａ、１１ｂ、７１ａ、７１ｂ電流線路
２０コイル導体層
２１絶縁層
３０、８０チップ基板
３１、８１〜８４ＧＭＲ素子
３２、３３、８５〜９２リード導体
４０、４０´ フリー層
４１、４１´ スペーサ層
４２、４２´ ピンド層
４３、４３´ ピンニング層
５０配線路
５１励磁電流
５２、５２´ 渦電流
５３磁界
５４断線

Claims

検査時に互いに逆方向の励磁電流が流れる互いに平行な１対の電流線路を少なくとも有しており、非破壊検査すべき被検査体に印加される交流磁界を前記励磁電流によって発生する、平坦形状を有するミアンダ形の励磁コイルと、
前記１対の電流線路間の中心軸線上であって、前記励磁コイルの前記被検査体とは反対側の位置に設けられており、前記励磁コイルの平坦面と平行に積層されていて磁化固定層及び磁化自由層を含む多層膜を備えており、前記交流磁界により発生した渦電流によって前記被検査体から新たに生じる磁界を検出するための少なくとも１つのスピンバルブ磁気抵抗効果素子とを備えており、
前記磁化固定層の磁化方向が、前記１対の電流線路と平行に設定されており、外部磁界が存在しない際の前記磁化自由層の磁化方向が、積層面内方向であって前記１対の電流線路と垂直に設定されていることを特徴とする非破壊検査用渦電流センサ。
前記少なくとも１つのスピンバルブ磁気抵抗効果素子が、前記１対の電流線路間の中心軸線上に配置された単一のスピンバルブ磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記少なくとも１つのスピンバルブ磁気抵抗効果素子が、前記１対の電流線路間の中心軸線上に配列された複数のスピンバルブ磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記非破壊検査用渦電流センサが、少なくとも１つの薄膜チップを備えており、前記少なくとも１つのスピンバルブ磁気抵抗効果素子が１つのスピンバルブ磁気抵抗効果素子であって、該少なくとも１つの薄膜チップが、チップ基板と、該チップ基板上に形成された該１つのスピンバルブ磁気抵抗効果素子と、該１つのスピンバルブ磁気抵抗効果素子の両端部に接続された１対の電極端子とを備えており、前記励磁コイル上に固着されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記非破壊検査用渦電流センサが、少なくとも１つの薄膜チップを備えており、前記少なくとも１つのスピンバルブ磁気抵抗効果素子が複数のスピンバルブ磁気抵抗効果素子であって、該少なくとも１つの薄膜チップが、チップ基板と、該チップ基板上に形成された該複数のスピンバルブ磁気抵抗効果素子と、該複数のスピンバルブ磁気抵抗効果素子の両端部にそれぞれ接続された複数対の電極端子とを備えており、前記励磁コイル上に固着されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記少なくとも１つの薄膜チップが、前記１対の電流線路間の中心軸線上に配置され前記励磁コイル上に固着されている単一の薄膜チップであることを特徴とする請求項４又は５に記載のセンサ。
前記少なくとも１つの薄膜チップが、前記１対の電流線路間の中心軸線上に配列され前記励磁コイル上に固着されている複数の薄膜チップであることを特徴とする請求項４又は５に記載のセンサ。
前記励磁コイルが、基板上に形成されたコイル導体層と該コイル導体層を覆う絶縁層とを備えてなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ。