特開 2020-197479 小型で超高感度の磁気インピーダンスセンサ、及びこれを用いた非破壊検査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-197479(P2020-197479A)

(43)【公開日】2020年12月10日

(54)【発明の名称】小型で超高感度の磁気インピーダンスセンサ、及びこれを用いた非破壊検査装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/02 20060101AFI20201113BHJP

   G01N 27/82 20060101ALI20201113BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/02 D

   G01N27/82

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2019-104658(P2019-104658)

(22)【出願日】2019年6月4日

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】何 東風

【テーマコード（参考）】

2G017

2G053

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AA10

2G017AD02

2G017BA05

2G017BA15

2G017BA18

2G053AA11

2G053AB07

2G053AB21

2G053AB26

2G053AB27

2G053BA02

2G053BC02

2G053BC14

2G053CA17

2G053DA01

(57)【要約】

【課題】 簡単な構造で、低ノイズで、磁界分解能の高い磁気インピーダンスセンサを提供すること。
【解決手段】 零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤ（２）と、この感磁ワイヤの周囲に絶縁物を介して巻回された検出コイル（３）と、この検出コイルに駆動用周波数帯域の交流電流又はパルス電流を供給する駆動用信号供給回路（５）と、この検出コイルに直流電流を供給する直流バイアス回路（７）と、この検出コイルからの出力信号の振幅を増大させる共振回路（８）であって、共振周波数（ω_０）が駆動用周波数帯域に含まれ、突鋭度Ｑが５以上２０以下の共振回路とを備える。
【選択図】図1

【特許請求の範囲】

【請求項1】

零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤと、
この感磁ワイヤの周囲に絶縁物を介して巻回された検出コイルと、
この検出コイルに駆動用周波数帯域の交流電流又はパルス電流を供給する駆動用信号供給回路と、
この検出コイルに、直流電流を供給する直流バイアス回路と、
この検出コイルからの出力信号の振幅を増大させる共振回路であって、共振周波数が前記駆動用周波数帯域に含まれ、品質係数Ｑが５以上２０以下の前記共振回路と、
を備える磁気インピーダンスセンサ。

【請求項2】

前記共振回路はインダクタ（Ｌ）とコンデンサ（Ｃ）を備え、
前記共振回路を含む前記磁気インピーダンスセンサの等価回路における等価抵抗（Ｒ）は、品質係数Ｑが５以上２０以下となるように定められていることを特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンスセンサ。

【請求項3】

前記駆動用周波数帯域は、０．１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であると共に、
前記駆動用信号供給回路の供給する交流電流又はパルス電流の駆動周波数は、前記共振回路の共振周波数と同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気インピーダンスセンサ。

【請求項4】

請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気インピーダンスセンサと、
前記感磁ワイヤの周囲に絶縁物を介して巻回された励磁コイルと、
前記励磁コイルに欠陥検出用の渦電流発生信号（ω）を供給する渦電流用信号供給回路と、
前記共振回路で出力された前記渦電流発生信号に相当する周波数成分を抽出する渦電流抽出回路と、
前記渦電流抽出回路で抽出した前記渦電流周波数成分に相当する欠陥深さに応じた被測定対象物の欠陥位置を算出する演算処理装置と、
を備え、前記磁気インピーダンスセンサの測定端となる前記感磁ワイヤを前記被測定対象物に対峙させると共に、前記被測定対象物は非磁性且つ導電性の物質であることを特徴とする非破壊検査装置。

【請求項5】

前記演算処理装置は、前記被測定対象物の電気抵抗率（ρ）と透磁率（μ）及び前記渦電流発生信号の角周波数（ω）から定まる表皮深さ｛δ＝√（２ρ／ωμ）｝を用いて、欠陥深さを算出することを特徴とする請求項４に記載の非破壊検査装置。

【請求項6】

さらに、前記感磁ワイヤの測定端を前記被測定対象物に対峙させた姿勢で、前記被測定対象物の測定面に対して定められた平面内の二軸方向の任意の位置に位置決めさせるＸ−Ｙステージと、
前記演算処理装置は、このＸ−Ｙステージに対する測定位置指令情報と、この測定位置指令情報に対応する位置での前記感磁ワイヤの測定端の測定情報とから、前記被測定対象物の欠陥が位置する深さと前記欠陥の形状を求めることを特徴とする請求項４又は５に記載の非破壊検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、小型で高感度の磁気インピーダンス（ＭＩ）センサ、及びこれを用いた非破壊検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

アモルファスワイヤの磁気インピーダンス（ＭＩ）効果は、高感度磁気センサを構成するために使用されてきた（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。高感度磁気インピーダンスセンサには、零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤが用いられており、例えば（Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ）_８０（ＳｉＢ）_２０、ｘ＝０．０６を組成元素とするアモルファスワイヤが用いられる（非特許文献１参照）。

【0003】

図１５は、特許文献３および特許文献４のＭＩ磁気センサを示している。ＭＩ素子は、軟磁性合金のアモルファスワイヤと、そのワイヤの周囲に設けられた検出コイルとを含む。高周波交流電流が電気的接続によってＭＩ素子に印加される。検出コイルに発生する電圧は、外部磁界に対応するもので、磁気センサとして作用する。高周波交流電流は、０．３〜１．０ＧＨｚの範囲の周波数を有する。
しかしながら、ＭＩ磁気センサにおける電気的接続回路は、素子製造の複雑さを増すと共に、材料のジュール熱損失を引き起こすという課題があった。また、高周波交流電流が０．３〜１．０ＧＨｚの周波数範囲でちょうど通信帯域内にあるため、通信電磁波はＭＩセンサの安定性に影響を与える可能性がある。さらに、電気的接続を有するＭＩ素子は、センサと試料との間に数μｍの小さな距離が必要とされるため、磁気顕微鏡のようないくつかの用途には適していないという課題がある。

【0004】

図１６は、共振回路なしの磁気インピーダンスセンサを示す要部回路図で、特許文献１、特許文献２で使用されているものである。
図において、ＭＩ磁気センサ１は、アモルファスワイヤ２の周りにコイル３を巻き付けた構造をしており、コイル３の一端は接地されている。交流電流源５は、コンデンサＣ１を介してコイル３の他端に接続されているもので、検出用周波数帯域の信号（例えば１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ）を出力している。直流電流源７は、インダクタＬ１を介してコイル３の他端に接続されている。

【0005】

このように構成された装置において、交流電流源５から供給される交流電流Ｉ_ＡＣは、磁気インピーダンスセンサ１の測定信号を抽出するために使用される検出用周波数帯域の信号成分を含んでいる。直流電流源７から供給される直流電流Ｉ_ＤＣは、コイル３に接続されて、バイアス電流を発生させる。アモルファスワイヤ２のＢ−Ｈ曲線の非線形性のために、アモルファスワイヤ２の比透磁率は外部磁界と共に変化し、それからコイル３のインピーダンスおよびＶ_ＡＣの振幅もまた外部磁界と共に変化する。そこで、ＭＩ磁気センサは、外部磁界の変化を検出できる。例えば、特許文献１で用いられるアモルファスワイヤ２は、形状が直径０．１ｍｍ、長さ５ｍｍのＦｅＣｏＳｉＢアモルファスワイヤを使用しており、磁界分解能が約３０ｐＴ／√Ｈｚの高感度磁気インピーダンスセンサを実現している。

【0006】

特許文献１および特許文献２で用いられている方法では、磁気センサの信号振幅は約１０ｍＶ／ガウスであった。等価入力ノイズスペクトルがＶｎであり、磁気センサの信号振幅が△Ｖ／△Ｂである場合、磁場分解能Ｂｎは次式によって推定することができる。
Ｂｎ＝Ｖｎ／（△Ｖ／△Ｂ） （１）
例えば、Ｖｎ＝３ｎＶ／√Ｈｚ、△Ｖ／△Ｂ＝１０ｍＶ／ガウス、Ｂｎ＝３０ｐＴ／√Ｈｚと見積もることができる。磁界分解能を向上させるためには、磁気センサの信号振幅（△Ｖ／△Ｂ）を大きくする必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１５−１３３３９７号公報

【特許文献2】特開平６−２９４８５０号公報

【特許文献3】特許第４６５５２４７号公報

【特許文献4】特許第５８３９５２７号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】磁気センサ理工学（増補）、毛利佳年雄、コロナ社（２０１５）、第１３頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

磁気センサの信号が小さい場合、プリアンプのノイズが磁気検出システムの総合ノイズを決定する。プリアンプのノイズの影響を減らすためには、磁気センサの信号振幅を大きくする必要がある。
本発明での解決課題は、センサと試料との間に数μｍ程度の微小な間隔が必要とされる磁気顕微鏡のような用途に適した、簡単な構造で、低ノイズで、磁界分解能の高い磁気インピーダンスセンサを提供することである。
別の本発明での解決課題は、上記の磁気インピーダンスセンサを用いた非破壊検査装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

［１］本発明の磁気インピーダンスセンサは、例えば図１に示すように、零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤ（２）と、この感磁ワイヤの周囲に絶縁物を介して巻回された検出コイル（３）と、この検出コイルに駆動用周波数帯域の交流電流又はパルス電流を供給する駆動用信号供給回路（５）と、この検出コイルに、前記交流電流又はパルス電流の振幅電圧の１／２以上の直流電流を供給する直流バイアス回路（７）と、この検出コイルからの出力信号の振幅を増大させる共振回路（８）であって、共振周波数（ω_０）が前記駆動用周波数帯域に含まれ、品質係数Ｑが５以上２０以下の前記共振回路とを備える。
品質係数Ｑが５以上２０以下であれば、共振周波数（ω_０）での増幅率が１０倍程度で好ましいと共に、高調波のノイズ低減に適切である。

【0011】

［２］本発明の磁気インピーダンスセンサにおいて、好ましくは、例えば図２に示すように、前記共振回路はインダクタ（Ｌ）とコンデンサ（Ｃ）を備え、前記共振回路を含む前記磁気インピーダンスセンサの等価回路における等価抵抗（Ｒ）は、品質係数Ｑが５以上２０以下となるように定められているとよい。
ここで、品質係数Ｑは前記等価回路のパラメータＬ、Ｃ、Ｒ、ω_０を用いて、次の式で表される。
Ｑ＝１／（ω_０ＣＲ）＝ω_０Ｌ／Ｒ＝√（Ｌ／Ｃ）ｘＲ^−１ （２）
［３］本発明の磁気インピーダンスセンサにおいて、好ましくは、前記駆動用周波数帯域は、０．１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であると共に、前記駆動用信号供給回路の供給する交流電流又はパルス電流の駆動周波数は、前記共振回路の共振周波数と同じであるとよい。前記共振周波数は共振回路のコンデンサの値を変えることで調整できる。
駆動用周波数帯域を、０．１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下とすると、感磁ワイヤの出力信号の感度が適切な範囲となる。

【0012】

［４］本発明の非破壊検査装置は、例えば図１、図４に示すように、［１］乃至［３］の何れかに記載の磁気インピーダンスセンサ２０と、感磁ワイヤ（２）の周囲に絶縁物を介して巻回された励磁コイル２２と、励磁コイル２２に欠陥検出用の渦電流発生信号（ω）を供給する渦電流用信号供給回路２５と、共振回路（８）で出力された前記渦電流発生信号に相当する周波数成分を抽出する渦電流抽出回路３０と、渦電流抽出回路３０で抽出した前記渦電流周波数成分に相当する欠陥深さに応じた被測定対象物の欠陥位置を算出する演算処理装置４０とを備え、磁気インピーダンスセンサ２０の測定端となる感磁ワイヤ（２）を被測定対象物２４に対峙させると共に、被測定対象物２４は非磁性且つ導電性の物質であることを特徴とする。
［５］前記演算処理装置は、前記被測定対象物の電気抵抗率（ρ）と透磁率（μ）及び前記渦電流発生信号の角周波数（ω）から定まる表皮深さ｛δ＝√（２ρ／ωμ）｝を用いて、欠陥深さを算出するとよい。

【0013】

［６］本発明の非破壊検査装置において、好ましくは、例えば図１０に示すように、さらに、感磁ワイヤ（２）の測定端を前記被測定対象物に対峙させた姿勢で、被測定対象物２４の測定面に対して定められた平面内の二軸方向の任意の位置に位置決めさせるＸ−Ｙステージ５０を備え、演算処理装置４０は、このＸ−Ｙステージに対する測定位置指令情報と、この測定位置指令情報に対応する位置での前記感磁ワイヤの測定端の測定情報とから、被測定対象物２４の欠陥が位置する深さと前記欠陥の形状を求めるとよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明の磁気インピーダンスセンサによれば、ＭＩ磁気センサの出力電圧振幅は共振回路によって増大されると共に、共振回路はプリアンプのような能動素子と比較して低ノイズの特性を有する素子で構成されるので、磁気センサの信号振幅を大きくでき、磁界分解能が良好となる。
本発明の非破壊検査装置によれば、磁界分解能が良好な磁気インピーダンスセンサを用いているので、渦電流周波数に応じた表皮深さでの非磁性且つ導電性の被測定対象物に存在する欠陥、その位置する深さと形状を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施例を示す共振回路付き磁気インピーダンスセンサの要部回路図である。

【図2】図1に示す共振回路の等価回路である。

【図3】異なる周波数における磁気センサの信号振幅で、ａは共振回路を持たない磁気センサ、ｂは共振回路を有する磁気センサを示している。

【図4】本発明の一実施例を示すＭＩ磁気センサを用いた多周波渦電流試験システムの構成図である。

【図5】図４の装置の動作を説明するフローチャート図である。

【図6】図４に示す装置のコンピュータを、汎用のコンピュータの構成に準拠して構成する場合の機能ブロック図である。

【図7】図６に示す機能ブロックを有するコンピュータのためのソフトウェアの機能ブロック図である。

【図8】図４に示す駆動回路３０に用いて好適な、共振回路を有する磁気インピーダンスセンサの等価回路図である。

【図9】本発明の一実施例を示す３層パーマロイシールドでＧＭＩセンサによって測定された磁場ノイズスペクトルの一例を示す図である。

【図10】本発明の第２の実施例を示すＭＩセンサを用いた渦電流試験式の非破壊検査装置の評価システムの構成図である。

【図11】図１０の装置の動作を説明するフローチャート図である。

【図12】図１０に示す装置のコンピュータを、汎用のコンピュータの構成に準拠して構成する場合の機能ブロック図である。

【図13】図１２に示す機能ブロックを有するコンピュータのためのソフトウェアの機能ブロック図である。

【図14】開発した渦電流試験非破壊評価システムを使って、３Ｄプリント成形したチタン合金の欠陥の検出結果の一例を示す図である。

【図15】特許文献３、４に開示されたＭＩ磁気センサの構成図である。

【図16】共振回路を持たない通常の磁気インピーダンスセンサの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例】

【0016】

以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す共振回路付き磁気インピーダンスセンサの要部回路図である。なお、図１において前出の図１６と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。図において、共振回路８は、インダクタ（Ｌ２）とコンデンサ（Ｃ２）を備えるもので、共振周波数は、例えば１ＭＨｚであるが、これに限定されるものではなく０．１〜１０ＭＨｚの範囲内にあればよい。コンデンサ（Ｃ２）は接地されていると共に、インダクタ（Ｌ２）の一端はコイル３の一端に接続されると共に、インダクタ（Ｌ２）の他端はコンデンサ（Ｃ２）の他端と接続されている。ここで、アモルファスワイヤ２は、例えば長さを５ｍｍ、直径を１００μｍとする。なお、アモルファスワイヤ２の形状はこれに限定されるものではない。コイル３は、例えば直径０．１ｍｍの銅線とし、巻数を４０ターンとする。また、コイル３の形状・材料もこれに限定されるものではない。
なお共振回路としてトランスを用いることも考えられるが、カットオフ周波数は数百ｋＨｚであり、トランスの損失も周波数とともに増加する課題がある。そこで、共振周波数が０．１〜０．５ＭＨｚの範囲内では、トランスをＭＩ磁気センサの信号振幅を増大させるために使用され得る。そこで、共振周波数が０．５〜１０ＭＨｚの範囲内では、ＬＣ共振回路８がトランスより優れた特性を有している。

【0017】

図２は、図1に示す共振回路の等価回路である。共振回路の等価抵抗はＲである。共振周波数ｆはｆ＝１／（２π√（ＬＣ））で決定される。共振回路の品質係数はＱ＝１／（２πｆＣＲ）である。電圧源Ｖｓに対して、共振周波数で共振回路を流れる電流はＩ＝Ｖｓ／Ｒである。コンデンサＣの両端の電圧Ｖｏは次のようになる。
Ｖｏ＝Ｉ／（２πｆＣ）＝Ｖｓ／（２πｆＣＲ）＝ＱＶｓ （３）
Ｑの正常値は約１０である。したがって、電圧振幅は共振回路によって約１０倍に増幅することができる。

【0018】

磁気インピーダンスセンサについて共振回路のある場合とない場合の２類型について、ＭＩ磁気センサの信号振幅を測定した。図３は、異なる周波数における磁気インピーダンスセンサの信号振幅を示す図である。図３の線ａは共振回路なしの磁気インピーダンスセンサの信号振幅△Ｖ／△Ｂを示し、図３の線ｂは共振回路付き磁気インピーダンスセンサの信号振幅△Ｖ／△Ｂを示す。約１ＭＨｚの共振周波数では、信号振幅は約１０倍に増加する：例えば、約１０ｍＶ／ガウスから約１００ｍＶ／ガウスに増幅される。式（１）を用いて、共振回路を使用した場合の磁界分解能は約３ｐＴ／√Ｈｚと推定できる。これは理論値である。実際の磁気インピーダンスセンサでは、１０ｐＴ／√Ｈｚの磁界分解能が達成された。

【0019】

次に、本発明者は、本発明の高感度ＭＩ磁気センサを用いて、非破壊検査装置を開発した。
図４は、ＭＩ磁気センサを備えた非破壊検査装置の一類型としての、多周波数の渦電流試験非破壊評価システムのブロック図を示す。ＭＩ磁気センサ２０は、試料２４に誘導された渦電流によって生成された磁界を測定するために使用される。励磁コイル２２は、ＭＩ磁気センサ２０の主要部をなす、零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤに巻装される。
試料２４は、例えば非磁性且つ導電性の金属物質が好ましく、例えばチタン合金が用いられる。
多周波数の信号発生器２５は、渦電流用信号供給回路２５として作用するもので、例えば１００Ｈｚから１００ｋＨｚまでの多周波信号を生成するために使用され、当該多周波信号は多周波励起磁場を生成するために励磁コイル２２に送信される。

【0020】

駆動回路３０は、例えは図８に示すような電子回路を有するもので、図８に示す信号発生器１１と直流電流源１２により、ＭＩ磁気センサ２０に駆動信号を供給すると共に、渦電流抽出回路３０としての機能も兼ねている。駆動回路３０は、ＭＩ磁気センサ２０の測定した試料２４に関する磁界測定信号を増幅する機能を備えるもので、ＡＤ変換器３５を介して、磁界測定信号をコンピュータ４０に送る。
コンピュータ４０は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）変換プログラムを搭載して周波数分析を行うと共に、Ｘ−Ｙステージ制御装置４５に対して、試料２４に対向するＭＩ磁気センサ２０の測定位置命令信号を送る。ＦＦＴ変換プログラムは、迅速に測定を行うために、ロックインアンプの代わりに、コンピュータ４０で多周波数信号の振幅信号を得るために使用される。
Ｘ−Ｙステージ５０は、Ｘ−Ｙステージ制御装置４５からの測定位置命令信号に従い、試料２４のＸ−Ｙ平面内の位置を動かす。

【0021】

このように構成された非破壊検査装置の動作を説明する。図５は、図４の非破壊検査装置の動作を説明するフローチャート図である。まず、ＭＩセンサ測定位置出力ステップでは、Ｘ−Ｙステージ制御装置４５に対して、試料２４に対向するＭＩ磁気センサ２０の測定位置命令を送る（Ｓ５０５）。測定位置命令はセンサ位置データとして、コンピュータ４０に記憶される。すると、Ｘ−Ｙステージ５０により、試料２４のＸ−Ｙ平面内での位置を動かして、ＭＩ磁気センサ２０に測定する試料２４の位置を調整する。これによって、ＭＩ磁気センサ２０により磁界測定信号の得られる試料２４の任意の場所が指定できる。

【0022】

測定制御ステップでは、多周波数の信号発生器２５から、励磁コイル２２に対して、多周波信号の出力を命令する（Ｓ５１０）。多周波励起磁場を生成するために送信される発生信号データは、コンピュータ４０に記憶される。
ＭＩセンサ測定値読込ステップでは、試料２４に誘導された渦電流によって生成された磁界をＭＩ磁気センサ２０で測定し、駆動回路３０とＡＤ変換器３５を介してＭＩセンサ測定値として読込む（Ｓ５２０）。

【0023】

厚み方向測定値演算ステップでは、ＭＩセンサ測定値の周波数解析結果から、試料の厚み方向の測定値を演算する（Ｓ５２５）。入力されたＭＩ磁気センサ２０の磁界測定信号に対して、ＦＦＴ周波数解析を行うことで、試料２４の欠陥の深さ情報が得られる。
測定値プロフィール測定ステップでは、ＭＩ磁気センサ２０の測定位置命令により、試料２４のＸ−Ｙ面内平面の磁場検出信号測定を繰り返すことで、測定値プロフィールを測定する（Ｓ５３０）。

【0024】

欠陥分布プロフィール解析ステップでは、試料２４のＸ−Ｙ面内平面の磁場検出信号測定により、当該試料の欠陥の三次元的な分布を演算する（Ｓ５３５）。コンピュータ４０では、測定値プロフィールや欠陥分布プロフィールの測定結果をディスプレイ装置にグラフ表示してもよい。
このようにして、本発明の非破壊検査装置では、ＭＩ磁気センサ２０の磁界測定信号を用いて、試料１０の三次元的な欠陥分布プロフィールを詳細に測定し、その空間分布を調べることで、試料１０を評価することができる。

【0025】

図６は、本開示によるＭＩ磁気センサを用いて構成された試料の欠陥の三次元的な分布を演算するための、例示的なコンピューティング装置６００を示すブロック図である。図４のコンピュータ４０は、コンピューティング装置６００の全部または一部を使用して実施することができる。
非常に基本的な構成６０１では、コンピューティング装置６００は通常、１つまたは複数のプロセッサ６１０とシステムメモリ６２０とを含む。メモリバス６３０は、プロセッサ６１０とシステムメモリ６２０との間の通信に使用され得る。

【0026】

所望の構成に応じて、プロセッサ６１０は、マイクロプロセッサ（μＰ）、マイクロコントローラ（μＣ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない任意のタイプのものであり得る。プロセッサ６１０は、レベル１キャッシュ６１１およびレベル２キャッシュ６１２などのもう１つのレベルのキャッシング、プロセッサコア６１３、およびレジスタ６１４を含むことができる。例示的なプロセッサコア６１３は、算術論理演算装置（ＡＬＵ）、浮動小数点ユニット（ＦＰＵ）、デジタル信号処理コア（ＤＳＰコア）、またはそれらの任意の組み合わせなどを含むことができる。例示的なメモリ制御部６１５もプロセッサ６１０と共に使用することができ、またはいくつかの実装形態では、メモリ制御部６１５はプロセッサ６１０の内部部分とすることができる。

【0027】

所望の構成に応じて、システムメモリ６２０は、揮発性メモリ（ＲＡＭなど）、不揮発性メモリ（ＲＯＭ、フラッシュメモリなど）、またはそれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されない任意のタイプのものとすることができる。システムメモリ６２０は、オペレーティングシステム６２１、１つまたは複数のアプリケーション６２２、およびプログラムデータ６３２を含み得る。アプリケーション６２２は、上述の例に従ってＦＦＴ周波数解析を演算するように構成されたＭＩセンサ測定値解析６２３、ＭＩセンサ測定位置解析６２４、測定値プロフィール解析６２５、欠陥分布プロフィール解析６２６を含み得る。
プログラムデータ６３２は、発生信号データ６３３、ＭＩセンサ測定データ６３４、センサ位置データ６３５、コンピューティング装置６００によって計算された測定値プロフィール６３６、欠陥分布プロフィール６３７を含み得る。

【0028】

コンピューティング装置６００は、追加の特徴または機能性、および基本構成６０１と任意の必要な装置およびインターフェースとの間の通信を容易にするための追加のインターフェースを有することができる。例えば、バス／インターフェース制御部６４０を使用して、ストレージインターフェースバス６４１を介した基本構成６０１と１つまたは複数のデータ記憶装置６５０との間の通信を容易にすることができる。データ記憶装置６５０は、取り外し可能な記憶装置６５１、取り外しができない記憶装置６５２、またはそれらの組み合わせである。取り外し可能な記憶装置および取り外しができない記憶装置の例には、フレキシブルディスクドライブ（ＦＤＤ）およびハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などの磁気ディスク装置、コンパクトディスク（ＣＤ）ドライブまたはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）ドライブなどの光ディスクドライブ、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）、テープドライブが含まれる。例示的なコンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータなどの情報を記憶するための任意の方法または技術で実施される揮発性および不揮発性、取り外し可能および固定の媒体を含み得る。

【0029】

システムメモリ６２０、取外し可能記憶装置６５１、および固定記憶装置６５２はすべてコンピュータ記憶媒体の例である。 コンピュータ記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたは他のメモリ技術、ＣＤＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）または他の光学記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置または他の磁気記憶装置を含むがこれらに限定されない。所望の情報を格納するために使用され得、かつコンピューティング装置６００によってアクセスされ得る任意のそのようなコンピュータ記憶媒体は、デバイス６００の一部であり得る。

【0030】

また、コンピューティング装置６００はバス／インターフェース制御部６４０を介して様々なインターフェース装置（例えば、出力インターフェース、周辺インターフェース、および通信インターフェース）から基本構成６０１への通信を容易にするためのインターフェースバス６４２を含むことができる。
出力デバイス６６０では、画像処理ユニット６６１および音声処理ユニット６６２が、１つまたは複数のＡＶポート６６３を介して表示装置６９２またはスピーカなどの様々な外部装置と通信するように構成され得る。
例示的な周辺インターフェース６７０は、入力装置（例えば、キーボード、マウス、ペン、音声入力装置、タッチ入力装置など）のような外部装置と通信するように構成され得るシリアルインターフェース制御部６７１またはパラレルインターフェース制御部６７２を含む。周辺インターフェース６７０は、Ｉ／Ｏポート６７３を介してＭＩセンサ駆動回路６９２、多重周波数信号発生器６９４、及びＸ−Ｙステージ制御部６９６と通信するように構成され得る。
例示的な通信装置６８０は、ネットワーク制御部６８１を含み、ネットワーク制御部６８１は、１つまたは複数の通信ポート６８２を介したネットワーク通信リンクを介して、１つまたは複数の他のコンピューティング装置６９０との通信を容易にするように構成されてもよい。

【0031】

ネットワーク通信リンクは、通信媒体の一例であり得る。 通信媒体は、通常、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、または搬送波もしくは他の搬送機構などの変調データ信号内の他のデータによって具現化することができ、任意の情報配信媒体を含むことができる。「変調データ信号」は、信号内に情報を符号化するような方法で設定または変更されたその特性のうちの１つまたは複数を有する信号であり得る。限定ではなく例として、通信媒体は、有線ネットワークまたは直接配線接続などの有線媒体、ならびに音響、無線周波数（ＲＦ）、マイクロ波、赤外線（ＩＲ）および他の無線媒体などの無線媒体を含み得る。本明細書で使用されるコンピュータ可読媒体という用語は、記憶媒体と通信媒体の両方を含み得る。

【0032】

コンピューティング装置６００は、携帯電話、パーソナルデータアシスタント（ＰＤＡ）、パーソナルメディアプレーヤデバイス、ワイヤレスウェブウォッチデバイス、パーソナルコンピュータなどのスモールフォームファクタポータブル（またはモバイル）電子デバイス、上記の機能のいずれかを含むヘッドセットデバイス、特定用途向けデバイス、またはハイブリッドデバイスの一部として実装され得る。コンピューティング装置６００はまた、ラップトップコンピュータ構成および非ラップトップコンピュータ構成の両方を含むパーソナルコンピュータとして実装され得る。

【0033】

図７は、本開示による、ＭＩセンサの磁界測定信号に基づいて試料の三次元的な測定値プロフィールを格納するように構成された例示的なコンピュータプログラム製品７００を示すブロック図である。プログラム担持媒体７０２は、コンピュータ読取可能媒体７０６、記録可能媒体７０８、通信媒体７０９、またはそれらの組み合わせとして実装することができるもので、処理ユニットのすべてまたは一部の処理を実行するように構成することができるプログラム命令格納部７０４を有する。
プログラム命令格納部７０４に格納されたプログラム命令は、例えば、ＡＤ変換器３５を介して入力した、ＭＩ磁気センサ２０の測定した試料２４に関する磁界測定信号に対して、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）変換プログラムにより周波数分析を行うＭＩセンサ測定値解析部７１０、Ｘ−Ｙステージ制御装置４５に対して、試料２４に対向するＭＩ磁気センサ２０の測定位置命令を送るＭＩセンサ測定位置解析部７２０を含む。また、ＭＩセンサ測定値解析部で解析したＭＩ磁気センサ２０の磁界測定信号と、ＭＩセンサ測定位置解析部の測定位置命令から、試料における磁界測定信号の三次元的な分布状態を求める測定値プロフィール解析部７２５、測定値プロフィール解析部の試料における磁界測定信号の三次元的な分布状態から、試料における欠陥の三次元的な分布を演算する欠陥分布プロフィール解析部７３０を含む。

【0034】

図８は、図４に示す駆動回路３０に用いて好適な、共振回路を有する磁気インピーダンスセンサの等価回路図である。なお、図８において前出の図１６と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。図８において、信号発生器１１は、コイル３に供給する１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの正弦波電流を発生する電気回路である。直流電流源１２は、コイル３に供給する直流バイアス電流を供給するものである。前置増幅器１３は、共振回路８で得られた検出信号の前置増幅器をすると共に、共振回路８と復調器１４の間で検出信号が歪まないようにしている。復調器１４は、検出信号に含まれる外部磁気の測定信号成分を抽出する。増幅器１５は、復調器１４で復調された外部磁気の測定信号成分を増幅する。

【0035】

信号発生器１１で発生した正弦波電流がコイル３に送られる。信号発生器１１で発生する正弦波電流の周波数は、共振回路の共振周波数と同じである。例えば、共振回路の共振周波数が１ＭＨｚの場合、１ＭＨｚの正弦波電流が使用される。ＤＣ電流はバイアス静磁場を発生させるために使用される。交流電圧は共振回路８に送られ、次に低雑音の前置増幅器１３に送られる。前置増幅器１３で増幅されたコイル３の磁場検出信号は、復調器１４の後段に接続された増幅器１５によって交流電圧Ｖｏｕｔが得られる。Ｖｏｕｔの出力電圧は外部磁界の測定に使用される。

【0036】

図９は、共振回路を有するＭＩ磁気センサの磁界ノイズスペクトルを示すもので、縦軸は信号振幅、横軸は周波数であり、縦軸と横軸は共に対数を用いて表示している。ノイズスペクトルは、３層パーマロイシールドボックス内で測定された。ピークは５０Ｈｚ電源の基本波とその高調波である。信号振幅は約１００ｍＶ／ガウス、磁場ノイズスペクトルは約１０ｐＴ／√Ｈｚである。

【0037】

これに対して、比較例としての特許文献１および特許文献２の測定回路では、共振回路は使用されていない。信号振幅は約１０ｍＶ／ガウスであった。特許文献１では、ワイヤとの電気的接続はなく、信号振幅は約１０ｍＶ／ガウス、磁場分解能は約３０ｐＴ／√Ｈｚであった。特許文献２では、ワイヤとの電気的接続はなく、磁場感度は約０．１ｍＧ＝１００００ｐＴであった。
比較例としての特許文献３、特許文献４では、ワイヤとの電気的接続があり、信号振幅は約２０〜１００ｍＶ／ガウスであった。これに対して、本発明では、ワイヤとの電気的接続はなく、信号振幅は約１００ｍＶ／ガウス、磁場分解能は約１０ｐＴ／√Ｈｚである。

【0038】

図１０は、本発明の高感度ＭＩ磁気センサを用いて開発した第２の渦電流試験非破壊評価システムを表している。なお、図１０において、前記図４と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。被測定対象物である試料２４として、非磁性且つ導電性の金属物質であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖチタン合金試料を使用した。試料２４の形状は５ｃｍ×５ｃｍ×１ｃｍであり、端部近くにいくつかの亀裂欠陥が存在した。その中の欠陥を検出するために、渦電流試験法を用いた。

【0039】

図において、駆動回路５５は、ＭＩ磁気センサ２０の測定した試料２４に関する磁界測定信号を増幅するもので、磁界測定信号をロックインアンプ６０に送る。ロックインアンプ６０は、励磁コイル２２に供給する１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの正弦波電流を発生するもので、併せて駆動回路５５からの駆動信号を入力している。ロックインアンプ６０は、図４の多周波数の信号発生器２５やＡＤ変換器３５の機能を代替するものである。
コンピュータ６５は、Ｘ−Ｙステージ制御装置の機能を含んでおり、Ｘ−Ｙステージ５０に対してＸ−Ｙ測定位置命令信号を送ることで、試料２４に対向するＭＩ磁気センサ２０の位置決めをしている。
Ｘ−Ｙステージ５０は、コンピュータ６５からの測定位置命令信号に従い、試料２４のＸ−Ｙ平面内の位置を動かす。

【0040】

図１１は、図１０の装置の動作を説明するフローチャート図である。なお、図１１において、前出の図５のステップと同一作用をするものには同一符号を付して、説明を省略する。
測定制御ステップでは、ロックインアンプ６０に対して、励磁コイル２２に多周波信号の出力をするように命令する（Ｓ５１５）。多周波励起磁場を生成するために送信される発生信号データは、コンピュータ４０に記憶される。
ＭＩセンサ測定値読込ステップでは、試料２４に誘導された渦電流によって生成された磁界をＭＩ磁気センサ２０で測定し、駆動回路５５とロックインアンプ６０を介してＭＩセンサ測定値として読込む（Ｓ５２２）。

【0041】

図１２は、図１０に示す装置のコンピュータ６５を、汎用のコンピュータの構成に準拠して構成する場合の機能ブロック図である。なお、図１２において、前出の図６の構成要素と同一作用をするものには同一符号を付して、説明を省略する。図１５では、ロックインアンプ６９５が、図６のＭＩセンサ駆動回路６９２、多重周波数信号発生器６９４に代えて、装着されている。

【0042】

図１３は、図１２に示す機能ブロックを有するコンピュータのためのソフトウェアの機能ブロック図である。なお、図１３において、前出の図７の機能ブロックと同一作用をするものには同一符号を付して、説明を省略する。図１３では、ＭＩセンサ測定値解析部７１５が図７の機能ブロック図のＭＩセンサ測定値解析部７１０に代えて設けてある。

【0043】

このように構成された装置においては、ロックインアンプ６０の供給する交流電流が励磁コイル２２に印加される。励磁コイル２２とＭＩ磁気センサ２０のアモルファス感磁ワイヤで交流磁場を発生させることで、ＭＩ磁気センサ２０のアモルファス感磁ワイヤに対向する試料２４に渦電流を誘導する。次に、ＭＩ磁気センサ２０を用いて渦電流によって発生した磁場を測定する。試料２４に欠陥が存在すると、渦電流の分布が変化し、次に渦電流によって生成される磁場が変化する。ＭＩ磁気センサ２０の出力から、試料２４の欠陥を検出することができる。通常の渦電流試験装置では、信号が小さくエッジ効果が大きいため、エッジ付近の小さな欠陥を検出することは困難である。

【0044】

図１４は、開発した渦電流試験非破壊評価システムを使って、３Ｄプリント成形したチタン合金の欠陥の検出結果を表している。この検出結果をみると、チタン合金の縁に近い小さな亀裂の検出に成功した。
ＭＩ磁気センサは広い周波数応答を有する。それはＤＣから２００ｋＨｚまでの磁気信号を測定することができるので、ＭＩ磁気センサは多周波数の渦電流試験非破壊評価システムを構築するために使用することができる。渦電流の侵入深さは次式で決定される。
δ=１／（πｆσμ）^１／２ （４）
ここで、δは侵入深さ、ｆは周波数、σは試料の導電率、そしてμは試料の透磁率である。非破壊検査装置として多周波数の渦電流試験システムを使用すると、欠陥の深さやプロファイルなど、欠陥に関するより多くの情報を取得できる。

【0045】

なお、本発明の磁気インピーダンスセンサの実施例として、共振回路が一段のインダクタとコンデンサを備える場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、受動素子を用いた低ノイズの素子であれば、当業者にとって自明の各種の変形実施例が含まれる。例えば、インダクタとコンデンサのＬＣ共振回路は、一段の場合に限られるものではなく、二段構成や三段構成であってもよい。
また、本発明の非破壊検査装置の実施例として、Ｘ−Ｙステージを示しているが、磁気インピーダンスセンサの位置決め装置や走査制御装置としては、マニプレーターのような三次元の位置決めが可能なものであってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明の磁気インピーダンスセンサによれば、小型で高感度の磁気検出器を構築することができ、特に磁気顕微鏡のような微細組織の観察分野に応用可能である。
また、本発明の非破壊検査装置によれば、被測定対象物の電気抵抗率（ρ）と透磁率（μ）及び前記渦電流発生信号の角周波数（ω）から定まる表皮深さ｛δ＝√（２ρ／ωμ）｝を用いて、欠陥深さを算出しているので、非磁性且つ導電性の物質である被測定対象物の欠陥検査に適用できる。
更に、本発明の非破壊検査装置においてＸ−Ｙステージを更に設けると、試料の三次元的な測定プロフィールや欠陥プロフィールが得られる。

【符号の説明】

【0047】

１：磁気インピーダンスセンサ（ＭＩ）素子
２：アモルファスワイヤ
３：コイル
４：コンデンサＣ１
５：交流電流源
６：インダクタＬ１
７：直流電流源
８：共振回路
９：インダクタＬ２
１０：コンデンサＣ２
１１：信号発生器
１２：直流電流源
２０：ＭＩ磁気センサ（磁気インピーダンスセンサ）
２２：励磁コイル
２４：サンプル（試料）
２５：多周波数の信号発生器（渦電流用信号供給回路）
３０、５５：駆動回路（渦電流抽出回路）
４０、６０：ＰＣ（コンピュータ）
４５：Ｘ−Ｙステージ制御装置
５０：Ｘ−Ｙステージ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】