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特許7541338バイアス反転を備えた高感度磁気センサ、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】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-20
(45)【発行日】2024-08-28
(54)【発明の名称】バイアス反転を備えた高感度磁気センサ、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 20060101AFI20240821BHJP
G01N 27/90 20210101ALI20240821BHJP
【ＦＩ】
G01R33/02 D
G01N27/90
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020173413
(22)【出願日】2020-10-14
(65)【公開番号】P2022064663
(43)【公開日】2022-04-26
【審査請求日】2023-07-26
(73)【特許権者】
【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
【審査官】小川 浩史
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１３３３９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－３３５３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１５９７３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１９７４７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】HE, Dongfeng，“A Feedback Method to Improve the Dynamic Range and the Linearity of Magnetoimpedance Magnetic Sensor”，Journal of Sensors，2019年12月12日，Volume 2019，https://doi.org/10.1155/2019/2413408
【文献】HE, D.F.; SHIWA, M.，“High Sensitive Magnetic Sensor with Amorphous Wire”，2015 9th International Conference on Sensing Technology (ICST)，2015年12月08日，pp. 543-545，DOI: 10.1109/ICSensT.2015.7438457
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／００－３３／２６
Ｇ０１Ｎ ２７／７２－２７／９０９３
(57)【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高周波（ｆ１）発生回路と、
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以上の低周波方形波電流を供給する低周波方形波発生器と、
この検出コイルからの出力信号から高周波成分の復調をする第１の復調回路と、
前記低周波方形波発生器から送られる低周波方形波と、前記第１の復調回路からの出力信号を入力して、前記低周波方形波の低周波成分の復調をする第２の復調回路と、
前記第２の復調回路からの出力信号を入力するローパスフィルタ回路と、
を備える磁気インピーダンスセンサ。
【請求項2】
前記高周波（ｆ１）発生回路は、コンデンサ（Ｃ１）を介して前記検出コイルの接地されていない側の端子に接続さ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】
前記低周波方形波発生器から送られる低周波方形波の周波数は１０Ｈｚ以上前記高周波（ｆ１）発生回路の発生する前記駆動用周波数帯域の１／１０以下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】
前記ローパスフィルタ回路の出力信号を積分して、前記検出コイルからの出力信号端子に帰還する積分器と、前記積分器の出力端子と前記検出コイルからの出力信号端子との間に設けられたフィードバック抵抗器と、
を更に有する請求項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。
【請求項5】
請求項１乃至４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、
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発生信号に相当する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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バイアス反転を備えた高感度磁気センサ、及びこれを用いた非破壊検査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば特許文献１、２では、アモルファスを使用した高感度磁気センサについて説明されている。これらの高感度磁気センサは通常、ＤＣ電流１３を検出コイル３に接続することにより、静的ＤＣ磁場によってバイアスされている。
【0003】
図１２は、従来におけるＤＣバイアス磁場を備えた磁気センサの概略図を示している。
高感度磁気インピーダンス（ＭＩ）センサ素子１は、軟磁性合金よりなる感磁ワイヤとしてのアモルファスワイヤ２と、その感磁ワイヤ２の周囲に設けられた検出コイル３とを含む。高周波交流電流が電気的接続によってＭＩ素子１に印加される。検出コイル３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。高感度磁気インピーダンスセンサ１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２が用いられており、例えば（ＦｅｘＣｏ１－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）。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。検出コイル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、検出コイル３の形状・材料もこれに限定されるものではない。
高感度磁気インピーダンス（ＭＩ）センサ素子１は、軟磁性合金よりなる感磁ワイヤとしてのアモルファスワイヤ２と、その感磁ワイヤ２の周囲に設けられた検出コイル３とを含む。高周波交流電流が電気的接続によってＭＩ素子１に印加される。検出コイル３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。高感度磁気インピーダンスセンサ１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２が用いられており、例えば（ＦｅｘＣｏ１－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）。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。検出コイル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、検出コイル３の形状・材料もこれに限定されるものではない。
【0004】
高周波（ｆ１）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１３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。
プリアンプ回路８は、検出コイル３の接地されていない側の端子と、コンデンサＣ１とインダクタＬ１の結合点の信号を増幅する。高周波（ｆ１）復調器９は、プリアンプ回路８でインピーダンス変換された信号を入力して、高周波（ｆ１）を復調する。アンプ回路１１は、高周波（ｆ１）復調器９の出力する高周波（ｆ１）復調信号を増幅する。
プリアンプ回路８は、検出コイル３の接地されていない側の端子と、コンデンサＣ１とインダクタＬ１の結合点の信号を増幅する。高周波（ｆ１）復調器９は、プリアンプ回路８でインピーダンス変換された信号を入力して、高周波（ｆ１）を復調する。アンプ回路１１は、高周波（ｆ１）復調器９の出力する高周波（ｆ１）復調信号を増幅する。
【0005】
このように構成された装置おいて、高周波（ｆ１）電流源５から供給される高周波ｆ１の正弦波電流に、直流電流源１３から供給されるＤＣ電流を重畳することで、高周波ｆ１の正弦波電流５ａがバイアスされている。この種の磁気センサにおいては、広い温度範囲で動作すると、長時間のドリフトが大きく、出力の変化が大きいことという課題がある。
図１３は、図１２に示す装置の磁気センサの出力ドリフトを示している。ドリフトは約２５００秒（約４２分）の時間で約０．７ｍＶである。
図１４は、図１２に示す装置で、動作温度が７７Ｋ（液体窒素温度）から３００Ｋ（室温）に変化したときの磁気センサの出力信号の変化を示している。変化は約３５０ｍＶである。
図１３は、図１２に示す装置の磁気センサの出力ドリフトを示している。ドリフトは約２５００秒（約４２分）の時間で約０．７ｍＶである。
図１４は、図１２に示す装置で、動作温度が７７Ｋ（液体窒素温度）から３００Ｋ（室温）に変化したときの磁気センサの出力信号の変化を示している。変化は約３５０ｍＶである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１５－１３３３９７号公報
【文献】特開平６－２９４８５０号公報
【非特許文献】
【0007】
【文献】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】
【0008】
しかしながら、例えば特許文献１、２に開示されている、ＤＣバイアスを使用する通常の磁気センサの駆動回路の場合、長時間のドリフトと環境温度の影響が大きくなるという課題がある。
本発明は、このような課題を解決するもので、ドリフトが少なく、広い温度範囲で使用できるバイアス反転技術を用いた磁気センサを提供することを目的する。
本発明は、このような課題を解決するもので、ドリフトが少なく、広い温度範囲で使用できるバイアス反転技術を用いた磁気センサを提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
［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高周波（ｆ１）発生回路（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以上の低周波方形波電流を供給する低周波（ｆ２）方形波発生器（７）と、この検出コイルからの出力信号から高周波（ｆ１）成分の復調をする第１の復調回路（９）と、前記低周波（ｆ２）方形波発生器（７）から送られる低周波（ｆ２）方形波と、前記第１の復調回路からの出力信号を入力して、低周波（ｆ２）成分の復調をする第２の復調回路（１０）と、前記第２の復調回路からの出力信号を入力するローパスフィルタ回路（１２）と、を備える。
【0010】
［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、前記高周波（ｆ１）発生回路は、コンデンサ（Ｃ１）を介して前記検出コイルの接地されていない側の端子に接続されているとよい。
［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、低周波方形波発生器から送られる低周波方形波の周波数は１０Ｈｚ以上前記高周波（ｆ１）発生回路の発生する前記駆動用周波数帯域の１／１０以下であるとよい。
［４］本発明の磁気インピーダンスセンサは、例えば図６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１４と、ローパスフィルタ回路１２の出力信号を積分して、検出コイル（３）からの出力信号端子に帰還する積分器（１４）と、積分器（１４）の出力端子と検出コイル（３）からの出力信号端子との間に設けられたフィードバック抵抗器（ＦＢ）とを有するものである。
［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、低周波方形波発生器から送られる低周波方形波の周波数は１０Ｈｚ以上前記高周波（ｆ１）発生回路の発生する前記駆動用周波数帯域の１／１０以下であるとよい。
［４］本発明の磁気インピーダンスセンサは、例えば図６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１４と、ローパスフィルタ回路１２の出力信号を積分して、検出コイル（３）からの出力信号端子に帰還する積分器（１４）と、積分器（１４）の出力端子と検出コイル（３）からの出力信号端子との間に設けられたフィードバック抵抗器（ＦＢ）とを有するものである。
【0011】
［５］本発明の非破壊検査装置は、例えば図８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。
【発明の効果】
【0012】
本発明のバイアス反転技術を使用した磁気センサの場合、静的ＤＣバイアス電流の代わりに、＋ＩＢと－ＩＢの間で切り替えられる方形波電流を使用して、アモルファスワイヤで磁気センサにバイアスをかけているので、磁気センサの温度の影響と長時間のドリフトが大幅に減少する。この磁気センサは、広い温度範囲での動作や長時間の磁場測定に適している。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の一実施例を示す、アモルファスワイヤを用いた磁気センサのバイアス反転技術の概略図である。
【図4】本発明の一実施例を示す、バイアス反転がある場合とない場合の磁気センサの出力の長時間のドリフトを示す図である。
【図5】本発明の一実施例を示す、バイアス反転がある場合とない場合の磁気センサの出力信号を示す図で、破線はバイアス反転なし、実線はバイアス反転ありを示している。
【図6】本発明の他の実施例を示す、バイアス反転とフィードバックを備えた磁気センサの概略図である。
【図7】バイアス反転とフィードバックを伴う磁気センサの磁気応答を示す図である。
【図8】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12】従来の高周波正弦波電流と直流電流でバイアスされた通常の磁気センサの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を用いて本発明を説明する。バイアス反転技術は、長時間のドリフトと温度の影響を減らすのに好適である。
図１は、本発明の一実施例を示す、アモルファスワイヤを用いた磁気センサのバイアス反転回路の機能ブロック図である。なお、図１において、前出の図１２の構成要素と同一のものには同一符号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施例を示す、アモルファスワイヤを用いた磁気センサのバイアス反転回路の機能ブロック図である。なお、図１において、前出の図１２の構成要素と同一のものには同一符号を付して、説明を省略する。
【0015】
本発明の磁気インピーダンスセンサは、感磁ワイヤ２、検出コイル３、コンデンサＣ１（４）、高周波（ｆ１）発生回路５、インダクタＬ１（６）、低周波（ｆ２）方形波発生器７、プリアンプ８、第１の復調回路９、第２の復調回路１０、アンプ１１、ローパスフィルタ回路１２を備えている。
磁気インピーダンスセンサ（ＭＩ）素子１は、感磁ワイヤ２と検出コイル３を組み合わせた外部磁場の検出部を有している。感磁ワイヤ２は、零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなるもので、例えばＦｅＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ２が用いられる。検出コイル３は、感磁ワイヤ２の周囲に絶縁物を介して巻回されているもので、一端は接地されており、他端はプリアンプ８に接続されていると共に、コンデンサＣ１を介して高周波（ｆ１）発生回路５と接続され、インダクタＬ１を介して低周波（ｆ２）方形波発生器７と接続されている。
磁気インピーダンスセンサ（ＭＩ）素子１は、感磁ワイヤ２と検出コイル３を組み合わせた外部磁場の検出部を有している。感磁ワイヤ２は、零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなるもので、例えばＦｅＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ２が用いられる。検出コイル３は、感磁ワイヤ２の周囲に絶縁物を介して巻回されているもので、一端は接地されており、他端はプリアンプ８に接続されていると共に、コンデンサＣ１を介して高周波（ｆ１）発生回路５と接続され、インダクタＬ１を介して低周波（ｆ２）方形波発生器７と接続されている。
【0016】
高周波（ｆ１）発生回路５は、検出コイル３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もので、周波数ｆ１は、例えば約１００ｋＨｚ～１ＭＨｚの範囲にある。高周波（ｆ１）発生回路５は、コンデンサＣ１を介して検出コイル３の接地されていない側の端子に接続されている。
低周波（ｆ２）方形波発生器７は、検出コイル３に、交流電流又はパルス電流の振幅電圧の１／２以上の低周波方形波電流を供給するもので、周波数ｆ２は約１０Ｈｚ～１ｋＨｚの範囲にある。低周波方形波発生器７から送られる低周波方形波ｆ２の周波数は１０Ｈｚ以上で、高周波（ｆ１）発生回路５の発生する駆動用周波数帯域の１／１０以下であるとよい。
低周波（ｆ２）方形波発生器７は、検出コイル３に、交流電流又はパルス電流の振幅電圧の１／２以上の低周波方形波電流を供給するもので、周波数ｆ２は約１０Ｈｚ～１ｋＨｚの範囲にある。低周波方形波発生器７から送られる低周波方形波ｆ２の周波数は１０Ｈｚ以上で、高周波（ｆ１）発生回路５の発生する駆動用周波数帯域の１／１０以下であるとよい。
【0017】
プリアンプ８は、入力端子が検出コイル３の接地されていない側の端子と接続されている。第１の復調回路９は、プリアンプ８の出力端子が接続されており、検出コイル３からの出力信号から高周波（ｆ１）成分の復調をする。第２の復調回路１０は、低周波（ｆ２）方形波発生器７から送られる低周波（ｆ２）方形波と、第１の復調回路９からの出力信号を入力して、低周波（ｆ２）成分の復調をする。アンプ１１は、第２の復調回路１０の出力端子からの信号を入力し、増幅してローパスフィルタ回路１２に出力する。ローパスフィルタ回路１２は、第２の復調回路１０からの出力信号を入力して、低周波（ｆ２）成分の成分も平滑化するように時定数が定められている。
【0018】
このように構成された装置の動作を次に説明する。
図において、検出コイル３をＦｅＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ２に巻き付ける。高周波（ｆ１）発生回路５の高周波正弦波電流と、低周波（ｆ２）方形波発生器７の出力する低周波方形波電流を使用して、磁気インピーダンスセンサ（ＭＩ）素子１の検出コイル３にバイアス電圧を印加している。
この実施例では、高周波（ｆ１）発生回路５が出力する高周波正弦波電流のｆ１は１ＭＨｚ、低周波（ｆ２）方形波発生器７の出力する低周波方形波電流のｆ２は３５５Ｈｚとなっている。
高周波（ｆ１）復調器９および低周波（ｆ２）復調器１０の後段では、出力信号は測定された磁場に対応する。
図において、検出コイル３をＦｅＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ２に巻き付ける。高周波（ｆ１）発生回路５の高周波正弦波電流と、低周波（ｆ２）方形波発生器７の出力する低周波方形波電流を使用して、磁気インピーダンスセンサ（ＭＩ）素子１の検出コイル３にバイアス電圧を印加している。
この実施例では、高周波（ｆ１）発生回路５が出力する高周波正弦波電流のｆ１は１ＭＨｚ、低周波（ｆ２）方形波発生器７の出力する低周波方形波電流のｆ２は３５５Ｈｚとなっている。
高周波（ｆ１）復調器９および低周波（ｆ２）復調器１０の後段では、出力信号は測定された磁場に対応する。
【0019】
図２は、図１に示す装置の磁気センサの波形を示すもので、（ａ）が外部印加磁界△Ｂ＝０、（ｂ）が外部印加磁界△Ｂ≠０の場合を示している。
図において、ＩＢはｆ２低周波方形波バイアス電流、Ｖ１はプリアンプ８の出力電圧である。Ｖ１の振幅は外部印加磁場△Ｂによって変化する。Ｖ２は高周波（ｆ１）復調器９の出力電圧である。Ｖ１の振幅電圧を取得するためにダイオード復調方法が使用されている。Ｖ３は、低周波（ｆ２）復調器１０の出力電圧である。高周波正弦波電圧Ｖ２と方形波ＩＢを乗算する乗算器を使用して、ｆ２低周波復調を実行する。Ｖｏｕｔは、低周波信号Ｖ３を取得するためのローパスフィルタ１２の出力電圧である。
図において、ＩＢはｆ２低周波方形波バイアス電流、Ｖ１はプリアンプ８の出力電圧である。Ｖ１の振幅は外部印加磁場△Ｂによって変化する。Ｖ２は高周波（ｆ１）復調器９の出力電圧である。Ｖ１の振幅電圧を取得するためにダイオード復調方法が使用されている。Ｖ３は、低周波（ｆ２）復調器１０の出力電圧である。高周波正弦波電圧Ｖ２と方形波ＩＢを乗算する乗算器を使用して、ｆ２低周波復調を実行する。Ｖｏｕｔは、低周波信号Ｖ３を取得するためのローパスフィルタ１２の出力電圧である。
【0020】
図３にバイアス電流による磁気センサの変化の波形を示している。ｆ２低周波方形波のバイアス電流が増加（図３（ｂ））または減少（図３（ｃ））すると、プリアンプ８の出力信号であるＶ１の振幅が増減し、高周波（ｆ１）復調器９の後段の信号レベルＶ２が減少または増加する。ただし、この信号レベルは、低周波（ｆ２）復調器１０の後段のＶ３方形波の振幅にのみ影響するため、ローパスフィルタ１２の後段の信号Ｖｏｕｔは変化しない。
【0021】
図２と図３から、印加された外部磁場△Ｂのみが出力信号Ｖｏｕｔの変化を引き起こすことが分かる。バイアス電流△Ｉの変化は出力信号Ｖｏｕｔに影響を与えない。これが、バイアス反転技術が、バイアス電流の変化によって引き起こされるノイズを低減できる理由である。
【0022】
次に、バイアス反転技術を使用した場合と使用しない場合の磁気センサの長時間ドリフトを測定する。環境ノイズの影響を低減するために、磁気センサは３層のパーマロイシールドボックスに配置されている。測定時間は２５００秒（約４２分）である。
図４は、本発明の一実施例を示す、バイアス反転がある場合とない場合の磁気センサの出力の長時間のドリフト電圧を示す図である。バイアス反転なしの磁気センサのドリフト電圧は約０．７ｍＶである。バイアス反転により、磁気センサのドリフト電圧は０．０５ｍＶ未満に減少する。
図４は、本発明の一実施例を示す、バイアス反転がある場合とない場合の磁気センサの出力の長時間のドリフト電圧を示す図である。バイアス反転なしの磁気センサのドリフト電圧は約０．７ｍＶである。バイアス反転により、磁気センサのドリフト電圧は０．０５ｍＶ未満に減少する。
【0023】
図５は、動作温度が７７Ｋ（液体窒素温度）から３００Ｋ（室温）に変化したときのバイアス反転がある場合とない場合の磁気センサの出力信号を示すもので、破線はバイアス反転なし、実線はバイアス反転ありを示している。
変化はバイアス反転なしで約３５０ｍＶであり、バイアス反転ありで２０ｍＶ未満に減少する。バイアス反転技術は、長時間のドリフトや温度変化の影響を低減するのに効果的である。この磁気センサは、広い温度範囲で使用できる。本発明者は、この磁気センサが液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）、液体窒素温度（７７Ｋ）、室温で動作することを証明した。
変化はバイアス反転なしで約３５０ｍＶであり、バイアス反転ありで２０ｍＶ未満に減少する。バイアス反転技術は、長時間のドリフトや温度変化の影響を低減するのに効果的である。この磁気センサは、広い温度範囲で使用できる。本発明者は、この磁気センサが液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）、液体窒素温度（７７Ｋ）、室温で動作することを証明した。
【0024】
以上説明したように、本発明者は、アモルファスワイヤを使用した磁気センサ用にバイアス反転回路を用いた磁気センサを発明した。本発明のバイアス反転技術を使用した磁気センサの場合、静的ＤＣバイアス電流の代わりに、バイアス反転電圧＋ＩＢと－ＩＢの間で切り替えられる方形波電流を使用して、アモルファスワイヤで磁気センサにバイアスをかけている。
このような構成によれば、本発明のバイアス反転技術を使用した磁気センサの場合、長時間のドリフトと温度の影響が、従来回路と比較して約１０分の１に減少する。この磁気センサは、広い温度範囲で使用できる。
このような構成によれば、本発明のバイアス反転技術を使用した磁気センサの場合、長時間のドリフトと温度の影響が、従来回路と比較して約１０分の１に減少する。この磁気センサは、広い温度範囲で使用できる。
【0025】
図６は、本発明の他の実施例を示す、バイアス反転とフィードバックを備えた磁気センサの概略図である。図１に示す磁気センサ回路に、積分器１４およびフィードバック抵抗器ＲＦが追加される。
積分器１４は、ローパスフィルタ回路１２の出力信号を積分して、検出コイル３からの出力信号端子に帰還するもので、積分の時定数は積分器の入力端子に接続された入力抵抗と、出力端子と入力端子との間に接続されたコンデンサとより定められる。フィードバック抵抗器ＦＢは、積分器１４の出力端子と検出コイル３からの出力信号端子との間に設けられている。
この実施例の磁気センサは、低周波数での低ノイズ、広いダイナミックレンジ、および高い直線性を備えている。
積分器１４は、ローパスフィルタ回路１２の出力信号を積分して、検出コイル３からの出力信号端子に帰還するもので、積分の時定数は積分器の入力端子に接続された入力抵抗と、出力端子と入力端子との間に接続されたコンデンサとより定められる。フィードバック抵抗器ＦＢは、積分器１４の出力端子と検出コイル３からの出力信号端子との間に設けられている。
この実施例の磁気センサは、低周波数での低ノイズ、広いダイナミックレンジ、および高い直線性を備えている。
【0026】
【0027】
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８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。
図８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。
【0028】
駆動回路３０は、例えは図１、６に示すような電子回路を有するもので、図１、６に示す高周波（ｆ１）発生回路５と低周波（ｆ２）方形波発生器７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。
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。
【0029】
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９は、図８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。
【0030】
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）。
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）。
【0031】
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）。
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）。
【0032】
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。
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。
【0033】
図１０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８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。
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。
【0034】
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。
【0035】
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６２６、欠陥分布プロフィール６２７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６２６、欠陥分布プロフィール６２７を含み得る。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
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。
【0039】
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。
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
図１１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。
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。
【0043】
なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、当業者において自明な技術的事項も含まれるものである。例えば、本発明の非破壊検査装置において、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）｝を用いると、欠陥深さを算出できる。また、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。
【産業上の利用可能性】
【0044】
本発明のバイアス反転技術を使用した磁気センサは、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）、液体窒素温度（７７Ｋ）から室温付近まで、広い温度範囲で使用できる。
本発明の非破壊検査装置は、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。
本発明の非破壊検査装置は、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。
【符号の説明】
【0045】
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（感磁ワイヤ）
３：コイル
４：コンデンサＣ１
５：高周波（ｆ１）発生回路
６：インダクタＬ１
７：低周波（ｆ２）方形波発生器
８：プリアンプ
９：高周波（ｆ１）復調器
１０：低周波（ｆ２）復調器
１１：アンプ
１２：ローパスフィルタ回路
１３：直流電流源
１４：積分器
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：駆動回路（渦電流抽出回路）
４０：ＰＣ（コンピュータ）
２：アモルファスワイヤ（感磁ワイヤ）
３：コイル
４：コンデンサＣ１
５：高周波（ｆ１）発生回路
６：インダクタＬ１
７：低周波（ｆ２）方形波発生器
８：プリアンプ
９：高周波（ｆ１）復調器
１０：低周波（ｆ２）復調器
１１：アンプ
１２：ローパスフィルタ回路
１３：直流電流源
１４：積分器
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：駆動回路（渦電流抽出回路）
４０：ＰＣ（コンピュータ）
【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】
