JP4270036B2 - 電磁超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、電磁超音波センサの感度を高めるのに有効な技術に関するものである。

圧電振動型センサは、センサ内で発生させた超音波を被検査体に伝達して初めて被検査体に超音波を導入できるのに対して、電磁超音波センサは、電磁気的な作用で被検査体内に直接超音波を発生させ、被検査体内の超音波を電磁気的な作用でコイル内の誘導起電力として受信することができる。そのため、電磁超音波センサは、圧電振動型センサに比較して、超音波のセンサと被検査体との間で伝達し合うための制約が無い。

このように、電磁超音波センサは、超音波振動の送受信に電磁気的な作用のみを利用しているため、圧電振動型センサを用いて被検査体の傷などの欠陥を検査する際での探傷に不可欠な接触媒質（超音波をセンサと被検査体との間で送受するための超音波の伝達用媒質）の塗布やセンサの押し付けが不要である。そのため、電磁超音波センサは、定量性・再現性・操作性の高い探傷が可能となる。

電磁超音波センサは、このような長所を有する一方で、電磁超音波センサの送受信感度は圧電振動型センサより２桁以上低く、送受信感度の向上は大きな課題となっている。その課題を改善するために、電磁超音波センサは磁束を発生する手段としての永久磁石と電流を通すためのコイルの形状を工夫して超音波を集束させる方法が公知である。その公知の内容は、被検査体内に発生させた超音波が音源（超音波の発生個所）から距離Ｒの集束点に向かうように、曲率半径Ｒを持つ永久磁石を扇状に配列し、スパイラルコイルの直線形状部を集束点へ向けた配置構造を持つ電磁超音波センサである。このように、永久磁石とコイルの形状と配置を工夫することで、金属製構造物面内での超音波の集束が可能である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−８８８１６号公報

前記の従来技術は電磁超音波センサで被検査体である金属性構造物中に発生させた超音波をその金属製構造物の面内で集束可能であるが、厚み方向（電磁超音波センサに被検査体が対面する面と垂直な方向）に集束することはできない。そのため、電磁超音波センサから遠く離れた金属製構造物の表面欠陥を遠距離探傷する場合、厚み方向への超音波の拡散が大きくなるという問題がある。

ここでは、電磁超音波センサの寸法と超音波の厚み方向への拡散について図２から図５を使って説明する。その前に電磁超音波センサの超音波送受信原理を説明すると次の通りである。即ち、図２に示すように送信用の電磁超音波センサ５ａの構成要素である送信用のコイル２ａの断面内に表示した

印はそれぞれ紙面に対して手前側と奥側に向かって流れるコイル２ａ内の電流の向きを表している。コイル２ａに接続した電源から図２（ａ）に示したような向きに交流電流をコイル２ａ内に流すと、送信用のコイル２ａに近接する被検査体である金属製構造物３内にコイル電流と逆向きの渦電流Ｉが生じる。送信用のコイル２ａの上には磁束の発生手段として永久磁石４ａが置かれており、金属製構造物３内には矢印の向きに磁束密度Ｂの磁場が形成される。

この磁場と渦電流により、ローレンツ力Ｆ（＝Ｉ×Ｂ）が金属製構造物３内に水平な白抜き矢印の方向に発生する。ローレンツ力Ｆは金属製構造物３内に機械的な歪みを生み、その歪み振動が超音波として伝搬する。超音波の伝播振動の受信も送信の場合と同様に電磁的な作用を利用する。受信原理を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）で金属製構造物３内を伝播する超音波振動が受信側の電磁超音波センサ５ｂの下に到達すると、超音波の振動方向と永久磁石４ｂの磁場方向の両者に垂直な方向に渦電流が生じる。その渦電流により発生する磁束が受信用のコイル２ｂと鎖交すると、誘導起電力が受信用のコイル２ｂに発生し、受信用のコイル２ｂに接続した計測装置で誘導起電力を電気信号として観測される。

このように電磁超音波センサの超音波送受信原理から、電磁超音波センサによる超音波振動はコイルによる渦電流Ｉと永久磁石による磁束密度Ｂを持つ磁場の重なった領域に発生する。図３に一例を示す。図３内の

印はそれぞれ紙面に対して手前側と奥側に向かって生じるローレンツ力の向きを表している。このローレンツ力の発生する範囲を音源と呼ぶ。図２内に示した一般的な電磁超音波センサ５ａにおいて、渦電流Ｉは金属製構造物３の表面のコイル２ａの直下に流れる。すなわち、渦電流はコイル内の電流の向きとは逆であるが、渦電流の生じる範囲はコイル
２ａの寸法（コイル２ａと永久磁石４ａの下端磁極面との重なり合う範囲）と等しい。金属製構造物３の表面を透過する永久磁石の磁束の範囲も永久磁石の寸法とほぼ等しくなる。これは、永久磁石４ａが金属製構造物３の表面に近づけて配置されるためである。図４に永久磁石４の磁束分布の概念図を示す。点線で描かれたものが永久磁石４の磁束を表している。永久磁石４の磁束はＮ極からＳ極に向かってループを形成し、Ｎ極とＳ極の表面では磁極表面に垂直となる。これらのことから、永久磁石４の下全体にコイル２が敷詰められている場合、音源は永久磁石４の寸法に等しくなる。

一般的な電磁超音波センサは図２に示したようなコイル２ａ，２ｂ上に永久磁石４ａ，４ｂが配列されたものである。図２の電磁超音波センサによって金属製構造物３の表面に水平な方向に伝播する超音波（表面ＳＨ波）を送信する場合、その永久磁石４ａ，４ｂの長さＬは超音波波長の２分の１の長さが良いことが知られている。例えば、金属製構造物３をＳＵＳ ３０４材とし、超音波の周波数を３００ｋＨｚとすると、永久磁石４ａ，
４ｂの長さＬは約５.２mmとなる。

永久磁石４ａ，４ｂの長さＬは超音波の指向特性に影響する。超音波の磁極面に垂直な指向特性は、一般的に音源が大きいほど鋭くなる。すなわち、金属製構造物の厚み方向
（磁極面に垂直な方向）に伝播する超音波振幅が増大する。電磁超音波センサの場合、前述より音源の寸法は永久磁石４ａ，４ｂの長さＬに依存する。上述の例では永久磁石の長さＬ（＝５.２mm ）が大きいため、電磁超音波センサの送信波は金属製構造物３の厚み方向に拡がりやすくなる。その一例を図５に示す。点線は送信波の波面を表す。図５のように送信波が金属製構造物３の厚み方向に拡がると、表面欠陥からの反射波は小さくなる。このように、従来の電磁超音波センサは、金属製構造物の厚み方向への超音波の拡散が大きいため、遠距離探傷には不向きである。従って、金属製構造物の表面に水平な方向に伝播する超音波振幅を高めることが可能な構造を持つ電磁超音波センサが必要である。

受信用の電磁超音波センサの受信感度も永久磁石の長さＬにより指向特性が変化する。その指向特性は、送信用の場合の説明と同様であり、永久磁石の長さＬが大きいほど、金属製構造物の厚み方向の受信感度が向上する。すなわち、従来の電磁超音波センサは金属製構造物の表面欠陥を遠距離探傷するには不向きである。

したがって、本発明の目的は、被検査体の表面欠陥の遠距離探傷に適した電磁超音波センサを提供することである。

本発明の目的を達成するための具体的な手段においては、前記目的が、コイル上に永久磁石を配列した電磁超音波センサにおいて、底面形状がアーチ型である永久磁石とコイルから構成されることにより達成される。また、前記目的はコイル上に永久磁石を配列した電磁超音波センサにおいて、永久磁石と底面形状がアーチ型である磁極片と、コイルから構成されることにより達成される。また、前記目的はコイル上に永久磁石を配列した電磁超音波センサにおいて、永久磁石の磁極面の面積より底面面積が小さい磁極片と、永久磁石と、コイルから構成されることにより達成される。

本発明によれば、被検査体の表面に水平な方向に伝播する超音波振幅を高めることが可能な構造を持つ電磁超音波センサを提供できるので、超音波を被検査体内で集束させる為の複雑な磁石とコイルの配置を採用することなく、被検査体の表面欠陥の遠距離探傷を可能にできる。

（実施例１）
実施例１の電磁超音波センサ６の構成は次の内容を備える。即ち、図１（ａ）に示すように、アルミニューム製のケースで代表される金属製のケース２０内には、異なる極性が隣接するようにして複数のアーチ型永久磁石１が磁束の発生手段として２列４行の配置で配列されている。その複数の永久磁石１はケース２０内に充填された樹脂２５によってそのケース２０内に固定されて設けられている。そのアーチ型永久磁石１の真下には、例えばエナメル線製のコイル２が配置されている。このコイル２は極薄の保護フイルム２１によって包み込まれて保護されている。その保護フイルム２１は止ネジ２２でケース２０に固定されている。コイル２を形成しているエナメル線の延長線がコイル２のリード線２３としてコネクタ２４に接続されている。このコネクタ２４はケース２０に設置され、ケース２０外の電磁超音波計測装置への電気的接続手段として利用される。

このような送信用の電磁超音波センサ６においては、図１（ａ）や図１（ｂ）のように、各アーチ型永久磁石１の底面（コイル２に近接する磁曲面）の形状は中央が凹んだ曲面によるアーチ型の形状である。各アーチ型永久磁石１は各々の磁力により密着している。その各アーチ型永久磁石１の２列４行の配列したもの、即ちアレイを１セットとし、そのアレイの底面側に多数回巻きのコイル２を各アーチ型永久磁石共通のコイルとして配置している。

受信用の電磁超音波センサ１４も送信用の電磁超音波センサ６と同じ構成である。

図６は送受信の各電磁超音波センサ６，１４に電気的に接続される電磁超音波計測装置の構成図である。図６において、６は送信用電磁超音波センサである。７は送信用マッチング回路であり、市販のインピーダンス素子を組み合わせて送信回路の整合をとることができる。８は電力増幅器、９はパルサレシーバ、１０はコンピュータ、１１はモニタ、
１２は受信信号増幅器であり、全て市販品が利用できる。１３は受信用マッチング回路であり、市販のインピーダンス素子を組み合わせて受信回路の整合をとることができる。
１４は受信用の電磁超音波センサである。送信用の電磁超音波センサ６は送信用マッチング回路７，電力増幅器８を介してパルサレシーバ９と接続されている。受信用の電磁超音波センサ１４は受信用マッチング回路１３と受信信号増幅器１２を介して、パルサレシーバ９に接続されている。受信用の電磁超音波センサ１４からの信号及びパルサレシーバ９からの制御信号はコンピュータ１０を介してモニタ１１により観測できる。

次に、本発明の送信用の電磁超音波センサ６と受信用の電磁超音波センサ１４を用いた電磁超音波計測装置の動作を図６を用いて説明する。パルサレシーバ９は内部クロックを発生する。その内部クロックはパルサレシーバ９内に交流電圧を発生させる。交流電圧は電力増幅器８によって増幅される。その交流電圧は送信用マッチング回路７を介して送信用の電磁超音波センサ６に印加され、送信用の電磁超音波センサ６内のコイル２に交流電流が生じる。これによって、超音波振動が被検査体である金属製構造物の内部表層近傍に励起される。

その超音波振動は欠陥での反射や散乱により受信用の電磁超音波センサ１４の下に到達する。受信用の電磁超音波センサ１４の下に超音波振動が到達すると、その超音波振動は電磁超音波センサ１４によって交流電圧に変換される。その交流電圧は受信用マッチング回路１３を介して受信信号増幅器１２に送られる。受信信号増幅器１２はその交流電圧を増幅し、パルサレシーバ９に送信する。パルサレシーバ９はその交流電圧をデジタル処理し、コンピュータ１０に送る。そのデジタル処理化された交流電圧の情報はモニタ１１に画像として表示され、超音波の受信波形の情報が表示される。

次に、図７から図９を用いて送信用の電磁超音波センサ６と受信用の電磁超音波センサ１４の指向特性について説明する。電磁超音波センサによる超音波振動はコイル２による渦電流Ｉと永久磁石１による磁束密度Ｂを持つ磁場の重なった領域に発生する。送信用の電磁超音波センサ６の場合、アーチ型永久磁石１を用いているため、その底面形状に応じて金属製構造物３の表面を透過する磁束の範囲は変化する。

アーチ型永久磁石１の磁束が金属製構造物３の表面で集束する場合の磁束分布の例を図７に示す。点線が磁束を表している。アーチ型永久磁石１の磁束は曲面であるＮ極とＳ極の磁極面に垂直であり、金属製構造物３の表面で集束している。したがって、集束している分だけ音源（図８で

印を囲っている矩形の図形部分）は図８に示したようにアーチ型永久磁石の長さＬよりも短くなる。音源のサイズと超音波の指向特性の関係は、弾性波素子技術ハンドブック（日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会編）Ｐ１３１より式１で表される。

ここで、Ａ₀ は中心軸上の音圧（Ａ(０)）、θは中心軸からの角度、Ｌは音源のサイズ、λは超音波の波長である。

すなわち、式１中の音源のサイズＬが超音波の波長に対して小さいほど、金属製構造物の表面に水平な方向に伝播する超音波成分が相対的に増大する。そのため、送信用の電磁超音波センサ６の送信超音波の波面は図９のようになる。図９内の点線は送信波の波面を表している。図５に示した波面と比較して、図９の波面は金属製構造物３の表面に垂直な方向の超音波成分が少ない。すなわち、図９のように送信超音波が金属製構造物３の厚み方向（図９の上下方向）に拡がりにくいため、表面欠陥からの超音波の反射波は図５の場合と比較して大きくなる。受信用の電磁超音波センサ１４の受信感度も、上記理由から金属製構造物３の表面に水平な方向の成分に対して向上する。

次に、図１０を用いて送信用の電磁超音波センサ６と受信用の電磁超音波センサ１４を用いた電磁超音波計測装置の効果を説明する。図１０（ａ）は図２に示した電磁超音波センサ５ａ，５ｂを用いたときのモニタに表示された受信波形であり、図１０（ｂ）は図１（ａ），（ｂ）に示したアーチ型永久磁石１を採用した電磁超音波センサ６，１４を用いた場合の受信波形である。測定では送信用と受信用の電磁超音波センサを金属製構造物３の上に並べて配置した。送信用の電磁超音波センサによる送信波が金属製構造物３内を伝播し、表面欠陥において反射した波の強度を受信用の電磁超音波センサによって測定した。図１０（ａ），（ｂ）に示したものが表面欠陥からの超音波の反射波の受信波形である。上記の説明から理解されるように、送信用の電磁超音波センサ６と受信用の電磁超音波センサ１４を用いた電磁超音波計測装置による測定（図９）では、表面欠陥の検出感度が向上し、図１０（ｂ）に示す反射波の超音波強度のように図１０（ａ）のそれに比べて受信信号強度が増加する。これにより、金属製構造物３の表面欠陥が遠距離から感度よく探傷可能になる。

これまでの記述において、金属製構造物３を本発明の実施例の適用可能な対象例としたが、本発明は導電性の物体全てに対して成り立つものである。

（実施例２）
実施例１の実施形態にあっては、コイルに対向する磁極面がアーチ型のアーチ型永久磁石１を備えた送信用の電磁超音波センサ６と受信用の電磁超音波センサ１４を用いた電磁超音波計測装置について説明したが、永久磁石自身の磁極端面をアーチ型に成型する代わりに、図１１のように、一端面が平坦で、他端面がアーチ型の曲面を有するアーチ型磁極片１５を用意し、そのアーチ型磁極片１５の一端面を磁極面が平坦な永久磁石４のコイル２寄りの磁極面に磁気的に吸着させるようにしても良い。この永久磁石４とアーチ型磁極片１５の下にコイル２を配置した。そのアーチ型磁極片１５の材質は透磁率がアーチ型磁極片１５の周囲の雰囲気のそれよりも高い材質で構成されている。その他の構成や作用は実施例１と同様である。

図１１のように、永久磁石４とアーチ型磁極片１５は磁気的な力により密着している。そのために永久磁石４で発生された磁束はアーチ型磁極片１５を通過して、アーチ型磁極片１５のアーチ型の曲面から放射される際に被検査体の表層部分に集束されるように偏向され、実施例１と同様な作用効果を発揮する。

（実施例３）
更には、実施例２のアーチ型磁極片１５の代わりに、一端面が永久磁石４のコイル２寄りの磁極面の面積と同じく、他端面がその磁極面の面積よりも狭い面積とされた磁極片
１６を用意し、その磁極片１６の一端面を、図１２のように、永久磁石４のコイル２寄りの磁極面に過不足無く対面させて磁気的に吸着して設ける。その磁極片１６の下方にはコイル２が配置されている。その磁極片１６の材質は透磁率が磁極片の周囲の雰囲気のそれよりも高い材質で構成されている。その他の構成は実施例１と同じである。

このような実施例においても、永久磁石４から発せられた磁束は磁極片１６を通過する際に磁極片１６内で集束して、集束された磁束が磁極片１６の狭い面積の他端面からコイル側に放射されて被検査体の表層部に達するので、実施例１と同様な作用効果が得られる。

本発明は、電磁超音波センサをセンサとする非破壊検査装置に用途がある。

本発明の実施例１による電磁超音波センサの説明図にして、（ａ）図はそのセンサの縦断面図、（ｂ）図はそのセンサのコイルと永久磁石との配置を示す斜視図である。 電磁超音波センサによる超音波の送受信原理を表す説明図にして、（ａ）図は送信原理を、（ｂ）図は受信原理を表した概念図である。 電磁超音波センサによる金属製構造物内のローレンツ力発生領域を表す模式図である。 電磁超音波センサの永久磁石による磁束分布の一例を表す模式図である。 図２の電磁超音波センサを用いた超音波伝播の指向性の一例を表す図である。 本発明の実施例１による電磁超音波計測装置の構成を表すブロック図である。 本発明の実施例１による電磁超音波センサに採用されたアーチ型永久磁石の磁束分布の一例を表す模式図である。 本発明の実施例１による電磁超音波センサの金属製構造物内のローレンツ力発生領域を表す模式図である。 本発明の実施例１による電磁超音波センサによる超音波伝播の指向性の一例を表す図である。 電磁超音波センサによる表面欠陥に対する超音波探傷の際の受信波形の例示図にして、（ａ）図は図２に示した電磁超音波センサを用いた場合を、（ｂ）図は本発明の実施例１による電磁超音波センサを用いた場合の例を表している。 本発明の実施例２による電磁超音波センサのアーチ型磁極片と永久磁石とコイルとの配置関係を表した配置図である。 本発明の実施例３による電磁超音波センサのアーチ型磁極片と永久磁石とコイルとの配置関係を表した配置図である。

符号の説明

１…アーチ型永久磁石、２，２ａ，２ｂ…コイル、３…金属製構造物、４，４ａ，４ｂ…永久磁石、５ａ，５ｂ，６，１４…電磁超音波センサ、７…送信用マッチング回路、８…電力増幅器、９…パルサレシーバ、１０…コンピュータ、１１…モニタ、１２…受信信号増幅器、１３…受信用マッチング回路、１５…アーチ型磁極片、１６…磁極片。

Claims (3)

1. 磁束の発生手段と、前記磁束と交差するように配置され、通電されるコイルとを備えた
   電磁超音波センサにおいて、
   前記磁束の発生手段に、前記磁束を集束する手段を備え、
   前記磁束の発生手段は永久磁石であり、
   前記磁束を集束する手段は前記永久磁石の前記コイルに対向する面を前記永久磁石の中央部で凹んだアーチ型に成型して構成されていることを特徴とする電磁超音波センサ。
2. 磁束の発生手段と、前記磁束と交差するように配置され、通電されるコイルとを備えた
   電磁超音波センサにおいて、
   前記磁束の発生手段に、前記磁束を集束する手段を備え、
   前記磁束の発生手段は永久磁石であり、
   前記磁束を集束する手段は、前記永久磁石の前記コイル側の磁極面に装着され、中央部が凹んだアーチ型の磁極片であることを特徴とする電磁超音波センサ。
3. 磁束の発生手段と、前記磁束と交差するように配置され、通電されるコイルとを備えた
   電磁超音波センサにおいて、
   前記磁束の発生手段に、前記磁束を集束する手段を備え、
   前記磁束の発生手段は永久磁石であり、
   前記磁束を集束する手段は、前記永久磁石の前記コイル側の磁極面に装着され、前記コイル側の面が前記磁極面よりも狭く形成された磁極片であることを特徴とする電磁超音波センサ。

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