JP7387105B2 - 電磁超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、高垂直磁束密度を実現した小型の電磁超音波探触子に関する。

厚みの測定、材料の表面や内部損傷の検出に関する非破壊検査の分野で超音波検査が広く用いられている。
一般に、超音波の生成、検出には圧電素子が用いられる。圧電素子を使用する場合、圧電素子と試験体との間に効率的に超音波を伝播させるために、通常両者の間に接触媒質を介在させる必要がある。このため圧電素子の適用時に若干の不便が生じるとともに、測定の再現が困難になる。

これに対して、金属材料の非破壊検査においては、電磁超音波探触子（以下、ＥＭＡＴという）５０が広く使用されている。ＥＭＡＴは永久磁石と交流コイルとでできている（図１０）。図１０の電磁超音波探触子５０では、隣り合う磁区５３ａ～５３ｄが互いに異極となるように２個の永久磁石５３Ｒ・５３Ｌを組み合わせてコア磁石５３を形成し、このコア磁石５３の下にコイル５２を設置した。これによりコア磁石５３のコイル５２側に静磁場Ｂが発生する一方、コイル５２の交流電流（駆動電流）により渦電流Ｕと動的な磁場が試験体１００に発生する。
静磁場Ｂと渦電流Ｕと動磁場との相互作用により交流電磁力が励起される。この電磁力が以下のようなＥＭＡＴ５０の磁気エネルギから機械的エネルギへの変換メカニズムを駆動する。以下、簡単に説明する。

非磁性金属の場合の電磁力はローレンツ力のみである。強磁性体の場合の電磁力は、ローレンツ力、磁化力、磁歪力からなる。しかし、一般に構成物質として用いられる炭素鋼の磁気エネルギから機械的エネルギへの変換メカニズムの主要駆動力はローレンツ力である。
ローレンツ力のメカニズムは一般に単位体積当たりの体積力として表わされる。

磁場における試験体の超音波振動も試験体内に誘導電流密度Ｊ^ｉを生成する。

この誘導電流密度Ｊ^ｉが磁場を発生することで、ＥＭＡＴ５０のコイル５２に検出可能な起電力を励起する。上記原理により、ＥＭＡＴは接触媒質を必要とせずに金属試験体の超音波信号を生成、検出するため、例えば厚みの測定や試験体が高温及び／又は高速といった場合の金属材料の非破壊検査分野において、従来の圧電素子より応用範囲が広い。この場合、ＥＭＡＴはバルク波を生成するが、ＥＭＡＴにおけるバルク波とは一般的に横波である。本明細書ではバルク波ＥＭＡＴのみを扱う。

従来のＥＭＡＴ５０適用時の欠点は、生成する超音波の弱さである。これは、電磁エネルギと機械的エネルギとの変換効率の悪さが原因である。式（１）より、駆動電流を高め、より強力なバイアス磁場を与えれば超音波強度は高まる。
駆動電流の向上には通常ハイパワーパルス電源及びＥＭＡＴコイル５２のインピーダンス整合が必要である。パルス電源のパワーが十分に高い場合、バイアス静磁場Ｂがなくても十分に強力な超音波が生成できる。しかし、ハイパワーパルス電源は高価である。さらに、受信信号の不感時間（dead time）を増やすことにもなる。

インピーダンス整合は超音波の生成、検出の効率を向上させる。しかし、インピーダンス整合は通常、異なる種類のコイルごとに行わなければならないので自由度が少ない。 従って、永久磁石から強力なバイアス磁場を与えることが、費用も安く設計効率もよいと思われる。さらに、式（２）から、強力なバイアス磁場は受信信号も向上させることができる。

一般に、ネオジウム磁石は最も強力な市販の永久磁石だと考えられている。従って、同じ磁石配置構成の場合、ネオジウム磁石はより強いバイアス磁場と超音波を生成する。超音波強度を高めるために、従来のＥＭＡＴ、特にその磁石配置構成では、その体積を大きくする必要がある。このようなＥＭＡＴとして上記に述べたような装置がある（非特許文献１）。

日本マテック株式会社 「最新の電磁超音波(EMAT)システム 原理」[検索日 2019/05/28]，インターネット ＜www.matech.co.jp/products/emat_principle.html＞

非破壊検査分野でのＥＭＡＴの応用を考慮すると、ＥＭＡＴの小型化が非常に重要である。小型ＥＭＡＴは空間分解能を向上させるだけでなく、狭く複雑な空間での操作性を拡大する。しかし、ＥＭＡＴの小型化は非常に難しい。一般に永久磁石によりもたらされるバイアス静磁場はある条件下ではその厚みと正比例しているため、特にＥＭＡＴの厚み（もしくは高さ）を低減すると、その代わりに磁石によりもたらされる磁場も低下することになる。しかし、より強い磁場を得るためには、より大きな磁石が積み重ねられることになる。つまり、磁石配置構成の厚みは減らすことは出来ないため、その応用範囲はより大きな空間に限られるということである。

以上から本発明では、磁石配置構成の厚み（高さ）を増やさずに小型磁石のコイル側の磁場力を高め、電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）の小型化を課題とする。

請求項１に記載の発明（図１）は、
試験体１０の検査面１１に沿って配置され、前記試験体１０に渦電流Ｕを発生させるコイル２と、
前記コイル２を介して前記検査面１１の直上に設けられ、前記渦電流Ｕが発生する領域に静磁場Ｂを印加させるコア磁石３と、
前記コア磁石３を取り囲むように配置され、前記コア磁石３の、前記検査面１１側の面３ｍのバイアス静磁場Ｂを増強するリング磁石４とを含み、
前記渦電流Ｕ及び前記静磁場Ｂの相互作用で発生する電磁力により超音波を前記試験体１０中に送信するとともに、前記試験体１０の欠陥１５により反射された超音波を受信する電磁超音波探触子１において、
前記コイル２は、渦巻き状の導線にて形成され、コア磁石３の大きさに一致した円形コイルで、
前記コア磁石３は円形ブロック状で、上下左右の４つの磁区３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄにおいて、互いに隣接する磁区が異極に着磁されており、
前記リング磁石４は、前記コア磁石３が嵌め込まれたリング状で、径方向の内周面二極着磁により内外左右の４つの磁区４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄにおいて、互いに隣接する磁区が異極に着磁されており、
前記コア磁石３の、コイル２側の磁区３ａ・３ｂの極性と、前記リング磁石４の内側の磁区４ａ・４ｂの極性が同極となるように配置され、コア磁石３の磁壁Ｋとリング磁石４の磁壁Ｋとが一致するように配設されていることを特徴とする。

ここで、コア磁石３は、後述するように１個の円形ブロック状の部材で構成するようにしてもよいし、２個の半円ブロック状部材をその平面部分で接着一体化してもよい。
リング磁石４も同様、１個のリング状の部材で構成するようにしてもよいし、半リングに着磁されたものを接合してもよい。
また、コイル２は、通常、検査面１１が平面の場合は、平らな検査面１１に沿うよう平面コイルが使用されるが、検査面１１がパイプのような円筒状の面、或いは湾曲したパイプのように曲面や球面の場合、これに沿うような曲面或いは球面に形成される。
この時、コア磁石３とリング磁石４のコイル２側の面３ｍ、４ｍも同様に曲面或いは球面に形成される。これらの点は、本発明のコア磁石３及びコイル２に共通する。

本発明のコイル２には、円形コイルが使用されるが、その他の形状のコイルの使用も可能である。

これによれば、コア磁石３の、検査面１１側の面３ｍのバイアス磁場Ｂを、コア磁石３の周囲に配置したリング磁石４や対向磁石４により増強することが出来たので、このような増強手段を持たない厚み方向に（Ｎ－Ｓ）着磁された磁石単体で構成された従来の電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）より小型化できた。

（ａ）本発明の電磁超音波探触子（実施例１）の斜視図、（ｂ）その中央断面斜視図である。 （ａ）実施例１の変形例の平面図、（ｂ）その中央断面図である。 （ａ）実施例２の斜視図、（ｂ）その中央断面図である。 （ａ）実施例２の変形例の斜視図、（ｂ）その中央断面図である。 （ａ）実施例３の斜視図、（ｂ）Ｘ－Ｘ矢視断面図、（ｃ）Ｙ－Ｙ矢視断面図、（ｄ）Ｚ－Ｚ矢視断面図、（ｅ）その底面図である。 （ａ）実施例４の斜視図、（ｂ）その正面視の中央断面図、（ｃ）その底面図である。 （ａ）実施例４の変形例の斜視図、（ｂ）その正面視の中央断面図、（ｃ）その底面図である。 （ａ）実施例５の斜視図、（ｂ）その正面視の中央断面図、（ｃ）その底面図、（ｄ）右側断面図である。 （ａ）実施例５の変形例の斜視図、（ｂ）その正面視の中央断面図、（ｃ）その底面図、（ｄ）右側断面図である。 従来例の正面図である。 従来例（コア磁石単体）のアルミニウム試験体における垂直磁束密度の分布図で、（ａ）は試験体の表面からのコア磁石単体の離間距離（リフトオフ）が０．５ｍｍ、（ｂ）は１．０ｍｍ、（ｃ）は１．５ｍｍ、（ｄ）は２．０ｍｍの場合である。 本発明（図１）のアルミニウム試験体における垂直磁束密度の分布図で、（ａ）は試験体の表面からのコア磁石単体の離間距離が０．５ｍｍ、（ｂ）は１．０ｍｍ、（ｃ）は１．５ｍｍ、（ｄ）は２．０ｍｍの場合である。 従来例（コア磁石単体）と本発明（複合磁石）とのアルミニウム試験体における垂直磁束密度と離間距離との関係を示すグラフである。 従来例（コア磁石単体）の炭素鋼試験体における垂直磁束密度の分布図で、（ａ）は試験体の表面からのコア磁石単体の離間距離が０．５ｍｍ、（ｂ）は１．０ｍｍ、（ｃ）は１．５ｍｍ、（ｄ）は２．０ｍｍの場合である。 本発明（図１）の炭素鋼試験体における垂直磁束密度の分布図で、（ａ）は試験体の表面からのコア磁石単体の離間距離が０．５ｍｍ、（ｂ）は１．０ｍｍ、（ｃ）は１．５ｍｍ、（ｄ）は２．０ｍｍの場合である。 従来例（コア磁石単体）と本発明（複合磁石）との炭素鋼試験体における垂直磁束密度と離間距離との関係を示すグラフである。

以下、本発明を図面に従って説明する。本発明のＥＭＡＴ１は、コイル２、コア磁石３、及びコア磁石３の周囲を取り巻くように配設されたリング磁石４、又は前記コア磁石を挟むように設けられた一対（或いは二対）対向磁石４Ｒ・４Ｌ（４Ｆ・４Ｂ）とで構成されている。
本発明のＥＭＡＴ１は、図１のように全体が円形ブロック状のものや図２のように全体が矩形ブロック状のもの（実施例１）、図３及び図４のようにコア磁石３の両側に対向磁石４Ｒ・４Ｆが設けられたもの（実施例２）、図５のようにコア磁石３の４方に対向磁石４Ｒ・４Ｆ・４Ｆ・４Ｂが設けられたもの（実施例３）、図６や図７のようにコア磁石３の両側に対向磁石４Ｒ・４Ｆが設けられたもの（実施例４：この場合は、実施例２とコア磁石３の着磁状態が異なる。）、図８や図９のようにコア磁石３の４方に対向磁石４Ｒ・４Ｆ・４Ｆ・４Ｂが設けられたもの（実施例５：この場合は、実施例３とコア磁石３の着磁状態が異なる。）などがある。

コイル２は全ての実施例に共通で、銅等の導線を円形（楕円形「レーストラック形」、ダブルレーストラック形、Ｄ形コイル、ダブルＤ形コイルまたは矩形）で渦巻き状に中心部から数周から数十周巻いたもの、またはメアンダ状に形成された導線、プリント基板上に同様の渦巻き状またはメアンダ状に作製したものである。
コイル２はコア磁石との関係において、後述するように好ましい形のものが選定される。そしてこのコイル２は、渦巻き状又はメアンダ状の導線にて形成される面が、試験体１０の検査面１１に沿う形状に形成される。例えば、検査面１１が平坦な平面の場合は平面コイルが選択され、検査面１１がパイプのような円筒状の場合には、断面円弧状の曲面コイルが選択され、検査面１１が球面である場合には、球面コイルが選択される。
なお図１では、コイル２は、１層の渦巻き状コイルであるが、これに限るものではなく、上下に多重としてもよい。

ここで、コイル２の形状に付いて簡単に説明する。
コイル２は、上記のように1巻き毎に半径が漸増するように渦巻き状に導線が中心部から数周から数十周巻いたものである。
楕円形「レーストラック形」コイルは、直線部分２ａとその両端に設けられた円弧状部分２ｂとで構成されたコイル２である。
Ｄ形コイル（図示せず）は、直線部分とその両端を繋ぐ円弧状部分とで構成されたＤの形をしたコイルである。
ダブルレーストラック形及びダブルＤ形のコイルはコイルを２個使用し、その直線部分２ａを平行に配置したものである。
コイル２の巻き方向は、ダブルレーストラック形やダブルＤ形コイルの場合は、隣接する導線を流れる電流が同じ方向に流れるように巻かれる。
メアンダ状とは、導線又はプリント配線をクランク状に折り曲げた形状を言う。

コア磁石３は、永久磁石或いは電磁石であり、試験体１０の検査面１１側に静磁場Ｂを発生させる手段である。本実施例では永久磁石を使用している。
コア磁石３の形状は、図１、図３のように円形ブロック状（円柱状又は円板状）のものや、その他の図に示すような、矩形ブロック状のものがある。そして、コア磁石３のコイル２側の面３ｍは、コイル２と同様、検査面１１が平面の場合は、平らな検査面１１に沿うよう平面に形成されるが、検査面１１がパイプのような円筒状の面、或いは湾曲したパイプのように曲面や球面の場合、これに沿うような曲面或いは球面に形成される。

コア磁石３は、１個の場合と、２個の場合とがある。
１個の場合、１個の円形ブロック状の部材を両面４極着磁により、上下左右に４分割された、４つの隣接する磁区３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄを、互いに異極になるように着磁する。
２個の場合は、２個の半円ブロック状の部材３Ｒ・３Ｌを用い、厚み方向のＮ－Ｓ着磁により、表面側と裏面側の端部の極性をそれぞれＮ／Ｓとし、これらを平面部分で接着一体化して４つの隣接する磁区３ａ・３ｂ／３ｃ・３ｄを互いに異極となるようにする。
コア磁石３は、後述するようにそのコイル２側の面３ｍの静磁場Ｂがリング磁石４又は対向磁石４によりバイアスされ、コイル２により生じる渦電流Ｕに作用するように配置されている。従って、コア磁石３の形状とコイル２の形状とは密接な関係がある。この点は各実施例において詳述する。

コア磁石３の周囲に配置され、コア磁石３にバイアスをかけてコア磁石３のコイル２側の面３ｍの静磁場Ｂを増強する磁石として、リング磁石や円弧状や矩形のブロック磁石などがある。

静磁場Ｂを増強する磁石の一例であるリング磁石４としては、図１のような円筒状部材、或いは図２のように角筒状部材がある。リング磁石４は、コア磁石３と同様、１個の部材を用いたものと、内周側部材と外周側部材の２個の部材を用いたものがある。
１個の部材でリング磁石４を製造する場合は、径方向の内周面二極着磁（アキシャル着磁）により、図２の角筒状のリング磁石４も径方向の内周面二極着磁（アキシャル着磁）により、内外左右にて４分割されたその磁区４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄにおいて、互いに隣接する磁区が異極に着磁される。
半リングを使用する場合、径方向に着磁して一方の半リングの内周側をＮ、外周側をＳとすると、他方の半リングの内周側をＳ、外周側をＮとするように着磁する。そして左右の半リング部材を接合して１個のリング磁石４とする。
そして、リング磁石４の内径はコア磁石３の外径にほぼ等しく、コア磁石３に嵌め込まれ、接着固定される。

図３の円弧ブロック状の対向磁石４Ｒ・４Ｌも、内周側（外周側）から外周側（内周側）への径方向への着磁により、内周側（外周側）の磁区４ａ（４ｃ）がＮ極に、外周側（内周側）の磁区４ｂ（４ｄ）がＳ極に着磁される。
図４の矩形ブロック状の対向磁石４Ｒ・４Ｌも、厚み方向への着磁により、一方の端部の磁区４ａ（４ｃ）がＮ極に、他方の端部の磁区４ｂ（４ｄ）がＳ極に（Ｎ－Ｓ）着磁される。
図５の矩形ブロック状の前後一対の対向磁石４Ｆ・４Ｂでは、両面４極着磁され、他の対の左右の矩形ブロック状の対向磁石４Ｒ・４Ｌ（４Ｆ・４Ｂ）では、通常の（Ｎ－Ｓ）着磁がなされる。

次にコア磁石３とリング磁石４（又は対向磁石４Ｒ・４Ｌ／４Ｆ・４Ｂ）及びコイル２との関係について説明する。コイル２は上記のように各種あり、いずれのものも使用できるが、通常、円形コイルが使用されるが、状況によってコア磁石３との関係において適切なものが使用される。
なお、レーストラック形、ダブルレーストラック形、Ｄ形コイル、ダブルＤ形コイルを使用する場合、その直線部分２ａは、左右の対向磁石４Ｒ・４Ｌ対向するコア磁石３の下辺に平行になるように設置される。

（実施例１）
図１、図２のＥＭＡＴ１では、コア磁石３の磁壁Ｋとリング磁石４の磁壁Ｋとが一致するようにし、且つコア磁石３の、コイル２側の磁区３ａ・３ｂの極性と、前記リング磁石４の内側の磁区４ａ・４ｄの極性が同極となるように嵌め込まれ接着固定される。
リング磁石４に嵌め込まれたコア磁石３はコイル２の上に設置される。コイル２は上記のように様々な形状のコイルが適用されるが、図１では、コア磁石３が円形ブロック状なので、円形コイルが使用される。コイル２の大きさは、コア磁石３に一致した大きさである。必要に応じて、コア磁石３とコイル２の間に図示しない導電性薄板（アルミ薄板）を設けてもよい。この点は実施例全てに共通する。

図２の場合は、コア磁石３が矩形ブロック状であるが、通常は円形コイルが使用されるが、レーストラック形のコイルを使用してもよい。この場合、その直線部分２ａがコア磁石３のコイル側の面３ｍの長さに一致する。

（実施例２）
図３のＥＭＡＴ１では、一対の円弧ブロック状の対向磁石４Ｒ・４Ｌが用いられる。これらはコイル２に対して立ち上がる方向に伸びた磁壁Ｋを介してコア磁石３の左右に配置される。コア磁石３を介して対向する対向磁石４Ｒ・４Ｌの対向する磁区４ａ・４ｄは互いに異極となるように配置される。そして、コア磁石３のコイル２側の磁区３ａ・３ｂの極性と、この磁区３ａ・３ｂに隣接する対向磁石４Ｒ・４Ｌの磁区４ａ・４ｄの極性とが同極となるように配置される。
コイル２は図１と同様、コア磁石３の面３ｍに一致した円形コイルが使用される。

図４では、コア磁石３と一対の対向磁石４Ｒ・４Ｌは矩形ブロック状なので、対向磁石４Ｒ・４Ｌは上記図３の関係を保ってコア磁石３の両側に接着される。従って、図３（ｂ）と図４（ｂ）は同じ形状となる。
コイル２は図２と同様、円形コイルを使用するが、矩形コイル又はレーストラック形コイル、メアンダ形を使用してもよい。

（実施例３）
図５のＥＭＡＴ１では、図４のＥＭＡＴ１の前後に一対の対向磁石４Ｆ・４Ｂを更に追加したもので、これら対向磁石４Ｆ・４Ｂはコア磁石３を中心とし、その左右の一対の対向磁石４Ｒ・４Ｌに対して直交するように配置され、コア磁石３を前後から挟むように配置されている。
前後一対の対向磁石４Ｆ・４Ｂは、両面４極着磁された矩形ブロック磁石（前後左右にて４分割されたその磁区４ｅ～４ｈ／４ｉ～４ｌにおいて、互いに隣接する磁区が異極に着磁されている）で、コア磁石３の、コイル２側の磁区３ａ・３ｂの極性と、この磁区３ａ・３ｂに隣接する前後一対の対向磁石４Ｆ・４Ｂの磁区４ｅ・４ｈ／４ｉ・４ｌの極性とが異極となるように配置されている。なお、対向磁石４Ｆ・４Ｂも上記の場合は、１個の部材を両面４極着磁したものであるが、それぞれ２個の部材を厚み方向に（Ｎ－Ｓ）着磁して組み合わせるようにしてもよい。
コイル２は図３と同様、円形コイルが使用されるが、矩形コイル又はレーストラック形コイル、メアンダ形の使用も可能である。

（実施例４）
図６のＥＭＡＴ１では、コア磁石３及び対向磁石４Ｒ・４Ｌは（Ｎ－Ｓ）着磁された矩形ブロック状磁石で、コイル２側にコア磁石３のＳ極が設置されている。そして、対向磁石４Ｒ・４Ｌのそれぞれは、コア磁石３側の磁区４ｂ・４ｄが同極となるように配置されている。
この場合も円形コイルが使用されるが、ダブルレーストラック形コイル又はダブルＤ形コイル、メアンダ形の使用も可能である。
ダブルレーストラック形コイルとは、上記のようにレーストラック形コイルを線対称に並べたもので、隣接する直線部分２ａを流れる電流の方向が一致する。
ダブルＤ形コイル（図示せず）とは、その直線部分を中心に正逆２つのＤ形コイルを線対称に並べたものである。なお、Ｄ形コイルは直線部分と円弧状部分とをＤ形に組み合わせたコイルである。
いずれのコイル２においても直線部分２ａがコア磁石３のコイル側の面３ｍに一致するように配置される。なお、左右のコイル２を２Ｒ・２Ｌで示す。

（実施例４の変形例）
図８のＥＭＡＴ１では、図６のＥＭＡＴ１に対向磁石４Ｆ・４Ｂを更に追加したものである。この前後の一対の対向磁石４Ｆ・４Ｂは、（Ｎ－Ｓ）着磁で、コア磁石３側とその反対の外側が異極に着磁されている。
追加された対向磁石４Ｆ・４Ｂは、コア磁石３を中心とし、その左右の一対の対向磁石４Ｒ・４Ｌに対して直交するように配置され、コア磁石３を前後から挟むように配置されている。
この追加された対向磁石４Ｆ・４Ｂのコア磁石３に隣接した磁区４ｆ／４ｈの極性は、
コア磁石３のコイル２側の磁区３ｂの極性と同極となるように配置されている。
なお、上記実施例において、矩形ブロック状磁石を使用したＥＭＡＴ１において、コア磁石３を円形ブロック状とし、対向磁石を図３のような円弧ブロック状とすることも可能である。
この場合もコイル２はダブルレーストラック形コイル又はダブルＤ形コイル、メアンダ形が使用される。

次に、ＥＭＡＴ１による超音波の発生原理について説明する。試験体１０の検査面１１の直上にて若干の隙間を設けてＥＭＡＴ１を設置する。この設置により、ＥＭＡＴ１のコア磁石３から試験体１０に対して静磁場（バイアス磁場）Ｂが加えられる。次いでコイル２に高周波電流を流すと、試験体１０の検査面１１とその近傍に渦電流Ｕが発生する。コイル２に流れる高周波電流により、渦電流Ｕは周期的に変動する高周波振動を生じ、これによる電磁力（試験体１０が非磁性体の場合はローレンツ力、磁性体の場合はローレンツ力と、磁歪力と磁化力が加算されたもの）が試験体１０を振動させ、超音波を発生させる。
なお、ＥＭＡＴ１のリング磁石４、円弧状又は矩形ブロック状の対向磁石４Ｒ・４Ｌ（４Ｆ・４Ｂ）はコア磁石３から出る磁力線の経路を変えるもので、コイル２側の磁力線の発散が抑制され、これによって増強されたバイアス磁場Ｂがコイル２側に発生するようになっている。

ＥＭＡＴ１の送受信は以下の通りである。ＥＭＡＴ１を試験体１０の検査面１１に上記のように配置する。コア磁石３は上記のように試験体１０の深さ方向に静磁場Ｂを形成している。この状態で高周波電流をコイル２に流すと、上記のように超音波を発生させる。

試験体１０に欠陥１５（試験体１０内の亀裂や試験体１０の裏面側の腐食などの音響的不連続部）が存在する場合、超音波は欠陥１５により反射され、再びＥＭＡＴ１の方向へ伝搬する。超音波がＥＭＡＴ１の近傍へ達すると、超音波の変位によって、静磁場Ｂが存在する領域の磁場が時間的に変化する。この磁場変化を妨げようとする方向に渦電流Ｕが生じ、この渦電流Ｕを再びコイル２により検出することで、試験体１０中に存在する欠陥１５からの反射波を受信することができる。
上述のように、ＥＭＡＴ１から送信された超音波が、欠陥１５で反射され、再びＥＭＡＴ１で受信されるまでの時間を計測することで、欠陥１５の位置を知ることができる。

実施例１（図１，２）では、そのＥＭＡＴ構造を小型化するために、コア磁石とリング磁石とで構成された複合小型永久磁石と直径１０ｍｍの円形コイルを用いた。
コア磁石はコイルと同じ直径で、厚さ５ｍｍである。複合小型永久磁石のコア磁石がコイルに一致するようにし、若干の隙間をあけてその直上に設置した。この場合の磁極分布を図１（ｂ）に示す。
コア磁石とリング磁石とはハルバッハ配列の原理にて組み合わされ、径方向の内周面二極着磁（アキシャル着磁）されたリング磁石がコア磁石である円形ブロック磁石の周囲を囲んで磁場を集中させる。即ち、コア磁石のコイル側のＮ極から出た磁力線は周囲のリング磁石４に阻まれて水平方向に発散することなく集中して隣接したコイル側のＳ極に届く。これにより、コア磁石の下方向への垂直磁場が増大する。すなわち、この構成により、コイルの直径を従来例の大きさに保ったまま、そして小型磁石の厚みを増すことなくコイル側の磁場力を向上させることができた。

ここで図１の場合は、コア磁石３、リング磁石４及びコイル２が円形なので、コア磁石３とコイル２との間で無駄スペースが発生せず、電磁超音波探触子１を小型化することができた。また、図２の場合はコア磁石３、リング磁石４が矩形ブロック状、コイル２がレーストラック状でその直線部分２ａの全体を使用することになるので、送受信の効率を大幅に高めることができる。

実施例２（図３，図４）の場合、磁石とコイルの配置構成は実施例１と基本的に同じであるので、実施例１と同様の作用効果を奏する。

実施例３（図５）の場合、磁石の配置構成は実施例２の図４に一対の対向磁石４Ｆ・４Ｂを追加したものであり、この追加した一対の対向磁石４Ｆ・４Ｂが追加方向におけるコア磁石３の磁力線の発散を抑制することになり、コイル２側の磁束密度をより高めることができる。

実施例４（図６）の場合、磁石の配置構成は以上の実施例と異なり、コア磁石３のコイル２側の面３ｍ全体が、一つの極（この場合はＳ極）となっており、対向磁石４Ｒ・４Ｌの外側の磁区４ａ・４ｃからコア磁石３のコイル２側の面３ｍに磁力線が向かうことになる。
これにより、上記の理由でコイル２側の磁束密度をより高めることができる。

実施例４の変形例（図７）の場合、磁石の配置構成は図６の実施例に一対の対向磁石４Ｆ・４Ｂを追加したものであり、図６と同様の効果を奏する。

上記図１に示すＥＭＡＴ１のコア磁石のコイル側の静磁場を有限要素（finite element）法でシミュレーションした。
静磁場について、アンペールの法則を単純化すると以下の通りである。

磁場の説明にスカラーポテンシャルを導入する。

線形材料について、磁場の構成関係（constitutive relations）は、式（５）で表される。

磁性のためのガウスの法則によると、以下の通りである。

有限要素（ＦＥ）シミュレーションにより、磁気スカラーポテンシャルの式（４）の解が得られる。永久磁石には、磁区構造と異方性に由来する残留磁化があり、以下の通り表わされる。

永久磁石磁区での磁束密度は、式（８）で表される。

常磁性体や反磁性体などの非強磁性体（空気を含む）の磁区について、その磁化は、式（９）で表される。

よって、非強磁性体の磁束密度は、式（１０）で表される。

通常、非強磁性体の比透磁率μ_ｒｎｆは１に近い。よって、シミュレーションではμ_ｒｎｆを１とする。強磁性体磁区について、磁化曲線は非線形である。磁束密度と磁場力との関係をＢ－Ｈ曲線で表す。

数値解析の目的でソフトウェア（COMSOL Multiphysics 5.4）を使って従来のＥＭＡＴに使用された永久磁石と、本発明のＥＭＡＴに使用するコア磁石とリング磁石の複合磁石との「コイル側の面における磁束密度」の比較のため３次元有限要素（ＦＥ）シミュレーションを行った。
以下、同シミュレーションによるアルミニウム（非強磁性体）と低炭素鋼（強磁性体）の試験体上の本発明の複合磁石と従来のＥＭＡＴに使用された永久磁石の磁束密度を分析した。
ここで、本発明の複合磁石は図１の磁石構成のものを使用し、従来のＥＭＡＴに使用された永久磁石として本発明のコア磁石を使用した。これをコア磁石単体という。
試験体の厚みを１０ｍｍ、その３次元の大きさを１００×４０×１０ｍｍ³とした。一定のスペースを設けてこれら２つの構成を試験体中央上方に設置した。

複合磁石とコア磁石単体の、試験体からの離間距離（リフトオフ）を０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍとした。
加えて、２００×１００×１０ｍｍ³の空気領域が試験体と複合磁石とコア磁石単体を取り囲んでいる（解析領域）。
試験体、複合磁石とコア磁石単体、周囲の空気すべてを四面体メッシュ（tetrahedral mes）で分割した。試験体と複合磁石とコア磁石単体の領域の四面体メッシュの最大の大きさは０．５ｍｍ、空気領域の最大幅は２ｍｍとした。複合磁石のコア磁石とリング磁石、及びコア磁石単体の残留磁束密度をそれぞれ１．２０Ｔ（コア磁石）及び１．２５Ｔ（リング磁石）とした。空気とアルミニウムとの相対透磁率を1とし、コア磁石とリング磁石の相対透磁率を１．０５とした。低炭素鋼のシミュレーションでは構造用圧延鋼材ＳＳ４００（炭素含有率は約０．１６％）のＢ－Ｈ（磁化）曲線を用いた。

シミュレーション結果と検討
表皮効果（skin effect）により、渦電流は主に試験体の表面近くを流れる。従って、試験体の表面近くの静磁場は渦電流と相互作用して電磁力を発生する。加えて、このタイプのＥＭＡＴは、主に垂直静磁場によって生成される横波を生成するため、ここでは静磁場の鉛直方向への分布のみを検討した。

図１１（ａ）～（ｄ）は、アルミニウム試験体表面の直上に置かれたコア磁石単体によってもたらされる垂直磁束密度分布を示している。コア磁石単体のリフトオフが大きくなるにつれて垂直磁束密度分布を示す隣接した２つの磁極に対応する半月状の部分の色が薄くなり、垂直磁束密度が下がっていることを示している。更に、コア磁石単体の縁部と２つの磁極の境界付近で垂直磁束密度が急速に低下している。前者は、磁力線が縁部で発散（diverge）して水平磁束密度が高くなり、これに伴い垂直磁束密度が低下するからである。そして、上記半月状の部分の色の変化からコア磁石単体の、試験体からの距離が大きいほど、垂直磁束密度が低下するだけでなく、垂直磁場密度分布が不均一になっていることが分かる。これが、従来のＥＭＡＴの永久磁石配置構成が大型化する理由の１つである。

図１２は、アルミニウム試験体の表面直上に置かれた本発明の複合磁石（図１）から生じる垂直磁束密度分布を示している。図１１と比較して、水平磁極分布を伴うリング磁石の下では、垂直磁束密度が三日月型に分布している。これは２つの永久磁石（コア磁石とリング磁石）の相互作用により起こる。即ち、コア磁石のコイル側のＮ極から出た磁力線はリング磁石により水平方向に発散が抑制され、発散することなく隣接したコイル側のＳ極に届くことを示す。更に言えば、この抑制された分が垂直磁束密度を増強することになる。なお、コイルは複合磁石のコア磁石の下だけに設置されているので、リング磁石の下の磁場分布は超音波の強度や分布に影響は与えない。上記コア磁石単体の場合と比較して、離間距離が同じであれば、この構成によりコア磁石の下の垂直磁束密度が高くなっていることが分かる。

図１３は、アルミニウム試験体表面における、コア磁石とリング磁石の複合磁石、及びコア磁石単体の試験体からの離間距離に対する最大垂直磁束密度を示している。縦軸は最大垂直磁束密度、横軸は離間距離を示す。
これによると、コア磁石単体は、離間距離が大きくなるにつれ最大垂直磁束密度は急速に低下した。これが従来のＥＭＡＴの永久磁石配置構成が大型化するもう１つの理由である。
複合磁石によると、同じ離間距離であれば、コア磁石単体に比べて最大垂直磁束密度を大きく向上させることができる。磁石の離間距離（リフトオフ）が同じであれば、本発明の複合磁石により最大磁束密度を約２０％向上させることができた。しかしながら、離間距離の増大に伴って最大垂直磁束密度が急速に低下するという傾向を変えることはできないことが分かる。

図１４、及び図１５は、低炭素鋼試験体表面直上のコア磁石単体の場合と本発明の複合の場合の垂直磁束密度分布を示している。図１６は、本発明の複合磁石とコア磁石単体による離間距離に対する最大垂直磁束密度の変化を示している。低炭素鋼試験体における離間距離に対する垂直磁束密度の変化は、アルミニウム試験体の場合と似ている。しかしながら、強磁性体における分布に関しては、低炭素鋼の垂直磁束密度が明らかにより強いことが分かる。

大型磁石配置構成を有する従来のＥＭＡＴでは、磁石の離間距離が大きくてもＥＭＡＴの超音波生成、検出効果に与える影響は小さいが、本発明のような小型磁石配置構成に対してそれは当てはまらない。すなわち、大型磁石配置構成を有する従来のＥＭＡＴと違って、小型化した本発明のようなＥＭＡＴでは、磁石の離間距離が試験体における磁場力の分布に非常に重要な影響を与え、これがＥＭＡＴの信号の送受信に直接影響を与える。

小型化ＥＭＡＴの磁石配置構成では、試験体が非磁性材料であろうと磁性材料であろうと、離間距離の増大と共に、最大垂直磁束密度は急速に低下し、垂直磁場の分布が不均一になる。これは小型化ＥＭＡＴが離間距離の大きい条件下での使用には向いていないことを意味している。本発明の複合磁石は、同じ離間距離において、その最大垂直磁束密度を大きく高め、磁場の均一性を向上させることができる。つまり、小型化ＥＭＡＴの応用分野において、本発明の複合磁石により超音波信号を増大させ、リフトオフ特性を向上させ得ることを示している。
なお、上記の作用効果は、実施例２以下においても得ることができると考えられる。

以上から本発明の磁石配置構成を採用することで、ＥＭＡＴの小型化を達成することができた。

１：電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）、２：コイル、２ａ：直線部分、２ｂ：円弧状の部分、３：コア磁石、３Ｒ・３Ｌ：半円ブロック状磁石、３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄ：磁区、３ｍ：検査面（コイル）側の面、４：リング磁石、４Ｒ・４Ｌ（４Ｆ・４Ｂ）：対向磁石、４ｍ：検査面（コイル）側の面、４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄ（４ｅ～４ｈ／４ｉ～４ｌ）：磁区、１０：試験体、１１：検査面、１５：欠陥、Ｂ：（バイアス）磁場、Ｋ：磁壁、Ｕ：渦電流

Claims (1)

1. 試験体の検査面に沿って配置され、前記試験体に渦電流を発生させるコイルと、
   前記コイルを介して前記検査面の直上に設けられ、前記渦電流が発生する領域に静磁場を印加させるコア磁石と、
   前記コア磁石を取り囲むように配置され、前記コア磁石の、前記検査面側の面のバイアス静磁場を増強するリング磁石とを含み、
   前記渦電流及び前記静磁場の相互作用で発生する電磁力により超音波を前記試験体中に送信するとともに、前記試験体の欠陥により反射された超音波を受信する電磁超音波探触子において、
   前記コイルは、渦巻き状の導線にて形成され、コア磁石３の大きさに一致した円形コイルで、
   前記コア磁石は円形ブロック状で、上下左右の４つの磁区において、互いに隣接する磁区が異極に着磁されており、
   前記リング磁石は、前記コア磁石が嵌め込まれたリング状で、径方向の内周面二極着磁により内外左右の４つの磁区において、互いに隣接する磁区が異極に着磁されており、
   前記コア磁石の、コイル側の磁区の極性と、前記リング磁石の内側の磁区の極性が同極となるように配置され、コア磁石の磁壁とリング磁石の磁壁とが一致するように配設されていることを特徴とする電磁超音波探触子。