JP2006208325A - Ｐｐｍ型電磁超音波トランスデューサ、これを用いた超音波探傷方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開口径を大きくすることが可能なトランスデューサ構造を提供することにより、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサによって表面沿いに伝わるＳＨ波を送受波する場合の感度を向上させ、これによって球形の微小な欠陥の検出を可能ならしめる。
【解決手段】上下方向で極性が逆転し、かつ、円弧状の形状をした永久磁石１２を複数、交互に極性が変わるように配列した扇形の交番磁界形成用磁石列１４ａ〜ｄを、極性の位相が異なるように隣り合わせて円環形に配列した磁石アレイ１０と、該磁石アレイにおける円環形の中心に向かう放射状の成分を有する略８の字の外形を有する送信用渦巻きコイル３０と、該送信用渦巻きコイルを所定角度回転させた位置にある、送信用渦巻きコイルと同等の形状をした受信用渦巻きコイル４０とを備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサ、これを用いた超音波探傷方法及び装置に係り、特に、電磁気的に励起され、電磁気的に受波される超音波を用いて、表面が粗い、あるいは、高温の被検体の表層に存在する略球形の内部欠陥を検出する際に用いるのに好適な、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサ、これを用いた超音波探傷方法及び装置に関する。

従来から、表面が粗い物体や高温の物体に対して超音波を送受波する方法として、電磁気的に超音波を送受信する方法、所謂、電磁超音波法が有効とされている。又、被検体の表層に存在する内部欠陥を検出する方法としては、表面沿いに伝わるＳＨ波を用いる探傷法が実用されている。従って、表面が粗い、あるいは、高温の被検体の表層に存在する内部欠陥を検出する方法として、電磁超音波法によって表面沿いに伝わるＳＨ波を送受波する方法が有効と考えられる。

しかし、電磁超音波法は、圧電振動子を用いた超音波送受波に比べて、電気−機械結合係数が４０〜６０dBも低い（感度が低い）ために、微小なエコー信号を検出することによって内部欠陥を検出する超音波探傷法への適用が難しいのが実情であった。

電磁超音波法の低感度の問題を克服するための先行技術として、特許文献１が挙げられる。この特許文献１は、電磁気的に送受波する超音波を集束させることにより感度を向上させるための焦点型電磁超音波トランスデューサや、これを用いた電磁超音波探傷方法を開示している。しかし、該トランスデューサは、表面沿いに伝わるＳＨ波を送受波できる構造では無かった。

表面沿いに伝わる表面ＳＨ波を送受波でき、かつ、超音波ビームを集束させる構造を開示した特許文献として、特許文献２が挙げられる。

この特許文献２には、「各永久磁石３ａを中間軸Ｃａを延長した仮想延長軸上の仮想点Ｒを曲率中心とした円弧状に形成し、各永久磁石３ａを仮想点Ｒを中心とした扇型状に配置する。これに対して、スパイラルコイル４の直線状横側辺部４ｄを仮想点Ｒに向かうように絞り形成する。このような構成によって、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサ２から発信される超音波の伝播方向が仮想点Ｒに向かうものとなる。」ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサが開示されている。

ここでＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサとは、Periodic Permanent Magnet型電磁超音波トランスデューサの略称であり、Ｓ極とＮ極が交互になるように複数の永久磁石を各列内に並設して備えた交番磁界形成用磁石列を備えた電磁超音波トランスデューサのことであって、その構成例は特許文献２や特許文献３に開示されている。

特開平１０−２６７８９９号公報 特開２０００−８８８１６号公報 米国特許第４，５２２，０７１号明細書

しかしながら、特許文献２が目的とするところは、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサから発信される超音波の伝播方向を非測定領域に拡散しないようにすることであり，感度向上を目的とした発明ではない点に注意が必要である。

ところで、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサから送波されるＳＨ波の波長は、交互にＮ−Ｓ−Ｎ−Ｓ−‥‥と並べられた磁石のＮ−Ｓ一組分の長さに等しい。例えば、１つの磁石の厚さが２mmであれば、ＳＨ波の波長は４mmであり、鋼に対してＳＨ波を送受波する場合には、波長４mmは周波数およそ０．７５ＭＨｚに相当する。又、磁石の厚さを小さくすればＳＨ波の周波数を向上させることができる。しかし、薄い磁石は磁力が低下するため、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサの周波数の上限は１ＭＨｚ程度とされている。

球面振動子を用いて超音波ビームの集束を行う場合の集束係数Jは、
Ｊ＝Ｄ²／４・λ・Ｆ （１）
と表される。ここでＤ：振動子径（開口径）、λ：超音波の波長、Ｆ：焦点距離である。即ち、集束係数Ｊは開口径Ｄの２乗に比例し、波長λ及び焦点距離Ｆに反比例する。周波数を高くできないという前提に立って考えると、焦点距離Ｆを短く（小さく）し、開口径Ｄを大きくすることが有効であると言える。なお、（１）式は球面振動子を用いた３次元的なビームの集束の場合に成り立つが、表面ＳＨ波を表面沿いに送受波する場合にも近似的には成立する。

上記観点に立って、特許文献２に開示されたトランスデューサ構造を解析すると、開口径を大きくするための工夫がなされていないため、あまりビームの集束効果がなく、小さな感度向上しか期待できないことがわかる。

本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、開口径を大きくすることが可能なトランスデューサ構造を提供することにより、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサによって表面沿いに伝わるＳＨ波を送受波する場合の感度を向上させ、これによって球形の微小な欠陥の検出を可能ならしめることを課題とする。

本発明は、物体の表面沿いにＳＨ波を送信し、表面近くの内部欠陥や表面きずからのエコーを受信することにより、表面近くの内部欠陥や表面きずを検出するための超音波探傷用のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサであって、上下方向で極性が逆転し、かつ、円弧状の形状をした永久磁石を複数、交互に極性が変わるように配列した複数の扇形の交番磁界形成用磁石列を、極性の位相が異なるように隣り合わせて円環形に配列した磁石アレイと、該磁石アレイにおける円環形の中心に向かう放射状の成分を有する略８の字の外形を有する送信用渦巻きコイルと、前記送信用渦巻きコイルを所定角度回転させた位置にある、送信用渦巻きコイルと同等の形状をした受信用渦巻きコイルと、を備えることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記磁石アレイを、上下方向で極性が逆転し、かつ、開口角略９０°に相当する円弧状の形状をした永久磁石を複数、交互に極性が変わるように配列した扇形の交番磁界形成用磁石列を４個、隣合う磁石列の極性の位相が１８０°異なるようにして、円環形に配列したものとし、前記送信用渦巻きコイルを、前記４個の磁石列が円環形磁石アレイにおいて占める範囲をそれぞれ０〜９０°、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜３６０°としたときに、３１５°〜４５°および１３５°〜２２５°の範囲で円環形の中心に向かう放射状の成分を有する略８の字の外形を有するものとし、前記受信用渦巻きコイルが、該送信用渦巻きコイルを９０°回転させた位置にあるようにしたものである。

あるいは、前記磁石アレイを、上下方向で極性が逆転した複数の永久磁石を交互に極性が変わるように一列にならべた交番磁界形成用磁石列を開口角略９０°に相当する範囲内で円弧状に配列して、略扇形の交番磁界形成用磁石集合体を形成し、前記略扇形の交番磁界形成用磁石集合体を４個、隣合う磁石集合体の極性の位相が１８０°異なるようにして、円環形に配列したものとし、前記送信用渦巻きコイルを、前記４個の磁石列が円環形磁石アレイにおいて占める範囲をそれぞれ０〜９０°、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜３６０°としたときに、３１５°〜４５°および１３５°〜２２５°の範囲で円環形の中心に向かう放射状の成分を有する略８の字の外形を有するものとし、前記受信用渦巻きコイルが、該送信用渦巻きコイルを９０°回転させた位置にあるようにしたものである。

本発明は、又、前記のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサを用いて、物体の表面沿いにＳＨ波を送信し、表面近くの内部欠陥や表面きずからのエコーを受信することにより、表面近くの内部欠陥や表面きずを検出することを特徴とする超音波探傷方法を提供するものである。

本発明は、又、前記のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサと、該トランスデューサから物体の表面沿いにＳＨ波を送信する手段と、表面近くの内部欠陥や表面きずからのエコーを受信する手段と、該エコーにより表面近くの内部欠陥や表面きずを検出するための信号処理手段と、を備えたことを特徴とする超音波探傷装置を提供するものである。

本発明によれば、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサの開口径を大きくすることが可能となり、該ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサを用いて、表面が粗い、あるいは、高温な被検体の表層に存在する内部欠陥を検出するに当たり、大幅な感度向上を達成することができ、微小な内部欠陥を検出することが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１から図３に、本発明にかかわるＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサを構成するための円環形磁石アレイの構造を示す。

図１に示す第１実施形態の円環形磁石アレイ１０では、上下方向で極性が逆転し、かつ、開口角略９０°に相当する円弧状の形状をした永久磁石１２を複数、交互に極性が変わるように配列した扇形の交番磁界形成用磁石列１４ａ〜ｄを４個、隣合う磁石列の極性の位相が１８０°異なるようにして、円環形に配列している。図２は、図１の磁石アレイ１０の形状を立体的に示している。

図３に示す第２実施形態の磁石アレイ２０では、上下方向で極性が逆転した複数の永久磁石２２を交互に極性が変わるように一列にならべた交番磁界形成用磁石列２４を開口角略９０°に相当する範囲内で円弧状に配列して、略扇形の交番磁界形成用磁石集合体２６ａ〜ｄを形成し、該略扇形の交番磁界形成用磁石集合体２６ａ〜ｄを４個、隣合う磁石集合体の極性の位相が１８０°異なるようにして、円環形に配列している。

本発明にかかわるＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサを構成するための送波用コイル３０の構造を図４に示す。該送波用コイル３０は、渦巻きコイルを略８の字に構成している。前記コイル３０を図１あるいは図３の磁石と合わせたときに磁石と重なる部分は、円環形磁石の中心に向かうように放射状に形成している。

図５は受波用コイル４０の構造を示している。該受波用コイル４０は略８の字を横倒しにした形状の渦巻きコイルであり、送波用コイル３０と同様に、該コイルを図１あるいは図３の磁石と合わせたときに磁石と重なる部分は、円環形磁石の中心に向かうように放射状に形成している。

前記送波用コイル３０と受波用コイル４０を合わせたときの構造を図６に示す。両コイルは丁度直交するように配置される。なお、両コイルが重なる部分には絶縁体が介挿されていることは言うまでも無い。

図１あるいは図３に示した円環形の磁石アレイ１０、２０と、図６に示した送波用コイル３０および受波用コイル４０を重ねてＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサ５０、５２を構成したときの構造を図７及び図８に示す。これらの図面では、図１及び図３の磁石アレイ１０、２０の裏側から磁石アレイ１０、２０と送波用コイル３０及び受波用コイル４０との重なり具合を示している。

図９にトランスデューサ側面の４５°方向（図７又は図８のIX方向）から見た状態を示す如く、図７又は図８のように構成したＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサ５０又は５２を被検体８に対して所定のギャップＧを設けて当接させ、送波用コイル３０に高周波信号発生回路６０を、受波用コイル４０に高周波信号増幅回路６２を接続し、送波用コイル３０に高周波電流を通電すると、円環形磁石アレイ１０（２０）の３１５°〜４５°および１３５°〜２２５°の範囲の直下で円環形磁石アレイ１０（２０）の中心に向かうＳＨ波が送波される。円環形磁石アレイ１０（２０）の中心に球状の内部欠陥が存在すれば、これによって生起された反射波（エコー）は様々な方向に一様に伝搬するので、送波用コイル３０と直交する方向に置かれた受波用コイル４０によってエコーを受信して、信号処理回路６４で探傷出力を得ることができる。

本発明のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサでは、送波を行う開口角の合計が約９０°＋約９０°＝約１８０°と極めて大きいので、（１）式に示した集束係数Ｊを極めて大きくすることができる。受波についても同様の効果がある。従って本発明のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサによれば、感度を大幅に向上させることができ、また微小な球状欠陥からのエコーをＳ／Ｎ良く検出することが可能になる。

図１０は、本発明のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサを用いて、温度６００℃の連続鋳造スラブの表面下３mmの位置にあったφ５００μmの非金属介在物を検出したときの波形信号である。ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサとしては、図７に示したタイプのものを用いた。厚さ１．５mmの磁石を６個並べた構造をもつ円環形磁石アレイを用い、周波数１ＭＨｚのパルス波を送波コイルに通電することにより、周波数１ＭＨｚのＳＨ波を送波し、エコーを受波コイルにより受波した。ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサと被検体との間の距離は０．５mmとした。これにより、図１０に示したように、φ５００μmの微小欠陥をＳ／Ｎ≧１０dBにて検出することができた。

本発明に係るＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサの第１実施形態の磁石アレイを示す平面図 同じく斜視図 本発明に係るＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサの第２実施形態の磁石アレイを示す平面図 前記ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサの送波用コイルを示す平面図 同じく受波用コイルを示す平面図 同じく送波用コイルと受波用コイルを重ねた状態を示す平面図 前記ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサの第１実施形態を示す平面図 前記ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサの第２実施形態を示す平面図 前記実施形態を用いて探傷している状態を示す、トランスデューサの４５°方向（図７又は図８の矢印IX方向）から見た側面図 実施例の波形を示す線図

符号の説明

８…被検体
１０、２０…円環形磁石アレイ
３０…送波用コイル
４０…受波用コイル
５０、５２…ＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサ
６０…高周波信号発生回路
６２…高周波信号増幅回路
６４…信号処理回路

Claims (5)

1. 物体の表面沿いにＳＨ波を送信し、表面近くの内部欠陥や表面きずからのエコーを受信することにより、表面近くの内部欠陥や表面きずを検出するための超音波探傷用のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサであって、
   上下方向で極性が逆転し、かつ、円弧状の形状をした永久磁石を複数、交互に極性が変わるように配列した複数の扇形の交番磁界形成用磁石列を、極性の位相が異なるように隣り合わせて円環形に配列した磁石アレイと、
   該磁石アレイにおける円環形の中心に向かう放射状の成分を有する略８の字の外形を有する送信用渦巻きコイルと、
   前記送信用渦巻きコイルを所定角度回転させた位置にある、送信用渦巻きコイルと同等の形状をした受信用渦巻きコイルと、
   を備えたことを特徴とするＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサ。
2. 前記磁石アレイが、上下方向で極性が逆転し、かつ、開口角略９０°に相当する円弧状の形状をした永久磁石を複数、交互に極性が変わるように配列した扇形の交番磁界形成用磁石列を４個、隣合う磁石列の極性の位相が１８０°異なるようにして、円環形に配列したものとされ、
   前記送信用渦巻きコイルが、前記４個の磁石列が円環形磁石アレイにおいて占める範囲をそれぞれ０〜９０°、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜３６０°としたときに、３１５°〜４５°および１３５°〜２２５°の範囲で円環形の中心に向かう放射状の成分を有する略８の字の外形を有するものとされ、
   前記受信用渦巻きコイルが、該送信用渦巻きコイルを９０°回転させた位置にあることを特徴とする請求項１に記載のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサ。
3. 前記磁石アレイが、上下方向で極性が逆転した複数の永久磁石を交互に極性が変わるように一列にならべた交番磁界形成用磁石列を開口角略９０°に相当する範囲内で円弧状に配列して、略扇形の交番磁界形成用磁石集合体を形成し、前記略扇形の交番磁界形成用磁石集合体を４個、隣合う磁石集合体の極性の位相が１８０°異なるようにして、円環形に配列したものとされ、
   前記送信用渦巻きコイルが、前記４個の磁石列が円環形磁石アレイにおいて占める範囲をそれぞれ０〜９０°、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜３６０°としたときに、３１５°〜４５°および１３５°〜２２５°の範囲で円環形の中心に向かう放射状の成分を有する略８の字の外形を有するものとされ、
   前記受信用渦巻きコイルが、該送信用渦巻きコイルを９０°回転させた位置にあることを特徴とするＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサを用いて、物体の表面沿いにＳＨ波を送信し、表面近くの内部欠陥や表面きずからのエコーを受信することにより、表面近くの内部欠陥や表面きずを検出することを特徴とする超音波探傷方法。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載のＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサと、
   該トランスデューサから物体の表面沿いにＳＨ波を送信する手段と、
   表面近くの内部欠陥や表面きずからのエコーを受信する手段と、
   該エコーにより表面近くの内部欠陥や表面きずを検出するための信号処理手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。

Images