JP2006250911A

JP2006250911A - 電磁超音波探触子

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Publication number: JP2006250911A
Application number: JP2005072064A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nishikawa; 雅弘西川; Yusuke Otsuka; 裕介大塚
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: JP4734522B2

Abstract

【目的】高強度の超音波を発生することができ、所望の形状に容易に加工できる電磁超音波探触子を提供することである。
【構成】本発明に係る電磁超音波探触子は、複数個の単位磁石を配列した磁石体と、この磁石体と被測定対象物の間に電流が流れる電線を有して、被測定対象物中に電磁力によって超音波を送信する又は被測定対象物中に伝播する超音波を受信する電磁超音波探触子において、前記単位磁石が単位電磁石から形成され、発生する磁界の方向が交互に反転するように前記単位電磁石を複数個配列して電磁石体を構成し、この電磁石体から発生する磁界の強さを自在に調整できる電磁超音波探触子である。また、前記単位磁石体を構成する励磁コイルを所望の形状に巻回又は変形することにより、設置位置や被測定対象物の形状に応じて、電磁超音波探触子の形状を決定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定対象物の非破壊検査や厚さ測定などに用いられる電磁超音波探触子に関し、更に詳細には、前記電磁超音波探触子の磁石体を構成する単位磁石が励磁コイルから形成される電磁超音波探触子に関する。

電磁超音波探触子は、電磁相互作用により導電体内に超音波を発生させることができ、永久磁石からなる複数の単位磁石と電流線から構成されている。従来の電磁超音波探触子を用いた流体温度測定方法や金属試料の検査方法が本発明者等の一部により特開２００１−７４５６７号公報（特許文献１）及び特開２００１−７４７５９号公報（特許文献２）に開示されている。特許文献２では、超音波の伝播特性の変化を利用して金属材料の材質劣化を検出している。ステンレス鋼等の金属材料を長時間使用すると材質の劣化が発生し、このような材質劣化が生じた領域では超音波の伝播特性が変化する。従って、電磁超音波探触子から発生する超音波ビームを用いて金属試料中を走査し、その反射ビームを検出することにより材質劣化の有無を判定することができる。

図２２は、特許文献１及び２における従来の電磁超音波探触子の説明図である。磁石体１０２は、磁極を相互に反転させながら組み合わされた複数個の単位永久磁石１０６から構成されている。電流線１０４に高周波電流を流すと、被測定対象試料１０８内に渦電流１１０が流れる。この渦電流１１０は、前記単位永久磁石１０６の磁力線ｍと相互作用して、ローレンツ力ｆが作用する。このローレンツ力Ｆが被測定物内の金属に、高周波電流と同じ振動数の縦波超音波が発生する。

図２３は従来の電磁超音波探触子による横波超音波発振機構の説明図である。横波超音波を発生するためには、図２３における単位永久磁石１０６に対する電流線１０４の配置を変更すれば良く、横波超音波を発生する電磁超音波探触子も複数個の単位永久磁石１０６を直列に配列した磁石体１０２と電流線１０４から構成され、この電流線１０４は前記磁石体１０２に巻回されている。前記単位永久磁石１０６の磁石厚ｄは全て等しく設計され、隣り合う単位永久磁石１０６が密着して磁極が交互に反転するように配列されている。

前記電流線１０４に高周波電流を矢印方向に通電すると、電磁相互作用により被測定対象物１０８の表層部分に矢印方向の渦電流１１０（誘導電流）が流れる。この渦電流１１０は単位永久磁石１０６より形成される磁場ｍ（点線矢印）と相互作用することにより被測定対象物１０８内のローレンツ力ｆが作用する。このローレンツ力１１０は、超音波１１２の進行方向に対して垂直方向に発生するから、被測定対象物１０８内に横波超音波１１２が発生する。

また、横波か縦波であるかに関わらず、超音波の波長をλ、単位永久磁石１０４の磁石厚をｄ、超音波の入射角をθとしたとき、各超音波の行路差をδとすると、δ＝λ／2（ここで、δ＝ｄｓｉｎθ）の関係式を満たす方向へ超音波は強め合う。被測定対象物１０８の厚さが磁石厚ｄより十分大きいとき、強め合う超音波は指向性のある超音波ビームを形成する。
特開２００１−７４５６７号公報特開２００１−７４７５９号公報

図２１及び図２２に示した従来の電磁超音波探触子によって発生する超音波の強度は、電磁超音波探触子を構成する単位永久磁石から発生する磁界の強度と電流線を流れる電流量に依存する。また、永久磁石を用いた場合、電磁超音波探触子として十分な強度の磁界を得るために所定以上の大きさが必要とされ、従来の電磁超音波探触子を小型化することは困難であった。

更に、従来の電磁超音波探触子を構成する永久磁石は硬質な材料から形成されるから、前記永久磁石を切削したり、湾曲させるためには、特殊な加工技術必要とされ、従来の電磁超音波探触子を簡易に所望の形状に加工することは困難であった。従って、被測定対象物の形状や設置されるスペースに応じて、所望の形状を有する電磁超音波探触子を製造することにより、その製造コストを大幅に増加させていた。

従って、本発明の目的は、高強度の超音波を生起できると共に、超音波のパルス幅やパルス間隔を自在に調整でき、容易に所望の形状に加工できる電磁超音波探触子を提供することである。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の第１の形態は、１複数個の単位磁石を配列した磁石体と、この磁石体と被測定対象物の間に電流が流れる電線を有して、被測定対象物中に電磁力によって超音波を送信する又は被測定対象物中に伝播する超音波を受信する電磁超音波探触子において、前記単位磁石が単位電磁石から形成され、発生する磁界の方向が交互に反転するように前記単位電磁石を複数個配列して電磁石体を構成し、この電磁石体から発生する磁界の強さを自在に調整できる電磁超音波探触子である。

本発明の第２の形態は、前記単位電磁石が、複数個直列に配列されて電磁石体を形成し、この電磁石体が複数個並列に配列される電磁超音波探触子である。

本発明の第３の形態は、前記単位電磁石が、励磁コイルを板状に巻回して形成された板状電磁石である電磁超音波探触子である。

本発明の第４の形態は、前記単位電磁石が、励磁コイルを板状に巻回した板状電磁石の両端を同一方向に折曲して形成された凹状電磁石である電磁超音波探触子である。

本発明の第５の形態は、前記単位電磁石が、芯体に励磁コイルが同一方向に巻回された領域と、この領域に隣接する励磁コイルの巻回方向が逆方向の領域から構成される電磁超音波探触子である。

本発明の第６の形態は、前記芯体が絶縁体、磁性体又は非磁性体から形成される電磁超音波探触子である。

本発明の第７の形態は、前記電磁石体に放熱手段が設置される電磁超音波探触子である。

本発明の第８の形態は、少なくともコイル及びコンデンサーから構成されるＬＣ回路を含む電圧印加手段が前記電磁石体に接続され、この電圧印加手段により所望の時間幅及び強度を有するパルス磁場を発生させる電磁超音波探触子である。

本発明の第９の形態は、前記ＬＣ回路が複数段直列に接続される電磁超音波探触子である。

本発明の第１０の形態は、前記単位電磁石の磁石幅方向の中点に対応する被測定対象物表面の超音波発振点と焦点とを線分で結んだとき、前記超音波の波長をλとすると、隣り合う線分の長さがλ／２づつずれることによって焦点に収束する超音波が強め合うように前記単位電磁石が配設される電磁超音波探触子である。

本発明の第１１の形態は、前記単位電磁石が扇状に形成された扇状単位電磁石であり、磁石長の異なる前記扇状単位電磁石を前記磁石長が小さなものから大きなものへ順次配列して前記磁石体が扇状になるように構成される電磁超音波探触子である。

本発明の第１２の形態は、第１〜１１の形態のいずれかの電磁超音波探触子を超音波送信器及び／又は超音波受信器として具備する超音波測定装置である。

本発明の第１の形態によれば、被測定対象物中に伝播する超音波を送受信する電磁超音波探触子が単位電磁石から形成され、発生する磁界の方向が交互に反転するように前記単位電磁石を複数個配列して電磁石体を構成するから、所望の強度の磁界を生じさせ、この磁界と電流線により被測定対象物中に誘起される渦電流との電磁相互作用により、高強度の超音波を発生させることができる。更に、前記単位電磁石を構成する励磁コイルの巻き方は自在に設計することができ、励磁コイルからなる単位磁石はフレキシブルであるから、本発明に係る電磁超音波探触子は、設置位置や被測定対象物の形状に応じて所望の形状に設計することができる。また、本発明に係る電磁超音波探触子は、小型化及び軽量化を行う場合、印加電圧を増大させることにより、従来の電磁超音波探触子と同程度かそれ以上の強度を有する超音波を発生させることができる。

本発明の第２の形態によれば、前記単位記電磁石が複数個直列に配列されて電磁石体を形成するから、前記超音波は所定の方向に強め合いながら超音波ビームとして伝播させることができる。更に、前記電磁石体が複数個並列に配列されるから、所望の大きさ及び形状を有する領域に前記超音波を発生させることができる。本発明に係る単位電磁石は励磁コイルから形成され、この励磁コイルを所望の大きさに設定することは容易であり、前記単位電磁石を複数個直列に配列しても、小型で軽量な超音波探触子を形成することができる。また、直列に配列される前記単位電磁石の幅が同一である場合、超音波の強め合う方向は、超音波の波長と前記単位電磁石の幅から一意的に決定されるから、前記超音波ビームの伝播方向を容易に設定することができる。

本発明の第３の形態によれば、前記単位電磁石が励磁コイルを板状に巻回して形成された板状電磁石であるから、電磁超音波探触子を薄型化することができる。この薄型化された電磁超音波探触子は複数層重ねることができ、超音波の強度を増大させることができる。更に、前記励磁コイルはフレキシブルであるから、前記板状電磁石を設置位置や被測定対象物の形状に応じて湾曲させる等の変形加工を容易に施すことができる。

本発明の第４の形態によれば、前記単位電磁石が励磁コイルを板状に巻回した板状電磁石の両端を同一方向に折曲して形成された凹状電磁石であるから、この凹状電磁石の被測定対象物に対向する面が励磁コイルの逆向きに電流が通電する対向面のみから構成され、前記測定対象物の広い範囲に均一な磁界を印加することができる。前記板状電磁石が長軸方向を有するように巻回されてトラック型に形成された場合、前記板状電磁石の長軸方向の両端を同一方向に折曲することにより、前記単位磁石の対向面でその両側に逆方向の電流が直線的に通電され、被測定対象物により均一な磁界を印加することができる。

本発明の第５の形態によれば、前記単位電磁石が、芯体に励磁コイルが同一方向に巻回された領域と、この領域に隣接する励磁コイルの巻回方向が逆方向の領域から構成されるから、前記測定対象物に均一な磁界を印加することができる。更に、前記被測定対象物の表面形状に応じて前記芯体の形状を選択すれば、高効率に超音波を発生させることができ、被測定対象物表面が平面である場合、矩形の芯体に前記励磁コイルを巻回することにより、前記被測定対象物中に高効率に超音波を発生させることができる。

本発明の第６の形態によれば、前記芯体が絶縁体又は非磁性体から形成される場合、前記励磁コイルからの磁界のみが超音波の発生に寄与し、所望の超音波を高精度に発生させることができる。前記絶縁体材料又は非磁性体材料としては、アクリルやカプトン等のプラスチック材料やＳｉＯ_２などのガラス材料等を用いることができる。また、非磁性材料にエナメル樹脂、ポリイミド樹脂やゴム材料等の絶縁被膜を被覆して前記芯体として用いることができる。前記芯体が磁性体から形成される場合、励磁コイルの磁界によって前記磁性体が磁化され、前記電磁石体による磁界が増強されるから、超音波の発振効率が向上すると共に、高強度の超音波を発生させることができる。

本発明の第７の形態によれば、前記電磁石体に放熱手段が設置されるから、前記励磁コイルの抵抗によって発生する熱を外部に放出し、このような発熱による被測定対象物の変化や励磁コイルの電気特性の変化を防止することができ、本発明に係る電磁超音波探触子による高精度な探傷を実現することができる。前記放熱手段としては、熱伝導性の高い銅などの金属材料や種々の材料を用いることができる。

本発明の第８の形態によれば、少なくともコイル及びコンデンサーから構成されるＬＣ回路を含む電圧印加手段が前記電磁石体に接続されるから、コンデンサーに蓄えられた電荷を放電させる際の電流からパルス電圧を発生させることができる。従って、このパルス電圧により発生するパルス磁界と電流線によって誘起される渦電流の電磁相互作用により、パルス超音波を発生させることができる。また、前記電圧印加手段により所望の時間幅及び強度を有するパルス磁場を発生させることにより、超音波を発生させることができる。

本発明の第９の形態によれば、前記ＬＣ回路が複数段直列に接続されることにより、位相の異なる複数の電流が重ね合わされ、より矩形に近いパルス電圧を出力することができ、安定に矩形パルス超音波の発生をさせることができる。従って、被測定対象物中の高精度な探傷を可能にする電磁超音波探触子を提供することができる。

本発明の第１０の形態によれば、前記単位電磁石の磁石幅方向の中点に対応する被測定対象物表面の超音波発振点と焦点とを線分で結んだとき、前記超音波の波長をλとすると、隣り合う線分の長さが略λ／２づつずれることによって焦点に収束する超音波が強め合うように前記単位電磁石が配設されるから、高強度の収束超音波を発生させることができる。前記単位電磁石は、前記励磁コイルを所望の形状に巻回させることができるから、収束超音波を発生させる電磁超音波探触子を簡易に製造することができる。

本発明の第１１の形態によれば、前記単位電磁石が扇状に形成された扇状単位電磁石であり、磁石長の異なる前記扇状単位電磁石を前記磁石長が小さなものから大きなものへ順次配列して前記磁石体が扇状になるように構成されるから、超音波を被測定対象物中の所定位置に収束させることができ、高効率に探傷走査等を行うことができる。前記単位電磁石において、その中点から超音波が強め合う方向に延ばした線上の所定位置と、前記中点以外の位置から超音波が強め合う方向とが一致するように前記単位磁石体が設計されている。更に、各単位磁石の幅を各々の超音波の焦点が一致するように設計することにより高強度の収束超音波を発生させることができる。

本発明の第１２の形態によれば、本発明に係る電磁超音波探触子を超音波送信器及び／又は超音波受信器として具備することにより、高出力で高感度な超音波測定装置を提供することができる。本発明に係る電磁超音波探触子は、超音波送信機として用いれば、前記励磁コイルに印加する電圧を自在に調整することができ、被測定対象物に高強度の超音波を発生させる超音波測定装置を提供することができる。更に、本発明に係る電磁超音波探触子を超音波受信機として用いれば、微弱な超音波振動に対しても大きな渦電流が発生するから、微弱な超音波信号を観測できる超音波測定装置を提供することができる。

以下に、本発明に係る電磁超音波探触子の実施形態を図面に従って詳細に説明する。

図１は本発明に係る電磁超音波探触子の構成概略図である。電磁超音波探触子は、電磁石体２とこの電磁石体２の下面に配置された電流線４から構成され、前記電磁石体２は複数個の単位電磁石６が直列に配列されている。前記単位電磁石２は励磁コイルから形成され、この励磁コイルの電流方向６ａ、６ｂが交互に反転するように各単位磁石６が配列されている。従って、前記単位電磁石６に電圧を印加すると、前記励磁コイルに電流が流れ、電磁誘導により磁極が交互に反転する磁界Ｍが発生する。前記単位電磁石６の配列個数は自在に調整できるが、図１では３個の単位電磁石６が配列されている。

前記電流線４に高周波電流を矢印方向４ａに通電すると、電磁相互作用により被測定対象物８の表層部分に渦電流１０（誘導電流）が矢印方向１０ａに流れる。この渦電流１０は単位電磁石６によって形成される磁場Ｍと相互作用して、前記被測定対象物８内にローレンツ力Ｆを生起する。このローレンツ力Ｆにより被測定対象物１４内に高周波電流と同じ周波数の超音波１２が発生する。

前記単位電磁石６における磁石幅方向の中点で発生する超音波１２と隣接する単位電磁石６との間に発生する超音波１２とでは、磁界Ｍの向きが反転していることにより互いに逆向きのローレンツ力Ｆが作用し、前記超音波の位相がπずれている。従って、各超音波１２の走行距離が行路となり、これらの行路を伝播する超音波の波長をλとすると、これらの行路の差（行路差）δがλ／２ずれたとき、各超音波１２が強め合う。即ち、前記単位電磁石体６の幅Ｗが同一の場合、超音波が強め合う方向は条件（Ｗ／２）・ｓｉｎθ＝λ／２が満足される方向であり、θ＝ｓｉｎ^−１（λ／Ｗ）の関係式を満たす入射角θの方向となる。ここで、波長λは電流線に通電する高周波電流の振動数ｆに対し、λ＝Ｖ／ｆ（Ｖは音速）の関係を持ち、振動数ｆを決めれば発生する全ての超音波の波長λは等しくなる。

図２は、本発明に係る板状単位電磁石６の構成概略図である。前記励磁コイル６ｃを板状に巻回することにより、矩形の単位電磁石６が形成され、励磁コイル６ｃがこの単位電磁石６の厚さＴとなるように構成されている。しかし、単位電磁石６の厚さＴは、前記線径に限定されるものではない。また、前記励磁コイル６ｃの接続線７は、外部電源又は隣接する他の励磁コイルに接続される。図に示すように、前記励磁コイル６ｃが直角に折り曲げられることにより、この励磁コイル６ｃに流れる電流が直線的に通電され、前記単位磁石６における電流方向６ａ、６ｂが完全に逆向きになるように形成されている。

図３は、本発明に係る板状電磁石体２の概略構成図である。（３Ａ）は前記板状電磁石体の平面概略図を示しており、幅Ｗと長さＬが等しい各単位電磁石６が５個直列に配列されて電磁石体２が形成され、この電磁石体２が２列に並列されて電磁超音波探触子の電磁石部が構成されている。このような電磁石体を並列に配設することにより、均一な超音波の平面波が生起され、高精度に探傷することができる。

（３Ｂ）は、前記板状電磁石体２の断面概略図を示している。上述のように、電流方向６ａ、６ｂが交互に反転するように前記単位電磁石６が直列に配列され、電流を通電させることにより幅方向に交互に反転する磁界Ｍが発生する。前記単位電磁石６の厚さＴは、前記励磁コイル６ｃの線径と厚さ方向の巻数から決定される。本発明に係る超音波探触子は前記励磁コイル６ｃの厚さ方向の巻数が１巻である場合においても、十分な強度を有する磁界を発生することができ、厚さ方向の巻数が少ないほど励磁コイル６ｃの抵抗によって生じる熱量を好適に外部に放出することができる。また、前記板状電磁石体２に熱伝導性の高い絶縁材料等を付設して放熱手段として用いることができる。

図４は、コーティングフィルム１４が被覆された電磁石体２の概略構成図である。被測定対象物８は導電体であるため、前記電磁石体２は絶縁膜により被覆される必要がある。（４Ａ）は前記コーティングフィルム１４が被覆された電磁石体２の平面図である。前記電磁石体２を両面からコーティングフィルム１４により被覆することにより、供給される電流が被測定対象物８に漏洩することを防止することができる。また、コーティングフィルム１４の外部に露出する接続線７も絶縁被膜により被覆される。（４Ｂ）は（４Ａ）の断面図を示しており、コーティングフィルム１４が前記電磁石体２の両面から被覆されている。このコーティングフィルム１４の厚さは、電磁超音波探触子が配設されるスペースや最大電流量に応じて適宜に選択することができる。また、上述の実施例では、コーティングフィルム１４による絶縁方法を示したが、本発明に係る電磁石体２の絶縁被覆は、前記コーティングフィルム１４に限定されるものではなく、前記励磁コイル自身が確実に絶縁被覆されれば、種々の被覆材料を用いることができ、例えば、絶縁性を有する塗料により被覆することもできる。

図５は、本発明に係る２層構造の電磁石部の概略構成図である。板状電磁石体２は、厚さＴが励磁コイル６ｃの線径程度であり、所望の強度を有する磁界を発生させるために複数の電磁石体２から層構造を形成することができる。２層の電磁石体２からなる電磁石部は、これらの電磁石体の夫々にコーティングフィルム１４が被覆され、電流がもう一方の電磁石体２へ漏洩することが防止されている。また、前記電磁石体２間の距離ｄは適宜に決定することができ、好適には互いの熱が伝導しない程度に離される。また、前記電磁石体２間のコーティングフィルムは１枚でもよい。

図６は、本発明に係るトラック型単位電磁石６の概略図である。前記単位磁石６は、反対称の電流方向６ａ、６ｂが構成されていれば、図に示すように前記励磁コイル６ｃが湾曲状に巻回することができる。このような場合、電流方向６ａ、６ｂが逆向きに流れる直線部分が十分な長さを有するように、トラック型に形成されることが好ましく、前記トラック型に形成された板状電磁石の両端を同一方向に折曲することにより、効率的に前記単位磁石６を配列して前記電磁石体２を形成することができ、以下に詳述する。

図７は、本発明に係る凹状単位電磁石の概略図である。（７Ａ）は前記トラック型に巻回された単位電磁石６の概略図を示しており、この単位電磁石６は湾曲部１６、１６及び直線部１８から構成される。（７Ｂ）は凹状単位電磁石の概略図であり、前記湾曲部１６、１６が同一方向に折曲されて形成されている。効率的に前記単位磁石６を配列して前記電磁石体２を形成することができ、更には励磁コイル６ｃの湾曲部１６、１６により生じる磁界の効果が抑制され、被測定対象物により均一な磁界を印加することができる。

図８は、本発明に係る凹状単位電磁石６から構成される電磁石部の概略図である。前記凹状単位電磁石６を直列に配列して形成された前記電磁石体２、２が並列に配設されて前記電磁石部が形成されている。図に示すように、前記凹状単位電磁石６の湾曲部１６が折曲されることにより、各単位電磁石６を効率的に配列することができ、この電磁石部による磁界により均一な超音波を発生させることができる。また、各電磁石体２、２は、夫々、前記コーティングフィルム１４により被覆することができ、更には絶縁体及び／又は非磁性体からなるパッキング部材２０に収納しても良い。

図９は、芯体に励磁コイルが巻回された電磁石体２の概略図である。前記単位電磁石６は、前記芯体２２に励磁コイル６ｃが逆向きに巻回された一対の巻回領域２４から構成される。従って、前記単位電磁石６の中央とこれに隣接する単位磁石６との間に磁界Ｍが発生する。しかし、前記芯体２２に励磁コイル６ｃを巻回する場合、前記巻回領域２４が一対以上形成すれば、前記単位磁石体６を最小単位とする必要が無く、図に示されるように、前記電磁石体２は奇数個の巻回領域２４から構成される。前記芯体２２は、絶縁体又は非磁性体から形成され、前記励磁コイル６ｃからの磁界のみが超音波の発生に寄与する。前記絶縁体材料及び／又は非磁性体材料としては、アクリルやカプトン等のプラスチック材料やＳｉＯ_２などのガラス材料等が用いられる。

図１０は、本発明に係る電磁石体２の断面概略図である。（１０Ａ）は絶縁被膜２２ｂを有する芯体２２の断面概略図であり、この芯体２２は、非磁性材料２２ａにエナメル樹脂、ポリイミド樹脂又はゴム材料等の絶縁被膜２２ｂを被覆して形成される。（１０Ｂ）は、放熱手段２２ｃを具備する電磁石体２の断面概略図である。前記単位電磁石６は抵抗によって発熱するため、この熱を外部に放出する放熱手段２２ｃを配設することができる。前記放熱手段２２ｃは、熱伝導性の高い銅などの金属材料や高い熱伝導性を有する種々の材料から形成される。

図１１は、並列に配列された電磁石体２の概略図である。図３や図８に示した電磁石部１と同様に、前記芯体２２に励磁コイルが巻回された２つの電磁石体２を互いの電流方向６ａが逆向きとなるように並設して電磁石部１が構成される。図に示すように、前記芯体２２が矩形である場合、前記電磁石体２が効率的に配設され、所定の範囲内に均一な超音波を発生させることができる。

図１２は、本発明に係るパルス形成回路の概略図である。このパルス発生回路は、コイル２６、コンデンサー２８及び負荷抵抗３１から構成され、この負荷抵抗は電磁超音波探触子を構成する励磁コイルに対応している。コンデンサーに蓄えられた電荷は電流Ｉ_１と電流Ｉ_２として合流点３０で足し合わされて合成電流Ｉとなる。このとき、前記電流Ｉ_１と電流Ｉ_２は経路の違いにより位相差が生じる。

図１３は、図１２に示したパルス形成回路における電流の時間変化を示す測定図である。ここで、図中の一点差線は、図１２における前記電流Ｉ_１の時間変化、点線は電流Ｉ_２の時間変化、実線は合成電流Ｉの時間変化を示している。上述のように、前記電流Ｉ_１と電流Ｉ_２に位相差が生じることにより、これらの合成電流Ｉにはパルス電流が形成される。このようなパルス電流は、複数段直列に接続されるＬＣ回路の数を増加するに従って、より矩形に近いパルス形状が形成される。このようなパルス形成回路を前記電磁石体２に接続することにより、好適なパルス超音波を発生させることができる。

図１４は、複数段直列に接続されたパルス形成回路の概略図である。ＬＣＲ回路からなる各ユニットは、インダクタンスＬが１μＨのコイル２６、容量が０．６３μＦのコンデンサー２８及び抵抗値が０．０３Ωの抵抗３２から構成され、最後のユニットのみがインダクタンスＬが３μＨのコイル２６、容量が０．６３μＦのコンデンサー２８及び抵抗値が０．１Ωの抵抗３２から構成されている。更に、前記パルス形成回路には励磁コイル部３５が配設され、電圧計３７による励磁コイル部の放電電圧の測定結果は、図１６に示されている。

図１５は、本発明に係る電磁超音波探触子を用いたパルス超音波の測定配置図である。超音波送信器３４は、本発明に係る電磁超音波探触子から構成され、この電磁超音波探触子を構成する励磁コイルには、図１４に示したパルス形成回路が接続されている。更に、板状、凹状及び巻回型の夫々の電磁石体から形成される３種類の電磁超音波探触子を準備し、各電磁超音波探触子を用いて超音波の測定が行われている。また、このパルス形成回路には前記ユニットが１１段接続されている。印加電圧の最大値は１５００Ｖ、放電周期が１Ｈｚ、励磁コイルの特性インピーダンスが１．３Ωに設定され、前記励磁コイルに印加されるパルス電圧の時間幅が１６μｓとなるように設計されている。被測定対象物８に前記超音波送信器３４と超音波受信器３６が載置され、この超音波受信器としては、従来の永久磁石を用いた電磁超音波探触子を用いている。この測定において、前記超音波送信器３４と超音波受信器の間隔Ｄｐは、約３００ｍｍに設定されている。

図１６は、図１４における励磁コイル部３５の放電電圧（Discharge Voltage）の波形図である。図に示した放電電圧の波形は、図１４に示した電圧計３７による測定結果であり、実線は板状単位電磁石を形成する励磁コイル、一点鎖線は凹状単位電磁石を形成する励磁コイル、破線は巻回型単位電磁石を形成する励磁コイルからの放電電圧を示している。これらの結果から各励磁コイルには、前記パルス形成回路によって好適なパルス電圧が印加されたことが分かる。

図１７は、本発明に係る電磁超音波探触子と従来の電磁超音波探触子を用いた受信超音波信号の比較図である。図に示される２つのパルス波形信号は永久磁石を用いた電磁超音波探触子（ＰＰＭ構造ＥＭＡＴ）によって生起された超音波と電磁石を用いた電磁超音波探触子（パルス磁場ＥＭＡＴ）によって生起された超音波とを同一の受信器により受信された信号波形を示している。前記ＰＰＭ構造ＥＭＡＴによって生起された超音波の受信信号より、前記パルス磁場ＥＭＡＴによって生起された超音波の受信信号は、強度の大きく、明確なパルス信号が得られている。更に、本発明に係る電磁超音波探触子の場合、励磁コイルへの印加電圧を更に増大させることができ、更に強度が強く、明確な受信信号を得ることができる。

図１８は、励磁コイルに対する起磁力（Magneticmotive force）に対する超音波信号強度（Signal Intensity）の波形図である。ここで、起磁力は励磁コイルの巻数×電流密度で定義される。前記信号強度は、図１５に示したように、本発明に係る電磁超音波探触子によって送信された超音波を前記超音波受信器３６によって測定した信号である。本発明に係る電磁超音波探触子による超音波の信号強度は起磁力の増加に伴って増大し、４０００ＡＴに近付くと従来のＰＰＭ構造ＥＭＡＴによる超音波の信号強度を越え、４０００ＡＴ以上では従来のＥＭＡＴより大きな超音波の信号強度が得られている。

図１９は、本発明に係る非対称超音波探触子の概略図である。この非対称電磁超音波探触子は、各単位電磁石６の磁石幅Ｗ_０・・・Ｗ_ｎが幅方向に大から小へと変化する非対称配列を特徴として有している。電磁石体２は、隣り合う磁極が交互に反転する単位電磁石６から構成されている。前記励磁コイルから形成される単位電磁石６は、その大きさを自在に調整できるから、前記非対称超音波探触子を容易に作製することができる。

図２０は、本発明に係る非対称電磁超音波探触子の説明図である。被測定対象物表面８ａにおいて、最大幅を有する単位電磁石６に対応する超音波発振点４０ａから射出される超音波の走行距離を行路４２ａとする。この行路４２ａに垂直な面が波面４４ａとなる。これらの行路４２ａを伝播する超音波１２の波長をλとすると、これらの行路４２ａの差（行路差）δがλ／２ずれたとき、前記波面４４ａにおいて各超音波が強め合う。同様に、最小幅を有する単位磁石体６に対応する超音波発振点４０ｂ、４０ｂと波面４４ｂと結んだ行路４２ｂに対して、これらの行路差δがλ／２ずれたとき、波面４４ｂにおいて超音波が強め合う。これらの超音波は、図示するように、焦点４５に収束して収束超音波を形成する。

図２１は、扇型構造を持つ電磁石体２の平面図である。電磁石体２を構成する単位電磁石６は平面形状が扇型に形成され、長さＬ_ｎが大きいものから小さなものへ順次配列されている。前記単位電磁石６において、超音波が強め合う方向（破線矢印）の先端位置が一致するように前記電磁石体２が設計されている。本発明に係る単位電磁石６は励磁コイル６ｃから形成されるからフレキシブルであり、容易に扇型構造の単位電磁石６を形成することができる。更に、前記単位電磁石６の長さＬ_ｎが大きなものは磁石幅Ｗを小さく、長さＬ_ｎが小さい単位磁石体の磁石幅Ｗを大きく形成することにより、超音波ビームの焦点における強度を一層増強することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例や設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。

本発明に係る電磁超音波探触子は、超音波の強度、パルス幅及び／又はパルス周期などを自在調整できるから、超音波測定装置や探傷装置の超音波送信器として用いることにより、流体温度測定方法や金属試料の検査方法の精度を格段に向上させることができる。高強度で高周波の超音波を金属材料等の被測定対象物中に発生させることにより、微細な材質劣化を検出することができる。更に、前記電磁超音波探触子は、印加電圧を自在に調整することにより、高感度の超音波受信器として用いることができる。従って、本発明に係る電磁超音波探触子を用いることにより、原子力発電所や有害な化学物資を取り扱う化学プラント等において、非破壊及び／又は非接触で金属材料中の材料劣化や金属管中の流体温度等を高精度に測定することができる。

本発明に係る電磁超音波探触子の構成概略図である。本発明に係る板状単位電磁石の構成概略図である。本発明に係る板状電磁石体の概略構成図である。コーティングフィルム１４が被覆された電磁石体の概略構成図である。本発明に係る２層構造の電磁石部の概略構成図である。本発明に係るトラック型単位電磁石の概略図である。本発明に係る凹状単位電磁石の概略図である。本発明に係る凹状単位電磁石から構成される電磁石部の概略図である。芯体に励磁コイルが巻回された電磁石体の概略図である。本発明に係る電磁石体の断面概略図である。並列に配列された電磁石体２の概略図である。本発明に係るパルス形成回路の概略図である。図１２に示したパルス形成回路における電流の時間変化を示す測定図である。複数段直列に接続されたパルス形成回路の概略図である。本発明に係る電磁超音波探触子を用いたパルス超音波の測定配置図である。図１４における励磁コイル部の放電電圧（Discharge Voltage）の波形図である。本発明に係る電磁超音波探触子と従来の電磁超音波探触子を用いた受信超音波信号の比較図である。励磁コイルに対する起磁力（Magneticmotive force）に対する超音波信号強度（Signal Intensity）の波形図である。本発明に係る非対称超音波探触子の概略図である。本発明に係る非対称電磁超音波探触子の説明図である。扇型構造を持つ電磁石体の平面図である。従来の電磁超音波探触子の説明図である。従来の電磁超音波探触子による横波超音波発振機構の説明図である。

符号の説明

１電磁石部
２電磁石体
４電流線
４ａ矢印
６単位磁石体
６ａ電流方向
６ｂ電流方向
６ｃ励磁コイル
７接続線
８被測定対象物
１０渦電流
１２超音波
１４コーティングフィルム
１６湾曲部
１８直線部
２０パッキング部材
２２芯体
２２ａ絶縁被膜
２２ｂ非磁性材料
２２ｃ放熱手段
２４巻回領域
２６コイル
２８コンデンサー
３０合流点
３１負荷抵抗
３２抵抗
３３パルス形成回路
３４超音波送信器
３５励磁コイル部
３６超音波受信器
３７電流計
４０ａ超音波発信点
４０ｂ超音波発信点
４２ａ行路
４２ｂ行路
４４ａ波面
４４ｂ波面
４５焦点
１０２磁石体
１０４コイル（電流線）
１０６単位永久磁石
１０８試料
１１０渦電流
Ｄｐ間隔
ｄ距離
Ｆローレンツ力
ｆローレンツ力
Ｌ長さ
Ｍ磁界
ｍ磁界
Ｔ厚さ
Ｗ幅
θ 入射角
δ 行路差

Claims

複数個の単位磁石を配列した磁石体と、この磁石体と被測定対象物の間に電流が流れる電線を有して、被測定対象物中に電磁力によって超音波を送信する又は被測定対象物中に伝播する超音波を受信する電磁超音波探触子において、前記単位磁石が単位電磁石から形成され、発生する磁界の方向が交互に反転するように前記単位電磁石を複数個配列して電磁石体を構成し、この電磁石体から発生する磁界の強さを自在に調整できることを特徴とする電磁超音波探触子。
前記単位記電磁石が複数個直列に配列されて電磁石体を形成し、この電磁石体が複数個並列に配列される請求項１に記載の電磁超音波探触子。
前記単位電磁石は、励磁コイルを板状に巻回して形成された板状電磁石である請求項１又は２に記載の電磁超音波探触子。
前記単位電磁石は、励磁コイルを板状に巻回した板状電磁石の両端を同一方向に折曲して形成された凹状電磁石である請求項１又は２に記載の電磁超音波探触子。
前記単位電磁石は、芯体に励磁コイルが同一方向に巻回された領域と、この領域に隣接する励磁コイルの巻回方向が逆方向の領域から構成される請求項１又は２に記載の電磁超音波探触子。
前記芯体が絶縁体、磁性体又は非磁性体から形成される請求項５に記載の電磁超音波探触子。
前記電磁石体に放熱手段が設置される請求項１〜６のいずれかに記載の電磁超音波探触子。
少なくともコイル及びコンデンサーから構成されるＬＣ回路を含む電圧印加手段が前記電磁石体に接続され、この電圧印加手段により所望の時間幅及び強度を有するパルス磁場を発生させる請求項１〜７に記載の電磁超音波探触子。
前記ＬＣ回路が複数段直列に接続される請求項８に記載の電磁超音波探触子。
前記単位電磁石の磁石幅方向の中点に対応する被測定対象物表面の超音波発振点と焦点とを線分で結んだとき、前記超音波の波長をλとすると、隣り合う線分の長さがλ／２づつずれることによって焦点に収束する超音波が強め合うように前記単位電磁石が配設される請求項１〜９のいずれかに記載の電磁超音波探触子。
前記単位電磁石が扇状に形成された扇状単位電磁石であり、磁石長の異なる前記扇状単位電磁石を前記磁石長が小さなものから大きなものへ順次配列して前記磁石体が扇状になるように構成される請求項１〜１０のいずれかに記載の電磁超音波探触子。
請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁超音波探触子を超音波送信器及び／又は超音波受信器として具備することを特徴とする超音波測定装置。