JP2008096171A - 電磁超音波センサ及び電磁超音波検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域においても被計測物の内部を伝播した超音波を適正に受信し、当該被計測物における種々の計測をより広範囲に亘って非接触で正確に行えるようにする。
【解決手段】導体からなる被計測物１００に対して磁束１０２を発生させる磁束発生部１１と、磁束発生部１１から発生させた磁束１０２と交差する位置に配置されたコイル１２とを具備する電磁超音波センサ１０において、磁束発生部１１を構成する永久磁石１１ａ及び１１ｂについて、被計測物１００と対向する一側端部及び当該一側端部の反対側の他側端部のうち、少なくともいずれか一方の端部を鋸歯形状１１ｋで形成するようにする。これにより、各永久磁石１１ａ及び１１ｂの厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）の長さが一定とならないため、各永久磁石内に擬似的定在波が発生することが防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、導体からなる被計測物に対して磁束を発生させて、当該被計測物の内部に横波超音波を伝播させる電磁超音波センサ及び電磁超音波検出システムに関する。

従来より、導体からなる被計測物（例えば、鋼板）の厚みの計測や結晶粒径の計測、あるいはその欠陥検出等を行うために、当該被計測物内に超音波を発生させ、当該被計測物内を伝播した超音波を電磁気的な作用により検出する電磁超音波センサがある（例えば、下記の特許文献１参照）。

この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を利用するため、被計測物との間に接触媒質を設ける必要が無い。即ち、この電磁超音波センサは、被計測物との間で超音波振動を伝達し合うための制約が無く、被計測物に対して非接触で計測を行うことができる。そのため、電磁超音波センサでは、被計測物に接触しなくても定量性、再現性、操作性の高い計測が可能であるとされてきた。

以下に、従来の電磁超音波センサについて説明する。
図７は、従来の電磁超音波センサの概略構成及び動作の概略を示す図であり、図７（ａ）にその外観の斜視図を示し、図７（ｂ）に電磁超音波センサと被計測物の断面図を示す。

図７（ａ）に示すように、従来の電磁超音波センサ５０は、一対の永久磁石５１ａ及び５１ｂからなる磁束発生部５１と、渦巻き状に形成されたコイル５２を有して構成されている。また、永久磁石５１ａ及び５１ｂは、大きな磁界を得るために磁気エネルギー積が大きなＳｍ−Ｃｏ系又はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石材で形成されることがある。

磁束発生部５１は、図７（ｂ）に示すように、導体からなる被計測物（例えば、鋼板）１００内に直流の磁束１０２を発生させる。また、コイル５２に交流電流が供給されると、被計測物１００の表面に、コイル５２に流れる交流電流と逆向きの渦電流１０１ａ及び１０１ｂが発生する。そして、被計測物１００内に発生した磁束１０２と渦電流１０１ａ、１０１により力Ｆが生じ、これが横波の超音波振動となって被計測物１００の内部を板厚方向に伝播する。

そして、この被計測物１００の内部を板厚方向に伝播した超音波が、被計測物の底面や内部の欠陥で反射される。例えば反射法では、この反射超音波を電磁気的な作用により、例えば、コイル５２内の誘導起電力として受信（検出）する。

特開２００６−５５０８号公報

しかしながら、導体からなる永久磁石５１ａ及び５１ｂを用いた従来の電磁超音波センサ５０では、一般的に、超音波の送受信が周波数５００ｋＨｚ以上の周波数領域に限られており、周波数５００ｋＨｚ未満（例えば、１００ｋＨｚ程度）の低周波数領域における超音波を適正に受信（検出）することが困難であるという問題があった。これにより、例えば、厚い被計測物の厚み計測や結晶粒径が大きい被計測物の結晶粒径計測等を、非接触で正確に行うことができないという不具合が生じていた。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域においても被計測物の内部を伝播した超音波を適正に受信し、当該被計測物における種々の計測をより広範囲に亘って非接触で正確に行うことを実現する電磁超音波センサ及び電磁超音波検出システムを提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明の電磁超音波センサは、導体からなる被計測物に対して直流磁束を発生させる磁束発生手段と、前記磁束発生手段から発生させた直流磁束と交差する位置に配置され、通電されるコイルとを有し、前記磁束発生手段は、導体からなる永久磁石で形成されており、且つ、前記被計測物と対向する一側端部及び当該一側端部の反対側の他側端部のうち、少なくともいずれか一方の端部が鋸歯形状に形成されている。

本発明の電磁超音波検出システムは、前記電磁超音波センサと、前記コイルに対して、特定の周波数領域における各周波数の交流電流を順次発信する発信装置と、前記発信装置から発信させた交流電流の各周波数毎に、前記被計測物の内部を伝播した超音波を受信する受信装置と、前記受信装置で受信した前記各周波数毎の超音波における波形に基づいて、前記各周波数毎に、当該波形のエネルギー値を算出する処理を行う処理装置とを有する。

本発明によれば、周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域においても被計測物の内部を伝播した超音波を適正に受信（検出）することができる。これにより、被計測物における種々の計測をより広範囲に亘って非接触で正確に行うことが可能となる。

−本発明の骨子−
本発明者は、被計測物の内部を伝播した超音波を適正に受信（検出）すべく、図７に示す従来の電磁超音波センサ５０において、周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域で被計測物１００の内部を伝播した超音波の受信（検出）が困難となる原因について調査した。そして、以下のメカニズムを想到した。

まず、本発明者は、被計測物１００内に超音波を発生させるためにコイル５２に交流電流が供給された際に、被計測物１００の表面のみならず、導体からなる永久磁石５１ａ及び５１ｂの内部にも、コイル５２に流れる交流電流と逆向きの渦電流が発生することを見出した。即ち、コイル５２に交流電流が供給されると、永久磁石５１ａの内部には渦電流１０１ａと同じ向きの渦電流が発生し、導体である永久磁石５１ｂの内部には渦電流１０１ｂと同じ向きの渦電流が発生するものと考えられる。

そして、本発明者は、この各永久磁石５１ａ及び５１ｂの内部に発生した渦電流によって、被計測物１００の場合と同様に、各永久磁石５１ａ及び５１ｂの内部の厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）に超音波が伝播し、これにより当該超音波の周波数によっては擬似的定在波が生じると考えた。

そして、本発明者は、被計測物１００の内部を伝播した計測用の超音波をコイル５２で受信する際に、上述した各永久磁石５１ａ及び５１ｂの内部に生じた擬似的定在波による影響を受けることにより、被計測物１００の内部を伝播した超音波を適正に受信することが困難になることを思料した。

また、本発明者は、周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域で被計測物１００の内部の超音波を適正に受信することが困難になる理由として、周波数が低周波数になると、各永久磁石５１ａ及び５１ｂの内部を伝播する超音波の減衰が小さくなるために、各永久磁石５１ａ及び５１ｂの内部に上述した擬似的定在波が形成されやすくなるためであると考えた。一方、周波数が５００ｋＨｚ以上の高周波数になると、各永久磁石５１ａ及び５１ｂの内部を伝播する超音波の減衰が大きくなるために、各永久磁石５１ａ及び５１ｂの内部には、上述した擬似的定在波が形成され難くなると考えた。

以上の点から、本発明者は、周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域において被計測物の内部を伝播した超音波を適正に受信（検出）するためには、各永久磁石の内部に形成される擬似的定在波を消失させることが必要であると思料した。

そこで、本発明者は、各永久磁石における一対の端部（Ｓ極及びＮ極）のうち、少なくともいずれか一方の端部を鋸歯形状で形成する形態を案出した。このように、各永久磁石の端部を鋸歯形状で形成することにより、各永久磁石の厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）の長さが一定とならないため、擬似的定在波の発生を防止できると考えた。

−本発明の具体的な実施形態−
次に、上述した本発明の骨子を踏まえた本発明における諸実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面図である。また、図２は、本発明の第１の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の外観写真である。

図１に示すように、第１の実施形態に係る電磁超音波センサ１０は、導体からなる被計測物（例えば、鋼板）１００に対して直流の磁束１０２を発生させる磁束発生部１１と、磁束発生部１１から発生させた磁束１０２と交差する位置に配置され、通電されるコイル１２を有して構成されている。

ここで、磁束発生部１１は、一対の永久磁石１１ａ及び１１ｂで構成されており、この永久磁石１１ａ及び１１ｂは、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の導体で形成されている。また、コイル１２は、図７（ａ）に示すコイル５２と同様に、渦巻き状に形成されている。

本実施形態の永久磁石１１ａ及び１１ｂは、被計測物１００と対向する一側端部（永久磁石１１ａのＮ極及び永久磁石１１ｂのＳ極）の反対側の他側端部（永久磁石１１ａのＳ極及び永久磁石１１ｂのＮ極）が鋸歯形状１１ｋで形成されている。

コイル１２に交流電流が供給されると、被計測物１００の表面に、コイル１２に流れる交流電流と逆向きの渦電流１０１ａ及び１０１ｂが発生する。そして、被計測物１００内に発生した磁束１０２と渦電流１０１ａ、１０１ｂにより力Ｆ₁が生じ、これが横波の超音波振動となって被計測物１００の内部を板厚方向に伝播する。

続いて、この被計測物１００の内部を板厚方向に伝播した超音波を電磁気的な作用により、例えば、コイル１２内の誘導起電力として受信する。

第１の実施形態に係る電磁超音波センサ１０によれば、永久磁石１１ａ及び１１ｂの他側端部（永久磁石１１ａのＳ極及び永久磁石１１ｂのＮ極）を鋸歯形状１１ｋで形成するようにしたので、各永久磁石１１ａ及び１１ｂの厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）の長さが一定とならないため、各永久磁石内に擬似的定在波が発生することを防止することができる。これにより、周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域においも被計測物１００の内部を伝播した超音波を適正に受信（検出）することができる。

また、本実施形態では、永久磁石１１ａ及び１１ｂの他側端部に形成する鋸歯形状１１ｋの各々の高さｈを、以下の数式１を満たすように設定する。

ｈ≧Ｖ_J／ｆ ・・・（数式１）
ここで、Ｖ_Jは磁束発生部１１における音速を示し、ｆはコイル１２に流す交流電流の周波数（被計測物１００の内部を伝播する超音波の周波数）を示す。また、コイル１２に特定の周波数領域の交流電流を供給する場合には、ｆの値として、例えば、当該特定の周波数領域における最低の周波数を用いるようにする。

例えば、磁束発生部１１における音速Ｖ_Jが２ｋｍ／ｓであり、周波数ｆを２００ｋＨｚとした場合には、数式１により鋸歯形状１１ｋの各々の高さｈを１０ｍｍ以上とする。

このように、鋸歯形状１１ｋの各々の高さｈが数式１を満たすように設定することで、各永久磁石１１ａ及び１１ｂにおける厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）の長さが、各永久磁石１１ａ及び１１ｂの内部に発生し得る超音波の波長（λ＝Ｖ_J／ｆ）以上に変位したものとなるため、当該超音波の波長に対して当該厚み方向の長さが一定とならず、擬似的定在波の発生を確実に防止することができる。

また、第１の実施形態に係る電磁超音波センサ１０では、各永久磁石１１ａ及び１１ｂの側面を直線状で形成しているが、必ずしも直線状でなくてもよい。例えば、若干の粗度があってもよい。

なお、第１の実施形態では、永久磁石１１ａ及び１１ｂの他側端部（永久磁石１１ａのＳ極及び永久磁石１１ｂのＮ極）を鋸歯形状１１ｋで形成するようにしているが、本発明はこれに限定されるものでは無く、例えば、当該他側端部は鋸歯形状１１ｋを形成せずに、被計測物１００と対向する一側端部（永久磁石１１ａのＮ極及び永久磁石１１ｂのＳ極）を鋸歯形状１１ｋで形成した形態も本発明に含まれる。この際、被計測物１００に対して安定した磁束１０２を供給するという観点について考慮すると、永久磁石１１ａ及び１１ｂの一側端部は鋸歯形状とせずに平面とし、永久磁石１１ａ及び１１ｂの他側端部を鋸歯形状１１ｋで形成する図１に示す場合の方が、より好適である。

また、本実施形態では、永久磁石１１ａ及び１１ｂがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の材料で形成されている例を示しているが、導体で形成されているものであれば本実施形態に適用することが可能であり、例えば、Ｓｍ−Ｃｏ系の材料で形成されているものであってもよい。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面図である。ここで、図３では、図１に示す第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

第２の実施形態に係る電磁超音波センサ２０は、図１に示す第１の実施形態に係る電磁超音波センサ１０と比較して、被計測物（例えば、鋼板）１００に対して直流の磁束２０２を発生させる磁束発生部２１の構成が異なる。即ち、第２の実施形態では、磁束発生部２１として、被計測物１００と対向する一側端部がＮ極である永久磁石２１ａ及び２１ｂと、被計測物１００と対向する一側端部がＳ極である永久磁石２１ｃ及び２１ｄがそれぞれ設けられている。そして、この磁束発生部２１から発生させた磁束２０２と交差する位置に、コイル２２が構成されている。

ここで、磁束発生部２１を構成する各永久磁石２１ａ〜２１ｄは、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の導体で形成されている。また、コイル２２は、図７（ａ）に示すコイル５２と同様に、渦巻き状に形成されている。

本実施形態の各永久磁石２１ａ〜２１ｄは、被計測物１００と対向する一側端部の反対側の他側端部（永久磁石２１ａ及び２１ｂのＳ極、永久磁石２１及び２１ｄのＮ極）が鋸歯形状２１ｋで形成されている。

コイル２２に交流電流が供給されると、被計測物１００の表面に、コイル２２に流れる交流電流と逆向きの渦電流２０１ａ及び２０１ｂが発生する。そして、被計測物１００内に発生した磁束２０２と渦電流２０１ａ、２０１ｂにより力Ｆ₂が生じ、これが横波の超音波振動となって被計測物１００の内部を板厚方向に伝播する。

続いて、この被計測物１００の内部を板厚方向に伝播した超音波を電磁気的な作用により、例えば、コイル２２内の誘導起電力として受信する。

第２の実施形態に係る電磁超音波センサ２０によれば、各永久磁石２１ａ〜２１ｄの他側端部（永久磁石２１ａ及び２１ｂのＳ極、永久磁石２１及び２１ｄのＮ極）を鋸歯形状２１ｋで形成するようにしたので、各永久磁石２１ａ〜２１ｄの厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）の長さが一定とならないため、各永久磁石内に擬似的定在波が発生することを防止することができる。これにより、周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域においも被計測物１００の内部を伝播した超音波を適正に受信（検出）することができる。

また、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、各永久磁石２１ａ〜２１ｄの他側端部に形成する鋸歯形状２１ｋの各々の高さｈを、上述した数式１を満たすように設定する。

このように、鋸歯形状２１ｋの各々の高さｈが数式１を満たすように設定することで、各永久磁石２１ａ〜２１ｄにおける厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）の長さが、各永久磁石２１ａ〜２１ｄの内部に発生し得る超音波の波長（λ＝Ｖ_J／ｆ）以上に変位したものとなるため、当該超音波の波長に対して当該厚み方向の長さが一定とならず、擬似的定在波の発生を確実に防止することができる。

また、第２の実施形態に係る電磁超音波センサ２０では、各永久磁石２１ａ〜２１ｄの側面を直線状で形成しているが、必ずしも直線状でなくてもよい。例えば、若干の粗度があってもよい。

なお、第２の実施形態では、各永久磁石２１ａ〜２１ｄの他側端部（永久磁石２１ａ及び２１ｂのＳ極、永久磁石２１及び２１ｄのＮ極）を鋸歯形状２１ｋで形成するようにしているが、本発明はこれに限定されるものでは無く、例えば、当該他側端部は鋸歯形状２１ｋを形成せずに、被計測物１００と対向する一側端部（永久磁石２１ａ及び２１ｂのＮ極、永久磁石２１及び２１ｄのＳ極）を鋸歯形状２１ｋで形成した形態も本発明に含まれる。この際、被計測物１００に対して安定した磁束２０２を供給するという観点について考慮すると、各永久磁石２１ａ〜２１ｄの一側端部は鋸歯形状とせずに平面とし、各永久磁石２１ａ〜２１ｄの他側端部を鋸歯形状２１ｋで形成する図３に示す場合の方が、より好適である。

また、本実施形態では、各永久磁石２１ａ〜２１ｄがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の材料で形成されている例を示しているが、導体で形成されているものであれば本実施形態に適用することが可能であり、例えば、Ｓｍ−Ｃｏ系の材料で形成されているものであってもよい。

（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面図である。ここで、図４では、図１に示す第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

第３の実施形態に係る電磁超音波センサ３０は、図１に示す第１の実施形態に係る電磁超音波センサ１０と比較して、被計測物（例えば、鋼板）１００に対して直流の磁束３０２を発生させる磁束発生部３１の構成が異なる。

即ち、第３の実施形態では、磁束発生部３１を構成する一対の永久磁石３１ａ及び３１ｂにおいて、被計測物１００と対向する一側端部（永久磁石３１ａのＮ極及び永久磁石３１ｂのＳ極）、並びに、当該一側端部の反対側の他側端部（永久磁石３１ａのＳ極及び永久磁石３１ｂのＮ極）の両端部が、それぞれ、鋸歯形状３１ｋ₁及び３１ｋ₂で形成されている。また、この永久磁石３１ａ及び３１ｂは、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の導体で形成されている。

コイル１２に交流電流が供給されると、被計測物１００の表面に、コイル１２に流れる交流電流と逆向きの渦電流１０１ａ及び１０１ｂが発生する。そして、被計測物１００内に発生した磁束３０２と渦電流１０１ａ、１０１ｂにより力Ｆ₃が生じ、これが横波の超音波振動となって被計測物１００の内部を板厚方向に伝播する。

続いて、この被計測物１００の内部を板厚方向に伝播した超音波を電磁気的な作用により、例えば、コイル１２内の誘導起電力として受信する。

第３の実施形態に係る電磁超音波センサ２０によれば、永久磁石３１ａ及び３１ｂの一側端部、並びに他側端部を、それぞれ鋸歯形状３１ｋ₁及び３１ｋ₂で形成するようにしたので、永久磁石３１ａ及び３１ｂの厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）の長さが一定とならないため、各永久磁石内に擬似的定在波が発生することを防止することができる。これにより、周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域においも被計測物１００の内部を伝播した超音波を適正に受信（検出）することができる。

第３の実施形態では、各永久磁石に形成する鋸歯形状３１ｋ₁及び３１ｋ₂の各々の高さｈ₁及びｈ₂を、上述した数式１に示すｈを満たすように設定する。但し、各永久磁石に鋸歯形状３１ｋ₁及び３１ｋ₂が同数設けられ、各鋸歯形状３１ｋ₁及び３１ｋ₂の組が、それぞれ、図４に示すように各永久磁石の厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）に対して平行に形成されている場合には、以下の数式２を満たすように設定してもよい。
ｈ₁＋ｈ₂≧Ｖ_J／ｆ ・・・（数式２）

このように、鋸歯形状３１ｋ₁及び３１ｋ₂の各々の高さｈ₁及びｈ₂が数式１（上述した但し書きの場合には、数式２）を満たすように設定することで、各永久磁石３１ａ及び３１ｂにおける厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）の長さが、各永久磁石３１ａ及び３１ｂの内部に発生し得る超音波の波長（λ＝Ｖ_J／ｆ）以上に変位したものとなるため、当該超音波の波長に対して当該厚み方向の長さが一定とならず、擬似的定在波の発生を確実に防止することができる。

また、第３の実施形態に係る電磁超音波センサ３０では、各永久磁石３１ａ及び３１ｂの側面を直線状で形成しているが、必ずしも直線状でなくてもよい。例えば、若干の粗度があってもよい。

なお、第３の実施形態では、永久磁石３１ａ及び３１ｂがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の材料で形成されている例を示しているが、導体で形成されているものであれば本実施形態に適用することが可能であり、例えば、Ｓｍ−Ｃｏ系の材料で形成されているものであってもよい。

（第４の実施形態）
以下に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第４の実施形態に係る電磁超音波検出システムの概略構成図である。ここで、図５では、上述した第１〜第３の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しており、その詳細な説明は省略する。

図５に示す電磁超音波検出システムは、第１の実施形態に係る電磁超音波センサ１０と、発信・受信装置４１と、信号処理装置４２と、制御装置４３を有して構成されている。

電磁超音波センサ１０の磁束発生部１１は、導体からなる被計測物（例えば、鋼板）１００に対して直流の磁束を発生させる。電磁超音波センサ１０のコイル１２は、磁束発生部１１から発生させた磁束と交差する位置に配置され、発信・受信装置４１により通電される。

発信・受信装置４１は、制御装置４３による制御に応じて、コイル１２に対して、特定の周波数領域における各周波数の交流電流を順次発信する。また、発信・受信装置４１は、制御装置４３による制御に応じて、発信した交流電流の各周波数毎に、被計測物１００の内部を板厚方向に伝播した超音波を、例えば、コイル１２内に発生した誘導起電力として受信（検出）する。

信号処理装置４２は、制御装置４３による制御に応じて、発信・受信装置４１で受信した、各周波数毎の超音波に基づく誘導起電力の信号値を処理する。具体的に、本実施形態の信号処理装置４２は、各周波数毎の超音波に基づく誘導起電力の信号値における波形に基づいて、各周波数毎に、当該波形のエネルギー値を算出する処理を行う。各周波数毎に、被計測物１００の内部を板厚方向に伝播した超音波に基づくエネルギー値を算出することにより、当該超音波の共振周波数を検出することができる。

図６は、図５に示す信号処理装置４２で処理された各周波数毎の超音波波形のエネルギー値を示す特性図である。ここで、図６には、発信・受信装置４１からコイル１２に対して周波数２００ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚの各周波数の交流電流を順次発信し、信号処理装置４２において、各周波数毎に、被計測物１００の内部を板厚方向に伝播した超音波に基づくエネルギー値を算出した場合の特性を示している。

また、図６に示す特性の各ピーク値は、共振周波数を示している。また、図６には、「従来」として図７に示す従来の電磁超音波センサ５０における特性を示し、「本発明」として図１に示す電磁超音波センサ１０における特性を示している。

図６に示すように、図７に示す従来の電磁超音波センサ５０では、各共振周波数におけるエネルギー値と、共振周波数以外の各周波数のおけるエネルギー値との差が小さく、各共振周波数を識別することが困難となっている。これは、上述したように、発信する交流電流の周波数が５００ｋＨｚ未満の低周波数領域となると、磁束発生部５１を構成する永久磁石５１ａ及び５１ｂの内部に擬似的定在波が生じるためであると考えられる。

一方、図１に示す本発明の電磁超音波センサ１０では、各共振周波数におけるエネルギー値と、共振周波数以外の各周波数のおけるエネルギー値との差が大きく、各共振周波数を識別することが可能である。これは、上述したように、磁束発生部１１を構成する永久磁石１１ａ及び１１ｂの他側端部を鋸歯形状１１ｋで形成していることから、各永久磁石１１ａ及び１１ｂの厚み方向（Ｓ極とＮ極とを繋ぐ方向）の長さが一定とならないため、その内部に擬似的定在波が生じないためであると考えられる。

ここで、各共振周波数の周波数間隔Δｆ（Ｈｚ）について検証を行った。
この各共振周波数の周波数間隔Δｆは、以下の数式３のように示すことができる。

Δｆ＝ｆ_n+1−ｆ_n＝Ｖ_k／（２ｄ） ・・・（数式３）
ここで、ｆ_nはｎ番目の共振周波数を示し、Ｖ_kは被計測物１００における音速を示し、ｄは被計測物１００の板厚を示す。

図６に示す特性に用いた被計測物１００としては、音速Ｖ_kが３．２ｋｍ／ｓ、板厚ｄが０．２５ｍ（２５０ｍｍ）のものを使用した。

この場合、共振周波数の周波数間隔Δｆは、数式３により、
Δｆ＝３．２／（２＊０．２５）＝６．４ｋＨｚ（０．００６４ＭＨｚ）
となり、図６に示す本発明の電磁超音波センサ１０の各共振周波数の周波数間隔よく一致していることがわかる。

なお、本実施形態の電磁超音波検出システムでは、電磁超音波センサとして、第１の実施形態に係る電磁超音波センサ１０を用いる形態を示したが、例えば、第２の実施形態に係る電磁超音波センサ２０、あるいは、第３の実施形態に係る電磁超音波センサ３０を用いるようにした形態であってもよい。

本発明の電磁超音波センサ及び電磁超音波検出システムは、例えば、導体からなる被計測物（例えば、鋼板）に対して、周波数１００ｋＨｚ程度の低周波数領域における超音波を発生させて、被計測物の厚みの計測や結晶粒径の計測、あるいはその欠陥検出等に用いることが好適である。特に、被計測物の内部から周波数５００ｋＨｚ未満の低周波数領域における超音波を適正に受信できることから、厚い被計測物の厚み計測や結晶粒径が大きい被計測物の結晶粒径計測等を非接触で正確に行うことが可能である。

一例として、図６に示す超音波の受信波形におけるエネルギー値の（送信波形のエネルギー値に対する）減衰率を利用した、被計測物の結晶粒径の計測方法について簡単に説明する。超音波の受信波形におけるエネルギー値の減衰率αは、以下の数式４のように示すことができる（理論及び実験）。

α（ｆ，Ｄ）＝ＣＤ^n-1ｆⁿ ・・・（数式４）
ここで、ｆは被計測物を伝播する超音波の周波数を示し、Ｄは被計測物における（平均）結晶粒径を示す。また、Ｃは定数を示し、ｎは超音波の波長と結晶粒径Ｄとの大小関係で変わる定数を示す。

数式４に示すように、結晶粒径Ｄの値が大きくなると、超音波の受信波形におけるエネルギー値の減衰率αも大きくなるため、各定数を決定することにより、超音波の受信波形におけるエネルギー値の減衰率αから、被計測物の（平均）結晶粒径を計測することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の外観写真である。 本発明の第２の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る電磁超音波検出システムの概略構成図である。 図５に示す信号処理装置で処理された各周波数毎の超音波波形のエネルギー値を示す特性図である。 従来の電磁超音波センサの概略構成及び動作の概略を示す図である。

符号の説明

１０ 電磁超音波センサ
１１ 磁束発生部
１１ａ、１１ｂ 永久磁石
１１ｋ 鋸歯形状
１２ コイル
１００ 被計測物
１０１ａ、１０１ｂ 渦電流
１０２ 磁束

Claims (3)

1. 導体からなる被計測物に対して直流磁束を発生させる磁束発生手段と、
   前記磁束発生手段から発生させた直流磁束と交差する位置に配置され、通電されるコイルとを有し、
   前記磁束発生手段は、導体からなる永久磁石で形成されており、且つ、前記被計測物と対向する一側端部及び当該一側端部の反対側の他側端部のうち、少なくともいずれか一方の端部が鋸歯形状に形成されていることを特徴とする電磁超音波センサ。
2. 前記鋸歯形状の各々の高さは、前記磁束発生手段における音速をＶとし、前記コイルに流れる交流電流の周波数をｆとすると、Ｖ／ｆ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電磁超音波センサ。
3. 請求項１又は２に記載の電磁超音波センサと、
   前記コイルに対して、特定の周波数領域における各周波数の交流電流を順次発信する発信装置と、
   前記発信装置から発信させた交流電流の各周波数毎に、前記被計測物の内部を伝播した超音波を受信する受信装置と、
   前記受信装置で受信した前記各周波数毎の超音波における波形に基づいて、前記各周波数毎に、当該波形のエネルギー値を算出する処理を行う処理装置と
   を有することを特徴とする電磁超音波検出システム。

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