JP2009276184A - 電磁超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】より大きな受信信号が得られる電磁超音波センサを提供する。
【解決手段】この電磁超音波センサ１は、静磁場発生用の永久磁石２及び永久磁石３と、被検査体１０の表面側の内部に渦電流６を発生するための送信コイル５と、反射した超音波を受信するための受信コイル４とから構成される。送信コイル５は被検査体１０の上方空間に配置され、さらにその送信コイル５の上側に、送信コイル５よりも大きな受信コイル４が配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、鋼材の欠陥検査や配管の減肉検査などを非接触で行なうための小型の電磁超音波センサに関する。

金属内の疵の検査方法及び板厚測定方法の一つとして超音波探傷が挙げられる。従来の圧電素子による探触方法においては、センサ内で発生した超音波を、水や油などの接触媒質を介して被検査体に伝達させていた。これに対して、被検査体に非接触で超音波探傷ができる電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ：Electro Magnetic Acoustic Transducer）が知られている。この電磁超音波探触子は、電磁気的な作用を利用して、接触媒質を介することなく、直接、被検査体内に超音波を発生させ伝播させることができる。
このＥＭＡＴには、ローレンツ型と磁歪駆動型がある。ローレンツ型ＥＭＡＴの原理は、永久磁石により発生する静磁場と、コイルにパルス電流を流すことにより発生する渦電流との相互作用によりローレンツ力を発生させて、それによって被検査体内に超音波を発生させる。磁歪型ＥＭＡＴの原理は、磁性体の磁歪効果を利用したものであり、磁性体に磁場が印加されたときに発生する磁場の方向に応力によって被検査体内に超音波を発生させるものである。

このようなＥＭＡＴにおいては、被検査体と非接触で超音波を伝達させることができるが、受信感度が圧電素子に比べて２桁低くまた電磁気的な作用で超音波の送受信を行なっているため電磁気的なノイズに弱いという課題がある。
特許文献１には、この課題に対応するＰＰＭ（Periodic Permanent Magnet）電磁超音波トランスジューサの技術が開示されている。
このＰＰＭ電磁超音波トランスジューサは、上下方向で極性が逆転した複数の永久磁石を交互に各列内に備えた一対の交番磁界形成用磁石列と、一対の交番磁界形成用磁石列が互いに極性が１８０°異なる位相で左右２列に配置された構成の磁石ユニットを備えている。左右２列配置の磁界形成用磁石列の中間軸に上下方向で対応する軸を軸とする送信用スパイラルコイル（送信コイル）と受信用スパイラルコイル（受信コイル）とを、磁石ユニットの下部位置に、分離膜を介して別個独立に備えている。

このトランスジューサにあっては、被検査体に近い側から、受信コイルと送信コイルとが配備されている。受信コイルと送信コイルとはそれぞれ独立分離したているため、個別にコイルを使用でき、結果的に送信を大きな信号で行なっても、これが受信信号に対するノイズとなることを避けることができる。従って、比較的大きな信号レベルの高い超音波を有効に送信することができるとともに、この超音波に起因する透過波を受信コイル単独で受信して、ノイズが少なく比較的信号レベルの高い情報を得ることができるとされている。
特開２０００−１２１６１０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、送信コイルと受信コイルを分割すると送信ノイズを抑えることができる一方、被検査体と受信コイルとの相対距離が大きくなるため（リフトオフが発生するため）、コイルを分割しない場合と比べて受信信号の絶対値が小さくなるという問題がある。このような問題は、特に、電磁超音波センサ自体が小さい場合に顕著になり問題となる。
そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、ＥＭＡＴにおける送信コイルと受信コイルとを分割した場合であっても、送信コイルと受信コイルの配置を考慮して送信ノイズを抑えながら、より大きな受信信号が得られる小型の電磁超音波センサを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る電磁超音波センサは、被検査体に磁場を発生させる磁場発生部と、前記磁場発生部により発生した磁場領域中に電流を流して前記被検査体に渦電流を発生させる送信コイルと、前記被検査体からの信号を受信する、送信コイルとは別の受信コイルとを備えたものであって、前記被検査体に対向する方向の面積について、前記送信コイルの面積よりも前記受信コイルの面積が大きいことを特徴とする。
原理上、超音波は広がって進む。この発明の構成により、反射してきた超音波を受信するために適したより広い面積をもった受信コイルを実現できる。すなわち、受信コイルについては磁場発生部により磁場が発生している部分に可能な限り受信コイルの面積を大きくすることで、受信信号のレベルを上げることができる。これにより、送信コイルよりも受信コイルの巻数を大きくして受信面積を大きくすることで、より高いレベルの受信信号を得ることができる。

また、前記受信コイルは、前記送信コイルの外側の部分に連続して形成されたコイルを含むことを特徴とする。
送信コイルは受信コイルよりも小さいため、送信コイルの外側には、受信コイルと比較して空間が空いている。この発明の構成により、この送信コイルの外側の部分に受信コイルの続きを設ける。これにより、携帯型であるために限られたセンサの大きさで、永久磁石により形成された垂直磁場中に効率よく受信コイルの巻数を多くすることができる。
好ましくは、前記受信コイルの面積は、前記磁場発生部の面積よりも小さい又は同じであるとよい。

さらに、前記送信コイルは、前記受信コイルよりも被検査体側に設けられるとよい。

本発明によると、ＥＭＡＴにおける送信コイルと受信コイルとを分割した場合であっても、送信コイルと受信コイルの配置を考慮して送信ノイズを抑えながら、より大きな受信信号を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る電磁超音波センサについて説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る電磁超音波センサ１の側面図、図１（ｂ）は、電磁超音波センサ１の受信コイル４及び送信コイル５を示す図である。なお、図１（ｂ）の左側の図は受信コイル４の平面図（永久磁石２，３側から見た図）であって、図１（ｂ）の右側の図は送信コイル５の平面図（永久磁石２，３側から見た図）を示す。図１（ｂ）のコイル４，５の巻数（ターン数）は一例であって、本発明がこの図のターン数のコイルに限定されるものではない。

図１（ａ）に示す電磁超音波センサ１は、ローレンツ型の横波発生用センサである。この電磁超音波センサ１は、配管の減肉検査等に用いられるセンサであって、携帯可能なハンディタイプの小型センサである。永久磁石の幅は、例えば約５０ｍｍ程度であって、電磁超音波センサ１自体は、名刺の大きさの半分程度の大きさである。
この電磁超音波センサ１の動作原理は、被検査体１０表面上に永久磁石２，３とコイル４，５とを配置し、送信コイル５にパルス電流を流す。これにより、被検査体１０内に誘起される渦電流と磁界との相互作用により発生するローレンツ力が音源となって被検査体１０内に超音波を発生させる。発生した超音波は被検査体１０内を進み、疵等の内部欠陥により反射され反射波となり、電磁超音波センサ１側へ戻ってくる。反射波は送信コイル４における現象の逆の原理により受信コイル４で検出され、非接触探傷が行われる。

電磁超音波センサ１のより具体的な構成についてさらに説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、電磁超音波センサ１は、静磁場すなわち被検査体１０の表面での垂直磁場を発生するための磁場発生部（永久磁石２及び永久磁石３）と、被検査体１０の表面側の内部に渦電流６を発生するための送信コイル５と、反射した超音波を受信するための受信コイル４とから構成される。
送信コイル５は被検査体１０の上方空間に配置され、さらにその送信コイル５の上側に受信コイル４が配置されている。なお、図１（ａ）の丸印の中に点を備えた印は、紙面裏側から紙面表側への電流の流れを示す記号である。丸印の中に×を備えた印は、紙面表側から紙面裏側への電流の流れを示す記号である。

図１（ａ）に示すように、この電磁超音波センサ１においては、被検査体１０に対向する受信コイル４の面積が、被検査体１０に対向する送信コイル５の面積よりも大きいことが特徴である。また、受信コイル４の外縁は磁場発生部の幅より大きくない。言い換えるならば、受信コイル４は、永久磁石２の左端及び永久磁石３の右端より外方に突出してはいない。これは、永久磁石２及び永久磁石３の幅よりさらに外側においては、永久磁石による静磁場が形成されず、受信コイル４は信号を受信することが不可能であるためである。

図１（ｂ）の左側に示す、永久磁石４，５側に設けられる受信コイル４は、アンプ７が接続されて、アンプ７により受信信号が増幅される。このアンプ７がハイインピーダンスであるので受信コイル４のインピーダンスを高く設計できる。これにより、受信コイル４の巻数を増やすことができる。
一方、図１（ｂ）の右側に示す、被検査体１０側に設けられる送信コイル５は、パルス発振器８が接続されて、このパルス発振器８からパルス電流が送信コイル５に入力される。この送信コイル５の大きさ（巻数）は、接続されるパルス発振器８とのインピーダンスマッチングにより規定される。公知となっているパルス発振器８の多くは、ハイインピーダンスではないため、送信コイル５のインピーダンスを大きくすることができず、送信コイル５は十〜数十ターン程度のコイルに制約される。

このように、送信コイル５が１０ターン程度であって、受信コイル４が送信コイル５よりも大きく設計されている。こうすることで永久磁石４，５による静磁場分布領域中における受信コイル４の巻数を多くし面積を大きくしている。この理由について以下に記載する。
図２に超音波の指向角を説明するための模式図を示す。超音波は、ホイヘンスの原理に従い広がりながら進む。指向角φは、φ∝（Ｃ／Ｄ）×ｆ（Ｃ：音速、Ｄ：送信コイルの幅、ｆ：発生した超音波の周波数）により表わされる。この式から明らかなように、指向角φは送信コイル５の寸法に反比例する。送信コイル５の寸法が大きくなると指向角φは小さくなり、送信コイル５の寸法が小さくなると（小型タイプになると）指向角φが大きくなる。

本実施形態に係る電磁超音波センサ１は、小型のハンディタイプセンサあるので、指向角φが大きい。このため、送信コイル５から出力される超音波の広がりを無視できない。このため、この広がりに対応して信号を受信するために、受信コイル４の面積（大きさ、巻数）を、送信コイル５の面積（大きさ、巻数）よりも大きくしてある。
図３（ａ）に、比較例として、受信コイル４の大きさと送信コイル５の大きさとが同じ場合における受信信号を示す（従来の電磁超音波センサ）。
図３（ｂ）に、第１実施形態の電磁超音波センサ１、すなわち受信コイル４の大きさが送信コイル５の大きさよりも大きい場合の受信信号を示す。

図３（ａ）に示すように、従来の電磁超音波センサでは、受信信号は十分な電圧レベルではなかった。すなわち、規則的な間隔を有する受信信号の高さが十分ではなく、ＳＮ比が小さいものとなっていた。しかしながら、図３（ｂ）に示すように、本実施形態に係る電磁超音波センサ１では、受信信号の電圧レベルが十分に高く、精度の高い探傷検査を行なうことができる。
以上のように、本実施形態に係る電磁超音波センサ１によると以下の効果がある。
大きな電圧（信号）レベルの信号を受信するためには、送信コイル５に通電する電流と被検査体１０に印加する磁場を大きくすればよい。しかしながら、これらには装置上の制約があるため、より大きな受信電圧を得るための方法として、反射してきた超音波を効率よく受信することが必要になる。原理上、超音波は広がって進むため、反射してきた超音波を受信するためにはより広い面積をもった受信コイル４が適している。送信コイル５はインピーダンスマッチングの必要があるためコイルの巻数には制約がある。一方、受信コイル４については永久磁石２，３により磁場が発生している部分に可能な限りコイルの巻数を大きくすることで、受信信号のレベルを上げることができる。これにより、送信コイル５よりも受信コイル４の巻数を大きくして受信面積を大きくすることで、より高いレベルの受信信号を得ることができる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る電磁超音波センサについて説明する。なお、以下の説明において、上述した第１実施形態と同一の部品には同一の符号を付してある。

図４（ａ）は、本実施形態に係る電磁超音波センサ１１の側面図、図４（ｂ）は、電磁超音波センサ１１の受信コイル１４及び送信コイル１５を示す図である。なお、図４（ｂ）の左側の図は、受信コイル１４Ａの平面図（永久磁石２，３側から見た図）であり、図４（ｂ）の左側の図は、送信コイル１５及び受信コイル１４Ａに接続された受信コイル１４Ｂの平面図（永久磁石２，３側から見た図）である。
図４（ａ）に示すように、電磁超音波センサ１１の送信コイル１５は、第１実施形態と同じコイルであって、被検査体１０の上方空間に配置されている。さらにその送信コイル１５の上側に受信コイル１４Ａが配置されている点までは第１実施形態と同じである。

本実施形態においては、永久磁石２，３の幅内で送信コイル１５の外側の空間に受信コイル１４Ｂが配置されている。すなわち、送信コイル１５と同一平面内で送信コイル１５を取り巻くように受信コイル１４Ｂが設けられている。
この受信コイル１４Ｂは、受信コイル１４Ａと直列に接続されている。詳しくは、アンプ７の入力端子の一端は、受信コイル１４Ａの外側の端部に接続され、受信コイル１４Ａの内側の端部は、受信コイル１４Ｂの外側の端部に接続され、受信コイル１４Ｂの内側の端部は、アンプ７の入力端子の他端へ接続されるものとなっている。

すなわち、図４（ａ）に示すように、この電磁超音波センサ１１においては、被検査体１０に対向する受信コイル１４Ａの面積が、被検査体１０に対向する送信コイル１５の面積よりも大きいことに加えて、送信コイル１５の外側であって永久磁石２及び永久磁石３の幅より小さい空間に、受信コイル１４Ｂを備える点が特徴である。
このように、送信コイル１５が１０ターン程度であって、受信コイル１４Ａが送信コイル１５よりも大きく設計されるとともに、送信コイル１５の外側で永久磁石２，３の外縁までの空間に受信コイル１４Ｂが設けられている。このようにすることで、永久磁石２，３による静磁場分布領域中における受信コイル１４（受信コイル１４Ａに加えてさらに受信コイル１４Ｂ）の巻数を多く、面積を大きくしている。

図５に、第２実施形態の電磁超音波センサ１１、すなわち受信コイル１４の大きさが送信コイル１５の大きさよりも大きい場合の受信信号を示す。この図は、第１実施形態の結果例を示した図３（ｂ）に対応するものである。
図５に示すように、本実施形態に係る電磁超音波センサ１１では、図３（ａ）及び図３（ｂ）よりも受信信号がさらに高い信号レベルである。すなわち、規則的な間隔を有する受信信号のＳＮ比が十分大きく、精度高く探傷検査を行なうことができる。
以上のように、本実施形態に係る電磁超音波センサ１１によると、第１実施形態に係る電磁超音波センサ１の効果に加えて、以下の効果がある。

送信コイル１５と受信コイル１４Ａとは、被検査材１０と永久磁石２，３の間に重なって存在しており、送信コイル１５は受信コイル１４Ａよりも小さいため、送信コイル１５の外側には、受信コイル１４Ａと比較して空間が空いている。この送信コイル１５の外側の部分に受信コイル１４Ａの続きとなる受信コイル１４Ｂを設ける。これにより、携帯型であるために限られたセンサの大きさで、永久磁石２，３がある静磁場領域中に効率よく受信コイル１４のターン数を多くすることができる。また、リフトオフによる影響を小さくすることができるので、より大きな受信信号を得ることが可能になる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１実施形態に係る電磁超音波センサの側面図及びコイル形状を示す平面図である。 指向角を説明するための図である。 （ａ）は従来の電磁超音波センサの受信信号を示す図であり、（ｂ）は第１実施形態に係る電磁超音波センサの受信信号を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る電磁超音波センサの側面図及びコイル形状を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る電磁超音波センサの受信信号を示す図である。

符号の説明

１ 電磁超音波センサ（第１実施形態）
２ 永久磁石
３ 永久磁石
４ 受信コイル
５ 送信コイル
６ 渦電流
７ アンプ
８ パルス発振器
１０ 被検査体
１１ 電磁超音波センサ（第２実施形態）
１４ 受信コイル
１４Ａ 受信コイル
１４Ｂ 受信コイル
１５ 送信コイル

Claims (4)

1. 被検査体に磁場を発生させる磁場発生部と、前記磁場発生部により発生した磁場領域中に電流を流して前記被検査体に渦電流を発生させる送信コイルと、前記被検査体からの信号を受信する、送信コイルとは別の受信コイルとを備えた電磁超音波センサにおいて、
   前記被検査体に対向する方向の面積について、前記送信コイルの面積よりも前記受信コイルの面積が大きいことを特徴とする電磁超音波センサ。
2. 前記受信コイルは、前記送信コイルの外側の部分に連続して形成されたコイルを含む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. 前記受信コイルの面積は、前記磁場発生部の面積よりも小さい又は同じであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁超音波センサ。
4. 前記送信コイルは、前記受信コイルよりも被検査体側に設けられることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電磁超音波センサ。