JP2014077716A - 電磁超音波の送受信方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波の電磁超音波を高感度で送受信できる、電磁超音波の送受信方法および装置を提供することを課題とする。
【解決手段】超音波が検査材を伝播する方向に対して平行な軸線上に、超音波を送受信する電磁超音波プローブを所定の間隔を持たせて複数配置し、
該複数の電磁超音波プローブの送信タイミングを、前記間隔および電磁超音波の伝播速度に基づいてそれぞれ制御して超音波を送信し、
検査材の表層部または内部から反射してきた超音波を前記複数の電磁超音波プローブでそれぞれ受信した後、
各々の電磁超音波プローブで受信された超音波信号に対して、前記間隔および電磁超音波の伝播速度に基づいてそれぞれの遅延時間を計算し、計算した遅延時間によって遅延をかけて伝播時間のタイミングを揃えた信号を合成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材または鋼板の表層に存在する欠陥の検出、または、鋼材・鋼板表層部の物性値の計測に用いる、電磁気的に超音波を送受信する電磁超音波の送受信方法および装置に関するものである。

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信する方法として、電磁気的に超音波を送受信する方法（以下、電磁超音波法と呼ぶ）の適用が好ましいとされ、様々な電磁超音波プローブが開発されてきた。

また、検査材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Ｓ Ｈ 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、高温の検査材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40dBから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、超音波探傷や材質計測への適用が難しいのが実情であった。
高温な検査材の表面にある欠陥を探傷する方法として、例えば、特許文献１に開示された技術がある。この技術では、Ｓ／Ｎ良く表面欠陥を探傷する為に、ＰＰＭ型電磁超音波トランスデユーサ(Periodic Permanent Magnet型電磁超音波トランスデューサ)を用いることで送受波するＳＨ波の感度を向上させ、さらに、円弧状にＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサを配置することで、超音波の集束効果による感度向上を図っている。

特開２００６−２０８３２５号公報

特許文献１で用いているＰＰＭ型電磁超音波トランスデューサの基本は、渦巻きコイルの上に薄い永久磁石を磁極方向が交互に異なるように多数並べたＥＭＡＴ(Electro Magnetic Acoustic Transducer)であり、永久磁石のＮＳＮＳの周期と同じ周期の表面ＳＨ波が発生する。しかしながら、永久磁石が薄いほど、高周波数の表面ＳＨ波を送信できるものの、薄すぎる永久磁石は磁力も弱くなってしまう。つまり、より高周波で使用しようとすると、Ｓ／Ｎが低下してしまうという問題がある。

本発明では、これら従来技術の問題点に鑑み、高周波の電磁超音波を高感度で送受信できる、電磁超音波の送受信方法および装置を提供することを課題とする。

上記課題は、以下の発明によって解決できる。

［１］ 鋼材または鋼板の表層に存在する欠陥の検出、または、鋼材・鋼板表層部の物性値の計測に用いる、電磁気的に超音波を送受信する電磁超音波の送受信方法であって、
超音波が検査材を伝播する方向に対して平行な軸線上に、超音波を送受信する電磁超音波プローブを所定の間隔を持たせて複数配置し、
該複数の電磁超音波プローブの送信タイミングを、前記間隔および電磁超音波の伝播速度に基づいてそれぞれ制御して超音波を送信し、
検査材の表層部または内部から反射してきた超音波を前記複数の電磁超音波プローブでそれぞれ受信した後、
各々の電磁超音波プローブで受信された超音波信号に対して、前記間隔および電磁超音波の伝播速度に基づいてそれぞれの遅延時間を計算し、計算した遅延時間によって遅延をかけて伝播時間のタイミングを揃えた信号を合成することを特徴とした電磁超音波の送受信方法。

［２］ 鋼材または鋼板の表層に存在する欠陥の検出、または、鋼材・鋼板表層部の物性値の計測に用いる、電磁気的に超音波を送受信する電磁超音波の送受信装置であって、
超音波が検査材を伝播する方向に対して平行な軸線上に、所定の間隔を持たせて複数配置した超音波を送受信する電磁超音波プローブと、
前記間隔および超音波の伝播速度に基づいて、前記電磁超音波プローブに対応する遅延時間を算出する遅延回路と、
該遅延回路で算出した遅延時間で、対応する電磁超音波プローブを駆動させる送信部と、
検査材の表層部または内部から反射してきた超音波を前記複数の電磁超音波プローブでそれぞれ受信した後、それぞれの信号を増幅する受信部と、
該受信部で増幅したそれぞれの信号に対して、前記間隔および超音波の伝播速度に基づいてそれぞれの遅延時間を計算し、計算した遅延時間によって遅延をかけ伝播時間のタイミングを揃える遅延回路と、
該遅延回路で遅延をかけ伝播時間のタイミングを揃えられた各受信信号を加算処理する信号合成部とを具備することを特徴とした電磁超音波の送受信装置。

本発明によれば、電磁超音波プローブで送受信する超音波の振動振幅を大きくすることが可能となり、高周波の電磁超音波を高感度で送受信でき、鋼材の表層または内部に存在する欠陥を検出、または、鋼材・鋼板の物性値の計測を行うにあたり、大幅な感度向上効果が得られる。

本発明の全体構成例を示す図である。 電磁超音波プローブを用いた超音波の送信方法を説明する図である。 電磁超音波プローブを用いた超音波の受信方法を説明する図である。 本発明の一実施例を説明する図である。 電磁超音波プローブの構造を説明する図である。 端面からの反射波を測定した結果の一例を示す図である。 受信信号のＳ／Ｎの変化を示す図である。

図１から図３を用いて、本発明の実施形態を以下に説明を行う。図１は、本発明の全体構成例を示す図である。また、図２は、電磁超音波プローブを用いた超音波の送信方法を説明する図である。さらに、図３は、電磁超音波プローブを用いた超音波の受信方法を説明する図である。

図１から図３の図中、１は第一の電磁超音波プローブ、２は第二の電磁超音波プローブ、３は第三の電磁超音波プローブ、４は第四の電磁超音波プローブ、５は第一の送信部、６は第二の送信部、７は第三の送信部、８は第四の送信部である。そして、９は第一の受信部、１０は第二の受信部、１１は第三の受信部、１２は第四の受信部、１３は第一の遅延回路、１４は第二の遅延回路、１５は第三の遅延回路、１６は第四の遅延回路、１７は第五の遅延回路、１８は第六の遅延回路、１９は信号合成部、２０は信号処理部、２１は出力部、３０は検査材、および３１は欠陥をそれぞれ表す。

超音波を送受信するにあたり、本発明では、電磁超音波プローブ、送信部、および受信部をそれぞれ複数必要とする。

図１は、本発明を、図中の検査材３０の表面にある欠陥３１の検出に適用している様子を示しており、伝播した超音波が欠陥３１で反射して反射波として伝播している様子を模式的に表している。

電磁超音波プローブは、超音波が伝播する方向と平行な軸線上に設置する。図１から図３の説明では、複数ある電磁超音波プローブ、送信部、および受信部を、それぞれ４つずつ有するとして説明する。

図２に示すように、第一の電磁超音波プローブ１と第二の電磁超音波プローブ２は間隔Pd1で設置し、第二の電磁超音波プローブ２と第三の電磁超音波プローブ３と間隔Pd2で設置し、第三の電磁超音波プローブ３と第四の電磁超音波プローブ４を間隔Pd3で設置する。Pd1、Pd2、Pd3、Pd4の間隔は、同じ間隔としても良いし、個別に異なる間隔でも良い。以下では、同じ間隔であるとして説明を行う。

まず、第一の送信部５で、第一の電磁超音波プローブ１を駆動させて検査材３０の表面に超音波を伝播させる。表層に励起された超音波は、図１ならびに２中の左向きの矢印で示した方向に伝播する。励起された超音波が、第二の電磁超音波プローブ２の設置位置に到達したときに、第二の送信部６を駆動させて超音波を伝播させる。

すると、第一の送信部５と第一の電磁超音波プローブ１で励起されて伝播してきた超音波と、第二の送信部６と第二の電磁超音波プローブ２で励起された超音波が重ねあわされ、伝播する電磁超音波の振動振幅は大きくなる。続いて、第三の送信部７と第三の電磁超音波プローブ３、第四の送信部８と第四の電磁超音波４で前述と同様に伝播してきた超音波の振動振幅が重ねあわされ、より大きな振動振幅を有する超音波が検査材３０の表層を伝播する。

ここで、第二の送信部６、第三の送信部７、第四の送信部８を駆動させて、各電磁超音波プローブ（２〜４）を励起させるタイミングは、電磁超音波プローブの長さSdと各電磁超音波プローブの設置間隔、表層を伝播する超音波の音速Ｖｓから算出することができる。

具体的には、第一の遅延回路１３の遅延時間量をd₁、第二の遅延時間回路１４の遅延時間量をd₂、第三の遅延時間回路１５の遅延時間量をd₃とした場合、以下に示す（１）、（２）、および（３）式のように各超音波プローブを励起させるタイミングをそれぞれ計算できる。

超音波の受信は、図３に示したように、それぞれ複数配置した電磁超音波プローブ（第一の電磁超音波プローブ１〜第四の電磁超音波プローブ４）と受信部（第一の受信部９〜第四の受信部１２）を用いて受信する。

第一の電磁超音波プローブ１から第四の電磁超音波プローブ４によって、検査材の表層部または内部から反射してきた超音波の振動を受信し、第一の受信部９から第四の受信部１２によってそれぞれの信号を増幅する。その後、第一から第四の電磁超音波プローブの配置位置を考慮して、第四の遅延回路１６から第六の遅延回路１８で伝播時間のタイミングを揃える。そして、信号合成部１９にて、タイミングを揃えられた各受信信号を加算処理する。

このように、伝播時間のタイミングを揃えて加算処理することで、位相が揃わない電気ノイズ信号を相殺でき、Ｓ／Ｎを高めることができる。

信号処理部２０で、Ｓ／Ｎを高めた信号を処理することによって、より精度の高い欠陥検出ができる。欠陥検出などの信号処理結果は、出力部２１に送られる。

図４は、本発明の一実施例を説明する図である。検査材に対して、４つの電磁超音波プローブからタイミングを合わせて、超音波（SH波）を送信し、第四の電磁超音波プローブから300mm位置にある端面からの反射した反射エコーがもどってくる様子を示している。図１〜３と同様に、電磁超音波プローブを４つの検査材に配置して、電磁超音波プローブ同士は5mmの間隔で配置している。

さらに図５は、実施例で用いた電磁超音波プローブの構造を説明する図である。送信用の蛇行型コイルと受信用の蛇行型コイルを組み合わせて、一つの電磁超音波プローブで送信と受信をおこなっている。送信用、受信用それぞれに使われている蛇行型コイルの線径はφ0.15mmとし、巻き数は50ターン（縦に10段、横に5段の構造）としている。50ターンまかれたコイルの太さは、0.75mm×1.5mmとなる。蛇行のピッチをｐ=3.5mmとしている。

超音波の波長は図５中、蛇行コイルの周期D=音速Vs／周波数 f という関係があり、本実施例で使用したセンサは、蛇行コイルの周期D=10mm、音速は3230m/secなので、周波数は約300ｋHzの特性を持つ。周波数を任意に定めたいときは、上述の関係式をもちいて、蛇行コイルの周期Dを算出すればよい。たとえば、送受信したい周波数を1MHzとしたければ、Dを約3.23mmピッチとすればよい。
伝播時間で用いるSdは蛇行コイルの長さとし、Pd₁は蛇行コイル間の距離として計算する。すなわち、Sd=40mm、Pd₁= Pd₂= Pd₃=307mmとして計算した値を用いた。

図６は、端面からの反射波を測定した結果の一例を示す図である。受信は第一のプローブのみで行い、送信に用いるプローブの数を２〜４と順次増やしながら、受信信号振幅を測定した結果を示している。プローブの数を増やし、超音波の信号振幅を重ね合わせることで、端面からの反射信号のエコーレベルが上昇していくことが判る。

さらに、図7は、受信信号のＳ／Ｎの変化を示す図である。送信は、第一の電磁超音波プローブから第四の電磁超音波プローブを駆動して行い、端面からの反射信号の受信をプローブの数を増やし、信号とノイズの比を測定したものである。この結果、受信信号を重ね合わせることで、Ｓ／Ｎが１１(db)から２６(db)と良くなっていることが確認できる。

１ 第一の電磁超音波プローブ
２ 第二の電磁超音波プローブ
３ 第三の電磁超音波プローブ
４ 第四の電磁超音波プローブ
５ 第一の送信部
６ 第二の送信部
７ 第三の送信部
８ 第四の送信部
９ 第一の受信部
１０ 第二の受信部
１１ 第三の受信部
１２ 第四の受信部
１３ 第一の遅延回路
１４ 第二の遅延回路
１５ 第三の遅延回路
１６ 第四の遅延回路
１７ 第五の遅延回路
１８ 第六の遅延回路
１９ 信号合成部
２０ 信号処理部
２１ 出力部
３０ 検査材
３１ 欠陥

Claims (2)

1. 鋼材または鋼板の表層に存在する欠陥の検出、または、鋼材・鋼板表層部の物性値の計測に用いる、電磁気的に超音波を送受信する電磁超音波の送受信方法であって、
   超音波が検査材を伝播する方向に対して平行な軸線上に、超音波を送受信する電磁超音波プローブを所定の間隔を持たせて複数配置し、
   該複数の電磁超音波プローブの送信タイミングを、前記間隔および電磁超音波の伝播速度に基づいてそれぞれ制御して超音波を送信し、
   検査材の表層部または内部から反射してきた超音波を前記複数の電磁超音波プローブでそれぞれ受信した後、
   各々の電磁超音波プローブで受信された超音波信号に対して、前記間隔および電磁超音波の伝播速度に基づいてそれぞれの遅延時間を計算し、計算した遅延時間によって遅延をかけて伝播時間のタイミングを揃えた信号を合成することを特徴とした電磁超音波の送受信方法。
2. 鋼材または鋼板の表層に存在する欠陥の検出、または、鋼材・鋼板表層部の物性値の計測に用いる、電磁気的に超音波を送受信する電磁超音波の送受信装置であって、
   超音波が検査材を伝播する方向に対して平行な軸線上に、所定の間隔を持たせて複数配置した超音波を送受信する電磁超音波プローブと、
   前記間隔および超音波の伝播速度に基づいて、前記電磁超音波プローブに対応する遅延時間を算出する遅延回路と、
   該遅延回路で算出した遅延時間で、対応する電磁超音波プローブを駆動させる送信部と、
   検査材の表層部または内部から反射してきた超音波を前記複数の電磁超音波プローブでそれぞれ受信した後、それぞれの信号を増幅する受信部と、
   該受信部で増幅したそれぞれの信号に対して、前記間隔および超音波の伝播速度に基づいてそれぞれの遅延時間を計算し、計算した遅延時間によって遅延をかけ伝播時間のタイミングを揃える遅延回路と、
   該遅延回路で遅延をかけ伝播時間のタイミングを揃えられた各受信信号を加算処理する信号合成部とを具備することを特徴とした電磁超音波の送受信装置。