JP3504430B2 - 斜角電磁超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば鋼材溶接
部の内部欠陥を検査する超音波探傷装置に使用される斜
角電磁超音波トランスデューサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の電磁超音波トランスデュー
サの概略構成図である。かかる電磁超音波トランスデュ
ーサは、一定の幅を有する複数の短冊状の永久磁石８２
と、コイル８４とを有するものである。複数の永久磁石
８２は二列に隣接して配置され、隣接する永久磁石８２
のＮ極とＳ極の向きは互いに逆になるように配置されて
いる。コイル８４は導線を長方形の形に巻いて形成した
ものである。その長方形の一方の長辺に対応する導線の
上側には一方の列の永久磁石が配置され、他方の長辺に
対応する導線の上側には他方の列の永久磁石が配置され
る。コイル８４に高周波電流を流すと、被検体の表面に
は渦電流が発生する。この渦電流と永久磁石８２により
発生したバイアス磁場との相互作用により、被検体の内
部にはローレンツ力が発生する。このローレンツ力は互
いに反対方向であり、コイル８４に流れる電流の向きが
変わることで反転する。こうして、被検体２の内部には
超音波が発生する。かかる電磁超音波トランスデューサ
は鋼材溶接部等の斜角探傷等に広く用いることが可能で
あり、また、被検体と非接触であるという特徴を有す
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電磁超音波トランスデューサでは、磁場を発生させる手
段として相当強い永久磁石を用いているため、たとえば
鋼材溶接部の内部欠陥を検査しない場合にも磁場が発生
しているので、永久磁石が鋼材に張り付くことがあり、
取扱いが容易でないという問題があった。また、永久磁
石に磁粉等が吸着してしまい、欠陥の検出感度が低下す
るという問題もあった。

【０００４】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、取扱いが簡単で、しかも磁粉等の吸着による欠
陥の検出感度の低下を容易に防ぐことができる斜角電磁
超音波トランスデューサを提供することを目的とするも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項１記載の発明に係る斜角電磁超音波トランス
デューサは、電磁石用コイルが巻かれた第一コアと、前
記電磁石用コイルに対し一方の側に位置する前記第一コ
アの端部から引き出された複数の第二コアと、前記電磁
石用コイルに対し他方の側に位置する前記第一コアの端
部から引き出された複数の第三コアとを有し、前記第二
コアの先端部と前記第三コアの先端部とが一定間隔で交
互に配列されたコアを備える多極電磁石と、前記交互に
配列された第二コアの先端部と第三コアの先端部との下
側にコイルの一部が位置するように設けられた超音波送
受信用コイルと、を具備することを特徴とするものであ
る。

【０００６】上記の目的を達成するための請求項２記載
の発明に係る斜角電磁超音波トランスデューサは、対向
する極の極性が異なるように隣り合って配置された二つ
の多極電磁石と、略方形状に巻かれた超音波送受信用コ
イルとを具備し、前記多極電磁石は、電磁石用コイルが
巻かれた第一コアと、前記電磁石用コイルに対し一方の
側に位置する前記第一コアの端部から引き出された複数
の第二コアと、前記電磁石用コイルに対し他方の側に位
置する前記第一コアの端部から引き出された複数の第三
コアとを有し、前記第二コアの先端部と前記第三コアの
先端部とが一定間隔で交互に配列されたコアを備えるも
のであり、前記超音波送受信用コイルは、その対向する
二つの辺の一方が前記二つの多極電磁石の一方の極の下
側に、対向する二つの辺の他方が前記二つの多極電磁石
の他方の極の下側に、それぞれ位置するように設けられ
ていることを特徴とするものである。

【０００７】請求項３記載の発明に係る斜角電磁超音波
トランスデューサは、請求項１又は２記載の発明におい
て、前記コアは、複数の略コ字形の板状部材と複数の略
Ｌ字形の板状部材とを交互に配列すると共にその配列方
向から見たときに略ロ字形となるように配列し、その配
列方向から見たときの前記略コ字形の板状部材と前記略
Ｌ字形の板状部材との重なる部分の間に一定幅を有する
略直方体状部材を挿入することにより形成されたもので
あることを特徴とするものである。

【０００８】本願発明によれば、多極電磁石を構成する
コアとして、電磁石用コイルが巻かれた第一コアと、電
磁石用コイルに対し一方の側に位置する第一コアの端部
から引き出された複数の第二コアと、電磁石用コイルに
対し他方の側に位置する第一コアの端部から引き出され
た複数の第三コアとを有し、第二コアの先端部と第三コ
アの先端部とが一定間隔で交互に配列されたものを用い
ることにより、電磁石用コイルに直流電流を流すと、第
二コアの先端部と第三コアの先端部には異なる磁極を発
生させることができるので、第二コアの先端部と第三コ
アの先端部において一定間隔で交互に向きが異なる磁場
を作ることができる。一方、超音波の送受を行わない場
合には、磁場が発生しないので、磁石が被検体に張り付
いてしまうことはなくなり、したがって取扱いが容易に
なる。また、磁粉等が吸着しても、電磁石用コイルを励
磁していないときに、容易に除去することができる。

【０００９】また、本願発明で、多極電磁石とは、本発
明者が案出したものであり、Ｎ極とＳ極とが交互に複数
配列された電磁石である。また、略方形状とは、長方形
状や正方形状だけでなく、長穴形状、楕円形状を含む意
味である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態
である斜角電磁超音波トランスデューサの概略構成図、
図２はその斜角電磁超音波トランスデューサの概略断面
図、図３はその斜角電磁超音波トランスデューサに用い
る電磁石のコアの構造を説明するための図である。

【００１１】図１及び図２に示す斜角電磁超音波トラン
スデューサは、被検体２の表面に対して斜めに進行する
超音波を発生するもので、一対の電磁石１０ａ，１０ｂ
と、超音波送受信用コイル３０と、直流電源４０と、送
信装置５０と、切換器６０と、受信装置７０とを備える
ものである。本実施形態では、かかる斜角電磁超音波ト
ランスデューサを、鋼材溶接部の内部欠陥を検査する超
音波探傷装置に使用する場合を考える。

【００１２】電磁石１０ａと電磁石１０ｂは全く同じも
のであり、それぞれ、電磁石用コイル１２と、コア１４
とを備える。コア１４は、電磁石用コイル１２が巻かれ
た略直方体状の第一コア２２と、複数の第二コア２４
と、複数の第三コア２６とを有する。このコア１４の材
質には、電磁軟鉄を用いている。第二コア２４は、略Ｌ
字形をした板状のもので、電磁石用コイル１２に対し一
方の側に位置する第一コア２２の端部の下側から引き出
されている。一方、第三コア２６は、略長方形の形をし
た板状のもので、電磁石用コイル１２に対し他方の側に
位置する第一コア２２の端部の下側から引き出されてい
る。また、第二コア２４の先端部と第三コア２６の先端
部とは、一定のピッチｄで交互に配列されている。この
ピッチｄは、発生させる超音波の周波数、被検体２中に
おける超音波の音速、超音波の屈折角が決まれば、一意
的に定まる。

【００１３】電磁石１０ａと電磁石１０ｂは、電磁石１
０ａの第二コア２４の先端部と電磁石１０ｂの第三コア
２６の先端部とが対向し、且つ電磁石１０ａの第三コア
２６の先端部と電磁石１０ｂの第二コア２４の先端部と
が対向するように配置される。尚、一般には、必ずしも
電磁石１０ａの第二コア２４と電磁石１０ｂの第二コア
２４とが互い違いになるように構成する必要はない。電
磁石１０ａの第二コア２４と電磁石１０ｂの第二コア２
４とが対向するように配置した場合であっても、電磁石
１０ａ，１０ｂの電磁石用コイル１２に流す電流の方向
を変えることにより、二つの電磁石１０ａと電磁石１０
ｂとは、対向する極の極性が異なるようにできるからで
ある。

【００１４】本実施形態では、かかるコア１４を次のよ
うな方法で作製している。この場合、コア１４は、図３
に示すように、複数の略コ字形の板状部材１５ａと、複
数の略Ｌ字形の板状部材１５ｂと、複数の略直方体状部
材１５ｃとを用いて作製される。まず、略コ字形の板状
部材１５ａと、略Ｌ字形の板状部材１５ｂとを交互に配
列する。ここで、略コ字形の板状部材１５ａと略Ｌ字形
の板状部材１５ｂとは、その配列方向から見たときに略
ロ字形となるように配列している。次に、その配列方向
から見たときの略コ字形の板状部材１５ａと略Ｌ字形の
板状部材１５ｂとの重なる部分の間に略直方体状部材１
５ｃを挿入して、コア１４が得られる。かかるコアの作
製方法によれば、複雑な形状を有するコア１４でも容易
に作製することができる。

【００１５】直流電源４０は、直列接続された電磁石１
０ａの電磁石用コイル１２と電磁石１０ｂの電磁石用コ
イル１２とに直流電流を流すものである。ここでは、直
流電源４０をオンし、電磁石用コイル１２に直流電流を
流したときに、電磁石１０ａ，１０ｂのコア１４の第一
コア２２において第三コア２６の側から第二コア２４の
側に向かう方向に磁束が発生するようにしている。した
がって、このとき、第二コア２４の先端部にはＮ極が発
生し、第三コア２６の先端部にはＳ極が発生することに
なる。こうして、第二コア２４の先端部と第三コア２６
の先端部では、ピッチｄで方向が上下に反転しているバ
イアス磁場が作られる。また、本実施形態では、二つの
電磁石１０ａと電磁石１０ｂとは、対向する極の極性が
異なるように、すなわち、電磁石１０ａの第二コア２４
（Ｎ極）と電磁石１０ｂの第三コア２６（Ｓ極）とが対
向するように、且つ電磁石１０ａの第三コア２６（Ｓ
極）と電磁石１０ｂの第二コア２４（Ｓ極）とが対向す
るように配置されている。

【００１６】超音波送受信用コイル３０は、導線を略長
方形の形に所定回数だけ巻いて形成したものであり、電
磁石１０ａ，１０ｂの第二及び第三コア２４，２６の下
方に配置される。ここで、前記長方形の一方の長辺に対
応する導線と電磁石１０ａの第二及び第三コア２４，２
６の先端部の配列方向とが平行になり、且つ前記長方形
の他方の長辺に対応する導線と電磁石１０ｂの第二及び
第三コア２４，２６の先端部の配列方向とが平行になる
ように、超音波送受信用コイル３０を配置している。超
音波送受信用コイル３０には、切換器６０を介して、送
信装置５０と、受信装置７０とが接続されている。送信
装置５０はトーンバースト波を発生するものである。こ
の超音波送受信用コイル３０は、超音波を発生させるた
めのものであると同時に、被検体２の内部欠陥で反射し
た超音波を受信する役割をも兼ねている。切換器６０
は、超音波送受信用コイル３０で超音波を発生するとき
には、接続を送信装置５０の側に切り換え、一方、超音
波送受信用コイル３０で超音波を受信するときには、接
続を受信装置７０の側に切り換える。

【００１７】これまでは送信と受信を同じ斜角電磁超音
波トランスデューサを用いて行う一探法について説明し
たが、斜角電磁超音波トランスデューサを二つ用いて、
図４に示すように、二探法として用いることも可能であ
る。次に、本実施形態の斜角電磁超音波トランスデュー
サの動作について図２を用いて説明する。

【００１８】超音波を発生させる場合には、まず、直流
電源４０をオンし、電磁石用コイル１２に直流電流を流
す。すると、電磁石１０ａ，１０ｂのコア１４が磁化さ
れ、第二コア２４の先端部にＮ極が、第三コア２６の先
端部にＳ極が発生し、被検体２の表面に垂直な方向のバ
イアス磁場Ｂが作られる。このバイアス磁場Ｂは、ピッ
チｄでその方向が反転している。次に、切換器６０が接
続を送信装置５０の側に切り換え、超音波送受信用コイ
ル３０に高周波電流Ｉ′が流れると、被検体２の表面に
は、超音波送受信用コイル３０に流れる電流Ｉ′と逆向
きに流れる渦電流Ｉが発生する。この渦電流Ｉとバイア
ス磁場Ｂとの相互作用により、被検体２の内部にはロー
レンツ力Ｆが発生する。このローレンツ力Ｆは、ピッチ
ｄで互いに方向が変わっており、超音波送受信用コイル
３０に流れる電流Ｉ′の向きが変わることで反転する。
これにより、被検体２の内部には超音波４が発生する。
ここで、被検体２の内部での超音波４の波長をλとする
と、超音波４は、 ｄ× sinθ＝λ／２ を満たす屈折角θをもって被検体２の内部を進行する。
一方、超音波を受信する場合は、上記の超音波を発生さ
せる場合と逆のプロセスにより行われる。

【００１９】本実施形態の斜角電磁超音波トランスデュ
ーサでは、電磁石を構成するコアとして、電磁石用コイ
ルが巻かれた略直方体状の第一コアと、電磁石用コイル
に対し一方の側に位置する第一コアの端部から引き出さ
れた複数の第二コアと、電磁石用コイルに対し他方の側
に位置する第一コアの端部から引き出された複数の第三
コアとを有し、第二コアの先端部と第三コアの先端部と
が一定ピッチで交互に配列されたものを用いることによ
り、電磁石用コイルに直流電流を流すと、第二コアの先
端部と第三コアの先端部には異なる磁極を発生させるこ
とができるので、第二コアの先端部と第三コアの先端部
において一定ピッチで交互に向きが異なるバイアス磁場
を作ることができる。超音波の送受を行わない場合に
は、電磁石用コイルに電流を流さないので、電磁石が鋼
材等に張り付いてしまうことはなく、取扱いが容易にな
る。また、電磁石に磁粉等が吸着しても、電磁石用コイ
ルに電流を流すのを止めて磁粉等を簡単に取り除くこと
ができ、磁粉等の吸着による欠陥の検出感度の低下を容
易に防ぐことができる。

【００２０】また、本実施形態では、電磁石を用いたこ
とにより、電磁石用コイルの巻数等を変えることで、バ
イアス磁場の強度を容易に変化させることができるとい
う利点もある。さらに、従来のように永久磁石を用いる
場合には、永久磁石の厚さを薄くするのに限界があった
が、本実施形態のように電磁石を用いる場合には、第二
コアの先端部と第三コアの先端部とのピッチを、永久磁
石を用いる場合に比べてかなり狭くすることが可能であ
る。

【００２１】尚、本発明は上記の実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が
可能である。たとえば、上記の実施形態では、二つの電
磁石を用いた場合について説明したが、電磁石は一つだ
け用いるようにしてもよい。上記の実施形態のように二
つの電磁石を用いた場合には、両方の電磁石において発
生する超音波の位相を揃えることで、斜角電磁超音波ト
ランスデューサで発生する超音波の強度を強くすること
ができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本願発明によれば、
多極電磁石を構成するコアとして、電磁石用コイルが巻
かれた第一コアと、電磁石用コイルに対し一方の側に位
置する第一コアの端部から引き出された複数の第二コア
と、電磁石用コイルに対し他方の側に位置する第一コア
の端部から引き出された複数の第三コアとを有し、第二
コアの先端部と第三コアの先端部とが一定間隔で交互に
配列されたものを用いることにより、電磁石用コイルに
直流電流を流すと、第二コアの先端部と第三コアの先端
部には異なる磁極を発生させることができるので、第二
コアの先端部と第三コアの先端部では一定間隔で交互に
向きが異なる磁場を作ることができる。また、超音波の
送受を行わないときには、電磁石用コイルを励磁しない
ので、電磁石が被検体に張り付いてしまうことがなくな
り取扱いが容易になる。更に、磁粉等が吸着しても、容
易に磁粉等を除去することができるので、磁粉等の吸着
による欠陥の検出感度の低下を容易に防ぐことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である斜角電磁超音波トラ
ンスデューサの概略構成図である。

【図２】その斜角電磁超音波トランスデューサの概略断
面図である。

【図３】その斜角電磁超音波トランスデューサに用いる
電磁石のコアの構造を説明するための図である。

【図４】二つの斜角電磁超音波トランスデューサを用い
て二探法を行う場合を説明するための図である。

【図５】従来の電磁超音波トランスデューサの概略構成
図である。

【符号の説明】

２ 被検体 ４ 超音波 １０ａ，１０ｂ 電磁石 １２ 電磁石用コイル １４ コア １５ａ 略コ字形の板状部材 １５ｂ 略Ｌ字形の板状部材 １５ｃ 略直方体状部材 ２２ 第一コア ２４ 第二コア ２６ 第三コア ３０ 超音波送受信用コイル ４０ 直流電源 ５０ 送信装置 ６０ 切換器 ７０ 受信装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28 G01B 17/00 - 17/08

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁石用コイルが巻かれた第一コアと、
   前記電磁石用コイルに対し一方の側に位置する前記第一
   コアの端部から引き出された複数の第二コアと、前記電
   磁石用コイルに対し他方の側に位置する前記第一コアの
   端部から引き出された複数の第三コアとを有し、前記第
   二コアの先端部と前記第三コアの先端部とが一定間隔で
   交互に配列されたコアを備える多極電磁石と、 前記交互に配列された第二コアの先端部と第三コアの先
   端部との下側にコイルの一部が位置するように設けられ
   た超音波送受信用コイルと、 を具備することを特徴とする斜角電磁超音波トランスデ
   ューサ。
2. 【請求項２】 対向する極の極性が異なるように隣り合
   って配置された二つの多極電磁石と、略方形状に巻かれ
   た超音波送受信用コイルとを具備し、 前記多極電磁石は、電磁石用コイルが巻かれた第一コア
   と、前記電磁石用コイルに対し一方の側に位置する前記
   第一コアの端部から引き出された複数の第二コアと、前
   記電磁石用コイルに対し他方の側に位置する前記第一コ
   アの端部から引き出された複数の第三コアとを有し、前
   記第二コアの先端部と前記第三コアの先端部とが一定間
   隔で交互に配列されたコアを備えるものであり、 前記超音波送受信用コイルは、その対向する二つの辺の
   一方が前記二つの多極電磁石の一方の極の下側に、対向
   する二つの辺の他方が前記二つの多極電磁石の他方の極
   の下側に、それぞれ位置するように設けられていること
   を特徴とする斜角電磁超音波トランスデューサ。
3. 【請求項３】 前記コアは、複数の略コ字形の板状部材
   と複数の略Ｌ字形の板状部材とを交互に配列すると共に
   その配列方向から見たときに略ロ字形となるように配列
   し、その配列方向から見たときの前記略コ字形の板状部
   材と前記略Ｌ字形の板状部材との重なる部分の間に一定
   幅を有する略直方体状部材を挿入することにより形成さ
   れたものであることを特徴とする請求項１又は２記載の
   斜角電磁超音波トランスデューサ。