JP3886843B2

JP3886843B2 - Electromagnetic ultrasonic transducer

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Publication number: JP3886843B2
Application number: JP2002126935A
Authority: JP
Inventors: 一安井; 紘一郎川嶋; 龍司山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003319493A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁超音波トランスデューサに関し、特に複数の短冊状磁石を配列したアレイを用いる電磁超音波トランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁超音波トランスデューサ（略称ＥＭＡＴ：Electromagnetic Acoustic Transducer）は，電磁気的作用によって金属内に非接触で超音波を送信・受信するためのデバイスである。大まかに言えば、ＥＭＡＴは磁石とコイルとから構成されており、これを金属に近づけコイルに対して高周波電流を流すと、金属表面に渦電流を励起され、この渦電流と磁石による静磁場との相互作用により金属内に誘起されるローレンツ力により、金属表面近傍が機械的振動することで、超音波が発生する。また、この逆過程で、金属内を伝搬する機械的振動を電気信号に変換して検出することができる。ＥＭＡＴは、例えば超音波探傷などに用いられる。
【０００３】
ＥＭＡＴの一種に、ＰＰＭ（Periodic Permanent Magnet）型ＥＭＡＴがある。ＰＰＭ型ＥＭＡＴでは、図１８に示すように、静磁場源として、上下の面がＮ，Ｓの磁極面となっている短冊状の永久磁石１１０を、極性を交互に上下反転しつつ横方向に重ね合わせたアレイ１００を用いる。そして、２つのアレイ１００を、それぞれ渦巻きコイル１２０の各直線部分の上に並列に配置している。このＰＰＭ型ＥＭＡＴは、特開平11-125622号公報の「従来の技術」の欄にも示されるように、板材に表面ＳＨ(Shear Horizontal)波を送受信する手段として用いられる。
【０００４】
図１８に例示したＰＰＭ型ＥＭＡＴにおける表面ＳＨ波の発生メカニズムを図１９を用いて説明する。図１９は、図１８に示したＰＰＭ型ＥＭＡＴを横方向（図１８の矢印Ａで示す方向）に見た図であり、図中の左右方向をｘ方向、上下方向をｙ方向、紙面に垂直な方向をｚ方向とした３次元座標系を設定している。
【０００５】
図１９に示すように、ＰＰＭ型ＥＭＡＴは、導電性の板材である対象物１３０の表面に渦巻きコイル１２０が当接するように設置する。アレイ１００の各永久磁石１１０により、対象物１３０の表面に垂直で、各永久磁石１１０の磁極の向きに対応して交互に逆方向に働く磁界Ｂが形成される。一方、渦巻きコイル１２０に高周波電流Ｉ（ω）（ωは角周波数）を流すと、対象物１３０の表面にＩ（ω）の向きに平行な渦電流Ｊ（ω）が誘起される。これら磁界Ｂと渦電流Ｊ（ω）の相互作用により、対象物１３０の表面に平行で、磁界Ｂ及び渦電流Ｊ（ω）の双方に対して垂直な向きのローレンツ力Ｆが発生する。なお、ローレンツ力Ｆを示すマークについて説明すると、丸印の中央に黒点を示したマークは図の紙面に垂直に奥から手前側に向く力を示し、丸印内に×印を示したマークは図の紙面に垂直に手前側から奥に向かう力を示す。また丸印の大きさが力の大きさを示す。
【０００６】
それらのローレンツ力Ｆの向きは、永久磁石１３０のｘ方向の幅のピッチで反転する。なお図１９では、図の繁雑さを避けるため磁界Ｂ、渦電流Ｊ、ローレンツ力Ｆを別の段に分けて示したが、実際にはこれらは対象物１３０内の同じ位置に対するものである。
【０００７】
このようなメカニズムにより、表面ＳＨ波の波長とローレンツ力Ｆの周期が一致するような高周波電流のバースト波を渦巻きコイル１２０に入力することで、強度の高い表面ＳＨ波を送受信できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴでは、その構造上高い周波数の表面ＳＨ波を送受信するためには、短冊状の永久磁石１１０を薄く（すなわちｘ方向の幅を小さく）する必要がある。しかしながら、永久磁石を薄く加工することは困難であり、またあまり薄くすると磁力も弱くなるので、実用に供し得る薄さには限界がある。このため、従来は周波数１．５ＭＨｚ以上の表面ＳＨ波を送受信できるＰＰＭ型ＥＭＡＴを実現することが極めて困難であった。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、従来より高い周波数の表面ＳＨ波を送受信可能な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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の作用面を対象物に近接させた状態で、電磁気的作用により対象物に対する超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う電磁超音波トランスデューサであって、前記作用面に平行な配列方向に沿って複数の短冊状磁石を配列して構成した磁石アレイであって、隣り合う短冊状磁石同士が異極性の磁極面を対向させて配列される磁石アレイと、前記磁石アレイと前記作用面との間に、その作用面と平行に配設された扁平なコイルと、を含む電磁超音波トランスデューサを提供するものである。
【００１１】
本発明の好適な態様では、前記コイルは渦巻きコイルであり、前記配列方向がその渦巻きコイルの導線が延びる方向と一致するよう、前記磁石アレイが前記渦巻きコイルに対して位置決めされている、ことを特徴とする。
【００１２】
また本発明の別の好適な態様では、前記コイルは渦巻きコイルであり、前記配列方向がその渦巻きコイルの導線が延びる方向に対して直交する方向に一致するよう、前記磁石アレイが前記渦巻きコイルに対して位置決めされていることを特徴とする。
【００１３】
また本発明の別の好適な態様では、前記磁石アレイは、前記対象物内の表面近傍部分に形成する磁界の該表面に垂直な成分が、前記配列方向に沿って所定間隔ごとに反転するよう隣り合う前記短冊状磁石同士の間隔が設定されており、前記コイルは、前記所定間隔の２倍を周期として蛇行するメアンダーラインコイルであり、前記磁石アレイは、前記配列方向が前記メアンダーラインコイルの直線方向に対して垂直な方向となるように配設される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る電磁超音波トランスデューサ（ＥＭＡＴ）の要部構成を模式的に示した図である。
【００１６】
この図に示すように、本実施形態のＥＭＡＴは、磁場形成用の手段として短冊状（薄い直方体状）の永久磁石を重ね合わせて配列したものを用いる点では図１８及び図１９に示した従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴと同じである。本実施形態が上記従来構成と異なる点は、両側面、すなわち磁石アレイ１１の配列方向（すなわちｘ方向）側の面、が磁極面となった永久磁石１３を、極性の異なる磁極面同士が対向するように配列した点である。すなわち、アレイ１１は、隣り合う永久磁石１３のＮ極の面とＳ極の面とが向かい合うように配列形成される。隣り合う永久磁石１３同士の間には非磁性体のスペーサ１５を配設することで、対向する両磁極面同士の間隔を設定している。
【００１７】
本実施形態のＥＭＡＴでは、図２に示すように、このような磁石アレイ１１が、渦巻きコイル１７の直線部分１７ａの上に、永久磁石１３の配列方向がその直線部分１７ａの導線の方向と一致するように、配設される。なお、図２では繁雑さを避けるためスペーサ１５の図示は省略している。また、図２では、渦巻きコイル１７に２つある直線部分１７ａのうち、片方にしか磁石アレイ１１を配設していないが、図１８に示した従来構成と同様、両方に磁石アレイ１１を配設するようにすることももちろん可能である。この場合、それら２つの磁石アレイ１１の向きを配列方向について逆向きにする。
【００１８】
図１及び図２ではＥＭＡＴの主要部分のみを示したが、実際のプローブではこの主要部分が必要な回路構成と共にケースに収容されることになる。
【００１９】
このＥＭＡＴを用いて対象物に対して超音波の送受信を行う場合には、渦巻きコイル１７の下面（すなわち磁石アレイ１１が配設される面とは反対の面）側を対象物に近接させる。すなわち、その下面側が、ＥＭＡＴによる超音波の送信及び／又は受信作用の作用面（プローブ面）となる。
【００２０】
図３は、このＥＭＡＴを用いた検査システムの構成例を示す図である。このシステムにおいて、ＥＭＡＴプローブ１０は、図１及び図２に示した構成のＥＭＡＴを内蔵したプローブである。送信回路２２は、送信制御を行うコントローラ２０からの指令に基づき、高周波パルスのバースト信号を生成し、ＥＭＡＴプローブ１０内の渦巻きコイル１７に供給する。この高周波パルスの入力により、検査の対象物に対してＥＭＡＴから超音波が送信される。この送信超音波が対象物内で反射され、ＥＭＡＴのところまで戻ってくると、送信時との逆過程で渦巻きコイル１７に電流が誘起される。この電流はプリアンプ２４で増幅され、受信回路２６により増幅、フィルタリング等の作用を受けた後、信号処理装置２８に入力される。信号処理装置２８は、受信回路２６から入力される受信信号に基づき、検査のための所定の信号処理や演算処理を実行する。
【００２１】
このＥＭＡＴ構造では、永久磁石１３同士の間隔（すなわちスペーサ１５の幅ｄ）を適切に設定することで、表面ＳＨ波を送受信することができる。この表面ＳＨ波の送受信のメカニズムを図４及び図５を参照して説明する。図４は、異極性の磁極面同士を対向配置した構造における磁力線の様子を矢印付きの線により模式的に示した図であり、図５は、図１に示したＥＭＡＴの構成を正面方向（ｚ方向）から見た状態を示す図である。なお、図５では、磁石アレイ１１による磁界Ｂ、コイル１７内の高周波電流Ｉ（ω）により誘起される渦電流Ｊ（ω）、及びローレンツ力Ｆを別の段に分けて示したが、前述の図１９と同様、これは図示の便宜のためであり、実際にはこれらは対象物３０内の同じ位置に対するものである。
【００２２】
図４に示すように、大部分の磁力線はある永久磁石１３のＮ極面、その向かいの永久磁石１３のＳ極面へとほぼ真っ直ぐに向かうが、永久磁石１３のＮ極面の周縁近傍から出る磁力線は、磁石アレイ１１の外側にふくらんだ経路で向かいのＳ極面に入る。また、同じ永久磁石１３のＮ極近傍からＳ極近傍へと回り込む磁力線も存在する。
【００２３】
これからすれば、隣り合う永久磁石１３同士の間隔（すなわちスペーサ１５の幅）を調整することで、図５に示すように、超音波送受信の対象物３０の表面近傍の部分で、磁石アレイ１１の配列方向（ｘ方向）に沿ってほぼ等間隔のピッチで、磁界のｙ方向成分の向きが交互に反転するような磁界Ｂを形成することができることがわかる。このように等間隔で向きが反転する磁界Ｂを形成するのに好適なスペーサ幅ｄは、永久磁石１３の磁束密度や寸法、スペーサ１５の材質等によって変わってくるが、実験などで予め求めることができる。大まかに言えば、好適なスペーサ幅ｄは、永久磁石１３のｘ方向の幅Ｄと同等以下の長さである。したがって、磁界Ｂのｙ方向成分の反転のピッチは永久磁石１３の幅Ｄ以下となる。このことから、図５に例示した磁界Ｂのｙ方向成分の変化は、パターンとしては図１９に示した従来のＥＭＡＴを用いたときの対象物表面近傍で磁界の変化と類似しているが、永久磁石１３の薄さ（幅Ｄ）が同じならばその変化のピッチはその従来ＥＭＡＴの半分程度以下となることがわかる。
【００２４】
このように永久磁石１３を配列して構成した磁石アレイ１１を用いたＥＭＡＴで、コイル１７に高周波電流Ｉ（ω）を通流すれば、対象物３０内に渦電流Ｊ（ω）が誘起される。そして、この渦電流Ｊ（ω）と磁石アレイ１１による磁界Ｂとの相互作用により、従来ＥＭＡＴと同様のメカニズムで、対象物１３０の表面に平行で、磁界Ｂ及び渦電流Ｉの双方に対して垂直な向きのローレンツ力Ｆが発生する。このローレンツ力Ｆのｘ方向についての変化のピッチは、磁界Ｂの変化のピッチと同等であり、このピッチでローレンツ力Ｆは交互に向きが反転している。このローレンツ力Ｆにより、対象物３０の表面近傍が振動して表面ＳＨ波が発生する。これが表面ＳＨ波の送信メカニズムである。受信はこの逆の過程で行うことができる。
【００２５】
この構成では、図１９に示した従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴと比べた場合、永久磁石１３のｘ方向の幅Ｄが同じであれば、対象物３０の表面近傍の磁界Ｂの変化のピッチ（ｘ方向についての反転周期）を半分程度にすることができる。これにより従来構成のＰＰＭ型ＥＭＡＴにおいて永久磁石の幅Ｄを半分程度にしたのに近い効果が期待できる。すなわち、同じ幅Ｄの永久磁石１３を用いた場合、従来構成より２倍程度の周波数の表面ＳＨ波を送受信できる。したがって、本実施形態の構成によれば、従来構成より高い周波数の表面ＳＨ波の送受信が可能となる。
【００２６】
次に、以上に示した構造を採用したＥＭＡＴの実験例を説明する。この実験例では、永久磁石１３として、ネオジウム系の商品名ＮＥＯＭＡＸ（住友特殊金属（株）製：磁束密度１．１４３Ｔ）からなる、幅Ｄ（ｘ方向の長さ）が０．９ｍｍ、高さ（ｙ方向の長さ）が１５ｍｍ、奥行き（ｚ方向の長さ）が１０ｍｍの寸法のものを用いた。また、スペーサ１５の幅ｄは０．６ｍｍとしている（図１参照）。幅Ｄ＝０．９ｍｍという寸法は、現状この材質で加工可能な薄さの限界に近い値である。またこの実験例では、この永久磁石１３を５個用いた磁石アレイ１１を用いている。また、渦巻きコイル１７は、直径０．１ｍｍのエナメル線を用いて作成した。また、超音波送受の対象とする対象物３０としては、厚さ８ｍｍのアルミニウム合金（Al2017-T3）の板を用いた。
【００２７】
図６は、この構成のＥＭＡＴの作用面を導電性材料の対象物３０に近接させたときの、対象物３０の表面近傍での磁界の実測結果のグラフを示す。実線のグラフは磁界のｘ方向成分Ｈxの値のｘ方向についての変化を示し、破線のグラフは磁界のｙ方向成分Ｈyの値のｘ方向についての変化を示す。この図から分かるように、表面ＳＨ波の発生に寄与する磁界のｙ方向成分Ｈyは、永久磁石のｘ方向の幅に近いピッチで交互に向きが反転している。したがって、上述のメカニズムで表面ＳＨ波を送受信可能であることが分かる。この実験例では、渦巻きコイル１７に周波数２ＭＨｚの信号を入力することで、約２ＭＨｚの表面ＳＨ波を励起することができた。
【００２８】
また、このグラフに示される磁界の強さのピーク値は、同じ磁束密度、同じ寸法の永久磁石を用いた従来構造（図１９参照）の磁石アレイと比べて、２倍程度の値となっている。このように本実施形態の磁石アレイ構造によれば、従来より強い磁界を形成することができるので、超音波送信の面では従来より送信出力を高めることができ、超音波受信の面では従来より受信感度を高めることができる。実験では、従来構造の場合より４〜５倍程度の音圧の超音波を出力することができた。
【００２９】
図７は、この実験例のＥＭＡＴに周波数２ＭＨｚの５波の正弦波からなるバースト信号を入力して対象物３０に表面ＳＨ波を発生させ、それを７０ｍｍ離れた場所で同構造のＥＭＡＴで受信した受信波形を示す図である。ここでは、ＥＭＡＴの送信回路としてRITEC社製RAM10000を用いた。また、受信系ではプリアンプとしてRITEC PAT-0.1-20を、受信回路としてRITEC BR640を用い、この受信回路の出力信号の波形をデジタルオシロスコープIWATSU-LeCoy LT342で求めた。この実験例ではサンプリング周波数５００ＭＨｚで受信信号をサンプリングし、２５０回分のサンプリング結果の波形を加算平均した波形を受信波系として求めた。この図において、横軸は時間、縦軸は受信信号の振幅を示す。
【００３０】
このグラフでは、２０〜３０μｓの間に表面ＳＨ波の比較的大きな波形が現れている。同磁束密度、同寸法の永久磁石を用いた従来構成のＰＰＭ型ＥＭＡＴを用いた場合は、このような大きい波形は検出できない。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態によれば、従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴよりも高い周波数の表面ＳＨ波を送信及び／又は受信できる。また従来よりも高送信出力、高受信感度を実現することができる。
【００３２】
以上、本実施形態のＥＭＡＴにおいて、磁石アレイ１１のスペーサ１５の幅等を適切に設定することで表面ＳＨ波の送受信が可能なことを示した。
【００３３】
次に、本実施形態において、スペーサ１５の幅を調整することで、対象物３０に対して体積波の横波を送受信できるＥＭＡＴを構成することができることを、図８を参照して説明する。図８の構成は、スペーサ間隔ｄ以外は図５に例示した構成と同一である。
【００３４】
この例では、図５に示した表面ＳＨ波を送受信する構成に比べて、隣接する永久磁石１３同士の間隔（すなわちスペーサ幅ｄ）を小さくする。これにより、対象物３０の表面近傍に形成される磁界の分布が変化する。大まかに言えば、上述の図５の例では、同じ強さの磁界がほぼ等間隔で交互に反転する変化パターンで合ったのに対し、スペーサ幅ｄを小さくすることで変化の周期（間隔）がそれより大きくなっていく。
【００３５】
図８の例は、対象物３０の表面近傍での磁界のｙ方向成分の変化の周期が磁石アレイ１１のアレイ長（この例でも永久磁石５個でアレイ１１を構成した）の２倍程度となるようにスペーサ幅ｄを設定した場合である。この場合、対象物３０の表面近傍での磁界のｙ方向成分の大きさは磁石アレイ１１のｘ方向（磁石の配列方向）の両端部で最大となる。このような磁界Ｂと、コイル１７に印加した高周波電流により誘起される渦電流Ｊ（ω）との相互作用により、ｘ方向に沿ってアレイ長の約２倍の周期で変動するローレンツ力Ｆが励起される。このようなパターンのローレンツ力Ｆにより、対象物３０内に体積波としての横波が誘起される。
【００３６】
図８の構成の実験例を図９及び図１０を参照して説明する。この実験例は、ＥＭＡＴのスペーサ幅ｄを０．１ｍｍとした点を除き、前述の表面ＳＨ波の実験例と同じ構成のＥＭＡＴを用い、実験システムの構成も前述の実験例と基本的に同じである。
【００３７】
図９は、この構成のＥＭＡＴの作用面を導電性材料の対象物３０に近接させたときの、対象物３０の表面近傍での磁界の実測結果のグラフを示す。この図から磁界のｙ方向成分Ｈyが図８に示したパターンをなしていることが分かる。
【００３８】
図１０は、この構成のＥＭＡＴにより対象物３０に超音波（横波）を送信し、その超音波の対象物３０内での多重反射を同じＥＭＡＴで受信したときの受信波形である。このグラフから、約５μｓ間隔ごとに多重反射の反射波が検出されていることが分かる。この横波の音速は約３１４０ｍ／ｓであった。
【００３９】
このように、本実施形態のＥＭＡＴ構成では、スペーサ幅ｄを小さくすることで体積波の横波を送信及び／又は受信できる。
【００４０】
なお、スペーサ幅ｄを図５の例と図８の例の中間の大きさにした場合、磁界のｙ方向成分のｘ方向に沿った変化の周期が、図５の例と図８の例の中間の長さとなる。この場合、ＥＭＡＴにより対象物３０内に誘起できる超音波は、表面ＳＨ波の成分と体積波の横波の成分の両方を含んだ中間的な波となる。全体的な傾向としては、スペーサ幅ｄを小さくするほど体積波の横波の成分が相対的に強くなり、逆にスペーサ幅ｄを大きくするほど表面ＳＨ波の成分が相対的に強くなる。ただし、スペーサ幅ｄを永久磁石１３の幅Ｄよりも大きくすると、隣り合う永久磁石１３同士の間の磁界が弱くなり、対象物３０内に十分な大きさのｙ方向磁界を形成できないので、スペーサ幅ｄは永久磁石１３の幅Ｄ以下とすることが好適である。
【００４１】
次に、本実施形態の変形例について説明する。図１１は、この変形例のＥＭＡＴの構成を模式的に示した図である。この変形例のＥＭＡＴは、図１及び図２に示したＥＭＡＴ構成から、磁石アレイ１１の配置を渦巻きコイル１７の面内で９０度回転させた構成に変更したものである。この変形例のＥＭＡＴでは、スペーサ１５の幅ｄを適宜調整することで、ＳＶ(Shear Vertical)波や体積波の縦波を送受信することができる。
【００４２】
図１２は、この変形例のＥＭＡＴによるＳＶ波の送信メカニズムを説明するための図である。この図は、渦巻きコイル１７の直線部分１７ａの部分での、導線に対して垂直な面での断面図を示す。スペーサ１５の幅ｄを適正値に設定することで、図１２に示すように、対象物３０の表面近傍において、磁界のｘ方向（永久磁石１３の配列方向）の成分が永久磁石１３の配列ピッチのほぼ半分のピッチで交互に反転する磁界Ｂを形成することができる。例えば前述の表面ＳＨ波の実験例で挙げた磁石アレイ１１（スペーサ幅ｄ＝０．６ｍｍ）では、磁界のｘ方向成分Ｈｘが図６に実線で示したパターンとなっており、これは図１２に示したパターンに近いものである。
【００４３】
このような構成のＥＭＡＴにおいて、渦巻きコイル１７に高周波電流Ｉ（ω）を流すと、図示のごとく、対象物３０の表面近傍にはｚ方向の渦電流Ｊ（ω）が誘起される。この渦電流Ｊ（ω）と磁界Ｂとの相互作用により、図示のごとく、対象物３０の表面に垂直な向きで、磁界Ｂの反転ピッチと同じピッチで反転するローレンツ力Ｆが発生する。このローレンツ力により対象物３０内にＳＶ波が誘起される。また、この逆過程でＳＶ波を受信することができる。
【００４４】
以上、ＳＶ波の送受信メカニズムを説明した。これに対し、スペーサ幅ｄを小さくすることで体積波の縦波を送受信することもできる。この縦波送受信のメカニズムを図１３を参照して説明する。この図に示すように、スペーサ幅ｄを図１２の例より小さい適切な値とすることで、対象物３０の表面近傍に、図１３に示すように、磁界のｘ方向成分が同一方向でかつその強弱が周期的に変わる磁界Ｂを形成することができる。例えば前述の体積波の横波の実験例で挙げた磁石アレイ１１（スペーサ幅ｄ＝０．１ｍｍ）では、磁界のｘ方向成分Ｈxが図９に実線で示したパターンとなっており、これは図１３に示した磁界Ｂのパターンに近いものである。
【００４５】
このような構成のＥＭＡＴにおいて、渦巻きコイル１７に高周波電流Ｉ（ω）を流すと、図示のごとく、対象物３０の表面近傍にはｚ方向の渦電流Ｊ（ω）が誘起される。この渦電流Ｊ（ω）と磁界Ｂとの相互作用により、図示のごとく、対象物３０の表面に垂直な向きの、強弱がｘ方向について周期的に変わるローレンツ力Ｆが発生する。このローレンツ力Ｆにより対象物３０の表面近傍にｘ方向について周期的な粗密のパターンが生まれ、これにより縦波が発生する。また、この逆過程で縦波を受信することができる。図１４は、このＥＭＡＴにより対象物３０に縦波の超音波を送信し、これが対象物３０内で多重反射する様子を同じＥＭＡＴで受信したときの受信波形である。このグラフから、約３μｓ間隔ごとに多重反射の反射波が検出されていることが分かる。この横波の音速は約６３６０ｍ／ｓであった。
【００４６】
また、図１１に示した構成のＥＭＡＴによれば、レイリー波やラム波の送受信を行うことが可能である。
【００４７】
まずレイリー波の送受信メカニズムについて図１５を参照して説明する。図１５は、図１２の一部を拡大して示したものである。ただし、図１２では磁界Ｂのｘ方向成分のみを示したのに対し、図１５ではｙ方向成分も考慮したｘｙ平面内のベクトルとして磁界Ｂを示している。
【００４８】
図１１に例示したＥＭＡＴにおいて磁界Ｂをこのようなパターンとできることは、図６に示したＨx，Ｈyの分布の例からわかる。このような磁界Ｂと渦電流Ｊ（ω）によって励起されるローレンツ力Ｆは図示のような変化パターンを示す。このローレンツ力Ｆの変化パターンはレイリー波の振幅分布に類似している。したがって、図１１に示した構成のＥＭＡＴにおいて、スペーサ幅ｄ及び渦巻きコイル１７への入力信号の周波数を適切に設定することで、対象物３０内に励起される振動のうちレイリー波の成分を強め合わせることができる。この場合の入力信号は、レイリー波の波長がローレンツ力Ｆの変化パターンの周期と同じになるように設定したバースト波でよい。適切なスペーサ幅ｄや入力信号の周波数は、永久磁石１３の磁束密度や寸法、スペーサ１５の材質、対象物３０の材質など様々なパラメータに依存するが、実験等により特定することは可能である。なお、レイリー波の受信はこの逆過程で可能である。
【００４９】
また、図１１に示した構成のＥＭＡＴを用いた場合において、対象物３０を非常に薄い板（例えば板厚が、励起する音波の１波長以下）とした場合には、対象物３０内にラム波を発生させることができる。受信はこの逆過程で可能である。この場合、ラム波を効率よく送信できるようにするには、スペーサ幅ｄや渦巻きコイル１７への入力信号の周波数を適切に設定する必要があるが、これは実験等で求めることができる。
【００５０】
また、図１等に示した磁石アレイ１１を利用した別の変形例として、図１６に示すようにメアンダーラインコイル（蛇行コイル）１８と組み合わせる構成も可能である。この構成では、メアンダーラインコイル１８を構成する導線の直線部分１８ａの方向が磁石アレイ１１の永久磁石１３の配列方向と垂直になるように両者の位置関係を設定する。ここで、スペーサ幅ｄを適切に設定すると、対象物３０の表面近傍に、図１７に示すようなｘ方向の磁界成分が一定周期で交互に反転する磁界Ｂを形成することができる。例えば表面ＳＨ波の実験例で挙げた磁石アレイでは、図６及び図１２に示したように、その条件を満足する比較的強い磁界Ｂを形成することができる。そして、図１７に示すように、メアンダーラインコイル１８の蛇行のパターンをこの磁界Ｂの反転パターンに一致したものとすることで、誘起されるローレンツ力Ｆの方向と大きさを磁石アレイ１１の配列方向のほぼ全域にわたってほぼ均一に揃えることができる。そして、配列方向各部で発生するローレンツ力Ｆの大きさは、コイル１８に入力する高周波電流の変化に応じてほぼ一斉に揃って変化するので、全体として強い縦波を発生させることができる。受信はこの逆過程で実現できる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態のＥＭＡＴでは、各種の超音波の送受信が可能である。
【００５２】
なお、以上の例では、ローレンツ力Ｆにより対象物３０内に超音波を励起する場合を説明した。対象物３０が実験例として例示したアルミニウムなどの非磁性体である場合は、ローレンツ力Ｆしか発生しないためその説明でよい。これに対し、対象物３０が鉄等の強磁性体の場合は、対象部３０の表面近傍にはローレンツ力Ｆの他に磁歪力も発生する。しかし、この磁歪力は、永久磁石１３の配列方向について、ローレンツ力Ｆと同様の変化を示すため、超音波の発生源となる。したがって、対象物３０が強磁性体の場合は、ローレンツ力Ｆと磁歪力の和が超音波源となる。特に、ローレンツ力Ｆの方向と磁歪力の方向とが一致する場合は、強い超音波を送信できる。実験では、強磁性体に対しても、従来構造のＰＰＭ型ＥＭＡＴより４〜５倍程度の強さの超音波が送信できた。ただし、図１３に示した体積波の縦波を送受信するための構成では、ローレンツ力Ｆと磁歪力の向きが正反対になるので、超音波送信の効率はよくない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電磁超音波トランスデューサ（ＥＭＡＴ）の要部構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態のＥＭＡＴにおける磁石アレイと渦巻きコイルとの位置関係を示す図である。
【図３】実施の形態のＥＭＡＴを用いた検査システムの一例を示す図である。
【図４】実施の形態のＥＭＡＴの磁石アレイによる形成される磁場を説明するための図である。
【図５】実施の形態のＥＭＡＴによる表面ＳＨ波の送受信のメカニズムを説明するための図である。
【図６】永久磁石同士の間隔を表面ＳＨ波用に設定した磁石アレイにより形成される磁場の実測データを示した図である。
【図７】実施の形態のＥＭＡＴにより送信した表面ＳＨ波を、同型のＥＭＡＴで受信した受信波形の一例を示す図である。
【図８】実施の形態のＥＭＡＴによる体積波の横波の送受信のメカニズムを説明するための図である。
【図９】永久磁石同士の間隔を横波用に設定した磁石アレイにより形成される磁場の実測データを示した図である。
【図１０】実施の形態のＥＭＡＴにより送受信した横波の受信波形の一例を示す図である。
【図１１】変形例のＥＭＡＴにおける磁石アレイと渦巻きコイルとの位置関係を示す図である。
【図１２】変形例のＥＭＡＴによるＳＶ波の送受信のメカニズムを説明するための図である。
【図１３】変形例のＥＭＡＴによる体積波の縦波の送受信のメカニズムを説明するための図である。
【図１４】変形例のＥＭＡＴにより送受信した縦波の受信波形の一例を示す図である。
【図１５】レイリー波の送受信メカニズムを説明するための図である。
【図１６】磁石アレイをメアンダーラインコイルと組み合わせる更に別の変形例を説明するための図である。
【図１７】メアンダーラインコイルを用いた変形例で強力な縦波を発生可能なことを説明するための図である。
【図１８】従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴの要部構成を示す図である。
【図１９】従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴにおける表面ＳＨ波の送受信メカニズムを説明するための図である。
【符号の説明】
１１磁石アレイ、１３永久磁石、１５スペーサ、１７渦巻きコイル、１９作用面、３０対象物。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electromagnetic ultrasonic transducer, and more particularly to an electromagnetic ultrasonic transducer using an array in which a plurality of strip magnets are arranged.
[0002]
[Prior art]
An electromagnetic ultrasonic transducer (abbreviated as EMAT: Electromagnetic Acoustic Transducer) is a device for transmitting and receiving ultrasonic waves in a non-contact manner in metal by electromagnetic action. Roughly speaking, the EMAT is composed of a magnet and a coil. When a high frequency current is applied to the coil close to the metal, an eddy current is excited on the surface of the metal. Due to the Lorentz force induced in the metal due to the interaction, mechanical vibrations in the vicinity of the metal surface generate ultrasonic waves. In the reverse process, mechanical vibration propagating in the metal can be converted into an electric signal and detected. EMAT is used, for example, for ultrasonic flaw detection.
[0003]
One type of EMAT is a PPM (Periodic Permanent Magnet) type EMAT. In the PPM type EMAT, as shown in FIG. 18, as a static magnetic field source, a strip-shaped permanent magnet 110 whose upper and lower surfaces are N and S magnetic pole surfaces is turned in the horizontal direction while inverting the polarity alternately. A superposed array 100 is used. The two arrays 100 are arranged in parallel on the respective linear portions of the spiral coil 120, respectively. This PPM type EMAT is used as a means for transmitting and receiving a surface SH (Shear Horizontal) wave to a plate material, as shown in the column of “Prior Art” of Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-125622.
[0004]
The generation mechanism of the surface SH wave in the PPM type EMAT illustrated in FIG. 18 will be described with reference to FIG. FIG. 19 is a view of the PPM type EMAT shown in FIG. 18 as viewed in the horizontal direction (the direction indicated by arrow A in FIG. 18). The horizontal direction in the figure is the x direction, the vertical direction is the y direction, and is perpendicular to the paper surface. A three-dimensional coordinate system in which a specific direction is the z direction is set.
[0005]
As shown in FIG. 19, the PPM type EMAT is installed so that the spiral coil 120 abuts on the surface of an object 130 that is a conductive plate material. Each permanent magnet 110 of the array 100 forms a magnetic field B that is perpendicular to the surface of the object 130 and alternately works in the opposite direction corresponding to the direction of the magnetic pole of each permanent magnet 110. On the other hand, when a high-frequency current I (ω) (ω is an angular frequency) is passed through the spiral coil 120, an eddy current J (ω) parallel to the direction of I (ω) is induced on the surface of the object 130. Due to the interaction between the magnetic field B and the eddy current J (ω), a Lorentz force F parallel to the surface of the object 130 and perpendicular to both the magnetic field B and the eddy current J (ω) is generated. The mark indicating the Lorentz force F will be described. A mark with a black dot at the center of the circle indicates a force perpendicular to the paper surface of the drawing from the back to the near side, and a mark with an X in the circle is It shows the force from the near side to the back perpendicular to the paper surface of the figure. The size of the circle indicates the magnitude of the force.
[0006]
The direction of the Lorentz force F is reversed at the pitch of the width of the permanent magnet 130 in the x direction. In FIG. 19, the magnetic field B, the eddy current J, and the Lorentz force F are shown in different stages in order to avoid the complexity of the figure, but actually these are for the same position in the object 130.
[0007]
By such a mechanism, a high-frequency surface SH wave can be transmitted and received by inputting a burst wave of a high-frequency current such that the wavelength of the surface SH wave matches the period of the Lorentz force F to the spiral coil 120.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional PPM type EMAT, the strip-shaped permanent magnet 110 needs to be thin (that is, the width in the x direction is small) in order to transmit and receive high-frequency surface SH waves due to its structure. However, it is difficult to thin a permanent magnet, and if it is made too thin, the magnetic force is also weakened, so that there is a limit to the thinness that can be put to practical use. For this reason, it has been extremely difficult to realize a PPM type EMAT that can transmit and receive a surface SH wave having a frequency of 1.5 MHz or more.
[0009]
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an electromagnetic ultrasonic transducer capable of transmitting and receiving a surface SH wave having a higher frequency than conventional ones.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to an electromagnetic ultrasonic transducer that performs at least one of transmission and reception of ultrasonic waves to an object by electromagnetic action in a state where a predetermined action surface is close to the object, and is parallel to the action surface. A magnet array configured by arranging a plurality of strip magnets along an array direction, wherein a magnet array in which adjacent strip magnets are arrayed with opposite magnetic pole faces facing each other, the magnet array, The present invention provides an electromagnetic ultrasonic transducer including a flat coil disposed in parallel with a working surface between the working surface.
[0011]
In a preferred aspect of the present invention, the coil is a spiral coil, and the magnet array is positioned with respect to the spiral coil so that the arrangement direction coincides with a direction in which a conductor of the spiral coil extends. Features.
[0012]
In another preferred aspect of the present invention, the coil is a spiral coil, and the magnet array is arranged in the spiral coil so that the arrangement direction coincides with a direction orthogonal to a direction in which the conductor of the spiral coil extends. It is characterized by being positioned with respect to.
[0013]
In another preferred aspect of the present invention, the magnet array is configured such that a component perpendicular to the surface of a magnetic field formed in a portion near the surface in the object is inverted at predetermined intervals along the arrangement direction. An interval between the adjacent strip-shaped magnets is set, the coil is a meander line coil that meanders with a cycle of twice the predetermined interval, and the arrangement direction of the magnet array is the meander line It arrange | positions so that it may become a perpendicular | vertical direction with respect to the linear direction of a coil.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a main configuration of an electromagnetic ultrasonic transducer (EMAT) according to the present invention.
[0016]
As shown in this figure, the EMAT of the present embodiment uses the conventional arrangement shown in FIGS. 18 and 19 in that strip-like (thin rectangular parallelepiped) permanent magnets are used as the magnetic field forming means. This is the same as PPM type EMAT. This embodiment differs from the above-described conventional configuration in that the permanent magnets 13 whose magnetic pole surfaces are opposite to each other, that is, the surfaces in the arrangement direction (that is, the x direction) of the magnet array 11 are opposed to the magnetic pole surfaces having different polarities. It is the point which arranged so that. That is, the array 11 is formed so that the N pole surface and the S pole surface of the adjacent permanent magnets 13 face each other. By disposing a non-magnetic spacer 15 between the adjacent permanent magnets 13, the interval between the opposing magnetic pole faces is set.
[0017]
In the EMAT of this embodiment, as shown in FIG. 2, such a magnet array 11 is arranged on the linear portion 17 a of the spiral coil 17, and the arrangement direction of the permanent magnets 13 coincides with the direction of the conducting wire of the linear portion 17 a. To be arranged. In FIG. 2, the spacer 15 is not shown in order to avoid complexity. In FIG. 2, the magnet array 11 is disposed only on one of the two straight portions 17a of the spiral coil 17, but the magnet array 11 is disposed on both of them as in the conventional configuration shown in FIG. Of course, it is also possible to install them. In this case, the direction of these two magnet arrays 11 is reversed with respect to the arrangement direction.
[0018]
1 and 2 show only the main part of the EMAT, but in an actual probe, this main part is housed in a case together with a necessary circuit configuration.
[0019]
When ultrasonic waves are transmitted / received to / from an object using this EMAT, the lower surface of the spiral coil 17 (that is, the surface opposite to the surface on which the magnet array 11 is disposed) is brought close to the object. That is, the lower surface side is an action surface (probe surface) for transmitting and / or receiving ultrasonic waves by EMAT.
[0020]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of an inspection system using this EMAT. In this system, the EMAT probe 10 is a probe incorporating the EMAT having the configuration shown in FIGS. The transmission circuit 22 generates a burst signal of a high-frequency pulse based on a command from the controller 20 that performs transmission control, and supplies the burst signal to the spiral coil 17 in the EMAT probe 10. By inputting this high frequency pulse, an ultrasonic wave is transmitted from the EMAT to the inspection object. When this transmission ultrasonic wave is reflected in the object and returns to the EMAT, a current is induced in the spiral coil 17 in the reverse process of transmission. This current is amplified by the preamplifier 24, subjected to operations such as amplification and filtering by the receiving circuit 26, and then input to the signal processing device 28. The signal processing device 28 performs predetermined signal processing and arithmetic processing for inspection based on the received signal input from the receiving circuit 26.
[0021]
In this EMAT structure, the surface SH wave can be transmitted and received by appropriately setting the interval between the permanent magnets 13 (that is, the width d of the spacer 15). The mechanism for transmitting and receiving the surface SH wave will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a diagram schematically showing the lines of magnetic force in a structure in which magnetic pole faces of different polarities are arranged opposite to each other with lines with arrows, and FIG. 5 shows the configuration of the EMAT shown in FIG. It is a figure which shows the state seen from z direction. In FIG. 5, the magnetic field B by the magnet array 11, the eddy current J (ω) induced by the high frequency current I (ω) in the coil 17 and the Lorentz force F are shown in separate stages. As in FIG. 19, this is for convenience of illustration, and in fact they are for the same location within the object 30.
[0022]
As shown in FIG. 4, most of the magnetic field lines are directed almost straight to the N pole surface of a permanent magnet 13 and to the S pole surface of the permanent magnet 13 opposite to the N pole surface, but from the vicinity of the periphery of the N pole surface of the permanent magnet 13. The exiting magnetic field lines enter the opposite S-pole surface along a path swelled outside the magnet array 11. There are also magnetic lines of force that run from the N pole vicinity of the same permanent magnet 13 to the S pole vicinity.
[0023]
From this, by adjusting the interval between the adjacent permanent magnets 13 (that is, the width of the spacer 15), as shown in FIG. It can be seen that the magnetic field B in which the direction of the y-direction component of the magnetic field is alternately reversed can be formed at substantially equal intervals along the arrangement direction (x direction). As described above, the spacer width d suitable for forming the magnetic field B whose direction is reversed at equal intervals varies depending on the magnetic flux density and size of the permanent magnet 13, the material of the spacer 15, and the like. Can do. Generally speaking, the preferred spacer width d is equal to or less than the width D of the permanent magnet 13 in the x direction. Therefore, the pitch of reversal of the y-direction component of the magnetic field B is equal to or less than the width D of the permanent magnet 13. From this, the change in the y-direction component of the magnetic field B illustrated in FIG. 5 is similar to the change in the magnetic field near the surface of the object when using the conventional EMAT shown in FIG. If the thickness (width D) of the permanent magnet 13 is the same, it can be seen that the pitch of the change is about half or less that of the conventional EMAT.
[0024]
When the high frequency current I (ω) is passed through the coil 17 in the EMAT using the magnet array 11 configured by arranging the permanent magnets 13 in this way, an eddy current J (ω) is induced in the object 30. The Then, due to the interaction between the eddy current J (ω) and the magnetic field B by the magnet array 11, both the magnetic field B and the eddy current I are parallel to the surface of the object 130 by the same mechanism as in the conventional EMAT. A Lorentz force F in a vertical direction is generated. The pitch of the change of the Lorentz force F in the x direction is the same as the pitch of the change of the magnetic field B, and the direction of the Lorentz force F is alternately reversed at this pitch. Due to the Lorentz force F, the vicinity of the surface of the object 30 vibrates and a surface SH wave is generated. This is the surface SH wave transmission mechanism. Reception can be performed in the reverse process.
[0025]
In this configuration, when compared with the conventional PPM type EMAT shown in FIG. 19, if the width D in the x direction of the permanent magnet 13 is the same, the pitch of change in the magnetic field B near the surface of the object 30 (x direction). Can be reduced to about half. As a result, it is possible to expect an effect similar to that obtained by halving the width D of the permanent magnet in the conventional PPM type EMAT. That is, when the permanent magnet 13 having the same width D is used, a surface SH wave having a frequency about twice that of the conventional configuration can be transmitted and received. Therefore, according to the configuration of the present embodiment, it is possible to transmit and receive surface SH waves having a higher frequency than the conventional configuration.
[0026]
Next, an experimental example of EMAT employing the above-described structure will be described. In this experimental example, as the permanent magnet 13, a width D (length in the x direction) of 0.9 mm and a height composed of a neodymium-based product name NEOMAX (manufactured by Sumitomo Special Metals Co., Ltd .: magnetic flux density 1.143 T) is used. A material having a dimension (y-direction length) of 15 mm and a depth (length in the z-direction) of 10 mm was used. The width d of the spacer 15 is 0.6 mm (see FIG. 1). The dimension of width D = 0.9 mm is close to the limit of thinness that can be processed with this material at present. In this experimental example, a magnet array 11 using five permanent magnets 13 is used. Moreover, the spiral coil 17 was created using an enameled wire having a diameter of 0.1 mm. Moreover, as the object 30 to be subjected to ultrasonic transmission / reception, an aluminum alloy (Al2017-T3) plate having a thickness of 8 mm was used.
[0027]
FIG. 6 shows a graph of the measurement result of the magnetic field in the vicinity of the surface of the target object 30 when the working surface of the EMAT having this configuration is brought close to the target object 30 of the conductive material. The solid line graph shows the change in the x direction value of the x direction component Hx of the magnetic field, and the broken line graph shows the change in the x direction value of the y direction component Hy of the magnetic field. As can be seen from this figure, the y-direction component Hy of the magnetic field contributing to the generation of the surface SH wave is alternately reversed at a pitch close to the width of the permanent magnet in the x-direction. Therefore, it can be seen that the surface SH wave can be transmitted and received by the above-described mechanism. In this experimental example, a surface SH wave of about 2 MHz could be excited by inputting a signal of frequency 2 MHz to the spiral coil 17.
[0028]
Further, the peak value of the magnetic field strength shown in this graph is about twice as large as that of a magnet array having a conventional structure (see FIG. 19) using permanent magnets having the same magnetic flux density and the same dimensions. Yes. As described above, according to the magnet array structure of the present embodiment, a stronger magnetic field can be formed than in the prior art, so that the transmission output can be increased compared to the conventional case in terms of ultrasonic transmission and the conventional aspect in terms of ultrasonic reception. Reception sensitivity can be increased. In the experiment, it was possible to output ultrasonic waves having a sound pressure about 4 to 5 times that of the conventional structure.
[0029]
FIG. 7 shows that an EMAT of this experimental example is inputted with a burst signal composed of 5 sine waves having a frequency of 2 MHz to generate a surface SH wave on the object 30 and received by the EMAT having the same structure at a location 70 mm away. It is a figure which shows the received waveform. Here, a RAM10000 manufactured by RITEC was used as an EMAT transmission circuit. In the receiving system, RITEC PAT-0.1-20 was used as a preamplifier and RITEC BR640 was used as a receiving circuit, and the waveform of the output signal of this receiving circuit was obtained with a digital oscilloscope IWATSU-LeCoy LT342. In this experimental example, a received signal was sampled at a sampling frequency of 500 MHz, and a waveform obtained by averaging the waveforms of 250 sampling results was obtained as a received wave system. In this figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the amplitude of the received signal.
[0030]
In this graph, a relatively large waveform of the surface SH wave appears between 20 and 30 μs. When a conventional PPM type EMAT using permanent magnets having the same magnetic flux density and the same size is used, such a large waveform cannot be detected.
[0031]
As described above, according to this embodiment, it is possible to transmit and / or receive a surface SH wave having a frequency higher than that of the conventional PPM type EMAT. Further, higher transmission output and higher reception sensitivity than conventional can be realized.
[0032]
As described above, in the EMAT of this embodiment, it has been shown that the surface SH wave can be transmitted and received by appropriately setting the width of the spacer 15 of the magnet array 11 and the like.
[0033]
Next, in the present embodiment, it will be described with reference to FIG. 8 that an EMAT capable of transmitting and receiving a volume wave transverse wave to the object 30 can be configured by adjusting the width of the spacer 15. The configuration of FIG. 8 is the same as the configuration illustrated in FIG. 5 except for the spacer interval d.
[0034]
In this example, the interval between adjacent permanent magnets 13 (that is, the spacer width d) is made smaller than the configuration for transmitting and receiving the surface SH wave shown in FIG. As a result, the distribution of the magnetic field formed near the surface of the object 30 changes. Roughly speaking, in the example of FIG. 5 described above, the magnetic field having the same strength is matched by a change pattern that is alternately inverted at substantially equal intervals, whereas the change period (interval) is reduced by reducing the spacer width d. Will be bigger than that.
[0035]
In the example of FIG. 8, the change period of the y-direction component of the magnetic field near the surface of the object 30 is about twice the array length of the magnet array 11 (in this example, the array 11 is composed of five permanent magnets). This is a case where the spacer width d is set so as to be. In this case, the magnitude of the y-direction component of the magnetic field in the vicinity of the surface of the object 30 is maximized at both ends of the magnet array 11 in the x direction (magnet arrangement direction). Due to the interaction between the magnetic field B and the eddy current J (ω) induced by the high-frequency current applied to the coil 17, a Lorentz force F that fluctuates along the x direction with a period of about twice the array length. Excited. A transverse wave as a volume wave is induced in the object 30 by the Lorentz force F having such a pattern.
[0036]
An experimental example of the configuration of FIG. 8 will be described with reference to FIGS. This experimental example uses the EMAT having the same configuration as the above-described surface SH wave experimental example except that the spacer width d of the EMAT is set to 0.1 mm, and the configuration of the experimental system is basically the same as the above experimental example. It is.
[0037]
FIG. 9 shows a graph of the measurement result of the magnetic field in the vicinity of the surface of the target object 30 when the working surface of the EMAT having this configuration is brought close to the target object 30 of the conductive material. From this figure, it can be seen that the y-direction component Hy of the magnetic field has the pattern shown in FIG.
[0038]
FIG. 10 shows a reception waveform when an ultrasonic wave (transverse wave) is transmitted to the object 30 by the EMAT having this configuration, and multiple reflections of the ultrasonic wave in the object 30 are received by the same EMAT. From this graph, it can be seen that multiple reflected waves are detected at intervals of about 5 μs. The sound speed of the transverse wave was about 3140 m / s.
[0039]
As described above, in the EMAT configuration of the present embodiment, the transverse wave of the volume wave can be transmitted and / or received by reducing the spacer width d.
[0040]
When the spacer width d is set to an intermediate size between the example of FIG. 5 and the example of FIG. 8, the period of change along the x direction of the y direction component of the magnetic field is the same as that of the example of FIG. Intermediate length. In this case, the ultrasonic wave that can be induced in the object 30 by the EMAT is an intermediate wave including both the surface SH wave component and the volume wave transverse wave component. As a general tendency, the volume component of the transverse wave becomes relatively stronger as the spacer width d is reduced, and conversely, the component of the surface SH wave becomes relatively stronger as the spacer width d is increased. However, if the spacer width d is larger than the width D of the permanent magnets 13, the magnetic field between the adjacent permanent magnets 13 becomes weak, and a sufficiently large y-direction magnetic field cannot be formed in the object 30. The width d is preferably equal to or less than the width D of the permanent magnet 13.
[0041]
Next, a modification of this embodiment will be described. FIG. 11 is a diagram schematically showing the configuration of the EMAT according to this modification. The EMAT in this modification is obtained by changing the arrangement of the magnet array 11 from the EMAT configuration shown in FIGS. 1 and 2 to a configuration in which the arrangement of the magnet array 11 is rotated 90 degrees in the plane of the spiral coil 17. In the EMAT of this modification, an SV (Shear Vertical) wave or a volume wave longitudinal wave can be transmitted and received by appropriately adjusting the width d of the spacer 15.
[0042]
FIG. 12 is a diagram for explaining an SV wave transmission mechanism by EMAT according to this modification. This figure shows a cross-sectional view in a plane perpendicular to the conducting wire at the portion of the linear portion 17 a of the spiral coil 17. By setting the width d of the spacer 15 to an appropriate value, as shown in FIG. 12, in the vicinity of the surface of the object 30, the component of the magnetic field in the x direction (the arrangement direction of the permanent magnets 13) is the arrangement pitch of the permanent magnets 13. It is possible to form a magnetic field B that is alternately reversed at a pitch that is approximately half of the pitch. For example, in the magnet array 11 (spacer width d = 0.6 mm) mentioned in the above-described experimental example of the surface SH wave, the x-direction component Hx of the magnetic field has a pattern indicated by a solid line in FIG. It is close to the pattern shown in.
[0043]
In the EMAT having such a configuration, when a high-frequency current I (ω) is passed through the spiral coil 17, an eddy current J (ω) in the z direction is induced near the surface of the object 30 as shown in the figure. The interaction between the eddy current J (ω) and the magnetic field B generates a Lorentz force F that reverses at the same pitch as the reversal pitch of the magnetic field B in a direction perpendicular to the surface of the object 30 as shown in the figure. An SV wave is induced in the object 30 by this Lorentz force. Further, the SV wave can be received in the reverse process.
[0044]
The SV wave transmission / reception mechanism has been described above. On the other hand, the longitudinal wave of the volume wave can be transmitted and received by reducing the spacer width d. This longitudinal wave transmission / reception mechanism will be described with reference to FIG. As shown in this figure, by setting the spacer width d to an appropriate value smaller than the example of FIG. 12, the x-direction component of the magnetic field is in the same direction as shown in FIG. The magnetic field B whose intensity changes periodically can be formed. For example, in the magnet array 11 (spacer width d = 0.1 mm) mentioned in the experimental example of the transverse wave of the volume wave described above, the x-direction component Hx of the magnetic field has a pattern indicated by a solid line in FIG. 13 is close to the pattern of the magnetic field B shown in FIG.
[0045]
In the EMAT having such a configuration, when a high-frequency current I (ω) is passed through the spiral coil 17, an eddy current J (ω) in the z direction is induced near the surface of the object 30 as shown in the figure. The interaction between the eddy current J (ω) and the magnetic field B generates a Lorentz force F in a direction perpendicular to the surface of the object 30 whose intensity changes periodically in the x direction as shown in the figure. By this Lorentz force F, a periodic dense pattern is generated in the vicinity of the surface of the object 30 in the x direction, thereby generating a longitudinal wave. Further, longitudinal waves can be received in the reverse process. FIG. 14 shows a reception waveform when longitudinal ultrasonic waves are transmitted to the object 30 by this EMAT, and the state of multiple reflection within the object 30 is received by the same EMAT. From this graph, it can be seen that multiple reflected waves are detected at intervals of about 3 μs. The sound speed of this shear wave was about 6360 m / s.
[0046]
Further, according to the EMAT having the configuration shown in FIG. 11, it is possible to transmit and receive Rayleigh waves and Lamb waves.
[0047]
First, the Rayleigh wave transmission / reception mechanism will be described with reference to FIG. FIG. 15 is an enlarged view of a part of FIG. However, while FIG. 12 shows only the x-direction component of the magnetic field B, FIG. 15 shows the magnetic field B as a vector in the xy plane considering the y-direction component.
[0048]
It can be seen from the example of the distribution of Hx and Hy shown in FIG. 6 that the magnetic field B can have such a pattern in the EMAT illustrated in FIG. The Lorentz force F excited by the magnetic field B and the eddy current J (ω) shows a change pattern as shown in the figure. The change pattern of the Lorentz force F is similar to the Rayleigh wave amplitude distribution. Therefore, in the EMAT having the configuration shown in FIG. 11, the Rayleigh wave component of the vibration excited in the object 30 is strengthened by appropriately setting the spacer width d and the frequency of the input signal to the spiral coil 17. Can be matched. The input signal in this case may be a burst wave set so that the wavelength of the Rayleigh wave is the same as the period of the change pattern of the Lorentz force F. The appropriate spacer width d and frequency of the input signal depend on various parameters such as the magnetic flux density and size of the permanent magnet 13, the material of the spacer 15, and the material of the object 30, but can be specified by experiments or the like. . The reception of Rayleigh waves is possible in the reverse process.
[0049]
Further, in the case where the EMAT having the configuration shown in FIG. 11 is used, if the object 30 is a very thin plate (for example, the plate thickness is equal to or less than one wavelength of the sound wave to be excited), the object 30 has a ram. Waves can be generated. Reception is possible in the reverse process. In this case, in order to efficiently transmit the Lamb wave, it is necessary to appropriately set the spacer width d and the frequency of the input signal to the spiral coil 17, which can be obtained by experiments or the like.
[0050]
Further, as another modification using the magnet array 11 shown in FIG. 1 and the like, it is possible to combine with a meander line coil (meander coil) 18 as shown in FIG. In this configuration, the positional relationship between the two is set so that the direction of the straight line portion 18 a of the conductor constituting the meander line coil 18 is perpendicular to the arrangement direction of the permanent magnets 13 of the magnet array 11. Here, when the spacer width d is set appropriately, a magnetic field B in which the magnetic field components in the x direction as shown in FIG. 17 are alternately reversed at a constant period can be formed near the surface of the object 30. For example, in the magnet array mentioned in the experimental example of the surface SH wave, as shown in FIGS. 6 and 12, it is possible to form a relatively strong magnetic field B that satisfies the conditions. Then, as shown in FIG. 17, the meandering pattern of the meander line coil 18 matches the reversal pattern of the magnetic field B, so that the direction and magnitude of the induced Lorentz force F are Alignment can be made almost uniformly over almost the entire region in the arrangement direction. And since the magnitude of the Lorentz force F generated in each part in the arrangement direction changes almost simultaneously according to the change of the high-frequency current input to the coil 18, a strong longitudinal wave can be generated as a whole. Reception can be realized by this reverse process.
[0051]
As described above, various ultrasonic waves can be transmitted and received in the EMAT of this embodiment.
[0052]
In the above example, the case where ultrasonic waves are excited in the object 30 by the Lorentz force F has been described. If the object 30 is a non-magnetic material such as aluminum exemplified as an experimental example, only the Lorentz force F is generated, which may be explained. On the other hand, when the object 30 is a ferromagnetic material such as iron, magnetostrictive force is generated in the vicinity of the surface of the object portion 30 in addition to the Lorentz force F. However, since this magnetostrictive force shows the same change as the Lorentz force F in the arrangement direction of the permanent magnets 13, it becomes a generation source of ultrasonic waves. Therefore, when the object 30 is a ferromagnetic material, the sum of the Lorentz force F and the magnetostrictive force becomes the ultrasonic source. In particular, when the direction of the Lorentz force F matches the direction of the magnetostrictive force, a strong ultrasonic wave can be transmitted. In the experiment, ultrasonic waves about 4 to 5 times stronger than the PPM type EMAT having the conventional structure could be transmitted to the ferromagnetic material. However, in the configuration for transmitting and receiving the longitudinal wave of the volume wave shown in FIG. 13, the directions of the Lorentz force F and the magnetostrictive force are opposite to each other, so that the efficiency of ultrasonic transmission is not good.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a main part of an electromagnetic ultrasonic transducer (EMAT) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a positional relationship between a magnet array and a spiral coil in the EMAT according to the embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an inspection system using the EMAT according to the embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining a magnetic field formed by the magnet array of the EMAT according to the embodiment.
FIG. 5 is a diagram for explaining a mechanism for transmitting and receiving a surface SH wave by EMAT according to the embodiment;
FIG. 6 is a diagram showing measured data of a magnetic field formed by a magnet array in which the interval between permanent magnets is set for a surface SH wave.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a reception waveform in which a surface SH wave transmitted by the EMAT according to the embodiment is received by the same type of EMAT.
FIG. 8 is a diagram for explaining a mechanism of transmission / reception of a volume wave transverse wave by EMAT according to the embodiment;
FIG. 9 is a diagram showing measured data of a magnetic field formed by a magnet array in which the interval between permanent magnets is set for a transverse wave.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a received waveform of a transverse wave transmitted and received by the EMAT according to the embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a positional relationship between a magnet array and a spiral coil in an EMAT according to a modification.
FIG. 12 is a diagram for explaining a mechanism of transmission / reception of SV waves by EMAT according to a modified example;
FIG. 13 is a diagram for explaining a mechanism of transmission / reception of a longitudinal wave of a volume wave by EMAT according to a modified example.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a reception waveform of a longitudinal wave transmitted and received by the EMAT according to a modified example.
FIG. 15 is a diagram for explaining a Rayleigh wave transmission / reception mechanism;
FIG. 16 is a view for explaining still another modified example in which a magnet array is combined with a meander line coil.
FIG. 17 is a diagram for explaining that a strong longitudinal wave can be generated in a modified example using a meander line coil.
FIG. 18 is a diagram showing a main configuration of a conventional PPM type EMAT.
FIG. 19 is a diagram for explaining a transmission / reception mechanism of a surface SH wave in a conventional PPM type EMAT.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Magnet array, 13 Permanent magnet, 15 Spacer, 17 Spiral coil, 19 Working surface, 30 Object.

Claims

An electromagnetic ultrasonic transducer that performs at least one of transmission and reception of ultrasonic waves to an object by electromagnetic action in a state where a predetermined working surface is in proximity to the object,
A magnet array configured by arranging a plurality of strip-shaped magnets along an array direction parallel to the working surface, and a magnet array in which adjacent strip-shaped magnets are arrayed with opposite magnetic pole surfaces facing each other; ,
A flat coil disposed between the magnet array and the working surface in parallel with the working surface;
Including electromagnetic ultrasonic transducer.

The coil is a spiral coil;
The magnet array is positioned with respect to the spiral coil such that the arrangement direction coincides with the direction in which the conductor of the spiral coil extends.
The electromagnetic ultrasonic transducer according to claim 1.

The coil is a spiral coil;
The magnet array is positioned with respect to the spiral coil so that the arrangement direction coincides with a direction orthogonal to the direction in which the conductor of the spiral coil extends.
The electromagnetic ultrasonic transducer according to claim 1.

In the magnet array, the interval between the adjacent strip-shaped magnets is set so that the component perpendicular to the surface of the magnetic field formed in the vicinity of the surface in the object is inverted at predetermined intervals along the arrangement direction. Has been
The coil is a meander line coil meandering with a period of twice the predetermined interval,
The magnet array is disposed so that the arrangement direction is a direction perpendicular to a linear direction of the meander line coil.
The electromagnetic ultrasonic transducer according to claim 1.