JP4250460B2 - 非対称電磁超音波探触子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば被測定対象物の非破壊検査や厚さ測定などに用いられる電磁超音波探触子に関し、更に詳細には、電磁超音波探触子の磁石体を構成する単位磁石体の形状を非対称に形成することにより電磁超音波を非対称に射出する非対称電磁超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁超音波探触子を用いた金属試料の検査方法は、本発明者等の一部が特開２００１−７４５６７公報に既に開示している。この公開公報では、超音波の伝播特性の変化を利用して金属材料の材質劣化を検出している。例えば、この金属材料はステンレス鋼で長時間の使用により材質が劣化する。
【０００３】
このような材質劣化の発生した領域では超音波の伝播特性が変化するため、電磁超音波探触子によって発生させた超音波ビームを用いて金属試料中を走査すれば、その反射ビームを検出することにより材質劣化の有無を判定することができる。
【０００４】
図１７は従来の電磁超音波探触子１０５による超音波発振機構の説明図である。この電磁超音波探触子１０５は、複数個の単位磁石体１０２を直列に配列した磁石体１０１と電流線１０４から構成されている。前記単位磁石体１０２の磁石厚ｔは全て等しく設計されている点に特徴を有している。隣り合う単位磁石体の磁極は交互に反転しながら配列されている。
【０００５】
電流線１０４が被測定対象物１１４に対向するように電磁超音波探触子１０５は配置される。電流線１０４に高周波電流を矢印方向に通電すると、電磁相互作用により被測定対象物の表層部分に矢印方向の渦電流１０８（誘導電流）が流れる。この渦電流は単位磁石体より形成される磁場ｍ（点線矢印）と相互作用することにより被測定対象物１１４内にローレンツ力１１０が作用する。このローレンツ力１１０により被測定対象物１１４内に高周波電流と同じ周波数の超音波１１２が発生する。
【０００６】
この超音波の波長をλ、単位磁石体の磁石厚をｔ、被測定対象物の厚さをｄとし、超音波の入射角をθとしたとき、各超音波の行路差をδとすると、δ＝λ／2（ここで、δ＝ｔｓｉｎθ）の関係式を満たす方向へ超音波は強め合う。ｔ＜＜ｄのとき、強め合う超音波は指向性のある超音波ビームを形成する。このとき磁石体１０１は左右に対称的且つ周期的な構造を有しているから、左右に同じ強度且つ同じ入射角を持つ超音波ビームが対称的に発生する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１８は従来の電磁超音波探触子１０５を用いた測定図である。電磁超音波探触子１０５により発生された超音波ビーム１２６、１２６を裏面の超音波検出器１２４により検出すると、左右対称に鋭いピーク有した強度分布ｐが得られる。
【０００８】
しかし、このような指向性の強い超音波ビーム特性は、前記条件ｔ＜＜ｄを満たす場合に限られる。即ち、図１７における磁石体１０１の磁石長ｌに比べ被測定対象物の厚さｄが十分大きい場合に限定される。換言すれば、被測定対象物の厚さｄが小さい場合には、従来の電磁超音波探触子では、このような指向特性を発現することは到底できない。
【０００９】
図１９は従来の電磁超音波探触子１０５を用いた被測定対象物１１４中の劣化傷１２０、１２０の測定図である。電磁超音波探触子１０５により発生された二つの対称的な超音波ビーム１２６、１２６は被測定対象物１１４中の二つの劣化傷１２０、１２０によって反射され、二つの反射ビーム１２２、１２２を形成する。
【００１０】
超音波ビーム１２６、１２６は同じ強度を持っているから、二つの反射ビーム１２２，１２２はほぼ同強度で伝播し、共に超音波検出器１２４により検出される。この検出信号を二つの劣化傷の寄与に分けることは困難であるから、この超音波測定法では二つの劣化傷１２０，１２０の位置を同時に決定することは難しい。
【００１１】
従って、本発明は、電磁超音波探触子から対称な方向に射出される二つの超音波ビームの内、被測定対象物の走査に用いる超音波ビームを収束させることにより、薄い被測定対象物の測定を可能にし、もう一方の超音波ビームの強度を発散させることにより、測定時にどちらの反射超音波であるかを識別可能にした非対称電磁超音波探触子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の第１の形態は、複数個の単位磁石体を直列に配列した磁石体と、この磁石体と被測定対象物の間に電流を通電する電流線を有して、被測定対象物中に電磁力により少なくとも対称な二方向に超音波を伝播させる電磁超音波探触子において、電流線の方向に単位磁石の磁石厚を大から小へと変化させ、前記対称な二方向のうち磁石厚が大きな方向へ超音波を収束させ、磁石厚が小さな方向へ超音波を発散させるように構成した非対称電磁超音波探触子である。超音波を収束させることによって高強度の微細な超音波ビームが形成され、被測定対象物中の微小な劣化傷などを効率よく検出でき、被測定対象物中の欠陥や劣化傷の空間分布を高分解能に得ることができる。また、もう一方の超音波は発散するから、超音波強度が極めて弱くなり、この超音波の欠陥や劣化傷などによる反射（又は散乱）波の強度は極めて弱く、前述した収束超音波ビームと比較するとほとんど無視できる程度になる。従って、二方向に超音波が発生しても、二つの超音波ビームを明確に識別することができ、測定精度を格段に向上することができる。
【００１３】
第２の形態は、前記単位磁石体が永久磁石から成る単位磁石により構成される非対称電磁超音波探触子である。単位磁石体が全て永久磁石から形成されているため、被測定対象物表面上の非対称電磁超音波探触子に面する全ての領域から超音波が発生し、一層強い収束超音波ビームを発生することができる。その結果、超音波ビームの反射率や透過率が小さな被測定対象物においても、その欠陥や劣化傷や状態変化に対する検出信号をより一層増強することができる。
【００１４】
第３の形態は、前記単位磁石体が永久磁石から成る単位磁石とその磁石厚方向の両面又は片面に配置したスペーサーから構成される非対称電磁超音波探触子である。単位磁石の磁石厚を可変することは難しい場合がある。そこで同一厚の単位磁石を複数個用意して、単位磁石と単位磁石の間にスペーサーを介することによって単位磁石体の厚さを大から小へと自在に可変することができる。また、複数個の単位磁石が同一厚でない場合でも、単位磁石間にスペーサーを配置することによって単位磁石体の厚さを可変することができる。従って、被測定対象物の大きさや厚さ、走査する位置などが変わっても新に厚さの異なる単位磁石を準備する必要が無く、様々な条件下における測定を迅速且つ簡単に実行することができる。
【００１５】
第４の形態は、前記収束する超音波が被測定物体中の焦点に強め合いながら集中するように構成される非対称電磁超音波探触子である。超音波ビームを焦点にまで収束させるから、その焦点を劣化傷などのターゲットに設定すれば、反射強度が高くなって測定精度が更に向上する。焦点距離を短くすることにより、薄い被測定対象物の測定であっても反射強度や測定精度をかく格段に向上することができる。焦点距離は被測定対象物の大きさや厚さなどにより自在に調整することが可能であるから、任意の被測定対象物の超音波測定が可能になる。
【００１６】
第５の形態は、隣り合う単位磁石の磁極が交互に反転しながら配列された磁石体において、前記単位磁石の磁石厚方向の中点に対応する被測定対象物表面の超音波発振点と前記焦点とを線分（行路）で結んだとき、超音波波長をλとすると、隣り合う線分（行路）の長さがλ／２づつずれることによって焦点に収束する超音波が強め合うように構成されている非対称電磁超音波探触子である。各単位磁石体から発生する超音波が強め合う干渉条件を満足しているから、収束する超音波ビームの指向特性が更に向上してその強度が増強され、より高い空間分解能を得ることができる。
【００１７】
第６の形態は、前記磁石体を構成する単位磁石において、前記磁石厚方向と略直行する方向で被測定対象物面に平行な方向の磁石幅が同一幅に形成されている非対称電磁超音波探触子である。通常使用される直方体状の単位磁石を配列するだけで磁石体を構成できるから、磁石体の構成や組み立てがきわめて簡単に成る。また磁石幅を小さくしたり大きくしたりすることも容易であり、非対称電磁超音波探触子を安価に提供できる利点がある。
【００１８】
第７の形態は、前記磁石体を構成する単位磁石体において、被測定対象物面に対向する磁石面が扇型に形成され、磁石厚が大きい単位磁石体の磁石幅は小さく、磁石厚が小さい単位磁石体の磁石幅は大きく形成されている非対称電磁超音波探触子である。磁石幅が小さくなる方向に超音波ビームは収束するから、前記磁石体の厚さ方向及び幅方向に超音波ビームが収束される。従って、収束超音波ビームの焦点における強度が一層強められ、超音波測定の空間分解能を格段に増大できる。しかも、発散超音波は前記幅方向にも発散するから、発散超音波の強度は急激に低下し、超音波測定においては発散超音波の影響はほとんど無視できる程度になる。
【００１９】
第８の形態は、複数個の単位磁石を一列状に直列に配列した磁石列を形成し、この磁石列を複数列並列に配列して前記磁石体を構成した非対称電磁超音波探触子である。並列に配列することで前記磁石体の幅方向にも超音波が強め合う効果が発現し、超音波ビームの断面径をより鋭くさせ、その指向特性をより一層に向上できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る電磁超音波探触子の実施形態を図面に従って詳細に説明する。図１は本発明に係る非対称電磁超音波探触子の第１実施形態の構成図である。この非対称電磁超音波探触子５は、複数個の単位磁石体２が直列に配列された磁石体１と、この磁石体１の下面に配置された電流線４から構成されている。
【００２１】
前記単位磁石体２は永久磁石により形成される。前記磁石体１は、構成する各単位磁石体２の磁石厚Ｔが電流線４の方向に大から小へと変化する非対称配列を特徴として有している。ここで、隣り合う単位磁石体２の磁極は交互に反転しながら配列されている。単位磁石体２の配列個数は自在に調整できるが、図１では６個の単位磁石体２を配列している。
【００２２】
前記電流線４に高周波電流を矢印方向に通電すると、電磁相互作用により被測定対象物１４の表層部分に渦電流８（誘導電流）が矢印方向に流れる。この渦電流８は単位磁石体２より形成される磁場Ｍ（点線矢印）と相互作用することにより被測定対象物１４内にローレンツ力１０を生起する。このローレンツ力１０により被測定対象物１４内に高周波電流と同じ周波数の収束超音波１２、１２・・・と発散超音波１６、１６・・・が発生する。
【００２３】
このとき、前記磁石の非対称配列によって、同一方向の磁場が繰り返す間隔が非対称になるために、同じ方向に作用するローレンツ力１０の周期間隔も非対称になる。その結果、それらのローレンツ力１０を起動力として発生する各超音波が強め合う条件、即ち磁石厚Ｔ、入射角θ及び波長λの関係が従来の対称配列した電磁超音波探触子とは当然に異なってくる。このことは図３で詳述される。
【００２４】
図２は、本発明に係る非対称電磁超音波探触子５においてスペーサー２ｂを用いた第２実施形態の構成図である。この非対称電磁超音波探触子５は、単位磁石体２が永久磁石の単位磁石２ａと非磁性且つ非導電性のスペーサー２ｂから構成されている。前記磁石体２はスペーサー２ｂが単位磁石２ａの両面に配置され、単位磁石体２の磁石厚Ｔが電流線の方向に大から小へと変化する非対称配列を有している。単位磁石２ａの厚さＴｕは同一厚であり、スペーサー２ｂを用いて磁石厚Ｔを可変している点に特徴がある。
【００２５】
その他の非対称電磁超音波探触子５の構成は、図１と同様に、複数個の単位磁石体２が直列に配列された磁石体１と電流線４から成り、隣り合う単位磁石体２の磁極は交互に反転しながら配列されている。この配置においても発生する超音波は、磁石体の非対称性により単位磁石体の磁石厚が大きな方向へ収束し、磁石厚Ｔが小さな方向では発散する。
【００２６】
従って、各単位磁石の厚さＴｕが全て同じであっても、スペーサーの厚さや枚数を変化させることにより、任意の深さに超音波を収束することができる。収束超音波１２や発散超音波１６の相互関係は図１と同様であり、その詳細は図３で説明する。
【００２７】
図３は、非対称電磁超音波探触子５における超音波発振機構の説明図である。図３において右端に存在する単位磁石体を１ａ、１ａで示し、左端に存在する単位磁石体を１ｂ、１ｂで区別する。単位磁石体１ａの磁石厚Ｔは単位磁石体１ｂの磁石厚Ｔより大きく設定されている。即ち、右から左へ行くに従って磁石厚Ｔは次第に小さく設計されている。
【００２８】
図３において、右端に存在する単位磁石体１ａ、１ａが関係する符号には、全て符号ａを附加して示す。例えば、収束超音波１２と発散超音波１６を、それぞれ、１２ａと１６ａと示す。また、左端に存在する単位磁石体１ｂ、１ｂが関係する符号には、全て符号ｂを附加して示す。例えば、収束超音波１２と発散超音波１６を、それぞれ、１２ｂと１６ｂと示す。
【００２９】
単位磁石体１ａ、１ａにおける磁石厚方向の中点３ａ、３ａに対応する被測定対象物表面７上に超音波発振点９ａ、９ａが存在する。これらの超音波発振点９ａ、９ａから射出される超音波１２ａ、１２ａの走行距離が行路となり、この行路に垂直な面が波面２２ａとなる。これらの行路を伝播する超音波の波長をλとする。このとき、これらの行路の差（行路差）δがλ／２ずれたとき、波面２２ａにおいて超音波１２ａ、１２ａが強め合う。
【００３０】
同様に、単位磁石体１ｂ、１ｂに対応する超音波発振点９ｂ、９ｂと波面２２ｂと結んだ行路に対して、これらの行路差δがλ／２ずれたとき、波面２２ｂにおいて超音波が強め合う。これらの超音波１２ａ、１２ａ及び１２ｂ、１２ｂは図示するように一点に収束する傾向を示すから収束超音波と呼ぶ。
【００３１】
他方、超音波発振点９ａ、９ａ及び９ｂ、９ｂから逆方向に射出される超音波１６ａ、１６ａ及び１６ｂ、１６ｂは末広がりに発散する傾向を示すから、これらの超音波を発散超音波と呼ぶ。発散超音波はその発散性によって強度が極めて弱く、後述するように超音波測定には影響を与えない。収束超音波は強度が極めて強く超音波測定に直接寄与する。従って、収束超音波の干渉性について次に詳述する。
【００３２】
単位磁石体１ａ、１ａによる収束超音波１２ａ、１２ａと、単位磁石体１ｂ、１ｂによる収束超音波１２ｂ、１２ｂとでは、隣り合う超音波が強め合う入射角θが異なる。つまり、超音波が強め合う方向は、δ＝Ｔｓｉｎθ＝λ／２が満足される方向であり、θ＝ｓｉｎ-1（λ／２Ｔ）の関係式を満たす入射角θの方向となる。この関係式から、磁石厚Ｔが小さくなるほど超音波の入射角θは大きくなることが分かる。
【００３３】
ここで、波長λは電流線に通電する高周波電流の振動数ｆに対し、λ＝Ｖ／ｆ（Ｖは音速）の関係を持ち、振動数ｆを決めれば発生する全ての超音波の波長λは等しくなる。従って、各超音波１２ａ、１２ａ、１２ｂ、１２ｂが強め合う収束位置が一致するように各単位磁石の磁石厚Ｔを設計することによって、磁石厚Ｔが大きな方向へ超音波１２ａ、１２ａ、１２ｂ、１２ｂを収束させることができる。また、その結果、磁石厚Ｔが小さな方向へ超音波を発散させることができる。このように磁石厚に非対称性を持たせることによって、収束超音波と発散超音波を同時的に射出する非対称電磁超音波探触子を構成することができる。
【００３４】
図４は非対称電磁超音波探触子５を用いた測定図である。非対称電磁超音波探触子５により発生された収束超音波ビーム２６と発散超音波ビーム２８を裏面３４の超音波検出器２４により検出すると、非対称な強度分布Ｐが得られる。収束超音波の強度分布は鋭いピークＰ1を持ち、一方、発散超音波では分布の幅が拡がって強度が低下したブロードなピークＰ2となる。
【００３５】
図５は非対称電磁超音波探触子における超音波強度分布の計算方法を示すための説明図である。超音波の強度はローレンツ力Ｆ（Ｆ＝Ｊ×Ｂ、磁束密度Ｂ＝μＨ）に依存するため、被測定対象物１４中の渦電流分布Ｊと磁界の強さＨから求めることができる。
【００３６】
被測定対象物１４の表面７からの距離をｚとすると、単位時間当たりの渦電流分布Ｊ（ｚ）は、Ｊ（ｚ）＝Ｊ0ｅｘｐ（―αｚ−ｉβｚ）で表される。ここで、Ｊ0は最大電流強度である。また、高周波電流の角振動数をω、被測定対象物の透磁率をμ、被測定対象物の電気伝導度をσとすれば、α＝β＝（ωμσ／２）1/2となる。更に、被測定対象物中の磁界の強さＨは磁石体１の裏面の線磁化密度をρMとすれば、Ｈ＝ρM／２πμｚで表される。
【００３７】
これらの渦電流分布Ｊと磁界の強さＨから、被測定対象物１４の中に想定された単位胞３３で生じる微小ローレンツ力３２が計算された。この微小ローレンツ力３２により発生する微小超音波３０が計算され、各超音波の収束位置３１における全超音波の強度分布が計算された。
【００３８】
図６は計算された超音波ビームの強度分布図である。ここで、高周波電流の振動数ｆは８００ｋＨｚ、被測定対象物の厚さＤは５０ｍｍ、単位磁石の数は１０個、それぞれの磁石厚Ｔは２．５ｍｍ、２．６ｍｍ、２．７ｍｍ、２．７ｍｍ、２．９ｍｍ、３．０ｍｍ、３．１ｍｍ、３．２ｍｍ、３．５ｍｍ、３．８ｍｍとした。
【００３９】
被測定対象物における音速Ｖを約３．０×１０3ｍ／ｓｅｃとすると、超音波の波長λ（λ＝Ｖ／ｆ）は約３．８ｍｍとなる。波長λから、最も磁石厚の大きな単位磁石体より発生する超音波の強め合う行路差δ（＝λ／２）は１．９ｍｍとなる。δ／Ｔ＝１．９ｍｍ／３．８ｍｍ＝ｓｉｎθを満たす入射角θ（＝３０°）の方向で超音波が強め合う。
【００４０】
同様に、最も磁石厚が小さな単位磁石においては、δ／Ｔ＝１．９ｍｍ／２．６ｍｍ＝ｓｉｎθを満たす入射角θ（＝４７°）の方向で超音波が強め合う。この電磁超音波探触子の中心から表面方向の距離が約４０ｍｍの位置で収束超音波が焦点を形成するように収束設計されている。
【００４１】
図６で横軸は非対称電磁超音波探触子の中心から表面方向の距離（Distance）、縦軸は強度（Intensity）である。この図から分かるように、距離が約４０ｍｍの位置に鋭いピークＰ1が見られ、指向性の高い収束超音波ビームが形成されることが分かる。一方、距離が約−５０ｍｍ付近には発散超音波ビームによるブロードな分布が見られ、収束超音波ビームに比べピーク強度は半分程度に減少している。予測された通りの結果が得られた。
【００４２】
図７は振動数１０００ｋＨｚの高周波電流に対する超音波ビームの強度分布図である。前述の非対称電磁超音波探触子では、振動数８００ｋＨｚの高周波電流に対し、超音波の行路に行路差λ／２が生じ、超音波が収束するように単位磁石の磁石厚が設計されていた。従って、同じ非対称電磁超音波探触子に振動数１０００ｋＨｚの高周波電流を通電すると、収束条件が完全には満足されないはずである。
【００４３】
しかしながら、計算により得られた結果では、距離が約２８ｍｍの位置で鋭いピークＰ1が現れ、逆の位置には低強度でブロードなピークＰ2が出現した。従って、干渉条件が完全に満たされなくても磁石厚に大小の差を設けておけば、収束超音波と発散超音波を形成することができる。そのピーク位置は８００ｋＨｚのときよりも磁石体側によっている。更に、ピーク幅は狭くなり指向特性が向上している。また、発散超音波ビームは強度が半分程度になり、そのピーク幅は８００ｋＨｚの場合に比べやや狭くなっている。
【００４４】
図８は振動数６５０ｋＨｚの高周波電流に対する超音波ビームの強度分布図である。この強度分布において、収束超音波ビームと発散超音波ビームのピーク幅は８００ｋＨｚや１０００ｋＨｚの場合に比べやや大きくなっている。しかし、振動数が６５０ｋＨｚでも、明らかに収束超音波ビームのピーク強度の増大と発散超音波ビームの相対的な強度の減少が見られる。
【００４５】
従って、各単位磁石体の磁石厚から見積もられる干渉条件から多少外れても、収束超音波と発散超音波を形成することが明らかになった。単位磁石体の磁石厚を大から小へと変化させることが、射出超音波に収束性及び発散性を与える基本的な条件となる。
【００４６】
図９は本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を用いた劣化傷２０ａ、２０ｂの測定図である。非対称電磁超音波探触子５は収束超音波ビーム２６と発散超音波ビーム２８を射出する。収束超音波ビーム２６は、劣化傷２０ａにより反射されて反射超音波３６を形成し、発散超音波ビーム２８は、劣化傷２０ｂにより反射されて反射超音波３８を形成する。これらの反射超音波３６、３８は超音波検出器２４によって検出される。
【００４７】
このとき、収束超音波ビーム２６は強度が強くしかもビーム径も小さいため、反射超音波３６は極めて強く、強い反射超音波信号として検出される。一方、発散超音波ビーム２８は被測定対象物１４中に拡がっていくため、その一部が劣化傷２０ｂに反射（又は散乱）されてもその反射超音波３８は極めて弱く、反射超音波３６と明確に区別できる。従って、超音波検出器２４は収束超音波２６が探査した劣化傷２０ａを選択的に検出できる。
【００４８】
図１０は本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を用いた反射超音波の測定図とその強度分布図である。非対称電磁超音波探触子５によって発生された収束超音波ビーム２６が裏面３４で反射したとき、裏面反射超音波４０の検出位置Ｒは、収束超音波ビーム２６の入射角と被測定対象物１４の厚さＤから予測される。同時に劣化傷２０ａ，２０ｂによる反射超音波も表面７に到達する。
【００４９】
超音波検出器２４がこれらの反射超音波を検出したとき、強度分布図に示すように信号３６Ｓ、３８Ｓ、４０Ｓが検出される。裏面反射超音波信号４０Ｓの予測された検出位置以外に現れる信号３６Ｓ、３８Ｓは、裏面による反射信号でないことは明白である。従って、信号３６Ｓ、３８Ｓは劣化傷２０ａ、２０ｂによる反射信号であると判断することができる。
【００５０】
更に、劣化傷による反射波超音波信号３６Ｓ、３８Ｓは、収束超音波ビーム２６による反射超音波３６と発散超音波ビーム２８による反射超音波３８である。両超音波信号の強度には大きな違いが現れるため、二つの反射波を識別することができる。特に、発散超音波による反射信号３８Ｓは非常に弱くなり、ある閾値強度５２（破線）以下の信号を無視すれば、裏面反射超音波信号４０Ｓと反射超音波３６Ｓのみを検出できる。裏面反射超音波信号４０Ｓは予測できているから、反射超音波信号３６Ｓにより劣化傷２０ａを特定することができる。
【００５１】
図１１は本発明に係る非対称電磁超音波探触子５の超音波放射方向５４と走査方向５３を角度γだけずらした測定配置のｘ−ｙ平面図である。前記収束超音波ビーム２６と前記発散超音波ビーム２８による被測定対象物内における強度分布を、夫々、収束分布５６と発散分布５８とする。
【００５２】
超音波放射方向５４をｘ軸上の走査方向５３と角度γだけずらすと、超音波検出器２４の走査方向であるｘ軸は発散分布５８の中心を通らずその周辺を通過する。そのため、発散超音波ビーム２８の検出強度は相対的に更に減少し、収束超音波ビーム２６のみを効率よく検出できる。このようにして、本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を斜め配置することによって、収束超音波強度と発散超音波強度に一層大きな優位差を付与することができる。
【００５３】
図１２は、図１１において角度γだけずらした測定配置のｘ−ｚ平面図と強度分布図である。（１２Ａ）は配置図、（１２Ｂ）はずらす前（γ＝０）の強度分布図、（１２Ｃ）はずらした後（γ≠０）の強度分布図である。
【００５４】
γ＝０の（１２Ｂ）では、収束超音波ビームによるピークＰ1は発散超音波ビームによるピークＰ2より強度が強いことは図４で説明した通りである。しかし、ｘ軸方向に対して走査方向を角度γだけずらすと、（１２Ｃ）に示すように、ピークＰ1γはピークＰ1より強く且つ先鋭になり、ピークＰ2γはピークＰ2より弱く且つブロードになる。従って、角度γだけずらした測定配置では収束超音波ビームはより強化され、発散超音波ビームはより弱化されることが分かる。
【００５５】
図１３は本発明に係る非対称電磁超音波探触子における並列配列構造を持つ磁石体１の構成図である。磁石列１ｃは複数個の単位磁石体２、２・・・を一列状に直列に配列して構成され、磁石体１は複数の磁石列１ｃ、１ｃを並列に配列して構成されている。磁石列１ｃの磁石幅をｗで表すと、磁石体１の磁石幅ＷはＷ＝２ｗとなるから、磁石幅方向に対しても、超音波が強め合う傾向を示し、従って、超音波ビームの断面は磁石厚方向のみならず磁石幅方向にも鋭くなり、指向特性が更に向上する。
【００５６】
図１４は本発明に係る非対称電磁超音波探触子において扇型構造を持つ磁石体１の平面図である。磁石体１を構成する単位磁石体２ｄ・・・２ｅは平面形状が扇型に形成されている。このとき、磁石厚Ｔが大きい単位磁石体２ｄの磁石幅ｗは小さく、磁石厚Ｔが小さい単位磁石体２ｅの磁石幅ｗは大きく形成されている。その結果、超音波放射方向５４に発生する超音波ビームは、磁石体１の厚さ方向だけでは無くその幅方向にも超音波ビームが収束される。従って、収束超音波ビームの収束点における強度が一層強められ、発散超音波ビームは更に広角に拡がって弱くなる。
【００５７】
図１５は扇型構造を持つ磁石体の並列配置の説明図である。磁石体１は磁石列１ｃ、１ｃが並列に配列され、且つ扇形構造を取っている。図１４で説明した扇型構造による超音波ビームの収束だけでなく、図１３で説明した並列配置による超音波ビームの先鋭化が生じる。従って、超音波放射方向５４へ一層指向性の高い超音波ビームが発生する。
【００５８】
図１６は本発明に係る非対称電磁超音波探触子を超音波発振器５ａと超音波検出器５ｂに利用した測定図である。超音波発振器５ａと超音波検出器５ｂはそれらの中心軸６２ａ、６２ｂが角度γを持つように配置されている。図１１で説明したように、このような傾斜配置を取ることにより、発散超音波ビーム２８の検出強度が更に低減し、収束超音波ビーム２６の検出強度が更に増大化する。このように検出器側の構造にも非対称性を持たせることによって、より測定精度の高い超音波測定が可能になる。
【００５９】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例や設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
第１の形態によれば、非対称電磁超音波を構成する磁石体の磁石厚の大小変化や通電する高周波電流の振動数を変化させることによって、被測定対象物の任意の位置に超音波を収束させことができる。その結果、従来の電磁超音波探触子では測定することが困難であった厚さの薄い被測定対象物内に存在する欠陥や劣化傷などに対する測定が容易になる。更に、高強度の微細な超音波ビームが形成されることによって、被測定対象物中の微小な劣化傷などを効率よく検出でき、被測定対象物中の欠陥や劣化傷の空間分布を高分解能に得ることができる。また、もう一方の超音波は発散するから、超音波強度が極めて弱くなり、この発散超音波の欠陥や劣化傷などによる反射（又は散乱）波の強度は極めて弱く、前述した収束超音波ビームと比較するとほとんど無視できる程度になる。従って、二方向に超音波が発生しても二つの超音波ビームを明確に識別することができ、測定精度を格段に向上することができる。
【００６１】
第２の形態によれば、非対称電磁超音波探触子を構成する単位磁石体が全て永久磁石から形成されているため、被測定対象物表面上の非対称電磁超音波探触子に面する全ての領域から超音波が発生し、一層強い収束超音波ビームを発生することができる。この高強度の収束超音波ビームを用いれば、超音波ビームの反射率や透過率が小さな被測定対象物に対する測定においても、その欠陥や劣化傷や状態変化によって検出される信号をより一層増強することができる。
【００６２】
第３の形態によれば、非対称電磁超音波探触子を構成する単位磁石の磁石厚を可変することなく、単位磁石間にスペーサーを介することによって単位磁石体の厚さを大から小へと自在に可変することができる。換言すれば、複数個存在する単位磁石の磁石厚が同一又は不同一どちらの場合においても、単位磁石間にスペーサーを配置することによって単位磁石体の厚さを可変させ、被測定対象物中の任意の位置に超音波を収束させることができる。特に、厚さが同一の単位磁石を用いると、非対称電磁超音波探触子を安価且つ簡単に製造できる利点がある。また、被測定対象物の厚さや走査する位置などが変わっても、新に厚さの異なる単位磁石を準備する必要が無く、様々な条件下における測定を迅速且つ簡単に実行することができる。
【００６３】
第４の形態によれば、超音波ビームを焦点にまで収束させるから、その焦点位置を劣化傷などのターゲットに設定すれば、反射強度が高くなって測定精度が更に向上する。焦点距離を短くすることにより、薄い被測定対象物の測定であっても反射強度や測定精度を格段に向上することができる。被測定対象物の大きさや厚さなどに応じて焦点距離を可変調整できるから、任意の被測定対象物の超音波測定が可能になる。
【００６４】
第５の形態によれば、非対称電磁超音波探触子を構成する各単位磁石体から発生する超音波が強め合う干渉条件を満足しているから、収束する超音波ビームの指向特性が更に向上してその強度が増強され、より高い空間分解能を得ることができる。
【００６５】
第６の形態によれば、通常使用される直方体状の単位磁石を配列するだけで磁石体を構成できるから、磁石体の構成や組み立てがきわめて簡単に成る。また磁石幅を小さくしたり大きくしたりすることも容易であり、非対称電磁超音波探触子を安価に提供できる利点がある。
【００６６】
第７の形態によれば、磁石幅が小さくなる方向に超音波ビームは収束するから、前記磁石体の厚さ方向及び幅方向に超音波ビームが収束される。従って、収束超音波ビームの焦点における強度が一層強められ、超音波測定の空間分解能を格段に増大できる。しかも、発散超音波は前記幅方向にも発散するから、発散超音波の強度は急激に低下し、超音波測定においては発散超音波の影響はほとんど無視できる程度になる。
【００６７】
第８の形態によれば、磁石体を複数列並設しているから、この磁石体の幅方向にも超音波が強め合う効果が発現し、超音波ビームの断面径をより鋭くさせ、その指向特性をより一層向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５の第１実施形態の構成図である。
【図２】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５においてスペーサー２ｂを用いた第２実施形態の構成図である。
【図３】非対称電磁超音波探触子における超音波発振機構の説明図である。
【図４】非対称電磁超音波探触子５を用いた測定図である。
【図５】非対称電磁超音波探触子における超音波強度分布の計算方法を示すための説明図である。
【図６】計算された超音波ビームの強度分布図である。
【図７】振動数１０００ｋＨｚの高周波電流に対する超音波ビームの強度分布図である。
【図８】振動数６５０ｋＨｚの高周波電流に対する超音波ビームの強度分布図である。
【図９】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を用いた劣化傷２０ａ、２０ｂの測定図である。
【図１０】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を用いた反射超音波の測定図とその強度分布図である。
【図１１】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５の超音波放射方向５４と走査方向５３を角度γだけずらした測定配置のｘ−ｙ平面図である。
【図１２】角度γだけずらした測定配置のｘ−ｚ平面図と強度分布図である。
【図１３】本発明に係る非対称電磁超音波探触子における並列配列構造を持つ磁石体１の構成図である。
【図１４】本発明に係る非対称電磁超音波探触子において扇型構造を持つ磁石体１の平面図である。
【図１５】扇型構造を持つ磁石体の並列配置の説明図である。
【図１６】本発明に係る非対称電磁超音波探触子を超音波発振器５ａと超音波検出器５ｂに利用した測定図である。
【図１７】従来の電磁超音波探触子１０５による超音波発振機構の説明図である。
【図１８】従来の電磁超音波探触子１０５を用いた測定図である。
【図１９】従来の電磁超音波探触子１０５を用いた被測定対象物１１４中の劣化傷１２０、１２０の測定図である。
【符号の説明】
１は磁石体、１ａは単位磁石体、１ｂは単位磁石体、１ｃは磁石列、２は単位磁石体、２ａは単位磁石、２ｂはスペーサー、２ｄは単位磁石体、２ｅは単位磁石体、３は中点、４は電流線、５は非対称電磁超音波探触子、５ａは超音波発振器、５ｂは超音波検出器、７は被測定対象物表面、８は渦電流、９ａは超音波発振点、９ｂは超音波発振点、１０はローレンツ力、１２は収束超音波、１２ａは収束超音波、１２ｂは収束超音波、１４は被測定対象物、１６は発散超音波、１６ａは発散超音波、１６ｂは発散超音波、２０は劣化傷、２２ａは波面、２２ｂは波面、２４は超音波検出器、２６は収束超音波ビーム、２８は発散超音波ビーム、３０は微小超音波、３１は収束位置、３２は微小ローレンツ力、３３は単位胞、３４は裏面、３６は反射超音波、３６Ｓは反射超音波信号、３８は反射超音波、３８Ｓは反射超音波信号、４０は裏面反射超音波、４０Ｓは裏面反射超音波信号、５２は閾値強度、５３は走査方向、５４は超音波放射方向、５６は収束分布、５８は発散分布、６２ａは中心軸、６２ｂは中心軸、１０１は磁石体、１０２は単位磁石体、１０４は電流線、１０５は電磁超音波探触子、１０８は渦電流、１１０はローレンツ力、１１４は被測定対象物、１２０は劣化傷、１２２は反射ビーム、１２４は超音波検出器、１２６は超音波ビーム、Ｄは被測定対象物の厚さ、ｄは被測定対象物の厚さ、Ｍは磁場、ｍは磁場、Ｐは強度分布、Ｐ1はピーク、Ｐ2はピーク、Ｔは磁石厚、ｔは磁石厚、Ｔｕは単位磁石の厚さ、Ｗは磁石体の幅、ｗは磁石列の幅、γは角度、δは行路差、θは入射角。
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば被測定対象物の非破壊検査や厚さ測定などに用いられる電磁超音波探触子に関し、更に詳細には、電磁超音波探触子の磁石体を構成する単位磁石体の形状を非対称に形成することにより電磁超音波を非対称に射出する非対称電磁超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁超音波探触子を用いた金属試料の検査方法は、本発明者等の一部が特開２００１−７４５６７公報に既に開示している。この公開公報では、超音波の伝播特性の変化を利用して金属材料の材質劣化を検出している。例えば、この金属材料はステンレス鋼で長時間の使用により材質が劣化する。
【０００３】
このような材質劣化の発生した領域では超音波の伝播特性が変化するため、電磁超音波探触子によって発生させた超音波ビームを用いて金属試料中を走査すれば、その反射ビームを検出することにより材質劣化の有無を判定することができる。
【０００４】
図１７は従来の電磁超音波探触子１０５による超音波発振機構の説明図である。この電磁超音波探触子１０５は、複数個の単位磁石体１０２を直列に配列した磁石体１０１と電流線１０４から構成されている。前記単位磁石体１０２の磁石厚ｔは全て等しく設計されている点に特徴を有している。隣り合う単位磁石体の磁極は交互に反転しながら配列されている。
【０００５】
電流線１０４が被測定対象物１１４に対向するように電磁超音波探触子１０５は配置される。電流線１０４に高周波電流を矢印方向に通電すると、電磁相互作用により被測定対象物の表層部分に矢印方向の渦電流１０８（誘導電流）が流れる。この渦電流は単位磁石体より形成される磁場ｍ（点線矢印）と相互作用することにより被測定対象物１１４内にローレンツ力１１０が作用する。このローレンツ力１１０により被測定対象物１１４内に高周波電流と同じ周波数の超音波１１２が発生する。
【０００６】
この超音波の波長をλ、単位磁石体の磁石厚をｔ、被測定対象物の厚さをｄとし、超音波の入射角をθとしたとき、各超音波の行路差をδとすると、δ＝λ／2（ここで、δ＝ｔｓｉｎθ）の関係式を満たす方向へ超音波は強め合う。ｔ＜＜ｄのとき、強め合う超音波は指向性のある超音波ビームを形成する。このとき磁石体１０１は左右に対称的且つ周期的な構造を有しているから、左右に同じ強度且つ同じ入射角を持つ超音波ビームが対称的に発生する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１８は従来の電磁超音波探触子１０５を用いた測定図である。電磁超音波探触子１０５により発生された超音波ビーム１２６、１２６を裏面の超音波検出器１２４により検出すると、左右対称に鋭いピーク有した強度分布ｐが得られる。
【０００８】
しかし、このような指向性の強い超音波ビーム特性は、前記条件ｔ＜＜ｄを満たす場合に限られる。即ち、図１７における磁石体１０１の磁石長ｌに比べ被測定対象物の厚さｄが十分大きい場合に限定される。換言すれば、被測定対象物の厚さｄが小さい場合には、従来の電磁超音波探触子では、このような指向特性を発現することは到底できない。
【０００９】
図１９は従来の電磁超音波探触子１０５を用いた被測定対象物１１４中の劣化傷１２０、１２０の測定図である。電磁超音波探触子１０５により発生された二つの対称的な超音波ビーム１２６、１２６は被測定対象物１１４中の二つの劣化傷１２０、１２０によって反射され、二つの反射ビーム１２２、１２２を形成する。
【００１０】
超音波ビーム１２６、１２６は同じ強度を持っているから、二つの反射ビーム１２２，１２２はほぼ同強度で伝播し、共に超音波検出器１２４により検出される。この検出信号を二つの劣化傷の寄与に分けることは困難であるから、この超音波測定法では二つの劣化傷１２０，１２０の位置を同時に決定することは難しい。
【００１１】
従って、本発明は、電磁超音波探触子から対称な方向に射出される二つの超音波ビームの内、被測定対象物の走査に用いる超音波ビームを収束させることにより、薄い被測定対象物の測定を可能にし、もう一方の超音波ビームの強度を発散させることにより、測定時にどちらの反射超音波であるかを識別可能にした非対称電磁超音波探触子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の第１の形態は、複数個の単位磁石体を直列に配列した磁石体と、この磁石体と被測定対象物の間に電流を通電する電流線を有して、被測定対象物中に電磁力により少なくとも対称な二方向に超音波を伝播させる電磁超音波探触子において、電流線の方向に単位磁石の磁石厚を大から小へと変化させ、前記対称な二方向のうち磁石厚が大きな方向へ超音波を収束させ、磁石厚が小さな方向へ超音波を発散させるように構成した非対称電磁超音波探触子である。超音波を収束させることによって高強度の微細な超音波ビームが形成され、被測定対象物中の微小な劣化傷などを効率よく検出でき、被測定対象物中の欠陥や劣化傷の空間分布を高分解能に得ることができる。また、もう一方の超音波は発散するから、超音波強度が極めて弱くなり、この超音波の欠陥や劣化傷などによる反射（又は散乱）波の強度は極めて弱く、前述した収束超音波ビームと比較するとほとんど無視できる程度になる。従って、二方向に超音波が発生しても、二つの超音波ビームを明確に識別することができ、測定精度を格段に向上することができる。
【００１３】
第２の形態は、前記単位磁石体が永久磁石から成る単位磁石により構成される非対称電磁超音波探触子である。単位磁石体が全て永久磁石から形成されているため、被測定対象物表面上の非対称電磁超音波探触子に面する全ての領域から超音波が発生し、一層強い収束超音波ビームを発生することができる。その結果、超音波ビームの反射率や透過率が小さな被測定対象物においても、その欠陥や劣化傷や状態変化に対する検出信号をより一層増強することができる。
【００１４】
第３の形態は、前記単位磁石体が永久磁石から成る単位磁石とその磁石厚方向の両面又は片面に配置したスペーサーから構成される非対称電磁超音波探触子である。単位磁石の磁石厚を可変することは難しい場合がある。そこで同一厚の単位磁石を複数個用意して、単位磁石と単位磁石の間にスペーサーを介することによって単位磁石体の厚さを大から小へと自在に可変することができる。また、複数個の単位磁石が同一厚でない場合でも、単位磁石間にスペーサーを配置することによって単位磁石体の厚さを可変することができる。従って、被測定対象物の大きさや厚さ、走査する位置などが変わっても新に厚さの異なる単位磁石を準備する必要が無く、様々な条件下における測定を迅速且つ簡単に実行することができる。
【００１５】
第４の形態は、前記収束する超音波が被測定物体中の焦点に強め合いながら集中するように構成される非対称電磁超音波探触子である。超音波ビームを焦点にまで収束させるから、その焦点を劣化傷などのターゲットに設定すれば、反射強度が高くなって測定精度が更に向上する。焦点距離を短くすることにより、薄い被測定対象物の測定であっても反射強度や測定精度をかく格段に向上することができる。焦点距離は被測定対象物の大きさや厚さなどにより自在に調整することが可能であるから、任意の被測定対象物の超音波測定が可能になる。
【００１６】
第５の形態は、隣り合う単位磁石の磁極が交互に反転しながら配列された磁石体において、前記単位磁石の磁石厚方向の中点に対応する被測定対象物表面の超音波発振点と前記焦点とを線分（行路）で結んだとき、超音波波長をλとすると、隣り合う線分（行路）の長さがλ／２づつずれることによって焦点に収束する超音波が強め合うように構成されている非対称電磁超音波探触子である。各単位磁石体から発生する超音波が強め合う干渉条件を満足しているから、収束する超音波ビームの指向特性が更に向上してその強度が増強され、より高い空間分解能を得ることができる。
【００１７】
第６の形態は、前記磁石体を構成する単位磁石において、前記磁石厚方向と略直行する方向で被測定対象物面に平行な方向の磁石幅が同一幅に形成されている非対称電磁超音波探触子である。通常使用される直方体状の単位磁石を配列するだけで磁石体を構成できるから、磁石体の構成や組み立てがきわめて簡単に成る。また磁石幅を小さくしたり大きくしたりすることも容易であり、非対称電磁超音波探触子を安価に提供できる利点がある。
【００１８】
第７の形態は、前記磁石体を構成する単位磁石体において、被測定対象物面に対向する磁石面が扇型に形成され、磁石厚が大きい単位磁石体の磁石幅は小さく、磁石厚が小さい単位磁石体の磁石幅は大きく形成されている非対称電磁超音波探触子である。磁石幅が小さくなる方向に超音波ビームは収束するから、前記磁石体の厚さ方向及び幅方向に超音波ビームが収束される。従って、収束超音波ビームの焦点における強度が一層強められ、超音波測定の空間分解能を格段に増大できる。しかも、発散超音波は前記幅方向にも発散するから、発散超音波の強度は急激に低下し、超音波測定においては発散超音波の影響はほとんど無視できる程度になる。
【００１９】
第８の形態は、複数個の単位磁石を一列状に直列に配列した磁石列を形成し、この磁石列を複数列並列に配列して前記磁石体を構成した非対称電磁超音波探触子である。並列に配列することで前記磁石体の幅方向にも超音波が強め合う効果が発現し、超音波ビームの断面径をより鋭くさせ、その指向特性をより一層に向上できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る電磁超音波探触子の実施形態を図面に従って詳細に説明する。図１は本発明に係る非対称電磁超音波探触子の第１実施形態の構成図である。この非対称電磁超音波探触子５は、複数個の単位磁石体２が直列に配列された磁石体１と、この磁石体１の下面に配置された電流線４から構成されている。
【００２１】
前記単位磁石体２は永久磁石により形成される。前記磁石体１は、構成する各単位磁石体２の磁石厚Ｔが電流線４の方向に大から小へと変化する非対称配列を特徴として有している。ここで、隣り合う単位磁石体２の磁極は交互に反転しながら配列されている。単位磁石体２の配列個数は自在に調整できるが、図１では６個の単位磁石体２を配列している。
【００２２】
前記電流線４に高周波電流を矢印方向に通電すると、電磁相互作用により被測定対象物１４の表層部分に渦電流８（誘導電流）が矢印方向に流れる。この渦電流８は単位磁石体２より形成される磁場Ｍ（点線矢印）と相互作用することにより被測定対象物１４内にローレンツ力１０を生起する。このローレンツ力１０により被測定対象物１４内に高周波電流と同じ周波数の収束超音波１２、１２・・・と発散超音波１６、１６・・・が発生する。
【００２３】
このとき、前記磁石の非対称配列によって、同一方向の磁場が繰り返す間隔が非対称になるために、同じ方向に作用するローレンツ力１０の周期間隔も非対称になる。その結果、それらのローレンツ力１０を起動力として発生する各超音波が強め合う条件、即ち磁石厚Ｔ、入射角θ及び波長λの関係が従来の対称配列した電磁超音波探触子とは当然に異なってくる。このことは図３で詳述される。
【００２４】
図２は、本発明に係る非対称電磁超音波探触子５においてスペーサー２ｂを用いた第２実施形態の構成図である。この非対称電磁超音波探触子５は、単位磁石体２が永久磁石の単位磁石２ａと非磁性且つ非導電性のスペーサー２ｂから構成されている。前記磁石体２はスペーサー２ｂが単位磁石２ａの両面に配置され、単位磁石体２の磁石厚Ｔが電流線の方向に大から小へと変化する非対称配列を有している。単位磁石２ａの厚さＴｕは同一厚であり、スペーサー２ｂを用いて磁石厚Ｔを可変している点に特徴がある。
【００２５】
その他の非対称電磁超音波探触子５の構成は、図１と同様に、複数個の単位磁石体２が直列に配列された磁石体１と電流線４から成り、隣り合う単位磁石体２の磁極は交互に反転しながら配列されている。この配置においても発生する超音波は、磁石体の非対称性により単位磁石体の磁石厚が大きな方向へ収束し、磁石厚Ｔが小さな方向では発散する。
【００２６】
従って、各単位磁石の厚さＴｕが全て同じであっても、スペーサーの厚さや枚数を変化させることにより、任意の深さに超音波を収束することができる。収束超音波１２や発散超音波１６の相互関係は図１と同様であり、その詳細は図３で説明する。
【００２７】
図３は、非対称電磁超音波探触子５における超音波発振機構の説明図である。図３において右端に存在する単位磁石体を１ａ、１ａで示し、左端に存在する単位磁石体を１ｂ、１ｂで区別する。単位磁石体１ａの磁石厚Ｔは単位磁石体１ｂの磁石厚Ｔより大きく設定されている。即ち、右から左へ行くに従って磁石厚Ｔは次第に小さく設計されている。
【００２８】
図３において、右端に存在する単位磁石体１ａ、１ａが関係する符号には、全て符号ａを附加して示す。例えば、収束超音波１２と発散超音波１６を、それぞれ、１２ａと１６ａと示す。また、左端に存在する単位磁石体１ｂ、１ｂが関係する符号には、全て符号ｂを附加して示す。例えば、収束超音波１２と発散超音波１６を、それぞれ、１２ｂと１６ｂと示す。
【００２９】
単位磁石体１ａ、１ａにおける磁石厚方向の中点３ａ、３ａに対応する被測定対象物表面７上に超音波発振点９ａ、９ａが存在する。これらの超音波発振点９ａ、９ａから射出される超音波１２ａ、１２ａの走行距離が行路となり、この行路に垂直な面が波面２２ａとなる。これらの行路を伝播する超音波の波長をλとする。このとき、これらの行路の差（行路差）δがλ／２ずれたとき、波面２２ａにおいて超音波１２ａ、１２ａが強め合う。
【００３０】
同様に、単位磁石体１ｂ、１ｂに対応する超音波発振点９ｂ、９ｂと波面２２ｂと結んだ行路に対して、これらの行路差δがλ／２ずれたとき、波面２２ｂにおいて超音波が強め合う。これらの超音波１２ａ、１２ａ及び１２ｂ、１２ｂは図示するように一点に収束する傾向を示すから収束超音波と呼ぶ。
【００３１】
他方、超音波発振点９ａ、９ａ及び９ｂ、９ｂから逆方向に射出される超音波１６ａ、１６ａ及び１６ｂ、１６ｂは末広がりに発散する傾向を示すから、これらの超音波を発散超音波と呼ぶ。発散超音波はその発散性によって強度が極めて弱く、後述するように超音波測定には影響を与えない。収束超音波は強度が極めて強く超音波測定に直接寄与する。従って、収束超音波の干渉性について次に詳述する。
【００３２】
単位磁石体１ａ、１ａによる収束超音波１２ａ、１２ａと、単位磁石体１ｂ、１ｂによる収束超音波１２ｂ、１２ｂとでは、隣り合う超音波が強め合う入射角θが異なる。つまり、超音波が強め合う方向は、δ＝Ｔｓｉｎθ＝λ／２が満足される方向であり、θ＝ｓｉｎ-1（λ／２Ｔ）の関係式を満たす入射角θの方向となる。この関係式から、磁石厚Ｔが小さくなるほど超音波の入射角θは大きくなることが分かる。
【００３３】
ここで、波長λは電流線に通電する高周波電流の振動数ｆに対し、λ＝Ｖ／ｆ（Ｖは音速）の関係を持ち、振動数ｆを決めれば発生する全ての超音波の波長λは等しくなる。従って、各超音波１２ａ、１２ａ、１２ｂ、１２ｂが強め合う収束位置が一致するように各単位磁石の磁石厚Ｔを設計することによって、磁石厚Ｔが大きな方向へ超音波１２ａ、１２ａ、１２ｂ、１２ｂを収束させることができる。また、その結果、磁石厚Ｔが小さな方向へ超音波を発散させることができる。このように磁石厚に非対称性を持たせることによって、収束超音波と発散超音波を同時的に射出する非対称電磁超音波探触子を構成することができる。
【００３４】
図４は非対称電磁超音波探触子５を用いた測定図である。非対称電磁超音波探触子５により発生された収束超音波ビーム２６と発散超音波ビーム２８を裏面３４の超音波検出器２４により検出すると、非対称な強度分布Ｐが得られる。収束超音波の強度分布は鋭いピークＰ1を持ち、一方、発散超音波では分布の幅が拡がって強度が低下したブロードなピークＰ2となる。
【００３５】
図５は非対称電磁超音波探触子における超音波強度分布の計算方法を示すための説明図である。超音波の強度はローレンツ力Ｆ（Ｆ＝Ｊ×Ｂ、磁束密度Ｂ＝μＨ）に依存するため、被測定対象物１４中の渦電流分布Ｊと磁界の強さＨから求めることができる。
【００３６】
被測定対象物１４の表面７からの距離をｚとすると、単位時間当たりの渦電流分布Ｊ（ｚ）は、Ｊ（ｚ）＝Ｊ0ｅｘｐ（―αｚ−ｉβｚ）で表される。ここで、Ｊ0は最大電流強度である。また、高周波電流の角振動数をω、被測定対象物の透磁率をμ、被測定対象物の電気伝導度をσとすれば、α＝β＝（ωμσ／２）1/2となる。更に、被測定対象物中の磁界の強さＨは磁石体１の裏面の線磁化密度をρMとすれば、Ｈ＝ρM／２πμｚで表される。
【００３７】
これらの渦電流分布Ｊと磁界の強さＨから、被測定対象物１４の中に想定された単位胞３３で生じる微小ローレンツ力３２が計算された。この微小ローレンツ力３２により発生する微小超音波３０が計算され、各超音波の収束位置３１における全超音波の強度分布が計算された。
【００３８】
図６は計算された超音波ビームの強度分布図である。ここで、高周波電流の振動数ｆは８００ｋＨｚ、被測定対象物の厚さＤは５０ｍｍ、単位磁石の数は１０個、それぞれの磁石厚Ｔは２．５ｍｍ、２．６ｍｍ、２．７ｍｍ、２．７ｍｍ、２．９ｍｍ、３．０ｍｍ、３．１ｍｍ、３．２ｍｍ、３．５ｍｍ、３．８ｍｍとした。
【００３９】
被測定対象物における音速Ｖを約３．０×１０3ｍ／ｓｅｃとすると、超音波の波長λ（λ＝Ｖ／ｆ）は約３．８ｍｍとなる。波長λから、最も磁石厚の大きな単位磁石体より発生する超音波の強め合う行路差δ（＝λ／２）は１．９ｍｍとなる。δ／Ｔ＝１．９ｍｍ／３．８ｍｍ＝ｓｉｎθを満たす入射角θ（＝３０°）の方向で超音波が強め合う。
【００４０】
同様に、最も磁石厚が小さな単位磁石においては、δ／Ｔ＝１．９ｍｍ／２．６ｍｍ＝ｓｉｎθを満たす入射角θ（＝４７°）の方向で超音波が強め合う。この電磁超音波探触子の中心から表面方向の距離が約４０ｍｍの位置で収束超音波が焦点を形成するように収束設計されている。
【００４１】
図６で横軸は非対称電磁超音波探触子の中心から表面方向の距離（Distance）、縦軸は強度（Intensity）である。この図から分かるように、距離が約４０ｍｍの位置に鋭いピークＰ1が見られ、指向性の高い収束超音波ビームが形成されることが分かる。一方、距離が約−５０ｍｍ付近には発散超音波ビームによるブロードな分布が見られ、収束超音波ビームに比べピーク強度は半分程度に減少している。予測された通りの結果が得られた。
【００４２】
図７は振動数１０００ｋＨｚの高周波電流に対する超音波ビームの強度分布図である。前述の非対称電磁超音波探触子では、振動数８００ｋＨｚの高周波電流に対し、超音波の行路に行路差λ／２が生じ、超音波が収束するように単位磁石の磁石厚が設計されていた。従って、同じ非対称電磁超音波探触子に振動数１０００ｋＨｚの高周波電流を通電すると、収束条件が完全には満足されないはずである。
【００４３】
しかしながら、計算により得られた結果では、距離が約２８ｍｍの位置で鋭いピークＰ1が現れ、逆の位置には低強度でブロードなピークＰ2が出現した。従って、干渉条件が完全に満たされなくても磁石厚に大小の差を設けておけば、収束超音波と発散超音波を形成することができる。そのピーク位置は８００ｋＨｚのときよりも磁石体側によっている。更に、ピーク幅は狭くなり指向特性が向上している。また、発散超音波ビームは強度が半分程度になり、そのピーク幅は８００ｋＨｚの場合に比べやや狭くなっている。
【００４４】
図８は振動数６５０ｋＨｚの高周波電流に対する超音波ビームの強度分布図である。この強度分布において、収束超音波ビームと発散超音波ビームのピーク幅は８００ｋＨｚや１０００ｋＨｚの場合に比べやや大きくなっている。しかし、振動数が６５０ｋＨｚでも、明らかに収束超音波ビームのピーク強度の増大と発散超音波ビームの相対的な強度の減少が見られる。
【００４５】
従って、各単位磁石体の磁石厚から見積もられる干渉条件から多少外れても、収束超音波と発散超音波を形成することが明らかになった。単位磁石体の磁石厚を大から小へと変化させることが、射出超音波に収束性及び発散性を与える基本的な条件となる。
【００４６】
図９は本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を用いた劣化傷２０ａ、２０ｂの測定図である。非対称電磁超音波探触子５は収束超音波ビーム２６と発散超音波ビーム２８を射出する。収束超音波ビーム２６は、劣化傷２０ａにより反射されて反射超音波３６を形成し、発散超音波ビーム２８は、劣化傷２０ｂにより反射されて反射超音波３８を形成する。これらの反射超音波３６、３８は超音波検出器２４によって検出される。
【００４７】
このとき、収束超音波ビーム２６は強度が強くしかもビーム径も小さいため、反射超音波３６は極めて強く、強い反射超音波信号として検出される。一方、発散超音波ビーム２８は被測定対象物１４中に拡がっていくため、その一部が劣化傷２０ｂに反射（又は散乱）されてもその反射超音波３８は極めて弱く、反射超音波３６と明確に区別できる。従って、超音波検出器２４は収束超音波２６が探査した劣化傷２０ａを選択的に検出できる。
【００４８】
図１０は本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を用いた反射超音波の測定図とその強度分布図である。非対称電磁超音波探触子５によって発生された収束超音波ビーム２６が裏面３４で反射したとき、裏面反射超音波４０の検出位置Ｒは、収束超音波ビーム２６の入射角と被測定対象物１４の厚さＤから予測される。同時に劣化傷２０ａ，２０ｂによる反射超音波も表面７に到達する。
【００４９】
超音波検出器２４がこれらの反射超音波を検出したとき、強度分布図に示すように信号３６Ｓ、３８Ｓ、４０Ｓが検出される。裏面反射超音波信号４０Ｓの予測された検出位置以外に現れる信号３６Ｓ、３８Ｓは、裏面による反射信号でないことは明白である。従って、信号３６Ｓ、３８Ｓは劣化傷２０ａ、２０ｂによる反射信号であると判断することができる。
【００５０】
更に、劣化傷による反射波超音波信号３６Ｓ、３８Ｓは、収束超音波ビーム２６による反射超音波３６と発散超音波ビーム２８による反射超音波３８である。両超音波信号の強度には大きな違いが現れるため、二つの反射波を識別することができる。特に、発散超音波による反射信号３８Ｓは非常に弱くなり、ある閾値強度５２（破線）以下の信号を無視すれば、裏面反射超音波信号４０Ｓと反射超音波３６Ｓのみを検出できる。裏面反射超音波信号４０Ｓは予測できているから、反射超音波信号３６Ｓにより劣化傷２０ａを特定することができる。
【００５１】
図１１は本発明に係る非対称電磁超音波探触子５の超音波放射方向５４と走査方向５３を角度γだけずらした測定配置のｘ−ｙ平面図である。前記収束超音波ビーム２６と前記発散超音波ビーム２８による被測定対象物内における強度分布を、夫々、収束分布５６と発散分布５８とする。
【００５２】
超音波放射方向５４をｘ軸上の走査方向５３と角度γだけずらすと、超音波検出器２４の走査方向であるｘ軸は発散分布５８の中心を通らずその周辺を通過する。そのため、発散超音波ビーム２８の検出強度は相対的に更に減少し、収束超音波ビーム２６のみを効率よく検出できる。このようにして、本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を斜め配置することによって、収束超音波強度と発散超音波強度に一層大きな優位差を付与することができる。
【００５３】
図１２は、図１１において角度γだけずらした測定配置のｘ−ｚ平面図と強度分布図である。（１２Ａ）は配置図、（１２Ｂ）はずらす前（γ＝０）の強度分布図、（１２Ｃ）はずらした後（γ≠０）の強度分布図である。
【００５４】
γ＝０の（１２Ｂ）では、収束超音波ビームによるピークＰ1は発散超音波ビームによるピークＰ2より強度が強いことは図４で説明した通りである。しかし、ｘ軸方向に対して走査方向を角度γだけずらすと、（１２Ｃ）に示すように、ピークＰ1γはピークＰ1より強く且つ先鋭になり、ピークＰ2γはピークＰ2より弱く且つブロードになる。従って、角度γだけずらした測定配置では収束超音波ビームはより強化され、発散超音波ビームはより弱化されることが分かる。
【００５５】
図１３は本発明に係る非対称電磁超音波探触子における並列配列構造を持つ磁石体１の構成図である。磁石列１ｃは複数個の単位磁石体２、２・・・を一列状に直列に配列して構成され、磁石体１は複数の磁石列１ｃ、１ｃを並列に配列して構成されている。磁石列１ｃの磁石幅をｗで表すと、磁石体１の磁石幅ＷはＷ＝２ｗとなるから、磁石幅方向に対しても、超音波が強め合う傾向を示し、従って、超音波ビームの断面は磁石厚方向のみならず磁石幅方向にも鋭くなり、指向特性が更に向上する。
【００５６】
図１４は本発明に係る非対称電磁超音波探触子において扇型構造を持つ磁石体１の平面図である。磁石体１を構成する単位磁石体２ｄ・・・２ｅは平面形状が扇型に形成されている。このとき、磁石厚Ｔが大きい単位磁石体２ｄの磁石幅ｗは小さく、磁石厚Ｔが小さい単位磁石体２ｅの磁石幅ｗは大きく形成されている。その結果、超音波放射方向５４に発生する超音波ビームは、磁石体１の厚さ方向だけでは無くその幅方向にも超音波ビームが収束される。従って、収束超音波ビームの収束点における強度が一層強められ、発散超音波ビームは更に広角に拡がって弱くなる。
【００５７】
図１５は扇型構造を持つ磁石体の並列配置の説明図である。磁石体１は磁石列１ｃ、１ｃが並列に配列され、且つ扇形構造を取っている。図１４で説明した扇型構造による超音波ビームの収束だけでなく、図１３で説明した並列配置による超音波ビームの先鋭化が生じる。従って、超音波放射方向５４へ一層指向性の高い超音波ビームが発生する。
【００５８】
図１６は本発明に係る非対称電磁超音波探触子を超音波発振器５ａと超音波検出器５ｂに利用した測定図である。超音波発振器５ａと超音波検出器５ｂはそれらの中心軸６２ａ、６２ｂが角度γを持つように配置されている。図１１で説明したように、このような傾斜配置を取ることにより、発散超音波ビーム２８の検出強度が更に低減し、収束超音波ビーム２６の検出強度が更に増大化する。このように検出器側の構造にも非対称性を持たせることによって、より測定精度の高い超音波測定が可能になる。
【００５９】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例や設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
第１の形態によれば、非対称電磁超音波を構成する磁石体の磁石厚の大小変化や通電する高周波電流の振動数を変化させることによって、被測定対象物の任意の位置に超音波を収束させことができる。その結果、従来の電磁超音波探触子では測定することが困難であった厚さの薄い被測定対象物内に存在する欠陥や劣化傷などに対する測定が容易になる。更に、高強度の微細な超音波ビームが形成されることによって、被測定対象物中の微小な劣化傷などを効率よく検出でき、被測定対象物中の欠陥や劣化傷の空間分布を高分解能に得ることができる。また、もう一方の超音波は発散するから、超音波強度が極めて弱くなり、この発散超音波の欠陥や劣化傷などによる反射（又は散乱）波の強度は極めて弱く、前述した収束超音波ビームと比較するとほとんど無視できる程度になる。従って、二方向に超音波が発生しても二つの超音波ビームを明確に識別することができ、測定精度を格段に向上することができる。
【００６１】
第２の形態によれば、非対称電磁超音波探触子を構成する単位磁石体が全て永久磁石から形成されているため、被測定対象物表面上の非対称電磁超音波探触子に面する全ての領域から超音波が発生し、一層強い収束超音波ビームを発生することができる。この高強度の収束超音波ビームを用いれば、超音波ビームの反射率や透過率が小さな被測定対象物に対する測定においても、その欠陥や劣化傷や状態変化によって検出される信号をより一層増強することができる。
【００６２】
第３の形態によれば、非対称電磁超音波探触子を構成する単位磁石の磁石厚を可変することなく、単位磁石間にスペーサーを介することによって単位磁石体の厚さを大から小へと自在に可変することができる。換言すれば、複数個存在する単位磁石の磁石厚が同一又は不同一どちらの場合においても、単位磁石間にスペーサーを配置することによって単位磁石体の厚さを可変させ、被測定対象物中の任意の位置に超音波を収束させることができる。特に、厚さが同一の単位磁石を用いると、非対称電磁超音波探触子を安価且つ簡単に製造できる利点がある。また、被測定対象物の厚さや走査する位置などが変わっても、新に厚さの異なる単位磁石を準備する必要が無く、様々な条件下における測定を迅速且つ簡単に実行することができる。
【００６３】
第４の形態によれば、超音波ビームを焦点にまで収束させるから、その焦点位置を劣化傷などのターゲットに設定すれば、反射強度が高くなって測定精度が更に向上する。焦点距離を短くすることにより、薄い被測定対象物の測定であっても反射強度や測定精度を格段に向上することができる。被測定対象物の大きさや厚さなどに応じて焦点距離を可変調整できるから、任意の被測定対象物の超音波測定が可能になる。
【００６４】
第５の形態によれば、非対称電磁超音波探触子を構成する各単位磁石体から発生する超音波が強め合う干渉条件を満足しているから、収束する超音波ビームの指向特性が更に向上してその強度が増強され、より高い空間分解能を得ることができる。
【００６５】
第６の形態によれば、通常使用される直方体状の単位磁石を配列するだけで磁石体を構成できるから、磁石体の構成や組み立てがきわめて簡単に成る。また磁石幅を小さくしたり大きくしたりすることも容易であり、非対称電磁超音波探触子を安価に提供できる利点がある。
【００６６】
第７の形態によれば、磁石幅が小さくなる方向に超音波ビームは収束するから、前記磁石体の厚さ方向及び幅方向に超音波ビームが収束される。従って、収束超音波ビームの焦点における強度が一層強められ、超音波測定の空間分解能を格段に増大できる。しかも、発散超音波は前記幅方向にも発散するから、発散超音波の強度は急激に低下し、超音波測定においては発散超音波の影響はほとんど無視できる程度になる。
【００６７】
第８の形態によれば、磁石体を複数列並設しているから、この磁石体の幅方向にも超音波が強め合う効果が発現し、超音波ビームの断面径をより鋭くさせ、その指向特性をより一層向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５の第１実施形態の構成図である。
【図２】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５においてスペーサー２ｂを用いた第２実施形態の構成図である。
【図３】非対称電磁超音波探触子における超音波発振機構の説明図である。
【図４】非対称電磁超音波探触子５を用いた測定図である。
【図５】非対称電磁超音波探触子における超音波強度分布の計算方法を示すための説明図である。
【図６】計算された超音波ビームの強度分布図である。
【図７】振動数１０００ｋＨｚの高周波電流に対する超音波ビームの強度分布図である。
【図８】振動数６５０ｋＨｚの高周波電流に対する超音波ビームの強度分布図である。
【図９】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を用いた劣化傷２０ａ、２０ｂの測定図である。
【図１０】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５を用いた反射超音波の測定図とその強度分布図である。
【図１１】本発明に係る非対称電磁超音波探触子５の超音波放射方向５４と走査方向５３を角度γだけずらした測定配置のｘ−ｙ平面図である。
【図１２】角度γだけずらした測定配置のｘ−ｚ平面図と強度分布図である。
【図１３】本発明に係る非対称電磁超音波探触子における並列配列構造を持つ磁石体１の構成図である。
【図１４】本発明に係る非対称電磁超音波探触子において扇型構造を持つ磁石体１の平面図である。
【図１５】扇型構造を持つ磁石体の並列配置の説明図である。
【図１６】本発明に係る非対称電磁超音波探触子を超音波発振器５ａと超音波検出器５ｂに利用した測定図である。
【図１７】従来の電磁超音波探触子１０５による超音波発振機構の説明図である。
【図１８】従来の電磁超音波探触子１０５を用いた測定図である。
【図１９】従来の電磁超音波探触子１０５を用いた被測定対象物１１４中の劣化傷１２０、１２０の測定図である。
【符号の説明】
１は磁石体、１ａは単位磁石体、１ｂは単位磁石体、１ｃは磁石列、２は単位磁石体、２ａは単位磁石、２ｂはスペーサー、２ｄは単位磁石体、２ｅは単位磁石体、３は中点、４は電流線、５は非対称電磁超音波探触子、５ａは超音波発振器、５ｂは超音波検出器、７は被測定対象物表面、８は渦電流、９ａは超音波発振点、９ｂは超音波発振点、１０はローレンツ力、１２は収束超音波、１２ａは収束超音波、１２ｂは収束超音波、１４は被測定対象物、１６は発散超音波、１６ａは発散超音波、１６ｂは発散超音波、２０は劣化傷、２２ａは波面、２２ｂは波面、２４は超音波検出器、２６は収束超音波ビーム、２８は発散超音波ビーム、３０は微小超音波、３１は収束位置、３２は微小ローレンツ力、３３は単位胞、３４は裏面、３６は反射超音波、３６Ｓは反射超音波信号、３８は反射超音波、３８Ｓは反射超音波信号、４０は裏面反射超音波、４０Ｓは裏面反射超音波信号、５２は閾値強度、５３は走査方向、５４は超音波放射方向、５６は収束分布、５８は発散分布、６２ａは中心軸、６２ｂは中心軸、１０１は磁石体、１０２は単位磁石体、１０４は電流線、１０５は電磁超音波探触子、１０８は渦電流、１１０はローレンツ力、１１４は被測定対象物、１２０は劣化傷、１２２は反射ビーム、１２４は超音波検出器、１２６は超音波ビーム、Ｄは被測定対象物の厚さ、ｄは被測定対象物の厚さ、Ｍは磁場、ｍは磁場、Ｐは強度分布、Ｐ1はピーク、Ｐ2はピーク、Ｔは磁石厚、ｔは磁石厚、Ｔｕは単位磁石の厚さ、Ｗは磁石体の幅、ｗは磁石列の幅、γは角度、δは行路差、θは入射角。
Claims (8)
- 複数個の単位磁石体を直列に配列した磁石体と、この磁石体と被測定対象物の間に電流を通電する電流線を有して、被測定対象物中に電磁力により少なくとも対称な二方向に超音波を伝播させる電磁超音波探触子において、前記被測定対象物を伝播する超音波の波長λ、音速Ｖ、前記電流線に通電する高周波電流の振動数ｆは、λ＝Ｖ／ｆの関係を持ち、振動数ｆを決めれば発生する全ての超音波の波長λは等しくなる電磁超音波探触子であって、前記単位磁石体が単位磁石とその磁石厚方向の両面又は片面に配置したスペーサーから構成され、少なくとも前記スペーサーの厚さを変化させることにより前記電流線の方向に前記単位磁石体の磁石厚を大から小へと変化させ、前記対称な二方向のうち磁石厚が大きな方向へ超音波を収束させ、磁石厚が小さな方向へ超音波を発散させるように構成したことを特徴とする非対称電磁超音波探触子。
- 前記単位磁石が永久磁石である請求項１に記載の非対称電磁超音波探触子。
- 前記単位磁石の厚さが同一厚である請求項１又は２に記載の非対称電磁超音波探触子。
- 前記収束する超音波が被測定物体中の焦点に強め合いながら集中するように構成される請求項１、２又は３に記載の非対称電磁超音波探触子。
- 隣り合う単位磁石体の磁極が交互に反転しながら配列された磁石体において、前記単位磁石の磁石厚方向の中点に対応する被測定対象物表面の超音波発振点と前記焦点とを線分（行路）で結んだとき、超音波波長をλとすると、隣り合う線分（行路）の長さがλ／２づつずれることによって焦点に収束する超音波が強め合うように構成されている請求項４に記載の非対称電磁超音波探触子。
- 前記磁石体を構成する単位磁石体において、前記磁石厚方向と略直行する方向で被測定対象物面に平行な方向の磁石幅が同一幅に形成されている請求項１、２又は３に記載の非対称電磁超音波探触子。
- 前記磁石体を構成する単位磁石体において、被測定対象物面に対向する磁石面が扇型に形成され、磁石厚が大きい単位磁石体の磁石幅は小さく、磁石厚が小さい単位磁石体の磁石幅は大きく形成されている請求項１、２又は３に記載の非対称電磁超音波探触子。
- 複数個の単位磁石体を一列状に直列に配列した磁石列を形成し、この磁石列を複数列並列に配列して前記磁石体を構成した請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載の非対称電磁超音波探触子。
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