JP4414962B2 - 逆対称磁場構造を用いて棒部材で曲げ振動を発生及び測定する電磁気音響変換器 - Google Patents

Description

本発明は、電磁気音響変換器（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＥＭＡＴ）に係り、より詳細には、棒部材の周辺に磁場を形成し、棒部材に伝達される波動エネルギーを電気的なエネルギーに変換するか、磁場の変化を誘導して棒部材に波動を伝達することによって、棒部材の曲げ振動を発生及び測定しうる電磁気誘導電磁気音響変換器に関する。

電磁気音響変換器は、ローレンツの力、電磁気誘導現象及び渦流のような電磁気的現象を用いて非接触式センサー及びアクチュエータとしての機能を果たせる装置を言う。特に、電磁気音響変換器を用いる場合、非接触式で素材に対する非破壊検査が可能なために、その応用分野も次第に広くなっている。

しかし、電磁気音響変換器は、現在まで適用されている分野が、棒部材における軸方向のせん断波（ａｘｉａｌ ｓｈｅａｒ ｗａｖｅ）やねじれ波（ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｗａｖｅ）の測定、そして板材での縦波（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｗａｖｅ）や横波（ｓｈｅａｒ ｗａｖｅ）の発生及び測定に制限されてきた。すなわち、棒部材に作用する曲げ振動を測定しうる電磁気音響変換器や棒部材に曲げ振動を発生させうる電磁気音響変換器は、まだ開発された例がない。
特開２００３−３１９４９３号公報 平尾雅彦、荻博次著「ガスパイプライン検査のためのSH波電磁超音波技術（An SH-wave EMAT technique for gas pipeline inspection）」 NDT & E International 32, 1999, PP. 127-132 S. J. マーチン、M. A. バトラー、J. J. スペイツ、M. A. ミッチェルならびにW. K. シューベルト著「ローレンツ力により励振されるたわみ板波共振器（Flexural plate wave resonator excited with Lorentz forces）」 JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Vol. 83, No. 9, 1998, PP. 4589-4601 M. ゴリ、S. ジアンボニ、E. ダレッシオ、S. ギア、F. セルニュスキならびにG.M. ピアーナ著「熱交換器およびボイラー管における高精度欠陥検出のための電磁超音波探触子によるガイド波（Guided waves by EMAT transducers for rapid defect location on heat exchanger and boiler tubes）」Ultrasonics 34, 1996, pp. 311-314

本発明は、前記問題点を解決するために開発されたものであって、本発明の目的は、棒部材から曲げ振動を発生させるか、あるいは、棒部材に作用する曲げ振動を測定しうる電磁気音響変換器を提供することである。

前記目的は、非金属からなり、中空部が形成された本体と、前記本体の一側に所定間隔に離隔されて配される２つの磁石、及び前記本体の中空部を貫通するように設けられた棒部材に対して前記２つの磁石との対称位置に配されて、前記２つの磁石が形成する磁場の方向と反対方向に磁場を形成するさらに他の２つの磁石を備え、前記棒部材の長手方向に平行に相互逆方向の２つの磁場を形成する磁場形成部と、前記本体の周りに巻かれるコイルと、を備える電磁気音響変換器を提供することによって達成される。

ここで、前記本体は、周りにコイルが巻かれたコイル部と、前記コイル部の両側に位置して相互連結されて前記コイル部に対して同じ角度で回転可能に結合された回転部と、を備えることが望ましい。

ここで、前記回転部には、磁場形成部が設けられることが望ましい。

本発明によれば、逆対称構造の磁場が形成された電磁気音響変換器を用いて棒部材に伝達される曲げ振動を測定しうる。また、同じ構成を有する電磁気音響変換器により棒部材に曲げ振動を発生させうる。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明による電磁気音響変換器の構成を示す図面であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図であって、磁石により形成された磁場の方向を示す図面である。

図１に示されたように、本発明による電磁気音響変換器１は、本体１０、磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ及びコイル１３を含む。

前記本体１０は、非金属材料からなり、パイプ、回転軸などの棒部材が収容される中空部が形成されている。

前記磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、前記本体の４地点に各々設けられ、前記本体１０の中空部を貫通して配される棒部材の側面に配される。前記磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、棒部材の長手方向に磁場を形成する。前記磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにより形成される磁場は、図２のように、前記棒部材２０の表面から棒部材の長手方向に平行に形成される。特に、前記磁石１１ａ、１１ｃにより形成される一側の磁場は、対称位置に配された前記磁石１１ｂ、１１ｄにより形成される他側の磁場と互いに逆方向である。すなわち、棒部材の円周方向に沿って逆対称構造の磁場を形成する。

図２において、磁石１１ａ、１１ｂは、Ｎ極を下側に向けて設け、磁石１１ｃ、１１ｄは、Ｎ極を上側に向けて設けているが、本発明の電磁気音響変換器に使われる磁石の数及び配列は、これに限定されず、上下側で互いに逆方向に棒部材の長手方向に平行な磁場を形成できるならば、いかなる磁石の配列も含まれうる。

前記コイル１３は、前記本体１０の周りに巻かれた状態で配されるが、前記磁石の設置位置を避けて中央部分に巻かれることが望ましい。

図３は、棒部材において本発明による電磁気音響変換器が設けられた部分の磁束密度分布を示すグラフである。

図３に示されたように、ｙ軸に沿って棒部材の中心線が位置する所は、上側及び下側の磁石が形成する磁場が相殺されて０となり、その中心点を基準に上側及び下側の磁束密度が点対称に分布される。

図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線の断面図であって、曲げ振動発生及び測定原理を示す図面である。図４を参照して本発明の原理を説明するに当って、棒部材の材質が金属などの伝導体からなる場合に限定して説明する。しかし、本発明が、これに限定されるものではない。非伝導体からなる棒部材に本発明を適用する方法については後述する。

図４に示されたように、棒部材の上端には地面に入る方向に、下端には地面から出る方向に磁場が形成された状態で、前記棒部材の他の部分から棒部材に曲げ振動を発生させうる。このような曲げ振動は、棒部材のベンディング方向に振動が形成されて、棒部材の長さに沿って伝えられる。特定時点には、図４に示されたように、上端及び下端が同時に上側に変位を有するようになるが、この時には、上端及び下端に各々磁場の方向と変位が起こる方向に各々垂直な方向に渦電流が発生する。上端及び下端で移動すると同時に、逆時計回り方向の渦電流が発生することによって、棒部材２０の円周方向に沿って渦電流が循環するようになる。この際、発生する渦電流の大きさは、次の数式１で表される。

ここで、Ｊは電流、ｕは振幅、ｔは時間、そしてＢは磁束密度を示す。

前記コイル１３では、この渦電流により起電力が発生するので、コイルに発生する起電力を測定すれば、前記曲げ振動を測定しうる。

図５は、本発明の他の実施形態による電磁気音響変換器を示す斜視図であり、図６は、図５に示された電磁気音響変換器を示す分解図である。

図５及び図６に示されたように、本発明の他の実施形態による電磁気音響変換器は、本体１００がコイル部１５、第１回転部１４及び第２回転部１６を含む。前記第１及び第２回転部１４、１６は、前記コイル部１５を中心に、相互に同じ角度ほど回転可能に設けられる。すなわち、前記第１及び第２回転部１４、１６は、前記コイル部１５の中空部内側で相互連結されている。そして、磁場を形成する磁石は、前記第１及び第２回転部に設けられる。

前述した実施形態の電磁気音響変換器のように固定された電磁気音響変換器を使用する場合には、棒部材に沿って進行する曲げ振動のうち、図４に示された断面図の上端及び下端を通る曲げ振動だけを測定しうる。しかし、図５及び図６に示されたように、磁場形成部を回転可能に具備する場合には、磁場形成位置を棒部材の円周に沿って任意に変更しうるあらゆる方向に進む曲げ振動を測定しうる。

一方、前述した実施形態と同じ構成を有する電磁気音響変換器を用いて、そのコイルに流れる電流を変化させれば、棒部材に曲げ振動をも発生させうる。すなわち、コイルに流れる電流を変化させれば、電流の変化を妨害する方向に棒部材の表面に渦電流が形成される。このような渦電流と前記磁石が形成する磁場により棒部材は、ローレンツの力を受け、これにより、棒部材に曲げ振動が発生する。

本発明による電磁気音響変換器１を使用して棒部材２０に加えられる曲げ振動を測定するか、あるいは、棒部材２０に曲げ振動を発生させるときには、次のようにシステムを構成する。

図７は、本発明による電磁気音響変換器を含む曲げ振動発生及び測定システムが図示されている。

図７に示されたように、曲げ振動発生及び測定システムは、本発明による電磁気音響変換器１、前記電磁気音響変換器１のコイルに連結された増幅器５０及び前記増幅器５０を経たアナログ信号を処理するオシロスコープ６０を含みうる。このようなシステムを構成して曲げ振動の発生及び測定作業を行える。

前述した本発明による電磁気音響変換器を用いて棒部材に対するモーダルテストを行える。以下では、本発明による電磁気音響変換器を用いて棒部材で曲げ振動を測定することによって、棒部材に対するモーダルテストを行った結果を例示的に説明する。

図８ないし図１０は、本発明による電磁気音響変換器を使用してパイプに対してモーダルテストを実施した結果を示す図面である。

実験には、外径２５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、長さ１ｍのアルミニウムパイプが使われた。本発明による電磁気音響変換器を使用すれば、図８に示されたような曲げ振動信号を測定しうる。また、本発明による電磁気音響変換器を使用すれば、図９に示されたような周波数応答関数と図１０に示されたような曲げ振動に対するモード形状を求められる。

図９は、周波数応答関数を大きさ−位相形態のボード線図（Ｂｏｄｅ ｐｌｏｔ）で示している。これは、固有振動数の位置及び各固有振動数別モードベクトルの大きさを把握しやすいからである。１自由度非減衰系の周波数応答関数は、次の数式２で表される。

周波数ωが固有振動数ω_ｎ付近に行くほど、周波数応答関数の分母が０に近接していくので、固有振動数付近で関数の大きさは最大となる。この際、周波数応答関数の実数部は０に行き、虚数部は最大となり、位相はｔａｎ^−１（虚数部／実数部）と定義されるので、固有振動数付近では、９０°の値を有する。単純に周波数応答関数の大きさが最大としても、固有振動数であると判断してはならず、Ｂｏｄｅ ｐｌｏｔ上で位相が９０°と計算されて初めて、固有振動数と言える。周波数応答関数の大きさを線形で表示する時、特定固有振動数のモードベクトル値だけが大きく現れれば、複数の固有振動数をいずれも把握するのは難しくなる。これにより、周波数応答関数の大きさをログで表現して、他の固有振動数を把握しやすくする。すなわち、図９に示されたように、周波数応答関数の大きさをログで表現すれば、図９で点線で連結された部分の周波数値を読込み、複数の固有振動数を求めうる。

図１０において小さな円で表示されたのは曲げ振動に対するモード形状の実験値を示し、実線は理論値を示す。

図９及び図１０の結果から測定対象棒部材（ここでは、アルミニウムパイプ）の固有振動数とモード形状とを求め、これに基づいて測定対象棒部材を含む機械装置の設計時に反映する。すなわち、棒部材が機械装置を構成し、実際の作動状態での機械装置が受ける振動が、実験結果で測定された棒部材の固有振動数との違いが出るように設計の指標として利用する。すなわち、固有振動数とモード形状とを考慮すれば、機械装置の作動中に棒部材の振動や振動の共振による破損を未然に防止しうる。

以上、本発明の実施形態を説明しつつ、中空部が形成されたパイプ形状の棒部材に限定して図示したが、本発明は、パイプのような中空部材にのみ適用可能なものではなく、円形断面を有する回転軸を含むあらゆる棒部材に適用可能である。

また、本発明の電磁気音響変換器は、電気伝導性を有する棒部材にのみ適用されるものではない。すなわち、非伝導体からなる棒部材であっても、電気伝導性を有する薄膜型素材で非伝導体からなる棒部材の周囲を取り囲むことによって、非金属材質の棒部材にも適用可能である。この場合、電気伝導性薄膜型素材は、非伝導体からなる棒部材の表面を取り囲みつつ、接着されねばならない。例えば、銅箔テープなどをＰＶＣ配管などの非金属配管の円周方向に取り囲んだ場合、非金属配管の曲げ振動と非対称磁場により、銅箔テープ自体に円周方向の渦電流が形成されるので、非金属配管の曲げ振動を測定しうる。

以上、本発明の特定の望ましい実施形態について図示及び説明した。しかし、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れずに、当業者ならば誰でも多様な変形実施が可能である。

本発明は、円形断面を有する回転軸を含むあらゆる棒部材に対して曲げ振動に対するモーダルテストを行える電磁気音響変換器を提供する。本発明による電磁気音響変換器を用いてモーダルテストを行えば、その結果値をテスト対象となった棒部材を含む機械装置の設計に活用して安全な機械装置の設計に活用しうる。

本発明による電磁気音響変換器の構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。 図２においてｙ軸に沿って分布された磁束密度を示すグラフである。 図２のＩＶ−ＩＶ線の断面図である。 本発明の他の実施形態による電磁気音響変換器の斜視図である。 図５に図示された電磁気音響変換器の分解斜視図である。 本発明による電磁気音響変換器を含む曲げ振動発生及び測定装置の構成を示す図面である。 本発明による電磁気音響変換器を使用してモーダルテストを行う時に測定した曲げ振動の一例を示すグラフである。 本発明による電磁気音響変換器を使用してモーダルテストを行った結果であって、固有振動数を判別しうる周波数応答関数のボード線図を示す図面である。 本発明による電磁気音響変換器を使用してモーダルテストを行った結果であって、モード形状を示す図面である。

符号の説明

１０ 本体
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 磁石
１３ コイル
１４ 第１回転部
１５ コイル部
１６ 第２回転部
２０ 棒部材
５０ 増幅器
６０ オシロスコープ

Claims (3)

1. 非金属からなり、中空部が形成された本体と、
   前記本体の一側に所定間隔に離隔されて配される２つの磁石、及び前記本体の中空部を貫通するように設けられた棒部材に対して前記２つの磁石との対称位置に配されて、前記２つの磁石が形成する磁場の方向と反対方向に磁場を形成するさらに他の２つの磁石を備え、前記棒部材の長手方向に平行に相互逆方向の２つの磁場を形成する磁場形成部と、
   前記本体の周りに巻かれるコイルと、を備えることを特徴とする電磁気音響変換器。
2. 前記本体は、周りにコイルが巻かれたコイル部と、
   前記コイル部の両側に位置して、相互連結されて前記コイル部に対して同じ角度で回転可能に結合された回転部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁気音響変換器。
3. 前記回転部には、磁場形成部が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の電磁気音響変換器。