JP4734522B2 - Electromagnetic ultrasonic probe - Google Patents
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Description
本発明は、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、前記電磁超音波探触子の磁石体を構成する単位磁石が励磁コイルから形成される電磁超音波探触子に関する。 The present invention relates to an electromagnetic ultrasonic probe used for non-destructive inspection or thickness measurement of an object to be measured, and more specifically, a unit magnet constituting a magnet body of the electromagnetic ultrasonic probe is excited. The present invention relates to an electromagnetic ultrasonic probe formed from a coil.
電磁超音波探触子は、電磁相互作用により導電体内に超音波を発生させることができ、永久磁石からなる複数の単位磁石と電流線から構成されている。従来の電磁超音波探触子を用いた流体温度測定方法や金属試料の検査方法が本発明者等の一部により特開2001−74567号公報(特許文献1)及び特開2001−74759号公報(特許文献2)に開示されている。特許文献2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。ステンレス鋼等の金属材料を長時間使用すると材質の劣化が発生し、このような材質劣化が生じた領域では超音波の伝播特性が変化する。従って、電磁超音波探触子から発生する超音波ビームを用いて金属試料中を走査し、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。
The electromagnetic ultrasonic probe can generate ultrasonic waves in a conductor by electromagnetic interaction, and is composed of a plurality of unit magnets made of permanent magnets and current lines. A fluid temperature measurement method and a metal sample inspection method using a conventional electromagnetic ultrasonic probe are disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-74557 (Patent Document 1) and Japanese Patent Laid-Open No. 2001-74759 by some of the present inventors. (Patent Document 2). In
図22は、特許文献1及び2における従来の電磁超音波探触子の説明図である。磁石体102は、磁極を相互に反転させながら組み合わされた複数個の単位永久磁石106から構成されている。電流線104に高周波電流を流すと、被測定対象試料108内に渦電流110が流れる。この渦電流110は、前記単位永久磁石106の磁力線mと相互作用して、ローレンツ力fが作用する。このローレンツ力Fが被測定物内の金属に、高周波電流と同じ振動数の縦波超音波が発生する。
FIG. 22 is an explanatory diagram of a conventional electromagnetic ultrasonic probe in
図23は従来の電磁超音波探触子による横波超音波発振機構の説明図である。横波超音波を発生するためには、図23における単位永久磁石106に対する電流線104の配置を変更すれば良く、横波超音波を発生する電磁超音波探触子も複数個の単位永久磁石106を直列に配列した磁石体102と電流線104から構成され、この電流線104は前記磁石体102に巻回されている。前記単位永久磁石106の磁石厚dは全て等しく設計され、隣り合う単位永久磁石106が密着して磁極が交互に反転するように配列されている。
FIG. 23 is an explanatory diagram of a transverse wave ultrasonic oscillation mechanism using a conventional electromagnetic ultrasonic probe. In order to generate the transverse wave ultrasonic wave, the arrangement of the
前記電流線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108の表層部分に矢印方向の渦電流110(誘導電流)が流れる。この渦電流110は単位永久磁石106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108内のローレンツ力fが作用する。このローレンツ力110は、超音波112の進行方向に対して垂直方向に発生するから、被測定対象物108内に横波超音波112が発生する。
When a high frequency current is passed through the
また、横波か縦波であるかに関わらず、超音波の波長をλ、単位永久磁石104の磁石厚をd、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=dsinθ)の関係式を満たす方向へ超音波は強め合う。被測定対象物108の厚さが磁石厚dより十分大きいとき、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。
図21及び図22に示した従来の電磁超音波探触子によって発生する超音波の強度は、電磁超音波探触子を構成する単位永久磁石から発生する磁界の強度と電流線を流れる電流量に依存する。また、永久磁石を用いた場合、電磁超音波探触子として十分な強度の磁界を得るために所定以上の大きさが必要とされ、従来の電磁超音波探触子を小型化することは困難であった。 The intensity of the ultrasonic wave generated by the conventional electromagnetic ultrasonic probe shown in FIGS. 21 and 22 is the intensity of the magnetic field generated from the unit permanent magnet constituting the electromagnetic ultrasonic probe and the amount of current flowing through the current line. Depends on. In addition, when a permanent magnet is used, a size larger than a predetermined size is required to obtain a sufficiently strong magnetic field as an electromagnetic ultrasonic probe, and it is difficult to reduce the size of a conventional electromagnetic ultrasonic probe. Met.
更に、従来の電磁超音波探触子を構成する永久磁石は硬質な材料から形成されるから、前記永久磁石を切削したり、湾曲させるためには、特殊な加工技術必要とされ、従来の電磁超音波探触子を簡易に所望の形状に加工することは困難であった。従って、被測定対象物の形状や設置されるスペースに応じて、所望の形状を有する電磁超音波探触子を製造することにより、その製造コストを大幅に増加させていた。 Furthermore, since the permanent magnet constituting the conventional electromagnetic ultrasonic probe is formed of a hard material, a special processing technique is required to cut or bend the permanent magnet. It has been difficult to easily process an ultrasonic probe into a desired shape. Therefore, the manufacturing cost is greatly increased by manufacturing an electromagnetic ultrasonic probe having a desired shape in accordance with the shape of the object to be measured and the installation space.
従って、本発明の目的は、高強度の超音波を生起できると共に、超音波のパルス幅やパルス間隔を自在に調整でき、容易に所望の形状に加工できる電磁超音波探触子を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electromagnetic ultrasonic probe that can generate high-intensity ultrasonic waves, can freely adjust the pulse width and pulse interval of ultrasonic waves, and can be easily processed into a desired shape. It is.
本発明は上記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、1複数個の単位磁石を配列した磁石体と、この磁石体と被測定対象物の間に電流が流れる電線を有して、被測定対象物中に電磁力によって超音波を送信する又は被測定対象物中に伝播する超音波を受信する電磁超音波探触子において、前記単位磁石が単位電磁石から形成され、発生する磁界の方向が交互に反転するように前記単位電磁石を複数個配列して電磁石体を構成し、この電磁石体から発生する磁界の強さを自在に調整できる電磁超音波探触子である。 The present invention has been made to solve the above problems, and the first embodiment of the present invention is a magnet body in which a plurality of unit magnets are arranged, and a current between the magnet body and the object to be measured. In the electromagnetic ultrasonic probe, the unit magnet is a unit electromagnet which has an electric wire through which an ultrasonic wave is transmitted to the object to be measured by electromagnetic force or receives an ultrasonic wave propagated in the object to be measured. A plurality of unit electromagnets are arranged so that the direction of the generated magnetic field is alternately reversed, and an electromagnet body is configured. The electromagnetic ultrasonic probe can freely adjust the strength of the magnetic field generated from the electromagnet body. It is a tentacle.
本発明の第2の形態は、前記単位電磁石が、複数個直列に配列されて電磁石体を形成し、この電磁石体が複数個並列に配列される電磁超音波探触子である。 A second aspect of the present invention is an electromagnetic ultrasonic probe in which a plurality of unit electromagnets are arranged in series to form an electromagnet body, and the plurality of electromagnet bodies are arranged in parallel.
本発明の第3の形態は、前記単位電磁石が、励磁コイルを板状に巻回して形成された板状電磁石である電磁超音波探触子である。 A third aspect of the present invention is an electromagnetic ultrasonic probe in which the unit electromagnet is a plate electromagnet formed by winding an exciting coil in a plate shape.
本発明の第4の形態は、前記単位電磁石が、励磁コイルを板状に巻回した板状電磁石の両端を同一方向に折曲して形成された凹状電磁石である電磁超音波探触子である。 A fourth aspect of the present invention is an electromagnetic ultrasonic probe in which the unit electromagnet is a concave electromagnet formed by bending both ends of a plate electromagnet obtained by winding an exciting coil in a plate shape in the same direction. is there.
本発明の第5の形態は、前記単位電磁石が、芯体に励磁コイルが同一方向に巻回された領域と、この領域に隣接する励磁コイルの巻回方向が逆方向の領域から構成される電磁超音波探触子である。 According to a fifth aspect of the present invention, the unit electromagnet includes a region where the exciting coil is wound around the core body in the same direction, and a region where the winding direction of the exciting coil adjacent to the region is opposite. Electromagnetic ultrasonic probe.
本発明の第6の形態は、前記芯体が絶縁体、磁性体又は非磁性体から形成される電磁超音波探触子である。 A sixth aspect of the present invention is an electromagnetic ultrasonic probe in which the core is formed of an insulator, a magnetic body, or a nonmagnetic body.
本発明の第7の形態は、前記電磁石体に放熱手段が設置される電磁超音波探触子である。 A seventh aspect of the present invention is an electromagnetic ultrasonic probe in which heat dissipation means is installed on the electromagnet body.
本発明の第8の形態は、少なくともコイル及びコンデンサーから構成されるLC回路を含む電圧印加手段が前記電磁石体に接続され、この電圧印加手段により所望の時間幅及び強度を有するパルス磁場を発生させる電磁超音波探触子である。 According to an eighth aspect of the present invention, voltage applying means including at least an LC circuit including a coil and a capacitor is connected to the electromagnet body, and a pulse magnetic field having a desired time width and intensity is generated by the voltage applying means. Electromagnetic ultrasonic probe.
本発明の第9の形態は、前記LC回路が複数段直列に接続される電磁超音波探触子である。 A ninth aspect of the present invention is an electromagnetic ultrasonic probe in which the LC circuit is connected in series in a plurality of stages.
本発明の第10の形態は、前記単位電磁石の磁石幅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焦点とを線分で結んだとき、前記超音波の波長をλとすると、隣り合う線分の長さが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前記単位電磁石が配設される電磁超音波探触子である。 In a tenth aspect of the present invention, when the ultrasonic oscillation point and the focal point of the surface of the object to be measured corresponding to the midpoint in the magnet width direction of the unit electromagnet are connected by a line segment, the wavelength of the ultrasonic wave is λ Then, in the electromagnetic ultrasonic probe, the unit electromagnets are arranged so that the ultrasonic waves that converge at the focal point are strengthened when the lengths of adjacent line segments are shifted by λ / 2.
本発明の第11の形態は、前記単位電磁石が扇状に形成された扇状単位電磁石であり、磁石長の異なる前記扇状単位電磁石を前記磁石長が小さなものから大きなものへ順次配列して前記磁石体が扇状になるように構成される電磁超音波探触子である。 An eleventh aspect of the present invention is a fan-shaped unit electromagnet in which the unit electromagnets are formed in a fan shape. The magnet bodies are formed by sequentially arranging the fan-shaped unit electromagnets having different magnet lengths from a small magnet length to a large magnet length. Is an electromagnetic ultrasonic probe configured to have a fan shape.
本発明の第12の形態は、第1〜11の形態のいずれかの電磁超音波探触子を超音波送信器及び/又は超音波受信器として具備する超音波測定装置である。 A twelfth aspect of the present invention is an ultrasonic measurement apparatus including the electromagnetic ultrasonic probe according to any one of the first to eleventh aspects as an ultrasonic transmitter and / or an ultrasonic receiver.
本発明の第1の形態によれば、被測定対象物中に伝播する超音波を送受信する電磁超音波探触子が単位電磁石から形成され、発生する磁界の方向が交互に反転するように前記単位電磁石を複数個配列して電磁石体を構成するから、所望の強度の磁界を生じさせ、この磁界と電流線により被測定対象物中に誘起される渦電流との電磁相互作用により、高強度の超音波を発生させることができる。更に、前記単位電磁石を構成する励磁コイルの巻き方は自在に設計することができ、励磁コイルからなる単位磁石はフレキシブルであるから、本発明に係る電磁超音波探触子は、設置位置や被測定対象物の形状に応じて所望の形状に設計することができる。また、本発明に係る電磁超音波探触子は、小型化及び軽量化を行う場合、印加電圧を増大させることにより、従来の電磁超音波探触子と同程度かそれ以上の強度を有する超音波を発生させることができる。 According to the first aspect of the present invention, the electromagnetic ultrasonic probe that transmits and receives the ultrasonic wave propagating in the measurement object is formed from the unit electromagnet, and the direction of the generated magnetic field is alternately reversed. Since an electromagnet body is configured by arranging a plurality of unit electromagnets, a magnetic field having a desired strength is generated, and high strength is obtained by electromagnetic interaction between the magnetic field and an eddy current induced in a measurement object by a current line. The ultrasonic wave can be generated. Furthermore, the winding method of the exciting coil constituting the unit electromagnet can be designed freely, and the unit magnet composed of the exciting coil is flexible. Therefore, the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention has an installation position and a covered portion. The desired shape can be designed according to the shape of the measurement object. In addition, when the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention is reduced in size and weight, an ultrasonic wave having an intensity equal to or higher than that of a conventional electromagnetic ultrasonic probe is increased by increasing the applied voltage. Sound waves can be generated.
本発明の第2の形態によれば、前記単位記電磁石が複数個直列に配列されて電磁石体を形成するから、前記超音波は所定の方向に強め合いながら超音波ビームとして伝播させることができる。更に、前記電磁石体が複数個並列に配列されるから、所望の大きさ及び形状を有する領域に前記超音波を発生させることができる。本発明に係る単位電磁石は励磁コイルから形成され、この励磁コイルを所望の大きさに設定することは容易であり、前記単位電磁石を複数個直列に配列しても、小型で軽量な超音波探触子を形成することができる。また、直列に配列される前記単位電磁石の幅が同一である場合、超音波の強め合う方向は、超音波の波長と前記単位電磁石の幅から一意的に決定されるから、前記超音波ビームの伝播方向を容易に設定することができる。 According to the second aspect of the present invention, since the unit electromagnets are arranged in series to form an electromagnet body, the ultrasonic waves can be propagated as an ultrasonic beam while strengthening in a predetermined direction. . Furthermore, since the electromagnet bodies are arranged in parallel, the ultrasonic waves can be generated in a region having a desired size and shape. The unit electromagnet according to the present invention is formed of an exciting coil, and it is easy to set the exciting coil to a desired size. Even if a plurality of the unit electromagnets are arranged in series, a small and lightweight ultrasonic probe is provided. A tentacle can be formed. In addition, when the widths of the unit electromagnets arranged in series are the same, the direction in which the ultrasonic waves are strengthened is uniquely determined from the wavelength of the ultrasonic waves and the width of the unit electromagnets. The propagation direction can be set easily.
本発明の第3の形態によれば、前記単位電磁石が励磁コイルを板状に巻回して形成された板状電磁石であるから、電磁超音波探触子を薄型化することができる。この薄型化された電磁超音波探触子は複数層重ねることができ、超音波の強度を増大させることができる。更に、前記励磁コイルはフレキシブルであるから、前記板状電磁石を設置位置や被測定対象物の形状に応じて湾曲させる等の変形加工を容易に施すことができる。 According to the third aspect of the present invention, since the unit electromagnet is a plate electromagnet formed by winding an exciting coil in a plate shape, the electromagnetic ultrasonic probe can be thinned. This thinned electromagnetic ultrasonic probe can be stacked in a plurality of layers, and the intensity of ultrasonic waves can be increased. Further, since the exciting coil is flexible, deformation processing such as bending the plate electromagnet according to the installation position and the shape of the object to be measured can be easily performed.
本発明の第4の形態によれば、前記単位電磁石が励磁コイルを板状に巻回した板状電磁石の両端を同一方向に折曲して形成された凹状電磁石であるから、この凹状電磁石の被測定対象物に対向する面が励磁コイルの逆向きに電流が通電する対向面のみから構成され、前記測定対象物の広い範囲に均一な磁界を印加することができる。前記板状電磁石が長軸方向を有するように巻回されてトラック型に形成された場合、前記板状電磁石の長軸方向の両端を同一方向に折曲することにより、前記単位磁石の対向面でその両側に逆方向の電流が直線的に通電され、被測定対象物により均一な磁界を印加することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the unit electromagnet is a concave electromagnet formed by bending both ends of a plate electromagnet obtained by winding an exciting coil in a plate shape in the same direction. The surface facing the object to be measured is composed of only the facing surface through which a current flows in the opposite direction of the exciting coil, and a uniform magnetic field can be applied to a wide range of the object to be measured. When the plate electromagnet is wound so as to have a major axis direction and formed into a track shape, the opposing surfaces of the unit magnets are bent by bending both ends of the plate electromagnet in the same direction. Thus, a current in the opposite direction is linearly applied to both sides thereof, and a uniform magnetic field can be applied to the object to be measured.
本発明の第5の形態によれば、前記単位電磁石が、芯体に励磁コイルが同一方向に巻回された領域と、この領域に隣接する励磁コイルの巻回方向が逆方向の領域から構成されるから、前記測定対象物に均一な磁界を印加することができる。更に、前記被測定対象物の表面形状に応じて前記芯体の形状を選択すれば、高効率に超音波を発生させることができ、被測定対象物表面が平面である場合、矩形の芯体に前記励磁コイルを巻回することにより、前記被測定対象物中に高効率に超音波を発生させることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the unit electromagnet includes a region where the exciting coil is wound around the core body in the same direction, and a region where the winding direction of the exciting coil adjacent to the region is opposite. Therefore, a uniform magnetic field can be applied to the measurement object. Furthermore, if the shape of the core body is selected according to the surface shape of the object to be measured, ultrasonic waves can be generated with high efficiency. When the surface of the object to be measured is a flat surface, a rectangular core body When the exciting coil is wound around, an ultrasonic wave can be generated in the object to be measured with high efficiency.
本発明の第6の形態によれば、前記芯体が絶縁体又は非磁性体から形成される場合、前記励磁コイルからの磁界のみが超音波の発生に寄与し、所望の超音波を高精度に発生させることができる。前記絶縁体材料又は非磁性体材料としては、アクリルやカプトン等のプラスチック材料やSiO2などのガラス材料等を用いることができる。また、非磁性材料にエナメル樹脂、ポリイミド樹脂やゴム材料等の絶縁被膜を被覆して前記芯体として用いることができる。前記芯体が磁性体から形成される場合、励磁コイルの磁界によって前記磁性体が磁化され、前記電磁石体による磁界が増強されるから、超音波の発振効率が向上すると共に、高強度の超音波を発生させることができる。 According to the sixth aspect of the present invention, when the core is formed of an insulator or a non-magnetic material, only the magnetic field from the excitation coil contributes to the generation of the ultrasonic wave, and the desired ultrasonic wave is highly accurate. Can be generated. As the insulator material or non-magnetic material, a plastic material such as acrylic or kapton, or a glass material such as SiO 2 can be used. Moreover, an insulating coating such as enamel resin, polyimide resin or rubber material can be coated on a nonmagnetic material and used as the core. When the core body is formed of a magnetic body, the magnetic body is magnetized by the magnetic field of the exciting coil, and the magnetic field by the electromagnet body is enhanced, so that the ultrasonic oscillation efficiency is improved and high-intensity ultrasonic waves are used. Can be generated.
本発明の第7の形態によれば、前記電磁石体に放熱手段が設置されるから、前記励磁コイルの抵抗によって発生する熱を外部に放出し、このような発熱による被測定対象物の変化や励磁コイルの電気特性の変化を防止することができ、本発明に係る電磁超音波探触子による高精度な探傷を実現することができる。前記放熱手段としては、熱伝導性の高い銅などの金属材料や種々の材料を用いることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, since the heat radiating means is installed in the electromagnet body, the heat generated by the resistance of the exciting coil is released to the outside. Changes in the electrical characteristics of the exciting coil can be prevented, and highly accurate flaw detection by the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention can be realized. As the heat radiating means, a metal material such as copper having high thermal conductivity or various materials can be used.
本発明の第8の形態によれば、少なくともコイル及びコンデンサーから構成されるLC回路を含む電圧印加手段が前記電磁石体に接続されるから、コンデンサーに蓄えられた電荷を放電させる際の電流からパルス電圧を発生させることができる。従って、このパルス電圧により発生するパルス磁界と電流線によって誘起される渦電流の電磁相互作用により、パルス超音波を発生させることができる。また、前記電圧印加手段により所望の時間幅及び強度を有するパルス磁場を発生させることにより、超音波を発生させることができる。 According to the eighth aspect of the present invention, since voltage applying means including at least an LC circuit composed of a coil and a capacitor is connected to the electromagnet body, a pulse is generated from a current when discharging the electric charge stored in the capacitor. A voltage can be generated. Therefore, pulsed ultrasonic waves can be generated by the electromagnetic interaction between the pulse magnetic field generated by this pulse voltage and the eddy current induced by the current line. In addition, an ultrasonic wave can be generated by generating a pulse magnetic field having a desired time width and intensity by the voltage applying means.
本発明の第9の形態によれば、前記LC回路が複数段直列に接続されることにより、位相の異なる複数の電流が重ね合わされ、より矩形に近いパルス電圧を出力することができ、安定に矩形パルス超音波の発生をさせることができる。従って、被測定対象物中の高精度な探傷を可能にする電磁超音波探触子を提供することができる。 According to the ninth aspect of the present invention, since the LC circuit is connected in series in a plurality of stages, a plurality of currents having different phases are superimposed, and a pulse voltage close to a rectangle can be output stably. A rectangular pulse ultrasonic wave can be generated. Therefore, it is possible to provide an electromagnetic ultrasonic probe that enables highly accurate flaw detection in an object to be measured.
本発明の第10の形態によれば、前記単位電磁石の磁石幅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焦点とを線分で結んだとき、前記超音波の波長をλとすると、隣り合う線分の長さが略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前記単位電磁石が配設されるから、高強度の収束超音波を発生させることができる。前記単位電磁石は、前記励磁コイルを所望の形状に巻回させることができるから、収束超音波を発生させる電磁超音波探触子を簡易に製造することができる。 According to the tenth aspect of the present invention, when the ultrasonic oscillation point and the focal point of the surface of the object to be measured corresponding to the midpoint in the magnet width direction of the unit electromagnet are connected by a line segment, the wavelength of the ultrasonic wave Is set to λ, the unit electromagnets are arranged so that the ultrasonic waves that converge at the focal point when the lengths of adjacent line segments are shifted by about λ / 2 are generated, so that high-intensity focused ultrasonic waves are generated. Can be made. Since the unit electromagnet can wind the exciting coil in a desired shape, an electromagnetic ultrasonic probe that generates a convergent ultrasonic wave can be easily manufactured.
本発明の第11の形態によれば、前記単位電磁石が扇状に形成された扇状単位電磁石であり、磁石長の異なる前記扇状単位電磁石を前記磁石長が小さなものから大きなものへ順次配列して前記磁石体が扇状になるように構成されるから、超音波を被測定対象物中の所定位置に収束させることができ、高効率に探傷走査等を行うことができる。前記単位電磁石において、その中点から超音波が強め合う方向に延ばした線上の所定位置と、前記中点以外の位置から超音波が強め合う方向とが一致するように前記単位磁石体が設計されている。更に、各単位磁石の幅を各々の超音波の焦点が一致するように設計することにより高強度の収束超音波を発生させることができる。 According to an eleventh aspect of the present invention, the unit electromagnet is a fan-shaped unit electromagnet formed in a fan shape, and the fan-shaped unit electromagnets having different magnet lengths are sequentially arranged from a small magnet length to a large one. Since the magnet body is configured to have a fan shape, the ultrasonic wave can be converged to a predetermined position in the measurement object, and flaw detection scanning or the like can be performed with high efficiency. In the unit electromagnet, the unit magnet body is designed so that a predetermined position on a line extending in the direction in which the ultrasonic waves are strengthened from the middle point thereof coincides with a direction in which the ultrasonic waves are strengthened from a position other than the middle point. ing. Furthermore, high-intensity convergent ultrasonic waves can be generated by designing the width of each unit magnet so that the focal points of the ultrasonic waves coincide with each other.
本発明の第12の形態によれば、本発明に係る電磁超音波探触子を超音波送信器及び/又は超音波受信器として具備することにより、高出力で高感度な超音波測定装置を提供することができる。本発明に係る電磁超音波探触子は、超音波送信機として用いれば、前記励磁コイルに印加する電圧を自在に調整することができ、被測定対象物に高強度の超音波を発生させる超音波測定装置を提供することができる。更に、本発明に係る電磁超音波探触子を超音波受信機として用いれば、微弱な超音波振動に対しても大きな渦電流が発生するから、微弱な超音波信号を観測できる超音波測定装置を提供することができる。 According to the twelfth aspect of the present invention, by providing the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention as an ultrasonic transmitter and / or an ultrasonic receiver, an ultrasonic measuring apparatus with high output and high sensitivity is provided. Can be provided. When the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention is used as an ultrasonic transmitter, the voltage applied to the excitation coil can be freely adjusted, and an ultrasonic wave that generates a high-intensity ultrasonic wave on a measurement object. An acoustic measurement device can be provided. Furthermore, if the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention is used as an ultrasonic receiver, a large eddy current is generated even with respect to weak ultrasonic vibration, so that an ultrasonic measurement apparatus capable of observing a weak ultrasonic signal. Can be provided.
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。 Hereinafter, embodiments of an electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明に係る電磁超音波探触子の構成概略図である。電磁超音波探触子は、電磁石体2とこの電磁石体2の下面に配置された電流線4から構成され、前記電磁石体2は複数個の単位電磁石6が直列に配列されている。前記単位電磁石2は励磁コイルから形成され、この励磁コイルの電流方向6a、6bが交互に反転するように各単位磁石6が配列されている。従って、前記単位電磁石6に電圧を印加すると、前記励磁コイルに電流が流れ、電磁誘導により磁極が交互に反転する磁界Mが発生する。前記単位電磁石6の配列個数は自在に調整できるが、図1では3個の単位電磁石6が配列されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention. The electromagnetic ultrasonic probe is composed of an
前記電流線4に高周波電流を矢印方向4aに通電すると、電磁相互作用により被測定対象物8の表層部分に渦電流10(誘導電流)が矢印方向10aに流れる。この渦電流10は単位電磁石6によって形成される磁場Mと相互作用して、前記被測定対象物8内にローレンツ力Fを生起する。このローレンツ力Fにより被測定対象物14内に高周波電流と同じ周波数の超音波12が発生する。
When a high-frequency current is passed through the
前記単位電磁石6における磁石幅方向の中点で発生する超音波12と隣接する単位電磁石6との間に発生する超音波12とでは、磁界Mの向きが反転していることにより互いに逆向きのローレンツ力Fが作用し、前記超音波の位相がπずれている。従って、各超音波12の走行距離が行路となり、これらの行路を伝播する超音波の波長をλとすると、これらの行路の差(行路差)δがλ/2ずれたとき、各超音波12が強め合う。即ち、前記単位電磁石体6の幅Wが同一の場合、超音波が強め合う方向は条件(W/2)・sinθ=λ/2が満足される方向であり、θ=sin−1(λ/W)の関係式を満たす入射角θの方向となる。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。
In the
図2は、本発明に係る板状単位電磁石6の構成概略図である。前記励磁コイル6cを板状に巻回することにより、矩形の単位電磁石6が形成され、励磁コイル6cがこの単位電磁石6の厚さTとなるように構成されている。しかし、単位電磁石6の厚さTは、前記線径に限定されるものではない。また、前記励磁コイル6cの接続線7は、外部電源又は隣接する他の励磁コイルに接続される。図に示すように、前記励磁コイル6cが直角に折り曲げられることにより、この励磁コイル6cに流れる電流が直線的に通電され、前記単位磁石6における電流方向6a、6bが完全に逆向きになるように形成されている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the plate-
図3は、本発明に係る板状電磁石体2の概略構成図である。(3A)は前記板状電磁石体の平面概略図を示しており、幅Wと長さLが等しい各単位電磁石6が5個直列に配列されて電磁石体2が形成され、この電磁石体2が2列に並列されて電磁超音波探触子の電磁石部が構成されている。このような電磁石体を並列に配設することにより、均一な超音波の平面波が生起され、高精度に探傷することができる。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the plate-
(3B)は、前記板状電磁石体2の断面概略図を示している。上述のように、電流方向6a、6bが交互に反転するように前記単位電磁石6が直列に配列され、電流を通電させることにより幅方向に交互に反転する磁界Mが発生する。前記単位電磁石6の厚さTは、前記励磁コイル6cの線径と厚さ方向の巻数から決定される。本発明に係る超音波探触子は前記励磁コイル6cの厚さ方向の巻数が1巻である場合においても、十分な強度を有する磁界を発生することができ、厚さ方向の巻数が少ないほど励磁コイル6cの抵抗によって生じる熱量を好適に外部に放出することができる。また、前記板状電磁石体2に熱伝導性の高い絶縁材料等を付設して放熱手段として用いることができる。
(3B) shows a schematic cross-sectional view of the plate-
図4は、コーティングフィルム14が被覆された電磁石体2の概略構成図である。被測定対象物8は導電体であるため、前記電磁石体2は絶縁膜により被覆される必要がある。(4A)は前記コーティングフィルム14が被覆された電磁石体2の平面図である。前記電磁石体2を両面からコーティングフィルム14により被覆することにより、供給される電流が被測定対象物8に漏洩することを防止することができる。また、コーティングフィルム14の外部に露出する接続線7も絶縁被膜により被覆される。(4B)は(4A)の断面図を示しており、コーティングフィルム14が前記電磁石体2の両面から被覆されている。このコーティングフィルム14の厚さは、電磁超音波探触子が配設されるスペースや最大電流量に応じて適宜に選択することができる。また、上述の実施例では、コーティングフィルム14による絶縁方法を示したが、本発明に係る電磁石体2の絶縁被覆は、前記コーティングフィルム14に限定されるものではなく、前記励磁コイル自身が確実に絶縁被覆されれば、種々の被覆材料を用いることができ、例えば、絶縁性を有する塗料により被覆することもできる。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the
図5は、本発明に係る2層構造の電磁石部の概略構成図である。板状電磁石体2は、厚さTが励磁コイル6cの線径程度であり、所望の強度を有する磁界を発生させるために複数の電磁石体2から層構造を形成することができる。2層の電磁石体2からなる電磁石部は、これらの電磁石体の夫々にコーティングフィルム14が被覆され、電流がもう一方の電磁石体2へ漏洩することが防止されている。また、前記電磁石体2間の距離dは適宜に決定することができ、好適には互いの熱が伝導しない程度に離される。また、前記電磁石体2間のコーティングフィルムは1枚でもよい。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an electromagnet portion having a two-layer structure according to the present invention. The plate-
図6は、本発明に係るトラック型単位電磁石6の概略図である。前記単位磁石6は、反対称の電流方向6a、6bが構成されていれば、図に示すように前記励磁コイル6cが湾曲状に巻回することができる。このような場合、電流方向6a、6bが逆向きに流れる直線部分が十分な長さを有するように、トラック型に形成されることが好ましく、前記トラック型に形成された板状電磁石の両端を同一方向に折曲することにより、効率的に前記単位磁石6を配列して前記電磁石体2を形成することができ、以下に詳述する。
FIG. 6 is a schematic view of a track-
図7は、本発明に係る凹状単位電磁石の概略図である。(7A)は前記トラック型に巻回された単位電磁石6の概略図を示しており、この単位電磁石6は湾曲部16、16及び直線部18から構成される。(7B)は凹状単位電磁石の概略図であり、前記湾曲部16、16が同一方向に折曲されて形成されている。効率的に前記単位磁石6を配列して前記電磁石体2を形成することができ、更には励磁コイル6cの湾曲部16、16により生じる磁界の効果が抑制され、被測定対象物により均一な磁界を印加することができる。
FIG. 7 is a schematic view of a concave unit electromagnet according to the present invention. (7A) shows a schematic view of the
図8は、本発明に係る凹状単位電磁石6から構成される電磁石部の概略図である。前記凹状単位電磁石6を直列に配列して形成された前記電磁石体2、2が並列に配設されて前記電磁石部が形成されている。図に示すように、前記凹状単位電磁石6の湾曲部16が折曲されることにより、各単位電磁石6を効率的に配列することができ、この電磁石部による磁界により均一な超音波を発生させることができる。また、各電磁石体2、2は、夫々、前記コーティングフィルム14により被覆することができ、更には絶縁体及び/又は非磁性体からなるパッキング部材20に収納しても良い。
FIG. 8 is a schematic view of an electromagnet portion composed of the
図9は、芯体に励磁コイルが巻回された電磁石体2の概略図である。前記単位電磁石6は、前記芯体22に励磁コイル6cが逆向きに巻回された一対の巻回領域24から構成される。従って、前記単位電磁石6の中央とこれに隣接する単位磁石6との間に磁界Mが発生する。しかし、前記芯体22に励磁コイル6cを巻回する場合、前記巻回領域24が一対以上形成すれば、前記単位磁石体6を最小単位とする必要が無く、図に示されるように、前記電磁石体2は奇数個の巻回領域24から構成される。前記芯体22は、絶縁体又は非磁性体から形成され、前記励磁コイル6cからの磁界のみが超音波の発生に寄与する。前記絶縁体材料及び/又は非磁性体材料としては、アクリルやカプトン等のプラスチック材料やSiO2などのガラス材料等が用いられる。
FIG. 9 is a schematic view of an
図10は、本発明に係る電磁石体2の断面概略図である。(10A)は絶縁被膜22bを有する芯体22の断面概略図であり、この芯体22は、非磁性材料22aにエナメル樹脂、ポリイミド樹脂又はゴム材料等の絶縁被膜22bを被覆して形成される。(10B)は、放熱手段22cを具備する電磁石体2の断面概略図である。前記単位電磁石6は抵抗によって発熱するため、この熱を外部に放出する放熱手段22cを配設することができる。前記放熱手段22cは、熱伝導性の高い銅などの金属材料や高い熱伝導性を有する種々の材料から形成される。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the
図11は、並列に配列された電磁石体2の概略図である。図3や図8に示した電磁石部1と同様に、前記芯体22に励磁コイルが巻回された2つの電磁石体2を互いの電流方向6aが逆向きとなるように並設して電磁石部1が構成される。図に示すように、前記芯体22が矩形である場合、前記電磁石体2が効率的に配設され、所定の範囲内に均一な超音波を発生させることができる。
FIG. 11 is a schematic view of the
図12は、本発明に係るパルス形成回路の概略図である。このパルス発生回路は、コイル26、コンデンサー28及び負荷抵抗31から構成され、この負荷抵抗は電磁超音波探触子を構成する励磁コイルに対応している。コンデンサーに蓄えられた電荷は電流I1と電流I2として合流点30で足し合わされて合成電流Iとなる。このとき、前記電流I1と電流I2は経路の違いにより位相差が生じる。
FIG. 12 is a schematic diagram of a pulse forming circuit according to the present invention. This pulse generation circuit includes a
図13は、図12に示したパルス形成回路における電流の時間変化を示す測定図である。ここで、図中の一点差線は、図12における前記電流I1の時間変化、点線は電流I2の時間変化、実線は合成電流Iの時間変化を示している。上述のように、前記電流I1と電流I2に位相差が生じることにより、これらの合成電流Iにはパルス電流が形成される。このようなパルス電流は、複数段直列に接続されるLC回路の数を増加するに従って、より矩形に近いパルス形状が形成される。このようなパルス形成回路を前記電磁石体2に接続することにより、好適なパルス超音波を発生させることができる。
FIG. 13 is a measurement diagram showing temporal changes in current in the pulse forming circuit shown in FIG. Here, dashed-dotted line in the figure, the time variation of the current I 1 in FIG. 12, dotted line time variation of the current I 2, the solid line indicates the time variation of the combined current I. As described above, a pulse current is formed in these combined currents I due to a phase difference between the currents I 1 and I 2 . Such a pulse current forms a pulse shape closer to a rectangle as the number of LC circuits connected in series in a plurality of stages is increased. By connecting such a pulse forming circuit to the
図14は、複数段直列に接続されたパルス形成回路の概略図である。LCR回路からなる各ユニットは、インダクタンスLが1μHのコイル26、容量が0.63μFのコンデンサー28及び抵抗値が0.03Ωの抵抗32から構成され、最後のユニットのみがインダクタンスLが3μHのコイル26、容量が0.63μFのコンデンサー28及び抵抗値が0.1Ωの抵抗32から構成されている。更に、前記パルス形成回路には励磁コイル部35が配設され、電圧計37による励磁コイル部の放電電圧の測定結果は、図16に示されている。
FIG. 14 is a schematic diagram of pulse forming circuits connected in series in a plurality of stages. Each unit composed of an LCR circuit includes a
図15は、本発明に係る電磁超音波探触子を用いたパルス超音波の測定配置図である。超音波送信器34は、本発明に係る電磁超音波探触子から構成され、この電磁超音波探触子を構成する励磁コイルには、図14に示したパルス形成回路が接続されている。更に、板状、凹状及び巻回型の夫々の電磁石体から形成される3種類の電磁超音波探触子を準備し、各電磁超音波探触子を用いて超音波の測定が行われている。また、このパルス形成回路には前記ユニットが11段接続されている。印加電圧の最大値は1500V、放電周期が1Hz、励磁コイルの特性インピーダンスが1.3Ωに設定され、前記励磁コイルに印加されるパルス電圧の時間幅が16μsとなるように設計されている。被測定対象物8に前記超音波送信器34と超音波受信器36が載置され、この超音波受信器としては、従来の永久磁石を用いた電磁超音波探触子を用いている。この測定において、前記超音波送信器34と超音波受信器の間隔Dpは、約300mmに設定されている。
FIG. 15 is a measurement layout view of pulsed ultrasonic waves using the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention. The
図16は、図14における励磁コイル部35の放電電圧(Discharge Voltage)の波形図である。図に示した放電電圧の波形は、図14に示した電圧計37による測定結果であり、実線は板状単位電磁石を形成する励磁コイル、一点鎖線は凹状単位電磁石を形成する励磁コイル、破線は巻回型単位電磁石を形成する励磁コイルからの放電電圧を示している。これらの結果から各励磁コイルには、前記パルス形成回路によって好適なパルス電圧が印加されたことが分かる。
FIG. 16 is a waveform diagram of the discharge voltage (Discharge Voltage) of the
図17は、本発明に係る電磁超音波探触子と従来の電磁超音波探触子を用いた受信超音波信号の比較図である。図に示される2つのパルス波形信号は永久磁石を用いた電磁超音波探触子(PPM構造EMAT)によって生起された超音波と電磁石を用いた電磁超音波探触子(パルス磁場EMAT)によって生起された超音波とを同一の受信器により受信された信号波形を示している。前記PPM構造EMATによって生起された超音波の受信信号より、前記パルス磁場EMATによって生起された超音波の受信信号は、強度の大きく、明確なパルス信号が得られている。更に、本発明に係る電磁超音波探触子の場合、励磁コイルへの印加電圧を更に増大させることができ、更に強度が強く、明確な受信信号を得ることができる。 FIG. 17 is a comparison diagram of received ultrasonic signals using the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention and the conventional electromagnetic ultrasonic probe. The two pulse waveform signals shown in the figure are generated by an electromagnetic ultrasonic probe using a permanent magnet (PPM structure EMAT) and an electromagnetic ultrasonic probe using an electromagnet (pulse magnetic field EMAT). The signal waveform which the received ultrasonic wave was received by the same receiver is shown. From the ultrasonic reception signal generated by the PPM structure EMAT, the ultrasonic reception signal generated by the pulse magnetic field EMAT has a high intensity and a clear pulse signal is obtained. Furthermore, in the case of the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention, it is possible to further increase the voltage applied to the exciting coil, and to obtain a clear reception signal with a stronger intensity.
図18は、励磁コイルに対する起磁力(Magneticmotive force)に対する超音波信号強度(Signal Intensity)の波形図である。ここで、起磁力は励磁コイルの巻数×電流密度で定義される。前記信号強度は、図15に示したように、本発明に係る電磁超音波探触子によって送信された超音波を前記超音波受信器36によって測定した信号である。本発明に係る電磁超音波探触子による超音波の信号強度は起磁力の増加に伴って増大し、4000ATに近付くと従来のPPM構造EMATによる超音波の信号強度を越え、4000AT以上では従来のEMATより大きな超音波の信号強度が得られている。
FIG. 18 is a waveform diagram of an ultrasonic signal intensity (Signal Intensity) with respect to a magnetomotive force for the exciting coil. Here, the magnetomotive force is defined by the number of turns of the exciting coil × current density. As shown in FIG. 15, the signal intensity is a signal obtained by measuring the ultrasonic wave transmitted by the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention by the
図19は、本発明に係る非対称超音波探触子の概略図である。この非対称電磁超音波探触子は、各単位電磁石6の磁石幅W0・・・Wnが幅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。電磁石体2は、隣り合う磁極が交互に反転する単位電磁石6から構成されている。前記励磁コイルから形成される単位電磁石6は、その大きさを自在に調整できるから、前記非対称超音波探触子を容易に作製することができる。
FIG. 19 is a schematic view of an asymmetric ultrasonic probe according to the present invention. This asymmetric electromagnetic ultrasonic probe is characterized by an asymmetric arrangement in which the magnet widths W 0 ... W n of the unit electromagnets 6 change from large to small in the width direction. The
図20は、本発明に係る非対称電磁超音波探触子の説明図である。被測定対象物表面8aにおいて、最大幅を有する単位電磁石6に対応する超音波発振点40aから射出される超音波の走行距離を行路42aとする。この行路42aに垂直な面が波面44aとなる。これらの行路42aを伝播する超音波12の波長をλとすると、これらの行路42aの差(行路差)δがλ/2ずれたとき、前記波面44aにおいて各超音波が強め合う。同様に、最小幅を有する単位磁石体6に対応する超音波発振点40b、40bと波面44bと結んだ行路42bに対して、これらの行路差δがλ/2ずれたとき、波面44bにおいて超音波が強め合う。これらの超音波は、図示するように、焦点45に収束して収束超音波を形成する。
FIG. 20 is an explanatory diagram of an asymmetric electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention. The traveling distance of the ultrasonic wave emitted from the
図21は、扇型構造を持つ電磁石体2の平面図である。電磁石体2を構成する単位電磁石6は平面形状が扇型に形成され、長さLnが大きいものから小さなものへ順次配列されている。前記単位電磁石6において、超音波が強め合う方向(破線矢印)の先端位置が一致するように前記電磁石体2が設計されている。本発明に係る単位電磁石6は励磁コイル6cから形成されるからフレキシブルであり、容易に扇型構造の単位電磁石6を形成することができる。更に、前記単位電磁石6の長さLnが大きなものは磁石幅Wを小さく、長さLnが小さい単位磁石体の磁石幅Wを大きく形成することにより、超音波ビームの焦点における強度を一層増強することができる。
FIG. 21 is a plan view of the
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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications and design changes are included in the technical scope without departing from the technical idea of the present invention. Absent.
本発明に係る電磁超音波探触子は、超音波の強度、パルス幅及び/又はパルス周期などを自在調整できるから、超音波測定装置や探傷装置の超音波送信器として用いることにより、流体温度測定方法や金属試料の検査方法の精度を格段に向上させることができる。高強度で高周波の超音波を金属材料等の被測定対象物中に発生させることにより、微細な材質劣化を検出することができる。更に、前記電磁超音波探触子は、印加電圧を自在に調整することにより、高感度の超音波受信器として用いることができる。従って、本発明に係る電磁超音波探触子を用いることにより、原子力発電所や有害な化学物資を取り扱う化学プラント等において、非破壊及び/又は非接触で金属材料中の材料劣化や金属管中の流体温度等を高精度に測定することができる。 The electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention can freely adjust the intensity, pulse width, and / or pulse period of the ultrasonic wave, so that it can be used as an ultrasonic transmitter of an ultrasonic measurement device or a flaw detection device. The accuracy of the measurement method and the metal sample inspection method can be significantly improved. By generating high-intensity and high-frequency ultrasonic waves in an object to be measured such as a metal material, minute material deterioration can be detected. Furthermore, the electromagnetic ultrasonic probe can be used as a highly sensitive ultrasonic receiver by freely adjusting the applied voltage. Therefore, by using the electromagnetic ultrasonic probe according to the present invention, non-destructive and / or non-contact material deterioration in a metal material or in a metal pipe in a nuclear power plant or a chemical plant that handles harmful chemicals. Can be measured with high accuracy.
1 電磁石部
2 電磁石体
4 電流線
4a 矢印
6 単位磁石体
6a 電流方向
6b 電流方向
6c 励磁コイル
7 接続線
8 被測定対象物
10 渦電流
12 超音波
14 コーティングフィルム
16 湾曲部
18 直線部
20 パッキング部材
22 芯体
22a 絶縁被膜
22b 非磁性材料
22c 放熱手段
24 巻回領域
26 コイル
28 コンデンサー
30 合流点
31 負荷抵抗
32 抵抗
33 パルス形成回路
34 超音波送信器
35 励磁コイル部
36 超音波受信器
37 電流計
40a 超音波発信点
40b 超音波発信点
42a 行路
42b 行路
44a 波面
44b 波面
45 焦点
102 磁石体
104 コイル(電流線)
106 単位永久磁石
108 試料
110 渦電流
Dp 間隔
d 距離
F ローレンツ力
f ローレンツ力
L 長さ
M 磁界
m 磁界
T 厚さ
W 幅
θ 入射角
δ 行路差
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106 Unit
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