JP7387105B2 - electromagnetic ultrasound probe - Google Patents

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本発明は、高垂直磁束密度を実現した小型の電磁超音波探触子に関する。 The present invention relates to a compact electromagnetic ultrasound probe that achieves high vertical magnetic flux density.

厚みの測定、材料の表面や内部損傷の検出に関する非破壊検査の分野で超音波検査が広く用いられている。
一般に、超音波の生成、検出には圧電素子が用いられる。圧電素子を使用する場合、圧電素子と試験体との間に効率的に超音波を伝播させるために、通常両者の間に接触媒質を介在させる必要がある。このため圧電素子の適用時に若干の不便が生じるとともに、測定の再現が困難になる。
Ultrasonic testing is widely used in the field of non-destructive testing for measuring thickness and detecting surface and internal damage to materials.
Generally, piezoelectric elements are used to generate and detect ultrasonic waves. When using a piezoelectric element, it is usually necessary to interpose a couplant between the piezoelectric element and the test specimen in order to efficiently propagate ultrasonic waves between the two. This causes some inconvenience when applying the piezoelectric element, and also makes it difficult to reproduce measurements.

これに対して、金属材料の非破壊検査においては、電磁超音波探触子(以下、EMATという)50が広く使用されている。EMATは永久磁石と交流コイルとでできている(図10)。図10の電磁超音波探触子50では、隣り合う磁区53a~53dが互いに異極となるように2個の永久磁石53R・53Lを組み合わせてコア磁石53を形成し、このコア磁石53の下にコイル52を設置した。これによりコア磁石53のコイル52側に静磁場Bが発生する一方、コイル52の交流電流(駆動電流)により渦電流Uと動的な磁場が試験体100に発生する。
静磁場Bと渦電流Uと動磁場との相互作用により交流電磁力が励起される。この電磁力が以下のようなEMAT50の磁気エネルギから機械的エネルギへの変換メカニズムを駆動する。以下、簡単に説明する。
On the other hand, in non-destructive testing of metal materials, an electromagnetic ultrasound probe (hereinafter referred to as EMAT) 50 is widely used. EMAT is made of a permanent magnet and an alternating current coil (Figure 10). In the electromagnetic ultrasonic probe 50 shown in FIG. 10, a core magnet 53 is formed by combining two permanent magnets 53R and 53L so that adjacent magnetic domains 53a to 53d have different polarities, and a core magnet 53 is formed under the core magnet 53. A coil 52 was installed in the. As a result, a static magnetic field B is generated on the coil 52 side of the core magnet 53, while an eddy current U and a dynamic magnetic field are generated in the test object 100 due to the alternating current (driving current) of the coil 52.
An alternating current electromagnetic force is excited by the interaction between the static magnetic field B, the eddy current U, and the dynamic magnetic field. This electromagnetic force drives the EMAT 50's magnetic energy to mechanical energy conversion mechanism as described below. A brief explanation will be given below.

非磁性金属の場合の電磁力はローレンツ力のみである。強磁性体の場合の電磁力は、ローレンツ力、磁化力、磁歪力からなる。しかし、一般に構成物質として用いられる炭素鋼の磁気エネルギから機械的エネルギへの変換メカニズムの主要駆動力はローレンツ力である。
ローレンツ力のメカニズムは一般に単位体積当たりの体積力として表わされる。

Figure 0007387105000001
In the case of non-magnetic metals, the only electromagnetic force is the Lorentz force. In the case of ferromagnetic materials, electromagnetic force consists of Lorentz force, magnetizing force, and magnetostrictive force. However, the main driving force of the conversion mechanism from magnetic energy to mechanical energy in carbon steel, which is generally used as a constituent material, is the Lorentz force.
The Lorentz force mechanism is generally expressed as body force per unit volume.
Figure 0007387105000001

磁場における試験体の超音波振動も試験体内に誘導電流密度Jを生成する。

Figure 0007387105000002
Ultrasonic vibration of the specimen in a magnetic field also generates an induced current density J i in the specimen.
Figure 0007387105000002

この誘導電流密度Jが磁場を発生することで、EMAT50のコイル52に検出可能な起電力を励起する。上記原理により、EMATは接触媒質を必要とせずに金属試験体の超音波信号を生成、検出するため、例えば厚みの測定や試験体が高温及び/又は高速といった場合の金属材料の非破壊検査分野において、従来の圧電素子より応用範囲が広い。この場合、EMATはバルク波を生成するが、EMATにおけるバルク波とは一般的に横波である。本明細書ではバルク波EMATのみを扱う。 This induced current density J i generates a magnetic field, thereby exciting a detectable electromotive force in the coil 52 of the EMAT 50 . Due to the above principle, EMAT generates and detects ultrasonic signals in metal specimens without the need for couplants, so it can be used in non-destructive testing of metallic materials, for example in thickness measurements or when specimens are exposed to high temperatures and/or high speeds. The range of applications is wider than that of conventional piezoelectric elements. In this case, EMAT generates a bulk wave, and the bulk wave in EMAT is generally a transverse wave. This specification deals only with bulk wave EMAT.

従来のEMAT50適用時の欠点は、生成する超音波の弱さである。これは、電磁エネルギと機械的エネルギとの変換効率の悪さが原因である。式(1)より、駆動電流を高め、より強力なバイアス磁場を与えれば超音波強度は高まる。
駆動電流の向上には通常ハイパワーパルス電源及びEMATコイル52のインピーダンス整合が必要である。パルス電源のパワーが十分に高い場合、バイアス静磁場Bがなくても十分に強力な超音波が生成できる。しかし、ハイパワーパルス電源は高価である。さらに、受信信号の不感時間(dead time)を増やすことにもなる。
A drawback when applying conventional EMAT50 is the weakness of the generated ultrasound waves. This is due to poor conversion efficiency between electromagnetic energy and mechanical energy. From equation (1), the ultrasonic intensity will increase if the drive current is increased and a stronger bias magnetic field is applied.
Improving the drive current typically requires a high power pulsed power supply and impedance matching of the EMAT coil 52. If the power of the pulsed power supply is sufficiently high, sufficiently powerful ultrasound waves can be generated even without the bias static magnetic field B. However, high power pulse power supplies are expensive. Furthermore, it also increases the dead time of the received signal.

インピーダンス整合は超音波の生成、検出の効率を向上させる。しかし、インピーダンス整合は通常、異なる種類のコイルごとに行わなければならないので自由度が少ない。 従って、永久磁石から強力なバイアス磁場を与えることが、費用も安く設計効率もよいと思われる。さらに、式(2)から、強力なバイアス磁場は受信信号も向上させることができる。 Impedance matching improves the efficiency of ultrasound generation and detection. However, since impedance matching must be performed for each different type of coil, there is little flexibility. Therefore, it seems that providing a strong bias magnetic field from a permanent magnet is cheaper and more efficient in design. Furthermore, from equation (2), a strong bias magnetic field can also improve the received signal.

一般に、ネオジウム磁石は最も強力な市販の永久磁石だと考えられている。従って、同じ磁石配置構成の場合、ネオジウム磁石はより強いバイアス磁場と超音波を生成する。超音波強度を高めるために、従来のEMAT、特にその磁石配置構成では、その体積を大きくする必要がある。このようなEMATとして上記に述べたような装置がある(非特許文献1)。 Neodymium magnets are generally considered to be the strongest commercially available permanent magnets. Therefore, for the same magnet configuration, neodymium magnets produce stronger bias magnetic fields and ultrasound waves. In order to increase the ultrasonic intensity, conventional EMATs, especially their magnet arrangement, need to have a large volume. As such an EMAT, there is a device as described above (Non-Patent Document 1).

日本マテック株式会社 「最新の電磁超音波(EMAT)システム 原理」[検索日 2019/05/28],インターネット <www.matech.co.jp/products/emat_principle.html>Nippon Matec Co., Ltd. “Latest Electromagnetic Ultrasonic (EMAT) System Principle” [Search date 2019/05/28], Internet <www.matech.co.jp/products/emat_principle.html>

非破壊検査分野でのEMATの応用を考慮すると、EMATの小型化が非常に重要である。小型EMATは空間分解能を向上させるだけでなく、狭く複雑な空間での操作性を拡大する。しかし、EMATの小型化は非常に難しい。一般に永久磁石によりもたらされるバイアス静磁場はある条件下ではその厚みと正比例しているため、特にEMATの厚み(もしくは高さ)を低減すると、その代わりに磁石によりもたらされる磁場も低下することになる。しかし、より強い磁場を得るためには、より大きな磁石が積み重ねられることになる。つまり、磁石配置構成の厚みは減らすことは出来ないため、その応用範囲はより大きな空間に限られるということである。 Considering the application of EMAT in the field of non-destructive testing, miniaturization of EMAT is very important. Small EMAT not only improves spatial resolution but also expands maneuverability in narrow and complex spaces. However, miniaturization of EMAT is extremely difficult. In general, the bias static magnetic field provided by a permanent magnet is under certain conditions directly proportional to its thickness, so in particular, reducing the thickness (or height) of the EMAT will result in a corresponding reduction in the magnetic field provided by the magnet. . However, to obtain a stronger magnetic field, larger magnets would be stacked on top of each other. In other words, since the thickness of the magnet arrangement cannot be reduced, its application range is limited to larger spaces.

以上から本発明では、磁石配置構成の厚み(高さ)を増やさずに小型磁石のコイル側の磁場力を高め、電磁超音波探触子(EMAT)の小型化を課題とする。 In light of the above, an object of the present invention is to increase the magnetic field force on the coil side of a small magnet without increasing the thickness (height) of the magnet arrangement, and to miniaturize an electromagnetic ultrasound probe (EMAT).

請求項1に記載の発明(図1)は、
試験体10の検査面11に沿って配置され、前記試験体10に渦電流Uを発生させるコイル2と、
前記コイル2を介して前記検査面11の直上に設けられ、前記渦電流Uが発生する領域に静磁場Bを印加させるコア磁石3と、
前記コア磁石3を取り囲むように配置され、前記コア磁石3の、前記検査面11側の面3mのバイアス静磁場Bを増強するリング磁石4とを含み、
前記渦電流U及び前記静磁場Bの相互作用で発生する電磁力により超音波を前記試験体10中に送信するとともに、前記試験体10の欠陥15により反射された超音波を受信する電磁超音波探触子1において、
前記コイル2は、渦巻き状の導線にて形成され、コア磁石3の大きさに一致した円形コイルで
前記コア磁石3は円形ブロック状で、上下左右の4つの磁区3a・3b・3c・3dにおいて、互いに隣接する磁区が異極に着磁されており、
前記リング磁石4は、前記コア磁石3が嵌め込まれたリング状で、径方向の内周面二極着磁により内外左右の4つの磁区4a・4b・4c・4dにおいて、互いに隣接する磁区が異極に着磁されており、
前記コア磁石3の、コイル2側の磁区3a・3bの極性と、前記リング磁石4の内側の磁区4a・4bの極性が同極となるように配置され、コア磁石3の磁壁Kとリング磁石4の磁壁Kとが一致するように配設されていることを特徴とする。
The invention according to claim 1 (FIG. 1)
a coil 2 disposed along the inspection surface 11 of the test object 10 and generating an eddy current U in the test object 10;
a core magnet 3 that is provided directly above the inspection surface 11 via the coil 2 and applies a static magnetic field B to a region where the eddy current U is generated;
a ring magnet 4 that is arranged to surround the core magnet 3 and enhances the bias static magnetic field B of the surface 3m of the core magnet 3 on the inspection surface 11 side;
An electromagnetic ultrasonic wave that transmits an ultrasonic wave into the test object 10 by an electromagnetic force generated by the interaction of the eddy current U and the static magnetic field B, and receives an ultrasonic wave reflected by a defect 15 of the test object 10. In probe 1,
The coil 2 is a circular coil formed of a spiral conductive wire and whose size matches the size of the core magnet 3 .
The core magnet 3 has a circular block shape , and in four magnetic domains 3a, 3b, 3c, and 3d on the upper, lower, left, and right sides, adjacent magnetic domains are magnetized with different polarities,
The ring magnet 4 has a ring shape into which the core magnet 3 is fitted, and has four magnetic domains 4a, 4b, 4c, and 4d on the inner, outer, left, and right sides that are different from each other due to bipolar magnetization on the inner peripheral surface in the radial direction. It is magnetized to the pole,
The core magnet 3 is arranged so that the polarity of the magnetic domains 3a and 3b on the coil 2 side and the polarity of the magnetic domains 4a and 4b inside the ring magnet 4 are the same , and the domain wall K of the core magnet 3 and the ring magnet It is characterized in that it is arranged so that the domain walls K of No. 4 coincide with each other .

ここで、コア磁石3は、後述するように1個の円形ブロック状の部材で構成するようにしてもよいし、2個の半円ブロック状部材をその平面部分で接着一体化してもよい。
リング磁石4も同様、1個のリング状の部材で構成するようにしてもよいし、半リングに着磁されたものを接合してもよい。
また、コイル2は、通常、検査面11が平面の場合は、平らな検査面11に沿うよう平面コイルが使用されるが、検査面11がパイプのような円筒状の面、或いは湾曲したパイプのように曲面や球面の場合、これに沿うような曲面或いは球面に形成される。
この時、コア磁石3とリング磁石4のコイル2側の面3m、4mも同様に曲面或いは球面に形成される。これらの点は、本発明のコア磁石3及びコイル2に共通する。
Here, the core magnet 3 may be constructed of one circular block-shaped member, as will be described later, or may be formed by bonding and integrating two semicircular block-shaped members at their plane portions.
Similarly, the ring magnet 4 may be formed of a single ring-shaped member, or may be formed by joining a magnetized half ring.
In addition, when the inspection surface 11 is flat, a planar coil is usually used as the coil 2 so as to follow the flat inspection surface 11, but when the inspection surface 11 is a cylindrical surface such as a pipe or a curved pipe. In the case of a curved or spherical surface such as, it is formed into a curved or spherical surface that follows the curved or spherical surface.
At this time, the surfaces 3m and 4m of the core magnet 3 and the ring magnet 4 on the coil 2 side are similarly formed into curved or spherical surfaces. These points are common to the core magnet 3 and coil 2 of the present invention.

本発明のコイル2には、円形コイルが使用されるが、その他の形状のコイルの使用も可能である。 Although a circular coil is used as the coil 2 of the present invention, it is also possible to use coils of other shapes.

これによれば、コア磁石3の、検査面11側の面3mのバイアス磁場Bを、コア磁石3の周囲に配置したリング磁石4や対向磁石4により増強することが出来たので、このような増強手段を持たない厚み方向に(N-S)着磁された磁石単体で構成された従来の電磁超音波探触子(EMAT)より小型化できた。 According to this, the bias magnetic field B of the surface 3m of the core magnet 3 on the inspection surface 11 side was able to be enhanced by the ring magnet 4 and the opposing magnet 4 arranged around the core magnet 3. It can be made smaller than the conventional electromagnetic ultrasound probe (EMAT), which is composed of a single magnet magnetized in the thickness direction (NS) and does not have an intensifying means.

(a)本発明の電磁超音波探触子(実施例1)の斜視図、(b)その中央断面斜視図である。(a) A perspective view of an electromagnetic ultrasound probe (Example 1) of the present invention, and (b) a perspective cross-sectional view of the center thereof. (a)実施例1の変形例の平面図、(b)その中央断面図である。(a) A plan view of a modification of Example 1, and (b) a central sectional view thereof. (a)実施例2の斜視図、(b)その中央断面図である。(a) A perspective view of Example 2, and (b) a central sectional view thereof. (a)実施例2の変形例の斜視図、(b)その中央断面図である。(a) A perspective view of a modification of Example 2, and (b) a central sectional view thereof. (a)実施例3の斜視図、(b)X-X矢視断面図、(c)Y-Y矢視断面図、(d)Z-Z矢視断面図、(e)その底面図である。(a) Perspective view of Example 3, (b) XX cross-sectional view, (c) Y-Y cross-sectional view, (d) Z-Z cross-sectional view, and (e) bottom view thereof. be. (a)実施例4の斜視図、(b)その正面視の中央断面図、(c)その底面図である。(a) A perspective view of Example 4, (b) a central sectional view of the front view, and (c) a bottom view of the same. (a)実施例4の変形例の斜視図、(b)その正面視の中央断面図、(c)その底面図である。(a) A perspective view of a modified example of Example 4, (b) a central sectional view of the front view, and (c) a bottom view of the same. (a)実施例5の斜視図、(b)その正面視の中央断面図、(c)その底面図、(d)右側断面図である。(a) A perspective view of Example 5, (b) a center sectional view of the front view, (c) a bottom view, and (d) a right sectional view. (a)実施例5の変形例の斜視図、(b)その正面視の中央断面図、(c)その底面図、(d)右側断面図である。(a) A perspective view of a modified example of Example 5, (b) a central cross-sectional view when viewed from the front, (c) a bottom view, and (d) a right-hand side cross-sectional view. 従来例の正面図である。It is a front view of a conventional example. 従来例(コア磁石単体)のアルミニウム試験体における垂直磁束密度の分布図で、(a)は試験体の表面からのコア磁石単体の離間距離(リフトオフ)が0.5mm、(b)は1.0mm、(c)は1.5mm、(d)は2.0mmの場合である。Distribution diagrams of vertical magnetic flux density in an aluminum test specimen of a conventional example (core magnet alone), in which (a) the separation distance (lift-off) of the core magnet alone from the surface of the test specimen was 0.5 mm, and (b) 1. 0 mm, (c) is 1.5 mm, and (d) is 2.0 mm. 本発明(図1)のアルミニウム試験体における垂直磁束密度の分布図で、(a)は試験体の表面からのコア磁石単体の離間距離が0.5mm、(b)は1.0mm、(c)は1.5mm、(d)は2.0mmの場合である。Distribution diagrams of vertical magnetic flux density in the aluminum test specimen of the present invention (Fig. 1), in which (a) the distance of the core magnet alone from the surface of the test specimen is 0.5 mm, (b) 1.0 mm, (c ) is for 1.5 mm, and (d) is for 2.0 mm. 従来例(コア磁石単体)と本発明(複合磁石)とのアルミニウム試験体における垂直磁束密度と離間距離との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between vertical magnetic flux density and separation distance in aluminum test specimens of a conventional example (single core magnet) and the present invention (composite magnet). 従来例(コア磁石単体)の炭素鋼試験体における垂直磁束密度の分布図で、(a)は試験体の表面からのコア磁石単体の離間距離が0.5mm、(b)は1.0mm、(c)は1.5mm、(d)は2.0mmの場合である。Distribution diagrams of vertical magnetic flux density in a carbon steel test specimen of a conventional example (core magnet alone), in which (a) the distance of the core magnet alone from the surface of the test specimen is 0.5 mm, (b) 1.0 mm, (c) is the case of 1.5 mm, and (d) is the case of 2.0 mm. 本発明(図1)の炭素鋼試験体における垂直磁束密度の分布図で、(a)は試験体の表面からのコア磁石単体の離間距離が0.5mm、(b)は1.0mm、(c)は1.5mm、(d)は2.0mmの場合である。Distribution diagrams of vertical magnetic flux density in the carbon steel test specimen of the present invention (Fig. 1), in which (a) the distance of the core magnet alone from the surface of the test specimen is 0.5 mm, (b) 1.0 mm, ( c) is for 1.5 mm, and (d) is for 2.0 mm. 従来例(コア磁石単体)と本発明(複合磁石)との炭素鋼試験体における垂直磁束密度と離間距離との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between vertical magnetic flux density and separation distance in carbon steel test specimens of a conventional example (core magnet alone) and the present invention (composite magnet).

以下、本発明を図面に従って説明する。本発明のEMAT1は、コイル2、コア磁石3、及びコア磁石3の周囲を取り巻くように配設されたリング磁石4、又は前記コア磁石を挟むように設けられた一対(或いは二対)対向磁石4R・4L(4F・4B)とで構成されている。
本発明のEMAT1は、図1のように全体が円形ブロック状のものや図2のように全体が矩形ブロック状のもの(実施例1)、図3及び図4のようにコア磁石3の両側に対向磁石4R・4Fが設けられたもの(実施例2)、図5のようにコア磁石3の4方に対向磁石4R・4F・4F・4Bが設けられたもの(実施例3)、図6や図7のようにコア磁石3の両側に対向磁石4R・4Fが設けられたもの(実施例4:この場合は、実施例2とコア磁石3の着磁状態が異なる。)、図8や図9のようにコア磁石3の4方に対向磁石4R・4F・4F・4Bが設けられたもの(実施例5:この場合は、実施例3とコア磁石3の着磁状態が異なる。)などがある。
The present invention will be explained below with reference to the drawings. The EMAT 1 of the present invention includes a coil 2, a core magnet 3, and a ring magnet 4 arranged to surround the core magnet 3, or a pair (or two pairs) of opposing magnets arranged to sandwich the core magnet. It is composed of 4R and 4L (4F and 4B).
The EMAT 1 of the present invention has a circular block shape as shown in FIG. 1, a rectangular block shape as shown in FIG. 2 (Example 1), and both sides of the core magnet 3 as shown in FIGS. (Example 2) where opposing magnets 4R, 4F, and 4B are provided on four sides of the core magnet 3 as shown in FIG. 5 (Example 3). 6 and 7, in which opposing magnets 4R and 4F are provided on both sides of the core magnet 3 (Example 4: In this case, the magnetization state of the core magnet 3 is different from Example 2), FIG. Or, as shown in FIG. 9, opposing magnets 4R, 4F, 4F, and 4B are provided on four sides of the core magnet 3 (Example 5: In this case, the magnetization state of the core magnet 3 is different from Example 3. )and so on.

コイル2は全ての実施例に共通で、銅等の導線を円形(楕円形「レーストラック形」、ダブルレーストラック形、D形コイル、ダブルD形コイルまたは矩形)で渦巻き状に中心部から数周から数十周巻いたもの、またはメアンダ状に形成された導線、プリント基板上に同様の渦巻き状またはメアンダ状に作製したものである。
コイル2はコア磁石との関係において、後述するように好ましい形のものが選定される。そしてこのコイル2は、渦巻き状又はメアンダ状の導線にて形成される面が、試験体10の検査面11に沿う形状に形成される。例えば、検査面11が平坦な平面の場合は平面コイルが選択され、検査面11がパイプのような円筒状の場合には、断面円弧状の曲面コイルが選択され、検査面11が球面である場合には、球面コイルが選択される。
なお図1では、コイル2は、1層の渦巻き状コイルであるが、これに限るものではなく、上下に多重としてもよい。
The coil 2 is common to all embodiments, and is made of a conductive wire made of copper or the like which is spirally wound in a circular shape (elliptical "racetrack shape", double racetrack shape, D-shaped coil, double D-shaped coil, or rectangular shape) from the center. It is a conductor wire wound several tens of times around the circumference, a conductor wire formed in a meander shape, and a conductor wire formed in a similar spiral or meander shape on a printed circuit board.
The coil 2 is selected to have a preferable shape in relation to the core magnet, as will be described later. The coil 2 is formed so that the surface formed by the spiral or meandering conductive wire follows the inspection surface 11 of the test specimen 10. For example, if the inspection surface 11 is a flat plane, a planar coil is selected; if the inspection surface 11 is cylindrical like a pipe, a curved coil with an arcuate cross section is selected; In this case, a spherical coil is selected.
In FIG. 1, the coil 2 is a single-layer spiral coil, but it is not limited to this, and may be multiplexed vertically.

ここで、コイル2の形状に付いて簡単に説明する。
コイル2は、上記のように1巻き毎に半径が漸増するように渦巻き状に導線が中心部から数周から数十周巻いたものである。
楕円形「レーストラック形」コイルは、直線部分2aとその両端に設けられた円弧状部分2bとで構成されたコイル2である。
D形コイル(図示せず)は、直線部分とその両端を繋ぐ円弧状部分とで構成されたDの形をしたコイルである。
ダブルレーストラック形及びダブルD形のコイルはコイルを2個使用し、その直線部分2aを平行に配置したものである。
コイル2の巻き方向は、ダブルレーストラック形やダブルD形コイルの場合は、隣接する導線を流れる電流が同じ方向に流れるように巻かれる。
メアンダ状とは、導線又はプリント配線をクランク状に折り曲げた形状を言う。
Here, the shape of the coil 2 will be briefly explained.
As described above, the coil 2 is made by winding a conducting wire in a spiral shape from several turns to several tens of turns from the center so that the radius gradually increases with each turn.
The elliptical "racetrack-shaped" coil is a coil 2 composed of a straight section 2a and arcuate sections 2b provided at both ends of the straight section 2a.
A D-shaped coil (not shown) is a D-shaped coil made up of a straight section and an arcuate section connecting both ends of the straight section.
The double racetrack type and double D type coils use two coils, and their straight portions 2a are arranged in parallel.
In the case of a double racetrack type or double D type coil, the coil 2 is wound in such a way that the currents flowing in adjacent conductors flow in the same direction.
The meander shape refers to a shape in which a conductive wire or printed wiring is bent into a crank shape.

コア磁石3は、永久磁石或いは電磁石であり、試験体10の検査面11側に静磁場Bを発生させる手段である。本実施例では永久磁石を使用している。
コア磁石3の形状は、図1、図3のように円形ブロック状(円柱状又は円板状)のものや、その他の図に示すような、矩形ブロック状のものがある。そして、コア磁石3のコイル2側の面3mは、コイル2と同様、検査面11が平面の場合は、平らな検査面11に沿うよう平面に形成されるが、検査面11がパイプのような円筒状の面、或いは湾曲したパイプのように曲面や球面の場合、これに沿うような曲面或いは球面に形成される。
The core magnet 3 is a permanent magnet or an electromagnet, and is a means for generating a static magnetic field B on the inspection surface 11 side of the test object 10. In this embodiment, permanent magnets are used.
The shape of the core magnet 3 may be a circular block shape (cylindrical or disk shape) as shown in FIGS. 1 and 3, or a rectangular block shape as shown in the other figures. Similarly to the coil 2, when the inspection surface 11 is flat, the surface 3m of the core magnet 3 on the coil 2 side is formed flat along the flat inspection surface 11. In the case of a cylindrical surface, or a curved or spherical surface such as a curved pipe, it is formed into a curved or spherical surface that follows this.

コア磁石3は、1個の場合と、2個の場合とがある。
1個の場合、1個の円形ブロック状の部材を両面4極着磁により、上下左右に4分割された、4つの隣接する磁区3a・3b・3c・3dを、互いに異極になるように着磁する。
2個の場合は、2個の半円ブロック状の部材3R・3Lを用い、厚み方向のN-S着磁により、表面側と裏面側の端部の極性をそれぞれN/Sとし、これらを平面部分で接着一体化して4つの隣接する磁区3a・3b/3c・3dを互いに異極となるようにする。
コア磁石3は、後述するようにそのコイル2側の面3mの静磁場Bがリング磁石4又は対向磁石4によりバイアスされ、コイル2により生じる渦電流Uに作用するように配置されている。従って、コア磁石3の形状とコイル2の形状とは密接な関係がある。この点は各実施例において詳述する。
The number of core magnets 3 may be one or two.
In the case of one piece, one circular block-shaped member is magnetized with four poles on both sides, and the four adjacent magnetic domains 3a, 3b, 3c, and 3d, which are divided into four vertically and horizontally, are made to have different polarities. Magnetize.
In the case of two pieces, use two semicircular block-shaped members 3R and 3L, and use N-S magnetization in the thickness direction to set the polarity of the front side and back side ends to N/S, respectively. The four adjacent magnetic domains 3a, 3b/3c, and 3d are made to have different polarities by bonding and integrating them at the plane portions.
The core magnet 3 is arranged so that the static magnetic field B on the surface 3m on the coil 2 side is biased by the ring magnet 4 or the opposing magnet 4 and acts on the eddy current U generated by the coil 2, as will be described later. Therefore, the shape of the core magnet 3 and the shape of the coil 2 are closely related. This point will be explained in detail in each embodiment.

コア磁石3の周囲に配置され、コア磁石3にバイアスをかけてコア磁石3のコイル2側の面3mの静磁場Bを増強する磁石として、リング磁石や円弧状や矩形のブロック磁石などがある。 Magnets that are placed around the core magnet 3 and that bias the core magnet 3 to enhance the static magnetic field B on the surface 3m of the coil 2 side of the core magnet 3 include ring magnets and arc-shaped or rectangular block magnets. .

静磁場Bを増強する磁石の一例であるリング磁石4としては、図1のような円筒状部材、或いは図2のように角筒状部材がある。リング磁石4は、コア磁石3と同様、1個の部材を用いたものと、内周側部材と外周側部材の2個の部材を用いたものがある。
1個の部材でリング磁石4を製造する場合は、径方向の内周面二極着磁(アキシャル着磁)により、図2の角筒状のリング磁石4も径方向の内周面二極着磁(アキシャル着磁)により、内外左右にて4分割されたその磁区4a・4b・4c・4dにおいて、互いに隣接する磁区が異極に着磁される。
半リングを使用する場合、径方向に着磁して一方の半リングの内周側をN、外周側をSとすると、他方の半リングの内周側をS、外周側をNとするように着磁する。そして左右の半リング部材を接合して1個のリング磁石4とする。
そして、リング磁石4の内径はコア磁石3の外径にほぼ等しく、コア磁石3に嵌め込まれ、接着固定される。
The ring magnet 4, which is an example of a magnet that enhances the static magnetic field B, may be a cylindrical member as shown in FIG. 1 or a rectangular cylindrical member as shown in FIG. Similar to the core magnet 3, the ring magnet 4 includes one that uses one member and one that uses two members, an inner circumference side member and an outer circumference side member.
When manufacturing the ring magnet 4 with one member, the square tubular ring magnet 4 shown in FIG. By magnetization (axial magnetization), mutually adjacent magnetic domains are magnetized with different polarities in the magnetic domains 4a, 4b, 4c, and 4d, which are divided into four parts inside, outside, and on the left and right.
When using half rings, magnetize them in the radial direction so that if the inner circumference of one half ring is N and the outer circumference is S, then the inner circumference of the other half ring is S and the outer circumference is N. to be magnetized. Then, the left and right half ring members are joined to form one ring magnet 4.
The inner diameter of the ring magnet 4 is approximately equal to the outer diameter of the core magnet 3, and the ring magnet 4 is fitted into the core magnet 3 and fixed by adhesive.

図3の円弧ブロック状の対向磁石4R・4Lも、内周側(外周側)から外周側(内周側)への径方向への着磁により、内周側(外周側)の磁区4a(4c)がN極に、外周側(内周側)の磁区4b(4d)がS極に着磁される。
図4の矩形ブロック状の対向磁石4R・4Lも、厚み方向への着磁により、一方の端部の磁区4a(4c)がN極に、他方の端部の磁区4b(4d)がS極に(N-S)着磁される。
図5の矩形ブロック状の前後一対の対向磁石4F・4Bでは、両面4極着磁され、他の対の左右の矩形ブロック状の対向磁石4R・4L(4F・4B)では、通常の(N-S)着磁がなされる。
The circular arc block-shaped opposing magnets 4R and 4L in FIG. 4c) is magnetized to the north pole, and the magnetic domain 4b (4d) on the outer circumference side (inner circumference side) is magnetized to the south pole.
The rectangular block-shaped opposing magnets 4R and 4L in FIG. 4 are also magnetized in the thickness direction, so that the magnetic domain 4a (4c) at one end becomes the N pole, and the magnetic domain 4b (4d) at the other end becomes the S pole. (N-S) magnetized.
The pair of rectangular block-shaped front and rear opposing magnets 4F and 4B in FIG. -S) Magnetization is performed.

次にコア磁石3とリング磁石4(又は対向磁石4R・4L/4F・4B)及びコイル2との関係について説明する。コイル2は上記のように各種あり、いずれのものも使用できるが、通常、円形コイルが使用されるが、状況によってコア磁石3との関係において適切なものが使用される。
なお、レーストラック形、ダブルレーストラック形、D形コイル、ダブルD形コイルを使用する場合、その直線部分2aは、左右の対向磁石4R・4L対向するコア磁石3の下辺に平行になるように設置される。
Next, the relationship between the core magnet 3, ring magnet 4 (or opposing magnets 4R, 4L/4F, 4B), and the coil 2 will be explained. As mentioned above, there are various types of coils 2, and any of them can be used. Usually, a circular coil is used, but an appropriate coil in relation to the core magnet 3 is used depending on the situation.
In addition, when using a race track type, double race track type, D type coil, or double D type coil, the straight line portion 2a should be parallel to the lower side of the core magnet 3 facing the left and right opposing magnets 4R and 4L. will be installed.

(実施例1)
図1、図2のEMAT1では、コア磁石3の磁壁Kとリング磁石4の磁壁Kとが一致するようにし、且つコア磁石3の、コイル2側の磁区3a・3bの極性と、前記リング磁石4の内側の磁区4a・4dの極性が同極となるように嵌め込まれ接着固定される。
リング磁石4に嵌め込まれたコア磁石3はコイル2の上に設置される。コイル2は上記のように様々な形状のコイルが適用されるが、図1では、コア磁石3が円形ブロック状なので、円形コイルが使用される。コイル2の大きさは、コア磁石3に一致した大きさである。必要に応じて、コア磁石3とコイル2の間に図示しない導電性薄板(アルミ薄板)を設けてもよい。この点は実施例全てに共通する。
(Example 1)
In the EMAT 1 in FIGS. 1 and 2, the magnetic domain wall K of the core magnet 3 and the magnetic domain wall K of the ring magnet 4 are made to match, and the polarity of the magnetic domains 3a and 3b of the core magnet 3 on the coil 2 side and the ring magnet The magnetic domains 4a and 4d inside the magnetic domain 4 are fitted and fixed with adhesive so that the polarities thereof are the same.
A core magnet 3 fitted into a ring magnet 4 is placed on top of the coil 2. As described above, coils of various shapes can be applied to the coil 2, but in FIG. 1, a circular coil is used because the core magnet 3 is in the shape of a circular block. The size of the coil 2 matches the size of the core magnet 3. If necessary, a conductive thin plate (aluminum thin plate), not shown, may be provided between the core magnet 3 and the coil 2. This point is common to all the examples.

図2の場合は、コア磁石3が矩形ブロック状であるが、通常は円形コイルが使用されるが、レーストラック形のコイルを使用してもよい。この場合、その直線部分2aがコア磁石3のコイル側の面3mの長さに一致する。 In the case of FIG. 2, the core magnet 3 has a rectangular block shape, but normally a circular coil is used, but a racetrack-shaped coil may also be used. In this case, the straight line portion 2a corresponds to the length of the coil-side surface 3m of the core magnet 3.

(実施例2)
図3のEMAT1では、一対の円弧ブロック状の対向磁石4R・4Lが用いられる。これらはコイル2に対して立ち上がる方向に伸びた磁壁Kを介してコア磁石3の左右に配置される。コア磁石3を介して対向する対向磁石4R・4Lの対向する磁区4a・4dは互いに異極となるように配置される。そして、コア磁石3のコイル2側の磁区3a・3bの極性と、この磁区3a・3bに隣接する対向磁石4R・4Lの磁区4a・4dの極性とが同極となるように配置される。
コイル2は図1と同様、コア磁石3の面3mに一致した円形コイルが使用される。
(Example 2)
In the EMAT 1 of FIG. 3, a pair of circular arc block-shaped opposing magnets 4R and 4L are used. These are arranged on the left and right sides of the core magnet 3 via domain walls K extending in a direction rising with respect to the coil 2. The opposing magnetic domains 4a and 4d of the opposing magnets 4R and 4L that face each other via the core magnet 3 are arranged so as to have different polarities. The core magnet 3 is arranged so that the polarity of the magnetic domains 3a and 3b on the coil 2 side and the polarity of the magnetic domains 4a and 4d of the opposing magnets 4R and 4L adjacent to the magnetic domains 3a and 3b are the same.
The coil 2 is a circular coil that matches the surface 3m of the core magnet 3, as in FIG.

図4では、コア磁石3と一対の対向磁石4R・4Lは矩形ブロック状なので、対向磁石4R・4Lは上記図3の関係を保ってコア磁石3の両側に接着される。従って、図3(b)と図4(b)は同じ形状となる。
コイル2は図2と同様、円形コイルを使用するが、矩形コイル又はレーストラック形コイル、メアンダ形を使用してもよい。
In FIG. 4, the core magnet 3 and the pair of opposing magnets 4R and 4L have a rectangular block shape, so the opposing magnets 4R and 4L are adhered to both sides of the core magnet 3 while maintaining the relationship shown in FIG. Therefore, FIG. 3(b) and FIG. 4(b) have the same shape.
As the coil 2, a circular coil is used as in FIG. 2, but a rectangular coil, a racetrack coil, or a meandering coil may also be used.

(実施例3)
図5のEMAT1では、図4のEMAT1の前後に一対の対向磁石4F・4Bを更に追加したもので、これら対向磁石4F・4Bはコア磁石3を中心とし、その左右の一対の対向磁石4R・4Lに対して直交するように配置され、コア磁石3を前後から挟むように配置されている。
前後一対の対向磁石4F・4Bは、両面4極着磁された矩形ブロック磁石(前後左右にて4分割されたその磁区4e~4h/4i~4lにおいて、互いに隣接する磁区が異極に着磁されている)で、コア磁石3の、コイル2側の磁区3a・3bの極性と、この磁区3a・3bに隣接する前後一対の対向磁石4F・4Bの磁区4e・4h/4i・4lの極性とが異極となるように配置されている。なお、対向磁石4F・4Bも上記の場合は、1個の部材を両面4極着磁したものであるが、それぞれ2個の部材を厚み方向に(N-S)着磁して組み合わせるようにしてもよい。
コイル2は図3と同様、円形コイルが使用されるが、矩形コイル又はレーストラック形コイル、メアンダ形の使用も可能である。
(Example 3)
In the EMAT1 shown in FIG. 5, a pair of opposing magnets 4F and 4B are further added to the front and rear of the EMAT1 shown in FIG. 4L, and are arranged to sandwich the core magnet 3 from the front and back.
The pair of front and rear opposing magnets 4F and 4B are rectangular block magnets that are magnetized with four poles on both sides (in the magnetic domains 4e to 4h/4i to 4l, which are divided into four in the front, back, left, and right, adjacent magnetic domains are magnetized with different polarities. ), the polarity of the magnetic domains 3a and 3b on the coil 2 side of the core magnet 3, and the polarity of the magnetic domains 4e, 4h/4i, and 4l of the pair of front and rear opposing magnets 4F and 4B adjacent to these magnetic domains 3a and 3b. They are arranged so that they are at opposite poles. In addition, in the above case, the opposing magnets 4F and 4B are one member magnetized with four poles on both sides, but two members of each are magnetized in the thickness direction (N-S) and combined. You can.
As the coil 2, a circular coil is used as in FIG. 3, but a rectangular coil, a racetrack-shaped coil, or a meander-shaped coil can also be used.

(実施例4)
図6のEMAT1では、コア磁石3及び対向磁石4R・4Lは(N-S)着磁された矩形ブロック状磁石で、コイル2側にコア磁石3のS極が設置されている。そして、対向磁石4R・4Lのそれぞれは、コア磁石3側の磁区4b・4dが同極となるように配置されている。
この場合も円形コイルが使用されるが、ダブルレーストラック形コイル又はダブルD形コイル、メアンダ形の使用も可能である。
ダブルレーストラック形コイルとは、上記のようにレーストラック形コイルを線対称に並べたもので、隣接する直線部分2aを流れる電流の方向が一致する。
ダブルD形コイル(図示せず)とは、その直線部分を中心に正逆2つのD形コイルを線対称に並べたものである。なお、D形コイルは直線部分と円弧状部分とをD形に組み合わせたコイルである。
いずれのコイル2においても直線部分2aがコア磁石3のコイル側の面3mに一致するように配置される。なお、左右のコイル2を2R・2Lで示す。
(Example 4)
In the EMAT 1 in FIG. 6, the core magnet 3 and the opposing magnets 4R and 4L are (NS) magnetized rectangular block-shaped magnets, and the S pole of the core magnet 3 is placed on the coil 2 side. The opposing magnets 4R and 4L are arranged such that the magnetic domains 4b and 4d on the core magnet 3 side have the same polarity.
Again, circular coils are used, but it is also possible to use double racetrack coils or double D-shaped coils, meander shapes.
The double racetrack coil is one in which the racetrack coils are line-symmetrically arranged as described above, and the directions of current flowing through adjacent straight portions 2a are the same.
A double D-shaped coil (not shown) is a double D-shaped coil arranged symmetrically with respect to a straight line portion thereof. Note that the D-shaped coil is a coil in which a straight portion and an arcuate portion are combined into a D shape.
In each coil 2, the straight portion 2a is arranged so as to coincide with the coil-side surface 3m of the core magnet 3. Note that the left and right coils 2 are indicated by 2R and 2L.

(実施例4の変形例)
図8のEMAT1では、図6のEMAT1に対向磁石4F・4Bを更に追加したものである。この前後の一対の対向磁石4F・4Bは、(N-S)着磁で、コア磁石3側とその反対の外側が異極に着磁されている。
追加された対向磁石4F・4Bは、コア磁石3を中心とし、その左右の一対の対向磁石4R・4Lに対して直交するように配置され、コア磁石3を前後から挟むように配置されている。
この追加された対向磁石4F・4Bのコア磁石3に隣接した磁区4f/4hの極性は、
コア磁石3のコイル2側の磁区3bの極性と同極となるように配置されている。
なお、上記実施例において、矩形ブロック状磁石を使用したEMAT1において、コア磁石3を円形ブロック状とし、対向磁石を図3のような円弧ブロック状とすることも可能である。
この場合もコイル2はダブルレーストラック形コイル又はダブルD形コイル、メアンダ形が使用される。
(Modification of Example 4)
In the EMAT1 shown in FIG. 8 , opposing magnets 4F and 4B are further added to the EMAT1 shown in FIG. The pair of opposing magnets 4F and 4B before and after this are (NS) magnetized, and the core magnet 3 side and the opposite outside are magnetized with different polarities.
The added opposing magnets 4F and 4B are arranged with the core magnet 3 at the center, orthogonal to the pair of opposing magnets 4R and 4L on the left and right, and are arranged to sandwich the core magnet 3 from the front and back. .
The polarity of the magnetic domain 4f/4h adjacent to the core magnet 3 of the added opposing magnets 4F/4B is as follows:
It is arranged to have the same polarity as the magnetic domain 3b of the core magnet 3 on the coil 2 side.
In the above embodiment, in the EMAT 1 using rectangular block magnets, the core magnet 3 can be shaped like a circular block, and the opposing magnet can be shaped like an arc block as shown in FIG.
In this case as well, the coil 2 is a double racetrack type coil, a double D type coil, or a meander type coil.

次に、EMAT1による超音波の発生原理について説明する。試験体10の検査面11の直上にて若干の隙間を設けてEMAT1を設置する。この設置により、EMAT1のコア磁石3から試験体10に対して静磁場(バイアス磁場)Bが加えられる。次いでコイル2に高周波電流を流すと、試験体10の検査面11とその近傍に渦電流Uが発生する。コイル2に流れる高周波電流により、渦電流Uは周期的に変動する高周波振動を生じ、これによる電磁力(試験体10が非磁性体の場合はローレンツ力、磁性体の場合はローレンツ力と、磁歪力と磁化力が加算されたもの)が試験体10を振動させ、超音波を発生させる。
なお、EMAT1のリング磁石4、円弧状又は矩形ブロック状の対向磁石4R・4L(4F・4B)はコア磁石3から出る磁力線の経路を変えるもので、コイル2側の磁力線の発散が抑制され、これによって増強されたバイアス磁場Bがコイル2側に発生するようになっている。
Next, the principle of generating ultrasonic waves by EMAT1 will be explained. The EMAT 1 is installed directly above the inspection surface 11 of the test specimen 10 with a slight gap. With this installation, a static magnetic field (bias magnetic field) B is applied from the core magnet 3 of the EMAT 1 to the test specimen 10. Next, when a high frequency current is passed through the coil 2, an eddy current U is generated on the test surface 11 of the test object 10 and its vicinity. The high-frequency current flowing through the coil 2 causes the eddy current U to generate periodically fluctuating high-frequency vibrations, which generates electromagnetic force (Lorentz force if the test object 10 is a non-magnetic material, Lorentz force if the test object 10 is a magnetic material, and magnetostrictive force). (the sum of the force and the magnetizing force) vibrates the test object 10 and generates ultrasonic waves.
Note that the ring magnet 4 of the EMAT 1 and the arc-shaped or rectangular block-shaped opposing magnets 4R and 4L (4F and 4B) change the path of the lines of magnetic force coming out of the core magnet 3, so that the divergence of the lines of magnetic force on the coil 2 side is suppressed. As a result, an enhanced bias magnetic field B is generated on the coil 2 side.

EMAT1の送受信は以下の通りである。EMAT1を試験体10の検査面11に上記のように配置する。コア磁石3は上記のように試験体10の深さ方向に静磁場Bを形成している。この状態で高周波電流をコイル2に流すと、上記のように超音波を発生させる。 Transmission and reception of EMAT1 is as follows. The EMAT 1 is placed on the inspection surface 11 of the test specimen 10 as described above. The core magnet 3 forms the static magnetic field B in the depth direction of the test object 10 as described above. When a high frequency current is passed through the coil 2 in this state, ultrasonic waves are generated as described above.

試験体10に欠陥15(試験体10内の亀裂や試験体10の裏面側の腐食などの音響的不連続部)が存在する場合、超音波は欠陥15により反射され、再びEMAT1の方向へ伝搬する。超音波がEMAT1の近傍へ達すると、超音波の変位によって、静磁場Bが存在する領域の磁場が時間的に変化する。この磁場変化を妨げようとする方向に渦電流Uが生じ、この渦電流Uを再びコイル2により検出することで、試験体10中に存在する欠陥15からの反射波を受信することができる。
上述のように、EMAT1から送信された超音波が、欠陥15で反射され、再びEMAT1で受信されるまでの時間を計測することで、欠陥15の位置を知ることができる。
If a defect 15 (acoustic discontinuity such as a crack in the test object 10 or corrosion on the back side of the test object 10) exists in the test object 10, the ultrasonic wave is reflected by the defect 15 and propagates in the direction of the EMAT 1 again. do. When the ultrasonic wave reaches the vicinity of EMAT1, the magnetic field in the region where the static magnetic field B exists changes over time due to the displacement of the ultrasonic wave. An eddy current U is generated in a direction that attempts to prevent this magnetic field change, and by detecting this eddy current U again by the coil 2, it is possible to receive a reflected wave from the defect 15 present in the test specimen 10.
As described above, the position of the defect 15 can be known by measuring the time it takes for the ultrasonic wave transmitted from the EMAT 1 to be reflected by the defect 15 and received by the EMAT 1 again.

実施例1(図1,2)では、そのEMAT構造を小型化するために、コア磁石とリング磁石とで構成された複合小型永久磁石と直径10mmの円形コイルを用いた。
コア磁石はコイルと同じ直径で、厚さ5mmである。複合小型永久磁石のコア磁石がコイルに一致するようにし、若干の隙間をあけてその直上に設置した。この場合の磁極分布を図1(b)に示す。
コア磁石とリング磁石とはハルバッハ配列の原理にて組み合わされ、径方向の内周面二極着磁(アキシャル着磁)されたリング磁石がコア磁石である円形ブロック磁石の周囲を囲んで磁場を集中させる。即ち、コア磁石のコイル側のN極から出た磁力線は周囲のリング磁石4に阻まれて水平方向に発散することなく集中して隣接したコイル側のS極に届く。これにより、コア磁石の下方向への垂直磁場が増大する。すなわち、この構成により、コイルの直径を従来例の大きさに保ったまま、そして小型磁石の厚みを増すことなくコイル側の磁場力を向上させることができた。
In Example 1 (FIGS. 1 and 2), in order to downsize the EMAT structure, a small composite permanent magnet composed of a core magnet and a ring magnet and a circular coil with a diameter of 10 mm were used.
The core magnet has the same diameter as the coil and is 5 mm thick. The core magnet of the composite small permanent magnet was aligned with the coil and placed directly above it with a slight gap. The magnetic pole distribution in this case is shown in FIG. 1(b).
The core magnet and ring magnet are combined based on the Halbach arrangement principle, and the ring magnet, whose inner peripheral surface in the radial direction is bipolarly magnetized (axially magnetized), surrounds the circular block magnet that is the core magnet and generates a magnetic field. Concentrate. That is, the lines of magnetic force coming out of the N pole on the coil side of the core magnet are blocked by the surrounding ring magnet 4 and do not diverge in the horizontal direction, but are concentrated and reach the S pole on the adjacent coil side. This increases the downward vertical magnetic field of the core magnet. That is, with this configuration, it was possible to improve the magnetic field force on the coil side without increasing the thickness of the small magnet while maintaining the diameter of the coil at the same size as in the conventional example.

ここで図1の場合は、コア磁石3、リング磁石4及びコイル2が円形なので、コア磁石3とコイル2との間で無駄スペースが発生せず、電磁超音波探触子1を小型化することができた。また、図2の場合はコア磁石3、リング磁石4が矩形ブロック状、コイル2がレーストラック状でその直線部分2aの全体を使用することになるので、送受信の効率を大幅に高めることができる。 In the case of FIG. 1, since the core magnet 3, ring magnet 4, and coil 2 are circular, no wasted space is generated between the core magnet 3 and the coil 2, and the electromagnetic ultrasound probe 1 is made smaller. I was able to do that. In addition, in the case of FIG. 2, the core magnet 3 and ring magnet 4 are shaped like rectangular blocks, and the coil 2 is shaped like a racetrack, and the entire straight portion 2a is used, so the efficiency of transmission and reception can be greatly increased. .

実施例2(図3,図4)の場合、磁石とコイルの配置構成は実施例1と基本的に同じであるので、実施例1と同様の作用効果を奏する。 In the case of the second embodiment (FIGS. 3 and 4), the arrangement of the magnets and coils is basically the same as in the first embodiment, so that the same effects as in the first embodiment are achieved.

実施例3(図5)の場合、磁石の配置構成は実施例2の図4に一対の対向磁石4F・4Bを追加したものであり、この追加した一対の対向磁石4F・4Bが追加方向におけるコア磁石3の磁力線の発散を抑制することになり、コイル2側の磁束密度をより高めることができる。 In the case of Embodiment 3 (FIG. 5), the magnet arrangement is such that a pair of opposing magnets 4F and 4B are added to that of Embodiment 2 in FIG. The divergence of the magnetic lines of force of the core magnet 3 is suppressed, and the magnetic flux density on the coil 2 side can be further increased.

実施例4(図6)の場合、磁石の配置構成は以上の実施例と異なり、コア磁石3のコイル2側の面3m全体が、一つの極(この場合はS極)となっており、対向磁石4R・4Lの外側の磁区4a・4cからコア磁石3のコイル2側の面3mに磁力線が向かうことになる。
これにより、上記の理由でコイル2側の磁束密度をより高めることができる。
In the case of the fourth embodiment (FIG. 6), the arrangement of the magnets is different from the above embodiments, and the entire surface 3m of the core magnet 3 on the coil 2 side is one pole (in this case, the S pole). Lines of magnetic force are directed from the outer magnetic domains 4a and 4c of the opposing magnets 4R and 4L to the surface 3m of the core magnet 3 on the coil 2 side.
Thereby, the magnetic flux density on the coil 2 side can be further increased for the above-mentioned reason.

実施例4の変形例(図7)の場合、磁石の配置構成は図6の実施例に一対の対向磁石4F・4Bを追加したものであり、図6と同様の効果を奏する。 In the case of a modification of the fourth embodiment (FIG. 7), the magnet arrangement is such that a pair of opposing magnets 4F and 4B are added to the embodiment of FIG. 6, and the same effect as in FIG. 6 is achieved.

上記図1に示すEMAT1のコア磁石のコイル側の静磁場を有限要素(finite element)法でシミュレーションした。
静磁場について、アンペールの法則を単純化すると以下の通りである。

Figure 0007387105000003
The static magnetic field on the coil side of the core magnet of EMAT1 shown in FIG. 1 was simulated using the finite element method.
Regarding the static magnetic field, Ampere's law is simplified as follows.
Figure 0007387105000003

磁場の説明にスカラーポテンシャルを導入する。

Figure 0007387105000004


Introducing a scalar potential to explain the magnetic field.
Figure 0007387105000004


線形材料について、磁場の構成関係(constitutive relations)は、式(5)で表される。

Figure 0007387105000005
For linear materials, the constitutive relations of the magnetic field are expressed by equation (5).
Figure 0007387105000005

磁性のためのガウスの法則によると、以下の通りである。

Figure 0007387105000006
According to Gauss' law for magnetism:
Figure 0007387105000006

有限要素(FE)シミュレーションにより、磁気スカラーポテンシャルの式(4)の解が得られる。永久磁石には、磁区構造と異方性に由来する残留磁化があり、以下の通り表わされる。

Figure 0007387105000007
Finite element (FE) simulation provides a solution to equation (4) for the magnetic scalar potential. Permanent magnets have residual magnetization derived from the magnetic domain structure and anisotropy, which is expressed as follows.
Figure 0007387105000007

永久磁石磁区での磁束密度は、式(8)で表される。

Figure 0007387105000008
The magnetic flux density in the permanent magnet domain is expressed by equation (8).
Figure 0007387105000008

常磁性体や反磁性体などの非強磁性体(空気を含む)の磁区について、その磁化は、式(9)で表される。

Figure 0007387105000009
The magnetization of a magnetic domain of a non-ferromagnetic material (including air) such as a paramagnetic material or a diamagnetic material is expressed by equation (9).
Figure 0007387105000009

よって、非強磁性体の磁束密度は、式(10)で表される。

Figure 0007387105000010

通常、非強磁性体の比透磁率μrnfは1に近い。よって、シミュレーションではμrnfを1とする。強磁性体磁区について、磁化曲線は非線形である。磁束密度と磁場力との関係をB-H曲線で表す。 Therefore, the magnetic flux density of the non-ferromagnetic material is expressed by equation (10).
Figure 0007387105000010

Usually, the relative magnetic permeability μ rnf of a non-ferromagnetic material is close to 1. Therefore, μ rnf is set to 1 in the simulation. For ferromagnetic domains, the magnetization curve is nonlinear. The relationship between magnetic flux density and magnetic field force is represented by a BH curve.

数値解析の目的でソフトウェア(COMSOL Multiphysics 5.4)を使って従来のEMATに使用された永久磁石と、本発明のEMATに使用するコア磁石とリング磁石の複合磁石との「コイル側の面における磁束密度」の比較のため3次元有限要素(FE)シミュレーションを行った。
以下、同シミュレーションによるアルミニウム(非強磁性体)と低炭素鋼(強磁性体)の試験体上の本発明の複合磁石と従来のEMATに使用された永久磁石の磁束密度を分析した。
ここで、本発明の複合磁石は図1の磁石構成のものを使用し、従来のEMATに使用された永久磁石として本発明のコア磁石を使用した。これをコア磁石単体という。
試験体の厚みを10mm、その3次元の大きさを100×40×10mm3とした。一定のスペースを設けてこれら2つの構成を試験体中央上方に設置した。
For the purpose of numerical analysis, software (COMSOL Multiphysics 5.4) was used to calculate the magnetic flux density on the coil side surface of the permanent magnet used in the conventional EMAT and the composite magnet of the core magnet and ring magnet used in the EMAT of the present invention. A three-dimensional finite element (FE) simulation was performed for comparison.
Below, the magnetic flux densities of the composite magnet of the present invention and the permanent magnet used in the conventional EMAT on test specimens of aluminum (non-ferromagnetic material) and low carbon steel (ferromagnetic material) were analyzed using the same simulation.
Here, the composite magnet of the present invention had the magnet configuration shown in FIG. 1, and the core magnet of the present invention was used as the permanent magnet used in the conventional EMAT. This is called a single core magnet.
The thickness of the test specimen was 10 mm, and its three-dimensional size was 100×40×10 mm 3 . These two configurations were placed above the center of the test specimen with a certain space provided.

複合磁石とコア磁石単体の、試験体からの離間距離(リフトオフ)を0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mmとした。
加えて、200×100×10mm3の空気領域が試験体と複合磁石とコア磁石単体を取り囲んでいる(解析領域)。
試験体、複合磁石とコア磁石単体、周囲の空気すべてを四面体メッシュ(tetrahedral mes)で分割した。試験体と複合磁石とコア磁石単体の領域の四面体メッシュの最大の大きさは0.5mm、空気領域の最大幅は2mmとした。複合磁石のコア磁石とリング磁石、及びコア磁石単体の残留磁束密度をそれぞれ1.20T(コア磁石)及び1.25T(リング磁石)とした。空気とアルミニウムとの相対透磁率を1とし、コア磁石とリング磁石の相対透磁率を1.05とした。低炭素鋼のシミュレーションでは構造用圧延鋼材SS400(炭素含有率は約0.16%)のB-H(磁化)曲線を用いた。
The separation distance (lift-off) between the composite magnet and the single core magnet from the test specimen was set to 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm, and 2.0 mm.
In addition, an air region of 200×100×10 mm 3 surrounds the test specimen, the composite magnet, and the core magnet alone (analysis region).
The test specimen, the composite magnet, the single core magnet, and the surrounding air were all divided by tetrahedral meshes. The maximum size of the tetrahedral mesh in the region of the test specimen, composite magnet, and single core magnet was 0.5 mm, and the maximum width of the air region was 2 mm. The residual magnetic flux densities of the core magnet and ring magnet of the composite magnet and the core magnet alone were set to 1.20T (core magnet) and 1.25T (ring magnet), respectively. The relative magnetic permeability of air and aluminum was set to 1, and the relative magnetic permeability of the core magnet and ring magnet was set to 1.05. In the simulation of low carbon steel, the BH (magnetization) curve of structural rolled steel material SS400 (carbon content: approximately 0.16%) was used.

シミュレーション結果と検討
表皮効果(skin effect)により、渦電流は主に試験体の表面近くを流れる。従って、試験体の表面近くの静磁場は渦電流と相互作用して電磁力を発生する。加えて、このタイプのEMATは、主に垂直静磁場によって生成される横波を生成するため、ここでは静磁場の鉛直方向への分布のみを検討した。
Simulation results and discussion Due to the skin effect, eddy currents mainly flow near the surface of the test specimen. Therefore, the static magnetic field near the surface of the specimen interacts with the eddy currents to generate electromagnetic forces. In addition, since this type of EMAT generates transverse waves mainly generated by the vertical static magnetic field, only the distribution of the static magnetic field in the vertical direction was considered here.

図11(a)~(d)は、アルミニウム試験体表面の直上に置かれたコア磁石単体によってもたらされる垂直磁束密度分布を示している。コア磁石単体のリフトオフが大きくなるにつれて垂直磁束密度分布を示す隣接した2つの磁極に対応する半月状の部分の色が薄くなり、垂直磁束密度が下がっていることを示している。更に、コア磁石単体の縁部と2つの磁極の境界付近で垂直磁束密度が急速に低下している。前者は、磁力線が縁部で発散(diverge)して水平磁束密度が高くなり、これに伴い垂直磁束密度が低下するからである。そして、上記半月状の部分の色の変化からコア磁石単体の、試験体からの距離が大きいほど、垂直磁束密度が低下するだけでなく、垂直磁場密度分布が不均一になっていることが分かる。これが、従来のEMATの永久磁石配置構成が大型化する理由の1つである。 Figures 11(a)-(d) show the vertical magnetic flux density distribution produced by a single core magnet placed directly above the surface of the aluminum specimen. As the lift-off of the single core magnet increases, the color of the half-moon-shaped parts corresponding to two adjacent magnetic poles showing the vertical magnetic flux density distribution becomes lighter, indicating that the vertical magnetic flux density is decreasing. Furthermore, the vertical magnetic flux density rapidly decreases near the edge of the single core magnet and the boundary between the two magnetic poles. The former is because the lines of magnetic force diverge at the edges, increasing the horizontal magnetic flux density and decreasing the vertical magnetic flux density accordingly. From the change in color of the half-moon-shaped part mentioned above, it can be seen that as the distance from the test specimen to the core magnet increases, not only does the vertical magnetic flux density decrease, but also the vertical magnetic field density distribution becomes non-uniform. . This is one of the reasons why the permanent magnet arrangement of conventional EMATs is large.

図12は、アルミニウム試験体の表面直上に置かれた本発明の複合磁石(図1)から生じる垂直磁束密度分布を示している。図11と比較して、水平磁極分布を伴うリング磁石の下では、垂直磁束密度が三日月型に分布している。これは2つの永久磁石(コア磁石とリング磁石)の相互作用により起こる。即ち、コア磁石のコイル側のN極から出た磁力線はリング磁石により水平方向に発散が抑制され、発散することなく隣接したコイル側のS極に届くことを示す。更に言えば、この抑制された分が垂直磁束密度を増強することになる。なお、コイルは複合磁石のコア磁石の下だけに設置されているので、リング磁石の下の磁場分布は超音波の強度や分布に影響は与えない。上記コア磁石単体の場合と比較して、離間距離が同じであれば、この構成によりコア磁石の下の垂直磁束密度が高くなっていることが分かる。 FIG. 12 shows the vertical magnetic flux density distribution resulting from a composite magnet of the invention (FIG. 1) placed just above the surface of an aluminum specimen. Compared with FIG. 11, under the ring magnet with horizontal magnetic pole distribution, the vertical magnetic flux density is distributed in a crescent shape. This occurs due to the interaction of two permanent magnets (core magnet and ring magnet). That is, the lines of magnetic force coming out of the N pole on the coil side of the core magnet are suppressed from divergence in the horizontal direction by the ring magnet, and reach the S pole on the adjacent coil side without divergence. Furthermore, this suppressed amount increases the vertical magnetic flux density. Note that since the coil is installed only under the core magnet of the composite magnet, the magnetic field distribution under the ring magnet does not affect the intensity or distribution of the ultrasonic waves. It can be seen that this configuration increases the vertical magnetic flux density under the core magnet, as long as the separation distance is the same, compared to the case of the core magnet alone.

図13は、アルミニウム試験体表面における、コア磁石とリング磁石の複合磁石、及びコア磁石単体の試験体からの離間距離に対する最大垂直磁束密度を示している。縦軸は最大垂直磁束密度、横軸は離間距離を示す。
これによると、コア磁石単体は、離間距離が大きくなるにつれ最大垂直磁束密度は急速に低下した。これが従来のEMATの永久磁石配置構成が大型化するもう1つの理由である。
複合磁石によると、同じ離間距離であれば、コア磁石単体に比べて最大垂直磁束密度を大きく向上させることができる。磁石の離間距離(リフトオフ)が同じであれば、本発明の複合磁石により最大磁束密度を約20%向上させることができた。しかしながら、離間距離の増大に伴って最大垂直磁束密度が急速に低下するという傾向を変えることはできないことが分かる。
FIG. 13 shows the maximum perpendicular magnetic flux density on the surface of the aluminum test piece with respect to the distance from the test piece for a composite magnet of a core magnet and a ring magnet, and for a single core magnet. The vertical axis shows the maximum vertical magnetic flux density, and the horizontal axis shows the separation distance.
According to this, the maximum perpendicular magnetic flux density of the single core magnet decreased rapidly as the separation distance increased. This is another reason why the permanent magnet arrangement of conventional EMATs is large.
According to a composite magnet, the maximum perpendicular magnetic flux density can be greatly improved compared to a single core magnet at the same separation distance. If the separation distance (lift-off) of the magnets was the same, the composite magnet of the present invention was able to increase the maximum magnetic flux density by about 20%. However, it can be seen that the tendency that the maximum perpendicular magnetic flux density decreases rapidly with increasing separation distance cannot be changed.

図14、及び図15は、低炭素鋼試験体表面直上のコア磁石単体の場合と本発明の複合の場合の垂直磁束密度分布を示している。図16は、本発明の複合磁石とコア磁石単体による離間距離に対する最大垂直磁束密度の変化を示している。低炭素鋼試験体における離間距離に対する垂直磁束密度の変化は、アルミニウム試験体の場合と似ている。しかしながら、強磁性体における分布に関しては、低炭素鋼の垂直磁束密度が明らかにより強いことが分かる。 FIGS. 14 and 15 show the vertical magnetic flux density distribution just above the surface of the low carbon steel specimen in the case of a single core magnet and in the case of a composite according to the present invention. FIG. 16 shows the change in maximum perpendicular magnetic flux density with respect to the separation distance between the composite magnet of the present invention and a single core magnet. The variation of vertical magnetic flux density with separation distance in low carbon steel specimens is similar to that for aluminum specimens. However, regarding the distribution in ferromagnets, it can be seen that the vertical magnetic flux density of low carbon steel is clearly stronger.

大型磁石配置構成を有する従来のEMATでは、磁石の離間距離が大きくてもEMATの超音波生成、検出効果に与える影響は小さいが、本発明のような小型磁石配置構成に対してそれは当てはまらない。すなわち、大型磁石配置構成を有する従来のEMATと違って、小型化した本発明のようなEMATでは、磁石の離間距離が試験体における磁場力の分布に非常に重要な影響を与え、これがEMATの信号の送受信に直接影響を与える。 In a conventional EMAT having a large magnet arrangement, even if the distance between the magnets is large, the effect on the ultrasonic generation and detection effect of the EMAT is small, but this is not the case for a small magnet arrangement such as the present invention. That is, unlike the conventional EMAT with a large magnet arrangement, in the miniaturized EMAT of the present invention, the separation distance of the magnets has a very important effect on the distribution of magnetic field force in the test specimen, and this Directly affects the transmission and reception of signals.

小型化EMATの磁石配置構成では、試験体が非磁性材料であろうと磁性材料であろうと、離間距離の増大と共に、最大垂直磁束密度は急速に低下し、垂直磁場の分布が不均一になる。これは小型化EMATが離間距離の大きい条件下での使用には向いていないことを意味している。本発明の複合磁石は、同じ離間距離において、その最大垂直磁束密度を大きく高め、磁場の均一性を向上させることができる。つまり、小型化EMATの応用分野において、本発明の複合磁石により超音波信号を増大させ、リフトオフ特性を向上させ得ることを示している。
なお、上記の作用効果は、実施例2以下においても得ることができると考えられる。
In the magnet arrangement of miniaturized EMATs, whether the test object is a non-magnetic material or a magnetic material, with increasing separation distance, the maximum vertical magnetic flux density decreases rapidly and the distribution of the vertical magnetic field becomes non-uniform. This means that the miniaturized EMAT is not suitable for use under conditions where the separation distance is large. The composite magnet of the present invention can greatly increase its maximum perpendicular magnetic flux density and improve the uniformity of the magnetic field at the same separation distance. In other words, this shows that in the field of application of miniaturized EMATs, the composite magnet of the present invention can increase ultrasonic signals and improve lift-off characteristics.
In addition, it is thought that the above-mentioned effect can be obtained also in Example 2 and subsequent examples.

以上から本発明の磁石配置構成を採用することで、EMATの小型化を達成することができた。 From the above, by adopting the magnet arrangement of the present invention, it was possible to achieve miniaturization of the EMAT.

1:電磁超音波探触子(EMAT)、2:コイル、2a:直線部分、2b:円弧状の部分、3:コア磁石、3R・3L:半円ブロック状磁石、3a・3b・3c・3d:磁区、3m:検査面(コイル)側の面、4:リング磁石、4R・4L(4F・4B):対向磁石、4m:検査面(コイル)側の面、4a・4b・4c・4d(4e~4h/4i~4l):磁区、10:試験体、11:検査面、15:欠陥、B:(バイアス)磁場、K:磁壁、U:渦電流
1: Electromagnetic ultrasound probe (EMAT), 2: Coil, 2a: Straight section, 2b: Arc-shaped section, 3: Core magnet, 3R/3L: Semicircular block magnet, 3a/3b/3c/3d : Magnetic domain, 3m: Surface on the inspection surface (coil) side, 4: Ring magnet, 4R/4L (4F/4B): Opposing magnet, 4m: Surface on the inspection surface (coil) side, 4a, 4b, 4c, 4d ( 4e to 4h/4i to 4l): magnetic domain, 10: test object, 11: inspection surface, 15: defect, B: (bias) magnetic field, K: domain wall, U: eddy current

Claims (1)

試験体の検査面に沿って配置され、前記試験体に渦電流を発生させるコイルと、
前記コイルを介して前記検査面の直上に設けられ、前記渦電流が発生する領域に静磁場を印加させるコア磁石と、
前記コア磁石を取り囲むように配置され、前記コア磁石の、前記検査面側の面のバイアス静磁場を増強するリング磁石とを含み、
前記渦電流及び前記静磁場の相互作用で発生する電磁力により超音波を前記試験体中に送信するとともに、前記試験体の欠陥により反射された超音波を受信する電磁超音波探触子において、
前記コイルは、渦巻き状の導線にて形成され、コア磁石3の大きさに一致した円形コイルで
前記コア磁石は円形ブロック状で、上下左右の4つの磁区において、互いに隣接する磁区が異極に着磁されており、
前記リング磁石は、前記コア磁石が嵌め込まれたリング状で、径方向の内周面二極着磁により内外左右の4つの磁区において、互いに隣接する磁区が異極に着磁されており、
前記コア磁石の、コイル側の磁区の極性と、前記リング磁石の内側の磁区の極性が同極となるように配置され、コア磁石の磁壁とリング磁石の磁壁とが一致するように配設されていることを特徴とする電磁超音波探触子。
a coil arranged along the inspection surface of the test object and generating an eddy current in the test object;
a core magnet that is provided directly above the inspection surface via the coil and applies a static magnetic field to a region where the eddy current is generated;
a ring magnet arranged to surround the core magnet and enhance a bias static magnetic field of a surface of the core magnet on the inspection surface side;
An electromagnetic ultrasonic probe that transmits ultrasonic waves into the test object by electromagnetic force generated by the interaction of the eddy current and the static magnetic field, and receives ultrasonic waves reflected by defects in the test object,
The coil is a circular coil formed of a spiral conductive wire and matching the size of the core magnet 3 ,
The core magnet has a circular block shape , and in the four magnetic domains on the top, bottom, left and right, adjacent magnetic domains are magnetized with different polarities,
The ring magnet has a ring shape in which the core magnet is fitted, and has four magnetic domains on the inner, outer, left and right sides of the ring magnet, and adjacent magnetic domains are magnetized with different polarities by bipolar magnetization on the inner peripheral surface in the radial direction.
The core magnet is arranged so that the polarity of the magnetic domain on the coil side and the polarity of the magnetic domain inside the ring magnet are the same , and the domain wall of the core magnet and the domain wall of the ring magnet are arranged so that they match. An electromagnetic ultrasonic probe characterized by:
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