JPH0257267B2

JPH0257267B2 -

Info

Publication number: JPH0257267B2
Application number: JP59065180A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shimizu; Michio Sato
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-04-03
Filing date: 1984-04-03
Publication date: 1990-12-04
Also published as: JPS60227163A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、金属材料特に連続鋳造工程等での熱
間素材の探傷に用いて有用な横波用電磁超音波探
傷用トランスジユーサに関する。

従来の横波用電磁超音波トランスジユーサとし
て第１図に示すような構成のものがある。第１図
は円筒状の鉄心１１とそのまわりに施した励磁コ
イル１２により電磁石を形成し、この電磁石の下
端面に送信コイル１３および受信コイル１４とし
て渦巻状のスパイラルコイルを配置する構成のも
のである。次に第１図にもとづいて原理を説明す
る。

励磁コイル１２に直流電流を流すと被検体表面
１５には、これを垂直方向にバイアス磁界が印加
される。次に送信コイル１３に高周波電流を流す
と被検体表面１５には、スパイラルコイルとほぼ
同形の円形分布を有する高周波渦電流が誘導され
る。この誘導渦電流と被検体表面に垂直となるバ
イアス磁界との相互作用により被検体表面１５に
はローレンツ力１６が発生し横波の超音波が励振
される。しかるに、第１図の構造においては、送
信コイル１３が円形であるため被検体表面１５に
働くローレンツ力１６は径方向を向き、その分布
は円形であり、このため励振される超音波は放射
状の振動変位を有する横波となつている。

ところで、従来の圧電トランスジユーサを用い
た超音波探傷法では偏波面の揃つた横波が用いら
れており、第１図の場合のような放射状の偏波面
をもつ横波を超音波探傷に適用することには多く
の問題がある。さらに、電磁石の下に送受信コイ
ルを設けるため、それだけ電磁石と被検体との間
の距離が大きくなり、このためバイアス磁界の減
少を招き送受波感度が劣化することが考えられ
る。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたもの
で、一定方向の偏波面をもつ純粋な平面波に近い
横波を励振し、かつ送受信コイルを被検体近傍に
設けない構造のトランスジユーサを提供すること
を目的としている。

第２図は本発明の横波用電磁超音波トランスジ
ユーサーの実施例である。

本発明の横波用電磁超音波トランスジユーサー
は、Ｅ形高周波磁心を有している。

ここでＥ形高周波磁心２１について述べる。

磁心には、電磁石の鉄心や永久磁石等によりバ
イアス磁界を発生させるだけのバイアス磁界発生
用磁心の他に、高周波磁心がある。

Ｅ形高周波磁心２１は、Ｉ字形のバイアス磁界
発生用磁心及びＵ字形の高周波磁心から構成され
ている。

Ｉ字形のバイアス磁界発生用磁心には、バイア
ス磁界発生用励磁コイル２２が巻かれていて、励
磁コイル２２に電圧を印加することにより、バイ
アス磁界の磁束２３が発生する。

Ｕ字形の高周波磁心には、送・受信コイル２５
が巻かれている。送・受信コイル２５に高周波交
流電圧を印加することにより発生される高周波の
磁束２６をＵ字形の高周波磁心の内部に環流さ
せ、被検体２４があると、その表面に平行に磁束
２６を形成させて、紙面から手前方向にその表面
に誘導渦電流２７を誘起させる。

これにより、誘導渦電流２７とバイアス磁界２
３の磁束とが直交するため、これらの相互作用に
よりローレンツ力２８，２９が発生することによ
り、横波超音波を発生させるものである。

尚、Ｅ形高周波磁心２１は、非導電性のフエラ
イト磁性体あるいは金属性材料の薄板を積層して
構成されている。

以下本発明の原理を第２図により説明する。

図において、Ｅ形高周波磁心２１の中央の脚に
巻装したバイアス磁界発生用励磁コイル２２に直
流の電流を流すと磁心２１には直流の磁束２３が
発生し、被検体２４の表面にはこれと垂直となる
ような磁界が印加される。次に送信コイル２５は
コイル電流の作る磁束が磁心の外側の両脚を環流
するような極性の接続とし、これに高周波電流を
流すと磁心２１には図の破線で示した高周波磁束
２６が発生するが、この磁束２６は被検体２４に
入り得ないため、被検体表面には境界条件を満足
するように誘導渦電流２７が流れる。この結果Ｅ
形磁心２１の中央の脚の直下の部分において、バ
イアス磁界２３と誘導渦電流２７の相互作用によ
り被検体表面に平行な方向にほぼ一様な分布をも
つローレンツ力２８が発生し、平面波の横波が励
振されることになる。しかし第２図の構成ではロ
ーレンツ力２８と同時に、不要な応答の原因とな
ると考えられる被検体表面に対して垂直で斜対称
の分布を有するローレンツ力２９が発生する。こ
の問題を解消する方法として本発明の他の実施例
を第３図に示す。

第３図において、原理は第２図の場合とほぼ同
様であるが、Ｅ形磁心３１の中央の脚に第２図の
励磁コイル２２と同様な励磁コイル３２を巻装
し、この励磁コイル３２により被検体表面２４に
垂直となるようなバイアス磁界２３を供給する。
さらに、Ｅ形磁心とほぼ直角に立体的に交差する
ように配置したＵ形の高周波磁心３３の両脚に送
信コイル３４を巻装し、これに高周波電流を流
し、被検体表面に渦電流２７を誘導する。このバ
イアス磁界２３と誘導渦電流２７により被検体表
面に平行な方向に一様な分布をもつローレンツ力
２８が発生し平面波の横波が励振されることにな
る。第３図の構造は、第２図の構造と異なり探傷
の際に不要な応答の原因と考えられる。縦波２９
は殆ど励振されないと考えられる。

以上、送波動作について説明したが、変換の可
逆性から横波の受波も可能であることは言うまで
もない。

本発明の第２図、第３図のような高周波磁心を
用いた横波用電磁超音波トランスジユーサは、送
信コイルにより発生する高周波磁束が高周波磁心
を環流するため送・受信コイルを高周波磁心の任
意の場所に設けてよいから従来の方式のように送
受信コイルを必ずしも被検体表面近傍に設ける必
要がなく、その分トランスジユーサ・被検体間距
離を大きくとつて検査することができる。さら
に、脚間隔の大きいＵ形あるいはＥ形磁心を用い
るとそれだけバイアス磁界および高周波磁界を長
い距離にわたつて与えることができるのでますま
すトランスジユーサ・被検体間距離を大きくとつ
て検査をすることができるようになる。

以下、本発明の第２図の一実施例について第４
図を参照して説明する。

第４図は、Ｕ形の高周波磁心４１の腹部中央に
Ｉ形の磁心４２を接着してＥ形の磁心を形成した
ものである。Ｕ形磁心４１の両脚を被検体の対峙
面４３ａ，４３ｂを除いて、絶縁層４４ａ，４４
ｂで被覆し、その外側を例えば0.2mm厚の銅板で
作られたシールド板４５ａ，４５ｂで覆つてい
る。更に、シールド板４５ａ，４５ｂの外側に再
度絶縁層４６ａ，４６ｂを施し、この外側に送信
コイル４７ａ，４７ｂを巻装する。シールド板４
５ａ，４５ｂは、Ｕ形磁心４１を取り巻く短絡路
を形成することのないよう部分的に切断、絶縁さ
れている。

送信コイル４７ａ，４７ｂの接続は、コイル電
流によつて生ずる高周波磁束がＵ形磁心４１を環
流するように接続される。なお送信コイル４７
ａ，４７ｂの巻数は例えばそれぞれ12回巻きと
し、必要により２層以上をもつて巻装するもので
ある。中央のＩ形磁心４２には、絶縁層４８を施
した後、バイアス磁界発生のための励磁コイル４
９を巻装する。励磁コイル４９の巻数は例えば20
回巻きとし、必要に応じて、それ以上の巻数ある
いは２層以上をもつて巻装する。

第４図において、Ｅ形磁心を構成する方法とし
て必ずしもＵ形磁心とＩ形磁心による組合せのみ
ではなくＵ形磁心を２個用いてＥ形を形成しても
良く、高周波磁心の材料として周波数の高い（数
10kHz以上の）帯域で渦電流損失の少ない磁性材
料であれば良い。また、Ｉ形磁心に巻装した励磁
コイルは単に被検体表面に垂直となるバイアス磁
界を発生させるためのものであり、この部分を高
周波磁束は通過しないため、Ｉ形磁心の材料は必
ずしも高周波磁心を用いる必要はなく、通常の鉄
心でも良い。さらに、Ｉ形磁心の代わりに永久磁
石を用いて、励磁コイルと励磁電流を省く方法も
考えられる。ところでシールド板４５ａ，４５ｂ
は送信コイル４７ａ，４７ｂによりＵ形磁心４１
に発生する高周波磁束のもれを減少させることを
意図したものであり、シールド板４５ａ，４５ｂ
の有無や形状によりトランスジユーサの動作原理
に変わりはない。さらに第４図と同一の構造で超
音波を受信することも可能であり、送信コイル４
７ａ，４７ｂは受信コイルとして兼用することも
できるが、別に送信コイルおよび受信コイルを
別々に設ける構造も考えられる。したがつて上記
の各事項の変更は、本発明の範囲を越えるもので
はない。これらのことは、第３図を実施する場合
も同様である。

次に以上のような横波用電磁超音波トランスジ
ユーサの特性を測定するための実験装置のブロツ
クダイヤグラムを第５図に示し、これについて説
明する。この場合の被検体５１としてアルミニウ
ムブロツクまたは鉄ブロツクを用いた。

送信用トランスジユーサ５２として、第４図の
ものを使用し、かつこのトランスジユーサ５２の
高周波磁心には50μｍ厚硅素鋼板巻鉄心を切断し
たものを用いた。受信用トランスジユーサ５３と
して、第６図に示した従来の周期構造マグネツト
を用いた横波用電磁超音波トランスジユーサを用
いた。

第５図において、５４はトリガパルス発生器、
５５はパルス遅延回路、５６は第７図のような構
成を有するバイアス用瞬間大電流発生回路であ
り、同回路５６は、直流電源６１によつて充電せ
られたコンデンサの電荷をトリガパルス発生器５
４のトリガパルスでSCRをオンとすることによ
り、共振放電させて低周波大電流を励磁コイル４
９に供給するものである。

５７は、第７図のような構成を有する送信回路
であり、同回路５７は高圧直流電源８１によつて
充電せられたコンデンサの電荷を遅延パルス発生
器のトリガパルスで放電スイツチをオンとするこ
とにより共振放電させて、高周波大電流を送信コ
イル４７ａ，４７ｂに供給するものである。送信
用トランスジユーサ５２の駆動は、励磁コイル４
９への放電々流がほぼ最大になつたとき、超音波
を発生するようにパルス遅延回路５５でトリガパ
ルスを遅延させた後、送信回路に加えている。

一方、被検体内を伝搬した超音波は受信用トラ
ンスジユーサに受信され受信用トランスジユーサ
５３の出力は例えば入力インピーダンスが50Ω、
利得が40dBの広帯域増幅器を使用し、その波形
を例えばオシロスコープで観測する。また５８は
受信用トランスジユーサと被検体との間の厚さが
例えば0.85mmのスペーサである。

以上のような実験用ブロツクダイヤグラムに基
づいて得られた特性図を第８図および第９図に示
す。まず第８図は、送信感度とバイアス磁界発生
用励磁コイル４９の電流の大きさの関係を示す特
性図である。但し、この実験例では、送信用トラ
ンスジユーサの空隙長５９を40μｍとし送信用高
圧直流電源８１の電圧を16KVとした。特性図か
ら検討するに鉄ブロツクを被検体に用いた場合の
ほうがアルミニウムブロツクの場合よりも大きな
送波感度が得られているが、これは、鉄の場合に
はアルミニウムの場合に比べて、透磁率が大きい
ためバイアス磁界を供給するための磁気回路の磁
気抵抗が減つてバイアス磁界が大きくなつたため
と考えられる。

次に第９図は、送信感度と送信用トランスジユ
ーサの空隙長５９との関係を示す図である。この
実験例では、バイアス磁界発生用励磁コイル４９
の電流の大きさを500A、送信用高圧直流電源８
１の電圧を16kVとした。第８図と同様に、鉄ブ
ロツクを被検体とした場合のほうが、アルミニウ
ムブロツクの場合より大きな送信感度が得られて
いるが、次第に空隙長５９を大きくしていつた場
合、送信感度の減少の割合はアルミニウムブロツ
クの場合のほうが鉄ブロツクの場合に比べ小さく
なつている。しかし、５mm以上のトランスジユー
サ・被検体間距離でも被検体が鉄ブロツク、アル
ムニウムの両者の場合とも十分な感度で超音波が
送信されていることがわかる。

本願は誘導渦電流に働くローレンツ力を利用し
ているので非接触トランスジユーサとして可能と
なり、圧電トランスジユーサの場合のようにトラ
ンスジユーサと被検体との間の結合媒質は不要で
ある。この結果、表面に凹凸のある材料や、表面
を塗料で被つた材料、さらには高温の物体、ある
いは高速で移動する物体の検査、特にそれら被検
体のクラツクや内部欠陥をチエツクするセンサー
として可能である。

そして、本願は横波の電磁超音波を利用してい
るために、被検体を磁性体としてもその感度が損
うことなく測定できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のスパイラルコイルを用いて構
成した横波用電磁超音波トランスジユーサの原理
図、第２図は本発明のＥ形高周波磁心を用いた横
波用電磁超音波トランスジユーサの原理図、第３
図はＥ形とＵ形の高周波磁心を互いに直交させた
構造を有する横波用電磁超音波トランスジユーサ
の原理図、第４図はＥ形高周波磁心を用いた横波
用電磁超音波トランスジユーサの実施例を示す
図、第５図は、特性測定のための実験のブロツク
ダイヤグラム、また、第６図、第７図はそれぞれ
バイアス磁界発生用瞬間大電流発生回路および送
信回路、第８図は、送信感度と励磁電流の関係を
示す特性図、第９図は送信感度をトランスジユー
サ・被検体間距離の関係を示す特性図である。

Claims

【特許請求の範囲】１電磁石または永久磁石により構成され、金属
披検体の表面にほぼ垂直にバイアス磁界を与え、
且つ該金属披検体のバイアスされた領域において
主成分が上記金属披検体の表面に平行な高周波磁
界を与えるように高周波磁心の開磁路端部を上記
バイアス磁界領域を挾むように配置すると共に、
該高周波磁心に上記高周波磁界発生用の送・受信
コイルを巻装して構成し、上記高周波磁界の方向
の振動変位をもつ横波超音波を発生させ、それに
よる上記送・受信コイルにおける電圧変化によ
り、上記金属披検体を検出することを特徴とする
電磁超音波トランスジユーサ。２前記第１項の横波用電磁超音波トランスジユ
ーサにおいて、Ｅ形の形状を有する高周波磁心、
またはＵ形の高周波磁心の中央にＩ形の鉄心を付
してＥ形の形状にした磁心を用い、該磁心の中央
の脚にはバイアス発生用の励磁コイルを巻装し、
外側の両脚には上記送・受信コイルを巻装し、上
記高周波磁束が外側の両脚を通つて環流するよう
に両脚の上記送・受信コイルを接続して構成した
ことを特徴とする横波用電磁超音波トランスジユ
ーサ。３前記第１項の横波用電磁超音波トランスジユ
ーサにおいて、中央脚の直下に垂直なバイアス磁
界を発生するように励磁コイルを巻装したＥ形の
上記磁心と、上記送・受信コイルを巻装したＵ形
の上記高周波磁心とを、Ｕ形の両方の脚がＥ形の
中央部を挾んで立体的に交差するように配置した
ことを特徴とする横波用電磁超音波トランスジユ
ーサ。４上記第２項あるいは第３項の横波用電磁超音
波トランスジユーサにおいて、Ｅ形の上記磁心の
一部を永久磁石にすることにより、上記励磁コイ
ルを省き、励磁電流を不要としたことを特徴とす
る横波用電磁超音波トランスジユーサ。