JPH06138098A - 電磁超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電磁超音波トランスデューサを用いて金属の
材質測定などを行う際に複数モードの超音波に関する情
報をモード別に分離して得ること。 【構成】 マグネットと発信・受信プローブコイルを有
する電磁超音波トランスデューサにおいて、ドーナツ状
の縦波専用プローブコイル及び／又は円盤状の横波専用
プローブコイルを配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マグネットと発信・受
信プローブコイルを有する電磁超音波トランスデューサ
に関するもので、非破壊・非接触にて金属の欠陥検出、
厚さ・音速・厚み共振周波数・応力・材質等の測定、な
らびに金属薄板の深絞り成形性の測定等を行うのに適し
た電磁超音波トランスデューサに係る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電磁超音波トランスデューサは
一対のマグネットと発信・受信プローブコイルから成り
立っており、マグネットによって被測定金属中に作られ
る静止磁界と、プローブコイルによって被測定金属表層
に作られる渦電流の相互作用により、被測定金属中に超
音波を発生させ、また、逆の物理現象により被測定金属
中の超音波を検出するものである。そしてトランスデュ
ーサを構成するマグネットやプローブコイルの形式によ
って、体積波・板波・表面波など様々なモードの超音波
を発生・検出でき、金属に対する欠陥検出や、音速測
定、厚み測定、共振周波数測定、材質測定、応力測定な
どの目的で使用されている。電磁超音波トランスデュー
サの使用周波数はおよそ数１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ
で、パルス状の超音波を使うもの、連続波を使うものな
どがあり、また、発信専用に用いられるもの、受信専用
として用いられるもの、発信・受信とも行うものがあ
る。

【０００３】上述のように従来、電磁超音波トランスデ
ューサを構成するマグネットとプローブコイルは一対と
なっており、得られる信号は一種類のモードの超音波
か、または複数のモードの超音波が合成されたものであ
った。そこで、複数のモードの超音波を利用して測定を
行う場合、例えば、板状の金属に対し、その内部に板の
厚み方向に伝播する様々な周波数の縦波モードと横波モ
ードの超音波を連続波として発生・検出させ、その応答
を調べて、被測定金属板の深絞り加工性評価などに用い
るような場合は、１個の縦波・横波兼用プローブコイル
から、縦波と横波の両方が複合された情報を得て、その
後、それぞれの超音波に関する信号を識別して利用して
いた。（特開平０２−２１０２５８号公報）

【０００４】このような場合に利用されている測定系を
図１に示す。電磁超音波トランスデューサ１のマグネッ
トとしては一般に円筒状で一対のＮ極・Ｓ極を持つも
の、あるいは図１に示しているような、円筒状のマグネ
ットと中空の円筒金属とを組み合わせた構造を持つもの
が用いられる。このような形状のマグネットによって被
測定金属２中に作られる磁界は、図２に示すように、中
心軸の延長線付近ではほとんどが軸方向成分のものであ
り、外側にいくにつれ径方向成分が増えるようになって
いる。

【０００５】一方、発信・受信プローブコイルとして
は、図３に示すような縦波・横波兼用のプローブコイル
５が用いられる。これは絶縁性被覆を持つ電線を円形渦
巻き状に中心部から数周から数１０周巻いたもの、また
はプリント基盤上に同様の渦巻状のパターンを作成した
もので、その外径を、電磁超音波トランスデューサに用
いているマグネット３の径とおおよそ等しいかそれ以上
にしたものである。このような円形のプローブコイルに
よって、被測定金属中にはプローブコイル形状に応じ、
それと近い形に渦電流が発生するが、上述のような磁界
が発生しているとき、磁界の方向との関係により中心付
近では横波が発生し、また中心から離れて外側の所では
縦波が発生しやすい。このようなメカニズムによって、
上述のようなプローブコイル５では横波と縦波を同時に
発生させている。受信の場合も同様に磁界の方向との関
係により中心付近では横波を検出し、また中心から離れ
て外側の所では縦波を検出して、縦波・横波を同時に受
信している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
一対のマグネットとプローブコイルを有する電磁超音波
トランスデューサにおいては、１個のプローブコイルで
縦波・横波など複数の種類の波を発生させ、あるいは検
出していたため、受信時に得られる信号は縦波による信
号と横波による信号など複数の種類の波の情報が含まれ
たものになっていた。そのため、各々の波の情報を別個
に利用しようとする場合、受信して得られた波の情報か
ら、波の種類を見分けて各々の波の情報を抽出する信号
処理が必要であった。この信号処理は、各種の波の音速
が被測定金属によってその大小関係が変わったりするた
め、さらには、その音速がほぼ一致することもあるた
め、複雑な処理になるだけでなく、場合によっては、あ
る種の波に関する情報が他の波の情報に隠されて得られ
ないことがあった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、マグネットと発信・受信プローブコイ
ルを有する電磁超音波トランスデューサにおいて、ドー
ナツ状の縦波専用プローブコイルを配置したことを特徴
とする電磁超音波トランスデューサであり、また、この
ドーナツ状の縦波専用プローブコイルの内径がマグネッ
トの先端軸径の０．８倍から２倍であることを特徴とす
る電磁超音波トランスデューサであり、また、マグネッ
トと発信・受信プローブコイルを有する電磁超音波トラ
ンスデューサにおいて、円盤状の横波専用プローブコイ
ルを配置したことを特徴とする電磁超音波トランスデュ
ーサであり、また、この円盤状の横波専用プローブコイ
ルの外径がマグネットの先端軸径の０．８倍以下である
ことを特徴とする電磁超音波トランスデューサであり、
また、マグネットと発信・受信プローブコイルを有する
電磁超音波トランスデューサにおいて、ドーナツ状の縦
波専用プローブコイルと、円盤状の横波専用プローブコ
イルを、併せて配置したことを特徴とする電磁超音波ト
ランスデューサであり、また、マグネットと発信・受信
プローブコイルを有する電磁超音波トランスデューサに
おいて、ドーナツ状の縦波専用プローブコイルと、円盤
状の縦波・横波兼用プローブコイルを、併せて配置した
ことを特徴とする電磁超音波トランスデューサである。

【０００８】

【作用】縦波専用プローブコイル６は、図４に示すよう
に、その内径を、電磁超音波トランスデューサのマグネ
ット３の先端軸径とほぼ等しいかそれ以上としたもの、
例えばその内径をマグネット先端軸径の０．８倍から２
倍とし、数周から数１０周ドーナツ状に巻いたコイルで
ある。このときは磁界の向きがほとんど径方向成分の場
所に渦電流を発生させることになるため、縦波のみを発
生させることができる。受信も同様に縦波のみを受信で
きる。

【０００９】また、横波専用プローブコイル７は、図５
に示すように、中心部から数周から数１０周、円形渦巻
き状に巻かれたコイルで、その外径が該マグネットの径
より小さくしたもの、例えばその外径をマグネット先端
軸径の０．８倍以下にしたものである。このときは磁界
の向きがほとんど軸方向成分の場所に渦電流を発生させ
ることになるため、横波のみを発生させることができ
る。受信も同様に横波のみを受信できる。

【００１０】さらに、このような種類の異なる複数のコ
イルを同時に１つのトランスデューサに配置することに
より、縦波、横波など、異なった種類の波を個別に発信
・受信できることになり、各種の波の情報を正しく得ら
れるようになり、また、波の種類の識別をするための信
号処理もほとんど不要になる。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。以下の実施例は図１における測定系において、電
磁超音波トランスデューサの発信・受信プローブコイル
４を各種のプローブコイルに交換して測定したものであ
る。

【００１２】まず、従来技術での測定例として、図３に
示したような縦波・横波兼用プローブコイル５を用いて
行った測定結果を示す。円筒形マグネット３の先端軸径
は１０mmで、その先端にほぼ接するように縦波・横波兼
用プローブコイル５が単独で取り付けられている。ここ
で用いた縦波・横波兼用プローブコイル５は、絶縁性被
覆を持つ電線を円形渦巻き状に巻いたものであり、中心
部から１０ターン巻いて外径１０mmとしたもの、すなわ
ち図３においてａ＝ｂ＝１０mmとしたものである。この
従来技術の縦波・横波兼用プローブコイル５を取り付け
た電磁超音波トランスデューサを用いて、図１に示すよ
うな測定系にて、厚さ１mmの冷延鋼板に対する測定を行
った。測定周波数は５〜７ＭＨｚで、この周波数域で各
周波数の連続波を発生させ、その応答を超音波スペクト
ラムとして測定した。また、トランスデューサと冷延鋼
板のギャップは２mmとした。測定結果を図６に示す。こ
のトランスデューサを用いると、測定対象である冷延鋼
板の異方性により、縦波と、互いにほぼ垂直方向に偏波
する２種の横波が同時に発生するが、各々の超音波の音
速の違いにより、超音波スペクトラム上ではそれぞれの
波に対応する合計３つの共振ピークが観測されている。

【００１３】次に、本発明による、図４に示すような縦
波専用プローブコイル６を備えた電磁超音波トランスデ
ューサを用いて行った測定結果を示す。ここで用いた縦
波専用プローブコイル６は、絶縁性被覆を持つ電線を、
巻き数１０ターンで内径１０mm、外径２０mmの円形ドー
ナツ状になるように巻いたもの、すなわち図４において
ａ＝ｃ＝１０mm、ｄ＝２０mmとしたものである。該縦波
専用プローブコイル６を利用して、上記従来技術のトラ
ンスデューサによるものと同様に、厚さ１mmの冷延鋼板
に対する測定を同一測定条件にて行った。測定結果を図
７に示す。ここでは縦波による１つの共振ピーク８のみ
が強く検出されている。

【００１４】次に、本発明による、図５に示すような横
波専用プローブコイル７を備えた電磁超音波トランスデ
ューサを用いて行った測定結果を示す。ここで用いた横
波専用プローブコイル７は、絶縁性被覆を持つ電線を中
心部から５ターン巻いて外径５mmの円盤状にしたもの、
すなわち図５においてａ＝１０mm、ｅ＝５mmとしたもの
である。該横波専用プローブコイル７を利用して、上記
従来技術のトランスデューサによるものと同様に、厚さ
１mmの冷延鋼板に対する測定を同一測定条件にて行っ
た。測定結果を図８に示す。ここでは横波による２つの
共振ピーク９のみが強く検出されている。

【００１５】次に、本発明による、図９に示すような縦
波専用プローブコイル６と横波専用プローブコイル７を
同一面上に、かつそれぞれのプローブコイルの中心がマ
グネットの中心軸とほぼ一致するように組み合わせた電
磁超音波トランスデューサを用いて行った測定結果を示
す。ここで用いた縦波専用プローブコイル６は、絶縁性
被覆を持つ電線を、巻き数１０ターンで内径１０mm、外
径２０mmの円形ドーナツ状になるように巻いたものであ
り、横波専用プローブコイル７は、絶縁性被覆を持つ電
線を中心部から５ターン巻いて外径５mmの円盤状にした
ものである。この２つのプローブコイルを有するトラン
スデューサを利用して、上記従来技術のトランスデュー
サによるものと同様に、厚さ１mmの冷延鋼板に対する測
定を同一測定条件にて行った。その結果、縦波専用プロ
ーブコイル６からは図７に示すような信号が、また、横
波専用プローブコイル７からは図８に示すような信号が
得られた。すなわち、縦波専用プローブコイル７では縦
波による共振ピーク８が強く検出され、横波専用プロー
ブコイル８では横波による共振ピーク９が強く検出され
ており、この両者の情報から、縦波と横波に関する情報
を、互いに完全に分離された状態で得ることができる。

【００１６】次に、本発明による、図１０に示すような
縦波専用プローブコイル６と縦波・横波兼用プローブコ
イル５を同一面上に、かつそれぞれのプローブコイルの
中心がマグネットの中心軸とほぼ一致するように組み合
わせた電磁超音波トランスデューサを用いて行った測定
結果を示す。ここで用いた縦波専用プローブコイル６
は、絶縁性被覆を持つ電線を、巻き数１０ターンで内径
１０mm、外径２０mmの円形ドーナツ状になるように巻い
たものであり、縦波・横波兼用プローブコイル５は、絶
縁性被覆を持つ電線を中心部から１０ターン巻いて外径
１０mmの円盤状にしたものである。この２つのプローブ
コイルを有するトランスデューサを利用して、上記従来
技術のトランスデューサによるものと同様に、厚さ１mm
の冷延鋼板に対する測定を同一測定条件にて行った。そ
の結果、縦波専用プローブコイル６からは図７に示すよ
うな信号が、また、縦波・横波兼用プローブコイル５か
らは図６に示すような信号が得られた。すなわち、縦波
専用プローブコイル６では縦波による共振ピーク８が強
く検出され、縦波・横波兼用プローブコイル５では縦波
と２種の横波による３つの共振ピークが強く検出されて
いる。これらから、縦波に関する情報は、図７に現れて
いる共振ピークから単独で得ることができ、一方、横波
に関する情報は、信号処理によって、図６に現れている
３つの共振ピークから図７に現れている縦波による共振
ピークを除けば得ることができる。よってこの場合で
も、必要に応じて、縦波と横波に関する情報を、互いに
区別して得ることができる。

【００１７】なお、１つの電磁超音波トランスデューサ
に複数のプローブコイルを取り付ける際、例えば縦波専
用プローブコイル６と横波専用プローブコイル７とを組
み合わせる場合、あるいは縦波用プローブコイル６と縦
波・横波兼用プローブコイル５とを組み合わせる場合、
内側のプローブコイルと外側の縦波専用プローブコイル
は互いに重なり合っても構わないが、内側のプローブコ
イルの外径を、外側の縦波専用プローブコイルの内径よ
り小さくすれば、２個のコイルを重ねることなく同一面
上に配置できるため、ほぼ同一感度で同一箇所の測定が
できることになり、より好都合である。また、ここでは
プローブコイルを電線を巻いて製作したが、プリント基
盤上に同様の渦巻状のパターンを作って利用してもよ
い。その際は、２種のプローブコイルを１枚のプリント
基盤上に作ることも可能である。

【００１８】また、上記実施例で用いたようなプローブ
コイルは通常、円形であるが、必ずしも真円である必要
はなく、若干短径と長径の差のある楕円、あるいは角の
丸い矩形であってもよい。さらに、被測定金属２は、
鉄、ステンレス、アルミニウム、チタン、銅など、鉄、
非鉄金属を問わず、また、各種合金や表面にメッキや塗
装、錆などの付いたものに対して利用できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によって、マグネットと円形のプ
ローブコイルを有する電磁超音波トランスデューサを使
って非破壊・非接触にて金属の欠陥検出、厚さ・音速・
厚み共振周波数・応力等の測定ならびに、金属薄板の深
絞り成形性の測定等を行う場合に、縦波のみ、あるいは
横波のみを別個に分離して発信・受信できるため、各々
の波の情報を、互いに影響されることなく、互いに区別
して正確に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の電磁超音波トランスデューサを含む
測定系の模式図。

【図２】マグネットにより作られる磁界の説明図。

【図３】従来技術の縦波・横波兼用プローブコイルの正
面図と平面図。

【図４】本発明の縦波専用プローブコイルの正面図と平
面図。

【図５】本発明の横波専用プローブコイルの正面図と平
面図。

【図６】図３の縦波・横波兼用プローブコイルを備えた
従来技術の電磁超音波トランスデューサによる超音波ス
ペクトラム測定例を示す図。

【図７】図４の縦波専用プローブコイルを備えた本発明
に係る電磁超音波トランスデューサによる超音波スペク
トラム測定例を示す図。

【図８】図５の横波専用プローブコイルを備えた本発明
に係る電磁超音波トランスデューサによる超音波スペク
トラム測定例を示す図。

【図９】縦波専用プローブコイルと横波専用プローブコ
イルとを備えた本発明に係る電磁超音波トランスデュー
サの正面図と平面図。

【図１０】縦波専用プローブコイルと縦波・横波兼用プ
ローブコイルとを備えた本発明に係る電磁超音波トラン
スデューサの正面図と平面図。

【符号の説明】

１ 電磁超音波トランスデューサ ２ 被測定金属 ３ マグネット ４ 発信・受信プローブコイル ５ 縦波・横波兼用プローブコイル ６ 縦波専用プローブコイル ７ 横波専用プローブコイル ８ 縦波による共振ピーク ９ 横波による共振ピーク ａ マグネット先端軸径 ｂ 縦波・横波兼用プローブコイルの外径 ｃ ドーナツ状の縦波専用プローブコイルの内径 ｄ ドーナツ状の縦波専用プローブコイルの外径 ｅ 円盤状の横波専用プローブコイルの外径

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マグネットと発信・受信プローブコイル
   を有する電磁超音波トランスデューサにおいて、ドーナ
   ツ状の縦波専用プローブコイルを配置したことを特徴と
   する電磁超音波トランスデューサ。
2. 【請求項２】 ドーナツ状の縦波専用プローブコイルの
   内径がマグネットの先端軸径の０．８倍から２倍である
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁超音波トランスデ
   ューサ。
3. 【請求項３】 マグネットと発信・受信プローブコイル
   を有する電磁超音波トランスデューサにおいて、円盤状
   の横波専用プローブコイルを配置したことを特徴とする
   電磁超音波トランスデューサ。
4. 【請求項４】 円盤状の横波専用プローブコイルの外径
   がマグネットの先端軸径の０．８倍以下であることを特
   徴とする請求項３記載の電磁超音波トランスデューサ。
5. 【請求項５】 マグネットと発信・受信プローブコイル
   を有する電磁超音波トランスデューサにおいて、ドーナ
   ツ状の縦波専用プローブコイルと、円盤状の横波専用プ
   ローブコイルを、併せて配置したことを特徴とする電磁
   超音波トランスデューサ。
6. 【請求項６】 マグネットと発信・受信プローブコイル
   を有する電磁超音波トランスデューサにおいて、ドーナ
   ツ状の縦波専用プローブコイルと、外径がマグネットの
   先端軸径の０．８倍以上であるところの円盤状の縦波・
   横波兼用プローブコイルを、併せて配置したことを特徴
   とする電磁超音波トランスデューサ。