JPH07286995A

JPH07286995A - 電磁超音波発受信法およびその装置

Info

Publication number: JPH07286995A
Application number: JP6081939A
Authority: JP
Inventors: Takao Tawaraguchi; 隆雄俵口; Toshio Akagi; 俊夫赤木; Shohei Hashiguchi; 昇平橋口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-04-20
Filing date: 1994-04-20
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】【目的】金属薄板の板厚方向に伝播する３種の超音波
の共振周波数を測定する電磁超音波発受信において、電
磁超音波発受信装置の構成を簡便にし、かつ安価にする
方法、およびその装置を提供する。【構成】電磁石、または永久磁石と、ドーナツ状の縦
波専用発信・受信コイルおよび、円盤状の横波・縦波兼
用発信・受信コイルから構成される電磁超音波トランス
デューサにおいて、ドーナツ状のコイル、または円盤状
のコイルのどちらか一方に電流を流し、前記双方のコイ
ルにより、電磁超音波を検出することを可能とし、１系
統の発信部、および２系統の受信部の構成により、電磁
超音波を発受信することを可能とし、装置構成を簡便に
し、かつ安価にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電磁石、または永久磁
石と、発信・受信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・非接触にて金属薄板の縦波、横
波それぞれの音速、あるいは厚み共振周波数を測定し、
音速、異方性、ヤング率、あるいは深絞り成形性などの
材質を測定するに用いる電磁超音波発受信法およびその
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電磁超音波法を用いて薄鋼板の板厚方向
に伝播する３種の超音波を発受信する発明は、特開平２
−２１０２５８号公報、および特開平５ー８７７１４号
公報に記載の方式を本発明者らが提案している。これを
図３を用いて説明する。この方式は１探法であり、３種
の超音波、すなわち縦波１種、横波２種の発受信するも
のである。電磁超音波トランスデューサ４は、発信・受
信コイル１と、電磁石または永久磁石３から構成されて
いる。信号制御部６は、電磁超音波発信部７ａと信号処
理部９ａ、電磁超音波受信部８ａを制御する。電磁超音
波発信部７ａを１式、電磁超音波受信部８ａを１式、発
信・受信コイル１を１個で構成すると金属薄板５内部の
縦波と横波を分離するのが困難となる場合がある。なぜ
なら、縦波音速は横波音速の２倍程度であるから、厚み
共振周波数を測定する場合縦波の１次あるいはｎ次の共
振周波数と横波の２次あるいは２ｎ次（ｎは整数）の共
振周波数がほぼ同一周波数となることがあり、横波の２
ｎ次の共振周波数と縦波のｎ次の共振周波数との識別が
困難となる。

【０００３】その対策として、特願平４ー２９１７８１
号の記載の発明があり、図４を用いて説明する。この発
明では、電磁石、または永久磁石３と２個の発信・受信
コイル１，２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コイル２と、円盤状の横波
専用コイル１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４あるいは、電磁石、または永
久磁石３と２個の発信・受信コイル１，２を有する電磁
超音波トランスデューサ４において、ドーナツ状の縦波
専用コイル２と、円盤状の横波・縦波兼用コイル１を、
併せて配置していることを特徴とする電磁超音波トラン
スデューサ４である。この場合、発信・受信コイル１個
に対し、発信部１式、受信部１式を必要とするので、発
信・受信コイル２個あれば、発信部２式（７ａ，７
ｂ）、受信部２式（８ａ、８ｂ）、発信・受信コイル２
個（１、２）の構成となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、発信・受
信コイルを２個の構成とする電磁超音波トランスデュー
サを使用した場合、大電力を発信・受信コイルに送信す
るためには、高価な発信部例えばＲＦパワーアンプを２
系統分必要とする。したがって、電磁超音波発受信装置
の構成が多くなり、安価な発受信装置を得られない。

【０００５】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、簡便かつ安価な電磁超音波発受信装置を
構成して縦波と横波の信号を弁別することを可能にし、
金属薄板の音速、異方性、ヤング率、あるいは深絞り成
形性などの材質測定を可能にすることを目的とする。。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、電磁石、また
は永久磁石と、ドーナツ状の縦波専用コイルの内径が電
磁石の鉄芯、または永久磁石の先端軸径の０．８倍から
２倍である発信・受信コイルおよび、円盤状の横波専用
コイルの外径が電磁石の鉄芯、または永久磁石の先端軸
径の０．８倍以下である発信・受信コイルを有する電磁
超音波トランスデューサ、あるいは電磁石、または永久
磁石と、ドーナツ状の縦波専用コイルの内径が電磁石の
鉄芯、または永久磁石の先端軸径の０．８倍から２倍で
ある発信・受信コイルおよび、円盤状の横波・縦波兼用
コイルの外径が電磁石の鉄芯、または永久磁石の先端軸
径の０．８倍以上である発信・受信コイルを有する電磁
超音波トランスデューサを用いて、円盤状のコイルまた
は、ドーナツ状のコイルのどちらか一方に、高周波電流
を流し、電流を流したコイルを超音波発生・検出に用
い、他方のコイルを超音波検出に用いて、円盤状のコイ
ル、およびドーナツ状のコイルで超音波信号を同時に２
系統の受信部で検出することにより、電磁超音波発信部
２系統を１系統に削減でき、簡便な電磁超音波発受信方
法、および安価な発受信装置を提供するものである。

【０００７】

【作用】本発明の電磁超音波発受信法、およびその装置
の説明をする。まず、図１を用いて、発信１系統で受信
２系統の電磁超音波発受信法を説明する。金属薄板５の
板厚方向に伝播する縦波と、圧延方向に偏波する横波
と、幅方向に偏波する横波の厚み共振周波数を測定する
ものである。信号制御部６の内部の発振器は、あらかじ
め指定された測定開始周波数から測定終了周波数まで周
波数掃引される。電磁超音波発信部７ａは、図示してな
いが、発振器、ＲＦゲートスィッチ、ＲＦパワーアンプ
などで構成される。該電磁超音波発信部７ａでは発信・
受信コイル１に大電力を供給するためのものである。電
磁超音波トランスデューサ４は、扁平な円盤状の発信・
受信コイル１、および扁平なドーナツ状の発信・受信コ
イル２と、電磁石、または永久磁石３から構成されてい
る。電磁超音波発信部７ａ、発信・受信コイル１、電磁
超音波受信部８ａは１探法の構成であり、電磁超音波発
信部７ａ、発信・受信コイル２、電磁超音波受信部８ｂ
は２探法の構成である。

【０００８】発信・受信コイル１に高周波電流が流れる
と金属薄板５の表層部に渦電流が誘起される。電磁石、
または永久磁石３は金属薄板５の内部に磁界を発生させ
るためのものである。この磁界と前記渦電流との相互作
用により金属薄板５の内部に縦波と横波の超音波が発生
する。超音波の受信はこれと逆の過程で行われる。該電
磁超音波発信部７ａの内部の発振器の周波数を掃引させ
て、周波数ｆ＝ｎＶ／（２ｄ）なる条件で厚み共振が発
生し、超音波の発生強度が極大になる。ここで、Ｖは縦
波、あるいは圧延方向に偏波する横波、あるいは幅方向
に偏波する横波の音速、ｎは整数、ｄは金属薄板５の板
厚である。該電磁超音波発信部７ａの内部の発振器の周
波数を掃引することにより電磁超音波受信部８ａ，９ａ
により横波・縦波の超音波スペクトラムを測定でき前記
共振条件が満足される周波数、すなわち厚み共振周波数
で共振ピークが現れる。該発信・受信コイル１により発
生する前記渦電流は、金属薄板５の表層部で、しかも該
発信・受信コイル１の直下だけでなく、ドーナツ状の該
発信・受信コイル２の直下にも発生する。このことを利
用して、該発信・受信コイル２に電流を流さなくても該
発信・受信コイル２の直下に超音波を発生させることが
できる。また、超音波の検出もできる。このようにし
て、電磁超音波受信部８ｂを経て、信号処理部９ｂによ
り横波に比べて感度が高い縦波を受信することができ、
超音波スペクトラムを測定できる。

【０００９】次に、該発信・受信コイル２では、横波・
縦波を該発信・受信コイル２で検出できるが、横波と比
べて感度が高い縦波を検出できることを図２を用いて示
す。図２（ａ）に示すように、中央部に配置されている
偏平な円盤状のコイル１を、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とし、その外径ｂが
電磁石、または永久磁石３の先端軸径ａより小さくした
もの、例えばその外径ｂを該先端軸径ａの０．８倍以下
にしたものとする。また、偏平なドーナツ状の発信・受
信コイル２の内径ｃを、電磁超音波トランスデューサの
電磁石、または永久磁石３の先端軸径ａとほぼ等しいか
それ以上としたもの、例えばその内径ｃを電磁石の鉄
芯、または永久磁石の先端軸径ａ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とす
る。

【００１０】図２（ｂ）に、電磁超音波トランスデュー
サ、磁界、渦電流を示す。電磁超音波トランスデューサ
４は前記発信・受信コイル１、前記発信・受信コイル
２、および電磁石、または永久磁石３から構成され、軸
対称の構造である。電磁石、または永久磁石３は金属薄
板５の内部に３次元的な磁界１１、すなわち板厚方向の
磁界、および金属薄板５の平面と平行で軸を中心に放射
状方向の磁界が発生する。発信・受信コイル１に高周波
電流を流すと金属の金属薄板５の上部に渦電流１０が発
生する。該渦電流１０は渦巻状で、発信・受信コイル１
の直下部だけでなく該発信・受信コイル１の直径より大
きな領域でも流れている。該磁界１１と該渦電流１０の
相互作用により前記３種の超音波が発生する。

【００１１】図２（ｃ）に、横波・縦波の超音波の発生
・検出領域を示す。中心軸付近の磁界は板厚方向成分が
主であるので横波２種の発生・検出効率が高い。中心軸
から遠ざかるにつれて放射状の水平成分が増加するので
縦波の発生・検出効率が次第に高くなる。１２の領域に
は横波２種、および縦波が発生する。１３の領域の中心
軸付近を除いた部分には縦波が発生する。受信の場合も
横波・縦波の受信効率は、それらの発生効率と同様であ
る。したがって、中央部に配置している発信・受信コイ
ル１に高周波電流を流し、横波・縦波を発生することが
できる。受信の場合、発信・受信コイル１により、横波
・縦波をほぼ同じ感度で受信、あるいは横波の感度を縦
波の感度より高い条件で受信することができ、さらに、
偏平なドーナツ状の発信・受信コイル２により、縦波の
感度を横波の感度より高い条件で検出することができ
る。なお、図２（ｃ）で示す領域では板厚方向は特に意
味がないわけで、便宜上図示しただけである。

【００１２】以上のことをまとめると、電磁超音波発信
部７ａと、中央部の円盤状の発信・受信コイル１によ
り、横波・縦波を発信させ、該発信・受信コイル１と電
磁超音波受信部８ａで横波・縦波の受信、あるいは横波
を高感度で受信し、ドーナツ状の該発信・受信コイル２
と電磁超音波受信部８ｂで縦波を高感度で受信し、縦波
と横波を弁別することが可能となる。また、該発信・受
信コイル２に電流を流し、該発信・受信コイル２、およ
び該発信・受信コイル１で検出することもできる。

【００１３】

【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。金属薄板５の板厚方向に伝播する縦波と、圧延方
向に偏波する横波と、幅方向に偏波する横波の厚み共振
周波数を測定するものである。信号制御部６の内部の発
振器は、あらかじめ指定された測定開始周波数から測定
終了周波数まで周波数掃引される。信号制御部６により
電磁超音波発信部７ａ、電磁超音波受信部８ａ、８ｂは
制御される。信号処理部９ａ、９ｂによりスペクトラム
を測定する。次に、本発明の発信・受信コイルの具体例
を示す。横波・縦波兼用コイル１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、用いた横波専用コイル１は、絶縁性被覆を持つ電線
を中心部から１６ターン巻いて外径１８mmの円盤状にし
たもの、すなわち図２（ａ）においてａ＝１８mm、ｂ＝
２０mmとしたものである。縦波感度が高い縦波専用コイ
ル２と横波・縦波兼用コイル１を同一面上に、かつそれ
ぞれのコイルの中心が電磁石、または永久磁石の中心軸
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
デューサを用いる。ここで、用いた縦波専用コイル２
は、絶縁性被覆を持つ電線を、巻き数９ターンで内径２
２mm、外径３０mmの円形ドーナツ状になるように巻いた
もの、すなわち図２（ａ）においてａ＝１８mm、ｃ＝２
２mm、ｄ＝３０mmとしたものである。

【００１４】図５に測定例を示す。横軸が周波数、縦軸
が超音波信号の振幅である。図５（ａ）が、図１で示し
た電磁超音波発振部７ａから横波・縦波兼用の発信・受
信コイル１に電流を流し、該発信・受信コイル１で超音
波信号を検出し、電磁超音波受信部８ａ、信号処理部９
ａで測定した超音波スペクトラムである。図５（ａ）で
は、横波２個、縦波１個の共振ピークが現れている。図
５（ｂ）が、図１で示した電磁超音波発振部７ａから該
発信・受信コイル１に電流を流し、ドーナツ状の縦波用
発信・受信コイル２と電磁超音波受信部８ｂ、信号処理
部９ｂで測定した超音波スペクトラムである。図５
（ｂ）では、縦波１個と横波２個の共振ピークが現れて
いる。縦波の共振ピーク１４ｂの高さが横波の共振ピー
ク１５ｂ，１６ｂの高さより大きいことから縦波の共振
ピークを特定でき、そのときの周波数が縦波の共振周波
数である。図５（ａ）において、図５（ｂ）で特定でき
た縦波の共振ピーク１４ａを除くと、残りが横波の共振
ピーク１５ａ，１６ａである。圧延方向に偏波した横波
の共振周波数は幅方向に偏波した横波の共振周波数より
大きいことからそれぞれの共振ピークを特定でき、さら
に、それらに対応した周波数がそれぞれ共振周波数であ
る。このように、発信１系統、受信２系統の構成によ
り、縦波１個と横波２個の共振周波数を特定できるの
で、簡便かつ安価な電磁超音波発受信装置を構成しでき
る。

【００１５】また、請求項２記載のように、図２（ａ）
のｂ、ｃの値にした場合は、発信・受信コイル１で検出
すれば横波感度が縦波感度より高くなるが、同様に、発
信１系統、受信２系統の構成により、縦波１個と横波２
個の共振周波数を特定できる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明した本発明の、発信部が１系統
で受信部が２系統の電磁超音波発受信装置を用いて簡便
かつ安価な電磁超音波発受信装置を構成して縦波と横波
の信号を弁別することを可能にし、金属薄板の音速、異
方性、ヤング率、あるいは深絞り成形性などの材質測定
を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例図。

【図２】本発明の電磁超音波発受信の原理図。

【図３】従来の発信・受信コイル１個の電磁超音波発受
信装置例図。

【図４】従来の発信・受信コイル２個の電磁超音波発受
信装置例図。

【図５】本発明の測定例。

【符号の説明】

１円盤状の発信・受信コイル２ドーナツ状の発信・受信コイル３電磁石、または永久磁石４電磁超音波トランスデューサ４ａ電磁超音波トランスデューサの中心
軸５金属薄板６信号制御部７ａ、７ｂ電磁超音波発信部８ａ、８ｂ電磁超音波受信部９ａ、９ｂ信号処理部１０渦電流１１磁界の方向１２横波超音波が主に発生する部分１３縦波超音波が主に発生する部分１４ａ、１４ｂ縦波の共振周波数１５ａ、１５ｂ圧延方向に偏波する横波の共振周波
数１６ａ、１６ｂ幅方向に偏波する横波の共振周波数

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁石、または永久磁石と、ドーナツ状
の縦波専用コイルの内径が電磁石の鉄芯、または永久磁
石の先端軸径の０．８倍から２倍である発信・受信コイ
ルおよび、円盤状の横波・縦波兼用コイルの外径が電磁
石の鉄芯、または永久磁石の先端軸径の０．８倍以上で
ある発信・受信コイルとを、電磁石の鉄芯、または永久
磁石の先端に同心円状に配置した電磁超音波トランスデ
ューサを用いる電磁超音波発受信法において、円盤状の横波・縦波兼用コイルまたは、ドーナツ状の縦
波専用コイルのどちらか一方に、高周波電流を流し、電
流を流したコイルを超音波発生・検出に用い、他方のコ
イルを超音波検出に用いることを特徴とする電磁超音波
発受信法。
【請求項２】電磁石、または永久磁石と、ドーナツ状
の縦波専用コイルの内径が電磁石の鉄芯、または永久磁
石の先端軸径の０．８倍から２倍である発信・受信コイ
ルおよび、円盤状の横波専用コイルの外径が電磁石の鉄
芯、または永久磁石の先端軸径の０．８倍以下である発
信・受信コイルとを、電磁石の鉄芯、または永久磁石の
先端に同心円状に配置した電磁超音波トランスデューサ
を用いる電磁超音波発受信法において、円盤状の横波専用コイルまたは、ドーナツ状の縦波専用
コイルのどちらか一方に、高周波電流を流し、電流を流
したコイルを超音波発生・検出に用い、他方のコイルを
超音波検出に用いることを特徴とする電磁超音波発受信
法。
【請求項３】請求項１又は２記載の電磁超音波発受信
において、発信・受信コイル１個と、電磁超音波発信部
１式と、発信・受信コイル１個と、電磁超音波受信部２
式とを備えることを特徴とする記載の電磁超音波発受信
装置。