JPWO2012141279A1

JPWO2012141279A1 - 回転型超音波探傷装置用回転トランス及びこれを用いた回転型超音波探傷装置

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Publication number: JPWO2012141279A1
Application number: JP2013509972A
Authority: JP
Inventors: 正司柴田; 洋一藤懸; 邦彦幡原; 石原　道章; 道章石原; 宗健三井
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2014-07-28
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: WO2012141279A1; KR20130143136A; RU2544304C1; CN103477219B; US9360458B2; EP2700938B1; CN103477219A; EP2700938A1; JP5649199B2; US20140102202A1; EP2700938A4; KR101553761B1

Abstract

本発明に係る回転型超音波探傷装置用回転トランス５は、一方の面側にコイルが配設された平板状の固定体５１と、一方の面側にコイルが配設された平板状の回転体５２とを備え、固定体及び回転体それぞれのコイル配設面側が対向するように配置されて、対向するコイル間で１〜１０ＭＨｚの周波数帯の信号伝送を行う。固定体は、複数の１ターンコイル５１１が同心円状に形成された基板５１２と、該基板を保持する保持部材５１３とを具備し、回転体は、固定体に形成された１ターンコイルと同数の１ターンコイル５２１が同心円状に形成された基板５２２と、該基板を保持する保持部材５２３とを具備する。固定体が具備する基板と保持部材との間、及び、回転体が具備する基板と保持部材との間には、空気、又は絶縁体で且つ比透磁率がほぼ１に等しい材料Ｍが介在する。

Description

本発明は、回転型超音波探傷装置用回転トランス及びこれを用いた回転型超音波探傷装置に関する。特に、本発明は、超音波探傷で使用される信号を伝送する際であってもその伝送効率に優れた回転型超音波探傷装置用回転トランス及びこれを用いた回転型超音波探傷装置に関する。

従来より、超音波探触子を管状又は棒状の被検査材の周方向に沿って回転させながら探傷を行う回転型超音波探傷装置が知られている。
図１に示すように、一般的な回転型超音波探傷装置は、被検査材Ｓに対して超音波を送受信する超音波探触子１と、超音波探触子１が取り付けられ被検査材Ｓの周方向に回転する探触子ホルダー２と、超音波探触子１からの超音波の送受信を制御すると共に、超音波探触子１で受信したエコーに基づき被検査材Ｓの探傷を行う超音波探傷器３と、超音波探触子１と超音波探傷器３との間の信号伝送を行う信号伝送部４とを備えている。

上記の構成を有する回転型超音波探傷装置において、被検査材Ｓを軸方向に直進させると共に、探触子ホルダー２、ひいては超音波探触子１を回転させる（５０ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍ程度）ことで、超音波探触子１の軌跡は被検査材Ｓの外表面上でスパイラル状になり、被検査材Ｓの全断面を高速で探傷することが可能である。

ここで、信号伝送部４において、超音波探傷で一般的に使用される周波数帯（１〜１０ＭＨｚ）の信号を伝送する方法としては、（１）スリップリングを用いる方法、（２）コンデンサカップリングを用いる方法、（３）回転トランスを用いる方法、が知られている。以下、順次これらの方法について説明する。

（１）スリップリングを用いる方法（例えば、特許文献１参照）
この方法では、図２に示すように、信号伝送部４（図１参照）に、固定側電極４１Ａと回転側電極４２Ａとを設ける。固定側電極４１Ａと回転側電極４２Ａとの間に、ブラシ４３を介在させる。固定側電極４１Ａは、超音波探傷器３（図１参照）と電気的に接続される。一方、回転側電極４２Ａは、超音波探触子１（図１参照）と電気的に接続され、超音波探触子１（探触子ホルダー２）（図１参照）と一体的に回転する。
そして、固定側電極４１Ａと回転側電極４２Ａとがブラシ４３を介して接触することにより、超音波探触子１と超音波探傷器３との間の信号伝送が行われる。
この方法は、接触式であるため、高速回転に不適であり、保守性も極めて悪いという問題がある。

（２）コンデンサカップリングを用いる方法（例えば、特許文献２参照）
この方法では、図３に示すように、信号伝送部４（図１参照）に、固定側電極４１Ｂと回転側電極４２Ｂとを設ける。固定側電極４１Ｂと回転側電極４２Ｂとの間に、空気や水などの誘電体４４を保持させる。固定側電極４１Ｂは、超音波探傷器３（図１参照）と電気的に接続される。一方、回転側電極４２Ｂは、超音波探触子１と電気的に接続され、超音波探触子１（探触子ホルダー２）（図１参照）と一体的に回転する。
上記のように、固定側電極４１Ｂと回転側電極４２Ｂとの間に誘電体４４を保持させてコンデンサを形成することにより、超音波探触子１と超音波探傷器３との間の信号伝送が行われる。
この方法において、誘電体４４として空気を用いる場合には、空気の誘電率が小さいため、電極間距離を微小（０．１〜０．５ｍｍ程度）にする必要があり、保守性が悪いという問題がある。

一方、コンデンサカップリングを用いる方法において、誘電体４４として水を用いる場合には、電極間距離を大きくできる（２ｍｍ程度）ものの、水を均一に保持する必要がある。
多チャンネルの信号伝送を行う場合（超音波探触子１を複数備える場合）、図４に示すように、水Ｗを均一に保持するには、複数の固定側電極４１Ｃ及び回転側電極４２Ｃを被検査材Ｓの長手方向に配列する必要がある。このため、信号伝送部４が被検査材Ｓの長手方向に長くなり、超音波探傷装置の大型化に繋がるという問題がある。また、被検査材Ｓの径が大きくなると、信号伝送部４の径も大きくなり、より一層水Ｗの保持が困難になる。

（３）回転トランスを用いる方法（例えば、特許文献３参照）
この方法では、図５に示すように、信号伝送部４（図１参照）に、固定側コイル４５と回転側コイル４６とを設ける。固定側コイル４５は、超音波探傷器３（図１参照）と電気的に接続される。一方、回転側コイル４６は、超音波探触子１と電気的に接続され、超音波探触子１（探触子ホルダー２）（図１参照）と一体的に回転する。
そして、固定側コイル４５と回転側コイル４６との間に生じる電磁誘導により、超音波探触子１と超音波探傷器３との間の信号伝送が行われる。
この方法では、コイル間は空気Ａを介在させればよい上、前述したコンデンサカップリングを用いる方法と異なり、コイル間距離も大きくできるという利点がある。
しかしながら、従来、回転型超音波探傷装置の信号伝送部４用として提案されている回転トランスは、多チャンネルの信号伝送を行う場合（超音波探触子１を複数備える場合）、前述した固定側電極４１Ｃ及び回転側電極４２Ｃと同様に、複数の固定側コイル４５及び回転側コイル４６を被検査材Ｓの長手方向に配列する形態であるため、信号伝送部４が被検査材Ｓの長手方向に長くなり、超音波探傷装置の大型化に繋がるという問題がある。

ここで、回転トランスとしては、一方の面側にコイルが配設された平板状の固定体と、一方の面側にコイルが配設された平板状の回転体とを備え、前記固定体及び前記回転体それぞれのコイル配設面側が対向するように配置され、対向するコイル間で信号伝送を行う平板型回転トランスが知られている（例えば、特許文献４、５参照）。

回転型超音波探傷装置の信号伝送部用として、上記の平板型回転トランスを適用すれば、多チャンネルの信号伝送を行う場合であっても、超音波探傷装置の大型化を抑制できると考えられる。つまり、平板型回転トランスを構成する固定体及び回転体のそれぞれに複数のコイルを配設し、平板型回転トランスの中心孔に被検査材を挿通させる構成とすれば、信号伝送部が被検査材の長手方向に短くなり、超音波探傷装置の大型化を抑制できると考えられる。

日本国特開平６−９４６８５号公報日本国特開平７−１２７８３号公報日本国特開平６−２４２０８１号公報日本国特開平７−２０１６１２号公報日本国特開平７−３７７３６号公報

従来の平板型回転トランスを構成する固定体及び回転体は、一般的に、信号の伝送効率を高めるためにソフトフェライトのような強磁性体からなる平板状の基材に溝が形成され、この溝内にコイルが配設された構成とされている。或いは、強磁性体からなる基材の代わりに、アルミニウムなどの導電体からなる基材が用いられる場合もある。いずれにせよ、コイルと基材とが直接接触する構成である。

しかしながら、このような平板型回転トランスを用いて、超音波探傷で一般的に使用される、１〜１０ＭＨｚ程度の周波数帯で且つ１００〜５００Ｖ程度の電圧を有する信号を伝送する際には、基材を構成する強磁性体内でのヒステリシス損や、基材を構成する導電体内での渦電流損の影響を受けて、伝送効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、超音波探傷で使用される信号を伝送する際であってもその伝送効率に優れた回転型超音波探傷装置用回転トランス及びこれを用いた回転型超音波探傷装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、一方の面側にコイルが配設された平板状の固定体と、一方の面側にコイルが配設された平板状の回転体とを備え、前記固定体及び前記回転体それぞれのコイル配設面側が対向するように配置され、対向するコイル間で１〜１０ＭＨｚの周波数帯の信号伝送を行う回転型超音波探傷装置用回転トランスであって、前記固定体は、複数の１ターンコイルが同心円状に形成された基板と、該基板を保持する保持部材とを具備し、前記回転体は、前記固定体に形成された１ターンコイルと同数の１ターンコイルが同心円状に形成された基板と、該基板を保持する保持部材とを具備し、前記固定体が具備する前記基板と前記保持部材との間、及び、前記回転体が具備する前記基板と前記保持部材との間には、空気、又は絶縁体で且つ比透磁率がほぼ１に等しい材料が介在することを特徴とする回転型超音波探傷装置用回転トランスを提供する。

本発明に係る回転型超音波探傷装置用回転トランスが備える固定体及び回転体は、コイルが形成された基板と、該基板を保持する保持部材とを具備し、前記基板と前記保持部材との間には、空気、又は絶縁体で且つ比透磁率がほぼ１に等しい材料（例えば、ベークライト等のプラスチック）が介在する。換言すれば、コイルと保持部材とが直接接触せずに、コイルと保持部材との間に、電磁場を誘起し難い物質が介在することになる。このため、たとえ、保持部材がソフトフェライトのような強磁性体やアルミニウムなどの導電体から形成されていたとしても、コイルで誘起される電磁場が保持部材で減衰し難く、伝送効率の低下を引き起こし難い。

ここで、一般的には、コイルのターン数に比例して伝送効率が向上する。しかしながら、超音波探傷で一般的に使用される周波数帯（１〜１０ＭＨｚ）においては、コイルのターン数が増えてコイル線長が大きくなると、コイル線間浮遊容量が大きくなり、インピーダンスが増大する。コイルを駆動する信号源は瞬時的には定電圧電源と考えられるため、上記のようにインピーダンスが増大すると、コイルに流れる電流は減衰し、固定体に形成されたコイルと回転体に形成されたコイルとの間での伝送効率は極端に低下する。
従って、本発明に係る回転型超音波探傷装置用回転トランスが備える固定体及び回転体には、複数の１ターンコイルが形成されている。このように、１ターンコイルを用いることにより、コイル線間浮遊容量が０になるため、伝送効率の低下が生じない。

以上のように、本発明によれば、超音波探傷で使用される信号を伝送する際であっても、その伝送効率に優れた回転型超音波探傷装置用回転トランスを得ることが可能である。

ここで、複数のコイルを配設して複数の異なる信号を伝送する場合、各信号間の干渉（クロストーク）が問題となる場合がある。これを避けるため、従来は、電磁場遮蔽のためのシールド用電極を設けていた（例えば、特許文献５参照）。しかしながら、超音波探傷で一般的に使用される周波数帯（１〜１０ＭＨｚ）においては、コイルに近接してシールド用電極を設けると、コイルと電極間の線間浮遊容量により、伝送効率が低下するという問題がある。

従って、前記固定体及び前記回転体のそれぞれが具備する前記基板に形成された複数の１ターンコイルは、コイル幅と同等の間隔を隔てて同心円状に形成されることが好ましい。

斯かる好ましい構成によれば、各１ターンコイルで伝送される信号間のクロストークを低減することが可能である。

好ましくは、前記固定体及び前記回転体のそれぞれが具備する前記基板と前記保持部材との離間距離は、前記固定体に形成された１ターンコイルと前記回転体に形成された１ターンコイルとのギャップの５〜１０倍とされる。

基板と保持部材との離間距離が両コイルのギャップの５倍未満であると、コイルで誘起される電磁場が保持部材で減衰して伝送効率の低下を引き起こすおそれがある一方、基板と保持部材との離間距離が両コイルのギャップの１０倍を超えると、保持部材での電磁場の減衰の影響は少なくなるため、離間距離をむやみに大きくしても回転トランスの厚みが大きくなってしまうだけだからである。

また、前記課題を解決するため、本発明は、前記回転トランスと、前記回転体に形成された複数の１ターンコイルと電気的に接続され、前記回転体と一体的に回転する複数の超音波探触子と、前記固定体に形成された複数の１ターンコイルと電気的に接続された超音波探傷器とを備えることを特徴とする回転型超音波探傷装置としても提供される。

本発明に係る回転型超音波探傷装置によれば、装置の大型化を抑制しつつ多チャンネルの信号伝送を効率良く行うことが可能である。

本発明に係る回転型超音波探傷装置用回転トランスによれば、超音波探傷で使用される信号を伝送する際であってもその伝送効率に優れるという効果を奏する。また、本発明に係る回転型超音波探傷装置によれば、装置の大型化を抑制しつつ多チャンネルの信号伝送を効率良く行うことが可能である。

図１は、一般的な回転型超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。図２は、超音波探傷で使用される信号をスリップリングを用いて伝送する方法を説明する説明図である。図３は、超音波探傷で使用される信号をコンデンサカップリングを用いて伝送する方法を説明する説明図である。図４は、超音波探傷で使用される信号をコンデンサカップリングを用いて多チャンネルで伝送する方法を説明する説明図である。図５は、超音波探傷で使用される信号を回転トランスを用いて伝送する方法を説明する説明図である。図６は、本発明の一実施形態に係る回転型超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。図７は、本発明の一実施形態に係る回転型超音波探傷装置用回転トランスが備える固定体の概略構成を示す模式図である。図８は、本発明の一実施形態に係る回転型超音波探傷装置用回転トランスが備える回転体の概略構成を示す模式図である。図９は、図６に示す回転型超音波探傷装置の評価試験の結果を示すグラフである。図１０は、図６に示す回転型超音波探傷装置の他の評価試験の結果を示すグラフである。図１１は、図６に示す回転型超音波探傷装置のさらに他の評価試験において観察された受信波形の例を示す。図１２は、図６に示す回転型超音波探傷装置のさらに他の評価試験において観察された干渉エコー（表面エコー）の高さを示すグラフである。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図６は、本発明の一実施形態に係る回転型超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。図６（ａ）は装置の全体構成を示す図であり、図６（ｂ）は１つの超音波探触子についての電気的な接続関係を説明する図である。
図６に示すように、本実施形態に係る回転型超音波探傷装置１００は、被検査材Ｓに対して超音波を送受信する複数の超音波探触子１と、超音波探触子１が取り付けられ被検査材Ｓの周方向に回転する探触子ホルダー２と、超音波探触子１からの超音波の送受信を制御すると共に、超音波探触子１で受信したエコーに基づき被検査材Ｓの探傷を行う超音波探傷器３と、超音波探触子１と超音波探傷器３との間の信号伝送を行う回転型超音波探傷装置用回転トランス（以下、単に回転トランスという場合がある）５とを備えている。被検査材Ｓは、探触子ホルダー２及び回転トランス５の中心孔に挿通される。

回転トランス５は、一方の面側にコイルが配設された平板状の固定体５１と、一方の面側にコイルが配設された平板状の回転体５２とを備え、固定体５１及び回転体５２それぞれのコイル配設面側が対向するように配置され、対向するコイル間で１〜１０ＭＨｚの周波数帯の信号伝送を行う構成である。本実施形態に係る回転型超音波探傷装置１００は、一対の回転トランス５（送信用回転トランス５Ａ及び受信用回転トランス５Ｂ）を備えている。

図７は、回転トランス５が備える固定体５１の概略構成を示す模式図である。図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すＡＡ断面図である。
図７に示すように、固定体５１は、複数（図７に示す例では４つ）の１ターンコイル５１１が同心円状に形成された基板５１２と、基板５１２を保持する保持部材５１３とを具備する。保持部材５１３は、基板５１２のコイル形成面と反対側の面を保持するものである。本実施形態の保持部材５１３は、アルミニウムから形成されている。
固定体５１が具備する基板５１２と保持部材５１３との間には、空気、又は絶縁体で且つ比透磁率がほぼ１に等しい材料（例えば、ベークライト等のプラスチック）Ｍが介在している。図７に示す例では、基板５１２のコイル５１１が形成されている部位と保持部材５１３とが基板５１２の厚み方向に離間するように、保持部材５１３が断面コの字状に形成されており、基板５１２と保持部材５１３との間には空気が介在している。
本実施形態では、好ましい構成として、固定体５１が具備する基板５１２に形成された複数の１ターンコイル５１１が、コイル幅Ｃと同等の間隔Ｄを隔てて同心円状に形成されている。

図８は、回転トランス５が備える回転体５２の概略構成を示す模式図である。図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＢＢ断面図である。
図８に示すように、回転体５２も、複数（図８に示す例では４つ）の１ターンコイル５２１が同心円状に形成された基板５２２と、基板５２２を保持する保持部材５２３とを具備する。保持部材５２３は、基板５２２のコイル形成面と反対側の面を保持するものである。保持部材５２３は、アルミニウムから形成されている。
回転体５２が具備する基板５２２と保持部材５２３との間には、空気、又は絶縁体で且つ比透磁率がほぼ１に等しい材料（例えば、ベークライト等のプラスチック）Ｍが介在している。図８に示す例では、基板５２２のコイル５２１が形成されている部位と保持部材５２３とが基板５２２の厚み方向に離間するように、保持部材５２３が断面コの字状に形成されており、基板５２２と保持部材５２３との間には空気が介在している。
本実施形態では、好ましい構成として、回転体５２が具備する基板５２２に形成された複数の１ターンコイル５２１が、コイル幅Ｃと同等の間隔Ｄを隔てて同心円状に形成されている。

図６に示すように、本実施形態の超音波探触子１は、送信用振動子１１及び受信用振動子１２を備えた送受信分離型の超音波探触子とされている。超音波探触子１は、回転体５２に形成された１ターンコイル５２１と電気的に接続され、回転体５２と一体的に回転するように構成されている。具体的には、超音波探触子１の送信用振動子１１が送信用回転トランス５Ａの回転体５２に形成された１ターンコイル５２１と電気的に接続され、受信用振動子１２が受信用回転トランス５Ｂの回転体５２に形成された１ターンコイル５２１と電気的に接続されている。そして、送信用回転トランス５Ａの回転体５２及び受信用回転トランス５Ｂの回転体５２は、探触子ホルダー２と一体的に回転するように構成されており、探触子ホルダー２が所定の駆動源によって被検査材Ｓの周方向に回転することにより、超音波探触子１、送信用回転トランス５Ａの回転体５２及び受信用回転トランス５Ｂの回転体５２は、被検査材Ｓの周方向に一体的に回転する。

図６に示すように、超音波探傷器３は、固定体５１に形成された１ターンコイル５１１と電気的に接続されている。本実施形態では、超音波探傷器３は、送信用回転トランス５Ａの固定体５１に形成された１ターンコイル５１１と、受信用回転トランス５Ｂの固定体５１に形成された１ターンコイル５１１とに電気的に接続されている。

なお、図６（ｂ）では、１つの超音波探触子１が一対の１ターンコイル５２１（送信用回転トランス５Ａの回転体５２に形成された１つの１ターンコイル５２１と、受信用回転トランス５Ｂの回転体５２に形成された１つの１ターンコイル５２１）に電気的に接続されている例を示しているが、他の超音波探触子１については、他の対の１ターンコイル５２１と電気的に接続されることになる。また、図６（ｂ）では、超音波探傷器３が一対の１ターンコイル５１１（送信用回転トランス５Ａの固定体５１に形成された１つの１ターンコイル５１１と、受信用回転トランス５Ｂの固定体５１に形成された１つの１ターンコイル５１１）に電気的に接続されている例を示しているが、超音波探触子１の数に応じて、他の対の１ターンコイル５１１とも電気的に接続されることになる。

また、本実施形態では、送信用振動子１１及び受信用振動子１２を備えた送受信分離型の超音波探触子１を用いる例について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、１つの振動子が送信用と受信用を兼ねる送受信一体型の超音波探触子を用いることも可能である。この場合、回転トランス５としては、一対の回転トランス５（送信用回転トランス５Ａ及び受信用回転トランス５Ｂ）を用いる必要が無く、単一の回転トランス５を用いればよい。

以上に説明した構成を有する回転型超音波探傷装置１００を用いて被検査材Ｓの超音波探傷を行う際には、被検査材Ｓを軸方向に直進させると共に、探触子ホルダー２、ひいては超音波探触子１を回転させる。このとき、送信用振動子１１から超音波を送信させるための信号が超音波探傷器３から出力され、送信用回転トランス５Ａの１ターンコイル５１１、５２１を介して、送信用振動子１１に伝わる。これにより送信用振動子１１から送信された超音波Ｕは、接触媒体としての水Ｗを介して被検査材Ｓに入射し、そのエコーが受信用振動子１２で検出される。受信用振動子１２で検出されたエコーは、電気信号に変換され、受信用回転トランス５Ｂの１ターンコイル５２１、５１１を介して、超音波探傷器３に入力される。超音波探傷器３は、この入力された信号に基づき被検査材Ｓの探傷を行う。超音波探触子１の軌跡は被検査材Ｓの外表面上でスパイラル状になるため、被検査材Ｓの全断面を探傷することが可能である。

以下、本実施形態に係る回転型超音波探傷装置１００について行った評価試験について説明する。

＜基板と保持部材との離間距離に関する評価試験＞
本実施形態に係る回転型超音波探傷装置１００において、送信用回転トランス５Ａ及び受信用回転トランス５Ｂの双方について、固定体５１が具備する基板５１２と保持部材５１３との離間距離、及び、回転体５２が具備する基板５２２と保持部材５２３との離間距離を適宜変更し、超音波探傷器３で観察されるきずからのエコー高さを評価する試験を行った。
具体的には、送信用回転トランス５Ａ及び受信用回転トランス５Ｂの双方について、固定体５１に配設されたコイル５１１と回転体５２に配設されたコイル５２１とのギャップを２ｍｍに設定し、超音波探触子１と被検査材Ｓとの間に介在する水Ｗの厚みを０．５ｍｍとし、探傷周波数５ＭＨｚで直径５．６ｍｍの平底穴をきずとして探傷した。コイル５１１、５２１は、コイル幅５ｍｍの１ターンコイルで、隣接するコイルの間隔は５ｍｍとした。なお、きずエコーを観察する際には、複数の１ターンコイル５１１のうち最も外側に配設された１ターンコイル５１１（直径：約１２００ｍｍ）と超音波探傷器３とを電気的に接続した。また、複数の１ターンコイル５２１のうち最も外側に配設された１ターンコイル５２１（直径：約１２００ｍｍ）と超音波探触子１とを電気的に接続した。

図９は、上記評価試験の結果を示すグラフである。
図９に示すように、基板５１２（又は５２２）と保持部材５１３（又は５２３）とを離間させれば（基板と保持部材との間に空気を介在させれば）、離間距離が０の場合（基板と保持部材との間に何も介在しない場合）に比べて、きずエコー高さが大きくなることが分かった。これは、基板（コイル）と保持部材との間に電磁場を誘起し難い空気が介在することになるため、たとえ、本実施形態のように保持部材が導電体であるアルミニウムから形成されていたとしても、コイルで誘起される電磁場が保持部材で減衰し難く、伝送効率の低下を引き起こし難いからだと考えられる。より具体的には、コイル５１１と保持部材（アルミニウム）及びコイル５２１と保持部材（アルミニウム）との間の電磁誘導による影響が小さくなり、コイル５１１とコイル５２１との電磁誘導による伝送の効率の低下を引き起こし難いからだと考えられる。

また、図９に示すように、基板と保持部材との離間距離がおよそ１０〜２０ｍｍ程度（固定体５１に配設されたコイル５１１と回転体５２に配設されたコイル５２１とのギャップ２ｍｍの５〜１０倍程度）のとき、観察されるきずエコー高さはピークとなり、これ以上離間距離を大きくしてもきずエコー高さに変化が無いことが分かった。つまり、これ以上離間距離を大きくしても、コイルで誘起される電磁場の保持部材での減衰を抑制する効果に乏しいということが分かった。このため、基板５１２（又は５２２）と保持部材５１３（又は５２３）との離間距離は、固定体５１に配設されたコイル５１１と回転体５２に配設されたコイル５２１とのギャップの５〜１０倍程度にするのが好ましい。

＜コイルのターン数に関する評価試験＞
本実施形態に係る回転型超音波探傷装置１００において、受信用回転トランス５Ｂを取り外して、超音波探触子１の受信用振動子１２と超音波探傷器３とを直接電気的に接続した状態で、送信用回転トランス５Ａの固定体５１及び回転体５２に形成するコイルのターン数を適宜変更し、超音波探傷器３で観察されるきずからのエコー高さを評価する試験を行った。
具体的には、送信用回転トランス５Ａの固定体５１に配設されたコイルと回転体５２に配設されたコイルとのギャップを２ｍｍに設定し、基板５１２（又は５２２）と保持部材５１３（又は５２３）との離間距離を２０ｍｍとし、超音波探触子１と被検査材Ｓとの間に介在する水Ｗの厚みを０．５ｍｍとし、探傷周波数５ＭＨｚで直径５．６ｍｍの平底穴をきずとして探傷した。送信用回転トランス５Ａに配設するコイルとしては、１ターンコイル、３ターンコイル及び５ターンコイルの３種類のコイルを用いた。１ターンコイルを用いる場合、コイル幅を５ｍｍとし、隣接するコイルの間隔は５ｍｍとした。３ターンコイルを用いる場合、コイル幅を１ｍｍとして隙間２ｍｍで３ターン巻回し、隣接するコイルの間隔は５ｍｍとした。５ターンコイルを用いる場合、コイル幅を０．５ｍｍとして隙間０．５ｍｍで５ターン巻回し、隣接するコイルの間隔は５ｍｍとした。なお、きずエコーを観察する際には、１ターンコイル、３ターンコイル及び５ターンコイルのいずれについても、固定体５１の最も外側に配設されたコイル（直径：約１２００ｍｍ）と超音波探傷器３とを電気的に接続した。また、回転体５２の最も外側に配設されたコイル（直径：約１２００ｍｍ）と超音波探触子１とを電気的に接続した。

図１０は、上記評価試験の結果を示すグラフである。なお、図１０において、ターン数０の位置にプロットしたデータは、送信用回転トランス５Ａ及び受信用回転トランス５Ｂの双方を取り外し、超音波探触子１の送信用振動子１１及び受信用振動子１２と超音波探傷器３とを直接電気的に接続した状態で、超音波探傷器３で観察されるきずからのエコー高さを評価した結果を示す。
図１０に示すように、コイルのターン数を増加させると、きずエコー高さが小さくなることが分かった。これは、コイルのターン数が増えてコイル線長が大きくなると、コイル線間浮遊容量が大きくなり、インピーダンスが増大するため、コイルに流れる電流が減衰し、固定体５１に形成されたコイルと回転体５２に形成されたコイルとの間での伝送効率が低下するからだと考えられる。
以上の結果に基づき、前述のように、本実施形態に係る回転トランス５が備える固定体５１及び回転体５２には、複数の１ターンコイル５１１、５２１が配設されている。

＜コイル間隔に関する評価試験＞
本実施形態に係る回転型超音波探傷装置１００において、送信用回転トランス５Ａ及び受信用回転トランス５Ｂの双方について、固定体５１及び回転体５２に形成する複数の１ターンコイル５１１、５２１の間隔を適宜変更し、超音波探傷器３で観察される、隣接するコイル間の干渉エコーの高さを評価する試験を行った。
具体的には、送信用回転トランス５Ａ及び受信用回転トランス５Ｂの双方について、固定体５１に配設されたコイル５１１と回転体５２に配設されたコイル５２１とのギャップを２ｍｍに設定し、基板５１２（又は５２２）と保持部材５１３（又は５２３）との離間距離を２０ｍｍとし、超音波探触子１と被検査材Ｓとの間に介在する水Ｗの厚みを０．５ｍｍとし、探傷周波数５ＭＨｚで直径５．６ｍｍの平底穴をきずとして探傷した。コイル５１１、５２１は、コイル幅５ｍｍの１ターンコイルで、隣接するコイルの間隔を０．５〜１５ｍｍの範囲で変更した。なお、きずからのエコーを観察する際には、複数の１ターンコイル５１１のうち最も外側に配設された１ターンコイル５１１（直径：約１２００ｍｍ）及びこれに隣接する１ターンコイル５１１と超音波探傷器３とを電気的に接続した。また、複数の１ターンコイル５２１のうち最も外側に配設された１ターンコイル５２１（直径：約１２００ｍｍ）及びこれに隣接する１ターンコイル５２１と２つの超音波探触子１とを電気的に接続した。そして、最も外側に配設された１ターンコイル５２１と電気的に接続されている超音波探触子１で受信したエコーを超音波探傷器３で観察した。

図１１は、上記評価試験において観察された受信波形の例を示す。図１１（ａ）は、隣接する１ターンコイルの間隔を５ｍｍとした場合の受信波形の例を、図１１（ｂ）は、隣接する１ターンコイルの間隔を０．５ｍｍとした場合の受信波形の例を示す。なお、図１１において符号Ｔで示すエコーは送信エコー、符号Ｓで示すエコーは表面エコー、符号Ｆ１、Ｆ２で示すエコーはきずエコー、符号Ｂ１、Ｂ２で示すエコーは底面エコーである。
本実施形態の超音波探触子１は、送信用振動子１１及び受信用振動子１２を備えた送受信分離型の超音波探触子であるため、表面エコー（被検査材Ｓの表面で反射したエコー）Ｓは受信用振動子１２でほとんど受信されないのが通常である。しかしながら、複数の１ターンコイルを配設して複数の異なる信号を伝送する場合、各信号間の干渉（クロストーク）が生じることで、表面エコーＳの高さが大きくなると考えられる。図１１（ａ）に示すように、隣接する１ターンコイルの間隔をコイル幅と同等の５ｍｍとした場合には、各信号間の干渉が少なく、表面エコーＳの高さは小さい。一方、図１１（ｂ）に示すように、隣接する１ターンコイルの間隔を０．５ｍｍとした場合には、各信号間の干渉により、表面エコーＳの高さは大きくなる。また、図示しないが、隣接する１ターンコイルの間隔をコイル幅より大きくしても、表面エコーＳの高さが大きい受信波形となった。これらの結果より、隣接する１ターンコイルの間隔には、表面エコーの高さを低減する上での最適値が存在することが分かった。

図１２は、上記評価試験において観察された干渉エコー（表面エコーＳ）の高さを示すグラフである。
図１２に示すように、隣接する１ターンコイルの間隔をコイル幅と同等の５ｍｍにすることにより、干渉エコーの高さを低減、すなわち各１ターンコイルで伝送される信号間のクロストークを低減できることが分かった。
以上の結果に基づき、本実施形態では、好ましい構成として、固定体５１が具備する基板５１２に形成された複数の１ターンコイル５１１、及び、回転体５２が具備する基板５２２に形成された複数の１ターンコイル５２１が、コイル幅と同等の間隔を隔てて同心円状に形成されている。

１・・・超音波探触子
２・・・探触子ホルダー
３・・・超音波探傷器
５・・・回転トランス
５Ａ・・・送信用回転トランス
５Ｂ・・・受信用回転トランス
１１・・・送信用振動子
１２・・・受信用振動子
５１・・・固定体
５２・・・回転体
１００・・・回転型超音波探傷装置
５１１・・・１ターンコイル
５１２・・・基板
５１３・・・保持部材
５２１・・・１ターンコイル
５２２・・・基板
５２３・・・保持部材
Ｍ・・・空気、又は絶縁体で且つ比透磁率がほぼ１に等しい材料
Ｓ・・・被検査材

Claims

一方の面側にコイルが配設された平板状の固定体と、一方の面側にコイルが配設された平板状の回転体とを備え、前記固定体及び前記回転体それぞれのコイル配設面側が対向するように配置され、対向するコイル間で１〜１０ＭＨｚの周波数帯の信号伝送を行う回転型超音波探傷装置用回転トランスであって、
前記固定体は、複数の１ターンコイルが同心円状に形成された基板と、該基板を保持する保持部材とを具備し、
前記回転体は、前記固定体に形成された１ターンコイルと同数の１ターンコイルが同心円状に形成された基板と、該基板を保持する保持部材とを具備し、
前記固定体が具備する前記基板と前記保持部材との間、及び、前記回転体が具備する前記基板と前記保持部材との間には、空気、又は絶縁体で且つ比透磁率がほぼ１に等しい材料が介在することを特徴とする回転型超音波探傷装置用回転トランス。
前記固定体及び前記回転体のそれぞれが具備する前記基板に形成された複数の１ターンコイルは、コイル幅と同等の間隔を隔てて同心円状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転型超音波探傷装置用回転トランス。
前記固定体及び前記回転体のそれぞれが具備する前記基板と前記保持部材との離間距離は、前記固定体に形成された１ターンコイルと前記回転体に形成された１ターンコイルとのギャップの５〜１０倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転型超音波探傷装置用回転トランス。
請求項１から３の何れかに記載の回転型超音波探傷装置用回転トランスと、
前記回転体に形成された複数の１ターンコイルと電気的に接続され、前記回転体と一体的に回転する複数の超音波探触子と、
前記固定体に形成された複数の１ターンコイルと電気的に接続された超音波探傷器とを備えることを特徴とする回転型超音波探傷装置。