(57)【要約】【課題】  送受信感度の高い電磁超音波探触子及び超音波探傷方法を提供する。【解決手段】  アレイ型電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）１００は、被検材Ｔにバイアス磁場を与えるための磁化器１１と、超音波を被検材Ｔ内に送信するための複数の送信用センサコイル１２と、被検材Ｔ内で反射した超音波を受信するための複数の受信用センサコイル１２とを備えている。前記送信用センサコイル１２及び／又は前記受信用センサコイル１２は、列数が３以上６以下とされたミアンダコイルとされている。超音波探傷に際しては、複数の送信用センサコイル１２の各々に通電するタイミング及び／又は複数の受信用センサコイル１２の各々によって受信される超音波信号を重ね合わせるタイミングを変更する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検材にバイアス磁場を与えるための磁化器と、超音波を被検材内に送信するための複数の送信用センサコイルと、被検材内で反射した超音波を受信するための複数の受信用センサコイルとを備えたアレイ型電磁超音波探触子であって、
前記送信用センサコイル及び／又は前記受信用センサコイルは、列数が３以上６以下とされたミアンダコイルであることを特徴とする電磁超音波探触子。
【請求項２】
前記バイアス磁場は、交流磁場とされることを特徴とする請求項１に記載の電磁超音波探触子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電磁超音波探触子を用い、複数の送信用センサコイルの各々に通電するタイミング及び／又は複数の受信用センサコイルの各々によって受信される超音波信号を重ね合わせるタイミングを変更することを特徴とする超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼材料等の被検材について、超音波を用いたきず検査や厚み計測等の応用計測を非接触で実現する電磁超音波探触子（以下、適宜ＥＭＡＴという）及び超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いたきず検査や厚み計測等の応用計測は幅広く行われているが、従来の接触型の超音波探触子では、水や油等の接触媒質を介して被検材に超音波を入射する必要があり、特に、横波超音波では粘度の高い接触媒質を必要とすることから、その適用先が限定されるという問題があった。
【０００３】
より具体的に説明すれば、例えば、ＳＨ波を発生させる接触型探触子を用いた欠陥検査法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、特許文献１に記載されたような従来のＳＨ波用探触子は、圧電効果によって発生させたせん断波（横波）を材料に直接入射させる必要があるため、非常に高い粘性を持つ接触媒質を介する必要がある。このため、探触子の走査に難があるだけでなく、接触状態を安定させるためには、被検材の表面性状を研磨等によって整える必要がある他、高い圧力で探触子を長時間圧着させる必要があるなどの難点があった。
【０００４】
そこで、上記のような問題を解決するべく、被検材表面に非接触で探傷が可能な電磁超音波探触子が提案されている。より具体的に説明すれば、例えば、特定の配置構成とされた永久磁石を用いてＳＨ波を発生させるＳＨ波用電磁超音波探触子（ＰＰＭ−ＥＭＡＴ）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、ＰＰＭ−ＥＭＡＴを用いて探傷に有用な高い周波数（＞１ＭＨｚ）を発生させるには、小さな磁石を用いざるを得ず、このため大きな磁場強度を得ることが難しくなることから、探触子の送受信感度を高めることが困難であるという問題がある。
【特許文献１】特開平９−３１８６０５号公報
【特許文献２】特開平１０−２３２２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した従来の問題を解決するべくなされたものであり、送受信感度の高い電磁超音波探触子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
被検材にバイアス磁場を与えるための磁化器と、超音波を被検材内に送信するための複数の送信用センサコイルと、被検材内で反射した超音波を受信するための複数の受信用センサコイルとを備えたアレイ型電磁超音波探触子を利用し、複数の送信用センサコイルの各々に高周波電流を通電するタイミングや、複数の受信用センサコイルの各々によって受信した超音波信号を重ね合わせるタイミングを変更（遅延時間の調整）することにより、電磁超音波探触子の送受信感度をある程度高め得ることは従来より一般的に知られている。そこで、本発明の発明者は、前記課題を解決するために、アレイ型電磁超音波探触子を適用することを先ず考えた。
【０００７】
しかしながら、アレイ型電磁超音波探触子の送信用センサコイルや受信用センサコイルとして、蛇行間隔に応じた周波数及び狙い角度の超音波を効率良く送受信可能な特性を有するミアンダコイル（蛇行型コイル）を用いた場合、電磁超音波探触子の送受信感度等は、ミアンダコイルの列数（ミアンダコイルを構成するエレメントの内、蛇行方向を横切るエレメントの本数）に依存することが分かった。より具体的に説明すれば、超音波を被検材に入射させる特定の狙い角度における電磁超音波探触子の送受信感度を高めるには、各送信用センサコイルや各受信用センサコイルの列数をできるだけ増やせばよいが、列数を増やした分だけセンサコイルのインピーダンスが増加し、センサコイルに通電する電流値が低下するため、結果的に送受信感度が低下するという問題がある。また、送信される超音波が長くなるために検出分解能（きずの位置検出分解能等）が低下するという問題もある。さらに、遅延時間の調整によって狙い角度を種々変更する必要がある場合には、各送信用センサコイルや各受信用センサコイルの列数を増やせば一の狙い角度では高い送受信感度が得られるものの他の狙い角度では送受信感度が低下してしまうという問題もある。そこで、本発明の発明者は、アレイ型電磁超音波探触子のセンサコイルとしてミアンダコイルを用いる場合に生じる上記の知見を踏まえて鋭意検討した結果、アレイ型電磁超音波探触子の送信用センサコイルや受信用センサコイルの列数を最適化することによって、前記課題を解決し得る本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、被検材にバイアス磁場を与えるための磁化器と、超音波を被検材内に送信するための複数の送信用センサコイルと、被検材内で反射した超音波を受信するための複数の受信用センサコイルとを備えたアレイ型電磁超音波探触子であって、前記送信用センサコイル及び／又は前記受信用センサコイルは、列数が３以上６以下とされたミアンダコイルであることを特徴とする電磁超音波探触子を提供するものである。
【０００９】
斯かる発明によれば、被検材にバイアス磁場を与えるための磁化器と、超音波を被検材内に送信するための複数の送信用センサコイルと、被検材内で反射した超音波を受信するための複数の受信用センサコイルとを備えたアレイ型電磁超音波探触子であって、送信用センサコイル及び／又は受信用センサコイルが、列数が３以上６以下に最適化されたミアンダコイルとされているため、複数の送信用センサコイルの各々に高周波電流を通電するタイミングや、複数の受信用センサコイルの各々によって受信した超音波信号を重ね合わせるタイミングを変更することにより、広範囲の狙い角度において高い送受信感度が得られる電磁超音波探触子が提供される。なお、本発明における送信用センサコイルと受信用センサコイルとは必ずしも別体とする必要はなく、一のセンサコイルが送信用及び受信用として兼用される構成を採用することも可能である。
【００１０】
好ましくは、前記バイアス磁場は、交流磁場とされる。
【００１１】
斯かる発明によれば、表皮効果により、バイアス磁場によって生じる被検材表面の磁束密度が大きくなるため、種々の厚さの被検材に対して電磁超音波探触子の送受信感度を高めることが可能である。
【００１２】
また、本発明は、電磁超音波探触子を用い、複数の送信用センサコイルの各々に通電するタイミング及び／又は複数の受信用センサコイルの各々によって受信される超音波信号を重ね合わせるタイミングを変更することを特徴とする超音波探傷方法としても提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被検材にバイアス磁場を与えるための磁化器と、超音波を被検材内に送信するための複数の送信用センサコイルと、被検材内で反射した超音波を受信するための複数の受信用センサコイルとを備えたアレイ型電磁超音波探触子であって、送信用センサコイル及び／又は受信用センサコイルが、列数が３以上６以下に最適化されたミアンダコイルとされているため、複数の送信用センサコイルの各々に高周波電流を通電するタイミングや、複数の受信用センサコイルの各々によって受信した超音波信号を重ね合わせるタイミングを変更することにより、広範囲の狙い角度において高い送受信感度が得られる電磁超音波探触子及び超音波探傷方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について、ＳＨ波を励振（送信）する磁歪型電磁超音波探触子を例に挙げて説明する。図１は、本実施形態に係る電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）の概略構成を示す斜視断面図である。図１に示すように、本実施形態に係るＥＭＡＴ１００は、被検材Ｔにバイアス磁場を与えるための電磁石からなる磁化器１１と、ＳＨ波を被検材に送受信するための複数のセンサコイル１２とを備えている。
【００１５】
センサコイル１２はミアンダコイル（蛇行型コイル）とされ、磁化器１１はセンサコイル１２の蛇行方向（延伸方向）に対して直角にバイアス磁場を与える配置とされている。これにより、磁歪効果が生じ、センサコイル１２からＳＨ波が送受信可能となる。また、センサコイル１２は、蛇行方向に複数並置したアレイ構造となっており、各センサコイル１２毎に高周波電源（パルサー）１３が接続されている。
【００１６】
センサコイル１２の蛇行間隔Ｓ（図５参照）は、被検材Ｔの厚さ方向に対して斜め方向に超音波ビームが放射される斜角ＳＨ波の場合、ＳＨ波の波長をλＳＨ、被検材Ｔ表面からの超音波ビーム放射角度（屈折角）をθ（図２参照）とすると、Ｓ＝λＳＨ／（２ｓｉｎθ）とすれば、最も高い送受信感度が得られる。従って、表面ＳＨ波（被検材Ｔ表面に平行に伝搬するＳＨ波）の場合には、屈折角θ＝９０°であるため、Ｓ＝λＳＨ／２とすれば最も高い送受信感度が得られることになる。より具体的に説明すれば、例えば、周波数１ＭＨｚの表面ＳＨ波を送受信する場合、音速を３２００ｍ／ｓとして蛇行間隔Ｓを１．６ｍｍとすれば、最も効率良くＳＨ波を送受信することが可能である。なお、本実施形態に係るセンサコイル１２は、送信用及び受信用として兼用される構成であるが、送信電流の漏れ込みを防止するには、両者を別体とすることが好ましい。
【００１７】
本実施形態に係るＥＭＡＴ１００は、前述のように、センサコイル１２を複数並置したアレイ構造となっている。図３に示すように、被検材Ｔの表面に間隔Ｄを隔てて３つのセンサコイル１２（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）を配置したとすると、センサコイル１２Ａを励振（送信）するタイミング（Δｔ＝０）を基準として、センサコイル１２ＢはΔｔ＝Ｄ／ＶＳＨ（ＶＳＨは被検材ＴにおけるＳＨ波の音速）、センサコイル１２ＣはΔｔ＝２Ｄ／ＶＳＨのタイミングだけ遅延させてそれぞれ励振（高周波電流を通電）すれば、被検材Ｔ表面を伝搬してきた超音波（屈折角θ＝９０°の表面ＳＨ波）と各センサコイル１２で励振される超音波（屈折角θ＝９０°の表面ＳＨ波）の位相とが一致し、センサコイル１２に印加する高周波電流パルスのパルス幅（パルス数）を増加させることなく、信号振幅を増加させることができ、ＥＭＡＴ１００の送受信感度を高めることが可能である。
【００１８】
また、受信に際しても、各センサコイル１２の設置間隔Ｄに応じて信号遅延を施し重ね合わせることにより、センサコイル１２の数に比例した信号増幅が可能であると共に、単発ノイズはセンサコイル１２の数の逆数に、ランダムノイズはセンサコイル１２の数の平方根の逆数に低減可能である。
【００１９】
なお、屈折角θの方向に超音波を送受信する場合には、各センサコイル１２の遅延時間Δｔ＝Ｄｓｉｎθ／ＶＳＨとすれば良い。
【００２０】
また、各センサコイル１２の励振タイミングを変更し、図４に示すように、超音波の伝搬方向を偏向させて一箇所に収束させることにより、ＥＭＡＴ１００の送受信感度を高めることも可能である。より具体的に説明すればｎ個のセンサコイル１２（図中、１〜ｎで示す）の各々と目標収束点Ｐとの距離をそれぞれＬ１〜Ｌｎとすれば、各センサコイル１〜ｎの遅延時間Δｔ１〜Δｔｎを、センサコイル１を励振するタイミング（Δｔ１＝０）を基準として、Δｔｋ＝Ｌｋ／ＶＳＨ−Ｌ１／ＶＳＨ（ｋ＝１〜ｎ）とすれば、目標収束点Ｐに超音波ビームを収束させることが可能である。
【００２１】
以上のように、本実施形態に係るＥＭＡＴ１００は、センサコイル１２を蛇行方向に複数並置したアレイ構造となっているため、各センサコイル１２に高周波電流を通電するタイミングや、各センサコイル１２によって受信した超音波信号を重ね合わせるタイミングを変更（遅延時間の調整）することにより、送受信感度を高めることが可能である。
【００２２】
ここで、本実施形態に係るセンサコイル１２は、列数（ミアンダコイルを構成するエレメントの内、蛇行方向を横切るエレメントの本数）が３以上６以下のミアンダコイルとされていることを特徴としている。以下、斯かるミアンダコイルの列数の選定理由について説明する。
【００２３】
本発明の発明者は、先ず図５に示すような各種センサコイル（図５は一巻きのコイルを例示している）の列数と励振される超音波の指向性との関係を、ホイヘンスの原理に基づく数値シミュレーションによって解析した。なお、図５（ａ）はタンジェンシャルコイル（便宜上、本明細書では列数１のミアンダコイルという）を、（ｂ）はパンケーキコイル（便宜上、本明細書では列数２のミアンダコイルという）を、（ｃ）〜（ｅ）はそれぞれ列数４、８、１２のミアンダコイルを示す。各コイルの蛇行間隔Ｓ＝λＳＨ／２（すなわち、狙い角度９０°）とした場合の解析結果を図６に示す。図６に示すように、ミアンダコイルの列数が多いほど、励振される超音波の相対振幅がピークを有するようになり（指向性が強くなり）、狙い角度（屈折角９０°）における感度が高くなることが分かった。
【００２４】
しかしながら、ミアンダコイルの列数を増やすと、センサコイル１２のインピーダンスが増加することにより、図７に示すように、高周波電源１３から供給する高周波電流が低下するため、結果的に超音波強度が低下（送受信感度が低下）するという問題が生じる。また、図８に示すように、励振される超音波が長くなる（超音波パルスの波数が多くなる）ため、きずから反射される信号の位置検出分解能が低下するという問題も生じる。
【００２５】
上記問題を改善するには、例えば、列数１のミアンダコイル（タンジェンシャルコイル）を多数配置し、前述したように各コイルの遅延時間を調整することにより送受信感度を高めることも考えられる。しかしながら、斯かる構成では、各タンジェンシャルコイル毎に多数の高周波電源１３が必要となると共に、受信アンプ（図示せず）や遅延回路（図示せず）も多数必要となるため、装置コストの増大が懸念される他、メンテナンス性も悪い（故障発生の確率が高まる）という問題が生じる。従って、前述したような列数の増加に伴う問題を回避し得ると共に多数のコイルを配置する必要のない適切な列数のコイルを選定することが必要である。
【００２６】
上記知見を踏まえた上で、本発明の発明者は、遅延時間の調整によって狙い角度を種々変更する場合におけるミアンダコイルの列数の影響について検討した。斯かる検討を行うに際し、本発明の発明者は、先ず図９（図９では磁化器の図示を省略している）に示すような半円柱状鋼塊を用いた指向性測定方法により、表面ＳＨ波に最適化された（すなわち狙い角度９０°で蛇行間隔Ｓ＝λＳＨ／２とされた）列数４のミアンダコイルで励振される超音波の指向性（各屈折角における超音波振幅）を実際に測定した。測定結果を図１０に示す。図１０に示すように、列数４のミアンダコイルの指向性は弱く、狙い角度が９０°であるのに対して、屈折角９０°〜４５°まで十分な振幅成分を有することが分かった。斯かる結果に基づき、本発明の発明者は、前述した列数４のミアンダコイル（単体での狙い角度９０°）を蛇行方向に５個並置したアレイ型センサコイルを用いて各ミアンダコイルの遅延時間を調整することにより、アレイ型センサコイルとしての狙い角度を９０°、７０°及び４５°に順次変更し、前述した図９に示す方法と同様の方法によって各狙い角度における超音波の指向性を実測した。測定結果を図１１に示す。図１１に示すように、列数４のミアンダコイル（コイル単体の狙い角度９０°）を用いれば、各ミアンダコイルの遅延時間を調整して広範囲（９０°〜４５°）に狙い角度を変更したとしても、各狙い角度での十分な振幅成分が得られる（高い送受信感度が得られる）ことが分かった。
【００２７】
さらに、本発明の発明者は、アレイ型センサコイルを構成する各ミアンダコイルの列数及び個数と励振される超音波の指向性との関係を、ホイヘンスの原理に基づく数値シミュレーションによって解析した。なお、解析に用いたアレイ型センサコイルは、列数１のミアンダコイル（タンジェンシャルコイル）を２４個並置したセンサコイル、列数２のミアンダコイル（パンケーキコイル）を１２個並置したセンサコイル、列数４のミアンダコイルを６個並置したセンサコイル、列数８のミアンダコイルを３個並置したセンサコイル、列数１２のミアンダコイルを２個並置したセンサコイルとしており、列数と個数の積が全て同じになるようにして、各アレイ型センサコイルによって励振される超音波の振幅を比較できるようにしている。図１２は、各ミアンダコイル単体での狙い角度を９０°にすると共に、遅延時間の調整によってアレイ型センサコイル全体としての狙い角度も９０°した場合の解析結果を示す。また、図１３は、各ミアンダコイル単体での狙い角度を９０°にすると共に、遅延時間の調整によってアレイ型センサコイル全体としての狙い角度は６０°した場合の解析結果を示す。図１２及び図１３に示すように、列数１〜４のミアンダコイルでは、狙い角度９０°及び６０°の双方で十分な相対振幅が得られる（高い送受信感度が得られる）ことが分かった。しかしながら、列数８のミアンダコイルでは狙い角度６０°の場合にやや相対振幅が低下し、列数１２のミアンダコイルでは狙い角度６０°で相対振幅のピークを有さないことが分かった。
【００２８】
以上の結果より、ミアンダコイルの列数を増やせば（列数８、１２にすれば）一の狙い角度では高い送受信感度が得られるものの他の狙い角度では送受信感度が低下してしまうという問題もあることが分かった。換言すれば、広範囲の狙い角度で高い送受信感度を得るには、ミアンダコイルの列数を１〜６程度にするのが好ましいことが分かった。しかしながら、前述したように、列数の小さいミアンダコイル（例えばタンジェンシャルコイル）を多数配置したのでは、装置コストの増大やメンテナンス性の悪化という問題が生じるため、ある程度大きな列数を選定する必要が生じる。以上の検討結果を総合的に判断し、本実施形態に係るセンサコイル１２としては、列数が３以上６以下のミアンダコイルを選定している。
【００２９】
以上に説明したように、本実施形態に係るＥＭＡＴ１００は、被検材Ｔにバイアス磁場を与えるための磁化器１１と、超音波を被検材Ｔ内に送受信するための複数のセンサコイル１２とを備えたアレイ型電磁超音波探触子であって、センサコイル１２が３以上６以下の列数に最適化されたミアンダコイルとされているため、各センサコイル１２の各々に高周波電流を通電するタイミングや、受信した超音波信号を重ね合わせるタイミングを変更することにより、広範囲の狙い角度において高い送受信感度を得ることが可能である。
【００３０】
なお、本実施形態に係るＥＭＡＴ１００は、好ましい態様として、磁化器１１によって形成されるバイアス磁場を交流磁場としている。以下、これについて説明する。
【００３１】
図１４は、磁歪型電磁超音波探触子を用いた場合における、バイアス磁場によって生じる被検材Ｔ表面の磁束密度と励振されるＳＨ波強度との関係の一例を示す図である。図１４に示すように、大きなＳＨ波強度を得るためには（高い送受信感度を得るためには）、被検材Ｔ表面の磁束密度が１．５Ｔ近傍或いは１．９Ｔ以上となる必要がある。しかしながら、被検材Ｔが厚鋼材であるような場合には、バイアス磁場が直流磁場であると、被検材Ｔ中に磁束が広がってしまう。より具体的には、例えば、厚さ２５ｍｍの厚鋼材に対するバイアス磁場を直流磁場とした場合には、励磁電流（電磁石に通電する電流）を大きくしても、１．２Ｔ程度の表面磁束密度しか得ることができない。そこで、図１５に示すように、励磁電流を交流化（バイアス磁場を交流磁場とする）し、表皮効果によって被検材Ｔ表面の磁束密度を大きくすることを検討した。その結果、図１６に示すように、従来は直流の電磁石で３０Ａ以上の大電流を通電しても得られなかった１．５Ｔの表面磁束密度を、６０Ｈｚで１Ａ程度の励磁電流を通電することにより得ることができ、被検材Ｔが厚鋼材であっても送受信感度を高めることができた。
【００３２】
なお、本実施形態では、ＳＨ波を励振する磁歪型電磁超音波探触子を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、センサコイル１２の蛇行方向（延伸方向）に対して平行にバイアス磁場を与える磁化器１２の配置とすれば、表面波、板波超音波、ＳＶ波の送受信が可能であり、ＳＨ波について本実施形態で説明したのと同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）の概略構成を示す斜視断面図である。
【図２】図２は、ＥＭＡＴの屈折角を説明するための模式図である。
【図３】図３は、センサコイルのアレイ化による送受信感度向上を説明するための模式図である。
【図４】図４は、センサコイルの遅延時間を調整することによる超音波の偏向・収束を説明するための模式図である。
【図５】図５は、各種列数を有するセンサコイルの例を示す図である。
【図６】図６は、センサコイルの列数と励振される超音波の指向性との関係を示す図である。
【図７】図７は、センサコイルのインピーダンスと、高周波電流及び超音波強度との関係を示す図である。
【図８】図８は、列数の大きなセンサコイルから励振される超音波を説明するための模式図である。
【図９】図９は、超音波の指向性を実測する方法を説明するための模式図である。
【図１０】図１０は、列数４のミアンダコイルから励振される超音波の指向性を実測した結果を示す図である。
【図１１】図１１は、列数４のミアンダコイルを５個並置したアレイ型センサコイルについて、各ミアンダコイルの遅延時間を調整することによって設定した各狙い角度における超音波の指向性を実測した結果を示す図である。
【図１２】図１２は、アレイ型センサコイル（狙い角度９０°）を構成する各ミアンダコイルの列数及び個数と励振される超音波の指向性との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、アレイ型センサコイル（狙い角度６０°）を構成する各ミアンダコイルの列数及び個数と励振される超音波の指向性との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、磁歪型電磁超音波探触子を用いた場合における、バイアス磁場によって生じる被検材表面の磁束密度と励振されるＳＨ波強度との関係の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、励磁電流を交流化することによる被検材表面の磁束密度向上を説明するための模式図である。
【図１６】図１６は、励磁電流と被検材表面の磁束密度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１・・・磁化器
１２・・・センサコイル
１３・・・高周波電源（パルサー）
１００・・・電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）
Ｔ・・・被検材  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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