(57)【要約】【課題】被検査材の厚み方向と同じ方向となる超音波を十分に発生させる。【解決手段】電磁力を用いて被検査材２に超音波を発生させ、被検査材２に発生した超音波から被検査材２の状態を検出する電磁超音波検査装置１において、矩形状の断面を有する長尺状の被検査材２に対し、当該被検査材２の表面に略平行で且つ被検査材２の幅方向と略同一方向に向く磁力線７を有する磁場を発生させる磁場発生部３と、磁力線７に略平行な被検査材２の表面に電流を発生させて、磁場発生部３で発生させた磁場との作用により超音波を引き起こさせる超音波発生部４とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁力を用いて被検査材に超音波を発生させ、前記被検査材に発生した超音波から被検査材の状態を検出する電磁超音波検査装置において、
矩形状の断面を有する長尺状の被検査材に対し、当該被検査材の表面に略平行で且つ被検査材の幅方向と略同一方向に向く磁力線を有する磁場を発生させる磁場発生部と、
前記磁力線に略平行な被検査材の表面に電流を発生させて、前記磁場発生部で発生させた磁場との作用により超音波を引き起こさせる超音波発生部とを有していることを特徴とする電磁超音波検査装置。
【請求項２】
前記磁場発生部において前記磁力線を発生する発生部の厚みを、被検査材の厚みよりも大きく設定していることを特徴とする請求項１に記載の電磁超音波検査装置。
【請求項３】
前記磁場発生部は、前記被検査材に跨って前記磁力線を付与する電磁石を備え、前記超音波発生部は、磁力線と略平行な被検査材の表面に近接配置され且つ交番電流が付与されるコイルを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁超音波検査装置。
【請求項４】
前記コイルは、被検査材に発生させた超音波の反射波を検出する受信機能を有しており、この受信機能は、前記反射波として被検査材の表面近傍に現れた振動と前記磁場との相互作用により発生する誘導電流を、前記反射波として検出するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁超音波検査装置。
【請求項５】
電磁力を用いて被検査材に超音波を発生させ、前記被検査材に発生した超音波から被検査材の状態を検出する被検査材の検査方法において、
矩形状の断面を有する長尺状の被検査材に対し、当該被検査材の表面に略平行で且つ被検査材の幅方向と略同一方向に向く磁力線を有する磁場をかけつつ、前記磁力線に略平行な被検査材の表面に電流を発生させることで超音波を引き起こすようにしていることを特徴とする被検査材の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、鋼材の欠陥、厚み等を非接触で検出するための電磁超音波検査装置及び被検査材の検査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電磁力を用いて長尺状の被検査材（例えば、鋼材）に超音波を発生させ、被検査材に発生した超音波から被検査材の状態を検出する電磁超音波検査装置や電磁超音波法が数々開発されている。
例えば、特許文献１に開示された電磁超音波検査装置は、被検査材を取り囲むように、その長手方向に２個の励磁コイルを配置し、励磁コイル間の表面近傍（上側表面）に配置した送受信コイルとの相互作用によって、被検査材に超音波を発生させている。
詳しくは、励磁コイルに電流を流すことで被検査材の長手方向と同じ方向に磁力線を発生させると共に、被検査材の上側表面に渦電流を発生させ、磁場と渦電流との相互作用によって被検査材に加わるローレンツ力により、超音波（被検査材の厚み方向と同一方向に進行する縦波）を発生させている。
【０００３】
また、非特許文献１や非特許文献２に開示された技術では、被検査材の表面側に電磁石を配置し、電磁石の間にコイルを配置し、電磁石とコイルとにより被検査材の厚み方向と略同じ方向に超音波を発生させている。詳しくは、電磁石によって被検査材の長手方向と同じ方向に磁力線を発生させると共に、被検査材の上側表面に渦電流を発生させることで縦波の超音波を発生させている。
上述したように、ローレンツ力を用いて超音波を発生させるものであっては、被検査材の長手方向と同じ方向に磁力線を発生させることで超音波を発生させ、この超音波を利用して、スラブやブルーム等の鋼材の内部検査を行っている。
【特許文献１】特開平１−４６０２８号公報
【非特許文献１】電磁超音波による熱間継目無鋼管肉厚計の開発、非破壊検査Vol.34,NO.11(1985)P782-788
【非特許文献２】電磁超音波センサの基礎、非破壊検査Vol.51,NO.2(2005)P62-67
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記技術を用いて鋼材の検査を行う場合にあっては、鋼材に発生させる超音波での振動を強くし検査精度を向上させたいという要望がある。超音波の振動強度は、鋼材に付与される磁場強度と鋼材の表面に発生する渦電流の積に比例することから、例えば、特許文献１の電磁超音波検査装置であっては、被検査材と励磁コイルとを近接することで磁場強度、即ち、超音波の振動強度を高めている。
しかしながら、鋼材に対して励磁コイルを近接させると、鋼材の厚み方向での変形や撓み等により励磁コイルと鋼材とが接触する恐れがあるため、両者が接触しないように、励磁コイルを鋼材から所定以上離さなければならないのが実情である。
【０００５】
励磁コイルを鋼材から所定以上離した状態では、送受信コイル直下での磁場分布（磁力線分布）が鋼材の長手方向とは平行にならず湾曲しまうこととなり、その結果、超音波が鋼材の厚み方向に伝わりにくくなるという問題がある。
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、被検査材の厚み方向と同じ方向となる超音波を十分に発生させることができる電磁超音波検査装置及び被検査材の検査方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明は、電磁力を用いて被検査材に超音波を発生させ、前記被検査材に発生した超音波から被検査材の状態を検出する電磁超音波検査装置において、矩形状の断面を有する長尺状の被検査材に対し、当該被検査材の表面に略平行で且つ被検査材の幅方向と略同一方向に向く磁力線を有する磁場を発生させる磁場発生部と、前記磁力線に略平行な被検査材の表面に電流を発生させて、前記磁場発生部で発生させた磁場との作用により超音波を引き起こさせる超音波発生部とを有している点にある。
【０００７】
これによれば、磁場発生部によって、被検査材に対し、その幅方向へ向けて被検査材の表面に略平行な磁力線をかけることができるため、超音波発生部と被検査材とを接触しないように離したとしても、超音波発生部直下での磁場分布（磁力線分布）は湾曲せず平行のままとなる。その結果、磁力線、即ち、磁場分布が平行となるために、鋼材の厚み方向に平行な超音波を十分に発生させることが可能となる。
前記磁場発生部において前記磁力線を発生する発生部の厚みを、被検査材の厚みよりも大きく設定していることが好ましい。
【０００８】
これによれば、被検査材を断面視してみると、その被検査材の表面と平行となる磁力線が被検査材の断面全体に亘ってかかる状態になるので、被検査材の厚み方向と同一方向に進行する縦波を発生し易い。
前記磁場発生部は、前記被検査材に跨って前記磁力線を付与する電磁石を備え、前記超音波発生部は、磁力線と略平行な被検査材の表面に近接配置され且つ交番電流が付与されるコイルを備えていることが好ましい。
これによれば、電磁石を被検査材に対して跨がせる構成であるため、例えば、電磁石の内側周囲の点検や修理を行い易い。また、コイルに交番電流を付与しているので、交番電流の振幅や周波数を変化させることが容易であり、超音波の強さ等を自在に変更することができる。
【０００９】
前記コイルは、被検査材に発生させた超音波の反射波を検出する受信機能を有しており、この受信機能は、前記反射波として被検査材の表面に現れた振動と前記磁場との相互作用により発生する誘導電流を、前記反射波として検出する点にある。
これによれば、コイルによって反射波を検出できるので、このコイルの他に反射波を検出するための受信部を設ける必要がなく、コスト等を抑えることができる。
本発明の他の技術的手段は、電磁力を用いて被検査材に超音波を発生させ、前記被検査材に発生した超音波から被検査材の状態を検出する被検査材の検査方法において、矩形状の断面を有する長尺状の被検査材に対し、当該被検査材の長手方向と略直交し且つ被検査材のいずれかの表面に略平行な磁力線を有する磁場をかけつつ、前記磁力線に略平行な被検査材の表面に電流を発生させることで超音波を引き起こすようにしている点にある。
【００１０】
これによれば、被検査材の厚み方向と略同一方向となる縦波を発生させやすい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被検査材の厚み方向と同じ方向となる超音波を十分に発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明にかかる電磁超音波検査装置及び被検査材の検査方法を図面に基づき説明する。
図１に示すように、電磁超音波検査装置１は、電磁力を用いて被検査材２に超音波を発生し、被検査材２に発生した超音波から当該被検査材２の状態を検出するものである。
この実施例では、被検査材２は断面が矩形状で長尺状のビレットやブルーム等の角形の鋼材（以降、角鋼片２ａということがある。）であり、角鋼片２ａはその長手方向に搬送されるものである。
【００１３】
前記電磁超音波検査装置１は、磁場を発生する磁場発生部３と、磁場発生部３で発生させた磁場との作用により超音波を引き起こさせる超音波発生部４とを備えている。
図２に示すように、磁場発生部３は、角鋼片２ａ（鋼材２）を挿入する挿入部５を有しており、この挿入部５に挿入された角鋼片２ａに対して静磁場Ｂをかけるように構成されている。
以下、説明の便宜上、図２に示すように、磁場発生部３の挿入部５に角鋼片２ａを挿入した状態において、図２の紙面の上下を上下方向、紙面の左右を幅方向とする。
【００１４】
この磁場発生部３は、挿入部５に角鋼片２ａを挿入した状態で、挿入された角鋼片２ａの上下表面６ａ，６ｂに略平行で且つ角鋼片２ａの幅方向と略同一方向に向く磁力線７（以降、この磁力線のことを平行磁力線７ａということがある）を有する静磁場Ｂを発生させるように構成されている。
詳しくは、磁場発生部３は、角鋼片２ａを幅方向に跨って磁力線７を付与する電磁石８を備えており、電磁石８は鉄心９と、鉄心９に巻かれた励磁コイル１０とを有している。
鉄心９は側面視（断面視）で略コの字形のもので、鉄心９の幅方向の両端に励磁コイル１０が巻かれている。鉄心９の幅方向の端部間に角鋼片２ａが挿入されるようになっている。即ち、鉄心９の幅方向両端部間が前記挿入部５とされている。
【００１５】
したがって、励磁コイル１０に電流を流すことにより、鉄心９の一端がＮ極となり鉄心９の他端がＳ極となって、挿入部５にある角鋼片２ａに対して平行磁力線７ａをかけることができる。
図２に示すように、電磁超音波検査装置１で静磁場Ｂを発生させた際、鉄心９の上下近傍に亘っては磁力線７が湾曲する（以降、湾曲する磁力線７のことを湾曲磁力線７ｂということがある）。
本発明では、角鋼片２ａに対して、湾曲磁力線７ｂではなく平行磁力線７ａがかかるように、平行磁力線７ａを発生させる範囲Ａを、静磁場Ｂをかける角鋼片２ａの厚みｔよりも大きく設定している。
【００１６】
具体的には、鉄心９の両端部において互いに対向し、且つ、励磁コイル１０が巻かれる部分が平行磁力線７ａを発生させる発生部１１となることから平行磁力線７ａを発生させる範囲となる発生部１１の上下幅Ａを角鋼片２ａの厚みｔよりも大きくしている。
前記上下幅Ａは、鉄心９に励磁コイル１０を巻いた状態で、励磁コイル１０間の距離（上側の励磁コイル１０から下側の励磁コイル１０までの距離）である。
前記超音波発生部４は、角鋼片２ａの表面近傍に電流を発生させ、磁場発生部３で発生させた静磁場Ｂとの相互作用によって角鋼片２ａに超音波を発生させるように構成されている。
【００１７】
具体的には、超音波発生部４はコイル１２（プローブコイル１２）を備えており、コイル１２は鉄心９の両端部間で角鋼片２ａの上表面６ａに近接して配置されている。コイル１２には、パルス波等の交番電流が印加されるようになっている。
したがって、コイル１２に交番電流を印加すると、角鋼片２ａの上表面６ａ側に間欠的に渦電流が発生し、この渦電流と平行磁力線７ａでの静磁場Ｂとの相互作用、即ち、渦電流と平行磁力線７ａでの静磁場Ｂとにより生じるローレンツ力によって、角鋼片２ａの内部に、厚み方向に伝搬する超音波が発生する。
【００１８】
言い換えれば、コイル１２に交番電流を印加することで、ローレンツ力によって角鋼片２ａの上表面６ａ側に振動が生じ、これによって、角鋼片２ａの厚み方向と同一方向に進行する縦波の超音波が発生することとなる。
角鋼片２ａに発生した超音波は、角鋼片２ａ内を厚み方向へ伝搬していき、例えば、角鋼片２ａ内に欠陥があった場合は、コイル１２によって送信された超音波が欠陥部分で反射され、再び、コイル１２側へ返ることとなる。
そして、超音波の反射波を角鋼片２ａの上表面６ａ側で受信し、その反射波の強さや超音波を送信してから反射波を受信するまでの時間等を計測することで、欠陥の部位の位置及び欠陥レベル（欠陥の大きさ）を検出することができる。
【００１９】
この実施の形態でのコイル１２は、角鋼片２ａに発生させた超音波の反射波を検出する受信機能を有している。即ち、コイル１２の受信機能は、反射波として角鋼片２ａの上表面６ａ近傍に現れた振動と磁場発生部３によって発生させられた静磁場Ｂとの相互作用により発生する誘導電流を、当該コイル１２で受けるものとなっている。具体的には、コイル１２には、交番電流を印加ための入力端子１４と、誘導電流を取り出すための出力端子１５とが設けられている。
電磁超音波検査装置１を用いて角鋼片２ａの内部欠陥の検査や角鋼片２ａの厚みの検査をする場合、まず、図３に示すように入力端子１４に、交番電流（例えば、パルス波）を印加する。
【００２０】
そうすると、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、出力端子１５には、交番電流と、超音波の反射波によって発生した誘導電流とが畳み込まれた電流が取り出される。
ここで、角鋼片２ａ内に内部欠陥が無い場合は、角鋼片２ａの上表面６ａで発生した超音波は、角鋼片２ａの下表面６ｂで反射した後、再び角鋼片２ａの上表面６ａに戻ることから、この反射に応じた信号、即ち、正常な反射波が、図４（ａ）に示すように１次反射波（１次底面エコー）として出力端子１５に現れる。
また、図４（ａ）に示すように、正常な反射波は、１次反射波として出力端子１５に現れた後、角鋼片２ａの上表面６ａと下表面６ｂとの間で、再び、反射を繰り返すことから、出力端子１５には、１次反射波に続いて２次反射波が検出される。なお、超音波の減衰が無いか又は小さい場合は、２次反射波に続いて３次反射波、４次反射波が順に検出される。
【００２１】
一方で、図４（ｂ）に示すように、角鋼片２ａ内に内部欠陥が有る場合は、１次反射波、２次反射波、３次反射波、４次反射波等の正常な反射波の他に、欠陥部位で反射したことによる欠陥信号（欠陥エコー）が出力端子１５に検出される。
したがって、欠陥信号の有無によって角鋼片２ａの内部欠陥検査を行うことができる。また、欠陥信号の大きさや正常な反射波から欠陥信号までの時間差（ΔＴ）から欠陥部位の位置（深さ）の同定が可能となる。
角鋼片２ａの厚みの検査をする場合は、式（１）を用いる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
式（１）では、正常な反射波が出現する周期（反射波が出現する間隔）、例えば、図４（ａ）に示すように、１次反射波のピークが出現してから２次反射波のピークが出現するまでの時間を伝搬時間差（Ｔ）としている。ここでは、角鋼片２ａの厚みの検査をする場合において、角鋼片２ａの上表面６ａ側で発生した超音波が角鋼片２ｂの下表面６ｂで反射して戻ってくる時間が、前記伝搬時間（Ｔ）に相当するものとしている。
したがって、角鋼片２ａにおいて、超音波が伝搬する伝搬速度（Ｖ）を予め求めておき角鋼片２ａの厚みの測定を行う際に、出力端子１５から伝搬時間差（Ｔ）を測定することによって、式（１）から角鋼片２ａの厚みを算出することができる。
【００２４】
以下、角鋼片２ａ（被検査材）の検査方法、電磁超音波検査装置１の動作について詳しく説明をする。
角鋼片２ａの検査を行うにあたっては、上述した電磁超音波検査装置１を角鋼片２ａの製造ラインに配置する。例えば、連続鋳造を行う連続鋳造装置の下流側や圧延装置の上流側や下流側に電磁超音波検査装置１を配置する。
そして、長手方向に沿って搬送されている角鋼片２ａを磁場発生部３の挿入部５に挿入し、磁場発生部３の励磁コイル１０に電流を印加し、角鋼片２ａの幅方向に平行磁力線７ａの静磁場Ｂをかける。
【００２５】
また、コイル１２に交番電流を印加し、挿入部５を通過する角鋼片２ａの上表面６ａ側に渦電流を発生させ、角鋼材２ａの厚み方向と同一方向に進行する超音波を発生させる。このとき、交番電流をコイル１２に流していることから角鋼片２ａの上表面６ａに繰り返し渦電流が発生するため、周期的な超音波をかけることができる。
なお、コイル１２に印加する交番電流の強さを変更したり、励磁コイル１０に印加する電流の強さを変更することで、超音波の振動強度を適宜変更することができる。
そして、コイル１２によって超音波の反射波を受信する。即ち、反射波は、角鋼片２ａの上表面６ａ近傍に振動として現れることになるので、その振動と静磁場Ｂとにより、コイル１２に誘起電流が流れることとなり、この誘起電流を出力端子１５で取り出す。誘起電流の波形に基づいて鋼材２の欠陥、厚み等を検知する。
【００２６】
以上、矩形状の断面を有する長尺状の鋼２に対し、当該鋼材２の上下表面６ａ，６ｂに略平行で且つ鋼材２の幅方向と略同一方向に向く平行磁力線７ａを有する磁場Ｂをかけつつ、平行磁力線７ａに略平行な鋼材２の上表面側６ａに電流を発生させることで、鋼材２の厚み方向と同じ方向となる超音波を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】超音波測定装置の構成を示す図である。
【図２】超音波測定装置の断面概略図である。
【図３】入力端子の波形を示す図である。
【図４】出力端子の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    超音波測定装置
２    被検査材
３    磁場発生部
４    超音波発生部
６ａ  上表面
６ｂ  下表面
７    磁力線
７ａ  平行磁力線
７ｂ  湾曲磁力線
１０  励磁コイル
１１  発生部
１２  コイル
Ｂ  磁場（静磁場）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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