(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の作用面を対象物に近接させた状態で、電磁気的作用により対象物に対する超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う電磁超音波トランスデューサであって、
前記作用面に平行な配列方向に沿って複数の短冊状磁石を配列して構成した磁石アレイであって、隣り合う短冊状磁石同士が異極性の磁極面を対向させて配列される磁石アレイと、
前記磁石アレイと前記作用面との間に、その作用面と平行に配設された扁平なコイルと、
を含む電磁超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記コイルは渦巻きコイルであり、
前記配列方向がその渦巻きコイルの導線が延びる方向と一致するよう、前記磁石アレイが前記渦巻きコイルに対して位置決めされている、
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。
【請求項３】
前記コイルは渦巻きコイルであり、
前記配列方向がその渦巻きコイルの導線が延びる方向に対して直交する方向に一致するよう、前記磁石アレイが前記渦巻きコイルに対して位置決めされている、
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。
【請求項４】
前記磁石アレイは、前記対象物内の表面近傍部分に形成する磁界の該表面に垂直な成分が、前記配列方向に沿って所定間隔ごとに反転するよう隣り合う前記短冊状磁石同士の間隔が設定されており、
前記コイルは、前記所定間隔の２倍を周期として蛇行するメアンダーラインコイルであり、
前記磁石アレイは、前記配列方向が前記メアンダーラインコイルの直線方向に対して垂直な方向となるように配設される、
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁超音波トランスデューサに関し、特に複数の短冊状磁石を配列したアレイを用いる電磁超音波トランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁超音波トランスデューサ（略称ＥＭＡＴ：Electromagnetic Acoustic Transducer）は，電磁気的作用によって金属内に非接触で超音波を送信・受信するためのデバイスである。大まかに言えば、ＥＭＡＴは磁石とコイルとから構成されており、これを金属に近づけコイルに対して高周波電流を流すと、金属表面に渦電流を励起され、この渦電流と磁石による静磁場との相互作用により金属内に誘起されるローレンツ力により、金属表面近傍が機械的振動することで、超音波が発生する。また、この逆過程で、金属内を伝搬する機械的振動を電気信号に変換して検出することができる。ＥＭＡＴは、例えば超音波探傷などに用いられる。
【０００３】
ＥＭＡＴの一種に、ＰＰＭ（Periodic Permanent Magnet）型ＥＭＡＴがある。ＰＰＭ型ＥＭＡＴでは、図１８に示すように、静磁場源として、上下の面がＮ，Ｓの磁極面となっている短冊状の永久磁石１１０を、極性を交互に上下反転しつつ横方向に重ね合わせたアレイ１００を用いる。そして、２つのアレイ１００を、それぞれ渦巻きコイル１２０の各直線部分の上に並列に配置している。このＰＰＭ型ＥＭＡＴは、特開平11-125622号公報の「従来の技術」の欄にも示されるように、板材に表面ＳＨ(Shear Horizontal)波を送受信する手段として用いられる。
【０００４】
図１８に例示したＰＰＭ型ＥＭＡＴにおける表面ＳＨ波の発生メカニズムを図１９を用いて説明する。図１９は、図１８に示したＰＰＭ型ＥＭＡＴを横方向（図１８の矢印Ａで示す方向）に見た図であり、図中の左右方向をｘ方向、上下方向をｙ方向、紙面に垂直な方向をｚ方向とした３次元座標系を設定している。
【０００５】
図１９に示すように、ＰＰＭ型ＥＭＡＴは、導電性の板材である対象物１３０の表面に渦巻きコイル１２０が当接するように設置する。アレイ１００の各永久磁石１１０により、対象物１３０の表面に垂直で、各永久磁石１１０の磁極の向きに対応して交互に逆方向に働く磁界Ｂが形成される。一方、渦巻きコイル１２０に高周波電流Ｉ（ω）（ωは角周波数）を流すと、対象物１３０の表面にＩ（ω）の向きに平行な渦電流Ｊ（ω）が誘起される。これら磁界Ｂと渦電流Ｊ（ω）の相互作用により、対象物１３０の表面に平行で、磁界Ｂ及び渦電流Ｊ（ω）の双方に対して垂直な向きのローレンツ力Ｆが発生する。なお、ローレンツ力Ｆを示すマークについて説明すると、丸印の中央に黒点を示したマークは図の紙面に垂直に奥から手前側に向く力を示し、丸印内に×印を示したマークは図の紙面に垂直に手前側から奥に向かう力を示す。また丸印の大きさが力の大きさを示す。
【０００６】
それらのローレンツ力Ｆの向きは、永久磁石１３０のｘ方向の幅のピッチで反転する。なお図１９では、図の繁雑さを避けるため磁界Ｂ、渦電流Ｊ、ローレンツ力Ｆを別の段に分けて示したが、実際にはこれらは対象物１３０内の同じ位置に対するものである。
【０００７】
このようなメカニズムにより、表面ＳＨ波の波長とローレンツ力Ｆの周期が一致するような高周波電流のバースト波を渦巻きコイル１２０に入力することで、強度の高い表面ＳＨ波を送受信できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴでは、その構造上高い周波数の表面ＳＨ波を送受信するためには、短冊状の永久磁石１１０を薄く（すなわちｘ方向の幅を小さく）する必要がある。しかしながら、永久磁石を薄く加工することは困難であり、またあまり薄くすると磁力も弱くなるので、実用に供し得る薄さには限界がある。このため、従来は周波数１．５ＭＨｚ以上の表面ＳＨ波を送受信できるＰＰＭ型ＥＭＡＴを実現することが極めて困難であった。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、従来より高い周波数の表面ＳＨ波を送受信可能な電磁超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の作用面を対象物に近接させた状態で、電磁気的作用により対象物に対する超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う電磁超音波トランスデューサであって、前記作用面に平行な配列方向に沿って複数の短冊状磁石を配列して構成した磁石アレイであって、隣り合う短冊状磁石同士が異極性の磁極面を対向させて配列される磁石アレイと、前記磁石アレイと前記作用面との間に、その作用面と平行に配設された扁平なコイルと、を含む電磁超音波トランスデューサを提供するものである。
【００１１】
本発明の好適な態様では、前記コイルは渦巻きコイルであり、前記配列方向がその渦巻きコイルの導線が延びる方向と一致するよう、前記磁石アレイが前記渦巻きコイルに対して位置決めされている、ことを特徴とする。
【００１２】
また本発明の別の好適な態様では、前記コイルは渦巻きコイルであり、前記配列方向がその渦巻きコイルの導線が延びる方向に対して直交する方向に一致するよう、前記磁石アレイが前記渦巻きコイルに対して位置決めされていることを特徴とする。
【００１３】
また本発明の別の好適な態様では、前記磁石アレイは、前記対象物内の表面近傍部分に形成する磁界の該表面に垂直な成分が、前記配列方向に沿って所定間隔ごとに反転するよう隣り合う前記短冊状磁石同士の間隔が設定されており、前記コイルは、前記所定間隔の２倍を周期として蛇行するメアンダーラインコイルであり、前記磁石アレイは、前記配列方向が前記メアンダーラインコイルの直線方向に対して垂直な方向となるように配設される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る電磁超音波トランスデューサ（ＥＭＡＴ）の要部構成を模式的に示した図である。
【００１６】
この図に示すように、本実施形態のＥＭＡＴは、磁場形成用の手段として短冊状（薄い直方体状）の永久磁石を重ね合わせて配列したものを用いる点では図１８及び図１９に示した従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴと同じである。本実施形態が上記従来構成と異なる点は、両側面、すなわち磁石アレイ１１の配列方向（すなわちｘ方向）側の面、が磁極面となった永久磁石１３を、極性の異なる磁極面同士が対向するように配列した点である。すなわち、アレイ１１は、隣り合う永久磁石１３のＮ極の面とＳ極の面とが向かい合うように配列形成される。隣り合う永久磁石１３同士の間には非磁性体のスペーサ１５を配設することで、対向する両磁極面同士の間隔を設定している。
【００１７】
本実施形態のＥＭＡＴでは、図２に示すように、このような磁石アレイ１１が、渦巻きコイル１７の直線部分１７ａの上に、永久磁石１３の配列方向がその直線部分１７ａの導線の方向と一致するように、配設される。なお、図２では繁雑さを避けるためスペーサ１５の図示は省略している。また、図２では、渦巻きコイル１７に２つある直線部分１７ａのうち、片方にしか磁石アレイ１１を配設していないが、図１８に示した従来構成と同様、両方に磁石アレイ１１を配設するようにすることももちろん可能である。この場合、それら２つの磁石アレイ１１の向きを配列方向について逆向きにする。
【００１８】
図１及び図２ではＥＭＡＴの主要部分のみを示したが、実際のプローブではこの主要部分が必要な回路構成と共にケースに収容されることになる。
【００１９】
このＥＭＡＴを用いて対象物に対して超音波の送受信を行う場合には、渦巻きコイル１７の下面（すなわち磁石アレイ１１が配設される面とは反対の面）側を対象物に近接させる。すなわち、その下面側が、ＥＭＡＴによる超音波の送信及び／又は受信作用の作用面（プローブ面）となる。
【００２０】
図３は、このＥＭＡＴを用いた検査システムの構成例を示す図である。このシステムにおいて、ＥＭＡＴプローブ１０は、図１及び図２に示した構成のＥＭＡＴを内蔵したプローブである。送信回路２２は、送信制御を行うコントローラ２０からの指令に基づき、高周波パルスのバースト信号を生成し、ＥＭＡＴプローブ１０内の渦巻きコイル１７に供給する。この高周波パルスの入力により、検査の対象物に対してＥＭＡＴから超音波が送信される。この送信超音波が対象物内で反射され、ＥＭＡＴのところまで戻ってくると、送信時との逆過程で渦巻きコイル１７に電流が誘起される。この電流はプリアンプ２４で増幅され、受信回路２６により増幅、フィルタリング等の作用を受けた後、信号処理装置２８に入力される。信号処理装置２８は、受信回路２６から入力される受信信号に基づき、検査のための所定の信号処理や演算処理を実行する。
【００２１】
このＥＭＡＴ構造では、永久磁石１３同士の間隔（すなわちスペーサ１５の幅ｄ）を適切に設定することで、表面ＳＨ波を送受信することができる。この表面ＳＨ波の送受信のメカニズムを図４及び図５を参照して説明する。図４は、異極性の磁極面同士を対向配置した構造における磁力線の様子を矢印付きの線により模式的に示した図であり、図５は、図１に示したＥＭＡＴの構成を正面方向（ｚ方向）から見た状態を示す図である。なお、図５では、磁石アレイ１１による磁界Ｂ、コイル１７内の高周波電流Ｉ（ω）により誘起される渦電流Ｊ（ω）、及びローレンツ力Ｆを別の段に分けて示したが、前述の図１９と同様、これは図示の便宜のためであり、実際にはこれらは対象物３０内の同じ位置に対するものである。
【００２２】
図４に示すように、大部分の磁力線はある永久磁石１３のＮ極面、その向かいの永久磁石１３のＳ極面へとほぼ真っ直ぐに向かうが、永久磁石１３のＮ極面の周縁近傍から出る磁力線は、磁石アレイ１１の外側にふくらんだ経路で向かいのＳ極面に入る。また、同じ永久磁石１３のＮ極近傍からＳ極近傍へと回り込む磁力線も存在する。
【００２３】
これからすれば、隣り合う永久磁石１３同士の間隔（すなわちスペーサ１５の幅）を調整することで、図５に示すように、超音波送受信の対象物３０の表面近傍の部分で、磁石アレイ１１の配列方向（ｘ方向）に沿ってほぼ等間隔のピッチで、磁界のｙ方向成分の向きが交互に反転するような磁界Ｂを形成することができることがわかる。このように等間隔で向きが反転する磁界Ｂを形成するのに好適なスペーサ幅ｄは、永久磁石１３の磁束密度や寸法、スペーサ１５の材質等によって変わってくるが、実験などで予め求めることができる。大まかに言えば、好適なスペーサ幅ｄは、永久磁石１３のｘ方向の幅Ｄと同等以下の長さである。したがって、磁界Ｂのｙ方向成分の反転のピッチは永久磁石１３の幅Ｄ以下となる。このことから、図５に例示した磁界Ｂのｙ方向成分の変化は、パターンとしては図１９に示した従来のＥＭＡＴを用いたときの対象物表面近傍で磁界の変化と類似しているが、永久磁石１３の薄さ（幅Ｄ）が同じならばその変化のピッチはその従来ＥＭＡＴの半分程度以下となることがわかる。
【００２４】
このように永久磁石１３を配列して構成した磁石アレイ１１を用いたＥＭＡＴで、コイル１７に高周波電流Ｉ（ω）を通流すれば、対象物３０内に渦電流Ｊ（ω）が誘起される。そして、この渦電流Ｊ（ω）と磁石アレイ１１による磁界Ｂとの相互作用により、従来ＥＭＡＴと同様のメカニズムで、対象物１３０の表面に平行で、磁界Ｂ及び渦電流Ｉの双方に対して垂直な向きのローレンツ力Ｆが発生する。このローレンツ力Ｆのｘ方向についての変化のピッチは、磁界Ｂの変化のピッチと同等であり、このピッチでローレンツ力Ｆは交互に向きが反転している。このローレンツ力Ｆにより、対象物３０の表面近傍が振動して表面ＳＨ波が発生する。これが表面ＳＨ波の送信メカニズムである。受信はこの逆の過程で行うことができる。
【００２５】
この構成では、図１９に示した従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴと比べた場合、永久磁石１３のｘ方向の幅Ｄが同じであれば、対象物３０の表面近傍の磁界Ｂの変化のピッチ（ｘ方向についての反転周期）を半分程度にすることができる。これにより従来構成のＰＰＭ型ＥＭＡＴにおいて永久磁石の幅Ｄを半分程度にしたのに近い効果が期待できる。すなわち、同じ幅Ｄの永久磁石１３を用いた場合、従来構成より２倍程度の周波数の表面ＳＨ波を送受信できる。したがって、本実施形態の構成によれば、従来構成より高い周波数の表面ＳＨ波の送受信が可能となる。
【００２６】
次に、以上に示した構造を採用したＥＭＡＴの実験例を説明する。この実験例では、永久磁石１３として、ネオジウム系の商品名ＮＥＯＭＡＸ（住友特殊金属（株）製：磁束密度１．１４３Ｔ）からなる、幅Ｄ（ｘ方向の長さ）が０．９ｍｍ、高さ（ｙ方向の長さ）が１５ｍｍ、奥行き（ｚ方向の長さ）が１０ｍｍの寸法のものを用いた。また、スペーサ１５の幅ｄは０．６ｍｍとしている（図１参照）。幅Ｄ＝０．９ｍｍという寸法は、現状この材質で加工可能な薄さの限界に近い値である。またこの実験例では、この永久磁石１３を５個用いた磁石アレイ１１を用いている。また、渦巻きコイル１７は、直径０．１ｍｍのエナメル線を用いて作成した。また、超音波送受の対象とする対象物３０としては、厚さ８ｍｍのアルミニウム合金（Al2017-T3）の板を用いた。
【００２７】
図６は、この構成のＥＭＡＴの作用面を導電性材料の対象物３０に近接させたときの、対象物３０の表面近傍での磁界の実測結果のグラフを示す。実線のグラフは磁界のｘ方向成分Ｈxの値のｘ方向についての変化を示し、破線のグラフは磁界のｙ方向成分Ｈyの値のｘ方向についての変化を示す。この図から分かるように、表面ＳＨ波の発生に寄与する磁界のｙ方向成分Ｈyは、永久磁石のｘ方向の幅に近いピッチで交互に向きが反転している。したがって、上述のメカニズムで表面ＳＨ波を送受信可能であることが分かる。この実験例では、渦巻きコイル１７に周波数２ＭＨｚの信号を入力することで、約２ＭＨｚの表面ＳＨ波を励起することができた。
【００２８】
また、このグラフに示される磁界の強さのピーク値は、同じ磁束密度、同じ寸法の永久磁石を用いた従来構造（図１９参照）の磁石アレイと比べて、２倍程度の値となっている。このように本実施形態の磁石アレイ構造によれば、従来より強い磁界を形成することができるので、超音波送信の面では従来より送信出力を高めることができ、超音波受信の面では従来より受信感度を高めることができる。実験では、従来構造の場合より４〜５倍程度の音圧の超音波を出力することができた。
【００２９】
図７は、この実験例のＥＭＡＴに周波数２ＭＨｚの５波の正弦波からなるバースト信号を入力して対象物３０に表面ＳＨ波を発生させ、それを７０ｍｍ離れた場所で同構造のＥＭＡＴで受信した受信波形を示す図である。ここでは、ＥＭＡＴの送信回路としてRITEC社製RAM10000を用いた。また、受信系ではプリアンプとしてRITEC PAT-0.1-20を、受信回路としてRITEC BR640を用い、この受信回路の出力信号の波形をデジタルオシロスコープIWATSU-LeCoy LT342で求めた。この実験例ではサンプリング周波数５００ＭＨｚで受信信号をサンプリングし、２５０回分のサンプリング結果の波形を加算平均した波形を受信波系として求めた。この図において、横軸は時間、縦軸は受信信号の振幅を示す。
【００３０】
このグラフでは、２０〜３０μｓの間に表面ＳＨ波の比較的大きな波形が現れている。同磁束密度、同寸法の永久磁石を用いた従来構成のＰＰＭ型ＥＭＡＴを用いた場合は、このような大きい波形は検出できない。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態によれば、従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴよりも高い周波数の表面ＳＨ波を送信及び／又は受信できる。また従来よりも高送信出力、高受信感度を実現することができる。
【００３２】
以上、本実施形態のＥＭＡＴにおいて、磁石アレイ１１のスペーサ１５の幅等を適切に設定することで表面ＳＨ波の送受信が可能なことを示した。
【００３３】
次に、本実施形態において、スペーサ１５の幅を調整することで、対象物３０に対して体積波の横波を送受信できるＥＭＡＴを構成することができることを、図８を参照して説明する。図８の構成は、スペーサ間隔ｄ以外は図５に例示した構成と同一である。
【００３４】
この例では、図５に示した表面ＳＨ波を送受信する構成に比べて、隣接する永久磁石１３同士の間隔（すなわちスペーサ幅ｄ）を小さくする。これにより、対象物３０の表面近傍に形成される磁界の分布が変化する。大まかに言えば、上述の図５の例では、同じ強さの磁界がほぼ等間隔で交互に反転する変化パターンで合ったのに対し、スペーサ幅ｄを小さくすることで変化の周期（間隔）がそれより大きくなっていく。
【００３５】
図８の例は、対象物３０の表面近傍での磁界のｙ方向成分の変化の周期が磁石アレイ１１のアレイ長（この例でも永久磁石５個でアレイ１１を構成した）の２倍程度となるようにスペーサ幅ｄを設定した場合である。この場合、対象物３０の表面近傍での磁界のｙ方向成分の大きさは磁石アレイ１１のｘ方向（磁石の配列方向）の両端部で最大となる。このような磁界Ｂと、コイル１７に印加した高周波電流により誘起される渦電流Ｊ（ω）との相互作用により、ｘ方向に沿ってアレイ長の約２倍の周期で変動するローレンツ力Ｆが励起される。このようなパターンのローレンツ力Ｆにより、対象物３０内に体積波としての横波が誘起される。
【００３６】
図８の構成の実験例を図９及び図１０を参照して説明する。この実験例は、ＥＭＡＴのスペーサ幅ｄを０．１ｍｍとした点を除き、前述の表面ＳＨ波の実験例と同じ構成のＥＭＡＴを用い、実験システムの構成も前述の実験例と基本的に同じである。
【００３７】
図９は、この構成のＥＭＡＴの作用面を導電性材料の対象物３０に近接させたときの、対象物３０の表面近傍での磁界の実測結果のグラフを示す。この図から磁界のｙ方向成分Ｈyが図８に示したパターンをなしていることが分かる。
【００３８】
図１０は、この構成のＥＭＡＴにより対象物３０に超音波（横波）を送信し、その超音波の対象物３０内での多重反射を同じＥＭＡＴで受信したときの受信波形である。このグラフから、約５μｓ間隔ごとに多重反射の反射波が検出されていることが分かる。この横波の音速は約３１４０ｍ／ｓであった。
【００３９】
このように、本実施形態のＥＭＡＴ構成では、スペーサ幅ｄを小さくすることで体積波の横波を送信及び／又は受信できる。
【００４０】
なお、スペーサ幅ｄを図５の例と図８の例の中間の大きさにした場合、磁界のｙ方向成分のｘ方向に沿った変化の周期が、図５の例と図８の例の中間の長さとなる。この場合、ＥＭＡＴにより対象物３０内に誘起できる超音波は、表面ＳＨ波の成分と体積波の横波の成分の両方を含んだ中間的な波となる。全体的な傾向としては、スペーサ幅ｄを小さくするほど体積波の横波の成分が相対的に強くなり、逆にスペーサ幅ｄを大きくするほど表面ＳＨ波の成分が相対的に強くなる。ただし、スペーサ幅ｄを永久磁石１３の幅Ｄよりも大きくすると、隣り合う永久磁石１３同士の間の磁界が弱くなり、対象物３０内に十分な大きさのｙ方向磁界を形成できないので、スペーサ幅ｄは永久磁石１３の幅Ｄ以下とすることが好適である。
【００４１】
次に、本実施形態の変形例について説明する。図１１は、この変形例のＥＭＡＴの構成を模式的に示した図である。この変形例のＥＭＡＴは、図１及び図２に示したＥＭＡＴ構成から、磁石アレイ１１の配置を渦巻きコイル１７の面内で９０度回転させた構成に変更したものである。この変形例のＥＭＡＴでは、スペーサ１５の幅ｄを適宜調整することで、ＳＶ(Shear Vertical)波や体積波の縦波を送受信することができる。
【００４２】
図１２は、この変形例のＥＭＡＴによるＳＶ波の送信メカニズムを説明するための図である。この図は、渦巻きコイル１７の直線部分１７ａの部分での、導線に対して垂直な面での断面図を示す。スペーサ１５の幅ｄを適正値に設定することで、図１２に示すように、対象物３０の表面近傍において、磁界のｘ方向（永久磁石１３の配列方向）の成分が永久磁石１３の配列ピッチのほぼ半分のピッチで交互に反転する磁界Ｂを形成することができる。例えば前述の表面ＳＨ波の実験例で挙げた磁石アレイ１１（スペーサ幅ｄ＝０．６ｍｍ）では、磁界のｘ方向成分Ｈｘが図６に実線で示したパターンとなっており、これは図１２に示したパターンに近いものである。
【００４３】
このような構成のＥＭＡＴにおいて、渦巻きコイル１７に高周波電流Ｉ（ω）を流すと、図示のごとく、対象物３０の表面近傍にはｚ方向の渦電流Ｊ（ω）が誘起される。この渦電流Ｊ（ω）と磁界Ｂとの相互作用により、図示のごとく、対象物３０の表面に垂直な向きで、磁界Ｂの反転ピッチと同じピッチで反転するローレンツ力Ｆが発生する。このローレンツ力により対象物３０内にＳＶ波が誘起される。また、この逆過程でＳＶ波を受信することができる。
【００４４】
以上、ＳＶ波の送受信メカニズムを説明した。これに対し、スペーサ幅ｄを小さくすることで体積波の縦波を送受信することもできる。この縦波送受信のメカニズムを図１３を参照して説明する。この図に示すように、スペーサ幅ｄを図１２の例より小さい適切な値とすることで、対象物３０の表面近傍に、図１３に示すように、磁界のｘ方向成分が同一方向でかつその強弱が周期的に変わる磁界Ｂを形成することができる。例えば前述の体積波の横波の実験例で挙げた磁石アレイ１１（スペーサ幅ｄ＝０．１ｍｍ）では、磁界のｘ方向成分Ｈxが図９に実線で示したパターンとなっており、これは図１３に示した磁界Ｂのパターンに近いものである。
【００４５】
このような構成のＥＭＡＴにおいて、渦巻きコイル１７に高周波電流Ｉ（ω）を流すと、図示のごとく、対象物３０の表面近傍にはｚ方向の渦電流Ｊ（ω）が誘起される。この渦電流Ｊ（ω）と磁界Ｂとの相互作用により、図示のごとく、対象物３０の表面に垂直な向きの、強弱がｘ方向について周期的に変わるローレンツ力Ｆが発生する。このローレンツ力Ｆにより対象物３０の表面近傍にｘ方向について周期的な粗密のパターンが生まれ、これにより縦波が発生する。また、この逆過程で縦波を受信することができる。図１４は、このＥＭＡＴにより対象物３０に縦波の超音波を送信し、これが対象物３０内で多重反射する様子を同じＥＭＡＴで受信したときの受信波形である。このグラフから、約３μｓ間隔ごとに多重反射の反射波が検出されていることが分かる。この横波の音速は約６３６０ｍ／ｓであった。
【００４６】
また、図１１に示した構成のＥＭＡＴによれば、レイリー波やラム波の送受信を行うことが可能である。
【００４７】
まずレイリー波の送受信メカニズムについて図１５を参照して説明する。図１５は、図１２の一部を拡大して示したものである。ただし、図１２では磁界Ｂのｘ方向成分のみを示したのに対し、図１５ではｙ方向成分も考慮したｘｙ平面内のベクトルとして磁界Ｂを示している。
【００４８】
図１１に例示したＥＭＡＴにおいて磁界Ｂをこのようなパターンとできることは、図６に示したＨx，Ｈyの分布の例からわかる。このような磁界Ｂと渦電流Ｊ（ω）によって励起されるローレンツ力Ｆは図示のような変化パターンを示す。このローレンツ力Ｆの変化パターンはレイリー波の振幅分布に類似している。したがって、図１１に示した構成のＥＭＡＴにおいて、スペーサ幅ｄ及び渦巻きコイル１７への入力信号の周波数を適切に設定することで、対象物３０内に励起される振動のうちレイリー波の成分を強め合わせることができる。この場合の入力信号は、レイリー波の波長がローレンツ力Ｆの変化パターンの周期と同じになるように設定したバースト波でよい。適切なスペーサ幅ｄや入力信号の周波数は、永久磁石１３の磁束密度や寸法、スペーサ１５の材質、対象物３０の材質など様々なパラメータに依存するが、実験等により特定することは可能である。なお、レイリー波の受信はこの逆過程で可能である。
【００４９】
また、図１１に示した構成のＥＭＡＴを用いた場合において、対象物３０を非常に薄い板（例えば板厚が、励起する音波の１波長以下）とした場合には、対象物３０内にラム波を発生させることができる。受信はこの逆過程で可能である。この場合、ラム波を効率よく送信できるようにするには、スペーサ幅ｄや渦巻きコイル１７への入力信号の周波数を適切に設定する必要があるが、これは実験等で求めることができる。
【００５０】
また、図１等に示した磁石アレイ１１を利用した別の変形例として、図１６に示すようにメアンダーラインコイル（蛇行コイル）１８と組み合わせる構成も可能である。この構成では、メアンダーラインコイル１８を構成する導線の直線部分１８ａの方向が磁石アレイ１１の永久磁石１３の配列方向と垂直になるように両者の位置関係を設定する。ここで、スペーサ幅ｄを適切に設定すると、対象物３０の表面近傍に、図１７に示すようなｘ方向の磁界成分が一定周期で交互に反転する磁界Ｂを形成することができる。例えば表面ＳＨ波の実験例で挙げた磁石アレイでは、図６及び図１２に示したように、その条件を満足する比較的強い磁界Ｂを形成することができる。そして、図１７に示すように、メアンダーラインコイル１８の蛇行のパターンをこの磁界Ｂの反転パターンに一致したものとすることで、誘起されるローレンツ力Ｆの方向と大きさを磁石アレイ１１の配列方向のほぼ全域にわたってほぼ均一に揃えることができる。そして、配列方向各部で発生するローレンツ力Ｆの大きさは、コイル１８に入力する高周波電流の変化に応じてほぼ一斉に揃って変化するので、全体として強い縦波を発生させることができる。受信はこの逆過程で実現できる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態のＥＭＡＴでは、各種の超音波の送受信が可能である。
【００５２】
なお、以上の例では、ローレンツ力Ｆにより対象物３０内に超音波を励起する場合を説明した。対象物３０が実験例として例示したアルミニウムなどの非磁性体である場合は、ローレンツ力Ｆしか発生しないためその説明でよい。これに対し、対象物３０が鉄等の強磁性体の場合は、対象部３０の表面近傍にはローレンツ力Ｆの他に磁歪力も発生する。しかし、この磁歪力は、永久磁石１３の配列方向について、ローレンツ力Ｆと同様の変化を示すため、超音波の発生源となる。したがって、対象物３０が強磁性体の場合は、ローレンツ力Ｆと磁歪力の和が超音波源となる。特に、ローレンツ力Ｆの方向と磁歪力の方向とが一致する場合は、強い超音波を送信できる。実験では、強磁性体に対しても、従来構造のＰＰＭ型ＥＭＡＴより４〜５倍程度の強さの超音波が送信できた。ただし、図１３に示した体積波の縦波を送受信するための構成では、ローレンツ力Ｆと磁歪力の向きが正反対になるので、超音波送信の効率はよくない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態の電磁超音波トランスデューサ（ＥＭＡＴ）の要部構成を示す斜視図である。
【図２】  実施の形態のＥＭＡＴにおける磁石アレイと渦巻きコイルとの位置関係を示す図である。
【図３】  実施の形態のＥＭＡＴを用いた検査システムの一例を示す図である。
【図４】  実施の形態のＥＭＡＴの磁石アレイによる形成される磁場を説明するための図である。
【図５】  実施の形態のＥＭＡＴによる表面ＳＨ波の送受信のメカニズムを説明するための図である。
【図６】  永久磁石同士の間隔を表面ＳＨ波用に設定した磁石アレイにより形成される磁場の実測データを示した図である。
【図７】  実施の形態のＥＭＡＴにより送信した表面ＳＨ波を、同型のＥＭＡＴで受信した受信波形の一例を示す図である。
【図８】  実施の形態のＥＭＡＴによる体積波の横波の送受信のメカニズムを説明するための図である。
【図９】  永久磁石同士の間隔を横波用に設定した磁石アレイにより形成される磁場の実測データを示した図である。
【図１０】  実施の形態のＥＭＡＴにより送受信した横波の受信波形の一例を示す図である。
【図１１】  変形例のＥＭＡＴにおける磁石アレイと渦巻きコイルとの位置関係を示す図である。
【図１２】  変形例のＥＭＡＴによるＳＶ波の送受信のメカニズムを説明するための図である。
【図１３】  変形例のＥＭＡＴによる体積波の縦波の送受信のメカニズムを説明するための図である。
【図１４】  変形例のＥＭＡＴにより送受信した縦波の受信波形の一例を示す図である。
【図１５】  レイリー波の送受信メカニズムを説明するための図である。
【図１６】  磁石アレイをメアンダーラインコイルと組み合わせる更に別の変形例を説明するための図である。
【図１７】  メアンダーラインコイルを用いた変形例で強力な縦波を発生可能なことを説明するための図である。
【図１８】  従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴの要部構成を示す図である。
【図１９】  従来のＰＰＭ型ＥＭＡＴにおける表面ＳＨ波の送受信メカニズムを説明するための図である。
【符号の説明】
１１  磁石アレイ、１３  永久磁石、１５  スペーサ、１７  渦巻きコイル、１９  作用面、３０  対象物。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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