(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体の内部を送信用超音波探触子からの超音波を伝播させ、内部を伝播してきた超音波のエネルギーを用いて被検査体の表層を振動させることにより被検査体の表層の磁場を変動させ、当該磁場の変動を被検査体の表面に移動自在に配設した検出コイルにより検出して超音波の伝播を検知するようにした電磁超音波センサーに於いて、電磁超音波センサーを、センターコアー（１ａ）とその両側に配設したフートコアー（１ｂ）・（１ｂ）とを備え且つセンターコアー（１ａ）と両フートコアー（１ｂ）との間隙Ｇを０．０１〜０．０５ｍｍとしたセンターコアー型コアー体（１）と，前記両フートコアー（１ｂ）・（１ｂ）に夫々巻回され、各フートコアー（１ｂ）・（１ｂ）に同一強度で且つ逆方向の磁界を発生させるバイアス用コイル（２）・（２）と，前記センターコアー（１ａ）に巻回した再生用コイル（４）とから構成したことを特徴とする電磁超音波センサー。
【請求項２】
コアー体（１）をＭｎ−Ｚｎフェライトを用いて形成すると共に、コアー体（１）の厚さ（ｔ）を０．１〜０．２ｍｍとするようにした請求項１に記載の電磁超音波センサー。
【請求項３】
センターコアー（１ａ）の先端部の正面視に於ける形状を、横幅Ｗ2 が０．０２〜０．０５ｍｍの長方形とすると共に、前記センターコアー（１ａ）に対向する両フートコアー（１ｂ）・（１ｂ）の先端部の正面視に於ける形状を、斜辺の傾斜角θが３０°〜６０°の三角形とするようにした請求項１に記載の電磁超音波センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いた金属の非破壊検査に使用する電磁超音波センサーの改良に関するものであり、主として金属内部の欠陥、熱時効や機械的応力による材質劣化等の検出に用いられるものである。
【０００２】
近年、ステンレス鋼等の金属の内部に生じた欠陥や材質劣化の検出方法として、超音波を用いた検査方法が多方面で開発されている。
しかし、金属内を通過する超音波ビームは、金属結晶粒によって著しく散乱されるため、ビームの減衰やバックグランドノイズとしてのエコーを生ずることになり、ＳＮ比が大幅に低下することになる。
また、金属内を通過する超音波ビームは、金属結晶の異方性に起因する音響異方性により、その進行方向がゆがめられたり（スキュー）、音速が通過方向よって大きく変動することになる。
その結果、従前の圧電式マイクロプローブのような分解能の比較的低い超音波センサーでは、オーステナイト系ステンレス鋳鋼の如き結晶粒が粗大で且つその分布が不均一であり、しかも結晶異方性を有しているような場合には、材料内部の欠陥や材質劣化の位置や大きさを高精度で能率よく検出することができないと云う問題があった。
【０００３】
上述のような従前の超音波センサーに係る問題を解決するため、本願発明者等は先きに図７に示す如き構造の磁気マイクロプローブ（電磁超音波センサー）を開発し、特願平１０−３６３４５３号及び特願平１０−３６３４５４号としてこれを公開している。
即ち、当該電磁超音波センサーＡは、フロッピーディスクやハードディスクの読み取りに用いられている公知の磁気読み取りヘッドとほぼ同様の構成を有するものであり、具体的には０．５μｍ以下の検出用間隙Ｇを有するコアー体２０ａと、これに巻回した検出用コイル２０ｂを備えた磁気マイクロプローブが用いられている。
【０００４】
尚、図７に於いて、２０ｃはスライダー、２１・２２はギャップＧの近傍に設けた磁極である。また、スライダー２０ｃは、その接触面が被検査体の外表面と接触した状態で、被検査体の外表面に沿って適宜の速度で移動される。
【０００５】
前記永久磁石２１・２２は、被検査体の表層に一様でない磁場を形成するためのものであり、具体的には図７に示すように、コアー体２０ａの間隙Ｇの両側近傍に斜状のＮ磁極２１及びＳ磁極２２が設けられており、コアー体２０ａが対向する近傍の被検査体の外表層に、所定の強さの一様でない磁場を形成する。
【０００６】
また、図７では、Ｎ・Ｓ一対の磁極２１・２２を対向状に配設しているが、図８及び図９に示すような磁極配置としてもよく、一様でない磁場を形成し易い磁極配置であれば、如何な磁極配置であってもよい。
【０００７】
電磁超音波センサーＡを被検査体の外表面に接触させた状態とする。そして、発信用超音波探触子（図示省略）から入射された超音波（表面ＳＨ波又は表面ＳＶ波）が被検査体の表層部に到達すると、超音波の有するエネルギーによって被検査体の表層が振動する。
その結果、Ｎ・Ｓ磁極２１・２２が被検査体の表層に形成している磁場も振動的に変動し、被検査体表層の磁場の変動が電磁超音波センサーＡによって読み取られ、増幅器を経てディスプレイ（図示省略）上に表示される。
例えば、被検査体がオーステナイトステンレス鋳鋼の場合、その表層が超音波（表面ＳＨ波）のエネルギーによって振動すると、組織を形成する幅１０μｍ程度で材料中に分布するα相（フェライト相・約１０〜２０％の割合でランダムに混在）が振動する。その結果、α相の粒界近傍の磁場は、α相が磁場内で振動することによって生じた誘導電流の生ずる磁場によって乱され、強弱のある不均一な磁場となる。
【０００８】
上記図７の構造の電磁超音波センサーＡは、被検査体の表面の所定の範囲を適宜の速度でスキャンニングしつつ検出信号を処理することにより、熱時効による材質劣化範囲を検出したり、検出した磁場変動の状態から超音波の到達点を検知することにより、被検査体の内部の欠陥部の大きさや位置を検知することができ、優れた実用的効用を有するものである。
【０００９】
しかし、前記図７の電磁超音波センサーＡにも解決すべき多くの問題が残されている。その中でも特に問題となる点は、▲１▼磁極２１・２２を設ける構成としているため、センサーの構造が著しく複雑になること、▲２▼リング型のコアー体を用いているため、検出感度が低いこと、▲３▼磁極２１・２２の磁気特性の経年変化等により、検出感度が変動し易いこと、▲４▼検出感度を高めるために磁極２１・２２の強度を高めると、必然的にセンサーそのものが大型になること等の点である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の図７に示す如き構成の電磁超音波センサーに於ける上述の如き問題を解決することを課題とするものであり、磁極２１・２２の使用を排してバイアス用コイルによる直流磁界を活用すると共に、センターコアー型のコアー体を用いて再生コイルにより磁場変動により生じた交番磁界のみを検出することにより、センサー構造の簡素及び小型化と検出感度の大幅な向上を図ることを発明の課題とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被検査体の内部を送信用超音波探触子からの超音波を伝播させ、内部を伝播してきた超音波のエネルギーを用いて被検査体の表層を振動させることにより被検査体の表層の磁場を変動させ、当該磁場の変動を被検査体の表面に移動自在に配設した検出コイルにより検出して超音波の伝播を検知するようにした電磁超音波センサーに於いて、電磁超音波センサーを、センターコアー１ａとその両側に配設したフートコアー１ｂ・１ｂとを備え且つセンターコアー１ａと両フートコアー１ｂとの間隙Ｇを０．０１〜０．０５ｍｍとしたセンターコアー型コアー体１と，前記両フートコアー１ｂ・１ｂに夫々巻回され、各フートコアー１ｂ・１ｂに同一強度で且つ逆方向の磁界を発生させるバイアス用コイル２・２と，前記センターコアー１ａに巻回した再生用コイル４とを発明の基本構成とするものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、コアー体１をＭｎ−Ｚｎフェライトを用いて形成すると共に、コアー体１の厚さｔを０．１〜０．２ｍｍとするようにしたものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、センターコアー１ａの先端部の正面視に於ける形状を、横幅Ｗ2 が０．０２〜０．０５ｍｍの長方形とすると共に、前記センターコアー１ａに対向する両フートコアー１ｂ・１ｂの先端部の正面視に於ける形状を、斜辺の傾斜角θが３０°〜６０°の三角形とするようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る電磁超音波センサーの第１実施形態を示す斜面図であり、図２は本発明に係る電磁超音波センサーの第２実施形態を示す正面図である。図１及び図２に於いて、１はセンタコアー型のコアー体、１ａはセンターコアー、１ｂはフートコアー、２はバイアス用コイル、３は再生用コイル、Ｇ1 ・Ｇ2 は検出用のギャップＷ1 ・Ｗ2 はセンターコアーの横幅、ｔ1 ・ｔ2 はコアーの厚みである。
【００１５】
前記コアー体１はＭｎ−Ｚｎフェライトから形成されており、０．５〜２（Ｔ）以下の磁束密度に於いては磁気飽和を起すことがないように選定されている。また、コアー体１の外形寸法は、ｔ1 ＝０．１ｍｍ、Ｈ1 ＝１．１ｍｍ、Ｌ1 ＝０．６５ｍｍ、Ｇ1 ＝０．０５ｍｍ、Ｗ1 ＝０．１ｍｍに夫々選定されている（図１の第１実施形態の場合）。
【００１６】
更に、図２の第２実施形態に於いては、コアー体１の外形寸法は、ｔ2 （厚み）＝０．２ｍｍ、Ｈ2 ＝２．１ｍｍ、Ｈ3 ＝０．３ｍｍ、Ｈ4 ＝０．０１ｍｍ、Ｌ2 ＝０．７ｍｍ、Ｌ3 ＝０．３ｍｍ、Ｇ2 ＝０．０１ｍｍ、Ｗ2 ＝０．０２ｍｍ、Ｗ3 ＝０．２ｍｍ、バイアスコイル２のＡＴ＝１００Ｔ×０．０２５Ａ、再生コイル３の巻数＝２００Ｔに夫々選定されている。
【００１７】
即ち、第２実施形態に於いては、センターコアー１ａの先端部１ａ′の形状が細幅の長方形状に形成されており、その横幅Ｗ2 は０．０２ｍｍに選定されている。尚、当該横幅Ｗ2 としては０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲が加工性や磁場変動の検出感度等の点から最適である。
【００１８】
また、当該第２実施形態に於いては、センターコアー先端部１ａ′に対向する両フートコアー１ｂの先端部１ｂ′の形状が、斜辺の傾斜角θが４５の三角形に形成されている。尚、前記傾斜角θは３０°〜６０°の範囲とするのが加工性や磁場変動の検出感度等の点から最適であることが、実験により確認されている。
【００１９】
更に、センターコアー１ａと平行状に対向するフートコアー先端部１ｂ′の垂直面の高さＨ4 は、間隙Ｇと同じ０．０１ｍｍに選定されており、当該Ｈ4 の大きさは０．０１〜０．０５ｍｍの範囲とするのが最適である。
【００２０】
前記各バイアスコイル２・２には、夫々逆方向の０．０２５Ａの直流電流が励磁電流として供給されており、これにより定常時に於けるセンターコアー１ａ内の磁界Ｈｙは零となっている。
図３は、定常時に於ける被検査体Ｂ内部に於けるセンサーＡの高さ方向の磁界分布Ｈｙを示すものであり、センターコアー１ａ内の磁界Ｈｙは零である。
【００２１】
後述するように、発信用超音波探触子から被検査体Ｂに超音波が加えられ、この超音波が被検査体Ｂの内部（又は外表層部）を伝播してセンサーＡの下方位置へ到達したとする。そうすると、被検査体Ｂの表層部は伝播して来た超音波のエネルギーにより振動する。
【００２２】
図４に示すように被検査体Ｂの表層部が振動により矢印Ｕ方向へ移動する際には、センサーＡに対向する被検査体Ｂの表層部内にａ及びｂ方向の渦電流が誘起され、これによって磁界ｈｙがセンターコアー１ａ内に発生する。
このセンターコアー１ａ内の磁界ｈｙは、被検査体表層部の振動周波数（即ち、超音波の振動周波数）と同じ周波数の交番磁界となり、センターコアー１ａに巻回した再生コイル３と鎖交する。これにより、再生コイル３には、前記交番磁界ｈｙと同周波数の超音波の伝播を示す検出信号が、誘起されることになる。
【００２３】
図５は、本発明に係る電磁超音波センサーＡの使用の一例を示すものであり、センサーＡを用いてステンレス鋳鋼の材質劣化を検出する場合を示すものである。図５に於いて、Ａは電磁超音波センサー、５はプリアンプ、４は送信用超音波探触子、６はアンプ、７はディスプレイ、Ｌは送信用探触子の入射点とセンサーＡのセンターコアー１ａとの間隔、Ｂは被検査体（金属体）である。
【００２４】
先ず、被検査体Ｂの表面（検査面）を清浄面とし、その後、送信用超音波探触子４と電磁超音波センサーＡとを適宜の間隔例えばＬ＝２０ｍｍ〜３００ｍｍ程度離して被検査体Ｂ上にセットする。
各機器のセッチングが終ると、送信用超音波探触子４を作動させる。これにより、送信用超音波探触子４からは、周波数が０．５ＭＨＺ〜５ＭＨＺ程度の超音波（波長λ＝約６ｍｍ〜０．６ｍｍ）が被検査体Ｂの表面に沿って発信される。尚、送信用の超音波としては縦波（ＳＶ波）であっても、或いは横波（ＳＨ波）であってもよく、また送信用超音波探触子４の種類は如何なるものであってもよく、圧電式や電磁式のものが最適である。
発信された超音波の表面ＳＶ波（又は表面ＳＨ波）は、被検査体Ｂの表面から波長λの約１／２程度の寸法（即ち、約２〜３ｍｍ程度）の深さまで浸透し、被検査体Ｂの表層を進行する。
【００２５】
超音波の表面ＳＶ波（又は表面ＳＨ波）が被検査体Ｂの表層内を進行すると、超音波の有するエネルギーによって被検査体Ｂの表層が振動する。その結果、電磁超音波センサーＡが被検査体Ｂの表層に形成している磁場も振動的に変動し、この被検査体Ｂの表層の磁場の変動は電磁超音波センサーＡの再生コイル３で検出され、ディスプレイ７上に表示される。
【００２６】
尚、図５に於いては、本発明に係る電磁超音波センサーＡをステンレス鋼材の材質劣化検査に用いた場合を説明したが、ステンレス鋼材の内部欠陥の検査に用いる場合も同様であり、この場合には送信用超音波探触子４から所定の入射角でもって超音波が被検査体Ｂの内方へ入射され、欠陥部から反射して来た超音波を検出することにより、欠陥部の位置や大きさが検出されることになる。
また、被検査体Ｂとしては、ステンレス鋼のみならずあらゆる種類の金属を被検査体Ｂとすることができることは勿論である。
【００２７】
【実施例】
被検査体Ｂとしてステンレス鋼（厚さ２５ｍｍ、外形１００ｍｍ×２００ｍｍ）を、また、送信用超音波探触子４として周波数が５ＭＨＺの表面ＳＶ波を発信する圧電式の探触子を、更に、電磁超音波センサーＡとして図２に示した分解能（ギャップＧ）が約０．０１ｍｍの電磁超音波センサーＡを夫々使用し、電磁超音波センサーＡと送信用超音波探触子４との間隔Ｌを３０ｍｍ、４０ｍｍ及び５０ｍｍとした場合について、被検査体Ｂの表面の磁場の変化の状態を電磁超音波センサーＡにより検出した。
【００２８】
尚、使用した被検査体Ｂの表面は機械加工仕上げされており、且つ被検査体Ｂには、熱時効を加える等の特別な処理が施されていない。
【００２９】
図６は、電磁超音波センサーＡの検出信号をオッシレータで測定したものであり、曲線ＡがＬ＝３０ｍｍの場合を、曲線ＢがＬ＝４０ｍｍの場合を、曲線ＣがＬ＝５０ｍｍの場合を夫々示すものである。
各曲線Ａ、Ｂ、Ｃに於いては、矢印Ａ′、Ｂ′及び矢印Ｃ′を付した部分からも明らかなように、被検査体Ｂの表面付近の振動による磁場の変動を明確に見ることができ、超音波の伝播を高精度で検知できることが判る。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に於いては、電磁超音波センサーのコアー体をセンターコアー型のコアー体とすると共に、コアー体を形成するセンターコアーに再生コイルを、また各フートコアーに同一強度で逆方向の磁界を夫々生ずるバイアスコイルを夫々巻回するようにしているため、超音波の伝播による金属被検査体外表層の磁場の交番的な変動を高感度で検出することができ、超音波の高精度検知が可能となる。
また、コアー体の検出用ギャップＧを０．０１〜０．０５ｍｍとしているため、センサーとしての分解能がより高かくなり、超音波の検出精度の向上が可能となる。
本発明は上述の通り、金属内を伝播して来た超音波を電磁気的に検出するセンサーとして優れた実用的効用を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電磁超音波センサーの第１実施形態を示す斜面図である。
【図２】本発明に係る電磁超音波センサーの第２実施形態を示す正面図である。
【図３】定常時に於ける被検査体内部の高さ方向の磁界分布を示す線図である。
【図４】超音波の検出時に於ける被検査体Ｂの表層部の磁界の状態を示す線図である。
【図５】本発明に係る電磁超音波センサーの使用の一例を示す説明図である。
【図６】電磁超音波センサーによる超音波の検出波形の一例を示すものである。
【図７】先きに開発をした電磁超音波センサーの概要を示す斜面図である。
【図８】先きに開発をした電磁超音波センサーの磁極配置の他の例を示すものである。
【図９】先きに開発をした電磁超音波センサーの磁極配置の更に他の例を示すものである。
【符号の説明】
Ａは電磁超音波センサー、Ｂは被検査体、Ｌは間隔、Ｇ1 ・Ｇ2 はギャップ、Ｗ1 ・Ｗ2 はセンターコアーの横幅、ｔ1 ・ｔ2 はコアー体の厚み、θはフートコアー先端の斜辺の傾斜角、１はコアー体、１ａはセンターコアー、１ｂはフートコアー、２はバイアス用コイル、３は再生用コイル、４は送信用超音波探触子、５はプリアンプ、６はアンプ、７はディスプレイ。
【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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