(57)【要約】【課題】電磁超音波探触子のノイズ低減【解決手段】本発明に係る電磁超音波探触子１は、静磁界を形成する磁力発生手段２と、磁力発生手段２および被検体４の間に配置されたコイル３とを有し、コイル３に高周波電流を流すことにより被検体４内に渦電流を励起させて超音波の送受信を行うものであり、磁力発生手段２とコイル３との間にスペーサ７が配置されている。スペーサ７としては、例えば、厚さ１０μｍ以上の導電性材料または厚さ５００μｍ以上の絶縁性材料を用いることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静磁界を形成する磁力発生手段と、コイルとを有し、コイルに高周波電流を流し、被検体内に電磁力を発生させることにより超音波の送受信を行う電磁超音波探触子であって、磁力発生手段とコイルとの間にスペーサが配置されていることを特徴とする電磁超音波探触子。
【請求項２】
スペーサが、厚さ１０μｍ以上の導電性材料を有す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】
スペーサが、厚さ５００μｍ以上の絶縁性材料を有す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４】
スペーサが、厚さ２μｍ以上の導電性材料および厚さ１００μｍ以上の絶縁性材料からな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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ローレンツ力または磁歪により被検体内に電磁超音波を発生させ、被検体の非破壊検査に用いることができる電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ：Electromagnetic Acoustic Transducer）に係り、特に、被検体内に超音波共鳴を発生させ、その共鳴スペクトルから金属材料を評価する非破壊検査法（ＥＭＡＲ：Electromagnetic Acoustic Resonance）に用いるのに適した電磁超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊検査方法に関しては、従来、Ｘ線を用いた方法、磁気を用いた方法、超音波を用いた方法など、様々な技術が研究されているが、超音波を用いる方法は、肉厚測定、応力測定、ボルト等の軸力測定、結晶粒径測定、疲労・クリープ損傷評価など様々な材料の非破壊検査方法として実用化されてきている。超音波を用いた非破壊検査方法としては、これまで、圧電振動子型超音波探触子を用いたものが一般的であったが、材料表面の研磨等の前処理が必要である。そこで、前処理を要さない非破壊検査方法として、電磁超音波探触子を用いた電磁超音波法の実用化に関心が高まっている。
【０００３】
例えば、非特許文献１に記載されているように、電磁超音波探触子としては、超音波の駆動にローレンツ力を用いるローレンツ力型と、強磁性体内の磁区構造の変化を利用する磁歪型があることが知られている。ローレンツ型電磁超音波探触子では、被検体に磁場が負荷された状態で、被検体の表面付近に存在するコイルに高周波電流を流すことにより被検体中に渦電流を生じさせ、その渦電流および磁場によりローレンツ力を発生させ、ローレンツ力の向きを周期的に反転させることによって超音波を発生させるものである。
【０００４】
一方、磁歪型電磁超音波探触子においても、被検体が強磁性体であることを除き、ローレンツ型と同様である。即ち、強磁性体に磁場を負荷するとともに、コイル内に高周波電流を流すことで磁区の整列や磁気スピンの回転が起き、この磁歪効果により被検体内に伸び縮みが生じ、これが超音波振動の起点となる。
【０００５】
その磁場の向き、形状、個数、磁場とコイルとの位置関係等の条件を替えることにより、横波（被検体表面に垂直な方向に進行し、水平な方向に振動する波。以下同じ。）の超音波を発生させることもできるし、横波および縦波（被検体表面に垂直な方向に進行、振動する波。以下同じ。）超音波を発生させることもできる。また、ＳＨ波（被検体表面に水平な方向に進行、振動する波）を発生させることもできる。
【０００６】
従来の電磁超音波探触子として、特許文献１には、電磁石を用い、発生する磁界の方向が交互に反転するように前記単位電磁石を複数個配列し、磁界の強さを自在に調整できる構成とした電磁超音波探触子が開示されている。特許文献２には、複数の永久磁石を、その磁極の向きがコイルと平行でかつ全て同一方向になるように並べた電磁超音波探触子が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２５０９１１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７４４８８号公報
【非特許文献１】荻博次ほか、電磁超音波共鳴、非破壊検査第４３巻１２号、平成６年１２月、社団法人日本非破壊検査協会発行、７６４〜７７０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図２は、電磁超音波探触子の例を示す模式図であり、図３は、電磁超音波探触子を用いた電磁超音波法における測定原理を示す模式図である。図３(a)は、コイルに電流を流す前の状態を示し、図３(b)および(c)は、互いに逆方向に電流を流した状態を示す。図２に示すように、電磁超音波探触子１は、磁極を相互に反転させた複数個の磁石（磁力発生手段）２とコイル３とを有する探触子である。
【０００９】
図３に示すように、被検体４に磁石２からの磁場が負荷された状態で（図３(a)参照）、被検体４の表面付近に存在するコイル３に高周波電流を流すことにより被検体４中に渦電流５を生じさせると、その渦電流５および磁場によりローレンツ力６が発生する（図３(b)および(c)参照）。コイルに流れる電流の向きが反転すると、ローレンツ力６の向きも反転し、その結果、被検体４中には超音波が発生する。このローレンツ力６は、超音波の進行方向に対して垂直方向に発生するから、被検体４中に発生する超音波は、横波超音波である。
【００１０】
電磁超音波探触子は、圧電振動子型超音波探触子と比較して検出感度が低いため、ノイズの低減が重要な課題となっている。また、ＥＭＡＲは、共鳴スペクトルから評価するものであるから、反射法に比べると検出精度が高い方法であると言える。しかしながら、被検体に超音波を発生させると、電磁超音波探触子を構成する磁石内に超音波が発生し、自己共振を生じさせる。自己共振は、ノイズとなって受信され、信号解析の障害となる場合がある。
【００１１】
従って、本発明は、磁力発生手段内の自己共振を低減することにより、ノイズを低減した電磁超音波探触子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】
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、「静磁界を形成する磁力発生手段と、コイルとを有し、コイルに高周波電流を流し、被検体内に電磁力を発生させることにより超音波の送受信を行う電磁超音波探触子であって、磁力発生手段とコイルとの間にスペーサが配置されていることを特徴とする電磁超音波探触子。」を要旨とする。
【００１３】
上記のスペーサとしては、厚さ１０μｍ以上の導電性材料を有するものを用いることができる。また、厚さ５００μｍ以上の絶縁性材料を有するものを用いることもできる。スペーサとして導電性材料および絶縁性材料の両方を重ねて用いることができるが、この場合、導電性材料の厚さは２μｍ以上、絶縁性材料の厚さは１００μｍ以上とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電磁超音波探触子を構成する磁力発生手段内の自己共振を低減することができるので、電磁超音波探触子のノイズを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る電磁超音波探触子にはローレンツ型および磁歪型の両方が含まれる。ただし、前述のように、電磁超音波探触子にはローレンツ型と磁歪型とがあるが、これらは超音波の発生原理に違いがあるものの、磁力発生手段とコイルとを有し、磁力発生手段における自己振動によりノイズが発生する点については共通しているので、以下の説明においては、主としてローレンツ型電磁超音波探触子について述べる。
【００１６】
図１は、本発明に係る電磁超音波探触子を示す模式図である。図１に示すように、本発明に係る電磁超音波探触子１は、静磁界を形成する磁力発生手段２と、磁力発生手段２および被検体４の間に配置されたコイル３とを有し、コイル３に高周波電流を流すことにより被検体４内に渦電流を励起させて超音波の送受信を行うものである。
【００１７】
このように、ローレンツ型電磁超音波探触子においては、磁力発生手段により発生させた静磁場と渦電流とによりローレンツ力が生じ、このローレンツ力は、渦電流の高周波振動に従って周期的に変動するため超音波に変換される（超音波の送信）。なお、図示は省略するが、磁歪型電磁超音波探触子においては、強磁性体である被検体に磁場が負荷され、コイル内に高周波電流を流すことで、被検体内に磁歪を生じさせて超音波振動を発生させる。一方、電磁誘導の法則により被検体表面の超音波振動および静磁場により、センサコイルには起電力が誘起され、超音波受信信号として観測される（超音波の受信）。
【００１８】
磁力発生手段は、永久磁石でもよいし、電磁石でもよいが、省スペース化ができる永久磁石の方が望ましい。また、永久磁石としては、単位体積あたりの磁力が強いものが望ましく、ネオジウム−鉄−ボロン系焼結磁石、鉄−ニッケル−コバルト系磁石等を用いることができる。コイルとしては、Ｃｕなどの導電線を巻いたコイルの他、エッチングなどにより基板表面に導電体を形成させたプリントコイルを用いることができる。図１には、送受信を同じコイルで行う構成の電磁超音波探触子の例を示しているが、送信および受信をそれぞれ別のコイルで行う構成の電磁超音波探触子であってもよい。
【００１９】
なお、図１および２には、被検体４内に横波の超音波を発生させることができる電磁超音波探触子の構成を示しているが、電磁超音波探触子の構成はこのようなものには限定されない。即ち、磁力発生手段の磁場の向き、個数、形状など、更にはコイルの形状などの諸条件を調整することにより、被検体内に縦波やＳＨ波を発生させることができる。
【００２０】
ここで、本発明の電磁超音波探触子１には、磁力発生手段２とコイル３との間にスペーサ７が配置されている。このように、スペーサを挿入することにより、電磁超音波探触子を構成する磁力発生手段内の自己共振を低減することができ、従って、電磁超音波探触子のノイズを低減することができる。
【００２１】
スペーサの材質は、導電性材料でもよいし、絶縁性材料でもよい。但し、導電性材料の方が超音波に対するシールド性能が高いため、厚さを薄くできるというメリットがある。ここで、導電性材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｎｉその他の金属材料、これらの合金などを用いることができる。特にノイズ低減効果が大きいのはＣｕである。また、絶縁性材料としては、各種プラスチックフィルム、樹脂系フィルム、シリコンゴム等を用いることができる。この中で、シリコンゴムは、磁石とコイルとの接触の緩衝材としての効果を有するので特に望ましい。また、スペーサは、これらの材料のいずれか一方のみから構成されているものだけでなく、双方の材料から構成されているものでも良い。
【００２２】
導電性材料のスペーサを用いる場合、その厚さが１０μｍ以上の場合に、上記のノイズ低減効果が顕著となる。導電性材料のスペーサを用いる場合の厚さの上限は、特に定めないが、厚さを増加させてもコストを上昇させるだけなので、１００μｍ以下とするのが望ましい。絶縁性材料のスペーサを用いる場合、その厚さが５００μｍ以上の場合に、上記のノイズ低減効果が顕著となる。この場合の上限も特に定めないが、２０００μｍ以下とするのが望ましい。
【００２３】
導電性材料および絶縁性材料の両方を重ねて構成したスペーサの場合は、導電性材料によるノイズ低減効果によって、絶縁性材料単体のスペーサに比べて、全体的な厚さを小さくすることができ、軽量化、省スペース化のメリットがある。このノイズ低減効果は、導電性材料の厚さは２μｍ以上で、かつ絶縁性材料の厚さは１００μｍ以上の場合に顕著となる。ただし、前述のように、厚さ１０μｍ以上の導電性材料のスペーサを用いる場合には、それ単体でも十分なノイズ低減効果を有するため、これとの組み合わせで用いる絶縁性材料の厚さは１００μｍ未満としてもよい。同様の理由から、厚さ５００μｍ以上の絶縁性材料との組み合わせで用いる導電性材料の厚さは２μｍ未満としてもよい。
【００２４】
なお、スペーサの厚さは、あまりに大きくしても、ローレンツ力を微弱化して、検出される共鳴周波数の強度を下げるとともに、探触子の重さを増大させるだけである。従って、スペーサの厚さ（導電性材料および絶縁性材料の両方を重ねて用いたスペーサの場合は、総厚さ）は、２０００μｍ以下とするのが望ましい。
【実施例】
【００２５】
本発明の効果を確認するべく、ＲＩＴＥＣ社製のＲＡＭ−１００００を用い、測定周波数１〜５ＭＨｚ、電圧１ｋＶ、測定点数４０００点（１ｋＨｚピッチ）の条件でコイルに電流を流し、厚さ６ｍｍの炭素鋼内に超音波を発生させ、その共鳴スペクトルを検出し、共鳴周波数およびノイズを評価する実験を行った。なお、実験は、スペーサ以外は同じ条件の各種の超音波探触子を用いて行った。
【００２６】
図４〜１２は、同じ被検体について各種の超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルを示す図であり、図４は、スペーサなしの例であり、図５〜７は、厚さ２〜５０μｍのＣｕ箔製のスペーサを挿入した例であり、図８は、厚さ５０μｍのＺｎ箔製のスペーサを挿入した例である。図９は、厚さ５０μｍのＰｄ箔製のスペーサを挿入した例である。また、図１０は、厚さ１００μｍのＯＨＰフィルム（ポリエチレンテレフタレート製フィルム）をスペーサとして挿入した例である。図１１は、厚さ５００μｍシリコンゴム製のスペーサを挿入した例であり、図１２は、厚さ１０００μｍシリコンゴム製のスペーサを挿入した例である。
【００２７】
なお、いずれの図においても、Ｓは共鳴スペクトルであり、Ｎはノイズであり、Ｓ／Ｎ比（ｄＢ）は、下記式から算出される値である。Ｓ／Ｎ比は、共鳴周波数に対するノイズの値であり、この値が大きいとノイズが小さいことを意味する。本実施例においては、Ｓ／Ｎ比４．０ｄＢ以上をノイズが良好な範囲とする。
（Ｓ／Ｎ比）＝２０ｌｏｇ10（Ｓ／Ｎ）
但し、Ｓは、本来検出すべき信号（周波数：１．３２ＭＨｚ）の強度、Ｎは、ノイズ（周波数：１．４４ＭＨｚ）の強度をそれぞれ意味する。
【００２８】
図４に示すように、スペーサがない場合、周期的に観察される共鳴周波数と、同程度の強度のノイズが生じ、Ｓ／Ｎ比も２．２ｄＢと小さいため、ノイズを共鳴周波数と誤って検出する可能性が高い。これに対し、例えば、図５に示すように、厚さ２μｍのＣｕ箔を挿入した場合にはノイズをＳ／Ｎ比で４．０ｄＢまで下げることができる。また、図６および７に示すように、Ｃｕ箔が厚いほど、ノイズは低減し、例えば、厚さ１０μｍではＳ／Ｎ比が８．１ｄＢと非常に良好となる。
【００２９】
このようなノイズ低減効果は、Ｃｕ箔に限られることはなく、その他の導電性材料のスペーサでも得られる。このことは、例えば、図８および９にも示されている。即ち、図８および９には、Ｚｎ箔およびＰｄ箔のスペーサの例においても、Ｓ／Ｎ比が８ｄＢ以上の良好なノイズ低減効果が得られることが示されている。
【００３０】
一方、図１０〜１２に示すように、絶縁性材料製のスペーサを挿入した場合にも、ノイズを低減することができる。但し、厚さ１００μｍでは、スペーサが挿入されていない図４の例と比較すると、ノイズが低減されているが、Ｓ／Ｎ比は２．７ｄＢであり、検出される共鳴スペクトルの強度によっては、不十分となる場合がある。従って、例えば、図１１および１２に示すように、絶縁性材料製のスペーサを挿入する場合には、その厚さを５００μｍ以上とするのが望ましいことが分かる。
なお、図示はしないが、スペーサとしてＡｇ箔、Ａｕ箔、Ｐｔ箔、Ｗ箔およびＮｉ箔（いずれも、厚さ５０μｍ）を用いた例のＳ／Ｎ比は、それぞれ１３．７ｄＢ、１２．４ｄＢ、１２．９ｄＢ、１１．８ｄＢおよび１４．１ｄＢであり、いずれも良好な範囲であった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、電磁超音波探触子を構成する磁力発生手段内の自己共振を低減することができるので、電磁超音波探触子のノイズを低減することができる。従って、この電磁超音波探触子を用いれば、従来よりも高い精度で、電磁超音波を用いた評価をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る電磁超音波探触子を示す模式図。
【図２】電磁超音波探触子の例を示す模式図。
【図３】電磁超音波探触子を用いた電磁超音波法における測定原理を示す模式図。(a)は、コイルに電流を流す前の状態を示し、(b)および(c)は、それぞれ逆方向に電流を流した状態を示す。
【図４】スペーサなしの電磁超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルの図。
【図５】２μｍの銅箔製スペーサを用いた電磁超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルの図。
【図６】１０μｍの銅箔製スペーサを用いた電磁超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルの図。
【図７】５０μｍの銅箔製スペーサを用いた電磁超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルの図。
【図８】５０μｍのＺｎ箔製スペーサを用いた電磁超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルの図。
【図９】５０μｍのＰｄ箔製スペーサを用いた電磁超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルの図。
【図１０】１００μｍのＯＨＰシート製スペーサを用いた電磁超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルの図。
【図１１】５００μｍのシリコンゴム製スペーサを用いた電磁超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルの図。
【図１２】１０００μｍのシリコンゴム製スペーサを用いた電磁超音波探触子を用いて検出した共鳴スペクトルの図。
【符号の説明】
【００３３】
１：電磁超音波探触子
２：磁力発生手段（磁石）
３：コイル
４：被検体
５：渦電流
６：ローレンツ力
７：スペーサ
【図１】
2009014466.tif 000003
【図２】
2009014466.tif 000004
【図３】
2009014466.tif 000005
【図４】
2009014466.tif 000006
【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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