技術紹介

点焦点型電磁超音波探触子の開発
常田

萌斗 *1

Tsuneda Moeto

大森

征一 *1

Oomori Seiichi

鳩昌洋 *1

Hato Masahiro

電磁超音波探触子（Electro Magnetic Acoustic Transducer：EMAT）はコイルと磁石により構成された超音波探触子である。コイルに電流を流し、検査材の表面に渦電流を生じさせると、試験片表面には、磁石による外部磁場と直交する方向にローレンツ力が発生する。コイルに流れる電流をコントロールすることで、機械的振動を起こし、材料内に超音波を発生させる。通常、EMAT は垂直探傷試験で多く用いられており、斜角探傷試験での実績は少ない。
そこで本稿では、本手法を用いた斜角探触子を製作し、きずを模擬したスリットの探傷試験を実施した。検出した信号を解析した結果、深さ 1.0mm スリットの検出が確認できた。
キーワード：EMAT、斜角探傷、橋梁、非接触、塗装の上探傷

EMAT は接触媒質が不要であり、原理上探触子

1. はじめにと試験片の接触による影響がないため、自動探傷非破壊検査には、物体表面の欠陥を探す「表面への適用が容易であると考えた。自動探傷ができ検査」と物体内部の欠陥を探す「体積検査」がある。

れば高速道路鋼床版のき裂検査など、1 次スク

このうち、体積検査方法として一般的に超音波探リーニング検査として使用することで検査コスト

傷試験（UT）と放射線透過試験（RT）が使われていを抑えることが期待できる。

る。一般に、RT は立ち入り禁止区画を設ける必要

EMAT は非接触検査が可能だが、分解能や感度があるが、UT はその必要がないことからさまざが悪く探傷への適用例が少ない。そこで EMAT のまな箇所で UT が適用されている。しかしながら、中でも分解能が良い点焦点型 EMAT の適用を検

超音波の入射には、探触子と検査材表面の接触面討した。点焦点型 EMAT の原理を図 1 に示す。点に接触媒質を塗布する必要がある。加えて、探傷焦点型 EMAT の設計では、検査対象物の材料音結果は探触子と探傷面の接触の程度に影響を受け速、焦点深さに合わせてコイルの条件を定める必やすいため、自動探傷に対しては課題が多い。

要があるが鋼床版への適用はまだ報告がない。

（1）

本稿では鋼床版のき裂検査を対象にコイル条件をこれらの課題を解決する手法として EMAT に着検討し、EMAT の送受信可否と屈折角を確認した。

目した。

*1：検査事業部

技術部

NDE グループ—

15—

IIC REVIEW/2023/10. No.70

磁石
1メアンダコイル

6

試験片表面

渦電流

ローレンツ力K L L

焦点位置

図1

点焦点型 EMAT
査するため、条件を変えた EMAT を試作し、試験2. 点焦点型 EMAT の開発した。コイル条件としては、コイルの線径、高さ方2.1 コイル条件比較検討試験

向巻き数、平面方向巻き数、弧の数に着目し、そ（1）試験方法

れぞれの影響を確認した。比較検討の実施項目を
表 1 に、コイル外観とコイル断面図を表 2 に示す。

感度良く超音波信号を得られるコイル条件を調表1
実施項目

線径（mm）

試験 10.05

試験 20.10.2

実施項目一覧

高さ方向巻き数（段） 平面方向巻き数（巻き）
0.320.1115

試験 30.11

試験 40.11
表2線径検討用コイル

10110110233101021

コイル条件検討用コイル一覧

高さ方向巻き数
検討用コイル

断面図

弧の数

1

平面方向巻き数
検討用コイル

断面図

弧の数検討用コイル

断面図

断面図

コイル
外観

エナメル線

コイル
断面図

台座

段

エナメル線・・・

線径段

高さ方向台座

—

16—

平面方向

エナメル線

台座

巻 巻

エナメル線

台座

弧図 2 に装置構成、図 3 に探触子配置を示す。送入力信号：正弦波、2MHz、5 波

信探触子は超音波パルサーレシーバーと接続し、図 4 に受信エコーの一例を示す。図 4 は送信探試験片に接触させ超音波を発生させる。受信探触触子から発信された超音波が受信探触子で受信で子はプリアンプとオシロスコープに接続し、送信きていることを示す。

探触子と向かい合わせて配置する。

（2）試験結果

探触子は EMAT と圧電素子を用いた一般的な射・ 試験 1：線径の比較

角探触子を用い、EMAT を送信側とした場合と受

試 験 結 果 を 図 5 に 示 す。 な お、f 0.05mm は信側とした場合、それぞれを試験する。送信探触図5（b）のデータ取得後に断線した。線径が細す

子から発した超音波を試験片底面に反射させ、受ぎることで耐久性に問題があると考え、図 5（a）

信探触子で受信した超音波の信号強度を測定すのデータ取得では検討から除外した。

る。その他の試験条件を以下に示す。

・ 試験 2：高さ方向巻き数の比較試験結果を図 6 に示す。

試験片寸法：200 × 150 × t12mm
試験片材質：SS400・ 試験 3：平面方向巻き数の比較試験結果を図 7 に示す。

確認用探触子：ピエゾ斜角探触子（屈折角 45°）
装置構成：超音波パルサーレシーバー、オシロ・ 試験 4：弧の数の比較試験結果を図 8 に示す。

スコープ、プリアンプ
印加電圧：EMAT 送信時 400 ～ 1000V
ピエゾ斜角探触子送信時 70V

4.03.0

オシロス
コープ
プリアンプ

電圧（V）

パルサー
レシーバー

受信エコー

2.0
1.00.0-1.0-2.0-3.0-4.0

図2

装置構成

01020時間（μs）

図430

取得波形の一例

送受入れ替え

ネオジム
磁石

送信

受信ｍｍ

斜角探触子
ピエゾ素子

コイル

ビーム
路程ｍｍ

図3—

探触子配置
17—

IIC REVIEW/2023/10. No.70

3.0電圧（V）

電圧（V）

4.0

2.0

1.000 0.05 0.1

0.2

0.3

0.4

0.6
0.5
0.4
0.3
0.20.1000.05 0.1

線径（mm）（a）送信 EMAT

電圧（V）

電圧（V）

3.0
2.0
1.012345678

9 10 11

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
00123

高さ（段）

電圧（V）

電圧（V）

3.02.01.0234

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
001

電圧（V）

電圧（V）

3.02.01.0
10158

9 10 11234

平面方向巻き数検討結果

4.057（b）受信 EMAT

図706幅（巻き）

幅（巻き）（a）送信 EMAT

00.05

高さ方向巻き数検討結果

4.014（b）受信 EMAT

図60

高さ（段）

（a）送信 EMAT

0.000.4

線径検討結果4.000.3（b）受信 EMAT

図50.000.2

線径（mm）

20250.60.50.40.30.20.1
005

1015弧の数

弧の数（a）送信 EMAT（b）受信 EMAT

図8弧の数検討結果
—18—

2025

2.2 確認試験（3）試験結果まとめ

コイル条件比較検討結果をもとに EMAT を製作

・ 試験 1：線径の比較
線径の違いによる信号強度の差はほとんど生し、屈折角および送受信を確認した。装置構成はじないことがわかった。細い線径の方がより多2.1 節と同様である。検討には 2 つの試験片を用く巻けるが f 0.05mm は耐久性に問題がある。そいた。試験片の外観を図 9 に示す。それぞれの仕こで試験条件の中で適切な線径は 0.1mm とした。

様は以下の通りである。
・ 屈折角確認試験

・ 試験 2：高さ方向巻き数の比較

寸法：半径 48mm、長さ 70mm

高さ方向巻き数による信号強度の差はほとんど生じないことがわかった。巻き数を増やすと

形状：半割れ丸棒

製作時間やコストが増えるが、強度向上の効果

材質：SS400がないため、試験条件の中で適切な巻き数は 1・ 送受信確認試験とした。

寸法：200 × 200 × 24mm・ 試験 3：平面方向巻き数の比較

形状：平板

平面方向巻き数を増やすと信号強度が増加す

材質：SS400る傾向が確認できた。今回の試験条件の範囲で（1）屈折角確認試験
送信を EMAT、受信を横波垂直探触子（ピエゾは適切な巻き数は 3 とした。

素子）にて屈折角を確認した。EMAT の位置は固・ 試験 4：弧の数の比較弧の数 10 よりも弧の数 21 が高い信号強度を得定し、横波垂直探触子を 10°ピッチで EMAT からられた。特に受信 EMAT では弧の数 21 の EMAT送信された超音波を受信し、信号強度を確認すは試験を通じて最大の信号強度を得られた。そる。また、高い信号強度が得られる領域は 5°のこで今回の試験条件の中で適切な弧の数は 21 とデータを補完した。探触子配置の模式図を図 10した。に、計測結果を図 11 に示す。

以上の結果から定めたコイル仕様を表 3 に示す。
表3コイル仕様

線径（mm）

高さ方向巻き数（段）平面方向巻き数（巻き）

弧の数

0.11321
（a）半割れ丸棒試験片（b）平板試験片

図9

確認試験使用試験片—

19—

IIC REVIEW/2023/10. No.70

(0$7

横波垂直探触子ｍｍ

信号強度（V）

図 10

角度試験探触子配置0.30.20.1001020304540 5060708090角度(°)
図 11角度確認試験結果

この結果より、45°近傍で最も高い信号強度が信 を 向 か い 合 わ せ て 波 形 を 確 認 す る（配 置 A：得られると考え、以下の試験は屈折角 45°の条件

図 13（a））。また、比較のため送受信の EMAT をで検討する。

同じ方向に向けて送受信できないよう配置した場（2）送受信確認試験

合の波形を確認する（配置 B：図 13（b））。その結果を図 14 に示す。

屈折角が 45°、板厚が 24mm の場合、探触子の距離 48mm が最適となり、ビーム路程は 67.9mm と確認試験の結果から、図 14（a）の波形にのみ、なる（図 12）。鋼材横波音速 3240m/s として式（1）に約 20µs の位置に受信エコーが現れ、図 14（b）では示す通り計算すると、信号到達時間は約 21µs とな

現 れ な か っ た。 ま た 受 信 エ コ ー の 位 置 は 板 厚る。

24mm の試験片を屈折角 45°、一回反射のビーム

時間 h =

ビーム路程 W
音速 C

路程計算値とおおむね一致していることから、製（1）

作した EMAT にて超音波の送受信ができていると送受信の EMAT 中心間距離を 48mm とし、送受ネオジム磁石考えられる。

送信受信
ｍｍ

コイル

ビーム
路程ｍｍ

図 12

探触子配置（断面図）
—20—

送信
(0$73. 鋼床版検査への適用検討

受信(0$7ｍｍ

2 章での検討で製作した EMAT において送受信波形および屈折角を確認することができた。3 章
では、実機適用に向けた探傷条件を検討する。
送信方向

受信方向

（1）試験内容
検討には図 15 に示す試験片を用いる。試験片（a）探触子配置 A（向かい合わせ）送信(0$7仕様は以下の通りである。
寸法：300 × 600 × 12mm

受信(0$7ｍｍ

形状：模擬きず入り平板
模擬きず：放電加工により導入（3 本）
スリット長さ 20mm

送信方向

スリット深さ 1.0・3.0・5.0mm

受信方向

材質：SS400
まず、探触子の配置を検討するため図 16 に示す（b）探触子配置 B（同じ方向）

図 130.02

電圧（V）

V 型配置と I 型配置を比較する。ここでは試験片の探触子配置（上面図）

模擬きずのない箇所を用い、板の底面からの反射エコーではなく板の端面から反射エコーを対象と計算値(約21μs)0する。探触子配置位置から算出されるビーム路程は、それぞれ V 型配置 135.8mm、I 型配置 169.7mmとなり、信号到達時間は V 型配置約 42µs、I 型配受信エコー-0.02

置 52µs となる。

-0.04-0.06

その結果を図 17 に示す。
0102030405060時間（μs）

  （a）探触子配置 A（向かい合わせ）結果

電圧（V）

0.02

模擬きず

0計算値
(約21μs)-0.02-0.04-0.06

0102030405060

時間（μs） （b）探触子配置 B（同じ方向）結果

図 14

送受信確認試験結果

      —

21—

図 15

模擬きず試験片
IIC REVIEW/2023/10. No.70

送信(0$7受信(0$7受信(0$7送信(0$7

超音波伝搬経路

超音波伝搬経路（a）V 型配置（b）I 型配置

図 16

探触子配置

0.02

計算値
(約42μs)

受信エコー

電圧（V）

0-0.02-0.04-0.06

010203040時間（μs）

506070506070（a）V 型配置試験結果

0.02

計算値
(約52μs)

電圧（V）

0受信エコー-0.02-0.04-0.06

010203040

時間（μs）（b）I 型配置試験結果

図 17

配置検討確認試験—22—

図 17（a）の波形から、約 42µs の位置に受信エコー0.04を確認することができた。これは計算値とおおむね0.02

電圧（V）一致していることから、V 型配置では送信 EMAT から送信されたエコーが試験片端面にて反射し、受信 EMAT で受信することができていると考えられ

0受信エコー-0.02る。一方図 17（b）の波形から、約 52µs の地点に受-0.04

信エコーが確認された。こちらも計算値とおおむね-0.06一致していることから、I 型配置においても端部にて反射したエコーを受信できたと考えられる。

計算値(約52μs)0    

いずれの配置でも EMAT により送受信が可能で3040時間（μs）

50607060706070（a）模擬きず深さ 1.0mm

計算値(約52μs)

0.02

電圧（V）

配置は探傷方向に対して探触子の配置幅が I 型配置より広いため、構造物との干渉が起こりやすい。
そこで I 型配置にて、模擬きず試験片について検討

0受信エコー-0.02する。

-0.04（2）試験結果-0.06

探触子は I 型配置に設定し、模擬きずから送信ビーム路程は 168mm、信号到達時間は 52µs となる。

200.04あることが確認されたが、実機に適用する場合 V 型

EMAT 中心までの距離を 48mm とした。この場合の1001020304050時間（μs）（b）模擬きず深さ 3.0mm

    0.04

この配置で各模擬きずからの反射エコーを確認

計算値(約52μs)

0.02

電圧（V）

した。探触子配置を図 18、試験結果を図 19 に示す。

0受信エコー-0.02-0.04

PP-0.06

   010203040時間（μs）

50（c）模擬きず深さ 5.0mm

図 19

模擬きず試験片探傷結果

図19に示す通り、模擬きず深さが1.0mm、3.0mm、5.0mm いずれも計算値とおおむね一致する位置に受信エコーが認められた。したがって I 型配置を用いることで、長さ 20mm、深さ 1.0mm 以上のきずが検出できると考えられる。
図 18

探触子配置（48mm）—

23—

IIC REVIEW/2023/10. No.70

4. まとめ

参考文献

点焦点型電磁超音波探触子のコイル条件を最適（1） Takashi Takishita, Kazuhiro Ashida, et al：化し、実機適用を前提に送受信に EMAT を用いる

D eve l o p m e n t o f S V- wave p o i n t - f o c u s i n g

際 の配 置を検 討した。その結 果 模 擬きず（長さelectromagnetic acoustic transducer, Proceedings

20mm、スリット深さ 1.0mm）からの反射エコーを確

of Symposium on Ultrasonic Electronics, Vol.35,

認できた。高速道路鋼床版などの自動探傷への適2014, pp.9-10用を目指し、今後も実用化のための検討を進める。

検査事業部
技術部
NDE グループ

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TEL. 045-759-2120
FAX. 045-759-2146

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