テールパッチを利用した磁気変形トランスデューサと、それを利用した弾性波測定装置
【課題】試験体の所定の断面にねじり波を発生させ、試験体に進むねじり波を受信する磁気変形トランスデューサを提供する。
【解決手段】試験体の所定の位置に取り付けられる強磁性体パッチと、強磁性体パッチの周りに配置される円筒形絶縁体と、絶縁体の周りに巻き取られたコイルと、を含むが、コイルに電流が供給されれば、パッチが磁気変形効果によって試験体にねじり波を発生させ、強磁性体パッチは、試験体の軸方向と斜めに取り付けられ磁気変形効果によるねじり波を試験体に伝達するストリップ部と、ストリップ部の両端に形成されてコイルに電流が供給される時にストリップ部に磁束を集中させるテール部と、を含むことを特徴とする磁気変形トランスデューサ。
【解決手段】試験体の所定の位置に取り付けられる強磁性体パッチと、強磁性体パッチの周りに配置される円筒形絶縁体と、絶縁体の周りに巻き取られたコイルと、を含むが、コイルに電流が供給されれば、パッチが磁気変形効果によって試験体にねじり波を発生させ、強磁性体パッチは、試験体の軸方向と斜めに取り付けられ磁気変形効果によるねじり波を試験体に伝達するストリップ部と、ストリップ部の両端に形成されてコイルに電流が供給される時にストリップ部に磁束を集中させるテール部と、を含むことを特徴とする磁気変形トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気変形及び逆磁気変形現象を利用して試験体を加振し、前記試験体から伝えられる信号を受信する磁気変形トランスデューサに係り、さらに詳細には、所定の断面を持つ軸やビームにねじり波を発生させ、試験体に伝えられるねじり波を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気変形、すなわち、マグネトストリクションとは、強磁性材料が磁場の下に置かれる時に機械的な変形が発生する現象をいい、ジュール効果ともいう。その逆現象として、材料に応力が作用する時に材料内部の磁気的状態が変化する現象を逆磁気変形現象またはビラリ効果（Ｖｉｌｌａｒｉ ｅｆｆｅｃｔ）という。
【０００３】
このような磁気変形効果を利用したトランスデューサは、測定しようとする対象との機械的な接触なしに測定物の変形を測定できるために、接触式センサーの適用が不可能ないろいろな分野に応用されている。磁気変形効果を利用すれば、非接触でも弾性超音波を発生させうるだけでなく、伝統的な圧電効果を利用した方式より大きい超音波を発生させうる。棒及び配管のような導波体で発生させうる超音波には、縦波、横波及びねじり波などがある。
【０００４】
このうち、ねじり波の最初のモードでは、周波数成分によって速度差が生じる分散現象がほとんど発生しない。したがって、最初のモードのねじり波を利用すれば、棒や配管に存在する構造的な特徴を効果的に測定できる。
【０００５】
一般的に、強磁性体には鉄、ニッケル、コバルトなどがあり、このうち、本実施例に使われるニッケルは、軟質磁性材料で磁化曲線の上昇が速くヒステリシスが少なくて、磁場が除去された後に元来の形状に速く戻る性質を持っている。
【０００６】
図１には、棒部材に伝播されるねじり波の周波数対群速度曲線が図示される。前記棒部材は、厚さ（ｔ）が１ｍｍ、外径（ｄ０）が２５ｍｍ、密度（ρ）が２８００ｋｇ／ｍ３、弾性係数（Ｅ）が７３ＧＰａであるアルミニウム配管である。
【０００７】
図１に図示されたように、群速度曲線のうち最初のモードは、周波数成分ごとに速度差が発生する分散現象がほとんど現れない。したがって、例えば、遠距離探査のためにねじり波を利用して非破壊検査を行うならば、発生させた波動が反射されて戻ってくる時にその波形が維持されるので、配管などの欠陥診断に非常に有用である。
【０００８】
図２に図示されたように、従来の磁気変形トランスデューサは、試験体２の周りに長手方向に垂直に巻き取られる薄いニッケルストリップ１、前記ニッケルストリップの周りに設置される絶縁体４及び前記絶縁体の周りに巻き取られるコイル３を含んで構成される。
【０００９】
従来の磁気変形トランスデューサを使用して試験体２の欠陥を診断する時には、ニッケルストリップ１を円形配管の周りに巻き取って取り付けた後、永久磁石（図示せず）などを利用して前記ニッケルストリップ１を円周方向に磁化させる。磁化されたニッケルストリップ１の周りにコイル３に磁場を付加して弾性波を発生及び測定する。コイル３によりニッケルストリップ１に磁場が印加されれば、棒部材にはねじり波が発生する。発生したねじり波は試験体２に沿って伝播される途中で棒部材の端部または構造的な欠陥がある所で反射されて戻ってくる。戻ってきたねじり波により前記ストリップ１が取り付けられた位置には磁場に変化が生じる。
【００１０】
図３Ａ及び図３Ｂには、図２に示した方式により発生した弾性波（特に、ねじり波）を利用した場合に測定された信号を示したグラフが図示されている。図３Ａは、前記コイルの入力電流として３Ａを使用した場合であり、図３Ｂは、入力電流として６Ａを使用した場合である。
【００１１】
図３Ａ及び図３Ｂに図示されたように、従来の方式では、トランスデューサの入力電流によりトランスデューサで発生する波形が磁場の強度により非常に敏感に変わるために、大きい出力のねじり波を送り難い。もし、コイルで発生する交流成分の磁場の強度が大きくなれば、ニッケルの残留磁化量による磁場の強度が相対的に小さくなり、図３Ｂのように、意図とは違ってねじり波以外に縦波も発生して信号が複雑になり、ねじり波を区別し難い。
【００１２】
すなわち、このような従来のトランスデューサは、試験体２の円周方向への前記ニッケルストリップ１の予磁化量及び、コイル内から軸方向への磁場の強度が適切でなければねじり波以外に他の類型の波が発生する。また、前記ニッケルストリップ１は軟質磁性材料よりなるので、長時間使用するためには再び予磁化せねばならないという面倒さがある。
【００１３】
このような問題点を改善するために、本発明の発明者は非特許文献１に“磁気変形トランスデューサを利用した誘導ねじり波の発生及び配管の異常診断”という題目（著者：金潤榮他３人）で論文を発表したことがある。
【００１４】
前記非特許文献１で提示した方法は、図４で図示するように、軸方向に対して４５°に斜めに四角形のニッケルパッチ９を取り付ける方法である。このように、前記パッチ１を試験体２に４５°に斜めに取り付けることによって発生する弾性波は、前記従来技術とは違ってねじり波となる。発生したねじり波は、前記試験体２に沿って進み、前記試験体２の他端部または欠陥部分で反射されて戻ってくる。
【００１５】
前記パッチ１を取り囲んでいるソレノイドコイル３に電流が入力される時、誘導された磁束もパッチ９に沿って斜めに生成される。この時、前記パッチ９は磁気変形によって主に磁場方向を変形することによってねじり波が生成される。このようなパッチ９を含むトランスデューサ１０は、予磁化またはバイアス磁場なしにもねじり波を生成できるために、非常に効率的である。
【００１６】
図５Ａ及び図５Ｂには、前記論文で提示した方法により、２５ｍｍ×３ｍｍのサイズを持つ四角形パッチ１を利用して実験した結果グラフを示した。図５Ａに図示されたグラフは図４のコイル３に４．７５Ａを、図５Ｂに図示されたグラフは前記コイル３に８．４４Ａの電流をパワーアンプを通じて加えた結果を示す。図５Ａ及び図５Ｂの結果を図３Ａ及び図３Ｂの結果と比較すれば、前記論文に提示された方法によれば、印加電圧を向上させてもねじり波以外の他の波が発生しないということが分かる。例えば、もしねじり波を欠陥検出に使用すれば、発生させたパルスの歪曲がないために欠陥の正確な位置を推定できる。
【００１７】
前記論文で提示した方法は十分に効率的な方法であるが、さらに、小さな入力信号にも相当な大きさの出力を表し、かつ信号対雑音比が向上したトランスデューサを開発する必要がある。
【非特許文献１】韓国騷音工学会論文集（第１４巻、第２号、ｐｐ．１４４〜１４９、２００４年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は前記のような必要性を鑑みてなされたものであり、試験体に対して応力を発生させる部分に磁束を集中させうるトランスデューサを提供することを目的とする。
【００１９】
また本発明は、前記のような磁束集中を通じてトランスデューサの感度及び信号対雑音比を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記目的を達成するために、本発明による磁気変形トランスデューサは、試験体の所定の位置に取り付けられる強磁性体パッチと、前記強磁性体パッチの周りに配置される円筒形絶縁体と、前記絶縁体の周りに巻き取られたコイルを含むが、前記強磁性体パッチは、前記試験体の軸方向と斜めに取り付けられ前記磁気変形効果によるねじり波を前記試験体に伝達するストリップ部と、前記ストリップ部の両端に形成されて前記コイルに電流が供給される時に前記ストリップ部に磁束を集中させるテール部を含み、前記コイルに電流が供給されれば、前記パッチが磁気変形効果によって前記試験体にねじり波を発生させることを特徴とする。
【００２１】
そして、前記強磁性体パッチは前記ストリップ部及び前記テール部とそれぞれ連結され、前記試験体の軸方向と平行した方向に形成される連結部をさらに含むことが望ましい。
【００２２】
前記強磁性体パッチは、前記試験体の円周方向に沿って一定間隔で複数個が取り付けられることが望ましい。
【００２３】
また、前記試験体は、所定の長さを持つ棒部材であることが望ましい。
【００２４】
前記トランスデューサは、前記コイル及び前記絶縁体を所定間隔離れて包む外部絶縁体と、前記外部絶縁体の周りに巻き取られたバイアスコイルと、をさらに含むことが望ましい。
【００２５】
一方、前記目的を達成するために、本発明による異常診断装置は、試験体の所定の位置に取り付けられる強磁性体パッチと、前記強磁性体パッチの周りに配置される円筒形絶縁体と、前記絶縁体の周りに巻き取られたコイルと、前記コイルに電流が供給される時に発生するねじり波が前記試験体の欠陥部分で反射される信号を測定する装置と、を含むが、前記強磁性体パッチは、前記試験体の軸方向と斜めに取り付けられて前記磁気変形効果によるねじり波を前記試験体に伝達するストリップ部と、前記ストリップ部の両端に前記軸方向と垂直な方向に形成され、前記コイルに電流が供給される時に前記ストリップ部に磁束を集中させるテール部と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、磁気変形トランスデューサの感度及び信号対雑音比を向上させることができる。
【００２７】
また、本発明によるトランスデューサを利用すれば、ねじり波を利用して効率的に試験体の構造を把握できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、この実施例から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亙って同一な参照符号は同一な構成要素を示す。
【００２９】
本発明では、特別にデザインされた強磁性体パッチを利用してねじり波を生成かつ測定する新たな磁気変形トランスデューサを提案しようとする。提案された磁気変形トランスデューサは、前記非特許文献１で提示した試験体のように、一定角度（例えば、４５°）傾斜方向に取り付けられた四角形パッチ（以下“四角形パッチ”という）の代りにテールを持つ強磁性体パッチ（以下“テールパッチ”という）を使用する。
【００３０】
このようなテールパッチの場合にも、試験体に取り付けられる部分は従来のようにパッチ中心部の四角形部分（以下“ストリップ部”という）のみであり、テールは単に周辺に通る磁場を集中させるための用途として使われるために、試験体に取り付けない。このようにテールの使用を通じて磁束を中央のストリップ部に集中させることによって、トランスデューサの敏感度がだいぶ向上する効果が発生する。それだけでなく付加的に他の波モードに対するねじり波の比率、すなわち、信号対雑音比が増加する。本発明による実験を通じて、本発明によるテールパッチを含むトランスデューサを利用すれば、非常に安定かつ効率的な方法でねじり波を生成して測定できるということが分かる。
【００３１】
図６は、本発明の一実施例によるトランスデューサ１００の構成を示した図面である。トランスデューサ１００は、中心のストリップ部がビーム、棒部材のような試験体２の一面に取り付けられたテールパッチ５０と、テールパッチ５０及び試験体２を所定の間隔離れて包む第１絶縁体４と、第１絶縁体４の外周面に巻き取られて駆動電流が流れる時に駆動磁場を発生させる駆動コイル３とを含んで構成されうる。テールパッチ５０は鉄、ニッケル、コバルトなどの強磁性体で製作できる。
【００３２】
駆動コイル３に可変電流が流れれば、磁気誘導現象によって前記第１絶縁体４の内部を通過する磁束が発生する。このような磁束は、テールパッチ５０の両端のテール部分に吸収されて磁束漏れが従来に比べて減少する。テール部分に吸収された磁束はテールパッチ５０の中央、すなわち、ストリップ部に沿って流れる。テールパッチを使用する場合、既存の四角形パッチに比べてストリップ部にかかる磁場がはるかに大きい。したがって、さらに大きい磁気変形を起こしてトランスデューサの敏感度が顕著に増加する。
【００３３】
図７Ａないし図７Ｄは、本発明の一実施例による多様な角度を持つテールパッチの形状を詳細に示した図面である。ねじり波を発生させるためには、前記ストリップ部が前記試験体の軸方向と実質的に４５°をなして取り付けられることが望ましい。ただし、非等方性試験体の場合、前記ストリップ部を他の角度で取り付けることが望ましい。もし、一般的な形態の弾性波を発生させようとすれば、目的に合わせて取り付け角度を変更することもできる。
【００３４】
このうち、図７Ａは、テールパッチのストリップ部の角度（θ）を試験体の軸方向の４５°とした場合を図示したものである。
【００３５】
テールパッチ５０は、棒部材のような試験体に前記試験体の軸方向と斜めに取り付けられて磁気変形によってねじり波を前記試験体に伝達するストリップ部５１と、前記試験体に取り付けられていないが、前記ストリップ部５１の両端に前記試験体の軸と垂直な方向に位置して磁束を吸収して前記ストリップ部５１に磁束を集中させるテール部５２、５３とを含み、前記ストリップ部５１とテール部５２、５３とをそれぞれ連結して前記試験体の軸方向と平行した方向に形成される連結部５４、５５をさらに含むことができる。このような連結部５４、５５は、テール部５２、５３によって吸収された磁束がストリップ部５１を通過する時、磁束が急激に方向転換されないように緩衝する役割を行う。
【００３６】
一方、図７Ｂは、図７Ａでθを０°とした場合のテールパッチ６０を表したものであり、図７Ｃは、図７Ａでθを９０°とした場合のテールパッチ７０を表したものである。図７Ｂの場合には、中央のストリップ部５１が軸と平行になるので、磁気変形によって加振される波は縦波を発生させようとする場合に適しており、図７Ｃの場合、ねじり波を発生させるには適していないが、特定目的を持つ場合に使用できる。θを０°〜９０°のうち特定の値を取って始めて大きい信号を発生、測定できる。したがって、本発明では図７Ｄのように多様な形態（多様なθ）を持つテールパッチ５０に関してねじり波がよく発生する角度を探す実験を行ったが、その結果、一般的に３０°〜６０°である時に大体ねじり波がよく発生するということを確認した。
【００３７】
図８は、テールパッチ５０を試験体２に取り付けた形態を示した図面である。ここで、テールパッチ５０のストリップ部５１は試験体２の表面に密着されねばならないが、それ以外の部分５２、５３、５４、５５は試験体２に密着される必要がなく、第１絶縁体４の内部に含まれていればよい。
【００３８】
ここで、ストリップ部５１を試験体に密着させる方法には、エポキシ樹脂などの接着剤を使用して接着する方法、試験体２の表面のテールパッチ５０を強い接着力を持つテープで数回テーピングする方法などが使われうる。そして、所定の入力電流を利用して加振するねじり波の強度をさらに強くするために、テールパッチ５０は試験体２の円周に沿って複数個が取り付けられることもある。
【００３９】
図９は、図６のトランスデューサにバイアス磁場を加える場合を示した図面である。本発明では、他の波に比べて相対的に高い効率を表すねじり波を利用するだけでなく、テール５２、５３を利用して磁束を集中させる技術を利用することによって、バイアス磁場なしにも十分に試験体を加振して反射される波形を測定できる。しかし、もし、さらに大きい加振及び信号測定が必要な場合には、図９のようにバイアス磁場を付加的に加えることができる。
【００４０】
このためにトランスデューサ１１０は、図６のような構成以外に、駆動コイル３及び第１絶縁体４を所定間隔離れて包む第２絶縁体６と、第２絶縁体６の外周面に巻き取られてバイアス電流が流れる時にバイアス磁場を発生させるバイアスコイル５とをさらに含んで構成されうる。
【００４１】
図１０は、本発明の一実施例によるトランスデューサ及び試験体の構成を斜視図で表現した図面である。トランスデューサ１１０は、試験体２の所定の位置に設置され、試験体２の両端は支持台８ａ、８ｂによって支持されうる。
【００４２】
本発明によるテールパッチ５０を持つトランスデューサの性能をテストするために、いくつかの実験が行われた。図４のような形状に２５ｍｍ×２ｍｍの大きさを持つ四角形パッチ９を試験体２の軸と４５°に斜めに取り付けた比較実験例と、本発明によるテールパッチ５０（中央のストリップ部５１の大きさが前記四角形パッチと同一であり、θは４５°である）を試験体２に取り付けた本実験例とを比較する。
【００４３】
それぞれのパッチ９、５０はニッケルよりなり、前記試験体２としては長さ２ｍ、外径２５ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミニウムパイプを使用した。そして、直径０．３ｍｍのエナメル線よりなる駆動コイル３は、内径２６ｍｍ、外径２８ｍｍを持つ第１絶縁体４に２８０回巻き取られており、直径０．７ｍｍのエナメル線よりなるバイアスコイル５は、内径４０ｍｍ、外径５０ｍｍの第２絶縁体５に２０００回巻き取られている。
【００４４】
図１１は、図１０の本実験例の構成に、実験に必要な各種装置を連結したねじり波の加振及び測定のための試験装置１０００の構成図である。駆動電流が駆動コイル３に入力される時に試験体２にねじり波が伝えられるが、この時、加振のための入力電流信号は３Ａのピークを持つ変調されたガウスパルスが使われ、バイアス電流は０．５Ａが使われる。そして、加振信号の中心周波数は７２ｋＨｚである。
【００４５】
このような本発明によるねじり波の加振及び測定のための試験装置１０００は、トランスデューサ１００、１１０、バイアス電流発生器２００、超音波発生器３００、関数発生器４００、オシロスコープ５００、及びコンピュータ６００を含んで構成されうる。
【００４６】
関数発生器４００は、ユーザーが所望する形態の波形を生成する。生成された波形は超音波装置３００に入力される。
【００４７】
超音波装置３００はトランスデューサ１１０と連結され、トランスデューサ１１０に前記関数発生器４００で生成された波形の駆動電流を増幅、印加して磁気変形によるねじり波を発生させる。また、試験体２のクラック、試験体２の両端などから戻ってくる前記ねじり波の反射波により誘導される電圧信号を受信してそれを増幅する。
【００４８】
このように増幅されて発生する電流信号の波形及び、受信されて増幅された電圧信号はオシロスコープ５００にも入力されうるが、オシロスコープ５００は、前記入力された波形をユーザーが確認できるようにする。
【００４９】
そして、コンピュータ６００は、ユーザーの命令に応じて他の電気装置２００、３００、４００、５００を制御し、オシロスコープ５００から保存された信号波形を伝送されてそれを分析する。
【００５０】
一方、バイアス電流発生器２００は、トランスデューサ１１０のバイアスコイル５にバイアス電流を流すことによってトランスデューサ１１０にバイアス磁場を形成できる。もし、図６のようにバイアスを使用しない場合ならばバイアス電流発生器２００は省略できる。
【００５１】
本発明の実施例で、超音波装置３０としてはＲｉｔｅｃ社製の‘ＲＡＭ−５０００’を使用した。ＲＡＭ−５０００はスーパーヘテロダイン方式の汎用高出力超音波装置であって、その諸元は表１に表した通りである。
【００５２】
【表１】
【００５３】
図１２Ａは、四角形パッチ９を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面であり、図１２Ｂは、本発明のテールパッチ５０を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【００５４】
図１２Ａ及び図１２Ｂを比較すれば、テールパッチ５０の中心、すなわち、ストリップ部５１で四角形パッチ９に比べてさらに高い磁束密度を持つということを容易に観察できる。前述した実験によれば、テールパッチ５０の磁束密度は四角形パッチに比べて３．７倍（四角形パッチの場合０．０４０３２Ｗｂ／ｍ２であり、テールパッチの場合０．１５０６Ｗｂ／ｍ２である）も高いことが分かる。したがって、テールパッチ５０のテール部５２、５３は、磁束を集めてパッチの中心部にそれを集中させる役割を行うと解釈される。さらに多くの磁束は磁気変形によりテールパッチ５０にさらに大きい変形をもたらすために、テールパッチ５０の使用を通じてトランスデューサ１００、１１０の敏感度、すなわち、加振ねじり波の大きさを増加させうる。
【００５５】
それだけでなく、図１２Ｂでストリップ部５１を流れる磁束（平均的方向：４４．７５゜）は、図１２Ａの四角形パッチ９を流れる磁束（平均的方向：３９．０９゜）と比較する時、相対的にストリップ部５１と平行した方向に流れるということが分かる。これは、本発明のテールパッチ５０が従来の四角形パッチ９とは違ってテール部５２、５３をさらに具備するためである。こういう効果は、ストリップ部５１の両端とテール部５２、５３とを連結して試験体２の軸方向と平行した連結部５４、５５がさらに備えられる時にさらに顕著である。
【００５６】
一方、本発明で利用する磁気変形効果及び逆磁気変形効果は次の数式１に定量化して表現できる。
【００５７】
【数１】
【００５８】
ここで、εは変形率、σは材料に加えられる応力、ＥＨは一定の磁場がかかっている時の弾性係数、μσは一定の応力が作用する時の透磁率、Ｂは磁束密度、そして、Ｈは磁石を利用して外部からかかる磁場の強度をそれぞれ意味する。
【００５９】
そして、ｑとｑ＊とはそれぞれビラリ効果とジュール効果とを表す係数であって、その定義は次の数式２の通りである。
【００６０】
【数２】
【００６１】
数式１から見れば、パッチに加えられる磁束密度が大きいほど磁気変形によるさらに大きい変形が発生し、応力または変形が大きいほど逆磁気変形に誘導される磁場の強度も大きくなるということが分かる。したがって、図１２Ａのように従来の四角形パッチ９を利用する場合より図１２Ｂのテールパッチ５０を利用する場合にさらに大きいねじり波を加えることができ、それにより反射される波によって逆磁気誘導される磁場の強度も大きくなるということが分かる。
【００６２】
前記逆磁気変形により誘導される磁場の変化は、数式３のように単純に駆動コイル３の両端に発生する電圧Ｖ（ｔ）から測定できる。
【００６３】
【数３】
【００６４】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、前記比較実施例と本発明の実施例とで、それぞれ測定される電圧Ｖ（ｔ）を表したグラフである。図１３Ａ及び図１３Ｂを比較すれば、一見しても量電圧、すなわち、測定された量信号間にだいぶ大きい差があるということが分かる。
【００６５】
図１３ＢでＡは、トランスデューサ１１０で発生したねじり波が図１１のＬ１距離ほど進んだ後に試験体２の第１末端で反射されて測定された信号を表し、Ｂは、前記発生したねじり波が図１１のＬ２距離ほど進んだ後に試験体２の第２末端で反射されて測定された信号を表す。そして、Ｃは、前記第１末端で反射された信号が再び第２末端で反射されたものと、前記第２末端で反射された信号が再び第１末端で反射されたものとが重畳されてトランスデューサ１１０で測定された信号を表す。そして、Ｄは、以後に再び第１末端で反射されて測定される信号である。このように１回のねじり波加振によっても多数の信号が測定されることが分かる。
【００６６】
図１３Ａ及び図１３Ｂの測定結果は次の表２で整理した。
【００６７】
【表２】
【００６８】
表２を見れば、テールパッチ５０を使用する場合にねじり波の大きさは、四角形パッチ９を使用する場合に比べて約１２．８倍となる。ここで、測定された信号がねじり波という事実は、解析的に計算された波速度を実験的波速度と比較することによって確認できる。
【００６９】
それだけでなく、ねじり波以外の他の波をノイズと見なすならば、信号対雑音比はねじり波の最大振幅を他の波の最大振幅で割ることによって計算できる。テールパッチ５０を使用した場合に信号対雑音比は１０．９２であり、四角形パッチ５０を使用した場合に比べて約４倍ほど向上した。
【００７０】
以上の結果から見る時、テールパッチ５０を利用したトランスデューサ１００、１１０は既存の四角形パッチ９を利用したトランスデューサ１０を利用することに比べて、敏感度及び信号対雑音比面で飛び切り向上したことが分かる。
【００７１】
このような本発明によるトランスデューサ１０は、試験体２の構造を把握するか試験体２の欠陥を探し出すのに非常に有効に使われうる。
【００７２】
これまでは、本発明の一実施例によるテールパッチ５０のテール部５２、５３は、単純に試験体の軸方向と垂直な直線状になっている。しかし、以下では、多様な形状のテール部についてシミュレーションを行おうとする。これは、テール部の形状とトランスデューサ性能との相関性を把握して、最適のテール部形状を探し出すためである。
【００７３】
シミュレーションのための制限条件として、テール部が持つ材料の量は同一に維持する。実際に多様な形状のテール部についてシミュレーションを行った結果、そのうち性能に優れた３つのテール部の形状を探し出すことができた。前記テール部の形状はそれぞれ図１４Ａ、図１５Ａ、及び図１６Ａにそれぞれ図示され、前記３つのテール部の形状によってテールパッチの周りに形成される磁場はそれぞれ図１４Ｂ、図１５Ｂ、及び図１６Ｂに図示される。
【００７４】
まず、図１４Ａに図示された実施例によるテールパッチ６０は、前述したＮ型タイプのテールパッチ５０で直四角形テール部５２、５３の両端にそれぞれブランチ６６ａ、６６ｂ、６７ａ、６７ｂを具備する。前記ブランチの形状はほぼ前記直四角形テール部５２、５３と垂直な方向に形成されるが、テールパッチ６０の左右側の外部に向かって多少広がった形状を持つ。
【００７５】
図１４Ｂは、テールパッチ６０を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。この場合、テールパッチ６０の中心部分のストリップ部５１に形成される平均磁束密度は０．８２０Ｗｂ／ｍ２であり、この値は、Ｎ型タイプのテールパッチ５０の平均磁束密度に比べて２０％程度向上した結果である。
【００７６】
次いで、図１５Ａに図示された実施例によるテールパッチ７０のテール部７２、７３は、実質的に試験体の軸方向と平行した方向に形成される第１ブランチ７６ａ、７７ａと、実質的にテールパッチ７０の中央のストリップ部５１と直角方向に形成される第２ブランチ７６ｂ、７７ｂとを具備する。
【００７７】
図１５Ｂは、テールパッチ７０を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。この場合、テールパッチ７０の中心部分のストリップ部５１に形成される平均磁束密度は０．９１４Ｗｂ／ｍ２であり、この値はＮ型タイプのテールパッチ５０に比べて３４％程度向上した結果である。
【００７８】
最後に、図１６Ａに図示された実施例によるテールパッチ８０のテール部８２、８３は、図１５Ａのテール部７２、７３に比べて第１ブランチ７６ａ、７７ａの末端と第２ブランチ７６ｂ、７７ｂの末端とを連結するブランチ連結部８６、８７をさらに含む。前記ブランチ連結部８６、８７は、試験体の軸方向に対して垂直方向に形成される。
【００７９】
図１６Ｂは、テールパッチ８０を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。この場合、テールパッチ８０の中心部分であるストリップ部５１に形成される平均磁束密度は０．８９９Ｗｂ／ｍ２であり、この値はＮ型タイプのテールパッチ５０に比べて３２％程度向上した結果である。図１５Ｂと図１６Ｂとを比較してみれば、同じ材料の量を使用するとする時、ブランチ連結部８６、８７の存在は磁束を集中させるところにあまり役に立たないということが分かる。
【００８０】
一方、以上本発明の実施例によるテールパッチ５０、６０、７０、８０を利用したトランスデューサ１０によって実際にねじり波を加振する場合に、特定周波数でテール部の振動が発生することを防止するために、振動の発生を抑制する方法（例えば、ダンピング（ｄａｍｐｉｎｇ））を適用することもできる。
【００８１】
本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、この実施例から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亙って同一な参照符号は同一な構成要素を示す。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、測定しようとする対象との機械的な接触なしに測定物の変形を測定できるために、接触式センサーの適用が不可能ないろいろな分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】棒部材に伝播されるねじり波の周波数対群速度曲線を示したグラフである。
【図２】従来の磁気変形トランスデューサの例を示した図面である。
【図３Ａ】図２のトランスデューサを利用して測定された信号を示したグラフである。
【図３Ｂ】図２のトランスデューサを利用して測定された信号を示したグラフである。
【図４】従来の四角形パッチを利用したトランスデューサの例を示した図面である。
【図５Ａ】図４のトランスデューサを利用して測定された信号を示したグラフである。
【図５Ｂ】図４のトランスデューサを利用して測定された信号を示したグラフである。
【図６】本発明の一実施例によるトランスデューサの構成を示した図面である。
【図７Ａ】本発明の一実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図７Ｂ】本発明の一実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図７Ｃ】本発明の一実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図７Ｄ】本発明の一実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図８】テールパッチを棒に取り付けた形態を示した図面である。
【図９】図６のトランスデューサにバイアス磁場を加える場合を示した図面である。
【図１０】図９の斜視図である。
【図１１】本発明の一実施例による装置構成図である。
【図１２Ａ】四角形パッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【図１２Ｂ】本発明のテールパッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【図１３Ａ】四角形パッチを利用したトランスデューサで測定される信号を示したグラフである。
【図１３Ｂ】本発明のテールパッチを利用したトランスデューサで測定される信号を示したグラフである。
【図１４Ａ】本発明の他の実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図１４Ｂ】図１４Ａのテールパッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【図１５Ａ】本発明のさらに他の実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図１５Ｂ】図１５Ａのテールパッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【図１６Ａ】本発明のさらに他の実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図１６Ｂ】図１６Ａのテールパッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【符号の説明】
【００８４】
２ 試験体
３ 駆動コイル
４ 第１絶縁体
５ バイアスコイル
６ 第２絶縁体
８ クラック
５０、６０、７０、８０ テールパッチ
５１ ストリップ部
５２、５３、６２、６３、７２、７３、８２、８３ テール部
５４、５５ 連結部
１００、１１０ トランスデューサ
２００ バイアス電流発生器
３００ 超音波発生器
４００ 関数発生器
５００ オシロスコープ
６００ コンピュータ
１０００ ねじり波加振及び測定のための試験装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気変形及び逆磁気変形現象を利用して試験体を加振し、前記試験体から伝えられる信号を受信する磁気変形トランスデューサに係り、さらに詳細には、所定の断面を持つ軸やビームにねじり波を発生させ、試験体に伝えられるねじり波を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気変形、すなわち、マグネトストリクションとは、強磁性材料が磁場の下に置かれる時に機械的な変形が発生する現象をいい、ジュール効果ともいう。その逆現象として、材料に応力が作用する時に材料内部の磁気的状態が変化する現象を逆磁気変形現象またはビラリ効果（Ｖｉｌｌａｒｉ ｅｆｆｅｃｔ）という。
【０００３】
このような磁気変形効果を利用したトランスデューサは、測定しようとする対象との機械的な接触なしに測定物の変形を測定できるために、接触式センサーの適用が不可能ないろいろな分野に応用されている。磁気変形効果を利用すれば、非接触でも弾性超音波を発生させうるだけでなく、伝統的な圧電効果を利用した方式より大きい超音波を発生させうる。棒及び配管のような導波体で発生させうる超音波には、縦波、横波及びねじり波などがある。
【０００４】
このうち、ねじり波の最初のモードでは、周波数成分によって速度差が生じる分散現象がほとんど発生しない。したがって、最初のモードのねじり波を利用すれば、棒や配管に存在する構造的な特徴を効果的に測定できる。
【０００５】
一般的に、強磁性体には鉄、ニッケル、コバルトなどがあり、このうち、本実施例に使われるニッケルは、軟質磁性材料で磁化曲線の上昇が速くヒステリシスが少なくて、磁場が除去された後に元来の形状に速く戻る性質を持っている。
【０００６】
図１には、棒部材に伝播されるねじり波の周波数対群速度曲線が図示される。前記棒部材は、厚さ（ｔ）が１ｍｍ、外径（ｄ０）が２５ｍｍ、密度（ρ）が２８００ｋｇ／ｍ３、弾性係数（Ｅ）が７３ＧＰａであるアルミニウム配管である。
【０００７】
図１に図示されたように、群速度曲線のうち最初のモードは、周波数成分ごとに速度差が発生する分散現象がほとんど現れない。したがって、例えば、遠距離探査のためにねじり波を利用して非破壊検査を行うならば、発生させた波動が反射されて戻ってくる時にその波形が維持されるので、配管などの欠陥診断に非常に有用である。
【０００８】
図２に図示されたように、従来の磁気変形トランスデューサは、試験体２の周りに長手方向に垂直に巻き取られる薄いニッケルストリップ１、前記ニッケルストリップの周りに設置される絶縁体４及び前記絶縁体の周りに巻き取られるコイル３を含んで構成される。
【０００９】
従来の磁気変形トランスデューサを使用して試験体２の欠陥を診断する時には、ニッケルストリップ１を円形配管の周りに巻き取って取り付けた後、永久磁石（図示せず）などを利用して前記ニッケルストリップ１を円周方向に磁化させる。磁化されたニッケルストリップ１の周りにコイル３に磁場を付加して弾性波を発生及び測定する。コイル３によりニッケルストリップ１に磁場が印加されれば、棒部材にはねじり波が発生する。発生したねじり波は試験体２に沿って伝播される途中で棒部材の端部または構造的な欠陥がある所で反射されて戻ってくる。戻ってきたねじり波により前記ストリップ１が取り付けられた位置には磁場に変化が生じる。
【００１０】
図３Ａ及び図３Ｂには、図２に示した方式により発生した弾性波（特に、ねじり波）を利用した場合に測定された信号を示したグラフが図示されている。図３Ａは、前記コイルの入力電流として３Ａを使用した場合であり、図３Ｂは、入力電流として６Ａを使用した場合である。
【００１１】
図３Ａ及び図３Ｂに図示されたように、従来の方式では、トランスデューサの入力電流によりトランスデューサで発生する波形が磁場の強度により非常に敏感に変わるために、大きい出力のねじり波を送り難い。もし、コイルで発生する交流成分の磁場の強度が大きくなれば、ニッケルの残留磁化量による磁場の強度が相対的に小さくなり、図３Ｂのように、意図とは違ってねじり波以外に縦波も発生して信号が複雑になり、ねじり波を区別し難い。
【００１２】
すなわち、このような従来のトランスデューサは、試験体２の円周方向への前記ニッケルストリップ１の予磁化量及び、コイル内から軸方向への磁場の強度が適切でなければねじり波以外に他の類型の波が発生する。また、前記ニッケルストリップ１は軟質磁性材料よりなるので、長時間使用するためには再び予磁化せねばならないという面倒さがある。
【００１３】
このような問題点を改善するために、本発明の発明者は非特許文献１に“磁気変形トランスデューサを利用した誘導ねじり波の発生及び配管の異常診断”という題目（著者：金潤榮他３人）で論文を発表したことがある。
【００１４】
前記非特許文献１で提示した方法は、図４で図示するように、軸方向に対して４５°に斜めに四角形のニッケルパッチ９を取り付ける方法である。このように、前記パッチ１を試験体２に４５°に斜めに取り付けることによって発生する弾性波は、前記従来技術とは違ってねじり波となる。発生したねじり波は、前記試験体２に沿って進み、前記試験体２の他端部または欠陥部分で反射されて戻ってくる。
【００１５】
前記パッチ１を取り囲んでいるソレノイドコイル３に電流が入力される時、誘導された磁束もパッチ９に沿って斜めに生成される。この時、前記パッチ９は磁気変形によって主に磁場方向を変形することによってねじり波が生成される。このようなパッチ９を含むトランスデューサ１０は、予磁化またはバイアス磁場なしにもねじり波を生成できるために、非常に効率的である。
【００１６】
図５Ａ及び図５Ｂには、前記論文で提示した方法により、２５ｍｍ×３ｍｍのサイズを持つ四角形パッチ１を利用して実験した結果グラフを示した。図５Ａに図示されたグラフは図４のコイル３に４．７５Ａを、図５Ｂに図示されたグラフは前記コイル３に８．４４Ａの電流をパワーアンプを通じて加えた結果を示す。図５Ａ及び図５Ｂの結果を図３Ａ及び図３Ｂの結果と比較すれば、前記論文に提示された方法によれば、印加電圧を向上させてもねじり波以外の他の波が発生しないということが分かる。例えば、もしねじり波を欠陥検出に使用すれば、発生させたパルスの歪曲がないために欠陥の正確な位置を推定できる。
【００１７】
前記論文で提示した方法は十分に効率的な方法であるが、さらに、小さな入力信号にも相当な大きさの出力を表し、かつ信号対雑音比が向上したトランスデューサを開発する必要がある。
【非特許文献１】韓国騷音工学会論文集（第１４巻、第２号、ｐｐ．１４４〜１４９、２００４年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は前記のような必要性を鑑みてなされたものであり、試験体に対して応力を発生させる部分に磁束を集中させうるトランスデューサを提供することを目的とする。
【００１９】
また本発明は、前記のような磁束集中を通じてトランスデューサの感度及び信号対雑音比を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記目的を達成するために、本発明による磁気変形トランスデューサは、試験体の所定の位置に取り付けられる強磁性体パッチと、前記強磁性体パッチの周りに配置される円筒形絶縁体と、前記絶縁体の周りに巻き取られたコイルを含むが、前記強磁性体パッチは、前記試験体の軸方向と斜めに取り付けられ前記磁気変形効果によるねじり波を前記試験体に伝達するストリップ部と、前記ストリップ部の両端に形成されて前記コイルに電流が供給される時に前記ストリップ部に磁束を集中させるテール部を含み、前記コイルに電流が供給されれば、前記パッチが磁気変形効果によって前記試験体にねじり波を発生させることを特徴とする。
【００２１】
そして、前記強磁性体パッチは前記ストリップ部及び前記テール部とそれぞれ連結され、前記試験体の軸方向と平行した方向に形成される連結部をさらに含むことが望ましい。
【００２２】
前記強磁性体パッチは、前記試験体の円周方向に沿って一定間隔で複数個が取り付けられることが望ましい。
【００２３】
また、前記試験体は、所定の長さを持つ棒部材であることが望ましい。
【００２４】
前記トランスデューサは、前記コイル及び前記絶縁体を所定間隔離れて包む外部絶縁体と、前記外部絶縁体の周りに巻き取られたバイアスコイルと、をさらに含むことが望ましい。
【００２５】
一方、前記目的を達成するために、本発明による異常診断装置は、試験体の所定の位置に取り付けられる強磁性体パッチと、前記強磁性体パッチの周りに配置される円筒形絶縁体と、前記絶縁体の周りに巻き取られたコイルと、前記コイルに電流が供給される時に発生するねじり波が前記試験体の欠陥部分で反射される信号を測定する装置と、を含むが、前記強磁性体パッチは、前記試験体の軸方向と斜めに取り付けられて前記磁気変形効果によるねじり波を前記試験体に伝達するストリップ部と、前記ストリップ部の両端に前記軸方向と垂直な方向に形成され、前記コイルに電流が供給される時に前記ストリップ部に磁束を集中させるテール部と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、磁気変形トランスデューサの感度及び信号対雑音比を向上させることができる。
【００２７】
また、本発明によるトランスデューサを利用すれば、ねじり波を利用して効率的に試験体の構造を把握できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、この実施例から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亙って同一な参照符号は同一な構成要素を示す。
【００２９】
本発明では、特別にデザインされた強磁性体パッチを利用してねじり波を生成かつ測定する新たな磁気変形トランスデューサを提案しようとする。提案された磁気変形トランスデューサは、前記非特許文献１で提示した試験体のように、一定角度（例えば、４５°）傾斜方向に取り付けられた四角形パッチ（以下“四角形パッチ”という）の代りにテールを持つ強磁性体パッチ（以下“テールパッチ”という）を使用する。
【００３０】
このようなテールパッチの場合にも、試験体に取り付けられる部分は従来のようにパッチ中心部の四角形部分（以下“ストリップ部”という）のみであり、テールは単に周辺に通る磁場を集中させるための用途として使われるために、試験体に取り付けない。このようにテールの使用を通じて磁束を中央のストリップ部に集中させることによって、トランスデューサの敏感度がだいぶ向上する効果が発生する。それだけでなく付加的に他の波モードに対するねじり波の比率、すなわち、信号対雑音比が増加する。本発明による実験を通じて、本発明によるテールパッチを含むトランスデューサを利用すれば、非常に安定かつ効率的な方法でねじり波を生成して測定できるということが分かる。
【００３１】
図６は、本発明の一実施例によるトランスデューサ１００の構成を示した図面である。トランスデューサ１００は、中心のストリップ部がビーム、棒部材のような試験体２の一面に取り付けられたテールパッチ５０と、テールパッチ５０及び試験体２を所定の間隔離れて包む第１絶縁体４と、第１絶縁体４の外周面に巻き取られて駆動電流が流れる時に駆動磁場を発生させる駆動コイル３とを含んで構成されうる。テールパッチ５０は鉄、ニッケル、コバルトなどの強磁性体で製作できる。
【００３２】
駆動コイル３に可変電流が流れれば、磁気誘導現象によって前記第１絶縁体４の内部を通過する磁束が発生する。このような磁束は、テールパッチ５０の両端のテール部分に吸収されて磁束漏れが従来に比べて減少する。テール部分に吸収された磁束はテールパッチ５０の中央、すなわち、ストリップ部に沿って流れる。テールパッチを使用する場合、既存の四角形パッチに比べてストリップ部にかかる磁場がはるかに大きい。したがって、さらに大きい磁気変形を起こしてトランスデューサの敏感度が顕著に増加する。
【００３３】
図７Ａないし図７Ｄは、本発明の一実施例による多様な角度を持つテールパッチの形状を詳細に示した図面である。ねじり波を発生させるためには、前記ストリップ部が前記試験体の軸方向と実質的に４５°をなして取り付けられることが望ましい。ただし、非等方性試験体の場合、前記ストリップ部を他の角度で取り付けることが望ましい。もし、一般的な形態の弾性波を発生させようとすれば、目的に合わせて取り付け角度を変更することもできる。
【００３４】
このうち、図７Ａは、テールパッチのストリップ部の角度（θ）を試験体の軸方向の４５°とした場合を図示したものである。
【００３５】
テールパッチ５０は、棒部材のような試験体に前記試験体の軸方向と斜めに取り付けられて磁気変形によってねじり波を前記試験体に伝達するストリップ部５１と、前記試験体に取り付けられていないが、前記ストリップ部５１の両端に前記試験体の軸と垂直な方向に位置して磁束を吸収して前記ストリップ部５１に磁束を集中させるテール部５２、５３とを含み、前記ストリップ部５１とテール部５２、５３とをそれぞれ連結して前記試験体の軸方向と平行した方向に形成される連結部５４、５５をさらに含むことができる。このような連結部５４、５５は、テール部５２、５３によって吸収された磁束がストリップ部５１を通過する時、磁束が急激に方向転換されないように緩衝する役割を行う。
【００３６】
一方、図７Ｂは、図７Ａでθを０°とした場合のテールパッチ６０を表したものであり、図７Ｃは、図７Ａでθを９０°とした場合のテールパッチ７０を表したものである。図７Ｂの場合には、中央のストリップ部５１が軸と平行になるので、磁気変形によって加振される波は縦波を発生させようとする場合に適しており、図７Ｃの場合、ねじり波を発生させるには適していないが、特定目的を持つ場合に使用できる。θを０°〜９０°のうち特定の値を取って始めて大きい信号を発生、測定できる。したがって、本発明では図７Ｄのように多様な形態（多様なθ）を持つテールパッチ５０に関してねじり波がよく発生する角度を探す実験を行ったが、その結果、一般的に３０°〜６０°である時に大体ねじり波がよく発生するということを確認した。
【００３７】
図８は、テールパッチ５０を試験体２に取り付けた形態を示した図面である。ここで、テールパッチ５０のストリップ部５１は試験体２の表面に密着されねばならないが、それ以外の部分５２、５３、５４、５５は試験体２に密着される必要がなく、第１絶縁体４の内部に含まれていればよい。
【００３８】
ここで、ストリップ部５１を試験体に密着させる方法には、エポキシ樹脂などの接着剤を使用して接着する方法、試験体２の表面のテールパッチ５０を強い接着力を持つテープで数回テーピングする方法などが使われうる。そして、所定の入力電流を利用して加振するねじり波の強度をさらに強くするために、テールパッチ５０は試験体２の円周に沿って複数個が取り付けられることもある。
【００３９】
図９は、図６のトランスデューサにバイアス磁場を加える場合を示した図面である。本発明では、他の波に比べて相対的に高い効率を表すねじり波を利用するだけでなく、テール５２、５３を利用して磁束を集中させる技術を利用することによって、バイアス磁場なしにも十分に試験体を加振して反射される波形を測定できる。しかし、もし、さらに大きい加振及び信号測定が必要な場合には、図９のようにバイアス磁場を付加的に加えることができる。
【００４０】
このためにトランスデューサ１１０は、図６のような構成以外に、駆動コイル３及び第１絶縁体４を所定間隔離れて包む第２絶縁体６と、第２絶縁体６の外周面に巻き取られてバイアス電流が流れる時にバイアス磁場を発生させるバイアスコイル５とをさらに含んで構成されうる。
【００４１】
図１０は、本発明の一実施例によるトランスデューサ及び試験体の構成を斜視図で表現した図面である。トランスデューサ１１０は、試験体２の所定の位置に設置され、試験体２の両端は支持台８ａ、８ｂによって支持されうる。
【００４２】
本発明によるテールパッチ５０を持つトランスデューサの性能をテストするために、いくつかの実験が行われた。図４のような形状に２５ｍｍ×２ｍｍの大きさを持つ四角形パッチ９を試験体２の軸と４５°に斜めに取り付けた比較実験例と、本発明によるテールパッチ５０（中央のストリップ部５１の大きさが前記四角形パッチと同一であり、θは４５°である）を試験体２に取り付けた本実験例とを比較する。
【００４３】
それぞれのパッチ９、５０はニッケルよりなり、前記試験体２としては長さ２ｍ、外径２５ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミニウムパイプを使用した。そして、直径０．３ｍｍのエナメル線よりなる駆動コイル３は、内径２６ｍｍ、外径２８ｍｍを持つ第１絶縁体４に２８０回巻き取られており、直径０．７ｍｍのエナメル線よりなるバイアスコイル５は、内径４０ｍｍ、外径５０ｍｍの第２絶縁体５に２０００回巻き取られている。
【００４４】
図１１は、図１０の本実験例の構成に、実験に必要な各種装置を連結したねじり波の加振及び測定のための試験装置１０００の構成図である。駆動電流が駆動コイル３に入力される時に試験体２にねじり波が伝えられるが、この時、加振のための入力電流信号は３Ａのピークを持つ変調されたガウスパルスが使われ、バイアス電流は０．５Ａが使われる。そして、加振信号の中心周波数は７２ｋＨｚである。
【００４５】
このような本発明によるねじり波の加振及び測定のための試験装置１０００は、トランスデューサ１００、１１０、バイアス電流発生器２００、超音波発生器３００、関数発生器４００、オシロスコープ５００、及びコンピュータ６００を含んで構成されうる。
【００４６】
関数発生器４００は、ユーザーが所望する形態の波形を生成する。生成された波形は超音波装置３００に入力される。
【００４７】
超音波装置３００はトランスデューサ１１０と連結され、トランスデューサ１１０に前記関数発生器４００で生成された波形の駆動電流を増幅、印加して磁気変形によるねじり波を発生させる。また、試験体２のクラック、試験体２の両端などから戻ってくる前記ねじり波の反射波により誘導される電圧信号を受信してそれを増幅する。
【００４８】
このように増幅されて発生する電流信号の波形及び、受信されて増幅された電圧信号はオシロスコープ５００にも入力されうるが、オシロスコープ５００は、前記入力された波形をユーザーが確認できるようにする。
【００４９】
そして、コンピュータ６００は、ユーザーの命令に応じて他の電気装置２００、３００、４００、５００を制御し、オシロスコープ５００から保存された信号波形を伝送されてそれを分析する。
【００５０】
一方、バイアス電流発生器２００は、トランスデューサ１１０のバイアスコイル５にバイアス電流を流すことによってトランスデューサ１１０にバイアス磁場を形成できる。もし、図６のようにバイアスを使用しない場合ならばバイアス電流発生器２００は省略できる。
【００５１】
本発明の実施例で、超音波装置３０としてはＲｉｔｅｃ社製の‘ＲＡＭ−５０００’を使用した。ＲＡＭ−５０００はスーパーヘテロダイン方式の汎用高出力超音波装置であって、その諸元は表１に表した通りである。
【００５２】
【表１】
【００５３】
図１２Ａは、四角形パッチ９を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面であり、図１２Ｂは、本発明のテールパッチ５０を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【００５４】
図１２Ａ及び図１２Ｂを比較すれば、テールパッチ５０の中心、すなわち、ストリップ部５１で四角形パッチ９に比べてさらに高い磁束密度を持つということを容易に観察できる。前述した実験によれば、テールパッチ５０の磁束密度は四角形パッチに比べて３．７倍（四角形パッチの場合０．０４０３２Ｗｂ／ｍ２であり、テールパッチの場合０．１５０６Ｗｂ／ｍ２である）も高いことが分かる。したがって、テールパッチ５０のテール部５２、５３は、磁束を集めてパッチの中心部にそれを集中させる役割を行うと解釈される。さらに多くの磁束は磁気変形によりテールパッチ５０にさらに大きい変形をもたらすために、テールパッチ５０の使用を通じてトランスデューサ１００、１１０の敏感度、すなわち、加振ねじり波の大きさを増加させうる。
【００５５】
それだけでなく、図１２Ｂでストリップ部５１を流れる磁束（平均的方向：４４．７５゜）は、図１２Ａの四角形パッチ９を流れる磁束（平均的方向：３９．０９゜）と比較する時、相対的にストリップ部５１と平行した方向に流れるということが分かる。これは、本発明のテールパッチ５０が従来の四角形パッチ９とは違ってテール部５２、５３をさらに具備するためである。こういう効果は、ストリップ部５１の両端とテール部５２、５３とを連結して試験体２の軸方向と平行した連結部５４、５５がさらに備えられる時にさらに顕著である。
【００５６】
一方、本発明で利用する磁気変形効果及び逆磁気変形効果は次の数式１に定量化して表現できる。
【００５７】
【数１】
【００５８】
ここで、εは変形率、σは材料に加えられる応力、ＥＨは一定の磁場がかかっている時の弾性係数、μσは一定の応力が作用する時の透磁率、Ｂは磁束密度、そして、Ｈは磁石を利用して外部からかかる磁場の強度をそれぞれ意味する。
【００５９】
そして、ｑとｑ＊とはそれぞれビラリ効果とジュール効果とを表す係数であって、その定義は次の数式２の通りである。
【００６０】
【数２】
【００６１】
数式１から見れば、パッチに加えられる磁束密度が大きいほど磁気変形によるさらに大きい変形が発生し、応力または変形が大きいほど逆磁気変形に誘導される磁場の強度も大きくなるということが分かる。したがって、図１２Ａのように従来の四角形パッチ９を利用する場合より図１２Ｂのテールパッチ５０を利用する場合にさらに大きいねじり波を加えることができ、それにより反射される波によって逆磁気誘導される磁場の強度も大きくなるということが分かる。
【００６２】
前記逆磁気変形により誘導される磁場の変化は、数式３のように単純に駆動コイル３の両端に発生する電圧Ｖ（ｔ）から測定できる。
【００６３】
【数３】
【００６４】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、前記比較実施例と本発明の実施例とで、それぞれ測定される電圧Ｖ（ｔ）を表したグラフである。図１３Ａ及び図１３Ｂを比較すれば、一見しても量電圧、すなわち、測定された量信号間にだいぶ大きい差があるということが分かる。
【００６５】
図１３ＢでＡは、トランスデューサ１１０で発生したねじり波が図１１のＬ１距離ほど進んだ後に試験体２の第１末端で反射されて測定された信号を表し、Ｂは、前記発生したねじり波が図１１のＬ２距離ほど進んだ後に試験体２の第２末端で反射されて測定された信号を表す。そして、Ｃは、前記第１末端で反射された信号が再び第２末端で反射されたものと、前記第２末端で反射された信号が再び第１末端で反射されたものとが重畳されてトランスデューサ１１０で測定された信号を表す。そして、Ｄは、以後に再び第１末端で反射されて測定される信号である。このように１回のねじり波加振によっても多数の信号が測定されることが分かる。
【００６６】
図１３Ａ及び図１３Ｂの測定結果は次の表２で整理した。
【００６７】
【表２】
【００６８】
表２を見れば、テールパッチ５０を使用する場合にねじり波の大きさは、四角形パッチ９を使用する場合に比べて約１２．８倍となる。ここで、測定された信号がねじり波という事実は、解析的に計算された波速度を実験的波速度と比較することによって確認できる。
【００６９】
それだけでなく、ねじり波以外の他の波をノイズと見なすならば、信号対雑音比はねじり波の最大振幅を他の波の最大振幅で割ることによって計算できる。テールパッチ５０を使用した場合に信号対雑音比は１０．９２であり、四角形パッチ５０を使用した場合に比べて約４倍ほど向上した。
【００７０】
以上の結果から見る時、テールパッチ５０を利用したトランスデューサ１００、１１０は既存の四角形パッチ９を利用したトランスデューサ１０を利用することに比べて、敏感度及び信号対雑音比面で飛び切り向上したことが分かる。
【００７１】
このような本発明によるトランスデューサ１０は、試験体２の構造を把握するか試験体２の欠陥を探し出すのに非常に有効に使われうる。
【００７２】
これまでは、本発明の一実施例によるテールパッチ５０のテール部５２、５３は、単純に試験体の軸方向と垂直な直線状になっている。しかし、以下では、多様な形状のテール部についてシミュレーションを行おうとする。これは、テール部の形状とトランスデューサ性能との相関性を把握して、最適のテール部形状を探し出すためである。
【００７３】
シミュレーションのための制限条件として、テール部が持つ材料の量は同一に維持する。実際に多様な形状のテール部についてシミュレーションを行った結果、そのうち性能に優れた３つのテール部の形状を探し出すことができた。前記テール部の形状はそれぞれ図１４Ａ、図１５Ａ、及び図１６Ａにそれぞれ図示され、前記３つのテール部の形状によってテールパッチの周りに形成される磁場はそれぞれ図１４Ｂ、図１５Ｂ、及び図１６Ｂに図示される。
【００７４】
まず、図１４Ａに図示された実施例によるテールパッチ６０は、前述したＮ型タイプのテールパッチ５０で直四角形テール部５２、５３の両端にそれぞれブランチ６６ａ、６６ｂ、６７ａ、６７ｂを具備する。前記ブランチの形状はほぼ前記直四角形テール部５２、５３と垂直な方向に形成されるが、テールパッチ６０の左右側の外部に向かって多少広がった形状を持つ。
【００７５】
図１４Ｂは、テールパッチ６０を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。この場合、テールパッチ６０の中心部分のストリップ部５１に形成される平均磁束密度は０．８２０Ｗｂ／ｍ２であり、この値は、Ｎ型タイプのテールパッチ５０の平均磁束密度に比べて２０％程度向上した結果である。
【００７６】
次いで、図１５Ａに図示された実施例によるテールパッチ７０のテール部７２、７３は、実質的に試験体の軸方向と平行した方向に形成される第１ブランチ７６ａ、７７ａと、実質的にテールパッチ７０の中央のストリップ部５１と直角方向に形成される第２ブランチ７６ｂ、７７ｂとを具備する。
【００７７】
図１５Ｂは、テールパッチ７０を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。この場合、テールパッチ７０の中心部分のストリップ部５１に形成される平均磁束密度は０．９１４Ｗｂ／ｍ２であり、この値はＮ型タイプのテールパッチ５０に比べて３４％程度向上した結果である。
【００７８】
最後に、図１６Ａに図示された実施例によるテールパッチ８０のテール部８２、８３は、図１５Ａのテール部７２、７３に比べて第１ブランチ７６ａ、７７ａの末端と第２ブランチ７６ｂ、７７ｂの末端とを連結するブランチ連結部８６、８７をさらに含む。前記ブランチ連結部８６、８７は、試験体の軸方向に対して垂直方向に形成される。
【００７９】
図１６Ｂは、テールパッチ８０を利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。この場合、テールパッチ８０の中心部分であるストリップ部５１に形成される平均磁束密度は０．８９９Ｗｂ／ｍ２であり、この値はＮ型タイプのテールパッチ５０に比べて３２％程度向上した結果である。図１５Ｂと図１６Ｂとを比較してみれば、同じ材料の量を使用するとする時、ブランチ連結部８６、８７の存在は磁束を集中させるところにあまり役に立たないということが分かる。
【００８０】
一方、以上本発明の実施例によるテールパッチ５０、６０、７０、８０を利用したトランスデューサ１０によって実際にねじり波を加振する場合に、特定周波数でテール部の振動が発生することを防止するために、振動の発生を抑制する方法（例えば、ダンピング（ｄａｍｐｉｎｇ））を適用することもできる。
【００８１】
本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、この実施例から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亙って同一な参照符号は同一な構成要素を示す。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、測定しようとする対象との機械的な接触なしに測定物の変形を測定できるために、接触式センサーの適用が不可能ないろいろな分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】棒部材に伝播されるねじり波の周波数対群速度曲線を示したグラフである。
【図２】従来の磁気変形トランスデューサの例を示した図面である。
【図３Ａ】図２のトランスデューサを利用して測定された信号を示したグラフである。
【図３Ｂ】図２のトランスデューサを利用して測定された信号を示したグラフである。
【図４】従来の四角形パッチを利用したトランスデューサの例を示した図面である。
【図５Ａ】図４のトランスデューサを利用して測定された信号を示したグラフである。
【図５Ｂ】図４のトランスデューサを利用して測定された信号を示したグラフである。
【図６】本発明の一実施例によるトランスデューサの構成を示した図面である。
【図７Ａ】本発明の一実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図７Ｂ】本発明の一実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図７Ｃ】本発明の一実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図７Ｄ】本発明の一実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図８】テールパッチを棒に取り付けた形態を示した図面である。
【図９】図６のトランスデューサにバイアス磁場を加える場合を示した図面である。
【図１０】図９の斜視図である。
【図１１】本発明の一実施例による装置構成図である。
【図１２Ａ】四角形パッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【図１２Ｂ】本発明のテールパッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【図１３Ａ】四角形パッチを利用したトランスデューサで測定される信号を示したグラフである。
【図１３Ｂ】本発明のテールパッチを利用したトランスデューサで測定される信号を示したグラフである。
【図１４Ａ】本発明の他の実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図１４Ｂ】図１４Ａのテールパッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【図１５Ａ】本発明のさらに他の実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図１５Ｂ】図１５Ａのテールパッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【図１６Ａ】本発明のさらに他の実施例によるテールパッチの形状を示した図面である。
【図１６Ｂ】図１６Ａのテールパッチを利用したトランスデューサによって形成される磁場を示した図面である。
【符号の説明】
【００８４】
２ 試験体
３ 駆動コイル
４ 第１絶縁体
５ バイアスコイル
６ 第２絶縁体
８ クラック
５０、６０、７０、８０ テールパッチ
５１ ストリップ部
５２、５３、６２、６３、７２、７３、８２、８３ テール部
５４、５５ 連結部
１００、１１０ トランスデューサ
２００ バイアス電流発生器
３００ 超音波発生器
４００ 関数発生器
５００ オシロスコープ
６００ コンピュータ
１０００ ねじり波加振及び測定のための試験装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験体の所定の位置に取り付けられる強磁性体パッチと、前記強磁性体パッチの周りに配置される円筒形絶縁体と、前記絶縁体の周りに巻き取られたコイルと、を含むトランスデューサにおいて、
前記強磁性体パッチは、前記試験体の軸方向と斜めに取り付けられ前記磁気変形効果によるねじり波を前記試験体に伝達するストリップ部と、前記ストリップ部の両端に形成されて前記コイルに電流が供給される時に前記ストリップ部に磁束を集中させるテール部を含み、
前記コイルに電流が供給されれば、前記パッチが磁気変形効果によって前記試験体にねじり波を発生させることを特徴とする磁気変形トランスデューサ。
【請求項２】
前記テール部は、前記軸方向と垂直な方向に形成された直四角形部分を持つ請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項３】
前記テール部は、前記軸方向と垂直な方向に形成された直四角形部分と、前記直四角形部分の両端にそれぞれ連結されたブランチとを含むが、前記ブランチは、前記軸方向と実質的に平行した方向に形成される請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項４】
前記テール部は、実質的に試験体の軸方向と平行した方向に形成される第１ブランチと、実質的に前記ストリップ部と直角方向に形成される第２ブランチと、を含む請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項５】
前記テール部は、実質的に試験体の軸方向と平行した方向に形成される第１ブランチと、実質的に前記ストリップ部と直角方向に形成される第２ブランチと、前記第１ブランチの末端と前記第２ブランチの末端とを連結するブランチ連結部と、を含む請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項６】
前記ストリップ部は、前記試験体の軸方向と所定の角度をなして取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項７】
前記強磁性体パッチは前記ストリップ部及び前記テール部とそれぞれ連結され、前記試験体の軸方向と平行した方向に形成される連結部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項８】
前記強磁性体パッチは、前記試験体の円周方向に沿って一定間隔で複数個が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項９】
前記試験体は、所定の長さを持つ棒部材であることを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項１０】
前記トランスデューサは、前記コイル及び前記絶縁体を所定間隔離れて包む外部絶縁体と、前記外部絶縁体の周りに巻き取られたバイアスコイルと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項１】
試験体の所定の位置に取り付けられる強磁性体パッチと、前記強磁性体パッチの周りに配置される円筒形絶縁体と、前記絶縁体の周りに巻き取られたコイルと、を含むトランスデューサにおいて、
前記強磁性体パッチは、前記試験体の軸方向と斜めに取り付けられ前記磁気変形効果によるねじり波を前記試験体に伝達するストリップ部と、前記ストリップ部の両端に形成されて前記コイルに電流が供給される時に前記ストリップ部に磁束を集中させるテール部を含み、
前記コイルに電流が供給されれば、前記パッチが磁気変形効果によって前記試験体にねじり波を発生させることを特徴とする磁気変形トランスデューサ。
【請求項２】
前記テール部は、前記軸方向と垂直な方向に形成された直四角形部分を持つ請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項３】
前記テール部は、前記軸方向と垂直な方向に形成された直四角形部分と、前記直四角形部分の両端にそれぞれ連結されたブランチとを含むが、前記ブランチは、前記軸方向と実質的に平行した方向に形成される請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項４】
前記テール部は、実質的に試験体の軸方向と平行した方向に形成される第１ブランチと、実質的に前記ストリップ部と直角方向に形成される第２ブランチと、を含む請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項５】
前記テール部は、実質的に試験体の軸方向と平行した方向に形成される第１ブランチと、実質的に前記ストリップ部と直角方向に形成される第２ブランチと、前記第１ブランチの末端と前記第２ブランチの末端とを連結するブランチ連結部と、を含む請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項６】
前記ストリップ部は、前記試験体の軸方向と所定の角度をなして取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項７】
前記強磁性体パッチは前記ストリップ部及び前記テール部とそれぞれ連結され、前記試験体の軸方向と平行した方向に形成される連結部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項８】
前記強磁性体パッチは、前記試験体の円周方向に沿って一定間隔で複数個が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項９】
前記試験体は、所定の長さを持つ棒部材であることを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【請求項１０】
前記トランスデューサは、前記コイル及び前記絶縁体を所定間隔離れて包む外部絶縁体と、前記外部絶縁体の周りに巻き取られたバイアスコイルと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気変形トランスデューサ。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【公開番号】特開２００６−１８９４１３（Ｐ２００６−１８９４１３Ａ）
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７０１８３（Ｐ２００５−１７０１８３）
【出願日】平成１７年６月９日（２００５．６．９）
【出願人】（５０３４３４３０２）財団法人ソウル大学校産学協力財団 (32)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｅｏｕｌ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】Ｓａｎ ４−２， Ｂｏｎｇｃｈｕｎ−ｄｏｎｇ， Ｋｗａｎａｋ−ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月９日（２００５．６．９）
【出願人】（５０３４３４３０２）財団法人ソウル大学校産学協力財団 (32)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｅｏｕｌ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】Ｓａｎ ４−２， Ｂｏｎｇｃｈｕｎ−ｄｏｎｇ， Ｋｗａｎａｋ−ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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