電磁超音波センサ及び電磁超音波検出システム
【課題】電磁超音波を用いて被計測物に係る計測を行う際に、簡易な構成で、被計測物が曲面形状を有する場合にも、その計測の精度の向上を実現する。
【解決手段】導体からなる被計測物Ｋ２に電磁超音波を送受信して被計測物Ｋ２に係る計測を行うための電磁超音波センサ１００において、被計測物Ｋ２に対して磁界を発生する磁界発生部１１０と、計測を行う際に被計測物Ｋ２と接触し、磁界発生部１１０から発生させた磁界との相互作用により電磁超音波を生じさせる渦電流を被計測物Ｋ２の内部に発生させるために交流電流が通電されるコイル１２０と、磁界発生部１１０とコイル１２０との間に当該コイルに接して設けられ、コイル１２０が被計測物Ｋ２と接触した際にコイル１２０の表面が被計測物Ｋ２の表面形状に倣って接触するように変形するスペーサ部１３０を具備する。
【解決手段】導体からなる被計測物Ｋ２に電磁超音波を送受信して被計測物Ｋ２に係る計測を行うための電磁超音波センサ１００において、被計測物Ｋ２に対して磁界を発生する磁界発生部１１０と、計測を行う際に被計測物Ｋ２と接触し、磁界発生部１１０から発生させた磁界との相互作用により電磁超音波を生じさせる渦電流を被計測物Ｋ２の内部に発生させるために交流電流が通電されるコイル１２０と、磁界発生部１１０とコイル１２０との間に当該コイルに接して設けられ、コイル１２０が被計測物Ｋ２と接触した際にコイル１２０の表面が被計測物Ｋ２の表面形状に倣って接触するように変形するスペーサ部１３０を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁超音波を用いて導体からなる被計測物の計測を行うための電磁超音波センサ、及び、当該電磁超音波センサを含む電磁超音波検出システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電磁気的な作用によって発生させた超音波（電磁超音波）を用いて導体からなる被計測物の計測、具体的には、材質や寸法の計測、欠陥の検出等が行われている。例えば、下記の特許文献１には、磁界を発生する磁石と電磁超音波の送受信を行うためのコイルを備えた電磁超音波送受信素子により、金属薄板の材質を測定する技術が示されている。
【０００３】
また、下記の特許文献２には、電磁超音波を用いた計測において、電磁超音波探触子の探触子内部で発生する超音波によるノイズを低減するために、バイアス磁石と検出コイル間にスペーサを設けることが示されている。また、下記の特許文献３には、複数のバイアス磁石をフレキシブルな配列として曲面を有する被計測物にも対応可能な電磁超音波センサが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１１８０６４号公報
【特許文献２】特開２００９−１４４６６号公報
【特許文献３】特表２００８−５０７６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１や特許文献２では、曲面形状を有する被計測物の場合等には、コイルと被計測物との距離が局所的に大きくなる部分が生じ、その結果、計測の精度が低下するという問題が発生する。
【０００６】
また、上述した特許文献３では、磁界を発生させるためのバイアス磁石を複数構成するため、装置構成が複雑になり、かつ、装置全体が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、電磁超音波を用いて被計測物に係る計測を行う際に、簡易な構成で、被計測物が曲面形状を有する場合にも、その計測の精度の向上を実現する電磁超音波センサ及び電磁超音波検出システム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】
【０００８】
本発明の電磁超音波センサは、導体からなる被計測物に電磁超音波を送受信して前記被計測物に係る計測を行うための電磁超音波センサであって、前記被計測物に対して磁界を発生する磁界発生部と、前記計測を行う際に前記被計測物と接触し、前記磁界との相互作用により前記電磁超音波を生じさせる渦電流を前記被計測物の内部に発生させるために交流電流が通電されるコイルと、前記磁界発生部と前記コイルとの間に当該コイルに接して設けられ、前記コイルが前記被計測物と接触した際に前記コイルの表面が前記被計測物の表面形状に倣って接触するように変形するスペーサ部とを有する。
【０００９】
本発明の電磁超音波検出システムは、前記電磁超音波センサと、前記コイルに対して前記交流電流を発信する発信部と、前記被計測物の内部を伝播した前記電磁超音波を、前記コイルを介して受信する受信部とを有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電磁超音波を用いて被計測物に係る計測を行う際に、簡易な構成で、被計測物が曲面形状を有する場合にも、その計測の精度の向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の一例を示す模式図である。
【図２】図１に示す通電部の概略構成の一例を示す模式図である。
【図３】図２に示す通電部を流れた交流電流によって被計測物に発生した渦電流及び電磁力等の一例を示す模式図である。
【図４】比較例に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の一例を示す模式図である。
【図５】比較例に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の他の一例を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサを構成するスペーサ部の変形量を説明するための模式図である。
【図９】比較例に係る電磁超音波センサを用いた実験結果の一例を示す特性図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサを用いた実験結果の一例を示す特性図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサを含む電磁超音波検出システムの機能構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００と被計測物Ｋ１の概略断面の一例を示す模式図である。この電磁超音波センサ１００は、導体からなる被計測物に電磁超音波を送受信して当該被計測物に係る計測を行うためのものである。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の電磁超音波センサ１００は、磁界発生部１１０と、コイル（通電部）１２０と、スペーサ部１３０を有して構成されている。また、被計測物Ｋ１は、例えば導体（金属）からなる鋼板で形成されている。なお、図１に示す例では、被計測物として、平面の鋼板等である被計測物Ｋ１が示されているが、本発明の実施形態においては、後述の図６及び図７等に示す、曲面形状を有する導体からなる鋼管等である被計測物Ｋ２を適用した方が、より顕著な作用・効果を奏し好適である。
【００１５】
磁界発生部１１０は、被計測物Ｋ１に対して磁界を発生するものである。具体的に、図１に示す例では、磁界発生部１１０は、磁性材料からなる磁心１１１と、磁心１１１を磁化させるための電流（直流電流）を流すコイル１１２とからなる電磁石で構成されている。なお、本実施形態においては、磁界発生部１１０として、図１に示す電磁石に限らず、永久磁石を用いることも可能である。
【００１６】
コイル１２０は、被計測物Ｋ１に係る計測を行う際に当該被計測物と接触し、磁界発生部１１０から発生させた磁界との相互作用により電磁超音波を生じさせる渦電流を当該被計測物の内部に発生させるために交流電流が通電される、例えば円形扁平コイルである。
【００１７】
スペーサ部１３０は、磁界発生部１１０とコイル１２０との間に当該コイルに接して設けられ、被計測物Ｋ１の計測を行うためにコイル１２０が被計測物Ｋ１と接触した際にコイル１２０の表面が当該被計測物の表面形状に倣って接触（整合）するように変形するものである。
また、スペーサ部１３０と、磁界発生部１１０及びコイル１２０とを互いに接着して一体的に構成してもよい。
【００１８】
具体的に、スペーサ部１３０は、弾性を有する柔軟な物質からなる物体で構成されており、例えば、ウレタンスポンジ、ウレタンフォーム、ゴムスポンジのいずれかを用いることが好適である。このように、スペーサ部１３０は、ウレタンスポンジ、ウレタンフォーム、ゴムスポンジ等の柔軟な物質から形成されているため、図１に示す例では、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面が被計測物Ｋ１の平面形状に倣って接触（整合）するように平行圧縮変形することになる。また、図１に示す例では、コイル１２０は、被計測物Ｋ１との接触面が被計測物Ｋ１の平面と平行に形成されている例が示されているが、本実施形態においてはこの態様に限定されるものではない。例えば、本実施形態の電磁超音波センサ１００においては、コイル１２０は、被計測物Ｋ１との接触面が被計測物Ｋ１の平面と非平行に形成されていてもよく、この場合においても、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面が被計測物Ｋ１の平面形状に倣って接触（整合）するように圧縮変形することになる。
【００１９】
また、図１に示すように、コイル１２０及びスペーサ部１３０からなる構造体１４０は、磁界発生部１１０における被計測物Ｋ１側の表面１１０ａよりも被計測物側（Ｋ１側）に出っ張った凸部構造１４１を有して形成されている。換言すれば、スペーサ部１３０は、磁界発生部１１０における被計測物側の表面よりも、コイル１２０が被計測物寄りに設置されることになる厚みを有して形成されている。これにより、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面を被計測物Ｋ１の平面形状に倣って接触させる際に、設計的に余裕をもって確実に当該接触を行うことができる。
【００２０】
次に、被計測物Ｋ１の内部に発生する電磁超音波について説明する。
ここで、本例では、コイル１１２に流す電流（直流電流）により、磁極１１１ａがＮ極、磁極１１１ｂがＳ極である場合について説明を行う。なお、コイル１１２に流す電流を逆向きにすれば、磁極１１１ａをＳ極、磁極１１１ｂをＮ極とすることも可能である。
【００２１】
［電磁超音波の送信過程］
まず、電磁超音波の送信過程について説明する。
図１に示すように、被計測物Ｋ１の内部には、磁界発生部１１０の磁極１１１ａ（Ｎ極）から発生した磁界が生じている。この被計測物Ｋ１の内部における磁界の方向は、被計測物Ｋ１の板厚方向成分Ｂｚと、被計測物Ｋ１の表面方向成分Ｂｒで表すことができる。
【００２２】
この状態で、コイル１２０に所定周波数の交流電流を流すと、被計測物Ｋ１の内部に、コイル１２０に流れる交流電流と逆向きの渦電流Ｉφが発生する。そして、被計測物Ｋ１中の磁界と渦電流Ｉφにより電磁力（ローレンツ力）が発生する。この電磁力は、電界成分Ｂｚと渦電流Ｉφにより被計測物Ｋ１の表面方向成分Ｆｒ（以降、「ｒ方向の電磁力Ｆｒ」と称する）が発生し、電界成分Ｂｒと渦電流Ｉφにより被計測物Ｋ１の板厚方向成分Ｆｚ（以降、「ｚ方向の電磁力Ｆｚ」と称する）が発生する。
【００２３】
そして、ｒ方向の電磁力Ｆｒが横波の電磁超音波振動となり、また、ｚ方向の電磁力Ｆｚが縦波の電磁超音波振動となって、被計測物Ｋ１の内部を伝播する。なお、ｒ方向の電磁力Ｆｒ及びｚ方向の電磁力Ｆｚの向きは、渦電流Ｉφの向きによって交互に変化するため、被計測物Ｋ１の内部を伝播する横波及び縦波は、コイル１２０を流れた交流電流と同じ所定周波数の電磁超音波となる。このように、本実施形態の電磁超音波センサ１００は、電磁超音波として、横波及び縦波を被計測物の内部に発生（送信）することができるように構成されている。
【００２４】
［電磁超音波の受信過程］
続いて、電磁超音波の受信過程について説明する。
電磁超音波の受信過程は、上述した電磁超音波の送信過程の逆過程として実現される。具体的には、電磁超音波振動による力と磁界との相互作用により、被計測物Ｋ１の内部に電流Ｉφ'が発生する。そして、この被計測物Ｋ１の内部に発生した電流Ｉφ'により、コイル１２０に渦電流Ｉφ''が生じ、この渦電流を検出して電磁超音波を受信することになる。
【００２５】
次に、図１に示すコイル１２０の概略構成について説明する。
図２は、図１に示すコイル１２０の概略構成の一例を示す模式図である。この図２は、図１のＩからＩ'の方向に見た上面図を示しており、図１に示す磁界発生部１１０も破線で示している。
【００２６】
被計測物中の磁界の向きは中心軸と対称に変化していくため、前述のように磁界の板厚方向成分Ｂｚと表面方向成分Ｂｒにより縦波と横波の超音波を効率よく送受信させるためには、コイル１２０の全面積を超音波の発生と受信に用いることが望ましいため、コイル１２０を例えば図２に示すように、渦巻状に構成することがよい。また、コイル１２０を渦巻状に構成することによりフレキシブル基板で作成することが容易となり、コイル１２０を変形しやすくすることが可能である。
コイル１２０は、コイル端子１２１及び１２２を介して外部の制御装置（図１及び図２では不図示であるが、後述の図１１に示す制御装置２００）と接続されている。即ち、コイル１２０は、電磁超音波の送信過程では、外部の制御装置から所定周波数の交流電流を入力可能に構成されているとともに、電磁超音波の受信過程では、発生した渦電流Ｉφ''を外部の制御装置に出力可能に構成されている。また、本例のコイル１２０における直径Ｗは、おおよそ３０ｍｍ程度である。
【００２７】
図３は、図２に示すコイル１２０を流れた交流電流によって被計測物に発生した渦電流及び電磁力等の一例を示す模式図である。この図３は、被計測物を上から見た上面図を示している。
具体的に、図３には、被計測物（Ｋ１）に発生した渦電流と、ｒ方向の電磁力Ｆｒが放射状に発生している様子が示されている。即ち、図３には、放射状に偏波した横波が被計測物の内部に発生する様子が示されている。
【００２８】
次に、本実施形態の電磁超音波センサ１００における特徴をより明確にするために、電磁超音波センサの比較例を挙げて説明を行う。
【００２９】
図４は、比較例に係る電磁超音波センサ４００と被計測物Ｋ１の概略断面の一例を示す模式図である。
【００３０】
図４に示すように、比較例の電磁超音波センサ４００は、磁界発生部４１０と、コイル４２０と、スペーサ部４３０を有して構成されている。また、被計測物Ｋ１は、図１に示すものと同様のものである。
【００３１】
磁界発生部４１０は、被計測物Ｋ１に対して磁界を発生するものであり、磁性材料からなる磁心４１１と、磁心４１１を磁化させるための電流（直流電流）を流すコイル４１２とからなる電磁石で構成されている。
【００３２】
コイル４２０は、磁界発生部４１０から発生させた磁界との相互作用により電磁超音波を生じさせる渦電流を被計測物Ｋ１の内部に発生させるために交流電流が通電される、例えば円形扁平コイルである。
【００３３】
スペーサ部４３０は、図１に示すスペーサ部１３０と異なり、柔軟でなく、ほとんど変形しない物質からなる物体で構成されているものである。
【００３４】
ここで、比較例に係る電磁超音波センサ４００を被計測物に接触させて計測を行う場合について考える。
【００３５】
図４に示す例では、計測のために電磁超音波センサ４００と被計測物Ｋ１とを接触させた場合、スペーサ部４３０は何ら変形しないものの、コイル４２０の表面（接触面）が被計測物Ｋ１の平面と平行に形成されているため、この場合は、コイル４２０の表面を被計測物Ｋ１の表面に接触させることは可能である。
【００３６】
しかしながら、比較例に係る電磁超音波センサ４００では、図５に示す、曲面形状を有する鋼管等である被計測物Ｋ２を用いた場合に問題が生じる。
図５は、比較例に係る電磁超音波センサ４００と被計測物Ｋ２の概略断面の一例を示す模式図である。この図５において、電磁超音波センサ４００は、図４に示すものと同様のものである。
【００３７】
図５に示す例では、計測のために電磁超音波センサ４００と被計測物Ｋ１とを接触させた場合、被計測物が曲面形状を有する被計測物Ｋ２であり、また、スペーサ部４３０は何ら変形しないため、コイル４２０の表面を被計測物Ｋ１の平面形状に倣って接触させることは不可能となる。より具体的には、スペーサ部４３０は変形しないため、図５に示す例では、コイル４２０の表面における中央領域Ｅ１と被計測物Ｋ２の表面（曲面）とを接触させることは可能であるが、コイル４２０の表面における端部領域Ｅ２と被計測物Ｋ２の表面（曲面）とを接触させることは不可能である。
【００３８】
そして、図５に示すように、コイル４２０の表面の一部である端部領域Ｅ２を被計測物Ｋ２の表面（曲面）と非接触の状態で計測を行った場合、当該端部領域Ｅ２ではコイル４２０と被計測物Ｋ２との距離が大きくなるため、この部分で被計測物Ｋ２の内部に発生する渦電流Ｉφの強度が低下するという不具合が発生し、その結果、発生した電磁超音波が弱まり、計測の精度が低下するという問題が生じることになる。
【００３９】
次に、本実施形態の電磁超音波センサ１００における被計測物として、曲面形状を有する導体からなる鋼管等である被計測物Ｋ２を用いた場合について説明を行う。
図６は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００と被計測物Ｋ２の概略断面の一例を示す模式図である。この図６において、電磁超音波センサ１００は、図１に示すものと同様のものである。
【００４０】
図６に示す本実施例では、曲面形状を有する被計測物Ｋ２の計測を行うために電磁超音波センサ１００のコイル１２０を被計測物Ｋ２と接触させた場合、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面が被計測物Ｋ２の曲面形状に倣って接触（整合）するように圧縮変形するため、コイル１２０の表面の全面を被計測物Ｋ２の表面（曲面）に接触させることができる。これにより、本実施形態の電磁超音波センサ１００を用いた被計測物Ｋ２の計測では、図５の示す比較例の電磁超音波センサ４００を用いた場合に生じる、上述した計測の精度の低下という問題は生じない。
【００４１】
なお、上述したように、図１及び図６等に示す例では、磁界発生部１１０として、電磁石を用いた例について説明を行ったが、本実施形態においてはこれに限定されるわけではなく、例えば、永久磁石を用いることも可能である。
【００４２】
図７は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００と被計測物Ｋ２の概略断面の他の一例を示す模式図である。ここで、図７において、図６に示す構成と同様の機能の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
この図７に示す電磁超音波センサ１００は、磁界発生部１１０が永久磁石で構成されている。この永久磁石からなる磁界発生部１１０は、被計測物Ｋ２側がＮ極、その反対側がＳ極となるように配置されている。ここで、永久磁石からなる磁界発生部１１０のＮ極から発生した磁界は、図７の矢印で図示するように、被計測物Ｋ２を通過した後、空中を経由してＳ極に戻るため、図７に示す電磁超音波センサ１００は、磁界発生部１１０として電磁石を用いた図１及び図６に示す電磁超音波センサ１００と同様に、横波及び縦波を同時に発生させることが可能である。
【００４４】
この図７に示す電磁超音波センサ１００は、図１及び図６に示す電磁超音波センサ１００と比較して、電磁石用の大きな磁心１１１やコイル１１２が不要であるため、電磁超音波センサを小型化できるという利点がある。
【００４５】
次に、スペーサ部１３０の変形量について説明する。
図８は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００を構成するスペーサ部１３０の変形量を説明するための模式図である。
【００４６】
図８において、曲面形状を有する被計測物Ｋ２の曲率半径をＲとし、コイル１２０を構成する円形扁平コイルの半径をｒとする。また、図８では、スペーサ部１３０の変形量について着目する目的で説明を簡単にするために、コイル１２０（その厚みは０．１ｍｍ程度）は図示していない。
【００４７】
図８に示す例の場合、スペーサ部１３０の中央領域では、スペーサ部１３０ａとスペーサ部１３０ｂとの差分であるｄだけ圧縮変形することになる。この場合、スペーサ部１３０の変形量（図８に示す例の場合にはスペーサ部１３０の中央領域の変形量）ｄは、以下の（１）式で表せる。
ｄ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ） ・・・ （１）
【００４８】
また、Ｒとｒとの間には、以下の（２）式の関係が成立するため、（１）式は、以下の（３）式のように書き換えることができる。
Ｒ・ｓｉｎθ＝ｒ ・・・ （２）
ｄ＝Ｒ−（Ｒ2−ｒ2）1/2 ・・・ （３）
【００４９】
例えば、ｒ＝１５ｍｍ、Ｒ＝５０ｍｍである場合、（３）式から、変形量ｄ＝２．３ｍｍとなる。ここで、多少の弾性を有していても一般的な物体では、上述した２．３ｍｍ程度の変形量を実現することは困難である。そこで、本実施形態では、スペーサ部１３０として、上述したように、例えば、ウレタンスポンジ、ウレタンフォーム、ゴムスポンジのいずれかを用いて、２．３ｍｍ程度の変形量を実現できるようにしている。被計測物の形状により、Ｒが５０ｍｍとは異なる他の値を持つ場合にも、同様の考え方で、被計測物の曲率に応じて変形量を適切に設定すればよい。
【００５０】
また、電磁超音波センサ１００を適正に動作させるためには、磁界発生部１１０とコイル１２０とを近接して形成することが好適である。スペーサ部１３０が上述した２．３ｍｍ程度の変形をする場合について考えると、スペーサ部１３０をウレタンスポンジで作成した場合、その圧縮率は１０分の１程度であることから、スペーサ部１３０の厚みを２．６ｍｍ以上とすることが好適である。
【００５１】
次に、本実施形態に係る電磁超音波センサ１００、及び、比較例に係る電磁超音波センサ４００を用いた実験結果について説明する。
【００５２】
図９は、比較例に係る電磁超音波センサ４００を用いた実験結果の一例を示す特性図である。ここで、図９（ａ）に、電磁超音波センサ４００を用いた縦波共振検出結果の一例を示し、図９（ｂ）に、電磁超音波センサ４００を用いた横波共振検出結果の一例を示す。また、図９では、被計測物として、厚みが１．８ｍｍであり、平面の鋼板である被計測物Ｋ１と、曲率半径が８０ｍｍ（Ｒ８０）及び５５ｍｍ（Ｒ５５）の曲面形状を有する鋼管等である被計測物Ｋ２を用いた場合の実験結果が示されている。
【００５３】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す比較例の電磁超音波センサ４００を用いた実験結果では、被計測物Ｋ２を用いた計測の場合に共振強度が大きく低下している。これは、例えば図５に示すように、比較例の電磁超音波センサ４００では、被計測物が曲面形状を有する被計測物Ｋ２の場合、コイル４２０の表面における一部（図５では端部領域Ｅ２）と被計測物Ｋ２の表面（曲面）とが非接触となるために生じる不具合であると考えられる。
【００５４】
図１０は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００を用いた実験結果の一例を示す特性図である。ここで、図１０（ａ）に、電磁超音波センサ１００を用いた縦波共振検出結果の一例を示し、図１０（ｂ）に、電磁超音波センサ１００を用いた横波共振検出結果の一例を示す。また、図１０では、被計測物として、曲率半径が８０ｍｍ（Ｒ８０）及び５５ｍｍ（Ｒ５５）の曲面形状を有する鋼管等である被計測物Ｋ２を用いた場合の実験結果が示されている。
【００５５】
図１０に示す実験結果と図９に示す実験結果と比較すると、縦波共振検出結果及び横波共振検出結果ともに、図１０に示す本実施形態の電磁超音波センサ１００を用いた場合の方が、共振強度が大きくなっていることがわかる。即ち、比較例の電磁超音波センサ４００よりも、本実施形態の電磁超音波センサ１００の方が優れていることがわかる。これは、例えば図６に示すように、本実施形態の電磁超音波センサ１００では、被計測物が曲面形状を有する被計測物Ｋ２の場合、スペーサ部１３０が、コイル１２０の表面が被計測物Ｋ２の曲面形状に倣って接触するように圧縮変形するため、コイル４２０の全面を被計測物Ｋ２の表面（曲面）に接触させることができるためであると考えられる。
【００５６】
次に、本実施形態に係る電磁超音波センサ１００を用いた電磁超音波検出システムについて説明する。
【００５７】
図１１は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００を含む電磁超音波検出システム１０の機能構成の一例を示す模式図である。ここで、図１１に示す電磁超音波センサ１００は、図１及び図６（或いは図７）に示す電磁超音波センサ１００と同様の構成であり、図１１では各構成をブロック図で示している。
【００５８】
図１１に示すように、電磁超音波検出システム１０は、電磁超音波センサ１００と、制御装置２００を有して構成されている。また、制御装置２００は、発信・受信部２１０と、信号処理部２２０と、制御部２３０を有して構成されている。
【００５９】
図１及び図６に示す電磁超音波センサ１００の場合、磁界発生部１１０は、発信・受信部２１０からコイル１１２に供給された電流（直流電流）により電磁石を構成し、被計測物Ｋ２（又はＫ１）に対して磁界を発生する。また、図７に示す電磁超音波センサ１００の場合、磁界発生部１１０は、発信・受信部２１０から電流を受信することなく、被計測物Ｋ２（又はＫ１）に対して磁界を発生する。
【００６０】
電磁超音波センサ１００のコイル１２０は、発信・受信部２１０から供給された所定周波数における交流電流を通電し、被計測物Ｋ２（又はＫ１）の内部に渦電流Ｉφを発生させる。
【００６１】
制御装置２００の発信・受信部２１０は、制御部２３０による制御に応じて、磁界発生部１１０のコイル１１２に電流（直流電流）を発信するとともに、コイル１２０に対して、所定周波数の交流電流を発信する。これにより、被計測物Ｋ２（又はＫ１）の内部には、横波及び縦波の電磁超音波が伝播することになる。
【００６２】
また、制御装置２００の発信・受信部２１０は、制御部２３０による制御に応じて、被計測物Ｋ２（又はＫ１）の内部を伝播した横波及び縦波の電磁超音波を、例えば、コイル１２０内に発生した渦電流Ｉφ''を検出することで受信する。なお、図１１に示す例では、電磁超音波の発信を行う発信部と、電磁超音波の受信を行う受信部とが一体となった発信・受信部２１０が示されているが、本実施形態においては、発信部と受信部とをそれぞれ別体で構成した態様も適用可能である。
【００６３】
制御装置２００の信号処理部２２０は、制御部２３０による制御に応じて、発信・受信部２１０で受信した、各電磁超音波の信号を処理する。具体的に、例えば、信号処理部２２０は、被計測物Ｋ２（又はＫ１）の内部欠陥の有無や、板厚計測、電磁超音波の減衰に基づく結晶粒径の計測、更には、横波及び縦波の音速測定結果から所謂ランクフォード値（ｒ値）等の組織情報の計測、内部の残留応力の計測等に係る電磁超音波の信号処理を行う。
【００６４】
制御装置２００の制御部２３０は、必要に応じて、発信・受信部２１０及び信号処理部２２０を制御して、制御装置２００における動作を統括的に制御する。また、制御装置２００の制御部２３０は、例えばユーザからの入力指示に応じて、コイル１２０に供給する交流電流や、信号処理部２２０で処理する信号処理の種類等を制御可能に構成されている。また、制御装置２００の制御部２３０は、必要に応じて、信号処理部２２０の処理結果を表示部に出力する制御を可能に構成されている。
【００６５】
以上、説明したように、本実施形態の電磁超音波センサ１００では、被計測物に対して磁界を発生する磁界発生部１１０と、計測を行う際に被計測物と接触し、磁界発生部１１０から発生させた磁界との相互作用により電磁超音波を生じさせる渦電流を被計測物の内部に発生させるために交流電流が通電されるコイル１２０と、磁界発生部１１０とコイル１２０との間に当該コイルに接して設けられ、コイル１２０が被計測物と接触した際にコイル１２０の表面が被計測物の表面形状に倣って接触するように変形するスペーサ部１３０とを構成するようにしている。
かかる構成によれば、電磁超音波センサ１００のコイル１２０を被計測物に接触させて計測を行う際に、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面が被計測物の表面形状に倣って接触するように変形するため、被計測物が如何なる表面形状（特に、曲面形状）であっても、コイル１２０と被計測物との距離が局所的に大きくなる部分が生じる問題を回避することができる。これにより、簡易な構成で、被計測物に係る計測の精度の向上を実現することができる。
【００６６】
なお、図１及び図６、並びに図７に示す電磁超音波センサ１００では、スペーサ部１３０が磁界発生部１１０と直接接して形成されている例が示されているが、スペーサ部１３０は、必ずしも磁界発生部１１０と直接接して形成されている必要はない。例えば、スペーサ部１３０と磁界発生部１１０との間に硬いスペーサを設けて、当該硬いスペーサを介してスペーサ部１３０が磁界発生部１１０に取り付けられている形態も適用可能である。
また、図１や図７に示す実施例では、磁界発生部１１０の直径がスペーサ部１３０やコイル１２０の直径よりも小さい場合を示したが、この３つの構成部品の大きさの関係はこれに限るものではなく、送受信される超音波の効率が良くなるように実験的に決定すればよい。
【００６７】
また、前述した本発明の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１００：電磁超音波センサ、１１０：磁界発生部、１１１：磁心、１１２：コイル、１２０：コイル、１３０：スペーサ部、１４０：コイル及びスペーサ部からなる構造体、１４１：凸部構造、Ｋ２：被計測物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁超音波を用いて導体からなる被計測物の計測を行うための電磁超音波センサ、及び、当該電磁超音波センサを含む電磁超音波検出システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電磁気的な作用によって発生させた超音波（電磁超音波）を用いて導体からなる被計測物の計測、具体的には、材質や寸法の計測、欠陥の検出等が行われている。例えば、下記の特許文献１には、磁界を発生する磁石と電磁超音波の送受信を行うためのコイルを備えた電磁超音波送受信素子により、金属薄板の材質を測定する技術が示されている。
【０００３】
また、下記の特許文献２には、電磁超音波を用いた計測において、電磁超音波探触子の探触子内部で発生する超音波によるノイズを低減するために、バイアス磁石と検出コイル間にスペーサを設けることが示されている。また、下記の特許文献３には、複数のバイアス磁石をフレキシブルな配列として曲面を有する被計測物にも対応可能な電磁超音波センサが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１１８０６４号公報
【特許文献２】特開２００９−１４４６６号公報
【特許文献３】特表２００８−５０７６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１や特許文献２では、曲面形状を有する被計測物の場合等には、コイルと被計測物との距離が局所的に大きくなる部分が生じ、その結果、計測の精度が低下するという問題が発生する。
【０００６】
また、上述した特許文献３では、磁界を発生させるためのバイアス磁石を複数構成するため、装置構成が複雑になり、かつ、装置全体が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、電磁超音波を用いて被計測物に係る計測を行う際に、簡易な構成で、被計測物が曲面形状を有する場合にも、その計測の精度の向上を実現する電磁超音波センサ及び電磁超音波検出システム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】
【０００８】
本発明の電磁超音波センサは、導体からなる被計測物に電磁超音波を送受信して前記被計測物に係る計測を行うための電磁超音波センサであって、前記被計測物に対して磁界を発生する磁界発生部と、前記計測を行う際に前記被計測物と接触し、前記磁界との相互作用により前記電磁超音波を生じさせる渦電流を前記被計測物の内部に発生させるために交流電流が通電されるコイルと、前記磁界発生部と前記コイルとの間に当該コイルに接して設けられ、前記コイルが前記被計測物と接触した際に前記コイルの表面が前記被計測物の表面形状に倣って接触するように変形するスペーサ部とを有する。
【０００９】
本発明の電磁超音波検出システムは、前記電磁超音波センサと、前記コイルに対して前記交流電流を発信する発信部と、前記被計測物の内部を伝播した前記電磁超音波を、前記コイルを介して受信する受信部とを有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電磁超音波を用いて被計測物に係る計測を行う際に、簡易な構成で、被計測物が曲面形状を有する場合にも、その計測の精度の向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の一例を示す模式図である。
【図２】図１に示す通電部の概略構成の一例を示す模式図である。
【図３】図２に示す通電部を流れた交流電流によって被計測物に発生した渦電流及び電磁力等の一例を示す模式図である。
【図４】比較例に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の一例を示す模式図である。
【図５】比較例に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサと被計測物の概略断面の他の一例を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサを構成するスペーサ部の変形量を説明するための模式図である。
【図９】比較例に係る電磁超音波センサを用いた実験結果の一例を示す特性図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサを用いた実験結果の一例を示す特性図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る電磁超音波センサを含む電磁超音波検出システムの機能構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００と被計測物Ｋ１の概略断面の一例を示す模式図である。この電磁超音波センサ１００は、導体からなる被計測物に電磁超音波を送受信して当該被計測物に係る計測を行うためのものである。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の電磁超音波センサ１００は、磁界発生部１１０と、コイル（通電部）１２０と、スペーサ部１３０を有して構成されている。また、被計測物Ｋ１は、例えば導体（金属）からなる鋼板で形成されている。なお、図１に示す例では、被計測物として、平面の鋼板等である被計測物Ｋ１が示されているが、本発明の実施形態においては、後述の図６及び図７等に示す、曲面形状を有する導体からなる鋼管等である被計測物Ｋ２を適用した方が、より顕著な作用・効果を奏し好適である。
【００１５】
磁界発生部１１０は、被計測物Ｋ１に対して磁界を発生するものである。具体的に、図１に示す例では、磁界発生部１１０は、磁性材料からなる磁心１１１と、磁心１１１を磁化させるための電流（直流電流）を流すコイル１１２とからなる電磁石で構成されている。なお、本実施形態においては、磁界発生部１１０として、図１に示す電磁石に限らず、永久磁石を用いることも可能である。
【００１６】
コイル１２０は、被計測物Ｋ１に係る計測を行う際に当該被計測物と接触し、磁界発生部１１０から発生させた磁界との相互作用により電磁超音波を生じさせる渦電流を当該被計測物の内部に発生させるために交流電流が通電される、例えば円形扁平コイルである。
【００１７】
スペーサ部１３０は、磁界発生部１１０とコイル１２０との間に当該コイルに接して設けられ、被計測物Ｋ１の計測を行うためにコイル１２０が被計測物Ｋ１と接触した際にコイル１２０の表面が当該被計測物の表面形状に倣って接触（整合）するように変形するものである。
また、スペーサ部１３０と、磁界発生部１１０及びコイル１２０とを互いに接着して一体的に構成してもよい。
【００１８】
具体的に、スペーサ部１３０は、弾性を有する柔軟な物質からなる物体で構成されており、例えば、ウレタンスポンジ、ウレタンフォーム、ゴムスポンジのいずれかを用いることが好適である。このように、スペーサ部１３０は、ウレタンスポンジ、ウレタンフォーム、ゴムスポンジ等の柔軟な物質から形成されているため、図１に示す例では、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面が被計測物Ｋ１の平面形状に倣って接触（整合）するように平行圧縮変形することになる。また、図１に示す例では、コイル１２０は、被計測物Ｋ１との接触面が被計測物Ｋ１の平面と平行に形成されている例が示されているが、本実施形態においてはこの態様に限定されるものではない。例えば、本実施形態の電磁超音波センサ１００においては、コイル１２０は、被計測物Ｋ１との接触面が被計測物Ｋ１の平面と非平行に形成されていてもよく、この場合においても、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面が被計測物Ｋ１の平面形状に倣って接触（整合）するように圧縮変形することになる。
【００１９】
また、図１に示すように、コイル１２０及びスペーサ部１３０からなる構造体１４０は、磁界発生部１１０における被計測物Ｋ１側の表面１１０ａよりも被計測物側（Ｋ１側）に出っ張った凸部構造１４１を有して形成されている。換言すれば、スペーサ部１３０は、磁界発生部１１０における被計測物側の表面よりも、コイル１２０が被計測物寄りに設置されることになる厚みを有して形成されている。これにより、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面を被計測物Ｋ１の平面形状に倣って接触させる際に、設計的に余裕をもって確実に当該接触を行うことができる。
【００２０】
次に、被計測物Ｋ１の内部に発生する電磁超音波について説明する。
ここで、本例では、コイル１１２に流す電流（直流電流）により、磁極１１１ａがＮ極、磁極１１１ｂがＳ極である場合について説明を行う。なお、コイル１１２に流す電流を逆向きにすれば、磁極１１１ａをＳ極、磁極１１１ｂをＮ極とすることも可能である。
【００２１】
［電磁超音波の送信過程］
まず、電磁超音波の送信過程について説明する。
図１に示すように、被計測物Ｋ１の内部には、磁界発生部１１０の磁極１１１ａ（Ｎ極）から発生した磁界が生じている。この被計測物Ｋ１の内部における磁界の方向は、被計測物Ｋ１の板厚方向成分Ｂｚと、被計測物Ｋ１の表面方向成分Ｂｒで表すことができる。
【００２２】
この状態で、コイル１２０に所定周波数の交流電流を流すと、被計測物Ｋ１の内部に、コイル１２０に流れる交流電流と逆向きの渦電流Ｉφが発生する。そして、被計測物Ｋ１中の磁界と渦電流Ｉφにより電磁力（ローレンツ力）が発生する。この電磁力は、電界成分Ｂｚと渦電流Ｉφにより被計測物Ｋ１の表面方向成分Ｆｒ（以降、「ｒ方向の電磁力Ｆｒ」と称する）が発生し、電界成分Ｂｒと渦電流Ｉφにより被計測物Ｋ１の板厚方向成分Ｆｚ（以降、「ｚ方向の電磁力Ｆｚ」と称する）が発生する。
【００２３】
そして、ｒ方向の電磁力Ｆｒが横波の電磁超音波振動となり、また、ｚ方向の電磁力Ｆｚが縦波の電磁超音波振動となって、被計測物Ｋ１の内部を伝播する。なお、ｒ方向の電磁力Ｆｒ及びｚ方向の電磁力Ｆｚの向きは、渦電流Ｉφの向きによって交互に変化するため、被計測物Ｋ１の内部を伝播する横波及び縦波は、コイル１２０を流れた交流電流と同じ所定周波数の電磁超音波となる。このように、本実施形態の電磁超音波センサ１００は、電磁超音波として、横波及び縦波を被計測物の内部に発生（送信）することができるように構成されている。
【００２４】
［電磁超音波の受信過程］
続いて、電磁超音波の受信過程について説明する。
電磁超音波の受信過程は、上述した電磁超音波の送信過程の逆過程として実現される。具体的には、電磁超音波振動による力と磁界との相互作用により、被計測物Ｋ１の内部に電流Ｉφ'が発生する。そして、この被計測物Ｋ１の内部に発生した電流Ｉφ'により、コイル１２０に渦電流Ｉφ''が生じ、この渦電流を検出して電磁超音波を受信することになる。
【００２５】
次に、図１に示すコイル１２０の概略構成について説明する。
図２は、図１に示すコイル１２０の概略構成の一例を示す模式図である。この図２は、図１のＩからＩ'の方向に見た上面図を示しており、図１に示す磁界発生部１１０も破線で示している。
【００２６】
被計測物中の磁界の向きは中心軸と対称に変化していくため、前述のように磁界の板厚方向成分Ｂｚと表面方向成分Ｂｒにより縦波と横波の超音波を効率よく送受信させるためには、コイル１２０の全面積を超音波の発生と受信に用いることが望ましいため、コイル１２０を例えば図２に示すように、渦巻状に構成することがよい。また、コイル１２０を渦巻状に構成することによりフレキシブル基板で作成することが容易となり、コイル１２０を変形しやすくすることが可能である。
コイル１２０は、コイル端子１２１及び１２２を介して外部の制御装置（図１及び図２では不図示であるが、後述の図１１に示す制御装置２００）と接続されている。即ち、コイル１２０は、電磁超音波の送信過程では、外部の制御装置から所定周波数の交流電流を入力可能に構成されているとともに、電磁超音波の受信過程では、発生した渦電流Ｉφ''を外部の制御装置に出力可能に構成されている。また、本例のコイル１２０における直径Ｗは、おおよそ３０ｍｍ程度である。
【００２７】
図３は、図２に示すコイル１２０を流れた交流電流によって被計測物に発生した渦電流及び電磁力等の一例を示す模式図である。この図３は、被計測物を上から見た上面図を示している。
具体的に、図３には、被計測物（Ｋ１）に発生した渦電流と、ｒ方向の電磁力Ｆｒが放射状に発生している様子が示されている。即ち、図３には、放射状に偏波した横波が被計測物の内部に発生する様子が示されている。
【００２８】
次に、本実施形態の電磁超音波センサ１００における特徴をより明確にするために、電磁超音波センサの比較例を挙げて説明を行う。
【００２９】
図４は、比較例に係る電磁超音波センサ４００と被計測物Ｋ１の概略断面の一例を示す模式図である。
【００３０】
図４に示すように、比較例の電磁超音波センサ４００は、磁界発生部４１０と、コイル４２０と、スペーサ部４３０を有して構成されている。また、被計測物Ｋ１は、図１に示すものと同様のものである。
【００３１】
磁界発生部４１０は、被計測物Ｋ１に対して磁界を発生するものであり、磁性材料からなる磁心４１１と、磁心４１１を磁化させるための電流（直流電流）を流すコイル４１２とからなる電磁石で構成されている。
【００３２】
コイル４２０は、磁界発生部４１０から発生させた磁界との相互作用により電磁超音波を生じさせる渦電流を被計測物Ｋ１の内部に発生させるために交流電流が通電される、例えば円形扁平コイルである。
【００３３】
スペーサ部４３０は、図１に示すスペーサ部１３０と異なり、柔軟でなく、ほとんど変形しない物質からなる物体で構成されているものである。
【００３４】
ここで、比較例に係る電磁超音波センサ４００を被計測物に接触させて計測を行う場合について考える。
【００３５】
図４に示す例では、計測のために電磁超音波センサ４００と被計測物Ｋ１とを接触させた場合、スペーサ部４３０は何ら変形しないものの、コイル４２０の表面（接触面）が被計測物Ｋ１の平面と平行に形成されているため、この場合は、コイル４２０の表面を被計測物Ｋ１の表面に接触させることは可能である。
【００３６】
しかしながら、比較例に係る電磁超音波センサ４００では、図５に示す、曲面形状を有する鋼管等である被計測物Ｋ２を用いた場合に問題が生じる。
図５は、比較例に係る電磁超音波センサ４００と被計測物Ｋ２の概略断面の一例を示す模式図である。この図５において、電磁超音波センサ４００は、図４に示すものと同様のものである。
【００３７】
図５に示す例では、計測のために電磁超音波センサ４００と被計測物Ｋ１とを接触させた場合、被計測物が曲面形状を有する被計測物Ｋ２であり、また、スペーサ部４３０は何ら変形しないため、コイル４２０の表面を被計測物Ｋ１の平面形状に倣って接触させることは不可能となる。より具体的には、スペーサ部４３０は変形しないため、図５に示す例では、コイル４２０の表面における中央領域Ｅ１と被計測物Ｋ２の表面（曲面）とを接触させることは可能であるが、コイル４２０の表面における端部領域Ｅ２と被計測物Ｋ２の表面（曲面）とを接触させることは不可能である。
【００３８】
そして、図５に示すように、コイル４２０の表面の一部である端部領域Ｅ２を被計測物Ｋ２の表面（曲面）と非接触の状態で計測を行った場合、当該端部領域Ｅ２ではコイル４２０と被計測物Ｋ２との距離が大きくなるため、この部分で被計測物Ｋ２の内部に発生する渦電流Ｉφの強度が低下するという不具合が発生し、その結果、発生した電磁超音波が弱まり、計測の精度が低下するという問題が生じることになる。
【００３９】
次に、本実施形態の電磁超音波センサ１００における被計測物として、曲面形状を有する導体からなる鋼管等である被計測物Ｋ２を用いた場合について説明を行う。
図６は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００と被計測物Ｋ２の概略断面の一例を示す模式図である。この図６において、電磁超音波センサ１００は、図１に示すものと同様のものである。
【００４０】
図６に示す本実施例では、曲面形状を有する被計測物Ｋ２の計測を行うために電磁超音波センサ１００のコイル１２０を被計測物Ｋ２と接触させた場合、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面が被計測物Ｋ２の曲面形状に倣って接触（整合）するように圧縮変形するため、コイル１２０の表面の全面を被計測物Ｋ２の表面（曲面）に接触させることができる。これにより、本実施形態の電磁超音波センサ１００を用いた被計測物Ｋ２の計測では、図５の示す比較例の電磁超音波センサ４００を用いた場合に生じる、上述した計測の精度の低下という問題は生じない。
【００４１】
なお、上述したように、図１及び図６等に示す例では、磁界発生部１１０として、電磁石を用いた例について説明を行ったが、本実施形態においてはこれに限定されるわけではなく、例えば、永久磁石を用いることも可能である。
【００４２】
図７は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００と被計測物Ｋ２の概略断面の他の一例を示す模式図である。ここで、図７において、図６に示す構成と同様の機能の構成については同じ符号を付しており、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
この図７に示す電磁超音波センサ１００は、磁界発生部１１０が永久磁石で構成されている。この永久磁石からなる磁界発生部１１０は、被計測物Ｋ２側がＮ極、その反対側がＳ極となるように配置されている。ここで、永久磁石からなる磁界発生部１１０のＮ極から発生した磁界は、図７の矢印で図示するように、被計測物Ｋ２を通過した後、空中を経由してＳ極に戻るため、図７に示す電磁超音波センサ１００は、磁界発生部１１０として電磁石を用いた図１及び図６に示す電磁超音波センサ１００と同様に、横波及び縦波を同時に発生させることが可能である。
【００４４】
この図７に示す電磁超音波センサ１００は、図１及び図６に示す電磁超音波センサ１００と比較して、電磁石用の大きな磁心１１１やコイル１１２が不要であるため、電磁超音波センサを小型化できるという利点がある。
【００４５】
次に、スペーサ部１３０の変形量について説明する。
図８は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００を構成するスペーサ部１３０の変形量を説明するための模式図である。
【００４６】
図８において、曲面形状を有する被計測物Ｋ２の曲率半径をＲとし、コイル１２０を構成する円形扁平コイルの半径をｒとする。また、図８では、スペーサ部１３０の変形量について着目する目的で説明を簡単にするために、コイル１２０（その厚みは０．１ｍｍ程度）は図示していない。
【００４７】
図８に示す例の場合、スペーサ部１３０の中央領域では、スペーサ部１３０ａとスペーサ部１３０ｂとの差分であるｄだけ圧縮変形することになる。この場合、スペーサ部１３０の変形量（図８に示す例の場合にはスペーサ部１３０の中央領域の変形量）ｄは、以下の（１）式で表せる。
ｄ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ） ・・・ （１）
【００４８】
また、Ｒとｒとの間には、以下の（２）式の関係が成立するため、（１）式は、以下の（３）式のように書き換えることができる。
Ｒ・ｓｉｎθ＝ｒ ・・・ （２）
ｄ＝Ｒ−（Ｒ2−ｒ2）1/2 ・・・ （３）
【００４９】
例えば、ｒ＝１５ｍｍ、Ｒ＝５０ｍｍである場合、（３）式から、変形量ｄ＝２．３ｍｍとなる。ここで、多少の弾性を有していても一般的な物体では、上述した２．３ｍｍ程度の変形量を実現することは困難である。そこで、本実施形態では、スペーサ部１３０として、上述したように、例えば、ウレタンスポンジ、ウレタンフォーム、ゴムスポンジのいずれかを用いて、２．３ｍｍ程度の変形量を実現できるようにしている。被計測物の形状により、Ｒが５０ｍｍとは異なる他の値を持つ場合にも、同様の考え方で、被計測物の曲率に応じて変形量を適切に設定すればよい。
【００５０】
また、電磁超音波センサ１００を適正に動作させるためには、磁界発生部１１０とコイル１２０とを近接して形成することが好適である。スペーサ部１３０が上述した２．３ｍｍ程度の変形をする場合について考えると、スペーサ部１３０をウレタンスポンジで作成した場合、その圧縮率は１０分の１程度であることから、スペーサ部１３０の厚みを２．６ｍｍ以上とすることが好適である。
【００５１】
次に、本実施形態に係る電磁超音波センサ１００、及び、比較例に係る電磁超音波センサ４００を用いた実験結果について説明する。
【００５２】
図９は、比較例に係る電磁超音波センサ４００を用いた実験結果の一例を示す特性図である。ここで、図９（ａ）に、電磁超音波センサ４００を用いた縦波共振検出結果の一例を示し、図９（ｂ）に、電磁超音波センサ４００を用いた横波共振検出結果の一例を示す。また、図９では、被計測物として、厚みが１．８ｍｍであり、平面の鋼板である被計測物Ｋ１と、曲率半径が８０ｍｍ（Ｒ８０）及び５５ｍｍ（Ｒ５５）の曲面形状を有する鋼管等である被計測物Ｋ２を用いた場合の実験結果が示されている。
【００５３】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す比較例の電磁超音波センサ４００を用いた実験結果では、被計測物Ｋ２を用いた計測の場合に共振強度が大きく低下している。これは、例えば図５に示すように、比較例の電磁超音波センサ４００では、被計測物が曲面形状を有する被計測物Ｋ２の場合、コイル４２０の表面における一部（図５では端部領域Ｅ２）と被計測物Ｋ２の表面（曲面）とが非接触となるために生じる不具合であると考えられる。
【００５４】
図１０は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００を用いた実験結果の一例を示す特性図である。ここで、図１０（ａ）に、電磁超音波センサ１００を用いた縦波共振検出結果の一例を示し、図１０（ｂ）に、電磁超音波センサ１００を用いた横波共振検出結果の一例を示す。また、図１０では、被計測物として、曲率半径が８０ｍｍ（Ｒ８０）及び５５ｍｍ（Ｒ５５）の曲面形状を有する鋼管等である被計測物Ｋ２を用いた場合の実験結果が示されている。
【００５５】
図１０に示す実験結果と図９に示す実験結果と比較すると、縦波共振検出結果及び横波共振検出結果ともに、図１０に示す本実施形態の電磁超音波センサ１００を用いた場合の方が、共振強度が大きくなっていることがわかる。即ち、比較例の電磁超音波センサ４００よりも、本実施形態の電磁超音波センサ１００の方が優れていることがわかる。これは、例えば図６に示すように、本実施形態の電磁超音波センサ１００では、被計測物が曲面形状を有する被計測物Ｋ２の場合、スペーサ部１３０が、コイル１２０の表面が被計測物Ｋ２の曲面形状に倣って接触するように圧縮変形するため、コイル４２０の全面を被計測物Ｋ２の表面（曲面）に接触させることができるためであると考えられる。
【００５６】
次に、本実施形態に係る電磁超音波センサ１００を用いた電磁超音波検出システムについて説明する。
【００５７】
図１１は、本発明の実施形態に係る電磁超音波センサ１００を含む電磁超音波検出システム１０の機能構成の一例を示す模式図である。ここで、図１１に示す電磁超音波センサ１００は、図１及び図６（或いは図７）に示す電磁超音波センサ１００と同様の構成であり、図１１では各構成をブロック図で示している。
【００５８】
図１１に示すように、電磁超音波検出システム１０は、電磁超音波センサ１００と、制御装置２００を有して構成されている。また、制御装置２００は、発信・受信部２１０と、信号処理部２２０と、制御部２３０を有して構成されている。
【００５９】
図１及び図６に示す電磁超音波センサ１００の場合、磁界発生部１１０は、発信・受信部２１０からコイル１１２に供給された電流（直流電流）により電磁石を構成し、被計測物Ｋ２（又はＫ１）に対して磁界を発生する。また、図７に示す電磁超音波センサ１００の場合、磁界発生部１１０は、発信・受信部２１０から電流を受信することなく、被計測物Ｋ２（又はＫ１）に対して磁界を発生する。
【００６０】
電磁超音波センサ１００のコイル１２０は、発信・受信部２１０から供給された所定周波数における交流電流を通電し、被計測物Ｋ２（又はＫ１）の内部に渦電流Ｉφを発生させる。
【００６１】
制御装置２００の発信・受信部２１０は、制御部２３０による制御に応じて、磁界発生部１１０のコイル１１２に電流（直流電流）を発信するとともに、コイル１２０に対して、所定周波数の交流電流を発信する。これにより、被計測物Ｋ２（又はＫ１）の内部には、横波及び縦波の電磁超音波が伝播することになる。
【００６２】
また、制御装置２００の発信・受信部２１０は、制御部２３０による制御に応じて、被計測物Ｋ２（又はＫ１）の内部を伝播した横波及び縦波の電磁超音波を、例えば、コイル１２０内に発生した渦電流Ｉφ''を検出することで受信する。なお、図１１に示す例では、電磁超音波の発信を行う発信部と、電磁超音波の受信を行う受信部とが一体となった発信・受信部２１０が示されているが、本実施形態においては、発信部と受信部とをそれぞれ別体で構成した態様も適用可能である。
【００６３】
制御装置２００の信号処理部２２０は、制御部２３０による制御に応じて、発信・受信部２１０で受信した、各電磁超音波の信号を処理する。具体的に、例えば、信号処理部２２０は、被計測物Ｋ２（又はＫ１）の内部欠陥の有無や、板厚計測、電磁超音波の減衰に基づく結晶粒径の計測、更には、横波及び縦波の音速測定結果から所謂ランクフォード値（ｒ値）等の組織情報の計測、内部の残留応力の計測等に係る電磁超音波の信号処理を行う。
【００６４】
制御装置２００の制御部２３０は、必要に応じて、発信・受信部２１０及び信号処理部２２０を制御して、制御装置２００における動作を統括的に制御する。また、制御装置２００の制御部２３０は、例えばユーザからの入力指示に応じて、コイル１２０に供給する交流電流や、信号処理部２２０で処理する信号処理の種類等を制御可能に構成されている。また、制御装置２００の制御部２３０は、必要に応じて、信号処理部２２０の処理結果を表示部に出力する制御を可能に構成されている。
【００６５】
以上、説明したように、本実施形態の電磁超音波センサ１００では、被計測物に対して磁界を発生する磁界発生部１１０と、計測を行う際に被計測物と接触し、磁界発生部１１０から発生させた磁界との相互作用により電磁超音波を生じさせる渦電流を被計測物の内部に発生させるために交流電流が通電されるコイル１２０と、磁界発生部１１０とコイル１２０との間に当該コイルに接して設けられ、コイル１２０が被計測物と接触した際にコイル１２０の表面が被計測物の表面形状に倣って接触するように変形するスペーサ部１３０とを構成するようにしている。
かかる構成によれば、電磁超音波センサ１００のコイル１２０を被計測物に接触させて計測を行う際に、スペーサ部１３０は、コイル１２０の表面が被計測物の表面形状に倣って接触するように変形するため、被計測物が如何なる表面形状（特に、曲面形状）であっても、コイル１２０と被計測物との距離が局所的に大きくなる部分が生じる問題を回避することができる。これにより、簡易な構成で、被計測物に係る計測の精度の向上を実現することができる。
【００６６】
なお、図１及び図６、並びに図７に示す電磁超音波センサ１００では、スペーサ部１３０が磁界発生部１１０と直接接して形成されている例が示されているが、スペーサ部１３０は、必ずしも磁界発生部１１０と直接接して形成されている必要はない。例えば、スペーサ部１３０と磁界発生部１１０との間に硬いスペーサを設けて、当該硬いスペーサを介してスペーサ部１３０が磁界発生部１１０に取り付けられている形態も適用可能である。
また、図１や図７に示す実施例では、磁界発生部１１０の直径がスペーサ部１３０やコイル１２０の直径よりも小さい場合を示したが、この３つの構成部品の大きさの関係はこれに限るものではなく、送受信される超音波の効率が良くなるように実験的に決定すればよい。
【００６７】
また、前述した本発明の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１００：電磁超音波センサ、１１０：磁界発生部、１１１：磁心、１１２：コイル、１２０：コイル、１３０：スペーサ部、１４０：コイル及びスペーサ部からなる構造体、１４１：凸部構造、Ｋ２：被計測物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体からなる被計測物に電磁超音波を送受信して前記被計測物に係る計測を行うための電磁超音波センサであって、
前記被計測物に対して磁界を発生する磁界発生部と、
前記計測を行う際に前記被計測物と接触し、前記磁界との相互作用により前記電磁超音波を生じさせる渦電流を前記被計測物の内部に発生させるために交流電流が通電されるコイルと、
前記磁界発生部と前記コイルとの間に当該コイルに接して設けられ、前記コイルが前記被計測物と接触した際に前記コイルの表面が前記被計測物の表面形状に倣って接触するように変形するスペーサ部と
を有することを特徴とする電磁超音波センサ。
【請求項２】
当該電磁超音波センサは、曲面形状の前記被計測物に前記電磁超音波を送受信するものであり、
前記スペーサ部は、前記コイルが前記被計測物と接触した際に前記コイルの表面が前記被計測物の前記曲面形状に倣って接触するように変形することを特徴とする請求項１に記載の電磁超音波センサ。
【請求項３】
前記スペーサ部は、前記磁界発生部における前記被計測物側の表面よりも、前記コイルが前記被計測物寄りに設置されることになる厚みを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁超音波センサ。
【請求項４】
前記電磁超音波として、横波及び縦波を前記被計測物の内部に発生させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁超音波センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁超音波センサと、
前記コイルに対して前記交流電流を発信する発信部と、
前記被計測物の内部を伝播した前記電磁超音波を、前記コイルを介して受信する受信部と
を有することを特徴とする電磁超音波検出システム。
【請求項１】
導体からなる被計測物に電磁超音波を送受信して前記被計測物に係る計測を行うための電磁超音波センサであって、
前記被計測物に対して磁界を発生する磁界発生部と、
前記計測を行う際に前記被計測物と接触し、前記磁界との相互作用により前記電磁超音波を生じさせる渦電流を前記被計測物の内部に発生させるために交流電流が通電されるコイルと、
前記磁界発生部と前記コイルとの間に当該コイルに接して設けられ、前記コイルが前記被計測物と接触した際に前記コイルの表面が前記被計測物の表面形状に倣って接触するように変形するスペーサ部と
を有することを特徴とする電磁超音波センサ。
【請求項２】
当該電磁超音波センサは、曲面形状の前記被計測物に前記電磁超音波を送受信するものであり、
前記スペーサ部は、前記コイルが前記被計測物と接触した際に前記コイルの表面が前記被計測物の前記曲面形状に倣って接触するように変形することを特徴とする請求項１に記載の電磁超音波センサ。
【請求項３】
前記スペーサ部は、前記磁界発生部における前記被計測物側の表面よりも、前記コイルが前記被計測物寄りに設置されることになる厚みを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁超音波センサ。
【請求項４】
前記電磁超音波として、横波及び縦波を前記被計測物の内部に発生させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁超音波センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁超音波センサと、
前記コイルに対して前記交流電流を発信する発信部と、
前記被計測物の内部を伝播した前記電磁超音波を、前記コイルを介して受信する受信部と
を有することを特徴とする電磁超音波検出システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−７５５１１（Ｐ２０１１−７５５１１Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２９８８３（Ｐ２００９−２２９８８３）
【出願日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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