DE69635339T2

DE69635339T2 - Elektromagnetisch-akustischer Wandler und EMAR-System

Info

Publication number: DE69635339T2
Application number: DE69635339T
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Sagamihara-shi Ohtani; Hirotsugu Hirakata-shi Ogi; Masahiko Toyono-gun Hirao
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2016-12-14
Also published as: US5811682A; EP0781994A2; EP0781994A3; EP0781994B1; DE69635339D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen elektromagnetischen akustischen Wandler (EMAT), welcher für Anwendungen zur Erkennung von Oberflächen- und internen Defekten und verbleibender Spannung eines elektrisch leitfähigen Materials, Messung der Charakteristika des Materials (wie Elastizitätsmodule und Dämpfungskoeffizient), und Erkennung von Defekten und Verschlechterung im Inneren des Materials aufgrund von Beanspruchung, Hitze und so weiter geeignet ist und ein Inspektionssystem unter Verwendung der elektromagnetischen akustischen Resonanz, welches eine Kombination von Resonanztechnik und nicht-kontaktierendem EMAT ist, und welche erheblich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (S/N) verbessert und die schlechte Kupplungseffizienz des EMAT kompensiert. 1 ist ein Diagramm zur Erklärung der Messprinzipien eines Inspektionssystems, welches ein EMAT verwendet. Der EMAT-Wandler besteht aus einem Paar von Permanentmagneten 3a, 3b welche die entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Objektoberfläche 2 aufweisen, das bedeutet ein leitfähiges Material ist durch einen Abstandshalter 3c getrennt und eine langgestreckte elektrische spiralförmige langgestreckte Spuleneinheit 5 ist unterhalb der Permanentmagneten 3a, 3b angeordnet. Die Permanentmagnete können durch Elektromagneten ersetzt werden, welche ein ähnliches Magnetfeld ausbilden können.
Die Permanentmagnete 3a, 3b erzeugen ein statisches Magnetfeld 4 in der Tiefenrichtung des Objekts 2. Wenn die Spuleneinheit 5 einem plötzlichen Hochfrequenzimpulsstrom 7 von einer Steuerung oder einem Prozessor 18 ausgesetzt wird, wird ein Wirbelstrom 8 auf der Oberfläche des Objekts 2 in der Richtung entgegengesetzt zu derjenigen des Stroms 7 erzeugt. Dann wirken der Wirbelstrom 8 und das statische Magnetfeld 4 aufeinander ein, um eine Lorentzkraft 9 gemäß dem sogenannten Fleming-Gesetz zu erzeugen. Die Lorentzkraft 9 wirkt auf interne freie Elektroden des Objekts 2 um Kollisionen mit Ionen und weiterem zu erzeugen, um Bewegungen dadurch in einer Richtung senkrecht auf den Richtungen des statischen Magnetfelds 4 und des plötzlich einsetzenden Hochfrequenzimpulsstroms 7 in der Richtung des Objekts 2 zu induzieren und um Ultraschall-Scherwellen 10 zu erzeugen.
Wenn sich die Ultraschall-Scherwellen 10 in einer Richtung bewegen, welche durch den Pfeil 11 gezeigt ist, werden die Ultraschall-Scherwellen 10 an den oberen und unteren Oberflächen des Objekts 2 und inneren Fehlern, Defekten, Korngrenzen, Änderungen der Materialstruktur und Ähnlichem darin reflektiert, und kehren dabei in eine Richtung zurück, welche durch einen Pfeil 12 angezeigt ist. Wenn die reflektierten Ultraschall-Scherwellen 10 in die Nähe der oberen Oberfläche 10 zurückkehren wird eine Kraft 13 erzeugt. Dann wird ein Wirbelstrom 14 durch eine Wechselwirkung der Kraft 13 und des statischen Magnetfelds 4 erzeugt. Der Wirbelstrom 14 wird durch eine spiralförmige langgestreckte Spuleneinheit 5 detektiert, und der detektierte Strom wird durch einen Vorverstärker 16 und einem Hauptverstärker 17 verstärkt, und dann an die Steuerung 18 gesendet. Die Steuerung 18 analysiert den empfangenen Strom um interne Fehler, Defekte, Korngrenzen, Veränderungen der Materialstruktur und Ähnliches des Objekts 2 zu messen. Die 2(a) und 2(b) zeigen schematisch ein konventionelles EMAT, welches aus einem Paar an Permanentmagneten 3a, 3b und einer spiralförmigen langgestreckten Spuleneinheit 5, welche in einem Inspektionssystem wie in 1 gezeigt, verwendbar ist, zusammengesetzt ist. 2(a) ist eine Draufsicht des Wandlers und 2(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in 2(a). Die spiralförmige langgestreckte Spuleneinheit 5 umfasst eine Wandlerspule 51a und eine Empfänger-Empfangsspule 51b, welche durch manuelle Wicklung eines Paars von Emaildrähten nahe beieinander und durch Verfestigung der gewickelten Emaildrähte mit einem Harz hergestellt sind. Die spiralförmige langgestreckte Spuleneinheit 5 umfasst ferner einen Schutzfilm bzw. eine Schutzschicht 50, welcher eine Dicke von etwa 0,1 mm aufweist, welcher daran haftet, um die Spulen 51a, 51b zu tragen und zu schützen. Durch den Schutzfilm kann, wenn ein ferromagnetisches Objekt, welches inspiziert werden soll, platziert ist, die spiralförmige langgestreckte Spuleneinheit von Fehlern, welche durch magnetische Kräfte, welche durch die Permanentmagneten 3a, 3b und das ferromagnetische Objekt erzeugt werden, geschützt werden. Ein Raum oder Abstandshalter 3c ist zwischen die Permanentmagneten 3a, 3b, welche die entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen haben, eingefügt.
Das konventionelle EMAT, welches in 2 gezeigt ist, benötigt den Schutzfilm 52, welcher auf der Oberfläche der spiralförmigen langgestreckten Spuleneinheit haftet, um zu verhindern, dass die Einheit 5 beschädigt wird. Auch hat, nachdem die Empfänger- und Senderspulen 51a, 51b auf der selben Oberfläche benachbart zu einander angeordnet sind, die spiralförmige langgestreckte Spuleneinheit 5 unvermeidbarer Weise eine lange flache Größe. Ferner werden, nachdem die Spulen 51a, 51b durch manuelle Wicklung von Emaildrähten hergestellt sind, Dispersionen in den Windungen der Drähte verursacht, was zu großen Variationen in den Leistungen von fertig gestellten Wandlern führt. Dementsprechend kann es keine stabile Qualität bereitstellen.
Bezüglich anderer konventioneller spiralförmiger langgestreckter Spuleneinheiten zur Erzeugung und Detektion von Ultraschallwellen mit EMAT, wurde der nachfolgende Stand der Technik vorgesehen, zum Beispiel: die veröffentlichte japanische Patentoffenbarung (Veröffentlichung) Nr. 53-1078 (1978) offenbart eine Struktur, welche doppelte spiralförmige Spulen aufweist, welche an den entgegengesetzten Seiten eines isolierenden Substrats angeordnet sind, zum Vorsehen von separaten Sender- und Empfängerspulen. Jedoch wird, obwohl die Struktur die separaten Sender- und Empfängerspulen aufweist, für die beiden Spulen keine gemeinsame Erde vorgesehen, deshalb zeigt sie ein schlechtes S/N-Verhältnis, und einen kleinen Gewinn bzw. Verstärkung.
Die veröffentlichte japanische Patentoffenbarung (Veröffentlichung) Nr. 62-277555 (1987) offenbart eine Struktur, welche eine einzelne parallele Spule auf einer Oberfläche eines isolierenden Substrats derart aufweist, dass die Spule sowohl zum Senden wie auch zum Empfangen verwendet wird. In die ser bekannten Struktur ist, nachdem die einzelne parallele Spule, welche auf der Oberfläche des isolierenden Substrats angeordnet ist, sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet wird, dass S/N-Verhältnis klein und der Gewinn ist klein.
Die veröffentlichte japanische Patentoffenbarung (Veröffentlichung) Nr. 53-23066 (1978) offenbart parallele Spulen, welchen auf einer Oberfläche eines isolierenden Substrats in einer „8"-Form (das heißt 2 Spulenwindungen in entgegengesetzten Richtungen) ausgebildet sind, unter Verwendung von Drucktechniken. In diesem Stand der Technik wird, nachdem die 8-förmigen parallelen Spulen auf einer Oberfläche des isolierenden Substrats ausgebildet sind, die Gesamtgröße größer. Zusätzlich ist, nachdem für die beiden Spulen keine gemeinsame Erde vorgesehen ist, dass S/N-Verhältnis schlecht und der Gewinn ist klein.
Das US-Patent US-A-4 777 824 offenbart einen elektromagnetischen akustischen Wandler, welcher Magnetmittel zum Vorsehen eines statischen Magnetfelds an ein Objekt, welches inspiziert werden soll, Spulenmittel der Flächenbauart um zu erreichen, dass das Objekt Ultraschallwellen in das Objekt überträgt, und separate Magnetmittel und Spulenmittel der Flächenbauart zum Erkennen von Ultraschallwellen, welche auf dem Objekt entstanden sind, vorsieht.
3 zeigt ein anderes konventionelles Inspektionssystem (nicht umfassend eine Steuerung und Verstärkermittel) zum Erkennen von Oberflächen- und internen Fehlern und verbleibender Spannung eines elektrisch leitfähigen Materials, zur Messung der Charakteristika des Materials (wie Elastizitätsmodule und Dämpfungskoeffizient), und Erkennung von Fehlern und Verschlechterung in dem Inneren des Materials aufgrund von Belastung, Hitze und so weiter. In dem System umfasst ein EMAT eine Meanderspuleneinheit 6, welche auf einem Inspektionsobjekt 2 einer flachen Stahlplatte positioniert ist, und einen Permanentmagneten 3, welcher ein statisches Magnetfeld oder Vorspannmagnetfeld erzeugt, angeordnet über der Meanderspuleneinheit 6.
Wenn die Meanderspuleneinheit 6 des EMAT mit einem plötzlich einsetzenden Hochfrequenzimpulsstrom von einer Steuerung (nicht gezeigt) versorgt wird, fließen plötzlich einsetzende Hochfrequenzströme auf der Oberfläche des Objekts unterhalb von Parallellinien der Meanderspuleneinheit 6 in abwechselnden Richtungen. Dies führt zur Erzeugung von Lorentzkräften 9 in entgegengesetzten Richtungen zueinander, was somit Ultraschallwellen 10 in der Richtung senkrecht zu den parallelen Linien der Meanderspuleneinheit 6 auf dem Objekt 2 erzeugt. Wenn die Ultraschallwellen (SO Welle) 10 an Fehlern, Defekten, Korngrenzen, strukturellen Änderungen und so weiter auf der Oberfläche und im Inneren des Objekts 2 reflektiert werden, und reflektieren an der entgegengesetzten Oberfläche des Objekts 2. Wenn die reflektierten Wellen die Nähe der Oberfläche des Objekts 2 erreichen, wird eine Kraft erzeugt. Dann wird ein Strom durch eine Wechselwirkung dieser Kraft mit dem statischen Magnetfeld erzeugt, und durch die Meanderspuleneinheit 6 ermittelt, um Fehler, Defekte, Korngrenzen, strukturelle Änderungen und so weiter auf der Oberfläche und im Inneren des Objekts 2 zu messen.
Der EMAT des konventionellen Meanderspulentyps, welcher in 3 gezeigt ist, verwendet eine einzelne bzw. eine einzige Spule in der Spuleneinheit sowohl als eine Sendespule zur Erzeugung von Ultraschallwellen und als eine Empfängerspule, welche eine Detektionsfunktion hat. Aus diesem Grund zeigt der Wandler ein kleines S/N-Verhältnis und einen kleinen Gewinn. Zusätzlich kann, nachdem die Meanderspuleneinheit 6 derart hergestellt ist, dass sie flach und nicht flexibel ist, der Wandler nicht für ein zylindrisches Objekt zur Messung von Fehlern, Defekten, Korngrenzen, organisatorischen Änderungen und so weiter auf die Oberfläche und im Inneren davon verwendet werden.
In einem Stand der Technik wird eine Ermüdungslebensdauer (fatigue life) und eine Restlebensdauer von einem Metallmaterial in einem Anfangsstadium während des Ermüdungsvorgangs vorhergesagt durch Verwendung ei nes piezoelektrischen Ultraschallwandlers, kontaktierender Ultraschallwandler.
Wie in 4(a) gezeigt ist, vibriert ein piezoelektrischer Ultraschallwander (P.Z.T) 21, um Ultraschallwellen, welche sich mechanisch zu einem Objekt 2 aus einem metallischen Material durch einen Schutzfilm 22 und einen akustischen Koppler 23 während des Übertragens fortpflanzen, zu erzeugen. Während des Empfangens wird der Vorgang entgegengesetzt zur Übertragung (Transmission) ausgeführt, wie in 4(b) gezeigt ist, wobei sich Vibrationen des Objekts 2 mechanisch durch den akustischen Koppler 23 und den Schutzfilm 22 zu dem piezoelektrischen Ultraschallwandler 21, welcher die mechanischen Vibrationen in Ultraschallwellen wandelt, fortpflanzen. Die Ultraschallwellen werden durch eine Steuerung (nicht gezeigt) verarbeitet und analysiert, um Ermüdungslebensdauer und Restlebensdauer des Objekts 2 vorherzusagen.
In dem oben stehenden konventionellen Verfahren der Voraussage einer Ermüdungslebensdauer und einer Restlebensdauer streuen die Ultraschallwellen oft aufgrund von Reflexionen an Grenzflächen (diese sind eine Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Ultraschallwandler 21 und dem Schutzfilm 22, eine Grenzfläche zwischen dem Schutzfilm 22 und dem akustischen Koppler 23, und eine Grenzfläche zwischen dem akustischen Koppler 23 und dem Objekt 2 (während ihres Fortpflanzungsvorgangs). Aufgrund der Streuung oder Dämpfung von Ultraschallwellen wird Energie, welche anderweitig durch den piezoelektrischen Ultraschallwandler 21 empfangen würde, verloren und eine Phasenänderung der Wellen tritt auf, wenn sie reflektieren, was zu gestörten Signalen führt.
Ebenso ist es von Nachteil, dass die Charakteristika und Dicke des akustischen Kopplers 23 dazu tendieren, sich aufgrund von einer Veränderung der Temperatur und darauf ausgeübter Druckkraft zu verändern, so dass die detektierten Werte oftmals breit variieren. Zusätzlich variieren die detektierten Werte auch erheblich, so lange keine Messoberfläche eines Objekts endgül tig fertig gestellt ist. Aus diesen Gründen wurde ein relativer Vergleich mit einem anfänglichem Wert vor der Ermüdung in einem Verfahren zur Vorhersage von Ermüdungslebensdauer und Restlebensdauer verwendet, welches auf der Dämpfung der Ultraschallwellen, welche von dem piezoelektrischen Ultraschallwandler 21 erkannt wurden, basieren. Ferner ist es schwierig die absolute Dämpfung der Ultraschallwellen zu messen, um die Lebenszeit des Objekts voraus zu sagen.
Ein vorveröffentlichtes Dokument führt aus, dass in einer Messung der Dämpfungscharakteristika während eines Ermüdung ausbildenden Vorgangs, unter Verwendung eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers, die Dämpfung zunächst linear ansteigt, und schnell bei ungefähr 70 bis 80% der Ermüdungslebensdauer ansteigt, und die plötzliche Dämpfung ist in 5 gezeigt. Somit ist es nötig, wenn Restlebensdauer basierend auf einem Punkt, an welchen die Dämpfung plötzlich ansteigt, ausgewertet wird, während der Ermüdungsvorgang beobachtet wird, den Ermüdungsvorgang bis zu einer ziemlich späten Zeit der Lebenszeit zu überwachen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der Probleme des Stands der Technik, wie oben erwähnt, gemacht, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein EMAT vorzusehen, welches dazu in der Lage ist, dass S/N-Verhältnis und den Gewinn zu verbessern, wie auch verbesserte Leistungen, stabile Qualität, feinere Struktur und Verringerung der Größe zu erreichen.
Um das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, besteht der EMAT der vorliegenden Erfindung aus: Magnetmitteln zum Vorsehen eines statischen Magnetfelds an das Objekt, welches inspiziert werden soll; und Spulenmittel der Flächenbauart, um das Objekt dazu zu veranlassen, Ultraschallwellen in dem Objekt zu übertragen und zum Reflektieren von Ultraschallwellen hervorgerufen am Objekt, wobei die Spulenmittel eine erste Isolierschicht und ein Paar von Spulen aufweisen, die aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sind, die auf entgegengesetzt liegenden Oberflächen der erwähn ten ersten Isolierschicht ausgebildet sind und die koinzident miteinander durch die Isolierschicht positioniert sind.
1 ist ein Diagramm zur Erklärung der Messprinzipien eines Inspektionssystems, welches einen elektromagnetischen akustischen Wandler verwendet;
2(a) ist eine Draufsicht, welche schematisch einen elektromagnetischen akustischen Wandler für polarisierte Scherwellen gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A der 2(a);
3 zeigt schematisch ein Inspektionssystem, welches einen elektromagnetischen akustischen Wandler des Meanderspulentyps gemäß dem Stand der Technik verwendet;
4(a) ist ein Diagramm, welches die Fortpflanzung von Ultraschallwellen von einem piezoelektrischen Vibrator zu einem Objekt während der Übertragungsperiode zeigt;
4(b) ist ein Diagramm, welches die Fortpflanzung von Ultraschallwellen zwischen einem piezoelektrischen Ultraschallwandler und einem Objekt, welches Ultraschallwandler enthält, während der Empfangsperiode illustriert;
5 ist ein Graf, welcher eine Veränderung in der Dämpfung eines Ermüdungsvorganges, detektiert durch einen Ansatz gemäß dem Stand der Technik, zeigt;
6(a) ist eine Draufsicht, welche schematisch einen elektromagnetischen akustischen Wandler für abgelenkte Scherwellen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A der 6(a);
7 illustriert Diagramme zur Erklärung eines Verfahrens der Herstellung einer flachen spiralförmigen Spule und Meanderspuleneinheiten für den elektromagnetischen akustischen Wandler, welcher in 6 gezeigt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung;
8(a) ist eine Draufsicht, welche schematisch eine Meanderspulenflächeneinheit zur Verwendung in einem elektromagnetischen akustischen Wandler des Meanderspulentyps gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
8(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A der 8(a);
9 zeigt ein Inspektionssystem, welches einen elektromagnetischen akustischen Wandler des Meanderspulentyps verwendet;
10 zeigt Diagramme zur Erklärung der Messprinzipien des Inspektionssystems unter Verwendung eines elektromagnetischen akustischen Wandlers des Meanderspulentyps;
11(a) ist eine Draufsicht, welche schematisch eine Meanderspulenflächeneinheit zur Verwendung in einem elektromagnetischen akustischen Wandler des Meanderspulentyps gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
11(b) ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der 11(a);
12–17 illustrieren schematisch Inspektionssysteme unter Verwendung von elektromagnetischen akustischen Wandlern des Meanderspulentyps, jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung;
18 zeigt ein Inspektionssystem zur Voraussage einer Ermüdungslebensdauer, basierend auf einem elektromagnetischen akustischen Resonanzverfahren, welches nicht innerhalb des Bereichs der Ansprüche liegt.
19 ist ein Graf, welcher ein Beispiel einer Veränderung der Dämpfung in einem Ermüdungsvorgang, welcher mit dem elektromagnetischen akustischen Resonanzverfahren detektiert wurde, repräsentiert;
20 ist ein Flussdiagramm, welches einen Fluss von Operationen zur Messung von Ermüdung und Abschätzung von Lebenszeit basierend auf der elektromagnetischen akustischen Resonanz illustriert, welches nicht innerhalb des Bereichs der Ansprüche liegt;
21 ist ein Graf, welcher das Ergebnis der Beziehungen des Verhältnisses zwischen einem Dämpfungskoeffizienten und Ermüdungslebensdauer illustriert, detektiert durch das Inspektionssystem, welches in 18 gezeigt ist; und
22 ist ein Diagramm, welches Verhaltensweisen von Ultraschallwellen, welche durch einen elektromagnetischen akustischen Wandler erzeugt wurden, illustriert, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 6 bis 22 beschrieben. In diesen Zeichnungen werden die gleichen oder ähnlichen Komponenten wie diejenigen in 1 bis 5 mit den gleichen Bezugszeichen wie diejenige in Letzteren bezeichnet.
6 und 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines elektromagnetischen akustischen Wandlers für polarisierte Scherwellen gemäß der vorliegenden Erfindung. 6(a) ist eine Draufsicht, welche den Wandler zeigt, sofern eine obere Isolierfläche 52a einer spiralförmigen langgestreckten Spuleneinheit 5 davon vernachlässigt wird und 6(b) ist eine Schnittansicht des Wandlers, entlang einer Linie A-A der 6(a). Der gezeigte elektromagnetische akustische Wandler für polarisierte Scherwellen umfasst ein Paar von Permanentmagneten (oder Elektromagneten) 3a, 3b und eine flache spiralförmige langgestreckte Spuleneinheit 5. Die flache langgestreckte Spuleneinheit 5 umfasst spiralförmige Spulen 51a, 51b, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sind, und jeweils auf oberen und unteren Oberflächen einer mittleren Isolierfläche (Isolierflächenelement, Isolierschicht) 52b, wie in 6(b) gezeigt, ausgebildet sind, unter Verwendung von Ätz- oder Drucktechniken. Die spiralförmigen langgestreckten Spulen 51a, 51b werden entgegengesetzt und koinzident miteinander durch die Isolierfläche 52b positioniert. Die flache spiralförmige langgestreckte Spuleneinheit 5 umfasst ferner eine untere Isolierfläche 52c, haftend an einer äußeren Oberfläche der spiralförmigen Spule 51b mit einem wärmeresistenten isolierenden bindenden Kleber. Die obere Isolierfläche 52a ist auch an der Oberfläche der spiralförmigen Spule 52a mit einem wärmeresistenten und isolierenden bindenden Kleber haftend. Daher umfassen die Flächen bzw. Flächenelemente 52a und 52b die spiralförmige Spule 51a sandwichartig, während die Flächen 52b und 52c die spiralförmige Spule 51b sandwichartig umfassen. Eine der spiralförmigen Spulen 51a, 51b dient als eine Übertragungsspule bzw. Sendespule zur Emission von elektromagnetischen Ultraschallwellen und die andere dient als eine Empfangsspule, welche die Funktion des Detektierens von Ultraschallwellen hat. Während es nicht nötig ist zu ermitteln, welche der Übertragungsspule und der Empfängerspule über der anderen positioniert ist, haben elektromagnetischen akustischen Wandler im Allgemeinen bessere Empfangseigenschaften als Übertragungseigenschaften, sodass die Übertragungsspule oftmals näher am Objekt positioniert ist.
Ein Verfahren zur Herstellung der spiralförmigen Spuleneinheit 5 des elektromagnetischen akustischen Wandlers, welcher in 6 gezeigt ist, wird unter Bezugnahme auf 7(a) bis 7(f) erklärt. Als erstes wird, wie in 7(a) gezeigt, eine wärmeresistente Isolierfläche (zum Beispiel eine Polyimidharzfläche), welche eine Dicke von ungefähr 25 μm hat, in eine vorbestimmte äußere Größe geschnitten, um die Isolierfläche 52c auszubilden und eine Kupferfolie 51, welche eine Dicke von ungefähr 18 bis 75 μm aufweist, wird an eine Oberfläche der Isolierfläche 52c geklebt. Eine weitere Kombination der Isolationsfläche 52a und einer Kupferfolie 51 wird auch vorbereitet.
Als zweites werden, wie in 7(d) gezeigt, die Kupferfolien 51, welche an den Isolationsflächen 51a, 51c angebracht sind, strukturiert, um die spiralförmigen Spulen 51a, 51d durch Ätzung zu erzeugen. Der Fachmann versteht natürlich, dass die Spulenmuster durch Verwendung von konventionellen Schaltkreis-Drucktechniken ausgebildet werden können. Dann wird wärmeresistenter Kleber 53 auf die Oberflächen der Isolationsflächen 52a, 52c, an welchen die Spulen 51a, 51d musterartig aufgebracht (patterned) wurden, aufgebracht, wie in 7(c) gezeigt ist. Der Kleber dient auch als Isolatoren zwischen benachbarten Mustern (Linien) von den spiralförmigen Spulen, zusätzlich zu dem Kleber zum nachfolgenden Ankleben einer Isolierschicht, wie später beschrieben. Es ist nicht immer nötig, den Kleber auf der Oberfläche der Schicht 52c anzuwenden.
Als nächstes wird, wie in 7(d) gezeigt ist, eine wärmeresistente Isolationsfläche, welche die Isolationsfläche 52b ausbildet, auf die Oberfläche der spiralförmigen Spule 51b auf der Fläche 52c geklebt, dann wird, wir in 7(e) gezeigt ist, ein Kleber 53 auf die obere Oberfläche der Isolierschicht 52b aufgebracht, und zum Schluss wird, wie in 7(f) gezeigt ist, die Isolationsschicht 52a, welche die spiralförmige Spule 51a darauf strukturiert aufweist, und zwar erzeugt bei dem Schritt, welcher in 7(c) gezeigt ist, auf den Kleber 53 auf der Isolationsschicht 52b, erzeugt bei dem Schritt, welcher in 7(e) gezeigt ist, geklebt, wodurch die flache spiralförmige langgestreckte Spuleneinheit 5 vervollständigt wird.
Wie in 6(a) gezeigt ist, erstreckt sich ein erstes Ende der spiralförmigen Spule 51a durch ein Durchgangsloch 54a, welches durch die Isolationsfläche 52a ausgebildet ist, und ein erstes Ende der spiralförmigen Spule 51b erstreckt sich durch ein Durchgangsloch 54b, welches durch die Isolationsflächen 52a, 52b ausgebildet ist, zu der oberen Oberfläche der Spuleneinheit 5, wobei sie verbindbar zu externen Leitungen sind. Die anderen Enden der spiralförmigen Spulen 51a, 51b erstrecken sich ähnlich durch Durchgangslöcher zu der oberen Oberfläche der spiralförmigen Spuleneinheit 5 und sind normalerweise mit einer Erde verbunden. Da all die Enden der spiralförmigen Spulen zu der oberen Oberfläche der Isolationsfläche 52a oder der Spuleneinheit 6 eingeführt bzw. induziert sind, kann die untere Oberfläche des Wandlers, welche sich dem zu inspizierenden Objekt zuwendet, glatt gemacht werden.
Eine flache spiralförmige Spuleneinheit 5, welche die Struktur, welche in 6 illustriert ist, aufweist, wurde basierend auf dem vorangehenden Herstellungsverfahren, gezeigt in 7, hergestellt. Beispielhafte Abmessungen der hergestellten flachen spiralförmigen Spuleneinheit 5 waren wie folgt. Die äußere Abmessung der Spuleneinheit 5 der Isolationsflächen 52a bis 52c hatten eine Länge (L) von 40 mm und eine Breite (B) von 25 mm. Die Isolationsflächen 52a bis 52c hatten im Wesentlichen die gleiche Dicke (H) von 0,025 mm. Die spiralförmigen Spulen 51a, 51b zwischen den Isolationsflächen hatten eine Breite (B1) von 0,1 mm, ein Intervall (L1) von 0,1 mm und eine Dicke (H1) von 0,018 mm. Die Anzahl an Umläufen der spiralförmigen Spulen war 44. (Bezüglich L, B, H, D1, L1 und H1 wird auf 6(a) verwiesen.) Die spiralförmigen Spulen 51a, 51b hatten jeweils einen Widerstandswert von 50 Ω und eine Induktivität von 40 μH. Die hergestellte flache spiralförmige Spuleneinheit hatte in der Praxis eine genügende Sensitivität für einen elektromagnetischen Wandler.
Gemäß dem Ultraschallwandler der vorliegenden Erfindung, beschrieben mit Bezugnahme auf 6 und 7, ist es möglich, verbesserte Performance, Stabilität, Einheitsqualität, Größenreduzierung, feinere Struktur, Verringerung in der Herstellungszeit und verbesserte Funktionalität (erhöhtes S/N-Verhältnis) durch eine ideale parallele Spule zu erhalten.
Dies bedeutet dass, da die Isolationsfläche bzw. das Isolationsflächenelement 52b aus einem wärmeresistenten Isolationsmaterial aus beispielsweise Polyimid gemacht werden kann, welches eine Dicke von ungefähr mehreren 10 Microns aufweist, und die spiralförmigen Spulen 51a, 51b, welche jeweils als Empfangs- und Übertragungsspule wirken, entgegensetzt zueinander und koinzident (überlappend) miteinander durch die Isolationsfläche 52b positioniert sein können, wobei Reflexionswellen von übertragenen Ultraschall-Scherwellen von der Übertragungsspule durch die Empfängerspule an der gleichen Position eingefangen werden können, was genaue Messungen ermöglicht.
Ferner können, da die spiralförmigen Spulen mit einem genau definierten Spulenintervall L1 durch Verwendung einer Technik der gedruckten Schaltung hergestellt werden können, stabile Ultraschallwellen empfangen werden. Die Verwendung des isolierenden Klebers 53 zum Ankleben der Isolationsflächen an die spiralförmigen Spulen erlaubt den angrenzenden Drähten der spiralförmigen Spulen, voneinander isoliert zu sein. Dementsprechend kann die flache spiralförmige Spuleneinheit in einem Inspektionssystem verwendet werden, in welchem eine Leistung von ungefähr 1000 Volt geliefert wird.
Zusätzlich dazu kann, da die spiralförmigen Spulen an den entgegengesetzten Oberflächen der Isolationsfläche 52b angeordnet sind, eine kleinere und feinere Spulenstruktur vorgesehen werden, verglichen mit einer konventionellen spiralförmigen Spule, welche durch manuelle Wicklung von beschichteten Kupferdrähten, wie Emaildraht, auf der Oberfläche einer Fläche bzw. eines Flächenelements hergestellt wurde, und die Isolationsfläche 51a, 51c, angeordnet an den äußeren Seiten der Spuleneinheit 5, dient auch als Schutzfilm bzw. Schutzschicht. Ferner kann, da all die Enden der spiralförmigen Spulen zum Anschluss an externe Schaltkreise an die obere Oberfläche der Spuleneinheit gelötet sind, die untere Oberfläche davon ohne unebenen Teil erhalten werden, und somit kann sie sich mit einem gleichmäßigen Abstand einem Objekt zuwenden.
8 zeigt ein Beispiel einer Meanderspuleneinheit 6 gemäß der vorliegenden Erfindung, welche in einem elektromagnetischen akustischen Wandler eines Inspektionssystems, wie in 3 gezeigt, verwendet wird. 8(a) ist eine erklärende Draufsicht der Meanderspuleneinheit 6, und 8(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A von 8(a). Wie gezeigt ist die Meanderspuleneinheit 6 in Handarbeit hergestellt durch Ausrichtung von 3 Meanderemaildrähten 61a, 61b₁ , 61b₂ nahe beieinander, und Musterung der Emaildrähte, geeignet für ein spezielles zu inspizierendes Objekt, während die Emaildrähte mit einem Harz verfestigt werden, um eine Harzfläche 62 auszubilden. Die Meanderspuleneinheit 6 ist so flexibel, dass sie sich biegen kann.
Der mittlere Draht 61a aus den 3 Meanderdrähten wird als eine Übertragungsspule zur Erzeugung von Ultraschallwellen gemäß einer elektromagnetischen Wirkung verwendet, und die verbleibenden beiden äußeren Drähte 61b₁ , 61b₂ werden als Empfängerspulen verwendet, welche eine Detektionsfunktion für Ultraschallwellen haben. Durch ein derartiges separates Vorgehen der Übertragungsspule 61a und der Empfängerspulen 61b₁ , 61b₂ können das S/N-Verhältnis und der Gewinn erhöht werden.
9 ist ein Diagramm eines Inspektionssystems für ein zylindrisches Objekt 20 in welchem die Meanderspuleneinheit 6, gezeigt in 8, verwendet wird. Das System umfasst ferner eine Elektromagnetspule 3, einen Vorverstärker 16, einen Hauptverstärker 17, eine Steuerung 18 und eine DC-Stromversorgung 40. 10 zeigt Verhaltensweisen auf der Oberfläche des zylindrischen Objekts 20 unter der Meanderspuleneinheit 60. Obwohl 9 nur eine Meanderlinie der Meanderspuleneinheit 6 zeigt, repräsentiert die Linie das Band der Meanderspulen 61a, 61b₁ , 61b₂ . In dem in 9 gezeigten Inspektionssystem umfasst ein elektromagnetischer akustischer Wandler die Elektromagnetspule 3 und die Meanderspuleneinheit 6. Ein DC- bzw. Gleichstrom I_DC wird an die Elektromagnetspule 3 von der DC-Stromversorgung 40 angelegt, um das zylindrische Objekt 20 mit einem statischen Magnetfeld MF4 zu magnetisieren. Danach wird ein Hochfrequenzpulsstrom I_AC von der Steuerung an die Meanderspuleneinheit 6, welche das zylindrische Objekt 20 umgibt, angelegt, um ein alternierendes Magnetfeld MF8 auf der Oberfläche des Objekts 20 unter parallelen Linien oder den parallelen Bändern der Drähte oder Spulen 61a, 61b₁ , 61b₂ der Meanderspuleneinheit 6 zu erzeugen, in der Richtung senkrecht zu derjenigen des statischen Magnetfelds MF4, wie in 10(a) gezeigt ist. Somit wird ein kombiniertes Magnetfeld MF10 in einem Winkel θ relativ zu der Richtung des statischen Magnetfelds MF4 erzeugt.
Unter Bezugnahme auf 10(a) sind die Richtungen des kombinierten Magnetfelds MF10 an den jeweiligen Flächen in benachbarten Flächen unter den parallelen Bändern der Meanderspuleneinheit 60 symmetrisch zu der Richtung des statischen Magnetfelds MF4. Somit werden Mikroflächen des Objekts 20 unter den parallelen Bändern einer Scherverformung aufgrund des magnetostriktiven Effekts ausgesetzt. Wenn sich die Richtung des alternierenden Magnetfelds MF8 ändert, werden Ultraschallwellen (axialsymmetrische SH-Wellen) erzeugt und breiten sich in einer Richtung, welche durch Pfeile D14 angedeutet ist, aus. Wenn die Ultraschallwellen Endflächen von Fehlern, Defekten, Korngrenzen, strukturellen Änderungen und so weiter auf der Oberfläche und im Inneren des Objekts 20 erreichen, werden sie davon in die Richtung D17, wie in 10(c) gezeigt ist, reflektiert. Wenn die reflektierten Ultraschallwellen die Nähe der Oberfläche des zylindrischen Objekts 20 erreichen, wird eine Kraft F18 erzeugt und ein Strom I₁₉ wird erzeugt durch eine Wechselwirkung der Kraft F18 und des statischen Magnetfelds MF4. Der Strom I₁₉ wird durch die Empfängerspule 61b₁ , 61b₂ detektiert, durch den Vorverstärker 16 verstärkt, weiter verstärkt durch den Hauptverstärker 17 und an die Steuerung 18 gesendet. Die Steuerung 18 analysiert den Strom I₁₉, welcher verstärkt wurde, um Fehler, Defekte, Korngrenzen, strukturelle Änderungen und so weiter auf der Oberfläche und im Inneren des Objekts 20 zu messen.
Es ist natürlich, dass die Meanderspuleneinheit 6, welche in 8 gezeigt ist, verwendet werden kann, um ein solches planares Objekt 2, wie in 3 gezeigt, zu inspizieren.
11 zeigt eine andere Meanderspuleneinheit 6 gemäß der vorliegenden Erfindung, welche verwendbar ist in dem Inspektionssystem, welches in 9 gezeigt ist, wobei 11(a) eine Draufsicht der Meanderspuleneinheit 6 ist, und 11(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A von 11(a) ist. Die Meanderspuleneinheit 6 dieses Ausführungsbeispieles umfasst eine Meanderspule 61a und eine Meanderspule 61b, beide sind aus einem elektrisch leitendem Material hergestellt, ausgebildet auf den entgegengesetzten Oberflächen einer Isolationsschicht 52b, welche aus wärmeresistentem Harz (zum Beispiel Polyimid) unter Verwendung von Ätz- oder Drucktechniken hergestellt ist. Die Meanderspulen 61a, 61b sind entgegengesetzt und koinzident zueinander durch die Isolationsschicht 62b positioniert. Auch sind Isolationsflächen 62a, 62c auf jeder der Oberflächen der Meanderspulen 61a, 61b mit einem wärmeresistenten und isolierenden Kleber angeklebt.
Eine der Meanderspulen 61a, 61b dient als eine Übertragungsspule zur Emission von Ultraschallwellen, und die andere dient als eine Empfängerspule, welche eine Detektionsfunktion hat. Da elektromagnetische akustische Wandler im Allgemeinen bessere Empfangseigenschaften als Übertragungseigenschaften haben, ist es bevorzugt, dass die Übertragungsspule näher am Objekt positioniert ist. Die Meanderspuleneinheit 6, die in 11 gezeigt ist, kann auch verwendet werden um ein flaches Objekt 2, wie in 3 gezeigt, zu inspizieren. Die Enden der Meanderspulen 61a, 61b, gezeigt in 11, erstrecken sich durch Durchgangslöcher zu der oberen Oberfläche der Einheit 6, ähnlich zu denjenigen der spiralförmigen Spule 5, wie in 6 gezeigt ist.
Die Meanderspuleneinheit 6, gezeigt in 11, ist auch ähnlich zu derjenigen der spiralförmigen Spuleneinheit 5 hergestellt, die in 6 gezeigt ist, obwohl die Spulenmuster verschieden sind.
Eine Meanderspuleneinheit 6, welche die Struktur hat, welche in 11 gezeigt ist, wurde hergestellt basierend auf der dem Herstellungsverfahren ähnlich zu demjenigen, welches in 7 gezeigt ist. Exemplarische Abmessungen der Meanderspuleneinheit 6 sind wie folgt. Die äußere Abmessung von jeder der Isolationsflächen 62a–62c hat eine Länge (L) von 44,5 mm, eine Breite (B) von 25 mm und eine Dicke (H) von 0,025 mm. Die Meanderspulen 61a, 61b haben eine Breite (L1) von 0,11 mm, eine Steigung (pitch) (W1) von 0,9 mm und eine Dicke (H1) von 0,025 mm. Die Anzahl an Meanderlinien ist 48. Die Meanderspulen 61a, 61b haben jeweils einen Widerstandswert von 12 Ω und eine Induktivität von 1 μH, somit wird eine Meanderspuleneinheit 6 für einen Wandler vorgesehen, welcher praktisch eine ausreichende Sensibilität hat.
Die Verwendung der Meanderspule, wie in 11 gezeigt, mit einem elektromagnetischen akustischen Wandler des Meanderspulen-Typs führt zu den folgenden vorteilhaften Effekten.
Erstens ist die Isolationsfläche bzw. das Isolationsflächenelement 62b eine wärmeresistente Isolationsfläche beispielsweise aus Polyimid, welche eine Dicke von ungefähr mehreren 10 Microns aufweist, und die Meanderspulen 61a, 61b, welche als Empfänger- und Übertragerspulen dienen, sind entgegengesetzt und koinzident (überlappend) zueinander durch die Isolationsfläche 62b derart positioniert, dass reflektierte Wellen von übertragenen Wellen von der Übertragungsspule eingefangen werden können durch die Empfängerspule an der gleichen Position, wodurch es möglich gemacht wird, genaue Messungen zu machen, verglichen mit der Meanderspuleneinheit 6, welche in 8 gezeigt ist.
Zweitens können, nach dem die Meanderspulen 61a, 61b mit einer genau definierten Spulensteigung (pitch) W hergestellt sind, verglichen mit den Spulen, welche aus manuell gewickelten Drähten ausgebildet sind, stabile Ultraschallwellen empfangen werden.
Drittens ermöglicht die Verwendung des isolierenden Klebers zum Kleben der Isolationsflächen, benachbarten Teilen von jeder der Meanderspulen 61a, 61b, isoliert voneinander zu sein, mit dem Ergebnis, dass der fertig gestellte Wandler einer angelegten Spannung von ungefähr 1000 V während Messungen widerstehen kann.
Viertens ist es möglich, nachdem die Meanderspulen an den entgegengesetzten Oberflächen der Isolationsfläche 62b angeordnet sind, einheitliche Qualität, Verringerung in der Größe, feinere Struktur, Verringerung in der Herstellungszeit und verbesserte Funktionalität (erhöhtes S/N-Verhältnis) durch eine ideale parallele Spule vorzusehen, verglichen mit Spulen, welche durch Wicklung von beschichteten Kupferdrähten wie Emaildrähten oder Ähnlichem in Handarbeit hergestellt sind.
Fünftens ist die Meanderspuleneinheit 6 planarisiert (in einer Fläche geformt), so dass sie flexibel ist und ein unebener Teil zwischen einem zu inspizierenden Objekt und der Meanderspuleneinheit 6 wird verhindert.
12 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Inspektionssystems unter Verwendung der Meanderspuleneinheit 6, gezeigt in 8 oder 11, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Meanderspuleneinheit 6 ist an der Umfangsoberfläche eines zylindrischen Objekts 20 positioniert. Ein Kern 24, hergestellt aus einem magnetischen Material, erstreckt sich durch den Innenraum der Elektromagnetspule 3 zur Erzeugung eines statischen elektrischen Felds und durch den Innenraum des zylindrischen Objekts 20, um einen magnetischen Kreis auszubilden. Dann wird ein statisches Magnetfeld in der axialen Richtung des Objekts 20 erzeugt, um Ultraschallwellen (axialsymmetrische SH-Wellen) zu erzeugen. In 12 bezeichnet das Symbol „E" ei nen Erdanschluss. 13 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Inspektionssystems unter Verwendung der Meanderspuleneinheit 6, gezeigt in 8 oder 11, gemäß der vorliegenden Erfindung. In dem System ist ein Kern 24, welcher sich durch eine Elektromagnetspule 3 erstreckt und die Spule 3 mit einem zylindrischen Objekt 20 magnetisch verbindet, in einer U-Form ausgeführt, um offene Enden zu haben, wo toroidale (ringförmige) Teile 24a, 24b gebildet werden. Jeder der toroidalen Teile 24a, 24b kann in eine obere Hälfte und eine untere Hälfte entlang eines zentralen Teils davon (gezeigt durch eine durchgezogene Linie A) geteilt werden. Somit sind, wenn das Objekt 20 montiert werden soll, die unteren Hälften entfernt, um das Objekt 20 in Vertiefungen der oberen Hälften einzupassen, und dann werden die unteren Hälften mit den oberen Hälften mit geeigneten, nicht gezeigten Mitteln verbunden. Mit den toroidalen Teilen 24a, 24b, welche die oben beschriebene Struktur haben, auch wenn das zylindrische Objekt 20 beide Enden mit einem Durchmesser größer als der innere Durchmesser der toroidalen Teile hat, so dass das Objekt 20 nicht durch die toroidalen Teile 24a, 24b passieren kann, kann das Objekt ohne weiteres in die toroidalen Teile montiert werden.
Eine Meanderspuleneinheit 6, gezeigt in 6 oder 11, ist auf der Umfangsoberfläche des zylindrischen Objekts 20 platziert, um ein statisches Magnetfeld in der longitudinalen Richtung des Objekts derart zu erzeugen, dass Ultraschallwellen (axialsymmetrische SH-Wellen) erzeugt werden.
14 zeigt ein drittes Inspektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein elektromagnetischer akustischer Wandler ein Paar der Meanderspuleneinheiten, wie in 11 gezeigt ist, aufweist. Als die Einheiten sind auch die Meanderspuleneinheiten 6, gezeigt in 8, verwendbar. In 14 werden die Meanderspuleneinheiten durch das Symbol „6a" und „6b" bezeichnet. Ein Paar von Permanentmagneten (oder Elektromagneten) 3a, 3b zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds sind auf einem plattenähnlichen Objekt 2 angeordnet, mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen, so dass sie das statische Magnetfeld um die Mittelfläche dazwischen herum in der axialen Richtung davon erzeugen. Die Meanderspuleneinheiten 6a, 6b sind zwischen den Permanentmagneten 3a, 3b mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen in der axialen Richtung der Magneten 3a, 3b platziert. Eine der Meanderspuleneinheiten 6a, 6b wird verwendet zur Übertragung und die andere zum Empfangen. In 14 wird die linke Meanderspuleneinheit 6a zur Übertragung von Ultraschallwellen (Oberflächen-SH-Welle) verwendet und die rechte Meanderspuleneinheit 6b wird in 14 zum Empfangen verwendet.
Anstelle der Verwendung der Meanderspuleneinheit 6a, 6b, wie in 14 gezeigt ist, können beide Einheiten zum Übertragen und Empfangen verwendet werden. In diesem Fall werden Ultraschallwellen gleichzeitig von beiden Meanderspuleneinheiten 6a, 6b erzeugt und gleichzeitig in beiden empfangen, so dass das S/N-Verhältnis erhöht werden kann. 15 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Inspektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei beide Meanderspuleneinheiten 6a, 6b, welche jeweils die in 11 gezeigte Zusammensetzung haben, zum Übertragen und Empfangen verwendet werden. Die unteren Spulen der Meanderspuleneinheiten 6a, 6b werden mit einem Strom von einer Steuerung 18 derart versorgt, dass Ultraschallwellen gleichmäßig von beiden Spuleneinheiten 6a, 6b übertragen werden, und die oberen Spulen davon empfangen die übertragenen Ultraschallwellen. Mit dieser Kofiguration wird die Sensibilität weiter verbessert. Es ist natürlich der Fall, dass Meanderspuleneinheiten, welche jeweils die in 8 gezeigte Struktur haben, auch als die Meanderspuleneinheiten 6a, 6b in dem vierten Ausführungsbeispiel verwendet werden können.
Die 16 und 17 zeigen fünfte und sechste Ausführungsbeispiele eines Inspektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein Paar von Meanderspuleneinheiten 6a, 6b, welche die in 11 gezeigte Struktur haben, verwendet werden. 16(a) und 17(a) sind Vorderansichten der Ausführungsbeispiele jeweils zum Zeigen einer Positionsbeziehung zwischen einem Permanentmagneten (oder Elektromagneten) 3 und den Meanderspuleneinheiten 6a, 6b in einer Vorderansicht, und 16(b) und 17(b) sind Draufsichten zum Zeigen der gleichen Positionsbeziehungen. In dem in 17 gezeigten System ist der Magnet 3 derart ausgebildet, dass er eine U-förmige Form hat.
In jedem der in den 16 oder 17 gezeigten Systeme ist der Magnet 3 über einem zu inspizierenden Objekt 2 positioniert, um ein statisches Magnetfeld in der Dickenrichtung (16) und Längsrichtung (17) des Objekts 2 zu erzeugen, und die Meanderspuleneinheiten 6a, 6b sind zwischen dem Objekt 2 und dem Permanentmagneten (oder Elektromagnet) 3 mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen positioniert. Eine der Meanderspuleneinheiten 6a, 6b wird zum Übertragen verwendet und die andere zum Empfangen. In den 16 und 17 wird die rechte Meanderspuleneinheit 6b als eine Übertragungseinheit zum Übertragen von Ultraschallwellen (SO-Welle)-Signalen an die linke Meanderspuleneinheit 6a dargestellt.
Da die Verbindungen der Meanderspuleneinheiten 6a, 6b mit einer Steuerung, einem Hauptverstärker und einem Vorverstärker in den fünften und sechsten Ausführungsbeispielen im Wesentlichen die gleichen sind wie diejenigen, welche in den 9, 12–15 gezeigt sind, wird die Darstellung dieser Komponenten in 16 und 17 weggelassen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass in den Meanderspuleneinheiten 6a, 6b, welche in dem, in den 9 und 12–17 gezeigten System, verwendet werden, die Erdenden E der übertagenden und empfangenden Meanderspulen von den jeweiligen Spuleneinheiten miteinander verbunden sind.
In dem Inspektionssystem, welches in den 9–17 gezeigt ist, welches den elektromagnetischen akustischen Wandler des Meanderspulen-Typs verwendet, verwendet der in 16 gezeigte Wandler eine Lorentzkraft als eine Erregungskraft zur Erzeugung von Ultraschallwellen, während die verbleibenden Wandler eine magnetostriktive Kraft als die Erregungskraft verwenden.
Gemäß den elektromagnetischen akustischen Wandlern, welche die Meanderspuleneinheiten, welche in den 8 und 11 gezeigt sind, verwenden, können, da die Meanderspuleneinheiten die separate übertragende Meanderspule und empfangende Meanderspule haben, ein größeres S/N-Verhältnis und ein größerer Gewinn erreichet werden, und da sie eine hohe Flexibilität haben, können sie zur Inspektion von zylindrischen Objekten verwendet werden.
Bei Verwendung der Meanderspuleneinheit, welche in 11 gezeigt ist, ist es möglich, da die Meanderspulen an den entgegengesetzten Oberflächen der mittleren Isolationsfläche derart angeordnet sind, dass sie sich gegenüber stehen, und da sie leicht als ideale parallele Spulen ausgebildet werden können, verbesserte Performance, Stabilität, gleichmäßige Qualität, Verringerung in der Größe, feinere Struktur, Verringerung in der Herstellungszeit und verbesserte Funktionalität (verbessertes S/N-Verhältnis), was nicht mit konventionellen elektromagnetischen akustischen Wandlern erreicht werden kann, zu erhalten.
Als nächstes verwendet ein anderes Inspektionssystem, welches nicht innerhalb des Rahmens der Ansprüche liegt, einen elektromagnetischen akustischen Wandler und sagt Ermüdungslebensdauer basierend auf elektromagnetischer akustischer Resonanz voraus, was mit Bezug auf 18 erklärt werden wird. Das System umfasst grundsätzlich die gleichen Komponenten, welche in 1 gezeigt sind, und umfasst ferner einen Computer 19.
Wie in 18 gezeigt ist, umfasst das Inspektionssystem oder Lebensdauervorhersagesystem ein Paar von Permanentmagneten (oder Elektromagneten) 3a, 3b, eine flache spiralförmige Spuleneinheit 5, einen Vorverstärker 16, einen Hauptverstärker 17, eine Steuerung 18 und einen Computer 19. Die EMAT des Meanderspulentyps kann auch für das System verwendet werden.
Wie mit Bezug auf 1 erklärt wurde, wird, wenn ein Hochfrequenz-Impuls- bzw. -burststrom 7 von der Steuerung 18 auf die spiralförmige Spuleneinheit 5 angewendet wird, der Wirbelstrom 8 in dem Objekt 2 in der Richtung entgegengesetzt zu derjenigen des Hochfrequenzstroms erzeugt, und eine Lorentzkraft 9 wird durch eine Wechselwirkung des Wirbelstroms 8 und eines statischen Magnetfelds 4, welches durch die Magneten 3a, 3b gemäß Flämings Gesetz der linken Hand erzeugt wird, erzeugt.
Die Lorentzkraft 9 wirkt auf interne freie Elektronen im Inneren des Objekts 2, um Kollision mit Ionen und Ähnlichem hervorzurufen, und induziert Bewegungen senkrecht zu der Richtung des statischen Magnetfelds 4 und des Wirbelstroms 8, um Ultraschall-Scherwellen 10 zu erzeugen. Die Ultraschall-Scherwellen 10 breiten sich in eine Richtung aus, welche durch den Pfeil 11 gezeigt ist, verbreiten sich auf der Oberfläche und in dem Inneren des Objekts 2, in welchem organisatorische Änderungen, Mikro-Risse und so weiter aufgrund von Ermüdung aufgetreten sind, und werden an der entgegengesetzten Oberfläche des Objekts 2 reflektiert. Wenn die Ultraschall-Schwerwellen 10 die Nähe der oberen Oberfläche des Objekts 2 durch Ausbreitung in der Richtung, welche durch den Pfeil 12 gezeigt ist, erreichen, wird eine Kraft 13 erzeugt. Ein Wirbelstrom 14 wird durch eine Wechselwirkung dieser Kraft 13 und des statischen Magnetfelds 4 erzeugt.
Der Wirbelstrom 19 wird durch die flache spiralförmige Spuleneinheit 5 detektiert. Das detektierte Signal, welches repräsentativ für den Wirbelstrom 14 ist, wird durch den Vorverstärker 16 und den Hauptverstärker 17 verstärkt, und zu der Steuerung 18 gesendet. Ferner wird das Signal der Steuerung 18 an den Computer 19 geliefert. Die Steuerung 18 umfasst ein Superheterodyn-Messsystem, welches eine Messung in einer kurzen Zeit ausführen kann, weil es nur Amplitude und Phase des Detektionssignals benötigt.
Die Prinzipien der elektromagnetischen akustischen Resonanz werden erklärt. Wenn der Hochfrequenzimpulsstrom, welcher an die flache spiralförmige Spuleneinheit 5 von der Steuerung 16 geliefert wird, ein Impuls- Hochfrequenzstrom ist, welcher eine konstante Amplitude und eine konstante Frequenz aufweist, sind die Ultraschall-Schwerwellen 10 Burst- bzw. Impulswellen. Die Impuls-Ultraschallwellen 10 reflektieren wiederholt an entgegengesetzten Oberflächen des Objekts 2, und wenn die Ultraschallwellen eine Einfallsebene erreichen, detektiert die Spuleneinheit 5 die Impulswellen als den Wirbelstrom.
Wenn ein Zyklus der Impulswellen länger ist als eine Zeit, welche die Ultraschallwellen zur Ausbreitung rückwärts und vorwärts innerhalb der Dickenrichtung des Objekts 2 benötigen, überlappen die reflektierten Signale, welche durch die Spuleneinheit 5 empfangen wurden. Da die reflektierten Signale, welche gleichzeitig an der Spuleneinheit 5 empfangen wurden, individuelle Fortpflanzungs- bzw. Ausbreitungs-Zeitperioden (= individuelle Ausbreitungsstrecken/eine Geschwindigkeit von Ultraschallwellen) sind, unterscheiden sich die reflektierten Signale im Allgemeinen in der Phase voneinander. Als ein Ergebnis tritt Interferenz in den überlappenden reflektierten Signalen auf. Insbesondere überlappen, wenn die überlappenden reflektierten Signale koinzident in Phase sind, Berge und Täler der entsprechenden Signale, um sich gegenseitig zu verstärken. Im Gegensatz dazu, wenn die überlappenden reflektierten Signale sich in der Phase unterscheiden, so sind die Berge und Täler der jeweiligen Signale derart gegeneinander versetzt, dass die Signale kleiner werden. Somit kann eine zusammengesetzte Welle, welche große Interferenz aufweist, vorgesehen werden, und zwar durch Einstellung des Impulswellenzyklus derart, dass eine Ausbreitungszeitperiode, welche die Ultraschall-Scherwellen benötigen, um sich zurück und vorwärts innerhalb der Dickenrichtung des Objekts 2 auszubreiten, ein ganzzahliges Vielfaches des Impulswellenzyklus ist. Die oben erwähnte Bedingung wird als „Ultraschall-Resonanz" bezeichnet.
Da der elektromagnetische akustische Wandler eine sehr kleine Wandlungseffizienz hat, wird nur eine minimale Energie an einer Empfangsstufe in ein elektrisches Signal gewandelt, so dass die Ausbreitung der Ultraschallwellen in dem Objekt nicht beeinflusst wird. In dem in 18 gezeigten System wird die Ultraschall-Resonanz durch den elektromagnetischen akustischen Wandler (oder die Magnete 3a, 3b und die Spuleneinheit 5) unter einer Steuerung der Steuerung 18 erzeugt, um Ermüdungslebensdauer des Objekts 2 vorher zu sagen.
In dem Ermüdungslebensdauer-Vorhersagesystem werden eine Resonanzfrequenz und Dämpfungscharakteristika bei jeder Messtastzeit genau gemessen, und ein Ermüdungsfortschritt wird durch Vergleich der detektierten Dämpfungscharakteristika mit einer Datenbank in dem Computer 19, welche eine Dämpfungscharakteristik-Kurve, welche experimentell erhalten wurde, enthält, überwacht. 19 zeigt eine Dämpfungscharakteristik-Kurve, welche eine Beziehung zwischen einen Dämpfungskoeffizienten zu einer Anzahl an Wiederholungen (oder Anzahl an Wiederholungen/Anzahl an Vorkommen von Ermüdungsbrüchen) ist, und zwar gespeichert in der Datenbank.
Wie in 19 gezeigt ist, zeigt der Dämpfungskoeffizient einen Spitzenwert P bei 20 bis 30% der Ermüdung und fällt plötzlich nach der Spitze, gefolgt von einem allmählichen Anstieg bis zum Bruch. Der Spitzenwert P entspricht dem Auftreten eines Ermüdungsrisses. Somit nutzt das Ermüdungslebensdauer-Vorhersagesystem das Verhalten eines solchen Spitzenwerts P aus, und zwar bezüglich des Objekts 2 zum genauen Messen der Lebenszeit desselben, und zur Schätzung der Ermüdungsbeschädigung. Ferner wird, aus der Tatsache, dass ein ansteigendes Verhältnis des Dämpfungskoeffizienten sehr klein ist in einem Bereich wie beispielsweise unterhalb eines Ermüdungslimits, das Dämpfungsverhältnis des Dämpfungskoeffizienten überwacht, um vorherzusagen, dass ein Ermüdungsbruch nicht auftreten wird.
Wenn diese Datenbank keine entsprechende Bedingung enthält, wird eine Abschätzung gemacht, unter Verwendung eines Neuronal-Netzwerk-Ansatzes, um eine Dämpfungskurve zu erzeugen, welche mit der Bedingung assoziiert ist.
20 ist ein Flussdiagramm, welches einen Fluss von Vorgängen zeigt, welche zur Messung von Ermüdungslebensdauer und der Abschätzung der Lebenszeit des Objekts 2 in dem System, welches in 18 gezeigt ist, ausgeführt werden. Zunächst werden Materialcharakteristika (eine Schallgeschwindigkeit in dem Material und so weiter) des Objekts 2, Messbedingungen umfassend eine Resonanzfrequenz, einen Bereich und so weiter eingegeben (Schritt ST1). Auf Dämpfungskurven in der Datenbank wird basierend auf die eingegebenen Daten Bezug genommen, um zu bestätigen, ob die Datenbank eine Dämpfungskurve korrespondierend zu den gesetzten Bedingungen (Schritt ST2) hat oder nicht. Wenn ja, wird eine optimale Dämpfungskurve aus der Datenbank (ST3) extrahiert. Wenn nein, wird der Neuronal-Netzwerk-Ansatz verwendet, um eine Dämpfungskurve abzuschätzen, welcher geeignet für die gesetzten Bedingungen ist (Schritt ST4).
Nachfolgend wird ein Dämpfungskoeffizient bei einer Resonanzfrequenz gemessen, welche auch von dem System (Schritt ST5) gemessen wird, und die Dämpfungskurve, welche von der Datenbank extrahiert wurde oder unter Verwendung des Neuronal-Netzwerk-Ansatzes abgeschätzt wurde, wird in Bezug gesetzt mit dem detektierten Wert des Dämpfungskoeffizienten (Schritt ST6), um eine Schädigungsbedingung zu bestätigen, und um zu prüfen, ob der Dämpfungskoeffizient einen Spitzenwert P der extrahierten oder abgeschätzten Dämpfungskurve (Schritt ST7) anzeigt oder nicht. Wenn der Spitzenwert angezeigt wird, wird ein Ermüdungslebensdauerverhältnis aus der Dämpfungskurve berechnet, um Restlebensdauer und Lebenszeit (Schritt ST8) abzuleiten.
Wenn der gemessene Dämpfungskoeffizient nicht den Spitzenwert P bei Schritt ST7 anzeigt, wird mit der Überwachung fortgefahren. Während des Überwachens wird es überprüft, ob ein ansteigendes Verhältnis des detektierten Dämpfungskoeffizienten gleich oder größer als ein Grenzwert (erhöhendes Verhältnis des Dämpfungskoeffizienten > Grenzwert) (Schritt ST9) ist. Wenn das ansteigende Verhältnis kleiner als der Grenzwert ist, ist der Ermüdungsfortgang fortgeschritten (Schritt ST10) und mit der Überwachung wird fortgefahren. Wenn das ansteigende Verhältnis größer als der Grenzwert ist, das heißt, wenn das ansteigende Verhältnis den Grenzwert überschritten hat, wird ein Spitzenwert P aus der Dämpfungskurve in der Datenbank und den Messergebnissen unter Verwendung des Neuronal-Netzwerk-Ansatzes abgeschätzt.
21 zeigt die Ergebnisse der Detektion von Dämpfungscharakteristika zum Überwachen einer Ermüdungsentwicklung eines Objekts, unter Verwendung des Systems mit dem elektromagnetischen akustischen Resonanzverfahren, welches in 18 gezeigt ist. Das Material des Objekts war reines Kupfer und die Resonanzfrequenz davon war nahe bei 4 MHz. Wie aus dem Graph in 21 ersichtlich ist zeigt der Dämpfungskoeffizient einen Spitzenwert bei ungefähr 25% der Ermüdungslebensdauer. Während Materialien, welche sogar von dem gleichen Herstellungslos entnommen wurden, sich in der Anzahl an Ermüdungszyklen entsprechend der Spitze und der Anzahl an Ermüdungszyklen verbunden mit dem Ermüdungsbruch unterscheiden, zeigen sie im Wesentlichen den gleichen Ermüdungslebensdauer-Verhältnis-Wert (Anzahl an Wiederholungen/Anzahl des Auftretens von Ermüdungsbruch) entsprechend zu dem Spitzenwert.
Durch das Durchführen von Messungen gemäß dem elektromagnetischen akustischen Resonanzverfahren unter Verwendung des elektromagnetischen akustischen Wandlers (oder der Magneten 3a, 3b und der Spuleneinheit 6) werden Ultraschallwellen direkt auf der Messoberfläche des Objekts 2 erzeugt, wie in 22 gezeigt ist, sodass keine Grenzfläche (unter Betrachtung der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Ultraschallwandler 21 und dem Schutzfilm 22, der Grenzfläche zwischen dem Schutzfilm 22 und dem akustischen Kuppler 23, und der Grenzfläche zwischen dem akustischen Kuppler 23 und dem Objekt 2 in 4) in dem Ausbreitungspfad von Ultraschallwellen existiert. Somit enthält das Signal, welches von den Ultraschallwellen durch den elektromagnetischen akustischen Wandler gewandelt wird, keine Störungen. Auch müssen die Oberflächen des Objekts 2 nicht fein poliert sein. Ferner ist es möglich, da ein Absolutwert des absoluten Dämpfungskoeffizienten des Objekts 2 direkt gemessen werden kann, genau Veränderungen in dem Objekt während eines Ermüdungsvorganges aufzunehmen.
Zusätzlich dazu beginnt, wie in 19 gezeigt ist, wenn die Ermüdung fortschreitet, der Dämpfungskoeffizient damit, anzusteigen, zeigt einen Spitzenwert bei 20 bis 30% der Lebenszeit, fällt plötzlich ab nach der Spitze, und steigt wieder an bis zum Bruch. Da solche Daten der Veränderung in der Dämpfung in dem Ermüdungsfortschritt in der Datenbank verwendet werden, kann eine genaue Vorhersage der Lebensdauer-Abschätzung von Ermüdungsschädigung erhalten werden.
Es soll erwähnt werden, dass die Objekte und Vorteile der Erfindung im Weg von jeder kompatiblen Kombination(en), insbesondere herausgestellt in den Punkten der nachfolgenden Zusammenfassung der Erfindung und der angefügten Ansprüche, erreicht werden können.

Claims

Ein elektromagnetischer akustischer Wandler, der folgendes aufweist: Magnetmittel zum Vorsehen eines statischen Magnetfeldes an einem zu inspizierenden Objekt; und Spulenmittel der Flächenbauart, um das Objekt zu veranlassen, Ultraschallwellen in dem Objekt zu übertragen und zum Detektieren von Ultraschallwellen hervorgerufen am Objekt, wobei die Spulenmittel eine erste Isolierschicht und ein Paar von Spulen aufweisen, die aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sind, die auf entgegengesetzt liegenden Oberflächen der erwähnten ersten Isolierschicht ausgebildet sind und die koinsident miteinander durch die Isolierschicht positioniert sind.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei eine der erwähnten Spulen zur Übertragung zur Hervorrufung der erwähnten Ultraschallwellen mit elektromagnetischen Wirkungen dient, während die andere der Spulen zum Empfang zum Detektieren der Ultraschallwellen dient.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei die Spulenmittel ferner zweite und dritte Isolierschichten aufweisen, die die erwähnten Spulen jeweils auf den Oberflächen der ersten Isolierschicht überdecken, und wobei erste Enden und zweite Enden der entsprechenden Spulen sich durch Durchgangslöcher erstrecken, die durch die ersten und zweiten Isolierschichten ausgebildet sind, und zwar zu der Oberfläche des Ultraschallwandlers hin, wo die ersten und zweiten Enden mit äußeren Leitern verbindbar sind und die zweiten Enden gemeinsam zur Bildung einer gemeinsamen Erdklemme verbunden sind.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei die erwähnten Spulen der Spulenmittel spiral- bzw. schraubenförmig sind.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei die erwähnten Spulen der Spulenmittel Meanderspulen sind.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 4, wobei die erwähnten Magnetmittel ein Paar von Permanentmagneten aufweisen, die in einem Raum positioniert sind.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 4, wobei die Magnetmittel ein Paar von Elektromagnetspulen aufweisen.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 5, wobei die Magnetmittel einen Permanentmagneten aufweisen.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 5, wobei die Magnetmittel eine Elektromagnetspule aufweisen.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 5, wobei die Spulenmittel mit den Meanderspulen eine Flexibilität zur Aufbringung auf einem zylindrischen Objekt aufweisen.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 10, wobei die Magnetmittel eine Elektromagnetspule aufweisen, die einen Innendurchmesser derart hat, dass das erwähnte zylindrische Objekt sich mit der Elektromagnetspule um sich herum innerhalb der Elektromagnetspule entlang einer Längsrichtung erstrecken kann.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 10, wobei der Ultraschallwandler ferner einen Kern aus Magnetmaterial aufweist, wobei die Magnetmittel eine Elektromagnetspule aufweisen und wobei der Kern sich innerhalb der Elektromagnetspule entlang einer Längsrichtung erstreckt.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 12, wobei der erwähnte Kern einen Durchmesser derart besitzt, dass er sich innerhalb des zylindrischen Objekts erstreckt.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 12, wobei der Kern U-förmige Gestalt besitzt, der Mittelteil des Kerns sich innerhalb der Elektromagnetspule erstreckt und beide Enden desselben Ringteile aufweisen, durch die sich das zylindrische Objekt erstrecken kann.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 14, wobei jeder der Ringteile in mindestens zwei Teile unterteilt ist, wodurch das zylindrische Objekt leicht in die Ringteile eingesetzt werden kann.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 5, wobei die Magnetmittel ein Paar von Permanentmagneten aufweisen, und die Spulenmittel als ein Paar von Flächenspuleneinheiten ausgebildet sind, die zwischen den Permanentmagneten angeordnet sind.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 5, wobei die Magnetmittel einen Permanentmagneten aufweisen und die Spulenmittel als ein Paar von Flächenspuleneinheiten ausgebildet sind, die zwischen dem Objekt und dem Permanentmagneten angeordnet sind.
Elektromagnetischer akustischer Wandler nach Anspruch 5, wobei die Magnetmittel einen Permanentmagneten mit einer U-Form besitzen und die Spulenmittel als ein Paar von Flächenelementspuleneinheiten ausgebildet sind, die zwischen beiden Enden des erwähnten Permanentmagneten über dem Objekt positioniert sind.