JP2012123019A - フレキシブル電磁音響変換器センサ - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟性のあるコンポーネント及び材料で設計されたマグネットアレイを提供する。
【解決手段】柔軟性のあるコンポーネント及び材料で設計されたマグネットの配列は、多様な曲面及び構造の外形にフィットするよう容易に形作ることができる。これらのマグネットを組み込んだＥＭＡＴは、柔軟性のあることに加えて、従来のＥＭＡＴマグネットよりも小容量であるため、アクセスが制限されるところの複雑な構造に容易に適用できる。また、柔軟性のある多極マグネットアレイが、多様な形状及び配置に、容易かつ経済的に製造できるので、柔軟性のない従来マグネット設計に比べて、多様性、有用性、対コスト効果が増大する。
【選択図】図４

Description

適用される物体表面に順応する柔軟性のあるマグネットで構成された電磁音響変換器（ＥＭＡＴ）であり、それゆえ、柔軟性のない高価なコンポーネントで構成された従来のＥＭＡＴ設計と比べて、製造コストの削減で優れた性能を提供する。

電磁音響変換器（ＥＭＡＴ）は、その材料への接触を要求することなしに、電気的な導電材料における音波を送信及び受信可能な電子デバイスである。音波は、ひび割れや空隙といった欠陥から反響するので、ＥＭＡＴは、典型的には検査デバイスとして使用される。ＥＭＡＴから送信され、ＥＭＡＴによって受信される、周波数、強度、モード及びビーム形状を含む音波の特性は、本質的に、ＥＭＡＴ設計及びＥＭＡＴコンポーネントの電気的な励起によって決定される。

実願昭５９−４１９号（実開昭６０−１１３５５４号）のマイクロフィルム

ＥＭＡＴは、圧電性の変換器と比較したとき、いくつかの利点を提供する。ＥＭＡＴは、音がプローブの中で生成されてオイル又は水などの結合媒体を通って素材へ伝送される圧電性トンラスデューサと異なり、何れの流体連結器も要求しない。ＥＭＡＴは非常に高速に検査可能であるので、これらが自動化検査システムにおいて使用されると大きな処理能力を与える。ＥＭＡＴは、試験されている素材の表面下で直ちに音波を生成するので、その素材が汚染され、粗くなり、高温まで熱せられるか、又は高速で移動しているアプリケーションに対して、高い正確性、信頼性、及び再現性を提供する。ＥＭＡＴの製造は非常に精密であるので、ＥＭＡＴ又はそのコンポーネントは、特性又は性能の最小の変動を伴って交換可能である。ＥＭＡＴの簡単な構造により、所望の音響効果を達成するためにビームを形成して操作及び集束することを促進するための、ほぼ無限の設計変形を提供することができる。

ＥＭＡＴは、典型的には、マグネット及び絶縁された電気導体コイルという、２つの基本的なコンポーネントから構成される。試験されている材料コンポーネントの表面を貫通する磁場を生成するために、永久磁石又は電磁石（マグネット）の何れも使用される。電気導体で構成されるコイルは、通常、ＲＦコイルと呼ばれ、マグネットと試験材料との間に配置される。これらＲＦコイルは、試験材料において高周波磁場を誘導するために利用される。このマグネットからの場と、ＲＦコイルからの場との間の相互作用は、試験材料の原子又は分子格子内に力を生成する。この力は、ＲＦコイルにおける電流のものと等しい周波数において、時間に関して強度及び方向が異なる。この振動力は、通常、その試験材料内、及び、２つの反対の方向においてＥＭＡＴから遠ざかって伝播する、音響又は音波を生成する。

図１に示したのは、垂直に磁化された剪断（ＳＶ）波、ラム波、及びローリー波とも呼ばれている表面波を生成するために使用されるＥＭＡＴ構成である。マグネット１は、試験下の金属部分又は試験材料３に垂直に磁場２を生成する。メアンダ無線周波数コイル４は、図示された絶縁された電気導体よりなるメアンダコイルに限定されるわけではないが、交流電源５によって電圧が加えられ、結果としてその端子間のＲＦコイル４に流れる交流電流６を生じさせる。交流電流６は、渦電流８を囲み試験材料３の表面を貫通する交流場７を生成する。この貫通交流場７は、試験材料３の中及び表面近くに交流渦電流８を誘導する。また、この渦電流８を囲む交流磁場９も試験材料３内に生成される。渦電流８からの交流場７は、マグネット１からの交流磁場９と相互作用して、試験材料３中及び各ＲＦコイル４内にローレンツ力１０を生成する。これらローレンツ力１０は、結果として水平に磁化された剪断波のような音波となる。これらは、一般的にＳＨ波１１として当業界において知られ、ＥＭＡＴから試験材料３の反対方向に伝搬する超音波音響又は音波である。

図２に示したのは、永久磁石の配列などのマグネットアレイ１２、及び、ＳＨ波を生成するための巻きＲＦコイル４を使用するＥＭＡＴである。ＲＦコイル４の一部はマグネットアレイ１２の下にあり、また、試験材料３に極めて近接している。交流電源５がＲＦコイル４に加えられたとき、渦電流８及び関連する交流磁場９は試験材料３内に誘導される。マグネットアレイ１２からの磁場２と渦電流８からの交流場７との相互作用は、試験材料３内の表面に近く、また、その試験材料３の表面にも平行なローレンツ力１０を生成する。これらのローレンツ力１０は、結果として、試験材料３の反対方向に伝搬するＳＨ波１１を生じる。

図３に示したのは、電磁石などのマグネット１と、磁気ひずみの属性を示すいくつかの強磁性材料１４においてＳＨ波１１を生成するためのＲＦコイル４とを使用するＥＭＡＴである。絶縁された電気導体で構成されたマグネットコイル１３は、強磁性材料１４の芯の周囲に巻かれている。マグネットコイル１３が電気電力源１５によって励磁されたとき、過渡電流１６がマグネットコイル１３の端子間を流れる。過渡電流１６は、順番に接線磁場１７を生成し、その一部は試験材料３の表面を貫通する。接線磁場１７は、マグネット１の極の下及び周りを流れる過渡渦電流１８を誘導する。

ＲＦコイル４は、マグネットコイル１３の過渡電流１６の成分周波数よりも高い周波数で、交流電流６によって励磁される。ＲＦコイル４における交流電流６は、交流渦電流８と関連磁場９とを試験材料３において誘導する。試験材料３が磁気ひずみの物理的特性を示すとき、結果として生じた、ＲＦコイル４によって誘導された磁場９とマグネット１によって誘導された接線磁場１７とのベクトル総和は、試験材料３の拡張及び収縮を生み出す。試験材料の交番の拡張及び収縮により、ＥＭＡＴから２方向にＳＨ波１１の伝搬が生じる。

（概要）
本発明にかかる柔軟性のあるコンポーネント及び材料で設計されたマグネットの配列は、多様な曲面及び構造の外形にフィットするよう容易に形作ることができる。これらのマグネットを組み込んだＥＭＡＴは、柔軟性のあることに加えて、従来のＥＭＡＴマグネットよりも小容量であるため、アクセスが制限されるところの複雑な構造に容易に適用できる。また、柔軟性のあるマグネットアレイが、多様な形状及び配置に、容易かつ経済的に製造できるので、柔軟性のない従来マグネット設計に比べて、多様性、有用性、対コスト効果が増大する。

本発明にかかる電磁音響変換器は、非平面試験基板の表面に順応するのに適合するよう提供される。

特定の実施形態において、電磁音響変換器は非平面試験基板に順応できるマグネットの配列から構成され、このマグネットは磁極及び相互接続セグメントを含む。

一実施形態において、このマグネットの配列は、強磁性材料の粒子を含む柔軟性のある化合物から構成され、電気導体は磁極間に配置されて、電気伝導時に各磁極の面に垂直な磁場を生成することができる。

他の実施形態において、このマグネットの配列は、永久磁石材料の粒子を含む柔軟性のある化合物から構成され、この磁極は選択的に磁化されて各磁極の面に垂直な静的磁場を形成する。

また、前記電磁音響変換器を、試験基板の表面の監視部位近傍において該表面に順応させ、前記電磁音響変換器マグネットと電気導体とからの場の相互作用によって音波を生成し、試験基板によって反射される音波の少なくとも１つの特性を検知することを特徴とする、電磁音響変換器を使用する、非平面表面を有する試験基板を検査する方法が提供される。

電気伝導材料におけるＳＨ波、ラム波、及び表面波の生成及び検知のための永久磁石及びＲＦコイルからなるＥＭＡＴを示す。 水平に分極化された剪断波の生成及び検知のための永久磁石のアレイ及びＲＦコイルからなるＥＭＡＴを示す。 磁気ひずみを表わす強磁性材料における水平に分極化されたＳＨ波の生成のための電磁石及びメアンダＲＦコイルからなるＥＭＡＴを示す。 非平面電気伝導材料におけるＳＨ波の生成及び検知に適した柔軟性のあるＥＭＡＴを示す。 機械的及び磁気的にリンクされた磁極片を含む柔軟性のある多極マグネットアレイと、ＲＦコイルを含む電気導体の分配巻き線とを示す。 柔軟性のある多極マグネットアレイの磁極面に最近接して配置された柔軟性のあるＲＦコイルを示す。 図６のアレイにおける一つの磁極面に関連した渦電流と磁場とを示す。 柔軟性のあるマグネットの配列の磁極面に組み込まれた、柔軟性のあるＲＦコイルを示す。 図７の線Ａ−Ａ’に沿った組み込みＲＦコイル導体の横断面図を示す。

（詳細説明）
電磁音響変換器（ＥＭＡＴ）は、製造中又は製造後に容易に形作ることができるので、別の状況では試験材料の表面に対するＥＭＡＴの乏しい適合性によって引き起こされ得る、コンポーネント及び構造の欠点又は特性に対する信号応答の実質的な損失なしに、このＥＭＡＴは、湾曲した表面を有するコンポーネント及び構造の検査に利用することができる。このＥＭＡＴは、本質的に、マグネットとＲＦコイルのようなＲＦ信号を供給する電気導体という、２つのコンポーネント部分を含む。このマグネットは、１又は複数の強磁性材料の芯及び電気導体で構成することができる。

ＥＭＡＴは、ＲＦコイルなどのＲＦ信号を供給する電気導体を伴って設計、製造、及び実装された材料を含む、マグネット又は柔軟性のある多極マグネットアレイを含んで開示されている。このＥＭＡＴは、製造時又は製造後に容易に形作ることが可能であるので、湾曲した表面を有するコンポーネント及び構造を検査するために利用することができる。これにより、試験材料又は基板の表面に対するＥＭＡＴの近接における乏しい適合性及び縮小によって引き起こされる、これらコンポーネント及び構造の欠点又は特性に対する信号応答の損失を実質的に低減できる。

この柔軟性のある多極マグネットアレイは、列状に形成することができ、ここで、各列は、試験材料コンポーネントにおいて生成されたＳＨ波の集束を提供するような点又は複数の点に関する曲率半径を有する。磁石の配列は、焦点からの放射方向距離の関数である隣接の磁極間の距離における変形を有する。磁石の配列におけるこの変形は、ＳＨ波の垂直幅の変化をもたらす。他の実施形態においては、２又はそれ以上の磁石の配列を、規定の周波数範囲内で作動させたときに略同じＳＨ波角度及び焦点を有するよう、磁極間の異なった放射方向距離をそれぞれ伴ってタンデムに配置することができる。更なる実施形態においては、磁石の配列は、磁極面を横切って位置する溝に組み込まれた高周波（ＲＦ）導体を有し、焦点からの放射方向の投影と同一線上にある。

柔軟性のある多極マグネットアレイは、鉄などの強磁性材料の粒子を含むシリコーンゴムのような柔軟性のある材料から、又はネオジム鉄ホウ素などの永久磁石材料から、少なくとも一部分が製造される磁石の配列及び磁極から成る。

電気導体は、磁極間に取り付けることができ、電流が与えられ交番の磁気極性を隣接した磁極間に与えることができるような、形状、幅、及び厚みを有している。他の実施形態においては、この電気導体は、多層の磁極間に取り付けることができ、直列に接続され、電気的にエネルギを与えられて交番の磁気極性を隣接した磁極間に与えることができるような、形状、幅、及び厚みを有している。

図４に示したのは、順応的な柔軟性のある多極マグネットアレイ１９であり、例えばこれに限定されるものではないが、鉄パイプ２０のような湾曲した金属コンポーネントにおけるＳＨ波を生成するＥＭＡＴを形成するために、当業界において知られた他の電子コンポーネントとともに使用することができるものである。マグネット１は磁極２１を含み、リンク又はセグメントを相互接続しており、これらは何れも、強磁性材料又は非強磁性材料の何れかで構成される。柔軟性のある多極マグネットアレイ１９は、ＥＭＡＴが所望の試験を実行するために適合するような材料構造の湾曲に順応するよう、製造及び組み込むことができる。

柔軟性のある多極マグネットアレイを製造する一手法は、例えば、これに限定されるものではないが、鉄といった強磁性材料１４の粒子で飽和又は満たされた、例えば、これに限定されるものではないが、シリコーンゴムといった順応的柔軟性のある化合物を成型することである。この実施形態において、絶縁された電気導体を含む少なくとも１つのＲＦコイル４は、極２１間に取り付けられ、ＲＦコイル４が電流によるエネルギを加えられたときに各磁極２１の面に垂直な磁場２を生成する。

他の実施形態においては、順応的柔軟性のある化合物は、例えばこれに限定されるものではないが、ネオジム鉄ホウ素といった永久磁石材料１４で飽和されている。この実施形態において、磁極２１は、各磁極２１の面に垂直な静的磁場２を形成するために使用する前に磁化することができる。

図５に示したのは、ＳＨ波１１の生成のために他の電子コンポーネントとともに使用することができる、柔軟性のある多極マグネットアレイ１９の平面図である。これは、磁気材料（不図示）の結合によって機械的及び磁気的に連結された、北（Ｎ）及び南（Ｓ）の磁極２１のアレイの一部で構成されている。このような一実施形態では、例えば、これに限定されるものではないが、シリコーンゴムといったエラストマーなどの材料を含んでいる柔軟性のある炭化水素が使用され、鉄又はネオジム鉄ホウ素化合物といった強磁性材料又は永久磁石の粒子でそれぞれ飽和されている。この混合物は、配置の変形において１又は複数の磁極２１を含む柔軟性のある多極マグネットアレイ１９に成型されて、増大したＳＨ波１１の強度、ＳＨ波１１の操作及び集束を含む、ＥＭＡＴ性能の拡張を提供する。

柔軟性のある多極マグネットアレイ１９は、絶縁導体２２の層と、第２の絶縁導体２３の層とからなり、磁極２１面及び試験材料３の表面に垂直な主要磁場ベクトル成分を有する方向に磁化を行うよう、磁極２１間に組み入れられている。絶縁導体層２２と第２の絶縁導体層２３とは、絶縁導体層２２及び第２の絶縁導体層２３が電流源２７によってエネルギを与えられたときに、隣接する磁極２１において反対の極性を生成するようなパターンで、磁極２１間に配置される。柔軟性のある多極マグネットアレイが永久磁石アレイとして使用されたとき、絶縁導体層２２及び第２の絶縁導体層２３は、遠ざけられ、又は取り除かれて、試験材料３表面に対する増大した柔軟性と順応性とを与える。

マグネットの組み立てには、極間の絶縁導体層２２の挿入に続いて、挿入された絶縁導体２２に部分的に重なって第２の絶縁導体層２３の挿入が含まれる。絶縁導体層２２及び第２の絶縁導体層２３が接合点２４で電気的に接続されたとき、磁極２１内の柔軟性のある多極マグネットアレイ１９は、一実施形態では直流電源である電流源２７によって電極２５及び２６でエネルギを与えられたときに同方向に電流を流す２つの混交された絶縁導体（絶縁導体層２２及び第２の絶縁導体層２３）によって、実効的に囲まれている。絶縁導体層２２及び第２の絶縁導体層２３と同様の付加的な導体層の対を絶縁導体層２２及び第２の絶縁導体層２３上に取り付けて、上記層に直列又は並列に接続して、増大磁化電流と各磁極２１の面に垂直の増大磁場とを形成することができる。

磁極２１のアレイは、図５に示したように、隣接放射方向距離２８で集束ＳＨ波１１を集合的に生成するよう、形作られ、位置付けられる。各磁極２１の幅２９は、焦点３２からの放射方向距離２８の関数であり、マグネット１の中心からの放射方向距離２８に比例して増大している。ＲＦコイル４の励磁周波数に関連した磁極２１間の距離３０は、試験材料３表面の法線方向に関してＳＨ波１１の角度を決定する。距離３０の減少、又は機能範囲内のＲＦ励磁周波数の減少により、結果として、試験材料３つまり試験基板の表面に関してＳＨ波１１の角度の増大を生じさせる。

放射方向距離２８の関数としての、隣接した磁極２１間の距離３０の変動は、ＳＨ波１１の垂直幅に変化をもたらす。例えば、磁極２１の対に対する放射方向距離２８に比例した２つの磁極２１間の距離の減少により、ＳＨ波１１の垂直幅の減少と欠陥の検知における大きな分解能とを結果としてもたらす。同様に、磁極２１間の異なる放射方向距離２８をそれぞれ有する２又はそれ以上の柔軟性のある多極マグネットアレイ１９は、規定範囲内の周波数で作動したときに略同じ焦点３２を有することとなるよう、タンデムに配置することができる。

図６に示したＲＦコイル４は、電気的絶縁材料である柔軟性のある基板３１に取り付けられた電気導体から成る。ＲＦコイル４は、試験材料３に最近接するよう、磁極２１の面に取り付けられる。交流電源５の交流電圧がＲＦコイル４に加えられたとき、図６及び図６Ａに示した通りの方向で電圧が正になった瞬間に、ローレンツ力１０が試験材料３に加えられる。このローレンツ力１０は、磁極２１の各列における上下隣接の磁極２１間で、全く正反対の方向となる。これは、隣接した磁極２１の反対の極性に起因する。関連した磁極９を伴った誘導渦電流８は磁極２１の隣接した縦列の下で方向を反転させるので、ローレンツ力１０は磁極２１の所定の横列において同じ方向になる。これら交番の力は、焦点３２へ向かって移動するＳＨ波１１を生成するよう加わる。

多極電磁アレイ１９の磁極２１は、試験材料に対するＲＦ導体３３の電磁結合の増大を与える。この電磁結合は、図７に示したように、強磁性材料１４の磁極２１内にＲＦ導体３３を組み込むことよって更に増大される。図７Ａに示したように、組み込みＲＦ導体３３及び磁極２１は、試験材料３に対してより近接することができ、それによって、試験材料３を貫通する交流磁場９の量を増大させる。交流場７によって誘導される誘導渦電流８の振幅が増大し、次に、試験材料のローレンツ力１０と結果として生じるＳＨ波１１との強度が増大されることとなる。

ここに記述された実施形態は単なる例示であり、当業者であれば本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに多くの変形及び修正を行なうことができるであろう。全ての修正及び変形は、全てここに記載された本発明の範囲内に含まれるものと意図される。上述の実施形態は、代替的なものというだけでなく、組み合わせ可能であることを理解すべきである。

１ マグネット（磁石）
２ 磁場
３ 試験材料
４ ＲＦコイル
５ 交流電源
６ 交流電流
７ 交流場
８ 渦電流
９ 交流磁場
１０ ローレンツ力
１１ ＳＨ波
１２ マグネットアレイ
１３ マグネットコイル
１５ 電気電力源
１６ 過渡電流
１７ 接線磁場

Claims (5)

1. 非平面試験基板の表面に順応するようにされた電磁音響変換器であって、
   前記電磁音響変換器は超音波の生成及び検知に適合し、前記非平面試験基板表面に順応できる柔軟性のある多極マグネットのアレイからなり、
   前記多極マグネットは磁極と相互接続セグメントとを含み、
   前記磁極は複数の列に配置され、ここにおいて、各列は、少なくとも１つの焦点に関して、生成された音波を前記試験基板に集束できる曲率半径を有することを特徴とし、
   前記柔軟性のある多極マグネットアレイは、前記磁極は各磁極の面に垂直に静的磁場を形成するよう磁化されている、永久磁石材料の粒子を含む柔軟性のある化合物からなることを特徴とする電磁音響変換器。
2. 前記隣接した磁極間の距離は、前記焦点からの放射方向距離の関数として変化する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁音響変換器。
3. タンデム上に配置された少なくとも２つの柔軟性のある多極マグネットアレイを含み、各アレイは磁極間で異なる放射方向距離を有するが、略同一の焦点を有し、前記少なくとも２つのアレイは略同一の音波角度を達成できる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁音響変換器。
4. 前記柔軟性のある多極マグネットアレイは、磁極面を横切って位置する溝に組み込まれたＲＦ導体を有し、前記焦点からの放射方向の投影と同一線上にある
   ことを特徴とする請求項２に記載の電磁音響変換器。
5. 請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の電磁音響変換器を使用する、非平面表面を有する試験基板を検査する方法であって、
   前記電磁音響変換器を、前記試験基板の表面の監視部位近傍において該表面に順応させ、
   前記電磁音響変換器マグネットとＲＦコイルとからの場の相互作用によって音波を生成し、
   前記試験基板によって反射される前記音波の少なくとも１つの特性を検知する
   ことを特徴とする方法。

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