JP6855068B2 - 無線センサ - Google Patents

Description

本発明は、非破壊検査の為の無線センサに関する。

発明の背景

非破壊検査（ＮＤＴ）は、検査対象物に損傷を生じさせることなく、その検査対象物の特性を評価する為に、産業範囲を超えて広範囲に使用されている。検査対象物の例には、複合航空機用パネル、ガスタービンエンジン用コンポーネント、配管および圧力容器が含まれる。

ＮＤＴセンサを検査対象物に一体化させ、例えば、信頼性の高い繰り返し可能測定および／または検査対象物が使用中である間に現場でモニタリングを提供することが知られている。たとえば、検査対象物の中に或いは上部に超音波センサを一体化することが知られている。

さらに、遠隔装置に誘導的に結合可能な一体型無線ＮＤＴセンサを設けることが知られている。誘導結合は、既知のラジオ周波数認識（ＲＦＩＤ）モジュールに類似した方法で、遠隔装置から一体型センサに電力を提供することを可能にする。誘導結合は、一体化されたセンサから遠隔装置に戻す測定情報の転送の為にも使用可能である。

しかしながら、本発明者達は、ＮＤＴセンサおよび遠隔装置の間の動作可能な誘導結合の為の距離または範囲が既知のシステム、特に、超音波センサのような高周波で動作されるセンサに対して制限されることを認識した。

本発明の第１態様によると、検査対象物の非破壊検査の為の無線超音波センサであって、無線超音波センサは、

超音波振動子と、

超音波振動子に結合される第１誘導コイルと、

第１誘導コイルと並列に、超音波振動子と電気的に結合される第２誘導コイルと、

を備え、

第１誘導コイルおよび第２誘導コイルは、遠隔装置によって、超音波振動子が、その動作周波数で誘導的に動作されることを可能にするように配置され、

第２誘導コイルの外径は、第１誘導コイルの外径より大きい、無線超音波センサが提供される。

既知の無線ＮＤＴセンサにおいて、超音波振動子は、超音波振動子および誘導コイルを備えた誘導子−コンデンサ（ＬＣ）回路の一部を形成する。超音波振動子の動作の為には、ＬＣ回路の共振周波数が超音波振動子の動作周波数と一致しなければならない。超音波振動子を使用するＮＤＴ用途について、この周波数は、一般的に、１〜１０ＭＨｚの範囲にある。所定超音波振動子の為に上記周波数範囲の共振を持つＬＣ回路を提供するために、誘導コイルの概算の必要なインダクタンスは次式で推定できる。

ここで、ｆ₀は、振動子の所望の動作周波数であり、Ｃ_ｐｚは振動子の静電容量である。たとえば、５ＭＨｚの動作周波数および３．５ｎｆの静電容量を持つ１５ｍｍ振動子には、およそ０．２９μＨのインダクタンスを持つ誘導コイルが必要になろう。

そのため、比較的に低いインダクタンスを持つ誘導コイルが、そのような用途に必要である。比較的に低いインダクタンスを持つコイルを提供するため、比較的に小さな巻回数および小さな径を持つコイルを設計することが知られている。ＰＣＢ平坦コイルのような平面コイルでは、コイルインダクタンスは、巻回数および直径が増加すると増加する。当業者にとって理解されるように、コイルインダクタンスの観点で大抵の重要なパラメータは、巻回数であり、次に、コイルの外径に影響する平均コイル径である。

超音波振動子の高周波動作に必要なインダクタンス値を達成するため、誘導コイルは、通常、２５ｍｍおよび５０ｍｍの間の平均直径、１および１０の間の巻回数を有する。

しかしながら、コイル直径が減少すると、動作誘導結合距離が減少することから、小さな平均直径を持つ誘導コイルを使用すると、誘導的に結合される外部装置によって無線ＮＤＴセンサが動作可能な最大の距離を制限することになる。最大読込み距離は、コイルの外径と概略的に同一である。

振動子コイルと並列に結合される第２誘導コイルを含めることによって、ＬＣ回路の共振周波数を超音波振動子の動作に必要な値に維持しつつ、ＮＤＴセンサの遠隔動作範囲を増加させることができる。この効果は、第１誘導コイルの外径より大きな外径を持つ第２誘導コイルを含めることによって達成される。

無線センサの遠隔動作範囲の改良に加えて、２つの誘導コイルの使用は、両方の誘導コイルが誘導結合に役立つので、センサおよび遠隔装置の誘導結合の強度を改良することもできる。そのため、センサおよび遠隔装置の間で送信される信号の振幅も、単一コイル設計と比較して高められる。

第２誘導コイルの外径は、第１誘導コイルの外径より、少なくともとも１．１倍、好ましくは２倍大きくてもよい。

振動子、第１誘導コイル、第２誘導コイルは、同軸配置で装着されてもよい。第１誘導コイルおよび第２誘導コイルは、実質的に同一平面に装着可能である。

これは、検査対象物内に簡単に装着可能な低プロファイルセンサを生じさせる。

第１誘導コイルは、第１誘導コイルおよび超音波振動子が共振主端数を備えた回路を形成するようなインダクタンスを有することができ、この共振周波数は、超音波振動子の動作周波数と一致する。

第１誘導コイルは、０．０５μＨおよび１０μＨの間のインダクタンスを有してもよい。好ましくは、第１誘導コイルは、０．２μＨおよび５μＨの間のインダクタンスを有してもよい。

第２誘導コイルは、０．１μＨおよび２０μＨの間のインダクタンスを有してもよい。好ましくは、第２誘導インダクタンスは、０．２μＨおよび５μＨの間のインダクタンスを有してもよい。

センサは、第１誘導コイルと並列に、超音波振動子と電気的に結合される更なる外部誘導コイルを含んでもよく、各々は、第１誘導コイルの外径より大きな外径を有する更なる誘導コイルを有する。

本発明の第２態様によると、検査対象物を非破壊検査する為の超音波センサを製造する為の方法であって、

第１外径を有する第１誘導コイルを準備するステップと、

第１外径より大きな外径を有する第２誘導コイルを準備するステップと、

超音波振動子に第１誘導コイルを電気的に結合するステップと、

第１誘導コイルと並列に、第２誘導コイルを超音波振動子と電気的に結合するステップと、を有する方法が提供される。

当該方法は、動作周波数で超音波振動子を動作するのに必要なインダクタンス値を計算するステップを含むことができ、第１誘導コイルを準備するステップおよび第２誘導コイルを準備するステップは、

必要なインダクタンス値を有する第１誘導コイルを準備する工程と、

第１直径より大きな直径を有する第２誘導コイルを準備する工程であって、超音波センサの全体のインダクタンスを実質的に変更しないインダクタンスを与える工程と、を有する。

この方法は、第２コイルとは無関係に、必要な周波数の共振回路を形成するインダクタンスを備えた第１コイルを最初に設計することによって、超音波センサのインダクタンスが、振動子の動作周波数に最適化されることを確実にする。第１コイルの直径より大きな直径の第２コイルは、その後、第１コイルと並列に上記回路に追加され、超音波センサ回路の全体のインダクタンスに著しく影響することなく、センサおよび遠隔装置の間の可能な遠隔動作範囲を増加する。本発明者達が見いだしたことは、振動子の動作に悪影響を与えることなく、約２〜３倍で動作範囲が増加可能であることである。

本発明の第３態様によると、検査対象物を非破壊検査する為の無線センサであって、無線センサは、

振動子と、

振動子と電気的に結合される、第１平面誘導コイルと、

第１誘導コイルと並列に振動子と電気的に結合される、第２平面誘導コイルと、を備え、

第１誘導コイルおよび第２誘導コイルは、振動子が、その動作周波数で遠隔装置によって誘導的に動作可能になるように配置され、

第２誘導コイルの外径は、第１誘導コイルの外径より大きい。

これは、低プロファイル配置につながり、ＮＤＴセンサの遠隔動作範囲の増加を可能にする。

第１態様の選択的な特徴は、類似した方法で第３態様に適用可能である。

本発明の第４態様によると、第１態様に従う無線超音波センサと、この無線超音波センサを誘導的に動作させるように配置されたインスペクションワンドとを備える無線非破壊検査システムが提供される。

以下、添付図面を参照して、例示だけを用いて、本発明の実施形態を説明する。
図１は、既知の無線ＮＤＴシステムの概略図である。 図２は、図１の無線超音波センサの回路図である。 図３は、図１の無線超音波センサの単純化された回路図である。 図４は、無線超音波センサの概略図である。 図５は、図４のセンサを含む無線ＮＤＴシステムの概略図である。 図６は、図４の無線超音波センサの回路図である。 図７は、第２実施形態に従う無線超音波センサを製造する為の第１の方法を示す概略図である。

実施形態の説明

最初に図１を参照すると、参照符合１００において、既知の無線ＮＤＴシステムが示されている。ＮＤＴシステムは、検査対象物１０２を検査するように配置され、無線超音波センサ１０４は、検査対象物１０２に埋め込まれるか取り付けられる無線超音波センサ１０４と、インスペクションワンド１０６を備えた遠隔装置とを備える。無線超音波センサ１０４は、誘導コイル１１０と電気的に結合される圧電性超音波振動子１０８を備える。誘導コイル１１０は、誘導結合によるインスペクションワンド１０６によって、無線超音波センサ１０４が遠隔で電力を供給されることを可能にする。誘導コイル１１０は、第１接続部１１２によって振動子１０８の負電極に接続され、第２接続部１１４によって振動子１０８の正電極に接続される。

誘導コイル１１０および超音波振動子１０８は、特定共振周波数を備えたＬＣ回路を共に形成する。使用中、インスペクションワンド１０６は、センサ１０４の方に持ち込まれ、センサ１０４は共振周波数でＬＣ回路に電流を誘導する。これが、振動子１０８に超音波パルスを出力させる。超音波パルスは、検査対象物１０２の表面から反射することができ、反射信号は振動子１０８によって受信され、センサ内で電流を生み出し、誘導結合を経てインスペクションワンド１０６に送信される。

誘導結合がインスペクションワンド１０６およびセンサ１０４の間で行われるために、インスペクションワンド１０６は超音波センサ１０４の距離ｘの範囲内に保持されなければならない。この範囲外では、誘導結合が弱すぎてインスペクションワンド１０６が超音波センサ１０４を動作（すなわち、信号の送信及び／又は受信）させることができない。最大動作距離は、多くの要因によって決定されるが、要因には、センサ１０４の共振周波数、インスペクションワンド１０６の共振周波数、インスペクションワンドおよびセンサの間の材料、コイルの外径が含まれる。

図２は、図１の無線ＮＤＴセンサ１０４の回路図を示す。誘導コイル１１０は、インダクタンスＬ、寄生抵抗Ｒ_ｄ、コンデンサＣ_ｄとして表され、これらは、インピーダンスＺ_ｐｚとして表すことができる圧電性超音波振動子１０８と並列に、電気的に結合される。

超音波センサ内部のような高周波（およそ１〜１０ＭＨｚ）用途にとって、少数巻回（一般的に１〜１０回）のコイルが通常使用されるので、完全な誘導子の前提条件がなされ、誘導コイル１１０の寄生抵抗およびコンデンサが無視できる。そのため、電気回路は、図３に示されるように、コイルＬに関連付けられたインダクタンス、更に、振動子Ｃ_ｐｚに関連付けられたコンデンサに単純化することができる。そのとき、周波数ｆ₀は、以下の式で表される。

誘導コイルの必要インダクタンスは、次式で推定可能である。

コイル径、巻回数、巻回密度のようなコイルパラメータを調整することによってインダクタンスの所定値を達成するようにコイルを設計することが知られている。巻回数のＮ、円の半径Ｒ、線の半径ａ、平均比透磁率μrの円形ループのインダクタンスの式は、次式になる。

超音波振動子を動作させるのに必要な周波数を達成する為に必要なインダクタンスを備えたコイルを設計するため、コイルは、特に巻回数が小さいコイルの場合、小さな直径を有することが必要であり、小さな直径のコイルの為に誘導結合範囲が減少されるので、センサ１０４がインスペクションワンド１０６によって動作可能である距離が制限される。

図４において、第１実施形態に従う無線超音波センサは、参照符合４０４で概略的に示されている。センサ４０４は、圧電性超音波振動子４０６および第１平面誘導コイル４０８を備える。第１誘導コイル４０６は、第１接続部４１０で振動子４０６の負電極に接続され、第２接続部４１２で振動子４０６の正電極に接続されている。

無線超音波センサ４０４は、外径ｄ2を有する第２平面誘導コイル４１４を更に備え、外径ｄ2は、第１誘導コイル４０８の外径ｄ1より大きい。第２誘導コイル４１４は、第３接続部４１６で振動子４０６の負電極に接続され、第４接続部４１８で振動子４０６の正電極に接続されている。そのため、第１誘導コイル４０８及び第２誘導コイル４１４は、振動子４０６と並列に接続されている。一部の実施形態において、更なる外部誘導コイルが第１誘導コイル４０８と並列に設けられてもよい。

図４に示される実施形態において、第１誘導コイル４０８は、３５ｍｍおよび７５ｍｍの間の外径ｄ1を有し、第２誘導コイル４１４は、３８．５ｍｍおよび１５０ｍｍの間の外径ｄ2を有する。しかしながら、一部の実施形態において、第１誘導コイルは、３５ｍｍおよび１００ｍｍの間の外径ｄ1を有し、第２誘導コイルは、３８．５ｍｍおよび２００ｍｍの間の外径ｄ2を有し、外部コイルの外径が内部コイルの外径の１．１倍にすることができる。外部コイルの内径は、内部コイルの外径の少なくとも１．１倍であり、特に低プロファイルを有する入れ子式配置を可能にしてもよい。

第１誘導コイル４０８は、１および２０の間の巻回を有することができる。第２誘導コイル４１４は、１および２０の間の巻回を有することができる。

内部コイル４０８および外部コイル４１４は、任意の適したワイヤ半径を有することができる。一部の実施形態において、ワイヤ半径は、各コイル４０８，４１４について同一であってもよい。

図５は、図４の無線超音波センサ４０４と、遠隔装置（この場合、インスペクションワンド５０４）を含む無線ＮＤＴシステムを示し、無線超音波センサ４０４は、検査対象物５０２に埋め込まれるか取り付けられる。無線超音波センサ４０４は、図１の無線ＮＤＴシステムと類似した態様で、インスペクションワンド５０４によって誘導的に動作可能である。しかしながら、無線超音波センサ４０４は、第１誘導コイル４０８および第２誘導コイル４１４を含むことから、図５のＮＤＴシステム５００は、図１のＮＤＴシステムで可能であろう距離より長い、インスペクションワンド５０４および無線超音波センサ４０４の間の距離ｘ２で動作可能である。

図６は、図４の無線ＮＤＴセンサの回路図を示す。第１誘導コイル４０８は、インダクタンスＬ、寄生抵抗Ｒ_ｄ、コンデンサＣ_ｄとして表すことができる。第２誘導コイル４１４は、インダクタンスＬ_２、寄生抵抗Ｒ_２ｄ、コンデンサＣ_２ｄとして表すことができる。第１誘導コイルおよび第２誘導コイルは、インピーダンスＺ_ｐｚとして表すことができる圧電性超音波振動子１０８と並列に結合される。さらに、第１誘導コイルおよび第２誘導コイルも同様に、それぞれ、関連付けられた電圧ＶおよびＶ₂を有し、これらは、コイル間の相互インダクタンスによって生じる誘導電圧である。

センサは、（コイルの寄生抵抗およびコンデンサが無視できるとき）次式によって求められる第１誘導コイルおよび第２誘導コイルのインダクタンス値によって定められる全体のインダクタンスを有する。

Ｌeqが全体のインダクタンスである場合、Ｌは第１コイルのインダクタンス、Ｌ2は第２コイルのインダクタンス、Ｍはコイル間の相互インダクタンスである。そのため、第２コイルのインダクタンスが第１コイルに対して増加すると、無線超音波センサ４０４の全体のインダクタンスＬeqは、第１コイル４０８のインダクタンスに近づく。これは、センサの動作範囲を高めるため、大きな径を持つ第２コイルをセンサ内に含むことを可能にする一方、高周波用途の為の共振周波数を与えるようにセンサの全体のインダクタンスを十分に低くすることを可能にする。範囲の改良は、一方の誘導コイルの外径が他方の誘導コイルの外径より大きく、ＬＣ回路の共振周波数が振動子を動作させる限り、誘導コイル平均直径の任意の組合せについて考慮することができる。

一部の実施形態において、寄生抵抗およびコンデンサによるエネルギ損失はコイルの直径が増加すると増加するので、第２誘導コイル４１４は、無視できない寄生抵抗およびコンデンサを有してもよい。この場合、寄生コンデンサを釣り合わせるが著しい寄生抵抗にならないインダクタンスＬ₂を与えるのに十分な巻回数および直径を有するように外部コイル４１４を設計することができる。

以下、図７を参照すると、超音波無線振動子を製造する方法が、参照符合７００で概略的に示されている。

ステップ７０２において、特定動作周波数および既知の静電容量を有する超音波振動子が準備される。

ステップ７０４において、動作周波数における共振を持つＬＣ回路を形成するのに必要な振動子用コイルの必要なインダクタンスが計算される。

ステップ７０６において、第１直径を持ち、計算された必要インダクタンスを有する第１誘導コイルが準備される。

ステップ７０８において、第２誘導コイルの外径が決定される。第２誘導コイルの内径は、第１誘導コイルの外径より大きな値を有してもよい。第２誘導コイルの外径は、所定用途の為に必要な読込み距離および／または最大センサフットプリントによって決定される。たとえば、外径は、最適読込み距離でかけ算された２の平方根の２倍にほぼ等しく（２＊√（２）＊読込み距離）、最大読込み距離にほぼひとしい。

ステップ７１０において、第１誘導コイルおよび第２誘導コイルは、各々が、超音波振動子の正負電極と並列に接続される。

前述したように、センサ範囲の改良は、一方の誘導コイルの平均直径が他方の誘導コイルの平均直径より大きく、ＬＣ回路の共振周波数が振動子を動作させる限り、誘導コイル平均直径の任意の組合せについて考慮することができる。そのため、当該方法は、

第１平均直径を有する第１誘導コイルを準備するステップと、

第１直径より大きな平均直径を有する第２誘導コイルを準備するステップと、

第１誘導コイルを超音波振動子と電気的に結合するステップと、

第１誘導コイルと並列に、第２誘導コイルを超音波振動子と電気的に結合するステップと、を有する。

Claims (9)

1. 検査対象物を非破壊検査する為の無線超音波センサであって、
   超音波振動子と、
   前記超音波振動子と電気的に結合される、第１誘導コイルと、
   前記第１誘導コイルと並列に、前記超音波振動子と電気的に結合される、第２誘導コイルと、
   を備え、
   前記第１誘導コイルおよび第２誘導コイルは、遠隔装置によって、前記超音波振動子の動作周波数で、前記振動子を誘導的に動作させるように配置され、
   前記第２誘導コイルの外径は、前記第１誘導コイルの外径より大きい、無線超音波センサ。
2. 前記第２誘導コイルの前記外径は、前記第１誘導コイルの前記外径より、少なくとも１．１倍大きい、請求項１に記載の無線超音波センサ。
3. 前記振動子、前記第１誘導コイル、前記第２誘導コイルは、実質的に同軸配置で装着される、請求項１または２に記載の無線超音波センサ。
4. 前記第１誘導コイルおよび前記第２誘導コイルは、実質的に同一平面で装着される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の無線超音波センサ。
5. 前記第１誘導コイルは、前記第１誘導コイルおよび前記超音波振動子が、前記超音波振動子の最適動作周波数と一致する共振周波数を伴う回路を形成するようなインダクタンスを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の無線超音波センサ。
6. 前記第１誘導コイルは、０．０５μＨおよび１０μＨの間のインダクタンスを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の無線超音波センサ。
7. 前記第２誘導コイルは、０．１μＨおよび２０μＨの間のインダクタンスを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の無線超音波センサ。
8. 検査対象物を非破壊検査する為の超音波センサを製造する為の方法であって、
   第１外径を有する第１誘導コイルを準備するステップと、
   前記第１外径より大きい外径を有する第２誘導コイルを準備するステップと、
   前記第１誘導コイルを超音波振動子と電気的に結合するステップと、
   前記第１誘導コイルと並列に、前記第２誘導コイルを前記超音波振動子と電気的に結合させるステップと、
   動作周波数で前記超音波振動子を動作させるのに必要なインダクタンス値を計算するステップと、
   を有し、前記第１誘導コイルおよび第２誘導コイルを準備する前記ステップが、
   前記必要なインダクタンス値を有する第１誘導コイルを準備する工程と、
   前記第１外径より大きく、前記超音波センサの前記全体のインダクタンスを実質的に変更しないインダクタンスを与える外径を有する第２誘導コイルを準備する工程と、
   を有する方法。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の無線超音波センサと、前記無線超音波センサを誘導的に動作させるように配置されたインスペクションワンドとを備える無線非破壊検査システム。

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