JPH09166584A

JPH09166584A - 蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JPH09166584A
Application number: JP34720795A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Otani; 俊博大谷; Hirotsugu Ogi; 博次荻; Masahiko Hirao; 雅彦平尾
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 1997-06-24
Anticipated expiration: 2015-12-13
Also published as: JP3052050B2

Abstract

(57)【要約】【課題】トランスデューサの性能向上、品質の安定、
精密・小型化を図った蛇行コイル型電磁超音波トランス
デューサを提供すること。【解決手段】絶縁シート４１の両面にエッチング又は
印刷技術を用いて形成した導電性材料からなる蛇行状コ
イル４２、４３を該絶縁シート４１を介在して蛇行状コ
イル４２、４３が互いに対向するように配置した蛇行シ
ートコイル４０を具備する。また、絶縁シート４１の両
面に配置した蛇行状コイル４２、４３のうち一方は電磁
超音波を発生し、他方は検知作用を有し、それぞれ独立
していて、該渦巻状のコイルの端部にはスルーホールを
介して他方の面に通じ、外部リード線と一方で結線す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導電材料の表面及
び内部の傷の検出、残留応力の検出、材料特性（弾性係
数、減衰係数）の測定、荷重、熱等による材料内部の損
傷、劣化を検出する電磁超音波トランスデューサに関す
るものである。

【０００２】

【従来技術】図１３は従来のこの種の蛇行コイル型電磁
超音波トランスデューサの構成を示す図である。図示す
るように、蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサは
被測定物である平板状の鋼板１００の上に蛇行コイル１
０１を配置し、その上部に静磁場（バイアス磁場）を形
成する永久磁石１０２を配置した構成である。

【０００３】上記構成の蛇行コイル型電磁超音波トラン
スデューサに蛇行コイル１０１に高周波の電流を流すこ
とにより、蛇行コイル１０１の平行部直下で交互に逆向
きの高周波電流が流れる。これにより互いに逆向きにロ
ーレンツ力が発生し、鋼板１００内には平行線に垂直な
方向に超音波１０４が発生する。この超音波１０４は鋼
板１００の表面や内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化
等の端面て反射し、この反射波が表面近傍に達すると、
力が生じこの力と前記静磁場の相互作用により電流が発
生し、この電流を蛇行コイル１０１により、鋼板１００
の表面や内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等を計測
する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来構成の蛇行コ
イル型電磁超音波トランスデューサにおいては、電磁超
音波を発生する送信用とし、他方は検知作用を有し受信
用とし１つのコイルで兼ねている。このため、Ｓ／Ｎ比
が低く、ゲインが大きくとれないという問題があった。
また、蛇行コイル１０１を円筒状の被測定物に配置した
例もなく、円筒状の被測定物の表面や内部の傷、欠陥、
結晶粒界、組織変化等を計測することができなかった。

【０００５】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、Ｓ／Ｎ比が高く且つゲインが大きくとれる性能向
上、品質の安定、精密・小型化を図った蛇行型電磁超音
波トランスデューサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の発明は、静磁場をつくる磁石と交番磁
界をつくる蛇行コイルを具備する蛇行コイル型電磁超音
波トランスデューサにおいて、蛇行コイルを電磁超音波
を発生する送信用と、検知作用を有する受信用に分けて
設けたことを特徴とする。

【０００７】また、請求項２に記載の発明は、静磁場を
つくる磁石と交番磁界をつくる蛇行コイルを具備する蛇
行コイル型電磁超音波トランスデューサにおいて、蛇行
コイルは絶縁シートの両面に導電性材料からなる蛇行状
コイルを該絶縁シートを介在して互いに対向するように
配置した蛇行シートコイルであることを特徴とする。

【０００８】また、請求項３に記載の発明は請求項２に
記載の発明において、前記絶縁シートの両面に配置した
蛇行状コイルのうち一方は電磁超音波を発生する送信用
とし、他方は検知作用を有し受信用とし、それぞれ独立
していて、該蛇行状コイルの一方端部はスルーホールを
介して他方の面に通し外部リード線と接続し、他方の端
部はアースを共通にするように接続したことを特徴とす
る。

【０００９】また、請求項４に記載の発明は請求項２又
は３に記載の発明において、前記静磁場をつくる磁石を
ソレノイドコイルとし、前記蛇行シートコイルを円筒状
の被測定物の表面に設け、ソレノイドコイルの中空部と
被測定物の中空部を磁性体のコア材で接続したことを特
徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図２及び図３は蛇行コイル型電磁
超音波トランスデューサの計測原理を説明するための図
で、図２はトランスデューサの概略構成、図３はコイル
直下の被測定物表面挙動をそれぞれ示す。電磁超音波ト
ランスデューサは図２に示すように、静磁場をつくるソ
レノイドコイル２と交番磁界をつくる蛇行状コイル３と
を具備し、静磁場をつくるソレノイドコイル２に直流電
源２２より直流電流２４を流すことにより、被測定物５
を静磁場４で磁化させ、その後、その磁界に垂直に配置
した蛇行状コイル３にコントローラ２３から高周波電流
６を流すことにより、図３に示すように蛇行状コイル３
の平行部直下７では高周波電流６による交番磁場８が静
磁場４と垂直に発生し、合成磁場１０が静磁場４に対し
角度９方向に発生する。

【００１１】隣合うコイル直下１１ではその合成磁場１
０の方向は静磁場４の方向に対し対称である。そのた
め、被測定物５の微小部分１２では磁わい効果によって
剪断変形が生じる。交番磁場８の方向が変わることによ
り、矢印１４の方向に超音波（軸対称ＳＨ波）１５が発
生する。この超音波１５は矢印１４の方向に進み、被測
定物５の表面や内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変化等
の端面で反射し矢印１７に進み表面近傍に達すると、力
１８が生じこの力１８と静磁場４との相互作用により電
流１９を生じる。この電流を蛇行状コイル３により検出
し、プリアンプ２０により増幅し、更に主アンプ２１で
増幅してコントローラ２３に送り解析することにより、
被測定物５の表面や内部の傷、欠陥、結晶粒界、組織変
化等を計測する。

【００１２】図１は本発明の蛇行コイル型電磁超音波ト
ランスデューサに用いる蛇行シートコイルの概略構成を
示す図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図
（ａ）のＡ−Ａ断面図である。蛇行シートコイル３０は
図示するように、３本のエナメル線を相隣あうように手
巻きし樹脂３１で固めながら被測定物に適した形状に成
形したものである。

【００１３】蛇行状コイル３の真中の１本３ａは電磁気
的作用により超音波を発生する送信用とし、両側の２本
３ｂは検知作用を有し受信用としている。このように送
信用と受信用を分けて設けることにより、Ｓ／Ｎ比が高
くなり、ゲインを大きくすることが可能となる。

【００１４】図４は本発明の蛇行コイル型電磁超音波ト
ランスデューサに用いる蛇行シートコイルの他の概略構
成を示す図で、同図（ａ）平面図、同図（ｂ）は同図
（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本蛇行シートコイル４０
は、耐熱性の樹脂（例えばポリイミド系）からなる絶縁
シート４１の両面にエッチング又は印刷技術を用いて形
成した導電性材料からなる蛇行状コイル４２と蛇行状コ
イル４３が絶縁シート４１を介在して互いに対向して配
置し、更に蛇行状コイル４２の面と蛇行状コイル４３の
面に耐熱性で且つ絶縁性の接着材で絶縁シート４４、４
４を接着した構造である。

【００１５】蛇行状コイル４２及び蛇行状コイル４３の
いずれか一方は電磁気的作用により超音波を発する送信
用で、他方は検知作用を有する受信用になっている。ど
ちらが上面にくるかは決まっていないが、電磁超音波ト
ランスデューサは、送信より受信特性の方が優れている
ので、通常、送信面が被計測材料側に位置することが多
い。

【００１６】次に、上記構成の蛇行シートコイルの製造
方法を図５に基づいて説明する。先ず、図５の（１）に
示すように、所定の外形寸法に切断した厚さ２５μｍ程
度の耐熱性のある絶縁シート（例えばポリイミド系の樹
脂シート）４４に厚さ１８〜７０μｍ程度の銅箔４５を
接着材で接着したものを用意する。

【００１７】次に、図５の（２）に示すように、銅箔４
５をエッチング処理して蛇行状に形成し蛇行状コイル４
２、４３（図４参照）のパターンを形成する。なお、該
パターンは回路印刷技術を用いて形成しても良いことは
当然である。

【００１８】次に、図５の（３）に示すように、蛇行状
コイル４２、４３のパターンが形成された絶縁シート４
４のパターン形成側の面に耐熱性の接着材４６を塗布す
る。この接着材４６は後述する絶縁シートを接着するだ
けでなく、蛇行状コイル４２、４３の隣合うパターン
（線）間の絶縁材としての役割も果たす。

【００１９】次に、図５の（４）に示すように、耐熱性
のある絶縁シート４１を蛇行状コイル４２、４３の上面
に接着する。

【００２０】次に、図５の（５）に示すように、絶縁シ
ート４１の上面に接着材４７を塗布する。

【００２１】次に、図５の（６）に示すように、同図の
（２）で作成した蛇行状コイル４２又は４３のパターン
が形成された絶縁シート４４を同図の（５）で作成した
絶縁シート４１の接着材４７に接着して蛇行シートコイ
ル４０が完成する。なお、蛇行状コイル４２及び４３の
一方の端部（例えば４２ａ、４３ａ）はスルーホール４
９により絶縁シート４４を通して他方の面に通じ、外部
リード線と接続し、他方の端部（例えば４２ｂ、４３
ｂ）はスルーホール４９を介してアース部が共通になる
ように接続する（図４参照）。

【００２２】上記製造方法に基づいて、図４に示す構成
の蛇行シートコイルを製作した寸法例は下記の通りであ
る。絶縁シート４１の外形寸法は長さＬ＝４４．５ｍ
ｍ、幅Ｗ＝２５ｍｍ、厚さＨ＝０．０２５ｍｍ、蛇行状
コイル４２及び４３は幅Ｌ１＝０．１１ｍｍ、ピッチ間
隔Ｗ１＝０．９ｍｍ、厚さＨ１＝０．０２５ｍｍ、蛇行
回数４８である。この蛇行状コイル４２、４３の抵抗値
は１２Ω、インダクタンス１μＨで、性能上十分な感度
を有するトランスデューサの蛇行シートコイル４０が得
られた。

【００２３】蛇行型コイル電磁超音波トランスデューサ
の蛇行シートコイルに図４に示すような構成を採用する
ことにより、下記のような優れた作用効果が得られる。

【００２４】第１に、絶縁シート４１は数十ミクロン程
度の例えばポリイミド系の耐熱性絶縁シートであり、該
絶縁シート４１を挟んで受信用コイルとなる蛇行状コイ
ル４２又は４３と受信用コイルとなる蛇行状コイル４３
又は４２は対向して配置するので、送信した波の反射波
を同じ位置で捕らえることができ、従来のように３本の
線の内、真中の１本を送信用コイルとし両側の２本を受
信用コイルにして、受信信号を平均化した場合より、精
度のよい計測が可能である。

【００２５】第２に、従来の手巻に比べて蛇行状コイル
４２及び４３のコイルピッチ間隔Ｗ１が格段に精度良く
作成されるので、安定した超音波の受信が可能となる。

【００２６】第３に、絶縁シート４１の接着に絶縁性の
接着材４６を用いることにより、蛇行状コイル４２及び
４３のコイル間の絶縁も可能となり、計測時１０００Ｖ
前後の電圧に耐えうることが可能になる。

【００２７】第４に、従来のエナメル線等の被覆銅線を
手巻したものに比ベ、両面にコイルを配置することによ
り、品質の均一化、小型・精密化、製作時間の短縮、そ
して理想的な平行コイルによる高機能化（Ｓ／Ｎ比の改
善）が可能になる。

【００２８】第５に、蛇行シートコイル４０を平面化
（シート化）することにより、弾性に富み、非測定物の
コイル間に凹凸がなくなる。

【００２９】図６乃至図１２は上記構成の蛇行シートコ
イルを用いた本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランス
デューサの構成を示す図である。図６に示す蛇行コイル
型電磁超音波トランスデューサは、蛇行シートコイル４
０を円筒状の被測定物の外周におき、静磁場をつくるソ
レノイドコイル２の中空部と円筒状の被測定物５の中空
部とは磁性体からなるコア材２４を通して磁気回路が形
成する。これにより被測定物５の軸方向に静磁場を発生
させ、超音波（軸対称ＳＨ波）を発生させる。また、蛇
行シートコイル４０の上面の蛇行状コイル（受信用コイ
ル）と下面の蛇行状コイル（送信用コイル）のアース部
Ｅは互いに接続されている。なお、図６において、図１
と同一符号を付した部分は同一作用を奏する部分を示
す。また、図７乃至図１２においても同様とする。

【００３０】図７に示す構成の蛇行コイル型電磁超音波
トランスデューサは、ソレノイドコイル２と被測定物５
とを磁気的に結合するコア材２４をコ字状に形成すると
共にその両端を筒状（リング状）に形成している。該筒
状部２４ａは中央部分（実線Ａ部分）で上下に分割でき
るようになっており、被測定物５を装着するときは下方
部を外し、上方部の凹部に被測定物５を挿入し、その後
図示しない手段により下方部を上方部に結合して行な
う。筒状部２４ａをこのように構成することにより、円
筒状の被測定物５の両端の径が該筒状部２４ａの中空部
の内径より大きく、被測定物５を該中空部に通せない場
合でも被測定物５を筒状部２４ａに容易に装着できる。
円筒状の被測定物５の外周に蛇行シートコイル４０をお
き、被測定物５の長手方向に静磁場を発生させ、超音波
（軸対称ＳＨ波）を発生させる。

【００３１】図８に示す構成の蛇行コイル型電磁超音波
トランスデューサは、静磁場をつくるソレノイドコイル
２の中空部に円筒状の被測定物５を通し、該被測定物５
の外周に蛇行シートコイル４０をおき、被測定物５の長
手方向に静磁場を発生させ、超音波（軸対称ＳＨ波）を
発生させる。

【００３２】図９に示す構成の蛇行型電磁超音波トラン
スデューサは、板状の被測定物５の静磁場発生用の永久
磁石（又は電磁石）２５、２５を被測定物の軸方向に静
磁場が発生するように所定の間隔をおいて配置し、その
間に２枚の蛇行シートコイル４０、４０を所定の間隔を
おいて配置している。蛇行シートコイル４０、４０は従
来通り、一方を発信用として使えるが、両者共に送信と
受信を行なうように使うこともできる。この場合、超音
波は両者から同時に発生され、両者で同時に受信される
ため、より高いＳ／Ｎ比を得ることができる。図では左
側の発信用蛇行シートコイル４０から右側の受信用蛇行
シートコイル４０に超音波（表面ＳＨ波）信号が送られ
る。

【００３３】図１０に示す構成の蛇行型電磁超音波トラ
ンスデューサは、図９に示す蛇行型電磁超音波トランス
デューサの一方の蛇行シートコイル４０（図では左側の
蛇行シートコイル４０）の下面の蛇行状コイルと他方の
蛇行シートコイル４０（図では右側の蛇行シートコイル
４０）の下面の蛇行状コイルにコントローラ２３から電
圧を加えて両蛇行シートコイル４０、４０から超音波を
同時に送信し、両者の上面の蛇行状コイルで受信するよ
うに構成したものであり、このように構成することによ
り、いっそう感度が良くなる。なお、図１０において、
蛇行シートコイル４０の上面の蛇行状コイル（受信用コ
イル）と下面の蛇行状コイル（送信用コイル）のアース
部Ｅは互いに接続されている点は図６の場合と同様であ
る。また、図示は省略するが、図７、図８の場合も同様
である。また、図１１、図１２の場合も上下面の両蛇行
状コイルを使用する場合は同様である。

【００３４】図１１及び図１２に示す構成の蛇行コイル
型電磁超音波トランスデューサは、板状の被測定物５の
上にその厚さ方向に静磁場を発生する永久磁石（又は電
磁石）２５、該被測定物５と永久磁石（又は電磁石）２
５の間に２枚の蛇行シートコイル４０、４０を所定の間
隔をおいて配置している。蛇行シートコイル４０、４０
の内一方が発信用、他方が受信用となる。なお、蛇行シ
ートコイル４０、４０とコントローラ、主アンプ及びプ
リアンプとの配線は図９及び図１０に示すものと略同一
となるのでその図示は省略する。図１１及び図１２では
右側の発信用蛇行シートコイル４０から左側の受信用蛇
行シートコイル４０に超音波（ＳＯ波）信号が送られ
る。なお、図１０及び図１１において、（ａ）は永久磁
石（又は電磁石）２５と蛇行シートコイルの正面配置関
係を、（ｂ）は平面配置関係をそれぞれ示す。

【００３５】図６乃至図１２に示す構成の蛇行コイル型
電磁超音波トランスデューサの構成例において、図１１
は超音波を発生させる起振力がローレンツ力によるもの
で、その他は磁わい力によるものである。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、下
記のような優れた効果が得られる。（１）蛇行コイルを電磁超音波を発生する送信用と、検
知作用を有する受信用に分けて設けたので、Ｓ／Ｎ比が
高く、ゲインが大きくとれる。

【００３７】（２）絶縁シートの両面に導電性材料から
なる蛇行状コイルを該絶縁シートを介在して両蛇行状コ
イルが互いに対向するように配置して弾力性に富んだ蛇
行シートコイルとし、送信用の蛇行状コイルと受信用の
蛇行状コイルをそれぞれ持つ電磁超音波トランスデュー
サとするので、手作りでは製作できない性能の向上、安
定性、品質の均一化、小型・精密化、製作時間の短縮
化、そして理想的な平行コイルによる高機能化（Ｓ／Ｎ
比の改善）が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデュ
ーサに用いる蛇行シートコイルの概略構成を示す図で、
同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ
断面図である。

【図２】蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサの計
測原理を説明するための図である。

【図３】蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサの計
測原理を説明するための図である。

【図４】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデュ
ーサに用いる蛇行シートコイルの概略構成を示す図で、
同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ
断面図である。

【図５】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデュ
ーサの蛇行シートコイルの製造方法を説明するための図
である。

【図６】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデュ
ーサの概略構成例を示す図である。

【図７】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデュ
ーサの概略構成例を示す図である。

【図８】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデュ
ーサの概略構成例を示す図である。

【図９】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデュ
ーサの概略構成例を示す図である。

【図１０】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデ
ューサの概略構成例を示す図である。

【図１１】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデ
ューサの概略構成例を示す図である。

【図１２】本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデ
ューサの概略構成例を示す図である。

【図１３】従来の蛇行コイル型電磁超音波トランスデュ
ーサの概略構成を示す図である。

【符号の説明】

２ソレノイドコイル３蛇行状コイル５被測定物２０プリアンプ２１主アンプ２２直流電源２３コントローラ２４コア材３０蛇行シートコイル４０蛇行シートコイル４１絶縁シート４２蛇行状コイル４３蛇行状コイル４４絶縁シート４５銅箔４６接着材４７接着材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静磁場をつくる磁石と交番磁界をつくる
蛇行コイルを具備する蛇行コイル型電磁超音波トランス
デューサにおいて、前記蛇行コイルを電磁超音波を発生する送信用と、検知
作用を有する受信用に分けて設けたことを特徴とする蛇
行コイル型電磁超音波トランスデューサ。
【請求項２】静磁場をつくる磁石と交番磁界をつくる
蛇行コイルを具備する蛇行コイル型電磁超音波トランス
デューサにおいて、前記蛇行コイルは絶縁シートの両面に導電性材料からな
る蛇行状コイルを該絶縁シートを介在して互いに対向す
るように配置した蛇行シートコイルであることを特徴と
する蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサ。
【請求項３】前記絶縁シートの両面に配置した蛇行状
コイルのうち一方は電磁超音波を発生する送信用とし、
他方は検知作用を有し受信用とし、それぞれ独立してい
て、該蛇行状コイルの一方端部はスルーホールを介して
他方の面に通し外部リード線と接続し、他方の端部はア
ースを共通にするように接続したことを特徴とする請求
項２に記載の蛇行型電磁超音波トランスデューサ。
【請求項４】前記静磁場をつくる磁石をソレノイドコ
イルとし、前記蛇行シートコイルを円筒状の被測定物の
表面に設け、前記ソレノイドコイルの中空部と被測定物
の中空部を磁性体のコア材で接続したことを特徴とする
請求項２又は３に記載の蛇行型電磁超音波トランスデュ
ーサ。