JPS5883255A - 電磁式超音波発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電磁現象を利用して、被検査物体中に超音波
−を発生。伝播させる電磁式超音波発生装置に係り、特
に該物体の表面に超音波源を形成する渦電流の高電流密
度化に好適な送信コイルと信号発生器を備えた電磁式超
音波発生装置に関する。

一般に、電磁式超音波発生装置は、３種類のタイプに大
別される。

第１のタイプは、第１図のように、被検物体２の導電性
表面２１に近接して送信コイル１を配置し、信号発生器
３より該送信コイル１に流すパルス波・バースト波・交
流連続波等の変化電流によって、該導電性表面２１に発
生される渦電流１２と、上記変化電流によって生起され
る変化磁界１１との相互作用によって、該導電性表面２
１から被検物体２内へ伝播する超音波（縦波）１３を発
生させるものである（例えば、特許第５６９３５０号明
細書参照）。

第２のタイプは、第２図のように、励磁コイル４１と磁
芯４から成る電磁石や、永久磁石等を用いた磁石によっ
て、上記導電性表面２１に平行な磁界を与え、その磁界
と、第１図の場合と同様に、送信コイル１によって発生
される渦電流１２との相互作用によって、被検物体２内
に伝播する超音波（縦波）１３を発生するものである。

第３のタイプは、第３図のように、第２のタイプと同様
に磁石を用いて、導電性表面２１に流れる渦電流１２と
垂直な静磁界を与え、該静磁界と上記渦電流１２との相
互作用で、被検物体２内に伝播する超音波（横波）１３
を発生するものである。

これらの電磁式超音波発生装置において、発生する超音
波の振幅は、第１のタイプでは、送信コイル１に流す変
化電流の２乗に比例し、また第２および第３のタイプで
は、該変化電流に比例する。

それ故に、倒れの場合でも、強力な超音波を発生させる
ためには、大きな変化電流を送信コイルに流す必要があ
る。

前記送信コイルに電流を供給する信号発生器の所要出力
電圧値は、該送信コイルに電流を流している状態で、そ
の電流値と送信コイルのインピーダンスとの積に等しい
値となる。現在、その値として数ＫＶ乃至十ｆｆＫＶが
多く用いられているが、電気商品取締法妬則った厳しい
安全対策が必要である。

一方、例えば特公昭５６−４８６７号公報に示されるよ
うに、送信コイルとして複数個積層したコイルを用い、
これらを信号発生器に並列接続すること釦より、感度を
向上させる方法が知られている。

その場合は、同じ送信電流を流すのに必要な信号発生器
出力電圧は下げることが可能である。

しかし、この方法には、以下のような欠点がある。

１）　積層したコイルのうち、被検物体の導電性表面か
ら遠い位置にあるコイルは、超音波の発生に寄与する割
合が低く効率が悪い。

２）　複数のコ・イルに流す電流の振幅や位相を、各々
のコイル毎に調整することが難しい。

３）　前記１）、　２）から、感度向上のためには、前
記導電性表面に近いコイルに大電流を流すことが必要と
なり、このためには、結局信号発生器の出力電圧を高く
せざるを得ない。

４）　積層コイルの並列接続によ゛つて、送信コイルの
インピーダンスを下げると、信号発生回路の出力電圧の
引下げに反比例して、出力電流を大きくせねばならない
。

本発明の目的は、上記公知技術の欠点を無くし、感電等
、高電圧に伴う危険の少ない電磁式超音波発生装置を提
供することにある。

本発明は、超音波を発生するだめの渦電流を流すのに必
要な、信号発生器の出力電圧が、送信コイルのインピー
ダンスに依存し、該送信コイルのインピーダンスを下げ
れば上記出力電圧が低くとも同じ渦電流を流せることに
着目し、送信コイルを分割して各分割コイルのインピー
ダンスを下げ、さらに該複数の分割コイルに複数の信号
発生器から電流を供給することにより、低い信号発生器
の出力電圧で、大きなしかも自由度の大きい渦電流密度
分布を得ることを可能にしたものである。

以下、本発明の一実施例を、図面によって説明する。

第４図（ａ）において、送信コイルは１−１．１−２゜
・・・、ｌ−ｎ、！：ｎ分割され、同期信号発生器６に
従ってはゾ同位相の信号電流を出力する信号発生回路３
−１．３−２．・・・、３−ｎの出力端に、１対１に対
応して接続されている。

分割された各々のコイル１−１〜ｌ−ｎは、後述するよ
うに、互いに近接して配置されており、上記信号発生回
路３−１〜３−ｎの出力電流により、独立に駆動される
。そして、これらの各分割コイルは、全体として、分割
される以前の送信コイル（第１〜第３図における符号１
のコイル）のエリアをカバーする。

信号発生回路３−１〜３−ｎは、例えば第４図（ｂ）の
ような半導体スイッチング素子３２を用いたパルス発生
回路３１によって実現できる。なお、第４図（ｂ）にお
いて、３３は高圧ＤＣ入力端子、３４は同期入力端子、
３５．３７は抵抗、３６はキャパシタである。

送信コイルの分割方法の例を、第５図乃至第１０図に示
す。

第５図は、第１図〜第３図の渦巻き状送信コイル１を同
心円状に２分割した例で、同図（ａ）が平面形状を、ま
だ同図（ｂ）が側面形状を示す。〔以下、第６〜第９図
において（ａ）及び（ｂ）の記号は同様に使用される。

〕 この場合、夫々のコイル１−１および１−２の巻き数の
和が、元のコイルと同じで、かつ、流す電流値が同一で
あれば、導電性表面２１に、第１図〜第３図の場合とほ
ぼ等価な超音波源が形成される。また、分割された各々
コイル１−１．１−２゜のインピーダンスは、元のコイ
ルのそれより小なので、信号発生回路のより低い出力電
圧でも、分割前と同じ電流を流すことができる。

々お、この場合、同心円状に形成される渦電流の径方向
の分布を調整でき、超音波源に同様の重み付けができる
。さらに、第５図では、コイルを２分割した例を示した
が、最小１ターンまでのコイルに多分割することも可能
であることは、もちろんである。

第６図と第７図は、第１図〜第３図の送信コイル１を、
小さな同様の形状のコイル１−１〜１−４の集合として
近似したもので、それぞれ４分割及び３分割の例である
。

前記第５図〜第７図に示したように、平面状に配置され
た分割コイルは、分割された個々の送信コイルと導電性
表面とが近接しているので、超音波への変換効率が高い
という利点がある。

第８図は、第１図〜第３図の送信コイル１を、図様な形
状のコイル１−１と１−２に、上下に２分割して積層配
置したものである。この場合、各コイル１−１．１−２
には別々の信号発生器から電流を供給するので、導電性
表面２１に近いコイル１−２に重み付けして電流を供給
することができ、効率を上げられる。

第９図は、第１図〜第３図の送信コイル１が楕円形であ
る場合に、これを３つの円形コイル１−１〜１−３で置
換した例である。中央の分割コイル１−３は、中央付近
の渦電流を整形し、元のコイル１の作る楕円形の渦電流
に近くする働きをする。

第１０図は、第１図〜第３図に示した円形の送信コイル
１を、３つの楕円形コイル１−１〜１−３で近似した例
で、第６図や第７図に関して前述したのと同様の効果が
ある。また、コイルを半分ずつ重ねて配置して、コイル
間隔をｄ／２にすれば、第９図の場合と同様の原理によ
り、より一層円形に近い渦電流を発生させることができ
る。

上記した本発明の実施例によれば、前記公知技術に較べ
、出力電圧の小さい信号発生器を用いても、高い渦電流
密度分布を得ることができる。

また、分割形コイルは、絶縁基板上に、印刷・蒸着・ス
パッタ等の方法で形成することも可能で、この場合は複
雑な形状のコイルが得られ、それに応じた強度分布をも
つ超音波源の生成が可能である。

第１１図は、本発明の他の実施例を示し、複数個のコイ
ル１−１〜１−ｎと直列に、インピーダンス５−１〜５
−ｎを接続したものである。この構成では、それぞれの
インピーダンス５−１〜５−ｎの値を調整することによ
り、各コイル１−１〜１−ｎを流れる電流のバランスを
とるのが容易であり、また周波数等も調節可能である。

さらに、該コイル１−１〜ｌ−ｎの１部を直列に接続す
ることによっても、同様の効果が得られる。まだ、上記
各インピーダンスは、上記各コイルと並列に接続しても
、同様の効果を得ることが可能である。

第１２図は、本発明の第３の実施例を示し、複数の信号
発生器３−１．３−２．・・・、３−ｎに、遅延回路等
によって構成される位相制御回路７−１゜７−２．・・
・、７−ｎがそれぞれ接続されたものである。この構成
では、それぞれの送信コイル１−１゜１−２．・・・、
１−ｎに流す電流の位相を調整することにより、被検物
体内に伝播される超音波ビームの状態を制御することが
可能である。

この場合、送信コイルの形状や配置によって効果または
拡散が可能であり、第６．７．９図のような配置した場
合には集束・拡散の他に偏向が可能である。

また、第１０図のように、楕円形コイルを周期的に配置
したり、あるいは第１３図（ａ）のように、折返し電極
１−１〜ｌ−ｎを、ピッチｄで周期的に配置することに
よって、第１３図（ｂ）のように、表面波１４や、表面
に対して斜め方向に進行する超音波１３を発生させるこ
とも可能である。

なお、第１３図（ａ）（ｂ）において、斜め方向への偏
向角θは、折返し電極１−１〜ｌ−ｎの配列のピッチｄ
と、隣接のコイル下から発生する超音波のタイミングの
ずれΔＴとによって、 ｓｉｎθ＝Ｃ０ΔＴ／ｄ 但し、Ｃ：音速と表わされる。

この実施例においても、第１１図の場合と同様に、各送
信コイルと直列または並列に、インピーダンスを挿入し
て、回路上のバランスや周波数・渦電流の分布等を調整
することが可能である。

なお、以上の実施例において、前記複数のコイルは、必
らずしも信号発生回路と１対１に対応していなくとも良
く、数個ずつのコイルのグループ毎に駆動して、信号発
生器の出力インピーダンスト、該コイルのインピーダン
スのマツチングを計ることも可能である。

また、信号発生回路にバースト波発生回路を用いれば、
受信時に位相検波等で８／Ｎの向上を計ることができる
。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、送信
コイルの分割数に概ね反比例する低い電圧で、分割前と
同じ電流を該コイルに流せるので、信号発生回路の出力
電流を増さずに出力電圧を下げることができる。このこ
とにより、上記信号発生回路の出力段に、半導体素子等
のように、比較的低電圧定格で、小形の素子が使用でき
、かつ、絶縁距離も余裕が取れるので、安全な電磁式超
音波発生装置を提供できる。

また、本発明の更に大きな効果として、被検物体の導電
性表面における渦電流の位相分布を制御できるので、超
音波ビームの偏向・集束等のコントロールが可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は従来の電磁式超音波発生装置の要部ブロ
ック図、第１図（ｂ）、第２図及び第３図は夫々該装置
の正面図、第４図（ａ）は本発明の一実施例を示す要部
ブロック図、第４図（ｂ）はその一部の回路側図、第５
図（ａ）（ｂ）乃至第９図（ａ）（Ｉｌｌへそれぞれ、
本発明において使用される送信コイルの平面図および側
面図、第１０図は本発明に使用される送信コイルの平面
図、第１１図は本発明の他の実施例を説明する要部ブロ
ック図、第１２図は本発明の第３の実施例を説明する要
部ブロック図、第１３図（ａ）は該第３実施例に使用さ
れる送信コイルの一例の平面図、第１３図（ｂ）はその
動作を説明するだめの側面図である。 １．１−１．１−２．・・・、１−ｎ・・・送信コイル
、３・・・信号発生器、３−１．３−２．・・・、３−
ｎ・・・信号発生回路、３１・・・パルス発生回路、５
−１゜５−２．・・・、５−ｎ・・・インピーダンス、
６・・・同期信号発生器、？−１．７−２．・・・、７
−ｎ・・・位相　１０ ３ ゝ−−−−（〜１３ 第　３０ −−−−てへ ３ 宰牛図 （Ｌ） 第５図 （Ｃン　　　　　［＝＝＝＝ヨ＝＝＝＝エコ（ｆＡ）　
　　　ロ＝ロ＝］ヨコ 第７図 （＜）　　　　口＝よエコココ ′１ｇ８（２１１ １） （ａ） 第　ｔｏ　図 ＄１２　図 第ｔ３（２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導電性表面を有する被検物体の表面に変化磁界を作
   用させる送信コイルと、該コイルに変化電流を流す信号
   発生器とから成り、上記変化磁界により上記被検物体の
   表面に超音波源を発生させる電磁式超音波発生装置にお
   いて、上記送信コイルは近接して配置された複数の分割
   コイルよりなり、上記信号発生器は上記複数の分割コイ
   ルに接続された複数の信号発生回路よりなり、これによ
   って、上記被検物体の表面に、合成音場を形成する超音
   波を発生させるように構成されたことを特徴とする電磁
   式超音波発生装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、信号発生回路が、
   バースト波発生回路により構成された電磁式超音波発生
   装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、複数の分割コイル
   がほぼ同一平面上に配置されたことを特徴とする電磁式
   超音波発生方法及び装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、複数の分割コイル
   の少なくとも一部が、互いに部分的に重ねられながら、
   はソ同一平面上に配置されたことを特徴とする電磁式超
   音波発生装置。 ５、導電性表面を有する被検物体の表面に変化磁界を作
   用させる送信コイルと、該コイルに、上記変化磁界を発
   生させる変化電流を流す信号発生器とから成り、上記変
   化磁界により上記被検物体の表面に超音波源を発生させ
   る電磁式超音波発生装置において、上記送信コイルは、
   近接して配置された複数の分割コイルよりなシ、また上
   記信号発生器は上記複数の分割コイルに接続された複数
   の信号発生回路よりなり、さらに上記複数の信号発生回
   路の各出力信号の位相を調整する位相制御回路を備え、
   上記複数の分割コイルで発生される超音波が、上記被検
   物体の表面で合成音場を形成するように構成されたこと
   を特徴とする電磁式超音波発生装置。