JPS6073355A - 電磁変換器 - 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】 〔作業上の利用分野〕 本発明は、大体扁平な導体板上に配された複数の互に平
行に延びる帯状導体’ａ’Ｐ　’ａ□、　著する１以上
のセグメントの形態の、特にフェライト又はオーステナ
イト鋼の扁平な帯又は薄板の如ぎ金属月料ケ結合媒沫な
しに検査する際に、超音波？励振し且つ受信するための
電磁変換器に関する。

〔従来の技術〕

、＝のｍの変換器は、　Ｔ−Ｔ、　Ｌｌｃｈｔ、　ＴＨ
Ａａｃｈｅｎの論文「モード選択性電磁変換器システム
による導電板のラム（Ｌａｍｂ−Ｗｅ　１１　ｅｎ　１
波の非接触励搗−受信の可能性についてＪ　（’１９７
３年）に記載さねている。薄イ材料について定貫回部な
モードスペクトロスコピーを試み得るために、従来の変
換器は、交換可卯な導体板？予定している。これらの導
体板はそれぞれの波長ケ定めるための不同の帯状導体群
を有し、でいる。それに反し、試駆周波数は、連続的に
調節できる。このｘ、つにして、定言可能な試験語用に
￥ｌｌ達するが、そのための時間需要は相当に大きくな
る。、特に連続操作方式においてモードスペクトロスコ
ピックな試験を試みることはこれによってはできない。

そのほかにもじ工へ乱要因がある。更に、薄板形従って
ラム波形の波の種類についても供試体が制限される。

〔発明り一解決し工５とする問題点〕 本発明のｍ磁電換器によ３　ｏ−レンツ効果及び磁気ひ
ずみ効果に基づいて超音波の励振と受信とな強磁性材料
について行なわせる。これらの効果はどちらも可逆的で
あることにより、送信と受信とを可能にする。常磁性金
属及び反磁性金属の場合には、キュリ一点以上において
も磁気ひずみ効果は消失するが、ローレンツ効果だけで
送受信を可能にする。それぞれの平たん波モードは、既
知として前提された分散線図に従って、周波数の適切な
選定により、所定の帯厚において生ずる。

特に厚い材料の試験においては別の波の種類（縦波、横
波、レイリー波）が励振され受信されることが必要であ
る。

ローレンツ効果に限定された場合、送信変換器に供給さ
れた交流電流は交番電磁界ケ発生させるので、材料の表
面にうず電流が誘起される。ローレンツの力は、定常水
平磁界ケ有する）ず電流の交番作用によって、自由電子
に作用１１、従って被検体の金属格子に間接ｌこ作用す
る。こねらは、その時間的及び空間的な周期性によって
、超音波を誘起させ、この超音波の波長は、変換器の幾
何学的形状Ｅこ工って、また周波数は交流電流ｌこ工っ
て。

そ才１ぞれ定めらねる。

フェライト材料の場合には１発信変換器によって被検材
料の表面に誘起されたうず電流が交番磁器ケ発生させ、
この磁界は、印加された定常磁界に重畳される。結果と
しての変調された磁界は、フェライト材料の局所的な磁
気ひずみによる伸長ケひき起こし、かくして予定の周波
数及び波長の超音波ケ発生させる。

非接触の超音波試験にとっては、欠陥を特定して局在化
することのほかに、欠陥の種類、大きさ及び位置につい
ての評価的分類を可能にすることが問題になる。例えば
割才１、又は三次元的な欠陥個所は、その特徴的な寸法
及び方向法めによって、音の広がり方向の欠陥の主要軸
を把握させる。

明細書本文の冒頭ｌこ記載した従来技術においては、導
かれた波が使用されるので、モードスペクトロスコピー
はアルゴリズムの使用の下に欠陥の分類及び評価を可能
ｌこする。同じ欠陥個所は、多重操作に際して、次々に
、複数の異なったモードで響き、この際に、各々のモー
ドにおいて次々に？曲げた場合１反射率が自由な波の場
合と同様に、波長、欠陥の特徴的な直線寸法、欠陥の種
類並びに配向に依存するだけでなく、導波部の幾何学的
寸法によって、また使用された材料に依存して変動スる
。という事実は、モードスペクトロスコピーによる欠陥
の測定に、この場合利用される。

しかし、縦波又は横波の形の自由な超音波の使用は、多
重作用において複数の波長を用いた場合、普通ノスベク
トロスコビーにより検出された欠陥の分類の可能性は少
くとも開かね、これは本発明に従って、排除されるべぎ
ではない。

従って本発明で課題とするところは、明細書本文の冒頭
に記載した従来技術から出発して、スペクトロスコピー
特に被検物のモー、トスペクトロスコピーを非常に強い
反復間隔で実現することを可能にする電磁変換器を提供
することにある。特に、新規な電磁変換器は、この適性
に基づいて、走行する板材料ないしは帯材料の超音波検
査に使用されるべきであり、じ工）乱の要因は全て排除
されるべきである。

〔問題ヲ解決するための手段と作用〕

この課題は、特許請求の範囲第１項の特徴部分に従って
解決さ第１、それに対して、特許請求の範囲第２〜１２
項の構成は、有利な実施態様な表わしている。

このようにして得られた変換器において、周波Ｂ及び波
長は、マトリックスによって予め与えられ、各々の演算
は、開閉要素の制御に二って、周波截−波長一マトリッ
クスについて行なうことｂ″−できる。そのために使用
される手段は、軍、子手段例えば既知の電子スイッチで
ある。例えば、特許請求の範囲第１項の提案に従って形
成きれた電磁変換器に、スイッチ乞組込み、マド１１ツ
クス演算は全電子式に、十分に短かし・連鎖順序に従っ
て実行し得る。

必要な時間は十分に短かし１が、試みらね、るマトリッ
クス演算は、実際に限定されてし・る、、ｆｉｌえ（ｆ
。

４〜８の不同の周波数で足りるが、波長比（ま、ｊ山常
は、わずか２，３．５又は３，４．５である。４つの異
なる波長で足りるよ５にするため、比の値７を勘案する
ことは、例外的な場合にのみ必要である。

被検査物の寸法とその種類に広汎に適合させるには、帯
状導体群な多数回巻とし、その相互の距離な等しくする
、好ましくは、各々の導体相互の間隔も等しくする。こ
れは、予め正確に与えることのできる幾何学的形態（各
々の波長な規定する）を保つこと？可能にする。実際に
はこれらの帯状導体群は、フォトリングラフイー技術に
工って正確に製造することができる。

前述した意味においての更に別の適合は、コイル又は巻
線が選択的に得られる。ｃ′′１ζこ、帯状導体群の極
性設置［ヲ可能にする。

新規な変換器において可及的に高ｔ・効率を確保するに
は、既知の工５に周波数ｌこ依存する交流抵抗Ｙ平たん
にする。この目的のために帯状導体群は適当な間隔にタ
ップを備えてし・る。こね、ｌこＬつで、有効に使用さ
れる導体の数′（ｒ−変更し、変換器の一定のインピー
ダンスに到達し得る。このためには多巻の帯状導体群が
特に適切て・あり、こｈらは受信器側に高いインダクタ
ンスをひぎ起こす。

指向性を・得るには、基本的に同じ形態の２つの横向き
に隔だてられたセグメン）７、上下に重な合せに配置す
る。好ましくは、こわらのセグメントは、波長の１／２
よりも小さい整数値だけ相互からも１方向に離隔させる
、こわらのセグメントは、制ｆ＋）１可能な出力遅延導
線を介１．て相互に可動に駆動される。従って、成る与
えられた周波数において、波長について存在する工）な
、周期時間の等しい整数値だけ電気的に１つのセグメン
トの発生器（ｉ号を遅延させることが可節ｌこなる、送
出された送出変換器の音場は、成る方向にはす、す長的
に重畳さイ１、別の方向にＣま（１４滅的に重畳される
。こねは送出変換器の所望の指向作用ン烏−える。

作動中に発生ずる磁力は非常に大きい。〆持に帯状材料
ｉ＋″−走行中の場合は、磁界が非常に強いにも拘らず
、試料からの変換器の距離ケ保つことに留意ずべきて゛
ある、こ第１は、導線性のロールＹ用いると成功する。

このロールは、被検材料上ゲ導電的に走行すると共に、
受信変換器の接地端子にこの被検材料ケ結合する。

欠陥の検出は、有利には、デジタル信号解職回路によっ
て行なう。この場合、受信信号は、特許請求の範囲第７
項に従って処理される。これによって、対応して高い検
査反復周波数又は対応して短い反復連鎖によって送受信
でき、それにｚｂ欠陥の探知とその分類な全自動的に試
みることができる。

本発明に、ｃｔ′ｌば、前述（、たフォトリングラフイ
ー技術は、刻ましくは、電気的及び磁気的に非導通性の
、帯状金属の形の基本材料上に、フォトリングラフィ〜
に工って構造化した帯状導体群を蒸着することによって
達せられる。基本材料にＳｔ単結晶チップ？使用した場
合、帯状層体群は、好ましくはアルミニウム製とする。

高温の薄板の検査について特別の利点が得られる。その
場合、新規ｔよ変換器は、極限的な使用茶件の下に、熱
的ｌと完全に信頼できるものでる６、− 帯状導体群の各々の導体は、意図された波長ないしは極
性に従って、異なった仕方で相互に接続さオフる。これ
は導体が互に交差することを排除しない、互に交差する
導体ケ基本材料の他側に引出すことに裏って、交差域の
絶縁が容易に実現される。

次に図面に示した実施例についで説明する。

〔発明の実施例〕

＠１図には、複数の帯状導体群２（１つにのみ符号ケ付
して示す）から成るセグメント１が図示ぐ されているｔ、＠、々の導体群２は５本の導体３（１つ
にのみ符号を付して示す）を備えている。導体群２間の
平均距離は符号４にエリ示されている。

この平均距離だけでなく、導体３間の間隔もまた一定で
ある。従って、新規な変換器について、非常に高度に分
化された焼料学的形態が実現される、ｔ＝２波長の送信
変換器の例について以下に説明する。巻数ｎ　＝　５、
周波数ｍ　＝　２、波長λ１＝６門、λ２＝９龍とする
、巻線状の軸対称の極性配列について、第２図に示した
形態が得られる、コイル伏の極性配列については、第６
図に示した形態が得られる。

実際の構成は、第２．３図に示した形態に対応している
が、図では１：５の拡大穴な用いている。

より大きな波長（ｔ＞２　）Ｙ実現し、また別の巻数ｎ
と、別の整数の周波数（ｍ＞２　）とを使用する。ここ
に波長は、本発明に従って提案された比において、小さ
な、整数の互に素の（ｔｅｉムｒｆｒ７）数を表わす（
λ１：λ２：λ８・・・・・・＝Ｐ１：　ｐ、：　ｐ３
：・・・ｔ（縁幅のない）変換器の長さＬが積 によって与えられることから更に制限を生ずる。

その波動インピーダンスに関する変換器の適合は。

導体群の分岐（タップ）に＝つで生ずる。第２図はこの
種の分岐ケ表わし、この分岐によって波動インピーダン
スの振幅特性を平担にすることができる。

やはり第２図かられかるように、側方向に隔だてらねた
２つの導体群６，７は相互に対し入れ子状になつ′てい
る。第５図に示した帯状の導体群６，７はこの場合はコ
イルである。

第４図にセグメントＬｗ、Ｌ’ｗの給電部を示す、ジェ
ネレータＧの出力は、出力分割伝送器におい一両方のセ
グメントが単一の出カシエネレータにより駆動され得る
ように分割されている。実用的な実施例によ才９、げ、
この出力は３６ＫＷである。帯状導体群装置に裏って形
成された変換器は、可変抵抗Ｒｖ　ｒ　’Ｒν及びコン
デンサー〇ｋ　、Ｃｋと共に結線さね、第４図の下方の
導線分岐部分中の伝送器七抵細ｒｖとの間に見られる補
助的に設定可能な出力遅延導線τに前置されている。そ
のため、所定の周波数について、各々セグメントのため
の発生器信号を１周期の１／２以下の給仕数値遅延させ
る。送信変換器の音場はそれにより送信変換器の指向作
用の形成下に前述した仕方で重畳される。出力遅延導線
の単体ブロックは第５図に詳示されている。この場合巻
線は、電気的にも磁気的にも非導通性の本体上に巻かオ
フた銅ラッカー線から成る。インダクタノスＬ、Ｍ（相
互訪導係数）及びキャパシタンスＣの値ケ適切に選定す
ることにエリ、出力遅延導線の所望の遅延時間が達せら
れる。第５図に示したそ５した構成の１つｉ＋″−不十
分な場合は、複数のそへした単体ブロックケ組立てる。

出力遅延導線ケ介し設定可能な遅延時間は、好ましくは
、２進式に段階される。その場合、遅延時間は、手動に
よっても、コンピューターＩＨＩＩによっても予め与え
ることかで・きる。変換器内の電圧は相当に犬ぎく、１
０００〜３０００　ｖになるので、出力スイッチは、高
電圧に耐える設計とする必要がある。非使用部分におい
ての反射は、ここに使用した回路によって避けられる、
出力遅延導線の波動インピーダニ／　Ｘ　（ｗｂ／Ａ＋
ｎ　５ｖｉｄｅｒｓｔａｎｄ　）は、値ＷＯ２有するた
め、発生器内部抵抗だけでなく、負荷にも適合している
。電気回路の全部の素子は５２進式の階段化ケ有し１、
手動に工って、又はコンピュータによって制量される。

前述したデジタル信号認識回路（第６図参照）は、１ス
キャン当り成る一定のパルス数ケ発生するパルス発生器
によって駆動される。これらのノくルスは、２つの縦続
接続されたシフトレジスター１３．１４かう成るシフト
レジスター装置に対してタイミングパルスとして用いら
れる。シフトレジスター装置のデータ入力に６才、検出
された受信信号が、１ピント昆のデジタル値として供給
される。

１！ＩＩち、閾値検出器２０によって監視さ１１る受信
信汀１９の誤り閾値ン超過すると、シフトレジスター　
＋ｃ　ｌ’ＩＪ　＃”−現ねる。各々のシフトレジスタ
ー１３・１４には１スキヤンが記憶される。ｆ続接続の
ため、１スキヤンの終了時には、今市に終了したものと
、その前に終了したものとｈ″−記憶されている。後置
訊ねたロジック１５によって、３つのスキャンを相互に
比較することができる。シフトタイミングもこの比較に
敗りこまれるので、重なり合いの持続時間の目安として
の成るパルス数が得らオフる。

入力２１ケ介しセットさねたダウンカウンタ−１６ハコ
のパルスをカウントする。パルス数の予設定値（予設定
部内に入Ｊ１らねている）を超過すると。

ダウンカウンタ−１６の借り出力１８が短時間動作する
。こねは超音波信号としての受信信号の識別に対応して
いる。

シ：ルス数の予設定値は、結線された変拗器装置こつい
て固定されており、超音波信号において重なり持続時間
の最小パルス数から°１″ヲ引いたものに相当する。こ
こで、超音波信号は、認識されるためには、少くとも３
つの継続するスキャンについて存在するべきであるから
、対応した大きな検査順序周波数を選定する必要がある
。

本発明の変換器について、シリコン単結晶チップな使用
する場合、例えば次のよのな工程が使用される、 （イ）シリコン単結晶な製造する、 （口１明確な結晶配向を有する薄い（ｄ＝２００μｍ）
シリコン円板（ウェハー）を切出す。

（／ｊウェハーの表面を酸化させる。

（勾フォトレジスト層の形成（紫外線感知性有機ポリマ
ー）、。

（ホフオトマスク（変換器構造パターンケ形成したガラ
ス板）ヲ製造する。

（へ）等方性及び異方性のエッチ剤を用いて酸化物又は
シリコンに特定面を開放するためのフォトリングラフイ
一工程な実施する。

Ｔｈ１ｍ着（又はスパッタリング、又はボンディング）
により、接点及び帯状の導体群な形成する。

（チウエハーに保護層（Ｓｉ０２＊５ＩＮ４など）を被
覆する。

薄い箔材ゲ使用した場合、例えば下記の方法が採用され
、る。

（ａｔ変換器の担体（変換器本体）として、可撓性の基
板を選定する。

（ｂｌ基体上に密着さｌするマスクによって簡単に被覆
を形成する。

［ｃｌ中間工程付ぎフォトリングラフイ一工程：被覆さ
れた基体に感光材を付与し、マスクを経て照射し、層を
エッチし、残管感光材？除去する。

（ｄｉパリレンＣ絶縁層（ポリマー層）を付与する。

電磁変換器のコイルについてこわら２つの製造方法を使
用した場合には、 １ｉ１試料の変換抵抗において消費される出力が発生器
の最大供与出力に対しその時々に所望の周波数帯域にお
いて成る高く且つ広い最大値Ｙもっ工）に、またコイル
のりアクタンスがキャパシタンスの接続によりその時々
の動作周波数において直列共振で同調されるｚ’ｘに、
帯状導体群の数、幅厚さ及び間隔な適宜選定することに
よって、送信変換器を設計することができる。

（ＩＩ）セグメントの固有の共振周波数がその時々の所
望の周波数帯域以上になるべぎ限らにおいてのみ帯状導
体群の数の上限が設定される。ｃうに、またセグメント
のりアクタンスがキャパシタンスの接続に、Ｃりその時
々の動作周波数において並列共振で同調されるように、
帯状導体群の数、幅、厚さ及び間隔を適宜選定すること
によって、受信変換器を設計することができる。

第２図には、互に交差するいくつかの導体群が示され、
そのうち符号８．９．１０　で示したもの？！特徴的で
あるｎ第３図のコイル配列によりば１個別の導体１１も
交差している。こわらの交差する導体（巻線部分）は基
本材料の裏面に最も簡単に配置される。

〔発明の効果〕

以上に述べた如く、本発明は一薄板及び帯板の形態の金
属、特に＠製の材料の検査において超音波ケ送出し受信
するための電磁変換器として、特に走行する材料につい
て間隙のない測定を可能にするために、いろいろの周波
数について短いタイミンク順序で受信超音波のスペクト
ロスコピー特にモードスペクトロスコピーについて切替
え可能な構成ケ有しており、帯状導体群の各導体は、周
波数ごとの波長ケ複数の切替状態において小さい互に素
の整数の叱において生ずるように変更されるから、これ
により連続走行法において無接触で欠陥を認識し一目つ
分類することのできる電磁変換器が得らオフるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

ｔ１１１図は新規な変換器の未完成のセグメントの構成
ケ示す説明図、第２図は巻線としての新規な変換器の配
列図、第３図はコイルとしての新規な変換器の配列図、
第４図は出力遅延導線欠有する新規な変換器の給電系統
を示す回路図、第５図は出力遅延４腺の単位ブロックを
示す斜視図、第６図はデジタル信号認識回路を示す回路
図″ｒ：ある。 町号の説明 １・・・セグメント−２・・・導体群−３・・・導体。 代理人　弁理士　木　村　三　朗 第１頁の続き ０発　明　者　エルンスト、ルーン ＠発明者　ギュンター、ケーン ０発　明　者　ディートマー９．オー ツく−ホツフ ０発　明　者　ローランド、ケツク ドイツ連邦共和国、５６００つ゛ツバータル２１、エツ
ヘールシュトラーセ４ ドイツ連邦共和国、４０００デユツセルドルフ、ネッテ
タールシュトラーセ　４３ ドイツ連邦共和国、５６３２ヴエルメルスキルヘン１、
ジイルヘルム。イーデル、シュトラーセ　１１ドイツ連
邦共和国、４０００デユツセルドルフ、ブレンダムール
、シュトラーセ　７８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）大体扁平な導体板上に配された複数の互に平行に
   延びる帯状導体群を有する１以上のセグメントの形態を
   もち、特にフェライト又はオーステナイト鋼の扁平な帯
   又は薄板などの金属材料？結合媒体なしに検査する際に
   超音波ケ励振し且つ受信するための電磁変換器であって
   。 受信さ才９る超音波の波長スペクトロスコピー特にモー
   ドスペクトロスコピーのために、１以上のセグメント（
   １）について、マトリックス結合に短い反復順序で予じ
   め周波数及び波長が与えられており、前記導体群ｆ２１
   　／＋″−１開閉要素ケ介した制御によって互いに結合
   可能な複数の導体（３１ケ有し１．順々の開閉状態にお
   いて、小さい互に素の整数の比で周波数ごとの波長を与
   える工５にしたことな特徴とする電磁変換器。 （２１帯伏導体群（２１ヲそねぞれ多数回巻とし、相互
   からの距離（４１ケ等しくしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の電磁変換ｉ５．。 （３１帯状導体群（２１がコイル（第６図）又は巻線（
   第２図）として選択的にその極性配列ケ変える工５に構
   成さねたことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
   ２項記載の電磁変換器。 【４）変換器の作動領域について波動インピーダンスの
   振幅特性を平たん化する工５な相互間距離において帯状
   導体群（２１にタップを形成したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１〜６項のいずれか１項記載の電磁変換器
   、 （５１２つの横方向に隔たてられたセグメント（１）が
   互に上下に配置され、こ才１らは同一の形状をも一制御
   可能な出力遅延導ＩＤ（第５ソ１）によって時間的に相
   互にずらし得るようにしたことケ特徴とする特許請求の
   範囲第１〜４項のし一イわか１項ｒ載の電磁変換器。 （６１電磁変換器が、接地端子ン介して導ｔ「、性の合
   成樹脂ロールに接続され、これらのロールｈ１被検査材
   料上を導電的に走行することによす電磁変換器と該被検
   査相料とな隔だてる工５にしたことＹ／ｌｌＩ′徴とす
   る４ノ、−、Ｈ′＋請求の範囲第１〜５のいずれか１項
   記載の電磁変換器。 （７）受信信号がデジタル信号認識回路を介してじ工５
   乱抑制ケ受け、該認識回路内において受信信号が、パル
   ス発生器のシフトタイミングパルスと共通に第１シフト
   レジスターに、コンパレーターロジソクフ゛ロックに、
   そしてダウンカウンターに切替えら才ｚ１該第１シフト
   レジスターには第２シフトレジスターが後置きね、第１
   及び第２シフトレジスターの出力が前記コンパレーター
   に導かノ１゜該＝１ンパレーグーには該ダウンカウンタ
   ーカ後置され、該ダウンカウンタ−から取出さね、る出
   力は予設定パルス数を・超過した除に活性化されるよう
   になされたことケ特徴とする特許請求の範囲＄１〜６項
   記載の電磁変換器。 ＋８１フオトリソグラフイツク構造の帯状導体群ケミ気
   的及び磁気的に非導通性の基本材料上に蒸着して帯状導
   体群としたことを特徴とする特許請求の範囲第１〜７ｓ
   ｆ＋記載の電磁変換器。 （９）帯状金属ンアルミニウム製としたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第８項記載の１ば、研修換器、（１０
   滞伏金属を薄いはく層上に蒸着したことを特徴とする特
   許請求の範囲第８項又は第９項記載の電磁変換器。 （１１虐本材料が酸化層ケ担持したシリコン単結晶チッ
   プから成ることを特徴とする特許請求の範囲第８項又は
   第９項記載の＠、電磁変換器（１２耀本利料が一側に帯
   状導体群を担持し、他側に帯状導体群又はその導体とダ
   差する導体（８，９゜ＩＱ、１１）を担持すること？特
   徴とする特許請求の範囲第８〜１１項のいずれか１項記
   載の電磁変換器。