JPH0574783B2 - - Google Patents

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JPH0574783B2
JPH0574783B2 JP59180881A JP18088184A JPH0574783B2 JP H0574783 B2 JPH0574783 B2 JP H0574783B2 JP 59180881 A JP59180881 A JP 59180881A JP 18088184 A JP18088184 A JP 18088184A JP H0574783 B2 JPH0574783 B2 JP H0574783B2
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electromagnetic
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conductor
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Itsuserushutain Furitsutsu
Ruun Erunsuto
Keen Gyuntaa
Oobaahotsufu Deiitomaa
Ketsuku Rooranto
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BETORIIPUSU FUORUSHUNGUSU INST
BETORIIPUSU FUORUSHUNGUSU INST FUAU DEE EE HAA INST FUYUA ANGEUANTE FUORUSHUNGU GmbH
Original Assignee
BETORIIPUSU FUORUSHUNGUSU INST
BETORIIPUSU FUORUSHUNGUSU INST FUAU DEE EE HAA INST FUYUA ANGEUANTE FUORUSHUNGU GmbH
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Publication date
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
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    • G01N29/2412—Probes using the magnetostrictive properties of the material to be examined, e.g. electromagnetic acoustic transducers [EMAT]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、実質的に平らなプリント配線基板上
に形成された互いに平行な複数の導線を有する少
なくとも一つの変換素子を備え、例えば平らなス
トリツプやシートメタル、或いはフエライト又は
オーステナイト鋼などの薄板金属材料の非接触検
査において超音波の送受信を行なうための電磁変
換器に関するものである。
［従来の技術］ この種の変換器は、「モード選択式電気力学的
変換器システムによる導体板内におけるラム波の
非接触励振および受信の可能性」と題するリヒト
による論文（H.Licht，TH Aachen，1973年）
に記載されている。金属材の超音波非破壊検査を
非接触で行なうための送信用又は受信用探触子と
しての電磁変換器は、一般的には電磁的な結合に
より被検体内にインパルス状の超音波を励起し、
或いはこの被検体内に生じた超音波振動による欠
陥からのエコーを電磁的な結合によつて取出すも
のであり、電気力学的センサ或いは電磁音響プロ
ーブなどと呼ばれて知られているが、被検体であ
る金属材に生じる超音波の振動モード、たとえば
伝播が媒体内の各方向に自由に起き得るバルク
波、すなわち縦波、横波、表面波（レイリー波）
や、媒体の少なくとも一つの方向の寸法（例えば
厚さ）が超音波の波長程度以下の場合に生じるガ
イド波（導波）、すなわち特に薄板のオンライン
探傷に広く用いられているラム波（板波または
SH波とも言う）などのモードを選ぶ必要があり、
更にはバルク波では被検体の材質特性で常に周波
数と波長との関係、即ち位相速度が一定に定まる
が、ガイド波の伝播速度、即ち位相速度は波長の
関数であつて波長と周波数とのマトリツクス状に
分散した複数の組み合わせが存在し、この組み合
わせも数学的な意味で固有関数、即ちモードであ
り、ガイド波ではこのモードが変われば特に表面
疵や内部疵等のタイプの違いに対して感度が異な
るので、動作周波数と波長を変えるのに応じて電
磁変換器のコイルの幾何学的寸法も変えなければ
ならない。
前述のリヒトによる論文で記述されている電磁
変換器では、使用波長に適合させるように相対的
に異なるコイル導体長さまたはパターンに形成し
た交換可能な回路基板を幾つか準備して各々の波
長を定めておき、これを交換することにより、薄
板に対する前記各モードの切り換えを可能とし、
各回路基板のコイルによる波長を変えての探傷、
即ちモードスペクトロコピーを行なうようにして
いる。この場合、探傷装置の駆動側では周波数は
高速スイツチングによつて可変とし、また波長も
回路基板の交換に応じて独立して可変とし、かく
して探傷は異なる波長を用いることでスペクトロ
スコピーと呼ぶことができ、また波長と周波数と
のマトリクスにおける組み合わせを被検体材料の
材質及び寸法に特有の予め与えられたマトリクス
から選んで異なるモードを達成することから、特
にモードスペクトロスコピーと呼ぶことができ
る。
このような従来の電磁変換器を用いた方式では
必要な探傷情報を得ることのできる検査結果を確
かに入手することができるが、変換器の回路基板
の交換を伴うので検査に極めて長い時間を要し、
特に材料に対して連続的なモードスペクトロスコ
ピー検査を実現することはこの方式では不可能で
ある。またこのこと以外にも別々の回路基板の交
換は他の擾乱を伴い、また薄板形状の供試体につ
いて、従つてラム波の波形についても制限が存在
する。
［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、いずれも可逆的なローレンツ効果お
よび磁気ひずみ効果による強磁性体の超音波励振
と受波とを可能として送信と受信を行なうことの
できる電磁変換器を提供するものである。但し、
常磁性または反磁性金属ではキユーリー点以上で
は磁気歪み効果が消失し、従つてこの場合はロー
レンツ効果だけで送信と受信を可能とする。そし
て良く知られた分散線図に従つて適切な周波数の
選択を行なうことにより予め定められた板厚及び
波長について各横波モードを得る。そのほか、厚
い材料の検査においては他の種類の波（縦波、横
波、レイリー波）も励振及び受信されなければな
らない。
ローレンツ効果に限つて言えば、送信変換器に
供給されるインパルス状の交番電流が対応した交
番磁界を発生し、それにより金属被検体表面内に
うず電流が誘起される。別に与えられる一定の水
平磁界との相互作用でローレンツ力が金属内の自
由電子に作用し、従つて間接的に被検体の金属格
子にも作用する。この作用の結果、その空間的及
び時間的周期性により被検体に超音波パルスが励
起され、その波長は電磁変換器の幾何学的形状に
より、また周波数は印加した交番電流により予め
定まつている。
フエライト材料の場合は、送信変換器によつて
被検体表面内に誘起されたうず電流が交番磁界を
生じ、これが別に与えられた一定磁界に重畳され
ることになる。この結果の変調された磁界はフエ
ライト材料の局所的な磁気歪みによる伸長を引き
起こし、それにより予め定められた周波数及び波
長で超音波パルスを発生する。
材料の非接触超音波検査においては、欠陥の検
出と局在化の他に、例えば割れ又は空洞欠陥、音
響伝播方向に対するその特徴的な寸法及び欠陥主
軸の方向の検出など、欠陥の種類、大きさ、及び
位置による材料の品質分類を可能とすることが重
要である。冒頭に述べた従来技術によればラム波
というガイド波を用いているので、そのモードス
ペクトロスコピーでは幾つかのアルゴリズムを用
いることにより欠陥の大きさなどの分類と評価が
可能である。その場合、同じ欠陥個所を複数の異
なるモード下にて測定するが、これは個々のモー
ドで複数の異なる波長を次々に適用し、各波長で
複数の周波数を符号化して多重伝送することによ
り行なわれる。このモードスペクトロスコピーで
は、以下の事実、即ち、ガイド波の回折における
反射係数は、バルク波すなわち自由な拘束のない
波の場合と同様に波長、欠陥の特有の線形寸法、
欠陥の性質および配向に依存するだけでなく、導
波部の幾何学的パラメータによつても供試材との
関係で変化するという事実を欠陥の分類に利用す
ることができ、反射が変化すると他の評価に加え
て欠陥評価の更なる可能性が増える。
但し、縦波又は横波の形でバルク波の利用は前
述の多重操作における複数の波長の適用を行なつ
た場合、いずれにせよ通常のスペクトロスコピー
による検出欠陥の分類を可能とするので、本発明
に関してはこれは除外されるべきではない。
従つて本発明で課題とするところは、供試体の
スペクトロスコピー、特に、但し限定するもので
はないがモードスペクトロスコピーを極めて短い
時間シーケンスで実現することのできる電磁変換
器を提供することである。限定するものではない
が主にこのような適性のために、係る電磁変換器
は連続的に移動するシート又はストリツプ材の超
音波検査に好適でなければならない。
［問題点を解決するための手段］ 本発明によれば、異なる複数の波長の夫々につ
いて一つ以上の周波数を用いて行うシート状金属
材の非接触検査における超音波の送信及び受信用
の電磁変換器が提供され、この電磁変換器は、実
質的に平らなプリント回路基板上に複数の平行な
導体素線からなる帯状線束を間隔をあけて平行に
複数形成して所望のコイル形状とした少なくとも
一つの変換器セグメントを備え、この変換器セグ
メントの各々に対しては予め複数種類の周波数及
び波長が設定されており、前記複数の帯状線束の
導体素線は、開閉要素の組を介した動作のために
これら開閉要素の種々の開閉状態において周波数
毎に互いに小さな素数比で異なる波長を生じるよ
うに接続されるべく配列されている。
［作用］ このように構成された変換器において、設定さ
れた周波数と波長のうちから動作周波数及び波長
を選択することは、例えば被検体の材質及び寸法
等に応じて予め準備されたモード選択用の周波数
と波長とのマトリクスを格納したマトリクスメモ
リー回路によつてプリセツト可能であり、選択の
ための動作は例えば短い時間シーケンスで駆動さ
れる例えば電子スイツチなどの開閉要素の組によ
つて前記複数の帯状線束の各導体素線の接続を波
長に合わせて切り換えることにより達成される。
そこで好ましい態様においては、本発明による電
磁変換器に複数のスイツチを組み込み、マトリク
ス動作が全電子式に充分短い時間シーケンスで行
なわれるようにしている。
このシーケンスに必要な時間は充分に短いが、
実行されるマトリクス動作には勿論実際的な制限
を与えるのが良い。例えば周波数についてはマト
リクス動作で４〜８種類の異なる周波数を扱うこ
とは可能であるが、変化させる波長の種類は比で
表わして２：３：５または３：４：５の三種類程
度とするのが現実的であり、これを四種類として
比の値７を考えるのは例外的な場合に限られる。
これは、波長の切り換えは変換器セグメントの帯
状線束の導体素線の接続の切り換え、即ちスイツ
チ動作を伴うのに対し、周波数の切り換えは帯状
線束の導体素線の或る接続状態を維持したまま行
なえるからであり、一般には波長の数は最も効率
的に検査結果を得るための必要最小限に選ばれ、
周波数の数は波長の数以下に選ぶのが良い。
被検体の寸法と材質に広汎に適合させるには、
各帯状線束を多数回巻きとすると共に、その相互
間隔を等しくする。好ましくは個々の導体素線相
互の間隔も等しくする。これによつて個々の波長
を規定する幾何学的形態を予め正確に与えること
が確実になる。実際にこのような帯状線束はフオ
トリソグラフイー技術を適用して極めて正確に形
成することができる。
上述の意味での更に別の適合は、選択的にコイ
ル巻線または蛇行巻線が得られるようにした帯状
線束の極性配列によつて可能となる。
本発明の電磁変換器において最大効率を得るに
は、既知のように周波数に依存するその交流イン
ピーダンスを平坦にすることが望ましい。この目
的のためには帯状線束の導体素線に適当な間隔で
複数の接続タツプを設ける。これによつて有効使
用される巻線数を変化させ、一定の変換器インピ
ーダンスを得ることができる。この目的のために
は、受信側に付随的に高インピーダンスを生じる
多数回巻の帯状線束を用いるのが良い。
送受信の指向性を得るには、基本的の同一形態
の二つのセグメントを互いに横方向にずらして重
ねるのが良い。これらのセグメントは、好ましく
は1/2波長より小さい割合で互いに横方向にずら
して配置する。この二つのセグメントは調節可能
な遅延回路手段によつて位相差を与え動作させ
る。したがつて、或る与えられた周波数におい
て、前記波長に当て嵌めた周期の割合と同じ遅延
を一方のセグメントの駆動信号に電気的に与える
ことができきる。このような配列によつて、送信
変換器の二つのセグメントから送出される音場は
一つの方向については助長的に、そして反対方向
には打ち消し合うように重なり合い、これによつ
て変換器の所望のビーム即ち指向性を得ることが
できる。
動作中に発生する磁力は非常に大きい。特に連
続的に走行するストリツプ材を検査する場合、変
換器と被検体との相対間隔が強い磁界に関わらず
維持されるようにすることが重要である。好まし
くはプラスチツツク導電ロールによつてこれを達
成し、このロールを被検体に導電接触させると共
に受信変換器の接地端子に接続しておく。
欠陥の検出は好ましくはデジタル信号認識回路
によつて行ない、受信信号は特許請求の範囲第７
項による回路要素で処理する。これによつて特に
相当に高い検査シーケンス周波数、即ち相当短い
時間シーケンスで送受信を行なうことができ、全
自動で欠陥位置特定と分類を同時に達成すること
が可能となる。
本発明において、好ましくは前述のフオトリソ
グラフイー技術を適用し、電磁的に非導体の基体
材料、即ち基板上に、フオトリソグラフイーで形
成され複数の導体素線からなる帯状線束を金属線
又はトラツクの形で蒸着する。これら金属線は基
板にシリコン単結晶の小板を用いた場合はアルミ
ニウムとするのが好ましい。このような構成は変
換器が過酷な使用環境においても完全に熱的に信
頼できるものとなるので、熱間のストリツプ材又
はシート材の検査に対して特に有利である。
帯状線束を構成する導体素線は所望の波長及び
極性配列に従つて種々の形態で相互接続される。
これは導体の横断、またな交差を排除するもので
はなく、横断個所や交差個所における絶縁は極め
て簡単な方式、すなわち導体素線が形成される基
板表面に対して交差導体を基板の裏面側に配置す
ることで達成可能である。
本発明の実施例を図面と共に以下に説明する。
［実施例］ 第１図は、複数の帯状線束２からなる一つのセ
グメントを示している。各帯状線束２においては
５本の導体素線が巻線３として形成されている。
各帯状線束の平均間隔は符号４で示されている。
この平均間隔だけでなく、各巻線３間の間隔も一
定である。従つてこの新規な変換器については、
高度に微細化した幾何学的形態を実現することが
可能である。
被検体の材質及び幾何学的寸法に対応して周知
の固体媒質中の超音波の分散線図から予め与えら
れる波長及び周波数マトリクスに基づいて、例え
ば波長の種類ｌ＝２、巻数ｎ＝５、周波数の種類
ｍ＝２とし、第１の波長λ1＝６mm、第２の波長λ2
＝９mmとすると、第１図の基本構成から得られる
蛇行巻線形式の軸対称な極性配列の変換器構成の
一例は第２図に示す通りとなり、またコイル巻線
形式の一例は第３図に示す通りとなる。
実際の構成は第２図及び第３図に示した形態に
対応しているが、図では１：５の拡大尺で示して
ある点に留意すべきである。帯状線束２は幾つか
ずつ組み合わされて変換器セグメント６，７を構
成し、各セグメントで組み合わせによる合計長さ
が所望波長に等しくなるようにされる。この実施
例の場合、波長λ1とλ2は２：３の素数比をなして
いる。この構成はもつと多種類の波長（ｌ＞２）
も実現でき、巻数ｎを変えたり、周波数の数を増
したり（ｍ＞２）してもよく、但し波長の比は本
発明におけるパラメータとしての小さな素数
（P1：P2：P3…＝λ1：λ2：λ3…）である。
この場合、帯状線束２の長さ方向と直交する方
向に関する変換器セグメントの長さＬ（但し線幅
は考えない）は組合わせる帯状線束状導体の数に
比例するが、これは次式 Ｌ＝ｍ／２λ1l i=2 Pi で表される積によつて計算することができる。
波動インピーダンスに関する変換器の適合、即
ち同調は、帯状線束を形成する各導体素線からの
接続タツプを用いることにより達成できる。第２
図にはこのための複数の接続タツプ５が示されて
おり、これらのタツプを選ぶことによつて周波数
応答特性を平坦にすることができる。
第２図は更に二つの横方向にずれた蛇行巻線形
式のセグメント６と７が互いに組み合わされてい
る様子を示し、また第３図はコイル巻線形式の二
つのセグメント６，７を示している。
さて、第２図及び第３図では変換器が二つのセ
グメント６，７からなる場合を示したが、このよ
うなセグメントに対する駆動電流の供給回路の例
は第４図の通りである。第４図では二つのセグメ
ントをLw，Lw′で示しているが、勿論、もつと多
数のセグメントに対する駆動電流の供給も同様に
して可能である。第４図において、パワージエネ
レータＧは周知のようにインパルス状の交流電流
出力を発生し、この出力電流は電力分割トランス
によつて分割され、同じパワージエネレータで両
方のセグメントLw，Lw′を駆動できるようになつ
ている。実用的な例では、パワージエネレータＧ
の出力は36kWである。帯状線束の組み合わせで
構成された二つの変換器セグメントLW，LW′はそ
れぞれ付属の調整可能な抵抗Rv，RV′およびコン
デンサCK，CK′と直列接続され、第４図で下方の
回路には前記トランスと抵抗RVとの間に調整可
能なパワー遅延回路５０が挿入されている。この
ようにしてセグメントの一方に対するジエネレー
タ出力が他方に対して設定周波数における周期の
１／２以下の割合で遅延されるようになされている。
従つて両変換器セグメントからの音場は互いに重
なり合つて前述した指向性、即ちビーム特性をも
つことになる。前記遅延回路の単位構成要素は第
５図に示す通りである。この例では、巻線は電磁
的に非導体のボデイに巻かれたエナメル銅線から
なる。この遅延回路においては、インダクタンス
Ｌと相互インダクタンスＭおよびキヤパシタンス
Ｃを適切に選定することにより、所望の遅延時間
を設定することができる。第５図に示した単位構
成要素が一つでは不足する場合はこれを複数組み
合わせてユニツトとすれば良い。
上述の遅延回路５０により設定する遅延時間
は、好ましくは二進ステツプで段階付けする。こ
のような遅延時間のうちから手動又はコンピユー
タ制御で事前に所望の値を選択する。変換器セグ
メントにおけるインパルス電圧は非常に高く、
1000〜3000Vにも達することから、使用すべき帯
状線束の導体素線を選択するための回路中のスイ
ツチ要素は高電圧に耐える設計とする必要があ
る。実施例に示した回路では、未使用の帯状線束
の導体素線部分における反射を避けるようにして
ある。即ち、パワー遅延回路の波動インピーダン
ス、即ち周波数応答特性は、ジエネレータの固有
インピーダンスに整合した値RGを有し、これは
負荷にも整合させてある。回路の全構成要素は二
進ステツプで段階付けを行ない、従つて手動又は
コンピユータ制御で駆動可能となつている。
一般的に被検材を電磁変換器によつて被接触検
査する場合、送受信変換器は被検材が移動する間
にその移動方向と交差する方向にスキヤン動作を
してラスター状の走査を行う。第６図に示すよう
に、前述のデジタル信号認識回路は、前記ラスタ
ー走査の１スキヤン当たり一定数のパルスを生じ
るパルス発生器１２によつて駆動される。これら
のパルスはクロツクパルス（タイミングパルス）
として縦続接続された同一ビツト数の二つのシフ
トレジスター１３および１４に与えられている。
検出受信パルスは１ビツト長のデジタル値として
第１シフトレジスター１３のデータ入力に与えら
れる。すなわち、受信信号１９が閾値検出器２０
に設定された閾値レベルを越えているときにはク
ロツクパルスのタイミング毎に第１シフトレジス
ター１３のデータ入力に信号「１」が与えられ
る。二つのシフトレジスター１３と１４にはそれ
ぞれ１スキヤン分のデータが格納される。二つの
シフトレジスターが縦続接続されていることによ
り、１スキヤンの終了時には、終了したばかりの
１スキヤン分のデータと、その直前に終了してい
た１スキヤン分のデータとが記憶されていること
になる。これら引き続く２スキヤン分のデータ
は、次の新たな１スキヤンの開始と共に、この新
たな１スキヤンの受信データと共にクロツクパル
スに同期して後段のロジツク回路１５に１ビツト
ずつ入力され、これら連続する３スキヤン分のデ
ータがビツト対応で相互に比較される。シフトの
タイミングもこの比較の間になされるので、ロジ
ツク回路１５は例えば連続する３スキヤン分のデ
ータが全て「１」のときにパルスを出力し、これ
によつて３スキヤン分の受信データをビツト対応
で重ねた場合の３スキヤン全てで「１」となるビ
ツトの数に対応する或る数のパルスが得られる。
このパルスはバツクワードカウンタ（逆読みカウ
ンター）１６でカウントされるが、このカウンタ
１６は、前記閾値検出器２０の出力が「１」のと
きセツトされ、従つて前記シフトレジスター１３
に記憶されたデータから３スキヤン目の受信パル
スが生じている間だけセツト状態となつてカウン
ト動作を行う。このカウント動作は、設定器１７
で設定されたプリセツトパルス数を入力されてく
るパルスで一つずつ埋めてゆく所謂逆読みカウン
ト動作であり、入力パルス数が設定器１７で設定
されたプリセツトパルス数を越えると、バツクワ
ードカウンタ１６の取り出し出力１８が短時間オ
ンとなり、これにより超音波信号としての受信信
号１９の認識がなされる。このような複数スキヤ
ン分のデータのビツト対応の相関をとつて出力を
得るのは、あくまでもノイズ対策のためのもので
ある。
結線された変換器についてのパルス数のプリセ
ツト値は固定であり、前述のラスタースキヤンに
おける３スキヤン分の超音波信号の重なり時間幅
に対応するパルス数から１を減じた最小パルス数
に相当する。これによつて検出の時間的な分解能
がほぼ定まり、ここに述べた例では、検出のため
に少なくとも３つの引き続くスキヤン内で超音波
信号が前記プリセツト値に対応した時間幅で同時
に現れなければならないので、使用周波数として
は相応に高い検査シーケンス周波数を選ぶ必要が
ある。
本発明による変換器にシリコン単結晶の小板を
用いる場合、例えば以下のような製造工程が採用
される。即ち、 １ シリコン単結晶を製造する。
２ 特定の結晶方向で薄いシリコンウエハ（厚さ
ｄ＝200μm）を切り出す。
３ ウエハ表面を酸化する。
４ フオトレジスト層（紫外線感応性有機ポリマ
ー）を形成する。
５ フオトマスク（変換器パターンを有するガラ
ス板）を準備する。
６ 等方性または異方性エツチングにより酸化物
層またはシリコン面の特定部位を解放するため
にフオトリソグラフイープロセスを行なう。
７ 蒸着（又はスパツタリング、ボンデイング）
により接点と帯状線束の導体素線を形成する。
８ ウエハを保護層（SiO2，SiN4など）で被覆
する。
薄い箔材を用いる場合は例えば以下のような製
造工程が採用される。即ち １ 坦体（キヤリア）即ち変換器本体として機能
する可撓性基板を選定する。
２ 基板に密着されたマスクを通して単純に被覆
を行なう。
３ 中間工程として、基板へのフオトレジストの
塗布、レジスト層の露光、レジストの現像、被
覆のエツチング、及び残存レジストの除去を含
むフオトリソグラフイープロセスを行なう。
４ パリレンＣ（ポリマー）の絶縁被覆を塗装す
る。
電磁変換器のコイルを製造するのにこれら二つ
の方法を用いた場合、以下の事項が可能となる。
１ 送信変換器を構成するに際して、被検体の変
換インピーダンスで消費される出力が所要の周
波数範囲においてジエネレーターの出力に比べ
て高く広帯域の値をもつように、また、コイル
のリアクタンスを回路へのキヤパシタンスの付
加によつて各動作周波数において直列共振で同
調できるように、帯状線束とその導体素線の
数、幅、厚さ、及び間隔を最適に選ぶことがで
きる。
２ 受信変換器を構成するに際して、セグメント
の固有の共振周波数が必ずそれぞれの所望周波
数帯域を越えて高くなる場合のみ帯状線束とそ
の導体素線の数の上限を制限するように、また
セグメントのリアクタンスを回路へのキヤパシ
タンスの付加によつて各動作周波数において並
列共振で同調できるように、帯状線束とその導
体素線の数、幅、厚さ、及び間隔を最適に選ぶ
ことができる。
第２図には、互いに交差するいくつかの導体が
示されており、そのうち符号８，９，１０を付し
たものは特徴的である。また第３図のコイル巻線
形式の例ではいくつかの個別導体部分１１も交差
部分と考えることができる。既に述べたように、
このような横断又は交差部分は基板の裏面側に配
置するのが最も簡単である。
前述のように第１図は本発明の変換器のセグメ
ントの構成を概略的に、但し未完成の形で示して
いる。このセグメント構成における個々の帯状線
束２が一辺となるように渡り部分の巻線（導体素
線）を形成することによつて、第２図に示したよ
うな蛇行巻線形式のものと第３図に示したような
コイル巻線形式のものとを選択的に得ることがで
きる。いずれの形式においても帯状線束２は複数
の巻線３からなつており、これらの巻線３は、各
周波数において幾つかの切り換え状態で小さい素
数比の複数の波長を生じるようにスイツチング手
段による動作で接続されるようになされている。
この目的のためのスイツチング要素は第７図と第
８図に示してある。
第７図は第２図中においてセグメント７の円で
囲んだ上辺隅部または第３図中の対応部分につい
て拡大して示しており、一方、第８図は第２図に
おけるセグメント６の下辺隅部または第３図の対
応部分について拡大して示している。
第７図では巻線３′，３″，３，３〓，３〓が
完全に示されており、巻線３′は接続タツプ２１
で終端され、このタツプ２１には開閉接点２２及
び２３が接続されている。これらの接点２２及び
２３はリリードリレー２４及び２５で開閉され、
例えばリードリレー２４は作動すると接点２２を
閉じ、これによつて接続タツプ２１にはジエネレ
ーター２６が接続され、、この接続の後にジエネ
レーター２６は交流電流を発生する。他方、リー
ドリレー２５は接点２３を閉じており、接続タツ
プ２１はジエネレーター２６の他の出力端子が接
続された接地端子２７に接続された状態となつて
いる。即ち、図示の状態は、接続タツプ２１がジ
エネレーターに接続されていない動作状態であ
る。
第７図には別の接続タツプ２８も示されてお
り、これは、巻線の終端を構成する接続タツプ２
１と対照的に、隣接巻線、即ち第２図で縦下方へ
向かう巻線の始端を構成している。この接続タツ
プ２８はリードリレー２９を介してジエネレータ
ー２６に接続されている。このスイツチング状態
では、更に別のリードリレー３０が開成状態であ
るが、これが状態を切り換えると、接続タツプ２
８は接地端子２７に接続される。
従つて第７図において実現されるスイツチング
状態は、これらリードリレーによつてなされる二
つの開閉状態で二種類の異なる状態の選択を可能
とする。但し、最終的にはこのセグメントにも更
に第８図に示したような巻線の巻数を実質的に変
更することで動作周波数を切り換えるためのスイ
ツチ配置を設けることが必要である。モードスペ
クトロスコピーの動作と作用を述べる前に、どの
部分が第８図に示されているかを説明する。
この第８図は、第２図においてセグメント６の
下方にある円で囲まれた部分を示している。ここ
にも５つの縦の巻線３′，３″，３，３′′′′，３
′′′′′が存在する。また５つの横の巻線もあり、巻
線３′を除いてこれらは縦の巻線にそれぞれ接続
されている。これに加えて、横方向の帯状線束は
接続タツプ３１で与えられた巻線始端または巻線
終端によつて特徴付けられており、この接続タツ
プ３１は接地端子２７に接続されている。
第２図で接続タツプ５として示したものは第８
図で接続タツプ５′，５″，５，５′′′′，５′′
′′′と
して示されている。これら各接続タツプだけでな
く巻線３′も、巻線３′から５′′′′′へ順に符号３
２，
３３，３４，３５，３６で示す開閉接点に接続さ
れている。これら開閉接点は個々にリードリレー
３７，３８，３９，４０，４１によつて開閉され
る。これらのリードリレーは、各状態でそれらの
一つが自身の接点を閉じてジエネレータ２６の給
電を受けるように接続されている。
以上に述べた開閉要素の機能により、第８図に
従つて周波数コミユテーター回路を得ることがで
き、一方、第７図は波長の切り換えを達成するた
めの同様の開閉要素の回路を示している。この周
波数の切り換えと波長の切り換えは同時または相
対的に異なつた時点で実行でき、これは検査の目
的によつて定められる。
第８図の例における周波数の切り換えは、第２
図又は第３図において第７図による波長切り換え
が行なわれる同一箇所で対応する方式により付加
的に行なう。これは、例えば巻線終端の接続タツ
プ２１を第８図のジエネレーター２６に接続され
た接点３２へ置き換えて考え、巻線始端の接続タ
ツプ２８を第８図の接続タツプ３１に接続し、こ
れら始端２８と終端２１との間の巻線のそれぞれ
を第８図の接続タツプ５″，５，５′′′′，５
′′′′′に接続することで行なうものである。
さて、第７図と第８図により開閉要素の説明を
述べてきたが、次にこれら開閉要素の連係動作の
一例を述べる。すなわち、セグメントを構成する
帯状線束２は複数の巻線を備えており、これらの
巻線は複数の開閉要素の動作によつて相互に接続
又は切り離し可能である。これは複数の開閉状態
における各周波数について小さな（それ以上割り
切れない）素数の比をなす複数の波長を得るよう
に巻線の組み合わせを変えるように行なわれる。
第７図で再現される開閉状態は、第２図の帯状
線束の各巻線を交互に対となつて通電状態、即ち
賦活状態とする。最終的には開閉状態は第８図に
示される通りとなる。
換言すれば、第８図に示す開閉状態は、第７図
における帯状線束に流す交互に対となる電流の前
段階である。一方、第７図の状態が他の開閉状態
に変わると、電流は三組となつて交互に帯状線束
を流れる。このようにして、第８図の状態のまま
で第７図の状態の別の状態に切り換えることがで
き、それによつて小さな素数比、即ち、この場合
は２：３の相対比をもつ二種の異なる波長を生じ
ることができる。
第８図による周波数の切り換えは、複数の接続
タツプ３′，５″，５，５′′′′，５′′′′′の
一つがリ
ードリレー３７〜４１によつて駆動、即ち付勢さ
れるように構成されていることに基づいている。
今までにたびたび述べてきた開閉要素はリード
リレーである。このようなリードリレーは当業者
に容易に受け入れられるものであり、市販のもの
を入手可能である。リードリレーの最大許容電圧
は7.5kVのものが入手でき、また閉成時の通過電
流の定格は3A程度までのものが入手可能であり、
かなり過酷なスイツチング動作でも達成可能であ
る。通常の超音波探傷と同様に本発明でも間欠的
な高電流パルスで駆動するので、7.5kV程度の耐
電圧があれば使用可能である。
巻線の対応する接続タツプについて第７図に関
する説明と基本的に同じ事項が第８図に関しても
当てはまる。これら巻線の接続タツプは第３図に
も示されている。
第３図の上記接続タツプ部分についても第７図
及び第８図に示したものと同様の構成を適用可能
である。
［発明の効果］ 以上の述べたように、本発明の電磁変換器は薄
板またはストリツプ材などの種々の形態の金属、
特に走行する鋼材の非接触検査における超音波の
送信及び受信変換器として、種々の周波数及び波
長を全電子的に自動的に切り換えながら検査を行
なうことができる構成となつており、板波探傷法
のモードスペクトロスコピーを行なう場合に特に
好適であつて、従来のように波長の切り換えの度
に変換器の基板を交換する必要がなく、極めて高
速の自動検査を可能とする効果を奏するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の電磁変換器の要部をなす変換
器セグメントの基本構成要素の配置パターンを示
す説明図、第２図は蛇行巻線形式の二つの変換器
セグメントの組み合わせの構成パターンを示す説
明図、第３図はコイル巻線形式の二つの変換器セ
グメントの組み合わせの構成パターンを示す説明
図、第４図は二つのセグメントからなる送信変換
器に対する駆動電流の給電回路の一例を示す回路
図、第５図はパワー遅延回路の基本構成単位の具
体的構成を示す斜視図、第６図はデジタル信号認
識回路のブロツク図、第７図は波長切り換えのた
めの開閉要素の接続例を示す部分回路図、第８図
は周波数転流のための開閉要素の接続例を示す部
分回路図である。 主要部分の符号の説明、１：セグメント、２：
帯状線束、３：巻線（導体素線）、６：蛇行巻線
形式のセグメント、７：コイル巻線形式のセグメ
ント、２２，２３，３２，３３，３４，３５，３
６：開閉要素の接点、２４，２５，２９，３０，
３７，３８，３９，４０，４１：リードリレー
（開閉要素）２６：パルスジエネレーター。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 異なる複数の波長の夫々について一つ以上の
    周波数を用いて行う平らなストリツプ材およびシ
    ート状金属材の非接触検査における超音波の送信
    及び受信用の電磁変換器であつて、実質的に平ら
    なプリント回路基板上に複数の平行な導体素線か
    らなる帯状線束を間隔をあけて平行に複数形成し
    て所望のコイル形状とした少なくとも一つの変換
    器セグメントを備え、この変換器セグメントには
    予め定められた複数種類の周波数及び波長が設定
    されており、前記複数の帯状線束の導体素線が開
    閉要素の組を介した動作のためにこれら開閉要素
    の種々の開閉状態において前記周波数毎に互いに
    小さな素数比で異なる前記複数の波長を生じるよ
    うに接続されるべく配列されていることを特徴と
    する電磁変換器。 ２ 前記帯状線束が多数回巻きの導体素線からな
    り、各帯状線束が等間隔で配列されていることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電磁変
    換器。 ３ 前記帯状線束がコイル巻線又は蛇行巻線とし
    てのいずれかの機能にその極性配列を選択的に変
    えるように構成されていることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項に記載の電磁変換器。 ４ 前記帯状線束が、変換器の動作領域における
    波動インピーダンスの周波数−振幅応答特性を平
    坦化するような間隔で前記導体素線に接続された
    複数の接続タツプを備えていることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項に記載の電磁変換器。 ５ 横方向にずれて重なる二つの前記変換器セグ
    メントが同一形状で設けられ、これら二つの重な
    る変換器セグメントが遅延回路によつて位相差を
    もつて動作できるように構成されていることを特
    徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電磁変換
    器。 ６ 異なる複数の波長の夫々について一つ以上の
    周波数を用いて行う平らなストリツプ材およびシ
    ート状金属材の非接触検査における超音波の送信
    及び受信用の電磁変換器であつて、実質的に平ら
    なプリント回路基板上に複数の平行な導体素線か
    らなる帯状線束を間隔をあけて平行に複数形成し
    て所望のコイル形状とした少なくとも一つの変換
    器セグメントと接地端子とを備え、この変換器セ
    グメントには定められた複数種類の周波数及び波
    長が設定されており、前記複数の帯状線束の導体
    素線が開閉要素の組を介した動作のためにこれら
    開閉要素の種々の開閉状態において前記周波数毎
    に互いに小さな素数比で異なる前記複数の波長を
    生じるように接続されるべく配列されていると共
    に、更に前記接地端子が、検査中に被検体と変換
    器との間隔を維持して被検体と導電的接触を保つ
    ように配置された合成樹脂製の導電ロールに接続
    されていることを特徴とする電磁変換器。 ７ 異なる複数の波長の夫々について一つ以上の
    周波数を用いて行う平らなストリツプ材およびシ
    ート状金属材の非接触検査におけるパルス状超音
    波の送信及び受信用の電磁変換器であつて、実質
    的に平らなプリント回路基板上に複数の平行な導
    体素線からなる帯状線束を間隔をあけて平行に複
    数形成して所望のコイル形状とした少なくとも一
    つの変換器セグメントを備え、この変換器セグメ
    ントには予め定められた複数種類の周波数及び波
    長が設定されており、前記複数の帯状線束の導体
    素線が開閉要素の組を介した動作のためにこれら
    開閉要素の種々の開閉状態において前記周波数毎
    に互いに小さな素数比で異なる前記複数の波長を
    生じるように接続されるべく配列され、更に一つ
    の変換器セグメントが受信信号の擾乱除去のため
    のデジタル信号認識回路に接続されていると共
    に、前記デジタル信号認識回路内にはタイミング
    パルスを発生するパルス発生器と、前記タイミン
    グパルスと共に前記受信信号を受け取る第１シフ
    トレジスターおよびこれに継続接続された第２シ
    フトレジスターと、前記受信信号と前記第１およ
    び第２シフトレジスターの各出力を前記タイミン
    グパルスに同期して比較するコンパレーターと、
    該コンパレーターの出力が予め定められた設定値
    に達したときに受信出力パルスを生じるカウンタ
    装置とが設けられていることを特徴とする電磁変
    換器。 ８ 前記帯状線束の各導体素線が電磁的に非導体
    の基板上に蒸着によつて形成されたフオトリソグ
    ラフイー構造の金属線からなることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項に記載の電磁変換器。 ９ 前記金属線がアルミニウムからなることを特
    徴とする特許請求の範囲第８項に記載の電磁変換
    器。 １０ 前記金属線が薄い箔材上に蒸着されている
    ことを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の
    電磁変換器。 １１ 前記基板が酸化層を坦持したシリコン単結
    晶の小板からなることを特徴とする特許請求の範
    囲第８項に記載の電磁変換器。 １２ 前記基板が一方の面に前記帯状線束を有す
    ると共に他方の面に該帯状線束またはその導体素
    線渡り部分と交差する導体を有することを特徴と
    する特許請求の範囲第８項に記載の電磁変換器。
JP59180881A 1983-09-02 1984-08-31 電磁変換器 Granted JPS6073355A (ja)

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