JPS6225258A - 電磁超音波トランスジユ−サ - 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】

〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば超音波探傷装置に用いられるｔｍ超
音波トランスジューサの発生・検出効率の向上改善に関
するものである。 〔従来の技術〕 第４図は従来の電磁超音波トランスジューサを用いた電
磁超音波送受信′回路を示す構成図である。 図において、１は高圧電源、２は充電抵抗、３は充放電
コンデンサ、４は高電圧スイッチ、５は高圧電源１．充
電抵抗２．充放電コンデンサ３及び高電圧スイッチ４よ
りなるパルサ、６は１１Ｌ磁超音波を励振すると共に検
出する発生・検出コイル、７は抵抗、８は低周波信号を
除去するコンデンサ、９は高電圧信号をクリップするダ
イオード、１０は増１１＠２３．１１は抵抗７．コンデ
ンサ８．ダイオード９及び増幅器１０よりなるレシーバ
である。 第５図は、第４図の′Ｉｔ磁超磁波音波送受信回路ける
横波モードの１ｊＬ磁超音波の発生・検出原理を示す図
である。図において、１２は超音波が伝搬する金属から
なる媒質、１３　、１５は媒質１２の表面に垂直の靜磁
界Ｂｏを与える磁石、１４は発生コイル６ａと磁石１３
よりなる送信用電磁超音波トランスジューサ、１６は検
出フィル６ａとｄ石１５よりなる受信用電磁超音波トラ
ンスジューサである。また、５はパルサ、１１はレシー
バである。 第６図は、第４図の電磁超音波送受信回路におけるパル
サの等両回路と発生コイルを流れる電流波形を示す図で
ある。 第７図は、第４図の電磁超音波送受信回路における発生
コイルの発生能、検出コイルの検出能及び発生・検出コ
イルの発生・検出能を、各コイルの巻数を変えた時の特
性曲線を示す図である。 次に、上記第４図に示す従来の電磁超音波送受信回路に
おける電磁超音波の発生・検出原理について説明する。 磁石１３によって媒質１２の表面に垂直な靜磁界Ｂ０を
与えた後に、パルサ５から発生コイル６ａに第６図（ｂ
ｌに示す交流パルス電流ｉを通電すると、発生コイル６
ａの直下の媒質１２の表層に渦電流Ｊｔが誘起される。 すると、上記渦電流Ｊｔと靜磁界Ｂ０との相互作用によ
ってローレンスフォースＦが発生する。第５図に示すロ
ーレンスフォースＦの方向は瞬時の振動方向であり、実
際は、発生コイル６ａを流れる電流の周波数に同期した
振動、すなわち超音波となって第５図に矢印Ｕ（＞）で
示す方向に伝搬する。さて、超音波の検出は、発生の逆
作用である。まず、超音波の発生の場合と同時に、磁石
１５によって靜磁界Ｂ。 を与えておく。しかる後に、超音波が伝搬して来ると、
靜磁界Ｂｏの磁場中の媒質１２の表面が振動するため、
その表面に渦１流Ｊｒが誘起される。 この渦′１流Ｊｒを検出コイル６ｂでピックアップする
こと（こよって超音波が検出できる。上記検出信号はレ
シーバ１１で増幅される。 以上の電磁超音波の発生・検出原理によるｖＬｍ超音波
送受信回路の動作について説明する。以下の動作説明に
３いて、電磁超音波の発生・検出に必要なｆ＃磁界Ｂｏ
はすでに与えられているものとして、その動作の説明は
省略する。まず、パルサ５に３いて、充放電コンデンサ
３は充電抵抗２を介し＾圧篭源１１こよって′１荷が光
電される。しかる後に、高゛ζ圧スイッチ４を閉成し、
充放′１コンデンサ３に充電された電荷を放電し、発生
・検出コイル６（こ超音波動部用の電流を流す。この時
の電流回路は、第６図（ａ）に示す直列Ｒ，−Ｌ−Ｃ共
振回路（等価回路）を構成する。また、その時の電流波
形を第６図ｔｂ＋に示す。上記電流波形の周波数

【と電
流ｉは、下記の第（１）式及び第（２）式で示すように
直列Ｒ−Ｌ−Ｃの共振回路の方程式で表わされる。 とする。 さい値になるので％　Ｒを無視すると上記第（２）式は
次式のように表わされる。 ＩＩ】 周波数「は次式のように表わされる。 よって、超音波の周波数は上記第（４）式で、電流は上
記第（３）式でそれぞれ示す直列Ｒ−Ｌ−Ｃ共振回路で
決まる。流れる電流の大きさは、高圧′電源１の電圧Ｅ
と充放電コンデンサ３の容量のｖｌテに比例し、発生コ
イル６ａのインダクタンスＪＩＩこ反比例する。また、
この時の電流は、発生・検出コイル６とレシーバ１１に
分流されるが、レシーバ１１の抵抗７の抵抗値が発生・
検出コイル６の抵抗値に比べて約１０００倍と十分に大
きいために、はとんどの電流は発生・検出コイル６に流
入する。 しかし実際には、発生・検出コイル６のｂ点の電位が上
昇し、レシーバ１１の増幅器ＩＯに約１００　Ｖ程度の
電圧が印加される。ダイオード９は上記の電圧をダイオ
ード９の順方向電圧（約０．６　Ｖ　）でクリップし、
増幅器１０の定格入力電圧以上の過電圧入力に対して保
護している。これをまとめると、増幅器１０に対して抵
抗７は電流制限の、ダイオード９は過電圧保護のそれぞ
れの役目をしている。 また、コンデンサ８はノイズ成分となる低周波信号を除
去し、超音波信号帯域となる高周波成分だけを増幅器１
０に入力する。 一方、超音波の検出の際は、高電圧スイッチ４は開放状
態になっているので、検出回路は発生φ検出コイル６と
レシーバ１１で構成される。発生・検出コイル６に誘起
される′１圧は約０．１ｖ以下と小信号であるので、ダ
イオード９に関係なく抵抗１、コンデンサ８を介して増
幅器１０に入力され、後の装置で信号処理されるレベル
まで増幅される。 この時の超音波信号の出力ｖＲｗは次式で表わされる。 ここで、ＮＲ：検出コイル６ｂの巻線密度ｃ本／ｍ）Ａ
Ｒ：検出コイル６ｂの検出に有効な面積（ｍ：） Ｂｏ：靜磁界（Ｔ） ＮＴ二発生コイル６ａの巻線密度ｃ本／ｍ）Ｉ丁＝発生
コイル６ａを流れる１流（Ａ）Ｖ：音速（ｍ／式） 電磁超音波は、従来の圧電探触子に比べて、発生・検出
効率が約４ＱｄＢ以上低い。このため、実用化するには
この問題点を除去しなければならない。感度を向上する
には上記第（５）式から判るように、ＮＲｅ　’Ｒ−”
Ｏｅ　Ｎア、ＩＴ　　を大きくすれば良い。しかし、超
音波トランスジューサの性能、すなわち送信周波数２口
径が制限されるので、上記項目中のＮＲＩ　ＡＨ、８丁
をむやみに大きくできないが、コイルの巻数を調整し、
パルサ５及びレシーバ１１とのインピーダンスマツチン
グを計ることｌこよって、制限付きながらも感度の向上
に寄与できる。その概念を第７図に示す。第７図は発生
コイル６ａと検出コイル６ｂの巻数と発生能、すなわち
効率の関係を示す特性曲線である。最大効率は発生コイ
ル６ａと検出コイル６ｂで異なった巻数となる。第４図
に示すように、発生コイル６ａと検出コイル６ｂを同一
とする発生・検出コイル６においては１両者の特性を合
わせて最大の効率を示す巻数を選択している。しかし、
巻数の選択は、超音波の撮動の口径（音場）、送信周波
数によっても制限され、また、増幅５１０の入力インピ
ーダンスも検出コイル６ｂのインピーダンスに合わせる
套装があるので、第７図（ａｌ及び（ｂｌに○印で示す
ように必ずしも最適値が選択できるとは限らない。 さらに、上記第（５）式中の靜磁界Ｂ、を大きくするに
は、各送信用、受信用電磁超音波トランスジューサ１４
　、１６の形状を大きくすれば良いが１重量。 形状が大きくなり実用的でない。これらのことから、従
来のものではパルサ５に高電圧パルサを用い、上記第（
５）式の電流ＩＴを大電流にすることによって感度の向
上を計っている。しかしこれにも、使用部品の耐電圧特
性、イぎ頓性等を考慮すると限界がある。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記のような従来の電磁超音波トランスジューサを用い
た電磁超音波送受信回路では、発生コイル６ａと検出コ
イル６ｂが共通である発生・検出コイル６による電磁超
音波トランスジューサの感度を向上するために、高圧な
パルサ５を導入し、パルサ５と発生・検出コイル６とレ
シーバ１１トのインピーダンスマツチング等を計って最
大感度を得ている。ところが、周波数及び口径が決まっ
た後では、最適な発生・検出効率を得る発生・検出コイ
ル６の巻数、インダクタンスＬ等の最適条件を選択する
のは非常に困難なことから、バルサ５ト発生・検出コイ
ル６とレシーバ１１の間にミスマツチングが生じ、感度
の低下を招くという問題点があった。 この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、超音波の発生・検出効率が最大になるように発生
・検出コイルの巻数が個別１こ選択され、感度をより一
層向上できる電磁超音波トランスジューサを得ることを
目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明に係る電磁超音波トランスジューサは、発生・
検出コイルの各接続端子をパルサとレシーバとで各々別
個ｆこ設け、それぞれをインピーダンスマツチングする
ようにしたものである。 〔作用〕 この発明の電磁超音波トランスジューサにおいテハ、パ
ルサとレシーバとにそれぞれ接続される発生・検出コイ
ルの接続端子を、各々別個に設けであるので、それぞれ
においてインピーダンスマツチングができ、超音波の発
生拳検出効率が最大となるように設定して、感度のより
一層の向上を計ることができる。 〔実施例〕 、第１図はこの発明の一実施例であるｘｉ超音波トラン
スジューサを用いた電磁超音波送受信回路を示す構成図
で、第４図と同一部分は同一符号を用いて表示してあり
、その詳細な説明は省略する。 図において％１７はこの発明による発生・検出コイル、
１８は上記第４図に示す従来の増幅器１０の入力インピ
ーダンスよりも高い入力インピーダンスを有する増幅器
である。 第２図は、第１図及び第４図のそれぞれにおける発生・
検出コイルの比較を示す外観図である。 第３図は、第１図及び第４図のそれぞれにおける発生・
検出コイルの発生−検出効率の比較を示す特性曲線であ
る。 次ζこ、上記第１図に示すこの発明の一実施例である電
磁超音波トランスジューサを用いた電磁超音波送受信回
路の動作について説明する。第１図に示す発生・検出コ
イル１７において、各端子ａ−ｂ間は発生コイル１７　
ａ　−ｂ　、各端子ａ　−ｃ間は検出コイル１７　ａ　
−ｃをそれぞれ構成している。第１図に示すこの発明の
ｔａ超音波送受信回路では、発生・検出コイル１７と増
幅６１８の入力インピーダンスが異なるだけなので、こ
こでは、特に発生書検出コイル１７の動作を中心に説明
する。超音波トランスジューサの音場特性は、送信周波
数と発生・検出コイル１７の口径との関係で決まる。こ
こで、上記送信周波数と発生・検出コイル１７の口径を
一定とした条件下で、従来例の’を磁波音波トランスジ
ューサ以上の感度を、第１図に示す発生・検出コイル１
７を用いて実現しようとするものである。 第２図に、上記発生・検出コイル１７と従来例の発生・
検出コイル６とを比較して示している。両発生・検出コ
イル１７，６とも口径はｄ　（ＩＩｍ）と等しく、この
発明による発生Φ検出コイル１７の巻数は、従来例の発
生・検出コイル６の巻数と比較して約２倍以上ある。ま
た、第２図＋ｂｊ　Ｉこ示すように発生・検出コイル１
７には接続端子が３個（ａ、ｂ、ｃ）用意されており、
１個の端子は共通のグランド端子で、他の２個の端子は
それぞれパルサ５とレシーバ１１にそれぞれ接続する。 発生會検出効率を靜磁界Ｂ。と直流′電圧Ｅ以外の要素
、すなわち発生・検出コイル１７の構成によって同上す
るζこは、上記ＸＧ　ｔ５）式から判るようｔこ２発生
コイル１７　ａ　−ｂは巻線密度ＮＴを、検出コイル１
７　ａ　−ｃはコイル面積（ＮＲ”ＡＲ）をそれぞれ増
大すれば良い。従来例では、発生・検出コイル６、パル
サ５及びレシーバ１１の王者のインピーダンスマツチン
グが必要であったが、この発明による発′生・検出コイ
ル１７では、発生コイル１７　ａ　−ｂとパルサ５、検
出コイル１７　ａ−Ｃとレシーバ１１とを個別（こイン
ピーダンスマツチングを行えば良い。 まず、発生コイル１７　ａ　−ｂ側では上記第（５）式
から判るように、発生コイル１７ａ−ｂ’、巻線密度８
丁を増せば良い。しかし、発生コイル１７　ａ　−ｂの
インピーダンスＺＬが後述する第（６）及び第（７）式
に示すように増大して工Ｔが小さくなる。よって１巻数
を増加するだけでは超音波の発生の効率は向上しない。 また、周波数【も上記第（４）式から求まるように低く
なる。発生コイル１７　ａ　−ｂのインピーダンスＺＬ
及びインダクタンスＬは次式で表わされる。 Ｌキｋ　、　ｄ　、　Ｎ”　　　　　　　　　・・・・
・・・・・（７）ここで、ｋ：定数 ｄ：発生コイル１７　ａ　−ｂの直径 Ｎ：発生コイル１７　ａ　−ｂの巻数 よって、充放電コンデンサ３の容ＪｉＣを一定とすると
、発生コイル１７　ａ　−ｂの巻数は送信周波数によっ
て決まってしまい、この巻数キインピーダンスの間作か
ら超音波の発生効率を最適（最大）にできる。 一方、検出コイル１７　ａ　−ｃ用では上記編（５）式
から判るように、巻線密度８人と検出コイル１７　ａ　
−Ｃの検出面積Ａ、の積に比例する。すなわち総巻線数
に比例する。よって、検出コイル１７　ａ　−ｃは第２
図（ｂ）に示すように口径ａｕｇで８を層することによ
って総巻数を増加する。さらに、検出コイル１７ａ　−
Ｃのインピーダンスに等しくなるように増幅器１８の入
力インピーダンスを高くし、両者のインピーダンスをマ
ツチングして感度（効率）の向上を計る。第３図ｆａ）
及び（ｂｌにこの発明と従来例とのそれぞれの発生・検
出コイルと発生・検出能との特性曲線を示している。図
中の○印のポイントで超音波の発生及び検出を行うこと
ができるので、第３図（ａ）に示す従来例のものと比べ
て、第３図（ｂｌに示すこの発明のものは感度が向上す
る。 なお、上記実施例では、増幅器１８の入力インピーダン
スを検出コイル１７　ａ　−ｃのインピーダンスに整合
させて感度を向上する場合について説明したが、発生・
検出コイル１７は同一のものを用い、送信周波数を充放
電コンデンサ３の容量を変えることで変化させる場合も
ある。この時、送信周波数にしたがって検出コイル１７
　ａ　−ｃのインピーダンスも変わり、増幅５１８とミ
スマツチングを生じて感度が低下する。これを避けるた
めｌこ、その都度、増幅器１８の入力インピーダンスを
調整する。 あるいは、想定される最大の検出コイル１７　ａ　−ｃ
のインピーダンスＺｉｎ（例えば約１０ＯＫΩ程度）に
合わせた増幅器１８を設置すれば、上記のインピーダン
ス以下の検出コイル１７　ａ　−ｃ用の増幅６１８を用
いても、多少の検出感度は低下するが、増幅器１８のイ
ンピーダンスを送信周波数に合わせて調整する手数が省
ける効果がある。 〔発明の効果〕 この発明は以上説明したとおり、　ｔｆｆｌ超音波トラ
ンスジューサにおいて、パルサとレシーバとにそれぞれ
接続される発生・検出コイルの接続端子を各々別個に設
け、それぞれにおいてインピーダンスマツチングできる
ように構成したので、超音波の発生・検出効率を最大に
なるように設定でき、極めて高い感度の電磁超音波トラ
ンスジューサが得られるという優れた効果を奏するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である電磁超音波トランス
ジューサを用いた′を磁波音波送受信回路を示す構成図
、第２図は、第１図及び第４図のそれぞれｌこおける発
生・検出コイルの比較を示す外観図、第３図は、第１図
及び第４図のそれぞれにおける発生争検出コイルの発生
・検出効率の比較を示す特性曲線、第４図は従来のｔｉ
超音波トランスジューサを用いた電磁超音波送受信回路
を示す構成図、第５図は、第４図の電磁超音波送受信回
路における横波モードの電磁超音波の発生書検出原理を
示す図、第６図は、第４図の電磁超音波送受信回路にお
けるパルサの等価回路と発生コイルを流れる電流波形を
示す図。第７図は、第４図の電磁超音波送受信回路にお
ける発生コイルの発生能、検出コイルの検出能及び発生
・検出コイルの発生・検出能を、各コイルの巻数を変え
た時の特性曲線を示す図である。 図ζこおいて、１・・・高圧電源、２・・・充電抵抗、
３・・・充放電コンデンサ、４・・高電圧スイッチ、５
・・・パルサ、７・・・抵抗、８・・・コンデンサ、９
・・・ダイオード、１１・・・レシーバ、１７・・・発
生・検出コイル、１７　ａ　−ｂ・・・発生コイル、１
７ａ−ｃ・・・検出コイル、１８・・・増幅器である。 なお、各図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁石と発生・検出コイルよりなる電磁超音波トランスジ
   ューサにおいて、パルサとレシーバとにそれぞれ接続さ
   れる前記発生・検出コイルの接続端子を、各々別個に設
   ける構成としたことを特徴とする電磁超音波トランスジ
   ューサ。