(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、該超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測方法において、
送信用センサコイルと該送信用センサコイルに近接した磁極をもつ第１の磁石よりなる送信用電磁超音波探触子および受信用センサコイルと該受信用センサコイルに近接した磁極をもつ第２の磁石よりなる受信用電磁超音波探触子を前記被検体の近傍に配置し、
前記送信用センサコイルから前記第１の磁石に発生して前記第１の磁石内で多重反射する電磁超音波が前記第２の磁石の中に入らないように、前記第１の磁石と前記第２の磁石とを構造的に分離し、
前記送信用センサコイルを介して所定パルス幅内で周波数、振幅もしくは位相のいずれか、またはこれらの任意の組合せにより変調したバースト信号を送信し、前記受信用センサコイルを介して得た受信信号と、前記送信した信号と同一または類似の波形の参照信号との相関演算を行い、該相関演算後の受信信号を用いて前記被検体の計測を行うことを特徴とする電磁超音波計測方法。
【請求項２】
前記第１の磁石の磁極と前記第２の磁石の磁極とは異なり、前記送信用センサコイルおよび前記受信用センサコイルは、流れる電流の向きが、揃うようにそれぞれの巻線が巻かれていることを特徴とする請求項１記載の電磁超音波計測方法。
【請求項３】
前記送信用電磁超音波探触子および受信用電磁超音波探触子を共に被検体の同一の面側に配置するか、または送信用電磁超音波探触子を被検体の一方の面側に配置し受信用電磁超音波探触子を被検体の他方の面側に配置することを特徴とする請求項１または２記載の電磁超音波計測方法。
【請求項４】
ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、該超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測装置において、
前記被検体の近傍に配置される、送信用センサコイルと該送信用センサコイルに近接した磁極をもつ第１の磁石よりなる送信用電磁超音波探触子および受信用センサコイルと該受信用センサコイルに近接した磁極をもつ第２の磁石よりなる受信用電磁超音波探触子と、
所定パルス幅内で周波数、振幅もしくは位相のいずれか、またはこれらの任意の組合せにより変調したバースト信号を数値データとして算出するバースト信号算出手段と、
前記バースト信号算出手段の算出したバースト信号を、送信信号、参照信号としてそれぞれ記憶する送信信号記憶手段および参照信号記憶手段と、
前記送信信号記憶手段に記憶された送信信号を読出しアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、
前記Ｄ／Ａ変換手段の出力するアナログ信号を電力増幅して前記送信用センサコイルに印加する電力増幅手段と、
前記受信用センサコイルが得た受信信号を増幅する受信増幅手段と、
前記受信増幅手段の増幅した受信信号を数値データに変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力する数値データと、前記参照信号記憶手段から読出した参照信号との相関演算を行う相関演算手段とを備え、
前記送信用センサコイルから前記第１の磁石に発生して前記第１の磁石内で多重反射する電磁超音波が前記第２の磁石の中に入らないように、前記第１の磁石と前記第２の磁石とが構造的に分離されていることを特徴とする電磁超音波計測装置。
【請求項５】
前記第１の磁石の磁極と前記第２の磁石の磁極とは異なり、前記送信用センサコイルおよび前記受信用センサコイルは、流れる電流の向きが、揃うようにそれぞれの巻線が巻かれていることを特徴とする請求項４記載の電磁超音波計測装置。
【請求項６】
前記受信用電磁超音波探触子は、前記被検体の前記送信用電磁超音波探触子の配置された面側またはその対向面側に配置されることを特徴とする請求項４または５記載の電磁超音波計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁超音波を用いて導電性材料の超音波計測を行う技術に関し、特に高い時間分解能で且つ高いＳＮ比を得る計測方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば金属の板や管等の被検体に、非接触で超音波の発生や検出を行う方法の一つとして、電磁超音波法が知られている。
この技術は、導電性の被検体に外部から磁場をかけておき、被検体に近接させたセンサコイルに電流を流すことにより被検体中に渦電流を生じせしめ、その渦電流と磁場とで発生するローレンツ力を用いて被検体中に超音波を発生するものであり、検出についても同様の原理である。
【０００３】
また、被検体が強磁性体の場合は、外部磁場をもってバイアス磁界をかけておき、被検体に近接させたセンサコイルから発生した磁界によりバイアス磁界を変化させ、これにより磁歪を変化させて被検体中に超音波を発生する原理もある。このような電磁超音波法は、外部磁場とセンサコイルとの位置関係次第で様々なモードの超音波が発生・検出でき、かつ非接触であるという大きなメリットがあるものの、現在一般的に用いられている圧電振動子による超音波発生検出法に比較して、電気機械変換効率が非常に低いため感度・ＳＮ比が悪いという問題がある。
【０００４】
このため従来から電磁超音波法の感度を改善する工夫が種々試みられてきた。例えば、被検体中の磁束密度が大きくなるように、非導電性磁性材の保護板（特開昭５６−１３２５５８号公報）や磁性材のセンサコイル（特開昭５７−８４３５０号公報）を使うことによりセンサそのものの感度を改善する方法、センサコイルと被検体間に金属箔を狭んで（特開平２−９６６０７号公報、特開平５−２８８７３３号公報）電気ノイズを低減する方法、２つの受信センサコイルを差動接続で用いて（特開昭５３−１４３３８８号公報、特開昭５７−８４３５２号公報）ノイズを低減する方法などである。
【０００５】
これらの工夫にさらに加えてＳＮ比を高くする方法として、信号処理方法が提案されている。
例えば送信信号を高電圧化する方法として、トリガ式スパークギャップによる方法（特開昭５３−８９４８６号公報）、２方向性サイラトロンによる方法（特開昭５８−１８０９４７号公報）、倍電圧パルサーによる方法（非破壊検査誌Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１１，ｐｐ．８０８−８１４）など、パルス状の送信信号の振幅を増やす方法がある。
しかしながら、上記の送信信号を高電圧にする方法には次のような問題点がある。すなわち、電圧の尖頭値が１０ｋＶ程度では、センサコイルや接続線の途中でスパーク・ショートしたり、他の機器のノイズ源となってしまう。センサコイルには感度を増すためには巻数が多い方が望ましいが、耐圧を増すためには太くかつ被覆した線を用いる必要があってあまり巻数が増やせない。また、高電圧を発生させるため、送信信号のパルス繰り返し周波数を数１００Ｈｚ程度までしか高くできず、高速に移動する被検体に適用できない。
【０００６】
上記の問題を解決する方法として、被検体中で超音波が共振することを利用した電磁超音波共鳴（非破壊検査誌Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１２，ｐｐ．７６４−７７０）による方法がある。しかしながらこの方法では、被検体に垂直に入射せしめた超音波の多重反射波の位相が揃って（コヒーレントとなり）共鳴するように、その共鳴周波数でかつパルス幅が長いバースト波を送信信号に用いるため、反射エコーを個別に分離することができず、複数の反射源を持つ被検体や平行面を持たない被検体へ適用することができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、電磁超音波法における送信信号の高電圧化はセンサコイルの耐圧の問題があり、一方、パルス幅の長いバースト波によって共鳴させる方法は複数の反射源を持つ被検体や平行面を持たない被検体へ適用することができないという問題があった。
この両者の中間として、あまりパルス幅の長くないバースト波を用いたり、センサコイルを共振回路にする方法が考えられるが、パルス状の送信信号に比較して、受信エコーの時間分解能が大幅に劣化するため、その適用対象は自ずと限られてしまう。このため、現在においても、電磁超音波法の工業現場における実用化は数例に留まっている。
本発明は、このような状況に鑑みて行われたものであり、電磁超音波計測において高い時間分解能でかつ高いＳＮ比を得ることができる計測方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る電磁超音波計測方法は、ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、該超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測方法において、送信用センサコイルと該送信用センサコイルに近接した磁極をもつ第１の磁石よりなる送信用電磁超音波探触子および受信用センサコイルと該受信用センサコイルに近接した磁極をもつ第２の磁石よりなる受信用電磁超音波探触子を前記被検体の近傍に配置し、前記送信用センサコイルから前記第１の磁石に発生して前記第１の磁石内で多重反射する電磁超音波が前記第２の磁石の中に入らないように、前記第１の磁石と前記第２の磁石とを構造的に分離し、前記送信用センサコイルを介して所定パルス幅内で周波数、振幅もしくは位相のいずれか、またはこれらの任意の組合せにより変調したバースト信号を送信し、前記受信用センサコイルを介して得た受信信号と、前記送信した信号と同一または類似の波形の参照信号との相関演算を行い、該相関演算後の受信信号を用いて前記被検体の計測を行うものである。
【０００９】
本発明の請求項２に係る電磁超音波計測方法は、前記請求項１に係る電磁超音波計測方法において、前記第１の磁石の磁極と前記第２の磁石の磁極とは異なり、前記送信用センサコイルおよび前記受信用センサコイルは、流れる電流の向きが、揃うようにそれぞれの巻線が巻かれているものである。
本発明の請求項３に係る電磁超音波計測方法は、前記請求項１または２に係る電磁超音波計測方法において、前記送信用電磁超音波探触子および受信用電磁超音波探触子を共に被検体の同一の面側に配置するか、または送信用電磁超音波探触子を被検体の一方の面側に配置し受信用電磁超音波探触子を被検体の他方の面側に配置するものである。
【００１０】
本発明の請求項４に係る電磁超音波計測装置は、ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、該超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測装置において、前記被検体の近傍に配置される、送信用センサコイルと該送信用センサコイルに近接した磁極をもつ第１の磁石よりなる送信用電磁超音波探触子および受信用センサコイルと該受信用センサコイルに近接した磁極をもつ第２の磁石よりなる受信用電磁超音波探触子と、所定パルス幅内で周波数、振幅もしくは位相のいずれか、またはこれらの任意の組合せにより変調したバースト信号を数値データとして算出するバースト信号算出手段と、前記バースト信号算出手段の算出したバースト信号を、送信信号、参照信号としてそれぞれ記憶する送信信号記憶手段および参照信号記憶手段と、前記送信信号記憶手段に記憶された送信信号を読出しアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、前記Ｄ／Ａ変換手段の出力するアナログ信号を電力増幅して前記送信用センサコイルに印加する電力増幅手段と、前記受信用センサコイルが得た受信信号を増幅する受信増幅手段と、前記受信増幅手段の増幅した受信信号を数値データに変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段の出力する数値データと、前記参照信号記憶手段から読出した参照信号との相関演算を行う相関演算手段とを備え、前記送信用センサコイルから前記第１の磁石に発生して前記第１の磁石内で多重反射する電磁超音波が前記第２の磁石の中に入らないように、前記第１の磁石と前記第２の磁石とが構造的に分離されているものである。
【００１１】
本発明の請求項５に係る電磁超音波計測装置は、前記請求項４に係る電磁超音波計測装置において、前記第１の磁石の磁極と前記第２の磁石の磁極とは異なり、前記送信用センサコイルおよび前記受信用センサコイルは、流れる電流の向きが、揃うようにそれぞれの巻線が巻かれているものである。
本発明の請求項６に係る電磁超音波計測装置は、前記請求項４または５に係る電磁超音波計測装置において、前記受信用電磁超音波探触子は、前記被検体の前記送信用電磁超音波探触子の配置された面側またはその対向面側に配置されるものである。
【００１２】
このように構成された発明においては、所定パルス幅を持ち周波数、振幅もしくは位相のいずれか、またはこれらの任意の組合せで変調したバースト信号を送信信号に用いるようにしており、パルス幅が長く平均電力の大きい送信信号を用いることで、あまり高い送信電圧でなくても強い超音波を発生させることができる。
さらに、送信信号と同一又は類似の波形の信号を参照信号とし、受信信号と参照信号との相関演算を行うようにしているので、バースト波のパルス圧縮作用により時間的に長かったエコーのパルス幅が短く圧縮されると共に、送信信号と相関のない電気的ノイズを大幅に低減することができる。このため、電磁超音波共鳴や、センサコイルを共振回路にするような時間分解能が劣化する方法の必要がなくなり、高い時間分解能でかつ高いＳＮ比を得ることができる。
さらに、送信用センサコイルとそれに近接した第１の磁石と、受信用センサコイルとそれに近接した第２の磁石とを分離させて、送信用電磁超音波探触子と受信用電磁超音波探触子とを別ユニットとしているので、送信時に送信用センサコイルに近接した磁石内に発生する超音波エコーを、受信用センサコイルが受信することがなく、エコー性のノイズが少ない極めて優れたＳＮ比を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施形態１
図１は本発明の実施形態１に係る電磁超音波計測装置の構造図である。
図１において、１は被検体、２は送信用センサコイル、３は送信用センサコイル２に近接した磁極（図ではＮ極）をもつ第１の磁石、４は受信用センサコイル、５は受信用センサコイル４に近接した磁極（図ではＳ極）をもつ第２の磁石、１０はバースト信号演算手段、１１は参照信号記憶手段、１２は送信信号記憶手段、１３はＤ／Ａ変換器、１４は電力増幅器、１５は同期信号発生手段、１６は受信用増幅器、１７はＡ／Ｄ変換器、１８は相関器である。
【００１４】
図１においては、被検体１に対して送信用センサコイル２及び受信用センサ４を接近させて、この送信用センサコイル２に磁極（図ではＮ極）を近接させた第１の磁石３を配置し、また受信用センサコイル４に近接させた磁極（図ではＳ極）をもつ第２の磁石５を配置している。
ここで第１の磁石３と第２の磁石５とは、完全に分離された独立する２つの磁石であり、その詳細は図６で後述するが、図４のように断面が“コ”の字型の単一の磁石のＮ極とＳ極ではない。
また、送信用センサコイル２とこれに近接した磁極をもつ第１の磁石３よりなる構成を送信用電磁超音波探触子、受信用センサコイル４とこれに近接した磁極をもつ第２の磁石５よりなる構成を受信用電極超音波探触子という。この送信用と受信用の電極超音波探触子の図１と異なる配置例は図８で後述する。
【００１５】
図１では、送信用センサコイル２に近接させた磁石３の磁極（Ｎ極）と受信用センサコイル４に近接させた磁石５の磁極（Ｓ極）の間に流れる磁束を用いて被検体１に磁場をかけており、この図の場合、各コイル直下では磁束は垂直方向である。この磁束により、送信用センサコイル２から被検体表面に誘起される渦電流にローレンツ力をかけ、電磁超音波を発生するようにしている。一方、受信はこの逆の原理で受信用センサコイル４に信号を得る。
ここで、被検体１は非磁性体であるＳＵＳ３０４、２つのセンサコイル２，４は長径２０ｍｍ、巻数２０ターンとし、２つの磁石３，５には１５×３０×３０ｍｍの永久磁石を用い、図１の示すような配置とした（図６の（ｂ）の斜視分解図を参照）。
【００１６】
図１の動作を説明する。
本発明において、送信のための変調をかけたバースト信号には様々なものが適用できるが、本実施形態ではチャープ（ｃｈｉｒｐ）信号を用いた。このチャープ信号ｓ（ｉ）は、図１のバースト信号演算手段１０によって次の式（１）に基づいて発生される。但しここでｆＣ  は中心周波数、Ｂは周波数掃引帯域幅、Ｔはパルス幅、ｆＳ  はサンプリング周波数である。またこの例でバースト信号演算手段１０は汎用のコンピュータを用いた。
【００１７】
【数１】
0003608423.tif 000002
【００１８】
この例におけるチャープ信号は、中心周波数１ＭＨｚ、周波数掃引帯域幅１．６ＭＨｚ、パルス幅２０μｓとし、サンプリング周波数５ＭＨｚで離散化して求めたので、データ点数は１００点である。
バースト信号演算手段１０によって発生された上記のチャープ信号は、シリアル伝送によって、それぞれＲＡＭによって構成される参照信号記憶手段１１と送信信号記憶手段１２に記憶される。
【００１９】
送信信号記憶手段１２に格納されたチャープ信号は、同期信号発生手段１５により発生される同期信号に同期して１００点分の読み出しが開始され、Ｄ／Ａ変換器１３で所定のサンプリング周波数でアナログ信号に変換され、電力増幅器１４で高電圧に増幅される。そして、電力増幅器１４の出力信号は、送信用センサコイル２に印加され、超音波に変換されて被検体１中に発信される。
この例において、同期信号発生手段１５により発生される同期信号は１ＫＨｚ  の周波数とし、Ｄ／Ａ変換器１３によるチャープ信号のサンプリング周波数は５ＭＨｚ  とした。また電力増幅器１４は帯域幅０．１〜５ＭＨｚ  、５０Ω負荷においてピーク間電圧１０００Ｖｐｐの出力のものを用いた。
【００２０】
受信用センサコイル４が検出した受信信号は、受信用増幅器１６によってＡ／Ｄ変換に必要な電圧まで増幅され、Ａ／Ｄ変換器１７でデジタル信号に変換される。このデジタル信号に離散化された受信信号は、相関器１８にて参照信号記憶手段１１に格納されている参照信号との相関が演算され、この相関演算結果が出力される。
この例において、受信用増幅器１６は帯域幅０．１〜５ＭＨｚ  、増幅度７０ｄＢとし、図示されていない増幅度調整器により計測に用いたいエコーが適正なレベルになるように調整した。Ａ／Ｄ変換器１７のサンプリング周波数は、前記の５ＭＨｚ  とし、同期信号発生手段１５による同期信号に同期してサンプリングを開始するようにした。また、相関器１８には汎用のコンピュータを用い、次の式（２）を用いて相関を計算した。但しここで、ｘｊ  （ｉ）は入力信号、ｃ（ｋ）は参照信号、ｙｊ  （ｉ）は出力信号、ＮＣ  は参照信号の点数、ｊは探傷信号の繰り返しを表し、ｎは１探傷周期における探傷信号データ点数である。
【００２１】
【数２】
0003608423.tif 000003
【００２２】
図２はチャープ波を用いた相関演算によるパルス圧縮の動作を説明する波形図である。
図２において、時間τ１  の点は式（２）でｉ＝０の位置に相当する。まず、τ１  の位置で、受信信号と参照信号との相関演算を０〜Ｎｃ  −１点のデータ分だけ行う。相関の結果は、図中一番下の相関信号（受信信号と参照信号の類似度を示す信号）として出力される。このτ１  の時点では参照信号と受信信号は類似していないため、出力はほとんど零である。
次に、ｉを一つずつ増やし、図中τ２  ，τ３  ，…のように順次演算を行っていく。この結果、受信信号中のエコーと参照信号の位相が一致した点（図中の時間軸のほぼ中央）で、最大ピークの相関信号が得られる。この結果、受信エコーのパルス幅は圧縮され、参照信号と相関のない電気的なノイズ信号は大幅に低減される。
【００２３】
次に、本実施形態１による実施例を説明する。図１の構成から相関処理後の受信信号を観察するため、図中には示していないが、相関器１８の後にＤ／Ａ変換器を接続して相関演算出力をアナログ信号に変換し、このアナログ信号をオッシロスコープで観察した。また、従来技術として相関処理を行わない状態での観察の場合は、受信用増幅器１６の直後の信号で観察した。この実験では材料の厚みは１５０ｍｍ、センサのリフトオフ（センサコイルと被検体との間の距離）は１ｍｍとした。
図３は本実施形態１の実験に用いた送信信号を示す図であり、同図の（ａ）は比較のために用いた波数３波の何も変調していないバースト波（トーンバースト波；１ＭＨｚ  のサイン波）による送信信号を示し、（ｂ）は図１の送信信号記憶手段１２でのチャープ波による送信信号を示している。
【００２４】
図４は、本発明者らが先に出願した特願平９−３１１８５９号（平成９年１１月１３日出願で未公開）の発明における電磁超音波探触子の構成を示す図であり、同図の（ａ）は断面図を、（ｂ）は（ａ）の斜視分解図を示している。
上記先出願の発明における電磁超音波探触子は、図４のように断面が“コ”の字型の単一の磁石３（又は５）と、送受信共用の単一のセンサコイル２（又は４）により構成される。そして、“コ”の字型の磁石の各磁極の下のセンサコイルに流れる電流の向きがそれぞれ揃うように、センサコイルの巻線は巻かれる。図４の例では、磁石の左側の磁極（Ｎ極）の下のセンサコイルには紙面の表から裏に向う電流が流れ、磁石の右側の磁極（Ｓ極）の下のセンサコイルには紙面の裏から表に向う電流が流れるように構成される。
【００２５】
図５は図４の電極超音波探触子を用いた実験結果を示す図であり、同図の（ａ）はトーンバースト波を送信に用いてかつ相関処理を行わない時の受信波形を、（ｂ）はチャープ波を送信に用いてかつ相関処理を行なった時の受信波形を示している。なお、図５の（ｂ）で、相関処理を行うための参照信号は、図３の（ｂ）と同一波形の信号を用いている。
図５の（ａ）では、波数が多い時間分解能の悪いエコー波形であり、かつ電気性ノイズの混入によりＳＮ比も低い。一方、図５の（ｂ）では、エコーの波数は約１．５波と非常に高い時間分解能が得られ、かつ送信信号の電圧が１０００Ｖ程度でも電気性ノイズはほとんど抑えられている。
【００２６】
しかしながら、図５の（ｂ）には、以下の理由によるノイズがまだ残っている。すなわち、磁石も導電体であるため、送信信号がセンサコイルに印加されると、センサコイルに近接した磁極には渦電流が流れてローレンツ力が発生し、磁石内に電磁超音波が発せられる。この磁石内の超音波は多重反射を繰り返す。この超音波エコーは振動であるため、センサコイルに面した磁極面にはローレンツ力の逆の作用で渦電流が発生し、その渦電流はセンサコイルにて受信される。
このように、“コ”の字型の単一の磁石と送受信共用の単一のセンサコイルよりなる図４の構成の電磁超音波探触子では、送信信号により磁石内に発生する電磁超音波に基づく渦電流をセンサコイルが受信するため、この受信信号がエコー性のノイズとして観察される。特に変調されたバースト波を用いて相関処理を行うと、電気性ノイズに対するＳＮ比が向上するため、図５の（ｂ）に示されるように磁石内の超音波反射が明瞭に受信される。
【００２７】
図６は本発明の実験で用いた電磁超音波探触子の構成を示す図であり、同図の（ａ）は断面図を、（ｂ）は斜視分解図を示している。
図６の電磁超音波探触子は、送信用センサコイル２とこの送信用センサコイル２に近接した磁極をもつ第１の磁石３によりなる送信用電磁超音波探触子と、受信用センサコイル４とこの受信用センサコイル４に近接した磁極を持ちかつ前記第１の磁石３とは分離された第２の磁石５によりなる受信用電磁超音波探触子とで構成されている。
そして、第１，第２の磁石３，５の各磁極の下のセンサコイルに流れる電流の向きが、それぞれ揃うようにセンサコイル２，４の巻線は巻かれる。図６の例では、磁石３のＮ極の下のセンサコイル２の右半分には紙面の表から裏に向う電流が流れ、磁石５のＳ極の下のセンサコイル４の左半分には紙面の裏から表に向う電流が流れるように構成される。
【００２８】
図７は図６の電磁超音波探触子を用いた実験結果を示す図である。
図７では、エコーの波数は約１．５波と非常に高い時間分解能であり、ノイズもほとんどない非常に優れたＳＮ比を得ることができた。
これは、図６の構成の電磁超音波探触子によって、送信用センサコイル２に近接した磁極Ｎをもつ磁石３と、受信用センサコイル４に近接した磁極Ｓをもつ磁石５とが物理的に分離されているため、送信用センサコイル２から磁石３に発生して磁石３内で多重反射する電磁超音波は、受信用センサコイル４に近接した磁極をもつ磁石５の中に入らないからである。この結果図７では、エコー性のノイズは極めて少くなっている。
【００２９】
上記説明のように、本実施形態１によれば、所定パルス幅を持ち周波数変調したチャープ波を送信信号に用いており、このパルス幅が十分長いので送信信号の電圧をあまり高くしなくても大きな平均電力を送信できることになり、その結果、強い超音波を発生させ計測感度を向上させることができる。
さらに、送信信号と同一波形のチャープ信号を参照信号とし、受信信号と参照信号との相関演算を行っているので、受信チャープ波のパルス圧縮作用により時間的に長かったエコーのパルス幅が圧縮される。
加えて、送信用センサコイルに近接した磁極を持つ磁石と受信用センサコイルに近接した磁極を持つ磁石とを構造的に分離しているため、送信用センサコイル２から磁石３に超音波が発せられ、磁石３内で多重反射を起こしても、この振動状の超音波は受信用センサコイル４に近接した磁極を持つ磁石５の中に入らない。この結果、エコー性のノイズも少ない極めてＳＮ比の良い計測信号を得ることができる。
【００３０】
電磁超音波法では、一般の圧電振動子による超音波計測法と異なり、振動子の機械的な共振がないため、元々広帯域性を有するものであるが、従来は感度が低かったため、電磁超音波共鳴や、センサコイルの共振回路化など、時間分解能を大幅に劣化せざるを得ず、広帯域パルスの発生は困難であった。
本実施形態１で示した発明は、この電磁超音波が本来持っている広帯域性に着目し、パルス圧縮の信号処理と組み合わせることにより、単に計測感度を高めるのみならず、電磁超音波本来の広帯域性を引き出すようにして、また電気的なノイズも抑圧されるので、次に問題となる磁石内反射に対しての対策を施した点に特徴を有するものである。
【００３１】
実施形態２
図８は本発明の実施形態２に係る電磁超音波計測装置の構成図である。
前記図１の実施形態１では、送信用センサコイル２に近接させた磁極（図ではＮ極）と受信用センサコイル４に近接させた磁極（図ではＳ極）の間を流れる磁束を用いて被検体表面に磁場をかけると共に、送信用センサコイル２と受信用センサコイル４を被検体１に対して同じ面に配置した反射法としていたが、実施形態２では透過法とし、図８に示すように、送信用センサコイル２と第１の磁石３によりなる送信用電磁超音波探触子は被検体１の一方の面に配置し、また受信用センサコイル４と第２の磁石５によりなる受信用電極超音波探触子は被検体１の他方の面に配置した。
このため、第１の磁石３は“コ”の字型として磁極を２つとし、その一方の磁極から他方の磁極に磁束を流し、被検体１に磁場をかけるようにした。そして、送信用センサコイル２はその２つの磁極に近接させた。また、被検体１の対面側の対称位置に受信用センサコイル４と第２の磁石５を同様に配置した。
【００３２】
図９は図８の電磁超音波計測装置の計測例を示す図である。図９では、１５０ｍｍの厚みの被検体を透過させた波形を示しており、ＳＮ比が良くかつ時間分解能の高い計測信号が得られた。このように本発明は、反射法だけでなく透過法においても適用可能である。
【００３３】
なお、上記実施形態１，２では、送信用センサコイルに供給する送信信号として、所定パルス幅を持ち周波数変調したチャープ波（方形窓の波形）を用いる例を示したが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、所定パルス幅内で周波数及び振幅を変調した波（例えばハミング窓やフォンハン窓の波等）を用いても、さらに所定パルス幅内で周波数，振幅，もしくは位相のいずれか、またはこれらの任意の組合せにより変調した送信信号を用いてもよい。
【００３４】
また、上記実施形態１，２では、相関演算を行うためにの参照信号として送信信号と同一波形の信号を用いる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、送信信号と類似波形の信号を用いるようにしてもよい。
即ち、相関処理後の波形が、ＳＮ比が良く且つ高い時間分解能となるように、送信信号及び参照信号を適宜選択して使用すればよい。
【００３５】
また上記実施形態１，２では、被検体に垂直磁場をかけてローレンツ力による横波を発生・検出する方法で説明したが、磁歪による電磁超音波でも同様であり、またセンサコイルと磁石の配置を変化させることで縦波や表面波など超音波の形式を種々変えて、本発明を実施することが可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、該超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測方法および装置において、送信用センサコイルと該送信用センサコイルに近接した磁極をもつ第１の磁石よりなる送信用電磁超音波探触子および受信用センサコイルと該受信用センサコイルに近接した磁極をもつ第２の磁石よりなる受信用電磁超音波探触子を前記被検体の近傍に配置し、前記送信用センサコイルから前記第１の磁石に発生して前記第１の磁石内で多重反射する電磁超音波が前記第２の磁石の中に入らないように、前記第１の磁石と前記第２の磁石とを構造的に分離し、前記送信用センサコイルを介して所定パルス幅内で周波数、振幅もしくは位相のいずれか、またはこれらの任意の組合せにより変調したバースト信号を送信し、前記受信用センサコイルを介して得た受信信号と、前記送信した信号と同一または類似の波形の参照信号との相関演算を行い、該相関演算後の受信信号を用いて前記被検体の計測を行うようにしたので、比較的低い送信電圧でも高い時間分解能でかつ高いＳＮ比の計測信号が得られ、センサの耐圧の問題がなくなり、また他の機器に対するノイズ源にならず、かつ高いパルス繰り返し周波数が得られ、複数の反射源を持つ被検体や平行面を持たない被検体にも本発明の適用が可能となる。この結果、電磁超音波を様々な計測用途で適用できるようになる。
【００３７】
また本発明によれば、前記送信用電磁超音波探触子および受信用電磁超音波探触子を共に被検体の同一の面側に配置して反射法で計測を行うことも、また送信用電磁超音波探触子を被検体の一方の面側に配置し受信用電磁超音波探触子を被検体の対向面側に配置して透過法で計測を行うことも可能であるので、被検体の大きさや形状に応じて適合するいずれかの計測法を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る電磁超音波計測装置の構成図である。
【図２】図１の相関器の相関演算を説明する波形図である。
【図３】本実施形態１の実験に用いた送信信号を示す図である。
【図４】先出願の発明における電磁超音波探触子の構成を示す図である。
【図５】図４の電磁超音波探触子を用いた実験結果を示す図である。
【図６】本発明の実験で用いた電磁超音波探触子の構成を示す図である。
【図７】図６の電磁超音波探触子を用いた実験結果を示す図である。
【図８】本発明の実施形態２に係る電磁超音波計測装置の構成図である。
【図９】図８の電磁超音波計測装置の計測例を示す図である。
【符号の説明】
１．被検体
２．送信用センサコイル
３．送信用センサコイルに近接した磁極を持つ第１の磁石
４．受信用センサコイル
５．受信用センサコイルに近接した磁極を持つ第２の磁石
１０．バースト信号演算手段
１１．参照信号記憶手段
１２．送信信号記憶手段
１３．Ｄ／Ａ変換器
１４．電力増幅器
１５．同期信号発生手段
１６．受信用増幅器
１７．Ａ／Ｄ変換器
１８．相関器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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