マイクロ波を用いた金属表面溝検出の検討（その２）
日 大 生 産 工 （ 院 ） ○ 志 久 間 仁 日 大 生 産 工 黒 岩 孝 日 大 生 産 工 坂 口 浩 一 日 大 生 産 工 松 原 三 人
1. は じ め に
現 在 ， 金 属 表 面 傷 を 検 出 す る 非 破 壊 検 査 技 術 は あ る が マ イ ク ロ 波 を 用 い た 検 討 は 少 な い[1]． そ こ で ， 我 々 は 先 に 市 販 の 同 軸 導 波 管 変 換 器 を 用 い て 金 属 表 面 傷 が 検 出 可 能 で あ る こ と を 示 し た[2][3]． し か し こ の と き は ， 同 軸 導 波 管 変 換 器 と 金 属 表 面 は 誘 電 体 を 挟 み 接 触 さ せ て あ り ， 一 種 の 漏 れ 共 振 器 と し て 動 作 さ せ て い た ． 今 回 は 同 軸 導 波 管 変 換 器 を ア ン テ ナ と し て 用 い ， 非 接 触 状 態 で 金 属 表 面 傷 を 検 出 す る こ と を 目 的 に 実 験 お よ び 解 析 よ り 検 討 を 行 っ た ． ま た ， 金 属 表 面 が 誘 電 体 で 覆 わ れ て い て 傷 が 見 え な い 場 合 に つ い て も 検 討 を 行 っ て い る ．
2. 実 験 方 法
本 研 究 で は X 帯 の 同 軸 導 波 管 変 換 器 を 用 い て 金 属 表 面 傷 の 検 出 を 行 っ た ． 図 1 に 実 験 系 を 示 す ． ア ル ミ 板 に 金 属 表 面 上 の 傷 と し て 幅 w[mm]，深 さ d[mm]の 導 波 管 開 口 部 に 対 し て 十 分 長 い 溝 を 設 け た ． 使 用 し た 導 波 管 の 開 口 面 の 寸 法 は 電 界 方 向 が 10[mm]，磁 界 方 向 が 23[mm]で あ る ． 開 口 部 と 金 属 表 面 と の 距 離 を h[mm]と し た ． ま た ， 導 波 管 の 開 口 面 中 心 を 原 点 と し ， 磁 界 方 向 を x 軸 ， 電 界 方 向 を y 軸 と
座 標 を 定 め た ．金 属 表 面 溝 の 検 出 方 法 と し て は 金 属 表 面 に 溝 の 無 い ア ル ミ 板 を 基 準 と し ， 溝 の 有 る ア ル ミ 板 と のS11振 幅 の 差 を と る こ と に よ り 検 討 を 行 っ た ． ま た ，金 属 表 面 の 溝 が 誘 電 体 で 覆 わ れ て 見 え な い 状 態 で の 実 験 も 行 っ た ．
w
d y x
h d
ア ル ミ 板 同 軸 導 波 管 変 換 器
図 １ 実 験 系
Detection of surface cracks in metals using microwave (part 2)
Jin SHIKUMA,Takashi KUROIWA,Koichi SAKAGUCHI and Mitsuhito MATSUBARA
３. 結 果
溝 の 位 置 に 対 す る 同 軸 導 波 管 変 換 器 の S11の 関 係 を 求 め た ． こ こ で は ，y軸 と 溝 が 平 行 に な る よ う に し て ，x軸 方 向 へ 移 動 し た と き の 実 験 結 果 を 示 す ．図 2にw=1.0 [mm]，d=0.5[mm]，h=1.0[mm]と し ， 各 周 波 数 で の 開 口 部 中 心 か ら の 溝 の 位 置 に 対 す るS11変 化 量 特 性 を 示 す ． 結 果 を 見 る と 導 波 管 の 開 口 部 か ら 溝 が 離 れ て い る と S11の 変 化 は 見 ら れ な い が 開 口 部 に 溝 が 来 る とS11の 変 化 が 徐 々 に 大 き く な っ て い き ， 開 口 部 中 央 で そ の 変 化 量 は 最 大 と な る ． こ の 変 化 よ り 金 属 表 面 溝 の 検 出 が 可 能 で あ る こ と が 確 認 で き ， こ の 場 合 波 長 の 約 1/30 の 溝 幅 が 検 出 で き た こ と に な る ． ま た 、 ど の 周 波 数 の 場 合 に も 同 様 の 変 化 が 現 れ て い る の が 確 認 で き る が ， 特 に 11.05[GHz]で そ の 変 化 が 大 き く 現 れ た ． 図 ３ に 距 離 をh=2.0[mm]と し た 際 の 結 果 を 示 す ． こ の 場 合 で もh=1.0[mm]の 時(図 2)と 同 様 な 変 化 が 現 れ ，溝 の 検 出 を 行 う こ と が で き た ．h=1.0[mm]の 場 合 と h=2.0[mm]の 場 合 を 比 較 す る と 距 離 が 近 い 方 がS11の 変 化 量 が 大 き く ， 溝 の 検 出 が 容 易 で あ る こ と わ か る ．ま た ，h=2.0[mm]
と し た 方 がS11の 変 化 が な だ ら に な っ て い る こ と が わ か る ． こ れ は ， 開 口 部 か ら の 距 離 が 離 れ た こ と に よ り 開 口 よ り 放 射 さ れ る 電 波 が 広 が っ た た め だ と 考 え ら れ る ．
図 4 に 溝 が 開 口 部 中 心 に あ る 場 合 に お け る 開 口 部 か ら 金 属 表 面 ま で の 距 離hに 対 す るS11変 化 量 特 性 を 示 す ． こ れ よ り ， 距 離hに 対 し てS11変 化 量 は 比 例 的 に 下 が っ て い く こ と が わ か る ．ま た ，h=3.0[mm]
ま で はS11の 変 化 量 が 大 き い た め に 溝 の 検 出 が 可 能 で あ る と 考 え ら れ る が ，h=4.0 [mm]と す る と 変 化 量 が 少 な く 溝 の 検 出 は 困 難 と な る ．
-20 -10 0 10 20
-0.01 0 0.01 0.02
8.10[GHz]
9.20[GHz]
9.85[GHz]
11.05[GHz]
11.80[GHz]
開口部中心からの溝の位置[mm]
w=1.0[mm]
d=0.5[mm]
h=2.0[mm]
-20 -10 0 10 20
-0.01 0 0.01 0.02
8.10[GHz]
9.20[GHz]
9.85[GHz]
11.05[GHz]
11.80[GHz]
開口部中心からの溝の位置[mm]
S 変化量
w=1.0[mm]
d=0.5[mm]
h=2.0[mm]
11
図 2 開 口 部 か ら の 溝 の 位 置 に 対 す るS11変 化 量 特 性(h=1.0[mm])
開 口 部
開 口 部
-20 -10 0 10 20
-0.01 0 0.01 0.02
開口中心部からの溝の位置[mm]
S 変化量
8.10[GHz]
9.20[GHz]
9.85[GHz]
11.05[GHz]
11.80[GHz]
w=1.0[mm]
d=0.5[mm]
h=1.0[mm]
11
図 3 開 口 部 か ら の 溝 の 位 置 に 対 す るS11変 化 量 特 性(h=2.0[mm])
1 2 3 4
0 0.01 0.02
8.10[GHz]
9.20[GHz]
9.85[GHz]
11.05[GHz]
11.80[GHz]
開口部から金属表面までの距離 h[mm]
S 変化量
w=1.0[mm]
d=0.5[mm]
11
図 4 開 口 部 か ら 金 属 表 面 ま で の 距 離 に 対 す るS11変 化 量 特 性
先 の 報 告[2]よ りw=0.2[mm]の 溝 検 出 が で き る こ と を 確 認 し て い る 。 そ こ で ， 溝 幅 を 狭 く し た 実 験 を 行 っ た ．w=0.5[mm]の 結 果 を 図 5 に 示 す ． こ の 場 合 で はh=1.0[mm]と し て も 開 口 部 中 心 でS11の 変 化 を み る こ と が で き ず ，現 状 の 実 験 系 で は 先 の 報 告 程 度 の 溝 検 出 は 難 し い こ と が わ か っ た ． よ り 狭 い 溝 幅 の 検 出 に つ い て は 今 後 の 課 題 と す る ． 次 に ， 一 般 的 に 金 属 表 面 は 塗 装 状 態 で 利 用 さ れ る こ と か ら ， 金 属 表 面 を 誘 電 体 の 膜 で 覆 っ た 場 合 の 実 験 を 行 っ た ． 結 果 は 示 さ な い が ， 誘 電 体 膜 で 覆 う と こ れ ま で 検 出 で き て い たw=1.0[mm]，d=0.5[mm]の 溝 を 距 離h=1.0[mm]と し た 場 合 で も 検 出 で き な か っ た ． し か し ， 一 般 的 に は 金 属 表 面 を 塗 装 し た 際 に は 溝 が 塗 料 で 埋 ま る こ と を 考 え ， 誘 電 体 で 金 属 表 面 を 覆 う だ け で な く 溝 も 誘 電 体 で 埋 め て 実 験 を 行 っ た ． 図 6 に 結 果 を 示 す ． 溝 を 誘 電 体 で 埋 め た 場 合 に は 僅 か だ が 開 口 部 中 心 付 近 でS11の 変 化 が 現 れ 溝 の 検 出 が 可 能 と な っ た ． こ の 理 由 に つ い て は 現 在 検 討 を し て い る ．
こ れ ま で に 示 し た 実 験 結 果 よ り ， 同 軸 導 波 管 変 換 器 を 用 い て 非 接 触 状 態 で の 金 属 表 面 上 の 溝 の 検 出 が 可 能 で あ る こ と が 確 認 で き た ． こ れ は ， 溝 検 出 時 に 導 波 管 内 の 電 界 が 変 化 し て い る た め だ と 考 え ， 合 わ せ て 解 析 も 行 っ た ． 図 7 に 解 析 モ デ ル を 示 す ． 解 析 に は FDTD法 を 用 い ， 溝 が 開 口 部 中 心 に あ る 場 合 で の 解 析 を 行 っ た ． こ の 場 合 ， 解 析 対 象 は 溝 に 対 し て 左 右 対 称 と な る こ と か ら 解 析 時 間 短 縮 の た め に 解 析 空 間 を 半 分 に し て 解 析 を 行 っ た ．
図 8に 距 離 h=1.0[mm]と し た 場 合 の 解 析 結 果 を 示 す ．(a)に 金 属 表 面 に 溝 の 無 い 場 合 の 開 口 部 で の 電 界 分 布 を ， (b) に w=1.0[mm]，d=0.5[mm]と し た 溝 の 有 る 場 合 で の 開 口 部 の 電 界 強 度 分 布 を ，(c)に(a) と(b)の 結 果 の 差 を 示 し て い る ．(a)と(b) を
-20 -10 0 10 20
-0.01 0 0.01
8.10[GHz]
9.20[GHz]
9.85[GHz]
11.05[GHz]
11.80[GHz]
w=0.5[mm]
d=0.5[mm]
h=1.0[mm]
開口部中心からの溝の位置[mm]
S 変化量11
図 5 開 口 部 か ら の 溝 の 位 置 に 対 す る S11変 化 量 特 性(w=0.5[mm])
開 口 部
開 口 部
-20 -10 0 10 20
-0.01 0 0.01
8.10[GHz]
9.20[GHz]
9.85[GHz]
11.05[GHz]
11.80[GHz]
w=1.0[mm]
d=0.5[mm]
h=1.0[mm]
開口部中心から溝の位置[mm]
S 変化量11
図 6 誘 電 体 で 覆 っ た 場 合 の S11変 化 量 特 性
w d
z y
x
同 軸 導 波 管 変 換 器
図 7 解 析 モ デ ル h
d
y z 金 属 板
(a)溝 無 し (b)溝 有 り(w=1.0[mm]) (c)溝 の 有 無 に よ る 差 図 8 開 口 面 で の 電 界 強 度 分 布(Ez成 分)
(c)h=4.0[mm]
(a)h=1.0[mm] (b)h=2.0[mm]
図9 距 離 hの 変 化 に よ る 開 口 面 上 電 界 強 度 変 化 (Ez 成 分 ，w=1.0[mm]、d=0.5[mm]) 比 較 す る と そ の 差 は あ ま り な い が ，(c)を
見 る と 開 口 部 中 央 に 金 属 表 面 溝 の 影 響 に よ る 電 界 強 度 の 差 が 見 ら れ る ． ま た ， 結 果 は 示 さ な い が 溝 幅 w=2.0[mm]と し た 解 析 も 行 い ，w=1.0[mm]の 場 合 よ り も 開 口 部 で の 電 界 強 度 の 差 が 大 き く な っ て い る こ と を 確 認 し て い る ．図 9に w=1.0[mm]，
d=0.5[mm]一 定 に し て 距 離 h を 変 化 さ せ た と き の 開 口 面 に お け る 電 界 強 度 の 変 化 を 示 す ．(a)は h=1.0[mm]，(b) は h=2.0 [mm]，(c)は h=4.0[mm]の 解 析 結 果 で あ る ．h=1.0[mm]，2.0[mm]で は 溝 の 有 無 に よ る 電 界 強 度 の 差 が 確 認 で き る が ，距 離 h を 4.0[mm]ま で 離 す と 開 口 面 内 の 電 界 強 度 分 布 に 差 が 見 ら れ ず ， 溝 の 影 響 が 確 認 で き な い こ と が わ か る ． こ の 解 析 結 果 は 図 4 に 示 す 実 験 結 果 を 裏 付 て い る ．
4. ま と め
同 軸 導 波 管 変 換 器 を 用 い て 金 属 表 面 上 の 傷 を 非 接 触 状 態 で 検 出 で き る こ と が 確 認 で き た ．今 回 の 実 験 結 果 か ら ，波 長 に 対 し て 1/30 程 度 の 溝 幅 ま で 検 出 で き ， ま た 金 属 表 面 を 誘 電 体 の 膜 で 覆 い 溝 が 見 え な い 場 合 で も 溝 の 検 出 が で き る こ と を 示 し た ．今 後 ，溝 の 幅 や 深 さ ，角 度 な ど 更 に 詳 細 な 検 討 を 進 め て い く 予 定 で あ る ．
参 考 文 献
[1] C.Y.Yeh and R.Zoughi : IEEE, IM Vol.43, No.5, pp.719-725 (1994)
[2] 服 部,坂 口,渡 辺:2002 年 信 学 ソ 大 ，C-2-66 [3] 服 部,坂 口,渡 辺:2003年 信 学 ソ 大 ，C-2-105 [4] 服 部,志 久 間,坂 口,黒 岩,松 原:2004年 信 学 ソ 大 ，C-2-109
