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超音波で電気・磁気特性を評価する新しい非侵襲計測技術

ー音響誘起電磁法：ヒトからインフラまでー

東京農工大学

大学院工学研究院 先端物理工学部門

准教授 生嶋 健司

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１．研究背景

非侵襲（非破壊）計測 ・・・

Ｘ線検査 超音波検査

工業

MRI

医療

Ｘ線検査

超音波検査

可視光が通らない物体内部の計測

幾何学形状の診断は高度に発展したが内在する物体の電気的、磁気的物性は発展途上。

鉄筋コンクリート100年の歴史の中で鉄筋腐食の非破壊検査は実現していない。従来の形状検査では無理。

From 大東建設 HP

横浜ベイブリッジ

From IHIインフラシステム HP

鉄筋腐食（黒錆、赤錆の形成）＝＞異なる磁性体の発現

光の透過が困難なインフラや人体内部の電気・磁気物性を非侵襲に計測できないか？

問題意識

通常の磁気センシング

磁気センサーを近づける。磁気センサー

MFM（磁気力顕微鏡）

磁場＝＞電流発生箇所を推定（数学的逆問題）位置特定が推定的。

強磁性体から漏れた磁場の測定＝＞飽和過程の試料内磁化は測定できない。

漏洩磁束法

脳磁計・心磁計

高い空間分解能を得るには＊センサーを小さくする＊対象物に隣接させる。1mm分解能＝＞

センサー距離0.5mm以下（ほぼ接触させなくてはいけない）

通常の磁気センシング

磁気センサーを近づける。磁気センサー

MFM（磁気力顕微鏡）

磁場＝＞電流発生箇所を推定（数学的逆問題）位置特定が推定的。

強磁性体から漏れた磁場の測定＝＞飽和過程の試料内磁化は測定できない。

漏洩磁束法

脳磁計・心磁計

高い空間分解能を得るには＊センサーを小さくする＊対象物に隣接させる。1mm分解能＝＞

センサー距離0.5mm以下（ほぼ接触させなくてはいけない）

非侵襲な磁気センシングには発想の転換が必要ではないか？

物体内部の電気的・磁気的情報を空間分解能をもって測定するためには、観測したい深部に“波”を使って電気・磁気量にリモート変調をほどこし、復調技術を使って高感度に測定することができないか？

最初に考えたこと。

音波で電気分極や磁気分極をリモート変調し、そこで誘起される交流電磁場を検出できないか？

そこで、“音波”に着目した。音波は、人体においても比較的深部まで到達し、しかも1mm以下の空間分解能を出せる。

もっとも容易に電気・磁気量に変調を施すことができる“波”は、電磁波である。

しかし、光はコンクリートや人体を透過しないし、電波は波長が長いため、空間分解能がでない。

電磁波 30m@10MHz水中音波： 150μm@10MHz

1. 圧電効果・磁歪効果

2. 溶液中電荷の双極子振動、流動電位（？）コロイド溶液やイオン電解水。

3. 人体内の電場勾配 （？）神経・筋組織の活動状態の検知・断層画像化。

音波による電磁波発生メカニズム

超音波

電磁波

＋

－＋

＋＋＋

＋

－

＋

＋

＋＋＋

＋－

－

＋

＋

－

－

＋ ＋

＋＋

＋

－＋

＋＋

＋＋

－

－

－

－ED E

コロイド粒子

+ ++

+++

++++++

++

+++++

+ +

––

–

––

–––

–

–

–

––

– ––

– –––

–

––

–

–

–

–

––

–

流動電位

２．音響誘起電磁法（ASEM法）とは？

力学物性の評価・画像化

従来の超音波測定

• 質量密度

• 弾性率

• 音響インピーダンス

• 音速

音響誘起電磁法（ASEM法）

(Acoustically Stimulated EM Method)

K. Ikushima et al., Appl. Phys. Lett. 89, 194103 (2006).

電磁気物性の評価・画像化

Sensor or

超音波振動子

アンテナ or センサー

試料

電波音波

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従来の超音波技術と本技術の違い

測定量 得られる情報 検知するもの

従来超音波計測超音波の反射・透過波

質量密度弾性率

異物・傷・形状

本計測

（ＡＳＥＭ法）

超音波により

誘起される電波

圧電係数磁歪係数

結晶の均一性磁区構造材料変質・腐食

6

4

2

0

EM

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

12080400time(μs)

超音波により誘起される電磁応答（ASEM応答）

振動子からの信号

目的信号（ASEM応答）

K. Ikushima et al., Appl. Phys. Lett. 89, 194103 (2006).

time

sample

time

信号強度

信号強度

sample

30～40μs

40μs

Antenna

約 60 mm

Standard echo

ASEM method

ASEM method(heterodyne)

圧電体 GaAs : d14=2.6×10‐12C/N

[110]

ΔX

Acoustic wave vector , k

励起パルス エコー信号超音波振動子

振動子からの信号

目的信号

パルス測定系

面内分解能： 0.7 mm @ 10 MHz深さ分解能： ∆ ～0.2mm @ 10 MHz対象： 圧電体, 強磁性体 etc.特徴： エコー検査と同時測定が可能

＊水浸式とプローブ式＊１点集束型振動子＊直接検出 or ヘテロダイン検出

特許第4919967 号, 特許第4919968 号,特許第4919969 号

AM変調CW測定系

パルス法に比べ振幅変調法ではSN比が約170倍改善。

vd

nf n4

12mod

ASEM信号最大値、振動子ノイズ最小値である条件

ASEM信号

周波数ドメイン測定

振動子の信号（ノイズ）

目的信号（ＡＳＥＭ信号）

出願番号：特願2011‐158637

S2011-0936-C0

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初期実験

Ferrite

15mm

様々な物質からASEM応答が検出される

ポリプロピレン

K. Ikushima et al., Appl. Phys. Lett. 89, 194103 (2006).

応用１：超音波による圧電イメージング

N. Ohno et al., Proceeding of Symposium on Ultrasonic Electronics, 32 211 (2011) .N. Ohno, et al., 2012 IEEE IUS Proceedings 487 (2012).

プラスチック材料

単結晶

結晶均一性・配向性検査

圧電効果：

非対称な結晶構造をもつ多くの物質で生じる。

骨組織 植物繊維

生き物は圧電体でできている。コラーゲン繊維（線維）セルロース繊維

K. Ikushima et al., Appl. Phys. Lett. 89, 194103 (2006).

EM Intensity

 (arb. units)

~

結晶グレインが小さく、ランダムに配列していると信号は小さい。

超音波による圧電性の評価・イメージング

N. Ohno et al., Proceeding of Symposium on Ultrasonic Electronics, 32 211 (2011) .N. Ohno, et al., 2012 IEEE IUS Proceedings 487 (2012).

プラスチック材料

単結晶

EM Intensity

 (arb. units)

~

結晶グレインが小さく、ランダムに配列していると信号は小さい。

ASEM強度

健⾜ 患⾜

ラット骨粗鬆症モデルと相関！

超音波による圧電性の評価・イメージング

N. Ohno et al., Proceeding of Symposium on Ultrasonic Electronics, 32 211 (2011) .N. Ohno, et al., 2012 IEEE IUS Proceedings 487 (2012).

プラスチック材料

単結晶

EM Intensity

 (arb. units)

~

結晶グレインが小さく、ランダムに配列していると信号は小さい。

骨粗鬆症画像診断（“骨密度”ではなく、“骨強度”や“骨質”を評価）

H. Yamada et al., Rev. Sci. Instrum. 84, 044903 (2013) .

応用２：超音波による磁気イメージング

純鉄の薄板

Water

焦点スポット < 1 mm 

10 MHz 集束振動子

超音波による磁気トモグラフィー

Loop antenna 

Al Ferrite

Z

X Transducer Echo imaging ASEM imaging

深さ分解能：∆ ～0.2mm

強磁性体を選択的に画像化

エコー検査と同時測定が可能

H. Yamada et al., Rev. Sci. Instrum. 84, 044903 (2013) .

Gel

超音波による磁気ヒステリシス測定

(ii) 磁壁移動

(iii) 飽和

(i) 消磁状態

磁化曲線の圧力依存性

ASEM信号ほぼゼロ

ASEM信号最大

ASEM信号小さい

保磁力

残留磁化

磁場

磁化

ゼロ圧力圧力下

0

ＡＳＥＭ信号強度

磁場保磁力保磁力

ASEMヒステリシス曲線 歪磁曲線

| |1∆ ∝ | |

超音波による磁気ヒステリシス測定

H. Yamada, K. Watanabe, K. Ikushima, JJAP 54, 086601 (2015).

磁気センサー：漏洩磁場

積分信号

ASEM応答

保磁力

一般鋼 SS400

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コンクリート内鉄筋の磁気測定 （鉄筋腐食検査へ向けて）

モルタル試験体（丸鋼入り）

40

30

20

10

0

Inte

nsity

(V

)

-10 0 10Magnetic field (kA/m)

モルタル内鉄筋の歪磁曲線

10

8

6

4

2

0

Inte

nsity

(V

)

-4 -2 0 2 4Current (A)コンクリート試験体（異形鉄筋入り）

コンクリート内鉄筋の歪磁曲線

H. Yamada et al., Rev. Sci. Instrum. 84, 044903 (2013) .

まとめ：超音波による磁気センシング

残留応力・金属脆化検査

ステンレス鋼材

鉄の薄板

探傷・鉄筋腐食検査

穴

欠陥無し 欠陥有り鉄鋼材

H. Yamada, K. Watanabe, K. Ikushima, JJAP 54, 086601 (2015).

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• 従来骨診断では不可能であった“骨質”を評価できる。• 従来インフラ診断では不可能であったコンクリート内の

“鉄筋腐食”を検査できる。

• 従来の非破壊検査（漏洩磁束法や超音波エコー法）のそれぞれの利点を融合した検査が可能になる。

超音波で電気・磁気イメージングが可能となったことにより、各分野において、従来測定技術では困難であった問題が解決する可能性がある。

たとえば、

新技術の特徴・従来技術との比較

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◆工業材料・部品圧延鋼鈑の探傷検査、残留応力検査

電磁鋼鈑検査ステンレス鋼の脆化検査（原子炉圧力容器など）ＣＦＲＰの非破壊検査、多結晶セラミック、多結晶ポリマーの均一性評価

◆医療骨粗鬆症画像診断

骨折治癒過程診断（リハビリ負荷の指標確立）靭帯組織検査生体信号検知（心臓・筋肉）

◆インフラRC構造の鉄筋腐食検査

◆その他

バッテリー・燃料電池の非破壊検査（動作時正常チェック）固体のNMRイメージング

想定される用途

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• 対象物に応じて装置や評価手順の最適化をする必要がある。

• 新規ニーズの場合、相関データを蓄積し、検証する必要がある。

実用化に向けた課題

産学連携の実績

ＡＳＥＭ法などを利用した非侵襲計測

インフラ 水産

医療 自動車

鉄鋼

鉄筋腐食検査

探傷検査・鋼材評価

“骨質”診断

生体信号

解凍状態検査

デバイス

磁性薄膜

ニーズのある企業様、ASEM法を製品化する企業様 募集

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計測機器を開発する企業との連携

装置の共同開発 ＝＞ 製品化。

広い分野に販売。

検査ニーズをもつ企業との連携

ニーズの提供と相関データの蓄積。

サンプルを提供するだけでなく、

ニーズを知る企業研究者の参画が重要。

企業への期待

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（１）発明の名称：音波誘起電磁波による物体の特性測定方法及び装置

出願番号 ：特許第4919967 号出願人 ：JST発明者 ：生嶋健司、小宮山進

（２）発明の名称：音波誘起電磁波による物体の特性測定方法及び装置

出願番号 ：特許第5460668号出願人 ：JST発明者 ：生嶋健司、小宮山進

（３）発明の名称：音波誘起電磁波による物体の特性測定方法及び装置

出願番号 ：特許第5460669号出願人 ：JST発明者 ：生嶋健司、小宮山進

（４）発明の名称：被測定対象の特性測定装置及びその方法、並びに被測定対象の特性測定プログラム

出願番号 ：特願2011‐158637出願人 ：東京農工大学（2015年12月現在）

発明者 ：生嶋健司

本技術に関する知的財産権

（すべてPCT出願中）

お問い合わせ先

東京農工大学

先端産学連携研究推進センター

産学連携担当

Ｔ Ｅ Ｌ 042－388－7550

Ｆ Ａ Ｘ 042－388－7553

e-mail suishin@ml.tuat.ac.jp