JP5263858B2

JP5263858B2 - Piezoelectric element structure, monitoring device, and method of manufacturing piezoelectric element structure

Info

Publication number: JP5263858B2
Application number: JP2007055345A
Authority: JP
Inventors: 貴之日下
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: JP2008218783A

Description

この発明は、圧電素子を備えている圧電素子構造、モニタリング装置、及び、圧電素子構造の製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element structure including a piezoelectric element, a monitoring device, and a method for manufacturing the piezoelectric element structure.

例えば圧力容器や航空機の機体等の構造物において、この構造物を構成している材料内部、継目部等に生じている欠陥が構造物全体の破壊の基点となり得ることが知られており、このような欠陥を迅速かつ正確に検出する技術の開発が望まれている。従来、欠陥の検出のために、Ｘ線や超音波を利用した非破壊検査技術が用いられてきたが、近年、リアルタイムに構造物の健全性を評価できるＳＨＭ（ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＨｅａｌｔｈＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）技術が提案されている。このＳＨＭ技術では、光ファイバーを用いたもの、圧電素子を用いたものがある（例えば非特許文献１参照）。このうち圧電素子を用いたものは、少数の素子によって広範囲をモニタリングできるという利点がある。 For example, in structures such as pressure vessels and aircraft fuselage, it is known that defects occurring in the material constituting the structure, joints, etc. can be the starting point for destruction of the entire structure. Development of a technique for detecting such defects quickly and accurately is desired. Conventionally, non-destructive inspection techniques using X-rays and ultrasonic waves have been used for detecting defects, but recently, SHM (Structural Health Monitoring) techniques that can evaluate the soundness of structures in real time have been proposed. ing. This SHM technology includes one using an optical fiber and one using a piezoelectric element (see, for example, Non-Patent Document 1). Of these, those using piezoelectric elements have the advantage that a wide range can be monitored with a small number of elements.

Takayuki kusaka, Peter X.Qing and Fu-Kuo Chang, "Effect Of Mechanical Loading On The Performance Of Piezo Effect Transducer For The Health Monitoring Of Composite Pressure Vessels" Elevated Temperature Design And Analysis , Nonlinear analysis, And Plastic Components, 472(2004), 119-124.Takayuki kusaka, Peter X. Qing and Fu-Kuo Chang, "Effect Of Mechanical Loading On The Performance Of Piezo Effect Transducer For The Health Monitoring Of Composite Pressure Vessels" Elevated Temperature Design And Analysis, Nonlinear analysis, And Plastic Components, 472 (2004 ), 119-124.

前記のようなＳＨＭ技術に使用される代表的な圧電素子としてピエゾ素子がある。ピエゾ素子を構造物の各部に埋め込んでセンサとして使用した場合に、ピエゾ素子は脆性な材料であるために、構造物に生じた外力（負荷）の影響によって素子そのものが破損してしまうことが考えられる。一般的に、ピエゾ素子（ＰＺＴ素子）は、圧縮方向の破断ひずみが０．３％程度であるのに対して、引張方向の破断ひずみは０．１％であり、特に引張方向に大きな外力が作用すると破損しやすい傾向にある。 There is a piezo element as a typical piezoelectric element used in the SHM technology as described above. When a piezo element is embedded in each part of a structure and used as a sensor, the piezo element is a brittle material, so the element itself may be damaged due to the external force (load) generated in the structure. It is done. In general, a piezoelectric element (PZT element) has a breaking strain in the compression direction of about 0.3%, whereas the breaking strain in the tensile direction is 0.1%, and a large external force is particularly exerted in the tensile direction. When it acts, it tends to break easily.

そこで、この発明は、圧電素子の引張方向の強度を高めることのできる圧電素子構造、この圧電素子構造を備えたモニタリング装置、及び、圧電素子構造の製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric element structure capable of increasing the strength in the tensile direction of the piezoelectric element, a monitoring device including the piezoelectric element structure, and a method for manufacturing the piezoelectric element structure.

前記目的を達成するためのこの発明の圧電素子構造は、構造物に作用している引張圧縮の応力又はひずみを検出するセンサとして用いられる圧電素子構造であって、圧電素子と、前記圧電素子を両側から挟んで当該圧電素子と接合されている一対の板状である電極とを備え、圧縮させた状態にある前記圧電素子を両側から前記電極が拘束していることによって、前記圧電素子に圧縮残留応力が作用しており、前記圧電素子に圧縮残留応力が作用している方向は、前記電極との接合面の面方向に平行な方向であり、この方向が、前記構造物に作用している応力又はひずみの検出方向と一致するようにして、当該構造物に取り付けられることを特徴とする。
前記のとおり、一般的に、圧電素子の引張方向の破断ひずみは圧縮方向の破断ひずみよりも小さい。そこで、この圧電素子構造によれば、圧電素子に予め圧縮残留応力が作用しているため、圧電素子において、引張方向の破断ひずみに達するまでのひずみ量を大きくすることができる。すなわち、圧電素子の引張方向の強度を高めることができる。 In order to achieve the above object, a piezoelectric element structure according to the present invention is a piezoelectric element structure used as a sensor for detecting tensile or compressive stress or strain acting on a structure. A pair of plate-like electrodes joined to the piezoelectric element sandwiched from both sides, and compressing the piezoelectric element in a compressed state by restraining the piezoelectric element from both sides Residual stress is acting, and the direction in which compressive residual stress is acting on the piezoelectric element is a direction parallel to the surface direction of the joint surface with the electrode, and this direction acts on the structure. It is characterized by being attached to the structure so as to coincide with the detected direction of the stress or strain.
As described above, generally, the breaking strain in the tensile direction of the piezoelectric element is smaller than the breaking strain in the compression direction. Therefore, according to this piezoelectric element structure, since compressive residual stress is applied to the piezoelectric element in advance, the amount of strain until the breaking strain in the tensile direction is reached in the piezoelectric element can be increased. That is, the strength in the tensile direction of the piezoelectric element can be increased.

さらに、圧電素子と接合されている電極が、圧縮させた状態にある圧電素子を拘束していることによって、圧電素子に圧縮残留応力を作用させた状態とすることができる。 Furthermore, since the electrode joined to the piezoelectric element restrains the piezoelectric element in the compressed state, a compressive residual stress can be applied to the piezoelectric element.

また、一対の板状である電極が、圧電素子を両側から挟んで圧電素子と接合されているので、圧電素子と接合されている部材は、電極として機能すると共に、圧電素子に圧縮残留応力を付与するための部材としても機能している構造となる。
また、一対の電極は、圧縮させた状態にある圧電素子を両側から拘束することができるので、圧電素子に反り（偏った変形）が生じることを防止できる。 In addition, since the pair of plate-like electrodes are joined to the piezoelectric element with the piezoelectric element sandwiched from both sides , the member joined to the piezoelectric element functions as an electrode and applies compressive residual stress to the piezoelectric element. The structure also functions as a member for imparting.
Further, since the pair of electrodes can restrain the piezoelectric element in a compressed state from both sides, it is possible to prevent the piezoelectric element from warping (biased deformation).

また、前記圧電素子構造において、前記電極と前記圧電素子とは熱硬化性の接着剤により接合しているのが好ましい。これによれば、加熱することによって電極と圧電素子とを接着剤により接合することができる。このように加熱によって電極と圧電素子とを接合することができると共に、その加熱により電極を熱膨張させることができる。そして、圧電素子と接合され熱膨張していた電極が冷えることにより、当該電極が収縮することで圧電素子を圧縮させ、圧電素子に圧縮残留応力を付与することができる。または、前記電極と前記圧電素子とは圧接により接合しているのが好ましい。 Also, in the piezoelectric element structure, preferably between the electrode and the piezoelectric element is bonded by a thermosetting adhesive. According to this, an electrode and a piezoelectric element can be joined with an adhesive agent by heating. In this way, the electrode and the piezoelectric element can be joined by heating, and the electrode can be thermally expanded by the heating. Then, when the electrode that has been bonded to the piezoelectric element and thermally expanded is cooled, the electrode contracts to compress the piezoelectric element, and compressive residual stress can be applied to the piezoelectric element. Alternatively, the electrode and the piezoelectric element are preferably joined by pressure contact.

また、前記圧電素子は、引張方向の破断ひずみに達するまでのひずみ量と、圧縮方向の破断ひずみに達するまでのひずみ量とがほぼ同等となるように圧縮残留応力が作用しているのが好ましい。前記のとおり、圧電素子の引張方向の破断ひずみは圧縮方向の破断ひずみよりも小さいが、圧電素子にこのような圧縮残留応力を作用させることにより、引張方向と圧縮方向の破断ひずみをほぼ同等とすることができる。 Further, the piezoelectric element is preferably subjected to compressive residual stress so that the amount of strain until reaching the breaking strain in the tensile direction and the amount of strain until reaching the breaking strain in the compression direction are substantially equal. . As described above, the breaking strain in the tensile direction of the piezoelectric element is smaller than the breaking strain in the compression direction, but by applying such compressive residual stress to the piezoelectric element, the breaking strain in the tensile direction and the compressing direction are substantially equal. can do.

また、この発明のモニタリング装置は、複数の前記圧電素子構造と、この圧電素子構造の圧電効果によって出力される信号を処理する処理装置とを備えたものである。この構成によれば、複数の圧電素子構造を検査対象物（構造物）に取り付け、処理装置はこれら圧電素子からの出力を処理することで、圧電素子構造をセンサとして機能させ、検査対象物の解析を行うことができる。 The monitoring device of the present invention includes a plurality of the piezoelectric element structures and a processing device for processing a signal output by the piezoelectric effect of the piezoelectric element structures. According to this configuration, a plurality of piezoelectric element structures are attached to the inspection object (structure), and the processing apparatus processes the output from these piezoelectric elements, thereby causing the piezoelectric element structure to function as a sensor, and Analysis can be performed.

また、この発明の圧電素子構造の製造方法は、圧電素子と、前記圧電素子を両側から挟んで当該圧電素子と接合されている一対の板状である電極と、を備え、構造物に作用している引張圧縮の応力又はひずみを検出するセンサとして用いられる圧電素子構造を製造する製造方法であって、前記一対の電極が前記圧電素子を両側から挟んだ状態で、前記一対の電極を面方向に膨張させ、膨張した状態の当該一対の電極と前記圧電素子とを一体とし、当該一対の電極を収縮させることで、当該一対の電極と一体となっている前記圧電素子を圧縮し、圧縮させた状態にある前記圧電素子を両側から前記電極が拘束することによって、前記圧電素子に、前記電極との接合面の面方向に平行な方向の圧縮残留応力を作用させ、前記圧電素子に圧縮残留応力が作用している方向が、前記構造物に作用している応力又はひずみの検出方向と一致するようにして、当該構造物に取り付けるための圧電素子構造を製造することを特徴とする。この製造方法によれば、膨張した一対の電極を収縮させると、この一対の電極と一体となっている圧電素子に圧縮残留応力が作用した状態となる。 The method for manufacturing a piezoelectric element structure of the present invention includes a piezoelectric element and a pair of plate-like electrodes joined to the piezoelectric element with the piezoelectric element sandwiched from both sides , and acts on the structure. A manufacturing method for manufacturing a piezoelectric element structure used as a sensor for detecting a tensile or compressive stress or strain , wherein the pair of electrodes sandwich the piezoelectric element from both sides, and the pair of electrodes are in a plane direction. inflated to the with the pair of electrodes in an inflated condition and integrating the piezoelectric element, in Rukoto deflating said pair of electrodes, compressing the piezoelectric element is integral with the pair of electrodes, compression When the electrode is restrained from both sides of the piezoelectric element in a state of being pressed, compressive residual stress is applied to the piezoelectric element in a direction parallel to the surface direction of the joint surface with the electrode, and the piezoelectric element is compressed. Residual response There is a direction acting, so as to match the detection direction of the stress or strain acting on the structure, characterized in that manufacturing the piezoelectric element structure for mounting to the structure. According to this manufacturing method, when the pair of expanded electrodes are contracted, a compressive residual stress is applied to the piezoelectric element integrated with the pair of electrodes .

また、この製造方法において、加熱することによって前記一対の電極を膨張させ、この加熱によって前記圧電素子と前記一対の電極とを一体とするのが好ましい。これによれば、加熱によって、一対の電極を膨張させることができると共に、圧電素子と一対の電極とを熱によって接合することができる。つまり、加熱によって、一対の電極の膨張、及び、一対の電極と圧電素子との一体化を複合的に行うことができる。
また、この場合において、加熱することによって、前記一対の電極を膨張させると共に、熱硬化性の接着剤により当該一対の電極と前記圧電素子とを接合するのが好ましい。これによれば、加熱によって一対の電極を膨張させると、熱硬化性の接着剤によってこの一対の電極と圧電素子とが接着され一体となる。そして、圧電素子と一体となった一対の電極が冷えることによって一対の電極は収縮し圧電素子を圧縮させ、圧電素子に圧縮残留応力を付与することができる。
または、前記製造方法において、前記圧電素子と前記一対の電極とを圧接により一体とするのが好ましい。 In this manufacturing method, it is preferable that the pair of electrodes is expanded by heating, and the piezoelectric element and the pair of electrodes are integrated by heating. According to this, the pair of electrodes can be expanded by heating, and the piezoelectric element and the pair of electrodes can be joined by heat. That is, by heating, the pair of electrodes can be expanded and the pair of electrodes and the piezoelectric element can be integrated.
In this case, it is preferable that the pair of electrodes is expanded by heating, and the pair of electrodes and the piezoelectric element are bonded to each other with a thermosetting adhesive. According to this, when the pair of electrodes are expanded by heating, the pair of electrodes and the piezoelectric element are bonded and integrated by the thermosetting adhesive. Then, when the pair of electrodes integrated with the piezoelectric element cools, the pair of electrodes contracts to compress the piezoelectric element, and compressive residual stress can be applied to the piezoelectric element.
Alternatively, in the manufacturing method, it is preferable that the piezoelectric element and the pair of electrodes are integrated by pressure contact.

この発明によれば、圧電素子に予め圧縮残留応力が作用しているため、圧電素子において、引張方向の破断ひずみに達するまでのひずみ量を大きくすることができ、圧電素子の引張方向の強度を高めることができる。 According to the present invention, since the compressive residual stress is applied to the piezoelectric element in advance, the amount of strain until the breaking strain in the tensile direction is reached in the piezoelectric element can be increased, and the strength of the piezoelectric element in the tensile direction can be increased. Can be increased.

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、この発明のモニタリング装置の実施の一形態を示している概略構成図である。この発明のモニタリング装置は、タンク等の圧力容器や航空機の機体等の構造物（例えばＣＦＲＰ材）における応力分布等を検出することができるものであり、構造物の健全性をリアルタイムに評価できるＳＨＭ技術に適用することができる。図１は構造物Ｓとして圧力容器の健全性を評価する場合を示している。このモニタリング装置Ｍは、複数の圧電素子構造１と、この圧電素子構造１の圧電効果によって出力される信号を処理する処理装置１０とを備えている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the monitoring device of the present invention. The monitoring device according to the present invention can detect stress distribution in a structure such as a pressure vessel such as a tank or an aircraft body (for example, CFRP material), and can evaluate the soundness of the structure in real time. Can be applied to technology. FIG. 1 shows a case where the soundness of the pressure vessel is evaluated as the structure S. The monitoring device M includes a plurality of piezoelectric element structures 1 and a processing device 10 that processes signals output by the piezoelectric effect of the piezoelectric element structures 1.

図２は、図１のモニタリング装置Ｍが備えている圧電素子構造１及び処理装置１０を示している概略構成図である。図１と図２とにおいて、各圧電素子構造１は、構造物Ｓを構成している部材に取り付けられており、圧電素子（以下、ピエゾ素子という）２と、このピエゾ素子２と接合している一対の接合部材とを備えている。ピエゾ素子２としてはジルコン酸チタン酸鉛セラミック（ＰＺＴ）がある。接合部材は、電極材料によって構成されており、ピエゾ素子２を両側から挟んで当該ピエゾ素子２と接合されている電極３，４である。つまり、この圧電素子構造１は、一対の電極３，４とこれらに挟まれたピエゾ素子２とを有しており、構造物Ｓに生じている力（変位）を圧電効果により電圧に変換することによって、その力（変位）を電気的に検出するセンサを構成している。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing the piezoelectric element structure 1 and the processing device 10 provided in the monitoring device M of FIG. In FIG. 1 and FIG. 2, each piezoelectric element structure 1 is attached to a member constituting the structure S, and is joined to the piezoelectric element (hereinafter referred to as a piezoelectric element) 2 and the piezoelectric element 2. And a pair of joining members. As the piezo element 2, there is lead zirconate titanate ceramic (PZT). The joining members are electrodes 3 and 4 which are made of an electrode material and are joined to the piezo element 2 with the piezo element 2 sandwiched from both sides. That is, this piezoelectric element structure 1 has a pair of electrodes 3 and 4 and a piezoelectric element 2 sandwiched between them, and converts the force (displacement) generated in the structure S into a voltage by the piezoelectric effect. Thus, a sensor that electrically detects the force (displacement) is configured.

電極３，４のそれぞれにはリード線３ａ，４ａが繋がっており、これらリード線３ａ，４ａは処理装置１０と繋がっている。処理装置１０は、各圧電素子構造１からの信号を受信し処理する計算機（コンピュータ）１１と、この計算機１１によって処理した情報を表示する表示部（モニタ）１２とを有している。計算機１１は、アンプ１１ａ、電圧測定部１１ｂ及び解析部１１ｃを有している。計算機１１（解析部１１ｃ）は、複数の圧電素子構造１からの信号により当該圧電素子構造１がそれぞれ取り付けられている部分に作用している力（変位）を求め、当該電素子構造１がそれぞれ取り付けられている部分の位置情報に基づいて、構造物Ｓに作用している応力又はひずみを、表示部１２を利用してリアルタイムでモニタリングすることができる。なお、前記位置情報は、予め計算機１１に入力され記憶されている。 Lead electrodes 3 a and 4 a are connected to the electrodes 3 and 4, respectively, and these lead wires 3 a and 4 a are connected to the processing apparatus 10. The processing apparatus 10 includes a computer (computer) 11 that receives and processes a signal from each piezoelectric element structure 1 and a display unit (monitor) 12 that displays information processed by the computer 11. The computer 11 includes an amplifier 11a, a voltage measurement unit 11b, and an analysis unit 11c. The computer 11 (analyzing unit 11c) obtains a force (displacement) acting on a portion to which each of the piezoelectric element structures 1 is attached based on signals from the plurality of piezoelectric element structures 1, and each of the electric element structures 1 Based on the positional information of the attached portion, the stress or strain acting on the structure S can be monitored in real time using the display unit 12. The position information is input and stored in the computer 11 in advance.

図２は、構造物Ｓに貼り付けた圧電素子構造１について側方から見た概略の構成図であり、図２の圧電素子構造１において、ピエゾ素子２と一対の電極３，４とリード線３ａ，４ａの一部とは支持体５によって支持されている。支持体５は例えばポリイミド等の樹脂からなり圧電素子構造１の基板及び保護材としても機能している。この支持体５が構造物Ｓの各部分に貼り付けられている。電極３，４の材料は従来利用されている金属製とすることができ、例えば、銅、白金等である。なお、支持体５を省略し、ピエゾ素子２と一対の電極３，４とを構造物Ｓの各部材に直接貼り付けてもよい。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the piezoelectric element structure 1 attached to the structure S as viewed from the side. In the piezoelectric element structure 1 of FIG. 2, the piezoelectric element 2, the pair of electrodes 3 and 4, and the lead wire A part of 3a, 4a is supported by the support body 5. The support 5 is made of, for example, a resin such as polyimide, and also functions as a substrate and a protective material for the piezoelectric element structure 1. The support 5 is attached to each part of the structure S. The material of the electrodes 3 and 4 can be made from a conventionally used metal, such as copper or platinum. The support 5 may be omitted, and the piezo element 2 and the pair of electrodes 3 and 4 may be directly attached to each member of the structure S.

このピエゾ素子２には圧縮残留応力（圧縮残留ひずみ）が作用している。この圧縮残留応力は、圧縮（圧縮変形）させた状態にあるピエゾ素子２を、当該ピエゾ素子２と接合している電極３，４が拘束していることによって、当該ピエゾ素子２に付与（導入）されている。この圧電素子構造１を、構造物Ｓの各部分に作用している引張又は圧縮の応力（ひずみ）を検出するセンサとして利用するために、ピエゾ素子２に作用している圧縮残留応力の方向（圧縮方向）は、構造物Ｓの各部分に作用している応力（ひずみ）を検出するために意図する検出方向（センシング方向）と一致している。 The piezoelectric element 2 is subjected to compressive residual stress (compressive residual strain). This compressive residual stress is applied (introduced) to the piezo element 2 when the piezo element 2 in a compressed (compressed deformation) state is constrained by the electrodes 3 and 4 joined to the piezo element 2. ) In order to use this piezoelectric element structure 1 as a sensor for detecting tensile or compressive stress (strain) acting on each part of the structure S, the direction of compressive residual stress acting on the piezo element 2 ( The compression direction) coincides with the detection direction (sensing direction) intended for detecting the stress (strain) acting on each part of the structure S.

この圧電素子構造１の製造方法について図３により説明する。
この製造方法は、ピエゾ素子２の両面に電極３，４を接合して圧電素子構造１を製造する方法である。シート状（薄い板状）の電極３，４がピエゾ素子２を両側から挟んだ状態で（図３（ａ））、これら電極３，４をその面方向に膨張させ（図３（ｂ））、膨張した状態の当該電極３，４とピエゾ素子２とを一体とし（図３（ｃ））、電極３，４を収縮させる（圧縮させる）ことによって行われる（図３（ｄ））。このように、面方向に膨張した電極３，４とピエゾ素子２とを一体としてから、その電極３，４を収縮させることで、この電極３，４と一体となっているピエゾ素子２を圧縮し、ピエゾ素子２に圧縮残留応力が作用した状態とする。この圧縮残留応力が生じている方向は電極３，４の面方向（面方向に平行な方向）となる。また、図３（ｄ）の状態で、ピエゾ素子２と電極３，４との輪郭形状は略同じ大きさである円形となっている。 A method of manufacturing the piezoelectric element structure 1 will be described with reference to FIG.
This manufacturing method is a method of manufacturing the piezoelectric element structure 1 by bonding the electrodes 3 and 4 to both surfaces of the piezoelectric element 2. With the sheet-like (thin plate-like) electrodes 3 and 4 sandwiching the piezo element 2 from both sides (FIG. 3A), the electrodes 3 and 4 are expanded in the plane direction (FIG. 3B). The electrodes 3 and 4 and the piezoelectric element 2 in an expanded state are integrated (FIG. 3C), and the electrodes 3 and 4 are contracted (compressed) (FIG. 3D). Thus, the electrodes 3 and 4 expanded in the plane direction and the piezoelectric element 2 are integrated, and then the electrodes 3 and 4 are contracted to compress the piezoelectric element 2 integrated with the electrodes 3 and 4. Then, the compressive residual stress is applied to the piezo element 2. The direction in which the compressive residual stress is generated is the surface direction of the electrodes 3 and 4 (direction parallel to the surface direction). In the state of FIG. 3D, the contour shape of the piezo element 2 and the electrodes 3 and 4 is a circle having substantially the same size.

この製造方法をさらに説明すると、電極３，４の膨張は当該電極３，４を加熱することによって行われ、さらに、この加熱によってピエゾ素子２と電極３，４とを一体としている。加熱によってピエゾ素子２と電極３，４とを一体とする具体的な方法は、図３（ａ）の状態とする際に、ピエゾ素子２と電極３，４とのそれぞれの間に熱硬化性の接着剤６を介在させている。なお、加熱前の状態ではピエゾ素子２と電極３，４とは接着剤６により接合されていない。そして、これを加熱することによって、電極３，４をその面方向に膨張させる（図３（ｂ））と共に、その加熱によって熱硬化性の接着剤６により電極３，４とピエゾ素子２とを一体とする（接合する）。そして電極３，４を冷却することにより収縮させる（圧縮させる）。なお、図３（ｂ）において、説明を容易とするために、電極３，４とピエゾ素子２とを離して記載している。 This manufacturing method will be further described. The electrodes 3 and 4 are expanded by heating the electrodes 3 and 4, and the piezoelectric element 2 and the electrodes 3 and 4 are integrated by this heating. A specific method for integrating the piezo element 2 and the electrodes 3 and 4 by heating is that thermosetting between each of the piezo element 2 and the electrodes 3 and 4 when the state shown in FIG. The adhesive 6 is interposed. In the state before heating, the piezo element 2 and the electrodes 3 and 4 are not joined by the adhesive 6. Then, by heating this, the electrodes 3 and 4 are expanded in the surface direction (FIG. 3B), and the electrodes 3 and 4 and the piezo element 2 are bonded by the thermosetting adhesive 6 by the heating. Integrate (join). Then, the electrodes 3 and 4 are cooled to be contracted (compressed). In FIG. 3B, the electrodes 3 and 4 and the piezo element 2 are shown separated for easy explanation.

この製造方法では、シート状の電極３，４（金属板）がピエゾ素子２を両側から挟んでいる状態とし、これら電極３，４を加熱するとピエゾ素子２も同時に加熱される。なお、金属製である電極３，４の線膨張係数は、ピエゾ素子２の線膨張係数よりも大きいことから、前記加熱によって電極３，４はピエゾ素子２よりも膨張度が大きくなっている（図３（ｂ）参照）。ピエゾ素子２よりも大きく膨張した電極３，４が、当該ピエゾ素子２と熱硬化性の接着剤６によって一体とされているため、電極３，４とピエゾ素子２とは冷えると収縮するが、電極３，４がピエゾ素子２を圧縮させ、ピエゾ素子２を圧縮させた状態で電極３，４が拘束し、ピエゾ素子２に圧縮残留応力を付与することができる。 In this manufacturing method, the sheet-like electrodes 3 and 4 (metal plates) sandwich the piezo element 2 from both sides, and when these electrodes 3 and 4 are heated, the piezo element 2 is also heated at the same time. Since the linear expansion coefficient of the electrodes 3 and 4 made of metal is larger than the linear expansion coefficient of the piezo element 2, the degree of expansion of the electrodes 3 and 4 is larger than that of the piezo element 2 due to the heating. (Refer FIG.3 (b)). Since the electrodes 3 and 4 that have expanded larger than the piezoelectric element 2 are integrated with the piezoelectric element 2 and the thermosetting adhesive 6, the electrodes 3 and 4 and the piezoelectric element 2 contract when cooled. The electrodes 3 and 4 compress the piezo element 2, and the electrodes 3 and 4 are restrained in a state where the piezo element 2 is compressed, so that compressive residual stress can be applied to the piezo element 2.

なお、前記製造方法では、ピエゾ素子２と電極３，４との接合を熱硬化性の接着剤６を利用したが、この他に、ピエゾ素子２と電極３，４とを圧接により接合するのが好ましい。具体的には、圧力、熱を利用して固体同士、つまりピエゾ素子２と電極３，４とを溶融させることなく接合する方法としての固相接合がある。
この製造方法では、シート状の電極３，４（金属板）がピエゾ素子２を両側から挟んでいる状態とし、これら電極３，４とピエゾ素子２とを、その厚さ方向に加圧、加熱し圧接する。金属製である電極３，４の線膨張係数は、ピエゾ素子２の線膨張係数よりも大きいことから、加熱によって電極３，４はピエゾ素子２よりも膨張度が大きくなる。ピエゾ素子２よりも大きく膨張した電極３，４と当該ピエゾ素子２とは、圧接により一体とされるため、電極３，４とピエゾ素子２とは冷えると収縮するが、電極３，４がピエゾ素子２を圧縮させ、ピエゾ素子２を圧縮させた状態で電極３，４が拘束し、ピエゾ素子２に圧縮残留応力を付与することができる。 In the manufacturing method, the thermosetting adhesive 6 is used for bonding the piezo element 2 and the electrodes 3 and 4. In addition, the piezo element 2 and the electrodes 3 and 4 are bonded by pressure welding. Is preferred. Specifically, there is solid-phase bonding as a method of bonding solids, that is, the piezoelectric element 2 and the electrodes 3 and 4 without melting them using pressure and heat.
In this manufacturing method, the sheet-like electrodes 3 and 4 (metal plates) sandwich the piezo element 2 from both sides, and the electrodes 3 and 4 and the piezo element 2 are pressurized and heated in the thickness direction. Press. Since the linear expansion coefficient of the electrodes 3 and 4 made of metal is larger than the linear expansion coefficient of the piezo element 2, the degree of expansion of the electrodes 3 and 4 becomes larger than that of the piezo element 2 by heating. Since the electrodes 3 and 4 that have expanded larger than the piezoelectric element 2 and the piezoelectric element 2 are integrated by pressure contact, the electrodes 3 and 4 and the piezoelectric element 2 contract when cooled, but the electrodes 3 and 4 are piezoelectric. In a state where the element 2 is compressed and the piezoelectric element 2 is compressed, the electrodes 3 and 4 are restrained, and compressive residual stress can be applied to the piezoelectric element 2.

また、この各製造方法によって製造される圧電素子構造１において、電極３，４のそれぞれの厚さｔ２，ｔ３は、ピエゾ素子２の厚さｔ１よりも薄く設定されている（ｔ２＜ｔ１、ｔ３＜ｔ１）。特に、対をなす電極３，４の合計厚さ（ｔ２＋ｔ３）が、ピエゾ素子２の厚さｔ１よりも薄く設定されているのが好ましい（ｔ２＋ｔ３＜ｔ１）。また、図示している圧電素子構造１では、一方の電極３と他方の電極４とは同じ厚さであり、この場合、電極３，４のそれぞれの厚さｔ２，ｔ３は、ピエゾ素子２の厚さｔ１の半分よりも薄く設定されている（ｔ２＜ｔ１／２、ｔ３＜ｔ１／２）。具体的には、電極３，４の厚さｔ２，ｔ３を０．０５ｍｍとし、ピエゾ素子２の厚さｔ１を０．２ｍｍとすることができる。このように電極３，４をピエゾ素子２よりも薄くすることにより、電極３，４自身の剛性が高くなることを防ぎ、ピエゾ素子２が変形しにくくなって当該ピエゾ素子２の圧電効果（感度）が低くなることを防止できる。なお、電極３，４のそれぞれの厚さｔ２，ｔ３の下限値は、取り扱いを考慮すると０．０３ｍｍ以上とするのが好ましい。 In the piezoelectric element structure 1 manufactured by each manufacturing method, the thicknesses t2 and t3 of the electrodes 3 and 4 are set to be thinner than the thickness t1 of the piezoelectric element 2 (t2 <t1, t3). <T1). In particular, it is preferable that the total thickness (t2 + t3) of the paired electrodes 3 and 4 is set to be thinner than the thickness t1 of the piezo element 2 (t2 + t3 <t1). In the illustrated piezoelectric element structure 1, one electrode 3 and the other electrode 4 have the same thickness. In this case, the thicknesses t 2 and t 3 of the electrodes 3 and 4 are the same as those of the piezoelectric element 2. It is set to be thinner than half of the thickness t1 (t2 <t1 / 2, t3 <t1 / 2). Specifically, the thicknesses t2 and t3 of the electrodes 3 and 4 can be 0.05 mm, and the thickness t1 of the piezoelectric element 2 can be 0.2 mm. Thus, by making the electrodes 3 and 4 thinner than the piezoelectric element 2, the electrodes 3 and 4 themselves are prevented from increasing in rigidity, and the piezoelectric element 2 is hardly deformed, and the piezoelectric effect (sensitivity) of the piezoelectric element 2 is reduced. ) Can be prevented from becoming low. Note that the lower limit of the thicknesses t2 and t3 of the electrodes 3 and 4 is preferably 0.03 mm or more in consideration of handling.

前記製造方法において、熱硬化性の接着剤６を使用する場合は、その接着剤６を従来使用されているものとすることができ、例えばエポキシ系接着剤がある。また、加熱して接合するための加熱温度は１２０℃〜１５０℃とすることができる。 In the manufacturing method, when the thermosetting adhesive 6 is used, the adhesive 6 can be conventionally used, for example, an epoxy adhesive. Moreover, the heating temperature for heating and joining can be 120 to 150 degreeC.

以上の製造方法は、薄い金属板からなる電極３，４は、ピエゾ素子２よりも熱膨張特性が大きく、電極３，４（これと共にピエゾ素子２）に熱的処理を施し、熱膨張特性の差違により電極３，４がピエゾ素子２に対して圧縮残留応力を付与している方法であると言える。
以上の製造方法によれば、ピエゾ素子２及び電極３，４を加熱することにより、ピエゾ素子２に圧縮残留応力を付与するための電極３，４の膨張、及び、電極３，４とピエゾ素子２との一体化を複合的に行うことができる。そして、ピエゾ素子２と一体となった電極３，４が冷えることによって電極３，４は収縮し、電極３，４はピエゾ素子２を圧縮し、ピエゾ素子２に圧縮残留応力を簡単に付与することができる。 In the above manufacturing method, the electrodes 3 and 4 made of a thin metal plate have a thermal expansion characteristic larger than that of the piezo element 2, and the electrodes 3 and 4 (and the piezo element 2 together) are subjected to a thermal treatment so that the thermal expansion characteristics are improved. It can be said that the electrodes 3 and 4 impart compressive residual stress to the piezoelectric element 2 due to the difference.
According to the above manufacturing method, by heating the piezoelectric element 2 and the electrodes 3 and 4, the expansion of the electrodes 3 and 4 for applying compressive residual stress to the piezoelectric element 2, and the electrodes 3 and 4 and the piezoelectric element 2 can be combined. When the electrodes 3 and 4 integrated with the piezo element 2 are cooled, the electrodes 3 and 4 contract, and the electrodes 3 and 4 compress the piezo element 2 and easily apply a compressive residual stress to the piezo element 2. be able to.

また、この圧電素子構造１において、ピエゾ素子２に残留圧縮応力を付与するための電極３，４を、当該ピエゾ素子２の両面に設け、これら電極３，４を同時に加熱して膨張させ、同時に冷却することにより、ピエゾ素子２を圧縮させ、この圧縮させた状態にあるピエゾ素子２を電極３，４が両側から拘束することができる。これにより、ピエゾ素子２のうちの一方の電極３側の部分と他方の電極４側の部分とは、同じ大きさの変形が生じ、ピエゾ素子２に反りが生じることを防止できる。 Further, in this piezoelectric element structure 1, electrodes 3 and 4 for applying a residual compressive stress to the piezoelectric element 2 are provided on both surfaces of the piezoelectric element 2, and these electrodes 3 and 4 are simultaneously heated and expanded, By cooling, the piezoelectric element 2 is compressed, and the electrodes 3 and 4 can restrain the piezoelectric element 2 in the compressed state from both sides. Thereby, the deformation | transformation of the same magnitude | size will arise in the part by the side of the one electrode 3 of the piezoelectric element 2, and the part by the side of the other electrode 4, and it can prevent that the piezoelectric element 2 warps.

また、一般的に、ピエゾ素子２の引張方向の破断ひずみは＋０．１％程度であり圧縮方向の破断ひずみは−０．３％程度である。そこで、この製造方法によって製造された圧電素子構造１において、引張方向のひずみを＋（プラス）とし圧縮方向のひずみを−（マイナス）とすると、ピエゾ素子２の圧縮残留ひずみを、−０．０５％〜−０．２％と設定するのが好ましい。
特に、ピエゾ素子２に、引張方向の破断ひずみに達するまでのひずみ量と、圧縮方向の破断ひずみに達するまでのひずみ量とがほぼ同等となるように圧縮残留応力（圧縮残留ひずみ）が作用している状態とするのが好ましい。具体的に説明すると、圧縮残留ひずみを−０．１％とする圧縮残留応力が、ピエゾ素子２に作用している状態とするのが好ましい。これは、前記のとおり、ピエゾ素子２の引張方向の破断ひずみは圧縮方向の破断ひずみよりも小さいため、引張方向の圧電効果（感度のレンジ）は圧縮方向に比べて小さくなるが、前記製造方法によって、圧縮残留ひずみを−０．１％とする圧縮残留応力が、ピエゾ素子２に作用している状態とすることにより、引張方向の圧電効果（感度のレンジ）を、圧縮方向の圧電効果と同等とすることができる。 In general, the rupture strain in the tensile direction of the piezo element 2 is about + 0.1%, and the rupture strain in the compression direction is about -0.3%. Therefore, in the piezoelectric element structure 1 manufactured by this manufacturing method, if the strain in the tensile direction is + (plus) and the strain in the compression direction is − (minus), the compression residual strain of the piezo element 2 is −0.05. % To -0.2% is preferable.
In particular, compressive residual stress (compressive residual strain) acts on the piezo element 2 so that the amount of strain until reaching the breaking strain in the tensile direction is approximately equal to the amount of strain until reaching the breaking strain in the compression direction. It is preferable to be in a state of being. More specifically, it is preferable that a compressive residual stress with a compressive residual strain of −0.1% is applied to the piezo element 2. As described above, since the rupture strain in the tensile direction of the piezo element 2 is smaller than the rupture strain in the compression direction, the piezoelectric effect (sensitivity range) in the tensile direction is smaller than that in the compression direction. Thus, the compression residual stress with a compression residual strain of −0.1% is applied to the piezo element 2, so that the piezoelectric effect (sensitivity range) in the tensile direction is changed to the piezoelectric effect in the compression direction. Can be equivalent.

また、前記のとおり、ピエゾ素子２の引張方向の破断ひずみは圧縮方向の破断ひずみよりも小さいため、引張方向に大きな負荷が作用することによってピエゾ素子２は破損しやすい傾向にあり、また、このピエゾ素子２をセンサとして使用した場合に、引張方向の負荷に対する測定レンジが狭くなり感度が低くなる。しかし、この発明の圧電素子構造１によれば、ピエゾ素子２に圧縮残留応力を作用させた状態としていることにより、引張方向の破断ひずみに達するまでのひずみ量を大きくすることができる。このため、ピエゾ素子２の引張方向の強度を高めることができ、さらに、引張方向の負荷に対する測定レンジが広くなり感度が向上する。つまり、引張方向の負荷に対する感度特性の低下の臨界ひずみを向上させることができる。そして、ピエゾ素子２に圧縮残留応力を付与するための部材（接合部材）を電極３，４としているため、部材数を増やさないで済む。つまり、電極３，４はピエゾ素子２に残留応力を付与する付与部材を兼ねている。 Further, as described above, since the breaking strain in the tensile direction of the piezoelectric element 2 is smaller than the breaking strain in the compression direction, the piezoelectric element 2 tends to be damaged when a large load acts in the tensile direction. When the piezo element 2 is used as a sensor, the measurement range with respect to the load in the tensile direction is narrowed and the sensitivity is lowered. However, according to the piezoelectric element structure 1 of the present invention, since the compressive residual stress is applied to the piezo element 2, the amount of strain until reaching the breaking strain in the tensile direction can be increased. For this reason, the strength in the tensile direction of the piezo element 2 can be increased, and the measurement range for the load in the tensile direction is widened, and the sensitivity is improved. That is, it is possible to improve the critical strain of the decrease in sensitivity characteristics with respect to the load in the tensile direction. Since the members (joining members) for applying compressive residual stress to the piezoelectric element 2 are the electrodes 3 and 4, it is not necessary to increase the number of members. That is, the electrodes 3 and 4 also serve as an imparting member that imparts residual stress to the piezo element 2.

図４は、この発明の圧電素子構造（実施例）におけるひずみと感度との関係を示しているグラフである。この実施例は、図２に示している構成のものあって、この発明の製造方法によって、圧縮残留応力が作用しているピエゾ素子２を備えている。実施例の圧電素子構造１（図２参照）は、直径が１０ｍｍであり厚さｔ１が０．２ｍｍである円板形状のピエゾ素子２の両面に、直径が１０ｍｍであり厚さｔ２，ｔ３が０．０５ｍｍである円板形状の銅板を、エポキシ系の熱硬化性接着剤６を利用し、１３５℃で加熱して接合したものである。このようにして得た圧電素子構造１を試験片（ＣＦＲＰ）に貼り付け、これに万能材料試験器を使用して外力（引張力）を負荷し、試験片の平均ひずみにして０．０５％のインターバルで負荷と除荷とを繰り返し、負荷時と除荷時との感度特性を測定した結果が図４である。図４の横軸は試験片の平均ひずみであり、縦軸は、実施例の圧電素子構造１の出力電圧ηであり、無負荷時の出力電圧η０で無次元化（規格化）している。また、図４の○は負荷中の測定結果であり、●は除荷後の測定結果である。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between strain and sensitivity in the piezoelectric element structure (Example) of the present invention. This embodiment has the structure shown in FIG. 2, and includes a piezo element 2 on which a compressive residual stress is applied by the manufacturing method of the present invention. The piezoelectric element structure 1 (see FIG. 2) of the example has a diameter of 10 mm and thicknesses t2 and t3 on both surfaces of a disk-shaped piezoelectric element 2 having a diameter of 10 mm and a thickness t1 of 0.2 mm. A disk-shaped copper plate of 0.05 mm is joined by heating at 135 ° C. using an epoxy thermosetting adhesive 6. The piezoelectric element structure 1 obtained in this way is affixed to a test piece (CFRP), and an external force (tensile force) is applied to the test piece (CFRP) by using a universal material tester. The average strain of the test piece is 0.05%. FIG. 4 shows the result of measuring the sensitivity characteristics at the time of loading and unloading by repeating the loading and unloading at intervals of. The horizontal axis in FIG. 4 is the average strain of the test piece, and the vertical axis is the output voltage η of the piezoelectric element structure 1 of the example, which is dimensionless (standardized) with the output voltage η0 at no load. . In FIG. 4, “◯” represents the measurement result during loading, and “●” represents the measurement result after unloading.

図５は、従来の圧電素子構造（従来例）におけるひずみと感度との関係を示しているグラフである。この従来例は、前記実施例と同じ形状のピエゾ素子と電極を有しているが、電極を形成するために金属ペーストを利用したものである。したがって、ピエゾ素子には残留圧縮応力は作用していない。この従来例の圧電素子構造を実施例と同じ試験片に貼り付け、同じ試験を行った結果が図５である。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between strain and sensitivity in a conventional piezoelectric element structure (conventional example). This conventional example has a piezo element and an electrode having the same shape as in the previous embodiment, but uses a metal paste to form the electrode. Therefore, no residual compressive stress acts on the piezo element. FIG. 5 shows a result obtained by pasting the piezoelectric element structure of the conventional example on the same test piece as in the example and performing the same test.

図５において、従来例では、ひずみ（ε）＝０．０５％までは感度（η／η０）が略一定であるが、この値を超えると感度は大幅に低下している。つまり、従来例の感度低下の臨界点はε＝０．０５％となっている。
これに対して、図４の実施例では、感度低下の臨界点はε＝０．２％であり、従来例に比べて、引張方向の強度特性が大幅に向上していることが確認できる。つまり、引張方向の負荷に対する感度特性の低下の臨界ひずみが向上している。なお、ε＝０．２％を越えると感度は低下しているが、一般的な鋼の永久ひずみが０．２％であることから、この圧電素子構造１を前記ＳＨＭ技術に適用するためのセンサとする場合、ε＝０．２％を越える部分については問題とならない。以上より、この発明によれば、ピエゾ素子２の強度特性と感度特性との両立が可能となる。 In FIG. 5, in the conventional example, the sensitivity (η / η0) is substantially constant up to the strain (ε) = 0.05%, but when this value is exceeded, the sensitivity is greatly reduced. In other words, the critical point for sensitivity reduction in the conventional example is ε = 0.05%.
On the other hand, in the example of FIG. 4, the critical point of sensitivity reduction is ε = 0.2%, and it can be confirmed that the strength characteristics in the tensile direction are greatly improved as compared with the conventional example. That is, the critical strain of the sensitivity characteristic with respect to the load in the tensile direction is improved. The sensitivity decreases when ε exceeds 0.2%. However, since the permanent set of general steel is 0.2%, the piezoelectric element structure 1 is applied to the SHM technology. In the case of a sensor, there is no problem for a portion exceeding ε = 0.2%. As described above, according to the present invention, it is possible to achieve both strength characteristics and sensitivity characteristics of the piezoelectric element 2.

そして、この発明の圧電素子構造１を備えているモニタリング装置Ｍ（図１）によれば、複数の圧電素子構造１を検査対象物である構造物Ｓに取り付け、処理装置１０はこれら圧電素子１からの出力を処理することで、圧電素子構造１をセンサとして機能させ、構造物Ｓの解析を行うことができる。そして、構造物Ｓにおける圧電素子構造１の取り付け位置は、継目部（材質が金属である場合の溶接部）乃至その近傍部、断面の形状が大きく変化する断面変化部とするのが好ましい。これは、継目部に欠陥が生じやすく、継目部に生じた欠陥が構造物全体の破壊の基点になることが知られているためである。また、断面変化部では大きな応力が生じやすいためである。圧電素子構造１の数を少なくしても、このように複数の圧電素子構造１を配置して構造物Ｓに貼り付けることにより、正確かつ迅速な欠陥の検出が可能となる。 And according to the monitoring apparatus M (FIG. 1) provided with the piezoelectric element structure 1 of the present invention, the plurality of piezoelectric element structures 1 are attached to the structure S that is the inspection object, and the processing apparatus 10 By processing the output from, the piezoelectric element structure 1 can function as a sensor, and the structure S can be analyzed. And it is preferable that the attachment position of the piezoelectric element structure 1 in the structure S is a seam portion (welded portion when the material is a metal) or its vicinity, or a cross-section changing portion where the shape of the cross section changes greatly. This is because it is known that defects are likely to occur in the seam portion, and the defects generated in the seam portion serve as a starting point for destruction of the entire structure. Moreover, it is because a big stress tends to arise in a cross-section change part. Even if the number of piezoelectric element structures 1 is reduced, it is possible to detect defects accurately and quickly by arranging a plurality of piezoelectric element structures 1 and attaching them to the structure S in this way.

また、本発明は、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであっても良い。前記実施形態では、圧電素子構造１を、変位から電圧を得るセンサとして説明したが、電圧から変位を得るアクチュエータとしても使用できる。この場合、ピエゾ素子２に作用している圧縮残留応力の方向（圧縮方向）は、アクチュエータとして動作させる方向と一致している。
また、この圧電素子構造１を備えたモニタリング装置Ｍは、金属製の構造物Ｓ以外に、ＦＲＰ（ＣＦＲＰ）等の複合材料からなる構造物Ｓに対しても適用することができる。 Further, the present invention is not limited to the illustrated form, and may be other forms within the scope of the present invention. In the above-described embodiment, the piezoelectric element structure 1 has been described as a sensor that obtains a voltage from a displacement, but can also be used as an actuator that obtains a displacement from a voltage. In this case, the direction (compression direction) of the compressive residual stress acting on the piezo element 2 coincides with the direction in which the piezoelectric element 2 operates.
In addition to the metal structure S, the monitoring device M provided with the piezoelectric element structure 1 can also be applied to a structure S made of a composite material such as FRP (CFRP).

この発明のモニタリング装置の実施の一形態を示している概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Embodiment of the monitoring apparatus of this invention. モニタリング装置が備えている圧電素子構造及び処理装置を示している概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the piezoelectric element structure and processing apparatus with which the monitoring apparatus is provided. 圧電素子構造の製造方法を説明している説明図である。It is explanatory drawing explaining the manufacturing method of a piezoelectric element structure. この発明の圧電素子構造におけるひずみと感度との関係を示しているグラフである。It is a graph which shows the relationship between the distortion in the piezoelectric element structure of this invention, and a sensitivity. 従来の圧電素子構造におけるひずみと感度との関係を示しているグラフである。It is a graph which shows the relationship between the distortion | strain and sensitivity in the conventional piezoelectric element structure.

Explanation of symbols

１圧電素子構造
２ピエゾ素子（圧電素子）
３電極（接合部材）
４電極（接合部材）
６接着剤
１０処理装置
Ｓ構造物
Ｍモニタリング装置 1 Piezoelectric element structure 2 Piezoelectric element (piezoelectric element)
3 Electrode (joining member)
4 Electrode (joining member)
6 Adhesive 10 Processing equipment S Structure M Monitoring equipment

Claims

A piezoelectric element structure used as a sensor for detecting tensile or compressive stress or strain acting on a structure,
A piezoelectric element, and a pair of plate-like electrodes joined to the piezoelectric element across the piezoelectric element from both sides,
By compressing the piezoelectric element from both sides of the compressed piezoelectric element, compressive residual stress acts on the piezoelectric element,
The direction in which compressive residual stress is acting on the piezoelectric element is a direction parallel to the surface direction of the joint surface with the electrode, and this direction is the direction in which the stress or strain acting on the structure is detected. A piezoelectric element structure which is attached to the structure so as to match .

The piezoelectric element structure according to claim 1 , wherein the electrode and the piezoelectric element are bonded together by a thermosetting adhesive.

The piezoelectric element structure according to claim 1 , wherein the electrode and the piezoelectric element are joined by pressure contact.

The piezoelectric element includes a strain amount to reach the pulling direction of the strain at break, according compressive residual stress such that the amount of strain until the breaking strain of the compression direction becomes substantially equal is acting section 1-3 The piezoelectric element structure according to any one of the above.

A plurality of piezoelectric element structure according to any one of claims 1-4, monitoring, characterized in that and a processing apparatus for processing a signal output by the piezoelectric effect of the piezoelectric element structure devices.

As a sensor for detecting a tensile or compressive stress or strain acting on a structure , comprising a piezoelectric element and a pair of plate-like electrodes joined to the piezoelectric element with the piezoelectric element sandwiched from both sides A manufacturing method for manufacturing a piezoelectric element structure to be used ,
While sandwiching the pair of electrodes is the piezoelectric element from both sides, it said pair of electrodes is expanded in the plane direction, and integrally with the pair of electrodes in an inflated condition and the piezoelectric element, shrink the pair of electrodes in Rukoto is to compress the piezoelectric element is integral with the pair of electrodes,
By constraining the piezoelectric element in a compressed state from both sides, the piezoelectric element is subjected to compressive residual stress in a direction parallel to the surface direction of the joint surface with the electrode,
Manufacturing a piezoelectric element structure for attachment to the structure such that the direction in which compressive residual stress is applied to the piezoelectric element coincides with the direction of detection of stress or strain acting on the structure. A manufacturing method of a piezoelectric element structure characterized by the above.

The method for manufacturing a piezoelectric element structure according to claim 6 , wherein the pair of electrodes are expanded by heating, and the piezoelectric element and the pair of electrodes are integrated by heating.

The method for manufacturing a piezoelectric element structure according to claim 7 , wherein the pair of electrodes are expanded by heating, and the pair of electrodes and the piezoelectric element are bonded with a thermosetting adhesive.

The method for manufacturing a piezoelectric element structure according to claim 6 , wherein the piezoelectric element and the pair of electrodes are integrated by pressure contact.