JP2013156246A - 材料の厚さを測定するための装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】流体を搬送する管、チューブ、および他の導管など対象物の材料の厚さを測定するための圧電性感知装置を提供する。
【解決手段】圧電性感知装置１００は、基板１０２、セラミック本体１０６を有する圧電素子１０４を備え、セラミック本体１０６は、電極１０８、接地１１０、金めっき、またはセラミック本体１０６上に蒸着された同等の導電性材料から構成されたラップタブ１１２とを用いて構成される。基板１０２は、第１の層１１６、第２の層１１８、圧電素子１０４を受け入れるように構成された受入れ領域１２０を備えた可撓性のある回路材１１４を備える。
【選択図】図２

Description

本明細書で開示される主題は、超音波振動子を用いて材料の厚さを測定することに関し、一実施形態では、高温環境で使用するための可撓性のある回路を備える圧電性感知装置に関する。
いくつかの産業（例えば、石油およびガス、精製、化学、発電）では、管を通して流体（例えば、液体または気体）を移送することが必要である。管壁の内部における腐食／壊食を含む管の腐食／壊食を監視するために、これらの管の外表面に非破壊的な検査システムを配置することができる。これらのシステムは、通常、時間の経過と共に行われる手動検査の一部として実施され、管壁の厚さ、および厚さの変化が経時的に監視される。いくつかの場合では、探触子、または他の非破壊検査装置が、恒久的に管の外表面に結合されて、その場所における腐食／壊食を連続的に監視し、管の腐食／壊食率を測定し、かつその管の場所が、管の故障を阻止するために予防的な保守を行う必要があるかどうかを判定する。
管の腐食／壊食を監視するために使用する非破壊検査システムの一例は、超音波検査システムである。管の超音波検査を行うとき、管の外表面に結合された探触子から超音波パルスが放出され、管壁を通過する。超音波パルスが管壁に入り貫通したとき、パルスは、管の外表面と、管壁内の内部構造と、管壁の底面と相互作用するので、エコーと呼ばれる様々な反射パルスが反射されて探触子へと戻る。エコー信号は、エコー振幅が垂直の掃引線として、また飛行時間もしくは距離が水平の掃引線として現れる画面上に表示することができる。超音波パルスの送信と、エコーの受信との間の時間差を追跡することにより、管壁の厚さを含む管の様々な特性を測定することができる。超音波検査システムが存在する位置の管壁の厚さが、時間の経過と共に減少する場合（例えば、それは底面エコーの飛行時間の減少となって示されるはずである）、これは、腐食／壊食を示している可能性がある。
これらの非破壊検査システムで使用するためには、様々な因子が装置の構成、特に材料に影響を与える。いくつかの用途では、例えば、動作温度などの動作条件が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のコポリマーなど、材料の温度閾値を超える可能性がある。製作中におけるいくつかの処理ステップに関係する温度を含む処理条件もまた制限を与える。わずかな欠陥、および材料の厚さにおけるわずかな変化に対する精度および感度などの性能因子は、特定の材料、およびそれらの組合せの使用を排除する他の因子である。しかし、材料のいくつかの構成を用いて、改良された性能を達成することはできるが、これらの構成は、高温用途（例えば、日常的に１２０℃を軽く超えて動作している原子力発電環境など）を含むいくつかの用途で、得られた装置の可用性を限定する物理的特性（例えば、外形高さ）になることが多い。
上記の論議は、単に、一般的な背景情報として提供されているに過ぎず、特許請求される主題の範囲を決定するのに役立つように使用されることを意図するものではない。
管、チューブ、および流体を搬送する他の導管など、対象物の材料の厚さを測定するための圧電性感知装置が述べられる。圧電性感知装置は、純粋なポリイミドＣ段階コアを囲むガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層を備える可撓性のある回路に搭載された圧電素子を含む。圧電性感知装置のいくつかの開示された実施形態を実施することで実現されうる利点は、装置を、１２０℃を超える高温用途で、いくつかの場合では、３００℃もの高さの高温用途で使用できることである。
一実施形態では、圧電性感知装置が開示される。圧電性感知装置は、複数の圧電素子と、純粋なポリイミドＣ段階コアの第１の側上の第１の銅層と第１の側とは反対の第２の側の純粋なポリイミドＣ段階コア上の第２の銅層との間の純粋なポリイミドＣ段階コア、第１の銅層の上に形成された第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層、および第２の銅層の上に形成された第２のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層を備える可撓性のある回路とを備え、複数の圧電素子は、複数の圧電素子を受け入れるために、第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層に形成された複数の窓部内の可撓性のある回路に取り付けられる。
他の実施形態では、圧電性感知装置は、複数のセラミック圧電振動子と、純粋なポリイミドＣ段階コアの第１の側上の第１の複数の導体と第１の側とは反対の第２の側の純粋なポリイミドＣ段階コア上の第２の複数の導体との間の純粋なポリイミドＣ段階コア、第１の複数の導体の上に形成された第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層、および第２の複数の導体の上に形成された第２のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層を備える可撓性のある回路とを備え、複数の圧電素子は、複数のセラミック圧電振動子を受け入れるために、第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層に形成された複数の窓部内の可撓性のある回路に取り付けられ、また窓部は、複数のセラミック圧電振動子を半田付けする接地電極およびホット電極を露出する。
本発明の「課題を解決するための手段」は、１つまたは複数の例示的な実施形態により本明細書で開示される主題の簡単な概観を提供することが意図されているに過ぎず、特許請求の範囲を解釈するためのガイドとして、または本発明の範囲を定義もしくは限定するためのガイドとして働くものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。この「課題を解決するための手段」は、以下の詳細な説明でさらに述べられる概念の例示的な選択を簡単な形で導入するために提供されている。この「課題を解決するための手段」は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定すること、あるいは特許請求される主題の範囲の決定を支援するものとして使用されることを意図していない。特許請求される主題は、背景で記載したいずれかの、またはすべての不都合な点を解決する実施形態に限定されない。
本発明の特徴を理解できるように、添付図面でその数例が示されているいくつかの実施形態を参照することにより本発明の詳細な説明を得ることができる。しかし、図面は、本発明のいくつかの実施形態を示しているに過ぎないため、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではなく、本発明の範囲は、同等に有効な他の諸実施形態を包含することに留意されたい。図面は、必ずしも尺度を合わせておらず、本発明のいくつかの実施形態の特徴を例示する場合に概して強調される。図面では、様々な図を通して、同様の部分を示すために同様の数字を使用する。したがって、本発明をさらに理解するために、図面と共に読まれる以下の詳細な説明に対して参照を行うことができる。
測定システムの例示的な実施形態の概略図である。 圧電性感知装置の例示的な実施形態の分解された組立体の図である。 図２の圧電性感知装置の側面横断面の組立図である。 圧電性感知装置の他の例示的な実施形態の正面図である。 図４の圧電性感知装置の側面横断面図である。 圧電性感知装置のさらに他の例示的な実施形態の正面図である。 図６の圧電性感知装置の側面横断面図である。 圧電性感知装置のさらに他の例示的な実施形態の正面図である。 図８の圧電性感知装置の側面横断面図である。 図２〜５の圧電性感知装置などの圧電性感知装置の実装形態の概略図である。 図２、３、および６〜９の圧電性感知装置などの圧電性感知装置の他の実装形態の概略図である。
図を次に参照すると、図１で、改良された感度および構成を備えた測定システム１０の例示的な実施形態が示されており、その構成は、例えば、１２０℃を超える動作温度における、かつ他の測定システムによるアクセスが制限される領域における測定システム１０の実装に対して利益がある。測定システム１０は、振動子アレイ１２と、接続１６を介して振動子アレイ１２に動作可能に結合される計器１４とを備えることができる。振動子アレイ１２は、１つまたは複数の感知素子１８を備えることができ、感知素子１８のそれぞれは、基板２２に結合された圧電素子２０を有する。
振動子アレイ１２は、移送される流体により腐食および壊食を受けるおそれのある管、チューブ、および関連する導管などの対象物上に配置することができる。振動子アレイ１２を配置することにより、圧電素子２０で生成された超音波信号を、対象物の材料に対して衝突できるようにする。これらの超音波信号は、材料の表面などにより反射されるが、反射された信号は、圧電素子２０により検出される。
一実施形態では、計器１４は、接続１６を介して圧電素子２０に加えられる波形パルス（一般的に「入力」）を生成する超音波検査ユニット２４を含むことができる。波形パルスは、圧電素子２０に機械的な変化（例えば、寸法的な変化）を起こす。この変化により、対象物の材料を通って送られる音波を作ることができる。反対に、検査中の材料から反射された音波が、圧電素子２０の表面に接触すると、圧電素子２０は電圧差を生ずる。この電圧差は、超音波検査ユニット２４、また他の信号処理電子装置により、受信信号（一般的に「出力」）として検出される。
超音波検査ユニット２４は、圧電素子２０により生成された波形パルスの振幅、タイミング、および送信シーケンスを決定するのに有用な様々な制御手段を含むことができる。波形パルスは、概して、約５ＭＨｚから約２０ＭＨｚの周波数範囲にある。波形パルスの送信と、受信信号の受信との間の差を追跡し、かつ反射波の振幅を測定することにより、材料の様々な特性を求めることができる。一例では、対象物の材料の厚さならびに厚さにおける何らかの対応する変化は、飛行時間解析を用いて求めることができ、その主題については、振動子および関連する技術分野における当業者であれば理解されよう。
一実施形態では、感知素子１８は別個に配置され、個々の感知ユニットとして構成される。これらの個々のユニットと、超音波検査ユニット２４との間の通信は、接続１６により容易に行われ、一構成では、接続１６は、複数のケーブル（図示せず）を有する。これらのケーブルは、感知素子１８のそれぞれに結合される。例示的なケーブルは、同軸ケーブル、および光ファイバ、ならびに銅の、かつ／または本明細書で企図される圧電素子２０との間で入力および出力（例えば、波形パルスおよび受信信号）を伝えることのできる関連する材料の単一の素線および複数の撚り線を含むことができる。
他の実施形態では、感知素子１８は、本例では、数字２６で概して境界が示された、共通基板上に配置される。この構成は、１つまたは複数の圧電素子２０を共通基板２６に配置することにより画定される。感知素子１８の圧電素子２０は、例えば、一片の材料に沿って互いに間隔を空けることができ、また以下の１つまたは複数の実施形態で論ずるように、この材料は、対象物の形状に従うことのできる可撓性のある回路材を含むことができる。一例では、導体が可撓性のある回路材に組み込まれ、各導体は、圧電素子２０で、かつ共通基板２６の端部で終端する。接続１６は、導体に結合される１つまたは複数のコネクタ（図示せず）を含むことができ、またコネクタは、自由端に組み込まれるか、あるいはその他の形で自由端に取り付けることができる。コネクタは、嵌合するコネクタに、または超音波検査ユニット２４から延びる１束の同軸ケーブルなどの他の装置に結合することができる。この結合により、圧電素子２０と計器１４の間で入力および出力を伝達することができる。
振動子アレイ１２における感知素子１８の数は変えることができ、一構成では、この数は、１から２０まで変えることができる。特定の一例では、数は１４である。数の代替的な選択は、検査している対象物の寸法の任意の１つまたは組合せ、対象物上の感知素子１８の好ましい間隔、および検出される欠陥のタイプに基づくことができる。共通基板２６と共に実装される場合、圧電素子２０の概略の中心間の間隔は、約１０ｍｍから約１００ｍｍとすることができる。さらに、感知素子１８が、個別化されたユニットとして構成される実装においては、それぞれを、振動子アレイ１２の感知素子１８の他のものとは独立して対象物上に配置することができる。したがって、圧電素子２０の隣接する間隔、および対象物の機構（例えば、縁部）に対する圧電素子２０の位置を、所望に応じて、感知素子１８のそれぞれに対して最適化することができる。
振動子アレイ１２は、直線的な配列（例えば、感知素子１８が１つまたは複数の列を有する単一の行を形成する場合）として示されているが、他の構成も考えられる。一実施形態では、振動子アレイ１２は、感知素子１８の１つまたは複数の行および１つまたは複数の列を含むことができる。他の実施形態では、感知素子１８は、行および列の配列とは異なる構成で配置される。例として、振動子アレイ１２のための一構成は、第１の並びの感知素子１８と、第２の並びの感知素子１８とを備えることができ、第２の並びは、第１の並びに対して直角をなすように配置され、したがって、「ｔ」形状を形成する。
次に、感知素子１８の構成について焦点を合わせて、図２および３への参照を行うことができる。ここでは、図１の感知素子１８のうちの１つまたは複数として展開されうる圧電性感知装置１００の例示的な実施形態が示されている。一実施形態では、圧電性感知装置１００は、基板１０２と、セラミック本体１０６を有する圧電素子１０４とを備えることができる。セラミック本体１０６は、電極１０８と、接地１１０と、金めっき、またはセラミック本体１０６上に蒸着された同等の導電性材料から構成されたラップタブ（ｗｒａｐ ｔａｂ）１１２とを用いて構成することができる。基板１０２は、この例では、第１の層１１６および第２の層１１８を備え、さらに圧電素子１０４を受け入れるように構成された受入れ領域１２０を備えて示された可撓性のある回路材１１４を備えることができる。受入れ領域１２０は、例えば、電極１０８および接地１１０に接続するための電極１２２を有することができる。電極１２２は、第１の、または接地電極１２４と、第２の、またはホット電極１２６とを含むことができる。電極１２２は、電極１２２の間の絶縁間隙１３０により画定される電極の幾何形状１２８に、かつ／または電極１２２の一方または両方に適用される外形の幾何形状１３２に適合することができる。一例では、外形の幾何形状１３２は、ホット電極１２６に対してｔ字形の幾何形状１３４を含む。
一実施形態では、圧電性感知装置１００はまた、スズ、鉛、銀、ビスマス、およびインジウムなどの１つまたは複数の材料を備える半田層１３６を含むことができる。半田層１３６は組立中に蒸着され、圧電素子１０４を基板１０２の受入れ領域１２０に結合するために使用される。組み立てられたとき、基板１０２、圧電素子１０４、および半田層１３６の組合せが、外形高さＰを有する層化された構造１３８として構成される。圧電性感知装置１００の実施形態は、外形高さＰが約７ｍｍを超えないように、また一例では、外形高さが約０．２５ｍｍから約１ｍｍであるように構成することができる。これらの値は、従来の装置よりも小さく、それにより、従来構成の測定装置では一般にアクセスできない場所で、圧電性感知装置１００を使用することが可能になる。
セラミック本体１０６で使用するための材料は、例えば、半田層１３６をリフローするのに必要なリフロー温度など、組立中の処理条件との適合性を含む、その特性に対して選択される。これらのリフロー温度は、通常、２００℃を超えており、１つの例示的なプロセスでは、リフロー温度は約２２０℃である。考慮すべき特性は、これに限定されないが、材料の誘電率を含み、その場合、セラミック本体１０６用に選択された材料は、圧電素子１０４の全体寸法を最小化しながら、良好な電気的インピーダンスマッチングを行う誘電率を有するべきである。これらの寸法は、例えば、約３ｍｍ×約５ｍｍの図２の長方形に対する寸法を含むが、長さおよび幅は、それぞれ、約２ｍｍから約８ｍｍまで変わることができる。他の例では、圧電素子１０４の形状は、正方形、円、および／または楕円を含むことができる。上記で論じた外形高さＰを参照すると、圧電素子１０４を、約０．１ｍｍから約１ｍｍの全体厚で形成することもさらに企図される。
一実施形態では、Ｎａｖｙ ＴｙｐｅＩＩ材料、および関連する（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛の圧電性）セラミックスなど、圧電性セラミックスを使用することが望ましい可能性があるが、同様の特性および組成を有する他の材料も同様に企図され、かつ使用することができる。セラミック本体１０６（および一般に圧電素子１０４）を構成するために、一例では、１個のＮａｖｙ ＴｙｐｅＩＩ材料をさいの目に切断して、０．６ｍｍ程度の厚さを有するプレートにすることができる。これらのプレートは、得られたプレートの厚さが約０．２ｍｍとなるように仕上げ研磨作業により仕上げることができる。直線的な研磨、ラッピング、および裏面研磨はすべて、受入可能な仕上げ研磨作業である。プレートは、その後、約９ｍｍの幅を有する片に切断することができ、電極が形成され、分極処理され、かつ検査されうる。スパッタリングなどのめっき作業が、金（Ａｕ）めっきを蒸着させるために使用することができ、仕上げられたプレートは、さいの目に切断されて、個々の圧電素子（例えば、圧電素子１０４）を形成することができる。一例では、単一の箱形のＮａｖｙ ＴｙｐｅＩＩ材料によって、約２８８０個の圧電素子１０４が可能になる。電極１２２は、本開示の範囲および趣旨に含まれると認識された特定の蒸着、エッチング、スパッタリング、ならびに関連する処理技法およびプロセスを用いて形成できることが理解されよう。
可撓性のある回路材１１４の層（例えば、第１の層１１６および第２の層１１８）は、ポリアミドベースのフィルムなどの材料、ならびにポリエステル（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、およびポリエーテルイミド（ＰＥＩ）のうちの１つまたは複数のものを含む他の材料およびフィルムを含むことができる。層は共に、本明細書で論ずる処理条件、動作温度、および物理特性（例えば、外形高さＰ）と適合性のある積層を形成するように構成することができる。金属箔など、電気的な導体などの導体を層の間に含めることができるが、あるいは他の例では、導体を、電気めっきおよび関連するめっき、ならびに蒸着技法を用いることなどにより、層の間に組み込むことができる。これらの導体は、電極１２２に、ならびに基板１０２の周辺縁部および領域へと延びることができる。この構成は、圧電素子１０４との間でパルスおよび電気信号を伝えるのに有用であり、その例は、共通基板（例えば、図１の共通基板２６）に関して上記で論じている。
次に図４〜９を参照すると、圧電性感知装置２００（図４および５）、３００（図６および７）、および６００（図８および９）の例示的な実施形態が提供される。以下で行われる論議では、図２〜９の間で、数字が１００の倍数で増加すること（例えば、図４および５で２００、図６および７で３００、図８および９で６００など）を除いて、同様の構成要素を特定するために同様の数字を使用する。圧電性感知装置２００、３００、および６００は、上記の図１に関して論じた振動子アレイ１２の構成のうちの１つまたは複数で実装するのに有用である。
例えば、図４および５で示された圧電性感知装置２００は、振動子アレイ１２（図１）の構成と共に使用するのに適しており、その場合、感知素子１８のそれぞれは、個々のユニットとして構成される。一実施形態では、圧電性感知装置２００は、基板２０２および圧電素子２０４を備えることができる。基板２０２は、圧電素子２０４が配置される受入れ領域２２０を備える可撓性のある回路材２１４を含むことができる。受入れ領域２２０は、接地電極２２４およびホット電極２２６を含む電極２２２を有することができる。半田層２３６は、当技術分野で理解されるスクリーン印刷技法を用いて、１つまたは複数の電極２２２上に配置されうる。
可撓性のある回路材２１４は、前側２４０と、電極２２２が位置する裏側２４２とを備えることができる。圧電性感知装置２００はまた、ケーブル接続パッド２４６および張力緩和部２４８を有する１つまたは複数のケーブル接続２４４を備えることができる。ケーブル接続パッド２４６は、接地パッド２５０およびホットパッド２５２を含むことができ、それぞれが、１つまたは複数のバイア２５４により、接地電極２２４およびホット電極２２６にそれぞれ結合される。バイア２５４は、可撓性のある回路材２１４を貫通して延び、それにより、前側２４０上のケーブル接続パッド２４６が、裏側２４２上の電極２２２に結合される。一例では、接地平面２５６がまた、可撓性のある回路材２１４中に組み込まれる。接地平面２５６は、接地電極２２４および接地パッド２５０に結合される。
図６および７で示される圧電性感知装置３００は、振動子アレイ１２（図１）が、共通基板（例えば、共通基板２６（図１））を使用する場合に実施することができる。一実施形態では、圧電性感知装置３００は、基板３０２および圧電素子３０４を備えることができる。基板３０２は、１つまたは複数の受入れ領域３２０が圧電素子３０４を受け入れるように構成された可撓性のある回路材３１４を備えることができる。受入れ領域３２０は、接地電極３２４およびホット電極３２６を含む電極３２２を有することができる。半田層３３６はまた、圧電素子３０４を電極３２２に固定するために含まれる。
圧電性感知装置３００は、複数の導体３６０が組み込まれた共通基板３５８を備えることができる。導体３６０は、ホット導体３６２および接地導体３６４を含むことができ、それぞれが、共通基板３５８の自由端３６６から延びるように示されている。自由端３６６には、導体３６０のそれぞれに結合されるマルチピンコネクタなどのコネクタ３６８が設けられる。コネクタ３６８は、本明細書で企図される計器（例えば、計器１４（図１））に関連させることも可能な嵌合コネクタ（図示せず）に結合するように同様に構成される。
図８および９で示す圧電性感知装置６００はまた、振動子アレイ１２（図１）が、共通基板（例えば、共通基板２６（図１））を使用する場合に実施することができる。圧電性感知装置６００は、第１の側（または裏側）６４２と、第２の側（または前側）６４０を有することができる。一実施形態では、圧電性感知装置６００は、基板６０２と、基板６０２の裏側６４２に取り付けられた複数の圧電素子６０４とを備えることができる。圧電素子６０４は、セラミックの圧電振動子（ＰＺＴ）とすることができる。基板６０２は、圧電素子６０４を取り付けるように構成された複数の受入れ領域６０６を裏側６４２に備えた可撓性のある回路６６０を含むことができる。
可撓性のある回路６６０は、複数の導体６９０を備えることができる。導体６９０は、可撓性のある回路６６０の自由端または第１の端部６９６から延びるホット導体６３２と、接地導体６１２、６２２とを含むことができる。自由端６９６には、導体６９０のそれぞれに結合されるマルチピンコネクタなど、コネクタ６９８を設けることができる。コネクタ６９８は同様に、本明細書で企図される計器（例えば、計器１４（図１））と関連させることも可能な嵌合コネクタ（図示せず）に結合するように構成される。
圧電性感知装置６００の可撓性のある回路６６０は、複数の様々な層を備えることができる。図９で示す一実施形態では、可撓性のある回路６６０は、裏側６４２上の第１の銅層と前側６４０上の第２の銅層との間に純粋なポリイミドＣ段階コア６２０を含む、両側が銅で覆われたコア６１０を有する。Ｃ段階材料として、コア６２０は、完全に硬化されており、したがって、比較的、不溶性かつ不融性のものである。一実施形態では、コア６２０は、０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）の厚さとすることができる。両側が銅で覆われたコア６１０の銅層は、例えば、化学物質でエッチングして、純粋なポリイミドＣ段階コア６２０の前側６４０および裏側６４２上に、複数の導体６１２、６２２、６３２を形成することができる。一実施形態では、銅層６４０、６４２は、０．０００７インチ（０．０１７８ｍｍ）の厚さとすることができる。図９で示すように、エッチングにより、裏側の接地導体６１２と裏側のホット導体６３２との間に、絶縁間隙６５０を設けることができる。純粋なポリイミドＣ段階コア６２０を貫通して延びる複数のめっきされたバイア６３０を、裏側の接地導体６１２と前側の接地導体６２２を接続するために使用することができる。
図９で示す圧電性感知装置６００の一実施形態では、可撓性のある回路６６０は、導体６１２、６２２、６３２の上に形成されたガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層６１６、６２６を有する。一実施形態では、ガラス繊維強化部は、１０８０ガラスタイプで織られたガラス繊維とすることができる。処理する（例えば、積層化する）前に、Ｂ段階プリプレグ材（例えば、低流動性ポリイミド１０８０プリプレグなど）として、裏側のカバー層６１６および前側のカバー層６２６は部分的に硬化され、したがって、それらは、完全に溶融しないまたは溶解しないが、加熱されると軟化し、特定の液体に接触すると膨張する。処理された後、カバー層６１６、６２６は、Ｃ段階材料へと完全に硬化する。窓部６０８は、裏側カバー層６１６に形成されて、圧電素子６０４を受け入れるように構成された受入れ領域６０６を形成し、かつ各窓部で接地電極６１８およびホット電極６３８を露出することができる。第１の半田層６０３は、圧電素子６０４を接地電極６１８に固定し、第２の半田層６０５は、圧電素子６０４をホット電極６３８に固定する。ガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層６１６、６２６の材料特性を考慮すると、ガラス繊維強化ポリイミドＣ段階材料を除去するためにエッチングを使用できない場合、レーザ切断、または他の切断技法を、窓部６０８を形成するために使用することができる。
半田付けを容易にするために、導体６１２、６２２、６３２を、めっき層６１４、６２４でめっきすることができる。一実施形態では、めっきは、０．０００５インチ（０．０１２７ｍｍ）の厚さとすることができる。一実施形態では、カバー層６１６、６２６を導体６１２、６２２、６３２の上に形成する前に、ＥＮＩＧ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｎｉｃｋｅｌ ｏｖｅｒ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｇｏｌｄ：置換金上の電解ニッケル）を使用して、導体６１２、６２２、６３２をめっきする。他の実施形態では、カバー層６１６、６２６が導体６１２、６２２、６３２の上に形成され、かつ窓部６０６が、めっきのために導体６１２、６２２、６３２を露出するように形成された後に限って、ＥＮＩＧを用いて、めっき層で導体６１２、６２２、６３２をめっきする。
純粋なポリイミドＣ段階コア６２０およびガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層６１６、６２６は、可撓性のある回路６６０を、導管または他の環状装置の湾曲した表面上に取り付けるために必要な可撓性および支持を提供する。純粋なポリイミドＣ段階コア６２０およびガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層６１６、６２６を使用することによって、圧電性感知装置６００の温度定格を下げる可能性のある不純物または他の添加物をなくし、また圧電性感知装置６００が、１２０℃を大幅に超える環境（例えば、原子力発電環境）で動作すること、およびその環境で日常的に動作する装置上で動作することも可能になる。
一実施形態では、ガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層６１６、６２６は、これもシートで提供されうる純粋なポリイミドＣ段階コア６２０の前側６４０および裏側６４２上に、ガラス繊維強化ポリイミドＢ段階シートを提供することにより、かつ積層後に可撓性のある回路６６０を形成する温度に層を曝しながら、ポリイミド層を２つの圧搾機の間で圧縮することにより、導体６１２、６２２、６３２の上に形成することができる。前述のポリイミド層を使用することによって、ガラス繊維強化ポリイミドカバー層６１６、６２６および純粋なポリイミドＣ段階コア６２０よりも低い温度定格を有する可能性のあるエポキシ樹脂または他の接着材料を使用する必要性を回避することができる。
次に、上記で論じた圧電性感知装置１００、２００、３００、および６００などの圧電性感知装置の実装形態を論ずるものとし、図１０および１１への参照を行う。図１０および１１は、それぞれ、圧電性感知装置４００および５００の例示的な実施形態を示しており、これらの実施形態は、上記で、また以下でより詳細に述べる測定システムなどの測定システムで使用するように構成される。図２〜１１の間では、また、同様の構成要素を識別するために同様の数字を使用する。しかし、本開示の圧電性感知装置の特徴および概念のいくつかは、図１０および１１に関して示しておらず、または論じていない場合もあるが、このような特徴および概念は、圧電性感知装置４００および５００、ならびにその実施形態および派生物に対しても適用可能であることが企図される。
図１０では、例えば、複数の圧電性感知装置４００が示されており、そのそれぞれが、基板４０２および圧電素子４０４を備えることができる。基板４０２は、接地電極４２４と、ホット電極４２６と、圧電素子４０４を基板４０２に固定するために使用される半田層４３６とを備える可撓性のある回路材４１４とを含むことができる。可撓性のある回路材４１４は、前側４４０および裏側４４２を含む。一実施形態では、圧電性感知装置４００は、測定システム４７０の一部として実装され、測定システム４７０は、振動子アレイ４７２と、計器４７４と、圧電素子４０４に結合される１つまたは複数のケーブル４７８などの接続４７６とを備えることができる。測定システム４７０はまた、ケーブル４７８を集約し、一例では、信号を、計器４７４、および振動子アレイ４７２の圧電性感知装置４００との間で通信するための中心ハブとして働く接続端子４８０を備えることができる。
一実施形態では、圧電性感知装置４００は、基板４０２の裏側４４２に配置される接着剤などの接触媒質４８６を用いて、対象物４８４の表面４８２に固定される。圧電性感知装置４００の適正な機能、および表面４８２への結合をさらに保証するために、保護層４９０、および固定機構４９２など、１つまたは複数の外側構造４８８を使用することができる。これらの外側構造４８８は、圧電性感知装置４００の一部として組み込むことができるが、あるいは一実施形態では、外側構造４８８は、圧電性感知装置４００とは別個の１つまたは複数の部品を備える。外側構造４８８の部品の組立は、一般に、圧電性感知装置４００および測定システム４７０の実装および取付け時に行うことができる。
接触媒質４８６は、図１０で示すように、基板４０２の表面上に、ならびに圧電素子４０４上に配置することができる。適用中には、圧電素子４０４の性能劣化を回避すべく十分に注意する必要がある。性能特性に加えて、接触媒質４８６として使用される材料は、基板４０２および対象物４８４の材料特性に適合していることが望ましい。一例では、アクリル接着剤などの接着剤は、約１ｍｍの公称初期厚さを有する層として適用することができる。同様に許容可能な他の接着剤および関連する材料は、これだけに限らないが、シアノアクリレート、エポキシ、溶液型接着剤、およびコールドフロー接着剤、ならびにそれらの組合せおよび派生物を含む。
保護層４９０は、その基礎となる構造、例えば、圧電性感知装置４００などへの損傷を阻止するために使用される。材料は、同様に、電気的に絶縁する特性を有することができ、したがって、外部環境からの保護を提供し、生ずる可能性のあるアークの発生、短絡、および他の電気的に誘起される障害を阻止する。保護層４９０として使用される例示的な材料は、シリコン、ナイロン、ネオプレン、ポリマー材料、ならびにそれらの組合せおよび派生物を含むことができる。
固定機構４９２は、図１１で示す帯状構造の形とすることができる。対象物４８４が、導管または他の環状装置である場合、このような構造を円周に固定することができる。これらの構造は、導管周りで帯の直径を低減する２次的な固定および締結機構を組み込むことができ、それにより、圧電性感知装置４００上に力を加えることができる。平坦な、または異形の構成を有する対象物など、対象物４８４の他の構成に対して、固定機構４９２は、対象物４８４の特有の形状に対して設計された装置で構成することができる。これらの装置は、圧電性感知装置４００上に力を加えることのできる磁石および磁化された器具を含むことができる。
図１１を次に参照すると、圧電性感知装置５００は、基板５０２および圧電素子５０４を備えることが分かる。基板５０２は、接地電極５２４およびホット電極５２６を備えることができ、またここでは、半田層５３６を含めるように企図されている。基板５０２は、コネクタ５６８が配置される自由端５６６を備える共通基板５５８として構成される。圧電性感知装置５００は、振動子アレイ５７２と、計器５７４と、その間に結合される接続５７６とを備えることのできる測定システム５７０の一部である。圧電性感知装置５００を固定するために、接触媒質５８６が使用され、また保護層５９０および固定機構５９２によりさらなる保護が与えられる。一実施形態では、接続５７６は、コネクタ５６８および計器５７４に結合される単一のケーブル５９４を備えることができる。単一のケーブル５９４は、例えば、コネクタ５６８と嵌合するように構成された嵌合コネクタ５９６を備えることができる。
本記述は、最良の形態を含む本発明の実施形態を開示するために、また任意の装置もしくはシステムを製作かつ使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含む、本発明を当業者が実施できるようにするために諸例を使用している。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定義されるが、当業者が想到する他の例を含むこともできる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と非実質的な差を有する均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれることが意図される。
１０ 測定システム
１２ 振動子アレイ
１４ 計器
１６ 接続
１８ 感知素子
２０ 圧電素子
２２ 基板
２４ 超音波検査ユニット
２６ 共通基板
１００ 圧電性感知装置
１０２ 基板
１０４ 圧電素子
１０６ セラミック本体
１０８ 電極
１１０ 接地
１１２ ラップタブ
１１４ 可撓性のある回路材
１１６ 第１の層
１１８ 第２の層
１２０ 受入れ領域
１２２ 電極
１２４ 接地電極
１２６ ホット電極
１２８ 電極の幾何形状
１３０ 絶縁間隙
１３２ 外形の幾何形状
１３４ Ｔ字形の幾何形状
１３６ 半田層
１３８ 層化された構造
２００ 圧電性感知装置
２０２ 基板
２０４ 圧電素子
２１４ 可撓性のある回路材
２２０ 受入れ領域
２２２ 電極
２２４ 接地電極
２２６ ホット電極
２３６ 半田層
２４０ 前側
２４２ 裏側
２４４ ケーブル接続
２４６ ケーブル接続パッド
２４８ 張力緩和部
２５０ 接地パッド
２５２ ホットパッド
２５４ バイア
２５６ 接地平面
３００ 圧電性感知装置
３０２ 基板
３０４ 圧電素子
３１４ 可撓性のある回路材
３２０ 受入れ領域
３２２ 電極
３２４ 接地電極
３２６ ホット電極
３３６ 半田層
３５８ 共通基板
３６０ 導体
３６２ ホット導体
３６４ 接地導体
３６６ 自由端
３６８ コネクタ
４００ 圧電性感知装置
４０２ 基板
４０４ 圧電素子
４１４ 可撓性のある回路材
４２４ 接地電極
４２６ ホット電極
４３６ 半田層
４４０ 前側
４４２ 裏側
４７０ 測定システム
４７２ 振動子アレイ
４７４ 計器
４７６ 接続
４７８ ケーブル
４８０ 接続端子
４８２ 表面
４８４ 対象物
４８６ 接触媒質
４８８ 外側構造
４９０ 保護層
４９２ 固定機構
５００ 圧電性感知装置
５０２ 基板
５０４ 圧電素子
５２４ 接地電極
５２６ ホット電極
５３６ 半田層
５５８ 共通基板
５６６ 自由端
５６８ コネクタ
５７０ 測定システム
５７２ 振動子アレイ
５７４ 計器
５７６ 接続
５８６ 接触媒質
５９０ 保護層
５９２ 固定機構
５９４ 単一のケーブル
５９６ 嵌合コネクタ
６００ 圧電性感知装置
６０３ 第１の半田層（接地）
６０４ 圧電素子
６０５ 第２の半田層（ホット）
６０６ 受入れ領域
６０８ 窓部
６１０ 両面が銅で覆われたコア
６１２ 裏側の接地導体
６１４ 裏側のめっき層
６１６ 裏側のカバー層
６１８ 接地電極
６２０ コア
６２２ 前側の接地導体
６２４ 前側のめっき層（接地）
６２６ 前側のカバー層
６３０ バイア（接地）
６３２ 裏側のホット導体
６３８ ホット電極
６４０ 前側
６４２ 裏側
６５０ 絶縁間隙
６６０ 可撓性のある回路

Claims (18)

  1. 複数の圧電素子と、
    純粋なポリイミドＣ段階コアの第１の側上の第１の銅層と前記第１の側とは反対の第２の側の純粋なポリイミドＣ段階コア上の第２の銅層との間の前記純粋なポリイミドＣ段階コア、前記第１の銅層の上に形成された第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層、および前記第２の銅層の上に形成された第２のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層を備える可撓性のある回路とを備え、
    前記複数の圧電素子が、前記複数の圧電素子を受け入れるために、前記第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層に形成された複数の窓部内の前記可撓性のある回路に取り付けられる、圧電性感知装置。
  2. 前記複数の圧電素子が、セラミック圧電振動子である、請求項１記載の圧電性感知装置。
  3. 前記第１の銅層が、第１の複数の導体を備え、また前記第２の銅層が、第２の複数の導体を備える、請求項１記載の圧電性感知装置。
  4. 前記第１の複数の導体上に第１のめっき層をさらに備える、請求項３記載の圧電性感知装置。
  5. 前記第１のめっき層が、置換金上の電解ニッケルを含む、請求項４記載の圧電性感知装置。
  6. 前記第１のめっき層が、前記複数の窓部により露出された前記第１の複数の導体の部分にだけ適用される、請求項４記載の圧電性感知装置。
  7. 前記複数の窓部が、接地電極およびホット電極を露出する、請求項１記載の圧電性感知装置。
  8. 前記複数の圧電素子が、前記接地電極および前記ホット電極に半田付けされる、請求項７記載の圧電性感知装置。
  9. １つまたは複数の前記第１の複数の導体を、１つまたは複数の前記第２の複数の導体に接続するために、前記純粋なポリイミドＣ段階コアを貫通して延びる複数のめっきされたバイアをさらに備える、請求項３記載の圧電性感知装置。
  10. 前記可撓性のある回路の第１の端部上にコネクタをさらに備え、前記コネクタが、前記第１の複数の導体、および前記第２の複数の導体に結合される、請求項３記載の圧電性感知装置。
  11. 前記第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層、および前記第２のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層が、織られたガラス繊維を含む、請求項１記載の圧電性感知装置。
  12. 複数のセラミック圧電性振動子と、
    純粋なポリイミドＣ段階コアの第１の側上の第１の複数の導体と前記第１の側とは反対の第２の側の純粋なポリイミドＣ段階コア上の第２の複数の導体との間の前記純粋なポリイミドＣ段階コア、前記第１の複数の導体の上に形成された第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層、および前記第２の複数の導体の上に形成された第２のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層を備える可撓性のある回路とを備え、
    前記複数の圧電素子が、前記複数のセラミック圧電振動子を受け入れるために、前記第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層に形成された複数の窓部内の前記可撓性のある回路に取り付けられ、また
    前記窓部が、前記複数のセラミック圧電振動子を半田付けする接地電極およびホット電極を露出する、圧電性感知装置。
  13. 前記第１の複数の導体上に第１のめっき層をさらに備える、請求項１２記載の圧電性感知装置。
  14. 前記第１のめっき層が、置換金上の電解ニッケルを含む、請求項１３記載の圧電性感知装置。
  15. 前記第１のめっき層が、前記複数の窓部により露出された前記第１の複数の導体の部分にだけ適用される、請求項１３記載の圧電性感知装置。
  16. １つまたは複数の前記第１の複数の導体を、１つまたは複数の前記第２の複数の導体に接続するために、前記純粋なポリイミドＣ段階コアを貫通して延びる複数のめっきされたバイアをさらに備える、請求項１２記載の圧電性感知装置。
  17. 前記可撓性のある回路の第１の端部上にコネクタをさらに備え、前記コネクタが、前記第１の複数の導体、および前記第２の複数の導体に結合される、請求項１２記載の圧電性感知装置。
  18. 前記第１のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層、および前記第２のガラス繊維強化ポリイミドＣ段階カバー層が、織られたガラス繊維を含む、請求項１２記載の圧電性感知装置。
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