JP3095785B2 - 圧力波センサ - Google Patents

圧力波センサ

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、EP−A−0401643から公知のような、請求
の範囲1の上位概念による圧力波センサに関する。
レーザ励起光音響分光法では、光学的に透過性の試
料、サンプルが分光測定されるべき化合物と共に(例え
ば水溶液中で)パルスレーザ光源から高い強度の短時間
の繰返される光パルスで照射される。光熱−吸収、及び
それに伴う局所的熱膨張に基づき、衝撃波が測定試料、
サンプル内に生ぜしめられる。測定試料、サンプルに圧
着された圧力波センサ(圧電セラミック検出器)は、圧
力波を電圧信号に変換する。それの時間特性は、理想的
場合では減衰された振動の時間特性に相応し、試料、サ
ンプル中の吸収度に比例する。ここで、下記の関係式が
成立つ。
ピエソ電圧U=k・(β・v2/cp)・α・I 0, 但しβ=β(T):測定試料、サンプルの熱膨張率、 V=V(T):測定試料、サンプル中の音響速度 cp=cp(T):一定圧力下での比熱 α=ε・c:吸収係数 ε:分子吸光係数 c:濃度 I 0:レーザエネルギ 吸収スペクトルの記録のため、狭帯域励起レーザ(例
えば、Nd:YAGポンピングされた色素レーザ)の波長が同
調、適合調製され、そして、所属のピエゾ電圧で記録さ
れる。
相応の実験的仕様の場合、前記方法では検出限界(S/
N比=3)に達し、該検出限界は、従来の高分解能検吸
収分光測定の場合におけるよりほぼ2オーダ低い。下記
刊行物から冒頭に述べた形式の圧力波センサが公知であ
る。
J.I. Kim,R.Stumpe, R. Klenze, Laser−induced
Photoacoustic Spectroscopy for the Speciatio
n of Transuranic Elements in Natural Aquatic
Systems, Topics in Current Chemistry, Vol.
157, Springer−Verlag Berlin, Heifelberg, 19
90,p.131−179 148〜155頁には種々の光音響測定セルが記載されてい
る。前記光音響測定セルではピエゾ圧電検出器は、電磁
放射に対する遮蔽の理由から金属ケーシング内に設けら
れており、該金属ケーシングは、音響電送のため石英ガ
ラス−キュベットに結合される。このことは一般につる
巻きばねにより行われ、該つる巻きばねは、ピエゾケー
シングにてないし相応の保持部にて支持されるか、又は
測定試料、サンプルの自重により支持される(試料、サ
ンプルは、PZT検出器上に位置する)。音響伝送の付加
的な改善により、PZT検出器と、検出器ケーシングとの
間、ないし検出器ケーシングと測定試料、サンプルとの
間にゲル状液が挿入される。前記光音響測定センサは、
次のような欠点を有する; 振動系(ピエゾ圧電検出器、ケーシング、圧着ばね)
の相応の最適化が前述の特性(最大電圧信号、ピエゾ圧
電検出器の固有周波数のみでの振動、高調波振動でない
こと)に鑑みて、行われていないので、最大可能な信号
振幅を利用し得なかった。更に、殊に、低い試料、サン
プル濃度のもとでの検出されたピエゾ信号の解釈が困難
である。
前述の構成形態によっては、幾何学的配置(例えば、
試料、サンプルキュベッドが検出器上に載る)に基づ
き、音響伝達のための付加的コンタクト手段の使用によ
り、困難性を以てしか、再現可能な測定信号を得ること
ができなかった。さらにコンタクト手段の使用により、
試料、サンプルキュベットに対する清浄化クリーニング
ステップが必要とされた。前記の清浄化クリーニング
は、光学的及び化学的清浄度、純度に対する最高の要求
度を充足しなければならないのである。
良好に機能する2−チャネル動作、即ち、オンライン
−バックグラウンドサブトラクション(キュベットのLP
AS信号からの、融剤、溶剤のLPAS信号のサブトラクショ
ン)のため、両ピエゾ圧電検出器がレーザ励起のもとで
同じ信号を送出することが必要である。このことは、従
来技術では、極く制限されてしか可能でなかった、それ
というのは、同じ信号を送出する、密封、カプセル化さ
れた検出器を作製することが成功していなかったからで
ある。
レーザ励起光音響分光法の適用の際の前述の制約、制
限により、従来は、前記の高感度の光学的測定方式プロ
セスをルーチン的に使用できることが許容されていな
い。前記方式は従来の透過分光法より著しく感度が高い
が、その種のシステムは極くわずかしか存在しない。
本発明の課題とするところは、冒頭に述べた形式の圧
力波センサを一層高い検出感度を有するように構成する
ことにある。
前記課題は、請求の範囲1の構成要件により解決され
る。サブクレームには、圧力波センサの有利な実施形態
が記載され、請求の範囲6には、有利な使用方法が記載
されている。
低い試料、サンプル濃度のもとでの光音響測定の場
合、電圧信号は、比較的高いレーザエネルギに対しても
極めて小さいので、低いノイズのアンプで(圧力波セン
サの共振周波数に同調して)測定可能な信号の大きさま
で増大されなけれなならない。低ノイズの信号のため、
増幅度を可及的に小に選定する(アンプの固有ノイズ)
ことが図られる。この理由により、本発明の圧力波セン
サないしそれの配置構成は、レーザ励起ビームに特に適
する。それというのは、本発明の圧力波センサないしそ
れの配置構成は最小ノイズで可及的に高い電圧信号を送
出するからである。
レーザ励起光音響分光法では、一般に圧電セラミック
(PZT検出器)から成る圧力波センサが使用される。短
時間の機械的負荷の場合前記PZT検出器は、それの幾何
学的特性、形状に依存する固有周波数で減衰された振動
をする。LPASスペクトロメータ用の圧力波センサの場
合、電磁障害に対する遮蔽の理由から、そして、一層良
好な操作扱いのために必要な金属ケーシングは、組込部
分と共に次のように構成されている、即ち、PTZ検出器
が妨げられずにそれの共鳴周波数の点で(位相の跳躍的
変化の回避下で高調波の励振なしでの基本振動)立下り
振動できるように構成されている。前記特性のもとでの
み、スペクトロメータにて検出された時間依存の電圧信
号が容易に解釈可能である。
測定試料、サンプルにて生ぜしめられた圧力波をPZT
検出器へ音響伝送するため、PZT検出器が機械的に測定
試料、サンプルへ結合されることが必要である。ここで
音響伝送の再現性には特別な重要性がある。従って、前
記結合は、測定試料、サンプルの切換後にも常に同じ仕
方要領で、即ち、同じ品質で行われる。
次に1実施例に即して図を用いて本発明を詳述する。
ここで、図1はセンサの分解図であり、図2は、組立済
みのセンサの構成図であり、図3は、ダイヤフラム領域
の拡大図であり、図4は、前記領域が1つの測定セルに
当接する様子を示す図である。
以下説明する圧力波センサに対してセンサシリンダの
幾何学的形状が基礎とされている。ここで、圧電検出器
の励振が軸方向で行われる。10mmの吸収長さの場合、即
ち、10×10mm(内部寸法)の底面を有する標準試料、サ
ンプル−キュベットに対して、10mm直径のピエゾ圧電検
出器により圧力波の最良の検出又はスキャンが得られ
る。増大する検出器厚さに対して、それの感度が増大
し、振動特性が、増大する減衰に基づき一層より劣悪に
なる。最適化試行により明らかになったところによれ
ば、5mm厚さの検出器が、なお解釈可能な振動特性のも
とで最大電圧信号を送出する。短時間励振の場合(ほぼ
5ns)前記検出器は200KHzの共鳴周波数で立下がり振動
する。ピエゾ電圧信号の電圧増幅は、外部の20/40dBロ
ーノイズ(Low−Noise)アンプで行われる。
図1は、圧力波センサの構成を示す。ピエゾ電圧の取
出のため同軸スリーブ1は、ケーシング端部2内に取り
付けられる。非導電性材料から成るスペーサリング3
は、ばね4と、ケーシング1端部2との間の絶縁のた
め、そして、ばね4に対する対応支承部として用いられ
る。絶縁された線材5を介して、ピエゾ圧電検出器の一
方の側と、同軸スリーブの内部導体との間のコンタクト
が形成される。絶縁ディスク6は、ばね4の第2の対応
支承部として用いられる。
ピエゾ圧電検出器7としてニッケル電極を有する鉛−
ジルコン酸塩−チタン酸塩検出器が使用される。
絶縁外套シート、フォイル(ポリエチレン)9はケー
シング10(外套管)に対する組込部分の絶縁のため、そ
して、ガイドとして用いられる。ピエゾ圧電検出器のア
ースコンタクトは、ケーシングを介して形成される。ケ
ーシング端部2及びケーシング2,10,11は、有利にねじ
留めされる。ピエゾ圧電検出器7は、つる巻きばね4を
以て、高級、特殊鋼から成る薄い振動ダイヤフラム11に
圧着されている。振動ダイヤフラム11は、もっぱらそれ
の共鳴周波数にて振動するセンサにとって中心的重要性
を有する。試験により明らかになったところによれば、
圧力波センサは次のような際のみ所要の特性を呈する、
即ち、振動ダイヤフラム<<ケーシング厚さである場合
のみ所要の特性を呈する。ここで、説明されている事例
では、15〜45μm厚さの両側で研磨された高級、特殊鋼
シート、フォイルが振動ダイヤフラム11として使用され
る。ケーシング肉厚は1mmである。
測定試料、サンプルへのセンサの最適の音響結合のた
め、振動ダイヤフラム11とピエゾ圧電検出器7との間に
軟質金属から成るほぼ0.4mm厚のディスク8がプレッシ
ャパッドとして、例えば、インジウム(圧延したインジ
ウム−シールワイヤ線又はインジウムシート、フォイ
ル)から成るものとして挿入されている。閉じられたセ
ンサケーシングでは、前記のつる巻きばね4は、ほぼ20
Nの力を以て、ピエゾ圧電検出器7を前記プレッシャパ
ッド8を介して、高級、特殊鋼ケーシング10に取り付け
られた振動ダイヤフラム11へ圧着する。降伏限界を越え
て負荷されるプレッシャパッドが両側で表面粗さ、ない
し、面の平坦性からの偏差に適合化される。弾性的−/
可塑的変形に基づき、振動ダイヤフラム11は、高級、特
殊鋼ケーシング10の縁をほぼ0.1〜0.8mm越えて押し出さ
れる。ここでピエゾ圧電検出器とダイヤフラムとの間の
コンタクト接触面が通常のコンタクト手段(例えばグリ
セリン)なしでも振動減衰作用をする空気封入部の存在
しないようになる。
圧力波センサは、一層良好な結合のため、第2つる巻
きばね(ここでは図示せず)を有するユニット全体とし
て、ダイヤフラム表面に対して並行に位置付けられた、
試料、サンプル14を有するキュベット13に押圧されてい
る。ここで、圧着押圧力は次のような大きさでなければ
ならない、即ち、内部ばね4により惹起される、振動ダ
イヤフラム11の湾曲が極めて十分に解消されるような大
きさでなければならない。逆向きのばね力により、短時
間内で進行するキュベット13へのピエゾ圧電検出器7の
音響結合の最適化が生ぜしめられる。更に測定さるべき
軸方向振動が振動ダイヤフラム11の生成するリング状の
張力低減により好ましい影響を受ける。
振動ダイヤフラム11として適当な高級、特殊鋼シー
ト、フォイルを薄肉厚の高級、特殊鋼シート、フォイル
−センサケーシングへ固定するため適当なろう付け方式
プロセスを開発しなければならなかった。ここで、機械
的に永続的な結合、接続(高いばね力、殊に片側での負
荷の際!)及び導電結合、接続が振動ダイヤフラム11と
外套管10との間で肉厚1mm)形成されることが必要であ
った。前記のろう付け方式の場合殊に、外套管の内面に
ろう付け剤が排出してはいけない、それというのは、そ
うしないと、ダイヤフラムの振動能力が阻止されるから
である。
取付は、予熱された実験炉において軟ろうにより行わ
れる。このために、適当な固定締結装置及びワイヤ状の
融剤付高級、特殊鋼軟ろうが使用される。好適なものと
しては、例えば下記のものがある。
VA−Weichlot(軟ろう);DIN8505、FirmaDurarode社
製(Dreieichstr 6, Moehrfelden−Walldorf)Typ
(タイプ(型式))Dura−Solder HS,DT5311−116. 1.6mm直径及びその中に含まれている融剤付のもの。そ
れは221cの融点を有する。
固定締結装置は、良好な熱伝導性の真鍮−ベースプレ
ートから成り、上記真鍮−ベースプレート上には当初は
余分な寸法のろう付すべき4角形のVAシート、フォイル
11が載置される。位置固定可能な丸棒を介して後方に向
かって支持された固定締結部材は固定締結ネジを以てセ
ンサケーシングのシリンダ状ケーシング10を固定締結VA
シート、フォイル11上に固定締結する。ろう付個所で
は、外套管の内面を掴む訳にはゆかない、それというの
はそういうことをすると内面にてろう付過程ではろうが
昇ってゆくからである。これに反して、外側の外套面は
容易に掴んでも良い(面取りした角、ベベル部ほぼ0.1m
mX45゜)。固定締結装置全体が熱蓄積(熱蓄積板)のた
め厚い金属板上に位置付けられる。それの熱容量は、ベ
ースプレートのそれより著しく大でなければならない。
このことを充足するのは、例えば65X75mmの寸法の10mm
厚さの真鍮板である。
本来のろう付過程のため少なくとも400cに加熱可能な
実験用炉で相応に容易に操作可能な試料、サンプル空間
付のものが必要とされる。本事例では炉は熱蓄積板付の
炉がほぼ30分395cに加熱される。前記の終温度に到達
後、固定締結装置は炉内に工作物及び調整された軟ろう
を以て熱蓄積板上に載置され、炉は閉鎖される。VAシー
ト、フォイル11と高級、特殊鋼ケーシング10との間の間
隙の毛管作用により軟ろうは侵入する、ほぼ2分経過し
たら、ろう付過程は良好なろう付結果のため、工作物と
共に固定締結装置が取出されなければならない。空気に
て冷却後、工作物は固定締結装置から取り外され、張設
されたVAシート、フォイル11は外される。
次に幾つかのパラメータに対するトレランス領域を示
す。
ピエゾ圧電体−幾何学的特性(ピエゾセラミック); シリンダ状−幾何学的形状 直径; 最大の測定感度及び障害信号に対する最小の感度のた
めピエゾセラミックの直径は、測定試料、サンプルの幾
何学的特性に適合されねばならない。従って、前述の場
合1cm吸収長の測定キュベットの場合10mm直径のピエゾ
圧電体セラミックが選択された。他の吸収長を有する測
定試料、サンプル(キュベット)に対して直径を相応に
変更べきである。
厚さ; 10mmの所定の直径に対して前試行にてピエゾ圧電体厚
さが最適化された。前記の最適化に基づき1cmの吸収長
を有するキュベットに対して5mmのピエゾ圧電体厚さが
選択された。厚さは2〜15mmの範囲で変化し得る。
ケーシング幾何学的特性 シリンダ幾何学的特性 内径; 内径はピエゾ圧電体セラミック+絶縁外套シート、フ
ォイルの厚さの2倍の値+渦巻きばねで支持された組込
部分の取付ないし支障のない運動のためのトレランス 外套面の肉厚; 重量及び強度上の理由から、1mmの肉厚が選定され
た。外套面の肉厚は、センサの機能にとって単に副次的
重要性を有するに過ぎない。
長さ; 長さは、組込部分の寸法及びつる巻ばねの機械的特性
データにより定まる。本例では35mmの長さが選定された
(ケーシング中のばね力、ほぼ20N)。おそらく30〜50m
mの長さを選定できる(それにより、ばね力は相応に変
化する)、その際、センサの機能を損なうことはない。
勿論、そのための前提となることは、外部ばねのばね力
が相応に適合される(ばね力、内部的≒ばね力、外部
的)。
振動ダイヤフラム11(シリンダ底部の厚さ); 電磁照射の遮蔽のため全方向で包囲された金属製ケー
シング、即ち、金属製ケーシング底部が必要である。
従来技術によれば、これまで、底部を有するシリンダ
状ケーシングが回転部分、ないし、旋削部材(turned p
iece)として作製された。振動伝達のため、そのことに
より、不十分な表面品質(殊に内側底部)のほかに、シ
リンダ底部が製作技術上最小限1mm厚さにしかなり得な
かった(劣悪な振動伝達、高調波モード)。従って、先
ず、底部として研磨されたVA−ディスク、が使用され、
該レーザビームで底部にて研磨されたVA−ディスク、
は、レーザビームでシリンダ外套に溶接された。ディス
ク厚さは500μmであった。ディスク厚の300μmへの減
少は大して測定信号改善が成されなかった。なおさらに
薄いVAシート、フォイル使用の場合、機械的強度(内部
ばねの力)に就いての問題が予想される。
シート、フォイルの、外套との結合は、導電性でなけ
ればならない。シート、フォイルが接着されるか、溶接
されるか、又はろう付けされるかは重要でない。複数の
プロセスのテスト後(レーザビーム溶接、接着、ろう付
け)の後、前述のろう付法が最良(前記の幾何学的特
性、形状、即ち、1mm肉厚に対して)であることが判明
している。
材料; 研磨加工した薄いシート、フォイルのそれの化学的耐
久性、簡単な処理性、利用可能性に基づき、特殊高級鋼
がセンサケーシング10に対する材料として使用された。
基本的他の導電性金属製材料を使用することもできる。
軟質金属−プレッシャパッド; シリンダ幾何学的特性、形状; 直径; 最適の音響結合のため、軟質金属−プレッシャパッド
の直径は、ピエゾ圧電体セラミックのそれに相応しなけ
ればならない。
厚さ; 使用されるディスクの厚さはほぼ400μmであった。
これはクリティカルな程度のものであってはならない、
それというのは、前記厚さは製作上の理由により定まっ
たものであり(インジウム線材からなるディスクの簡単
な作製)、また、比較的大きなトレランスが信号感度に
影響を及ぼさなかったからである。多分仲間、同業者の
ところで入手可能な10μm〜ほぼ1mmの厚さ領域のイン
ジウムシート、フォイルを使用できる(欠点;著しく高
価)。最小厚さはピエゾ圧電検出器及び振動ダイヤフラ
ムの表面粗さは寸法分の和以下であってはいけない。
材料 プレッシャパッドとして使用される材料は、インジウ
ムと類似の機械的特性を有しなければならない(軟質金
属)。殊に、硬度(“可塑性”)、厚線及び引張強度
は、ほぼ等しくなければならない。インジウムにより、
ブリネル硬度は0.9〜1.2、引張強度は260〜750N/cm2
圧縮強度は220N/cm2である。光音響分光法構成ではプレ
ッシャパッドはほぼ2X20N、即ちほぼ50N/cm2の力の負荷
を受ける。
ピエゾ圧電検出器−ここではプレッシャパッドのほう
に向いた電気的コンタクト(アースコンタクト)は、対
向する側に導かれている(1つの側にて2つのろう付け
個所)−使用の場合、材料は必ずしも導電性でなくても
よい、それと異なって、本明細書に述べられたピエゾ圧
電体タイプでは良好なアースコンタクトのため導電性は
十分大でなければならない。
図2は、圧力波センサの組立済みの状態を示す。ここ
で、縮尺度は、振動ダイヤフラム11を一層良好に示すた
め拡大されている。右下にはセクションX、X′が示し
てあり、該セクションX、X′は図3及び図4では更に
拡大して示してある。
図3は、試料、サンプルキュベットのない圧力波セン
サの一部分を示す(部分詳細X)。ばね4の力により、
振動ダイヤフラム11はピエゾ圧電検出器7及びプレッシ
ャパッド8を介して外方へ押圧される。振動ダイヤフラ
ム11と高級、特殊鋼ケーシング10の端面との間に結合部
として軟質金属から成る層(ディスク)が示されてい
る。
図4は、圧力波センサ3の一部分を示す(個別部分
X)。ここでセンサは更なるばねを用いて試料、サンプ
ルキュベットの窓13に押圧されている。ダイヤフラム11
はもはや膨らみ、隆起のある状態でなく、ケーシング10
は機械的ピエゾ圧電検出器7から減結合されている。窓
13右方には試験されるべき試料、サンプル14が存在す
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 29/00 - 29/28 H04R 17/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ピエゾ圧電素子から成る圧力波センサであ
    って、前記ピエゾ圧電素子は、シリンダ状ケーシング内
    に保持されており、ばねを用いてケーシングの端面に押
    圧されるように構成されており、ここで、前記端面は、
    少なくとも2つの層からなるものである形式の圧力波セ
    ンサにおいて、 ケーシングの端面は2層から成り、一方の層は金属シー
    ト、フォイル(11)であり、他方の、該金属シート、フ
    ォイル(11)と圧電素子(7)の間に設けられた層は軟
    質金属から成るプレッシャパッド(8)であり、ここ
    で、前記プレッシャパッド(8)は、ばね(4)によ
    り、降伏限界を越えて負荷されるものであることを特徴
    とする圧力波センサ。
  2. 【請求項2】金属シート、フォイル(11)は、5〜300
    μmの厚さであることを特徴とする請求の範囲1記載の
    圧力波センサ。
  3. 【請求項3】軟質金属から成るプレッシャパッド(8)
    は10〜1000μm厚さであることを特徴とする請求の範囲
    1又は2記載の圧力波センサ。
  4. 【請求項4】金属シート、フォイルは、高級、特殊鋼か
    ら成るものであることを特徴とする請求の範囲1から3
    までのうちいずれか1項記載の圧力波センサ。
  5. 【請求項5】軟質金属は、インジウムであることを特徴
    とする請求の範囲1から4までのうちいずれか1項記載
    の圧力波センサ。
  6. 【請求項6】レーザ励起−光音響分光法のための検出器
    として使用されることを特徴とする請求の範囲1から5
    までのうちいずれか1項記載の圧力波センサの使用方
    法。
JP09525620A 1996-01-20 1996-12-06 圧力波センサ Expired - Fee Related JP3095785B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

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