JP3667426B2

JP3667426B2 - センサ

Info

Publication number: JP3667426B2
Application number: JP07828396A
Authority: JP
Inventors: 隆雄宮; 貴章中野
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2016-03-06
Also published as: JPH09243620A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非破壊領域における各種構造物や機器等の欠陥検出、物性測定等に広く利用できる高分子圧電材料を用いたセンサ、さらに詳しくは各種構造物や機器等の特に狭あいな隙間の欠陥検出、物性測定等に有利に利用できる高分子圧電材料を用いた薄型センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、各種構造物や機器等について、信頼性確保等の目的で各種の非破壊検査が行なわれている。しかし近年の構造物、機器等はその精密性・複雑性を増し、複雑な形状かつ狭合い部における検査も要求されるようになってきた。
【０００３】
従来、かかる検査のため、超音波を利用したセンサとして、セラミックスの振動子を用いたセンサが知られている。セラミックスは振動子として、縦方向、横方向、ズレ振動など種々なモードが合成され、ノイズの多いセンサとしてノイズ信号の除去は、全てセンサ裏側に吸音材を取付けることによりノイズを消している。
【０００４】
かかる従来のセラミックスの振動子では、基本的にλ／２振動モードしかできないので、例えば、１０ＭＨｚで構成するとセラミックス（ＰＺＴ）の音速は４６００ｍ／秒であるから、圧電体の厚みは、ｖ／２ｆ＝４６００×１０6 ／２×１０×１０6 ＝２３０（μｍ）となり、さらに裏面側に吸収体を置くことになると、２００μｍを越えることになり、完成品は約１ｍｍを超える厚さにもなってしまう。
【０００５】
このようにセラミックス振動子使用のセンサでは、小型化、薄型化は困難で上述の要望に応えることがむずかしい。また、センサの肉厚を薄くすると完全吸音は無理で多少の音が裏側に透過して出てゆくことになり、しかも吸収体を用いてもなお裏側に音が洩れるという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、このセラミックスに代わり、超音波振動子の材料として圧電効果を持たせた高分子圧電材料が注目をあびている。この高分子圧電材料を用いた振動子は、セラミックス振動子に比べて、薄膜化が可能で柔軟性に富むため、複雑な形状にも対応できることが特徴である。したがって、かかる高分子圧電体を用いたセンサでは薄型化は可能であるが、超音波が放射しないように吸収体を用いてもなお裏側に音が洩れるという課題が残り、超音波特性、超音波計測への適用、あるいはセンサとして最も電気エネルギー効率がよくノイズの少い良好なエコーを得て、高精度化するには、なお問題があった。
【０００７】
本発明者らは、これらの問題点に鑑み、特に高分子圧電体の特徴を生かす観点で鋭意検討した結果、上記の課題をみごとに解決することに成功した。すなわち、本発明は、薄くかつ裏側に洩れる音を完全に消し、高精度で、非破壊領域における構造物や機器等の狭あい部や複雑な隙間内の欠陥検出、材料評価、物性測定等に広く利用できる、実用性のあるセンサを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決しようとする手段】
本発明は、上記目的を達成せんとするものであって、本発明のセンサは、共振用反射板、高分子圧電体および電極からなるセンサ基材を、該共振用反射板との間にエコーを反射する気体層を設けて支持部材に取付けたことを特徴とするものであって、好適には、前記高分子圧電体がλ／２振動モード（広帯域：両端が振幅の腹になるような共振モード）および／またはλ／４振動モード（狭帯域：片端が振幅の節、他端が振幅の腹になるような共振モード）可能な高分子圧電体で構成されていることを特徴とするものである。本発明のセンサ基材では、電極側を保護部材で覆うことが好ましく、また、共振用反射板が相対する側の電極を兼ねるようにすることもできる。
【０００９】
本発明のセンサは、特に狭あい部や複雑な隙間の探傷等に適用できるものであり、隙間部に挿入される、センサ基材、気体層および支持部材の積層位置におけるセンサの厚さを、例えば１ｍｍより薄く、好適には０．１ｍｍ〜０．８ｍｍのように薄型とすることを可能としたものである。
【００１０】
また、本発明センサの高分子圧電体を構成する高分子材料としては、フッ素系高分子重合体が好ましく、特にポリフッ化ビニリデンまたはフッ化ビニリデンと３フッ化エチレンとの共重合体が好適である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して具体的に本発明の実施態様について説明する。
【００１２】
本発明センサの最も好ましい態様としての基本構造は、共振用反射板、高分子圧電体、電極および保護部材を順次積層したセンサ基材と、そのセンサ基材を支える支持部材とで構成されており、かつそのセンサ基材を構成する共振用反射板と支持部材との間にエコーを反射する音圧反射率の大きい密封された気体層を設けた構造である。
【００１３】
図１はその本発明の典型的な薄型センサの断面図であり、センサ基材１は、高分子圧電体２の一面に共振用反射板３が、他面には電極４が配されており、そして電極４の表面は保護部材５で覆われ構成されている。これらの共振用反射板３、高分子圧電体２、電極４および保護部材５は、図１に示されるように順次積層され、各層間は接着剤で接着される。本発明において、このセンサ基材１は支持部材６に固定され一体化されるが、その際、共振用反射板３から透過してくるエコーをさらに遮断するため、センサ基材１と支持部材６の間に密封部材７等により気体層８を設けて一体化される。
【００１４】
本発明の高分子圧電体を構成する圧電性高分子材料は、ＭＨｚ帯の周波数の送受信が可能なもので、本発明では特に圧電性高分子材料として、極性結晶構造をもつ高分子化合物が用いられる。圧電性高分子材料は、面積の大きい膜状物への加工も容易であり、柔軟性に富み複雑な形状に製膜可能であること、可撓性があること、耐衝撃性があること、高分子固有の特徴をもつことの他に音響インピーダンスが小さいこと、誘電率が小さいこと、などセラミックスなど圧電性無機材料にはない特徴をもっている。
【００１５】
本発明の実施において圧電性高分子材料としては、大きい双極子モーメントをもつＣＦ₂基やＣＮ基を有する化合物、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）と３フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）との共重合体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）と４フッ化エチレン（ＴｅＦＥ）との共重合体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｅＦＥ）およびシアノビニリデンと酢酸ビニルとの共重合体Ｐ（ＶＤＣＮ−ＶＡｃ）等が挙げられるが、フッ素系高分子化合物は強誘電体であり、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレンの共重合体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）が特に好ましい。
【００１６】
この共重合体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）におけるフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）成分の割合は、６５モル％〜９０モル％の範囲のものが好ましく、７０モル％〜８５モル％の範囲のものがより好ましい。ちなみに、２０℃における高分子圧電体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の密度ρは１．８８×１０³ｋｇ／ｍ³、また音速ｖは２，４００ｍ／ｓ、音響インピーダンスＺは４．５１×１０³ｋｇ／ｍ²ｓである。
【００１７】
本発明の高分子圧電体は、基本的にはこのような圧電性高分子材料で構成されるが、本発明の効果を妨げない範囲でさらに他の物質を配合したり、または貼着したりして複合化し構成した圧電体も含まれる。例えば、本発明の実施においては、本発明の効果を妨げない範囲でかかる誘電率の大きい圧電性高分子材料に、他の材料、例えば強誘電性セラミックス粉末等を混入配合して成形した複合圧電材料も用いることができる。配合割合はセラミックス粉末の場合、目的に合わせ９５重量％までの配合が可能である。
【００１８】
本発明で用いる高分子圧電体は、λ／２振動モードおよびλ／４振動モードが可能である。高分子重合体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）内における音速は２４００ｍ／秒なので、例えば５ＭＨｚでλ／４振動モードの場合、圧電素子の厚み（ｔ）はｔ＝ｖ／４ｆ（ｆは周波数）なので、これより、ｔ＝２４００×１０6 ／４×１０×１０6＝１２０（μｍ）である。
【００１９】
本発明のセンサにおいては、例えば周波数が５ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、１００ＭＨｚのような、ＭＨｚ帯域における周波数の超音波が使用されるが、このようなＭＨｚ帯域の周波数では、面内振動は束縛され厚み振動だけが生じる。本発明の高分子圧電体については、使用する超音波の周波数にもよるが、その膜厚は通常６〜１２０μｍ、好ましくは４〜９０μｍである。
【００２０】
本発明の共振用反射板３は、基本的には高分子圧電体２と音響インピーダンスの極めて異なる物質を用いることが好ましく、また、電極も兼ねることで主に金属が使用される。
【００２１】
高分子圧電材料の音響インピーダンスＺは、４〜５（×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓ）と小さい。例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の２０℃における音響インピーダンスＺは４．５１×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓであり、本発明では、音響インピーダンスＺがそれより大きい金属、例えば、銅（音響インピーダンスＺ＝４５．８〜４６．４×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓ）、真鍮（Ｚ＝３１×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓ）、リンセイ銅（Ｚ＝３７．６〜３８．４×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓ）等が挙げられるが、本発明ではこれらに限定されない。本発明では音響インピーダンスＺが高分子圧電体のそれより、１０×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓ以上大きい材料から選択される。また、薄型センサ用途として特に精密さが要求される場合は、機械加工性の優れたものが好ましく使用される。
【００２２】
本発明の共振用反射板３はまた、音響的には反射板として電気エネルギー効率が最もよくノイズの少い良好なエコー波形を得るため、厚み振動で決定される周波数ｆのλ／４の厚みに決定される。本発明の実施において共振用反射板は、好ましくは１２〜２４０μｍである。
【００２３】
本発明では、この共振用反射板３に上記のような金属ではなく、高分子圧電体の音響インピーダンスと等しい特性を持つプラスチックなど、高分子圧電体とほぼ同等と考えられる材料を用いることも可能であるが、この場合には、高分子圧電体の前面に薄い電極層を形成し、高分子圧電体の裏側に共振用反射板３を設けることができる。このときの共振用反射板３はλ／２の厚みに決定する。
【００２４】
また、本発明の電極４は、高分子圧電体２に電気エネルギーを送り込み応力歪みを与えると同時に、電気エネルギーが遮断されそして応力歪みを受け電気エネルギーを発生したりするとき、電気エネルギーの送受信を行なう端子口となる。このように高分子圧電体を駆動する電極は金、銅、アルミニウム等の各種金属を用いて金属蒸着やスパッタリング等の手段で形成することができる。電極の厚さは、せいぜい１００オングストローム〜１μｍ程度である本発明の電極４は、好適にはその表面が保護部材５で覆われる。保護部材は、電極４を水またはその他の媒体から守る保護層の役目と、かかる接触媒体と高分子圧電体の間の音響結合をスムーズに行なうマッチング層の役目をもつ。
【００２５】
保護部材は、好ましくはポリエチレン、ポリイミド、エポキシ樹脂等のプラスチックで構成され、その厚さはオングストロームレベル〜約５０μｍ、より好ましくはオングストロームレベル〜３０μｍである。
【００２６】
次に、本発明の気体層８は、共振用反射板３からなお透過してくるエコーに対して、これをさらに完全に遮断する完全反射体として機能することが期待されるため、音圧反射率の大きい気体が使用される。具体的には空気、窒素、アルゴン等があるが、１００％の空気が最も好ましい。
【００２７】
気体層はこのように、後方への音の透過を完全に遮断する目的をもつが、気体を閉じ込め密封するには、例えば高分子圧電体と同じ大きさの穴を開けた板状物を密封部材として、センサ基材と支持部材とで挟むことにより実施することができる。
【００２８】
本発明では高分子圧電体を用い、このような積層構造としたことによって、例えば、本発明の薄型センサを用いて水中にある構造物の狭あいな隙間で検査を行なう場合、裏面からのバックエコーを完全になくすことができるので、確実で精度の高い検査の実施が可能となる。
【００２９】
本発明のセンサでは、このようにセンサ基材が空気層を介して支持部材６で支えられるが、この支持部材はセンサの支持体としての機能の他に、センサを狭あいな隙間に導くガイドの働きも兼ねている。支持部材はかかる機能のため、強度が大きく柔軟性があるもので、好適にはリンセイ銅や、炭素繊維強化プラスチックまたはガラス繊維強化プラスチックのような複合材料でできており、厚さは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度とすることができる。
【００３０】
本発明のセンサは、このように高分子圧電体を用い上記のような積層構造にすることによっても、なお、センサ機能部分の厚さを１ｍｍより薄くすることが可能である。
【００３１】
本発明で用いる典型的な高分子圧電体の厚さ（ｔ）は、前述のように、例えば５ＭＨｚでλ／４振動モードの場合で１２０μｍである。したがって、これに共振用反射板、電極、保護部材、気体層および支持部材を積層した状態におけるセンサ全体の厚さは、０．８ｍｍ以下にすることができ、本発明で薄型センサとした場合は、厚さを好適には０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ、実用面からは例えば０．３ｍｍ〜０．５ｍｍとすることができる。
【００３２】
図２は、本発明の典型的な薄型センサ装置の実施態様を説明するための概略断面図である。ここでは支持部材６の一端にはこれまで説明したように、センサ基材１が密封部材７により、空気層８を持って接着固定されている。
【００３３】
一方、支持部材６の他端には、マッチング台９が接合される。マッチング台９は、例えばポリイミド等のフィルム状物に銅等の金属を貼着したものであり、厚さは数１０μｍである。また、高分子圧電体から最大のエネルギーを取出すにあたり高分子圧電体との整合をとるため、そのマッチング台９を介して、整合用コイル１０と共振用コイル１１とが支持部材６の他端に取付けられる。さらに支持部材６他端にはコネクタ１２が固定され、コネクタ１２から、整合用コイル１０と共振用コイル１１およびセンサ部材（高分子圧電体２を挟持している電源）の回路を接続する。
【００３４】
【実施例】
（実施例１）
ポリイミド樹脂保護部材５、銅蒸着電極４、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）膜高分子圧電体２、銅製の共振用反射板（電極を兼ねる）３、空気層８およびリンセイ銅板支持部材６を順次積層した、図３に示したモデル図構造の全体の厚さが０．４５μｍのセンサを作成した。このセンサについて、保護部材側の振動子面の信号と、空気層−支持部材側の振動子裏面へ透過するノイズ信号（エコーの洩れ）を、次のようにして測定した。
【００３５】
水槽底面に設置したハイドロホン（５ＭＨｚ，共振あり、受光面形状：φ１９平面）の上方１０ｍｍの位置に上記センサを配置し、振動子面ａと振動子裏面ｂから発生する音響エネルギーをハイドロホンで受け、出力としてシンクロスコープで取出し表示した。その結果、図４に示すように振動子面ａの出力は５００ｍＶ、また図５に示すように振動子裏面ｂの出力は３ｍＶであった。このように、共振用反射板下に空気層が挿入された構造では、信号とノイズの比が約１／１６６であった。
【００３６】
（参考例１）
実施例１の空気層８の代わりに、エポキシ樹脂内に金属粉を配したダンパー１３を配した他は、実施例１と同様に図６に示したモデル図構造のセンサ（参考センサ）を作成した。この参考センサについて、実施例１と同様にハイドロホン出力を測定したところ、図７のように振振動子面ａの方の出力は実施例１と同じ５００ｍＶであったが、ダンパー１３を配した振動子裏面ｂ側のハイドロホン出力は図８のように２５ｍＶであった。このように空気層８ではなくダンパー１３を配した場合は、信号とノイズの比が約１／２０でバックエコーが認められた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電体として高分子圧電体を用いると共に、共振用反射板と空気層を設けることにより、高分子圧電体後方への音の透過を実質的に全て遮断でき、しかも例えば厚さが０．５ｍｍ程度の非常に薄いセンサとすることができる。したがって、本発明の薄型センサによれば、非破壊領域における構造物や機器等の狭あいな隙間、複雑な隙間の欠陥検出、材料評価、物性測定等が容易で、かつ的確で精度の高い結果を得ることができる。
【００３８】
本発明のセンサは、各種プラント、大型輸送機器、建築物等の各種構造物の非破壊計測に使用される他、例えば１ｍｍの隙間があれば本発明のセンサを用いて隙間内部の金属等の疲労クラック、腐食状態等の欠陥が定量的に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の薄型センサの典型的な一実施態様の構成を説明するための断面図である。
【図２】図２は、本発明の薄型センサ装置を示す概略断面図である。
【図３】図３は、本発明の薄型センサのモデル構造を説明するための断面図である。
【図４】図４は、シンクロスコープで取出した本発明振動子面側のエコーの波形図である。
【図５】図５は、シンクロスコープで取出した本発明振動子裏面側のエコーの波形図である。
【図６】図６は、参考例のセンサのモデル構造を説明するための断面図である。
【図７】図７は、シンクロスコープで取出した参考例センサの振動子面側のエコーの波形図である。
【図８】図８は、シンクロスコープで取出した参考例センサの振動子裏面側のエコーの波形図である。
【符号の説明】
１・・・センサ基材
２・・・高分子圧電体
３・・・共振用反射板
４・・・電極
５・・・保護部材
６・・・支持部材
７・・・密封部材
８・・・気体層
９・・・マッチング台
１０・・整合用コイル
１１・・共振用コイル
１２・・コネクタ
１３・・ダンパー

Claims

共振用反射板、高分子圧電体および電極からなるセンサ基材を、該共振用反射板との間にエコーを反射する気体層を設けて支持部材に取付けたことを特徴とするセンサ。
前記高分子圧電体がλ／２振動モードおよび／またはλ／４振動モード可能な高分子圧電体で構成されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
前記センサ基材、該気体層および該支持部材の積層位置におけるセンサの厚さが０．１ｍｍ〜０．８ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載のセンサ。
前記高分子圧電体が、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレンとの共重合体、フッ化ビニリデンと４フッ化エチレンとの共重合体、およびシアノビニリデンと酢酸ビニルとの共重合体から選ばれた一つであることを特徴とする請求項１、２または３記載のセンサ。
前記高分子圧電体がフッ素系高分子重合体からなることを特徴とする請求項１、２または３記載のセンサ。
前記フッ素系高分子重合体がフッ化ビニリデンと３フッ化エチレンとの共重合体であることを特徴とする請求項５記載のセンサ。
共振用反射板、高分子圧電体、電極および保護部材を順次積層した構造のセンサ基材を構成し、該センサ基材を該共振用反射板との間にエコーを反射する密封された気体層を設けて支持部材に取付けたセンサであって、該高分子圧電体がλ／２振動およびλ／４振動モード可能なフッ素系高分子重合体からなる高分子圧電体で構成されていることを特徴とするセンサ。