JP4240426B2

JP4240426B2 - 高周波域のアコースティックエミションの検出方法および検出素子

Info

Publication number: JP4240426B2
Application number: JP08757099A
Authority: JP
Inventors: 隆雄宮; 一弘高橋
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000287298A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波域のアコースティックエミションの検出方法および検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アコースティックエミション（ＡＥ）は、固体の変形（破壊を含む）に伴って解放されるエネルギーが音響パルスとなって伝搬する現象として知られている。この音響パルスは、１０ＭＨｚ以上の高周波数を有する場合もある。
【０００３】
例えば、「センサ技術」１９８７年１０月号（Ｖｏｌ．７．Ｎｏ．１１）「圧電型ＡＥセンサの原理と超小型センサの適用例」、あるいは、「計測技術」’９６増刊号１０７−１１１頁第３章「設備診断技術と適用事例」の「ＡＥによる最近の設備診断例」には、この現象を検知することにより対象の固体の状況を把握する手法が開発され、一部は実用化され、その効果も、品質管理に貢献しているとされ、評価されていることが記載されている。
【０００４】
一方、用途が広がるにつれて、検出すべきアコースティックエミションによっては、広帯域および／または２０ＭＨｚ以上の高周波のセンサが必要となり、このようなアコースティックエミションの検出手法の開発が要望され始めた。
【０００５】
他方、従来の開発され、あるいは、実用化されている圧電型ＡＥセンサは、その検出素子がセラミックス（アルミナ、ＰＺＴなど）圧電体からなるものであり、その検出可能な周波数の上限が１ＭＨｚ乃至２ＭＨｚであり、それがため、前記要望を満足するには不十分であった。
【０００６】
また、用途が広がるにつれて、アコースティックエミションを検出する被検出体の表面形状が、平坦面ではなく、二種以上の平面の組合せあるいは曲面である場合も増えてきており、非平坦面を有する、例えば、円柱状あるいは円錐状の棒状体、あるいは、椀状凸面あるいは凹面を有する、被検出体に容易に対応できるセンサが必要となり、このようなアコースティックエミションの検出素子の開発が要望され始めた。
【０００７】
上述の通り、従来の圧電型ＡＥセンサは、その検出素子がセラミックス（アルミナ、ＰＺＴなど）圧電体からなるものであるため、センサのアコースティックエミションの感知面を被検出体の曲面に適合させることが困難であり、それがため、前記要望を満足するには不十分であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記従来の問題点を解消し、上記要望を満足させる高周波域のアコースティックエミションの検出方法および検出素子を提供することにある
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る高周波域のアコースティックエミションの検出方法の構成は、次の通りである。
【００１０】
高分子圧電膜と、該高分子圧電膜の両面に設けられた電極、これら電極のそれぞれに結合されたリード線と、前記２つの電極のそれぞれの外面を覆って設けられた保護膜とからなる検出素子を用いての高周波域のアコースティックエミションの検出方法において、
前記積層された高分子膜を覆った保護膜の一方を高周波域のアコースティックエミションの被検出体に対向せしめて、前記高分子圧電膜からなる前記検出素子にて検出する、高周波域のアコースティックエミションの検出方法。
【００１１】
この本発明によれば、広帯域のアコースティックエミションの検出が可能となり、また、従来の技術に比べより高周波域のアコースティックエミションの検出が可能となる。
【００１２】
被検出体の表面の形状が平坦面でない場合は、この本発明において、検出素子を全体として可撓性を有する構造とし、この可撓性を利用して、検出素子を被検出体の表面形状に沿わせて用いるのが、アコースティックエミションの検出精度を高める上で、好ましい。
【００１３】
また、この発明において、高分子圧電膜は、フッ化ビニリデン６５乃至９５モル％と三フッ化エチレン３５乃至５モル％との共重合体からなる圧電膜であることが、高周波域のアコースティックエミションの検出精度を高める上で、好ましい
【００１４】
上記目的を達成するための本発明に係る高周波域のアコースティックエミションの検出素子の構成は、次の通りである。
【００１５】
前記積層された高分子圧電膜と、該高分子圧電膜の両面に設けられた薄層電極と、これら電極の一端にそれぞれに結合されたリード線と、前記２つの電極のそれぞれの外面を覆って設けられた薄層保護膜と、これら保護膜の一方の外面を覆って設けられた導電性材料からなる可撓性を有する薄層シールド部材とからなり、前記保護膜の他方をアコースティックエミションの受信面とする可撓性を有する高周波域のアコースティックエミションの検出素子。
【００１６】
この本発明によれば、広帯域のアコースティックエミションの検出が可能となり、また、従来の技術に比べより高周波域のアコースティックエミションの検出が可能となり、更に、被検出体の表面が平坦面でない場合においても、高周波域のアコースティックエミションの精度良い検出が可能となる。
【００１７】
また、この発明において、積層された高分子圧電膜は、フッ化ビニリデン６５乃至９５モル％と三フッ化エチレン３５乃至５モル％との共重合体からなる圧電膜であることが、高周波域のアコースティックエミションの検出精度を高める上で、好ましい。
【００１８】
なお、この共重合体からなる圧電体自体は、特公昭６３−１８８６９号公報に開示されている。また、この共重合体の単結晶膜からなる圧電体自体は、特開平８−３６９１７号公報に開示されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図面を参照しながら、本発明に係る高周波域のアコースティックエミションの検出方法および検出素子の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明を実施するために用いられるセンサの一例の縦断面図であり、図２は、図１に示されたセンサの下面図である。
【００２１】
図１および２において、センサ１は、上面が閉塞され下面に開口を有する円筒状のシールドケース２、円筒状のシールドリング３、上下両面に金箔からなる電極４、５がそれぞれ貼着された実質的に円形の高分子圧電膜６、電極４、５の外面にそれぞれ貼着された保護膜７、８、第１のリード線９、第２のリード線１０、送信ケーブル１１とで形成されている。
【００２２】
高分子圧電膜６は、上下２枚の保護膜７、８で封止され、保護膜７、８は、その外方において接合され、その接合の外周端部は、シールドリング３の下端面に貼着されている。このようにして、シールドケース２の下面の開口は、高分子圧電膜６により塞がれている。
【００２３】
シールドケース２およびシールドリング３の一部には、ケース２の外周面とリング３の内周面間において、送信ケーブル１１が連絡する連絡部（ケーブル挿入孔あるいはコネクタ装着孔）１２が設けられている。
【００２４】
また、シールドケース２およびシールドリング３の一部には、ケース２の外周面とリング３の内周面間を貫通する空気流通孔１３が設けられている。
【００２５】
更に、シールドケース２の一部には、腔１４が穿設され、この腔１４の下方は、シールドケース２の下面にて、外方に解放されており、その上方は、空気流通孔１３に解放されている。腔１４は、シールドケース２の内壁とシールドリング３の外壁とに囲まれた横断面が半円形の空間である。
【００２６】
第１のリード線９は、その一端が電極５に接合され、保護膜７、８の接合部を通り、その端部からシールドケース２の腔１４中に延び、更に空気流通孔１３からシールドケース２の内腔１５に入り、その他端にて、シールドケース２の内面に接合されている。
【００２７】
第２のリード線１０は、その一端が電極４に接合され、第１のリード線９と同様にして、シールドケース２の内腔１５に入り、その他端にて、シールドケース２の連絡部１２に至り、直接あるいはコネクタを介して、同軸ケーブルからなる送信ケーブル１１のシグナル線に連結されている。また、シールドケース２と送信ケーブル１１のグランド線とは、連結線１６にて連結されている。
【００２８】
この送信ケーブル１１は、公知のＡＥシグナルプロセッサ（図示せず）に結合され、これにより、センサ１が感知するアコースティックエミションに応じて得られる電気信号が処理され、アコースティックエミションが検出される。
【００２９】
図１に示した態様は、高分子圧電膜６は、これをλ／２モードで駆動するものである。図示はしないが、高分子圧電膜６の背面に適切な吸収材あるいは反射板を位置せしめることにより、高分子圧電膜６をλ／４モードで駆動することも可能である。
【００３０】
図３は、本発明を実施するために用いられるセンサの一例の縦断面図であり、図４は、図３に示されたセンサの上面図である。
【００３１】
図３および４において、センサ２１は、実質的に円形の高分子圧電膜２２の下面に、金箔からなる下方薄層電極２３が貼着され、該電極２３の下面に、下方薄層保護膜２４が貼着され、前記高分子圧電膜２２の上面に、金箔からなる上方薄層電極２５が貼着され、該電極２５の上面に、上方薄層保護膜２６が貼着され、更に、該上方薄層保護膜２６の上面を覆って導電性材料からなる可撓性を有する薄層シールド部材２７が設けられ、前記下方電極２３の一端に第１のリード線２８が結合され、前記上方電極２５の一端に第２のリード線２９が結合されることにより、形成されている。
【００３２】
これら第１のリード線２８と第２のリード線２９とは、公知のＡＥシグナルプロセッサ（図示せず）に結合され、これにより、センサ２１が感知するアコースティックエミションに応じて得られる電気信号が処理され、アコースティックエミションが検出される。
【００３３】
この構造のセンサ２１においては、高分子圧電膜２２、下方および上方電極２３、２５、ならびに、下方および上方保護膜２４、２６の合計の厚みを、０．５ｍｍ以下に設計することが可能である。
【００３４】
導電性材料からなる可撓性を有する薄層シールド部材２７としては、金属の細線、例えば、線径が約０．０５ｍｍ乃至０．５ｍｍのスズメッキされた銅の細線、にて形成された編物、織物、あるいは、不織布からなるしなやかなメッシュタイプのシートが好ましく用いられる。
【００３５】
この構造によれば、センサ２１は、全体として可撓性を有するため、被検出体の表面が平坦面でない場合であっても、この可撓性を利用して、センサ２１を被検出体の当該表面に沿わせて位置せしめることが可能となる。
【００３６】
従来のセラミックス圧電体を用いたアコースティックエミションの検出においては、事前にセラミックス圧電体を被検出体の表面形状に合わせて成形した場合は別にして、このようなことは困難であった。
【００３７】
【実施例】
次に、本発明に係るアコースティックエミションの検出方法の実施例および比較実施例示す。
【００３８】
［実施例］
図１に示されたセンサ１と同様の構造からなり、次の要件に基づくセンサ１が作成された。
【００３９】
シールドケース２：
真鍮製であり、外径が２２ｍｍ、下面から上面までの高さが１０ｍｍ、内径が１６ｍｍ、内腔１５の高さが８ｍｍとされ、連結部１２、空気流通孔１３および腔１４が設けられている。
【００４０】
シールドリング３：
真鍮製であり、外径が１６ｍｍ、内径が１５ｍｍ、高さが８ｍｍとされ、連結部１２および空気流通孔１３が設けられている。
【００４１】
高分子圧電膜６：
ポリフッ化ビニリデン８０モル％と三フッ化エチレン２０モル％とからなる共重合体で形成された厚さ６０μｍの高分子圧電膜が、接着剤（エポキシ樹脂）を介して８枚積層され、その上面および下面に、それぞれ厚さ１０００オングストロームの金からなる電極４、５が貼着されてなる。この高分子圧電膜６の直径は、１２．４ｍｍとされた。なお、高分子圧電膜の積層枚数を減らすことにより、２０ＭＨｚ以上の高周波が検出可能なＡＥセンサを作成することができる。
【００４２】
保護膜７、８：
厚さ１２．５０μｍのポリイミドフィルムからなる。この保護膜７、８は、電極４、５のそれぞれの外面に貼着された。これら保護膜７、８の外径は、シールドリング３の外径１６ｍｍと実質的に同じとされた。この保護膜７、８が接合され一体化された外周部は、シールドリング３の下端面に、接着剤（エポキシ樹脂）を介して接合された。
【００４３】
送信ケーブル１１：
長さ１ｍの直径２．２ｍｍ、５０Ω系の同軸ケーブルが用いられ、一端は、第１のリード線９および第２のリード線１０に電気的に接続され、他端には、コネクタ（図示せず）が取り付けられた。
【００４４】
振動数応答分析器（Frequency Response Analyzer）（５０９０ＦＲＡ）が用いられ、分析器の基準器の上に、センサ１が、センサ１の高分子圧電膜６側が基準器の上面に接する形で載置され、基準器が駆動され、このセンサ１が出力する信号が収録された。
【００４５】
この収録された結果が、図５のチャートに示される。
【００４６】
ここで、従来のセラミックス圧電体を用いたＡＥセンサの場合、センサを基準器の上面に載置し、マグネットあるいは強力な接着剤を使用して強固に取り付けないと正確な振動伝達がなされない欠点を有していた。しかるに、本発明に係る高分子圧電体を用いたＡＥセンサの場合、センサを基準器の上面に載置し、単に粘着性のテープ（ガムテープ）で保持するのみで、適切に駆動するＡＥセンサとして用いることができ、これは、従来のセラミックス圧電体を用いたＡＥセンサには見られない利点である。また、本発明に係る高分子圧電体を用いたＡＥセンサの場合、それ自体が、従来のセラミックス圧電体に比べ遥かにフレキシブルであるため、音響伝達面との間に、高分子からなるゲル状の音響カプラントを介在させることにより、音響伝達面への接触圧を小さくすることが可能である。
【００４７】
［比較例］
広帯域型として一般に市販されている圧電体がセラミックスからなるＡＥセンサ（ＡＥ−９００Ｆ２）が用いられ、実施例の場合と同様にして、このセンサが出力する信号が収録された。
【００４８】
この収録された結果が、図６のチャートに示される。
【００４９】
これら図５と図６のチャートにおけるそれぞれの波形の比較から、本発明に係るアコースティックエミションの検出方法によれば、従来技術では達成できなかった極めて広帯域で波形が平坦なアコースティックエミションを検出することが可能であることが分かる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来技術では達成できなかった極めて広帯域で波形が平坦なアコースティックエミションを検出することが可能となる。また、高分子圧電膜の厚みを、膜の積層枚数を選択することにより、調整し、２０ＭＨｚ以上の高周波域のアコースティックエミションを検出することが可能となる。また、検出素子は、全体として可撓性を有するため、被検出体の表面が平坦面でない場合でも、当該表面に沿って検出素子を載置できるため、高周波域のアコースティックエミションの検出精度が保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアコースティックエミションの検出方法に好ましく用いられる高分子圧電体からなるセンサの一例の縦断面図。
【図２】図１に示されたセンサの下面図。
【図３】本発明に係る可撓性を有するアコースティックエミションの検出素子の一例の縦断面図。
【図４】図３に示されたセンサの上面図。
【図５】実施例におけるセンサの特性を示すチャート。
【図６】比較例におけるセンサの特性を示すチャート。

Claims

高分子圧電膜と、該高分子圧電膜の両面に設けられた電極、これら電極のそれぞれに結合されたリード線と、前記２つの電極のそれぞれの外面を覆って設けられた保護膜とからなる検出素子を用いての高周波域のアコースティックエミションの検出方法において、
積層された高分子膜を覆った前記保護膜の一方を高周波域のアコースティックエミションの被検出体に対向せしめて、前記高分子圧電膜からなる前記検出素子にて検出する、高周波域のアコースティックエミションの検出方法。
前記検出素子が全体として可撓性を有し、該可撓性を利用して該検出素子を前記被検出体の表面形状に沿わせて用いてなる請求項１に記載の高周波域のアコースティックエミションの検出方法。
前記積層された高分子圧電膜が、フッ化ビニリデン６５乃至９５モル％と三フッ化エチレン３５乃至５モル％との共重合体からなる圧電膜である請求項１あるいは請求項２に記載の高周波域のアコースティックエミションの検出方法。
前記積層された高分子圧電膜と、該高分子圧電膜の両面に設けられた薄層電極と、これら電極の一端にそれぞれに結合されたリード線と、前記２つの電極のそれぞれの外面を覆って設けられた薄層保護膜と、これら保護膜の一方の外面を覆って設けられた導電性材料からなる可撓性を有する薄層シールド部材とからなり、前記保護膜の他方をアコースティックエミションの受信面とする可撓性を有する高周波域のアコースティックエミションの検出素子。
前記積層された高分子圧電膜が、フッ化ビニリデン６５乃至９５モル％と三フッ化エチレン３５乃至５モル％との共重合体からなる圧電膜である請求項４に記載の高周波域のアコースティックエミションの検出素子。