JP4630988B2 - 圧電ファイバおよびそれを用いた非破壊検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電ファイバおよびそれを用いた非破壊検査方法に関する。

非破壊検査については、超音波探傷技術が従来より用いられている。
この超音波探傷技術は、圧電素子を構造体の表面に貼り付けたり、内部に埋め込んで設置し、圧電素子から構造体に超音波振動を与えて、その反射波を観測するというものである。すなわち、内部に傷がある場合と無い場合とでは、反射して戻ってくる反射波の時間が違ってくるので、これによって内部のひび割れや、鋳物の巣、溶接の良否などを判定することができる（非特許文献１）。

しかるに、上記のように、圧電素子を構造体の内部に埋め込むと、構造体自体の強度が低下するという問題がある。
また、振動は発信デバイスから発信し、受信デバイスで検出するので探傷できる部分は線状にしかならない。よって、一定の面積を診断するには、発振器と受振器を走査しなければならず、診断に大変な時間がかかり、効率が悪いものであった。

一方、圧電素子については、従来から水晶共振子などが用いられていたが、近年では、強誘電体セラミックスであるチタン酸ジルコン酸鉛系の振動子が用いられるようになっている。このチタン酸ジルコン酸鉛系振動子は、変換効率が高く、送波と受波を兼用できるという利点がある（非特許文献２）。

ちなみに、チタン酸ジルコン酸鉛系振動子を使った撓みアクチュエータとしては、つぎの従来技術がある（特許文献１）。
振動子は、白金やステンレス鋼などの金属コアを芯線として、その周囲にチタン酸ジルコン酸鉛結晶を被覆しており、この振動子を炭素繊維強化プラスチックの積層物に多層に埋め込んだ構造としている。そして、幾つかの金属コアのみを長手方向に伸縮させて、曲げを発生させ、この曲げ変形力をアクチュエータとして利用しようとしたものである。
しかしながら、この従来技術では、実際には曲げ変形はほとんど発生せず、仮に曲げ変形が発生しても、その変形の伝播は限られたものになるので、実用性のある技術ではなかった。

図解電気の大百科 474〜475頁 平成９年１２月２０日第１版第２刷発行(株)オーム社 日本の最新技術シリーズ（１２） センサ百科 160〜162頁 日刊工業新聞社 １９８３年７月２５日発行 特開２００３‐３２８２６６号

本発明は上記事情に鑑み、構造体の強度を低下させることがなく、かつ、非破壊検査を効率よく行える圧電ファイバおよびそれを用いた診断方法を提供することを目的とする。

第１発明の圧電ファイバは、導電性を有する線状の金属コアを芯材とし、その周囲にセラミックス圧電材料の外層材を被覆して棒状に構成しており、前記金属コアが２本並列に、前記外層材の中に入れられていることを特徴とする。
第２発明の非破壊検査方法は、請求項１の圧電ファイバを、構造体に取付け、該圧電ファイバに通電して超音波振動を面状で発生させることを特徴とする。
第３発明の非破壊検査方法は、請求項１の圧電ファイバを、構造体の被検査面を挟む超音波振動の発振位置と受振位置に取り付けて、発振位置の圧電ファイバに通電して超音波振動を面状で発生させ、受振位置の圧電ファイバで超音波振動を受振することを特徴とする。

第１発明によれば、つぎの効果を奏する。
ａ）棒状の圧電ファイバの全長から半径方向へ超音波振動を発振させ、また受振させることができるため、一定の面積を有する領域を一度に探傷することができる。
ｂ）金属コアは強度部材として機能するので、検査対象である構造体に埋め込んだとしても構造体の強度を低下させることがない。よって、常時設置型の検査も行える。
ｃ）金属コアは導電性を有しているので、この金属コアを介して通電すれば、セラミックス圧電材料を振動させ探傷に利用させることができる。また、構造的には一本の金属コアを芯材とする単純なものであるから、製造が容易である。
ｄ）金属コアが２本とも外層材の中に配置されているので、セラミックス圧電材料を、２本の金属コア間で往復する方向にのみ振動させることができる。このようにして振動に指向性が与えられると、振動をより遠くまで伝播させることができ、より広い面積での探傷が可能となる。
第２発明によれば、圧電ファイバは棒状であって長いので、面状に超音波振動を発生させることができる。このため、広い面積の探傷を一度に行え、検査効率が高くなる。
第３発明によれば、超音波振動の発振側も受振側も棒状に長い圧電ファイバを用いるので、四角形の領域内を一度に探傷することができる。よって、検査効率が一層高くなる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
まず、本発明の非破壊検査に用いる圧電ファイバを説明する。
図３は圧電ファイバの例を示す説明図である。図４は本発明における圧電ファイバの一例を示す説明図である。

図３の（Ａ）図に示す圧電ファイバＡは、金属コア１を芯材とし、その周囲にセラミックス圧電材料２（以下、圧電セラミックス２という）を被覆して外層材としたものである。
金属コア１としては、白金やパラジウム、銀パラジウム合金などの導電性があり、外装の圧電性セラミックス材２の焼結温度に耐え、柔軟性あるいは非脆性を有する線状の金属が用いられる。直径は外装材の厚みを考慮し、必要な分極電圧、性能により、0.05〜0.8ｍｍ程度の幅で設計を行う必要がある。
圧電セラミックス２はＰＺＴ材料、チタン酸ジルコン酸鉛系材料や、ＢＮＴ材料チタン酸ニオブ酸ビスマス系材料が用いられる。被覆の方法は任意であり、公知の形成方法のいずれを用いてもよい。
外層材の外径は、0.1〜１ｍｍ位が好ましく、例えば、0.1〜0.2ｍｍの物がＣＦＲＰなどの複合材料の中に埋め込む場合、市販されているＣＦＲＰプリプレグ１枚、もしくは２枚の中に埋め込むことができるため、容易に埋め込むことができ、埋め込みの影響を軽減することができる。また直径は小さいほど構造材に埋め込んだとき、構造材の強度が低下しなくてよい、また、長さも任意である。

図３の（Ｂ）図に示すように、１本の金属コア１が圧電セラミックス層２の中心にある場合、圧電セラミックス層２の外周に導電性の被膜を形成し外部電極３とすることがある。
この場合、金属コア１と外部電極３間に一定周波数の電圧を印加すると、圧電セラミックス層２が同じ周波数で振動し、その振動が放射状に外界に向けて振動が伝播される。このような外部電極３を用いた電圧ファイバＡは、非導電性の構造体に埋め込んだり、導電性の構造体であっても、その表面に接着して使用する場合に適している。また外部電極３をグランドに落とせば、内部の信号ライン１は外部からの電磁的なノイズを遮断し、高感度なセンサにすることができる。
ただし、構造体が導電性であり、その構造体に埋め込んで使用する場合は、金属コア１と周囲の構造体との間で電圧を印加すると圧電セラミックス層２に振動が発生するので、この場合は、外部電極３を用いなくてもよい。

図４の（Ａ）図は本発明の一実施形態の圧電ファイバＢを示している。
芯線である金属コア１，１は２本用いられており、圧電セラミックス層２の中で平行に配置されている。金属コア１や圧電セラミックス層２の材質は、図３の圧電ファイバＡと同様である。
この実施形態では、２本の金属コア１，１間に電圧を印加すると、その間の圧電セラミックス層２が印加電圧と同じ周波数で振動を発生する。また、このため、外部電極３は必ずしも必要がない。
本実施形態では、２本の金属コア１，１間の部分の圧電セラミックス層２に振動が発生するので、振動が２本の金属コア１，１の並ぶ面に沿って発振する指向性を有する点に特徴がある。

つぎに、本発明の非破壊検査方法を説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る非破壊検査方法を示している。
（Ａ）図に示すように、構造体Ｓの表面に２本の圧電ファイバＡ，Ａを平行に並べて接着剤で固定する。一方の圧電ファイバＡを発振側とし、他方の圧電ファイバＡ´を受振側として用いる。発振側の圧電ファイバＡに通電して超音波振動を発生させると、圧電ファイバＡは長いので、振動は面状に伝播していって、受振側の圧電ファイバＡ´がその振動を受振し、振動に応じた電圧を発生する。

振動の伝わり方は構造材Ｓに傷等が有るか無いかによって変る。すなわち、振動発振位置と受振位置との間に、亀裂や破断等があると、振動発振位置から伝わってきた超音波が亀裂部分で回り込んだりするため、受振信号に変化が生じる。この生じた変化により、内部亀裂の位置や大きさを検出することが可能となる。したがって、受振側の圧電ファイバＡ´の起電力波形を観察することで、傷の有無、大きさ等を判定できる。また、定期的に行うと、内部の亀裂の進行や、疲労破壊の状態をモニタリングを行える。
そして、本実施形態のように、超音波振動を面状で発生させると、一度に一定の面積を有する四角形の領域内の診断ができるので、診断能率が高くなる。
なお、発振側または受振側にのみ本実施形態の長い圧電ファイバＡを用い、他方に点状に設置する従来の圧電素子を用いてもよい。この場合でも、探傷面積は三角形になるので、従来の線状の探傷面積よりは効率のよい診断が行える。

図１の（Ｂ）図は金属コア１を２本用いた圧電ファイバＢを２本用いて構造材Ｓの表面に距離を離して貼付したものである。
この場合も、（Ａ）図の方法と同様に、一定の四角形の面積を診断することができる。また、発振側または受振側にのみ圧電ファイバＢを用い、他方に点状の圧電素子を用いて、三角形状の面積を探傷することもできる。
本実施形態の圧電ファイバＢでは、発生する振動に指向性があるので、より長い距離を伝播させることができる。このため、より広い面積での診断が可能である。また、２本の圧電ファイバＢ，Ｂ´を所望の場所に設置すれば、ある特定の場所のみを指向した超音波振動を発振し、振動状態のモニタリングを行うことが可能となる。

図２は本発明の他の実施形態に係る非破壊検査方法を示している。
（Ａ）図は、構造材Ｓの内部に２本の孔を距離をあけて穿孔し、それぞれの中に１本ずつ圧電ファイバＡ，Ａ´を埋め込んだものである。一対の圧電ファイバＡ．Ａ´は互いに離間し、かつ平行である。
（Ｂ）図は２本の金属コア１，１を用いる圧電ファイバＢを２本離間して埋め込んだものである。

上記２つの診断方法では、常時圧電ファイバＡ、Ｂを埋め込んで使用できるので、構造体を通常の使用に供しながら、常時診断が可能となるので、亀裂等の発生を初期段階で発見することができる。
また、これらの実施形態は、金属コア１が、強度部材として機能するので、孔をあけたとしても構造体の強度の低下を極力防止することができる。

つぎに、図５に基づき実験例を説明する。
圧電ファイバＡは、内部に直径0.05ｍｍの白金コアを持つ直径0.2ｍｍのＰＺＴ材料からなる圧電材料を形成し、さらにその表面に、スパッタリングや無電解めっき、シルバーペーストなどを用いて導電性皮膜を形成したものである。
上記の圧電ファイバＡを１本、長さ300ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚み４ｍｍのアルミニウム板に貼り付けている。この圧電ファイバＡの金属コアと導電性皮膜との間にバースト信号を加え、圧電ファイバＡにｄ３３方向の振動を励振した。発生した振動は、アルミ板上を進行していく。その時の振動を圧電ファイバＡから３０ｍｍ、100ｍｍはなれた位置で圧電デバイスCh1〜Ch4を用いて検出した。圧電デバイスCh1〜Ch3は亀裂（Crack）をはさんで取付け、圧電デバイスCh4は正常な板部分に取り付けた。
検出結果を図６に示す。同図に示すように、亀裂がない場合は超音波信号が直接伝わってくるため、検出デバイスからの信号が大きく出ているが、亀裂が進行してくると、亀裂により、超音波に回り込みが発生するため、信号の伝播が遅れてくる。また信号自体も亀裂により、超音波振動が弱められるため、信号の大きさも弱くなっていっているのがわかる。

本発明は、構造体に生じた亀裂の検出や亀裂の進行の検出を行なうことができるため、ビル、陸橋等の構造体から、航空機、自動車等の幅広い社会インフラに利用することができ、構造体内部の疲労破壊防止、損傷個所診断を行い構造体の信頼性の向上とメンテナンスコストの軽減が可能である。

本発明の第１実施形態に係る非破壊検査方法を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る非破壊検査方法を示す説明図である。 圧電ファイバの例を示す説明図である。 本発明における圧電ファイバの一例を示す説明図である。 実験例の説明図である。 実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 金属コア
２ セラミックス圧電材料
３ 外部電極

Claims (3)

1. 導電性を有する線状の金属コアを芯材とし、その周囲にセラミックス圧電材料の外層材を被覆して棒状に構成しており、
   前記金属コアが２本並列に、前記外層材の中に入れられている
   ことを特徴とする圧電ファイバ。
2. 請求項１の圧電ファイバを、構造体に取付け、該圧電ファイバに通電して超音波振動を面状で発生させる
   ことを特徴とする非破壊検査方法。
3. 請求項１の圧電ファイバを、構造体の被検査面を挟む超音波振動の発振位置と受振位置に取り付けて、発振位置の圧電ファイバに通電して超音波振動を面状で発生させ、受振位置の圧電ファイバで超音波振動を受振する
   ことを特徴とする非破壊検査方法。