JP6791476B2 - Elastic wave measurement sensor - Google Patents

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Description

本発明は、弾性波計測センサに関するものである。 The present invention relates to an elastic wave measurement sensor.

橋脚などのコンクリート構造物は、車両が通過することで繰り返し荷重を受け、これにより劣化し、場合によってはクラックが生じる。このように劣化したコンクリート構造物は、適切に補修工事を行う必要があるので、例えばクラックが生じたことを的確に把握することが望まれる。クラックが生じた際、コンクリート構造物は、アコースティック・エミッション（Acoustic Emission, AE）により、コンクリートが内部に蓄えていた弾性エネルギーを音波（弾性波）として放出する。この弾性波は、主に超音波領域の高い周波数成分を有するといわれる。したがってこの弾性波を計測することができれば、コンクリート構造物の補修工事を適切に行うことができる。 Concrete structures such as piers are repeatedly loaded by the passage of vehicles, which causes deterioration and, in some cases, cracks. Since it is necessary to appropriately repair the deteriorated concrete structure in this way, it is desired to accurately grasp, for example, the occurrence of cracks. When a crack occurs, the concrete structure emits the elastic energy stored inside the concrete as a sound wave (elastic wave) by acoustic emission (AE). This elastic wave is said to have a high frequency component mainly in the ultrasonic region. Therefore, if this elastic wave can be measured, the repair work of the concrete structure can be appropriately performed.

弾性波の伝搬の様子を計測する方法として、一般的には、光学的な手法が知られている（例えば、特許文献１）。光学的な手法の共通点は、表面波による光の回折現象を利用する点である。 As a method for measuring the state of propagation of elastic waves, an optical method is generally known (for example, Patent Document 1). The common point of the optical method is that it utilizes the diffraction phenomenon of light by surface waves.

特開２０１１−６４６９７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-64697

しかしながら、表面波による光の回折現象を利用する手法では、被計測物の表面の平滑さが重要な指標であり、埃などが付着した状態での計測は困難である。さらに対応可能な周波数帯域が狭いという問題がある。 However, in the method using the diffraction phenomenon of light due to the surface wave, the smoothness of the surface of the object to be measured is an important index, and it is difficult to measure in a state where dust or the like is attached. Furthermore, there is a problem that the applicable frequency band is narrow.

本発明は、クラックの発生を的確に把握することができる弾性波計測センサを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an elastic wave measurement sensor capable of accurately grasping the occurrence of cracks.

本発明に係る弾性波計測センサは、センサ部を複数備え、前記センサ部は、脚体と、前記脚体上に形成されたカンチレバーと、前記カンチレバーと前記脚体の間に形成されたギャップと、前記カンチレバー及び前記ギャップを覆う液体とを備えることを特徴とする。 The elastic wave measurement sensor according to the present invention includes a plurality of sensor units, wherein the sensor unit includes a leg body, a cantilever formed on the leg body, and a gap formed between the cantilever and the leg body. , The cantilever and the liquid covering the gap.

本発明によれば、センサ部は、カンチレバーを挟んで下側が気体、上側が液体からなる３層構造であることにより、被計測物を伝搬してきた弾性波がカンチレバーへ効率的に伝達される。これにより弾性波計測センサは、広い周波数帯域の弾性波を計測することができる。また、弾性波計測センサは、複数のセンサ部を備えていることにより、クラックが発生した箇所を特定することができる。このようにして弾性波計測センサは、広い周波数帯域の弾性波を計測することができると共に、クラックが発生した箇所を特定することができるので、より的確にクラックの発生を把握することができる。 According to the present invention, the sensor unit has a three-layer structure in which the lower side is a gas and the upper side is a liquid with the cantilever in between, so that elastic waves propagating through the object to be measured are efficiently transmitted to the cantilever. As a result, the elastic wave measurement sensor can measure elastic waves in a wide frequency band. Further, since the elastic wave measurement sensor includes a plurality of sensor units, it is possible to identify the location where the crack has occurred. In this way, the elastic wave measurement sensor can measure elastic waves in a wide frequency band and can identify the location where cracks have occurred, so that the occurrence of cracks can be grasped more accurately.

本実施形態に係る弾性波計測センサの全体構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the whole structure of the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサのセンサ部の構成を示す縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view which shows the structure of the sensor part of the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサのセンサ部の製造方法を段階的に示す縦端面図であり、図３Ａはピエゾ抵抗層を積層した状態、図３Ｂはギャップを形成した状態、図３Ｃは電極を形成した状態、図３Ｄは連通路を形成しカンチレバー部を形成した状態を示す図である。It is a vertical end phase diagram which shows the manufacturing method of the sensor part of the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment stepwise, FIG. 3A is a state in which a piezoresistive layer is laminated, FIG. 3D is a diagram showing a state in which a continuous passage is formed and a cantilever portion is formed. 本実施形態に係る弾性波計測センサに適用する検出回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the detection circuit applied to the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサの実験に用いた装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the apparatus used in the experiment of the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサの弾性波の伝搬を計測した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the propagation of the elastic wave of the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサにおけるカンチレバーの位置と弾性波の減衰との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the position of the cantilever and the attenuation of elastic wave in the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサにおけるカンチレバーの位置と弾性波の到達時間の遅れとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the position of the cantilever in the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment, and the delay of arrival time of elastic wave. 変形例（１）に係るセンサ部の構成を示す縦端面図である。It is a vertical end view which shows the structure of the sensor part which concerns on the modification (1). 変形例（２）に係るセンサ部の構成を示す縦端面図である。It is a vertical end view which shows the structure of the sensor part which concerns on the modification (2). 変形例（３）に係る弾性波計測センサの構成を示す縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view which shows the structure of the elastic wave measurement sensor which concerns on the modification (3). 変形例（４）に係る弾性波計測センサの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the elastic wave measurement sensor which concerns on the modification (4). 変形例（５）に係る弾性波計測センサの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the elastic wave measurement sensor which concerns on the modification (5).

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

（全体構成）
図１に示す弾性波計測センサ１０Ａは、センサ部１２Ａを複数、本図の場合、８個備え、被計測物としてのコンクリート構造物１１に固定される。センサ部１２Ａは、脚体１４と、脚体１４上に形成されたカンチレバー１６と、前記カンチレバー１６と前記脚体１４の間に形成されたギャップ１８と、前記カンチレバー１６及び前記ギャップ１８を覆う液体２０とを備える。本実施形態の場合、センサ部１２Ａは、１次元に配列されている。なおセンサ部１２Ａの数は、８個に限定されるものではなく、２個以上であれば適宜選択できる。 (overall structure)
The elastic wave measurement sensor 10A shown in FIG. 1 includes a plurality of sensor units 12A, eight in the case of this figure, and is fixed to the concrete structure 11 as an object to be measured. The sensor unit 12A includes a leg body 14, a cantilever 16 formed on the leg body 14, a gap 18 formed between the cantilever 16 and the leg body 14, and a liquid covering the cantilever 16 and the gap 18. 20 and. In the case of this embodiment, the sensor units 12A are arranged one-dimensionally. The number of the sensor units 12A is not limited to eight, and any two or more sensors can be appropriately selected.

脚体１４は、コンクリート構造物１１を伝搬してきた弾性波を効率的にカンチレバー１６へ伝達し得るように構成されている。脚体１４は、硬質の材料、例えばSi、SiC、GaAs、GaN、Geなどの半導体材料、あるいは金属により形成されるのが好ましい。脚体１４は、接着剤（図示しない）を介して、コンクリート構造物１１に固定される。接着剤としては、エポキシ系接着剤やアクリル系接着剤を用いることができる。本実施形態の場合、脚体１４は、矩形状の基板で形成されており、１つの基板に８個のセンサ部１２Ａが形成されている。したがって脚体１４は、全てのセンサ部１２Ａにおいて、一体となっている。 The leg body 14 is configured so that elastic waves propagating through the concrete structure 11 can be efficiently transmitted to the cantilever 16. The leg 14 is preferably formed of a hard material, for example, a semiconductor material such as Si, SiC, GaAs, GaN, Ge, or a metal. The leg 14 is fixed to the concrete structure 11 via an adhesive (not shown). As the adhesive, an epoxy adhesive or an acrylic adhesive can be used. In the case of the present embodiment, the leg body 14 is formed of a rectangular substrate, and eight sensor portions 12A are formed on one substrate. Therefore, the leg body 14 is integrated in all the sensor units 12A.

カンチレバー１６は、一側面を除いて、脚体１４との間にギャップ１８を設けた状態で形成されたいわゆる片持ち梁構造である。ギャップ１８は、液体２０が漏れない程度の大きさ、例えば０．０２〜１０μｍ程度に形成されている。このカンチレバー１６は、平板状の受圧部１７と当該受圧部１７の一側面に一体に形成された一対のヒンジ部１９とを有する。当該ヒンジ部１９は、電極（本図には図示しない）に電気的に接続されている。 The cantilever 16 is a so-called cantilever structure formed with a gap 18 provided between the cantilever 16 and the leg 14 except for one side surface. The gap 18 is formed to a size such that the liquid 20 does not leak, for example, about 0.02 to 10 μm. The cantilever 16 has a flat plate-shaped pressure receiving portion 17 and a pair of hinge portions 19 integrally formed on one side surface of the pressure receiving portion 17. The hinge portion 19 is electrically connected to an electrode (not shown in this figure).

図２に示すように、センサ部１２Ａは、基板２２と、絶縁層２４と、シリコン（Si）層２６と、ピエゾ抵抗層２８と、電極３０を構成する金属層とからなり、シリコン層２６と、ピエゾ抵抗層２８とにより、所定形状のカンチレバー１６が形成されている。脚体１４は、カンチレバー１６及びギャップ１８（本図には図示しない）の周囲を囲むように形成されている。 As shown in FIG. 2, the sensor unit 12A is composed of a substrate 22, an insulating layer 24, a silicon (Si) layer 26, a piezoresistive layer 28, and a metal layer constituting the electrode 30, and includes the silicon layer 26. , The piezoresistive layer 28 and the cantilever 16 having a predetermined shape are formed. The leg body 14 is formed so as to surround the cantilever 16 and the gap 18 (not shown in this figure).

カンチレバー１６は、コンクリート構造物１１を伝搬してきた弾性波によって、ヒンジ部１９（本図には図示しない）を中心に弾性変形し得るように構成されている。電極３０は、図示しないが、ピエゾ抵抗層２８の抵抗値の変化を検出する信号変換部および電源に電気的に接続されている。 The cantilever 16 is configured to be elastically deformed around a hinge portion 19 (not shown in this figure) by an elastic wave propagating through the concrete structure 11. Although not shown, the electrode 30 is electrically connected to a signal conversion unit for detecting a change in the resistance value of the piezoresistive layer 28 and a power source.

センサ部１２Ａの上面には、ギャップ１８を覆うように液体２０が設けられている。液体２０は、カンチレバー１６に接触していない一面側がほとんど振動しないため、脚体１４を介して伝達された弾性波がカンチレバー１６を効率的に振動させることに寄与する。なお本図において液体２０は、カンチレバー及びギャップのみを覆うように１つのセンサ部１２Ａに１つの液体２０が設けられているが、本発明はこれに限られず、図１のように複数のセンサ部１２Ａを１つの液体で覆うようにしてもよい。 A liquid 20 is provided on the upper surface of the sensor unit 12A so as to cover the gap 18. Since the liquid 20 hardly vibrates on one side that is not in contact with the cantilever 16, the elastic wave transmitted through the leg 14 contributes to efficiently vibrate the cantilever 16. In this figure, the liquid 20 is provided with one liquid 20 in one sensor unit 12A so as to cover only the cantilever and the gap, but the present invention is not limited to this, and a plurality of sensor units are provided as shown in FIG. 12A may be covered with one liquid.

ギャップ１８においては、液体２０と気体の間の界面が形成される。ギャップ１８が微小間隙であることを前提として、界面は、液体２０の表面張力、液体２０の粘性、カンチレバー１６の下側の空間２９における気体圧等によって形成され、維持される。カンチレバー１６の運動により、界面の形状変化や界面の移動が生じたとしても、界面自体が維持され、ギャップ１８の密閉状態が維持される。液体２０の性質にもよるが、センサ部１２Ａにおいて液体２０の保持性を高めるために、カンチレバー１６の表面や電極３０の内面における必要な部分に疎水性の表面処理を施してもよい。 At the gap 18, an interface is formed between the liquid 20 and the gas. Assuming that the gap 18 is a minute gap, the interface is formed and maintained by the surface tension of the liquid 20, the viscosity of the liquid 20, the gas pressure in the space 29 below the cantilever 16 and the like. Even if the shape of the interface changes or the interface moves due to the movement of the cantilever 16, the interface itself is maintained and the closed state of the gap 18 is maintained. Although it depends on the properties of the liquid 20, in order to improve the retention of the liquid 20 in the sensor unit 12A, a hydrophobic surface treatment may be applied to a necessary portion on the surface of the cantilever 16 or the inner surface of the electrode 30.

上記のように、液体２０は、表面張力が大きく、ある程度の粘性を有し、化学的に安定なものを選択するのが望ましい。さらに、液体２０が密閉されずに露出して設けられる場合、蒸気圧が低く、取扱性が良好な液体２０を選択するのが望ましい。液体２０は、水、シリコンオイル、イオン性液体等を用いることができる。ジェルのような液状物質を利用することも可能である。 As described above, it is desirable to select a liquid 20 having a large surface tension, a certain degree of viscosity, and being chemically stable. Further, when the liquid 20 is provided exposed without being sealed, it is desirable to select the liquid 20 having a low vapor pressure and good handleability. As the liquid 20, water, silicone oil, an ionic liquid or the like can be used. It is also possible to use a liquid substance such as gel.

センサ部１２Ａは、脚体１４とコンクリート構造物１１表面とが密閉されている必要はなく、カンチレバー１６の下側の空間２９に気体が存在していることが望ましい。これによりセンサ部は、カンチレバー１６において、液体２０と、カンチレバー１６と、空間２９に存在する気体とによる３層構造を有する。 The sensor portion 12A does not need to have the leg 14 and the surface of the concrete structure 11 sealed, and it is desirable that gas exists in the space 29 below the cantilever 16. As a result, the sensor unit has a three-layer structure of the liquid 20, the cantilever 16, and the gas existing in the space 29 in the cantilever 16.

（製造方法）
次に、センサ部１２Ａの製造方法について図３を参照して説明する。まず、Ｓｉからなる基板２２上にＳｉＯ２からなる絶縁層２４を形成し、さらに、その絶縁層２４の上部にＳｉからなるシリコン層２６を形成することにより、基板２２と絶縁層２４とシリコン層２６からなる積層構造のＳＯＩを形成する。ＳＯＩの各層（Si/SiO2/Si）の厚さは、例えば、それぞれ上から順に、０．３/０．４/３００μｍとすることができる。次いで、シリコン層２６上に不純物をドーピングしてシリコン層２６の一部をＮ型もしくはＰ型半導体としたピエゾ抵抗層２８を形成する（図３Ａ）。 (Production method)
Next, a method of manufacturing the sensor unit 12A will be described with reference to FIG. First, an insulating layer 24 made of SiO 2 is formed on a substrate 22 made of Si, and then a silicon layer 26 made of Si is formed on the insulating layer 24, so that the substrate 22, the insulating layer 24, and the silicon layer are formed. It forms an SOI of a laminated structure consisting of 26. The thickness of each layer of SOI (Si / SiO 2 / Si) can be, for example, 0.3 / 0.4 / 300 μm in order from the top. Next, impurities are doped onto the silicon layer 26 to form a piezoresistive layer 28 in which a part of the silicon layer 26 is an N-type or P-type semiconductor (FIG. 3A).

次に、ＳＯＩ上のピエゾ抵抗層２８の上に電極３０をパターン形成し、その後、シリコン層２６とピエゾ抵抗層２８を一部エッチングすることにより、上述したカンチレバー１６のヒンジ部１９を除いた外縁と外周部分との間のギャップ１８を形成する（図３Ｂ）。なお、このとき、電極３０の上面には、さらにホトレジスト（図示しない）を一部に対して形成しておく。 Next, the electrode 30 is patterned on the piezoresistive layer 28 on the SOI, and then the silicon layer 26 and the piezoresistive layer 28 are partially etched to remove the hinge portion 19 of the cantilever 16 described above. A gap 18 is formed between the surface and the outer peripheral portion (FIG. 3B). At this time, a photoresist (not shown) is further formed on a part of the upper surface of the electrode 30.

その後、電極３０をさらにパターン形成し、ホトレジスト（図示しない）が形成されていない部分を除去し、その後にホトレジストも除去することによって所定形状の電極３０を形成する（図３Ｃ）。最後に、底面側から基板２２と絶縁層２４をエッチングして連通路３６を形成することにより、カンチレバー１６を形成する（図３Ｄ）。 After that, the electrode 30 is further patterned, the portion where the photoresist (not shown) is not formed is removed, and then the photoresist is also removed to form the electrode 30 having a predetermined shape (FIG. 3C). Finally, the cantilever 16 is formed by etching the substrate 22 and the insulating layer 24 from the bottom surface side to form the communication passage 36 (FIG. 3D).

このようにして、脚体１４上にセンサ部１２Ａを製造することができる。なお、センサ部１２Ａは、上記の方法により、複数個を同時に製造することができる。 In this way, the sensor unit 12A can be manufactured on the leg body 14. A plurality of sensor units 12A can be manufactured at the same time by the above method.

（作用及び効果）
上記のように構成された弾性波計測センサ１０Ａは、コンクリート構造物１１表面に接着剤を介して脚体１４が固定されることにより、コンクリート構造物１１に設けられる。また各センサ部１２Ａは、図４に示す信号変換部としての検出回路２１にそれぞれ電気的に接続される。検出回路２１は、ブリッジ回路を有している。ブリッジ回路は抵抗Ｒ１，抵抗Ｒ２，抵抗Ｒ３を有し、さらに、抵抗Ｒ４＋ΔＲとしてセンサ部１２Ａが接続される。ここで、Ｒ４は原姿勢にあるカンチレバー１６のピエゾ抵抗値（初期値）であり、ΔＲはピエゾ抵抗値の初期値に対する変化分である。ブリッジ回路に対しては図示されていない電源から電圧Ｖｓが与えられている。ブリッジ回路の出力が差動アンプから電圧ΔＶoutとして出力されている。その信号がオシロスコープ（図示しない）に出力される。このようにして検出回路２１により、ピエゾ抵抗値の変化分ΔＲを電圧ΔＶoutとして得ることができる。 (Action and effect)
The elastic wave measurement sensor 10A configured as described above is provided on the concrete structure 11 by fixing the leg 14 to the surface of the concrete structure 11 via an adhesive. Further, each sensor unit 12A is electrically connected to a detection circuit 21 as a signal conversion unit shown in FIG. The detection circuit 21 has a bridge circuit. The bridge circuit has a resistor R1, a resistor R2, and a resistor R3, and a sensor unit 12A is further connected as a resistor R4 + ΔR. Here, R4 is the piezoresistive value (initial value) of the cantilever 16 in the original posture, and ΔR is the change in the piezoresistive value with respect to the initial value. A voltage Vs is applied to the bridge circuit from a power source (not shown). The output of the bridge circuit is output from the differential amplifier as a voltage ΔVout. The signal is output to an oscilloscope (not shown). In this way, the detection circuit 21 can obtain the change ΔR of the piezo resistance value as the voltage ΔVout.

コンクリート構造物１１が劣化しておらず、クラックの発生に伴う弾性波が生じていない場合、弾性波計測センサ１０Ａは、カンチレバー１６が特に振動することはないので、ピエゾ抵抗値の変化分ΔＲは理想的には０である。 When the concrete structure 11 has not deteriorated and no elastic wave is generated due to the occurrence of cracks, the elastic wave measurement sensor 10A does not vibrate the cantilever 16 in particular, so that the change ΔR of the piezo resistance value is Ideally it is 0.

これに対しコンクリート構造物１１の劣化が進み、クラックが発生した場合、コンクリート構造物１１には、クラックの発生によって弾性波が生じる。当該弾性波は、コンクリート構造物１１を伝搬する。弾性波計測センサ１０Ａまで到達した上記弾性波は、脚体１４を介してセンサ部１２Ａへ伝達される。これによりセンサ部１２Ａは、カンチレバー１６の振動に伴うピエゾ抵抗値の変化を検出することにより、弾性波を計測することができる。 On the other hand, when the concrete structure 11 is deteriorated and cracks are generated, elastic waves are generated in the concrete structure 11 due to the cracks. The elastic wave propagates in the concrete structure 11. The elastic wave that has reached the elastic wave measurement sensor 10A is transmitted to the sensor unit 12A via the leg body 14. As a result, the sensor unit 12A can measure the elastic wave by detecting the change in the piezo resistance value due to the vibration of the cantilever 16.

本実施形態の場合、センサ部１２Ａは、カンチレバー１６を挟んで下側が気体、上側が液体２０からなる３層構造であることにより、コンクリート構造物１１を伝搬してきた弾性波が脚体１４を介してカンチレバー１６へ効率的に伝達される。これにより弾性波計測センサ１０Ａは、広い周波数帯域の弾性波を計測することができる。 In the case of the present embodiment, the sensor unit 12A has a three-layer structure in which the lower side is a gas and the upper side is a liquid 20 with the cantilever 16 interposed therebetween, so that elastic waves propagating through the concrete structure 11 pass through the leg body 14. Is efficiently transmitted to the cantilever 16. As a result, the elastic wave measurement sensor 10A can measure elastic waves in a wide frequency band.

弾性波計測センサ１０Ａは、２個のセンサ部１２Ａが１次元に配列されていることにより、クラックが発生した箇所を特定することができる。弾性波は、クラックの発生箇所に近いセンサ部１２Ａから遠いセンサ部１２Ａへ順に脚体１４を通じて伝達される。弾性波は、伝搬する距離に応じて振幅が減衰すると共に、到達時間が遅れる。したがって弾性波計測センサ１０Ａは、複数のセンサ部１２Ａにおいて、弾性波を計測することにより、弾性波の振幅の減衰率と到達時間の遅れとから、弾性波計測センサ１０Ａから弾性波の発生源（クラックが発生した箇所）までの方向と距離すなわち位置をある一定の範囲に特定することができる。また弾性波計測センサ１０Ａをコンクリート構造物１１に複数設けることにより、クラックの発生箇所をより正確に特定することが可能になる。 Since the two sensor units 12A are arranged one-dimensionally in the elastic wave measurement sensor 10A, the location where the crack has occurred can be specified. The elastic wave is transmitted through the leg body 14 in order from the sensor unit 12A near the crack occurrence location to the sensor unit 12A far from the crack generation location. The amplitude of elastic waves is attenuated according to the propagating distance, and the arrival time is delayed. Therefore, the elastic wave measurement sensor 10A measures the elastic wave in the plurality of sensor units 12A, and from the attenuation rate of the amplitude of the elastic wave and the delay of the arrival time, the source of the elastic wave from the elastic wave measurement sensor 10A ( The direction and distance to (the place where the crack occurred), that is, the position can be specified in a certain range. Further, by providing a plurality of elastic wave measurement sensors 10A in the concrete structure 11, it becomes possible to more accurately identify the location where cracks occur.

このようにして弾性波計測センサ１０Ａは、広い周波数帯域の弾性波を計測することができると共に、弾性波計測センサ１０Ａから弾性波の発生源（クラックが発生した箇所）までの方向と距離すなわち位置をある一定の範囲に特定することができるので、より的確にクラックの発生を把握することができる。 In this way, the elastic wave measurement sensor 10A can measure elastic waves in a wide frequency band, and the direction and distance, that is, the position from the elastic wave measurement sensor 10A to the source of the elastic wave (the place where the crack occurs). Can be specified in a certain range, so that the occurrence of cracks can be grasped more accurately.

実際に上記「製造方法」に示す手順で作製したセンサ部１２Ａを８個備える弾性波計測センサ１０Ａを用いて、弾性波を計測した。実験に用いた装置は、図５に示すように、弾性波計測センサ１０Ａの一端に設けられたＳＡＷ（表面弾性波：Surface Acoustic Wave）発信器４０と、他端に設けられたＳＡＷ受信器４２とを備えている。ＳＡＷ発信器４０に近いセンサ部のカンチレバーを第１カンチレバー１６Ａ、最も離れているセンサ部のカンチレバーを第８カンチレバー１６Ｈとし、各センサ部の間隔を１．１ｍｍとした。なお、カンチレバー１６Ａ，１６Ｂ・・・を区別しない場合は、カンチレバー１６と称する。 An elastic wave was actually measured using an elastic wave measurement sensor 10A including eight sensor units 12A manufactured by the procedure shown in the above "manufacturing method". As shown in FIG. 5, the devices used in the experiment are a SAW (Surface Acoustic Wave) transmitter 40 provided at one end of the surface acoustic wave measurement sensor 10A and a SAW receiver 42 provided at the other end. And have. The cantilever of the sensor unit close to the SAW transmitter 40 was the first cantilever 16A, the cantilever of the sensor unit farthest from the SAW transmitter 40 was the eighth cantilever 16H, and the distance between the sensor units was 1.1 mm. When the cantilever 16A, 16B ... Is not distinguished, it is referred to as the cantilever 16.

カンチレバー１６は、全長を１５０μｍ、厚さを３００ｎｍとした。ギャップ１８は１μｍとした。電極３０は、Ａｕ／Ｃｒからなる厚さ５０ｎｍの金属層で形成した。液体２０は、シリコンオイル（ＨＩＶＡＣ−Ｆ４，信越シリコーン）を用いた。ＳＡＷ発信器４０及びＳＡＷ受信器４２は、圧電基板としてＬｉＮＯ３基板と、圧電基板上に設けられたＡｕ／Ｃｒで形成された櫛形電極とで構成される。ＳＡＷ発信器４０とＳＡＷ受信器４２は、エポキシ樹脂を用いて弾性波計測センサ１０Ａを構成するＳＯＩ上に接合した。 The cantilever 16 has a total length of 150 μm and a thickness of 300 nm. The gap 18 was set to 1 μm. The electrode 30 was formed of a metal layer having a thickness of 50 nm made of Au / Cr. As the liquid 20, silicon oil (HIVAC-F4, Shinetsu silicone) was used. The SAW transmitter 40 and the SAW receiver 42 are composed of a LiNO 3 substrate as a piezoelectric substrate and a comb-shaped electrode formed of Au / Cr provided on the piezoelectric substrate. The SAW transmitter 40 and the SAW receiver 42 are joined on the SOI constituting the elastic wave measurement sensor 10A using an epoxy resin.

ＳＡＷ発信器４０から０．１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの弾性波（本図中Ｗ）を発信したときの、第１カンチレバー１６Ａ〜第４カンチレバー１６Ｄの周波数特性を図６に示す。図６は横軸が周波数（ＭＨｚ）、縦軸が強度（任意単位）である。縦軸の強度は、第１カンチレバー１６Ａ〜第４カンチレバー１６Ｄで計測された出力電圧をＳＡＷ受信器４２の出力電圧で除算した値とした。この結果から、弾性波計測センサ１０Ａは、０．１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの広い周波数帯域の弾性波を計測できることが確認された。 FIG. 6 shows the frequency characteristics of the first cantilever 16A to the fourth cantilever 16D when an elastic wave of 0.1 MHz to 100 MHz (W in this figure) is transmitted from the SAW transmitter 40. In FIG. 6, the horizontal axis is frequency (MHz) and the vertical axis is intensity (arbitrary unit). The intensity on the vertical axis is a value obtained by dividing the output voltage measured by the first cantilever 16A to the fourth cantilever 16D by the output voltage of the SAW receiver 42. From this result, it was confirmed that the elastic wave measurement sensor 10A can measure elastic waves in a wide frequency band of 0.1 MHz to 100 MHz.

図７に、図５に示す装置における第１カンチレバー１６Ａ〜第８カンチレバー１６Ｈにおける弾性波の伝搬を計測した結果を示す。図７は横軸が時間（μｓ）、縦軸が抵抗変化率であるΔＲ／Ｒ４（任意単位）×１０３を示す。ＳＡＷ発信器４０から入力する弾性波の周波数は、０．２ＭＨｚとした。この結果、ＳＡＷ発信器４０からの距離に応じて、弾性波の到達時間に遅れが生じていると共に、弾性波の振幅が減衰していることが確認された。 FIG. 7 shows the results of measuring the propagation of elastic waves in the first cantilever 16A to the eighth cantilever 16H in the apparatus shown in FIG. Figure 7 shows the horizontal axis represents time (.mu.s), the vertical axis is the resistance change ratio [Delta] R / R4 (arbitrary units) × 10 3. The frequency of the elastic wave input from the SAW transmitter 40 was set to 0.2 MHz. As a result, it was confirmed that the arrival time of the elastic wave was delayed and the amplitude of the elastic wave was attenuated according to the distance from the SAW transmitter 40.

図８に、図５に示す装置における第１カンチレバー１６Ａ〜第８カンチレバー１６Ｈにおける弾性波の振幅の減衰の様子を示す。図８は横軸が第１カンチレバー１６Ａからの距離（ｍｍ）、縦軸が減衰率（任意単位）である。減衰率は、各カンチレバー１６における出力電圧を第１カンチレバー１６Ａにおける出力電圧で除算して得た。本図から、ＳＡＷ発信器４０からの距離に応じて、弾性波が減衰すること、周波数が高い程より減衰することが確認された。 FIG. 8 shows the state of attenuation of the amplitude of elastic waves in the first cantilever 16A to the eighth cantilever 16H in the apparatus shown in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis is the distance (mm) from the first cantilever 16A, and the vertical axis is the damping factor (arbitrary unit). The attenuation factor was obtained by dividing the output voltage of each cantilever 16 by the output voltage of the first cantilever 16A. From this figure, it was confirmed that the elastic wave is attenuated according to the distance from the SAW transmitter 40, and that the higher the frequency, the more attenuated.

図９に、図５に示す装置における第１カンチレバー１６Ａ〜第８カンチレバー１６Ｈにおける弾性波の到達時間の遅れの様子を示す。図９は横軸が第１カンチレバー１６Ａからの距離（ｍｍ）、縦軸が到達時間の遅れ（μｓ）である。本図から、ＳＡＷ発信器４０からの距離に応じて、弾性波がカンチレバー１６に到達する時間が遅れること、周波数が高い程、到達時間の遅れが少ないことが確認された。 FIG. 9 shows a state in which the arrival time of elastic waves in the first cantilever 16A to the eighth cantilever 16H in the apparatus shown in FIG. 5 is delayed. In FIG. 9, the horizontal axis is the distance (mm) from the first cantilever 16A, and the vertical axis is the delay in arrival time (μs). From this figure, it was confirmed that the time for the elastic wave to reach the cantilever 16 is delayed according to the distance from the SAW transmitter 40, and that the higher the frequency, the smaller the delay in the arrival time.

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。 (Modification example)
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately modified within the scope of the gist of the present invention.

上記実施形態の場合、センサ部１２Ａの上面に設けられた液体２０が露出している場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１０に示すセンサ部１２Ｂは、液体２０表面が、弾性変形可能な膜４４で覆われている。これにより液体２０が蒸発するのを防ぐことができるので、弾性波計測センサ（本図には図示しない）は、長期間使用することができる。この場合、膜４４は、液体２０を密閉するため、センサ部１２Ｂの全体を覆うことが好ましい。膜４４は、パラキシレン系ポリマーで形成することができ、他の樹脂又は樹脂以外の材料で形成してもよい。 In the case of the above embodiment, the case where the liquid 20 provided on the upper surface of the sensor unit 12A is exposed has been described, but the present invention is not limited to this. For example, in the sensor unit 12B shown in FIG. 10, the surface of the liquid 20 is covered with an elastically deformable film 44. As a result, the liquid 20 can be prevented from evaporating, so that the elastic wave measurement sensor (not shown in this figure) can be used for a long period of time. In this case, the film 44 preferably covers the entire sensor unit 12B in order to seal the liquid 20. The film 44 can be formed of a para-xylene-based polymer, and may be formed of another resin or a material other than the resin.

また図１１に示すセンサ部１２Ｃのように、膜４４を覆う外装部４６を設けることとしてもよい。外装部４６は、膜４４を保護できれば足り、例えばＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）などのシリコーンゴムで形成することができる。 Further, as in the sensor portion 12C shown in FIG. 11, an exterior portion 46 that covers the film 44 may be provided. The exterior portion 46 need only be able to protect the film 44, and can be formed of, for example, a silicone rubber such as PDMS (dimethylpolysiloxane).

さらに図１２に示すように、センサ部１２Ｃの表面を覆うケース５１を設けることとしてもよい。ケース５１は、センサ部１２Ｃを固定する板状の基台５６と、外装部４６との間に空間を空けた状態でセンサ部１２Ａを覆うように形成されたケース本体５８とを有し、ボルト５９によりコンクリート構造物１１に固定される。ケース本体５８は、例えば、ゴム、プラスチック、金属などにより形成することができる。本変形例の場合、センサ部１２Ｃは、プリント基板５５を介して基台５６に固定されている。センサ部１２Ｃとプリント基板５５は、電気的に接続された状態で固定されている。プリント基板５５には、導体からなる引き出し電線５７の一端が電気的に接続されている。引き出し電線５７の他端は、信号変換部に電気的に接続される。このように構成することにより、センサ部１２Ｃは、外気、埃や紫外線などによる影響を抑制できるので、より長期間使用することができる。本図の場合、外装部４６が設けられている例を示しているが、外装部４６が設けられていないセンサ部１２Ｂに適用してもよい。 Further, as shown in FIG. 12, a case 51 that covers the surface of the sensor unit 12C may be provided. The case 51 has a plate-shaped base 56 for fixing the sensor portion 12C and a case body 58 formed so as to cover the sensor portion 12A with a space between the exterior portion 46 and the case body 58. It is fixed to the concrete structure 11 by 59. The case body 58 can be formed of, for example, rubber, plastic, metal, or the like. In the case of this modification, the sensor unit 12C is fixed to the base 56 via the printed circuit board 55. The sensor unit 12C and the printed circuit board 55 are fixed in an electrically connected state. One end of a lead-out electric wire 57 made of a conductor is electrically connected to the printed circuit board 55. The other end of the lead wire 57 is electrically connected to the signal conversion unit. With such a configuration, the sensor unit 12C can be used for a longer period of time because it can suppress the influence of outside air, dust, ultraviolet rays, and the like. In the case of this figure, an example in which the exterior portion 46 is provided is shown, but it may be applied to the sensor portion 12B in which the exterior portion 46 is not provided.

上記実施形態の場合、脚体１４は矩形状の基板で形成した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１３に示す弾性波計測センサ１０Ｂは、環状の脚体４８を備える。脚体４８は、環状部４９と、前記環状部４９の直径方向に延びる１本の直線部５０とを有する。センサ部１２は、直線部５０に複数、本図の場合２個設けられている。本変形例に係る弾性波計測センサ１０Ｂは、直線部５０の方向に伝搬する弾性波に対し指向性をもち、かつ直線部に配置されている複数のセンサ部１２Ａでの検出時間差とあわせ、クラックが発生した方向を容易に特定することができる。 In the case of the above embodiment, the case where the leg body 14 is formed of a rectangular substrate has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the elastic wave measurement sensor 10B shown in FIG. 13 includes an annular leg 48. The leg body 48 has an annular portion 49 and a straight portion 50 extending in the radial direction of the annular portion 49. A plurality of sensor units 12 are provided on the linear unit 50, and two sensor units 12 are provided in the case of this figure. The elastic wave measurement sensor 10B according to this modification has directivity for elastic waves propagating in the direction of the straight line portion 50, and is cracked together with the detection time difference between the plurality of sensor units 12A arranged in the straight line portion. Can be easily identified in the direction in which

また図１４に示す弾性波計測センサ１０Ｃのように、環状部４９と、直角に交差する２本の直線部５３，５４とを有する脚体５２を用いることとしてもよい。センサ部１２Ａは、２次元に配列されている。すなわちセンサ部１２Ａは、それぞれの直線部５３，５４に複数、本図の場合４個ずつ、さらに中心に１個設けられている。この場合、直角に交差する２本の直線部５３，５４にそれぞれ設けられた複数のセンサ部１２Ａと、中心位置に設けられたセンサ部１２Ａとを有することにより、クラックが発生した箇所をより正確に特定することができる。さらに直線部は、３本以上としてもよい。 Further, as in the elastic wave measurement sensor 10C shown in FIG. 14, a leg body 52 having an annular portion 49 and two straight portions 53 and 54 intersecting at right angles may be used. The sensor units 12A are arranged two-dimensionally. That is, a plurality of sensor units 12A are provided in the linear portions 53 and 54, four in the case of this figure, and one in the center. In this case, by having a plurality of sensor units 12A provided on each of the two straight lines 53 and 54 intersecting at right angles and a sensor unit 12A provided at the center position, the location where the crack has occurred can be more accurately determined. Can be specified in. Further, the number of straight portions may be three or more.

上記実施形態の場合、カンチレバー１６は、片持ち梁構造である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、両持ち梁構造でもよい。 In the case of the above embodiment, the case where the cantilever 16 has a cantilever structure has been described, but the present invention is not limited to this, and a double-sided beam structure may be used.

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 弾性波計測センサ
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ センサ部
１４、４８、５２ 脚体
１６ カンチレバー
１８ ギャップ
２０ 液体
４４ 膜
４６ 外装部
４９ 環状部
５０、５３、５４ 直線部
５１ ケース
10A, 10B, 10C Elastic wave measurement sensor 12A, 12B, 12C Sensor part 14, 48, 52 Leg body 16 Cantilever 18 Gap 20 Liquid 44 Membrane 46 Exterior part 49 Ring part 50, 53, 54 Straight part 51 Case

Claims (6)

被計測物で生じる弾性波を計測するセンサ部を複数備えた弾性波計測センサであって、
前記センサ部は、
前記被計測物に固定される脚体と、
前記脚体上に形成されたカンチレバーと、
前記カンチレバーと前記脚体の間に形成されたギャップと、
前記カンチレバー及び前記ギャップを覆う液体と
を備え、
前記脚体は、前記被計測物に固定される底面と、前記カンチレバーが形成される上面とを有し、前記底面から前記上面に連通する連通路が形成されており、前記被計測物を伝搬してきた弾性波を前記カンチレバーへ伝達させることを特徴とする弾性波計測センサ。 It is an elastic wave measurement sensor equipped with a plurality of sensor units for measuring elastic waves generated in an object to be measured.
The sensor unit
The legs fixed to the object to be measured and
The cantilever formed on the leg and
The gap formed between the cantilever and the leg body,
With the cantilever and the liquid covering the gap
The leg has a bottom surface fixed to the object to be measured and an upper surface on which the cantilever is formed, and a communication passage communicating from the bottom surface to the upper surface is formed to propagate the object to be measured. An elastic wave measurement sensor characterized by transmitting the generated elastic wave to the cantilever. 前記液体を覆う弾性変形可能な膜が設けられていることを特徴とする請求項１記載の弾性波計測センサ。 The elastic wave measurement sensor according to claim 1, wherein an elastically deformable film covering the liquid is provided. 前記膜を覆う外装部を備えることを特徴とする請求項２記載の弾性波計測センサ。 The elastic wave measurement sensor according to claim 2, further comprising an exterior portion that covers the film. 前記センサ部の表面を覆うケースを備えることを特徴とする請求項２又は３記載の弾性波計測センサ。 The elastic wave measurement sensor according to claim 2 or 3, further comprising a case that covers the surface of the sensor unit. 前記センサ部が、１次元又は２次元に配列されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の弾性波計測センサ。 The elastic wave measurement sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the sensor units are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. センサ部を複数備えた弾性波計測センサであって、
前記センサ部は、
脚体と、
前記脚体上に形成されたカンチレバーと、
前記カンチレバーと前記脚体の間に形成されたギャップと、
前記カンチレバー及び前記ギャップを覆う液体と
を備え、
前記脚体が、環状部と、前記環状部の直径方向に延びる１又は２以上の直線部とを有し、
前記センサ部が、前記直線部に設けられている
ことを特徴とする弾性波計測センサ。 It is an elastic wave measurement sensor equipped with multiple sensor units.
The sensor unit
With the legs
The cantilever formed on the leg and
The gap formed between the cantilever and the leg body,
With the cantilever and the liquid covering the gap
The leg has an annular portion and one or more straight portions extending in the radial direction of the annular portion.
An elastic wave measurement sensor characterized in that the sensor unit is provided on the straight line portion.
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