JPH0493762A - アコースティック・エミッションセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アコースティック・エミッション（Ａｃｏｕ
ｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　）を検出するアコーステ
ィック・エミッションセンサーに関するものである。

〔従来の技術〕

固体が破壊または塑性変形するとき、それまで内部歪み
として蓄えられていたエネルギーを弾性波（音波及び超
音波）として放出するが、この現象をアコースティック
・エミッション（以下、ＡＥと略す）と呼んでおり、上
記弾性波をＡＥ波と呼んでいる。そして、このＡＥ波を
材料に荷重をかけながら観測することにより、その材料
における傷の発生または破壊の発生の前兆を補足する方
法、いわゆるＡＥ法は、「鉄鋼便覧」第３版、第■ｖ巻
第４６８頁に記載されているように、材料の疲労試験や
材料研究に応用されている。

ＡＥ波の検出を行うＡＥセンサーには、超音波受信素子
としての圧電素子が通常使用されているが、特開昭５１
−２０８９０号公報に開示されているように、圧電素子
と被検体との接触部を電気的絶縁材料で構成し、かっ、
圧電素子を２段重ねにすることにより、電気的ノイズに
強く、しかも各圧電素子で検出されるＡＥ倍信号間に位
相差を生じに＜＜シた平衡型ＡＥセンサーが提案されて
いる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、超音波が物体中を伝播するとき、縦波の方が
横波よりも速く伝播する。このため、ＡＥ波中の縦波だ
けを検出すれば、ＡＥ発生源におけるＡＥ発生強度の変
化を忠実に検出できるが、上記従来の構成では、縦波だ
けでなく横波も検出されてしまうという問題点を有する
。

そこで、ＡＥ波中の縦波（縦振動モード）だけを検出で
きるように、角柱状のセラミックス圧電体を高さ方向に
分極して、合成樹脂マトリックス中に配列した合成樹脂
−セラミックス複合圧電素子をＡＥセンサーに用いるこ
とが考えられる。

ところが、上記者えうる構成では、セラミックス圧電素
子が縦振動と横振動の結合振動モードを有するために、
横振動の影響を受け、ＡＥ波を受波する角度（入射角）
により、この影響が重なり、定量的に縦振動のみを検出
することが困難であるという問題点を有している。

また、逆に、セラミックス圧電素子の縦振動モードと横
振動モードとの結合により縦振動が横振動を誘起して、
縦振動自体が減衰しやすく、このために検出感度の低下
を招来するという問題点も有している。

〔課題を解決するための手段〕

請求項第１項の発明に係るアコースティック・エミッシ
ョンセンサーは、上記の課題を解決するために、軸方向
に分極されている複数の円柱状のセラミックス圧電体を
その軸方向が互いにほぼ平行で、かつ、同心円状になる
ように合成樹脂マトリックス中に配列した合成樹脂−セ
ラミックス複合圧電素子が備えられていることを特徴と
している。

請求項第２項の発明に係るアコースティック・エミッシ
ョンセンサーは、上記の課題を解決するために、軸方向
に分極されている複数の円柱状のセラミックス圧電体を
その軸方向が互いにほぼ平行で、かつ、最密充填配置に
なるように合成樹脂マトリックス中に配列した合成樹脂
−セラミックス複合圧電素子が備えられていることを特
徴としている。

〔作　用〕

請求項第１項の構成によれば、軸方向に分極されている
複数の円柱状のセラミックス圧電体をその軸方向が互い
にほぼ平行で、かつ、同心円状になるように合成樹脂マ
トリックス中に配列した合成樹脂−セラミックス複合圧
電素子を備えたので、横振動モードはダンピングされ、
軸方向に伝播して来るＡＥ波中、縦振動モードに対して
のみ、合成樹脂−セラミックス複合圧電素子は両端面に
電位差を生しる。このため、縦振動モードだけが検出さ
れる。また、円柱状のセラミックス圧電体では、径方向
に異方性がないため、ＡＥ波により誘起された軸方向の
振動は、合成樹脂ダンパーにより散逸させられる。この
ため、横振動モードが電圧として生じない。しかも、セ
ラミックス圧電体を同心円状に配列したので、セラミッ
クス圧電体間の異方性もほとんどなくなる。このため、
縦振動が横振動を誘起することによる縦振動モード自体
の減衰が起こりにくくなり、検出感度が向上する。

請求項第２項の構成によれば、軸方向に分極されている
複数の円柱状のセラミックス圧電体をその軸方向が互い
にほぼ平行で、かつ、最密充填配置になるように合成樹
脂マトリックス中に配列した合成樹脂−セラミックス複
合圧電素子を備えたので、横振動モードはダンピングさ
れ、軸方向に伝播して来るＡＥ波中、縦振動モードに対
してのみ、合成樹脂−セラミックス複合圧電素子は両端
面に電位差を生じる。このため、縦振動モードだけが検
出される。また、円柱状のセラミックス圧電体では、径
方向に異方性がないため、ＡＥ波により誘起された軸方
向の振動は、合成樹脂ダンパーにより散逸させられる。

このため、横振動モードが電圧として生じない。しかも
、セラミックス圧電体を最密充填配置になるように配列
したので、セラミックス圧電体間の異方性が少なくなる
。

このため、縦振動が横振動を誘起することによる縦振動
モード自体の減衰が起こりにくくなり、検出感度が向上
する。

〔実施例１〕 本発明の一実施例を第１図乃至第５図に基づいて説明す
れば、以下のとおりである。

本実！　例のアコースティック・エミッションセンサー
（以下、ＡＥセンサーと略す）は、第１図に示すように
、被検体からのＡＥ波を受ける受波板３、受波板３上に
設けられてＡＥ波を電気信号に変換する合成樹脂−セラ
ミックス複合圧電素子７、金属リング８から主に構成さ
れている。

合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７は、第１図の縦
断面図及び第２図の横断面図に示すように、円柱状のセ
ラミックス圧電体１・１・・・をその高さ方向がほぼ平
行で、かつ、同心円状になるように合成樹脂マトリック
ス２中に配列させて、その両端面に電極４・５を設けた
構成になっており、下端の電極５は合成樹脂マ）　ＩＪ
フックスの側面を半分程覆うようになっている。また、
各円柱状のセラミックス圧電体ｌでは、圧電体結晶粒子
の結晶軸を高さ方向（第１図の上下方向）に配向させて
、その方向に分極させた構成になっている。

上記合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７の下端の電
極５には、受波板３が接着剤により固定されている。ま
た、金属リング８が、電極５の側面部と電気的に接続す
るように密着して嵌められている。そして、ＡＥ倍信号
取り出すための一対のり−ドｗＡ６・６は、第４図に示
すように、上記金属リング８と電極４に半田付けされて
いる。

上記の構成において、受波板３を被検体の表面に密着さ
せると、被検体の内部で発生したＡＥ波は被検体中を伝
播して表面に到達し、受波板３と電極５を介して、合成
樹脂−セラミックス複合圧電素子７に伝達され、円柱状
のセラミックス圧電体１をその高さ方向に伸縮する。そ
して、この伸縮により円柱状のセラミックス圧電体１の
両端に電位差を生じ、これがＡＥ倍信号してリード線６
・６から取り出される。

本発明のＡＥセンサーでは、円柱状のセラミックス圧電
体１は高さ方向に結晶軸が配向し、その方向に分極して
いる構成であるので、高さ方向に伸縮された時だけ、そ
の両端に正負の電荷を生しるが、それ以外の方向、例え
ば高さ方向に直交する方向に伸縮されても、その両端に
電荷を生じない。すなわち、被検体の内部から表面に到
達するＡＥ波中、縦振動成分だけが検出されることにな
る。

これにより、時間的空間的に異なるＡＥに起因した縦波
と横波とが、伝播速度が異なるために、同時にＡＥセン
サーに到達したとしても、縦波だけが検出されて、被検
体の内部で発生したＡＥの強度及びその変化を忠実に検
知できる。

ところで、ＡＥ波により合成樹脂−セラミックス複合圧
電素子７の電極４・５間に生じる電位差は、円柱状のセ
ラミックス圧電体１の材質及び形状により決まる固有の
ものである。したがって、予備実験において、強度が分
かっている超音波を受信して、そのときに、電極４・５
間に生じる電位差の関係を求めておけば、この関係を用
いて、計測された電極４・５間の電位差からＡＥ波の強
度を算出できることになる。

また、第２図のように、円柱状のセラミックス圧電体１
が合成樹脂マトリックス２中に同心円状に配列された構
成であるので、セラミックス圧電体１間においても異方
性がほとんどな（なる。このため、縦振動が横振動を誘
起して、縦振動モード自体が減衰してしまうことが起こ
りにくくなり、受信感度が向上する。

円柱状のセラミックス圧電体１の材料として、具体的に
は例えば、チタン酸バリウム焼結体、チタン酸鉛焼結体
、または、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）焼結体等を
使用することがＡＥの検出感度上好ましいが、圧電特性
を有し、高さ方向に分極さえしておれば、いかなるもの
でも使用できる。また、その形状としては、円柱状であ
って、その高さと底面の１辺の長さとの比が、２以上で
あることがＡＥの検出感度上好ましく、この比が、２〜
６の範囲であるとさらに好ましい。また、セラミックス
圧電体１の弾性率は、６０００ｋｇｆ／　ｍ　ｍ　”以
上であることがＡＥの検出感度上好ましい。

合成樹脂マトリックス２に使用される合成樹脂は、円柱
状のセラミックス圧電体１と結合して、一体化し得るも
のであれば、いかなるものでもかまわない。具体的には
例えば、シリコンゴム、ウレタンゴム、ブタジェンゴム
、ニトリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、クロロブ
レンゴム、フッ素ゴム、エチレン−アクリルゴム、ポリ
エステルエラストマー、エピクロルヒドリンゴム、アク
リルゴム、または、塩素化エチレンゴムがあるが、シリ
コンゴム、ウレタンゴム、または、ブタジェンゴムを使
用することが横振動のダンピング上、好ましい。また、
合成樹脂の弾性率は、１〜５０ｋｇｆ／ｍｍ”であり、
音響インピーダンスを整合させることが、ダンピング上
好ましい。

また、合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７において
、柱状のセラミックス圧電体１・１・・・全体の容積と
合成樹脂マトリックス２の容積の比は８／９２〜４０／
６０の範囲であることがＡＥの検出感度上好ましい。

以下、合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７の具体例
として、ウレタンゴム−ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛
）複合圧電素子を挙げ、その製法とこれを用いたＡＥセ
ンサーの性能について説明する。

円柱状のセラミックス圧電体１の材料として、円柱形（
φ１０ｍｍＸ１０ｍｍ）の分極済みＰＺＴ焼結体（本多
電子社製、型番Ｈ（、−５０ＧＳ）を使用し、これを加
工して、φ０，７ｍｍＸ５ｍｍの円柱が合計３２本、厚
さ５　ｍ、ｍのＰＺＴ円板上に同心円状に配列して、直
立したＰＺＴ微細加工物を得た。なお、各同心円は内側
から順に４本１１本、１７本の円柱から構成されている
。以上の加工には、３４５Ｃ（構造用炭素ｆｉｌ）から
なる工具を備えた超音波加工装置（日本電子工業社製）
が使用された。

このようにして得られたＰＺＴ微細加工物をシリコン成
形型にはめ込み、この成形型に合成樹脂マトリックス２
の材料としての電気絶縁用ウレタンゴム（サンニレジン
社製、商品名５Ｕ−２１５３−９、硬度５２、黒色）を
充填し、室温で１日放置した後、乾燥機にて６０゛Ｃ１
５時間の硬化処理を行ってウレタンゴムを硬化させて、
成形型から取り出すことにより、ＰＺＴＨ板上にウレタ
ンゴム−ＰＺＴが形成されたウレタンゴム−ＰＺＴ複合
物を調製した。

次に、上記ウレタンゴム−ＰＺＴ複合物のＰＺＴ円板部
をダイヤモンドブレード（マル）　−社製クリスタルカ
ッター）で切り落として、ウレタンゴムのマトリックス
に、ＰＺＴからなるφ０．７ｍｍＸ４ｍｍの円柱３２本
が、同心円状に配列したウレタンゴム−ＰＺＴ複合圧電
体を調製し、さらに、両端面をサンドペーパーで研磨し
た。

そして、一方の端面部及び他方の端面に近接した側面部
には、銀ペースト（デグザ社製、商品名ＤＥＭＥＴＲＯ
Ｎ　　６２９０−〇２７５）を塗布し、１２０°Ｃ１３
０分の焼付処理を行うことにより、銀電極としての電極
４と、電極５の側面部とが形成された。また、残りの端
面部には、電極５の端面部としての金電極が、側面部の
銀電極と電気的に接続されているように、スパッター法
により形成された。そして、この金電極面には、受波板
３としての厚さ０．２ｍｍのアルミナ薄板（三菱鉱業セ
メント社製、型番ＭＡＢ−Ｌ２０１に１０φ）が接着剤
により接着された。

それから、φ１０１０ｍｍＸ３の銅製の金属リング８を
電極５の側面部と密着してはめ込み、電極４と金属リン
グ８にリード線６（第４図）が半田付けされて、ウレタ
ンゴム−ＰＺＴ複合圧電素子を使用したＡＥセンサーが
得られた。

また、第３図に示すように、ウレタンゴムの合成樹脂マ
トリックス２に、ＰＺＴからなるφ０゜７ｍｍＸ４ｍｍ
の円柱状のセラミックス圧電体１を６２本、同心円状に
配列させたウレタンゴムＰＺＴＩ合圧電素子を用いたＡ
Ｅセンサーも、上記と同一の方法により作製した。なお
、この場合、各同心円は内側から順に１本、６本、１２
本、１８本、２５本の円柱から構成されている。

これらのＡＥセンサーの圧電特性を調べるために、圧電
定数を測定した。また、比較のために、ウレタンゴムの
合成樹脂マトリックス２に、ＰＺＴからなるφ０．７ｍ
ｍＸ４ｍｍの円柱状のセラミックス圧電体１を３２本、
第５図に示すように、基盤の目状に配列させたウレタン
ゴム−ＰＺＴ複合圧電素子を用いたＡＥセンサーも、上
記と同一の方法により作製し、これの圧電定数も測定し
た。測定には、インピーダンスメーター（横河ヒューレ
ント・パンカード社製、型番４１９４Ａ）を用いて、共
振特性を計測し、これから圧電定数を求めた。

また、ＡＥセンサーの応答性を確認するため、φ０．５
ｍｍのペンシル替芯（硬度Ｈ）を圧電して擬似ＡＥ波を
発生させ、これを上記ＡＥセンサーで受信して、その立
ち上がり時間及び検出感度を測定した。また、比較のた
めに、上記比較用ＡＥセンサーにおける擬似ＡＥ波の立
ち上がり時間も測定した。この測定には、伝達媒体とし
て４００　ｍｍ、Ｘ　４００　ｍｍＸ　６０　ｍｍ（Ｆ
）フルミニラム板を用い、これを介して、擬似ＡＥ波を
ＡＥセンサーで検出した。また、ＡＥ倍信号検出・記録
には、デジタルストレージオシロスコープ（ヒユーレッ
ト・パンカード社製、型番ＨＰ−５４２０１Ｄ／ブー５
４２０１Ｄｉｔ／２００ＭＨｚ）を使用第１表 し、ＡＥセンサーとの接続には、長さ１ｍの同軸ケーブ
ル（５Ｄ２Ｖ相当）を使用した。

その結果、第１表に示すように、円柱状のＰｚＴ焼結体
からなるセラミックス圧電体１を同心円状に配列したウ
レタンゴム−ＰＺＴ複合圧電素子を使用したＡＥセンサ
ーでは、基盤の目状に配列したセラミックス圧電体１を
使用したものと比較して、圧電定数ｇ３ｘの低下が見ら
れるものの、検出感度が２倍以上に向上し、立ち上がり
時間も少し短くなっている。

検出感度の向上については、上述したように、セラミッ
クス圧電体１を同心円状に配列したことによるものであ
り、セラミックス圧電体１間の異方性がほとんどなくな
るためと考えられる。

なお、本実施例の２つのＡＥセンサーにおいて、セラミ
ックス圧電体１の本数を３２本から６２本に増やしても
検出感度はほとんど変わっていないが、このことからも
、検出感度の向上は、セラミックス圧電体１の本数増加
に依るものではなく、同心円状の配置に依るものである
ことが理解される。

〔実施例２〕 本発明の他の実施例を第６図及び第７図に基づいて説明
すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前
記の実施例の図面に示した部材と同一の機能を有する部
材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。

本実施例のＡＥセンサーは、合成樹脂−セラミンクス複
合圧電素子７を除いて、前記実施例と同一である。

合成樹脂−セラミ、クス複合圧電素子７は、第６図の横
断面図に示すように、円柱状のセラミックス圧電体１・
１・・・をその高さ方向がほぼ平行で、かつ、最密充填
配置になるように合成樹脂マトリックス２中に配列させ
た構成になっており、各円柱状のセラミックス圧電体１
では、圧電体結晶粒子の結晶軸を高さ方向（第１図の上
下方向）に配向させて、その方向に分極させた構成にな
っている。

上記の構成において、セラミックス圧電体１を最密充填
配置になるように配列させたので、最外周を除いて１つ
のセラミックス圧電体ｌの周りには、６つの最近接セラ
ミックス圧電体１・・・が存在することになり、これら
は正六角形を形成する。

このため、１つのセラミ・ンクス圧電体１の軸（高さ方
向）の周りに６０度づつ回転すれば、径方向に同じ性質
が現れ、基盤の目状に配置した場合よりも径方向の異方
性が増大している。

以下、上記合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７の具
体例として、前記実施例と同様にウレタンゴム−ＰＺＴ
（チタン酸ジルコン酸鉛）複合圧電素子を挙げ、これを
用いたＡＥセンサーの性能について説明する。

本実施例においても、２種類のＡＥセンサーを作製した
。一方は、ウレタンゴムのマトリックスに、ＰＺＴから
なるφ０．９ｍｍＸ４ｍｍの円柱３５本が、最密充填配
置になるように配列したウレタンゴム−ＰＺＴ複合圧電
素子を用いており（第６図）、もう一方は、ウレタンゴ
ムのマトリックスに、ＰＺＴからなるφ０．７ｍｍＸ４
ｍｍの円柱６１本が、最密充填配置になるように配列し
たウレタンゴム−ＰＺＴ複合圧電素子を用いている（第
７図）。

第２表 製造方法については、前記実施例と同一である。また、
測定機器についても、前記実施例と同一である。ただし
、今回は機械的品質係数Ｑイも測定した。また、比較用
のＡＥセンサーも前記実施例と同一である。

測定の結果、第２表に示すように、円柱状のセラミック
ス圧電体１を最密充填配置に配列したウレタンゴム−Ｐ
ＺＴ複合圧電素子を使用したＡＥセンサーでは、基盤の
目状に配列したセラミ、クス圧電体１を使用したものと
比較して、圧電定数ｇｓｚ、機械的品質係数ＱＭ、立ち
上がり時間はあまり変わらないが、検出感度だけは明ら
かに増大している。これは、基盤の目状の配置に比較し
てセラミ・ノクス圧電体間の異方性が少なくなるため、
縦振動が横振動を誘起することにより縦振動モード自体
が減衰してしまうことが起こりにくくなり、検出感度が
向上するものと考えられる。

なお、本実施例の２つのＡＥセンサーにおいて、セラミ
ックス圧電体１の本数を３５本から６１本に増やすと、
検出感度が増大しているが、これは前記実施例と同様、
本数増加に依るものではなく、むしろ、最密充填配置↓
こ依るものと考えられる。

すなわち、セラミ、クス圧電体Ｉの本数が増えるほど、
すべてのセラミックス圧電体１故に対する最外周のセラ
ミックス圧電体１・・・の割合が減少するため、セラミ
ックス圧電体間の異方性がより小さくなり、検出感度が
向上する。

なお、以上の実施例のＡＥセンサーは、ＡＥ波の検出だ
けでなく、気体・液体・固体中を伝播するすべての弾性
波の検出に利用できる。また、逆に、外部から交流電圧
を印加することにより、弾性波を発生させることもでき
る。

〔発明の効果〕

請求項第１項の発明に係るアコースティック・エミッシ
ョンセンサーは、以上のように、軸方向に分極されてい
る複数の円柱状のセラミックス圧電体をその軸方向が互
いにほぼ平行で、がっ、同心円状になるように合成樹脂
マトリックス中に配列した合成樹脂−セラミ・ンクス複
合圧電素子が備えられているので、横振動モードはダン
ピングされ、軸方向に伝播して来るＡＥ波中、縦振動モ
ードに対してのみ、合成樹脂−セラミックス複合圧電素
子は両端面に電位差を生じる。このため、縦振動モード
だけが検出される。また、円柱状のセラミックス圧電体
では、径方向に異方性がないため、ＡＥ波により誘起さ
れた軸方向の振動は、合成樹脂ダンパーにより散逸させ
られる。このため、横振動モードが電圧として生じない
。しかも、セラミックス圧電体を同心円状に配列したの
で、セラミックス圧電体間の異方性もほとんどなくなる
。このため、縦振動が横振動を誘起することによる縦振
動モード自体の減衰が起こりにくくなり、検出感度が向
上するという効果を奏する。

請求項第２項の発明に係るアコースティック・エミッシ
ョンセンサーは、以上のように、軸方向に分極されてい
る複数の円柱状のセラミックス圧電体をその軸方向が互
いにほぼ平行で、かつ、最密充填配置になるように合成
樹脂マトリックス中に配列した合成樹脂−セラミックス
複合圧電素子が備えられているので、横振動モードはダ
ンピングされ、軸方向に伝播して来るＡＥ波中、縦振動
モードに対してのみ、合成樹脂−セラミックス複合圧電
素子は両端面に電位差を生しる。このため、縦振動モー
ドだけが検出される。また、円柱状のセラミックス圧電
体では、径方向に異方性がないため、ＡＥ波により誘起
された軸方向の振動は、合成樹脂ダンパーにより散逸さ
せられる。このため、横振動モードが電圧として生しな
い。しかも、セラミックス圧電体を最密充填配置になる
ように配列したので、基盤の目状の配置に比較して、セ
ラミックス圧電体間の異方性が少なくなる。

このため、縦振動が横振動を誘起することによる縦振動
モード自体の減衰が起こりにくくなり、検出感度が向上
するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の一実施例を示すものである
。 第１図は、アコ−ステインク・エミッションセンサーの
継断面図である。 第２図及び第３図は、セラミックス圧電体を同心円状に
配列した合成樹脂−セラミックス複合圧電素子の横断面
図である。 第４図は、アコースティック・エミッションセンサーの
正面図である。 第５図は、セラミックス圧電体を基盤の目状に配列した
合成樹脂−セラミックス複合圧電素子の横断面図である
。 第６図及び第７図は本発明の他の実施例を示すものであ
り、セラミックス圧電体を最密充填配置になるように配
列した合成樹脂−セラミックス複合圧電素子の横断面図
である。 １はセラミックス圧電体、２は合成樹脂マトリックス、
３は受波板、４・５は電極、６はリード線、７は合成樹
脂−セラミックス複合圧電素子、８は金属リングである
。 第　１　囚 特許出願人　　　積木化成品工業　株式会社代理人　弁
理士　　　　原　　　　謙 第 図 第 国 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸方向に分極されている複数の円柱状のセラミック
   ス圧電体をその軸方向が互いにほぼ平行で、かつ、同心
   円状になるように合成樹脂マトリックス中に配列した合
   成樹脂−セラミックス複合圧電素子が備えられているこ
   とを特徴とするアコースティック・エミッションセンサ
   ー。 ２、軸方向に分極されている複数の円柱状のセラミック
   ス圧電体をその軸方向が互いにほぼ平行で、かつ、最密
   充填配置になるように合成樹脂マトリックス中に配列し
   た合成樹脂−セラミックス複合圧電素子が備えられてい
   ることを特徴とするアコースティック・エミッションセ
   ンサー。