WO2022118965A1 - センサ装置及びセンサ装置を生産する方法 - Google Patents

センサ装置及びセンサ装置を生産する方法 Download PDF

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WO2022118965A1
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unit
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wiring
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牧子 小林
啓 中妻
将之 田邉
喬資 堤
雄也 田中
Original Assignee
国立大学法人熊本大学
株式会社Cast
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device and a method for producing a sensor device, and relates to a sensor device or the like that connects a sensor unit and a wiring unit.
  • the inventors have proposed a sol-gel complex piezoelectric sensor (see Patent Document 1 and the like).
  • Patent Document 2 discloses a structure including wiring of a sol-gel composite piezoelectric sensor.
  • Patent Document 1 does not clarify the structure including wiring and the like.
  • an object of the present invention is to provide a sensor device or the like suitable for wiring of a flexible sol-gel composite piezoelectric sensor.
  • the first aspect of the present invention is a sensor device for connecting a sensor unit and a wiring unit, wherein the sensor unit is a solgel composite piezoelectric sensor, which is formed on the piezoelectric film layer and the piezoelectric film layer.
  • the electrode layer is provided with a protective layer, the protective layer is covered except for a part of the electrode layer, the portion of the electrode layer not covered by the protective layer is flat, and the wiring portion is formed.
  • An exterior portion including a signal line, the signal line having a crimping tip having a flat portion at the tip, and covering a portion of the electrode layer not covered by the protective layer and a portion not covered by the signal line.
  • the exterior portion includes a pressure portion for pressing a flat portion of the crimping tip against a portion of the electrode layer not covered by the protective layer for crimping.
  • the second aspect of the present invention is a sensor device on the first aspect, wherein the sensor portion includes a base material layer, the piezoelectric film layer is formed on the base material layer, and the protective layer is formed. Covers except for a part of the base material layer, the wiring portion includes a ground wire, and the ground wire is electrically bonded to a portion of the base material layer not covered by the protective layer. ..
  • the third aspect of the present invention is a sensor device on the first or second side surface, wherein one end of the wiring portion is electrically connected to the sensor portion and the other end is electrically connected to the extension wiring portion.
  • the heat-resistant temperature of the sensor unit, the wiring unit, and the pressurizing unit is higher than the heat-resistant temperature of the extension wiring unit.
  • the fourth aspect of the present invention is a sensor device on any one of the first to third aspects, which includes at least an attachment portion that covers the sensor portion, and the attachment portion includes an attachment portion for attaching to an object. Be prepared.
  • the fifth aspect of the present invention is the sensor device of the fourth aspect, and the attachment portion guarantees the transmission of ultrasonic waves between the object and the sensor portion in the attachment portion, and the attachment portion.
  • An adjusting unit for adjusting between the sensor unit and the sensor unit is provided, and the adjusting unit includes a blocking unit that blocks reflected waves generated by the adjusting unit.
  • the sixth aspect of the present invention is a method of producing a sensor device for connecting a sensor unit and a wiring unit, wherein the sensor unit is a solgel composite piezoelectric sensor, and the piezoelectric film layer and the piezoelectric film layer.
  • the electrode layer formed on the electrode layer and the protective layer are provided, the protective layer is covered except for a part of the electrode layer, and the portion of the electrode layer not covered by the protective layer is flat and said.
  • the wiring portion includes a signal line, and the signal line has a crimping tip having a flat portion at the tip thereof, and the portion of the electrode layer not covered with the protective layer by the exterior portion included in the sensor device and the portion.
  • the flat portion of the crimping tip is pressed against the portion of the electrode layer not covered by the protective layer by the exterior step covering the uncovered portion of the signal line and the pressurizing portion provided in the exterior portion. Includes pressure step.
  • the seventh aspect of the present invention is the method of the sixth aspect, wherein the sensor portion includes a base material layer, the piezoelectric film layer is formed on the base material layer, and the protective layer is formed.
  • the wiring portion includes a ground wire, and the ground wire is electrically bonded to a portion of the base material layer that is not covered by the protective layer.
  • the eighth aspect of the present invention is the method of the sixth or seventh aspect, in which one end of the wiring portion is electrically connected to the sensor portion and the other end is electrically connected to the extension wiring portion.
  • the heat-resistant temperature of the sensor unit, the wiring unit, and the pressurizing unit is higher than the heat-resistant temperature of the extension wiring unit.
  • a ninth aspect of the present invention is the method of any of the sixth to eighth aspects, comprising at least an attachment portion covering the sensor portion, the attachment portion comprising an attachment portion for attaching to an object. ..
  • the tenth aspect of the present invention is the method of the ninth aspect, wherein the attachment part guarantees the transmission of ultrasonic waves between the object and the sensor part in the attachment part, and the attachment part and the attachment part.
  • the adjustment unit includes an adjustment unit that adjusts between the sensor unit and the sensor unit, and the adjustment unit includes a blocking unit that blocks the reflected wave generated by the adjustment unit.
  • the senor portion in the sensor portion, a certain distance can be provided between the sensitive portion and the wiring joint portion, and the flexibility can be maintained. Further, the exterior portion and the pressure portion can be used to achieve both heat resistance and mechanical strength.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a process of actually creating a sensor device.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a process of actually creating a sensor device.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a process of actually creating a sensor device.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a process of actually creating a sensor device. It is a figure which shows the measurement result by a prototype. It is a figure which shows an example of the piping monitoring system which monitors a piping by using the sensor device of FIG. FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a specific configuration of the attachment unit 53.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a specific configuration of the attachment unit 53. The state where the attachment part and the sensor device are attached to the pipe is shown.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a pipe thinning monitoring experiment conducted by the inventors.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a pipe thinning monitoring experiment conducted by the inventors.
  • FIG. 1 is a diagram showing the appearance of the sensor device 1 of the present invention.
  • the sensor device 1 has a structure in which wiring is attached to the sol-gel composite piezoelectric device, and the sol-gel composite piezoelectric device is used for, for example, a tube thickness sensor (ultrasonic probe), a pipe, that is, a sensor, a pressure-sensitive / vibration sensor, and the like. Therefore, it can be used as a sensor with heat resistance up to 600 ° C and flexibility with a radius of curvature of about 10 mm.
  • a tube thickness sensor ultrasonic probe
  • a pipe that is, a sensor, a pressure-sensitive / vibration sensor, and the like. Therefore, it can be used as a sensor with heat resistance up to 600 ° C and flexibility with a radius of curvature of about 10 mm.
  • the sol-gel composite piezoelectric sensor is a piezoelectric ceramic device with flexibility and heat resistance (heat impact).
  • the Zolgel composite piezoelectric sensor can be used, for example, for pipe thickness monitoring, pipe clogging detection, pressure / vibration monitoring, and monitoring of breakage occurring in a structure as an AE (Acoustic Emission) sensor.
  • the inventors have been demonstrating the features of the sol-gel composite piezoelectric sensor such as heat resistance and flexibility, and developing the manufacturing process.
  • the sol-gel composite piezoelectric sensor is expected to be applied to, for example, edge sensors required for IoT in factories, particularly in high temperature areas and narrow places where it is difficult to apply conventional sensors. In commercializing the sensor, it is necessary to attach wiring etc. without impairing the heat resistance and to have practical durability.
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) are views of the sensor device 1 as viewed from the side and top, respectively.
  • FIG. 1 (c) is a perspective view of the sensor device 1.
  • the sensor unit 3 With reference to FIG. 1, the sensor unit 3, the wiring unit 5, the upper / exterior unit 7, the lower exterior unit 9, the pressurizing unit 11 , the fixing units 13 1 and 132, and the wiring connector unit 15 are provided. ..
  • the sensor unit 3 is, for example, a sol-gel composite piezoelectric device (see Patent Document 1 and the like).
  • the wiring unit 5 is heat-resistant wiring.
  • it is a wire rod having heat resistance such as an MI cable. Since the distance from the sensor unit 3 to the place where the normal temperature wiring can be used differs depending on the usage environment of the sensor device 1, the high temperature portion is wired by the heat resistant wiring.
  • the upper exterior portion 7 and the lower exterior portion 9 cover the portion where the sensor portion 3 and the wiring portion 5 are joined by sandwiching them from above and below, respectively.
  • the fixing portions 13 1 and 132 fix the upper exterior portion 7 and the lower exterior portion 9.
  • the upper exterior portion 7 and the lower exterior portion 9 are connectors that improve the strength of the joint, and the sensor portion 3 and the wiring portion 5 are fixed by a method (crimping, welding, etc.) in which the mechanical strength is guaranteed.
  • the pressurizing portion 11 pressurizes and crimps the wiring portion 5 to the portion to be attached to the sensor portion 3.
  • the sensor unit 3, the wiring unit 5, the upper / exterior unit 7, the lower exterior unit 9, the pressurizing unit 11, and the fixing units 13 1 and 132 2 are used at a high temperature (for example, a temperature of room temperature or higher and 600 ° C. or lower). ..
  • the wiring connector portion 15 is a connector for handling the wiring extension of the normal temperature portion with the wiring for normal temperature.
  • the extension wiring part is connected.
  • the high temperature portion is wired with heat-resistant wiring, and the wiring extension of the normal temperature portion is handled by the normal temperature wiring. This is because, in general, wiring for normal temperature is more advantageous for signal transmission in terms of cable performance such as noise resistance, flexibility, and distance attenuation during electrical signal propagation.
  • the wiring connector portion 15 is a connector portion (joint portion) for connecting the high temperature wiring and the normal temperature wiring. The wiring may be directly soldered or crimped to each other without using the wiring connector portion 15.
  • FIG. 2 is a diagram for specifically explaining each configuration of (a) the sensor unit 3 and (b) the joint portion. Although the same reference numerals are given to the corresponding configurations in FIG. 1, the thickness and the like are changed in order to specifically explain each configuration.
  • the sensor unit 3 includes a base material layer 21, a piezoelectric film layer 23, an electrode layer 25, and a protective layer 27.
  • the sensor unit 3 includes a piezoelectric film which is the core of the solgel composite piezoelectric sensor, and acquires physical signals used for ultrasonic transmission / reception, pressure sensitive sensor, vibration sensor, AE sensor, and the like.
  • the base material layer 21 is selected from materials having conductivity and heat resistance that can withstand firing and use at 600 ° C or higher. For example, stainless steel.
  • the piezoelectric film layer 23 is a porous piezoelectric ceramic film formed on the base material layer 21.
  • This is a sol-gel mixture of, for example, a ceramic powder such as lead zirconate titanate (PZT), bismuth titanate (BiT), lithium niobate, and a sol-gel solution that is a precursor such as PZT, BiT, and titanic acid. It can be manufactured by coating and sintering by a spray method or the like.
  • the electrode layer 25 is a pattern of a conductive material formed on the piezoelectric film layer 23.
  • a pattern of a conductive material such as silver, aluminum, titanium, or platinum can be formed by screen printing, vapor deposition, sputtering, or other printing methods.
  • the protective layer 27 is a layer for protecting the surfaces of the piezoelectric film layer 23 and the electrode layer 25.
  • it can be produced by applying silicone, rubber, ceramic or the like.
  • the protective layer 27 basically covers the entire sensor unit 3, but the protective layer 27 is not formed on a part of the electrode layer 25 and the base material layer 21 in order to connect the signal line and the ground line.
  • the ground wire mounting portion 31 is a place where the ground wire is mounted, and is present in a portion of the base material layer 21 where the protective layer 27 does not exist.
  • the signal line mounting portion 29 is a place where the signal line is mounted, and is a portion where the protective layer 27 does not cover the electrode layer 25 and the electrode layer 25 is exposed to the outside.
  • the upper / outer exterior portion 7 and the lower exterior portion 9 cover the portion where the sensor portion 3 and the wiring portion 5 are joined by sandwiching them from above and below.
  • the sensor unit 3 has a shape like a rice scoop.
  • the ground wire mounting portion 31 and the signal line mounting portion 29 are formed on the handle of the rice scoop.
  • the spatula-shaped portion is covered with the protective layer 27.
  • the upper exterior portion 7 and the lower exterior portion 9 cover at least the ground line mounting portion 31 and the signal line mounting portion 29.
  • the portion of the sensor portion 3 that is not covered by the upper exterior portion 7 and the lower exterior portion 9 is covered with the protective layer 27.
  • the upper exterior portion 7 and the lower exterior portion 9 cover at least the uncovered signal line and ground line in the wiring portion 5.
  • the portion of the wiring portion 5 that is not covered by the upper exterior portion 7 and the lower exterior portion 9 is covered.
  • the wiring unit 5 has a ground line and a signal line.
  • the ground wire is electrically joined to the ground wire mounting portion 31 of the base material layer 21.
  • the sensor device 1 uses the base material layer 21 as an electrode to join the ground wire.
  • the base material layer 21 is a conductive material (stainless steel or the like).
  • the ground wire is electrically connected to the base material layer 21 by welding, crimping, eyelets, soldering, or the like.
  • a conductive crimping tip 33 is attached to the tip of the signal line by welding, soldering, or the like. Since the electrode layer 25 is flat, it can be crimped by pressing it against the electrode layer 25 with a pressure device using the crimping tip 33 having a flat portion. The crimping tip 33 is smaller than the exposed portion of the signal line mounting portion 29 where the electrode layer 25 is exposed. With the crimping tip 33 present in the signal line mounting portion 29, the pressurizing portion 11 crimps the crimping tip 33 to the electrode layer 25 via the insulating layer 35.
  • the pressurizing unit 11 can be realized by a pressurizing device such as a screw in consideration of heat resistance, mechanical strength (stability), mounting workability, and the like. If the pressure device, the lower exterior part that holds the pressure device, the upper exterior part, etc. are made of a conductive material such as stainless steel, an insulating layer is provided using a mica plate, a ceramic plate, etc. for insulation. ..
  • the upper exterior portion 7, the lower exterior portion 9, the pressurizing portion 11, and the fixing portions 13 1 and 132 provide heat resistance to the sensor portion 3 which is an electrode portion.
  • the wiring portion 5 to be provided can be stably joined without impairing heat resistance and workability.
  • electrical bonding welding or crimping
  • electrical bonding by crimping the signal transmission line of heat-resistant wiring and the sensor unit is realized. ..
  • a crimping tip is attached to the tip of the signal transmission line of the heat-resistant wiring. Therefore, it has a structure that is not destroyed by mechanical external forces such as tension and vibration.
  • the sensor unit 3 outputs the transmission / reception and pressure of the sensitive ultrasonic vibration to the outside by the signal line attached to the signal line attachment unit 29. Since it is necessary to attach a signal line, a certain height and dimensions are required between the upper exterior portion 7 and the lower exterior portion 9, but in practice, there is an obstacle when attaching the sensitive portion to the object to be measured. It does not become. A certain distance can be provided between the sensor-sensitive portion and the wiring joint portion, and the sol-gel composite piezoelectric sensor can be configured so as not to impair the features of flexibility and thinness.
  • the sensor unit 3 the wiring unit 5, the upper / exterior unit 7, the lower / exterior unit 9, the pressurizing unit 11 , and the fixing portions 13 1 and 132 All elements are composed of heat resistant materials and each configuration can be integrated.
  • FIGS. 3, 4, 5 and 6 show an example of the process of actually creating the sensor device.
  • FIG. 3A shows an MI cable which is a wiring portion.
  • it is a 2-core MI cable having a stainless steel coating and using ceramic powder as an insulating layer.
  • One of the two core wires is used as a signal line to be in charge of transmitting the electric signal output from the piezoelectric sensor by ultrasonic waves, pressure, etc., and the other is used as a ground wire for connection to the ground of a circuit or the like. ing.
  • the stainless steel coating is also connected to the ground.
  • FIG. 3B shows a state in which the core wire of the ground is welded to the outer tube of the MI cable.
  • FIG. 3C shows a state in which a SUS sheet is welded as a crimping tip to the core wire of the signal wire on the high voltage side of the MI cable.
  • FIG. 3D shows a state in which the base material portion of the sensor portion and the outer tube of the MI cable are welded together.
  • FIGS. 4 (a) and 4 (b) show a state in which the upper exterior portion and the lower exterior portion are attached by rivets with the sensor portion and the MI cable sandwiched between them.
  • FIGS. 5A and 5B show a state in which the insulating sheet is arranged in the space between the upper / outer part and the sensor part.
  • FIG. 5C shows a state in which the core wire (crimping tip) is pressed with an M2 set screw to bring it into contact with the electrode layer, and a double nut is used to prevent loosening.
  • FIG. 6A shows a state in which the MI cable is attached to the coaxial cable connector.
  • the part marked with a circle in FIG. 6B is fixed with an acrylic adhesive.
  • FIG. 6 (c) an experiment can be performed using this prototype.
  • FIG. 7 shows the measurement results of the prototype.
  • an ultrasonic flaw detection test piece having a thickness of 5 mm was measured.
  • the ultrasonic pulse echo waveform can be obtained well, and it can be confirmed that the wiring connection structure by the sensor device is effective.
  • FIG. 8 shows an example of a piping monitoring system that monitors piping using the sensor device of FIG.
  • the pipe 51 is an example of an object to be inspected by the sensor device.
  • the pipe 51 is, for example, a 125A steel pipe.
  • a plurality of sensor devices are attached to the outer surface of the pipe 51.
  • the attachment portion 53 covers the sensor portion of the sensor device and the like.
  • a plurality of sensor devices are attached to the outer surface of the pipe 51 by tightening and attaching the belt portion 55 penetrating the attachment portion 53 on the outer surface of the pipe 51.
  • FIGS. 9 and 10 are diagrams showing an example of a specific configuration of the attachment unit 53.
  • the attachment portion 53 is attached to the sensor device so as to cover the sensor portion 63 and the exterior portion 65 (combining the upper exterior portion and the lower exterior portion).
  • the sensor unit 63 is the same as the sensor unit 3 in FIG.
  • the exterior portion 65 is the same as the one in which the upper exterior portion 7 and the lower exterior portion 9 of FIG. 1 are combined.
  • the attachment portion 53 includes screw holes 69 1 and 69 2 .
  • the attachment portion 53 and the exterior portion 65 can be fixed by using the screw holes 69 1 and 69 2 and the screw holes for fixing the upper exterior portion and the lower exterior portion in the exterior portion 65 with two screws. can. It is possible to realize an integrated design of the sensor and the sensor joint.
  • the attachment portion 53 includes a first mounting portion 59 and a second mounting portion 61.
  • a belt penetrates the first mounting portion 59 and the second mounting portion 61, respectively, and by tightening the belt, the sensor device can be attached to an object to be inspected.
  • the belt is, for example, an all-stainless hose clamp. In this example, it can be attached by a combination of two belts.
  • the attachment unit 53 includes an adjustment unit 57.
  • the adjusting unit 57 guarantees the transmission of ultrasonic waves between the object and the sensor unit 63 in the attachment unit 53, and adjusts between the attachment unit 53 and the sensor unit 63.
  • the attachment portion 53 is, for example, a hose clamp attachment and includes an aluminum block or the like.
  • the adjusting unit 57 compresses the sensor unit with, for example, a rubber plate (for example, a columnar).
  • the adjusting unit 57 includes a blocking unit that blocks the reflected wave generated by the adjusting unit 57.
  • the blocking portion is, for example, an insulating sheet (a substance capable of blocking ultrasonic waves), which is sandwiched between Loctite and the rubber plate to prevent detection of reflected waves of the rubber plate.
  • FIG. 11 shows a state in which the attachment unit and the sensor device are attached to the pipe.
  • FIGS. 12 and 13 are diagrams for explaining an experiment conducted by the inventors to monitor the wall thinning of the pipe.
  • FIG. 12 shows a state in which (a) an ultrasonic processing device used in an experiment and (b) a sensor device are attached to a pipe using an attachment unit.
  • the signal line of the sensor device of FIG. 12 (b) is joined to the ultrasonic processing device of FIG. 12 (a) to generate an ultrasonic wave, and the sensor device detects the reflected wave in the pipe and measures the thickness. By doing so, it is possible to monitor the thinning of the pipe.
  • the measurement target is 125A (5inch) SUS piping.
  • the data names 20210208_134115, 20210208_134336 and 20210208_134552 are for rubber strengths of 20, 30 and 40, respectively, and the data names 20210208_140724 are for fixing with a self-bonding tape and a hose band.
  • Data numbers 1 to 4 correspond to the data names 20210208_134115, 20210208_134336, 20210208_134552 and 20210208_140724, respectively.
  • FIG. 13A shows the amplitude (vertical axis, volt) of the detected voltage with respect to the passage of time (horizontal axis, microseconds).
  • FIG. 13 (b) is an enlarged view of FIG. 13 (a) in the vicinity of 2.8 to 3.6 microseconds.
  • FIG. 13C is an amplitude (vertical axis, volt) with respect to frequency (horizontal axis, MHz).
  • FIG. 13 (d) is the maximum frequency (Hz) (vertical axis) for each data number (horizontal axis).
  • Data number 1 had a maximum frequency of 5.63 Hz and a maximum amplitude of 0.37 V.
  • Data number 2 had a maximum frequency of 5.45 Hz and a maximum amplitude of 0.33 V.
  • Data number 3 had a maximum frequency of 5.72 Hz and a maximum amplitude of 0.47 V.
  • the data number 4 had a maximum frequency of 3.81 Hz and a maximum amplitude of 0.17 V.
  • Ultrasound can be detected with any data number. Compared with the case of fixing with a self-bonding tape and a hose band, by fixing using a rubber plate, more accurate detection is possible. Therefore, it can be expected that the accuracy will be improved by using an elastic body such as a rubber plate as the adjusting unit 57.

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Abstract

フレキシブル性のあるゾルゲル複合体圧電センサの配線に適したセンサ装置等を提供する。センサ装置1は、センサ部3と配線部5を接続する。センサ部3は、ゾルゲル複合体圧電センサである。基材層と、基材層の上に形成される圧電膜層と、前記圧電膜層の上に形成される電極層と、保護層を備える。保護層は、基材層と電極層の一部を除き被覆する。配線部5は、信号線とグラウンド線を含む。信号線の先端には、圧着チップが存在する。上外装部7及び下外装部9は、センサ部3と配線部5のうち、少なくとも被覆されていない部分を覆う。加圧部11は、圧着チップを、前記電極層において前記保護層が被覆しない部分に押し付けて圧着する。センサ装置は、例えば、センサ部などを覆うアタッチメントを利用して検査対象に取り付けることができる。

Description

センサ装置及びセンサ装置を生産する方法
 本発明は、センサ装置及びセンサ装置を生産する方法であって、センサ部と配線部を接続するセンサ装置等に関する。
 発明者らは、ゾルゲル複合体圧電センサを提案してきた(特許文献1など参照)。
 特許文献2には、ゾルゲル複合体圧電センサの配線等を含む構造が開示されている。
特開2020-068364号公報 特許第6432097号公報
 しかしながら、特許文献2記載の配線接合によれば、機械的強度などの安定性・耐久性を担保しようとすると、ゾルゲル複合体圧電センサのフレキシブル性を損なうこととなる可能性が想定される。
 なお、特許文献1では、配線等を含む構造を明らかにしていない。
 そこで、本願発明は、フレキシブル性のあるゾルゲル複合体圧電センサの配線に適したセンサ装置等を提供することを目的とする。
 本願発明の第1の側面は、センサ部と配線部を接続するセンサ装置であって、前記センサ部は、ゾルゲル複合体圧電センサであって、圧電膜層と、前記圧電膜層の上に形成される電極層と、保護層を備え、前記保護層は、前記電極層の一部を除いて被覆し、前記電極層において前記保護層が被覆しない部分は、平坦であり、前記配線部は、信号線を含み、前記信号線は、先端に、平坦部分を有する圧着チップを有し、前記電極層において前記保護層により被覆されていない部分及び前記信号線において被覆されていない部分を覆う外装部を備え、前記外装部は、前記圧着チップの平坦部分を、前記電極層において前記保護層が被覆しない部分に押し付けて圧着する加圧部を備える。
 本願発明の第2の側面は、第1の側面のセンサ装置であって、前記センサ部は、基材層を備え、前記圧電膜層は、前記基材層の上に形成され、前記保護層は、前記基材層の一部を除いて被覆し、前記配線部は、グラウンド線を含み、前記グラウンド線は、前記基材層において前記保護層が被覆していない部分に電気的に接合する。
 本願発明の第3の側面は、第1又は第2の側面のセンサ装置であって、前記配線部は、一方端が前記センサ部に電気的に接続し、他方端は、延長配線部に電気的に接続し、前記センサ部、前記配線部及び前記加圧部の耐熱温度は、前記延長配線部の耐熱温度よりも高い。
 本願発明の第4の側面は、第1から第3のいずれかの側面のセンサ装置であって、少なくとも前記センサ部を覆うアタッチメント部を備え、アタッチメント部は、対象物に取り付けるための取付部を備える。
 本願発明の第5の側面は、第4の側面のセンサ装置であって、前記アタッチメント部は、当該アタッチメント部において前記対象物と前記センサ部の間の超音波の伝達を保証し、前記アタッチメント部と前記センサ部との間を調整する調整部を備え、前記調整部は、当該調整部で生じる反射波を遮断する遮断部を備える。
 本願発明の第6の側面は、センサ部と配線部を接続するセンサ装置を生産する方法であって、前記センサ部は、ゾルゲル複合体圧電センサであって、圧電膜層と、前記圧電膜層の上に形成される電極層と、保護層を備え、前記保護層は、前記電極層の一部を除いて被覆し、前記電極層において前記保護層が被覆しない部分は、平坦であり、前記配線部は、信号線を含み、前記信号線は、先端に、平坦部分を有する圧着チップを有し、前記センサ装置が備える外装部により、前記電極層において前記保護層により被覆されていない部分及び前記信号線において被覆されていない部分を覆う外装ステップと、前記外装部が備える加圧部により、前記圧着チップの平坦部分を、前記電極層において前記保護層が被覆しない部分に押し付けて圧着する加圧ステップを含む。
 本願発明の第7の側面は、第6の側面の方法であって、前記センサ部は、基材層を備え、前記圧電膜層は、前記基材層の上に形成され、前記保護層は、前記基材層の一部を除いて被覆し、前記配線部は、グラウンド線を含み、前記グラウンド線は、前記基材層において前記保護層が被覆していない部分に電気的に接合する。
 本願発明の第8の側面は、第6又は第7の側面の方法であって、前記配線部は、一方端が前記センサ部に電気的に接続し、他方端は、延長配線部に電気的に接続し、前記センサ部、前記配線部及び前記加圧部の耐熱温度は、前記延長配線部の耐熱温度よりも高い。
 本願発明の第9の側面は、第6から第8のいずれかの側面の方法であって、少なくとも前記センサ部を覆うアタッチメント部を備え、アタッチメント部は、対象物に取り付けるための取付部を備える。
 本願発明の第10の側面は、第9の側面の方法であって、前記アタッチメント部は、当該アタッチメント部において前記対象物と前記センサ部の間の超音波の伝達を保証し、前記アタッチメント部と前記センサ部との間を調整する調整部を備え、前記調整部は、当該調整部で生じる反射波を遮断する遮断部を備える。
 本願発明によれば、センサ部において、感応部分と配線接合部分に一定の距離を設けることができ、フレキシブル性を維持することができる。さらに、外装部及び加圧部を利用して、耐熱性と機械的強度を両立することができる。
本願発明のセンサ装置1の外観を示す図である。 (a)センサ部3及び(b)接合部分を具体的に説明するための図である。 センサ装置を実際に作成した過程の一例を示す第1図である。 センサ装置を実際に作成した過程の一例を示す第2図である。 センサ装置を実際に作成した過程の一例を示す第3図である。 センサ装置を実際に作成した過程の一例を示す第4図である。 試作品による測定結果を示す図である。 図1のセンサ装置を利用して配管を監視する配管監視システムの一例を示す図である。 アタッチメント部53の具体的な構成の一例を示す第1図である。 アタッチメント部53の具体的な構成の一例を示す第2図である。 配管にアタッチメント部及びセンサ装置を取り付けた状態を示す。 発明者らが行った配管減肉監視実験を説明するための第1図である。 発明者らが行った配管減肉監視実験を説明するための第2図である。
 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
 図1は、本願発明のセンサ装置1の外観を示す図である。センサ装置1は、ゾルゲル複合体圧電デバイスに配線を取り付ける構造であり、ゾルゲル複合体圧電デバイスを、例えば、管厚センサ(超音波探触子)、配管つまりセンサ、感圧・振動センサなどの用途で、600℃までの耐熱性と曲率半径10mm程度のフレキシブル性を有したセンサとして利用することができる。
 ゾルゲル複合体圧電センサは、フレキシブル性・耐熱(耐熱衝撃)性を有した圧電セラミックデバイスである。ゾルゲル複合体圧電センサは、例えば、管厚モニタリング・配管詰まり検出・圧力/振動モニタリング・AE(Acoustic Emission)センサとしての構造物に生じる破壊のモニタリングなど用途で利用することができる。
 発明者らは、これまで、ゾルゲル複合体圧電センサの耐熱性やフレキシブル性といった特長の実証、作製プロセスの開発などが行なってきた。ゾルゲル複合体圧電センサは、例えば、工場のIoT化に必要なエッジセンサーのうち、特に高温部や狭所など従来センサの適用が困難な箇所への適用が期待されている。センサの製品化にあたっては耐熱性を損なわずに配線等を取り付けまた実用的な耐久性を持たせる必要がある。
 図1(a)及び(b)は、それぞれ、センサ装置1を横及び上から見た図である。図1(c)は、センサ装置1の斜視図である。
 図1を参照して、センサ部3と、配線部5と、上外装部7と、下外装部9と、加圧部11と、固定部131及び132と、配線コネクタ部15を備える。
 センサ部3は、例えばゾルゲル複合体圧電デバイスである(特許文献1など参照)。
 配線部5は、耐熱配線である。例えばMIケーブル等の耐熱性を有する線材である。センサ装置1の使用環境によりセンサ部3から常温用配線を使用できる箇所までの距離が異なるため、耐熱配線によって高温部分を配線する。
 上外装部7及び下外装部9(これらを併せたものが外装部の一例)は、それぞれ、センサ部3と配線部5を接合する個所を上及び下から挟んで覆う。固定部131及び132は、上外装部7及び下外装部9を固定する。上外装部7及び下外装部9は、接合の強度を向上させるコネクタであり、センサ部3及び配線部5を機械的強度が担保される方法(圧着、溶接等)により固定される。加圧部11は、配線部5をセンサ部3に取り付ける個所に加圧して圧着する。
 センサ部3、配線部5、上外装部7、下外装部9、加圧部11、並びに、固定部131及び132は、高温下(例えば常温以上600℃以下の温度)で使用される。
 配線コネクタ部15は、常温部分の配線延長について、常温用配線で対応するためのコネクタである。延長配線部が接続される。センサ装置1は、高温部分を耐熱配線で配線し、常温部分の配線延長については常温用配線で対応する。これは、一般に耐ノイズ性能や屈曲性、電気信号伝播時の距離減衰などのケーブル性能は常温用配線の方が信号伝送に有利なためである。配線コネクタ部15は、高温配線と常温用配線を接続するためのコネクタ部(接合部)である。なお、配線コネクタ部15を用いずに、配線同士を直接はんだ付けや圧着によって接合してもよい。
 図2は、(a)センサ部3及び(b)接合部分の各構成を具体的に説明するための図である。なお、図1において対応する構成とは同じ符号を付しているが、各構成を具体的に説明するために、厚さなどについては変更している。
 図2(a)を参照して、センサ部3は、基材層21と、圧電膜層23と、電極層25と、保護層27を備える。センサ部3は、ゾルゲル複合体圧電センサの中核である圧電膜を含み、超音波送受信、感圧センサ、振動センサ、AEセンサなどに用いる物理信号を取得する。
 基材層21は、導電性と600℃以上の焼成及び使用に耐える耐熱性を持つ材料から選定する。例えばステンレス等である。
 圧電膜層23は、基材層21の上に形成された多孔質圧電セラミック膜である。これは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)・チタン酸ビスマス(BiT)・ニオブ酸リチウムなどのセラミック粉体と、PZT・BiT・チタン酸などの前駆体であるゾルゲル溶液との混合物をゾルゲルスプレー法などによって塗布・焼結し作製することができる。
 電極層25は、圧電膜層23の上に形成された導電材料のパターンである。例えば、スクリーン印刷・蒸着・スパッタリングその他の印刷法により、銀・アルミ・チタン・白金等の導電材料のパターンを形成することができる。
 保護層27は、圧電膜層23及び電極層25の表面を保護するための層である。例えば、シリコーン・ゴム・セラミック等を塗布して作成することができる。保護層27は、基本的にセンサ部3の全体を被覆するが、信号線及びグラウンド線を接続するために、電極層25及び基材層21の一部には保護層27を作成しない。
 グラウンド線取付部31は、グラウンド線を取り付ける個所であり、基材層21において保護層27が存在しない部分に存在する。
 信号線取付部29は、信号線を取り付ける個所であり、保護層27が電極層25を覆わず、電極層25が外部に露出している部分である。
 図2(b)を参照して、上外装部7及び下外装部9は、センサ部3と配線部5を接合する個所を上及び下から挟んで覆っている。センサ部3は、しゃもじのような形状をしている。グラウンド線取付部31及び信号線取付部29は、しゃもじの柄の部分に形成されている。他方、へら状に広がった形状の部分は、保護層27により覆われている。上外装部7及び下外装部9は、少なくともグラウンド線取付部31及び信号線取付部29を覆う。センサ部3において上外装部7及び下外装部9が覆わない部分は、保護層27により被覆されている。上外装部7及び下外装部9は、配線部5のうち、少なくとも被覆されていない信号線及びグラウンド線を覆う。配線部5において上外装部7及び下外装部9が覆わない部分は、被覆されている。
 配線部5には、グラウンド線と信号線が存在する。
 グラウンド線は、基材層21のグラウンド線取付部31に電気的に接合される。センサ装置1は、基材層21を電極として用いてグラウンド線を接合する。基材層21は、導電性を持つ材料(ステンレス等)である。グラウンド線を溶接・圧着・ハトメ・はんだ付け等により基材層21に電気的に接続する。
 信号線は、その先端に、導電性の圧着チップ33が溶接・はんだ付け等により取り付けられている。電極層25は平坦であるため、平坦部を有する圧着チップ33を利用して、加圧器具により電極層25に押し付けることで圧着することができる。圧着チップ33は、信号線取付部29における電極層25が露出している部分よりも小さい。圧着チップ33が信号線取付部29に存在する状態で、加圧部11は、絶縁層35を介して圧着チップ33を電極層25に圧着する。加圧部11は、耐熱性、機械的強度(安定性)、取付作業性などを考慮し、例えばネジなどの加圧器具により実現することができる。なお、加圧器具、加圧器具を保持する下外装部、上外装部などがステンレス等の導電性材料で作製される場合は、絶縁のためマイカ板・セラミック板等を用いて絶縁層を設ける。
 図1及び図2を用いて説明したように、上外装部7、下外装部9、加圧部11、並びに、固定部131及び132により、電極部分であるセンサ部3と耐熱性を有する配線部5を耐熱性と作業性を損なわずに安定して接合することができる。特に、耐熱配線のグラウンド線と基材との機械強度を備えた電気的接合(溶接でも圧着でもよい)に加えて、耐熱配線の信号伝送線とセンサ部との圧着による電気的接合を実現する。特に、圧着による電気的接合を安定して得るために、圧着チップを耐熱配線の信号伝送線先端に取り付ける。そのため、引張や振動などの機械的外力によっても破壊されない構造を持っている。
 センサ部3は、感応した超音波振動の送受信や圧力等を、信号線取付部29に取り付けられた信号線によって外部に出力する。信号線を取り付ける必要があるため、上外装部7と下外装部9との間には、ある程度の高さや寸法が必要となるが、実用上は、感応部分を被測定物へ取り付ける際の障害にはならない。センサ感応部分と配線接合部分に一定の距離を設けることができ、ゾルゲル複合体圧電センサのフレキシブル性や薄さという特長を損なわないように構成することができる。
 また、センサ装置1が高温下で使用されることも想定し、センサ部3、配線部5、上外装部7、下外装部9、加圧部11、並びに、固定部131及び132のすべての要素が、耐熱性を有する材料で構成され、各構成を統合することができる。
 図3、図4、図5及び図6は、センサ装置を実際に作成した過程の一例を示す。
 図3(a)は、配線部であるMIケーブルを示す。この例では、ステンレス被覆を持ち、絶縁層にセラミック粉体を利用する2芯MIケーブルである。2本の芯線のうち1本を信号線として超音波・圧力等により圧電センサから出力される電気信号の伝送を担当させ、他方をグラウンド線として回路等の接地(グラウンド)への接続に使用している。また、ステンレス被覆もグラウンドに接続している。
 図3(b)は、グラウンドの芯線を、MIケーブルの外管に溶接した状態を示す。図3(c)は、MIケーブルの高圧側の信号線の芯線に、圧着チップとしてSUSシートを溶接した状態を示す。図3(d)は、センサ部の基材部とMIケーブルの外管を溶接した状態を示す。
 図4(a)及び(b)は、センサ部及びMIケーブルを挟んで、上外装部と下外装部をリベットで取り付けた状態を示す。
 図5(a)及び(b)は、上外装部とセンサ部との間のスペースに絶縁シートを配置した状態を示す。図5(c)は、M2止めネジで芯線(圧着チップ)を加圧して電極層に接触させ、ダブルナットで緩みを防止した状態を示す。
 図6(a)は、MIケーブルを同軸ケーブルコネクターに取り付けた状態を示す。図6(b)の丸印の部分を、アクリル接着剤で固定する。図6(c)にあるように、この試作品を使用して実験を行うことができる。
 図7は、試作品による測定結果を示す。この実験では、5mmの厚みを持つ超音波探傷試験片を測定した。超音波パルスエコー波形を良好に取得できており、センサ装置による配線接続構造が有効であることが確認できる。
 図8は、図1のセンサ装置を利用して配管を監視する配管監視システムの一例を示す。配管51は、センサ装置が検査する対象物の一例である。配管51は、例えば、125A鋼管である。配管51の外側の面には、複数のセンサ装置が取り付けられている。アタッチメント部53は、センサ装置のセンサ部などを覆う。アタッチメント部53を貫通するベルト部55を配管51の外側の面で締めて取り付けることにより、複数のセンサ装置が配管51の外側の面に取り付けられている。
 図9及び図10は、アタッチメント部53の具体的な構成の一例を示す図である。アタッチメント部53は、センサ装置に、センサ部63及び外装部65(上外装部と下外装部を併せたもの)を覆うように取り付けられる。センサ部63は、図1のセンサ部3と同様である。外装部65は、図1の上外装部7及び下外装部9を併せたものと同様である。
 アタッチメント部53は、ネジ穴691及び692を備える。2本のネジで、ネジ穴691及び692と、外装部65において上外装部と下外装部を固定するためのネジ穴を利用して、アタッチメント部53と外装部65を固定することができる。センサとセンサ接合部の一体設計を実現することができる。
 アタッチメント部53は、第1取付部59及び第2取付部61を備える。第1取付部59及び第2取付部61には、それぞれ、ベルトが貫通し、ベルトを締めることにより、センサ装置が検査する対象物に取り付けることができる。ベルトは、例えばオールステンレスホースクランプである。この例では、2本のベルトの組み合わせで取り付けることができる。
 アタッチメント部53は、調整部57を備える。調整部57は、アタッチメント部53において、対象物とセンサ部63間の超音波の伝達を保証し、アタッチメント部53とセンサ部63との間を調整する。アタッチメント部53は、例えば、ホースクランプアタッチメントであり、アルミブロックなどを含む。調整部57は、例えばゴム板(例えば円柱状)で、センサ部を圧縮する。調整部57は、調整部57で生じる反射波を遮断する遮断部を備える。遮断部は、例えば、絶縁シート(超音波を遮断できる物質)であり、ロックタイトとゴム板の間に挟まれて、ゴム板の反射波を検知することを防ぐ。
 図11は、配管にアタッチメント部及びセンサ装置を取り付けた状態を示す。
 図12及び図13は、発明者らが行った配管の減肉を監視する実験を説明するための図である。
 図12は、(a)実験で使用した超音波の処理装置と、(b)アタッチメント部を利用して配管にセンサ装置を取り付けた状態を示す。図12(b)のセンサ装置の信号線を図12(a)の超音波処理装置に接合して、超音波を発生させて、センサ装置が配管での反射波を検出して厚さを測定することにより、配管の減肉を監視することができる。
 この実験では、センサ部を固定するためのゴム板の硬度がエコー強度に与える影響を評価するために、自己融着テープとホースバンドにより固定した場合と比較した。測定対象は125A(5inch)SUS配管である。データ名20210208_134115、20210208_134336及び20210208_134552は、それぞれ、ゴム強度が20、30及び40の場合であり、データ名20210208_140724は、自己融着テープとホースバンドで固定した場合である。データ番号1~4は、順に、データ名20210208_134115、20210208_134336、20210208_134552及び20210208_140724に対応する。
 図13(a)は、時間経過(横軸、マイクロ秒)に対して検出された電圧の振幅(縦軸、ボルト)を示す。図13(b)は、図13(a)において2.8~3.6マイクロ秒付近の拡大したものである。図13(c)は、周波数(横軸、MHz)に対する振幅(縦軸、ボルト)である。
 図13(d)は、各データ番号(横軸)に対する最大周波数(Hz)(縦軸)である。データ番号1は、最大周波数が5.63Hz、最大振幅が0.37Vであった。データ番号2は、最大周波数が5.45Hz、最大振幅が0.33Vであった。データ番号3は、最大周波数が5.72Hz、最大振幅が0.47Vであった。他方、データ番号4は、最大周波数が3.81Hz、最大振幅が0.17Vであった。
 いずれのデータ番号でも、超音波を検出することはできている。自己融着テープとホースバンドで固定した場合と比較して、ゴム板を利用して固定することにより、より精度の高い検出ができている。そのため、調整部57としては、ゴム板などの弾性体を利用することにより、精度を向上させることが期待できる。
 1 センサ装置
 3 センサ部
 5 配線部
 7 上外装部
 9 下外装部
 11 加圧部
 131,132 固定部
 15 配線コネクタ部
 21 基材層
 23 圧電膜層
 25 電極層
 27 保護層
 29 信号線取付部
 31 グラウンド線取付部
 33 圧着チップ
 35 絶縁層
 51 配管
 53 アタッチメント部
 55 ベルト部
 57 調整部
 59 第1取付部
 61 第2取付部
 63 センサ部
 65 外装部
 691,692 ネジ穴

Claims (6)

  1.  センサ部と配線部を接続するセンサ装置であって、
     前記センサ部は、ゾルゲル複合体圧電センサであって、圧電膜層と、前記圧電膜層の上に形成される電極層と、保護層を備え、
     前記保護層は、前記電極層の一部を除いて被覆し、
     前記電極層において前記保護層が被覆しない部分は、平坦であり、
     前記配線部は、信号線を含み、
     前記信号線は、先端に、平坦部分を有する圧着チップを有し、
     前記電極層において前記保護層により被覆されていない部分及び前記信号線において被覆されていない部分を覆う外装部を備え、
     前記外装部は、前記圧着チップの平坦部分を、前記電極層において前記保護層が被覆しない部分に押し付けて圧着する加圧部を備える、センサ装置。
  2.  前記センサ部は、基材層を備え、
     前記圧電膜層は、前記基材層の上に形成され、
     前記保護層は、前記基材層の一部を除いて被覆し、
     前記配線部は、グラウンド線を含み、
     前記グラウンド線は、前記基材層において前記保護層が被覆していない部分に電気的に接合する、請求項1記載のセンサ装置。
  3.  前記配線部は、一方端が前記センサ部に電気的に接続し、他方端は、延長配線部に電気的に接続し、
     前記センサ部、前記配線部及び前記加圧部の耐熱温度は、前記延長配線部の耐熱温度よりも高い、請求項1又は2に記載のセンサ装置。
  4.  少なくとも前記センサ部を覆うアタッチメント部を備え、
     アタッチメント部は、対象物に取り付けるための取付部を備える、請求項1から3のいずれかに記載のセンサ装置。
  5.  前記アタッチメント部は、当該アタッチメント部において前記対象物と前記センサ部の間の超音波の伝達を保証し、前記アタッチメント部と前記センサ部との間を調整する調整部を備え、
     前記調整部は、当該調整部で生じる反射波を遮断する遮断部を備える、請求項4記載のセンサ装置。
  6.  センサ部と配線部を接続するセンサ装置を生産する方法であって、
     前記センサ部は、ゾルゲル複合体圧電センサであって、圧電膜層と、前記圧電膜層の上に形成される電極層と、保護層を備え、
     前記保護層は、前記電極層の一部を除いて被覆し、
     前記電極層において前記保護層が被覆しない部分は、平坦であり、
     前記配線部は、信号線を含み、
     前記信号線は、先端に、平坦部分を有する圧着チップを有し、
     前記センサ装置が備える外装部により、前記電極層において前記保護層により被覆されていない部分及び前記信号線において被覆されていない部分を覆う外装ステップと、
     前記外装部が備える加圧部により、前記圧着チップの平坦部分を、前記電極層において前記保護層が被覆しない部分に押し付けて圧着する加圧ステップを含むセンサ装置を生産する方法。
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