JP2000287298A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のアコースティックエミションの検出方
法、検出素子では検出が困難であった広帯域の周波数あ
るいは高周波数を有するアコースティックエミションの
検出を可能にした、更に、従来のアコースティックエミ
ションの検出方法、検出素子では検出が困難であった表
面が平坦面でない被検出体からのアコースティックエミ
ションの検出方法、検出素子を提供する。 【解決手段】アコースティックエミションを受けるセン
サを高分子圧電体で形成し、この圧電体から得られる電
気信号にて、アコースティックエミションを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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２Ｍ
Ｈｚ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、該高分子圧電体の両面に
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、前記保護膜
の一方を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、前記高分子圧電体にてアコースティックエミ
ションを検出してなる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数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、高分子圧電体
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体で
あることが、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。

【００１４】上記目的を達成するための本発明に係るア
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】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数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、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、高分子圧電体
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体で
あることが、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。

【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１
４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１
３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１
２、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８
０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２．２
ｍｍ、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 A
nalyzer）（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
圧電体の厚みを、膜の積層枚数を選択することにより、
調製し、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、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】 実施例におけるセンサの特性を示すチャー
ト。

【符号の説明】

１：センサ ２：シールドケース ３：シールドリング ４：電極 ５：電極 ６：高分子圧電膜 ７：保護膜 ８：保護膜 ９：第１のリード線 １０：第２のリード線 １１：送信ケーブル １２：連絡部 １３：空気流通孔 １４：腔 １５：内腔 １６：連結線 ２１：センサ ２２：高分子圧電膜 ２３：下方薄層電極 ２４：下方薄層保護膜 ２５：上方薄層電極 ２６：上方薄層保護膜 ２７：薄層シールド部材 ２８：第１のリード線 ２９：第２のリード線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高分子圧電膜と、該高分子圧電体の両面
   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、前記保護
   膜の一方を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、前記高分子圧電体にてアコースティックエ
   ミションを検出してなるアコースティックエミションの
   検出方法。
2. 【請求項２】 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に記載のアコース
   ティックエミションの検出方法。
3. 【請求項３】 前記高分子圧電体が、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体である請求項１あるいは
   ２に記載のアコースティックエミションの検出方法。
4. 【請求項４】 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
   性を有するアコースティックエミションの検出素子。
5. 【請求項５】 前記高分子圧電膜が、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
   アコースティックエミションの検出素子。