JPH04504793A - 実質的に分離不能の保護層を有する音響センサの製造方法及びそれにより得られた音響センサ - 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】 ′ＩＥ實約ｌ；分島霞不能の保涌層ε本可ろ肴キ仁〉すの製蓬悶汰陵ム・千物斗 り／Ｉ年鴨ルた音響セ、す本発明は本質的に、分離不能の保護層を有する音響セ ンサの製造方法、及びそれにより製造された音響センサに関する。

音波に関して様々な音響センサが既に公知となっている。

例えば、雑誌ウルトラソニックス、１９８１年９月号の２１３頁から２１５頁に Ｐ、　Ａ、ルーインは、超音波を検出する水中聴音器について記述している。該 水中聴音器は、超音波を検出検出する要素に圧電ポリマー、好ましくはポリフッ 化ビニリデン（ＰＶＦ２またはＰＶＤＦ）を使用している。然しながら該水中聴 音器は、衝撃波の検出には使用できない。

と言うのは、衝撃波が、中実構造の支持部材に直接装着された検出要素の接触部 を急速に破壊してしまうからである。

この問題の１つの解決方法が、既に１９８４年のアメリカ音響学会誌の１０１０ 頁に、Ｓ、Ｗ、ミークスにより提案されている。

別の解決方法が、特許公報ＵＳ−Ａ−４７５６１９２に提案されている。該解決 方法によれば検出要素は、内側の導体と中空の外側の導体から成り、外側の導体 は内側の導体の軸線と同軸の外被としての役割を果たし、そして該検出要素は、 ＰＶＦＤより成る矩形の圧電シートと、相対的に厚い前記外側の導体に挿入され たＰＶＦＤの支持部材とを含み、前記ＰＶＦＤの近傍に前記外側の中空には、３ 次元方向の分離を備えるために、複数の凹部を具備していることを特徴としてい る。第２段１６行目から２７行目に付加的な事前注意の形で、前記シートは、絶 縁層（インシュレーティングレイヤ）を備えることが可能であり、そして第２段 ５７行目から６０行目に、キャビテーションの発生による損傷を防止するため検 出シートは、酸化アルミニウム、または酸化ケイ素の絶縁層により保護可能であ り、そしてその厚さは好ましくは、１０μｍである旨明記されている。該絶縁層 は、前記シートの一方の面、或いは両面に施すことが可能である。

然しなから前記絶縁層は、シートの可視面にのみ形成されるので、シートに堅固 に付着されず、衝撃波によるキャビテーションの影響により急速に剥離してしま う。更に、前述の特許公報には、可視電極（ビジプルエレクトロード）４ａ全体 に施された絶縁層について何ら記述されていない。前記検出手段は、衝撃波を発 生するための液体である水に浸され、該装置は、衝撃波発生媒体から真の電気的 な絶縁は施されない。

ヨーロッパ特許公報Ａ−０２５６４３８により公知となっている他の解決方法は 、金属箔１７を使用するものであり、該金属箔１７は、衝撃波により発生したパ ルス２３の影響で変形する。該解決方法によれば、衝撃波による前記金属箔１７ の変形２３は、光学的に検出される。従って全誤差は、その測定方法に関係して くる。

本発明の目的は、ＰＶＤＦ等の圧電検出シートを使用する衝撃波検出器のための 上述した解決方法に存在する、新たな技術的な問題を解決することにあり、該検 出器において前記検出シートは、音波発生媒体、特に衝撃波発生媒体から電気的 に絶縁されており、そして該方法は、前記圧電シート上の分離不能の、或いは実 質的に分離不能な電気的に絶縁性の保護シートにより目的を達成する。

本発明のもうひとつの目的は、単純に解決し、かつ産業的規模でそれを実施する 簡単で、安価で、効果的な方法を提供することにある。

そして更に本発明の目的は、品質の点で高度の再現生を可能にし、そして大容量 の検出器を得る事を可能にする方法により、前述の新しい問題を解決することに ある。

先ず第１に本発明は、上述の問題を同時に解決し、そしてそれは満足いくもので あり、産業規模で利用可能なものである。

従って、第１の特徴において、本発明は、音響センサの周囲の発生媒体に発生し た音波、特に衝撃波の音響センサの製造方法を提供し、該センサは、前記音波の 機械的圧力を測定する圧電シート、特にＰＶＤＦを有する検出部を利用した種の センサであり、該圧電シートは、支持部材に装着され、電極に接続されており、 該電極は、導線により測定装置に接続されており、前記圧電シートとその支持部 材により構成されるアッセンブリが、電気的絶縁性の重合材料よりなる被覆層に より一体的に被覆され、前記圧電シートを被覆する部分が、電気的絶縁性の保護 層を構成し、該保護層は、前記圧電シートから分離不能、或いは実質的に分離不 能となっている事を特徴とする音響センサ製造方法が提供される。

前記圧電シートは適宜に、保護層を鋳造する間その対応する表面に対して小さな 表面を有しているものが使用される。

特に有利な実施例において前記支持部材は、略円筒形をしており、該支持部材の １つの端部が、前記圧電シートの支持面としての役割を果たし、該圧電シートは 、前記円筒の側面を覆うため充分大きな寸法となっている。

他の好ましい実施例によれば、前記圧電シートの支持円筒は、完成した該センサ の直径よりも小さな直径を有し、以て前記圧電シートの円筒形支持部材、及び同 シートの周囲の空間に充填することにより、同シートのための一体的保護層を形 成するようにし、そして該保護層（２４）は、前記支持円筒の非常に広い表面と 接触することにより、前記シートを前記支持部材に確実に固定する。

電気絶縁性の重合材料から成る前記保護層に適した材料は、例えば、エポキシ樹 脂、特にアラルダイトタイプのもの、或いは例えば、ポリクロロトリフルオロエ チレンを含み、そしてこうした材料のインピーダンスは、ＰＶＤＦのインピーダ ンスとほぼ同じである。

前記保護層は、好ましくは、略円筒形の外形を有するように鋳造される。

本発明の他の有益な特徴によれば、前記支持部材と、前記圧電シートと、前記電 気的絶縁性の一体的保護層とを具備して成る前記アッセンブリは、電気的遮蔽被 覆内に挿入され、そして該電気的遮蔽被覆は、中空の略円筒形をしており、該セ ンサから前記圧電シートと同じ高さまで延設されている。

前記ＰＶＤＦシートを支持する前記円筒は、適宜に中実の棒材より構成され、前 記被覆層と同じ重合材料より同様に作られる。

本発明は、前記圧電シートをその支持部材に、かつまた前記電気絶縁性の保護層 を非常に効果的に固定することが、直ちに理解されよう。実際上、前記圧電シー トは、電気絶縁性の材料より成る微視的にも変形しないブロックに被覆され、そ れにより前記圧電シートと前記保護層との間の接触が確実なものとなり、従って 、音波特に衝撃波が完全に伝達される事が確実となり、従来技術においては、そ れとは異なり前記圧電シートと前記保護層との間に空間を生じ、そして、該空間 は小さくとも、波の伝達を阻害してきた。

本発明によれば、前記被覆層の重合材料が、前記圧電シートの音響インピーダン スに近い音響インピーダンスを有することは好ましく、それにより各境界面での 反射音波が除去される。

前記保護層の厚さは、波面を変形しないために、適当な通過帯域を備えるために 、そしてセンサの感度を制限し過ぎないために、厚すぎてはならないが、効果的 な電気的絶縁性を備え、かつ衝撃に耐えるように充分な厚さとしなければならな ず、そして該センサは、特に機械的衝撃波や、機械的衝撃波発生装置、特に膀胱 砕石術に使用される衝撃波を検出するのに有益である。

第２の特徴によれば、本発明は、発生媒体中に発生した音波、特に衝撃波を測定 するための、音響センサであって、該センサは、圧電シート、特にＰＶＤＦシー トを有した検出要素を含んで成り、該シートは、支持部材に装着され、かつ電極 に電気的に接続され、該電極は、導線により測定装置に接続されているセンサで あり、前記圧電シートと、前記支持部材寄り構成されるアッセンブリは、重合材 より成る被覆層により一体的に被覆され、該被覆層は、好ましくは電気絶縁体で あり、前記圧電シート上に積層された前記被覆層の一部分が、同圧電シートから 分離不能、或いは実質的に分離不能となっていることを特徴とする音響センサが 提供される。

該センサの他の特徴は、上述の製造方法に関する記載より明らかとなる。

本発明の他の目的、特徴、利点は、本発明の好ましい実施例を図示する添付の図 面を参照して説明する以下の記述により明らかとなるが、同図面は単に図示する だけであり、本発明の請求の範囲は、この図面により制限されるものではない。

同図面において、 図１は、本発明の好ましい実施例による音響センサの実質部分の長手方向の断面 図である。

図２は、図１の矢印Ｉ！力方向見た端面図である。

好ましい実施例 図１、図２を参照すると、本発明による音響センサは、一般的な参照番号１０に より表示されている。該音響センサ１９は、例えばＰＶＤＦより成る圧電シート １２を含んで成る。

好ましくは該ＰＶＤＦシートは、極性を与えられている。該ＰＶＤＦ膜の厚さは 、共振子の共振振動数により決定される。

例えば、使用された膜の厚さが２５μｍの場合には、検出部の共振振動数は、お よそ２０ＭＨｚから２５ＭＨｚとなる。

図１、図２に示される構造に被覆して固定される共振子の通過帯域は、５ＭＨｚ から１０ＭＨｚである。

センサ技術の分野で通常の知識を有する者には周知となっているが、該圧電シー ト１２は、支持部材１４に取着され、電極１６．１８を支持しており、該電極１ ６．１８は、導線２０．２２により測定装置（図示せず）に接続されている。

電気的な接続については、前述した従来技術に関する文書、特にアメリカ特許公 報４−７５６１９２を参照することができる。

本発明によれば音響センサは、前記支持部材１４と、該センサの検出部を構成す る前記圧電シート１２が、好ましくは電気絶縁性の重合材料より成る被覆層２４ により一体的に被覆され、該被検層２４の前記シート１２を被覆する部分２４ａ が、同シート１２から分離不能、或いはほぼ分離不能な保護層を構成している点 を特徴とする。

本発明によるセンサを構成する装置の有益な実施例において、前記支持部材１４ は、図１、図２より明らかに理解されるように、中実な棒状円筒形をしている。

該円筒は、適宜に前記圧電シートのインピーダンスと同じか、或いはそれと近い インピーダンスを有する材料から作られる。同様に、前記重合物質も適宜に前記 圧電シートのインピーダンスと同じか、或いはそれと近いインピーダンスを有す る素材から作られる。

有益な他の実施例において、前記保護層２４を形成する前記重合物質は、前記支 持円筒１４を形成する物質に近い物質であることが理解されよう。本発明によれ ば、前記重合物質に関して、重合状態において電気的に絶縁性であれば、どのよ うな重合物質も使用可能であるが、特にエポキシ樹脂それもアラルダイト型のも のが使用可能である。

前記圧電シート１２の全体に渡って配置される前記保護層２４ａの厚さは、波面 を変形しないため、適当な通過帯域を備えるため、そしてセンサの感度を制限し 過ぎないために、厚すぎてはならないが、衝撃に耐えるように充分な厚さとしな ければならない。実際上１０分の５ｍｍの厚さが上述の２つの基準を満足し、約 １００ｎｓの圧力上昇遅れを有する衝撃波が検出可能であり、そしてこれは産業 上の衝撃波、特に膀胱砕石術において発生させる衝撃波や、また文脈から特に電 気油圧式発電機における衝撃波を特徴づけるのに充分に妥当なものである。

図１１図２から直ちに理解されるように、電気的に絶縁する前記保護層２４は、 それ自体円筒形状とすることができよう。更に本発明の様々の有益な実施例によ れば、被覆２６が、少なくとも前記支持部材１４の一部分に備えられ、そしてそ の保護層２４がその中に配置され、該被覆２６は、図１、図２に明らかに表現、 図示するように、長手方向にほぼ前記圧電シート１２の高さまで延設される。該 被覆２６は好ましくは、ステンレス鋼等の金属製の電気伝導物質であり、そして 該被覆２６は、適宜にアースを取り、以て金属遮蔽を備え、それにより衝撃波源 により生じる電気的影響を排除する。このことは、特にＰＶＤＦ型の圧電シート を使用するセンサ等、低感度のセンサを使用する場合の膀胱砕石術装置に対して 重要かつ有益である。更に補助的な遮蔽３０もまたセンサ外の導線に備えられよ う。

電極１６．１８に関して、該電極は、前記圧電シート１２の両側に相互に垂直と なるように配置されており、本発明によれば、およそ９０度の角度を形成するよ うに配置されている。前記電極は、適宜に金属帯材により構成され、該金属帯材 は数μｍの厚さを有し、好ましくは金製であり、前記ＰＶＤＦシート上に真空金 属被覆法（メタライゼーション）により被覆される。これら金属帯材は、図２に 示すように適宜に、検定目的に使用される可視面の略中心部で連結し、該可視面 は、略円形をしており、その直径は、前記円筒１４の直径ｄにより規定される。

本発明によればセンサは、非常に簡単に製造されるのが理解されよう。と言うの は、前記支持部材１４は、重合可能な素材から鋳造されるからである。好ましく は、前記圧電シートのインピーダンスと同じか、またはそれに近いインピーダン スを有した素材が選定される。エポキシ樹脂、特にアラライドタイプの重合材料 を使用することが好ましく、そして該材料は、この技術分野において通常の知識 を有する者には周知の材料であり、或いはまたポリクロロトリフルオロエチレン を使用することも好ましく、該材料は前記ＰＶＤＦと同じインピーダンスを有し ている。次いで前記圧電シート１２は、円筒形をした前記支持部材１４にその側 面が突出するように装着され、そして該シートは、例えばＰＶＤＦから成り、前 記支持部材１４の直径よりも大きな寸法を有している。前記電極１６．１８は、 上述のように、音響センサ技術の分野において通常の知識を有する者には周知の 方法により、前記シートの反対側に取着される。該電極１６．１８もまた導線２ ０．２２に接続される。

次いで上述のアッセンブリは、鋳型の中に設置され、該鋳型は、本実施例の場合 円筒形状をしており、要求される最終的に仕上がったセンサの直径に近い直径を 有している。前記鋳型に重合材料を流し込み、そして該重合材料のインピーダン スは、適宜に前記圧電シートと同じか、またはそれに近いインピーダンスとなっ ており、前記圧電シート１２の支持部材１４の組み立てられた部品は、こうして 重合材料の保護層により被覆され、一体のものとして構成され、そしてそれは好 ましく電気的絶縁性を有している。適宜に前記重合材料は、エポキシ樹脂、特に アラルライドタイプである。

こうして前記圧電シート１２上に一体的な保護層が得られ、該保護層は、前記円 筒支持部材１４の非常に大きな領域に渡って接触するために、同支持部材１４上 に確実に固定されることが理解されよう。

更に該センサは、それが浸されている水から電気的に絶縁されている。この構造 の利点及び製造上の簡易性は、該センサの全体が、エポキシ樹脂、特にアラルダ イトタイプの重合材料から製造されることら、容易に理解されよう。

更に該センサは、図示するように電導性の保護被覆２６に挿入されて完成し、そ して該被覆２６はアースされている。

従って本発明は、その様々な組み合わせと同様に、上述した手段と技術的に同等 の全ての技術的手段を包含することは言うまでもない。

バー材の長さは、観察される圧力信号の遅れに依存していることも観察されるべ きである。例えば、選定された重合樹脂内における音速が２７００ｍ／ｓである とすると、検出部１４に衝突する波は、伝達される波を擾乱する。３０ｍｍの長 さのバー材は少なくとも２０μｓの圧力信号を表示ために使用可能であり、これ は音波の簡易な検出にとって充分な遅れである。

国際調査報告 国際調査報告 ＦＲ９０００２８７ Ｓ＾　３６７３９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．センサの周囲の発生媒体に発生した音波、特に衝撃波を測定するための、音 響センサの製造方法であって、該センサは、圧電シート（１２）、特にＰＶＤＦ シートを有した検出要素を含んで成り、該シートは、支持部材（１４）に装着さ れ、かつ電極（１６、１８）に電気的に接続され、該電極（１６、１８）は、導 線（２０、２２）により測定装置に接続されているセンサであり、 前記圧電シート（１２）と、前記支持部材（１４）より構成されるアッセンブリ は、重合材料より成る被覆層（２４）により一体的に被覆され、該被覆層（２４ ）は、好ましくは電気的に絶縁性であり、前記圧電シート（１２）上に積層され た前記被覆層（２４）は、その一部分（２４ａ）が、同圧電シートから分離不能 、或いは実質的に分離不能となっていることを特徴とする音響センサ製造方法。 ２．前記圧電シートは（１２）は、鋳造する間対応する表面に対して小さな表面 を有していることを特徴とする請求項１に記載の音響センサの製造方法。 ３．前記支持部材は略円筒形をしており、該支持部材の１つの端部が、前記圧電 シート（１２）の支持面としての役割を果たし、該圧電シートは、前記円筒の側 面を覆うため充分大きな寸法となっていることを特徴とする請求項１または２に 記載の音響センサの製造方法。 ４．前記支持円筒（１４）は、完成した該センサ（１０）の直径よりも小さな直 径を有し、以て前記圧電シート（１２）の円筒形支持部材（１４）、及び同シー ト（１２）の周囲の空間に充填することにより、同シートのための一体的保護層 （２４）を形成するようにし、そして該保護層（２４）は、前記支持円筒の非常 に広い表面と接触することにより、前記シート（１２）を前記支持部材（１４） に確実に固定されることを特徴とする請求項３に記載の音響センサの製造方法。 ５．前記支持部材（１４）と、前記圧電シート（１２）と、前記一体的保護層（ ２４）とを具備して成る前記アッセンブリは、少なくともその一部分を電気的遮 蔽被覆（２６）内に挿入され、該電気的遮蔽被覆（２６）はアースされているこ とを特徴とする請求項１から４に記載の音響センサの製造方法。 ６．センサの周囲の発生媒体に発生した音波、特に衝撃波を測定するための、音 響センサであって、該センサは、圧電シート（１２）、特にＰＶＤＦシートを有 した検出要素を含んで成り、該シートは、支持部材（１４）に装着され、かつ電 極（１６、１８）に電気的に接続され、該電極（１６、１８）は、導線（２０、 ２２）により測定装置に接続されているセンサであり、 前記圧電シート（１２）と、前記支持部材（１４）より構成されるアッセンブリ は、重合材料より成る被覆層（２４）により一体的に被覆され、該被覆層（２４ ）は、好ましくは電気的に絶縁性であり、前記圧電シート（１２）上に積層され た前記被覆層（２４）は、その一部分（２４ａ）が、同圧電シートから分離不能 、或いは実質的に分離不能となっていることを特徴とする音響センサ。 ７．前記支持部材は略円筒形をしており、該支持部材の１つの端部が、前記圧電 シート（１２）の支持面としての役割を果たし、該圧電シートは、前記円筒の側 面を覆うため充分大きな寸法となっていることを特徴とする請求項６に記載の音 響センサ。 ８．前記支持円筒（１４）は、センサの直径よりも小さな直径（ｄ）を有し、以 て前記圧電シート（１２）の円筒形支持部材（１４）、及び同シート（１２）の 周囲の空間に充填することにより、一体的保護層（２４）を得るようにしたこと を特徴とする請求項６または７に記載の音響センサ。 ９．前記保護層は、電気的絶縁性の重合材料からなり、好ましくは、エポキシ樹 脂、特にアラルダイトタイプのもの、またはポリクロロトリフルオロエチレンか ら選定され、そしてこうした材料のインピーダンスは、ＰＶＤＦのインピーダン スとほぼ同じであることを特徴とする請求項６から８の何れか１つに記載の音響 センサ。 １０．前記保護層（２４）の重合材料は、前記圧電シート（１２）のインピーダ ンスと同じか、またはそれに近いインピーダンスを有しており、そして前記支持 部材（１４）もまた適宜に、前記保護層と同じ重合材料より作られていることを 特徴とする請求項６から９の何れか１つに記載の音響センサ。