(57)【要約】【課題】指向性を有する板波センサを提供する。また、少ない配置数で薄板構造物の非破壊検査にとって内部損傷や外部からの衝撃負荷の発生位置を把握することができるセンサを提供する。【解決手段】板面上に配設され、該板を伝播する弾性波を検出する圧電体からなる板波センサであって、縦方向の長さＬ、該縦方向と平面上で直交する横方向の長さＷ、ならびに該縦および横方向と直行する厚さ方向の長さｔを有し、Ｌ／Ｗ≧３．５またはＷ／Ｌ≧３．５、およびＬ／ｔ≧１の関係を満たす形状であり、該縦方向と該弾性波の進行方向とがなす角を０°以上４５°未満とする板波センサ、および、この板波センサをアレイ状に配置した素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板面上に配設され、該板を伝播する弾性波を検出する圧電体からなる板波センサであって、縦方向の長さＬ、該縦方向と平面上で直交する横方向の長さＷ、ならびに該縦および横方向と直行する厚さ方向の長さｔを有し、Ｌ／Ｗ≧３．５、およびＬ／ｔ≧１の関係を満たす形状であり、該縦方向と該弾性波の進行方向とがなす角を０°以上４５°未満とすることを特徴とする板波センサ。
【請求項２】
Ｌ／Ｗ≧５．０であることを特徴とする請求項１記載の板波センサ。
【請求項３】
板面上に配設され、該板を伝播する弾性波を検出する圧電体からなる板波センサであって、縦方向の長さＬ、該縦方向と平面上で直交する横方向の長さＷ、ならびに該縦および横方向と直行する厚さ方向の長さｔを有し、Ｗ／Ｌ≧３．５、およびＬ／ｔ≧１の関係を満たす形状であり、該縦方向と該弾性波の進行方向とがなす角を０°以上４５°未満とすることを特徴とする板波センサあることを特徴とする板波センサ。
【請求項４】
Ｗ／Ｌ≧５．０であることを特徴とする請求項３記載の板波センサ。
【請求項５】
前記弾性波の波長がλであり、前記Ｌがλ＞Ｌ＞１／４λであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の板波センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の板波センサをアレイ状に配置した素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板波センサに関し、詳しくは構造体の健全性評価、非破壊検査、超音波探傷器、航空機、化学プラント等に用いられる板波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在市販されているほとんどの超音波センサは、厚さ振動モード（ｄ３３）を用いて超音波を検出しており、全方位に対して検出感度は等しく、指向性は有していない。
これに対して縦振動モードを用いた板状の板波センサが報告されている。これらは特定の入射角度の薄板を伝播する弾性波（以下、単に「板波」ともいう）に対して感度を高くするために、入射方向のセンサ長さをλ／２（λ＝板波の波長）に設計している。しかしながら、このセンサは幅および厚さについては規定がなく、また、その指向性については全く不明であった（非特許文献１〜２参照）。
【０００３】
一方、薄板構造物の非破壊検査にとって内部損傷や外部からの衝撃負荷の発生位置を把握することは極めて重要である。従来は、それらによって発生する板波を複数の箇所に配置したセンサで検出し、各センサへの到達時間を基に位置標定を行うことによって、初めて損傷や衝撃負荷の発生方向が把握できる。そのためには従来のセンサは少なくとも３点以上に配置した３つ以上のセンサが必要であった。
【非特許文献１】グロンデル、他（S. Grondel et al.）著、ザ・ジャーナル・オブ・アコースティカル・ソシエティー・オブ・アメリカ（TheJournal of Acoustical Society of America）、112、2002年、84頁
【非特許文献２】バルデス、他（S. H. D. Valdes et al.）著、ザ・ジャーナル・オブ・アコースティカル・ソシエティー・オブ・アメリカ（TheJournal of Acoustical Society of America）、111、2002年、2026頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、指向性を有する板波センサを提供することを目的とする。また、少ない配置数で薄板構造物の非破壊検査にとって内部損傷や外部からの衝撃負荷の発生位置を把握することができるセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、板状の圧電体の形状を適宜設計することによって、特定の周波数（帯域）の板波に対して、板波センサが指向性を備え、少ない配置数で薄板の衝撃負荷の発生位置を把握しうることを見出した。
すなわち、本発明は、
（１）板面上に配設され、該板を伝播する弾性波を検出する圧電体からなる板波センサであって、縦方向の長さＬ、該縦方向と平面上で直交する横方向の長さＷ、ならびに該縦および横方向と直行する厚さ方向の長さｔを有し、Ｌ／Ｗ≧３．５、およびＬ／ｔ≧１の関係を満たす形状であり、該縦方向と該弾性波の進行方向とがなす角を０°以上４５°未満とすることを特徴とする板波センサ、
（２）Ｌ／Ｗ≧５．０であることを特徴とする（１）項記載の板波センサ、
（３）板面上に配設され、該板を伝播する弾性波を検出する圧電体からなる板波センサであって、縦方向の長さＬ、該縦方向と平面上で直交する横方向の長さＷ、ならびに該縦および横方向と直行する厚さ方向の長さｔを有し、Ｗ／Ｌ≧３．５、およびＬ／ｔ≧１の関係を満たす形状であり、該縦方向と該弾性波の進行方向とがなす角を０°以上４５°未満とすることを特徴とする板波センサ、
（４）Ｗ／Ｌ≧５．０であることを特徴とする（３）項記載の板波センサ、
（５）前記弾性波の波長がλであり、前記Ｌがλ＞Ｌ＞１／４λであることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の板波センサ、および、
（６）（１）〜（５）のいずれか１項に記載の板波センサをアレイ状に配置した素子、
を提供するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により、特定の周波数（帯域）の板波に対して指向性をもった板波センサを提供することができる。
さらに複数の本発明のセンサをアレイ状に配置することによって、従来では３点以上に配置したセンサでしか評価できなかった板波の入射方向を１点（１箇所）に配置した板波センサで、薄板構造体に発生する損傷や衝撃負荷の方向を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の一つの実施態様は、板面上に配設され、該板を伝播する弾性波（板波）を検出する圧電体からなる板波センサであって、縦方向の長さＬ、該縦方向と平面上で直交する横方向の長さＷ、ならびに該縦および横方向と直行する厚さ方向の長さｔを有し、Ｌ／Ｗ≧３．５、およびＬ／ｔ≧１の関係を満たす形状であり、該縦方向と該弾性波の進行方向とがなす角を０°以上４５°未満とする板波センサである。この実施態様のセンサのアスペクト比はＬ／Ｗ≧５．０であることがさらに好ましい。
【０００８】
また、本発明の別の実施態様は、板面上に配設され、該板を伝播する弾性波を検出する圧電体からなる板波センサであって、縦方向の長さＬ、該縦方向と平面上で直交する横方向の長さＷ、ならびに該縦および横方向と直行する厚さ方向の長さｔを有し、Ｗ／Ｌ≧３．５、およびＬ／ｔ≧１の関係を満たす形状であり、該縦方向と該弾性波の進行方向とがなす角を０°以上４５°未満とする板波センサである。この実施態様のセンサのアスペクト比はＷ／Ｌ≧５．０であることがさらに好ましい。
【０００９】
本発明においては、ＷをＬよりも大幅に短くすることであるいは長くすることで、特定の入射角度の板波の検出感度に異方性が現れ、板波に対して指向性をもたせることができる。さらに厚さｔについても、指向性を妨げる厚み振動モードによる板波の検出感度を低下させるために、少なくともＬ／ｔ≧１にする必要がある。これにより縦振動モードを用いた測定をすることができる。
【００１０】
また、長さ方向から入射する板波に対して、長さＬが１／２λ（λ：板波の波長）の時に最も検出感度が高いことは広く知られている（例えば、I. A. Viktorov, Rayleigh and Lamb Waves, (Prenum press, New York, 1967)、S. Grondel et al., The Journal of Acoustical Society of America, 112, 2002, p.84.）したがって、Ｌ方向に最も高感度にするために、Ｌを好ましくはλ＞Ｌ＞１／４、さらに好ましくはＬ＝１／２λ±１０％とする。ここで、横方向から入射する板波に対しても同じことが成り立つため、Ｗを１／２λから大きくずらし、検出感度を意図的に低下させると、波長λの板波に対して指向性をもたせることができるので好ましい。
【００１１】
本発明において、センサが配設される板は、その厚さは特に限定はないが、好ましくは３０ｍｍ以下、さらに好ましくは１０ｍｍ以下の板である。また、板の材質は特に限定されるものではないが、例えば、炭素繊維強化プラスチック板（以下、ＣＦＲＰ板という）、アルミニウム板、鉄鋼板、プラスチックなどが挙げられる。
また、センサを板面上に配設するためには、例えば、センサを接着剤で板面上の任意の位置および方向に接着すればよい。
【００１２】
また、センサの縦Ｌ、横Ｗ、厚さｔは、板状、略直方体状などのセンサ全体の形状におけるそれぞれ最も長い部分の長さを意味するが、Ｌ、Ｗ、ｔはそれぞれセンサ全体に渡ってほぼ等しい長さであることが好ましい。なお、本発明で縦方向とは、板状のセンサの波の入射方向に近い方向の辺が伸びる方向をいうものである。
【００１３】
また、センサに用いられる圧電体としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの圧電高分子、基板上に形成された膜状圧電体などが挙げられる。例えば、圧電セラミックスを常法により上記の形状に成型し、素子上下面に常法に従い電極処理を施し、各電極にリード線をつけることにより、通常のオシロスコープで板波を収録できる。
【００１４】
さらに上記の板波センサをアレイ状にある角度おきに複数配列することで、一箇所に配置した素子で板波の入射方向が評価できる。アレイ状に置く数は限定されるものでないが、数が多い程、広い範囲の入射方向が評価できるので好ましい。例えば、円形（時計文字盤状）に等間隔で板波センサを配置することで板波の入射方向を１点（１箇所）に配置した素子で評価可能となる。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面を参照してさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明の板波センサ１の２例を示す斜視図である。図１（ａ）はＬ＞Ｗのセンサ、図１（ｂ）はＷ＞Ｌのセンサを示す。また、Ｌ，Ｗ，ｔは上記のとおりである。
【００１７】
以下に本発明の指向性を有する板波センサを作製し、１ｍｍのアルミ板上を伝播する５０ｋＨｚの板波Ａ０モードに対する指向特性を測定した結果を示す。
まず長さＬを決定するために、厚さ１ｍｍのアルミ板を伝播するＡ０モードの波長をレイリー・ラムの周波数方程式を用いて、理論的に導出した。その結果を図２に示す。これより５０ｋＨｚのＡ０モードの波長は１４ｍｍと求められたため、長さＬを１／２λ、すなわち７ｍｍとした。厚さｔについてはＬ以下の１ｍｍに固定し、幅が１，２，３，５ｍｍである板状の４種類の圧電セラミックス素子（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））を作製した。圧電セラミックス素子上下面に折り返し電極処理を施し、各電極にハンダでリード線をつけた。これらのＰＺＴ素子を１０００×１０００×１ｍｍのアルミ板上に瞬間接着剤で貼り付けて板波の検出を行った。
【００１８】
図３および４は、板波Ａ０モードに対する指向性測定試験の概念図を示す。図３はこの試験の概念を示す概略断面図である。任意波形発生装置２（３３２５０Ａ、アジレント）を用いて５０ｋＨｚ、５サイクルのトーンバースト波にハニング窓関数をかけた波形を発生させ、高速バイポーラ電源３（ＨＳＡ４１０１、エヌエフ回路設計ブロック）で１００倍増幅して共振周波数３０ｋＨｚの超音波センサ４（ＡＥ３０３Ｓ、富士セラミックス）に入力した。板波センサから１００ｍｍの距離上に超音波センサをカップリングの水を介してアルミニウム板５上に接触させて、板波６を発信させた。また板波センサ１で検出された信号は、増幅器７（５０７７ＰＲ、パナメトリックス）を用いて５０ｄＢ増幅した後、デジタルオシロスコープ８で収録した。またＳ／Ｎ比の向上のために、１００回の平均処理を行った。
また、図４はこの試験の概念を示す概略平面図である。符号は図３に示すものと同様である。
【００１９】
ここで、縦長さ方向を０度として板波の入射角度θを０度から９０度まで１０度間隔で変化させて検出された信号のピーク・ピーク値を測定した。図５に１ｍｍ〜５ｍｍの４種類の幅の板波センサを用いて検出した波形のピーク・ピーク値を示す。なおピーク・ピーク値は入射角度０度で得られたピーク・ピーク値で正規化している。入射角度が０度から増加する伴い、検出感度が低下していく明確な指向性が得られた。またＷが小さくなるほど、顕著な指向性が現れることが分かった。これより長さＬが７ｍｍに対して幅Ｗが２ｍｍ以下、すなわちＬ／Ｗ≧３．５で良好な指向性が得られることが分かった。
【００２０】
上記の試験で用いた板波センサは縦長さＬ：７ｍｍに対しては５０ｋＨｚの板波Ａ０モードに対して最も感度が高く、幅方向Ｗ：１ｍｍに対しては図２より１．２ＭＨｚの板波Ａ０モードに対して最も感度が高い。したがって、入射する板波の周波数帯域が１〜２ＭＨｚの場合、幅方向のみに感度が高い指向性が現れるはずである。これを確認するために１〜２ＭＨｚの帯域のＡＥ波を発生することのできるレーザー照射を用いて、指向性の測定を行った。
【００２１】
図６および７に上記のレーザー照射により発生する擬似ＡＥ波に対する指向性測定試験の概念図を示す。図６は上記試験の概略平面図、図７は上記試験の概略断面図である。ここでは、３００×３００×１ｍｍのアルミニウム板６の中央に７×１×１ｍｍの板波センサ１を瞬間接着剤で接着した。センサを接着した面の反対側の面にセンサを中心として２００×２００ｍｍの範囲１０内でレーザー照射１１を１ｍｍ間隔で２次元走査１２を行い、各点でＡＥ波を発生させた。各点で発生されたＡＥ波のうちＡ０モードの最大振幅の測定を行った結果より、１ｍｍの長さ方向に高い感度を有する指向性が明確に確認された。すなわち縦長さと幅との比は必ずしもＬ／Ｗ≧３．５とＬがＷよりも長い必要性はなく、Ｗ／Ｌ≧３．５とＷをＬよりも長くしても同様の指向性が得られることが確認された。
【００２２】
次に１箇所にアレイ状に配列した複数の指向性板波センサを用いて、打音により発生する板波の入射角度を同定する試験を行った。図８は上記試験の概念を示す概略平面図である。板波入射には実際の面外衝撃を模擬して、インパルスハンマーによる打音２２によって、１００ｋＨｚ以下の周波数帯域を有する板波Ａ０モードを発生させた。図８のようにＬ：７ｍｍ、Ｗ：１ｍｍ、ｔ：１ｍｍの板波センサ４つを３０度間隔に配列したアレイセンサ２１を形成し、アルミ板上に瞬間接着剤で接着した。各センサの検出信号はオシロスコープにＢＮＣケーブルを介して直接接続した。
【００２３】
図９にθ＝０度（ｃｈ１の長さ方向）、センサから距離１００ｍｍの位置で打音した際の４チャンネルの検出波形を示す。各板波センサの有する指向特性のために、縦長さ方向の入射角度が大きくなるほど、検出波形の振幅は明らかに小さくなっているのが分かる。すなわち単に各センサで得られた検出信号の最大振幅の大小を比較し、最も振幅の大きなセンサの縦長さ方向が板波の入射方向であると評価できる。
【００２４】
同様に図１０にθ＝３０度（ｃｈ２の長さ方向）、センサから距離１００ｍｍの位置で打音した際の４チャンネルの検出波形を示す。各センサの最大を比較するとｃｈ２＞ｃｈ１≒ｃｈ３＞ｃｈ４となっていることから、入射角度はｃｈ２の長さ方向、すなわちθ≒３０度と容易に評価される。
【００２５】
以上の測定結果から、上記した本発明の板波センサの指向性が確認された。さらに複数の板波センサをアレイ状にある角度おきに配列することで、一箇所に配置した素子で板波の入射方向が評価できる。図１１に示すように、円形（時計文字盤状）に等間隔で板波センサを１２個配置することで板波の入射方向を１点に配置した素子で評価可能となった。
【００２６】
また、本発明の板波センサを薄膜化することで、厚み振動モードの感度をより高周波側に移動させることが可能となり、より広い周波数帯域で指向性を有する板波センサを作製できる。さらに膜状圧電体に微細加工を行うことで、アレイセンサを一体で作製することが可能となり、検出角度精度の向上、ならびにチャンネル数の増加を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例の板波センサの形状を示す斜視図で、図１（ａ）はＬ＞Ｗの形状の板波センサ、図１（ｂ）はＷ＞Ｌの形状の板波センサを示す斜視図である。
【図２】１ｍｍのアルミニウム板を伝播する板波Ａ０モードの波長の計算値を示すグラフである。
【図３】板波Ａ０モードに対する指向性測定試験の概念を示す概略断面図である。
【図４】板波Ａ０モードに対する指向性測定試験の概念を示す概略平面図である。
【図５】板波Ａ０モードに対する指向性測定試験の試験結果を示すグラフである。
【図６】レーザー照射により発生する擬似ＡＥ波に対する指向性測定試験の概念を示す概略平面図である。
【図７】レーザー照射により発生する擬似ＡＥ波に対する指向性測定試験の概念を示す概略断面図である。
【図８】アレイ状に配列した複数の指向性板波センサを用いて、打音により発生する板波に対する入射角度測定試験の概念を示す概略平面図である。
【図９】図８におけるｃｈ１の縦長さ方向で打音した際の４つのセンサで検出した板波を示すグラフである。
【図１０】図８におけるｃｈ２の縦長さ方向で打音した際の４つのセンサで検出した板波を示すグラフである。
【図１１】本発明のセンサをアレイ状に配置した素子の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    板波センサ
２    任意波形発生装置
３    高速バイポーラ電源
４    超音波センサ
５    アルミニウム板
６    板波
７    増幅器
８    デジタルオシロスコープ
１０  レーザー照射範囲
１１  レーザー照射
１２  ２次元走査
２１  アレイセンサ
２２  インパルスハンマーによる打音
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006275570.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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