(57)【要約】【課題】被測定体からの超音波探傷子の脱落を防止でき、被測定体の厚さを常時測定できる超音波厚みセンサの製造方法、及び超音波厚みセンサを提供すること。【解決手段】本発明の超音波厚みセンサの製造方法は、被測定体に粉末のチタン酸ジルコン酸鉛とチタン酸ジルコン酸鉛のゾルとの混合スラリーを成膜して焼結原料層を形成する成膜工程Ｐ１と、焼結原料層を加熱して圧電セラミックス前躯体とする焼結工程Ｐ２と、圧電セラミックス前躯体を分極処理して圧電セラミックスを形成する分極処理工程Ｐ３と、圧電セラミックス上に電極を形成して前記被測定体上に超音波厚み計と接続される超音波探傷子を形成する電極形成工程Ｐ４と、を含むことを特徴とする。【選択図】図４
2015059774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体に粉末のチタン酸ジルコン酸鉛とチタン酸ジルコン酸鉛のゾルとを含有するスラリーを成膜して焼結原料層を形成する成膜工程と、
前記焼結原料層を加熱して圧電セラミックス前躯体とする焼結工程と、
前記圧電セラミックス前躯体を分極処理して圧電セラミックスを形成する分極処理工程と、
前記圧電セラミックス上に電極を形成して前記被測定体上に超音波厚み計と接続される超音波探傷子を形成する電極形成工程と、
を含むことを特徴とする超音波厚みセンサの製造方法。
【請求項２】
前記焼結工程において、前記焼結原料層を６００℃以上７００℃以下の温度範囲で加熱する、請求項１に記載の超音波厚みセンサの製造方法。
【請求項３】
前記焼結工程において、前記圧電セラミックス前躯体をバーナーで加熱する、請求項１または請求項２に記載の超音波厚みセンサの製造方法。
【請求項４】
前記焼結工程において、前記圧電セラミックス前躯体を赤外線加熱炉で加熱する、請求項１または請求項２に記載の超音波厚みセンサの製造方法。
【請求項５】
前記焼結工程において、前記圧電セラミックス前躯体を高周波電流からの高周波磁束で加熱する、請求項１または請求項２に記載の超音波厚みセンサの製造方法。
【請求項６】
前記分極処理工程において、前記圧電セラミックスをコロナ放電によって分極処理する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波厚みセンサの製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波厚みセンサの製造方法によって得られた超音波探傷子と、
前記超音波探傷子に電気的に接続された超音波厚み計と、
を備えたことを特徴とする超音波厚みセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波厚みセンサの製造方法、及び超音波厚みセンサに関し、特に、配管などの被測定体の厚みを測定可能な超音波厚みセンサの製造方法、及び超音波厚みセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を備えた検出センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の検出センサは、一端が基板に固定された振動子を有しており、この振動子を圧電素子で振動させた際の振動子の捻りモードの振動を歪みセンサで検出する。これにより、空気中を漂う分子が振動子に付着した際の質量変化を振動子の振動特性の変化として検出できるので、空気中を漂う各種物質や匂いを検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２４２２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、原子力発電所やボイラーなどの各種プラントの配管においては、配管の内部を流れる水や蒸気などの流体により配管が摩耗減肉して肉厚が薄くなる場合があり、これらのプラントでは配管の厚みを定期的に測定する必要がある。一般的に、配管の厚みの測定は、配管を被覆する保温材を取り外して配管をむき出しの状態にした後、配管に超音波探傷子を貼り付けることによって測定されている。
【０００５】
しかしながら、従来の配管の厚みの測定方法では、配管を流れる流体などによる配管の振動によって超音波探傷子が外れる場合があり、プラントの運転を停止して配管の厚みを測定する必要があった。また、従来の配管の厚みの測定方法では、配管の厚みを常時監視することはできず、プラントの運転中にも配管の摩耗減肉の程度を測定できる超音波厚みセンサが望まれていた。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、被測定体からの超音波探傷子の脱落を防止でき、被測定体の厚さを常時測定できる超音波厚みセンサの製造方法、及び超音波厚み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】
【０００７】
本発明の超音波厚みセンサの製造方法は、被測定体に粉末のチタン酸ジルコン酸鉛とチタン酸ジルコン酸鉛のゾルとを含有するスラリーを成膜して焼結原料層を形成する成膜工程と、前記焼結原料層を６００℃〜７００℃の温度範囲に加熱して圧電セラミックス前躯体とする焼結工程と、前記圧電セラミックス前躯体を分極処理して圧電セラミックスを形成する分極処理工程と、前記圧電セラミックス上に電極を形成して前記被測定体上に超音波厚み計に電気的に接続される超音波探傷子を形成する電極形成工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
この方法によれば、被測定体上に超音波探傷子を直接形成するので、被測定体内の内部を流体が流れる場合であっても、被測定体からの超音波探傷子の脱落を防ぐことができる。これにより、被測定体が各種プラントなどの配管の場合であっても、各種プラントの運転を停止することなく、被測定体の厚さを常時測定することが可能な超音波厚みセンサを実現できる。
【０００９】
本発明の超音波厚みセンサの製造方法においては、前記焼結工程において、前記焼結原料層を６００℃以上７００℃以下の温度範囲で加熱することが好ましい。この方法により、被測定体に圧電セラミックス前躯体を好適に形成することができる。
【００１０】
本発明の超音波厚みセンサの製造方法においては、前記焼結工程において、前記圧電セラミックス前躯体をバーナーで加熱することが好ましい。この方法により、被測定体に圧電セラミックス前躯体を容易に形成することができる。
【００１１】
本発明の超音波厚みセンサの製造方法においては、前記焼結工程において、前記圧電セラミックス前躯体を赤外線加熱炉で加熱することが好ましい。この方法により、火を使わずに圧電セラミックス前躯体を形成できるので、被測定体の周囲に可燃物が存在する場合であっても、可燃物への引火を防ぐことができる。
【００１２】
本発明の超音波厚みセンサの製造方法においては、前記焼結工程において、前記圧電セラミックス前躯体を高周波電流からの高周波磁束で加熱することが好ましい。この方法により、火を使わずに圧電セラミックス前躯体を形成できるので、被測定体の周囲に可燃物が存在する場合であっても、可燃物への引火を防ぐことができる。
【００１３】
本発明の超音波厚みセンサの製造方法においては、前記分極処理工程において、前記圧電セラミックスをコロナ放電によって分極処理することが好ましい。この方法により、圧電セラミックスに対して直接高電圧を印加する場合と比較して分極処理に要する時間を短縮できる。
【００１４】
本発明の超音波厚みセンサは、上記超音波厚みセンサの製造方法によって得られた超音波探傷子と、前記超音波探傷子に電気的に接続された超音波厚み計とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、被測定体上に超音波探傷子が直接形成されるので、流体が被測定体内を流れる場合であっても、被測定体からの超音波探傷子の脱落を防ぐことができる。これにより、被測定体が各種プラントなどの配管の場合であっても、各種プラントの運転を停止することなく、被測定体の厚さを常時測定することが可能な超音波厚みセンサを実現できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被測定体が稼働中であっても、被測定体の厚さを測定できる超音波厚みセンサの製造方法、及び超音波厚みセンサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る超音波厚みセンサの模式図である。
【図２】図２は、図１に示す超音波探傷子の構造の一例を示す模式図である。
【図３】図３は、図１に示す超音波探傷子の構造の他の例を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る超音波厚みセンサの製造方法の概略を示すフロー図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る焼結工程の一例を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る焼結工程の他の例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る焼結工程の別の例を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る分極処理工程の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。
【００１９】
まず、図１を参照して本実施の形態に係る超音波厚みセンサの製造方法によって得られる超音波厚みセンサの概要について説明する。図１は、本実施の形態に係る超音波厚みセンサの模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る超音波厚みセンサ１は、上述した超音波厚みセンサの製造方法によって被測定体としての配管１１に形成された超音波探傷子（検出素子）１２と、この超音波探傷子１２に配線１２４、１２６を介して電気的に接続された超音波厚み計（制御部）１３とを備える。
【００２０】
この超音波厚みセンサ１では、例えば、外径ｄ１が１００ｍｍであり、肉厚ｄ２が８ｍｍの配管１１の外周面に、直径ｄ３が１０ｍｍの超音波探傷子１２が設けられている。超音波探傷子１２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉ）Ｏ３）を含む圧電セラミックスによって構成されている。
【００２１】
以下、図２を参照して、超音波探傷子１２の構造について説明する。図２は、図１に示す超音波探傷子の構造の一例を示す模式図である。ここで、超音波探傷子１２は、配管１１が第１電極となる。超音波探傷子１２は、配管１１に積層された焼結体層１２０と、焼結体層１２０に積層された第２電極１２２と、配管１１の接続された配線１２４と、第２電極１２２に接続された配線１２６と、を有する。配管１１は、金属で形成された管である。焼結体層１２０は、配管１１の表面（外周面）に積層されている。焼結体層１２０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉ）Ｏ３）を含む圧電セラミックスで形成されている。第２電極１２２は、焼結体層１２０に積層されている。つまり、超音波探傷子１２は、焼結体層１２０が第１電極となる配管１１と、第２電極１２２とで挟みこまれている。配線１２４は、配管１１と超音波厚み計１３とを接続している。配線１２６は、第２電極１２２と超音波厚み計１３とを接続している。
【００２２】
超音波厚み計１３は、配線１２４を介して配管１１と接続され、配線１２６を介して第２電極１２２と接続されている。超音波厚み計１３は、配線１２４、１２６を介して配管１１と第２電極１２２とで焼結体層１２０を挟み込んだ回路を形成する。超音波厚み計１３は、配線１２４、１２６を介して配管１１と第２電極１２２とに電圧を印加し、超音波探傷子１２の焼結体層１２０にパルス状の電圧を印加することで、焼結体層１２０を振動させて超音波を発信させる。また、超音波探傷子１２は、配管１１の壁面内を伝播して反射した超音波を電気信号に変換する。超音波厚み計１３は、超音波探傷子１２によって変換された電子信号を検出することにより、配管１１の肉厚ｄ２を測定する。
【００２３】
この超音波厚みセンサ１によれば、被測定体としての配管１１上に超音波探傷子１２が直接形成されているので、流体Ｆが配管１１内を流れる場合であっても、配管１１からの超音波探傷子１２の脱落を防ぐことができる。これにより、配管１１を備えた原子力発電所やボイラーなどの装置が運転中であっても、配管１１を被覆する保温材などを剥がすことなく定期的に配管１１の肉厚ｄ２を測定できる。
【００２４】
なお、図１に示す例では、配管１１の外周面に超音波探傷子１２を設ける例について説明しているが、超音波探傷子１２は、配管１１の肉厚ｄ２を検出できる範囲であれば、配管１１の内周面などに設けてもよい。また、図１に示す例では、被測定体として配管１１に超音波探傷子１２を設ける例について説明しているが、被測定体は配管１１に限定されるものではない。また、超音波厚み計１３としては、超音波探傷子１２によって配管１１の肉厚ｄ２を測定できるものであれば特に制限はなく、例えば、超音波厚み計（型番：ＵＩ−２５、菱電湘南エレクトロニクス社製）が挙げられる。
【００２５】
また、上記実施形態では、配管１１の直管の部分、つまり、配管１１の軸方向が直線となる部分に超音波探傷子１２を設けたが、これに限定されない。図３は、図１に示す超音波探傷子の構造の他の例を示す模式図である。図３は、超音波探傷子１２Ａを配管１１Ａの屈曲している部分に設けた例を示している。超音波探傷子１２Ａは、配管１１Ａが第１電極となる。超音波探傷子１２Ａは、配管１１Ａの屈曲部に積層された焼結体層１２０ａと、焼結体層１２０ａに積層された第２電極１２２ａと、配管１１の接続された配線１２４ａと、第２電極１２２ａに接続された配線１２６ａと、を有する。図３に示すように、超音波探傷子１２Ａは、配管１１Ａの屈曲部に設けることもできる。
【００２６】
次に、本実施の形態に係る超音波厚みセンサ１の製造方法について説明する。図４は、本実施の形態に係る超音波厚みセンサの製造方法の概略を示すフロー図である。本実施の形態に係る超音波厚みセンサの製造方法は、被測定体に粉末のチタン酸ジルコン酸鉛とチタン酸ジルコン酸鉛のゾルとを含むスラリーを成膜して焼結原料層を形成する成膜工程Ｐ１と、焼結原料層を６００℃〜７００℃の温度範囲に加熱して圧電セラミックス前躯体とする焼結工程Ｐ２と、圧電セラミックス前躯体を分極処理して圧電セラミックスを形成する分極処理工程Ｐ３と、圧電セラミックス上に電極を形成して被測定体上に超音波厚み計に電気的に接続される超音波探傷子を形成する電極形成工程Ｐ４と、を含む。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る超音波厚みセンサ１の製造方法の各工程Ｐ１〜Ｐ４について詳細に説明する。
【００２８】
＜成膜工程Ｐ１＞
成膜工程Ｐ１では、配管１１などの被測定体にＰＺＴ粉末とＰＺＴゾルとを含むスラリーを成膜して焼結原料層を形成する。ＰＺＴ粉末とＰＺＴゾルとを含むスラリーは、ＰＺＴ粉末とＰＺＴゾルとを必要に応じてエタノール、ブタノール、及び酢酸エチルなど溶剤を用いて混合、混錬し、乾燥させることにより得られる。
【００２９】
ＰＺＴとしては、共沈殿法で得られたものを用いてもよく、アルコキシド法によって得られたものを用いてもよい。ＰＺＴは、例えば、以下のようにして得られる。まず、ＰｂＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２の各粉末を、所望のＰＺＴが得られる組成となるように配合し、配合した各粉末をエタノール、ブタノール、及び酢酸エチルなどの溶剤やポリエチレンイミンなどの分散媒を適宜加えてボールミルなどにより混錬する。そして、得られた混錬物（スラリー）を乾燥して混合粉末とし、この混合粉末を粉体の状態で所定温度で熱処理することによりＰＺＴが得られる。なお、ＰＺＴとしては、市販品の粉末状のＰＺＴを用いてもよい。
【００３０】
本発明においては、ＰＺＴとしては、本発明の効果を奏する範囲で各種組成のＰＺＴを用いることができる。ＰＺＴとしては、高感度の圧電セラミックスが得られる観点から、下記式（１）で表されるものが好ましい。
Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３・・・式（１）
（式（１）中、ｘは、０．３０≦ｘ≦０．７０）
【００３１】
なお、上記式（１）において、ｘとしては、より高感度の圧電セラミックスが得られる観点から、０．３０以上であることが好ましく、０．４０以上であることがより好ましく、０．４５以上であることが更に好ましく、０．５０以上であることがより更に好ましく、また０．７０以下であることが好ましく、０．６５以下であることがより好ましく、０．６０以下であることが更に好ましく、０．５５以下であることがより更に好ましい。以上のことを考慮すると、ｘとしては、０．３０以上０．７０以下であることが好ましく、０．４０以上０．６５以下であることがより好ましく、０．４５以上０．６０以下であることが更に好ましく、０．５０以上０．５５以下であることがより更に好ましい。
【００３２】
また、ＰＺＴとしては、本発明の効果を奏する範囲で微量添加元素を含有するものであってもよい。微量添加元素としては、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｃ、及びＧｄからなる群から選択された少なくとも１種が挙げられる。微量添加元素を含有するＰＺＴとしては、例えば、上述した各元素をそれぞれ１０重量％程度以下添加したものが挙げられる。なお、本発明は、必ずしもＰＺＴ系圧電セラミックス材料を用いたものに限定されず、その他のペロブスカイト型結晶構造を有する圧電セラミックス材料（例えば、ＬｉＮｂＯ３）など、更にはペロブスカイト型結晶構造を持たないその他の圧電セラミックス材料（例えば、Ｂｉ３Ｔｉ４Ｏ１２）などにも適用することができる。
【００３３】
ＰＺＴ粉末の粒径としては、例えば、平均粒径１μｍ〜１０μｍの範囲である。ＰＺＴ粉末の平均粒径が１μｍ〜１０μｍの範囲であれば、ＰＺＴ粉末を構成する金属成分の酸化物の粉末を混合して焼結して塊状のＰＺＴとし、この塊状のＰＺＴを機械的に粉砕することにより容易にＰＺＴ粉末を得ることができる。また、ＰＺＴ粉末の平均粒径は、焼結したＰＺＴの粉砕効率の観点から、１μｍ以上が好ましく、燒結性の観点から１０μｍ以下が好ましい。
【００３４】
本発明において、ＰＺＴゾルとは、下記一般式（２）で表される３種類の金属成分を含有する金属アルコキシドのゾルである。ＰＺＴゾルは、鉛アルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、およびチタンアルコキシドの各ゾルを溶剤などと混合することにより得られる。
Ｍ（ＯＲ）Ｙ・・・式（２）
（式（１）中、Ｍは、鉛（Ｐｂ）、チタン（Ｔｉ）、又はジルコニウム（Ｚｒ）を表し、Ｒは、アルキル基を表す。Ｙは、任意の数を表す。）
【００３５】
上記一般式（２）の金属アルコキシドのゾルとしては、Ｒとしてはアルキル基であれば特に制限はなく、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、及びs−ブチル基などのアルコキシドのゾルを用いることができる。
【００３６】
鉛アルコキシドとしては、鉛ジイソプロキシド、及び鉛ジブトキシドなどが挙げられる。ジルコニウムアルコキシドとしては、ジルコニウムテトラブトキシド、及びジルコニウムテトラプロポキシドなどが挙げられる。チタンアルコキシドとしては、チタンテトライソプロポキシド、及びチタンテトラプロポキシドなどが挙げられる。
【００３７】
また、各アルコキシドゾルの配合は、金属成分の割合が、目標とする酸化物系圧電材料における金属成分の割合と同等となるように定めることが望ましい。すなわち、一般式Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３で表されるＰＺＴの場合、各アルコキシドの金属成分のモル比が、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１：ｘ：１−ｘの割合となるように配合することが望ましい。
【００３８】
なお、ＰＺＴゾルとしては、上記一般式（２）で表されるＰＺＴゾルの組成に、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｃ、及びＧｄからなる群から選択された少なくとも１種の微量添加元素を含むＰＺＴゾルとしてもよい。
【００３９】
ＰＺＴ粉末とＰＺＴゾルとの混合比については特に制限されない。例えば、ＰＺＴ粉末中の金属成分に対するＰＺＴゾル中の金属成分のモル比が、０．２〜１．０の範囲内となるようにすることが好ましい。上記モル比が０．２以上であれば、アルコキシドゾルが充分に配合されるので、焼結工程Ｐ２においてゾルの分解生成物が焼結助剤として充分に機能し、比較的低温で焼結を行うことが可能となる。また、上記モル比が１．０以下であれば、アルコキシドゾルが適度な範囲となるので、圧電セラミックス前躯体上に電極を設けて焼結した場合であっても、ＰＺＴの粒子が充分に結合され、圧電セラミックス前躯体の剥落や破損を防ぐことができる。
【００４０】
配管１１などの被測定体の材質としては、被測定体に超音波探傷子１２を形成できるものであれば特に制限はなく、本発明の効果を奏する範囲で各種材質を用いることができる。特に、焼結原料層の形成にＰＺＴ粉末とＰＺＴゾルとのスラリーを用いるので、後述する焼結工程Ｐ２では、６００℃〜８００℃程度の比較的低温で焼結することができる。このため、８００℃程度までの耐酸化性を有する汎用の耐熱金属を使用することができるので、ステンレス鋼やその他の汎用の耐熱鋼を用いることができる。
【００４１】
被測定体の材質としては、例えば、１８Ｃｒ−８ＮｉのＳＵＳ３０４系統のオーステナイト系ステンレス鋼、又は１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−２．５ＭｏのＳＵＳ３１６系統のオーステナイト系ステンレス鋼、その他、２２Ｎｉ−１２ＣｒのＳＵＨ３０９系統のオーステナイト系耐熱鋼を用いることができる。
【００４２】
ＰＺＴ粉末とＰＺＴゾルとのスラリーの成膜方法としては、例えば、スラリーを金属板表面に塗布する方法が挙げられる。また、スラリーをロールコーターや、一般的な印刷方法で成膜してもよい。
【００４３】
また、超音波厚みセンサ１の製造方法の成膜工程によって、配管１１にスラリーを塗布する前に、配管１１のスラリーを塗布する範囲、つまり、超音波探傷子を形成する範囲の表面を加工することが好ましい。具体的には、配管１１の表面に酸化膜や防食膜等の保護層が形成されている場合、保護層を除去し、金属層が露出した状態とすることが好ましい。これにより、配管１１の表面に、スラリーを好適に塗布することができ、また、形成した膜の剥離を抑制することができる。
【００４４】
乾燥後の焼結原料層の厚みは、例えば、７０μｍ〜２００μｍの範囲内とすることが好ましい。乾燥後の焼結原料層の厚みが７０μｍ以上であれば、焼結によって得られる圧電セラミックス前駆体層の厚みが十分な範囲になるので、圧電セラミックスを湾曲させても圧電セラミックスから金属板が剥離することがない。また、乾燥後の焼結原料層の厚みが２００μｍ以下であれば、焼結及び分極を経て得られる圧電セラミックスの厚みが適度な範囲となるので、圧電セラミックスに可撓性を付与することができる。なお、焼結原料層は、乾燥後の厚みが乾燥前の１／２〜１／４程度の厚みとなるので、厚みの減少分を考慮して塗布することが好ましい。また、焼結原料層の乾燥は、焼結工程における焼結のための加熱の初期段階で行なってもよい。
【００４５】
＜焼結工程Ｐ２＞
焼結工程Ｐ２では、焼結原料層を６００℃以上７００℃以下の温度範囲に加熱して圧電セラミックス前躯体とする。この焼結工程Ｐ２では、ＰＺＴ粉末の粒子の間に介在しているＰＺＴゾルに含まれるアルコキシドが分解し、超微粉末状の分解生成物が生成される。この分解生成物は、ＰＺＴ粉末の粒子を焼結結合させる焼結助剤として機能する。また、分解生成物は、ＰＺＴ粉末と同様の組成を有するので、得られる圧電セラミックスの圧電特性を損なうことがない。このため、ＰＺＴ粉末と共にＰＺＴゾルを混合して加熱することにより、比較的低温でも焼結が進行し、かつ圧電特性も向上する。
【００４６】
焼結工程Ｐ２では、加熱温度を６００以上７００℃以下の範囲内として、焼結後の圧電セラミックスの密度が７０％以上８０％以下の範囲内となるようにする。加熱温度が７００℃以下であれば、焼結時のＰＺＴ粉体同士の焼結反応が穏やかに進行して密度が８０％以下の圧電セラミックスを得ることができる。また、加熱温度が６００℃以上であれば、ＰＺＴ粉体同士の焼結反応が充分に進行して、圧電セラミックス前躯体の密度を７０％以上に高めることができる。
【００４７】
焼結工程Ｐ２の加熱温度は、所望の圧電特性を有すると共に、超音波探傷子１２の被測定体からの剥落を防ぐ観点から、６００℃以上が好ましく、６１０℃以上がより好ましく、６２０℃以上が更に好ましく、６３０℃以上がより更に好ましく、６４０℃以上が特に好ましく、また７００℃以下が好ましく、６９０℃以下がより好ましく、６８０℃以下が更に好ましく、６７０℃以下がより更に好ましく、６６０℃以下が特に好ましい。また、焼結工程Ｐ２の加熱温度が６００℃以上であれば、圧電セラミックス前躯体の形成が容易となり、７００℃以下であれば、焼結に伴う圧電セラミックスの収縮による圧電セラミックスの剥落を防ぐことができる。以上を考慮すると、焼結工程Ｐ２の加熱温度は、６００℃以上７００℃以下が好ましく、６１０℃以上６９０℃以下がより好ましく、６２０℃以上６８０℃以下が更に好ましく、６３０℃以上６７０℃以下がより更に好ましく、６４０℃以上６６０℃以下が特に好ましい。
【００４８】
圧電セラミックスは、密度が８０％以下であれば、圧電セラミックスの剛性、及び焼結時の圧電セラミックスの収縮が適度な範囲となるので、圧電セラミックスに可撓性を付与することができる。これより、被測定体の曲面に超音波探傷子１２を形成する場合であっても、超音波探傷子１２の剥離及び破損を防ぐことができる。また、焼結後の圧電セラミックスの密度が７０％以上であれば、圧電セラミックスの空隙率が適度な範囲となるので、圧電セラミックス内部の粒子が充分に結合されている状態となる。これにより、焼結工程Ｐ２後の工程におけるハンドリングが良好になり、超音波探傷子１２が粉体状に剥落することを防ぐことができると共に、厚さ測定のため超音波厚みセンサ１として充分な圧電特性を得ることができる。
【００４９】
本実施の形態によれば、従来の酸化物系圧電材料（セラミックス圧電材料）の焼結温度よりも低い６００℃〜７００℃の焼結温度であっても、圧電セラミックス前躯体に含まれるＰＺＴゾルのアルコキシドの分解生成物が焼結助剤となるので、超音波探傷子１２として必要な圧電特性が得られる密度を有する圧電セラミックスを得ることができる。
【００５０】
なお、焼結工程Ｐ２における加熱は、大気雰囲気下で行うことができる。また、焼結工程Ｐ２における加熱時間は、６００℃以上７００℃以下の温度範囲に含まれる目標温度に達してから、１分間以上１０分間以下でよい。
【００５１】
次に、図５から図７を参照して、焼結工程Ｐ２における加熱の具体例についてする。図５は、本発明の実施の形態に係る焼結工程Ｐ２の一例を示す模式図であり、図６は、本発明の実施の形態に係る焼結工程Ｐ２の他の例を示す模式図であり、図７は、本発明の実施の形態に係る焼結工程Ｐ２の別の例を示す模式図である。
【００５２】
図５に示す例では、配管１１の外周面上に形成された焼結原料層１４の近傍に温度測定用の熱電対１５を貼り付け、バーナー１６の炎１７によって焼結原料層１４を加熱する。この例では、熱電対１５によって検出される配管１１の温度が６００℃〜７００℃の範囲となるようにして焼結原料層１４を所定時間（例えば、５分程度）加熱する。このように、バーナー１６を用いて焼結することにより、焼結原料層１４を容易に圧電セラミックス前躯体にすることができる。なお、バーナー１６としては、ガスバーナーなどの気体燃料バーナーを用いてもよく、オイルバーナーなどの液体燃料バーナーを用いてもよく、固体燃料を用いる粉体燃料バーナーを用いてもよい。また、バーナー１６としては、ブタンガスなどのトーチを用いてもよい。
【００５３】
図６に示す例では、図５に示した例と同様に、配管１１上の焼結原料層１４の近傍に温度測定用の熱電対１５を貼り付ける。そして、赤外線加熱炉１８によって焼結原料層１４を加熱する。この例では、熱電対１５によって検出される配管１１の温度が６００℃〜７００℃の範囲となるようにして焼結原料層１４を所定時間（例えば、５分程度）加熱する。このように赤外線加熱炉１８を用いて焼結することにより、広い範囲を加熱することができると共に、高速加熱及び高速冷却が可能になる。また、火や燃料を用いないので、雰囲気汚染を防ぐことができる。
【００５４】
図７に示す例では、図５に示した例と同様に、配管１１上の焼結原料層１４の近傍に温度測定用の熱電対１５を貼り付ける。そして、配管１１と所定の間隔を取るように、配管１１の外周面の周方向に設けられたコイル１９に高周波電流Ｃを流すことによって生じる高周波磁束Ｍによる誘導作用によって焼結原料層１４を加熱する。この例では、熱電対１５によって検出される配管１１の温度が６００℃〜７００℃の範囲となるようにして焼結原料層１４を所定時間（例えば、５分程度）加熱する。このように、コイル１９に高周波電流Ｃを流すことによって生じる高周波磁束Ｍによって加熱することにより、熱源を用いることなく焼結原料層１４を焼結することが可能となる。
【００５５】
＜分極処理工程Ｐ３＞
分極処理工程Ｐ３では、圧電セラミックス前躯体を分極処理して圧電セラミックスを形成する。一般的に圧電セラミックス前躯体の分極処理としては、一対の電極間に圧電セラミックス前躯体を挟持して一対の電極間に高電圧の直流電圧（例えば、３０００Ｖ／ｍｍ）を印加する方法が用いられている。しかしながら、本実施の形態では、被測定体に圧電セラミックス前躯体を形成しているので、一対の電極によって圧電セラミックス前躯体を挟持することはできない。また、被測定体として導電材料で形成された配管１１などに圧電セラミックス前躯体を形成する場合には、上述した方法を用いることが難しい場合がある。
【００５６】
そこで、本実施の形態においては、コロナ放電によって圧電セラミックス前躯体の分極処理を行う。図８は、本実施の形態に係る分極処理工程Ｐ３の一例を示す模式図である。図８に示す例では、配管１１上に設けられた圧電セラミックス前躯体２０と所定間隔ｄ４離れた位置に、配管１１の延在方向に沿ってコロナ放電線２１を設置する。そして、コロナ放電線２１に８０００Ｖ程度の高電圧を印加してコロナ放電を行うことにより、圧電セラミックス前躯体２０の分極処理を行って圧電セラミックス前躯体２０を圧電特性を有する圧電セラミックス（焼結体層）とする。コロナ放電線２１としては、例えば、金メッキが施された直径１００μｍのタングステン線を用いることができる。圧電セラミックス前躯体２０とコロナ放電線２１との間の間隔ｄ４としては、例えば、５ｍｍ〜１５ｍｍである。また、コロナ放電の処理時間は、例えば、５分〜１０分である。このように、コロナ放電によって分極処理することにより、直接直流電圧を印加する場合と比較して短時間で分極処理を行うことができる。
【００５７】
＜電極形成工程Ｐ４＞
電極形成工程Ｐ４では、圧電セラミックス（焼結体層）上に電極（第２電極）を形成して被測定体上に超音波厚み計１３と電気的に接続される超音波探傷子１２を形成する。圧電セラミックス上に電極を形成する方法としては特に制限はない。電極の形成方法としては、例えば、銀（Ａｇ）などの電極用の導電性金属の粉末をペースト化しておき、このペーストを圧電セラミックス上に塗布して焼き付けて電極を形成する方法や、電極用の導電性金属の薄膜を圧電セラミックスの表面に設けて焼き付けて電極を形成する方法などが挙げられる。
【００５８】
圧電セラミックス上に形成する電極の厚みとしては、１０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。電極の厚みが１００μｍ以下であれば、超音波厚みセンサ１の可撓性を損なうことがなく、１０μｍ以上であれば、圧電セラミックス表面の凹凸の影響を受けずに圧電セラミックスの表面に均一に電極を形成することができる。
【００５９】
また、超音波厚みセンサ１の製造方法は、第２電極を形成した後、配線で配管と超音波厚み計とを接続し、配線で第２電極と超音波厚み計とを接続する。超音波厚みセンサは、以上のようにして製造する。
【００６０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、配管１１などの被測定体上に超音波探傷子１２を直接形成するので、被測定体内の内部を流体が流れる場合であっても、被測定体からの超音波探傷子１２の脱落を防ぐことができる。これにより、被測定体が各種プラントなどの配管１１の場合であっても、各種プラントの運転を停止することなく、被測定体の厚さを常時測定することが可能な超音波厚みセンサ１を実現できる。
【００６１】
また、本実施の形態によれば、被測定体に直接超音波探傷子１２を設けるので、配管１１などの被測定体の外側に保護や断熱などのために外被を設けた場合であっても、被測定体の厚み測定を適宜行うことができる。さらに、本実施の形態によれば、超音波探傷子１２が可撓性を有する圧電セラミックスによって構成することもできるので、被測定体の表面が湾曲している場合であっても、湾曲面に沿って超音波厚みセンサ１を設けることができ、湾曲部位における厚み測定を行なうことができる。
【実施例】
【００６２】
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら制限されるものではない。
【００６３】
（実施例１）
まず、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を、ＰｂＯ：１モル、ＺｒＯ２：０．５モル、ＴｉＯ２：０．５モルの割合で配合して原料粉末を作製した。次に、ボールミルを用いて配合した原料粉末と溶剤としてのエタノールと分散剤としてのポリエチレンイミンとを混練してスラリーとし、このスラリーを乾燥させて混合粉末塊を得た。次に、得られた混合粉末塊をアルミナるつぼに入れ、アルミナの蓋をした状態で、８００℃にて５時間加熱することにより、ＰＺＴ粉末が焼結して弱い結合力を有する塊状のＰＺＴが得られた。
【００６４】
次に、塊状のＰＺＴを粉砕して３００μｍのふるいを通過させたものをボールミルに入れ、エタノール中でジルコニアボールを粉砕媒体として２４時間粉砕して乾燥させた。その結果、平均粒径１０μｍのＰＺＴ粉末が得られた。
【００６５】
次に、鉛ジイソプロキシド、ジルコニウムテトラブトキシド、及びチタンテトライソプロポキシドをＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１：０．５：０．５のモル比となるように配合してキシレンに溶解させてＰＺＴゾルを作製した。次に、作製したＰＺＴゾルに、上述した平均粒径２μｍのＰＺＴ粉末を分散させてＰＺＴ粉末とＰＺＴゾルとのスラリーを得た。
【００６６】
次に、直径１００ｍｍ、厚み８ｍｍの被測定体としてのＳＵＳ配管の表面に、直径１０ｍｍの開口部を設けたマスキングテープを貼り付けた後、ＰＺＴ粉末とＰＺＴゾルとのスラリーをスプレーにて塗布して焼結原料層を成膜した。次に、マスキングテープを剥がした後、温度測定用の熱電対（型番：Ｋ、ヤマリ社製）をＳＵＳ配管の塗布膜の近傍に貼り付けた。次に、図５に示した例のように、ブタンガスのトーチを用いて熱電対によって確認される温度が６５０℃となるようにして５分間加熱してＳＵＳ配管に圧電セラミックス前躯体を形成した。
【００６７】
次に、図８に示した例のように、ＳＵＳ配管に形成した圧電セラミックス前躯体から１０ｍｍの間隔を取って、コロナ放電線を設けた後、８０００Ｖの電圧で５分間コロナ放電をしてＳＵＳ配管に圧電セラミックスを形成した。次に、圧電セラミックスの表面に電極形成用の銀ペーストを塗布し、５００℃で焼き付けて、平均厚み２０μｍの銀電極を形成することによって、ＳＵＳ配管に超音波探傷子を形成した。
【００６８】
次に、超音波探傷子の銀電極から導出した配線と超音波厚み計（型番：ＵＩ−２５、菱電湘南エレクトロニクス社製）とを電気的に接続して超音波厚みセンサを作製した。次に、作製した超音波厚みセンサを用いてＳＵＳ配管の厚みを測定した。その結果、ＳＵＳ配管の厚みの測定値は８ｍｍであり、ＳＵＳ配管の厚みの実質値と測定値との間に有意差はなかった。
【００６９】
（実施例２）
ＳＵＳ配管上に成膜した焼結原料層を、図６に示した例のように、赤外線加熱炉にて６５０℃で５分間加熱したこと以外は、実施例１と同様にして超音波厚みセンサを作製してＳＵＳ配管の厚みを測定した。その結果、ＳＵＳ配管の厚みの測定値は８ｍｍであり、実施例１と同様に、ＳＵＳ配管の厚みの実質値と測定値との間に有意差はなかった。
【００７０】
（実施例３）
ＳＵＳ配管上に成膜した焼結原料層を、図７に示した例のように、ＳＵＳ配管の周囲に設けたコイルに高周波電流（電圧、電流などの追記をお願い致します）を流して発生させた高周波磁束によって、５分間焼結したこと以外は、実施例１と同様にして超音波厚みセンサを作製してＳＵＳ配管の厚みを測定した。その結果、ＳＵＳ配管の厚みの測定値は８ｍｍであり、実施例１と同様に、ＳＵＳ配管の厚みの実質値と測定値との間に有意差はなかった。
【符号の説明】
【００７１】
１  超音波厚みセンサ
１１、１１Ａ  配管（被測定体）
１２  超音波探傷子（検出素子）
１３  超音波厚み計（制御部）
１４  焼結原料層
１５  熱電対
１６  バーナー
１７  炎
１８  赤外線加熱炉
１９  コイル
２０  圧電セラミックス前躯体
２１  コロナ放電線
１２０、１２０ａ  焼結体層
１２２、１２２ａ  第２電極
１２４、１２４ａ、１２６  配線
Ｆ  流体
Ｍ  高周波磁束
【図１】
2015059774.tif 000003
【図２】
2015059774.tif 000004
【図３】
2015059774.tif 000005
【図４】
2015059774.tif 000006
【図５】
2015059774.tif 000007
【図６】
2015059774.tif 000008
【図７】
2015059774.tif 000009
【図８】
2015059774.tif 000010