(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体内において超音波を送信し、または受信するための圧電素子を有する装置であって、前記素子の電極は、場合に応じて、該素子に前記構造体内へ超音波信号を発信させるために適切な励起電気信号を生成する信号源回路に接続され、または前記素子が前記構造体から受信した超音波励起の作用によって当該素子によって発信される電気信号の受信回路に接続され、前記圧電素子は該構造体に内蔵されている、圧電素子を有する装置において、
前記圧電素子（７）の前記信号源回路または前記受信回路は各々、前記圧電素子と同様に構造体（６）に内蔵された磁気誘導ループ（９）であって、外部回路（１０、１１）からの電磁信号の受信に適し、または外部回路（１０、１１）への電磁信号の発信にそれぞれ適している磁気誘導ループ（９）を備えていることを特徴とする、構造体内において超音波を送信し、または受信するための圧電素子を有する装置。
【請求項２】
前記磁気誘導ループ（９）が柔軟なプリント回路の平型螺旋体を有し、前記構造体（６）の表面に位置する位置決めの基準位置が前記螺旋体に対向して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記磁気誘導ループ（９）が、圧電素子上に直接エッチングされたプリント回路の平型螺旋体を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記外部回路が、交流信号源（１１ａ）に接続された変圧器の１次巻線（１０ａ）の形態で構成され、該１次巻線は、前記変圧器の２次側を構成する前記磁気誘導ループ（９ａ）に誘導によって結合され、それによって、前記圧電素子（７ａ）が前記構造体（６ａ）内への超音波発信源を構成することを特徴とする請求項１、２または３に記載の装置。
【請求項５】
前記外部回路が、信号処理回路（１１ｂ、１２）に接続された変圧器の２次巻線（１０ｂ）の形態で構成され、該２次巻線は前記変圧器の１次側を構成する前記磁気誘導ループ（９ａ）に誘導によって結合され、それによって、前記圧電素子（７ｂ）は前記構造体内に発信された超音波の受信器を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項６】
前記構造体（６ｃ）内に内蔵された少なくとも１つの第１の圧電素子（７ｃ）と、一つまたは複数の第２の圧電素子（７ｄ）とを含み、第１の圧電素子（７ｃ）は、交流信号源に接続された外部回路を構成する１次巻線（１０ｃ）に誘導によって結合された第１の変圧器の２次側を構成する磁気誘導ループに結合され、それによって、前記第１の圧電素子（７ｃ）は前記構造体（６ｃ）内の超音波発信源を構成し、前記第１の圧電素子から間隔を置いて配置されている前記一つまたは複数の第２圧電素子（７ｄ）は、信号の処理回路に接続された外部回路を構成する２次巻線（１０ｄ）に誘導によって結合された第２の変圧器の１次側を構成する磁気誘導ループにそれぞれ結合され、それによって、前記一つまたは複数の第２の圧電素子（７ｄ）は、検査すべき前記構造体（６ｃ）内に前記第１の圧電素子（７ｃ）によって発信される超音波の一つまたは複数の受信器を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項７】
超音波の発信器および受信器として、前記構造体（６ｄ）に組込まれたただ１つの圧電素子（７ｅ）であって、該圧電素子（７ｅ）によって前記構造体内に発信され、表面（Ｐ）または内部の欠陥で反射した後、該圧電素子（７ｅ）に戻るまでのパルス波の伝播時間を測定する圧電素子（７ｅ）を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項８】
前記巻線（１０）も平型螺旋体の形態で実施され、該平型螺旋体は、対応する前記磁気誘導ループに対向して前記構造体（６）に連結されることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
磁性材料のフィルムが、変圧器の各々の外部巻線（１０）と、前記構造体（６）に内蔵されている対応する磁気誘導ループ（９）との間に挿入されることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記構造体は、磁気誘導ループとともに該構造体に内蔵された少なくとも１つの前記圧電素子を備え、非破壊検査に必要な周波数領域の電磁信号の発信源と、該構造体内に発信される超音波の可視化のための光学システムとに結合され、前記発信源と前記システムとは前記構造体から距離をおいて位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記構造体が検査対象の構造体であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
プリント回路形式の複数の巻線を有する平型螺旋体の形態を有する磁気誘導ループ（９）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置のための圧電素子。
【請求項１３】
前記螺旋体の中心に配置され、薄いペレットの形態を呈することを特徴とする請求項１２に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、全体として、たとえば検査すべき構造体などの構造体内に超音波の送信または受信をするための圧電素子を有する装置に関し、必要に応じて、この素子の電極が、前記構造体内で超音波信号を発信させるために固有の励起電気信号を発生する信号源回路に接続され、または前記構造体から受け取った超音波による励起作用によって前記素子から発信される電気信号を受信する受信回路に接続され、かつ、前記圧電素子を構造体に内蔵する装置に関する。
【０００２】
本発明は、また、そのような装置内で使用することができるように特に設計された圧電素子に関する。
【０００３】
背景技術
さらに特定すると、本発明に関連する構造体は、（この記述は何ら限定的な性格のものではないが）比較的軽負荷のもとで良好な機械特性と疲労および腐食に対する安定性を有するという理由で、あらゆる種類の乗り物交通輸送手段（航空機、自動車、船舶、鉄道）の構造に使用される、たとえばカーボン−エポキシまたはガラス−樹脂タイプの、含浸された強化ファイバからなる複合構造体である。特にこの分野の技術において必要とされる安全上の要件を満たすためには、系統的検査の際には定期的に、さらに場合によっては常時、これらの構造体を検査する必要がある。そのため、検査するための構造体と、その検査システム自体に組み込まれた、すなわち、その構造体の製造時から該構造体に最終的に内蔵されている単数または複数のセンサ備えている装置を開発する機運が高まってきている。したがってこの技術により、検査に必要なセンサを製造時から具備している当該構造体の検査が容易になる。
【０００４】
実際には、そのような装置内では、当該構造体に内蔵された素子は、これらの構造体の機械的特性を低下させるものであってはならず、したがってきわめて小型でなければならないと考えられる。現状において、最も適切な素子は、セラミックまたはこれに類するタイプの圧電素子であると確証されるのはこの理由による。このタイプの圧電素子はきわめて小さな体積で実現することができるとともに、構造体の材料の超音波観測を常時または定期的に行うことがでる。構造体の内部欠陥は、この構造体内における、たとえば超音波送信器として使用される圧電素子と、送信器から送信される超音波のセンサとして働く別の圧電素子との間における圧力場の伝播特性の変化となって現れる。しかも、場合によっては、同一の圧電素子が、発信器と受信器の役割を同時に、または交互に果たすこともできる。
【０００５】
小型の、そのような圧電素子を前掲のタイプの構造体に内蔵することによって、これらの構造体が、含浸され熱間加圧重合された合板用薄板の積み重ねによって作製されても、強化ファイバを含む樹脂の圧力成形および射出により作製されても、特別な問題は生じない。
【０００６】
しかし、特に、添付図面の図１に略図が示されているように、別々に作製され次に組み立てられた複数の部品Ｐ１、Ｐ２・・を備える複雑な構造においては、接続のレベルにおいて問題が生じる。実際に、その場合には、電気信号の入力および／または出力のために、部品間の境界、および構造体の少なくとも一端にはコネクタを設けることが適切である。（以下の記述において「Ａおよび／またはＢ」とは「ＡおよびＢ、または、ＡまたはＢ」という意味である。換言すれば、「Ａおよび／またはＢ」とは「ＡおよびＢの一方または双方という意味である。）図１には、例として、部品Ｐ１に一体に組み込まれ、ケーブル３、４および該２つのケーブルを接続するインタフェースコネクタ５を介して入力および／または出力コネクタ２に接続された圧電素子１を備える装置が示されている。このようにしてデータの供給装置および／または取得装置との間に直接の連結が得られる。この技法は研究室におけるプロトタイプの研究には直接適用可能であるが、それには次のような大きな欠点を伴う。すなわち、ケーブルおよびコネクタによる連結によって構造体の各部品の製造法が複雑かつ高価になり、そのため、この製造法は大量生産には不向きになり、圧電素子を組み込んだ後に部品の機械加工（たとえば縁部の切り込み）ができなくなる。
【０００７】
本発明の目的は、電源供給および／または検査および測定装置へ向かう、構造体の内部、または構造体の外部における電気ケーブルを経由する圧電素子との間のあらゆる結合を解放することにより、先行技術のこれらの欠点を改良することである。
【０００８】
発明の開示
この目的のため、冒頭において言及したタイプの本発明による装置は、
圧電素子の信号源回路または受信回路が圧電素子と同様に構造体に内蔵されていて、外部回路からの電磁信号の受信に適合し、または外部回路への電磁信号の発信にそれぞれ適合している磁気誘導ループをそれぞれ備えていることを特徴とする。
【０００９】
前記磁気誘導ループが柔軟なプリント回路の平型螺旋体を有し、前記構造体の表面に位置する位置決めの基準位置が前記螺旋体に対向して設けられていることが有利である。
【００１０】
変形形態では、前記磁気誘導ループが、圧電素子上に直接エッチングされたプリント回路の平型螺旋体を有する。この場合、前記磁気誘導ループはこの圧電素子の電極の機能を補足的に満たす。
【００１１】
このようにして、圧電ペレットと磁気誘導ループとの組立体はきわめて平坦な状態に留まることができ、構造体の表面に対する余分な厚さを形成し難くになり、この構造体の幾何学的特性および機械的特性をほとんど変えることはない。
【００１２】
圧電素子および磁気誘導ループは可逆的動作を有するので、本発明は、圧電素子が超音波送信器として使用されるか超音波センサとして使用されるかにより、２つの異なる系列の構想のもとで実現し得ることが理解されよう。
【００１３】
したがって本発明による装置は、さらに、外部回路が、交流信号源に接続された変圧器の１次巻き線として構成され、該１次巻き線は、誘導によって該変圧器の２次側を構成する前記磁気誘導ループに結合され、そのとき、前記圧電素子が前記構造体内への超音波発信源を構成することを特徴とし、または、反対に、外部回路が、信号処理回路に接続された変圧器の２次巻線の形態で構成され、該２次巻線は、該変圧器の１次側を構成する前記磁気誘導ループに誘導によって結合され、そのとき、前記圧電素子が前記構造体内に発信された超音波の受信器となることを特徴とする。
【００１４】
後者の場合、それ自体知られている方式で、構造体の損傷に起因する音響波発信の探知を行うことができる。その場合、圧電素子は、１００ｋＨｚと１ＭＨｚの間に含まれ得る周波数範囲において受信器として働く。
【００１５】
この装置はまた、対によって構成された２種のタイプの圧電素子を同時に含み、前述のようにそれぞれが可送的であるので、その一方は超音波の送信器または受信器を構成し、他方は逆に受信器または送信器を構成することを特徴とすることができる。
【００１６】
したがって本発明による装置は、構造体内に内蔵された少なくとも１つの第１の圧電素子と、単数または複数の第２の圧電素子とを含み、第１の圧電素子は、交流信号源に接続された外部回路を構成する第１の変圧器の１次巻線に誘導によって結合される該変圧器の２次側を構成する磁気誘導ループに結合され、このとき、前記第１の圧電素子は前記構造体内の超音波発信源を構成し、前記単数または複数の第２の圧電素子は、それぞれ、信号の処理回路に接続された外部回路を構成する第２の変圧器の２次巻線に、誘導によって結合された該第２の変圧器の１次側を構成する磁気誘導ループに結合され、前記単数または複数の第２の圧電素子は、第１の圧電素子によって前記構造体内に発信される超音波の単数または複数の受信器を構成することを更に特徴とすることができる。
【００１７】
さらに、本発明の他の変形形態によれば、構造体内に圧電素子によって発信されたパルス波が、表面（または内部欠陥）で反射した後に該圧電素子に戻るまでの伝播時間を測定するために、超音波の発信器として、および受信器として同一の１つの圧電素子を使用することも可能である。このようにして、たとえばアブレーション中の熱遮蔽の表面など、ある表面の腐食速度を常時測定することができる。
【００１８】
いずれの場合においても、前記磁気誘導ループに対向して前記構造体に連結し易い平型螺旋体の形態で前掲の２つの巻線を作製することも、勿論、有利であり、その結果、すぐれた磁気結合を有する平型変圧器が得られる。
【００１９】
磁性材料のフィルムが、変圧器の外部の各巻線と、前記構造体に内蔵された対応する磁気誘導ループとの間に挿入されるようにすると更に有利であって、それによって、この磁気結合をさらに増強することができる。
【００２０】
しかし、シェアログラフィ(shearographie)による構造体の非破壊検査を行うために、たとえば５０ｋＨｚから１ＭＨｚの帯域におけるような、検査の性質上、高周波を発信しなければならない信号に関する場合には特に、構造体に内蔵された圧電素子の磁気誘導ループへの信号の送信は、変圧器なしで遠隔から行うことができる。この場合には、冒頭に記載した種類の本発明による装置は、磁気誘導ループとともに構造体に内蔵された少なくとも１つの圧電素子を備える構造体が、計画されている非破壊検査に必要な周波数の範囲内での電磁信号発信源に結合され、そして、シェアログラフィによる検査の場合には、構造体内に発信される超音波を可視化するための光学システムに結合され、前記発信源と前記システムとは前記構造体から離れた遠隔位置に位置することを特徴とする。
【００２１】
本発明は、さらに、圧電素子そのもの、ならびに圧電素子に結合される磁気誘導ループの形態の特徴に関する。これらの特徴、並びにいくつかの寸法の示唆は、以下、添付の図面を参照して与えられる幾つかの非限定的実施例についての記述に関連して与えられるであろう。
【００２２】
発明を実施するための最良の形態
図２において複合構造体には参照番号６が付してあり、上で示された方法のうちの１つにより、製造時から、薄い圧電素子７を内蔵し、圧電素子の電極８も、同様に構造体に内蔵され、有利な態様としては平型螺旋状に成形された磁気誘導ループ９の端部に接続される。このループは、電子回路１１に接続された変圧器の平型巻線１０に磁気誘導により結合され、この巻線１０は、ループ９に対向して構造体６に一時的または最終的に結合されている。回路１１は交流信号源で構成することができ、その場合には、巻線１０は、２次側が前記ループ９で構成される変圧器の１次側とみなことができ、そのとき、圧電素子７は、構造体６中への超音波の送信装置である。また、圧電素子７は、受信信号の増幅回路として働くことができるる。その場合には、巻線１０は、１次側が前記ループ９で構成される変圧器の２次側とみなすことができ、そのときには、圧電素子７は、前記構造体６中へ発射された超音波の受信装置である。
【００２３】
このようにして、あらゆる強化構造体に簡単に組み込むことができ、かつ、外部回路との間で、この構造体の常時検査または系統的検査に有効なあらゆる信号の送受信が可能な小型素子が得られる。目安として、磁気誘導ループは、厚さが５０から１００μｍの柔軟なプリント回路のタイプの薄い層で作製することができ、圧電素子は、ループ９の螺旋体の中心に配置することができ、１００μｍ程度の厚さのペレットの形状を呈することができる。たとえば、厚さ４ｍｍのカーボン−エポキシ複合材料の二枚のプレート内に内蔵されたプロトタイプを作製した。圧電素子７の直径は５ｍｍ、厚さは１００μｍであった。螺旋ループ９は、外径が２５ｍｍ、内径が１０ｍｍであり、二枚のカプトンフィルムにより支承された、それぞれ１８回巻きの２つの重畳された螺旋体を含んでいた。
【００２４】
磁性材料を、場合によっては使用する変圧器の計算に関しては、磁性材料についての通常の知識しか必要でないので、ここで詳細に説明する必要はない。ただし、磁束が倍加するように、かつ、相互にきわめて近い距離（０．１ｍｍ程度）で巻かれた二重平型螺旋の形状の巻線１０または類似のもの設けることも有利であることについて留意されたい。各螺旋体はたとえば１７回巻きであり、１８μｍの厚さを有することができる。
【００２５】
このようにして構成される変圧器内の磁気結合は、設定された幾何学的態様に対するループと巻線との間の距離に依存し、距離が２ｍｍ未満の場合には利用される磁束の損失は無視できるが、それ以上では減衰を考慮しなければならない。材料の磁気透過性に関しては、この透過性は材料の導電率および厚さに依存することに留意されたい。誘電体はすべて１０ＭＨｚまでの周波数領域においては良好な磁気透過性を有する。
【００２６】
図３には、本発明による他の装置が示されている。この装置は、複合構造体６ａを有し、該複合構造体６ａは、その構造体内に超音波を発生するための圧電素子７ａを内蔵している。したがって、該圧電素子７ａの磁気誘導ループ９ａは、変圧器の２次側として設定され、該変圧器の、当該磁気誘導ループに結合される１次巻線１０ａは可変周波数の電流源１１ａに接続されている。
【００２７】
図４には、類似の技術を使用した、本発明による更に他の装置が示されている。この装置は、構造体内に発信された超音波の受信器を構成するための圧電素子７ｂを内蔵する複合構造体６ｂを含み、したがって、該素子の電極に結合された磁気誘導ループ９ｂが変圧器の１次側として設定され、該変圧器の２次巻線１０ｂは、前記ループに結合され、増幅器とフィルタとの組立体１２を介して信号処理回路１１ｂに接続されている。
【００２８】
図５には、それぞれ超音波の送信器または受信器として動作することができる２つの圧電素子７ｃおよび７ｄが内蔵されている複合材料の構造体６ｃを含む装置が示されている。（図は簡略化してあるので、これらの素子に結合された磁気誘導ループは図示されていない。）ここでは、同じく略図により、変圧器の対応する巻線を同様に図形によって１０ｃおよび１０ｄとして示した。これらの変圧器は、結合されている圧電素子７ｃまたは７ｄが超音波の送信用かそれとも受信用かに応じて、電気信号の送信または受信に使用することができる。
【００２９】
図６には、例えば、アブレーションまたは磨耗により減少し、または、たとえば霜の付着により増すような、厚さの変化を観察することができる構造体６ｄ上に実施された装置を示す図である。この構造体は、数百ｋＨｚの周波数のパルス電流の測定および該パルス電流の供給システムに接続された外部回路の巻線１０ｅに磁気誘導によって結合された、超音波の送信と受信とを同時に行う圧電素子７ｅを具備している。厚さの変化を受ける壁Ｐの方向に素子７ｅによって発信される超音波パルスは、この壁で反射され、素子７ｅによって遅延時間だけ遅れて受信される。このときの遅延時間により、有利な実施態様としては常時、構造体の厚さの変化の測定値が与えられる。
【００３０】
最後に、図７には本発明による他の装置が示されている。この装置においては、構造体６ｅは、磁気誘導ループ９ｆとともに内蔵された少なくとも１つの圧電素子７ｆを具備している。圧電素子７ｆは、計画されている非破壊検査に必要な周波数領域における電磁信号発信源１０ｆ、１１ｆに結合され、シェアログラフィによる検査の場合には、素子７ｆにより構造体内に発信される超音波を視覚化するための光学的システム１２に結合され、前記発信源１０ｆ、１１ｆと前記システム１２とは前記構造体６ｅから遠隔した位置に配置されている。この検査原理は、シェアログラフィの場合のように、高い周波数の機械的励起をもつことが必要なあらゆる場合に適用することができる。もちろん、発信源１０ｆ、１１ｆの出力は、該発信源１０ｆ、１１ｆから遠隔した位置においてループ９ｆ内で発生する磁束により圧電素子７ｆを励起し、その結果、該圧電素子７ｆが構造体内に超音波を発射するために十分なものでなければならない。システム１２による、構造体６ｅ内の超音波の遠隔視覚化により、構造体の起こりうる破損についての情報が得られる。
【００３１】
前出の例においては、構造体が被検査構造体であると仮定したが、本発明は必ずしもこの応用に限定されるものではない。たとえば、専ら、別の２つの構造体または機器間のデータ送信のための遷移媒体として用いられる構造体など、任意の構造体に作用することが可能である。
【００３２】
また、既に、前述したように、単一の発信素子から信号を受信するための複数の圧電受信器、またはその逆など、構造体内における圧電素子のあらゆる組み合わせが実施可能であることについても留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  例として、部品Ｐ１に内蔵されケーブル３、４によって入力および／または出力コネクタ２に接続された圧電素子１と、２つのケーブルを接続するインタフェースコネクタ５とを備える装置を示す図である。
【図２】  外部巻線と複合材料の構造体に内蔵された圧電素子との間の磁気的結合による結合の原理を示す略図である。
【図３】  構造体内における超音波の発生のための基本構成を示す図である。
【図４】  構造体内に発信された超音波の検出のための基本構成を示す図である。
【図５】  超音波の送信圧電素子および受信圧電素子の双方を備える構造体内の基本構成を示す図である。
【図６】  構造体の表面のアブレーション速度の測定のための本発明の実施例を示す図である。
【図７】  本発明による装備を備える構造体内で電磁波を発信するための装置であって、シェアログラフィによるこの構造体の遠隔非破壊検査が可能な装置の略図である。
【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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