(57)【要約】【課題】圧電素子がセンサの内側面に配置されているため、使用状態によりキャビテーションの影響が大きくなり、圧電素子が破壊されるおそれがある上に、加工の困難性のために小型化がむずかしいという従来の欠点を克服した、筒型キャビテーションセンサを提供する。【解決手段】導電性筒状基体の外側表面に、圧電材料からなる圧電振動子層、導電性材料からなる信号電極層及び遮音又は吸音材からなる音響アイソレータ層が順次積層され、その最外側がシールド層で被覆された構造を有する筒型キャビテーションセンサとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性筒状基体の外側表面に、圧電材料からなる圧電振動子層、導電性材料からなる信号電極層及び遮音又は吸音材からなる音響アイソレータ層が順次積層され、その最外側がシールド層で被覆された構造を有することを特徴とする筒型キャビテーションセンサ。
【請求項２】
圧電材料が圧電セラミックスである請求項１記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項３】
圧電セラミックスがＰＺＴ多結晶体である請求項２記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項４】
導電性筒状基体が超音波吸収減衰の少ない弾性体パイプである請求項１ないし３のいずれかに記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項５】
超音波吸収減衰の少ない弾性体パイプの外側表面にインクジェット法により圧電振動子層が形成されている請求項４記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項６】
超音波吸収減衰の少ない弾性体パイプの外側表面にエアロゾルデポジション法により圧電振動子層が形成されている請求項４記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項７】
超音波吸収減衰の少ない弾性体パイプの外側表面にゾルゲル法により圧電振動子層が形成されている請求項４記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項８】
超音波吸収減衰の少ない弾性体パイプの外側表面にスパッタ法により圧電振動子層が形成されている請求項４記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項９】
導電性筒状基体が金属製パイプである請求項１ないし３のいずれかに記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項１０】
金属製パイプがチタン製パイプである請求項９記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項１１】
導電性筒型基体が表面に金属被覆を有する合成樹脂パイプである請求項１記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項１２】
シールド層が金属箔、金属蒸着層又は金属めっき層からなる請求項１ないし１１のいずれかに記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項１３】
圧電振動子層が一次元又は二次元アレイ状に配列されている請求項１ないし１２のいずれかに記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項１４】
導電性筒状基体が円筒状である請求項１ないし１３のいずれかに記載の筒型キャビテーションセンサ。
【請求項１５】
導電性筒型基体外表面に、水熱合成法によりＰＺＴ多結晶膜を形成させ、次いで導電性樹脂塗料を吹き付けて信号電極を形成し、さらにその外周に独立気泡スポンジからなる音響アイソレータを設けたのち、最外側面を金属層でシールドすることを特徴とする筒型キャビテーションセンサの製造方法。
【請求項１６】
導電性筒型基体がチタンパイプである請求項１５記載の筒型キャビテーションセンサの製造方法。
【請求項１７】
金属層が銅箔テープである請求項１５又は１６記載の筒型キャビテーションセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビテーションの影響による圧電素子が破壊されることがなく、しかも小型化が可能な筒型キャビテーションセンサ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノ材料の開発や精密部品の洗浄などの分野及び超音波を利用した診断、治療の分野において、音響キャビテーションが注目され、その測定に関する必要性が高まってきている。
【０００３】
ところで、従来、音響キャビテーションの測定には、ハイドロホンが用いられていたが、このハイドロホンは指向性が広いため、空間分解能を欠き、キャビテーションセンサとして用いる場合、キャビテーションの発生個所の特定ができないという致命的な欠陥があるため、キャビテーションセンサとしては利用することが困難であった。
【０００４】
最近、センサを円筒型とし、その内面に圧電素子を配置することにより、円筒外からの超音波の影響を受けずに、円筒内でのみの測定を可能にした空間分解能のあるキャビテーションセンサが開発され（非特許文献１参照）、これまでに、この種のセンサやこのセンサを用いた測定方法がいくつか知られている。
【０００５】
例えば、圧電素子と導管の周囲に配置された超音波吸収性被覆を含む円筒形キャビテーションセンサであって、上記導管が上記圧電素子によって定められる境界を含み、上記超音波吸収性被覆が音響駆動場周波数を実質的に透過するようにしたもの（特許文献１参照）、ガラス素材からなる棒状体の一端に圧電センサを固着し、上記棒状体の他端を突出させて、上記棒状体の周囲が中空になるように、超音波遮断部材で覆い、その棒状体の他端を測定すべき液体に浸漬して、その液体内の超音波を上記棒状体の一方の端からもう一方の端の圧電センサに伝導し、圧電センサで発生した電圧を電圧計で検出することにより、超音波エネルギーを測定する音圧測定用超音波ゾンデ（特許文献２参照）、超音波振動子が装着された容器内の液体に、ポリエチレンフィルム容器又は袋内にシリコン、脱気水又はオイルなどの液体からなる音響フィルターで圧電素子を被覆したマイクロホンと上記音響フィルターを被覆しない圧電素子を浸漬し、上記マイクロホンの出力と音響フィルターを被覆しない圧電素子の出力を比較して、出力に差が生じた場合に、上記容器の液体に上記超音波振動子から照射された超音波でキャビテーションが発生されていることを検出するキャビテーション検出方法（特許文献３参照）などが、これまでに提案されている。
【０００６】
【非特許文献１】アイ・トリプルイー，トランザクション、オブ，ユー・エフ・エフ・シー（ＩＥＥＥ．ＴＲＡＮＳ．ＵＦＦＣ）、第５０巻、第１０号、ｐ．１３４２−１３５１
【特許文献１】特開２００１−１３３３２１号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献２】特開２００４−２６４１６３号公報（特許請求の範囲その他）
【特許文献３】特開平１１−１９６４９３号公報（特許請求の範囲その他）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の円筒型キャビテーションセンサは、圧電素子がセンサの内側面に配置されているため、使用状態によりキャビテーションの影響が大きくなり、圧電素子が破壊されるおそれがある上に、加工の困難性のために小型化がむずかしいという欠点があった。
本発明は、このような事情のもとで、圧電素子が破壊されるおそれがなく、しかも小型化が可能な筒型キャビテーションセンサを提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、筒型キャビテーションセンサについて鋭意研究を重ねた結果、水熱合成法を利用して、ＰＺＴ結晶膜を筒型基材の外側に成膜させることにより、キャビテーションの影響で破壊することを防止し、しかも小型化可能な構造にすることができることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、導電性筒状基板の外側表面に、圧電材料からなる圧電振動子層、導電性材料からなる信号電極層及び遮音又は吸音材からなる音響アイソレータ層が順次積層され、その最外側がシールド層で被覆された構造を有することを特徴とする筒型キャビテーションセンサ、及び導電性筒型基材外表面に、水熱合成法によりＰＺＴ多結晶膜を形成させ、次いで導電性樹脂塗料を吹き付けて信号電極を形成し、さらにその外周に独立気泡スポンジのような中空の層状又は粒状空間の集合体からなる音響アイソレータを設けたのち、最外側面を金属層でシールドすることを特徴とする筒型キャビテーションセンサの製造方法を提供するものである。
【００１０】
次に、添付図面に従って、本発明の筒型キャビテーションセンサを詳細に説明する。
図１は、本発明の筒型キャビテーションセンサの構造の１例を示す縦断面図であり、導電性筒状基体、例えばチタンパイプ１の外表面に圧電材料例えばＰＺＴ多結晶体からなる圧電振動子層２、導電性材料例えば導電性塗料などの導電性樹脂層からなる信号電極層３、遮音又は吸音材例えばゴム又は多孔質プラスチックからなる音響アイソレータ層４が順次積層され、最外側が金属例えば銅箔からなるシールド層５で被覆された構造を有している。
【００１１】
上記の導電性筒状基体１としては、超音波吸収減衰のない弾性体パイプが用いられるが、機械的強度が大きい点で金属、特にチタンが好ましい。例えば、厚さ０．５〜２ｍｍ程度、径５〜３０ｍｍ、長さ５〜１０ｍｍの筒状体として用いられる。この筒状体は角筒状でもよいが、安定した測定結果を得るためには円筒状が好ましい。したがって、導電性筒状基体としては、金属製パイプ特にチタンパイプが好適である。
そのほか、アクリル樹脂、塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、スチロール樹脂のような合成樹脂のパイプに金属被覆を施して基体として用いることができる。
【００１２】
次に、本発明の筒型キャビテーションセンサの圧電振動子２の材料としては、主に水熱合成法により成膜した圧電多結晶膜やＡＤ法（エアゾルデポジション法）、ゾルゲル法により成膜した圧電膜等が用いられる。このような圧電膜としては、多種多様のものが知られているが、特にＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3系多結晶体（以下ＰＺＴと略す）、ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3−Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3系多結晶体などが好ましい。図２は、このＰＺＴ多結晶体の拡大ＳＥＭ写真である。
【００１３】
ところで、圧電材料としては、圧電セラミックスのほかに、高分子系圧電材料、例えばフッ化ビニリデンに少量のテトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレンを共重合したものや、ビニリデンシアナイドと酢酸ビニルとの共重合体が知られているが、本発明においては、このような高分子系圧電材料と圧電セラミックスとの複合体を用いることもできる。本発明のキャビテーションセンサは、水熱合成法やＡＤ法によって成形した圧電膜、高分子圧電材料に限らず、パイプの金属表面に装着可能なあらゆる圧電材料を用いて製造することもできる。
【００１４】
また、上記の信号電極３としては、導電性塗料などの導電性樹脂を吹き付ける方法が用いられる。この導電性塗料としては、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ビスマレイミド、ポリフェニルキノキサリンなどのバインダーに、銀、金、白金、銅、ニッケルのような金属の粉末を混合した材料が知られている。
【００１５】
信号電極３は、ＰＺＴ多結晶層を担持したチタンパイプの外側に、導電性塗料などの導電性樹脂を吹き付け、厚さ数十分の一μｍ〜数百μｍの層を形成させることによって作製される。
図３は、このようにして作製された信号電極の１例を示す外観写真図であり、ＰＺＴ多結晶層を担持したチタンパイプ１の外表面に信号電極３が形成された状態で示している。
【００１６】
このようにして形成された信号電極３の外側には、音響アイソレータ層４が設けられ、遮音又は吸音の役割を果している。この音響アイソレータ層４は、中空のガラスビーズやプラスチックビーズを充填したゴム又は発泡ポリウレタン、発泡スチレンのような独立気泡をもつプラスチック発泡体で構成されている。
【００１７】
このような構造体において、接地電極としての役割を果すチタンパイプ１と信号電極３には、リード線が引き出され、同軸ケーブルに接続されている。この構造体の周囲には、ノイズ対策のために金属箔例えば銅箔テープを巻き付けてシールドし、次いで所望に応じケースとして用いるアクリル樹脂のようなプラスチック製外套に嵌装して固定される。
【００１８】
上記のノイズ対策用シールドとしては、銅箔を巻き付ける代りに、導電性樹脂塗料を吹き付けてもよいし、また蒸着やめっきにより金属層を設けてもよい。
【００１９】
次に、図４に示すフローチャートに従って、本発明の筒型キャビテーションセンサの製造方法を説明する。
本発明の筒型キャビテーションセンサを製造するには、先ず導電性筒状体例えばチタンパイプを切断して所要の基体を作製し、必要に応じ表面処理する（第１工程）。次いで、このチタンパイプの基体の外側面に水熱合成法により、圧電材料層例えばＰＺＴ多結晶膜を成膜する（第２工程）。次に、このＰＺＴ多結晶膜の上に導電性樹脂塗料を吹き付けるか、金属蒸着又は金属めっきにより信号電極を設ける（第３工程）。最後にＰＺＴ多結晶膜の周囲に音響アイソレータを取り付け、シールドする（第４工程）。
【００２０】
上記の第２工程で行う水熱合成は、例えばＺｒイオンを含んだ物質及びＰｂイオンを含んだ物質の水溶液を鉱化剤として用いる強アルカリ水溶液に溶解し、さらにこの水溶性化合物に酸化チタンや四塩化チタンなどのチタンを含む物質を添加して原料溶液とする。この溶液中でチタン基板を保持し、耐圧密閉容器中において加圧下に１３０〜１８０℃の温度で１０〜３０時間加熱し、反応させることによってチタン基板の表面にＰＺＴ多結晶の水熱合成が行われる。この際、次式に従って、反応が進行し、ＰＺＴ多結晶が生成する。
【００２１】
Ｐｂ2+  ＋  （１−ｘ）Ｚｒ4+  ＋  ｘＴｉ4+  ＋  ６ＯＨ-
→  Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3  ＋  ３Ｈ2Ｏ
この際のＴｉ4+イオンは、チタン基板が溶出することにより供給される。なお、鉱化剤としては、通常、４Ｍ濃度の水酸化カリウム水溶液が用いられる。
このようにして製造された本発明の円筒型キャビテーションセンサの１例の写真を図５に示す。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、従来の筒型キャビテーションセンサが有する欠点、すなわちキャビテーションバブルの崩壊によるマイクロストリーミングや衝撃波により電極が傷つくという欠点が克服され、かつ水中で長時間にわたって使用しても感度の低下を生じない優れた筒型キャビテーションセンサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２４】
チタンパイプ（長さ７ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を、０．２５Ｍ濃度のＺｒＯＣｌ2・８Ｈ2Ｏ水溶液６０ｍｌ、０．５Ｍ濃度のＰｂ（ＮＯ3）2水溶液１００ｍｌ、４Ｍ濃度ＫＯＨ水溶液２００ｍｌ及び平均粒径３００ｎｍのルチル型酸化チタン１ｇからなる水溶液に浸漬し、密閉容器内の温度を結晶角形成過程では１６０℃に、結晶成長過程では１４０℃に保って、合成反応を進行させる。結晶核形成過程で密閉容器内の温度を１６０℃に保ったときの容器内圧力は略０．５ＭＰａ、結晶成長過程で密閉容器内の温度を１４０℃に保ったときの容器内圧力は略０．３ＭＰａであった。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
このようにして得たＰＺＴ多結晶膜の２０００倍拡大のＳＥＭ写真を図２に示す。
次に、チタンパイプの外周面に成膜したさらにその外面の全面に導電性樹脂塗料（藤倉化成社製、商品名「ドータイト」）を吹き付け、信号電極を形成させた。
【００２７】
次いで、さらにその上に音響アイソレータとして、独立気泡からなるポリウレタンフォームを３ｍｍの厚さで配置し、センサ外部からのノイズを遮断し、センサ内部のみの超音波の測定を可能にした。
続いて、信号電極、接地電極（チタンパイプ）から引き出したリード線を同軸ケーブルに接続し、さらにこの周囲をノイズ遮断のために銅箔テープで巻いてシールドした後に、ケースとして用いるアクリル樹脂製パイプに嵌装し固定した。
このようにして、本発明の円筒型キャビテーションセンサが得られた。
【実施例２】
【００２８】
次に、実施例１で得た円筒型キャビテーションセンサについて、図６に示すシステムに従って、受信実験を行った。この際の音源としては、ステンレス鋼製振動板をランジュバン振動子で駆動する定在波型の超音波照射システム６を用い、周波数１５０ｋＨｚとし、ファンクションジェネレータ７からの出力信号を増幅度５０ｄＢのパワーアンプ８で増幅し、ランジュバン振動子に印加して超音波照射システム６の水槽内に超音波を照射して音響キャビテーションを発生させた。この水槽内の水中に設置した本発明に係わるキャビテーションセンサ９の受信信号をプリアンプ１０で２０ｄＢ増幅してデジタルオシロスコープ１１で収録し、解析した。また、水深は振動板から約６０ｍｍに調整した。
【００２９】
次いで、印加電圧を１４．４Ｖp-pから１７０Ｖp-pの間で変化させ、キャビテーションセンサで受信した波形をＦＦＴで周波数解析した。他方、照射超音波の水中伝搬により発生する高調波成分と音響キャビテーションによる高調波成分を分離するために、ＦＦＴで周波数解析して求めた周波数スペクトルＶ（ｆ）に含まれる成分中で、駆動周波数 150kHz よりも十分に高い１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの周波数領域に生ずる成分を次式によって定義する広帯域積分電圧ＢＩＶとして測定した。
【数１】
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【００３０】
キャビテーションセンサによる受信波形をフーリエ変換し、解析した周波数成分を図７に示した。この図７の周波数成分から、印加電圧を変化させた時の基本波の電圧、広帯域積分電圧ＢＩＶをそれぞれ図８、図９に示す。図８の結果の回帰曲線を二次の関数の式で表わすと、ｙ＝−５．Ｅ−０７Ｘ2＋４．Ｅ−０４Ｘ−２．Ｅ−０３となり印加電圧の増加とともに、基本波の電圧はほぼ線形に増加していくのに対し、図９に示す１〜５ＭＨｚにおいての広帯域積分電圧ＢＩＶはｙ＝０．０１２５Ｘ2＋０．１３８４Ｘ＋８２．６５１となり非線形を示した。
このことから、ＭＨｚ帯での測定は照射した超音波のエネルギー以外にキャビテーションバブルの振動や圧壊が影響しているが、本発明の本センサによりキャビテーションの測定が可能だと考えられる。
【００３１】
以上、円筒型キャビテーションセンサを例としたが、本発明においては、円筒以外の多角形の筒型のチタン基板に水熱合成法で圧電多結晶膜を成膜した筒型キャビテーションセンサとすることもできる。
【００３２】
この例では、チタンパイプに成膜した圧電多結晶膜を単一状に施しているが、一次元又は二次元アレイ状に配列したキャビテーションセンサとすることもできる。
【００３３】
また、本発明においては、水熱合成法を用いた場合で説明したが、ポリフッ化ビニリデンを接着した場合、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を接着した場合又はインクジェットやエアロゾルデポジション法、ゾルゲル法、スパッタ法などを用いても、超音波吸収減衰の少ない弾性体パイプの外周に圧電膜振動子を配置したキャビテーションセンサを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の筒型キャビテーションセンサは、ナノ材料の開発などにおける音響キャビテーションを有効的に利用するための音場測定や、超音波を利用した診断や装置の安全性の評価に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の筒型キャビテーションセンサの構造の１例を示す縦断面図。
【図２】ＰＺＴ多結晶体の拡大ＳＥＭ写真図。
【図３】信号電極の１例を示す外観写真図。
【図４】本発明の筒型キャビテーションセンサの製造方法のフローチャート。
【図５】本発明の円筒型キャビテーションセンサの１例の写真図。
【図６】円筒型キャビテーションセンサの受信実験のシステム図。
【図７】実施例２におけるキャビテーションセンサによる受信波形をフーリエ変換し、解析した周波数成分のグラフ。
【図８】実施例２における電圧と印加電圧の関係を示すグラフ。
【図９】実施例２における１〜５ＭＨｚの広域積分電圧と印加電圧との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３６】
１  導電性筒状基体
２  圧電振動子層
３  信号電極層
４  音響アイソレータ層
５  シールド層
６  超音波照射システム
７  ファンクションジェネレータ
８  パワーアンプ
９  キャビテーションセンサ
１０  プリアンプ
１１  デジタルオシロスコープ
【図４】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
2009210440.tif 000011
【図６】
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【図７】
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