JPH0812181B2 - Acoustic emission sensor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アコースティック・エミッション（Acoust
ic Emission）を検出するアコースティック・エミッシ
ョンセンサーに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application] The present invention is directed to acoustic emission (Acoust).
ic emission) for an acoustic emission sensor.
固体が破壊または塑性変形するとき、それまで内部歪
みとして蓄えられていたエネルギーを弾性波（音波及び
超音波）として放出するが、この現象をアコースティッ
ク・エミッション（以下、AEと略す）と呼んでおり、上
記弾性波をAE波と呼んでいる。そして、このAE波を材料
に荷重をかけながら観測することにより、その材料にお
ける傷の発生または破壊の発生の前兆を補足する方法、
いわゆるAE法は、「鉄鋼便覧」第３版、第IV巻第468頁
に記載されているように、材料の疲労試験や材料研究に
応用されている。When a solid is destroyed or plastically deformed, the energy stored as internal strain is released as elastic waves (sound waves and ultrasonic waves). This phenomenon is called acoustic emission (hereinafter abbreviated as AE). , The elastic wave is called AE wave. Then, by observing this AE wave while applying a load to the material, a method of supplementing the precursor of the occurrence of damage or destruction of the material,
The so-called AE method has been applied to material fatigue tests and material research, as described in Iron and Steel Handbook, 3rd edition, Vol. IV, page 468.
AE波の検出を行うAEセンサーには、超音波受信素子と
しての圧電素子が通常使用されているが、特開昭51−20
890号公報に開示されているように、圧電素子と被検体
との接触部を電気的絶縁材料で構成し、かつ、圧電素子
を２段重ねにすることにより、電気的ノイズに強く、し
かも各圧電素子で検出されるAE信号の間に位相差を生じ
にくくした平衡型AEセンサーが提案されている。A piezoelectric element as an ultrasonic receiving element is usually used in an AE sensor for detecting AE waves.
As disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 890, the contact portion between the piezoelectric element and the subject is made of an electrically insulating material, and the piezoelectric elements are stacked in two stages. A balanced AE sensor has been proposed in which a phase difference is less likely to occur between AE signals detected by a piezoelectric element.
ところで、超音波が物体中を伝播するとき、縦波の方
が横波よりも速く伝播する。このため、AE波中の縦波だ
けを検出すれば、AE発生源におけるAE発生強度の変化を
忠実に検出できるが、上記従来の構成では、縦波だけで
なく横波も検出されてしまうという問題点を有する。By the way, when an ultrasonic wave propagates in an object, a longitudinal wave propagates faster than a transverse wave. Therefore, if only the longitudinal wave in the AE wave is detected, it is possible to faithfully detect the change in the AE generation intensity in the AE generation source, but in the above conventional configuration, not only the longitudinal wave but also the transverse wave is detected. Have a point.
そこで、AE波中の縦波（縦振動モード）だけを検出で
きるように、角柱状のセラミックス圧電体を高さ方向に
分極して、合成樹脂マトリックス中に配列した合成樹脂
−セラミックス複合圧電素子をAEセンサーに用いること
が考えられる。Therefore, in order to detect only the longitudinal wave (longitudinal vibration mode) in the AE wave, a prismatic ceramic piezoelectric body is polarized in the height direction, and a synthetic resin-ceramic composite piezoelectric element arrayed in a synthetic resin matrix is used. It can be used for AE sensor.
ところが、上記考えうる構成では、セラミックス圧電
素子が縦振動と横振動の結合振動モードを有するため
に、横振動の影響を受け、AE波を受波する角度（入射
角）により、この影響が重なり、定量的に縦振動のみを
検出することが困難であるという問題点を有している。However, in the above conceivable configuration, since the ceramic piezoelectric element has a combined vibration mode of longitudinal vibration and lateral vibration, it is affected by lateral vibration, and this effect overlaps due to the angle (incident angle) of receiving the AE wave. However, there is a problem that it is difficult to quantitatively detect only the longitudinal vibration.
また、逆に、セラミックス圧電素子の縦振動モードと
横振動モードとの結合により縦振動が横振動を誘起し
て、縦振動自体が減衰しやすく、このために検出感度の
低下を招来するという問題点も有している。On the other hand, on the contrary, the longitudinal vibration induces the lateral vibration due to the coupling of the longitudinal vibration mode and the lateral vibration mode of the ceramics piezoelectric element, and the longitudinal vibration itself is easily attenuated, which causes a decrease in the detection sensitivity. It also has points.
請求項第１項の発明に係るアコースティック・エミッ
ションセンサーは、上記の課題を解決するために、軸方
向に分極されている複数の円柱状のセラミックス圧電体
をその軸方向が互いにほぼ平行で、かつ、同心円状にな
るように合成樹脂マトリックス中に配列した合成樹脂−
セラミックス複合圧電素子が備えられていることを特徴
としている。In order to solve the above-mentioned problems, an acoustic emission sensor according to a first aspect of the present invention includes a plurality of cylindrical ceramics piezoelectric bodies that are polarized in the axial direction, the axial directions of which are substantially parallel to each other, and , Synthetic resin arranged in a synthetic resin matrix so as to form concentric circles
It is characterized in that a ceramic composite piezoelectric element is provided.
請求項第２項の発明に係るアコースティック・エミッ
ションセンサーは、上記の課題を解決するために、軸方
向に分極されている複数の円柱状のセラミックス圧電体
をその軸方向が互いにほぼ平行で、かつ、最密充填配置
になるように合成樹脂マトリックス中に配列した合成樹
脂−セラミックス複合圧電素子が備えられていることを
特徴としている。In order to solve the above-mentioned problems, an acoustic emission sensor according to a second aspect of the present invention includes a plurality of cylindrical ceramics piezoelectric bodies that are polarized in the axial direction, the axial directions of which are substantially parallel to each other, and , A synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element arranged in a synthetic resin matrix so as to be a closest packing arrangement.
請求項第１項の構成によれば、軸方向に分極されてい
る複数の円柱状のセラミックス圧電体をその軸方向が互
いにほぼ平行で、かつ、同心円状になるように合成樹脂
マトリックス中に配列した合成樹脂−セラミックス複合
圧電素子を備えたので、横振動モードはダンピングさ
れ、軸方向に伝播して来るAE波中、縦振動モードに対し
てのみ、合成樹脂−セラミックス複合圧電素子は両端面
に電位差を生じる。このため、縦振動モードだけが検出
される。また、円柱状のセラミックス圧電体では、径方
向に異方性がないため、AE波により誘起された軸方向の
振動は、合成樹脂ダンパーにより散逸させられる。この
ため、横振動モードが電圧として生じない。しかも、セ
ラミックス圧電体を同心円状に配列したので、セラミッ
クス圧電体間の異方性もほとんどなくなる。このため、
縦振動が横振動を誘起することによる縦振動モード自体
の減衰が起こりにくくなり、検出感度が向上する。According to the structure of claim 1, a plurality of cylindrical ceramics piezoelectric bodies polarized in the axial direction are arranged in the synthetic resin matrix so that the axial directions thereof are substantially parallel to each other and are concentric. Since it is equipped with the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element, the transverse vibration mode is damped, and the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element is applied to both end faces only in the longitudinal vibration mode during the AE wave propagating in the axial direction. A potential difference is generated. Therefore, only the longitudinal vibration mode is detected. In addition, since the cylindrical ceramic piezoelectric body has no radial anisotropy, the axial vibration induced by the AE wave is dissipated by the synthetic resin damper. Therefore, the lateral vibration mode does not occur as a voltage. Moreover, since the piezoelectric ceramics are arranged concentrically, there is almost no anisotropy between the piezoelectric ceramics. For this reason,
Attenuation of the longitudinal vibration mode itself due to the longitudinal vibration inducing the lateral vibration is less likely to occur, and the detection sensitivity is improved.
請求項第２項の構成によれば、軸方向に分極されてい
る複数の円柱状のセラミックス圧電体をその軸方向が互
いにほぼ平行で、かつ、最密充填配置になるように合成
樹脂マトリックス中に配列した合成樹脂−セラミックス
複合圧電素子を備えたので、横振動モードはダンピング
され、軸方向に伝播して来るAE波中、縦振動モードに対
してのみ、合成樹脂−セラミックス複合圧電素子は両端
面に電位差を生じる。このため、縦振動モードだけが検
出される。また、円柱状のセラミックス圧電体では、径
方向に異方性がないため、AE波により誘起された軸方向
の振動は、合成樹脂ダンパーにより散逸させられる。こ
のため、横振動モードが電圧として生じない。しかも、
セラミックス圧電体を最密充填配置になるように配列し
たので、セラミックス圧電体間の異方性が少なくなる。
このため、縦振動が横振動を誘起することによる縦振動
モード自体の減衰が起こりにくくなり、検出感度が向上
する。According to the structure of claim 2, a plurality of cylindrical ceramics piezoelectric bodies polarized in the axial direction are arranged in the synthetic resin matrix so that the axial directions thereof are substantially parallel to each other and are in the closest packing arrangement. Since it is equipped with the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element arranged in a horizontal direction, the lateral vibration mode is damped, and the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element is applied to both ends only in the longitudinal vibration mode during the AE wave propagating in the axial direction. A potential difference is generated on the surface. Therefore, only the longitudinal vibration mode is detected. In addition, since the cylindrical ceramic piezoelectric body has no radial anisotropy, the axial vibration induced by the AE wave is dissipated by the synthetic resin damper. Therefore, the lateral vibration mode does not occur as a voltage. Moreover,
Since the ceramic piezoelectric bodies are arranged so as to be the closest packing arrangement, the anisotropy between the ceramic piezoelectric bodies is reduced.
Therefore, the longitudinal vibration induces the lateral vibration, so that the longitudinal vibration mode itself is less likely to be attenuated, and the detection sensitivity is improved.
〔実施例１〕 本発明の一実施例を第１図乃至第５図に基づいて説明
すれば、以下のとおりである。[Embodiment 1] The following will describe one embodiment of the present invention with reference to FIGS. 1 to 5.
本実施例のアコースティック・エミッションセンサー
（以下、AEセンサーと略す）は、第１図に示すように、
被検体からのAE波を受ける受波板３、受波板３上に設け
られてAE波を電気信号に変換する合成樹脂−セラミック
ス複合圧電素子７、金属リング８から主に構成されてい
る。The acoustic emission sensor (hereinafter, abbreviated as AE sensor) of the present embodiment is, as shown in FIG.
It mainly comprises a wave receiving plate 3 for receiving the AE wave from the subject, a synthetic resin-ceramic composite piezoelectric element 7 provided on the wave receiving plate 3 for converting the AE wave into an electric signal, and a metal ring 8.
合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７は、第１図の
縦断面図及び第２図の横断面図に示すように、円柱状の
セラミックス圧電体１・１…をその高さ方向がほぼ平行
で、かつ、同心円状になるように合成樹脂マトリックス
２中に配列させて、その両端面に電極４・５を設けた構
成になっており、下端の電極５は合成樹脂マトリックス
２の側面を半分程覆うようになっている。また、各円柱
状のセラミックス圧電体１では、圧電体結晶粒子の結晶
軸を高さ方向（第１図の上下方向）に配向させて、その
方向に分極させた構成になっている。As shown in the longitudinal sectional view of FIG. 1 and the transverse sectional view of FIG. 2, the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element 7 has cylindrical ceramic piezoelectric bodies 1 ... In addition, the electrodes are arranged in the synthetic resin matrix 2 so as to form concentric circles, and the electrodes 4 and 5 are provided on both end surfaces thereof, and the electrode 5 at the lower end covers the side surface of the synthetic resin matrix 2 by about half. It is like this. Further, in each of the cylindrical ceramic piezoelectric bodies 1, the crystal axes of the piezoelectric crystal grains are oriented in the height direction (vertical direction in FIG. 1) and polarized in that direction.
上記合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７の下端の
電極５には、受波板３が接着剤により固定されている。
また、金属リング８が、電極５の側面部と電気的に接続
するように密着して嵌められている。そして、AE信号を
取り出すための一対のリード線６・６は、第４図に示す
ように、上記金属リング８と電極４に半田付けされてい
る。The wave receiving plate 3 is fixed to the electrode 5 at the lower end of the synthetic resin-ceramic composite piezoelectric element 7 with an adhesive.
Further, the metal ring 8 is fitted in close contact so as to be electrically connected to the side surface portion of the electrode 5. A pair of lead wires 6 for extracting the AE signal are soldered to the metal ring 8 and the electrode 4 as shown in FIG.
上記の構成において、受波板３を被検体の表面に密着
させると、被検体の内部で発生したAE波は被検体中を伝
播して表面に到達し、受波板３と電極５を介して、合成
樹脂−セラミックス複合圧電素子７に伝達され、円柱状
のセラミックス圧電体１をその高さ方向に伸縮する。そ
して、この伸縮により円柱状のセラミックス圧電体１の
両端に電位差を生じ、これがAE信号としてリード線６・
６から取り出される。In the above configuration, when the wave receiving plate 3 is brought into close contact with the surface of the subject, the AE wave generated inside the subject propagates in the subject and reaches the surface, and passes through the wave receiving plate 3 and the electrode 5. Is transmitted to the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element 7, and the cylindrical ceramics piezoelectric body 1 expands and contracts in the height direction. Then, due to this expansion and contraction, a potential difference is generated at both ends of the cylindrical ceramic piezoelectric body 1, and this results in the lead wire 6 as an AE signal.
Taken out from 6.
本発明のAEセンサーでは、円柱状のセラミックス圧電
体１は高さ方向に結晶軸が配向し、その方向に分極して
いる構成であるので、高さ方向に伸縮された時だけ、そ
の両端に正負の電荷を生じるが、それ以外の方向、例え
ば高さ方向に直交する方向に伸縮されても、その両端に
電荷を生じない。すなわち、被検体の内部から表面に到
達するAE波中、縦振動成分だけが検出されることにな
る。In the AE sensor of the present invention, the cylindrical ceramic piezoelectric body 1 has a structure in which the crystal axis is oriented in the height direction and is polarized in that direction, so that only when it is expanded and contracted in the height direction, Positive and negative charges are generated, but even if expanded and contracted in other directions, for example, in a direction orthogonal to the height direction, no charges are generated at both ends thereof. That is, only the longitudinal vibration component is detected in the AE wave reaching the surface from the inside of the subject.
これにより、時間的空間的に異なるAEに起因した縦波
と横波とが、伝播速度が異なるために、同時にAEセンサ
ーに到達したとしても、縦波だけが検出されて、被検体
の内部で発生したAEの強度及びその変化を忠実に検知で
きる。As a result, longitudinal waves and transverse waves caused by AE that are temporally and spatially different have different propagation velocities, so even if they arrive at the AE sensor at the same time, only the longitudinal waves are detected and generated inside the subject. The intensity of AE and its change can be detected faithfully.
ところで、AE波により合成樹脂−セラミックス複合圧
電素子７の電極４・５間に生じる電位差は、円柱状のセ
ラミックス圧電体１の材質及び形状により決まる固有の
ものである。したがって、予備実験において、強度が分
かっている超音波を受信して、そのときに、電極４・５
間に生じる電位差の関係を求めておけば、この関係を用
いて、計測された電極４・５間の電位差からAE波の強度
を算出できることになる。By the way, the potential difference generated between the electrodes 4 and 5 of the synthetic resin-ceramic composite piezoelectric element 7 by the AE wave is unique to the material and shape of the cylindrical ceramic piezoelectric body 1. Therefore, in a preliminary experiment, ultrasonic waves of known intensity are received, and at that time, the electrodes 4 and 5 are received.
If the relationship of the potential difference that occurs between the electrodes is obtained, the intensity of the AE wave can be calculated from the measured potential difference between the electrodes 4 and 5 using this relationship.
また、第２図のように、円柱状のセラミックス圧電体
１が合成樹脂マトリックス２中に同心円状に配列された
構成であるので、セラミックス圧電体１間においても異
方性がほとんどなくなる。このため、縦振動が横振動を
誘起して、縦振動モード自体が減衰してしまうことが起
こりにくくなり、受信感度が向上する。Further, as shown in FIG. 2, since the cylindrical ceramic piezoelectric bodies 1 are arranged concentrically in the synthetic resin matrix 2, there is almost no anisotropy between the ceramic piezoelectric bodies 1. Therefore, it is less likely that the vertical vibration induces the horizontal vibration and the vertical vibration mode itself is attenuated, and the reception sensitivity is improved.
円柱状のセラミックス圧電体１の材料として、具体的
には例えば、チタン酸バリウム焼結体、チタン酸鉛焼結
体、または、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）焼結体等を
使用することがAEの検出感度上好ましいが、圧電特性を
有し、高さ方向に分極さえしておれば、いかなるもので
も使用できる。また、その形状としては、円柱状であっ
て、その高さと底面の１辺の長さとの比が、２以上であ
ることがAEの検出感度上好ましく、この比が、２〜６の
範囲であるとさらに好ましい。また、セラミックス圧電
体１の弾性率は、6000kgf/mm2以上であることがAEの検
出感度上好ましい。As the material of the cylindrical piezoelectric ceramic body 1, specifically, for example, a barium titanate sintered body, a lead titanate sintered body, a PZT (lead zirconate titanate) sintered body, or the like can be used. Although it is preferable in terms of AE detection sensitivity, any material can be used as long as it has piezoelectric characteristics and is polarized in the height direction. Further, it is preferable that the shape is a columnar shape, and the ratio of the height to the length of one side of the bottom surface is 2 or more from the viewpoint of AE detection sensitivity. It is more preferable to have. In addition, the elastic modulus of the ceramic piezoelectric body 1 is preferably 6000 kgf / mm 2 or more in terms of AE detection sensitivity.
合成樹脂マトリックス２に使用される合成樹脂は、円
柱状のセラミックス圧電体１と結合して、一体化し得る
ものであれば、いかなるものでもかまわない。具体的に
は例えば、シリコンゴム、ウレタンゴム、ブタジエンゴ
ム、ニトリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、クロロ
プレンゴム、フッ素ゴム、エチレン−アクリルゴム、ポ
リエステルエラストマー、エピクロルヒドリンゴム、ア
クリルゴム、または、塩素化エチレンゴムがあるが、シ
リコンゴム、ウレタンゴム、または、ブタジエンゴムを
使用することが横振動のダンピング上、好ましい。ま
た、合成樹脂の弾性率は、１〜50kgf/mm2であり、音響
インピーダンスを整合させることが、ダンピング上好ま
しい。Any synthetic resin may be used as the synthetic resin matrix 2 as long as it can be combined with and integrated with the cylindrical ceramic piezoelectric body 1. Specifically, for example, silicone rubber, urethane rubber, butadiene rubber, nitrile rubber, ethylene-propylene rubber, chloroprene rubber, fluororubber, ethylene-acrylic rubber, polyester elastomer, epichlorohydrin rubber, acrylic rubber, or chlorinated ethylene rubber is used. However, it is preferable to use silicone rubber, urethane rubber, or butadiene rubber for damping lateral vibration. The elastic modulus of the synthetic resin is 1 to 50 kgf / mm 2 , and it is preferable to match the acoustic impedance in terms of damping.
また、合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７におい
て、柱状のセラミックス圧電体１・１…全体の容積と合
成樹脂マトリックス２の容積の比は、8/92〜40/60の範
囲であることがAEの検出感度上好ましい。Further, in the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element 7, the ratio of the total volume of the columnar ceramics piezoelectric bodies 1 ... to the volume of the synthetic resin matrix 2 is in the range of 8/92 to 40/60. It is preferable in terms of detection sensitivity.
以下、合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７の具体
例として、ウレタンゴム−PZT（チタン酸ジルコン酸
鉛）複合圧電素子を挙げ、その製法とこれを用いたAEセ
ンサーの性能について説明する。Hereinafter, a urethane rubber-PZT (lead zirconate titanate) composite piezoelectric element will be given as a specific example of the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element 7, and its manufacturing method and the performance of an AE sensor using the same will be described.
円柱状のセラミックス圧電体１の材料として、円柱形
（φ10mm×10mm）の分極済みPZT焼結体（本多電子社
製、型番HC−50GS）を使用し、これを加工して、φ0.7m
m×5mmの円柱が合計32本、厚さ5mmのPZT円板上に同心円
状に配列して、直立したPZT微細加工物を得た。なお、
各同心円は内側から順に４本、11本、17本の円柱から構
成されている。以上の加工には、S45C（構造用炭素鋼）
からなる工具を備えた超音波加工装置（日本電子工業社
製）が使用された。As a material for the cylindrical ceramic piezoelectric body 1, a cylindrical (φ10 mm × 10 mm) polarized PZT sintered body (manufactured by Honda Electronics Co., Ltd., model number HC-50GS) is used, and this is processed to obtain φ0.7 m
A total of 32 m × 5 mm cylinders were arranged concentrically on a 5 mm thick PZT disk to obtain an upright PZT microfabrication product. In addition,
Each concentric circle is composed of four, eleven, and seventeen columns in order from the inside. S45C (structural carbon steel) for the above processing
An ultrasonic processing device (made by JEOL Ltd.) equipped with a tool consisting of was used.
このようにして得られたPZT微細加工物をシリコン成
形型にはめ込み、この成形型に合成樹脂マトリックス２
の材料としての電気絶縁用ウレタンゴム（サンユレジン
社製、商品名SU−2153−９、硬度52、黒色）を充填し、
室温で１日放置した後、乾燥機にて60℃、５時間の硬化
処理を行ってウレタンゴムを硬化させて、成形型から取
り出すことにより、PZT円板上にウレタンゴム−PZTが形
成されたウレタンゴム−PZT複合物を調製した。The PZT microfabricated product thus obtained was fitted into a silicon mold, and the synthetic resin matrix 2 was placed in the mold.
Filled with urethane rubber for electrical insulation as a material of (San-yu-Resin Co., trade name SU-2153-9, hardness 52, black),
After left at room temperature for 1 day, the urethane rubber was cured at 60 ° C for 5 hours in a dryer to cure the urethane rubber, and the urethane rubber-PZT was formed on the PZT disk by taking it out from the mold. A urethane rubber-PZT composite was prepared.
次に、上記ウレタンゴム−PZT複合物のPZT円板部をダ
イヤモンドブレード（マルトー社製クリスタルカッタ
ー）で切り落として、ウレタンゴムのマトリックスに、
PZTからなるφ0.7mm×4mmの円柱32本が、同心円状に配
列したウレタンゴム−PZT複合圧電体を調製し、さら
に、両端面をサンドペーパーで研磨した。Next, the PZT disk portion of the urethane rubber-PZT composite was cut off with a diamond blade (Malteau crystal cutter) to form a urethane rubber matrix,
A urethane rubber-PZT composite piezoelectric body in which 32 cylinders of φ0.7 mm × 4 mm made of PZT were concentrically arranged was prepared, and both end faces were further polished with sandpaper.
そして、一方の端面部及び他方の端面に近接した側面
部には、銀ペースト（デグザ社製、商品名DEMETRON 629
0−0275）を塗布し、120℃、30分の焼付処理を行うこと
により、銀電極としての電極４と、電極５の側面部とが
形成された。また、残りの端面部には、電極５の端面部
としての金電極が、側面部の銀電極と電気的に接続され
ているように、スパッター法により形成された。そし
て、この金電極面には、受波板３としての厚さ0.2mmの
アルミナ薄板（三菱鉱業セメント社製、型番MAB−L201K
−10φ）が接着剤により接着された。Then, silver paste (manufactured by Degussa Co., trade name DEMETRON 629) is provided on one end face and the side face close to the other end face.
0-0275) was applied and baking treatment was performed at 120 ° C. for 30 minutes to form the electrode 4 as a silver electrode and the side surface portion of the electrode 5. Further, a gold electrode as an end face portion of the electrode 5 was formed on the remaining end face portion by a sputtering method so as to be electrically connected to the silver electrode on the side face portion. Then, on the gold electrode surface, a 0.2 mm thick alumina thin plate (made by Mitsubishi Mining and Cement Co., model number MAB-L201K as the wave receiving plate 3).
-10φ) was adhered with an adhesive.
それから、φ10mm×3mmの銅製の金属リング８を電極
５の側面部と密着してはめ込み、電極４と金属リング８
にリード線６（第４図）が半田付けされて、ウレタンゴ
ム−PZT複合圧電素子を使用したAEセンサーが得られ
た。Then, a metal ring 8 made of copper with a diameter of 10 mm x 3 mm is closely fitted to the side surface of the electrode 5, and the electrode 4 and the metal ring 8 are attached.
The lead wire 6 (Fig. 4) was soldered to the AE sensor using the urethane rubber-PZT composite piezoelectric element.
また、第３図に示すように、ウレタンゴムの合成樹脂
マトリックス２に、PZTからなるφ0.7mm×4mmの円柱状
のセラミックス圧電体１を62本、同心円状に配列された
ウレタンゴム−PZT複合圧電素子を用いたAEセンサー
も、上記と同一の方法により作製した。なお、この場
合、各同心円は内側から順に１本、６本、12本、18本、
25本の円柱から構成されている。Further, as shown in FIG. 3, 62 cylinder-shaped ceramic piezoelectric bodies 1 made of PZT and having a diameter of 0.7 mm × 4 mm are arranged in a synthetic resin matrix 2 of urethane rubber, and the urethane rubber-PZT composite is arranged concentrically. An AE sensor using a piezoelectric element was also manufactured by the same method as above. In this case, each concentric circle is 1, 6, 12, 18,
It is composed of 25 cylinders.
これらのAEセンサーの圧電特性を調べるために、圧電
定数を測定した。また、比較のために、ウレタンゴムの
合成樹脂マトリックス２に、PZTからなるφ0.7mm×4mm
の円柱状のセラミックス圧電体１を32本、第５図に示す
ように、碁盤の目状に配列させたウレタンゴム−PZT複
合圧電素子を用いたAEセンサーも、上記と同一の方法に
より作製し、これの圧電定数も測定した。測定には、イ
ンピーダンスメーター（横河ヒューレット・パッカード
社製、型番4194A）を用いて、共振特性を計測し、これ
から圧電定数を求めた。Piezoelectric constants were measured to investigate the piezoelectric properties of these AE sensors. For comparison, the synthetic resin matrix 2 of urethane rubber is made of PZT and has a diameter of 0.7 mm x 4 mm.
An AE sensor using urethane rubber-PZT composite piezoelectric elements arranged in a grid pattern as shown in FIG. 5 is manufactured by the same method as above. The piezoelectric constant of this was also measured. For the measurement, an impedance meter (Yokogawa Hewlett-Packard, Model No. 4194A) was used to measure the resonance characteristic, and the piezoelectric constant was determined from this.
また、AEセンサーの応答性を確認するため、φ0.5mm
のペンシル替芯（硬度Ｈ）を圧折して擬似AE波を発生さ
せ、これを上記AEセンサーで受信して、その立ち上がり
時間及び検出感度を測定した。また、比較のために、上
記比較用AEセンサーにおける擬似AE波の立ち上がり時間
も測定した。この測定には、伝達媒体として400mm×400
mm×60mmのアルミニウム板を用い、これを介して、擬似
AE波をAEセンサーで検出した。また、AE信号の検出・記
録には、デジタルストレージオシロスコープ（ヒューレ
ト・パッカード社製、型番HP−54201D/プリンター:6bit
/200MHz）を使用し、AEセンサーとの接続には、長さ1m
の同軸ケーブル（5D2V相当）を使用した。Also, in order to confirm the response of the AE sensor, φ0.5mm
The pencil lead core (hardness H) was crushed to generate a pseudo AE wave, which was received by the AE sensor and the rise time and detection sensitivity were measured. For comparison, the rise time of the pseudo AE wave in the comparative AE sensor was also measured. For this measurement, 400 mm × 400 as a transmission medium
mm × 60 mm aluminum plate, through which the pseudo
The AE wave was detected by the AE sensor. In addition, for the detection and recording of AE signals, a digital storage oscilloscope (manufactured by Huleto Packard, model number HP-54201D / Printer: 6bit
/ 200MHz), 1m in length for connection with AE sensor
The coaxial cable (5D2V equivalent) was used.
その結果、第１表に示すように、円柱状のPZT焼結体
からなるセラミックス圧電体１を同心円状に配列したウ
レタンゴム−PZT複合圧電素子を使用したAEセンサーで
は、碁盤の目状に配列したセラミックス圧電体１を使用
したものと比較して、圧電定数g33の低下が見られるも
のの、検出感度が２倍以上に向上し、立ち上がり時間も
少し短くなっている。 As a result, as shown in Table 1, in the AE sensor using the urethane rubber-PZT composite piezoelectric element in which the ceramic piezoelectric bodies 1 made of the cylindrical PZT sintered body are concentrically arranged, the AE sensor is arranged in a grid pattern. Although a decrease in the piezoelectric constant g 33 is seen as compared with the case where the ceramic piezoelectric body 1 is used, the detection sensitivity is more than doubled and the rise time is slightly shortened.
検出感度の向上については、上述したように、セラミ
ックス圧電体１を同心円状に配列したことによるもので
あり、セラミックス圧電体１間の異方性がほとんどなく
なるためと考えられる。It is considered that the improvement of the detection sensitivity is due to the concentric arrangement of the ceramic piezoelectric bodies 1 as described above, and the anisotropy between the ceramic piezoelectric bodies 1 is almost eliminated.
なお、本実施例の２つのAEセンサーにおいて、セラミ
ックス圧電体１の本数を32本から62本に増やしても検出
感度はほとんど変わっていないが、このことからも、検
出感度の向上は、セラミックス圧電体１の本数増加に依
るものではなく、同心円状の配置に依るものであること
が理解される。Incidentally, in the two AE sensors of this example, the detection sensitivity hardly changed even if the number of the ceramic piezoelectric bodies 1 was increased from 32 to 62. From this, it can be seen that the detection sensitivity is improved by the ceramic piezoelectric material. It is understood that this is not due to the increase in the number of the bodies 1 but to the concentric arrangement.
〔実施例２〕 本発明の他の実施例を第６図及び第７図に基づいて説
明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、
前記の実施例の図面に示した部材と同一の機能を有する
部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。[Embodiment 2] The following will describe another embodiment of the present invention with reference to FIGS. 6 and 7. For convenience of explanation,
Members having the same functions as the members shown in the drawings of the above-described embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施例のAEセンサーは、合成樹脂−セラミックス複
合圧電素子７を除いて、前記実施例と同一である。The AE sensor of this example is the same as that of the above example except for the synthetic resin-ceramic composite piezoelectric element 7.
合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７は、第６図の
横断面図に示すように、円柱状のセラミックス圧電体１
・１…をその高さ方向がほぼ平行で、かつ、最密充填配
置になるように合成樹脂マトリックス２中に配列させた
構成になっており、各円柱状のセラミックス圧電体１で
は、圧電体結晶粒子の結晶軸を高さ方向（第１図の上下
方向）に配向させて、その方向に分極させた構成になっ
ている。As shown in the cross sectional view of FIG. 6, the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element 7 has a cylindrical ceramics piezoelectric body 1.
.. are arranged in the synthetic resin matrix 2 so that the height directions thereof are substantially parallel to each other and are in a closest packing arrangement. In each of the cylindrical ceramic piezoelectric bodies 1, The crystal axes of the crystal grains are oriented in the height direction (vertical direction in FIG. 1) and polarized in that direction.
上記の構成において、セラミックス圧電体１を最密充
填配置になるように配列させたので、最外周を除いて１
つのセラミックス圧電体１の周りには、６つの最近接セ
ラミックス圧電体１…が存在することになり、これらは
正六角形を形成する。このため、１つのセラミックス圧
電体１の軸（高さ方向）の周りに60度づつ回転すれば、
径方向に同じ性質が現れ、碁盤の目状に配置した場合よ
りも径方向の異方性が増大している。In the above structure, the ceramic piezoelectric bodies 1 are arranged so as to be in the closest packing arrangement, so that 1 except for the outermost circumference.
The six closest ceramics piezoelectric bodies 1 ... Are present around one ceramics piezoelectric body 1, and these form a regular hexagon. Therefore, if it is rotated by 60 degrees around the axis (height direction) of one ceramic piezoelectric body 1,
The same property appears in the radial direction, and the anisotropy in the radial direction is larger than that in the case where they are arranged in a grid pattern.
以下、上記合成樹脂−セラミックス複合圧電素子７の
具体例として、前記実施例と同様にウレタンゴム−PZT
（チタン酸ジルコン酸鉛）複合圧電素子を挙げ、これを
用いたAEセンサーの性能について説明する。Hereinafter, as a specific example of the above synthetic resin-ceramic composite piezoelectric element 7, urethane rubber-PZT will be used in the same manner as in the above embodiment.
A (lead zirconate titanate) composite piezoelectric element will be given and the performance of an AE sensor using the same will be described.
本実施例においても、２種類のAEセンサーを作製し
た。一方は、ウレタンゴムのマトリックスに、PZTから
なるφ0.9mm×4mmの円柱35本が、最密充填配置になるよ
うに配列したウレタンゴム−PZT複合圧電素子を用いて
おり（第６図）、もう一方は、ウレタンゴムのマトリッ
クスに、PZTからなるφ0.7mm×4mmの円柱61本が、最密
充填配置になるように配列したウレタンゴム−PZT複合
圧電素子を用いている（第７図）。Also in this example, two types of AE sensors were manufactured. One uses a urethane rubber-PZT composite piezoelectric element in which 35 cylinders of φ0.9 mm × 4 mm made of PZT are arranged in the urethane rubber matrix so as to be the closest packing arrangement (Fig. 6). The other uses a urethane rubber-PZT composite piezoelectric element in which 61 cylinders of φ0.7 mm × 4 mm made of PZT are arranged in a closest packing arrangement in a urethane rubber matrix (Fig. 7). .
製造方法については、前記実施例と同一である。ま
た、測定機器についても、前記実施例と同一である。た
だし、今回は機械的品質係数QMも測定した。また、比較
用のAEセンサーも前記実施例と同一である。 The manufacturing method is the same as in the above embodiment. The measuring equipment is also the same as in the above-mentioned embodiment. However, the mechanical quality factor Q M was also measured this time. The AE sensor for comparison is also the same as that in the above-mentioned embodiment.
測定の結果、第２表に示すように、円柱状のセラミッ
クス圧電体１を最密充填配置に配列したウレタンゴム−
PZT複合圧電素子を使用したAEセンサーでは、碁盤の目
状に配列したセラミックス圧電体１を使用したものと比
較して、圧電定数G33、機械的品質係数QM、立ち上がり
時間はあまり変わらないが、検出感度だけは明らかに増
大している。これは、碁盤の目状の配置に比較してセラ
ミックス圧電体間の異方性が少なくなるため、縦振動が
横振動を誘起することにより縦振動モード自体が減衰し
てしまうことが起こりにくくなり、検出感度が向上する
ものと考えられる。As a result of the measurement, as shown in Table 2, a urethane rubber in which the cylindrical ceramics piezoelectric bodies 1 are arranged in the closest packing arrangement-
In the AE sensor using the PZT composite piezoelectric element, the piezoelectric constant G 33 , the mechanical quality factor Q M , and the rise time are not much different from those using the ceramic piezoelectric body 1 arranged in a grid pattern. , Only the detection sensitivity is obviously increasing. This is because the anisotropy between the piezoelectric ceramics is smaller than that in the grid-shaped arrangement, and it is less likely that the longitudinal vibration mode itself will be attenuated by the longitudinal vibration inducing the lateral vibration. It is considered that the detection sensitivity is improved.
なお、本実施例の２つのAEセンサーにおいて、セラミ
ックス圧電体１の本数を35本から61本に増やす、検出感
度が増大しているが、これは前記実施例と同様、本数増
加に依るものではなく、むしろ、最密充填配置に依るも
のと考えられる。In the two AE sensors of this example, the detection sensitivity was increased by increasing the number of the ceramic piezoelectric bodies 1 from 35 to 61, but this is not due to the increase in the number as in the above-mentioned examples. Instead, it is believed to be due to the closest packing arrangement.
すなわち、セラミックス圧電体１の本数が増えるほ
ど、すべてのセラミックス圧電体１数に対する最外周の
セラミックス圧電体１…の割合が減少するため、セラミ
ックス圧電体間の異方性がより小さくなり、検出感度が
向上する。That is, as the number of the ceramic piezoelectric bodies 1 increases, the ratio of the outermost ceramic piezoelectric bodies 1 to the total number of the ceramic piezoelectric bodies 1 decreases, so that the anisotropy between the ceramic piezoelectric bodies becomes smaller and the detection sensitivity increases. Is improved.
なお、以上の実施例のAEセンサーは、AE波の検出だけ
でなく、気体・液体・固体中を伝播するすべての弾性波
の検出に利用できる。また、逆に、外部から交流電圧を
印加することにより、弾性波を発生させることもでき
る。The AE sensor of the above embodiment can be used not only for detecting AE waves, but also for detecting all elastic waves propagating in gas, liquid, or solid. On the contrary, it is also possible to generate an elastic wave by applying an AC voltage from the outside.
請求項第１項の発明に係るアコースティック・エミッ
ションセンサーは、以上のように、軸方向に分極されて
いる複数の円柱状のセラミックス圧電体をその軸方向が
互いにほぼ平行で、かつ、同心円状になるように合成樹
脂マトリックス中に配列した合成樹脂−セラミックス複
合圧電素子が備えられているので、横振動モードはダン
ピングされ、軸方向に伝播して来るAE波中、縦振動モー
ドに対してのみ、合成樹脂−セラミックス複合圧電素子
は両端面に電位差を生じる。このため、縦振動モードだ
けが検出される。また、円柱状のセラミックス圧電体で
は、径方向に異方性がないため、AE波により誘起された
軸方向の振動は、合成樹脂ダンパーにより散逸させられ
る。このため、横振動モードが電圧として生じない。し
かも、セラミックス圧電体を同心円状に配列したので、
セラミックス圧電体間の異方性もほとんどなくなる。こ
のため、縦振動が横振動を誘起することによる縦振動モ
ード自体の減衰が起こりにくくなり、検出感度が向上す
るという効果を奏する。As described above, the acoustic emission sensor according to the invention of claim 1 comprises a plurality of cylindrical ceramics piezoelectric bodies that are polarized in the axial direction, the axial directions of which are substantially parallel to each other and are concentric. Since a synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element arranged in a synthetic resin matrix as described above is provided, the transverse vibration mode is damped, and only in the longitudinal vibration mode during the AE wave propagating in the axial direction, The synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element has a potential difference on both end surfaces. Therefore, only the longitudinal vibration mode is detected. In addition, since the cylindrical ceramic piezoelectric body has no radial anisotropy, the axial vibration induced by the AE wave is dissipated by the synthetic resin damper. Therefore, the lateral vibration mode does not occur as a voltage. Moreover, since the piezoelectric ceramics are arranged concentrically,
The anisotropy between the piezoelectric ceramics is almost eliminated. Therefore, the vertical vibration mode itself is less likely to be attenuated by the longitudinal vibration inducing the lateral vibration, and the detection sensitivity is improved.
請求項第２項の発明に係るアコースティック・エミッ
ションセンサーは、以上のように、軸方向に分極されて
いる複数の円柱状のセラミックス圧電体をその軸方向が
互いにほぼ平行で、かつ、最密充填配置になるように合
成樹脂マトリックス中に配列した合成樹脂−セラミック
ス複合圧電素子が備えられているので、横振動モードは
ダンピングされ、軸方向に伝播して来るAE波中、縦振動
モードに対してのみ、合成樹脂−セラミックス複合圧電
素子は両端面に電位差を生じる。このため、縦振動モー
ドだけが検出される。また、円柱状のセラミックス圧電
体では、径方向に異方性がないため、AE波により誘起さ
れた軸方向の振動は、合成樹脂ダンパーにより散逸させ
られる。このため、横振動モードが電圧として生じな
い。しかも、セラミックス圧電体を最密充填配置になる
ように配列したので、碁盤の目状の配置に比較して、セ
ラミックス圧電体間の異方性が少なくなる。このため、
縦振動が横振動を誘起することによる縦振動モード自体
の減衰が起こりにくくなり、検出感度が向上するという
効果を奏する。As described above, the acoustic emission sensor according to the second aspect of the present invention comprises a plurality of cylindrical ceramics piezoelectric bodies which are polarized in the axial direction, the axial directions of which are substantially parallel to each other, and which are closest packed. Since the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element arranged in the synthetic resin matrix so as to be arranged is provided, the transverse vibration mode is damped, and the longitudinal vibration mode is suppressed against the longitudinal AE wave propagating in the axial direction. Only, the synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element causes a potential difference on both end surfaces. Therefore, only the longitudinal vibration mode is detected. In addition, since the cylindrical ceramic piezoelectric body has no radial anisotropy, the axial vibration induced by the AE wave is dissipated by the synthetic resin damper. Therefore, the lateral vibration mode does not occur as a voltage. Moreover, since the piezoelectric ceramics are arranged so as to be the closest packed arrangement, the anisotropy between the piezoelectric ceramics is reduced as compared with the grid-shaped arrangement. For this reason,
The longitudinal vibration induces the lateral vibration, whereby the longitudinal vibration mode itself is less likely to be attenuated, and the detection sensitivity is improved.
第１図乃至第５図は本発明の一実施例を示すものであ
る。 第１図は、アコースティック・エミッションセンサーの
縦断面図である。 第２図及び第３図は、セラミックス圧電体を同心円状に
配列した合成樹脂−セラミックス複合圧電素子の横断面
図である。 第４図は、アコースティック・エミッションセンサーの
正面図である。 第５図は、セラミックス圧電体を碁盤の目状に配列した
合成樹脂−セラミックス複合圧電素子の横断面図であ
る。 第６図及び第７図は本発明の他の実施例を示すものであ
り、セラミックス圧電体を最密充填配置になるように配
列した合成樹脂−セラミックス複合圧電素子の横断面図
である。 １はセラミックス圧電体、２は合成樹脂マトリックス、
３は受波板、４・５は電極、６はリード線、７は合成樹
脂−セラミックス複合圧電素子、８は金属リングであ
る。1 to 5 show one embodiment of the present invention. FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of an acoustic emission sensor. 2 and 3 are cross-sectional views of a synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element in which ceramics piezoelectric bodies are concentrically arranged. FIG. 4 is a front view of the acoustic emission sensor. FIG. 5 is a cross-sectional view of a synthetic resin-ceramics composite piezoelectric element in which ceramics piezoelectric bodies are arranged in a grid pattern. FIG. 6 and FIG. 7 show another embodiment of the present invention and are cross-sectional views of a synthetic resin-ceramic composite piezoelectric element in which ceramic piezoelectric bodies are arranged in a closest packing arrangement. 1 is a ceramic piezoelectric body, 2 is a synthetic resin matrix,
3 is a wave receiving plate, 4 and 5 are electrodes, 6 is a lead wire, 7 is a synthetic resin-ceramic composite piezoelectric element, and 8 is a metal ring.
Claims (2)
ラミックス圧電体をその軸方向が互いにほぼ平行で、か
つ、同心円状になるように合成樹脂マトリックス中に配
列した合成樹脂−セラミックス複合圧電素子が備えられ
ていることを特徴とするアコースティック・エミッショ
ンセンサー。1. A synthetic resin-ceramic composite in which a plurality of cylindrical ceramics piezoelectric bodies polarized in the axial direction are arranged in a synthetic resin matrix so that their axial directions are substantially parallel to each other and are concentric. An acoustic emission sensor, which is equipped with a piezoelectric element.
ラミックス圧電体をその軸方向が互いにほぼ平行で、か
つ、最密充填配置になるように合成樹脂マトリックス中
に配列した合成樹脂−セラミックス複合圧電素子が備え
られていることを特徴とするアコースティック・エミッ
ションセンサー。2. A synthetic resin in which a plurality of cylindrical ceramics piezoelectric bodies which are polarized in the axial direction are arranged in a synthetic resin matrix so that their axial directions are substantially parallel to each other and are in a closest packing arrangement. An acoustic emission sensor, which is equipped with a ceramic composite piezoelectric element.
Priority Applications (5)
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|---|---|---|---|
| JP21262290A JPH0812181B2 (en) | 1990-08-10 | 1990-08-10 | Acoustic emission sensor |
| DE1991611151 DE69111151T2 (en) | 1990-08-10 | 1991-08-09 | Sound emission sensor. |
| EP19910113425 EP0470639B1 (en) | 1990-08-10 | 1991-08-09 | Acoustic-emission sensor |
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP21262290A JPH0812181B2 (en) | 1990-08-10 | 1990-08-10 | Acoustic emission sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0493762A JPH0493762A (en) | 1992-03-26 |
| JPH0812181B2 true JPH0812181B2 (en) | 1996-02-07 |
Family
ID=16625730
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21262290A Expired - Lifetime JPH0812181B2 (en) | 1990-08-10 | 1990-08-10 | Acoustic emission sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0812181B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11361575B2 (en) | 2018-05-23 | 2022-06-14 | Point Engineering Co., Ltd. | Electronic device using piezoelectric material and manufacturing method thereof |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4544285B2 (en) * | 2007-09-28 | 2010-09-15 | 株式会社デンソー | Ultrasonic sensor |
| CN102879468B (en) * | 2012-09-18 | 2014-09-03 | 东北大学 | Double-bending-element ultrasonic sensing test device and method for evaluating rock damage |
-
1990
- 1990-08-10 JP JP21262290A patent/JPH0812181B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11361575B2 (en) | 2018-05-23 | 2022-06-14 | Point Engineering Co., Ltd. | Electronic device using piezoelectric material and manufacturing method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0493762A (en) | 1992-03-26 |
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