JP6952732B2 - Sonic device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、超音波送受信機や音波受信機等の音波デバイスに関する。 Embodiments of the present invention relate to sound wave devices such as ultrasonic wave transceivers and sound wave receivers.
超音波や弾性波等の音波の伝播を用いた非破壊検査装置は、様々な部材、装置、インフラ等の点検に用いられている。また、超音波検査装置は医療診断等にも利用されている。そのような検査装置に用いられる超音波探触子やAE(acoustic emission)センサ等に代表される音波受信機、音波送信機、音波送受信機等の音波デバイスを被試験体に設置する場合、被試験体との間で音波伝播を効率よく行うために、音波デバイスの音波の送波面及び受波面の少なくとも一方として機能する音波機能面と被試験体との間に、グリセリンやワセリン等の液体状又は粘性体状の接触媒質を介在させている。 Non-destructive inspection equipment that uses the propagation of sound waves such as ultrasonic waves and elastic waves is used for inspection of various members, equipment, infrastructure, and the like. Ultrasound examination devices are also used for medical diagnosis and the like. When a sound wave device such as a sound wave receiver, a sound wave transmitter, or a sound wave transmitter / receiver represented by an ultrasonic probe or an AE (acoustic mechanism) sensor used in such an inspection device is installed on a test object, the subject is subject to sound waves. In order to efficiently propagate sound waves with the test piece, a liquid such as glycerin or vaseline is placed between the sound wave functional surface that functions as at least one of the sound wave transmitting surface and the sound wave receiving surface of the sound wave device and the test object. Alternatively, a viscous contact medium is interposed.
上述した接触媒質は、音波デバイスから被試験体、又は被試験体から音波デバイスに超音波等の音波を効率よく伝達し、試験精度を高める上で重要であるが、液体状又は粘性体状の接触媒質を塗布したり、除去したりする工程が煩雑である。このため、検査の時間や工数を増加させる要因となっている。また、被試験体によっては、接触媒質で汚染される場合もあり、その場合は検査自体を実施することができない。AEセンサの場合には、被試験体への取り付けに接着剤又は治具が用いられる。短期間の点検に用いるときのように、接着と脱着の頻度が高い場合には、治具が用いられる。この際、高い検出感度を確保するためには、AEセンサの受波面と被試験体の設置面との間にグリセリンやワセリン等の接触媒質を充填する必要があり、被試験体を汚染してしまうおそれがある。また、点検対象がコンクリート製である場合、接着剤を用いてAEセンサを接着する必要があり、試験後の取り外し工程が煩雑で、場合によってはうまく外せないこともある。 The above-mentioned contact medium is important for efficiently transmitting sound waves such as ultrasonic waves from the sound wave device to the test object or from the test object to the sound wave device to improve the test accuracy, but is in the form of a liquid or a viscous body. The process of applying and removing the contact medium is complicated. Therefore, it is a factor that increases the inspection time and man-hours. Further, depending on the test piece, it may be contaminated with a contact medium, in which case the inspection itself cannot be performed. In the case of an AE sensor, an adhesive or jig is used to attach it to the test piece. Jigs are used when the frequency of adhesion and attachment / detachment is high, such as when used for short-term inspections. At this time, in order to ensure high detection sensitivity, it is necessary to fill a contact medium such as glycerin or petrolatum between the receiving surface of the AE sensor and the installation surface of the test object, which contaminates the test body. There is a risk that it will end up. Further, when the inspection target is made of concrete, it is necessary to bond the AE sensor with an adhesive, and the removal process after the test is complicated, and in some cases, it may not be removed well.
固体の接触媒質も提案されているが、音波の伝播は液体状の接触媒質を用いた場合と比較して大きく劣る。これは、音波受信機や音波送受信機等の音波デバイスの被試験体に対する設置面と被試験体との間に、音響インピーダンスが大きく異なる空気が介在してしまうことが原因と考えられる。音波デバイスの設置面と被試験体との間に空気が介在するのを避けるために、粘着性のある固体の接触媒質も提案されている。しかしながら、この場合には、音波デバイスの設置面が被試験体に密着し、音波デバイスを滑らせることができない。そのため、設置位置を微小距離で動かす場合であっても、一度接触媒質と共に音波デバイスを、被試験体から剥がす必要がある。 A solid contact medium has also been proposed, but the propagation of sound waves is significantly inferior to that of a liquid contact medium. It is considered that this is because air having a significantly different acoustic impedance intervenes between the installation surface of the sound wave device such as the sound wave receiver and the sound wave transmitter / receiver with respect to the test object and the test object. Adhesive solid contact media have also been proposed to avoid air intervention between the installation surface of the sound wave device and the test piece. However, in this case, the installation surface of the sound wave device is in close contact with the test object, and the sound wave device cannot be slid. Therefore, even when the installation position is moved by a minute distance, it is necessary to once peel off the sound wave device together with the contact medium from the test object.
本発明が解決しようとする課題は、検査時に被試験体と空気層を介さずに密着させることができ、かつ接触媒質の塗布や除去に要する手間を省いた上で、被試験体上を容易に移動させることを可能にした音波デバイスを提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is that the test piece can be brought into close contact with the test piece without passing through an air layer at the time of inspection, and the test piece can be easily placed on the test piece while eliminating the labor required for coating and removing the contact medium. To provide a sonic device that can be moved to.
実施形態の音波デバイスは、音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有する音波機能部と、一対の電極を有する基板と、基板上に配置された樹脂架橋体、及び樹脂架橋体内に分散された粒子を有する、被試験体と接するための電気粘着機能発現体と、一対の電極に電圧を印加するための電源とを備え、音波機能部の音波の送波面及び受波面の少なくとも一方として機能する音波機能面に設けられる音波伝播部とを具備する。 The sound wave device of the embodiment is dispersed in a sound wave functional unit having at least one function of transmitting and receiving sound waves, a substrate having a pair of electrodes, a resin crosslinked body arranged on the substrate, and a resin crosslinked body. It is provided with an electroadhesive function exhibitor having particles for contact with a test object and a power source for applying a voltage to a pair of electrodes, and functions as at least one of a sound wave transmitting surface and a sound wave receiving surface of a sound wave functioning unit. It is provided with a sound wave propagating portion provided on the sound wave functional surface.
以下、実施形態の音波デバイスについて、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下方向を示す用語は、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。 Hereinafter, the sound wave device of the embodiment will be described with reference to the drawings. In each embodiment, substantially the same constituent parts may be designated by the same reference numerals, and the description thereof may be partially omitted. The drawings are schematic, and the relationship between the thickness of each part and the plane dimensions, the ratio of the thickness of each part, etc. may differ from the actual ones. The term indicating the vertical direction in the explanation may differ from the actual direction based on the gravitational acceleration direction.
実施形態の音波デバイスは、音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有するものであり、例えば超音波送受信機や音波受信機が挙げられる。超音波送受信機の代表例としては、超音波探触子が挙げられる。音波受信機の代表例としては、AEセンサが挙げられる。また、音波デバイスは音波送信機であってもよい。ここに記載される音波とは、気体、液体、固体を問わず、弾性体を伝播するあらゆる弾性振動波の総称であり、可聴周波数域の音波に限らず、可聴周波数域より高い周波数を有する超音波、及び可聴周波数域より低い周波数を有する低周波音等も含まれる。音波の周波数も特に限定されるものではなく、高周波から低周波まで含まれるものである。実施形態の超音波送受信機や音波受信機等の音波デバイスは、以下に詳述するように、音波の送信及び受信の少なくとも一方の機能を有する音波機能部と音波伝播部とを具備する。音波機能部は、音波の送受信面、受信面、送信面等を有する。ここでは、音波機能部の音波の送波面及び受波面の少なくとも一方として機能する面を音波機能面と記載する。 The sound wave device of the embodiment has at least one function of transmitting and receiving sound waves, and examples thereof include an ultrasonic transmitter / receiver and a sound wave receiver. A typical example of an ultrasonic transmitter / receiver is an ultrasonic probe. A typical example of a sound wave receiver is an AE sensor. Further, the sound wave device may be a sound wave transmitter. The sound wave described here is a general term for all elastic vibration waves propagating in an elastic body regardless of gas, liquid, or solid, and is not limited to sound waves in the audible frequency range, but has a frequency higher than the audible frequency range. Sound waves and low-frequency sounds having a frequency lower than the audible frequency range are also included. The frequency of the sound wave is not particularly limited, and includes high frequencies to low frequencies. A sound wave device such as an ultrasonic transmitter / receiver or a sound wave receiver of the embodiment includes a sound wave function unit and a sound wave propagation unit having at least one function of transmitting and receiving sound waves, as described in detail below. The sound wave function unit has a sound wave transmitting / receiving surface, a receiving surface, a transmitting surface, and the like. Here, a surface that functions as at least one of a sound wave transmitting surface and a sound wave receiving surface of the sound wave function unit is referred to as a sound wave function surface.
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態の音波デバイスを示す斜視図である。図1に示す音波デバイス1は、超音波送受信機の一例である垂直型超音波探触子を示している。垂直型超音波探触子としての超音波デバイス1は、超音波の送信機能及び受信機能を有する音波機能部(超音波送受信機)2と、音波機能部2の音波の送波面及び受波面として機能する音波機能面に設けられる音波伝播部3とを具備する。各部2、3について、以下に詳述する。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a sound wave device of the first embodiment. The
音波機能部2は、超音波探触子用の振動子(圧電体)4と、振動子4の上下両面に設けられた電極5とを有する超音波送受信素子6を備えている。超音波送受信素子6は受波板7上に配置されており、この状態でケース8内に収容されている。超音波送受信素子6の電極5は、ケース8に設けられたコネクタ9と電気的に接続されている。圧電特性を有する振動子4、超音波送受信素子6、受波板7等には、公知の超音波探触子に用いられる構成材料や構造等を適用することができ、特に限定されるものではない。音波機能部2は、振動子4に電極5から電圧を印加することで、受波板7を介して超音波を発信すると共に、超音波の反射波を受信する。音波機能部2においては、受波板7の超音波送受信素子6と接する面7aとは反対側の面7bが超音波の送波面及び受波面(送受波面)となる。
The sound
音波伝播部3は、音波機能部2の送受波面(音波機能面)7bに接するように設けられており、例えば接着層を介して音波機能部2の送受波面7bに固定される。音波伝播部3は、正負一対の電極10を有する基板11と、基板11の電極形成面に設けられた電気粘着機能発現体12と、電気粘着機能発現体12に電圧を印加する電源13とを備えている。音波伝播部3は、図2及び図3に示すように、電気粘着機能発現体12の外表面が被試験体Xと接するように配置される。超音波送受信素子6から発信された超音波は、受波板7及び音波伝播部3を介して被試験体Xに伝播される。また、被試験体Xで反射された反射波は、音波伝播部3及び受波板7を介して超音波送受信素子6に伝播される。
The sound
電気粘着機能発現体12は、図2及び図3に示すように、樹脂架橋体14と、樹脂架橋体14内に分散された粒子15とを有している。樹脂架橋体14及び粒子15については、後に詳述する。電源13は、電気粘着機能発現体12への電圧の印加をオン・オフするスイッチを有している。図2は電気粘着機能発現体12に電圧を印加していない状態を示しており、図3は電気粘着機能発現体12に電圧を印加した状態を示している。電気粘着機能発現体12においては、電源13からの電圧の印加のオン・オフに基づいて、電気レオロジー効果やマックスウェルの応力等により樹脂架橋体14とその中に分散された粒子15の位置状態が変化する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the electric adhesive
すなわち、図2に示すように、電極10に電圧が印加されていない状態では、樹脂架橋体14の表面に粒子15の一部が突出するように存在する。このため、電気粘着機能発現体12は粘着性の低い表面を有する。従って、被試験体X上に電気粘着機能発現体12を接触させた状態で、超音波デバイス1を移動させることができる。樹脂架橋体14の表面に突出した粒子15の一部は、その表面が潤滑機能を発揮するため、電気粘着機能発現体12を被試験体Xの表面を滑らせることができる。
That is, as shown in FIG. 2, when no voltage is applied to the
図3は図2に示した電気粘着機能発現体12に電圧を印加した状態を示している。図3に示すように、電極10に電圧を印加すると電気レオロジー効果やマックスウェルの応力等によって、樹脂架橋体14内に分散された粒子15が樹脂架橋体14の表面から深さ方向奥側、言い換えると樹脂架橋体14の表面から基板11の方向に移動すると同時に、樹脂架橋体14が表面に向けてせり出す。従って、被試験体Xに接する電気粘着機能発現体12の表面に占める樹脂架橋体14が多くなる。このため、電気粘着機能発現体12の表面は被試験体Xに密着することになる。このとき、電極10に印加する電圧を高くするにつれて、電気粘着機能発現体12の被試験体Xに対する密着性を増加させることができる。電圧印加時に吸着力が生じるのは、ガラス転移温度が室温以下である樹脂架橋体14が表面に盛り上がってくると共に、粒子15が沈み込むことによって生じると考えられる。なお、電圧印加時の電気粘着機能発現体12の表面において、図4に示すように、粒子15の周囲には樹脂架橋体14がせり出しても空気等の気体が占める空間が生じる場合があるが、超音波等の音波の送受信にはほとんど影響しない。
FIG. 3 shows a state in which a voltage is applied to the electric adhesive
上述したような被試験体Xに密着させた電気粘着機能発現体12を介して超音波を送受信することによって、例えば超音波送受信素子6から発信された超音波を、ほとんど空気を介在させることなく被試験体Xに伝播させることができる。また、被試験体Xで反射された反射波についても、ほとんど空気を介在させない電気粘着機能発現体12を介して超音波送受信素子6で受信することができる。従って、超音波探傷子のような超音波デバイス1による超音波の伝播効率及びそれに基づく送受信効率を高めることができる。さらに、超音波デバイス1を移動させたい場合には、上述したように電気粘着機能発現体12への電圧の印加をオフにすることで、被試験体X上に電気粘着機能発現体12を接触させた状態で超音波デバイス1を移動させることができる。また、樹脂架橋体14は例えばゲル状であるため、被試験体Xに付着して残留するようなこともない。
By transmitting and receiving ultrasonic waves via the electric adhesive
電気粘着機能発現体12は、上述したように樹脂架橋体14内に分散された粒子15を有している。樹脂架橋体14内に分散させる粒子15は、電気レオロジー効果を示す粒子(電気レオロジー粒子)であることが好ましい。粒子15の構成材料としては、半導体、導電体、異方性導電体、強誘電体、電解質、絶縁体等が挙げられる。粒子15の具体例としては、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸カルシウム等の強誘電体粒子、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ランタン等の酸化物粒子、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルのようなアクリル類、ジビニルベンゼンをベースとした共重合体、アセンキノン類、ポリアニリン、ポリパラファニレン等の樹脂粒子、炭素質粒子、Agコロイド、Niコロイド、無水シリカ粒子、表面絶縁化導電性粒子、もしくはこれらの粒子を尿素やポリマー等の有機化合物でコートした粒子が挙げられる。
The
粒子15は、アクリル樹脂等の樹脂粒子と、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸カルシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、アセンキノン類、ポリアニリン、ポリパラファニレン、炭素質、Agコロイド、Niコロイド、無水シリカ等の粒子、又は表面絶縁化導電性粒子とを混合させたものであってもよい。また、粒子15は、導電体ポリマーブレンド、シリコンモノマー等のモノマー、オリゴマー、さらにはこれらの混合物、誘導体等から選ばれる粒子であってもよい。
The
粒子15は、例えば球状の材質の表面を、球状の材質よりも小さい粒子で被覆した複合粒子であってもよい。球状粒子の材質としては、例えば様々なポリマー、シリカゲル、でんぷん、大豆カゼイン、カーボン等の粒子が例示される。その回りを被覆する小さい粒子には、無機酸化物、各種フタロシアニン化合物等の有機顔料等を用いることができる。電気レオロジー粒子の他の材質例としては、ポリマー鎖に液晶の機能を有する基を付加したものがある。さらに、樹脂架橋体14中での分散性を向上させるために、粒子15に様々な表面処理や処理剤を使用することができる。
The
樹脂架橋体14は粘着性を有することが好ましく、粒子15が分散された状態で電気レオロジー効果を示すものであることが好ましい。ここで、粘着性とは、接着の一種であり、水、溶剤、熱等を使用せずに、常温で短時間、僅かな圧力を加えるだけで接着することである。被試験体Xに密着させたときに、どのくらいの力に耐えられるかで、その大きさが測定される。通常、その力の起源は、ファンデルワールス力が主と言われており、被試験体Xのミクロな凹凸面に食い込み、近づくことで粘着する。従って、電気粘着機能発現体12を構成する樹脂架橋体14は、ガラス転移温度が比較的低いものを含むことが好ましく、そのガラス転移温度は室温よりも低いことが好ましい。
The resin crosslinked
樹脂架橋体14には、固体と液体の混合物を用いることができる。そのような混合物としては、例えばポリシロキサン架橋体により形成されたゲル骨格中にシリコーンオイルを分散させたものが挙げられる。シリコーンオイルを混合した場合、熱や光で樹脂架橋体を形成した後に、オイルの一部を除去することが好ましい。この過程によって、樹脂架橋体14を有する電気粘着機能発現体12は多孔質構造となることがある。この場合、より高い粘着機能が発現する場合が多い。ここで、多孔質構造の孔径は同時に用いる粒子15の平均粒子径よりも小さいことが好ましい。
A mixture of solid and liquid can be used for the resin crosslinked
電気粘着機能発現体12を構成する樹脂架橋体14の媒体には、例えばジメチルポリシロキサン等に代表されるシリコーンゲルに分類されるものが用いられる。シリコーンゲルは、光、熱、触媒等で硬化させるものであり、架橋開始剤や触媒等が作製プロセスにおいて電気粘着機能発現体12の構成材料となる。シリコーンゲル以外にも、いわゆる粘着性を有する電気絶縁性の媒体であれば様々なものが使用できる。例えば、架橋によって三次元的な網目構造を形成し、その内部に溶媒を吸収した膨潤ゲル、ポリロタキサンを利用してユニークな8の字架橋点を持つトポロジカルゲル、独立した2重網目構造を持つダブルネットワークゲル等が挙げられる。具体的には、ポリシロキサン架橋体、アクリル酸エステル系ポリマー架橋体、ポリスチレン系架橋体等がある。これらの構造材料であるモノマーやオリゴマー、不飽和基含有化合物等が混合していてもよい。
As the medium of the resin crosslinked
電気粘着機能発現体12は、樹脂架橋体14及び粒子15以外に、電荷輸送材料、導電性微粒子、シリコーンオイルに代表されるプロセスオイル、酸化物粒子等を含んでいてもよい。導電性微粒子の構成材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム、チタン、タングステン、スズ、亜鉛、ニッケル、インジウム、ジルコニア等の金属、酸化スズ、炭素粉、フラーレン、炭化珪素、グラファイト、グラフェン、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等が挙げられる。電気粘着機能発現体12が導電性微粒子を含むことによって、電気レオロジー効果に基づく粒子15の移動性を高めることができる。
In addition to the resin crosslinked
電荷輸送材料には、有機ELや有機太陽電池等に用いられる電荷輸送性を有する材料を適用することができる。電荷輸送材料としては、例えば、ポリ(2−ビニルカルバゾール)、ポリ(9−ビニルカルバゾール)、1,3,5−トリス(2−(9−エチルカバジル−3)エチレン)ベンゼン、トリス(4−カルバゾイル−9−イルフェニル)アミン、トリス[4−(ジエチルアミノ)フェニル]アミン、トリ−p−トリルアミン、4,4’ビス(N−カルバゾリル)−1,1’−ビフェニル、4,4’−ビス(N−カルバゾリル)−1,1’−ビフェニル、1,3−ビス(N−カルバゾリル)ベンゼン、1,4−ビス(ジフェニルアミノ)ベンゼン、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−N,N’−ジフェニルベンジジン、ポリ(N−エチル−2−ビニルカルバゾール)、ポリ[ビス(4−フェニル)(2,4,6−トリメチルフェニル)アミン、ポリ(1−ビニルナフタレン)、ポリ(2−ビニルナフタレン)、ポリ(銅フタロシアニン)等がある。電気レオロジー効果による粒子15の移動は、電源13から印加される電荷が影響するため、電気粘着機能発現体12が電荷輸送材料を含むことで、電気レオロジー効果を高めることができる。
As the charge transport material, a material having charge transport property used for organic EL, organic solar cells, and the like can be applied. Examples of the charge transport material include poly (2-vinylcarbazole), poly (9-vinylcarbazole), 1,3,5-tris (2- (9-ethylcabazyl-3) ethylene) benzene, and tris (4-carbazoyl). -9-Ilphenyl) amine, tris [4- (diethylamino) phenyl] amine, tri-p-tolylamine, 4,4'bis (N-carbazolyl) -1,1'-biphenyl, 4,4'-bis ( N-carbazolyl) -1,1'-biphenyl, 1,3-bis (N-carbazolyl) benzene, 1,4-bis (diphenylamino) benzene, N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine, poly (N-ethyl-2-vinylcarbazole), poly [bis (4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amine, poly (1-vinylnaphthalene), poly (2-) Vinyl naphthalene), poly (copper phthalocyanine), etc. Since the movement of the
プロセスオイルとしては、シリコーンオイルが例示される。シリコーンオイルは、電気的及び化学的に安定で難燃性の材料であり、電気粘着機能発現体12に含まれるプロセスオイルとして好適である。シリコーンオイルの代表例としては、ジメチルシリコーンオイル、フッ素変性シリコーンオイル、フェニル変性シリコーンオイル等が挙げられる。プロセスオイルにはシリコーンオイル以外に、パラフィン系オイル、ナフテン系オイル等を用いてもよい。さらに、これら以外に市販のプロセスオイルを使用してもよい。
Examples of the process oil include silicone oil. Silicone oil is an electrically and chemically stable and flame-retardant material, and is suitable as a process oil contained in the
電気粘着機能発現体12に接して設けられる基板11には、例えば樹脂フィルム、樹脂基板等が用いられる。基板11に形成される電極10は、正極と負極を一対とする電極であり、その形状は特に限定されるものではないが、例えばくし型に正極と負極とが互い違いに配置されたくし型電極が用いられる。これ以外に、電気粘着機能発現体12の一方の面に正極と負極とを配することが可能な配線パターンを有する電極10、例えば魚骨型や渦巻き型等の様々な配線パターンを有する電極10を適用することができる。電極10における正極と負極の幅やそれらの間隔は、電気粘着機能発現体12の厚さや粒子15の大きさ等によって適宜に選定される。電気粘着機能発現体12が導電性微粒子を含む場合、電極10は導電性微粒子の仕事関数との差が0.5eV以内である仕事関数を有する金属を含むことが好ましく、これにより電気レオロジー効果を高めることができる。
For the
実施形態の超音波デバイス1においては、音波伝播部3の電気粘着機能発現体12に電圧を印加することで粘着性を発現させ、被試験体Xの表面に電気粘着機能発現体12を空気層をほとんど介さずに密着させることによって、音波伝播部3に積層される音波機能部2の超音波送受信素子6から被試験体X、及び被試験体Xから超音波送受信素子6への超音波の伝播を効率よく実現することができる。ここで、音の強さの透過率Tは、音響インピーダンスで記述できる。物質Aから物質Bへの音の透過率は、物質の密度とその物質中の音速との積である音響インピーダンス(物質Aの音響インピーダンスZAと物質Bの音響インピーダンスZB)で、以下の式(1)で表される。
T=(2ZA・ZB)/(ZA+ZB)2 …(1)
In the
T = (2Z A · Z B ) / (Z A + Z B) 2 ... (1)
平面状に均一に存在する物質Aから物質Bへの音の強さの透過率を式(1)より計算して図12に示す。温度0℃の空気の音響インピーダンスは0.43KRaylであるので、例えば超音波送受信機の保護材が音響インピーダンス2.5MRaylのポリスチレンであった場合、両者の比は1.7×10−4(1.7E−4)であるので、音の強さの透過率は2.7e−3となり、1%以下となってしまう。このように、音響インピーダンスが極めて小さい空気を、被試験体Xと超音波送受信機2との間に介在させないようにするために、電気粘着機能発現体12を配置することが有効である。
The transmittance of the sound intensity from the substance A to the substance B, which is uniformly present in a plane, is calculated from the equation (1) and shown in FIG. Since the acoustic impedance of air at a temperature of 0 ° C. is 0.43KRayl, for example, when the protective material of the ultrasonic transmitter / receiver is polystyrene with an acoustic impedance of 2.5M Rayl, the ratio of the two is 1.7 × 10 -4 (1). Since it is .7E-4), the transmittance of the sound intensity is 2.7e-3, which is 1% or less. As described above, it is effective to arrange the electric adhesive
音波の伝播を効率よく行わせるためには、単に被試験体Xとの間に空気層がないだけでなく、粘着性部材を構成する材料が、用いる音波を効率よく伝播するものであることが好ましい。すなわち、実施形態における電気粘着機能発現体12を構成する主な部材である、樹脂架橋体14の主成分と粒子15の主成分の音響インピーダンスが大きく乖離していないことが望ましい。樹脂架橋体14の主成分と粒子15の主成分の音響インピーダンスの比は0.001以上1000以下の範囲であることが好ましく、音響インピーダンスの比は0.01以上100以下の範囲であることがより好ましく、0.1以上10以下の範囲であることが望ましい。また、粒子15の大きさは、用いる音波の波長の1/2以下、さらに1/5以下であることがより好ましい。このような場合には、絶縁性媒体である樹脂架橋体14の主成分の音響インピーダンスと粒子15の主成分の音響インピーダンスが大きく異なっていても、音波の伝播は大きく影響を受けないことがある。
In order to efficiently propagate sound waves, not only is there no air layer between the object X and the test object X, but the material constituting the adhesive member must efficiently propagate the sound waves to be used. preferable. That is, it is desirable that the acoustic impedances of the main component of the resin crosslinked
例えば、室温25℃のシリコーンゴムの音響インピーダンスは約1.0MRalys、ポリスチレンは約2.5MRalysであるので、その比を取ると0.4程度である。例えば、樹脂架橋体14の絶縁性媒体としてシリコーンゴムを用い、粒子15としてポリスチレンを主成分とする粒子を用いた場合には、電気粘着機能発現体12の厚さや粒子15の粒径にも依存するが、問題なく超音波探傷試験を行うことができる。
For example, the acoustic impedance of silicone rubber at room temperature of 25 ° C. is about 1.0 MLalys, and that of polystyrene is about 2.5 MLalys, so the ratio is about 0.4. For example, when silicone rubber is used as the insulating medium of the resin crosslinked
電気粘着機能発現体12を構成する粒子15は、通常直径0.1μm以上100μm以下の平均粒子径を有する粒子の中から適宜選択して使用することができる。ここで平均粒子径とは、コールターカウンターによる標準粒子換算粒径である。粒径分布は用途によって適宜選定される。用いる音波の電気粘着機能発現体12中の波長よりも粒子15の粒径が小さいと、音波を滞りなく伝播させることができる。すなわち、用いる音波の電気粘着機能発現体12中の波長の1/5の長さより、粒子15の平均粒子径が小さいほうが好ましい。電気粘着機能発現体12の縦波音速は500〜3000m/s程度である。一方、用いる超音波の周波数は1〜10MHz程度である。例えば、縦波音速が1000m/sのとき、10MHzの超音波の波長は100μmである。用いる超音波の周波数によって適宜選択されるが、粒子15の直径は100μm以下が望ましい場合が多い。
The
実施形態の超音波デバイス1においては、被試験体Xと超音波送受信機2との間に、音伝播を妨げる空気層が生じないようにすることが好ましい。このため、被試験体Xの表面粗さによって、粒子15の最適な粒径分布が選択される。すなわち、上記したように、電気粘着機能発現体12の表面には粒子15が露出しており、電圧を印加する前には被試験体Xの上を滑らすことが可能である。電圧を印加すると、表面に存在する粒子15が内部に沈み込むと同時に、周りの樹脂架橋体14が盛り上がり、空気層が排除される。電気粘着機能発現体12に電圧を印加しない状態において、粒子15が樹脂架橋体14の中に没入せずに表面での露出状態が維持されるのは、樹脂架橋体14の剛性や粒子15の粒径の選定により実現することができる。
In the
印加電圧を高くしていくと密着度は上昇し、空気層はより排除されるが、排除されずに残ってしまう空気胞も存在する。この排除されずに残ってしまう空気胞の大きさが大きかったり、その密度が多かったりすると、音伝播に支障が生じる。この空気胞の大きさは、用いる音の波長の1/2から1/5程度に小さいことが好ましい。例えば、周波数3.5MHzの音を用いる場合には、空気中の波長は100μm程度である。従って、空気胞の直径は10μmから50μm程度の大きさであることが好ましい。これを実現するためには、電気粘着機能発現体12の構成材料である粒子15の大きさは好ましくは100μm以下であり、さらに好ましくは30μm以下である。
As the applied voltage is increased, the degree of adhesion increases and the air layer is more eliminated, but there are also air vesicles that remain without being eliminated. If the size of the air vesicles that remain without being eliminated is large or the density is high, sound propagation will be hindered. The size of the air vesicles is preferably as small as 1/2 to 1/5 of the wavelength of the sound used. For example, when a sound having a frequency of 3.5 MHz is used, the wavelength in the air is about 100 μm. Therefore, the diameter of the air vesicle is preferably about 10 μm to 50 μm. In order to realize this, the size of the
第1の実施形態の超音波デバイスにおいて、超音波の送信機能及び受信機能を有する音波機能部(超音波送受信機)2の構造は、図1に示した垂直型超音波探触子としての構造に限定されるものではない。音波機能部(超音波送受信機)2には、各種公知の構造を適用することができる。例えば、図5は超音波送受信素子6の背面側にダンパ16を配置した広帯域型超音波探触子としての超音波デバイス1を示している。図6は斜角超音波探触子としての超音波デバイス1を示している。図6に示す斜角超音波探触子としての超音波デバイス1は、くさび17の傾斜面17aに超音波送受信素子6が設けられていると共に、その背面に吸音材18が配置されている。図7は二振動子型超音波探触子としての超音波デバイス1を示している。図7に示す二振動子型超音波探触子としての超音波デバイス1は、音響隔離膜19を介して配置された音響遅延材20A、20Bのそれぞれに超音波送受信素子6が設けられている。これらの超音波デバイス1においても、音波機能部(超音波送受信機)2の超音波送受信面に電気粘着機能発現体12を有する音波伝播部3を設けることによって、超音波の伝播効率及びそれに基づく送受信効率を高めることができる。
In the ultrasonic device of the first embodiment, the structure of the sound wave function unit (ultrasonic transmitter / receiver) 2 having an ultrasonic wave transmitting function and an ultrasonic wave receiving function is a structure as a vertical ultrasonic probe shown in FIG. It is not limited to. Various known structures can be applied to the sound wave function unit (ultrasonic wave transceiver) 2. For example, FIG. 5 shows an
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態の音波デバイス21について、図8ないし図11を参照して説明する。図8ないし図11は、音波受信機の一例であるAEセンサを備える音波デバイス21を示している。図8は共振型AEセンサを備える音波デバイス21である。図8に示す音波デバイス21は、音波の受信機能を有する音波機能部(AEセンサ)22と、音波機能部2の音波の受波面(音波機能面)に設けられる音波伝播部3とを具備する。音波伝播部3の具体的な構成は、第1の実施形態と同様である。AEセンサとしての音波機能部2は、振動子4としての圧電体がAEセンサに応じた材料や構造を有する音波受信素子23を用いていることを除いて、図1に示した超音波デバイス1と同様な構成を有している。
(Second Embodiment)
Next, the
このような音波機能部(AEセンサ)22を備える音波デバイス21は、前述したように音波伝播部3の電気粘着機能発現体12が電圧印加時に粘着性を示すため、被試験体Xに取り付けることができる。さらに、取り付け時においては被試験体Xと空気を介することなく密着させることができるため、AE(Acoustic Emission)による音波の伝播効率及びそれに基づく受信効率を高めることができる。また、音波デバイス21を移動させる場合、電圧の印加をオフにすれば電気粘着機能発現体12がすべり性を示すため、音波デバイス21を容易に移動させることができる。
The
AEセンサを備える音波デバイス21の具体的な構成は、図8に示す共振型AEセンサを備える音波デバイス21に限られるものではない。音波機能部(AEセンサ)22には、各種公知の構造を適用することができる。例えば、図9は音波受信素子23の背面側にダンパ16を配置した広帯域型AEセンサとしての音波デバイス21を示している。図10は平衡型AEセンサとしての音波デバイス21を示している。図10に示す音波デバイス21において、音波受信素子23は絶縁板24上に搭載されている。図11はプリアンプ内蔵型AEセンサとしての音波デバイス21を示している。図11に示す音波デバイス2は、ケース8内に配置されたプリアンプ25を有している。これらの音波デバイス21においても、音波機能部(AEセンサ)22の音波受信面に電気粘着機能発現体12を有する音波伝播部3を設けることによって、音波デバイス21の取り付け及び移動を容易にした上で、音波の伝播効率及びそれに基づく受信効率を高めることができる。
The specific configuration of the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態の音波デバイス31について、図13を参照して説明する。図13は、超音波送受信機の一例である垂直型超音波探触子を示している。垂直型超音波探触子としての超音波デバイス31は、第1の実施形態と同様に、超音波の送信機能及び受信機能を有する音波機能部(超音波送受信機)2と、音波機能部2の音波の送波面及び受波面として機能する音波機能面に設けられる音波伝播部3とを具備する。音波機能部(超音波送受信機)2は、第1の実施形態の超音波デバイス1と同様な構成を備えている。音波伝播部3は、第1の実施形態と同様に、正負一対の電極10を有する基板11と、基板11の電極形成面に設けられた電気粘着機能発現体12と、電気粘着機能発現体12に電圧を印加する電源13とを備え、それらに加えて高分子含有層32を備えている。
(Third Embodiment)
Next, the
高分子含有層32を備える音波伝播部3について、以下に詳述する。高分子含有層32は、音波機能部2の送受波面(音波機能面)7b、すなわち受波板7の超音波送受信素子6と接する面7aとは反対側の面7bと、基板11の電極形成面(表面)とは反対側の面(裏面)との間に、配置されている。高分子含有層32は、音波機能部2の送受波面7b及び基板11の裏面に、それぞれ接着層33を介して固定されている。第3の実施形態の音波デバイス31において、超音波送受信素子6から発信された超音波は、受波板7、高分子含有層32、基板11、及び電気粘着機能発現体12を介して被試験体に伝播される。また、被試験体で反射された反射波は、電気粘着機能発現体12、基板11、高分子含有層32、及び受波板7を介して超音波送受信素子6に伝播される。
The sound
高分子含有層32は1GPa以下のヤング率を有している。このような高分子含有層32を音波機能部2と音波伝播部3の基板11との間に配置することで、被試験体Xの表面にμm程度の凹凸が生じていたり、また音波伝播部3の表面と被試験体Xの表面との曲率が異なるような場合においても、電気粘着機能発現体12の被試験体Xの表面に対する追従性を高めることができる。従って、電気粘着機能発現体12と被試験体Xの表面との間の超音波の伝播効率及びそれに基づく送受信効率が高められ、被試験体Xの表面にμm程度の凹凸が生じていたり、また音波伝播部3の表面と被試験体Xの表面との曲率が異なるような場合であっても、超音波探傷検査等の精度を向上させることが可能になる。
The polymer-containing
上述したように、高分子含有層32は1GPa以下のヤング率を有している。これによって、電気粘着機能発現体12の被試験体Xの表面に対する追従性を高めることができる。すなわち、歪(ε)と垂直応力(σ)とヤング率(E)との間には、以下の式(2)の関係が成立する。
E=σ/ε …(2)
被試験体Xの表面に存在する凹凸としては、例えばスポット溶接の跡が挙げられる。スポット溶接の凹凸は2μmから20μm程度と報告されているため、このような凹凸に追従させることが求められる。仮に、高分子含有層32の厚さを2mmとすると、20μmの凹凸に追従させるためには、下記の式(3)から求められる歪を生じさせる必要がある。
ε=20×10−6/2×10−3=1×10−2 …(3)
仮に、1キログラム重(kgw)(=約10MPa)の応力をかけるとすると、高分子含有層32には下記の式(4)から求められる1GPaの圧縮弾性率が必要になる。
10MPa/1×10−2=1GPa …(4)
圧縮弾性率は、引張弾性率であるヤング率と同等の値を取ることが多い。従って、高分子含有層32のヤング率が1GPa以下であれば、例えば20μm以下の凹凸に追従させることができる。このため、高分子含有層32は1GPa以下のヤング率を有している。高分子含有層32のヤング率は0.7GPa以下がより好ましい。
As described above, the polymer-containing
E = σ / ε… (2)
Examples of the unevenness existing on the surface of the test piece X include spot welding marks. Since it is reported that the unevenness of spot welding is about 2 μm to 20 μm, it is required to follow such unevenness. Assuming that the thickness of the polymer-containing
ε = 20 × 10 -6 / 2 × 10 -3 = 1 × 10 -2 … (3)
Assuming that a stress of 1 kilogram-force (kgw) (= about 10 MPa) is applied, the polymer-containing
10 MPa / 1 x 10 -2 = 1 GPa ... (4)
The compressive elastic modulus often takes a value equivalent to the Young's modulus, which is the tensile elastic modulus. Therefore, if the Young's modulus of the polymer-containing
高分子含有層32の構成材料としては、樹脂、ゴム、エラストマー等を用いることができる。それらのうち、ヤング率が1GPa以下の高分子材料としては、ビニル系ではポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン系ではスチレン・ブタジエン・アクリロニトリル共重合体、ポリエチレン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、フッ素系では四フッ化エチレン、フッ化ビニリデン等が挙げられる。熱可塑性エラストマーに分類されるオレフィン系、スチレン系、塩化ビニル系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、熱硬化性エラストマーに分類されるウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等を、ヤング率が1GPa以下の高分子含有層32の構成材料として使用することもできる。
As a constituent material of the polymer-containing
ヤング率がさらに低い高分子材料として、環動エラストマーが挙げられる。環動エラストマーとは、ヤング率が極めて低いことで知られるポリロタキサン構造に代表される環動高分子材料である。ロタキサンは、大環状分子を棒状分子が貫通し、軸の両末端に嵩高い部位を結合させることで、立体障害でリングが軸から抜けなくなったものである。その構造的特徴は、以下の3つに分類される。すなわち、(1)環状分子と線状高分子との間に共有結合が存在しない、(2)多数の環状分子が線状高分子に沿って回転・滑り運動が可能である、(3)ポリロタキサン中の環状分子の化学修飾による機能付与が可能である。 As a polymer material having a lower Young's modulus, a ring elastomer can be mentioned. The ring elastomer is a ring polymer material represented by a polyrotaxane structure known to have an extremely low Young's modulus. In rotaxane, a rod-shaped molecule penetrates a macrocyclic molecule and binds bulky sites to both ends of the shaft, so that the ring cannot be pulled out from the shaft due to steric hindrance. Its structural features are classified into the following three categories. That is, (1) there is no covalent bond between the cyclic molecule and the linear polymer, (2) many cyclic molecules can rotate and slide along the linear polymer, and (3) polyrotaxane. It is possible to impart functions by chemically modifying the cyclic molecule inside.
上述した環動エラストマーは、高分子含有層32の構成材料として用いることきができる。さらに、環動エラストマーの原料として、軸分子としてポリエチレングリコール、環状分子としてシクロデキストリン誘導体、キャッピング分子としてアダマンタンを用いたポリロタキサンは、高分子含有層32の構成材料として好適である。特に、ポリロタキサンにポリカプロラクトン等をグラフトし、他の高分子をブレンドして架橋したエラストマーは、弾性率が1kPa程度と極めて小さい。このようなエラストマーを高分子含有層32の構成材料として用いることによって、音波伝播部3の被試験体Xの凹凸を有する表面に対する追従性をより一層高めることができる。
The above-mentioned ring elastomer can be used as a constituent material of the polymer-containing
高分子含有層32の厚さは、被試験体の表面形状等により選定することが好ましいものの、具体的には1mm以上50mm以下が好ましい。高分子含有層32の厚さが1mm未満であると、音波伝播部3の被試験体Xの凹凸を有する表面に対する追従性を十分に高めることができないおそれがある。一方、高分子含有層32の厚さが以上50mmを超えると、超音波等の音波伝播性が低下するおそれがある。高分子含有層32は、上記したような高分子材料を主成分として含み、層全体のヤング率が1GPa以下であればよい。よって、高分子含有層32は、主成分の高分子材料以外に他の成分を含んでいてもよい。
The thickness of the polymer-containing
高分子含有層32には、様々な特性を向上させるために、ヤング率が1GPaを超えない範囲で各種成分を添加することができる。例えば、粒子を含有させることで、高分子含有層32の弾性率や耐久性を向上させることが可能である。例えば、半導体粒子、導電体粒子、異方性導電体粒子、強誘電体粒子、電解質粒子、絶縁体粒子等を高分子含有層32に含有させることができる。粒子の具体例としては、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸カルシウム等の強誘電体粒子、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ランタン等の酸化物粒子、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル等のアクリル類、ジビニルベンゼンをベースとした共重合体、アセンキノン類、ポリアニリン、ポリパラファニレン等の樹脂粒子、炭素質粒子、Agコロイド、Niコロイド、無水シリカ粒子、表面絶縁化導電性粒子、もしくはこれらの粒子の混合物、これらの粒子を尿素やポリマー等の有機化合物でコートした粒子等が挙げられる。粒子は、導電体ポリマーブレンド、シリコンモノマー等のモノマー、オリゴマー、さらにはこれらの混合物、誘導体等から選ばれる粒子であってもよい。粒子は、例えば球状粒子の表面を、球状粒子よりも小さい粒子で被覆した複合粒子であってもよい。球状粒子の材質としては、例えば様々なポリマー、シリカゲル、でんぷん、大豆カゼイン、カーボン等の粒子が例示される。そのような球状粒子の回りを被覆する小さい粒子には、無機酸化物、フタロシアニン化合物のような有機顔料等を用いることができる。
In order to improve various properties, various components can be added to the polymer-containing
さらに、高分子含有層32は、電荷輸送材料、導電性微粒子、シリコーンオイルに代表されるプロセスオイル、酸化物粒子等を含んでいてもよい。導電性微粒子の構成材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム、チタン、タングステン、スズ、亜鉛、ニッケル、インジウム、ジルコニア等の金属、酸化スズ、炭素粉、フラーレン、炭化珪素、グラファイト、グラフェン、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等が挙げられる。
Further, the polymer-containing
電荷輸送材料には、有機ELや有機太陽電池等に用いられる電荷輸送性を有する材料を用いることができる。電荷輸送材料としては、例えばポリ(2−ビニルカルバゾール)、ポリ(9−ビニルカルバゾール)、1,3,5−トリス(2−(9−エチルカバジル−3)エチレン)ベンゼン、トリス(4−カルバゾイル−9−イルフェニル)アミン、トリス[4−(ジエチルアミノ)フェニル]アミン、トリ−p−トリルアミン、4,4’ビス(N−カルバゾリル)−1,1’−ビフェニル、4,4’−ビス(N−カルバゾリル)−1,1’−ビフェニル、1,3−ビス(N−カルバゾリル)ベンゼン、1,4−ビス(ジフェニルアミノ)ベンゼン、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−N,N’−ジフェニルベンジジン、ポリ(N−エチル−2−ビニルカルバゾール)、ポリ[ビス(4−フェニル)(2,4,6−トリメチルフェニル)アミン、ポリ(1−ビニルナフタレン)、ポリ(1−ビニルナフタレン)、ポリ(2−ビニルナフタレン)、ポリ(銅フタロシアニン)等が挙げられる。 As the charge transport material, a material having charge transport property used for organic EL, organic solar cells, and the like can be used. Examples of the charge transport material include poly (2-vinylcarbazole), poly (9-vinylcarbazole), 1,3,5-tris (2- (9-ethylcabazyl-3) ethylene) benzene, and tris (4-carbazoyl-). 9-Ilphenyl) amine, tris [4- (diethylamino) phenyl] amine, tri-p-tolylamine, 4,4'bis (N-carbazolyl) -1,1'-biphenyl, 4,4'-bis (N) -Carbazoleyl) -1,1'-biphenyl, 1,3-bis (N-carbazolyl) benzene, 1,4-bis (diphenylamino) benzene, N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N '-Diphenylbenzidine, poly (N-ethyl-2-vinylcarbazole), poly [bis (4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amine, poly (1-vinylnaphthalene), poly (1-vinyl) Naphthalene), poly (2-vinylnaphthalene), poly (copper phthalocyanine) and the like.
音波伝播部3における基板11や電気粘着機能発現体12には、第1の実施形態と同様な構成を適用することができるが、基板11には柔軟性樹脂基板を適用することが好ましい。柔軟性樹脂基板の材質は、高分子含有層32の形状変動に追従し得るものが好ましく、材質や厚さを工夫することで、より小さな凹凸にも変動するものが好ましい。柔軟性樹脂基板には、フレキシブル基板として知られる樹脂基板を用いることができる。フレキシブル基板としては、耐熱性のよいポリイミドフィルムやポリエチレンテレフタレートフィルム等のベース基材に、電極材料や配線材料として銅箔のような金属箔を接着剤等で貼り付けたものが知られている。さらに柔軟性に優れ、凹凸部への追従性に優れているものとして、ベース基材に伸縮基材を用いたフレキシブル基板がある。伸縮基材とは、いわゆるゴムやエラストマーであり、さらに曲面や立体面等への適用性に優れる。ゴム材料としては、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリルゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、多硫化ゴム等が挙げられる。エラストマーとしては、オレフィン系、スチレン系、塩化ビニル系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系等が挙げられる。なお、柔軟性樹脂基板は第3の実施形態に限らず、前述した第1及び第2の実施形態の基板11としても好適に用いることができる
The same configuration as in the first embodiment can be applied to the
第3の実施形態の超音波デバイス31においては、第1の実施形態と同様に、音波伝播部3の電気粘着機能発現体12に電圧を印加することで粘着性を発現させ、被試験体Xの表面に電気粘着機能発現体12を、空気層をほとんど介さずに密着させることによって、音波伝播部3に積層される音波機能部2の超音波送受信素子6から被試験体X、及び被試験体Xから超音波送受信素子6への超音波の伝播を効率よく実現することができる。超音波送受信素子6から発信された超音波及び被試験体Xから反射された超音波は、前述したように、受波板7、高分子含有層32、基板11、及び電気粘着機能発現体12を介して伝播される。音の強さの透過率Tは、音響インピーダンスで記述でき、物質Aから物質Bへの音の透過率は、前述した式(1)で表される。
In the
音波の伝播を効率よく行わせるためには、単に被試験体Xとの間に空気層がないだけでなく、高分子含有層32と基板11との界面、高分子含有層32と受波板7との界面、さらに高分子含有層32を構成する材料中において、用いる音波が効率よく伝播するものであることが好ましい。すなわち、高分子含有層32の音響インピーダンスが、基板11や受波板7の音響インピーダンスと大きく乖離してないことが好ましい。高分子含有層32の主成分である高分子材料と基板11や受波板7の主成分の音響インピーダンスの比は0.001以上1000以下の範囲であることが好ましく、音響インピーダンスの比は0.01以上100以下の範囲であることがより好ましく、0.1以上10以下の範囲であることが望ましい。電気粘着機能発現体12の音響インピーダンスの比や粒子の大きさについては、前述した通りである。このような超音波デバイス31によれば、高分子含有層32を含む音波伝播部3を介して、超音波を効率よく送受信することができる。
In order to efficiently propagate sound waves, not only is there no air layer between the test object X, but also the interface between the polymer-containing
なお、上述した第3の実施形態においては、高分子含有層32を含む音波伝播部3を垂直型超音波探触子31に適用した例について説明したが、高分子含有層32を含む音波伝播部3の適用はこれに限られるものではない。高分子含有層32を含む音波伝播部3は、図5に示した広帯域型超音波探触子としての超音波デバイス1、図6に示した斜角超音波探触子としての超音波デバイス1、図6に示した斜角超音波探触子としての超音波デバイス1、図7に示した二振動子型超音波探触子としての超音波デバイス1等にも適用することができる。さらに、高分子含有層32を含む音波伝播部3は、超音波デバイスに限らず、第2の実施形態に示した音波受信機の一例であるAEセンサを備える音波デバイス21、すなわち図8ないし図11に示した音波デバイス21に適用してもよい。
In the third embodiment described above, an example in which the sound
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態の音波デバイス41について、図14を参照して説明する。図14は、超音波送受信機の一例である超音波プローブを示している。図14に示す超音波プローブ41は、例えばスポット溶接の検査用プローブとして用いることができ、第1の実施形態と同様に超音波の送信機能及び受信機能を有する音波機能部2と音波伝播部3とを具備する。音波機能部2としての超音波トランスデューサ42は、マトリクス状やアレイ状に配列された複数の超音波送受信素子(圧電素子)6を備えている。超音波送受信素子(圧電素子)6の基本構成は、第1の実施形態と同様である。
(Fourth Embodiment)
Next, the
音波伝播部3は、音波機能部2としての超音波トランスデューサ42の超音波の送受波面(音波機能面)に順に設けられた、シュー部材43、高分子含有層32、正負一対の電極10を有する基板11、及び電気粘着機能発現体12を備えている。基板11及び電気粘着機能発現体12の具体的な構成は、第1の実施形態と同様である。高分子含有層32の具体的な構成は、第3の実施形態と同様であり、ヤング率が1GPa以下の高分子材料、例えば環動エラストマーを主成分として含有する層である。高分子含有層32は、環動エラストマーを含有する層であることが好ましい。基板11は、第3の実施形態と同様に、柔軟性樹脂基板であることが好ましい。
The sound
環動エラストマーを含有する層等の高分子含有層32は、1mmから50mmの範囲の厚さを有する。さらに、高分子含有層32は中央部の厚さが周辺部の厚さより厚い形状を有しており、そのような形状の全体の厚さが1mmから50mmの範囲に入っている。ここで、中央部とは周辺部ではないことを意味する。すなわち、高分子含有層32はその周辺部(外周部)に比べて、それより内側の中央付近に位置する部分が厚い凸形状を有している。高分子含有層32の凸形状は、凸状の表面が湾曲している、すなわち中央付近が突出した曲面であることが好ましい。ただし、これ以外に部分的に突出した形状であってもよい。さらに、基板11は柔軟性樹脂基板であるため、高分子含有層32の凸形状を有する表面に倣った形状に湾曲しており、電気粘着機能発現体12も同様である。
The polymer-containing
このように、中央部が周辺部より厚い形状を有する高分子含有層32によれば、例えば被試験体Xの表面に凹状部分が存在しているような場合においても、表面の凹状部分に沿って音波伝播部3を配置することができるため、超音波を効率よく送受信することができ、探傷試験等の精度を高めることが可能になる。なお、超音波の送受信はシュー部材43が介在されていることを除いて、第3の実施形態と同様に実施される。電気粘着機能発現体12に基づく効果は、第1の実施形態と同様である。
As described above, according to the polymer-containing
以下、実施例およびその評価結果について述べる。 Examples and evaluation results thereof will be described below.
(実施例1、比較例1)
まず、電気レオロジー粒子が分散された樹脂架橋体から構成される電気粘着機能発現体を用意した。すなわち、平均粒子径が10μmのアクリル樹脂微粒子中に平均粒子径が200nmのチタン酸バリウム微粒子を埋め込んだ電気レオロジー粒子を準備した。作製した電気レオロジー粒子50重量部とポリ(9−ビニルカルバゾール)9重量部を、シリコーンオイル20重量部に分散させた。次いで、この分散液にシリコーンオリゴマー15重量部を分散させて一様な溶液とした。さらに、架橋剤1.5重量部を添加して分散させた。次いで、正極と負極とを有する櫛型電極が形成されたPET樹脂シートを用意し、その上に上記した溶液を塗布し硬化させた。硬化時の条件を変えることによって、電気粘着機能発現体の厚さを変えた試料を作製し、最後に油とりフィルムに試料を密着させてシリコーンオイルの一部を除去し、5種類の試料(実施例1−a〜e)を作製した。
(Example 1, Comparative Example 1)
First, an electroadhesive function exhibitor composed of a crosslinked resin in which electroleology particles were dispersed was prepared. That is, electric rheology particles in which barium titanate fine particles having an average particle diameter of 200 nm were embedded in acrylic resin fine particles having an average particle diameter of 10 μm were prepared. 50 parts by weight of the prepared electric rheology particles and 9 parts by weight of poly (9-vinylcarbazole) were dispersed in 20 parts by weight of silicone oil. Next, 15 parts by weight of the silicone oligomer was dispersed in this dispersion to prepare a uniform solution. Further, 1.5 parts by weight of the cross-linking agent was added and dispersed. Next, a PET resin sheet on which a comb-shaped electrode having a positive electrode and a negative electrode was formed was prepared, and the above solution was applied onto the PET resin sheet and cured. By changing the conditions at the time of curing, samples with different thicknesses of the electroadhesive function exhibitors were prepared, and finally, the samples were brought into close contact with the oil removing film to remove a part of the silicone oil, and five types of samples ( Examples 1-a to e) were prepared.
作製した電気粘着機能発現体を、図5に示す広帯域型の垂直超音波探触子(超音波機能部)にそれぞれ搭載して、5種類の超音波デバイス(実施例1−a〜e)を作製した。これら超音波デバイスを、被試験体である内部に傷のあるSUS基板上に電気粘着機能発現体が被試験体と接するように載せて、電圧を印加しないときと、500Vの電圧を印加したときの、超音波の受信波形の波高値を比較した。なお、このときに周波数が3.5MHzの超音波を用いた。また、比較例1として、厚さが1.2mmのポリジメチルシロキサンを、垂直超音波探触子に貼り付けた以外は実施例1と同様に超音波デバイスを作製し、SUS基板上での超音波の受信波形の波高値を測定した。結果を表1に示す。 The prepared electroadhesive function expressors are mounted on the broadband vertical ultrasonic probes (ultrasonic function units) shown in FIG. 5, and five types of ultrasonic devices (Examples 1-a to e) are mounted. Made. When these ultrasonic devices are placed on a SUS substrate which is a test piece and has a scratch inside so that the electric adhesive function exhibiting body is in contact with the test piece, no voltage is applied and when a voltage of 500 V is applied. The peak values of the ultrasonic received waveforms were compared. At this time, an ultrasonic wave having a frequency of 3.5 MHz was used. Further, as Comparative Example 1, an ultrasonic device was produced in the same manner as in Example 1 except that polydimethylsiloxane having a thickness of 1.2 mm was attached to a vertical ultrasonic probe, and an ultrasonic device was formed on a SUS substrate. The peak value of the received waveform of the sound wave was measured. The results are shown in Table 1.
(実施例2)
まず、電気レオロジー粒子が分散された樹脂架橋体から構成される電気粘着機能発現体を用意した。すなわち、平均粒子径が10μmの板状アルミナ粒子80重量部とポリ(9−ビニルカルバゾール)9重量部と銅フタロシアニン9重量部を、シリコーンオイル20重量部に分散させた。次いで、この分散液にシリコーンオリゴマー20重量部を分散させて一様な溶液とした。さらに、架橋剤2重量部を添加して分散させた。次いで、実施例1と同様にて、櫛型電極が形成されているPET樹脂シート上に、用意した溶液を塗布し硬化させた。最後に含有されるシリコーンオイルの一部を油とりフィルムで除去して電気粘着機能発現体を作製した。出来上がった電気粘着機能発現体を電子顕微鏡で観察したところ、シリコーンオイルが存在していた部分が孔となって観測され、一部多孔質になっていることが認められた。
(Example 2)
First, an electroadhesive function exhibitor composed of a crosslinked resin in which electroleology particles were dispersed was prepared. That is, 80 parts by weight of plate-like alumina particles having an average particle diameter of 10 μm, 9 parts by weight of poly (9-vinylcarbazole), and 9 parts by weight of copper phthalocyanine were dispersed in 20 parts by weight of silicone oil. Next, 20 parts by weight of the silicone oligomer was dispersed in this dispersion to prepare a uniform solution. Further, 2 parts by weight of the cross-linking agent was added and dispersed. Then, in the same manner as in Example 1, the prepared solution was applied and cured on the PET resin sheet on which the comb-shaped electrode was formed. Finally, a part of the silicone oil contained was removed with an oil removing film to prepare an electroadhesive function exhibitor. When the completed electroadhesive function exhibitor was observed with an electron microscope, the part where the silicone oil was present was observed as a hole, and it was confirmed that the part was porous.
作製した電気粘着機能発現体を、図8に示す共振型AEセンサに搭載して音波デバイスとした。この音波デバイスを被試験体に載せて、弾性波の受信感度を測定した。実施例2の音波デバイスにおいては、電気粘着機能発現体に500Vの電圧を印加した状態で弾性波の受信感度を測定した。電気粘着機能発現体に代えてグリセリンを接触媒質として用いたときと比較した結果、ほぼ同一の感度であることを確認した。 The produced electric adhesive function exhibitor was mounted on the resonance type AE sensor shown in FIG. 8 to form a sound wave device. This sound wave device was placed on a test object, and the reception sensitivity of elastic waves was measured. In the sound wave device of Example 2, the reception sensitivity of elastic waves was measured in a state where a voltage of 500 V was applied to the electric adhesive function exhibiting body. As a result of comparison with the case where glycerin was used as a contact medium instead of the electroadhesive function exhibitor, it was confirmed that the sensitivities were almost the same.
(実施例3)
まず、粒子が分散された樹脂架橋体から構成される電気粘着機能発現体を用意した。平均粒子径が18μmのジビニルベンゼンをベースとした共重合体アクリル粒子(積水化学工業社製、商品名:ミクロパール)0.5gを、ポリオール、ポリイソシアネート、及び触媒の混合物である、エクシール社製の人肌のゲル原液の柔らかめの主剤0.6gに分散させた。次に、上記ゲル原液の硬化剤0.2gを混ぜた。正極と負極とを有する櫛型電極が形成された、銅箔とポリイミドからなるフレキシブルシートを用意し、その上に上記した溶液を厚さ1mmに塗布した。熱をかけて半硬化させた後に、表面に共重合体アクリル粒子を1層のせて、その上から加圧した。その後、付着していない共重合体アクリル粒子をエアーシャワーで吹き飛ばし、さらに熱硬化させて、電気粘着機能発現体を作製した。
(Example 3)
First, an electroadhesive function exhibitor composed of a crosslinked resin in which particles were dispersed was prepared. 0.5 g of divinylbenzene-based copolymer acrylic particles (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., trade name: Micropearl) having an average particle diameter of 18 μm, which is a mixture of polyol, polyisocyanate, and catalyst, manufactured by Exile Co., Ltd. The gel stock solution of human skin was dispersed in 0.6 g of the softening main agent. Next, 0.2 g of the curing agent of the above gel stock solution was mixed. A flexible sheet made of copper foil and polyimide on which a comb-shaped electrode having a positive electrode and a negative electrode was formed was prepared, and the above solution was applied to a thickness of 1 mm on the flexible sheet. After semi-curing by applying heat, one layer of copolymer acrylic particles was placed on the surface, and pressure was applied from above. Then, the non-adhered copolymer acrylic particles were blown off by an air shower and further thermoset to prepare an electroadhesive function exhibitor.
次に、高分子含有層として、ヤング率が27MPaのシリコーンゴムを、厚さ5mmから30mmに加工し、広帯域型の垂直超音波探触子(超音波機能部)に接着剤で貼り付け、さらにその上に電気粘着機能発現体を接着剤で搭載して、5種類の超音波デバイス(実施例3−a〜e)を作製した。これら超音波デバイスを、内部に傷があり、かつ表面に20μmの凹凸があるSUS基板上に電気粘着機能発現体が被試験体と接するように載せて、電圧を印加しないときと、500Vの電圧を印加したときの、超音波の受信波形の波高値を比較した。なお、このときに周波数が5MHzの超音波を用いた。また、参考例1として、高分子含有層を配置しないこと以外は実施例3と同様に超音波デバイスを作製し、SUS基板上での超音波の受信波形の波高値を測定した。結果を表2に示す。 Next, as a polymer-containing layer, a silicone rubber having a Young ratio of 27 MPa is processed to a thickness of 5 mm to 30 mm, and is attached to a broadband vertical ultrasonic probe (ultrasonic function part) with an adhesive, and further. Five types of ultrasonic devices (Examples 3-a to e) were produced by mounting an electric adhesive function-expressing substance on it with an adhesive. These ultrasonic devices are placed on a SUS substrate with internal scratches and 20 μm irregularities on the surface so that the electroadhesive function exhibitor is in contact with the test object, and when no voltage is applied and when a voltage of 500 V is applied. The peak values of the ultrasonic wave reception waveforms when the above was applied were compared. At this time, an ultrasonic wave having a frequency of 5 MHz was used. Further, as Reference Example 1, an ultrasonic device was produced in the same manner as in Example 3 except that the polymer-containing layer was not arranged, and the peak value of the ultrasonic reception waveform on the SUS substrate was measured. The results are shown in Table 2.
(実施例4)
まず、粒子が分散された樹脂架橋体から構成される電気粘着機能発現体を用意した。平均粒子径が20μmのポリスチレン球(綜研化学社製、商品名:SPG−70C)5gを、ダウコーニング社製PDMS樹脂(商品名:Sylgard184(ベース:硬化剤=10:1))2g、シリコーンオイル3g、及びチタニルフタロシアニン0.02gを混合してよく攪拌した。正極と負極とを有する櫛型電極が形成された、銅箔とポリイミドからなるフレキシブルシートを用意し、その上に上記した溶液を厚さ2mmに塗布し、熱をかけて硬化させた。その後、紙を押しつけて余分なシリコーンオイルを除去することによって、電気粘着機能発現体を作製した。
(Example 4)
First, an electroadhesive function exhibitor composed of a crosslinked resin in which particles were dispersed was prepared. 5 g of polystyrene spheres (trade name: SPG-70C manufactured by Soken Chemical Co., Ltd.) having an average particle size of 20 μm, 2 g of PDMS resin (trade name: Cylgard184 (base: curing agent = 10: 1)) manufactured by Dow Corning, and silicone oil. 3 g and 0.02 g of titanyl phthalocyanine were mixed and stirred well. A flexible sheet made of copper foil and polyimide on which a comb-shaped electrode having a positive electrode and a negative electrode was formed was prepared, and the above solution was applied to a thickness of 2 mm and cured by applying heat. Then, a paper was pressed to remove excess silicone oil to prepare an electroadhesive function exhibitor.
次に、高分子含有層として、ポリロタキサン(アドバンスト・ソフトマテリアルズ社製、セルム SAミクスチャー SH3403M2の主剤と硬化剤を所定の重量部で混ぜて加熱し、固化させたもの)を、厚さ5mmから30mmに加工し、さらに中央部が20%程度厚くなるように周辺部を加工した。それらを広帯域型の垂直超音波探触子に接着剤で貼り付け、さらにその上に電気粘着機能発現体を接着剤で搭載して、5種類の超音波デバイス(実施例4−a〜e)を作製した。これら超音波デバイスを、SUS板をスポット溶接した場所の探傷試験に用いた。すなわち、スポット溶接部は、直径6mmのくぼみを有し、その中に2μmの凹凸がある。電気粘着機能発現体が被試験体と接するように載せて、電圧を印加しないときと、500Vの電圧を印加したときの、超音波の受信波形の波高値を比較した。なお、このときに周波数が15MHzの超音波を用いた。また、参考例2として、高分子含有層を搭載しないこと以外は実施例4と同様に超音波デバイスを作製し、SUS基板上での超音波の受信波形の波高値を測定した。結果を表3に示す。 Next, as a polymer-containing layer, polyrotaxane (manufactured by Advanced Soft Materials Co., Ltd., which is obtained by mixing the main agent and curing agent of CELM SA Mixture SH3403M2 in a predetermined weight portion, heating and solidifying) from a thickness of 5 mm. It was processed to 30 mm, and the peripheral part was further processed so that the central part was about 20% thicker. Five types of ultrasonic devices (Examples 4-a to e) are attached to a broadband vertical ultrasonic probe with an adhesive, and an electric adhesive function exhibitor is mounted on the adhesive with an adhesive. Was produced. These ultrasonic devices were used in a flaw detection test at a spot welded SUS plate. That is, the spot welded portion has a recess having a diameter of 6 mm and an unevenness of 2 μm in the recess. The electroadhesive function exhibitor was placed in contact with the test piece, and the peak values of the ultrasonic wave reception waveforms were compared between when no voltage was applied and when a voltage of 500 V was applied. At this time, an ultrasonic wave having a frequency of 15 MHz was used. Further, as Reference Example 2, an ultrasonic device was produced in the same manner as in Example 4 except that the polymer-containing layer was not mounted, and the peak value of the ultrasonic reception waveform on the SUS substrate was measured. The results are shown in Table 3.
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1…超音波デバイス、2…音波機能部、3…音波伝播部、4…振動子、5…電極、6…超音波送受信素子、10…電極、11…基板、12…電気粘着機能発現体、13…電源、14…樹脂架橋体、15…粒子、21…音波デバイス、22…音波機能部、23…音波受信素子、31…超音波デバイス、32…高分子含有層、33…接着層、41…超音波デバイス、42…超音波トランスデューサ、43…シュー部材。 1 ... ultrasonic device, 2 ... sound wave function unit, 3 ... sound wave propagation part, 4 ... oscillator, 5 ... electrode, 6 ... ultrasonic wave transmitting / receiving element, 10 ... electrode, 11 ... substrate, 12 ... electric adhesive function exhibitor, 13 ... Power supply, 14 ... Resin crosslinked body, 15 ... Particles, 21 ... Sound wave device, 22 ... Sound wave function unit, 23 ... Sound wave receiving element, 31 ... Ultrasonic device, 32 ... Polymer-containing layer, 33 ... Adhesive layer, 41 ... ultrasonic device, 42 ... ultrasonic transducer, 43 ... shoe member.
Claims (17)
一対の電極を有する基板と、前記基板上に配置された樹脂架橋体、及び前記樹脂架橋体内に分散された粒子を有する、被試験体と接するための電気粘着機能発現体と、前記一対の電極に電圧を印加するための電源とを備え、前記音波機能部の音波の送波面及び受波面の少なくとも一方として機能する音波機能面に設けられる音波伝播部と
を具備する音波デバイス。 A sound wave function unit having at least one function of transmitting and receiving sound waves,
A substrate having a pair of electrodes, a resin crosslinked body arranged on the substrate, and an electric adhesive function exhibiting body having particles dispersed in the resin crosslinked body for contact with a test object, and the pair of electrodes. A sound wave device including a power source for applying a voltage to a sound wave, and a sound wave propagating unit provided on a sound wave functional surface that functions as at least one of a sound wave transmitting surface and a sound wave receiving surface of the sound wave functioning unit.
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