JP2016130735A - Elastic wave measurement sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an elastic wave measurement sensor which can accurately find the occurrence of a crack.SOLUTION: An elastic wave measurement sensor 10A comprises a plurality of sensor parts 12A, where the sensor part 12A has a leg body 14, a cantilever 16 formed on the leg body 14, a gap 18 formed between the cantilever 16 and the leg body 14, and a liquid 20 that covers the cantilever 16 and the gap 18.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、弾性波計測センサに関するものである。   The present invention relates to an elastic wave measurement sensor.

橋脚などのコンクリート構造物は、車両が通過することで繰り返し荷重を受け、これにより劣化し、場合によってはクラックが生じる。このように劣化したコンクリート構造物は、適切に補修工事を行う必要があるので、例えばクラックが生じたことを的確に把握することが望まれる。クラックが生じた際、コンクリート構造物は、アコースティック・エミッション（Acoustic Emission, AE）により、コンクリートが内部に蓄えていた弾性エネルギーを音波（弾性波）として放出する。この弾性波は、主に超音波領域の高い周波数成分を有するといわれる。したがってこの弾性波を計測することができれば、コンクリート構造物の補修工事を適切に行うことができる。   A concrete structure such as a bridge pier is repeatedly subjected to a load when the vehicle passes through, and thereby deteriorates, and in some cases, a crack is generated. Since the concrete structure thus deteriorated needs to be repaired appropriately, it is desirable to accurately grasp that a crack has occurred, for example. When a crack occurs, the concrete structure releases acoustic energy stored in the concrete as acoustic waves (elastic waves) by acoustic emission (AE). This elastic wave is said to have a high frequency component mainly in the ultrasonic region. Therefore, if this elastic wave can be measured, the concrete structure can be repaired appropriately.

弾性波の伝搬の様子を計測する方法として、一般的には、光学的な手法が知られている（例えば、特許文献１）。光学的な手法の共通点は、表面波による光の回折現象を利用する点である。   In general, an optical technique is known as a method for measuring the state of propagation of elastic waves (for example, Patent Document 1). The common point of the optical method is that it utilizes the light diffraction phenomenon by the surface wave.

特開２０１１−６４６９７号公報JP 2011-64697 A

しかしながら、表面波による光の回折現象を利用する手法では、被計測物の表面の平滑さが重要な指標であり、埃などが付着した状態での計測は困難である。さらに対応可能な周波数帯域が狭いという問題がある。   However, in the method using the light diffraction phenomenon by the surface wave, the smoothness of the surface of the object to be measured is an important index, and it is difficult to measure in a state where dust or the like is attached. Furthermore, there is a problem that the frequency band that can be handled is narrow.

本発明は、クラックの発生を的確に把握することができる弾性波計測センサを提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the elastic wave measuring sensor which can grasp | ascertain generation | occurrence | production of a crack exactly.

本発明に係る弾性波計測センサは、センサ部を複数備え、前記センサ部は、脚体と、前記脚体上に形成されたカンチレバーと、前記カンチレバーと前記脚体の間に形成されたギャップと、前記カンチレバー及び前記ギャップを覆う液体とを備えることを特徴とする。   The elastic wave measurement sensor according to the present invention includes a plurality of sensor units, and the sensor unit includes a leg, a cantilever formed on the leg, and a gap formed between the cantilever and the leg. And a liquid covering the cantilever and the gap.

本発明によれば、センサ部は、カンチレバーを挟んで下側が気体、上側が液体からなる３層構造であることにより、被計測物を伝搬してきた弾性波がカンチレバーへ効率的に伝達される。これにより弾性波計測センサは、広い周波数帯域の弾性波を計測することができる。また、弾性波計測センサは、複数のセンサ部を備えていることにより、クラックが発生した箇所を特定することができる。このようにして弾性波計測センサは、広い周波数帯域の弾性波を計測することができると共に、クラックが発生した箇所を特定することができるので、より的確にクラックの発生を把握することができる。   According to the present invention, the sensor unit has a three-layer structure in which the lower side is made of gas and the upper side is made of liquid with the cantilever interposed therebetween, whereby the elastic wave propagating through the measurement object is efficiently transmitted to the cantilever. Thereby, the elastic wave measuring sensor can measure elastic waves in a wide frequency band. Moreover, the elastic wave measurement sensor can specify the location where the crack has occurred by providing a plurality of sensor units. In this way, the elastic wave measurement sensor can measure an elastic wave in a wide frequency band and can identify the location where the crack has occurred, so that the occurrence of the crack can be grasped more accurately.

本実施形態に係る弾性波計測センサの全体構成を示す斜視図である。It is a perspective view showing the whole elastic wave measuring sensor composition concerning this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサのセンサ部の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the sensor part of the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサのセンサ部の製造方法を段階的に示す縦端面図であり、図３Ａはピエゾ抵抗層を積層した状態、図３Ｂはギャップを形成した状態、図３Ｃは電極を形成した状態、図３Ｄは連通路を形成しカンチレバー部を形成した状態を示す図である。FIG. 3A is a longitudinal end view showing a method of manufacturing a sensor unit of an elastic wave measurement sensor according to this embodiment in a stepwise manner, FIG. 3A is a state in which piezoresistive layers are stacked, FIG. FIG. 3D is a diagram showing a state in which a communicating path is formed and a cantilever portion is formed. 本実施形態に係る弾性波計測センサに適用する検出回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the detection circuit applied to the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサの実験に用いた装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the apparatus used for the experiment of the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサの弾性波の伝搬を計測した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the propagation of the elastic wave of the elastic wave measurement sensor concerning this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサにおけるカンチレバーの位置と弾性波の減衰との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the position of the cantilever and the attenuation | damping of an elastic wave in the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る弾性波計測センサにおけるカンチレバーの位置と弾性波の到達時間の遅れとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the position of the cantilever in the elastic wave measurement sensor which concerns on this embodiment, and the delay of the arrival time of an elastic wave. 変形例（１）に係るセンサ部の構成を示す縦端面図である。It is a vertical end view which shows the structure of the sensor part which concerns on a modification (1). 変形例（２）に係るセンサ部の構成を示す縦端面図である。It is a longitudinal end view which shows the structure of the sensor part which concerns on a modification (2). 変形例（３）に係る弾性波計測センサの構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the elastic wave measurement sensor which concerns on a modification (3). 変形例（４）に係る弾性波計測センサの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the elastic wave measurement sensor which concerns on a modification (4). 変形例（５）に係る弾性波計測センサの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the elastic wave measurement sensor which concerns on a modification (5).

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

（全体構成）
図１に示す弾性波計測センサ１０Ａは、センサ部１２Ａを複数、本図の場合、８個備え、被計測物としてのコンクリート構造物１１に固定される。センサ部１２Ａは、脚体１４と、脚体１４上に形成されたカンチレバー１６と、前記カンチレバー１６と前記脚体１４の間に形成されたギャップ１８と、前記カンチレバー１６及び前記ギャップ１８を覆う液体２０とを備える。本実施形態の場合、センサ部１２Ａは、１次元に配列されている。なおセンサ部１２Ａの数は、８個に限定されるものではなく、２個以上であれば適宜選択できる。 (overall structure)
The elastic wave measurement sensor 10A shown in FIG. 1 includes a plurality of sensor portions 12A, eight in the case of this figure, and is fixed to a concrete structure 11 as a measurement object. The sensor unit 12A includes a leg body 14, a cantilever 16 formed on the leg body 14, a gap 18 formed between the cantilever 16 and the leg body 14, and a liquid covering the cantilever 16 and the gap 18. 20. In the case of the present embodiment, the sensor units 12A are arranged in a one-dimensional manner. The number of sensor units 12A is not limited to eight, and can be selected as appropriate as long as it is two or more.

脚体１４は、コンクリート構造物１１を伝搬してきた弾性波を効率的にカンチレバー１６へ伝達し得るように構成されている。脚体１４は、硬質の材料、例えばSi、SiC、GaAs、GaN、Geなどの半導体材料、あるいは金属により形成されるのが好ましい。脚体１４は、接着剤（図示しない）を介して、コンクリート構造物１１に固定される。接着剤としては、エポキシ系接着剤やアクリル系接着剤を用いることができる。本実施形態の場合、脚体１４は、矩形状の基板で形成されており、１つの基板に８個のセンサ部１２Ａが形成されている。したがって脚体１４は、全てのセンサ部１２Ａにおいて、一体となっている。   The leg 14 is configured to efficiently transmit the elastic wave propagating through the concrete structure 11 to the cantilever 16. The legs 14 are preferably formed of a hard material, for example, a semiconductor material such as Si, SiC, GaAs, GaN, Ge, or a metal. The leg 14 is fixed to the concrete structure 11 via an adhesive (not shown). As the adhesive, an epoxy adhesive or an acrylic adhesive can be used. In the case of this embodiment, the leg 14 is formed of a rectangular substrate, and eight sensor portions 12A are formed on one substrate. Therefore, the leg 14 is integrated in all the sensor parts 12A.

カンチレバー１６は、一側面を除いて、脚体１４との間にギャップ１８を設けた状態で形成されたいわゆる片持ち梁構造である。ギャップ１８は、液体２０が漏れない程度の大きさ、例えば０．０２〜１０μｍ程度に形成されている。このカンチレバー１６は、平板状の受圧部１７と当該受圧部１７の一側面に一体に形成された一対のヒンジ部１９とを有する。当該ヒンジ部１９は、電極（本図には図示しない）に電気的に接続されている。   The cantilever 16 has a so-called cantilever structure formed with a gap 18 provided between the leg body 14 except for one side surface. The gap 18 is formed in such a size that the liquid 20 does not leak, for example, about 0.02 to 10 μm. The cantilever 16 has a flat plate-like pressure receiving portion 17 and a pair of hinge portions 19 integrally formed on one side surface of the pressure receiving portion 17. The hinge portion 19 is electrically connected to an electrode (not shown in the drawing).

図２に示すように、センサ部１２Ａは、基板２２と、絶縁層２４と、シリコン（Si）層２６と、ピエゾ抵抗層２８と、電極３０を構成する金属層とからなり、シリコン層２６と、ピエゾ抵抗層２８とにより、所定形状のカンチレバー１６が形成されている。脚体１４は、カンチレバー１６及びギャップ１８（本図には図示しない）の周囲を囲むように形成されている。   As shown in FIG. 2, the sensor unit 12 </ b> A includes a substrate 22, an insulating layer 24, a silicon (Si) layer 26, a piezoresistive layer 28, and a metal layer constituting the electrode 30. The cantilever 16 having a predetermined shape is formed by the piezoresistive layer 28. The leg 14 is formed so as to surround the cantilever 16 and the gap 18 (not shown in the figure).

カンチレバー１６は、コンクリート構造物１１を伝搬してきた弾性波によって、ヒンジ部１９（本図には図示しない）を中心に弾性変形し得るように構成されている。電極３０は、図示しないが、ピエゾ抵抗層２８の抵抗値の変化を検出する信号変換部および電源に電気的に接続されている。   The cantilever 16 is configured to be elastically deformed around a hinge portion 19 (not shown in the figure) by an elastic wave propagating through the concrete structure 11. Although not shown, the electrode 30 is electrically connected to a signal converter that detects a change in the resistance value of the piezoresistive layer 28 and a power source.

センサ部１２Ａの上面には、ギャップ１８を覆うように液体２０が設けられている。液体２０は、カンチレバー１６に接触していない一面側がほとんど振動しないため、脚体１４を介して伝達された弾性波がカンチレバー１６を効率的に振動させることに寄与する。なお本図において液体２０は、カンチレバー及びギャップのみを覆うように１つのセンサ部１２Ａに１つの液体２０が設けられているが、本発明はこれに限られず、図１のように複数のセンサ部１２Ａを１つの液体で覆うようにしてもよい。   A liquid 20 is provided on the upper surface of the sensor unit 12A so as to cover the gap 18. Since the liquid 20 hardly vibrates on the one surface side that is not in contact with the cantilever 16, the elastic wave transmitted through the legs 14 contributes to efficiently vibrating the cantilever 16. In this figure, one liquid 20 is provided in one sensor part 12A so that the liquid 20 covers only the cantilever and the gap, but the present invention is not limited to this, and a plurality of sensor parts are provided as shown in FIG. 12A may be covered with one liquid.

ギャップ１８においては、液体２０と気体の間の界面が形成される。ギャップ１８が微小間隙であることを前提として、界面は、液体２０の表面張力、液体２０の粘性、カンチレバー１６の下側の空間２９における気体圧等によって形成され、維持される。カンチレバー１６の運動により、界面の形状変化や界面の移動が生じたとしても、界面自体が維持され、ギャップ１８の密閉状態が維持される。液体２０の性質にもよるが、センサ部１２Ａにおいて液体２０の保持性を高めるために、カンチレバー１６の表面や電極３０の内面における必要な部分に疎水性の表面処理を施してもよい。   In the gap 18, an interface between the liquid 20 and the gas is formed. Assuming that the gap 18 is a minute gap, the interface is formed and maintained by the surface tension of the liquid 20, the viscosity of the liquid 20, the gas pressure in the space 29 below the cantilever 16, and the like. Even if the shape of the interface changes or the interface moves due to the movement of the cantilever 16, the interface itself is maintained and the sealed state of the gap 18 is maintained. Although depending on the properties of the liquid 20, a hydrophobic surface treatment may be applied to necessary portions of the surface of the cantilever 16 and the inner surface of the electrode 30 in order to improve the retention of the liquid 20 in the sensor unit 12 </ b> A.

上記のように、液体２０は、表面張力が大きく、ある程度の粘性を有し、化学的に安定なものを選択するのが望ましい。さらに、液体２０が密閉されずに露出して設けられる場合、蒸気圧が低く、取扱性が良好な液体２０を選択するのが望ましい。液体２０は、水、シリコンオイル、イオン性液体等を用いることができる。ジェルのような液状物質を利用することも可能である。   As described above, it is desirable to select a liquid 20 that has a large surface tension, a certain degree of viscosity, and is chemically stable. Furthermore, when the liquid 20 is provided without being sealed, it is desirable to select the liquid 20 having a low vapor pressure and good handleability. As the liquid 20, water, silicon oil, ionic liquid, or the like can be used. It is also possible to use a liquid substance such as a gel.

センサ部１２Ａは、脚体１４とコンクリート構造物１１表面とが密閉されている必要はなく、カンチレバー１６の下側の空間２９に気体が存在していることが望ましい。これによりセンサ部は、カンチレバー１６において、液体２０と、カンチレバー１６と、空間２９に存在する気体とによる３層構造を有する。   In the sensor unit 12 </ b> A, the leg 14 and the surface of the concrete structure 11 do not need to be sealed, and it is desirable that gas exists in the space 29 below the cantilever 16. Thus, the sensor unit has a three-layer structure of the liquid 20, the cantilever 16, and the gas existing in the space 29 in the cantilever 16.

（製造方法）
次に、センサ部１２Ａの製造方法について図３を参照して説明する。まず、Ｓｉからなる基板２２上にＳｉＯ２からなる絶縁層２４を形成し、さらに、その絶縁層２４の上部にＳｉからなるシリコン層２６を形成することにより、基板２２と絶縁層２４とシリコン層２６からなる積層構造のＳＯＩを形成する。ＳＯＩの各層（Si/SiO2/Si）の厚さは、例えば、それぞれ上から順に、０．３/０．４/３００μｍとすることができる。次いで、シリコン層２６上に不純物をドーピングしてシリコン層２６の一部をＮ型もしくはＰ型半導体としたピエゾ抵抗層２８を形成する（図３Ａ）。 (Production method)
Next, a manufacturing method of the sensor unit 12A will be described with reference to FIG. First, an insulating layer 24 made of SiO 2 is formed on a substrate 22 made of Si, and further, a silicon layer 26 made of Si is formed on the insulating layer 24, whereby the substrate 22, the insulating layer 24, and the silicon layer are formed. An SOI having a laminated structure of 26 is formed. The thickness of each SOI layer (Si / SiO 2 / Si) can be, for example, 0.3 / 0.4 / 300 μm sequentially from the top. Next, an impurity is doped on the silicon layer 26 to form a piezoresistive layer 28 in which a part of the silicon layer 26 is an N-type or P-type semiconductor (FIG. 3A).

次に、ＳＯＩ上のピエゾ抵抗層２８の上に電極３０をパターン形成し、その後、シリコン層２６とピエゾ抵抗層２８を一部エッチングすることにより、上述したカンチレバー１６のヒンジ部１９を除いた外縁と外周部分との間のギャップ１８を形成する（図３Ｂ）。なお、このとき、電極３０の上面には、さらにホトレジスト（図示しない）を一部に対して形成しておく。   Next, the electrode 30 is patterned on the piezoresistive layer 28 on the SOI, and then the silicon layer 26 and the piezoresistive layer 28 are partially etched, so that the outer edge excluding the hinge portion 19 of the cantilever 16 described above is obtained. A gap 18 is formed between the outer peripheral portion and the outer peripheral portion (FIG. 3B). At this time, a photoresist (not shown) is further formed on a part of the upper surface of the electrode 30.

その後、電極３０をさらにパターン形成し、ホトレジスト（図示しない）が形成されていない部分を除去し、その後にホトレジストも除去することによって所定形状の電極３０を形成する（図３Ｃ）。最後に、底面側から基板２２と絶縁層２４をエッチングして連通路３６を形成することにより、カンチレバー１６を形成する（図３Ｄ）。   Thereafter, the electrode 30 is further patterned, a portion where a photoresist (not shown) is not formed is removed, and then the photoresist is also removed to form the electrode 30 having a predetermined shape (FIG. 3C). Finally, the cantilever 16 is formed by etching the substrate 22 and the insulating layer 24 from the bottom side to form the communication path 36 (FIG. 3D).

このようにして、脚体１４上にセンサ部１２Ａを製造することができる。なお、センサ部１２Ａは、上記の方法により、複数個を同時に製造することができる。   In this way, the sensor portion 12A can be manufactured on the leg body 14. A plurality of sensor units 12A can be manufactured simultaneously by the above method.

（作用及び効果）
上記のように構成された弾性波計測センサ１０Ａは、コンクリート構造物１１表面に接着剤を介して脚体１４が固定されることにより、コンクリート構造物１１に設けられる。また各センサ部１２Ａは、図４に示す信号変換部としての検出回路２１にそれぞれ電気的に接続される。検出回路２１は、ブリッジ回路を有している。ブリッジ回路は抵抗Ｒ１，抵抗Ｒ２，抵抗Ｒ３を有し、さらに、抵抗Ｒ４＋ΔＲとしてセンサ部１２Ａが接続される。ここで、Ｒ４は原姿勢にあるカンチレバー１６のピエゾ抵抗値（初期値）であり、ΔＲはピエゾ抵抗値の初期値に対する変化分である。ブリッジ回路に対しては図示されていない電源から電圧Ｖｓが与えられている。ブリッジ回路の出力が差動アンプから電圧ΔＶoutとして出力されている。その信号がオシロスコープ（図示しない）に出力される。このようにして検出回路２１により、ピエゾ抵抗値の変化分ΔＲを電圧ΔＶoutとして得ることができる。 (Function and effect)
The elastic wave measurement sensor 10 </ b> A configured as described above is provided on the concrete structure 11 by fixing the legs 14 to the surface of the concrete structure 11 via an adhesive. Each sensor unit 12A is electrically connected to a detection circuit 21 as a signal conversion unit shown in FIG. The detection circuit 21 has a bridge circuit. The bridge circuit includes a resistor R1, a resistor R2, and a resistor R3, and the sensor unit 12A is connected as a resistor R4 + ΔR. Here, R4 is a piezoresistance value (initial value) of the cantilever 16 in the original posture, and ΔR is a change with respect to the initial value of the piezoresistance value. A voltage Vs is applied to the bridge circuit from a power source (not shown). The output of the bridge circuit is output as a voltage ΔVout from the differential amplifier. The signal is output to an oscilloscope (not shown). Thus, the detection circuit 21 can obtain the change ΔR in the piezoresistance value as the voltage ΔVout.

コンクリート構造物１１が劣化しておらず、クラックの発生に伴う弾性波が生じていない場合、弾性波計測センサ１０Ａは、カンチレバー１６が特に振動することはないので、ピエゾ抵抗値の変化分ΔＲは理想的には０である。   When the concrete structure 11 is not deteriorated and no elastic wave is generated due to the occurrence of cracks, the elastic wave measuring sensor 10A does not vibrate the cantilever 16 in particular. Ideally zero.

これに対しコンクリート構造物１１の劣化が進み、クラックが発生した場合、コンクリート構造物１１には、クラックの発生によって弾性波が生じる。当該弾性波は、コンクリート構造物１１を伝搬する。弾性波計測センサ１０Ａまで到達した上記弾性波は、脚体１４を介してセンサ部１２Ａへ伝達される。これによりセンサ部１２Ａは、カンチレバー１６の振動に伴うピエゾ抵抗値の変化を検出することにより、弾性波を計測することができる。   On the other hand, when the deterioration of the concrete structure 11 proceeds and a crack is generated, an elastic wave is generated in the concrete structure 11 due to the generation of the crack. The elastic wave propagates through the concrete structure 11. The elastic wave that has reached the elastic wave measurement sensor 10 </ b> A is transmitted to the sensor unit 12 </ b> A via the leg body 14. Accordingly, the sensor unit 12A can measure the elastic wave by detecting the change in the piezoresistance value accompanying the vibration of the cantilever 16.

本実施形態の場合、センサ部１２Ａは、カンチレバー１６を挟んで下側が気体、上側が液体２０からなる３層構造であることにより、コンクリート構造物１１を伝搬してきた弾性波が脚体１４を介してカンチレバー１６へ効率的に伝達される。これにより弾性波計測センサ１０Ａは、広い周波数帯域の弾性波を計測することができる。   In the case of the present embodiment, the sensor unit 12A has a three-layer structure in which the lower side is composed of gas and the upper side is composed of the liquid 20 with the cantilever 16 interposed therebetween. Is efficiently transmitted to the cantilever 16. Thereby, the elastic wave measuring sensor 10A can measure elastic waves in a wide frequency band.

弾性波計測センサ１０Ａは、２個のセンサ部１２Ａが１次元に配列されていることにより、クラックが発生した箇所を特定することができる。弾性波は、クラックの発生箇所に近いセンサ部１２Ａから遠いセンサ部１２Ａへ順に脚体１４を通じて伝達される。弾性波は、伝搬する距離に応じて振幅が減衰すると共に、到達時間が遅れる。したがって弾性波計測センサ１０Ａは、複数のセンサ部１２Ａにおいて、弾性波を計測することにより、弾性波の振幅の減衰率と到達時間の遅れとから、弾性波計測センサ１０Ａから弾性波の発生源（クラックが発生した箇所）までの方向と距離すなわち位置をある一定の範囲に特定することができる。また弾性波計測センサ１０Ａをコンクリート構造物１１に複数設けることにより、クラックの発生箇所をより正確に特定することが可能になる。   The elastic wave measuring sensor 10A can identify the location where the crack has occurred by arranging the two sensor portions 12A in a one-dimensional manner. The elastic waves are transmitted through the legs 14 in order from the sensor unit 12A near the crack occurrence point to the sensor unit 12A far away. The amplitude of the elastic wave is attenuated according to the propagation distance, and the arrival time is delayed. Therefore, the elastic wave measurement sensor 10A measures the elastic wave in the plurality of sensor units 12A, thereby generating the elastic wave from the elastic wave measurement sensor 10A (from the elastic wave attenuation sensor and the arrival time delay). The direction and distance up to the point where the crack has occurred, that is, the position can be specified within a certain range. In addition, by providing a plurality of elastic wave measurement sensors 10A in the concrete structure 11, it is possible to more accurately identify the occurrence location of cracks.

このようにして弾性波計測センサ１０Ａは、広い周波数帯域の弾性波を計測することができると共に、弾性波計測センサ１０Ａから弾性波の発生源（クラックが発生した箇所）までの方向と距離すなわち位置をある一定の範囲に特定することができるので、より的確にクラックの発生を把握することができる。   In this way, the elastic wave measurement sensor 10A can measure elastic waves in a wide frequency band, and the direction, distance, or position from the elastic wave measurement sensor 10A to the elastic wave generation source (where the crack is generated). Can be specified within a certain range, so that the occurrence of cracks can be grasped more accurately.

実際に上記「製造方法」に示す手順で作製したセンサ部１２Ａを８個備える弾性波計測センサ１０Ａを用いて、弾性波を計測した。実験に用いた装置は、図５に示すように、弾性波計測センサ１０Ａの一端に設けられたＳＡＷ（表面弾性波：Surface Acoustic Wave）発信器４０と、他端に設けられたＳＡＷ受信器４２とを備えている。ＳＡＷ発信器４０に近いセンサ部のカンチレバーを第１カンチレバー１６Ａ、最も離れているセンサ部のカンチレバーを第８カンチレバー１６Ｈとし、各センサ部の間隔を１．１ｍｍとした。なお、カンチレバー１６Ａ，１６Ｂ・・・を区別しない場合は、カンチレバー１６と称する。   The acoustic wave was measured using the acoustic wave measuring sensor 10A that actually includes eight sensor units 12A produced by the procedure shown in the “manufacturing method”. As shown in FIG. 5, the apparatus used in the experiment is a SAW (Surface Acoustic Wave) transmitter 40 provided at one end of an acoustic wave measurement sensor 10A, and a SAW receiver 42 provided at the other end. And. The cantilever of the sensor part close to the SAW transmitter 40 is the first cantilever 16A, the cantilever of the sensor part farthest away is the eighth cantilever 16H, and the interval between the sensor parts is 1.1 mm. Note that the cantilevers 16A, 16B,.

カンチレバー１６は、全長を１５０μｍ、厚さを３００ｎｍとした。ギャップ１８は１μｍとした。電極３０は、Ａｕ／Ｃｒからなる厚さ５０ｎｍの金属層で形成した。液体２０は、シリコンオイル（ＨＩＶＡＣ−Ｆ４，信越シリコーン）を用いた。ＳＡＷ発信器４０及びＳＡＷ受信器４２は、圧電基板としてＬｉＮＯ３基板と、圧電基板上に設けられたＡｕ／Ｃｒで形成された櫛形電極とで構成される。ＳＡＷ発信器４０とＳＡＷ受信器４２は、エポキシ樹脂を用いて弾性波計測センサ１０Ａを構成するＳＯＩ上に接合した。 The cantilever 16 had a total length of 150 μm and a thickness of 300 nm. The gap 18 was 1 μm. The electrode 30 was formed of a 50 nm thick metal layer made of Au / Cr. As the liquid 20, silicon oil (HIVAC-F4, Shin-Etsu Silicone) was used. The SAW transmitter 40 and the SAW receiver 42 are composed of a LiNO 3 substrate as a piezoelectric substrate and a comb-shaped electrode made of Au / Cr provided on the piezoelectric substrate. The SAW transmitter 40 and the SAW receiver 42 are bonded onto the SOI constituting the elastic wave measurement sensor 10A using an epoxy resin.

ＳＡＷ発信器４０から０．１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの弾性波（本図中Ｗ）を発信したときの、第１カンチレバー１６Ａ〜第４カンチレバー１６Ｄの周波数特性を図６に示す。図６は横軸が周波数（ＭＨｚ）、縦軸が強度（任意単位）である。縦軸の強度は、第１カンチレバー１６Ａ〜第４カンチレバー１６Ｄで計測された出力電圧をＳＡＷ受信器４２の出力電圧で除算した値とした。この結果から、弾性波計測センサ１０Ａは、０．１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの広い周波数帯域の弾性波を計測できることが確認された。   FIG. 6 shows the frequency characteristics of the first cantilever 16A to the fourth cantilever 16D when the SAW transmitter 40 transmits an elastic wave of 0.1 MHz to 100 MHz (W in the figure). In FIG. 6, the horizontal axis represents frequency (MHz) and the vertical axis represents intensity (arbitrary unit). The intensity on the vertical axis is a value obtained by dividing the output voltage measured by the first cantilever 16 </ b> A to the fourth cantilever 16 </ b> D by the output voltage of the SAW receiver 42. From this result, it was confirmed that the elastic wave measurement sensor 10A can measure elastic waves in a wide frequency band of 0.1 MHz to 100 MHz.

図７に、図５に示す装置における第１カンチレバー１６Ａ〜第８カンチレバー１６Ｈにおける弾性波の伝搬を計測した結果を示す。図７は横軸が時間（μｓ）、縦軸が抵抗変化率であるΔＲ／Ｒ４（任意単位）×１０３を示す。ＳＡＷ発信器４０から入力する弾性波の周波数は、０．２ＭＨｚとした。この結果、ＳＡＷ発信器４０からの距離に応じて、弾性波の到達時間に遅れが生じていると共に、弾性波の振幅が減衰していることが確認された。 FIG. 7 shows the result of measuring the propagation of elastic waves in the first cantilever 16A to the eighth cantilever 16H in the apparatus shown in FIG. FIG. 7 shows ΔR / R4 (arbitrary unit) × 10 3 in which the horizontal axis represents time (μs) and the vertical axis represents the resistance change rate. The frequency of the elastic wave input from the SAW transmitter 40 was 0.2 MHz. As a result, it was confirmed that the arrival time of the elastic wave was delayed according to the distance from the SAW transmitter 40, and the amplitude of the elastic wave was attenuated.

図８に、図５に示す装置における第１カンチレバー１６Ａ〜第８カンチレバー１６Ｈにおける弾性波の振幅の減衰の様子を示す。図８は横軸が第１カンチレバー１６Ａからの距離（ｍｍ）、縦軸が減衰率（任意単位）である。減衰率は、各カンチレバー１６における出力電圧を第１カンチレバー１６Ａにおける出力電圧で除算して得た。本図から、ＳＡＷ発信器４０からの距離に応じて、弾性波が減衰すること、周波数が高い程より減衰することが確認された。   FIG. 8 shows how the amplitude of the elastic wave attenuates in the first cantilever 16A to the eighth cantilever 16H in the apparatus shown in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis represents the distance (mm) from the first cantilever 16A, and the vertical axis represents the attenuation rate (arbitrary unit). The attenuation rate was obtained by dividing the output voltage at each cantilever 16 by the output voltage at the first cantilever 16A. From this figure, it was confirmed that the elastic wave attenuates according to the distance from the SAW transmitter 40, and that the higher the frequency, the more it attenuates.

図９に、図５に示す装置における第１カンチレバー１６Ａ〜第８カンチレバー１６Ｈにおける弾性波の到達時間の遅れの様子を示す。図９は横軸が第１カンチレバー１６Ａからの距離（ｍｍ）、縦軸が到達時間の遅れ（μｓ）である。本図から、ＳＡＷ発信器４０からの距離に応じて、弾性波がカンチレバー１６に到達する時間が遅れること、周波数が高い程、到達時間の遅れが少ないことが確認された。   FIG. 9 shows how the elastic wave arrival time is delayed in the first cantilever 16A to the eighth cantilever 16H in the apparatus shown in FIG. In FIG. 9, the horizontal axis represents the distance (mm) from the first cantilever 16A, and the vertical axis represents the arrival time delay (μs). From this figure, it was confirmed that the time required for the elastic wave to reach the cantilever 16 is delayed according to the distance from the SAW transmitter 40, and that the arrival time delay is smaller as the frequency is higher.

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。 (Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention.

上記実施形態の場合、センサ部１２Ａの上面に設けられた液体２０が露出している場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１０に示すセンサ部１２Ｂは、液体２０表面が、弾性変形可能な膜４４で覆われている。これにより液体２０が蒸発するのを防ぐことができるので、弾性波計測センサ（本図には図示しない）は、長期間使用することができる。この場合、膜４４は、液体２０を密閉するため、センサ部１２Ｂの全体を覆うことが好ましい。膜４４は、パラキシレン系ポリマーで形成することができ、他の樹脂又は樹脂以外の材料で形成してもよい。   In the above embodiment, the case where the liquid 20 provided on the upper surface of the sensor unit 12A is exposed has been described, but the present invention is not limited thereto. For example, in the sensor unit 12B shown in FIG. 10, the surface of the liquid 20 is covered with a film 44 that can be elastically deformed. As a result, the liquid 20 can be prevented from evaporating, so that the elastic wave measurement sensor (not shown in the figure) can be used for a long period of time. In this case, the membrane 44 preferably covers the entire sensor unit 12B in order to seal the liquid 20. The film | membrane 44 can be formed with a paraxylene-type polymer, and may be formed with other resin or materials other than resin.

また図１１に示すセンサ部１２Ｃのように、膜４４を覆う外装部４６を設けることとしてもよい。外装部４６は、膜４４を保護できれば足り、例えばＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）などのシリコーンゴムで形成することができる。   Moreover, it is good also as providing the exterior part 46 which covers the film | membrane 44 like 12 C of sensor parts shown in FIG. The exterior portion 46 only needs to protect the film 44, and can be formed of silicone rubber such as PDMS (dimethylpolysiloxane).

さらに図１２に示すように、センサ部１２Ｃの表面を覆うケース５１を設けることとしてもよい。ケース５１は、センサ部１２Ｃを固定する板状の基台５６と、外装部４６との間に空間を空けた状態でセンサ部１２Ａを覆うように形成されたケース本体５８とを有し、ボルト５９によりコンクリート構造物１１に固定される。ケース本体５８は、例えば、ゴム、プラスチック、金属などにより形成することができる。本変形例の場合、センサ部１２Ｃは、プリント基板５５を介して基台５６に固定されている。センサ部１２Ｃとプリント基板５５は、電気的に接続された状態で固定されている。プリント基板５５には、導体からなる引き出し電線５７の一端が電気的に接続されている。引き出し電線５７の他端は、信号変換部に電気的に接続される。このように構成することにより、センサ部１２Ｃは、外気、埃や紫外線などによる影響を抑制できるので、より長期間使用することができる。本図の場合、外装部４６が設けられている例を示しているが、外装部４６が設けられていないセンサ部１２Ｂに適用してもよい。   Furthermore, as shown in FIG. 12, it is good also as providing the case 51 which covers the surface of the sensor part 12C. The case 51 includes a plate-like base 56 that fixes the sensor unit 12C, and a case main body 58 that is formed so as to cover the sensor unit 12A with a space between the exterior unit 46 and a bolt. It is fixed to the concrete structure 11 by 59. The case main body 58 can be formed of, for example, rubber, plastic, metal, or the like. In the case of this modification, the sensor unit 12 </ b> C is fixed to the base 56 via the printed circuit board 55. The sensor unit 12C and the printed board 55 are fixed in an electrically connected state. One end of a lead wire 57 made of a conductor is electrically connected to the printed board 55. The other end of the lead wire 57 is electrically connected to the signal conversion unit. With this configuration, the sensor unit 12C can be used for a longer period of time because it can suppress the influence of outside air, dust, ultraviolet rays, and the like. In the case of this figure, although the example in which the exterior part 46 is provided is shown, you may apply to the sensor part 12B in which the exterior part 46 is not provided.

上記実施形態の場合、脚体１４は矩形状の基板で形成した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１３に示す弾性波計測センサ１０Ｂは、環状の脚体４８を備える。脚体４８は、環状部４９と、前記環状部４９の直径方向に延びる１本の直線部５０とを有する。センサ部１２は、直線部５０に複数、本図の場合２個設けられている。本変形例に係る弾性波計測センサ１０Ｂは、直線部５０の方向に伝搬する弾性波に対し指向性をもち、かつ直線部に配置されている複数のセンサ部１２Ａでの検出時間差とあわせ、クラックが発生した方向を容易に特定することができる。   In the case of the above embodiment, the case where the leg 14 is formed of a rectangular substrate has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the elastic wave measurement sensor 10 </ b> B illustrated in FIG. 13 includes an annular leg 48. The leg 48 includes an annular portion 49 and a single straight portion 50 extending in the diameter direction of the annular portion 49. In the case of this drawing, a plurality of sensor units 12 are provided on the straight line unit 50. The elastic wave measurement sensor 10B according to this modification has a directivity with respect to the elastic wave propagating in the direction of the straight line portion 50, and is combined with the detection time difference in the plurality of sensor portions 12A arranged in the straight line portion, and cracks. It is possible to easily identify the direction in which the occurrence occurs.

また図１４に示す弾性波計測センサ１０Ｃのように、環状部４９と、直角に交差する２本の直線部５３，５４とを有する脚体５２を用いることとしてもよい。センサ部１２Ａは、２次元に配列されている。すなわちセンサ部１２Ａは、それぞれの直線部５３，５４に複数、本図の場合４個ずつ、さらに中心に１個設けられている。この場合、直角に交差する２本の直線部５３，５４にそれぞれ設けられた複数のセンサ部１２Ａと、中心位置に設けられたセンサ部１２Ａとを有することにより、クラックが発生した箇所をより正確に特定することができる。さらに直線部は、３本以上としてもよい。   Moreover, it is good also as using the leg body 52 which has the cyclic | annular part 49 and the two linear parts 53 and 54 which cross | intersect at right angle like the elastic wave measurement sensor 10C shown in FIG. The sensor unit 12A is two-dimensionally arranged. That is, a plurality of sensor portions 12A are provided on each of the straight portions 53 and 54, four in the case of this figure, and further one on the center. In this case, by having a plurality of sensor portions 12A provided at two straight portions 53 and 54 intersecting at right angles, and a sensor portion 12A provided at the center position, a location where a crack has occurred can be more accurately detected. Can be specified. Furthermore, three or more straight portions may be provided.

上記実施形態の場合、カンチレバー１６は、片持ち梁構造である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、両持ち梁構造でもよい。   In the above embodiment, the cantilever 16 has a cantilever structure. However, the present invention is not limited to this, and a cantilever structure may be used.

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 弾性波計測センサ
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ センサ部
１４、４８、５２ 脚体
１６ カンチレバー
１８ ギャップ
２０ 液体
４４ 膜
４６ 外装部
４９ 環状部
５０、５３、５４ 直線部
５１ ケース
10A, 10B, 10C Elastic wave sensor 12A, 12B, 12C Sensor part 14, 48, 52 Leg 16 Cantilever 18 Gap 20 Liquid 44 Film 46 Exterior part 49 Annular part 50, 53, 54 Linear part 51 Case

Claims (6)

センサ部を複数備えた弾性波計測センサであって、
前記センサ部は、
脚体と、
前記脚体上に形成されたカンチレバーと、
前記カンチレバーと前記脚体の間に形成されたギャップと、
前記カンチレバー及び前記ギャップを覆う液体と
を備えることを特徴とする弾性波計測センサ。 An elastic wave measurement sensor having a plurality of sensor units,
The sensor unit is
Legs and
A cantilever formed on the leg,
A gap formed between the cantilever and the leg,
An elastic wave measuring sensor comprising: the cantilever and a liquid covering the gap. 前記液体を覆う弾性変形可能な膜が設けられていることを特徴とする請求項１記載の弾性波計測センサ。 The elastic wave measuring sensor according to claim 1, further comprising an elastically deformable film that covers the liquid. 前記膜を覆う外装部を備えることを特徴とする請求項２記載の弾性波計測センサ。 The elastic wave measurement sensor according to claim 2, further comprising an exterior portion that covers the film. 前記センサ部の表面を覆うケースを備えることを特徴とする請求項２又は３記載の弾性波計測センサ。 The elastic wave measurement sensor according to claim 2, further comprising a case that covers a surface of the sensor unit. 前記センサ部が、１次元又は２次元に配列されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の弾性波計測センサ。 The elastic wave measuring sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the sensor section is arranged in one or two dimensions. 前記脚体が、環状部と、前記環状部の直径方向に延びる１又は２以上の直線部とを有し、
前記センサ部が、前記直線部に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の弾性波計測センサ。 The leg has an annular part and one or more straight parts extending in the diameter direction of the annular part,
The elastic wave measurement sensor according to claim 1, wherein the sensor part is provided in the straight line part.
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