JP6791476B2

JP6791476B2 - 弾性波計測センサ

Info

Publication number: JP6791476B2
Application number: JP2016003902A
Authority: JP
Inventors: 勲下山; 下山　　勲; 潔松本; 松本　　潔; ミンジューングェン
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: JP2016130735A

Description

本発明は、弾性波計測センサに関するものである。

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。

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。

特開２０１１−６４６９７号公報

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。

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。

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。

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。

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。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。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。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。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。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。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。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。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。変形例（１）に係るセンサ部の構成を示す縦端面図である。変形例（２）に係るセンサ部の構成を示す縦端面図である。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。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。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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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ＳｉＯ_２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）。

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。

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）。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＬｉＮＯ_３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。

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。

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）×１０^３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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

被計測物で生じる弾性波を計測する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、
前記被計測物に固定される脚体と、
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、
前記脚体は、前記被計測物に固定される底面と、前記カンチレバーが形成される上面とを有し、前記底面から前記上面に連通する連通路が形成されており、前記被計測物を伝搬してきた弾性波を前記カンチレバーへ伝達させることを特徴とする弾性波計測センサ。
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。
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。
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。
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。
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、
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
ことを特徴とする弾性波計測センサ。