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JP2002365270A - すぐれた耐衝撃性・耐摩耗性・屈伸性を有する超音波プローブ - Google Patents

すぐれた耐衝撃性・耐摩耗性・屈伸性を有する超音波プローブ

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Publication number
JP2002365270A
JP2002365270A JP2001170437A JP2001170437A JP2002365270A JP 2002365270 A JP2002365270 A JP 2002365270A JP 2001170437 A JP2001170437 A JP 2001170437A JP 2001170437 A JP2001170437 A JP 2001170437A JP 2002365270 A JP2002365270 A JP 2002365270A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ultrasonic probe
flexibility
ultrasonic
piezoelectric element
excellent impact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001170437A
Other languages
English (en)
Inventor
Mikio Fukuhara
幹夫 福原
Yoshiyuki Kuwano
芳行 桑野
Mitsuhiro Hoshino
充宏 星野
Nobuhiro Moriyama
信宏 森山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JAPAN PROBE KK
Kureha Corp
Tungaloy Corp
Original Assignee
JAPAN PROBE KK
Kureha Corp
Toshiba Tungaloy Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JAPAN PROBE KK, Kureha Corp, Toshiba Tungaloy Co Ltd filed Critical JAPAN PROBE KK
Priority to JP2001170437A priority Critical patent/JP2002365270A/ja
Publication of JP2002365270A publication Critical patent/JP2002365270A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】振動や測定物の形状などに影響されずに、信頼
性の高い測定を行うことのできる超音波プローブを提供
する。 【解決手段】超音波プローブ1は、屈伸性にすぐれた材
料からなるダンパー材4と、その前面に固着された可撓
性を有する超音波送受信素子5と、さらにその前面に被
覆された耐摩耗性膜6とによって構成される。好ましく
は、ダンパー材4はゴムまたは軟質ポリマーにより形成
し、超音波送受信素子5はポリマー圧電素子,コンポジ
ット圧電素子または被覆セラミックス圧電素子により形
成し、全体として可撓性を有し耐衝撃性・耐摩耗性を有
する超音波プローブとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、すぐれた耐衝撃
性・耐摩耗性・屈伸性を有する超音波プローブに関し、
特に、振動や測定物の形状などの外的要因による影響を
極力排除して、信頼性の高い測定を行うことのできる超
音波プローブに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、超音波プローブのダンパー材は硬
質ポリマーが使用され、この前面に固着される超音波送
受信素子にはセラミックス焼結体や石英が用いられてい
る。これらは一定の厚さを有したものである。また、超
音波の出力効率を向上させる目的で、共振コイルが内蔵
される。これらの構成部品を通常円筒状ないし角状の硬
質な保護ケースに収めて一体化したものを、超音波プロ
ーブと称している。
【0003】従来、超音波測定法による材料特性や探傷
などの測定は、被測定物が静止状態にあることが条件と
なっている。測定の信頼性を上げるために、振動などの
外乱はできる限り排除する必要があるからである。ま
た、測定の信頼性を上げるための他の条件として、測定
面の状態がある。凹凸面については起伏の大きなものは
不適で、起伏の小さいもの、さらには平坦であることが
望ましい。測定面の粗さも滑らかなものでなければなら
ない。接触面が傾斜して片側当たりとなるようなことも
避ける必要がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前記のような従来の超
音波プローブは、測定時の作業条件が大いに制限される
ことになる。すなわち、周囲の振動の影響を受けるとこ
ろでは計測データにバラツキが生じたり正確なデータが
得られないという問題がある。また、超音波プローブと
測定物との間に摺り振動や回転が起きているような作業
環境にも適さない。たとえば、本発明者らは、ナットラ
ンナーに超音波プローブを組み込んで締付ボルトの軸力
をリアルタイムに測定する方法をすでに実用化している
が、ナットランナーによる締付け作動中は、従来の超音
波プローブではノイズが多く、正確な測定データが得ら
れないことがある。
【0005】従来のセラミックス焼結体や石英によって
形成された超音波送受信素子は衝撃に弱くて割れやす
く、特にナットランナーのような自動機での利用は、必
ずしも適したものでなかった。また、硬質の保護ケース
に構成部品が収められて一体化された超音波プローブ
は、小型化や作業工具装着に対する適応柔軟性に問題が
あった。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、前記のよう
な課題を解決するためになされたもので、請求項1の発
明は、屈伸性にすぐれた材料からなるダンパー材と、そ
の前面に固着された可撓性を有する超音波送受信素子
と、さらにその前面に被覆された耐摩耗性膜とによって
構成されていることを特徴とする。さらに請求項2の発
明は、前記ダンパー材は、ゴムまたは軟質ポリマーであ
ることを特徴とする。
【0007】請求項3の発明は、前記超音波送受信素子
は、可撓性を有するポリマー圧電素子,コンポジット圧
電素子または被覆セラミックス圧電素子であることを特
徴とする。さらに、請求項4の発明は、前記ポリマー圧
電素子は、ポリフッ化ビニリデン,フッ化ビニリデン系
共重合体(フッ化ビニリデン,トリフルオロエチレン共
重合体,フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン共
重合体等),シアン化ビニリデン系共重合体,奇数ナイ
ロン(奇数炭素ポリアミド),ポリ尿素またはポリ乳酸
からなる圧電膜であることを特徴とする。また、請求項
5の発明は、前記被覆セラミックス圧電素子は、ZnO
であることを特徴とする。
【0008】請求項6の発明は、前記耐摩耗性膜は、ポ
リイミド,ポリエーテルイミド,ポリアミドまたはポリ
エーテルエーテルケトンであることを特徴とする。
【0009】請求項7の発明は、前記超音波プローブ
は、保護ケースに収められることなく直接作業工具に組
み込まれることを特徴とする。
【0010】すなわち、この発明は、前記のような課題
を解決するために、測定物の表面あらさや凹凸の程度な
どが多少悪くても、これに倣って先端部が変形して密着
することで、装着時の衝撃や測定中の振動,摺動などを
吸収するようにしたことを特徴としている。その実現手
段として、屈伸性にすぐれたダンパー材を使用し、超音
波送受信素子も可撓性のあるものを採用して、全体とし
てすぐれた耐衝撃性や屈伸性を有するものとした。ダン
パー材には、屈伸性を有するだけでなく超音波透過減衰
にもすぐれる材料として、ゴムや軟質ポリマーが特に推
奨される。
【0011】ダンパー材に用いられる前記材料は、超音
波送受信素子からダンパー材への透過が極めて少ないと
いう特徴も合わせ持つ。そのため、測定物に送信される
超音波の出力効率が向上し、従来の硬質ポリマーをダン
パー材として用いた超音波プローブには欠かせなかった
共振コイルが不要となる。したがって、超音波プローブ
の小型化が可能となり、適用用途範囲が広がる。また、
超音波送受信素子からダンパー材への超音波の透過が極
めて少ないということは、λ/2およびλ/4(λは波
長)換算の基本周波数とその倍周波数との共存が可能と
なるので、この点からも出力効率が増大する。
【0012】一方、可撓性を有する超音波送受信素子と
して、具体的には、ポリマー圧電素子またはコンポジッ
ト圧電素子、あるいは被覆セラミックス圧電素子を採用
し、さらに詳しくはポリマー圧電素子として前記に掲げ
た各種の材料を採用した。セラミックス圧電素子には、
変形能のない焼結体の代わりに被覆膜を採用し、とりわ
けZnOを最適とした。
【0013】超音波送受信素子には、測定物との接触面
に耐摩耗性膜を被覆して、耐摩耗性の増強を図ってい
る。このような構成の結果、この発明の超音波プローブ
は全体として可撓性を有するという特徴を持ち、保護ケ
ースに収めなくとも利用することが可能となる。伸縮自
在性があるので、広範囲に適用できるようになる。
【0014】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の一形態につ
いて、図を参照しながら説明する。図1に例示のもの
は、本発明の超音波プローブ1が可撓性を有していると
いう特徴を最大限生かしたもので、たとえばナットラン
ナーのような作業工具2の先端部に穿設した止まり穴の
中に、保護ケースのない状態のままの超音波プローブ1
が直接収納されたものである。この例の測定物3は六角
ボルトである。本発明者らは、ボルト締結時の軸力をリ
アルタイムに測定して印荷または除圧を繰り返すことに
より、正確な締め付け力を得ることのできる制御装置を
すでに実用化している。このとき、作業工具2は上方よ
り瞬時に降下してボルト頭と当接するから、超音波プロ
ーブ1には大きな衝撃がかかる。
【0015】ダンパー材4は屈伸性にすぐれた材料によ
って形成し、詳しくはゴムまたは軟質ポリマーが好適で
ある。このようなダンパー材4は、すぐれた衝撃吸収
性,超音波吸収性,伸縮性を合わせ持っている。ダンパ
ー材4の前面には超音波送受信素子5が固着され、その
上下面には皮膜状の極薄な電極7が形成されている。さ
らに測定物3との接触面側には耐摩耗性膜6が被覆され
て、超音波送受信素子5が保護されている。電極7の上
下それぞれに溶着して結んだ電線8は、同軸ケーブル9
として合体され、超音波測定・解析機器(図示されてい
ない)に繋がっている。なお、超音波プローブ1に回転
が伴う測定の場合には、スリップリングを介して結線す
るようにする。
【0016】超音波送受信素子5の一つに、ポリマー圧
電素子が挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデ
ン,フッ化ビニリデン系共重合体(フッ化ビニリデン,
トリフルオロエチレン共重合体,フッ化ビニリデン・テ
トラフルオロエチレン共重合体等),シアン化ビニリデ
ン系共重合体,奇数ナイロン(奇数炭素ポリアミド),
ポリ尿素またはポリ乳酸からなる圧電膜が挙げられる。
【0017】中でも、ポリフッ化ビニリデンが最適であ
る。これは、電気機械結合定数はフッ化ビニリデン,ト
リフルオロエチレン共重合体が最も大きく、次いでポリ
フッ化ビニリデンの順となるが、可撓性や耐衝撃性の点
でポリフッ化ビニリデンに比べかなり劣るからである。
なおこれらの超音波送受信素子5の厚さは、可撓性を有
して送受信素子として機能させるために、1〜300μ
mが好適である。
【0018】また、超音波送受信素子5は、コンポジッ
ト圧電素子や被覆セラミックス圧電素子であってもよ
い。なお、被覆セラミックス圧電素子は100〜100
0MHzの高周波の場合に好適で、材料として特にZn
Oが推奨される。被覆セラミックス圧電素子は、皮膜が
超薄膜となるので、セラミックス焼結体や石英を利用し
た従来の超音波送受信素子と比較して、衝撃による割れ
が起きにくくなる。
【0019】超音波送受信素子5には、これを保護し、
耐摩耗性を向上させるために耐摩耗性膜6が被覆され
る。すぐれた耐摩耗性膜6として、ポリイミド,ポリエ
ーテルイミド,ポリアミドまたはポリエーテルエーテル
ケトンが使用される。
【0020】以上のように構成された超音波プローブ1
にあって、作業工具2の作業開始時には衝撃と押圧が加
わることになるが、まず衝撃が可撓性でもって受容さ
れ、押圧に対してはダンパー材4が座屈することで測定
物3と一体的となる。このとき、測定物3の面あらさ,
凹凸面の状態,傾き具合などが多少悪くても、すぐれた
耐衝撃性・耐摩耗性・屈伸性を有する超音波プローブ1
がこれに倣って変形することで、測定物3の表面と密着
することになる。その結果、超音波の確実な伝播が行わ
れるようになる。
【0021】ナットランナーに超音波プローブが組み込
まれたような事例では、測定中に作業工具2と測定物3
との間に回転ずれが生じることがあるが、従来の超音波
プローブは接触面が離れたりずれたりしたのに反し、こ
の超音波プローブ1は、大きな座屈能力を有しているの
で、ずれに追随して変形し、密着性が維持される。測定
物3の上面に微細な切屑や回避できない人工塵が付着し
ていたとしても、残り部分で面の密着が得られる。
【0022】ところで、超音波の波形位置計測法におい
ては、高周波による計測ほど測定精度は向上する。しか
しながら、超音波の周波数は、大きすぎると減衰が大き
くなるという欠点があり、小さすぎると測定精度が悪く
なる。ポリマー圧電素子やコンポジット圧電素子の場合
は、通常、固体計測には通常1〜100MHzが選択さ
れるが、望ましくは1〜20MHzとするのがよい。ま
た、超音波送受信素子は、縦波送受信素子,横波送受信
素子,あるいは縦横同一基盤素子のいずれであってもよ
いが、応力の精密計測を行うには縦横同一基盤素子の使
用するのが効果的である。
【0023】
【発明の効果】超音波プローブに可撓性を持たせたこと
により、被測定物の測定面の状態が多少悪くても測定面
の状態に倣って変形するから、密着が確保され、超音波
の伝播が確実に行われるようになる。取付時の衝撃を受
容するから、割れなどの損傷が防止され、計測時の外部
からの振動や測定物との接触面のずれなども吸収して密
着が保たれる。その結果、信頼性の高い測定データが得
られるようになる。
【0024】すぐれた耐衝撃性・耐摩耗性・屈伸性を有
することから、従来硬質の保護ケースに収納されて製品
とされていた超音波プローブの保護ケースが不要とな
り、直接作業工具に組み込むことができるようになる。
ダンパー材には超音波透過減衰のある材料が選択されて
いるので超音波の出力効率が向上し、従来必要だった共
振コイルも不要となる。これらのことから、小型の超音
波プローブが提供できるようになる。超音波プローブ先
端は耐摩耗性膜により被覆されているので、摺動による
摩耗が起きにくく、長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に関わる超音波プローブおよびその使
用状況を説明する正面断面図である。
【符号の説明】
1 超音波プローブ 4 ダンパー材 5 超音波送受信素子 6 耐摩耗性膜 7 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑野 芳行 神奈川県川崎市幸区堀川町580番地 ソリ ッドスクエア 東芝タンガロイ株式会社内 (72)発明者 星野 充宏 神奈川県横浜市南区中村町1−1−14 ジ ャパンプローブ株式会社内 (72)発明者 森山 信宏 東京都中央区日本橋堀留町1−9−11 呉 羽化学工業株式会社内 Fターム(参考) 2G047 CA01 EA21 GA01 GB11 GB23 GB35 GB36 5D019 AA16 AA18 AA24 BB02 BB04 FF05 GG05

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 屈伸性にすぐれた材料からなるダンパー
    材と、その前面に固着された可撓性を有する超音波送受
    信素子と、さらにその前面に被覆された耐摩耗性膜とに
    よって構成されていることを特徴とするすぐれた耐衝撃
    性・耐摩耗性・屈伸性を有する超音波プローブ。
  2. 【請求項2】 前記ダンパー材は、ゴムまたは軟質ポリ
    マーであることを特徴とする請求項1に記載のすぐれた
    耐衝撃性・耐摩耗性・屈伸性を有する超音波プローブ。
  3. 【請求項3】 前記超音波送受信素子は、可撓性を有す
    るポリマー圧電素子,コンポジット圧電素子または被覆
    セラミックス圧電素子であることを特徴とする請求項1
    または請求項2に記載のすぐれた耐衝撃性・耐摩耗性・
    屈伸性を有する超音波プローブ。
  4. 【請求項4】 前記ポリマー圧電素子は、ポリフッ化ビ
    ニリデン,フッ化ビニリデン系共重合体(フッ化ビニリ
    デン,トリフルオロエチレン共重合体,フッ化ビニリデ
    ン・テトラフルオロエチレン共重合体等),シアン化ビ
    ニリデン系共重合体,奇数ナイロン(奇数炭素ポリアミ
    ド),ポリ尿素またはポリ乳酸からなる圧電膜であるこ
    とを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の
    すぐれた耐衝撃性・耐摩耗性・屈伸性を有する超音波プ
    ローブ。
  5. 【請求項5】 前記被覆セラミックス圧電素子は、Zn
    Oであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれ
    かに記載のすぐれた耐衝撃性・耐摩耗性・屈伸性を有す
    る超音波プローブ。
  6. 【請求項6】 前記耐摩耗性膜は、ポリイミド,ポリエ
    ーテルイミド,ポリアミドまたはポリエーテルエーテル
    ケトンであることを特徴とする請求項1〜請求項5のい
    ずれかに記載のすぐれた耐衝撃性・耐摩耗性・屈伸性を
    有する超音波プローブ。
  7. 【請求項7】 前記超音波プローブは、保護ケースに収
    められることなく直接作業工具に組み込まれることを特
    徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載のすぐれ
    た耐衝撃性・耐摩耗性・屈伸性を有する超音波プロー
    ブ。
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