JP2006208090A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波を集束することができ、かつ、周波数が低い超音波を発振することができる安価な超音波探触子を提供すること。
【解決手段】 超音波送受信面１４を有する第１振動子４’’と、超音波送受信面１５を有する第２振動子５’’と、超音波送受信面１６を有する第３振動子６’’と、振動子４’’, ５’’, ６’’における超音波送受信面１４,１５,１６側と反対側の裏面に裏付けされたバッキング部材３とを有する。上記バッキング部材３を、エポキシ樹脂に、この樹脂よりも密度が高い銅粉を混入して形成された材料で形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波探触子に関する。

従来、超音波探触子としては、特開平６−２８１６３４号公報（特許文献１）に記載されているものがある。

この超音波探触子は、サファイアや石英を用いて形成された音響レンズと、この音響レンズに取り付けられた振動子とを備えている。

上記従来の超音波探触子は、上記振動子を上記音響レンズに取り付けることにより、超音波を点集束するようにしている。

しかしながら、上記従来の超音波探触子は、上記音響レンズの製作が高価であるという問題があり、更に、上記音響レンズを高精度に製作することが困難であるという問題もある。また、振動子に高分子圧電膜を用い、音響レンズに換えて樹脂を用いて形成されたバッキング材を用いた超音波探触子は安価ではあるが、高精度には形成できず、更に、周波数が低い超音波を発振することができず、上記従来の超音波探触子から発振された超音波は、軸受の内輪等の被疲労検査部材における表面から深い部分を伝播できないという問題がある。

このため、被疲労検査部材おいて最も疲労が起き易い被疲労検査部材の最大剪断応力深さ部分が深い場合、超音波を、被疲労検査部材における最も疲労が起こり易い領域を伝播させることができず、被疲労検査部材の材料の状態の変化に基づく超音波の伝播速度の変動を測定できず、被疲労検査部材の疲労の有無を検査できないという問題がある。
特開平６−２８１６３４号公報

そこで、本発明の課題は、超音波を集束することができ、かつ、周波数が低い超音波を発振することができる安価な超音波探触子を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の超音波探触子は、
超音波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う超音波送受信面を有する振動子と、
上記振動子における上記超音波送受信面側と反対側の裏面に直接または間接的に裏付けされたバッキング部材と
を備え、
上記バッキング部材は、樹脂に、この樹脂よりも密度が高い粉末を混入して成る材料で形成されていることを特徴としている。

上記バッキング部材は、振動子に直接取り付けられても良いし、振動子に部材を介して間接的に取り付けられても良い。

本発明者は、振動子の超音波送受信面側と反対側に裏付けされている上記バッキング部材の材料が、振動子から発振される超音波の共振周波数と密接な関係があることを突き止めた。詳細には、振動子に裏付けされているバッキング部材を、樹脂に、この樹脂よりも密度が高い粉末を混入して成る材料で形成すると、超音波振動子から発振される超音波の共振周波数を低くすることができることを発見した。

本発明によれば、バッキング部材が、樹脂に、この樹脂よりも密度が高い粉末を混入して成る材料で形成されているので、上記振動子から低周波の超音波を発振できる。したがって、この発明の超音波探触子から発振される超音波を用いると、部材において最も疲労が発生し易い最大剪断応力深さが深い場合であっても、超音波を部材における最大剪断応力深さ部分付近を伝播させることができる。したがって、部材における疲労層が深い場合であっても、部材に疲労が発生しているか否かを正確に検査できる。

また、一実施形態の超音波探触子は、
上記振動子は、夫々高分子圧電膜を有する第１振動子、第２振動子および第３振動子を含み、
上記第１振動子、第２振動子および第３振動子は、仮想球面の曲率と同じ曲率である超音波送受信面を夫々有し、
上記バッキング部材における上記第１、第２および第３振動子の取付面は、凹曲面になっており、
上記第１振動子、第２振動子および第３振動子の超音波送受信面が、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に順次略等間隔になるように、上記バッキング部材に上記第１、第２および第３振動子が配置され、
上記第１振動子の超音波送受信面から発信されて、固体部材の表層部を伝播した超音波を、上記第３振動子の超音波送受信面で受信して、上記固体部材の表層部の機械特性を測定する。

上記実施形態によれば、上記バッキング部材における上記振動子の取付面が、凹曲面になっているので、この凹曲面の取付面から上記超音波送受信面までの距離を略一定にすることができる。したがって、振動子の振動特性を格段に向上させることができる。

また、上記実施形態によれば、上記第１、第２および第３振動子の超音波送受信面を、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に順次等間隔に配置したので、例えば、軸受の内輪の軌道面の表層部の機械特性を測定するべく上記内輪の軌道面の表層部における超音波の伝播速度を測定するとき、第２振動子を用いて、上記大円が、上記軌道面に対して所定の角度に位置決めされているか否かを判断できる。詳細には、上記第２振動子の超音波送受信面から発信されて内輪の軌道面で反射して第２振動子の超音波送受信面に入射した超音波のうちで感度が高い超音波を測定することによって、上記軌道面で反射した超音波がいかなる入射角度で中央の振動子の超音波送受信面に入射しているかを判断して、上記大円が、上記軌道面に対して所定の角度に位置決めされているか否かを、上記軌道面における超音波の伝播速度の測定前に予め判断できる。したがって、上記第１振動子の超音波送受信面から発信されて上記軌道面の表層部を伝播して上記第３振動子の超音波送受信面に到達した超音波に基づいて算出された上記軌道面における超音波の伝播速度が、精度高いものになる。

また、一実施形態の超音波探触子は、上記第１振動子、上記第２振動子および上記第３振動子を、単一の板状可撓性部材内の独立した３ヶ所を夫々電極で挟むことによって構成し、上記超音波送受信面は露出した状態となっている。

尚、上記板状という表現には、湾曲した板の形状も含むものとする。

上記実施形態の超音波探触子によれば、上記第１、第２および第３振動子の夫々を、上記板状可撓性部材の一部を２枚の電極で挟むことにより形成するので、当該電極に電圧を印加することで、容易に可撓性部材の挟まれた部分を振動させることができて、超音波を容易に送信することができる。

また、上記実施形態の超音波探触子によれば、例えば、バッキング部材の球面形状の内周面に沿って板状可撓性部材における上記内周面の形状に対応する球面形状の外周面を貼り付けるようにして、超音波探触子の主部を形成することができて、この場合、上記板状可撓性部材を挟むように配置されている２つの電極のうちの一方の電極の内周面から成る超音波送受信面を、上記大円上の所定位置に容易に配置できる。

また、一実施形態の超音波探触子は、上記密度が高い粉末が、金属粉である。

上記実施形態によれば、上記密度が高い粉末が、樹脂に混入させ易い金属粉であるので、上記バッキング部材を簡単安価に形成できる。

また、一実施形態の超音波探触子は、上記バッキング部材における上記振動子の取付面は、略真球である第１の玉を用いるプレス成形により略球面形状に成形されている。

上記実施形態によれば、上記取付面の形状を理想的な球面形状にすることができる。

また、一実施形態の超音波探触子は、上記振動子が、略同じ膜厚を有し、上記振動子の上記超音波送受信面が、上記バッキング部材における上記略球面形状に成形された取付面と、上記第１の玉よりも上記振動子の上記膜厚分だけ半径が小さい第２の玉とを用いるプレス成形により略球面形状に成形されている。

上記実施形態によれば、上記超音波送受信面の形状を、理想的な球面形状にすることができる。また、上記振動子を理想的な断面扇形の形状に成形できて、振動子の振動特性を格段に向上させることができる。

また、一実施形態の超音波探触子は、上記振動子が、高分子圧電膜を有し、上記高分子圧電膜が、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を、ジメチルホルムアミドに溶解させた後、脱気して、薄膜化して、真空脱気して、真空加熱して、分極化して形成されている。

上記実施形態によれば、上記振動子を量産した場合における振動子の特性の個体差によるバラツキをなくすことができる。また、振動子の振動特性と可撓性を向上させることができる。

本発明の超音波探触子によれば、バッキング部材を、樹脂に、この樹脂よりも密度が高い粉末を混入して成る材料で形成しているので、振動子から低周波の超音波を発振できる。したがって、部材において最も疲労が発生し易い最大剪断応力深さが深い場合であっても、超音波を部材における最大剪断応力深さ部分付近を伝播させることができて、部材における疲労層を伝播させることができるので、部材に疲労が発生しているか否かを正確に検査できる。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態の超音波探触子１の６つの電極４,４’,５,５’,６,６’を含む断面図であり、大円１８を含む断面図である。

上記超音波探触子１は、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体で形成された板状可撓性部材の一例としての高分子圧電膜２と、この高分子圧電膜２の内周面８に取り付けられると共にアルミ箔からなる３つの電極４,５,６と、外周面９に取り付けられると共にアルミ箔からなる３つの電極４’,５’,６’と、高分子圧電膜２の外周面９（電極４’,５’,６’が貼り付けられた以外の部分）を貼り付けることによって、高分子圧電膜２を保持しているバッキング部材３とを備える。

これら６つの電極のうち、３組の電極、すなわち、４と４’、５と５’、および、６と６’は、夫々高分子圧電膜２の異なる３箇所を挟むように対向配置されている。上記電極４,４’および電極４,４’に挟まれた高分子圧電膜２の部分は、第１振動子４’’になっており、電極５,５’および電極５,５’に挟まれた高分子圧電膜２の部分は、第２振動子５’’になっている。また、上記電極６,６’および電極６,６’に挟まれた高分子圧電膜２の部分は、第３振動子６’’になっている。

上記第１振動子４’’、第２振動子５’’および第３振動子６’’は、電極４,４’、電極５,５’および電極６,６’の夫々に電圧を印加することによって、電極４,４’、電極５,５’および電極６,６’の夫々に挟まれた高分子圧電膜２の部分を振動させると共に、この挟まれた高分子圧電膜２の部分の振動によって、電極４,４’、電極５,５’および電極６,６’自身も振動させて（すなわち、第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の全体を振動させて）、超音波を送信できるようになっている。上記電極４,５,６の内周面は、超音波送受信面１４,１５,１６になっている。

尚、第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’は、単一の板状可撓性部材を用いて形成されるが、第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’は、夫々上記板状可撓性部材の離隔した独立箇所に設けられ、かつ、板状可撓性部材が高分子圧電膜２で構成されているので、第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’は、相互に振動の影響を及ぼし合うことがなく、独立に振動できる。

上記高分子圧電膜２の内周面８と外周面９は、夫々球面の一部から構成されており、内周面８と外周面９は、同一の曲率中心Ｐ０を有している。また、上記３つの電極４,５,６の夫々の内周面である超音波送受信面１４,１５,１６は、曲率中心がＰ０である仮想球面１０と曲率が同じ球面の一部で構成されている。上記超音波送受信面１４,１５,１６は、仮想球面１０の大円１８上に順次等間隔に配置されている。

また、紙面の左方の第１振動子４’’の超音波送受信面１４と中央の第２振動子５’’の超音波送受信面１５の大円１８上における周方向の距離Ｂは、紙面の右方の第３振動子６’’の超音波送受信面１６と中央の第２振動子５’’の超音波送受信面１５の大円１８上における周方向の距離Ｃと等しくなっている。上記超音波送受信面１４,１５,１６は、互いに非接触な状態で大円１８上に略等間隔に配置されている。

図２は、図１の矢印Ａ方向からみた超音波探触子１の図である。

図２に示すように、上記高分子圧電膜２は、帯形状であり、第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’は、高分子圧電膜２の内周面８の幅方向の略中央部に固定されている。上記中央の第２振動子５’’の超音波送受信面１５の縁部は円になっており、第２振動子５’’の超音波送受信面１５はドーム形状になっている。また、上記第２振動子５’’の左右に配置された第１および第２振動子４’’,６’’の超音波送受信面１４,１６は、第２振動子５’’に対して左右対称な形状を有している。上記超音波送受信面１４,１６は、図２において、略等脚台形の形状になっており、等脚台形の上底は、大円１８に垂直な状態で、第２振動子５’’側に配置されている。

上記第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の超音波送受信面１４,１５,１６の面積は、略等しくなっている。上記超音波送受信面１４,１５の間および超音波送受信面１５,１６の間には、大円１８における超音波送受信面１４,１５,１６（３つのうちのどれか１つ）と交差した部分の長さ程度の隙間が空けられている。図２において、ＢまたはＣは、上記隙間の距離を示している。また、図２に示されたＢまたはＣは、図１に示されたＢまたはＣに夫々対応している。図２に示されたＢとＣは同じ長さになっている。

上記高分子圧電膜２は、湾曲した単一の板形状を有している。上記高分子圧電膜２は、次のようにして作製されている。

先ず、高分子圧電膜２の圧電高分子材料であるフッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を、ジメチルホルムアミドに溶解し、その後、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体が溶解しているジメチルホルムアミドを超音波洗浄機で脱気する。その後、上記共重合体が溶解しているジメチルホルムアミドを平面容器に流し込み、上記共重合体が溶解しているジメチルホルムアミドの薄膜化を実行する。

続いて、薄膜化が行われた上記共重合体が溶解しているジメチルホルムアミドを、真空容器内で脱気させ、ジメチルホルムアミドを気化させて除去する。

続いて、ジメチルホルムアミドが除去された上記共重合体を真空オーブンにて１３０℃〜１４０℃の温度で２時間保持し、その後、自然冷却を行う。この真空加熱により、薄膜内において分子鎖を面方向に配列させ、結晶化を促進する。

最後に、真空加熱が行われた共重合体に１００Ｖ／μｍの交流電圧を印加して、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体の分極処理を行い、高分子圧電膜を完成させる。

実験によると、高分子圧電膜をこの製法で形成すると、高分子圧電膜を量産した場合において高分子圧電膜の特性の個体差に依存するバラツキを格段に低減できて、かつ、高分子圧電膜の振動特性や可撓性等の性能特性を、優れたものにできることが確認されている。

上記バッキング部材３は、樹脂の一例としてのエポキシ樹脂に、エポキシ樹脂よりも密度が高い粉末の一例としての銅粉を混入した材料で形成されている。詳細には、上記エポキシ樹脂と、上記銅粉との混合質量比は、１対３に設定されており、エポキシ樹脂の質量は、上記銅粉の質量の１／３に設定されている。また、図１に示すように、上記バッキング部材３における第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の取付面は、凹面形状の一例としての略球面形状になっている。

図３および４は、固体部材（被疲労検査部材）の一例として深溝玉軸受の内輪３０を採用し、内輪３０の軌道面の軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を測定している途中の工程を示す模式図である。

尚、図３および図４に、α,βおよびγで示す箇所は、大円１８上の超音波送受信面１４,１５および１６（図１参照）の存在箇所を示すものとする。

以下、図３および図４を用いて、上記超音波の伝播速度の測定方法を簡単に説明する。

先ず、図３に示すように、上記超音波送受信面１４,１５および１６が配置されている大円１８を、軌道底３１の軸心Ｐ１に垂直で、かつ、軌道底３１が画定する円周と交差する平面上に配置する。その後、軌道底３１が画定する円周の中心と、大円１８の中心を結んだ線分の延長上に、βで位置を示す中央の第２振動子５’’の超音波送受信面１５が存在している状態で、大円１８のβの位置に配置された第２振動子５’’の超音波送受信面１５から発振されて軌道底３１で反射して第２振動子５’’の超音波送受信面１５に到達した超音波の伝播時間と、大円１８のαの位置に配置された紙面の左方の第１振動子４’’の超音波送受信面１４から発信されて軌道底３１で反射して大円１８のγの位置に配置された紙面の右方の第３振動子６’’の超音波送受信面１６に到達した超音波の伝播時間とが等しくなる位置に、超音波探触子１を位置決めする。このとき、図３に示すように、大円１８の中心Ｐ２は、軌道底３１上に存在しており、大円１８のβの位置に配置された中央の第２振動子５’’の超音波送受信面１５と軌道底３１の距離は、大円１８の半径ｒになっている。

次に、図４に示すように、超音波探触子１を軌道底３１の方に径方向に所定距離ｄ近づける。超音波探触子接近工程の後、大円１８のβの位置に配置された中央の第２振動子５’’の超音波送受信面１５と軌道底３１の距離は、ｒ−ｄになっている。

次に、大円１８のαの位置に配置された紙面の左方の第１振動子４’’の超音波送受信面１４から発信されて図４に矢印Ｏで示す方向に伝播して軌道底３１に到達して、軌道底３１の表層部を周方向に伝播した後、図４に矢印Ｅで示す方向に伝播して、大円１８のβの位置に配置された紙面の右方の第３振動子６’’の超音波送受信面１６に到達した超音波の伝播時間を測定する。

最後に、上記超音波の伝播時間に基づいて軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を計算し、この伝播速度に基づいて軌道底３１の表層部の金属疲労を検査する。

超音波の伝播速度は、超音波が伝播している材料の構造の変化（材料疲労等による材料の変化）によって変動する。このことから、超音波の伝播速度を測定すれば、材料の状態を検査することができるのである。

図５〜図７は、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂、エポキシ樹脂に銅粉が混入されている材料、または、エポキシ樹脂にタングステンの粉末が混入されている材料が採用されている超音波探触子について、同じ軸受の内輪の表層部を伝播した超音波を測定した場合における、夫々の波形を示す図である。

詳細には、図５（Ａ）は、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂が採用されている点以外は図１に示す超音波探触子と等しい超音波探触子を用いて、図４においてαで位置を示す超音波送受信面１４から発振されて軌道面３１の表層部を伝播してγで位置を示す超音波送受信面１６に到達した超音波の波形を示す図であり、γで超音波送受信面１６の位置を示す第３振動子６’’で測定した超音波の波形を示す図である。また、図５（Ｂ）は、その周波数スペクトル解析の結果を示すグラフである。

また、図６（Ａ）は、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂の質量が銅粉の質量の１／３に設定されている上記図１に示す第１実施形態の超音波探触子を用いて、図４においてαで位置を示す超音波送受信面１４から発振されて軌道面３１の表層部を伝播してγで位置を示す超音波送受信面１６に到達した超音波の波形を示す図であり、γで超音波送受信面１６の位置を示す第３振動子６’’で測定した超音波の波形を示す図である。また、図６（Ｂ）は、その周波数スペクトル解析の結果を示すグラフである。

また、図７（Ａ）は、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂にタングステン粉末が混入されている材料が採用されている点以外は図１に示す超音波探触子と等しい本発明の第２実施形態の超音波探触子を用いて、図４においてαで位置を示す超音波送受信面１４から発振されて軌道面３１の表層部を伝播してγで位置を示す超音波送受信面１６に到達した超音波の波形を示す図であり、γで超音波送受信面１６の位置を示す第３振動子６’’で測定した超音波の波形を示す図である。また、図７（Ｂ）は、その周波数スペクトル解析の結果を示すグラフである。

尚、上記材料のエポキシ樹脂とタングステン粉末の質量比は、エポキシ樹脂１に対してタングステン粉末７.５になっており、エポキシ樹脂の質量が、タングステン粉末の質量の１／７.５になるように設定されている。

バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂を用いた場合においては、図５（Ｂ）に示す周波数スペクトル解析に示されているように、共振周波数が略１３ＭＨｚになっている。このことから、第３振動子６’’において図５（Ａ）に示す波形が観測された超音波は、軌道面３１から０.１２ｍｍの深さの部分を伝播してきたものと考えられる。

というのも、超音波の速度（試料（軸受鋼）を伝播する超音波（表面波）の速度）をｖ、超音波の周波数をｆとすると、超音波の波長λは、λ＝ｖ／ｆと表されるが、表面（軌道面３１）からの深さをｚとすると、ｚ／λと、相対変位との間には、図９のような関係があることが知られているからである（例えば、超音波便覧ｐｐ,６５−６９,１９９９）。すなわち、図９より、有効伝播深さ（相対変位が大きい深さ）をｚ／λ＝０.０〜０.５とし、Ｖ＝３２００ｍ／ｓとして、ｚ／λ＝０.５となるようなｚを求めると、例えば、周波数ｆがｆ＝１３ＭＨｚのときには、ｚ＝０.１２ｍｍとなり、周波数ｆがｆ＝１１ＭＨｚのときには、ｚ＝０.１５ｍｍとなり、周波数ｆがｆ＝７ＭＨｚのときには、ｚ＝０.２３ｍｍとなるのである。したがって、第３振動子６’’において図５（Ａ）に示す波形が観測された超音波は、共振周波数が略１３ＭＨｚであるので、軌道面３１から０.１２ｍｍの深さの部分を伝播してきたものと考えられるのである。

また、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂に銅粉を混入させた材料を用いた場合においては、図６（Ｂ）に示す周波数スペクトル解析に示されているように、共振周波数が略１１ＭＨｚになっており、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂を採用した場合と比較して、共振周波数の値が低くなっている。

このことから、第３振動子６’’において図６（Ａ）に示す波形が観測された超音波は、軌道面３１から０.１５ｍｍの深さの部分を伝播してきたものと考えられ、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂を採用した場合と比較して、深層部分を伝播してきたものと考えられる。

したがって、エポキシ樹脂に銅粉を混入した材料で形成されたバッキング部材を採用すると、エポキシ樹脂のみで形成されたバッキング部を採用した場合と比較して、発振超音波の周波数を低くすることができて、超音波を内輪のより深層部を伝播させることができる。

また、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂にタングステン粉末を混入させた材料を用いた場合においては、図７（Ｂ）に示す周波数スペクトル解析に示されているように、共振周波数が略７ＭＨｚになっており、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂に銅粉を混入した材料を採用した場合と比較して、更に、共振周波数の値が低くなっている。

このことから、第３振動子６’’において図７（Ａ）に示す波形が観測された超音波は、軌道面３１から０.２３ｍｍの深さの部分を伝播してきたものと考えられ、バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂に銅粉を混入した材料を採用した場合と比較して、深層部分を伝播してきたものと考えられる。

したがって、エポキシ樹脂の質量が、タングステン粉末の質量の１／７.５になるように設定されている材料で形成されたバッキング部材を採用した場合、エポキシ樹脂の質量が、銅粉末の質量の１／３になるように設定されている材料で形成されたバッキング部材と比較して、発振超音波の周波数を低くすることができて、超音波を内輪のより深層部を伝播させることができる。

以上より、次の非常に重大かつ有益な結果が導かれる。すなわち、バッキング部材の材料を適切に選択するだけで、詳しくは、樹脂の種類、樹脂に混ぜる樹脂よりも密度が大きい粉末の種類、および、この粉末の樹脂に対する混合比を適宜選択するだけで、超音波が伝播する深さを変えることができるのである。

実際には、固体部材（被疲労検査部材）において最も疲労しやすい深さは、被固体部材の材料に依存して変動する。したがって、樹脂の種類、樹脂に混ぜる樹脂よりも密度が大きい粉末の種類、および、この粉末の樹脂に対する混合比を適宜選択することにより、超音波を伝播させる深さ領域を絞り込むことができて、如何なる種類の固体部材でも、疲労検査を精密に行うことができる。

すなわち、バッキング部材の材料を適宜選択するだけで、如何なる種類の固体部材でも、疲労検査を精密に行うことができるのである。

尚、エポキシ樹脂に混ぜる銅粉の割合を増大させると、材料の成形が困難になった。そして、エポキシ樹脂に銅粉を混入してバッキング部材の材料を形成する場合、エポキシ樹脂の質量が、銅粉の質量の１／３以上である場合、材料をうまく成形できる一方、エポキシ樹脂の質量が、銅粉の質量の１／３より小さい場合、材料を成形できなかった。

また、同様に、エポキシ樹脂にタングステン粉末を混入してバッキング部材の材料を形成する場合、エポキシ樹脂の質量が、タングステン粉末の質量の１／８以上である場合、材料をうまく成形できる一方、エポキシ樹脂の質量が、タングステン粉末の質量の１／８より小さい場合、材料を成形できなかった。

上記第１および第２実施形態の超音波探触子によれば、バッキング部材２が、エポキシ樹脂に、このエポキシ樹脂よりも密度が高い銅粉（またはタングステン粉末）を混入して成る材料で形成されているので、第１振動子４’’から低周波の超音波を発振できる。したがって、第１および第２実施形態の超音波探触子１を用いて部材の疲労を検査する場合、固体部材（今の場合、内輪３０）における最も疲労が発生し易い最大剪断応力深さが深い場合であっても、超音波を、固体部材（被疲労検査部材）における最大剪断応力深さ部分付近を伝播させることができる。したがって、上記第１および第２実施形態の超音波探触子１を用いれば、固体部材における疲労層が深い場合であっても、固体部材に疲労が発生しているか否かを正確に検査できる。

また、上記第１および第２実施形態の超音波探触子によれば、上記第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の超音波送受信面１４,１５,１６を、互いに非接触な状態で仮想球面の大円１８上に順次略等間隔に配置したので、例えば、軸受の内輪３０の軌道面３１の表層部の機械特性を測定するべく内輪３０の軌道面３１の表層部における超音波の伝播速度を測定するとき、第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’のうちの中央の第２振動子５’’を用いて、大円１８が、軌道面３１に対して所定の角度に位置決めされているか否かを判断できる。

詳細には、上記第２振動子５’’の超音波送受信面１５から発信されて内輪３０の軌道面３１で反射して第２振動子５’’の超音波送受信面１５に入射した超音波のうちで感度が高い超音波を測定することによって、軌道面３１で反射した超音波がいかなる入射角度で第２振動子５’’の超音波送受信面１５に入射しているかを判断して、大円１８が、軌道面３１に対して所定の角度に位置決めされているか否かを、軌道面３１における超音波の伝播速度の測定前に予め判断できる。

したがって、上記第１振動子４’’の超音波送受信面１４から発信されて軌道面３１の表層部を伝播して第３振動子６’’の超音波送受信面１６に到達した超音波に基づいて算出された軌道面３１における超音波の伝播速度が、精度高いものになる。

また、上記第１および第２実施形態の超音波探触子によれば、上記バッキング部材３における第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の取付面が、略球面形状になっているので、この略球面形状の取付面から第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の超音波送受信面１４,１５,１６までの距離を略一定にすることができる。したがって、第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’振動子の振動特性を格段に向上させることができる。

また、上記第１および第２実施形態の超音波探触子によれば、上記第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の夫々を、板状可撓性部材２の一部を２枚の電極４,４’、５,５’または６,６’で挟むことにより形成するので、電極４,４’、５,５’、６,６’に電圧を印加することで、容易に可撓性部材の挟まれた部分を振動させることができて、超音波を容易に送信することができる。

また、上記第１および第２実施形態の超音波探触子によれば、上記密度が高い粉末が、樹脂に混入させ易い金属粉（銅粉またはタングステン粉末）であるので、バッキング部材３を簡単安価に形成できる。

また、上記第１および第２実施形態の超音波探触子によれば、エポキシ樹脂を主材としてそのなかに金属粉を混ぜてバッキング部材３の材料を作成しているので、バッキング部材３を、安く簡単に造ることができる。

また、上記第１および第２実施形態の超音波探触子によれば、高分子圧電膜２が、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を、ジメチルホルムアミドに溶解させた後、脱気して、薄膜化して、真空脱気して、真空加熱して、分極化して形成されているので、第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’を量産した場合における第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の特性の個体差によるバラツキをなくすことができる。また、第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の振動特性と可撓性を向上させることができる。

尚、上記第1および第２実施形態の超音波探触子では、樹脂として、エポキシ樹脂を採用したが、この発明では、樹脂として、フェノール樹脂やフッ素樹脂やポリウレタン樹脂等、エポキシ樹脂以外の樹脂を採用しても良い。

また、上記第1および第２実施形態の超音波探触子では、上記バッキング部材３における第１、第２および第３振動子４’’,５’’,６’’の取付面が、略球面形状であったが、この発明では、バッキング部材における第１、第２および第３振動子の取付面が、円筒面であっても良い。

また、上記第１および第２実施形態の超音波探触子では、樹脂に混ぜる樹脂よりも密度が大きい粉末として、銅粉またはタングステン粉末を用いたが、この発明では、樹脂に混ぜる樹脂よりも密度が大きい粉末として、銀粉や鉄粉等、銅粉またはタングステン粉末以外の金属粉を用いても良い。また、樹脂に混ぜる樹脂よりも密度が大きい粉末として、金属粉末以外のシリコンの粉末や酸化金属粉末等、非金属粉末を用いても良い。

また、上記第１および第２実施形態の超音波探触子では、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体からなる高分子圧電膜２を用いたが、この発明では、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体以外の材料からなる高分子圧電膜を用いても良い。例えば、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・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高分子圧電膜を用いても良い。

尚、電気機械結合定数は、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの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は、ポリフッ化ビニリデンが他の材料よりも優れている。したがって、高分子圧電膜の材料としてポリフッ化ビニリデンを採用すると、可撓性や耐衝撃性に優れる高分子圧電膜を作成できる。また、高分子圧電膜の膜厚を１〜３００μｍに設定すると、可撓性を向上させることができて、振動特性を向上できる。

図８は、第３実施形態の超音波探触子を作成している最中の図である。

尚、図８において、５１は、バッキング部材であり、５２は、第２の玉の一例としての玉軸受の鋼製の玉であり、５３は、バッキング部材５１に圧着される前の振動子であり、５４は、シリコンゴムである。上記振動子５３は、略同一の厚さを有する帯形状をしている。

以下に、図８を用いて、第３実施形態の超音波探触子について説明する。

第３実施形態の超音波探触子では、第１および第２実施形態の超音波探触子の構成部と同一の構成部の説明を省略することにする。また、上記第３実施形態の超音波探触子では、第１および第２実施形態の超音波探触子と共通の作用効果および変形例については説明を省略することにし、第１および第２実施形態の超音波探触子と異なる構成、作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。

上記バッキング部材５１は、エポキシ樹脂の質量が、タングステン粉末の質量の１／７.５になるように設定されているエポキシ樹脂とタングステン粉末の混合材料で形成されている。上記バッキング部材５１は、振動子５３の取付面としての略球面形状の凹面５７を有している。この球面形状の凹面５７は、略真球である玉軸受の鋼製の第１の玉（図示せず）を用いるプレス成形により形成されている。詳細には、上記球面形状の凹面５７は、上記第１の玉を、凹面５７形成前のバッキング部材に押圧するプレス成形により形成されている。

上記鋼製の玉５２の半径は、上記第１の玉の半径よりも略振動子５３の厚さ分だけ短くなっている。

上記振動子５３は、アルミ箔製の電極５８,５９,６０,６１,６２と、ポリフッ化ビニリデン製の高分子圧電膜５５,５６とからなる。

上記電極５８と電極５９は、略同一形状であり、高分子圧電膜５５と高分子圧電膜５６は、略同一形状である。また、電極６０、電極６１および電極６２は、略同一形状である。上記電極５８,５９、および、高分子圧電膜５５,５６は、表面積が振動子５３と略同じで厚さが振動子５３よりも薄い帯形状をしている。一方、電極６０,６１,６２は、一方の方向の長さが上記帯の幅と同じ矩形状の表面を有し、厚さが振動子５３よりも薄い形状になっている。

上記電極５８は、略帯形状の振動子５３の一方の側の表面を構成し、電極５９は、略帯形状の振動子５３の他方の側の表面を構成している。また、電極５８の内側には、高分子圧電膜５５が配置されており、電極５９の内側には、高分子圧電膜５６が配置されている。更に、高分子圧電膜５５と、高分子圧電膜５６の間には、帯の長手方向に略等間隔に電極６０、電極６１および電極６２が配置されている。

上記振動子５３は、図示しない第１金属板、電極５８、高分子圧電膜５５、電極６０,６１,６２、高分子圧電膜５６、電極５９、図示しない第２金属板の順に、上記各部材を配置した後、第１金属板と第２金属板との間の間隔を狭めるプレス成形を用いて形成されている。

上記振動子５３は、電極５８と電極６０との間、および、電極６０と電極５９との間に、電圧を印加することにより、電極６０と、電極６０に対応する高分子圧電膜５５,５６部分と、電極６０に対応する電極５８,５９部分とから成る第１振動子を振動させて、超音波を発振するようになっている。

また、同様に、電極５８と電極６１との間、および、電極６１と電極５９との間に、電圧を印加することにより、電極６１と、電極６１に対応する高分子圧電膜５５,５６部分と、電極６１に対応する電極５８,５９部分とから成る第２振動子を振動させて、超音波を発振するようになっている。

また、同様に、電極５８と電極６２との間、および、電極６２と電極５９との間に、電圧を印加することにより、電極６２と、電極６２に対応する高分子圧電膜５５,５６部分と、電極６２に対応する電極５８,５９部分とから成る第３振動子を振動させて、超音波を発振するようになっている。

上記構成において、次のようにして第３実施形態の超音波探触子を製造する。

先ず、図８に示すように、略一直線上に、鋼製の玉５２、シリコンゴム５４、振動子５３、バッキング部材５１を配置する。ここで、バッキング部材５１は、略球面形状の凹面５７を振動子５３の方に向けた状態で配置する。

次に、玉５２における振動子５３側と反対側の箇所と、バッキング部材５１における凹面５７側と反対側の表面との間隔を狭めるように、玉５２とバッキング部材５１に図８に矢印Ｐで示す力を加えて、振動子５３をバッキング部材５１の凹面５７にプレス接着する。尚、上記シリコンゴム５４は、衝撃吸収材としての役割を果たし、玉５２によって振動子５３に傷が付くことを防止している。

最後に、振動子５３における凹面５７からはみ出した部分を切除する等して、第３実施形態の超音波探触子を完成する。

上記第３実施形態の超音波探触子によれば、バッキング部材５１の振動子５３の取付面である凹面５７は、玉軸受の鋼製の上記第１の玉を用いるプレス成形により略球面形状に成形されているので、凹面５７の形状を理想的な球面形状にすることができる。

また、上記第３実施形態の超音波探触子によれば、振動子５３の超音波送受信面を、バッキング部材５１の凹面５７と、上記第１の玉よりも振動子５３の膜厚分だけ半径が小さい玉軸受の鋼製の玉５２とを用いるプレス成形により略球面形状に成形するので、振動子５３の超音波送受信面の形状を、理想的な球面形状にすることができる。また、図８に示す作製方法を用いると、上記振動子５３を理想的な断面扇形の形状に成形できて、振動子（振動子５３は、断面扇形の形状に成形する前の振動子）の振動特性を格段に向上させることができる。

また、上記第３実施形態の超音波振動子によれば、高分子圧電膜５５,５６が２層に配置され、かつ、高分子圧電膜５５および高分子圧電膜５６の外側と、高分子圧電膜５５と高分子圧電膜５６との間に、３層に亘って電極５８,５９,６０,６１,６２が配置されている振動子５３を用いているので、超音波探触子の振動特性を著しく向上させることができる。

本発明の第１実施形態の超音波探触子の６つの電極を含む断面図であり、大円を含む断面図である。 図１の矢印Ａ方向からみた超音波探触子の図である。 固体部材の一例として深溝玉軸受の内輪を採用し、内輪の軌道面の軌道底の表層部における超音波の伝播速度を測定している途中の工程を示す模式図である。 固体部材の一例として深溝玉軸受の内輪を採用し、内輪の軌道面の軌道底の表層部における超音波の伝播速度を測定している途中の工程を示す模式図である。 バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂が採用されている超音波探触子について、軸受の内輪の表層部を伝播した超音波を測定した場合における、波形と、その波形の周波数スペクトル分析を示す図である。 バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂に銅粉が混入されている材料が採用されている超音波探触子について、軸受の内輪の表層部を伝播した超音波を測定した場合における、波形と、その波形の周波数スペクトル分析を示す図である。 バッキング部材の材料としてエポキシ樹脂にタングステンの粉末が混入されている材料が採用されている超音波探触子について、軸受の内輪の表層部を伝播した超音波を測定した場合における、波形と、その波形の周波数スペクトル分析を示す図である。 第３実施形態の超音波探触子を作成している最中の図である。 ｚ／λと、相対変位の関係を示す図である。

符号の説明

１ 超音波探触子
２,５５,５６ 高分子圧電膜
３,５１ バッキング部材
４,５,６,４’,５’,６’,５８,５９,６０,６１,６２ 電極
４’’,５’’,６’’,５３ 振動子
１０ 仮想球面
１４,１５,１６ 超音波送受信面
１８ 大円
３０ 内輪
３１ 軌道底
５２ 玉
５７ 略球面形状の凹面

Claims (7)

1. 超音波の送信および受信のうちの少なくとも一方を行う超音波送受信面を有する振動子と、
   上記振動子における上記超音波送受信面側と反対側の裏面に直接または間接的に裏付けされたバッキング部材と
   を備え、
   上記バッキング部材は、樹脂に、この樹脂よりも密度が高い粉末を混入して形成された材料で形成されていることを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１に記載の超音波探触子において、
   上記振動子は、夫々高分子圧電膜を有する第１振動子、第２振動子および第３振動子を含み、
   上記第１振動子、第２振動子および第３振動子は、仮想球面の曲率と同じ曲率である超音波送受信面を夫々有し、
   上記バッキング部材における上記第１、第２および第３振動子の取付面は、凹曲面になっており、
   上記第１振動子、第２振動子および第３振動子の超音波送受信面が、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に順次略等間隔になるように、上記バッキング部材に上記第１、第２および第３振動子が配置され、
   上記第１振動子の超音波送受信面から発信されて、固体部材の表層部を伝播した超音波を、上記第３振動子の超音波送受信面で受信して、上記固体部材の表層部の機械特性を測定することを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項２に記載の超音波探触子において、
   上記第１振動子、上記第２振動子および上記第３振動子を、単一の板状可撓性部材内の独立した３ヶ所を夫々電極で挟むことによって構成し、上記超音波送受信面は露出した状態となっていることを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の超音波探触子において、
   上記密度が高い粉末は、金属粉であることを特徴とする超音波探触子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の超音波探触子において、
   上記バッキング部材における上記振動子の取付面は、略真球である第１の玉を用いるプレス成形により略球面形状に成形されていることを特徴とする超音波探触子。
6. 請求項５に記載の超音波探触子において、
   上記振動子は、略同じ膜厚を有し、
   上記振動子の上記超音波送受信面は、上記バッキング部材における上記略球面形状に成形された取付面と、上記第１の玉よりも上記振動子の上記膜厚分だけ半径が小さい第２の玉とを用いるプレス成形により略球面形状に成形されていることを特徴とする超音波探触子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の超音波探触子において、
   上記振動子は、高分子圧電膜を有し、上記高分子圧電膜は、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を、ジメチルホルムアミドに溶解させた後、脱気して、薄膜化して、真空脱気して、真空加熱して、分極化して形成されていることを特徴とする超音波探触子。
   

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