JP2010184079A - Ultrasonic probe and ultrasonic treatment device, and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波振動を伝達する金属製の超音波プローブ、当該超音波プローブを有する超音波処置装置、並びに、それらの製造方法に関する。 The present invention relates to a metallic ultrasonic probe that transmits ultrasonic vibrations, an ultrasonic treatment apparatus having the ultrasonic probe, and methods for manufacturing the same.
特許文献1に開示されている超音波切開凝固装置等では、超音波プローブが用いられている。このような超音波プローブは、長尺で棒状をなし、基端側から先端側へと軸方向に超音波振動を伝達する。超音波プローブは、金属製の棒状ブランクを製品形状に切削加工することにより形成されている。
In the ultrasonic incision and coagulation apparatus disclosed in
ブランクの金属組織は等方性であり、切削加工後にも等方性のままである。等方性の金属組織については、金属組織の多数の結晶の方位方向がランダムとなっている。このため、超音波振動が軸方向以外にも伝達されやすくなっており、超音波プローブによる軸方向への超音波振動の伝達において、横方向への振動や異音が発生して、軸方向への超音波振動が減衰するおそれがある。 The metal structure of the blank is isotropic and remains isotropic after cutting. With regard to an isotropic metal structure, the orientation directions of a large number of crystals in the metal structure are random. For this reason, it is easy for ultrasonic vibrations to be transmitted in directions other than the axial direction, and in the transmission of ultrasonic vibrations in the axial direction by the ultrasonic probe, lateral vibrations and abnormal noises are generated. There is a risk that the ultrasonic vibrations of the dampens.
本発明は、上記課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、超音波振動の伝達性能が向上されている超音波プローブ及び当該超音波プローブを有する超音波処置装置、並びに、それらの製造方法を提供することである。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problem, and the object thereof is an ultrasonic probe with improved ultrasonic vibration transmission performance, an ultrasonic treatment apparatus having the ultrasonic probe, and It is to provide a manufacturing method thereof.
本発明の第1実施態様では、超音波プローブは、超音波振動を伝達する金属製の超音波プローブであって、超音波プローブの少なくとも一部分の金属組織が超音波振動の伝達方向への異方性を有する、ことを特徴とする。 In the first embodiment of the present invention, the ultrasonic probe is a metallic ultrasonic probe that transmits ultrasonic vibrations, and the metal structure of at least a part of the ultrasonic probe is anisotropic in the transmission direction of the ultrasonic vibrations. It has the characteristics.
本発明の第2実施態様では、超音波処置装置は、上記超音波プローブを具備することを特徴とする。 In the second embodiment of the present invention, an ultrasonic treatment apparatus includes the ultrasonic probe.
本発明の第3実施態様では、超音波プローブの製造方法は、超音波振動を伝達する金属製の超音波プローブの製造方法であって、超音波プローブを形成するための素材を準備する工程と、前記素材の少なくとも一部分を超音波振動の伝達方向となる方向へと冷間鍛造により引き伸ばす工程と、を具備することを特徴とする。 In the third embodiment of the present invention, the method of manufacturing an ultrasonic probe is a method of manufacturing a metal ultrasonic probe that transmits ultrasonic vibrations, and a step of preparing a material for forming the ultrasonic probe; And a step of extending at least a part of the raw material by cold forging in a direction which is a transmission direction of ultrasonic vibrations.
本発明の第4実施態様では、超音波処置装置の製造方法は、上記超音波プローブの製造方法を具備することを特徴とする。 In a fourth embodiment of the present invention, a method for manufacturing an ultrasonic treatment apparatus includes the method for manufacturing the ultrasonic probe.
本発明の第1実施態様の超音波プローブでは、金属組織が超音波振動の伝達方向への異方性を有するため、超音波振動が本来の伝達方向に伝達されやすくなっており、超音波振動の伝達性能が向上されている。 In the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention, since the metal structure has anisotropy in the transmission direction of the ultrasonic vibration, the ultrasonic vibration is easily transmitted in the original transmission direction. The transmission performance has been improved.
本発明の第2実施態様の超音波処置装置では、超音波プローブにおいて超音波振動の伝達性能が向上されているため、超音波処置装置の処置性能が向上されている。 In the ultrasonic treatment apparatus according to the second embodiment of the present invention, since the ultrasonic vibration transmission performance is improved in the ultrasonic probe, the treatment performance of the ultrasonic treatment apparatus is improved.
本発明の第3実施態様の超音波プローブの製造方法は、第1実施態様の超音波プローブを製造するのに好適なものとなっている。 The ultrasonic probe manufacturing method of the third embodiment of the present invention is suitable for manufacturing the ultrasonic probe of the first embodiment.
本発明の第4実施態様の超音波処置装置の製造方法は、第2実施態様の超音波処置装置を製造するのに好適なものとなっている。 The manufacturing method of the ultrasonic treatment apparatus according to the fourth embodiment of the present invention is suitable for manufacturing the ultrasonic treatment apparatus according to the second embodiment.
本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1乃至図6を参照して、本実施形態の超音波処置装置について説明する。 With reference to FIG. 1 thru | or FIG. 6, the ultrasonic treatment apparatus of this embodiment is demonstrated.
図1を参照し、超音波処置装置の概略構成について説明する。 A schematic configuration of the ultrasonic treatment apparatus will be described with reference to FIG.
超音波処置装置では、シースユニット20、ハンドルユニット22、振動子ユニット24が先端側から基端側へと連設されている。振動子ユニット24には、超音波振動を発生する超音波振動子26が内蔵されている。超音波振動子26の先端部には、超音波プローブ28の基端部がねじ締結により連結されている。超音波プローブ28は、長尺な棒状をなし、基端側から先端側へとハンドルユニット22及びシースユニット20に挿通されている。シースユニット20では、体内へと挿入される長尺なシース30に超音波プローブ28が挿通されている。さらに、超音波プローブ28において、超音波振動の節位置となる位置に環状のゴムライニングが外挿されており、シース30の内面によってゴムライニングが支持されることで、シース30に対して超音波プローブ28が保持されている。シース30の先端開口から超音波プローブ28の先端部が突出されており、超音波プローブ28の先端部には生体組織を処置する処置部32が形成されている。シース30の先端部にはジョー34が配設されており、ハンドルユニット22の一対のハンドル31を開閉操作することにより、超音波プローブ28の処置部32に対してジョー34が開閉作動される。超音波プローブ28の処置部32とジョー34とによって生体組織を把持し、超音波振動子26によって発生された超音波振動を超音波プローブ28の基端部から先端部へと軸方向に伝達して、処置部32を超音波振動させることで、生体組織に凝固、切開等の処置を行うことが可能である。
In the ultrasonic treatment apparatus, the
図2を参照し、超音波処置装置に用いられる超音波プローブ28について説明する。
The
超音波プローブ28の基端部には太径部36が形成されている。太径部36の基端部には、超音波振動子26に連結される雄ねじを有する連結部39が形成されている。太径部36の先端側にはテーパ部38が形成されている。テーパ部38では、基端側から先端側へと外径が減少されており、超音波振動が増大して伝達される。テーパ部38の先端側にはストレート部40が形成されている。ストレート部40は長尺な直線状であり、超音波振動を軸方向に伝達する。ストレート部40では、超音波振動の節位置となる位置に、ゴムライニングが外挿されるライニング溝42が全周にわたって形成されている。ストレート部40の先端側にはベンディング部44が形成されている。ベンディング部44は、基端側から先端側へと、ストレート部40の軸方向に直交する横方向に緩やかに湾曲している。
A large-
図3及び図4を参照し、超音波プローブ28の金属組織について説明する。
The metal structure of the
超音波プローブ28の材料としては、音響効果が高く、生体適合性を有し、ヤング率が低く破壊歪み及び破壊強度が高い金属材料が用いられ、好ましくはチタン材、特に好ましくはα+βチタン合金が用いられる。本実施形態では、JIS60種のAl6%、V4%、残部Tiのチタン合金が用いられる。
As a material of the
金属組織は多数の結晶から形成されており、各結晶は結晶軸の方向を示す方位を有する。図3及び図4中、矢印は結晶Cの方位方向を示す。図3に示されるように、ブランクについては、多数の結晶Cの方位方向はランダムとなっており、金属組織は等方性を有することになる。一方、図4に示されるように、本実施形態の超音波プローブ28では、ベンディング部44、ストレート部40、及び、テーパ部38の先端部において、多数の結晶Cの方位方向は一定となっており、金属組織は異方性を有することになる。特に、結晶Cの方位方向は超音波プローブ28の軸方向即ち超音波振動の伝達方向に一致しており、超音波プローブ28の金属組織は超音波振動の伝達方向に異方性を有することになる。なお、金属組織が異方性を有するという場合には、金属組織の全結晶の内、全ての結晶について方位方向が一定となる必要はなく、異なる方位方向の結晶を含んでいてもよい。全結晶の内、50%以上の結晶の方位方向が一定であれば金属組織は異方性を有するということができ、特に、60%以上の結晶の方位方向が一定であることが好ましい。
The metal structure is formed of a large number of crystals, and each crystal has an orientation indicating the direction of the crystal axis. 3 and 4, the arrow indicates the orientation direction of the crystal C. As shown in FIG. 3, in the blank, the orientation directions of a large number of crystals C are random, and the metal structure is isotropic. On the other hand, as shown in FIG. 4, in the
金属組織が等方性であるか異方性であるかについては、様々な方法で判定が可能である。例えば、超音波プローブ28から、軸方向に平行な試験面を有するような試験片を採取し、試験面をナイタール等の腐食液で腐食した後、顕微鏡を用いて試験面を直接観察することで、金属組織が等方性であるか異方性であるかを判断することが可能である。また、電子後方散乱パターン(Electron Back Scattering Pattern、以下EBSPと称する)を用いることで、さらに容易かつ精密な判定が可能である。即ち、EBSPでは、試験面への試験光の入射角に対する反射角のずれから、数十万乃至数百万の結晶の方位方向を自動検出することが可能である。本実施形態では、001方向、011方向、111方向のいずれの方位方向であるかが検出されることになる。そして、各方位方向に対する結晶の個数の分布を算出し、結晶の個数が各方位方向に均等に分布していれば金属組織は等方性であると判断でき、1つの方位方向に偏って分布していれば金属組織は異方性であると判断できる。実際上は、マスター試料片についての検出結果と、超音波プローブ28から採取された試験片の検出結果とを比較して、方位方向がどの程度一致しているかを定量的に評価し、等方性であるか異方性であるかをコンピュータにより自動判定するようにしている。
Whether the metal structure is isotropic or anisotropic can be determined by various methods. For example, by collecting a test piece having a test surface parallel to the axial direction from the
超音波プローブ28において、金属組織が軸方向への異方性を有する場合には、超音波振動が軸方向に伝達されやすくなるため、超音波プローブ28における超音波振動の伝達性能が向上される。従って、超音波処置装置では、人体組織を凝固、切開する処置性能が向上されることになる。
In the
図5を参照し、実際の実験結果に基づく、超音波プローブの減衰特性について説明する。実験では、切削加工を用いて製造した等方性を有する従来の超音波プローブと、異方性を有する本実施形態の超音波プローブとについて、同一の超音波振動を基端の連結部に付与し、超音波振動を基端側から先端側へと伝達させ、先端部のベンディング部における振幅幅を約21秒間測定した。図5は当該実験の結果を示している。図5に示されるように、等方性を有する従来の超音波プローブでは、ベンディング部における振幅幅は、時間が経過しても比較的大きい略80.0[μm]と90.0[μm]との間でばらついており、超音波振動が減衰され軸方向に伝達されにくくなっていることが理解される。一方、異方性を有する本実施形態の超音波プローブでは、ベンディング部の振幅幅は、時間が経過しても比較的小さい略13.0[μm]で安定しており、超音波振動が減衰されず軸方向に伝達されやすくなっていることが理解される。 With reference to FIG. 5, the attenuation characteristics of the ultrasonic probe based on actual experimental results will be described. In the experiment, the same ultrasonic vibration was applied to the base connecting portion of the conventional isotropic ultrasonic probe manufactured by cutting and the ultrasonic probe of this embodiment having anisotropy. Then, ultrasonic vibration was transmitted from the proximal end side to the distal end side, and the amplitude width at the bending portion of the distal end portion was measured for about 21 seconds. FIG. 5 shows the results of the experiment. As shown in FIG. 5, in the conventional ultrasonic probe having isotropic properties, the amplitude width in the bending portion is relatively large even when time passes, approximately 80.0 [μm] and 90.0 [μm]. It is understood that the ultrasonic vibration is attenuated and hardly transmitted in the axial direction. On the other hand, in the ultrasonic probe of the present embodiment having anisotropy, the amplitude width of the bending portion is stable at a relatively small value of approximately 13.0 [μm] over time, and the ultrasonic vibration is attenuated. It is understood that it is not transmitted easily in the axial direction.
また、超音波プローブ28において、金属組織が軸方向への異方性を有する場合には、等方性の場合と比較して、超音波プローブ28の先端部の処置部32における目標周波数に対する実際の周波数について、複数の超音波プローブ28間のばらつきが減少する。
Further, in the
図6を参照し、実際の実験結果に基づく、複数の超音波プローブ間の目標周波数に対する実際の周波数のばらつきについて説明する。実験では、切削加工を用いて製造した等方性を有する従来の超音波プローブと、異方性を有する本実施形態の超音波プローブとについて、夫々15本の超音波プローブを準備した。そして、超音波振動を基端の連結部に付与し、超音波振動を基端側から先端側へと伝達させ、太径部における周波数とベンディング部における周波数とを夫々測定した。図6は当該実験の結果を示している。図6に示されるように、等方性を有する従来の超音波プローブでは、目標周波数47.0±1.5[kHz]に対して、ベンディング部における最大周波数は47.6[kHz]、最小周波数は47.2[kHz]であり、ばらつきは0.4[kHz]となっており、ばらつきが大きくなっていることが理解される。一方、異方性を有する本実施形態の超音波プローブでは、ベンディング部における最大周波数は46.5[kHz]、最小周波数は46.3[kHz]であり、ばらつきは0.2[kHz]となっており、ばらつきが小さくなっていることが理解される。 With reference to FIG. 6, the variation in the actual frequency with respect to the target frequency between the plurality of ultrasonic probes based on the actual experimental result will be described. In the experiment, 15 ultrasonic probes were prepared for each of the conventional isotropic ultrasonic probe manufactured by cutting and the anisotropic ultrasonic probe according to the present embodiment. Then, ultrasonic vibration was applied to the connecting portion at the base end to transmit the ultrasonic vibration from the base end side to the tip end side, and the frequency at the large diameter portion and the frequency at the bending portion were measured. FIG. 6 shows the results of the experiment. As shown in FIG. 6, in the conventional ultrasonic probe having isotropic property, the maximum frequency in the bending portion is 47.6 [kHz] and the minimum with respect to the target frequency 47.0 ± 1.5 [kHz]. The frequency is 47.2 [kHz], the variation is 0.4 [kHz], and it is understood that the variation is large. On the other hand, in the ultrasonic probe of this embodiment having anisotropy, the maximum frequency in the bending portion is 46.5 [kHz], the minimum frequency is 46.3 [kHz], and the variation is 0.2 [kHz]. It is understood that the variation is small.
図7A乃至図14を参照して、本実施形態の超音波処置装置の製造方法を説明する。 With reference to FIG. 7A thru | or FIG. 14, the manufacturing method of the ultrasonic treatment apparatus of this embodiment is demonstrated.
本実施形態の超音波処置装置の製造方法は、超音波プローブ28の製造方法を除いて、従来の製造方法と同様である。このため、超音波プローブ28の製造方法のみについて詳細に説明する。
The manufacturing method of the ultrasonic treatment apparatus of this embodiment is the same as the conventional manufacturing method except for the manufacturing method of the
図7A及び図7Bを参照して、超音波プローブ28の製造方法の加熱工程及び引伸工程に用いる冷間ロータリースエージング装置について説明する。
With reference to FIG. 7A and 7B, the cold rotary swaging apparatus used for the heating process of the manufacturing method of the
冷間ロータリースエージング装置は、肉厚円筒状のヘッダ46を有する。ヘッダ46の中心孔は、金属製の円柱状のブランク62が軸方向に挿通される挿通孔48をなしている。ヘッダ46の一端側には、ヘッダ46の挿通孔48に対して互いに対向して、一対の移動溝50がヘッダ46の挿通孔48から外周面まで径方向に延設されている。各移動溝50内には、減面成形金型52、楔板54、バッカー56が径方向に内側から外側へと並設されている。減面成形金型52の径方向内側部分の成形面74について、軸方向に直交する横断面は凹円弧状をなしている。移動溝50において、減面成形金型52、楔板54及びバッカー56は径方向に移動可能であり、バッカー56はヘッダ46の外周面から径方向外向きに突出可能である。ヘッダ46は、ヘッダ46の中心軸を回転中心軸として回転可能に支持され、減面成形金型52、楔板54及びバッカー56と共に回転駆動可能である。ヘッダ46の径方向外側には、ヘッダ46の中心軸と平行な中心軸を有する円柱状の多数のローラー58がヘッダ46の周方向に所定の間隔で並設されている。各ローラー58は、同一の外径を有しており、アウターレース60によってローラー58の中心軸を中心として回転可能に支持され、ヘッダ46の回転方向とは反対方向に回転駆動可能である。ヘッダ46及びローラー58を回転駆動することにより、減面成形金型52、楔板54及びバッカー56は、ローラー58とバッカー56との衝突による径方向内向きへの移動と、遠心力による径方向外向きへの移動とを繰り返す。また、冷間ロータリースエージング装置には、ブランク62をその軸方向に移動し、ヘッダ46の挿通孔48に対して挿抜する移動機構が配設されている。ヘッダ46及びローラー58を回転駆動した状態で、移動機構によってブランク62をヘッダ46の挿通孔48に挿入していき、減面成形金型52の成形面74をブランク62に繰り返し押圧することにより、ブランク62の横断面積が減少され、ブランク62が軸方向に引き伸ばされ、減面成形が行われる。また、冷間ロータリースエージング装置には、減面成形金型52が所定の規制位置よりもさらに径方向内側に移動するのを規制するストッパ機構が配設されている。規制位置については径方向に対して任意に調節可能である。本実施形態では、規制位置として、ヘッダ46の挿通孔48に対してブランク62を挿抜するための径方向外側の挿抜位置、ブランク62を減面成形するための径方向内側の成形位置、ブランク62と減面成形金型52とを摩擦により加熱するための中間の接触位置が採用される。
The cold rotary swaging apparatus has a thick
図8乃至図14を参照して、超音波プローブ28の製造方法の各工程を詳細に説明する。
With reference to FIG. 8 thru | or FIG. 14, each process of the manufacturing method of the
準備工程(図8)
超音波プローブ28の素材として、金属製の円柱状のブランク62を準備する。当該ブランク62では、金属組織の多数の結晶の方位方向はランダムとなっており、金属組織は等方性を有する。本実施形態では、上述したJIS60種のAl6%、V4%、残部Tiのチタン合金製のブランク62が用いられる。ブランク62の外径は最終製品である超音波プローブ28の太径部36の外径に等しくなるように設定され、ブランク62の全長は最終製品である超音波プローブ28の体積に基づいて設定される。例えば、ブランク62の外径、全長は、8mm、170mmに設定される。
Preparation process (Figure 8)
A metal cylindrical blank 62 is prepared as a material for the
なお、ブランク62において、軸方向に直交する一方向を横方向、軸方向及び横方向に直交する方向を縦方向とする。 In the blank 62, one direction orthogonal to the axial direction is defined as a horizontal direction, and a direction orthogonal to the axial direction and the horizontal direction is defined as a vertical direction.
加熱工程(図9A及び図9B)
減面成形金型52とブランク62との摩擦により、冷間ロータリースエージングによる減面成形を容易に行うことが可能な温度までブランク62を加熱する。
Heating process (FIGS. 9A and 9B)
The blank 62 is heated to a temperature at which surface reduction molding by cold rotary swaging can be easily performed by friction between the surface reduction molding die 52 and the blank 62.
即ち、冷間ロータリースエージング装置において、減面成形金型52の規制位置を径方向外側の挿抜位置に調節した上で、ヘッダ46及びローラー58を回転駆動させる。例えば、ヘッダ46の回転速度は100rpm、ローラー58の回転速度は1000rpmに設定される。続いて、ブランク62の一端部をヘッダ46の挿通孔48へと挿入する。そして、減面成形金型52の規制位置を径方向内向きに移動させて接触位置に調節し、減面成形金型52をブランク62に接触させつつ所定時間だけ回転させ、減面成形金型52とブランク62との間の摩擦熱により、冷間ロータリースエージングによる減面成形を容易に行うことが可能な所定の温度までブランク62を加熱する。当該温度は、α+βチタン合金のβ変態点である920℃よりも充分に小さな温度である。例えば、摩擦時間は10秒、加熱温度は500乃至600℃に設定される。
That is, in the cold rotary swaging apparatus, the
引伸工程(図10A及び図10B)
冷間ロータリースエージングによる減面成形により、ブランク62の一端側部分を引き伸ばす。
Drawing process (FIGS. 10A and 10B)
One end side portion of the blank 62 is stretched by surface reduction molding by cold rotary swaging.
即ち、ブランク62の加熱の後、減面成形金型52の規制位置をさらに径方向内向きに移動して成形位置に調節する。そして、ブランク62をその軸方向に移動してヘッダ46の挿通孔48へと挿入していき、減面成形金型52の成形面74をブランク62に繰り返し押圧させて、ブランク62の一端側部分の横断面積を減少させ、当該部分を引き伸ばす。当該減面成形によって、超音波プローブ28のベンディング部44、ストレート部40、テーパ部38となるベンディング部準備部44j、ストレート部準備部40j、テーパ部準備部38jを形成する。減面成形されないブランク62の他端部については、超音波プローブ28の太径部36となる太径部準備部36jをなす。減面率が大きい場合には、減面成形を複数回に分けて行う。減面成形の回数が少なく、各減面成形での減面率が大きくなる場合には、変形抵抗が大きくなり、ブランク62にクラックが生じるおそれがある。一方、減面成形の回数が多くなると、成形後のブランク62の表面粗さが増大して梨地肌状となり、好ましくない。減面成形の回数は以上の条件を考慮して適宜設定される。例えば、各減面成形での減面率を20%、減面成形の回数を3回とし、ブランク62の一端側部分の外径を8mmから4mmまで減少させ、ブランク62の全長を170mmから450mmまで引き伸ばす。減面成形の終了後、減面成形金型52の規制位置を径方向外向きに移動して挿抜位置に調節し、ブランク62を軸方向に移動して、ヘッダ46の挿通孔48から抜去する。
That is, after the blank 62 is heated, the restriction position of the surface-reducing
冷間ロータリースエージングによる減面成形により、ブランク62の一端側部分を軸方向に引き伸ばすことによって、当該部分の金属組織の結晶の方位方向がブランク62の軸方向に揃えられ、金属組織が軸方向への異方性を有することになる。即ち、ベンディング部準備部44j、ストレート部準備部40j、テーパ部準備部38jの先端部では、金属組織は軸方向への異方性を有することになる。
By extending the one end side portion of the blank 62 in the axial direction by area reduction forming by cold rotary swaging, the orientation direction of the crystal of the metal structure in the portion is aligned with the axial direction of the blank 62, and the metal structure is in the axial direction. Will have anisotropy. That is, the metal structure has anisotropy in the axial direction at the tip of the bending
多角柱成形工程(図11A及び図11B)
冷間プレスにより、ブランク62のベンディング部準備部44jを多角柱形状に成形する。本実施形態では、多角柱形状として八角柱形状を選択する。
Polygonal column forming process (FIGS. 11A and 11B)
The bending
即ち、冷間プレスでは一対の八角柱成形金型64u,64dが用いられる。ここで、プレス時にブランク62の軸方向となる方向を金型64u,64dの軸方向とする。一対の八角柱成形金型64u,64dの成形面76u,76dについて、軸方向に直交する断面形状は、夫々、八角柱形状の一側方、他側方の三側面を形成するように、底辺が押圧方向側に配置される台形状をなしている。また、プレス成形時には、一対の八角柱成形金型64u,64dについて、成形面76u,76dの両側方部分間に隙間が形成されるようになっている。即ち、プレス成形時には、一対の八角柱成形金型64u,64dの成形面76u,76dによって八角柱形状の一側方、他側方の三側面が形成されると共に、成形面76u,76dの側方部分間の隙間に余肉がばり66として張り出すようになっている。このように余肉が隙間へと逃げるようになっているため、金型64u,64d内でベンディング部準備部44jに過度の圧力が負荷されてクラックが生じることが防止されている。当該ばり66を打抜等により適宜除去することにより、八角柱形状の残りの二側面を形成する。
That is, in the cold press, a pair of octagonal column forming dies 64u and 64d is used. Here, let the direction used as the axial direction of the blank 62 at the time of pressing be an axial direction of the
多角柱成形工程においては、ベンディング部準備部44jの金属組織の結晶の方位方向は変化されず、金属組織は軸方向への異方性を維持する。
In the polygonal column forming step, the orientation direction of the crystal of the metal structure of the bending
ベンディング成形工程(図12)
冷間プレスにより、ブランク62のベンディング部準備部44jを最終製品のベンディング部44の曲率まで曲げ成形する。
Bending molding process (Figure 12)
The bending
即ち、冷間プレスでは一対のベンディング成形金型68u,68dが用いられる。ここで、プレス時にブランク62の縦方向となる方向、先端側及び基端側となる側を金型68u,68dの縦方向、先端側及び基端側とする。一対のベンディング成形金型68u,68dでは、上型68uはベンディング部準備部44jの先端部に点接触されて当該先端部を下型68dに向かって押圧するようになっている。また、下型68dの成形面78dは、軸方向に沿って基端側から先端側へと上型68uの押圧方向である横方向に傾斜する凸曲面をなしており、当該凸曲面について、縦方向に直交する断面形状は、最終製品のベンディング部44の曲率と等しい曲率を有する。ブレス成形時には、上型68uによってベンディング部準備部44jの先端部が点接触されて下型68dに向かって押圧され、ベンディング部準備部44jの一側部が下型68dの成形面78dに押圧されて、ベンディング部準備部44jが曲げ成形される。このように面接触ではなく点接触を用いることにより、打痕の発生や荷重の増大が防止される。
That is, in the cold press, a pair of bending
ベンディング成形工程においても、ベンディング部準備部44jの金属組織の結晶の方位方向は変化されず、金属組織は軸方向への異方性を維持する。
Also in the bending forming process, the orientation direction of the crystal of the metal structure of the bending
連結部形成工程(図13)
太径部準備部36jの基端部を切削加工して雄ねじ等を形成し、超音波プローブ28の連結部39となる連結部準備部39jを形成する。
Connecting part forming step (FIG. 13)
The base end portion of the large-diameter
溝成形工程(図14)
冷間ロータリースエージングによる減面成形により、ストレート部準備部40jに、ライニング溝42となるライニング溝準備部42jを形成する。
Groove forming process (Fig. 14)
The lining groove preparation part 42j used as the lining
溝成形工程の詳細は前述した引伸工程と同様である。但し、冷間ロータリースエージングでは、ライニング溝成形用の減面成形金型70が用いられる。ここで、成形時にブランク62の軸方向、径方向、周方向となる方向を金型70の軸方向、径方向、周方向とする。減面成形金型70の成形面80では、ライニング溝成形用の径方向内向きの突出部72が周方向に延設されている。突出部72の末端面について、軸方向に直交する断面形状は、最終製品のライニング溝42の曲率に等しい曲率を有する凹円弧状をなしている。
The details of the groove forming step are the same as those of the drawing step described above. However, in cold rotary swaging, a surface-reducing
溝成形工程では、ライニング溝準備部42jにおいて、金属組織の軸方向への異方性がさらに向上されることになる。 In the groove forming step, the anisotropy in the axial direction of the metal structure is further improved in the lining groove preparation portion 42j.
応力除去工程
超音波プローブ28の半製品をβ変態点以下の温度で焼鈍し、残留応力を除去する。例えば、自由な変形を確保するために天井からぶら下げる方法を採用し、アルゴンガス雰囲気中、750℃で1時間の焼鈍を行う。
Stress removal process The semi-finished product of the
表面仕上工程
酸洗い、ブラストショット等により、超音波プローブ28の半製品の外表面に付着した酸化皮膜を除去する。
Surface finishing step The oxide film adhering to the outer surface of the semi-finished product of the
曲げ矯正工程
焼鈍工程によって超音波プローブ28に曲げ変形が生じている場合には、曲げを矯正し、超音波プローブ28の真直度を回復させる。
Bending correction process When bending deformation occurs in the
以下、本実施形態の超音波プローブ及びその製造方法の技術的意義について詳細に説明する。 Hereinafter, the technical significance of the ultrasonic probe and the manufacturing method thereof according to the present embodiment will be described in detail.
従来のようにチタン材のブランクから切削加工により超音波プローブを製造する場合には、多量の切削屑が発生するため材料歩留まりが低下してしまい、また、チタン材は硬度が高く加工が困難であるため加工時間が増大して生産性が低下してしまう。これに対して、鍛造を利用して超音波プローブを製造する場合には、切削屑の発生による材料歩留まりの低下の問題は解決される。鍛造には大別して熱間鍛造と冷間鍛造とがあるが、上述したようにチタン材は硬度が高いため、冷間鍛造では成形が困難であり、チタン材の成形には一般に熱間鍛造が利用される。また、冷間鍛造によりブランクの金属組織に異方性が生じると、ブランクの加工性が低下し、特に冷間プレスによりブランクを正確に成形することが困難になるため、鍛造の後にさらに追加工を行う場合には、一般に、冷間鍛造を用いることは避けられる。要するに、チタン材の加工において、材料歩留まりの低下を防止するために、切削加工とは別の方法を用いようとする場合には、当業者であれば当然に熱間鍛造を選択するはずであり、特に鍛造の後に追加工を行う場合には、冷間鍛造を選択することは通常はないといってよい。ここで、熱間鍛造では、β変態点以上の温度で成形が行われるため、ブランクを軸方向に引き伸ばしても、引伸後の金属組織は等方性となる。切削加工でも、熱間鍛造でも、加工後の金属組織は等方性であり、熱間鍛造を用いて超音波プローブを製造したから金属組織が等方性になって超音波振動の伝達性能が低下するというわけではないから、金属組織の等方性、異方性に着目し、等方性であるから超音波振動の伝達性能が低下してしまうという課題を認識することは通常はありえないといってよい。これに対して、本実施形態は、冷間ロータリースエージングに用いる減面成形金型とブランクとの摩擦によりブランクを加熱することで、冷間鍛造におけるチタン材の成形の困難さを克服し、さらに、超音波プローブにおいて金属組織を異方性とする可能性に想到し、加えて、追加工の困難さを招来するために通常は避けられる金属組織の異方性をあえて最終製品である超音波プローブまで維持するという着想に至ることにより、初めてなされるものであり、この結果として、超音波振動の伝達性能が向上されるという予測できない効果を奏するものである。 When an ultrasonic probe is manufactured by cutting from a blank made of titanium as in the past, a large amount of cutting waste is generated, resulting in a decrease in material yield, and titanium is hard and difficult to process. As a result, the processing time increases and productivity decreases. On the other hand, when an ultrasonic probe is manufactured using forging, the problem of a decrease in material yield due to generation of cutting waste is solved. Forging is roughly divided into hot forging and cold forging. As mentioned above, titanium material has high hardness, so it is difficult to form by cold forging. Generally, forging of titanium material is hot forging. Used. In addition, if anisotropy occurs in the metal structure of the blank due to cold forging, the workability of the blank deteriorates, and it becomes difficult to form the blank accurately by cold pressing. In general, the use of cold forging is avoided when performing the above. In short, in order to prevent a decrease in material yield in machining titanium materials, those skilled in the art should naturally choose hot forging when using a method other than cutting. In particular, when additional machining is performed after forging, it is not usually the case that cold forging is selected. Here, in hot forging, since the forming is performed at a temperature equal to or higher than the β transformation point, even after the blank is stretched in the axial direction, the metal structure after stretching becomes isotropic. In both cutting and hot forging, the metal structure after processing is isotropic, and since the ultrasonic probe was manufactured using hot forging, the metal structure became isotropic and the transmission performance of ultrasonic vibration was improved. Because it is not necessarily reduced, it is usually impossible to recognize the issue that the transmission performance of ultrasonic vibrations is reduced because it is isotropic, focusing on the isotropic and anisotropy of the metal structure It ’s okay. On the other hand, this embodiment overcomes the difficulty of forming a titanium material in cold forging by heating the blank by friction between the reduced surface mold used for cold rotary swaging and the blank, Furthermore, the possibility of making the metal structure anisotropic in the ultrasonic probe is conceived, and in addition, the final product, the ultra-thin product, which is usually avoided because of the difficulty of additional processing, is to be avoided. This is the first time that the idea of maintaining the acoustic probe is maintained, and as a result, the transmission performance of the ultrasonic vibration is improved.
上述した一実施形態では、チタン材製の超音波プローブについて説明したが、例えばステンレス製の超音波プローブについても、冷間鍛造を用いることにより金属組織を異方性とすることができ、金属組織が異方性となることで超音波振動の伝達性能が向上される。 In the above-described embodiment, the titanium-made ultrasonic probe has been described. For example, a stainless steel ultrasonic probe can be made anisotropic by using cold forging, and the metal structure can be made anisotropic. As a result of anisotropy, the transmission performance of ultrasonic vibration is improved.
また、上述した一実施形態では、冷間ロータリースエージングによる減面成形により、金属製のブランクを引き伸ばして金属組織を異方性としているが、へら絞り、前方押出等の他の冷間鍛造による引き伸ばしによっても金属組織を異方性とすることが可能である。 Further, in the above-described embodiment, the metal blank is stretched and the metal structure is made anisotropic by surface reduction molding by cold rotary swaging, but by other cold forging such as spatula drawing and forward extrusion. The metal structure can be made anisotropic also by stretching.
28…超音波プローブ、62…素材(ブランク)。 28 ... Ultrasonic probe, 62 ... Material (blank).
Claims (4)
超音波プローブを形成するための素材を準備する工程と、
前記素材の少なくとも一部分を超音波振動の伝達方向となる方向へと冷間鍛造により引き伸ばす工程と、
を具備することを特徴とする超音波プローブの製造方法。 A method of manufacturing a metal ultrasonic probe for transmitting ultrasonic vibrations,
Preparing a material for forming an ultrasonic probe;
Stretching at least a portion of the material by cold forging in a direction that is a transmission direction of ultrasonic vibrations;
An ultrasonic probe manufacturing method comprising:
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