JP4945092B2

JP4945092B2 - 超音波探触子

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Publication number: JP4945092B2
Application number: JP2005145600A
Authority: JP
Inventors: 規泰小熊; 雅博貴治; 裕己戸田; 頼信村田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: JP2006322789A

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２０００−１３１２９７号公報（特許文献１）に記載されている表面波測定用探触子がある。

この表面波測定用探触子は、基台と、基台の断面円弧状凹部上に略等間隔に貼り付けられた三つの板状の振動子とを備える。

この表面波測定用探触子は、上記三つの振動子のうちの一の振動子の超音波送受信面から被疲労度測定物に向けて超音波を発振して、その発振された超音波を上記被疲労度測定物の表層部（表面を含む）を伝播させた後、上記一の振動子以外の振動子で受信することにより、上記超音波が上記被疲労度測定物を伝播するときの伝播速度を測定するようになっている。そして、この伝播速度に基づいて上記被疲労度測定物の金属疲労の程度を測定するようになっている。

しかしながら、上記従来の表面波測定用探触子では、上記表層部を伝播した後上記一の振動子以外の振動子の方に向かう超音波が、上記一の振動子の縁部（エッジ）から発振されて上記被疲労度測定物の表面で反射した反射波と干渉して、上記超音波が上記被疲労度測定物を伝播するときの伝播速度を正確に測定できないという問題がある。
特開２０００−１３１２９７号公報（第３図）

そこで、本発明の課題は、被疲労度測定物を伝播する超音波の伝播速度を正確に測定できる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、
仮想球面の曲率と略同じ曲率の球面の一部分から成る超音波送受信面を夫々有する少なくとも二つの板状の振動子を備え、
上記少なくとも二つの振動子の超音波送受信面は、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に離間配置され、
上記少なくとも二つの振動子は、上記大円の周方向の一方側に配置される一端の振動子と、上記一端の振動子の上記大円の周方向の他方側に配置される他端の振動子とを備え、
一端の振動子は、互いに間隔をおいて位置すると共に、上記大円の周方向の他方側である他端の振動子側に行くにしたがって先細りとなる二つの縁部分を有し、
上記二つの縁部分は、上記大円の中心から見た図において、鋭角三角形の鋭角を画定する二辺に含まれ、
上記一端の上記振動子における上記大円の周方向の他方側は、上記二つの縁部分の夫々の上記他端側の振動子側の端につながっている部分を有し、その部分は、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成される波目形状を有し、
隣接する上記山の間の幅が、上記山の高さよりも小さくなっていて、
上記一端の上記振動子は、上記大円の周方向に沿った長さが、上記大円の周方向に垂直な方向の長さよりも長いことを特徴としている。

本発明によれば、上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジは、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状であるので、上記エッジ部分から発振される複数の超音波が互いに重なることにより弱めあって、上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジから回折波（ノイズ超音波）が発生することがない。したがって、上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジからノイズ超音波が発生することがないので、上記一端の振動子から発振されて、例えば軸受の内輪等の被疲労度測定物を伝播した超音波と、上記一端の振動子側のエッジからのノイズ超音波が干渉することがなくて、上記被疲労度測定物を伝播する超音波の伝播速度を正確に測定できる。

また、一実施形態の超音波探触子は、上記一端の振動子における上記他端の振動子側と反対側は、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状である。

上記実施形態によれば、上記一端の振動子における上記他端の振動子側と反対側のエッジは、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状であるので、上記一端の振動子における上記他端の振動子側と反対側のエッジからノイズ超音波が発生することを防止できて、被疲労度測定物を伝播する超音波の伝播速度を更に正確に測定できる。
また、一実施形態の超音波探触子は、上記他端の振動子は、互いに間隔をおいて位置すると共に、上記大円の周方向の一方側である上記一端の振動子側に行くにしたがって先細りとなる二つの縁部分を有し、
その二つの縁部分は、上記大円の中心から見た図において、鋭角三角形の鋭角を画定する二辺に含まれ、
上記他端の上記振動子における上記一端の上記振動子側は、その二つの縁部分の夫々の上記一端側の振動子側の端につながっている部分を有し、その部分は、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状を有し、
隣接する上記山の間の幅が、上記山の高さよりも小さくなっていて、
上記他端の上記振動子は、上記大円の周方向に沿った長さが、上記大円の周方向に垂直な方向の長さよりも長い。
また、一実施形態の超音波探触子は、上記他端の振動子における上記一端の振動子側と反対側は、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状である。

また、一実施形態の超音波探触子は、上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジに形成された隣接する上記山の間隔をｗ［ｍ］、上記山の高さをｈ［ｍ］、上記一端の振動子から発振される超音波の周波数をｆ［Ｈｚ］、および、この超音波が上記一端の振動子と被疲労度測定物との間に充填されている溶媒中を伝播するときの伝播速度をｖ［ｍ／ｓ］としたとき、ｗ≦ｖ／（２ｆ）、ｗ≦ｈである。

上記実施形態によれば、上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジに形成された隣接する上記山の間隔ｗが、ｖ／（２ｆ）［ｍ］以下であるので、上記エッジ部分から発振される複数の超音波が、重なり合うことにより強め合うことがなくて、重なり合うことによって必ず弱め合うようにすることができる。また、ｗがｈ以下であるので、上記エッジ部分から発振される複数の超音波の振幅を小さくできる。

また、一実施形態の超音波探触子は、上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジは、のこぎり波の波目形状である。

上記実施形態によれば、上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジは、のこぎり波の波目形状であるので、上記エッジの波目形状を簡単安価に形成できて、超音波探触子の製造コストを小さくすることができる。

本発明の超音波探触子によれば、一端の振動子における他端の振動子側のエッジは、大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状であるので、上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジからノイズ超音波が発生することがなくて、被疲労度測定物を伝播する超音波の伝播速度を正確に測定できる。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、第１参考例の超音波探触子の概略を示す概略断面図である。

尚、図１において、７は、被疲労度測定物の一例としての高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２製の玉軸受の内輪の軌道溝の軌道底の周辺を示している。

この超音波探触子は、樹脂製のバッキング部材１と、湾曲した板形状の第１振動子３、第２振動子４および第３振動子５とを備える。

上記バッキング部材１は、球面の一部からなる凹部を有し、第１、第２および第３振動子３,４,５は、上記凹部の大円１０上に周方向に略等間隔に３つ配置されている。

上記第１、第２および第３振動子３,４,５のバッキング部材１側と反対側の表面は、超音波送受信面１４,１５,１６になっている。詳しくは、上記第１、第２および第３振動子３,４,５は、その超音波送受信面の中心（後に詳述）から超音波を発振すると共に、その送受信面の中心で超音波を受信するようになっている。

上記第１、第２および第３振動子３,４,５の夫々は、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と、この高分子圧電膜の表面および裏面に取り付けられた電極としてのアルミ箔とを有する。

上記第１、第２および第３振動子３,４,５の夫々は、高分子圧電膜を挟むように高分子圧電膜の両側に取り付けられたアルミ箔の間に電圧を印加することにより、高分子圧電膜のみならず高分子圧電膜の両側に取り付けられたアルミ箔も振動させて、超音波を発振するようになっている。また、上記第１、第２および第３振動子３,４,５の夫々の高分子圧電膜のバッキング部材側と反対側のアルミ箔に超音波が到達すると、第１、第２および第３振動子３,４,５の夫々は振動することによって、超音波の到達を検出するようになっている。

上記第１、第２および第３振動子３,４,５は、このようにして超音波の送受信を行うようになっている。上記第１、第２および第３振動子３,４,５の夫々の高分子圧電膜のバッキング部材側と反対側のアルミ箔の表面は、超音波送受信面１４,１５,１６になっている。上記超音波送受信面１４,１５,１６は、仮想球面の大円１８上に周方向に等間隔に配置されている。上記第１、第２、第３振動子３,４,５は、振動数５×１０⁶［Ｈｚ］で振動するようになっている。

上記構成において、上記第１参考例の高分子圧電膜は、以下のように被疲労度測定物の疲労を測定するようになっている。

先ず、初期設定工程を行う。この初期設定工程では、内輪７を、ガラスやプラスチック等からなる透明な容器に配置した後、中央に配置された第２振動子４の超音波送受信面１５の中心における法線が、内輪７の軌道底に垂直であり、かつ、上記第１、第２および第３振動子３,４,５が、上記軌道底に対向するように、超音波送受信面１４,１５,１６の夫々の中心と軌道底が同じ平面上に位置するように、超音波探触子を上記透明な容器内に配置する。

次に、水充填工程を行う。この水充填工程では、上記透明な容器に水を充填する。詳しくは、超音波探触子と内輪７の軌道底との間に、溶媒の一例としての水を隙間無く充填する。以後の工程では、超音波探触子と内輪７の軌道底との距離が変動するが、超音波探触子と内輪７の軌道底との距離がどのような大きさになっても、超音波探触子と内輪７の軌道底との間は、隙間無く水で充填されるようになっているものとする。そして、上記第２振動子４を、超音波送受信面１５の中心の法線方向に移動させ、第２振動子４から発振されて内輪７の軌道底で反射して第２振動子４で検出された超音波における第２振動子４から発振されて第２振動子４で受信されるまでの時間と、第１振動子３から発振されて内輪７の軌道底で反射して第３振動子５で検出された超音波における第１振動子３から発振されて第３振動子５で受信されるまでの時間が等しい点に、超音波探触子を固定する。この工程の後、第２振動子４の超音波送受信面１５と内輪７の軌道底との距離は、大円１８の半径になっている。

続いて、超音波探触子接近工程を行う。この超音波探触子接近工程では、図１に示すように、超音波送受信面１５の中心を内輪７の軌道底の方に上記法線方向に所定距離ａ［ｍｍ］近づける。上記大円１８の半径をｒ［ｍｍ］とすると、超音波探触子接近工程の後、第２振動子４の超音波送受信面１５と内輪７の軌道底との距離は、（ｒ−ａ）［ｍｍ］になっている。

次に、超音波伝播時間測定工程を行う。この超音波伝播時間測定工程では、大円１８の一端に位置している第１振動子３の超音波送受信面１４からＡ方向（第１振動子３の超音波送受信面１４の中心における法線方向）に発振されて水中を伝播した後、内輪７の軌道底を矢印Ｂ方向に伝播し、その後、矢印Ｃ方向（第３振動子５の超音波送受信面１６の中心における法線方向）に水中を伝播して第３振動子５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。尚、超音波探触子接近工程の後においては、第１振動子３の超音波送受信面１４の中心からＡ方向に進んだときの内輪７の軌道底までの距離、第３振動子５の超音波送受信面１６の中心からＣ方向の逆に進んだときの内輪７の軌道底までの距離、および、上記超音波が伝播する内輪７の軌道底の距離ｂは、一意に決定されている。

次に、軌道底伝播速度算出工程を行う。この軌道底伝播速度算出工程では、上記測定した超音波の伝播時間、および、超音波が水中を伝播するときの伝播速度に基づいて、内輪７の軌道底における超音波の伝播速度を算出する。

最後に、内輪疲労度判定工程を行う。材料の劣化（例えば、金属疲労、転がり軸受の転動疲労など）の度合と、その材料を伝播するときの超音波の伝播速度との間には、相関関係がある。この内輪疲労度判定工程では、この相関関係、具体的には、高炭素クロム軸受鋼を伝播する超音波の伝播速度と、高炭素クロム軸受鋼の劣化状態との間に成立する相関関係を用いて、内輪７の軌道底の超音波の伝播速度に基づいて、内輪７の軌道底の劣化の状態を判定する。

図２は、上記第１参考例の超音波探触子のバッキング部材１の凹部側を示す模式平面図である。

図２において、ｐ１は、振動子３の超音波送受信面１４の中心を示し、ｐ２は、振動子４の超音波送受信面１５の中心を示し、ｐ３は、振動子５の超音波送受信面１６の中心を示している。

図２に示すように、上記第２振動子４の超音波送受信面１５の周囲（エッジ）は、大円１８の方向と略平行な周囲を有する略正方形の形状をしている。一方、上記第１振動子３と第３振動子５は、略同一の形状を有している。詳細には、第１振動子３および第３振動子５の超音波送受信面１４,１６の周囲も大円１８の方向と略平行な周囲を有する略正方形の形状をしているが、第２振動子４と異なり第１振動子３における第３振動子側の周囲およびこの周囲に対向する周囲は、のこぎり波の波目形状をしている。また、第３振動子５における第１振動子３側の周囲およびこの周囲に対向する周囲ものこぎり波の波目形状をしている。

言い換えると、大円１８上の一端の振動子である第１振動子３における他端の振動子側（第３振動子５側）のエッジ、および、第１振動子３における他端の振動子側と反対側のエッジは、大円１８の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状になっている。また、同様に、大円１８上の他端の振動子である第３振動子５における一端の振動子側（第１振動子３側）のエッジ、および、第３振動子５における一端の振動子側と反対側のエッジは、大円１８の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状になっている。

尚、第１および第３振動子３,５において、のこぎり波の波目の山の高さの半分の地点を通る直線は、略正方形の周囲の一部になっている。すなわち、図２において、上記ｐ２は、略正方形の形状の第２振動子４の超音波送受信面の中心であり、ｐ１およびＰ３は、直線部分と、のこぎり波の波目の山の高さの半分の地点を通る直線部分が形成する正方形の中心になっている。上記第１、第２および第３振動子３,４,５の夫々の超音波送受信面１４,１５,１６の中心ｐ１,ｐ２,ｐ３は、大円１８上に位置している。

上記バッキング部材１の凹部における、上記第１振動子３の第２振動子４側のエッジと第２振動子４の第１振動子３側のエッジとの距離ｃは、上記凹部における、第２振動子４の第３振動子５側のエッジと第３振動子５の第２振動子４側のエッジとの距離ｄと同一の長さに設定されている。

図３は、第１振動子３の波目形状のエッジの一部の部分拡大図である。詳述しないが、第２振動子４および第３振動子５の全ての波目形状のエッジは、図３に示すエッジと同一の形状を有している。

図３に示すように、波目形状のエッジは、のこぎり波の形状をしており、隣接する山の間の幅ｗは、山の高さｈよりも小さくなっている。また、ｗは、第１振動子３から発振される超音波の水中での波長の１／２よりも小さく設定されている。上記第１振動子３から発振される超音波の周波数は、５×１０⁶［Ｈｚ］であり、水温が２６.３［℃］のときの音波の水中の音速が１５００［ｍ／ｓ］である。したがって、水温が２６.３［℃］の場合では、第１振動子３から発振される超音波の水中での波長は、略３×１０^-4［ｍ］となる。このことから、透明な容器に水を充填しているこの参考例では、ｗは、（３×１０^-4）／２＝１.５×１０^-4［ｍ］よりも小さく設定されている。尚、水温の変動による水中の音速の変動は非常に小さいので、水中の音速として、１５００［ｍ／ｓ］を用いることができる。

尚、この参考例では、図１および図２において、超音波送受信面１４の第２振動子４側のエッジの仮想球面の大円１８上の山に対応する点ｆから超音波送受信面１５の中央の法線が内輪７の軌道底と交わる点ｅまでの距離と、点ｅから超音波送受信面１６の第２振動子４側のエッジの仮想球面の大円１８上の山に対応する点ｇまでの距離との和をｌ［ｍ］とし、更に、超音波送受信面１４の第２振動子４側のエッジの仮想球面の大円１８上の谷に対応する点ｈから超音波送受信面１５の中央の法線が内輪７の軌道底と交わる点ｅまでの距離と、点ｅから超音波送受信面１６の第２振動子４側のエッジの仮想球面の大円１８上の谷に対応する点ｉまでの距離との和をｍ［ｍ］とし、上記超音波が水中を伝播するときの波長をλ［ｍ］としたとき、｜ｍ−ｌ｜は、｜ｍ−ｌ｜＝（ｎ＋１／２）λ（ここで、ｎは０以上の整数）の関係を満たしている。このようにすると、第１振動子４の第２振動子５側のエッジからのノイズ波を弱め合わせることができ、第１振動子４の第２振動子５側のエッジからのノイズ波を更に低減できる。

上記第１参考例の超音波探触子によれば、大円１０上の一端の振動子である第１振動子３における他端の振動子（第３振動子５）側のエッジは、大円１８の周方向に垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状であるので、上記エッジ部分から発振される複数の超音波が互いに重なることにより弱めあって、上記エッジから回折波（ノイズ超音波）が発生することがない。したがって、第１振動子３の第３振動子５側のエッジからノイズ超音波が発生することがないので、第１振動子３から発振されて内輪７の軌道底を伝播した超音波と、第１振動子３の第３振動子５側のエッジからのノイズ超音波が干渉することがなくて、内輪７の軌道底を伝播する超音波の伝播速度を正確に測定できる。

また、上記第１参考例の超音波探触子によれば、第１振動子３における第３振動子５側と反対側のエッジは、大円１８の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状であるので、第１振動子３における第３振動子５側と反対側のエッジからノイズ超音波が発生することを防止できて、内輪７の軌道底を伝播する超音波の伝播速度を更に正確に測定できる。

また、上記第１参考例の超音波探触子によれば、第１振動子３における第３振動子５側のエッジに形成された隣接する山の間隔ｗが、第１振動子３から発振される超音波の水中の波長の１／２よりも小さいので、第１振動子３における第３振動子５側のエッジから発振される複数の超音波が、重なり合うことにより強くなることがなくて、重なり合うことにより必ず弱くなる。また、山の間隔ｗが、山の高さｈ以下であるので、第１振動子３における第３振動子５側のエッジから発振される複数の超音波の振幅を小さくできる。

また、上記第１参考例の超音波探触子によれば、第１振動子３および第３振動子５の波目形状のエッジは、のこぎり波の波目形状であるので、第１振動子３および第３振動子５の周囲のエッジの波目形状を簡単安価に形成できて、超音波探触子の製造コストを小さくできる。

尚、上記第１参考例の超音波探触子では、バッキング部材１の球面形状の凹部の大円１０上に、等間隔に３つの振動子３,４,５を配置したが、この発明では、バッキング部材の球面形状の凹部の大円上に、離間して２つの振動子を配置しても良く、また、バッキング部材の球面形状の凹部の大円上に、互いに間隔をおいて４以上の振動子を配置しても良い。

また、上記第１参考例の超音波探触子では、バッキング部材１における振動子取付面は、球面の一部であったが、この発明では、バッキング部材における振動子取付面は、円筒面の一部であっても良く、この円筒面の一部の大円上に、複数の振動子の夫々の中心を配置しても良い。

また、上記第１参考例の超音波探触子では、第１振動子３および第３振動子５における仮想大円１８と略垂直に延びるエッジを波目形状にしたが、この発明では、少なくとも超音波発信側（超音波発振側）の第１振動子の第３振動子側のエッジを波目形状にしていれば良く、超音波発信側の第１振動子の第３振動子側のエッジ以外のエッジの波目を省略しても良い。

尚、上記第１参考例では、内輪７の軌道底の疲労度を測定するに際し、超音波探触子と内輪７と間に溶媒としての水を充填した状態で、内輪を伝播する超音波の伝播速度を測定するようにした。しかしながら、この発明の超音波探触子と被疲労度測定物との間に、スピンドル油（音波の伝播速度は３２℃で１３４２［ｍ／ｓ］）、エタノール（音波の伝播速度は２０℃で１１６８［ｍ／ｓ］）、または、空気（音波の伝播速度は１５℃で３４０［ｍ／ｓ］）等の水以外の溶媒を充填して、被疲労度測定物の疲労度を測定しても良いことは勿論である。そして、この場合に、一端の振動子の他端の振動子側のエッジの形状を波目形状にし、かつ、隣接する山の幅を、山の高さ以下に設定すると共に、一端の振動子から発振される超音波の溶媒中の波長の１／２以下に設定すると、第１参考例の超音波探触子と同様に、エッジからノイズ超音波が発振されることがなくて、被疲労度測定物の疲労度の判定を正確に行うことができる。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、第２〜第５参考例の超音波探触子のバッキング部材の凹部側を示す模式平面図である。

第２〜第５参考例の超音波探触子は、第１参考例の超音波探触子と同一のバッキング部材を有する一方、第１参考例の超音波探触子の振動子と異なる振動子を有している。詳しくは、第２〜第５参考例の超音波探触子の振動子は、第１参考例の振動子と同じ厚さの高分子圧電膜と、高分子圧電膜を挟むように高分子圧電膜の両側に取り付けられた第１参考例の振動子と同じ厚さのアルミ箔を有する一方、第２〜第５参考例の超音波探触子は、振動子の個数や、超音波送受信面の周囲の形状が第１参考例の超音波探触子と異なっている。

第２〜第５参考例の超音波探触子では、第１参考例の超音波探触子の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、第２〜第５参考例の超音波探触子では、第１参考例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１参考例の超音波探触子と異なる構成についてのみ説明を行うことにする。

第２参考例の超音波探触子は、図４（Ａ）に示すように、バッキング部材１の大円１０上に、断面略長方形状の第１振動子４３と第２振動子４５とを配置している。第１振動子４３および第２振動子４５の中心は、大円１０上に配置され、かつ、第１振動子４３および第２振動子４５の夫々の幅方向は、大円１０と略平行になっている。

更に、一端の振動子である第１振動子４３における他端の振動子である第２振動子４５側のエッジ、および、第２振動子４５における第１振動子４３側のエッジには、大円１０の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された断面のこぎり波状の波目が形成されている。

また、第３参考例の超音波探触子は、図４（Ｂ）に示すように、バッキング部材１の大円１０上に、断面略長方形状の第１振動子５３と第２振動子５５とを配置している。第１振動子５３および第２振動子５５の中心は、大円１０上に配置され、かつ、第１振動子５３および第２振動子５５の夫々幅方向は、大円１０と略平行になっている。

更に、一端の振動子である第１振動子５３における他端の振動子である第２振動子５５側のエッジ、第１振動子５３における第２振動子５５側と反対側のエッジ、第２振動子５５における第１振動子５３側のエッジ、および、第２振動子５５における第１振動子５３側と反対側のエッジには、大円１０の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された断面のこぎり波状の波目が形成されている。

また、第４参考例の超音波探触子は、図４（Ｃ）に示すように、バッキング部材１の大円１０上に、断面略円形状の第１振動子７３と第２振動子７５とを配置している。上記第１振動子７３および第２振動子７５の中心は、大円１０上に配置されている。上記第１振動子７３と第２振動子７５の夫々のエッジには、全周に亘って、大円１０の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された断面のこぎり波状の波目が形成されている。

また、第５参考例の超音波探触子は、図４（Ｄ）に示すように、バッキング部材１の大円１０上に、断面略半円形状の第１振動子８３と第２振動子８５とを配置している。

第１振動子８３の円弧部分と第２振動子８５の円弧部分とが、対向するように配置されている。上記第１振動子８３と第２振動子８５の夫々のエッジには、全周に亘って、大円１０の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された断面のこぎり波状の波目が形成されている。

図５は、本発明の一実施形態の超音波探触子のバッキング部材の凹部側を示す模式平面図である。

この実施形態の超音波探触子は、３つの振動子のうちで中央に位置する第２振動子４の形状を変えない一方、３つの振動子のうちの一端の第１振動子９３の形状および他端の第３振動子９５の形状を大きく変化させた点が第１参考例の超音波探触子と異なる。

この実施形態の超音波探触子では、第１参考例の超音波探触子の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、この実施形態の超音波探触子では、第１参考例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１参考例の超音波探触子と異なる構成および作用効果についてのみ説明を行うことにする。

図５に示すように、この実施形態では、第１振動子９３および第３振動子９５は、同一の形状をしている。詳細には、第１振動子９３および第３振動子９５は、略頂角が２０°に設定された鋭角三角形の形状をしている。第１振動子９３および第３振動子９５の夫々の頂角側は、中央の第２振動子４に向けられている。図５に示す平面図において、第１振動子９３および第３振動子９５の夫々の超音波送受信面の垂直２等分線は、仮想球面の大円１８上に位置されている。

また、図５に示すように、第１振動子９３および第３振動子９５の夫々の大円１０方向の第２振動子側の端部の形状は、山が２つのジグザグ形状になっている。また、第１振動子９３および第３振動子９５の夫々の大円１０方向の第２振動子側と反対側の端部の形状も、山が２つのジグザグ形状になっている。換言すると、第１振動子９３および第３振動子９５の夫々の大円１０方向の第２振動子側の端部には、大円１０の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に繰り返されるのこぎり波状の波目が形成されている。この波目の山の部分は２箇所で谷の部分は１箇所になっている。また、第１振動子９３および第３振動子９５の夫々の大円１０方向の第２振動子側と反対側の端部には、大円１０の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に繰り返されるのこぎり波状の波目が形成されている。この波目の山の部分は２箇所で谷の部分は１箇所になっている。第１振動子９３および第３振動子９５の夫々おいて、超音波送受面の大円１０方向の谷の位置を結ぶ曲線は、仮想球面の大円１８上に位置している。

上記実施形態の超音波探触子によれば、第１振動子９３および第３振動子９５の第２振動子４側の形状を、略頂角が２０°に設定された鋭角三角形の形状としたため、第１参考例と比較して、第１振動子９３および第３振動子９５のノイズ超音波を最も発振しやすい第２振動子４側のエッジからのノイズ超音波は、被疲労度測定物の超音波伝播時間測定をする超音波の伝播方向に沿った方向のノイズ超音波成分が少なくなる。これは、ノイズ超音波はエッジの形状に垂直な方向に発振され易いためである。つまり、エッジの形状は被疲労度測定物の超音波伝播時間測定をする超音波の伝播方向に、より鋭角に突出することが望ましい。さらに、図１と同様に第１振動子９３および第３振動子９５のノイズ超音波を最も発振し易い第２振動子４側のエッジをのこぎり形状の波目としたため、被疲労度測定物の超音波伝播時間測定をする超音波の伝播方向に沿った方向のノイズ超音波成分どうしが干渉することでノイズ波を弱め合わせることができる。さらに、第１振動子９３および第３振動子９５の夫々の大円１０方向の両端部にのこぎり形状の波目を形成したので、この部分から発振されるノイズ超音波も被疲労度測定物の超音波伝播時間測定をする超音波の伝播方向に沿った方向のノイズ超音波成分どうしが干渉することでノイズ波を弱め合わせることができる。これらのことから、被疲労度測定物の伝播速度をより正確に測定できる。

尚、この発明に用いられる振動子は、上記高分子圧電膜を使用したものに限定されるものではなく、被疲労度測定物によっては、高分子圧電膜を使用したものとは異なる振動数の超音波を発振するコンポジット振動子、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛等を用いることもできる。

第１参考例の超音波探触子の概略を示す概略断面図である。上記第１参考例の超音波探触子の凹部側を示す模式平面図である。上記第１参考例の超音波探触子が有する第１振動子のエッジの一部の部分拡大図である第２〜第５参考例の超音波探触子のバッキング部材の凹部側を示す模式平面図である。本発明の一実施形態の超音波探触子のバッキング部材の凹部側を示す模式平面図である。

１バッキング部材
３,４３,５３,７３,８３,９３第１振動子
４,４５,５５,７５,８５第２振動子
５,９５第３振動子
７内輪
１０大円
１４,１５,１６超音波送受信面
１８大円
ｗ第１振動子における第３振動子側のエッジに形成された隣接する山の間隔
ｈ第１振動子における第３振動子側のエッジに形成された山の高さ

Claims

仮想球面の曲率と略同じ曲率の球面の一部分から成る超音波送受信面を夫々有する少なくとも二つの板状の振動子を備え、
上記少なくとも二つの振動子の超音波送受信面は、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に離間配置され、
上記少なくとも二つの振動子は、上記大円の周方向の一方側に配置される一端の振動子と、上記一端の振動子の上記大円の周方向の他方側に配置される他端の振動子とを備え、
一端の振動子は、互いに間隔をおいて位置すると共に、上記大円の周方向の他方側である他端の振動子側に行くにしたがって先細りとなる二つの縁部分を有し、
上記二つの縁部分は、上記大円の中心から見た図において、鋭角三角形の鋭角を画定する二辺に含まれ、
上記一端の上記振動子における上記大円の周方向の他方側は、上記二つの縁部分の夫々の上記他端側の振動子側の端につながっている部分を有し、その部分は、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成される波目形状を有し、
隣接する上記山の間の幅が、上記山の高さよりも小さくなっていて、
上記一端の上記振動子は、上記大円の周方向に沿った長さが、上記大円の周方向に垂直な方向の長さよりも長いことを特徴とする超音波探触子。
請求項１に記載の超音波探触子において、
上記一端の振動子における上記他端の振動子側と反対側は、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状であることを特徴とする超音波探触子。
請求項１または２に記載の超音波探触子において、
上記他端の振動子は、互いに間隔をおいて位置すると共に、上記大円の周方向の一方側である上記一端の振動子側に行くにしたがって先細りとなる二つの縁部分を有し、
その二つの縁部分は、上記大円の中心から見た図において、鋭角三角形の鋭角を画定する二辺に含まれ、
上記他端の上記振動子における上記一端の上記振動子側は、その二つの縁部分の夫々の上記一端側の振動子側の端につながっている部分を有し、その部分は、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状を有し、
隣接する上記山の間の幅が、上記山の高さよりも小さくなっていて、
上記他端の上記振動子は、上記大円の周方向に沿った長さが、上記大円の周方向に垂直な方向の長さよりも長いことを特徴とする超音波探触子。
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、
上記他端の振動子における上記一端の振動子側と反対側は、上記大円の周方向に略垂直な方向に山と谷とが交互に形成された波目形状であることを特徴とする超音波探触子。
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、
上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジに形成された隣接する上記山の間隔をｗ［ｍ］、上記山の高さをｈ［ｍ］、上記一端の振動子から発振される超音波の周波数をｆ［Ｈｚ］、および、この超音波が上記一端の振動子と被疲労度測定物との間に充填されている溶媒中を伝播するときの伝播速度をｖ［ｍ／ｓ］としたとき、
ｗ≦ｖ／（２ｆ）、
ｗ≦ｈ
であることを特徴とする超音波探触子。
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の超音波探触子において、
上記一端の振動子における上記他端の振動子側のエッジは、のこぎり波の波目形状であることを特徴とする超音波探触子。