JPH06504116A

JPH06504116A - 変換器を具えた超音波負荷表示部材

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Publication number: JPH06504116A
Application number: JP3516650A
Authority: JP
Inventors: キブルホワイト，イアン　イー．
Original assignee: ウルトラファスト，インコーポレイティド
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1994-05-12
Anticipated expiration: 2015-10-23
Also published as: CN1060526A; AU644490B2; BR9106812A; CA2090418A1; CN1121586A; DE69127201D1; WO1992003665A1; DK0544823T3; JP3102570B2; EP0544823B1; AU8729191A; CN1033055C; ES2104724T3; EP0544823A1; CA2090418C; US5131276A; DE69127201T2; RU2076252C1; GR3025181T3; CN1089435C

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】変換器を具えた超音波負荷表示部材発明の背景発明の分野本発明は負荷表示部材、特に、超音波変換器を具備する、例えば、締結具等の負荷表示部材に関する。

発明の背景多くの作業において、長手方向の応力を受ける部材の長手方向の負荷量を決定することが望ましい、かかる情報は、待に、長手方向の応力を受ける部材が締結具である場合、長手方向の応力は適切なジヨイントの存在の証明になるので有用である。

多くの従来技術は締結具それ自体に負荷表示性を持たせることによって締結具が受ける長手方向の応力量を表示するために開発されている。これは、通常、締結具の一部へピン等の細長い部材の１端部を相互連結することにより行われる。当分野に既知の種々のピンタイプの負荷表示部材および負荷測定装置のそれぞれが精度、製造の容易性または読取りの容易性等独自の利点を有するが、いずれも大幅な改良および中心ピン部材の付加を必要とする点で製造費用がかかる。その結果、かかる負荷表示部材は実際には緊急の特性表示的必要性がある場合または明らかに深刻な危険がある場合に選択的に使用されるのみである。かかるモニタから得られる利益は時折りのことにすぎないので上記部材の日常的使用には組立費用が余りにも高すぎる。

部材または締結具の伸び率を測定する他の試みは超音波測定装置を使用することである。典型例として、これは超音波変換器を測定する締結具、通常、ボルトの頭部、の１端部へ着脱自在に相互連結することによりなされる。信頼できる表示を得るためには、ボルト頭部を極めてフラットに接地し、かつ信頼できる超音波伝達媒体をボルト頭部へ付設しなければならない。上記変換器は上記ボルト上に正確に位置決めしてその間に測定する必要がある。この方法を利用する技術および装置の例は当分野において多々知られている。更に、従来技術では測定装置を締結具へ結合してボルトの伸び率の測定により得られる情報を、締結具をシャットオフするときの測定または締めつけプロセスをモニタして適正なジヨイントが形成されたかのを決定するために使用される。

上記物質および装置は締結具およびジヨイントについて信頼できる情報を提供ｒるが、それらの用途は非常に限定されている。これは、主として、上記ボルトが注意深く製造されかつその機器への接近が簡単でなければならないことによる。

このように、超音波引張測定は較正、適用試験のためおよび非常に臨界的なジヨイントを締換している。しかし、超音波引張測定と組み合わせる実用的困難性が一般的組立体締結戦法としてその利用を妨げていた。かかる実用的困難性として、締結中に信頼性のある音響結合を維持する困難性、設備費用および設備の煩雑さによる困難性、および各ジヨイントのパラメータの経験的決定による困難性がある。

圧電変換器または他の超音波変換器をその部材それ自体へ組み込むことにより上記困難性を克服するための幾つかの試みがなされている。かかる部材の例として、１９７８年１１月２８日にＤａｕｇｈｅｒｔｙに付与された米国特許第４，１２７，７８８号および１９８１年１０月１３日にＣｏｕｃｈｍａｎにしている。

しかし、上述のピンタイプの締結具と同様に、上記据λつけ締結具は大きく複雑な超音波感知装置を受認するために大幅に改良されている。従って、これらを広範囲に使用するには禁止的価まれだ薄い圧電ポリマーフィルムの使用を教示している。このポリマーフィルムは部材の上面へ永久的に機械的かつ音響的に結合されており超音波法により該部材の性質に依存する長さ、引張負荷、応力、その他の引張負荷を決定するために使用される。この発明は性能、製造の容易性、製造コストの点で従来技術以上の進歩を有するが、この構成の変換器に伴ういくつかの欠点を有する。かかる欠点は環境性能、特に、その利用を制限するポリマー材の最高温度の制限に関し、かつ接着剤で締結具に固定される変換器の可能性、つまり緩みやす（、臨界組立体を妨害またはそれに損傷を与える。

締結具等量も応力を受ける部材はその部材の長手に沿って異なる応力を受ける。

従って、部材の特定部の応力を決定することが望ましい。人工的反射鏡を組み込んだ負荷表示部材の使用は部材の特定部にわたる性質の負荷を測定する手段を提供する。米国特許第４　、５６９　、２２９９号でｄｅ）Ｉａｌｌｅｕｘは人工的超音波反射鏡を組み込んだ部材の製造方法および測定方法を教示している。５ｔｅｂｌａｙの米国特許第４．６０１，２０７号は鉱物屋根ボルトおよび人工的反射鏡を組み込んだ鉱物屋根ボルトの歪を測定する手段を開示しており、ここで人工的反射鏡は該ボルトの頭部から所定距離をおいて該ボルトから半径方向へ穿孔された孔である。

負荷表示部材の応力を決定するための上述の全超音波法は部材の絶対的負荷を決定するために所望負荷条件下での測定に加えてゼロ負荷測定を必要とする。更に、上記全方法は長手方向の超音波のフライトの出発帰着時間の直接的または間接的測定を利用する。　Ｈｏ１ｔの米国特許第４．６０２．５１１９号の長手および横断方向波の両フライト時間を使用してゼロ負荷測定を採ることなく部材の応力を決定する。

これは、例えば上述の据えつけ締結具の引張負荷の測定に望ましい。

しかしながら、横断方向の超音波の使用は横断波を発生させることのできる変換器、および横断波を部材へ伝送できる音響結合媒体を必要とする。横断波は一般的に液体へ透過−一ないので、特定音響カプラントが一時的に取りつけた変換器に要求される。接着剤は横断超音波を透過するが、米国特許第４．８４６，００１号でＫｉｂｂｌｅｉｙｈｉｔｅにより開示されたポリマーフィルムを用いた横断波の発生は実証されていない。

従って、望まれるものは締結具に永久的に取りつけられた超音波変換器であって組立中に精確な締結情報を付与し、緩むことなく臨界組立体を妨害せずまたはそれに損傷を与えないものである。

第２に、締結具に永久的に取りつけられたかかる超音波変換器は作業環境、特に、締結具の作業温度に耐え、締結具が再使用でき、または締結具の負荷が負荷表示締結具が設置される組立作業中に周期的に測定できるようなものが望まれる。

更に、締結具に永久的に取りつけられたかかる超音波変換器はすでに設置され締結具の応力の測定のために長手および横断方向の波を伝送できるものであることが望まれる。

更に、締結具に永久的に取りつけられたかかる超音波変換器は締結真向の人工的反射鏡へ向けて超音波を誘導するために製造できるものであることが望まれる。

更に、締結具に永久的に取りつけられたかかる超音波変換器はフライトの出発帰着時間の測定の精度を向上するために、例えば１〇−５００ＭＨｚの高周波の超音波を発生させるために製造できるものであることが望まれる。

更に、締結具に永久的に取りつけられたかかる超音波変換器は小さい超音波人工反射鏡または小さい製造陥没の検出のための分離能を向上させるために、例えば１０−５０１０−５〇０高周波の超音波を発生させるために製造できるものであることが望まれる。

更に、締結具に永久的に取りつけられたかかる超音波変換器は製造工程の一部として分離高電圧分極作業を必要としないものであることが望まれる。

更に、締結具に永久的に取りつけられたかかる超音波変換器は大量生産により低コストで製造できるものであることが望まれる。

発明な概要本発明は負荷表示部材、特に、超音波変換器を具備する、例えば部材、負荷表示締結具および負荷表示装置に従来は見られなかった付加的特徴および利点を提供するものである。

本発明の負荷表示部材は長手方向の応力を受けて弾性変形するシャンク、および第１並びに第２面を有し、各面は上記シャンクの長手１端部に隣接して形成されている。上記第１および第２電極手段と機械的かつ電気的に永久的に相互結合された圧電素子は上記シャンクの第１面上に設置される。上記圧電素子は莫着法により上記第１および第２を極手股上に生長させた薄い延伸圧電フィルムである。

好ましい態様において、上記圧電素子は酸化亜鉛（ＺｎＯ）の薄い延伸フィルムでありかつ上記第１ｉ１極手段は上記部材の第１面である。

更に、この好適態様において、上記第２を極手段は導電性金属フィルムである。

更に、この好適態様において、上記負荷表示部材は拡大頭部を有する負荷表示締結具であり、上記第１面は上記締結具の頭部上に形成されている。

本発明により負荷表示部材を製造する方法は、上記締結具の長手１端部上に平滑面を形成し、上記第１電極手段上に蒸着法により圧電延伸フィルム素子を生長させ、かつ上記第１電極手段から上記第２電極手段を電気的に隔離するように上記圧電素子へ上記第２電極手段を機械的かつ電気的に永久的に相互結合する工程を含む。

本発明による負荷表示部材を製造する他の方法は、上記締結具の長手ｌ端部上の面を提供し、上記第２電極上に蒸着技術を用いて圧電延伸フィルム素子を生長させ、かつ上記第２１極手段から上記第１電極手段を電気的に隔離するように上記第１電極手段へ上記圧電素子を機械的、電気的かつ音響的に永久的に相互結合する工程を含む。

本発明による負荷表示装置は第１１を極手段と電気的に保合自在の第１接触手段、第２電極手段と電気的に保合自在の第２接触手段、および長手方向の応力を受けたときの上記負荷表示部材の引張負荷を測定できるように上記第１を極手段と上記第２を極手段との間の示差電子信号に応答する電子制御装置を有する。

好ま巳い態様において、上記圧電素子は示差電子信号を発生させるように超音波信号を発生する駆動手段を有してよい。更に、好適態様において、上記負荷表示部材は電導性であり、かつ上記第１接触手段は上記第１接触手段の上記負荷表示部材との保合により間接的に上記第１電極手段と電気的に係合する。

本発明による締めつけ器具は第１および第２電極手段にそれぞれ電気的に保合自在の第１および第２接触手段、負荷受は部材の引張負荷を誘導するための負荷付与手段、および引張負荷を精確に測定するために示差電子信号に応答する負荷測定装置を有する。

本発明による締めつけ器具は負荷表示締結具と保合自在の導電性締結具保合手段、上記負荷表示締結具の第２電極手段と保合自在の接触部材、上記負荷表示締結具を回転駆動するために上記締結具係合自在手段上にトルクを与える駆動手段、および締めつけ工程の結果として長手方向の応力を受けたときの上記締結具のシャンクの引張負荷を精確に測定するために上記締結具保合手段と上記接触手段から受信した示差電子信号に応答する負荷測定装置を有する。

上記負荷測定装置の出力は上記締結具の瞬間引張負荷を連続的に読み取るために使用でき、また、上記締結作業が完全であるときを決定もしくは予め締めつけられた締結具の負荷を表示するために使用できる。上記負荷表示部材が締結具である場合、上記負荷測定装置は締結具締めつけ器具と共に使用でき、更には、上記締めつけ器具へ直接組み込まれてもよい、上記負荷測定装置を組み込んだ締結具締めつけ器具が自動締めつけタイプである場合には、上記負荷測定装置の引張負荷表示は上記締結具締めつけ器具によりモニタされた他のパラメータ、例えば角度およびトルク等と組み合わせてその締めつけサイクルが完全であることを決定しかつそのジヨイントの不規則性を検出できる。

本発明の主課題は部材の作業寿命中に取りつけられている超音波変換器を有する安価な負荷表示部材を提供することにある。本発明の他の課題は性能劣化を伴うことなく締結具の作業温度に耐えうる超音波変換器を有する負荷表示部材を提供することにある。本発明の他の課題は横断および長手方向の超音波を伝送できる超音波変換器を有する負荷表示部材を提供することにある。更に、本発明の他の課題は負荷表示部材内で人工反射鏡へ超音波を誘導するために製造できる超音波変換器を有する負荷表示部材を提供することにある。

更に、本発明の他の課題は負荷測定装置の測定精度および分解能を向上させるために高周波の超音波を発生させるために製造できる超音波変換器を有する負荷表示部材を提供することにある。

本発明の上記および他の課題、特徴および利点は添付図面を参照して以下に例示として詳述する説明から当業者に理解されるである図１は本発明による負荷表示部材の例を示す斜視図である。

図２は図１の負荷表示部材を示す拡大断面図である。

図３は本発明による負荷表示部材の他の例を示す、図２と同様の断面図である。

発明の詳細な説明本発明はシャンクおよび超音波変換器を結合して成る負荷表示部材を提供する。

上記超音波変換器手段は上記部材の適宜位置で上記部材シこ結合できる。１以上の超音波変換器が本発明により使用できる。例えば、超音波駆動パルスを発生させるための第１１音波変換器が上記駆動パルスを音響反射面もしくは第２超音波変換器へ誘導されるように上記負荷表示部材の第１面へ結合されてよい。また、第１音響反射面もしくは第１超音波変換器からエコー波を受信するのに通した第２超音波変換器が上記部材上の異なる位Ｉで上記部材へ結合されてよい。ただし、駆動パルス波を発生させかつエコー波を受ける単一超音波変換器の使用が好ましい。更に、超音波変換器は、接着剤等による相互結合手段の必要を無くすために上記部材の第１面へ機械的、電気的かつ音響的に相互結合するために蒸着法を用いて上記負荷表示部材の第１面上に直接的に生長させるのが好ましい。上記超音波変換器手段は環境障害物から上記変換器手段を保護するために凹部内に設けられてよい。

上記負荷表示部材は締めつけ作業中、または素子を取りつけたジヨイントの寿命中の随時に引張負荷、応力、伸び率または他の性質を表示するために改良されたボルト、リベット、ロンド、スタンド、その他の構造素子から形成されてよい。

更に上記負荷表示部材は金属、プラスチング、その他の超音波を伝送する適宜材料で形成されてよい。

本発明の負荷表示部材は、当業者に理解されるように電気的かつ機械的に上記負荷表示部材と係合する、従来動力器具を含む締めつけ器具と共に使用できる。更に、電子制御装置が当分野で既知の技術により超音波変換器に電気的に相互結合されてよい、上記電子制御装置は上記負荷表示部材のシャンクの引張負荷、応力および伸び率の超音波測定を可能にするために超音波変換器へ電子信号を供給しかつそれを測定する。

本発明の締めつけ器具は作業中に得られた引張負荷、応力、伸び率または部材の認定の超音波測定を表示するために表示装置を具備していてよいことは当業者に理解されるであろう、更に、上記締めつけ器具は所定量の引張負荷または伸び率が発生するとき、従って、締めつけ作業ｉ停止すべきときを決定するために上記電子制御装置により連続的に供給された情報を使用できるものである０選択された動力器具は、当分野で周知のように、上記負荷表示部材のトルクおよび瞬時の角度等、形成されるジヨイントの他の性質をモニタできることは当業者に理解されるであろう。かかる動力器具例は、１９８２年８月１７日にＦｉｎｋｅｌｓｔｏｎに対して発行された米国特許第４，３４４．２１６９号で知られている。

上記動力器具から利用できる他の情報は、精確に制御された締めつけ作業を可能にするために電子制御装置により供給された引張負荷、応力、伸び率または部材認定の情報と組み合わせることができる。ここでは種々の測定パラメータが締めつけシーケンスを制御するためにまたは締めつけ作業の結果をモニタするために直接使用される。

上記部材に沿った超音波のフライト時間の測定のために本発明と共に使用できる装置例は、１９８９年７月１１日にＫ　ｉｂｂ　ｌｅｗｈ　ｉ　ｔｅに対して発行された米国特許第４，８４６．００１９号に記載されており、従って、本発明に参考として組み込まれている。上記フライト時間の測定のための他の多くの技術が、非破壊試験の分野における超音波開発の結果として当分野で周知である。

それらの多くの技術は要求される分解能および精度を提供できる。しかし、それらの幾つかは精確な測定、回路の煩雑性、および電力消費のためにパルス数を条件とした特定利点を有する。本発明の負荷表示部材はパルス−エコー技術と共に使用されるのが好ましいが、当分野の既知の他の技術、共鳴技術、アコースティックエミッション応力測定技術等が使用できる。

本発明の理解は添付図面を参照することにより明瞭にされる０本発明の特定形態が図示されているが、その説明は本発明の範囲を制限するものでない。

図１および２は負荷表示部材の好ましい態様、特に、締結具１０の歪を測定するために構成された締結具１０を示す。この態様の締結具１０は長手軸１２および所定長手長のシャンク１１から成るボルトである。

シャンク１１は長軸１２に沿って長手方向の歪みを受けるように構成されている０頭部１３はシャンク】１の長手の１端部上に形成され、かつねし山１４は長手の他端部に形成されている。頭部１３はその端部上に端面１５を有し、かつシッルダ１６は頭部１３とシャンク１１との間に形成されている。下面１７はシャンク１１の反対端部に形成されている０頭部１３は、また、周辺に六角形のレンチ面等しンチ面または器具保合面を有する。

圧電素子が２つの電導性電極間にサンドイッチにされていなければならず、該電極は超音波変換器１９として機能するために電荷を分配かつ収集することは当業者に理解されるところである。好ましい！！様として、締結具１０は金属性であり、従って、締結具１０の１面は第１を橿として機能する。

好ましくは、図２の拡大断面図のごとく、端面１５は平滑面として、典型的には２ミクロン以上のより良い仕上げ面に形成し、圧電素子２１は、生長後に圧電特性を発揮することで知られる延伸フィルムを蒸着法により生長させることにより端面１５上に直接形成する。

酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、ジルコン酸塩チタン酸鉛（Ｐｂ　［Ｚｒ、　Ｔｉｌ　Ｏｚ）、および硫化カドミウム（ＣｄＳ）が文献に引用された材料中にある。Ｇ、　Ｙｉ、　Ｚ、　Ｗｕと５ａｙｅｒは’Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆＰｂ［Ｚｒ、Ｔｉ１Ｏｉ）　Ｔｈ１ｎ　Ｆｉｌｍｓ　ｂｙ４ ζｌ　Ｇｅｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　；　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ。

０ｐａｔｉｃａｌ、　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ’　、　Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓｉｃｓ６４（５）、　２７１７−２７２４頁（１９８８年９月１日）においてその必要とされる圧電特性を発表している。これらの材料は表面音波、バルク音波および共鳴装置等の電子コンポーネントの製造に使用される。５ｏｎｉｃｓ＆　ＩＪｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、　５Ｕ− ２８４！＋　Ｎｏ、Ｉｔ　８−１３頁（１９８１年１月）に掲載のＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、による”Ｂｕｌｋ　Ｌｌｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｅ＋＊ｐｌｏｙｉｎｇＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｆｉｌｍ　ｏｎ　Ｔｈ１ｎ　Ｍｅｔａｌ　５ｈｅｅｔ″でＷｈｉｔｅ、　ＣｈｕａｎｇおよびＬｅｅにより検討されたようにこれらの材料のアコーステックエミッションおよび非破壊試験利用における試験的使用も報告されている。圧電素子２１の好ましい態様は酸化亜鉛であるが、他の材料が代用されてよく、特に、圧電特性の改良されたもの、環境抵抗の改善されたもの、または製造コストの廉価なもの等望ましい特性を有するものがよいことは当業者に理解されるところである。

圧電延伸フィルムを生長させる好適溶着法は当業者に既知でありかつ文献に広範囲に掲載されている。Ｊ、　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ、　５６（１１）　。

３３０８−３３１８頁（１９８４年１２日）に掲載のＫｒｕｐａｎｉｄｈｉおよび５ａｙｅｒによる”Ｐｏ５ｉｔｉｏｎ　＆　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ＲＦ　Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ　ＲｅａｃｔｉｖｅＳｐｕｔｔｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｚｉｎｃ　０ｘｉｄｅ ”の文献には、スプレィ熱分解、科学莫着、ｄｃ　ダイオード、ｄｃおよびｒｆマグネトロンスパッタリング等の生長法が適宜特性を有する酸化亜鉛の延伸圧電フィルム製法として掲載されている。スパッタリングによる蒸着は高延伸のフィルムが得られる点で有利である。同様材料により薄いフィルムを製造する方法も、Ｙｉ、　Ｈｕ、および５ａｙｅｒにより上記文献に記載されたようにゾル−ゲル（“ゾル化−ゲル化”）法を含み掲載されている。

締結具または締結具面の調製は図２の端面１５上に圧電素子を形成する前に蒸着法により行われることは当業者に理解されるところである。かかる調製は、例えば、電気伝導または接着、ケミカルエンチングまたはクリーニングを改善するためのコーティングを含む。

図２の第２電極２３は永久的に圧電素子２１へ機械的かつ電気的に結合される。

相互結合されると、圧電素子２１と第２電極２３は図１のごとき変換器素子１９を形成する。第２を極２３は蒸着法により溶着した金属層で形成されてよい。導電性インキまたはペイント、選択的に、導電性フォイルが圧電素子２１へ接着側等により結合されてよい。第２電極２３は、第１電極、締結異端面１５から電気的に隔離されるように圧電素子２１へ相互結合される。

圧電素子の材料は電気絶縁体であることが必須であり、第２電極２３が圧電素子２１の面上の電荷を分配かつ収集するように働くので、図２の好ましい態様において、本発明により製造された圧電素子２１の有効変換器域は第２電極２３の領域により画定されることは当業者に理解されるであろう。この結果、本発明の上記好ましい態様において圧電素子２１を製造中に精確に位置決めしたりマスキング法を使用する必要はない。

圧電素子２１の周波数特性は該素子の厚みに依存することは当業者に理解されるところである。上記フィルム厚は生長具合およびその時間を制御することにより上記製造法を用いて精確に制御できることも当業者に理解されるであろう、従って、この結果として、圧電素子２１の周波数特性は広範囲の周波数にわたって精確に制御できる。

高い周波数の超音波変換器の使用はエコー波形を短時間で上昇降下させることによりフライト測定精度の時間を改良し、かつより短い波長の超音波の分散を減少することにより小さい反射面または小さい締結具の製造上の欠点の検出分解能を改良することも、また、当業者に理解されるであろう０本発明の好ましい！１４１において、共に１から５０ミクロンの範囲の圧電素子厚および第２電極厚が使用され、かつ変換器周波数の範囲は１から５００ＭＨｚの範囲で使用される。

圧電延伸フィルムの結晶斜角は上記製造工程中に制御できることは文献に記載されている。ＩＥＥＥ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、　４８０ −４８３頁（１９８２）掲載の−ａｎｇおよびＬａｋｉｎによる”５ｐｕｔｔｅｒｅ　Ｃ−ａｘｉｓｉｎｃｌｉｎｅｄＺｎＯＦｉｌｍｓ　ｆｏｒ　５ｈｅａｒ　Ｗａｖｅ　Ｒｅ５ｏｎａｔｏｒｓ”には、上記斜角制御の実行可能性、および斜角制御によって蒸着法で製造された酸化亜鉛圧電素子から発生する長手方向および横断方向の超音波の部分的コンポーネントの制御をデモンストレートした実験結果が掲載されている。米国特許第４，６０２，５１１号にＨａｌｔにより開示されたように負荷表承部材の引張負荷の測定における長手および横断方向波の使用はゼロ負荷測定を採ることなく部材の応力測定を可能にしいてる。これは、例えば、予め設置された締結具の引張負荷の測定に望ましい。

１９８９年７月１１日に発行されたＫｉｂｂｌｅｗｈｉｔｅの米国特許第４，８４６．００１９号、および１９８９年ｌＯ月１１日に発行されたＣｏｕｃｈｍａｎの米国特許第４．２９４．１２２９号の発明は、圧電素子が負荷表示部材への相互結合前に製造されるので、負荷表示部材に圧電素子を結合するために機械的、電気的かつ音響的相互結合手段を必要とする。この相互結合手段は、例えば、接着剤である。満足できる相互結合手段を提供する困難性は機械的、電気的かつ音響的相互結合手段を必要することに関係する。第１に、例えば、航空機エンジン等の多く締結具用途の接着要求に適合する相互結合剤は市販されていない。第２に、相互結合剤は負荷表示部材に圧電素子を電気的に相互結合しなければならないので、かかる相互結合剤は導電性であるか、または負荷表示部材へ圧電素子から電気信号を容量結合できるだけの薄さでなければならない。第３に、相互結合手段は圧電素子から負荷表示部材へ超音波を伝達する手段を提供するのに通した音結合媒体でなければならない。例えば気泡の混入は受信されたエコー信号の振幅を太き（減少させる。従って、本発明の延伸圧電素子の直接的蒸着は従来技術の上記困難性を解消することが当業者に理解されるであろう。

１９８９年７月ｉｔ日に発行されたＫｉｂｂｌｅｗｈｉｔｅの米国特許第４．８４６，００１号により開示された従来技術による圧電フィルム材は暑中中キ＃纂す一シ÷骨→ポリ弗化ビニリデン←またはコポリマーＶＦ２／ＶＦ３等のポリマー材である。これらの材料の圧電気性は１２５℃を越える温度に露出されると破壊される。負荷表示締結具組立体は多くの用途、例えば、臨界締結具が高温を受ける自動車および航空機のエンジン等に使用される。従って、上記引用中発明の負荷表示部材または負荷表示部材上の変換器は同一の超音波締結法により該組立体を再組立すべくその組立作業中に！換されなければならない。更に、１５゜から２００°Ｃの範囲の温度で、上記ポリマー材は溶融して電極を喪失させて該組立体の臨界コンポーネントを損傷する危険を伴うかまたは損傷させる。その結果、上記引用した多くの組立体の負荷表示部は、例えば、１９７５°Ｃである。

上記引用発明に開示された圧電ポリマー材の使用の他の欠点は、製造中に高電圧の別途重合作業を必要とすることである。この高電圧重合作業は圧電素子のコストを相当に増大させる０本発明においては、圧電素子は延伸形成されているので、高電圧重合作業はその製造工程に含まれない。

上記引用発明の圧電ポリマー材は、理論的には、超音波パルスエコー用途において使用される場合、本発明の材料よりも僅かに効果的である。しかし、本発明の変換器は圧電素子とその締結具面との間の相互結合を改良し、かつ圧電素子と負荷表示締結具との音響インピーダンスをより近づけて整合した結果として負荷表示締結具へのまたは負荷表示締結具からの超音波の伝達をより一層効果的にした。この超音波の伝達効果の改良は材料の圧電効率の相違を大きく補填する。

更に、変換器の全体的効率における大きな変化は、変換器手段と負荷表示部材との間に相互結合手段を設けると言う製造上の変化の結果と共に上記引用発明の負荷表示部材により試験されている。この相互結合手段、そしてその結果としての性能変化は本発明の好ましい態様において解消されている。

従って、本発明の莫着法を使用して負荷表示部材上に、直接、圧電素子を製造すること、および本発明により圧電変換器素子を形成するために使用できる材料の利用は、従来負荷表示部材の性能を大幅に改良した負荷表示部材を提供する。

図３から９は本発明の他の態様を示す。図３の１１様において、端面２７は頭部３１内の凹部２９内の負荷表示部材２５上に形成されている。

図４の本発明の他のＬｉｉ様において、第２電極４１と第１電極、これは図４の態様において端面３７、との間の電気ショートを起こさせる粒子または汚染物を排斥するために、また圧電素子３９の性能劣化を招く溶剤等の環境障害物から圧電素子３９を保護するために、付加層４３が第２ｉｔ極４１、圧電素子３９および負荷表示部材３５の端部３７の外部にわたって形成されている。

図５のＢ様は浅い凹部４９を頭部４７内に有する締結具４５である。この１！様において、付加層５１は環境障害物から圧電素子５３を保護するために使用されている。

本発明の上記全態様において、超音波変換器として機能する圧電素子の部分はフラットであることが必須であり、負荷表示部材のフラット面上に蒸着により形成されている。図６は本発明の他の態様例を示す。ここでは、長手方向の超音波、横断方向の超音波、または長手および横断方向の超音波を負荷表示部材６１の面７１と同様に他の反射面６７および６９へ向かわせるために超音波変換器を設けるように、圧電素子６３は負荷表示部材６１の表面６５上に形成されている。超音波を特定反射面へ向かわせる、または収斂するために本発明の圧電素子を形成する種々性の端面形態が採用できることは当業者に理解されるところである。

本発明の他の態様として図７では圧電素子は第２１を極上に形成されている。この！Ｓ様において、圧電素子７５は第２電極７７上に先ず形成される。第２電極７７は金属フォイル等の薄い導電材である。次いで、圧電素子７５が接着剤等の相互結合手段８１と共に負荷表示部材７３の頭部７９上の面８３へ永久的に機械的、電気的、かつ音響的に相互結合される０図７の本発明の！！様の利点は圧電素子７５の製造の容易性にある。ただし、この態様は負荷表示部材の表面上に、直接、圧電素子を形成する結果として上述したような利点を有しない。

本発明の上記態様において、超音波変換器手段はその頭部を形成する負荷表示締結具の長手端部の表面へ相互結合される。この変換器手段は図８の本発明の！ａ、様で示したように負荷表示締結具の他の長手端部へ相互結合されてもよい。

この態様では、負荷表示部材との接続に使用されるす７トを引張負荷を誘導するために締結具設置中に締めつけ器具により回転させるのが好ましい、この態様において、変換器８５は締結具８４の端面８７上に形成されている。

上記全態様は延伸圧電フィルムと機械的かつ電気的に相互結合した第２を極を有する。図９は図２と同様の本発明の他の！ａ樟を示すが、永久的に相互結合された第２電極を有しない。このａｍでは、第２電極は、引張負荷、伸び率、または応力の超音波測定中に延伸圧電フィルムと接触または接近させた負荷測定装置へ電気的に結合した導電プレートによって提供される。

本発明は特定！！様に関して説明されたが、本発明の種々の他の形態および変形が当業者に自明であることは明らかである。添付請求の範囲および本発明は本発明の精神および範囲におけるかかる自明形態および変形の全てに及ぶものと考えられるべきである。

■ ■ 国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．応力を受けて１部が他部に対して移動するように変形する負荷受け部材を提供し、上記負荷受け部材が第１電極として機能する第１面を有する、および上記第１面上で音響電気フィルムを含む超音波変換器手段を直接生長させて上記第１面へ上記音響電気フィルムを機械的、電気的かつ音響的に相互結合する、工程から成ることを特徴とする負荷表示部材を製造する方法。
２．上記超音波変換器手段の第２電極を上記音響電気フィルムの露出面上に、上記第２電極を上記音響電気フィルムへ機械的、電気的かつ音響的に相互結合し、かつ上記第２電極を上記第１電極から電気的に隔離すべく形成する工程を更に含む、請求項１の方法。
３．上記第２電極から外方へ延びる電気絶縁封入層を形成して上記音響電気フィルムの露出面を被覆する工程を更に含む、請求項２の方法。
４．上記音響電気フィルムを蒸着により生長させる、請求項１の方法。
５．上記音響電気フィルムをマグネトロン・スパッタリングにより生長させる、請求項１の方法。
６．上記音響電気フィルムが酸化亜鉛、硫化カドミウム、ジルコン酸塩チタン酸鉛および窒化アルミニウムから成る群から選択される、請求項１の方法。
７．上記音響電気フィルムは上記超音波変換器手段により長手および横断方向の超音波を送信かつ受信できるように斜角で生長させる、請求項１の方法。
８．上記第２電極を蒸着により形成する、請求項２の方法。
９．上記第２電極を導電性金属フィルム、ペイントおよびインキから成る群から選択する、請求項２の方法。
１０．上記第２電極は接着剤で上記音響電気フィルムへ接着された金属フォイルから成る、請求項２の方法。
１１．上記音響電気フィルムは１から５０ミクロン厚である、請求項１の方法。
１２．上記第１面を上記第１面上に上記音響電気フィルムを形成する前に導電性フィルムで被覆する、請求項１の方法。
１３．上記負荷受け部材は凹部と共に長手端部を有するシャンクを有し、かつ上記第１面は上記凹部内に形成される、請求項１の方法。
１４．上記第１面は上記第１面上に生長した上記超音波変換器手段から上記第１面から遠隔の上記負荷受け部材の端部へ向けて超音波を誘導すべく形成される、請求項１の方法。
１５．上記第１面から所定距離おいた上記負荷受け部材上へ第２面を形成する工程を更に含み、上記第１面は上記第１面上に生長した上記超音波変換器手段から上記第２面へ向けて超音波を誘導すべく形成され、かつ上記第２面は上記第１面上の上記超音波変換器手段から上記第１面上の上記超音波変換器手段へ超音波を逆反射させるべく形成される、請求項１の方法。
１６．頭部および上記頭部から延びるシャンクを有する締結具を提供し、上記シャンクは長手方向の応力を受けてその１部が他部に対して移動するように変形し、上記締結具は第１電極として機能する第面を有する、かつ上記第１面上で音響電気フィルムを含む超音波変換器手段を直接生長させて上記第１面へ上記音響電気フィルムを機械的、電気的かつ音響的に相互結合する、工程から成ることを特徴とする負荷表示部材を製造する方法。
１７．上記超音波変換器手段の第２電極を上記音響電気フィルムの露出面上に、上記第２電極を上記音響電気フィルムへ機械的、電気的かつ音響的に相互結合し、上記第２電極を上記第１電極から電気的に隔離できるように形成する工程を更に含む、請求項１６の方法。
１８．上記第２電極から外方へ延びる電気絶縁封入層を形成して上記音響電気フィルムの露出面を被覆する工程を更に含む、請求項２の方法。
１９．上記第１面を上記頭部に隣接して上記締結具の長手端部上に形成する、請求項１６の方法。
２０．上記第１面を上記頭部から遠隔の上記締結具の長手端部上に形成する、請求項１６の方法。
２１．上記音響電気フィルムをマグネトロン・スパッタリングにより生長させる、請求項１６の方法。
２２．上記音響電気フィルムを蒸着により生長させる、請求項１６の方法。
２３．上記音響電気フィルムが酸化亜鉛、硫化カドミウム、ジルコン酸塩チタン酸鉛および窒化アルミニウムから成る群から選択される、請求項１６の方法。
２４．上記音響電気フィルムは上記超音波変換器手段により長手および横断方向の超音波を送信かつ受信できるように斜角で生長させる、請求項１６の方法。
２５．上記第２電極を蒸着により形成する、請求項１７の方法。
２６．上記第２電極を導電性金属フィルム、ペイントおよびインキから成る群から選択する、請求項１７の方法。
２７．上記第２電極は接着剤で上記音響電気フィルムへ接着された金属フォイルから成る、請求項１７の方法。
２８．上記音響電気フィルムは１から５０ミクロン厚である、請求項１６の方法。
２９．上記第１面を上記第１面上に上記音響電気フィルムを形成する前に導電性フィルムで被覆する、請求項１６の方法。
３０．上記第１面を上記シャンクの長手端部上の凹部内に形成する、請求項１６の方法。
３１．上記第１面は上記第１面上に生長した上記超音波変換器手段から上記第１面から遠隔の上記締結具の長手端部へ向けて超音波を誘導するように形成される、請求項１６の方法。
３２．上記第１面から所定距離おいた上記締結具上へ第２面を形成する工程を更に含み、上記第１面は上記第１面上に生長した上記超音波変換器手段から上記第２面へ向けて超音波を誘導するように形成され、かつ上記第２面は上記第１面上の上記超音波変換器手段から上記第１面上の上記超音波変換器手段へ超音波を逆反射させるように形成される、請求項１６の方法。
３３．頭部および上記頭部から延びるシャンクを有する締結具を提供し、上記シャンクは長手方向の応力を受けてその１部が他部に対して移動するように変形し、上記締結具は上記シャンクの長手１端部上で第１電極として機能する第１面を有する、金属フォイル上で蒸着により音響電気フィルムを含む超音波変換器手段を生長させて上記金属フォイルへ上記音響電気フィルムを機械的、電気的かつ音響的に相互結合し、上記金属フォイルは上記超音波変換器手段の第２電極として機能する、かつ上記音響電気フィルムを上記締結具の第１面へ機械的、音響的かつ電気的に相互結合して上記第１電極から上記第２電極を電気的に隔離する工程から成る、負荷表示部材を製造する方法。
３４．上記第２電極から外方へ延びる電気絶縁封入層を形成して上記音響電気フィルムの露出面を被覆する工程を更に含む、請求項３３の方法。
３５．上記音響電気フィルムをマグネトロン・スパッタリングにより生長させる、請求項３３の方法。
３６．上記音響電気フィルムが酸化亜鉛、硫化カドミウム、ジルコン酸塩チタン酸鉛および窒化アルミニウムから成る群から選択された延伸圧電気フィルムである、請求項３３の方法。
３７．上記音響電気フィルムは上記超音波変換器手段により長手および横断方向の超音波を送信かつ受信できるように斜角で生長させた延伸圧電気フィルムである、請求項３３の方法。
３８．上記音響電気フィルムは１から５０ミクロン厚である、請求項３３の方法。
３９．上記第１面を上記シャンクの長手１端部上の凹部内に形成する、請求項３３の方法。
４０．上記第１面を上記第１面へ相互結合された上記超音波変換器手段から上記第１面から遠隔の上記締結具のシャンクの第２長手端部へ向けて超音波を誘導するように形成する、請求項３３の方法。
４１．応力を受けて変形しかつ第１電極として機能する第１面を有する負荷受け部材、および上記第１面へ音響電気フィルムを機械的、電気的かつ音響的に相互結合すべく上記負荷受け部材の第１面上に合致させて直接生長させた音響電気フィルムを含む超音波変換器手段から成る、負荷表示装置。
４２．上記超音波変換器手段は上記第１電極から電気的に隔離されかつ機械的、音響的かつ電気的に上記音響電気フィルムと相互結合されるべく上記音響電気フィルムの露出面上に形成された第２電極を更に含む、請求項４１の負荷表示装置。
４３．上記第２電極は導電性金属フィルム、インキ、ペイントおよびフォイルから成る群から選択されている、請求項４２の負荷表示装置。
４４．汚染を排斥しかつ環境障害物による損傷を防止するための、上記第１面、上記音響電気フィルム、および上記第２電極の露出部上に延在する電気絶縁封入層を更に含む、請求項４２の負荷表示装置。
４５．上記音響電気フィルムが酸化亜鉛、硫化カドミウム、ジルコン酸塩チタン酸鉛および窒化アルミニウムから成る群から選択された延伸圧電気フィルムである、請求項４１の負荷表示装置。
４６．上記音響電気フィルムは１から５０ミクロン厚である、請求項４１の負荷表示装置。
４７．上記第２電極は１から５０ミクロン厚である、請求項４２の負荷表示装置。
４８．上記第１面と上記音響電気フイルムとの間で上記第１面上にコーテングを更に含む、請求項４１の負荷表示装置。
４９．上記負荷受け部材は凹部を有し、かつ上記負荷受け部材の上記第１面は環境障害物から上記超音波変換器手段を保護するために上記凹部内に設けられている、請求項４１の負荷表示装置。
５０．上記超音波変換器手段は上記負荷受け部材の作業温度で性能劣化を伴うことなく機能する、請求項４１の負荷表示装置。
５１．電子信号を上記超音波変換器手段へ供給かつそこから移動させるための、上記超音波変換器手段へ電気的に相互結合された電子制御器を更に有する、請求項４１の負荷表示装置。
５２．上記超音波変換器手段は１から５００Ｍｈｚの間の高い周波数の超音波を発生させ、上記超音波は本装置の精度と分解能を向上させるものである、請求項４１の負荷表示装置。
５３．上記音響電気フィルムは上記超音波変換器手段による長手および横断方向の超音波の送受信を可能にする斜角を有する延伸圧電フィルムである、請求項４１の負荷表示装置。
５４．上記負荷受け部材は音響的に反射する第２面を有し、上記負荷受け部材の第１面は超音波を上記超音波変換器手段から上記第２面へ誘導することができ、かつ上記負荷受け部材の第２面は上記超音波変換器手段から受けた超音波を上記超音波変換器手段へ逆反射させることができる、請求項４１の負荷表示装置。
５５．上記負荷受け部材は超音波を伝送するのに好適な材料である、請求項４１の負荷表示装置。
５６．上記負荷受け部材は締結具である、請求項４１の負荷表示装置。
５７．上記締結具はボルト、リベット、ロッドおよびスタッドからなる群から選択されている、請求項５６の負荷表示装置。
５８．上記締結具は頭部および上記頭部から長手方向へ延在するシャンクを有し、上記シャンクは長手方向の応力を受けて変形する構成になっている、請求項５６の負荷表示装置。
５９．上記締結具の第１面は上記頭部に隣接した上記締結具の長手端部上に設けられている、請求項５８の負荷表示装置。
６０．上記締結具の第１面は上記頭部から遠隔の長手端部上に設けられている、請求項５８の負荷表示装置。
６１．応力を受けて変形しかつ第１電極として機能する第１面を有する負荷受け部材の変形をモニタしかつそれにトルクを与えるための負荷表示装置であって、（ａ）上記第１面へ機械的、電気的かつ音響的に相互結合すべく上記負荷受け部材の第１面上に合致させて直接生長させた音響電気フィルム、および（ｂ）上記第１電極から電気的に隔離されかつ上記音響電気フィルムと機械的、音響的かつ電気的に相互結合されるべく上記音響電気フィルムの露出面上に形成された第２電極を含む超音波変換器手段、上記超音波変換器手段の送受信電子信号を除去かつ供給するために上記超音波変換器手段へ電気的に相互結合された電子制御器、上記電子制御器により上記超音波変換器手段から受信した電子信号をモニタするための手段、上記モニタ手段は上記負荷受け部材の変形を精確に測定する、および上記負荷受け部材の変形測定に応答して上記負荷受け部材へトルクを加えかつそこからトルクを除去するための手段から成ることを特徴とする、負荷表示装置。
６２．応力を受けて変形しかつ第１電極として機能する第１面を有する負荷受け部材、および（ａ）第２電極、および（ｂ）上記第２電極へ音響電気フィルムを機械的、電気的かつ音響的に相互結合すべく上記第２電極の表面上に合致して直接生長させた音響電気フィルムを含む超音波変換器手段、から成り、上記音響電気フィルムは機械的、音響的かつ電気的に上記負荷受け部材の第１面へ相互結合されかつ上記第２電極から上記第１電極を電気的に隔離するものであることを特徴とする、負荷表示装置。
６３．上記第２電極は導電性金属フィルム、インキ、ペイントおよびフォイルから成る群から選択されている、請求項６２の負荷表示装置。
６４．汚染を排斥しかつ環境障害物による損傷を防止するための、上記第１面、上記音響電気フィルム、および上記第２電極の露出部上に延在する電気絶縁封入層を更に含む、請求項６２の負荷表示装置。
６５．上記音響電気フィルムは酸化亜鉛、硫化カドミウム、ジルコン酸塩チタン酸鉛および窒化アルミニウムから成る群から選択された延伸圧電気フィルムである、請求項６２の負荷表示装置。
６６．上記音響電気フィルムは１から５０ミクロン厚である、請求項６２の負荷表示装置。
６７．上記第２電極は１から５０ミクロン厚である、請求項６２の負荷表示装置。
６８．上記第２電極の表面と上記音響電気フィルムとの間で上記第２電極の表面上にコーテングを更に含む、請求項６２の負荷表示装置。
６９．上記負荷受け部材は凹部を有し、かつ上記負荷受け部材の上記第１面は環境障害物から上記超音波変換器手段を保護するために上記凹部内に設けられている、請求項６２の負荷表示装置。
７０．上記超音波変換器手段は上記負荷受け部材の作業温度で性能劣化を伴うことなく機能する、請求項６２の負荷表示装置。
７１．電子信号を上記超音波変換器手段へ供給かつそこから除去するための、上記超音波変換器手段へ電気的に相互結合された電子制御器を更に有する、請求項６２の負荷表示装置。
７２．上記超音波変換器手段は１から５００Ｍｈ２の間の高い周波数の超音波を発生させ、上記超音波は本装置の精度と分解能を向上させるものである、請求項６２の負荷表示装置。
７３．上記音響電気フィルムは上記超音波変換器手段による長手および横断方向の超音波の送受信を可能にする斜角を有する延伸圧電気フィルムである、請求項６２の負荷表示装置。
７４．上記負荷受け部材は音響的に反射する第２面を有し、上記負荷受け部材の第１面は超音波を上記超音波変換器手段から上記第２面へ向わせることができ、かつ上記負荷受け部材の第２面は上記超音波変換器手段から受信した超音波を上記超音波変換器手段へ逆反射させることができる、請求項６２の負荷表示装置。
７５．上記負荷受け部材は超音波の伝送に好適な材料である、請求項６２の負荷表示装置。
７６．上記負荷受け部材は締結具である、請求項６２の負荷表示装置。
７７．上記締結具はボルト、リベット、ロッドおよびスタッドからなる群から選択されている、請求項７６の負荷表示装置。
７８．上記締結具は頭部および上記頭部から長手方向へ延在するシャンクを有し、上記シャンクは長手方向の応力を受けて変形する構成になっている、請求項７６の負荷表示装置。
７９．上記締結具の第１面は上記頭部に隣接した上記締結具の長手端部上に設けられている、請求項７８の負荷表示装置。
８０．上記締結具の第１面は上記頭部から遠隔の長手端部上に設けられている、請求項７８の負荷表示装置。
８１．応力を受けて変形しかつ第１電極として機能する第１面を有する負荷受け部材の変形をモニタしかつそれにトルクを与えるための負荷表示装置であって、（ａ）第２面、および（ｂ）上記第２面へ音響電気フィルムを機械的、電気的かつ音響的に相互結合すべく上記第２面上に合致させて直接生長させた音響電気フィルムを含む超音波変換器手段、上記音響電気フィルムは上記負荷受け部材の第１面へ機械的、音響的かつ電気的に相互結合されて上記第２電極から上記第１電極を電気的に隔離するものである、上記超音波変換器手段の送受信電子信号を除去かつ供給するために上記超音波変換器手段へ電気的に相互結合された電子制御器、上記電子制御器により上記超音波変換器手段から受信した電子信号をモニタするための手段、上記モニタ手段は上記負荷受け部材の変形を精確に測定する、および上記負荷受け部材の変形測定に応答して上記負荷受け部材へトルクを加えかつそこからトルクを除去するための手段から成ることを特徴とする、負荷表示装置。