JPH11295281A - 計測用の超音波トランスジューサー - Google Patents

計測用の超音波トランスジューサー

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JPH11295281A
JPH11295281A JP11413098A JP11413098A JPH11295281A JP H11295281 A JPH11295281 A JP H11295281A JP 11413098 A JP11413098 A JP 11413098A JP 11413098 A JP11413098 A JP 11413098A JP H11295281 A JPH11295281 A JP H11295281A
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JP
Japan
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piezoelectric element
measurement
wave
ultrasonic transducer
ultrasonic
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Pending
Application number
JP11413098A
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English (en)
Inventor
Mikio Fukuhara
幹夫 福原
Asao Sanpei
麻雄 三瓶
Mitsuhiro Hoshino
充宏 星野
Masaaki Nakada
正明 中田
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
Tungaloy Corp
Original Assignee
JAPAN PROBE KK
Toshiba Tungaloy Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱応力や応力変動を受ける機械部品の負荷及
び残留応力、ボルトの軸力、各種材料の弾性率、内部摩
耗の超精密計測を可能にする。 【解決手段】 超音波トランスジュ−サ−1のケ−ス2
の内部には、少なくとも、ポリマ−質のダンパ−3及び
基板状の圧電素子4が組込まれている。圧電素子4の内
表面4aには、リ−ド線6aに接続される電極7が設け
られるとともに、外表面4bが被計測物8に直接接触す
るように構成されている。圧電素子4中には、分極され
た縦波発生用の圧電ドメイン及び横波発生用の圧電ドメ
インの二種類が存在し、前記電極7及び被計測物8を利
用して印加電圧したときには、縦波の超音波及び横波の
超音波が圧電素子4から被計測物8に向って同時発信す
る。これによって、縦波及び横波超音波の同時計測が可
能になり、分散していない混合相組織の計測もでき、試
料の厚さの制約も受けない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、計測用の超音波ト
ランスジュ−サ−に関し、特に、縦波及び横波の超音波
を同時発信させることによって、精密な計測が得られる
ようにしたものである。用途としては、熱応力や応力変
動を受ける機械部品の負荷及び残量応力、ボルトの軸応
力、各種材料の弾性率、内部摩耗等の計測が挙げられ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、超音波を利用した計測では、第1
に、縦波及び横波のトランジュ−サ−を取り替えること
で別々に用いる場合、第2に、縦波及び横波のトランジ
ュ−サ−を上下、横並び、同心円状又は放物線状に設置
する場合、第3に、縦波から横波にモ−ド変換する場合
がある。
【0003】そして、これら第1〜第3の場合は、通
常、トランスジュ−サ−と被計測物の間には、接触媒質
を介在させ、また被計測物側にある圧電体の表面には、
圧電体保護のためポリマ−やセラミックス質の薄膜保護
層を被覆させた間接的な接触構成を採用している。さら
に、トランジュ−サ−の被計測物に対する圧接について
は、通常、作業者の手圧、重しの負荷により行なわれて
いる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第1の
場合では、計測中に取り替えのできない低温、高温計測
には不向きであり、第2の場合では、被計測物の同一箇
所の計測でないことから、材料の精密計測ができず、均
一に分散していない混合相の組織の計測で誤差を生じる
問題点があり、第3の場合では、トランジュ−サ−径の
約40%よりも小さい厚さの試料は、計測できないとい
う欠点を有している。
【0005】また、接触媒質の使用は、媒質の経時変化
により、精密計測ができないという重大な欠陥があり、
ポリマ−やセラミックス質の薄膜保護層は、圧電体との
材質違いにより、精密計測の阻害要因であることも判明
した。
【0006】さらに、トランジュ−サの被計測物に対す
る圧接は、多くの場合片押しとなり、精密計測を阻害す
るという問題点があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の点に鑑み
なされたもので、計測用の超音波トランスジュ−サ−
は、ケ−ス内には、少なくともダンパ−及び基板状の圧
電素子が組込まれ、特に、この圧電素子の位置関係及び
圧電現象を改善するようにしたものである。
【0008】すなわち、前記圧電素子は、ケ−ス内で
は、電極を備えた内表面が位置し、また被計測物側で
は、被計測物に対して接触媒質や薄膜保護層を介在させ
ずに直接接触する外表面が位置するように構成され、圧
電素子中には、分極された縦波発生用の圧電ドメイン及
び横波発生用の圧電ドメインの二種類が存在するように
構成したものである。したがって、本発明の計測用の超
音波トランスジュ−サ−は、圧電素子が被計測物に間接
ではなく直接接触するとともに、超音波が圧電素子から
被計測物に向って同時発信するものである。この結果、
従来技術では、不可能な縦波及び横波超音波の同時計
測、また均一に分散していない混合相の組織の計測がで
き、材料厚さの制約も受けないものである。この場合、
圧電素子の外表面は、超音波の伝播から、面粗度が40
0メッシュ以上の平坦面になっていることが好ましい。
また、縦波の超音波及び横波の超音波は、各周波数が
0.5〜200MHzの範囲内、好ましく1〜30MH
zの範囲内で設定され、また、縦波と横波の発進速度比
が10:1〜1:10の範囲内、好ましくは2:1〜
1:2の範囲内で設定される。
【0009】また、前記ケ−スについては、永久磁石又
は電磁石で構成すれば、鉄系からなる被計測物の吸着が
可能になり、被計測物への圧接が均一になって精密計測
を常時確保できる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明計測用の超音波トラ
ンスジュ−サ−について、その一実施例につき図を参照
しながら説明する。
【0011】図1(a)(b)は、本発明計測用の超音
波トランスジュ−サ−1を示す概念図であり、ケ−ス2
の内部には、少なくとも、ポリマ−質のダンパ−3及び
基板状の圧電素子4が組込まれている。そして、前記圧
電素子4は、使用周波数によって制約があり、その厚み
が0.1〜1mm程度になっている。そして、圧電素子
4の内表面4aには、同軸ケ−ブル5のリ−ド線6aに
接続される電極7が設けられ、この内表面4aの反対側
にある露出した外表面4bが被計測物8に直接接触する
ように構成されている。この場合、前記ダンパ−3は、
絶縁性を兼ねているものであり、また、ケ−ス2の内周
壁部分には、ゴムなどの吸収材を利用して吸音壁を構成
することが好ましい。さらに、圧電素子4の内表面4a
に設けられる電極7は、例えば塗布又は乾質もしくは湿
質メッキされたものである。
【0012】なお、圧電素子4の外表面4bを被計測物
8に直接接触させたのは、伝播時間の誤差要因となる電
極層やポリマ−、セラミック保護層、接触媒質を除去す
ることによって、精密な伝播時間の計測を可能にするた
めである。そして、圧電素子4の外表面4bは、超音波
の伝播から、外表面4bの面粗度を400メッシュ以上
の平坦面にすることが好ましい。
【0013】また、前記圧電素子4は、例えばペロブス
カイト型結晶構造を有する(Ti,Zr)Pb03もし
くはTiPb03などの酸化物やポリ弗化ビニリデン
(PVDF)共重合体などのポリマ−からなり、圧電素
子4中には、分極された縦波発生用の圧電ドメイン及び
横波発生用の圧電ドメインの二種類が存在している。こ
の場合、ドメインとは、粒子の集合をいい、普通10〜
100μmの大きさをもっているものである。したがっ
て、例えばBNCコネクタ−、RS232C(いずれも
図示せず)に接続される前記同軸ケ−ブル5のリ−ド線
6aを使用して、電極7及び被計測物8間に印加電圧し
たときには、縦波の超音波及び横波の超音波が圧電素子
4から被計測物8に向って同時発信する。この場合、前
記被計測物8は、図2で示されるように電極を兼ねてい
るものであり、電極用のリ−ド線6bが接続されるよう
になっている。
【0014】このような構成の圧電素子4を採用した本
発明の計測用の超音波トランスジュ−サ−1は、従来技
術では、不可能な縦波及び横波超音波の同時計測、均一
に分散していない混合相の組織の計測ができ、しかも材
料厚さの制約も受けないものである。
【0015】なお、超音波の縦波の超音波及び横波の超
音波は、各周波数が0.5〜200MHzの範囲内、好
ましく1〜30MHzの範囲内で設定される。周波数が
0.5MHz未満では、波形がブロ−ドになって精密計
測を不能にするとともに、200MHzをこえると、圧
電素子4が薄くなりすぎて破損を起こしたり、縦波と横
波の同時伝播ができなくなったりするからである。ま
た、縦波と横波の発進速度比が10:1〜1:10の範
囲内、好ましくは2:1〜1:2の範囲内で設定され
る。これは、この範囲内であると、縦波と横波の伝播時
間の同時計測及びピ−ク高さの計測が容易になるからで
ある。
【0016】さらに、前記ケ−ス2は、図1(a)
(b)及び図2では、例えば、SUS432からなる永
久磁石2aにより構成されている。したがって、鉄系の
被計測物8を対象にした場合には、ケ−ス2が被計測物
8を吸着する。この結果、この被計測物8への圧接は、
均一になって精密計測を常時確保できる。そして、電磁
石2bの場合は、例えば、図3に示されたように、鉄心
9を介してN極及びS極が同心円状に設けられるように
なっている。
【0017】なお、図4は、被計測物8として、鋼製の
丸棒(φ10×10mm)を選択し、本発明品A及び従
来の比較品Bにおける横波の伝播時間の経時変化を示し
た特性図である。この場合、比較品Bは、トランスジュ
−サ−の先端部分に電極層やポリマ−、セラミック保護
層、接触媒質などを介在させた従来方式のものである。
この結果、本発明品Aは、伝播時間が安定しており、精
密音速計測が可能になることを知見した。これに対し、
比較品Bは、保護膜や接触媒質などの膜厚及び膜質が経
時変化し、正確な伝播時間の計測を阻害していることが
判明した。この場合、横波の伝播時間を比較し、図示し
たのは、縦波の伝播時間の経時変化が少なく、横波の場
合の方が有意差が明瞭になるからである。
【0018】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように、圧電素
子4については、電極7を設けた内表面4a及び被計測
物8に直接接触する外表面4bが構成されたものである
から、超音波の伝播時間の経時変化が少なくなり、超精
密な計測が常時可能になるという利点を有する。
【0019】また、圧電素子4による超音波の伝播は、
縦波及び横波の超音波を同時発信できるように構成した
ものであるから、低温、高温計測や振動が発生している
計測、不均一混合相の組織計測も可能で、試料厚さの制
約もないなどの利点を有する。したがって、熱応力や応
力変動を受ける機械部品の負荷及び残量応力、ボルトの
軸応力、各種材料の弾性率、内部摩耗等の計測にも好適
するという利点を有する。
【0020】さらに、前記ケ−ス2については、永久磁
石2a又は電磁石2bで構成すれば、鉄系からなる被計
測物8の吸着が可能になり、被計測物8への圧接が均一
になって精密計測を常時確保できるという利点を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明計測用の超音波トランスジュ−サ−の一
実施例を示す概念図であり、(a)は正面図、(b)は
平面図。
【図2】計測状態の説明図。
【図3】電磁石の構成を概念的に示す説明図。
【図4】本発明品及び比較品における横波の伝播時間の
経時変化を示す特性図。
【符号の説明】
l 計測用の超音波トランスジュ−サ− 2 ケ−ス 2a 永久磁石 2b 電磁石 3 ダンパ− 4 圧電素子 4a 内表面 4b 外表面 5 同軸ケ−ブル 6a リ−ド線 6b リ−ド線 7 電極 8 被計測物 9 鉄心
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 中田 正明 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

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ケ−ス2内には、少なくともダンパ−3
    及び基板状の圧電素子4が組込まれるようにした計測用
    の超音波トランスジュ−サ−において、 前記圧電素子4は、ケ−ス2内では、電極7を備えた内
    表面4aが位置し、また被計測物8側では、被計測物8
    に直接接触する露出した外側面4bが位置するようにな
    っており、しかも圧電素子4中には、分極された縦波発
    生用の圧電ドメイン及び横波発生用の圧電ドメインの二
    種類が存在して、前記電極7及び被計測物8を利用して
    印加電圧したときには、縦波の超音波及び横波の超音波
    が圧電素子4から被計測物8に向って同時発信するよう
    にしたことを特徴とする計測用の超音波トランスジュ−
    サ−。
  2. 【請求項2】 前記ケ−ス2は、永久磁石2a又は電磁
    石2bにより構成され、鉄系の被計測物8を吸着してい
    る請求項1に記載の計測用の超音波トランスジュ−サ
    −。
  3. 【請求項3】 前記縦波の超音波及び横波の超音波は、
    各周波数が0.5〜200MHzの範囲内、好ましく1
    〜30MHzの範囲内で設定される請求項1に記載の計
    測用の超音波トランスジュ−サ−。
  4. 【請求項4】 前記縦波の超音波及び横波の超音波は、
    縦波と横波の発進速度比が10:1〜1:10の範囲
    内、好ましくは2:1〜1:2の範囲内で設定されてい
    る請求項1〜請求項3のいずれかに記載の超音波トラン
    スジュ−サ−。
  5. 【請求項5】 前記圧電素子の外表面は、面粗度が40
    0メッシュ以上の平坦面になっている請求項1〜請求項
    4のいずれかに記載の超音波トランスジュ−サ−。
JP11413098A 1998-04-08 1998-04-08 計測用の超音波トランスジューサー Pending JPH11295281A (ja)

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