(57)【要約】【課題】キッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態を正確に評価することができる接合界面の評価方法および接合界面の評価装置を提供する。【解決手段】探触子１１などの送信手段により、材料１ａ，１ｂ同士の接合界面２に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波、または、縦波と横波とを同時に送信する。送信した横波の、接合界面２で反射した反射信号および／または接合界面２を透過した透過信号、ならびに、縦波を利用する場合には、送信した縦波の、接合界面２で反射した反射信号および／または接合界面２を透過した透過信号を、探触子１１などの受信手段により受信する。受信した信号のうち、横波の反射信号または透過信号の物理量、ならびに、縦波を利用する場合には、縦波の反射信号または透過信号の所定の物理量を利用して、解析評価手段１２により、接合界面２の接合状態を評価する。【選択図】図１
2020039850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料同士の接合界面の接合状態を評価する接合界面の評価方法であって、
前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波を送信する送信工程と、
前記送信工程で送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号を受信する受信工程と、
前記受信工程で受信した前記横波の前記反射信号および／または前記透過信号の所定の物理量に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価する評価工程とを、
有することを特徴とする接合界面の評価方法。
【請求項２】
前記送信工程は、超音波の縦波と前記横波とを同時に送信し、
前記受信工程は、前記送信工程で送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号も受信し、
前記評価工程は、前記受信工程で受信した信号のうち、少なくとも前記縦波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価することを
特徴とする接合界面の評価方法。
【請求項３】
前記受信工程は、少なくとも前記縦波および前記横波の前記透過信号を受信し、
前記評価工程は、前記受信工程で受信した前記縦波の前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記透過信号の前記物理量との差または比に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価することを
特徴とする請求項２記載の接合界面の評価方法。
【請求項４】
前記送信工程は、探触子から前記縦波および前記横波を送信し、
前記受信工程は、前記反射信号および／または前記透過信号を前記探触子で受信することを
特徴とする請求項２または３記載の接合界面の評価方法。
【請求項５】
前記送信工程は、複数の探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信し、
前記受信工程は、各探触子の前記反射信号および／または前記透過信号を、各探触子で受信することを
特徴とする請求項２または３記載の接合界面の評価方法。
【請求項６】
前記探触子は、径が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４または５記載の接合界面の評価方法。
【請求項７】
前記物理量は、前記反射信号または前記透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであり、
前記評価工程は、前記接合界面の接合状態として、前記接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価することを
特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の接合界面の評価方法。
【請求項８】
材料同士の接合界面の接合状態を評価するための接合界面の評価装置であって、
前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波を送信可能に設けられた送信手段と、
前記送信手段から送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号を受信可能に設けられた受信手段と、
前記受信手段で受信した前記横波の前記反射信号および／または前記透過信号の所定の物理量に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成された解析評価手段とを、
有することを特徴とする接合界面の評価装置。
【請求項９】
前記送信手段は、超音波の縦波と前記横波とを同時に送信可能に設けられ、
前記受信手段は、前記送信手段から送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号も受信可能に設けられ、
前記解析評価手段は、前記受信手段で受信した信号のうち、少なくとも前記縦波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成されていることを
特徴とする接合界面の評価装置。
【請求項１０】
前記受信手段は、少なくとも前記縦波および前記横波の前記透過信号を受信するよう構成されており、
前記解析評価手段は、前記受信手段で受信した前記縦波の前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記透過信号の前記物理量との差または比に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成されていることを
特徴とする請求項９記載の接合界面の評価装置。
【請求項１１】
超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた一つの探触子を有し、
前記送信手段は、前記探触子から前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、
前記受信手段は、前記探触子で前記反射信号および／または前記透過信号を受信するよう構成されていることを
特徴とする請求項９または１０記載の接合界面の評価装置。
【請求項１２】
超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた複数の探触子を有し、
前記送信手段は、各探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、
前記受信手段は、各探触子の前記反射信号および／または前記透過信号を、各探触子で受信するよう構成されていることを
特徴とする請求項９または１０記載の接合界面の評価装置。
【請求項１３】
前記探触子は、径が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１１または１２記載の接合界面の評価装置。
【請求項１４】
前記物理量は、前記反射信号または前記透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであり、
前記解析評価手段は、前記接合界面の接合状態として、前記接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価するよう構成されていることを
特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の接合界面の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合界面の評価方法および接合界面の評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、材料同士を接着や溶接などにより接合した接合界面の接合状態を評価する代表的方法として、超音波の縦波を接合界面に対して垂直に入射し、その入射波が接合界面から反射した波や、接合界面を透過した波を受信し、その受信した反射波や透過波を利用して界面接合の良否を定量評価する垂直探傷が広く行われている（例えば、特許文献１または２参照）。【０００３】
しかし、このような従来の縦波を利用した垂直探傷では、材料同士が接触しているが接合していない、いわゆるキッシングボンドと呼ばれる接合部や、スポット溶接時のナゲット周囲のコロナボンドについても、界面での反射エコーが発生しないため、接合した健全部と誤認するという問題があった。そこで、この問題を解決するために、入射波としてバースト超音波を利用する方法が開発されている（例えば、特許文献３または４参照）。【０００４】
なお、微細欠陥などを検出する方法としては、本発明者等により、超音波を用いた水浸映像法が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−２２８９５９号公報
【特許文献２】特開平５−２８８７２２号公報
【特許文献３】特開２００１−３０５１０９号公報
【特許文献４】特開２００６−８４３０５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】三原毅、高橋優樹、鈴木裕、斎藤隆、田代発造、「非線形超音波計測が可能な高機能剥離映像装置の開発」、鉄と鋼、2012年、Vol.98、No11、p.575-582
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献３および４に記載のような縦波バースト超音波を利用した方法では、接合状態を正確に評価することができるキッシングボンドやコロナボンドは極めて限定的であるという課題があった。【０００８】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、キッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態を正確に評価することができる接合界面の評価方法および接合界面の評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、従来の超音波計測に用いられる縦波は粗密波であり、界面を押し付けながら伝搬するのに対し、横波はせん断波で不連続部の検出性に優れ、超音波探傷における標準法として多用されていることに着目し、横波を用いた計測に着眼した。従来、固体内への横波超音波の入射方法として、特殊な横波圧電素子を粘度の高い接触媒質を介して垂直入射する方法か、くさびを使って縦波を斜角入射することで横波を入射する方法がとられているが、接合界面に垂直に、特殊な素子や接触媒質を使わず、簡便に横波を入射する方法は存在せず、計測は困難であった。そこで、本発明者は、固体内に向かって超音波を微小領域に入射した時、地震波動同様、縦波と横波とが円弧状に同時に発生する点に着目して、本発明に至った。【００１０】
すなわち、本発明に係る接合界面の評価方法は、材料同士の接合界面の接合状態を評価する接合界面の評価方法であって、前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波を送信する送信工程と、前記送信工程で送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号を受信する受信工程と、前記受信工程で受信した前記横波の前記反射信号および／または前記透過信号の所定の物理量に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価する評価工程とを、有することを特徴とする。【００１１】
本発明に係る接合界面の評価装置は、材料同士の接合界面の接合状態を評価するための接合界面の評価装置であって、前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波を送信可能に設けられた送信手段と、前記送信手段から送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号を受信可能に設けられた受信手段と、前記受信手段で受信した前記横波の前記反射信号および／または前記透過信号の所定の物理量に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成された解析評価手段とを、有することを特徴とする。【００１２】
本発明に係る接合界面の評価方法で、前記送信工程は、超音波の縦波と前記横波とを同時に送信し、前記受信工程は、前記送信工程で送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号も受信し、前記評価工程は、前記受信工程で受信した信号のうち、少なくとも前記縦波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価することが好ましい。また、本発明に係る接合界面の評価で、前記送信手段は、超音波の縦波と前記横波とを同時に送信可能に設けられ、前記受信手段は、前記送信手段から送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号も受信可能に設けられ、前記解析評価手段は、前記受信手段で受信した信号のうち、少なくとも前記縦波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成されていることが好ましい。【００１３】
本発明に係る接合界面の評価方法は、本発明に係る接合界面の評価装置により好適に実施される。本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波、または、縦波と横波とを送信することにより、以下のようにして、接合界面の接合状態を評価することができる。スポット溶接時のナゲットのように、材料同士の界面が接合している場合には、縦波も横波もその界面ではほとんど反射せず、透過信号の振幅等の物理量が大きくなる。また、界面が開いた完全に非接合の場合には、縦波も横波もその界面で反射するため、反射信号の物理量が大きくなる。また、キッシングボンドやコロナボンドのように、材料同士が接触しているが接合していない界面では、粗密波である縦波は透過しやすいが、せん断波の横波は反射しやすいため、縦波の透過信号および横波の反射信号の物理量が大きくなる傾向がある。このため、横波のみを利用する場合には、横波の反射信号および／または透過信号の物理量を比較することにより、材料同士が接触しているか界面が開いているか、材料同士が接触していても界面が接合しているか未接合か、といった接合状態を評価することができる。また、縦波も利用する場合には、少なくとも縦波の反射信号または透過信号の物理量と、横波の反射信号または透過信号の物理量とを利用することにより、さらに詳細な接合状態を評価することができる。このように、本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、キッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態であっても、正確に評価することができる。【００１４】
本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置で、超音波の送信は、横波のみを生成可能、または、縦波と横波とを同時に生成可能であれば、いかなる方法や手段を使用してもよく、例えば、点音源や線音源、径が３〜１０ｍｍ以下の小面積の音源、幅が３〜１０ｍｍ以下の細長い線状の音源、これらを有する探触子などを使用してもよい。また、反射信号や透過信号の受信は、横波のみを受信可能、または、縦波と横波とを受信可能であれば、いかなる方法や手段を使用してもよく、例えば、探触子などを使用してもよい。また、評価に利用する物理量は、反射信号または透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであることが好ましい。また、接合界面の接合状態の評価では、接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価することが好ましい。【００１５】
本発明に係る接合界面の評価方法で、前記受信工程は、少なくとも前記縦波および前記横波の前記透過信号を受信し、前記評価工程は、前記受信工程で受信した前記縦波の前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記透過信号の前記物理量との差または比に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価してもよい。本発明に係る接合界面の評価装置で、前記受信手段は、少なくとも前記縦波および前記横波の前記透過信号を受信するよう構成されており、前記解析評価手段は、前記受信手段で受信した前記縦波の前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記透過信号の前記物理量との差または比に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成されていてもよい。また、本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、縦波の透過信号と横波の透過信号の組合せ以外にも、縦波の透過信号と横波の反射信号の組合せ、縦波の反射信号と横波の透過信号の組合せ、または、縦波の反射信号と横波の反射信号の組合せを利用してもよい。また、縦波の透過信号および反射信号、ならびに、横波の透過信号および反射信号を利用してもよい。これらのいずれの場合でも、接合界面の接合状態を、正確に評価することができる。【００１６】
本発明に係る接合界面の評価方法で、前記送信工程は、探触子から前記縦波および前記横波を送信し、前記受信工程は、前記反射信号および／または前記透過信号を前記探触子で受信してもよい。本発明に係る接合界面の評価装置は、超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた一つの探触子を有し、前記送信手段は、前記探触子から前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、前記受信手段は、前記探触子で前記反射信号および／または前記透過信号を受信するよう構成されていてもよい。この場合、一つの探触子を使用して、縦波および横波の送信、ならびに、反射信号や透過信号の受信を行うことができる。なお、探触子は、径が１０ｍｍ以下であることが好ましい。【００１７】
また、本発明に係る接合界面の評価方法で、前記送信工程は、複数の探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信し、前記受信工程は、各探触子の前記反射信号および／または前記透過信号を、各探触子で受信してもよい。本発明に係る接合界面の評価装置は、超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた複数の探触子を有し、前記送信手段は、各探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、前記受信手段は、各探触子の前記反射信号および／または前記透過信号を、各探触子で受信するよう構成されていてもよい。この場合、フェーズドアレイ法など、複数の探触子を使用する探査方法や探傷方法を利用して、より高精度に接合界面の接合状態を評価することができる。例えば、フェーズドアレイ法などを利用したとき、縦波だけでなく、横波の音響画像を得る手順も加え、両方の画像の挙動の差異により、接合状態を高精度に評価することができる。なお、各探触子は、径が１０ｍｍ以下であることが好ましい。【００１８】
本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、材料同士の接合界面であれば、どのような界面の接合状態でも評価可能であり、例えば、接着や、スポット溶接やＦＳＷ（摩擦撹拌接合）などの各種溶接、圧接、拡散接合等により接合された材料同士の接合界面の接合状態を評価することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、キッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態を正確に評価することができる接合界面の評価方法および接合界面の評価装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の接合界面の評価装置の、（Ａ）ナゲットが形成された溶接部、（Ｂ）コロナボンドである溶接部での使用状態を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の接合界面の評価方法に関し、ガラス板の端面の１点にパルスレーザーを照射したときの、光弾性可視化法による、レーザー照射から３秒後の、ガラス板中の各波の伝搬状態を示す可視化画像である。
【図３】本発明の実施の形態の接合界面の評価方法に関し、図２に示すパルスレーザーを鋼板の表面に照射したときの、（Ａ）鋼板の裏面で取得された透過エコーのＢスコープ（B-scope）画像に、縦波の透過信号（透過縦波）の位置（図中の横線の位置）を示したもの、（Ｂ）そのＢスコープ画像中の縦線の位置でのＡスコープ（A-scope）画像、（Ｃ）Ｂスコープ（B-scope）画像に、横波の透過信号（透過横波）の位置（図中の横線の位置）を示したもの、（Ｄ）そのＢスコープ画像中の縦線の位置でのＡスコープ（A-scope）画像である。
【図４】本発明の実施の形態の接合界面の評価方法に関し、（Ａ）探触子により鋼板の表面から縦波を送信する実験の側面図、（Ｂ）直径が３０ｍｍの探触子を使用したときの、鋼板の裏面での反射エコー、（Ｃ）直径が６ｍｍの探触子を使用したときの、鋼板の裏面での反射エコーである。
【図５】本発明の実施の形態の接合界面の評価方法に関し、（Ａ）材料同士のスポット溶接部にナゲットが形成され、その周囲にコロナボンドが形成されている構造、および、（Ｂ）スポット溶接部にナゲットが形成されず、コロナボンドのみが形成されている構造に対する、水浸映像法による、材料同士の接合界面の縦波の音響映像（L wave Image）および横波の音響映像（S wave Image）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図５は、本発明の実施の形態の接合界面の評価方法および接合界面の評価装置を示している。
図１に示すように、本発明の実施の形態の接合界面の評価装置１０は、材料１ａ，１ｂ同士の接合界面２の接合状態を評価するための接合界面の評価装置１０であって、探触子１１と解析評価手段１２とを有している。
【００２２】
探触子１１は、超音波を送信可能かつ受信可能に設けられており、送信手段および受信手段を構成している。探触子１１は、径が３〜１０ｍｍ以下の小面積の音源を有し、評価対象の材料１ａ，１ｂ同士の接合界面２に対し、一方の材料１ａの表面から超音波の縦波を送信することにより、その材料１ａの表面で縦波が横波に変換し、その横波も材料１ａ中に伝搬可能になっている。こうして、探触子１１は、評価する接合界面２に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信可能に構成されている。
【００２３】
また、探触子１１は、送信した縦波の、接合界面２で反射した反射信号および接合界面２を透過した透過信号、ならびに、送信した横波の、接合界面２で反射した反射信号および接合界面２を透過した透過信号を受信可能に構成されている。なお、透過信号とは、一方の材料１ａの表面から送信した縦波および横波が、接合界面２を透過し、他方の材料１ｂの反対側の表面で反射し、再び接合界面２を透過して戻ってきた信号である。また、送信手段は、探触子１１ではなく、横波のみを送信可能なものであってもよい。また、受信手段も、探触子１１ではなく、横波のみを受信可能なものであってもよい。
【００２４】
解析評価手段１２は、コンピュータから成り、探触子１１で受信した信号を利用して、接合界面２の接合状態を評価するよう構成されている。具体的には、解析評価手段１２は、受信信号のうち、横波の透過信号の振幅強度や、横波の反射信号の振幅強度によって、接合界面２の接合状態を評価するよう構成されている。または、解析評価手段１２は、受信信号のうち、横波の透過信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、縦波の透過信号の振幅強度と横波の透過信号の振幅強度、縦波の透過信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、縦波の反射信号の振幅強度と横波の透過信号の振幅強度、および、縦波の反射信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、のうちの少なくとも１組の振幅強度を利用して、それらの２つの振幅強度の差または比を求め、その差または比の大きさによって、接合界面２の接合状態を評価するよう構成されている。なお、評価には、振幅強度に限らず、波形やスペクトラムを利用してもよい。
【００２５】
本発明の実施の形態の接合界面の評価方法は、接合界面の評価装置１０により好適に実施される。本発明の実施の形態の接合界面の評価方法は、まず、図１に示すように、評価対象の材料１ａ，１ｂ同士の接合界面２に対し、一方の材料１ａの表面に探触子１１を設置する。設置した探触子１１から、接合界面２に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信する。送信後、探触子１１により、送信した縦波の、接合界面２で反射した反射信号および接合界面２を透過した透過信号、ならびに、送信した横波の、接合界面２で反射した反射信号および接合界面２を透過した透過信号を受信する。
【００２６】
解析評価手段１２により、探触子１１で受信した信号のうち、横波の透過信号の振幅強度や、横波の反射信号の振幅強度を求める。または、解析評価手段１２により、探触子１１で受信した信号のうち、横波の透過信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、縦波の透過信号の振幅強度と横波の透過信号の振幅強度、縦波の透過信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、縦波の反射信号の振幅強度と横波の透過信号の振幅強度、および、縦波の反射信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、のうちの少なくとも１組の振幅強度を利用し、それらの２つの振幅強度の差または比を求める。
【００２７】
このとき、図１（Ａ）に示す溶接時のナゲットのように、材料１ａ，１ｂ同士の界面が接合している場合には、縦波も横波もその界面ではほとんど反射せず、透過信号の振幅強度が大きくなる。また、界面が開いた完全に非接合の場合には、縦波も横波もその界面で反射するため、反射信号の振幅強度が大きくなる。また、図１（Ｂ）に示すキッシングボンドやコロナボンドのように、材料１ａ，１ｂ同士が接触しているが接合していない界面では、粗密波である縦波は透過しやすいが、せん断波の横波は反射しやすいため、縦波の透過信号および横波の反射信号の振幅強度が大きくなる傾向がある。このため、解析評価手段１２で求めた横波の透過信号や反射信号の振幅強度、あるいは、２つの振幅強度の差または比の大きさにより、材料１ａ，１ｂ同士が接触しているか界面が開いているか、材料１ａ，１ｂ同士が接触していても界面が接合しているか未接合か、といった詳細な接合状態を評価することができる。また、特定の接合条件下での計測データが集まれば、接合強度の評価も期待できる。
【００２８】
このように、本発明の実施の形態の接合界面の評価方法および接合界面の評価装置１０は、図１（Ｂ）に示すキッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態であっても、正確に評価することができる。また、一つの探触子１１で、縦波および横波の送信、ならびに、反射信号および透過信号の受信を行い、接合状態を評価することができる。
【００２９】
［横波発生の確認およびエコーの測定］
探触子１１などの送信手段の入射面積が小さいほど、横波の入射効率が相対的に高くなることを確認する実験を行った。まず、パルスレーザーにより縦波および横波を発生させる実験を行った。実験では、音速が５５００ｍ／ｓ、厚みが２０ｍｍのガラス板を用い、ガラス板の端面の１点にパルスレーザーを照射して熱膨張を発生させ、縦波を発生させた。発生した波がガラス板中を伝搬する様子を、光弾性可視化法で観察した。レーザー照射から３秒後の伝搬の様子を、図２に示す。図２に示すように、縦波だけでなく、横波、ヘッドウェーブ、表面波（ＳＳＣＷなど）の波面が認められる。このことから、点音源や線音源のように入射面積が小さい場合には、横波の入射効率が相対的に高くなり、試料表面から縦波と横波が入射しやすくなるため、反射信号および透過信号の計測により、接合状態の評価が可能になるといえる。
【００３０】
このパルスレーザーを鋼板に照射して縦波および横波を発生させ、鋼板の裏面で縦波および横波の透過信号を測定する実験を行った。実験では、鋼板の一方の表面にパルスレーザーを照射し、鋼板の他方の表面側で、レーザー干渉計を走査して、透過エコーのＢスコープ画像を取得した。得られたＢスコープ（B-scope）画像に、縦波の透過信号（透過縦波）の位置（図中の横線の位置）を示したものを図３（Ａ）に、そのＢスコープ画像中の縦線の位置でのＡスコープ（A-scope）表示を図３（Ｂ）に示す。また、得られたＢスコープ（B-scope）画像に、横波の透過信号（透過横波）の位置（図中の横線の位置）を示したものを図３（Ｃ）に、そのＢスコープ画像中の縦線の位置でのＡスコープ（A-scope）表示を図３（Ｄ）に示す。図３に示すように、縦波および横波の透過信号が明瞭に確認された。
【００３１】
次に、送信手段として、圧電素子を有する探触子１１を用いて、縦波および横波を発生させる実験を行った。図４（Ａ）に示すように、実験では、直径が３０ｍｍおよび６ｍｍの２種類の探触子１１を用い、探触子１１を鋼板の上に置いて縦波を送信し、鋼板の裏面での反射エコーを測定した。直径が３０ｍｍおよび６ｍｍの各探触子１１での測定結果を、それぞれ図４（Ｂ）および（Ｃ）に示す。図４（Ｂ）および（Ｃ）中のＰの波形が縦波入射の縦波反射エコーであり、Ｓの波形が横波入射の横波反射エコーである。
【００３２】
図４（Ｂ）に示すように、大きい径の探触子１１は、基本的に指向性が高く、縦波平面波が入射されるため、縦波が強く入射され、Ｐの縦波反射エコーの振幅が大きくなることが確認された。また、入射時にモード変換で発生する横波の振幅は小さいため、Ｓの横波反射エコーの振幅は小さくなることが確認された。これに対し、図４（Ｃ）に示すように、小さい径の探触子１１は、素子面積が小さくなるため、送信超音波のエネルギーは低くなる（−３０ｄＢで、Ｐの振幅が図４（Ｂ）と同等になる）が、入射時に点音源的な傾向が生じるため、横波も強く発生し、相対的にＳの横波反射エコーの振幅が大きくなることが確認された。
【００３３】
図４に示す実験の結果から、探触子１１の圧電素子のサイズを小さくすることにより、送信超音波エネルギーは小さくなるものの、縦波反射エコーを基準にして、横波反射エコーの振幅が相対的に大きくなることがわかる。このことから、探触子１１の素子サイズをできるだけ小さくすると、横波の入射効率が相対的に高くなり、横波を用いた測定に有利であるといえる。
【００３４】
本発明の実施の形態の接合界面の評価方法および接合界面の評価装置１０は、材料同士の接合界面であれば、どのような界面の接合状態でも評価可能であり、図１に示すようなスポット溶接の接合界面２だけでなく、例えば、接着や、ＦＳＷ（摩擦撹拌接合）などの各種溶接、圧接、拡散接合等により接合された材料同士の接合界面のうち、縦波のみを用いた音響計測では評価困難な接合界面の評価にも適用することができる。
【００３５】
なお、本発明の実施の形態の接合界面の評価方法および接合界面の評価装置１０は、複数の探触子１１を有し、各探触子１１から、それぞれ縦波および横波を送信すると共に、各探触子１１から送信された縦波および横波の反射信号および透過信号を、各探触子１１で受信してもよい。この場合、フェーズドアレイ法など、複数の探触子１１を使用する探査方法や探傷方法を利用して、より高精度に接合界面２の接合状態を評価することができる。例えば、フェーズドアレイ法などを利用する場合は、縦波超音波を用いる既存の計測に加え、横波の音響画像も計測して併用することで、接合状態を高精度に評価することができる。
【００３６】
［横波を利用した場合の効果の検討］
縦波と横波とを利用した場合の効果について検討するため、材料１ａ，１ｂ同士をスポット溶接した接合界面２に対して、縦波の透過信号および横波の透過信号の測定を行った。測定は、図５（Ａ）に示すように、スポット溶接部にナゲットが形成され、その周囲にコロナボンドが形成されている構造、および、図５（Ｂ）に示すように、スポット溶接部にナゲットが形成されず、全てコロナボンド構造の模擬材料に対して行った。測定には、非特許文献１に示す、超音波を利用した水浸映像法を使用した。
【００３７】
測定では、水浸計測用の標準的音響レンズにより、一方の材料１ａの表面（図５（Ａ）および（Ｂ）では上面）から、垂直方向に縦波を送信する。なお、この音響レンズは、一方の材料１ａの表面で、縦波が変換した横波も発生するが、その強度が小さいため、ここでは無視できる。ここでは、縦波（L wave）計測については、既存の標準的な接合界面の評価手順に従い、接合界面２における縦波反射波振幅を電気的ゲートで抽出して映像化した。その映像（L wave Image）を、図５（Ａ）および（Ｂ）中に示す。縦波の計測においては、従来報告されているように、図５（Ａ）および（Ｂ）ともに、接合界面２では反射エコーが観察されないため、中央のナゲット部とコロナボンド部は、接合強度が大きく異なるにもかかわらず、黒くなっており、判別は困難である。
【００３８】
次に、試料表面からの計測において、水浸計測法で横波を接合界面２へ垂直に入射する手段が無いため、縦波を裏面に集束し、裏面で発生するモード変換横波が、裏面から接合界面２へ入射するときの、透過横波の振幅を映像化した。その映像（S wave Image）を、図５（Ａ）および（Ｂ）中に示す。横波の計測においては、正常接合のナゲット部では、図５（Ａ）に示すように、音響像が白くなっており、横波が十分な強度で透過しているのに対し、密着しながら接合強度の無いコロナボンド部では、図５（Ｂ）に示すように、中央部の音響像が黒くなっており、横波が透過していないことが確認された。このように、図５（Ａ）および（Ｂ）の各構造について、既存の縦波音響映像（L wave Image）では、両者の判別が困難なのに対し、横波の音響映像（S wave Image）を利用すれば、健全接合と不健全接合とを区別して評価することができる。
【００３９】
以上のように、せん断波の横波計測は、粗密波の縦波計測より界面の計測感度が高く、既存の縦波計測では検出できない界面の接合不良を評価できるが、従来、試料表面から横波を垂直入射できる簡便な計測手法が無かった。本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、探触子の直接接触を含め、小面積で縦波超音波を入射する時に発生するモード変換横波を、単独で、または、縦波と一緒に計測に用いることにより、汎用性の高い接合界面の音響計測・評価方法を提案するものである。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ，１ｂ  材料
２  接合界面
１０  接合界面の評価装置
１１  探触子
１２  解析評価手段
【図１】
2020039850.tif 000003
【図２】
2020039850.tif 000004
【図３】
2020039850.tif 000005
【図４】
2020039850.tif 000006
【図５】
2020039850.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月12日(2020.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料同士の接合界面の接合状態を評価する接合界面の評価方法であって、
前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信する送信工程と、
前記送信工程で送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号と、前記送信工程で送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号とを受信する受信工程と、
前記受信工程で受信した信号のうち、前記縦波の前記透過信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記透過信号の所定の物理量、または、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価する評価工程とを、
有することを特徴とする接合界面の評価方法。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記送信工程は、探触子から前記縦波および前記横波を送信し、
前記受信工程は、前記反射信号および／または前記透過信号を前記探触子で受信することを
特徴とする請求項１記載の接合界面の評価方法。
【請求項５】
前記送信工程は、複数の探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信し、
前記受信工程は、各探触子の前記反射信号および／または前記透過信号を、各探触子で受信することを
特徴とする請求項１記載の接合界面の評価方法。
【請求項６】
前記探触子は、径が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４または５記載の接合界面の評価方法。
【請求項７】
前記物理量は、前記反射信号または前記透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであり、
前記評価工程は、前記接合界面の接合状態として、前記接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価することを
特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の接合界面の評価方法。
【請求項８】
材料同士の接合界面の接合状態を評価するための接合界面の評価装置であって、
前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信可能に設けられた送信手段と、
前記送信手段から送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号と、前記送信手段から送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号とを受信可能に設けられた受信手段と、
前記受信手段で受信した信号のうち、前記縦波の前記透過信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記透過信号の所定の物理量、または、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成された解析評価手段とを、
有することを特徴とする接合界面の評価装置。
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた一つの探触子を有し、
前記送信手段は、前記探触子から前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、
前記受信手段は、前記探触子で前記反射信号および／または前記透過信号を受信するよう構成されていることを
特徴とする請求項８記載の接合界面の評価装置。
【請求項１２】
超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた複数の探触子を有し、
前記送信手段は、各探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、
前記受信手段は、各探触子の前記反射信号および／または前記透過信号を、各探触子で受信するよう構成されていることを
特徴とする請求項８記載の接合界面の評価装置。
【請求項１３】
前記探触子は、径が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１１または１２記載の接合界面の評価装置。
【請求項１４】
前記物理量は、前記反射信号または前記透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであり、
前記解析評価手段は、前記接合界面の接合状態として、前記接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価するよう構成されていることを
特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の接合界面の評価装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
１、ｐ．５７５−５８２
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００７］
しかしながら、特許文献３および４に記載のような縦波バースト超音波を利用した方法では、接合状態を正確に評価することができるキッシングボンドやコロナボンドは極めて限定的であるという課題があった。
［０００８］
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、キッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態を正確に評価することができる接合界面の評価方法および接合界面の評価装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［０００９］
本発明者は、従来の超音波計測に用いられる縦波は粗密波であり、界面を押し付けながら伝搬するのに対し、横波はせん断波で不連続部の検出性に優れ、超音波探傷における標準法として多用されていることに着目し、横波を用いた計測に着眼した。従来、固体内への横波超音波の入射方法として、特殊な横波圧電素子を粘度の高い接触媒質を介して垂直入射する方法か、くさびを使って縦波を斜角入射することで横波を入射する方法がとられているが、接合界面に垂直に、特殊な素子や接触媒質を使わず、簡便に横波を入射する方法は存在せず、計測は困難であった。そこで、本発明者は、固体内に向かって超音波を微小領域に入射した時、地震波動同様、縦波と横波とが円弧状に同時に発生する点に着目して、本発明に至った。
［００１０］
すなわち、本発明に係る接合界面の評価方法は、材料同士の接合界面の接合状態を評価する接合界面の評価方法であって、前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信する送信工程と、前記送信工程で送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号と、前記送信工程で送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号とを受信する受信工程と、前記受信工程で受信した信号のうち、前記縦波の前記透過信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記透過信号の所定の物理量、または、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価する評価工程とを、有することを特徴とする
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
。
［００１１］
本発明に係る接合界面の評価装置は、材料同士の接合界面の接合状態を評価するための接合界面の評価装置であって、前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信可能に設けられた送信手段と、前記送信手段から送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号と、前記送信手段から送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号とを受信可能に設けられた受信手段と、前記受信手段で受信した信号のうち、前記縦波の前記透過信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記透過信号の所定の物理量、または、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成された解析評価手段とを、有することを特徴とする。
［００１２］
［００１３］
本発明に係る接合界面の評価方法は、本発明に係る接合界面の評価装置により好適に実施される。本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波、または、縦波と横波とを送信することにより、以下のようにして、接合界面の接合状態
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月15日(2020.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料同士の接合界面の接合状態を評価する接合界面の評価方法であって、
前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信する送信工程と、
前記送信工程で送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号と、前記送信工程で送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号とを受信する受信工程と、
前記受信工程で受信した信号のうち、前記縦波の前記透過信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量との差、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記透過信号の所定の物理量との差、または、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量との差に基づいて、前記接合界面の接合状態として、前記接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価する評価工程とを有し、
前記物理量は、前記反射信号または前記透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであることを
特徴とする接合界面の評価方法。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記送信工程は、探触子から前記縦波および前記横波を送信し、
前記受信工程は、前記反射信号および／または前記透過信号を前記探触子で受信することを
特徴とする請求項１記載の接合界面の評価方法。
【請求項５】
前記送信工程は、複数の探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信し、
前記受信工程は、各探触子の前記反射信号および／または前記透過信号を、各探触子で受信することを
特徴とする請求項１記載の接合界面の評価方法。
【請求項６】
前記探触子は、径が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４または５記載の接合界面の評価方法。
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
材料同士の接合界面の接合状態を評価するための接合界面の評価装置であって、
前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信可能に設けられた送信手段と、
前記送信手段から送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号と、前記送信手段から送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および／または前記接合界面を透過した透過信号とを受信可能に設けられた受信手段と、
前記受信手段で受信した信号のうち、前記縦波の前記透過信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量との差、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記透過信号の所定の物理量との差、または、前記縦波の前記反射信号の所定の物理量と前記横波の前記反射信号の所定の物理量との差に基づいて、前記接合界面の接合状態として、前記接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価するよう構成された解析評価手段とを有し、
前記物理量は、前記反射信号または前記透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであることを
特徴とする接合界面の評価装置。
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた一つの探触子を有し、
前記送信手段は、前記探触子から前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、
前記受信手段は、前記探触子で前記反射信号および／または前記透過信号を受信するよう構成されていることを
特徴とする請求項８記載の接合界面の評価装置。
【請求項１２】
超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた複数の探触子を有し、
前記送信手段は、各探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、
前記受信手段は、各探触子の前記反射信号および／または前記透過信号を、各探触子で受信するよう構成されていることを
特徴とする請求項８記載の接合界面の評価装置。
【請求項１３】
前記探触子は、径が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１１または１２記載の接合界面の評価装置。
【国際調査報告】
2020039850.tif 000008
2020039850.tif 000009
2020039850.tif 000010
2020039850.tif 000011