計測自動制御学会東北支部 244 回研究集会(2008.07.02)
資料番号 244-6

圧電振動子―固体媒質接着部における接触型非線形超音波に関する検討
Consideration of Contact Acoustic Nonlinearity of a bonded surface
between piezoelectric transducer and solid material○川上淳平*， 今野 和彦*○ Jumpei Kawakami*， Kazuhiko Imano**秋田大学 工学資源学部*Faculty of Engineering and Resource Science，Akita University
キーワード：高調波(Harmonic)，接触型非線形超音波(Contact Acoustic Nonlinearity)，接着層(Bonding Layer)，固体材料(Solid Material)

連絡先：〒010-8502 秋田市手形学園町 1-1 秋田大学 工学資源学部 電気電子工学科
川上淳平，Tel：(018)889-2494，Fax：(018)837-0406，E-mail：m9007115@wm.akita-u.ac.jp

この接触型非線形超音波の利用として，閉1.はじめに近年，主に超音波探傷の分野において接触口き裂の超音波探傷が存在する．閉口亀裂と型非線形超音波を用いた計測手法が着目されは開口幅が数 nm のき裂であり，今後重大なている 1)~5)．接触型非線形超音波とは，従来欠陥に発展する可能性を持ち，早期発見が望の媒質の非線形性によるものとは発生機構がまれているが，き裂が閉口し，内部では音響異なる非線形超音波である．nm オーダーの特性インピーダンスの差が存在しないため従隙間を持つ連続体や接触界面，弱構造体また来の線形超音波法(パルスエコー法)では明瞭は引張と圧縮で異なる特性を持つ界面に対しな反射波が得られないといった問題が存在す

大振幅バースト波を入射すると，ある音圧以る．しかし，閉口亀裂に有限振幅音波を送波上で隙間が開口し，その後接触界面が接触，しき裂を開口させることで接触型非線形超音分離を繰り返しながら振動する，その結果従波が発生し，これにより発生した高調波をき来の連続弾性体における非線形現象と比較し，裂を透過した波形の周波数スペクトルから測桁違いに大きい非線形超音波(高調波)が励起定することで閉口亀裂の検出が可能であるこされる．とが近年の研究で示されている．
1

しかし以上のような測定においては探触子(a)隙間なし(連続体)-測定媒質間の接着層の影響が問題となる可応力とひずみの関係が線形な関係となり，能性がある．接着層は構造的特長により，不入射波と同形状の波形が試料内を伝搬してい完全な接着状態では内部に局所的に健全接合

く．

部やキッシングボンドと呼ばれる結合力のな(b)入射波振幅 A≪隙間幅δ1

い密着した不完全接合部が存在する．この時，入射波の変位が応力として試料下部に伝搬

キッシングボンドからは接触型非線形超音波していかないため，図のような応力歪み特性が発生し，高調波が発生してしまうと考えらとなる．

れる．

(c)入射波振幅 A＞隙間幅δ2つまり接着層から発生する高調波はき裂よ

圧縮相において固体媒質と接着層が衝突をり得られる情報ではないが，両者は重畳して起こし，その後圧縮相の波の一部が接着層内観測されるため，高調波を用いる計測におい部に伝搬する．一方引張相の波は接着層内部て接着層の影響は無視できなくなる．しかし，には伝搬しないことからこの界面を伝搬する

必ずしもすべての研究において探触子-試料

超音波は入射波形の一部を切り取ったような間の接着層において発生する高調波を考慮し歪み波形となる．ているわけではないという問題がある．

(d) 入射波振幅 A≫隙間幅 δ3

そこで本研究では 2 枚のガラス板を用い探圧縮相の波の一部が透過するが，(c)の条件触子-試料間の接着層を模擬した接着層からに比べ，接触量が多く半波整流に近い波形が発生する接触型非線形超音波の観測を行う．

伝搬する．
以上の 4 つの条件の中で(c)，(d)の条件下に2.接着層,き裂における高調波の発生原理 5)

おいて透過波形が歪みを生じることから，そ接着層やき裂といった内部に隙間の存在の周波数スペクトルには非常に多くの高調波する構造体における高調波の発生原理をが含まれることになる．

Fig.1 の構造体の接触界面のモデル図により

Α≪δ1

き裂なし

図解する．

δ2＞A

δ3≫Α

平面波の入射入射波振幅
A

δ2

δ1δ3

試料の上部より平面波が入射したとき，接試料
応力

着，裂界面の応力ひずみ特性は，接合状態に応力ひずみ特性より変化し，さらに入射波振幅 A，隙間の幅

透過波

応力

応力
ひずみ

ひずみ

応力

ひずみ

ひずみなし

d(δ1＞δ2＞δ3)をパラメータとして変化するた

高調波発生

Fig.1 接触界面のモデル図及び応力ひずみめ，以下の 4 通りの状態に分類することがで特性と透過波きる．
23.接着層から発生する高調波の検出し，固形の結合剤(和光純薬工業株式会社製3-1 固体材料の選定サリチル酸フェニル)を用いて脱着を繰り返

本研究では非接触で測定が可能であるため，し，不完全接合部分が生じるように接着した．

接着層の影響を考えずに測定可能，方位分解さらに超音波を送波する圧電振動子をサリチ能が高いため微小区間を測定可能といった利ル酸フェニルを用いて不完全接合が生じない点を持つことからレーザドップラ振動計を超よう強く接着した．

音波の受波に用いる．そのため，接着層作成

デジタル顕微鏡(Dino lite-Digital Microscopeに使用する固体材料として白色光学ガラス板AM-311)を用いて撮影したガラス間の接着層長形ガラス)を用いる．この白色光の拡大図を Fig.2 に示す．撮影は振動子が接(ケニス学ガラスはレーザ光の光路観測などにおいて着してある面の背面から行っている．

用いられておりレーザ光の反射・屈折が生じこの時，振動子の上部で接着状態が異なっるためレーザドップラ振動計を用いた測定がている点が存在することが確認できる．そこ

可能であり，接着層の状態が目視可能である

で振動子中心点から x 方向にレーザ光を走査という利点がある．

しながら測定を行うことで接着状態に対する用意した 2 枚のガラス板の寸法および質量高調波発生量の評価を行う．走査範囲は約 3を Table.1 に示す．厚さ，長手方向及び幅方mm(0.5 mm 間隔)とする．

向の長さはマイクロメータはマイクロメータ

振動子: φ10 mm(Mitutoyo APB-1D，Mitutoyo APB-4D)を用いて測定し，質量は電子天秤(SHIMAZU BL-120H)xを用いて測定した．
Table.1 より，2 つのガラスはほぼ同形状となっていることが確認できる．

1 mm

Table.1 ガラス板の寸法・質量
ガラスA
15.2
厚さ
長さ(長手方向) 31.9
長さ(幅方向) 16.90.104
質量ガラスB
15.1
31.9
17.7
0.106

mm
mm
mm
kg

Fig.2

ガラス接着面の拡大図

3-3 測定システム
測定システムを Fig.3 に示す．

3-2 ガラスの接着および接着層の観測

発振器(Agilent HP 33120 )をバースト正弦

次に，この 2 枚のガラス板の接着面をカーボランダム(マルトー

波 30 波で駆動し，高周波増幅器を用いて電力を 1 W まで増幅する．さらに駆動波形に生じ

C2000)を用いて研磨
3

る 高 調 波 を 減 衰 さ せ る た め 通 過 帯 域 0.7
Function Generator

MHz~1.7 MHz の バ ン ド パ ス フ ィ ル タ (DFPCHigh-Frequency
Amplifier717BPF)を介して振動子を駆動する．また，

GP-IB
Trigger

BPF(0.7Mz~1.7MHz)

使用する振動子は共振周波数 1 MHz の折り

Oscilloscopebonding layer
glass

Matching Box

返し電極型チタン酸鉛系圧電振動子を用いる．

Laser Doppler
VibrometerTransducer

さらにガラス端面の振動変位をレーザドップ
X-Y stage

ラ振動計(グラフテック AT0023,AT3700)を用いて非接触で測定する．オシロスコープ

Fig.3 測定システム(Agilent Infinium 54845A)上で観測した振動変位波形のデータを PC に取り込み，FFT を行

without bonding layer

with bonding layer

Difference Adif [dB]

い周波数スペクトルから基本波と 2 次高調波の振幅差 Adif を算出した．ガラスが 2 枚の場合およびガラスが 1 枚の場合(ガラス間の接着層が存在しない)の結果を Fig.4 に示す．
その結果振動子中心より x 方向に進むにつ-30-40-50

れて Adif の値が向上していくことか確認でき，
0振動子中心(x＝0)と x=2000 μm の点では基本波の 2 次高調波の振幅差が 10 dB 以上詰まっ

1000
2000
Distance [μm]3000

Fig.4 振動変位波形および周波数スペクトルている．そのため x=2000 μm 以降の点において接触型非線形超音波に起因すると考えられ

4.接触面の振動変位 A と発生する高調波量

る 2 次高調波が発生している可能性が示されの検討た．またガラス間の接着層が存在しない場合3-3 の結果より，ガラス間の接着層においの結果についても Adif の値が変動している理て，基本波に対する 2 次高調波振幅 Adif が向由としては，振動子とガラス間の接着層の影上する点が存在することが示された．しかし

響が考えられ，振動子の表面形状の荒さが影この高調波発生が接触型非線形超音波による響していると考えられる．

ものであるかを確認する必要がある．
接触型非線形超音波は接触界面の振動振幅
A と界面に存在する微小隙間 d をパラメータとして発生する(Fig.1)．そのため振動変位 Aが徐々に大きくなっていた場合の Adif の測定を行うことで，隙間幅の推定や接触型非線形4超音波の発生の確認が可能となると考えられ

2 枚の場合の入力電力に対する Adif の測定をる．

行う．測定は振動子中心点(x=0)と x=2000 μmの点において行った．
振動子中心点(x=0)における測定結果を4-1 入力電力に対する接着面の振動変位 A のFig.6 に，x=2000 μm における測定結果を Fig.7

測定
ガラスが 1 枚のときの振動変位 A を測定し,に示す．その結果 x=2000 μm における測定結

接着界面の振動変位と発生する高調波量の検果では入力電力 0.2 W 付近を境に Adif が向上討を行う．実験システムは 3-3 と同様のシスしている．これは，隙間の幅よりも接着面のテムを用い，測定点は Fig.4 において Adif の値振動変位が大きくなる点であると考えられ，が最大であった x=2000 μm の点とした．入力接触型非線形超音波発生の閾値であると考え電力を 0.1 W から 1 W まで 0.1 W ずつ変化さられる．これと比較して，x=0 における結果

せ測定を行い，その他の実験条件は 3-3 と同では閾値のような特性は確認できない．

一とした．
-20Difference Adif [dB]

入力電力に対するガラス端面の振動変位をFig.5 に示す．この結果から振動変位は入力電力が 0.5 W 付近から飽和していることが確認できる．つまり接着面の振動変位の最大値は-30-40約 20 nm であるといえる．
-5000.4
0.6
Input power[W]0.8

1Fig.6 2 次高調波振幅差の入力電力特性(x=0)

20-2010000.2

0.4
0.60.8Input power[W]Difference Adif [dB]

Displacement [nm]300.2

1Fig.5 振動変位－入力電力特性(ガラス間の接-30-40-500

着層なし，x=2000 μm を測定)

0.20.40.60.8Input power[W]Fig.7 2 次高調波振幅差の入力電力特性
4-2 入力電力に対する Adif の測定(x=2000)

次に同様の測定システムを用いてガラスが514-3≪参考文献≫

Adif-振動変位特性の算出

以上の結果から，Fig.7 の横軸の入力電力を1) Kazusi YAMANAKA, Tsuyoshi MIHARA,

Fig.5 の入力電力‐振動変位特性を用いて振Toshihiro TSUJI: “ Evaluation of Closed

動変位に描きなおしたグラフを Fig.8 に示す．

Cracks by Model Analysis of Subharmonic

この結果より x＝2000μm の点において接着Ultrarsound”Japanese Journal of Applied

層に加わる振動変位が約 8 nm を越えた辺り

Physics,Vol43,No.5B,pp3082~3087 (2004)から Adif の値が向上していくことが分かる．

2) 山中一司，小原良和，山本摂，三原毅 “きこのことから接着層内部に微小な隙間が生じ裂の非線形超音波映像法”ていること，またその隙間よりも大きい振動

3) 川嶋紘一郎：“接触型非線形超音波を用い変位が接触界面に加わった場合に接触型非線た工業材料の非破壊評価・検査”，非破壊形超音波が発生していることが示された．

検査第 56 巻 6 号，pp274~279 (2007)4) 今野和彦，武藤梓：“有限振幅音波を用いDifference Adif [dB]-25

た閉口クラックからの 2 次高調波の検出”，-30

素材物性学会雑誌，第 20 巻，第 1 号，pp12~18(2007)-355) 山田龍三，堀尾浩次“非線形超音波法を
-40
010
20
Displacement [nm]Fig.8

利用したγTiAl 合金/鋼拡散接合部の品質30保証”電気製鋼，第 77 巻 3 号 pp207~214

Adif‐振動変位特性(2006)

5.おわりに
本研究では 2 枚のガラス板を用い接着層内部での接合状態と発生する高調波量についての検討を行った．その結果接着層内に不完全接合による空隙が生じている場合，その点から接触型非線形超音波に起因した 2 次高調波が発生し，基本波に対する 2 次高調波振幅 Adifが向上することを確認した．
今後の課題としては異なる結合材を用いた場合についての検討，接合界面の傾斜，表面粗さなどの影響の検討などが挙げられる．

6