CN104614442A - 超声波测定方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种超声波测定方法以及装置，在使用空中传播的超声波的超声波测定方法中，能够接收的超声波的灵敏度高。本发明的超声波测定方法使用在空中传播的超声波对被测定物的内部进行测定，该超声波测定方法包括：将声阻抗比空气的声阻抗大且比所述被测定物的声阻抗小的片材向所述被测定物粘贴的工序；以及使用传感器对粘贴有所述片材的所述被测定物的内部进行测定的工序。

Description

超声波测定方法以及装置

技术领域

本发明涉及使用在空气中传播的超声波对被测定物的内部进行测定的方法以及装置。

背景技术

如图9所示，作为现有例，提出了使由发送用的超声波传感器1振荡出的超声波2经由空气向被测定物3入射，并使透过被测定物3的内部后的超声波2经由空气而由接收用的超声波传感器4接收，由此进行被测定物3的内部测定的方法(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2008-128965号公报

然而，由于被测定物与空气的声阻抗之差一般在1000倍以上，因此在上述的现有例中，超声波的透射率低，由此SN比(Signal to Noise ratio)降低，存在测定精度低的课题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的课题，提供超声波的透射率得以提高的高精度的超声波测定方法以及装置。

为了实现上述目的，本发明的超声波测定方法使用在空中传播的超声波对被测定物的内部进行测定，所述超声波测定方法包括：将声阻抗比空气的声阻抗大且比所述被测定物的声阻抗小的片材向所述被测定物粘贴的工序；以及使用传感器对粘贴有所述片材的所述被测定物的内部进行测定的工序。

另外，本发明的超声波测定装置使用在空中传播的超声波对被测定物的内部进行测定，所述超声波测定装置具备：片材，其声阻抗比空气的声阻抗大且比所述被测定物的声阻抗小；粘贴机构，其将所述片材向所述被测定物粘贴；以及传感器，其对附有所述片材的所述被测定物的内部进行测定。

发明效果

如上，根据本发明，通过经由片材来实施被测定物的超声波测定，由此实现高精度的超声波测定方法以及装置。

附图说明

图1是示出实施方式1的超声波测定方法的简要结构的图。

图2是示出实施方式1的片材的声阻抗与实施方式1的透射率相对于现有例的透射率的比率的关系的图。

图3是示出实施方式1的超声波测定装置的简要结构的图。

图4是实施方式1的超声波测定方法的流程图。

图5是示出实施方式1的超声波测定方法的简要结构的图。

图6是示出实施方式2的超声波测定方法的简要结构的图。

图7(a)、(b)是示出实施方式1和实施方式2的超声波的传播的不同的简图。

图8是示出实施方式3的超声波测定方法的简要结构的图。

图9是示出专利文献1所记载的现有例的图。

符号说明

1：超声波传感器

2：超声波

3：被测定物

4：超声波传感器

101、102：片材

301：测定装置

302、303：片材粘贴机构

304、305：片材剥离机构

306：搬运单元

307：片材供给单元

308：片材回收单元

309：架台

501：超声波传感器

502：片材

503：空隙缺陷

601：片材

801、802：片材

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(实施方式1)

在图1中示出用于实施本实施方式的超声波测定方法的简要结构。首先，对本超声波测定方法的概要进行说明。由发送用的超声波传感器1振荡出的超声波2在空气中传播，经由粘贴在被测定物3的表面的片材101向被测定物3入射。之后，透过被测定物3的内部后的超声波2经由粘贴在被测定物3的背面的片材102向空气中射出，并经由空气向接收用的超声波传感器4入射。并且，通过对由超声波传感器4接收到的来自被测定物3的超声波2的波形进行解析来实施被测定物3的内部测定。

在图1中，在本实施方式中，被测定物3例如通过将厚度均为1mm的两张铜板热扩散接合而得到。发送用的超声波传感器1以及接收用的超声波传感器4是所谓的空中超声波传感器。空中超声波传感器是对在空中传播的超声波进行接收或发送的传感器。作为空中超声波传感器的发送用的超声波传感器1以及接收用的超声波传感器4的中心频率例如标称是800kHz。另外，片材101以及片材102例如由顺式丁二烯橡胶构成。并且，片材101与被测定物3以不夹有空气层的状态密接，片材101在气压的作用下粘贴于被测定物3。需要说明的是，片材102也以与片材101相同的方式粘贴于被测定物3。

这里，对于超声波2的透射率，进行本实施方式与现有例的比较。将空气、被测定物3、片材101以及片材102的声阻抗分别设为Z₁、Z₂、Z₃。在这种情况下，在图9所示的现有例中，由于超声波以空气→被测定物3→空气的顺序传播，因此，现有例的超声波的透射率T_conv.由式1表示。

T_conv.＝4·Z₁·Z₂/(Z₁+Z₂)²…(式1)

另一方面，在图1所示的本实施方式中，超声波以空气→片材101→被测定物3→片材102→空气的顺序传播。本实施方式中的透射率T_exe1由式2表示。

T_exe1＝16·Z₁·Z₂·Z₃ ²/{(Z₁+Z₃)²·(Z₃+Z₂)²}…(式2)

若将被测定物3设为铜，将片材101和片材102设为顺式丁二烯橡胶，则各声阻抗是Z₁＝408Ns/m，Z₂＝4.49×10⁷Ns/m，Z₃＝1.5×10⁶Ns/m。此时，根据式1，现有例的透射率T_conv.是T_conv.＝3.63×10^-5。并且，图1的本实施方式的透射率T_exe1是T_exe1＝1.36×10^-4。由此，本实施方式的透射率T_exe1相对于现有例的透射率T_conv.的比率(T_exe1/T_conv.)是T_exe1/T_conv.＝3.74。因此，根据本实施方式的超声波测定方法可知，能够接收的超声波的灵敏度(超声波的透射率)提高到3.74倍。

在这种情况下，在本实施方式中，优选将片材101以及片材102的厚度t设定为由式3定义的值。通过满足式3的条件，能够进一步提高超声波的透射率。

t＝Vs/(4×fo)…(式3)

这里，Vs表示片材101以及片材102的纵波的声速，fo表示超声波传感器1以及超声波传感器4的中心频率。通过以满足式3的方式设定各结构，由此片材101、片材102、被测定物3以及空气的各交界面处的反射成为最小，能够使超声波2的透射率最大化。在本实施方式中，由于采用纵波的声速Vs＝1590m/s的片材101及片材102、中心频率fo＝800kH的超声波传感器1及超声波传感器4，因此根据式3将片材101以及片材102的厚度设定为0.5mm。

接下来，对片材101以及片材102的优选的声阻抗进行说明。图2是示出被测定物的材质为铜、铝、玻璃、聚苯乙烯的情况下的本实施方式的片材的声阻抗、与本实施方式的透射率相对于现有例的透射率的比率的关系的图。在图2的图表中，横轴用对数表示片材的声阻抗，纵轴表示根据式1以及式2求出的本实施方式的透射率T_exe1与现有例的透射率T_conv.的比率。这里，铝、玻璃、聚苯乙烯的声阻抗分别是1.73×10⁷Ns/m、1.28×10⁷Ns/m、2.48×10⁶Ns/m。根据图表明显可知，使T_exe1/T_conv.大于1的条件、即与现有例相比使本实施方式的透射率较高的片材的声阻抗的条件是比空气大且比被测定物小。

因此，图1的片材101以及片材102采用满足声阻抗比空气大且比被测定物3小的条件的材料。更优选片材101以及片材102的声阻抗满足6.5×10²Ns/m以上且1.6×10⁶Ns/m以下的条件。这是因为，根据图2明显可知，在一般广泛使用于工业产品的聚苯乙烯是被测定物的情况下，与现有例相比，本实施方式的透射率提高了1.5倍以上。需要说明的是，发明人等发现，若透射率达到1.5倍以上，则能够进行更准确的测定。在满足该声阻抗的条件的材料中，在本实施方式中，将作为容易与被测定物3的表面密接的材质的顺式丁二烯橡胶选定为片材101以及片材102的原材料。

这里，在图3中示出本实施方式的超声波测定装置的一例、即测定装置301。

测定装置301包括配置有片材粘贴机构302、303的位置B、配置有超声波传感器1、4的位置C以及配置有片材剥离机构304、305的位置D。该测定装置301对被测定物3的表背面同时实施片材的粘贴。另外，该测定装置301从被测定物3的表背面同时实施片材的剥离。

被测定物3由搬运单元306从位置A搬运到测定装置301的位置B，接下来，在测定装置301内依次向位置B→C→D搬运，最后搬运到测定装置301外的位置E。由于向位置A依次供给被测定物3，因此向测定装置301内导入多个被测定物3，在位置B、C、D并行地进行作业。搬运单元306例如是利用两条带支承被测定物3的两端的两边来进行搬运的传送带，且在中央具有开口，以便能够在传送带上实施由位置C的超声波传感器1、4所进行的测定。

片材粘贴机构302、303例如具备能够进行三轴驱动的机器人和吸附嘴。利用吸附嘴将由片材供给单元307预先准备的多个片材101以及片材102依次搬运到被测定物3的表背面，以10N左右的加压力将片材101以及片材102压抵到被测定物3的表背面。由此，片材粘贴机构302、303在被测定物3的主面的两面进行片材101以及片材102的粘贴。另外，片材剥离机构304、305也由能够进行三轴驱动的机器人和吸附嘴构成，分别利用吸附嘴吸附粘贴在被测定物3的两面上的片材101以及片材102来进行剥离。剥离出的片材101以及片材102向片材回收单元308搬运。由片材回收单元308回收的片材101以及片材102再次配置于片材供给单元307并被再利用。上述的片材粘贴机构302、303、片材剥离机构304、305、超声波传感器1、4、搬运单元306、片材供给单元307以及片材回收单元308配置在测定装置301的架台309上。

接下来，基于图3的结构，按照图4的流程图对本实施方式的超声波测定方法的流程进行说明。图4的步骤S101是在图3的位置B实施的工序。在该工序中，利用片材粘贴机构302、303向从位置A搬运来的被测定物3的表面粘贴片材101以及片材102。

接下来，图4的步骤S102是在图3的位置C实施的工序。在该工序中，使用超声波传感器1、4对粘贴片材101以及片材102之后搬运到位置C的被测定物3的内部进行测定。通过使用超声波经由片材101以及片材102对被测定物3的内部进行测定，由此与现有例相比，能够以高灵敏度进行超声波测定。图1是在该位置C实施的超声波测定方法的简图。

最后，图4的步骤S103是在图3的位置D实施的工序。在该工序中，利用片材剥离机构304、305从自位置C搬运来的被测定物3剥离片材101以及片材102

这些步骤S101～S103的工序能够在连续地测定多个被测定物3的情况下并行地执行。因此，即便如本实施方式那样实施片材的粘贴、剥离工序，与现有例相比，也能够在不增长单个片材的测定时间的情况下提高可接收的超声波的灵敏度。

需要说明的是，在本实施方式中，图3的片材101以及片材102在气压的作用下粘贴于被测定物3，但也可以借助预先涂敷于片材101以及片材102的具有粘接性的粘合材料来将片材101以及片材102粘贴于被测定物3。此时，就粘合材料而言，声阻抗比片材101以及片材102大且比被测定物3小的材料是合适的，并且，为了不妨碍超声波的透射，粘合材料越薄越是优选。因此，例如将粘合材料的厚度设为几十μm以下。

此外，在本实施方式中，片材粘贴机构302、303以及片材剥离机构304、305也可以采用其他机构。例如，片材粘贴机构302、303也可以采用如下机构：在夹着被测定物3进行保持的机构的前端配置片材101以及片材102，在位置B进行被测定物3的保持并且使片材101以及片材102与被测定物3的测定面密接。在这种情况下，片材剥离机构304、305也可以采用在位置D进行被测定物3的保持解除并且将片材101以及片材102从被测定物3剥离的结构。这样的机构在搬运单元使用转台式的情况下是适合的。

需要说明的是，在本实施方式中，虽在被测定物3的两面粘贴有片材101以及片材102，但也可以仅在被测定物3的单侧粘贴片材。例如，在图1中，在没有片材101而仅有片材102的情况下，超声波2的传播路径是空气→被测定物3→片材102→空气，此时的透射率T_exe2由式4表示。

T_exe2＝8·Z₁·Z₂·Z₃/{(Z₁+Z₂)·(Z₂+Z₃)·(Z₃+Z₁)}…(式4)

根据式4，此时的透射率T_exe2是T_exe2＝7.03×10^-5，相对于现有例的透射率T_conv.的比率(T_exe2/T_conv.)是T_exe2/T_conv.＝1.93。即，即便是仅在单侧粘贴片材的情况下，超声波的透射率也提高到1.93倍。在这种情况下，仅在被测定物3的主面中的接收用的超声波传感器4侧的面粘贴片材102的话更为有效。其原因在于，通过将片材102的大小设定为测定所需的尺寸，由此能够相对减小在测定所不需要的路径中传播的超声波2的影响，能够提高S/N比。更详细地说，其原因在于，超声波2在内部散射，包括不是测定对象的部位处的反射波(噪声)在内也从被测定物3向空气中射出，能够利用片材102减少该噪声的影响。需要说明的是，在没有设置片材101的情况下，例如，也可以取代发送用的超声波传感器1，而使用向被测定物3的表面直接导入超声波的脉冲激光。

需要说明的是，在图1、图3中，使用透过被测定物3后的超声波2来实现内部测定。另一方面，如图5所示，也可以使用在被测定物3的底面进行反射后的超声波2来实现内部测定。由图5的发送接收用的超声波传感器501振荡出的超声波2在空气中传播，经由粘贴在被测定物3上的片材502向被测定物3入射。该片材502粘贴在被测定物3的表面。在被测定物3的内部传播的超声波2在被测定物3的底面(背面)、空隙缺陷503处反射，经由片材502向空气中射出，由发送接收用的超声波传感器501接收。发送接收用的超声波传感器501搭载在用于对被测定物3的表面进行二维扫描的XY工作台504上，通过对在各测定位置接收到的来自被测定物3的超声波2的波形进行解析来进行被测定物3的内部的例如空隙缺陷503的测定。

在图5的结构的情况下，由于需要将在被测定物3的表面处反射的超声波2与在被测定物3的内部的空隙缺陷503处反射的超声波分离，因此，发送接收用的超声波传感器501的中心频率更高为好。优选选定1MHz以上且3MHz以下的中心频率的超声波传感器501。这是因为，在一般的工业产品中使用的材质的声速是2000m/s～6000m/s，为了测定存在于这样的被测定物3的内部的几mm的深度处的缺陷，1MHz以上的频率是适合的。并且，这是因为，若采用3MHz以上的频率，则空中的衰减率显著增大，无法检测到足够强度的超声波2。在图5的结构中，作为一例，选定标称2MHz的中心频率的超声波传感器501。另外，片材502使用顺式丁二烯橡胶，根据(式3)将厚度设为0.2mm。

另外，图5的结构适用在图3的位置C。

如上所述，在基于使用发送接收用的超声波传感器501仅从被测定物3的单侧面进行测定的脉冲反射法的超声波测定方法中，也能够提高超声波的灵敏度。

需要说明的是，在图1、图3所示的基于透射法的超声波测定方法中，由于不具有被测定物3的内部的深度方向的信息，因此不需要提高超声波2的中心频率，从超声波2的接收效率这方面来看，选定100kH以上且1MHz以下的中心频率的超声波传感器1、4为好。因此，在图1、3的结构中，使用标称800kHz的中心频率的超声波传感器。

需要说明的是，在片材101以及片材102没有对被测定物3造成恶劣影响的情况下，不实施图4的步骤S103的工序亦可。在这种情况下，本实施方式的超声波测定装置的一例、即图3的测定装置301也可以不具备片材剥离机构304、305。但是，若考虑到对被测定物3造成的影响程度、回收性，则优选从被测定物3剥离片材101以及片材102。

(实施方式2)

在图6中示出实施方式2的超声波测定方法的简要结构。实施方式2与实施方式1的不同之处在于，在粘贴于被测定物3的接收用的超声波传感器4侧的片材601的表面设置有由曲面构成的凹部。图7(a)、(b)示意性地示出超声波2从被测定物3经由片材向空气中传播的状态。图7(a)是实施方式1的超声波传播的示意图，图7(b)是实施方式2的超声波传播的示意图。如图7(a)所示，在片材102的表面是平面的情况下，从片材102射出的超声波2呈放射状扩展。若因测定条件的限制而导致片材102与接收用的超声波传感器4的距离扩大，则超声波2的范围比接收用的超声波传感器4的接收面大，效率降低。另一方面，如图7(b)所示，在片材601的表面设置有曲面状的凹部的情况下，从片材102射出的超声波2朝向接收用的超声波传感器4的接收面聚集，因此能够高效地接收超声波2。

这里，对于片材601的表面的凹部的形状，在从片材601到接收用的超声波传感器4的距离是L的情况下，形成为具有半径L的曲率的曲面状是合适的。即，在设置于片材601的表面的由曲面构成的凹部的曲率中心配置超声波传感器4是合适的。需要说明的是，图6的结构适用在图3的位置C。

如上，根据本实施方式，能够进一步提高可接收的超声波的灵敏度。

(实施方式3)

在图8中示出实施方式3的超声波测定方法的简要结构。实施方式3与实施方式1的不同之处在于，片材801以及片材802是多层结构。这里，将片材801和片材802均设为双层结构。将片材801的位于被测定物3侧的层设为第一层801a，将位于空中侧的层设为第二层801b。另外，将片材802的位于被测定物3侧的层设为第一层802a，将位于空中侧的层设为第二层802b。在这种情况下，各结构的声阻抗需要设定为满足空气＜第二层801b(802b)＜第一层801a(802a)＜被测定物3的关系。以下，对如此设定各结构的声阻抗的理由进行说明。

若将空气、被测定物3、第一层801a(802a)、第二层801b(802b)的声阻抗分别设为Z₁、Z₂、Z₃、Z₄，则以空气→第二层801b→第一层801a→被测定物3→第一层802a→第二层802b→空气的顺序传播的超声波的透射率T_exe4能够用式5表示。

T_exe4＝64·Z₁·Z₂·Z₃ ²·Z₄ ²/{(Z₁+Z₄)²·(Z₃+Z₄)²·(Z₂+Z₃)²}

…(式5)

根据式5，通过如上述那样设定各结构的声阻抗，由此能够提高超声波2的透射率。具体而言，若将第一层801a(802a)、第二层801b(802b)的声阻抗分别设定为1.5×10⁶Ns/m、9×10⁵Ns/m，则根据式5，本实施方式的透射率T_exe4是T_exe4＝2.13×10^-4，本实施方式的透射率T_exe4相对于现有例的透射率T_conv.的比率(T_exe4/T_conv.)是T_exe4/T_conv.＝5.85。这样，根据本实施方式，与现有例相比，能够期待约5.85倍的透射率的提高，能够进一步提高可接收的超声波的灵敏度。

在本实施方式中，第一层801a、802a采用顺式丁二烯橡胶。另外，第二层801b、802b采用通过混入大量直径为10μm左右的中空玻璃来降低密度从而降低了表观上的声阻抗的树脂。通过与被测定物3相接的第一层801a、802a采用具有柔软性的橡胶材料，由此提高第一层801a、802a与被测定物3的密接性，从而确保作业效率。与此同时，通过第二层801b、802b采用与空气的声阻抗更接近的层，由此能够进一步提高超声波2的透射率。

这样，通过使片材801包括第一层801a和声阻抗比第一层801a的声阻抗小的第二层801b，由此能够实现高精度的测定。另外，使片材802包括第一层802a以及声阻抗比第一层802a的声阻抗小的第二层802b也能够实现高精度的测定。

优选片材801、802的厚度t设定为由式3定义的值。通过满足式3的条件，由此能够进一步提高超声波的透射率。

需要说明的是，通过将上述各种实施方式或者变形例中的任意实施方式或者变形例适当地组合，由此能够发挥各自所具有的效果。例如，也可以将在实施方式2中采用的由曲面构成的凹部适用于图8的第二层802b。由此，能够实现更高精度的超声波测定。

工业上的可利用性

本发明也能够适用于对电子设备、车身等结构体的内部进行超声波探伤的用途。

Claims (10)

1.一种超声波测定方法，其使用在空中传播的超声波对被测定物的内部进行测定，

所述超声波测定方法包括：

将声阻抗比空气的声阻抗大且比所述被测定物的声阻抗小的片材向所述被测定物粘贴的工序；以及

使用传感器对粘贴有所述片材的所述被测定物的内部进行测定的工序。

2.根据权利要求1所述的超声波测定方法，其中，

所述超声波测定方法还包括在对所述被测定物的内部进行测定之后将所述片材从所述被测定物剥离的工序。

3.根据权利要求1或2所述的超声波测定方法，其中，

在将所述片材的纵波的声速设为Vs，将所述传感器的中心频率设为fo，将所述片材的厚度设为t时，满足t＝Vs/(4×fo)。

4.根据权利要求1所述的超声波测定方法，其中，

所述片材具有由曲面构成的凹部，在对所述被测定物的内部进行测定的工序中，在所述曲面的曲率中心配置所述传感器来接收超声波。

5.根据权利要求1所述的超声波测定方法，其中，

所述片材包括第一层以及声阻抗比该第一层的声阻抗小的第二层，

以所述第一层位于所述被测定物侧且所述第二层位于所述空中侧的方式粘贴所述片材。

6.一种超声波测定装置，其使用在空中传播的超声波对被测定物的内部进行测定，

所述超声波测定装置具备：

片材，其声阻抗比空气的声阻抗大且比所述被测定物的声阻抗小；

粘贴机构，其将所述片材向所述被测定物粘贴；以及

传感器，其对附有所述片材的所述被测定物的内部进行测定。

7.根据权利要求6所述的超声波测定装置，其中，

所述超声波测定装置还具备将所述片材从所述被测定物剥离的剥离机构。

8.根据权利要求6所述的超声波测定装置，其中，

在将所述片材的纵波的声速设为Vs，将所述传感器的中心频率设为fo，将所述片材的厚度设为t时，满足t＝Vs/(4×fo)。

9.根据权利要求6所述的超声波测定装置，其中，

所述片材具有由曲面构成的凹部，

所述传感器在所述曲面的曲率中心接收超声波。

10.根据权利要求6所述的超声波测定装置，其中，

所述片材包括第一层以及声阻抗比该第一层的声阻抗小的第二层，

所述粘贴机构以所述第一层位于所述被测定物侧且所述第二层位于所述空中侧的方式粘贴所述片材。