JP2001519035A - 超音波による境界面領域の検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの送信ユニット（５）と、受信ユニット（１７）と、加算素子を備えた評価ユニット（２７）とを有する、超音波により境界面領域を検査する装置であって、前記送信ユニットにより振幅の調整可能な送信信号が少なくとも１つの基本周波数において形成可能であり、前記受信ユニットにより、少なくとも１つの基本周波数、並びに送信信号の少なくとも１つの基本周波数に所属の高調波のうち少なくとも最低のものがその周波数振幅について受信信号として検出され、前記評価ユニットでは、受信信号の周波数振幅が測定値に結合される、形式の装置において、測定値が基本周波数の単純な周波数振幅と、基本周波数の２倍において所属の第２高調波の周波数振幅の少なくとも２倍の負の値を有する。このことにより、被検境界面領域（１４）における結合力の絶対測定が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の名称］超音波による境界面領域の検査装置 本発明は、少なくとも１つの送信ユニットと、受信ユニットと、評価ユニット とを有する、超音波による境界面領域の検査装置に関するものであり、前記送信 ユニットにより振幅の調整可能な送信信号が少なくとも１つの基本周波数で形成 可能であり、前記受信ユニットにより少なくとも１つの基本周波数、並びに送信 信号の少なくとも１つの基本周波数に所属する高調波のうち最低の周波数を有す るものの周波数振幅が受信信号として受信可能であり、前記評価ユニットでは受 信信号の周波数振幅が測定値と結合可能である。 この種の装置はＤＥ４３２４１４３Ｃ１から公知である。この装置では送信ユ ニットが設けられており、この送信ユニットにより基本周波数において振幅の調 整可能な送信信号が形成できる。受信ユニットにより周波数成分が、基本周波数 並びに基本周波数の高調波において検知できる。被検境界面領域における結合力 特性についての境界面領域の特性検出は次のように形成される。すなわち、基本 周波数の周波数振幅と、少なくとも１つの別の周波数振幅とを、基本周波数と関 連する別の高調波周波数成分において評価ユニットにより加算するのである。こ こでは結合力能力（ポテンシャル）の特性検出に対して物理的に正確な相対的測 定値を得るために、周波数成分が偶数次の高調波においては負に、奇数次の高調 波においては正に重み付けされる。さらに絶対的に正しい結合力能力の特性検出 のためには直流電圧成分を検出しなければならない。 この種の装置によってなるほど結合力特性の特性検出を行うことができるが、 この装置の欠点は例えば直流電圧成分の検出が測定技術的に困難であることであ る。とりわけ同じように重要な結合強度（Haftfestigkeit）についての量的明言 、すなわち最大結合力に対する差の明言は不可能である。 本発明の課題は、冒頭に述べた形式の装置を改善し、測定技術的に僅かなコス トで結合強度の正確な非破壊検出を行うことである。 この課題は本発明により、測定値が基本周波数の単純な周波数振幅と、この基 本周波数に所属する高調波のうち最低のものの周波数振幅の２倍の負の値を有す るようにして解決される。 測定値が、少なくとも１つの基本周波数の単純な周波数振幅と、少なくとも所 属の高調波のうち最低のものの周波数振幅の２倍の負の値、すなわち基本周波数 が２倍の場合の第２高調波とから形成されるようにすることによって、結合強度 に対する量的明言が行われ、このことを測定技術的に比較的簡単にかつ非破壊で 行うことができる。量的に正確な結合強度測定値に対しても直流電圧成分の検出 は必要ない。 有利な展開例では、第２高調波の他に別の高調波も検出される。このことによ り、測定精度の向上が得られる。ここで基本周波数の３倍及び５倍の第３及び第 ５高調波の周波数振幅は単に正の値により、基本周波数の６倍の第６高調波は２ 倍の負の値により検出される。基本周波数の４倍の値を有する第４高調波はここ では考慮されない。相応して、基本周波数の（２ｎ＋１）倍の値を有する周波数 成分はそのまま、２（２ｎ＋１）倍の値を有する周波数成分は２倍の負の値をと る。ここでｎはゼロまたはそれ以上の整数である。４倍の値を有する周波数成分 は考慮されないままとする。 さらに少なくとも２つまたはそれ以上の基本周波数を有する送信信号を使用す ると有利である。このことにより、非線形処理によって基本周波数とこれに所属 する高調波における周波数成分だけでなく、種々異なる基本周波数、高調波並び にこれらの組み合わせから和周波数及び差周波数が形成可能であり、正確な測定 値を得るために相互に加算的に、一部は単純に正で一部は２倍の負の重み付けに より結合することができる。 引張強度を検出するためには、送信ユニットにより検査ヘッドで、大きなシフ ト成分を有する超音波を表面に対して垂直に、例えば被検境界面領域に対して垂 直に入射する縦波を投射し、剪断結合強度を検出するためには、大きなシフト成 分を有する超音波を表面に対して平行に、例えば被検境界面領域に対して垂直に 入射する横波を投射する。 本発明のさらなる有利な構成及び利点は従属請求項の対象であると共に、以下 の図面を参照しての実施例の説明の対象である。 ［図面の簡単な説明］ 図１は超音波による境界面領域の検査装置の実施例を示すブロック回路図であ り、送信ヘッドないし受信ヘッドを夫々備えた送信ユニット及び受信ユニットを 備える。 図２は、超音波による境界面領域の検査装置の実施例の別の実施例であり、複 数の送信ヘッド及び受信ヘッドを夫々備えた送信ユニット及び受信ユニットを備 える。 図１は、超音波による境界面領域の検査装置の実施例を示すブロック回路図で ある。この検査装置は中央制御ユニット１を有する。制御ユニット１には制御モ ジュール２と切換モジュール３が接続されており、切換モジュールには送信ヘッ ド４が後置接続されている。この送信ヘッド４は単一周波数送信ユニット５を形 成する。制御ユニット１により繰り返し周波数、持続時間、この実施例ではただ １つの基本周波数、及び送信ヘッド４から送信される送信信号の振幅が調整可能 である。送信信号の振幅は、１測定サイクル内で段階的に比較的低い初期値から 始まって調整される。 繰り返し周波数及び持続時間に対する値はパルス線路６を介して切換モジュー ル３に伝送される。送信信号の振幅及び基本周波数に対する値は振幅線路７と周 波数線路８を介して制御モジュール２に伝送される。制御モジュール２により連 続波シーケンスが所定の基本周波数及び調整可能な種々の振幅で形成される。こ の連続波シーケンスは制御線路９を介し切換モジュール３にさらに導かれる。切 換モジュール３により、繰り返し周波数と持続時問の調整されたパルス状制御送 信信号が送信線路１０を介して送信ヘッド４に伝送される。 図１に示された実施例では送信ヘッド４が設けられており、この送信ヘッドに より引張強度を検出するために縦波、または変形実施例では剪断結合強度を検出 するために横波がそれそれ直角に入射するよう形成される。図１に示すように送 信ヘッド４は、被検体１２の第１の接着部材１１に接合（当接）されており、例 えば接着中間材１３により形成された境界面領域１４が被検体１２の第１の接着 部材１１と第２の接着部材１５の間で直角に縦超音波により透過される。送信信 号の繰り返し周波数と持続時間はここでは接着部材１１，１５の厚さに対し、反 射信号及び送信信号が時間的に分離できるように適合されている。 送信ヘッド４に対向して、図１では、第２の接着部材１５に受信ユニット１７ の受信ヘッド１６が接合（当接）されている。受信ヘッド16は次のような帯域幅 を有する。すなわち、受信信号として送信ヘッド４から出力された基本周波数、 並びに所属の第２高調波の少なくとも周波数成分が、基本周波数が２倍の場合の 高調波の一番低いものとして検知できるような帯域幅を有する。これは非線形交 互作用によって境界領域１４に形成される。 有利には測定精度を高めるために受信ヘッド１６は周波数段を有し、この周波 数段により付加的に、それぞれ基本周波数の３倍、５倍及び６倍の第３，第５及 び第６高調波を受信信号として検知することができる。 受信ヘッド１６の出力信号は受信線路１８を介して受信ユニット１７の周波数 分析器１９に供給される。周波数分析器１９により、受信ヘッド１６により記録 された受信信号のフーリエスペクトルを形成することができる。周波数分析器１ ９の出力信号は受信ユニット１７の補正素子２０に供給され、これにより受信ヘ ッド１６の周波数段により歪んだ、（周波数分析器１９に供給される）受信信号 の周波数成分の周波数振幅を周波数に依存しない感度に補正することができる。 変形実施例では受信ヘッド１６は周波数段を有し、この周波数段は周波数振幅 をさらに下に説明する測定値形成に相応して内在的（implizit）に重み付けする 。この変形実施例では図１に示された補正素子２０は必ずしも必要ではない。 補正素子２０の出力信号、ないし補正素子２０の無い変形実施例では周波数分 析器１９の出力信号は周波数成分線路２１を介して、評価ユニット２７の基本周 波数フィルタ２２，第１のオーバートーンフィルタ２３，第２のオーバートーン フィルタ２４，第３のオーバートーンフィルタ２５，並びに第４のオーバートー ンフィルタ２６に供給される。基本周波数フィルタ２２並びにオーバートーンフ ィルタ２３，２４，２５，２６は、周波数線路８を介して制御ユニット１と接続 され、その透過周波数が調整可能であるバンドバスフィルタとして構成されてい る。 基本周波数フィルタはこの実施例では送信信号のただ１つの基本周波数に同調 されている。第１のオーバートーンフィルタ２３の透過周波数は、所属の第２高 調波の基本周波数の２倍に相当する周波数値に同調されている。第２オーバート ーンフィルタ２４の透過周波数は第３高調波の基本周波数の３倍に相当する周波 数値に同調されている。第３オーバートーンフィルタ２５の透過周波数は、所属 の第５高調波の基本周波数の５倍に相当する周波数値に適合されている。第４オ ーバートンフィルタ２６の透過特性は、基本周波数の６倍の第６高調波の周波数 成分を取り出すことができるように構成されている。これにより受信信号におけ る直流電圧成分が除去される。 相応の透過周波数における周波数成分に相当する基本周波数フィルタ２２の出 力信号、並びに第２オーバートンフィルタ２４と第３オーバートーンフィルタ２ ５の出力信号は、単一周波数線路２８を介して評価ユニット２７の加算素子２９ に供給される。加算素子２９によって、供給された周波数振幅が測定値に累積加 算可能とされる。第１オーバートーンフィルタ２３及び第４オーバートーンフィ ルタ２６の出力信号は加算素子２９に、それぞれ前置接続された反転素子３０及 び信号変換器として後置接続された２倍化素子３１を介し、単一周波数線路２８ を通って供給される。それぞれの反転素子３０と後置接続された２倍化素子３１ によって、それそれ前置接続されたオーバートーンフィルタ２３，２６の周波数 振幅に負の符号が付され、２倍にされる。 単純に正の周波数振幅と、２倍にされ負に重み付けされた周波数振幅の和から 形成された測定値は、和信号線路３２を介して測定値メモリ３３の測定値入力端 子に供給される。さらに測定値メモリ３３にはクロック線路３４を介して送信信 号の繰り返しレートにより周期的に反復されるクロック信号が制御ユニット１か ら供給される。さらに測定値メモリ３３には振幅線路３５を介して、振幅線路７ に接続された振幅変換器３６で発生された振幅値が供給される。この振幅値は有 利には、送信信号の振幅に比例する。測定値メモリ３３では、クロック信号の反 復周波数により測定値を、送信信号の振幅を基準にして較正することができる。 較正された測定値は出力線路３７を介して２段式測定値比較器３８に供給される 。 ２段式測定値比較器３８には、較正された２つの順次連続する測定値が記憶さ れ、例えば減算または割り算により相互に比較される。実際（瞬時）の較正測定 値が先行する較正測定値よりも大きければ、制御ユニット１にはステップ制御線 路３９を介してステップ信号が、送信信号の振幅を高めるために供給される。こ れに対して瞬時の較正測定値が先行する較正測定値よりも小さければ、制御ユニ ット１にはステップ制御線路３９を介してストップ信号が測定サイクルの停止の ために供給される。 さらに測定値比較器３８に供給される各較正測定値は測定値出力線路４０を介 して評価ユニット２７の計算素子４１に供給される。この計算素子にはさらに別 の各単一周波数線路２８を介して個々の周波数振幅を別個に供給することができ る。計算素子４１は較正値線路４２を介して較正値メモリ４３に、またパラメー タ線路４４を介してパラメータメモリ４５に接続されている。 計算素子４１により、加算素子２９により形成された較正測定値、周波数振幅 の個々の値、並びに較正値メモリ４３にファイルされた較正値と累積されたまた は択一的な、及び／またはパラメータメモリにファイルされたパラメータ値から ）並びに結合強度ないし付着力（Haftfestigkeit）が検出される。較正試料に際 して記録され、較正値メモリ４３にファイルされた較正値はそのために現象学的 基準として用いられ、パラメータメモリ４５にファイルされたパラメータ値は弾 性式を基礎として算出される、被検体１２の境界面領域１４のモデルに対する入 力データとして用いられる。 図２は、超音波により境界面領域を検査するための装置の別の実施例のブロッ ク回路図である。図２に示された実施例は、すでに図１の実施例で詳細に説明し た一連の構成素子を有している。これらの構成素子には図１に基づいて説明した 実施例と同じ参照符号が付してあり、それ以上詳細には説明しない。 図２の装置は、多重周波数送信ユニット４６を有している。この送信ユニット では制御ユニット４７を介して制御モジュール４８及び切換モジュール４９が図 １で説明した実施例に相応して接続されており、異なる第１と第２の基本周波数 を有する２つの制御信号が形成される。制御信号はそれぞれ第１の送信線路５０ と第２の送信線路５１を介して、それぞれ第１の送信ヘッド５２及び第２の送信 ヘッド５３に、それぞれの基本周波数に適合した送信特性を伴って供給すること ができる。図２では、送信ヘッド５２，５３は被検体１２の第１の接着部材１１ に接合されている。 ２つの周波数または多重周波数を入射する場合には、幾何学的理由から一般的 に斜め入射が必要である。引張強度を検出するために、変位成分が境界面領域に 対して直角に、また剪断結合強度を検出するために変位成分が境界面領域に対し て平行に、図２の実施例では送信ヘッド５２，５３により入射される縦波及び横 波により評価される。 図２に示した装置は受信ユニット５４を有し、この受信ユニットは第１の受信 ヘッド５５，第２の受信ヘッド５６及び第３の受信ヘッド５７を有している。第 １の受信ヘッド５５はこれに配属された第１の送信ヘッド５２を基準に次のよう に配向されており、帯域幅が設けられている。すなわち、第１の基本周波数を有 する第１の受信信号、及び第１の基本周波数の２倍の周波数を有する所属の第２ 高調波が検知されるように配向されている。さらに第１の受信ヘッド５５は周波 数段を有し、この周波数段で第１の基本周波数の第２高調波の周波数成分が、周 波数に依存しない同様の特性に対して２倍の強度で検知される。 第２の受信ヘッド５６は、対応して、これに配属、配向された第２の送信ヘッ ド５３を有し、第２の基本周波数並びに２倍の強度を有する第２の基本周波数の 第２高調波を検出する周波数段を有する。 さらに第３の受信ヘッド５７は送信ヘッド５２，５３を基準にして次のように 配向されており、帯域幅が設けられている。すなわち、非線形交互作用に基づき 、送信ヘッド５２，５３の送信信号を受けた境界面領域１４に形成される受信信 号が検知されるように配向されている。この受信信号は第１の基本周波数と第２ の基本周波数の和周波数に相応する周波数成分を有している。ここで第３の受信 ヘッド５７は周波数段を有し、この周波数段は第１の基本周波数と第２の基本周 波数から加算的に形成された和周波数の領域に受信感度を有している。この受信 感度は、第１の受信ヘッド５５及び第２の受信ヘッド５６がそれぞれ第１の基本 周波数と第２の基本周波数で有しているものに相応する。 第１の受信ヘッド５５，第２の受信ヘッド５６及び第３の受信ヘッド５７の受 信信号はそれぞれ所属の第１の受信線路５８，第２の受信線路５９並びに第３の 受信線路６０を介して、受信ユニット５４の第１の周波数分析器６１，第２の周 波数分析器６２及び第３の周波数分析器６３に供給される。 図２の装置は評価ユニット６４を有している。この評価ユニットは第１の基本 周波数フィルタ６５と第１のオーバートーンフィルタ６６を有しており、これら はそれぞれバンドパスフィルタとして構成され、周波数成分線路２１を介して第 １の周波数分析器６１に接続されている。第１の基本周波数フィルタ６５は第１ の周波数分析器の出力信号から、第１の基本周波数における周波数成分を取り出 しろ波する。第１のオーバートーンフィルタ６６により、第１の基本周波数の２ 倍の値を有する第２高調波の周波数成分が取り出されろ波される。 さらに評価ユニット６４は第２の基本周波数フィルタ６７及び第２のオーバー トーンフィルタ６８を有する。これらは周波数成分線路２１を介して第２の周波 数分析器６２に接続されており、同じように制御可能なバンドパスフィルタとし て構成されている。第２の周波数分析器６２の出力信号から第２の基本周波数フ ィルタ６７によって第２の基本周波数に相応する周波数成分が取り出しろ波され 、第２のオーバートーンフィルタ６８により第２の基本周波数の２倍の第２高調 波に相応する周波数成分が取り出されてろ波される。基本周波数フィルタ６５， ６７の出力信号は評価ユニット６４の加算素子２９に直接供給され、オーバート ーンフィルタ６６，６８の出力信号は各反転素子３０による符号反転の後、それ ぞれ単一周波数線路２８を介して加算素子２９に供給される。 さらに評価ユニット６４には、周波数成分線路２１を介して第３の周波数分析 器６３に接続された和周波数フィルタ６９が設けられている。このフィルタによ り周波数成分が、第１の基本周波数及び第２の基本周波数から加算的に形成され た和周波数値から取り出しろ波される。和周波数フィルタ６９の出力信号は反転 素子３０による符号反転、及び２倍化素子３１による２倍化の後、単一周波数線 路２８を介して加算素子２９に供給される。 加算素子２９により、受信ヘッド５５，５６，５７の周波数段により部分的に 重み付けされた周波数振幅と、２倍化素子３１及び反転素子３０により部分的に 重み付けされた周波数振幅とが測定値に加算的に結合される。この測定値は加算 信号線路３２を介してさらなる処理のため、図１で説明した実施例に相応して測 定値メモリ３３に供給される。図２で説明した実施例では有利には、個々に検出 された周波数成分が重ならないようにする。これにより異なる物理的処理によっ て惹起された、周波数領域における受信信号の干渉がほぼ除去される。 少なくとも２つの基本周波数を被検体１２に入射し、この基本周波数、所属の 第２高調波、並びに基本周波数の和周波数に相応する周波数値において周波数成 分を検出するとことによって、測定精度及び明言力の向上が確実になる。 さらなる改善は例えば、図２の実施例に相応して基本周波数の高調波も、和周 波数の高調波も検出し、測定値形成に使用することによって達成される。 境界面領域１４を超音波により検査するための装置のさらに別の実施例では、 縦波及び横波を形成することのできる送信ヘッドの装置が使用される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも１つの送信ユニットと、受信ユニットと、加算素子を備えた 評価ユニットとを有する、超音波により境界面領域を検査する装置であって、 前記送信ユニットにより振幅の調整可能な送信信号が少なくとも１つの基本周 波数において形成可能であり、 前記受信ユニットにより、少なくとも１つの基本周波数、並びに送信信号の少 なくとも１つの基本周波数に所属の高調波のうち少なくとも最低のものがその周 波数振幅について受信信号として検出され、 前記評価ユニットでは、受信信号の周波数振幅が測定値に結合可能とされ、 該測定値は、第１の成分として基本周波数の単純な周波数振幅を含み、少なく とも１つの別の成分として基本周波数に所属する高調波の周波数振幅を含んでい る、形式の装置において、 フィルタ装置（２２，２３，２４，２５，２６）が設けられており、 該フィルタ装置によって基本周波数だけまたは各基本周波数と、基本周波数に 所属する高調波のうち最低のものの、少なくとも１つの周波数振幅とが直流電圧 成分を抑圧して検出可能であり、 測定値が少なくとも１つの別の成分として、基本周波数に所属する高調波のう ち最低のものの振幅の２倍の負の値を有する、 ことを特徴とする、超音波による検査装置。 ２． 測定値はさらに、基本周波数の３倍である、所属の次に高い第３高調波 の単純な周波数振幅を有する、請求項１記載の装置。 ３． 測定値はさらに、基本周波数の５倍である、所属の第５高調波の単純な 周波数振幅を有する、請求項１または２記載の装置。 ４． 測定値はさらに、基本周波数の６倍である、第６高調波の周波数振幅の ２倍の負の値を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。 ５． 送信信号は少なくとも２つの基本周波数を有する、請求項１から５まで のいずれか１項記載の装置。 ６． 測定値は、少なくとも２つの基本周波数の和周波数における単純な周波 数振幅を有する、請求項５記載の装置。 ７． 測定値は、基本周波数、高調波並びにそれらの組み合わせからなる和及 び／または差周波数における周波数振幅を有する、請求項５または６記載の装置 。 ８． 周波数振幅の値の２倍化を、２倍化を行う信号変換器（３１）により実 行する、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。 ９． 受信ユニット（１７，５４）の周波数段は、少なくとも１つの相応する 周波数振幅の強度が２倍になるように構成されている、請求項１から７までのい ずれか１項記載の装置。 １０． 送信ユニット（５，４６）により縦波が形成される、請求項１から９ までのいずれか１項記載の装置。 １１． 送信ユニット（５，４６）により横波が形成される、請求項１から９ までのいずれか１項記載の装置。 １２． 送信ユニット（５，４６）により縦波と横波が形成される、請求項１ から９までのいずれか１項記載の装置。 １３． 評価ユニット（２７，６４）は、較正値メモリ（４３）を有しており 、 該較正値メモリにより、測定値が実験的に得られた較正値により、被検境界面 領域における絶対的力値として換算される、請求項１から１２までのいずれか１ 項記載の装置。 １４． 評価ユニット（２７，６４）はパラメータメモリ（４５）を有してお り、 該パラメータメモリにはパラメータが格納されており、 当該パラメータによって測定値と関連して計算アルゴリズムで、被検境界面領 域（１４）の絶対力値が算出される、請求項１から１３までのいずれか１項記載 の装置。