JP2006201008A - 接触面の良否検出方法および良否検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 接触面に生じている微細な間隙や、接触応力の程度を当該接触面の外部から簡易かつ確実に検出する。
【解決手段】 二部材Ｍ１，Ｍ２の接触面Ｓにバースト超音波を入射させる超音波発信子２と、接触面Ｓで反射した超音波を受信する超音波受信子２と、超音波受信子２の受信信号を周波数分析して基本波の振幅Ａ１と二次高調波の振幅Ａ２の比（Ａ２／Ａ１）の値を算出するコンピュータ４とを備える。接触面Ｓで生じる二次高調波の振幅Ａ２と、当該接触面で反射した基本波の振幅Ａ１の比（Ａ２／Ａ１）の値より、接触面Ｓにおける微細間隙の有無や接触応力の程度を検出することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は二部材の接触面における微細間隙の有無や接触応力の程度を検出できる接触面の良否検出方法および良否検出装置に関する。

拡散接合や摩擦攪拌接合等の各種高品位接合法の利用拡大に伴い、接合前あるいは接合後の二部材の接触面（接合面）の接触状態の良否判定を簡易かつ確実に行うことが望まれている。従来、この種の接触面の良否検出には感圧紙やひずみゲージ等が使用されている。なお、特許文献１には、バースト超音波の高調波振幅より固体内部の微視亀裂を検出する方法が示されている。
特開２００１−３０５１０９

しかし、上記従来の感圧紙やひずみゲージ等を使用した方法では、接触面に生じているｎｍオーダの微細な間隙や接触応力の程度を当該接触面の外部から簡易かつ確実に検出することができないという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、接触面に生じている微細な間隙や、接触応力の程度を当該接触面の外部から簡易かつ確実に検出することができる接触面の良否検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明における接触面の良否検出方法では、二部材の接触面にバースト超音波を入射させ、接触面で生じる高調波の振幅より、接触面における微細間隙の有無や接触応力の程度を検出する。この場合、上記接触面で生じる二次高調波の振幅（Ａ２）と、当該接触面を通過ないし反射した基本波の振幅（Ａ１）の比（Ａ２／Ａ１）の値より接触面における微細間隙の有無や接触応力の程度を検出するようにしても良い。

本第１発明において、二部材の接触面の圧縮（接触）応力が、入射する超音波の振幅によって励起される引張相の応力より大きい場合には、二部材は常に接触しているので超音波がその界面をほとんど通過し、高調波は励起されない。接触面の応力は、接触部と間隙との境界に生じている入射超音波の振幅程度の微細間隙域に近づくにつれて低下するので、入射超音波の引張相応力によって接触界面が分離し、半周期後に圧縮応力によって再度接触するという過程を繰り返して高調波が励起される。入射超音波の振幅程度よりも大きい間隙が生じている領域では、接触界面が離れたままのために高調波は生じない。これにより、高調波の振幅が大きくなる領域は、接触面の接触部と間隙との境界であることになり、接触面に生じた微細な間隙の有無や位置、範囲を知ることができる。

また、高調波の振幅は、接触面の圧縮応力の減少に応じて大きくなるから、上記振幅値より接触面の圧縮応力を定量的に知ることができる。なお、高調波は二次高調波に限られないが、解析に必要な十分な大きさのものが得易いことと、接触面の接触部と間隙との境界でその振幅がピークを示すことから、他の高調波を使用するよりも有利である。二次高調波の振幅（Ａ２）と基本波の振幅（Ａ１）の比（Ａ２／Ａ１）の値を算出する必要は必ずしも無いが、比の値によったほうが、接触面の接触部と間隙との境界をより明確に識別することができる。

本第２発明における接触面の良否検出装置では、二部材（Ｍ１，Ｍ２）の接触面（Ｓ）にバースト超音波を入射させる超音波発信子（２）と、接触面（Ｓ）を通過ないし反射した超音波を受信する超音波受信子（２）と、超音波受信子（２）の受信信号を周波数分析して基本波の振幅（Ａ１）と二次高調波の振幅（Ａ２）の比（Ａ２／Ａ１）の値を算出する演算手段（４）とを具備している。

なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以上のように、本発明の接触面の良否検出方法および良否検出装置によれば、接触面に生じている微細な間隙や、接触応力の程度を当該接触面の外部から簡易かつ確実に検出することができる。

図１には本発明方法を実現するための装置構成の一例を示す。図１において、１はバースト波発振器、２はポイント型プローブやフェースドアレイ等を使用した超音波送受信子、３は受信アンプ、４は受信信号のＦＦＴによる周波数分析等を行うコンピュータである。超音波送受信子２は被験物としての二部材Ｍ１，Ｍ２の接触面Ｓに向けて設けられており、バースト波発振器１からのバースト波信号によって励起されて、バースト超音波を接触面（接合面）Ｓに向けて発信するとともに、接触面Ｓでの反射波を受信する。なお、超音波送受信子２によるバースト超音波の発信および反射波の受信は接触面Ｓ上の適宜の複数点に対して順次行われる。

超音波送受信子２の受信信号は受信アンプ３で増幅された後、コンピュータ４に入力して、ここで、基本波の振幅Ａ１と二次高調波の振幅Ａ２が検出され、両者の振幅比（Ａ２／Ａ１）が算出される。コンピュータ４は振幅比（Ａ２／Ａ１）を接触面Ｓ上の各点について算出して、算出値を画面上に二次元的に表示する（Ｃスキャン画像）。二次高調波はその振幅Ａ２が、バースト超音波の振幅と同程度のｎｍオ−ダの微細間隙を生じている接触面領域において局部的に大きくなるから、振幅比（Ａ２／Ａ１）の値より、微細間隙の位置および範囲を明瞭に知ることができる。また、二次高調波の振幅Ａ２は、接触面の接触応力が大きくなるのにつれて小さくなるから、振幅Ａ２の値より接触応力の大きさを知ることができる。

被験物として、異なる接触応力の接触部やｎｍオーダの微細間隙が容易に形成されるように、図２に示すようなニュートンリング用凸レンズ５１を平面ガラス５２に押し付けたものを使用し、これを、液密性を保つ冶具６内に挿置した。上記凸レンズ５１と平面ガラス５２の間に生じる間隙ｄは、中心からの距離をｒ、曲率半径をＲとして、ｄ＝ｒ＊＊2／（２Ｒ）（式１）で算出される。本実施例では凸レンズ５１の曲率半径を１００ｍ、直径を８０ｍｍ、厚さを１８ｍｍとした。凸レンズ５１の押付け（圧縮）荷重は４．５Ｋｇｆとし、これは平面ガラス５２の中心部に置いたボタン型ロードセル（図示略）で測定した。バースト波発振器１からは９ＭＨｚで１０サイクルのバースト波信号を出力するようにし、超音波送受信子２として、被験物に対し平行な面内で走査されるポイント型プローブを、冶具６と共に水中に置く、いわゆる水浸法で使用した。プローブの振動子の直径は６．４ｍｍ、焦点距離は１００ｍｍ、焦点ビーム径は約１．６ｍｍ、中心周波数は１５ＭＨｚとした。コンピュータ４ではＦＦＴによって、受信信号のうち９ＭＨｚの基本波と１８ＭＨｚの二次高調波を抽出して、それぞれの振幅Ａ１，Ａ２より振幅比（Ａ２／Ａ１）を算出した。

ここで、図３には受信信号の基本波のＣスキャン画像を示し、図４には受信信号の二次高調波のＣスキャン画像を示す。各図中の明暗分布は、暗い領域ほど信号強度が小さい、すなわち反射波強度（振幅の２乗）が小さいことを示している。二次高調波の信号強度を、Ｃスキャン画像を横断する線に沿って描いたものを図５に示す。図５によれば、二次高調波の強度は径方向のほぼ対称領域でピークを示しており、この領域は凸レンズ５１と平面ガラス５２の間に生じる間隙ｄが、バースト超音波の振幅と同程度のｎｍオーダの大きさとなっている領域である。なお、上記領域における間隙ｄの大きさは上式１より算出できる。この領域をさらに明瞭にするために基本波と二次高調波の振幅比（Ａ２／Ａ１）を算出してこれをＣスキャン画像化したものを図６に示す。図６によれば、間隙ｄがバースト超音波の振幅と同程度のｎｍオーダの大きさとなっている環状の境界領域のみが明るく描かれ、二部材５１，５２の接触面における接触部（本実施例では境界領域よりも内方）と間隙（本実施例では境界領域よりも外方）の境界を明確に識別することができる。

また、図５より明らかなように、二次高調波の信号強度（振幅）は中央の高圧縮応力域で最低値を示し、圧縮（接触）応力がゼロへ減少する径方向のほぼ対称領域に近づくにつれて信号強度は増大する。したがって、二次高調波の振幅より、二部材の接触面における接触応力を定量的に知ることができる。

本発明の一実施形態における、接触面の良否検出装置の装置構成の一例を示す図である。 被験物の概念的断面図である。 受信信号の基本波のＣスキャン画像である。 受信信号の二次高調波のＣスキャン画像である。 二次高調波の信号強度を、Ｃスキャン画像を横断する線に沿って描いた図である。 受信信号の基本波と二次高調波の振幅比のＣスキャン画像である。

符号の説明

１...バースト波発振器、２...超音波送受信子、３...受信アンプ、４...コンピュータ、Ｍ１，Ｍ２...部材、Ｓ...接触面。

Claims (3)

1. 二部材の接触面にバースト超音波を入射させ、接触面で生じる高調波の振幅より、接触面における微細間隙の有無や接触応力の程度を検出することを特徴とする接触面の良否検出方法。
2. 接触面で生じる二次高調波の振幅（Ａ２）と当該接触面を通過ないし反射した基本波の振幅（Ａ１）の比（Ａ２／Ａ１）の値より接触面における微細間隙の有無や接触応力の程度を検出する請求項１に記載の接触面の良否検出方法。
3. 二部材の接触面にバースト超音波を入射させる超音波発信子と、接触面を通過ないし反射した超音波を受信する超音波受信子と、超音波受信子の受信信号を周波数分析して基本波の振幅（Ａ１）と二次高調波の振幅（Ａ２）の比の値（Ａ２／Ａ１）を算出する演算手段とを具備する接触面の良否検出装置。