JP2015040714A - 可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法、及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー誘起ブレークダウンにより高い音波強度で超音波パルスを発生させて、可撓性材料から成る被検体の接着部の接着状態の良否を、波長の短い高調波成分が含まれる超音波パルスによって高い分解能で検査することができる、可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法、及び検査装置を提供する。
【解決手段】パルスレーザーＬを集光してレーザー誘起ブレークダウンにより超音波パルスＰを発生させて、当該超音波パルスＰを被検体Ｓの接着部に印加し、被検体Ｓの接着部を透過した透過波ＴＰを検出することによって、被検体Ｓの接着部の接着状態の良否を検査する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、可撓性材料から成る被検体の接着部の接着状態の良否を非接触で検査することができる可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法、及び検査装置に関する。

例えば、レトルト食品、調味料等の食料品類や、シャンプー、リンス、液体洗剤等のサニタリー用品類などが、プラスチックフィルム材、アルミ箔など可撓性材料を、ヒートシールして製袋したパウチ等の包装体に収納されて市場に供給されている。

この種のパウチの一例を図３に示すが、パウチ１０は、左右一対のサイドシール部１３と、底部側に施されたボトムシール部１４とにより三方がヒートシールされている。通常、パウチ１０は、頂部が未シール部とされた状態で製造され、この状態で出荷されて、内容物を充填して自らの商品として製造する業者によって、内容物が充填された後に頂部にトップシール部が施される。

また、図示したパウチ１０は、一般には、図４に示すように、表面材のフィルム材１１ａと裏面材のフィルム材１１ｂとを重ね合わせて搬送しながら、ヒートシール加工、カット加工などの各工程を行うことによって製造される（特許文献１参照）。
より具体的には、先ず、ボトムシール装置１０１によりボトムシール部１４が施され、次いで、サイドシール装置１０２によりサイドシール部１３が施される。そして、最後に、カット装置１０５によりパウチ１０の輪郭線に沿ってカット加工を施すことによって、三方がシールされたパウチ１０が製造される。

このようにしてパウチを製造するに際し、ヒートシールによってフィルム材同士が熱融着された接着部に、空隙や異物等による接着不良が生じると、内容物の漏洩の原因となる。このため、接着部の接着不良により密封性に問題があるパウチを排除する必要がある。従来、この種のパウチにおいて、接着部の接着不良を検査する方法としては、例えば、内容物を充填した後にパウチを押圧して、ボトムシール部、サイドシール部、或いはトップシール部等の接着部からの内容物の漏洩の有無により、接着状態の良否を判定する検査方法が知られている。

しかしながら、内容物が充填されたパウチを押圧して、内容物の漏洩の有無によって接着状態の良否を判定する検査方法では、検査後に、充填された内容物もパウチごと廃棄することになるので、多くの無駄が生じてしまうという問題がある。そのため、内容物を充填する前の段階でパウチの接着状態を検査することが求められている。

前述したようにして製造されたパウチの接着部の接着状態を、内容物を充填する前に検査するには、未シール部を開いて気体を封入し、その圧力変化等を調べる方法もあるが、未シール部を開いて閉じるという工程が必要となる。このため、このような検査方法は効率的でないだけでなく、パウチ内の衛生状態が保てなければ製品価値を損ねてしまうため現実的ではない。

これらのことから、パウチの接着部の接着状態を検査するには、パウチの製造後、又は製造の過程で、接着部の接着状態を観察することが好ましい。
このような接着部の接着状態を観察する手段としては、Ｘ線、可視光、赤外光、高周波電磁波、熱画像、音波等を利用した様々な方法がある。これらの中でも音波は、物体内部の剥離欠陥を観察する有効な手段として広く知られている。音波は、物質の界面で、音響インピーダンスの差異によって反射され、固体と気体とでは、音響インピーダンスに大きな差があるので、物体内部の剥離欠陥等、すなわち、固体／気体界面を高い能力で検知することができる。そして、このような音波による検査では、分解能を上げるため、一般に、超音波が用いられている。

超音波の送信は、ピエゾ素子等の圧電素子を用いた送信プローブによって、電気信号を機械的な振動に変えることにより行われ、その受信は、音波による圧電素子の振動を電気信号に変換する受信プローブによって行われる。このようにして作り出された超音波を検査に用いる場合は、固体／気体界面の反射による透過損失を回避するために、プローブと測定対象物の間に、水やグリセリン等のカップリング剤を介して、超音波を透過しやすくする処理が必要である。

近年、超音波の送受信に用いるプローブの技術革新があり、空気中に強い超音波を送信し、また、空気中を伝播した超音波を高い効率で受信できるようになった。例えば、特許文献２には、空気を介して容器のシール部を検査する超音波検査法が提案されている。このような空中超音波検査法によれば、プローブを検査対象に接触させずに検査でき、また、検査対象にカップリング剤を塗らなくてよいので、検査対象にダメージを与えない非接触での検査が行える。このため、特許文献２に提案されているような空中超音波検査法を応用して、前述したようなパウチの接着部の接着状態の良否を非接触で検査することが考えられる。

特開２００８−１００４６６号公報 米国特許第６８４０１０８号公報

しかしながら、超音波検査における分解能は、超音波の周波数に反比例し、通常、接触式の超音波検査法では、送信周波数が数ＭＨｚ〜数ＧＨｚであり１μｍに至る分解能を得ることができるのに対して、空中超音波検査法では、発信周波数は１ＭＨｚ以下で、分解能も１ｍｍ程度しか得られない。前述したようなパウチの密封性を保証するには、１００μｍ以下の欠陥を検知することが要求されるため、分解能を向上させるために発振周波数を高くする必要がある。
また、空中超音波探傷検査法では、透過音波の大きな減衰をもたらす気体−固体界面を最低でも２回、欠陥部では４回通過することによって透過損失が生じるため、より大きな発信音波が求められる。

そこで、本発明者は、上記の事情に鑑みて鋭意検討を重ねたところ、元素分析等に利用されているレーザー誘起ブレークダウンに着目し、レーザー誘起ブレークダウンによれば、高い音波強度で超音波パルスを発生させることができ、また、レーザー誘起ブレークダウンにより発生させた超音波パルスには波長の短い高調波成分が含まれており、高い分解性能で接着部内部の状態を観察できることを見出して本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、レーザー誘起ブレークダウンにより高い音波強度で超音波パルスを発生させて、可撓性材料を接着することによって製造された被検体の接着部の接着状態の良否を、波長の短い高調波成分が含まれる超音波パルスによって高い分解能で検査することができる、可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法、及び検査装置の提供を目的とする。

本発明は、可撓性材料から成る被検体の接着部の接着状態の良否を非接触で検査する方法であって、パルスレーザーを集光してレーザー誘起ブレークダウンにより超音波パルスを発生させて、当該超音波パルスを前記接着部に印加し、前記接着部を透過した透過波を検出することによって、前記接着部の接着状態の良否を検査する可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法としてある。

また、本発明は、可撓性材料から成る被検体の接着部の接着状態の良否を非接触で検査する超音波検査装置であって、パルスレーザーを発振するパルスレーザー発振装置と、前記パルスレーザー発振装置から照射された前記パルスレーザーを集光してレーザー誘起ブレークダウンにより超音波パルスを発生させ、前記接着部に印加する集光光学系と、前記接着部を透過した透過波を受信する受信装置とを備える、可撓性材料から成る被検体の接着部の検査装置としてある。

本発明によれば、レーザー誘起ブレークダウンにより高い音波強度で超音波パルスを発生させて、可撓性材料から成る被検体の接着部の接着状態の良否を、波長の短い高調波成分が含まれる超音波パルスによって高い分解能で検査することができる。

本発明の実施形態に係る可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法を実施するための装置の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法を実施するための装置の他の例を示す説明図である。 可撓性材料をヒートシールして製袋したパウチの一例を示す説明図である。 可撓性材料をヒートシールして製袋するパウチの製造工程の一例を示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法は、例えば、可撓性材料としてのフィルム材をヒートシールして製袋することによって製造されるパウチ等の種々の包装体を被検体として、ヒートシールされたフィルム材同士の接着部における接着状態の良否を非接触で検査するものである。より具体的には、当該パウチの製造後、又は製造の過程で、パルスレーザーを集光してレーザー誘起ブレークダウンにより超音波パルスを発生させて、当該超音波パルスを被検体の接着部に印加し、被検体の接着部を透過した透過波を検出して、その音波強度の変化に基づいて、被検体の接着部における接着状態の良否を検査する。

本実施形態において、レーザー誘起ブレークダウンにより超音波パルスを発生させるには、パルスレーザー発振装置から照射された高強度のパルスレーザーを集光することにより、集光点に存在する気体を電離させてプラズマを生成する。気体が電離してプラズマが生成されると、その体積が膨張するが、レーザー照射が途絶えると、電離した気体と電荷との再結合により体積が収縮して真空状態が形成され、真空状態となった空間に向かって周囲の気体が流入し、衝突することによって衝撃波が生じ、球面波状の超音波パルスとして空気中を伝播する。

図１に示す装置は、レーザー誘起ブレークダウンを利用して可撓性材料から成る被検体Ｓの接着部の接着状態の良否を非接触で検査する超音波検査装置であって、パルスレーザーＬを発振するパルスレーザー発振装置１と、このパルスレーザー発振装置１から照射されたパルスレーザーＬを集光してレーザー誘起ブレークダウンにより超音波パルスを発生させ、被検体Ｓの接着部に印加する集光光学系２と、被検体Ｓの接着部を透過した透過波ＴＰを受信する受信装置３とを備えている。そして、パルスレーザーＬの集光点Ｆを音源とする超音波パルスＰが被検体Ｓの接着部に印加されるように、図示しない任意の移動手段によって、被検体ＳをパルスレーザーＬの集光点Ｆと、受信装置３との間を移動させて、被検体Ｓの接着部をスキャンするように構成されている。特に図示しないが、パルスレーザー発振装置１、集光光学系２、及び受信装置３をユニット化してこれらを移動させることにより、被検体Ｓの接着部をスキャンするようにしてもよい。

パルスレーザー発振装置１としては、レーザー媒質に蓄えられたエネルギーを光パルスとして瞬間的に放出させることによってパルスレーザーＬを発振するものが好適である。パルスレーザー発振装置１としては、Ｑスイッチ発振が可能なＹＡＧレーザー、ＹＶＯ４レーザー、ＹＬＦレーザーや、ＴｉＳレーザー等のフェムト秒レーザーが挙げられる。これらのパルスレーザーは、数Ｈｚ乃至数十ｋＨｚの繰返し周期を持つが、この繰返し周期の間に蓄えられたエネルギーを数フェムト秒（ｆｓ）乃至数十ナノ秒（ｎｓ）という極めて短いパルス幅で放出する。そのため、少ない入力エネルギーから高いピークパワーを効率的に得ることができる。

パルスレーザー発振装置１としては、この他にも、ＣＯ_２レーザー、エキシマレーザー、半導体レーザー等の各種のレーザー光を発振するものを用いることもできる。これらのレーザー光の基底波から波長変換素子により生成した高調波光も用いることができる。これらのレーザーには、連続発振（ＣＷ）レーザーも含まれるが、この場合においても、シャッターなどの光制御部材を用いて、パルス状のレーザー光を生成することができる。

図１に示す装置において、パルスレーザーＬを集光する集光光学系２は、パルスレーザー発振装置１の光軸上に配置された集光レンズ２ａを有している。集光レンズ２ａは、図示するように、パルスレーザー発振装置１と別体に設けてもよいが、パルスレーザー発振装置１と一体に設けるようにしてもよい。また、反射集光素子２ｂを設けることができる。反射集光素子２ｂは、集光点Ｆに反射光を集光することができれば特に限定されない。例えば、凹面鏡を単独で用いたり、凸レンズと平面鏡とを組合せて用いたりする等、任意の素子構成とすることができる。

レーザー誘起ブレークダウンにより発生する超音波パルスＰの強さは、集光点Ｆにおける単位面積あたりのエネルギー密度により変化する。したがって、集光光学系２を最適化して集光性を高めることによって、同じレーザー出力から効率よくレーザー誘起ブレークダウンを発生させることができる。一般に、集光性を高めるには、レンズの開口数（ＮＡ）が大きいほうが有利であり、大口径で焦点距離の短いレンズほど集光性を高めることができる。
また、集光性を高めるためには、波面が揃っている方が有利である。このため、複数のレンズの組合せにより収差を補正した組合せレンズ(アプラナートレンズ)や、レンズ面の形状を波面の状態に合わせて設計した非球面レンズなどを用いるのが好ましい。

また、レーザー誘起ブレークダウンにより発生する超音波パルスＰは、パルスレーザーＬの集光点Ｆを音源として球面波状に広がり、単位面積当たりの音波強度は距離の二乗に反比例して減衰する。このため、パルスレーザーＬの集光点Ｆから被検体Ｓの検査部位までの距離は、パルスレーザー発振装置１から照射されるパルスレーザーＬや、集光点Ｆに生成されるプラズマによって被検体Ｓが損傷してしまわない程度にできるだけ短くし、１〜１００ｍｍとするのが好ましい。

また、受信装置３は、被検体Ｓの接着部を透過した透過波ＴＰを受信して、音波による振動を電気信号に変換することができるものであれば、特に限定されず、種々のものを利用することができる。

被検体Ｓの接着部に印加された超音波パルスＰが、被検体Ｓの接着部を透過する際に、その接着部に、空隙、剥離、クラック、異物混入などの接着不良があると、超音波パルスＰは、その界面における音響インピーダンスの差によって反射、又は吸収される。このため、被検体Ｓの接着部における接着不良の有無によって、被検体Ｓの接着部を透過する透過波ＴＰの音波強度が変化する。そして、被検体Ｓの接着部を透過した透過波ＴＰを受信装置３で検出して、例えば、当該透過波ＴＰの波形の二乗平均平方根をとって音波強度とし、二次元画像解析により測定画像を得ることによって、被検体Ｓの接着部における接着状態の良否を検査することができる。

このとき、ピエゾ素子等の圧電素子を用いた超音波発振プローブから発せられる超音波の波形は、周波数に応じた正弦波であるのに対して、レーザー誘起ブレークダウンにより発生する超音波パルスＰは、半値全幅が狭くＮ字型に切り立った高調波成分を含む波形を形成する。これにより、レーザー誘起ブレークダウンにより発生する超音波パルスＰを接着部に印加することで、接着部の内部を高い分解能で観察することができ、検査能力の向上を図ることができる。

また、波長の短い高周波成分が含まれる超音波パルスによって、より高い分解能で接着部の内部を観察することができるようにするには、図２に示すように、絞り４を集光光学系２と被検体Ｓとの間に配置して、超音波パルスＰが被検体Ｓに印加される範囲を制御するのが好ましい。このように絞り４を配置することで、パルスレーザー発振装置１から照射されるパルスレーザーＬや、集光点Ｆに生成されるプラズマから被検体Ｓを保護することができる。一方、図示しないが、絞り４を被検体Ｓと受信装置３との間に配置して、被検体Ｓを透過した透過波ＴＰの波長の短い高周波成分が含まれる超音波パルスを通過させても、より高い分解能で検査することができる。
この場合に、絞り４の直径は、０．００５〜２ｍｍとするのが好ましい。被検体Ｓとの距離は０．５〜２ｍｍとするのが好ましい。

このように、本実施形態に係る可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法によれば、レーザー誘起ブレークダウンにより高い音波強度で超音波パルスＰを発生させて、可撓性材料から成る被検体Ｓの接着部の接着状態の良否を、波長の短い高調波成分が含まれる超音波パルスＰによって高い分解能で検査することができる。しかも、検査は非接触で行うことができるので、被検体Ｓの製品価値を損なうことなく、全数検査が可能となる。

以上、本発明について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明は、前述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることはいうまでもない。

例えば、本発明は、フィルム材をヒートシールして製造されるパウチに限らず、可撓性材料をヒートシールして接着することによって製造される種々の包装体、或いは包装体を構成する包装部材を検査対象とすることができる。
さらに、可撓性材料としては、フィルム材に限らず、アルミニウム箔等の金属箔、積層材、或いはこれらから成る可撓性シート材であってもよく、ヒートシールによる接着部を検査する以外にも、接着剤を介して可撓性材料を接着した接着部の接着状態を検査する場合にも本発明を適用することができる。

以上説明したように、本発明は、可撓性材料から成る被検体の接着部の接着状態の良否を非接触で検査する方法として利用できる。

１ パルスレーザー発振装置
２ 集光光学系
３ 受信装置
４ 絞り
Ｓ 被検体
Ｌ パルスレーザー
Ｆ 集光点
Ｐ 超音波パルス
ＴＰ 透過波

Claims (6)

1. 可撓性材料から成る被検体の接着部の接着状態の良否を非接触で検査する方法であって、
   パルスレーザーを集光してレーザー誘起ブレークダウンにより超音波パルスを発生させて、当該超音波パルスを前記接着部に印加し、前記接着部を透過した透過波を検出することによって、前記接着部の接着状態の良否を検査することを特徴とする可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法。
2. 前記透過波の波形の音波強度を求め、二次元画像解析により測定画像を得ることによって、被検体の接着部における接着状態の良否を検査する請求項１に記載の可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法。
3. 前記超音波パルスの印加及び／又は前記透過波の検出が、絞りを介して行われる請求項１又は２に記載の可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法。
4. 前記被検体の接着部がヒートシールによるものである請求項１乃至３の何れかに記載の可撓性材料から成る被検体の接着部の検査方法。
5. 可撓性材料から成る被検体の接着部の接着状態の良否を非接触で検査する検査装置であって、
   パルスレーザーを発振するパルスレーザー発振装置と、
   前記パルスレーザー発振装置から照射された前記パルスレーザーを集光してレーザー誘起ブレークダウンにより超音波パルスを発生させ、前記接着部に印加する集光光学系と、
   前記接着部を透過した透過波を受信する受信装置と、
   を備えることを特徴とする可撓性材料から成る被検体の接着部の検査装置。
6. 前記集光光学系と被検体との間及び／又は被検体と受信装置との間に絞りを配置した請求項５に記載の可撓性材料から成る被検体の接着部の検査装置。

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