JP2018146464A - 接着剤の硬化状態を評価するための接着剤評価装置及び接着剤評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被接着部材に塗布されて挟み込まれた状態の接着剤の硬化状態を非破壊の方法で把握する。
【解決手段】超音波送出手段１４と超音波受信手段１６とを備え、超音波送出手段１４から送信された超音波を被測定物２００に照射し、超音波受信手段１６によって接着領域を透過した超音波を受信し、超音波受信手段１６によって受信された超音波の大きさに基づいて接着剤２０２の硬化状態を評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、接着剤の硬化状態を評価するための接着剤評価装置及び接着剤評価方法に関する。

試料中を伝搬する超音波の速度をリアルタイムで測定することによって、試料の弾性率を連続的に測定して表示させる硬化過程自動判定装置が開示されている（特許文献１）。試料としては、２液性エポキシ樹脂接着剤や熱可塑性樹脂、さらには溶融金属等の液体の物体が挙げられている。これらの物体が液体の状態からゼリー状の状態を経て、次第に弾性力の高い固体となる過程をリアルタイムで測定できるとしている。また、試料中での化学反応に応じた温度を同時に測定することで、プラスチック材料や接着剤の開発に有用であると説明されている。

特開２００９−２８２００５号公報

ところで、上下方向に対向して配置された超音波の送受信器の間に試料を配置するためのスペーサと呼ばれる環状の部材を配置し、このスペーサ内に測定対象となる液状の試料を入れて測定を行う。超音波の送信器からスペーサ内に入れられた試料に超音波を照射し、受信器で受信された超音波の速度から試料の弾性率を算出し、試料の硬化過程を知ることを可能としている。

しかしながら、従来技術では試料単体の硬化過程を測定することはできるが、被接着部材に塗布され挟み込まれた状態の接着剤の硬化過程を測定することは不可能であった。

本発明の一つの態様は、接着剤によって接着された接着領域を有する被測定物における前記接着剤の硬化状態を評価する接着剤評価装置であって、超音波送出手段と超音波受信手段とを備え、前記超音波送出手段から送信された超音波を前記被測定物に照射し、前記超音波受信手段によって前記接着領域を透過した超音波を受信し、前記超音波受信手段によって受信された超音波の大きさに基づいて前記接着剤の硬化状態を評価することを特徴とする接着剤評価装置である。

ここで、前記接着剤の硬化状態の判定基準として超音波の最大振幅の基準値を設定し、前記超音波受信手段によって受信された超音波の最大振幅と前記基準値とを比較することによって前記接着剤の硬化状態を評価することが好適である。

また、前記超音波送出手段は、超音波を空中に送信するものであることが好適である。または、前記超音波送出手段は、前記被測定物に接触した状態で超音波を送信するものであることが好適である。

また、前記超音波受信手段は、超音波を空中から受信するものであることが好適である。または、前記超音波受信手段は、前記被測定物に接触した状態で超音波を受信するものであることが好適である。

また、前記被測定物に対して超音波を走査する走査手段を備えることが好適である。

本発明の別の態様は、接着剤によって接着された接着領域を有する被測定物における前記接着剤の硬化状態を評価する接着剤評価方法であって、超音波を前記被測定物に照射し、前記接着領域を透過した超音波を受信し、受信された超音波の大きさに基づいて前記接着剤の硬化状態を評価することを特徴とする接着剤評価方法である。

本発明によれば、被接着部材に塗布されて挟み込まれた状態の接着剤の硬化状態を知ることができる。

本発明の実施の形態における接着剤評価装置の構成を示す図である。 フォーカス型の超音波送出手段及び超音波受信手段の構成を示す図である。 接着剤の硬化前後における被測定物を透過した超音波の振幅を示す図である。 硬化前と硬化後に得られた超音波の振幅画像の例を示す図である。 閾値を設定して抽出された接着領域の形状と接着剤の観察写真を示す図である。

［接着剤評価装置］
本発明の実施の形態における接着剤評価装置１００は、図１に示すように、ステージ１０、ステージコントローラ１２、超音波送出手段１４、超音波受信手段１６、アーム１８及び制御部２０を含んで構成される。接着剤評価装置１００は、ステージ１０に載せ置かれた被検査体２００における接着剤２０２に超音波を照射して、接着剤２０２を透過した超音波を検出して解析することで接着剤２０２の硬化過程を評価するために使用される。

なお、本実施の形態における被検査体２００は、接着剤２０２によって互いに接着された第１部材２０４及び第２部材２０６から構成されている。接着剤２０２が塗布されていない領域は第１部材２０４と第２部材２０６との間が空隙になっているものとする。

ステージ１０は、被検査体２００を載せ置くための台である。ステージ１０は、被検査体２００を支持できるものであればよいが、後述する超音波送出手段１４及び超音波受信手段１６が対向する位置において被検査体２００を通して超音波が伝搬できる形状とすることが好適である。例えば、被検査体２００の外周を支持する枠のような形状とし、検査領域にあたる接着領域の部分が空隙になっていることが好適である。

ステージコントローラ１２は、ステージ１０を超音波送出手段１４及び超音波受信手段１６に対して相対的に移動させる手段を含んで構成される。ステージコントローラ１２は、制御部２０からのステージ位置制御信号を受けて、ステージ位置制御信号に応じた位置にステージ１０を移動させる。例えば、ステージ１０をＸ−Ｙステージとし、ステージコントローラ１２に対してＸ座標及びＹ座標を示すステージ位置制御信号を入力することによって指定されたＸ座標及びＹ座標にステージ１０の基準位置を移動させる構成とすればよい。これによって、被検査体２００に対して超音波送出手段１４から送出される超音波を走査させながら超音波受信手段１６により被検査体２００を透過した超音波を検出することができる。

超音波送出手段１４は、被検査体２００に対して超音波を送出するための手段である。超音波送出手段１４は、制御部２０からの超音波送出制御信号を受けて、超音波送出制御信号に応じた送出タイミングで超音波を送出する。

超音波受信手段１６は、超音波送出手段１４から送出された超音波を検出するための手段である。超音波受信手段１６は、超音波センサを含んで構成される。超音波送出手段１４から送出された超音波は被検査体２００を透過し、超音波受信手段１６の超音波センサにて受信される。超音波受信手段１６は、受信した超音波を信号に変換して制御部２０へ出力する。

超音波送出手段１４から送出される超音波の周波数は、測定方法の態様や測定対象となる被検査体２００の構造や材料に応じて設定することが好適である。例えば、超音波送出手段１４及び超音波受信手段１６を被検査体２００と非接触とし、空中を伝搬させて被検査体２００に超音波を照射する場合、１００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の周波数帯域の超音波とすることが好適である。

音響インピーダンスが高い鋼板等の材料を含む被検査体２００である場合、空中を伝搬する超音波を透過させるために超音波送出手段１４の超音波送出面及び超音波受信手段１６の超音波受信面を被検査体２００の表面及び裏面に対して斜めに配置することが好適である。例えば、図２に示すように、超音波送出手段１４の超音波送出面及び超音波受信手段１６の超音波受信面をフォーカス型にすることが好適である。フォーカス型のセンサは、振動面が凹面になっており、振動面からある距離において超音波エネルギが集束するように設計されている。被検査体２００の被測定部を超音波エネルギが集束する位置に配置することによって、鋼板等の音響インピーダンスが高い材料を含む被検査体２００であっても超音波を効果的に被検査体２００内を透過させて被検査体２００の特性を検出することができる。

アーム１８は、超音波送出手段１４及び超音波受信手段１６を所定の位置に保持する手段である。アーム１８は、超音波送出手段１４の超音波送出部と超音波受信手段１６の超音波センサの超音波受信部とが対向するように超音波送出手段１４及び超音波受信手段１６を支持する。なお、本実施の形態では、ステージコントローラ１２によってステージ１０を移動させることによって、ステージ１０と超音波送出手段１４及び超音波受信手段１６との相対的な位置を変更できる構成としたがこれに限定されるものではない。ステージコントローラ１２によって超音波送出手段１４及び超音波受信手段１６を移動させ、ステージ１０と超音波送出手段１４及び超音波受信手段１６との相対的な位置を変更できる構成としてもよい。

制御部２０は、接着剤評価装置１００の各部を制御すると共に、超音波受信手段１６によって受信された超音波に応じた信号を受けて接着剤２０２の硬化状態を求めて出力する。制御部２０は、ステージコントローラ１２及び超音波送出手段１４に対して制御信号を出力するインターフェース及び超音波受信手段１６からの信号を受信するインターフェースを含むコンピュータから構成することができる。制御部２０は、予め設定された評価プログラムによって以下の接着剤２０２の硬化状態の評価処理を実行する。

接着剤硬化状態の評価の手順は以下の通りである。制御部２０から超音波送出手段１４に対して超音波バースト波の電圧信号が出力され、当該電圧信号が超音波送出手段１４にて超音波に変換されて被検査体２００に対して超音波が送出される。送出された超音波は被検査体２００を透過して超音波受信手段１６にて受信され、電気信号に変換されて制御部２０へ入力される。ここで、被検査体２００において接着剤２０２が塗布されている領域が超音波の入射領域である場合、第１部材２０４、接着剤２０２及び第２部材２０６を順に透過及び伝搬した超音波が超音波受信手段１６にて受信される。また、被検査体２００にて接着剤２０２が塗布されていない領域が超音波の入射領域である場合、超音波は第１部材２０４と第２部材２０６との間の隙間を透過できず、超音波受信手段１６により受信される超音波はほぼ０となる。

制御部２０は、被検査体２００を透過した超音波に対応する電圧信号を受け取り、当該電圧信号に基づいて接着剤２０２の硬化状態を推定する。なお、以下の説明では、透過した超音波に対応する電圧信号の振幅を単に透過超音波の振幅という。接着剤２０２が存在する領域をバースト波状の超音波が透過した場合、接着剤２０２の硬化状態に応じて減衰等の影響を受けたバースト波状の超音波が超音波受信手段１６にて受信される。したがって、当該透過超音波に応じた電圧信号も時間に対して変化するバースト状の電圧分布を示す。制御部２０は、受け取った電圧信号の電圧分布から最大値を抽出し、その計測位置での透過超音波の振幅としてステージコントローラ１２によって制御されているステージ１０の現在の座標に関連付けて記録する。

制御部２０は、ステージコントローラ１２によってステージ１０を移動させ、被検査体２００の被検査領域を走査するように上記超音波による測定を繰り返す。これにより、被検査体２００の被検査領域の各座標について透過超音波の振幅値が測定及び記録される。

図３は、接着剤２０２が硬化する前と硬化した後のそれぞれにおいて接着剤２０２が存在する位置において計測された透過超音波の振幅（透過超音波を変換した電圧の振幅）を示す。なお、図３は、板厚０．８ｍｍの亜鉛メッキ鋼板２枚を第１部材２０４及び第２部材２０６として接着剤２０２を用いて接合した構造の被検査体２００に対する測定の結果の例を示している。接着剤２０２が硬化した後の透過超音波の振幅は、接着剤２０２が硬化する前の透過超音波の振幅の９．５倍以上の値を示した。これは、超音波の伝搬効率は、気体、液体、固体の順に高くなる傾向があるので、液体状の接着剤２０２が硬化するにつれて接着剤２０２内での超音波の伝達効率も高くなることを利用したものである。すなわち、透過超音波の振幅に基づいて接着剤２０２の硬化状態を推定することが可能である。

例えば、制御部２０に適切な閾値を予め設定しておき、透過超音波の振幅が当該閾値以上であればその測定領域における接着剤２０２は既に硬化していると推定することができる。一方、透過超音波の振幅が当該閾値未満であればその測定領域における接着剤２０２は未だ十分に硬化していないと推定することができる。

なお、接着剤２０２の硬化状態の評価に要する時間を十分に確保できる場合、ある広がりを有する接着領域の接着剤２０２の硬化状態を画像にて確認するようにしてもよい。具体的には、ステージコントローラ１２によってステージ１０をＸ方向及びＹ方向に所定の計測間隔で二次元的に走査しながら透過超音波の振幅を測定し、得られた透過超音波の振幅を各計測位置の座標に対してプロットすることで透過超音波の振幅画像が得られる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、それぞれ接着剤２０２が硬化する前と硬化した後に得られた透過超音波の振幅画像の例を示す。図４は、板厚０．８ｍｍの亜鉛メッキ鋼板２枚を第１部材２０４及び第２部材２０６として接着剤２０２を用いて接合した構造の被検査体２００に対する測定結果の例を示している。

図４（ａ）に示すように、接着剤２０２が硬化する前に得られた透過超音波の振幅画像では接着剤２０２の存在は確認できるものの、透過超音波の振幅は小さく、接着剤２０２が硬化していないと評価することができる。これに対して、図４（ｂ）に示すように、接着剤２０２が硬化した後に得られた透過超音波の振幅画像では透過超音波の振幅は大幅に増加し、接着剤２０２が硬化していると評価することができる。

さらに、透過超音波の振幅に対して閾値を設定し、当該閾値以上の振幅となった位置では接着剤２０２が硬化しており、当該閾値未満の振幅となった位置では接着剤２０２が硬化していないものとして画像を２値化してもよい。これにより、硬化した接着剤２０２の形状を把握することができる。

図４（ｂ）に示した画像に対して振幅の閾値として０．５Ｖを設定し、当該閾値以上の振幅値となった領域を黒、当該閾値未満の振幅値となった領域を白で表した画像を図５（ａ）に示す。また、被検査体２００から第１部材２０４を引き剥がして撮影した画像を図５（ｂ）に示す。図５（ａ）において接着領域と判定された領域と図５（ｂ）において実際に観察された接着剤２０２が存在する領域との大きさと形状は概ね一致した。すなわち、本発明の実施の形態によれば、硬化した接着剤２０２の形状とサイズを高い精度で評価することができる。

なお、振幅値に対する関値は、別途準備した試験片において接着剤２０２を硬化させたのち引き剥がすなどして、実際の接着剤２０２の形状及びサイズと透過超音波の振幅値から得られる実際の接着剤２０２の形状及びサイズを比較し、これらが概ね一致するような閾値に設定することが好適である。

以上のように、本実施の形態によれば、被接着部材に塗布されて挟み込まれた状態の接着剤の硬化状態を非破壊の方法で知ることができる。これによって、接着剤で接着された構造体の接着後の実際の接着強度や接着工程の管理の高度化が可能となる。

１０ ステージ、１２ ステージコントローラ、１４ 超音波送出手段、１６ 超音波受信手段、１８ アーム、２０ 制御部、１００ 接着剤評価装置、２００ 被検査体、２０２ 接着剤、２０４ 第１部材、２０６ 第２部材。

Claims (8)

1. 接着剤によって接着された接着領域を有する被測定物における前記接着剤の硬化状態を評価する接着剤評価装置であって、
   超音波送出手段と超音波受信手段とを備え、
   前記超音波送出手段から送信された超音波を前記被測定物に照射し、
   前記超音波受信手段によって前記接着領域を透過した超音波を受信し、
   前記超音波受信手段によって受信された超音波の大きさに基づいて前記接着剤の硬化状態を評価することを特徴とする接着剤評価装置。
2. 請求項１に記載の接着剤評価装置であって、
   前記接着剤の硬化状態の判定基準として超音波の最大振幅の基準値を設定し、前記超音波受信手段によって受信された超音波の最大振幅と前記基準値とを比較することによって前記接着剤の硬化状態を評価することを特徴とする接着剤評価装置。
3. 請求項１又は２に記載の接着剤評価装置であって、
   前記超音波送出手段は、超音波を空中に送信するものであることを特徴とする接着剤評価装置。
4. 請求項１又は２に記載の接着剤評価装置であって、
   前記超音波送出手段は、前記被測定物に接触した状態で超音波を送信するものであることを特徴とする接着剤評価装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の接着剤評価装置であって、
   前記超音波受信手段は、超音波を空中から受信するものであることを特徴とする接着剤評価装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の接着剤評価装置であって、
   前記超音波受信手段は、前記被測定物に接触した状態で超音波を受信するものであることを特徴とする接着剤評価装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の接着剤評価装置であって、
   前記被測定物に対して超音波を走査する走査手段を備えることを特徴とする接着剤評価装置。
8. 接着剤によって接着された接着領域を有する被測定物における前記接着剤の硬化状態を評価する接着剤評価方法であって、
   超音波を前記被測定物に照射し、前記接着領域を透過した超音波を受信し、受信された超音波の大きさに基づいて前記接着剤の硬化状態を評価することを特徴とする接着剤評価方法。