JP2020148567A - 接合部品の検査装置および接合部品の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を利用して接合部品の接合箇所における密着性を検査する改良技術を提供する。【解決手段】接合部品Ｐは、柱状の第１部材の側面の少なくとも一部に第１部材とは音響インピーダンスの異なる第２部材を接合させた部品である。送受信制御回路２０は、接合部品Ｐの第１部材の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波を送波するように超音波探触子１０を制御し、反射された超音波の受信信号を超音波探触子１０から受信する。これにより、金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の接合箇所における密着の程度を示す情報として、金属ピンＰ１の下端から反射された超音波が得られる時刻とその近傍時刻の少なくとも一方を含む注目時間帯の受信信号が取得される。【選択図】図１

Description

本発明は、接合部品の検査装置および接合部品の検査方法に関する。

特許文献１には、真空計より下流側の排気管に遮断弁が設けられ、遮断弁よりも下流側に排気細管が設けられたエアリーク検査装置が記載されている。特許文献１のエアリーク検査装置を利用した検査では、遮断弁を開いて排気管と排気細管を介して被検査体を排気し、その後に遮断弁を閉じたときの真空計の検出圧力の大きさに応じて、リークの有無が判定される。

また、特許文献２には、リークテストモードと第１設定モードと第２設定モードの各モードに対応した工程を実行することにより、工程時間や閾値の設定を自動化して簡易化するエアリークテスト方法が記載されている。

また、特許文献３には、密封部分の漏れ（リーク）を検出するにあたり、検査部分においてヘリウム等のトレースガスを要しない装置が記載されている。

特開２０１８−８０９６５号公報 特開２００４−１７０１６７号公報 特開平７−１４６１９９号公報

例えばエアリーク検査により、部材同士を接合させた接合部品の接合箇所における密着性（例えば剥離の有無など）を検査することができる。しかし、エアリーク検査では、密着性を評価したい部位に気圧差を付与して圧力差を計測することから、計測に時間がかかってしまう。そのため、多数の部品の全数検査が困難であり、検査のためのコストの増加も懸念される。

また、接合部材の接合箇所における密着性を検査するために、例えば超音波を利用することも可能である。しかし、従来から知られる超音波を利用した検査では、部材同士の接合界面に対して垂直な方向に超音波を伝搬させるのが一般的である。部材同士の接合界面に対して垂直な方向に超音波を伝搬させると、接合界面に到達するまでに部材内を超音波が伝搬することになる。したがって、例えばその部材内で超音波が反射されてしまうと、接合界面に到達する超音波の強度が低下し、接合界面から反射される超音波の強度も低下してしまう。

このように、従来から知られる接合部品の検査には問題点があり、接合部品の検査に係る改良技術の登場が期待されている。

本発明の目的は、超音波を利用して接合部品の接合箇所における密着性を検査する改良技術を提供することにある。

本発明の具体例の一つである接合部品の検査装置は、柱状の第１部材の側面の少なくとも一部に当該第１部材とは音響インピーダンスの異なる第２部材を接合させた接合部品を検査する検査装置であって、前記接合部品に対して超音波を送波して反射された超音波を受波する超音波送受部と、前記第１部材の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波を送波するように前記超音波送受部を制御して反射された超音波の受信信号を得る送受信制御部と、を有し、前記第１部材と前記第２部材の接合箇所における密着の程度を示す情報として、前記第１部材の下端から反射された超音波が得られる規準時刻とその近傍時刻の少なくとも一方を含む注目時間帯の受信信号を取得することを特徴とする。

上記構成において、第１部材の長手方向の上端とは、長手方向の両端のうち超音波が送波される起点からみて近い方の端部であり、第１部材の長手方向の下端とは、長手方向の両端のうち超音波が送波される起点からみて遠い方の端部である。例えば、第１部材の上端と下端がそれぞれ鉛直方向の上側と下側になるように配置された状態で検査が行われてもよいし、その逆に、第１部材の上端と下端がそれぞれ鉛直方向の下側と上側になるように配置された状態で検査が行われてもよい。また、第１部材の上端と下端が鉛直方向の同じ高さで左右（右左）に配置された状態で検査が行われてもよい。

例えば、前記送受信制御部は、前記第１部材の上端またはその近傍を焦点として集束する超音波を送波するように前記超音波送受部を制御してもよい。

また、例えば、前記超音波送受部は、周波数が５〜３０ＭＨｚの範囲内である超音波を送波してもよい。

また、例えば、前記検査装置は、前記規準時刻よりも時間的に後の近傍時刻における受信信号の強度に基づいて、前記第１部材と前記第２部材の接合箇所に剥離が発生しているかどうかを判定する剥離判定部をさらに有してもよい。

また、例えば、前記検査装置が検査対象とする前記接合部品は、前記第１部材である金属ピンの側面の少なくとも一部に前記第２部材である樹脂を接合させた部品であってもよい。

また、本発明の具体例の一つである接合部品の検査方法は、柱状の第１部材の側面の少なくとも一部に当該第１部材とは音響インピーダンスの異なる第２部材を接合させた接合部品を検査する検査方法であって、前記接合部品に対して前記第１部材の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波を送波して反射された超音波を受波し、前記第１部材の下端から反射された超音波が得られる規準時刻とその近傍時刻の少なくとも一方を含む注目時間帯の超音波の受信信号を取得し、前記注目時間帯の受信信号に基づいて前記第１部材と前記第２部材の接合箇所における密着性を検査することを特徴とする。

本発明により、超音波を利用して接合部品の接合箇所における密着性を検査する改良技術が提供される。例えば、本発明の具体例の一つによれば、柱状の第１部材の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波を送波して、第１部材と前記第２部材の接合箇所における密着の程度を示す情報を取得する技術が提供される。

接合部品を検査する検査システムの具体例を示す図である。 接合部品の具体例を示す図である。 接合部品に送波される超音波の具体例を示す図である。 集束型超音波（３０ＭＨｚ）で得られる受信信号の具体例を示す図である。 集束型超音波（１０ＭＨｚ）で得られる受信信号の具体例を示す図である。 集束型超音波（５ＭＨｚ）で得られる受信信号の具体例を示す図である。 平面型超音波で得られる受信信号の具体例を示す図である。 金属ピンの形状例を示す図である。 接合部品の形状例を示す図である。

図１は、本発明の具体的な実施態様の一例を示す図である。図１には、接合部品Ｐを検査する検査システムの具体例が図示されている。図１に例示する検査システムは、接合部品検査装置１００を備えている。接合部品検査装置１００は、接合部品Ｐを検査する検査装置の具体例の一つである。また、接合部品検査装置１００が検査対象とする接合部品Ｐは、柱状の第１部材の側面の少なくとも一部に、その第１部材とは音響インピーダンスの異なる第２部材を接合させた部品である。

図１に示す具体例において、接合部品検査装置１００は、超音波探触子１０と送受信制御回路２０と中央制御部３０を備えている。超音波探触子１０は、超音波送受部の具体例の一つであり、接合部品Ｐに対して超音波を送波して反射された超音波を受波する。超音波探触子１０は、例えば、超音波を送受する１つ以上の超音波振動素子を備えている。

また、送受信制御回路２０は、送受信制御部の具体例の一つである。送受信制御回路２０は、接合部品Ｐの第１部材の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波を送波するように超音波探触子１０を制御し、反射された超音波の受信信号を超音波探触子１０から受信する。送受信制御回路２０は、例えば電気回路や電子回路などを利用して実現することができる。また、その実現において、必要に応じて半導体デバイスなどのハードウェアが利用されてもよい。

そして、中央制御部３０は、図１に例示する接合部品検査装置１００内を全体的に制御する。中央制御部３０は、後に詳述する剥離判定機能などを備えている。中央制御部３０は、例えば、ＣＰＵやプロセッサやメモリ等のハードウェアと、そのＣＰＵやプロセッサの動作を規定するソフトウェア（プログラム）との協働により実現することができる。

図１に示す具体例では、検査対象となる接合部品Ｐが媒体槽２００内に貯められた水などの音響伝達媒体Ｌ内に沈められて検査される。接合部品Ｐは、例えばベルトコンベアやロボットアームなどの搬送機構を利用して、図１に例示する音響伝達媒体Ｌ内の計測位置まで搬送されてもよい。なお、図１の検査システムでは、超音波の伝搬方向が重要であるため、検査時には、接合部品Ｐが予め定められた正しい向きで計測位置に配置されるように搬送される。もちろん、計測位置まで搬送された後に接合部品Ｐの向きを修正（微調整）してから検査が実行されてもよい。また、接合部品Ｐは、例えば、図１に示す搬送経路（黒矢印）に沿って音響伝達媒体Ｌ内の計測位置まで搬送され、計測終了後に音響伝達媒体Ｌ内から外に搬出される。搬出された接合部材Ｐが図１の検査システムによる検査の次の工程に搬送されてもよい。

図１に例示する検査システムの全体構成は以上のとおりである。次に、図１に示す検査システムによって実現される検査の具体例について説明する。なお、図１に示した構成（符号を付した各部）については、以下の説明において図１の符号を利用する。

図２は、接合部品Ｐの具体例を示す図である。図２には、接合部品検査装置１００が検査対象とする接合部品Ｐの一例が例示されている。図２（Ａ）は、接合部品Ｐを上端側から見た上面図である。また、図２（Ｂ）は、接合部品Ｐの中心軸Ｃを含む断面を側方から見た側断面図である。

図２に例示する接合部品Ｐは、第１部材の具体例である金属ピンＰ１の側面に、第２部材の具体例である樹脂Ｐ２を接合させた部品である。図２に示す具体例では、四角柱形状の金属ピンＰ１の側面を取り囲むように、全体として円柱形状の樹脂Ｐ２が接合されている。なお、樹脂Ｐ２には、例えば、ガラス繊維（ＧＦ），炭素繊維（ＣＦ），セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）などのうちの少なくとも一つで構成されるフィラーが混入されてもよい。

接合部品検査装置１００は、例えば図２に示す接合部品Ｐに対して、金属ピンＰ１の長手方向の上端側から下端側に向かって伝搬する超音波を送波する。

図３は、接合部品Ｐに送波される超音波の具体例を示す図である。送受信制御回路２０は、接合部品Ｐの第１部材の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波を送波するように超音波探触子１０を制御し、反射された超音波の受信信号を超音波探触子１０から受信する。

図３（Ａ）には伝搬方向の具体例が図示されている。例えば図３（Ａ）に例示するように、超音波探触子１０から接合部品Ｐに対して、第１部材の具体例である金属ピンＰ１の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波が送波される。

また、送受信制御回路２０は、第１部材の上端またはその近傍を焦点として集束する超音波を送波するように超音波探触子１０を制御してもよい。これにより、例えば図３（Ｂ）に例示する集束型超音波のように、金属ピンＰ１の上端付近、例えば音響伝達媒体Ｌと金属ピンＰ１上端の境界近傍を焦点（フォーカス点）とする超音波が送波されてもよい。図３（Ｂ）に示す集束型超音波は、全体としての平均的な伝搬方向が金属ピンＰ１の長手方向となっている。

ちなみに、図３（Ｃ）には平面型超音波の具体例が図示されている。図３（Ｃ）には、超音波探触子１０から接合部品Ｐに対して、焦点を持たない（集束しない）平面型超音波を送波する具体例が図示されている。

接合部品検査装置１００は、媒体槽２００内の音響伝達媒体Ｌに沈められた接合部品Ｐに対して、例えば図３に例示するように金属ピンＰ１の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波を送波して、反射された超音波の受信信号を受信する。

図４から図７には、接合部品検査装置１００によって受信される受信信号の具体例が図示されている。図４から図７の各図には、シール性が低いサンプルから得られる受信信号（Ａ）と、シール性が中程度のサンプルから得られる受信信号（Ｂ）と、シール性が高いサンプルから得られる受信信号（Ｃ）が例示されている。

シール性が低いサンプルとは、金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の接合箇所における密着の程度が低い接合部品Ｐであり、シール性が中程度のサンプルとは、金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の接合箇所における密着の程度が中程度の接合部品Ｐであり、シール性が高いサンプルとは金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の接合箇所における密着の程度が高い接合部品Ｐである。なお、図４から図７の各図の横軸は、超音波を発振（送波）してからの経過時間である。

図４から図６は、集束型超音波により得られる受信信号の具体例を示す図である。図４から図６には、それぞれ、周波数３０ＭＨｚ（図４），周波数１０ＭＨｚ（図５），周波数５ＭＨｚ（図６）の集束型超音波により得られる受信信号の具体例が図示されている。また、図７は、平面型超音波により得られる受信信号の具体例を示す図である。図７には周波数２．５ＭＨｚの平面型超音波により得られる受信信号の具体例が図示されている。

図４から図６に示す集束型超音波によるシール性が低いサンプルから得られる受信信号（Ａ）では、金属ピンＰ１の下端（図２，図３参照）で反射した超音波が検出される時刻Ｔｄの付近で、特に時刻Ｔｄよりも時間的に後の近傍時刻（例えば図４に示す時刻Ａ）において、受信信号の強度が比較的大きい。

超音波探触子１０から見て金属ピンＰ１の下端よりも遠い箇所（例えば図４に示す時刻Ａに対応した箇所）は、音響インピーダンスが一様な音響伝達媒体Ｌ内であり、超音波の反射体が存在しない。超音波の反射体が存在しないにも関わらず、時刻Ｔｄよりも時間的に後の近傍時刻において受信信号の強度が大きい原因としては、次の理由が考えられる。

つまり、集束型超音波には、金属ピンＰ１の側面に対して平行に伝搬しない超音波成分が含まれており（図３参照）、その超音波成分が、金属ピンＰ１の側面で反射しながら金属ピンＰ１の長手方向を上端から下端に向かって伝搬し、金属ピンＰ１の下端で反射した後、金属ピンＰ１の側面で反射しながら金属ピンＰ１の長手方向を下端から上端に向かって伝搬し、超音波探触子１０まで戻ってきて検出されたためであると考えられる。

例えば、シール性が中程度のサンプルから得られる受信信号（Ｂ）と、シール性が高いサンプルから得られる受信信号（Ｃ）では、シール性が低いサンプルから得られる受信信号（Ａ）に比べて、時刻Ａに対応した箇所における受信信号の強度が小さい。

シール性が低いサンプルでは、金属ピンＰ１の側面、つまり金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の接合箇所に剥離が発生しており、超音波が金属ピンＰ１（金属）と剥離部分（空気）との界面でほぼ全反射しながら、金属ピンＰ１の長手方向に伝搬する。

一方、シール性が中程度またはシール性が高いサンプルでは、シール性が低いサンプルに比べて、金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の接合箇所における剥離が少ない（剥離が全く無い場合を含む）ため、金属ピンＰ１（金属）と樹脂Ｐ２との界面で超音波の一部が金属ピンＰ１から樹脂Ｐ２側へ透過してしまい、超音波探触子１０まで戻ってくる超音波の強度が低下する。

このように、図４から図６に示す集束型超音波の具体例では、シール性が低いサンプルの場合に、金属ピンＰ１の下端で反射した超音波が検出される時刻Ｔｄの付近で、特に時刻Ｔｄよりも時間的に後の近傍時刻（例えば図４に示す時刻Ａ）において、受信信号の強度が比較的大きくなる。

これに対し、図７に示す平面型超音波の具体例では、シール性が低いサンプルから得られる受信信号（Ａ）でも、金属ピンＰ１の下端よりも遠い箇所（例えば図４の時刻Ａに対応した箇所）において受信信号の強度に大きな変化が確認できない。平面型超音波では、超音波のほぼ全ての成分が金属ピンＰ１の側面に対して平行に伝搬し、金属ピンＰ１の側面で反射しながら金属ピンＰ１の長手方向を伝搬する超音波の成分が少ない（または全く無い）ためであると考えられる。

そこで、図１の接合部品検査装置１００は、金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の接合箇所における密着の程度を示す情報として、金属ピンＰ１の下端から反射された超音波が得られる規準時刻（例えば図４に示す時刻Ｔｄ）とその近傍時刻の少なくとも一方を含む注目時間帯の受信信号を取得する。

なお、送受信制御回路２０は、例えば金属ピンＰ１の上端またはその近傍を焦点として集束する集束型超音波を送波するように超音波探触子１０を制御する。また、超音波探触子１０は、例えば周波数が５〜３０ＭＨｚの範囲内である超音波を送波する。

そして、例えば、接合部品検査装置１００の中央制御部３０は、規準時刻（例えば図４に示す時刻Ｔｄ）よりも時間的に後の近傍時刻（例えば図４に示す時刻Ａ）における受信信号の強度に基づいて、金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の接合箇所に剥離が発生しているかどうかを判定する剥離判定機能を実現する。

中央制御部３０は、例えば、接合部品Ｐから得られる規準時刻よりも時間的に後の近傍時刻における受信信号の強度が、判定閾値以下の場合にその接合部品Ｐが良品であると判定し、判定閾値を超える場合にその接合部品Ｐが不良品であると判定する剥離判定機能を実現してもよい。判定閾値は、受信信号の最大強度（例えば図４に示す金属ピン上端で反射した超音波が検出される時刻Ｔｕにおける強度）の十数パーセント程度（例えば１５パーセントなど）に設定されてもよい。

また、判定閾値は、検査対象となる接合部品Ｐの複数試料に関する計測結果に応じて決定されてもよい。例えば互いに同じ部品として形成された複数の接合部品Ｐに関する計測結果から、その接合部品Ｐに関する判定閾値が決定されてもよい。また、例えば互いに異なる部品を含んだ複数の接合部品Ｐに関する計測結果から、それらの互いに異なる部品に利用できる汎用的な判定閾値が決定されてもよい。なお、判定閾値は、例えば、図１の接合部品検査装置１００を利用した検査の責任者が最終決定するようにしてもよい。

図１の接合部品検査装置１００は、接合部品Ｐに関する良否の判定結果をディスプレイなどに表示してもよいし、接合部品Ｐに関する良否の判定結果を検査の次の工程を管理する装置などに送信してもよい。

また、図１の接合部品検査装置１００は、金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の接合箇所における密着の程度を示す情報を表示するようにしてもよい。例えば、接合部品Ｐから得られる受信信号（図４から図６参照）をディスプレイなどに表示してもよい。この場合には、例えば、表示された受信信号を見た検査の責任者が、接合部品Ｐの良否を判定するようにしてもよい。

図８は、金属ピンＰ１の形状例を示す図である。図１の接合部品検査装置１００が検査対象とする接合部品Ｐは、柱状の金属ピンＰ１を備えている。図８には、柱状の金属ピンＰ１に関する様々な具体例が例示されている。

例えば、図８に例示するように、金属ピンＰ１の長手方向に垂直な断面（垂直断面）の形状は、三角形，四角形，五角以上の多角形，円形，楕円形などの基本形状の他に、星形などの特殊形状（形状に限定なし）でもよい。

また、例えば、図８に例示するように、金属ピンＰ１の長手方向に連続的に垂直断面の大きさや形状が変化してもよいし、金属ピンＰ１の脱落を避けるための突起などが金属ピンＰ１の側面に設けられてもよい。例えば、金属ピンＰ１の垂直断面を構成する辺，対角線，直径などに比べて長手方向の長さが長ければ、その金属ピンＰ１は柱状である。

図９は、接合部品Ｐの形状例を示す図である。図１の接合部品検査装置１００が検査対象とする接合部品Ｐは、柱状の金属ピンＰ１の側面の少なくとも一部に樹脂Ｐ２を接合させた部品である。図９には、接合部品Ｐに関する様々な具体例が例示されている。

金属ピンＰ１の長手方向の両端（上端と下端）のうちの少なくとも一方は、超音波の伝搬経路となるように、樹脂Ｐ２の表面上に存在するか又は表面から突出していることが望ましい。金属ピンＰ１の長手方向の両端のうちの一方が樹脂Ｐ２の表面上に存在するか又は表面から突出していれば、他方は樹脂Ｐ２に埋め込まれた状態であってもよい。

また、１本の金属ピンＰ１で１つの接合部品Ｐが形成されてもよいし、複数の金属ピンＰ１で１つの接合部品Ｐが形成されてもよい。例えば、複数の金属ピンＰ１を備えた接合部品Ｐを検査する場合には、１本の金属ピンＰ１ごとにその金属ピンＰ１と樹脂Ｐ２の密着性（例えば剥離の有無）が検査される。なお、樹脂Ｐ２の形状は、図１の接合部品検査装置１００による検査への影響が極めて小さい（または完全に影響がない）ため、どのような形状であってもよい。

以上、本発明の具体的な実施態様の一例を説明したが、上述した具体例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０ 超音波探触子、２０ 送受信制御回路、３０ 中央制御部、１００ 接合部品検査装置。

Claims (6)

1. 柱状の第１部材の側面の少なくとも一部に当該第１部材とは音響インピーダンスの異なる第２部材を接合させた接合部品を検査する検査装置であって、
   前記接合部品に対して超音波を送波して反射された超音波を受波する超音波送受部と、
   前記第１部材の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波を送波するように前記超音波送受部を制御して反射された超音波の受信信号を得る送受信制御部と、
   を有し、
   前記第１部材と前記第２部材の接合箇所における密着の程度を示す情報として、前記第１部材の下端から反射された超音波が得られる規準時刻とその近傍時刻の少なくとも一方を含む注目時間帯の受信信号を取得する、
   ことを特徴とする接合部品の検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記送受信制御部は、前記第１部材の上端またはその近傍を焦点として集束する超音波を送波するように前記超音波送受部を制御する、
   ことを特徴とする接合部品の検査装置。
3. 請求項１または２に記載の検査装置において、
   前記超音波送受部は、周波数が５〜３０ＭＨｚの範囲内である超音波を送波する、
   ことを特徴とする接合部品の検査装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の検査装置において、
   前記規準時刻よりも時間的に後の近傍時刻における受信信号の強度に基づいて、前記第１部材と前記第２部材の接合箇所に剥離が発生しているかどうかを判定する剥離判定部をさらに有する、
   ことを特徴とする接合部品の検査装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の検査装置において、
   当該検査装置が検査対象とする前記接合部品は、前記第１部材である金属ピンの側面の少なくとも一部に前記第２部材である樹脂を接合させた部品である、
   ことを特徴とする接合部品の検査装置。
6. 柱状の第１部材の側面の少なくとも一部に当該第１部材とは音響インピーダンスの異なる第２部材を接合させた接合部品を検査する検査方法であって、
   前記接合部品に対して前記第１部材の長手方向の上端から下端に向かって伝搬する超音波を送波して反射された超音波を受波し、
   前記第１部材の下端から反射された超音波が得られる規準時刻とその近傍時刻の少なくとも一方を含む注目時間帯の超音波の受信信号を取得し、
   前記注目時間帯の受信信号に基づいて前記第１部材と前記第２部材の接合箇所における密着性を検査する、
   ことを特徴とする接合部品の検査方法。