JP4158947B2 - 超音波による境界面領域の検査装置 - Google Patents

Description

［技術分野］
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（即ち所定周波数での振幅、以下本願において同様の意義に用いる）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。
［背景技術］
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（ないし付着力）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（付着）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。
［発明の開示］
［発明が解決しようとする課題］
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（付着）強度（Haftfestigkeit）についての量的明言、すなわち最大結合（付着）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（付着）強度の正確な非破壊検出を行うことである。
［課題を解決するための手段］
この課題は本発明により、測定値が基本周波数の１倍の周波数の振幅と、この基本周波数に所属（関連）する高調波のうち最低のものの周波数の振幅の２倍の負の値を有するようにして解決される。以下「所定周波数での振幅」を「周波数振幅」とも表わす。
測定値が、少なくとも１つの基本周波数の１倍の周波数での振幅と、少なくとも所属の高調波のうち最低のものの周波数の振幅の２倍の負の値、すなわち基本周波数の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（付着）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（高次の）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高調波の周波数の振幅は１倍の正の値により、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（１倍）、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（複数）、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１倍の正で一部は２倍の負の重み付けにより結合することができる。
引張（付着）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（付着）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。なお、請求の範囲に付記した図面参照符号は、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に本発明を限定することを意図するものではない。
【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。
［実施例］
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間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（付着）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（付着）強度を検出するために横波がそれぞ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、並びに関連する第２高調波の少なくとも周波数成分が、基本周波数の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（検出）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１９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（経過）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（経過ないし応答）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パスフィルタとして構成されている。
基本周波数フィルタ２２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（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（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２５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、それぞ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、被検体１２の被検境界面１４における結合（付着）力特性

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（付着）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関連する第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（検出）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倍の強度をもって第２の基本周波数の第２高調波を検出する周波数（検出）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、両送信ヘッド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（検出）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。第１、第２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、第１、第２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（検出）段により部分的に重み付けされた周波数振幅（即ち各周波数での振幅）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、これらの基本周波数、所属の（関連して生ずる）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 (14)

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つの基本周波数に関連する高調波のうち少なくとも最低のものがその周波数の振幅（以下、「周波数振幅」と称する）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１倍の周波数振幅を含み、少なくとも１つの別の成分として基本周波数に関連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、基本周波数に関連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、基本周波数に関連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、関連する次に高い第３高調波の１倍の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１倍の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１倍の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、高調波及び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）の周波数検出段は、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力の絶対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）の力の絶対値が算出される、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。

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