JP5633292B2 - 超音波探傷方法及び被検査対象物構造 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を使用して被検査対象物の内部検査面の状況を検査する超音波探傷方法及び被検査対象物構造に関し、特に表面に凹凸が形成された被検査対象物に対する超音波探傷方法及び被検査対象物構造に関する。

従来から、金属材料や接合部の検査などに超音波探傷試験が行われており、例えば下記特許文献１〜３には、チューブ内から外側フィンの溶接部を探傷する方法などが開示されている。そうした超音波探傷方法による検査は、インバータの接合確認にも利用されている。図８は、インバータの一部を示した断面図である。インバータ１０は、半導体素子１１の上にヒートスプレッダ１２が重ねられ、その上に絶縁樹脂板１３を介して放熱板１４が接合され、樹脂モールド１５によって一体に形成されている。放熱板１４は、冷却フィン１４１が複数突き出し、流れる冷却水に接している。従って、半導体素子１１は、それ自身が発した熱が放熱板１４からの放熱によって冷却される。

こうしたインバータ１０に対しては、所定の冷却効果が得られるように、絶縁樹脂板１３と放熱板１４との密着性について接合確認が行われる。その際、探触子２０は、冷却フィン１４１がある放熱板１４の上方に配置され、水平方向に移動しながら超音波２１が発信される。探触子２０の位置によっては、超音波２１が冷却フィン１４１を通り放熱板１４から接合面である検査面３１まで到達し、或いは凸部である冷却フィン１４１の間の空間（凹部）１４２を通って放熱板１４から検査面３１まで到達する。そして、検査面３１で反射した超音波２１を探触子２０が受信し、その信号が不図示の演算処理装置によってデータ処理される。演算処理装置では、超音波２１の強度の違いを画像化するが、検査面３１に剥離や空防層があると反射率が大きくなって超音波２１の強度も大きくなるため、それに応じて画像が白く表現される。

特開２００１−１６５９１３号公報 特開平１０−２８２０７０号公報 実開平６−６９８３７号公報

ところで、インバータ１０のように探触子２０側に放熱板１４の冷却フィン１４１が存在する検査対象物は、領域３２が正確な検査結果が得られない不感帯となってしまう問題があった。すなわち、図８に示すように、探触子２０から発信された超音波２１が、音速の異なる冷却フィン１４１と、その間の凹部１４２（水が存在する）をそれぞれ通るため、反射した超音波２１の受信のタイミングがずれてしまい、正確なデータが得られなくなってしまう。また、超音波２１は検査箇所に集中するように角度を持って発信されるため、冷却フィン１４１と凹部１４２内の水との境界で反射してしまい、検査面３１での強度が落ちてしまい、やはり正確なデータが得られなくなってしまう。

本発明は、かかる課題を解決すべく、不感帯領域を生じさせない超音波探傷方法及び被検査対象物構造を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波探傷方法は、表面に凹部と凸部を有する被検査対象物の当該表面側に探触子を配置し、移動させた前記探触子から超音波を発信し、前記被検査対象物内の検査面で反射した超音波を受信して、当該受信波から前記検査面の状態を求めるものであり、前記被検査対象物とは伝わる音の速度が異なる物質からなり、前記超音波を屈折させる調整部材を前記被検査対象物内の所定箇所に埋設したものを使用し、前記凹部と凸部からなる凹凸部分における前記超音波の通過を見た場合に、前記凹部のみを通過した超音波と、前記凸部のみを通過した超音波から前記検査面の各箇所の状態を求めるようにしたことを特徴とする。
また、本発明に係る超音波探傷方法は、前記探触子の位置を確認し、前記凹部と凸部を跨いだ状態で発信された超音波による前記検査面での反射波を除き、前記検査面の各箇所の状態を求めるようにしたものであることが好ましい。

一方、本発明に係る被検査対象物構造は、表面に凹部と凸部とが形成された第１部材と、その第１部材と接合された第２部材とを有し、前記第１部材の表面側に配置された探触子から発信される超音波によって前記第１部材と第２部材との境界面を検査面として状態確認が行われるものであり、前記凹部と凸部が形成された凹凸部分と前記検査面との間にあって、伝わる音の速度が前記第１部材と異なる物質からなり、前記凹部のみ又は凸部のみを通った前記探触子からの超音波を屈折させて前記検査面の所定箇所に導くようにした調整部材が、前記第１部材内に埋設されたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る被検査対象物構造は、前記探触子から前記検査面への方向で見た場合に、前記調整部材は、前記凹部又は凸部の位置に重ねて複数配置され、前記凹部と凸部との境界線を延長して前記検査面に交差する箇所へ、前記探触子から発信され前記凹部のみ又は凸部のみを通った超音波を屈折させて導くための形状をもって形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る被検査対象物構造は、前記探触子から前記検査面への方向で見た場合に、前記調整部材は、前記凹部と凸部との境界線を延長して前記検査面に交差する特定箇所へ前記探触子から発信され前記凹部のみ又は凸部のみを通った超音波を屈折させて導く部分と、前記特定箇所以外の箇所へ前記探触子から発信され前記凹部のみ又は凸部のみを通った超音波を屈折又は屈折させずに導く部分とが、前記検査面のほぼ全体に渡って一つに形成されたものであることが好ましい。

本発明によれば、伝わる音の速度が異なる物質からなる調整部材を被検査対象物に埋設し、凹部のみを通過した超音波と、凸部のみを通過した超音波から前記検査面の各箇所の状態を求めるようにしたため、従来不感帯であった領域を無くし、検査面全体について正確なデータを得て、その状態を求めることができる。

被検査対象物構造を備えたインバータの一部を示した断面図である。 スネルの法則を説明するための図である。 物質を伝わる音速と物質毎の融点の違いを示した図である。 反射波の受信波形を概念的に表した図である。 不感帯に対応する領域以外を検査する場合を示した図である。 不感帯に対応する領域以外を検査する場合を示した図である。 被検査対象物構造の他の例を備えたインバータの一部を示した断面図である。 インバータの一部を示した断面図である。

次に、本発明に係る超音波探傷方法及び被検査対象物構造について、その実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の被検査対象物構造を備えたインバータの一部を示した断面図である。本実施形態でも前記従来例と同様にインバータの接合確認を例に挙げて説明する。なお、同じ構成については同じ符号を付して説明する。

インバータ１は、半導体素子１１の上にヒートスプレッダ１２が重ねられ、その上に絶縁樹脂板１３を介して放熱板１６が接合され、樹脂モールド１５によって一体に形成されている。放熱板１６は、複数の冷却フィン１６１が上方に突き出して形成されたものであり、本実施形態では、領域３２を不感帯としないための調整部材１７が放熱板１６内に埋め込まれている。調整部材１７は、伝わる音の速度が放熱板１６とは異なる材料（物質）が使用されている。例えば、放熱板１６にはアルミニウムが使用され、調整部材１７には鉄や銅、金などが使用される。そして、断面が湾曲した板形状で形成され、冷却フィン１６１に沿って図面を貫く方向に延びている。

本実施形態では、波動が異なる媒質中を進行する場合、その進行波の伝播速度と入射角・屈折角とが次式の関係になるスネルの法則を利用したものである。図２に示すように、異なるＡ材料４１とＢ材料４２を重ねた場合、Ａ材料４１からＢ材料４２へ入射した超音波は屈折して進み、再びＡ材料４１へ入射する際にも屈折する。Ａ材料４１における音速をＶａ、Ｂ材料４２における音速をＶｂ、そしてＡ材料４１からＢ材料４２への入射角（Ｂ材料４２からＡ材料４１への屈折角）をθａ、Ｂ材料４２からＡ材料４１への入射角（Ａ材料４１からＢ材料４２への屈折角）をθｂとすると、式（１）の関係が成立する。
ｓｉｎθａ／ｓｉｎθｂ＝Ｖａ／Ｖｂ・・・・（１）

そこで、インバータ１は、探触子２０が所定の位置で発信させた超音波２１が図１に示すように調整部材１７で屈折し、冷却フィン１６１のみを通って領域３２に達するように構成されている。すなわち、調整部材１７に使用する材料、湾曲した面の曲率半径、厚さ、そして放熱板１６内における位置が設計される。この調整部材１７には、前述したように、調整部材１７は、鉄や銅、金などが使用されるが、これは放熱板１６に使用されるアルミニウムよりも融点の高いものである。

ここで、放熱板１６と調整部材１７に使用される物質と、その物質内を伝わる音速及び、その物質自体の融点に関して図３に表にして示した。調整部材１７にアルミニウムより融点の高い材料が使用されているのは、鋳造によって形成される放熱板１６の鋳型の中に調整部材１７を設置し、そこへ融点を超えた液体のアルミニウムを流し込んで製造するためである。

よって、放熱板１６には、表面に冷却フィン１６１と凹部１６２による凹凸部分が存在するが、探触子２０を上にして見た凹凸部分の下にあって、検査面３１との間に調整部材１７を設ける構造としたことで、従来不感帯であった領域３２への検査が可能になる。そこで次に、こうした構造を備えたインバータ１に対する超音波探傷方法について説明する。

探触子２０は、インバータ１の上方に距離を置いて配置され、検査面３１に対して水平移動しながら超音波２１の発信及び受信を行う。探触子２０から発信された超音波２１は、放熱板１６で反射する他、放熱板１６や絶縁樹脂板１３を通り、各境界面で反射して戻った反射波が探触子２０に受信され、その受信信号が不図示の演算処理装置によってデータ処理される。演算処理装置では、発信した超音波２１が各境界面で反射した反射波を受信するが、反射波がどの境界面（検査面）を反射したものなのかは、最初の反射波を受信してからの時間間隔によって特定している。図４は、反射波の受信波形を概念的に表した図である。

図４（ａ）は、超音波１２が冷却フィン１６１を通って反射した場合を示し、図４（ｂ）は、超音波２１が凹部１６２を通って反射した場合を示している。先ず、図４（ａ）に示す場合、探触子２０から発信された超音波２１は、冷却フィン１６１の頂面１６３に当たって反射し、その反射波が受信され信号２０１としてデータ処理される。その信号２０１を受信した後に、放熱板１６と絶縁樹脂板１３との境界面（検査面）３１で反射した反射波が受信され、更に絶縁樹脂板１３とヒートスプレッダ１２との境界面３３で反射した反射波が受信され、それぞれ信号２０２，２０３としてデータ処理される。信号２０１から信号２０２，２０３までの受信時間の間隔によって、境界面３１，３２のどの反射波であるかが特定され、その反射波の反射強度によって接合状況が求められる。なお、その外の境界面による反射波についは省略している。

次に、図４（ｂ）に示す場合は、探触子２０から発信された超音波２１は、凹部１６２を通って放熱板１６の凹部底面１６４で反射し、その反射波が受信され信号２１１としてデータ処理される。その信号２１１を受信した後に、境界面３１や境界面３３で反射した反射波が受信され、それぞれ信号２１２，２１３としてデータ処理される。信号２１２，２１３は、信号２１１から信号２１２，２１３までの受信時間の間隔によって、境界面３１，３２のどの反射波であるかが特定され、その反射波の反射強度によって接合状態が求められる。

ところで、前述した被検査対象物の従来構造では、図８に示すように、同時に発信された超音波２１が冷却フィン１４１の頂面１４３と放熱板１４の凹部底面１４４で反射し、その反射波が受信されるため、図４（ｃ）に示す信号３０１のように反射波が分散されてしまう。そのため、反射強度が弱い場合には、受信波の強度が確認のために設定した閾値に達せず、正確な時間が特定できない場合がある。また、音速の異なる物質内を通るため、境界面３１，３２の反射波も分散してしまい、各信号３０２〜３０５のように検査面３１の反射波の信号が特定できなくなり、領域３２が不感帯となってしまう。

この点、本実施形態では、図１に示すように、探触子２０から発信された超音波が、調整部材１７によって屈折することにより、冷却フィン１６１のみを通って領域３２に達し、その反射波を受信することができる。従って、図４（ａ）に示す関係によって得た反射波の受信信号をデータ処理することにより、領域３２においても接合状態が求められる。冷却フィン１６１の上方を図１に示すように移動する探触子２０は、調整部材１７の形状によって領域３２のみならず、その間の領域も図５に示すように検査することができる。すなわち、冷却フィン１６１のみを通った超音波の反射波を利用したデータ処理によって接合状態が求められる。

その他、図６に示すように、凹部１６２の上方に位置する探触子２０から発信された超音波２１は、冷却水の中を通って放熱板１６の凹部底面１６４で反射し、また放熱板１６内を伝わり検査面３１で反射する。領域３２に挟まれた凹部底面１６４の下の領域では、この凹部底面１６４のみを通った超音波の反射波を利用したデータ処理によって接合状態が求められる。こうして、本実施形態では、凹部底面１６４の下の検査面３１は、凹部底面１６４を通った超音波２１のみによって検査し、領域３２及び冷却フィン１６１の下の検査面３１は、冷却フィン１６１を通った超音波２１のみによって検査することができる。

探触子２０からは連続して超音波が発信されているため、探触子２０の移動位置によっては、図８に示すように冷却フィン１６１と凹部１６２に跨る場合もある。しかし、本実施形態の超音波探傷方法では、そうした位置で発信した超音波によって領域３２の検査を行う必要がなくなったため、当該位置での反射波による受信データは除かれる。そこで、発信された超音波が冷却フィン１６１と凹部１６２に跨ってしまう探触子２０の位置が確認され、その位置から発信された超音波の反射した受信波は予めデータ処理の対象から除かれるように設定されている。

こうして本実施形態では、放熱板１６とは物質の異なる調整部材１７を使用し、超音波２１を屈折させて、従来不感帯であった領域３２を冷却フィン１６１のみを通った超音波によって検査することができるようになった。そのため、冷却フィン１６１と凹部１６２に跨った超音波２１を使用することなく検査を行うことで、不感帯領域をなくし、検査面３１全体について正確なデータを得て、その接合状態を求められるようになった。

ところで、本発明にかかる超音波探傷方法及び被検査対象物構造は前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態のインバータ１では、調整部材１７を冷却フィン１６１の凸部毎に設けたが、逆に冷却フィン１６１ではなく凹部１６２のみを通る超音波を利用して領域３２を検査するため、調整部材１７を凹部１６２毎に設けるようにしてもよい。

また、調整部材１７を冷却フィン１６１の凸部毎あるいは凹部１６２毎に設ける他、製造を簡略化するため、例えば図７に示すインバータ２のように、凹部１６２に対応する位置を直線で繋ぐなど、曲面部１８１と平面部１８２からなる一つの調整部材１８によって構成してもよい。
なお、調整部材１７，１８を構成する曲面などの形状は、物質による超音波の屈折角によって適宜決定される。そのため、図１に示すような凸曲面ばかりではなく凹曲面の場合も考えられる。更には、曲面ではなく、両端を直線的に傾斜させた形状のものなどであってもよい。
また、本発明の構造を備えた被検査対象物はインバータに限るものではない。

１ インバータ
１１ 半導体素子
１２ ヒートスプレッダ
１３ 絶縁樹脂板
１６ 放熱板
１７ 調整部材
２０ 探触子
２１ 超音波
３２ 領域
１６１ 冷却フィン
１６２ 凹部

Claims (5)

1. 表面に凹部と凸部を有する被検査対象物の当該表面側に探触子を配置し、移動させた前記探触子から超音波を発信し、前記被検査対象物内の検査面で反射した超音波を受信して、当該受信波から前記検査面の状態を求める超音波探傷方法において、
   前記被検査対象物とは伝わる音の速度が異なる物質からなり、前記超音波を屈折させる調整部材を前記被検査対象物内の所定箇所に埋設したものを使用し、
   前記凹部と凸部からなる凹凸部分における前記超音波の通過を見た場合に、前記凹部のみを通過した超音波と、前記凸部のみを通過した超音波から前記検査面の各箇所の状態を求めるようにしたことを特徴とする超音波探傷方法。
2. 請求項１に記載する超音波探傷方法において、
   前記探触子の位置を確認し、前記凹部と凸部を跨いだ状態で発信された超音波による前記検査面での反射波を除き、前記検査面の各箇所の状態を求めるようにしたことを特徴とする超音波探傷方法。
3. 表面に凹部と凸部とが形成された第１部材と、その第１部材と接合された第２部材とを有し、前記第１部材の表面側に配置された探触子から発信される超音波によって前記第１部材と第２部材との境界面を検査面として状態確認が行われる被検査対象物の構造において、
   前記凹部と凸部が形成された凹凸部分と前記検査面との間にあって、伝わる音の速度が前記第１部材と異なる物質からなり、前記凹部のみ又は凸部のみを通った前記探触子からの超音波を屈折させて前記検査面の所定箇所に導くようにした調整部材が、前記第１部材内に埋設されたものであることを特徴とする被検査対象物構造。
4. 請求項３に記載する被検査対象物構造において、
   前記探触子から前記検査面への方向で見た場合に、前記調整部材は、前記凹部又は凸部の位置に重ねて複数配置され、前記凹部と凸部との境界線を延長して前記検査面に交差する箇所へ、前記探触子から発信され前記凹部のみ又は凸部のみを通った超音波を屈折させて導くための形状をもって形成されたものであることを特徴とする被検査対象物構造。
5. 請求項３に記載する被検査対象物構造において、
   前記探触子から前記検査面への方向で見た場合に、前記調整部材は、前記凹部と凸部との境界線を延長して前記検査面に交差する特定箇所へ前記探触子から発信され前記凹部のみ又は凸部のみを通った超音波を屈折させて導く部分と、前記特定箇所以外の箇所へ前記探触子から発信され前記凹部のみ又は凸部のみを通った超音波を屈折又は屈折させずに導く部分とが、前記検査面のほぼ全体に渡って一つに形成されたものであることを特徴とする被検査対象物構造。

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