JPH095305A - 欠陥検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 音響インピーダンスの差に基づいて超音波を
反射する界面を内部に有する多層構造の部材について、
超音波の反射波から欠陥の有無を検査する。 【構成】 検査装置10は、超音波探触子11と、超音波探
傷器13と、エコーの波形信号を周波数解析して欠陥判定
を行うコンピュータ15とから構成される。試料20は、２
枚の炭素鋼板21，23を、エポキシ接着剤25にて接着した
多層構造の部材であって、炭素鋼とエポキシ樹脂の音響
インピーダンスの違いから内部に超音波を反射する界面
が存在する。そこで、コンピュータ15には、予め、最下
層23からの固有の周波数を記憶しておき、超音波探傷器
13からエコー信号を入力したら、これをフーリエ変換し
て周波数スペクトルに分類し、続いて上記の固有の周波
数に相当する成分が含まれているか否かをチェックし、
含まれている場合には「接着良好」と、含まれていない
場合には「接着不良」と判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音響インピーダンスの
差に基づいて超音波を反射する界面を内部に有する多層
構造の部材について、超音波を入射して得られる反射波
に基づき、部材内の欠陥の有無を検査する欠陥検査方法
及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
図８（Ａ）に示すように、２以上の材料１０１，１０３
が接着剤１０５で層状に接着されてなる多層構造の部材
１００に超音波を入射して接着部の欠陥を検査する方法
として、部材１００の両側に超音波探触子１０７，１０
９を配置し、部材１００内を透過してくるべき超音波が
検出されない場合に接着不良と判定する方法（透過法）
があった。

【０００３】しかし、同図（Ｂ）に示すように、例えば
ドーナツ状の多層構造部材１１０では空洞部が存在する
ために超音波が反対側まで透過せず、透過法による接着
部の検査ができないという問題があった。また、この様
なドーナツ状の部材でなくても透過側に超音波探触子を
配置できない場合もあり、接着部の検査が困難となるこ
とがあった。

【０００４】なお、多層構造部材の各層の音響インピー
ダンスがほぼ等しい場合には、反射波の周波数に基づい
て板厚検査と同様の手法で片側から内部欠陥の有無を検
査することができるが、金属と合成樹脂とによる多層構
造部材や金属同士を合成樹脂接着剤で接着したような多
層構造部材、あるはこうした合成樹脂と金属との関係に
限らず、音響インピーダンスに層間で大きな差があるよ
うなような多層構造の部材では、部材の内部に超音波を
反射する界面が生じるため、当該界面より上の層からの
反射波による多重反射エコーが常に生じ、板厚検出と同
様の従来の反射法では、接着層に不良があるのか否か分
からなかった。

【０００５】そこで、本発明は音響インピーダンスの差
に基づいて超音波を反射する界面を内部に有する多層構
造の部材について、超音波の反射波に基づいて部材内の
欠陥の有無を検査可能にすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】本発明の
欠陥検査方法は、音響インピーダンスの差に基づいて超
音波を反射する界面（以下、「音響的な界面」とい
う。）を内部に有する多層構造の部材について、超音波
を入射して得られる反射波に基づき、部材内の欠陥の有
無を検査する欠陥検査方法であって、反射波中に部材の
最下面からの固有の反射波に相当する周波数成分が含ま
れているか否かにより欠陥の有無を検査することを特徴
とする。

【０００７】ここで、本発明方法の原理を図１に基づい
て説明する。図１の例は、接着部１の音響インピーダン
スがそれよりも上の層３の音響インピーダンスよりも極
端に小さいため、入射音波が最上層３と接着部１との境
界面で反射され、最下層５の下面から反射して返って来
る超音波も接着部１で反射されるような多層構造部材を
示すものである。このため、最上層３の上面と接着部１
との間及び最下層５の下面と接着部１との間でそれぞれ
超音波が反射し、最上層３内と最下層５内でそれぞれに
多重反射を生じる。このため、超音波探触子７にて検出
される反射波は最上層３内での多重反射エコーｅｃｈ１
と最下層５内での多重反射エコーｅｃｈ２の両方を含ん
でいる。なお、厳密には接着部１の内部における多重反
射エコーも含まれるはずであるが、これは無視して説明
する。そして、図１（Ａ）に示すように、接着部１に欠
陥がなければ、部材の最上層３の上面から入射した超音
波は最下層５の下面まで到達するので、必ず最下層５の
下面からの固有の反射波として図示の多重反射エコーｅ
ｃｈ２も返ってくる。一方、同図（Ｂ）に示すように、
接着不良のような欠陥部９があると、当該部分から下の
層へは超音波がうまく到達せず、結果として、最下層５
からの固有の反射波が返って来なくなる。

【０００８】本発明方法によれば、こうした原理を利用
し、内部の音響的な界面の存在により複雑な多重反射エ
コーを生じるような部材の反射波中に最下層を構成する
材料からの反射波に固有の周波数成分が含まれていれば
「不良なし」と判定することができ、逆に、当該固有の
周波数成分が含まれていなければ「不良あり」と判定す
ることができるのである。

【０００９】また、この同じ原理を利用して、本発明で
は、音響的な界面を内部に有する多層構造の部材につい
て、超音波を入射して得られる反射波に基づき、部材内
の欠陥の有無を検査する欠陥検査方法であって、反射波
中に前記音響的な界面の存在によって生じるべき固有の
反射波の数に相当する数の周波数成分が含まれているか
否かにより前記接合不良の有無を検査することを特徴と
する欠陥検査方法も完成している。即ち、いかなる周波
数成分が返ってくるにしろ、内部に音響的な界面が存在
することによって生じるべき数の周波数成分が存在する
なら「不良なし」と、この数が不足していれば「不良あ
り」と判定するようにしてもよいのである。

【００１０】本発明は、さらに、本発明方法を実施する
のに適する装置として、音響的な界面を内部に有する多
層構造の部材について、超音波を入射して得られる反射
波に基づき、部材内の欠陥の有無を検査する欠陥検査装
置であって、前記部材に対して超音波を入射する超音波
入射手段と、該超音波入射手段により入射した超音波の
反射波を検出する反射波検出手段と、前記部材の最下面
からの反射波に固有の周波数成分を判定基準として設定
する判定基準設定手段と、前記反射波検出手段により検
出された反射波中に前記判定基準に相当する周波数成分
が含まれているか否かにより接合不良の有無を判定する
判定手段とを備えることを特徴とする欠陥検査装置をも
完成している。

【００１１】この装置によれば、超音波入射手段から部
材内に入射した超音波の反射波を反射波検出手段によっ
て検出し、当該検出された反射波に含まれる周波数成分
中に、部材の最下面と内部の音響的な界面との間での多
重反射によって生じるべき反射波に固有の周波数成分が
含まれている場合には「不良なし」と、含まれていない
場合には「不良あり」と判定することができるのであ
る。

【００１２】ここで、上記の検査装置において、前記判
定手段は、前記検出された反射波を周波数解析すること
によって、反射波中に含まれる周波数成分を抽出し、該
抽出した周波数成分中に前記判定基準に相当する周波数
が含まれているか否かにより接合不良の有無を判定する
解析手段として構成されるとよい。より具体的には、音
響的な界面の上下でそれぞれ生じる多重反射によって得
られる複雑なエコーをフーリエ変換して周波数スペクト
ルに分類し、当該周波数スペクトル中に、内部の音響的
な界面と最下面との間の多重反射に起因する固有のピー
ク周波数が存在するか否かで当該界面の良否を判定すれ
ばよいのである。こうした周波数解析の手法を用いれ
ば、コンピュータ等により自動的に判定を行うことがで
きる。

【００１３】なお、判定手段をこうした解析手段ではな
く、特定周波数の信号だけを透過させるようなフィルタ
等を応用して構成することもできる。例えば、最下層の
材料に固有の周波数成分だけを透過させるようなフィル
タ（ハイパスフィルタ、ロウパスフィルタ、バンドパス
フィルタのいずれでもよい）に対して反射波検出手段の
検出した反射波を入射し、透過してくる成分があれば
「良好」と、なければ「不良」と判定する構成にしても
よい。

【００１４】ところで、上記の様な解析手段として判定
手段を構成する場合には、前記判定基準設定手段が、前
記部材の前記音響的な界面より下の層を構成する材料に
ついての超音波の伝播速度及び伝播距離に関する情報を
入力する入力手段と、該入力された情報に基づいて当該
音響的な界面より下の層に超音波を入射したときに得ら
れるべき反射波に固有の周波数成分を算出する固有周波
数算出手段と、該算出された固有の周波数成分を前記判
定基準として記憶する判定基準記憶手段とを備えるよう
にしてやることもできる。

【００１５】このように構成すれば、検査対象が変わっ
たり、あるいは同一検査対象であっても、例えば最下層
の厚さが変化する等の理由によって検査する部位によっ
て正常に得られるべき多重反射エコーの状況が異なる様
な場合に、簡単に判定基準を設定することができ、好適
となる。

【００１６】また、本発明方法を実施するための他の検
査装置として、音響的な界面を内部に有する多層構造の
部材について、超音波を入射して得られる反射波に基づ
き、部材内の欠陥の有無を検査する欠陥検査装置であっ
て、前記部材に対して超音波を入射する超音波入射手段
と、該超音波入射手段により入射した超音波の反射波を
検出する反射波検出手段と、前記部材からの反射波中に
含まれるべき周波数成分の数を判定基準として設定する
判定基準設定手段と、前記反射波検出手段により検出さ
れた反射波中に前記判定基準に相当する数の周波数成分
が含まれているか否かを判定する判定手段とを備えるこ
とを特徴とする欠陥検査装置も完成している。

【００１７】この検査装置においては、前記判定手段
は、前記検出された反射波を周波数解析することによっ
て、反射波中に含まれる周波数成分を分類して抽出し、
該分類された周波数成分の数が前記判定基準に相当する
周波数成分の数に一致するか否かを判定する解析手段と
して構成されるとよい。この装置の場合、周波数解析の
結果得られる周波数のピークの数で部材内部の欠陥の有
無を判定することができる。より具体的にはフーリエ変
換によって周波数成分を分類して得た周波数スペクトル
の中から所定レベル以上のピークの個数をカウントし、
カウント数が判定基準に満たない場合に「不良」と判定
すればよいのである。

【００１８】ここで、本発明のそれぞれの検査装置にお
いては、超音波の入射方向を部材に垂直にするときには
超音波入射手段と反射波検出手段を直近に配置するとよ
く、斜めに入射する場合には当該入射角度に応じて反射
波の出射位置に反射波検出手段を配置すればよい。そし
て、超音波入射手段及び反射波検出手段は１個の超音波
探触子で構成してもよいし、別々の超音波探触子で構成
してもよい。超音波を部材に斜めに入射するときは別々
の探触子を用いることとなる。

【００１９】これら本発明の欠陥検査方法及び装置によ
れば、裏側に超音波探触子を配置できないような場合や
空洞部を有する部材などにおいても接着部の良否等を容
易に判定することができる。

【００２０】

【実施例】次に、本発明を一層明らかにするために、実
施例を説明する。実施例としての検査装置１０は、図２
に示すように、超音波の発射と反射波の検出とを行う超
音波探触子１１と、この超音波探触子１１に対して５Ｍ
Ｈｚの超音波を発射させると共に超音波探触子１１が検
出した反射波を受信して反射波の波形信号を形成して波
形の表示を行う超音波探傷器１３と、この超音波探傷器
１３から反射波の波形信号を入力されて周波数解析に基
づく欠陥判定を行うコンピュータ１５とから構成され
る。そして、本実施例では、この検査装置１０にて、図
示の様な２枚の炭素鋼板２１，２３を、エポキシ接着剤
２５にて接着した多層構造の試料２０における接着不良
の有無を検査する。この試料２０では、炭素鋼の音響イ
ンピーダンス：エポキシ樹脂の音響インピーダンスが約
４６：約３．２となっており、音響インピーダンスがオ
ーダー違いとなっている。このため、超音波を入射した
とき、接着層２５が音響的な界面となり、最上層２１内
での多重反射と最下層２３内での多重反射とが行われ、
反射波は複雑な多重反射エコーとなって検出される。

【００２１】ここで、部材の各層に入射した超音波によ
る反射波の固有の周波数ｆは、下式で現される。

【００２２】

【数１】ｆ＝Ｌ／Ｔ Ｔ＝Ｌ／ｃ ここで、Ｌ…伝播距離（板厚×２）、ｃ…材料中の音
速、Ｔ…周期。

【００２３】実施例で検査対象とした試料２０は、最上
層２１の厚さが４ｍｍで最下層２３の厚さが２３ｍｍと
なっている。そして、炭素鋼中の音速は５９００ｍ／ｓ
ｅｃであるから、上記数式の関係より、最上層２１から
の反射波の周波数は７３７ｋＨｚとなり、最下層２３か
らの反射波の周波数は１２８ｋＨｚとなる。

【００２４】従って、接着が良好な部位からは、図３
（Ａ）に示すように、７３７ｋＨｚと１２８ｋＨｚのそ
れぞれピークを持つ多重反射エコーの周波数スペクトル
が得られるはずであり、接着不良によって最下層２３ま
で超音波が到達しないような部位では、同図（Ｂ）に示
すように１２８ｋＨｚのピークが生じていないような周
波数スペクトルとなるはずである。

【００２５】そこで、本実施例では、判定基準として１
２８ｋＨｚの周波数成分が存在するとき「接着良好」
と、存在しないとき「接着不良」と判定する様に判定基
準を設定し、コンピュータ１５に予め記憶してある。そ
して、コンピュータ１５は、図４に示すように、超音波
探傷器１３から反射波のエコー信号を入力したら（Ｓ１
０）、これをフーリエ変換して周波数スペクトルに分類
し（Ｓ２０）、続いて良否判定基準を読み出し（Ｓ３
０）、前述した１２８ｋＨｚの周波数成分が含まれてい
るか否かをチェックし（Ｓ４０）、含まれている場合に
は「接着良好」と判定し（Ｓ５０）、含まれていない場
合には「接着不良」と判定する（Ｓ６０）。なお、判定
結果は、最終的にプリントアウトするなどして検査オペ
レータに分かる様に出力する。このとき、試料のどの部
位に欠陥があったかを分かるようにしておくとよい。

【００２６】このように、本実施例によれば、接着面の
上下でそれぞれ多重反射を生じるような音響的な界面を
内部に有する多層構造部材に対して反射法による検査を
可能にし、試料の片面側だけから接合不良の有無を判定
することができる。ところで、試料の材質や寸法・形状
が変われば、最下層の反射波に固有の周波数も変わる。
そこで、部材の寸法・形状や材質により判定基準を設定
し直す必要から、次の様に構成することもできる。

【００２７】即ち、予め、各種材料中での音速の特性値
を材料名と対応させたテーブルをコンピュータ１５に記
憶しておき、検査に先立って、図５に示すように、最下
層を構成する材料の材質及び寸法・形状を入力し（Ｓ１
１０）、入力された材質で上記テーブルを参照して音速
ｃを特定し（Ｓ１２０）、また、入力された寸法・形状
に基づいて伝播距離Ｌを特定し（Ｓ１３０）、上述した
数１に当てはめて固有の周波数を算出し（Ｓ１４０）、
これを判定基準として設定するようにしてもよい（Ｓ１
５０）。

【００２８】この場合、図６に示すように、最下層２３
の厚さが変化しているようなものでは、最下層２３から
の反射波に固有の周波数が試料２０の検査部位によって
変化するので、上記の処理を部位毎に行い、部位毎の判
定基準を設定するようにするとよい。

【００２９】なお、図３（Ａ），（Ｂ）を比べると分か
る様に、接着不良の部位からは周波数解析によって得た
スペクトル中で一定以上のレベルを有するピークの数が
正常部位に比べて極端に少なくなることが分かる。従っ
て、良否判定基準として、一定レベル以上の周波数成分
ピークの個数を条件としてもよい。この場合、図７に示
すように、超音波探傷器１３からエコー信号を入力した
ら（Ｓ２１０）、これをフーリエ変換して周波数スペク
トルに分類し（Ｓ２２０）、さらに一定レベル以上のピ
ークを抽出してその個数をカウントし（Ｓ２３０）、続
いて良否判定基準を読み出し（Ｓ２４０）、判定基準を
満足する個数のピークがカウントできたか否かをチェッ
クし（Ｓ２５０）、カウントできた場合には「接着良
好」と判定し（Ｓ２６０）、カウントできない場合には
「接着不良」と判定する（Ｓ２７０）ようにプログラム
を組んでおけばよい。

【００３０】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明はこれに限らず種々なる態様にて実施することが可能
である。例えば、ドーナツ状の空洞部品の接着良否検査
に用いる場合、透過法や従来の反射法では不可能であっ
た検査が可能となる点で、実施例以上の効果が期待でき
る。

【００３１】また、金属板同士を合成樹脂製接着剤で接
着した部材に限らず、金属板の表面に合成樹脂層を形成
したような部材の金属層と合成樹脂層の接着不良を検査
する方法及び装置として本発明を適用することもでき
る。さらに、コンピュータによる周波数解析手法を用い
るのに代えて、上述の実施例の試料２０でいえば、１２
８ｋＨｚの周波数成分のみを透過するようなバンドパス
フィルタやあるいは１２８ｋＨｚ以下の周波数成分のみ
を透過するようなロウパスフィルタに超音波探傷器１３
の検出信号を入力し、一定レベル以上の透過信号が得ら
れたら「接着良好」と、得られなかったら「接着不良」
と判定するように構成してもよい。

【００３２】なお、実施例では、接着不良の有無の検査
に適用した例を説明したが、各層内に欠陥がある場合
も、そこが音響的な界面となり、そこから下に超音波が
到達できない結果、最下層に固有の周波数成分が検出で
きないようになるので、多層構造部材における接着不良
以外の欠陥の検出にもそのまま本発明を適用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明が採用している原理を例示するための
説明図である。

【図２】 実施例における装置構成の概略を示す説明図
である。

【図３】 実施例における試料から得られるエコー信号
を周波数解析した結果を例示するグラフである。

【図４】 実施例における欠陥検査のフローチャートで
ある。

【図５】 変形例としての判定基準設定のフローチャー
トである。

【図６】 他の変形例が対象とする試料を例示する説明
図である。

【図７】 さらに他の変形例における欠陥検査のフロー
チャートである。

【図８】 従来技術に関する説明図である。

【符号の説明】

１・・・接着部、３・・・最上層、５・・・最下層、７
・・・超音波探触子、９・・・欠陥、１０・・・検査装
置、１１・・・超音波探触子、１３・・・超音波探傷
器、１５・・・コンピュータ、２０・・・試料、２１・
・・最上層（炭素鋼板）、２３・・・最下層（炭素鋼
板）、２５・・・接着層（エポキシ接着剤）。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音響インピーダンスの差に基づいて超音
   波を反射する界面を内部に有する多層構造の部材につい
   て、超音波を入射して得られる反射波に基づき、部材内
   の欠陥の有無を検査する欠陥検査方法であって、反射波
   中に部材の最下面からの固有の反射波に相当する周波数
   成分が含まれているか否かにより欠陥の有無を検査する
   ことを特徴とする欠陥検査方法。
2. 【請求項２】 音響インピーダンスの差に基づいて超音
   波を反射する界面を内部に有する多層構造の部材につい
   て、超音波を入射して得られる反射波に基づき、部材内
   の欠陥の有無を検査する欠陥検査方法であって、反射波
   中に前記界面の存在によって生じるべき固有の反射波の
   数に相当する数の周波数成分が含まれているか否かによ
   り前記接合不良の有無を検査することを特徴とする欠陥
   検査方法。
3. 【請求項３】 音響インピーダンスの差に基づいて超音
   波を反射する界面を内部に有する多層構造の部材につい
   て、超音波を入射して得られる反射波に基づき、部材内
   の欠陥の有無を検査する欠陥検査装置であって、 前記部材に対して超音波を入射する超音波入射手段と、 該超音波入射手段により入射した超音波の反射波を検出
   する反射波検出手段と、 前記部材の最下面からの反射波に固有の周波数成分を判
   定基準として設定する判定基準設定手段と、 前記反射波検出手段により検出された反射波中に前記判
   定基準に相当する周波数成分が含まれているか否かによ
   り接合不良の有無を判定する判定手段とを備えることを
   特徴とする欠陥検査装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の欠陥検査装置において、 前記判定手段は、前記検出された反射波を周波数解析す
   ることによって、反射波中に含まれる周波数成分を抽出
   し、該抽出した周波数成分中に前記判定基準に相当する
   周波数が含まれているか否かにより接合不良の有無を判
   定する解析手段として構成されることを特徴とする欠陥
   検査装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の欠陥検査装置において、 前記判定基準設定手段が、 前記部材の前記界面より下の層を構成する材料について
   の超音波の伝播速度及び伝播距離に関する情報を入力す
   る入力手段と、 該入力された情報に基づいて当該界面より下の層に超音
   波を入射したときに得られるべき反射波に固有の周波数
   成分を算出する固有周波数算出手段と、 該算出された固有の周波数成分を前記判定基準として記
   憶する判定基準記憶手段とを備えることを特徴とする欠
   陥検査装置。
6. 【請求項６】 音響インピーダンスの差に基づいて超音
   波を反射する界面を内部に有する多層構造の部材につい
   て、超音波を入射して得られる反射波に基づき、部材内
   の欠陥の有無を検査する欠陥検査装置であって、 前記部材に対して超音波を入射する超音波入射手段と、 該超音波入射手段により入射した超音波の反射波を検出
   する反射波検出手段と、 前記部材からの反射波中に含まれるべき周波数成分の数
   を判定基準として設定する判定基準設定手段と、 前記反射波検出手段により検出された反射波中に前記判
   定基準に相当する数の周波数成分が含まれているか否か
   を判定する判定手段とを備えることを特徴とする欠陥検
   査装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の欠陥検査装置において、 前記判定手段は、前記検出された反射波を周波数解析す
   ることによって、反射波中に含まれる周波数成分を分類
   して抽出し、該分類された周波数成分の数が前記判定基
   準に相当する周波数成分の数に一致するか否かを判定す
   る解析手段として構成されることを特徴とする欠陥検査
   装置。