JPS591980B2 - 超音波検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は試料の全接合面よりも小さい欠陥を検出するた
め接合面卦よび小さな表面積の試料を非破壊検査する超
音波装置に関し、本発明装置は被検試料に一側から超音
波を与える送信トランスデユーサ卦よび試料の他側に配
され試料を通過した超音波を受信するトランスデユーサ
をそなえている。

接合面たとえばクラツディング、はんだ付け、接着結合
卦よび他の表面結合の面を非破壊検査するには高い表面
解析能力が必要であり、これにより疑間の生じる要素と
なるような小さな欠陥さえも検出することができる。

音波伝播方向に直交する方向に卦ける欠陥の信頼性ある
検出を行い得る表面の広さは電気音響トランスデユーサ
の作動を行う全表面積よりも小さいので、欠陥を正確に
検出するには特別の検査技術を要する。さらに、プロー
ブヘツドが平坦でない試料面に直接あてられると、多く
の場合に離間片を用いて試料の形状に適合させることが
必要になる。電気スイツチの支持材料に接触する要素の
はんだ接合を検査すること、または機械技術に卦いて弁
タペツトの硬金属接合部のはんだ結合卦よび他の接着部
、クラツデイング等を超音波検査技術によつて調べるこ
とは既に知られている。

パルスエコー法を用いると試料は点焦点型音波ビームに
よつて画面内に走査される。

この最後に、走査装置は２つの表面座標に用いられ、且
つ２座標記録器と同期がとられる。しかしながら、この
場合、各エコーの伝達時間が必要である。すなわち、試
料面から出たエコーと、欠陥エコーそれに後壁エコーを
明確に分離し、欠陥エコーのみの強さを知らなければな
らない。薄いクラツデイング層についてはこの方法は極
めて大規模かつ高価な電子技術を用いたときにはじめて
可能なものとなる。他の公知の方法、たとえば音響パル
ス発信では、検査される試料を通過する超音波の強さに
よるものであるから伝達時間に関する高い解析能力を持
つ必要はない。

電気音響トランスデユーサの作動面積すなわち音響ビー
ム断面積は被検接合面と略略同寸法でなければならない
。仮に接合面の半分が欠陥であると、発信された超音波
強度の振幅は５０７０に減少する。対数目盛表示に卦い
てはこれは６ｄＢの振幅減衰に等しい。それ故この方法
は未加工の接合欠陥の検査にのみ適している。仮に被試
験接合面が２つの発振器の一方に近い領域にあると、す
なわち送信用発振器または受信用発振器の一方に近いと
、表示は相互干渉の影響により害われる。そしてこの方
法が小さな欠陥すなわちその表面積が接合全表面積の半
分よジも小さく音波ビームの断面積よりも小さいような
欠陥を検出するために用いられると、焦点型プローブヘ
ッドを用いることが必要となつて、パルスエコー法と同
様になり、試料は画像中に走査される。機械的複雑さは
最初に述べた方法よりも大となる。それは、一対の軸方
向に向けられたプローブヘツドは試料の両側の両面座標
に卦いて機械的に案内されることを要するからである。
共振効果はこれらの応用には用いられない。

それは、共振が非常に搬い層では非常に高い音響周波数
によつてのみ生じるからであるＣＷｅｒｋｓｔＯｆｆｐ
ｒｕｆｕｎｇｍｌｔＵｌｔｒａｓｃｈａｌビＪ．卦よび
Ｈ．ＫｒａｕＫｒａｍｅｒ、第３版１９７５５１２頁等
）。

不完全接続に卦いて、接触子と支持要素の間の接続状態
に関する有用かつ量的にまとまつたデータは不明確な相
互干渉効果による小距離範囲の音響界に卦いては得られ
ず、欠陥面が音波ビームの断面積の大きさのオーヂであ
れば遠い範囲の音響界では可能になる。

複雑な２座標走査技術を用いることを避けるために音波
ビームの断面積は少くとも被試験接合面の大きさでなけ
ればならない。

本発明は接合面または小さな表面の試料に卦ける接合面
または試料よりも小さい表面を有する欠陥を機械的走査
を行わずに検出する装置を提供するものである。

本発明の１つの見解によれば、被検試料に対し例から超
音波を与える送信トランスデユーサと試料の他側に配さ
れ試料を通過した超音波を受信する受信トランスデユー
サとをそなえ、２つのトランスデユーサの一方は被検試
料から介挿片によつて離隔されたマトリクストランスデ
ユーサ要素によつて構成され、各トランスデユーサ要素
は最も小さい検知可能欠陥よりも大きくなく、マトリク
ストランスデユーサ要素に組合わされる介挿片の厚さは
欠陥が検出される平面に卦いて検出された超音波ビーム
が重なり合わないような寸法とされ、各トランスデユー
サ要素から連続的に電気出力信号を取出す装置に結合さ
れてなり、全接合面または試料よりも小さい欠陥を検出
するための小さな接合面または試料を非破壊検査する超
音波装置を提供するものである。

本発明の第２の見解によれば、表面部が接合面または試
料よりも小さい欠陥用の、小さい接合面また試料を非破
壊検査するための送信器プローブを有し、超音波が遅れ
プロツクを介してまたは側から試料中に直接に送信発振
器によつて与えられ、他側から送信音波の形で取出され
、アダプタによつてまたは直接に受信発振器に与えられ
るものに卦いて、２つのプローブヘツドの一方、とくに
受信器プローブヘツドの電気音響トランスデユーサがそ
れぞれトランスデューサ表面要素を有するマトリクス構
成の部分領域に分割され、各・トランスデユーサ要素は
検出されるべき最小欠陥と同寸法またはそれよりも大き
くなく、組合わされたアダブタの厚さは各トランスデユ
ーサ部分要素が欠陥位置に卦ける近範囲界の長さの２倍
であるような寸法とされ、分割された電気音響トランス
デユーサの各トランスデユーサ要素は電気出力信号を連
続的（順序にしたがつて）に調べる装置に結合されるこ
とを特徴とするものである。

以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１ａ卦よび１ｂ図は本発明の基礎となつた公知の音響
パルス発信方法を示している。

第１ａ図に卦いて、音波は発信トランスデユーサ１によ
つて結合媒体２ａを介し部品３，４，５を有する試料中
に与えられる。仮にたとえばはんだによる接合層４が完
全であると、支持要素３は最大可能面領域上の接触子５
に結合される。そして受信トランスデユーサ６は結合媒
体２ｂ卦よび接触部形状に幾何学的に適合するために設
けられたアダプタ７を介して最大音波強度を受信する。
最大音波強度は符号８ａで示すように超音波装置８に表
示される。一方、層４が完全でないと、第１ｂ図に示す
ように、または部品３卦よび５が完全に接続されていな
いと、受信音波強度は小さくしたがつて符号８ｂで示す
ように超音波装置８には小さな値でしか表示されない。
本発明の望ましい実施例は第２図卦よび後続する図によ
つて示される。

本発明装置は２つの部分を有し、その１つは第２図に示
すように、送信トランスデユーサ１卦よびたとえばポリ
メチルメタクリレートのような音波伝導特性の良好な材
料からなる遅れプロツクからなる。仮に結合面が平坦で
あるか又はイマージヨン技術を用いているときは遅れプ
ロツク９は省略し得る。試料の他側に置かれる本発明の
第２の部分は、音波を受信するために設けられ、受信ト
ランスデユーサを取付けるためのアダプタ７を有し、こ
のトランスデユーサはたとえば１６のトランスデユーサ
要素６ａ〜６ｐに分割される。アダプタ７の厚さは、検
査されるべき接合面４が各要素６ａ〜６ｐの遠範囲音響
界に位置するが、受信音波ビームの横断面寸法は互いに
重なり合わないような寸法に選ばれる。すなわち、十字
結合効果は最小となり検査結果の数値に卦いても殆んど
干渉は生じていない。音響界に卦ける音圧分布は階段状
ではなく連続壮となることに注意すべきである。音響界
に卦ける物理的原理は前記した６ＷｅｒｋＳｔ０ｆｆＰ
ｒＵｆＬ１ｒ１ｇｍｉｔＵ１ｔｒａｓｃｈａ１ピ の５
８〜８２頁とか６Ｋｒａｕｔ−Ｋｒａｍｅｒ−Ｔａｓｈ
ｅｒｌｂｕｃｈ２版１、ケルン市ＫｒａｕｔＫｒａｍｅ
ｒ社発行、２４〜３３頁にも記載されているように公知
である。トランスデユーサ要素はかなり小型に作られ、
これら要素全体の総合値が測定されるから、トランスデ
ユーサの関連要素６ａ〜６ｐ間では目につくほどの音圧
差はなく、良好な音波伝播が行われ接合欠陥がないこと
になる。

１６個の約４Ｈ１！ｌ×４？の等寸法要素は、被検査結
合面または接合面の寸法が１６？×１６Ｗ１のものに用
いられる。

したがつて、分割された受信トランスデユーサ６の各ト
ランスデユーサ要素６ａ〜６ｐは略々同一の受信域を持
つ。第３図によれば、これらのトランスデユーサ要素の
各々はプリアンプ１０ａ〜１０ｐの各１つに接続される
。これらのプリアンプはシフトレジスタ１１によつてラ
インドライバ１２に順繰りに接続され、信号は公知構成
の音波パルス装置８上に表示される。走査の順繰りのシ
フトは充分ゆつくりと行われるようにすれば、人間の目
がこれらの表示に順次追従していく。さもなければスイ
ツチ装置１３によつてキー操作を介して各要素が個別に
呼出されるようにしてもよい。プリアンプのゲインは個
々に調整でき、かつこれらのプリアンプは仮に発信器が
直接受信器に結合されたとして装置が各プリアンプから
ラインドライバに同一信号振幅の送信を行うように配列
される。このような等化すなわち較正は欠陥なしの試料
によつても行われる。送信音波パルスの大きさに拘らず
受信音波パルスは、接合面４の５０％だけが欠陥なしで
あつてもその振幅が５０％減衰は対数目盛の６ｄＢ減少
に等しい。これは各トランスデユーサ要素の各々は該当
するから、あるトランスデユーサ要素から得られる指示
は、対応する部分接合面の５０％が接合されていないと
６ｄＢだけ減少する。そして４×４の部分面に分割され
ていすると、正しく検出できるのは全接合面積の一に）
３
２なる。

６ｄＢの振幅減衰はそれ故、部分面の半分が接合されて
いない場合、１６個のトランスデユーサ要素の各々で測
定される。

第４図は１つの場合を示している。

４列の中の１つに配された４つのトランスデユーサ要素
が示されている。

近範囲界に卦ける公知構成の音波ペンシルビームはアダ
プタ７中に示されている。試料は第４ａ図に卦ける符号
で示すように異なつた振幅の欠陥を持つている。発振器
によつて試料中に送出される信号は２つの接合面（符号
４で示された接着部分の・・ツチングが施されていない
部分）には送出されない。トランスデユーサ要素６ａは
０ｄＢの減衰に相当する全面積のその部分の１００７０
からの音を受信する。トランスデユーサ要素６ｅは欠陥
によつてその表面の５０７０以上が蔽われて卦り、−７
ＤＢの信号を受信する。トランスデユーサ要素６では５
０％よりも少ない部分が蔽われているのみであり、−３
ｄＢの信号を受信し、トランスデユーサ要素６ｍは５０
％だけ蔽われて訃り、６ｄＢの信号を受信する。第４，
４ａ図から分るように、接合面に卦いて音波ペンシルビ
ームが充分に放散しそれらが丁度重なり合うようにアダ
プタ７の厚さが選ばれている。

本発明の他の実施例は分割されたトランスデユーサ面に
分割アダプタ７ａ〜７ｐを用いたもので、特に第５図に
示すように受信トランスデユーサの前面に介挿片を置い
たことを特徴とするものである。

この分割介挿片は、ガラスまたは繊維の１本当り約２？
経のより糸１７ａ〜１７ｐであり、これらは互いに音響
的に絶縁されて卦り、第６図に示すように、各トランス
デユーサ要素６ａ〜６ｐに結合するために間隔が設けら
れている。このように各トランスデユーサ要素はトラン
スデユーサ要素が同一面に置かれたときに可能とするも
のよりも大きく作られ、トランスデユーサ要素は変換要
素１４ａ〜１４ｐによりたとえば２Ｑ経のより糸１７ａ
〜１７ｐに音響的に整合される。絶縁層１８は音響絶縁
を行う。第３図の実施例は手動からはじまり、電子的な
質問卦よび数値化によつてトランスデユーサ要素６ａ〜
６ｐの各信号の時分割質問を行うものである。

良否指示の他の利点は、この場合に充分なものである。
この最後にプリアンプ１０ａ〜１０ｐはシフトレジスタ
１１により順繰りに質問され、信号はバツフアメモリ１
５を介してＬＥＤマトリクスに与えられる。このマトリ
クス１６に卦いてＬＥＤは接着面の状態を光学的に表示
するため、被検接着面の領域のイメージを表わすように
配されている。すなわち、信号はコード化されてコンピ
ユータ、仕分け装置または何らかの他の数値化装置に与
えられる。この実施例に卦いて、信号振幅は調整可能な
ゲートスレシヨルドを有するモニタによつて数値化され
る。これらの電子モジユールはそれぞれ公知である。基
本超音波ユニツト８のモニタはこの特別の場合に用いら
れる。信号の値がゲートスレシヨルドを超えれば良の指
示が得られ、ゲートスレシヨルドに達しなければ否の指
示が行われる。ゲートスレシヨルドの大きさは、般に電
圧で表わされ、接着面の領域の予め定められた欠陥部分
上で相当する指示が得られるように調整される。第６図
の実施例に卦いて、各発振器はかなり大がかりな構成で
あり、変換要素またはコンセントレータによつて音響伝
達装置に結合される。

この装置は第６図に示すように、ガラスまたは繊維の束
である。第６図の装置は試料の幾何形状の延長片に幾何
学的に整合するものである。本発明の他の実施例は小さ
な試料断面を焦点合わせされた音波ビームによつて走査
することにより検査し、しかも幾何学的に配された複数
のトランスデユーサによつて機械的走査装置を用いて高
価となることを避けたものである。

状態報告を形成する指示は手動キー操作により順次得ら
れ、そして状態報告は予め定められた感度（ゲートスレ
シヨルド）で発光ダイオード装置により表示される、こ
の場合、異色の２組のダイオードを用い、−方は良の指
示に、もう１つは否の指示に各部分を表示させる。本発
明は分割受信トランスデユーサを有する実施例で説明し
たが、送信トランスデユーサが要素に分割されてもよい
。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図はスィツチ接触子を通した部分を示す断面図、
第１ｂ図は欠陥のある接着面を有する第１ａ図の部分に
対応する断面図、第２図は送信卦よび受信トランスデユ
ーサの間に欠陥のない接着面が配され且つ本発明のプロ
ープ装置が用いられたスイツチ接触子を示す断面図、第
３図は検査装置のプロツク線図、第４図は検査装置中に
配された欠陥のある接着面を有するスイツチ接触子の断
面図、第４ａ図は第４図の装置に卦ける音響振幅卦よび
伝達時間がプロツトされたグラフを示す図、第５図はプ
ローブヘッド部を示す断面図、第６図はガラスまたは繊
維より糸の延長部を有するプローブヘツドの断面図であ
る。 １・・・・・・送信トランスデユーサ、２ａ，２ｂ・・
・・・・結合媒体、６・・・・・・受信トランスデユー
サ、６ａ〜６ｐ・・・・・・トランスデユーサ要素、７
・・・・・・アダプタ、８・・・・・・超音波装置、１
４・・・・・・変換要素、１７・・・・・・より糸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検試料に対し一側から超音波を与える送信トラン
   スデューサと、前記試料の他側に配され該試料を通過し
   た超音波を受信する受信トランスデューサとをそなえ、
   前記２つのトランスデューサの一方は被検試料からアダ
   プタを介して離隔されたマトリクストランスデューサ要
   素によつて構成され、これら各トランスデューサ要素は
   最も小さい検知可能欠陥よりも大きくなく、且つ前記マ
   トリクストランスデューサ要素に組合わされるアダプタ
   の厚さは欠陥が検出される平面において検出された超音
   波ビームが重なり合わないような寸法とされ、前記各ト
   ランスデューサ要素は該トランスデューサ要素から連続
   的に電気出力信号を取出す装置に結合されてなり、全接
   合面または試料よりも小さい欠陥を検出するための小さ
   な接合面または試料を非破壊検査する超音波検査装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記ア
   ダプタがアダプタ要素のマトリクスに分割された超音波
   検査装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、分割さ
   れたアダプタの前記要素が、互いに音響的に絶縁された
   ガラスまたはプラスチックの束を有し、束全体の一方端
   面形状は対応する試料面に適用できるものであり、各繊
   維より糸の端面はそれぞれ変換要素により前記トランス
   デューサ要素の各々にそれらの他方の端部にて結合され
   た超音波検査装置。 ４ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の装置にお
   いて、前記トランスデューサ要素の側部に該要素から離
   間して配された前記アダプタは被検試料の表面に適合す
   るように形成された超音波検査装置。 ５ 特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れかに記載の
   装置において、前記各トランスデューサ要素への電気信
   号を増幅するプリアンプと、ラインドライバの出力に応
   じて表示を行う指示装置とをそなえた超音波検査装置。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の装置において、前記指
   示装置は前記各プリンアンプの出力信号の振幅に応じて
   良否指示するスレシヨルドゲート回路と、前記トランス
   デューサ要素のマトリクスに対応して設けられ前記ゲー
   ト回路の良否指示に応じて付勢される発光ダイオードの
   マトリクスを有する表示装置とをそなえた超音波検査装
   置。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の装置において、スレシ
   ヨルドゲート回路の出力信号を総合する装置。 およびこの総合装置の出力に応じて前記試料を分類する
   区分け装置を駆動するための補助装置をそなえた超音波
   検査装置。８ 表面部が接合面または被検試料よりも小
   さい欠陥用の、小さい接合面または試料を非破壊検査す
   るための送信器および受信器プローブを有し、超音波が
   所定距離を介してまたは一側から試料中に直接に送信発
   振器によつて与えられ、他側から送信音波の形態で取出
   され遅れブロックによつてまたは直接に受信発振器に与
   えられるものにおいて、望ましくは受信器送信器プロー
   ブ６である２つのプローブヘッドの一方の電気音響トラ
   ンスデューサがそれぞれトランスデユーア表面要素を有
   するマトリクス構成の部分領域に分割され、各トランス
   デユーサ要素は検出されるべき最小欠陥と同寸法または
   それよりも大きくなく、組合わされたアダプタの厚さは
   各トランスデューサ部分要素が欠陥位置における近範囲
   音響界の長さの２倍であるような寸法とされ、分割され
   た電気音響トランスデユーサの各トランスデューサ要素
   は電気出力信号を順序にしたがつて調べる装置に結合さ
   れたことを特徴とする超音波検査装置。