WO2007116629A1

WO2007116629A1 - 摩擦撹拌接合物の検査方法および検査装置

Info

Publication number: WO2007116629A1
Application number: PCT/JP2007/055496
Authority: WO
Inventors: Hironori Okauchi; Mamoru Nishio; Hideyuki Hirasawa
Original assignee: Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2007-10-18
Also published as: EP2015064A1; EP2015064A4; US7861910B2; US8590766B2; EP2015064B1; CA2774290C; JP4933534B2; US20090140026A1; CA2651536A1; US20110100525A1; KR101079436B1; CA2651536C; KR20080110893A; JPWO2007116629A1; CA2774290A1

Abstract

　本発明は、スポット摩擦撹拌接合される接合物の接合領域および接合強度を検査する検査方法を提供する。接合ツール没入面２４と反対側の裏当て面２５から超音波を接合物に入射させるとともに、接合物２０から反射した超音波を取り込む。また接合ツール没入面での超音波の反射波を用いずに、２つの接合部材の界面２７に相当する基準方向Ｚ位置付近での超音波の反射波に注目して接合領域２１および接合強度を推定し、推定結果に基づいて接合物を検査する。これによって接合ツール没入面２４に形成される接合跡２９の凹凸の影響を受けることを防ぎ、超音波を用いて接合領域２１を推定することで、接合物２０を破壊することなく接合品質を検査することができる。

Description

明細書

摩擦撹拌接合物の検査方法および検査装置

関連出願の相互参照

[0001] 本出願は、日本国特許出願 2006-109071号に基づいて優先権を主張するものであり、前記日本国特許出願の全内容を参照してここに組み入れたものとする。

技術分野

[0002] 本発明は、摩擦撹拌接合法を用いて 2つの接合部材が接合された接合物について、非破壊検査によって接合領域および接合強度を検査および推定する方法に関する。

背景技術

[0003] 図 25は、従来技術の抵抗スポット溶接法によって溶接される溶接物 1における溶接領域 2の推定方法を説明するための図である。図 25に示すように、溶接物 1は、上板 3と下板 4とが溶接領域 2でスポット的に溶接される。溶接領域 2では、上板 3と下板 4 との界面部分 5が溶融により消滅することで、上板 3と下板 4とが溶接される。溶接物 1 のうち、溶接領域 2を除く非溶接領域 6では、上板 3と下板 4との間に界面 5が残る。

[0004] また溶接領域 2は、上板 3と下板 4とを溶融溶接するナゲット部 7と、ナゲット部 7を覆 Vヽ上板 3と下板 4とを僅か〖こ溶融し密着するコロナボンド部 8とを含む。また抵抗スポット溶接では、溶接物 1の表の面 9と、裏の面 10とがほぼ平行な面となる。

[0005] 従来技術として、超音波を用いた溶接物 1の溶接領域 2の推定方法がある。従来技術では、溶接領域 2上を通過するように、超音波を発する超音波探触子 11を走査させて、走査変位ごとに溶接物 1から反射する超音波の反射波 12を取り込む。溶接物 1に入射した超音波の反射波 12は、非溶接領域 6では上板 3の底面 13からの反射波となり、溶接領域 2では下板 4の底面 14からの反射波となる。従来技術の推定方法では、上板底面 13と、下板底面 14との反射波を比較することで、溶接領域 2と非溶接領域 6との境界位置 15を推定し、溶接領域 2の大きさを推定する。

[0006] 特許文献 1に開示される技術では、溶接物 1における溶接領域 2の推定として、上板上面 16と下板底面 14とで多重反射する多重反射波の減衰量に基づいて、ナゲット部 7を求める。特許文献 2に開示される技術では、溶接物 1における溶接領域 2の推定として、下板底面 14で超音波が反射する際に、モード変換によって生じる横波超音波のレベルに基づいて、ナゲット部 7を求める。

[0007] また他の従来技術として、超音波を用いた連続摩擦撹拌接合の接合領域の推定方法がある。特許文献 3に開示される技術では、接合物の底面から反射する底面ェコ一の振幅が、理論値よりも小さい場合、接合欠陥である空孔が接合領域に存在することを判断する。また連続摩擦撹拌接合された接合物は、表の面は略平坦となる。特許文献 1：特開平 3 - 233352号公報

特許文献 2 :特開 2000— 146928号公報

特許文献 3：特開 2004 - 317475号公報接合方法の 1つに摩擦撹拌接合を利用した重ね継手接合がある。摩擦撹拌接合によって接合された重ね継手は、上板と下板との界面部分が撹拌されることにより消滅することで、上板と下板とが接合される。従来では、摩擦撹拌接合された重ね継手接合物の接合領域および接合強度は、破壊検査によって求めている。したがって摩擦撹拌接合された重ね継手接合物においても、非破壊検査によって接合領域および接合強度を求める方法および装置が望まれている。

[0008] しカゝしながら摩擦撹拌接合される接合物は、ツール没入面が複雑な凹凸形状を有する非平坦面となる。したがって下板底面 14からの反射波を用いた非破壊検査技術では、ツール没入面の凹凸の影響を受けてしまい、スポット摩擦撹拌接合される接合物について、接合領域および接合強度を求めることが困難である。

発明の開示

[0009] したがって本発明の目的は、スポット摩擦撹拌接合される接合物の接合領域または接合強度を推定する推定方法および推定装置を提供することである。

[0010] また本発明の他の目的は、破壊検査を行うことなぐスポット摩擦撹拌接合される接合物について、接合領域または接合強度を検査する検査方法および検査装置を提供することである。

[0011] 本発明は、摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物について、接合領域を推定する推定方法であって、前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、

反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうちで、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定する推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合領域の推定方法である。

[0012] 本発明に従えば、反射波測定工程では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面力超音波を接合物に入射させるとともに、接合物力反射した超音波を取り込む。接合物のうち、非接合領域では、一方の接合部材と他方の接合部材との間の界面が完全に消滅していないので、一方の接合部材力入射した超音波は、一方の接合部材と他方の接合部材との間の界面で反射する。また接合領域では、一方の接合部材と他方の接合部材とが接合されて界面が消滅して、るので、一方の接合部材から入射した超音波は、一方の接合部材で反射せずに他方の接合部材に透過し、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近力反射する反射波が少なくなる力又は消滅する。

[0013] したがって注目反射波の特徴は、超音波入射位置が、非接合領域上に位置する場合と、接合領域上に位置する場合とで変化する。この注目反射波の特徴値の変化量に基づいて、注目反射波が、予め定める境界条件を満たす力否かを判断することで、超音波入射位置が非接合領域と接合領域との!/ヽずれの上に位置するかを推定することができる。

[0014] また本発明では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させる。これによつて接合ツール没入面に形成される凹凸の影響を受けずに、超音波を接合物に入射させることができる。また超音波探触子が、接合物のツール没入跡に接触することを防ぐことができ、超音波探触子の破損を防ぐことができる。また本発明では、推定工程で、接合ツール没入面での超音波の反射波を用いずに、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近での超音波の反射波に注目して接合領域を推定する。これによつて接合ツール没入面の凹凸の影響を受けることなぐ接合領域を推定することができる。

[0015] このように超音波を用いて接合領域を推定することで、接合物を破壊することなく接合品質を推定することができ、破壊検査を行う場合に比べて、品質検査に費やすコストを低減することができる。また破壊検査を行うことが困難な大型の接合物についても、接合品質を推定することができる。

[0016] また本発明は、前記反射波測定工程では、接合領域上を通過するように、超音波の入射位置を走査させるとともに、走査変位ごとに接合物に入射させた超音波の反射波を取り込むことを特徴とする。

[0017] 本発明に従えば、超音波入射位置を、接合領域上を通過するように走査させることによって、走査方向に沿う直線上に位置するであろう、接合領域と非接合領域との境界上の位置を推定することができ、接合領域の大略的な大きさを推定することができる。これによつて接合強度を求めたり、接合品質を確認したりする作業に必要な情報を得ることができる。

[0018] また本発明は、前記境界条件は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合に、 2つの接合部材の界面で反射する反射波に基づいて設定されることを特徴とする。

[0019] 本発明に従えば、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合の注目反射波に基づいて、境界条件を設定する。これによつて接合物ごとに境界条件を設定することができ、接合物ごとに境界条件がばらつく場合であっても、接合領域を精度よく推定することができる。

[0020] また本発明は、前記推定工程では、前記注目反射波の振幅が、予め定める振幅し、値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする。

[0021] 本発明に従えば、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、接合物に入射した超音波は、一方の接合部材力他方の接合部材に透過するので、 2つの接合部材の界面に相当する位置で反射する超音波の振幅は小さい。したがって注目反射波の振幅が、予め定める振幅しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することができる。また注目反射波の振幅に基づくことで、反射波に含まれる波形を周波数分析する必要がなぐ接合領域を容易に推定することができる。

[0022] また本発明は、前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域にぉ、て、最大振幅値力一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域の中心となる中心周波数が、予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする。

[0023] 本発明に従えば、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、一方の接合部材力他方の接合部材に超音波が透過しやすい。また反射波に含まれる波形のうちで、低周波域波形に比べて高周波域波形のほうが指向性が高ヽので、超音波入射面側で摩擦撹拌されてヽな、領域と接合領域との境界面が超音波入射面に対して傾斜することで、高周波域波形のほうが反射波として取り込まれる量が小さい。また高周波域波形のほうが低周波域波形に比べて低下しやすい。このことから、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、注目反射波の中心周波数が低下する。

[0024] したがって注目反射波の中心周波数が、予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することができる。また周波数分析すること〖こよって、エコー高さが小さい場合や、ノイズが存在する場合であっても、接合領域を精度よく推定することができる。たとえば予め定める周波数しきい値は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合における注目反射波の中心周波数よりも低く設定される。

[0025] また本発明は、前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値を示す波形の周波数となるピーク周波数が、予め定める周波数以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする。

[0026] 本発明に従えば、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、一方の接合部材力他方の接合部材に超音波が透過しやすい。また反射波に含まれる波形のうちで、低周波域波形に比べて高周波域波形のほうが指向性が高ヽので、超音波入射面側で摩擦撹拌されてヽな、領域と接合領域との境界面が超音波入射面に対して傾斜することで、高周波域波形のほうが反射波として取り込まれる量が小さい。また高周波域波形のほうが低周波域波形に比べて低下しやすい。このことから、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、注目反射波のピーク周波数が低下する。

[0027] したがって注目反射波のピーク周波数力予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することができる。また周波数分析すること〖こよって、エコー高さが小さい場合や、ノイズが存在する場合であっても、接合領域を精度よく推定することができる。たとえば予め定める周波数は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合における注目反射波の中心周波数よりも低く設定される。またピーク周波数から接合領域を推定することで、注目反射波に含まれる各波形の周波数分布が正規分布からずれる場合であっても、接合領域を推定することができる。

[0028] また本発明は、前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域にぉ、て、最大振幅値力一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域幅が、予め定める周波数帯域幅しきい値以上となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする。

[0029] 本発明に従えば、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、一方の接合部材力他方の接合部材に超音波が透過しやすい。また反射波に含まれる波形のうちで、低周波域波形に比べて高周波域波形のほうが指向性が高ヽので、超音波入射面側で摩擦撹拌されてヽな、領域と接合領域との境界面が超音波入射面に対して傾斜することで、高周波域波形のほうが反射波として取り込まれる量が小さい。また高周波域波形のほうが低周波域波形に比べて低下しやすい。このことから、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、注目反射波に含まれる波形の周波数分布の分散が大きくなり、最大振幅値力一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域幅が広がる。 [0030] したがって注目反射波の周波数分布帯域幅が、予め定める周波数帯域幅しきい値以上となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することができる。たとえば予め定める周波数帯域幅しきい値は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合における周波数帯域幅よりも広く設定される。また周波数分析することによつて、エコー高さが小さい場合や、ノイズが存在する場合であっても、接合領域を精度よく推定することができる。またピーク周波数力接合領域を推定することで、注目反射波に含まれる各波形の周波数分布が正規分布からずれる場合であっても、接合領域を推定することができる。

[0031] また本発明は、摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、

前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、

反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうちで、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定する接合領域推定工程と、

接合領域推定工程によって推定した接合領域上の位置に基づ、て、接合領域の大きさを推定し、推定した接合領域の大きさに基づいて、接合物の接合強度を求める強度推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法である。

[0032] 本発明に従えば、反射波測定工程では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面力超音波を接合物に入射させるとともに、接合物力反射した超音波を取り込む。注目反射波の特徴は、超音波入射位置が、非接合領域上に位置する場合と、接合領域上に位置する場合とで変化する。この変化量に基づいて、注目反射波が、予め定める境界条件を満たすか否かを判断することで、超音波入射位置が接合領域上に位置する力否かを推定することができる。

[0033] また本発明では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させる。これによつて接合ツール没入面に形成される凹凸の影響を受けずに、超音波を接合物に入射させることができる。また超音波探触子が、接合物のツール没入跡に接触することを防ぐことができ、超音波探触子の破損を防ぐことができる。また本発明では、接合領域推定工程で、接合ツール没入面での超音波の反射波を用いずに、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近での超音波の反射波に注目して接合領域を推定する。このように接合ツール没入面での超音波の反射波を用いることなく接合領域を推定することで、接合ツール没入面の凹凸の影響を受けることなぐ接合領域を推定することができる。

[0034] 強度推定工程では、接合領域推定工程によって推定した推定結果に基づ！ヽて、接合領域の大きさを推定する。接合領域の大きさと、接合強度とは、ほぼ一対一の関係となる。したがって接合領域の大きさに基づくことで、接合物の接合強度を推定することがでさる。

[0035] このように超音波を用いて接合物の接合強度を推定することで、接合物を破壊することなく接合強度を推定することができ、破壊検査を行う場合に比べて、品質検査に費やすコストを低減することができる。また破壊検査を行うことが困難な大型の接合物についても、接合強度を推定することができる。

[0036] また本発明は、摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、

接合物の接合領域上の領域を含む単位範囲にっ、て、前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、接合物に超音波を入射させるととも〖こ、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、

反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうち、単位範囲について、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波の総合的な特徴値と、前記総合的な特徴値を接合物の強度に変換するために設定される変換関係とに基づいて、接合物の接合強度を推定する推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法である。

[0037] 本発明に従えば、反射波測定工程では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面力超音波を接合物に入射させるとともに、接合物力反射した超音波を取り込む。接合領域上の領域を含む単位範囲における、注目反射波の総合的な特徴値は、単位範囲下における接合領域の大きさによって変化する。接合領域の大きさと、接合物との強度とは、一対一の関係を有するので、単位範囲における注目反射波の総合的な特徴値と、予め定める変換関係とに従うことによって、接合物の接合強度を推定することができる。このように、単位範囲における注目反射波の総合的な特徴に基づいて、接合物の接合強度を推定することで、接合領域の大きさを求める必要がなく、接合物の接合強度を簡単に推定することができる。

[0038] また本発明は、上述した接合領域の推定方法及び接合強度の推定方法にぉヽて、前記反射波測定工程において複数の異なる屈折角にて接合物に超音波を入射させることを特徴とする。

[0039] 本発明に従えば、摩擦撹拌接合に際してフッキング現象が発生した場合でも、フッキング部力ゝらの反射エコーを斜角探傷で捕らえることができるので、接合領域及び接合強度の推定精度を高めることができる。

[0040] また本発明は、摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、

前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、垂直振動子を用いて接合径以上の断面寸法を持つ超音波ビームを接合物に入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定ェ程と、

反射波測定工程によって得られた反射エコー高さに基づいて、接合物の接合強度を推定する強度推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法である。

[0041] 本発明に従えば、簡便且つ安価な方法にて接合物の接合強度を推定することができる。

[0042] また本発明は、摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物の検査方法であって、上述する推定方法によって推定した推定結果に基づ!/、て、接合物を検査することを特徴とする接合物の検査方法である。

[0043] 本発明に従えば、上述する推定方法の推定に基づいて接合物を検査する。これによって接合物を破壊することなぐ接合領域または接合強度の検査を行うことができ、検査作業を簡便に行うことができる。

[0044] また本発明は、摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物について、接合領域を推定する推定装置であって、

超音波を接合物に入射可能に構成されるとともに、接合物から反射する反射波を取込み可能に構成される超音波探触子と、

超音波探触子を、前記接合物の接合領域上を通過するように、接合物のうちで接合ツールが没入された没入面と反対側の面について走査移動させる探触子移動手段と、

探触子の走査位置を検出する走査位置検出手段と、超音波探触子に接続され、超音波探触子が取り込んだ反射波のうちで、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波を抽出する抽出手段と、

走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する記憶手段と、

記憶手段に記憶される情報を読取り、予め定める境界条件を満たす注目反射波に対応する走査位置を、接合領域上の位置として推定する推定手段と、

推定手段によって推定される推定結果を出力する出力手段とを含むことを特徴とする接合物の接合領域の推定装置である。

[0045] 本発明に従えば、超音波探触子によって、接合ツールが没入された没入面と反対側の面力超音波を接合物に入射させるとともに、接合物力反射した超音波を取り込む。この状態で、探触子移動手段が、超音波探触子を、接合物の接合領域上を通過するように走査駆動させる。抽出手段は、探触子移動手段によって超音波探触子を移動させている間に、走査位置ごとに、注目反射波を抽出する。また記憶手段は、走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する。

[0046] 注目反射波の特徴は、超音波入射位置が、非接合領域上に位置する場合と、接合領域上に位置する場合とで変化する。推定手段は、注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの走査位置を、超音波入射位置が接合領域上の位置であると推定する。出力手段は、推定手段によって推定された推定結果を出力する。 [0047] 本発明では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面カゝら超音波を接合物に入射させるとともに、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近での超音波の反射波に注目して接合領域を推定する。これによつて、接合ツール没入面の凹凸の影響を受けることなぐ接合領域を推定することができる。また超音波探触子が、接合物のツール没入跡に接触することを防ぐことができ、超音波探触子の破損を防ぐことができる。また接合領域の推定結果を出力することで、接合物を破壊することなく接合品質を報知することができ、破壊検査を行う場合に比べて、品質検査に費やすコストを低減させることができる。

[0048] また本発明は、摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物を検査する検査装置であって、

超音波探触子を、接合領域上を通過するように、接合物のうちで接合ツールが没入された没入面と反対側の面について走査移動させる探触子移動手段と、

探触子の走査位置を検出する走査位置検出手段と、

超音波探触子に接続され、超音波探触子が取り込んだ反射波のうちで、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波を抽出する抽出手段と、走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する記憶手段と、

推定手段によって推定される推定結果に基づいて、接合物が予め定められる品質を満足するか否かを判定する判定手段と、

判定手段による判定結果を出力する出力手段とを含むことを特徴とする接合物の検査装置である。

[0049] 本発明に従えば、超音波探触子によって、接合ツールが没入された没入面と反対側の面力超音波を接合物に入射させるとともに、接合物力反射した超音波を取り込む。この状態で、探触子移動手段が、超音波探触子を、接合物の接合領域上を通過するように走査駆動させる。抽出手段は、探触子移動手段によって超音波探触子を移動させている間に、走査位置ごとに、注目反射波を抽出する。また記憶手段は、走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する。

[0050] 注目反射波の特徴は、超音波入射位置が、非接合領域上に位置する場合と、接合領域上に位置する場合とで変化する。推定手段は、注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの走査位置を、超音波入射位置が接合領域上の位置であると推定する。判定手段は、推定手段によって推定される推定結果に基づいて、接合物が予め定められる品質を満足するか否かを判定する。出力手段は、判定手段によって判定された判定結果を出力する。

[0051] 本発明では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面カゝら超音波を接合物に入射させるとともに、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近での超音波の反射波に注目して接合領域を推定する。これによつて、接合ツール没入面の凹凸の影響を受けることなぐまた接合物を破壊することなぐ接合物の品質を検査することができる。

図面の簡単な説明

[0052] [図 1]本発明の第 1実施形態である接合物 20の接合領域 21の推定方法を説明するための断面図である。

[図 2]接合領域 21の推定装置 30を示すブロック図である。

[図 3]探触子移動手段 32によって移動される超音波探触子 31の移動経路を示す図である。

[図 4]接合物 20から反射した超音波の反射波波形を示す図である。

[図 5]走査位置変化に対応する反射波波形の変化を示す図である。

[図 6]走査位置変化に対するエコー高さ変化を説明するための図である。

[図 7]推定した接合領域 21の直径寸法と、推定後に破断面を観察した接合領域 21 の直径寸法との分布を比較したグラフである。

[図 8]推定した接合領域 21の直径寸法と、推定後に破断面を観察した接合領域 21 の直径寸法との分布を比較したグラフである。 [図 9]推定した接合領域 21の直径寸法と、破壊試験によって測定した接合物の接合強度との分布を示すグラフである。

[図 10]接合強度の推定方法の手順を示すフローチャートである。

[図 11]本発明の第 2実施形態である接合物の推定方法を説明する推定結果を示す平面図である。

[図 12]推定した接合領域 21の面積と、破壊試験によって測定した接合物 20の接合強度との分布を示すグラフである。

[図 13]注目反射波 45に含まれる波形を周波数分析したグラフである。

[図 14]本発明の第 3実施形態の推定装置 130を示すブロック図である。

[図 15]走査位置変化に対するピーク周波数変化を説明するための図である。

[図 16]走査位置変化に対する帯域幅変化を説明するための図である。

[図 17]第 4実施形態の推定方法を説明するためのグラフである。

[図 18]第 1〜第 4実施形態で用いられる超音波探触子 31の一例を示す斜視図である。

[図 19]本発明の第 5実施形態の超音波探触子 200を示す斜視図である。

[図 20]走査位置とエコー高さとの関係を示す図である。

[図 21]相対エコー高さと、接合領域 21の面積との関係を示すグラフである。

[図 22]上記各実施形態の一変形例として、超音波探触子 300を用いた測定方法を説明するための図である。

[図 23]本発明の第 6実施形態として、超音波探触子 400を用いた測定方法を説明するための図である。

[図 24]本発明の第 6実施形態による測定方法において、接合径とエコー高さとの関係を示すグラフである。

[図 25]従来技術の抵抗スポット溶接法によって溶接される溶接物 1における溶接領域 2の推定方法を説明するための図である。

発明を実施するための最良の形態

本発明の第 1実施形態である接合物の接合領域の推定方法は、図 1に示した接合物 20の接合領域 21を推定する方法である。本実施形態では、接合物 20は、摩擦撹拌接合法によって、予め定める基準方向 Zに重ねられる 2つの接合部材 22, 23が、基準方向 Zに互いに接合されたものである。

[0054] スポット摩擦撹拌接合法では、 2つの接合部材 22, 23の基準方向一方 Z1の接合部材 23の基準方向一方 Z1表面となるツール没入面 24から、接合ツールを回転させた状態で基準方向他方 Z2に押圧する。接合ツールと一方の接合部材 23とで摩擦熱を発生させ、一方の接合部材 23を軟化させて、接合ツールの先端部を、一方の接合部材 23から他方の接合部材 22に達するまで圧入する。このとき、各接合部材 22, 2 3のうち軟ィ匕部分は、接合ツールによって回転軸線まわりに塑性流動する。各接合部材 22, 23の軟化部分を充分に塑性流動させた後、接合ツールを、接合部材 22, 23 力基準方向一方 Z1に引抜く。

[0055] 接合ツールは、略円筒状のピン部と、ピン部の一端部に連なりピン部に同軸に形成される略円筒状のショルダ部とを含んで構成される。ショルダ部の直径は、ピン部の直径に比べて大きく形成される。接合ツールは、先端部となるピン部力一方の接合部材 23のツール没入面 24に没入する。またピン部が一方の接合部材 22を貫通して他方の接合部材 22に没入した状態では、ショルダ部が一方の接合部材 23に没入し、ショルダ部が一方の接合部材 23を押圧する。

[0056] 各接合部材 22, 23のそれぞれの界面部分が塑性流動されることで、界面付近で 2 つの接合部材 22, 23が摩擦撹拌されて混ぜ合わされる。これによつて 2つの接合部材 22, 23の界面 27が消滅して、 2つの接合部材 22, 23が冶金的に一体化する。 2 つの接合部材 22, 23の界面が消滅した部分力 2つの接合部材 22, 23を接合する接合領域 21となる。

[0057] 接合後の接合物 20は、撹拌部 21aと、熱影響部 21bとを含んで構成される。撹拌部 21aは、摩擦撹拌時にピン部とともに回転して塑性流動する部分である。撹拌部 2 laは、摩擦撹拌時に接合ツールのピン部に臨む部分となり、接合跡 29の軸線に同軸の略リング状に形成される。撹拌部 21aは、残余の部分に比べて金属組織における金属結晶粒が微細化した部分である。熱影響部 21bは、撹拌部 21aを覆う略リング状に形成される部分である。熱影響部² lbは、摩擦撹拌時に撹拌部 21aおよび接合ツール力与えられる熱の影響で、摩擦撹拌時に軟化する部分である。 [0058] また接合物 20は、接合強度に寄与する接合領域 21が形成される。接合領域 21は、撹拌接合領域 21cと、圧着接合領域 21dとを含んで構成される。撹拌接合領域 21 cは、撹拌部 21aの一部の領域であって、塑性流動による撹拌を主要因として、上板 22と下板 23との界面部分が混ざりあって消滅された領域である。圧着接合領域 21d は、熱影響部 21bの一部の領域であって、摩擦熱による各板 22, 23の軟化の影響と、接合ツールのショルダ部による押圧を主要因として、上板 22と下板 23との界面部分が圧着されて消滅された領域である。撹拌接合領域 21cおよび圧着接合領域 21d は、接合前に各板 22, 23の界面が存在していた位置に形成され、接合跡 29の軸線に同軸のリング状形状を有する。このような接合領域 21の大きさは、接合物 20の接合強度に影響する。

[0059] 接合後の接合物 20には、基準方向一方 Z1の接合部材 23の基準方向一方 Z1の表面には、接合ツールの接合跡 29が凹凸形状として残る。接合跡 29は、一方に開放される有底筒状の凹部となる。また接合物 20のうちで、接合ツールが没入する没入面 24と反対側の裏当て面 25は、平坦面に保たれる。以下、基準方向他方 Z2の接合部材 22を上板 22と称し、基準方向一方 Z1の接合部材 23を下板 23と称する。また接合領域 21以外の領域を、非接合領域 28と称する。非接合領域 28では、上板 22と下板 23とが接合されておらず、上板 22と下板 23との間に界面 27が存在する。

[0060] 図 1に示すように本実施形態では、接合物 20のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面 24と反対側となる裏当て面 25から、超音波探触子 31を用いて、接合物 20に超音波を入射させるとともに、接合物 20に入射させた超音波の反射波を取り込む。超音波探触子 31によって発生される超音波は、接合物 20の接合領域 2 1上を通過するように、超音波入射位置が予め定める走査方向 Xに走査される。

[0061] 本実施の形態の推定法方法では、超音波探触子 31によって取り込んだ反射波のうちで、 2つの接合部材 22, 23の界面 27に相当する位置付近で反射する注目反射波の振幅の変化量に基づいて、接合領域 21を推定する。以下、注目反射波の振幅を、エコー高さと称する。エコー高さは、注目反射波の最大振幅であって、注目反射波の強度に相当する。本実施形態では、エコー高さが予め定める高さしきい値以下となるときの走査位置を、接合領域 21上の位置として推定する。 [0062] 図 2は、接合領域 21の推定装置 30を示すブロック図である。本実施の形態では、推定装置 30は、接合物 20の継手強度となる接合強度を推定する強度推定装置 30 を兼ねて構成される。本実施形態において接合物 20の接合強度は、上板 22と下板 23とを基準方向 Zに引き剥がす方向に引っ張り力を与えた場合の強度か、または上板 22と下板 23とを基準方向 Zに垂直な方向にせん断力を与えた場合の強度である

[0063] 推定装置 30は、超音波探触子 31と、探触子移動手段 32と、走査位置検出手段 3 3と、超音波送受信部 34と、コンピュータ 35とを含んで構成される。超音波探触子 31 は、電気音響変換素子を含んで構成され、超音波送受信部 34からパルス状の電気信号が与えられることによって、振動して超音波を発生する。また超音波探触子 31は、超音波を受けて振動することで、振動に応じたパルス状の電気信号を発生して、発生した電気信号を超音波送受信部 34に与える。超音波探触子 31は、超音波を接合物 20に入射可能に構成されるとともに、接合物 20の内部から反射する超音波の反射波を取込み可能に構成される。

[0064] 本実施の形態では、超音波探触子 31は、超音波送受可能な一探触子であって、ビーム径が 0. 8 X 0. 5mmとなり、 17MHzの周波数の超音波を発生する探触子である。また超音波探触子 31と接合物 20との間には、超音波の送受を行うための接触媒体が介在される。接触媒体は、水が充満される水袋、水などの液体またはグリセリンなどのゼリー状物質である。

[0065] 探触子移動手段 32は、超音波探触子 31を変位移動する。本実施の形態では、探触子移動手段 32は、接合物 20の接合領域 21上を通過するように、接合物 20のうちで裏当て面 25について、超音波探触子 31を走査移動させる。探触子移動手段 32 は、基準方向 Zに対して垂直な第 1方向と、基準方向 Zおよび第 1方向に垂直な第 2 方向とについて、超音波探触子 31を変位駆動可能に構成される。探触子移動手段 32は、超音波の入射方向が裏当て面 25に対して垂直な状態を保った状態で、超音波探触子 31を走査移動する。走査位置検出手段 33は、超音波探触子 31の走査位置を検出する。走査位置検出手段 33は、超音波探触子 31の走査位置を示す走査位置信号を、コンピュータ 35に与える。 [0066] 超音波送受信部 34は、超音波探触子 31を振動駆動させるためのパルス状の電気信号を超音波探触子 31に与える。また超音波送受信部 34は、超音波探触子 31から与えられる反射波に応じたパルス状の電気信号を増幅して、超音波探触子 31が取り込んだ反射波を示す反射波信号に変換して、コンピュータ 35に与える。反射波信号は、超音波探触子 31が取り込んだ超音波振幅の時間変化を示す。

[0067] コンピュータ 35は、注目反射波抽出部 42と、エコー高さ計測部 36と、接合領域推定部 37と、接合強度推定部 38と、記憶部 39と、入力部 41と、表示部 40とを含んで実現される。注目反射波抽出部 42は、超音波送受信部 34から与えられる反射波信号に基づいて、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波を、超音波探触子 31の走査位置変位ごとに抽出する抽出手段となる。エコー高さ計測部 36は、注目反射波抽出部 42の抽出結果に基づいて、超音波探触子 31の走査位置変位ごとに注目反射波の振幅であるエコー高さを計測し、計測したエコー高さを記憶部 39に順次記憶させる。

[0068] 記憶部 39は、走査位置検出手段 33から走査位置信号が与えられる。記憶部 39は、走査位置検出手段 33によって検出される超音波探触子 31の走査位置と、前記走查位置に対応してエコー高さ計測部 36によって計測されるエコー高さとを関連付けて記憶する記憶手段となる。接合領域推定部 37は、記憶部 39に記憶される情報を読取り、予め定める境界条件を満たす走査位置を、接合領域 21上の位置として推定する。また接合強度推定部 38は、接合領域推定部 37によって推定された接合領域 21上の位置に基づいて、接合領域 21の大きさを推定し、その大きさに一対一で対応する関係に基づいて、接合強度を推定する推定手段となる。

[0069] 表示部 40は、記憶部 39に記憶されるエコー高さと、エコー高さに関連付けて記憶される走査位置とを示す情報を表示する出力手段となる。また表示部 40は、接合強度推定部 38によって推定された接合強度を表示する。また入力部 41は、接合領域 2 1の推定に必要な、予め定める境界条件が入力され、その入力された境界条件を接合領域推定部 37に与える。また入力部 41は、接合強度の推定に必要な、接合領域 21の大きさと、接合強度との関係を示す関係情報が入力され、その入力された関係情報を接合強度推定部 38に与える。本実施の形態では、エコー高さ抽出部 36、接合領域推定部 37および接合強度推定部 38は、 CPU (Central Processing Unit)などの演算処理回路 43が、予め定められる記憶回路に記憶される演算プログラムを実行すること〖こよって実現される。

[0070] 図 3は、探触子移動手段 32によって移動される超音波探触子 31の移動経路を示す図である。図 3 (1)に示すように、探触子移動手段 32は、接合跡 29の中心位置 43 上を通過して基準方向 Zに垂直な走査方向に、超音波探触子 31を移動させる。具体的には、探触子移動手段 32は、接合領域 21よりも走査方向他方に充分に離間した位置から、接合領域 21よりも走査方向一方に充分に離間した位置まで、走査方向一方に超音波探触子 31を移動させる。言い換えると、探触子移動手段 32は、接合領域 21に対して走査方向一方に隣接する非接合領域 28上から、接合領域 21上を走查方向に通過して、接合領域 21に対して走査方向他方に隣接する非接合領域 28 に達するまで、超音波探触子 31を移動させる。ここで非接合領域 28は、 2つの接合部材 22, 23の間に界面 27が存在する領域となる。

[0071] また図 3 (2)に示すように、第 1の走査方向 Xと、第 2の走査方向 Yとに超音波探触子 31を移動させてもよい。第 1および第 2の走査方向 X, Yは、接合跡 29の中心位置 43上を通過して基準方向 Zに垂直な方向であって、互いに直交して延びる。この場合でも、第 1走査方向および第 2の走査方向に関して、裏当て面 25に沿って、接合領域 21を通過するように、超音波探触子 31を走査移動させる。

[0072] また図 3 (3)に示すように、裏当て面 25に沿って、接合領域 21上の領域を含む予め定められる 2次元平面全域を走査するように超音波探触子 31を移動させてもよい。たとえば基準方向 Zに垂直な主走査方向に超音波探触子 31を移動させた後、主走査方向に対して直交する副走査方向に超音波探触子 31をずらして、再び主走査方向に移動させる。この動作を繰返して、予め定められる 2次元平面全域に超音波探触子 31を走査させてもょヽ。

[0073] 図 4は、接合物 20から反射した超音波の反射波波形を示す図である。図 4は、横軸に時間を示し、縦軸に反射波の振幅を示す。走査位置が非接合領域 28上である場合、反射波は、上板 22の上面となる裏当て面 25で反射した反射波 44と、上板 22と下板 23との界面 27で反射した反射波 45とを含む。 [0074] 注目反射波抽出部 42は、超音波送受信部 34から与えられる反射波信号に基づヽて、上板 22の上面 25からの反射波 44が超音波探触子 31に到達してから、上板 22 と下板 23との界面 27からの反射波 45が超音波探触子 31に到達する基準時刻 T1を求める。注目反射波抽出部 42は、基準時刻 T1の前後の区間にゲート区間 Wを設ける。ゲート区間 Wは、基準時刻 T1よりも予め前の時刻（Tl— A1)から、基準時刻 T1 よりも予め後の時刻 (T1 +A2)までの区間である。注目反射波抽出部 42は、ゲート区間 Wに超音波探触子 31が取り込んだ反射波を、 2つの接合部材 22, 23の界面 2 7に相当する基準方向 Z位置付近で反射する注目反射波 45として抽出する。エコー高さ計測部 36は、ゲート区間 Wにおける注目反射波のうちで、最も高い振幅をェコ一高さとして出力する。

[0075] 図 5は、走査位置変化に対応する反射波波形の変化を示す図である。図 5 (1)は、走査位置が非接合領域 28上に位置するときの反射波波形を示す。図 5 (2)は、走査位置が接合領域 21上に位置するときの反射波波形を示す。

[0076] 非接合領域 28では、上面 22と下面 23との界面 27が存在するので、上板 22から入射した超音波は、上板 22と下板 23との界面 27で反射する。また接合領域 21では、上板 22と下板 23との界面 27が消滅しているので、上板 22から入射した超音波は、上板 22で反射せずに下板 23に透過する。

[0077] したがって図 5 (1)に示すように、走査位置が非接合領域 28上に位置する場合には、上板 22と下板 23との界面 27から反射する反射波が大きぐ注目反射波 45のェコー高さが大きい。これに対して、図 5 (2)に示すように、走査位置が接合領域 21上に位置する場合には、上板 22と下板 23との界面 27に相当する基準方向位置力も反射する反射波が少なぐ注目反射波 45のエコー高さが小さい。

[0078] 図 6は、走査位置変化に対するエコー高さ変化を説明するための図である。図 6 (1 )は、走査位置変化に対するエコー高さ変化を示すグラフであり、図 6 (2)はグラフに対応する接合物 20の断面図である。図 6 (1)には、横軸に走査位置を示し、縦軸にエコー高さを示す。具体的には、図 6 (1)では、基準エコー高さ HOに対する走査位置毎のエコー高さの割合を縦軸に示す。基準エコー高さ HOは、非接合領域 28上に走査位置が位置するときのエコー高さである。 [0079] 図 3 (1)に示すように接合跡 29の中心を通過する走査方向に超音波探触子 31を走査移動させる場合、図 6 (1)に示すように、走査位置毎のエコー高さが予め定める高さしきい値 C1以下となる走査位置を接合領域 21上の位置として推定することができる。

[0080] また走査位置毎のエコー高さが、高さしきい値 C1よりも高い状態力低い状態に切換る走査位置 P1と、高さしきい値 C1よりも低い状態から高い状態に切換る走査位置 P2とを、接合領域 21と非接合領域 28との境界上の位置として推定する。また境界上の 2つの走査位置 PI, P2を結ぶ直線の長さを、接合領域 21の直径寸法として推定することができる。

[0081] 走査位置が接合領域 21上に位置するか否かを判定する境界条件である高さしきい値 C1は、超音波入射位置が非接合領域 28上に位置する場合における、注目反射波に基づいて決定される。高さしきい値 C1は、超音波入射位置が非接合領域 28 上に位置する場合におけるエコー高さよりも低く設定される。たとえば高さしきい値 C 1は、上板 22の板厚 tlと、下板 23の板厚 t2と、接合条件に関する因子 L1と、ツール形状に関する因子 L2と、材料に関する因子 L3とを変数とする関数に基づいて決定される（Cl =f (tl, t2, LI, L2, L3)。高さしきい値 CIは、基準エコー高さ HOよりも小さぐ走査位置が、接合領域 21と、非接合領域 28との境界上に位置するときのェコー高さである。本実施の形態では、高さしきい値 C1は、上板 22の板厚 tlと、基準エコー高さ HOとを変数とする関数に基づいて決定される。この場合、高さしきい値 C 1は、基準エコー高さ HOに対して、 (X 20Log (t2^1/2)デジベル低下した高さに設定される。ここで、 t2は、下板 23の板厚に設定される。基準エコー高さ HOは、上述したように非接合領域 28上に走査位置が位置するときのエコー高さである。また αは、定数であって、本実施の形態では、 ex = 9に設定される。

[0082] また基準エコー高さを ΗΟとすると、高さ C1しき!/、値は、 ΗΟ Χ βによって設定されてもよい。ここで j8は、定数であって、本実施の形態では、たとえば 0. 35に設定される。上述した、 α , |8は、接合材料、接合条件、接合ツールの形状によって適宜変更され、推定前に予め行われる実験によって求めてもよい。

[0083] 図 7および図 8は、推定した接合領域 21の直径寸法 (実線)と、推定後に破断面を観察した接合領域 21の直径寸法との分布を比較したグラフである。図 7および図 8には、横軸に破断面を観察した接合領域 21の直径寸法を示し、縦軸に推定した接合領域 21を示す。図 7は、各板 22, 23の板厚がそれぞれ lmmである場合を示し、図 8 は、各板 22, 23の板厚がそれぞれ 2mmである場合を示す。図 7および図 8に示すように、破断面による観察結果と、推定結果とに相関性があることがわかる。したがって上述した推定方法によって、接合物 20を破壊することなぐ接合領域 21の直径寸法 Lを推定することがでさる。

[0084] 図 9は、推定した接合領域 21の直径寸法と、破壊試験によって測定した接合物の接合強度との分布を示すグラフである。推定した接合領域直径寸法の平均値に基づ V、て推定した接合強度を実線で示し、推定した接合領域直径寸法の平均値を ± 20 %した値に基づいて推定した接合強度を破線で示す。図 9に示すように、推定した接合領域 21の直径寸法 Lと、接合強度とには、一対一に対応する相関関係があることがわかる。したがって予め推定した接合領域 21の直径寸法 Lと、接合強度との関係を表わす演算式またはデータベースを求めておくことで、推定した接合領域 21から、関係式またはデータベースに従って、接合強度を求めることができる。たとえば推定した接合領域 21の直径寸法を Lとすると、接合強度は、大略的には、 Kl 'L²で表わされる。ここで、 K1は、予め定める定数であって、実験によって求めることができる。

[0085] 図 10は、接合強度の推定方法の手順を示すフローチャートである。まずステップ aO で、スポット摩擦撹拌接合された接合物を準備するとともに、推定装置 30を準備する。また基準エコー高さから、高さしきい値 C1を求めるための関係式と、推定した接合領域 21の直径寸法から、接合強度を推定するための関係式とを予め実験によって求める。また推定強度を推定する力否力を指定する。このように接合物の推定作業に必要な準備が完了すると、ステップ alに進み、推定作業を開始する。

[0086] ステップ alでは、超音波探触子 31によって接合物 20に超音波を入射したときに発生する反射波を測定する反射波測定工程を行う。探触子移動手段 32によって超音波探触子 31を走査移動させながら、反射波の取り込みを行う。このように、超音波探触子 31を走査移動させて、走査位置毎の反射波を測定すると、ステップ a2に進む。

[0087] ステップ a2では、注目反射波抽出部 42によって、反射波のうちから、注目反射波を予め定める微小走査位置ごとに抽出する。次にエコー高さ計測部 36によって、走査位置ごとに抽出した注目反射波のエコー高さを計測する。注目反射波抽出部 42は、入力部 41から入力される上板 22の板厚に基づいて、注目反射波を捉えるためのゲート区間 Wを決定してもよい。このようにして走査位置ごとにエコー高さを計測するェコー高さ計測工程を終えると、ステップ a3に進む。

[0088] ステップ a3では、接合領域推定部 37によって、ステップ a2で求めた走査位置毎のエコー高さのうちから、非接合領域 28上に走査位置が位置するときの基準エコー高さ HOを決定する。たとえば基準エコー高さ HOは、非接合領域 28を走査移動する間のエコー高さの平均値によって求められる。接合領域推定部 37が、基準エコー高さ HOを決定すると、ステップ a4に進む。

[0089] ステップ a4では、接合領域推定部 37が、基準エコー高さ HOと、上板 22の板厚 tlとを変数とする関数に基づいて、高さしきい値 C1を決定する。高さしきい値 C1を決定すると、高さしきい値 C1と一致するエコー高さとなる 2つの走査位置 PI, P2を抽出する。次にこの 2つの走査位置 PI, P2を結ぶ直線の長さを、接合領域 21の直径寸法 L として推定し、ステップ a5に進む。

[0090] ステップ a5では、接合強度を推定することが指定されている場合には、ステップ a6 に進み、接合強度を推定しないことが指定されている場合には、ステップ a7に進む。たとえば接合強度を推定する場合、強度推定指令が入力部 41によって予め入力される。演算処理回路 43は、強度推定指令が入力されていることを判断すると、ステツプ a6に進み、そうでないとステップ a7に進む。

[0091] ステップ a6では、接合強度推定部 38が、推定した接合領域 21の直径寸法 Lと、予め与えられる接合強度を求める関係式またはデータベースとに基づいて、接合強度を推定する。図 9に示すように、推定した接合領域 21の直径寸法 Lと、接合強度と〖こは、一対一の関係を有するので、その関係に基づくことによって、接合物 20を破壊することなぐ接合強度を推定することができる。このように接合強度を推定すると、表示部 40に推定結果を表示させ、ステップ a7に進む。ステップ a7では、接合強度の推定動作を終了する。本実施の形態では、推定手順として、接合強度を推定する工程を含めたが、接合強度を推定せずに、接合領域 21の直径寸法 Lを推定する工程を終えると、推定作業を終了してもよい。また接合領域推定部 37によって推定される推定結果を表示部 40に表示させてもょ、。

[0092] 以上のように本実施の形態によれば、接合ツール没入面 24と反対側の裏当て面 2 5から超音波を接合物 20に入射させて、超音波の注目反射波に基づいて、接合領域 21を推定する。これによつて接合ツール没入面 24に形成される凹凸の影響を受けることなぐ接合物 20の厚み寸法が接合跡 29によって変化しても、接合領域 21および接合強度を推定することができる。

[0093] このように超音波を用いて接合領域 21を推定することで、接合物 20を破壊することなく接合品質および接合強度を推定することができ、破壊検査を行う場合に比べて、品質検査に費やすコストを低減することができる。また破壊検査を行うことが困難な大型の接合物についても、接合品質および接合強度を推定することができる。

[0094] たとえば接合ツールを没入させる時間が短!、場合など、接合条件を同じにしてヽても、接合領域 21の大きさが安定せず、接合強度がばらつくことがある。このような場合であっても、接合物 20を破壊することなぐ超音波を用いて接合強度を推定することができる。したがって破壊検査で用いていたテスト用の接合物を製造する手間と、破壊検査を行う手間とを省くことができ、作業効率を向上することができる。また接合物 20を含んだ製品として製造した後に、製造物を破壊することなぐ接合物 20について接合強度を推定する品質検査を行うことができる。

[0095] また本実施の形態によれば、超音波探触子 31を走査させることによって、接合領域 21と非接合領域 28との境界上の位置を推定することができるとともに、接合領域 2 1の大略的な大きさを推定することができる。これによつて接合強度を求めたり、接合品質を確認したりする作業に必要な情報を得ることができる。

[0096] また超音波入射位置が非接合領域 28上に位置する場合の注目反射波に基づいて、境界条件である高さしきい値 C1を決定する。これによつて接合物 20ごとに境界条件を決定することができ、接合物 20ごとに境界条件がばらつく場合であっても、接合領域 21を精度よく推定することができる。さらにエコー高さ、すなわち注目反射波の振幅に基づいて、接合領域 21を推定しているので、反射波に含まれる波形を周波数分析する必要がなぐ接合領域 21を容易に推定することができる。また非接合領域 28を走査するときに、基準エコー高さを求めることができ利便性を向上することができる。

[0097] 本実施の形態では、注目反射波のエコー高さに基づいて接合領域 21を推定するとしたが、これに限定されない。注目反射波のエコー高さ以外の特徴が、予め定める境界条件を満たすときの走査位置から、接合領域 21を推定してもよい。たとえば後述する第 3実施形態のように注目反射波の周波数に関する特徴に基づ!/ヽて、接合領域 21を推定してもよい。

[0098] 本実施の形態では、接合物の接合領域 21および接合強度についての推定方法および推定方法を示したが、このような推定方法を用いた検査方法も本発明に含まれる。検査方法は、上述した推定方法によって推定した推定結果に基づいて、接合物を検査する。たとえば推定した接合領域 21の大きさまたは接合強度が、予め定める許容値よりも大きい場合、接合物の要求される接合品質を満たすことを検査することができる。このように上述した推定方法を用いて接合物を検査することによって、非破壊で接合物を検査することができ、利便性を向上することができる。たとえば接合物について全品検査を行うことができ、接合不良となる製造物を好適に取除くことができる。

[0099] また上述した接合物の検査を行う検査装置も本発明に含まれる。検査装置は図 2 に示す推定装置の構成にさらに接合物の合否を判定する判定部である判定手段を備える。判定部は、推定手段によって推定される推定結果が、予め定められる要求値以上か否かを判定する。たとえば接合領域 21の大きさまたは接合強度が、要求値以上であると判断すると、検査した接合物の品質が予め定める品質を満足することを判断することができる。この場合、表示部 40が判定結果を表示する。判定部は、演算処理回路 43が、予め定められる記憶回路に記憶される演算プログラムを実行することによって実現される。判定部は、入力部によって接合領域 21の許容直径または許容面積、許容強度が入力されることで、入力された許容値と、推定値を比較することができる。

[0100] 図 11は、本発明の第 2実施形態である接合物の推定方法を説明する推定結果を示す平面図である。断面図である。本発明の第 1実施形態では、接合領域 21の大きさとして、直径寸法 Lを推定したが、本発明の第 2実施形態では、接合領域 21の大きさとして面積を推定する。その他の構成については、第 1実施形態と同一であるので、同一の構成については説明を省略し、同一の参照符号を付する。

[0101] 図 3 (2)に示すように、第 1の走査方向 Xと、第 2の走査方向 Yとのそれぞれで超音波探触子 31を走査させる場合、接合領域推定部 37は、第 1の走査方向 Xに超音波探触子 31を走査させた場合に推定される接合領域 21の直径寸法 Lxと、第 2の走査方向 Yに超音波探触子 31を走査させた場合に推定される接合領域 21の直径寸法 L yとをそれぞれ求める。接合領域推定部 37は、第 1の走査方向 Xの接合領域 21の直径寸法を Lxとし、第 2の走査方向 Xの接合領域 21の直径寸法を Lyとすると、 Lx-Ly • π Ζ4で求められる値を、接合領域 21の面積として推定する。

[0102] また図 3 (3)に示すように、接合領域 21上の領域を含む予め定められる 2次元平面全域を走査する場合、前記高さしきい値 C1以下となる走査位置を総合した面積を、接合領域 21の面積として推定する。図 11には、白く描かれている部分力高さしきい値 C1以下となる走査位置が存在する部分である。したがって白く描かれている部分の縁内の面積を、接合領域 21の面積として推定する。

[0103] 図 12は、推定した接合領域 21の面積と、破壊試験によって測定した接合物 20の接合強度との分布を示すグラフである。推定した接合領域面積の平均値に基づ、て推定した接合強度を実線で示し、推定した接合領域面積の平均値を ± 20%した値に基づいて推定した接合強度を破線で示す。図 12に示すように、推定した接合領域 21の面積と、接合強度とには、一対一に対応する相関関係があることがわかる。した力 Sつて予め推定した接合領域 21の面積と、接合強度との関係を表わす演算式またはデータベースを求めておくことで、推定した接合領域 21から、関係式またはデータベースに従って、接合強度を求めることができる。たとえば推定した接合領域 21の面積を Αとすると、接合強度は、大略的には、 Κ2·Αで表わされる。ここで、 Κ2は、予め定める定数であって、実験によって求めることができる。

[0104] このように接合領域 21の大きさとして、面積を求める場合についても、図 10と同様の推定方法の手順を用いて、接合強度を推定することができる。この場合、図 10〖こ比べて、ステップ a4の接合領域 21の大きさを推定する工程で、接合領域 21の面積を推定することになる。またステップ a5の接合強度を推定する工程で、接合強度推定部 38が、推定した接合領域 21の面積 Aと、予め与えられる接合強度を求める関係式またはデータベースとに基づいて、接合強度を推定する。そのほかの工程については、図 10に示す手順と同様であるので、説明を省略する。本実施形態によれば、接合領域 21の直径寸法ではなぐ接合領域 21の面積によって接合強度を求めることで、接合領域 21が略楕円形に形成される場合であっても、精度よく接合強度を推定することができる。

[0105] 図 13は、注目反射波 45に含まれる波形を周波数分析したグラフである。横軸は、注目反射波に含まれる波形の周波数分布である。縦軸は、注目反射波に含まれる波形の周波数毎の振幅を示す。また図 13には、走査位置が非接合領域 28上に位置するときの注目反射波に含まれる波形の周波数分布を破線で示す。また走査位置が接合領域 21上に位置するときの注目反射波に含まれる波形の周波数分布を実線で示す。

[0106] 走査位置が、接合領域 21上に位置する場合には、非接合領域 28上に位置する場合に比べて、上板 22と下板 23との界面 27が消滅して、るので上板 22から下板 23 に超音波が透過しやすい。反射波に含まれる波形のうちで、低周波域波形に比べて高周波域波形のほうが指向性が高いので、接合領域 21と残余の領域との境界面が裏当て面 25に対して傾斜することで、高周波域波形のほうが反射波として取り込まれる量が小さい。また高周波域波形のほうが低周波域波形に比べて低下しやすい。

[0107] したがって、注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値を示す波形の周波数であるピーク周波数 f Pに関して、接合領域 21上に走査位置が位置するときのピーク周波数 fplは、非接合領域 28上に走査位置が位置するときのピーク周波数 fpOよりも小さくなる。また注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値から一定量低下する周波数分布帯域の中心となる中心周波数 fcに関して、接合領域 21上に走査位置が位置するときの中心周波数 fclは、非接合領域 28上に走査位置が位置するときの中心周波数 fcOよりも小さくなる。本実施の形態では、最大振幅値力も一定量低下する振幅値は、ピーク周波数 fpの波形の振幅値に対して予め定める割合、たとえば 6dB低く設定される振幅値に設定される。 [0108] また注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値から一定量低下する振幅値を超える波形の注目周波数帯域幅 Bに関して、接合領域 21上に走査位置が位置するときの注目周波数帯域幅 B1は、非接合領域 28上に走査位置が位置するときの注目周波数帯域幅 BOよりも大きくなる。本実施の形態では、最大振幅値から一定量低下する振幅値は、ピーク周波数 fpの波形の振幅値に対して予め定める割合、たとえば 6dB低く設定される振幅値に設定される。

[0109] 図 14は、本発明の第 3実施形態の推定装置 130を示すブロック図である。本発明の第 3実施形態の推定装置 130は、第 1実施形態の推定装置 130と類似した構成を示し、同様の構成については、第 1実施形態と同一の参照符号を付して、説明を省略する。

[0110] 第 3実施形態の推定装置 130は、第 1実施形態の推定装置 30に比べて、エコー高さ計測部 36に代えて、周波数特徴計測部 101を備える。また推定装置 130は、周波数変換部 100を新たに備える。周波数変換部 100は、注目反射波抽出部 42によつて抽出された注目反射波に含まれる波形を周波数分析して、注目反射波に含まれる波形を周波数成分ごとに分解する。周波数変換部 100は、周波数分析結果を周波数特徴計測部 101に与える。周波数特徴計測部 101は、周波数分析結果から、超音波探触子 31の走査位置変位ごとに、接合領域 21を推定するのに必要な特徴量を計測し、計測結果を記憶部 39に順次記憶させる。周波数変換部 100および周波数特徴計測部 101は、演算処理回路 43が、予め定められる記憶回路に記憶される演算プログラムを実行することによって実現される。また接合領域推定部 37は、周波数特徴計測部 101によって記憶部 39に記憶される情報を読取り、予め定める境界条件を満たす周波数特徴に対応する走査位置を、接合領域 21上の位置として推定する。この他の構成については、図 2に示す第 1実施形態の推定装置 30と同様である。

[0111] 図 15は、走査位置変化に対するピーク周波数変化を説明するための図である。図 15 (1)は、走査位置変化に対するピーク周波数変化を示すグラフであり、図 15 (2) はグラフに対応する接合物の断面図である。図 15 (1)には、横軸に走査位置を示し、縦軸にピーク周波数を示す。図 3 (1)に示すように接合跡 29の中心を通過する走查方向に超音波探触子 31を走査移動させる場合、図 15 (1)に示すように、走査位置毎のピーク周波数 fpが予め定めるピーク周波数しきい値 C2以下となる走査位置を接合領域 21上の位置として推定することができる。ピーク周波数しきい値 C2は、走查位置が接合領域 21上に位置する力否かを判定する境界条件の基準となり、超音波入射位置が非接合領域 28上に位置する場合における注目反射波のピーク周波数 fpOよりも低く設定される。

[0112] また走査位置毎のピーク周波数 fp力ピーク周波数しきい値 C2よりも高い状態から低い状態に切換る走査位置 P1と、ピーク周波数しきい値 C2よりも低い状態から高い状態に切換る走査位置 P2とを、接合領域 21と被接合領域 28との境界上の位置として推定することができる。また境界上の 2つの走査位置 PI, P2を結ぶ直線の長さを、接合領域 21の直径寸法として推定することができる。

[0113] 本実施の形態では、境界条件であるピーク周波数しきい値 C2は、超音波入射位置が非接合領域 28上に位置する場合における、注目反射波のピーク周波数 fpOに基づいて決定される。具体的には、ピーク周波数しきい値 C2は、基準ピーク周波数 fpO の平均値 D2から、非接合領域 28の基準ピーク周波数 fpOから算出される基準ピーク周波数 fpOの標準偏差 σを超えて低くなる周波数に設定される。

[0114] ここで基準ピーク周波数 fpOは、非接合領域 28上に走査位置が位置する場合に、注目反射波を周波数分布ごとに分析した波形のうちで、振幅が最大となる波形の周波数である。基準ピーク周波数 fpOの平均値 D2および標準偏差 σは、予め測定しておいてもよぐまた周波数特徴計測部 43が周波数特徴を計測する前に、周波数変換部 100から与えられる情報に基づいて計算してもよい。周波数特徴計測部 101は、注目反射波のピーク周波数 fpを計測する。この場合、接合領域推定部 37は、走査位置毎のピーク周波数 fpが予め定めるピーク周波数しきい値 C2以下となる走査位置を接合領域 21上の位置として推定する。

[0115] 同様に、ピーク周波数 fpに代えて中心周波数 fcを用いた場合でも、接合領域 21を推定することができる。具体的には、図 3 (1)に示すように接合跡 29の中心を通過する走査方向に超音波探触子 31を走査移動させる場合、走査位置毎の中心周波数 fc が予め定める中心周波数しきい値以下となる走査位置を接合領域 21上の位置として推定することができる。中心周波数しきい値は、走査位置が接合領域 21上に位置する力否かを判定する境界条件の基準となり、超音波入射位置が非接合領域 28上に位置する場合における注目反射波の中心周波数 fcOよりも低く設定される。

[0116] また走査位置毎の中心周波数 fcが、中心周波数しき!、値よりも高、状態から低!、状態に切換る走査位置 P1と、中心周波数しきい値よりも低い状態力高い状態に切換る走査位置 P2とを、接合領域 21と非接合領域 28との境界上の位置として推定することができる。また境界上の 2つの走査位置 PI, P2を結ぶ直線の長さを、接合領域 21の直径寸法として推定することができる。

[0117] 本実施の形態では、境界条件である中心周波数しきい値は、超音波入射位置が非接合領域 28上に位置する場合における、注目反射波に基づいて決定される。具体的には、中心周波数しきい値は、基準中心周波数 fcOの平均値から、基準中心周波数 fcOに設定される標準偏差 σを超えて低くなる周波数に設定される。

[0118] ここで基準中心周波数 fcOは、非接合領域 28上に走査位置が位置する場合に、注目反射波を周波数分布ごとに分析した波形のうちで、予め定める振幅以上の波形のうち、最も高い周波数と最も低い周波数との間の周波数帯域幅の中心となる周波数である。基準中心周波数 fcOの平均値および標準偏差 σは、予め測定しておいてもよぐまた周波数特徴計測部 43が周波数特徴を計測する前に、周波数変換部 100 力も与えられる情報に基づいて計算してもよい。周波数特徴計測部 101は、注目反射波における中心周波数 fcを計測する。この場合、接合領域推定部 37は、走査位置毎の中心周波数 fcが予め定める中心周波数しきい値以下となる走査位置を接合領域 21上の位置として推定する。

[0119] 図 16は、走査位置変化に対する帯域幅変化を説明するための図である。図 16 (1) は、走査位置変化に対する帯域幅変化を示すグラフであり、図 16 (2)はグラフに対応する接合物の断面図である。図 16 (1)には、横軸に走査位置を示し、縦軸に帯域幅を示す。図 3 (1)に示すように接合跡 29の中心を通過する走査方向に超音波探触子 31を走査移動させる場合、図 16 (1)に示すように、走査位置毎の注目帯域幅 Bが予め定める帯域幅しきい値 C3以下となる走査位置を接合領域 21上の位置として推定することができる。帯域幅しきい値 C3は、走査位置が接合領域 21上に位置するか否かを判定する境界条件の基準となり、超音波入射位置が非接合領域 28上に位置する場合における注目反射波の注目帯域幅 BOよりも広く設定される。

[0120] また走査位置毎の注目帯域幅 Bが、帯域幅しきい値 C3よりも狭い状態力広い状態に切換る走査位置 P1と、帯域幅しきい値 C3よりも低い状態力高い状態に切換る走査位置 P2とを、接合領域 21と非接合領域 28との境界上の位置として推定することができる。また境界上の 2つの走査位置 PI, P2を結ぶ直線の長さを、接合領域 21の直径寸法として推定することができる。

[0121] 本実施の形態では、境界条件である帯域幅しきい値 C3は、超音波入射位置が非接合領域 28上に位置する場合における、注目反射波に基づいて決定される。たとえば帯域幅しきい値 C3は、基準帯域幅 BOの平均値 D3から、非接合領域 28の帯域幅力算出される帯域幅の標準偏差 σを超えて大きくなる帯域幅に設定される。またたとえば帯域幅しきい値 C3は、基準帯域幅 ΒΟに対して予め定める設定量広くなる帯域幅に設定され、一例として基準帯域幅 ΒΟに対して約 1. 2MHz広くなる帯域に設定される。ここで基準帯域幅 BOは、基準ピーク周波数 fpOの波形の振幅から予め設定する一定量、たとえば 6dB低下した振幅以上となる波形における周波数帯域である。

[0122] また注目帯域幅 Bは、対応するピーク周波数 fplとなる波形の振幅から前記一定量、たとえば 6dB低下した振幅以上となる波形における周波数帯域である。基準帯域幅 B0は、予め測定しておいてもよぐまた周波数特徴計測部 43が周波数特徴を計測する前に、周波数変換部 100から与えられる情報に基づいて計算してもよい。

[0123] たとえば周波数特徴計測部 101は、注目反射波における注目帯域幅 Bを計測する。この場合、接合領域推定部 37は、走査位置毎の注目帯域幅 Bが予め定める帯域幅しきい値 C3よりも広くなる走査位置を接合領域 21上の位置として推定することができる。

[0124] 以上のように、第 3実施形態では、エコー高さ Hに代えて、注目反射波の周波数特徴に基づいて接合領域 21を推定する。上述したように周波数特徴は、ピーク周波数 fp、中心周波数 fcおよび注目帯域幅 Bのいずれかであってもよい。また、その他の注目反射波の周波数特徴に基づいて、接合領域 21を推定してもよい。また第 3実施形態では、接合領域 21を推定するための境界条件が異なるだけで、推定強度を求める方法については、第 1実施形態と同様にして推定することができる。また第 2実施形態のように接合領域 21の直径寸法を推定するほかに、接合領域 21の面積を求めて、接合強度を推定してもよい。第 3実施形態であっても、第 1実施形態と同様の効果を得ることができる。

[0125] また周波数分析することによって、エコー高さが小さい場合や、ノイズが大きい場合などであっても、接合領域 21および接合強度を精度よく推定することができる。また接合領域 21と非接合領域 28とで変化が大きぐこれによつても接合領域 21および接合強度を精度よく推定することができる。さらに不所望な周波数をカットするフィルタを介することによってノイズの影響をさらに小さくすることができる。

[0126] またピーク周波数 fpまたは周波数帯域幅 Bから接合領域 21を推定することで、注目反射波に含まれる各波形の周波数分布が正規分布からずれる場合であっても、接合領域 21を推定することができる。さらにピーク周波数 fpおよび中心周波数 fcの標準偏差 σに基づいて、接合領域 21を推定するための境界条件を決定することで、接合物 20ごとにパラメータ、たとえば上板 22の板厚寸法を設定する必要がなぐ容易に境界条件を決定することができる。

[0127] 図 17は、第 4実施形態の推定方法を説明するためのグラフである。図 17は、横軸に走査位置を示し、縦軸にエコー高さを示す。具体的には、図 17では、基準エコー高さ ΗΟに対する走査位置毎のエコー高さの割合を縦軸に示す。

[0128] 本発明の第 1実施形態および第 2実施形態では、接合領域 21の大きさを求め、その大きさに基づいて、接合強度を求めた。本発明の第 4実施形態として、接合領域 2 1の大きさを求めずに、注目反射波から抽出されるエコー高さに基づいて、接合強度を直接推測する。第 4実施形態では、第 1実施形態に対して接合領域推定部 37の演算手順が異なり、残余の構成については、同一であるので、説明を省略する。

[0129] 第 4実施形態では、走査位置毎のエコー高さ 110から予め定める設定エコー高さ C 4までの距離 (差)を、ピン部が没入する走査位置 111を除、た走査位置範囲 112にわたって積分した面積 113を求める。本実施の形態では基準エコー高さ ΗΟが、設定エコー高さ C4として設定される。

[0130] 上板 22と下板 23との界面 27で反射する反射波が小さくなることで、エコー高さが小さくなる。前記面積 113が大きくなることは、界面 27の消滅度合いが大きぐ接合強度が大きくなることを意味する。したがって前記面積 113と、接合強度とが一対一の関係を有する。この関係に基づいて、接合強度推定部 38が接合強度を求めることができる。本実施形態では、エコー高さの変化を積分したが、そのほか上述したピーク周波数 fp、中心周波数 fc、設定帯域幅 Bなどの、注目反射波の特徴値変化の積分値に基づいて、接合強度を直接決定してもよい。この場合も特徴値の変化量を、ピン部が没入する走査位置 111を除、た走査位置範囲 112にわたつて積分した積分値に基づいて、接合強度を直接決定することができる。

[0131] また接合強度推定部 38は、走査位置変化に対する注目反射波の変化量に基づいて、接合領域 21の位置を求めてもよい。たとえば走査位置変化に対する注目反射波の特徴値の変化量が急な場合には、その急となる走査位置が、撹拌接合領域 21cと圧着接合領域 21dとの境界位置上に位置することを推定してもよい。たとえば注目反射波の特徴値変化の傾き、言、換えると特徴値変化を微分した値が予め定める値を超えた走査位置が、撹拌接合領域 21cと圧着接合領域 21dとの境界位置上に位置することを推定してもよい。このように撹拌接合領域 21cと圧着接合領域 21dとの形状を求め、接合強度の推定に追加することで、さらに正確な接合強度を求めることができる。

[0132] このように接合領域 21上の領域を含む単位範囲について、超音波の反射波を取り込み、単位範囲について注目反射波の総合的な特徴値と、前記特徴値を接合物の強度に変換するために設定される変換関係とに基づいて、接合物の接合強度を推定してもよい。総合的な特徴値は、超音波入射領域が単位範囲となる場合には、その単位範囲内における注目反射波の特徴値となる。

[0133] 図 18は、第 1〜第 4実施形態で用いられる超音波探触子 31の一例を示す斜視図である。本実施形態では、一次元配列アレイ振動子型のフェイズドアレイ超音波探触子 31が用いられる。フェイズドアレイ超音波探触子 31は、微小な振動子を多数配列したアレイ探触子で、各振動子に印加するパルスのタイミングを変えることで、各振動子力も発生させる超音波のタイミングをずらすことができ、超音波の集束位置を任意に変えることができる。これによつてアレイ配列方向に超音波探触子を走査させる必要がなぐ利便性を向上することができる。

[0134] また二次元配列アレイ振動子型のフェイズドアレイ超音波探触子についても用いることができる。そのほか、一探触子型の超音波探触子 31を用いることも可能である。また超音波発生用の探触子と、超音波取り込み用の探触子とによって構成される二探触子型の超音波探触子を用いてもよい。また点集束探触子のほか、非集束探触子を用いることもできる。また超音波を裏当て面 25に対して垂直に入射させるほか、裏当て面 25に対して傾斜するように超音波を入射させてもよ!、。

[0135] 図 19は、本発明の第 5実施形態の超音波探触子 200を示す斜視図である。図 20 は、走査位置とエコー高さとの関係を示す図である。図 20 (2)は、走査位置変化に対するエコー高さ変化を示すグラフであり、図 20 (1)はグラフに対応する接合物 20 の断面図である。本発明の第 5実施形態では、第 1実施形態に比べて超音波探触子 200の構成が異なる。また接合領域推定部 37がなぐ接合強度推定部 38が、エコー高さに基づいて接合強度を直接推定可能に構成される。残余の構成については同一であるので、同一な構成については説明を省略する。

[0136] 超音波探触子 200は、線集束探触子によって実現される。超音波探触子 200は、接合領域 21の直径寸法よりも大きい長さを有する帯状の超音波入射領域 201が形成され、送信振動子 202と、受信振動子 203とが別体に構成される。本実施の形態の超音波探触子 200は、振動子寸法が 10 X 2mmとなり、 10MHzの周波数の超音波を発生する。またエコー高さ計測部 36は、帯状の入射領域 201について、上板 22 と下板 23との界面 27に相当する基準方向位置付近で反射する注目反射波の総合的なエコー高さを計測する。

[0137] このような超音波探触子 200を用いて、図 19に示すように、超音波入射領域 201が接合跡 29の中心を通過するように配置したときの総合的なエコー高さを求める。言い換えると、図 20に示すように、超音波探触子 200を走査移動させて、総合的なエコー高さが最小となる超音波走査位置を調べる。

[0138] 図 21は、引張せん断せん断強度と相対エコー高さの低下量との関係を示すグラフである。図 21には、相対エコー高さの低下量として、非接合領域 28に超音波を入射した場合の総合的な基準エコー高さに対する、エコー高さが最小となる総合的な最小エコー高さの割合を示す。図 21には、横軸に相対エコー高さの低下量を示し、縦軸に破壊検査による接合物の引張せん断強度を示す。図 21に示すように、相対ェコ一高さの低下量と、接合強度とは、略一対一の関係を有する。したがって総合的な最小エコー高さを求めることで、総合的な最小エコー高さを、接合強度を演算する関係式に代入することで接合強度を直接推定することができる。この関係式は、予め実験等によって求めることができる。

[0139] このようにして、接合強度推定部 38は、総合的な最小エコー高さから、接合強度を直接推定することができる。また本実施の形態では、線集束探触子によって探触子が実現されるとしたが、非集束超音波探触子を用いても同様の効果を得ることができる。この場合、非集束超音波探触子の超音波入射領域の面積は、接合領域 21の面積よりも充分大き、ことが好ま、。

[0140] 本実施の形態では、接合物 20の接合領域 21上の領域を含む単位範囲について、接合物 20の裏当て面 25から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込み、単位範囲について、注目反射波の総合的な特徴値と、前記特徴値を接合物の強度に変換するために設定される変換関係とに基づいて、接合物の接合強度を推定する。これによつて接合領域 21の大きさを推定する必要がなぐ接合物 20の接合強度を簡単に推定することができる。

[0141] また線集束探触子である場合には、超音波探触子を一方向に走査するだけでよい。さらに非集束探触子である場合には、超音波探触子を走査しなくてもよい。これによって推定装置を簡単ィ匕することができ、容易に接合強度の推定を行うことができる。また上述する単位範囲について集束探触子を走査移動させて、単位範囲内の注目反射波の総合的な特徴値を求めてもよい。この場合、総合的な特徴値とは、単位範囲内における走査位置ごとの注目反射波の特徴値をたし合わせた値または、単位範囲内における走査位置ごとの注目反射波の特徴値の平均値となる。また本実施形態では、単位範囲にわたるエコー高さの総合的な変化量に基づいて、接合強度を求めたが、そのほか上述したピーク周波数 fp、中心周波数 fc、設定帯域幅 Bなどの、注目反射波の特徴値変化に基づヽて、接合強度を直接決定してもよヽ。

[0142] 以上のように、上述した接合領域 21または接合強度の推定方法は、本発明の一例示であって発明の範囲内で構成を変更することができる。たとえば各実施の形態では、注目反射波のうち上述した特徴以外を用いて、接合領域 21を推定してもよい。また上述した注目反射波の特徴を組合せて接合領域 21を推定してもよヽ。たとえば安全率を高めるために、上述した 2つ以上の推定方法で推定される接合強度が最も小さい値を、推定される接合強度として採用してもよい。また本実施形態では、超音波探触子を走査させていたが、これに限定しない。たとえば超音波入射位置が、接合領域 21上であるか否かを推定する場合には、超音波探触子をスポット的に配置すればよい。

[0143] また本実施の形態では、接合領域 21を推定するための注目反射波の境界条件が、超音波入射位置が非接合領域 28上に位置する場合における注目反射波に基づいて決定されるとした力これに限定しない。たとえば境界条件は、一定値に設定されてもよい。また本実施の形態では、演算式に従って、接合領域 21および接合強度を推定するとしたが、演算式に代えてデータベースを用いて、接合領域 21および接合強度を推定してもよい。

[0144] また、変形例としては、上述した各実施の形態における反射波測定工程にお!ヽては、図 22(1)〜(4)に示したように、超音波探触子 300から複数の異なる屈折角にて接合物に超音波を入射させることもできる。この方法は、摩擦撹拌接合の際に接合部においてフッキング現象が発生するような場合に特に有効である。ここでフッキング現象とは、摩擦撹拌接合の際に接合部材 22, 23が軟化して、接合部材 22と接合部材 23との界面がツール没入面 24の方向に引き寄せられ、図 22 (1)に示したような湾曲部（フッキング部） 50が生じる現象である。

[0145] このフッキング部 50は、接合部材 22と接合部材 23との間の接合強度に実質的に寄与していない。なお、このフッキング現象は、接合部材の材質等、摩擦撹拌接合の条件によってその発生の程度が異なるものである。

[0146] そして、反射波測定工程にぉ、て、超音波探触子 300から複数の異なる屈折角にて接合物 20に超音波を入射させることにより、接合物 20の内部にフッキング部 50が存在する場合でも、フッキング部 50からの反射エコーを斜角探傷で捕らえることができる。即ち、屈折角が 0° (垂直入射)だけでは、湾曲したフッキング部 50からの反射エコーを捕らえることができない。このため、実質的に接合強度に寄与しないフッキング部 50を、接合強度に寄与する部分から区別することができず、その結果、接合物 2 0の接合強度を実際よりも高めに評価してしまうという問題が生じる。

[0147] これに対して本例においては、例えば屈折角 20° 若しくは 30° の斜角探傷を行うことにより、フッキング部 50からの反射波を捕らえることができるので、接合物 20内にフッキング部 50が存在する場合でも接合強度を精度良く推定することができる。

[0148] 図 23は、本発明の第 6実施形態による接合強度の推定方法として、垂直振動子から成る超音波探触子 400を用いた測定方法を説明するための図である。図 24は、同測定方法において、接合径とエコー高さとの関係を示すグラフである。

[0149] 本実施形態においては、垂直振動子から成る超音波探触子 400を用いて、接合径以上の断面寸法を持つ超音波ビームを接合部材 22に入射させるとともに、接合部材 22に入射させた超音波の反射波を取り込む (反射波測定工程)。なお、超音波探触子 400から放射された超音波ビームは、超音波探触子 400と接合部材 22との間に配置された超音波伝播部材 401を通って接合部材 22に入射する。

[0150] そして、本実施形態においては、反射波測定工程によって得られた反射エコー高さに基づいて、接合物 20の接合強度を推定する（強度推定工程)。即ち、図 24に示したように接合物の接合径とエコー高さとの関係を予め測定しておくことにより、未知の接合径を有する接合物 20に対しても、エコー高さを測定することによってその接合径を推定することができる。

[0151] このように本実施形態接によれば、接合領域の面積を推定することなぐ接合強度を直接的に推定することが可能であり、簡便且つ安価な方法にて接合物 20の接合強度を推定することができる。

[0152] また第 1実施形態の推定方法を用いた検査方法および検査装置について、本発明に含まれるとともに、第 2〜第 6実施形態の推定方法を用いた検査方法および検査装置についても本発明に含まれる。第 2〜第 6実施形態においても、推定した推定結果に基づいて、接合物が予め定められる品質を満足する力否かを判定することで、接合物を破壊することなぐ接合物の品質を検査することができる。

[0153] また本実施の形態では、接合強度を推定せずに、接合領域 21を推定した推定結果を表示部 40によって表示する場合も含む。 2次元平面上に接合領域 21の形状を示す画像を表示することによって、検査者が接合強度などの接合品質を判断してもよい。また本実施の形態では、接合領域 21および接合強度の推定は、推定装置 30 , 130が行うとしたが、これに限らず、上述した工程を人間が行う場合の推定方法も本発明の範囲内である。また本実施の形態では、接合領域 21を推定したが、同様の手順によって、撹拌接合領域 21cと圧着接合領域 21dとのそれぞれを個別に推定してもよい。本実施の形態では、上板 22および下板 23は、アルミ合金力もなる力摩擦撹拌接合が可能であれば、他の材料によって接合物 20が形成されてもよい。また超音波探触子にっ、ては汎用品を用いることができる。

以上、本発明の好ましい例についてある程度特定的に説明したが、それらについて種々の変更をなし得ることはあきらかである。従って、本発明の範囲及び精神から逸脱することなぐ本明細書中で特定的に記載された態様とは異なる態様で本発明を実施できることが理解されるべきである。

Claims

請求の範囲

[1] 摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物について、接合領域を推定する推定方法であって、

反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうちで、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定する推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合領域の推定方法。

[2] 前記反射波測定工程では、接合領域上を通過するように、超音波の入射位置を走查させるとともに、走査変位ごとに接合物に入射させた超音波の反射波を取り込むことを特徴とすることを特徴とする請求項 1記載の接合物の接合領域の推定方法。

[3] 前記境界条件は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合に、 2つの接合部材の界面で反射する反射波に基づいて設定されることを特徴とする請求項 1または 2記載の接合物の接合領域の推定方法。

[4] 前記推定工程では、前記注目反射波の振幅が、予め定める振幅しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする請求項 1〜

3のいずれか 1つに記載の接合物の接合領域の推定方法。

[5] 前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において

、最大振幅値から一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域の中心となる中心周波数が、予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする請求項 1〜3のいずれ力 1つに記載の接合物の接合領域の推定方法。

[6] 前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において

、最大振幅値を示す波形の周波数となるピーク周波数が、予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする請求項 1〜3のいずれか 1つに記載の接合物の接合領域の推定方法。

[7] 前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値から一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域幅が、予め定める周波数帯域幅しきい値以上となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする請求項 1〜3のいずれか 1つに記載の接合物の接合領域の推定方法。

[8] 摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、

接合領域推定工程によって推定した接合領域上の位置に基づ、て、接合領域の大きさを推定し、推定した接合領域の大きさに基づいて、接合物の接合強度を推定する強度推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法。

[9] 摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、

反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうち、単位範囲について、 2つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波の総合的な特徴値と、前記総合的な特徴値を接合物の強度に変換するために設定される変換関係とに基づいて、接合物の接合強度を推定する推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法。

[10] 前記反射波測定工程において、複数の異なる屈折角にて接合物に超音波を入射させることを特徴とする請求項 1〜9のいずれ力 1つに記載の推定方法。

[11] 摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、

反射波測定工程によって得られた反射エコー高さに基づいて、接合物の接合強度を推定する強度推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法。

[12] 摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物の検査方法であって、請求項 1〜11のいずれ力 1つに記載の推定方法によって推定した推定結果に基づ！/ヽて、接合物を検査することを特徴とする接合物の検査方法。

[13] 摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物について、接合領域を推定する推定装置であって、

探触子の走査位置を検出する走査位置検出手段と、

推定手段によって推定される推定結果を出力する出力手段とを含むことを特徴とする接合物の接合領域の推定装置。摩擦撹拌接合法によって、重ねられた 2つの接合部材が互いに接合された接合物を検査する検査装置であって、

超音波探触子を、接合物の接合領域上を通過するように、接合物のうちで接合ッールが没入された没入面と反対側の面について走査移動させる探触子移動手段と、探触子の走査位置を検出する走査位置検出手段と、

判定手段による判定結果を出力する出力手段とを含むことを特徴とする接合物の検査装置。