ろう厚測定装置および方法
【課題】ろう接された母材間のろう材の厚さを非破壊で測定する装置および方法を提供する。
【解決手段】ろう厚測定装置１に、複数の周波数の超音波の発振と受信が可能な探触子２と、エコー測定部５２と、複数の周波数の超音波の界面エコー高さとろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を格納した第１記憶部７３と、ろう厚演算部７１とを備える。エコー測定部５２は、複数の周波数の超音波の各々につき、探触子２が発振して受信した超音波のエコー高さを測定する。ろう厚演算部７１は、エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定されたエコー高さより得られる複数の界面エコー高さからろう材の厚さを算出する。
【解決手段】ろう厚測定装置１に、複数の周波数の超音波の発振と受信が可能な探触子２と、エコー測定部５２と、複数の周波数の超音波の界面エコー高さとろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を格納した第１記憶部７３と、ろう厚演算部７１とを備える。エコー測定部５２は、複数の周波数の超音波の各々につき、探触子２が発振して受信した超音波のエコー高さを測定する。ろう厚演算部７１は、エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定されたエコー高さより得られる複数の界面エコー高さからろう材の厚さを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう接された母材間の接合部において、ろう材の厚さを測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料間、非金属材料間、或いは、金属材料と非金属材料間を接合するために、ろう接が用いられている。ろう接は、母材よりも融点の低いろう（鑞）材を溶融させて接着剤として用いることにより、母材を溶融させずにぬれ現象で母材間を接合する接合手段である。ろう接として、硬ろうを用いるろう付と、軟ろう（はんだ）を用いるはんだ付とがある。硬ろうは、一般的に、金ろう、銀ろう、黄銅ろうなどの合金である。
【０００３】
非特許文献１には、ろう付継手の強さに影響を与える因子はろう付すきま（ろう材の厚さ＝ろう厚）、ろう付面積および母材強度等であり、これらの因子が複合的に作用してろう付強さが決まることが記載されている。図５は、非特許文献１の７１頁図２に示された「突合せ継手および重ね継手のろう付強さへのろう付すきま、ろう付面積および母材強度の影響」から、ろう付強さとろう付すきまの関係のみを抽出したものである。図５に示されるように、ろう材の厚さ（ろう付すきま）が極めて小さい範囲では接合強度（せん断強さまたは引張強さ）が著しく小さく、ろう材の厚さの増加に伴って接合強度が増大している。ところが、接合強度は、ろう材の厚さが所定の値（突合せ継手ではＴ１，重ね継手ではＴ２）となったときにピークとなり、ここからろう材の厚さの増加に伴って減少している。このような接合強度とろう材の厚さの関係は、ろう接された母材間を接合しているろう材の厚さに好適な範囲があることを示している。
【０００４】
上述の通り、ろう付による接合部の接合強度はろう材の厚さに影響を受けることから、製品の保証のためにろう材の厚さを管理することが望ましい。従来は、母材間を接合しているろう材の厚さは、試験的に母材をろう接し、これを切断して実測していた。しかし、ろう材の厚さはろう接状態（例えば、欠陥など）により変化することがあり、個々のろう接接合部においてろう材の厚さを測定できれば、より高い精度で製品を管理することが可能となる。このために、ろう接接合部のろう材の厚さを非破壊で測定する技術が望まれている。
【０００５】
特許文献１では、ろう材の厚さではなく表面被膜の膜厚を測定する方法ではあるが、超音波を用いて非破壊で膜厚を測定する技術が開示されている。この技術は、ダンピングの大きい超音波探触子を用いて低い周波数のパルス成分と高い周波数のパルス成分とを含む超音波パルスを被験体に放射し、被験体から得られる表面エコー又は底面エコーの受信信号をフーリエ変換し、フーリエ変換したデータにおいて低い周波数側のピーク値と高い周波数側のピーク値とを得て、そのうち一方を正規化した値に基づいて被膜の膜厚を測定するものである。ここでは、１つの超音波の内部に２種類の成分を内在させることのできる超音波探触子が利用され、その送信波形は、２つのピークを有する双山の周波数分布を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−１３７５０４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】溶接技術２００８年６月号７１−７２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、ろう接接合部のろう材の厚さを非破壊で測定する技術は存在しない。また、上記特許文献１に記載の膜厚測定方式を応用させて、ろう接接合部のろう材の厚さを測定したとしても、測定対象に制限がある。なぜなら、上記特許文献１に記載された膜厚測定方式は、高い周波数の超音波の方が低い周波数の超音波よりも減衰しやすいという特性を利用して、超音波の減衰量の差に基づいて膜厚を測定する。このため、実際には、母材と比較して超音波減衰量の極めて大きな被膜の膜厚しか測定することができない。
【０００９】
そこで、本発明は、ろう接された母材間のろう材の厚さを非破壊で測定する装置および方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るろう厚測定装置は、ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するろう厚測定装置であって、複数の周波数の超音波の発振と受信が可能な超音波探触子と、前記複数の周波数の超音波の各々につき、前記超音波探触子が発振して受信した超音波のエコー高さを測定するエコー測定部と、前記複数の周波数の超音波の前記母材と前記ろう材の２つの接合界面で反射した超音波のエコー高さ（以下、「界面エコー高さ」という）と前記ろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を格納した第１の記憶部と、前記エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定された前記エコー高さより得られる前記複数の界面エコー高さから前記ろう材の厚さを算出するろう厚演算部とを備えるものである。
【００１１】
同様に、本発明に係るろう厚測定方法は、ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するろう厚測定方法であって、複数の周波数の超音波の各々につき、超音波探触子が発振して受信した超音波のエコー高さを測定するステップと、複数の周波数の超音波の界面エコー高さと前記ろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を作成するステップと、前記エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定された前記エコー高さより得られる前記複数の界面エコー高さから前記ろう材の厚さを算出するステップとを含むものである。
【００１２】
上記ろう厚測定装置およびろう厚測定方法では、複数の周波数の超音波を母材に入射して反射エコー高さを測定し、得られた複数の界面エコー高さに基づいて、ろう材の厚さを測定している。このように、本発明によれば、ろう接された母材間のろう材の厚さを非破壊で測定することができる。しかも、ろう材の厚さを測定するにあたって超音波の減衰を利用しないので、母材とろう材との超音波の減衰率が比較的小さくても、ろう材の厚さを測定することができる。さらに、母材とろう材の物性値を用いれば、既知の対比試験片などを利用することなく、ろう材の厚さを測定することができる。
【００１３】
前記ろう厚測定装置および前記ろう厚測定方法において、前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第１の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルが、前記第２の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルの２倍以上であることがよい。
【００１４】
または、前記ろう厚測定装置および前記ろう厚測定方法において、前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第２の周波数は前記第１の周波数の２倍以上であることがよい。
【００１５】
上記のように入射する複数の超音波の周波数の関係を定めることにより、測定された界面エコー高さからろう厚を特定することが容易となる。
【００１６】
前記ろう厚測定装置において、前記エコー高さ−ろう厚情報は、前記複数の周波数、前記母材の物性値および前記ろう材の物性値、又は、これらに加えて実験値に基づいて作成することができる。同様に、前記ろう厚測定方法において、前記エコー高さ−ろう厚情報を作成するステップは、前記複数の周波数、前記母材の物性値および前記ろう材の物性値、又は、これらに加えて実験値に基づいて前記エコー高さ−ろう厚情報を作成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、非破壊でろう接接合部のろう材の厚さを測定することができる。しかも、測定に入射した超音波の減衰量を利用しないので、母材とろう材との超音波減衰量の差が小さくてもろう材の厚さの測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波式ろう厚測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】探触子が受信する反射波の種類を説明する図である。
【図３】エコー高さ−ろう厚曲線の一例を表したグラフである。
【図４】受信波形を表したグラフである。
【図５】接合強度へのろう材の厚さの影響を示す図である。
【図６】ろう厚測定処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態に係る超音波式ろう厚測定装置１は、水浸法に則って、探触子２と被験体１０を共に水中に浸漬しつつ、探触子２から発振した超音波を被験体１０の母材１１へ入射し、被験体１０で反射して返ってきた超音波の測定を行うように構成されている。超音波式ろう厚測定装置１は、探触子２と、超音波送受信器３と、Ａ／Ｄ変換器４と、演算制御装置５と、入力装置６１と、出力装置６２と、探触子２と被験体１０とを水中に浸漬させるための水槽７とを備えている。
【００２１】
被験体１０は、ろう接された第１の母材１１と第２の母材１２を接合しているろう材１３である。本実施形態では、第１の母材１１および第２の母材１２の材質ともにＳＵＳ４０３であり、ろう材１３は金ろうである。第１の母材１１と第２の母材１２は、箔状のろうを用いた置きろう付によりろう接されており、接合部１０Ａのろう材１３の厚さ（以下では、「ろう厚Ｔ」ともいう）は、マイクロメーターオーダーである。なお、厚さとは接合面と略直交する方向の大きさである。
【００２２】
探触子２は、超音波を発振するとともに、超音波の反射波を受信するように構成されている。但し、探触子２は、複数の異なる周波数の超音波の発振と受信が可能であればその態様には限定されず、発振する周波数を或帯域で自由に可変な超音波探触子、発振する周波数を複数の値で変化させることのできる超音波探触子、および一定の周波数の超音波の発振と受信が可能な複数の超音波探触子などから適宜選択して用いることができる。
【００２３】
探触子２は超音波送受信器３と有線又は無線により接続されている。超音波送受信器３は、パルス発振部３１と、受信部３２と、増幅部３３とを備えている。パルス発振部３１は、探触子２へパルス信号を送信する。受信部３２は、探触子２が受けた超音波の反射波の検出信号（反射波信号）を受信する。増幅部３３は、この反射波信号を所定の増幅率で増幅してＡ／Ｄ変換器４へ送信する。Ａ／Ｄ変換器４は、超音波送受信器３から受けたアナログの反射波信号をデジタル化し、そのデジタルデータを演算制御装置５へ出力する。なお、超音波送受信器３の増幅部３３の増幅率は、エコー検出感度に相当するものである。エコー検出感度の基準感度は、標準試験体の底面エコー高さが８０％となるように設定されている。
【００２４】
演算制御装置５は、エコー測定機能部５０と、ろう厚測定機能部７０とを具備している。本実施形態では、エコー測定機能部５０と厚測定機能部７０は一つの演算制御装置５に備わっているが、これらは各々異なる演算制御装置に搭載されていても良い。演算制御装置５には、Ａ／Ｄ変換器４と、演算制御装置５に対し情報を入力するためのキーボードなどの入力装置６１と、演算制御装置５から処理結果を出力するためのディスプレイやプリンタなどの出力装置６２とが接続されている。演算制御装置５は、いわゆるコンピュータであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが実行するプログラムおよびこれらプログラムに使用されるデータを書き替え可能に記憶するＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）と、プログラム実行時にデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）とを含んで構成されている。
【００２５】
演算制御装置５では、ＣＰＵで所定のプログラムが実行されることにより、演算制御装置５を構成する各機能部の機能が実現される。演算制御装置５のエコー測定機能部５０は、発振制御部５１、エコー測定部５２および記憶部５３を備えている。また、ろう厚測定機能部７０は、ろう厚演算部７１、接合強度評価部７２、第１記憶部７３および第２記憶部７４を備えている。これらの各機能部の処理内容については後述する。
【００２６】
なお、上記構成の超音波式ろう厚測定装置１は、演算制御装置５のろう厚測定機能部７０を除いて、市販されている超音波式検査装置と特別な差異はない。超音波式検査装置とは、例えば、超音波式探傷装置などの、被験体に超音波を入射し、その反射波の強さおよび位置などを測定する機能を備えた装置である。よって、ろう厚測定装置１は、前述の公知の超音波式検査装置に、演算制御装置５の厚測定機能部７０としての機能を備えて構成することができる。超音波式検査装置については良く知られているので、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００２７】
上記構成の超音波式ろう厚測定装置１を用いて被験体１０のろう接接合部のろう厚測定を行なうにあたって、演算制御装置５に入力装置６１を介して測定条件が入力される。測定条件には、被験体１０のデータ、感度、第１の超音波の周波数、第２の超音波の周波数等が含まれる。被験体１０のデータは、母材１１，１２の厚さ（接合面と直交する方向の大きさ）と、母材１１，１２およびろう材１３の物性値（材質、密度、超音波の音速など）とを含んでいる。また、エコー検出感度は、前述の通り定められる。
【００２８】
ここで、第１の超音波の周波数（第１周波数ｆ１）と、第２の超音波の周波数（第２周波数ｆ２）について詳細に説明する。図２は探触子が受信する反射波の種類を説明する図である。図２に示すように、探触子２から被験体１０へ接合面に対して垂直に超音波が入射すると、超音波の一部は第１の母材１１とろう材１３との接合界面で反射し、残部は透過する。透過した超音波は、ろう材１３と母材12との接合界面で反射する。このため、超音波が母材１１，１２とろう材１３との２つの接合界面で反射して、測定される反射波（以下、「界面エコーｈ」ともいう）のエコー高さ（以下、「界面エコー高さＨ」ともいう）は、これらの波の干渉の影響を受けて、ろう厚Ｔに依存して変化する。この界面エコーｈの他、測定される反射波には、第１の母材１１に入射する前に第１の母材１１の表面で反射した表面反射波や、第１の母材１１、ろう材１３および第２の母材１２を透過して第２の母材１２の底面で反射した底面反射波などがある。界面エコーｈと、表面反射波および底面反射波とは、到達時間差により区別することができる。
【００２９】
探触子２からろう材１３が介在する２面間に垂直入射された超音波の、ろう材１３の透過率ｒは次に示す数式１で求めることができる。この数式１では、母材１１，１２とろう材１３との２つの接合界面でそれぞれ音圧と速度が連続であると仮定している。そして、数式１と次に示す数式２を利用して、母材１１，１２およびろう材１３の物性値と、第１周波数ｆ１又は第２周波数ｆ２と、入射波の強さとから、界面エコー高さＨ（反射波の強さ）を求めることができる。
【００３０】
【数１】
【００３１】
【数２】
【００３２】
上記数式１中、Ｚ1は母材１１の音響インピーダンス、Ｚ2は母材１２の音響インピーダンス、Ｚ3はろう材１３の音響インピーダンス、Ｔはろう厚、ｋは２π／λ（λはろう材１３中の波長）をそれぞれ表している。なお、音響インピーダンスＺは、式［Ｚ＝ＣL×ρ］に基づき、材料中の縦波音速ＣLと密度ρから求めることができる。また、上記数式２中、ｒはろう付部の反射率、Ｈはろう付部のエコー高さ（反射波の強さ）、ｒ0は対比試験片での反射率、Ｈ0は対比試験片のエコー高さをそれぞれ表している。
【００３３】
図３に示すグラフ１には、界面エコー高さＨ（界面エコーｈの最大エコー高さ）とろう厚Ｔの関係を示すエコー高さ−ろう厚曲線の一例が示されている。このエコー高さ−ろう厚曲線は、数式１，２の連立方程式に、母材１１，１２およびろう材１３の物性値と、第１周波数ｆ１又は第２周波数ｆ２と、対比試験片のエコー高さを代入して得られる。ここで、母材はステンレス鋼であり、ろう材は金ろうである。グラフ１中、鎖線は超音波の周波数が５ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線を示し、実線は超音波の周波数が１０ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線を示している。周波数が５ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線は、ろう厚が０μｍから約１８０μｍの間はろう厚Ｔの増大に伴ってエコー高さが０％から約２０％まで増加し、ろう厚Ｔが約１８０μｍから約３６０μｍの間はろう厚Ｔの増大に伴ってエコー高さが約２０％から０％まで減少し、以上のエコー高さの増加と減少からなる１サイクルをろう厚の増加に伴って繰り返している。また、周波数が１０ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線は、ろう厚が０μｍから約９０μｍの間はろう厚Ｔの増大に伴ってエコー高さが０％から約２０％まで増加し、ろう厚Ｔが約９０μｍから約１８０μｍの間はろう厚Ｔの増大に伴ってエコー高さが約２０％から０％まで減少し、以上のエコー高さの増加と減少からなる１サイクルをろう厚の増加に伴って繰り返している。周波数が５ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルは、周波数が１０ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルの２倍である。
【００３４】
上述の通り、界面エコー高さＨはろう厚Ｔの増加に伴って周期的に変動し、その変動周期は超音波の周波数により異なる。この特性を利用すれば、複数の異なる周波数の超音波を被験体１０に入射して界面エコー高さＨを測定することにより、ろう厚Ｔを特定することが可能である。なお、本実施形態では、被験体１０に入射する超音波の周波数は２種類であるが、超音波の周波数は２種類以上であればよい。超音波の周波数の種類が増えるほど測定誤差が生じにくくなると共に、より高精度にろう厚Ｔを測定することが可能となる。但し、使用する探触子２の構造や測定時間を考慮すれば、発振できる超音波の周波数は数種類が適当である。なお、測定される界面エコー高さＨはろう厚Ｔの増加に伴って周期的に変動することから、用いる周波数が１種類であると、ろう厚Ｔの特定に誤りが生じるおそれがあり好ましくない。また、特に、干渉による界面エコー高さＨの変化が数％と小さい母材とろう材の組み合わせである場合に、超音波の周波数が１種類であると測定されるろう厚Ｔが界面エコー高さＨの測定誤差の影響を大きく受けるおそれがあり好ましくない。このような理由から、超音波の周波数は２種類以上でなければならない。
【００３５】
また、超音波の第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２とは、その超音波の波長よりもろう厚Ｔが薄くなるように定められる。第１周波数ｆ１および第２周波数ｆ２は、その波長λが厚Ｔの２倍より大きくなる値（２Ｔ＜λ）であることが好ましい。なお、ろう厚Ｔは測定対象であるが、被験体１０のろう厚Ｔのおおよその値は設計されている。上記超音波の波長λとろう厚Ｔとの関係は、このような設計されたおおよそのろう厚Ｔに基づいて定められる。
【００３６】
さらに、超音波の第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２とは、グラフ１に示すように、一方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルに、他方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルが２つ以上含まれる関係であることが好ましい。換言すれば、一方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルが、他方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルの２倍以上であることが好ましい。より望ましくは、グラフ１に示されるように、一方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルが、他方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルの２倍であることが好ましい。このような第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２の組み合わせの一例として、一方の周波数を５ＭＨｚとし他方の周波数をその２倍の１０ＭＨｚとすることができる。他方の周波数が一方の周波数の２倍以上であれば、上記のような第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との関係にあてはまる。なお、エコー高さ−ろう厚曲線は母材１１，１２およびろう材１３の物性値により異なるので、母材１１，１２とろう材１３との組み合わせに応じて適宜第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との組み合わせが選択されることとなる。超音波の第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２とが上記関係を有することにより、測定された複数の界面エコー高さＨから、ろう厚Ｔを特定することが容易となる。
【００３７】
次の表１に示すテーブル１は、複数の異なる周波数（５ＭＨｚと１０ＭＨｚ）の超音波の界面エコー高さＨとろう厚Ｔとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報の一例である。テーブル１では、列が１０ＭＨｚの超音波の界面エコー高さＨ（％）を表し、行が５ＭＨｚの超音波の界面エコー高さＨ（％）を表し、行列の成分がろう厚Ｔ（μｍ）を表している。テーブル１を参照して、例えば、測定された１０ＭＨｚの超音波の界面エコー高さＨが１３％であり、測定された５ＭＨｚの超音波の界面エコー高さＨが１９％であるときには、ろう厚Ｔは１３０−１６０μｍである。
【００３８】
【表１】
【００３９】
エコー高さ−ろう厚情報は、エコー高さ−ろう厚曲線に基づいて作成することができる。前述の通り、エコー高さ−ろう厚曲線は超音波の周波数、母材１１，１２の物性値、およびろう材１３の物性値により変化するので、超音波の周波数と母材１１，１２とろう材１３との組み合わせに応じてエコー高さ−ろう厚情報が作成される。エコー高さ−ろう厚情報は、超音波の周波数と母材１１，１２とろう材１３との組み合わせに、予め行った実験で得られた実験値を加味して、作成することもできる。作成されたエコー高さ−ろう厚情報は、ろう厚測定機能部７０の第１記憶部７３に格納されて、後述するろう厚演算部７１の処理で利用されるように設定される。
【００４０】
ここで、図６を参照しながら、被験体１０のろう接接合部のろう厚測定の流れを説明する。前述の通り測定条件を演算制御装置５に入力し、被験体１０を水槽７に沈めた後、探触子２を所望の測定点に位置させる。そして、探触子２を作動させて、第１周波数ｆ１の超音波の反射エコー測定を開始する（ステップＳ１）。演算制御装置５の発振制御部５１は、測定条件に基づいて、超音波の第１周波数ｆ１などの情報を含むパルス生成指令を超音波送受信器３へ送信する。超音波送受信器３のパルス発振部３１は、パルス生成指令に基づきパルスを発振する。超音波送受信器３のパルス発振部３１が発振したパルス電圧が探触子２（詳細には、探触子２が備える振動素子）に加えられて、探触子２から第１周波数ｆ１の超音波（縦波）が発生する。探触子２から発生した超音波は、水槽７に湛えられた媒体（水）を介して被験体１０の第１の母材１１へ、接合面に対して垂直に入射する。
【００４１】
探触子２は、前述のような反射波を受信（検出）し、反射波の検出信号を超音波送受信器３の受信部３２へ送信する。この反射波信号は、超音波送受信器３の増幅部３３で増幅されて、Ａ／Ｄ変換器４でデジタルデータに変換されて、演算制御装置５へ出力される。演算制御装置５のエコー測定部５２は、反射波信号のデジタルデータを処理して反射エコー高さを測定する。測定された第１の反射エコー高さデータ（反射波形情報）は記憶部５３に格納される。以上が、第１周波数ｆ１の超音波の反射エコー測定動作の流れである。同様にして、ろう厚測定装置１で、第２周波数ｆ２の超音波の反射エコー測定動作を行い（ステップＳ２）、記憶部５３に第２の反射エコー高さデータが格納される。
【００４２】
上述のように第１周波数ｆ１の超音波の反射エコー測定と、第２周波数ｆ２の超音波の反射エコー測定が終わると、ろう厚測定機能部７０のろう厚演算部７１は、エコー測定機能部５０の記憶部５３に格納された第１および第２の反射エコー高さデータに基づいてろう厚Ｔを演算する。各反射エコー高さデータは、例えば、図４のグラフ２に示す受信波形として表すことができる。受信波形は、縦軸が反射エコー高さを示し、横軸がビーム路程（時間）を示すグラフ上に表される。
【００４３】
ろう厚演算部７１は、まず、第１の反射エコー高さデータを記憶部５３から読み出し、第１の反射エコー高さデータに含まれる界面エコーｈの最大の反射エコー高さを第１の界面エコー高さＨ１として取得する（ステップＳ３）。例えば、図４のグラフ２に示す受信波形では、１つめの検出波が表面反射波であり、２つめの検出波が界面エコーｈであり、この界面エコーｈの最大の反射エコー高さが界面エコー高さＨである。同様に、ろう厚演算部７１は、第２の反射エコー高さデータを記憶部５３から読み出し、第２の反射エコー高さデータに含まれる界面エコーｈの最大の反射エコー高さを第２の界面エコー高さＨ２として取得する（ステップＳ４）。
【００４４】
続いて、ろう厚演算部７１は、第１記憶部７３からエコー高さ−ろう厚情報を読み出し（ステップＳ５）、このエコー高さ−ろう厚情報を参照して、第１の界面エコー高さＨ１と第２の界面エコー高さＨ２との組み合わせからろう厚Ｔを特定する（ステップＳ６）。以上の流れで、算出されたろう厚Ｔは、例えば、ディスプレイなどの出力装置６２に出力することができる。
【００４５】
次に、接合強度評価部７２は、算出されたろう厚Ｔに基づいて、ろう接の接合強度を算出する。接合強度とろう厚Ｔとの相関関係を示す接合強度−ろう厚情報は第２記憶部７４に格納され、接合強度評価部７２の処理で利用するように設定されている。ろう接の接合強度とろう厚Ｔとの関係は母材１１，１２とろう材１３の組み合わせ、接合面積、およびろう厚Ｔにより定まる。そこで、接合強度−ろう厚情報は、母材１１，１２とろう材１３の組み合わせおよび接合面積を定め、このときの接合強度とろう厚Ｔとの関係を試験的又は理論的に求めて、作成されている。接合強度−ろう厚情報は、例えば、図５に示すような、接合強度（せん断強さまたは引張強さ）とろう厚Ｔ（ろう付すきま）との関係である。なお、図５において、縦軸に示された突合せ継手の場合の引張強さまたは重ね継手の場合のせん断強さが接合強度と対応し、横軸に示されたろう付すきまがろう厚Ｔと対応している。
【００４６】
接合強度評価部７２は、第２記憶部７４から接合強度−ろう厚情報を読み出し（ステップＳ７）、この接合強度−ろう厚情報を参照して、算出されたろう厚Ｔから接合強度を特定する（ステップＳ８）。このように算出された接合強度は、例えば、ディスプレイなどの出力装置６２にろう厚Ｔとともに表示されるように出力することができる。
【００４７】
さらに、接合強度評価部７２は、算出された接合強度から、接合の良・不良を評価する。例えば、図５に表されるように、接合強度に或しきい値αが設定され、このしきい値αを境界として接合良範囲と接合不良範囲とが定められている。すなわち、接合強度がしきい値α以上の範囲は接合良範囲であり、接合強度がしきい値αに満たない範囲は接合不良範囲である。このしきい値αは、第２記憶部７４に格納される接合強度−ろう厚情報に含まれていてもよいし、測定毎に入力装置６１で測定条件の一つとして入力されてもよい。
【００４８】
接合強度評価部７２は、算出された接合強度としきい値αとを比較し（ステップＳ９）、接合強度がしきい値α以上のときは接合良と評価し（ステップＳ１０）、接合強度がしきい値αに満たないときは接合不良と評価する（ステップＳ１１）。この接合良又は不良の評価結果は、例えば、ディスプレイなどの出力装置６２にろう厚Ｔおよび接合強度とともに表示されるように出力することができる。
【００４９】
上述の通り、本実施形態に係るろう厚測定装置１を用いたろう厚測定方法では、予め界面エコー高さＨとろう材１３の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を作成しておき、複数の周波数の超音波の各々につき、探触子２が発振して受信した超音波の反射エコー高さを測定し（ステップＳ１，２）、測定された反射エコー高さより得られる複数の界面エコー高さＨからろう材１３の厚さを算出している（ステップＳ３，４，５，６）。このようにして、非破壊でろう接された母材間のろう材の厚さを測定することができる。しかも、ろう材の厚さを測定するにあたって超音波の減衰を利用しないので、母材とろう材との超音波の減衰率が比較的小さくても、ろう材の厚さを測定することができる。さらに、母材とろう材の物性値を用いれば、既知の対比試験片などを利用することなく、ろう材の厚さを測定することができる。
【００５０】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
【００５１】
例えば、上述の実施形態では、第１周波数ｆ１の超音波の反射エコー測定動作を行ってから、第２周波数ｆ２の超音波の反射エコー測定動作を行っているが、反射エコー測定の流れはこれに限定されない。例えば、第１周波数ｆ１の超音波と第２周波数ｆ２の超音波とを所定の間隔をおいて発振して反射エコー測定を行い、１つの反射エコー高さデータを得て、１つの反射エコー高さデータから第１の界面エコー高さＨ１と第２の界面エコー高さＨ２を得ることもできる。つまり、反射エコー測定の手段及び方法は、異なる種類の周波数の超音波の界面エコー高さをそれぞれ取得することができるものであれば、上記実施形態に限定されない。
【００５２】
また、上述の実施形態では、超音波式ろう厚測定装置１は探触子と被験体とを水没させる全没水浸法を採用しているが、母材１１の超音波の入射面と探触子の間だけ局部的に水を介在させる局部水浸法を採用してもかまわない。さらに、高精細且つ誤差の少ない探傷を行うために水浸法を用いることが望ましいが、被験体１０の状況によっては水浸法を採用しなくともよい。
【００５３】
さらに、上述の実施形態では、超音波式ろう厚測定装置１が備える探触子２は、点集束型探触子である。但し、これに代えて、他の種類の探触子を用いることが可能である。
【００５４】
また、上述の実施形態では、ろう厚測定装置１で測定されたろう厚Ｔは母材１１，１２間の接合強度の評価に利用されているが、ろう厚Ｔはその他にも利用することができる。例えば、測定されたろう厚Ｔをろう材１３の超音波探傷に利用することができる。ろう材１３の欠陥を超音波探傷する場合には、超音波を被験体１０に入射し、得られた反射エコー高さとしきい値とを比較して、欠陥の有無を判断する。このときのしきい値をろう材の厚さ基づいて定めることができる。
【００５５】
なお、超音波式ろう厚測定装置１の測定対象であるろう厚は、ろう付された母材１１，１２間のろう材１３のろう厚Ｔに限られない。本発明に係るろう厚測定装置および方法によれば、はんだ付された母材間のろう材（はんだ）の厚さを測定することもできる。さらに、本発明に係るろう厚測定装置および方法によれば、母材間に水などの媒体で満たされた微小間隙がある場合に、この微小間隙の大きさを測定することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するために有用である。さらに、本発明を応用させて、母材間に水などの媒体で満たされた微小間隙がある場合に、この微小間隙の大きさを測定することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 超音波式ろう厚測定装置
２ 探触子
３ 超音波送受信器
４ Ａ／Ｄ変換器
５ 演算制御装置
７ 水槽
１０ 被験体
１１，１２ 母材
１３ ろう材
５０ エコー測定機能部
５１ 発振制御部
５２ エコー測定部
５３ 記憶部
６１ 入力装置
６２ 出力装置
７０ 厚測定機能部
７１ ろう厚演算部
７２ 接合強度評価部
７３ 第１記憶部
７４ 第２記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう接された母材間の接合部において、ろう材の厚さを測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料間、非金属材料間、或いは、金属材料と非金属材料間を接合するために、ろう接が用いられている。ろう接は、母材よりも融点の低いろう（鑞）材を溶融させて接着剤として用いることにより、母材を溶融させずにぬれ現象で母材間を接合する接合手段である。ろう接として、硬ろうを用いるろう付と、軟ろう（はんだ）を用いるはんだ付とがある。硬ろうは、一般的に、金ろう、銀ろう、黄銅ろうなどの合金である。
【０００３】
非特許文献１には、ろう付継手の強さに影響を与える因子はろう付すきま（ろう材の厚さ＝ろう厚）、ろう付面積および母材強度等であり、これらの因子が複合的に作用してろう付強さが決まることが記載されている。図５は、非特許文献１の７１頁図２に示された「突合せ継手および重ね継手のろう付強さへのろう付すきま、ろう付面積および母材強度の影響」から、ろう付強さとろう付すきまの関係のみを抽出したものである。図５に示されるように、ろう材の厚さ（ろう付すきま）が極めて小さい範囲では接合強度（せん断強さまたは引張強さ）が著しく小さく、ろう材の厚さの増加に伴って接合強度が増大している。ところが、接合強度は、ろう材の厚さが所定の値（突合せ継手ではＴ１，重ね継手ではＴ２）となったときにピークとなり、ここからろう材の厚さの増加に伴って減少している。このような接合強度とろう材の厚さの関係は、ろう接された母材間を接合しているろう材の厚さに好適な範囲があることを示している。
【０００４】
上述の通り、ろう付による接合部の接合強度はろう材の厚さに影響を受けることから、製品の保証のためにろう材の厚さを管理することが望ましい。従来は、母材間を接合しているろう材の厚さは、試験的に母材をろう接し、これを切断して実測していた。しかし、ろう材の厚さはろう接状態（例えば、欠陥など）により変化することがあり、個々のろう接接合部においてろう材の厚さを測定できれば、より高い精度で製品を管理することが可能となる。このために、ろう接接合部のろう材の厚さを非破壊で測定する技術が望まれている。
【０００５】
特許文献１では、ろう材の厚さではなく表面被膜の膜厚を測定する方法ではあるが、超音波を用いて非破壊で膜厚を測定する技術が開示されている。この技術は、ダンピングの大きい超音波探触子を用いて低い周波数のパルス成分と高い周波数のパルス成分とを含む超音波パルスを被験体に放射し、被験体から得られる表面エコー又は底面エコーの受信信号をフーリエ変換し、フーリエ変換したデータにおいて低い周波数側のピーク値と高い周波数側のピーク値とを得て、そのうち一方を正規化した値に基づいて被膜の膜厚を測定するものである。ここでは、１つの超音波の内部に２種類の成分を内在させることのできる超音波探触子が利用され、その送信波形は、２つのピークを有する双山の周波数分布を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−１３７５０４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】溶接技術２００８年６月号７１−７２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、ろう接接合部のろう材の厚さを非破壊で測定する技術は存在しない。また、上記特許文献１に記載の膜厚測定方式を応用させて、ろう接接合部のろう材の厚さを測定したとしても、測定対象に制限がある。なぜなら、上記特許文献１に記載された膜厚測定方式は、高い周波数の超音波の方が低い周波数の超音波よりも減衰しやすいという特性を利用して、超音波の減衰量の差に基づいて膜厚を測定する。このため、実際には、母材と比較して超音波減衰量の極めて大きな被膜の膜厚しか測定することができない。
【０００９】
そこで、本発明は、ろう接された母材間のろう材の厚さを非破壊で測定する装置および方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るろう厚測定装置は、ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するろう厚測定装置であって、複数の周波数の超音波の発振と受信が可能な超音波探触子と、前記複数の周波数の超音波の各々につき、前記超音波探触子が発振して受信した超音波のエコー高さを測定するエコー測定部と、前記複数の周波数の超音波の前記母材と前記ろう材の２つの接合界面で反射した超音波のエコー高さ（以下、「界面エコー高さ」という）と前記ろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を格納した第１の記憶部と、前記エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定された前記エコー高さより得られる前記複数の界面エコー高さから前記ろう材の厚さを算出するろう厚演算部とを備えるものである。
【００１１】
同様に、本発明に係るろう厚測定方法は、ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するろう厚測定方法であって、複数の周波数の超音波の各々につき、超音波探触子が発振して受信した超音波のエコー高さを測定するステップと、複数の周波数の超音波の界面エコー高さと前記ろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を作成するステップと、前記エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定された前記エコー高さより得られる前記複数の界面エコー高さから前記ろう材の厚さを算出するステップとを含むものである。
【００１２】
上記ろう厚測定装置およびろう厚測定方法では、複数の周波数の超音波を母材に入射して反射エコー高さを測定し、得られた複数の界面エコー高さに基づいて、ろう材の厚さを測定している。このように、本発明によれば、ろう接された母材間のろう材の厚さを非破壊で測定することができる。しかも、ろう材の厚さを測定するにあたって超音波の減衰を利用しないので、母材とろう材との超音波の減衰率が比較的小さくても、ろう材の厚さを測定することができる。さらに、母材とろう材の物性値を用いれば、既知の対比試験片などを利用することなく、ろう材の厚さを測定することができる。
【００１３】
前記ろう厚測定装置および前記ろう厚測定方法において、前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第１の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルが、前記第２の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルの２倍以上であることがよい。
【００１４】
または、前記ろう厚測定装置および前記ろう厚測定方法において、前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第２の周波数は前記第１の周波数の２倍以上であることがよい。
【００１５】
上記のように入射する複数の超音波の周波数の関係を定めることにより、測定された界面エコー高さからろう厚を特定することが容易となる。
【００１６】
前記ろう厚測定装置において、前記エコー高さ−ろう厚情報は、前記複数の周波数、前記母材の物性値および前記ろう材の物性値、又は、これらに加えて実験値に基づいて作成することができる。同様に、前記ろう厚測定方法において、前記エコー高さ−ろう厚情報を作成するステップは、前記複数の周波数、前記母材の物性値および前記ろう材の物性値、又は、これらに加えて実験値に基づいて前記エコー高さ−ろう厚情報を作成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、非破壊でろう接接合部のろう材の厚さを測定することができる。しかも、測定に入射した超音波の減衰量を利用しないので、母材とろう材との超音波減衰量の差が小さくてもろう材の厚さの測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波式ろう厚測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】探触子が受信する反射波の種類を説明する図である。
【図３】エコー高さ−ろう厚曲線の一例を表したグラフである。
【図４】受信波形を表したグラフである。
【図５】接合強度へのろう材の厚さの影響を示す図である。
【図６】ろう厚測定処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態に係る超音波式ろう厚測定装置１は、水浸法に則って、探触子２と被験体１０を共に水中に浸漬しつつ、探触子２から発振した超音波を被験体１０の母材１１へ入射し、被験体１０で反射して返ってきた超音波の測定を行うように構成されている。超音波式ろう厚測定装置１は、探触子２と、超音波送受信器３と、Ａ／Ｄ変換器４と、演算制御装置５と、入力装置６１と、出力装置６２と、探触子２と被験体１０とを水中に浸漬させるための水槽７とを備えている。
【００２１】
被験体１０は、ろう接された第１の母材１１と第２の母材１２を接合しているろう材１３である。本実施形態では、第１の母材１１および第２の母材１２の材質ともにＳＵＳ４０３であり、ろう材１３は金ろうである。第１の母材１１と第２の母材１２は、箔状のろうを用いた置きろう付によりろう接されており、接合部１０Ａのろう材１３の厚さ（以下では、「ろう厚Ｔ」ともいう）は、マイクロメーターオーダーである。なお、厚さとは接合面と略直交する方向の大きさである。
【００２２】
探触子２は、超音波を発振するとともに、超音波の反射波を受信するように構成されている。但し、探触子２は、複数の異なる周波数の超音波の発振と受信が可能であればその態様には限定されず、発振する周波数を或帯域で自由に可変な超音波探触子、発振する周波数を複数の値で変化させることのできる超音波探触子、および一定の周波数の超音波の発振と受信が可能な複数の超音波探触子などから適宜選択して用いることができる。
【００２３】
探触子２は超音波送受信器３と有線又は無線により接続されている。超音波送受信器３は、パルス発振部３１と、受信部３２と、増幅部３３とを備えている。パルス発振部３１は、探触子２へパルス信号を送信する。受信部３２は、探触子２が受けた超音波の反射波の検出信号（反射波信号）を受信する。増幅部３３は、この反射波信号を所定の増幅率で増幅してＡ／Ｄ変換器４へ送信する。Ａ／Ｄ変換器４は、超音波送受信器３から受けたアナログの反射波信号をデジタル化し、そのデジタルデータを演算制御装置５へ出力する。なお、超音波送受信器３の増幅部３３の増幅率は、エコー検出感度に相当するものである。エコー検出感度の基準感度は、標準試験体の底面エコー高さが８０％となるように設定されている。
【００２４】
演算制御装置５は、エコー測定機能部５０と、ろう厚測定機能部７０とを具備している。本実施形態では、エコー測定機能部５０と厚測定機能部７０は一つの演算制御装置５に備わっているが、これらは各々異なる演算制御装置に搭載されていても良い。演算制御装置５には、Ａ／Ｄ変換器４と、演算制御装置５に対し情報を入力するためのキーボードなどの入力装置６１と、演算制御装置５から処理結果を出力するためのディスプレイやプリンタなどの出力装置６２とが接続されている。演算制御装置５は、いわゆるコンピュータであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが実行するプログラムおよびこれらプログラムに使用されるデータを書き替え可能に記憶するＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）と、プログラム実行時にデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）とを含んで構成されている。
【００２５】
演算制御装置５では、ＣＰＵで所定のプログラムが実行されることにより、演算制御装置５を構成する各機能部の機能が実現される。演算制御装置５のエコー測定機能部５０は、発振制御部５１、エコー測定部５２および記憶部５３を備えている。また、ろう厚測定機能部７０は、ろう厚演算部７１、接合強度評価部７２、第１記憶部７３および第２記憶部７４を備えている。これらの各機能部の処理内容については後述する。
【００２６】
なお、上記構成の超音波式ろう厚測定装置１は、演算制御装置５のろう厚測定機能部７０を除いて、市販されている超音波式検査装置と特別な差異はない。超音波式検査装置とは、例えば、超音波式探傷装置などの、被験体に超音波を入射し、その反射波の強さおよび位置などを測定する機能を備えた装置である。よって、ろう厚測定装置１は、前述の公知の超音波式検査装置に、演算制御装置５の厚測定機能部７０としての機能を備えて構成することができる。超音波式検査装置については良く知られているので、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００２７】
上記構成の超音波式ろう厚測定装置１を用いて被験体１０のろう接接合部のろう厚測定を行なうにあたって、演算制御装置５に入力装置６１を介して測定条件が入力される。測定条件には、被験体１０のデータ、感度、第１の超音波の周波数、第２の超音波の周波数等が含まれる。被験体１０のデータは、母材１１，１２の厚さ（接合面と直交する方向の大きさ）と、母材１１，１２およびろう材１３の物性値（材質、密度、超音波の音速など）とを含んでいる。また、エコー検出感度は、前述の通り定められる。
【００２８】
ここで、第１の超音波の周波数（第１周波数ｆ１）と、第２の超音波の周波数（第２周波数ｆ２）について詳細に説明する。図２は探触子が受信する反射波の種類を説明する図である。図２に示すように、探触子２から被験体１０へ接合面に対して垂直に超音波が入射すると、超音波の一部は第１の母材１１とろう材１３との接合界面で反射し、残部は透過する。透過した超音波は、ろう材１３と母材12との接合界面で反射する。このため、超音波が母材１１，１２とろう材１３との２つの接合界面で反射して、測定される反射波（以下、「界面エコーｈ」ともいう）のエコー高さ（以下、「界面エコー高さＨ」ともいう）は、これらの波の干渉の影響を受けて、ろう厚Ｔに依存して変化する。この界面エコーｈの他、測定される反射波には、第１の母材１１に入射する前に第１の母材１１の表面で反射した表面反射波や、第１の母材１１、ろう材１３および第２の母材１２を透過して第２の母材１２の底面で反射した底面反射波などがある。界面エコーｈと、表面反射波および底面反射波とは、到達時間差により区別することができる。
【００２９】
探触子２からろう材１３が介在する２面間に垂直入射された超音波の、ろう材１３の透過率ｒは次に示す数式１で求めることができる。この数式１では、母材１１，１２とろう材１３との２つの接合界面でそれぞれ音圧と速度が連続であると仮定している。そして、数式１と次に示す数式２を利用して、母材１１，１２およびろう材１３の物性値と、第１周波数ｆ１又は第２周波数ｆ２と、入射波の強さとから、界面エコー高さＨ（反射波の強さ）を求めることができる。
【００３０】
【数１】
【００３１】
【数２】
【００３２】
上記数式１中、Ｚ1は母材１１の音響インピーダンス、Ｚ2は母材１２の音響インピーダンス、Ｚ3はろう材１３の音響インピーダンス、Ｔはろう厚、ｋは２π／λ（λはろう材１３中の波長）をそれぞれ表している。なお、音響インピーダンスＺは、式［Ｚ＝ＣL×ρ］に基づき、材料中の縦波音速ＣLと密度ρから求めることができる。また、上記数式２中、ｒはろう付部の反射率、Ｈはろう付部のエコー高さ（反射波の強さ）、ｒ0は対比試験片での反射率、Ｈ0は対比試験片のエコー高さをそれぞれ表している。
【００３３】
図３に示すグラフ１には、界面エコー高さＨ（界面エコーｈの最大エコー高さ）とろう厚Ｔの関係を示すエコー高さ−ろう厚曲線の一例が示されている。このエコー高さ−ろう厚曲線は、数式１，２の連立方程式に、母材１１，１２およびろう材１３の物性値と、第１周波数ｆ１又は第２周波数ｆ２と、対比試験片のエコー高さを代入して得られる。ここで、母材はステンレス鋼であり、ろう材は金ろうである。グラフ１中、鎖線は超音波の周波数が５ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線を示し、実線は超音波の周波数が１０ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線を示している。周波数が５ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線は、ろう厚が０μｍから約１８０μｍの間はろう厚Ｔの増大に伴ってエコー高さが０％から約２０％まで増加し、ろう厚Ｔが約１８０μｍから約３６０μｍの間はろう厚Ｔの増大に伴ってエコー高さが約２０％から０％まで減少し、以上のエコー高さの増加と減少からなる１サイクルをろう厚の増加に伴って繰り返している。また、周波数が１０ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線は、ろう厚が０μｍから約９０μｍの間はろう厚Ｔの増大に伴ってエコー高さが０％から約２０％まで増加し、ろう厚Ｔが約９０μｍから約１８０μｍの間はろう厚Ｔの増大に伴ってエコー高さが約２０％から０％まで減少し、以上のエコー高さの増加と減少からなる１サイクルをろう厚の増加に伴って繰り返している。周波数が５ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルは、周波数が１０ＭＨｚのときのエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルの２倍である。
【００３４】
上述の通り、界面エコー高さＨはろう厚Ｔの増加に伴って周期的に変動し、その変動周期は超音波の周波数により異なる。この特性を利用すれば、複数の異なる周波数の超音波を被験体１０に入射して界面エコー高さＨを測定することにより、ろう厚Ｔを特定することが可能である。なお、本実施形態では、被験体１０に入射する超音波の周波数は２種類であるが、超音波の周波数は２種類以上であればよい。超音波の周波数の種類が増えるほど測定誤差が生じにくくなると共に、より高精度にろう厚Ｔを測定することが可能となる。但し、使用する探触子２の構造や測定時間を考慮すれば、発振できる超音波の周波数は数種類が適当である。なお、測定される界面エコー高さＨはろう厚Ｔの増加に伴って周期的に変動することから、用いる周波数が１種類であると、ろう厚Ｔの特定に誤りが生じるおそれがあり好ましくない。また、特に、干渉による界面エコー高さＨの変化が数％と小さい母材とろう材の組み合わせである場合に、超音波の周波数が１種類であると測定されるろう厚Ｔが界面エコー高さＨの測定誤差の影響を大きく受けるおそれがあり好ましくない。このような理由から、超音波の周波数は２種類以上でなければならない。
【００３５】
また、超音波の第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２とは、その超音波の波長よりもろう厚Ｔが薄くなるように定められる。第１周波数ｆ１および第２周波数ｆ２は、その波長λが厚Ｔの２倍より大きくなる値（２Ｔ＜λ）であることが好ましい。なお、ろう厚Ｔは測定対象であるが、被験体１０のろう厚Ｔのおおよその値は設計されている。上記超音波の波長λとろう厚Ｔとの関係は、このような設計されたおおよそのろう厚Ｔに基づいて定められる。
【００３６】
さらに、超音波の第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２とは、グラフ１に示すように、一方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルに、他方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルが２つ以上含まれる関係であることが好ましい。換言すれば、一方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルが、他方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルの２倍以上であることが好ましい。より望ましくは、グラフ１に示されるように、一方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルが、他方の周波数の超音波のエコー高さ−ろう厚曲線の変動の１サイクルの２倍であることが好ましい。このような第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２の組み合わせの一例として、一方の周波数を５ＭＨｚとし他方の周波数をその２倍の１０ＭＨｚとすることができる。他方の周波数が一方の周波数の２倍以上であれば、上記のような第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との関係にあてはまる。なお、エコー高さ−ろう厚曲線は母材１１，１２およびろう材１３の物性値により異なるので、母材１１，１２とろう材１３との組み合わせに応じて適宜第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との組み合わせが選択されることとなる。超音波の第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２とが上記関係を有することにより、測定された複数の界面エコー高さＨから、ろう厚Ｔを特定することが容易となる。
【００３７】
次の表１に示すテーブル１は、複数の異なる周波数（５ＭＨｚと１０ＭＨｚ）の超音波の界面エコー高さＨとろう厚Ｔとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報の一例である。テーブル１では、列が１０ＭＨｚの超音波の界面エコー高さＨ（％）を表し、行が５ＭＨｚの超音波の界面エコー高さＨ（％）を表し、行列の成分がろう厚Ｔ（μｍ）を表している。テーブル１を参照して、例えば、測定された１０ＭＨｚの超音波の界面エコー高さＨが１３％であり、測定された５ＭＨｚの超音波の界面エコー高さＨが１９％であるときには、ろう厚Ｔは１３０−１６０μｍである。
【００３８】
【表１】
【００３９】
エコー高さ−ろう厚情報は、エコー高さ−ろう厚曲線に基づいて作成することができる。前述の通り、エコー高さ−ろう厚曲線は超音波の周波数、母材１１，１２の物性値、およびろう材１３の物性値により変化するので、超音波の周波数と母材１１，１２とろう材１３との組み合わせに応じてエコー高さ−ろう厚情報が作成される。エコー高さ−ろう厚情報は、超音波の周波数と母材１１，１２とろう材１３との組み合わせに、予め行った実験で得られた実験値を加味して、作成することもできる。作成されたエコー高さ−ろう厚情報は、ろう厚測定機能部７０の第１記憶部７３に格納されて、後述するろう厚演算部７１の処理で利用されるように設定される。
【００４０】
ここで、図６を参照しながら、被験体１０のろう接接合部のろう厚測定の流れを説明する。前述の通り測定条件を演算制御装置５に入力し、被験体１０を水槽７に沈めた後、探触子２を所望の測定点に位置させる。そして、探触子２を作動させて、第１周波数ｆ１の超音波の反射エコー測定を開始する（ステップＳ１）。演算制御装置５の発振制御部５１は、測定条件に基づいて、超音波の第１周波数ｆ１などの情報を含むパルス生成指令を超音波送受信器３へ送信する。超音波送受信器３のパルス発振部３１は、パルス生成指令に基づきパルスを発振する。超音波送受信器３のパルス発振部３１が発振したパルス電圧が探触子２（詳細には、探触子２が備える振動素子）に加えられて、探触子２から第１周波数ｆ１の超音波（縦波）が発生する。探触子２から発生した超音波は、水槽７に湛えられた媒体（水）を介して被験体１０の第１の母材１１へ、接合面に対して垂直に入射する。
【００４１】
探触子２は、前述のような反射波を受信（検出）し、反射波の検出信号を超音波送受信器３の受信部３２へ送信する。この反射波信号は、超音波送受信器３の増幅部３３で増幅されて、Ａ／Ｄ変換器４でデジタルデータに変換されて、演算制御装置５へ出力される。演算制御装置５のエコー測定部５２は、反射波信号のデジタルデータを処理して反射エコー高さを測定する。測定された第１の反射エコー高さデータ（反射波形情報）は記憶部５３に格納される。以上が、第１周波数ｆ１の超音波の反射エコー測定動作の流れである。同様にして、ろう厚測定装置１で、第２周波数ｆ２の超音波の反射エコー測定動作を行い（ステップＳ２）、記憶部５３に第２の反射エコー高さデータが格納される。
【００４２】
上述のように第１周波数ｆ１の超音波の反射エコー測定と、第２周波数ｆ２の超音波の反射エコー測定が終わると、ろう厚測定機能部７０のろう厚演算部７１は、エコー測定機能部５０の記憶部５３に格納された第１および第２の反射エコー高さデータに基づいてろう厚Ｔを演算する。各反射エコー高さデータは、例えば、図４のグラフ２に示す受信波形として表すことができる。受信波形は、縦軸が反射エコー高さを示し、横軸がビーム路程（時間）を示すグラフ上に表される。
【００４３】
ろう厚演算部７１は、まず、第１の反射エコー高さデータを記憶部５３から読み出し、第１の反射エコー高さデータに含まれる界面エコーｈの最大の反射エコー高さを第１の界面エコー高さＨ１として取得する（ステップＳ３）。例えば、図４のグラフ２に示す受信波形では、１つめの検出波が表面反射波であり、２つめの検出波が界面エコーｈであり、この界面エコーｈの最大の反射エコー高さが界面エコー高さＨである。同様に、ろう厚演算部７１は、第２の反射エコー高さデータを記憶部５３から読み出し、第２の反射エコー高さデータに含まれる界面エコーｈの最大の反射エコー高さを第２の界面エコー高さＨ２として取得する（ステップＳ４）。
【００４４】
続いて、ろう厚演算部７１は、第１記憶部７３からエコー高さ−ろう厚情報を読み出し（ステップＳ５）、このエコー高さ−ろう厚情報を参照して、第１の界面エコー高さＨ１と第２の界面エコー高さＨ２との組み合わせからろう厚Ｔを特定する（ステップＳ６）。以上の流れで、算出されたろう厚Ｔは、例えば、ディスプレイなどの出力装置６２に出力することができる。
【００４５】
次に、接合強度評価部７２は、算出されたろう厚Ｔに基づいて、ろう接の接合強度を算出する。接合強度とろう厚Ｔとの相関関係を示す接合強度−ろう厚情報は第２記憶部７４に格納され、接合強度評価部７２の処理で利用するように設定されている。ろう接の接合強度とろう厚Ｔとの関係は母材１１，１２とろう材１３の組み合わせ、接合面積、およびろう厚Ｔにより定まる。そこで、接合強度−ろう厚情報は、母材１１，１２とろう材１３の組み合わせおよび接合面積を定め、このときの接合強度とろう厚Ｔとの関係を試験的又は理論的に求めて、作成されている。接合強度−ろう厚情報は、例えば、図５に示すような、接合強度（せん断強さまたは引張強さ）とろう厚Ｔ（ろう付すきま）との関係である。なお、図５において、縦軸に示された突合せ継手の場合の引張強さまたは重ね継手の場合のせん断強さが接合強度と対応し、横軸に示されたろう付すきまがろう厚Ｔと対応している。
【００４６】
接合強度評価部７２は、第２記憶部７４から接合強度−ろう厚情報を読み出し（ステップＳ７）、この接合強度−ろう厚情報を参照して、算出されたろう厚Ｔから接合強度を特定する（ステップＳ８）。このように算出された接合強度は、例えば、ディスプレイなどの出力装置６２にろう厚Ｔとともに表示されるように出力することができる。
【００４７】
さらに、接合強度評価部７２は、算出された接合強度から、接合の良・不良を評価する。例えば、図５に表されるように、接合強度に或しきい値αが設定され、このしきい値αを境界として接合良範囲と接合不良範囲とが定められている。すなわち、接合強度がしきい値α以上の範囲は接合良範囲であり、接合強度がしきい値αに満たない範囲は接合不良範囲である。このしきい値αは、第２記憶部７４に格納される接合強度−ろう厚情報に含まれていてもよいし、測定毎に入力装置６１で測定条件の一つとして入力されてもよい。
【００４８】
接合強度評価部７２は、算出された接合強度としきい値αとを比較し（ステップＳ９）、接合強度がしきい値α以上のときは接合良と評価し（ステップＳ１０）、接合強度がしきい値αに満たないときは接合不良と評価する（ステップＳ１１）。この接合良又は不良の評価結果は、例えば、ディスプレイなどの出力装置６２にろう厚Ｔおよび接合強度とともに表示されるように出力することができる。
【００４９】
上述の通り、本実施形態に係るろう厚測定装置１を用いたろう厚測定方法では、予め界面エコー高さＨとろう材１３の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を作成しておき、複数の周波数の超音波の各々につき、探触子２が発振して受信した超音波の反射エコー高さを測定し（ステップＳ１，２）、測定された反射エコー高さより得られる複数の界面エコー高さＨからろう材１３の厚さを算出している（ステップＳ３，４，５，６）。このようにして、非破壊でろう接された母材間のろう材の厚さを測定することができる。しかも、ろう材の厚さを測定するにあたって超音波の減衰を利用しないので、母材とろう材との超音波の減衰率が比較的小さくても、ろう材の厚さを測定することができる。さらに、母材とろう材の物性値を用いれば、既知の対比試験片などを利用することなく、ろう材の厚さを測定することができる。
【００５０】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
【００５１】
例えば、上述の実施形態では、第１周波数ｆ１の超音波の反射エコー測定動作を行ってから、第２周波数ｆ２の超音波の反射エコー測定動作を行っているが、反射エコー測定の流れはこれに限定されない。例えば、第１周波数ｆ１の超音波と第２周波数ｆ２の超音波とを所定の間隔をおいて発振して反射エコー測定を行い、１つの反射エコー高さデータを得て、１つの反射エコー高さデータから第１の界面エコー高さＨ１と第２の界面エコー高さＨ２を得ることもできる。つまり、反射エコー測定の手段及び方法は、異なる種類の周波数の超音波の界面エコー高さをそれぞれ取得することができるものであれば、上記実施形態に限定されない。
【００５２】
また、上述の実施形態では、超音波式ろう厚測定装置１は探触子と被験体とを水没させる全没水浸法を採用しているが、母材１１の超音波の入射面と探触子の間だけ局部的に水を介在させる局部水浸法を採用してもかまわない。さらに、高精細且つ誤差の少ない探傷を行うために水浸法を用いることが望ましいが、被験体１０の状況によっては水浸法を採用しなくともよい。
【００５３】
さらに、上述の実施形態では、超音波式ろう厚測定装置１が備える探触子２は、点集束型探触子である。但し、これに代えて、他の種類の探触子を用いることが可能である。
【００５４】
また、上述の実施形態では、ろう厚測定装置１で測定されたろう厚Ｔは母材１１，１２間の接合強度の評価に利用されているが、ろう厚Ｔはその他にも利用することができる。例えば、測定されたろう厚Ｔをろう材１３の超音波探傷に利用することができる。ろう材１３の欠陥を超音波探傷する場合には、超音波を被験体１０に入射し、得られた反射エコー高さとしきい値とを比較して、欠陥の有無を判断する。このときのしきい値をろう材の厚さ基づいて定めることができる。
【００５５】
なお、超音波式ろう厚測定装置１の測定対象であるろう厚は、ろう付された母材１１，１２間のろう材１３のろう厚Ｔに限られない。本発明に係るろう厚測定装置および方法によれば、はんだ付された母材間のろう材（はんだ）の厚さを測定することもできる。さらに、本発明に係るろう厚測定装置および方法によれば、母材間に水などの媒体で満たされた微小間隙がある場合に、この微小間隙の大きさを測定することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するために有用である。さらに、本発明を応用させて、母材間に水などの媒体で満たされた微小間隙がある場合に、この微小間隙の大きさを測定することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 超音波式ろう厚測定装置
２ 探触子
３ 超音波送受信器
４ Ａ／Ｄ変換器
５ 演算制御装置
７ 水槽
１０ 被験体
１１，１２ 母材
１３ ろう材
５０ エコー測定機能部
５１ 発振制御部
５２ エコー測定部
５３ 記憶部
６１ 入力装置
６２ 出力装置
７０ 厚測定機能部
７１ ろう厚演算部
７２ 接合強度評価部
７３ 第１記憶部
７４ 第２記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するろう厚測定装置であって、
複数の周波数の超音波の発振と受信が可能な超音波探触子と、
前記複数の周波数の超音波の各々につき、前記超音波探触子が発振して受信した超音波のエコー高さを測定するエコー測定部と、
前記複数の周波数の超音波の前記母材と前記ろう材の２つの接合界面で反射した超音波の界面エコー高さと前記ろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を格納した第１の記憶部と、
前記エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定された前記エコー高さより得られる前記複数の界面エコー高さから前記ろう材の厚さを算出するろう厚演算部とを備える、ろう厚測定装置。
【請求項２】
前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第１の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルが、前記第２の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルの２倍以上である、請求項１に記載のろう厚測定装置。
【請求項３】
前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第２の周波数は前記第１の周波数の２倍以上である、請求項１に記載のろう厚測定装置。
【請求項４】
前記エコー高さ−ろう厚情報は、前記複数の周波数、前記母材の物性値および前記ろう材の物性値、又は、これらに加えて実験値に基づいている、請求項１から３のいずれか一項に記載のろう厚測定装置。
【請求項５】
ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するろう厚測定方法であって、
複数の周波数の超音波の各々につき、超音波探触子が発振して受信した超音波のエコー高さを測定するステップと、
複数の周波数の超音波の界面エコー高さと前記ろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を作成するステップと、
前記エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定された前記エコー高さより得られる前記複数の界面エコー高さから前記ろう材の厚さを算出するステップとを含む、ろう厚測定方法。
【請求項６】
前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第１の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルが、前記第２の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルの２倍以上である、請求項５に記載のろう厚測定方法。
【請求項７】
前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第２の周波数は前記第１の周波数の２倍以上である、請求項５に記載のろう厚測定方法。
【請求項８】
前記エコー高さ−ろう厚情報を作成するステップは、前記複数の周波数、前記母材の物性値および前記ろう材の物性値、又は、これらに加えて実験値に基づいて前記エコー高さ−ろう厚情報を作成する、請求項５から７のいずれか一項に記載のろう厚測定方法。
【請求項１】
ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するろう厚測定装置であって、
複数の周波数の超音波の発振と受信が可能な超音波探触子と、
前記複数の周波数の超音波の各々につき、前記超音波探触子が発振して受信した超音波のエコー高さを測定するエコー測定部と、
前記複数の周波数の超音波の前記母材と前記ろう材の２つの接合界面で反射した超音波の界面エコー高さと前記ろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を格納した第１の記憶部と、
前記エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定された前記エコー高さより得られる前記複数の界面エコー高さから前記ろう材の厚さを算出するろう厚演算部とを備える、ろう厚測定装置。
【請求項２】
前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第１の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルが、前記第２の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルの２倍以上である、請求項１に記載のろう厚測定装置。
【請求項３】
前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第２の周波数は前記第１の周波数の２倍以上である、請求項１に記載のろう厚測定装置。
【請求項４】
前記エコー高さ−ろう厚情報は、前記複数の周波数、前記母材の物性値および前記ろう材の物性値、又は、これらに加えて実験値に基づいている、請求項１から３のいずれか一項に記載のろう厚測定装置。
【請求項５】
ろう接された母材間のろう材の厚さを測定するろう厚測定方法であって、
複数の周波数の超音波の各々につき、超音波探触子が発振して受信した超音波のエコー高さを測定するステップと、
複数の周波数の超音波の界面エコー高さと前記ろう材の厚さとの相関関係を示すエコー高さ−ろう厚情報を作成するステップと、
前記エコー高さ−ろう厚情報を用いて、測定された前記エコー高さより得られる前記複数の界面エコー高さから前記ろう材の厚さを算出するステップとを含む、ろう厚測定方法。
【請求項６】
前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第１の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルが、前記第２の周波数の超音波の界面エコー高さのろう材の厚さの増加に伴う変動サイクルの２倍以上である、請求項５に記載のろう厚測定方法。
【請求項７】
前記複数の周波数は、少なくとも第１の周波数とこれよりも大きい第２の周波数とを含み、前記第２の周波数は前記第１の周波数の２倍以上である、請求項５に記載のろう厚測定方法。
【請求項８】
前記エコー高さ−ろう厚情報を作成するステップは、前記複数の周波数、前記母材の物性値および前記ろう材の物性値、又は、これらに加えて実験値に基づいて前記エコー高さ−ろう厚情報を作成する、請求項５から７のいずれか一項に記載のろう厚測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２７８６６（Ｐ２０１２−１２７８６６Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８０９０４（Ｐ２０１０−２８０９０４）
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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