超音波応力測定方法及び装置
【課題】測定対象物の残留応力をより高精度に測定することができる超音波測定方法を提供する。
【解決手段】層構造を有する測定対象物の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定方法であって、測定対象物内の測定対象層の自由度の数に応じて複数の振動モードを設定し、設定した振動モードに対応する超音波を測定対象層に発信し当該測定対象層で反射された超音波を受信して測定対象層の固有振動数を測定する測定動作を、前記それぞれの振動モードについて行ない、前記測定動作により得られた各振動モードに対する固有振動数の複数の測定データに基づいて測定対象層の残留応力を測定する、ことを含む。
【解決手段】層構造を有する測定対象物の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定方法であって、測定対象物内の測定対象層の自由度の数に応じて複数の振動モードを設定し、設定した振動モードに対応する超音波を測定対象層に発信し当該測定対象層で反射された超音波を受信して測定対象層の固有振動数を測定する測定動作を、前記それぞれの振動モードについて行ない、前記測定動作により得られた各振動モードに対する固有振動数の複数の測定データに基づいて測定対象層の残留応力を測定する、ことを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、層構造を有する測定対象物の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波応力測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などの電子機器で使用される充電池においては、充放電時の電気特性、保存特性、及びサイクル特性の向上と、電池体積の縮小とが求められている。特に電池体積においては、充電池が充放電を繰り返すことで膨張していくという性質を有するため、充放電の回数が増加するに従い電池体積が増加して、充電池の規格寸法を外れてしまうことがある。この電池体積の増加を抑制するため、充電池の内部の残留応力を測定し、これを制御することが求められている。
【０００３】
この残留応力を非破壊で測定する方法として、原子間距離の変化から残留応力を求める方法、磁化した際の磁気歪みから残留応力を求める方法、超音波の伝播速度の変化から残留応力を求める方法（以下、音弾性法という）などがある。
【０００４】
前記音弾性法の一つとして複屈折音弾性法がある。複屈折音弾性法は、測定対象物の厚み方向に超音波を伝搬させることにより、測定対象物の厚み方向の平均残留応力を測定する方法である。図５は、この複屈折音弾性法を利用した従来の超音波応力測定装置の構成を示す概略図である（例えば、特許文献１：特開２００４−０７７４６０号公報参照）。
【０００５】
図５に示す従来の超音波応力測定装置においては、超音波発生用レーザ１０１が周波数の異なる２つのレーザビームを発信することにより、測定対象物１０２の内部に縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波が発生する。これらの各超音波は、測定対象物１０２の底面で反射されて、測定対象物１０２の表面の超音波検出位置を超音波振動させる。この超音波検出位置に対して超音波検出用レーザ１０３からレーザビームが発信されると、前記超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて、前記レーザビームの周波数が変化する。この周波数変化を干渉計１０４が検出する。コンピュータ１０５は、干渉計１０４が検出した前記縦波による周波数変化に基づいて測定対象物１０２の内部温度を求めると共に、干渉計１０４が検出した前記２つの横波による周波数変化に基づいて音速を算出する。その後、コンピュータ１０５は、前記内部温度と音速とを、音速比法を利用した式に代入して計算する。これにより、測定対象物１０２の残留応力を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−０７７４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の超音波応力測定装置においては、測定対象物の材料自体の異方性（音響異方性）の影響を受けてしまうため、残留応力の測定を高精度に行うことができないという課題がある。すなわち、測定対象物の材料自体の異方性（音響異方性）は、材料の厚み、超音波の入射角などに依存する。このため、例えば、測定対象物が多層構造である場合には、各層の厚みのバラツキなどにより、前記異方性が変化することになる。この異方性の変化は、超音波の伝播速度に影響を与える。このため、超音波の伝播速度の変化から応力を求める音弾性法では、前記異方性による測定誤差が生じる。従って、複屈折音弾性法を利用する前記従来の超音波応力測定装置では、残留応力の測定を高精度に行うことができない。
【０００８】
従って、本発明の目的は、前記従来の課題を解決することにあって、測定対象物の残留応力をより高精度に測定することができる超音波応力測定方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明は、以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、測定対象物内の測定対象層の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定方法であって、
前記測定対象層の自由度の数に応じて複数の振動モードを設定し、
前記設定した振動モードに対応する超音波を前記測定対象層に発信し当該測定対象層で反射された超音波を受信して前記測定対象層の固有振動数を測定する測定動作を、前記それぞれの振動モードについて行ない、
前記測定動作により得られた前記各振動モードに対する前記固有振動数の複数の測定データに基づいて、前記測定対象層の残留応力を測定する、
超音波応力測定方法を提供する。
【００１０】
本発明の第２態様によれば、前記測定動作により得られた前記各振動モードに対する前記測定対象層の固有振動数のデータを、前記測定対象層の固有振動数を求める定義式に代入して複数の式を得、それらの式を連立させることで、前記測定対象層の残留応力を測定する、第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１１】
本発明の第３態様によれば、前記振動モードの数が、前記測定対象層の自由度の数と等しい、第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１２】
本発明の第４態様によれば、前記測定動作は、前記設定した振動モードに対応する超音波を前記測定対象層で収束するように発信し、当該測定対象層で反射された超音波を超音波遮蔽部に設けたピンホール内で収束させ、当該ピンホールを通過した超音波のみを受信して、前記測定対象層の固有振動数を測定する動作である、
第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１３】
本発明の第５態様によれば、前記ピンホールの径が前記測定対象層で反射された超音波の収束径と等しい、第４態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１４】
本発明の第６態様によれば、前記振動モードは、前記測定対象層の材質と層厚とに基づいて設定される、第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１５】
本発明の第７態様によれば、前記測定対象物は、複数の層で構成される多層構造を有しており、
前記複数の層のそれぞれに対して残留応力の測定を行い、
前記複数の層のそれぞれの残留応力の測定結果に基づいて前記測定対象物の内部応力分布を求める、第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１６】
本発明の第８態様によれば、測定対象物内の測定対象層の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定装置であって、
前記測定対象層の自由度の数に応じて設定された複数の振動モードに対応する複数の超音波を、前記測定対象層に発信する超音波発信部と、
前記測定対象層で反射された各超音波を受信する超音波受信部と、
前記超音波受信部が受信した各超音波に基づいて前記測定対象層の固有振動数を測定し、当該測定により得られた前記固有振動数の複数の測定データに基づいて前記測定対象層の残留応力を測定する応力測定部と、
を備える、超音波応力測定装置を提供する。
【００１７】
本発明の第９態様によれば、前記測定対象層で反射された超音波を収束位置に収束させる音響レンズと、
前記収束位置にピンホールが形成され、前記測定対象層で反射された超音波を前記ピンホールを通じて通過させて前記超音波受信部に受信させる一方、前記測定対象層以外の部分で反射された超音波を遮断する超音波遮蔽部と、
をさらに備える、第８態様に記載の超音波応力測定装置を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の超音波応力測定方法及び装置によれば、測定対象物の残留応力をより高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態における超音波応力測定装置の概略図
【図２】本発明の実施の形態における超音波応力測定方法を示すフローチャート
【図３Ａ】一般的なパルス信号の波形を示す図
【図３Ｂ】本発明の実施の形態において、送信パルスが発生させる電気信号の波形を示す図
【図４Ａ】本発明の実施の形態における超音波応力測定装置において、第１探傷子から発信され測定対象層で反射された超音波がピンホールを通過する様子を示す概略図
【図４Ｂ】本発明の実施の形態における超音波測定装置において、第１探傷子から発信され測定対象層以外の層で反射された超音波が超音波遮断板に遮断される様子を示す概略図
【図５】従来の超音波応力測定装置の概略図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施の形態の説明において、同一構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００２１】
（実施の形態）
本発明の実施の形態における超音波応力測定装置の構成について説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態における超音波応力測定装置の概略図である。
【００２３】
図１において、本実施の形態における超音波応力測定装置により残留応力を測定される測定対象物１は、カップリング剤２で満たされた容器３内に配置されている。
【００２４】
測定対象物１は、多層構造を有するもの、例えば、携帯電話などの電子機器で使用されるリチウムイオン電池などの充電池である。リチウムイオン電池は、正極にコバルト酸リチウム、負極にグラファイトを用い、それぞれの極板を複数積み重ねた多層構造になっている。
【００２５】
カップリング剤２は、超音波の伝播速度を安定化させるためのものである。カップリング剤２としては、例えば、グリセリン、プロピレングリコール、水、油、ジェルなどを用いることができる。
【００２６】
測定対象物１の材質、内部構造（各層の層厚など）、拘束条件などの諸条件は、Ｘ線ＣＴ装置などによる測定データや設計データなどを用いて、予め求めておく。そして、その諸条件のデータは、応力測定部の一例であるコンピュータ４に、使用者による入力動作などにより予め保存（記憶）されている。ここで、本実施の形態の拘束条件とは、測定対象物１を物理的に拘束している条件である。例えば、長方形の測定対象物の２辺が固定されていて、２辺が自由な場合、測定対象物の拘束条件は、「２辺が拘束されている」となる。
【００２７】
コンピュータ４は、測定対象物１の諸条件のデータに基づいて、測定対象物１の測定対象層１ａの予想固有振動数（振動モード：基本振動、２倍振動、３倍振動、・・・）を、測定対象層１ａの自由度の数だけ定義（設定）する。ここで、測定対象層１ａの自由度とは、測定対象層１ａの幅、長さ、面密度、単位長さ当たり応力など、測定対象層１ａに関する未知の項目を意味する。例えば、測定対象層１ａの幅と長さの２つの項目が未知である場合、コンピュータ４は、２つの振動モードを予想固有振動数の振動モードとして設定する。
【００２８】
前記設定後、コンピュータ４は、前記設定した振動モードに対応するデジタル信号を出力する。前記デジタル信号は、Ｄ／Ａ変換部５と送信パルス６とにより電気信号に変換され、超音波発信部の一例である第１探傷子７に入力される。
【００２９】
第１探傷子７は、前記電気信号を超音波信号に変換する。なお、測定対象層１ａの自由度の数が２以上である場合、前述したように、２以上の振動モードが設定される。この場合、１つの第１探傷子７では対応できる振動モードの幅が小さいので、第１探傷子７を複数設け、各第１探傷子７の固有振動数を、複数の振動モードのいずれかに対応させることが好ましい。この場合、コンピュータ４が設定した振動モードに対応する固有振動数を持つ第１探傷子７に、当該振動モードに対応する前記電気信号が入力されるようにすればよい。
【００３０】
第１探傷子７から発信された超音波は、第１探傷子７の先端部に設置された第１音響レンズ８により収束される。当該超音波の収束位置は、第１音響レンズ８の設計情報、第１探傷子７と測定対象物１との配置関係、各部材（測定対象物１、カップリング剤２など）の組成等の条件から決まる。第１探傷子７は、探傷ヘッド９に保持されている。探傷ヘッド９は、制御部１０の制御により、前記収束位置が測定対象層１ａの内部に位置するように移動（位置調整）される。制御部１０は、コンピュータ４が出力する前記デジタル信号に基づいて、探傷ヘッド９を移動（位置調整）させる。
【００３１】
前記のように探傷ヘッド９が位置調整された状態で第１探傷子７から発信された超音波は、測定対象層１ａの表面で反射される。当該反射された超音波は、発散しながら超音波受信部の一例である第２探傷子１１の先端部に設置された第２音響レンズ１２に入射し、第２音響レンズ１２によって収束される。第２音響レンズ１２の内部には、超音波遮蔽部の一例である超音波遮蔽板１３が設置されている。超音波遮蔽板１３には、ピンホール１３ａが形成されている。第２探傷子１１と第２音響レンズ１２とは、前記第２音響レンズ１２により収束された超音波の収束位置が、超音波遮蔽板１３のピンホール１３ａに一致するように、探傷ヘッド９に保持されている。言い換えれば、ピンホール１３ａの径が測定対象層１で反射された超音波の収束径と等しくなるように、各部及び各装置が調整されている。
【００３２】
第２音響レンズ１２により収束されてピンホール１３ａを通過した超音波は、第２探傷子１１に受信され、電気信号に変換される。当該電気信号は、増幅器１４によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換部１５によりデジタル信号に変換され、コンピュータ４に入力される。コンピュータ４は、前記入力されたデジタル信号に基づいて、測定対象層１ａの固有振動数を測定する。
【００３３】
コンピュータ４は、前記動作を、前述した測定対象層１ａの自由度の数だけ予想固有振動数（振動モード）を変えながら行い、これにより取得したデータに基づいて、測定対象層１ａの残留応力を算出する。この算出方法については、後で詳しく説明する。コンピュータ４が算出したデータなどは、ディスプレイ１６に適宜表示される。
【００３４】
次に、本実施の形態における測定対象物１の残留応力を超音波応力測定するフローについて説明する。
【００３５】
図２は、本実施の形態における超音波応力測定方法を示すフローチャートである。
【００３６】
まず、測定対象物１の設計情報又はＸ線ＣＴ画像などより、多層構造を有する測定対象物１の材質、内部構造（層厚等）、拘束条件などの諸条件を、予めコンピュータ４に入力し記憶させる（ステップＳ１）。なお、以下に説明する動作は、特に断りがない限り、コンピュータ４が主体として行う。
【００３７】
次いで、記憶した測定対象物１の諸条件に基づいて、１つの測定対象層１ａに対する予想固有振動数（振動モード：基本振動、２倍振動、３倍振動、・・・）を、測定対象層１ａの自由度の数だけ設定（定義）する（ステップＳ２）。
【００３８】
例えば、測定対象層１ａが長方形膜であり、当該長方形膜の周囲４辺が固定（拘束）されている場合、測定対象層１ａの固有振動数ωm,nの定義式は、下記式１のように示される。
【００３９】
【数１】
【００４０】
前記式１において、ａは測定対象物である長方形膜の短辺の長さ、ｂは長辺の長さ、ρは膜の面密度、Ｔは膜に加わっている単位面積当たりの応力、ｍは長方形膜の表面のＸ方向における振動モード、ｎは長方形膜の表面のＹ方向における振動モードを示している。なお、本実施の形態では、前記式１において定義している応力Ｔが、測定対象物である長方形膜の残留応力となる。したがって、前記式１などを用いて応力Ｔを求めることで、測定対象物の残留応力を求めることができる。
【００４１】
一般に、未知数がＭ個ある場合（Ｍは自然数）、Ｍ個以上の式を連立させることで、全ての未知数を算出することができる。例えば、前記式１において短辺の長さａ、長辺の長さｂ、面密度ρ、応力Ｔが未知数である場合、実験条件Ｍexpを４通り用意し、それらの実験条件から得られたデータを前記式１に代入して４つの式を得、それらの式を連立させることで、前記４つの未知数を算出することができる。なお、短辺の長さａ、長辺の長さｂ、面密度ρについては、応力Ｔの測定を高精度に行なうために、応力Ｔと同時に算出することが好ましい。
【００４２】
前記ステップＳ２の後、実験条件ＭexpをＭexp＝１として測定対象層１ａの固有振動数ωm,nを測定する（ステップＳ３）。ここで、実験条件Ｍexpは、測定対象層１ａの自由度の数だけ予め用意されている。具体的には、実験条件毎に、Ｘ方向振動モードｍとＹ方向振動モードｎとの組合せが設定されている。例えば、実験条件が４つある場合、Ｍexp＝１には（ｍ＝１，ｎ＝２）、Ｍexp＝２には（ｍ＝２，ｎ＝２）、Ｍexp＝３には（ｍ＝２，ｎ＝１）、Ｍexp＝４には（ｍ＝２，ｎ＝３）の組合せが設定されている。ここで、ｍ＝１は基準振動、ｍ＝２は２倍振動、ｍ＝３は３倍振動を示す。同様に、ｎ＝１は基準振動、ｎ＝２は２倍振動、ｎ＝３は３倍振動を示す。
【００４３】
次いで、コンピュータ４は、実験条件Ｍexpが測定対象層１ａの自由度の数以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００４４】
実験条件Ｍexpが測定対象層１ａの自由度の数以下であるとき、当該実験条件Ｍexpにおける振動モード（Ｘ方向振動モードｍとＹ方向振動モードｎとの組合せ）にて、測定対象層１ａの固有振動数ωm,nを測定する（ステップＳ５）。例えば、実験条件Ｍexp＝１のとき、振動モード（ｍ＝１，ｎ＝２）に対応する超音波を第１探傷子７から発信し、測定対象層１ａで反射された超音波に基づいて、測定対象層１ａの固有振動数ωm,nを測定する。
【００４５】
次いで、実験条件Ｍexpをインクリメント（変数の値を１増やす演算）して、前記ステップＳ４に戻る（ステップＳ６）。前記ステップＳ４〜Ｓ６の動作を、実験条件Ｍexpが測定対象層１ａの自由度の数より大きくなるまで繰り返し、測定対象層１ａの固有振動数ωm,nの測定データを複数得る。
【００４６】
実験条件Ｍexpが測定対象層１ａの自由度の数より大きくなった時、測定対象層１ａの固有振動数の測定を終了する。その後、前記得られた複数の測定データを前記式１に代入して、複数の式を得、それらの式を連立させて、応力Ｔを算出する（ステップＳ７）。なお、ここでは、未知数の項目の数だけ定義式を連立させるため、応力Ｔだけでなく、他の未知数の項目の全てを算出することが可能である。例えば、測定対象層１ａである長方形膜の短辺及び長辺の長さが未知数の場合、当該長方形膜の短辺及び長辺の長さを、前記応力Ｔと同時に算出することが可能である。これにより、応力Ｔ（残留応力）の測定をより高精度に行なうことができる。
【００４７】
前記ステップＳ１〜Ｓ７を、測定対象物１の全ての層に対してそれぞれ行なうことで、多層構造である測定対象物１の各層の残留応力をそれぞれ算出することができる。また、測定対象物１の各層の残留応力を全て算出することで、測定対象物１の内部の残留応力分布を求めることが可能となる。
【００４８】
次に、送信パルス６が発生させる電気信号の波形について説明する。
【００４９】
図３Ａは、一般的なパルス信号の波形を示す図であり、図３Ｂは、本実施の形態において、送信パルスが発生させる電気信号の波形を示す図である。図３Ａ及び図３Ｂの左図は、時間（ｔ）に対する電圧値（Ｖ）の変化を示す図であり、図３Ａ及び図３Ｂの右図は、周波数（ｆ）に対する電圧値（Ｖ）の変化を示す図である。
【００５０】
図３Ａに示すように、一般的なパルスの電気信号の波形は、完全なパルス形状となっている。これに対し、本実施の形態において、送信パルス６が発生させる電気信号は、図３Ｂに示すように、完全なパルス形状となっておらず、広帯域の周波数を持つ電気信号となっている。これにより、測定対象層１ａの予想固有振動数と実際の固有振動数とが大きく異なる場合であっても、層間で共振が起こる可能性を高くし、多層構造物である測定対象物１の層間（測定対象層１ａとその近傍の層との間）の影響を小さくしている。
【００５１】
また、本実施の形態においては、図２に示すフローチャートに従って、測定対象層１ａの残留応力を算出する。この時、測定対象層１ａとその近傍の層との層間距離が短い場合には、その近傍の層で反射された超音波も第２探傷子１１が受信してしまう可能性がある。この場合、高精度な応力測定ができないことになる。本実施の形態では、測定対象層１ａ以外の層で反射された超音波の影響を軽減するために、ピンホール１３ａを有する超音波遮蔽板１３を設けている。すなわち、測定対象層１ａで反射された超音波は、ピンホール１３ａを通じて超音波遮蔽板１３を通過する一方、測定対象層１ａ以外の層で反射された超音波は、超音波遮蔽板１３により遮断するようにしている。従って、さらに高精度な残留応力の測定を行なうことが可能となる。
【００５２】
ここで、ピンホール１３ａの好ましい配置について説明する。
【００５３】
図４Ａは、本実施の形態における超音波測定装置において、第１探傷子７から発信され測定対象層１ａで反射された超音波がピンホールを通過する様子を示す概略図であり、図４Ｂは、本実施の形態における超音波測定装置において、第１探傷子７から発信され測定対象層１ａ以外の層で反射された超音波が超音波遮断板１３に遮断される様子を示す概略図である。
【００５４】
第１音響レンズ８の焦点距離をＦ１とし、第２音響レンズ１２の焦点距離をＦ２とし、第２音響レンズ１２からピンホール１３ａまでの距離をＦ３とし、カップリング剤２中での音速をＶ１とし、第２探傷子１１に使われている材料中での音速をＶ２としたとき、下記式２関係を満たすようにピンホール１３ａを配置することが好ましい。
【００５５】
【数２】
【００５６】
また、第２音響レンズ１２の開口直径をＤ２とし、ピンホール１３ａの径をＲ３とし、測定対象層１ａの固有振動数のうち最小のものをωｍinとしたとき、下記式３の関係を満たすようにピンホール１３ａの径を設定することが好ましい。
【００５７】
【数３】
【００５８】
例えば、焦点距離Ｆ１が４０ｍｍ、焦点距離Ｆ２が１０ｍｍ、カップリング剤２中での音速Ｖ１が１５００ｍ／ｓ（水）、第２音響レンズ１１中での音速Ｖ２が５９００ｍ／ｓ（溶融石英）、最小固有振動数ωｍinが２０ＭＨｚのとき、第２音響レンズ１２からピンホール１３ａまでの距離Ｆ３は５２．４ｍｍとし、ピンホール１３ａの径Ｒ３は０．９８ｍｍよりも小さくすることが好ましい。このように配置した場合、図４Ａに示すように測定対象層１ａで反射された超音波は、ピンホール１３ａを通過する。一方、図４Ｂに示すように測定対象層１ａ以外の層で反射された超音波は、超音波遮蔽板１３で遮断することができる。これにより、ＳＮ比の高い高精度な残留応力の測定を実現することができる。
【００５９】
以上、本実施の形態の構成によれば、測定対象物１の内部構造（測定対象層１ａ等）が正確に把握できない場合においても、振動モードを変えた固有振動数での解析を行うことで、各層の残留応力をそれぞれ高精度に測定することが可能となる。さらに、残留応力に加え、未知の項目として算出された測定対象物１の内部構造（短辺の長さ、長辺の長さなど）も測定することが可能となる。また、測定対象層１ａ以外の層で反射される超音波は、超音波遮蔽板１３により遮断することができる。これにより、測定対象層１ａ以外の層で反射される超音波の影響を受けにくい測定が可能となる。
【００６０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、カップリング剤２が満たされた容器３内に測定対象物１を設置するとしたが、本発明はこれに限定されない。第１探傷子７と測定対象物１との間、及び第２探傷子１１との間にカップリング剤２を充填させるものがあればよい。この場合でも、同様の効果を奏することができる。
【００６１】
また、本実施の形態においては、第２音響レンズ１２により収束された超音波の収束位置に超音波遮蔽板１３のピンホール１３ａを設けたが、本発明はこれに限定されない。ピンホール１３ａは、前記収束位置以外の位置に設けられてもよい。但し、この場合、測定対象層１ａで反射された超音波が超音波遮蔽板１３に完全に遮断されてしまうと、測定対象層１ａの超音波応力測定が不可能になる。このため、測定対象層１ａで反射された超音波が超音波遮蔽板１３に完全に遮断されないように、ピンホール１３ａの設置位置及びピンホール１３ａの径を設定することが必要である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明にかかる超音波応力測定方法及び装置によれば、測定対象物の残留応力をより高精度に測定することができるので、例えば、充電池、実装基板などの層構造を有する測定対象物の残留応力を測定するのに有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 測定対象物
１ａ 測定対象層
２ カップリング剤
３ 容器
４ コンピュータ（応力測定部）
５ Ｄ／Ａ変換部
６ 送信パルス
７ 第１探傷子（超音波発信部）
８ 第１音響レンズ
９ 探傷ヘッド
１０ 制御部
１１ 第２探傷子（超音波受信部）
１２ 第２音響レンズ
１３ 超音波遮蔽板
１３ａ ピンホール
１４ 増幅器
１５ Ａ／Ｄ変換部
１６ ディスプレイ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、層構造を有する測定対象物の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波応力測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などの電子機器で使用される充電池においては、充放電時の電気特性、保存特性、及びサイクル特性の向上と、電池体積の縮小とが求められている。特に電池体積においては、充電池が充放電を繰り返すことで膨張していくという性質を有するため、充放電の回数が増加するに従い電池体積が増加して、充電池の規格寸法を外れてしまうことがある。この電池体積の増加を抑制するため、充電池の内部の残留応力を測定し、これを制御することが求められている。
【０００３】
この残留応力を非破壊で測定する方法として、原子間距離の変化から残留応力を求める方法、磁化した際の磁気歪みから残留応力を求める方法、超音波の伝播速度の変化から残留応力を求める方法（以下、音弾性法という）などがある。
【０００４】
前記音弾性法の一つとして複屈折音弾性法がある。複屈折音弾性法は、測定対象物の厚み方向に超音波を伝搬させることにより、測定対象物の厚み方向の平均残留応力を測定する方法である。図５は、この複屈折音弾性法を利用した従来の超音波応力測定装置の構成を示す概略図である（例えば、特許文献１：特開２００４−０７７４６０号公報参照）。
【０００５】
図５に示す従来の超音波応力測定装置においては、超音波発生用レーザ１０１が周波数の異なる２つのレーザビームを発信することにより、測定対象物１０２の内部に縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波が発生する。これらの各超音波は、測定対象物１０２の底面で反射されて、測定対象物１０２の表面の超音波検出位置を超音波振動させる。この超音波検出位置に対して超音波検出用レーザ１０３からレーザビームが発信されると、前記超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて、前記レーザビームの周波数が変化する。この周波数変化を干渉計１０４が検出する。コンピュータ１０５は、干渉計１０４が検出した前記縦波による周波数変化に基づいて測定対象物１０２の内部温度を求めると共に、干渉計１０４が検出した前記２つの横波による周波数変化に基づいて音速を算出する。その後、コンピュータ１０５は、前記内部温度と音速とを、音速比法を利用した式に代入して計算する。これにより、測定対象物１０２の残留応力を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−０７７４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の超音波応力測定装置においては、測定対象物の材料自体の異方性（音響異方性）の影響を受けてしまうため、残留応力の測定を高精度に行うことができないという課題がある。すなわち、測定対象物の材料自体の異方性（音響異方性）は、材料の厚み、超音波の入射角などに依存する。このため、例えば、測定対象物が多層構造である場合には、各層の厚みのバラツキなどにより、前記異方性が変化することになる。この異方性の変化は、超音波の伝播速度に影響を与える。このため、超音波の伝播速度の変化から応力を求める音弾性法では、前記異方性による測定誤差が生じる。従って、複屈折音弾性法を利用する前記従来の超音波応力測定装置では、残留応力の測定を高精度に行うことができない。
【０００８】
従って、本発明の目的は、前記従来の課題を解決することにあって、測定対象物の残留応力をより高精度に測定することができる超音波応力測定方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明は、以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、測定対象物内の測定対象層の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定方法であって、
前記測定対象層の自由度の数に応じて複数の振動モードを設定し、
前記設定した振動モードに対応する超音波を前記測定対象層に発信し当該測定対象層で反射された超音波を受信して前記測定対象層の固有振動数を測定する測定動作を、前記それぞれの振動モードについて行ない、
前記測定動作により得られた前記各振動モードに対する前記固有振動数の複数の測定データに基づいて、前記測定対象層の残留応力を測定する、
超音波応力測定方法を提供する。
【００１０】
本発明の第２態様によれば、前記測定動作により得られた前記各振動モードに対する前記測定対象層の固有振動数のデータを、前記測定対象層の固有振動数を求める定義式に代入して複数の式を得、それらの式を連立させることで、前記測定対象層の残留応力を測定する、第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１１】
本発明の第３態様によれば、前記振動モードの数が、前記測定対象層の自由度の数と等しい、第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１２】
本発明の第４態様によれば、前記測定動作は、前記設定した振動モードに対応する超音波を前記測定対象層で収束するように発信し、当該測定対象層で反射された超音波を超音波遮蔽部に設けたピンホール内で収束させ、当該ピンホールを通過した超音波のみを受信して、前記測定対象層の固有振動数を測定する動作である、
第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１３】
本発明の第５態様によれば、前記ピンホールの径が前記測定対象層で反射された超音波の収束径と等しい、第４態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１４】
本発明の第６態様によれば、前記振動モードは、前記測定対象層の材質と層厚とに基づいて設定される、第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１５】
本発明の第７態様によれば、前記測定対象物は、複数の層で構成される多層構造を有しており、
前記複数の層のそれぞれに対して残留応力の測定を行い、
前記複数の層のそれぞれの残留応力の測定結果に基づいて前記測定対象物の内部応力分布を求める、第１態様に記載の超音波応力測定方法を提供する。
【００１６】
本発明の第８態様によれば、測定対象物内の測定対象層の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定装置であって、
前記測定対象層の自由度の数に応じて設定された複数の振動モードに対応する複数の超音波を、前記測定対象層に発信する超音波発信部と、
前記測定対象層で反射された各超音波を受信する超音波受信部と、
前記超音波受信部が受信した各超音波に基づいて前記測定対象層の固有振動数を測定し、当該測定により得られた前記固有振動数の複数の測定データに基づいて前記測定対象層の残留応力を測定する応力測定部と、
を備える、超音波応力測定装置を提供する。
【００１７】
本発明の第９態様によれば、前記測定対象層で反射された超音波を収束位置に収束させる音響レンズと、
前記収束位置にピンホールが形成され、前記測定対象層で反射された超音波を前記ピンホールを通じて通過させて前記超音波受信部に受信させる一方、前記測定対象層以外の部分で反射された超音波を遮断する超音波遮蔽部と、
をさらに備える、第８態様に記載の超音波応力測定装置を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の超音波応力測定方法及び装置によれば、測定対象物の残留応力をより高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態における超音波応力測定装置の概略図
【図２】本発明の実施の形態における超音波応力測定方法を示すフローチャート
【図３Ａ】一般的なパルス信号の波形を示す図
【図３Ｂ】本発明の実施の形態において、送信パルスが発生させる電気信号の波形を示す図
【図４Ａ】本発明の実施の形態における超音波応力測定装置において、第１探傷子から発信され測定対象層で反射された超音波がピンホールを通過する様子を示す概略図
【図４Ｂ】本発明の実施の形態における超音波測定装置において、第１探傷子から発信され測定対象層以外の層で反射された超音波が超音波遮断板に遮断される様子を示す概略図
【図５】従来の超音波応力測定装置の概略図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施の形態の説明において、同一構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００２１】
（実施の形態）
本発明の実施の形態における超音波応力測定装置の構成について説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態における超音波応力測定装置の概略図である。
【００２３】
図１において、本実施の形態における超音波応力測定装置により残留応力を測定される測定対象物１は、カップリング剤２で満たされた容器３内に配置されている。
【００２４】
測定対象物１は、多層構造を有するもの、例えば、携帯電話などの電子機器で使用されるリチウムイオン電池などの充電池である。リチウムイオン電池は、正極にコバルト酸リチウム、負極にグラファイトを用い、それぞれの極板を複数積み重ねた多層構造になっている。
【００２５】
カップリング剤２は、超音波の伝播速度を安定化させるためのものである。カップリング剤２としては、例えば、グリセリン、プロピレングリコール、水、油、ジェルなどを用いることができる。
【００２６】
測定対象物１の材質、内部構造（各層の層厚など）、拘束条件などの諸条件は、Ｘ線ＣＴ装置などによる測定データや設計データなどを用いて、予め求めておく。そして、その諸条件のデータは、応力測定部の一例であるコンピュータ４に、使用者による入力動作などにより予め保存（記憶）されている。ここで、本実施の形態の拘束条件とは、測定対象物１を物理的に拘束している条件である。例えば、長方形の測定対象物の２辺が固定されていて、２辺が自由な場合、測定対象物の拘束条件は、「２辺が拘束されている」となる。
【００２７】
コンピュータ４は、測定対象物１の諸条件のデータに基づいて、測定対象物１の測定対象層１ａの予想固有振動数（振動モード：基本振動、２倍振動、３倍振動、・・・）を、測定対象層１ａの自由度の数だけ定義（設定）する。ここで、測定対象層１ａの自由度とは、測定対象層１ａの幅、長さ、面密度、単位長さ当たり応力など、測定対象層１ａに関する未知の項目を意味する。例えば、測定対象層１ａの幅と長さの２つの項目が未知である場合、コンピュータ４は、２つの振動モードを予想固有振動数の振動モードとして設定する。
【００２８】
前記設定後、コンピュータ４は、前記設定した振動モードに対応するデジタル信号を出力する。前記デジタル信号は、Ｄ／Ａ変換部５と送信パルス６とにより電気信号に変換され、超音波発信部の一例である第１探傷子７に入力される。
【００２９】
第１探傷子７は、前記電気信号を超音波信号に変換する。なお、測定対象層１ａの自由度の数が２以上である場合、前述したように、２以上の振動モードが設定される。この場合、１つの第１探傷子７では対応できる振動モードの幅が小さいので、第１探傷子７を複数設け、各第１探傷子７の固有振動数を、複数の振動モードのいずれかに対応させることが好ましい。この場合、コンピュータ４が設定した振動モードに対応する固有振動数を持つ第１探傷子７に、当該振動モードに対応する前記電気信号が入力されるようにすればよい。
【００３０】
第１探傷子７から発信された超音波は、第１探傷子７の先端部に設置された第１音響レンズ８により収束される。当該超音波の収束位置は、第１音響レンズ８の設計情報、第１探傷子７と測定対象物１との配置関係、各部材（測定対象物１、カップリング剤２など）の組成等の条件から決まる。第１探傷子７は、探傷ヘッド９に保持されている。探傷ヘッド９は、制御部１０の制御により、前記収束位置が測定対象層１ａの内部に位置するように移動（位置調整）される。制御部１０は、コンピュータ４が出力する前記デジタル信号に基づいて、探傷ヘッド９を移動（位置調整）させる。
【００３１】
前記のように探傷ヘッド９が位置調整された状態で第１探傷子７から発信された超音波は、測定対象層１ａの表面で反射される。当該反射された超音波は、発散しながら超音波受信部の一例である第２探傷子１１の先端部に設置された第２音響レンズ１２に入射し、第２音響レンズ１２によって収束される。第２音響レンズ１２の内部には、超音波遮蔽部の一例である超音波遮蔽板１３が設置されている。超音波遮蔽板１３には、ピンホール１３ａが形成されている。第２探傷子１１と第２音響レンズ１２とは、前記第２音響レンズ１２により収束された超音波の収束位置が、超音波遮蔽板１３のピンホール１３ａに一致するように、探傷ヘッド９に保持されている。言い換えれば、ピンホール１３ａの径が測定対象層１で反射された超音波の収束径と等しくなるように、各部及び各装置が調整されている。
【００３２】
第２音響レンズ１２により収束されてピンホール１３ａを通過した超音波は、第２探傷子１１に受信され、電気信号に変換される。当該電気信号は、増幅器１４によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換部１５によりデジタル信号に変換され、コンピュータ４に入力される。コンピュータ４は、前記入力されたデジタル信号に基づいて、測定対象層１ａの固有振動数を測定する。
【００３３】
コンピュータ４は、前記動作を、前述した測定対象層１ａの自由度の数だけ予想固有振動数（振動モード）を変えながら行い、これにより取得したデータに基づいて、測定対象層１ａの残留応力を算出する。この算出方法については、後で詳しく説明する。コンピュータ４が算出したデータなどは、ディスプレイ１６に適宜表示される。
【００３４】
次に、本実施の形態における測定対象物１の残留応力を超音波応力測定するフローについて説明する。
【００３５】
図２は、本実施の形態における超音波応力測定方法を示すフローチャートである。
【００３６】
まず、測定対象物１の設計情報又はＸ線ＣＴ画像などより、多層構造を有する測定対象物１の材質、内部構造（層厚等）、拘束条件などの諸条件を、予めコンピュータ４に入力し記憶させる（ステップＳ１）。なお、以下に説明する動作は、特に断りがない限り、コンピュータ４が主体として行う。
【００３７】
次いで、記憶した測定対象物１の諸条件に基づいて、１つの測定対象層１ａに対する予想固有振動数（振動モード：基本振動、２倍振動、３倍振動、・・・）を、測定対象層１ａの自由度の数だけ設定（定義）する（ステップＳ２）。
【００３８】
例えば、測定対象層１ａが長方形膜であり、当該長方形膜の周囲４辺が固定（拘束）されている場合、測定対象層１ａの固有振動数ωm,nの定義式は、下記式１のように示される。
【００３９】
【数１】
【００４０】
前記式１において、ａは測定対象物である長方形膜の短辺の長さ、ｂは長辺の長さ、ρは膜の面密度、Ｔは膜に加わっている単位面積当たりの応力、ｍは長方形膜の表面のＸ方向における振動モード、ｎは長方形膜の表面のＹ方向における振動モードを示している。なお、本実施の形態では、前記式１において定義している応力Ｔが、測定対象物である長方形膜の残留応力となる。したがって、前記式１などを用いて応力Ｔを求めることで、測定対象物の残留応力を求めることができる。
【００４１】
一般に、未知数がＭ個ある場合（Ｍは自然数）、Ｍ個以上の式を連立させることで、全ての未知数を算出することができる。例えば、前記式１において短辺の長さａ、長辺の長さｂ、面密度ρ、応力Ｔが未知数である場合、実験条件Ｍexpを４通り用意し、それらの実験条件から得られたデータを前記式１に代入して４つの式を得、それらの式を連立させることで、前記４つの未知数を算出することができる。なお、短辺の長さａ、長辺の長さｂ、面密度ρについては、応力Ｔの測定を高精度に行なうために、応力Ｔと同時に算出することが好ましい。
【００４２】
前記ステップＳ２の後、実験条件ＭexpをＭexp＝１として測定対象層１ａの固有振動数ωm,nを測定する（ステップＳ３）。ここで、実験条件Ｍexpは、測定対象層１ａの自由度の数だけ予め用意されている。具体的には、実験条件毎に、Ｘ方向振動モードｍとＹ方向振動モードｎとの組合せが設定されている。例えば、実験条件が４つある場合、Ｍexp＝１には（ｍ＝１，ｎ＝２）、Ｍexp＝２には（ｍ＝２，ｎ＝２）、Ｍexp＝３には（ｍ＝２，ｎ＝１）、Ｍexp＝４には（ｍ＝２，ｎ＝３）の組合せが設定されている。ここで、ｍ＝１は基準振動、ｍ＝２は２倍振動、ｍ＝３は３倍振動を示す。同様に、ｎ＝１は基準振動、ｎ＝２は２倍振動、ｎ＝３は３倍振動を示す。
【００４３】
次いで、コンピュータ４は、実験条件Ｍexpが測定対象層１ａの自由度の数以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００４４】
実験条件Ｍexpが測定対象層１ａの自由度の数以下であるとき、当該実験条件Ｍexpにおける振動モード（Ｘ方向振動モードｍとＹ方向振動モードｎとの組合せ）にて、測定対象層１ａの固有振動数ωm,nを測定する（ステップＳ５）。例えば、実験条件Ｍexp＝１のとき、振動モード（ｍ＝１，ｎ＝２）に対応する超音波を第１探傷子７から発信し、測定対象層１ａで反射された超音波に基づいて、測定対象層１ａの固有振動数ωm,nを測定する。
【００４５】
次いで、実験条件Ｍexpをインクリメント（変数の値を１増やす演算）して、前記ステップＳ４に戻る（ステップＳ６）。前記ステップＳ４〜Ｓ６の動作を、実験条件Ｍexpが測定対象層１ａの自由度の数より大きくなるまで繰り返し、測定対象層１ａの固有振動数ωm,nの測定データを複数得る。
【００４６】
実験条件Ｍexpが測定対象層１ａの自由度の数より大きくなった時、測定対象層１ａの固有振動数の測定を終了する。その後、前記得られた複数の測定データを前記式１に代入して、複数の式を得、それらの式を連立させて、応力Ｔを算出する（ステップＳ７）。なお、ここでは、未知数の項目の数だけ定義式を連立させるため、応力Ｔだけでなく、他の未知数の項目の全てを算出することが可能である。例えば、測定対象層１ａである長方形膜の短辺及び長辺の長さが未知数の場合、当該長方形膜の短辺及び長辺の長さを、前記応力Ｔと同時に算出することが可能である。これにより、応力Ｔ（残留応力）の測定をより高精度に行なうことができる。
【００４７】
前記ステップＳ１〜Ｓ７を、測定対象物１の全ての層に対してそれぞれ行なうことで、多層構造である測定対象物１の各層の残留応力をそれぞれ算出することができる。また、測定対象物１の各層の残留応力を全て算出することで、測定対象物１の内部の残留応力分布を求めることが可能となる。
【００４８】
次に、送信パルス６が発生させる電気信号の波形について説明する。
【００４９】
図３Ａは、一般的なパルス信号の波形を示す図であり、図３Ｂは、本実施の形態において、送信パルスが発生させる電気信号の波形を示す図である。図３Ａ及び図３Ｂの左図は、時間（ｔ）に対する電圧値（Ｖ）の変化を示す図であり、図３Ａ及び図３Ｂの右図は、周波数（ｆ）に対する電圧値（Ｖ）の変化を示す図である。
【００５０】
図３Ａに示すように、一般的なパルスの電気信号の波形は、完全なパルス形状となっている。これに対し、本実施の形態において、送信パルス６が発生させる電気信号は、図３Ｂに示すように、完全なパルス形状となっておらず、広帯域の周波数を持つ電気信号となっている。これにより、測定対象層１ａの予想固有振動数と実際の固有振動数とが大きく異なる場合であっても、層間で共振が起こる可能性を高くし、多層構造物である測定対象物１の層間（測定対象層１ａとその近傍の層との間）の影響を小さくしている。
【００５１】
また、本実施の形態においては、図２に示すフローチャートに従って、測定対象層１ａの残留応力を算出する。この時、測定対象層１ａとその近傍の層との層間距離が短い場合には、その近傍の層で反射された超音波も第２探傷子１１が受信してしまう可能性がある。この場合、高精度な応力測定ができないことになる。本実施の形態では、測定対象層１ａ以外の層で反射された超音波の影響を軽減するために、ピンホール１３ａを有する超音波遮蔽板１３を設けている。すなわち、測定対象層１ａで反射された超音波は、ピンホール１３ａを通じて超音波遮蔽板１３を通過する一方、測定対象層１ａ以外の層で反射された超音波は、超音波遮蔽板１３により遮断するようにしている。従って、さらに高精度な残留応力の測定を行なうことが可能となる。
【００５２】
ここで、ピンホール１３ａの好ましい配置について説明する。
【００５３】
図４Ａは、本実施の形態における超音波測定装置において、第１探傷子７から発信され測定対象層１ａで反射された超音波がピンホールを通過する様子を示す概略図であり、図４Ｂは、本実施の形態における超音波測定装置において、第１探傷子７から発信され測定対象層１ａ以外の層で反射された超音波が超音波遮断板１３に遮断される様子を示す概略図である。
【００５４】
第１音響レンズ８の焦点距離をＦ１とし、第２音響レンズ１２の焦点距離をＦ２とし、第２音響レンズ１２からピンホール１３ａまでの距離をＦ３とし、カップリング剤２中での音速をＶ１とし、第２探傷子１１に使われている材料中での音速をＶ２としたとき、下記式２関係を満たすようにピンホール１３ａを配置することが好ましい。
【００５５】
【数２】
【００５６】
また、第２音響レンズ１２の開口直径をＤ２とし、ピンホール１３ａの径をＲ３とし、測定対象層１ａの固有振動数のうち最小のものをωｍinとしたとき、下記式３の関係を満たすようにピンホール１３ａの径を設定することが好ましい。
【００５７】
【数３】
【００５８】
例えば、焦点距離Ｆ１が４０ｍｍ、焦点距離Ｆ２が１０ｍｍ、カップリング剤２中での音速Ｖ１が１５００ｍ／ｓ（水）、第２音響レンズ１１中での音速Ｖ２が５９００ｍ／ｓ（溶融石英）、最小固有振動数ωｍinが２０ＭＨｚのとき、第２音響レンズ１２からピンホール１３ａまでの距離Ｆ３は５２．４ｍｍとし、ピンホール１３ａの径Ｒ３は０．９８ｍｍよりも小さくすることが好ましい。このように配置した場合、図４Ａに示すように測定対象層１ａで反射された超音波は、ピンホール１３ａを通過する。一方、図４Ｂに示すように測定対象層１ａ以外の層で反射された超音波は、超音波遮蔽板１３で遮断することができる。これにより、ＳＮ比の高い高精度な残留応力の測定を実現することができる。
【００５９】
以上、本実施の形態の構成によれば、測定対象物１の内部構造（測定対象層１ａ等）が正確に把握できない場合においても、振動モードを変えた固有振動数での解析を行うことで、各層の残留応力をそれぞれ高精度に測定することが可能となる。さらに、残留応力に加え、未知の項目として算出された測定対象物１の内部構造（短辺の長さ、長辺の長さなど）も測定することが可能となる。また、測定対象層１ａ以外の層で反射される超音波は、超音波遮蔽板１３により遮断することができる。これにより、測定対象層１ａ以外の層で反射される超音波の影響を受けにくい測定が可能となる。
【００６０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、カップリング剤２が満たされた容器３内に測定対象物１を設置するとしたが、本発明はこれに限定されない。第１探傷子７と測定対象物１との間、及び第２探傷子１１との間にカップリング剤２を充填させるものがあればよい。この場合でも、同様の効果を奏することができる。
【００６１】
また、本実施の形態においては、第２音響レンズ１２により収束された超音波の収束位置に超音波遮蔽板１３のピンホール１３ａを設けたが、本発明はこれに限定されない。ピンホール１３ａは、前記収束位置以外の位置に設けられてもよい。但し、この場合、測定対象層１ａで反射された超音波が超音波遮蔽板１３に完全に遮断されてしまうと、測定対象層１ａの超音波応力測定が不可能になる。このため、測定対象層１ａで反射された超音波が超音波遮蔽板１３に完全に遮断されないように、ピンホール１３ａの設置位置及びピンホール１３ａの径を設定することが必要である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明にかかる超音波応力測定方法及び装置によれば、測定対象物の残留応力をより高精度に測定することができるので、例えば、充電池、実装基板などの層構造を有する測定対象物の残留応力を測定するのに有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 測定対象物
１ａ 測定対象層
２ カップリング剤
３ 容器
４ コンピュータ（応力測定部）
５ Ｄ／Ａ変換部
６ 送信パルス
７ 第１探傷子（超音波発信部）
８ 第１音響レンズ
９ 探傷ヘッド
１０ 制御部
１１ 第２探傷子（超音波受信部）
１２ 第２音響レンズ
１３ 超音波遮蔽板
１３ａ ピンホール
１４ 増幅器
１５ Ａ／Ｄ変換部
１６ ディスプレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物内の測定対象層の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定方法であって、
前記測定対象層の自由度の数に応じて複数の振動モードを設定し、
前記設定した振動モードに対応する超音波を前記測定対象層に発信し当該測定対象層で反射された超音波を受信して前記測定対象層の固有振動数を測定する測定動作を、前記それぞれの振動モードについて行ない、
前記測定動作により得られた前記各振動モードに対する前記固有振動数の複数の測定データに基づいて、前記測定対象層の残留応力を測定する、
超音波応力測定方法。
【請求項２】
前記測定動作により得られた前記各振動モードに対する前記測定対象層の固有振動数のデータを、前記測定対象層の固有振動数を求める定義式に代入して複数の式を得、それらの式を連立させることで、前記測定対象層の残留応力を測定する、請求項１記載の超音波応力測定方法。
【請求項３】
前記振動モードの数が、前記測定対象層の自由度の数と等しい、請求項１記載の超音波応力測定方法。
【請求項４】
前記測定動作は、前記設定した振動モードに対応する超音波を前記測定対象層で収束するように発信し、当該測定対象層で反射された超音波を超音波遮蔽部に設けたピンホール内で収束させ、当該ピンホールを通過した超音波のみを受信して、前記測定対象層の固有振動数を測定する動作である、請求項１に記載の超音波応力測定方法。
【請求項５】
前記ピンホールの径が前記測定対象層で反射された超音波の収束径と等しい、請求項４記載の超音波応力測定方法。
【請求項６】
前記振動モードは、前記測定対象層の材質と層厚とに基づいて設定される、請求項１記載の超音波応力測定方法。
【請求項７】
前記測定対象物は、複数の層で構成される多層構造を有しており、
前記複数の層のそれぞれに対して残留応力の測定を行い、
前記複数の層のそれぞれの残留応力の測定結果に基づいて前記測定対象物の内部応力分布を求める、請求項１記載の超音波応力測定方法。
【請求項８】
測定対象物内の測定対象層の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定装置であって、
前記測定対象層の自由度の数に応じて設定された複数の振動モードに対応する複数の超音波を、前記測定対象層に発信する超音波発信部と、
前記測定対象層で反射された各超音波を受信する超音波受信部と、
前記超音波受信部が受信した各超音波に基づいて前記測定対象層の固有振動数を測定し、当該測定により得られた前記固有振動数の複数の測定データに基づいて前記測定対象層の残留応力を測定する応力測定部と、
を備える、超音波応力測定装置。
【請求項９】
前記測定対象層で反射された超音波を収束位置に収束させる音響レンズと、
前記収束位置にピンホールが形成され、前記測定対象層で反射された超音波を前記ピンホールを通じて通過させて前記超音波受信部に受信させる一方、前記測定対象層以外の部分で反射された超音波を遮断する超音波遮蔽部と、
をさらに備える、請求項８記載の超音波応力測定装置。
【請求項１】
測定対象物内の測定対象層の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定方法であって、
前記測定対象層の自由度の数に応じて複数の振動モードを設定し、
前記設定した振動モードに対応する超音波を前記測定対象層に発信し当該測定対象層で反射された超音波を受信して前記測定対象層の固有振動数を測定する測定動作を、前記それぞれの振動モードについて行ない、
前記測定動作により得られた前記各振動モードに対する前記固有振動数の複数の測定データに基づいて、前記測定対象層の残留応力を測定する、
超音波応力測定方法。
【請求項２】
前記測定動作により得られた前記各振動モードに対する前記測定対象層の固有振動数のデータを、前記測定対象層の固有振動数を求める定義式に代入して複数の式を得、それらの式を連立させることで、前記測定対象層の残留応力を測定する、請求項１記載の超音波応力測定方法。
【請求項３】
前記振動モードの数が、前記測定対象層の自由度の数と等しい、請求項１記載の超音波応力測定方法。
【請求項４】
前記測定動作は、前記設定した振動モードに対応する超音波を前記測定対象層で収束するように発信し、当該測定対象層で反射された超音波を超音波遮蔽部に設けたピンホール内で収束させ、当該ピンホールを通過した超音波のみを受信して、前記測定対象層の固有振動数を測定する動作である、請求項１に記載の超音波応力測定方法。
【請求項５】
前記ピンホールの径が前記測定対象層で反射された超音波の収束径と等しい、請求項４記載の超音波応力測定方法。
【請求項６】
前記振動モードは、前記測定対象層の材質と層厚とに基づいて設定される、請求項１記載の超音波応力測定方法。
【請求項７】
前記測定対象物は、複数の層で構成される多層構造を有しており、
前記複数の層のそれぞれに対して残留応力の測定を行い、
前記複数の層のそれぞれの残留応力の測定結果に基づいて前記測定対象物の内部応力分布を求める、請求項１記載の超音波応力測定方法。
【請求項８】
測定対象物内の測定対象層の残留応力を、超音波を用いて測定する超音波測定装置であって、
前記測定対象層の自由度の数に応じて設定された複数の振動モードに対応する複数の超音波を、前記測定対象層に発信する超音波発信部と、
前記測定対象層で反射された各超音波を受信する超音波受信部と、
前記超音波受信部が受信した各超音波に基づいて前記測定対象層の固有振動数を測定し、当該測定により得られた前記固有振動数の複数の測定データに基づいて前記測定対象層の残留応力を測定する応力測定部と、
を備える、超音波応力測定装置。
【請求項９】
前記測定対象層で反射された超音波を収束位置に収束させる音響レンズと、
前記収束位置にピンホールが形成され、前記測定対象層で反射された超音波を前記ピンホールを通じて通過させて前記超音波受信部に受信させる一方、前記測定対象層以外の部分で反射された超音波を遮断する超音波遮蔽部と、
をさらに備える、請求項８記載の超音波応力測定装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１６９６８０（Ｐ２０１０−１６９６８０Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９５６９０（Ｐ２００９−２９５６９０）
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
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