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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-17
(45)【発行日】2022-08-25
(54)【発明の名称】接着層評価システム及び接着層評価方法
(51)【国際特許分類】
G01N 29/11 20060101AFI20220818BHJP
【ＦＩ】
G01N29/11
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020561555
(86)(22)【出願日】2019-12-20
(86)【国際出願番号】 JP2019050211
(87)【国際公開番号】W WO2020130150
(87)【国際公開日】2020-06-25
【審査請求日】2021-06-21
(31)【優先権主張番号】P 2018240058
(32)【優先日】2018-12-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３０年１２月２２日に福井大学工学部文京キャンパスにおいて開催された日本機械学会 Ｍ＆Ｍ２０１８材料力学カンファレンスにて公開
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３１年１月３１日に東京都立産業技術研究センター青梅本部において開催された日本非破壊検査協会 超音波部門 第２６回超音波による非破壊評価シンポジウムにて公開
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年９月５日にベルギー王国（Ｂｅｌｇｉｕｍ）ブルージュ（Ｂｒｕｇｅｓ）にて開催された２０１９ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓにて公開
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年１１月２７日に明治大学アカデミー・コモンにて開催された第４０回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウムにて「超音波入射時の面外共振に基づくＣＦＲＰ接着接合部の界面合成評価」とのタイトルで公開
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年１１月２７日に明治大学アカデミー・コモンにて開催された第４０回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウムにて「被着体汚染に起因する弱接着部の共振特性に基づく界面合成評価」とのタイトルで公開
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）次世代構造部材創製・加工技術開発／次世代複合材及び軽金属構造部材創製・加工技術開発（第二期）知財合意書に係る共同研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
(73)【特許権者】
【識別番号】593006630
【氏名又は名称】学校法人立命館
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼木 清嘉
(72)【発明者】
【氏名】加茂 宗太
(72)【発明者】
【氏名】松田 直樹
(72)【発明者】
【氏名】森 直樹
【審査官】村田 顕一郎
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／０７８２７２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭５６－１６４９５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５３０５２３９（ＵＳ，Ａ）
【文献】石井 陽介，超音波スペクトロスコピーを用いた炭素繊維強化複合材料積層板の層間界面特性評価に関する研究，京都大学学術情報リポジトリＫＵＲＥＮＡＩ紅，日本，京都大学，2016年03月23日，インターネット <URL:https://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/215514/2/dkogk04143.pdf>
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
接着層を有する試料から弾性波を発生させる弾性波発生装置と、前記試料から発生した前記弾性波を反射する弾性波反射体と、
前記弾性波発生装置と前記弾性波反射体との間に設けられた試料設置部と、
前記弾性波反射体による前記弾性波の反射方向に配設され、反射された前記弾性波を検出する弾性波検出装置と、
前記試料の前記接着層に関するパラメータを評価する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記弾性波発生装置により前記試料に前記弾性波を発生させる弾性波発生制御部と、
反射された前記弾性波の実測値を前記弾性波検出装置に検出させる弾性波検出制御部と、
前記弾性波検出制御部が前記弾性波検出装置に検出させた前記弾性波の実測値と前記試料に関する理論モデルに基づいて算出される前記弾性波の理論値とを比較して、前記接着層に関するパラメータを評価する検出波評価部と、を有し、
前記弾性波発生装置は、前記試料に超音波を照射する超音波照射装置であり、
前記弾性波反射体は、前記超音波を反射する超音波反射体であり、
前記弾性波検出装置は、反射された前記超音波を検出する超音波検出装置であり、
前記制御装置において、
前記弾性波発生制御部は、前記超音波照射装置に前記超音波を照射させる超音波照射制御部であり、
前記弾性波検出制御部は、前記超音波検出装置に、前記試料設置部に設置された接着層を有する試料を１回透過して、前記超音波反射体によって反射され、前記試料をさらに１回透過した前記超音波である２回透過波の実測値を検出させる超音波検出制御部であり、
前記検出波評価部は、前記超音波検出制御部が前記超音波検出装置に検出させた前記２回透過波の実測値と前記試料に関する理論モデルに基づいて算出される２回透過波の理論値とを比較して、前記接着層に関するパラメータの評価として、前記接着層が弱接着を有するか否かを評価し、
前記検出波評価部は、
前記２回透過波と前記試料を１回も透過せずに、前記超音波反射体によって反射された前記超音波である参照波とをそれぞれ周波数解析する周波数解析部と、
前記周波数解析部によって得られた前記２回透過波と前記参照波とのスペクトルの強度比に基づいて、前記試料を２回透過したことに関するパラメータである２回透過係数の実測値の周波数関数を算出する２回透過係数算出部と、
前記２回透過係数算出部が算出した前記２回透過係数の実測値の周波数関数と、理論モデルに基づいて算出される２回透過係数の理論値の周波数関数とを比較して、前記接着層が弱接着を有するか否かを評価する２回透過係数比較部と、を有し、
前記検出波評価部は、
前記２回透過係数の実測値の周波数関数において極大となる周波数をピーク周波数として取得し、前記２回透過係数の実測値のピーク周波数に、前記理論モデルにおける前記接着層における接着に関するパラメータを変化させて前記２回透過係数の理論値のピーク周波数を合わせ込むことで、前記接着層における前記接着に関するパラメータを導出し、前記接着層における前記接着に関するパラメータが、健全な接着を形成している時の前記接着に関するパラメータよりも下回っている場合、前記接着層は弱接着を有すると評価する、接着層評価システム。
【請求項2】
前記検出波評価部は、前記接着層における接着に関するパラメータを算出する、請求項１に記載の接着層評価システム。
【請求項3】
前記試料は、前記接着層と、前記接着層により接着される試料片と、を有し、前記超音波照射装置は、前記接着層の界面に対して前記超音波を垂直方向に照射し、
前記試料に関する理論モデルは、前記接着層をスプリング界面で前記試料片に結合した理論モデルであり、
前記スプリング界面は、前記垂直方向における成分の剛性が設定されており、
前記制御装置は、剛性マトリックス法を用いて前記理論モデルに基づく前記２回透過波の理論値を算出する、
請求項１または２に記載の接着層評価システム。
【請求項4】
前記試料は、前記接着層と、前記接着層により接着される試料片と、を有し、前記超音波照射装置は、前記接着層の界面に直交する垂直方向に対して傾斜する傾斜方向に前記超音波を照射し、
前記試料に関する理論モデルは、前記接着層をスプリング界面で前記試料片に結合した理論モデルであり、
前記スプリング界面は、前記垂直方向における成分の剛性と、前記界面の面内方向における成分の剛性とが設定されており、
前記制御装置は、剛性マトリックス法を用いて前記理論モデルに基づく前記２回透過波の理論値を算出する、
請求項１または２に記載の接着層評価システム。
【請求項5】
接着層を有する試料から発生した弾性波を、弾性波反射体で反射させ、反射した前記弾性波の実測値を検出するステップと、検出した前記弾性波の実測値と前記試料に関する理論モデルに基づいて算出される前記弾性波の理論値とを比較して、前記接着層に関するパラメータを評価するステップと、を備え、
前記弾性波の実測値を検出するステップは、前記試料を２回透過させた弾性波としての超音波である２回透過波の実測値を検出する２回透過波検出ステップであり、
前記接着層に関するパラメータを評価するステップは、前記２回透過波検出ステップで検出した前記２回透過波の実測値と前記試料に関する理論モデルに基づいて算出される前記２回透過波の理論値とを比較して、前記接着層が弱接着を有するか否かを評価する検出波評価ステップであり、
前記検出波評価ステップは、
前記２回透過波と前記試料を１回も透過させていない超音波である参照波とをそれぞれ周波数解析する周波数解析ステップと、
前記周波数解析ステップで得られた前記２回透過波と前記参照波とのスペクトルの強度比に基づいて、前記試料を２回透過したことに関するパラメータである２回透過係数の実測値を算出する２回透過係数算出ステップと、
前記２回透過係数算出ステップで算出した前記２回透過係数の実測値と、理論モデルに基づいて算出される２回透過係数の理論値とを比較して、前記接着層が弱接着を有するか否かを評価する２回透過係数比較ステップと、を有し、
前記検出波評価ステップは、
前記２回透過係数の実測値の周波数関数において極大となる周波数をピーク周波数として取得し、前記２回透過係数の実測値のピーク周波数に、前記理論モデルにおける前記接着層における接着に関するパラメータを変化させて前記２回透過係数の理論値のピーク周波数を合わせ込むことで、前記接着層における前記接着に関するパラメータを導出し、前記接着層における前記接着に関するパラメータが、健全な接着を形成している時の前記接着に関するパラメータよりも下回っている場合、前記接着層は弱接着を有すると評価する、接着層評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、接着層評価システム及び接着層評価方法に関する。
【背景技術】
【0002】
接着層を有する試料に超音波を照射して、照射した超音波が接着層で反射した反射波を検出して、検出した反射波の時間波形に基づいて、接着層における接着不良を検出する技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１５－１２５００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１の技術は、試料を破壊することなく、接着層における接着不良、すなわち、試料における接着層を挟む２枚の試料片の間の空隙を検出することができるが、２枚の試験片の間に空隙を有さないもののその接着強度が弱い弱接着を検出することができないという問題があった。また、従来の弱接着を検出する技術は、いずれも試料の破壊を伴うものであったため、試料を破壊することなく弱接着を検出することができないという問題があった。
【0005】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、試料を破壊することなく接着層を評価することを可能にする接着層評価システム及び接着層評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、接着層評価システムは、接着層を有する試料から弾性波を発生させる弾性波発生装置と、前記試料から発生した前記弾性波を反射する弾性波反射体と、前記弾性波発生装置と前記弾性波反射体との間に設けられた試料設置部と、前記弾性波反射体による前記弾性波の反射方向に配設され、反射された前記弾性波を検出する弾性波検出装置と、前記試料の前記接着層に関するパラメータを評価する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記弾性波発生装置により前記試料に前記弾性波を発生させる弾性波発生制御部と、反射された前記弾性波の実測値を前記弾性波検出装置に検出させる弾性波検出制御部と、前記弾性波検出制御部が前記弾性波検出装置に検出させた前記弾性波の実測値と前記試料に関する理論モデルに基づいて算出される前記弾性波の理論値とを比較して、前記接着層に関するパラメータを評価する検出波評価部と、を有する。
【0007】
この構成によれば、弾性体反射体で反射された弾性波を使用して、試料を破壊することなく、接着層を評価することができる。
【0008】
この構成において、前記弾性波発生装置は、前記試料に超音波を照射する超音波照射装置であり、前記弾性波反射体は、前記超音波を反射する超音波反射体であり、前記弾性波検出装置は、反射された前記超音波を検出する超音波検出装置であり、前記制御装置において、前記弾性波発生制御部は、前記超音波照射装置に前記超音波を照射させる超音波照射制御部であり、前記弾性波検出制御部は、前記超音波検出装置に、前記試料設置部に設置された接着層を有する試料を１回透過して、前記超音波反射体によって反射され、前記試料をさらに１回透過した前記超音波である２回透過波の実測値を検出させる超音波検出制御部であり、前記検出波評価部は、前記超音波検出制御部が前記超音波検出装置に検出させた前記２回透過波の実測値と前記試料に関する理論モデルに基づいて算出される２回透過波の理論値とを比較して、前記接着層に関するパラメータの評価として、前記接着層が弱接着を有するか否かを評価することが好ましい。
【0009】
この構成によれば、超音波の２回透過波を使用して、接着層が弱接着を有するか否かを評価することができるので、試料を破壊することなく弱接着を検出することができる。
【0010】
この構成において、前記検出波評価部は、前記２回透過波と前記試料を１回も透過せずに、前記超音波反射体によって反射された前記超音波である参照波とをそれぞれ周波数解析する周波数解析部と、前記周波数解析部によって得られた前記２回透過波と前記参照波とのスペクトルの強度比に基づいて、前記試料を２回透過したことに関するパラメータである２回透過係数の実測値を算出する２回透過係数算出部と、前記２回透過係数算出部が算出した前記２回透過係数の実測値と、理論モデルに基づいて算出される２回透過係数の理論値とを比較して、前記接着層が弱接着を有するか否かを評価する２回透過係数比較部と、を有することが好ましい。この構成によれば、超音波の２回透過波について、接着層の接着性を顕著に表す２回透過係数を用いるので、接着層が弱接着を有するか否かを高い精度で評価することができる。
【0011】
また、この構成において、前記検出波評価部は、前記２回透過係数の実測値のピーク周波数に、前記理論モデルにおける前記接着層における接着に関するパラメータを変化させることで前記２回透過係数の理論値のピーク周波数を合わせ込むことで、前記接着層における前記接着に関するパラメータを導出し、前記接着層における前記接着に関するパラメータが、健全な接着を形成している時の前記接着に関するパラメータよりも下回っている場合、前記接着層は弱接着を有すると評価することが好ましい。この構成によれば、接着層が弱接着を有するか否かをより高い精度で効率よく評価することができる。
【0012】
この構成において、前記検出波評価部は、前記接着層における接着に関するパラメータを算出することが好ましい。この構成によれば、検出した弱接合を定量化することができる。
【0013】
これらの構成において、前記試料は、前記接着層と、前記接着層により接着される試料片と、を有し、前記超音波照射装置は、前記接着層の界面に対して前記超音波を垂直方向に照射し、前記試料に関する理論モデルは、前記接着層をスプリング界面で前記試料片に結合した理論モデルであり、前記スプリング界面は、前記垂直方向における成分の剛性が設定されており、前記制御装置は、剛性マトリックス法を用いて前記理論モデルに基づく前記２回透過波の理論値を算出することが好ましい。この構成によれば、超音波の２回透過波について、実際に弱接着の要因が発生しやすい界面に垂直方向の界面応力を設定して剛性解析する妥当性の高い理論モデル及び計算手法を用いて、接着層が弱接着を有するか否かを評価することができるので、現実に即した理論モデル及び計算手法に裏付けがなされた弱接着の検出を実行することができる。
【0014】
これらの構成において、前記試料は、前記接着層と、前記接着層により接着される試料片と、を有し、前記超音波照射装置は、前記接着層の界面に直交する垂直方向に対して傾斜する傾斜方向に前記超音波を照射し、前記試料に関する理論モデルは、前記接着層をスプリング界面で前記試料片に結合した理論モデルであり、前記スプリング界面は、前記垂直方向における成分の剛性と、前記界面の面内方向における成分の剛性とが設定されており、前記制御装置は、剛性マトリックス法を用いて前記理論モデルに基づく前記２回透過波の理論値を算出することが好ましい。この構成によれば、超音波の２回透過波について、実際に弱接着の要因が発生しやすい界面に垂直方向及び面内方向の界面応力を設定して剛性解析する妥当性の高い理論モデル及び計算手法を用いて、接着層が弱接着を有するか否かを評価することができるので、現実に即した理論モデル及び計算手法に裏付けがなされた弱接着の検出を実行することができる。
【0015】
また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、接着層評価方法は、接着層を有する試料から発生した弾性波を、弾性波反射体で反射させ、反射した前記弾性波の実測値を検出するステップと、検出した前記弾性波の実測値と前記試料に関する理論モデルに基づいて算出される前記弾性波の理論値とを比較して、前記接着層に関するパラメータを評価するステップと、を備える。この構成によれば、対応する接着層評価システムと同様に、弾性体反射体で反射された弾性波を使用して、試料を破壊することなく、接着層を評価することができる。
【0016】
この構成において、前記弾性波の実測値を検出するステップは、前記試料を２回透過させた弾性波としての超音波である２回透過波の実測値を検出する２回透過波検出ステップであり、前記接着層に関するパラメータを評価するステップは、前記２回透過波検出ステップで検出した前記２回透過波の実測値と前記試料に関する理論モデルに基づいて算出される前記２回透過波の理論値とを比較して、前記接着層が弱接着を有するか否かを評価する検出波評価ステップであることが好ましい。この構成によれば、対応する接着層評価システムと同様に、超音波の２回透過波を使用して、接着層が弱接着を有するか否かを評価することができるので、試料を破壊することなく弱接着を検出することができる。
【0017】
この構成において、前記検出波評価ステップは、前記２回透過波と前記試料を１回も透過させていない超音波である参照波とをそれぞれ周波数解析する周波数解析ステップと、前記周波数解析ステップで得られた前記２回透過波と前記参照波とのスペクトルの強度比に基づいて、前記試料を２回透過したことに関するパラメータである２回透過係数の実測値を算出する２回透過係数算出ステップと、前記２回透過係数算出ステップで算出した前記２回透過係数の実測値と、理論モデルに基づいて算出される２回透過係数の理論値とを比較して、前記接着層が弱接着を有するか否かを評価する２回透過係数比較ステップと、を有することが好ましい。この構成によれば、対応する接着層評価システムと同様に、超音波の２回透過波について、接着層の接着性を顕著に表す２回透過係数を用いるので、接着層が弱接着を有するか否かをより高い精度で評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【0020】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る接着層評価システム１０の具体的な構成例を示す図である。接着層評価システム１０は、試料片１Ｂと試料片１Ｃとを接着する接着層１Ａを有する試料１の２回透過波を検出して、試料１の２回透過波を使用して、接着層１Ａが弱接着（Weak Bond、ＷＢ）を有するか否かを評価する装置である。試料１は、本実施形態では、試料片１Ｂ及び試料片１Ｃが共にアルミニウム片であり、接着層１Ａが高温耐性に優れた接着フィルムである形態であるが、本発明はこれに限定されず、いかなる種類の接着層１Ａ及び試料片１Ｂ，１Ｃによって形成された形態であってもよい。
図１は、本発明の実施形態１に係る接着層評価システム１０の具体的な構成例を示す図である。接着層評価システム１０は、試料片１Ｂと試料片１Ｃとを接着する接着層１Ａを有する試料１の２回透過波を検出して、試料１の２回透過波を使用して、接着層１Ａが弱接着（Weak Bond、ＷＢ）を有するか否かを評価する装置である。試料１は、本実施形態では、試料片１Ｂ及び試料片１Ｃが共にアルミニウム片であり、接着層１Ａが高温耐性に優れた接着フィルムである形態であるが、本発明はこれに限定されず、いかなる種類の接着層１Ａ及び試料片１Ｂ，１Ｃによって形成された形態であってもよい。
【0021】
また、接着層評価システム１０は、試料１へ向けて弾性波としての超音波を照射することで、２回透過波を検出している。なお、実施形態１において、接着層評価システム１０では、試料１の２回透過波を使用して、接着層１Ａが弱接着を有するか否かを評価しているが、試料１の２回透過波を使用して、試料１の接着層１Ａに関するパラメータを評価してもよい。接着層１Ａに関するパラメータは、接着層１Ａの界面に関するパラメータ（以下、界面パラメータともいう）と、接着層１Ａの形状に関するパラメータ（以下、形状パラメータともいう）と、接着層１Ａの物性に関するパラメータ（以下、物性パラメータともいう）と、を含む。界面パラメータとしては、例えば、接着層１Ａの界面剛性であり、実施形態１において接着層評価システム１０は、界面パラメータに基づいて、接着層１Ａが弱接着（Weak Bond、ＷＢ）であるか否かを評価している。また、形状パラメータとしては、例えば、接着層厚であり、接着層評価システム１０は、形状パラメータに基づいて、接着層１Ａの厚みを評価している。さらに、物性パラメータとしては、例えば、接着層１Ａの音速、質量密度及び弾性率等であり、接着層評価システム１０は、物性パラメータに基づいて、接着層１Ａの物性を評価している。なお、実施形態１では、接着層１Ａに関するパラメータとして、界面剛性（弱接着であるか否か）を評価する場合について説明するが、上記のように、接着層１Ａに関するパラメータとして、接着層厚を評価してもよいし、界面剛性及び接着層厚の両方を評価してもよいし、界面剛性及び接着層厚以外のパラメータを評価してもよく、特に限定されない。
【0022】
接着層評価システム１０は、図１に示すように、超音波照射装置１１と、超音波検出装置１２と、試料設置部１４と、超音波反射体１５と、水槽２０と、制御装置３０と、を備える。
【0023】
超音波照射装置１１は、照射波１１Ｂとして、例えば一般的な超音波探傷で使用される１０ＭＨｚの超音波を照射する照射面１１Ａを有する。超音波検出装置１２は、超音波である反射波１２Ｂを検出する検出面１２Ａを有する。本実施形態では、超音波照射装置１１と超音波検出装置１２とは、一体となって超音波探触子１３を構成しており、さらに、超音波探触子１３を構成する超音波照射装置１１の照射面１１Ａと超音波検出装置１２の検出面１２Ａとが一体となっていてもよい。また、超音波照射装置１１と超音波検出装置１２とは、一体となって超音波探触子１３を構成する形態に限定されず、別々に設けられていてもよい。
【0024】
試料設置部１４は、２回透過波を検出する試料１を設置する部位であり、試料１を固定する図示しない固定部材や、試料１を嵌め込む図示しない窪み等が適宜設けられている。試料設置部１４は、超音波照射装置１１の照射面１１Ａと、超音波反射体１５の反射面１５Ａとの間に、照射波１１Ｂの経路を横切るように設けられている。また、試料設置部１４は、超音波検出装置１２の検出面１２Ａと、超音波反射体１５の反射面１５Ａとの間に、反射波１２Ｂの経路を横切るようにも設けられている。
【0025】
超音波反射体１５は、超音波照射装置１１から照射された照射波１１Ｂを反射して、超音波検出装置１２に向けて反射波１２Ｂを生じさせる反射面１５Ａを有する。超音波反射体１５は、超音波照射装置１１の超音波の照射方向、すなわち、超音波照射装置１１の照射面１１Ａが向いている方向に、配設される。また、超音波反射体１５は、反射面１５Ａが、超音波照射装置１１の照射面１１Ａの方向と形成する角度である照射波１１Ｂの入射角度と、超音波検出装置１２の検出面１２Ａの方向と形成する角度である反射波１２Ｂの射出角度とが等しくなるように、配設される。なお、本実施形態では、照射波１１Ｂの入射角度と反射波１２Ｂの射出角度とは、いずれも０度である。超音波反射体１５は、例えば、１０ＭＨｚの超音波を反射するステンレス鋼の直方体状のブロックが好適なものとして用いられる。
【0026】
水槽２０は、超音波を伝達する媒体の一例である水２１を貯留する。水槽２０は、例えば、矩形状のケースが用いられる。本実施形態では、超音波照射装置１１の照射面１１Ａと、超音波検出装置１２の検出面１２Ａと、試料設置部１４と、超音波反射体１５とが、水槽２０の内側の水２１の貯留領域内に設けられており、超音波照射装置１１の照射面１１Ａとは反対側の一部分と、超音波検出装置１２の検出面１２Ａとは反対側の一部分と、制御装置３０とが、水槽２０の外側に設けられている。なお、水槽２０は、この形態に限定されず、少なくとも超音波照射装置１１の照射面１１Ａ及び超音波検出装置１２の検出面１２Ａを含む照射波１１Ｂの経路及び反射波１２Ｂの経路を、内側の水２１の貯留領域内に設けていれば、どのような形態であってもよい。
【0027】
接着層評価システム１０は、超音波照射装置１１、超音波検出装置１２、試料設置部１４、超音波反射体１５及び水槽２０が以上のような配置をしているので、超音波照射装置１１の照射面１１Ａから照射波１１Ｂを照射することで、水槽２０に貯留された水２１中において、照射された照射波１１Ｂが接着層１Ａを１回透過し、接着層１Ａを１回透過した照射波１１Ｂが反射面１５Ａによって反射して反射波１２Ｂとなり、反射波１２Ｂが接着層１Ａをさらに１回透過して２回透過波となり、超音波検出装置１２の検出面１２Ａが２回透過波となった反射波１２Ｂを検出することができる。
【0028】
接着層評価システム１０は、本実施形態では、超音波照射装置１１の照射面１１Ａと、超音波検出装置１２の検出面１２Ａと、試料設置部１４に設置される試料１の接着層１Ａと、超音波反射体１５の反射面１５Ａとが、互いに平行になるように配設される形態である。このため、接着層評価システム１０は、超音波照射装置１１の照射面１１Ａから接着層１Ａ及び反射面１５Ａに対して直交する方向に照射波１１Ｂを照射し、照射された照射波１１Ｂが接着層１Ａに直交する方向に接着層１Ａを１回透過し、反射波１２Ｂが接着層１Ａ及び反射面１５Ａに対して直交する照射波１１Ｂと真逆の方向に伝播し、伝播した反射波１２Ｂが接着層１Ａに直交する方向に接着層１Ａをさらに１回透過して２回透過波となり、超音波検出装置１２の検出面１２Ａに検出する。
【0029】
なお、接着層評価システム１０は、上記形態に限定されず、超音波照射装置１１の照射面１１Ａから照射波１１Ｂを照射し、接着層１Ａを１回透過して反射面１５Ａで反射されて反射波１２Ｂとなり、接着層１Ａをさらに１回透過して２回透過波となって超音波検出装置１２の検出面１２Ａに検出することが可能ないかなる超音波照射装置１１、超音波検出装置１２、試料設置部１４、超音波反射体１５及び水槽２０の配置をしていてもよい。
【0030】
制御装置３０は、接着層評価システム１０を制御するコンピュータシステムを含む。図１に示すように、制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなマイクロプロセッサを含む処理部３１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）又はストレージのような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含む記憶部３２と、信号及びデータを入出力可能な入出力回路を含む入出力インターフェース３３と、を有する。
【0031】
制御装置３０の処理部３１は、図１に示すように、超音波照射制御部３４と、超音波検出制御部３５と、検出波評価部３６と、を有する。超音波照射制御部３４、超音波検出制御部３５及び検出波評価部３６は、いずれも、処理部３１が、本実施形態に係る接着層評価システム１０が本実施形態に係る接着層評価方法を実行するための接着層評価プログラムを実行することにより、実現される機能部である。制御装置３０の処理部３１の詳細な機能、すなわち、超音波照射制御部３４、超音波検出制御部３５及び検出波評価部３６の詳細な機能は、各部の構成の詳細な説明の箇所に加えて、後述する実施形態に係る接着層評価方法の詳細な説明の箇所でも説明する。
【0032】
超音波照射制御部３４は、超音波照射装置１１を制御して、超音波照射装置１１に照射面１１Ａから照射波１１Ｂを照射させる。
【0033】
超音波検出制御部３５は、超音波検出装置１２を制御して、超音波検出装置１２に検出面１２Ａで反射波１２Ｂを検出させる。超音波検出制御部３５は、本実施形態では、超音波検出装置１２に、試料設置部１４に設置された接着層１Ａを有する試料１を１回透過して、超音波反射体１５によって反射され、試料１をさらに１回透過した超音波である２回透過波を検出させる。また、超音波検出制御部３５は、本実施形態では、超音波検出装置１２に、試料設置部１４に試料１を設置せず、試料１を１回も透過せずに、超音波反射体１５によって反射された超音波である参照波を検出させてもよい。
【0034】
検出波評価部３６は、超音波検出制御部３５が超音波検出装置１２に検出させた２回透過波の実測値と試料１に関する理論モデルに基づいて算出される２回透過波の理論値とを比較して、試料１の接着層１Ａが健全な接着（完璧な接着（Perfect Bond、ＰＢ）と考える）を形成しているか否か、すなわち、試料１の接着層１Ａが弱接着を有するか否かを評価する。
【0035】
ここで、試料１に関する理論モデルとは、試料１をモデル化した解析モデルのことである。検出波評価部３６は、試料１に関する理論モデルとして、接着層１Ａをスプリング界面で結合した理論モデルを採用し、剛性マトリックス法を用いて算出処理をすることが好ましい。
【0036】
また、健全な接着とは、例えば、試料１を複数作製して所定の破壊試験を実施して得られた接着強度が上位５％に含まれる場合に接着層１Ａが形成している接着を言うこととする。
【0037】
検出波評価部３６は、周波数解析部３７と、２回透過係数算出部３８と、２回透過係数比較部３９と、を有する。周波数解析部３７、２回透過係数算出部３８及び２回透過係数比較部３９は、いずれも、検出波評価部３６と同様に、処理部３１が、本実施形態に係る接着層評価システム１０が本実施形態に係る接着層評価方法を実行するための接着層評価プログラムを実行することにより、実現される機能部である。検出波評価部３６の詳細な機能、すなわち、周波数解析部３７、２回透過係数算出部３８及び２回透過係数比較部３９の詳細な機能は、各部の構成の詳細な説明の箇所に加えて、後述する実施形態に係る接着層評価方法の詳細な説明の箇所でも説明する。
【0038】
周波数解析部３７は、２回透過波と、試料１を１回も透過せずに、超音波反射体１５によって反射された超音波である参照波とをそれぞれ周波数解析する。周波数解析部３７は、より詳細には、時間関数である２回透過波と参照波とのそれぞれについて、高速フーリエ変換を施すことで、振幅スペクトルを取得する。
【0039】
２回透過係数算出部３８は、周波数解析部３７によって得られた２回透過波と参照波との振幅スペクトルから、２回透過波と参照波との振幅スペクトルの強度比を算出し、この強度比に基づいて、試料１を２回透過したことに関するパラメータである２回透過係数Ｔ２の実測値を算出する。２回透過係数算出部３８は、より詳細には、周波数ｆごとに、２回透過波の振幅スペクトルの強度から参照波の振幅スペクトルの強度を除すことにより、２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数を取得する。なお、２回透過係数Ｔ２は、その性質上、超音波が全く透過しない時に０をとり、超音波が完全に透過する時に１を取り、０以上１以下の値を取る係数である。なお、２回透過係数Ｔ２は、理論上においては、１以下となるが、実測上においては、１以上の値を取り得る。
【0040】
２回透過係数比較部３９は、２回透過係数算出部３８が算出した２回透過係数Ｔ２の実測値と、理論モデルに基づいて算出される２回透過係数Ｔ２の理論値とを比較して、接着層１Ａが弱接着を有するか否かを評価する。
【0041】
２回透過係数比較部３９は、具体的には、２回透過係数算出部３８が算出した２回透過係数Ｔ２の実測値が極大となる周波数ｆと、接着層１Ａが弱接着を有さずに健全な接着をしていると仮定をした場合の理論モデルに基づいて算出される２回透過係数Ｔ２の理論値が極大となる周波数ｆとを比較して、それらが所定の誤差の範囲内で一致する場合に、接着層１Ａは弱接着を有さない旨の評価をし、それらが所定の誤差を超えた有意差を有する場合に、接着層１Ａは弱接着を有する旨の評価をする。
【0042】
また、以下において、２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数及び２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数の双方について、その値が極大となる周波数ｆのことを、適宜ピーク周波数と称する。２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数及び２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数の双方とも、ピーク周波数は、一般に複数存在する。
【0043】
ここで、２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数と２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数とを比較及び対照する際に、２回透過係数Ｔ２のピーク周波数を用いる理由は、試料１において実際に起こり得る超音波の吸収及び散乱を完全に考慮しないことで計算容量を低減した理論モデルを用いているため、２回透過係数Ｔ２の絶対値自体には実測値と理論値との間で所定の誤差を超えて差異が生じ得るが、２回透過係数Ｔ２のピーク周波数については実測値と理論値との間で所定の誤差を超えて差異が生じないことによる。
【0044】
２回透過係数Ｔ２の周波数関数の実測値のピーク周波数は、その一部が、接着層１Ａの界面パラメータに依らず一定であり、その他の一部が、接着層１Ａの界面パラメータに依って一対一の関係で変化する傾向を有する。また、２回透過係数Ｔ２の周波数関数の理論値のピーク周波数は、接着層１Ａの界面パラメータに対して、２回透過係数Ｔ２の周波数関数の実測値のピーク周波数が接着層１Ａの界面パラメータに対して示す傾向と同様の傾向を有する。これに鑑み、２回透過係数Ｔ２について生じ得る所定の誤差は、接着層１Ａの界面パラメータに依らず一定となるピーク周波数において生じ得る差異に基づいて、予め適切に設定することができる。適切な設定としては、例えば、界面パラメータによらず一定のピーク周波数が示す値に基づいて誤差を補正する設定である。ここで、接着層１Ａの界面パラメータとは、スプリング界面で結合した理論モデルを採用した場合におけるスプリング界面のパラメータであり、接着層１Ａの接着強度を定量的に評価するものとなっている。なお、実施形態１では、接着層１Ａに関するパラメータとして、界面パラメータを適用したが、接着層１Ａの接着層厚を評価する場合、接着層１Ａの接着層厚に関する形状パラメータを適用してもよい。この場合、理論モデルにおいて、接着層厚ｈａｄに関する形状パラメータを採用する（設定する）。また、接着層１Ａに関するパラメータとして、上記した界面パラメータ、形状パラメータ及び物性パラメータの全てを適用してもよい。この場合、物性パラメータとしては、例えば、接着層１Ａの音速、接着層１Ａの質量密度、接着層１Ａの弾性率に関するパラメータを採用し、理論モデルに適用する。
【0045】
また、２回透過係数比較部３９は、２回透過係数算出部３８が算出した２回透過係数Ｔ２の実測値がピークをとる周波数ｆが、理論モデルに基づいて算出される２回透過係数Ｔ２の理論値がピークをとる周波数ｆと所定の誤差の範囲内で一致する時の、理論モデルにおける接着層１Ａに関するパラメータを、評価に供した試料１の接着層１Ａに関するパラメータとして算出する。
【0046】
また、２回透過係数比較部３９は、上記を合わせてより効率的に処理をすることができ、２回透過係数Ｔ２の実測値のピーク周波数に、理論モデルにおける接着層１Ａに関するパラメータを変化させて２回透過係数Ｔ２の理論値のピーク周波数を合わせ込むことで、接着層１Ａに関するパラメータを導出し、接着層１Ａに関するパラメータが、健全な接着を形成している時の接着層１Ａに関するパラメータよりも下回っている場合、接着層１Ａは弱接着を有すると評価することができる。
【0047】
制御装置３０の記憶部３２は、制御装置３０の処理部３１で用いられる種々のデータを記憶している。制御装置３０の記憶部３２は、具体的には、試料１に関するデータである接着層１Ａ、試料片１Ｂ及び試料片１Ｃの材料及び厚み等の形状に関するデータ、超音波照射制御部３４によって用いられる超音波照射装置１１による照射波１１Ｂの超音波の周波数及び接着層１Ａの垂線に対する照射条件に関するデータ、超音波検出制御部３５によって用いられる超音波検出装置１２による反射波１２Ｂの検出条件に関するデータ、検出波評価部３６の周波数解析部３７によって用いられる高速フーリエ変換処理に関するデータ、検出波評価部３６の２回透過係数算出部３８によって用いられる２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数の導出処理に関するデータ、検出波評価部３６の２回透過係数比較部３９によって用いられる理論モデルに関するデータ、及び、検出波評価部３６の２回透過係数比較部３９によって用いられる２回透過係数Ｔ２の実測値と２回透過係数Ｔ２の理論値との比較処理に関するデータ等を記憶している。なお、接着層１Ａ、試料片１Ｂ及び試料片１Ｃの厚み等の形状に関するデータは、予め別の方法で測定して求めたものが好適に採用される。また、接着層１Ａ、試料片１Ｂ及び試料片１Ｃの厚み等の形状に関するデータは、接着層１Ａに関するパラメータとして算出してもよい。
【0048】
また、制御装置３０の記憶部３２は、制御装置３０の処理部３１で取得される種々のデータを記憶することができる。制御装置３０の記憶部３２は、具体的には、超音波検出制御部３５によって取得される超音波検出装置１２による反射波１２Ｂの検出データである２回透過波の測定データ及び参照波の測定データ、検出波評価部３６の周波数解析部３７によって取得される２回透過波の周波数関数のデータ及び参照波の周波数関数のデータ、検出波評価部３６の２回透過係数算出部３８によって取得される２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数のデータ、検出波評価部３６の２回透過係数比較部３９によって算出される２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数のデータ、及び、検出波評価部３６の２回透過係数比較部３９によって算出される試料１の接着層１Ａが有する弱接着に関するパラメータ等を記憶することができる。
【0049】
制御装置３０の入出力インターフェース３３には、超音波照射装置１１及び超音波検出装置１２によって構成される超音波探触子１３が接続される。制御装置３０は、入出力インターフェース３３を介して、超音波探触子１３を制御し、超音波照射装置１１及び超音波検出装置１２を制御するとともに、超音波検出装置１２による反射波１２Ｂの検出データを取得する。また、制御装置３０の入出力インターフェース３３には、不図示の入力装置が接続されていてもよい。制御装置３０は、入出力インターフェース３３を介して、処理部３１の処理に使用する種々の情報の入力を当該入力装置から受け付けることができる。また、制御装置３０の入出力インターフェース３３には、不図示の表示装置が接続されていてもよい。処理部３１の処理によって得られた種々の情報を出力して、文字、画像、動画等により、当該表示装置に表示させることができる。
【0050】
実施形態１に係る接着層評価システム１０の作用について以下に説明する。図２は、本発明の実施形態１に係る接着層評価方法のフローチャートである。接着層評価システム１０によって実行される実施形態に係る接着層評価方法について、接着層評価システム１０の処理部３１における超音波照射制御部３４と、超音波検出制御部３５と、検出波評価部３６の詳細な機能、並びに、検出波評価部３６における周波数解析部３７、２回透過係数算出部３８及び２回透過係数比較部３９の詳細な機能と併せて、以下に説明する。
【0051】
実施形態１に係る接着層評価方法は、図２に示すように、２回透過波検出ステップＳ１１と、参照波検出ステップＳ１２と、検出波評価ステップＳ１３と、を有する。
【0052】
２回透過波検出ステップＳ１１は、接着層１Ａを有する試料１を２回透過させた超音波である２回透過波の実測値を検出するステップである。
【0053】
２回透過波検出ステップＳ１１では、具体的には、まず、図１に示すように、２回透過波を検出する被検体となる接着層１Ａを有する試料１を試料設置部１４に設置した状態を形成する。２回透過波検出ステップＳ１１では、次に、この状態下で、超音波照射制御部３４が超音波照射装置１１を制御して、超音波照射装置１１に照射面１１Ａから、試料設置部１４に設置した試料１に向けて、照射波１１Ｂを照射させる。２回透過波検出ステップＳ１１では、そして、超音波検出制御部３５が超音波検出装置１２を制御して、超音波検出装置１２に検出面１２Ａで反射波１２Ｂを検出させる。これにより、２回透過波検出ステップＳ１１では、超音波検出制御部３５が、超音波検出装置１２に、接着層１Ａを有する試料１の２回透過波の実測値を検出させる。
【0054】
参照波検出ステップＳ１２は、接着層１Ａを有する試料１を１回も透過させていない超音波である参照波の実測値を検出するステップである。
【0055】
参照波検出ステップＳ１２では、具体的には、まず、２回透過波を検出する被検体となる接着層１Ａを有する試料１を試料設置部１４に設置していない状態、すなわち、試料設置部１４に何も設置していない状態を形成する。参照波検出ステップＳ１２では、次に、この状態下で、超音波照射制御部３４が超音波照射装置１１を制御して、超音波照射装置１１に照射面１１Ａから、試料設置部１４に設置した試料１に向けて、照射波１１Ｂを照射させる。参照波検出ステップＳ１２では、そして、超音波検出制御部３５が超音波検出装置１２を制御して、超音波検出装置１２に検出面１２Ａで反射波１２Ｂを検出させる。これにより、参照波検出ステップＳ１２では、超音波検出制御部３５が、超音波検出装置１２に、接着層１Ａを有する試料１を１回も透過させていない参照波の実測値を検出させる。
【0056】
なお、参照波検出ステップＳ１２は、以前に、超音波照射装置１１、超音波検出装置１２及び超音波反射体１５の位置関係並びに水槽２０に貯留された水２１等が等しい条件下で、参照波の実測値を検出している場合、実施を省略して、以前に検出した参照波の実測値を再び使用に供してもよい。
【0057】
検出波評価ステップＳ１３は、２回透過波検出ステップＳ１１で検出した２回透過波の実測値と試料１に関する理論モデルに基づいて算出される２回透過波の理論値とを比較して、接着層１Ａが弱接着を有するか否かを評価するステップである。検出波評価ステップＳ１３は、より詳細には、図２に示すように、周波数解析ステップＳ２１と、２回透過係数算出ステップＳ２２と、２回透過係数比較ステップＳ２３と、弱接着有無判定ステップＳ２４と、弱接着パラメータ算出ステップＳ２５と、を有する。
【0058】
周波数解析ステップＳ２１は、２回透過波検出ステップＳ１１で得られた２回透過波と、今回または以前の参照波検出ステップＳ１２で得られた参照波とをそれぞれ周波数解析するステップである。
【0059】
周波数解析ステップＳ２１では、具体的には、周波数解析部３７が、時間関数である２回透過波と参照波とのそれぞれについて、高速フーリエ変換を施すことで、振幅スペクトルの強度の周波数関数を取得するステップである。
【0060】
２回透過係数算出ステップＳ２２は、周波数解析ステップＳ２１で得られた２回透過波と参照波との振幅スペクトルの強度比に基づいて、試料１を２回透過したことに関するパラメータである２回透過係数Ｔ２の実測値を算出するステップである。
【0061】
２回透過係数算出ステップＳ２２では、具体的には、２回透過係数算出部３８が、周波数ｆごとに、２回透過波の振幅スペクトルの強度から参照波の振幅スペクトルの強度を除すことにより、２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数を取得する。
【0062】
図３は、図２の検出波評価ステップＳ１３を説明するグラフの一例である。図４は、図２の検出波評価ステップＳ１３を説明するグラフの別の一例である。図３及び図４のグラフは、いずれも、横軸が周波数ｆ［単位；Ｈｚ］、縦軸が２回透過係数Ｔ２の２次元グラフである。図３のグラフは、第１例について示しており、図４のグラフは、第２例について示している。２回透過係数算出ステップＳ２２では、２回透過係数算出部３８が、例えば、図３において実線で示す第１例の２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数曲線４１、及び、図４において実線で示す第２例の２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数曲線４３を取得する。
【0063】
２回透過係数比較ステップＳ２３は、２回透過係数算出ステップＳ２２で算出した２回透過係数Ｔ２の実測値と、理論モデルに基づいて算出される２回透過係数Ｔ２の理論値とを比較して、接着層１Ａが弱接着を有するか否かを評価するステップである。
【0064】
図５は、図１の接着層評価システム１０で図２の接着層評価方法を実行する際に採用する理論モデルの一例を示す説明図である。２回透過係数比較ステップＳ２３で使用する２回透過係数Ｔ２の理論値を算出する際に用いる理論モデルについて、図５を用いて、以下に説明する。
【0065】
２回透過係数比較ステップＳ２３で２回透過係数比較部３９が用いる理論モデルでは、試料１は、図５に示すように、試料片１Ｂと接着層１Ａとの界面にスプリング界面１Ｄが設けられ、接着層１Ａと試料片１Ｃとの界面にスプリング界面１Ｅが設けられ、接着層１Ａを２箇所のスプリング界面１Ｄ，１Ｅで結合したものとしている。この理論モデルでは、スプリング界面１Ｄにおける接着界面剛性をバネ定数ＫＮ１［単位；ＭＰａ／ｎｍ］によって設定し、スプリング界面１Ｅにおける接着界面剛性をバネ定数ＫＮ２［単位；ＭＰａ／ｎｍ］によって設定している。なお、これらのバネ定数ＫＮ１，ＫＮ２は、その値が接着界面剛性そのものを表すという性質を持つパラメータである。また、バネ定数ＫＮ１，ＫＮ２は、スプリング界面１Ｄ，１Ｅにおける接着界面剛性が、垂直方向における成分の剛性となるように設定されている。実施形態１では、このような理論モデルを採用しているので、超音波の２回透過波について、実際に弱接着の要因が発生しやすい接着層１Ａの両面に界面応力を設定して剛性解析する本実施形態にとって妥当性の高い計算手法を用いて、接着層１Ａが弱接着を有するか否かを評価することができるため、現実に即した理論モデル及び計算手法に裏付けがなされた弱接着の検出を実行することができる。
【0066】
２回透過係数比較ステップＳ２３では、また、本実施形態では、実際の接着層１Ａを有する試料１が剥離破壊をする際に、接着層１Ａと試料片１Ｂとの界面または接着層１Ａと試料片１Ｃとの界面で破壊する場合が多いことを考慮して、２回透過係数比較部３９が、バネ定数ＫＮ１，ＫＮ２のうち一方のバネ定数ＫＮ１は健全な接着を形成しており、他方のバネ定数ＫＮ２は健全な接着または弱接着を形成しているものとして、この理論モデルを用いている。なお、本発明では、理論モデルにおけるバネ定数ＫＮ１，ＫＮ２の扱い方はこの方法に限定されず、例えば、バネ定数ＫＮ１，ＫＮ２のうち一方のバネ定数ＫＮ２は健全な接着を形成しており、他方のバネ定数ＫＮ１は健全な接着または弱接着を形成しているものとして取り扱ってもよいし、バネ定数ＫＮ１，ＫＮ２とが共に同じ値であり、かつ、共に健全な接着または弱接着を形成しているものとして取り扱ってもよい。
【0067】
また、本発明では、理論モデルにおけるバネ定数ＫＮ１，ＫＮ２等の設け方は上記した方法に限定されず、試料１の性質に応じて適宜扱い方を変更してもよい。例えば、本発明では、試料片１Ｂと接着層１Ａとの界面、及び、接着層１Ａと試料片１Ｃとの界面のいずれか一方のみにスプリング界面を設け、接着層１Ａを１箇所のスプリング界面で結合した理論モデルを用いてもよい。
【0068】
２回透過係数比較ステップＳ２３では、まず、２回透過係数比較部３９が、上記した理論モデルに入力するための接着層１Ａ、試料片１Ｂ及び試料片１Ｃの密度及び厚みの情報、超音波照射装置１１による照射波１１Ｂの超音波の周波数の情報を、記憶部３２より取得する。
【0069】
２回透過係数比較ステップＳ２３では、次に、２回透過係数比較部３９が、接着層１Ａ、試料片１Ｂ及び試料片１Ｃの密度及び厚みの情報と、照射波１１Ｂの超音波の周波数の情報を上記した理論モデルに入力して、剛性マトリックス法を用いて、バネ定数ＫＮ１，ＫＮ２と周波数ｆと２回透過係数Ｔ２との間で成立する関係式を導出する。
【0070】
２回透過係数比較ステップＳ２３では、そして、２回透過係数比較部３９が、理論モデルを用いて導出したバネ定数ＫＮ１，ＫＮ２と周波数ｆと２回透過係数Ｔ２との間で成立する関係式を用いて、バネ定数ＫＮ１に健全な接着を形成している場合の値を入力して固定し、予め設定した範囲内で周波数ｆを逐次代入し、０以上バネ定数ＫＮ１の設定値以下の範囲内でバネ定数ＫＮ２を逐次代入することで、予め設定した範囲内の周波数ｆごと、かつ、０以上バネ定数ＫＮ１の設定値以下の範囲内のバネ定数ＫＮ２ごとの２回透過係数Ｔ２の理論値を算出する。
【0071】
ここで、健全な接着を形成している場合のバネ定数ＫＮ１の値は、バネ定数ＫＮ１，ＫＮ２が等しいとして、別の強度試験等から健全な接着を形成していると考えられる試料１についての２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数と、２回透過係数Ｔ２のピーク周波数が一致する２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数を算出する際のバネ定数ＫＮ１，ＫＮ２の値を採用することが好ましい。
【0072】
図６は、図５の理論モデルを用いて算出された２回透過係数Ｔ２の理論値の一例を示すグラフである。図６のグラフは、横軸が周波数ｆ［単位；Ｈｚ］、縦軸がバネ定数ＫＮ２、濃淡が２回透過係数Ｔ２の３次元グラフである。図６において、任意のバネ定数ＫＮ２を選択して横軸に平行に切断して現れる断面が、２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数曲線４１，４２と比較可能な横軸が周波数ｆ［単位；Ｈｚ］であり縦軸が２回透過係数Ｔ２である２次元グラフとなる。２回透過係数比較ステップＳ２３では、２回透過係数比較部３９が、図６の３次元グラフに示すような各バネ定数ＫＮ２における２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数の束を取得する。
【0073】
２回透過係数比較ステップＳ２３では、さらに、２回透過係数比較部３９が、２回透過係数算出ステップＳ２２で取得した２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数と、２回透過係数比較ステップＳ２３におけるここまでの処理の中で取得した各バネ定数ＫＮ２における２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数の束のうち、健全な接着を形成しておりバネ定数ＫＮ２がバネ定数ＫＮ１と等しいとした場合の２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数とを比較する。２回透過係数比較ステップＳ２３では、そして、２回透過係数比較部３９が、これらの２つの周波数関数の２回透過係数Ｔ２の複数のピーク周波数がいずれも所定の誤差の範囲内で一致する場合に、接着層１Ａが弱接着を有さない旨の評価をし、これらの２つの周波数関数の２回透過係数Ｔ２のピーク周波数が所定の誤差を超えた有意差を有する場合に、接着層１Ａが弱接着を有する旨の評価をする。
【0074】
２回透過係数比較ステップＳ２３では、２回透過係数比較部３９が、例えば、２回透過係数算出ステップＳ２２で２回透過係数算出部３８が第１例の２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数曲線４１を取得した場合、第１例の２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数曲線４１と、健全な接着を形成しておりバネ定数ＫＮ２がバネ定数ＫＮ１と等しいとした場合の図３において破線で示す２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数曲線４２との間で複数のピーク周波数がいずれも所定の誤差の範囲内で一致するので、第１例で２回透過波を検出する際に使用した試料１の接着層１Ａが弱接着を有さない旨の評価をする。
【0075】
一方、２回透過係数比較ステップＳ２３では、２回透過係数比較部３９が、例えば、２回透過係数算出ステップＳ２２で２回透過係数算出部３８が第２例の２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数曲線４３を取得した場合、第２例の２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数曲線４３と、健全な接着を形成しておりバネ定数ＫＮ２がバネ定数ＫＮ１と等しいとした場合の２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数曲線との間で一部のピーク周波数が所定の誤差を超えた有意差を有するので、第２例で２回透過波を検出する際に使用した試料１の接着層１Ａが弱接着を有する旨の評価をする。
【0076】
弱接着有無判定ステップＳ２４は、２回透過係数比較部３９が、２回透過係数比較ステップＳ２３において接着層１Ａが弱接着を有さない旨の評価をした場合、弱接着で無いと判定して（弱接着有無判定ステップＳ２４でＮｏ）、弱接着パラメータ算出ステップＳ２５を実行せずに実施形態に係る接着層評価方法を終了させ、２回透過係数比較ステップＳ２３において接着層１Ａが弱接着を有する旨の評価をした場合、弱接着で有ると判定して（弱接着有無判定ステップＳ２４でＹｅｓ）、弱接着パラメータ算出ステップＳ２５へ処理を進めるステップである。
【0077】
弱接着有無判定ステップＳ２４では、２回透過係数比較部３９が、例えば、２回透過係数比較ステップＳ２３において接着層１Ａが弱接着を有さない旨の評価をした図３に示す第１例の場合、弱接着で無いと判定して、弱接着パラメータ算出ステップＳ２５を実行せずに実施形態に係る接着層評価方法を終了させる。一方、弱接着有無判定ステップＳ２４では、２回透過係数比較部３９が、例えば、２回透過係数比較ステップＳ２３において接着層１Ａが弱接着を有する旨の評価をした図４に示す第２例の場合、弱接着で有ると判定して、弱接着パラメータ算出ステップＳ２５へ処理を進める。
【0078】
弱接着パラメータ算出ステップＳ２５は、接着層１Ａが有する弱接着に関するパラメータを算出するステップである。弱接着パラメータ算出ステップＳ２５では、具体的には、２回透過係数比較部３９が、２回透過係数算出ステップＳ２２で取得した２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数におけるピーク周波数と、２回透過係数比較ステップＳ２３で取得した２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数における複数のピーク周波数とがいずれも所定の誤算の範囲内で一致する際のバネ定数ＫＮ２の値を、評価に供した試料１の接着層１Ａが有する弱接着に関するパラメータとして算出する。
【0079】
２回透過係数算出ステップＳ２２で取得した２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数におけるピーク周波数は、図６に示すように、本実施形態で説明している理論モデルを使用する場合、その一部が、バネ定数ＫＮ２の値に依存して変化している。また、バネ定数ＫＮ２の値に依存してピーク周波数が変化するピークについて、図６に示すように、バネ定数ＫＮ２の値とピーク周波数とは一対一の関係にあることがわかる。このため、弱接着パラメータ算出ステップＳ２５では、２回透過係数比較部３９が、２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数におけるピーク周波数に基づいて、２回透過係数算出ステップＳ２２で取得した２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数を用いて、バネ定数ＫＮ２の値を一意に算出することができる。
【0080】
弱接着パラメータ算出ステップＳ２５では、２回透過係数比較部３９が、例えば、２回透過係数算出ステップＳ２２で２回透過係数算出部３８が第２例の２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数曲線４３を取得した場合、第２例の２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数曲線４３のピーク周波数と、バネ定数ＫＮ２のバネ定数ＫＮ１に対する比を０．２１とした場合の図４において破線で示す２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数曲線４４との間で複数のピーク周波数がいずれも所定の誤差の範囲内で一致するので、第２例で２回透過波を検出する際に使用した試料１の接着層１Ａが有する弱接着が、健全な接着を基準として０．２１倍の接着強度であると算出する。
【0081】
また、２回透過係数比較ステップＳ２３について、実質的に、上記した弱接着有無判定ステップＳ２４及び弱接着パラメータ算出ステップＳ２５の処理を含む形で、効率的な処理を実行することができる。この場合、２回透過係数比較ステップＳ２３では、２回透過係数比較部３９が、具体的には、２回透過係数Ｔ２の実測値のピーク周波数に、理論モデルにおける接着層１Ａにおける接着に関するパラメータであるバネ定数ＫＮ２を変化させることで２回透過係数Ｔ２の理論値のピーク周波数を合わせ込むことで、接着層１Ａにおける接着に関するパラメータであるバネ定数ＫＮ２を導出し、接着層１Ａにおける接着に関するパラメータであるバネ定数ＫＮ２が、健全な接着を形成している時の接着に関するパラメータであるバネ定数ＫＮ１よりも下回っている場合、接着層１Ａは弱接着を有すると評価することができる。
【0082】
なお、２回透過波検出ステップＳ１１、参照波検出ステップＳ１２及び検出波評価ステップＳ１３を有する実施形態に係る接着層評価方法を、試料１の接着層１Ａの面内方向の複数の位置で実施することで、接着層１Ａにおける弱接着の有無の面内方向の分布、並びに、接着層１Ａにおける接着強度の面内方向の分布を算出することが好ましい。
【0083】
図７は、図１の接着層評価システム１０で図２の接着層評価方法を実行する際の接着層評価位置の説明図である。例えば、試料１の接着層１Ａが長方形状であり、面内方向の大きさが、横方向が２５０ｍｍで縦方向が１００ｍｍである場合、図７に示すように、縦方向に真ん中であり、横方向に４０ｍｍ間隔で配された５点の接着層評価位置で実施形態に係る接着層評価方法を実施して、５点の接着層評価位置における弱接着の有無並びに接着強度を算出することができる。なお、接着層評価位置は、超音波測定を用いた面内方向の分解能に応じて細かく設けることが好ましい。
【0084】
接着層評価システム１０及び接着層評価システム１０による接着層評価方法は、以上のような構成を有するので、超音波の２回透過波を使用して、接着層１Ａが弱接着を有するか否かを評価することができるので、試料１を破壊することなく弱接着を検出することができる。
【0085】
また、接着層評価システム１０及び接着層評価システム１０による接着層評価方法は、２回透過波と参照波とをそれぞれ周波数解析して得られた２回透過波と参照波とのスペクトルの強度比に基づいて２回透過係数Ｔ２の実測値を算出し、この２回透過係数Ｔ２の実測値を理論モデルに基づいて算出される２回透過係数Ｔ２の理論値とを比較して、接着層１Ａが弱接着を有するか否かを評価する。このため、接着層評価システム１０及び接着層評価システム１０による接着層評価方法は、超音波の２回透過波について、接着層１Ａの接着性を顕著に表す２回透過係数を用いるので、接着層１Ａが弱接着を有するか否かを高い精度で評価することができる。
【0086】
また、接着層評価システム１０及び接着層評価システム１０による接着層評価方法は、検出波評価部３６が、２回透過係数の実測値のピーク周波数に、理論モデルにおける接着層１Ａにおける接着に関するパラメータであるバネ定数ＫＮ２を変化させることで２回透過係数の理論値のピーク周波数を合わせ込むことで、接着層１Ａにおける接着に関するパラメータであるバネ定数ＫＮ２を導出し、接着層１Ａにおける接着に関するパラメータであるバネ定数ＫＮ２が、健全な接着を形成している時の接着に関するパラメータであるバネ定数ＫＮ１よりも下回っている場合、接着層１Ａは弱接着を有すると評価することができる。このため、接着層評価システム１０及び接着層評価システム１０による接着層評価方法は、接着層１Ａが弱接着を有するか否かをより高い精度で効率よく評価することができる。
【0087】
また、接着層評価システム１０及び接着層評価システム１０による接着層評価方法は、接着層１Ａにおける接着に関するパラメータであるバネ定数ＫＮ２の値を算出する。このため、接着層評価システム１０及び接着層評価システム１０による接着層評価方法は、検出した弱接着を定量化することができる。
【0088】
また、接着層評価システム１０及び接着層評価システム１０による接着層評価方法は、試料１に関する理論モデルとして、接着層１Ａを２箇所のスプリング界面１Ｄ，１Ｅで結合した理論モデルを採用して、剛性マトリックス法を用いて、２回透過係数Ｔ２の理論値等を算出処理する。このため、接着層評価システム１０及び接着層評価システム１０による接着層評価方法は、超音波の２回透過波について、実際に弱接着の要因が発生しやすい界面に界面応力を設定して剛性解析する妥当性の高い理論モデル及び計算手法を用いて、接着層１Ａが弱接着を有するか否かを評価することができるので、現実に即した理論モデル及び計算手法に裏付けがなされた弱接着の検出を実行することができる。
【0089】
なお、実施形態１では、超音波照射装置１１及び超音波検出装置１２として、超音波を試料１へ向けて照射すると共に、試料１から反射された超音波を検出する超音波探触子１３を用いたが、これに限定されない。例えば、試料１を励起させ、試料１から発生した弾性波を検出するものであってもよい。試料１を励起させる装置として、例えば、超音波トランスデューサ、レーザーまたはＥＭＡＴ等を用いた音場・弾性波動場、電磁波または電場・磁場等による電磁場により、試料１を励起させる装置であってもよい。音場・弾性波動場により試料１から弾性波を励起させる場合であっても、弾性波の一部が試料を透過するものであることから、周波数依存性のある透過係数を比較することでパラメータを推定することができる。
【0090】
また、実施形態１では、接着層１Ａに関するパラメータとして、バネ定数ＫＮ１，ＫＮ２に基づく接着界面剛性を算出したが、理論モデルにおいて接着層の厚さｈａｄも接着層１Ａに関するパラメータとして組み込むことで、同様の方法を用いて、接着層厚ｈａｄを算出することも可能である。同様に、接着層１Ａに関するパラメータとして、上記した界面剛性の界面パラメータ、接着層厚ｈａｄの形状パラメータの他、物性パラメータを組み込むことで、同様の方法を用いて、物性パラメータを算出することも可能である。
【0091】
また、実施形態１では、周波数特性として、振幅スペクトルのピーク周波数を適用したが、特に限定されない。超音波検出装置１２により検出された２回透過波の周波数特性の実測値と、理論モデルを用いて算出された２回透過波の周波数特性の理論値と合わせ込んで、接着層１Ａに関するパラメータの評価が可能であれば、何れの周波数特性を適用してもよい。
【0092】
［実施形態２］
次に、図８及び図９を参照して、実施形態２に係る接着層評価システム５０及び接着層評価方法について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図８は、本発明の実施形態２に係る接着層評価システムの具体的な構成例を示す図である。図９は、本発明の実施形態２に係る接着層評価システムで採用する理論モデルの一例を示す説明図である。
次に、図８及び図９を参照して、実施形態２に係る接着層評価システム５０及び接着層評価方法について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図８は、本発明の実施形態２に係る接着層評価システムの具体的な構成例を示す図である。図９は、本発明の実施形態２に係る接着層評価システムで採用する理論モデルの一例を示す説明図である。
【0093】
実施形態２の接着層評価システム５０は、実施形態１の超音波照射装置１１に対向する試料１の接着層１Ａの接着界面に対して、所定の傾斜角度をもって超音波を照射する斜角入射を行っている。つまり、試料設置部１４に設置された試料１は、照射波１１Ｂの照射方向に対して、傾斜するように配置されている。このため、超音波照射装置１１は、試料１の接着層１Ａの接着界面に対して、所定の入射角度で照射波１１Ｂを照射する。超音波検出装置１２は、超音波反射体１５から反射された反射波１２Ｂを検出する。
【0094】
また、接着層評価システム５０では、試料設置部１４に設置される試料１の接着層１Ａの界面が、超音波照射装置１１の照射面１１Ａ及び超音波検出装置１２の検出面１２Ａに対して、傾斜するように配置されるとともに、超音波反射体１５の反射面１５Ａに対して、傾斜するように配置される。なお、超音波照射装置１１の照射面１１Ａと、超音波検出装置１２の検出面１２Ａと、超音波反射体１５の反射面１５Ａとは、互いに平行になるように配設されている。つまり、接着層評価システム５０では、試料１の接着層１Ａの界面に対して、超音波が垂直方向に対して傾斜する傾斜方向に照射されるように、また、超音波が傾斜方向に透過するように、試料１が配置されている。
【0095】
接着層評価システム５０は、超音波照射装置１１、超音波検出装置１２、試料設置部１４、超音波反射体１５及び水槽２０が以上のような配置をしているので、超音波照射装置１１の照射面１１Ａから照射波１１Ｂを照射することで、水槽２０に貯留された水２１中において、所定の入射角度で照射された照射波１１Ｂが接着層１Ａを１回透過し、接着層１Ａを１回透過した照射波１１Ｂが反射面１５Ａによって反射して反射波１２Ｂとなり、反射波１２Ｂが所定の入射角度で試料１に照射され、接着層１Ａをさらに１回透過して２回透過波となり、超音波検出装置１２の検出面１２Ａが２回透過波となった反射波１２Ｂを検出することができる。
【0096】
制御装置３０の２回透過係数比較部３９は、検出される超音波が傾斜方向となる２回透過波であることから、２回透過係数比較ステップＳ２３で使用する２回透過係数Ｔ２の理論値を算出する際に用いる理論モデルは、図９に示すものが用いられる。
【0097】
図９に示す理論モデルでは、試料１は、試料片１Ｂと接着層１Ａとの界面にスプリング界面１Ｄが設けられ、接着層１Ａと試料片１Ｃとの界面にスプリング界面１Ｅが設けられ、接着層１Ａを２箇所のスプリング界面１Ｄ，１Ｅで結合したものとしている。この理論モデルでは、スプリング界面１Ｄにおける接着界面剛性をバネ定数ＫＮ１［単位；ＭＰａ／ｎｍ］及びバネ定数ＫＴ１［単位；ＭＰａ／ｎｍ］によって設定し、スプリング界面１Ｅにおける接着界面剛性をバネ定数ＫＮ２［単位；ＭＰａ／ｎｍ］及びバネ定数ＫＴ２［単位；ＭＰａ／ｎｍ］によって設定している。バネ定数ＫＮ１，ＫＮ２は、スプリング界面１Ｄ，１Ｅにおける接着界面剛性が、垂直方向における成分の剛性となるように設定されている。バネ定数ＫＴ１，ＫＴ２は、スプリング界面１Ｄ，１Ｅにおける接着界面剛性が、垂直方向に直交する接着界面の面内方向における成分の剛性となるように設定されている。
【0098】
なお、実施形態２の接着層評価システム５０を用いた接着層評価方法では、実施形態１の理論モデルに代えて、実施形態２の理論モデルを用いることで成立する。つまり、実施形態２の理論モデルを用いて算出される２回透過係数Ｔ２は、垂直方向における成分の剛性のバネ定数ＫＮ２と、面内方向における成分の剛性のバネ定数ＫＴ２とを考慮できる。このため、接着層１Ａの垂直方向における接着界面剛性だけでなく、面内方向（せん断方向）における接着界面剛性を評価することができる。
【0099】
具体的に、２回透過係数比較ステップＳ２３では、図９に示す理論モデルを用いて、剛性マトリックス法により、バネ定数ＫＮ１，ＫＮ２，ＫＴ１，ＫＴ２と周波数ｆと２回透過係数Ｔ２との間で成立する関係式を導出する。そして、２回透過係数比較ステップＳ２３では、導出した関係式を用いて、バネ定数ＫＮ１，ＫＴ１に健全な接着を形成している場合の値を入力して固定し、予め設定した範囲内で周波数ｆを逐次代入し、０以上バネ定数ＫＮ１，ＫＴ１の設定値以下の範囲内でバネ定数ＫＮ２，ＫＴ２を逐次代入することで、予め設定した範囲内の周波数ｆごと、かつ、０以上バネ定数ＫＮ１，ＫＴ１の設定値以下の範囲内のバネ定数ＫＮ２，ＫＴ２ごとの２回透過係数Ｔ２の理論値を算出する。
【0100】
２回透過係数比較ステップＳ２３では、さらに、２回透過係数比較部３９が、２回透過係数算出ステップＳ２２で取得した２回透過係数Ｔ２の実測値の周波数関数と、２回透過係数比較ステップＳ２３で取得した健全な接着の２回透過係数Ｔ２の理論値の周波数関数とを比較する。２回透過係数比較ステップＳ２３では、２回透過係数比較部３９が、これらの２つの周波数関数の２回透過係数Ｔ２の複数のピーク周波数がいずれも所定の誤差の範囲内で一致する場合に、接着層１Ａが弱接着を有さない旨の評価をし、これらの２つの周波数関数の２回透過係数Ｔ２のピーク周波数が所定の誤差を超えた有意差を有する場合に、接着層１Ａが弱接着を有する旨の評価をする。なお、実施形態２の接着層評価システム５０を用いた接着層評価方法における、他のステップについては同様であるため、説明を省略する。
【0101】
以上のように、実施形態２によれば、接着層１Ａの界面における垂直方向と面内方向とにおいて弱接着を有するか否かを評価することができるので、試料１を破壊することなく弱接着を検出することができる。
【符号の説明】
【0102】
１ 試料
１Ａ 接着層
１Ｂ，１Ｃ 試料片
１Ｄ，１Ｅ スプリング界面
１０ 接着層評価システム
１１ 超音波照射装置
１１Ａ 照射面
１１Ｂ 照射波
１２ 超音波検出装置
１２Ａ 検出面
１２Ｂ 反射波
１３ 超音波探触子
１４ 試料設置部
１５ 超音波反射体
１５Ａ 反射面
２０ 水槽
２１ 水
３０ 制御装置
３１ 処理部
３２ 記憶部
３３ 入出力インターフェース
３４ 超音波照射制御部
３５ 超音波検出制御部
３６ 検出波評価部
３７ 周波数解析部
３８ ２回透過係数算出部
３９ ２回透過係数比較部
４１，４２，４３，４４ 周波数関数曲線
５０ 接着層評価システム
１Ａ 接着層
１Ｂ，１Ｃ 試料片
１Ｄ，１Ｅ スプリング界面
１０ 接着層評価システム
１１ 超音波照射装置
１１Ａ 照射面
１１Ｂ 照射波
１２ 超音波検出装置
１２Ａ 検出面
１２Ｂ 反射波
１３ 超音波探触子
１４ 試料設置部
１５ 超音波反射体
１５Ａ 反射面
２０ 水槽
２１ 水
３０ 制御装置
３１ 処理部
３２ 記憶部
３３ 入出力インターフェース
３４ 超音波照射制御部
３５ 超音波検出制御部
３６ 検出波評価部
３７ 周波数解析部
３８ ２回透過係数算出部
３９ ２回透過係数比較部
４１，４２，４３，４４ 周波数関数曲線
５０ 接着層評価システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】