特許 7652056 計測装置及び計測方法

(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】2025-03-18

(45)【発行日】2025-03-27

(54)【発明の名称】計測装置及び計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 17/02 20060101AFI20250319BHJP

   G01N 29/07 20060101ALI20250319BHJP

【ＦＩ】

G01B17/02 Z

G01N29/07

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021193687

(22)【出願日】2021-11-29

(65)【公開番号】P2023079954

(43)【公開日】2023-06-08

【審査請求日】2024-03-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100165962

【弁理士】

【氏名又は名称】一色 昭則

(74)【代理人】

【識別番号】100206357

【弁理士】

【氏名又は名称】角谷 智広

(72)【発明者】

【氏名】山口 雄平

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 康元

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－３００５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３０８３３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】Y.Zhao , L.Lin , X.M.Li , M.K.Lei，Simultaneous determination of the coating thickness and its longitudinal velocity by ultrasonic nondestructive method，NDT&E Internanational，vol.43(2010)，p.579-585

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １７／０２

Ｇ０１Ｎ ２９／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物の厚さと縦波音速を同時に計測する計測装置であって、
前記対象物に超音波を照射する送信部と、
前記対象物からの透過波または反射波である超音波を時間波形の電気信号として受信する受信部と、
前記電気信号を振幅および位相の周波数スペクトルに変換する変換部と、
前記対象物の厚さおよび縦波音速を所定の値としたときの振幅および位相の周波数スペクトルを解析式により算出し、前記変換部による振幅および位相の周波数スペクトルと前記解析式による振幅および位相の周波数スペクトルとの適合性を、前記解析式に用いる前記対象物の厚さおよび縦波音速を変えて繰り返し判断し、前記変換部による振幅および位相の周波数スペクトルと解析による振幅および位相の周波数スペクトルとが最も適合するときに解析式に用いた前記対象物の厚さおよび縦波音速を、解として算出する解析部と、
を有し、
前記解析式は、前記送信部から前記対象物までおよび前記対象物から前記受信部までの間に存在する媒質を考慮し、前記媒質による超音波の位相変化を考慮した式である、
ことを特徴とする計測装置。

【請求項2】

前記適合性は、ＲＭＳＥ、最尤推定法、または機械学習により判断する、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。

【請求項3】

前記媒質は空気である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計測装置。

【請求項4】

前記受信部は、前記対象物からの透過波を受信する、ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の計測装置。

【請求項5】

前記解析式は、分布定数回路モデルにより算出した式である、ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の計測装置。

【請求項6】

前記対象物は、複数の層で構成された積層体のうちの１層である、ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の計測装置。

【請求項7】

対象物の厚さと縦波音速を同時に計測する計測方法であって、
送信部から前記対象物に超音波を照射し、
前記対象物からの透過波または反射波である超音波を時間波形の電気信号として受信部で受信し、
前記電気信号を振幅および位相の周波数スペクトルに変換し、
前記対象物の厚さおよび縦波音速を所定の値としたときの振幅および位相の周波数スペクトルを解析式により算出し、前記電気信号から変換した振幅および位相の周波数スペクトルと前記解析式による振幅および位相の周波数スペクトルとの適合性を、前記解析式に用いる前記対象物の厚さおよび縦波音速を変えて繰り返し判断し、前記電気信号から変換した振幅および位相の周波数スペクトルと解析による振幅および位相の周波数スペクトルとが最も適合するときに前記解析式に用いた前記対象物の厚さおよび縦波音速を、解として算出し、
前記解析式は、前記送信部から前記対象物までおよび前記対象物から前記受信部までの間に存在する媒質を考慮し、前記媒質による超音波の位相変化を考慮した式である、
ことを特徴とする計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波を用いて対象物の厚さと縦波音速を同時計測する計測装置および計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

対象物の厚さと音速を同時に計測する技術として、特許文献１や非特許文献１，２がある。

【0003】

特許文献１には、超短パルスコヒーレント光を透明薄膜内で干渉させ、その内部の弾性波によって生じる干渉うねりから音速を算出することが記載されている。また、求めた音速と弾性波の薄膜内での伝搬時間から薄膜の厚さを算出することが記載されている。

【0004】

非特許文献１には、対象物に超音波を照射し、対象物の表面及び裏面からの反射波を計測し、その時間差を基に対象物の厚さと音速を算出することが記載されている。

【0005】

非特許文献２には、基板上の薄膜に超音波を照射し、薄膜の表面と裏面からの反射波が合成した波を計測し、その振幅の周波数スペクトルに基づいて薄膜の厚さと音速を算出することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平５－３４６３０９号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】Graciet, C., Hosten, B., Proceedings of IEEE Ultrasonics Symposium(1994), pp.1219-1223

【文献】Zhao, Y., Lin, L., Li, M.K., NDT&E International, Vol.43, No.7(2010), pp.579-585

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、特許文献１の方法では、対象物内でレーザー光を干渉させる必要があるため、不透明体には適用できないという問題があった。

【0009】

また、非特許文献１では、表面からの反射波と裏面からの反射波とを分離して計測する必要があり、対象物が薄い場合には適用できなかった。

【0010】

非特許文献２では表面からの反射波と裏面からの反射波を分離する必要はないが、基板からの反射波は分離する必要がある。そのため、基板が薄い場合には適用が難しかった。加えて、対象物の厚さと縦波音速の両方とも振幅に依存するため、振幅を基にそれらを分離し、厚さと縦波音速を同時に精度よく算出するためには高周波数・広帯域の超音波センサが必要になる。そのため、非特許文献２の方法は水浸超音波法や接触式の超音波法にしか適用できなかった。

【0011】

そこで本発明の目的は、対象物の厚さと縦波音速を同時に精度よく測定することができる計測装置及び計測方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明は、対象物の厚さと縦波音速を同時に計測する計測装置であって、前記対象物に超音波を照射する送信部と、前記対象物からの透過波または反射波である超音波を時間波形の電気信号として受信する受信部と、前記電気信号を振幅および位相の周波数スペクトルに変換する変換部と、前記対象物の厚さおよび縦波音速を所定の値としたときの振幅および位相の周波数スペクトルを解析式により算出し、前記変換部による振幅および位相の周波数スペクトルと前記解析式による振幅および位相の周波数スペクトルとの適合性を、前記解析式に用いる前記対象物の厚さおよび縦波音速を変えて繰り返し判断し、前記変換部による振幅および位相の周波数スペクトルと解析による振幅および位相の周波数スペクトルとが最も適合するときに解析式に用いた前記対象物の厚さおよび縦波音速を、解として算出する解析部と、を有し、前記解析式は、前記送信部から前記対象物までおよび前記対象物から前記受信部までの間に存在する媒質を考慮し、前記媒質による超音波の位相変化を考慮した式である、ことを特徴とする計測装置である。

【0013】

また本発明は、対象物の厚さと縦波音速を同時に計測する計測方法であって、送信部から前記対象物に超音波を照射し、前記対象物からの透過波または反射波である超音波を時間波形の電気信号として受信部で受信し、前記電気信号を振幅および位相の周波数スペクトルに変換し、前記対象物の厚さおよび縦波音速を所定の値としたときの振幅および位相の周波数スペクトルを解析式により算出し、前記電気信号から変換した振幅および位相の周波数スペクトルと前記解析式による振幅および位相の周波数スペクトルとの適合性を、前記解析式に用いる前記対象物の厚さおよび縦波音速を変えて繰り返し判断し、前記電気信号から変換した振幅および位相の周波数スペクトルと解析による振幅および位相の周波数スペクトルとが最も適合するときに前記解析式に用いた前記対象物の厚さおよび縦波音速を、解として算出し、前記解析式は、前記送信部から前記対象物までおよび前記対象物から前記受信部までの間に存在する媒質を考慮し、前記媒質による超音波の位相変化を考慮した式である、ことを特徴とする計測方法である。

【0014】

本発明において、適合性は、ＲＭＳＥ、最尤推定法、または機械学習により判断することができる。

【0015】

本発明において、媒質は空気であってもよい。

【0016】

本発明において、受信部は、対象物からの透過波を受信するものであってよい。

【0017】

本発明において、解析式は、分布定数回路モデルにより算出した式であってもよい。

【0018】

本発明において、対象物は、複数の層で構成された積層体のうちの１層であってもよい。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、対象物の厚さと縦波音速を同時に精度よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１実施形態の計測装置の構成を示した図。

【図2】第１実施形態の計測方法のフローチャートを示した図。

【図3】送信センサ２から受信センサ３までの間の分布定数回路モデルを示した図。

【図4】縦波音速と振幅および位相の関係を示したグラフ。

【図5】厚さと振幅および位相の関係を示したグラフ。

【図6】縦波音速と振幅および位相の関係を示したグラフ。

【図7】厚さと振幅および位相の関係を示したグラフ。

【図8】透過波の時間波形を示したグラフ。

【図9】透過波の振幅の周波数スペクトルを示したグラフ。

【図10】透過波の位相の周波数スペクトルを示したグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0021】

（計測装置の構成について）
第１実施形態の計測装置は、対象物１０の厚さと縦波音速を同時に計測可能な計測装置である。図１は、第１実施形態の計測装置の構成を示した図である。図１のように、第１実施形態の計測装置は、送受信源１と、送信センサ２と、受信センサ３と、フーリエ変換部４と、解析部５と、を有している。

【0022】

対象物１０は、単層の材料でもよいが、複数の層からなる材料のうちの一層であってもよい。表面からの反射波と裏面からの反射波を分離できないような薄い材料でも第１実施形態では計測可能である。たとえば、２つの薄い材料を薄い接着剤で接合した構造において、接着剤の厚さおよび縦波音速を同時計測可能である。図１には、第１被着材１１、接着剤１２、第２被着材１３の３層の積層体１４を示し、そのうち接着剤１２が対象物１０である場合を示している。

【0023】

送受信源１は、送信センサ２、受信センサ３、およびフーリエ変換部４に接続されている。送受信源１は、超音波の送信、受信を制御する装置である。

【0024】

送信センサ２は、送受信源１に接続されている。送信センサ２は、送受信源１からの送信信号（電気信号）を超音波に変換し、超音波を空中に放射して積層体１４に照射する装置である。超音波の中心周波数は、たとえば５０ｋＨｚ～１００ＭＨｚである。また、帯域幅は、たとえば１０ｋＨｚ～２０ＭＨｚである。また、超音波の波長は、対象物１０の厚さよりも長くてもよい。そのため、送信センサ２、受信センサ３として低コストなものを使用できる。

【0025】

受信センサ３は、送受信源１に接続されている。積層体１４を透過して空中を伝搬する超音波を受信して電気信号（時間波形）に変換する装置である。変換された電気信号は、送受信源１に入力される。なお、第１実施形態では積層体１４の透過波を受信しているが、積層体１４からの反射波を受信してもよい。ただし、積層体１４からの反射波は透過波に比べて強度が強く、受信センサ３において受信強度が飽和しないように注意する必要がある。

【0026】

送信センサ２と受信センサ３は間隔を開けて対向して配置されている。積層体１４は、送信センサ２と受信センサ３の間に配置され、送信センサ２からの超音波が垂直に入射するように配置されている。

【0027】

フーリエ変換部４は、送受信源１および解析部５に接続されている。フーリエ変換部４は、送受信源１からの電気信号（時間波形）を振幅および位相の周波数スペクトルにフーリエ変換して出力する装置である。フーリエ変換以外の方法によって時間波形を振幅および位相の周波数スペクトルに変換してもよい。たとえば、振幅、位相は、検波器などで直接計測してもよい。その場合、入力信号は連続波が望ましい。

【0028】

解析部５は、フーリエ変換部４に接続されている。解析部５は、フーリエ変換部４からの振幅および位相の周波数スペクトルから対象物１０の厚さと縦波音速を算出する装置である。具体的な算出方法については後述する。

【0029】

なお、第１実施形態では、送信センサ２および受信センサ３と対象物との間は空気であり、空中超音波法で計測するものであるが、媒質は空気に限るものではなく、水など任意の媒質であってよい。

【0030】

また、送信センサ２と受信センサ３を移動させる機構、あるいは対象物１０を移動させる機構を設け、対象物１０への超音波の照射位置を変えることにより、対象物１０の厚さの分布と縦波音速の分布を計測してもよい。

【0031】

(計測方法について)
次に、第１実施形態の計測装置を用いた対象物１０の厚さと縦波音速の計測方法について説明する。

【0032】

まず、送受信源１から送信信号を送信センサ２に送信し、送信センサ２において送信信号を超音波に変換し、送信センサ２から積層体１４に対して超音波を照射する。そして、積層体１４を透過した超音波を受信センサ３により受信し、超音波を時間波形の電気信号に変換する。その受信した時間波形を送受信源１において電圧値の時間波形に変換し、さらにフーリエ変換部４において振幅と位相の周波数スペクトルに変換する。送受信源１で送信信号が送信された時間を原点とする。たとえば、送信と同時にトリガー信号を出すなどして決定する。

【0033】

次に、解析部５において、振幅と位相の周波数スペクトルから対象物１０の厚さと縦波音速を同時に算出する。その詳細について、図２のフローチャートを参照に説明する。

【0034】

まず、振幅と位相の周波数スペクトルを、下記式（１）に示す複素数の形にまとめる（図２のステップＳ１）。式（１）において、Ｖ_ｍ（ｆ）は、周波数ｆにおける複素数表示の計測信号、Ａ_ｍ（ｆ）は、周波数ｆにおける振幅の計測値、θ_ｍ（ｆ）は、周波数ｆにおける位相の計測値、ｊは虚数単位である。

【0035】

【数1】

【0036】

次に、Ｖ_ｍ（ｆ）を、事前に求めておいた基準試験片における計測信号Ｖ_ｍ０（ｆ）で割り、比複素透過率Ｔｒ’_ｍ（ｆ）を算出する（図２のステップＳ２）。基準試験片は、厚さ、縦波音速、密度が既知の材料で、減衰が少ない平板上が好ましい。

【0037】

次に、ある厚さおよび縦波音速における積層体１４の複素透過率Ｔｒ_ｃ（ｆ）を解析的に算出する（図２のステップＳ３）。その解析モデルの詳細は後述するが、送信センサ２および受信センサ３から対象物１０までの間の空気層も考慮したモデルとなっている。Ｔｒ_ｃ（ｆ）は、下記式（２）で表される。式（２）において、Ａ_ｃ（ｆ）は、周波数ｆにおける振幅の解析値、θ_ｃ（ｆ）は、周波数ｆにおける位相の解析値、ｊは虚数単位である。

【0038】

【数2】

【0039】

次に、Ｔｒ_ｃ（ｆ）を、事前に解析的に求めておいた基準試験片の複素透過率Ｔｒ_ｃ０（ｆ）で割り、比複素透過率Ｔｒ’_ｃ（ｆ）を算出する（図２のステップＳ４）。

【0040】

なお、Ｖ_ｍ（ｆ）、Ｔｒ_ｃ（ｆ）を基準試験片に対する比に変換しているのは、次の理由による。計測信号は送信信号と複素透過率の積に相当し、計測信号と複素透過率とでは単位・スケールが違う。そのため、Ｖ_ｍ（ｆ）とＴｒ_ｃ（ｆ）のままでは両者を比較できない。そこで、Ｖ_ｍ（ｆ）およびＴｒ_ｃ（ｆ）を基準試験片に対する比にすることで無次元化とスケール調整を行い、両者を比較できるようにしている。

【0041】

次に、Ｔｒ’_ｍ（ｆ）およびＴｒ’_ｃ（ｆ）のＲＭＳＥを、下記式（３）によって算出する（図２のステップＳ５）。

【0042】

【数3】

【0043】

式（３）において、ｎは周波数の総数、ｆｉはｉ番目の周波数である。ｎはたとえば１０以上であれば十分に精度よく厚さと縦波音速を同時計測できる。ｎは好ましくは５０以上である。ｎ個の周波数の選び方は特に規定するものではないが、たとえば等周波数間隔で選ぶとよい。また、対象物１０の共振周波数近傍を含まないように周波数を選ぶとよい。共振周波数近傍では受信センサ３の受信強度が強く、飽和してしまう恐れがあるためである。

【0044】

ステップＳ３からＳ５までを、解析に用いる厚さおよび縦波音速を変更して繰り返し、事前に決めておいたすべての厚さおよび縦波音速の組み合わせでＲＭＳＥを算出する（図２のステップＳ６）。

【0045】

次に、ＲＭＳＥが最も小さかったときのＴｒ’_ｃ（ｆ）に用いた厚さと縦波音速を、対象物１０の厚さおよび縦波音速として出力する（図２のステップＳ７）。なお、対象物１０の密度とポアソン比が既知であれば、縦波音速からヤング率を算出することが可能である。

【0046】

このステップＳ３～Ｓ６は、つまりはＴｒ’_ｍ（ｆ）とＴｒ’_ｃ（ｆ）がどれだけ適合しているかをＲＭＳＥによって評価し、厚さと縦波音速の組み合わせを総当り的に変えて、最も適合するときのＴｒ’_ｃ（ｆ）を求め、そのＴｒ’_ｃ（ｆ）に用いた厚さと縦波音速の組み合わせを解とするものである。しかし、Ｔｒ’_ｍ（ｆ）とＴｒ’_ｃ（ｆ）の適合度の指標はＲＭＳＥに限らず、最も適合するものを選ぶ方法も上記に限らない。たとえば、最尤推定法や機械学習によって最も適合するＴｒ’_ｃ（ｆ）を求めてもよい。

【0047】

（解析式について）
次に、複素透過率Ｔｒ_ｃ（ｆ）およびＴｒ_ｃ０（ｆ）の算出に用いる解析式について説明する。

【0048】

複素透過率Ｔｒ_ｃ（ｆ）およびＴｒ_ｃ０（ｆ）は、分布定数回路モデルに基づいて導かれた解析式によって算出される。分布定数回路モデルは、ある回路素子での入出力信号の関係を、その回路素子の反射・透過・伝搬特性を表現したＳパラメータと呼ばれる式で表したモデルである。Ｓパラメータである行列Ｓは、下記式（４）の通りである。

【0049】

【数4】

【0050】

以下、分布定数回路モデルによる解析式の導出について説明する。第１実施形態における送信センサ２から受信センサ３までの間を分布定数回路モデルで表したのが図３である。図３のように、Ｓパラメータは、送信センサ２と積層体１４との間の空気層がＳ_１、空気層と第１被着材１１との界面がＳ_１２、第１被着材１１がＳ_２、第１被着材１１と接着剤１２の界面がＳ_２３、接着剤１２がＳ_３、接着剤１２と第２被着材１３との界面がＳ_３４、第２被着材１３がＳ_４、第２被着材１３と空気層との界面がＳ_４５、第２被着材１３と受信センサ３との間の空気層がＳ_５であり、Ｓ_１、Ｓ_１２、Ｓ_２、Ｓ_２３、Ｓ_３、Ｓ_３４、Ｓ_４、Ｓ_４５、Ｓ_５の順に縦列接続された回路モデルである。

【0051】

各層及び界面のＳパラメータは、次の式（５）、（６）で表される。

【0052】

【数5】

【数6】

【0053】

式（５）において、ｃ_ｎは第ｎ層における超音波の縦波音速、ｔ_ｎは第ｎ層の厚さである。ここで、ｃ_ｎは下記式（７）で表される。

【0054】

【数7】

【0055】

式（７）において、Ｅ_ｎは第ｎ層のヤング率、ρ_ｎは第ｎ層の密度、ν_ｎは第ｎ層のポアソン比である。式（７）のように、材料の密度とポアソン比が既知であれば、縦波音速からヤング率を算出することができる。

【0056】

また、式（６）において、Γ_{（ｎ＋１） ｎ}は、第ｎ層から第（ｎ＋１）層に向かって超音波が伝搬したときの反射率を示し、Ｔｒ_{（ｎ＋１） ｎ}は、第ｎ層から第（ｎ＋１）層に向かって超音波が伝搬したときの反射率を示している。

【0057】

Γ_{（ｎ＋１） ｎ}、Ｔｒ_{（ｎ＋１） ｎ}は、次の式（８）、（９）で表される。

【0058】

【数8】

【数9】

【0059】

式（８）、（９）においてＺ_ｎは第ｎ層の音響インピーダンスであり、下記式（１０）で表される。

【0060】

【数10】

【0061】

ＳパラメータをＴパラメータに変換することで、縦列接続は単に行列の掛け算で表すことができる。ＳパラメータからＴパラメータの変換は式（１１）で表される。また、送信センサ２から受信センサ３までの全体のＴパラメータ（Ｔ_ａｌｌ）は式（１２）で表される。

【0062】

【数11】

【数12】

【0063】

式（１２）において、Ｔ_ｎは第ｎ層のＴパラメータであり、Ｔ_{ｎ （ｎ＋１）}は第ｎ層と第（ｎ＋１）層の界面のＴパラメータである。

【0064】

式（１２）により求めたＴパラメータＴ_ａｌｌを再びＳパラメータに変換して、送信センサ２から受信センサ３までの全体のＳパラメータＳ_ａｌｌが算出される。Ｔ_ａｌｌからＳ_ａｌｌへの変換は式（１３）で表される。

【0065】

【数13】

【0066】

式（６）と比較するとわかるように、Ｓ_ａｌｌの成分Ｓ_ａｌｌ２１が、送信センサ２から受信センサ３までの複素透過率であり、Ｔｒ_ｃ（ｆ）に相当する。このようにして、分布定数回路モデルによるＴｒ_ｃ（ｆ）の解析式が求まる。なお、Ｓ_ａｌｌの成分Ｓ_ａｌｌ１１が複素反射率に相当する。

【0067】

以上のようにして算出されたＴｒ_ｃ（ｆ）の解析式は、各界面での反射波・透過波の振幅と位相の関係が考慮されている。つまり、反射波・透過波の重なり方が考慮されている。よって、反射波・透過波が重なり合うような厚さが薄い対象物１０であっても、精度よく厚さを求めることができる。

【0068】

また、式（１２）のように、送信センサ２および受信センサ３から対象物１０までの間の空気層をＴ_１、Ｔ_５として考慮しており、空気層における超音波の位相変化が考慮されている。そのため、対象物の厚さが複素透過率Ｔｒ_ｃ（ｆ）の位相に強く反映されるようになり、Ｔｒ’_ｍ（ｆ）とＴｒ’_ｃ（ｆ）の適合性もより適切に評価できるようになる。

【0069】

なお、解析式は必ずしも分布定数回路モデルに基づくものでなくともよく、送信センサ２および受信センサ３から対象物１０までの間の空気層が考慮され、その空気層における超音波の位相変化が考慮されていれば任意でよい。たとえば、各層における音圧、粒子速度の伝搬式と、各層間における音圧、粒子速度の関係式から、反射波および透過波の振幅と位相を解析するモデルを用いてもよい。

【0070】

以上、第１実施形態では、超音波の振幅だけでなく位相も計測して利用し、さらに送信センサ２、受信センサ３と対象物１０との間の媒質（空気）を超音波が伝搬する際の位相変化も考慮して解析を行っている。そのため、対象物１０の厚さと縦波音速を同時に精度よく計測することができる。

【0071】

また、第１実施形態では、低周波でも精度よく厚さと縦波音速を求めることができるので、非接触の空中超音波法でも利用することができる。また、多層構造体中の薄い層であっても厚さと縦波音速を同時に計測することができる。たとえば、接着接合体における接着剤の厚さと縦波音速も計測することができる。したがって、接触式や水浸式では厚さと縦波音速を同時計測することが困難であった対象物１０であっても、第１実施形態によれば計測が可能であり、従来よりも厚さと縦波音速を同時計測可能な対象物の範囲が広くなっている。

【0072】

次に、第１実施形態に関する各種実験結果について説明する。

【0073】

（実験１）
図４、５は、空気層を考慮しないで解析を行い、複素透過率の振幅と位相を算出した結果である。また、図６、７は、空気層を考慮して解析を行い、複素透過率の振幅と位相を算出した結果である。図４（ａ）、図６（ａ）は縦波音速と振幅の関係、図４（ｂ）、図６（ｂ）は縦波音速と位相の関係を示している。接着剤の厚さは１００μｍとし、縦波音速は４００～１２００ｍ／Ｓとした。図５（ａ）、図７（ａ）は厚さと振幅の関係、図５（ｂ）、図７（ｂ）は厚さと位相の関係を示している。接着剤の縦波音速は１５００ｍ／Ｓとし、厚さは０～８００μｍとした。また、図４～７において第１被着材１１は厚さ１ｍｍのＡｌ板、第２被着材１３は厚さ０．８ｍｍの鋼板とし、接着剤１２の密度は１２６４ｋｇ／ｍ^３、ポアソン比は０．３とした。また、超音波の周波数は３３０ｋＨｚとした。また、図６、７において送信センサ２と受信センサ３間の距離は３０ｍｍとし、送信センサ２から対象物１０までの距離（第１被着材１１までの距離）は１４ｍｍとした。また、空気の音速は３４０ｍ／ｓとし、音響インピーダンスは４０８ｋｇ／（ｓ・ｍ^２）とした。

【0074】

振幅のみを考慮して厚さと縦波音速を計測していた従来の方法では、空気層を考慮する必要がなかった。これは、図４（ａ）と図６（ａ）、および図５（ａ）と図７（ａ）を比較するとわかるように、空気層を考慮してもしなくても同じ結果となるためである。しかし、図４（ａ）と図５（ａ）を比較するとわかるように、縦波音速が増加したときと厚さが減少したときとで振幅の変化傾向が似ている。つまり、振幅の変化が縦波音速の変化によるものか厚さの変化によるものかの判断が困難である。そのため、振幅のみでは厚さと縦波音速とを分離して正確に算出することが難しい。

【0075】

そこで、第１実施形態では、振幅だけでなく位相も含めて解析式との適合性を判断することとした。しかし、位相も考慮することとすると、実際の計測には空気層の位相変化も含まれる。そのため、空気層を考慮しない解析式では適切に適合性を判断することができない。そこで、図６、７のように、解析式に空気層も考慮することとした。

【0076】

図５（ｂ）と図７（ｂ）を比較するとわかるように、空気層を考慮すると、位相が厚さの変化に対して変化するようになる。送信センサ２と受信センサ３の距離が一定であるため、接着剤１２の厚さの変化によって空気層の厚さも変化し、空気層における位相変化が効いてくるためである。このように、空気層を考慮して解析を行うと、位相に厚さの影響が強く表れるようになる。その結果、位相から厚さを正確に算出できるようになる。

【0077】

以上のように、解析式に空気層を考慮し空気層における位相変化を考慮したうえで、振幅と位相の両方で計測値と解析式との適合性を判断することで、厚さと縦波音速の同時に算出可能となることが図４～７からわかる。

【0078】

（実験２）
積層体１４の透過波を有限要素法でシミュレーションし、そこから接着剤１２の厚さと縦波音速を第１実施形態の方法によって算出した（実施例１）。積層体１４の各種物性は表１の通りである。

【0079】

【表1】

【0080】

接着剤１２は、厚さや縦波音速の異なる三種類（接着剤Ａ、Ｂ、Ｃ）を用いた。また、比較のため、空気層を考慮しない解析式を用い、振幅のみを用いて計測値と解析式の適合性をＲＭＳＥで判断した場合について接着剤１２の厚さと縦波音速を算出した（比較例１）。

【0081】

有限要素法シミュレーションでは、対象物１０に照射する超音波信号として、中心波長３３０ｋＨｚの空中超音波センサから実際にサンプリングした波形を用いた。送信センサ２と受信センサ３間は３０ｍｍ、送信センサ２から第１被着材１１までの距離は１４ｍｍ、空気の音速は３４０ｍ／ｓ、音響インピーダンスは４０８ｋｇ／（ｓ・ｍ^２）とした。また、基準試験片は厚さ１ｍｍのＡｌ板とした。

【0082】

図８は、受信センサ３により受信した透過波の時間波形を示したグラフである。この時間波形は、有限要素法シミュレーションにより得られたものである。また、図９、１０は、この時間波形をフーリエ変換した振幅と位相の周波数スペクトルである。ここで振幅と位相は、基準試験片での振幅、位相を基準とした相対値で示している。なお相対値は、振幅では基準試験片での振幅に対する比、位相では基準試験片での位相との差をとっている。

【0083】

図９の周波数スペクトルにおいて強い振幅が得られた周波数３２０～３５０ｋＨｚにおける振幅と位相を用いて、解析式との適合性をＲＭＳＥにより評価した。周波数は３２０～３５０ｋＨｚの間で等間隔に５０点とした。解析式の厚さと縦波音速は、厚さ０～５００μｍの範囲を１μm間隔で走査し、縦波音速はヤング率から式（７）により求めたが、ヤング率を０．５～４．５ＧＰａの範囲で０．０１ＧＰａずつ変化させて、７３０～２３０８ｍ／ｓの範囲で走査した。縦波音速を式（７）から求めるのではなく、直接変化させて走査してもよい。

【0084】

厚さと縦波音速の算出結果を表２に示す。

【0085】

【表2】

【0086】

表２のように、比較例１では算出結果が正解と大きく異なっていたのに対し、実施例１では算出結果が正解に近い値となっていた。この結果から、空気層を考慮した解析式を用い、振幅と位相の両方用いて解析式との適合性を判断することで、接着剤１２の厚さと縦波音速を同時に精度よく計測できることが分かった。

【産業上の利用可能性】

【0087】

本発明は、たとえば接着剤の厚さと縦波音速を測定し、接着剤の未硬化や接着不良を検出するのに利用できる。

【符号の説明】

【0088】

１：送受信源
２：送信センサ
３：受信センサ
４：フーリエ変換部
５：解析部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】