クラック検査装置
【課題】クラックの検出精度を向上させるクラック検査装置を提供することを目的としている。
【解決手段】第１超音波振動子１０Ａと、第１超音波振動子１０Ａに振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物２０を振動させる第１振動板１５Ａと、第１超音波振動子１０Ａとは異なる振動数で振動する第２超音波振動子１０Ｂと、第１振動板１５Ａに所定の間隔を空けて対向配置され、第２超音波振動子１０Ｂに振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物２０を振動させる第２振動板１５Ｂと、を備え、第１振動板１５Ａと第２振動板１５Ｂから放射される音響波によって、測定対象物２０を両面から全面振動させて、測定対象物２０に発生しているクラックの有無を判定するものである。
【解決手段】第１超音波振動子１０Ａと、第１超音波振動子１０Ａに振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物２０を振動させる第１振動板１５Ａと、第１超音波振動子１０Ａとは異なる振動数で振動する第２超音波振動子１０Ｂと、第１振動板１５Ａに所定の間隔を空けて対向配置され、第２超音波振動子１０Ｂに振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物２０を振動させる第２振動板１５Ｂと、を備え、第１振動板１５Ａと第２振動板１５Ｂから放射される音響波によって、測定対象物２０を両面から全面振動させて、測定対象物２０に発生しているクラックの有無を判定するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラックを高精度に検出するクラック検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板などの薄板の測定対象物に振動を与え、測定対象物から発生した音を計測して解析し、測定対象物に形成されたクラック（欠陥）を検出する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の技術は、複数個所で固定又は半固定される測定対象物の、特定の一箇所を直接加振し、当該加振によって振動する測定対象物から放射される音波の周波数特性を計測し、当該計測結果を所定の特徴量に対して解析するものである。すなわち、特許文献１に記載の技術は、測定対象物から放射される音波の周波数特性を計測し、クラックの無い測定対象物の周波数特性と、クラックの有る測定対象物の周波数特性とを比較する解析を実施することで、クラックの検出を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４７０８号公報（たとえば、段落［００１６］〜［００２４］参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術は、特定の一箇所のみを加振させるものであるため、測定対象物の全体を加振しにくかった。すなわち、特許文献１に記載の技術では、測定対象物の加振させた位置から、振動が測定対象物の全体に伝搬されるので、たとえば、測定対象物の厚さや反りなどの形状、及び測定対象物の素材などによって、当該振動が減衰し、測定対象物の振動にバラツキが生じて、クラックの検出制度が低下してしまう可能性があった。
【０００６】
また、特許文献１に記載の技術は、測定対象物の支持点が多数存在するため測定対象物の振動が減衰されやすく、測定対象物が部分的な振動となってしまう可能性があった。
【０００７】
また、特許文献１に記載の技術は、測定対象物の支持点によって振動が減衰されることを抑制するために支持位置を変化させる手段も記載されているが、支持位置を変化させる作業に要する時間の分だけ、ランニングコストが増加してしまう可能性があった。
【０００８】
さらに、特許文献１に記載の技術は、測定対象物の固有振動数と、クラック部分で発生する音響的な周波数特性とを分離する解析手段を採用していなかった。すなわち、特許文献１に記載の技術は、クラックと関係の無い、測定対象物の固有の振動周波数もクラックとして検出してしまい、クラックの検出精度が低下してしまう可能性があった。
【０００９】
本発明は、以上のような課題のうちの少なくとも１つを解決するためになされたもので、クラックの検出精度を向上させるクラック検査装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るクラック検査装置は、第１超音波振動子と、第１超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物を振動させる第１振動板と、第１超音波振動子とは異なる振動数で振動する第２超音波振動子と、第１振動板に所定の間隔を空けて対向配置され、第２超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物を振動させる第２振動板と、を備え、第１振動板と第２振動板から放射される音響波によって、測定対象物を両面から全面振動させて、測定対象物に発生しているクラックの有無を判定するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るクラック検査装置によれば、測定対象物の両面側から音響波を放射して全面振動させるので、測定対象物を均一に振動させることが可能となり、クラックの検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るクラック検査装置の概略構成例である。
【図２】図１に示すクラック検査装置の振動板の振動モードの説明図である。
【図３】図１に示すクラック検査装置の支持部片の近傍の構成例である。
【図４】図１に示すクラック検査装置の音場の波長状態の概念図である。
【図５】図１に示すクラック検査装置の振動板の振動モード及び音場における疎密波の状態の説明図である。
【図６】図１に示すクラック検査装置の計測及び解析手順の説明図である。
【図７】図１に示すクラック検査装置の計測及び解析結果の分析方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るクラック検査装置の概略構成例である。
【図９】本発明の実施の形態２に係るクラック検査装置の図８とは異なる概略構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るクラック検査装置１００の概略構成例である。図２は、図１に示すクラック検査装置１００の振動板１５Ａ、１５Ｂの振動モードの説明図である。図３は、図１に示すクラック検査装置１００の支持部片３０の近傍の構成例である。図４は、図１に示すクラック検査装置１００の音場６０の波長状態の概念図である。図５は、図１に示すクラック検査装置１００の振動板１５Ａ、１５Ｂの振動モード及び音場６０における疎密波の状態の説明図である。図１〜図５を参照して、クラック検査装置１００の構成について説明する。
本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、たとえば半導体基板などの薄板である測定対象物２０を振動させることで音波を測定対象物２０から放射させる構成、及び当該音波の解析方法に改良が加えられ、これにより測定対象物２０のクラックを高精度に検出する機能を有する。
【００１４】
［構成説明］
（クラック検査装置１００）
クラック検査装置１００は、図１に示すように、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電素子１０ａが設けられた超音波振動子１０Ａ及び圧電素子１０ｂが設けられた超音波振動子１０Ｂと、超音波振動子１０Ａによって振動させられる振動板１５Ａ及び超音波振動子１０Ｂによって振動させられる振動板１５Ｂと、超音波振動子１０Ａと振動板１５Ａとの間に設けられるホーン１１Ａ及び超音波振動子１０Ｂと振動板１５Ｂとの間に設けられるホーン１１Ｂとを有している。
また、クラック検査装置１００は、測定対象物２０を支持する弾性支持部３５と、弾性支持部３５が固定される支持部片３０とを有している。
さらに、クラック検査装置１００は、振動による測定対象物２０の変位を測定する変位信号検出手段２００と、音波（音響信号）を検出する音響計測手段２０５と、圧電素子１０ａ及び圧電素子１０ｂにパルス電圧を供給する入力制御手段５０と、変位信号検出手段２００及び音響計測手段２０５の検出結果を解析する解析部５１とを有している。
そして、このクラック検査装置１００は、設置された測定対象物２０に超音波を放射して、変位及び音響信号を検出することで、測定対象物２０に発生したクラックを検出可能となっている。
【００１５】
（超音波振動子１０Ａ）
超音波振動子１０Ａは、振動板１５Ａを振動させるものである。実施の形態１では、超音波振動子１０Ａがランジュバン構造である場合を例に説明する。超音波振動子１０Ａの一端面にはホーン１１Ａが、溶接や接着剤などで固定されている。なお、この固定方法については、特に限定されるものではないが、たとえば溶接や接着剤などで固定するとよい。また、超音波振動子１０Ａはたとえば２８ｋＨｚで振動する圧電素子１０ａを有している。なお、圧電素子１０ａは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）素子であるものとして説明するが、それに限定されるものではない。
【００１６】
（超音波振動子１０Ｂ）
超音波振動子１０Ｂは、超音波振動子１０Ａと異なる周波数で振動する。すなわち、この超音波振動子１０Ｂは、たとえば５６ｋＨｚで振動する圧電素子１０ｂを有している。 また、超音波振動子１０Ｂの一端面にはホーン１１Ｂが溶接や接着剤などで固定される。これら以外の点では、超音波振動子１０Ｂは、超音波振動子１０Ａと同様の構成を有するものである。
【００１７】
（振動板１５Ａ）
振動板１５Ａは、たとえば金属板で構成され、測定対象物２０を間接的に振動させるものである。すなわち、振動板１５Ａは、超音波振動子１０Ａの振動が伝達されることで振動し、振動板１５Ａと測定対象物２０との間に形成される空間を介して、自身の振動による音波（疎密波、音響流、進行波）を測定対象物２０に伝達させるものである。
振動板１５Ａはホーン１１Ａのうち超音波振動子１０Ａが接続された側の反対側の端面に固定されている。なお、この固定方法については、特に限定されるものではないが、たとえば溶接や接着剤などで固定するとよい。
【００１８】
振動板１５Ａはホーン１１Ａ及び超音波振動子１０Ａと組み合わせられた状態で、２８ｋＨｚの振動を加えられると、図５に示すような、振動モードで振動するように構成されたものである。なお、振動板１５Ａの所定の振動モードの一波長は１２．１４ｍｍとなっている。
振動板１５Ａと測定対象物２０とは、図４に示すように、振動板１５Ａの振動モードの１／４波長である３．０３５（ｍｍ）空けて設けられている。このとき、この測定対象物２０が設けられる位置は、振動板１５Ａから放射される疎密波の「疎」に対応する部分である。
【００１９】
（振動板１５Ｂ）
振動板１５Ｂは、超音波振動子１０Ｂの振動が伝達されることで振動するものであり、たとえば５６ｋＨｚで振動する圧電素子１０ｂを有しているものである。また、振動板１５Ｂには、ホーン１１Ｂのうち超音波振動子１０Ｂが接続された側の反対側の端面に固定されている。
振動板１５Ｂは、超音波振動子１０Ｂと組み合わせられた状態で、５６ｋＨｚの振動を加えられると、図５に示すような、振動モードで振動するように構成されたものである。なお、振動板１５Ｂの振動モードの一波長は６．０７ｍｍとなっている。
振動板１５Ｂと測定対象物２０とは振動板１５Ｂの振動モードの１／４波長である１．５２（ｍｍ）空けて設けられている。このとき、この測定対象物２０が設けられる位置は、振動板１５Ａから放射される疎密波の「疎」に対応する部分である。
これら以外の点では、振動板１５Ｂは、振動板１５Ａと同様の構成を有するものである。
【００２０】
（振動板１５Ａ、１５Ｂの振動について）
振動板１５Ａ、１５Ｂは、その音圧レベルが、Ｐｅａｋ−Ｔｏ−Ｐｅａｋで１４０（ｄＢ）以上となる疎密波を、超音波振動子１０Ａ、１０Ｂに振動させられることで放射するものである。
これにより、振動板１５Ａ、１５Ｂの間に形成される空間には、１４０（ｄＢ）以上の音圧レベルの音場６０が形成され、振動板１５Ａ、１５Ｂの振動周波数に起因する疎密波が発生する。なお、振動板１５Ａ、１５Ｂが疎密波を放射する対象は、クラック検査装置１００の設置される任意の空間であり、この疎密波が放射される任意の空間を音場６０と称する。そして、音場６０は、任意の空間を有しており、一定間隔で「疎（図１及び図４の空白部分）」、「密（図１及び図４の点線部分）」の波長空間が存在する。
【００２１】
振動板１５Ａ、１５Ｂの寸法についてであるが、仮に、測定対象物２０よりも振動板１５Ａ、１５Ｂが大きい場合には、振動板１５Ａ、１５Ｂより放射される音波が空間上で干渉することになり、位相によっては波長の乱れが生じ、不要な音が発生してしまうことがある。また、音響的な「回折現象」が測定対象物２０の端部で発生してしまい、不要な音が発生してしまうことがある。そこで、振動板１５Ａ、１５Ｂの寸法は、測定対象物２０よりも小さく構成するとよい。なお、振動板１５Ａ、１５Ｂをどの程度小さくするかであるが、振動板１５Ａについては、振動板１５Ａの振動モードの１／２波長以下だけ小さくし、さらに、小さくした際に振動板１５Ａの最端部の振動状態が「節」に近づくようにする。振動板１５Ｂについても同様に、振動板１５Ｂの振動モードの１／２波長以下だけ小さくし、さらに、小さくした際に振動板１５Ｂの最端部の振動状態が「節」に近づくようにする。これにより、測定対象物２０から不用な音発生などが発生することを抑制することができ、音響計測手段２０５に雑音が乗ってしまうことを抑制できる。
【００２２】
振動板１５Ａ、１５Ｂは、図２に示すように、振動板１５Ａ、１５Ｂの最端部が「節」になるように寸法を構成するとよい。これは、振動板１５Ａ、１５Ｂの最端部が「腹」となってしまうと、最端部が振動することにより端部共振を起こしてしまい、異音が発生（笛と同じ現象）し、音響計測手段２０５に雑音が乗ってしまうことを抑制するためである。
【００２３】
ここで、振動板１５Ａ、１５Ｂを、異なる振動数で振動させるとともに、振動板１５Ａの振動モードの「節」と、振動板１５Ｂの振動モードの「腹」とが重なるように振動させるとよい。これにより、振動板１５Ａの振動モードの疎密波と、振動板１５Ｂの振動モードの疎密波とが、補い合うことになる。たとえば、振動板１５Ａの振動モードの疎密波だけでは振動させることができない部分を、振動板１５Ｂの振動モードの疎密波が補うことができるということである（振動の複雑化）。これにより、測定対象物２０に振動しない部分が発生することを抑制し、測定対象物２０を均一に振動（全面振動）させることができる。
なお、仮に、振動板１５Ａ、１５Ｂの周波数が同じであると、振動板１５Ａから放射される疎密波と、振動板１５Ｂから放射される疎密波とが、測定対象物２０を振動させる部分が一致してしまいやすく、測定対象物２０に振動しない部分が発生する場合がある。
また、仮に、振動板１５Ａ、１５Ｂの振動数が異なっても、振動板１５Ａの振動モードの「節」と、振動板１５Ｂの振動モードの「腹」とが重なるように振動させないと、やはり、振動させることができない部分を補い合う効果を充分に得られない可能性がある。
なお、振動モードの「節」は、その部分では、振動板１５Ａ、１５Ｂ自体の「振動はない」が、音圧的には「密」となっている部分である。また、振動モードの「腹」は、その部分では、振動板１５Ａ、１５Ｂ自体に「振動はある」が、音圧的には「疎（空白部分）」となっている部分である。
【００２４】
なお、振動板１５Ａ、１５Ｂについては、報告書（日本音響学会誌５０巻９号（１９９４）ｐｐ.６７７-６８４「格子モード方形たわみ振動板を用いた空中超音波音源」）において記載されており、この報告書に示される計算によって得られる格子モード状態で振動板１５Ａ、１５Ｂは振動する。
【００２５】
（ホーン１１Ａ）
ホーン１１Ａは、超音波振動子１０Ａから発生する振動の振幅を増幅する機能を有するものである。このホーン１１Ａは一端側が超音波振動子１０Ａに固定され、他端側が振動板１５Ａに固定されている。
また、ホーン１１Ａは、超音波振動子１０Ａ及び振動板１５Ａが固定される両端側が連通するように開口形成され、内部に音響通路（超音波振動子１０Ａの振動を増幅する通路）が形成されているものである。
さらに、ホーン１１Ａは、図１に示すように、たとえば縦断面が台形形状となるよう構成し、超音波振動子１０Ａ側から振動板１５Ａ側に向かうにしたがって縮径されているとよい。
【００２６】
（ホーン１１Ｂ）
ホーン１１Ｂは、一端側が超音波振動子１０Ｂに固定され、他端側が振動板１５Ｂに固定されている。これら以外の点では、ホーン１１Ｂは、ホーン１１Ａと同様の構成を有するものである。
【００２７】
なお、本実施の形態１ではホーン１１Ａ、１１Ｂが設けられる場合を例に説明しているが、それに限定されるものではない。すなわち、入力制御部５０の出力電圧を上げて圧電素子１０ａ、１０ｂの振動を大きくしたり、振動板１５Ａ、１５Ｂをたとえばアルミなどのように密度が小さく、弾性が高いもので構成すれば、ホーン１１Ａ、１１Ｂが設けられなくともよい。ホーン１１Ａ、１１Ｂが設けられない場合においては、超音波振動子１０Ａ、１０Ｂの先端面と振動板１５Ａ、１５Ｂとを固定すればよい。
【００２８】
（弾性支持部３５）
弾性支持部３５は、測定対象物２０を支持するものである。弾性支持部３５は、図１に示すように、測定対象物２０が固定された状態において、測定対象物２０の両端部側にそれぞれ設けられ、その底面が支持部片３０に固定されている。このように、弾性支持部３５がたとえば測定対象物２０の中央部などに設けられていないのは、弾性支持部３５によって測定対象物２０が音場６０に曝されることが妨げられてしまい、振動板１５Ａ、１５Ｂと測定対象物２０との間に放射される音波が遮られてしまうことを抑制するためである。
【００２９】
弾性支持部３５は、図３に示すように、たとえば断面が三角形とし、その三角形の頂点のうちの１つである頂部３７によって、測定対象物２０を「点設置」することができるように構成するとよい（接点の最小化）。
このように、「点設置」とすることで、弾性支持部３５と測定対象物２０との接触部から異音が発生することが抑制され、音響計測手段２０５に雑音が乗ってしまうことを抑制できる。また、「点設置」である分、測定対象物２０の振動の減衰が抑制されるため、確実に測定対象物２０から音響計測手段２０５に音響信号が放射される。
また、測定対象物２０が振動しているときには、変位する「腹」の部分と、変位しない「疎」の部分とを有しているが、頂部３７は「疎」の部分に設置するものとする。これにより、測定対象物２０の振動の減衰が抑制され、確実に測定対象物２０から音響計測手段２０５に音響信号が放射される。
このように、弾性支持部３５は、測定対象物２０の振動の減衰を抑制するため、測定対象物２０の支持位置を変化させるなどの作業が必要ない分、ランニングコストの増加を抑制することができる。
【００３０】
弾性支持部３５は、硬度５０以上のゴム系材料で構成するとよい。なお、弾性支持部３５の成型時において、加硫材が８０％以上となるように、ゴム原料材と加硫材とを混錬して構成するとよい。これにより、ゴム材料同士の密度が上がり、弾性（反発係数）を大きくすることができる（高硬度化）。このように、弾性支持部３５の弾性が非常に高くなると、測定対象物２０は頂部３７で振動した際に当該振動が吸収されることが抑制されるため、測定対象物２０を任意の疎密波の力で弾ませることが可能となる。
【００３１】
（支持部片３０）
支持部片３０は、図１及び図３に示すように、測定対象物２０を支持する弾性支持部３５を固定するものである。支持部片３０は、図１に示すように、測定対象物２０の両端部側に少なくとも１つずつ、合計２つ設けられるものである。なお、支持部片３０の数はそれに限定されるものではなく、たとえば測定対象物２０の両端部側に２つずつ以上、合計４つ以上設けられていてもよい。
【００３２】
（変位信号検出手段２００）
変位信号検出手段２００は、振動による測定対象物２０の変位を測定するものである。この変位信号検出手段２００の設置位置は、測定対象物２０の端部側の上部などに設けられる。これにより、変位信号検出手段２００によって測定対象物２０が音場６０に曝されることが妨げられてしまい、振動板１５Ａ、１５Ｂと測定対象物２０との間に放射される音波が遮られてしまうことを抑制できる。
この変位信号検出手段２００は、たとえばレーザドップラー計測などによって、測定対象物２０の変位を非接触で計測することができるものであり、所定の周波数における振動板の速度、加速度を得ることができる。
【００３３】
（音響計測手段２０５）
音響計測手段２０５は、たとえば計測用の無指向性マイクロホンで構成され、音波（音響信号）を検出するものである。
この音響計測手段２０５は、たとえば測定対象物２０の端部側の表裏に、それぞれ１つずつ、合計２つ設けられている。これにより、音響計測手段２０５によって測定対象物２０が音場６０に曝されることが妨げられてしまい、振動板１５Ａ、１５Ｂと測定対象物２０との間に放射される音波が遮られてしまうことを抑制できる。
【００３４】
なお、音響計測手段２０５の数は、２つに限定されるものではなく、測定対象物２０の端部側の表裏にそれぞれ２つ以上設けられていてもよいし、測定対象物２０の端部側の表裏のうちの一方に１つだけ設けられていてもよい。
ここで、音響計測手段２０５を１つだけ設ける場合には、音波の検出精度が低下する可能性もある。そこで、この場合には、測定対象物２０の面上にマイクロホンが来るように設置するのではなく、限りなく側面に近づけて配置するとよい（図示せず）。これにより、測定対象物２０の表裏から発生する音を確実に検出しながら、振動板１５Ａ、１５Ｂと測定対象物２０との間に放射される音波が遮られてしまうことを抑制できる。
また、音響計測手段２０５は、測定帯域に対応できるマイクロホンであれば特に限定されるものではない。
【００３５】
入力制御部５０は、圧電素子１０ａ及び圧電素子１０ｂにパルス電圧を供給するものである。
解析部５１は、変位信号検出手段２００及び音響計測手段２０５の検出結果を解析するものである。この解析部５１は、変位信号検出手段２００及び音響計測手段２０５の検出結果に対してＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）解析を実施し、その解析結果に基づいて寄与率性の計算を実施し、さらに、測定対象物２０から放射される音響信号のうち、クラック成分の分離するものである。なお、ＦＦＴ解析、寄与率性の計算、及びクラック成分の分離については、後述の図６及び図７の説明で詳細に説明する。
【００３６】
（測定対象物２０）
測定対象物２０は、振動板１５Ａ、ｌ５Ｂより放射された音波により、振動させられるものである。すなわち、測定対象物２０は、振動板１５Ａ、１５Ｂから放射される強力な音圧レベルの音波にさらされて、測定対象物２０の表裏が非接触で加振されている。
この測定対象物２０は、クラックの有無の検出時において頂部３７上に保持されるものであるが、加振された状態でこの頂部３７上で適度に浮揚可能に保持されている。これにより、測定対象物２０の振動が減衰されることが抑制されるとともに、測定対象物２０が均一に振動（全面振動）する。
また、測定対象物２０は、振動板１５Ａと振動板１５Ｂの間の空間の疎密波の「疎」となる部分に設置される。これにより、振動板１５Ａ、１５Ｂから放射される音波が、測定対象物２０の表裏に放射され、測定対象物２０が均一に振動する。
そして、測定対象物２０は振動させられることにより、その表面や内部空間などに存在するクラック部分が摺動し、それに伴う摺動音が発生する。クラック検査装置１００は、音響計測手段２０５の検出結果のうち、この摺動音に対応する音波を分離し、クラックの検出精度を向上させるものである。
【００３７】
［動作説明］
図６は、図１に示すクラック検査装置１００の計測及び解析手順の説明図である。図７は、図１に示すクラック検査装置１００の計測及び解析結果の分析方法を説明する図である。図６及び図７に基づいて、クラック検査装置１００の計測及び解析の方法について説明する。
【００３８】
（計測）
まず、クラック検査装置１００は、図６に示すように、「計測手段」により振動板１５Ａ、１５Ｂの変位検出及び音場６０の音響信号の検出をする。すなわち、クラック検査装置１００は、変位信号検出手段２００で、測定対象物２０の表面の振動速度を検出し、音響計測手段２０５で、振動している測定対象物２０から放射される音響信号を検出するということである。
【００３９】
（ＦＦＴ解析）
次に、クラック検査装置１００は、「解析手段」により、「計測手段」の検出結果に対してＦＦＴ解析である「相互相間計測」を実施する。すなわち、クラック検査装置１００は、解析部５１で、変位信号検出手段２００の検出結果に対してＦＦＴ解析を実施してその解析結果を出力する（図７（ａ））とともに、音響計測手段２０５の検出結果に対してＦＦＴ解析を実施してその解析結果を出力する（図７（ｂ））ということである。
なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、変位信号検出手段２００の検出結果及び音響計測手段２０５の検出結果には、測定対象物２０の振動に寄与する振動、及び音響特性だけに寄与する振動に分類することができる。
詳細には、ｆ１が超音波振動子１０Ａ、１０Ｂの基本振動周波数に対応するピークであり、ｆ２が超音波振動子１０Ａ、１０Ｂの次数振動周波数に対応するピークである。また、ｆ３は定期的に発生する固有振動周波数に対応するピークである。さらに、ｆ４は測定対象物２０から放射される音放射成分である。
【００４０】
（寄与率性の計算）
その後、クラック検査装置１００は、「解析手段」のＦＦＴ解析の結果に対して「寄与率計測」を実施する。すなわち、クラック検査装置１００は、変位信号検出手段２００の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ａ））と、音響計測手段２０５の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ｂ））との寄与率性（コヒーレンス性）についての計算を実施し、当該計算結果を出力する（図７（ｃ））。
【００４１】
なお、寄与率性についての計算とは、変位信号検出手段２００の検出結果と、音響計測手段２０５の検出結果との振幅、位相の相関関係の強さについて計算することを指す。具体的には、変位信号検出手段２００の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ａ））と、音響計測手段２０５の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ｂ））との相関関係の強さの計算をすることに対応している。たとえば、ある周波数における振動速度と音圧レベルとはともに特異のピークを有しているが、そのピークの周波数が一致しているほど相関関係が強いことになり、その分、その周波数における寄与率性の値が大きくなる。
一方、図７（ｂ）では、ｆ４に示すピークの周波数帯において、測定対象物２０からの音放射成分が出力されている。一方、図７（ａ）では、ｆ４に示すピークの周波数帯においてピークを有していない。これにより、ｆ４で示すピークの周波数帯においては、寄与率性の値が小さくなる。
【００４２】
（クラック成分の分離）
そして、クラック検査装置１００は、音響計測手段２０５の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ｂ））と、寄与率性の計算結果（図７（ｃ））とに基づいて、測定対象物２０から放射された音成分を抽出する。すなわち、寄与率の高い周波数成分を差分させて、寄与率の低い周波数成分だけを抽出すれば、測定対象物２０のクラックに起因する摺動で発生した周波数特性を、不要な振動成分と分離する事ができるので、高精度にクラックの有無の検出をすることができる。
【００４３】
［実施の形態１に係るクラック検査装置１００の有する効果］
本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、測定対象物２０の両面側から音響波を放射して全面振動させるので、測定対象物を均一に振動させることが可能となり、クラックの検出精度を向上させることができる。
【００４４】
本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、振動板１５Ａ、１５Ｂを異なる振動数で振動させるとともに、振動板１５Ａの振動モードの「節」と、振動板１５Ｂの振動モードの「腹」とが重なるように振動させるため、測定対象物２０を均一に振動させることができ、クラックの検出精度を向上させることができる。
【００４５】
本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、振動板１５Ａ、１５Ｂと、測定対象物２０とを接触させないで振動させるものである。これにより、従来のように直接加振させることにより、測定対象物２０が極端に薄いなどを理由として、新たなクラックを生じてしまうことを抑制することができる。また、直接加振の打撃音が雑音として音響計測手段２０５に乗ってしまうことも抑制できる。
【００４６】
また、本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、仮に、頂部３７の位置と測定対象物２０のクラック位置が一致してしまっても、測定対象物２０の表裏から疎密波が放射されるため、確実に測定対象物２０を振動させることができる。
【００４７】
さらに、本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、音響計測手段２０５の検出結果に対するＦＦＴ解析結果と、寄与率性の計算結果とに基づいて、測定対象物２０から放射された音成分を抽出するので、測定対象物２０のクラックに起因する摺動で発生した周波数特性を、不要な振動成分と分離する事ができるので、高精度にクラックの有無の検出をすることができる。
【００４８】
実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係るクラック検査装置１０１の概略構成例である。図９は、実施の形態２に係るクラック検査装置１０１の図８とは異なる概略構成例である。なお、本実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号とし、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。
実施の形態１では、超音波振動子１０Ａ、１０Ｂの合計２つの超音波振動子を設けた場合の例を示したが、本実施の形態２の図８及び図９に示すように超音波振動子を１つとしてもよい。実施の形態２は、測定対象物２０が、たとえば弾性に富むなどにより、良く振動するようなものである場合に有効である。
【００４９】
図８が、測定対象物２０の上側から疎密波を放射する構成であり、図９が測定対象物２０の下側から疎密波を放射する構成である。
【００５０】
変位信号検出手段２００Ｂは、図８及び図９に示すように測定対象物２０の上側を測定するものであってもよいし、下側を測定するものであってもよい。
【００５１】
図８に示すように、音響計測手段２０５Ｂは、測定対象物２０を挟んで、超音波振動子１０Ａ及び振動板１５Ａとは反対側に設けるとよい。これにより、超音波振動子１０Ａからの強力な音圧レベルの疎密波を直接入力させないようにすることができる。図９でも同様である。すなわち、図９に示すように、音響計測手段２０５Ｂは、測定対象物２０を挟んで、超音波振動子１０Ｂ及び振動板１５Ｂとは反対側に設けるとよい。これにより、超音波振動子１０Ｂからの強力な音圧レベルの疎密波を直接入力させないようにすることができる。
ここで、音響計測手段２０５Ｂには無指向性マイクロホンを採用することで、測定対象物２０で発生しているクラックに起因する音成分を、どの方向に対しても一様に検出することが可能となる。したがって、測定対象物２０を挟んで、超音波振動子１０Ａ、１０Ｂ及び振動板１５Ａ、１５Ｂとは反対側に設けられるのであれば、特に音響計測手段２０５Ｂの位置は限定されるものではない。
なお、測定対象物２０のクラックの大きさが小さいほどに、音響計測手段２０５Ｂは、微少な音圧レベル（音響レベル）の変化の検出を要する。そこで、音響計測手段２０５Ｂは、測定対象物２０にぶつからない程度になるべく近傍に配置することで、微小な音圧レベルの変化を検出することが可能となる。
【００５２】
［実施の形態２に係るクラック検査装置１０１Ａ、１０１Ｂの有する効果］
本実施の形態２に係るクラック検査装置１０１Ａ、１０１Ｂにおいても、実施の形態１に係るクラック検査装置１００と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施の形態２に係るクラック検査装置１０１Ａ、１０１Ｂは、測定対象物２０に接触しないように、測定対象物２０の全体に音響波を放射するので、測定対象物２０を均一に振動させることが可能となり、クラックの検出精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０Ａ 超音波振動子（第１超音波振動子）、１０Ｂ 超音波振動子（第２超音波振動子）、１０ａ 圧電素子、１０ｂ 圧電素子、１１Ａ ホーン、１１Ｂ ホーン、１５Ａ 振動板（第１振動板）、１５Ｂ 振動板（第２振動板）、２０ 測定対象物、３０ 支持部片、３５ 弾性支持部、３７ 頂部（支持部）、５０ 入力制御手段、５１ 解析部、６０ 音場、１００、１０１ クラック検査装置、２００、２００Ｂ 変位信号検出手段、２０５、２０５Ｂ 音響計測手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラックを高精度に検出するクラック検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板などの薄板の測定対象物に振動を与え、測定対象物から発生した音を計測して解析し、測定対象物に形成されたクラック（欠陥）を検出する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の技術は、複数個所で固定又は半固定される測定対象物の、特定の一箇所を直接加振し、当該加振によって振動する測定対象物から放射される音波の周波数特性を計測し、当該計測結果を所定の特徴量に対して解析するものである。すなわち、特許文献１に記載の技術は、測定対象物から放射される音波の周波数特性を計測し、クラックの無い測定対象物の周波数特性と、クラックの有る測定対象物の周波数特性とを比較する解析を実施することで、クラックの検出を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４７０８号公報（たとえば、段落［００１６］〜［００２４］参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術は、特定の一箇所のみを加振させるものであるため、測定対象物の全体を加振しにくかった。すなわち、特許文献１に記載の技術では、測定対象物の加振させた位置から、振動が測定対象物の全体に伝搬されるので、たとえば、測定対象物の厚さや反りなどの形状、及び測定対象物の素材などによって、当該振動が減衰し、測定対象物の振動にバラツキが生じて、クラックの検出制度が低下してしまう可能性があった。
【０００６】
また、特許文献１に記載の技術は、測定対象物の支持点が多数存在するため測定対象物の振動が減衰されやすく、測定対象物が部分的な振動となってしまう可能性があった。
【０００７】
また、特許文献１に記載の技術は、測定対象物の支持点によって振動が減衰されることを抑制するために支持位置を変化させる手段も記載されているが、支持位置を変化させる作業に要する時間の分だけ、ランニングコストが増加してしまう可能性があった。
【０００８】
さらに、特許文献１に記載の技術は、測定対象物の固有振動数と、クラック部分で発生する音響的な周波数特性とを分離する解析手段を採用していなかった。すなわち、特許文献１に記載の技術は、クラックと関係の無い、測定対象物の固有の振動周波数もクラックとして検出してしまい、クラックの検出精度が低下してしまう可能性があった。
【０００９】
本発明は、以上のような課題のうちの少なくとも１つを解決するためになされたもので、クラックの検出精度を向上させるクラック検査装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るクラック検査装置は、第１超音波振動子と、第１超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物を振動させる第１振動板と、第１超音波振動子とは異なる振動数で振動する第２超音波振動子と、第１振動板に所定の間隔を空けて対向配置され、第２超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物を振動させる第２振動板と、を備え、第１振動板と第２振動板から放射される音響波によって、測定対象物を両面から全面振動させて、測定対象物に発生しているクラックの有無を判定するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るクラック検査装置によれば、測定対象物の両面側から音響波を放射して全面振動させるので、測定対象物を均一に振動させることが可能となり、クラックの検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るクラック検査装置の概略構成例である。
【図２】図１に示すクラック検査装置の振動板の振動モードの説明図である。
【図３】図１に示すクラック検査装置の支持部片の近傍の構成例である。
【図４】図１に示すクラック検査装置の音場の波長状態の概念図である。
【図５】図１に示すクラック検査装置の振動板の振動モード及び音場における疎密波の状態の説明図である。
【図６】図１に示すクラック検査装置の計測及び解析手順の説明図である。
【図７】図１に示すクラック検査装置の計測及び解析結果の分析方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るクラック検査装置の概略構成例である。
【図９】本発明の実施の形態２に係るクラック検査装置の図８とは異なる概略構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るクラック検査装置１００の概略構成例である。図２は、図１に示すクラック検査装置１００の振動板１５Ａ、１５Ｂの振動モードの説明図である。図３は、図１に示すクラック検査装置１００の支持部片３０の近傍の構成例である。図４は、図１に示すクラック検査装置１００の音場６０の波長状態の概念図である。図５は、図１に示すクラック検査装置１００の振動板１５Ａ、１５Ｂの振動モード及び音場６０における疎密波の状態の説明図である。図１〜図５を参照して、クラック検査装置１００の構成について説明する。
本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、たとえば半導体基板などの薄板である測定対象物２０を振動させることで音波を測定対象物２０から放射させる構成、及び当該音波の解析方法に改良が加えられ、これにより測定対象物２０のクラックを高精度に検出する機能を有する。
【００１４】
［構成説明］
（クラック検査装置１００）
クラック検査装置１００は、図１に示すように、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電素子１０ａが設けられた超音波振動子１０Ａ及び圧電素子１０ｂが設けられた超音波振動子１０Ｂと、超音波振動子１０Ａによって振動させられる振動板１５Ａ及び超音波振動子１０Ｂによって振動させられる振動板１５Ｂと、超音波振動子１０Ａと振動板１５Ａとの間に設けられるホーン１１Ａ及び超音波振動子１０Ｂと振動板１５Ｂとの間に設けられるホーン１１Ｂとを有している。
また、クラック検査装置１００は、測定対象物２０を支持する弾性支持部３５と、弾性支持部３５が固定される支持部片３０とを有している。
さらに、クラック検査装置１００は、振動による測定対象物２０の変位を測定する変位信号検出手段２００と、音波（音響信号）を検出する音響計測手段２０５と、圧電素子１０ａ及び圧電素子１０ｂにパルス電圧を供給する入力制御手段５０と、変位信号検出手段２００及び音響計測手段２０５の検出結果を解析する解析部５１とを有している。
そして、このクラック検査装置１００は、設置された測定対象物２０に超音波を放射して、変位及び音響信号を検出することで、測定対象物２０に発生したクラックを検出可能となっている。
【００１５】
（超音波振動子１０Ａ）
超音波振動子１０Ａは、振動板１５Ａを振動させるものである。実施の形態１では、超音波振動子１０Ａがランジュバン構造である場合を例に説明する。超音波振動子１０Ａの一端面にはホーン１１Ａが、溶接や接着剤などで固定されている。なお、この固定方法については、特に限定されるものではないが、たとえば溶接や接着剤などで固定するとよい。また、超音波振動子１０Ａはたとえば２８ｋＨｚで振動する圧電素子１０ａを有している。なお、圧電素子１０ａは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）素子であるものとして説明するが、それに限定されるものではない。
【００１６】
（超音波振動子１０Ｂ）
超音波振動子１０Ｂは、超音波振動子１０Ａと異なる周波数で振動する。すなわち、この超音波振動子１０Ｂは、たとえば５６ｋＨｚで振動する圧電素子１０ｂを有している。 また、超音波振動子１０Ｂの一端面にはホーン１１Ｂが溶接や接着剤などで固定される。これら以外の点では、超音波振動子１０Ｂは、超音波振動子１０Ａと同様の構成を有するものである。
【００１７】
（振動板１５Ａ）
振動板１５Ａは、たとえば金属板で構成され、測定対象物２０を間接的に振動させるものである。すなわち、振動板１５Ａは、超音波振動子１０Ａの振動が伝達されることで振動し、振動板１５Ａと測定対象物２０との間に形成される空間を介して、自身の振動による音波（疎密波、音響流、進行波）を測定対象物２０に伝達させるものである。
振動板１５Ａはホーン１１Ａのうち超音波振動子１０Ａが接続された側の反対側の端面に固定されている。なお、この固定方法については、特に限定されるものではないが、たとえば溶接や接着剤などで固定するとよい。
【００１８】
振動板１５Ａはホーン１１Ａ及び超音波振動子１０Ａと組み合わせられた状態で、２８ｋＨｚの振動を加えられると、図５に示すような、振動モードで振動するように構成されたものである。なお、振動板１５Ａの所定の振動モードの一波長は１２．１４ｍｍとなっている。
振動板１５Ａと測定対象物２０とは、図４に示すように、振動板１５Ａの振動モードの１／４波長である３．０３５（ｍｍ）空けて設けられている。このとき、この測定対象物２０が設けられる位置は、振動板１５Ａから放射される疎密波の「疎」に対応する部分である。
【００１９】
（振動板１５Ｂ）
振動板１５Ｂは、超音波振動子１０Ｂの振動が伝達されることで振動するものであり、たとえば５６ｋＨｚで振動する圧電素子１０ｂを有しているものである。また、振動板１５Ｂには、ホーン１１Ｂのうち超音波振動子１０Ｂが接続された側の反対側の端面に固定されている。
振動板１５Ｂは、超音波振動子１０Ｂと組み合わせられた状態で、５６ｋＨｚの振動を加えられると、図５に示すような、振動モードで振動するように構成されたものである。なお、振動板１５Ｂの振動モードの一波長は６．０７ｍｍとなっている。
振動板１５Ｂと測定対象物２０とは振動板１５Ｂの振動モードの１／４波長である１．５２（ｍｍ）空けて設けられている。このとき、この測定対象物２０が設けられる位置は、振動板１５Ａから放射される疎密波の「疎」に対応する部分である。
これら以外の点では、振動板１５Ｂは、振動板１５Ａと同様の構成を有するものである。
【００２０】
（振動板１５Ａ、１５Ｂの振動について）
振動板１５Ａ、１５Ｂは、その音圧レベルが、Ｐｅａｋ−Ｔｏ−Ｐｅａｋで１４０（ｄＢ）以上となる疎密波を、超音波振動子１０Ａ、１０Ｂに振動させられることで放射するものである。
これにより、振動板１５Ａ、１５Ｂの間に形成される空間には、１４０（ｄＢ）以上の音圧レベルの音場６０が形成され、振動板１５Ａ、１５Ｂの振動周波数に起因する疎密波が発生する。なお、振動板１５Ａ、１５Ｂが疎密波を放射する対象は、クラック検査装置１００の設置される任意の空間であり、この疎密波が放射される任意の空間を音場６０と称する。そして、音場６０は、任意の空間を有しており、一定間隔で「疎（図１及び図４の空白部分）」、「密（図１及び図４の点線部分）」の波長空間が存在する。
【００２１】
振動板１５Ａ、１５Ｂの寸法についてであるが、仮に、測定対象物２０よりも振動板１５Ａ、１５Ｂが大きい場合には、振動板１５Ａ、１５Ｂより放射される音波が空間上で干渉することになり、位相によっては波長の乱れが生じ、不要な音が発生してしまうことがある。また、音響的な「回折現象」が測定対象物２０の端部で発生してしまい、不要な音が発生してしまうことがある。そこで、振動板１５Ａ、１５Ｂの寸法は、測定対象物２０よりも小さく構成するとよい。なお、振動板１５Ａ、１５Ｂをどの程度小さくするかであるが、振動板１５Ａについては、振動板１５Ａの振動モードの１／２波長以下だけ小さくし、さらに、小さくした際に振動板１５Ａの最端部の振動状態が「節」に近づくようにする。振動板１５Ｂについても同様に、振動板１５Ｂの振動モードの１／２波長以下だけ小さくし、さらに、小さくした際に振動板１５Ｂの最端部の振動状態が「節」に近づくようにする。これにより、測定対象物２０から不用な音発生などが発生することを抑制することができ、音響計測手段２０５に雑音が乗ってしまうことを抑制できる。
【００２２】
振動板１５Ａ、１５Ｂは、図２に示すように、振動板１５Ａ、１５Ｂの最端部が「節」になるように寸法を構成するとよい。これは、振動板１５Ａ、１５Ｂの最端部が「腹」となってしまうと、最端部が振動することにより端部共振を起こしてしまい、異音が発生（笛と同じ現象）し、音響計測手段２０５に雑音が乗ってしまうことを抑制するためである。
【００２３】
ここで、振動板１５Ａ、１５Ｂを、異なる振動数で振動させるとともに、振動板１５Ａの振動モードの「節」と、振動板１５Ｂの振動モードの「腹」とが重なるように振動させるとよい。これにより、振動板１５Ａの振動モードの疎密波と、振動板１５Ｂの振動モードの疎密波とが、補い合うことになる。たとえば、振動板１５Ａの振動モードの疎密波だけでは振動させることができない部分を、振動板１５Ｂの振動モードの疎密波が補うことができるということである（振動の複雑化）。これにより、測定対象物２０に振動しない部分が発生することを抑制し、測定対象物２０を均一に振動（全面振動）させることができる。
なお、仮に、振動板１５Ａ、１５Ｂの周波数が同じであると、振動板１５Ａから放射される疎密波と、振動板１５Ｂから放射される疎密波とが、測定対象物２０を振動させる部分が一致してしまいやすく、測定対象物２０に振動しない部分が発生する場合がある。
また、仮に、振動板１５Ａ、１５Ｂの振動数が異なっても、振動板１５Ａの振動モードの「節」と、振動板１５Ｂの振動モードの「腹」とが重なるように振動させないと、やはり、振動させることができない部分を補い合う効果を充分に得られない可能性がある。
なお、振動モードの「節」は、その部分では、振動板１５Ａ、１５Ｂ自体の「振動はない」が、音圧的には「密」となっている部分である。また、振動モードの「腹」は、その部分では、振動板１５Ａ、１５Ｂ自体に「振動はある」が、音圧的には「疎（空白部分）」となっている部分である。
【００２４】
なお、振動板１５Ａ、１５Ｂについては、報告書（日本音響学会誌５０巻９号（１９９４）ｐｐ.６７７-６８４「格子モード方形たわみ振動板を用いた空中超音波音源」）において記載されており、この報告書に示される計算によって得られる格子モード状態で振動板１５Ａ、１５Ｂは振動する。
【００２５】
（ホーン１１Ａ）
ホーン１１Ａは、超音波振動子１０Ａから発生する振動の振幅を増幅する機能を有するものである。このホーン１１Ａは一端側が超音波振動子１０Ａに固定され、他端側が振動板１５Ａに固定されている。
また、ホーン１１Ａは、超音波振動子１０Ａ及び振動板１５Ａが固定される両端側が連通するように開口形成され、内部に音響通路（超音波振動子１０Ａの振動を増幅する通路）が形成されているものである。
さらに、ホーン１１Ａは、図１に示すように、たとえば縦断面が台形形状となるよう構成し、超音波振動子１０Ａ側から振動板１５Ａ側に向かうにしたがって縮径されているとよい。
【００２６】
（ホーン１１Ｂ）
ホーン１１Ｂは、一端側が超音波振動子１０Ｂに固定され、他端側が振動板１５Ｂに固定されている。これら以外の点では、ホーン１１Ｂは、ホーン１１Ａと同様の構成を有するものである。
【００２７】
なお、本実施の形態１ではホーン１１Ａ、１１Ｂが設けられる場合を例に説明しているが、それに限定されるものではない。すなわち、入力制御部５０の出力電圧を上げて圧電素子１０ａ、１０ｂの振動を大きくしたり、振動板１５Ａ、１５Ｂをたとえばアルミなどのように密度が小さく、弾性が高いもので構成すれば、ホーン１１Ａ、１１Ｂが設けられなくともよい。ホーン１１Ａ、１１Ｂが設けられない場合においては、超音波振動子１０Ａ、１０Ｂの先端面と振動板１５Ａ、１５Ｂとを固定すればよい。
【００２８】
（弾性支持部３５）
弾性支持部３５は、測定対象物２０を支持するものである。弾性支持部３５は、図１に示すように、測定対象物２０が固定された状態において、測定対象物２０の両端部側にそれぞれ設けられ、その底面が支持部片３０に固定されている。このように、弾性支持部３５がたとえば測定対象物２０の中央部などに設けられていないのは、弾性支持部３５によって測定対象物２０が音場６０に曝されることが妨げられてしまい、振動板１５Ａ、１５Ｂと測定対象物２０との間に放射される音波が遮られてしまうことを抑制するためである。
【００２９】
弾性支持部３５は、図３に示すように、たとえば断面が三角形とし、その三角形の頂点のうちの１つである頂部３７によって、測定対象物２０を「点設置」することができるように構成するとよい（接点の最小化）。
このように、「点設置」とすることで、弾性支持部３５と測定対象物２０との接触部から異音が発生することが抑制され、音響計測手段２０５に雑音が乗ってしまうことを抑制できる。また、「点設置」である分、測定対象物２０の振動の減衰が抑制されるため、確実に測定対象物２０から音響計測手段２０５に音響信号が放射される。
また、測定対象物２０が振動しているときには、変位する「腹」の部分と、変位しない「疎」の部分とを有しているが、頂部３７は「疎」の部分に設置するものとする。これにより、測定対象物２０の振動の減衰が抑制され、確実に測定対象物２０から音響計測手段２０５に音響信号が放射される。
このように、弾性支持部３５は、測定対象物２０の振動の減衰を抑制するため、測定対象物２０の支持位置を変化させるなどの作業が必要ない分、ランニングコストの増加を抑制することができる。
【００３０】
弾性支持部３５は、硬度５０以上のゴム系材料で構成するとよい。なお、弾性支持部３５の成型時において、加硫材が８０％以上となるように、ゴム原料材と加硫材とを混錬して構成するとよい。これにより、ゴム材料同士の密度が上がり、弾性（反発係数）を大きくすることができる（高硬度化）。このように、弾性支持部３５の弾性が非常に高くなると、測定対象物２０は頂部３７で振動した際に当該振動が吸収されることが抑制されるため、測定対象物２０を任意の疎密波の力で弾ませることが可能となる。
【００３１】
（支持部片３０）
支持部片３０は、図１及び図３に示すように、測定対象物２０を支持する弾性支持部３５を固定するものである。支持部片３０は、図１に示すように、測定対象物２０の両端部側に少なくとも１つずつ、合計２つ設けられるものである。なお、支持部片３０の数はそれに限定されるものではなく、たとえば測定対象物２０の両端部側に２つずつ以上、合計４つ以上設けられていてもよい。
【００３２】
（変位信号検出手段２００）
変位信号検出手段２００は、振動による測定対象物２０の変位を測定するものである。この変位信号検出手段２００の設置位置は、測定対象物２０の端部側の上部などに設けられる。これにより、変位信号検出手段２００によって測定対象物２０が音場６０に曝されることが妨げられてしまい、振動板１５Ａ、１５Ｂと測定対象物２０との間に放射される音波が遮られてしまうことを抑制できる。
この変位信号検出手段２００は、たとえばレーザドップラー計測などによって、測定対象物２０の変位を非接触で計測することができるものであり、所定の周波数における振動板の速度、加速度を得ることができる。
【００３３】
（音響計測手段２０５）
音響計測手段２０５は、たとえば計測用の無指向性マイクロホンで構成され、音波（音響信号）を検出するものである。
この音響計測手段２０５は、たとえば測定対象物２０の端部側の表裏に、それぞれ１つずつ、合計２つ設けられている。これにより、音響計測手段２０５によって測定対象物２０が音場６０に曝されることが妨げられてしまい、振動板１５Ａ、１５Ｂと測定対象物２０との間に放射される音波が遮られてしまうことを抑制できる。
【００３４】
なお、音響計測手段２０５の数は、２つに限定されるものではなく、測定対象物２０の端部側の表裏にそれぞれ２つ以上設けられていてもよいし、測定対象物２０の端部側の表裏のうちの一方に１つだけ設けられていてもよい。
ここで、音響計測手段２０５を１つだけ設ける場合には、音波の検出精度が低下する可能性もある。そこで、この場合には、測定対象物２０の面上にマイクロホンが来るように設置するのではなく、限りなく側面に近づけて配置するとよい（図示せず）。これにより、測定対象物２０の表裏から発生する音を確実に検出しながら、振動板１５Ａ、１５Ｂと測定対象物２０との間に放射される音波が遮られてしまうことを抑制できる。
また、音響計測手段２０５は、測定帯域に対応できるマイクロホンであれば特に限定されるものではない。
【００３５】
入力制御部５０は、圧電素子１０ａ及び圧電素子１０ｂにパルス電圧を供給するものである。
解析部５１は、変位信号検出手段２００及び音響計測手段２０５の検出結果を解析するものである。この解析部５１は、変位信号検出手段２００及び音響計測手段２０５の検出結果に対してＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）解析を実施し、その解析結果に基づいて寄与率性の計算を実施し、さらに、測定対象物２０から放射される音響信号のうち、クラック成分の分離するものである。なお、ＦＦＴ解析、寄与率性の計算、及びクラック成分の分離については、後述の図６及び図７の説明で詳細に説明する。
【００３６】
（測定対象物２０）
測定対象物２０は、振動板１５Ａ、ｌ５Ｂより放射された音波により、振動させられるものである。すなわち、測定対象物２０は、振動板１５Ａ、１５Ｂから放射される強力な音圧レベルの音波にさらされて、測定対象物２０の表裏が非接触で加振されている。
この測定対象物２０は、クラックの有無の検出時において頂部３７上に保持されるものであるが、加振された状態でこの頂部３７上で適度に浮揚可能に保持されている。これにより、測定対象物２０の振動が減衰されることが抑制されるとともに、測定対象物２０が均一に振動（全面振動）する。
また、測定対象物２０は、振動板１５Ａと振動板１５Ｂの間の空間の疎密波の「疎」となる部分に設置される。これにより、振動板１５Ａ、１５Ｂから放射される音波が、測定対象物２０の表裏に放射され、測定対象物２０が均一に振動する。
そして、測定対象物２０は振動させられることにより、その表面や内部空間などに存在するクラック部分が摺動し、それに伴う摺動音が発生する。クラック検査装置１００は、音響計測手段２０５の検出結果のうち、この摺動音に対応する音波を分離し、クラックの検出精度を向上させるものである。
【００３７】
［動作説明］
図６は、図１に示すクラック検査装置１００の計測及び解析手順の説明図である。図７は、図１に示すクラック検査装置１００の計測及び解析結果の分析方法を説明する図である。図６及び図７に基づいて、クラック検査装置１００の計測及び解析の方法について説明する。
【００３８】
（計測）
まず、クラック検査装置１００は、図６に示すように、「計測手段」により振動板１５Ａ、１５Ｂの変位検出及び音場６０の音響信号の検出をする。すなわち、クラック検査装置１００は、変位信号検出手段２００で、測定対象物２０の表面の振動速度を検出し、音響計測手段２０５で、振動している測定対象物２０から放射される音響信号を検出するということである。
【００３９】
（ＦＦＴ解析）
次に、クラック検査装置１００は、「解析手段」により、「計測手段」の検出結果に対してＦＦＴ解析である「相互相間計測」を実施する。すなわち、クラック検査装置１００は、解析部５１で、変位信号検出手段２００の検出結果に対してＦＦＴ解析を実施してその解析結果を出力する（図７（ａ））とともに、音響計測手段２０５の検出結果に対してＦＦＴ解析を実施してその解析結果を出力する（図７（ｂ））ということである。
なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、変位信号検出手段２００の検出結果及び音響計測手段２０５の検出結果には、測定対象物２０の振動に寄与する振動、及び音響特性だけに寄与する振動に分類することができる。
詳細には、ｆ１が超音波振動子１０Ａ、１０Ｂの基本振動周波数に対応するピークであり、ｆ２が超音波振動子１０Ａ、１０Ｂの次数振動周波数に対応するピークである。また、ｆ３は定期的に発生する固有振動周波数に対応するピークである。さらに、ｆ４は測定対象物２０から放射される音放射成分である。
【００４０】
（寄与率性の計算）
その後、クラック検査装置１００は、「解析手段」のＦＦＴ解析の結果に対して「寄与率計測」を実施する。すなわち、クラック検査装置１００は、変位信号検出手段２００の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ａ））と、音響計測手段２０５の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ｂ））との寄与率性（コヒーレンス性）についての計算を実施し、当該計算結果を出力する（図７（ｃ））。
【００４１】
なお、寄与率性についての計算とは、変位信号検出手段２００の検出結果と、音響計測手段２０５の検出結果との振幅、位相の相関関係の強さについて計算することを指す。具体的には、変位信号検出手段２００の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ａ））と、音響計測手段２０５の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ｂ））との相関関係の強さの計算をすることに対応している。たとえば、ある周波数における振動速度と音圧レベルとはともに特異のピークを有しているが、そのピークの周波数が一致しているほど相関関係が強いことになり、その分、その周波数における寄与率性の値が大きくなる。
一方、図７（ｂ）では、ｆ４に示すピークの周波数帯において、測定対象物２０からの音放射成分が出力されている。一方、図７（ａ）では、ｆ４に示すピークの周波数帯においてピークを有していない。これにより、ｆ４で示すピークの周波数帯においては、寄与率性の値が小さくなる。
【００４２】
（クラック成分の分離）
そして、クラック検査装置１００は、音響計測手段２０５の検出結果に対するＦＦＴ解析結果（図７（ｂ））と、寄与率性の計算結果（図７（ｃ））とに基づいて、測定対象物２０から放射された音成分を抽出する。すなわち、寄与率の高い周波数成分を差分させて、寄与率の低い周波数成分だけを抽出すれば、測定対象物２０のクラックに起因する摺動で発生した周波数特性を、不要な振動成分と分離する事ができるので、高精度にクラックの有無の検出をすることができる。
【００４３】
［実施の形態１に係るクラック検査装置１００の有する効果］
本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、測定対象物２０の両面側から音響波を放射して全面振動させるので、測定対象物を均一に振動させることが可能となり、クラックの検出精度を向上させることができる。
【００４４】
本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、振動板１５Ａ、１５Ｂを異なる振動数で振動させるとともに、振動板１５Ａの振動モードの「節」と、振動板１５Ｂの振動モードの「腹」とが重なるように振動させるため、測定対象物２０を均一に振動させることができ、クラックの検出精度を向上させることができる。
【００４５】
本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、振動板１５Ａ、１５Ｂと、測定対象物２０とを接触させないで振動させるものである。これにより、従来のように直接加振させることにより、測定対象物２０が極端に薄いなどを理由として、新たなクラックを生じてしまうことを抑制することができる。また、直接加振の打撃音が雑音として音響計測手段２０５に乗ってしまうことも抑制できる。
【００４６】
また、本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、仮に、頂部３７の位置と測定対象物２０のクラック位置が一致してしまっても、測定対象物２０の表裏から疎密波が放射されるため、確実に測定対象物２０を振動させることができる。
【００４７】
さらに、本実施の形態１に係るクラック検査装置１００は、音響計測手段２０５の検出結果に対するＦＦＴ解析結果と、寄与率性の計算結果とに基づいて、測定対象物２０から放射された音成分を抽出するので、測定対象物２０のクラックに起因する摺動で発生した周波数特性を、不要な振動成分と分離する事ができるので、高精度にクラックの有無の検出をすることができる。
【００４８】
実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係るクラック検査装置１０１の概略構成例である。図９は、実施の形態２に係るクラック検査装置１０１の図８とは異なる概略構成例である。なお、本実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号とし、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。
実施の形態１では、超音波振動子１０Ａ、１０Ｂの合計２つの超音波振動子を設けた場合の例を示したが、本実施の形態２の図８及び図９に示すように超音波振動子を１つとしてもよい。実施の形態２は、測定対象物２０が、たとえば弾性に富むなどにより、良く振動するようなものである場合に有効である。
【００４９】
図８が、測定対象物２０の上側から疎密波を放射する構成であり、図９が測定対象物２０の下側から疎密波を放射する構成である。
【００５０】
変位信号検出手段２００Ｂは、図８及び図９に示すように測定対象物２０の上側を測定するものであってもよいし、下側を測定するものであってもよい。
【００５１】
図８に示すように、音響計測手段２０５Ｂは、測定対象物２０を挟んで、超音波振動子１０Ａ及び振動板１５Ａとは反対側に設けるとよい。これにより、超音波振動子１０Ａからの強力な音圧レベルの疎密波を直接入力させないようにすることができる。図９でも同様である。すなわち、図９に示すように、音響計測手段２０５Ｂは、測定対象物２０を挟んで、超音波振動子１０Ｂ及び振動板１５Ｂとは反対側に設けるとよい。これにより、超音波振動子１０Ｂからの強力な音圧レベルの疎密波を直接入力させないようにすることができる。
ここで、音響計測手段２０５Ｂには無指向性マイクロホンを採用することで、測定対象物２０で発生しているクラックに起因する音成分を、どの方向に対しても一様に検出することが可能となる。したがって、測定対象物２０を挟んで、超音波振動子１０Ａ、１０Ｂ及び振動板１５Ａ、１５Ｂとは反対側に設けられるのであれば、特に音響計測手段２０５Ｂの位置は限定されるものではない。
なお、測定対象物２０のクラックの大きさが小さいほどに、音響計測手段２０５Ｂは、微少な音圧レベル（音響レベル）の変化の検出を要する。そこで、音響計測手段２０５Ｂは、測定対象物２０にぶつからない程度になるべく近傍に配置することで、微小な音圧レベルの変化を検出することが可能となる。
【００５２】
［実施の形態２に係るクラック検査装置１０１Ａ、１０１Ｂの有する効果］
本実施の形態２に係るクラック検査装置１０１Ａ、１０１Ｂにおいても、実施の形態１に係るクラック検査装置１００と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施の形態２に係るクラック検査装置１０１Ａ、１０１Ｂは、測定対象物２０に接触しないように、測定対象物２０の全体に音響波を放射するので、測定対象物２０を均一に振動させることが可能となり、クラックの検出精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０Ａ 超音波振動子（第１超音波振動子）、１０Ｂ 超音波振動子（第２超音波振動子）、１０ａ 圧電素子、１０ｂ 圧電素子、１１Ａ ホーン、１１Ｂ ホーン、１５Ａ 振動板（第１振動板）、１５Ｂ 振動板（第２振動板）、２０ 測定対象物、３０ 支持部片、３５ 弾性支持部、３７ 頂部（支持部）、５０ 入力制御手段、５１ 解析部、６０ 音場、１００、１０１ クラック検査装置、２００、２００Ｂ 変位信号検出手段、２０５、２０５Ｂ 音響計測手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１超音波振動子と、
前記第１超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物を振動させる第１振動板と、
前記第１超音波振動子とは異なる振動数で振動する第２超音波振動子と、
前記第１振動板に所定の間隔を空けて対向配置され、前記第２超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、前記測定対象物を振動させる第２振動板と、
を備え、
前記第１振動板と前記第２振動板から放射される音響波によって、測定対象物を両面から全面振動させて、前記測定対象物に発生しているクラックの有無を判定する
ことを特徴とするクラック検査装置。
【請求項２】
前記第１振動板及び前記第２振動板は、
格子モードで振動する
ことを特徴とする請求項１に記載のクラック検査装置。
【請求項３】
前記第１振動板と前記第２振動板とは、
前記第１振動板の格子モードの腹の位置が、前記第２振動板の格子モードの節の位置に対応するように対向配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載のクラック検査装置。
【請求項４】
前記測定対象物の振動を検出する変位信号検出手段と、
前記測定対象物から放射される音響信号を検出する音響信号検出手段と、
前記変位信号検出手段及び前記音響信号検出手段の検出結果を解析する解析部と、
を備え、
前記解析部は、
前記変位信号検出手段の検出結果の周波数特性、及び前記音響信号検出手段の検出結果の周波数特性を算出し、当該算出されたこれらの周波数特性の相関関係に基いて、設置される前記測定対象物のクラックの有無を判定する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のクラック検査装置。
【請求項５】
前記解析部は、
前記音響信号検出手段の前記周波数特性の成分のうち、前記変位信号検出手段の前記周波数特性の成分と対応するものを、前記測定対象物のクラックに起因しない成分であると判定する
ことを特徴とする請求項４に記載のクラック検査装置。
【請求項６】
前記解析部は、
前記音響信号検出手段の前記周波数特性の成分のうち、前記変位信号検出手段の前記周波数特性の成分と対応しないものを、前記測定対象物から放射されたクラックに起因する成分であると判定する
ことを特徴とする請求項５に記載のクラック検査装置。
【請求項７】
前記測定対象物と接触する頂部を有し、前記測定対象物を当該頂部の上に浮揚可能に保持する支持部を備えた
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のクラック検査装置。
【請求項８】
前記支持部は、
加硫材が８０％以上となるように、ゴム原料材と前記加硫材とを混錬して構成した
ことを特徴とする請求項７に記載のクラック検査装置。
【請求項９】
超音波振動子、及び前記超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物に接触しないで振動させる振動板と、
前記測定対象物と接触する頂部を有し、前記測定対象物を当該頂部の上に浮揚可能に保持する支持部と、
前記測定対象物の振動を検出する変位信号検出手段と、
前記測定対象物を挟んで前記振動板の反対側に設けられ、前記測定対象物から放射される音響信号を検出する音響信号検出手段と、
前記変位信号検出手段及び前記音響信号検出手段の検出結果を解析する解析部と、
を備えた
ことを特徴とするクラック検査装置。
【請求項１】
第１超音波振動子と、
前記第１超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物を振動させる第１振動板と、
前記第１超音波振動子とは異なる振動数で振動する第２超音波振動子と、
前記第１振動板に所定の間隔を空けて対向配置され、前記第２超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、前記測定対象物を振動させる第２振動板と、
を備え、
前記第１振動板と前記第２振動板から放射される音響波によって、測定対象物を両面から全面振動させて、前記測定対象物に発生しているクラックの有無を判定する
ことを特徴とするクラック検査装置。
【請求項２】
前記第１振動板及び前記第２振動板は、
格子モードで振動する
ことを特徴とする請求項１に記載のクラック検査装置。
【請求項３】
前記第１振動板と前記第２振動板とは、
前記第１振動板の格子モードの腹の位置が、前記第２振動板の格子モードの節の位置に対応するように対向配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載のクラック検査装置。
【請求項４】
前記測定対象物の振動を検出する変位信号検出手段と、
前記測定対象物から放射される音響信号を検出する音響信号検出手段と、
前記変位信号検出手段及び前記音響信号検出手段の検出結果を解析する解析部と、
を備え、
前記解析部は、
前記変位信号検出手段の検出結果の周波数特性、及び前記音響信号検出手段の検出結果の周波数特性を算出し、当該算出されたこれらの周波数特性の相関関係に基いて、設置される前記測定対象物のクラックの有無を判定する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のクラック検査装置。
【請求項５】
前記解析部は、
前記音響信号検出手段の前記周波数特性の成分のうち、前記変位信号検出手段の前記周波数特性の成分と対応するものを、前記測定対象物のクラックに起因しない成分であると判定する
ことを特徴とする請求項４に記載のクラック検査装置。
【請求項６】
前記解析部は、
前記音響信号検出手段の前記周波数特性の成分のうち、前記変位信号検出手段の前記周波数特性の成分と対応しないものを、前記測定対象物から放射されたクラックに起因する成分であると判定する
ことを特徴とする請求項５に記載のクラック検査装置。
【請求項７】
前記測定対象物と接触する頂部を有し、前記測定対象物を当該頂部の上に浮揚可能に保持する支持部を備えた
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のクラック検査装置。
【請求項８】
前記支持部は、
加硫材が８０％以上となるように、ゴム原料材と前記加硫材とを混錬して構成した
ことを特徴とする請求項７に記載のクラック検査装置。
【請求項９】
超音波振動子、及び前記超音波振動子に振動させられて超音波帯域の音響波を放射し、測定対象物に接触しないで振動させる振動板と、
前記測定対象物と接触する頂部を有し、前記測定対象物を当該頂部の上に浮揚可能に保持する支持部と、
前記測定対象物の振動を検出する変位信号検出手段と、
前記測定対象物を挟んで前記振動板の反対側に設けられ、前記測定対象物から放射される音響信号を検出する音響信号検出手段と、
前記変位信号検出手段及び前記音響信号検出手段の検出結果を解析する解析部と、
を備えた
ことを特徴とするクラック検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０４８４９（Ｐ２０１３−１０４８４９Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０９６３（Ｐ２０１１−２５０９６３）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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