クラック検知支援装置、及び、クラック検知支援方法
【課題】強力な音圧レベル（特に１３０ｄＢ以上）の超音波を広範囲に放射させて空中で測定対象物のクラックを効果的に検知可能にしたクラック検知支援装置を提供する。
【解決手段】クラック検知支援装置１００は、圧電素子が設けられ、所定の周波数帯域の超音波を発生する振動子１０と、振動子１０の先端部に取り付けられ、振動子１０の振動と共振することで格子モードでたわみ振動し、所定の音圧レベルの共振波を発生する振動板１２と、振動板１２の全面から放射される共振波によって空中に浮上及び振動する測定対象物５０から発生する音を検出する音検出装置１３と、を備えている。
【解決手段】クラック検知支援装置１００は、圧電素子が設けられ、所定の周波数帯域の超音波を発生する振動子１０と、振動子１０の先端部に取り付けられ、振動子１０の振動と共振することで格子モードでたわみ振動し、所定の音圧レベルの共振波を発生する振動板１２と、振動板１２の全面から放射される共振波によって空中に浮上及び振動する測定対象物５０から発生する音を検出する音検出装置１３と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強力な超音波を発生させて測定対象物のクラックを検知するクラック検知支援装置、及び、クラック検知支援方法に関し、特に空中において強力な超音波を発生させ測定対象物のクラックを効果的に検知することを可能にしたクラック検知支援装置、及び、クラック検知支援方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波深傷によって半導体基板のクラック（欠陥）を検知する装置及び方法が存在している。そのようなものとして、「水中またはその他の液体中に被測定物を置き、その上方で探触子を走査させながらそこから音波を発信および受信し、探触子直下における異常部を二次平面または任意断面で二次平面的に表示する超音波探傷方法であって、被測定物が多結晶シリコン塊で探傷周波数を０．５〜１０ＭＨｚとするシリコン塊の探傷方法」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この探傷方法は、超音波の特性、つまり水中又は液体中では減衰が少ないという特性を利用したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１５４３号公報（第３頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の技術では、シリコン塊に存在する小さいクラックを検知可能にするために高周波帯域の超音波を発生させている。また、発生させた超音波の減衰を低減するために水中又は液体中で実行するようにしている。しかしながら、このような方法では、測定対象物のクラック検知に要する時間が多くかかってしまうという問題がある。そこで、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を利用した一般的な超音波発生装置を利用して測定対象物のクラックを検知することが考えられる。
【０００５】
この一般的な超音波発生装置は、圧電素子に電圧を印加することで圧電素子を発振させ、一定方向の振動の共振周波数を利用することで、特定の周波数を音響発振するようになっている。このような超音波発生装置では、圧電素子で発生した周波数は一般的に可聴域の周波数とは異なる１８ｋＨｚ以上の超音波域を有しており、その音圧レベルは空中に放射されると極端に音圧レベルが減衰することになる。この音圧レベルを増幅させるために、圧電素子の面振動方向に対して共振構造体（ホーン構造）を取り付け、圧電素子の面振動の振動数と共振構造体の振動数とを一致させることが多い。しかしながら、強力な音圧レベルの超音波を広範囲に放射することができないという問題が残っている。
【０００６】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、強力な音圧レベル（特に１３０ｄＢ以上）の超音波を広範囲に放射させて空中で測定対象物のクラックを効果的に検知可能にしたクラック検知支援装置、及び、クラック検知支援方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るクラック検知支援装置は、圧電素子が設けられ、所定の周波数帯域の超音波を発生する超音波振動子と、前記超音波振動子の先端部に取り付けられ、前記超音波振動子の振動と共振することで格子モードでたわみ振動し、所定の音圧レベルの共振波を発生する振動板と、前記振動板の全面から放射される共振波によって空中に浮上及び振動する測定対象物から発生する音を検出する音検出装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るクラック検知支援方法は、所定の周波数帯域の超音波を超音波振動子から発生させ、前記超音波振動子の振動と共振することで格子モードでたわみ振動する振動板から所定の音圧レベルの共振波を発生させ、前記振動板の全面から放射される共振波によって空中に測定対象物を浮上及び振動させ、このとき前記測定対象物から発生する音を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るクラック検知支援装置及びクラック検知支援方法によれば、振動板の全面から超音波が一様に空中放射できるので、測定対象物を空中に確実に浮上及び振動させることができ、これにより空中で測定対象物から音を発生させることができる。また、空中で測定対象物から音を発生させることができるので、僅かなクラックからでも音を発生させることが可能になる。加えて、本発明に係るクラック検知支援装置及びクラック検知支援方法によれば、測定対象物から発生する音によって、測定対象物にクラックが発生しているかどうかを判定できるので、判定作業を容易かつ迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係るクラック検知支援装置の一例を説明するための説明図である。
【図２】測定対象物から発生する音のＦＦＴ処理後の波形例を示すグラフである。
【図３】ＦＦＴ処理データを用いた判定手順を説明するためのフローチャート図である。
【図４】ＦＦＴ処理後の波形のピークを示す周波数付近のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るクラック検知支援装置１００の一例を説明するための説明図である。図１に基づいて、クラック検知支援装置１００の構成及び動作について説明する。また、図１には、測定対象物５０を併せて図示している。このクラック検知支援装置１００は、空中に強力な音圧レベルの超音波を測定対象物５０に衝突させて、測定対象物５０から発生される音によって測定対象物５０にクラックが存在しているかどうかの判定を容易にするものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１２】
クラック検知支援装置１００は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子で構成される超音波振動子にパルス電圧を印加し、振動子を発振させることによって、超音波を発生させるようになっている。図１に示すように、クラック検知支援装置１００は、振動子（超音波振動子）１０と、ホーン１１と、振動板１２と、音検出装置１３と、ＦＦＴ処理部１４と、を有している。なお、クラック検知支援装置１００は、ホーン１１が備えられていなくても機能を発揮することができる。たとえば、振動板１２をアルミ等の軽量な素材で構成することで、より小さな力で振動板１２を加振することができるようになり、ホーン１１を設けなくても十分な性能を得ることができる。
【００１３】
振動子１０には、図示省略の圧電素子が設けられており、この圧電素子に正電極端子及び負電極端子を介してパルス電圧が印加され、圧電素子が発振するようになっている。つまり、振動子１０は、圧電素子にパルス電圧が印加されることによって、所定の周波数範囲（１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）の音波（超音波）を発生するようになっている。ホーン１１は、両端面が開口され、内部に音響通路（超音波帯域の音響信号を増幅する通路）が形成されるように構成されており、振動子１０と振動板１２との間に取り付けられている。また、ホーン１１は、円錐台形状に構成され、振動子１０側から振動板１２側に向けて徐々に縮径されているのが好ましい。
【００１４】
振動板１２は、ホーン１１の他端部（振動子１０が配置されている一端部の反対側の端部）に固着されており、振動子１０の発振（振動）と共振することによって共振波を作り出す機能を有している。この共振波は、振動板１２の両面（ホーン１１側の面（ホーン１１を設けない場合には振動子１０の設置面）及びその対向面）の全体から放射されることになる。また、振動板１２は、振動子１０から発信される超音波信号の「腹」の部分に固着されている。
【００１５】
したがって、振動板１２は、「たわみ振動」を行なうことになる。すなわち、振動板１２は、板そのものの固有振動数で決まる「格子モード（捩れ振動モード）」での振動を行なうようになっているのである。振動板１２は、格子状になっている部分を「節（発生した超音波における疎の部分）」とし、それ以外の部分を「腹（発生した超音波における密の部分）」として「たわみ振動」するようになっているのである。そして、クラック検知支援装置１００では、振動板１２の有する振動モードの振動周波数を、振動子１０の発振周波数と一致させて用いるようにしている。よって、振動板１２と測定対象物５０との間には、疎密を繰り返す定在波による音響波が発生していることになる。
【００１６】
図１では、音検出装置１３が１個だけ設けられている場合を例に示しているが、音検出装置１３の個数を複数にしてもよい。音検出装置１３を複数個設けることにより、音検出装置１３を１個設ける場合よりもクラックの検知範囲が広範囲となり、また、測定対象物５０に発生したクラックの位置を決定できるなど、クラック検知精度が向上することになる。また、感度の異なる音検出装置１３を複数個設けて、測定対象物５０で発生したクラックの大きさをある程度把握できるようにしてもよい。さらに、クラックの有無を自動で判定する場合には、判定結果を報知できるようにしておくとよい。
【００１７】
音検出装置１３を複数個設ける場合は、音検出装置１３と測定対象物５０との距離が全て等しくなるように設けるようにする。音検出装置１３と測定対象物５０との距離を一定に保つことにより、１つの測定対象物５０に対して、音検出装置１３の数だけ、２倍、３倍にデータが増えるため、後述するＭＴＳ法における単位空間データが増え、判定精度を効率よく向上させることができる。また、複数個の音検出装置１３の感度をすべて同等にしたい場合は、それぞれの音検出装置１３の出力を同等となるように調整するとよい。とくに特定の位置での判定精度を向上させたい場合など、測定位置による重み付けをしたい場合は、重み付けに応じて、音検出装置１３からの出力をソフト上で変更してもよいし、対象箇所の音検出装置１３の感度を上げてもよい。
【００１８】
音検出装置１３は、たとえばマイクロホンや音センサー、超音波センサー等、又はこれらの組み合わせで構成されており、測定対象物５０から発生する音を検出するものである。この音検出装置１３は、振動板１２の近接位置（たとえば、１０ｃｍ以下）に設けるようにする。ＦＦＴ処理部１４は、音検出装置１３で検出された音の信号を時間の関数から周波数の関数へ高速に変換する信号処理手段としての機能を果たすものである。このＦＦＴとは、Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（高速フーリエ変換）の略称である。測定対象物５０は、たとえばシリコン基板や太陽光パネル等の半導体基板、あるいは、金属材料等であればよい。
【００１９】
「格子モード」の「たわみ振動」について説明する。振動板１２は、ホーン１１の先端部に固着されており、振動子１０から発信され、ホーン１１を伝搬した超音波信号が伝搬する。振動板１２の有する振動モードの振動周波数は、振動子１０の発振周波数と一致しているので、伝搬した超音波信号により加振（共振）される。このとき、振動板１２が「たわみ振動」することで、超音波（共振波）が発生し、振動板１２の両面側に放射されるようになっている。
【００２０】
振動板１２は、以下の計算式（１）で大きさを決定することができ、所望の寸法を設計することができる。
λ＝｛２πＣｐｈ／ｆ｝＊１／２・・・式（１）
ここで、λが波長を、Ｃｐが振動板１２を構成する板材料の固有定数を、ｈが振動板１２を構成する板材料の厚みを、ｆが周波数をそれぞれ表している。なお、Ｃｐは、振動板１２を構成する材料固有の定数であり、その材料のヤング率やポアソン比等を用いて算出することができる。
【００２１】
また、「格子モード」の発生に必要な振動板１２の一辺の長さＬ1 は、以下の計算式（２）で決定することができる。
Ｌ1 ＝（Ｎ1 −０．５）＊λ／２・・・式（２）
ここで、Ｎ1 が振動板１２に出現する「節」線の数（偶数値）を表している。
すなわち、振動板１２の一辺の長さＬ1 を式（２）で示す関係に設定すれば、振動板１２のたわみ振動時におけるモード形状を「格子モード」とすることができる。
【００２２】
したがって、振動板１２を「格子モード」で「たわみ振動」させることで、振動板１２が振動子１０から発信された超音波信号と同等の周波数の特定周波数で振動を行なうことができる。この特定の周波数による振動板１２の周波数は、振動板１２の全面から放射されることになるので、振動板１２の大きさに応じた広い面積から特定の超音波帯域の周波数を持つ強力な音圧レベル（１３０ｄＢ以上）が一様に空中放射（振動子１０の中心軸上に沿って３０ｃｍ以上）されることになる。
【００２３】
クラック検知支援装置１００の動作、つまりクラック検知支援方法について説明する。
圧電素子にパルス電圧が印加されると振動子１０から１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ帯域の超音波が発生し、この超音波がホーン１１を介して振動板１２に伝搬する。振動板１２に伝搬した超音波は、共振され強力な音圧レベルを有する共振波となって振動板１２の表面全体から一様に放射される。そうすると、振動板１２と測定対象物５０との間には定在波による音響波が発生し、振動板１２の表面に置かれた測定対象物５０が空中に浮遊することになる。加えて、測定対象物５０は、音響波により加振されて振動することになる。すなわち、振動板１２は上述したように「格子モード」で「たわみ振動」しているので、測定対象物５０が浮遊すると同時に振動することになるのである。
【００２４】
測定対象物５０が浮上及び振動している時、測定対象物５０から音が発生することになる。測定対象物５０から発生する音は、振動板１２の近接位置に設けられている音検出装置１３で検出される。測定対象物５０にクラックが発生している場合、クラック部分で割れ面同士の擦れにより「ビビリ音」が発生する。この音により、測定対象物５０のクラックを検知することができる。たとえば、音検出装置１３で検出した音の信号を増幅することで人間の聴覚で測定対象物５０にクラックが発生しているかどうか判断することができる。また、音検出装置１３で検出された音の信号を目視可能に表示装置に表示し、人間の視覚で測定対象物５０にクラックが発生しているかどうか判断するとよい。なお、クラック検知支援装置１００は、測定対象物５０を浮上させることによって、僅かなクラックであっても「ビビリ音」を発生させることができ、これにより僅かなクラックであっても判定することができるようになっている。
【００２５】
より正確に測定対象物５０のクラックを検知するためには、音検出装置１３で検出した音の信号をＦＦＴ処理し、その測定結果を表示装置に表示するとよい。この場合、音検出装置１３で検出された音信号は、ＦＦＴ処理部１４に送られ、ＦＦＴ処理部１４で音信号が時間の関数から周波数の関数へと変換される（図２で詳細に説明する）。この測定結果から、たとえば人間又は自動判定装置等の機械によって測定対象物５０にクラックがあるかどうかを判定することができる。
【００２６】
図２は、測定対象物５０から発生する音のＦＦＴ処理後の波形例を示すグラフである。図２に基づいて、測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかの検知方法及びクラックの判定方法について詳細に説明する。また、図２（ａ）が測定対象物５０にクラックが発生していない場合のＦＦＴ波形例を、図２（ｂ）が測定対象物５０にクラックが発生している場合のＦＦＴ波形例を、それぞれ表している。この図２では、横軸が発振周波数（Ｆｓ）［ｆ］を、縦軸がレスポンス（音圧レベル）［ｄＢ］を、それぞれ示している。
【００２７】
測定対象物５０を空中に浮上させるためには、１３０ｄＢ以上、好ましくは１４５ｄＢ以上の音圧レベルが要求される。そこで、クラック検知支援装置１００では、「捩れ振動モード」を起こす振動板１２を装着し、この振動板１２によって振動子１０から発振される１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯域の超音波を強力な共振波として振動板１２の全面から均一に放射させるようになっている。したがって、測定対象物５０に浮上に必要な１３０ｄＢ以上の音圧レベルの超音波が振動板１２の近接位置（たとえば、１０ｃｍ程度）に振動板１２の前面から均一に放射されることになる。なお、振動子１０から発振させる超音波の周波数帯域を１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚとしたのは、強力な超音波発振を可能とするためである。
【００２８】
そうすると、振動板１２と測定対象物５０との間に定在波である音響波が発生し、測定対象物５０を空中に浮上させることができる。測定対象物５０は、浮上すると同時に振動し、音を発生する。浮上及び振動している測定対象物５０から発生した音は、音検出装置１３で検出される。この検出音は、音信号としてＦＦＴ処理部１４に送られ、ＦＦＴ処理されて周波数の関数に変換される。ＦＦＴ処理部１４で変換された周波数の測定帯域を特に限定するものではないが、５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの帯域とすることが好ましい。そして、測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかは、ＦＦＴ処理された周波数応答として分析することで判定することができる。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、測定対象物５０にクラックが発生していない場合には、振動子１０の共振周波数によるピーク周波数（矢印（ア））が表れるものの、それ以外の周波数に変動は表れない（矢印（イ））。つまり、振動子１０のピーク周波数以外の周波数は、発振時の下限音圧レベル（図２に示す線Ａ）を超えないのである。一方、図２（ｂ）に示すように、測定対象物５０にクラックが発生している場合には、振動子１０のピーク周波数（矢印（ア））が表れる他、それ以外にも複数のピーク周波数成分が表れる（矢印（ウ））。
【００３０】
このとき、音圧レベルにクラック発生時のピーク周波数の音響判定用の閾値（図２（ｂ）に示す線Ｂ）を定めておけば、閾値を超えたピークが表れた場合に、測定対象物５０にクラックが発生していると判定することができる。この判定は、人間が行なってもよく、自動判定装置等の機械が行なってもよい。つまり、クラック検知支援装置１００は、クラックの発生の有無を容易に判定できるように支援するようになっている。したがって、ＦＦＴ処理された周波数応答を分析することで、測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかの判定が容易に可能になる。加えて、ＦＦＴ処理結果を表示すれば、その分析結果を人間の視覚により測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかの判定が可能になる。
【００３１】
また、クラックが発生していない測定対象物５０から予め閾値を定めておき、この閾値から突出したレスポンス量＋周波数帯域でクラックの発生の有無の判定を自動判定装置等により機械的に実行するようにしてもよい。なお、測定対象物５０から発生する音を音検出装置１３で増幅させて、測定対象物５０から発生する音を人間の聴覚により測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかを判定してもよい。また、視覚及び聴覚を組み合わせて測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかを判定してもよい。
【００３２】
以下に、ＦＦＴ処理結果を、ＭＴＳ（Ｍａｈａｒａｎｏｂｉｓ Ｔａｇｕｃｈｉ ｓｙｓｔｅｍ）法を用いて分析し、クラックの発生の有無を自動的に判定するクラック自動検知装置（以下、便宜的にクラック自動検知装置２００と称する）について説明する。なお、クラック自動検知装置２００は、クラック検知支援装置１００を適用したものである。
【００３３】
図３は、クラック自動検知装置２００における判定手順を説明するためのフローチャートである。クラック自動検知装置２００は、クラックのない測定対象物（以下、該データを単位空間データとする）のマハラノビスの距離を計算する単位空間距離計算部２０１と、単位空間データのマハラノビスの距離を用いて、クラックの有無が未知の測定対象物（以下、該データを信号データとする）のマハラノビスの距離を計算する信号距離計算部２０２と、を有している、また、クラック自動検知装置２００は、良品データ記憶部２０３を有している。
【００３４】
まず、単位空間距離計算部２０１について説明する。
単位空間距離計算部２０１では、クラックのない測定対象物５０を対象とする。ＦＦＴ処理データを収集し（ステップＳ１）、収集したＦＦＴ処理データについて、ユーザーの目的に応じて解析対象の周波数帯域を選択し（ステップＳ２）、該周波数帯域のデータについて、マハラノビスの距離を計算する（ステップＳ３）。計算したマハラノビスの距離は、良品データとして、良品データ記憶部２０３に記憶させる（ステップＳ４）。
【００３５】
次に、信号距離計算部２０２について説明する。
信号距離計算部２０２では、クラックの有無が未知の測定対象物５０を対象とする。収集されたＦＦＴ処理データを元に、単位空間距離計算部２０１にて計算した基準データのマハラノビスの距離との相関から、該信号データのマハラノビスの距離を求める（ステップＳ１１）。求めたマハラノビスの距離をあらかじめ決めておいた閾値と比較し（ステップＳ１２）、閾値よりも小さい場合（ステップＳ１２；ＹＥＳ）は、良品（クラックなし）とみなし、閾値よりも大きい場合（ステップＳ１２；ＮＯ）は、不良品（クラックあり）とみなして、それぞれの結果を表示する（ステップＳ１３、ステップＳ１４）。さらに、算出したマハラノビスの距離が閾値より小さく、良品（クラックなし）とみなされた場合は、良品データ記憶部２０３に、該データを追加記憶させてもよい。
【００３６】
ＦＦＴ処理データからマハラノビスの距離を算出する方法について、以下に一例を示す。ＭＴＳ法では、逆行列による計算を行うため、データの数が特徴量項目の数よりも多い必要がある。そのため、特徴量項目を周波数とした場合、データの数よりも特徴量項目の数が小さくなるように、測定周波数を一定間隔で間引いたり、一定間隔ごとに平均化することが多い。以下の例では、ＦＦＴ処理データの全データを用いる方法の一例として、ＦＦＴ処理データ１データにつき、２つの特徴量項目（基準となるデータに対する、感度と標準偏差）で表現する方法について示す。
【００３７】
分析周波数の数をｋ個として、各周波数における音圧レベルをＸ1 、Ｘ2 、・・・、Ｘk とする。単位空間のメンバーの数をｎ個とすると、各周波数の単位空間内の平均は、下記式（３）で表すことができる。
【数１】
【００３８】
単位空間のメンバーごとの標準ＳＮ比ηと感度βは次のように求められる。単位空間のＮｏ．１のメンバーの標準ＳＮ比η1 と感度β1 は、線形式Ｌ1 を下記式（４）として、下記式（５）のように求める。
【数２】
【数３】
ここでｒは、下記式（６）である。
【数４】
【００３９】
また、ＳＮ比η1は、まず全変動ＳT1と比例項の変動Ｓβ1を下記式（７）、下記式（８）のように求めて計算する。
【数５】
【数６】
【００４０】
これから誤差変動Ｓe と誤差分散Ｖe は、下記式（９）、下記式（１０）で求める。
【数７】
【数８】
これから標準ＳＮ比η1 は下記式（１１）で与えられる。
【数９】
【００４１】
同様にして、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、・・・、Ｎｏ．ｎに対するβとηを求める。項目ηとβを用いて単位空間内の距離を下記式（１２）、下記式（１３）で求める。ＳＮ比ηは、平方根の逆数すなわち標準偏差に置き換え、感度βと標準偏差を特徴量とする。
【数１０】
【数１１】
【００４２】
単位空間のｎ個のメンバーのデータより、ＭＴＳ法を用いて、単位空間の距離Ｄを求める。それと比較して信号との距離が十分大きいかどうかを調べて判断する。まず、Ｙ1 とＹ2 の分散、共分散を求めて分散・共分散行列を求める。ここで、Ｙ1 の分散をＶ11（下記式（１４））、Ｙ1 、Ｙ2 の共分散をＶ12（下記式（１５））、Ｙ2 の分散をＶ22（下記式（１６））で表す。Ｖ21＝Ｖ12である。Ｙ1の平均をＹ1、Ｙ2の平均をＹ2としている。
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【００４３】
したがって、分散・共分散行列Ｖは、下記式（１７）のようになる。
【数１５】
分散・共分散行列Ｖの余因子行列Ａは、下記式（１８）のように求まる。
【数１６】
【００４４】
これを用いた各メンバー距離は、メンバーが単位空間のＮｏ．１の場合を示せば、下記式（１９）のようになる。
【数１７】
単位空間の残りのメンバーＮｏ．２、・・・Ｎｏ．ｎについても、距離Ｄ22、Ｄ32、・・・Ｄn2が得られる。
【００４５】
得られた距離を、たとえば、Ｎｏ．１の場合、下記式（２０）を用いて変換することにより、単位空間内のマハラノビスの距離の平均は１となる。
【数１８】
【００４６】
上記のように得られたマハラノビスの距離を、単位空間データのマハラノビスの距離と比較することで、クラックの有無を検知する。あらかじめ設定した閾値に対して、信号データのマハラノビスの距離が小さい場合は、単位空間と波形パターンが似ていることを示し、クラックがないまたは小さいと判定する。一方、信号データのマハラノビスの距離が該閾値よりも大きい場合は、単位空間のデータに比べて波形パターンが異なることを示し、クラックがあると判定する。
【００４７】
また、該閾値は、ユーザーが任意に決めることができ、閾値を大きくすれば、大きいクラックのみ検知するシステムとなり、閾値を小さくすれば、小さなクラックまで検知するシステムとなる。また、単位空間データの数を増やすほど、検知精度は向上する。単位空間データの数は１００以上が望ましい。また、マハラノビスの距離と、測定対象物の破壊強度などの強度特性との関係から、閾値を決めることも可能である。
【００４８】
また、前述したとおり、未知データの検査の結果、良品データと判定された場合は、良品データすなわち単位空間データとして追加記憶させることにより、単位空間データが増え、その後の検知精度はさらに上がる。
【００４９】
前述した、解析周波数帯域は、ユーザーが任意に決めることができる。クラックの検知には、３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚが望ましい。これは、可聴領域である２０ｋＨｚよりも高周波数なため、外部ノイズの影響を受けにくいことと、クラックのない測定対象物５０において、３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚでは大きなピークが現れないため、クラックのある測定対象物５０との差異が明確になるためである。
【００５０】
また、測定対象物５０が超音波により安定して浮かない場合は、クラック検知精度を低下させる要因となる可能性がある。そこで、測定対象物５０が安定して浮く場合を単位空間とすることで、判定精度を向上させることができる。測定対象物５０が安定して浮く場合は、振動子１２の共振周波数によるピークが図４（ａ）に示すように鋭く（すそが狭い）なる。一方、測定対象物５０がバタバタと揺れるなど安定して浮かない場合は、図４（ｂ）に示すように、ピークのすそが広くなる。このため、ピーク周波数の前後１ｋＨｚの周波数帯域を対象として、測定対象物５０が安定して浮く場合を単位空間とすることで、測定対象物５０の浮上状態を判別することができ、測定対象物５０が安定して浮くもののみを対象に検査を行うことで、さらにクラック検知精度が向上する。
【００５１】
以上のように、クラック検知支援装置１００では、振動板１２の全面から強力な音圧レベル（１３０ｄＢ以上）を有する超音波が一様に空中放射できるので、測定対象物５０を空中に浮上及び振動させることができ、測定対象物５０から音を発生させることができる。したがって、測定対象物５０から発生する音によって測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかを容易に判定できる。また、クラック検知支援装置１００では、空中で測定対象物５０のクラックの有無を検知するので、検知に要する時間を大幅に削減することができ、迅速にクラック発生の有無を検知できる。
【００５２】
さらに、クラック検知支援装置１００は、測定対象物５０のクラックの有無を検知するために特別な設備等を必要としないため、非常に安価に測定対象物５０のクラックの有無を検知することができる。加えて、クラック検知支援装置１００は、半導体基板の製造ラインや半導体基板を組み込んだ何らかの装置の製造ラインのいずれにも備えることができ、測定対象物５０のクラック検知を適宜実行することによって測定対象物５０の歩留まりを大幅に向上することが可能になる。
【００５３】
なお、振動板１２の振動子１０の取付面とは反対側面における「節」に相当する位置に緩衝材を設けて、この緩衝材の上に測定対象物５０を載置してクラック検知を開始するようにしてもよい。図１では、振動子１０が１個だけ設けられている場合を例に示しているが、振動子１０の個数を特に限定するものではなく、測定対象物５０の大きさや重量、形状によって振動子１０の個数を決定するとよい。また、複数個の振動子１０を設けて、振動板１２の位相を制御することにより、測定対象物５０を非接触で搬送させながら、クラックの有無を検知するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 振動子、１１ ホーン、１２ 振動板、１３ 音検出装置、１４ ＦＦＴ処理部、５０ 測定対象物、１００ クラック検知支援装置、２０１ 単位空間距離計算部、２０２ 信号距離計算部、２０３ 良品データ記憶部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強力な超音波を発生させて測定対象物のクラックを検知するクラック検知支援装置、及び、クラック検知支援方法に関し、特に空中において強力な超音波を発生させ測定対象物のクラックを効果的に検知することを可能にしたクラック検知支援装置、及び、クラック検知支援方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波深傷によって半導体基板のクラック（欠陥）を検知する装置及び方法が存在している。そのようなものとして、「水中またはその他の液体中に被測定物を置き、その上方で探触子を走査させながらそこから音波を発信および受信し、探触子直下における異常部を二次平面または任意断面で二次平面的に表示する超音波探傷方法であって、被測定物が多結晶シリコン塊で探傷周波数を０．５〜１０ＭＨｚとするシリコン塊の探傷方法」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この探傷方法は、超音波の特性、つまり水中又は液体中では減衰が少ないという特性を利用したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１５４３号公報（第３頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の技術では、シリコン塊に存在する小さいクラックを検知可能にするために高周波帯域の超音波を発生させている。また、発生させた超音波の減衰を低減するために水中又は液体中で実行するようにしている。しかしながら、このような方法では、測定対象物のクラック検知に要する時間が多くかかってしまうという問題がある。そこで、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を利用した一般的な超音波発生装置を利用して測定対象物のクラックを検知することが考えられる。
【０００５】
この一般的な超音波発生装置は、圧電素子に電圧を印加することで圧電素子を発振させ、一定方向の振動の共振周波数を利用することで、特定の周波数を音響発振するようになっている。このような超音波発生装置では、圧電素子で発生した周波数は一般的に可聴域の周波数とは異なる１８ｋＨｚ以上の超音波域を有しており、その音圧レベルは空中に放射されると極端に音圧レベルが減衰することになる。この音圧レベルを増幅させるために、圧電素子の面振動方向に対して共振構造体（ホーン構造）を取り付け、圧電素子の面振動の振動数と共振構造体の振動数とを一致させることが多い。しかしながら、強力な音圧レベルの超音波を広範囲に放射することができないという問題が残っている。
【０００６】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、強力な音圧レベル（特に１３０ｄＢ以上）の超音波を広範囲に放射させて空中で測定対象物のクラックを効果的に検知可能にしたクラック検知支援装置、及び、クラック検知支援方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るクラック検知支援装置は、圧電素子が設けられ、所定の周波数帯域の超音波を発生する超音波振動子と、前記超音波振動子の先端部に取り付けられ、前記超音波振動子の振動と共振することで格子モードでたわみ振動し、所定の音圧レベルの共振波を発生する振動板と、前記振動板の全面から放射される共振波によって空中に浮上及び振動する測定対象物から発生する音を検出する音検出装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るクラック検知支援方法は、所定の周波数帯域の超音波を超音波振動子から発生させ、前記超音波振動子の振動と共振することで格子モードでたわみ振動する振動板から所定の音圧レベルの共振波を発生させ、前記振動板の全面から放射される共振波によって空中に測定対象物を浮上及び振動させ、このとき前記測定対象物から発生する音を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るクラック検知支援装置及びクラック検知支援方法によれば、振動板の全面から超音波が一様に空中放射できるので、測定対象物を空中に確実に浮上及び振動させることができ、これにより空中で測定対象物から音を発生させることができる。また、空中で測定対象物から音を発生させることができるので、僅かなクラックからでも音を発生させることが可能になる。加えて、本発明に係るクラック検知支援装置及びクラック検知支援方法によれば、測定対象物から発生する音によって、測定対象物にクラックが発生しているかどうかを判定できるので、判定作業を容易かつ迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係るクラック検知支援装置の一例を説明するための説明図である。
【図２】測定対象物から発生する音のＦＦＴ処理後の波形例を示すグラフである。
【図３】ＦＦＴ処理データを用いた判定手順を説明するためのフローチャート図である。
【図４】ＦＦＴ処理後の波形のピークを示す周波数付近のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るクラック検知支援装置１００の一例を説明するための説明図である。図１に基づいて、クラック検知支援装置１００の構成及び動作について説明する。また、図１には、測定対象物５０を併せて図示している。このクラック検知支援装置１００は、空中に強力な音圧レベルの超音波を測定対象物５０に衝突させて、測定対象物５０から発生される音によって測定対象物５０にクラックが存在しているかどうかの判定を容易にするものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１２】
クラック検知支援装置１００は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子で構成される超音波振動子にパルス電圧を印加し、振動子を発振させることによって、超音波を発生させるようになっている。図１に示すように、クラック検知支援装置１００は、振動子（超音波振動子）１０と、ホーン１１と、振動板１２と、音検出装置１３と、ＦＦＴ処理部１４と、を有している。なお、クラック検知支援装置１００は、ホーン１１が備えられていなくても機能を発揮することができる。たとえば、振動板１２をアルミ等の軽量な素材で構成することで、より小さな力で振動板１２を加振することができるようになり、ホーン１１を設けなくても十分な性能を得ることができる。
【００１３】
振動子１０には、図示省略の圧電素子が設けられており、この圧電素子に正電極端子及び負電極端子を介してパルス電圧が印加され、圧電素子が発振するようになっている。つまり、振動子１０は、圧電素子にパルス電圧が印加されることによって、所定の周波数範囲（１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）の音波（超音波）を発生するようになっている。ホーン１１は、両端面が開口され、内部に音響通路（超音波帯域の音響信号を増幅する通路）が形成されるように構成されており、振動子１０と振動板１２との間に取り付けられている。また、ホーン１１は、円錐台形状に構成され、振動子１０側から振動板１２側に向けて徐々に縮径されているのが好ましい。
【００１４】
振動板１２は、ホーン１１の他端部（振動子１０が配置されている一端部の反対側の端部）に固着されており、振動子１０の発振（振動）と共振することによって共振波を作り出す機能を有している。この共振波は、振動板１２の両面（ホーン１１側の面（ホーン１１を設けない場合には振動子１０の設置面）及びその対向面）の全体から放射されることになる。また、振動板１２は、振動子１０から発信される超音波信号の「腹」の部分に固着されている。
【００１５】
したがって、振動板１２は、「たわみ振動」を行なうことになる。すなわち、振動板１２は、板そのものの固有振動数で決まる「格子モード（捩れ振動モード）」での振動を行なうようになっているのである。振動板１２は、格子状になっている部分を「節（発生した超音波における疎の部分）」とし、それ以外の部分を「腹（発生した超音波における密の部分）」として「たわみ振動」するようになっているのである。そして、クラック検知支援装置１００では、振動板１２の有する振動モードの振動周波数を、振動子１０の発振周波数と一致させて用いるようにしている。よって、振動板１２と測定対象物５０との間には、疎密を繰り返す定在波による音響波が発生していることになる。
【００１６】
図１では、音検出装置１３が１個だけ設けられている場合を例に示しているが、音検出装置１３の個数を複数にしてもよい。音検出装置１３を複数個設けることにより、音検出装置１３を１個設ける場合よりもクラックの検知範囲が広範囲となり、また、測定対象物５０に発生したクラックの位置を決定できるなど、クラック検知精度が向上することになる。また、感度の異なる音検出装置１３を複数個設けて、測定対象物５０で発生したクラックの大きさをある程度把握できるようにしてもよい。さらに、クラックの有無を自動で判定する場合には、判定結果を報知できるようにしておくとよい。
【００１７】
音検出装置１３を複数個設ける場合は、音検出装置１３と測定対象物５０との距離が全て等しくなるように設けるようにする。音検出装置１３と測定対象物５０との距離を一定に保つことにより、１つの測定対象物５０に対して、音検出装置１３の数だけ、２倍、３倍にデータが増えるため、後述するＭＴＳ法における単位空間データが増え、判定精度を効率よく向上させることができる。また、複数個の音検出装置１３の感度をすべて同等にしたい場合は、それぞれの音検出装置１３の出力を同等となるように調整するとよい。とくに特定の位置での判定精度を向上させたい場合など、測定位置による重み付けをしたい場合は、重み付けに応じて、音検出装置１３からの出力をソフト上で変更してもよいし、対象箇所の音検出装置１３の感度を上げてもよい。
【００１８】
音検出装置１３は、たとえばマイクロホンや音センサー、超音波センサー等、又はこれらの組み合わせで構成されており、測定対象物５０から発生する音を検出するものである。この音検出装置１３は、振動板１２の近接位置（たとえば、１０ｃｍ以下）に設けるようにする。ＦＦＴ処理部１４は、音検出装置１３で検出された音の信号を時間の関数から周波数の関数へ高速に変換する信号処理手段としての機能を果たすものである。このＦＦＴとは、Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（高速フーリエ変換）の略称である。測定対象物５０は、たとえばシリコン基板や太陽光パネル等の半導体基板、あるいは、金属材料等であればよい。
【００１９】
「格子モード」の「たわみ振動」について説明する。振動板１２は、ホーン１１の先端部に固着されており、振動子１０から発信され、ホーン１１を伝搬した超音波信号が伝搬する。振動板１２の有する振動モードの振動周波数は、振動子１０の発振周波数と一致しているので、伝搬した超音波信号により加振（共振）される。このとき、振動板１２が「たわみ振動」することで、超音波（共振波）が発生し、振動板１２の両面側に放射されるようになっている。
【００２０】
振動板１２は、以下の計算式（１）で大きさを決定することができ、所望の寸法を設計することができる。
λ＝｛２πＣｐｈ／ｆ｝＊１／２・・・式（１）
ここで、λが波長を、Ｃｐが振動板１２を構成する板材料の固有定数を、ｈが振動板１２を構成する板材料の厚みを、ｆが周波数をそれぞれ表している。なお、Ｃｐは、振動板１２を構成する材料固有の定数であり、その材料のヤング率やポアソン比等を用いて算出することができる。
【００２１】
また、「格子モード」の発生に必要な振動板１２の一辺の長さＬ1 は、以下の計算式（２）で決定することができる。
Ｌ1 ＝（Ｎ1 −０．５）＊λ／２・・・式（２）
ここで、Ｎ1 が振動板１２に出現する「節」線の数（偶数値）を表している。
すなわち、振動板１２の一辺の長さＬ1 を式（２）で示す関係に設定すれば、振動板１２のたわみ振動時におけるモード形状を「格子モード」とすることができる。
【００２２】
したがって、振動板１２を「格子モード」で「たわみ振動」させることで、振動板１２が振動子１０から発信された超音波信号と同等の周波数の特定周波数で振動を行なうことができる。この特定の周波数による振動板１２の周波数は、振動板１２の全面から放射されることになるので、振動板１２の大きさに応じた広い面積から特定の超音波帯域の周波数を持つ強力な音圧レベル（１３０ｄＢ以上）が一様に空中放射（振動子１０の中心軸上に沿って３０ｃｍ以上）されることになる。
【００２３】
クラック検知支援装置１００の動作、つまりクラック検知支援方法について説明する。
圧電素子にパルス電圧が印加されると振動子１０から１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ帯域の超音波が発生し、この超音波がホーン１１を介して振動板１２に伝搬する。振動板１２に伝搬した超音波は、共振され強力な音圧レベルを有する共振波となって振動板１２の表面全体から一様に放射される。そうすると、振動板１２と測定対象物５０との間には定在波による音響波が発生し、振動板１２の表面に置かれた測定対象物５０が空中に浮遊することになる。加えて、測定対象物５０は、音響波により加振されて振動することになる。すなわち、振動板１２は上述したように「格子モード」で「たわみ振動」しているので、測定対象物５０が浮遊すると同時に振動することになるのである。
【００２４】
測定対象物５０が浮上及び振動している時、測定対象物５０から音が発生することになる。測定対象物５０から発生する音は、振動板１２の近接位置に設けられている音検出装置１３で検出される。測定対象物５０にクラックが発生している場合、クラック部分で割れ面同士の擦れにより「ビビリ音」が発生する。この音により、測定対象物５０のクラックを検知することができる。たとえば、音検出装置１３で検出した音の信号を増幅することで人間の聴覚で測定対象物５０にクラックが発生しているかどうか判断することができる。また、音検出装置１３で検出された音の信号を目視可能に表示装置に表示し、人間の視覚で測定対象物５０にクラックが発生しているかどうか判断するとよい。なお、クラック検知支援装置１００は、測定対象物５０を浮上させることによって、僅かなクラックであっても「ビビリ音」を発生させることができ、これにより僅かなクラックであっても判定することができるようになっている。
【００２５】
より正確に測定対象物５０のクラックを検知するためには、音検出装置１３で検出した音の信号をＦＦＴ処理し、その測定結果を表示装置に表示するとよい。この場合、音検出装置１３で検出された音信号は、ＦＦＴ処理部１４に送られ、ＦＦＴ処理部１４で音信号が時間の関数から周波数の関数へと変換される（図２で詳細に説明する）。この測定結果から、たとえば人間又は自動判定装置等の機械によって測定対象物５０にクラックがあるかどうかを判定することができる。
【００２６】
図２は、測定対象物５０から発生する音のＦＦＴ処理後の波形例を示すグラフである。図２に基づいて、測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかの検知方法及びクラックの判定方法について詳細に説明する。また、図２（ａ）が測定対象物５０にクラックが発生していない場合のＦＦＴ波形例を、図２（ｂ）が測定対象物５０にクラックが発生している場合のＦＦＴ波形例を、それぞれ表している。この図２では、横軸が発振周波数（Ｆｓ）［ｆ］を、縦軸がレスポンス（音圧レベル）［ｄＢ］を、それぞれ示している。
【００２７】
測定対象物５０を空中に浮上させるためには、１３０ｄＢ以上、好ましくは１４５ｄＢ以上の音圧レベルが要求される。そこで、クラック検知支援装置１００では、「捩れ振動モード」を起こす振動板１２を装着し、この振動板１２によって振動子１０から発振される１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯域の超音波を強力な共振波として振動板１２の全面から均一に放射させるようになっている。したがって、測定対象物５０に浮上に必要な１３０ｄＢ以上の音圧レベルの超音波が振動板１２の近接位置（たとえば、１０ｃｍ程度）に振動板１２の前面から均一に放射されることになる。なお、振動子１０から発振させる超音波の周波数帯域を１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚとしたのは、強力な超音波発振を可能とするためである。
【００２８】
そうすると、振動板１２と測定対象物５０との間に定在波である音響波が発生し、測定対象物５０を空中に浮上させることができる。測定対象物５０は、浮上すると同時に振動し、音を発生する。浮上及び振動している測定対象物５０から発生した音は、音検出装置１３で検出される。この検出音は、音信号としてＦＦＴ処理部１４に送られ、ＦＦＴ処理されて周波数の関数に変換される。ＦＦＴ処理部１４で変換された周波数の測定帯域を特に限定するものではないが、５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの帯域とすることが好ましい。そして、測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかは、ＦＦＴ処理された周波数応答として分析することで判定することができる。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、測定対象物５０にクラックが発生していない場合には、振動子１０の共振周波数によるピーク周波数（矢印（ア））が表れるものの、それ以外の周波数に変動は表れない（矢印（イ））。つまり、振動子１０のピーク周波数以外の周波数は、発振時の下限音圧レベル（図２に示す線Ａ）を超えないのである。一方、図２（ｂ）に示すように、測定対象物５０にクラックが発生している場合には、振動子１０のピーク周波数（矢印（ア））が表れる他、それ以外にも複数のピーク周波数成分が表れる（矢印（ウ））。
【００３０】
このとき、音圧レベルにクラック発生時のピーク周波数の音響判定用の閾値（図２（ｂ）に示す線Ｂ）を定めておけば、閾値を超えたピークが表れた場合に、測定対象物５０にクラックが発生していると判定することができる。この判定は、人間が行なってもよく、自動判定装置等の機械が行なってもよい。つまり、クラック検知支援装置１００は、クラックの発生の有無を容易に判定できるように支援するようになっている。したがって、ＦＦＴ処理された周波数応答を分析することで、測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかの判定が容易に可能になる。加えて、ＦＦＴ処理結果を表示すれば、その分析結果を人間の視覚により測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかの判定が可能になる。
【００３１】
また、クラックが発生していない測定対象物５０から予め閾値を定めておき、この閾値から突出したレスポンス量＋周波数帯域でクラックの発生の有無の判定を自動判定装置等により機械的に実行するようにしてもよい。なお、測定対象物５０から発生する音を音検出装置１３で増幅させて、測定対象物５０から発生する音を人間の聴覚により測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかを判定してもよい。また、視覚及び聴覚を組み合わせて測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかを判定してもよい。
【００３２】
以下に、ＦＦＴ処理結果を、ＭＴＳ（Ｍａｈａｒａｎｏｂｉｓ Ｔａｇｕｃｈｉ ｓｙｓｔｅｍ）法を用いて分析し、クラックの発生の有無を自動的に判定するクラック自動検知装置（以下、便宜的にクラック自動検知装置２００と称する）について説明する。なお、クラック自動検知装置２００は、クラック検知支援装置１００を適用したものである。
【００３３】
図３は、クラック自動検知装置２００における判定手順を説明するためのフローチャートである。クラック自動検知装置２００は、クラックのない測定対象物（以下、該データを単位空間データとする）のマハラノビスの距離を計算する単位空間距離計算部２０１と、単位空間データのマハラノビスの距離を用いて、クラックの有無が未知の測定対象物（以下、該データを信号データとする）のマハラノビスの距離を計算する信号距離計算部２０２と、を有している、また、クラック自動検知装置２００は、良品データ記憶部２０３を有している。
【００３４】
まず、単位空間距離計算部２０１について説明する。
単位空間距離計算部２０１では、クラックのない測定対象物５０を対象とする。ＦＦＴ処理データを収集し（ステップＳ１）、収集したＦＦＴ処理データについて、ユーザーの目的に応じて解析対象の周波数帯域を選択し（ステップＳ２）、該周波数帯域のデータについて、マハラノビスの距離を計算する（ステップＳ３）。計算したマハラノビスの距離は、良品データとして、良品データ記憶部２０３に記憶させる（ステップＳ４）。
【００３５】
次に、信号距離計算部２０２について説明する。
信号距離計算部２０２では、クラックの有無が未知の測定対象物５０を対象とする。収集されたＦＦＴ処理データを元に、単位空間距離計算部２０１にて計算した基準データのマハラノビスの距離との相関から、該信号データのマハラノビスの距離を求める（ステップＳ１１）。求めたマハラノビスの距離をあらかじめ決めておいた閾値と比較し（ステップＳ１２）、閾値よりも小さい場合（ステップＳ１２；ＹＥＳ）は、良品（クラックなし）とみなし、閾値よりも大きい場合（ステップＳ１２；ＮＯ）は、不良品（クラックあり）とみなして、それぞれの結果を表示する（ステップＳ１３、ステップＳ１４）。さらに、算出したマハラノビスの距離が閾値より小さく、良品（クラックなし）とみなされた場合は、良品データ記憶部２０３に、該データを追加記憶させてもよい。
【００３６】
ＦＦＴ処理データからマハラノビスの距離を算出する方法について、以下に一例を示す。ＭＴＳ法では、逆行列による計算を行うため、データの数が特徴量項目の数よりも多い必要がある。そのため、特徴量項目を周波数とした場合、データの数よりも特徴量項目の数が小さくなるように、測定周波数を一定間隔で間引いたり、一定間隔ごとに平均化することが多い。以下の例では、ＦＦＴ処理データの全データを用いる方法の一例として、ＦＦＴ処理データ１データにつき、２つの特徴量項目（基準となるデータに対する、感度と標準偏差）で表現する方法について示す。
【００３７】
分析周波数の数をｋ個として、各周波数における音圧レベルをＸ1 、Ｘ2 、・・・、Ｘk とする。単位空間のメンバーの数をｎ個とすると、各周波数の単位空間内の平均は、下記式（３）で表すことができる。
【数１】
【００３８】
単位空間のメンバーごとの標準ＳＮ比ηと感度βは次のように求められる。単位空間のＮｏ．１のメンバーの標準ＳＮ比η1 と感度β1 は、線形式Ｌ1 を下記式（４）として、下記式（５）のように求める。
【数２】
【数３】
ここでｒは、下記式（６）である。
【数４】
【００３９】
また、ＳＮ比η1は、まず全変動ＳT1と比例項の変動Ｓβ1を下記式（７）、下記式（８）のように求めて計算する。
【数５】
【数６】
【００４０】
これから誤差変動Ｓe と誤差分散Ｖe は、下記式（９）、下記式（１０）で求める。
【数７】
【数８】
これから標準ＳＮ比η1 は下記式（１１）で与えられる。
【数９】
【００４１】
同様にして、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、・・・、Ｎｏ．ｎに対するβとηを求める。項目ηとβを用いて単位空間内の距離を下記式（１２）、下記式（１３）で求める。ＳＮ比ηは、平方根の逆数すなわち標準偏差に置き換え、感度βと標準偏差を特徴量とする。
【数１０】
【数１１】
【００４２】
単位空間のｎ個のメンバーのデータより、ＭＴＳ法を用いて、単位空間の距離Ｄを求める。それと比較して信号との距離が十分大きいかどうかを調べて判断する。まず、Ｙ1 とＹ2 の分散、共分散を求めて分散・共分散行列を求める。ここで、Ｙ1 の分散をＶ11（下記式（１４））、Ｙ1 、Ｙ2 の共分散をＶ12（下記式（１５））、Ｙ2 の分散をＶ22（下記式（１６））で表す。Ｖ21＝Ｖ12である。Ｙ1の平均をＹ1、Ｙ2の平均をＹ2としている。
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【００４３】
したがって、分散・共分散行列Ｖは、下記式（１７）のようになる。
【数１５】
分散・共分散行列Ｖの余因子行列Ａは、下記式（１８）のように求まる。
【数１６】
【００４４】
これを用いた各メンバー距離は、メンバーが単位空間のＮｏ．１の場合を示せば、下記式（１９）のようになる。
【数１７】
単位空間の残りのメンバーＮｏ．２、・・・Ｎｏ．ｎについても、距離Ｄ22、Ｄ32、・・・Ｄn2が得られる。
【００４５】
得られた距離を、たとえば、Ｎｏ．１の場合、下記式（２０）を用いて変換することにより、単位空間内のマハラノビスの距離の平均は１となる。
【数１８】
【００４６】
上記のように得られたマハラノビスの距離を、単位空間データのマハラノビスの距離と比較することで、クラックの有無を検知する。あらかじめ設定した閾値に対して、信号データのマハラノビスの距離が小さい場合は、単位空間と波形パターンが似ていることを示し、クラックがないまたは小さいと判定する。一方、信号データのマハラノビスの距離が該閾値よりも大きい場合は、単位空間のデータに比べて波形パターンが異なることを示し、クラックがあると判定する。
【００４７】
また、該閾値は、ユーザーが任意に決めることができ、閾値を大きくすれば、大きいクラックのみ検知するシステムとなり、閾値を小さくすれば、小さなクラックまで検知するシステムとなる。また、単位空間データの数を増やすほど、検知精度は向上する。単位空間データの数は１００以上が望ましい。また、マハラノビスの距離と、測定対象物の破壊強度などの強度特性との関係から、閾値を決めることも可能である。
【００４８】
また、前述したとおり、未知データの検査の結果、良品データと判定された場合は、良品データすなわち単位空間データとして追加記憶させることにより、単位空間データが増え、その後の検知精度はさらに上がる。
【００４９】
前述した、解析周波数帯域は、ユーザーが任意に決めることができる。クラックの検知には、３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚが望ましい。これは、可聴領域である２０ｋＨｚよりも高周波数なため、外部ノイズの影響を受けにくいことと、クラックのない測定対象物５０において、３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚでは大きなピークが現れないため、クラックのある測定対象物５０との差異が明確になるためである。
【００５０】
また、測定対象物５０が超音波により安定して浮かない場合は、クラック検知精度を低下させる要因となる可能性がある。そこで、測定対象物５０が安定して浮く場合を単位空間とすることで、判定精度を向上させることができる。測定対象物５０が安定して浮く場合は、振動子１２の共振周波数によるピークが図４（ａ）に示すように鋭く（すそが狭い）なる。一方、測定対象物５０がバタバタと揺れるなど安定して浮かない場合は、図４（ｂ）に示すように、ピークのすそが広くなる。このため、ピーク周波数の前後１ｋＨｚの周波数帯域を対象として、測定対象物５０が安定して浮く場合を単位空間とすることで、測定対象物５０の浮上状態を判別することができ、測定対象物５０が安定して浮くもののみを対象に検査を行うことで、さらにクラック検知精度が向上する。
【００５１】
以上のように、クラック検知支援装置１００では、振動板１２の全面から強力な音圧レベル（１３０ｄＢ以上）を有する超音波が一様に空中放射できるので、測定対象物５０を空中に浮上及び振動させることができ、測定対象物５０から音を発生させることができる。したがって、測定対象物５０から発生する音によって測定対象物５０にクラックが発生しているかどうかを容易に判定できる。また、クラック検知支援装置１００では、空中で測定対象物５０のクラックの有無を検知するので、検知に要する時間を大幅に削減することができ、迅速にクラック発生の有無を検知できる。
【００５２】
さらに、クラック検知支援装置１００は、測定対象物５０のクラックの有無を検知するために特別な設備等を必要としないため、非常に安価に測定対象物５０のクラックの有無を検知することができる。加えて、クラック検知支援装置１００は、半導体基板の製造ラインや半導体基板を組み込んだ何らかの装置の製造ラインのいずれにも備えることができ、測定対象物５０のクラック検知を適宜実行することによって測定対象物５０の歩留まりを大幅に向上することが可能になる。
【００５３】
なお、振動板１２の振動子１０の取付面とは反対側面における「節」に相当する位置に緩衝材を設けて、この緩衝材の上に測定対象物５０を載置してクラック検知を開始するようにしてもよい。図１では、振動子１０が１個だけ設けられている場合を例に示しているが、振動子１０の個数を特に限定するものではなく、測定対象物５０の大きさや重量、形状によって振動子１０の個数を決定するとよい。また、複数個の振動子１０を設けて、振動板１２の位相を制御することにより、測定対象物５０を非接触で搬送させながら、クラックの有無を検知するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 振動子、１１ ホーン、１２ 振動板、１３ 音検出装置、１４ ＦＦＴ処理部、５０ 測定対象物、１００ クラック検知支援装置、２０１ 単位空間距離計算部、２０２ 信号距離計算部、２０３ 良品データ記憶部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子が設けられ、所定の周波数帯域の超音波を発生する超音波振動子と、
前記超音波振動子の先端部に取り付けられ、前記超音波振動子の振動と共振することで格子モードでたわみ振動し、所定の音圧レベルの共振波を発生する振動板と、
前記振動板の全面から放射される共振波によって空中に浮上及び振動する測定対象物から発生する音を検出する音検出装置と、を備えた
ことを特徴とするクラック検知支援装置。
【請求項２】
前記超音波振動子から発生する超音波の周波数帯域を１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚとし、
前記振動板から放射される共振波の音圧レベルを１３０ｄＢ以上としている
ことを特徴とする請求項１に記載のクラック検知支援装置。
【請求項３】
前記音検出装置で検出された音の信号を目視可能に表示する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のクラック検知支援装置。
【請求項４】
前記音検出装置で検出された音の信号をＦＦＴ処理するＦＦＴ処理部を設け、その測定結果を表示する
ことを特徴とする請求項３に記載のクラック検知支援装置。
【請求項５】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された測定結果にクラック発生時のピーク周波数の音響判定用の閾値を予め定めておく
ことを特徴とする請求項４に記載のクラック検知支援装置。
【請求項６】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数帯域を測定帯域として用いる
ことを特徴とする請求項５に記載のクラック検知支援装置。
【請求項７】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された測定結果を用いて、ＭＴＳ法により前記測定対象物のクラックを検知している
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項８】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯域を分析帯域として用いている
ことを特徴とする請求項７に記載のクラック検知支援装置。
【請求項９】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された測定結果を用いて、ＭＴＳ法により前記測定対象物の浮上状態を判別している
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１０】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理され、前記振動子の共振周波数によるピーク周波数の前後１ｋＨｚの周波数帯域に対して前記ＭＴＳ法を用いる
ことを特徴とする請求項９に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１１】
前記音検出装置は、
１つまたは２つ以上配設される
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１２】
前記音検出装置を２つ以上設ける場合は、前記音検出装置と前記測定対象物との距離が等しくなるように設ける
ことを特徴とする請求項１１に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１３】
前記音検出装置は、
マイクロホン、音センサー、もしくは、超音波センサー、又はこれらの組み合わせで構成されている
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１４】
両端面が開口され、内部に音響通路が形成されているホーンを、前記超音波振動子と前記振動板との間に取り付けている
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１５】
前記振動板の前記超音波振動子の取付面とは反対側面における「節」の位置に緩衝材を設けている
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１６】
前記測定対象物が半導体基板又は金属材料である
ことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１７】
所定の周波数帯域の超音波を超音波振動子から発生させ、
前記超音波振動子の振動と共振することで格子モードでたわみ振動する振動板から所定の音圧レベルの共振波を発生させ、
前記振動板の全面から放射される共振波によって空中に測定対象物を浮上及び振動させ、このとき前記測定対象物から発生する音を検出する
ことを特徴とするクラック検知支援方法。
【請求項１８】
前記超音波振動子から１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯域の超音波を発生させ、
前記振動板から１３０ｄＢ以上の音圧レベルの共振波を放射させる
ことを特徴とする請求項１７に記載のクラック検知支援方法。
【請求項１９】
前記測定対象物から発生し、検出された音の信号を目視可能に表示する
ことを特徴とする請求項１７又は１８に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２０】
前記測定対象物から発生する音の信号をＦＦＴ処理し、その測定結果を表示する
ことを特徴とする請求項１９に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２１】
前記ＦＦＴ処理された測定結果にクラック発生時のピーク周波数の音響判定用の閾値を予め定めておく
ことを特徴とする請求項２０に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２２】
前記ＦＦＴ処理された５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数帯域を測定帯域として用いる
ことを特徴とする請求項２１に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２３】
前記ＦＦＴ処理された測定結果を用いて、ＭＴＳ法により前記測定対象物のクラックを検知する
ことを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか一項に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２４】
前記ＦＦＴ処理された３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯域を分析帯域として用いる
ことを特徴とする請求項２３に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２５】
前記ＦＦＴ処理された測定結果を用いて、ＭＴＳ法により前記測定対象物の浮上状態を判別する
ことを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか一項に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２６】
前記ＦＦＴ処理され、前記振動子の共振周波数によるピーク周波数の前後１ｋＨｚの周波数帯域に対して前記ＭＴＳ法を用いる
ことを特徴とする請求項２５に記載のクラック検知支援方法。
【請求項１】
圧電素子が設けられ、所定の周波数帯域の超音波を発生する超音波振動子と、
前記超音波振動子の先端部に取り付けられ、前記超音波振動子の振動と共振することで格子モードでたわみ振動し、所定の音圧レベルの共振波を発生する振動板と、
前記振動板の全面から放射される共振波によって空中に浮上及び振動する測定対象物から発生する音を検出する音検出装置と、を備えた
ことを特徴とするクラック検知支援装置。
【請求項２】
前記超音波振動子から発生する超音波の周波数帯域を１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚとし、
前記振動板から放射される共振波の音圧レベルを１３０ｄＢ以上としている
ことを特徴とする請求項１に記載のクラック検知支援装置。
【請求項３】
前記音検出装置で検出された音の信号を目視可能に表示する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のクラック検知支援装置。
【請求項４】
前記音検出装置で検出された音の信号をＦＦＴ処理するＦＦＴ処理部を設け、その測定結果を表示する
ことを特徴とする請求項３に記載のクラック検知支援装置。
【請求項５】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された測定結果にクラック発生時のピーク周波数の音響判定用の閾値を予め定めておく
ことを特徴とする請求項４に記載のクラック検知支援装置。
【請求項６】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数帯域を測定帯域として用いる
ことを特徴とする請求項５に記載のクラック検知支援装置。
【請求項７】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された測定結果を用いて、ＭＴＳ法により前記測定対象物のクラックを検知している
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項８】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯域を分析帯域として用いている
ことを特徴とする請求項７に記載のクラック検知支援装置。
【請求項９】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理された測定結果を用いて、ＭＴＳ法により前記測定対象物の浮上状態を判別している
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１０】
前記ＦＦＴ処理部によりＦＦＴ処理され、前記振動子の共振周波数によるピーク周波数の前後１ｋＨｚの周波数帯域に対して前記ＭＴＳ法を用いる
ことを特徴とする請求項９に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１１】
前記音検出装置は、
１つまたは２つ以上配設される
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１２】
前記音検出装置を２つ以上設ける場合は、前記音検出装置と前記測定対象物との距離が等しくなるように設ける
ことを特徴とする請求項１１に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１３】
前記音検出装置は、
マイクロホン、音センサー、もしくは、超音波センサー、又はこれらの組み合わせで構成されている
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１４】
両端面が開口され、内部に音響通路が形成されているホーンを、前記超音波振動子と前記振動板との間に取り付けている
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１５】
前記振動板の前記超音波振動子の取付面とは反対側面における「節」の位置に緩衝材を設けている
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１６】
前記測定対象物が半導体基板又は金属材料である
ことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のクラック検知支援装置。
【請求項１７】
所定の周波数帯域の超音波を超音波振動子から発生させ、
前記超音波振動子の振動と共振することで格子モードでたわみ振動する振動板から所定の音圧レベルの共振波を発生させ、
前記振動板の全面から放射される共振波によって空中に測定対象物を浮上及び振動させ、このとき前記測定対象物から発生する音を検出する
ことを特徴とするクラック検知支援方法。
【請求項１８】
前記超音波振動子から１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯域の超音波を発生させ、
前記振動板から１３０ｄＢ以上の音圧レベルの共振波を放射させる
ことを特徴とする請求項１７に記載のクラック検知支援方法。
【請求項１９】
前記測定対象物から発生し、検出された音の信号を目視可能に表示する
ことを特徴とする請求項１７又は１８に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２０】
前記測定対象物から発生する音の信号をＦＦＴ処理し、その測定結果を表示する
ことを特徴とする請求項１９に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２１】
前記ＦＦＴ処理された測定結果にクラック発生時のピーク周波数の音響判定用の閾値を予め定めておく
ことを特徴とする請求項２０に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２２】
前記ＦＦＴ処理された５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数帯域を測定帯域として用いる
ことを特徴とする請求項２１に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２３】
前記ＦＦＴ処理された測定結果を用いて、ＭＴＳ法により前記測定対象物のクラックを検知する
ことを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか一項に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２４】
前記ＦＦＴ処理された３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯域を分析帯域として用いる
ことを特徴とする請求項２３に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２５】
前記ＦＦＴ処理された測定結果を用いて、ＭＴＳ法により前記測定対象物の浮上状態を判別する
ことを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか一項に記載のクラック検知支援方法。
【請求項２６】
前記ＦＦＴ処理され、前記振動子の共振周波数によるピーク周波数の前後１ｋＨｚの周波数帯域に対して前記ＭＴＳ法を用いる
ことを特徴とする請求項２５に記載のクラック検知支援方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１９０８８４（Ｐ２０１０−１９０８８４Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９７１７０（Ｐ２００９−１９７１７０）
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【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２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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