クラック検知装置及びクラック検知方法
【課題】測定対象物を浮揚、空中振動させ、測定対象物の内部に存在しているクラックから放射される超音波帯域の周波数変動を測定することで、クラックの発生箇所を的確に検知できるようにするクラック検知装置を提供する。
【解決手段】クラック検知装置Ａは、振動板部２０の全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動させ、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射させ、測定対象物２５を振動板部２０の一方の面上で共振周波数の波長に応じて浮揚及び振動させ、センシング部３０が、検知測定した音響流に周波数特性の変化があるとき測定対象物２５にクラックが発生していると分析する。
【解決手段】クラック検知装置Ａは、振動板部２０の全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動させ、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射させ、測定対象物２５を振動板部２０の一方の面上で共振周波数の波長に応じて浮揚及び振動させ、センシング部３０が、検知測定した音響流に周波数特性の変化があるとき測定対象物２５にクラックが発生していると分析する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波領域における周波数帯域の強力な音圧レベルによる音響流を用いて、太陽光セル等の測定対象物に存在するクラック（たとえば、内部傷や欠損、内部空壁、内部空洞等、測定対象物に存在している種々の欠陥）を的確に検知することができるクラック検知装置及びクラック検知方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波探傷によって半導体基板のクラック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図等）
【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、測定対象物である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０．５〜１０ＭＨｚの高周波数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音圧レベルを減衰させないように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、測定対象物が太陽光セルのような薄膜の場合、水中又は液体中に測定対象物を入れる又は出す作業中に、測定対象物を更に損傷してしまう可能性があった。
【０００５】
また、発生させる超音波の周波数が高いために必然的に振幅が細かくなる。そのため、詳細な分析による微細なクラックの検知ができる反面、周波数の振幅に応じて測定対象物を細かく走査する必要があり、測定対象物の表面走査に要する時間が非常に多くかかってしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、特許文献１に記載されている技術の周波数よりも低い超音波帯域の周波数帯域で、強力な音圧レベルを放射可能なＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）による圧電素子を利用した一般的な超音波発生装置を用いることが考えられる。そして、強力な超音波による音圧レベルの「音響流」を利用して、測定対象物を任意高で浮揚及び空中振動させることで、測定対象物のクラックを検知する。具体的には、測定対象物中に存在するクラックや内部欠損等から発生する音響放射特性、あるいは、内部空壁等の空気層で減衰する超音波帯域の周波数の音圧レベル減衰を測定することで、測定対象物のクラックを検知する。
【０００７】
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においては、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。そこで、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。
【０００８】
しかしながら、強力な音圧レベルはホーン先端部のみで発生するために、任意面積を有する測定対象物を均一に浮揚させたり、測定対象物全体から均一に短時間で音響透過させることができないという問題があった。
【０００９】
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、測定対象物を浮揚、空中振動させ、測定対象物の内部に存在しているクラックから放射される超音波帯域の周波数変動を測定することで、クラックの発生箇所を的確に検知できるようにするクラック検知装置及びクラック検知方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るクラック検知装置は、所定の周波数帯域の超音波を発生する超音波振動子と、任意面積と任意厚みを有する正方形の金属材料で形成され、一方の面が前記超音波振動子の一端部に取り付けられた振動板部と、測定対象物から発生する任意の超音波帯域の空間放射音を検知測定するセンシング手段と、を備え、前記振動板部は、その固有振動数が前記超音波振動子の固有振動数と一致しており、前記超音波振動子の振動と共振現象を起こし、その全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動し、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射し、その他方の面上で前記共振周波数の波長に応じて測定対象物を浮揚及び振動させることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るクラック検知方法は、超音波振動子を用いて所定の周波数帯域の超音波を発生し、任意面積と任意厚みを有する正方形の金属材料で形成され、一方の面が前記超音波振動子の一端部に取り付けられた振動板部を用い、前記振動板部の固有振動数を前記超音波振動子の固有振動数と一致させ、前記超音波振動子と共振現象を起こさせ、前記振動板部の全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動させ、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射させ、測定対象物を前記振動板部の他方の面上で前記共振周波数の波長に応じて浮揚及び振動させ、センシング手段を用いて測定対象物から発生する任意の超音波帯域の空間放射音を検知測定し、浮揚した測定対象物と前記振動板部との間における音響流の周波数変動を測定することで、測定対象物のクラックの有無及び存在箇所を検知することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るクラック検知装置及びクラック検知方法によれば、振動板から高い音圧の超音波を放射することができると共に、測定対象物を安定的に空中で振動させることができ、これによって効果的にクラックを有する測定対象物から音を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るクラック検知装置の超音波発生装置の全体系を示す概略図である。
【図２】実際の振動状態を測定して振動モード状態を分析処理した結果の一例を示す図である。
【図３】振動板部が一様に振動している振動モードの状態を模式的に示す模式図である。
【図４】クラック検知装置の全体系を示す概略図である。
【図５】クラック検知装置の音放射状態と測定対象物の浮揚状態を説明するための説明図である。
【図６】浮揚している測定対象物の音放射状態の分布を模式的に示す説明図である。
【図７】クラックの検知前の音放射特性を示す説明図である。
【図８】測定対象物に存在しているクラックを検知したときの音放射特性を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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装置Ａの超音波発生装置１００の全体系を示す概略図である。図２は、実際の振動状態を測定して振動モード状態を分析処理した結果の一例を示す図である。図３は、振動板部２０が一様に振動している振動モードの状態を模式的に示す模式図である。図１〜図３に基づいて、クラック検知装置Ａを構成している超音波発生装置１００について説明する。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。
【００１５】
超音波発生装置１００は、超音波振動子を発振させることによって、強力な音圧レベルの疎密波を発生させるものである。超音波発生装置１００は、複数枚のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子１０を、アルミ等の金属材料で形成した保持部１１で挟み、固定することで構成された超音波振動子１２を備えている。この超音波振動子１２は、圧電素子１０にパルス電圧が印加され、圧電素子１０が発振することで発生する１８ｋＨｚ以上の単一の振動周波数が保持部１１に伝播されることで、全体が単一の超音波帯域で振動する。なお、本構造のような超音波振動子では、一般的に１８ｋＨｚから５０ｋＨｚの超音波帯域の周波数を発振する。
【００１６】
超音波振動子１２の一端には振動板部２０が取り付けられている。振動板部２０は、たとえば、接着剤及びネジ等の固定部材の少なくとも１つを用いて超音波振動子１２の一端に固定されている。超音波発生装置１００では、超音波振動子１２で発生する固有振動数をたとえば２５ｋＨｚとし、振動板部２０を２５ｋＨｚで振動する一次の固有振動数を有するように設計している。つまり、超音波発生装置１００では、超音波振動子１２の固有振動数と振動板部２０の固有振動数とを一致させる構造設計としている。
【００１７】
この構造設計は、特に振動板部２０を構成する材料（たとえばアルミ等）を方形形状に設計する段階で中心加振した場合の一次の固有振動数が２５ｋＨｚとなるような方形形状（詳しくは正方形）とその厚みで決定する。
【００１８】
その決定要因は以下の式で示す通りである。
【数１】
【００１９】
上記式において、λは振動板部２０の振動係数を、ｌは振動板部２０の固定点（超音波振動子１２との接触中心点）からの距離（ｍｍ）を、Ｅは振動板部２０の構成材料のヤング率（構成材料がアルミであれば７０．６ＧＰａ）を、Ｉは振動板部２０の縦断面における断面二次モーメント（ｂｈ3 ／１２）を、ｄは振動板部２０の構成材料の密度（構成材料がアルミであれば２．６８ｋｇ／ｍ3 ）を、Ａは振動板部２０の縦断面における断面積（ｂ×ｈ）を、ｂは振動板部２０の幅（一辺の長さ：ｍｍ（たとえば、２００ｍｍ））を、ｈは振動板部２０の高さ（厚み：ｍｍ）を、それぞれ表している。
【００２０】
上記の式で設計した振動板部２０を超音波振動子１２に完全固定することで、それぞれの固有振動数が一致した超音波帯域で振動板部２０が一次の固有振動として振動を起こす。このときの振動板部２０の振動モードは、図１に示すような「疎」及び「密」の部分を有する規則正しい振動モード状態となる。この振動モードは、振動板部２０の中心（超音波振動子１２を固定した部分における振動板部２０の中心）を基点として左右上下の辺を折り曲げたような振動分布となる（図１に示す点線ａ）。更に、振動板部２０のコーナー部を合わせるように三角形態に折り曲げたような振動分布となる（図１に示す点線ｂ）。
【００２１】
よって、この振動モードを、振動板部２０の中心を振動加振する超音波振動子１２を基本とした「方形＋三角振動モード」と仮称する。そして、方形の振動モードと三角の振動モードとの交差する部分（図１に示す点線ａ、点線ｂ以外の部分）が振動の「腹」となり、この「腹」部分が振動速度、振動変位量が最も「密」な部分となる。一方、方形の振動モードと三角の振動モードとの交差する部分以外の部分（図１に示す点線ａ、点線ｂの部分）が振動の「節」となり、この「節」部分が振動速度、振動変位量が最も「疎」な部分となる。
【００２２】
図２から、「方形＋三角振動モード」においては、振動板部２０の「腹」に対応する部分で大きな振動振幅が発生しているということがわかる。この「腹」に対応する部分においては、１ｍ／ｓｅｃ相当の振動速度が発生する。それに対して、振動板部２０の「節」に対応する部分では振動振幅は殆ど得られていないということがわかる。つまり、振動板部２０の振動振幅は、「腹」＝密に相当する部分で大きく発生しており、他の部所（「節」＝疎に相当する部分）では殆ど得られていないということである。
【００２３】
このことから、圧電素子１０での超音波帯域の振動周波数が変化しない限り、常に同じ振動状態を得ることができるということがわかる。これは、後述するが、測定対象物を安定して浮揚させるための振動振幅に伴う、強力な音圧レベルが起こす圧力変動＝「音響流」を得ることができるということでもある。なお、振動板部２０は、図１に示すように、振動板部２０の中心を基点として、振動板部２０の全体に均一な距離間隔で振動放射を行なう。つまり、振動板部２０は、「腹」となる振動部分で表裏方向に振動を繰り返す。よって、振動板部２０では、常に一定の振動モードを繰り返す現象が発生することになる。
【００２４】
図３では、振動板部２０が「方形＋三角振動モード」で一様に均一振動している際に発生する「疎密波」の形態を模式的に示している。更に、図３では、振動板部２０の振動状態の「疎密波」の密＝腹の部分から、空気中に対して振動板部２０の全面から一定の指向性で音放射している音の「疎密波」状態を併せて模式的に示している。図３に示すように、音の疎密波は振動板部２０で発生する超音波帯域の周波数の波長に応じた周期で発生（形成）しており、疎密波の間隔は一様に安定したものになっている。なお、図３では、音の「疎密波」状態については、超音波振動子１２の固定側ではない方の表面側についてを図示している。
【００２５】
上述したように、振動板部２０と超音波振動子１２は、一致した固有振動数で振動しており、複数枚の圧電素子１０で発生する超音波帯域の振動は強力な振動速度を有することになる。その振動速度は、１ｍ／ｓｅｃに達する。振動板部２０にも同等の振動速度が伝播されるので、振動板部２０の「腹」となる振動モードの振動部分では振動速度が１ｍ／ｓｅｃ相当になる。この振動速度状態で、振動板部２０からは２５ｋＨｚの超音波周波数を有する音響放射が発生しており、その音圧レベルは最低で１４０ｄＢ以上となる。
【００２６】
この音圧レベルは、振動板部２０の「方形＋三角振動モード」の「腹」となる部分から直線的な指向性で空間上に音放射されることになる。この音放射は、発振する周波数の波長に応じて、均一な疎密波となる。１４０ｄＢ以上の音圧レベルを有する音放射は、振動板部２０から２０ｃｍ離れた位置でも殆ど減衰することなく発生しており、超音波領域の非線形による音放射特性に起因した音放射が行なわれていることになる。
【００２７】
図４は、クラック検知装置Ａの全体系を示す概略図である。図５は、クラック検知装置Ａの音放射状態と測定対象物２５の浮揚状態を説明するための説明図である。図６は、浮揚している測定対象物２５の音放射状態の分布、つまり測定対象物（セル２６）が実際に浮揚しているときの「音響流」の動きを模式的に示す説明図である。図７は、クラックの検知前の音放射特性を示す説明図である。図８は、測定対象物２５に存在しているクラックを検知したときの音放射特性を示す説明図である。図４〜図８に基づいてクラック検知装置Ａ及びクラック検知方法について説明する。
【００２８】
図４に示すように、クラック検知装置Ａは、上述した超音波発生装置１００とセンシング部３０とで構成されている。このセンシング部３０は、振動板部２０や測定対象物２５から発生する空間放射音を検知する機能を有するものである。つまり、センシング部３０は、振動板部２０で発生する超音波帯域の強力な固有振動数、及び、後述する測定対象物２５の周波数成分を測定して、分析することができるようになっている。センシング部３０は、振動板部２０の中心に相当する部分からセンシング距離ｃを有した軸上空間に設置する。なお、センシング部３０は、検知音をＦＦＴ処理して周波数の関数に変換できる機能を備えている。
【００２９】
センシング部３０を音響流による疎密波の「密」に相当する部分に設置することで、音響的なエネルギー変化を常時受けることができるようになる。測定対象物２５から発生する空間放射音は任意の超音波帯域で周波数変動するので、センシング部３０を音響流による疎密波の「密」に相当する部分に設置することで、安定した音響計測が可能となる。なお、センシング部３０は、音響計測を行なうことができるものであればよく、特に種類を限定するものではない。たとえば、センシング部３０として、マイクロホンを用いることが最適であるが、他にも超音波帯域の信号を検知可能なＰＺＴ圧電素子等による空中超音波センサーを用いてもよい。
【００３０】
図５に示すように、超音波発生装置１００を駆動すると、振動板部２０とセンシング部３０との間であって音響流による疎密波の「疎」となる部分に測定対象物２５を浮揚させることができる。振動板部２０から発生する周波数をたとえば２５ｋＨｚとした場合、測定対象物２５は１／２波長の６．８ｍｍ単位で浮揚位置が決まる。振動板部２０から発生する周波数が変動しない限り音響流の疎密波は変動しないので、測定対象物２５は常に安定した状態で浮揚させることができる。
【００３１】
以下で、測定対象物２５を太陽光発電に用いる発電用の太陽光セル（以下、セル２６と称する）とした場合について説明する。セル２６は、非常に薄い板状態であり、現在では２００μｍ前後の薄膜状態のものが一般的となっている。この薄いセル２６は、音響流の疎の部分で安易に浮揚させることができる。よって、クラック検知装置Ａは、セル２６の浮揚状態を利用して、材料（セル２６）中のクラックを的確に検知するようにしたものになっている。なお、セル２６以外の任意の厚みを有するものでも浮揚させることができることは言うまでもない。
【００３２】
一般的に、セル２６はセラミック等の基材に対して、発電に必要な電極を焼付け等で形成していく。最終的なセル状態になるまでにはいくつかの作業工程を経る必要がある。これらの太陽光セル製作工程中に、セル２６に対して外力が加わることがあるために、目に見える傷や、目に見えない程の微小な傷をセル２６に負わせてしまうことがある。また、セル２６には、その外周等に存在する「欠落」等の傷の他、セル２６の材料の厚み方向の内部や内部から外部に到達する又は到達寸前のマイクロ的な傷、更には厚み方向の一部で材料結晶間に生じた空洞等が存在していることがある。
【００３３】
セル２６に存在しているこれらの様々な傷を確実に検知するには、目に見える傷は目視検査による試験や、軽くセル２６を叩いたりすることで発生する可聴域の周波数特性の音の変動を人間の耳で聞き分ける聴感的検査等に頼るほかなかった。そのために、セル２６に存在している様々な傷を確実に検知することは非常に困難を極めていた。
【００３４】
また、作業工程においては外力が影響して、セル２６に「そり」が生じる場合がある。この「そり」量は平均して０．５ｍｍ程度となっている。この状態のセル２６を強力な超音波周波数帯域による音放射が起因する「音響流」によって浮揚させた場合、セル２６の「そり」状態に沿うように、音響流がセル２６の中心から外周端に向けて伝播する（図６参照）。また、強力な音圧レベルはセル２６を微小振動させる力を持っている。なお、作業工程における外力が影響しない場合であっても、セル２６を浮揚させた際、セル２６には「そり」が生じている。
【００３５】
微小振動により、セル２６からは、内部及び／又は外周部に生じている大小の「傷」部分での弾性力の違いで、弾性波が発生する。この弾性波は傷の大きさ、形状等の寸法違いや、傷同士の接触による「接触音」が起因して、可聴以外の周波数帯域の音を発生する。この音は、一般的にＡＥ（アコースティック・エミッション）と称されており、超音波帯域の周波数を持っていることが知られている。強力な音圧レベルによるセル２６への音響流による「音響加振」は、ＡＥを発生させることとなり、セル２６の「そり」がセル２６そのものを加振＝振動させやすくもなっている。
【００３６】
更に、超音波帯域の強力な音圧レベルは、セル２６そのものを透過する力を持っており、セル２６内部の空壁や内部空洞を通過することができ、この通過時に、空気中との摩擦に因る音圧レベルの減衰が発生することになる。よって、超音波振動子１２の単一周波数の部分での音圧レベルの減衰を詳細測定することで、セル２６内部の空壁や内部空洞を通過することで生じる音圧レベルの減衰現象（音響減衰とも略す）から、空壁や内部空洞の存在そのものを把握することが可能になる。
【００３７】
すなわち、クラック検知装置Ａは、振動板部２０の上面で、測定対象物２５を共振周波数の波長に応じた任意高の疎密波の「疎」部分で浮揚及び振動させ、浮揚した測定対象物２５と振動板部２０との間の音響流を周期性を持って振動させることで、測定対象物２５に存在しているクラックに応じた周波数変動の音放射を空間音場の変動として発生させることができるのである。
【００３８】
図７及び図８に基づいて、センシング部３０で測定した放射音の測定結果について更に詳しく説明する。図７では、振動板部２０の面上に何も乗せていないときの周波数特性を示している。図８では、セル２６を浮揚させ、セル２６から放射している音響特性の測定結果の分析例を示している。なお、図７及び図８は、放射音のＦＦＴ処理後の波形例をグラフに表したものである。図７及び図８では、横軸が発振周波数［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。また、Ｆｓは超音波振動子１２＋振動板部２０の構造体から放射される固有振動数同士が合致したときの共振状態の発振周波数（共振周波数：Ｋ）であり、平均で１４０ｄＢ以上の音圧レベルを生じている。
【００３９】
なお、周波数特性は、測定周波数の帯域を１８ｋＨｚ以上の共振周波数（後述の共振周波数Ｋと一緒）を含む、超音波帯域の測定で確認できるものである。測定できる周波数帯域は、測定に用いるセンシング部３０、及び、センシング部３０で音圧−電圧変換した出力を入力処理できる入力変換機能の回路特性に依存するものである。特に、センシング部３０としてマイクロホン等を用いる場合は、一般的に８０ｋＨｚまでが測定できる限界でもある。
【００４０】
図７に示す状態では、振動板部２０の面上に何も乗っていないので、単一の超音波帯域の周波数のみが測定できる。図７に示す実線ｄの破線で囲まれた範囲は、センシング部３０で測定される最小音圧レベルとなるベース音レベルであり、３０ｄＢ前後の音圧レベルを生じている。図７に示す状態では、振動板部２０には浮揚しているものがないので音発生物がないことから、実線ｄで示されるようにベースの線上には何の特性変化も生じていない。
【００４１】
一方、図８に示す状態、つまり浮揚させたセル２６に何らかの傷が存在する状態の場合は、ベース音レベルの線上に、複数のピーク周波数の出現現象が測定できる。更に、セル２６の状態によっては、共振周波数Ｋのベース音レベルに近い部分の特性に変化が現れることもある。以下に、各特性の傾向を順に説明する。なお、セル２６の状態によっては、ベース音に表れる特徴的な周波数特性の変化は、一つだけに限らず、複数現れることもある。
【００４２】
［特性Ａ］
セル２６の傷状態によって生じるピーク周波数成分であり、一つ以上のピーク周波数成分が発生する。つまり、特性Ａは、測定対象物２５の内部に存在している任意の傷によって発生する。
［特性Ｂ］
セル２６の外周部に生じる傷の状態によって発生するピーク周波数成分であり、単一に近いピーク周波数成分が発生する。つまり、特性Ｂは、測定対象物２５の外周端に届いているような傷が存在している場合に発生しやすい。
【００４３】
［特性Ｃ］
セル２６に非常に細かい、または、非常に小さい傷が存在している場合に発生するピーク周波数成分であり、傷の大きさに影響して、非常に高い周波数帯域で発生する。
［特性Ｄ］
セル２６の「そり」が大きい場合や、外力の影響でセル２６そのものの剛性が変化して、弱い状態となって、セル２６そのものが大きな振動を起こしている場合に発生する周波数変動例である。この特性Ｄは、共振周波数Ｋの「すそ野」部分に発生する。
［特性Ｅ］
セル２６の内部の空壁等による空気層が存在するときに発生する共振周波数Ｋの最大音圧レベルの減衰（例１４０ｄＢ→１３０ｄＢ）による周波数特性の変動状態である。
【００４４】
以上のように、クラック検知装置Ａによれば、「方形＋三角振動モード」で振動する振動板部２０を備えているので、測定したセル２６の傷状態によって、周波数特性にさまざまな変動が生じ、その要因が分析できる。また、周波数特性の変動による波高値変動や、時間軸の波形の周期的変化による周期変化乱れを測定する項目として、これらを分析することで傷検知が可能となる。
【００４５】
したがって、クラック検知装置Ａによれば、超音波帯域の周波数による強力な音圧レベル（特に１４０ｄＢ以上）の疎密波による音の波による圧力変動＝「音響流」を任意面積で均一に空中放射させて、疎密の「疎」となる部分に測定対象物２５を浮揚させるとともに、測定対象物２５の面に存在する「そり」を利用することで浮揚した測定対象物２５を浮揚＋（プラス）空中振動させることで、測定対象物２５の内部などの傷、欠損、空壁などから放射される超音波帯域の周波数変動を測定することで、測定対象物２５の内部などの傷や、欠損、空壁などの問題箇所を効果的に検知可能にすることが可能になる。
【００４６】
また、クラック検知装置Ａによれば、測定対象物２５の内部等に存在している傷に応じた周波数変動の音放射を空間音場の変動として発生させることができる。したがって、クラック検知装置Ａによれば、測定対象物２５から発生する音放射変動を検知することで、測定対象物２５に傷や、欠損、空壁などの材料剛性に問題を与えるような状態が存在しているかを容易、且つ、短時間で計測判定できる。
【００４７】
また、クラック検知装置Ａによれば、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２５の傷検知を適宜実行することによって測定対象物２５の歩留まりを大幅に向上することが可能になる。
【００４８】
なお、実施の形態では、センシング部３０が一つの場合を例に説明したが、センシング部３０の設置個数を限定するものではなく、同一種類のセンシング部３０を複数設置するようにしてもよく、マイクロホンと空中超音波センサとの組み合せ等の異種構造のセンシング部を組み合せて設置するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 圧電素子、１１ 保持部、１２ 超音波振動子、２０ 振動板部、２５ 測定対象物、２６ 太陽光セル、３０ センシング部、１００ 超音波発生装置、Ａ クラック検知装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波領域における周波数帯域の強力な音圧レベルによる音響流を用いて、太陽光セル等の測定対象物に存在するクラック（たとえば、内部傷や欠損、内部空壁、内部空洞等、測定対象物に存在している種々の欠陥）を的確に検知することができるクラック検知装置及びクラック検知方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波探傷によって半導体基板のクラック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図等）
【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、測定対象物である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０．５〜１０ＭＨｚの高周波数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音圧レベルを減衰させないように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、測定対象物が太陽光セルのような薄膜の場合、水中又は液体中に測定対象物を入れる又は出す作業中に、測定対象物を更に損傷してしまう可能性があった。
【０００５】
また、発生させる超音波の周波数が高いために必然的に振幅が細かくなる。そのため、詳細な分析による微細なクラックの検知ができる反面、周波数の振幅に応じて測定対象物を細かく走査する必要があり、測定対象物の表面走査に要する時間が非常に多くかかってしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、特許文献１に記載されている技術の周波数よりも低い超音波帯域の周波数帯域で、強力な音圧レベルを放射可能なＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）による圧電素子を利用した一般的な超音波発生装置を用いることが考えられる。そして、強力な超音波による音圧レベルの「音響流」を利用して、測定対象物を任意高で浮揚及び空中振動させることで、測定対象物のクラックを検知する。具体的には、測定対象物中に存在するクラックや内部欠損等から発生する音響放射特性、あるいは、内部空壁等の空気層で減衰する超音波帯域の周波数の音圧レベル減衰を測定することで、測定対象物のクラックを検知する。
【０００７】
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においては、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。そこで、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。
【０００８】
しかしながら、強力な音圧レベルはホーン先端部のみで発生するために、任意面積を有する測定対象物を均一に浮揚させたり、測定対象物全体から均一に短時間で音響透過させることができないという問題があった。
【０００９】
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、測定対象物を浮揚、空中振動させ、測定対象物の内部に存在しているクラックから放射される超音波帯域の周波数変動を測定することで、クラックの発生箇所を的確に検知できるようにするクラック検知装置及びクラック検知方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るクラック検知装置は、所定の周波数帯域の超音波を発生する超音波振動子と、任意面積と任意厚みを有する正方形の金属材料で形成され、一方の面が前記超音波振動子の一端部に取り付けられた振動板部と、測定対象物から発生する任意の超音波帯域の空間放射音を検知測定するセンシング手段と、を備え、前記振動板部は、その固有振動数が前記超音波振動子の固有振動数と一致しており、前記超音波振動子の振動と共振現象を起こし、その全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動し、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射し、その他方の面上で前記共振周波数の波長に応じて測定対象物を浮揚及び振動させることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るクラック検知方法は、超音波振動子を用いて所定の周波数帯域の超音波を発生し、任意面積と任意厚みを有する正方形の金属材料で形成され、一方の面が前記超音波振動子の一端部に取り付けられた振動板部を用い、前記振動板部の固有振動数を前記超音波振動子の固有振動数と一致させ、前記超音波振動子と共振現象を起こさせ、前記振動板部の全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動させ、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射させ、測定対象物を前記振動板部の他方の面上で前記共振周波数の波長に応じて浮揚及び振動させ、センシング手段を用いて測定対象物から発生する任意の超音波帯域の空間放射音を検知測定し、浮揚した測定対象物と前記振動板部との間における音響流の周波数変動を測定することで、測定対象物のクラックの有無及び存在箇所を検知することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るクラック検知装置及びクラック検知方法によれば、振動板から高い音圧の超音波を放射することができると共に、測定対象物を安定的に空中で振動させることができ、これによって効果的にクラックを有する測定対象物から音を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るクラック検知装置の超音波発生装置の全体系を示す概略図である。
【図２】実際の振動状態を測定して振動モード状態を分析処理した結果の一例を示す図である。
【図３】振動板部が一様に振動している振動モードの状態を模式的に示す模式図である。
【図４】クラック検知装置の全体系を示す概略図である。
【図５】クラック検知装置の音放射状態と測定対象物の浮揚状態を説明するための説明図である。
【図６】浮揚している測定対象物の音放射状態の分布を模式的に示す説明図である。
【図７】クラックの検知前の音放射特性を示す説明図である。
【図８】測定対象物に存在しているクラックを検知したときの音放射特性を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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装置Ａの超音波発生装置１００の全体系を示す概略図である。図２は、実際の振動状態を測定して振動モード状態を分析処理した結果の一例を示す図である。図３は、振動板部２０が一様に振動している振動モードの状態を模式的に示す模式図である。図１〜図３に基づいて、クラック検知装置Ａを構成している超音波発生装置１００について説明する。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。
【００１５】
超音波発生装置１００は、超音波振動子を発振させることによって、強力な音圧レベルの疎密波を発生させるものである。超音波発生装置１００は、複数枚のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子１０を、アルミ等の金属材料で形成した保持部１１で挟み、固定することで構成された超音波振動子１２を備えている。この超音波振動子１２は、圧電素子１０にパルス電圧が印加され、圧電素子１０が発振することで発生する１８ｋＨｚ以上の単一の振動周波数が保持部１１に伝播されることで、全体が単一の超音波帯域で振動する。なお、本構造のような超音波振動子では、一般的に１８ｋＨｚから５０ｋＨｚの超音波帯域の周波数を発振する。
【００１６】
超音波振動子１２の一端には振動板部２０が取り付けられている。振動板部２０は、たとえば、接着剤及びネジ等の固定部材の少なくとも１つを用いて超音波振動子１２の一端に固定されている。超音波発生装置１００では、超音波振動子１２で発生する固有振動数をたとえば２５ｋＨｚとし、振動板部２０を２５ｋＨｚで振動する一次の固有振動数を有するように設計している。つまり、超音波発生装置１００では、超音波振動子１２の固有振動数と振動板部２０の固有振動数とを一致させる構造設計としている。
【００１７】
この構造設計は、特に振動板部２０を構成する材料（たとえばアルミ等）を方形形状に設計する段階で中心加振した場合の一次の固有振動数が２５ｋＨｚとなるような方形形状（詳しくは正方形）とその厚みで決定する。
【００１８】
その決定要因は以下の式で示す通りである。
【数１】
【００１９】
上記式において、λは振動板部２０の振動係数を、ｌは振動板部２０の固定点（超音波振動子１２との接触中心点）からの距離（ｍｍ）を、Ｅは振動板部２０の構成材料のヤング率（構成材料がアルミであれば７０．６ＧＰａ）を、Ｉは振動板部２０の縦断面における断面二次モーメント（ｂｈ3 ／１２）を、ｄは振動板部２０の構成材料の密度（構成材料がアルミであれば２．６８ｋｇ／ｍ3 ）を、Ａは振動板部２０の縦断面における断面積（ｂ×ｈ）を、ｂは振動板部２０の幅（一辺の長さ：ｍｍ（たとえば、２００ｍｍ））を、ｈは振動板部２０の高さ（厚み：ｍｍ）を、それぞれ表している。
【００２０】
上記の式で設計した振動板部２０を超音波振動子１２に完全固定することで、それぞれの固有振動数が一致した超音波帯域で振動板部２０が一次の固有振動として振動を起こす。このときの振動板部２０の振動モードは、図１に示すような「疎」及び「密」の部分を有する規則正しい振動モード状態となる。この振動モードは、振動板部２０の中心（超音波振動子１２を固定した部分における振動板部２０の中心）を基点として左右上下の辺を折り曲げたような振動分布となる（図１に示す点線ａ）。更に、振動板部２０のコーナー部を合わせるように三角形態に折り曲げたような振動分布となる（図１に示す点線ｂ）。
【００２１】
よって、この振動モードを、振動板部２０の中心を振動加振する超音波振動子１２を基本とした「方形＋三角振動モード」と仮称する。そして、方形の振動モードと三角の振動モードとの交差する部分（図１に示す点線ａ、点線ｂ以外の部分）が振動の「腹」となり、この「腹」部分が振動速度、振動変位量が最も「密」な部分となる。一方、方形の振動モードと三角の振動モードとの交差する部分以外の部分（図１に示す点線ａ、点線ｂの部分）が振動の「節」となり、この「節」部分が振動速度、振動変位量が最も「疎」な部分となる。
【００２２】
図２から、「方形＋三角振動モード」においては、振動板部２０の「腹」に対応する部分で大きな振動振幅が発生しているということがわかる。この「腹」に対応する部分においては、１ｍ／ｓｅｃ相当の振動速度が発生する。それに対して、振動板部２０の「節」に対応する部分では振動振幅は殆ど得られていないということがわかる。つまり、振動板部２０の振動振幅は、「腹」＝密に相当する部分で大きく発生しており、他の部所（「節」＝疎に相当する部分）では殆ど得られていないということである。
【００２３】
このことから、圧電素子１０での超音波帯域の振動周波数が変化しない限り、常に同じ振動状態を得ることができるということがわかる。これは、後述するが、測定対象物を安定して浮揚させるための振動振幅に伴う、強力な音圧レベルが起こす圧力変動＝「音響流」を得ることができるということでもある。なお、振動板部２０は、図１に示すように、振動板部２０の中心を基点として、振動板部２０の全体に均一な距離間隔で振動放射を行なう。つまり、振動板部２０は、「腹」となる振動部分で表裏方向に振動を繰り返す。よって、振動板部２０では、常に一定の振動モードを繰り返す現象が発生することになる。
【００２４】
図３では、振動板部２０が「方形＋三角振動モード」で一様に均一振動している際に発生する「疎密波」の形態を模式的に示している。更に、図３では、振動板部２０の振動状態の「疎密波」の密＝腹の部分から、空気中に対して振動板部２０の全面から一定の指向性で音放射している音の「疎密波」状態を併せて模式的に示している。図３に示すように、音の疎密波は振動板部２０で発生する超音波帯域の周波数の波長に応じた周期で発生（形成）しており、疎密波の間隔は一様に安定したものになっている。なお、図３では、音の「疎密波」状態については、超音波振動子１２の固定側ではない方の表面側についてを図示している。
【００２５】
上述したように、振動板部２０と超音波振動子１２は、一致した固有振動数で振動しており、複数枚の圧電素子１０で発生する超音波帯域の振動は強力な振動速度を有することになる。その振動速度は、１ｍ／ｓｅｃに達する。振動板部２０にも同等の振動速度が伝播されるので、振動板部２０の「腹」となる振動モードの振動部分では振動速度が１ｍ／ｓｅｃ相当になる。この振動速度状態で、振動板部２０からは２５ｋＨｚの超音波周波数を有する音響放射が発生しており、その音圧レベルは最低で１４０ｄＢ以上となる。
【００２６】
この音圧レベルは、振動板部２０の「方形＋三角振動モード」の「腹」となる部分から直線的な指向性で空間上に音放射されることになる。この音放射は、発振する周波数の波長に応じて、均一な疎密波となる。１４０ｄＢ以上の音圧レベルを有する音放射は、振動板部２０から２０ｃｍ離れた位置でも殆ど減衰することなく発生しており、超音波領域の非線形による音放射特性に起因した音放射が行なわれていることになる。
【００２７】
図４は、クラック検知装置Ａの全体系を示す概略図である。図５は、クラック検知装置Ａの音放射状態と測定対象物２５の浮揚状態を説明するための説明図である。図６は、浮揚している測定対象物２５の音放射状態の分布、つまり測定対象物（セル２６）が実際に浮揚しているときの「音響流」の動きを模式的に示す説明図である。図７は、クラックの検知前の音放射特性を示す説明図である。図８は、測定対象物２５に存在しているクラックを検知したときの音放射特性を示す説明図である。図４〜図８に基づいてクラック検知装置Ａ及びクラック検知方法について説明する。
【００２８】
図４に示すように、クラック検知装置Ａは、上述した超音波発生装置１００とセンシング部３０とで構成されている。このセンシング部３０は、振動板部２０や測定対象物２５から発生する空間放射音を検知する機能を有するものである。つまり、センシング部３０は、振動板部２０で発生する超音波帯域の強力な固有振動数、及び、後述する測定対象物２５の周波数成分を測定して、分析することができるようになっている。センシング部３０は、振動板部２０の中心に相当する部分からセンシング距離ｃを有した軸上空間に設置する。なお、センシング部３０は、検知音をＦＦＴ処理して周波数の関数に変換できる機能を備えている。
【００２９】
センシング部３０を音響流による疎密波の「密」に相当する部分に設置することで、音響的なエネルギー変化を常時受けることができるようになる。測定対象物２５から発生する空間放射音は任意の超音波帯域で周波数変動するので、センシング部３０を音響流による疎密波の「密」に相当する部分に設置することで、安定した音響計測が可能となる。なお、センシング部３０は、音響計測を行なうことができるものであればよく、特に種類を限定するものではない。たとえば、センシング部３０として、マイクロホンを用いることが最適であるが、他にも超音波帯域の信号を検知可能なＰＺＴ圧電素子等による空中超音波センサーを用いてもよい。
【００３０】
図５に示すように、超音波発生装置１００を駆動すると、振動板部２０とセンシング部３０との間であって音響流による疎密波の「疎」となる部分に測定対象物２５を浮揚させることができる。振動板部２０から発生する周波数をたとえば２５ｋＨｚとした場合、測定対象物２５は１／２波長の６．８ｍｍ単位で浮揚位置が決まる。振動板部２０から発生する周波数が変動しない限り音響流の疎密波は変動しないので、測定対象物２５は常に安定した状態で浮揚させることができる。
【００３１】
以下で、測定対象物２５を太陽光発電に用いる発電用の太陽光セル（以下、セル２６と称する）とした場合について説明する。セル２６は、非常に薄い板状態であり、現在では２００μｍ前後の薄膜状態のものが一般的となっている。この薄いセル２６は、音響流の疎の部分で安易に浮揚させることができる。よって、クラック検知装置Ａは、セル２６の浮揚状態を利用して、材料（セル２６）中のクラックを的確に検知するようにしたものになっている。なお、セル２６以外の任意の厚みを有するものでも浮揚させることができることは言うまでもない。
【００３２】
一般的に、セル２６はセラミック等の基材に対して、発電に必要な電極を焼付け等で形成していく。最終的なセル状態になるまでにはいくつかの作業工程を経る必要がある。これらの太陽光セル製作工程中に、セル２６に対して外力が加わることがあるために、目に見える傷や、目に見えない程の微小な傷をセル２６に負わせてしまうことがある。また、セル２６には、その外周等に存在する「欠落」等の傷の他、セル２６の材料の厚み方向の内部や内部から外部に到達する又は到達寸前のマイクロ的な傷、更には厚み方向の一部で材料結晶間に生じた空洞等が存在していることがある。
【００３３】
セル２６に存在しているこれらの様々な傷を確実に検知するには、目に見える傷は目視検査による試験や、軽くセル２６を叩いたりすることで発生する可聴域の周波数特性の音の変動を人間の耳で聞き分ける聴感的検査等に頼るほかなかった。そのために、セル２６に存在している様々な傷を確実に検知することは非常に困難を極めていた。
【００３４】
また、作業工程においては外力が影響して、セル２６に「そり」が生じる場合がある。この「そり」量は平均して０．５ｍｍ程度となっている。この状態のセル２６を強力な超音波周波数帯域による音放射が起因する「音響流」によって浮揚させた場合、セル２６の「そり」状態に沿うように、音響流がセル２６の中心から外周端に向けて伝播する（図６参照）。また、強力な音圧レベルはセル２６を微小振動させる力を持っている。なお、作業工程における外力が影響しない場合であっても、セル２６を浮揚させた際、セル２６には「そり」が生じている。
【００３５】
微小振動により、セル２６からは、内部及び／又は外周部に生じている大小の「傷」部分での弾性力の違いで、弾性波が発生する。この弾性波は傷の大きさ、形状等の寸法違いや、傷同士の接触による「接触音」が起因して、可聴以外の周波数帯域の音を発生する。この音は、一般的にＡＥ（アコースティック・エミッション）と称されており、超音波帯域の周波数を持っていることが知られている。強力な音圧レベルによるセル２６への音響流による「音響加振」は、ＡＥを発生させることとなり、セル２６の「そり」がセル２６そのものを加振＝振動させやすくもなっている。
【００３６】
更に、超音波帯域の強力な音圧レベルは、セル２６そのものを透過する力を持っており、セル２６内部の空壁や内部空洞を通過することができ、この通過時に、空気中との摩擦に因る音圧レベルの減衰が発生することになる。よって、超音波振動子１２の単一周波数の部分での音圧レベルの減衰を詳細測定することで、セル２６内部の空壁や内部空洞を通過することで生じる音圧レベルの減衰現象（音響減衰とも略す）から、空壁や内部空洞の存在そのものを把握することが可能になる。
【００３７】
すなわち、クラック検知装置Ａは、振動板部２０の上面で、測定対象物２５を共振周波数の波長に応じた任意高の疎密波の「疎」部分で浮揚及び振動させ、浮揚した測定対象物２５と振動板部２０との間の音響流を周期性を持って振動させることで、測定対象物２５に存在しているクラックに応じた周波数変動の音放射を空間音場の変動として発生させることができるのである。
【００３８】
図７及び図８に基づいて、センシング部３０で測定した放射音の測定結果について更に詳しく説明する。図７では、振動板部２０の面上に何も乗せていないときの周波数特性を示している。図８では、セル２６を浮揚させ、セル２６から放射している音響特性の測定結果の分析例を示している。なお、図７及び図８は、放射音のＦＦＴ処理後の波形例をグラフに表したものである。図７及び図８では、横軸が発振周波数［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。また、Ｆｓは超音波振動子１２＋振動板部２０の構造体から放射される固有振動数同士が合致したときの共振状態の発振周波数（共振周波数：Ｋ）であり、平均で１４０ｄＢ以上の音圧レベルを生じている。
【００３９】
なお、周波数特性は、測定周波数の帯域を１８ｋＨｚ以上の共振周波数（後述の共振周波数Ｋと一緒）を含む、超音波帯域の測定で確認できるものである。測定できる周波数帯域は、測定に用いるセンシング部３０、及び、センシング部３０で音圧−電圧変換した出力を入力処理できる入力変換機能の回路特性に依存するものである。特に、センシング部３０としてマイクロホン等を用いる場合は、一般的に８０ｋＨｚまでが測定できる限界でもある。
【００４０】
図７に示す状態では、振動板部２０の面上に何も乗っていないので、単一の超音波帯域の周波数のみが測定できる。図７に示す実線ｄの破線で囲まれた範囲は、センシング部３０で測定される最小音圧レベルとなるベース音レベルであり、３０ｄＢ前後の音圧レベルを生じている。図７に示す状態では、振動板部２０には浮揚しているものがないので音発生物がないことから、実線ｄで示されるようにベースの線上には何の特性変化も生じていない。
【００４１】
一方、図８に示す状態、つまり浮揚させたセル２６に何らかの傷が存在する状態の場合は、ベース音レベルの線上に、複数のピーク周波数の出現現象が測定できる。更に、セル２６の状態によっては、共振周波数Ｋのベース音レベルに近い部分の特性に変化が現れることもある。以下に、各特性の傾向を順に説明する。なお、セル２６の状態によっては、ベース音に表れる特徴的な周波数特性の変化は、一つだけに限らず、複数現れることもある。
【００４２】
［特性Ａ］
セル２６の傷状態によって生じるピーク周波数成分であり、一つ以上のピーク周波数成分が発生する。つまり、特性Ａは、測定対象物２５の内部に存在している任意の傷によって発生する。
［特性Ｂ］
セル２６の外周部に生じる傷の状態によって発生するピーク周波数成分であり、単一に近いピーク周波数成分が発生する。つまり、特性Ｂは、測定対象物２５の外周端に届いているような傷が存在している場合に発生しやすい。
【００４３】
［特性Ｃ］
セル２６に非常に細かい、または、非常に小さい傷が存在している場合に発生するピーク周波数成分であり、傷の大きさに影響して、非常に高い周波数帯域で発生する。
［特性Ｄ］
セル２６の「そり」が大きい場合や、外力の影響でセル２６そのものの剛性が変化して、弱い状態となって、セル２６そのものが大きな振動を起こしている場合に発生する周波数変動例である。この特性Ｄは、共振周波数Ｋの「すそ野」部分に発生する。
［特性Ｅ］
セル２６の内部の空壁等による空気層が存在するときに発生する共振周波数Ｋの最大音圧レベルの減衰（例１４０ｄＢ→１３０ｄＢ）による周波数特性の変動状態である。
【００４４】
以上のように、クラック検知装置Ａによれば、「方形＋三角振動モード」で振動する振動板部２０を備えているので、測定したセル２６の傷状態によって、周波数特性にさまざまな変動が生じ、その要因が分析できる。また、周波数特性の変動による波高値変動や、時間軸の波形の周期的変化による周期変化乱れを測定する項目として、これらを分析することで傷検知が可能となる。
【００４５】
したがって、クラック検知装置Ａによれば、超音波帯域の周波数による強力な音圧レベル（特に１４０ｄＢ以上）の疎密波による音の波による圧力変動＝「音響流」を任意面積で均一に空中放射させて、疎密の「疎」となる部分に測定対象物２５を浮揚させるとともに、測定対象物２５の面に存在する「そり」を利用することで浮揚した測定対象物２５を浮揚＋（プラス）空中振動させることで、測定対象物２５の内部などの傷、欠損、空壁などから放射される超音波帯域の周波数変動を測定することで、測定対象物２５の内部などの傷や、欠損、空壁などの問題箇所を効果的に検知可能にすることが可能になる。
【００４６】
また、クラック検知装置Ａによれば、測定対象物２５の内部等に存在している傷に応じた周波数変動の音放射を空間音場の変動として発生させることができる。したがって、クラック検知装置Ａによれば、測定対象物２５から発生する音放射変動を検知することで、測定対象物２５に傷や、欠損、空壁などの材料剛性に問題を与えるような状態が存在しているかを容易、且つ、短時間で計測判定できる。
【００４７】
また、クラック検知装置Ａによれば、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２５の傷検知を適宜実行することによって測定対象物２５の歩留まりを大幅に向上することが可能になる。
【００４８】
なお、実施の形態では、センシング部３０が一つの場合を例に説明したが、センシング部３０の設置個数を限定するものではなく、同一種類のセンシング部３０を複数設置するようにしてもよく、マイクロホンと空中超音波センサとの組み合せ等の異種構造のセンシング部を組み合せて設置するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 圧電素子、１１ 保持部、１２ 超音波振動子、２０ 振動板部、２５ 測定対象物、２６ 太陽光セル、３０ センシング部、１００ 超音波発生装置、Ａ クラック検知装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数帯域の超音波を発生する超音波振動子と、
任意面積と任意厚みを有する正方形の金属材料で形成され、一方の面が前記超音波振動子の一端部に取り付けられた振動板部と、
測定対象物から発生する任意の超音波帯域の空間放射音を検知測定するセンシング手段と、を備え、
前記振動板部は、
その固有振動数が前記超音波振動子の固有振動数と一致しており、前記超音波振動子の振動と共振現象を起こし、その全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動し、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射し、その他方の面上で前記共振周波数の波長に応じて測定対象物を浮揚及び振動させる
ことを特徴とするクラック検知装置。
【請求項２】
前記振動板部は、
前記音響流を１４０ｄＢ以上の音圧レベルで放射させて測定対象物を前記振動板部の全面から放射される前記音響流の疎となる部分に浮揚保持させる
ことを特徴とする請求項１に記載のクラック検知装置。
【請求項３】
前記センシング部は、
測定対象物の面に存在するそりによって、浮揚した測定対象物と前記振動板部との間における音響流の周波数変動を測定することで、測定対象物のクラックの有無及び存在箇所を検知している
ことを特徴とする請求項２に記載のクラック検知装置。
【請求項４】
前記振動板部の一次の振動モード形態を、
前記超音波振動子を固定した部分における前記振動板部の中心を基点として左右上下の辺を折り曲げたような振動分布、かつ、前記振動板部のコーナー部を合わせるように三角形態に折り曲げたような振動分布としている
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知装置。
【請求項５】
前記振動板部は、
下記式から設計される
ことを特徴とする請求項４に記載のクラック検知装置。
【数２】
【請求項６】
前記センシング部は、
前記振動板部から放射される音響流の密の部分に設置されている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のクラック検知装置。
【請求項７】
超音波振動子を用いて所定の周波数帯域の超音波を発生し、
任意面積と任意厚みを有する正方形の金属材料で形成され、一方の面が前記超音波振動子の一端部に取り付けられた振動板部を用い、前記振動板部の固有振動数を前記超音波振動子の固有振動数と一致させ、前記超音波振動子と共振現象を起こさせ、前記振動板部の全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動させ、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射させ、測定対象物を前記振動板部の他方の面上で前記共振周波数の波長に応じて浮揚及び振動させ、
センシング手段を用いて測定対象物から発生する任意の超音波帯域の空間放射音を検知測定し、
浮揚した測定対象物と前記振動板部との間における音響流の周波数変動を測定することで、測定対象物のクラックの有無及び存在箇所を検知する
ことを特徴とするクラック検知方法。
【請求項１】
所定の周波数帯域の超音波を発生する超音波振動子と、
任意面積と任意厚みを有する正方形の金属材料で形成され、一方の面が前記超音波振動子の一端部に取り付けられた振動板部と、
測定対象物から発生する任意の超音波帯域の空間放射音を検知測定するセンシング手段と、を備え、
前記振動板部は、
その固有振動数が前記超音波振動子の固有振動数と一致しており、前記超音波振動子の振動と共振現象を起こし、その全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動し、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射し、その他方の面上で前記共振周波数の波長に応じて測定対象物を浮揚及び振動させる
ことを特徴とするクラック検知装置。
【請求項２】
前記振動板部は、
前記音響流を１４０ｄＢ以上の音圧レベルで放射させて測定対象物を前記振動板部の全面から放射される前記音響流の疎となる部分に浮揚保持させる
ことを特徴とする請求項１に記載のクラック検知装置。
【請求項３】
前記センシング部は、
測定対象物の面に存在するそりによって、浮揚した測定対象物と前記振動板部との間における音響流の周波数変動を測定することで、測定対象物のクラックの有無及び存在箇所を検知している
ことを特徴とする請求項２に記載のクラック検知装置。
【請求項４】
前記振動板部の一次の振動モード形態を、
前記超音波振動子を固定した部分における前記振動板部の中心を基点として左右上下の辺を折り曲げたような振動分布、かつ、前記振動板部のコーナー部を合わせるように三角形態に折り曲げたような振動分布としている
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知装置。
【請求項５】
前記振動板部は、
下記式から設計される
ことを特徴とする請求項４に記載のクラック検知装置。
【数２】
【請求項６】
前記センシング部は、
前記振動板部から放射される音響流の密の部分に設置されている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のクラック検知装置。
【請求項７】
超音波振動子を用いて所定の周波数帯域の超音波を発生し、
任意面積と任意厚みを有する正方形の金属材料で形成され、一方の面が前記超音波振動子の一端部に取り付けられた振動板部を用い、前記振動板部の固有振動数を前記超音波振動子の固有振動数と一致させ、前記超音波振動子と共振現象を起こさせ、前記振動板部の全面を周期の一致した一次の振動モード形態で全面振動させ、任意設計した共振周波数で超音波帯域の単一周波数による疎密波である音響流を所定の音圧レベルで放射させ、測定対象物を前記振動板部の他方の面上で前記共振周波数の波長に応じて浮揚及び振動させ、
センシング手段を用いて測定対象物から発生する任意の超音波帯域の空間放射音を検知測定し、
浮揚した測定対象物と前記振動板部との間における音響流の周波数変動を測定することで、測定対象物のクラックの有無及び存在箇所を検知する
ことを特徴とするクラック検知方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１０７９１８（Ｐ２０１２−１０７９１８Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５５５１５（Ｐ２０１０−２５５５１５）
【出願日】平成２２年１１月１６日（２０１０．１１．１６）
【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２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１６日（２０１０．１１．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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