薄板検査装置
【課題】薄板である測定対象物の形状等のバラツキや支持手段の設置位置に関わらず、測定対象物のクラックの有無の検知について安定した測定を可能とする薄板検査装置を得る。
【解決手段】振動板１２から放射される音波によって、測定対象物５０は、音圧の疎密に伴い、浮力を得て、その全体が加振され、変位量Δｒ２で振動する。
【解決手段】振動板１２から放射される音波によって、測定対象物５０は、音圧の疎密に伴い、浮力を得て、その全体が加振され、変位量Δｒ２で振動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄板に発生したクラックを安定に検知する薄板検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体基板等の薄板形状の測定対象物に振動を与えて、発生した音を解析することによってクラック（欠陥）を検知する技術がある。その一例として、支持手段に設置された基板に打撃を与えることにより打音を発生させ、発生した音圧及び振動を検知し、その検知した特徴量について解析を実施することによって、基板のクラックの有無を判定する薄板の非破壊検査装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３３３４３６号公報（実施例１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に記載されている非破壊検査装置においては、測定対象物を支持して、ある特定点のみに対し加振し、測定対象物のクラックの有無に基づく振動及び音圧の違いからクラックを検知するようにしている。しかしながら、特定点のみの加振では、振動は横波が主となり、加振点から伝播するため、薄板の厚さ若しくは反りといった形状又は支持手段の設置位置によって伝播の仕方に大きなバラツキが生じると共に、支持手段近傍等で振動の伝播が弱められ、その結果、クラックが有る場合も無い場合も解析される特徴量に差が現れず、クラックを検知できない場合があるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、薄板である測定対象物の形状等のバラツキや支持手段の設置位置に関わらず、測定対象物のクラックの有無の検知について安定した測定を可能とする薄板検査装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る薄板検査装置は、クラックの有無の検知対象となる板状の測定対象物を載置させる支持部と、前記測定対象物との間に空気層を介し、前記支持部に載置された前記測定対象物と接触しないで、該測定対象物を振動させる加振部と、前記測定対象物が振動することによって発生する音を検出し、その音情報に基づいて、前記測定対象物のクラックの有無を検知するクラック有無判断部と、を備え、前記加振部は、前記測定対象物の該加振部と対向している面と略垂直方向に前記測定対象物全体を振動させるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、加振部によって、測定対象物に接触せずに測定対象物全体に縦波を主とする均一な振動を与えることができ、測定対象物の形状及び支持手段の設置位置に関わらず、測定対象物のクラックの有無の検知について安定した測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００において検査対象となる測定対象物５０の振動の原理の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００において検査対象となる測定対象物５０が振動によって異音を発生する原理の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００において検査対象となる測定対象物５０から発生する音のＦＦＴ処理後の波形の例を示すものである。
【図５】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００における音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベル波形の、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に伴う変化を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００における音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベルの平均値の、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に伴う変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
（薄板検査装置１００の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００の概略構成図である。以下、図１を参照しながら、薄板検査装置１００の構成について説明する。また、図１を含め、以下の図面においては、各構成部材同士の大きさの関係を限定するものではなく、実際のものとは異なる場合がある。
【００１０】
本実施の形態に係る薄板検査装置１００は、少なくとも、薄板である測定対象物５０に対して超音波を放射する超音波発生部２０、測定対象物５０を固定させずに設置させる支持手段２１、超音波発生部２０によって加振された測定対象物５０から発生する音を検出して解析するクラック有無判断部２２によって構成されている。
なお、超音波発生部２０は、本発明の「加振部」に相当する。
【００１１】
超音波発生部２０は、少なくとも、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子１０ａが設けられた振動部１０、その振動部１０の下面に取り付けられ、円錐台形状に構成されたホーン１１、そのホーン１１の下面に固着され、金属板（剛体）で構成された振動板１２、及び、圧電素子１０ａにパルス電圧を印加する発振部１３によって構成されている。
【００１２】
支持手段２１は、少なくとも、錐状の先端に測定対象物５０を固定させずに設置させる錐状突起部１７、バネ等の弾性体によって構成され、錐状突起部１７の下部に固定された振動緩衝部１８、及び、その振動緩衝部１８の他端が固定される設置台１９によって構成されている。
なお、この支持手段２１によって、測定対象物５０を下から支持するために、錐状突起部１７及び振動緩衝部１８はそれぞれ３つ以上備えているものとすればよい。
【００１３】
クラック有無判断部２２は、超音波発生部２０から照射される超音波により支持手段２１に支持された測定対象物５０が振動することによって発生する音を検出する音検出装置１４、及び、その音検出装置１４によって検出された音の音響エネルギーを解析する音響エネルギー解析部１５によって構成されている。
【００１４】
振動部１０は、１５ｋＨｚ〜４５ｋＨｚ帯域内に共振周波数ｆ０を有する圧電素子１０ａを挟み込んで備えており、その圧電素子１０ａで発生した振動を伝播する金属（剛体）によって形成されている。
【００１５】
圧電素子１０ａは、正電極端子及び負電極端子を介して発振部１３に接続され、その発振部１３から印加されるパルス電圧によって振動する。このとき、圧電素子１０ａは、発振部１３から共振周波数ｆ０近傍のパルス電圧が印加されることによって、共振周波数ｆ０近傍にピークを有する振動を発振する。
【００１６】
ホーン１１は、圧電素子１０ａを備えた振動部１０から発生する振動の振幅を増幅する機能を有し、両端面が開口され、内部に振動部１０からの振動を増幅して伝播させる音響通路が形成され、そして、振動部１０と振動板１２との間に挟持されている。また、ホーン１１は、円錐台形状に構成され、振動部１０側から振動板１２に向けて徐々に縮径されているのが好ましい。
【００１７】
振動板１２は、金属板（剛体）によって構成され、ホーン１１の両端の開口部のうち、振動部１０側に固定された一方の開口部の反対側の開口部にネジ止め又は接着等によって固着されている。また、振動板１２は、振動部１０から発生する振動の振動エネルギーがホーン１１を介して伝播され、振動部１０の振動と共振して強力な共振波を発生する。このとき、振動板１２は、振動部１０の圧電素子１０ａが共振周波数ｆ０で振動することによって、同様に共振周波数ｆ０によって共振するように構成されている。図１で示されるように、上記のような振動板１２による振動の幅を、変位量Δｒ１とする。また、振動板１２は、振動によってその両面（ホーン１１側の面及びその反対側の面）の全体から超音波の音響流を放射する。また、振動板１２は、振動部１０から発生する高周波数の振動の「腹」の部分に当たるように固着するようにすれば、特定の振動モードで振動することになり、振動板１２と測定対象物５０との間には、空気の疎密を繰り返す定在波による音響流が発生する。また、この振動板１２の平面の面積である板面積は、測定対象物５０の板面積以上であるものとする。これによって、振動板１２の振動によって、測定対象物５０全体に縦波を主とする均一な振動による音波を与えることができ、測定対象物５０の形状及び支持手段２１の設置位置に関わらず、測定対象物５０のクラックの有無の検知について安定した測定が可能となる。
【００１８】
なお、図１で示されるように、振動部１０と振動板１２との間にホーン１１が設置される構成としているが、これに限定されるものではなく、ホーン１１を設けず、振動板１２を振動部１０に直接取り付けるものとしてよい。例えば、振動板１２を密度が小さく弾性の高い素材であるアルミ等の軽量な素材によって構成し、さらに、圧電素子１０ａが、発振部１３からより高電圧なパルス電圧を印加さえることによって、ホーン１１無しでも高周波数の音波を放射することが可能であり、ホーン１１が必ずしも必要というわけではない。
【００１９】
測定対象物５０は、例えば、シリコン基板又は太陽電池用セル等の半導体ウェハ基板、又は、金属材料等の薄い板状のものであるとする。この測定対象物５０は、振動板１２と音検出装置１４との間の空気層において、振動板１２におけるホーン１１が設置された面とは反対側の面に対向するように、支持手段２１における錐状突起部１７の上に固定されずに載置されている。そして、測定対象物５０は、振動板１２から放射される超音波を受けて振動する。図１で示されるように、上記のような測定対象物５０による振動の幅を、変位量Δｒ２とする。また、錐状突起部１７は、バネ等の弾性体である振動緩衝部１８及びその振動緩衝部１８が設置される設置台１９によって支持され、測定対象物５０に接して支持する先端部分が錐状に形成されたものである。このように測定対象物５０が支持手段２１に支持されることによって、測定対象物５０と錐状突起部１７との接触面積を小さくし、振動板１２からの超音波によって測定対象物５０が振動する動作に対する支持手段２１の影響を小さくすると共に、測定対象物５０の振動を振動緩衝部１８によって受け止めることによって、測定対象物５０と支持手段２１との間で生じる衝突を抑制し、測定対象物５０を傷つけることなく、かつ、測定対象物５０と支持手段２１との接触による雑音発生の抑制が可能となる。
【００２０】
音検出装置１４は、例えば、マイクロホン、音センサー、超音波センサー、又はこれらのいずれかを組み合わせたものによって構成され、振動板１２から放射される超音波によって振動する測定対象物５０から発生する音を検出する。この音検出装置１４によって検出された音情報は、音響エネルギー解析部１５に送信される。
【００２１】
なお、図１で示されるように、音検出装置１４は、１つだけ備えられる構成としているが、これに限定されるものではなく、複数備えられる構成としてもよい。このように音検出装置１４が複数備えられることによって、音検出装置１４を１個設ける場合よりも、測定対象物５０におけるクラックの検知範囲が広範囲となり、さらに、測定対象物５０に発生したクラックの位置を決定できる等、クラック検知精度を向上させることができる。
また、それぞれ感度の異なる音検出装置１４を複数設けるものとしてもよく、この場合、測定対象物５０に存在するクラックの大きさを、ある程度把握できることができる。
【００２２】
音響エネルギー解析部１５は、音検出装置１４から受信した測定対象物５０からの音情報に基づいて、その音の音響エネルギーを解析するものである。このとき、音響エネルギー解析部１５は、例えば、その音情報に対してＦＦＴ（Ｆａｓt Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理を実施し、その音の音圧レベルを周波数の関数に変換することによって、その音の音響エネルギーを解析し、測定対象物５０におけるクラックの有無を検知する。この音響エネルギー解析部１５による測定対象物５０におけるクラックの検知動作の詳細は、後述する。
【００２３】
なお、この音響エネルギー解析部１５によってクラックの有無を検知する場合、その検知結果を報知する報知手段を設けてもよい。
【００２４】
（薄板検査装置１００によるクラック検知動作）
図２は、本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００において検査対象となる測定対象物５０の振動の原理の説明図であり、図３は、同測定対象物５０が振動によって異音を発生する原理の説明図であり、そして、図４は、同測定対象物５０から発生する音のＦＦＴ処理後の波形の例を示すものである。以下、図２〜図４を参照しながら、薄板検査装置１００によるクラック検知動作について説明する。
【００２５】
まず、薄板検査装置１００による検査対象である測定対象物５０が、支持手段２１に載置される。次に、発振部１３は、圧電素子１０ａに対して、圧電素子１０ａ及び振動板１２の共振周波数ｆ０近傍のパルス電圧を印加する。これによって、圧電素子１０ａは、印加されたパルス電圧によって、共振周波数ｆ０近傍の周波数で振動し、この圧電素子１０ａを挟持した振動部１０にその振動が伝播する。この振動部１０の振動は、ホーン１１によってその振幅が増幅され、振動板１２に伝播する。そして、振動板１２は、その全体が変位量Δｒ１で共振し、その共振に伴う高い音圧レベルを有する超音波が振動板１２全体から放射される。この振動板１２から放射された超音波は、音響流となり、図２で示されるように、空気中に音圧の疎密を作り出す。特に、振動板１２から放射される音波が、一定の音圧レベルを超えると、測定対象物５０は、音圧の疎密に伴い、浮力を得て、その全体が加振され、変位量Δｒ２で振動することになる。
【００２６】
ここで、圧電素子１０ａ及び振動板１２の共振周波数ｆ０は、以下の（１）及び（２）の理由によって、１５ｋＨｚ〜４５ｋＨｚ帯域内となるようにするとよい。
【００２７】
（１）１５ｋＨｚ未満だと人間の可聴領域となるため、人間の聴覚で感じ取ることが可能となり、使用者に不快感を与える可能性がある。
（２）４５ｋＨｚを超えると周波数が大き過ぎて、十分な振幅が得られないため、音圧レベルが低下することになる。
【００２８】
次に、図２を参照しながら、測定対象物５０が振動板１２によって放射される超音波が生成する音圧の疎密によって振動する原理を説明する。
測定対象物５０によって、振動するのに必要なエネルギーは異なるが、測定対象物５０が、例えば、半導体ウェハ又は太陽電池用セルである場合、その振動には１３０ｄＢ以上の音圧レベルが必要であることがわかっている。そこで、本実施の形態に係る薄板検査装置１００における超音波発生部２０は、１３０ｄＢ以上の音圧レベルの超音波が発生できるように構成されている。前述したように、振動板１２から放射される超音波は、空気中にゆらぎを発生させ、超音波の波長に伴って、空気中に音圧（気圧）の「疎」の部分（減圧される部分）と「密」の部分（加圧される部分）とを生成する。つまり、「疎」の部分から「密」の部分に向かって空気の移動が発生する。これによって、支持手段２１上に載置された測定対象物５０は、振動板１２から放射される超音波の音圧によって浮力を得て、測定対象物５０にかかる重力とその浮力とのバランスによって、その全体が振動することになる。この場合、振動板１２は、測定対象物５０の上面、すなわち、測定対象物５０における振動板１２と対向する面が「密」の部分と近くなるように設置する必要がある。これは、測定対象物５０における振動板１２と対向する面と反対側の面が「密」の部分に近いと、測定対象物５０において重力方向に空気の移動が発生するため、測定対象物５０は、支持手段２１に押し付けられる状態となり、測定対象物５０の振動は抑制されてしまうためである。
【００２９】
以上のように、振動板１２が放射する超音波によって、測定対象物５０が振動すると、測定対象物５０から音波である弾性波が発生する。ここで、固体中（自由音場）に生じる弾性波の縦波の伝播速度を下記の式（１）に、そして、固体中（自由音場）に生じる弾性波の横波の伝播速度を下記の式（２）に示す。
【００３０】
Ｃｐ＝√［｛Ｅ・（１−σ）｝／｛ρ・（１＋σ）・（１−２σ）｝］ （１）
Ｃｓ＝√［Ｅ／｛ρ・２（１＋σ）｝］ （２）
（Ｃｐ：縦波の伝播速度、Ｃｓ：横波の伝播速度、Ｅ：ヤング率、ρ：密度、σ：ポアソン比）
【００３１】
固体内部には縦波及び横波が伝播するが、固体内部ではポアソン比σは０．３程度が一般的であり、横波に比べて縦波の伝播速度の方が速くなる。測定対象物５０におけるクラックの有無は、ヤング率Ｅの値を変化させるため、クラック有無による変化は、横波の伝播速度よりも縦波の伝播速度の方が大きく影響を受けるということが上記の式（１）及び式（２）から明らかとなる。また、空気を媒質とする振動は、空気中に気圧の疎密を作る縦波として伝播するため、振動板１２から放射される超音波は、固体である測定対象物５０に対しても縦方向の振動を与えやすいことになる。つまり、測定対象物５０におけるクラックの有無は、測定対象物５０からの音波である弾性波の伝播の仕方に大きく影響を与える。
【００３２】
次に、図３を参照しながら、クラックを有する測定対象物５０が振動することによって、異音（ビビリ音）が発生する原理を説明する。図３においては、測定対象物５０においてクラックが発生している状態が示されている。また、図３（ａ）は、測定対象物５０のクラック部分の断面図を示し、図３（ｂ）は、その断面図のクラック部分の拡大図を示している。
【００３３】
図３（ａ）で示されるように、測定対象物５０において、クラックを境にして右側部分をエリアＡ、そして、左側部分をエリアＢとする。また、エリアＡの幅、すなわち、クラックから測定対象物５０の右端部までの距離をａとし、エリアＢの幅、すなわち、クラックから測定対象物５０の左端部までの距離をｂ（＞ａ）とする。このとき、超音波発生部２０から放射される超音波によって、測定対象物５０におけるエリアＡが振動する場合の振動周波数をｆａとし、エリアＢが振動する場合の振動周波数をｆｂとする。
【００３４】
図３（ｂ）で示されるように、超音波発生部２０が放射する超音波によってクラックを有する測定対象物５０が縦方向に振動する場合、基本的にはエリアＡ及びエリアＢ共に振動するが、クラックを境にして、エリアＡとエリアＢとのヤング率に相違が発生し、振動周波数が異なることになる。このとき、エリアＡにおける距離ａの方が、エリアＢにおける距離ｂよりも小さいため、エリアＡの振動周波数ｆａは、エリアＢの振動周波数ｆｂよりも高くなる。また、測定対象物５０におけるクラックから両端部までの距離に関わらず、エリアＡ及びエリアＢの振動には位相差φも生じる。このように、クラックを境にしたエリアＡとエリアＢとの振動周波数の相違、又は、振動の位相差によって、クラック部分が擦れ、異音（ビビリ音）が発生するのである。
【００３５】
次に、図４を参照しながら、クラック有無判断部２２が測定対象物５０から発生する音を検出して解析し、測定対象物５０のクラックの有無を判定する動作を説明する。
前述のように、測定対象物５０が発生する音は、クラック有無判断部２２における音検出装置１４によって検出される。音検出装置１４によって検出された音情報は、音響エネルギー解析部１５に送信される。音響エネルギー解析部１５は、この音情報をＦＦＴ処理し、音の音圧レベルを周波数の関数に変換する。このＦＦＴ処理によって、測定対象物５０からの音が有する様々な周波数成分において、それぞれの周波数成分の音圧レベルの大小がわかるようになる。図４は、この音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された周波数の関数である音圧レベルの波形を示すものである。この図４のうち、図４（ａ）は、測定対象物５０にクラックがない場合の音圧レベルの波形を示し、図４（ｂ）は、測定対象物５０にクラックがある場合の音圧レベルの波形を示すものである。この図４においては、横軸が振動周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸がレスポンス（音圧レベル）［ｄＢ］を示している。
【００３６】
図４（ａ）で示されるように、測定対象物５０にクラックが発生していない場合には、振動板１２が共振周波数ｆ０で振動しているときに（ア）で示された測定対象物５０から主波長であるピーク周波数（発振周波数Ｆｓ）の音波が発生し、それ以外の（イ）で示される周波数領域には、周波数の変化は見られない。ここで、図４（ａ）で示される音圧レベルの波形と、その波形のうち（イ）で示される周波数領域の音圧レベルを平均したものを示す線Ｐとを比較すると、測定対象物５０の発振周波数Ｆｓ近傍部分のみ線Ｐを超えるが、それ以外の周波数領域においてはこの線Ｐを超えない。
【００３７】
一方、図４（ｂ）で示されるように、測定対象物５０にクラックが発生している場合には、振動板１２が共振周波数ｆ０で振動しているときに（ア）で示された測定対象物５０から主波長であるピーク周波数（発振周波数Ｆｓ）の音波が発生する他、それ以外の（ウ）で示される周波数領域には複数のピーク周波数成分が現れる。このように、測定対象物５０から複数のピーク周波数成分を有する音波が放射されることによって、いわゆるビビリ音と呼ばれる異音が発生することになる。このとき、図４（ｂ）で示される音圧レベルの波形と、その波形のうち（ウ）で示される周波数領域の音圧レベルを平均したものを示す線Ｑとを比較すると、発振周波数Ｆｓ近傍部分が線Ｑを超えるのみならず、（ウ）で示される周波数領域の複数のピーク周波数成分のうち、線Ｑを超えるものがいくつか発生する。また、図４（ｂ）で示されるように、線Ｑは、ピーク波形を有する（ウ）の周波数領域で音圧レベルが平均化されたものなので、線Ｐよりも高い値となっている。
【００３８】
音響エネルギー解析部１５は、例えば、音圧レベル波形を平均化した前述の線Ｑ（クラックが発生していない場合は線Ｐ）を演算し、この線Ｑを閾値として、この閾値を超えるピーク波形が、図４（ｂ）における（ア）で示される発振周波数Ｆｓにおけるピーク波形以外に存在すると判定した場合、測定対象物５０にクラックが発生していると判定するものとすればよい。また、音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベル波形の周波数の測定帯域を特に限定するものではないが、例えば、音検出装置１４によって検出可能な５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの帯域とすればよい。
【００３９】
以上のように、音検出装置１４によって検出された音を、音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理して周波数応答として解析することによって、測定対象物５０におけるクラック有無を容易に判定することができる。
【００４０】
なお、上記のように音響エネルギー解析部１５による判定の閾値を、周波数の関数として示される音圧レベルを平均化した図４（ｂ）で示される線Ｑとしたが、これに限定されるものではなく、音響エネルギー解析部１５は、測定対象物５０にクラックが発生していない場合の測定結果から、予め閾値（例えば、線Ｐ）を定めておき、この閾値に基づいて、クラックの有無を判定してもよく、あるいは、任意に定めた所定の閾値に基づいて、クラックの有無を判定するものとしてもよい。
【００４１】
また、音響エネルギー解析部１５に接続された表示装置を備えるものとしてもよく、この表示装置が、音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理が実施され、周波数の関数として示された音圧レベルの波形、及び、その波形から測定対象物５０におけるクラックの有無の判定結果を表示させるものとしてもよい。これによって、人間の視覚によって容易に測定対象物５０におけるクラックの有無の判定結果を認識することができる。また、測定対象物５０から発生する異音（ビビリ音）によって、人間の聴覚によってもある程度、クラックの有無が判定できるが、クラックによる異音（ビビリ音）が人間の聴覚では聞き取ることのできない超音波領域にある場合、この表示装置を備えることによって、音圧レベル波形とクラックの判定結果が容易に目視によって確認することができる。
【００４２】
（変位量Δｒ２の変動に伴う音圧レベル波形の変化）
図５は、本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００における音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベル波形の、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に伴う変化を示す図である。
図５で示される実線の音圧レベルの波形は、測定対象物５０の変位量Δｒ２が最小値である場合のものであり、そして、破線の音圧レベルの波形は、変位量Δｒ２が最大値である場合のものである。図５で示されるように、変位量Δｒ２が最小値である場合の音圧レベルの波形も、最大値である場合の音圧レベルの波形も、その発振周波数Ｆｓは共通であり、変位量Δｒ２の変動に影響を受けない。したがって、測定対象物５０におけるクラックの有無の検知範囲を、図５で示されるように、例えば、変位量Δｒ２の変動に伴う音圧レベル波形の変化部分とは異なる周波数帯域における検知範囲ｃとした場合、音響エネルギー解析部１５による測定対象物５０におけるクラックの有無の検知動作は、変位量Δｒ２の変動によって影響を受けない。すなわち、音響エネルギー解析部１５は、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に関わらず、クラックの有無の検知が可能となる。
【００４３】
（変位量Δｒ２の変動に伴う音圧レベル波形の平均値の変化）
図６は、本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００における音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベルの平均値の、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に伴う変化を示す図である。
測定対象物５０の変位量Δｒ２については、その形状等によってバラツキがあり、この変位量Δｒ２のいかなる値（すなわち最小値と最大値との間の範囲）においても、クラックを有する測定対象物５０の音圧レベルの平均値は、クラックのない良品の測定対象物５０の音圧レベルの平均値よりも上回っている。すなわち、測定対象物５０の形状等のバラツキ等に起因して変位量Δｒ２が変動しても、例えば、前述の閾値を図４で示される線Ｐとしても、音響エネルギー解析部１５によるクラックの有無の検知が可能であることがわかる。
【００４４】
（実施の形態１の効果）
以上の構成及び動作のように、振動板１２の振動によって、測定対象物５０全体に縦波を主とする均一な振動による音波を与えることができ、測定対象物５０の形状及び支持手段２１の設置位置に関わらず、測定対象物５０のクラックの有無の検知について安定した測定が可能となる。
【００４５】
また、測定対象物５０と錐状突起部１７との接触面積を小さくし、振動板１２からの超音波によって測定対象物５０が振動する動作に対する支持手段２１の影響を小さくすると共に、測定対象物５０の振動を振動緩衝部１８によって受け止めることによって、測定対象物５０と支持手段２１との間で生じる衝突を抑制し、測定対象物５０を傷つけることなく、かつ、測定対象物５０と支持手段２１との接触による雑音発生の抑制が可能となる。
【００４６】
また、音検出装置１４によって検出された音を、音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理して周波数応答として解析することによって、測定対象物５０におけるクラック有無を容易に判定することができる。
【００４７】
そして、測定対象物５０の形状等のバラツキによる変位量Δｒ２の変動に関わらず、音響エネルギー解析部１５による測定対象物５０のクラックの有無の検知動作が可能となる。
【００４８】
なお、上記の構成のように、超音波発生部２０の振動板１２から超音波を測定対象物５０に向けて放射するものとしたが、必ずしも超音波を用いる必要はなく、測定対象物５０全体に縦波を主とする均一な振動を与えることができる音波を放射できるものとすれば、測定対象物５０のクラックの有無の検知は可能である。ただし、振動板１２から放射する音波を超音波とすることによって、人間の聴覚で感じ取れることはなく、使用者に不快感を与えることがない。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 振動部、１０ａ 圧電素子、１１ ホーン、１２ 振動板、１３ 発振部、１４ 音検出装置、１５ 音響エネルギー解析部、１７ 錐状突起部、１８ 振動緩衝部、１９ 設置台、２０ 超音波発生部、２１ 支持手段、２２ クラック有無判断部、５０ 測定対象物、１００ 薄板検査装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄板に発生したクラックを安定に検知する薄板検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体基板等の薄板形状の測定対象物に振動を与えて、発生した音を解析することによってクラック（欠陥）を検知する技術がある。その一例として、支持手段に設置された基板に打撃を与えることにより打音を発生させ、発生した音圧及び振動を検知し、その検知した特徴量について解析を実施することによって、基板のクラックの有無を判定する薄板の非破壊検査装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３３３４３６号公報（実施例１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に記載されている非破壊検査装置においては、測定対象物を支持して、ある特定点のみに対し加振し、測定対象物のクラックの有無に基づく振動及び音圧の違いからクラックを検知するようにしている。しかしながら、特定点のみの加振では、振動は横波が主となり、加振点から伝播するため、薄板の厚さ若しくは反りといった形状又は支持手段の設置位置によって伝播の仕方に大きなバラツキが生じると共に、支持手段近傍等で振動の伝播が弱められ、その結果、クラックが有る場合も無い場合も解析される特徴量に差が現れず、クラックを検知できない場合があるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、薄板である測定対象物の形状等のバラツキや支持手段の設置位置に関わらず、測定対象物のクラックの有無の検知について安定した測定を可能とする薄板検査装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る薄板検査装置は、クラックの有無の検知対象となる板状の測定対象物を載置させる支持部と、前記測定対象物との間に空気層を介し、前記支持部に載置された前記測定対象物と接触しないで、該測定対象物を振動させる加振部と、前記測定対象物が振動することによって発生する音を検出し、その音情報に基づいて、前記測定対象物のクラックの有無を検知するクラック有無判断部と、を備え、前記加振部は、前記測定対象物の該加振部と対向している面と略垂直方向に前記測定対象物全体を振動させるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、加振部によって、測定対象物に接触せずに測定対象物全体に縦波を主とする均一な振動を与えることができ、測定対象物の形状及び支持手段の設置位置に関わらず、測定対象物のクラックの有無の検知について安定した測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００において検査対象となる測定対象物５０の振動の原理の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００において検査対象となる測定対象物５０が振動によって異音を発生する原理の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００において検査対象となる測定対象物５０から発生する音のＦＦＴ処理後の波形の例を示すものである。
【図５】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００における音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベル波形の、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に伴う変化を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００における音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベルの平均値の、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に伴う変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
（薄板検査装置１００の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００の概略構成図である。以下、図１を参照しながら、薄板検査装置１００の構成について説明する。また、図１を含め、以下の図面においては、各構成部材同士の大きさの関係を限定するものではなく、実際のものとは異なる場合がある。
【００１０】
本実施の形態に係る薄板検査装置１００は、少なくとも、薄板である測定対象物５０に対して超音波を放射する超音波発生部２０、測定対象物５０を固定させずに設置させる支持手段２１、超音波発生部２０によって加振された測定対象物５０から発生する音を検出して解析するクラック有無判断部２２によって構成されている。
なお、超音波発生部２０は、本発明の「加振部」に相当する。
【００１１】
超音波発生部２０は、少なくとも、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子１０ａが設けられた振動部１０、その振動部１０の下面に取り付けられ、円錐台形状に構成されたホーン１１、そのホーン１１の下面に固着され、金属板（剛体）で構成された振動板１２、及び、圧電素子１０ａにパルス電圧を印加する発振部１３によって構成されている。
【００１２】
支持手段２１は、少なくとも、錐状の先端に測定対象物５０を固定させずに設置させる錐状突起部１７、バネ等の弾性体によって構成され、錐状突起部１７の下部に固定された振動緩衝部１８、及び、その振動緩衝部１８の他端が固定される設置台１９によって構成されている。
なお、この支持手段２１によって、測定対象物５０を下から支持するために、錐状突起部１７及び振動緩衝部１８はそれぞれ３つ以上備えているものとすればよい。
【００１３】
クラック有無判断部２２は、超音波発生部２０から照射される超音波により支持手段２１に支持された測定対象物５０が振動することによって発生する音を検出する音検出装置１４、及び、その音検出装置１４によって検出された音の音響エネルギーを解析する音響エネルギー解析部１５によって構成されている。
【００１４】
振動部１０は、１５ｋＨｚ〜４５ｋＨｚ帯域内に共振周波数ｆ０を有する圧電素子１０ａを挟み込んで備えており、その圧電素子１０ａで発生した振動を伝播する金属（剛体）によって形成されている。
【００１５】
圧電素子１０ａは、正電極端子及び負電極端子を介して発振部１３に接続され、その発振部１３から印加されるパルス電圧によって振動する。このとき、圧電素子１０ａは、発振部１３から共振周波数ｆ０近傍のパルス電圧が印加されることによって、共振周波数ｆ０近傍にピークを有する振動を発振する。
【００１６】
ホーン１１は、圧電素子１０ａを備えた振動部１０から発生する振動の振幅を増幅する機能を有し、両端面が開口され、内部に振動部１０からの振動を増幅して伝播させる音響通路が形成され、そして、振動部１０と振動板１２との間に挟持されている。また、ホーン１１は、円錐台形状に構成され、振動部１０側から振動板１２に向けて徐々に縮径されているのが好ましい。
【００１７】
振動板１２は、金属板（剛体）によって構成され、ホーン１１の両端の開口部のうち、振動部１０側に固定された一方の開口部の反対側の開口部にネジ止め又は接着等によって固着されている。また、振動板１２は、振動部１０から発生する振動の振動エネルギーがホーン１１を介して伝播され、振動部１０の振動と共振して強力な共振波を発生する。このとき、振動板１２は、振動部１０の圧電素子１０ａが共振周波数ｆ０で振動することによって、同様に共振周波数ｆ０によって共振するように構成されている。図１で示されるように、上記のような振動板１２による振動の幅を、変位量Δｒ１とする。また、振動板１２は、振動によってその両面（ホーン１１側の面及びその反対側の面）の全体から超音波の音響流を放射する。また、振動板１２は、振動部１０から発生する高周波数の振動の「腹」の部分に当たるように固着するようにすれば、特定の振動モードで振動することになり、振動板１２と測定対象物５０との間には、空気の疎密を繰り返す定在波による音響流が発生する。また、この振動板１２の平面の面積である板面積は、測定対象物５０の板面積以上であるものとする。これによって、振動板１２の振動によって、測定対象物５０全体に縦波を主とする均一な振動による音波を与えることができ、測定対象物５０の形状及び支持手段２１の設置位置に関わらず、測定対象物５０のクラックの有無の検知について安定した測定が可能となる。
【００１８】
なお、図１で示されるように、振動部１０と振動板１２との間にホーン１１が設置される構成としているが、これに限定されるものではなく、ホーン１１を設けず、振動板１２を振動部１０に直接取り付けるものとしてよい。例えば、振動板１２を密度が小さく弾性の高い素材であるアルミ等の軽量な素材によって構成し、さらに、圧電素子１０ａが、発振部１３からより高電圧なパルス電圧を印加さえることによって、ホーン１１無しでも高周波数の音波を放射することが可能であり、ホーン１１が必ずしも必要というわけではない。
【００１９】
測定対象物５０は、例えば、シリコン基板又は太陽電池用セル等の半導体ウェハ基板、又は、金属材料等の薄い板状のものであるとする。この測定対象物５０は、振動板１２と音検出装置１４との間の空気層において、振動板１２におけるホーン１１が設置された面とは反対側の面に対向するように、支持手段２１における錐状突起部１７の上に固定されずに載置されている。そして、測定対象物５０は、振動板１２から放射される超音波を受けて振動する。図１で示されるように、上記のような測定対象物５０による振動の幅を、変位量Δｒ２とする。また、錐状突起部１７は、バネ等の弾性体である振動緩衝部１８及びその振動緩衝部１８が設置される設置台１９によって支持され、測定対象物５０に接して支持する先端部分が錐状に形成されたものである。このように測定対象物５０が支持手段２１に支持されることによって、測定対象物５０と錐状突起部１７との接触面積を小さくし、振動板１２からの超音波によって測定対象物５０が振動する動作に対する支持手段２１の影響を小さくすると共に、測定対象物５０の振動を振動緩衝部１８によって受け止めることによって、測定対象物５０と支持手段２１との間で生じる衝突を抑制し、測定対象物５０を傷つけることなく、かつ、測定対象物５０と支持手段２１との接触による雑音発生の抑制が可能となる。
【００２０】
音検出装置１４は、例えば、マイクロホン、音センサー、超音波センサー、又はこれらのいずれかを組み合わせたものによって構成され、振動板１２から放射される超音波によって振動する測定対象物５０から発生する音を検出する。この音検出装置１４によって検出された音情報は、音響エネルギー解析部１５に送信される。
【００２１】
なお、図１で示されるように、音検出装置１４は、１つだけ備えられる構成としているが、これに限定されるものではなく、複数備えられる構成としてもよい。このように音検出装置１４が複数備えられることによって、音検出装置１４を１個設ける場合よりも、測定対象物５０におけるクラックの検知範囲が広範囲となり、さらに、測定対象物５０に発生したクラックの位置を決定できる等、クラック検知精度を向上させることができる。
また、それぞれ感度の異なる音検出装置１４を複数設けるものとしてもよく、この場合、測定対象物５０に存在するクラックの大きさを、ある程度把握できることができる。
【００２２】
音響エネルギー解析部１５は、音検出装置１４から受信した測定対象物５０からの音情報に基づいて、その音の音響エネルギーを解析するものである。このとき、音響エネルギー解析部１５は、例えば、その音情報に対してＦＦＴ（Ｆａｓt Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理を実施し、その音の音圧レベルを周波数の関数に変換することによって、その音の音響エネルギーを解析し、測定対象物５０におけるクラックの有無を検知する。この音響エネルギー解析部１５による測定対象物５０におけるクラックの検知動作の詳細は、後述する。
【００２３】
なお、この音響エネルギー解析部１５によってクラックの有無を検知する場合、その検知結果を報知する報知手段を設けてもよい。
【００２４】
（薄板検査装置１００によるクラック検知動作）
図２は、本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００において検査対象となる測定対象物５０の振動の原理の説明図であり、図３は、同測定対象物５０が振動によって異音を発生する原理の説明図であり、そして、図４は、同測定対象物５０から発生する音のＦＦＴ処理後の波形の例を示すものである。以下、図２〜図４を参照しながら、薄板検査装置１００によるクラック検知動作について説明する。
【００２５】
まず、薄板検査装置１００による検査対象である測定対象物５０が、支持手段２１に載置される。次に、発振部１３は、圧電素子１０ａに対して、圧電素子１０ａ及び振動板１２の共振周波数ｆ０近傍のパルス電圧を印加する。これによって、圧電素子１０ａは、印加されたパルス電圧によって、共振周波数ｆ０近傍の周波数で振動し、この圧電素子１０ａを挟持した振動部１０にその振動が伝播する。この振動部１０の振動は、ホーン１１によってその振幅が増幅され、振動板１２に伝播する。そして、振動板１２は、その全体が変位量Δｒ１で共振し、その共振に伴う高い音圧レベルを有する超音波が振動板１２全体から放射される。この振動板１２から放射された超音波は、音響流となり、図２で示されるように、空気中に音圧の疎密を作り出す。特に、振動板１２から放射される音波が、一定の音圧レベルを超えると、測定対象物５０は、音圧の疎密に伴い、浮力を得て、その全体が加振され、変位量Δｒ２で振動することになる。
【００２６】
ここで、圧電素子１０ａ及び振動板１２の共振周波数ｆ０は、以下の（１）及び（２）の理由によって、１５ｋＨｚ〜４５ｋＨｚ帯域内となるようにするとよい。
【００２７】
（１）１５ｋＨｚ未満だと人間の可聴領域となるため、人間の聴覚で感じ取ることが可能となり、使用者に不快感を与える可能性がある。
（２）４５ｋＨｚを超えると周波数が大き過ぎて、十分な振幅が得られないため、音圧レベルが低下することになる。
【００２８】
次に、図２を参照しながら、測定対象物５０が振動板１２によって放射される超音波が生成する音圧の疎密によって振動する原理を説明する。
測定対象物５０によって、振動するのに必要なエネルギーは異なるが、測定対象物５０が、例えば、半導体ウェハ又は太陽電池用セルである場合、その振動には１３０ｄＢ以上の音圧レベルが必要であることがわかっている。そこで、本実施の形態に係る薄板検査装置１００における超音波発生部２０は、１３０ｄＢ以上の音圧レベルの超音波が発生できるように構成されている。前述したように、振動板１２から放射される超音波は、空気中にゆらぎを発生させ、超音波の波長に伴って、空気中に音圧（気圧）の「疎」の部分（減圧される部分）と「密」の部分（加圧される部分）とを生成する。つまり、「疎」の部分から「密」の部分に向かって空気の移動が発生する。これによって、支持手段２１上に載置された測定対象物５０は、振動板１２から放射される超音波の音圧によって浮力を得て、測定対象物５０にかかる重力とその浮力とのバランスによって、その全体が振動することになる。この場合、振動板１２は、測定対象物５０の上面、すなわち、測定対象物５０における振動板１２と対向する面が「密」の部分と近くなるように設置する必要がある。これは、測定対象物５０における振動板１２と対向する面と反対側の面が「密」の部分に近いと、測定対象物５０において重力方向に空気の移動が発生するため、測定対象物５０は、支持手段２１に押し付けられる状態となり、測定対象物５０の振動は抑制されてしまうためである。
【００２９】
以上のように、振動板１２が放射する超音波によって、測定対象物５０が振動すると、測定対象物５０から音波である弾性波が発生する。ここで、固体中（自由音場）に生じる弾性波の縦波の伝播速度を下記の式（１）に、そして、固体中（自由音場）に生じる弾性波の横波の伝播速度を下記の式（２）に示す。
【００３０】
Ｃｐ＝√［｛Ｅ・（１−σ）｝／｛ρ・（１＋σ）・（１−２σ）｝］ （１）
Ｃｓ＝√［Ｅ／｛ρ・２（１＋σ）｝］ （２）
（Ｃｐ：縦波の伝播速度、Ｃｓ：横波の伝播速度、Ｅ：ヤング率、ρ：密度、σ：ポアソン比）
【００３１】
固体内部には縦波及び横波が伝播するが、固体内部ではポアソン比σは０．３程度が一般的であり、横波に比べて縦波の伝播速度の方が速くなる。測定対象物５０におけるクラックの有無は、ヤング率Ｅの値を変化させるため、クラック有無による変化は、横波の伝播速度よりも縦波の伝播速度の方が大きく影響を受けるということが上記の式（１）及び式（２）から明らかとなる。また、空気を媒質とする振動は、空気中に気圧の疎密を作る縦波として伝播するため、振動板１２から放射される超音波は、固体である測定対象物５０に対しても縦方向の振動を与えやすいことになる。つまり、測定対象物５０におけるクラックの有無は、測定対象物５０からの音波である弾性波の伝播の仕方に大きく影響を与える。
【００３２】
次に、図３を参照しながら、クラックを有する測定対象物５０が振動することによって、異音（ビビリ音）が発生する原理を説明する。図３においては、測定対象物５０においてクラックが発生している状態が示されている。また、図３（ａ）は、測定対象物５０のクラック部分の断面図を示し、図３（ｂ）は、その断面図のクラック部分の拡大図を示している。
【００３３】
図３（ａ）で示されるように、測定対象物５０において、クラックを境にして右側部分をエリアＡ、そして、左側部分をエリアＢとする。また、エリアＡの幅、すなわち、クラックから測定対象物５０の右端部までの距離をａとし、エリアＢの幅、すなわち、クラックから測定対象物５０の左端部までの距離をｂ（＞ａ）とする。このとき、超音波発生部２０から放射される超音波によって、測定対象物５０におけるエリアＡが振動する場合の振動周波数をｆａとし、エリアＢが振動する場合の振動周波数をｆｂとする。
【００３４】
図３（ｂ）で示されるように、超音波発生部２０が放射する超音波によってクラックを有する測定対象物５０が縦方向に振動する場合、基本的にはエリアＡ及びエリアＢ共に振動するが、クラックを境にして、エリアＡとエリアＢとのヤング率に相違が発生し、振動周波数が異なることになる。このとき、エリアＡにおける距離ａの方が、エリアＢにおける距離ｂよりも小さいため、エリアＡの振動周波数ｆａは、エリアＢの振動周波数ｆｂよりも高くなる。また、測定対象物５０におけるクラックから両端部までの距離に関わらず、エリアＡ及びエリアＢの振動には位相差φも生じる。このように、クラックを境にしたエリアＡとエリアＢとの振動周波数の相違、又は、振動の位相差によって、クラック部分が擦れ、異音（ビビリ音）が発生するのである。
【００３５】
次に、図４を参照しながら、クラック有無判断部２２が測定対象物５０から発生する音を検出して解析し、測定対象物５０のクラックの有無を判定する動作を説明する。
前述のように、測定対象物５０が発生する音は、クラック有無判断部２２における音検出装置１４によって検出される。音検出装置１４によって検出された音情報は、音響エネルギー解析部１５に送信される。音響エネルギー解析部１５は、この音情報をＦＦＴ処理し、音の音圧レベルを周波数の関数に変換する。このＦＦＴ処理によって、測定対象物５０からの音が有する様々な周波数成分において、それぞれの周波数成分の音圧レベルの大小がわかるようになる。図４は、この音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された周波数の関数である音圧レベルの波形を示すものである。この図４のうち、図４（ａ）は、測定対象物５０にクラックがない場合の音圧レベルの波形を示し、図４（ｂ）は、測定対象物５０にクラックがある場合の音圧レベルの波形を示すものである。この図４においては、横軸が振動周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸がレスポンス（音圧レベル）［ｄＢ］を示している。
【００３６】
図４（ａ）で示されるように、測定対象物５０にクラックが発生していない場合には、振動板１２が共振周波数ｆ０で振動しているときに（ア）で示された測定対象物５０から主波長であるピーク周波数（発振周波数Ｆｓ）の音波が発生し、それ以外の（イ）で示される周波数領域には、周波数の変化は見られない。ここで、図４（ａ）で示される音圧レベルの波形と、その波形のうち（イ）で示される周波数領域の音圧レベルを平均したものを示す線Ｐとを比較すると、測定対象物５０の発振周波数Ｆｓ近傍部分のみ線Ｐを超えるが、それ以外の周波数領域においてはこの線Ｐを超えない。
【００３７】
一方、図４（ｂ）で示されるように、測定対象物５０にクラックが発生している場合には、振動板１２が共振周波数ｆ０で振動しているときに（ア）で示された測定対象物５０から主波長であるピーク周波数（発振周波数Ｆｓ）の音波が発生する他、それ以外の（ウ）で示される周波数領域には複数のピーク周波数成分が現れる。このように、測定対象物５０から複数のピーク周波数成分を有する音波が放射されることによって、いわゆるビビリ音と呼ばれる異音が発生することになる。このとき、図４（ｂ）で示される音圧レベルの波形と、その波形のうち（ウ）で示される周波数領域の音圧レベルを平均したものを示す線Ｑとを比較すると、発振周波数Ｆｓ近傍部分が線Ｑを超えるのみならず、（ウ）で示される周波数領域の複数のピーク周波数成分のうち、線Ｑを超えるものがいくつか発生する。また、図４（ｂ）で示されるように、線Ｑは、ピーク波形を有する（ウ）の周波数領域で音圧レベルが平均化されたものなので、線Ｐよりも高い値となっている。
【００３８】
音響エネルギー解析部１５は、例えば、音圧レベル波形を平均化した前述の線Ｑ（クラックが発生していない場合は線Ｐ）を演算し、この線Ｑを閾値として、この閾値を超えるピーク波形が、図４（ｂ）における（ア）で示される発振周波数Ｆｓにおけるピーク波形以外に存在すると判定した場合、測定対象物５０にクラックが発生していると判定するものとすればよい。また、音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベル波形の周波数の測定帯域を特に限定するものではないが、例えば、音検出装置１４によって検出可能な５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの帯域とすればよい。
【００３９】
以上のように、音検出装置１４によって検出された音を、音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理して周波数応答として解析することによって、測定対象物５０におけるクラック有無を容易に判定することができる。
【００４０】
なお、上記のように音響エネルギー解析部１５による判定の閾値を、周波数の関数として示される音圧レベルを平均化した図４（ｂ）で示される線Ｑとしたが、これに限定されるものではなく、音響エネルギー解析部１５は、測定対象物５０にクラックが発生していない場合の測定結果から、予め閾値（例えば、線Ｐ）を定めておき、この閾値に基づいて、クラックの有無を判定してもよく、あるいは、任意に定めた所定の閾値に基づいて、クラックの有無を判定するものとしてもよい。
【００４１】
また、音響エネルギー解析部１５に接続された表示装置を備えるものとしてもよく、この表示装置が、音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理が実施され、周波数の関数として示された音圧レベルの波形、及び、その波形から測定対象物５０におけるクラックの有無の判定結果を表示させるものとしてもよい。これによって、人間の視覚によって容易に測定対象物５０におけるクラックの有無の判定結果を認識することができる。また、測定対象物５０から発生する異音（ビビリ音）によって、人間の聴覚によってもある程度、クラックの有無が判定できるが、クラックによる異音（ビビリ音）が人間の聴覚では聞き取ることのできない超音波領域にある場合、この表示装置を備えることによって、音圧レベル波形とクラックの判定結果が容易に目視によって確認することができる。
【００４２】
（変位量Δｒ２の変動に伴う音圧レベル波形の変化）
図５は、本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００における音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベル波形の、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に伴う変化を示す図である。
図５で示される実線の音圧レベルの波形は、測定対象物５０の変位量Δｒ２が最小値である場合のものであり、そして、破線の音圧レベルの波形は、変位量Δｒ２が最大値である場合のものである。図５で示されるように、変位量Δｒ２が最小値である場合の音圧レベルの波形も、最大値である場合の音圧レベルの波形も、その発振周波数Ｆｓは共通であり、変位量Δｒ２の変動に影響を受けない。したがって、測定対象物５０におけるクラックの有無の検知範囲を、図５で示されるように、例えば、変位量Δｒ２の変動に伴う音圧レベル波形の変化部分とは異なる周波数帯域における検知範囲ｃとした場合、音響エネルギー解析部１５による測定対象物５０におけるクラックの有無の検知動作は、変位量Δｒ２の変動によって影響を受けない。すなわち、音響エネルギー解析部１５は、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に関わらず、クラックの有無の検知が可能となる。
【００４３】
（変位量Δｒ２の変動に伴う音圧レベル波形の平均値の変化）
図６は、本発明の実施の形態１に係る薄板検査装置１００における音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理された音圧レベルの平均値の、測定対象物５０の変位量Δｒ２の変動に伴う変化を示す図である。
測定対象物５０の変位量Δｒ２については、その形状等によってバラツキがあり、この変位量Δｒ２のいかなる値（すなわち最小値と最大値との間の範囲）においても、クラックを有する測定対象物５０の音圧レベルの平均値は、クラックのない良品の測定対象物５０の音圧レベルの平均値よりも上回っている。すなわち、測定対象物５０の形状等のバラツキ等に起因して変位量Δｒ２が変動しても、例えば、前述の閾値を図４で示される線Ｐとしても、音響エネルギー解析部１５によるクラックの有無の検知が可能であることがわかる。
【００４４】
（実施の形態１の効果）
以上の構成及び動作のように、振動板１２の振動によって、測定対象物５０全体に縦波を主とする均一な振動による音波を与えることができ、測定対象物５０の形状及び支持手段２１の設置位置に関わらず、測定対象物５０のクラックの有無の検知について安定した測定が可能となる。
【００４５】
また、測定対象物５０と錐状突起部１７との接触面積を小さくし、振動板１２からの超音波によって測定対象物５０が振動する動作に対する支持手段２１の影響を小さくすると共に、測定対象物５０の振動を振動緩衝部１８によって受け止めることによって、測定対象物５０と支持手段２１との間で生じる衝突を抑制し、測定対象物５０を傷つけることなく、かつ、測定対象物５０と支持手段２１との接触による雑音発生の抑制が可能となる。
【００４６】
また、音検出装置１４によって検出された音を、音響エネルギー解析部１５によってＦＦＴ処理して周波数応答として解析することによって、測定対象物５０におけるクラック有無を容易に判定することができる。
【００４７】
そして、測定対象物５０の形状等のバラツキによる変位量Δｒ２の変動に関わらず、音響エネルギー解析部１５による測定対象物５０のクラックの有無の検知動作が可能となる。
【００４８】
なお、上記の構成のように、超音波発生部２０の振動板１２から超音波を測定対象物５０に向けて放射するものとしたが、必ずしも超音波を用いる必要はなく、測定対象物５０全体に縦波を主とする均一な振動を与えることができる音波を放射できるものとすれば、測定対象物５０のクラックの有無の検知は可能である。ただし、振動板１２から放射する音波を超音波とすることによって、人間の聴覚で感じ取れることはなく、使用者に不快感を与えることがない。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 振動部、１０ａ 圧電素子、１１ ホーン、１２ 振動板、１３ 発振部、１４ 音検出装置、１５ 音響エネルギー解析部、１７ 錐状突起部、１８ 振動緩衝部、１９ 設置台、２０ 超音波発生部、２１ 支持手段、２２ クラック有無判断部、５０ 測定対象物、１００ 薄板検査装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の測定対象物が載置される支持部と、
前記測定対象物との間に空気層を介して、該測定対象物に向かって音波を放射し、該音波によって該測定対象物を振動させる加振部と、
前記測定対象物が振動することによって発生する音を検出し、その音情報に基づいて、前記測定対象物のクラックの有無を検知するクラック有無判断部と、
を備え、
前記加振部は、前記測定対象物の前記加振部と対向している面と略垂直方向に前記測定対象物全体を振動させる
ことを特徴とする薄板検査装置。
【請求項２】
前記加振部は、前記測定対象物に対向し、振動することによって前記測定対象物に向かって音波を放射する振動板と、圧電素子を有し、該圧電素子の振動を前記振動板に伝播させる振動部と、前記圧電素子にパルス電圧を印加して該圧電素子を振動させる発振部と、を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の薄板検査装置。
【請求項３】
前記振動板と前記振動部との間に設置され、前記振動部から前記振動板に向かって徐々に径が小さくなる円錐台形状に形成されたホーンを備え、
該ホーンは、前記振動部から発生する振動を増幅させて、該振動を前記振動板に伝播させる
ことを特徴とする請求項２記載の薄板検査装置。
【請求項４】
前記振動板の板面積は、前記測定対象物の板面積よりも大きい
ことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の薄板検査装置。
【請求項５】
前記振動板は、放射する音波によって該振動板と前記測定対象物との間の空気層において生成される気圧が高い部分及び低い部分のうち、気圧が高い部分が前記測定対象物の前記振動板に対向する面側近傍に位置するように音波を放射する
ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【請求項６】
前記振動板が放射する音波は、１５ｋＨｚ以上４５ｋＨｚ以下の超音波である
ことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【請求項７】
前記支持部は、弾性体によって支持された先端が錐状の複数の突起部を備え、
前記測定対象物は、前記突起部に載置される
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【請求項８】
前記クラック有無判断部は、前記測定対象物からの前記音情報に対して、ＦＦＴ処理を実施して前記音情報の音圧レベルを周波数の関数である音圧レベル波形に変換し、所定の閾値と前記音圧レベル波形における音圧レベルの大きさとを比較することによって、前記測定対象物のクラックの有無を検知する
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【請求項９】
前記クラック有無判断部は、前記測定対象物の前記音圧レベル波形のうち発振周波数に相当するピーク波形部分を除いた波形部分において、音圧レベルの平均値を算出し、該平均値を前記閾値とする
ことを特徴とする請求項８記載の薄板検査装置。
【請求項１０】
前記クラック有無判断部は、前記測定対象物の前記音圧レベル波形のうち、発振周波数に相当するピーク波形部分を除いた波形部分において、前記閾値より大きい音圧レベルが存在する場合、前記測定対象物においてクラックがあると判定する
ことを特徴とする請求項８又は請求項９記載の薄板検査装置。
【請求項１１】
前記クラック有無判断部は、前記測定対象物の前記音圧レベル波形のうち、該測定対象物の変位量の変動に伴って該音圧レベル波形形状が変化する発振周波数近傍の波形部分に対応する周波数領域を除いた周波数領域において、前記閾値に基づいて前記測定対象物のクラックの有無を検知する
ことを特徴とする請求項８又は請求項９記載の薄板検査装置。
【請求項１２】
前記クラック有無判断部によってもとめられた前記測定対象物の前記音圧レベル波形、及び、該測定対象物のクラックの有無の検知結果を表示する表示装置を備えた
ことを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【請求項１】
板状の測定対象物が載置される支持部と、
前記測定対象物との間に空気層を介して、該測定対象物に向かって音波を放射し、該音波によって該測定対象物を振動させる加振部と、
前記測定対象物が振動することによって発生する音を検出し、その音情報に基づいて、前記測定対象物のクラックの有無を検知するクラック有無判断部と、
を備え、
前記加振部は、前記測定対象物の前記加振部と対向している面と略垂直方向に前記測定対象物全体を振動させる
ことを特徴とする薄板検査装置。
【請求項２】
前記加振部は、前記測定対象物に対向し、振動することによって前記測定対象物に向かって音波を放射する振動板と、圧電素子を有し、該圧電素子の振動を前記振動板に伝播させる振動部と、前記圧電素子にパルス電圧を印加して該圧電素子を振動させる発振部と、を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の薄板検査装置。
【請求項３】
前記振動板と前記振動部との間に設置され、前記振動部から前記振動板に向かって徐々に径が小さくなる円錐台形状に形成されたホーンを備え、
該ホーンは、前記振動部から発生する振動を増幅させて、該振動を前記振動板に伝播させる
ことを特徴とする請求項２記載の薄板検査装置。
【請求項４】
前記振動板の板面積は、前記測定対象物の板面積よりも大きい
ことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の薄板検査装置。
【請求項５】
前記振動板は、放射する音波によって該振動板と前記測定対象物との間の空気層において生成される気圧が高い部分及び低い部分のうち、気圧が高い部分が前記測定対象物の前記振動板に対向する面側近傍に位置するように音波を放射する
ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【請求項６】
前記振動板が放射する音波は、１５ｋＨｚ以上４５ｋＨｚ以下の超音波である
ことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【請求項７】
前記支持部は、弾性体によって支持された先端が錐状の複数の突起部を備え、
前記測定対象物は、前記突起部に載置される
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【請求項８】
前記クラック有無判断部は、前記測定対象物からの前記音情報に対して、ＦＦＴ処理を実施して前記音情報の音圧レベルを周波数の関数である音圧レベル波形に変換し、所定の閾値と前記音圧レベル波形における音圧レベルの大きさとを比較することによって、前記測定対象物のクラックの有無を検知する
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【請求項９】
前記クラック有無判断部は、前記測定対象物の前記音圧レベル波形のうち発振周波数に相当するピーク波形部分を除いた波形部分において、音圧レベルの平均値を算出し、該平均値を前記閾値とする
ことを特徴とする請求項８記載の薄板検査装置。
【請求項１０】
前記クラック有無判断部は、前記測定対象物の前記音圧レベル波形のうち、発振周波数に相当するピーク波形部分を除いた波形部分において、前記閾値より大きい音圧レベルが存在する場合、前記測定対象物においてクラックがあると判定する
ことを特徴とする請求項８又は請求項９記載の薄板検査装置。
【請求項１１】
前記クラック有無判断部は、前記測定対象物の前記音圧レベル波形のうち、該測定対象物の変位量の変動に伴って該音圧レベル波形形状が変化する発振周波数近傍の波形部分に対応する周波数領域を除いた周波数領域において、前記閾値に基づいて前記測定対象物のクラックの有無を検知する
ことを特徴とする請求項８又は請求項９記載の薄板検査装置。
【請求項１２】
前記クラック有無判断部によってもとめられた前記測定対象物の前記音圧レベル波形、及び、該測定対象物のクラックの有無の検知結果を表示する表示装置を備えた
ことを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれか一項に記載の薄板検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１０３０３４（Ｐ２０１２−１０３０３４Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４９５５６（Ｐ２０１０−２４９５５６）
【出願日】平成２２年１１月８日（２０１０．１１．８）
【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５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月８日（２０１０．１１．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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