JP2012107918A - Crack detection device and crack detection method - Google Patents

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奨 藤原
Sota Komae
草太 小前
Junichiro Hoshizaki
潤一郎 星崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crack detection device capable of accurately detecting a location of crack occurrence through measurement of frequency variation in an ultrasonic band radiated from a crack located within a measuring object which is floated and vibrated in the air.SOLUTION: A crack detection device A vibrates a whole area of a diaphragm 20 in a primary vibration mode in a unified cycle, so that a sound flow of compressional waves at a single frequency in an ultrasonic band is radiated at a predetermined sound pressure level at an arbitrarily-designed resonance frequency, allowing the measuring object 25 to be floated and vibrated on one surface of the diaphragm 20 in response to the wavelength of the resonance frequency. A sensing part 30 of the device A determines crack occurrence in the measuring object 25 when frequency characteristic variation is detected in the detected and measured sound flow.

Description

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。   The present invention uses an acoustic flow with a strong sound pressure level in the frequency band in the ultrasonic region, and cracks (for example, internal flaws and defects, internal empty walls, internal cavities, etc.) existing in measurement objects such as solar cells. The present invention relates to a crack detection apparatus and a crack detection method that can accurately detect various defects present in a measurement object.

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。   Conventionally, there are apparatuses and methods for detecting cracks in a semiconductor substrate by ultrasonic flaw detection. As such, “Place the object to be measured in water or other liquid, scan the probe over it, send and receive sound waves from it, and detect the abnormal part directly under the probe on the secondary plane. Alternatively, there is proposed an ultrasonic flaw detection method in which an arbitrary cross section is displayed in a quadratic plane, and a silicon lump flaw detection method in which the object to be measured is a polycrystalline silicon lump and the flaw detection frequency is 0.5 to 10 MHz is proposed ( For example, see Patent Document 1). This flaw detection method utilizes the characteristic of ultrasonic waves, that is, the characteristic that attenuation is low in water or liquid.

特開2001−21543号公報(第3頁、第1図等)JP 2001-21543 A (3rd page, FIG. 1 etc.)

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。   In the technique described in Patent Document 1, ultrasonic waves in a high frequency band of 0.5 to 10 MHz are generated in order to detect small cracks existing in a silicon mass that is a measurement object. Moreover, in order not to attenuate the sound pressure level of the generated ultrasonic wave, it is performed in water or liquid. However, in such a method, when the measurement object is a thin film such as a solar cell, there is a possibility that the measurement object is further damaged during the operation of putting the measurement object into or out of water or liquid. there were.

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。   Moreover, since the frequency of the generated ultrasonic wave is high, the amplitude is inevitably small. Therefore, it is possible to detect fine cracks by detailed analysis, but it is necessary to scan the measurement object finely according to the frequency amplitude, and it takes a lot of time to scan the surface of the measurement object. There is.

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。   Therefore, a general piezoelectric element using PZT (lead zirconate titanate) that can emit a strong sound pressure level in an ultrasonic frequency band lower than the frequency of the technique described in Patent Document 1 is used. It is conceivable to use an ultrasonic generator. Then, by utilizing the “acoustic flow” of the sound pressure level by powerful ultrasonic waves, the measurement object is floated and vibrated in the air at an arbitrary height, thereby detecting a crack in the measurement object. Specifically, the acoustic radiation characteristics generated from cracks and internal defects present in the measurement object, or the sound pressure level attenuation of the frequency in the ultrasonic band that attenuates in the air layer such as the internal empty wall should be measured. Then, the crack of the measurement object is detected.

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。   A general ultrasonic generator oscillates a piezoelectric element by applying a voltage to the piezoelectric element and acoustically oscillates a specific frequency by using a resonance frequency of vibration in a certain direction. In such an ultrasonic generator, the frequency generated by the piezoelectric element generally has an ultrasonic range of 18 kHz or higher that is different from the frequency of the audible range, and the sound pressure level is emitted into the air. The sound pressure level is extremely attenuated. Therefore, in order to amplify the sound pressure level, a resonance structure (horn structure) is attached to the surface vibration direction of the piezoelectric element so that the frequency of the surface vibration of the piezoelectric element matches the frequency of the resonance structure. There are many cases.

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。   However, since a strong sound pressure level is generated only at the tip of the horn, there is a problem in that a measurement object having an arbitrary area cannot be lifted uniformly or transmitted through the entire measurement object uniformly in a short time. was there.

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。   The present invention has been made to solve the above-described problems. The measurement object is floated, vibrated in the air, and the frequency fluctuation of the ultrasonic band radiated from a crack existing inside the measurement object is achieved. It is intended to provide a crack detection device and a crack detection method that can accurately detect the location where a crack occurs by measuring the above.

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。   The crack detection device according to the present invention is formed of an ultrasonic transducer that generates ultrasonic waves in a predetermined frequency band, and a square metal material having an arbitrary area and arbitrary thickness, and one surface of the ultrasonic transducer is A diaphragm attached to one end, and sensing means for detecting and measuring spatial radiated sound in an arbitrary ultrasonic band generated from the measurement object, and the diaphragm has a natural frequency exceeding the supersonic frequency. It matches the natural frequency of the ultrasonic vibrator, causes vibration and resonance phenomenon of the ultrasonic vibrator, and vibrates the entire surface in the form of a primary vibration mode with the same period. An acoustic stream that is a dense wave with a single frequency in the sonic band is radiated at a predetermined sound pressure level, and the object to be measured is levitated and vibrated on the other surface according to the wavelength of the resonance frequency. .

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。   The crack detection method according to the present invention generates an ultrasonic wave of a predetermined frequency band using an ultrasonic vibrator, is formed of a square metal material having an arbitrary area and an arbitrary thickness, and one surface thereof is the ultrasonic vibration. Using a diaphragm attached to one end of a child, matching the natural frequency of the diaphragm with the natural frequency of the ultrasonic vibrator, causing a resonance phenomenon with the ultrasonic vibrator, and the vibration The entire surface of the plate is vibrated in the form of a primary vibration mode with the same period, and an acoustic flow that is a dense wave with a single frequency in the ultrasonic band is radiated at a predetermined sound pressure level at an arbitrarily designed resonance frequency. The object is levitated and vibrated on the other surface of the diaphragm portion according to the wavelength of the resonance frequency, and the spatial radiation sound of an arbitrary ultrasonic band generated from the measurement object is detected and measured using the sensing means. Levitation measurement object Wherein by measuring the frequency variation of the acoustic flow between the diaphragm portion, and detecting the presence or absence and presence position of cracks in the measurement object and.

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。   According to the crack detection device and the crack detection method according to the present invention, it is possible to radiate high sound pressure ultrasonic waves from the diaphragm, and it is possible to stably vibrate the measurement object in the air. In particular, a sound can be generated from a measurement object having cracks.

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。It is the schematic which shows the whole system of the ultrasonic generator of the crack detection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows an example of the result of having measured an actual vibration state and analyzing the vibration mode state. 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。It is a schematic diagram which shows typically the state of the vibration mode in which the diaphragm part is vibrating uniformly. クラック検知装置の全体系を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole system of a crack detection apparatus. 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。It is explanatory drawing for demonstrating the sound radiation state of a crack detection apparatus, and the floating state of a measuring object. 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。It is explanatory drawing which shows typically distribution of the sound radiation state of the to-be-measured object. クラックの検知前の音放射特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the sound radiation characteristic before the detection of a crack. 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。It is explanatory drawing which shows the sound radiation characteristic when the crack which exists in a measuring object is detected.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an entire system of an ultrasonic generator 100 of a crack detection apparatus A according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a result obtained by measuring the actual vibration state and analyzing the vibration mode state. FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the state of the vibration mode in which the diaphragm 20 is vibrating uniformly. The ultrasonic generator 100 which comprises the crack detection apparatus A is demonstrated based on FIGS. In addition, in the following drawings including FIG. 1, the relationship of the size of each component may be different from the actual one.

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。   The ultrasonic generator 100 generates a dense wave with a strong sound pressure level by oscillating an ultrasonic vibrator. The ultrasonic generator 100 includes a plurality of piezoelectric elements 10 such as PZT (lead zirconate titanate) sandwiched between holding parts 11 made of a metal material such as aluminum and fixed. 12 is provided. The ultrasonic transducer 12 is entirely applied by applying a pulse voltage to the piezoelectric element 10 and propagating a single vibration frequency of 18 kHz or more generated by the oscillation of the piezoelectric element 10 to the holding unit 11. Vibrates in one ultrasonic band. Note that an ultrasonic transducer such as this structure generally oscillates in the ultrasonic band of 18 kHz to 50 kHz.

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。   A diaphragm portion 20 is attached to one end of the ultrasonic transducer 12. The diaphragm 20 is fixed to one end of the ultrasonic transducer 12 using at least one of fixing members such as an adhesive and a screw. The ultrasonic generator 100 is designed so that the natural frequency generated by the ultrasonic transducer 12 is, for example, 25 kHz, and the vibration plate unit 20 has a primary natural frequency that vibrates at 25 kHz. That is, the ultrasonic generator 100 has a structure design in which the natural frequency of the ultrasonic transducer 12 and the natural frequency of the diaphragm 20 are matched.

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。   In this structural design, in particular, a rectangular shape (specifically, a square shape in which the primary natural frequency is 25 kHz when the material (for example, aluminum) constituting the diaphragm portion 20 is subjected to center excitation at the stage of designing the rectangular shape. ) And its thickness.

その決定要因は以下の式で示す通りである。

Figure 2012107918
The determining factor is as shown in the following formula.
Figure 2012107918

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。 In the above equation, λ is the vibration coefficient of the diaphragm 20, l is the distance (mm) from the fixed point of the diaphragm 20 (contact center point with the ultrasonic transducer 12), and E is the diaphragm 20. Young's modulus of the material (if the material is an aluminum 70.6GPa), I is the second moment in longitudinal section of the diaphragm portion 20 (bh 3/12), d the structure of the diaphragm portion 20 The density of the material (2.68 kg / m 3 if the constituent material is aluminum), A is the cross-sectional area (b × h) in the longitudinal section of the diaphragm portion 20, and b is the width (one side of the diaphragm portion 20). Length: mm (for example, 200 mm)), and h represents the height (thickness: mm) of the diaphragm 20.

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)。   By completely fixing the diaphragm 20 designed by the above formula to the ultrasonic vibrator 12, the diaphragm 20 vibrates as a primary natural vibration in an ultrasonic band in which the respective natural frequencies coincide with each other. The vibration mode of the diaphragm 20 at this time is a regular vibration mode state having “sparse” and “dense” portions as shown in FIG. This vibration mode has a vibration distribution in which the left and right and upper and lower sides are bent with the center of the diaphragm 20 (the center of the diaphragm 20 at the portion where the ultrasonic transducer 12 is fixed) as a base point (shown in FIG. 1). Dotted line a). Further, the vibration distribution is such that it is bent in a triangular shape so that the corners of the diaphragm 20 are aligned (dotted line b shown in FIG. 1).

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。   Therefore, this vibration mode is tentatively referred to as “square + triangular vibration mode” based on the ultrasonic vibrator 12 that vibrates and vibrates the center of the diaphragm portion 20. A portion where the rectangular vibration mode and the triangular vibration mode intersect (portions other than the dotted line a and the dotted line b shown in FIG. 1) becomes a vibration “antinode”, and this “antinode” portion indicates the vibration speed and the vibration displacement amount. Is the “dense” part. On the other hand, the portion other than the portion where the square vibration mode and the triangular vibration mode intersect (dotted line a and dotted line b shown in FIG. 1) becomes the vibration “node”, and this “node” portion is the vibration velocity and vibration. The displacement is the sparse part.

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。   From FIG. 2, it can be seen that in the “square + triangular vibration mode”, a large vibration amplitude is generated in the portion corresponding to the “belly” of the diaphragm 20. In a portion corresponding to this “belly”, a vibration speed corresponding to 1 m / sec is generated. On the other hand, it can be seen that almost no vibration amplitude is obtained at the portion corresponding to the “node” of the diaphragm 20. That is, the vibration amplitude of the vibration plate portion 20 is greatly generated in a portion corresponding to “antinode” = dense, and is hardly obtained at other portions (portion corresponding to “node” = sparse). It is.

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。   This shows that the same vibration state can always be obtained as long as the vibration frequency of the ultrasonic band in the piezoelectric element 10 does not change. As will be described later, this also means that it is possible to obtain pressure fluctuation = “acoustic flow” caused by a strong sound pressure level accompanying vibration amplitude for stably levitating the measurement object. As shown in FIG. 1, the diaphragm 20 radiates vibrations at uniform distance intervals throughout the diaphragm 20 with the center of the diaphragm 20 as a base point. That is, the diaphragm 20 repeats vibration in the front and back directions at the vibration portion that becomes the “belly”. Therefore, in the diaphragm portion 20, a phenomenon that always repeats a constant vibration mode occurs.

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。   FIG. 3 schematically shows a form of “dense / dense wave” that is generated when the diaphragm 20 vibrates uniformly in the “square + triangular vibration mode”. Further, in FIG. 3, the sound radiated from the entire surface of the diaphragm 20 to the air with a certain directivity from the dense portion of the “dense wave” in the vibration state of the diaphragm 20 to the air. A “dense wave” state is also schematically shown. As shown in FIG. 3, sound density waves are generated (formed) in a period corresponding to the wavelength of the ultrasonic band frequency generated in the diaphragm 20, and the intervals between density waves are uniformly stable. It has become. In FIG. 3, regarding the “sparse / dense wave” state of the sound, the surface side of the ultrasonic transducer 12 that is not the fixed side is illustrated.

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。   As described above, the diaphragm 20 and the ultrasonic vibrator 12 vibrate at the same natural frequency, and the vibration in the ultrasonic band generated by the plurality of piezoelectric elements 10 has a strong vibration speed. become. The vibration speed reaches 1 m / sec. Since an equivalent vibration speed is also propagated to the diaphragm portion 20, the vibration speed is equivalent to 1 m / sec in the vibration portion of the vibration mode which is the “antinode” of the diaphragm portion 20. In this vibration speed state, acoustic radiation having an ultrasonic frequency of 25 kHz is generated from the diaphragm portion 20, and the sound pressure level is 140 dB or more at a minimum.

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。   This sound pressure level is radiated into the space with a linear directivity from the portion of the diaphragm 20 that forms the “belt” of the “square + triangular vibration mode”. This sound radiation becomes a uniform dense wave according to the wavelength of the oscillating frequency. Sound radiation having a sound pressure level of 140 dB or more is generated with almost no attenuation even at a position 20 cm away from the diaphragm 20, and sound radiation due to non-linear sound radiation characteristics in the ultrasonic region is performed. Will be.

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。   FIG. 4 is a schematic diagram showing the entire system of the crack detection apparatus A. FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the sound radiation state of the crack detection device A and the floating state of the measurement object 25. FIG. 6 is an explanatory view schematically showing the distribution of the sound radiation state of the measurement object 25 that is levitating, that is, the movement of the “acoustic flow” when the measurement object (cell 26) is actually levitating. is there. FIG. 7 is an explanatory diagram showing sound radiation characteristics before crack detection. FIG. 8 is an explanatory diagram showing sound radiation characteristics when a crack existing in the measurement object 25 is detected. The crack detection apparatus A and the crack detection method will be described with reference to FIGS.

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。   As shown in FIG. 4, the crack detection apparatus A includes the ultrasonic generator 100 and the sensing unit 30 described above. The sensing unit 30 has a function of detecting spatial radiated sound generated from the diaphragm 20 and the measurement object 25. That is, the sensing unit 30 can measure and analyze a strong natural frequency of the ultrasonic band generated in the vibration plate unit 20 and a frequency component of the measurement object 25 described later. . The sensing unit 30 is installed in an axial space having a sensing distance c from a portion corresponding to the center of the diaphragm unit 20. The sensing unit 30 has a function capable of performing FFT processing on the detected sound and converting it into a function of frequency.

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。   By installing the sensing unit 30 in a portion corresponding to the “dense” of the dense wave due to the acoustic flow, it becomes possible to constantly receive an acoustic energy change. Since the spatially radiated sound generated from the measurement object 25 fluctuates in an arbitrary ultrasonic band, stable acoustic measurement can be achieved by installing the sensing unit 30 in a portion corresponding to “dense” of the dense wave due to the acoustic flow. It becomes possible. The sensing unit 30 is not particularly limited as long as it can perform acoustic measurement. For example, a microphone is optimally used as the sensing unit 30, but an airborne ultrasonic sensor such as a PZT piezoelectric element that can detect an ultrasonic band signal may also be used.

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。   As shown in FIG. 5, when the ultrasonic generator 100 is driven, the measurement object 25 is levitated in a portion between the diaphragm 20 and the sensing unit 30 where the acoustic wave causes a “sparse” density wave. be able to. When the frequency generated from the diaphragm 20 is, for example, 25 kHz, the levitation position of the measurement object 25 is determined in units of 6.8 mm of ½ wavelength. Unless the frequency generated from the diaphragm 20 fluctuates, the acoustic wave density wave does not fluctuate, so that the measurement object 25 can always be levitated in a stable state.

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。   Hereinafter, a case where the measurement object 25 is a solar cell for power generation (hereinafter referred to as a cell 26) used for solar power generation will be described. The cell 26 is in a very thin plate state, and currently a thin film state of around 200 μm is common. This thin cell 26 can be easily levitated in the sparse part of the acoustic flow. Therefore, the crack detection apparatus A is configured to accurately detect a crack in the material (cell 26) using the floating state of the cell 26. Needless to say, a cell having an arbitrary thickness other than the cell 26 can be levitated.

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。   In general, in the cell 26, an electrode necessary for power generation is formed on a base material such as ceramic by baking or the like. It is necessary to go through several work steps to reach the final cell state. During these solar cell manufacturing processes, an external force may be applied to the cell 26, so that the cell 26 may be injured with visible scratches or invisible small scratches. . Further, the cell 26 has scratches such as “missing” existing on the outer periphery thereof, microscopic scratches reaching or reaching from the inside in the thickness direction of the material of the cells 26, and further, the thickness. There may be a cavity or the like generated between the material crystals in a part of the direction.

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。   In order to reliably detect these various kinds of scratches existing in the cell 26, the visible scratches can be detected by a visual inspection test or a sound having a frequency characteristic in the audible range generated by lightly tapping the cell 26. There was no choice but to rely on an auditory test to distinguish changes with human ears. Therefore, it has been extremely difficult to reliably detect various scratches present in the cell 26.

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。   In the work process, an external force may affect the cell 26 to cause “sledge”. The amount of “sledge” is about 0.5 mm on average. When the cell 26 in this state is levitated by an “acoustic flow” caused by sound radiation in a strong ultrasonic frequency band, the acoustic flow is moved from the center of the cell 26 to the outer peripheral edge so as to follow the “sled” state of the cell 26. (See FIG. 6). Further, the strong sound pressure level has a force that causes the cell 26 to vibrate slightly. Even when the external force in the work process does not affect, when the cell 26 is levitated, the cell 26 has a “sledge”.

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。   Due to the minute vibration, an elastic wave is generated from the cell 26 due to a difference in elastic force between large and small “scratches” generated in the inside and / or the outer periphery. This elastic wave generates sound in a frequency band other than audible due to a difference in dimensions such as the size and shape of the scratches and a “contact sound” due to contact between the scratches. This sound is generally called AE (Acoustic Emission) and is known to have a frequency in the ultrasonic band. The “acoustic excitation” by the acoustic flow to the cell 26 due to the strong sound pressure level generates AE, and the “sledge” of the cell 26 makes it easy to vibrate = vibrate the cell 26 itself.

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。   Furthermore, the strong sound pressure level in the ultrasonic band has a force that penetrates the cell 26 itself, and can pass through the empty wall and the internal cavity inside the cell 26, and during this passage, friction with the air. The sound pressure level is attenuated due to the above. Therefore, by measuring in detail the attenuation of the sound pressure level at the single frequency portion of the ultrasonic transducer 12, the sound pressure level attenuation phenomenon (acoustic sound) generated by passing through the empty wall and the internal cavity inside the cell 26 is obtained. It is possible to grasp the existence of empty walls and internal cavities.

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。   That is, the crack detection apparatus A floats and vibrates the measurement object 25 on the upper surface of the diaphragm 20 at the “sparse” portion of the arbitrarily high density wave corresponding to the wavelength of the resonance frequency, and floats the measurement object 25. The sound flow between the vibration plate portion 20 and the diaphragm portion 20 is vibrated with periodicity, thereby generating sound radiation having a frequency variation corresponding to a crack existing in the measurement object 25 as a variation in the spatial sound field. Can do it.

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。   Based on FIGS. 7 and 8, the measurement result of the radiated sound measured by the sensing unit 30 will be described in more detail. FIG. 7 shows frequency characteristics when nothing is placed on the surface of the diaphragm 20. FIG. 8 shows an analysis example of the measurement result of the acoustic characteristics that the cell 26 is levitated and radiated from the cell 26. 7 and 8 are graphs showing examples of waveforms after FFT processing of radiated sound. 7 and 8, the horizontal axis represents the oscillation frequency [f], and the vertical axis represents the response (sound pressure level) [dB]. Further, Fs is an oscillation frequency (resonance frequency: K) in a resonance state when the natural frequencies radiated from the structure of the ultrasonic vibrator 12 + diaphragm portion 20 match each other, and the sound pressure is 140 dB or more on average. Has produced a level.

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。   The frequency characteristics can be confirmed by measuring the ultrasonic band including the resonance frequency band (with a resonance frequency K described later) of 18 kHz or more. The frequency band that can be measured depends on the sensing unit 30 used for the measurement and the circuit characteristics of the input conversion function that can input the sound pressure-voltage converted output by the sensing unit 30. In particular, when a microphone or the like is used as the sensing unit 30, it is generally a limit that can measure up to 80 kHz.

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。   In the state shown in FIG. 7, since nothing is on the surface of the diaphragm portion 20, only the frequency of a single ultrasonic band can be measured. A range surrounded by a broken line indicated by a solid line d shown in FIG. 7 is a bass sound level that is a minimum sound pressure level measured by the sensing unit 30, and a sound pressure level of about 30 dB is generated. In the state shown in FIG. 7, there is no sound generating material because there is no floating part in the diaphragm portion 20, and therefore no characteristic change occurs on the base line as indicated by the solid line d.

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。   On the other hand, in the state shown in FIG. 8, that is, in the state where some flaws exist in the levitated cell 26, the appearance phenomenon of a plurality of peak frequencies can be measured on the bass sound level line. Furthermore, depending on the state of the cell 26, a change may appear in the characteristics of the portion close to the bass sound level of the resonance frequency K. Below, the tendency of each characteristic is explained in order. Depending on the state of the cell 26, the characteristic frequency characteristic change appearing in the bass sound is not limited to one, and a plurality of changes may appear.

[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。
[Characteristic A]
This is a peak frequency component generated by the flaw state of the cell 26, and one or more peak frequency components are generated. That is, the characteristic A is generated by an arbitrary scratch existing inside the measurement object 25.
[Characteristic B]
This is a peak frequency component generated by the state of scratches generated on the outer periphery of the cell 26, and a peak frequency component close to a single is generated. That is, the characteristic B is likely to occur when there is a flaw that reaches the outer peripheral edge of the measurement object 25.

[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。
[Characteristic C]
This is a peak frequency component that occurs when a very small or very small scratch exists in the cell 26, and affects the size of the scratch and is generated in a very high frequency band.
[Characteristic D]
This is an example of frequency fluctuation that occurs when the cell 26 has a large “sledge” or when the cell 26 itself is in a weak state due to the influence of an external force, resulting in a weak state. . This characteristic D is generated at the “side” portion of the resonance frequency K.
[Characteristic E]
This is a fluctuation state of frequency characteristics due to attenuation (eg, 140 dB → 130 dB) of the maximum sound pressure level of the resonance frequency K that occurs when an air layer due to an empty wall or the like inside the cell 26 exists.

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。   As described above, according to the crack detection device A, since the vibration plate portion 20 that vibrates in the “square + triangular vibration mode” is provided, various fluctuations occur in the frequency characteristics depending on the measured flaw state of the cell 26. The factor can be analyzed. Also, it is possible to detect flaws by analyzing these as items for measuring fluctuations in peak value due to fluctuations in frequency characteristics and periodic fluctuations due to periodic changes in the waveform of the time axis.

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。   Therefore, according to the crack detection apparatus A, pressure fluctuations due to sound waves due to a dense wave having a strong sound pressure level (especially 140 dB or more) depending on the frequency of the ultrasonic band = “acoustic flow” is uniformly emitted in the air in an arbitrary area. In addition, the measurement object 25 is levitated on the part of the sparse “sparse” and the measurement object 25 levitated by using the “sledge” on the surface of the measurement object 25 is levitated + (plus) in the air By measuring the frequency fluctuation of the ultrasonic band radiated from the scratches, defects, empty walls, etc. inside the measurement object 25 by vibrating, scratches, defects, sky, etc. inside the measurement object 25, etc. It becomes possible to effectively detect problem parts such as walls.

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。   Moreover, according to the crack detection apparatus A, the sound radiation of the frequency fluctuation | variation according to the damage | wound which exists in the inside of the measuring object 25 etc. can be generated as a fluctuation | variation of a spatial sound field. Therefore, according to the crack detection apparatus A, there is a state in which the measurement object 25 has a problem in material rigidity such as a scratch, a defect, and a hollow wall by detecting the sound radiation fluctuation generated from the measurement object 25. Whether it exists can be measured and determined in a short time.

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。   Moreover, according to the crack detection apparatus A, it can be provided in any of the manufacturing line of a semiconductor substrate and the manufacturing line of some apparatus incorporating the semiconductor substrate, and the measurement object is obtained by appropriately performing the flaw detection of the measurement object 25. The yield of the objects 25 can be greatly improved.

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。   In the embodiment, the case where there is one sensing unit 30 has been described as an example. However, the number of sensing units 30 is not limited, and a plurality of sensing units 30 of the same type may be installed. You may make it install combining the sensing part of different structures, such as the combination of a microphone and an airborne ultrasonic sensor.

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric element, 11 Holding part, 12 Ultrasonic vibrator, 20 Diaphragm part, 25 Measuring object, 26 Solar cell, 30 Sensing part, 100 Ultrasonic generator, A crack detection apparatus.

Claims (7)

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。
An ultrasonic transducer that generates ultrasonic waves in a predetermined frequency band;
A diaphragm portion that is formed of a square metal material having an arbitrary area and an arbitrary thickness, and one surface is attached to one end of the ultrasonic transducer;
Sensing means for detecting and measuring spatial radiated sound in an arbitrary ultrasonic band generated from the measurement object,
The diaphragm portion is
The natural frequency matches the natural frequency of the ultrasonic vibrator, causes a resonance phenomenon with the vibration of the ultrasonic vibrator, and the entire surface vibrates in the form of a primary vibration mode with a period that matches, An acoustic flow that is a dense wave with a single frequency in the ultrasonic band at an arbitrarily designed resonance frequency is radiated at a predetermined sound pressure level, and the object to be measured is levitated on the other surface according to the wavelength of the resonance frequency. A crack detection device characterized by vibrating.
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。
The diaphragm portion is
The acoustic flow is radiated at a sound pressure level of 140 dB or more, and the measurement object is levitated and held in a sparse part of the acoustic flow radiated from the entire surface of the diaphragm portion. Crack detection device.
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。
The sensing unit is
By detecting the frequency variation of the acoustic flow between the levitated measurement object and the diaphragm part by the warp existing on the surface of the measurement object, the presence or absence of cracks and the location of the measurement object are detected. The crack detection device according to claim 2, wherein:
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。
The primary vibration mode form of the diaphragm part,
The vibration distribution as if the left, right, top, and bottom sides were bent with the center of the vibration plate portion at the fixed portion of the ultrasonic vibrator as a base point, and the corner portion of the vibration plate portion was folded into a triangular shape. The crack detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein a vibration distribution is selected.
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。
Figure 2012107918
The diaphragm portion is
It is designed from the following formula. The crack detection device according to claim 4 characterized by things.
Figure 2012107918
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。
The sensing unit is
It is installed in the dense part of the acoustic flow radiated | emitted from the said diaphragm part. The crack detection apparatus as described in any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned.
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。
Generate ultrasonic waves of a predetermined frequency band using an ultrasonic transducer,
Using a diaphragm part formed of a square metal material having an arbitrary area and an arbitrary thickness and having one surface attached to one end of the ultrasonic vibrator, the ultrasonic vibration is set to the natural frequency of the diaphragm part. The resonance frequency is made to coincide with the natural frequency of the child, causing a resonance phenomenon with the ultrasonic vibrator, and the entire surface of the diaphragm is vibrated in the form of a primary vibration mode having the same period, and ultrasonic waves are generated at an arbitrarily designed resonance frequency. An acoustic flow that is a dense wave with a single frequency in a band is radiated at a predetermined sound pressure level, and a measurement object is levitated and vibrated on the other surface of the diaphragm portion according to the wavelength of the resonance frequency,
Detect and measure spatially radiated sound in any ultrasonic band generated from the measurement object using sensing means,
The crack detection method characterized by detecting the presence or absence and the location of a crack of a measurement object by measuring the frequency fluctuation | variation of the acoustic flow between the levitated measurement object and the said diaphragm part.
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