JP2012255811A - クラック検知装置及びクラック検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物を浮上させながら、非接触で測定対象物の表面だけでなく内部のクラックを検出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。
【解決手段】測定対象物５０を空中に浮上させる浮上手段１と、浮上した測定対象物５０を上下方向に加振する加振手段２と、加振手段２の測定対象物５０への加振入力に対する応答出力を検出する動作検出装置３と、動作検出装置３の出力に基づき測定対象物のクラックの有無を検知するクラック検知手段４とを備え、浮上手段１及び加振手段２は、正又は負の電極に接続された下板１３を有し、下板１３に電圧を印加して下板１３と下板１３上に載置した測定対象物５０とを同電荷に帯電させることにより測定対象物５０を空中に浮上させると共に、電極への入力電圧レベルを周期的に変動させて測定対象物５０を加振する。
【選択図】図４

Description

本発明は、測定対象物内に発生したクラックを検知す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。

従来、クラックを検出する方法としては、測定対象物に振動を与えることにより音を発生させ、発生音を音響解析してそれぞれの音に対応するパワースペクトルを求め、所定の周波数領域でのパワースペクトルのスペクトル強度の差に基づいてクラックの有無を判断する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

他には、空気の吹き出しおよび吸引によって測定対象物を浮上させ、浮上状態でカメラによる表面検査を行う方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−９０８７１号公報（第９頁、図２） 特開２００９−５１６５４号公報（第１２頁、図１）

特許文献１に記載の技術では、測定対象物の所定の位置を支持し、弾性部材で測定対象物を打撃することにより振動を与える方法を用いている。しかしながら、このような方法では、打撃の衝撃によって測定対象物に新たな割れが発生してしまう可能性があるという問題がある。

また、特許文献２に記載の技術では、測定対象物を浮上させながら検査を行うので、非接触状態での検査が可能である。しかし、カメラによる表面検査であるため測定対象物の内部にあるクラックの検知は困難であり、さらに、測定対象物の表面全面を検査するので、検査に時間がかかるという問題がある。

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、測定対象物の表面及び内部のクラックを非接触且つ短時間で検知可能な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。

本発明に係るクラック検知装置は、測定対象物を空中に浮上させる浮上手段と、浮上した測定対象物を上下方向に加振する加振手段と、加振手段の測定対象物への加振入力に対する応答出力を検出する動作検出装置と、動作検出装置の出力に基づき測定対象物のクラックの有無を検知するクラック検知手段とを備え、浮上手段及び加振手段は、正又は負の電極に接続された下板を有し、下板に電圧を印加して下板と下板上に載置した測定対象物とを同電荷に帯電させることにより測定対象物を空中に浮上させると共に、電極への入力電圧レベルを周期的に変動させて測定対象物を加振するものである。

本発明によれば、測定対象物を空中に浮上させた状態で検査を行うので、測定対象物にダメージを与えずに検査することができる。また、浮上状態の測定対象物を上下方向に加振したときの応答出力に基づきクラックの検出を行うため、浮上時の応答のバラツキによる悪影響を極力排除して測定対象物の表面及び内部のクラックを迅速に検知できる。

本発明の一実施の形態に係るクラック検知装置を説明するためのブロック図である。 図１の浮上手段及び加振手段として超音波を用いた場合のクラック検知装置の一例を示す模式図である。 図１の加振手段の加振入力に対する応答の一例を示す模式図である。 図１の浮上手段として静電気を用いた場合の作用説明図である。 図１の加振手段として静電気を用いた場合の作用説明図である。 図１の浮上手段として気体又は液体を用いた場合のクラック検知装置の一例を示す模式図である。 図１の加振手段としてレーザー加熱を用いた場合の、クラックを有する測定対象物の振動波の一例を示す模式図である。 図１の浮上手段により測定対象物を浮上させるときの力の分布の一例を表す模式図である。

図１は、本発明の一実施の形態に係るクラック検知装置１００を説明するためのブロック図である。図１には、測定対象物５０を併せて図示している。
クラック検知装置１００は、測定対象物５０を空中に浮上させる浮上手段１と、浮上した測定対象物５０を上下方向に加振する加振手段２と、加振手段２の加振入力に対する応答（例えば、変位）を検出する動作検出装置３と、動作検出装置３の出力に基づきクラックの有無を検出するクラック検出手段４とを備えている。浮上手段１は、測定対象物５０の面内全体に浮揚力を作用させ、測定対象物５０を一定の高さに浮上させるものである。測定対象物５０としては、例えば電子部品が搭載される基板等が該当する。

動作検出装置３は、測定対象物５０の表面に対して鉛直方向に配設され、測定対象物５０の上下方向の変位を検知する例えば距離センサにより構成される。動作検出装置３によって検出された変位は、順次、クラック検出手段４に出力される。

クラック検出手段４は、動作検出装置３にて検出された変位を時系列に取得する。クラックがない場合とクラックがある場合とでは、加振されたときの測定対象物５０の挙動が後述するように異なる。よって、クラック検出手段４は動作検出装置３から取得した変位パターンと予め記憶した正常時の変位パターンとを比較することにより、クラックの有無を検出する。

＜浮上手段１及び加振手段２：超音波＞
図２は、図１の浮上手段１及び加振手段２として超音波を用いた場合のクラック検知装置１００の一例を示す模式図である。
図１の浮上手段１及び加振手段２の具体例として、超音波振動子（以下、振動子という）１０と、ホーン１１と、振動板１２とを備えている。なお、ホーン１１が備えられていなくても、浮上手段１及び加振手段２としての機能を発揮することができる。以下、振動子１０の浮上手段１としての動作と、振動子１０の加振手段２としての動作について順次説明する。

（浮上手段１としての動作）
振動子１０には、図示省略の圧電素子が設けられており、この圧電素子に正電極端子及び負電極端子を介してパルス電圧が印加され、圧電素子が発振するようになっている。つまり、振動子１０は、圧電素子にパルス電圧が印加されることによって、所定の周波数範囲（１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）の音波（超音波）を発生する。ホーン１１は、両端面が開口され、内部に音響通路（超音波帯域の音響信号を増幅する通路）が形成されるように構成されており、振動子１０と振動板１２との間に取り付けられている。また、ホーン１１は円錐台形状に構成され、振動子１０側から振動板１２側に向けて徐々に縮径されているのが好ましい。

振動板１２は、ホーン１１の一端部（振動子１０と反対側の端部）に固着されており、振動子１０の発振（振動）と共振することによって共振波を作り出す機能を有している。この共振波は、振動板１２の両面（ホーン１１側の面（ホーン１１を設けない場合には振動子１０の設置面）１２ａ及びその対向面１２ｂ）の全体から放射されることになる。

圧電素子にパルス電圧が印加されると、１９ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ帯域の超音波が振動子１０から発生し、この超音波がホーン１１を介して振動板１２に伝搬する。振動板１２に伝搬した超音波は、共振され強力な音圧レベルを有する共振波となって振動板１２の表面全体から一様に放射される。そうすると、振動板１２と測定対象物５０との間には定在波による音響波が発生し、振動板１２の表面に置かれた測定対象物５０が空中に浮上することになる。

（加振手段２としての動作）
図３は、図１の加振手段２として超音波を用いた場合の作用説明図で、浮上加振時の入力レベルとそれに対する応答出力の時間変化とを表している。なお、図３の応答出力の実線はクラック無しの場合、点線はクラック有りの場合を示している。また、図３の入力レベル１の時には浮上用のパルス電圧が印加され、入力レベル２の時には浮上用電圧に更に加振用電圧を重畳したパルス電圧が印加される。
入力レベル１のとき、圧電素子に浮上用のパルス電圧が印加され、上述したように測定対象物５０は浮上する。そして、入力レベルを２に上げることにより、浮上用電圧に更に加振用電圧を重畳したパルス電圧が圧電素子に印加される。これにより、測定対象物５０の応答が大きくなる（つまり、更に浮上する）。そして、再び入力レベルを１に戻して一定に保つことにより、測定対象物５０の応答は小さくなる（つまり、測定対象物５０の位置が降下する）。これを繰り返し、浮上用電圧に加振用電圧を間欠的に重畳する。これにより、共振波に強弱が生じて測定対象物５０は一定の振幅を有した上下振動を行うことになり、振動子１０が加振手段２として動作することになる。

ここで、図３に示したように、クラック有りの場合とクラック無しの場合とでは応答出力が異なったものとなる。よって、クラック無しの場合の応答を予め検出しておき、その応答と比較することにより測定対象物５０のクラックの有無を検知することが可能である。

ところで、測定対象物５０が浮上している状態では、常に電気的なノイズが加わっており、小さな応答変化を検知するのは困難である。よって、上述したように浮上用電圧に加振用電圧を間欠的に重畳させ、故意にノイズによる変動以上の変位を与えることで、浮上時の応答のバラツキが検査結果に与える悪影響を極力排除することができる。したがって、測定精度を向上させることができる。

以下、浮上手段１及び加振手段２の他の具体例について順次説明する。

＜浮上手段１及び加振手段２：静電気＞
（浮上手段１としての動作）
図４は、図１の浮上手段１として静電気を用いた場合の作用説明図である。
浮上手段１は、正極と接続された下板１３を有している。下板１３に電圧が印加されることにより、下板１３に正電荷がチャージされ、チャージされた正電荷により測定対象物５０が帯電する。すなわち、測定対象物５０と下板１３とが同電荷に帯電し、お互い反発し合って測定対象物５０が下板１３から浮上する。なお、ここでは下板１３を正極と接続した構成を図示したが、負極としてももちろん良い。

（加振手段２としての動作）
図５は、図１の加振手段２として静電気を用いた場合の作用説明図であり、浮上加振時の電圧（入力）の時間変化と、それに対応する下板１３と測定対象物５０間の距離の時間変化とを併せて示した図である。
電圧レベルを周期的に変動させることにより、測定対象物５０は、浮上した状態を保ちながら上下に振動する。すなわち、浮上した状態から電圧レベルを下げると、同電荷に帯電した測定対象物５０と下板１３との間の反発力が弱くなり、下板１３と測定対象物５０との距離が小さくなる。そして、再び電圧レベルを上げると、測定対象物５０と下板１３との間の反発力が強まり、下板１３と測定対象物５０との距離が大きくなる。この動作を周期的に繰り返すことにより、測定対象物５０は上下に振動することになる。

なお、上記の説明では、測定対象物５０の下方に同電荷を帯電させるものを例として挙げたが、測定対象物５０の上方に対極の上板を更に加えてもよい。これにより、下板１３から離れる力に、上板に近づこうとする上方向の力が加わり、測定対象物５０の上下方向の変動を容易にすることができる。

＜浮上手段１：気体（例えば空気）又は液体（例えば水）＞
図６は、図１の浮上手段１として気体又は液体を用いた場合のクラック検知装置１００の一例を示す模式図である。
浮上手段１は、気体又は液体を噴出する装置(図示せず)を有し、気体又は液体を測定対象物５０の下面に向かって噴出させ、気圧又は液圧により測定対象物５０を空中に浮上させる。浮上手段１として気体又は液体を用いたときの加振手段２としては、上述の超音波又は静電気を用いれば良い。

＜加振手段２：レーザー加熱＞
図７（ａ）は、図１の加振手段２としてレーザー加熱を用いた場合の模式図である。図７（ｂ）は、クラックを有する測定対象物５０をレーザー加熱した際の振動波の分布を示す模式図である。
加振手段２は、レーザー加熱装置４０を有している。レーザー加熱装置４０から測定対象物５０のある一点に対してレーザーを照射すると、測定対象物５０には、照射点を中心に面方向に振動波が発生する。測定対象物５０にクラックや傷がある場合、図７（ｂ）に示すように振動波はクラックでせき止められ、面全体として不均一な分布になる。これを動作検出装置３により検知することにより、測定対象物５０のクラックの有無を検出することができる。なお、レーザーは、一点に限らず、複数個所に照射してもよい。加振手段２としてレーザー加熱を用いた時の浮上手段１としては、上述の超音波、静電気、気体又は液体が用いられる。なお、加振手段２としてレーザー加熱を用いる場合には、動作検出装置３を複数配置して測定対象物５０の各所の変位を検出し、クラック検出手段４にて振動波の不均一な分布を検知できるようにする。

ここでは、振動波分布によりクラック検知を行う例を説明したが、温度分布からでも検知可能である。測定対象物５０が加振された際、測定対象物５０にクラックがない場合は、測定対象物５０の温度分布は均一となる。一方、クラックがある場合、クラックにおいて破面同士がこすれ合い、摩擦熱が発生する。よって、クラックがある場合は、クラック付近の温度が高くなる。したがって、加振された測定対象物５０表面の温度分布を検出することにより、測定対象物５０のクラックの有無を検出することが可能である。この場合の動作検出装置３としては、加振入力に対する応答として温度を検知することになる。なお、温度分布の場合も上記振動波分布の検出の場合と同様、動作検出装置３を複数配置して測定対象物５０の各所の温度を検出し、クラック検出手段４にて温度の不均一な分布を検知できるようにする。

以上説明したように本実施の形態によれば、測定対象物５０を空中に浮上させながら検査を行うため、測定対象物５０にダメージを与えずに検査することができる。また、浮上状態の測定対象物５０を加振し、その加振による応答に基づきクラックの検出を行うため、浮上時の応答のバラツキによる悪影響を受けないクラック検出が可能である。よって、測定精度を向上することができる。

また、測定対象物５０を加振する際には、測定対象物５０全体を一度に加振するため、この加振入力に対する応答は、測定対象物５０の表面に限らず、内部に発生したクラックによっても、クラック有りの場合とクラック無しの場合とで異なったものとなる。よって、測定対象物５０の表面に限らず、内部にクラックが発生していても検知することができる。また、カメラにより表面全面を検査する方法に比べて検知時間を短縮化できる。このように、クラックの検知精度が上がるため、製造途中の割れ等を防止でき、歩留まり向上に効果がある。よって、省エネ化の効果も期待できる。また、製造途中の割れを防止できるため、割れた欠片による危険を防止できる。

上記の説明では、加振手段２として超音波、静電気、レーザー加熱を例に挙げたが、この他にも気体又は液体を測定対象物５０に噴射することにより加振する方法や、測定対象物５０の下方にコイルを設置して、電磁誘導により加振する方法でもよい。浮上手段１としては超音波、気体又は液体、静電気を挙げたが、浮上手段１と加振手段２は同じ手段を用いてもよいし、それぞれ別な手段を互いに組み合わせて用いることも可能である。なお、浮上手段１と加振手段２が異なる場合には、特に浮上状態を安定化させることが可能となるため、検知精度を向上させることが可能となる。

また、上記にて、動作検出装置３を測定対象物５０に対して上方に配設するように示したが、測定対象物５０の側面に配置し、上下方向の変位を検知するようにしてもよい。

さらに、図８に示すように、浮上手段１により測定対象物５０に対して発せられる浮揚力は、測定対象物５０の外側が最も大きくなるようにしてもよい。これにより、測定対象物５０が面方向に移動することを防ぐことができるので、安定した浮上状態を保つことができ、クラック検知精度の向上に結びつく。

浮上手段１を図２に示した超音波とした場合に測定対象物５０の外側の浮揚力が最も大きくなるようにするには、例えば、振動板１２の振動モードが振動板１２の外側に近いところで変位が大きくなるように周波数を調整したり、振動板１２の形状を変更する。浮上手段１を図４に示した静電気とした場合に測定対象物５０の外側の浮揚力が最も大きくなるようにするには、例えば、下板１３の外側に近い部分の入力電圧が大きくなるように調整する。浮上手段１を図６に示した気体又は液体とした場合に測定対象物５０の外側の浮揚力が最も大きくなるようにするには、気体又は液体が、測定対象物５０の外側で大きい圧になるように気体又は液体の噴出力を調整する。

１ 浮上手段、２ 加振手段、３ 動作検出装置、４ クラック検出手段、１０ 振動子、１１ ホーン、１２ 振動板、１３ 下板、４０ レーザー加熱装置、５０ 測定対象物、１００ クラック検知装置。

Claims (4)

1. 測定対象物を空中に浮上させる浮上手段と、
   浮上した測定対象物を上下方向に加振する加振手段と、
   前記加振手段の測定対象物への加振入力に対する応答出力を検出する動作検出装置と、
   前記動作検出装置の出力に基づき前記測定対象物のクラックの有無を検知するクラック検知手段と
   を備え、
   前記浮上手段及び前記加振手段は、正又は負の電極に接続された下板を有し、前記下板に電圧を印加して前記下板と前記下板上に載置した測定対象物とを同電荷に帯電させることにより測定対象物を空中に浮上させると共に、前記電極への入力電圧レベルを周期的に変動させて測定対象物を加振することを特徴とするクラック検知装置。
2. 前記浮上手段は、測定対象物の外側に作用する浮揚力が最も大きくなるようにして測定対象物を浮上させることを特徴とする請求項１記載のクラック検知装置。
3. 正又は負の電極に接続された下板に電圧を印加して、前記下板と前記下板上に載置した測定対象物とを同電荷に帯電させることにより測定対象物を空中に浮上させ、
   前記電極への入力電圧レベルを周期的に変動させて前記浮上した測定対象物を上下方向に加振し、
   測定対象物への加振入力に対する応答出力を検出し、
   検出結果に基づき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クラック検知方法。
4. 測定対象物の外側に作用する浮揚力が最も大きくなるようにして測定対象物を浮上させることを特徴とする請求項３記載のクラック検知方法。

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