JP2013108892A - 超音波検査方法及び超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】規則的に配列する凹凸形状の検査体の超音波検査において、導波物質で検査表面を覆うことなく、簡便に検査可能な領域を拡大する超音波検査方法及び超音波検査装置を提供することにある。
【解決手段】制御部１０３は、超音波プローブの振動素子の組合せに応じて、使用する振動素子を選択する切替制御回路１０３Ｂと、前記超音波プローブの振動素子の組合せに応じて、使用する振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させる遅延制御回路１０３Ｃと、受信部から得られる信号を加算処理する加算部１０３Ｄとを備える。加算部１０３Ｄは、振動素子の組合せ毎の画像を合成処理して得られる検査画像を表示部１０４に表示する。
【選択図】図５

Description

本発明は、超音波検査方法及び超音波検査装置に係り、特に、凹凸形状を有する検査体の検査に好適な超音波検査方法及び超音波検査装置に関する。

半導体やＩＣなどの微細な構造物（検査対象）の内部のはく離やボイドなどの検査においては、従来、単一焦点型の超音波プローブをスキャナなどにより機械的に二次元走査する方法が実用化されている。

また、半導体の構造が微細化する一方で、それを封止する材料であるモールド樹脂も、機械強度を高めるとともに半導体で発生する熱を排除するために、様々な材料が開発されている。モールド樹脂は、エポキシ系樹脂とカーボンやシリカガラスなどのフィラーと呼ばれる微細な繊維状や球形の充填剤を混ぜて製造されている。

このようなモールド樹脂で封止された状態の半導体を超音波を用いて検査する際においては、このモールド樹脂中のフィラーがノイズ源となっていた。

そのため、アレイ型超音波センサを用いた超音波検査において、アレイ型超音波センサの一部の圧電振動素子に遅延時間を与えて超音波を集束して送・受信する際に、超音波の集束位置は同一の状態で前記圧電振動素子の送信素子と受信素子の組合せを複数回切替えることで超音波の伝搬経路の異なる反射信号を複数回収録し、得られた反射信号を加算あるいは平均化処理して、順次アレイ方向に電子的に走査し、検査対象内部を画像化することで、超音波の伝搬経路で重畳するノイズの影響を低減し、ＳＮ比を向上できるようにし、さらに、検査対象内部からの反射信号が超音波波形であっても、超音波波形の所定の時間にゲート処理を行った反射強度であっても、検査画像であっても、ＳＮ比を向上する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、凹凸形状の検査体に超音波を入射して超音波検査する方法として、検査体の検査表面が平坦となるように、音響インピーダンス値が検査体と同一または近似する導波物質によって検査表面を覆う手法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許４６４４６２１号公報 特開平９−１３３６６４号公報

近年の検査対象である半導体やＩＣの構造は、微細化の一途をたどっている。半導体の構造が微細化する一方で、半導体で発生する熱を排除するために、半導体に凹凸形状の冷却ピン（ヒートシンク）を接着させて冷却効率を向上させているが、その接着状態の検査が必要とされている。これは、冷却ピンと半導体の間にボイドや欠陥が存在して接着状態が不完全な場合、冷却効率は低下するからである。

しかしながら、特許文献１記載の方法では、半導体の構造上、凹凸形状側からの超音波入射が不可避であるため、検査場所によっては超音波の伝搬路にピンが存在し、そこでの超音波反射が大きいため検査領域まで超音波が伝搬せず、検査の不可能な領域が存在した。

また、特許文献２記載の方法では、検査体の検査表面が平坦となるように、音響インピーダンス値が検査体と同一または近似する導波物質によって検査表面を覆う手法が開示されている。しかし、この方法では、前記導波物質によって検査表面を覆う工程が必要であり、時間と手間がかかる。

本発明の目的は、規則的に配列する凹凸形状の検査体の超音波検査において、簡便に検査可能な領域を拡大する超音波検査方法及び超音波検査装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、アニュラアレイ超音波プローブを備える超音波検査装置により、規則的に配列する凹凸形状を有する被検査体の超音波検査方法であって、超音波を送信する前記超音波プローブの振動素子の組合せを、複数組選択し、遅延時間を与えて前記組合せ毎に超音波を送信し、予め選択した複数組の超音波素子の組合せ毎に前記超音波を受信することを、超音波の送信方向に対して直交する平面上に２次元走査して行い、前記振動素子の組合せ毎の画像を合成処理して得られる検査画像を表示するようにしたものである。
かかる方法により、規則的に配列する凹凸形状の検査体の超音波検査において、簡便に検査可能な領域を拡大し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記複数組の組合せの振動素子の面積の和が同じ値となる。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記組合せ毎に与える遅延時間の曲線形状が異なるものである。

（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、アニュラアレイ超音波プローブと、検査対象に超音波を送信する送信部と、前記検査対象からの超音波の反射波を受信する受信部と、前記送信部及び前記受信部を制御する制御部と、前記受信部により受信された超音波信号に基づく前記検査対象の検査画像を表示する表示部と、前記超音波プローブをその超音波の送信方向に対して直交する平面上の２次元を機械的に走査する走査手段とを有する超音波検査装置であって、前記制御部は、前記超音波プローブの振動素子の組合せに応じて、使用する振動素子を選択する切替制御回路と、前記超音波プローブの振動素子の組合せに応じて、使用する振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させる遅延制御回路と、前記走査手段による２次元走査を制御する走査制御回路と、前記受信部から得られる信号を加算処理する加算部とを備え、前記送信部は、前記切替制御回路からの指令により、使用する振動素子を選択し、また、前記遅延制御回路からの指令により、各振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させるとともに、振動素子の組合せ毎に超音波の送・受信を行い、前記加算部は、振動素子の組合せ毎の画像を合成処理して得られる検査画像を前記表示部に表示するようにしたものである。
かかる構成により、規則的に配列する凹凸形状の検査体の超音波検査において、簡便に検査可能な領域を拡大し得るものとなる。

（５）上記（４）において、好ましくは、複数のアニュラアレイ型振動素子を有するアレイ超音波プローブを備えるようにしたものである。

本発明によれば、規則的に配列する凹凸形状の検査体の超音波検査において、簡便に検査可能な領域を拡大することができる。

本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる探傷部の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる圧電振動素子の構成図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による超音波検査装置の送信の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置の受信の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による３次元スキャンの説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置の送信の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置の送信の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査結果に関する説明図である。 本発明の他の実施形態による超音波検査装置による検査内容を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態による超音波検査装置の送信の説明図である。 本発明のその他の実施形態による超音波検査装置に用いる探傷部の構成を示す斜視図である。 本発明のその他の実施形態による超音波検査装置に用いる圧電振動素子の構成図である。

以下、図１〜図１０を用いて、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による超音波検査装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。

検査対象１００は、例えば、半導体装置などである。検査対象１００が半導体装置の場合、検査対象１００は、例えば、被冷却体１００Ａと、冷却ピン１００Ｂとからなる。

ここで、本実施形態による超音波検査装置は、検査対象１００の被冷却体１００Ａと冷却ピン１００Ｂとの間のはく離やボイドなどを検査するために用いられる。

本実施形態による超音波検査装置は、探傷部１０１と、送・受信部１０２と、制御部１０３と、表示部１０４とから構成される。

探傷部１０１は、検査対象１００に超音波を送・受信するアレイ超音波プローブ１０１Ａと、超音波プローブ１０１Ａに備えられた圧電振動素子１０１Ｂと、超音波プローブ１０１Ａを機械的に走査する走査手段１０１Ｃとからなる。

圧電振動素子１０１Ｂは、図３を用いて後述するが、環状の超音波素子が同心円状に配置されたものである。圧電信号素子１０１Ｂは、Ｘ−Ｙ平面上に配置されている。圧電振動素子１０１Ｂから送信された超音波は、例えば、検査対象１００の配線基板１００Ａと第１の半導体層１００Ｂとの間に集束するように、送・受信部１０１によって制御される。この超音波が集束する位置は、Ｘ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に、電子的に変えることができる。すなわち、電子的にスキャンできる。

一方、Ｘ方向及びＹ方向については、超音波プローブ１０１Ａは、走査手段１０１Ｃによって機械的に走査できる。

送・受信部１０２は、パルサ１０２Ａと、レシーバ１０２Ｂとを備える。パルサ１０２Ａは、アレイ超音波プローブ１０１Ａに遅延時間を与えて超音波を送信するために電圧を印加する。パルサ１０２Ａは、送信遅延回路１０２Ｃと、送信切替回路１０２Ｄと、送信増幅器１０２Ｅとを備えている。

レシーバ１０２Ｂは、超音波プローブ１０１Ａによって受信した超音波を、アナログ・デジタル変換して受信信号とするとともに受信の遅延時間を与える。レシーバ１０２Ｂは、受信切替回路１０２Ｉと、受信増幅器１０２Ｈと、Ａ／Ｄ変換器１０２Ｇと、遅延メモリ１０２Ｆとを備える。

制御部１０３は、走査制御回路１０３Ａと、切替制御回路１０３Ｂと、遅延制御回路１０３Ｃと、加算回路１０３Ｄと、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅと、記憶装置１０３Ｆとを備える。

走査制御回路１０３Ａは、走査手段１０１Ｃによるアレイ超音波プローブ１０１Ａの走査を制御する。切替制御回路１０３Ｂは、超音波の送・受信に使用する素子を切り替える。遅延制御回路１０３Ｃは、送・受信時の遅延時間を制御する。加算回路１０３Ｄは、受信信号を加算する。制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、これらを制御し、受信した信号を収録するとともに処理を行う。記憶装置１０３Ｆは、切替制御回路１０３Ｂによる切替制御の情報や、遅延制御回路１０３Ｃによる遅延制御の際に用いる遅延時間の情報などを保持している。

表示部１０４は、受信信号及び検査画像を表示するものである。表示部１０４は、検査モード切替器１０４Ａを備えている。表示部１０４には、受信信号を表示する第１表示部１０４Ｂや、検査結果の画像を表示する第２表示部１０４Ｃ、検査結果の合成処理画像を表示する第３表示部１０４Ｄがある。検査モード切替器１０４Ａは、受信信号を表示するか、画像を表示するかなど検査モードを切り替える。

まず、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、走査手段１０１Ｃを動作する際には走査制御回路１０３Ａへ制御信号を送信し、超音波を送・受信して検査対象からの反射信号を収録する際には切替制御回路１０３Ｂへ超音波を送・受信する圧電振動素子１０１Ｂの選択のための送・受信素子切替信号を送信するとともに遅延制御回路１０３Ｃを通じて超音波を集束して送・受信するための各圧電振動素子１０１Ｂへの遅延時間を与える。

送信信号と遅延時間を受取った送信遅延回路１０２Ｃは、与えられた遅延時間で送信信号を送信切替手段としての送信切替回路１０２Ｄに送る。送信切替回路１０２Ｄは、送信遅延回路１０２Ｃから遅延時間を付与して送信された送信信号を受け、切替制御回路１０３Ｂからの送信素子切替信号に基づき、送信素子を切替えて、送信信号を送信増幅器１０２Ｅへ送信する。送信増幅器１０２Ｅは送信信号を増幅してアレイ超音波プローブ１０１Ａの各電圧振動素子に超音波を送信するための駆動電圧を印加する。この際に、送信切替回路１０２Ｄは、アレイ超音波プローブ１０１Ａが持つ一部の圧電振動素子１０１Ｂに対して、個々にあるいは複数の圧電振動素子１０１Ｂに同時に送信信号を送ることが可能である。一般には送受信素子の切替にマルチプレクサ等の切替器を用いる。

次に、増幅された送信信号を受けた複数の圧電振動素子１０１Ｂは、圧電効果で超音波を送信するが、ここでは、複数の圧電振動素子１０１Ｂの超音波の送・受信について説明する。前述の説明のように、送信信号に遅延時間を与えて圧電振動素子１０１Ｂに電圧を印加すると、各圧電振動素子１０１Ｂは遅延時間に対応した時間遅れで超音波を送信する。超音波を集束する場合には、各圧電振動素子１０１Ｂから集束位置までの幾何学的な距離、つまり各媒質での超音波の音速と境界面での屈折を考慮した距離に対応した遅延時間で各電圧振動素子に電圧を印加する。例えば、検査対象が複数の材質により構成される場合には、式（１）で示されるスネルの法則で、各媒質間での屈折角度を求め、超音波の幾何学的な伝搬経路を計算し、圧電振動素子１０１Ｂの遅延時間を決定する。

ｓｉｎθ１／ν１＝ｓｉｎθ２／ν２ …（１）

ここで、θは超音波の入射角度及び屈折角度、ｖは音速、θ及びｖの添え字１、２は媒質番号である。このようにして、検査対象の所定の位置に超音波を集束して送信する。

一方、超音波を受信する際には、圧電振動素子１０１Ｂのそれぞれで受信した超音波に対応して、圧電効果により生じた受信信号を受信切替回路１０２Ｉで受信素子を個々あるいは複数切替えて受信する。更に、受信信号を受信増幅器１０２Ｈで増幅して、アナログ−デジタル変換器１０２Ｇでアナログであった受信信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された受信信号は、記憶装置である遅延メモリ１０２Ｉに記憶される。この際に、遅延メモリ１０２Ｆでは、超音波送信時と同様に超音波を焦点に集束して受信する際には、遅延制御回路１０３Ｃから送信された遅延時間を各素子からの受信信号に付与して、記憶される。更に、遅延時間を与えられた受信信号は、加算回路１０３Ｄで加算され、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅに送られる。

次に、図２〜図３を用いて、本実施形態による超音波検査装置に用いる探傷部１０１の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる探傷部の構成を示す斜視図である。図３は、本発明の一実施形態によるアニュラアレイ超音波プローブの構成を示す図である。

ここでは、一般におけるアニュラアレイ超音波プローブを用いた超音波検査の走査方法を説明する。図２に示すように、水槽２０１は水で満たされており、アニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａを水浸させて検査を行う。走査手段１０１Ｃにより、Ｘ方向及びＹ方向に機械的に移動させて、二次元方向を走査する。一方、アニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａの圧電振動素子１０１Ｂへ送る送信信号の遅延時間を制御して、水面２０１Ａから水槽の底面２０１Ｂの方向に超音波を送信し集束させて焦点を形成し、焦点深さ方向（Ｚ方向）に電子的な走査ができる。

図３（Ａ）に示すように、本実施形態の圧電振動素子１０１Ｂは、８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８から構成されている。振動素子Ｓ１の平面形状は円形である。振動素子Ｓ２，…，Ｓ８の平面形状は、円環状である。各振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８は、同心状に配置されている。また、各素子の間には、ギャップが設けられている。なお、振動素子の数は、８個として例示しているが、１６個や３２個の素子でも良い。

次に、図３（Ｂ）に示すように、圧電振動素子１０１Ｂは、バッキング材Ｂ１にＦＰＣ基板Ｂ２が接着されている。ＦＰＣ基板Ｂ２の表面には、予めアニュラアレイ形状の信号電極Ｂ３がプリントされている。ＦＰＣ基板Ｂ２がアニュラアレイ形状の信号電極Ｂ３がプリントされていない面が、バッキング材Ｂ１に接着されている。ＦＰＣ基板Ｂ２の、アニュラアレイ形状の信号電極がプリントされた面に圧電膜Ｂ４が接着されている。圧電膜Ｂ４の上には、接地電極Ｂ５が形成されている。

信号電極Ｂ３，圧電膜Ｂ４，接地電極Ｂ５からなる積層構造体において、信号電極Ｂ３のみが、図３（Ａ）に示した８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８と同様に、円環状で、かつ、同心円状に形成されている。圧電膜Ｂ４及び接地電極Ｂ５は、８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８及びそれぞれの間のギャップを含めた円形の形状となっている。ニュラアレイ形状の信号電極Ｂ３は、８個の円環状からなり、それぞれが、図３（Ａ）に示した８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８に対応する。そして、例えば、最内周の信号電極Ｂ３と、圧電膜Ｂ４及び接地電極Ｂ５によって、一つの振動素子Ｓ１が構成される。

バッキング材Ｂ１としては、例えばポリテトラフルオロチレン、アクリル樹脂、ポリカーボネート等の合成樹脂を用いる。圧電膜Ｂ４としては、例えばポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンの共重合体等の高分子圧電膜を用いる。信号電極Ｂ３及び接地電極Ｂ５としては、例えば金、銀、銅、白金、アルミニウム等の金属を用いる。

図３（Ａ）に示した８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８において、振動素子Ｓ８の外径が例えば、１０ｍｍ程度の場合、個々の振動素子の間のギャップは、例えば、数十μｍ程度であり、最外周の振動素子Ｓ８の幅も数十μｍ程度である。ここで、圧電膜Ｂ４として、高分子圧電膜を用いた場合、数十μｍ程度の幅に加工したり、ギャップを数十μｍとするのが加工が難しいものである。それに対して、信号電極Ｂ３は、金等の金属であるため、エッチング等の手法により容易に数十μｍの線幅やギャップとできるため、本実施形態では、信号電極Ｂ３のみをアニュラー形状としている。なお、信号電極Ｂ３をアニュラー形状とする代わりに、接地電極Ｂ５としている側をアニュラー形状とすることもできる。この場合、信号電極側が接地電極として用いられる。

次に、図４を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査内容について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査内容を示すフローチャートである。

ステップＳ１０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、焦点位置等の検査条件を設定し、記憶装置１０３Ｆに記憶する。

次に、ステップＳ２０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、遅延時間を設定し、記憶装置１０３Ｆに記憶する。

次に、ステップＳ３０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、振動素子の組合せを選択し、記憶装置１０３Ｆに記憶する。

次に、ステップＳ４０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、振動素子の組合せが適切かどうかを判断する。

次に、ステップＳ５０において、検査を実行するが、その際、遅延制御回路１０３Ｃは、ステップＳ２０にて記憶された送信遅延時間を送信遅延回路１０２Ｃや遅延メモリ１０２Ｆに設定する。また、切替制御回路１０３Ｂは、ステップＳ３０にて記憶された振動素子の組合せを送信切替回路１０２Ｄや受信切替回路１０２Ｉに設定する。そして、超音波を圧電振動素子１０１Ｂを送信し、検査対象１００からの反射波を受信する。この送・受信を操作制御回路１０３Ａにより、走査手段１０１ＣをＸ−Ｙ面内で移動して繰り返し実行される。

次に、ステップＳ６０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、受信信号を処理して画像を表示する。

そして、ステップＳ７０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、全検査領域データの収録が収集したか否かを判定して、終了していなければ、振動素子の組合せを変更するか判断する。

そして、ステップＳ８０において、振動素子の組合せを変更するか判断する場合、振動素子の組合せを再設定し、振動素子の組合せを変更しない場合、焦点位置等の検査条件を再設定する。

なお、感度の小さい検査部位があった場合には、振動素子の組合せを変化させて再検査を行う。振動素子の組合せの変更は、例えば感度の小さい検査部位の振動素子数を増加させる方法等により行う。例えば予め各検査部位の波高値のばらつき範囲を設定し、検査により得られる収録データのばらつきを照合する方法等により、検査の終了を判定する。

次に、図５〜図１０を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査方法の原理について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の送信の説明図である。図６は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の受信の説明図である。図７は、本発明の一実施形態による超音波検査装置による３次元スキャンの説明図である。図８は、本発明の一実施形態による検査画像の表示結果の説明図である。図９は、本発明の一実施形態による振動素子の組合せを変更した場合の超音波検査装置の送信の説明図である。図１０は、本発明の一実施形態による超音波プローブと被検査体の距離を変更した場合の超音波検査装置の送信の説明図である。

最初に、図５を用いて、送信時の検査原理について説明する。

本実施形態では、焦点位置等の検査条件を設定して制御・処理用コンピュータ１０３Ｅにより、例えば前述の遅延時間の計算法により遅延時間を計算する。次に、検査で使用する圧電振動素子１０１Ｂの振動素子の組合せを選択する。これらの遅延時間及び振動素子の組合せ情報は、記憶装置１０３Ｆに記憶されている。

前述の遅延時間の計算法により遅延時間を計算する際に、各媒質の縦波音速を使用する場合、遅延時間ＤＡと遅延時間ＤＢの曲線形状は一致する。

送信遅延回路１０２Ｃは、図示のように、振動素子の組合せ及び遅延時間が設定される。例えば、遅延時間ＤＡは、図中の黒丸で示すように、振動素子の組合せＣＡは、内周側の３素子とする。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とする。そのときの遅延時間は、中央の素子Ｓ１の遅延時間が一番長く、外周に行くに従って、図示のように遅延時間が短くする。このような振動素子の組合せ及び遅延時間としたとき、圧電振動素子１０１Ｂから送信された超音波は、検査対象１００の内部の焦点位置ｆに集束する。

また、遅延時間ＤＢは、図中の黒丸で示すように、振動素子の組合せＣＢは、内周側の５素子とする。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ４，…，Ｓ８とする。そのときの遅延時間は、素子Ｓ４の遅延時間が一番長く、しかも、遅延時間ＤＡの場合よりも長くする。また、外周に行くに従って、図示のように遅延時間が短くする。このような使用する素子及び遅延時間としたとき、圧電振動素子１０１Ｂから送信された超音波は、検査対象１００の内部の焦点位置ｆに集束する。なお、以上の例では、遅延時間ＤＡの曲線形状と、遅延時間ＤＢの曲線形状は同じものである。

ここで、焦点距離ｆの位置が、例えば、図１にて説明した半導体装置１００の被冷却体１００Ａと冷却ピン１００Ｂとの間の位置である。この界面に超音波を集束して、この界面におけるはく離やボイドなどを検査する。

そこで、送信切替回路１０２Ｄにより選択した圧電振動素子１０１Ｂに計算した遅延時間Ｄの内、遅延時間ＤＡを与えた送信信号を送り、検査部位で超音波を集束させ、検査部位に焦点ｆを形成する。

送信の際の振動素子の組合せの選択は、例えば振動素子の素子面積の和が各組み合わせで同一または近似する値となるようにする。例えば、振動素子の組合せＣＡ（素子Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）の面積と振動素子の組合せＣＢ（素子Ｓ４＋Ｓ５＋Ｓ６＋Ｓ７＋Ｓ８）の面積が同一または近似する値となるようにする。これにより、単位素子面積当たりの超音波出力を同じにでき、結果として得られる同一の欠陥に対する反射信号の信号強度を同じにできる。従って、図８にて後述するように、２つの画像を加算処理して合成した場合に、同じ欠陥に対する画像の濃度を同じにできる。但し、内周側の素子を用いて、まっすぐ超音波を検査対象に入射した場合と、外周側の素子を用いて、少し斜めの角度で超音波を検査対象に入射された場合では、同じエリアに超音波を入射させてもそのエネルギーが変わる。この分、表示される画像の濃淡には多少の差が生じることになる。

次に、受信時について説明する。図６に示すように、焦点ｆで反射した超音波を圧電振動素子１０１Ｂで受信して、受信信号を得る。受信の際の圧電振動素子は、受信切替回路１０２Ｉにより選択されるが、例えば送信の際に選択した圧電振動素子を選択する方法や全素子を選択し使用する方法等がある。図示の例では、送信の際に選択した圧電振動素子を選択している。受信信号は、遅延メモリ１０２Ｆにて、遅延時間ＤＡ’で遅延され、図１の加算回路１０３Ｄで加算され、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅに送られる。制御・処理用コンピュータ１０３Ｅでは、遅延時間の発信間隔時間により収録データを分割処理する。

次に、図７に示すように、走査手段１０１Ｃにより圧電振動素子１０１Ｂを、機械的にＸ−Ｙ平面内で、二次元方向に移動させる。例えば、圧電振動素子１０１Ｂは、原点の位置を（ｘ０，ｙ０）とし、最大移動された位置を（ｘｍ，ｙｎ）とすると、走査手段１０１Ｃは、Ｘ方向に（ｘｍ−ｘ０）だけ移動し、Ｙ方向に（ｙｎ−ｙ０）だけ移動する。

そして、例えば、位置（ｘ０，ｙ０）において、焦点位置ｆにおける超音波の反射波を振動素子の組合せ毎（例えば、（素子Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）と、（素子Ｓ４＋Ｓ５＋Ｓ６＋Ｓ７＋Ｓ８）毎）に検出する。それが終了すると、走査手段１０１Ｃにより圧電振動素子１０１Ｂを、機械的移動して、例えば、次の位置（ｘｉ，ｙｊ）において、焦点位置ｆにおける超音波の反射波を振動素子の組合せ毎に検出する。それが終了すると、走査手段１０１Ｃにより圧電振動素子１０１Ｂを、機械的移動して、例えば、最後の位置（ｘｍ，ｙｎ）において、焦点位置ｆにおける超音波の反射波を振動素子の組合せ毎に検出する。

これらの二次元方向の機械的走査と、振動素子の組合せの電子的選択を繰り返して、各点の収録データを得る。

次に、図８に示すように、収録データを処理して振動素子の組合せ毎に画像を表示する。画像は、グレイスケールによる濃淡画像として表示される。振動素子の組合せＣＡの収録データからは検査画像ＰＣＡが得られ、振動素子の組合せＣＢの収録データからは検査画像ＰＣＢが得られる。また、振動素子の組合せＣＡの収録データと振動素子の組合せＣＢの収録データを加算処理あるいは平均化処理等をすることにより検査画像ＰＣＣが得られる。振動素子の組合せＣＡでは、冷却ピン下の領域に超音波が伝搬せず、検査画像ＰＣＡからは冷却ピン下領域の検査が不可能であるが、凹下領域の検査が可能である。振動素子の組合せＣＢでは、凹下の領域に超音波が伝搬せず、検査画像ＰＣＢからは凹下領域の検査が不可能であるが、冷却ピン下領域の検査が可能である。各収録データを処理し検査画像ＰＣＣを表示することで、検査可能な領域を拡大することができる。

以下、図９及び図１０を用いて、変形例について説明する。

図９では、振動素子の組合せを変更している。図４のステップＳ５０で検査を終了しない場合、振動素子の組み合わせを変更するかを選択する。超音波のビーム幅が広いこと等により、検査画像に凹凸形状に起因する像が写る場合は、使用する振動素子の数を減らして振動素子の組合せを再選択する。例えば、遅延時間ＤＣは、図中の黒丸で示すように、振動素子の組合せＣＣは、内周側の２素子と変更した。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ１，Ｓ２とする。また、遅延時間ＤＤは、図中の黒丸で示すように、振動素子の組合せＣＤは、４素子と変更した。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７とする。振動素子の組合せは、振動素子の組合せＣＣの面積Ｓ１＋Ｓ２と振動素子の組合せＣＤの面積Ｓ４＋Ｓ５＋Ｓ６＋Ｓ７が同一または近似する値となるようにする。以下、超音波の送・受信方法及び画像表示方法は図５〜図８と同様である。

また、振動素子の組み合わせを変更する場合は、例えば、受信波形の信号が小さく、検査画像が不鮮明な場合は、使用する振動素子の数を増やして振動素子の組合せを再選択する。最初に、内周側の２素子と、外周側の４素子を用いていた場合には、これを、内周側３素子で、外周側５素子に増やすこともできる。さらに、内周側４素子で、外周側６素子というようにして、中間領域の素子を重複して用いることもできる。なお、この場合、素子の面積の和は同一にならないことになる。

このように、振動素子の組合せを変更して再検査することで、検査可能な領域が拡大できる。

図１０では、超音波プローブと被検査体の距離を変化させている。図４のステップＳ５０で検査を終了しない場合、振動素子の組み合わせを変更するかを選択する。振動素子の組み合わせを変更しない場合は、例えば、振動素子の組合せＣＡは、内周側の３素子と変更していない。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とする。遅延時間ＤＥは、図中の黒丸で示すように、遅延時間ＤＡよりも曲率形状が緩やかになっている。一方、振動素子の組合せＣＢは５素子と変更していない。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８とする。遅延時間ＤＦは、図中の黒丸で示すように、遅延時間ＤＡよりも曲率形状が緩やかになっている。以下、超音波の送・受信方法及び画像表示方法は図５〜図８と同様である。振動素子の組合せを変更して再検査することで、検査可能な領域が拡大できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、凹凸形状の検査体の超音波検査において、導波物質で検査表面を覆うことなく、簡便に検査可能な領域を拡大することができる。更に、検査工程を短縮できる。

次に、図１１及び図１２を用いて、本発明の他の実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による超音波検査装置の構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態による超音波検査装置に用いる探傷部の構成は、図２に示したものと同様である。本実施形態によるアニュラアレイ超音波プローブの構成は、図３に示したものと同様である。

最初に、図１１を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査内容について説明する。
図１１は、本発明の他の実施形態による超音波検査装置による検査内容を示すフローチャートである。

ステップＳ１０〜ステップＳ７０においては、図４の本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査内容を示すフローチャートと同様である。

そして、ステップＳ８０において、振動素子の組合せを変更するか判断する場合、ステップＳ３０において、振動素子の組合せを再設定する。一方、振動素子の組合せを変更しない場合、ステップＳ９０において、水と被検査体の境界で屈折する際に発生する超音波伝搬モードの変換を利用するかを判断する。

そして、ステップＳ９０において、超音波伝搬モードの変換を利用する場合、ステップＳ２において、遅延時間の際設定を行う。一方、超音波伝搬モードの変換を利用しない場合、ステップＳ１０において、焦点位置等の検査条件を再設定する。

超音波伝搬モードの変換の利用は、振動素子から送信された超音波が水中を縦波で伝搬し、水と被検査体の境界面で発生する屈折波を利用する。屈折波は、スネルの法則（式１）を満たすように、縦波、横波、表面波の超音波伝搬モードが存在する。この内、遅延時間による電子制御により、横波を集束させて検査することで、波長が短くなり分解能が向上する。例えば、被検査体がアルミの場合、アルミの縦波音速は約６２００ｍ／ｓであり、横波は約３０００ｍ／ｓであるため、横波の波長は縦波の波長の半分程度となり、分解能は約２倍となる。

次に、図１２を用いて、本実施形態の超音波検査装置による超音波伝搬モードの変換を利用して遅延時間を変更した場合の超音波検査装置の送信内容について説明する。
図１２は、本発明の他の実施形態の超音波検査装置によるによる超音波伝搬モードの変換を利用して遅延時間を変更した場合の超音波検査装置の送信の説明図である。

図１２では、振動素子の組み合わせ毎に遅延時間を計算している。例えば、振動素子の組合せＣＡは、内周側の３素子と変更していない。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とする。遅延時間ＤＡは、図中の黒丸で示すように、変更していない。一方、振動素子の組合せＣＢは５素子と変更していない。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８とする。しかし、遅延時間ＤＢ”は、図中の黒丸で示すように、変更している。例えば、前述の遅延時間の計算法により遅延時間を計算において、水の縦波音速と冷却ピンの横波音速を使用する場合、遅延時間ＤＢよりも遅延時間ＤＢ”の曲線形状は緩やかになる。以下、超音波の送・受信方法及び画像表示方法は図６〜図９と同様である。振動素子の組合せ毎の遅延時間を変更して、超音波伝搬モードの変換の利用して再検査することで、検査可能な領域が拡大できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、凹凸形状の検査体の超音波検査において、導波物質で検査表面を覆うことなく、簡便に検査可能な領域を拡大することができる。更に、検査工程を短縮できる。

次に、図１３及び図１４を用いて、本発明のその他の実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による超音波検査装置の構成は、図１に示したものと同様である。

図１３は、本発明のその他の実施形態による超音波検査装置に用いる探傷部の構成を示す斜視図である。図１４は、本発明のその他の実施形態による複数のアニュラアレイ超音波プローブの構成を示す図である。

図１３に示すように、図２のアニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａと違い、本実施形態では、複数のアニュラアレイ超音波振動素子１０１Ｂａ、１０１Ｂｂ…を有するアレイ超音波プローブ１３０１Ａを水浸させて検査を行う。例えば、図１４では、アニュラアレイ超音波振動素子１０１Ｂａ、１０１Ｂｂ…１０１Ｂｈの数は８組であるが、１６組や３２組でも良く、組数に制限はない。

複数のアニュラアレイ超音波振動素子１０１Ｂａ、１０１Ｂｂ…を有すうアレイ超音波プローブ１３０１Ａは、ＦＰＣ基板に信号電極を加工して形成する。複数のアニュラー形状の信号電極の加工をしたＦＰＣ基板を用いることにより、圧電膜、接地電極は加工してアニュラー形状にする必要がないため、容易に作製できる。材料は図３（Ｂ）の材料例と同様である。

走査手段１０１Ｃにより、Ｘ方向及びＹ方向に機械的に移動させて、二次元方向を走査する。この際、各複数のアニュラアレイ超音波振動素子１０１Ｂａ、１０１Ｂｂ…の各振動素子の組合せで、各点の収録データを得る。制御・処理用コンピュータ１０３Ｅで予め記憶してある位置情報を利用して、各受信信号を処理し検査画像を表示する。

複数のアニュラアレイ超音波振動素子１０１Ｂａ、１０１Ｂｂ…を有すうアレイ超音波プローブ１３０１Ａを用いることで、機械走査の回数を低減できるため、検査時間が短縮できる。例えば、図１４では、複数のアニュラアレイ超音波振動素子１０１Ｂａ、１０１Ｂｂ…１０１Ｂｈを有すうアレイ超音波プローブ１３０１Ａを用いることで、アニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａを用いる検査に比べて、一度のＸ方向の走査で８倍のデータを収録することが可能であり、すなわち、Ｘ方向の走査回数および検査時間を１／８に低減できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、凹凸形状の検査体の超音波検査において、導波物質で検査表面を覆うことなく、簡便に検査可能な領域を拡大することができる。更に、検査工程を短縮できると共に、一度の二次元走査において、検査可能であり、検査時間が短縮できる。

１００…検査対象
１０１…探傷部
１０１Ａ…アニュラアレイ超音波プローブ
１０１Ｂ…圧電振動素子
１０１Ｃ…走査手段
１０２…送・受信部
１０２Ａ…パルサ
１０２Ｂ…レシーバ
１０２Ｃ…送信遅延回路
１０２Ｄ…送信切替回路
１０２Ｅ…送信増幅器
１０２Ｆ…受信切替回路
１０２Ｇ…受信増幅器
１０２Ｈ…アナログ−デジタル変換機
１０２Ｉ…遅延メモリ
１０３…制御部
１０３Ａ…走査制御回路
１０３Ｂ…切替制御回路
１０３Ｃ…遅延制御回路
１０３Ｄ…加算回路
１０３Ｅ…制御・処理用コンピュータ
１０３Ｆ…記憶装置
１０４…表示部
１０４Ａ…検査モード切替器

Claims (5)

1. アニュラアレイ超音波プローブを備える超音波検査装置により、規則的に配列する凹凸形状を有する被検査体の超音波検査方法であって、
   超音波を送信する前記超音波プローブの振動素子の組合せを、複数組選択し、
   遅延時間を与えて前記組合せ毎に超音波を送信し、
   予め選択した複数組の超音波素子の組合せ毎に前記超音波を受信することを、超音波の送信方向に対して直交する平面上に２次元走査して行い、
   前記振動素子の組合せ毎の画像を合成処理して得られる検査画像を表示することを特徴とする超音波検査方法。
2. 請求項１記載の超音波センサ方法において、
   前記複数組の組合せの振動素子の面積の和が同じ値となることを特徴とする超音波検査方法。
3. 請求項１記載の超音波センサ方法において、
   前記組合せ毎に与える遅延時間の曲線形状が異なることを特徴とする超音波検査方法。
4. アニュラアレイ超音波プローブと、
   検査対象に超音波を送信する送信部と、
   前記検査対象からの超音波の反射波を受信する受信部と、
   前記送信部及び前記受信部を制御する制御部と、
   前記受信部により受信された超音波信号に基づく前記検査対象の検査画像を表示する表示部と、
   前記超音波プローブをその超音波の送信方向に対して直交する平面上の２次元を機械的に走査する走査手段とを有する超音波検査装置であって、
   前記制御部は、
   前記超音波プローブの振動素子の組合せに応じて、使用する振動素子を選択する切替制御回路と、
   前記超音波プローブの振動素子の組合せに応じて、使用する振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させる遅延制御回路と、
   前記走査手段による２次元走査を制御する走査制御回路と、
   前記受信部から得られる信号を加算処理する加算部とを備え、
   前記送信部は、前記切替制御回路からの指令により、使用する振動素子を選択し、また、前記遅延制御回路からの指令により、各振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させるとともに、振動素子の組合せ毎に超音波の送・受信を行い、
   前記加算部は、振動素子の組合せ毎の画像を合成処理して得られる検査画像を前記表示部に表示することを特徴とする超音波検査装置。
5. 請求項４記載の超音波センサ装置において、
   複数のアニュラアレイ型振動素子を有するアレイ超音波プローブを備えることを特徴とする超音波検査装置。

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