JP2020177011A - 超音波を用いた構造解析装置及び構造解析方法及びコンピュータプログラム。 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品等の各層の絶対膜厚、反り量や歪み量を測定する等の構造解析を良好に行うことができる構造解析装置、構造解析方法、及び、その構造を解析及び表示するコンピュータプログラムを提供する。【解決手段】トランスデューサ２１から、送信波２３を電子部品３に送信し、電子部品３の各材料層で反射する受信波２４を受信する。受信波２４の測長用のスキャン（１）ＤＢ１６３、音速計算用のスキャン（２）ＤＢ１６５に格納される。格納されたＤＢのデータと材料又は組成ＤＢ１６４のデータから、伝播時間ＤＢ１６６及び音速ＤＢを作成し、電子部品３の各材料層の三次元座標データＤＢ１６８を作成する。【選択図】図１

Description

本発明は、主として超音波等を用いて、電子部品、半導体素子、薄膜デバイス、厚膜デバイス、電子機器等の測定試料の内部の構造を非破壊で解析する構造解析装置、構造解析方法、及び、その構造を解析及び表示するコンピュータプログラムに関するものである。

電子部品あるいは半導体素子等に求められる品質要求は非常に高い。小型化や多機能化が進み、製品の構造はより複雑になっている。故障に至るプロセスや要因も複雑化している。技術開発に応じて、構造の解析手法にも改善が求められている。

市場では、低コストで電子部品を作製し、「非破壊」の検査により、目視できない電子部品内部の状態、劣化の有無、劣化の基点や進行度合い等のデータを可能な限り多く取得することが求められている。
代表的な非破壊解析装置としては、超音波顕微鏡（例えば特許文献１）、Ｘ線ＣＴ、ロックイン赤外線発熱解析装置等が挙げられる。

特開平９−７２８８９号公報

特許文献１の従来の超音波顕微鏡及び測定方法では、解析対象物の相対的な膜厚分布しか取得できなかった。そのため、複数の材料又は複数の組成が異なる層を有する電子部品の外形及び内部の各層の厚みや空間（ボイド）や反り量や歪み量等を測定することができないという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、超音波を用いて、各層の絶対膜厚、反り量や歪み量等の測定、及び、剥離やクラックやボイド等の有無といった構造物の外形及び内部の構造を良好に解析することができる構造解析装置、構造解析方法、及び、部品等の構造を解析・分析及び表示するコンピュータプログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る構造解析装置は、少なくとも第１の材料又は第１の組成からなる第１の層と、第２の材料又は第２の組成からなる第２の層とが接する界面を有する構造物を解析する装置に関するものである。

超音波を発生する超音波発生部と、界面で反射した超音波の反射波形を取得する取得部と、反射波形に基づいて、界面へ伝播した伝播時間を算出する算出部と、伝播時間と超音波が界面へ伝播する音速に基づいて構造物の構造を解析する解析部とを具備することを特徴とする。

本発明の一態様に係る構造解析方法は、第１の材料又は第１の組成からなる第１の層と、第２の材料又は第２の組成からなる第２の層とが接する界面を有する構造物の構造解析方法に関するものである。

界面で反射した超音波の反射波形を取得し、反射波形に基づいて、界面へ伝播した伝播時間を算出し、伝播時間と界面に伝播するときの音速に基づいて構造物の構造を解析することを特徴とする。

本発明の一態様に係るコンピュータプログラムは、第１の材料又は第１の組成からなる第１の層と、第２の材料又は第２の組成からなる第２の層とが接する界面を有する構造物の構造解析するものである。

界面にて反射した超音波の反射波形を取得し、反射波形に基づいて、界面へ伝播した伝播時間を算出し、伝播時間と界面に伝播するときの音速に基づいて構造物の構造を解析する処理を実行することを特徴とする。

本発明によれば、各界面にて反射した超音波の反射波形３９を取得し、反射波形３９に基づいて各界面へ伝播する伝播時間を算出する。
また、伝播時間及び各界面へ伝播するときのそれぞれの音速等の情報、材料又は組成の情報に基づいて、各層の絶対膜厚、反り量や歪み量等の測定できる。
また、剥離やクラックやボイド等の有無といった構造物の外形及び内部の構造を良好に解析することができる。

本実施の形態の構造解析装置の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法の説明図である。 本実施の形態の各層を伝播する時間を測定する方法の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法のフローチャート図である。 本実施の形態の構造解析方法のフローチャート図である。 本実施の形態のＺ１とＺ２との関係と反射波形との関係を示す説明図である。 本実施の形態の構造解析方法の説明図である。 本実施の形態の構造解析装置の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法のフローチャート図である。 本実施の形態の構造解析方法による結果の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法による結果の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法による結果の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法による結果の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法による結果の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法による結果の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法による結果の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法の説明図である。 本実施の形態の構造解析装置の説明図である。 本実施の形態の構造解析装置の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法の説明図である。 本実施の形態の構造解析方法の説明図である。 本実施の構造解析装置、構造解析方法を使用するビジネスモデルの説明図である。 本実施の構造解析装置、構造解析方法を使用するビジネスモデルの説明図である。 本実施の構造解析装置、構造解析方法を使用するビジネスモデルの説明図である。 本実施の構造解析装置、構造解析方法を使用するビジネスモデルの説明図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。なお、説明を容易にするため、構造解析対象として、主として電子部品３を例示して説明をする。
図１は構造解析装置１、超音波顕微鏡２、及び電子部品３の構成を示すブロック図である。

構造解析装置１は、装置全体を制御する制御部１１、主記憶部１２、通信部１３、操作部１４、表示パネル１５、補助記憶部１６を備える。構造解析装置１は、例えばデスクトップ型コンピュータ、ノート型パーソナルコンピュータ、タブレット等で構成することができる。

制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成することができる。制御部１１はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）を含んで構成してもよい。

主記憶部１２は、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の一時記憶領域であり、制御部１１が演算処理を実行するために必要なデータを一時的に記憶する。
通信部１３は、ネットワーク１７０を介して、構造解析装置１との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行うことができる。
操作部１４は、例えばハードウェアキーボード、マウス、タッチパネル等で構成される。

表示パネル１５は、液晶パネル又は有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示パネル等で構成することができる。制御部１１は、表示パネル１５に所要の情報を表示するための制御を行う。

補助記憶部１６は、大容量メモリ、ハードディスク等であり、制御部１１が処理を実行するために必要なプログラム、並びに波形解析プログラム１７１、三次元座標データ生成プログラム１６１、音速算出プログラム１６２を記憶している。

補助記憶部１６に記憶される、波形解析プログラム１７１、三次元座標データ生成プログラム１６１、音速算出プログラム１６２は、各プログラムを読み取り可能に記録した記録媒体１６９により提供されてもよい。記録媒体１６９は、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、ＳＤ（Secure Digital）カード、マイクロＳＤカード、コンパクトフラッシュ（登録商標）等の可搬型のメモリである。

記録媒体１６９に記録される各プログラムは通信部１３を介した通信により提供される。また、図に示していない読取装置を用いて記録媒体１６９から読み取られ、補助記憶部１６にインストールされてもよい。

補助記憶部１６は、スキャンデータ（１）データベース（ＤＢ）１６３、材料又は組成データベース（ＤＢ）１６４、スキャンデータ（２）データベース（ＤＢ）１６５、伝播時間データベース（ＤＢ）１６６、音速データベース（ＤＢ）１６７、及び三次元座標データデータベース（ＤＢ）１６８を記憶している。スキャンデータは縦軸に振幅、横軸に伝播時間を取った超音波波形データである。

トランスデューサ２１は、電子部品３は配置された平面に対して、２次元方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動する機能、任意に設定した距離を移動して電子部品３上に位置決めをする機能、層材料、界面等に超音波を照射するため、電子部品が配置された平面に対して垂直方向（Ｚ方向）に移動あるいは位置決めする機能、界面等に超音波を送信する機能、界面等で反射した超音波を受信する機能、受信した超音波を電気信号に変換あるいは表示する機能を有する。

スキャンデータ（１）ＤＢ１６３は、超音波顕微鏡２のトランスデューサ２１が電子部品３のＸＹ平面を走査し、各点において取得したスキャンデータ（１）を記憶している。トランスデューサ２１は、ＸＹ平面（２次元方向）を移動して超音波を電子部品３に照射し、また、ＸＹ平面に垂直な方向（Ｚ方向）に位置調整機能を有し、反射された超音波を電気信号に変換する。

スキャンデータ（１）は、電子部品３のＸＹ平面において、所定測定間隔（距離）ごとに取得される。なお、所定測定間隔は電子部品３の形状あるいは界面状態に応じて、変更される。例えば、界面状態の変化が大きい位置では所定測定間隔は短距離に設定あるいは変更される。
材料又は組成ＤＢ１６４は、電子部品３の各層を構成する材料の外形寸法(厚み)及び密度等を記憶している。

スキャンデータ（２）ＤＢ１６５は、各層の音速を算出するために、超音波顕微鏡２のトランスデューサ２１が電子部品３を構成する各材料サンプルのＸＹ平面を走査し、各点において取得したスキャンデータ（２）を記憶している。
伝播時間ＤＢ１６６は、後述する方法により算出した界面までの伝播時間を記憶している。

音速ＤＢ１６７は、スキャンデータ（２）ＤＢ１６５に記憶されたスキャンデータ（２）から算出した伝播時間、及び材料又は組成ＤＢ１６４に記憶された各層の材料の外形寸法（厚み）に基づいて算出した音速が記憶されている。
三次元座標データＤＢ１６８には、三次元座標データ生成プログラム１６１により生成した電子部品３の三次元座標データが記憶されている。

電子部品３は、例えば、図１に図示するように第１層３１、第２層３２、第３層３３、第４層３４、及び第５層３５の多層構造になっている電子部品である。電子部品３の一例としてパワーモジュールが挙げられる。パワーモジュールは複数のパワー半導体を組み合わせ、電源関係の回路を集積した電子部品である。

なお、本明細書では、理解を容易にするために電子部品３を例示して説明するが、これに限定するものではない。本発明の技術的思想は、半導体素子、薄膜デバイスあるいは厚膜デバイス、電子機器等にも適用することができる。また、電子部品あるいは半導体素子の一部、例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）のはんだ付け部、異方向性接着フィルム（Anisotropic Conductive File：ＡＣＦ）、導電ペースト、異方向性導電ペースト等に関しても適用することができる。また、人などの動物あるいは生物の一部又は全体に対しても適用することができる。また、塗料などの塗布された構造物などにも適用することができる。

本発明は、複数の材料又は複数の組成が異なる層を有する構造物において、異なる材料又は異なる組成が接する界面を有するものであれば、前記材料の膜厚、又は組成を構成する厚み、又はそれらの三次元的な反り量や歪み量等を良好に測長あるいは観察することができる。従って、本発明の技術的思想、方法は、複数の材料から構成される物体、複数の組成からなる生物の構造解析に適用することができることは言うまでもない。

超音波顕微鏡２は、一定周波数の電気信号の送信波２３をパルス発生器（図示せず）によりパルス状に整形後、トランスデューサ２１によって電気信号から機械振動（超音波）に変換する。

トランスデューサ２１は電子部品３のＸＹ平面上を走査する。発生させた超音波を音響レンズ（図示せず）によって電子部品３の深さ方向（Ｚ方向）の界面に焦点を合わせて送信波２３を照射し、受信波２４を電気的な受信信号に変換する。

ゲート（図示せず）は、電子部品３の反射信号から検出する反射波を、所定時刻から所定時間、あるいは一定の時間の間で取り出す。ゲートに入力される反射波が所定閾値又は最大になるように、音響レンズの焦点位置を界面に合わせる。また、ゲートが受信する信号強度が一定になるようにゲインを調整し、各界面における伝播時間を算出する。

図２を用いて、電子部品３の各層の厚み及び各界面の反り量や歪み量等を計算する方法を示す。図２は、一例として第１層３１が”銅”、第２層３２が”はんだ”、第３層３３が”素子”である場合を例示している。トランスデューサ２１から、例えば銅からなる第１層３１の入側の界面（表面）３１ａに向けて発振された超音波の送信波２３（Ｕ１）は、界面３１ａで反射し、受信波２４（Ｒ１）が受信される。界面３１ａにおける反射波形３９に基づいて、トランスデューサ２１から界面までの伝播時間ｔ１が算出される。

トランスデューサ２１から、第１層３１と例えばはんだからなる第２層３２との界面３２ａに向けて発振された超音波の送信波２３（Ｕ２）は該界面で反射し、受信波２４（Ｒ２）が受信される。界面３１ａ及び３２ａにおける反射波形３９に基づいて、第１層３１を伝播する伝播時間ｔ２が算出される。

トランスデューサ２１から、第２層３２と、例えば、素子からなる第３層３３との界面３３ａに向けて発振された超音波の送信波２３（Ｕ３）は、界面３３ａで反射し、受信波２４（Ｒ３）が受信される。界面３２ａ及び３３ａにおける反射波形３９に基づいて、第２層３２を伝播する伝播時間ｔ３が算出あるいは求められる。

算出された伝播時間ｔ１、ｔ２、ｔ３におけるそれぞれの音速に基づいて、トランスデューサ２１から界面３１ａまでの距離、界面３１aから界面３２ａまでの距離、界面３２aから界面３３ａまでの距離を算出あるいは求めることができる。その距離を深さ方向（Ｚ方向）に加算することで、電子部品３が有する界面３１ａ、界面３２ａ、界面３３ａの変位を三次元座標データとして生成し、材料又は組成ＤＢ１６４等のデータを用いることにより電子部品３等の各層の厚み及び各界面の反り量や歪み量等を計算あるいは求めることができる。

図３を用いて、各層を伝播する時間を精度良く測定する方法を示す。図３（ａ１）では、界面３１aにトランスデューサ２１の焦点を合わせているため、図３（ａ２）のスキャンデータについて、手前の波形のピーク強度は強くなるが、奥の波形のピーク強度は弱くなっている。

図３（ｂ１）では、界面３１aと界面３２aの中間にトランスデューサ２１の焦点を合わせているため、図３（ｂ２）のスキャンデータについて、奥の波形のピーク強度は、（ａ２）に比べて強くなっている。

図３（ｃ１）では、界面３２aにトランスデューサ２１の焦点を合わせているため、図３（ｃ２）のスキャンデータについて、奥の波形のピーク強度は、図３（ｂ２）に比べて強くなっている。

以上より、界面３１aにおける反射波の伝播時間を計測したい場合は、図３（ａ１）のように界面３１aにトランスデューサ２１の焦点を合わせて計測することにより、波形ピークを精度良く捉えることができる。

一方で、界面３２aにおける反射波の伝播時間を計測したい場合は、図３（ｃ１）のように界面３２aにトランスデューサ２１の焦点を合わせて計測することにより、波形ピークを精度良く捉えることができる。

最もピーク強度が高くなる焦点位置を探索的に走査させる方法については、図１７のような山登り法で実施している。山登り法とは、「現在の解の近傍の内で最も成績の良い解」を近傍解として選び、「現在の解より近傍解の成績の方が良い場合」に近傍解と現在の解を入れ換える局所探索法の方法である。極値を見つけ出すことがゴールであり、極値を見つけ出したら探索が終了となる。
焦点位置を変化させることにより、図１７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に図示するように、界面位置におけるピーク波形が変化する。

図１７（ａ）の矢印Aの位置から開始すると、ピーク強度は、図１７（ｂ）矢印B、図１７（ｃ）矢印C、図１７（ｄ）矢印Ｄと変化する。図１７（ａ）の矢印Aの位置から、よりピーク強度が高くなる方に焦点位置をずらしていくが、図１７（ｂ）矢印Ｂの位置を通り越し、図１７（ｃ）矢印Ｃの位置まで行くと、ピーク強度が低くなる。この時点で、ピーク強度を高くするためには、図１７（d）矢印Ｄのようになるまで焦点位置を戻す必要がある。

このような処理を何度も繰り返すことで、最もピーク強度が高くなる焦点位置を探索することが出来る。この手法は、人手によりピーク強度が高くなる位置を探すこともできるが、コンピュータプログラムにより、より効率的に探索することが可能となる。

このように、計測したい対象(界面３１a、界面３２a、界面３３a)によって、スキャンデータのピーク強度を観測しながら、最もピーク強度が高くなる焦点位置を探索的に走査させ、その焦点位置での波形ピークを検出することで、各層を伝播する時間を精度良く測定することができる。

なお、ピーク位置の検出は、最大値あるいは最小値のみに限定するものではない。例えば、最大値に対して−５％以内あるいは定量的な所定値の範囲内になったとき、ピーク位置を検出したとして処理してもよい。また、最小値に対して+５％以内あるいは定量的な所定値の範囲内になったとき、ピーク位置を検出したとして処理してもよい。
つまり、所定の閾値を設定し、設定した閾値で処理を行う。閾値は、計測したい対象の物性にあわせて設定する。閾値はデータベース１６３等に登録しておく。

トランスデューサ２１は、各材料サンプル３上のＸ方向、Ｙ方向に順次移動し、各位置の波形を検出する。各Ｘ位置Ｙ位置で、Ｚ方向にトランスデューサ２１を移動させる。

計測したい対象(界面３１a、界面３２a、界面３３aによって、トランスデューサ２１の焦点を変化させ、そのスキャンデータから波形ピークあるいは受信信号の所定閾値以上若しくは所定閾値以下かを検出することで、各層を伝播する時間を精度良く測定することができる。

トランスデューサ２１の焦点位置を変化させ、スキャンデータを取得することにより、波形ピーク、あるいは所定閾値以上若しくは所定閾値以下、あるいは波形の変化速度に関する情報を得ることにより、各層を伝播する時間を精度良く測定することができる。

トランスデューサ２１が送信する超音波の送信波の位相を調整あるいは変化させ、受信波のスキャンデータを取得することにより、波形ピーク、あるいは所定閾値以上若しくは所定閾値以下、あるいは波形の変化速度に関する情報を得て、各層を伝播する時間を精度良く測定することができる。
計測したい対象(界面３１a、界面３２a、界面３３a)によって、トランスデューサ２１の焦点位置を変化させる、

又は、トランスデューサ２１が送信する超音波の送信波の位相を調整あるいは変化させることで、それぞれの波形ピーク、あるいは所定閾値以上若しくは所定閾値以下、あるいは波形の変化速度に関する情報を得ることができる。また、界面３２aに合わせた場合、界面３２aに加えて界面３３aの波形ピーク等の情報も得られ、それらにより各層を伝播する時間を精度良く測定することもできる。

図１８（ａ）に図示するように、例えば、電子部品３が界面（３１ａ、３２ａ、３３ａ）を有しているとする。トランスデューサ２１は、Ｘ方向に所定距離ｄｘ、Ｙ方向に所定距離ｄｙで順次、測定位置１８１に移動する。測定位置１８１で焦点位置を合わせる。移動した測定位置１８１で超音波を出射し、界面での超音波の反射波を受信する。焦点位置をＺ軸方向に移動あるいは変化させることにより、界面３１ａ、界面３２ａ、界面３３ａの位置を求める。求められた界面位置はデータベースに蓄積される。

図１８（ｂ）に図示するように、電子部品３が、第１層３１、第２層３２、第３層３３の３つの材料あるいは構成体で形成されている場合、図１８（ｂ）のＡ位置では、第３層３３だけが存在する。図１８（ｂ）のＢ位置では、第１層３１、第３層３３が存在する。図１８（ｂ）のＣ位置では、第１層３１、第２層３２、第３層３３が存在する。
トランスデューサ２１を所定距離ｄｘ、ｄｙで移動させて、位置決めし、焦点位置を変化させて界面位置を、順次、測定位置１８１での界面位置を求めていく。

図１８（ｂ）において、Ａを含む領域では、水面から第３層３１までの伝播時間ｔ１、第３層３３の伝播時間ｔ２を測定する。Ａを含む領域での第３層３３の凹凸、反り、歪みが算出される。

図１８（ｂ）において、Ｂを含む領域では、水面から第１層３１までの伝播時間ｔ３、第１層の伝播時間ｔ４、第１層３１から第３層３３間の伝播時間ｔ５、第３層の伝播時間ｔ６を測定する。Ｂを含む領域での第１層３１の凹凸、反り、歪みが、第３層３３の凹凸、反り、歪みが算出される。また、Ａを含む領域の第３層の厚みと、Ｂを含む領域の第３層の厚みの差が定量的に測定される。

図１８（ｂ）において、Ｃを含む領域では、水面から第１層３１までの伝播時間ｔ７、第１層の伝播時間ｔ８、第２層３２の伝播時間ｔ９、第３層の伝播時間ｔ１０を測定する。Ｃを含む領域での第１層３１の凹凸、反り、歪みが、第２層３２の凹凸、反り、歪みが、第３層３３の凹凸、反り、歪みが算出される。また、Ｂを含む領域の第１層の厚みと、Ｃを含む領域の第１層の厚みの差が定量的に測定される。また、Ｂを含む領域の第３層の厚みと、Ｃを含む領域の第３層の厚みの差が定量的に測定される。

図４は、制御部１１による、材料を伝播するときの音速を算出する処理の手順を示すフローチャートである。制御部１１は、音速算出プログラム１６２を読み出して音速の算出処理を実行する。

制御部１１は、超音波顕微鏡２のトランスデューサ２１を、電子部品３を構成する各材料サンプルに対してＸＹ平面上で走査させ、図３で示した測定方法を用いて、スキャンデータを取得する（Ｓ１）。スキャンデータを取得するＸＹ平面上の点は、電子部品３のスキャンデータを取得するＸＹ平面上の点と同数である。
なお、本発明は、これには限定されない。例えば、取得したスキャンデータの変化が大きい場合は、単位距離当たりの測定点を増加させる。

制御部１１は、前記で得られたスキャンデータをスキャンデータ（２）ＤＢ１６５に記憶する（Ｓ２）。制御部１１は、スキャンデータの材料出側の界面における反射波形３９のピークに到達した時間と、材料入側の界面における反射波形３９のピークに到達した時間との差により、材料を伝播する伝播時間を求める（Ｓ３）。

あるいは受信した受信波２４に関して、所定の閾値を設定し、所定の閾値以上あるいは所定の閾値以下となる範囲、変化割合等から、材料を伝播する伝播時間を求める。
制御部１１は、伝播時間を伝播時間ＤＢ１６６に記憶する（Ｓ４）。
制御部１１は、材料又は組成ＤＢ１６４から材料の外形寸法(厚み)を取得する（Ｓ５）。
制御部１１は、伝播時間、及び前記厚みに基づいて材料の音速を算出する（Ｓ６）。
伝播時間をｔ、厚みをＬとしたとき、音速は、下記の式により算出される。
音速＝Ｌ／ｔ。
制御部１１は、音速を音速ＤＢ１６７に記憶する（Ｓ７）。

図５は、制御部１１による、三次元座標データ生成処理の手順を示すフローチャートである。制御部１１は、波形解析プログラム１７１、三次元座標データ生成プログラム１６１を読み出して三次元座標データ生成の処理を実行する。

制御部１１は、超音波顕微鏡２のトランスデューサ２１を電子部品３のＸＹ平面上で走査させ、図３で示した測定方法を用いて、ＸＹ平面上の各点におけるスキャンデータを層毎に取得する（Ｓ１１）。
制御部１１は、前記で得られたスキャンデータをスキャンデータ（１）ＤＢ１６３に記憶する（Ｓ１２）。

制御部１１は、材料の界面における反射波形３９のピークを検出する範囲を決定する（Ｓ１３）。ピークを検出する範囲の初期の設定範囲は、測定する対象に関する、材料又は組成ＤＢ１６４から得られる材料の外形寸法(厚み)と音速ＤＢ１６７から得られる音速を用いて、あらかじめ計算された、あるいは求められた範囲で実施する。
制御部１１は、下層の音響インピーダンスＺ２が上層の音響インピーダンスＺ１より大きいか否かを判定する（Ｓ１４）。
音響インピーダンスは、超音波の通りにくさを示し、次式で算出される。
Ｚ（音響インピーダンス）＝ｐ（物質の密度）×ｃ（物質固有の音速）。

物質は複数の物質が混合されている場合があり、また、複数の金属などが合金化されている場合がある。また、物質には物質内に微小な空隙（ボイド等）があるものがある。また、物質とは複数の材料が粗密に組み合わされ、合成され、混濁している場合がある。また、物質には光波長以下の薄い薄膜が多層に形成されて構成されている場合がある。これらの場合を総括して音響インピーダンスが取り扱われる。

従って、物質とはこれらの多種多様な材料、構成、組成を有するものを意味し、また、物質の密度とはこれらの物質の総合的な、あるいは微視的な密度をも意味する。また、物質固有の音速とはこれらの物質の総合的な、あるいは微視的な音速をも意味する。

音響インピーダンスは、狭義には物質の密度×物質固有の音速である。しかし、音響インピーダンスに一定の比率あるいは定数が、加算、減算あるいは乗算、除算したものをも含む。

また、音響インピーダンスに、例えば温度などに依存して変化する係数が一定の比率あるいは定数で、加算、減算あるいは乗算、除算したものをも含むものでもよいことは言うまでもない。

制御部１１は、Ｚ２＞Ｚ１であると判定した場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、反射波形３９はポジティブ波形となるため、上記検出範囲内での反射波形３９の局所的最大値を算出する（Ｓ１５）。
制御部１１は、反射波形３９の局所的最大値までの伝播時間を算出する（Ｓ１５）。

制御部１１は、Ｚ２＞Ｚ１でないと判定した場合（Ｓ１４：ＮＯ）、反射波形３９はネガティブ波形となるため、上記検出範囲内での反射波形３９の局所的最小値を算出する（Ｓ１７）。
制御部１１は、反射波形３９の局所的最小値までの伝播時間を算出する（Ｓ１８）。

図２に示すように、界面が第１層３１の界面３１ａである場合、伝播時間としてｔ１を算出する。界面が第１層３１と第２層３２との間の３２ａである場合、ｔ２を算出する。界面が第２層３２と第３層３３との間の３３aである場合、t３を算出する。

Ｓ１９において、制御部１１は、算出した伝播時間に基づいて、トランスデューサ２１の下面（基準点）から各界面までの距離（界面位置）を算出する。制御部１１は、各界面へ超音波が伝播するときのそれぞれの音速を音速ＤＢ１６７から取得し（Ｓ７より）、各界面間を伝播するときの伝播時間に、各層を構成する材料に対応する音速を乗じて距離を算出する。
制御部１１は、算出した界面位置に基づいて、三次元座標データを生成する（Ｓ２０）。
制御部１１は、三次元座標データを三次元座標データＤＢ１６８に記憶する（Ｓ２１）。
重ね合わせた材料の上層の音響インピーダンスＺ１と下層の音響インピーダンスＺ２とした時、界面での音波の振幅反射率は、
（Ｚ２−Ｚ１）／（Ｚ２＋Ｚ１）。

と計算される。すなわち、両材料の音響インピーダンスＺ１、Ｚ２が等しければ、反射が発生しない。よって、図６に示すように、（ｂ１）の場合はラージポジティブ（Large Positive）、（ｂ２）の場合はポジティブ（Positive）、（ｂ３）の場合は（ノーシグナル）No Signal、（ｂ４）の場合はネガティブ（Negative）、（ｂ５）の場合はラージネガティブ（Large Negative）の波形となる。

実施の形態においては、送信波２３を構造物３に送信し、受信波２４を測定あるいは解析する。測定あるいは解析は、送信波の送信した時刻から受信波を受信した時刻、受信波を受信した第１の時刻から所定の第２の時刻(ゲート時間)内の受信波の振幅の大きさ、振幅の変化割合、受信波の極性（ポジティブ、ネガティブ）等を用いて演算あるいは計算する。

また、測定あるいは解析は、送信波の送信した時刻から所定時間経過後の第１の時刻から、所定時間内の時間(ゲート時間) の受信波の振幅の大きさ、振幅の変化割合、受信波の極性（ポジティブ、ネガティブ）等を用いて演算あるいは計算する。
演算あるいは計算には、構造物を構成する材料等の寸法、密度などのＤＢのデータを使用して実施する。

例えば、図７（ａ１）及び（ａ２）に示すように、第１層３１が樹脂、第２層が銅（Ｃｕ）からなる場合、界面３１ａ及び３２ａにおける波形はポジティブ波形、界面３３ａにおける波形はネガティブ波形である。
電子部品等の構造物３は、水中に配置され、超音波が印加されて音響インピーダンスが測定される。

図７（ａ１）に図示するように、界面３１ａ、界面３３ａは水と接している。界面３１ａにおいて、樹脂の音響インピーダンスをＺ２、水の音響インピーダンスＺ１をとした場合、Ｚ２＞Ｚ１の関係があるが、一般的にＺ２とＺ１の差は小さい。従って、ポジティブ波形となるが、ピークは小さい。

界面３２ａにおいて、樹脂の音響インピーダンスをＺ１、銅（Ｃｕ）の音響インピーダンスＺ２をとした場合、Ｚ２＞Ｚ１の関係があり、Ｚ２とＺ１の差は大きい。従って、ピークの大きいポジティブ波形となる。

界面３３ａにおいて、銅の音響インピーダンスをＺ２、水の音響インピーダンスＺ１をとした場合、Ｚ２＜Ｚ１の関係があり、Ｚ２とＺ１の差は大きい。従って、ピークの大きいネガティブ波形となる。

トランスデューサ２１から界面３１ａ及び３２ａそれぞれにおける波形の局所的最大値までの伝播時間の差がｔ２である。界面３２ａにおける波形の局所的最大値、及び界面３３ａにおける波形の局所的最小値までの伝播時間の差がｔ３である。

図７（ｂ１）及び（ｂ２）に示すように、第１層３１が樹脂、第２層３２がシリコン、第３層３３が接着剤からなる場合、界面３１ａ及び３２ａにおける波形はポジティブ波形、界面３３ａ及び３４ａにおける波形はネガティブ波形である。

図７（ｂ１）において、界面３１ａ、界面３４ａは水と接している。界面３１ａにおいて、樹脂の音響インピーダンスをＺ２、水の音響インピーダンスＺ１をとした場合、Ｚ２＞Ｚ１の関係があるが、一般的にＺ２とＺ１の差は小さい。従って、ポジティブ波形となるが、ピークは小さい。

界面３２ａにおいて、樹脂の音響インピーダンスをＺ１、シリコンの音響インピーダンスＺ２をとした場合、Ｚ２＞Ｚ１の関係があり、Ｚ２とＺ１と差はあるが、大きな差はない。従って、ピークは、界面３１ａより多少大きいポジティブ波形となる。

界面３３ａにおいて、シリコンの音響インピーダンスをＺ１、接着剤の音響インピーダンスＺ２をとした場合、Ｚ２＜Ｚ１の関係があり、Ｚ２とＺ１と差が大きい。従って、ピークは、大きいポネガティブ波形となる。

界面３４ａにおいて、接着剤の音響インピーダンスをＺ１、水の音響インピーダンスをＺ２とした場合、Ｚ２＜Ｚ１の関係があり、Ｚ２とＺ１の差は比較的大きい。従って、比較的ピークの大きいネガティブ波形となる。

界面３１ａ及び界面３２ａそれぞれにおける波形の局所的最大値までの伝播時間の差がｔ２である。界面３２ａにおける波形の局所的最大値、及び界面３３ａにおける波形の局所的最小値までの伝播時間の差がｔ３である。界面３３ａ及び３４ａそれぞれにおける波形の局所的最小値までの伝播時間の差がｔ４である。
図７（ｃ１）の実施例は、樹脂とシリコンの中央部にボイド（空間）３６が発生している状態を示している。

図７（ｃ１）及び図７（ｃ２）に示すように、第１層３１が樹脂、第２層３２がシリコンからなる場合、界面３１ａは、水と樹脂との界面であるから、界面３１ａにおける波形はポジティブ波形となる。

界面３２ｂは、樹脂３１とボイド（空間）３６の界面である。樹脂の音響インピーダンスＺ２と空間（ボイド）の音響インピーダンスＺ１の差（Ｚ２−Ｚ１）が大きい。

従って、界面３２ｂでは、大きなネガティブ波形が検出される。界面３１ａにおける波形の局所的最大値、及び界面３２ａにおける波形の局所的最小値までの伝播時間の差がｔ２である。界面３２ｂにおいてボイドが生じていることが、検出される波形により容易に検知することができる。

図８は、ユーザの端末装置４の構成を示すブロック図である。端末装置４は、装置全体を制御する制御部４１、主記憶部４２、通信部４３、操作部４４、表示パネル４５、及び補助記憶部４６を備える。端末装置４は、例えば、デスクトップ型コンピュータ、ノート型パーソナルコンピュータ、タブレット、スマートフォン等で構成することができる。

制御部４１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等で構成することができる。主記憶部４２、通信部４３、操作部４４、及び表示パネル４５は、構造解析装置１の主記憶部１２、通信部１３、操作部１４、及び表示パネル１５と同様の構成を有する。

補助記憶部４６は大容量メモリ、ハードディスク等であり、制御部４１が処理を実行するために必要なプログラム、各材料の厚さを計算する計算プログラム８０３、各材料の反り量や歪み量等を計算する計算プログラム８０４、及び表示プログラム８０５を記憶している。

補助記憶部４６に記憶される各プログラムは、各プログラムを読み取り可能に記録した記録媒体８０８により提供されてもよい。補助記憶部４６は、更に、三次元座標データＤＢ８０２を記憶している。

図９は、制御部４１による電子部品３の三次元構造の表示処理の手順を示すフローチャートである。制御部４１は、記録媒体８０８から三次元座標データＤＢ１６８に記憶された三次元座標データを取得する（Ｓ３１）。

構造解析装置１と端末装置４とがインターネット等のネットワーク８０９を介して接続されている場合、三次元座標データは通信部１３及び通信部４３を介した通信により提供される。
制御部４１は、三次元座標データを三次元座標データＤＢ８０２に記憶する（Ｓ３２）。

構造解析装置１と端末装置４とがインターネット接続されておらず、三次元座標データが記録媒体８０８に記録されている場合は、読取装置（図示せず）を用いて記録媒体８０８から読み取り、補助記憶部４６に記憶してもよい。

制御部４１は、表示プログラム８０５を読み出す（Ｓ３３）。その後、表示を更新し(Ｓ３４)、ユーザの操作部４４による操作により表示項目を受け付けたか否かを判定する（Ｓ３５）。

制御部４１は、ユーザがプログラムを終了した場合（Ｓ３５（ｃ））、表示プログラムを終了する。一方で、ユーザが後述の断面表示位置変更(表示項目（４）〜（９）の変更)をした場合（Ｓ３５（ｂ））、各材料の厚さを計算する計算プログラム８０３を読み出す（Ｓ３６）。

制御部４１は、各材料の厚さを計算する（Ｓ３７）。その後に、各材料の反り量や歪み量等の計算プログラム８０４を読み出す（Ｓ３８）。制御部４１は、各材料の反り量や歪み量等を計算し（Ｓ３９）、計算された厚さや反り量や歪み量等を元に、表示を更新する（Ｓ３４）。
一方で、前記以外の場合（Ｓ３５（ａ））、各表示項目に応じて、表示を更新する（Ｓ３４）。
表示項目としては、以下の項目が挙げられる。
・表示項目（１）表示モード
電子部品３を構成する部品の各界面を表示するモードと、各層を表示するモードとのいずれかを設定する。
・表示項目（２）回転閲覧
任意の視点で、表示物を三次元上で回転させて閲覧する。
・表示項目（３）カラーマップ
表示物のカラーマップを変更する。
・表示項目（４）点指定によるスキャンデータ（Ｚ方向データ）表示
平面図上で指定した点のスキャンデータを表示する。座標を数値入力した場合、その座標の点のスキャンデータを表示する。
・表示項目（５）点指定による断面表示
平面図上で指定した点のＸ方向又はＹ方向の断面を表示する。座標を数値入力した場合、その座標の点のＸ方向又はＹ方向の断面を表示する。
・表示項目（６）線指定による断面表示
平面図上で指定した２点を結ぶ断面を表示する。座標を数値入力した場合、その２点の座標を結ぶ断面を表示する。
・表示項目（７）点指定又は線指定による断面における各層の絶対膜厚表示
・表示項目（８）点指定又は線指定による断面における各層の反り量や歪み量等の表示
・表示項目（９）点指定又は線指定による断面における各層の剥離、クラック、ボイド等の有無の表示

端末装置４には、三次元座標データＤＢ１６８に記憶された三次元座標データを取得するときに、表示プログラム８０５を同時に取得し、補助記憶部４６にインストールすることにしてもよい。

図１０は、図２の電子部品３の素子からなる第３層３３の表面（界面３３ａ）の平面視の画像である。基準点からの変位をカラー表示により等高線状に示すことができる。
図１１は、表示モード（表示項目（１））を界面表示とした時の、界面３３ａを三次元的に示した画像であり、回転閲覧することができる(表示項目（２）)。

図１２は、図１０に示す点を通り、Ｘ軸に平行な線で切断したときの断面を示すグラフである。横軸はＸ座標、縦軸は第１層（銅層）３１の絶対膜厚を示す(表示項目（７）)。

図１３は、図１０に示す点を通り、Ｙ軸に平行な線で切断したときの断面を示すグラフである。横軸はＹ座標、縦軸は第１層（銅層）３１の絶対膜厚を示す(表示項目（７）)。

図１４は、図１０に示す点を通り、Ｘ軸に平行な線で切断したときの断面図である。横軸はＸ座標、縦軸は第２層（はんだ層）３２の絶対膜厚を示す(表示項目（７）)。

図１５は、図１０に示す点を通り、Ｙ軸に平行な線で切断したときの断面図である。横軸はＹ座標、縦軸は第２層（はんだ層）３２の絶対膜厚を示す(表示項目（７）)。

図１６は、図１０に示す点を通り、Ｘ軸に平行な線で切断したときの断面図である。前記の通り、基準点からの界面３３ａの変位を計算することができ、それをグラフで表したものである。また、界面３３ａ上の２点間を結ぶ直線に対して、界面３３ａからの垂線を求めることで、この断面における最大の反り量や歪み量等を測長することができる(表示項目（８）)。

表示項目の設定によって、任意の２点を結ぶ断面における第１層３１の厚み、第２層３２の厚み、及び界面３１a、界面３２ａ、界面３３aの変位、及び界面上の２点間を結ぶ最大の反り量や歪み量等も同様に測長することができる。

以上の実施例では、電子部品３を例示して、電子部品３を構成する各層の絶対膜厚、反り量や歪み量等の測定、及び、剥離やクラックやボイド等を測定することを例示して説明した。

しかし、本発明はこれに限定するものではない。例えば、図１９（ａ１）、図１９（ａ２）、図１９（ａ３）に例示するように、生物などの生体に関するものであっても適用できることは言うまでもない。
図１９（ａ１）に図示するように、本発明を適用することにより、体内の臓器３２までの膜厚あるいは距離、臓器３２の形状などを測定することができる。

例えば、妊婦における胎児の様子を観察する場合、腹部にセンサをあてて超音波を体内に送り、そこから返ってくる反射波を受信し、画像化することができる。胎児の姿や動きがリアルタイムに得られるため、発育状況等の観察が可能である。

図１９（ａ２）に図示するように、本発明を適用することにより、生体の皮下脂肪３１の膜厚あるいは距離、内蔵脂肪３３までの距離、内蔵脂肪３３の表面の形状などを測定することができる。

図１９（ａ３）に図示するように、本発明を適用することにより、生体の表皮３１、真皮３２、皮下組織３３、筋肉の膜厚３４あるいは距離、それぞれの表面の形状などを測定することができる。
例えば、体表にセンサをあてて超音波を体内に送り、そこから返ってくる反射波を受信し、臓器・組織の形や動きを画像化、異常の早期発見が可能である。

本発明により、体内の組織の硬さを色で表示でき、腫瘍の状態を把握するのに役立つ。更に、腫瘍などの有無だけでなく、その大きさや深達度も調べることができる。

また、体表にセンサをあてて超音波を体内に送り、そこから返ってくる反射波を受信し、皮下脂肪や筋肉の厚さを画像で観察することが可能である。日常的に画像データが得られることで、運動やダイエット効果を確認でき、健康管理・美容痩身のサポートできる。

以上は、本発明を生体物に適用する実施例であるが、本発明は、図１９（ｂ１）、図１９（ｂ２）に例示するように、無機物などで構成される塗付膜、構造物に関するものであっても適用できることは言うまでもない。

図１９（ｂ１）に図示するように、本発明を適用することにより、素地に塗装した下塗り塗装膜３２、上塗り塗装膜３１の膜厚、塗装膜あるいは素地３３等の表面形状を測定することができる。

図１９（ｂ２）に図示するように、本発明を適用することにより、コンクリート（３１、３３）間に発生した空洞（ボイド等）３６の厚み、空洞（ボイド等）３６の面積、範囲あるいは位置を測定することができる。

例えば、コンクリート／金属内部の状態を観察することができる。超音波は物質中を伝搬する際、違う材質の境界で反射する性質を持っているため、建物のコンクリートや金属内部の欠陥の有無を探ることが可能である。

超音波の伝搬時間に音速を乗じて傷の深さを正確に知ることができる。非破壊で内部の亀裂が判断できることから、劣化診断・耐震診断、出荷前の製品検査に使用することができる

道路や建物、壁、塗装などの内部の厚さ、反り量、歪み量を測定することができる。食品にセンサをあてて超音波を送り、そこから返ってくる反射波を 受信し、内部を画像化することができきる。アクリル片など食品内の異物検出が可能で、製造現場での品質検査などに有用である。

以上のように、本発明の一態様に係る構造解析装置は、複数の材料又は複数の組成を有し、前記複数の材料又は複数の組成が接する界面を有する構造物の構造解析装置であって、前記構造物に超音波を送信した送信波の送信と、受信波の受信とを行う超音波送信受信部と、前記界面からの受信波が最大となるように、前記超音波送信受信部の位置調整を行う位置調整部と、前記複数の材料又は複数の組成の情報が格納されたデータベース部と、前記超音波送信受信部により送信した後の所定時間経過後の第１の時刻から、所定時間内に受信した受信波の情報と、前記データベース部に格納された前記複数の材料又は複数の組成の情報を使用し、前記複数の材料の膜厚、若しくは複数の組成の厚み、又はそれらの三次元的な反り量や歪み量等を求める算出部を具備する。

本態様によれば、各界面にて反射した超音波の反射波形３９を取得し、反射波形３９に基づいて各界面へ伝播する伝播時間を算出し、伝播時間及び各界面へ伝播するときのそれぞれの音速等の、材料又は組成の情報に基づいて、各層の絶対膜厚、反り量や歪み量等の測定、及び、剥離やクラックやボイド等の有無といった構造物の外形及び内部の構造を良好に解析することができる。

上述の構造解析装置において、前記算出部は、前記構造物を構成し、接する第１の材料の音響インピーダンスと第２の材料の音響インピーダンスとを所定の時間範囲で求め、又は接する第１の組成の音響インピーダンスと第２の組成の音響インピーダンスとを所定の時間範囲で求め、前記所定の時間範囲での、前記第１及び第２の音響インピーダンスの変化から、前記第１の材料と前記第２の材料とが接する位置、又は前記第１の組成と第２の組成とが接する位置を求めてもよい。

本態様によれば、第１の材料と前記第２の材料とが接する位置、又は前記第１の組成と第２の組成とが接する位置を良好に求めることができる。従って、構造物の三次元座標データを良好に生成することができる。

以上の実施例では、トランスデューサ２１を用いて、各界面にて反射した超音波の反射波形３９を取得し、反射波形３９に基づいて各界面へ伝播する伝播時間を算出する。また、伝播時間及び各界面へ伝播するときのそれぞれの音速等の、材料又は組成の情報に基づいて、各層の絶対膜厚、反り量や歪み量等の測定、及び、剥離やクラックやボイド等の有無といった構造物の外形及び内部の構造を解析する。

図２０は、トランスデューサ２１によるボイド３６の検出方法を示す説明図である。はんだ層３２内にはボイド３６が発生している。トランスデューサ２１は、X軸方向及びY軸方向に所定距離間隔で移動する。トランスデューサ２１ａの位置から、トランスデューサ２１ｂの位置に移動し、位置決めされた各位置で、送信波をはんだ層３２に出力し、はんだ層３２からの受信波を受信する。各位置では、Z軸方向にトランスデューサ２１を所定距離間隔で移動させ、各位置で音響インピーダンスを求める。

測定された音響インピーダンスからなるデータベースと、例えば、図７（ｃ１）の実施例にある界面３２ｂにおける、ピークの大きなネガティブ波形を検出した伝播時間を用いて、ボイドの有無及び位置、大きさを検出する。これにより、リアルタイムに近い状態で、順次、ボイド３６を検出することができる。

以上の実施例は、はんだ層３２内のボイド３６の検出する方法あるいは装置であるが、本発明はこれに限定するものではない。例えば、接着樹脂内の気泡、コンクリートブロック内の空間、鉄材料部品内の他の金属の混在物、生物の内蔵内の脂肪粒など、多種多様なものを非破壊で解析、分析できることは言うまでもない。

図２１は、層間で成長あるいは発生する成長層を検出する方法の実施例である。例えば、第２の金属と第３の金属が接している場合の構成物において、構成物が加熱されると、第２の金属と第３の金属間に、第２の金属と第３の金属の合金層が発生する場合がある。発生した合金層は、加熱の継続状態に応じて、膜厚が厚く成長する。

図２１（ａ）は、第１の金属層３１と第２の金属層３２が接し、第２の金属層３２と第３の金属層３３が接している。第１の金属層３１と第２の金属層３２との界面には界面３２ａがあり、第２の金属層３２と第３の金属層３３の界面には界面３３ａがある。

図２１（ｂ）は、第２の金属層３２と第３の金属層３３との界面に、第２の金属と第３の金属とが反応し、合金層３４が成長する。合金層３４の成長は加温される温度によって異なる。また、金属層３２及び金属層３３の材料あるいは構成により異なる。

図２１（ｂ１）に図示するように、合金層３４の発生により、金属層３２と合金層３４間に反射波形３９ｃが発生し、また、反射波形３９ｃは合金層３４の変化に伴い変化する。また、合金層３４の発生により、金属層３３と合金層３４間に反射波形３９ｄが発生し、また、反射波形３９ｄは合金層３４の変化に伴い変化する。

図２２は、測定された反射波形を示している。図２２（ａ）は、図２１（ａ）のように、界面３２ａ、界面３３ａを有する場合である。図２２（ｂ）は、図２１（ｂ）のように、界面３２ａ、界面３３ａ及び界面３４ａを有する場合である。

合金層３４が発生すると、図２１（ａ）に示す反射波形３９ｂから、 図２１（ｂ）に示す反射波形３９ｃに変化する。これらの波形のピーク強度の差が生じたことは、音響インピーダンスの差が生じたことを意味し、合金層の発生及び組成の変化が生じたことを意味する。よって、波形のピーク強度の差を測定することにより、合金層の発生及び組成の変化を検出あるいは測定することができる。

また、図２１（ａ）において、合金層３４の膜厚ｘが変化すると、反射波形３９ｃと反射波形３９ｄの時間差ｔが変化する。時間差ｔを測定することにより、合金層３４の膜厚、組成の変化を検出あるいは測定することができる。合金層３４の組成が時間により変化する場合は、図２３に図示するように、波形のピーク強度、音響インピーダンスの大きさ、あるいは極性が変化することになる。

図２３は、時間（ｈ）に応じて、音響インピーダンスの大きさが変化することを模式的にグラフ化している。同様に、合金層３４の膜厚が、時間により変化する場合は、反射波形３９ｃと反射波形３９ｄの時間差が変化する。例えば、図２４に図示するように、加温される温度Ｔ１℃と、温度Ｔ２℃で膜厚ｘ（μｍ）の加温時間に対する変化割合が変化する。

その変化は、反射波形３９ｃと反射波形３９ｄの時間差で把握することができる。同様に、合金層３４の組成が温度Ｔ１℃、温度Ｔ２℃で変化する場合も、図２４のグラフを取得することにより把握することができる。

以上の方法により、トランスデューサ２１を用いて、各界面にて反射した超音波の反射波形３９及び時間差ｔを取得し、図２２で示すような反射波形データベースと、図２３及び図２４で示すような時系列データを用いることにより、合金層３４の膜厚ｘ及び分布、合金状態の変化を、非破壊で把握あるいは測定することができる。

また、トランスデューサ２１をＸＹ軸方向及び深さ方向のＺ軸方向に所定の距離で移動し、その移動距離を小さくするほど、測定点数を多くするほど、取得できるデータ数は多くなり、合金層３４の膜厚ｘ及び分布、合金状態の変化を検出する確度を高くすることができる。

図２５は、トランスデューサ２１による合金層３４の膜厚、膜厚分布等の測定及び検出方法を示す説明図である。はんだ層３２内には合金層３４の膜厚分布が発生している。トランスデューサ２１は、X軸方向及びY軸方向に所定距離間隔で移動する。トランスデューサ２１ａの位置から、トランスデューサ２１ｂの位置に移動し、位置決めされた各位置で、送信波を合金層３４に出力し、合金層３４等からの受信波を受信する。

各位置では、Z軸方向にトランスデューサ２１を所定距離間隔で移動させ、各位置で音響インピーダンスを求める。測定された波形のピーク強度及び音響インピーダンスからなるデータベースにより、合金層３４の膜厚及び分布、合金状態の変化を検出する。

また、合金層３４の加温時間あるいは加温温度を推定することもできる。これにより、リアルタイムに近い状態で、順次、合金層３４の状態を検出することができる。

以上の実施例では、金属層３２と金属層３３間に合金層３４が発生し、波形のピーク強度及び反射波の伝播時間の測定結果から、合金層３４の成長（膜厚変化、構成あるいは構造等）を測定等するとして説明した。本発明はこれに限定するものではない。例えば、金属層３１、金属層３２、金属層３３は、樹脂などの有機物等構成されていても、構成層３４の変化、構成あるいは構造を測定あるいは観察をすることができる。その他、接着樹脂内の気泡、コンクリートブロック内の空間、鉄材料部品内の他の金属の混在物、生物の内蔵内の脂肪粒など、多種多様なものを非破壊で解析、分析できることは言うまでもない。

本発明の一態様に係る構造解析装置は、少なくとも第１の材料又は第１の組成からなる第１の層と、第２の材料又は第２の組成からなる第２の層とが接する界面を有する構造物を解析する装置に関するものである。

超音波を発生する超音波発生部と、界面で反射した超音波の反射波形３９を取得する取得部と、反射波形３９に基づいて、界面へ伝播した伝播時間を算出する算出部と、伝播時間と超音波が界面へ伝播する音速に基づいて構造物の構造を解析する解析部を具備することを特徴とする。

本発明の一態様に係るコンピュータプログラムは、第１の材料又は第１の組成からなる第１の層と、第２の材料又は第２の組成からなる第２の層とが接する界面を有する構造物の構造解析するものである。界面にて反射した超音波の反射波形３９を取得し、反射波形３９に基づいて、界面へ伝播した伝播時間を算出し、伝播時間と界面に伝播するときの音速に基づいて構造物の構造を解析する処理を実行することを特徴とする。
図２６、図２７、図２８、図２９は、本発明の構造解析装置、構造解析方法を使用するビジネスモデルの説明図である。

図２６は、第１の実施形態におけるビジネスモデルの説明図である。超音波顕微鏡を所有し、図1におけるスキャンデータ（１）データベース（ＤＢ）１６３、材料又は組成データベース（ＤＢ）１６４、スキャンデータ（２）データベース（ＤＢ）を所有、もしくは出力できる顧客Ａに対して実施する。

会社Ａは、図1における三次元座標データ生成プログラム１６１、音速算出プログラム１６２、波形解析プロブラム１７１、図8における各材料の厚さの計算プログラム８０３、各材料の反り量の計算プログラム８０４、表示プログラム８０５などを内包したプログラム（以下、「構造解析プログラム１」とする)を提供もしくは販売する。

顧客Ａは、コンピュータ及びスマートフォン上に、構造解析プログラム１をインストールし、複数の材料又は複数の組成が異なる層を有する構造物の構造解析をすることが可能となる。
会社Ａは、構造解析プログラム１のライセンス料を顧客Ａから受け取る。
図２７は、第２の実施形態におけるビジネスモデルの説明図である。超音波顕微鏡を所有しない顧客Ａに対して実施する。

超音波顕微鏡を所有する会社Ａは、複数の材料又は複数の組成が異なる層を有する構造物の、図1におけるスキャンデータ（１）データベース（ＤＢ）１６３、材料又は組成データベース（ＤＢ）１６４、スキャンデータ（２）データベース（ＤＢ）を作成し、図1における三次元座標データＤＢ１６８及び各材料の厚さの計算プログラム８０３、各材料の反り量の計算プログラム８０４、表示プログラム８０５などを内包したプログラム（以下、「構造解析プログラム２」とする）を提供もしくは販売する。

顧客Ａは、コンピュータ及びスマートフォン上に、構造解析プログラム２をインストールし、複数の材料又は複数の組成が異なる層を有する構造物の構造解析をすることが可能となる。
会社Ａは、スキャンデータ取得料及び構造解析プログラム２のライセンス料を顧客Ａから受け取る。

図２８は、第３の実施形態におけるビジネスモデルの説明図である。超音波顕微鏡を所有し、図1におけるスキャンデータ（１）データベース（ＤＢ）１６３、材料又は組成データベース（ＤＢ）１６４、スキャンデータ（２）データベース（ＤＢ）を所有もしくは出力できる顧客Ａに対して実施する。

会社Ａは、図1における三次元座標データ生成プログラム１６１、音速算出プログラム１６２、波形解析プロブラム１７１、図8における各材料の厚さの計算プログラム８０３、各材料の反り量の計算プログラム８０４、表示プログラム８０５などを内包したプログラム（以下、「構造解析プログラム３」とする)をクラウドサーバー上で動作させる。

顧客Ａは、所有もしくは出力したデータベース(ＤＢ)を入力することにより、顧客Ａのコンピュータ及びスマートフォンのＷｅｂブラウザなどの上で、複数の材料又は複数の組成が異なる層を有する構造物の構造解析をすることが可能となる。
会社Ａは、構造解析プログラム３の利用料を顧客Ａから受け取る。
図２９は、第４の実施形態におけるビジネスモデルの説明図である。超音波顕微鏡を所有しない顧客Ａに対して実施する。

超音波顕微鏡を所有する会社Ａは、複数の材料又は複数の組成が異なる層を有する構造物の、図1におけるスキャンデータ（１）データベース（ＤＢ）１６３、材料又は組成データベース（ＤＢ）１６４、スキャンデータ（２）データベース（ＤＢ）を作成し、図1における三次元座標データＤＢ１６８及び各材料の厚さの計算プログラム８０３、各材料の反り量の計算プログラム８０４、表示プログラム８０５などを内包したプログラム（以下、「構造解析プログラム４」とする）をクラウドサーバー上で動作させる。

顧客Ａは、コンピュータ及びスマートフォンのＷｅｂブラウザなどの上で、複数の材料又は複数の組成が異なる層を有する構造物の構造解析をすることが可能となる。
会社Ａは、スキャンデータ取得料及び構造解析プログラム４の利用料を顧客Ａから受け取る。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。

本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本明細書及び図面に記載した事項あるいは内容は、相互に組み合わせることができることは言うまでもない。

１ 構造解析装置
２ 超音波顕微鏡
３ 電子部品（測定試料）
１１ 制御部
１２ 主記憶部
１３ 通信部
１４ 操作部
１５ 表示パネル
１６ 補助記憶部
２１ トランスデューサ
２３ 送信波
２４ 受信波
３１ 第１層
３２ 第２層
３３ 第３層
３４ 第４層
３５ 第５層
３１ａ 界面
３２ａ 界面
３３ａ 界面
３４ａ 界面
３６ ボイド
３９ 反射波形
１６１ 三次元座標データ生成プログラム
１６２ 音速算出プログラム
１６３ スキャンデータ（１）ＤＢ
１６４ 材料又は組成ＤＢ
１６５ スキャンデータ（２）ＤＢ
１６６ 伝播時間ＤＢ
１６７ 音速ＤＢ
１６８ 三次元座標データＤＢ
１７１ 波形解析プロブラム
１６９ 記録媒体
１７０ ネットワーク
１８１ 測定位置
８０２ 三次元座標データＤＢ
８０３ 計算プログラム
８０４ 計算プログラム
８０５ 表示プログラム

Claims (10)

1. 第１の材料又は第１の組成からなる第１の層と、第２の材料又は第２の組成からなる第２の層とが接する界面を有する構造物の構造解析装置であって、
   超音波を発生する超音波発生部と、
   前記界面で反射した超音波の反射波形を取得する取得部と、
   前記反射波形に基づいて、前記界面へ伝播した伝播時間を算出する算出部と、
   前記伝播時間と、超音波が前記界面へ伝播する音速に基づいて前記構造物の構造を解析する解析部とを具備することを特徴とする構造解析装置。
2. 前記算出部は、
   前記第１の層の音響インピーダンスが前記第２の層の音響インピーダンスが大きい場合に、前記反射波形の振幅が最大値又は所定の範囲内になるときの伝播時間を算出し、
   前記第１の層の音響インピーダンスが前記第２の層の音響インピーダンスが小さい場合に、前記反射波形の振幅が最小値になるときの伝播時間を算出することを特徴とする請求項１に記載の構造解析装置。
3. 前記解析部は、前記界面への伝播時間と該界面へ超音波が伝播するときの音速に基づいて、前記界面の位置を算出することを特徴とする請求項１に記載の構造解析装置。
4. 三次元座標データを生成する生成部を更に有し、
   前記超音波発生部は、前記構造物のＸＹ平面上で所定間隔に超音波を照射し、
   前記取得部は、前記ＸＹ平面に略垂直な方向から前記超音波の反射波形を取得し、
   前記解析部は前記反射波形から前記界面の位置を算出し、
   前記生成部は、前記界面の位置に基づいて、前記構造物の三次元座標データを生成することを特徴とする請求項１に記載の構造解析装置。
5. 第１の材料又は第１の組成からなる第１の層と、第２の材料又は第２の組成からなる第２の層とが接する界面を有する構造物の構造解析方法であって、
   前記界面で反射した超音波の反射波形を取得し、
   前記反射波形に基づいて、界面へ伝播した伝播時間を算出し、
   前記伝播時間と前記界面に伝播するときの音速に基づいて前記構造物の構造を解析することを特徴とする構造解析方法。
6. 前記構造物のＸＹ平面上で所定間隔に超音波を照射し、
   前記ＸＹ平面に略垂直な方向から前記超音波の反射波形を取得して、前記界面の位置を算出し、
   前記構造物の三次元座標データを生成することを特徴とする請求項５に記載の構造解析方法。
7. 第１の材料又は第１の組成からなる第１の層と、第２の材料又は第２の組成からなる第２の層とが接する界面を有する構造物の構造解析にあって、
   前記界面にて反射した超音波の反射波形を取得し、
   前記反射波形に基づいて、前記界面へ伝播した伝播時間を算出し、
   前記伝播時間と前記界面に伝播するときの音速に基づいて前記構造物の構造を解析する処理を実行することを特徴とするコンピュータプログラム。
8. 前記構造物の構造に基づいて前記構造物の三次元座標データを生成する処理を実行することを特徴とする請求項７に記載のコンピュータプログラム。
9. 前記構造物の構造に基づいて前記構造物の三次元座標データを生成し、
   生成した前記三次元座標データに基づいて、前記構造物の三次元構造を表示する処理を実行する請求項７に記載のコンピュータプログラム。
10. 第１の材料又は第１の組成からなる第１の層と、第２の材料又は第２の組成からなる第２の層とが接する界面を有する構造物にあって、
    前記構造物のＸＹ平面上で所定間隔に超音波を照射し、前記ＸＹ平面に略垂直な方向から前記超音波の反射波形を取得し、
    取得した前記反射波形のデータを外部装置へ出力し、
    前記外部装置から前記構造物の反射波形のデータを取得し、
    前記構造物の構造を三次元で表示する処理を実行することを特徴とするコンピュータプログラム。