JP4583847B2 - 機能デバイスの欠陥を検出する超音波探傷方法および設備 - Google Patents

Description

本発明は、被検体である機能デバイスの欠陥を検出する超音波探傷方法並びに当該方法を実施するための超音波探傷設備に関する。

従来から、被検体の欠陥を検出する非破壊検出法が知られており、太陽電池セルや半導体素子のような薄板状機能デバイスや、薄膜金属板などを、検出の対象としている（以下の特許文献１〜３、参照）。マイクロクラックのような欠陥が太陽電池セルに存在すれば、起電力の低下という問題が生じうる。
特開２０００−６５７５９号公報 特開２００３−３４３９９２号公報 特開２００１−３２４４８４号公報

特許文献１には、被検体に光を照射して反射光を監視し、暗い像として映し出されるクラックを検知する方法が開示されている。しかし、この方法では、被検体の表面のクラックだけしか検出できない。また、特許文献２は、太陽電池セルのマイクロクラックを検出する方法を開示し、この方法によれば、太陽電池セルを機械的に湾曲させてマイクロクラックから発生するアコースティックエミッションと呼ばれる特有の振動波を発生させ、この特有の振動数を超音波センサによって検出している。しかし、特許文献２の方法は、太陽電池セルを機械的負荷によって湾曲させなければならず、曲げ強度の低い薄膜の太陽電池セルは、湾曲させようとすると機械的負荷によって破断しやすいため、この検出方法は実質的に適用することができない。

他方、薄板状金属板の欠陥の検出には、水中で超音波により非接触で検出する超音波探傷方法が知られている。超音波探傷方法は、超音波を送受信する探触子によって、被検体に超音波を投射して被検体からの反射波を受信波として受信し、この受信波の波形データを解析することで、被検体の欠陥を検出している。被検体である薄板金属板は、面積がより大きい表面／裏面と、面積がより小さい端面とを有し、一般に、超音波探傷方法は、探触子をこのような表面／裏面に沿って移動させて走査するＣスコープ法／Ｂスコープ法や、探触子を表面／裏面上方に固定して超音波の送受信を行うＡスコープ法に分類される。

特許文献３は、Ａスコープ法に属するアレイ型探触子を用いる方法を開示する。
この特許文献開示の技術によれば、超音波を送受信する複数の探触子を直線上に並べて配置し、電子走査によって、被検体の欠陥を検出している。しかしながら、特許文献開示の探傷方法は、アレイ型探触子を用いているため、必然的に多数の探触子が必要である。さらに、特許文献開示の探傷方法は、その図１に示すように、面積がより大きい表面に沿って探触子を配置しているため、探触子の配列方向と直角な方向に探触子を移動させる走査が必要であり、欠陥検出に必要な処理時間がかかり過ぎるという、問題がある。特に、被検体が太陽電池セルや半導体素子のような大量生産される製品である場合、長時間の検出処理時間は、製品の生産能力の低下をもたらすため、かかる問題は、より深刻である。
なお、薄板状被検体の超音波探傷方法に関し、面積がより小さい端面に超音波を投射する方法は、本発明の出願時点では、見当たらない。

本発明は、より少ない探触子を用いて薄板状被検体の欠陥をより短時間に検出できる超音波探傷方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、従来技術における被検体・表面へのＡスコープ超音波投射に代えて、固定した探触子による被検体・端面への超音波投射を採用することにより、前記課題を解決できることを見出し、この知見に基づき、本発明が完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、被検体の欠陥を検出する超音波探傷方法であって、
両側に端面を有する薄板状被検体を液体中に静止状態に保持し、
超音波を所定の距離に焦点を結ぶように発射する焦点型、且つ、自身が投射した超音波の反射波を受信する送受信一体型の固定した探触子によって、前記薄板状被検体の１つの前記端面から前記被検体の内部に広がるように超音波を投射して、前記被検体の他の前記端面、不連続点および欠陥が反射した反射波を受信波として受信し、
前記受信波の波形データと、基準となる波形データとを比較して、前記被検体の欠陥の有無を判定することを特徴とする超音波探傷方法を提供する。

好適には、探触子を複数用い、複数の探触子は、超音波を前記被検体の対向する各端面に投射しうるように保持される。また好適には、複数の探触子は、長手方向の軸を有し、この探触子は、それらの軸が一致しないような互い違いの位置に配置される。また好適には、探触子は、前記焦点が前記被検体の内部に位置するように保持される。

請求項１に記載の超音波探傷方法を実施するための超音波探傷設備であって、
超音波を所定の距離に焦点を結ぶように発射する焦点型、且つ、自身が投射した超音波の反射波を受信する送受信一体型の探触子と、
被検体の端面に前記探触子が発した超音波が投射されるように、前記被検体を液体中に保持するための保持装置と、
前記保持装置を制御するための保持装置制御装置と、
前記探触子を制御するための探触子制御装置と、
前記保持装置制御装置および前記探触子制御装置を制御するための探傷システム制御装置とを含んでなる超音波探傷設備を提供する。

本発明の超音波探傷方法によれば、本発明の前記構成要件、特に、面積がより大きい表面／裏面への超音波投射に代えて、面積がより小さい端面への超音波投射を採用することにより、アレイ型探触子を用いる従来技術の探傷方法に比し、使用すべき探触子の数を大幅に減少させることができかつ表面／裏面に垂直な方向への探触子移動を不要としたことにより検出処理時間を大幅に短縮することができるという、技術的効果を奏することができる。
本発明の超音波探傷方法は、面積がより小さい端面に対し、超音波を投射しているため、被検体の１つの端面から入射した超音波を、反対側の端面に向かって広がるように伝播させることができ、その結果、被検体の内部の広い範囲に超音波を伝播させることができる。

前記したように、本発明の方法は、被検体の欠陥を検出する超音波探傷方法である。
欠陥は、被検体の内部欠陥だけでなく、表面欠陥も含まれる。欠陥には、被検体の本来的な機能を損なうような全ての欠陥が包含され、例えば、被検体が太陽電池セルの場合、太陽電池セルの機能、すなわち起電力を損なうような、全ての欠陥が包含される。また、被検体の欠陥は、設計上意図しない構造的な不連続点、例えば、クラック、マイクロクラックなども含まれ、したがって、例えば被検体が太陽電池セルである場合、剥離状態の電極なども、本発明の欠陥に包含される。さらに、被検体が液晶である場合、液晶中の気泡、液晶を封入するガラス板のクラック、剥離状態の電気回路なども、本発明の欠陥に包含される。

また、本発明の方法は、少なくとも、次のような構成要件を含んでなる。
（Ａ）端面を有する薄板状被検体を液体中に保持すること。
（Ｂ）固定した探触子によって前記端面に超音波を投射して、前記被検体からの反射波を受信波として受信すること。
（Ｃ）前記受信波の波形データと、基準となる波形データとを比較して、前記被検体の欠陥の有無を判定すること。

（Ａ）端面を有する薄板状被検体を液体中に保持すること
本発明の探傷方法の被検体は、端面を有する薄板状の形態である。好適には、被検体は、より大きい面積の表面／裏面と、より小さい面積の端面とを有することができる。
薄板状被検体は、好適には系外からのエネルギーによって自律的に機能するような機能デバイス、例えばトランジスター、ダイオード系電気素子、ＩＣチップ、ＬＳＩ等を挙げることができる。より具体的には、太陽電池セル、太陽電池モジュール、太陽電池パネル等、液晶、液晶モジュール、液晶パネルを例示することができる。特に好適には、被検体は、液晶、液晶モジュール、液晶パネル、太陽電池セル、太陽電池モジュール、太陽電池パネルである。
被検体を液体中に保持することにより、超音波の減衰を防止することができる。液体として、水道水、純水、グリセリンなどを使用できるが、好適には水道水、より好適には純水を使用することができる。
端面の寸法（被検体の厚み）は、好適には最大で２ｍｍであり、より好適には１，０００μｍ以下、特に好適には３００μｍ以下、例えば、２００μｍ以下である。

（Ｂ）固定した探触子によって前記端面に超音波を投射して、前記被検体からの反射波を受信波として受信すること
本発明の探傷方法に使用される探触子は、固定されていることが必須である。本発明によれば、探触子が固定されているため、走査を行うＢスコープ法やＣスコープ法に比し、解析すべきデータがより少ない。このため、解析に要する時間がより少なく、よって、検出処理時間を大幅に短縮することができる。
探触子は、送信用探触子と受信用探触子とを物理的に分離させた形態であってもよいが、好適には送受信の機能を有する一体型の送受信用探触子を使用することができる。また、探触子は、所定の距離で焦点を結ぶ焦点型探触子が好適である。この焦点型探触子は、強力な超音波パルスを発射することができる。また、一体型超送受信用音波探触子は、単数または複数用いることができる。

＜超音波の被検体端面への投射＞
超音波の被検体端面への投射は、例えば、次のように行うことができる。
図１は、２つの送受信用焦点型探触子を用いた実施形態を示し、第１探触子１５および第２探触子１７から投射された超音波パルスが正方形被検体（例えば、太陽電池セル）１３内部を伝播する状態を簡略化して示す。焦点型探触子１５，１７から、端面１３ａ，１３ｂに発射した超音波は、図示するように、被検体１３の僅か内側に焦点を結び、焦点位置から広がるように伝播していく。ただし、実際の超音波の伝播は、このように単純な境界を有しておらず、探触子１５，１７の長手軸となす角度が大きくなると、伝わる超音波振動は弱くなり、また焦点からの距離が遠くなれば徐々に弱くなってゆく。よって、ここに図示した超音波パルスの伝播範囲は、強い超音波振動が伝播する範囲の概略を示すものであり、示された範囲外には超音波パルスが伝播しないという意味ではない。この実施形態によれば、被検体１３の端面から超音波パルスを入射して、２つの探触子１５、１７だけで、被検体１３の実質的に全域に強い超音波パルスを伝播させることができる。好適には、２つの探触子１５，１７は、好適には端面の厚み方向の略中央に配置し、それらの軸が被検体表面と平行となるように配置される。
なお、この実施形態では、長手方向の軸を有する探触子１５，１７は、当該軸および被検体平面を含む平面において、それらの軸が一致しないような互い違いの位置に配置されているため、それぞれの探触子１５，１７から超音波が有効に伝播する範囲の重複が少なく、より少ない数の探触子で被検体全体の検出を行うことができる。
図２は、３つの超音波探触子を用いた実施形態を示す。この実施形態では、長手方向端面１３ａ，１３ｂを有する長方形板状の被検体１３を用い、探触子１５，１７に加えて、第３探触子２５を配置している。この実施形態では、長手方向端面１３ａ，１３ｂ付近に超音波探触子を配置することができる。
図３は、２つの探触子と、長方形被検体とを用いた実施形態を示す。この実施形態では、長手方向と略垂直方向の端面１３ａ，１３ｂ付近に超音波探触子１５，１７を配置することができる。
図４は、２つの探触子と、正方形被検体を用い、１つの端面１３ａ付近に探触子１５，１７を配置した実施形態を示す。

＜受信波の受信＞
本発明によれば、前記被検体からの反射波を受信波として受信する。この受信状態は、例えば、図５に示すように行われる。
第１探触子１５から投射した超音波は、先ず超音波が投射された第１端面１３ａで一部が反射され、反射した超音波は液体中を伝播して第１探触子１５に到達する。さらに、被検体１３の内部に入射した超音波は、反対側の第２端面１３ｂで反射され、その一部が第１端面１３ａでの前記反射波に遅れて第１探触子１５に到達して受信される。
ここで、図示するように超音波の進路上のＡ点に、構造的な不連続点、すなわち設計上意図しない欠陥（例えば、マイクロクラック）または設計上意図した不連続点（例えば、被検体・太陽電池セルの電極）が存在した場合、超音波は、Ａ点で反射、散乱して、その一部が第１探触子１５に到達する。このＡ点からの反射波の受信は、第１探触子１５において、時間的に、探触子近傍・端面１３ａの反射波の受信と、探触子遠位・端面１３ｂの反射波の受信との間になされる。マイクロクラックなどの欠陥が存在すれば、第１探触子１５が受信した反射波は、被検体１３が良品であるときには受信し得ないＡ点固有のタイミングの振動を包含していることになる。
なお、超音波探触子を複数用いる場合、１つの探触子による超音波の送受信が終了して波形データを取り込んだのち、他の探触子による送受信を行うことが、好適である。

（Ｃ）前記受信波の波形データと、基準となる波形データとを比較して、前記被検体の欠陥の有無を検出すること
基準となる波形データ（マスターデータ）として、時系列データ（例えば、探触子が受信したアナログデータをＡ／Ｄ変換したデジタルデータ）、時系列データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理したＦＦＴデータ、ＦＦＴデータの実数部を抽出したデータ、ＦＦＴの虚数部を抽出したデータを用いることができる。
なお、ＦＦＴデータは、位相が９０度異なる実数部と虚数部との和として示される。

本発明の第２の態様である超音波探傷設備は、少なくとも、次の構成要素を有することができる。
探触子と、
被検体を液体中に保持するための保持装置と、
前記保持装置を制御するための保持装置制御装置と、
前記探触子を制御するための探触子制御装置と、
前記保持装置制御装置および前記探触子制御装置を制御するための探傷システム制御装置

次に、本発明の好適な実施形態について、超音波探傷設備、次いで超音波探傷方法を説明する。
図６に示すように、本発明の超音波探傷設備１は、探触子１５，１７と、保持装置６と、保持装置制御装置２１と、探触子制御装置１９と、探傷システム制御装置２０とを備えることができる。
探触子１５，１７は、探触子制御装置１９に接続されている。探触子制御装置１９は、１組の入出力を制御でき、入出力を第１探触子１５または第２探触子１７のいずれかに切り換えて接続し、電気信号の出力によって探触子１５，１７において超音波を発生させて当該超音波を被検体１３に発射でき、かつ探触子１５，１７から反射波の波形信号を受け取ることができる。探傷システム制御装置２０は、探触子制御装置１９に動作タイミングを指示でき、かつ探触子制御装置１９から、反射波の波形データを受信することができる。また探傷システム制御装置２０は、保持装置制御装置２１を介して、保持装置６の動作を制御する。すなわち、探傷システム制御装置２０は、吸引パッド１８による被検体１３の吸着と解放、水平シリンダ７による保持プレート１２の水平移動および垂直シリンダ９による保持プレート１２の垂直移動を保持装置制御装置２１を介して制御する。また、探傷システム制御装置２０は、記憶装置２２を有しており、探触子制御装置１９および保持装置制御装置２１の制御手順を記憶し、欠陥のない被検体１３の理想的な波形データであるマスターデータを記憶している。さらに、探傷システム制御装置２０は、ユーザが運転指示を行うための入力装置２３およびユーザに検出結果など知らせる表示装置２４も有している。

次に、図６に示した、被検体保持用の保持装置６の詳細を、図７を参照しながら、更に詳しく説明する。
被検体１３は、約１２０ｍｍ角で厚み約２００μｍの太陽電池セルである。保持装置６は、台状のベース部２の上に門型に組んだ外フレーム３と、外フレーム３の中に門型に組んだ内フレーム４とを有し、ベース部２の上面には水槽５が載置されている。外フレーム３の上部には保持具６’が設けられており、保持具６’は、外フレーム３に水平シリンダ７が架け渡されている。水平スライダ８は、水平シリンダ７により水平移動し、水平スライダ８に対し、当該水平スライダ８と略垂直となるように垂直シリンダ９が取り付けられている。この垂直シリンダ９によって垂直方向に移動させられる垂直スライダ１０からアーム１１が下方に延在し、アーム１１の下端に取り付けた保持プレート１２で太陽電池セル１３を保持することができる。内フレーム４には、水槽５内の水中において垂直方向に延在する第１支持具１４が取り付けられ、第１支持具１４の先端に第１探触子１５が固定されており、同様に水中に延在する第２支持具１６に第２探触子１７が固定されている。第１探触子１５と第２探触子１７とは、水中において水平方向逆向きに対向して設けられているが、第２探触子１７は、第１探触子１５より深い位置に固定されており、第１探触子１５と、第２探触子１７とは、それらの軸が相互に一致しないように互い違いに固定されている。

次に、図７に示した被検体１３の保持状態を、図８を参照しながら、更に詳しく説明する。
図示するように、図８に示すように、保持プレート１２の四隅には、吸引パッド１８が取り付けられ、各吸引パッド１８で被検体１３を吸着して第１探触子１５と、第２探触子１７との間に垂直に直立して保持する。第１探触子１５は、被検体１３の垂直第１端面１３ａの上端から約４０ｍｍ下方の位置に当該第１端面１３ａと正対するように支持され、第２探触子１７は、上記第１端面１３ａと反対側の垂直第２端面１３ｂの下端から約４０ｍｍ上方の位置に当該第２端面１３ｂと正対するように支持されている。

次に、本発明の探傷方法の好適な実施形態を、図９を参照しながら、説明する。
先ず、探傷システム制御装置２０を用い、保持装置６で被検体１３を吸着し、水槽５の中の第１探触子１５と第２探触子１７との間に被検体１３を移動させて保持させる。そして、図９に示す流れに従って被検体１３が良品であるか欠陥のある不良品であるかを判定する探傷検出を行う。先ず、ステップＳ１では、探傷システム制御装置２０を用い、第１探触子１５に超音波を発射させて反射波の波形データを採取する。次に、ステップＳ２では、採取した波形データを、良品の反射波の波形データである時系列マスターデータ（記憶装置２２に記憶済み）と比較し、被検体１３の欠陥の有無を判定し、その結果を記憶装置２２に記憶させる。さらに、ステップＳ３において、ステップＳ１で採取した波形データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理してＦＦＴデータを得、このＦＦＴデータを、良品の反射波の波形データである周波数系列マスターデータ（記憶装置２２に記憶済み）と比較して被検体１３の欠陥の有無を判定し、その結果を記憶装置２２に記憶させる。
次に、第２探触子１７を用いて、前記したＳ１〜Ｓ３と同じ処理を反復する（ステップＳ４〜Ｓ６、参照）。
ステップ６ののち、ステップＳ７でステップＳ２、Ｓ３、Ｓ５およびＳ６の各判定結果を確認し、すべての判定結果が良品であれば、ステップＳ８でその被検体１３は良品であるとの最終判定を行い、いずれか１つでも不良品であるという判定結果があれば、ステップＳ９でその被検体１３は欠陥を有する不良品であると最終判定を行う。以上のように最終判定した後、保持装置６は、被検体１３を水槽から取り出し、所定のハンドリング装置（図示せず）に受け渡す。

次に、探触子１５，１７によるデータ採取工程（図９のステップＳ１／ステップＳ４）を、図１０を参照しながら、更に詳しく説明する。
図示するように、ステップＳ１１において、探傷システム制御装置２０によって、探触子制御装置１９に対してトリガ信号を与える。すると、探触子制御装置１９は、探触子１５，１７において超音波を発生させて被検体１３に超音波を投射する。ステップＳ１２において、探触子１５，１７は、被検体１３に反射した超音波を受信してアナログ波形の電気信号に変換して探触子制御装置１９に出力する。そして、ステップＳ１３において、探触子制御装置１９は、受信したアナログ波形信号からハイパスフィルタによって低周波域の信号を除去する。そして、ステップＳ１４において、Ａ／Ｄ変換して、デジタル波形データに変換して、探傷システム制御装置２０に対して出力する。このようにして、探傷システム制御装置２０は、必要に応じて、第１探触子１５または第２探触子１７による波形データを採取することができる。

次に、波形データの時系列比較判定（図９のステップＳ２／ステップＳ５）を、図１１を参照しながら、更に詳細に説明する。
図示するように、ステップＳ２１において、採取した各時刻における被検体・反射波の時系列波形データを絶対値に変換する。そして、ステップＳ２２において、被検体・時系列波形データと、良品の波形データを絶対値に変換した時系列マスターデータ（記憶装置２２に記憶済み）との差を、各時刻について求め、時系列の差分データを得る。ステップＳ２３ですべての差分を合計し、ステップＳ２４で差分の合計値が予め設定した上限値に満たない場合は、ステップＳ２５で被検体１３を良品と判断して記憶装置２２に良品のフラグを立てる。ステップＳ２４で差分の合計値が上限値以上である場合は、ステップＳ２６で被検体１３を不良品と判断して記憶装置２２に不良品のフラグを立てる。

同様に、波形データのフーリエ変換判定（周波数系列判定）（図９のステップＳ３／ステップＳ６）を、図１２を参照しながら、更に詳しく説明する。
図示するように、ステップＳ３１において、採取した時系列波形データを高速フーリエ変換処理して周波数成分ごとの振幅を算出する。そして、ステップＳ３２で、被検体１３から得た反射波の各周波数成分の振幅と、良品の波形データを高速フーリエ変換した各周波数成分の振幅であるフーリエ変換マスターデータ（記憶装置２２に記憶済み）との差分を、周波数ごとに算出する。ステップＳ３３ですべての周波数成分の差分を合計し、ステップＳ３４で差分の合計値が予め設定した上限値に満たない場合は、ステップＳ３５で被検体１３を良品と判断して記憶装置２２に良品のフラグを立てる。ステップＳ３４で差分の合計値が上限値以上である場合は、ステップＳ３６で被検体１３を不良品と判断して記憶装置２２に不良品のフラグを立てる。
なお、フーリエ変換データは、周波数ごとに分解したデータであるため、時系列判定では時間的に重複して判定できないような受信波データであっても、有効に分析することができる。
以上のように、本発明の超音波探傷方法の好適な実施形態によれば、時系列比較判定およびフーリエ変換判定を、コンピュータ技術により瞬時に行うことができ、これにより、被検体１３の欠陥の有無を非常に短時間で判定することができる。

本発明の超音波探傷方法は、太陽電池セルや液晶パネルなどを含め、薄板状の被検体の欠陥を検出するのに適用することができる。

本発明の方法に従い２つの探触子を用いた場合の超音波の伝播状態を示す模式図 本発明の方法に従い３つの探触子を用いた場合の超音波の伝播状態を示す模式図 本発明の方法に従い２つの探触子を用いた場合の超音波の伝播状態を示す模式図 本発明の方法に従い２つの探触子を用いた場合の超音波の伝播状態を示す模式図 探触子による超音波の受信状態を示す模式図 本発明の超音波探傷設備の構成を示すブロック図 図５の超音波探傷設備の保持装置の構成を示す正面図 被検体の保持状態を示す斜視図 本発明の超音波探傷方法の好適な実施形態を示すフローチャート 探触子によるデータ採取の工程を詳細に示すフローチャート 波形データの時系列比較判定の工程を詳細に示すフローチャート 波形データのフーリエ変換判定の工程を詳細に示すフローチャート

符号の説明

１３：被検体、１３ａ：第１端面、１３ｂ：第２端面、１５：第１探触子、１７：第２探触子

Claims (5)

1. 被検体の欠陥を検出する超音波探傷方法であって、
   端面を有する薄板状被検体を液体中に静止状態に保持し、
   超音波を所定の距離に焦点を結ぶように発射する焦点型、且つ、自身が投射した超音波の反射波を受信する送受信一体型の固定した探触子によって、前記薄板状被検体の１つの前記端面から前記被検体の内部に広がるように超音波を投射して、前記被検体の他の前記端面、不連続点および欠陥が反射した反射波を受信波として受信し、
   前記受信波の波形データと、基準となる波形データとを比較して、前記被検体の欠陥の有無を判定することを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記探触子を複数用い、複数の前記探触子は、超音波を前記被検体の対向する各端面に投射しうるように保持される請求項１記載の超音波探傷方法。
3. 複数の前記探触子は、長手方向の軸を有し、
   前記探触子は、それらの軸が一致しないような互い違いの位置に配置される請求項２記載の超音波探傷方法。
4. 前記探触子は、前記焦点が前記被検体の内部に位置するように保持される請求項１〜３のいずれかに記載の超音波探傷方法。
5. 請求項１に記載の超音波探傷方法を実施するための超音波探傷設備であって、
   超音波を所定の距離に焦点を結ぶように発射する焦点型、且つ、自身が投射した超音波の反射波を受信する送受信一体型の探触子と、
   被検体の端面に前記探触子が発した超音波が投射されるように、前記被検体を液体中に保持するための保持装置と、
   前記保持装置を制御するための保持装置制御装置と、
   前記探触子を制御するための探触子制御装置と、
   前記保持装置制御装置および前記探触子制御装置を制御するための探傷システム制御装置とを含んでなることを特徴とする超音波探傷設備。

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