JP5172032B1 - 超音波検査装置、および、超音波検査方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定した検査画像が得られる超音波検査装置、ノズルアタッチメント、および、超音波検査方法を提供する。
【解決手段】水平方向に走査可能な走査手段1,2と、走査手段1,2に取り付けられる垂直方向の高さ調整手段3と、高さ調整手段3に取り付けられるホルダ5と、ホルダ5に取り付けられる超音波探触子4と、ノズルから水を流出して超音波探触子4からワーク9への連続した水流を形成するノズルアタッチメント6と、高さ調整手段3またはホルダ5に取り付けられ、ノズルアタッチメント6を垂直方向に移動可能なギャップ調整手段6と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】水平方向に走査可能な走査手段1,2と、走査手段1,2に取り付けられる垂直方向の高さ調整手段3と、高さ調整手段3に取り付けられるホルダ5と、ホルダ5に取り付けられる超音波探触子4と、ノズルから水を流出して超音波探触子4からワーク9への連続した水流を形成するノズルアタッチメント6と、高さ調整手段3またはホルダ5に取り付けられ、ノズルアタッチメント6を垂直方向に移動可能なギャップ調整手段6と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、超音波検査装置、および、超音波検査方法に関する。
超音波検査装置は、検査対象(以後、「ワーク」と称する。)に超音波を照射し、反射または透過してきた超音波を超音波探触子(以後、「プローブ」と称する。)で受信して画像化する装置である。
例えば、ワークが電子デバイスの場合、微細な欠陥を検出する必要があり、超音波検査装置には、高い分解能が要求される。超音波検査装置は、使用する超音波の周波数が高いほど高い分解能が得られるが、一方で使用する超音波の周波数が高いほど減衰が大きくなりS/N比が低下する。水は空気に比べて超音波の減衰の程度が小さいため、通常の超音波検査装置は、ワークを水没させて、プローブ先端とワーク表面との間を水で満たした状態で超音波検査を行うようになっている。そして、超音波検査装置は、ワーク内部の観察対象となっている界面に焦点を合わせ、プローブ先端とワーク表面との間の距離(以後、「水距離」と称する。)を一定に保ったまま、プローブを走査して得られた結果を画像化することで、欠陥の位置や深さを知ることができるようになっている。
ここで、ワークが水を嫌う電子デバイス等であったり、水没させることが困難な大型品や高温体であったりする場合、プローブ先端とワーク表面の間を水柱でつなぐことで、超音波を伝搬させる局所水浸方式の超音波検査装置が考案されている(例えば、特許文献1参照)。
一般に、超音波検査装置は、高い位置分解能を得るため、プローブの先端を凹レンズ形状にして、観察位置に超音波を集束させている。内部に積層構造を持つワークの場合、1つのプローブを使用して複数の層界面を観察するには、界面毎に水距離を変えて測定する必要がある。例えば、ワークの深い部分(ワーク底面に近い側)を観察する場合は、ワークの浅い部分(ワーク表面に近い側)を観察する場合より水距離を小さくする。
従来の超音波検査装置では、プローブの筐体に水を供給するアタッチメントを直接取り付けており、水距離の自由度を大きくとることができるようにするため、水の噴出口(以後、ノズルと呼ぶ)をなるべくプローブ先端に近づけて取り付けるようにしている。この場合、水距離を変えるとノズルからワーク表面に伸びる水柱の長さが変わる。
ところで、超音波検査装置で検査画像を取得するためには、プローブをxy平面内で走査する必要がある。例えば、x方向に走査した後、決まったピッチだけy方向に送り次に−x方向に走査し、さらに決まったピッチだけy方向に送ることを繰り返し行う。プローブをx方向または−x方向への走査には速度0から所望の速度までの加速工程と、所望の速度での等速工程と、所望の速度から速度0までの減速工程を含んでいる。
プローブの走査方向が変わるとき、慣性の法則により元々のプローブの走査方向に水柱が振られるという問題点がある。この現象は、プローブの加減速が急激で、水の流量が小さく、水柱が長いときに顕著である。水柱が振られた場合には、その中を超音波が伝わることになるため、プローブ直下から外れた位置からの反射超音波信号を取り込んでしまうおそれがある。さらに極端な場合には、水柱がいくつかの水滴に分かれて途切れてしまうこともある。このようになると、観察している場所ではなく、プローブ側から見て最初の水−空気界面からの反射信号を取り込んでしまうため、正確な検査データを得ることができない。
従来、このような現象を防ぎ安定した検査画像を得る方法としては、観察したい領域より広い領域に対してプローブを走査する方法、プローブの加減速を緩やかにする方法、水の流量を大きくする方法、水柱を短くする方法などがある。しかし、いずれの方法も問題がある。
例えば、観察したい領域より広い領域に対してプローブを走査する方法やプローブの加減速を緩やかにする方法では、1つのワーク当りの検査時間が伸びる。そのため、抜き取り検査の頻度を低下させるか、検査装置の台数を増やす必要がある。前者の場合、異常を検出できる確率が低下するため、製品の信頼性は低下する。後者の場合、製造コスト増加につながる。
また、水の流量を大きくする方法では、局所水浸方式の超音波検査装置の場合、ワークを保持する際、水を嫌う面のシール性を向上させる必要があり、コストが増加する。
また、従来の超音波検査装置で水柱を短くする方法では、水距離の自由度が減少して1つのプローブで観察できる層数が限られる。これは、水柱が短いため、プローブを上下移動させることができる範囲も短くなるためである。
そのため、多層構造を持ったワークの場合、いくつもプローブを交換しながら観察を行う必要がある。これは作業者にとって大きな手間となり、検査時間の増大を招く。また、ワークの構造毎にプローブが必要になるため、多品種を検査しなければならない場合、プローブの数量が増加し、現実的ではない。
そのため、多層構造を持ったワークの場合、いくつもプローブを交換しながら観察を行う必要がある。これは作業者にとって大きな手間となり、検査時間の増大を招く。また、ワークの構造毎にプローブが必要になるため、多品種を検査しなければならない場合、プローブの数量が増加し、現実的ではない。
そこで、本発明は、安定した検査画像が得られる超音波検査装置、および、超音波検査方法を提供することを課題とする。
このような課題を解決するために、本発明は、水平方向に走査可能な走査手段と、前記走査手段に取り付けられる垂直方向の高さ調整手段と、前記高さ調整手段に取り付けられるホルダと、前記ホルダに取り付けられる超音波プローブと、ノズルから水を流出して前記超音波プローブの先端に設けられたレンズからワークの表面への連続した水流を形成するノズルアタッチメントと、前記高さ調整手段または前記ホルダに取り付けられ、前記ノズルアタッチメントを垂直方向に移動可能なギャップ調整手段と、を備え、前記高さ調整手段により、前記レンズと前記ワークの表面との距離を調整可能とし、前記ギャップ調整手段により、前記超音波プローブの前記レンズの位置を前記ノズルアタッチメントの内部で垂直方向に変化させるとともに、前記ノズルの前記ワークとの対向面と前記ワークの表面との距離を調整可能とすることを特徴とする超音波検査装置である。
また、本発明は、水平方向に走査可能な走査手段、前記走査手段に取り付けられる垂直方向の高さ調整手段、前記高さ調整手段に取り付けられるホルダ、前記ホルダに取り付けられる超音波プローブ、ノズルから水を流出して前記超音波プローブの先端に設けられたレンズからワークの表面への連続した水流を形成するノズルアタッチメント、および、前記高さ調整手段または前記ホルダに取り付けられ前記ノズルアタッチメントを垂直方向に移動可能なギャップ調整手段、を有する超音波検査装置の超音波検査方法であって、前記ノズルアタッチメントに水を供給して、前記ノズルから水を流出させることにより、前記レンズから前記ワークの表面への連続した水流を形成するステップと、前記高さ調整手段により前記レンズと前記ワークの表面との高さを調整するステップと、前記ギャップ調整手段により前記ノズルの前記ワークとの対向面と前記ワークの表面との距離を調整するステップと、前記超音波プローブにより前記ワークの超音波検査を実行するステップと、を備えることを特徴とする超音波検査方法である。
本発明によれば、安定した検査画像が得られる超音波検査装置、および、超音波検査方法を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
≪超音波検査装置≫
本実施形態に係る超音波検査装置Sについて、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る超音波検査装置Sの斜視図である。
図1に示すように、超音波検査装置Sは、x方向走査手段1と、y方向走査手段2と、高さ調整手段3と、プローブ4と、プローブホルダ5と、ノズルアタッチメント6と、ギャップ調整手段7と、水供給路8と、ワーク9を保持するワークホルダ10と、排水口12が形成された水受けパン11と、を備えている。
本実施形態に係る超音波検査装置Sについて、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る超音波検査装置Sの斜視図である。
図1に示すように、超音波検査装置Sは、x方向走査手段1と、y方向走査手段2と、高さ調整手段3と、プローブ4と、プローブホルダ5と、ノズルアタッチメント6と、ギャップ調整手段7と、水供給路8と、ワーク9を保持するワークホルダ10と、排水口12が形成された水受けパン11と、を備えている。
プローブ4は、超音波を送信し、反射された超音波(エコー)を受信することができるようになっている。
プローブ4は、プローブホルダ5に固定されている。プローブホルダ5は、高さ調整手段3に取り付けられている。高さ調整手段3は、x方向走査手段1に取り付けられている。x方向走査手段1は、y方向走査手段2に取り付けられている。なお、プローブ4の構成については、図2を用いて後述する。
ノズルアタッチメント6は、水供給路8から供給された水をノズルアタッチメント6の下面に設けられた開口部であるノズル61(図2参照)から流出させて、ワーク9の表面との間に水柱を形成し、プローブ4が送受信する超音波の伝搬路を確保することができるようになっている。
ノズルアタッチメント6は、ギャップ調整手段7に取り付けられている。ギャップ調整手段7は、プローブホルダ5に取り付けられている。なお、ノズルアタッチメント6の構成については、図2を用いて後述する。
ギャップ調整手段7は、ノズルアタッチメント6を高さ方向(z方向)に移動させることができるようになっており、例えば、駆動源としての電動モータ(図示せず)と、電動モータの回転運動を直動運動に変換する回転直動変換機構の1つであるボールねじ機構(図示せず)と、を組み合せることで実現できる。
なお、ギャップ調整手段7は、プローブホルダ5に取り付けられているものとして説明するが、これに限られるものではく、高さ調整手段3に取り付けられていてもよい。
なお、ギャップ調整手段7は、プローブホルダ5に取り付けられているものとして説明するが、これに限られるものではく、高さ調整手段3に取り付けられていてもよい。
このような構成により、超音波検査装置Sは、x方向走査手段1によりプローブ4およびノズルアタッチメント6をx方向に走査することができるようになっており、y方向走査手段2によりプローブ4およびノズルアタッチメント6をy方向に走査することができるようになっている。
なお、プローブ4およびノズルアタッチメント6の走査は、例えば、以下の手順で行うようになっている。まず、プローブ4およびノズルアタッチメント6を、x方向走査手段1により+x方向(図1において左から右方向)に走査した後、y方向走査手段2により所定のピッチでy方向(図1において奥から手前方向)に送る。次に、プローブ4およびノズルアタッチメント6を、x方向走査手段1により−x方向(図1において右から左方向)に走査した後、y方向走査手段2により所定のピッチでy方向(図1において奥から手前方向)に送る。以後、これらを繰り返し行い、検査対象の全領域を走査する。
ちなみに、x方向走査手段1によりプローブ4およびノズルアタッチメント6を+x方向または−x方向に走査する際、プローブ4およびノズルアタッチメント6を速度0から所定の速度まで加速する加速工程と、プローブ4およびノズルアタッチメント6を所定の速度で移動させる等速工程と、所定の速度から速度0まで減速する減速工程と、を含んでいる。
また、超音波検査装置Sは、高さ調整手段3によりプローブ4の高さ(z方向)を調整することができるようになっている。即ち、高さ調整手段3により、プローブ4の先端のレンズ41(図2参照)とワーク9の表面との距離である水距離を調整することができるようになっている。
また、超音波検査装置Sは、高さ調整手段3およびギャップ調整手段7によりノズルアタッチメント6の高さ(z方向)を調整することができるようになっている。即ち、ギャップ調整手段7により、ノズル61(図2参照)とワーク9の表面との距離(図5を用いて後述するギャップ31)を、水距離とは独立して調整することができるようになっている。
本実施形態に係る超音波検査装置Sは、局所水浸方式の超音波検査装置であり、ワーク9は、一方の面および側面は水に濡れてもよいが、他方の面は水濡れを許容できない場合を例に説明する。
ワークホルダ10は、検査対象であるワーク9を保持するとともに、ノズル61(図2参照)から流出した水がワーク9の下面に回りこまないようにする機構を有している。
ワークホルダ10は、検査対象であるワーク9を保持するとともに、ノズル61(図2参照)から流出した水がワーク9の下面に回りこまないようにする機構を有している。
ワークホルダ10によるワーク9の保持方法の一例を図9に示す。例えば、図9に示すように、ワーク9の下面9aとワークホルダ10の間に設けた二重のOリング10aでシールをして二重のOリング10aに挟まれた領域にある溝10bの中を、真空配管10cを介して接続された真空ポンプ(図示せず)で排気する方法(真空チャック方式)である。このようにワーク9を保持することにより、ワーク9の下面9aに水が回りこまないようにすることができるようになっている。
なお、図9に示したワークホルダ10は一例であり、他の方式の採用を妨げるものではない。
なお、図9に示したワークホルダ10は一例であり、他の方式の採用を妨げるものではない。
図1に戻り、水受けパン11の底面は、ワークホルダ10のワーク9の保持位置よりも低い位置に配置されるようになっている。そして、ノズル61(図2参照)から供給された水でワークホルダ10やワーク9が水没しないように、水受けパン11の底面に形成された排水口12から排水を行うことができるようになっている。
なお、排水口12から流出した水は、循環ポンプ、流量コントローラを介して水供給路8に戻す構成であってもよく、そのまま超音波検査装置Sの外へ排出する構成であってもよい。
なお、排水口12から流出した水は、循環ポンプ、流量コントローラを介して水供給路8に戻す構成であってもよく、そのまま超音波検査装置Sの外へ排出する構成であってもよい。
<プローブおよびノズルアタッチメント>
次に、本実施形態に係る超音波検査装置Sが備えるプローブおよびノズルアタッチメントの構成について、図2を用いて更に説明する。図2は、プローブ4およびノズルアタッチメント6の模式断面図である。
次に、本実施形態に係る超音波検査装置Sが備えるプローブおよびノズルアタッチメントの構成について、図2を用いて更に説明する。図2は、プローブ4およびノズルアタッチメント6の模式断面図である。
プローブ4は、超音波放射面であるレンズ41と、信号線42と、上部電極43、圧電体44、下部電極45で構成される圧電素子と、接地線46と、を備えている。なお、図2に示すように、上部電極43には信号線42が接続され、下部電極45には接地線46が接続されている構成であるものとして説明するが、上部電極43には接地線46が接続され、下部電極45には信号線42が接続されている構成であってもよい。
上部電極43および下部電極45を用いて圧電体44に高周波またはパルス電圧を印加することにより発生した超音波は、直接または何らかの媒体(図2では省略)を介して、レンズ41に伝えられ、そこからワーク9(図1参照)に照射されるようになっている。
また、またワーク9の表面や内部の界面や欠陥等で反射された超音波信号(エコー)は、逆の経路をたどって圧電素子(上部電極43、圧電体44、下部電極45)に到達し、電気信号に変えられる。ここで、反射面の材質により返ってくるエコーの信号強度は異なるため、超音波検査装置Sはこれをコントラストとして画像化することにより、構造や欠陥の位置情報を知ることができるようになっている。
また、またワーク9の表面や内部の界面や欠陥等で反射された超音波信号(エコー)は、逆の経路をたどって圧電素子(上部電極43、圧電体44、下部電極45)に到達し、電気信号に変えられる。ここで、反射面の材質により返ってくるエコーの信号強度は異なるため、超音波検査装置Sはこれをコントラストとして画像化することにより、構造や欠陥の位置情報を知ることができるようになっている。
ノズルアタッチメント6は、プローブ4の先端(超音波放射面であるレンズ41)を覆うように取り付けられ、レンズ41の下部にあたる部分に開口部であるノズル61が形成されている。また、矢印21で示す流れの向きで水が流れる水供給チューブ80を介して水供給路8からノズルアタッチメント6に水が供給されるようになっている。これにより、ノズルアタッチメント6の内部を水密し、ノズル61からワーク9(図1参照)の表面に水を落とすことで、レンズ41からワーク9の表面までの超音波の伝搬路を確保することができるようになっている。
ここで、前記したように、プローブ4はプローブホルダ5に固定され、ノズルアタッチメント6はギャップ調整手段7によりプローブホルダ5に対する高さを調整することができるようになっている。即ち、プローブ4に対して、ノズルアタッチメント6を上下させることができるようになっている。なお、図2においては、ノズルアタッチメント6を基準として図示しており、ノズルアタッチメント6を下げた状態(レンズ41とノズル61とを離した状態)のレンズ41を実線で図示し、ノズルアタッチメント6を上げた状態(レンズ41とノズル61とを近づけた状態)のレンズ41を破線で図示している。
ノズルアタッチメント6をギャップ調整手段7により上下するストロークは、水供給路8の接続部8aの上下方向の開口長さdと概ね同じ程度とすることが望ましい。また、水供給路8のノズルアタッチメント6への取り付け位置(接続部8aの位置)は、プローブ4のレンズ41と概ね同じ高さとすることができることが望ましい。
水の流量を小さくするためには、ノズル61の開口径Dは、小さいほうが望ましい。一方、ノズル61の開口径Dがレンズ41のレンズ径φより小さいと、ノズル61に超音波が当たって反射するため、観察したい部分に到達する超音波信号が減衰してS/N比が小さくなる上、不要なエコーが圧電素子に戻ってしまい、測定に影響を及ぼすおそれがある。したがって、ノズル61の開口径Dは、レンズ41のレンズ径φ以上であることが望ましい。
さらに、ノズル61の開口部には図2に示すようにレンズ41の側が大きく開口し、ワーク9(図1参照)の側が小さく開口するようにテーパー62が設けられていることが望ましい。テーパー62を設けることにより、不要なエコーを防止するとともに、ノズル61からの水流を安定させることができる。
<気泡除去動作>
次に、図3を用いて、レンズ41の表面の気泡13の除去について説明する。図3は、レンズ41の表面の気泡13を除去する際におけるプローブ4およびノズルアタッチメント6の模式断面図である。
次に、図3を用いて、レンズ41の表面の気泡13の除去について説明する。図3は、レンズ41の表面の気泡13を除去する際におけるプローブ4およびノズルアタッチメント6の模式断面図である。
レンズ41は、照射された超音波が焦点を結ぶように凹レンズとなっており、中央部が外周部よりも高くなっている。このため、レンズ41の表面に気泡13が残ってしまうおそれがある。なお、レンズ41の表面に気泡13が残っていると、気泡13で超音波が反射され、不要なエコーが発生するとともに、観察したい部分に到達する超音波信号が減衰してS/N比が小さくなる。
このため、本実施形態に係る超音波検査装置Sは、レンズ41の表面の気泡13を除去することができるようになっている。
具体的には、前記したように水供給路8のノズルアタッチメント6への取り付け位置(接続部8aの位置)をプローブ4のレンズ41と概ね同じ高さにする。
具体的には、前記したように水供給路8のノズルアタッチメント6への取り付け位置(接続部8aの位置)をプローブ4のレンズ41と概ね同じ高さにする。
このように配置された状態で、水供給チューブ80から矢印21の向きに大流量の水を流し込むことで、気泡13は水流に乗って矢印22の方向に移動してノズルアタッチメント6から排出されるか、矢印23の方向に移動してノズルアタッチメント6の上部に溜まり、レンズ41の面上からは除去される。
なお、高さ方向に見て、接続部8aの上端から3mm程度上げた位置から接続部8aの下端から3mm程度下げた位置までの間にレンズ41の表面が配置されるようにすることにより、レンズ41の表面からの気泡除去効果は有効に作用する。
また、超音波検査をする際に、レンズ41の高さが水供給路8の接続部8aの高さから大きく外れてしまうと、有効に気泡除去することができなくなるおそれがあるが、そのような場合には、あらかじめ接続部8aの位置をプローブ4のレンズ41と概ね同じ高さにして気泡除去を行った後に、所定の高さにレンズ41を移動させることにより、気泡が除去された状態で超音波検査をすることができる。
図4に、水供給チューブ80を介して水供給路8に供給する水の流量を調整する流量調整機構の例を示す。
気泡除去動作時に大流量の水を供給して、超音波検査動作時に所定の流量に調整する方法としては、例えば、図4(a)のように、遮断弁81と流量コントローラ82を備え、気泡除去動作時には流量コントローラ82を最大流量とし、超音波検査動作時には流量コントローラ82で所定の流量に調整することにより達成することができる。また、図4(b)のように、源流20を分岐して源流20a,20bとし、源流20aの側には遮断弁81aを備え、源流20bの側には遮断弁81bと流量コントローラ82を備え、気泡除去動作時には遮断弁81aを開弁し遮断弁81bを閉弁して大流量の水を供給し、超音波検査動作時には遮断弁81aを閉弁し遮断弁81bを開弁して流量コントローラ82で所定の流量に調整するものであってもよい。なお、以下の説明において、超音波検査装置Sは図4(a)に示す流量調整機構を備えているものとして説明する。
気泡除去動作時に大流量の水を供給して、超音波検査動作時に所定の流量に調整する方法としては、例えば、図4(a)のように、遮断弁81と流量コントローラ82を備え、気泡除去動作時には流量コントローラ82を最大流量とし、超音波検査動作時には流量コントローラ82で所定の流量に調整することにより達成することができる。また、図4(b)のように、源流20を分岐して源流20a,20bとし、源流20aの側には遮断弁81aを備え、源流20bの側には遮断弁81bと流量コントローラ82を備え、気泡除去動作時には遮断弁81aを開弁し遮断弁81bを閉弁して大流量の水を供給し、超音波検査動作時には遮断弁81aを閉弁し遮断弁81bを開弁して流量コントローラ82で所定の流量に調整するものであってもよい。なお、以下の説明において、超音波検査装置Sは図4(a)に示す流量調整機構を備えているものとして説明する。
<超音波検査動作>
次に、図5を用いて、ワーク9上を走査して超音波検査する場合について説明する。図5は、ワーク9上を走査する際におけるプローブ4およびノズルアタッチメント6の模式断面図である。
次に、図5を用いて、ワーク9上を走査して超音波検査する場合について説明する。図5は、ワーク9上を走査する際におけるプローブ4およびノズルアタッチメント6の模式断面図である。
ギャップ調整手段7により、ノズル61とワーク9の表面との距離であるギャップ31を調整する。ギャップ31の高さは、ワーク9の表面で水が表面張力で盛り上がる高さであり、具体的には図7を用いて後述するように3mm以下とすることが望ましい。また、下限については、ノズル61がワーク9の表面にぶつからない程度であればよい。
図5に示すように、ワーク9の左側の端面付近でプローブ4及びノズルアタッチメント6の高速走査を左向きから右向き(進行方向32)に折り返すと、慣性の法則および水の流れやすさから、水柱は、進行方向32と反対側に偏った形状となり、水は主に矢印25の方向に流れる。
ここで、前述したように水が表面張力で盛り上がる高さ以下にギャップ31を設定すると、水の一部は表面張力および毛細管現象によりノズル61の進行方向32にも少量の水が溜まる水溜め24を形成することができ、超音波ビーム30の伝搬路を水で満たして、超音波ビーム30をワーク9に到達させることができる。これにより、プローブ4およびノズルアタッチメント6を高速で走査した場合でも安定した測定が可能となる。
次に、プローブ4とワーク9との距離(水距離)を図5の例と同じに保ったまま、ギャップを大きくして走査した状態を図6を用いて説明する。図6は、ギャップを大きくしてワーク9上を走査する際におけるプローブ4およびノズルアタッチメント6の模式断面図である。
図6に示すように、ギャップ31aの高さは、ワーク9の表面で水が表面張力で盛り上がる高さより高い状態となっている。
ワーク9の左側の端面付近でプローブ4及びノズルアタッチメント6の高速走査を左向きから右向き(進行方向32)に折り返すと、慣性の法則および水の流れやすさから、水柱は、進行方向32と反対側に偏った形状となり、水は主に矢印25aの方向に流れる。
ワーク9の左側の端面付近でプローブ4及びノズルアタッチメント6の高速走査を左向きから右向き(進行方向32)に折り返すと、慣性の法則および水の流れやすさから、水柱は、進行方向32と反対側に偏った形状となり、水は主に矢印25aの方向に流れる。
図6の場合では、図5の場合と異なり、進行方向32の側の水柱側面24aには毛細管現象による水溜め24(図5参照)が形成されず、ワーク9の表面状態や微妙な測定環境の変動によって超音波ビーム30の伝搬路の一部が水柱から外れることがあり、安定した測定ができない。また水の流量が小さいときは、水柱が水滴状に途切れてしまうことがある。これは、水の落下速度に対し走査速度が大きいときに起こると考えられる。
<ギャップ長と水の流量の関係>
図7は、ノズル径を9mm、走査速度を1000mm/秒としたときに、安定した検査画像を得られる水の流量とギャップ長を調べた実験結果である。「○」は安定した検査画像を得られた条件、「×」は一部が欠けた検査画像しかえられなかった条件を示し、「−」については実験を行っていないことを示す。
図7は、ノズル径を9mm、走査速度を1000mm/秒としたときに、安定した検査画像を得られる水の流量とギャップ長を調べた実験結果である。「○」は安定した検査画像を得られた条件、「×」は一部が欠けた検査画像しかえられなかった条件を示し、「−」については実験を行っていないことを示す。
図7に示すように、3mmよりギャップ長を大きくすると流量をどのように変更しても安定した画像が得られないことが分かる。これは、図6で示したように、走査方向が右から左、または左から右に変化するときに、慣性の法則により水柱が振られることでレンズ41とワーク9の間に空気層が入り込んでしまうためと考えられる。
また、流量を大きくすると(流量が1.0(L/分)、1.4(L/分)の場合)、ワーク9の表面に泡ができる現象も見られた。
また、流量を大きくすると(流量が1.0(L/分)、1.4(L/分)の場合)、ワーク9の表面に泡ができる現象も見られた。
これに対し、ギャップ長が3mm以下とすると、水の流量を適切に設定することにより、安定した検査画像が得られる。また、ギャップ長が小さくなるにつれて、より少ない水量でも安定した画像が得られることが明らかになった。
<ノズル61の開口径Dとレンズ41のレンズ径φとの関係>
次に、レンズ径φが6mmのプローブ4に対して、ノズル61の開口径Dを7、6、5mmとしたときの反射エコー波形を図8Aから図8Cに示す。
図8Aは、レンズ径φが6mm、ノズル開口径Dが7mmの場合であり、E11はワーク9の表面からの反射エコーであり、E12は超音波が集束した界面からの反射エコーである。図8Bは、レンズ径φが6mm、ノズル開口径Dが6mmの場合であり、E21はワーク9の表面からの反射エコーであり、E22は超音波が集束した界面からの反射エコーである。図8Cは、レンズ径φが6mm、ノズル開口径Dが5mmの場合であり、E31はワーク9の表面からの反射エコーであり、E32は超音波が集束した界面からの反射エコーである。
次に、レンズ径φが6mmのプローブ4に対して、ノズル61の開口径Dを7、6、5mmとしたときの反射エコー波形を図8Aから図8Cに示す。
図8Aは、レンズ径φが6mm、ノズル開口径Dが7mmの場合であり、E11はワーク9の表面からの反射エコーであり、E12は超音波が集束した界面からの反射エコーである。図8Bは、レンズ径φが6mm、ノズル開口径Dが6mmの場合であり、E21はワーク9の表面からの反射エコーであり、E22は超音波が集束した界面からの反射エコーである。図8Cは、レンズ径φが6mm、ノズル開口径Dが5mmの場合であり、E31はワーク9の表面からの反射エコーであり、E32は超音波が集束した界面からの反射エコーである。
ノズル開口径D=5mmの反射エコーE32は、ノズル開口径D=7mm,6mmの反射エコーE12,E22と比較して信号強度が小さくなっており、S/N比が低下していることがわかる。これは、ノズル61のエッジで超音波の一部が反射されて、焦点位置に照射されるエネルギーが下がるためである。したがって、ノズル61の開口径Dは、レンズ41のレンズ径φ以上であることが望ましい。
≪超音波検査装置処理≫
本実施形態に係る超音波検査装置Sを用いた超音波検査の処理について図10を用いて説明する。図10は、本実施形態に係る超音波検査装置Sを用いた超音波検査処理のフローチャートである。
本実施形態に係る超音波検査装置Sを用いた超音波検査の処理について図10を用いて説明する。図10は、本実施形態に係る超音波検査装置Sを用いた超音波検査処理のフローチャートである。
ステップS1において、検査員は、ワーク9をワークホルダ10にセットする。この際、プローブ4は原点位置に配置されている。なお、必要であれば、ワーク9を観察するための適切なプローブ4をプローブホルダ5にセットする。
ステップS2において、超音波検査装置Sは、遮断弁81(図4(a)参照)を開弁して、水供給路8からノズルアタッチメント6に水を供給して水柱を形成する。
ステップS3において、超音波検査装置Sは、ギャップ調整手段7を制御して水供給路8の接続部8aの位置をプローブ4のレンズ41と概ね同じ高さにする。
ステップS4において、超音波検査装置Sは、流量コントローラ82(図4(a)参照)を制御して水の流量を超音波検査時よりも大流量にしてレンズ41の表面の気泡13を除去する。気泡13の除去が完了すると、流量コントローラ82を制御して水の流量を超音波検査時の流量にしてステップS5に進む。
ステップS4において、超音波検査装置Sは、流量コントローラ82(図4(a)参照)を制御して水の流量を超音波検査時よりも大流量にしてレンズ41の表面の気泡13を除去する。気泡13の除去が完了すると、流量コントローラ82を制御して水の流量を超音波検査時の流量にしてステップS5に進む。
ステップS5において、超音波検査装置Sは、x方向走査手段1およびy方向走査手段2を制御して、プローブ4をワーク9の観察位置へと移動させる。なお、移動の際、ノズル61がワーク9の表面に接触することを防止するため、高さ調整手段3によりプローブ4およびノズルアタッチメント6を高い位置としておくことが望ましい。
ステップS6において、超音波検査装置Sは、高さ調整手段3を制御してプローブ4とワーク9の表面との距離である水距離を調整して、ワーク9の観察対象となっている層に超音波の焦点を合わせる。
ステップS7において、超音波検査装置Sは、ギャップ調整手段7を制御してノズル61とワーク9の表面との距離であるギャップ31を調整する。具体的には、ギャップ31を3mm以下の適切な位置に調整する。
ステップS8において、超音波検査装置Sは、x方向走査手段1およびy方向走査手段2を制御して、プローブ4を走査させながら、プローブ4により超音波検査を行う。
ステップS9において、超音波検査装置Sは、x方向走査手段1およびy方向走査手段2を制御して、プローブ4を原点位置に移動させる。なお、移動の際、ノズル61がワーク9の表面に接触することを防止するため、高さ調整手段3によりプローブ4およびノズルアタッチメント6を高い位置としておくことが望ましい。
以上により、ワーク9の超音波検査を終了する。必要であれば、検査済みのワーク9をワークホルダ10から取り外して、新たなワーク9をワークホルダ10にセットし一連の超音波検査処理を行う。
なお、図10に示した原点位置で気泡除去動作(S3,S4)を行うものとして説明したが、これに限られるものではなく、原点位置で水柱を形成し(S2)、プローブ4を観察位置へ移動(S5)した後に、気泡除去動作(S3,S4)を行うものであってもよい。また、プローブ4を観察位置へ移動(S5)した後に、原点位置で水柱を形成し(S2)、気泡除去動作(S3,S4)を行うものであってもよい。
<作用・効果>
以上のように、本実施形態に係る超音波検査装置Sによれば、プローブ4を高速で走査させても、進行方向側に水溜め24(図5参照)を形成して安定した水柱(超音波伝搬路)を形成して、水の流量が少なくても安定した検査画像を得ることができる。また、プローブ4とノズルアタッチメント6とは独立して高さを調整することができるので、プローブ4の高さ(水距離)を制限することはない。
また、水の流量を低減させることができるため、ワーク9の下面9aを水から保護するワークホルダ10のシール構造も図9に示すような簡易な構成なもので十分となる。
以上のように、本実施形態に係る超音波検査装置Sによれば、プローブ4を高速で走査させても、進行方向側に水溜め24(図5参照)を形成して安定した水柱(超音波伝搬路)を形成して、水の流量が少なくても安定した検査画像を得ることができる。また、プローブ4とノズルアタッチメント6とは独立して高さを調整することができるので、プローブ4の高さ(水距離)を制限することはない。
また、水の流量を低減させることができるため、ワーク9の下面9aを水から保護するワークホルダ10のシール構造も図9に示すような簡易な構成なもので十分となる。
また、本実施形態に係る超音波検査装置Sによれば、レンズ41の表面の気泡13を除去する気泡除去動作を行うことができるので、安定した検査画像を得ることができる。
超音波検査装置S
1 x方向走査手段(走査手段)
2 y方向走査手段(走査手段)
3 高さ調整手段
4 プローブ(超音波探触子)
5 プローブホルダ(ホルダ)
6 ノズルアタッチメント
7 ギャップ調整手段
9 ワーク
8 水供給路
8a 接続部
31 ギャップ(ノズルとワークとの距離)
41 レンズ
61 ノズル
81,81a,81b 遮断弁(流量調整手段)
82 流量コントローラ(流量調整手段)
D 開口径
φ レンズ径
1 x方向走査手段(走査手段)
2 y方向走査手段(走査手段)
3 高さ調整手段
4 プローブ(超音波探触子)
5 プローブホルダ(ホルダ)
6 ノズルアタッチメント
7 ギャップ調整手段
9 ワーク
8 水供給路
8a 接続部
31 ギャップ(ノズルとワークとの距離)
41 レンズ
61 ノズル
81,81a,81b 遮断弁(流量調整手段)
82 流量コントローラ(流量調整手段)
D 開口径
φ レンズ径
Claims (11)
- 水平方向に走査可能な走査手段と、
前記走査手段に取り付けられる垂直方向の高さ調整手段と、
前記高さ調整手段に取り付けられるホルダと、
前記ホルダに取り付けられる超音波プローブと、
ノズルから水を流出して前記超音波プローブの先端に設けられたレンズからワークの表面への連続した水流を形成するノズルアタッチメントと、
前記高さ調整手段または前記ホルダに取り付けられ、前記ノズルアタッチメントを垂直方向に移動可能なギャップ調整手段と、を備え、
前記高さ調整手段により、前記レンズと前記ワークの表面との距離を調整可能とし、
前記ギャップ調整手段により、前記超音波プローブの前記レンズの位置を前記ノズルアタッチメントの内部で垂直方向に変化させるとともに、前記ノズルの前記ワークとの対向面と前記ワークの表面との距離を調整可能とする
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 超音波検査時において、前記ギャップ調整手段は、
前記ノズルと前記ワークの表面との距離を3mm以下とする
ことを特徴とする請求項1に記載の超音波検査装置。 - 前記ノズルアタッチメントに接続され、該ノズルアタッチメントに水を供給する水供給手段を更に備える
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超音波検査装置。 - 前記超音波プローブの前記レンズの表面の気泡除去時において、前記ギャップ調整手段は、
前記ノズルアタッチメントと前記水供給手段との接続部である水供給路接続部を前記レンズと概ね同じ高さとする
ことを特徴とする請求項3に記載の超音波検査装置。 - 前記水供給手段により供給する流量を調整する流量調整手段を備え、
前記流量調整手段は、
前記気泡除去時に供給する流量を、超音波検査時に供給する流量よりも大きくすることを特徴とする請求項4に記載の超音波検査装置。 - 前記ノズルの開口径は、前記レンズのレンズ径以上である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の超音波検査装置。 - 水平方向に走査可能な走査手段、前記走査手段に取り付けられる垂直方向の高さ調整手段、前記高さ調整手段に取り付けられるホルダ、前記ホルダに取り付けられる超音波プローブ、ノズルから水を流出して前記超音波プローブの先端に設けられたレンズからワークの表面への連続した水流を形成するノズルアタッチメント、および、前記高さ調整手段または前記ホルダに取り付けられ前記ノズルアタッチメントを垂直方向に移動可能なギャップ調整手段、を有する超音波検査装置の超音波検査方法であって、
前記ノズルアタッチメントに水を供給して、前記ノズルから水を流出させることにより、前記レンズから前記ワークの表面への連続した水流を形成するステップと、
前記高さ調整手段により前記レンズと前記ワークの表面との高さを調整するステップと、
前記ギャップ調整手段により、前記超音波プローブの前記レンズの位置を前記ノズルアタッチメントの内部で垂直方向に変化させるとともに、前記ノズルの前記ワークとの対向面と前記ワークの表面との距離を調整するステップと、
前記超音波プローブにより前記ワークの超音波検査を実行するステップと、を備える
ことを特徴とする超音波検査方法。 - 前記距離を調整するステップは、
前記ノズルと前記ワークの表面との距離を3mm以下とする
ことを特徴とする請求項7に記載の超音波検査方法。 - 前記水流を形成するステップは、
前記ギャップ調整手段により前記ノズルアタッチメントの水供給路接続部を前記レンズと概ね同じ高さとして前記レンズの表面の気泡を除去する
ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の超音波検査方法。 - 前記水流を形成するステップは、
前記ノズルアタッチメントに供給する水の流量を、前記超音波検査を実行するステップ時に供給する流量よりも大きくする
ことを特徴とする請求項9に記載の超音波検査方法。 - 前記ノズルの開口径は、前記レンズのレンズ径以上である
ことを特徴とする請求項7乃至請求項10のいずれか1項に記載の超音波検査方法。
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