JPH01156661A - 接合部探査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、液体媒質を介して超音波ビームを面走査し、
板及び層状構造の材料中の欠陥を探査する装置に係り、
特に表面が歪んだ材料の高分解能探査に好適な焦域演算
制御装置を備えた接合部探査装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の、曲面形状の被検試料に対する三次元の走査を行
う超音波探傷方式として、特開昭４６−３７３１８号公
報にあるように、隣接する複数の変換素子の送信信号を
位相制御して試料中に焦点を形成し、焦域からのエコー
によって像表示するという基本原理がある。しかし、試
料表面化の任意の深さに焦点を制御する方法についての
考慮はない。

また、特開昭５７−１４１５４９号公報のように焦点を
移動する原理１知られているが、表面（試料への入射点
）までの距離が変化する場合に、焦点の移動が起こり、
かつ、その移動が音速の違いにより線形でないことから
、公知の手段では補正ができないという欠点があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

被検試料の層状接合面が、試料の探査表面に沿って広が
っている場合、探査表面から探査すべき接合面（以下、
探査対象部という）までの距離は、設計値などから概略
既知である場合が一般的である。しかし、探査表面が歪
んだ場合や、曲面の場合、あるいは、平面であっても傾
斜した場合には、超音波変換器の超音波放射面から探査
表面までの液体媒質中の距離（以下、水距離という）が
一定でなく、かつ、液体媒質中と試料中とで音速が大幅
に異なることから、焦点の移動が線形でなく、探査対象
部に焦点を合わせるような制御が困難であった。例えば
液体媒質が水、試料がシリコン結晶板のとき、水中音速
Ｖｗ　＝１．５　　ｍｍ／μＳ、シリコン中縦波音速ｖ
　ｓ　−＝　８　、４　ｔｒｉｏ　／μＳ、と、ｖｃｔ
がＶ、の５．６倍にも及ぶので、探査表面の歪みが２０
μｍ程度であってもシリコン中では１１０μｍにも及ぶ
誤差となる。焦点の移動はそれに比例せず非線形な変化
を示すが、誤差は拡大される。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点をなくし、表面形
状の多少の歪みにかかわらず、試料内部の任意の箇所に
焦域を制御し得る接合部探査装置を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、超音波を集束して送信及び受信する超音波送
受信手段と、この超音波送受信手段に設定されたタイミ
ングで高周波パルスを供給するパルス発生手段と、前記
超音波送受信手段で受信した超音波信号を受信し増幅す
る受信手段と、送信時に前記パルス発生手段と超音波送
受信手段とを接続すると共に受信時には前記超音波送受
信手段と受信手段とを接続する接続切替手段とを備え、
超音波送受信手段の超音波放射面と被検試料との間に液
体媒質を介在されて試料中の探査対象部の探査をする接
合部探査装置において、被検試料と液体媒質とに関する
音速と寸法とのパラメータを入力する入力手段と、前記
受信手段の出力信号から試料表面のエコーを抽出して超
音波の送信タイミングと該表面エコーの受信タイミング
とから前記超音波放射面と被検試料との間の距離を計測
する表面エコーカウンタと、この表面エコーカウンタで
計測された前記距離と前記入力手段からの出力信号とか
ら超音波を試料中の探査対象部に集束させる条件を演算
し、　　゛ ′　　　超音波の焦点を制御する信 号を出力する焦点演算制御手段とを設けたものである。

すなわち、まず探査対象である試料の表面エコーを抽出
し、超音波の送信タイミングから表面エコー受信までの
時間を計測する手段と、その計測された時間から、試料
中の探査対象部に焦点を合わせるための条件を計算し制
御する手段とを備え。

超音波が表面を通過する時刻を検知し、予め入力された
探査対象部・表面間距離と試料中音速及び液中音速との
パラメータとから、探査対象部に焦点を合わせるに必要
な水距離や、各振動素子の送受信信号の遅延時間などの
条件をスネルの法則等を用いて演算し、その結果を基に
超音波送受信手段の位置、各素子の送信タイミングや受
信信号の位相等を制御し、焦域からのエコー信号の情報
を抽出することによって達成される６ 〔作用〕 表面エコーカウンタは、超音波送受信手段からの超音波
パルスの送信から、表面エコーの受信されるまでの時間
を計算する。振動素子から試料表面を通って焦点までの
伝播時間が最小となるような経路を超音波が通るという
スネルの法測から各振動素子の送受信信号に与えるべき
遅延時間を方程式から求めることができる。その方程式
は一般に高次方程式となり、収束計算を必要とするが、
先に十分な精度の表をパラメータから計算してメモリ中
に作成しておき１表面エコーカウンタで計測された水距
離を入力することにより、試料表面の歪みに基づく遅延
量を検索してくることも可能である。このようにして求
めた遅延時間により、送受信信号の位相を制御でき、そ
れにより、試料中の任意の深さに焦域を形成することが
可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図により説明する。

入力手段１にインプットすべきパラメータは、液体媒質
、及び試料２中の音速Ｖｌ及びＶ２．試料２の表面から
探査対象部までの距離Ｚｉ　、アレイ変換器３の振動素
子数Ｎのうちの同時駆動数ｎ、及び、その素子ピッチＰ
である。焦点演算制御手段であるディレィ補正量演算制
御部４は、入力手段１から出力されるそれらのパラメー
タと水距離Ｚｗの初期値とから、同時に駆動する各振動
素子の送受信信号に与うべき遅延時間を計算し、パルス
発生手段である多チャンネルパルス発生器５及び受信手
段である多チャンネル受信器６を制御する。

送信タイミング信号発生器７の決める送信タイミングに
より、超音波送受信手段であるアレイ変換器３からの超
音波の送受信動作が開始される。

そのタイミングごとに、電子走査制御部８の決めた各同
時駆動振動素子と、パルス発生器５の各チャンネルとを
接続切替手段であるマトリクススイッチ９が接続する。

パルス発生器５の各チャンネルは、上記遅延時間に従っ
たタイミングでアレイ変換器３の各同時駆動振動素子を
駆動し、超音波３０を発生する。この超音波３０は、液
体媒質中を徐々に集束しながら進行し、試料２の探査表
面２１に達する。一般に試料中の音速は液体媒質中の音
速と異なるので、超音波３０の集束の度合も異なる。探
査表面２１で一部の超音波は反射され、表面エコー３１
としてアレイ交換器３に戻り残りは試料２中を更に伝播
し、接合部等の探査対象部２２に到達しエコー３２を生
じる。これらの各エコー３１．３２は同じ経路をたどっ
て、アレイ変換器３で受信され電気信号に変換される。

このとき、マトリクススイッチ９は各同時駆動振動子と
。

受信器６の各チャンネルとの間を接続していて。

上記の受信エコーは、受信器６で前記遅延時間に従った
位相補正を受けながら増幅され、合成される。受信器６
の出力のうち、送信タイミングとそれに続く送信パルス
波の減衰した後、最初に見られる信号が表面エコー３１
であり、これが表面エコーカウンタ１ｏで抽出され、送
信タイミングとその抽出された表面エコー３１との間の
時間差から水距離Ｚｗが計測される。新たに計測された
水距離Ｚ、と、先の入力パラメータとから、各振動素子
の送受信信号に対する遅延時間の補正量を新たに計算し
なおし１次の送受信サイクルの制御データとする。これ
を繰返すことにより、超音波ビームを探査対象部に集束
するように、電子的に走査制御される。

試料２の探査表面２１から探査対象部までの距離は設計
値として知られていて、Ｚｗがわかれば、探査対象部か
らのエコー（以下、探査エコーという）の受信される時
間は、ゲート時間演算・制御部１１で計算され、それに
よって、ゲート回路１２で、当該エコーの受信される前
後でゲートの開閉制御を行う。ゲート回路１２は、ゲー
トが開いている時間に受信されたエコーを抽出し、その
振幅を出力する。画像表示部１３では、アレイ変換器３
の同時に駆動されている振動子群の中心の座標（ｘ、ｙ
）に相当する表示面上の座標（Ｘ′。

ｙ’）の座標（ｘ、ｙ）に相当する表示面上の座標（ｘ
’　＋　ｙ’　）に、そのとき受信された探査エコーの
振幅を輝度として書き込むことにより、探査映像を形成
・表示する。ディジタル表示器１４は、探査対象部、す
なわち、焦点、ゲートを開く時間、及びゲートを閉じる
時間に夫々相当する表面からの深さ、ｆ、ａ、及びｂを
数字で表示する。

第２図において、ｎ個の同時駆動振動子群の中央の素子
を１とし、両側に向って順次−まで番号を付し、振動子
ピッチをＰとすると、ｉ番目（ｉ＝１．２．・・・、−
）の振動素子は、群中央からＸＩ　の距離となる。

Ｘ＋＝ｉｐ　　　　　　　　　　　　・・・（１）探査
対象部に焦点を合わせるとして、焦点Ｆは、表面２１か
らＺｚの深さで、群中実直下に生ぜしめればよい。素子
ｉから焦点Ｆへ伝播する波が。

表面２１を通過する座標が（ｘｔｏ＋　Ｏ）である。

入射角θ１及び屈折角θ２の間にはスネルの法則が成り
立つ。

Ｖ２　ｓｉｎ　Ｏｘ：ｖｓ　ｓｉｎ　θｚ　　　　　　
川（２）また、 ｘ　ＩＱ：　ｚｆｆｉ　＠　ｔａｎθ２…（３）Ｘｓ＝
Ｚｔ−ｔａｎθ２＋ＺｗＩＩｔａｎθｔ　　　　−（４
）（１）〜（４）式を用いれば、素子ｉから焦点Ｆまで
の超音波の伝播時間ｔｉは、次式 ｔｉ：ｑ；７扉；云シｖ１十へπ；云秒ｖ２・・・（５
） から求められ、素子間のディレィ補正量は、その相対値
として求められる。ここで、ＺＷの変化によって、その
補正量も変化することは明白である。

第３図において、アレイ変換器３と試料２の表面２１と
の間の距離Ｚ、が、表面の歪んだ部分でＺ　、／　　と
変化している。一方、試料の表面２１と接合部２２の間
の距離Ｚｔは、歪みの有無にさほど影響されないとする
。同図（ａ）のように、アレイ変換器３から放射された
超音波パルス３０は、表面２１で一部反射され１表面エ
コー３１としてアレイ変換器３に戻る。

残りは試料２中を伝播し、接合部２２でさらに一部反射
され探査エコー３２としてアレイ変換器３で受信される
。受信エコーを時間軸上で観測すると、同時（ｂ）のよ
うに、表面エコー３１がｔｏ、また、探査エコー３２は
ｔｌの位置に見られる６表面２１の歪みで、水距離ｚｗ
がｚＷ′へと変化すると、同図（Ｑ）のようにエコー３
１及び３２が、夫々ｔｏ’及びｔｚ’のように大幅に移
動してしまい、ゲートの開閉時間もその遅れに対応する
補正を要することとなり、この補正により画像表示部１
３での画像が探査対象部のものとなる。

本実施例によれば、表面エコーカウンタによってＺｗを
常にモニターし、ディレィ補正とゲート開閉との時間を
、夫々演算・制御することにより、常に試料中任意の箇
所に合焦でき、焦域からのエコーによって探査映像を形
成することができる。

第４図は本発明の他の実施例を示し、アレイ変換器３を
保持する機構に、表面エコーカウンタ１０の出力するＺ
ｗの値に応じ、試料表面２１との間の距離を一定に保つ
ように働く制御回路演算部と、その演算結果によってア
レイ変換器３を移動するための超音波モータ等で駆動さ
れるＺ軸駆動制御装置を取り入れたものである。

この実施例によれば、Ｚｗの細かい変化に対し精度よく
補正することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来、焦点位置の制御が困難であった
試料表面の歪んだり傾斜した場合、及び曲面の場合でも
、従来より高い精度で試料任意の面に焦点を合わせ、そ
の面の高分解能探査が可能となるので、結果として、よ
り高精細な探査映像が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
水距離の変化がアレイ変換器の各素子の送受信信号に与
えるべき遅延時間に与える影響を説明する図、第３図は
水距離ゲート開閉時間に与える影響を説明する図、第４
図は本発明を発展させた実施例を説明するブロック図で
ある。 １・・・入力手段、３・・・アレイ変換器（超音波送受
信手段、４・・・焦点演算制御手段、５・・・パルス発
生手段、６・・・受信手段、７・・・タイミング信号発
生器、９・・・接続切替手段、１０・・・表面エコーカ
ウンタ、１１・・・ゲート時間演算制御部、１２・・・
ゲート回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波を集束して送信及び受信する超音波送受信手
   段と、この超音波送受信手段に設定されたタイミングで
   高周波パルスを供給するパルス発生手段と、前記超音波
   送受信手段で受信した超音波信号を受信し増幅する受信
   手段と、送信時に前記パルス発生手段と超音波送受信手
   段とを接続すると共に受信時には前記超音波送受信手段
   と受信手段とを接続する接続切替手段とを備え、超音波
   送受信手段の超音波放射面と被検試料との間に液体媒質
   を介在させて試料中の探査対象部の探査をする接合部探
   査装置において、被検試料と液体媒質とに関する音速と
   寸法とのパラメータを入力する入力手段と、前記受信手
   段の出力信号から試料表面のエコーを抽出して超音波の
   送信タイミングと該表面エコーの受信タイミングとから
   前記超音波放射面と被検試料との間の距離を計測する表
   面エコーカウンタと、この表面エコーカウンタで計測さ
   れた前記距離と前記入力手段からの出力信号とから超音
   波を試料中の探査対象部に集束させる条件を演算し、超
   音波の焦点を制御する信号を出力する焦点演算制御手段
   とを設けたことを特徴とする接合部探査装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、超音波送受信手段
   は複数の振動素子の配列から成るアレイ変換器、パルス
   発生手段は前記複数の振動素子に前記集束条件に従つて
   タイミングを制御しつつ夫々に高周波パルス信号を供給
   する多チャンネルパルス発生器、受信手段は前記複数の
   振動素子の受信信号を前記集束条件に従つて所望の箇所
   からの波に対し位相が揃うように整相受信し合成する多
   チャンネル受信器、接続切替手段はマトリクススイッチ
   回路によつて、夫々形成された接合部探査装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、焦点演算制御手段
   は送信及び受信信号の位相を制御する信号をパルス発生
   手段及び受信手段に出力するディレィ補正量演算制御部
   より成る接合部探査装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、焦点演算制御手段
   は、試料の探査対象部に焦点を結ばせる距離を演算する
   演算部と、その演算結果によつて超音波送受信手段の位
   置を変える駆動装置とから成る接合部探査装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、受信手段と画像表
   示部とがゲート回路を介して接続されていると共に、入
   力手段及び表面エコーカウンタからの各々の出力信号を
   受けて超音波エコーが試料中の探査対象部から反射され
   て超音波送受信手段で受信される時間を演算し、前記ゲ
   ート回路のゲートの開閉時間を制御するゲート時間演算
   制御部を備えた接合部探査装置。