JPH09101291A

JPH09101291A - 超音波プローブのビーム形成方法

Info

Publication number: JPH09101291A
Application number: JP7260456A
Authority: JP
Inventors: Noboru Yamamoto; 登山本
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 1997-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】検査面に焦点距離方向の多少のずれが存在し
ていても支障なく検査を行うことができる超音波プロー
ブのビーム形成方法を提供すること。【構成】図１の（ａ）に示す音響レンズ１の焦点Ｓ_A
に対して、アレイ振動子２の焦点Ｓ_B1を、図１の（ｂ）
に示すように上記焦点Ｓ_A よりΔＦだけ長くなるように
設定する。この設定は、アレイ振動子の各振動素子の数
の選択およびそれらに与える遅延パターンを適宜選択す
ることにより行われる。そうすると、両者を合成した焦
点は、図１の（ｃ）に符号Ｆ₁₃で示すように、長い焦点
領域（収束域）となる。このように焦点を長い収束域Ｆ
₁₃とすることにより、被検体の検査面が多少上下にずれ
ても、支障なく検査を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波プローブから放
射される超音波ビームを用いて検査対象物（被検体）を
検査する場合の超音波プローブのビーム形成方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超音波プローブから放射される超音波ビ
ームを用いて被検体を破壊することなくその内部の状態
を検査する超音波検査が、各種分野で使用されている。
上記超音波プローブには、音響レンズを用いて超音波ビ
ームを焦点に収束させるもの、多数の振動素子を所定方
向に配列しこれらを適切な遅延パターンで励振させるこ
とにより実質的に超音波ビームを焦点に収束させるも
の、および両者を組み合わせたものがある。これらのう
ち、両者を組み合わせた超音波プローブを図４により説
明する。

【０００３】図４は超音波プローブの斜視図である。こ
の図で、１は下面に凹面１ａが形成された音響レンズ、
２は音響レンズ１上に互いに隣接して配置された多数の
振動素子２ａより成るアレイ振動子であり、これら音響
レンズ１およびアレイ振動子２で超音波プローブ３が構
成される。アレイ振動子２の各振動素子２ａが適切な遅
延パターンで励振されると、各振動素子２ａから超音波
が発生し、これら超音波は、音響レンズ１により破線で
示すビームＡとなって直線状の焦点Ｓ_A に収束せしめら
れるとともに、アレイ振動子２により点線で示すビーム
Ｂとなって実質的に直線状の焦点Ｓ_B に収束せしめられ
る。Ｐは各焦点Ｓ_A 、Ｓ_B が交わる点であり、この点で
超音波ビームの強度レベルが最大値となる。これを図５
によりさらに詳細に示す。

【０００４】図５は図４に示すビームの形成を説明する
図である。この図で、図４に示す部分と同一部分には同
一符号が付してある。図５の（ａ）は図４の矢印Ｖａ方
向からみた音響レンズ１を示す図であり、この図に示す
ように、紙面に垂直方向に延びる音響レンズ１の直線状
焦点Ｓ_A の焦点距離はＦ₁ である。又、図５の（ｂ）は
図４の矢印Ｖｂ方向からみたアレイ振動子２を示す図で
あり、この図に示すように、紙面に垂直方向に延びるア
レイ振動子２の直線状焦点Ｓ_B の焦点距離はＦ₂ であ
る。これら焦点Ｓ_A 、Ｓ_B は同一平面に存在し、この面
上で直交し、その交点は図５の（ｃ）に示す点Ｐとな
る。なお、図５の（ｃ）は図４の矢印Ｖａ方向からみた
図である。図５の（ｃ）に示すように、この超音波プロ
ーブ３から放射されるビームは、焦点Ｐに収束するビー
ムＡ、Ｂを合成したビームとなる。

【０００５】図６は図４に示す超音波プローブを用いた
被検体検査を示す図である。この図で、３は上記超音波
プローブ、５、５ａ、５ｂは被検体、６は被検体を移送
するベルトコンベアである。図示の例における被検体
は、半導体チップを合成樹脂でモールドした製品であ
り、５１はモールド部分、５２は半導体チップ、５２ｓ
は半導体チップ５２とモールド部分５１との接合面であ
る検査面を示す。各製品はコンベアベルト６で矢印方向
に移送され、この移送中、超音波プローブ３を紙面に垂
直な方向に往復動させることにより、各製品の検査面５
２ｓが順次超音波ビームの走査による検査を受けること
となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図６に示す
製品は、その製造過程において必ずしもモールド部分５
１のモールドが正確に行われるとは限らず、各製品毎に
モールド部分５１の下面と検査面５２ｓ間の距離に差が
生じることが多い。さらに、モールドが正確に行われて
いても、コンベアベルト６等の移送手段の製品載置面が
均一でない場合がある。図６には前者の場合が示され、
製品５ａの検査面５２ｓは製品５の検査面５２ｓより寸
法ｕ₁ だけ下方にずれ、製品５ｂの検査面５２ｓは製品
５の検査面５２ｓより寸法ｕ₂ だけ上方にずれている。
この場合、超音波プローブ３の焦点Ｐの位置を一定面に
調節していても、製品によって検査面５２ｓがずれるこ
とになる。即ち、製品５では検査面５２ｓと焦点Ｐとが
一致しているが、製品５ａ、５ｂでは検査面５２ｓと焦
点Ｐとが上方又は下方にずれている。このような事態
は、上記半導体チップのモールド製品に限らず、他の多
くの製品の超音波検査においても同様に生じる事態であ
る。

【０００７】一方、超音波プローブ３において、焦点Ｐ
に収束したビームは焦点Ｐを通過して直ちに拡散するの
で、検査に有効な強度レベルを有するビームの収束域は
焦点Ｐの上下の僅かな区間である。この収束域が図５の
（ｃ）に収束域Ｆ₁₂で示されている。したがって、図６
に示すようにオンラインで次々に移送される製品を順次
超音波検査してゆくシステムでは、検査面にずれが生
じ、このずれが上記の収束域Ｆ₁₂より大きくなるとその
製品の検査は不能になり、再度の検査が必要となって、
これに多くの手間と時間を費やすこととなる。

【０００８】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、検査面に焦点距離方向の多少のずれが存在
していても支障なく検査を行うことができる超音波プロ
ーブのビーム形成方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、音響レンズと、この音響レンズ上に互い
に隣接して所定方向に配列された複数の振動素子とで構
成される超音波プローブにおいて、前記音響レンズの焦
点と、この焦点と同一軸上にあり前記各振動素子で作ら
れる焦点とを異なる位置とすることにより、上記軸に沿
った長い収束域を有するビームを形成することを特徴と
する。

【００１０】

【作用】音響レンズの焦点は一定である。本発明では、
音響レンズ上の各振動素子で作る焦点を、振動素子数お
よびそれらに与える遅延パターンを適切に選択すること
により、音響レンズの焦点より短く又は長く設定する。
これにより、検査に有効な強度レベルを有するビームの
収束域を長くすることができ、製品の検査面と焦点との
ずれをカバーすることができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。図１は本発明の実施例に係る超音波プローブのビ
ーム形成方法を説明する図である。この図で、図４およ
び図５に示す部分と同一又は等価な部分には同一符号を
付して説明を省略する。図１の（ａ）は図５の（ａ）に
示す構成に相当し、音響レンズ１により形成されるビー
ムＡ、その直線状の焦点Ｓ_A 、および焦点距離Ｆ₁ を示
す。又、図１の（ｂ）は図５の（ｂ）に示す構成に相当
し、アレイ振動子２により形成されるビームＢ₁ 、その
直線状の焦点Ｓ_B1、および焦点距離Ｆ₃を示す。本実施
例では、アレイ振動子の焦点Ｓ_B1を音響レンズ１の焦点
Ｓ_A と同一面ではなく、それより距離ΔＦだけ下面に設
定する。このため、焦点距離Ｆ₃は図５の（ｂ）に示す
焦点距離Ｆ₂ より長い。

【００１２】このように、アレイ振動子の焦点Ｓ_B1を音
響レンズ１の焦点Ｓ_A に対して下方にずらすことによ
り、図１の（ｃ）に示すように、検査に有効な強度レベ
ルを有するビームの収束領域を符号Ｆ₁₃に示すように長
い領域に形成することができる。この収束域Ｆ₁₃は図４
の（ｃ）に示す収束域Ｆ₁₂よりはるかに長い距離とな
る。ｄは収束域Ｆ₁₃におけるビームの径であり、径ｄが
所定値以下でなければ検査に有効な強度レベルを得るこ
とはできない。このような強度レベルを得るための手段
を図２により説明する。

【００１３】図２は図４に示す矢印Ｖｂ方向からみたア
レイ振動子２のみを示す図である。この図で、破線Ｂは
焦点を音響レンズの焦点と同一面とする場合のビーム、
実線Ｂ₁ は長い収束域とした場合のビーム、Ｄ₀ はビー
ムＢを形成するときのアレイ振動子の径（振動子数に比
例する）、Ｄ₁ はビームＢ₁ を形成するときのアレイ振
動子２の径を示す。ところで、アレイ振動子２の焦点を
音響レンズの焦点に対して下方にずらすには、アレイ振
動子２の焦点距離を長くすればよく、これは各振動素子
２ａに加える遅延パターンを調整して得られる。しか
し、単に遅延パターンを調整しただけでは収束域Ｆ₁₃を
得ることはできないその理由を以下に説明する。

【００１４】今、アレイ振動子の径をＤ、それによる焦
点距離をＦ、波長をλとすると、収束域Ｆ₁₃の径ｄは次
式により表わされる。ｄ＝1.41・λ・Ｆ／Ｄ …………（１）したがって、遅延パターンのみを調整して焦点距離Ｆを
大きくすると、収束域Ｆ₁₃の径ｄも大きくなり、必要な
強度レベルを得られなくなる。図２に示すｄ₀は単に遅
延パターンのみを調整して焦点距離を長くした場合の収
束域の径であり、そのときのビームが一点鎖線Ｂ₀ で示
されている。

【００１５】上記（１）式から明らかなように、必要な
収束域の径ｄを保持しながら焦点Ｆを長くするために
は、アレイ振動子２の径Ｄも大きくしなければならな
い。即ち、図２で、音響レンズ１の焦点と一致した焦点
を形成するときのアレイ振動子の径Ｄ₀ を径Ｄ₁ に拡大
し、径Ｄ₁ に含まれる各振動素子に適切な遅延パターン
を与えることにより、必要な収束域の径ｄを得ることが
できる。

【００１６】なお、上記の説明では、音響レンズ１の焦
点とアレイ振動子２の焦点をずらすのに、後者の焦点距
離を長くする例について説明したが、これとは逆に、ア
レイ振動子２の焦点距離を短くして長い収束域を形成す
ることも可能であり、この場合には、上記（１）式で値
Ｆが小さくなり径ｄも小さくなって、強度レベルの問題
はなくなるので、アレイ振動子２の径はそのままとし
て、遅延パターンのみを調節すればよい。

【００１７】このようにして得られた収束域Ｆ₁₃の長さ
は、充分な超音波反射信号が得られる範囲を実測するこ
とにより判るので、正常な被検体が正常な移送手段に載
置されたときの検査面が収束域Ｆ₁₃の中間になるように
超音波プローブ３の位置を設定すれば、通常発生する検
査面の変動に充分に対処することができる。

【００１８】図３は本実施例のアレイ振動子の制御回路
を示すブロック図である。この図で、２はアレイ振動
子、２ａは各振動素子である。１１は振動素子選択回路
であり、ビーム形成に関与する振動素子を選択する。１
２はパルサ回路、１３は各振動素子からの信号を受信し
て増幅するレシーバ回路、１４はパルサ回路１２とレシ
ーバ回路１３の切り換えを行う切換器、１５ａ、１５ｂ
はそれぞれ異なる遅延パターンを有する送信遅延回路、
１６は送信遅延回路１５ａ、１５ｂの切り換えを行う切
換部、１７ａ、１７ｂはそれぞれ送信遅延回路１５ａ、
１５ｂと同一遅延パターンを有する受信遅延回路、１８
は受信遅延回路１７ａ、１７ｂの切り換えを行う切換
部、１９は加算回路、２０は振動素子選択回路１１およ
び各切換部１６、１８の制御やその他の制御を行うマイ
クロコンピュータ、２１は画像処理回路、２２は表示器
である。

【００１９】図４に示す点Ｐでビームを収束させる場
合、マイクロコンピュータ２０は振動素子選択回路１１
を作動させて図２に示す径Ｄ₀ を選択するとともに、切
換部１６、１８（実際は各振動素子２ａに対応する各ラ
インに挿入されたトランジスタ等のスイッチング素子で
構成されている）を送信遅延回路１５ａ、受信遅延回路
１７ａ側に切り換える。マイクロコンピュータ２０の指
令により、送信遅延回路１５ａの遅延パターンに従っ
て、各振動素子２ａに対応する各パルサから順次パルス
が出力され、切換器１４、振動素子選択回路１１を介
し、それにより選択されている振動素子２ａを励振し超
音波を発生させる。

【００２０】検査面から反射した超音波は対応する各振
動素子２ａで電気信号に変換され、それぞれ振動素子選
択回路１１、切換器１４、を経てレシーバ回路１３で受
信、増幅され、受信遅延回路１７ａの遅延パターンに従
って各ラインの位相が揃えられ、これらが加算回路１９
で加算される。このような加算は、検査面の各サンプリ
ング点について行われ、各加算値は順次マイクロコンピ
ュータ２０の記憶部に格納され、適宜画像処理回路２１
に送信され、ここで画像処理されて表示器２２に表示さ
れる。

【００２１】一方、長い収束域Ｆ₁₃を形成するため、焦
点距離を長くする場合、マイクロコンピュータ２０は振
動素子選択回路１１を作動させて図２に示す径Ｄ₁ を選
択するとともに、切換部１６、１８を送信遅延回路１５
ｂ、受信遅延回路１７ｂ側に切り換える。マイクロコン
ピュータ２０の指令により、送信遅延回路１５ｂの遅延
パターンに従って、各振動素子２ａに対応する各パルサ
から順次パルスが出力され、切換器１４、振動素子選択
回路１１を介して選択されている振動素子２ａを励振し
超音波を発生させる。検査面から反射した超音波信号
は、上記と同様に振動素子選択回路１１、切換器１４、
レシーバ回路１３、受信遅延回路１７ｂ、加算回路１９
を経てマイクロコンピュータ２０の記憶部に格納され、
画像処理回路２１を経て表示器２２に表示される。この
場合、超音波プローブの焦点は図１の（ｃ）に示す長い
収束域Ｆ₁₃となるので、検査面の多少の上下の変化に充
分に対応することができる。

【００２２】このように、本実施例では、音響レンズの
焦点とアレイ振動子の焦点をずらせることにより、長い
収束域を形成するようにしたので、検査面に多少のずれ
があっても支障なく超音波による検査を行うことができ
る。

【００２３】なお、図３に示す実施例の説明では、長い
収束域を得るため焦点距離を長くする場合を例示して説
明したが、上述のように焦点距離を短くして長い収束域
を得ることもできる。又、焦点距離を長くする場合と短
くする場合の両者を選択して用いる場合、あるいは、長
さや径の異なる各種収束域を得るためには、それに応じ
た振動素子を選択できるようにし、かつ、それに応じた
遅延パターンを設ければよいのは明らかである。さら
に、図３に示す実施例において、焦点Ｐ（図４に示す短
い収束域Ｆ₁₂）を形成する手段を除くこともできる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、音響レ
ンズの焦点とアレイ振動子の焦点をずらせることによ
り、長い収束域を形成するようにしたので、検査面に多
少のずれがあっても支障なく超音波による検査を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る超音波プローブのビーム
形成方法を説明する図である。

【図２】図４に示す矢印Ｖｂ方向からみたアレイ振動子
２を示す図である。

【図３】本実施例のアレイ振動子の制御回路を示すブロ
ック図である。

【図４】超音波プローブの斜視図である。

【図５】図４に示すビームの形成を説明する図である。

【図６】図４に示す超音波プローブを用いた被検体検査
を示す図である。

【符号の説明】

１音響レンズ２アレイ振動子２ａ振動素子Ａ、Ｂ₁ 超音波ビームＳ_A 、Ｓ_B1 焦点Ｆ₁₃ 収束域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響レンズと、この音響レンズ上に互い
に隣接して所定方向に配列された複数の振動素子とで構
成される超音波プローブにおいて、前記音響レンズの焦
点と、この焦点と同一軸上にあり前記各振動素子で作ら
れる焦点とを異なる位置とすることにより、上記軸に沿
った長い収束域を有するビームを形成することを特徴と
する超音波プローブのビーム形成方法。
【請求項２】請求項１において、前記各振動素子で作
られる長い収束域は、励振される振動素子の数およびこ
れらに与える遅延パターンにより調整されることを特徴
とする超音波プローブのビーム形成方法。