KR101473104B1 - 초음파 검사 장치 및 초음파 검사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 안정된 검사 화상을 얻을 수 있는 초음파 검사 장치, 노즐 어태치먼트, 및, 초음파 검사 방법을 제공하는 것이다.
수평 방향으로 주사 가능한 주사 수단(1, 2)과, 주사 수단(1, 2)에 설치되는 수직 방향의 높이 조정 수단(3)과, 높이 조정 수단(3)에 설치되는 홀더(5)와, 홀더(5)에 설치되는 초음파 탐촉자(4)와, 노즐로부터 물을 유출하여 초음파 탐촉자(4)로부터 워크(9)로의 연속된 수류를 형성하는 노즐 어태치먼트(6)와, 높이 조정 수단(3) 또는 홀더(5)에 설치되며, 노즐 어태치먼트(6)를 수직 방향으로 이동 가능한 갭 조정 수단(6)을 구비한다.

Description

초음파 검사 장치 및 초음파 검사 방법{ULTRASONIC TEST DEVICE AND ULTRASONIC TEST METHOD}

본 발명은, 초음파 검사 장치 및 초음파 검사 방법에 관한 것이다.

초음파 검사 장치는, 검사 대상(이후, 「워크」라고 칭한다.)에 초음파를 조사하고, 반사 또는 투과해 온 초음파를 초음파 탐촉자(이후, 「프로브」라고 칭한다.)로 수신하여 화상화하는 장치이다.

예를 들어, 워크가 전자 디바이스일 경우, 미세한 결함을 검출할 필요가 있고, 초음파 검사 장치에는, 높은 분해능이 요구된다. 초음파 검사 장치는, 사용하는 초음파의 주파수가 높을수록 높은 분해능을 얻을 수 있지만, 한편으로 사용하는 초음파의 주파수가 높을수록 감쇠가 커져 S/N비가 저하한다. 물은 공기에 비해 초음파의 감쇠의 정도가 작으므로, 통상의 초음파 검사 장치는, 워크를 수몰시켜서, 프로브 선단과 워크 표면과의 사이를 물로 채운 상태에서 초음파 검사를 행하도록 되어 있다. 그리고, 초음파 검사 장치는, 워크 내부의 관찰 대상이 되어 있는 계면에 초점을 맞추고, 프로브 선단과 워크 표면과의 사이의 거리(이후, 「물 거리」라고 칭한다.)를 일정하게 유지한 채, 프로브를 주사하여 얻어진 결과를 화상화함으로써, 결함의 위치나 깊이를 알 수 있도록 되어 있다.

여기서, 워크가 물에 취약한 전자 디바이스 등이거나, 수몰시키는 것이 곤란한 대형품이나 고온체이거나 할 경우, 프로브 선단과 워크 표면의 사이를 물 기둥으로 연결함으로써, 초음파를 전반시키는 국소 수침 방식의 초음파 검사 장치가 고안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 출원 공개 평2－17440호 공보

일반적으로, 초음파 검사 장치는, 높은 위치 분해능을 얻기 위해서, 프로브의 선단을 오목 렌즈 형상으로 하여, 관찰 위치에 초음파를 집속시키고 있다. 내부에 적층 구조를 갖는 워크의 경우, 1개의 프로브를 사용하여 복수의 층계면을 관찰하기 위해서는, 계면마다 물 거리를 바꾸어서 측정할 필요가 있다. 예를 들어, 워크의 깊은 부분(워크 저면에 가까운 측)을 관찰할 경우는, 워크의 얕은 부분(워크 표면에 가까운 측)을 관찰할 경우보다 물 거리를 작게 한다.

종래의 초음파 검사 장치에서는, 프로브의 케이스에 물을 공급하는 어태치먼트를 직접 설치하고 있고, 물 거리의 자유도를 크게 취할 수 있도록 하기 위해서, 물의 분출구(이후, 노즐이라고 부른다)를 될 수 있는 한 프로브 선단에 근접하여 설치하도록 하고 있다. 이 경우, 물 거리를 바꾸면 노즐로부터 워크 표면으로 신장하는 물 기둥의 길이가 바뀐다.

그런데, 초음파 검사 장치로 검사 화상을 취득하기 위해서는, 프로브를 xy 평면 내에서 주사할 필요가 있다. 예를 들어, x방향으로 주사한 후, 결정된 피치만큼 y방향으로 보내고, 다음으로 －x방향으로 주사하고, 또한 결정된 피치만큼 y방향으로 보내는 것을 반복하여 행한다. 프로브를 x방향 또는 －x방향으로의 주사에는 속도 0에서 원하는 속도까지의 가속 공정과, 원하는 속도에서의 등속 공정과, 원하는 속도에서 속도 0까지의 감속 공정을 포함하고 있다.

프로브의 주사 방향이 바뀔 때, 관성의 법칙에 의해 원래의 프로브의 주사 방향으로 물 기둥이 흔들린다고 하는 문제점이 있다. 이 현상은, 프로브의 가감속이 급격하고, 물의 유량이 작아, 물 기둥이 길 때에 현저하다. 물 기둥이 흔들린 경우에는, 그 속을 초음파가 전해지는 것이 되므로, 프로브 바로 아래로부터 벗어난 위치로부터의 반사 초음파 신호를 취입해버릴 우려가 있다. 또한 극단적인 경우에는, 물 기둥이 몇 개의 물방울로 갈라져서 도중에 끊어져 버리는 경우도 있다. 이와 같이 되면, 관찰하고 있는 장소가 아니라, 프로브측으로부터 보아 최초의 물－공기 계면으로부터의 반사 신호를 취입해 버리기 때문에, 정확한 검사 데이터를 얻을 수 없다.

종래, 이러한 현상을 방지하여 안정된 검사 화상을 얻는 방법으로서는, 관찰하고자 하는 영역보다 넓은 영역에 대하여 프로브를 주사하는 방법, 프로브의 가감속을 완만하게 하는 방법, 물의 유량을 크게 하는 방법, 물 기둥을 짧게 하는 방법 등이 있다. 그러나, 어떤 방법도 문제가 있다.

예를 들어, 관찰하고자 하는 영역보다 넓은 영역에 대하여 프로브를 주사하는 방법이나 프로브의 가감속을 완만하게 하는 방법에서는, 1개의 워크당의 검사 시간이 연장된다. 그 때문에, 발취 검사의 빈도를 저하시키거나, 검사 장치의 대수를 늘리는 필요가 있다. 전자의 경우, 이상을 검출할 수 있는 확률이 저하하므로, 제품의 신뢰성은 저하한다. 후자의 경우, 제조 비용 증가로 이어진다.

또한, 물의 유량을 크게 하는 방법에서는, 국소 수침 방식의 초음파 검사 장치의 경우, 워크를 유지할 때, 물에 취약한 면의 시일성을 향상시킬 필요가 있어, 비용이 증가한다.

또한, 종래의 초음파 검사 장치에서 물 기둥을 짧게 하는 방법에서는, 물 거리의 자유도가 감소하여 1개의 프로브로 관찰할 수 있는 층수가 한정된다. 이것은, 물 기둥이 짧으므로, 프로브를 상하 이동시킬 수 있는 범위도 짧아지기 때문이다.

그 때문에, 다층 구조를 갖는 워크의 경우, 몇 개 프로브를 교환하면서 관찰을 행할 필요가 있다. 이것은 작업자에 있어서 큰 수고가 되어, 검사 시간의 증대를 초래한다. 또한, 워크의 구조마다 프로브가 필요하게 되므로, 다품종을 검사해야만 하는 경우, 프로브의 수량이 증가하여, 현실적이지 않다.

따라서, 본 발명은, 안정된 검사 화상을 얻을 수 있는 초음파 검사 장치 및 초음파 검사 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

이와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 수평 방향으로 주사 가능한 주사 수단과, 상기 주사 수단에 설치되는 수직 방향의 높이 조정 수단과, 상기 높이 조정 수단에 설치되는 홀더와, 상기 홀더에 설치되는 초음파 프로브와, 노즐로부터 물을 유출하여 상기 초음파 프로브의 선단에 설치된 렌즈로부터 워크의 표면으로의 연속된 수류(水流)를 형성하는 노즐 어태치먼트와, 상기 높이 조정 수단 또는 상기 홀더에 설치되고, 상기 노즐 어태치먼트를 수직 방향으로 이동 가능한 갭 조정 수단을 구비하고, 상기 높이 조정 수단에 의해, 상기 렌즈와 상기 워크의 표면과의 거리를 조정 가능하게 하고, 상기 갭 조정 수단에 의해, 상기 초음파 프로브의 상기 렌즈의 위치를 상기 노즐 어태치먼트의 내부에서 수직 방향으로 변화시킴과 함께, 상기 노즐의 상기 워크와의 대향면과 상기 워크의 표면과의 거리를 조정 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치이다.

또한, 본 발명은, 수평 방향으로 주사 가능한 주사 수단, 상기 주사 수단에 설치되는 수직 방향의 높이 조정 수단, 상기 높이 조정 수단에 설치되는 홀더, 상기 홀더에 설치되는 초음파 프로브, 노즐로부터 물을 유출하여 상기 초음파 프로브의 선단에 설치된 렌즈로부터 워크의 표면으로의 연속된 수류를 형성하는 노즐 어태치먼트, 및, 상기 높이 조정 수단 또는 상기 홀더에 설치되며 상기 노즐 어태치먼트를 수직 방향으로 이동 가능한 갭 조정 수단을 갖는 초음파 검사 장치의 초음파 검사 방법이며, 상기 노즐 어태치먼트에 물을 공급하고, 상기 노즐로부터 물을 유출시킴으로써, 상기 렌즈로부터 상기 워크의 표면으로의 연속된 수류를 형성하는 스텝과, 상기 높이 조정 수단에 의해 상기 렌즈와 상기 워크의 표면과의 높이를 조정하는 스텝과, 상기 갭 조정 수단에 의해, 상기 초음파 프로브의 상기 렌즈의 위치를 상기 노즐 어태치먼트의 내부에서 수직 방향으로 변화시킴과 함께, 상기 노즐의 상기 워크와의 대향면과 상기 워크의 표면과의 거리를 조정하는 스텝과, 상기 초음파 프로브에 의해 상기 워크의 초음파 검사를 실행하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 방법이다.

본 발명에 따르면, 안정된 검사 화상을 얻을 수 있는 초음파 검사 장치 및 초음파 검사 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치의 사시도이다.
도 2는 프로브 및 노즐 어태치먼트의 모식 단면도이다.
도 3은 렌즈 표면의 기포를 제거할 때에 있어서의 프로브 및 노즐 어태치먼트의 모식 단면도이다.
도 4의 (a)는 유량 조정 기구의 제1예이며, (b)는 유량 조정 기구의 제2예이다.
도 5는 워크 위를 주사할 때에 있어서의 프로브 및 노즐 어태치먼트의 모식 단면도이다.
도 6은 갭을 크게 하여 워크 위를 주사할 때에 있어서의 프로브 및 노즐 어태치먼트의 모식 단면도이다.
도 7은 갭과 물의 유량과의 관계의 실험 결과이다.
도 8a는 렌즈 직경 6㎜의 프로브에 대하여 노즐 직경을 7㎜로 했을 때의 반사 에코 파형이다.
도 8b는 렌즈 직경 6㎜의 프로브에 대하여 노즐 직경을 6㎜로 했을 때의 반사 에코 파형이다.
도 8c는 렌즈 직경 6㎜의 프로브에 대하여 노즐 직경을 5㎜로 했을 때의 반사 에코 파형이다.
도 9는 워크 홀더에 의한 워크의 유지 방법의 일례를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치를 사용한 초음파 검사의 처리의 플로우차트이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하 「실시 형태」라고 한다)에 대하여, 적절하게 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서, 공통되는 부분에는 동일한 번호를 부여하여 중복된 설명을 생략한다.

≪초음파 검사 장치≫

본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치(S)에 대하여, 도 1을 이용하여 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치(S)의 사시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 초음파 검사 장치(S)는, x방향 주사 수단(1)과, y방향 주사 수단(2)과, 높이 조정 수단(3)과, 프로브(4)와, 프로브 홀더(5)와, 노즐 어태치먼트(6)와, 갭 조정 수단(7)과, 물 공급로(8)와, 워크(9)를 유지하는 워크 홀더(10)와, 배수구(12)가 형성된 물받침 팬(11)을 구비하고 있다.

프로브(4)는, 초음파를 송신하고, 반사된 초음파(에코)를 수신할 수 있도록 되어 있다.

프로브(4)는, 프로브 홀더(5)에 고정되어 있다. 프로브 홀더(5)는, 높이 조정 수단(3)에 설치되어 있다. 높이 조정 수단(3)은, x방향 주사 수단(1)에 설치되어 있다. x방향 주사 수단(1)은, y방향 주사 수단(2)에 설치되어 있다. 또한, 프로브(4)의 구성에 대해서는, 도 2를 이용하여 후술한다.

노즐 어태치먼트(6)는, 물 공급로(8)로부터 공급된 물을 노즐 어태치먼트(6)의 하면에 설치된 개구부인 노즐(61)(도 2 참조)로부터 유출시켜서, 워크(9)의 표면과의 사이에 물 기둥을 형성하여, 프로브(4)가 송수신하는 초음파의 전반로를 확보할 수 있도록 되어 있다.

노즐 어태치먼트(6)는, 갭 조정 수단(7)에 설치되어 있다. 갭 조정 수단(7)은, 프로브 홀더(5)에 설치되어 있다. 또한, 노즐 어태치먼트(6)의 구성에 대해서는, 도 2를 이용하여 후술한다.

갭 조정 수단(7)은, 노즐 어태치먼트(6)를 높이 방향(z방향)으로 이동시킬 수 있도록 되어 있어, 예를 들어, 구동원으로서의 전동 모터(도시하지 않음)와, 전동 모터의 회전 운동을 직접 이동 운동으로 변환하는 회전 직접 이동 변환 기구의 하나인 볼 나사 기구(도시하지 않음)를 조합시킴으로써 실현할 수 있다.

또한, 갭 조정 수단(7)은, 프로브 홀더(5)에 설치되어 있는 것으로서 설명하지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 높이 조정 수단(3)에 설치되어 있어도 된다.

이와 같은 구성에 의해, 초음파 검사 장치(S)는, x방향 주사 수단(1)에 의해 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를 x방향으로 주사할 수 있도록 되어 있고, y방향 주사 수단(2)에 의해 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를 y방향으로 주사할 수 있도록 되어 있다.

또한, 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)의 주사는, 예를 들어, 이하의 수순으로 행하도록 되어 있다. 우선, 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를, x방향 주사 수단(1)에 의해 ＋x방향(도 1에 있어서 좌측에서 우측 방향)으로 주사한 후, y방향 주사 수단(2)에 의해 소정의 피치로 y방향(도 1에 있어서 안 쪽에서 앞쪽 방향)으로 보낸다. 다음으로, 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를, x방향 주사 수단(1)에 의해 －x방향(도 1에 있어서 우측에서 좌측 방향)으로 주사한 후, y방향 주사 수단(2)에 의해 소정의 피치로 y방향(도 1에 있어서 안 쪽에서 앞쪽 방향)으로 보낸다. 이후, 이들을 반복해서 행하여, 검사 대상의 전체 영역을 주사한다.

덧붙여서 말하면, x방향 주사 수단(1)에 의해 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를 ＋x방향 또는 －x방향으로 주사할 때, 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를 속도 0에서 소정의 속도까지 가속하는 가속 공정과, 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를 소정의 속도로 이동시키는 등속 공정과, 소정의 속도로부터 속도 0까지 감속하는 감속 공정을 포함하고 있다.

또한, 초음파 검사 장치(S)는, 높이 조정 수단(3)에 의해 프로브(4)의 높이(z방향)를 조정할 수 있도록 되어 있다. 즉, 높이 조정 수단(3)에 의해, 프로브(4)의 선단의 렌즈(41)(도 2 참조)와 워크(9)의 표면과의 거리인 물 거리를 조정할 수 있도록 되어 있다.

또한, 초음파 검사 장치(S)는, 높이 조정 수단(3) 및 갭 조정 수단(7)에 의해 노즐 어태치먼트(6)의 높이(z방향)를 조정할 수 있도록 되어 있다. 즉, 갭 조정 수단(7)에 의해, 노즐(61)(도 2 참조)과 워크(9)의 표면과의 거리(도 5를 이용하여 후술하는 갭(31))을, 물 거리와는 독립하여 조정할 수 있도록 되어 있다.

본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치(S)는, 국소 수침 방식의 초음파 검사 장치이며, 워크(9)는, 한쪽 면 및 측면은 물에 젖어도 되지만, 다른 쪽 면은 물에 젖는 것을 허용할 수 없는 경우를 예로 설명한다.

워크 홀더(10)는, 검사 대상인 워크(9)를 유지함과 함께, 노즐(61)(도 2 참조)로부터 유출된 물이 워크(9)의 하면으로 돌아 들어가지 않도록 하는 기구를 갖고 있다.

워크 홀더(10)에 의한 워크(9)의 유지 방법의 일례를 도 9에 도시한다. 예를 들어, 도 9에 도시한 바와 같이, 워크(9)의 하면(9a)과 워크 홀더(10)의 사이에 설치한 이중 Ｏ링(10a)으로 시일을 하여 이중 Ｏ링(10a)에 협지된 영역에 있는 홈(10b) 안을, 진공 배관(10c)을 개재하여 접속된 진공 펌프(도시하지 않음)로 배기하는 방법(진공 척 방식)이다. 이와 같이 워크(9)를 유지함으로써, 워크(9)의 하면(9a)에 물이 돌아 들어가지 않도록 할 수 있도록 되어 있다.

또한, 도 9에 도시한 워크 홀더(10)는 일례이며, 다른 방식의 채용을 방해하는 것은 아니다.

도 1로 돌아가, 물받침 팬(11)의 저면은, 워크 홀더(10)의 워크(9)의 유지 위치보다도 낮은 위치에 배치되도록 되어 있다. 그리고, 노즐(61)(도 2 참조)로부터 공급된 물에 의해 워크 홀더(10)나 워크(9)가 수몰되지 않도록, 물받침 팬(11)의 저면에 형성된 배수구(12)로부터 배수를 행할 수 있도록 되어 있다.

또한, 배수구(12)로부터 유출된 물은, 순환 펌프, 유량 컨트롤러를 통하여 물 공급로(8)에 복귀시키는 구성이여도 되고, 그대로 초음파 검사 장치(S)의 밖으로 배출되는 구성이여도 된다.

<프로브 및 노즐 어태치먼트>

다음으로, 본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치(S)가 구비하는 프로브 및 노즐 어태치먼트의 구성에 대하여, 도 2를 이용하여 더 설명한다. 도 2는, 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)의 모식 단면도이다.

프로브(4)는, 초음파 방사면인 렌즈(41)와, 신호선(42)과, 상부 전극(43), 압전체(44), 하부 전극(45)으로 구성되는 압전 소자와, 접지선(46)을 구비하고 있다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 상부 전극(43)에는 신호선(42)이 접속되고, 하부 전극(45)에는 접지선(46)이 접속되어 있는 구성인 것으로서 설명하지만, 상부 전극(43)에는 접지선(46)이 접속되고, 하부 전극(45)에는 신호선(42)이 접속되어 있는 구성이여도 된다.

상부 전극(43) 및 하부 전극(45)을 사용하여 압전체(44)에 고주파 또는 펄스 전압을 인가함으로써 발생한 초음파는, 직접 또는 어떠한 매체(도 2에서는 생략)를 통하여, 렌즈(41)에 전달되고, 거기에서 워크(9)(도 1 참조)에 조사되도록 되어 있다.

또한, 워크(9)의 표면이나 내부의 계면이나 결함 등으로 반사된 초음파 신호(에코)는, 역 경로를 더듬어 가서 압전 소자(상부 전극(43), 압전체(44), 하부 전극(45))에 도달하여, 전기 신호로 바뀔 수 있다. 여기서, 반사면의 재질에 의해 돌아오는 에코의 신호 강도는 다르므로, 초음파 검사 장치(S)는 이것을 콘트라스트로서 화상화함으로써, 구조나 결함의 위치 정보를 알 수 있도록 되어 있다.

노즐 어태치먼트(6)는, 프로브(4)의 선단(초음파 방사면인 렌즈(41))을 덮도록 설치되고, 렌즈(41)의 하부에 닿는 부분에 개구부인 노즐(61)이 형성되어 있다. 또한, 화살표 21로 나타내는 흐름의 방향으로 물이 흐르는 물 공급 튜브(80)를 통하여 물 공급로(8)으로부터 노즐 어태치먼트(6)로 물이 공급되도록 되어 있다. 이에 의해, 노즐 어태치먼트(6)의 내부를 수밀하고, 노즐(61)로부터 워크(9)(도 1 참조)의 표면에 물을 떨어뜨림으로써, 렌즈(41)로부터 워크(9)의 표면까지의 초음파의 전반로를 확보할 수 있도록 되어 있다.

여기서, 상기한 바와 같이, 프로브(4)는 프로브 홀더(5)에 고정되고, 노즐 어태치먼트(6)는 갭 조정 수단(7)에 의해 프로브 홀더(5)에 대한 높이를 조정할 수 있도록 되어 있다. 즉, 프로브(4)에 대하여, 노즐 어태치먼트(6)를 상하 이동시킬 수 있도록 되어 있다. 또한, 도 2에 있어서는, 노즐 어태치먼트(6)를 기준으로 하여 도시하고 있고, 노즐 어태치먼트(6)를 내린 상태(렌즈(41)와 노즐(61)을 이격한 상태)의 렌즈(41)를 실선으로 나타내고, 노즐 어태치먼트(6)를 올린 상태(렌즈(41)와 노즐(61)을 근접시킨 상태)의 렌즈(41)를 파선으로 나타내고 있다.

노즐 어태치먼트(6)를 갭 조정 수단(7)에 의해 상하 이동하는 스트로크는, 물 공급로(8)의 접속부(8a)의 상하 방향의 개구 길이 d와 대략 동일한 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 물 공급로(8)의 노즐 어태치먼트(6)에의 설치 위치(접속부(8a)의 위치)는, 프로브(4)의 렌즈(41)와 대략 동일한 높이로 할 수 있는 것이 바람직하다.

물의 유량을 작게 하기 위해서는, 노즐(61)의 개구 직경(D)은, 작은 편이 바람직하다. 한편, 노즐(61)의 개구 직경(D)이 렌즈(41)의 렌즈 직경(φ)보다 작으면, 노즐(61)에 초음파가 부딪혀 반사하므로, 관찰하고자 하는 부분에 도달하는 초음파 신호가 감쇠하여 S/N비가 작아지고, 불필요한 에코가 압전 소자로 복귀되어버려, 측정에 영향을 미칠 우려가 있다. 따라서, 노즐(61)의 개구 직경(D)은, 렌즈(41)의 렌즈 직경(φ) 이상인 것이 바람직하다.

또한, 노즐(61)의 개구부에는 도 2에 도시한 바와 같이 렌즈(41)의 측이 크게 개구되고, 워크(9)(도 1 참조)의 측이 작게 개구되도록 테이퍼(62)가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 테이퍼(62)를 설치함으로써, 불필요한 에코를 방지함과 함께, 노즐(61)로부터의 수류를 안정시킬 수 있다.

<기포 제거 동작>

다음으로, 도 3을 이용하여, 렌즈(41)의 표면의 기포(13)의 제거에 대하여 설명한다. 도 3은, 렌즈(41)의 표면의 기포(13)를 제거할 때에 있어서의 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)의 모식 단면도이다.

렌즈(41)는, 조사된 초음파가 초점을 연결하도록 오목 렌즈로 되어 있고, 중앙부가 외주부보다도 높아져 있다. 이로 인해, 렌즈(41)의 표면에 기포(13)가 남겨질 우려가 있다. 또한, 렌즈(41)의 표면에 기포(13)가 남아있으면, 기포(13)에서 초음파가 반사되어, 불필요한 에코가 발생함과 함께, 관찰하고자 하는 부분에 도달하는 초음파 신호가 감쇠하여 S/N비가 작아진다.

이로 인해, 본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치(S)는, 렌즈(41)의 표면의 기포(13)를 제거할 수 있도록 되어 있다.

구체적으로는, 상기한 바와 같이 물 공급로(8)의 노즐 어태치먼트(6)에의 설치 위치(접속부(8a)의 위치)를 프로브(4)의 렌즈(41)와 대략 동일한 높이로 한다.

이와 같이 배치된 상태에서, 물 공급 튜브(80)로부터 화살표 21의 방향으로 대유량의 물을 유입함으로써, 기포(13)는 수류를 타고 화살표 22의 방향으로 이동하여 노즐 어태치먼트(6)로부터 배출되거나, 화살표 23의 방향으로 이동하여 노즐 어태치먼트(6)의 상부에 저류되어, 렌즈(41)의 면 위로부터는 제거된다.

또한, 높이 방향에서 보아, 접속부(8a)의 상단으로부터 3㎜ 정도 올린 위치에서 접속부(8a)의 하단으로부터 3㎜ 정도 내린 위치까지의 사이에 렌즈(41)의 표면이 배치되도록 함으로써, 렌즈(41)의 표면으로부터의 기포 제거 효과는 유효하게 작용한다.

또한, 초음파 검사를 할 때에, 렌즈(41)의 높이가 물 공급로(8)의 접속부(8a)의 높이로부터 크게 벗어나 버리면, 유효하게 기포를 제거할 수 없게 될 우려가 있지만, 그러한 경우에는, 미리 접속부(8a)의 위치를 프로브(4)의 렌즈(41)와 대략 동일한 높이로 하여 기포 제거를 행한 후에, 소정의 높이로 렌즈(41)를 이동시킴으로써, 기포가 제거된 상태에서 초음파 검사를 할 수 있다.

도 4에, 물 공급 튜브(80)를 통하여 물 공급로(8)에 공급하는 물의 유량을 조정하는 유량 조정 기구의 예를 나타낸다.

기포 제거 동작 시에 대유량의 물을 공급하고, 초음파 검사 동작 시에 소정의 유량으로 조정하는 방법으로서는, 예를 들어, 도 4의 (a)와 같이, 차단 밸브(81)와 유량 컨트롤러(82)를 구비하고, 기포 제거 동작 시에는 유량 컨트롤러(82)를 최대 유량으로 하고, 초음파 검사 동작 시에는 유량 컨트롤러(82)에 의해 소정의 유량으로 조정함으로써 달성할 수 있다. 또한, 도 4의 (b)와 같이, 원류(20)를 분기하여 원류(20a, 20b)로 하고, 원류(20a) 측에는 차단 밸브(81a)를 구비하고, 원류(20b) 측에는 차단 밸브(81b)와 유량 컨트롤러(82)를 구비하고, 기포 제거 동작 시에는 차단 밸브(81a)를 개변(開弁)하고 차단 밸브(81b)를 폐변하여 대유량의 물을 공급하고, 초음파 검사 동작 시에는 차단 밸브(81a)를 폐변하고 차단 밸브(81b)를 개변하여 유량 컨트롤러(82)에 의해 소정의 유량으로 조정하는 것이여도 된다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 초음파 검사 장치(S)는 도 4의 (a)에 도시하는 유량 조정 기구를 구비하고 있는 것으로서 설명한다.

<초음파 검사 동작>

다음으로, 도 5를 이용하여, 워크(9) 위를 주사하여 초음파 검사할 경우에 대하여 설명한다. 도 5는, 워크(9) 위를 주사할 때에 있어서의 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)의 모식 단면도이다.

갭 조정 수단(7)에 의해, 노즐(61)과 워크(9)의 표면과의 거리인 갭(31)을 조정한다. 갭(31)의 높이는, 워크(9)의 표면에서 물이 표면 장력으로 고조되는 높이이며, 구체적으로는 도 7을 이용하여 후술하는 바와 같이 3㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 하한에 대해서는, 노즐(61)이 워크(9)의 표면에 부딪히지 않을 정도이면 된다.

도 5에 도시한 바와 같이, 워크(9)의 좌측의 단부면 부근에서 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)의 고속 주사를 좌측 방향에서 우측 방향(진행 방향(32))으로 절환(되돌아 반대편으로)하면, 관성의 법칙 및 물이 흐르기 쉬움으로부터, 물 기둥은, 진행 방향(32)과 반대측에 치우친 형상이 되어, 물은 주로 화살표 25의 방향으로 흐른다.

여기서, 전술한 바와 같이 물이 표면 장력으로 고조되는 높이 이하로 갭(31)을 설정하면, 물의 일부는 표면 장력 및 모세관 현상에 의해 노즐(61)의 진행 방향(32)에도 소량의 물이 괴는 물 저류부(24)를 형성할 수가 있어, 초음파 빔(30)의 전반로를 물로 채워, 초음파 빔(30)을 워크(9)에 도달시킬 수 있다. 이에 의해, 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를 고속으로 주사한 경우라도 안정된 측정이 가능해진다.

다음으로, 프로브(4)와 워크(9)와의 거리(물 거리)를 도 5의 예와 동일하게 유지한 채, 갭을 크게 하여 주사한 상태를 도 6을 이용하여 설명한다. 도 6은, 갭을 크게 하여 워크(9) 위를 주사할 때에 있어서의 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)의 모식 단면도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 갭(31a)의 높이는, 워크(9)의 표면에서 물이 표면 장력으로 고조되는 높이보다 높은 상태가 되어 있다.

워크(9)의 좌측의 단부면 부근에서 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)의 고속 주사를 좌측 방향에서 우측(진행 방향(32))으로 절환하면, 관성의 법칙 및 물의 흐르기 쉬움으로부터, 물 기둥은, 진행 방향(32)과 반대 측으로 치우친 형상이 되어, 물은 주로 화살표 25a의 방향으로 흐른다.

도 6의 경우에서는, 도 5의 경우와 달리, 진행 방향(32) 측의 물 기둥 측면(24a)에는 모세관 현상에 의한 물 저류부(24)(도 5 참조)가 형성되지 않고, 워크(9)의 표면 상태나 미묘한 측정 환경의 변동에 의해 초음파 빔(30)의 전반로의 일부가 물 기둥으로부터 벗어나는 일이 있어, 안정된 측정을 할 수 없다. 또 물의 유량이 작을 때는, 물 기둥이 물방울 형상으로 도중에 끊어져 버리는 일이 있다. 이것은, 물의 낙하 속도에 대하여 주사 속도가 클 때에 일어난다고 생각할 수 있다.

<갭 길이와 물의 유량의 관계>

도 7은, 노즐 직경을 9㎜, 주사 속도를 1000㎜/초로 했을 때에, 안정된 검사 화상을 얻을 수 있는 물의 유량과 갭 길이를 조사한 실험 결과이다. 「Ｏ」는 안정된 검사 화상을 얻을 수 있는 조건, 「Ｘ」는 일부가 결여된 검사 화상밖에 얻을 수 없었던 조건을 나타내고, 「－」에 대해서는 실험을 행하지 않고 있는 것을 나타낸다.

도 7에 도시한 바와 같이, 3㎜보다 갭 길이를 크게 하면 유량을 어떻게 변경하여도 안정된 화상을 얻을 수 없는 것을 알았다. 이것은, 도 6에서 도시한 바와 같이, 주사 방향이 우측에서 좌측, 또는 좌측에서 우측으로 변화할 때에, 관성의 법칙에 의해 물 기둥이 흔들림으로써 렌즈(41)와 워크(9)의 사이에 공기층이 인입되어버리기 때문이라 생각된다.

또한, 유량을 크게 하면(유량이 1.0(L/분), 1.4(L/분)일 경우), 워크(9)의 표면에 거품이 생기는 현상도 볼 수 있었다.

이에 대해, 갭 길이가 3㎜ 이하로 되면, 물의 유량을 적절하게 설정함으로써, 안정된 검사 화상을 얻을 수 있다. 또한, 갭 길이가 작아짐에 따라서, 보다 적은 수량에서도 안정된 화상을 얻을 수 있는 것이 명백해졌다.

<노즐(61)의 개구 직경(D)과 렌즈(41)의 렌즈 직경(φ)과의 관계>

다음으로, 렌즈 직경(φ)이 6㎜의 프로브(4)에 대하여, 노즐(61)의 개구 직경(D)을 7, 6, 5㎜로 했을 때의 반사 에코 파형을 도 8a∼도 8c에 도시한다.

도 8a는, 렌즈 직경(φ)이 6㎜, 노즐 개구 직경(D)이 7㎜일 경우이며, E₁₁은 워크(9)의 표면으로부터의 반사 에코이며, E₁₂는 초음파가 집속된 계면으로부터의 반사 에코이다. 도 8b는, 렌즈 직경(φ)이 6㎜, 노즐 개구 직경(D)이 6㎜일 경우이며, E₂₁은 워크(9)의 표면으로부터의 반사 에코이며, E₂₂는 초음파가 집속된 계면으로부터의 반사 에코이다. 도 8c는, 렌즈 직경(φ)이 6㎜, 노즐 개구 직경(D)이 5㎜일 경우이며, E₃₁은 워크(9)의 표면으로부터의 반사 에코이며, E₃₂는 초음파가 집속된 계면으로부터의 반사 에코이다.

노즐 개구 직경(D)=5㎜의 반사 에코 E₃₂는, 노즐 개구 직경(D)=7㎜, 6㎜의 반사 에코 E₁₂, E₂₂와 비교하여 신호 강도가 작아지고 있어, S/N비가 저하하고 있음을 알 수 있다. 이것은, 노즐(61)의 엣지에서 초음파의 일부가 반사되어, 초점 위치에 조사되는 에너지가 저하되기 때문이다. 따라서, 노즐(61)의 개구 직경(D)은, 렌즈(41)의 렌즈 직경(φ) 이상인 것이 바람직하다.

≪초음파 검사 장치 처리≫

본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치(S)를 사용한 초음파 검사의 처리에 대하여 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은, 본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치(S)를 사용한 초음파 검사 처리의 플로우차트이다.

스텝 S1에 있어서, 검사원은, 워크(9)를 워크 홀더(10)에 셋트한다. 이때, 프로브(4)는 원점 위치에 배치되어 있다. 또한, 필요하면, 워크(9)를 관찰하기 위한 적절한 프로브(4)를 프로브 홀더(5)에 셋트한다.

스텝 S2에 있어서, 초음파 검사 장치(S)는, 차단 밸브(81)(도 4의 (a) 참조)를 개변하여, 물 공급로(8)로부터 노즐 어태치먼트(6)로 물을 공급하여 물 기둥을 형성한다.

스텝 S3에 있어서, 초음파 검사 장치(S)는, 갭 조정 수단(7)을 제어하여 물 공급로(8)의 접속부(8a)의 위치를 프로브(4)의 렌즈(41)와 대략 동일한 높이로 한다.

스텝 S4에 있어서, 초음파 검사 장치(S)는, 유량 컨트롤러(82)(도 4의 (a) 참조)를 제어하여 물의 유량을 초음파 검사 시보다도 대유량으로 하여 렌즈(41)의 표면의 기포(13)를 제거한다. 기포(13)의 제거가 완료되면, 유량 컨트롤러(82)를 제어하여 물의 유량을 초음파 검사 시의 유량으로 하여 스텝 S5로 진행한다.

스텝 S5에 있어서, 초음파 검사 장치(S)는, x방향 주사 수단(1) 및 y방향 주사 수단(2)을 제어하여, 프로브(4)를 워크(9)의 관찰 위치로 이동시킨다. 또한, 이동 시, 노즐(61)이 워크(9)의 표면에 접촉하는 것을 방지하기 위해서, 높이 조정 수단(3)에 의해 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를 높은 위치로 해두는 것이 바람직하다.

스텝 S6에 있어서, 초음파 검사 장치(S)는, 높이 조정 수단(3)을 제어하여 프로브(4)와 워크(9)의 표면과의 거리인 물 거리를 조정하여, 워크(9)의 관찰 대상으로 되어 있는 층에 초음파의 초점을 맞춘다.

스텝 S7에 있어서, 초음파 검사 장치(S)는, 갭 조정 수단(7)을 제어하여 노즐(61)과 워크(9)의 표면과의 거리인 갭(31)을 조정한다. 구체적으로는, 갭(31)을3㎜ 이하의 적절한 위치로 조정한다.

스텝 S8에 있어서, 초음파 검사 장치(S)는, x방향 주사 수단(1) 및 y방향 주사 수단(2)을 제어하여, 프로브(4)을 주사시키면서, 프로브(4)에 의해 초음파 검사를 행한다.

스텝 S9에 있어서, 초음파 검사 장치(S)는, x방향 주사 수단(1) 및 y방향 주사 수단(2)을 제어하여, 프로브(4)을 원점 위치로 이동시킨다. 또한, 이동 시, 노즐(61)이 워크(9)의 표면에 접촉하는 것을 방지하기 위해서, 높이 조정 수단(3)에 의해 프로브(4) 및 노즐 어태치먼트(6)를 높은 위치로 해두는 것이 바람직하다.

이상에 의해, 워크(9)의 초음파 검사를 종료한다. 필요하면, 검사필의 워크(9)를 워크 홀더(10)로부터 제거하고, 새로운 워크(9)를 워크 홀더(10)에 셋팅하여 일련의 초음파 검사 처리를 행한다.

또한, 도 10에 나타낸 원점 위치에서 기포 제거 동작(S3, S4)을 행하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 원점 위치에서 물 기둥을 형성하고(S2), 프로브(4)를 관찰 위치로 이동(S5)한 후에, 기포 제거 동작(S3, S4)을 행하는 것이여도 된다. 또한, 프로브(4)를 관찰 위치로 이동(S5)한 후에, 원점 위치에서 물 기둥을 형성하고(S2), 기포 제거 동작(S3, S4)을 행하는 것이여도 된다.

<작용·효과>

이상과 같이, 본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치(S)에 따르면, 프로브(4)를 고속으로 주사시켜도, 진행 방향 측에 물 저류부(24)(도 5 참조)를 형성하여 안정된 물 기둥(초음파 전반로)을 형성하여, 물의 유량이 적어도 안정된 검사 화상을 얻을 수 있다. 또한, 프로브(4)와 노즐 어태치먼트(6)와는 독립하여 높이를 조정할 수 있으므로, 프로브(4)의 높이(물 거리)를 제한하는 일은 없다.

또한, 물의 유량을 저감시킬 수 있으므로, 워크(9)의 하면(9a)을 물로부터 보호하는 워크 홀더(10)의 시일 구조도 도 9에 도시하는 바와 같은 간이한 구성으로 충분해 진다.

또한, 본 실시 형태에 따른 초음파 검사 장치(S)에 따르면, 렌즈(41)의 표면의 기포(13)를 제거하는 기포 제거 동작을 행할 수 있으므로, 안정된 검사 화상을 얻을 수 있다.

S : 초음파 검사 장치
1 : x방향 주사 수단(주사 수단)
2 : y방향 주사 수단(주사 수단)
3 : 높이 조정 수단
4 : 프로브(초음파 탐촉자)
5 : 프로브 홀더(홀더)
6 : 노즐 어태치먼트
7 : 갭 조정 수단
9 : 워크
8 : 물 공급로
8a : 접속부
31 : 갭(노즐과 워크와의 거리)
41 : 렌즈
61 : 노즐
81, 81a, 81b : 차단 밸브(유량 조정 수단)
82 : 유량 컨트롤러(유량 조정 수단)
D : 개구 직경
φ : 렌즈 직경

Claims (11)

1. 수평 방향으로 주사 가능한 주사 수단과,
   상기 주사 수단에 설치되는 수직 방향의 높이 조정 수단과,
   상기 높이 조정 수단에 설치되는 홀더와,
   상기 홀더에 설치되는 초음파 프로브와,
   노즐로부터 물을 유출하여 상기 초음파 프로브의 선단에 설치된 렌즈로부터 워크의 표면으로의 연속된 수류(水流)를 형성하는 노즐 어태치먼트와,
   상기 높이 조정 수단 또는 상기 홀더에 설치되고, 상기 노즐 어태치먼트를 수직 방향으로 이동 가능한 갭 조정 수단을 구비하고,
   상기 높이 조정 수단에 의해, 상기 렌즈와 상기 워크의 표면과의 거리를 조정 가능하게 하고,
   상기 갭 조정 수단에 의해, 상기 초음파 프로브의 상기 렌즈의 위치를 상기 노즐 어태치먼트의 내부에서 수직 방향으로 변화시킴과 함께, 상기 노즐의 상기 워크와의 대향면과 상기 워크의 표면과의 거리를 조정 가능하게 하는
   것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
2. 제1항에 있어서,
   초음파 검사 시에 있어서, 상기 갭 조정 수단은,
   상기 노즐과 상기 워크의 표면과의 거리를 3㎜ 이하로 하는
   것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 노즐 어태치먼트에 접속되며, 그 노즐 어태치먼트에 물을 공급하는 물 공급 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 초음파 프로브의 상기 렌즈의 표면의 기포 제거 시에 있어서, 상기 갭 조정 수단은,
   상기 노즐 어태치먼트와 상기 물 공급 수단과의 접속부인 물 공급로 접속부를 상기 렌즈와 동일한 높이로 하는
   것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 물 공급 수단에 의해 공급하는 유량을 조정하는 유량 조정 수단을 구비하고,
   상기 유량 조정 수단은,
   상기 기포 제거 시에 공급하는 유량을, 초음파 검사 시에 공급하는 유량보다도 크게 하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 노즐의 개구 직경은, 상기 렌즈의 렌즈 직경 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
7. 수평 방향으로 주사 가능한 주사 수단, 상기 주사 수단에 설치되는 수직 방향의 높이 조정 수단, 상기 높이 조정 수단에 설치되는 홀더, 상기 홀더에 설치되는 초음파 프로브, 노즐로부터 물을 유출하여 상기 초음파 프로브의 선단에 설치된 렌즈로부터 워크의 표면으로의 연속된 수류를 형성하는 노즐 어태치먼트, 및, 상기 높이 조정 수단 또는 상기 홀더에 설치되며 상기 노즐 어태치먼트를 수직 방향으로 이동 가능한 갭 조정 수단을 갖는 초음파 검사 장치의 초음파 검사 방법으로서,
   상기 노즐 어태치먼트에 물을 공급하고, 상기 노즐로부터 물을 유출시킴으로써, 상기 렌즈로부터 상기 워크의 표면으로의 연속된 수류를 형성하는 스텝과,
   상기 높이 조정 수단에 의해 상기 렌즈와 상기 워크의 표면과의 높이를 조정하는 스텝과,
   상기 갭 조정 수단에 의해, 상기 초음파 프로브의 상기 렌즈의 위치를 상기 노즐 어태치먼트의 내부에서 수직 방향으로 변화시킴과 함께, 상기 노즐의 상기 워크와의 대향면과 상기 워크의 표면과의 거리를 조정하는 스텝과,
   상기 초음파 프로브에 의해 상기 워크의 초음파 검사를 실행하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 거리를 조정하는 스텝은,
   상기 노즐과 상기 워크의 표면과의 거리를 3㎜ 이하로 하는
   것을 특징으로 하는 초음파 검사 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   상기 수류를 형성하는 스텝은,
   상기 갭 조정 수단에 의해 상기 노즐 어태치먼트의 물 공급로 접속부를 상기 렌즈와 동일한 높이로 하여 상기 렌즈의 표면의 기포를 제거하는
   것을 특징으로 하는 초음파 검사 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 수류를 형성하는 스텝은,
    상기 노즐 어태치먼트에 공급하는 물의 유량을, 상기 초음파 검사를 실행하는 스텝 시에 공급하는 유량보다도 크게 하는
    것을 특징으로 하는 초음파 검사 방법.
11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 노즐의 개구 직경은, 상기 렌즈의 렌즈 직경 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 검사 방법.

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