JP2018044881A - クラック検査装置及びクラック検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検査効率が高いクラック検査装置及びクラック検査方法を提供する。【解決手段】クラック検査装置１は、レーザビームＬ１を被検査体Ｓにおける相互に異なる位置に照射可能なレーザ光学系１０と、レーザビームＬ１が照射された被検査体Ｓの温度分布を測定する測定手段と、を備える。【選択図】図１

Description

実施形態は、クラック検査装置及びクラック検査方法に関する。

従来、セラミック基板のクラックの有無は、顕微鏡による写真を画像処理することにより検査されてきた。しかしながら、この方法では、微細なクラックやセラミック基板の内部に発生したクラックを検出することは困難である。そこで、セラミック基板を一様に加熱し、その後冷却する過程でセラミック基板に温度勾配を形成し、その温度勾配の不連続線を検出することにより、クラックを検出する技術が提案されている。しかしながら、この方法では、セラミック基板全体を加熱した後、冷却するため、検査の効率が低い。

特開２０１１−２０３１６３号公報

実施形態の目的は、検査効率が高いクラック検査装置及びクラック検査方法を提供することである。

実施形態に係るクラック検査装置は、レーザビームを被検査体における相互に異なる位置に照射可能なレーザ光学系と、前記レーザビームが照射された被検査体の温度分布を測定する測定手段と、を備える。

実施形態に係るクラック検査方法は、レーザビームを被検査体の第１位置に照射し、前記被検査体の温度分布を測定する工程と、レーザビームを前記被検査体の前記第１位置とは異なる第２位置に照射し、前記被検査体の温度分布を測定する工程と、を備える。

第１の実施形態に係るクラック検査装置を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係るクラック検査方法の原理を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係るクラック検査方法の原理を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態におけるレーザビームの照射領域を示す図であり、（ｄ）は（ａ）〜（ｃ）を重畳した図である。 （ａ）及び（ｂ）は、被検査体を示す図であり、（ａ）は良品を示し、（ｂ）は不良品を示す。 （ａ）及び（ｂ）は、被検査体の温度分布の測定結果を示す図であり、（ａ）は良品を示し、（ｂ）は不良品を示す。 （ａ）及び（ｂ）は、横軸に被検査体における位置をとり、縦軸に温度を位置で微分した値をとって、温度分布の微分値を示すグラフ図であり、（ａ）は良品を示し、（ｂ）は不良品を示し、（ｃ）は、横軸に被検査体における位置をとり、縦軸に温度の微分値の差の絶対値をとって、温度分布の不連続線を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係るクラック検査装置を示すブロック図である。 第３の実施形態に係るクラック検査装置を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るクラック検査装置を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係るクラック検査装置１においては、レーザ光学系１０が設けられている。レーザ光学系１０においては、レーザ光源１１、光学素子１２及び回転機構１３が設けられている。レーザ光源１１は、例えば、赤外線レーザ又はＱＣＬ（Quantum Cascade Laser：量子カスケードレーザ）であり、１本のレーザビームＬ１を出射する。光学素子１２は、例えば、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element：回折光学素子）であり、レーザ光源１１から出射されたレーザビームＬ１を回折させて、複数本のレーザビームＬ２に分岐する。回転機構１３は、光学素子１２を回転させることにより、レーザビームＬ２の出射方向を変化させる出射方向変化手段である。

クラック検査装置１においては、断熱材料により形成されたホルダー２０が設けられている。ホルダー２０は、被検査体Ｓをレーザ光学系１０により複数本のレーザビームＬ２が照射されるような位置に保持する。これにより、レーザ光学系１０は、レーザビームＬ２を被検査体Ｓにおける相互に異なる位置に照射可能となる。被検査体Ｓは、例えば、セラミック基板であり、例えば、シリコン窒化物（ＳｉＮ）基板、又は、燃料電池に用いる炭素（Ｃ）基板である。

クラック検査装置１においては、測定手段としての赤外線サーモグラフィ３０が設けられている。赤外線サーモグラフィ３０は、被検査体Ｓの温度分布を測定し、画像化する。本実施形態においては、赤外線サーモグラフィ３０は被検査体ＳにおけるレーザビームＬ２が照射される面の反対側に配置されている。すなわち、レーザ光学系１０及び赤外線サーモグラフィ３０は、被検査体Ｓを挟む位置に配置されている。

クラック検査装置１においては、制御部４０が設けられている。制御部４０は、赤外線サーモグラフィ３０から温度分布を示す画像データが入力されると共に、レーザ光源１１及び回転機構１３を制御する。制御部４０は、ディスプレイ、キーボード、タッチパネル等の入出力手段に接続されていてもよく、ネットワークを介してサーバー等に接続されていてもよい。

クラック検査装置１においては、処理部５０が設けられている。処理部５０は、制御部４０から画像データが入力され、画像処理を行ってクラックを検出し、この検出結果を制御部４０に対して出力する。画像処理の内容については、後述する。

次に、本実施形態に係るクラック検査装置の動作、すなわち、本実施形態に係るクラック検査方法について説明する。
先ず、本実施形態に係るクラック検査方法の原理について説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係るクラック検査方法の原理を示す図である。

図２（ａ）に示すように、本実施形態においては、被検査体Ｓの一部にレーザビームを照射する。これにより、被検査体Ｓはレーザビームの照射領域Ｒにおいて局所的に加熱され、その周囲に温度分布を形成する。このとき、被検査体ＳにクラックＣが存在すると、クラックＣ内には空気層があるため熱伝導性が低く、クラックＣを超えて熱が伝わりにくい。このため、クラックＣにおいて、温度分布が不連続になる。従って、被検査体Ｓの温度分布を測定することにより、温度分布の不連続線としてクラックＣを検出することができる。

しかしながら、図２（ｂ）に示すように、レーザビームの照射領域ＲがクラックＣを跨いでいると、被検査体ＳにおけるクラックＣの両側が加熱されるため、温度分布の不連続線が検出しにくくなる。また、図２（ｃ）に示すように、レーザビームを被検査体Ｓの２つの領域Ｒに照射したときに、クラックＣが２つの照射領域Ｒの中間点付近に位置していると、クラックＣの両側の温度が略等しくなるため、やはり不連続線が検出しにくくなる。

このため、本実施形態においては、複数回のレーザビームの照射及び温度分布の測定を行い、照射毎に被検査体Ｓにおけるレーザビームの照射位置を異ならせる。すなわち、図３（ａ）に示すように、１回目の照射において、クラックＣ１がレーザビームの照射領域Ｒと重なり、クラックＣ２が２つの照射領域Ｒの中間点付近に位置しているとする。この場合、クラックＣ１及びＣ２は検出されにくい。

しかしながら、図３（ｂ）に示すように、２回目の照射において、レーザビームの照射領域Ｒの位置を１回目の照射に対して変化させると、クラックＣ１及びＣ２の近傍に照射領域Ｒが位置する可能性がある。この場合は、クラックＣ１及びＣ２が検出されやすい。

なお、２回目の照射においても、照射領域Ｒとクラックとの位置関係によっては、クラックが検出されにくい可能性もあるが、その場合は、更にレーザビームの照射を繰り返していけばよい。これにより、クラックが検出されない確率が減少していく。

以下、本実施形態に係るクラック検査方法を、具体的に説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態におけるレーザビームの照射領域を示す図であり、（ｄ）は（ａ）〜（ｃ）を重畳した図である。

先ず、図１に示すように、ホルダー２０に被検査体Ｓを装着する。次に、制御部４０が回転機構１３を制御し、光学素子１２の回折格子を所定の向きとする。また、制御部４０が赤外線サーモグラフィ３０を制御し、被検査体Ｓの温度分布の測定を開始する。

この状態で、制御部４０がレーザ光源１１を制御し、レーザ光源１１に１本のレーザビームＬ１を出射させる。レーザビームＬ１は光学素子１２に入射して回折され、複数本のレーザビームＬ２に分岐して被検査体Ｓに照射される。

このとき、図４（ａ）に示すように、例えば、光学素子１２が直交回折格子である場合は、レーザビームＬ２の照射領域Ｒ１は、相互に直交する２方向に沿ってマトリクス状に分散する。そして、赤外線サーモグラフィ３０は、レーザビームＬ２の照射中に被検査体Ｓの温度分布を測定し、測定結果を画像データとして制御部４０に対して出力する。その後、制御部４０はレーザ光源１１にレーザビームＬ１の出射を停止させる。

制御部４０は、赤外線サーモグラフィ３０から入力された画像データを処理部５０に対して出力する。処理部５０は画像データを処理し、温度分布が不連続的に変化する不連続線を検出する。そして、この不連続線が出現した位置にクラックがあると判定する。このようにして、１回目の測定を行う。

次に、制御部４０は回転機構１３を制御し、光学素子１２を回転させる。光学素子１２の回折格子がｎ回対称（ｎは２以上の整数）である場合は、光学素子１２の回転角度は（３６０／ｎ）°以外の角度とする。本実施形態においては、光学素子１２の回折格子は４回対称であるため、光学素子１２の回転角度は９０°以外の角度とし、例えば６０°とする。そして、レーザ光源１１にレーザビームＬ１を出射させる。

これにより、図４（ｂ）に示すように、レーザビームＬ２の照射領域Ｒ２は、１回目の照射領域Ｒ１に対して６０°回転したマトリクス状に分散する。この結果、照射領域Ｒ２の大部分は、照射領域Ｒ１とは重ならない。この状態で、赤外線サーモグラフィ３０が被検査体Ｓの温度分布を測定する。その後、レーザビームＬ１の出射を停止する。制御部４０は、赤外線サーモグラフィ３０から入力された画像データを処理部５０に対して出力し、処理部５０が画像処理することにより、クラックの有無を判定する。このようにして、２回目の測定を行う。

次に、制御部４０は回転機構１３を制御し、光学素子１２を更に回転させる。このときの回転角度も、例えば６０°とする。そして、レーザ光源１１にレーザビームＬ１を出射させる。レーザビームＬ１は光学素子１２によって回折されて、図４（ｃ）に示すように、被検査体Ｓにおける照射領域Ｒ３に照射される。照射領域Ｒ３は、２回目の照射領域Ｒ２に対して６０°回転したマトリクス状に分散し、照射領域Ｒ３の大部分は、照射領域Ｒ１及びＲ２とは重ならない。この状態で、赤外線サーモグラフィ３０が被検査体Ｓの温度分布を測定し、処理部５０がクラックの有無を判定する。このようにして、３回目の測定を行う。

図４（ｄ）に示すように、照射領域Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、一部が重複するものの、全体としては相互に異なるように分散されている。これにより、クラックがどこにあっても、確実に検出することができる。なお、本実施形態においては、光学素子１２を回転させることによって照射領域の位置を変化させたが、光学素子１２を平行移動させたり、傾斜させたりすることにより、照射領域の位置を変化させてもよい。また、光学素子１２として、直交回折格子以外の回折格子を用いてもよい。例えば、六方最密構造の格子を用いてもよい。また、１本のレーザビームを複数本のレーザビームに分岐する光学素子であれば、回折格子以外の光学素子を用いてもよい。

レーザビームＬ１の出力、及び、照射領域Ｒの直径及び間隔は、被検査体Ｓの特性に応じて決定すればよい。例えば、照射領域Ｒの間隔は、クラックＣの幅よりも大きくする。例えば、被検査体Ｓがシリコン窒化物（ＳｉＮ）基板の場合、クラックＣの幅は例えば１０〜２０μｍ程度であるため、隣り合う照射領域Ｒ間の距離は２０μｍよりも大きくする。また、レーザビームＬ１の出力及びレーザビームＬ２のエネルギー密度は、クラックＣの検出に適した温度分布を得られる程度に高く、被検査体Ｓを変質又は破壊しない程度に低くする。

更に、レーザビームＬ１の出力及び照射領域Ｒの分布は、被検査体Ｓにおける熱の伝わり方と、赤外線サーモグラフィ３０の撮像のフレームレートとの関係によっても制約される。すなわち、ある照射領域Ｒに入力された熱が隣の照射領域Ｒとの中間点に伝わる時間が、赤外線サーモグラフィ３０のフレームレートと比較して短すぎると、クラックＣの検出に適した温度分布を赤外線サーモグラフィ３０が捉え損ねる可能性がある。逆に、熱の伝達時間がフレームレートと比較して長すぎると、検査の効率が低下する。

次に、被検査体Ｓの温度分布からクラックを検出する方法の具体例について説明する。
図５（ａ）及び（ｂ）は、被検査体を示す図であり、（ａ）は良品を示し、（ｂ）は不良品を示す。
図６（ａ）及び（ｂ）は、被検査体の温度分布の測定結果を示す図であり、（ａ）は良品を示し、（ｂ）は不良品を示す。
図６（ａ）及び（ｂ）においては、白色の領域が最も温度が高く、黒色の領域が最も温度が低く、灰色の領域は白色に近い色の領域ほど温度が高い。
図７（ａ）及び（ｂ）は、横軸に被検査体における位置をとり、縦軸に温度を位置で微分した値をとって、温度分布の微分値を示すグラフ図であり、（ａ）は良品を示し、（ｂ）は不良品を示し、（ｃ）は、横軸に被検査体における位置をとり、縦軸に温度の微分値の差の絶対値をとって、温度分布の不連続線を示すグラフ図である。
なお、図７（ａ）は図６（ａ）に示すＡ−Ａ’線に沿った値を示し、図７（ｂ）は図６（ｂ）に示すＢ−Ｂ’線に沿った値を示す。

図５（ａ）に示すように、良品の被検査体Ｓにはクラックが無いものとする。一方、図５（ｂ）に示すように、不良品の被検査体ＳにはクラックＣが有るものとする。なお、実際の検査においては、検査前において、検査対象となる被検査体ＳにクラックＣがあるかどうかは不明であるが、本具体例では説明の便宜上、検査対象となる被検査体Ｓは不良品であり、標準サンプルとして良品の被検査体Ｓと比較する場合を説明する。

図６（ａ）に示すように、良品の被検査体Ｓの温度分布は、レーザビームの照射領域Ｒにおいて極大値を示し、照射領域Ｒから遠ざかるほど低下するが、温度変化は連続的である。これに対して、図６（ｂ）に示すように、不良品の被検査体Ｓの温度分布は、クラックＣ（図５（ｂ）参照）の位置で不連続的に変化する。すなわち、不良品の被検査体Ｓの温度分布には不連続線が出現する。

図７（ａ）に示すように、良品の被検査体ＳについてＡ−Ａ’線に沿って温度の微分値を計算すると、微分値の絶対値は低い範囲内に留まる。これに対して、不良品の被検査体ＳについてＢ−Ｂ’線に沿って温度の微分値を計算すると、クラックＣの位置で微分値の絶対値が突出して大きくなる。

図７（ｃ）に示すように、図７（ａ）に示す温度の微分値と図７（ｂ）に示す温度の微分値の差の絶対値を計算すると、温度分布の不連続線はより明確になる。図７（ｃ）に示すように、処理部５０は、温度の微分値の絶対値が基準値Ｔを超えた位置Ｕに、クラックＣがあると判定する。

なお、本実施形態においては、良品の温度分布と不良品の温度分布について、それぞれ温度の微分値を算出した後、その差の絶対値を求める例を示したが、これには限定されない。例えば、良品の温度分布を示す画像と不良品の温度分布を示す画像との差画像を求め、この差画像の微分値の絶対値を求めてもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、レーザビームを照射することにより、被検査体Ｓを局所的に加熱して、温度分布の不連続線を検出している。これにより、被検査体Ｓ全体を加熱した後冷却する場合と比較して、クラックの検査を短時間で行うことができる。このため、本実施形態に係るクラックの検査方法は、効率が高い。

また、本実施形態においては、被検査体Ｓにおけるレーザビームの照射領域を異ならせて、温度分布を複数回測定している。これにより、レーザビームの照射領域ＲがクラックＣに対して、温度分布の不連続線が検出しやすい位置関係になる確率が高い。この結果、クラックＣを精度よく検出することができる。

更に、本実施形態においては、レーザ光源１１から出射されたレーザビームＬ１を光学素子１２によって複数本のレーザビームＬ２に分岐させて、被検査体Ｓに対して照射している。これにより、被検査体Ｓ全体を一度に検査することができ、検査の効率が高い。

更にまた、本実施形態においては、被検査体Ｓから見て、赤外線サーモグラフィ３０をレーザ光学系１０の反対側に配置している。これにより、赤外線サーモグラフィ３０を被検査体Ｓの正面に配置することができ、赤外線サーモグラフィ３０の焦点を被検査体Ｓ全体に精度よく合わせることができる。この結果、温度分布の測定精度が高い。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図８は、本実施形態に係るクラック検査装置を示すブロック図である。

図８に示すように、本実施形態に係るクラック検査装置２においては、被検査体Ｓから見て、赤外線サーモグラフィ３０がレーザ光学系１０と同じ側に配置されている。

本実施形態によれば、赤外線サーモグラフィ３０は、被検査体Ｓにおけるレーザビームが照射された表面の温度分布を測定する。このため、被検査体Ｓとして厚い物体を用いても、温度分布を精度よく測定することができる。厚さが厚い被検査体Ｓとしては、例えば、金属部材の溶接部等がある。

また、本実施形態においては、被検査体Ｓの表面をレーザビームによって局所的に加熱している。このため、被検査体Ｓの表面が平坦でなくても、所望の温度分布を実現することができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図９は、本実施形態に係るクラック検査装置を示すブロック図である。

図９に示すように、本実施形態に係るクラック検査装置３は、前述の第１の実施形態に係るクラック検査装置１（図１参照）と比較して、光学素子１２を回転させる回転機構１３の替わりに、ホルダー２０を回転、傾斜又は移動させる回転機構２３が設けられている点が異なっている。

回転機構２３は制御部４０からの指令により、ホルダー２０を回転、傾斜又は移動させ、これにより、被検査体Ｓを回転、傾斜又は移動させる。これにより、被検査体ＳにおけるレーザビームＬ２の照射位置が相対的に変化する。

本実施形態によっても、前述の第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

以上説明した実施形態によれば、検査効率が高いクラック検査装置及びクラック検査方法を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。

また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。例えば、前述の第１の実施形態と第３の実施形態を組み合わせて、光学素子１２及び被検査体Ｓの双方を回転又は移動させてもよい。又は、第２の実施形態と第３の実施形態を組み合わせて、厚い被検査体Ｓを回転等させて検査してもよい。この場合は、例えば、溶接部等の立体的な形状の被検査体Ｓを、３次元的に回転させて検査することができる。

１、２、３：クラック検査装置、１０：レーザ光学系、１１：レーザ光源、１２：光学素子、１３：回転機構、２０：ホルダー、２３：回転機構、３０：赤外線サーモグラフィ、４０：制御部、５０：処理部、Ｃ、Ｃ１、Ｃ２：クラック、Ｌ１、Ｌ２：レーザビーム、Ｒ、Ｒ１〜Ｒ３：照射領域、Ｓ：被検査体、Ｔ：基準値、Ｕ：位置

Claims (5)

1. レーザビームを被検査体における相互に異なる位置に照射可能なレーザ光学系と、
   前記レーザビームが照射された被検査体の温度分布を測定する測定手段と、
   を備えたクラック検査装置。
2. 前記レーザ光学系は、
   １本のレーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記１本のレーザビームを複数本のレーザビームに分岐する光学素子と、
   前記光学素子を回転、傾斜又は移動させることにより、前記複数本のレーザビームの出射方向を変化させる出射方向変化手段と、
   を有する請求項１記載のクラック検査装置。
3. 前記光学素子は回折格子である請求項２記載のクラック検査装置。
4. レーザビームを被検査体の第１位置に照射し、前記被検査体の温度分布を測定する工程と、
   レーザビームを前記被検査体の前記第１位置とは異なる第２位置に照射し、前記被検査体の温度分布を測定する工程と、
   を備えたクラック検査方法。
5. 前記レーザビームを前記第１位置に照射するときに、レーザビームを前記被検査体における前記第１位置とは異なる第３位置にも照射し、
   前記レーザビームを前記第２位置に照射するときに、レーザビームを前記被検査体における前記第３位置とは異なる第４位置にも照射する請求項４記載のクラック検査方法。