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