JP5931263B1 - 超音波映像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波映像装置がプローブとワークの干渉を検知し、これらプローブやワークの損傷を抑止する。【解決手段】超音波映像装置１は、面状のワーク８を超音波によって映像化するためのプローブ４と、ワーク８の面に対してプローブ４を走査する３軸スキャナ２と、ワーク８とプローブ４との干渉を検出するセンサ３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、プローブ干渉検出機能を有した超音波映像装置に関する。

従来、超音波映像装置（ＳＡＴ：Scanning Acoustic Tomograph）では、水中に半導体や集積回路などの被検体である面状のワークを設置し、プローブと呼ばれる超音波送受信センサを、このワークの面に沿って走査しつつ超音波による測定を行う。これにより、ワークの欠陥（剥離やボイド）の有無を調べることができる。

ワークとプローブとの距離は条件により変わるが、例えばミリオーダ以下に近づけることがあり、その際にはプローブとワークとが干渉することがある。この干渉が発生した場合には、ワークおよびプローブに損傷を与えるおそれがあり、問題となっている。

特許文献１に記載の発明は、このようなプローブの衝突を検出して、走査を停止させるものである。特許文献１の要約書の構成には、「超音波測定用のプローブ１と、プローブ１のホルダー２と、ホルダーを３方向に移動等させるスキャナ３＋４とを有し、プローブ１をスキャナ３，４で移動させて超音波測定をする超音波測定装置において、伸縮双方の歪みに感応する２つの歪みセンサ３１，３２と、スキャナ３＋４の動作停止のための検出信号Ａをセンサ３１，３２の状態等に応じて発生する検出回路２６０とを備え、これらのセンサ３１，３２が、ホルダー２の中間部分の外面であって互いに概ね直交する２面をそれぞれの取り付け面として、かつ、これらの取り付け面双方に概ね平行する向きの歪みに感応する向きで、それぞれ取り付けられている。」と記載されている。

特開平７−１０３９５１号公報

特許文献１に記載の発明では、歪みセンサによって超音波プローブの側面方向の歪みを検知することによりワークとプローブとの干渉を検出している。しかし、近年では、超音波プローブの走査速度は極めて速いため、水による側面方向の応力を考慮しなければならない。つまり、超音波プローブを走査すると、水の応力により側面方向の歪みが発生し、これを超音波プローブとワークとの衝突であると誤って判断するおそれがある。また、特許文献１に記載の発明で超音波プローブはＺ軸スキャナに固定されている。よってワークとの衝突時に大きな応力が加わり、ワークやプローブが破損するおそれがある。

そこで、本発明は、超音波映像装置において、プローブとワークの干渉を検知し、これらプローブやワークの損傷を抑止することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明の超音波映像装置は、
面状のワークを、超音波によって映像化するためのプローブと、
前記ワークの面に対して前記プローブを二次元で走査する走査手段と、
前記プローブの上部において前記プローブと一体化構造で設置されている鍔部と、
前記プローブを保持するためのホルダと、
前記ホルダ内に、一部が前記ホルダの上面から突出するように埋め込まれて配置される干渉検出手段と、を備え、
前記干渉検出手段は、
前記プローブと前記ワークとの間で干渉しないときは前記突出部が前記鍔部により前記ホルダ内に埋め込まれるように押圧され、
前記プローブと前記ワークとの間で干渉したときには前記プローブが上方向に移動することにより前記鍔部も上方向に移動することで前記ホルダ内に埋め込まれている前記突出部が復元して、前記ワークと前記プローブとの間の干渉を検出すること、
を特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、超音波映像装置において、プローブとワークの干渉を検知し、これらプローブやワークの損傷を抑止することが可能となる。

超音波映像装置の全体構成図である。 プローブによるワークの測定を説明する図である。 プローブとワークとの位置関係を示す図である。 第１の実施形態のホルダの動作を示す説明図である。 第１の実施形態のホルダ構造を示す図である。 第１の実施形態のホルダ構造を示す分解図である。 第１の実施形態における超音波走査処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態のプローブの構造を示す図である。 第３の実施形態のプローブの構造を示す図である。 比較例のプローブの構造を示す図である。

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
図１は、超音波映像装置の全体構成図である。
超音波映像装置１は、プローブ４とワーク８との干渉を検出する機能を備えたものである。これにより超音波映像装置１は、プローブ４やワーク８の損傷を抑止することが可能となる。

超音波映像装置１は、３軸スキャナ２（走査手段）と、プローブ４とを備えている。この３軸スキャナ２は、平面状のワーク８に対してプローブ４を二次元で走査する。これにより超音波映像装置１は、平面状のワーク８を超音波によって映像化することができる。
プローブ４は、水槽９１に満たされた水に浸漬され、プローブ４の先端がワーク８に対向するように配置される。プローブ４は、ホルダ２４により３軸スキャナ２に取り付けられている。この３軸スキャナ２は、プローブ４を二次元で走査すると共に、その走査位置を検知する。これにより、超音波映像装置１は、各走査位置とエコー波との関係を二次元で映像化することができる。水槽９１は、台９２の上に載置される。

３軸スキャナ２は、プローブ４を走査するＸ軸アクチュエータ２１およびＹ軸アクチュエータ２２と、プローブ４とワーク８との間隔を可変するＺ軸アクチュエータ２３と、プローブ４を把持するホルダ２４とを備える。このホルダ２４は、プローブ４の上部に設けられた鍔部４２を支え、このプローブ４に上向きの力が加わったときにスムーズに上方向に動くようにしている。ホルダ２４にはセンサ３が設けられており、プローブ４が上方向に動いたことを検知する。
プローブ４は、検査前に台９２によって高さが調整されと共に、Ｚ軸アクチュエータ２３によりワーク８との間隔が調整される。

超音波映像装置１は更に、プローブ４およびパルサ５２と、プリアンプ５３と、このプローブ４の出力信号を処理するレシーバ５４およびＡ／Ｄ変換器５５と、制御装置５６と、データ処理装置５７と、ディスプレイ５８とを備えている。
パルサ５２は、所定の走査位置ごとに信号を出力する。この信号は、例えばインパルス波やバースト波の電気信号である。
プリアンプ５３は、パルサ５２の信号によりプローブ４に超音波を出力させたのち、プローブ４が受信した信号を増幅してレシーバ５４に出力する。レシーバ５４は、入力された信号を更に増幅してＡ／Ｄ変換器５５に出力する。

Ａ／Ｄ変換器５５には、レシーバ５４を介して、ワーク８の測定面８１から反射されたエコー波が入力される。Ａ／Ｄ変換器５５は、このエコー波のアナログ信号をゲート処理したのちにデジタル信号に変換し、制御装置５６に出力する。

制御装置５６は、この３軸スキャナ２を制御してプローブ４を二次元で走査し、プローブ４の各走査位置を取得しつつワーク８を超音波で測定する。制御装置５６は、例えばＸ軸を主走査方向、Ｙ軸を副走査方向として、最初はＹ軸の始点位置にプローブ４を移動させる。次に制御装置５６は、プローブ４を主走査方向かつ往路方向に移動させて奇数番ラインの超音波情報を取得し、副走査方向に１ステップだけ移動させる。制御装置５６は更に、プローブ４を主走査方向かつ復路方向に移動させて偶数番ラインの超音波情報を取得し、副走査方向に１ステップだけ移動させる。
制御装置５６は、走査中に、センサ３によりプローブ４が上方向に動いたことを検知したならば、３軸スキャナ２の動作を停止する。これにより、プローブ４やワーク８の損傷を抑止することが可能となる。
データ処理装置５７には、制御装置５６からワーク８の各走査位置と、これに対応する超音波信号が入力される。データ処理装置５７は、ワーク８の各走査位置に対応する超音波の測定結果を映像化する処理を行い、処理したワーク８の超音波画像をディスプレイ５８に表示する。

図２（ａ），（ｂ）は、プローブ４によるワーク８の測定を説明する図である。
図２（ａ）においてプローブ４の先端部４１は、ワーク８の表面から距離Ｚ₀に位置している。このとき、プローブ４が出力する超音波は、ワーク８の測定面８１に焦点を結ぶ。よって、このときの超音波画像は鮮明である。このプローブ４の先端部４１は、テーパー状である。

図２（ｂ）においてプローブ４の先端部４１は、図２（ａ）の場合よりもワーク８の表面から離れた距離Ｚ₁に位置している。このとき、プローブ４が出力する超音波は、ワーク８の測定面８１よりも上側に焦点を結ぶ。よって、このときの超音波画像は、図２（ａ）の場合よりも不鮮明である。よってプローブ４とワーク８との距離は、図２（ａ）に示した距離Ｚ₀の方が望ましい。

図３は、プローブ４とワーク８との位置関係を示す図である。
超音波映像装置１によるワーク８の観察では、水槽９１内に台９４を設け、この台９４にワーク８を載置し、この水槽９１を水で満たしたのちに、Ｚ軸アクチュエータ２３によりプローブ４とワーク８との間隔を調整する。図３で示した例では、プローブ４とワーク８との間隔は、距離Ｚ₂であり、これを図２（ａ）に示す距離Ｚ₀に調整する必要がある。
この距離Ｚ₀は、条件によっても変わるが、ミリオーダ以下まで近づけることがあり、その際にはプローブ４とワーク８とが干渉することがある。この干渉が発生した場合には、プローブ４およびワーク８に損傷を与えるおそれがある。よって、超音波映像装置１のプローブ４を固定するホルダ２４の構造を改善し、プローブ４とワーク８との接触を検出できる機能を付与した。

《比較例》
図１０は、比較例のプローブ４の構造を示す三面図である。図１０の上部は平面図であり、この平面部の下側は正面図である。正面図の右側は側面図である。
平面図に示すように、プローブ４は、基部２５に固定されている。プローブ４の近傍には、センサ機構７が配置されている。
正面図と側面図に示すように、このセンサ機構７は、プローブ４の先端部４１よりも下方に張り出した保護部７１と、支柱部７６と、リミットスイッチ７５と、押圧部７４とを備えている。

支持部７２，７３は、支柱部７６を上下方向に可動可能に支持し、押圧部７４はリミットスイッチ７５を押圧すると共に、このセンサ機構７を所定の高さに保持する。保護部７１がワーク８と干渉（接触）すると、支柱部７６と押圧部７４とが上方向に可動し、押圧部７４がリミットスイッチ７５を押圧しなくなる。

制御装置５６は、このリミットスイッチ７５によって、センサ機構７とワーク８との接触を検知し、プローブ４とワーク８とが干渉する前にワーク８の接近を検出できる。このセンサ機構７は、プローブ４とワーク８との干渉を検出できる干渉検出手段である。制御装置５６は、プローブ４とワーク８との干渉を検出したときにプローブ４の走査を停止させることにより、ワーク８やプローブ４の損傷を未然に防止することができる。特に、プローブ４とワーク８とが干渉するよりも前に走査を停止できるため、有効である。

比較例では、プローブ４の近辺にワーク８との接触を検知できるセンサ機構７を配置し、このセンサ機構７がワーク８と接触するとリミットスイッチ７５が動作し、ワーク８とプローブ４が接触する前に動作を停止させることができる。これにより、プローブ４とワーク８の損傷を防止し、よって超音波映像装置１の付加価値を向上させることができる。
しかし、比較例ではプローブ４とセンサ機構７とが離間しているので、センサ機構７の保護部７１がワーク８に接触していない場合に、プローブ４がワーク８と干渉するおそれがある。また、センサ機構７は、このプローブ４と共に走査しなければならないため、所定の剛性を持たせなければならない。

《第１の実施形態》
図４（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態のホルダ２４の動作を示す説明図である。
図４（ａ）は、ホルダ２４にプローブ４の鍔部４２が着座している状態を示している。
通常ホルダ２４は、密着した状態でプローブ４を保持している。しかし、本実施形態のホルダ２４は、プローブ４の鍔部４２を支え、プローブ４を所定の締結力で保持して上方向に移動可能とし、センサ３によりプローブ４の着座状態を検出する。このセンサ３は、例えばホルダ２４の上部に突出したストロークの短いタッチスイッチであり、プローブ４の鍔部４２の押圧を検知してオンする。

図４（ｂ）は、ホルダ２４にプローブ４の鍔部４２が着座していない状態を示している。
プローブ４がワーク８と物理的に干渉して上方向に移動すると、ホルダ２４にプローブ４の鍔部４２が着座していない状態となる。これにより、センサ３は、鍔部４２の押圧を検知しなくなる。つまり、センサ３は、プローブ４とワーク８との干渉を検知することができる。プローブ４の先端はテーパー状であり、ワーク８との干渉時には、このプローブ４に上方向の付勢力を与える。プローブ４は、ホルダに固定されておらず、ワークとの衝突時に上方向に移動して、ワークやプローブの破損を防ぐ。
なお、センサ３は、タッチスイッチに限られず、例えば距離センサなど、任意のセンサを使用してプローブ４の着座状態を検出してもよく、限定されない。

図５は、第１の実施形態のホルダ２４の構造を示す図である。図の上部には平面図を示し、図の下部には側面図を示している。
ホルダ２４には、スリット２４４と、プローブ４を挿入する穴部２４３とが形成されている。ホルダ２４は、ノブ２４１と、バネ２４５と、カラー２４６とを備えている。ノブ２４１は、先端に雄ネジが切られており、ホルダ２４の雌ネジに締結される。ノブ２４１を回すことにより、このノブ２４１はバネ２４５を介してホルダ２４に締結力を与える。このスリット２４４とノブ２４１とバネ２４５により、作業者によらず一定の締結力でプローブ４を穴部２４３に保持することができる。
カラー２４６は、ノブ２４１の可動範囲を規制し、これによりノブ２４１がホルダ２４を締め付ける力を規制している。これらノブ２４１の構造については、後記する図６で詳細に説明する。

プローブ４の先端がワーク８と接触（干渉）していないとき、プローブ４の鍔部４２がホルダ２４に着座した状態となる。プローブ４の先端がワーク８と接触（干渉）したときに、プローブ４はスムーズに上方向に動き、鍔部４２がホルダ２４に着座していない状態となる。センサ３は鍔部４２による押圧を検知し、よって鍔部４２がホルダ２４に着座しているか否かを検出することができる。

プローブ４は、その先端がワーク８に接触するとホルダ２４に対して動く。その動きをセンサ３で検出することにより、プローブ４とワーク８との干渉（接触）を検知することができる。干渉の検知時に、プローブ４の走査を停止させることにより、プローブ４とワーク８の損傷を防止することができる。

図６は、第１の実施形態のホルダ２４の構造を示す分解図である。
ノブ２４１の先端には雄ネジが形成され、ノブ２４１の軸にはバネ２４５とカラー２４６が装着される。このノブ２４１の先端に形成された雄ネジが、ホルダ２４の雌ネジに締結される。ノブ２４１が締結されるのは、ホルダ２４のうちスリット２４４で分断された奥側である。
ノブ２４１をホルダ２４にねじ込むと、弾性体であるバネ２４５がホルダ２４のうちスリット２４４で分断された手前側を奥側に向けて付勢する。つまり、ノブ２４１のねじ込み量に応じた締結力を、このホルダ２４の手前側と奥側とに付勢するので、作業者によらず一定の締結力でプローブ４を穴部２４３に保持することができる。また、カラー２４６は、ノブ２４１の可動範囲を規制する。これによりノブ２４１による締結力を所定値以下とすることができ、プローブ４の破壊を防ぐことができる。

図７は、第１の実施形態における超音波走査処理を示すフローチャートである。
超音波映像装置１は、制御装置５６により超音波走査処理を実行する。
制御装置５６がプローブ４による走査を開始すると（ステップＳ１０）、最初はプローブ４とワーク８の干渉を検出したか否かを判断する（ステップＳ１１）。制御装置５６がプローブ４とワーク８の干渉を検出したならば（ステップＳ１１→Ｙｅｓ）、プローブ４の走査を停止して（ステップＳ１７）異常終了する。これにより、プローブ４とワーク８の損傷を防止し、超音波映像装置１の付加価値を向上させることができる。

制御装置５６がプローブ４とワーク８の干渉を検出しなかったならば（ステップＳ１１→Ｎｏ）、プローブ４に超音波パルスを送信（ステップＳ１２）したのち、超音波を受信する（ステップＳ１３）。データ処理装置５７は、この受信波のデータ処理を行う（ステップＳ１４）。制御装置５６は、ステップＳ１１〜Ｓ１４の一連の処理を、走査終了まで繰り返す（ステップＳ１５→Ｎｏ）。
制御装置５６が走査を終了したならば（ステップＳ１５→Ｎｏ）、データ処理装置５７は、この受信波のデータ処理結果から超音波画像を生成し、図７の処理を終了する。

《第２の実施形態》
図８は、第２の実施形態のプローブ４Ａの構造を示す図である。
プローブ４Ａの先端には、ワーク８との接近を検出することができるセンサ３Ａが付いている。このセンサ３Ａは、例えば電磁誘導を利用した高周波発振型の近接センサであり、ワーク８を非接触で検出できるため、ワーク８やセンサ３Ａを痛めない。これにより、プローブ４Ａとワーク８との干渉を未然に防止することができる。またセンサ３Ａは、応答速度が速く、かつ電気的接点を有さないため長寿命である。
ワーク８がプローブ４Ａに接近すると、制御装置５６は、センサ３Ａにより、その接近を検出することができる。このときプローブ４Ａの走査を停止させることにより、プローブ４Ａとワーク８の損傷を未然に防止することができる。これにより、超音波映像装置１の付加価値を向上させることができる。

《第３の実施形態》
図９は、第３の実施形態のプローブ４Ｂの構造を示す図である。図９の左右方向は、走査方向の往路と復路の方向である。
ホルダ２４Ｂの主走査方向の両側には、センサ３Ｌ，３Ｒが設けられている。このセンサ３Ｌ，３Ｒは、レーザ距離計であり、ワーク８を非接触で検出できるため、ワーク８やセンサ３Ａを痛めることがない。例えば、主走査方向の往路においては、センサ３Ｌによってワーク８との距離を測定し、主走査方向の復路においては、センサ３Ｒによってワーク８との距離を測定することができる。これにより、プローブ４Ａとワーク８との干渉を未然に防止することができる。これらセンサ３Ｌは光ガイド部３１Ｌを備え、センサ３Ｒは光ガイド部３１Ｒを備える。作業者は、光ガイド部３１Ｌ，３１Ｒを水に漬けることにより、水面でのレーザ光の乱反射を防ぎ、ワーク８までの距離を測定可能となる。

ワーク８がプローブ４Ｂに接近すると、制御装置５６は、センサ３Ｌ，３Ｒにより、その接近を検出することができる。このときプローブ４Ｂの走査を停止させることにより、プローブ４Ｂとワーク８の損傷を未然に防止することができる。これにより、超音波映像装置１の付加価値を向上させることができる。

（変形例）
本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ）〜（ｃ）のようなものがある。
（ａ） 第１の実施形態では、スイッチによりプローブ４とワーク８との干渉を検出している。しかし、これに限られず、任意のセンサ、例えば押圧検知センサなどで、プローブ４の鍔部４２がホルダ２４に着座しているか否かを判断してもよい。
（ｂ） 第１の実施形態では、プローブ４とワーク８との干渉を検出すると、プローブ４の走査を停止している。しかし、これに限られず、プローブ４の高さを変更して、ワーク８を再び走査してもよく、限定されない。
（ｃ） 第２の実施形態では、電磁誘導を利用した高周波発振型の近接センサによりプローブ４とワーク８との干渉を検出している。しかし、これに限られず、静電容量型の近接センサや磁気型の近接センサを使用してもよい。磁気型の近接センサを使用する場合には、例えば台９４などを磁性体とするとよい。

１ 超音波映像装置
２ ３軸スキャナ （走査手段）
２１ Ｘ軸アクチュエータ （走査手段）
２２ Ｙ軸アクチュエータ （走査手段）
２３ Ｚ軸アクチュエータ
２４ ホルダ
２４１ ノブ
２４３ 穴部
２４４ スリット
２５ 基部
３，３Ａ，３Ｌ，３Ｒ センサ （干渉検出手段）
４，４Ａ，４Ｂ プローブ
４１ 先端部
４２ 鍔部
５６ 制御装置
７ センサ機構
７５ リミットスイッチ
８ ワーク
８１ 測定面

Claims (8)

1. 面状のワークを、液体を介して超音波で映像化するためのプローブと、
   前記ワークの面に対して前記プローブを走査する走査手段と、
   前記プローブの上部において前記プローブと一体化構造で設置されている鍔部と、
   前記プローブを保持するためのホルダと、
   前記ホルダ内に、一部が前記ホルダの上面から突出するように埋め込まれて配置される干渉検出手段と、を備え、
   前記干渉検出手段は、
   前記プローブと前記ワークとの間で干渉しないときは前記突出部が前記鍔部により前記ホルダ内に埋め込まれるように押圧され、
   前記プローブと前記ワークとの間で干渉したときには前記プローブが上方向に移動することにより前記鍔部も上方向に移動することで前記ホルダ内に埋め込まれている前記突出部が復元して、前記ワークと前記プローブとの間の干渉を検出すること、
   を特徴とする超音波映像装置。
2. 前記プローブの先端は、テーパー状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。
3. 前記走査手段は、前記干渉検出手段により干渉が検出されると、前記プローブの走査を停止する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波映像装置。
4. 前記走査手段は、前記干渉検出手段により干渉が検出されると、前記プローブの高さを変更して再走査する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波映像装置。
5. 前記ホルダは、前記プローブを所定の締結力で保持する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波映像装置。
6. 前記ホルダには、前記プローブを挟み込んで保持する穴とスリットとが形成されており、当該スリットで分断された両部分に加える力を調整するノブと弾性部とを備える、
   ことを特徴とする請求項５に記載の超音波映像装置。
7. 前記ホルダは、前記ノブの可動範囲を規制する規制部材を備える、
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波映像装置。
8. 前記干渉検出手段は、前記プローブの着座状態を検出するセンサである、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波映像装置。

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