JPH04116457A - 超音波映像化装置とその制御方法並びにエコー測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、集束超音波にて積層相中の接合面等を面走査
しエコー信号を処理することで接合面等の映像化を図る
超音波映像化装置に係り、特に、高精細なＣスコープ平
面超音波映像を得るに好適な超音波映像化装置とその制
御方法並びにエコー測定器に関する。

［従来の技術］ ２つの部材を接合しその接合面が良好であるか否かを検
査する場合、その接合面を集束超音波で面走査し、エコ
ー信号を処理することで接合面の映像化を図り、接合面
に欠陥が生じていないかどうかを調べる。

この様な超音波探傷技術における従来の接合面探傷法と
して、例えば特開平１−１２４７６２号公報記載のもの
がある。この従来技術では、接合面の傾斜角に沿うよう
に、超音波探触子を平行移動させ、超音波の焦点が接合
面上を走査するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来技術は、大きな部材間の接合面であるため
、また、その接合面の周囲が外部に露出しているため、
予めその接合面の部材基準面に対する傾斜角が分かって
おり、超音波探触子を傾斜角に沿って移動させることが
できる。

しかし、半田接合等においては、溶解、凝固の過程を経
るため、その接合面の部材基準面に対する傾斜角等が分
からなくなってしまう。また、ＩＣをパッケージ内に封
じ込めた場合も、パッケージ表面と内部のＩＣとの平行
性は補償されない。

つまり、ＩＣが外部から見えないので、ＩＣとパッケー
ジ材との接合面の状態が分からなくなってしまう。

斯かる状態の接合面の映像を得るために超音波映像化装
置を用いる場合、超音波の焦点を接合面に合致させる必
要があり、更にその焦点を接合面に沿って走査させる必
要がある。しかし、接合面の状態を外部から観察するこ
とができないので、従来は、熟練者が、試料からのエコ
ーの振幅と超音波照射からエコー受信までの時間等とを
オシロスコープ等で観察し、超音波探触子と試料台の高
さや傾きを調節しなければならなかった。

この調節は、試料を浸漬する液体媒質と試料材質におけ
る音速が異なることから、試料の表面（裏面）等からの
エコーのみを利用して線形に制御し焦点面を接合面に合
致させるのは難しく、極めて高い熟練度が要求され、専
門家でないとできず自動化が困難であるという問題があ
る。

本発明の目的は、試料内部を自動走査し高精細なＣスコ
ープ平面超音波映像を得ることのできる超音波映像化装
置とその制御方法並びにエコー測定器を提供することに
ある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、試料中の検査対象面を前記超音波送受信手
段からの集束超音波で走査するに当たり、この走査中に
検査対象面からの受信信号情報が走査面と検査対象面と
のズレを検出したときこのズレを無くす方向に前記超音
波送受信手段の試料に対する姿勢を自動制御することで
、達成される。

更に具体的には、エコーのピークを得たときの超音波送
出から受信までの時間を記憶しておき超音波で試料を走
査するときエコーピークの受信までの時間が走査中前記
の記憶時間と同じとなるように試料に対する超音波送受
信手段の姿勢を自動制御する。

［作用コ 走査面が検査対象面からずれると、検査対象面からのエ
コーの波形が変わってくる。従って、この波形の変化が
無いように試料に対する超音波送受信手段の姿勢を自動
制御することで、走査面が検査対象面と一致し、超音波
送受信手段の受信信号を処理することで、検査対象面の
良好な映像を得ることが可能となる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施例では、試料からのエコーの波形を
予め参照波形として記憶させておく記憶装置と、超音波
振動子でなる超音波変換器が送受信する超音波ビームを
走査させて得られるエコーとその参照波形との相関関数
を演算し、その包絡線がピークを示す時刻を参照波形と
の相対時間差として検出するピーク時刻検出器と、超音
波ビーム走査面と試料との距離及び傾きを調節・制御す
る基軸制御装置とを備えることにより、エコーの受信時
刻を受信順に検出し、予め設定しておいた順番のエコー
の受信時刻が一定となるように集束超音波ビームの焦点
走査面と試料の映像化対象面との距離及び傾きを調節・
制御するものである。

第１図において、演算制御部１０の指令により、パルス
発生器を持つ超音波送受信部２からパルス信号が発生さ
れ、超音波変換器であるアレイトランスジューサ１から
超音波パルスが送信される。

この超音波パルスは、水槽８中の液体（例えば、水やメ
チルアルコール）媒質中を集束しながら進行し、試料９
の表面に達する。一般に、試料中の音速は液体媒質中の
音速と異なるので、屈折により超音波ビームの形状も変
化する。試料９の表面で一部の超音波は反射され、表面
エコーとしてトランスジューサ１に戻る。残りが試料９
中に伝播し、接合面等の不連続部毎にエコーを発生し、
順次トランスジューサ１で受信される。受信されたエコ
ーは、超音波送受信部２で受信・増幅され、エコー測定
器３に送られる。

エコー測定器３は、焦点合わせ作業（以下調整作業と呼
ぶ。）の最初に、走査範囲内の基準点で接合部エコーの
ピーク値とその受信時刻とを検出し、その後の調整作業
中に、同様に走査範囲内の点での接合部エコーのピーク
値とその受信時刻とを検出し、それらの誤差とばらつき
を出力する。

基軸制御装置と走査制御装置とを兼ねたメカニカル座標
制御部４は、そのピーク値とその受信時刻とに基づいて
それらがゼロに近づくように、スキャナ５のＺ＠駆動検
出部６及びＯ軸駆動検出部７を制御し、調整作業を行な
う。このとき、ばらつきが最小となるように制御するこ
とにより、接合面等に反りの有る場合や、走査焦点面が
完全な平面でない場合にも、全体として最も走査焦点面
と映像化対象面を近づけることができる。

エコー測定器３の詳細は、第２図に示され、前記増幅さ
れたエコー波形は、記憶装置であるウェーブメモリ３１
に記録される。記録されたエコー波形の例を第３図に示
す。調整作業の初期又はその前に、典型的なエコー波形
を１つだけ、演算制御部１０の指令によりゲート波形で
切り取り、参照波として参照波形メモリ３２に記憶して
おく。

調整作業に入り、同様に記録されたエコー信号は、第２
図の波形相関演算部３３で参照波との相関演算され、相
関波形として出力される。相関波形の中心周波数は、元
のエコー波形の中心周波数のほぼ倍になっているので、
元のエコーの中心周波数の遮断周波数を持つフィルタを
通すことにより、包絡線が取り出される。前記ピーク時
刻検出器に相当する相関ピーク時刻検出部３４は、それ
らの操作をした」二で、その包絡線のピーク値ｐｊを検
出し、ピークを示す時刻ｔ１を相関演算の時間ステップ
により参照波形との相対時間差として求め、両者をエコ
ーの受信された順番を表わす数１と共に出力する。参照
時刻メモリ３５では、参照波を取り込んだあと、走査の
基準となる点、例えば走査範囲の中央で、映像化対象面
からの反射波（ｉ番目のエコー）のピーク時刻ｔｒｊ−
とそのピーク値ｐｒｉとｉとを記憶しておく。時刻偏差
検出部３６では、調整作業中に基準点以外の走査範囲内
の点でのｔユ及びｐｉと、基準点でのｔｒｉ及びＰｒｉ
とを比較し、その差 ｄｔｉ＝　ｔ　ｊ−ｔ　ｒｊ 及び、 ｄ　Ｐ　ｉ　＝　　ｐ　　ｉ　−Ｐｒｉを出力する。超
音波ビームを横切る不連続部の順番がｉに相当するので
、映像化対象面に該当する順番］を指定することにより
、走査焦点面と映像化対象面との偏差が求められる。

ここで、解決すべき課題を再確認するため、走査焦点面
と映像化対象面の関係を第４図により説明する。

トランスジューサ］をＸＹ定走査るときに、その音響放
射面の軌跡が成す面がトランスジューサ走査面１１であ
る。トランスジューサ１が放射・検出する超音波ビーム
１４の焦点が、その走査に伴って形成する面が走査焦点
面１２である。この両面は、その上の点が互いに１対１
に対応しているので、スキャナ５の精度に応じて、この
面１２の平面度が決まる。

一方、映像化対象面である試料９内部の接合面１３は、
第１図の水槽８の底面等の試料台上面８１によって固定
され、面８１と試料の外形寸法との精度によって、その
面精度が決まっている。即ち、ここでいう焦点合わせと
は、而１２と面１３とを一致させる作業であり、スキャ
ナ５．水槽８゜試料９等の精度により、一般に両面は一
致しない。

これを一致させることが実施例での解決すべき課題であ
る。両面を−ｍさせる手順の基本は、まず、走査面の中
央でそのピーク値が最大値を取るように、つぎに、走査
範囲の前面にわたりそのピーク時間が一定となるように
、即ちその時間のばらつきが最小となるように制御する
点である。

第５図は調整作業である焦点合わせ作業手順を示すフロ
ーチャートである。まず、参照波形メモリ３２に参照波
を記憶させた後、走査範囲中央の基準点で表面エコーの
ピーク値ｐｉが最大となるようにＺを調整して、焦点を
表面に合わせる（ステップコ、）。この際、Ｚの微小ス
テップ毎にｐｉの変化を比較して大きくなっている間は
同方向、小さくなったら逆方向に、それぞれ駆動するこ
とにより、ｐｉが最大となるように制御することができ
る。次に、走査範囲内の表面エコーが検出される範囲内
でｔｉが基準点と変らないように、その差ｄｔｉがゼロ
になるように、０を調整する（ステップ２）。そして、
再びエコが最大となるようにＺを調整する（ステップ３
）。次のステップ４では、ステップ２及びステップ３の
工程でのＺ及びθの変化ｄｚ及びｄθが予め設定してお
いた誤差Ｅより小さいか否かを判定し、小さければ次の
工程（ステップ５）に進ませ、大ならばステップ２の工
程に戻る。この工程が終了すると、走査焦点面が試料表
面に一致する。

ステップ５では、映像化対象面である接合界面エコーに
ついて、最初に表面に対して行なったのと同じ操作を繰
返し、基準点でＺを制御し、基準点での焦点を映像化対
象面に合致させる。次のステップ６からステップ８まで
は、それぞれ順次ステップ２からステップ４と同様の操
作を接合面エコーについて行なう。これにより、最後の
ステップ９で、走査焦点面が接合界面に一致する。

本実施例では、表面エコーでの粗調節、接合面エコーで
の微調節ができるので、調整作業が確実になる。尚、Ｘ
Ｙ走査平面上の標本点でのｄｚの２乗平均を最小とする
回帰平面を求め、屈折率による焦点距離の変化を考慮に
入れて走査焦点面をそれに合わせていくことにより収束
を早めることも可能である。これらの調整手順は演算制
御部１０が制御する。

アレイトランスジューサを制御して超音波ビームを走査
し映像化を図るためには、例えば、第６図のような構成
の回路を用いることができる。演算制御部１ｏの指令に
より送信タイミング信号発生装置２１が決めるタイミン
グにより、超音波変換器であるアレイトランスジューサ
１から超音波が発信される。そのタイミング毎に、電子
走査制御部２２の決めた各同時駆動振動素子と、多チヤ
ンネルパルス発生器２３の各チャンネルとを、接続切替
器であるマトリクススイッチ回路２４が接続する。パル
ス発生器２３の各チャネルは、超音波ビームを集束させ
るための遅延時間に従ったタイミングでアレイトランス
ジューサ１の各同時駆動素子を駆動し、超音波パルスを
試料に向けて発生する。試料から帰ってきたエコーは、
同じアレイトランスジューサ１で受信されて電気信号に
変換□される。このとき、マトリクススイッチ２４は各
同時駆動素子１と多チヤンネル受信器２５の各チャンネ
ルとの間を接続していて、上記の受信エコーは、受信器
２５で前記遅延時間に従った位相補正を受けながら増幅
され、合成されてエコー測定器３と映像装置２６へ出力
される。映像装置２６は、受信器２５の出力信号を画像
処理部２６ａで処理し、これをＣＲＴ　２６　ｂに表示
する。演算制御部１０は、ここでは、各部の動作の指令
、アレイの同時駆動素子の選択、各チャンネルに与える
遅延時間の設定等を行なっている。以上、第１の実施例
によれば、高精度の焦点合わせが可能である。

第７図は本発明において、エコー測定器を実現する他の
実施例を示すものである。本実施例では、超音波送受信
部２の受信したエコー波形を、まず、ゲート回路３７１
によって概略映像化対象面からのエコーの受信される時
間のエコーのみを取り出し、移相器３７によってその中
心周波数によって決まる波長の１／４に相当するだけ位
相の異なる波形を作り、それらを二乗して加算器３９１
で加えあわせ、遮断周波数がほぼエコーの中心周波数に
近い低域フィルター３９２により倍周波成分を除いて、
ピーク時間検出器３４によってそのピーり値ｐｉとその
受信時刻ｔｊとを検出し出力する。

第１図の演算制御部１０は、それらを統計処理し、走査
焦点面と映像化対象面とを一致させる。この実施例によ
れば、構成が簡略化され、処理が高速化される。

以上述べた実施例では、超音波ビームの走査をアレイト
ランスジューサによる電子走査を想定して説明した。こ
の場合に調整作業の時間短縮効果が顕著であるが、その
条件に拘束されるものではなく、単一の集束形探触子を
機械走査する場合にも適用され、より細かいピッチでの
精密な調整が期待できるものである。

また、」二記実施例では、走査焦点面と試料の映像化対
象面との距離を調整する座標軸をＺ、両面間の傾きを調
整する座標軸をθ軸でそれぞれ代表させたが、θ軸につ
いては第１図の紙面に垂直な方向にも追加して１軸（例
えばφ軸）を取ることが出来、走査面の左右ばかりでな
く前後の傾きも調整できるようにしてもよい。Ｚについ
ても、同様に１軸に限られることはない。一方、映像化
対象面の傾きもそのための機構として、例えば、３点支
持で支持点毎に高さ調整するアクチュエータを設けるこ
とにより調整可能であり、より広い範囲の調整のできる
効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、走査焦点面と映像化対象面とを一致さ
せる調整が早く確実にできるので、高速・高分解能検査
の省力化および時間短縮が可能どなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第］実施例に係る超音波映像化装置の
要部の構成を示すブロック図、第２図は第１図のエコー
測定器の詳細構成図、第３図は第２図の各処理部で扱う
信号の波形図、第４図は本発明の課題である焦点調節の
概念を示す図、第５図は本発明の課題である焦点調節の
手順を示すフローチャート、第６図はアレイＩ・ランス
ジユーザを用いる場合の第１図に示す超音波送受信部の
構成図、第７図はエコー測定器に関する本発明の他の実
施例の構成を示す図である。 アレイ１〜ランスジユーサ、２・・・超音波送受３・・
・エコー測定器、３２・・・参照波形メモリ、・波形相
関演算部、３４　・ピーク時刻検出部、時刻偏差検出部
、４・・メカニカル座標制御９・・・試料。 １・・ 僧都、 部、 代理人弁理士　秋　本　　正　　実 第 簡 第 図 −」 Ｌ−一多一一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波送受信手段から試料に送出した超音波のエコ
   ーを受信し受信信号を処理して画像信号にする超音波映
   像化装置において、エコーのピークを得たときの超音波
   送出から受信までの時間を記憶しておき超音波で試料を
   走査するときエコーピークの受信までの時間が走査中前
   記の記憶時間と同じとなるように試料に対する超音波送
   受信手段の姿勢を自動制御する姿勢制御手段を設けたこ
   とを特徴とする超音波映像化装置。 ２、超音波送受信手段から試料に送出した超音波のエコ
   ーを受信し受信信号を処理して画像信号にする超音波映
   像化装置において、エコーのピークを得たときの超音波
   送出から受信までの時間を記憶しておき超音波で試料を
   走査するときエコーピークの受信までの時間が走査中前
   記の記憶時間と同じとなるように試料に対する超音波送
   受信手段の姿勢を自動制御することを特徴とする超音波
   映像化装置の制御方法。 ３、超音波送受信手段から試料に送出した超音波のエコ
   ーを受信し受信信号を映像信号に変換して表示装置に表
   示する超音波映像化装置において、前記試料中の検査対
   象面を前記超音波送受信手段からの集束超音波で走査す
   る走査手段と、この走査中に検査対象面からの受信信号
   情報が走査面と検査対象面とのズレを検出したときこの
   ズレを無くす方向に前記超音波送受信手段の試料に対す
   る姿勢を自動制御する姿勢制御手段とを備えることを特
   徴とする超音波映像化装置。 ４、超音波送受信手段から試料に送出した超音波のエコ
   ーを受信し受信信号を映像信号に変換して表示装置に表
   示する超音波映像化装置において、前記試料中の検査対
   象面を前記超音波送受信手段からの集束超音波で走査す
   るに当たり、この走査中に検査対象面からの受信信号情
   報が走査面と検査対象面とのズレを検出したときこのズ
   レを無くす方向に前記超音波送受信手段の試料に対する
   姿勢を自動制御することを特徴とする超音波映像化装置
   の制御方法。 ５、超音波を集束して試料に送波し試料からのエコーを
   受波し電気信号に変換する一次元配列された振動素子群
   で成る超音波送受信手段と、前記振動素子群を電子走査
   することで試料中の接合面に集束された超音波ビームを
   走査する走査手段と、前記超音波送受信手段の受信信号
   を処理し映像信号にし前記接合面の映像を表示する表示
   手段とを備える超音波映像化装置において、超音波送出
   から前記接合面からのエコーピークの受信までの時間を
   計測してその時間を記憶しておく記憶手段と、前記電子
   走査中に前記接合面からのエコーピークが最大となり超
   音波送出から該エコーピークの受信までの時間が前記記
   憶手段の記憶時間と一定となるように前記超音波送受信
   手段の試料に対する姿勢を自動制御する手段とを備える
   ことを特徴とする超音波映像化装置。 ６、超音波を集束して試料に送波し試料からのエコーを
   受波し電気信号に変換する一次元配列された振動素子群
   で成る超音波送受信手段と、前記振動素子群を電子走査
   することで試料中の接合面に集束された超音波ビームを
   走査する走査手段と、前記超音波送受信手段の受信信号
   を処理し映像信号にし前記接合面の映像を表示する表示
   手段とを備える超音波映像化装置において、超音波送出
   から前記接合面からのエコーピークの受信までの時間を
   計測してその時間を記憶しておき、前記電子走査中に前
   記接合面からのエコーピークが最大となり超音波送出か
   ら該エコーピークの受信までの時間が前記記憶した時間
   と同じとなるように前記超音波送受信手段の試料に対す
   る姿勢を自動制御することを特徴とする超音波映像化装
   置の制御方法。 ７、超音波送受信手段から試料に送出した超音波のエコ
   ーを受信し受信信号を処理して画像信号にする超音波映
   像化装置において、エコーのピークを得たときの超音波
   送出から受信までの時間を記憶しておき超音波で試料を
   走査するときエコーピークの受信までの時間の前記記憶
   時間に対するバラツキが走査中最小となるように試料に
   対する超音波送受信手段と映像化対象面との距離を自動
   制御する制御手段を設けたことを特徴とする超音波映像
   化装置。 ８、超音波送受信手段から試料に送出した超音波のエコ
   ーを受信し受信信号を処理して画像信号にする超音波映
   像化装置において、エコーのピークを得たときの超音波
   送出から受信までの時間を記憶しておき超音波で試料を
   走査するときエコーピークの受信までの時間の前記記憶
   時間に対するバラツキが走査中最小となるように試料に
   対する超音波送受信手段と映像化対象面との距離を自動
   制御することを特徴とする超音波映像化装置の制御方法
   。 ９、超音波送受信手段と試料との相対位置、距離、姿勢
   を制御する制御機構を備える超音波映像化装置に設けら
   れるエコー測定器であって、試料の基準点に送出した超
   音波のエコーの受信までの第１時間と試料を超音波で走
   査するときのエコーを受信するまでの第２時間との偏差
   を求め該偏差に応じた信号を制御信号として出力する手
   段を備え、該制御信号にて前記制御機構を制御し超音波
   走査面を検査対象面に一致させることを特徴とするエコ
   ー測定器。