(57)【要約】【課題】多層構造を含む被検体等の欠陥を、簡単な手法でより正確に検出し、明瞭に映像化して精度よく検査できる超音波検査装置および超音波検査方法を提供する。【解決手段】この超音波検査装置１７は、被検体１５に表面方向に超音波探触子１６を走査させながら被検体に向けて超音波を送出し、被検体から戻ってくる反射エコー波を受信し、反射エコー波の波形データに変換し、波形データを演算処理手段４１に送り、当該演算処理手段で演算処理を行って欠陥を検査する。演算処理手段は、反射エコー波が複数で干渉するとき、反射エコー波に係る受信波形の周波数パワースペクトル２０６で生じる変化部位を抽出する抽出手段（ステップＳ１６，Ｓ１７）と、抽出された変化部位に基づき欠陥に係る画像２２１〜２２４を作成する画像作成手段（ステップＳ１９，Ｓ２０）を備える。【選択図】図６
2010175449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体の表面に平行な平面方向に超音波探触子を走査させながら前記超音波探触子から前記被検体に向けて超音波を送出し、前記被検体から戻ってくる反射エコー波を前記超音波探触子で受信し、前記反射エコー波に係る信号をデジタル波形データに変換し、前記デジタル波形データを演算処理手段に送り、当該演算処理手段で演算処理を行って前記被検体の内部欠陥を検査する超音波検査装置において、
前記演算処理手段は、
前記被検体から戻ってくる前記反射エコー波が複数であってかつ相互に干渉するとき、干渉した複数の前記反射エコー波に係る受信波形の周波数領域での波形特性で生じる変化部位を抽出する抽出手段と、
抽出された前記変化部位に基づき前記内部欠陥に係る画像を作成する画像作成手段と、を備え、
作成された前記画像に基づいて前記内部欠陥を検査することを特徴とする超音波検査装置。
【請求項２】
前記抽出手段は、
前記受信波形に係るデータをフーリエ変換処理してパワースペクトルを算出する変換処理手段と、
前記フーリエ変換処理により算出されたパワースペクトル上でパワースペクトル値が低下している少なくとも１つのディップ周波数を計算する演算手段と、
前記ディップ周波数に対して帯域を設定する帯域設定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波検査装置。
【請求項３】
前記画像作成手段は、
前記帯域のパワー値または逆フーリエ変換により得られた波形のピーク値を検出する値検出手段と、
検出された前記パワー値または前記ピーク値のデータを輝度に変換して２次元画像を作成する画像作成手段と、
を備えることを特徴とする請求項２記載の超音波検査装置。
【請求項４】
前記被検体は複数の界面を有する多層構造を含み、前記複数の界面の各々に対応して前記ディップ周波数が計算され、前記２次元画像は複数の前記ディップ周波数の各々に応じて複数作成されることを特徴とする請求項３記載の超音波検査装置。
【請求項５】
複数の前記ディップ周波数（ｆｄｉ：ｉ番目の層のディップ周波数）は下記の（１）式により求められることを特徴とする請求項４記載の超音波検査装置。
【数５】
2010175449.tif 000007
【請求項６】
被検体の表面に平行な平面方向に超音波探触子を走査させながら前記超音波探触子から前記被検体に向けて超音波を送出し、前記被検体から戻ってくる反射エコー波を前記超音波探触子で受信し、前記反射エコー波に係る信号をデジタル波形データに変換し、前記デジタル波形データを演算処理し前記被検体の内部欠陥を検査する超音波検査方法であり、
前記被検体から戻ってくる前記反射エコー波が複数であってかつ相互に干渉するとき、干渉した複数の前記反射エコー波に係る受信波形の周波数領域での波形特性で生じる変化部位を抽出する抽出ステップと、
抽出された前記変化部位に基づき前記内部欠陥に係る画像を作成する画像作成ステップとを有する、
ことを特徴とする超音波検査方法。
【請求項７】
前記抽出ステップは、
前記受信波形に係るデータをフーリエ変換処理しパワースペクトルを算出する変換処理ステップと、
前記フーリエ変換により算出されたパワースペクトル上でパワースペクトル値が低下している少なくとも１つのディップ周波数を計算する演算ステップと、
前記ディップ周波数に対する帯域を設定する帯域設定ステップと、
を含むことを特徴とする請求項６記載の超音波検査方法。
【請求項８】
前記画像作成ステップは、
前記帯域のパワー値または逆フーリエ変換により得られた波形のピーク値を検出する値検出ステップと、
検出された前記パワー値または前記ピーク値のデータを輝度に変換して２次元画像を作成する画像作成ステップと、
を有することを特徴とする請求項７記載の超音波検査方法。
【請求項９】
前記被検体は多層構造を含みかつ複数の界面を有し、前記複数の界面の各々に対応して前記ディップ周波数が計算され、前記２次元画像は複数の前記ディップ周波数に応じて複数作成されることを特徴とする請求項８記載の超音波検査方法。
【請求項１０】
複数の前記ディップ周波数（ｆｄｉ：ｉ番目の層のディップ周波数）は下記の（１）式により求められることを特徴とする請求項９記載の超音波検査方法。
【数６】
2010175449.tif 000008
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波検査装置および超音波検査方法に関し、特に、多層構造を有する被検体の検査に適した超音波検査装置および超音波検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に被検体の欠陥を超音波で検出するには、音響インピーダンスの違いによる反射特性を利用する。欠陥からの反射波の強度変化または位相変化を検出することによって、被検体内に存する欠陥の有無を把握できる。被検体内において、音響インピーダンスの大きい物質から音響インピーダンスの小さい物質に超音波が入射されると、２つの物質の境界面で超音波が反射する。反射波の位相は、入射波の位相に比較して、１８０°変化する。例えば固体物質から水や空気等の音響インピーダンスの小さい物質へ超音波が入射すると、入射波に対応する入射信号に対して、剥離等からの反射波に対応する反射信号は、その位相が１８０°シフトし、反転する。反射信号の位相が入射信号の位相に対して反転しているかまたは非反転であるかを判断することにより、超音波を利用して被検体内部における欠陥の有無を検出することができる。
【０００３】
欠陥検査装置では、通常、時間軸上の波形信号における非反転信号と反転信号の波形で、それぞれ、正ピークの最大値と負ピークの絶対値の最大値とを検出し、これらの２つの最大値を比較する。そして、反転した反射波に対応する負ピークの絶対値の最大値が、正ピークの最大値よりも大きいときには、被検体の内部に欠陥が存在すると判定する。判定結果は、表示装置の画面上に２次元画像等として表示される。
【０００４】
また従来技術として特許文献１に記載された欠陥検査装置がある。この欠陥検査装置では、多層構造を有する被検体の内部の界面を検査する。被検体は、例えば２枚の炭素鋼板とエポキシ接着剤で接着した３層構造を有する部材である。２枚の炭素鋼板の各々とエポキシ接着剤との間には超音波を反射する界面が存在している。欠陥判定を行うコンピュータは、最下層の炭素鋼板とエポキシ接着剤との間の界面から戻る反射エコーに対応する固有の周波数を記憶する。検査時、超音波探傷器から反射エコー信号を入力したとき、この反射エコー信号をフーリエ変換し、周波数スペクトルを算出し、当該周波数スペクトルにおいて上記の固有の周波数が含まれているか否かをチェックし、接着状態の良否を判定する。固有の周波数が含まれているときには接着良好と判定し、含まれていないときには接着不良と判定する。特許文献１の段落００２０等に記載されるように、３層構造の部材の各層に入射した超音波による反射波の固有の周波数（ｆ）は、「ｆ＝Ｌ／Ｔ、Ｔ＝Ｌ／ｃ」の式で求められる。ここで、Ｌは伝搬距離（板厚×２）、ｃは材料中の音速、Ｔは周期である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−５３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の超音波探傷方法によれば、一般的に、被検体の内部の複数の界面の各々から複数の反射波（反射エコー）が生じ、これらの反射エコー信号の間では伝播時間の差により時間差が生じるので、特定界面の反射エコー信号を他の反射エコー信号から分離して抽出することができる。そこで当該界面エコー信号に映像化ゲートをかけ、任意の時間領域を切り出し、当該映像化ゲート内のピークを検出して界面映像を取得することにより、被検体の内部の欠陥の検査を行うことができる。
【０００７】
しかしながら、上記の従来の超音波探傷方法は、被検体が、薄い層からなる多層構造を有する場合や、減衰の影響から波形分離性を犠牲にした低周波の超音波測定等の場合には、各層の界面からの反射エコー信号が時間領域で近接し、波形が干渉するという問題が起きる。このような場合には、各層を分離した平面映像を得ることができず、さらに欠陥があったとしてもその部位の情報を含む波形が歪んだり、埋もれてしまうので、正確な検査を行うことができないという問題が提起される。
【０００８】
そこで本発明者等は、先に新しい欠陥検出方法を提案した（特願２００８−１１１１４８号、平成２０年４月２２日出願）。この欠陥検出方法は、複数のエコー信号が干渉してなる波形をフーリエ変換し、周波数領域で生じる変化特性から欠陥の特徴を抽出する方法である。本願発明では、さらに、周波数領域での変化特性を利用する手法を発展させ、上記多層構造を含む被検体等であってもより簡単に欠陥を検出できる手法を提案する。
【０００９】
また特許文献１に記載される欠陥検査装置の検査方法によれば、反射エコー信号からフーリエ変換により得られた周波数スペクトルで最下層の炭素鋼板とエポキシ接着剤との界面に対応する固有の周波数が含まれているか否かに基づき２枚の炭素鋼板の接着状態の良否を判定するようにしている。この点は、特許文献１の図４または図７のフローチャートに示されている。他方、特許文献１による欠陥検査の方法では、欠陥検査装置で検査結果を映像化（画像化）して欠陥の有無を画像と表現するという考え方は開示されていない。
【００１０】
本発明の目的は、多層構造を含む被検体等の内部の欠陥を、簡単な手法に基づきより正確にかつ再現性よく安定して検出し、明瞭に画像化することができ、被検体を精度よく検査できる超音波検査装置および超音波検査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る超音波検査装置および超音波検査方法は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１２】
本発明に係る超音波検査装置は、被検体の表面に平行な平面方向に超音波探触子を走査させながら超音波探触子から被検体に向けて超音波を送出し、被検体から戻ってくる反射エコー波を超音波探触子で受信し、反射エコー波に係る信号をデジタル波形データに変換し、デジタル波形データを演算処理手段に送り、当該演算処理手段で演算処理を行って被検体の内部欠陥を検査する。上記の演算処理手段は、被検体から戻ってくる反射エコー波が複数であってかつ相互に干渉するとき、干渉した複数の反射エコー波に係る受信波形の周波数領域での波形特性（周波数パワースペクトル特性）で生じる変化部位（ディップ周波数または干渉周波数の部位）を抽出する抽出手段と、抽出された変化部位に基づき内部欠陥に係る画像を作成する画像作成手段とを備える。こうして作成された画像に基づいてユーザの検査オペレータは内部欠陥を検査する。
上記の抽出手段は、受信波形に係るデータをフーリエ変換（ＦＦＴ等）による処理を行い、パワースペクトルを算出する変換処理手段と、フーリエ変換処理により算出されたパワースペクトル上でパワースペクトル値が低下している少なくとも１つのディップ周波数を計算する演算手段と、ディップ周波数に対して帯域を設定する帯域設定手段とを備えることを特徴とする。
上記の画像作成手段は、帯域のパワー値または逆フーリエ変換により得られた波形のピーク値を検出する値検出手段と、検出されたパワー値またはピーク値のデータを輝度に変換して２次元画像を作成する画像作成手段と、を備えることを特徴とする。
上記の構成において、被検体は複数の界面を有する多層構造を含み、複数の界面の各々に対応してディップ周波数が計算され、２次元画像は複数のディップ周波数の各々に応じて複数作成されることを特徴とする。
上記のディップ周波数（ｆｄ）について、ｉ番目の層に関するディップ周波数（ｆｄｉ）は次の（１）式により求められる。
【数１】
2010175449.tif 000003
【００１３】
本発明に係る超音波検査方法は、被検体の表面に平行な平面方向に超音波探触子を走査させながら超音波探触子から被検体に向けて超音波を送出し、被検体から戻ってくる反射エコー波を超音波探触子で受信し、反射エコー波に係る信号をデジタル波形データに変換し、デジタル波形データを演算処理し被検体の内部欠陥を検査する方法であり、被検体から戻ってくる反射エコー波が複数であってかつ相互に干渉するとき、干渉した複数の反射エコー波に係る受信波形の周波数領域での波形特性で生じる変化部位を抽出する抽出ステップと、抽出された変化部位に基づき内部欠陥に係る画像を作成する画像作成ステップとを有している。
上記の抽出ステップは、受信波形に係るデータをフーリエ変換処理しパワースペクトルを算出する変換処理ステップと、フーリエ変換により算出されたパワースペクトル上でパワースペクトル値が低下している少なくとも１つのディップ周波数を計算する演算ステップと、ディップ周波数に対する帯域を設定する帯域設定ステップと、を含んでいる。
上記の画像作成ステップは、帯域のパワー値または逆フーリエ変換により得られた波形のピーク値を検出する値検出ステップと、検出されたパワー値またはピーク値のデータを輝度に変換して２次元画像を作成する画像作成ステップと、を有することを特徴とする。
被検体は、多層構造を含みかつ複数の界面を有し、複数の界面の各々に対応してディップ周波数が計算され、２次元画像は複数のディップ周波数に応じて複数作成されることを特徴とする。
前述した通り、上記のディップ周波数（ｆｄ）については、ｉ番目の層に関するディップ周波数（ｆｄｉ）は上記の（１）式により求められる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る超音波検査装置および超音波検査方法によれば次の効果を奏する。
複数の反射エコー波が混在して干渉状態が起きる被検体の内部欠陥の検査で、測定範囲の複数の測定点で得られた波形データにフーリエ変換を施して周波数パワースペクトルを求め、この周波数パワースペクトルと被検体の多層構造に係る構造情報とを利用して、各層についての超音波画像を得るようにしたため、簡単にかつ確実に各界面の欠陥の有無を検査することができる。
また多層構造の層間の各界面の画像を作成し表示するように構成したため、ユーザにとっては視認性が優れかつ欠陥検出性の高い超音波検査を行うことができる。
さらに、作成される各画像が多層構造の各深さの界面に対応しているため、より高分解能な欠陥位置の深さ情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波検査装置の全体的な装置構成を示す外観図である。
【図２】本実施形態に係る超音波検査装置の制御系および信号処理系の構成を示すブロック図である。
【図３】被検体の多層構造を説明するための図である。
【図４】被検体上の測定範囲を示す図である。
【図５】本実施形態に係る超音波検査装置で実施される検査方法の処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】本実施形態に係る超音波検査方法の手順の内容を概念的に解説するための概念説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１と図２を参照して本発明に係る超音波検査装置の基本的構成を説明する。図１は、、超音波検査装置の機械的構造部の全体を示す外観図である。図２は、電気系、制御系、および信号処理系を示すシステム構成図である。
【００１８】
図１において、符号１０はＸ，Ｙ，Ｚの直交３軸の座標系を示している。１１はスキャナ台、１２はスキャナ台１１の上に設けられた水槽、１３はスキャナ台１１上で水槽１２を跨ぐように設けられたスキャナ装置である。スキャナ台１１はほぼ水平に設置された基台である。水槽１２内には水１４が注入されており、当該水１４の中に被検体１５が水没状態で置かれている。水槽１２内の水１４は、超音波探触子１６の下端の開口面から放射された超音波を、被検体１５の内部に効率良く伝播させるために必要な媒体である。
【００１９】
超音波検査装置１７では、被検体１５と超音波探触子１６の間に水１４を介在させる必要がある。被検体１５は例えば水槽１２の底部に置かれている。被検体１５は、例えば多層構造（または積層構造）等を含む半導体パッケージである。超音波探触子１６は、被検体１５の上方位置に配置され、下端の開口面が被検体１５の表面に臨んでいる。超音波探触子１６は、開口面（先端の超音波出射部）から超音波を送出し、被検体１５から戻ってくる反射エコー波（または反射エコー）を開口面で受信する。超音波探触子１６はホルダ１８で支持されて設置されている。ホルダ１８はＸ軸スキャナ１９に取り付けられ、さらにＸ軸スキャナ１９はＹ軸スキャナ２０に取り付けられている。アーム状のＸ軸スキャナ１９はホルダ１８をＸ軸方向に移動させ、Ｙ軸スキャナ２０はＸ軸スキャナ１９をＹ軸方向に移動させる機能を有している。Ｘ軸スキャナ１９とＹ軸スキャナ２０によって上記のスキャナ装置１３が構成される。当該スキャナ装置１３によって超音波探触子１６をＸＹ方向に自在に移動させることができる。この移動動作に基づいて、超音波探触子１６は被検体１５の表面における予め定められた測定範囲を走査し、超音波を送受し、測定範囲内において予め設定された複数の測定点で反射エコー波を受信し、当該測定範囲に含まれる内部構造の欠陥を検査することができる。超音波探触子１６はケーブル２１を介して図示しない探傷器等と接続されている。
【００２０】
上記の超音波検査装置１７では、複数の測定点で得られた反射エコー波に基づき内部構造を映像化することにより内部平面画像を作成し、当該内部平面画像の画像内容に基づいて欠陥等の不具合部位を検査（または計測）する。
【００２１】
図２に示すように、上記の超音波検査装置１７はデジタル式の超音波検査装置である。超音波探傷器３１は超音波探触子１６にパルス信号を与えて駆動し、超音波探触子１６から被検体１５に対して超音波Ｕ１を送出する。また超音波探傷器３１は、被検体１５の表面あるいは内部の複数の界面から戻ってくる反射エコー波Ｕ２を受信し、電気信号（反射信号）に変換する。反射信号は、その後、増幅され、フィルタリングされる。超音波探傷器３１の受信経路で必要な処理が行われた反射信号は、さらにその後、Ａ/Ｄ変換器３２によってデジタル信号すなわちデジタル波形データ（または受信波形データ）に変換される。当該デジタル波形データはＡ／Ｄ変換器３２からメモリ３３に伝送され、メモリ３３のデータ格納部３４に格納される。メモリ３３は、さらに機械走査プログラム３５、測定条件設定プログラム３６、波形演算処理プログラム３７を格納している。デジタル波形データは、その後、メモリ３３に格納されている波形演算処理プログラム３７が実行されるときに演算処理対象として用いられ、当該波形演算処理によって２次元の画像データに変換され、画像メモリ３８に格納される。画像メモリ３８に格納された画像データは、表示回路３９を介して表示装置（ＬＣＤ等）４０に表示される。また表示装置４０の画面には、取り込まれた反射信号の波形も表示される。
【００２２】
メモリ３３に格納されている機械走査プログラム３５、測定条件設定プログラム３６、波形演算処理プログラム３７については、必要に応じて、マイクロプロセッサ４１がバス４２を介して読み出し、実行する。機械走査プログラム３５は、スキャナ装置１３の走査動作を制御するためのプログラムである。測定条件設定プログラム３６は、被検体１５に応じた測定条件を設定するためのプログラムである。波形演算処理プログラム３７は、得られたデジタル波形データに演算処理し、映像化を行うための２次元の画像データを作成するプログラムである。
【００２３】
上記の波形演算処理プログラム３７は、予め決められた被検体１５の測定領範囲において多層構造の表面および各界面等から戻ってくる反射波を利用して映像作成処理を行い、欠陥等を抽出するための処理機能を実行する。
【００２４】
ホルダ１８に固定された超音波探触子１６は、スキャナ装置１３によって２軸方向（ＸＹ方向）に機械的に走査される。スキャナ装置１３は、スキャナ制御回路４３およびインターフェース４４を介して制御される。これにより超音波探触子１６は、走査動作を行い、任意の位置に移動し、静止することが可能である。また入力装置４５が、インターフェース４６を介してバス４２に接続されている。
【００２５】
被検体１５が多層構造を有していたとしても、反射波を生じる表面や界面等が十分な間隔を有しているときには、各界面からの反射信号は伝播時間の差による時間差が生じ、界面の反射エコー信号を分離して抽出することができる。反射エコー信号を抽出できれば、この反射エコー信号の所望の時間領域に映像化ゲートをかけることにより、任意の時間領域を切り出し、当該映像化ゲート内のピーク値を検出して映像化することができる。しかし、被検体１５が薄物の多層構造や、減衰の影響から波形分離性を犠牲にした低周波の超音波測定等では、各界面等からの反射エコー信号が時間領域で近接し、波形が干渉してしまう。この場合には、各界面を分離した平面映像を得ることができない。本発明では、特にこのような場合に適した平面映像化およびこれによる欠陥の検査の手法を提案する。
【００２６】
図３に、被検体１５の多層構造の例と、被検体１５の表面および各界面での反射波（または「反射エコー波」と記す）の発生状態の例を示す。この被検体１５の多層構造の例では、説明の便宜上、例えば少なくとも４つの層５１，５２，５３，５４が示されている。４つの層５１〜５４のそれぞれの材質は異なる。表面６０と４つの界面６１，６２，６３，６４が形成されている。図３において、層５１〜５４の各々について、その厚みはｌ１〜ｌ４で示され、その音速はν１〜ν４で示され、その位相定数はβ１〜β４で示されている。図３に示された例では、被検体１５の表面側から入射された超音波７１は、表面６０で反射される反射波７２と、当該表面６０より３番目の深さ位置に存する界面６３で反射された反射波７３とが示されている。なおこの反射例では、界面６３に欠陥が存在するものとする。反射波７２と反射波７３は相互に干渉し合い、１つの反射波７４がエコーとして超音波探触子１６に戻っていく。
【００２７】
超音波７１は図２に示した超音波Ｕ１に対応し、干渉した反射波７４は図２に示した反射エコー波Ｕ２に対応している。なお図３に示した太字の「ｒＡ」，「ｒＢ」，「Ｒ」は、それぞれ、反射波７２，７３，７４をベクトルで表現したものである。
【００２８】
前述した通り、被検体１５の多層構造から反射エコー波（７２，７３）が干渉し合うとき、時間領域では、求める処の反射エコー信号を分離して検出することは容易でない。そこで、時間領域ではなく周波数領域の特性の変化に着目して欠陥に係る情報を取り出す。すなわち、欠陥が原因で戻ってくる反射エコー波に関して干渉が生じている場合、その周波数パワースペクトルでではディップ（パワーが弱くなる部位）が生じるという特性が本発明者等によって見出された。正常部からの反射エコー波の周波数パワースペクトラムでは、このようなディップは生じない。そこで周波数パワースペクトルにおける当該ディップの有無に着目すれば、欠陥の有無を判定することができ、さらにディップの生じている周波数（ディップ周波数または干渉周波数）から欠陥の深さを推定することができるということを見出した。
【００２９】
被検体１５の表面６０からの反射波７２と界面６３からの反射波７３とが干渉して生じる反射波７４を数学的に表現すると、次の（２）式となる。
【００３０】
【数２】
2010175449.tif 000004
【００３１】
ここで、位相項（−２β１ｌ１−β２ｌ２−β３ｌ３＋π）のπは、欠陥によって位相が１８０°反転することを意味する。位相が反転する条件は、音響インピーダンスが高い材料から低い材料へ超音波が伝搬することである。特に、欠陥となる空隙の音響インピーダンスは非常に低いものである。
【００３２】
周波数パワースペクトルにディップが生じる条件は、反射波７４の振幅が弱くなるときであり、かつ「−２β１ｌ１−β２ｌ２−β３ｌ３＋π＝−π  …（３）」の式が成立するときである。これは、表面６０からの反射波７２と界面６３からの反射波７３との位相差が１８０°（π）ずれたことを意味する。さらに、このときのディップ周波数（ｆｄ３）は、次の（４）式で算出される。
【００３３】
【数３】
2010175449.tif 000005
【００３４】
上記のディップ周波数の有無から欠陥の有無を判定し、かつディップ周波数から欠陥の深さを推定する。
【００３５】
被検体１５から超音波探触子１６に戻ってくる反射エコー波に関して、正常部位から戻って来る反射エコー波と欠陥部位から戻ってくる反射エコー波のそれぞれをフーリエ変換し、差異の生じた周波数帯域を抽出して映像化する。これにより欠陥部分の３次元的位置をより鮮明に映像化することができる。
【００３６】
次に、図４〜図６を参照して、本実施形態に係る超音波検査装置１７で実施される欠陥検査方法の手順を説明する。
【００３７】
図４は、超音波検査装置１７において、前述した機械走査プログラム３５および波形演算処理プログラム３７に基づいて実施される欠陥検査方法の手順のフローチャートを示す。図５は、被検体１５の表面上に予め設定された測定範囲、走査経路、および多数の測定点を概念的に示す。これらの測定範囲や走査経路等は、測定条件設定プログラム３６に従って設定された内容である。図６は、図４の示した手順で実施される欠陥検査方法を概念的に解説する図であり、特に映像化概念図である。
【００３８】
本発明に係る超音波検査方法は、多層構造を有する被検体１５の表面や各界面等から戻って来る反射エコー波につきその干渉周波数を自動的に計算し、周波数パワースペクトルを算出し、さらに当該周波数パワースペクトルにおいて所定のいくつかの帯域に基づいて映像化処理を行い、欠陥の検査を行う。換言すると、周波数領域を利用したマルチゲート映像法である。
【００３９】
図４のフローチャートで、最初のステップＳ１１では、水槽１２の水１４の中に置かれた被検体１５の表面に対して上方から超音波探触子１６が超音波をパルス的に照射する。超音波探触子１６は、Ｘ軸スキャナ１９およびＹ軸スキャナ２０に基づき、被検体１５の表面に設定されたＸＹ平面上の所要の測定範囲で走査される（ステップＳ１１）。測定範囲の例を図５に示す。この測定範囲１０１では、超音波探触子１６の走査移動の経路１０２に沿って設定された多数の測定点１０３（ｋ＝１，２，３，…，ｎ：ｎは全画素数）で反射波エコー波（Ｕ２）が受信され、反射エコー信号が取り出される。反射エコー信号は反射波の波形信号である。ステップＳ１１では、通常の被検体測定が実行される。各測定点１０３で得られた反射エコー信号に基づき、デジタル形式の反射エコーデータが演算され、求められる。反射エコーデータは波形データである。得られたｎ個分の反射エコーデータは、メモリ３３のデータ格納部３４に格納される。
【００４０】
次に、メモリ３３に格納されたｎ個の反射エコーデータを用いて、測定範囲１０１について、一度映像化が行われる（ステップＳ１２）。映像化を行うためのアルゴリズムは従来の映像化アルゴリズムである。すなわち、取得した反射エコー信号に係る波形データに対して所望の時間領域に映像化ゲートを掛け、さらに最大ピーク値の強度に基づいて従来通りの通常の超音波映像を取得する。図６において示す画像２０１は、上記映像化処理で得られた通常の超音波映像である。画像２０１は、ｎ個の測定点１０３の各々で得られた反射エコー波の波形データで作成された画像であるが、各測定点１０３の反射エコー波では干渉が生じているので、欠陥が明瞭に表示された画像にはなっていない。
【００４１】
図６の画像２０１は表示装置４０の画面に表示される。ユーザの検査オペレータは、表示装置４０の画面で当該画像２０１を認識することが可能となる。検査オペレータは、得られた画像２０１を見ながら、所望の位置（例えば図６の画像２０１における点２０２の位置）の波形データ２０３を呼び出し、フーリエ変換（ＦＦＴ等）２０４を行う時間領域２０５を選定して設定する（ステップＳ１３）。呼び出す位置は、被検体１５の表面６０および各界面６１〜６４から戻って来る反射エコー波同士がより良く干渉状態が生じていると予想される位置である。選定された時間領域２０５に含まれる波形データに対してフーリエ変換２０４を実行し、周波数パワースペクトル２０６を取得し、表示装置４０の画面に表示する（ステップＳ１４）。
【００４２】
次のステップＳ１５では、入力装置４５を使用して、検査オペレータが被検体１５の多層構造に関するデータを入力する。被検体１５の多層構造については、事前に、その構造情報がユーザの検査オペレータに知られている。例えばユーザが半導体デバイスメーカである場合には、当該ユーザは自身の取り扱う各種の半導体デバイスの内部や表面の多層構造または積層構造を設計図上で知り得ているからである。構造情報は、図６の被検体１５の多層構造２０７で示される通り、前述した４つの層５１〜５４と４つの界面６１〜６４の各々について、厚みｌ１〜ｌ４、音速ν１〜ν４、位相定数β１〜β４である。こうして、本実施形態に係る超音波検査方法では、被検体１５の多層構造２０７に関する情報をパラメータとして予めシステムの処理系に入力する。被検体１５はユーザ毎に異なるものであり、その多層構造もユーザ毎に異なるので、得られた周波数パワースペクトル２０６でのディップ周波数（干渉周波数）の自動計算では、ユーザ毎の多層構造に係る情報が事前にシステムに提供される。なお、図６に示した多層構造２０７では、界面６２では欠陥２０８が存在し、界面６４では少なくとも２つの欠陥２０９が存在するものとする。
【００４３】
次のステップＳ１６では、被検体１５の多層構造に関して、入力された多層構造に係る情報（パラメータ）に基づき４つの層５１〜５４の各々のディップ周波数（ｆｄ）を自動的に計算する。各層５１〜５４のディップ周波数は、各界面６１〜６４に対応するディップ周波数である。この場合、各界面６１〜６４から戻って来る反射エコー波ではすべて干渉状態が生じているという前提でそれぞれに対応するディップ周波数が計算される。ディップ周波数の自動計算では前述した（３）式に類似した式が使用される。この例の場合には、１番目の界面６１のディップ周波数（ｆｄ１）は下記の（５）式により、２番目の界面６２のディップ周波数（ｆｄ２）は下記の（６）式により、３番目の界面６３のディップ周波数（ｆｄ３）は前述した（４）式により、４番目の界面６４のディップ周波数（ｆｄ４）は下記の（７）式により、それぞれ、計算される。図６のブロック２１８内に示された式はディップ周波数を自動計算するための一般的な式を示している。層の数が５以上になった場合（層の数をｉとする）には、さらにディップ周波数の計算式２１８で、分母の項（２ｌｉ／νｉ：ｉ＝５，６，…）が追加される。
【００４４】
【数４】
2010175449.tif 000006
【００４５】
ディップ周波数ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３，ｆｄ４が計算されると、これらのディップ周波数毎にそれぞれ所要の帯域２１１，２１２，２１３，２１４が設定される。図６のダイアグラム２１９では、周波数パワースペクトル２０６が示された波形図において設定された４つの帯域２１１，２１２，２１３，２１４が重ねて示されている。ダイアグラム２１９の横軸において、右側方向が多層構造２０７における浅い側に対応し、左側方向が多層構造２０７における深い側に対応している。
【００４６】
表示装置４０の画面に表示された周波数パワースペクトル２０６において、計算で求められた４つのディップ周波数ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３，ｆｄ４に基づいて設定された４つの帯域２１１，２１２，２１３，２１４が表示される（ステップＳ１７）。
【００４７】
次のステップＳ１８では映像化を開始するか否かが判定される。この映像化は、上記のようにして求めた４つのディップ周波数に対応する４つの帯域２１１，２１２，２１３，２１４の各々に対応する周波数パワースペクトル２１１の各部分を利用して、映像化処理を行うものである。映像化の開始は、入力装置４５を経由した検査オペレータによる開始指令信号に基づいて行ってもよいし、自動的な開始指令信号を受けて行ってもよい。開始指令信号が生じると、次段の反復処理のステップＳ１９が実行される。反復処理のステップＳ１９では、例えば最初に帯域２１１に対応する周波数パワースペクトルの部分を利用してｋ＝１，…，ｎのすべての反射エコーデータに対してパワー値または逆フーリエ変換（逆ＦＦＴ等）に基づき波形のピーク値を検出する。全測定点１０３に関して波形データのピーク値が得られたら、当該ピーク値を輝度に変換して帯域２１１における２次元画像を作成する（ステップＳ２０）。こうして図６の符号２２１に示すような画像が作成され、映像化が行われる。
【００４８】
次に判定ステップＳ２１ではさらに映像化すべき帯域が残っているか否かを判定する。この段階では、まだ帯域２１２，２１３，２１４が残っているので、反復処理ステップＳ１９と２次元画像作成ステップＳ２０とを繰り返し、帯域２１２，２１３，２１４に関してもそれぞれ２次元画像２２２，２２３，２２４を作成し、映像化する。判定ステップＳ２１でＮＯと判定されたときには、処理を終了する。
【００４９】
こうして得られた２次元画像２２１〜２２４について、２次元画像２２１は界面６１の映像であり、２次元画像２２２は界面６２の映像であり、２次元画像２２３は界面６３の画像であり、２次元画像２２４は界面６４の画像である。２次元画像２２２では黒い領域（暗い領域）が描かれており、これが前述の欠陥２０８を表している。また２次元画像２２４では同様に２つの黒い領域が生じており、これが前述の２つの欠陥２０９を表している。
【００５０】
上記のごとく、被検体１５内の多層構造２０７のいずれかの界面等に欠陥が存在すれば、当該箇所で反射されて超音波探触子１６に戻ってくる反射エコー波の周波数パワースペクトルで弱い部分が生じるので、当該波形データを用いて映像化処理を行うと、得られた画像で暗い表示部分が描かれる。こうして、例えば図６に示される４つの画像２２１〜２２４を得て、検査オペレータがその視覚で確認するだけで被検体１５の多層構造２０７内の欠陥の発生状態を正確に把握することができる。
【００５１】
ユーザの検査オペレータは、被検体１５に多層構造に関する構造情報をパラメータとして入力するだけで、反射エコー波同士の波形干渉の影響を回避した欠陥検出性の高い超音波映像（画像）を得ることができる。本発明に基づく超音波検査方法によれば、時間領域を利用して映像化する従来の超音波検査方法では困難であった層間を分離した映像化を行うことができる。さらに、１回の検査動作で界面毎の複数の画像を得ることができ、検査時間を短縮することができる。
【００５２】
さらに、本発明に係る超音波検査装置の検査方法によれば、被検体１５における表面エコー波と底面エコー波との干渉周波数の有無を検出することにも利用することができる。被検体１５の多層構造２０７におけるいずれかの界面に欠陥が存在すると、超音波が被検体１５の底面まで伝搬しないため、底面エコー波との間の干渉が生じないことになる。本発明に係る超音波検査装置による検査方法では、被検体１５の多層構造に係る構造情報を入力し、周波数パワースペクトルで欠陥が生じる可能性のある箇所の映像化を行うため、底面エコー波との干渉周波数を予測することができる。この検出モードも欠陥判定機能として付与することにより、さらに信頼性の高い欠陥判定を行うことが可能となる。
【００５３】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る超音波検査装置等は、内部に多層構造を有する被検体であって多層構造内の欠陥からの反射信号に基づき画像化しようとする場合に、当該反射信号で干渉が起きているときの画像化において有効に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１０          座標系
１１          スキャナ台
１２          水槽
１３          スキャナ装置
１４          水
１５          被検体
１６          超音波探触子
１７          超音波検査装置
１８          ホルダ
１９          Ｘ軸スキャナ
２０          Ｙ軸スキャナ
３１          超音波探傷器
３２          Ａ／Ｄ変換器
３３          メモリ
３４          データ格納部
３５          機械走査プログラム
３６          測定条件設定プログラム
３７          波形演算処理プログラム
３８          画像メモリ
３９          表示回路
４０          表示装置
４１          マイクロプロセッサ
５１〜５４    層
６０          表面
６１〜６４    界面
１０１        測定範囲
１０２        走査経路
１０３        測定点
２０１        画像
２０３        波形データ
２０４        フーリエ変換（ＦＦＴ）
２０５        時間領域
２０６        周波数パワースペクトル
２０７        多層構造
２１１〜２１４    帯域
２２１〜２２４    画像
【図１】
2010175449.tif 000009
【図２】
2010175449.tif 000010
【図３】
2010175449.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【図６】
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