JP2005351733A

JP2005351733A - 検査方法

Info

Publication number: JP2005351733A
Application number: JP2004172357A
Authority: JP
Inventors: Kenji Terao; 健二寺尾
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】短時間で高精度の欠陥検出を行える検査方法を提供することを目的とする。
【解決手段】機械部品１０の表面の欠陥を検出する検査方法であって、機械部品１０に基準線をマーキングする工程と、機械部品１０の表面の被検査領域のレプリカフィルム１４を取得する工程と、取得したレプリカフィルム１４の凹凸分布データを測定する工程と、レプリカフィルム１４の凹凸分布データと欠陥のない対象のレプリカフィルムを用いてあらかじめ測定された参照凹凸分布データとの差に基づいて欠陥を検出し、レプリカフィルム１４における欠陥の分布を求める工程と、被検査領域と基準線１２との位置関係に基づいて、レプリカフィルム１４における欠陥分布を被検査対象の座標系における欠陥分布に変換する工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械部品等の欠陥を非破壊で検査する方法に関する。

各種の機械部品は、長時間の使用、熱的・力学的繰り返し荷重の付加等により、疲労損傷が生じる。例えば、旅客用航空機の車軸は、離発着の度に繰り返し荷重が付加され、疲労損傷が蓄積され、やがては表面に亀裂を生じる。これを放置しておくと亀裂が進展して、車軸が折れるなど重大な事故を引き起こす可能性がある。従って、如何に早期に亀裂を非破壊で検出するかが重要な課題である。

機械部品に発生する非破壊検査方法としては、磁粉探傷法や染色浸透法、超音波探傷法などが用いられている。これらの方法は簡便な方法であるが、いずれもμｍサイズ以上の亀裂を検出できる程度であり、寿命予測などの解析データとしては精度が不十分であった。そのため、機械部品の寿命を保証するためには頻繁な検査が必要であった。

また、微小亀裂を測定する方法として、特許文献１に示すようなレプリカ法も従来から知られていた。特許文献１に記載された方法では、まず、被検査材料に写真用の乳剤を塗布し、その表面に軟化させた希硫酸水溶液に浸したレプリカ用プラスチック膜を押貼する。そして、表面形状が転写されたプラスチック膜を材料表面より剥離し、走査形電子顕微鏡に装着し、プラスチック膜の二次電子像を取得することにより、材料表面の形状を分析する。このレプリカ法によれば、０．１μｍ程度のサイズの欠陥も測定可能である。
特開平２−２２２１５７号公報（２頁）

しかし、特許文献１に記載された方法では、採取したレプリカを走査形電子顕微鏡等の顕微鏡で観察するが、顕微鏡の視野の面積は２×１０^-2ｍｍ²程度と小さく、例えば数千ｍｍ²におよぶ検査領域全体を観察する場合、一視野あたり１秒で観察したとしても、およそ３０００時間要する。これを解決するため、事前に磁粉探傷法や染色浸透法、超音波探傷法などの精度の低い方法で検査領域全体の検査を行って、その結果からレプリカ法で再検査すべき箇所を限定してレプリカ法を実施する方法も考えられる。しかし、この方法によると、マクロなサイズの欠陥の先端部分にある０．１μｍサイズの微小な欠陥は検出可能であるが、全体が１μｍ以下のサイズの欠陥で構成されている欠陥は、事前の低精度の検査で検出されないので見過ごされてしまうことになる。

本発明は上記課題に鑑み、短時間で高精度の欠陥検出を行える検査方法を提供することを目的とする。

本発明の検査方法は、被検査対象の表面の欠陥を検出する検査方法であって、前記被検査対象に基準マークをマーキングする工程と、前記被検査対象の表面の被検査領域のレプリカを取得する工程と、取得したレプリカの凹凸分布データを測定する工程と、前記レプリカの凹凸分布データと欠陥のない対象のレプリカを用いてあらかじめ測定された参照凹凸分布データとの差に基づいて欠陥を検出し、前記レプリカにおける前記欠陥の分布を求める工程と、前記被検査領域と前記基準マークとの位置関係に基づいて、前記レプリカにおける欠陥分布を前記被検査対象の座標系における欠陥分布に変換する工程とを備える。

このように被検査対象のレプリカの凹凸分布データと、あらかじめ測定された参照凹凸分布データとの差に基づいて欠陥を検出することにより、レプリカの画像を人間が確認せずに欠陥を検出でき、短時間で高精度な欠陥検出を行うことができる。そして、検出された欠陥のレプリカにおける分布を、レプリカを取得した被検査領域と基準マークとの位置関係に基づいて、被検査対象の座標系における欠陥分布に変換することにより、被検査対象の欠陥を容易に把握できる。

上記検査方法において、前記凹凸分布データを測定する工程は、前記被検査対象から取得した複数のレプリカを並べ、前記複数のレプリカの凹凸分布データを連続して測定してもよい。

このように複数のレプリカを並べて凹凸分布データを測定することにより、広い被検査領域の凹凸分布データを円滑に取得できる。

上記検査方法において、前記凹凸分布データを測定する工程は、前記レプリカに光または荷電粒子ビームを照射する工程と、前記レプリカから放出される光または荷電粒子を検出する工程とを備えてもよい。

このように光または荷電粒子ビームを照射したときに放出される光または荷電粒子を検出することにより、精度の高い測定を行える。

上記検査方法において、前記レプリカを取得する工程は、前記被検査領域にレプリカフィルムを溶解する溶剤を付す工程と、前記溶剤を付した被検査領域にレプリカフィルムを貼付する工程と、前記レプリカフィルムを前記被検査領域から剥離する工程とを備えてもよい。

このようにレプリカフィルムを溶解する溶剤を付しておくことにより、貼付されたレプリカフィルムが溶解して亀裂等の欠陥にレプリカフィルムが浸透しやすくなる。

上記検査方法は、前記レプリカフィルムを貼付する工程の後に、前記レプリカフィルムに超音波振動を加える工程を備えてもよい。

このように超音波振動を加えることにより、微小な欠陥にレプリカフィルムが深く浸透するので、微細な欠陥を精度良く複製したレプリカが得られ、検査精度を高めることができる。

上記検査方法は、前記レプリカフィルムを貼付する工程の後に、前記レプリカフィルムに５０℃以上の熱を加える工程を備えてもよい。

このように熱を加えることにより、微小な欠陥にレプリカフィルムが深く浸透するので、微細な欠陥を精度良く複製したレプリカが得られ、検査精度を高めることができる。

上記検査方法において、前記溶剤を付す工程では、直径１０ｎｍ以下の金属微粒子を混入した溶剤を前記被検査領域に付してもよい。

このように溶剤に金属微粒子を混入することにより、レプリカフィルムに導電性を与え、荷電粒子プローブを用いた検査において誤検出の原因となるレプリカ表面の帯電を低減できる。

上記検査方法において、前記レプリカフィルムを貼付する工程では、直径１０ｎｍ以下の金属微粒子を混入したレプリカフィルムを前記被検査領域に貼付してもよい。

このように金属微粒子を混入したレプリカフィルムを用いることにより、レプリカフィルムに導電性を与え、荷電粒子プローブを用いた検査において誤検出の原因となるレプリカ表面の帯電を低減できる。

本発明によれば、被検査対象のレプリカの凹凸分布データとあらかじめ測定された参照凹凸分布データとの差に基づいて欠陥を検出することにより、短時間で高精度な欠陥検出を行うことができる。また、検出された欠陥のレプリカにおける分布を、被検査対象の座標系における欠陥分布に変換することにより、被検査対象の欠陥分布を容易に把握できる。

以下、本発明の実施の形態の検査方法について図面を用いて説明する。

図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態の検査方法を説明するための図である。第１の実施の形態では、機械部品の表面の欠陥を検出する検査方法について説明する。

第１の実施の形態の検査方法では、図１（ａ）に示すように被検査対象である機械部品１０に基準線１２をマーキングする。この基準線１２と検査領域の位置関係により、機械部品１０の座標系（ｚ，ｒ，θ）における検査領域の位置を規定できる。このとき、マーキングした基準線１２をもとに機械部品１０の座標系（ｚ，ｒ，θ）を設定してもよい。

基準線１２をマーキングした後、機械部品１０の被検査領域の表面全体を例えば研磨テープなどを用いて鏡面に研磨する。続いて、機械部品１０の表面の被検査領域のレプリカを取得する。本実施の形態では、機械部品１０の被検査領域を複数のレプリカフィルム１４ａ〜１４ｅによってカバーする。以下の説明では、レプリカフィルム１４ａ〜１４ｅを総称してレプリカフィルム１４という。

図２（ａ）〜図２（ｆ）は、レプリカフィルム１４を取得する工程を説明するための図である。ここでは、図２（ａ）に示す機械部品１０の表面のレプリカフィルム１４を作成する例について説明する。図２（ｂ）〜図２（ｅ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。まず、図２（ｂ）に示すように、酢酸メチルやアセトンなどの溶剤２０を機械部品１０の表面に塗布し、その上から１ｃｍ²程度にカットしたアセチルセルロースフィルムなどのレプリカフィルム１４を貼付する（図２（ｃ）参照）。具体的には、レプリカフィルム１４と機械部品１０の表面との間に気泡が入らないように、ピンセット等を用いて丁寧に貼り付け、表面に密着させる。これにより、アセチルセルロースフィルムの表面が溶けて、機械部品１０の表面に欠陥１０ａがある場合には、図２（ｄ）に示すように欠陥１０ａにアセチルセルロースフィルムが入り込む。アセチルセルロースフィルムが乾燥して固化すると、レプリカフィルム１４に機械部品１０の表面が複製される。レプリカフィルム１４が乾燥したら、ピンセット等を用いて、図２（ｅ）に示すようにレプリカフィルム１４を機械部品１０の表面からゆっくりと剥がすことにより、レプリカフィルム１４が得られる（図２（ｆ）参照）。

続いて、剥がしたレプリカフィルム１４を平滑なガラス板で挟み、４０〜８０℃、好ましくは５０〜７０℃、さらに好ましくは６０℃程度で５分間加熱し、レプリカフィルム１４を軟化させてガラス板の平滑な表面になじませてから室温まで冷却する。この操作により、レプリカフィルム１４のカールを防止できる。

上記のように手順により得られたレプリカフィルム１４を、図１（ｂ）に示すように、平らな基板１６の上にレプリカ採取面を上にして載置し、粘度の低い接着剤等を用いて貼り付ける。また、レプリカフィルム１４を載置する基板１６には、所定の端辺や端部に基準点１８がマーキングされている。各基準点１８に合わせてレプリカフィルム１４を載置することにより、レプリカフィルム１４の座標系と機械部品の座標系（ｚ，ｒ，θ）を容易に対応させることができる。

次に、明視野光学顕微鏡、暗視野光学顕微鏡、走査光学顕微鏡、写真投影電子顕微鏡などの原理を用いて、基板１６に貼り付けられたレプリカフィルム１４の凹凸分布データを取得する。そして、取得した凹凸分布データを、欠陥がない検査対象から取得したレプリカフィルム１４の参照凹凸分布データと比較することによって、各レプリカフィルム１４における欠陥１０ａの位置座標を求める。このとき欠陥１０ａの大きさや形状等を求めてもよい。

続いて、レプリカフィルム１４を取得した被検査領域と機械部品１０の基準線１２との位置関係から、各レプリカフィルム１４における欠陥１０ａの分布データを被検査対象の座標系（ｚ，ｒ，θ）における欠陥１０ａの分布データに変換する。レプリカフィルム１４ａ〜１４ｅごとに変換処理を行うこともできるが、本実施の形態では、レプリカフィルム１４ａ〜１４ｅが基板１６の各基準点１８に合わせて載置されているので、基板１６の座標系における欠陥分布から直接に機械部品の座標系（ｚ，ｒ，θ）に変換する。

さらに、欠陥１０ａの大きさや形状のデータを取得している場合には、様々な統計的処理を行うことが可能である。例えば、欠陥１０ａのサイズごとの度数分布や座標を求めることも可能である。そして、機械部品１０の座標系におけるデータに基づいて、図１（ｃ）に示すように欠陥検査の結果をビジュアル的に表示する。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態の検査方法によれば、機械部品１０のレプリカの凹凸分布データと、あらかじめ測定された参照凹凸分布データとの差に基づいて欠陥１０ａを検出することにより、レプリカの画像を人間が確認せずに欠陥１０ａを検出でき、短時間で高精度に欠陥１０ａを検出できる。

また、検出された欠陥１０ａのレプリカにおける分布を、機械部品１０のレプリカを取得した被検査領域と基準線１２との位置関係に基づいて、機械部品１０の座標系（ｚ，ｒ，θ）における欠陥１０ａの分布に変換することにより、被検査対象の欠陥１０ａを容易に把握できる。

次に、本発明の第２の実施の形態の検査方法について説明する。第２の実施の形態の検査方法は、第１の実施の形態の検査方法の各工程に加えて、レプリカフィルム１４を加熱する工程を備える。

図３は、第２の実施の形態の検査方法について説明するための図である。第２の実施の形態の検査方法においては、機械部品１０の表面にレプリカフィルム１４を貼り付けた後に、図３（ａ）に示すようにレプリカフィルム１４に熱を加える。ここで加える熱は、３０℃以上、好ましくは４０℃以上、さらに好ましくは５０℃以上である。

第２の実施の形態では、レプリカフィルム１４に熱を加えることにより、溶剤２０によって溶けたレプリカフィルム１４の隙間浸透力が向上し、図３（ｂ）に示すように溶けたレプリカフィルム１４が微小な隙間に入り込む。これにより、図３（ｃ）に示すように、欠陥１０ａの深さｄの測定精度が高いレプリカフィルム１４を取得でき、精度の高い欠陥検査を行うことができる。

また、第２の実施の形態では、レプリカフィルム１４の隙間浸透力を高めるために、レプリカフィルム１４に熱を加えたが、熱を加える代わりに超音波振動を加えてもよい。図４（ａ）に示すように、機械部品１０の表面に貼り付けたレプリカフィルム１４に超音波振動を加えることにより、溶剤２０によって溶けたレプリカフィルム１４が欠陥１０ａの奥まで浸透する（図４（ｂ）参照）。これにより、図４（ｃ）に示すように、欠陥１０ａの深さｄの測定精度が高いレプリカフィルム１４を取得できる。

次に、本発明の第３の実施の形態の検査方法について説明する。第３の実施の形態の検査方法は、レプリカフィルム１４を取得する工程が第１の実施の形態の検査方法と異なる。また、第３の実施の形態では、レプリカフィルム１４の凹凸分布を検出するために、荷電粒子プローブを用いた検査装置を用いる。

図５（ａ）〜図５（ｅ）は、第３の実施の形態においてレプリカフィルム１４を取得する工程を説明するための図である。第３の実施の形態では、まず、図５（ａ）に示すように金属微粒子２２が混入された溶剤２０を機械部品１０の表面に塗布する。溶剤２０に含まれる金属微粒子２２の大きさは、直径が２０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以下である。例えば、Ｃ、Ａｇなとのナノ微粒子２２を溶剤２０に配合する。次に、図５（ｂ）に示すように、溶剤２０の上からレプリカフィルム１４を貼付すると、レプリカフィルム１４は溶剤２０によって溶け（図５（ｃ）参照）、欠陥１０ａの内部に浸透する。レプリカフィルム１４が乾燥した後、レプリカフィルム１４を機械部品１０の表面から剥離することにより（図５（ｄ）参照）、機械部品１０の表面のレプリカが得られる（図５（ｅ）参照）。ここで得られるレプリカの表面には溶剤２０に含まれていた金属微粒子２２が存在する。これにより、レプリカフィルム１４の表面は導電性を有する。レプリカフィルム１４表面に付与される導電性の割合は、面抵抗で１０⁹Ω□以下、好ましくは１０⁸Ω□以下、さらに好ましくは１０⁷Ω□以下である。

第３の実施の形態の検査方法では、レプリカフィルム１４表面に導電性を付与することにより、荷電粒子プローブを用いた検査において誤検出の原因となる帯電を防止できる。

上記した第３の実施の形態では、レプリカフィルム１４の表面に導電性を持たせるために、金属微粒子２２を混入した溶剤２０を用いる例について説明したが、別の方法を用いてもよい。

図６（ａ）〜図６（ｅ）は、第３の実施の形態の変形例を説明するための図である。この例では、図６（ａ）に示すように機械部品１０の表面に溶剤２０を塗布し、図６（ｂ）に示すように溶剤２０の上からレプリカフィルム１４を貼付する。ここで貼付するレプリカフィルム１４の材料は、Ｃ、Ａｇなどのナノ微粒子２２が配合されたアセチルセルロースである。レプリカフィルム１４を貼付すると、上記した実施の形態と同様に、貼付されたレプリカフィルム１４が溶剤２０によって溶けて欠陥１０ａに浸透する（図６（ｃ）参照）。そして、レプリカフィルム１４が乾燥したら、レプリカフィルム１４を機械部品１０の表面から剥離することによって（図６（ｄ）参照）、機械部品１０の表面を複製したレプリカフィルム１４が得られる（図６（ｅ）参照）。この方法によっても、レプリカフィルム１４の導電性を持たせることができる。

図７は、第３の実施の形態の別の変形例を説明するための図である。図７に示すように、機械部品１０の表面を複製したレプリカフィルム１４の表面に金属膜２４をコーティングすることによって、レプリカフィルム１４に導電性を持たせてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、被検査対象のレプリカの凹凸分布データとあらかじめ測定された参照凹凸分布データとの差に基づいて欠陥を検出することにより、短時間で高精度な欠陥検出を行うことができるという効果を有し、機械部品等の欠陥を非破壊で検査する方法等として有用である。

（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態の検査方法について説明するための図である。（ａ）〜（ｆ）は、レプリカフィルムを取得する工程を説明するための図である。第２の実施の形態の検査方法を説明するための図である。第２の実施の形態の変形例を説明するための図である。第３の実施の形態の検査方法を説明するための図である。第３の実施の形態の変形例を説明するための図である。第３の実施の形態の変形例を説明するための図である。

符号の説明

１０機械部品
１２基準線
１４レプリカフィルム
１６基板
１８基準点
２０溶剤
２２金属微粒子
２４金属膜

Claims

被検査対象の表面の欠陥を検出する検査方法であって、
前記被検査対象に基準マークをマーキングする工程と、
前記被検査対象の表面の被検査領域のレプリカを取得する工程と、
取得したレプリカの凹凸分布データを測定する工程と、
前記レプリカの凹凸分布データと欠陥のない対象のレプリカを用いてあらかじめ測定された参照凹凸分布データとの差に基づいて欠陥を検出し、前記レプリカにおける前記欠陥の分布を求める工程と、
前記被検査領域と前記基準マークとの位置関係に基づいて、前記レプリカにおける欠陥分布を前記被検査対象の座標系における欠陥分布に変換する工程と、
を備えることを特徴とする検査方法。
前記凹凸分布データを測定する工程は、
前記被検査対象から取得した複数のレプリカを並べ、前記複数のレプリカの凹凸分布データを連続して測定することを特徴とする請求項１に記載の検査方法。
前記凹凸分布データを測定する工程は、
前記レプリカに光または荷電粒子ビームを照射する工程と、
前記レプリカから放出される光または荷電粒子を検出する工程と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の検査方法。
前記レプリカを取得する工程は、
前記被検査領域にレプリカフィルムを溶解する溶剤を付す工程と、
前記溶剤を付した被検査領域にレプリカフィルムを貼付する工程と、
前記レプリカフィルムを前記被検査領域から剥離する工程と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の検査方法。
前記レプリカフィルムを貼付する工程の後に、前記レプリカフィルムに超音波振動を加える工程を備えることを特徴とする請求項４に記載の検査方法。
前記レプリカフィルムを貼付する工程の後に、前記レプリカフィルムに５０℃以上の熱を加える工程を備えることを特徴とする請求項４に記載の検査方法。
前記溶剤を付す工程では、直径１０ｎｍ以下の金属微粒子を混入した溶剤を前記被検査領域に付すことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の検査方法。
前記レプリカフィルムを貼付する工程では、直径１０ｎｍ以下の金属微粒子を混入したレプリカフィルムを前記被検査領域に貼付することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の検査方法。