JP2008082856A - Method of evaluating surface roughness and its evaluation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、種々の評価対象物の表面粗さを評価できる表面粗さ評価方法および評価装置に関し、特にインプロセスにおける評価に好適なものである。 The present invention relates to a surface roughness evaluation method and an evaluation apparatus that can evaluate the surface roughness of various evaluation objects, and is particularly suitable for in-process evaluation.
機械加工部品の表面や半導体ウェーハーの表面等、表面粗さを把握したいという要求は少なくない。そのため接触法または非接触法により表面粗さを測定する種々の方法が実用化されている。接触法は古くから実用化されており種々の測定方法があるとはいえ、製造プロセスの途中での表面粗さ計測、いわゆるインプロセス計測には適用し難いという問題がある。 There are many requests to grasp the surface roughness such as the surface of machined parts and the surface of semiconductor wafers. Therefore, various methods for measuring surface roughness by a contact method or a non-contact method have been put into practical use. Although the contact method has been put into practical use for a long time, there are various measuring methods, but there is a problem that it is difficult to apply to surface roughness measurement during the manufacturing process, so-called in-process measurement.
一方、光学的方法や電磁波的方法といった非接触法においては接触法のような問題はないが、評価対象物の表面性状によっては適用困難な場合がある。たとえば光散乱を利用して表面粗さを評価する場合、その原理上、評価可能な表面粗さが光の波長オーダー以下に制限されるため、１μｍより粗い表面粗さの評価には適さないという問題がある。ところで、現実の評価対象物の表面性状は多種多様であり、数μｍ〜数百μｍ 程度の表面粗さをインプロセスで評価したいという要求が少なくない。 On the other hand, in the non-contact method such as an optical method or an electromagnetic method, there is no problem as in the contact method, but it may be difficult to apply depending on the surface property of the evaluation object. For example, when surface roughness is evaluated using light scattering, the surface roughness that can be evaluated is limited to the wavelength order of light or less in principle, so that it is not suitable for evaluation of surface roughness rougher than 1 μm. There's a problem. By the way, the surface properties of an actual evaluation object are various, and there are many requests for in-process evaluation of surface roughness of several μm to several hundred μm.
このような事情から評価対象物の表面に超音波入射させ、その超音波の反射波を検出してインプロセスで表面粗さを評価する表面粗さ判定方法が提案されている(例えば、特許文献１参照）。 Under such circumstances, a surface roughness determination method has been proposed in which ultrasonic waves are incident on the surface of an evaluation object, the reflected waves of the ultrasonic waves are detected, and the surface roughness is evaluated in-process (for example, a patent document) 1).
また、本発明の発明者らは、評価対象物の表面にパルス超音波入射させ、その反射超音波のコヒーレント成分から表面粗さを評価できる可能性について言及している（例えば、非特許文献１参照）。
上記特許文献１に開示された発明においては、切削加工中に液体媒質を介して切削部に超音波を斜めに入射させ、切削部表面からの反射波を検出して、反射波のレベルにより表面粗さを評価している。かかる方法ではインプロセスにおいて評価できるとはいうものの、反射波全体のレベルで表面粗さを評価するため、十分な精度をもって表面粗さを評価できないという問題があった。また、評価対象物の表面を液体媒質で囲う必要があった。
In the invention disclosed in
一方、非特許文献１に開示された技術では、評価対象物の表面にパルス超音波を入射して、その反射波のコヒーレント成分により表面粗さを検出できる可能性について言及しているが、具体的に表面粗さを評価する方法については何ら示されていない。
On the other hand, the technique disclosed in
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、数μｍ〜数百μｍ 程度の表面粗さを有する表面の粗さを、超音波散乱を利用してインプロセスで評価可能な表面粗さ評価方法および評価装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and the surface having a surface roughness of about several μm to several hundreds of μm can be evaluated in-process using ultrasonic scattering. It is an object to provide a roughness evaluation method and an evaluation apparatus.
請求項１記載の表面粗さ評価方法の発明は、評価対象物の表面にパルス超音波を入射して前記表面で反射するパルス超音波のコヒーレント成分を検出し、前記コヒーレント成分の強度を鏡面反射におけるコヒーレント成分の強度で除して正規化した値と、前記パルス超音波の周波数とから最適化手法により評価対象物の表面の凹凸高さを求めることを特徴とするものである。
The surface roughness evaluation method according to
請求項２記載の発明は、請求項１記載の表面粗さ評価方法において、前記コヒーレント成分を広帯域静電容量型空気結合超音波センサにより検出することを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the surface roughness evaluation method according to the first aspect, the coherent component is detected by a broadband capacitive air-coupled ultrasonic sensor.
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の表面粗さ評価方法において、評価対象物の表面に入射するパルス超音波を複数の異なる周波数により入射することを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, in the surface roughness evaluation method according to the first or second aspect, the pulse ultrasonic wave incident on the surface of the evaluation object is incident at a plurality of different frequencies.
請求項４記載の発明は、請求項３記載の表面粗さ評価方法において、前記パルス周波数が０．１ＭＨｚ〜２ＭＨｚの範囲内であることを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the surface roughness evaluation method according to the third aspect, the pulse frequency is in the range of 0.1 MHz to 2 MHz.
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の表面粗さ評価方法において、二乗平均平方根粗さと前記周波数との積が１００μｍ・ＭＨｚ以下であることを特徴とするものである。
The invention according to claim 5 is the surface roughness evaluation method according to
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面粗さ評価方法において、評価対象物の表面の二乗平均平方根粗さが数μｍ〜数百μｍであることを特徴とするものである。
The invention according to claim 6 is the surface roughness evaluation method according to any one of
請求項７記載の表面粗さ評価方法の発明は、評価対象物の表面にパルス超音波を入射して前記表面で反射するパルス超音波のコヒーレント成分および非コヒーレント成分を検出し、前記コヒーレント成分の強度と前記非コヒーレント成分の強度から、評価対象物の表面の凹凸高さと表面相関長を求めることを特徴とするものである。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a surface roughness evaluation method, comprising: detecting a coherent component and a non-coherent component of a pulse ultrasonic wave that is incident on a surface of an evaluation object and reflected by the surface; From the intensity and the intensity of the non-coherent component, the unevenness height and the surface correlation length of the surface of the evaluation object are obtained.
請求項８記載の発明は、請求項７記載の表面粗さ評価方法において、二乗平均平方根粗さと前記周波数との積が４．９μｍ・ＭＨｚ以上であることを特徴とするものである。 The invention according to claim 8 is the surface roughness evaluation method according to claim 7, wherein the product of the root mean square roughness and the frequency is 4.9 μm · MHz or more.
請求項９記載の表面粗さの評価装置の発明は、評価対象物の表面にパルス超音波を入射するトランスミッターと、前記表面で反射するパルス超音波のコヒーレント成分を検出するセンサと、前記検出されたコヒーレント成分から評価対象物の表面の凹凸高さを求める演算部と、を備えたことを特徴とするものである。 The invention of the surface roughness evaluation apparatus according to claim 9 includes a transmitter that makes a pulse ultrasonic wave incident on the surface of an evaluation object, a sensor that detects a coherent component of the pulse ultrasonic wave reflected by the surface, and the detected And an arithmetic unit that obtains the height of the unevenness of the surface of the evaluation object from the coherent component.
請求項１０記載の表面粗さの評価装置の発明は、評価対象物の表面にパルス超音波を入射するトランスミッターと、前記表面で反射するパルス超音波のコヒーレント成分および非コヒーレント成分を検出するセンサと、前記検出されたコヒーレント成分および非コヒーレント成分から、評価対象物の表面の凹凸高さと表面相関長を求める演算部と、を備えたことを特徴とするものである。
The invention of the surface roughness evaluation apparatus according to
本発明の表面粗さ評価方法および評価装置によれば、製造工程におけるリアルタイムでの表面粗さの評価が可能となる。また、数μｍ〜数百μｍ程度の表面粗さを有する表面の粗さの評価に適していることから、機械加工中における工具の磨耗状態や工作機械の状態監視に利用できる。さらに、超音波を反射する表面であれば粗さの評価をすることができることから、種々の表面粗さの評価に利用することができる。 According to the surface roughness evaluation method and the evaluation apparatus of the present invention, it is possible to evaluate the surface roughness in real time in the manufacturing process. Moreover, since it is suitable for the evaluation of the roughness of the surface which has surface roughness of about several micrometers-several hundred micrometers, it can utilize for the abrasion state of the tool during machining, and the state of a machine tool. Furthermore, since the roughness can be evaluated as long as the surface reflects ultrasonic waves, it can be used for various surface roughness evaluations.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１はランダムな粗さをもつ評価対象表面上に平面波が入射したときのエネルギー散乱の様子を模式的に示したものである。ここで、ランダムな粗さとは、その断面曲線の高さ分布状況が正規分布となることを意味する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows the state of energy scattering when a plane wave is incident on an evaluation target surface having a random roughness. Here, the random roughness means that the height distribution state of the cross-sectional curve becomes a normal distribution.
図１（ａ）は、極めて平滑である表面の反射状態、すなわち鏡面反射状態を示すものである。鏡面反射状態においては、表面に入射された超音波は散乱されることなく、波長や位相の揃ったコヒーレントな反射波となる。また、入射角θ１と反射角θ２とは等しくなる。図１（ｂ）は、（ａ）よりも僅かに粗い表面の反射状態を示すものである。この状態では入射波の一部が散乱することにより反射波のうちのコヒーレント成分は減少する。すなわち、反射波はコヒーレント成分と非コヒーレント成分が混在したものとなる。図１（ｃ）は、（ｂ）よりもさらに粗い表面の反射状態を示すものである。表面の凹凸により反射波の散乱の度合いは（ｂ）よりも一層激しくなる。すなわち、反射波はコヒーレント成分と非コヒーレント成分が混在したものとなり、コヒーレント成分の強度は（ｂ）の状態よりさらに小さくなる。このようにして表面で反射される反射波のうち、コヒーレント成分の強度は表面粗さの大きさに依存することになる。ここで、表面で反射される超音波のコヒーレント成分については、その強度如何を問わず、入射角θ１と反射角θ２とは等しくなる性質がある。 FIG. 1A shows a very smooth surface reflection state, that is, a specular reflection state. In the specular reflection state, the ultrasonic wave incident on the surface is not scattered and becomes a coherent reflected wave having a uniform wavelength and phase. Further, the incident angle θ1 and the reflection angle θ2 are equal. FIG.1 (b) shows the reflective state of the surface slightly rougher than (a). In this state, a part of the incident wave is scattered, so that the coherent component of the reflected wave is reduced. That is, the reflected wave is a mixture of coherent components and non-coherent components. FIG.1 (c) shows the reflective state of the surface rougher than (b). The degree of scattering of the reflected wave becomes even more severe than in (b) due to the surface irregularities. That is, the reflected wave is a mixture of a coherent component and a non-coherent component, and the intensity of the coherent component is further smaller than in the state (b). The intensity of the coherent component of the reflected wave reflected on the surface in this way depends on the magnitude of the surface roughness. Here, the coherent component of the ultrasonic wave reflected from the surface has the property that the incident angle θ1 and the reflection angle θ2 are equal regardless of the intensity.
このような超音波の表面における反射波の反射強度Ｉは、キルヒホッフの散乱モデルにより、コヒーレント成分と非コヒーレント成分との和として次式で表すことができる。 The reflection intensity I of the reflected wave on the surface of the ultrasonic wave can be expressed by the following equation as the sum of the coherent component and the non-coherent component by Kirchhoff's scattering model.
ここで、Ｉcoherentはコヒーレント成分の強度であり、Ｉincoherentは非コヒーレント成分の強度である。 Here, Icoherent is the intensity of the coherent component, and Iincoherent is the intensity of the non-coherent component.
また、コヒーレント成分の強度は次式で表せることが知られている。 Further, it is known that the intensity of the coherent component can be expressed by the following equation.
ただし、Ｉ０は平滑な表面からの反射波の強度、ｋ は波数（ｋ＝２π／λ、λは波長）、Ｒｑは二乗平均平方根粗さ、θ１およびθ２は、それぞれ入射角および反射角である。ここで、二乗平均平方根粗さＲｑとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定されているものをいう。 Where I 0 is the intensity of the reflected wave from the smooth surface, k is the wave number (k = 2π / λ, λ is the wavelength), Rq is the root mean square roughness, and θ1 and θ2 are the incident angle and the reflection angle, respectively. is there. Here, the root mean square roughness Rq is defined in JIS B0601.
また、Ｒｑは次式によって計算される。 Rq is calculated by the following equation.
ただし、Ｎはデータ数、ｈｉは表面高さ、ｈ は表面高さの平均値である。なお、キルヒッホフモデルの適用に際しては、1)超音波は平面波である、2)多重反射しない、3)表面はランダムな粗さを有する、などの仮定が満たされていることが前提となっている。 However, N is the number of data, hi is the surface height, and h is the average value of the surface height. In applying the Kirchhoff model, it is assumed that the following assumptions are satisfied: 1) the ultrasonic wave is a plane wave, 2) no multiple reflection, 3) the surface has random roughness, etc. ing.
本発明は、上述した超音波の反射波の性質を利用したものであり、評価対象物の表面にパルス超音波を入射して前記表面で反射するパルス超音波のコヒーレント成分を検出し、前記コヒーレント成分の強度を鏡面反射におけるコヒーレント成分の強度で除して正規化した値と、前記パルス超音波の周波数とから最適化手法により評価対象物の表面の凹凸高さを求めることを特徴とする表面粗さ評価方法である。 The present invention utilizes the above-described properties of the reflected wave of the ultrasonic wave, detects the coherent component of the pulsed ultrasonic wave incident on the surface of the evaluation object and reflected by the surface, and detects the coherent A surface characterized by obtaining an unevenness height of a surface of an evaluation object by an optimization method from a value obtained by dividing the intensity of a component by the intensity of a coherent component in specular reflection and the frequency of the pulse ultrasonic wave This is a roughness evaluation method.
図２は、本発明に係る表面粗さ評価方法および評価装置の原理を示す略図である。評価対象物の表面10に対し、トランスミッター11である空気超音波送信子からパルス超音波12が斜入射される。実験結果によればパルス超音波12の入射角θ１は評価精度に大きな影響を与えるものではなく、トランスミッター11やセンサ13を装着し易い３０度〜６０度程度の範囲に設定することができる。トランスミッター11はパルス超音波発生器14により駆動される。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of the surface roughness evaluation method and evaluation apparatus according to the present invention. Pulse
ここで、反射波15のコヒーレント成分は、反射角θ２と入射角θ１が同一となる性質があることから、センサ13の装着は反射角θ２が入射角θ１と同一となるように固定される。センサ13により検出されたコヒーレント成分の強度はアンプ16を経てスペクトラムアナライザ17へと送られ、さらに演算装置18に送られる。なお、本実施例ではトランスミッター11としてＲｅｉｔｅｃ社製、ＳＰ８０１を、広帯域静電容量型空気結合超音波センサ13としてＲｅｉｔｅｃ社製、ＢＲ６４０を使用した。
Here, since the coherent component of the reflected
図３は、本発明による表面粗さ評価方法により二乗平均平方根粗さＲｑを求める場合のフローチャート図である。評価対象物の表面の反射波強度を計測するに先立って、鏡面反射におけるパルス超音波のコヒーレント成分を検出し、該コヒーレント成分をスペクトラム分析して準備しておく（ステップＳＰ１）。この準備作業によるデータは、計測により得られる反射波のコヒーレント成分のスペクトラム強度の正規化に必要となるものである。次に評価対象物の表面にパルス超音波を入射して、その表面で反射するパルス超音波のコヒーレント成分をセンサにより検出する（ステップＳＰ２）。検出された反射波のコヒーレント成分をＦＦＴによりスペクトラム分析する（ステップＳＰ３）。そして、先に準備作業において取得した鏡面反射によるスペクトラム分析の結果を用いて、反射波のコヒーレント成分のスペクトラム強度を正規化する（ステップＳＰ４）。 FIG. 3 is a flowchart for obtaining the root mean square roughness Rq by the surface roughness evaluation method according to the present invention. Prior to measuring the reflected wave intensity on the surface of the evaluation object, a coherent component of the pulse ultrasonic wave in the specular reflection is detected, and the coherent component is prepared by spectrum analysis (step SP1). The data by this preparatory work is necessary for normalizing the spectrum intensity of the coherent component of the reflected wave obtained by measurement. Next, a pulse ultrasonic wave is incident on the surface of the evaluation object, and a coherent component of the pulse ultrasonic wave reflected on the surface is detected by a sensor (step SP2). A spectrum analysis is performed on the coherent component of the detected reflected wave by FFT (step SP3). Then, the spectrum intensity of the coherent component of the reflected wave is normalized using the result of the spectrum analysis by specular reflection obtained in the preparatory work (step SP4).
図４は、この結果を示したものであり、３つの中心周波数、０．２５ＭＨｚ、０．５ＭＨｚ、０．７５ＭＨｚ、について計測した結果を示している。横軸は二乗平均平方根粗さＲｑと周波数ｆの積であり、縦軸は反射波のコヒーレント成分の強度を鏡面反射波の強度で除した正規化強度ＡＵである。ここで、図中の実線は理論計算値であり、Ｒｑ・ｆの値が１００μｍ・ＭＨｚ以下の場合には、計測値と理論計算値とが略一致していることが分かる。 FIG. 4 shows this result, and shows the measurement results for three center frequencies, 0.25 MHz, 0.5 MHz, and 0.75 MHz. The horizontal axis represents the product of the root mean square roughness Rq and the frequency f, and the vertical axis represents the normalized intensity AU obtained by dividing the intensity of the coherent component of the reflected wave by the intensity of the specular reflection wave. Here, the solid line in the figure is a theoretical calculation value, and it can be seen that when the value of Rq · f is 100 μm · MHz or less, the measured value and the theoretical calculation value are substantially the same.
計測に用いるパルス超音波の周波数としては、０．１ＭＨｚ〜２ＭＨｚの範囲内であることが好ましい。０．１ＭＨｚ以下の周波数では検出される表面粗さの分解能が劣るし、２ＭＨｚ以上の周波数ではセンサで有意な情報を得ることができないからである。 The frequency of the pulse ultrasonic wave used for measurement is preferably in the range of 0.1 MHz to 2 MHz. This is because the resolution of the detected surface roughness is inferior at a frequency of 0.1 MHz or less, and significant information cannot be obtained by the sensor at a frequency of 2 MHz or more.
以上説明したように、既知の中心周波数ｆ を用いて反射波のコヒーレント成分の正規化強度ＡＵを求めると、二乗平均平方根粗さＲｑも定まることになる。しかし、反射波のコヒーレント成分強度と二乗平均平方根粗さＲｑの関係は（２）式で表されるように指数関数となることから、算術的な計算で求めることはできない。そこで、本発明の発明者らは、反射波のコヒーレント成分の正規化強度ＡＵと、二乗平均平方根粗さＲｑの関係を用いて最適化手法により二乗平均平方根粗さＲｑを求めることとした（図３のステップＳＰ５）。具体的には、横軸をＲｑ・ｆ、縦軸を正規化強度ＡＵとする図面上に二乗平均平方根粗さＲｑをパラメータとする幾通りかの曲線を描いておく。次に、反射波のコヒーレント成分の正規化強度の３つの周波数による計測点から定まる曲線と理論値曲線との差が最小となるようなＲｑの最適値を決定する。この最適化手法は上記に説明したように図面上から求めるのではなく、パソコンを用いた演算装置によって求めることもできる。すなわち、各スペクトルにおける理論値と、そのスペクトルにおける計測値との差の総和が最小となるようプログラムされた演算装置により、二乗平均平方根粗さＲｑを求めることができる。
As described above, when the normalized intensity AU of the coherent component of the reflected wave is obtained using the known
図５〜図８は、上述した実施例による計測結果を示すものである。図５は、既存の触針式粗さ測定器を用いて評価対象面たる試料の表面粗さを計測した結果である。Ｒｑが０．０４μｍ〜２４４．１μｍの表面の粗さを有する１０個の試料についての粗さを示している。縦軸は二乗平均平方根粗さＲｑを、横軸は触針の移動長さを表している。 5 to 8 show measurement results according to the above-described embodiment. FIG. 5 shows the result of measuring the surface roughness of the sample as the evaluation target surface using an existing stylus roughness measuring instrument. The roughness for 10 samples with a surface roughness Rq of 0.04 μm to 244.1 μm is shown. The vertical axis represents the root mean square roughness Rq, and the horizontal axis represents the movement length of the stylus.
図６は、３つの中心周波数、０．２５ＭＨｚ、０．５ＭＨｚ、０．７５ＭＨｚ、により各試料を計測した結果示すものであり、横軸は二乗平均平方根粗さＲｑを、縦軸は反射波のコヒーレント成分を鏡面反射状態におけるコヒーレント成分の強度で除して正規化した強度ＡＵを表している。図６の横軸を示す二乗平均平方根粗さＲｑに、さらに中心周波数ｆを乗じてＲｑ・ｆ として表したものが、先に示した図４である。 FIG. 6 shows the results of measuring each sample at three center frequencies, 0.25 MHz, 0.5 MHz, and 0.75 MHz. The horizontal axis represents the root mean square roughness Rq, and the vertical axis represents the reflected wave. The intensity AU is normalized by dividing the coherent component by the intensity of the coherent component in the specular reflection state. FIG. 4 shows the result obtained by multiplying the root mean square roughness Rq shown on the horizontal axis of FIG. 6 by the center frequency f and expressing it as Rq · f.
図７は、本実施例で得られた二乗平均平方根粗さＲｑと、既存の評価方法である触針法で得られた二乗平均平方根粗さとを対比するための図表である。この値は入射角θ１と反射角θ２とを４０度として得られたものである。左列に記載されたＲｑの値は触針法で得られた値である。本実施例で得られたＲｑ値については周波数の数（Ｎ）を１，２，３とした場合について、それぞれ示している。Ｎ＝１の場合には各周波数によるバラツキが大きいが、Ｎが２、３と増加するにしたがって得られる値のバラツキが小さくなる。したがって、実用的には周波数の数は３とすることが好ましい。 FIG. 7 is a chart for comparing the root mean square roughness Rq obtained in the present example with the root mean square roughness obtained by the stylus method which is an existing evaluation method. This value is obtained by setting the incident angle θ1 and the reflection angle θ2 to 40 degrees. The value of Rq described in the left column is a value obtained by the stylus method. The Rq values obtained in this example are respectively shown when the number of frequencies (N) is 1, 2, and 3. When N = 1, the variation due to each frequency is large, but as N increases to 2, 3, the variation in the value obtained becomes smaller. Therefore, in practice, the number of frequencies is preferably 3.
図８は、入射角を６０度に固定し、反射角を０度〜７５度の範囲内において変化させたた場合のコヒーレント成分の正規化強度について、Ｒｑをパラメータとして表わしたデータである。Ｒｑは０．０４μｍ〜２４４．１μｍの６種類について示している。各粗さとも反射角６０度においてピークが認められる。反射角６０度は入射角と等しくなる角度であり、反射波の強度はコヒーレント成分が支配的となるためである。ただし、表面粗さが大きくなるにしたがってピークの高さは低くなり、Ｒｑ＝２４４．１μｍでは、もはやピークは認められない。概ね反射角が５０度以下では鏡面反射によるコヒーレント成分はなくなり、強度の低い散乱波が支配的となる。一方、表面粗さが大きくなるにしたがって散乱波、すなわち非コヒーレント成分の強度が大きくなることが確認されている。 FIG. 8 shows data representing Rq as a parameter for the normalized intensity of the coherent component when the incident angle is fixed at 60 degrees and the reflection angle is changed within the range of 0 to 75 degrees. Rq is shown for six types of 0.04 μm to 244.1 μm. Each roughness has a peak at a reflection angle of 60 degrees. This is because the reflection angle of 60 degrees is equal to the incident angle, and the intensity of the reflected wave is dominated by the coherent component. However, the height of the peak decreases as the surface roughness increases. At Rq = 244.1 μm, the peak is no longer recognized. When the reflection angle is approximately 50 degrees or less, the coherent component due to specular reflection disappears, and scattered waves with low intensity are dominant. On the other hand, it has been confirmed that the intensity of the scattered wave, that is, the non-coherent component, increases as the surface roughness increases.
表面粗さの増加とともに反射波のコヒーレント成分の強度が小さくなり、非コヒーレント成分の強度が大きくなる理由は以下のように推察される。表面が平滑な場合、入射波は位相の揃ったコヒーレントな波として鏡面方向にのみ反射されるが、表面に凹凸が存在すると入射波は散乱波として広い方位角に分散する。このときのコヒーレント成分から散乱波としての非コヒーレント成分へのエネルギー変換の割合は表面の凹凸の増加とともに大きくなることは図１に示したとおりである。また、鏡面反射成分と散乱波成分を比較すると、エネルギー密度は前者の方が格段に高い。このため、表面の凹凸の増加にともなってコヒーレント成分は著しく減少し、その一方、非コヒーレント成分は比較的緩やかに増加することになる。 The reason why the intensity of the coherent component of the reflected wave decreases as the surface roughness increases and the intensity of the non-coherent component increases is as follows. When the surface is smooth, the incident wave is reflected only in the specular direction as a coherent wave having the same phase. However, when the surface is uneven, the incident wave is dispersed as a scattered wave in a wide azimuth angle. As shown in FIG. 1, the ratio of energy conversion from the coherent component to the non-coherent component as a scattered wave at this time increases with the increase in the surface roughness. Further, when the specular reflection component and the scattered wave component are compared, the former has a much higher energy density. For this reason, the coherent component is remarkably reduced as the surface irregularities are increased, while the non-coherent component is increased relatively slowly.
次に、評価対象物の表面にパルス超音波を入射して前記表面で反射するパルス超音波のコヒーレント成分および非コヒーレント成分を検出し、前記コヒーレント成分の強度と前記非コヒーレント成分の強度から、評価対象物の表面の凹凸高さと表面相関長を求めることを特徴とする表面粗さ評価方法について説明する。ここで、表面相関長λ0とは評価対象たる表面に沿って表面粗さを観測した場合において、二乗平均平方根粗さＲｑに相当する凹凸の波長としてイメージすることができる。 Next, a pulse ultrasonic wave is incident on the surface of the object to be evaluated and a coherent component and a non-coherent component of the pulse ultrasonic wave reflected from the surface are detected, and evaluation is performed from the intensity of the coherent component and the intensity of the non-coherent component. A method for evaluating the surface roughness, characterized in that the unevenness height and the surface correlation length of the surface of the object are obtained. Here, the surface correlation length λ 0 can be imaged as a wavelength of irregularities corresponding to the root mean square roughness Rq when the surface roughness is observed along the surface to be evaluated.
図９に示すｘ−ｙ二次元平面における反射波の反射状態を示す略図において、非コヒーレント成分と表面相関長との関係は、次式で示すことができる。 In the schematic diagram showing the reflection state of the reflected wave on the xy two-dimensional plane shown in FIG. 9, the relationship between the non-coherent component and the surface correlation length can be expressed by the following equation.
ただし、loは表面相関長、AMは照射面積である。またF、A、Bは Where l o is the surface correlation length and AM is the irradiation area. F, A, B
である。 It is.
ここで、計算を簡単にするために、次式に示すパラメータｇを用いて式（４）を簡略化することができる。 Here, in order to simplify the calculation, the equation (4) can be simplified using the parameter g shown in the following equation.
ｇ≪１であるような軽微な粗さの表面に対して、式（４）における級数は急速に収斂するので、実質的には第１項のみを考慮すればよい。非コヒーレント成分の振幅は、次式のようになる。 For a surface with a slight roughness such that g << 1, the series in equation (4) converges rapidly, so only the first term needs to be considered. The amplitude of the non-coherent component is as follows:
一方、g≫１の条件を満足する粗い表面に対して、非コヒーレント成分の振幅強度は、以下の式で表される。 On the other hand, for a rough surface satisfying the condition of g >> 1, the amplitude intensity of the non-coherent component is expressed by the following equation.
表面相関長λ0は、これらの式から計算されるＩincoherentの理論値から計測により得られた Ｉincoherentの計測値を差し引いた絶対値が最小となるように決定される最適化手法により得られる。 The surface correlation length λ 0 is obtained by an optimization method that is determined so that the absolute value obtained by subtracting the measured value of Iincoherent obtained by measurement from the theoretical value of Iincoherent calculated from these equations is minimized.
上記の計算は、ｘ−ｙ 平面とｘ−ｚ 平面における種々の散乱角に対して行われる。その結果の一例を図１０と図１１に、それぞれ示す。図１０は、ｘ−ｙ 平面における触針法による表面相関長λ0と本発明による表面相関長λ0との比較図である。図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）とも入射角θ１と反射角θ２は、ともに６０度である。一方、θ３は３０度〜６０度とされており、（ａ）は３０度、（ｂ）は４０度、（ｃ）は５０度、（ｄ）は６０度である。図１１は、ｘ−ｚ 平面における触針法による表面相関長λ0と本発明による表面相関長λ0との比較図である。図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）とも入射角θ１は６０度、反射角θ３は０度である。一方、反射角θ２は１０度〜３０度とされており、（ａ）は１０度、（ｂ）は２０度、（ｃ）は３０度である。 The above calculations are performed for various scattering angles in the xy and xz planes. An example of the result is shown in FIGS. 10 and 11, respectively. Figure 10 is a comparative view of the surface correlation length lambda 0 according to the invention the surface correlation length lambda 0 by tracer method in the x-y plane. In each of FIGS. 10A, 10B, 10C, and 10D, the incident angle θ1 and the reflection angle θ2 are both 60 degrees. On the other hand, θ3 is 30 degrees to 60 degrees, (a) is 30 degrees, (b) is 40 degrees, (c) is 50 degrees, and (d) is 60 degrees. Figure 11 is a comparative view of the surface correlation length lambda 0 according to the invention the surface correlation length lambda 0 by tracer method in the x-z plane. 11A, 11B, and 11C, the incident angle θ1 is 60 degrees and the reflection angle θ3 is 0 degrees. On the other hand, the reflection angle θ2 is 10 degrees to 30 degrees, (a) is 10 degrees, (b) is 20 degrees, and (c) is 30 degrees.
ここで、これらの結果は非コヒーレント成分の強度が比較的大きな、９．８μｍ より大きな二乗平均平方根粗さＲｑを持った試料に対して行われた計算である。このことは非コヒーレント成分の強度を有意に計測するためには、二乗平均平方根粗さＲｑとパルス周波数ｆ との積が、４．９μｍ・ＭＨｚ以上である必要性を示唆している。 Here, these results are calculations performed on a sample having a root mean square roughness Rq greater than 9.8 μm, where the intensity of the non-coherent component is relatively large. This suggests that the product of the root mean square roughness Rq and the pulse frequency f must be 4.9 μm · MHz or more in order to significantly measure the intensity of the non-coherent component.
ｘ−ｚ 平面において測定されたλ0とｘ−ｙ 平面において測定されたλ0との間には、大きな差異は見られないことが理解される。超音波により得られた結果は、触針法により得られた結果に対し±２０％の範囲に入っている。したがって、本発明は十分な精度を有するとまではいえないが、実用的にはある程度利用価値のある評価方法であるといえる。 Between the x-z λ 0 is measured in the plane and x-y has been lambda 0 measured in the plane, that a large difference is not seen is understood. The result obtained by the ultrasonic wave is within ± 20% of the result obtained by the stylus method. Therefore, although it cannot be said that the present invention has sufficient accuracy, it can be said that the evaluation method is practically useful to some extent.
なお、超音波により測定された結果と触針法により得られた結果の間の上記のような偏差は、数個の要因に原因がある。表面相関長の測定における不確定性は、触針法に依る場合でも見られることがしばしばあることが知られている。このような要因は、図１０と図１１に示される偏差に大きく影響するものと考えられる。その他の妥当な要因は、非コヒーレント成分の振幅が極めて小さいので、測定された信号の固有の雑音であるのかもしれない。このような偏差は認められるものの、評価対象物の表面にパルス超音波を入射するトランスミッターと、前記表面で反射するパルス超音波のコヒーレント成分および非コヒーレント成分を検出するセンサと、前記検出されたコヒーレント成分および非コヒーレント成分から、評価対象物の表面の凹凸高さと表面相関長λ0を求めることができる。 The above deviation between the result measured by the ultrasonic wave and the result obtained by the stylus method is caused by several factors. It is known that uncertainty in the measurement of the surface correlation length is often seen even with the stylus method. Such factors are considered to greatly affect the deviations shown in FIGS. Another reasonable factor may be the inherent noise of the measured signal because the amplitude of the incoherent component is very small. Although such a deviation is recognized, a transmitter for injecting pulsed ultrasonic waves onto the surface of the object to be evaluated, a sensor for detecting coherent and non-coherent components of the pulsed ultrasonic waves reflected on the surface, and the detected coherent From the component and the non-coherent component, the unevenness height of the surface of the evaluation object and the surface correlation length λ 0 can be obtained.
上記した実施例の表面粗さ評価方法および評価装置によれば、製造工程におけるリアルタイムでの表面粗さの評価が可能となる。また、数μm〜数百μm程度の表面粗さを有する表面の粗さの評価に適していることから、旋削加工中における工具の磨耗状態や工作機械の状態監視に利用できる。さらに、超音波を反射する表面であれば粗さの評価をすることができることから、種々の表面粗さの評価に利用することができる。 According to the surface roughness evaluation method and the evaluation apparatus of the above-described embodiment, it is possible to evaluate the surface roughness in real time in the manufacturing process. Moreover, since it is suitable for the evaluation of the roughness of the surface having a surface roughness of about several μm to several hundreds of μm, it can be used for monitoring the wear state of the tool and the state of the machine tool during the turning process. Furthermore, since the roughness can be evaluated as long as the surface reflects ultrasonic waves, it can be used for various surface roughness evaluations.
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施をすることができる。例えば上記実施例では評価対象面として二次元平面を取り上げたが、本発明の評価対象面は二次元平面に限定されるものではなく、回転軸の表面等の三次元平面であっても構わない。また、本発明の評価対象面は金属等の固体の表面である必要はなく、超音波を反射する面であればよい。したがって、液状体やゲル状体の表面であっても評価することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the Example, this invention is not limited to the Example mentioned above, A various deformation | transformation implementation can be performed. For example, in the above embodiment, a two-dimensional plane is taken as the evaluation target surface. However, the evaluation target surface of the present invention is not limited to the two-dimensional plane, and may be a three-dimensional plane such as the surface of the rotation axis. . Further, the evaluation target surface of the present invention does not need to be a solid surface such as metal, and may be a surface that reflects ultrasonic waves. Therefore, even the surface of a liquid or gel can be evaluated.
10 評価対象物の表面
11 トランスミッター
12 パルス超音波
13 広帯域静電容量型空気結合超音波センサ（センサ）
18 演算部（演算装置）
10 Surface of evaluation object
11 Transmitter
12 pulse ultrasound
13 Broadband capacitive air-coupled ultrasonic sensor (sensor)
18 Arithmetic unit (arithmetic unit)
Claims (10)
前記コヒーレント成分の強度を鏡面反射におけるコヒーレント成分の強度で除して正規化した値と、前記パルス超音波の周波数とから最適化手法により評価対象物の表面の凹凸高さを求めることを特徴とする表面粗さ評価方法。 A pulse ultrasonic wave is incident on the surface of the object to be evaluated and a coherent component of the pulse ultrasonic wave reflected by the surface is detected
The unevenness height of the surface of the evaluation object is obtained by an optimization method from a value obtained by dividing the intensity of the coherent component by the intensity of the coherent component in specular reflection and the frequency of the pulse ultrasonic wave, To evaluate the surface roughness.
前記コヒーレント成分の強度と前記非コヒーレント成分の強度から、評価対象物の表面の凹凸高さと表面相関長を求めることを特徴とする表面粗さ評価方法。 Detecting a coherent component and a non-coherent component of the pulsed ultrasonic wave incident on the surface of the object to be evaluated and reflected by the surface;
A surface roughness evaluation method, wherein the surface roughness height and the surface correlation length of an evaluation object are obtained from the intensity of the coherent component and the intensity of the non-coherent component.
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