JP5036644B2 - 表面検査方法、及びびびりマーク検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、研削された表面の検査に適した表面検査方法、及び、びびりマーク検査装置に関する。

研削物を工具により研削すると、工具と研削物との間で継続的にびびり振動が発生する場合がある。びびり振動が発生すると、研削物の表面に、びびり振動に対応した痕跡が発生する。この痕跡は、「びびりマーク」と呼ばれる。びびりマークの有無の検査は、従来、目視または「すりとり」と呼ばれる方法で行われていた。

一般に、研削された表面には、検索方向に平行な研削痕が残る。この研削痕の高低差は１００μｍ程度である。これに対し、びびりマークの高低差は数μｍである。研削痕の高低差に比べて、びびりマークの高低差が微小であるため、びびりマークの有無の判別を目視で行うことは困難である。

「すりとり」と呼ばれる方法では、下面が平坦な金属片を使用して被研削面に塗料を塗布し、塗布された塗料の様子を観察する。安定した検査精度を得るには、作業者に熟練が必要であり、検査精度に個人差が出る。

検査対象物の表面に映った赤外線光源の像のゆがみを観察することにより、表面の微小な凹凸の有無を判定することができる（特許文献１及び２）。

特開２００５−１３４３６２号公報 特開２００５−１５６４２０号公報

びびりマークの高低差は、研削痕の高低差に比べて微小である。赤外線による像ゆがみを観察する方法では、研削痕による像のゆがみと、びびりマークによる像のゆがみとを区別することが困難である。

本発明の一観点によると、
第１の方向に研削された被研削面を有する研削物を準備する工程と、
前記第１の方向と、前記被研削面の法線とに平行な仮想平面の一方の側に、前記第１の方向に長い形状を有する赤外線光源を配置し、他方の側に赤外線検出器を配置し、前記赤外線光源によって照射され、前記被研削面で回折された回折光を、前記赤外線検出器で検出する工程と
を有し、
前記回折光を前記赤外線検出器で検出する工程は、
前記被研削面内に、前記第１の方向に長い観測対象領域を画定する工程と、
前記赤外線光源及び前記赤外線検出器の一方を移動させることによって、前記観測対象領域を前記赤外線検出器で観測するときの観測角を変化させて、前記観測対象領域からの回折光の前記第１の方向に関する光強度分布を測定する工程と
を含む表面検査方法が提供される。

本発明の他の観点によると、
第１の方向に研削された被研削面を有する研削物の該被研削面の、該第１の方向に長い観測対象領域に、該被研削面の法線方向から、該第１の方向に直交する方位に傾けた方向から赤外線を照射し、前記第１の方向に長い形状を有する赤外線光源と、
前記赤外線光源から放射されて前記観測対象領域で回折された赤外域の回折光を検出する赤外線検出器と、
前記赤外線光源及び前記赤外線検出器の一方を移動させることによって、前記観測対象領域を前記赤外線検出器で観測するときの観測角を変化させる支持機構と、
前記観測角を変化させて、前記赤外線検出器から複数の赤外線画像を取得し、画像処理を行うことにより、前記第１の方向に関する光強度分布を求める画像処理装置と
を有するびびりマーク検査装置が提供される。

回折光を観測することにより、被研削面に生じた研削痕の周期のばらつきを検知することができる。このばらつきにより、びびりマークの有無を判定することが可能である。

図１Ａに、一般的な研削装置の斜視図を示す。テーブル１０の上に、研削の対象である研削物２０が載置される。研削物の被研削面に平行な面をｘｙ面とし、被研削面の法線方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。テーブル１０は、ｙ方向に移動する。研削物２０の上方に、砥石ヘッド３０が支持されている。砥石ヘッド３０の下端に、砥石３１が取り付けられている。砥石３１は円盤状であり、その中心軸がｘ軸に平行になる姿勢で砥石ヘッド３０に支持されている。砥石３１は、その中心軸を回転中心として回転する。砥石ヘッド３０は、ｘ軸に平行なレール３２に支持されており、ｘ方向に移動可能である。

砥石ヘッド３０を静止させて砥石３１を回転させながら、テーブル１０をｙ方向に移動させることにより、研削物２０の被研削面のｙ方向に長い帯状領域を、ｙ方向に研削することができる。砥石ヘッド３０をｘ方向にずらして同様の研削を行うことにより、被研削面の全領域を研削することができる。

図１Ｂに、研削された研削物２０の被研削面の平面図を模式的に示す。研削物３０をｙ方向に研削したため、ｙ方向に平行な多数の研削痕２１が観察される。研削痕２１は、例えば高低差が１００μｍ程度の凹凸で構成される。

図２に、びびりマークが発生した研削物２０の被研削面の模式図を示す。ｙ方向に平行な多数の研削痕２１が観察される。被研削面にびびりマークが発生すると、研削痕２１のｘ方向に関する密度相対的に低い第１の領域２２と、密度が相対的に高い第２の領域２３とが、ｙ方向に周期的に現れることがわかった。本実施例では、びびりマークの高低差を直接検知するのではなく、研削痕の密度のばらつきを検出することにより、間接的にびビルマークの有無を判定する。

図３Ａに、実施例によるびびりマーク検査装置の斜視図を示す。テーブル４０の上に、検査対象の研削物２０が載置される。テーブル４０の上面（載置面）をｘｙ面とし、その法線方向をｘ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。研削物２０を研削したときの検索方向がｙ軸と平行になるように、研削物２０が配置される。テーブル４０の上に、ｙ方向に長い帯状の観測対象領域４５が画定されている。研削物２０の被研削面の一部が観測対象領域４５内に配置される。

テーブル４０の上に、赤外線光源４１及び赤外線検出器４３が配置されている。赤外線光源４１は、支持機構４２により昇降可能に（ｚ方向に移動可能に）支持されている。赤外線光源４１は、ｙ方向に平行な線光源と考えることができ、波長１０μｍ〜１００μｍの赤外線を放射する。赤外線光源４１には、例えば棒状のヒータを用いることができる。

赤外線検出器４３は、テーブル４０上に固定される。赤外線検出器４３には、例えばサーモグラフィが用いられる。赤外線検出器４３は、研削物２０の表面のうち、観測対象領域４５を含む領域で回折された赤外線を検出し、２次元画像データを生成する。生成された画像データは、画像処理装置４４に入力される。画像処理装置４４は、入力された２次元画像データに基づいて画像処理を行う。

図３Ｂに、研削物２０、赤外線光源４１、及び赤外線検出器４３のｚｘ面内における配置を示す。ｙｚ面に平行で、かつ観測対象領域４５と交差する仮想平面の一方の側（ｘ軸の負の側）に赤外線光源４１が配置され、他方の側（正の側）に赤外線検出器４３が配置されている。赤外線検出器４３の視野の、ｘ方向に関するほぼ中央に、観測対象領域４５が配置される。

赤外線光源４１から放射され、観測対象領域４５に入射する赤外線の入射角をθとする。赤外線検出器４３の対物レンズ４３ａの光軸は、ｘ軸の正の向きに傾いている。この光軸と、研削物２０の表面の法線とのなす角度をβとする。観察角φは、θ＋βと定義される。赤外線光源４１をｚ方向に移動させると、入射角θ及び観察角φが変化する。

観測対象領域４５に赤外線が入射すると、回折光が生じる。０次回折光は、被研削面の法線とのなす角度が入射角θと等しくなり、入射光とは反対向きに傾いた方向に生じる。また、高次回折光の伝搬方向は、回折格子の周期、すなわち研削痕の周期に依存する。なお、研削痕は、回折格子のように厳密に一定の周期で配置されるわけではない。さらに、赤外線光源４１から放射される赤外線は、単一波長ではない。これらの要因により、例えば１次回折光は、ある広がり角を持って伝搬する。このとき、広がり角を持って伝搬する１次回折光の中心光線の方向は、研削痕の密度に依存する。

図２に示すように、研削痕２１の密度の異なる領域２２、２３からの１次回折光の中心光線の伝搬方向は、相互に異なる。従って、１次回折光を検出することにより、びびりマークの有無を判定することができる。なお、２次以上の回折光を検出してもよい。

次に、図３Ａ〜図４Ｇを参照して、第１の実施例による表面検査方法について説明する。

図３Ａに示したテーブル４０の上に、表面が研削された研削物２０を配置する。研削物２０は、研削方向がｙ軸と平行になる姿勢で、かつ研削された表面の一部が観測対象領域４５と重なるように配置される。赤外線光源４１から研削物２０に赤外線を照射し、赤外線検出器４３で研削物２０の表面の赤外線画像を取得する。赤外線光源４１をｚ方向に移動させて入射角θを変化させ、複数の赤外線画像を取得する。

図４Ａ〜図４Ｆに、入射角θをθ_１（＝β）からθ_６（＞θ_１）まで変化させて取得した赤外線画像の一例を示す。図４Ａにおいては、入射角θ_１が、赤外線検出器４３の対物レンズ４３ａの光軸と研削物２０の表面の法線とのなす角度βと等しい。このため、観測対象領域４５からの正反射光（０次回折光）が、赤外線検出器４３に入射する。このため、視野のほぼ中央に、ｙ軸方向に延在する明るい帯状領域５０が観察される。

入射角θをθ_２まで大きくすると、図４Ｂに示すように、赤外線検出器４３の視野内で帯状領域５０がｘ軸の正の方向に移動し、観察対象領域４５から外れる。さらに、例えば図２に示した研削痕２１の密度が相対的に高い第２の領域２３からの１次回折光による像５１が現れる。この像５１は、ｙ方向に離散的に、かつ周期的に分布する。さらに、入射角θをθ_３まで大きくすると、図４Ｃに示すように、帯状の明るい領域５０が視野内の下端まで移動し、１次回折光による明るい領域５１が大きくなる。

入射角θをθ_４まで大きくすると、図４Ｄに示すように、０次回折光による像が視野から外れ、１次回折光による明るい像５１がより大きくなる。このとき、像５１が、観察対象領域４５と部分的に重なる。

さらに入射角θをθ_５まで大きくすると、図４Ｅに示すように、第２の領域２３からの１次回折光による明るい領域５１が、視野内でｘ軸の正の方向に移動する。さらに、入射角θをθ_６まで大きくすると、図４Ｆに示すように、研削痕２１の密度が相対的に低い第１の領域２２からの１次回折光による像５２が、ｙ軸方向に関して像５１の間に現れる。

図４Ｂ〜図４Ｆに示すように、ｙ軸方向に関して周期的に像５１、５２が現れる場合、検索物２０にびびりマークが発生していると考えられる。また、像５１、５２のｙ軸方向に関する周期により、びびりマークの周期を求めることができる。

図４Ｇに示すように、入射角θがθ_１からθ_６までの各画像から、観測対象領域４５内の画像のみを抽出し、入射角θの大きさの順番に並べて１枚の画像に合成する。これにより、観測対象領域４５からの回折光のｙ軸方向に関する強度分布が、入射角θの関数として得られる。

図４Ａ〜図４Ｆに示した画像の縦軸は、ｘ方向に相当する。すなわち、研削物２０の表面のｘ方向に関して異なる位置からの回折光を検出していることになる。これに対し、図４Ｇに示した合成画像は、観測対象領域４５からの回折光による画像である。図４Ｇに示した画像処理を行うことにより、研削物２０の表面の特定の領域（観測対象領域４５）についてびびりマークの有無を検知することができる。

図５に、実際の研削物を観察したときの合成画像の一例を示す。入射角θが、角度βに等しいとき、観測対象領域からの０次回折光により、ｙ軸方向の全ての位置において、光強度が高くなっている。

入射角θがα１のとき、ｙ軸方向に離散的に、かつ周期的に分布する明るい像が現れている。入射角θがα２のとき、入射角θがα１の位置に現れていた明るい像の間に、やや明るい像が現れている。この観察結果から、研削物に、びびりマークが発生していることがわかる。

図６Ａに、他の研削物を観察して得られた合成画像を示す。図５に示した例では、合成画像から直ちにびびりマークの発生が検知されたが、図６Ａに示した合成画像からは、検知困難である。

図６Ｂに、図６Ａに示した合成画像から求めた１次元光強度分布及び自己相関度を示す。横軸は、ｙ軸方向の位置を単位「ｍｍ」で表す。右縦軸は、移動平均との差分を表し、左縦軸は自己相関を表す。

図６Ａに示した２次元合成画像の各位置の光強度を、θ方向に積算し、ｙ軸方向に関する１次元光強度分布を求めた。この１次元光強度分布の移動平均からの差分を、細い実線で示す。この移動平均との差分のグラフの自己相関度を、太い実線で示す。自己相関度から、光強度分布は、ｙ軸方向に関して周期約３８ｍｍの周期性を持つことがわかる。

このように、図６Ａに示した２次元合成画像からは、周期性の有無の判別が困難である場合でも、光強度をθ方向に関して積算し、ｙ軸方向に関する自己相関度を求めることにより、容易に周期性の有無を判別することができる。これにより、個人差を無くし、より客観的にびびりマークの有無の判別を行うことができる。

上記実施例では、赤外線光源４１をｚ方向に移動させることにより、入射角θを変化させたが、観測対象領域４５を中心とした円筒面に沿って赤外線光源４１を移動させてもよい。

また、上記実施例では、入射角θを変化させることにより、観察角φを変化させたが、赤外線検出器４３をｚ方向に移動させることにより、観察角φを変化させてもよい。

上記実施例では、光源として赤外線光源を用いた。光源の波長は、研削痕の周期とほぼ同程度とすることが好ましい。一般的に、研削痕の周期は数十μｍ〜１００μｍである。このため、光源として、波長１０μｍ以上の遠赤外線を放射するものを用いることが好ましい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（１Ａ）は、研削装置の斜視図であり、（１Ｂ）は、研削された研削物の平面図である。 びびりマークが発生している研削物の平面図である。 （３Ａ）は、実施例によるびびりマーク検査装置の斜視図であり、（３Ｂ）は、赤外線光源、赤外線検出器、及び研削物の位置関係を示す図である。 （４Ａ）〜（４Ｆ）は、入射角を変化させて得られる赤外線画像の一例を示す模式図である。 （４Ｇ）は、得られた複数の赤外線画像、及びこれらの赤外線画像の観測対象領域の画像を合成して得られた合成画像を示す模式図である。 実際に得られた合成画像である。 （６Ａ）は、実際に得られた合成画像であり、（６Ｂ）は、（６Ａ）の合成画像から算出された１次元光強度分布得及び自己相関を示すグラフである。

符号の説明

１０ テーブル
２０ 研削物
２１ 研削痕
２２ 第１の領域
２３ 第２の領域
３０ 砥石ヘッド
３１ 砥石
３２ レール
４０ テーブル
４１ 赤外線光源
４２ 支持機構
４３ 赤外線検出器
４３ａ 対物レンズ
４４ 画像処理装置
４５ 観測対象領域
５０、５１、５２ 明るい領域

Claims (5)

1. 第１の方向に研削された被研削面を有する研削物を準備する工程と、
   前記第１の方向と、前記被研削面の法線とに平行な仮想平面の一方の側に、前記第１の方向に長い形状を有する赤外線光源を配置し、他方の側に赤外線検出器を配置し、前記赤外線光源によって照射され、前記被研削面で回折された回折光を、前記赤外線検出器で検出する工程と
   を有し、
   前記回折光を前記赤外線検出器で検出する工程は、
   前記被研削面内に、前記第１の方向に長い観測対象領域を画定する工程と、
   前記赤外線光源及び前記赤外線検出器の一方を移動させることによって、前記観測対象領域を前記赤外線検出器で観測するときの観測角を変化させて、前記観測対象領域からの回折光の前記第１の方向に関する光強度分布を測定する工程と
   を含む表面検査方法。
2. 前記回折光を前記赤外線検出器で検出する工程は、前記第１の方向に関して、前記回折光の光強度分布を検出する請求項１に記載の表面検査方法。
3. さらに、前記観測角を変えて測定した複数の光強度分布を、前記第１の方向に関する位置ごとに前記観測角に関して積算し、積算された光強度分布の自己相関度を求める工程を含む請求項１または２に記載の表面検査方法。
4. 前記赤外線検出器は対物レンズを含み、該対物レンズの光軸は、前記被研削面の法線方向から前記第１の方向に直交する方位に傾斜している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面検査方法。
5. 第１の方向に研削された被研削面を有する研削物の該被研削面の、該第１の方向に長い観測対象領域に、該被研削面の法線方向から、該第１の方向に直交する方位に傾けた方向から赤外線を照射し、前記第１の方向に長い形状を有する赤外線光源と、
   前記赤外線光源から放射されて前記観測対象領域で回折された赤外域の回折光を検出す
   る赤外線検出器と、
   前記赤外線光源及び前記赤外線検出器の一方を移動させることによって、前記観測対象領域を前記赤外線検出器で観測するときの観測角を変化させる支持機構と、
   前記観測角を変化させて、前記赤外線検出器から複数の赤外線画像を取得し、画像処理を行うことにより、前記第１の方向に関する光強度分布を求める画像処理装置と
   を有するびびりマーク検査装置。