JPH10180629A - 微小突起の検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複合材料で異なる材質の凹凸がほぼ同じであ
るとき、検出対象とする微小突起とその他の凹凸の区別
ができない。 【解決手段】 微小粒子による微小突起のピーク（頂上
の平らな部分）で反射した反射光の輝度信号に基づいて
微小突起を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は測定対象物の微小突
起を検出する検出方法に関し、特に、複合材料の表面に
露出した微小突起の位置及び粒子径を検出する微小突起
の検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラスチック部品の成型に用いら
れる金型を砥石を用いた研削によって加工する方法があ
る。

【０００３】砥石による研削加工では、砥石の母材（結
合材）に含まれる微小突起（砥粒）の位置及び粒子径に
よって加工精度が変化する。従って、高い加工精度が要
求される研削加工においては砥粒の位置及び粒子径が所
定の範囲にあることが必要になる。

【０００４】結合材に含まれる砥粒を検出する方法とし
て、触針（スタイラス）で砥石の表面を走査し、スタイ
ラスの垂直方向の変位に基づいて砥粒の凹凸を検出する
微小突起の検出方法が知られている。この方法による
と、結合材の突起部分と砥粒の大きさがほぼ同じ大きさ
であるとき、検出された凹凸が結合材であるか砥粒であ
るかを区別することが困難であり、また、測定対象物が
工作機械等に取り付けてある場合には、工作機械等から
取り外さなければ測定ができないという問題がある。

【０００５】上記した問題を解決するものとして、例え
ば、特開平５−１２３９６６号公報、及び特開平８−１
５１２号公報に開示される微小突起の検出方法がある。

【０００６】特開平５−１２３９６６号公報の微小突起
の検出方法は、導電性の結合材及び非導電性の砥粒を有
する砥石と、この砥石を走査するスタイラスとの間に電
圧を印加し、スタイラスが結合材に接触すると導通状態
となるが、砥粒に接触したときに非導通状態となること
を利用して結合材領域と砥粒領域を区別している。

【０００７】特開平８−１５１２号公報の微小突起の検
出方法は、ドレッシング加工後の砥石を洗浄後、常温硬
化型樹脂を用いて砥石面の形状を転写したレプリカを作
成し、このレプリカの断面曲線を測定している。この場
合、砥石面での凸部はレプリカでは凹部となる。

【０００８】しかし、上記した方法では、スタイラスで
追従できる測定対象物の形状に限度があり、複合材料で
異なる材質の微小な凹凸がほぼ同じサイズであるとき、
材質の違いを判別することができず、また、一定領域の
走査に時間を要するという問題がある。このような問題
を解決するものとして、測定対象物の表面に光を照射し
て得られる反射光に基づいて凹凸を測定する光走査型の
微小突起の検出方法が、例えば、特開平５−２０３８７
８号公報、及び特開平６−２９４６２５号公報に開示さ
れている。

【０００９】特開平５−２０３８７８号公報の微小突起
の検出方法は、測定対象物にレーザ光を走査して得られ
る反射光を所定の階調数のデジタル信号として入力し、
レーザ光の走査位置と反射光の強度に基づいて微小突起
を検出している。

【００１０】特開平６−２９４６２５号公報の微小突起
の検出方法は、絞り機構を設けた光学系を介して測定対
象物にレーザ光を照射し、焦点を固定した状態で焦点深
度を変化させることで微小突起を検出している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した光走
査型の微小突起の検出方法によると、測定対象物の傾斜
部分において反射光を所定の受光部に受光することがで
きないために、測定対象物の傾斜部分形状を測定するこ
とができない。従って、微細な凹凸を有する表面の形状
を測定することは困難となる。また、触針を用いた方法
により微細な凹凸面形状を測定する場合においては、バ
ルク層と微小粒子に同時に触針が接触するために導通状
態によるバルク層と微小粒子の判別が困難であり、レプ
リカ形状から微小粒子とその他の凹凸を区別することも
困難となる。結合材としてのバルク層、およびバルク層
に分散された微小粒子より構成された複合材料の表面を
評価する場合、例えば、砥石の母材（結合材）に含まれ
る微小突起（砥粒）の性状を評価する場合に、従来の測
定方法について上記した問題が生じるために表面を測定
評価する方法が必要となる。従って、本発明の目的は検
出対象とする微小突起の位置及び粒子径を高精度で検出
できる微小突起の検出方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、結合材としてのバルク層、及び前記バルク
層に分散された微小粒子より構成された複合材料の表面
に形成された微小突起を検出する微小突起の検出方法に
おいて、前記複合材料の表面で反射された反射光を所定
の画素単位で配置された複数の受光素子で受光し、前記
複数の受光素子が出力する受光信号と予め定めた基準値
を比較して前記バルク層と前記微小突起のピークを判別
し、前記複数の受光素子の中で前記微小突起のピークに
対応した受光信号を出力する受光素子の位置に基づいて
前記微小突起の位置を検出する微小突起の検出方法を提
供することにある。

【００１３】上記した微小突起の検出方法では、微小粒
子は、バルク層より大なる反射率を有する材質で形成さ
れることが好ましい。バルク層は、砥石の結合材であ
り、微小突起は、砥石の砥粒であっても良い。また、複
数の受光素子は、共焦点型のレーザ顕微鏡の受光部を構
成しても良く、複数の受光素子が出力する受光信号は、
隣接する所定数の画素単位で平均化されることにより微
小粒子のサイズ信号に変換されることが好ましい。ま
た、隣接する所定数の画素単位で行われる平均化は、主
走査方向のラインに沿って所定の画素数単位でシフトす
る移動平均化処理であっても良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は第１の実施の形態で用いる
共焦点型レーザ顕微鏡を示し、所定の強度でレーザ光を
出射するレーザ光源１と、後述する砥石５からの反射光
を分離するビームスプリッタ２と、レーザ光を平行光に
するコリメータレンズ３と、平行光を測定対象物である
砥石５に投影する対物レンズ４と、ビームスプリッタ２
６の反射光を受光して受光強度に応じた輝度信号を出力
する固体撮像素子（ＣＣＤ）６と、ＣＣＤ６から出力さ
れる輝度信号を増幅する増幅器７と、増幅された砥石５
の表面形状に基づく電気信号を画像処理する制御部８
と、画像処理された砥石５の表面の画像を格納するメモ
リ９と、画像処理された砥石５の表面の画像を表示する
ディスプレイ１０を有し、ＣＣＤ６は、例えば、画素ラ
イン毎の画素数が１０２４画素、４００ラインで構成さ
れた１０２４×４００ピクセル（画素）の受光面を有す
る。

【００１５】図２（ａ）は、砥石５を示し、研削用のＣ
ＢＮ砥石の８０００番で、結合材はリン青銅系、砥粒の
粒子径は１〜２μｍ、集中度は１００である。測定面に
は測定時の位置を明確にするためのマーク５Ａが放電加
工によって形成されており、マーク５Ａは、図２（ｂ）
示すように直径１００μｍで三角形状に配置されてい
る。本実施の形態では、２つのマーク５Ａが含まれるよ
うに１００μｍ×８０μｍの測定領域５Ｂを設定してい
る。

【００１６】以下、本発明の微小突起の検出方法を、図
３に示すフローチャートを参照しながら説明する。

【００１７】まず、測定領域５Ｂを図示しない走査型電
子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影し、撮像結果をメモリ
９に格納する。図４は、撮影された測定領域５ＢのＳＥ
Ｍ写真であり、環状部分がマーク５Ａである。この砥石
５はツルーイング後のものを使用しているために、砥粒
の周囲に結合材のリン青銅が付着して、みかけ上の砥粒
径が砥粒単体での外径より大になっている。

【００１８】次に、レーザ光源１から出射された光をコ
リメータレンズ３で平行光とし、対物レンズ４で所定の
径に集束させて砥石５の表面に設けられる測定領域５Ｂ
に走査する。測定領域５Ｂに分布している砥粒の頂点の
平らな部分（以下、ピークという）で反射された反射光
は、対物レンズ４及びコリメータレンズ３を介してビー
ムスプリッタ２で入射光と分離されてＣＣＤ６に入射
し、画素ライン毎の画素の輝度値に応じた電気信号に変
換される。変換された電気信号は増幅器７で増幅されて
制御部８に入力し、測定領域５Ｂの輝度情報として画像
処理される。画像処理された測定領域５Ｂはメモリ９に
格納され、更にディスプレイ１０に表示される（ステッ
プ１）。

【００１９】図５は、砥石５の測定領域５Ｂにおけるデ
ィスプレイ画像を示し、結合材５６に分散している砥粒
のピーク５５が黒い点として観察される。

【００２０】上記した測定領域５Ｂのピーク５５の位置
を明確にするため、制御部８は、ピーク５５の反射光の
最大強度に対して７５％の値を閾値として輝度信号の２
値化を行う。閾値を７５％とするのは砥粒と結合材５６
を区別するためである。２値化された測定領域５Ｂの輝
度信号はメモリ９に格納され、更にディスプレイ１０に
表示される（ステップ２）。

【００２１】図６は、２値化された測定領域５Ｂのディ
スプレイ画像を示し、図７は、３×３画素のメディアン
フィルタを用いて図６のディスプレイ画像のノイズ除去
を行った測定領域５Ｂを示す。メディアンフィルタは、
測定領域５Ｂの輝度信号にノイズとして重畳する単ピー
ク（振動や、その他の不確定要素によるもの）を除去す
るもので、ピーク５５の位置検出精度が向上する。従っ
て、上記したノイズ成分を除去できるものであれば他の
構成のフィルタを用いても良い（ステップ３）。

【００２２】図８は、上記した方法で検出された砥粒の
ピーク５５の位置を、メモリ９に格納された測定領域５
ＢのＳＥＭ写真と重ね合わせて合成したものであり、Ｓ
ＥＭ写真の砥粒８０とレーザ反射光の２値化によって検
出されたピーク５５が一致することで結合材５６と区別
されている。また、ＳＥＭ写真に撮影されていてもピー
クが検出されない砥粒８１があるが、これは、前述した
ように砥石５がツルーイング後であるため、砥粒表面が
結合材５６に覆われていて、ＳＥＭ撮影時に光の入り込
みにより検出された砥粒８１である。このような砥粒８
１は研削に関与しない（ステップ４）。

【００２３】また、上記したピーク５５の輝度信号に基
づいて、砥粒の粒子径の分布を検出することができる。
本実施の形態では、輝度信号のフィルタ処理として移動
平均化処理を行う。

【００２４】図９は、ＣＣＤ６の受光面における任意の
画像ラインから出力される輝度信号を部分的に示し、例
えば、画素ラインが砥粒によるピーク１００及び１０１
の反射光を受光すると、ピーク１００及び１０１に対応
する画素６０はＨとなり、それ以外の画素６０はＬとな
る。Ｈになった画素６０は制御部８に輝度信号を出力す
る。

【００２５】ステップ１で説明したように、ＣＣＤ６は
画素ライン毎の画素の輝度値を制御部８に輝度信号とし
て出力している。制御部８は、基準となる数の画素（以
下、基準画素数という）に占めるＨの画素数の比を算出
し、その比が１にならない画素群をＬとして処理する。
これを移動平均化処理という。

【００２６】図１０は、基準画素数を５としたときの移
動平均化の過程を示し、処理の対処になる画素の中で画
素番号の４番目から８番目の５画素がピーク１００によ
る輝度信号によりＨとなっている。本実施の形態では、
ＣＣＤ６を構成する画素６０の画素幅Ｌは０．１μｍ
で、画素間隔Ｄは０．１μｍであるので、Ｈの輝度信号
の幅をピーク幅と考えると、ピーク幅は０．５μｍと換
算される。移動平均化処理において、基準画素数を５と
したとき、図示したように、画素を１つずつラインに沿
ってシフトすることにより、Ｈの画素数を５で除算す
る。画素６０について、Ｈを１とし、Ｌを０として移動
平均化処理の判定を行うと、表１のようになる。

【表１】 表１において、画素番号の４番目から８番目の５画素の
平均値は１となり、Ｈと判定される。その他の５画素の
平均値は１未満となり、Ｌと判定される。従って、ディ
スプレイ１０上では、Ｌと判定されたピーク５５が除去
され、Ｈと判定されたピーク５５が移動平均化処理後の
ピークとして保持される（ステップ５）。

【００２７】このような移動平均化処理では、例えば、
基準画素数を０，５，１０と変化させたときにディスプ
レイ１０上でカウントされるピーク５５がピーク幅に応
じて変化するため、図１１に示すように、画素ラインに
おける輝度信号の発生パターンが変化した場合と同じに
なる。図１１のＨ領域１２０は画素数５のピークであ
り、Ｈ領域１２１は画素数３のピークである。

【００２８】基準画素数０では（本実施の形態では、平
均化を行わない場合を基準画素数０としている）、図１
１（ａ）に示すように、画素数５のピーク及び画素数３
のピークで輝度信号がＨになる状態と同じになる。基準
画素数５では、図１１（ｂ）に示すように、画素数５の
ピーク１２０で輝度信号がＨになる状態と同じになる。
基準画素数１０では、図１１（ｃ）に示すように、輝度
信号がＬになる状態と同じになる。図１１からも明らか
なように、基準画素数を変化させることで特定の範囲の
ピーク及びその分布を抽出することができる。即ち、図
１１（ｃ）は、画素数１０以上の径を有したピークが存
在しないことを意味する。

【００２９】このようにして抽出されたピーク幅を、前
述したＣＣＤ６の画素６０の画素幅Ｌ及び画素間隔Ｄを
用いて換算することにより砥粒径を求めることができ
る。

【００３０】図１２は、測定領域５Ｂの移動平均化処理
の結果を示し、基準画素数を０から５に変化させたと
き、砥粒径が４〜５μｍ以上では、検出される砥粒数に
殆ど変化は見られないが、基準画素数を５から１０に変
化させたとき、砥粒径３〜４μｍの領域では検出される
砥粒がほぼ０となっている。この範囲外の砥粒径を有す
る砥粒数には変化が殆ど見られないために、基準画素数
が５から１０に変化したときに検出されなくなった砥粒
径は約３〜４μｍであると判断される。ここでいう砥粒
径には、砥粒の回りに結合材が付着し、みかけ上の径が
拡大したものも含んでいる。

【００３１】上記したように、砥石の表面にレーザ光を
走査し、結合材と異なる反射率を有する砥粒の反射光を
検出することにより砥粒の位置を高精度で検出すること
ができる。また、砥石表面の測定結果をフィルタ処理す
ることで砥石に含まれる砥粒の粒子径及びその分布を容
易に求めることができる。フィルター処理は、移動平均
化処理以外の他の手法を用いても良い。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の微小突起の
検出方法によると、微小粒子の分散されたバルク層であ
る結合材にレーザ光を照射し、その反射光に基づいて微
小粒子による微小突起の位置及び分布を検出するように
したため、微小突起の位置及び粒子径を高精度で検出す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】共焦点型のレーザ顕微鏡を示す説明図である。

【図２】（ａ）は、砥石５を示す説明図であり、（ｂ）
は、砥石５に形成される放電加工痕５Ａ及び測定領域５
Ｂを示す説明図である。

【図３】第１の実施の形態における微小突起の検出方法
のフローチャートである。

【図４】砥石５の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であ
る。

【図５】レーザ顕微鏡による砥石５の測定領域５Ｂの走
査結果を示す説明図である。

【図６】レーザ顕微鏡による走査領域５Ｂの走査結果を
２値化した結果を示す説明図である。

【図７】２値化した結果からノイズ成分を除去した結果
を示す説明図である。

【図８】ＳＥＭ写真とレーザ顕微鏡による走査領域５Ｂ
の走査結果を合成して得られた砥粒の位置を示す説明図
である。

【図９】ピークと輝度信号の関係を示す説明図である。

【図１０】移動平均化処理の演算過程を示す説明図であ
る。

【図１１】移動平均化処理の演算過程における説明図で
ある。

【図１２】砥粒径の分布を示す説明図である。

【符号の説明】

１，レーザ光源 ２，ビームスプリッタ ３，コリメータレンズ ４，対物レンズ ５，砥石 ５Ａ，マーク ５Ｂ，測定領域 ６，ＣＣＤ ７，増幅器 ８，制御部 ９，メモリ １０，ディスプレイ ５５，ピーク ５６，結合材 ６０，画素 ８０，８１，砥粒 １００，１０１，ピーク １２０，１２１，輝度信号のＨ領域

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結合材としてのバルク層、及び前記バル
   ク層に分散された微小粒子より構成された複合材料の表
   面に形成された微小突起を検出する微小突起の検出方法
   において、 前記複合材料の表面で反射された反射光を所定の画素単
   位で配置された複数の受光素子で受光し、 前記複数の受光素子が出力する受光信号と予め定めた基
   準値を比較して前記バルク層と前記微小突起のピークを
   判別し、 前記複数の受光素子の中で前記微小突起のピークに対応
   した受光信号を出力する受光素子の位置に基づいて前記
   微小突起の位置を検出することを特徴とする微小突起の
   検出方法。
2. 【請求項２】 前記微小粒子は、前記バルク層より大な
   る反射率を有する材質からなる請求項第１項記載の微小
   突起の検出方法。
3. 【請求項３】 前記バルク層は、砥石の結合材であり、 前記微小突起は、前記砥石の砥粒である請求項第１項記
   載の微小突起の検出方法。
4. 【請求項４】 前記複数の受光素子は、共焦点型のレー
   ザ顕微鏡の受光部を構成する請求項第１項記載の微小突
   起の検出方法。
5. 【請求項５】 前記複数の受光素子が出力する受光信号
   は、隣接する所定数の画素単位で平均化されることによ
   り前記微小粒子のサイズ信号に変換される請求項第１項
   記載の微小突起の検出方法。
6. 【請求項６】 前記隣接する所定数の画素単位で行われ
   る平均化は、主走査方向のラインに沿って所定の画素数
   単位でシフトする移動平均化処理である請求項第１項記
   載の微小突起の検出方法。