JPH02107905A - 物体表面の層構造の厚さの測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物体表面に形成された層構造の厚さを、当該
物体を破壊することなく測定する物体表面の層構造の厚
さの測定方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、機械加工はますますその高精度化が要望されると
ともに、加工製品の高性能や長寿命等も要望されている
。ところで、加工製品の性能や寿命には機械加工により
母材表面に生じる加工変質層が大きく関与し、この加工
変質層の厚さ（深さ）を測定することにより、加工製品
の性能や寿命を評価することができる。このような加工
変質層の厚さの測定法が特開昭６２−８１５６１号公報
に提示されている。その概略を図により説明する。

第２図は従来の加工変質層の厚さの測定方法に使用され
る装置の系統図である。図で、１は加工された試料、２
は試料１を載置する台、３は超音波プローブを示す。超
音波プローブ３は、球面レンズ３ａ、球面レンズ３ａの
上面に設置された圧電薄膜３ｂ、および圧電薄膜３ｂの
電極３Ｃで構成されている。球面レンズ３ａの開口は可
成り広い寸法に選定されている。４は電極３ｃにパルス
電圧を印加するパルス発振器、５は電極３ｃに発生する
超音波反射波信号（エコー信号）を受信してこれに応じ
たビデオ信号を出力する受信器、６はビデオ信号を入力
してエコー信号波形を表示するデイスプレィ装置（ＣＲ
Ｔ）である。７は台２を駆動する駆動機構を示す。試料
１と球面レンズ３の間には図示されていないが水が介在
せしめられている。

パルス発振器４から電極３Ｃに電圧が印加されると、圧
電薄膜３ｂは超音波を放射し、この超音波は球面レンズ
３ａおよび水を介して試料１に向けて放射され、その放
射経路に存在する各界面で反射する。反射された超音波
は再び水および球面レンズ３ａを介して圧電薄膜３ｂに
達する。これにより圧電薄膜３ｂの電極３Ｃには、反射
された超音波に応じた信号（エコー信号）が発生する。

このエコー信号は受信器５で受信処理された後、デイス
プレィ６に表示される。

ところで、球面レンズ３ａから放射された超音波の焦点
と試料１の表面とが一致したときの両者の垂直方向（Ｘ
軸方向）の位置を０とし、両者が接近する移動方向を負
方向とし、駆動機構７を駆動して試料１を球面レンズ３
ａに接近させながらエコー信号の大きさを採取してゆく
と、特定の曲線（この曲線はＶ　（Ｚ）曲線と称されて
いる）が得られることが知られている。この曲線が第３
図に示されている。第３図で、横軸にはＸ軸方向の距離
が、又、縦軸にはエコー信号の大きさがとられている。

ΔＺはＶ　（Ｚ）曲線の周期を示す。このようなＶ　（
Ｚ）曲線が生じる理由を図により説明する。

第４図は加工母材表面近傍を示す図である。図でＳは母
材、０は母材Ｓを加工したときに生じる加工変質層、ｆ
は水の層を示す。ＺはＸ軸方向の距離、ＸはＺ軸と直角
のＸ軸方向の距離を示す。

球面レンズ３ａと試料１とが位置Ｏの関係に、あるとき
、超音波ビームＡの焦点は破線で示されるように加工変
質層０の表面の一点に集束しているが、駆動機構７が駆
動されて試料１が球面レンズ３ａに接近するにしたがっ
て焦点のずれが大きくなり、図中、距離Ｘで示される超
音波照射領域が大きくなる。このとき、加工変質層０に
おける当該領域には弾性表面波Ｒが生じ、この弾性表面
波Ｒと表面反射波との間で干渉が発生する。この干渉は
試料１と球面レンズ３ａとのＸ軸方向の位置に応じて強
められたり弱められたりするので、その結果、第３図に
示すＶ　（Ｚ）曲線が得られることになる。

ここで、弾性表面波Ｒの加工変質層Ｏにおける伝播速度
をＶｌ　、　ｖ　＜ｚ＞曲線の周期をΔＺ、超音波の波
長をλ。、水中における超音波の音速を■、とすると、
次式の関係が成立する。

ΔＺ　−（Ｖ＊　／Ｖｗ　）　２　・λ。・・・・・・
・・・（１）即ち、Ｖ　（Ｚ）曲線に基づいてその周期
ΔＺが判明すると、値Ｖ。、λ。は既知であるから、弾
性表面波の伝播速度■８を求めることができる。

ところで、加工変質層０の表面弾性波の伝播は超音波の
周波数が高くなるほど浅くなるので、加工変質層０の厚
みは、弾性表面波の伝播速度Ｖｌの上記周波数特性にお
ける変曲点をみつけることにより推定することができる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の測定方法により、母材表面に加工変質層が存
在する場合、その厚さを推定することができ、又、加工
変質層ばかりでなく、例えばプリント配線基板の表面に
印刷された銅層の厚さ等も推定することができ、これに
より非破壊で製品の品質管理、評価を行なうことができ
る。しかしながら、上記伝播速度■８の変曲点を見出す
ためには、超音波の周波数を広範囲に亘って変化させね
ばならず、その変化の間隔も相当程度に狭くしなければ
変曲点を見落とすおそれがある。又、当該変曲点は判然
と表れるものではなく、可成り微妙な変化態様となる。

したがって、変曲点を見出すためには、多くの時間と手
間、および検査員の極度の緊張が必要となる。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
手間や時間を要することなく容易に測定することができ
る物体表面の層構造の厚さの測定方法を提供するにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、測定対象と同じ
既知の母材表面の層構造に対して超音波を放射したとき
に前記層構造を伝播する弾性波音速と前記層構造の厚さ
との関係を理論解析又はモデルを実測することにより予
め求めておき、超音波を放射するとともにその反射波を
電気信号に変換する超音波プローブを測定対象母材表面
の層構造に対して垂直方向に移動させ、その反射波の大
きさを実測することにより前記測定対象の層構造を伝播
する弾性波音速を求め、この弾性波音速に対応する前記
測定対象の層構造の厚さを前記理論解析又はモデルを実
測することにより得られた関係から求めることを特徴と
する。

〔作　用〕

さきに述べたＶ　（Ｚ）曲線、即ちＺ軸方向の距離に対
する超音波の反射強度の関係は、母材表面の層構造の厚
さ（深さ）および母材と層構造の材質が既知であれば理
論解析により求めることができる。又、モデル部材を作
成しその実測によっても求めることができる。このよう
にして得られたＶ　（Ｚ）曲線の周期を求めることがで
き、この周期から層構造の弾性波音速を求めることがで
きる。

結局、層構造の既知の厚さに対する弾性波音速を求める
ことができる。そこで、種々の材質毎に、予め上述のよ
うに層構造の厚さとその弾性波音速との関係を求めてお
き、測定対象について■（Ｚ）曲線を実測で求め、この
Ｖ　（Ｚ）曲線に基づいて弾性波音速を求め、この弾性
波音速に相当する厚さをさきに求めである弾性波音速と
層構造厚さの関係から求める。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

本実施例においては、まず、既知の材料における、設定
したある層構造の厚さｄについて理論解析により第３図
に示すようなＶ　（Ｚ）曲線を求め、このＶ　（Ｚ）曲
線の周期に基づいて当該層構造を伝播する弾性表面波Ｒ
の音速ｖＲを求める。全く同様の手法により他の種々の
厚さｄについても音速ＶＲを求める。そして、各厚さｄ
に対する各音速■８をプロットして特性曲線を作成する
。この特性曲線が第１図に示されている。第１図に示す
特性曲線では横軸に厚さｄを弾性表面波Ｒの波長λ、で
除した値が、縦軸に音速ＶＲがとっである。

以下、この特性曲線の作成について説明する。

今、第４図に示すように、水の層ｆから加工変質層０に
入射角θ、で入射する超音波について着目する。ここで
、縦波を表すスカラポテンシャルをΦ、横波を表すヘク
トルポテンシャルを甲とし、ラメ定数をλ、μとすると
、加工変質層０に生じる変位（Ｕ、　Ｗ）　、および応
力（σ２７．σ８□）は次式で表される。

ａｘ　　　　　　ａｚ 幅をそれぞれΦ？、Φ寅とすると、ポテンシャルΦ０は Φ〇−Φ？　ｅｘｐ（ｉζｇ、Ｚ＋ｉη）＋Φ’ｄ　ｅ
ｘｐ（ｉζａＺ＋ｉη）・・・（６）ただし、Ｃａは、 である。（７）式で、ωは円振動数、Ｃ２は音響媒体で
ある氷中ｆを伝播する縦波の音速を示す。

又、６ａは複素音速であり、加工変質層０を伝播する縦
波の音速、減衰定数、波長をそれぞれＣａ。

αａ、λａとすると次式で定義される。

ａｚ　　　　　　　ａｘ °°（４）あい２、よ記、６） 式におけるηは、 例えば、加工変質層０を伝播する縦波のポテンシャルを
Φ０とし、当該縦波の入射波と反射波の振Ｃ。

である。

一方、水の層ｆと加工変質層０の界面、加工変質層０と
母材Ｓの界面においては、および の境界条件が成り立つ。したがって、この（１０）式の
境界条件を上記（２）〜（９）式に代入することにより
、深さｄを含むマトリクスの方程式を得ることができる
。この方程式における深さｄに任意の値を与えて距離Ｚ
の値を変化させてゆくと第３図に示すようなＶ　（Ｚ）
曲線を得ることができ、このＶ　（Ｚ）曲線を波形解析
してその周期ΔＺを求めることができる。したがって、
（１）式を演算することにより当該型められた深さｄに
対する加工変質層０を伝播する弾性表面波の速度■７を
求めることができる。このように、各深さｄとこれに対
応する速度■えとを求めた後、両者の関係を表わす特性
曲線を描くことになるが、この場合、両者の特性をより
一層明確にするため、深さｄを弾性表面波Ｒの波長λ７
で除した値−ｄ／λ、を横軸、速度■８を縦軸にとる。

このようにして描かれた特性曲線が第１図に示されてい
る。

第１図の特性曲線をみると、加工変質層０を伝播する弾
性表面波Ｒの速度ＶＲは、ｄくλ８の範囲で非線形に減
少した後、加工変質層０の深さｄが弾性表面波の波長λ
７にほぼ等しいときの速度ｖＨに集束する。又、ｄ＝Ｑ
のときは加工変質層０が形成されないときの母材Ｓを伝
播する弾性表面波の速度Ｖｊとなる。これは弾性表面波
の波動が球面波であるため、速度■アは加工変質層０の
層厚が厚いほど加工変質層Ｏの影響を強く受け、又、層
厚が薄いほど母材Ｓの影響を強く受けることを示してい
る。そして、加工変質層Ｏの深さｄは、ｄ〈λ７の範囲
で測定可能であり、λ、以上である場合は測定できない
。

次に、上記理論解析に用いたのと同じ材質の母材を加工
した場合の加工変質層の深さの測定について述べる。超
音波プローブをＺ軸上に移動させながらこの母材表面に
超音波を放射し、その反射波の大きさを採取すると、そ
の測定対象から第３図に示すようなＶ　（Ｚ）曲線が得
られ、その周期ΔＺからその母材表面に形成された加工
変質層を伝播する弾性表面波Ｒの速度■８が求められる
。

そして、この求められた速度■８に対応るｄ／λ８の値
を第１図に示す特性曲線から求め、その値にλ８を乗じ
ると加工変質層の深さを知ることができる。

このように、本実施例では、理論解析により■（Ｚ）曲
線を求め、このＶ　（Ｚ）曲線に基づいて弾性表面波の
速度と加工変質層の深さの関係を特性曲線に作成してお
き、測定対象に対しては超音波を放射してＶ　（Ｚ）曲
線を実測により求め、これに基づいて弾性表面波の速度
を演算し、この速度に対応する深さを予め作成されてい
る特性曲線から求めるようにしたので、きわめて容易に
加工変質層の深さを測定することができる。

なお、上記実施例の説明では、ある特定の材質の母材に
おける加工変質層の深さの測定について述べたが、他の
種々の材質の母材についても、各母材について上記説明
と同様の手法で予め特性曲線を作成しておくことにより
、それら母材の加工変質層の深さの測定を行なうことが
できるのは明らかである。又、加工変質層の深さの測定
だけでなく、例えばプリント配線基板の表面に印刷され
た銅層の厚さの測定等にも適用可能である。さらに、上
記実施例の説明では、理論解析による特性曲線を作成す
る場合、横軸に−ｄ／λ８をとったが、深さｄそのもの
を横軸としてもよいのは当然である。又、上記実施例の
説明では母材表面の一点について加工変質層の深さにつ
いて測定する例を説明したが、母材表面の各点について
の測定を行ない、その測定結果を画像処理すれば、定め
られた深さ範囲毎に、母材表面に存在する加工変質層の
深さを等直線、色別、濃淡等により表示することができ
る。又、Ｖ　（Ｚ）曲線は理論解析のみではなく、同材
質の基準となる部材をモデルとし、このモデルについて
実測によりＶ　（Ｚ）曲線を求めることもできる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、理論解析にょリ、又は
モデルの実測により、予め測定対象と同一の層構造を伝
播する弾性表面波の音速と測定対象の厚さとの関係を求
めておき、実際の層構造に対しては超音波を放射するこ
とにより弾性表面波の音速を実測し、予め求められてい
る関係により対応する厚さを見出すようにしたので、超
音波の周波数を広い範囲に亘って変化させ、得られる特
性曲線の変曲点を見出すという従来の方法に比較して、
きわめて容易に測定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は弾性表面波の速度と加工変質層の深さの関係を
示す特性曲線図、第２図は従来の測定方法に使用される
装置のブロック図、第３図は超音波反射波の強度と超音
波プローブの相対位置との関係を示す特性曲線図、第４
図は加工変質層近辺の拡大図である。 ＤＣ勢− ）、＞ １謬

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定対象と同じ既知の母材表面の層構造に対して超音波
   を放射したときに前記層構造を伝播する弾性波音速と前
   記層構造の厚さとの関係を予め求めておき、超音波を放
   射するとともにその反射波を電気信号に変換する超音波
   プローブを測定対象母材表面の層構造に対して垂直方向
   に移動させ、その反射波の大きさを実測することにより
   前記測定対象の層構造を伝播する弾性波音速を求め、こ
   の弾性波音速に対応する前記測定対象の層構造の厚さを
   前記予め求められた関係を用いて求めることを特徴とす
   る物体表面の層構造の厚さの測定方法。