(57)【要約】【課題】非接触且つ非光学方式の簡便な構成で、大きな凹凸で構成された非常に粗い表面の粗さを、測定対象表面の湿気の影響を受けることなく、かつ短時間で測定することができる粗さ測定装置を提供する。【解決手段】  被測定物体２の表面粗さを測定する粗さ測定装置１ａにおいて、被測定物体２の表面上の所定領域を測定エリアとすると共に、測定エリア内の表面粗さに対応する信号を出力する粗さセンサと、粗さセンサの出力に基づいて、測定エリアの表面粗さの測定値を出力する粗さ検出部と、を備えるように構成する。このように構成された粗さ測定装置１ａは、被測定物体２の表面粗さを非接触且つ非光学方式で測定することができる。【選択図】図３
2012137473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物体の表面粗さを非接触且つ非光学方式で測定する粗さ測定装置であって、
前記被測定物体の表面上の所定領域を測定エリアとすると共に、前記測定エリア内の表面粗さに対応する信号を出力する粗さセンサと、
前記粗さセンサの出力に基づいて、前記測定エリアの表面粗さの測定値を出力する粗さ検出部と、を備えることを特徴とする粗さ測定装置。
【請求項２】
前記粗さセンサは、前記測定エリア内の表面粗さの平均値に対応する信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の粗さ測定装置。
【請求項３】
前記粗さセンサは、前記表面粗さに対応するインピーダンス変化を出力する渦電流式のセンサであることを特徴とする請求項１又は２に記載の粗さ測定装置。
【請求項４】
前記粗さセンサは、前記表面粗さに対応するキャパシタンス変化を出力する電気容量式のセンサであることを特徴とする請求項１又は２に記載の粗さ測定装置。
【請求項５】
前記被測定物体の表面と前記粗さセンサのセンサ面との離間距離であるリフトオフ量が一定となるように、前記粗さセンサを保持する接触治具を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粗さ測定装置。
【請求項６】
前記被測定物体の表面と前記粗さセンサのセンサ面との離間距離であるリフトオフ量を検出する少なくとも１つの位置検出センサと、
前記位置検出センサが検出したリフトオフ量を基に、前記粗さ検出部から出力された表面粗さの測定値を補正するリフトオフ補正部と、を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粗さ測定装置。
【請求項７】
日本工業規格で規定された粗さパラメータの値と前記表面粗さの測定値との関係を予め有しており、前記粗さ検出部から出力された表面粗さの測定値を、日本工業規格で規定された粗さパラメータの値に換算して出力する粗さパラメータ補正換算部を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の粗さ測定装置。
【請求項８】
前記粗さセンサを被測定物体の表面に沿って移動させるセンサ移動手段を備えていて、
前記粗さ検出部は、前記センサ移動手段によって移動する粗さセンサからの出力に基づいて、被測定物体における連続した複数の測定エリアでの表面粗さの測定値を出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の粗さ測定装置。
【請求項９】
前記粗さ検出部は、被測定物体における複数の測定エリアでの表面粗さの測定値を移動平均し、その結果を出力する移動平均粗さ算出部を備えていることを特徴とする請求項８に記載の粗さ測定装置。
【請求項１０】
前記移動平均粗さ算出部は、移動平均を計算するための移動平均区間長を有しており、
前記移動平均粗さ算出部は、移動平均区間長内に存在する複数の表面粗さの測定値の平均値を算出し、得られた平均値を移動平均粗さとして出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項９に記載の粗さ測定装置。
【請求項１１】
前記移動平均粗さのばらつきが所定値以内となるように、前記移動平均区間長の長さが設定されていることを特徴とする請求項１０に記載の粗さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性物質の表面の粗さを、光学方式を用いず非接触で定量的に測定する粗さ測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体表面に存在している微少な凹凸の状態を、物体の表面粗さとして評価する手法が、従来より存在する。その代表的な手法として、触針式表面粗さ測定、光波干渉式表面粗さ測定、及び電気容量式表面粗さ測定などがある。
触針式表面粗さ測定は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｂ０６０１などで規定されているように、触針を被測定面にほぼ垂直となるように接触させて一定方向に移動させ、被測定面の凹凸によって上下に変位する触針の変位量を検出し、検出した変位量から被測定面の表面粗さを求める測定手法である。
【０００３】
光波干渉式表面粗さ測定は、ＪＩＳ  Ｂ０６５２などで規定されており、半透明の標準反射面を被測定面の近くに配置して得られる繰り返し反射干渉縞を利用する繰返し干渉方式、及び予め設けられた標準反射面と被測定面で反射した２つの光線の干渉縞を利用する二光線干渉方式がある。いずれかの方式によって、被測定面の表面粗さが求められる。
電気容量式表面粗さ測定としては、例えば特許文献１に示すものがある。
【０００４】
特許文献１に開示の電気容量式表面あらさ測定器は、電極面表面に絶縁層を備えた測定電極を有するものであり、前記測定電極の電極面を一定の圧力で被測定物の被測定面に押し当て、前記測定電極の電極面を被測定面との間に形成される空隙により生じる電気容量の変化を電気信号として検出して被測定物の表面あらさを測定する。
この測定電極は、電極基体と、合成樹脂フィルム絶縁膜の一方の面に金属膜を薄膜形成してなる電極形成部材とを有し、前記電極形成部材の合成樹脂フィルム面が被測定物に対する接触面となるように、前記電極形成部材を非導電性の弾性部材を介して前記電極基体に取付けて成ることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６１−３４４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の表面粗さ測定は、主に、滑らかな面、例えば鏡面加工された面に存在する微少な凹凸を測定することを念頭に置いているものであり、滑らかな被測定面の表面粗さを規定・評価するために用いられている。
しかし現実には、物体表面を意図的に粗面加工し、サンドペーパのような粗い面を形成することはよく行われており、その加工処理工程では、加工面の粗さが所望の程度となっているか否かを評価することが求められる。
【０００７】
このような場合、ＪＩＳで規定された触針式表面粗さ測定で用いられる装置では、例えば、上述のサンドペーパのような、大きな凹凸で構成された非常に粗い面の表面粗さの測定及び評価において、大きな凹凸に触針が追従できなかったり、変位可能な範囲（測定レンジ）を超えてしまうという問題がある。
言うまでもなく、触針式表面粗さ測定は１次元での変位量を検出するものであるので、測定場所によって粗さにばらつきがある非常に粗い表面では、多くの測定回数が必要となり、測定対象全体の表面粗さを評価するには、非常に長時間を要するという問題もある。
【０００８】
また、特許文献１に開示の電気容量式表面あらさ測定器のような、電気容量式表面粗さ測定で用いられる装置は、測定対象に接触して表面粗さを測定するので、測定対象表面の凹凸によってセンサ面が劣化及び損傷するという問題がある。
さらに、測定対象表面が水で濡れていると、水の著しく高い誘電率が、測定電極の動作に大きな影響を及ぼしてしまい、正確な表面粗さの測定ができなくなる。ところが、工場などの生産現場においては、湿気などの環境を管理することは難しく、当然に、このような場所での測定は困難となる。
【０００９】
上述の光波干渉式表面粗さ測定は、すでに述べた接触式の表面粗さ測定とは異なり、非接触式であるが、意図的に粗面加工された非常に粗い表面に測定光を照射すると、当該表面で測定光が乱反射して散乱してしまい、表面粗さの測定が非常に困難になる。
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、非接触且つ非光学方式の簡便な構成で、大きな凹凸で構成された非常に粗い表面の粗さを、測定対象表面の湿気の影響を受けることなく、かつ短時間で測定することができる粗さ測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の粗さ測定装置は、被測定物体の表面粗さを非接触且つ非光学方式で測定する粗さ測定装置であって、前記被測定物体の表面上の所定領域を測定エリアとすると共に、前記測定エリア内の表面粗さに対応する信号を出力する粗さセンサと、前記粗さセンサの出力に基づいて、前記測定エリアの表面粗さの測定値を出力する粗さ検出部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記粗さセンサは、前記測定エリア内の表面粗さの平均値に対応する信号を出力するものであってもよい。
好ましくは、前記粗さセンサは、前記表面粗さに対応するインピーダンス変化を出力する渦電流式のセンサであってもよい。
好ましくは、前記粗さセンサは、前記表面粗さに対応するキャパシタンス変化を出力する電気容量式のセンサであってもよい。
【００１２】
ここで、前記被測定物体の表面と前記粗さセンサのセンサ面との離間距離であるリフトオフ量が一定となるように、前記粗さセンサを保持する接触治具を備えていてもよい。
ここで、本発明の粗さ測定装置は、前記被測定物体の表面と前記粗さセンサのセンサ面との離間距離であるリフトオフ量を検出する少なくとも１つの位置検出センサと、前記位置検出センサが検出したリフトオフ量を基に、前記粗さ検出部から出力された表面粗さの測定値を補正するリフトオフ補正部と、を備えていてもよい。
【００１３】
また、日本工業規格で規定された粗さパラメータの値と前記表面粗さの測定値との関係を予め有しており、前記粗さ検出部から出力された表面粗さの測定値を、日本工業規格で規定された粗さパラメータの値に換算して出力する粗さパラメータ補正換算部を備えていてもよい。
さらに、本発明の粗さ測定装置は、前記粗さセンサを被測定物体の表面に沿って移動させるセンサ移動手段を備えていて、前記粗さ検出部は、前記センサ移動手段によって移動する粗さセンサからの出力に基づいて、被測定物体における連続した複数の測定エリアでの表面粗さの測定値を出力するように構成されていてもよい。
【００１４】
好ましくは、前記粗さ検出部は、被測定物体における複数の測定エリアでの表面粗さの測定値を移動平均し、その結果を出力する移動平均粗さ算出部を備えていてもよい。
好ましくは、前記移動平均粗さ算出部は、移動平均を計算するための移動平均区間長を有しており、前記移動平均粗さ算出部は、移動平均区間長内に存在する複数の表面粗さの測定値の平均値を算出し、得られた平均値を移動平均粗さとして出力するように構成されていてもよい。
【００１５】
好ましくは、前記移動平均粗さのばらつきが所定値以内となるように、前記移動平均区間長の長さが設定されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、非接触且つ非光学方式の簡便な構成で、大きな凹凸で構成された非常に粗い表面の粗さを確実に測定することができる粗さ測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態による粗さ測定装置の使用態様の一例を示す模式図である。
【図２】被測定面の粗さの程度と粗さ測定用プローブのインピーダンス変化との関係を示す概念図である。
【図３】第１実施形態による粗さ測定装置の構成を示す図であり、（ａ）は位置検出センサを１つだけ備えた粗さ測定装置の構成を示す図、（ｂ）は位置検出センサを２つ備えた粗さ測定用プローブの構成を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態において、リフトオフ量と粗さ検出部が出力する粗さ測定値との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態による粗さ測定装置の使用態様の一例を示す模式図である。
【図６】第３実施形態による粗さ測定装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態による粗さ測定装置の粗さ測定値とＪＩＳによる触針式表面粗さ測定器の測定結果との関係を示す図であり、（ａ）はＪＩＳによる算術平均粗さＲａとの関係、（ｂ）はＪＩＳによる十点平均粗さＲｚＪＩＳとの関係、（ｃ）は各測定結果間の相関係数を示すものである。
【図８】本発明の第４実施形態による粗さ測定装置を示す模式図である。
【図９】本発明の第４実施形態による粗さ測定装置を示すブロック図である。
【図１０】第４実施形態のセンサ移動手段の一例を示す模式図である。
【図１１】表面粗さの測定値と移動平均区間長との関係を示す図である。
【図１２】平均粗さの算出結果を、算出に用いる移動平均区間長毎に整理した図である。
【図１３】移動平均区間長と平均粗さの標準偏差との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
（第１実施形態）
図１〜図４を参照しながら、以下に、本発明の第１実施形態による粗さ測定装置１ａについて説明する。
例えば、被測定物体２の表面に金属や樹脂などを溶射して皮膜を形成する場合、表面が粗面加工されていると、被測定物体２の表面と皮膜との界面の面積が大きくなるとともに、粗面を構成する大きな凹凸と皮膜との間で機械的なアンカー効果が発揮される。これによって、被測定物体２の表面と皮膜との間で強固な接着が実現される。
【００１９】
本実施形態において粗さ測定装置１ａは、上述のようにブラスト加工等により意図的に粗面加工された導電物質の皮膜形成前の表面を被測定面３として、被測定面３の粗さである表面粗さを測定する。
図１には、本実施形態の粗さ測定装置１ａで粗さ測定を行う被測定物体２が示されている。この被測定物体２は、金属等の導電物質からなり、その上面が大きな凹凸を有する粗い面となるように、ブラスト加工等により粗面化（粗面加工）されている。
【００２０】
図３（ａ）に示す如く、本実施形態による粗さ測定装置１ａは、被測定物体２の表面粗さを非接触且つ非光学方式で測定する粗さ測定装置１ａである。
粗さ測定装置１ａは、被測定物体２の表面上の所定領域を測定エリアとすると共に、測定エリア内の表面粗さに対応する信号を出力する粗さ測定用プローブ（粗さセンサ）４と、粗さ測定用プローブの出力に基づいて、測定エリアの表面粗さの測定値（粗さ測定値）を出力するインピーダンス変化検出部（粗さ検出部）６と、を備えている。
【００２１】
これに加えて、粗さ測定装置１ａは、被測定物体２の表面と粗さ測定用プローブのセンサ面との離間距離であるリフトオフ量を検出する少なくとも１つの位置検出センサ５と、位置検出センサ５が検出したリフトオフ量を基に、前記インピーダンス変化検出部から出力された表面粗さの測定値を補正するリフトオフ補正部と、インピーダンス変化検出部６から出力された表面粗さの測定値、及びリフトオフ補正部で補正された表面粗さの測定値を表示する表示部８ａと、を備えている。
【００２２】
粗さ測定用プローブ４（以下、プローブ４という）は、一般的な渦流探傷に用いられるプローブと略同様の構成を有しており、略円柱状の筐体を備え、当該筐体内に、例えば、巻径約１０ｍｍ程度のコイルを有するものである。コイルは、コイルの巻方向に略垂直な長さ方向が、筐体の長手方向に沿うように配置されている。
このように配置されたコイルに、数１００ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数の交流電流を加えて励磁すると、コイルの軸芯方向に沿って、略円柱状の筐体の両端の底面を貫く磁束が発生する。この磁束が貫く両端の底面のうち、一方の底面がセンサ面（図示せず）として用いられ、プローブ４は、このセンサ面が被測定物体２の被測定面３に対向するように配置される。このとき、被測定面３上でセンサ面と対向する領域は、表面粗さが測定される測定エリアとなる。
【００２３】
センサ面は、例えば０．１ｍｍ程度の所定間隔だけ離れて被測定面３に対向するので、粗さ測定用プローブ４は被測定物体２とは接触しない（非接触）。このように、センサ面が被測定面３から離れていることをリフトオフといい、このときのセンサ面から被測定面３までの距離をリフトオフ量という。
センサ面を貫く磁束によって、導体である被測定面３近傍の磁界が変化すると、その磁界変化を打ち消す磁界が被測定面３近傍で発生し、被測定面３に渦電流が流れる。被測定面３を流れる渦電流は、同じく被測定面３近傍の磁界変化を生み、この渦電流による磁界変化よってコイルのインピーダンスが変化する。
【００２４】
図２に示すように、リフトオフ量が一定となるようにプローブ４を配置する。このときの被測定面３が平滑で、傷も凹凸も少ない粗さがほぼゼロといえる状態であれば、被測定面３上にプローブ４を配備した際、コイルのインピーダンス変化は小さいものとなる。
このインピーダンス変化は、被測定面３の粗さが大きくなるにつれて大きくなる。図２では、被測定面３の粗さが「小」のときはインピーダンス変化は「中」となり、被測定面３の粗さが「大」のときはインピーダンス変化も「大」となるとして、表面粗さの程度とインピーダンス変化の程度の関係を定性的に示している。これは、渦電流が流れる２次元の測定エリアに存在する凹凸表面での凹（凸）から凸（凹）にかけての高さ変化についても、見かけ上の変位量として検出するためである。
【００２５】
つまり、被測定面３上にプローブ４を配備した際、又はプローブ４を移動させた際のコイルのインピーダンス変化を基にすれば、被測定面３の表面粗さを検出することができる。
図２では、リフトオフ量が一定となるようにプローブ４を配置した。しかし、インピーダンス変化はリフトオフ量の変化にも依存しているので、リフトオフ量を一定に保つことができず変化する場合、リフトオフ量の変化に応じてインピーダンス変化を補正する必要がある。
【００２６】
なお、被測定面３が約０．１ｍｍほどの大きさの凹凸で構成されており、且つ粗さ測定用プローブ４のセンサ面がコイルの直径とほぼ等しい約１０ｍｍである場合、センサ面に対向する測定エリアには、直径方向に沿って約１００個の凹凸が並ぶ。これにより、測定エリアには多数の凹凸が含まれるので、コイルが示すインピーダンス変化は、測定エリアに含まれる凹凸の平均を示していると考えることができる。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、位置検出センサ５は、粗さ測定用プローブ４の側部に設けられたレーザ式の変位センサである。位置検出センサ５は、被測定面３に２０μｍ程度のスポット径のレーザを照射して、位置検出センサ５の距離検出面から被測定面３までの距離を検出する。
位置検出センサ５は、この距離検出面とプローブ４のセンサ面が同一面上で揃うように配置されており、これによって、被測定面３からプローブ４のセンサ面までの距離であるリフトオフ量を検出することができる。
【００２８】
インピーダンス変化検出部６は、例えばブリッジ回路などで構成されている。インピーダンス変化検出部６は、プローブ４におけるコイルのインピーダンス変化を検出し、検出したインピーダンス変化を表面の凹凸の落差を表す粗さ測定値に変換して、後述する表示部８ａに出力するものである。
インピーダンス変化検出部６は、粗さ測定値だけでなく、検出したインピーダンス変化を表示部８ａに直接出力してもよい。
【００２９】
リフトオフ補正部７ａは、例えばパソコンなどで構成されており、位置検出センサ５が検出したリフトオフ量とインピーダンス変化検出部６が検出した粗さ測定値とを基に、受信した粗さ測定値に対してリフトオフ量に基づいた補正をするものである。
図４に例示するように、リフトオフ補正部７ａは、リフトオフ量の変化に対する粗さ測定値の変化特性を予め有している。この変化特性は、リフトオフ量を様々に変化させて粗さ測定値を測定し、各リフトオフ量に対する粗さ測定値を得ることで把握することができる。
【００３０】
図４において、位置検出センサ５が検出したリフトオフ量が実測値ＬRであり、測定において基準とするリフトオフ量が設定値ＬSであった場合、実測値ＬRに対する粗さ測定値が値ＶRとなり、設定値ＬSに対する粗さ測定値が値ＶSとなる線形関係が示されている。
この線形の変化特性に基づけば、位置検出センサ５が検出したリフトオフ量が実測値ＬRであるとき、インピーダンス変化検出部６から出力された粗さ測定値を、図４に例示する変化特性を基にして、設定値ＬSにおける粗さ測定値として補正することができる。
【００３１】
リフトオフ補正部７ａは、上述のように補正した粗さ測定値や位置検出センサ５が検出したリフトオフ量を、後述する表示部８ａに出力する。
表示部８ａは、例えばＣＲＴや液晶のモニタである。インピーダンス変化検出部６が出力した粗さ測定値やインピーダンス変化と、リフトオフ補正部７ａが出力した粗さ測定値やリフトオフ量をユーザに対して表示する。
【００３２】
このように構成された粗さ測定装置１ａの動作態様について、以下に説明する。
まず、プローブ４を垂直方向及び水平方向に移動可能となるように被測定面３上で保持する保持部材を用意し、当該保持部材でプローブ４を保持する。その上で、位置検出センサ５が出力するリフトオフ量を参照しつつ保持部材を移動させ、プローブ４のセンサ面が、予め設定したリフトオフ量だけ被測定面３から離れるようにプローブ４を配置する。このとき位置検出センサ５は、数ｍｍ程度水平方向に移動して、移動範囲において最小となる距離ＬM（凹凸のピークとの距離）を見つけ、この距離ＬMが予め設定したリフトオフ量となるようにプローブ４が配置される。
【００３３】
位置検出センサ５は、プローブ４が次の被測定エリア上へ移動する度に上述の動作を繰り返して、リフトオフ量を計測する。
その後、プローブ４のコイルに、所定周波数で一定の大きさの交流電流を供給すると、コイルは、供給された交流電流に応じた磁界を発生する。発生した磁界は被測定面３近傍の磁界を変化させるため、その磁界変化を打ち消す磁界が被測定面３近傍で発生する。これによって、被測定面３の測定エリアに渦電流が流れる。
【００３４】
測定エリアを流れる渦電流は、同じく被測定面３近傍の磁界変化を生み、この渦電流による磁界変化の影響を受けてコイルのインピーダンスが変化する。この状態から、リフトオフ量を維持しつつプローブ４を移動させると、被測定面３の状態に応じてコイルのインピーダンスが変化する。
インピーダンス変化検出部６は、プローブ４が出力したインピーダンス変化を受信して粗さ測定値に変換し、粗さ測定値をリフトオフ補正部７ａに出力し、インピーダンス変化と粗さ測定値を表示部８ａに出力する。
【００３５】
リフトオフ補正部７ａは、位置検出センサ５が出力したリフトオフ量と上述した粗さ測定値の変化特性とを基にして、インピーダンス変化検出部６から受信した粗さ測定値を補正する。リフトオフ補正部７ａは、この補正された粗さ測定値と補正の基としたリフトオフ量を表示部８ａに出力する。
表示部８ａは、インピーダンス変化検出部６が出力したインピーダンス変化と粗さ測定値を表示し、リフトオフ補正部７ａが出力した補正された粗さ測定値とリフトオフ量を表示する。
【００３６】
上述の実施形態では、位置検出センサ５を１つだけ用いてリフトオフ量を計測したが、位置検出センサ５は１つに限らなくてもよい。
図３（ｂ）に示すように、プローブ４の直径方向における両側部に２つの位置検出センサ５を備えてもよい。一方の位置検出センサ５が、上述の位置検出センサ５と同様の方法でリフトオフ量を測定し、リフトオフ量Ｌ１とする。また、他方の位置検出センサ５が、上述に位置検出センサ５と同様の方法でリフトオフ量を測定し、リフトオフ量Ｌ２とする。このように得られたリフトオフ量Ｌ１とリフトオフ量Ｌ２の平均を算出して、リフトオフ量Ｌ３を得る。
【００３７】
このように得られたリフトオフ量Ｌ３を、位置検出センサ５を１つだけ用いた場合におけるリフトオフ量として扱うことで、プローブ４のリフトオフ量をより正確に計測することができる。
尚、本実施形態では、インピーダンス変化検出部６が出力した粗さ測定値を、位置検出センサ５によって検出されたリフトオフ量を基にして、リフトオフ補正部７ａが補正した。しかし、位置検出センサ５がリフトオフ量を計測する度に、プローブ４のリフトオフ量が設定値となるように保持部材を垂直移動させることができれば、常にリフトオフ量を設定値に保つことができるので、粗さ測定値を補正しなくてもよい。
【００３８】
リフトオフ補正部７ａを用いるか否かは、粗さ測定装置１ａの実際の使用態様にあわせて選択すればよい。
上述のように構成された粗さ測定装置１ａによって、非接触且つ非光学方式の簡便な構成で、大きな凹凸で構成された非常に粗い表面の粗さを、測定対象表面の湿気の影響を受けることなく、かつ短時間で測定することができる。
（第２実施形態）
図５を参照しながら、本発明の第２実施形態による粗さ測定装置１ｂについて説明する。
【００３９】
本実施形態による粗さ測定装置１ｂは、第１実施形態による粗さ測定装置１ａから、位置検出センサ５とリフトオフ補正部７ａを除いた構成となっている。
しかし、本実施形態においても第１実施形態と同じく、リフトオフ量が一定となるように粗さ測定用プローブ４（以下、プローブ４という）を保持する手段が必要である。そこで、本実施形態による粗さ測定装置１ｂは、プローブ４を保持する接触治具９を備えている。
【００４０】
図５に示すように、接触治具９は、正面視で「門型」の部材であり、プローブ４を保持する保持部と、被測定面３に当接して保持部の両端を支持する支持部とからなるものである。
保持部は、被測定面３上に配置された際に、水平方向に延びる角柱状の部位であり被測定面３から所定距離だけ離間するものとなっており、その中央部にプローブ４を保持する保持孔が設けられている。この保持部の両端から垂下状にほぼ同じ四角柱形状の２つの支持部を設けることで、門型の接触治具９が構成されている。この接触治具９において、２つの支持部はほぼ同じ四角柱形状であるので、保持部は、被測定面３に対して略平行となるように支持される。
【００４１】
このように構成された接触治具９の保持部にプローブ４を取り付ける。プローブ４は、センサ面が下方に向くように保持部に設けられた保持孔に挿入され、リフトオフ量が設定値（一定値）となる位置で固定される。
このようにプローブ４を取り付けた接触治具９を用いれば、複雑な機構を設けることなく非常に簡便に、被測定面３上の任意の位置で常にリフトオフ量を設定値に保つことができる。
（第３実施形態）
図６及び図７を参照しながら、本発明の第３実施形態による粗さ測定装置１ｃについて説明する。
【００４２】
図６に示すように、本実施形態による粗さ測定装置１ｃは、第１実施形態による粗さ測定装置１ａに、校正用粗さパラメータ記憶部１０と、粗さパラメータ補正換算部１１とを加えた構成となっていると共に、リフトオフ補正部７ｂの動作が、第１実施形態におけるリフトオフ補正部７ａとは若干異なる。これら校正用粗さパラメータ記憶部１０、粗さパラメータ補正換算部１１は、パソコンなどで構成されている。
【００４３】
リフトオフ補正部７ｂは、第１実施形態におけるリフトオフ補正部７ａと同様に、位置検出センサ５が検出したリフトオフ量とインピーダンス変化検出部６が検出した粗さ測定値とを受信して、リフトオフ量に基づいて受信した粗さ測定値を補正するものである。
リフトオフ補正部７ｂは、第１実施形態におけるリフトオフ補正部７ａと同様に、図４に示すようなリフトオフ量の変化に対する粗さ測定値の変化特性に基づいて、インピーダンス変化検出部６から受信した粗さ測定値を補正する。
【００４４】
リフトオフ補正部７ｂは、上述のように補正した粗さ測定値や位置検出センサ５が検出したリフトオフ量を、後に説明する粗さパラメータ補正換算部１１に出力する。
校正用粗さパラメータ記憶部１０は、日本工業規格ＪＩＳで規定された粗さパラメータの値と被測定面の粗さ測定値との相関関係を示す情報を有している。
図７（ａ）は、触針式表面粗さ測定器または光波干渉式表面粗さ測定器によって得られた粗さパラメータＲａ（算術平均粗さ）の値と、同一範囲を本実施形態の粗さ測定装置１ｃによって測定して得られた表面粗さの測定値との相関関係を示すグラフである。この図から明らかなように、粗さパラメータＲａと粗さ測定装置１ｃの粗さ測定値（インピーダンス変化検出部６の出力）とは、ほぼ１次関数で近似できる相関関係がある。
【００４５】
図７（ｂ）は、触針式表面粗さ測定器または光波干渉式表面粗さ測定器によって得られた粗さパラメータＲｚＪＩＳ（十点平均粗さ）の値と、同一範囲をプローブ４によって測定して得られた表面粗さの測定値との相関関係を示すグラフである。この図から明らかなように、粗さパラメータＲｚＪＩＳと粗さ測定装置１ｃの粗さ測定値（インピーダンス変化検出部６の出力）とは、ほぼ１次関数で近似できる相関関係がある。
【００４６】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示す関係は、次の手順で求めることができる。
表面粗さの異なる複数の被測定物体（サンプル）を用意し、本実施形態による粗さ測定装置１ｃのプローブ４を用いて、サンプル表面の粗さを測定する。その後、触針式表面粗さ測定器を用いて、同一のサンプル表面において、プローブ４による測定と同じ測定範囲の粗さを測定する。
【００４７】
このように、異なるサンプルに対して、粗さ測定装置１ｃのプローブ４による測定と、触針式表面粗さ測定器による測定とを繰り返し、両方の測定値に対応する点をプロットすることで、図７（ａ）、図７（ｂ）のグラフに示す関係を得ることができる。
粗さパラメータ補正換算部１１は、図７（ａ）または図７（ｂ）に示す校正用粗さパラメータ記憶部１０から読み込んだ相関関係に基づいて、リフトオフ補正部７ｂから受信した粗さ測定値をＪＩＳで規定された粗さパラメータに変換し、表示部８ｂに出力する。
【００４８】
図７（ａ）または図７（ｂ）で、１次関数で近似された関係に基づいて、リフトオフ補正部７ｂから受信した粗さ測定値に対応する粗さパラメータＲａやＲｚＪＩＳの値を出力する。
表示部８ｂは、第１実施形態と同様に、例えばＣＲＴや液晶のモニタである。インピーダンス変化検出部６が出力した粗さ測定値やインピーダンス変化と、粗さパラメータ補正換算部１１が出力した粗さパラメータＲａやＲｚＪＩＳの値をユーザに対して表示する。
【００４９】
図７（ｃ）を参照し、本実施形態による粗さ測定と触針式表面粗さ測定との相関について、考察する。
まず、表面粗さの異なる複数のサンプルに対して、触針式表面粗さ測定器を用い、サンプルの被測定面の縦横２方向に沿って十字方向に粗さパラメータＲａを測定した。その後、本実施形態による粗さ測定装置１ｃ（図７（ｃ）ではセンサと示す）を用いて、同一範囲の粗さを測定し粗さ測定値を得た。
【００５０】
測定した結果について、触針式表面粗さ測定器による縦方向の粗さパラメータＲａと横方向の粗さパラメータＲａの平均値と、粗さ測定値とを図７（ａ）または図７（ｂ）の如くプロットし相関係数を求めた。このときの両者の相関係数は０．９３であった。
同様に、縦方向の粗さパラメータＲａと粗さ測定値とをプロットしたときの相関係数は０．９であった。横方向の粗さパラメータＲａと粗さ測定値とをプロットしたときの相関係数は０．９１であった。また、縦方向の粗さパラメータＲａと横方向の粗さパラメータＲａとをプロットしたときの相関係数は０．８８であった。
【００５１】
この結果が示すように、粗さパラメータＲａの平均を考慮しない場合の相関係数は０．８８〜０．９１であるのに対して、粗さパラメータＲａの平均を考慮した場合の相関係数は０．９３と高いものになっている。よって、本実施形態による粗さ測定装置１ｃは、渦電流が流れる測定エリア内の粗さの平均である２次元の粗さ情報を反映した評価が可能であるといえる。
【００５２】
つまり、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように１次関数で関係を近似して、粗さ測定値を粗さパラメータＲａやＲｚＪＩＳに換算しても、測定エリア内の粗さの平均である２次元情報を正確に反映したものであると見なすことができる。
上述のように構成された本実施形態による粗さ測定装置１ｃを用いれば、非接触且つ非光学方式の簡便な構成で、大きな凹凸で構成された非常に粗い表面の粗さを測定し、従来、触針式表面粗さ測定器または光波干渉式表面粗さ測定器で測定していた日本工業規格ＪＩＳによる粗さパラメータの値を得ることができる。
【００５３】
上記各実施形態において、粗さ測定用プローブ４として、コイルに代えて、例えば、コンデンサなどを用いた電気容量式のセンサを用いることができる。電気容量式のセンサを用いれば、表面の粗さに応じたキャパシタンス変化を出力することができるので、粗さ測定用プローブ４の機能を実現することが可能である。
（第４実施形態）
図８及び図９を参照しながら、本発明の第４実施形態による粗さ測定装置１ｄについて説明する。
【００５４】
本実施形態による粗さ測定装置１ｄは、粗さセンサ（粗さ測定用プローブ４）を被測定物体２の表面に沿って移動させるセンサ移動手段１２を備えている。そして、このセンサ移動手段１２によって移動する粗さセンサ４からの出力に基づいて、被測定物体２における(連続した）複数の測定エリアでの表面粗さの測定値を出力するように粗さ検出部１３が構成されていることを特徴としている。
【００５５】
このようにセンサ移動手段１２を設けなくてはならない理由を、図８の模式図を用いて説明する。
例えば、粗さ測定用プローブ４の測定面が、粗さを測定しようとする表面（被測定面３）の凹凸に比して十分な面積を備えている場合、言い換えれば、測定面の大きさが表面の凹凸構造の大きさに対応したものとなっている場合は、上述した第１〜第３実施形態の粗さ測定装置１ａ〜１ｃを用いても十分な粗さの測定は可能である。
【００５６】
しかし、測定対象表面の粗さを実際に計測する場合には、粗さ測定用プローブ４の測定面に比して測定エリアの凹凸の方が大きい場合がある。
例えば、図８に示すように周期の大きな凹凸構造が測定対象表面に存在する場合であっても、図の左側の大型のセンサを用いるのであれば測定対象表面の粗さを１回測定するだけでも精確な測定結果が得られる可能性はある。しかし、用いる粗さ測定用プローブ４が図右側に示すような小型のセンサの場合には、１回測定するだけでは十分な測定結果は得られることはなく、複数回に亘って測定を行ってより広範な領域分の測定結果を集める必要がある。
【００５７】
そこで、本発明の粗さ測定装置１ｄでは、粗さ測定用プローブ４（粗さセンサ）を被測定物体２の表面に沿って移動させるセンサ移動手段１２を設けて、より広範な領域に対して粗さの測定を可能としているのである。
具体的には、粗さ測定装置１ｄには、上述したセンサ移動手段１２で移動した粗さ測定用プローブ４の移動量を計測する移動量計測手段１４が設けられている。そして、粗さ検出部１３は、この移動量計測手段１４で計測された移動量を基に、被測定物体２における複数の測定エリアでの表面粗さの測定値を移動平均し、その結果を移動平均粗さとして出力するように構成されている。そして、この粗さ検出部１３には移動平均を計算するための移動平均粗さ算出部１５が設けられており、この移動平均粗さ算出部１５では予め入力された移動平均区間長に基づいて移動平均粗さを算出する構成とされている。
【００５８】
次に、粗さ測定装置１ｄを構成する各部材、すなわちセンサ移動手段１２、移動量計測手段１４、粗さ検出部１３及びこの粗さ検出部１３に設けられた移動平均粗さ算出部１５について、詳しく説明する。
図９及び図１０に示すように、センサ移動手段１２は、粗さ測定用プローブ４を固定可能なセンサホルダ１６と、このセンサホルダ１６を左右方向（水平方向）に沿って案内可能なガイド溝１７を備えたセンサガイド１８とを有している。
【００５９】
センサホルダ１６は、その表面を水平方向に向けるように配備された板状の本体を有している。このセンサホルダ１６の本体の中央には、この本体を上下方向に貫通するように粗さ測定用プローブ４が固定されている。
センサホルダ１６本体は、上側と下側とで幅が異なるような段付き構造となっていて、上側は下側に比べて広幅に形成されている。このセンサホルダ１６本体の下側はガイド溝１７に入り込むことができる幅に形成されているが、この下側より広幅のセンサホルダ１６の本体の上側はガイド溝１７の幅よりも広幅に形成されており、ガイド溝１７に入り込むことができない。それゆえ、センサホルダ１６は、センサホルダ１６本体の下側のみがガイド溝１７内に差し込まれた状態（下方移動を規制された状態）で、このガイド溝１７に沿って水平方向に移動する。
【００６０】
センサガイド１８は、水平方向に長い板状の部材であり、その中央にはガイド溝１７が上方から見た場合に左右方向に長い長方形状の開口形状となるように形成されている。このガイド溝１７は、センサガイド１８の表面に左右方向に向かって伸びており、上述したセンサホルダ１６を左右方向に案内できるようになっている。これらのセンサホルダ１６とセンサガイド１８との間には、粗さ測定用プローブ４（センサホルダ１６）の移動量を計測する移動量計測手段１４が設けられている。
【００６１】
移動量計測手段１４は、一般的に磁気スケールと言われるものであって、Ｓ極及びＮ極の磁石（磁性体）とがセンサガイド１８の表面に一定間隔毎に格子縞のように繰り返し配備された磁気目盛部１９と、センサホルダ１６に設けられて磁気目盛部１９の磁気目盛を読み取る磁気センサ２０（位置検出センサ）とで構成されている。この移動量計測手段１４では、磁気センサ２０が磁気目盛を読み取ることで粗さ測定用プローブ４の移動量を算出するようになっており、算出された移動量は後述する粗さ検出部１３に出力される。
【００６２】
なお、移動量計測手段１４としては、磁気スケール以外の手段を採用することもできる。例えば、図示は省略するが、移動量計測手段１４としては、センサガイド１８に直線状のラックギアを設けると共にセンサホルダ１６にこのラックギアに噛み合うと小径のピニオンギアを設け、粗さ測定用プローブ４の移動量をピニオンギアの回転に変換し、その軸に取り付けたロータリーエンコーダにより移動量を検出する構成を採用することもできる。
【００６３】
粗さ検出部１３は、センサ移動手段１２によって移動する粗さセンサ４からの出力に基づいて、表面粗さの測定値の移動平均を粗さの結果として出力する構成となっている。具体的にはこの粗さ検出部１３には、予め入力されたプログラムに従って信号の処理が可能なパソコン又はプロコンのような機器が用いられ、表面粗さの測定値の移動平均を算出する移動平均粗さ算出部１５を備えている。
【００６４】
移動平均粗さ算出部１５は、被測定物体２における(連続した）複数の測定エリアでの表面粗さの測定値を、予め与えられた移動平均区間長Ｌごとに移動平均するものである。この移動平均区間長Ｌは、移動平均を計算する際に平均化に用いられる測定値の範囲を長さ（移動量）として示すものであり、移動平均粗さのばらつきが所定の値以内となるような移動量として設定されている。
【００６５】
具体的には、移動平均区間長Ｌは、この移動平均区間長Ｌを採用したときの移動平均粗さとの関係を求め、求められた移動平均粗さのバラツキ（標準偏差）が最小となるような値として設定される。なお、この移動平均区間長Ｌの設定方法については、後ほど詳しく述べる。
次に、粗さ検出部１３（移動平均粗さ算出部１５）で行われる信号処理、具体的には本発明の粗さ測定方法について説明する。
【００６６】
まず、センサ移動手段１２を用いて、粗さ測定用プローブ４を一方向（右方向）に移動させつつ粗さの測定を行う。具体的には、図１１に示すように、粗さ測定用プローブ４を固定するセンサホルダ１６を、ガイド溝１７に沿って右方向に向かって水平に移動させ、この粗さ測定用プローブ４が０．５ｍｍ移動するたびに粗さの測定を行う。このようにすれば、０．５ｍｍピッチの粗さデータが得られる。
【００６７】
次に、このようにして得られた０．５ｍｍピッチの粗さデータを、移動平均区間Ｌの範囲で移動平均する。すなわち、移動平均区間Ｌの範囲にある粗さデータの算術平均を行い、移動平均区間の中間点Ｌ／２の位置に算術平均値を対応させるようにする。
なお、図１１に示すように粗さ測定用プローブ４を右方向にさらに移動させ続ければ、上述した移動平均区間Ｌ（及び移動平均区間の基準となる中間点）の範囲も右側に向かって変遷する（ずれる）。そして、この移動平均区間Ｌの変遷に合わせて、移動平均区間Ｌに含まれる複数の粗さデータに新たに測定された粗さデータが追加されると共に、このデータの追加に合わせて移動平均区間の左側にあった粗さデータが除外される。つまり、粗さ測定用プローブ４の右方向に向かう移動に対応して、移動平均区間Ｌに含まれる複数の粗さデータの更新が行われ、移動平均区間Ｌに含まれる複数の測定データを代表する移動平均粗さの算出結果も変化する。このようにすることで、測定範囲に存在する細かな凹凸変化は排除され、大きな凹凸変化の値が得られるようになる。すなわち、粗さ測定用プローブ４から得られたデータに対してローパスフィルタが施されることとなる。
【００６８】
この移動平均の算出に必要な移動平均区間Ｌ（言い換えれば、ローパスフィルタのカットオフ域の設定）は、図１２に示すようなやり方で設定することができる。
すなわち、図１２（ａ）〜（ｈ）は、移動平均区間の大きさをＬ＝５ｍｍ→１０ｍｍ→１５ｍｍ→２５ｍｍ→５０ｍｍ→１００ｍｍ→１５０ｍｍ→２００ｍｍの順に大きくした際に、各移動平均区間Ｌに含まれる粗さデータの算術平均の結果（移動平均粗さの結果）を示したものである。
【００６９】
図１２によれば、移動平均区間Ｌが５〜５０ｍｍと小さい場合には、移動平均粗さのバラツキは大きくなっており、被測定物体２の表面における局部的な凹凸の影響を受けてバラツキが大きくなっていることがわかる。しかし、移動平均区間の大きさを徐々に大きくしていくと移動平均粗さのバラツキが徐々に小さくなり、移動平均区間Ｌ≧１００ｍｍで移動平均粗さの測定結果はほぼ平坦となる。このことから、本実施形態では移動平均区間Ｌとして１００ｍｍ以上の値を採用すれば、被測定物体２の表面における局部的な凹凸の影響を排除した測定エリアの粗さを得ることができると判断される。
【００７０】
詳しくは、図１３に示すように、評価値Ｓを用いて移動平均区間Ｌを設定するとよい。
例えば、移動平均区間として十分に大きな基準長さＬ0を設定し、その基準長さＬ0での移動平均の値Ｒm（Ｌ0）を算出する。なお、この基準長さＬ0は、図例では２５０ｍｍとしている。
さらに、移動平均区間がＸの場合の移動平均粗さＲ（Ｘ）を基に、その標準偏差σを求める。これら得られた値を基に式（１）により評価値Ｓを求める。
Ｓ＝σ（Ｒ（Ｘ））／Ｒm（Ｌ0）        ・・・(1)
上述した式（１）を用いて求められた評価値Ｓを、移動平均区間Ｘに対する変化として整理すれば、移動平均区間Ｘが適正かどうかを判断することができる。
【００７１】
例えば、図１３に示すように、面Ａ、Ｂ、Ｃについては移動平均区間Ｘ≧１００ｍｍの範囲で評価値σが十分小さくなっており、移動平均区間を１００ｍｍ以上とすればよいと判断される。一方、面Ｄについては移動平均区間Ｘ≧２５０ｍｍでも評価値σは小さくならないため、移動平均区間Ｘとしては少なくとも２５０ｍｍを選ぶ必要があると考えられる。
【００７２】
なお、移動平均区間として十分に大きな基準長さＬ0を設定することが困難な場合には。Ｒm（Ｌ0）に代えて、式（２）に示すように粗さデータをプローブの全移動区間Ｌaに亘って平均した粗さＲm（Ｌa）を用いて評価値Ｓ’を得ることもできる。
Ｓ’＝σ（Ｒ（Ｘ））／Ｒm（Ｌa）        ・・・(2)
この評価値Ｓ’を上述したＳの代わりに用いても、移動平均区間Ｘが適正かどうかを判断することができる。
【００７３】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００７４】
例えば、図６に示すように、本実施形態による粗さ測定装置１ｃは、位置検出センサ５を１つだけ備えるように構成されていたが、第１実施形態で図３（ｂ）を用いて説明したように、位置検出センサ５を２つ備えるように構成してもよい。位置検出センサ５を２つ備えることで、より正確にリフトオフ量を検出することができる。
また、リフトオフ補正部７ａは、被測定物体２の材質によるリフトオフ特性の変化（ｙ切片や傾きの変化）を校正するために、材質別の校正データテーブルを備えるように構成してもよい。被測定物体２の材質を変更する毎に校正データを切り替えることで、より正確にリフトオフ量を検出することができる。
【００７５】
また、上述した実施形態において、粗さ測定用プローブ４のコイルの巻径を約１０ｍｍ程度とした。しかし、コイルの巻径は、所望する測定エリアの大きさに合わせて任意に選択することができる。通常、測定エリアの大きさは、被測定面３の形状や粗さに合わせて選択されるので、大きな測定エリアが必要な場合はコイルの巻径を大きくし、小さな測定エリアが必要な場合は、コイルの巻径を小さくすればよい。
【００７６】
なお、コイルとしては、例えばソレノイドコイルや、平面形状のコイルを用いることもできる。平面形状のコイルの場合、非常に幅の狭い溝のような狭隘部に差し込んで用いると、通常のソレノイドコイルでは測定が困難である溝の内側に存在する被測定面の表面粗さを測定することが可能となる。
【符号の説明】
【００７７】
１ａ，１ｂ，１ｃ  粗さ測定装置
２  被測定物体
３  被測定面
４  粗さ測定用プローブ
５  位置検出センサ
６  インピーダンス変化検出部
７ａ，７ｂ  リフトオフ補正部
８ａ，８ｂ  表示部
９  接触治具
１０  校正用粗さパラメータ記憶部
１１  粗さパラメータ補正換算部
１２ センサ移動手段
１３ 粗さ検出部
１４ 移動量計測手段
１５ 移動平均粗さ算出部
１６ センサホルダ
１７ ガイド溝
１８ センサガイド
１９ 磁気目盛部
２０ 磁気センサ
【図２】
2012137473.tif 000003
【図３】
2012137473.tif 000004
【図４】
2012137473.tif 000005
【図６】
2012137473.tif 000006
【図７】
2012137473.tif 000007
【図８】
2012137473.tif 000008
【図９】
2012137473.tif 000009
【図１２】
2012137473.tif 000010
【図１３】
2012137473.tif 000011
【図１】
2012137473.tif 000012
【図５】
2012137473.tif 000013
【図１０】
2012137473.tif 000014
【図１１】
2012137473.tif 000015