粗さ計 / 形状測定機

粗さ計とは

部品の加工面の状態（ツルツルやザラザラ）を測定するのが「粗さ計」です。
測定結果から得られた粗さ曲線をもとに、各種指標を用いて加工面の指示や評価をおこないます。
粗さ計には、触針を使用する「接触式」と、レーザーなどを使用する「非接触式」があります。

接触式

触針の先端を測定対象に接触させて部品の表面の状態を測定します。
測定対象の表面をなぞりながら、触針の上下方向の変化（変位）を検出して記録する方式です。
接触式の粗さ計では、触針の先端Rをできるだけ小さくして、接触圧を低くすることが、微細な形状を高精度で測定するためのポイントになります。
材質にはサファイヤまたはダイヤモンドが使用されていてます。
触針の先端径は、通常10µm以下が必要であり、理想的な形状は球状の先端をもつ円錐になります。
測定対象に直接触れるため、明瞭な形状波形が得られる、長い距離が測定できるなどの特長があります。 その反面、以下のようなことにも注意が必要です。

触針の摩耗

測定対象と直接接触するため、摩擦により摩耗が生じます。触針の形状が直接測定結果に影響するため、状態に応じて研磨（または交換）が必要になります。

対象物への圧痕

硬質な素材でできた触針を一定の圧力で接触させるため、観察対象が傷つく場合があります。高速で移動させるときにも注意が必要です。

最小測定値

粗さ計で測定できる形状は、触針の先端径に依存しています。先端径よりも小さな溝などは測定することができません。

非接触式

触針の代わりに光を使用しているのが、非接触式の粗さ計です。
共焦点方式や白色干渉方式など、原理の違いにより複数の測定方式があります。
・共焦点方式 ：測定対象に光を照射して、その反射光を読み取って測定します。この時、ピンホールを使用してピントのボケを排除して高精度な測定を実現する「共焦点光学系」と呼ばれる構造を持つことからこのように呼ばれます。
・白色干渉方式 ：測定対象の広い範囲に白色光を照射します。この光の一部を分離して参照面（ミラー）に照射し、参照面、対象物それぞれの反射光を合成した際に発生する干渉縞によって形状を算定します。
非接触式の場合、表面粗さの測定と合わせて形状測定をおこなうものが多数あります。
測定結果を三次元データ化して、高さ、平面度、平面プロファイルなど様々な測定をおこないます。

非接触式では、接触式で課題となっていた、触針の摩耗、対象物への圧痕、最小測定値の制限を解決しています。加えて、測定時間が短く精度の高い測定結果を得られることもその特長です。
一方で、光の届かない場所や反射が正常に得られない形状は苦手となりますので、複雑な形状をしている対象物を測定する際には、置き方を変えたり、最表面が露出するようカットしたりする工夫が必要です。
これらを踏まえて、測定対象に合った機器を選ぶことが大切です。

形状測定機とは

形状測定機とは、部品の形状をデータ上で立体的にとらえてさまざまな測定を行う測定機です。形状測定機による測定点の情報は、三次元の座標（X、Y、Z）として記録されます。その座標情報を組み合わせることで、二次元または三次元の幾何学要素を作成します。

どちらにも据置型やハンディ型といった設置方法による分類や、門型、多関節アーム型といった外観による分類、接触式や非接触式といった測定方法による分類など、測定機のタイプや測定方法などにより呼称や分類方法が異なります。

粗さ計のメリット：測定方法が接触式や光学式など多様

粗さ計は「表面性状測定機」ともいわれ、測定方法は接触式や光学式などさまざまな原理があります。それぞれの原理には長所と短所があります。なかでも、接触式または触針式といわれる粗さ計は、さまざまな分野で多く用いられています。

形状測定機のメリット1：微細な輪郭形状も測定可能

形状測定機は、対象物の表面をなぞることで、その輪郭形状を測定し記録する測定機です。表面粗さを測定できるものもあり、CNC制御の機種では、角度や円弧の半径、段差、ねじのピッチなどの測定が可能です。また、ねじ山の形状やミクロン単位の薄膜など、微細な形状の測定にも適しています。

形状測定機のメリット2：線や点ではなく面での測定ができる

従来、形状測定には接触式が多く用いられてきました。しかし、近年では光切断法や歪みのないレンズの搭載、さらに投光パターンの開発などにより非接触式の課題を克服した非接触式の形状測定機が用いられるようになっています。

粗さ計 / 形状測定機の業界別導入事例

自動車業界

ステアリング部品の摺動面のRa（算術平均粗さ）/Rz（最大高さ）を測定します。摺動面の平滑性をRaで、引っかかりの有無をRzで確認することができます。Raだけでは1箇所だけ飛び出たポイントなどを見落とすので、併用することが重要です。また、金属加工面の加工法による違いによる表面性状の変化を比較。Sa（算術平均高さ）/Sz（最大高さ）では仕上がりの状況を、Str（表面性状のアスペクト比）では加工跡がどのように外観に現れているかを見ることができます。
「VRシリーズ」は、「面」の3Dデータを最速1秒で取得。各種粗さパラメータを同時に算出可能。これらのメリットにより、測定効率が大幅に向上しました。

電機・電子業界

回路基板の銅薄膜のSa（算術平均高さ）の値は、電子部品をはんだ付けする際の、はんだの広がりに大きな影響を与えます。Saが粗いという値を示していると、はんだが広い範囲に広がりやすくなります。はんだの広がりが大きくなると、リークを引き起こす可能性が高くなります。そこで、線から面へと評価範囲を広げることで、より確実な判断が可能になりました。また、処理条件を変えた銅のエッチング後のSdr（界面の展開面積比）とSa（算術平均高さ）を測定。腐食後の銅めっき表面の表面積や全体的な粗さを把握することで、はんだ付けなどの品質への影響を知ることができます。
「VRシリーズ」なら、線から面へ評価範囲を広げることが可能。面全体の粗さはもちろん、表面積も評価できるようになりました。

化学・素材業界

フィルムの品質管理では、粗さの数値管理が有効です。フィルムの粗さはSa（算術平均高さ）、Sz（最大高さ）を測定します。「VRシリーズ」は、線ではなく面で測定するので見落としが減り、多層フィルムの品質安定化や、光沢の管理などが可能になりました。また、非接触で測定できるので、形状にも影響を与えません。さらに、紙表面の平滑性はSaで測定。Ra（算術平均粗さ）での測定に対し、面全体で捉えるので、確実な評価が可能になりました。
このように、製品の面全体が品質を問われる場合は、面での評価が有効です。「VRシリーズ」は面全体の品質を粗さで定量化できるため、より確実な品質管理が実現しました。

粗さ計 / 形状測定機の業界別導入事例

うねり：うねりの測定方法と効率化の秘訣

プレス加工での打ち抜き・絞りによる残留応力や樹脂成形での溶融樹脂や金型の温度・圧力、リフロー工程でのプリント基板への加熱など、加工時のストレスは、うねりの発生原因となります。ワンショット3D形状測定機 VRシリーズは、非接触で対象物の3D形状を高精度にスキャン。点や線で形状を測定する従来の接触式測定器とは異なり、簡単な操作で全体の形状を瞬時に把握できます。また、カラーマップでの凹凸の可視化や任意の断面のプロファイル測定、複数の測定結果を並べてうねりの一括解析が実現します。

反り：反りの測定方法と効率化の秘訣

一般的に板状の対象物の湾曲のことを「反り」といい、平面度が規定の公差値を超えているかどうかを測定して評価します。しかし、線で測定する輪郭形状測定機や、複数の点で測定する三次元測定機では、全体の反りを正確に把握することは困難でした。ワンショット3D形状測定機 VRシリーズは、ステージ上に対象物を置いてスキャンするだけ。位置決め不要で全体の3D形状を面で瞬時に捉えます。絞り加工での機械的応力による反りや、表面実装基板の反りをカラーマップで可視化でき、複数個体の平面度の一括解析・比較も簡単に実行できます。

R形状：角Rの形状を正確かつ簡単に測定する方法

従来の三次元測定機や輪郭形状測定機、Rゲージ、CRノギス、CR測定ゲージ、半径測定器などで角RのR形状を測定することは、難易度が高く測定値にバラつきが出るといった課題がありました。ワンンショット3D形状測定機 VRシリーズは、非接触かつ面での高速3Dスキャンで、対象物の3D形状を高精度に測定可能です。刃先工具やヒートシンクのフィンのように、ピッチが小さく奥まった対象物でも簡単に測定でき、非破壊で任意の箇所の断面形状も測定できます。また、豊富な補助ツールで垂直なプロファイル線も簡単かつ正確に引けるため、定量的な評価が実現します。

平面度（平坦度）：面の平らさを瞬時に高精度測定する方法

平面度は、表面の凹凸や反り、うねり、ひずみを規定します。三次元測定機で平面度を測定するには、複数の点にプローブを当てるために長い時間を要すうえ、全体の形状の把握や評価の定量化が困難です。一方、ワンショット3D形状測定機 VRシリーズは、ステージ上の対象物を最速1秒で3Dスキャンし、3D形状を非接触で高精度に測定できます。水平出しや位置決め不要で、豊富な補助ツールを使って平面度や平行度の測定に必要な設定が簡単に完了します。

平行度：プレス成形品の平行度を簡単に測定する方法

スプリングバックはプレス加工後、成形品の内部応力によって生じ、平行度に影響します。寸法精度を担保するには平行度の測定による評価が必要です。しかし、三次元測定機やCNC画像測定機では、複数点の測定や計算に時間がかかるほか、測定者によるバラつきが課題でした。ステージ上の対象物を最速1秒で3Dスキャンして3次元形状を高精度に測定できるワンショット3D形状測定機 VRシリーズは、平行度や直角度などデータムを必要とする項目も補助ツールで簡単に設定・測定でき、取得したデータと3D-CADデータや他の個体との比較も可能です。

摩耗評価：ベアリングの摩耗・トラブルを測定する方法

摩耗・フレーキング・かじり・ピーリングなどは、ベアリングの代表的な不具合です。これらはベアリング各部の正確な3次元形状測定によって確認できます。ワンショット3D形状測定機 VRシリーズは、従来の輪郭形状測定機や三次元測定機での測定時間や全体形状の把握、定量化における課題を解決します。VRシリーズは、位置決め不要で、ステージにワークを置いてボタンを押すだけ。高速3Dスキャンにより非接触で対象物の3D形状を高精度に測定します。ボールやころ、軌道溝の摩耗状態など難しい測定も最速1秒で完了します。

Q.

面全体のうねりや平坦度は測定できますか？

A.

たとえば、輪郭形状測定機は高精度ですが、線や点で測定するため面全体の正確な測定は困難です。また、顕微鏡は視野が狭いため、面全体の凹凸状況の測定には時間がかかります。
「VRシリーズ」なら、一瞬で対象物全体の凹凸状況をスキャンします。200mm×100mm×50mmという広い領域を面で測定するので、うねりの最高点・最低点の正確な計測や可視化が可能です。また、測りたいポイントを確実に捉えるので、指定したエリアにおける平均高さが簡単に測定でき、比較評価もできます。もちろん、大きな対象物のうねりや平坦度も、一瞬で正確に測定可能。「VRシリーズ」は、輪郭形状測定機と顕微鏡はもちろん、三次元測定機としての機能も兼ね備えた3D形状測定機です。

Q.

面全体から狙ったポイントを指定し測定することはできますか？

A.

輪郭形状測定機や3次元測定機、デジタイザは、点や線で測定します。したがって、狙ったポイントを測定するには設定に時間がかかります。また、最低点を求める場合などは、何度も測定して最も低い点を探す必要があります。
「VRシリーズ」は、ステージに置いた対象物の面を約1秒で測定することができます。面で測定するので、狙ったポイントの指定も簡単です。たとえば最低点を求める場合は、測定面上で最も低い点を見つけ出し、そこを通る直線を引いて測定したいポイントを見つけ出すことができます。さらに非接触の測定でありながら、測定精度は0.1μmと高精度です。「VRシリーズ」は、輪郭形状測定機や三次元測定機の測定精度と、デジタイザのスピードを兼ね備えた3D形状測定機です。

Q.

測定操作は簡単ですか？

A.

「三次元測定機の導入を検討しているが、本体価格や設置費用が高い」。「輪郭形状測定機の導入を検討しているが使いこなせるかが不安」といったお困りごとも、「VRシリーズ」なら簡単に解決できます。
「VRシリーズ」は、輪郭形状測定機や顕微鏡、三次元測定機、デジタイザの欠点を克服し、その機能のすべてを備えた形状測定機です。1台で、3Dデータの取得から表面積や表面粗さまで測定できます。また、測定室が要らないので、測りたい場所で測りたいものを測ることができます。面倒な位置合わせや熟練の操作は不要で、繰り返し精度は非接触でありながら.01μm。豊富な測定メニューは、測定に不慣れな方でも高精度な三次元測定が可能です。

粗さ計の種類と特徴

接触式

検出器の先端の触針で対象物の表面をなぞり、触針の上下運動を電気的に検出。得られた電気信号を基に、表面粗さや輪郭形状など数値化したデータで粗さを評価します。

非接触式

対象物にレーザー光などの光を当て、その反射光で表面粗さなど数値化したデータで粗さを評価します。

ハンディ型

測定の原理は接触式と同じですが、手に持って使用できます。測定の機能や精度には制限がありますが、手軽に持ち運べます。

形状測定機の種類と特徴

接触式

ステージ上の対象物に接触子を当て、輪郭形状を高精度に測定できる測定機です。

非接触式

対象物にレーザー光などの光を当て、その反射光で輪郭形状を高精度に測定できる測定機です。

多関節アーム型

測定原理は非接触式の形状測定機と同じですが、測定するレーザー光などの光は、アームの先端部に取り付けた装置から照射します。アーム部は多関節構造なので、大きな測定空間が特徴です。また可搬性に優れ、複雑な対象物の奥まった部分まで測定することができます。

門型

ステージ上の対象物に接触子を当て、三次元の座標を取得し、対象物の寸法・位置関係・輪郭形状・幾何公差などを測定できる測定機です。最も高精度に測定できますが、設置には基準温度に設定した測定室が必要で、操作には高い知識と熟練が必要です。

表面粗さの定義・関連用語から、RaやRzなどの粗さパラメータ、測定器の長所短所まで、「粗さ」について丸ごと学べます。

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