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レーザー顕微鏡による表面粗さの測定について

１．はじめに

　表面粗さは、測定物の表面性状（「つるつる」や「ざらざら」）を数値で表したものです。表面粗さを測定する方法には、大きく分けて「接触式」と「非接触式」の2つの方式があります。「接触式」は触針と呼ばれる先のとがったダイヤモンド製の針が試料を直接なぞることにより表面の凹凸を測定するもので、表面粗さ測定に広く用いられています。これに対して、「非接触式」は光を使用したもので、共焦点方式を利用したレーザ顕微鏡、白色干渉方式を利用した白色干渉計などがあります。「非接触式」による測定値は試料の表面状態、反射率、形状などに影響されやすいものの¹⁾、試料を傷つけることなく表面粗さを測定できるメリットがあります²⁾³⁾。
　県央技術支援センターでは「接触式」と「非接触式」の両方の方式で表面粗さを測定することができます。ここでは、表面粗さの異なる複数の試料を測定したときに、測定値がどの程度一致するのかについて調べた結果を紹介します。

２．実験方法

　測定した試料は、各種の表面仕上げされたステンレス鋼板SUS304、SUS430およびチタン合金板⁴⁾⁵⁾です。図1にこれらの試料の概要を示します。
　測定に用いた機器は次のとおりです。
・接触式・・・アメテック（株）製粗さ測定機（フォームタリサーフPGI430）
　　　　　　　　先端半径2μm、円錐角60°のダイヤモンド製触針を使用
・非接触式・・・オリンパス（株）製レーザ顕微鏡（LEXT-OLS4100）
　　　　　　　　倍率50倍、開口数0.95の対物レンズを使用
　表面粗さの測定は接触式の規格（JIS B 0633: 2001）に準拠して行いました。各試料につき10回ずつ測定し、算術平均粗さRaと最大高さ粗さRzを求めました。測定方向は、加工方向が一定の試料は加工方向に対して直交方向とし、加工方向が決まっていない試料は任意方向としました。各試料につき、RaとRzの10個の平均値およびStudentのt分布による95%信頼限界を求めました。


図1　測定したSUS304鋼板，SUS430鋼板，チタン合金板の表面仕上げの概要
　　（各図は試料表面のレーザ顕微鏡像）

３．実験結果および考察

　図2と図3に、同じ試料を接触式と非接触式で測定した粗さ曲線の比較例を示しました。図2はSUS430鋼板のDS仕上げの結果で、図3はチタン合金板のNo.2B仕上げの結果です。図2と図3より、接触式と非接触式の粗さ曲線はよく似ていることが分かります。図1に示したその他の試料についても、粗さ曲線は接触式と非接触式でよく似た結果が得られました。
　表1に、接触式と非接触式による粗さパラメータの平均値とその95%信頼限界を示します。表1より、接触式と非接触式による粗さパラメータはほぼ一致していることが分かります。
　表1の結果を用いて接触式と非接触式による粗さパラメータを比較したものを図4に示しました。図中の白丸は粗さパラメータの平均値で、直線は粗さパラメータの各点に最小二乗法を当てはめたものです。Ra、Rzともに、直線の勾配が1に近い値を示したことから、本実験で測定した試料については、非接触式による測定値は接触式による測定値と概ね一致する結果が得られました。


図2　SUS430鋼板　DS仕上げの粗さ曲線（左：接触式、右：非接触式）




図3　チタン合金板　No.2B仕上げ（左：接触式、右：非接触式）



表1　接触式と非接触式による粗さパラメータの平均値とその95%信頼限界




図4　接触式と非接触式による粗さパラメータの比較（左：Ra、右：Rz）

文献

1）http://microscopelabo.jp/trend/009/，レーザー顕微鏡による非接触表面粗さ計測，「OLYMPUSホームページ」，平成28年3月14日確認
2）藤井章弘ら，"3D測定レーザー顕微鏡OLS4000による3D表面性状計測"，OplusE　6月号，2009，1～5ページ
3）佐藤壽芳，"超精密非接触表面形状測定法について"，生産研究　第39巻　第6号，1987，201～208ページ
4）（株）日本金属工業，"表面仕上げ記号の摘要"，NTKステンレス鋼表面仕上げサンプルブック
5）（株）神戸製鋼所，"表面仕上げ記号の摘要" チタン表面仕上げサンプルブック

問い合わせ：新潟県工業技術総合研究所 　　　　　　 県央技術支援センター 　　斎藤　雄治 　 　　　　　TEL：0256-32-5271　　FAX：0256-35-7228