JP2009139188A - 超音波表面粗さ測定方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で小型であり、可搬性に優れ、短時間で正確な表面粗さの測定が可能な超音波表面粗さ測定方法と装置を提供する。
【解決手段】固体部材１２の表面に接触され超音波を送信する送信機１４と、固体部材１２の表面を伝播した超音波を受信する受信機１６と、送信機１４と受信機１６とを一定間隔離して一体的に保持した本体部２０とを備える。超音波が固体部材１２の表面を伝播する伝播時間を測定し、既知の表面粗さと伝搬時間との関係から、伝搬時間を基に固体部材１２の表面粗さを算出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、超音波を用いて固体表面の粗さを測定する超音波表面粗さ測定方法と装置に関する。

従来、面粗さの測定は、通常JIS B0601に規定される触針式の測定法が広く用いられている。これは触針式変位型ピックアップを測定面に接触させ、その基準面からの変位量を走査距離とともに記録し、最大粗さや平均粗さなど各種の粗さパラメータを評価するものである。

触針式の測定法は測定精度の高さおよび各種粗さパラメータの評価ができる利点がある反面、通常は装置と一体となった専用の測定台上で測定を実施しなければならず、工場におるインライン検査が極めて困難である。また測定は針の走査のためある程度の時間を要する他、測定面の位置および形状・材質等にも制約を受ける。これにより、通常の量産品の検査においては全点検査ではなく、ロットの抜き取りにより検査がなされている。従って、量産品においては、評価装置の物理的な制約のため、不具合品が市場に流れる可能性を見逃している現状にある。

一方、ハンディ型のモバイル対応となる触針式の面粗さ計も存在するが、基準面を確保する必要があることなどから、測定面の位置および形状には、据え置き型以上に大きな制約を受ける場合が多い。

そこで、近年超音波を用いた表面粗さ測定方法も利用されている。超音波を用いた表面粗さ測定方法としては、特許文献１に開示されているように、超音波探触子から超音波を放射し、測定対象に入射した超音波が測定対象表面で乱反射し、その散乱波を検知して測定対象の表面の粗さを測定する方法がある。

その他、特許文献２に開示されているように、被測定物としての固体表面に送信センサと受信センサを配置して、送信センサから固体表面に超音波を伝搬させ、この超音波が受信センサに達するまでの伝搬時間を測定して、上記超音波が上記固体表面を伝搬する伝搬速度を測定して固体表面の状態や表面処理状態、疲労等を測定する測定方法がある。
特開平３−２９８０９号公報 特開２００４−１５１０７７号公報

特許文献１に開示された測定方法は、水中もしくは空気中で評価面に超音波を送信し、その反射波の伝搬時間もしくは音圧の変化量から面粗さを評価するものである。これは非接触式であり、測定装置の位置決め精度が測定精度に大きく影響するほか、評価面の形状において曲率面ではさらにその測定精度に劣る。従って、現実的な使われ方としては表面の段差を測る程度のものである。

また、特許文献２に開示された方法では、送信センサ・受信センサを別々に設けて、超音波伝搬時間を測定しているものであり、これにより固体表面の状態や表面処理状態、疲労等を測定するものであり、表面粗さを測定するものではなく固体内部の状態を検知するもので、測定装置が複雑なものである。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、簡単な構造で小型であり、可搬性に優れ、短時間で正確な表面粗さの測定が可能な超音波表面粗さ測定方法と装置を提供することを目的とする。

この発明は、固体部材の表面に接触し超音波を送信する送信機と、前記固体部材の表面を伝搬した前記超音波を受信する受信機と、前記送信機と受信機とを一定間隔離して一体的に保持した本体部とを備え、前記超音波が前記固体部材の表面を伝搬する伝搬時間を測定し、既知の表面粗さと伝搬時間との関係から前記伝搬時間を基に前記固体部材の表面粗さを算出する超音波表面粗さ測定方法である。

さらに、前記固体部材表面の表面粗さ測定部には、前記固体部材表面との密着を確実にするとともに、前記固体部材表面での超音波の伝搬を良好にする液体の媒体を塗布して、前記送信機と受信機に各々取り付けられ前記固体表面に接触する一対のプローブ部を設けるものである。前記超音波は、ＳＨ波を用いるものである。

またこの発明は、固体部材の表面に接触し超音波を送信する送信機と、前記固体部材の表面を伝搬した前記超音波を受信する受信機と、前記送信機と受信機とを一定間隔離して一体的に保持した本体部と、前記超音波が上記固体部材の表面を伝搬する伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段と、前記伝搬時間から前記固体部材の表面粗さを算出する演算手段とを備えた表面粗さ測定装置である。

前記本体部は例えばコ字状に形成され、前記送信機はコ字状の前記本体部の一方の端部に設けられ、前記送信機の超音波出力部は前記固体部材表面側を向くとともに前記送信機の方に向いて設けられ、前記受信機の超音波受信部は前記本体部のコ字状の他方の端部に設けられ、前記送信機側を向いて位置している。

この発明の超音波表面粗さ測定方法と装置によれば、簡単な構造で小型であり、可搬性に優れ、測定対象物の所定位置まで持ち運びが容易であり、短時間で正確な表面粗さの測定が可能となる。特に、超音波は、測定対象物の表層近傍の回折波のため、十分に厚い試料においても測定可能である。これにより、上記背景技術では10μ〜100μm程度の分解能しか期待できないところ、本願発明では0.1μm程度の分解能を期待することができる。

以下この発明の実施の形態について説明する。この発明の超音波表面粗さ測定装置１０は、測定対象物である固体部材１２の表面に接触させ超音波を送信する送信機１４と、固体部材１２の表面を伝搬した超音波を受信する受信機１６を備える。送信機１４と受信機１６は、一定間隔離して位置し、これらを一体的に保持した本体部２０に設けられている。送信機１４は、超音波領域の周波数を発信する発信回路による発振回路部１５を備え、受信機１６も超音波領域の周波数を受信する受信回路を備えた受信回路部１７を有している。

本体部２０には、固体部材１２に送信機１４と受信機１６のプローブ部１４ａ，１６ａを圧接させるための重り２２と、重り２２を固体部材１２に確実に押し付ける押圧治具２４が設けられている。圧接圧力は、適宜設定可能であるが、超音波の伝搬を良好にするためには、例えば３ＭＰａ程度が好ましい。

本体部２０は、送信機１４と受信機１６を一定間隔離すために例えば略コ字状に形成され、送信機１４はコ字状の一方の端部に位置し、内部には圧電素子等の超音波出力部１４ｂがプローブ部１４ａに接続して設けられている。超音波出力部１４ｂは固体部材１２の表面側を向くように配置されているとともに、受信機１６の方を向いて斜めに設けられている。受信機１６はコ字状の他方の端部に位置し、内部には圧電素子等の超音波受信部１６ｂがプローブ部１６ａに接続して設けられている。超音波受信部１６ｂも固体部材１２の表面側を向くように配置されているとともに、送信機１４の方を向いて斜めに設けられている。

受信回路部１７の出力は、受信した超音波によるアナログの電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ２６に接続され、Ａ／Ｄコンバータ２６の出力は、受信した波形データを記憶する波形メモリ２８に接続されている。波形メモリ２８の出力は、ピーク検出器３０に接続されている。これらのデジタル処理は、図２に示すように、ＣＰＵやメモリを備えたマイクロコンピュータ３２により行っても良い。

この実施形態の超音波表面粗さ測定装置１０の測定原理は、図２に示すように、本体部２０に設けられ一定間隔離れて位置した送信機１４と受信機１６により、超音波ｓの伝搬時間を測定する。超音波ｓの伝搬時間は、固体部材１２の表面粗さにより異なる。これは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、固体部材１２と比較して極端に音速が小さいグリースｇが、表面の凹凸に充填されると、見かけ上の音速低下層を固体部材１２の表面に形成し、凹凸の深い深さＤの場合の方が浅い深さｄの場合と比較して、超音波の伝搬時間が長くなるからである。ここで、検知される表面粗さは、中心線平均粗さＲａである。

使用する超音波は、剪断水平波（本願発明ではＳＨ波（Horizontally Polarized Shear Wave）と言う。）である。ＳＨ波は、図３に示すように、固体部材１２の表面を進行し、送信機１４のプローブ部１４ａから受信機１６のプローブ部１６ａ向かう。この時、図２に示すように、表面粗さにより、グリースｇによる超音波の伝搬状態が異なり、表面粗さにより伝搬時間が異なって検出される。

超音波ｓの伝搬時間Ｔ１は、図４に示すように、受信した超音波波形の最初のピークＰ１をピーク検出器３０により検知して求め、送信時からピークＰ１までの期間が伝搬時間Ｔ１となる。これらのタイミングは、コンピュータ３２内のクロックにより同期を取って、送信時間及びピーク検出時間等が求められる。

伝搬時間と表面粗さの関係は、予め精密な表面粗さ測定機により、測定対象物と同じ材料について表面粗さを測定し、各々伝搬時間を測定し記録して、所定のテーブル又は演算式を作成してメモリに記憶させ、表面粗さが未知の部材の測定時にはこのテーブルや式から表面粗さを求めてモニタ等に表示する。

例えば、図５に示すように、表面粗さが既知で測定対象物と同じ材料の標準試験片により検量線を取得し、、図示するように、各々伝搬時間を表面粗さ毎にプロットする。これにより、表面粗さと伝搬時間はリニアな関係にあることが分かり、この近似直線を表面粗さと超音波伝搬時間の関係として、演算式又は演算テーブルとしてメモリに記憶する。そして、未知の固体部材の表面粗さを求めるときは、超音波伝搬時間を測定して、記憶した演算式又は演算テーブルから、対応する表面粗さを求める。

この実施形態の超音波表面粗さ測定装置１０によれば、演算を行うコンピュータ３２を１チップ化する等により、極めて小型の表面粗さ測定装置を構成することができ、可搬性で、任意の場所で任意の固体部材表面の粗さを測定することができる。また、極めて微細な表面粗さを簡単に求めることができ、幅広い製品検査等に利用可能なものである。

なお、本発明の超音波表面粗さ測定方法と装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本体部の形状はコ字状以外に、曲率面等の評価面形状に合わせた形状で、送信機と受信機が所定間隔離れて一体に設けられていればよい。また、超音波の周波数は適宜選択可能であり、表面に塗布する液体もグリースの他、超音波用のジェルやその他オイル等でも良く、検量線の取得時と同じ材料のグリース等の液体であれば良い。

この発明の一実施形態の超音波表面粗さ測定装置を示す概略ブロック図である。 この実施形態の超音波表面粗さ測定装置による表面粗さの測定を説明する概念図である。 この実施形態の超音波表面粗さ測定装置による超音波の伝搬を説明した模式図である。 この実施形態の超音波表面粗さ測定装置により受信した超音波の波形を示すグラフである。 この発明の超音波表面粗さ測定装置による測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 超音波表面粗さ測定装置
１２ 固体部材
１４ 送信機
１４ａ，１６ａ プローブ部
１４ｂ 超音波出力部
１５ 発振回路部
１６ 受信機
１６ｂ 超音波受信部
１７ 受信回路部
２０ 本体部

Claims (5)

1. 固体部材の表面に接触し超音波を送信する送信機と、前記固体部材の表面を伝搬した前記超音波を受信する受信機と、前記送信機と受信機とを一定間隔離して一体的に保持した本体部とを備え、前記超音波が前記固体部材の表面を伝搬する伝搬時間を測定し、既知の表面粗さと伝搬時間との関係から前記伝搬時間を基に前記固体部材の表面粗さを算出することを特徴とする超音波表面粗さ測定方法。
2. 前記固体部材表面の表面粗さ測定部には、前記固体部材表面との密着を確実にするとともに、前記固体部材表面での超音波の伝搬を良好にする液体の媒体を塗布して、前記送信機と受信機に各々取り付けられ前記固体表面に接触する一対のプローブ部を設けることを特徴とする請求項１記載の超音波表面粗さ測定方法。
3. 前記超音波は、ＳＨ波を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波表面粗さ測定方法。
4. 固体部材の表面に接触し超音波を送信する送信機と、前記固体部材の表面を伝搬した前記超音波を受信する受信機と、前記送信機と受信機とを一定間隔離して一体的に保持した本体部と、前記超音波が上記固体部材の表面を伝搬する伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段と、前記伝搬時間から前記固体部材の表面粗さを算出する演算手段とを備えたことを特徴とする表面粗さ測定装置。
5. 前記本体部はコ字状に形成され、前記送信機はコ字状の前記本体部の一方の端部に設けられ、前記送信機の超音波出力部は前記固体部材表面側を向くとともに前記送信機の方に向いて設けられ、前記受信機の超音波受信部は前記本体部のコ字状の他方の端部に設けられ、前記送信機側を向いて位置していることを特徴とする請求項４記載の超音波表面粗さ測定装置。
   

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