JP2011069680A - 表面粗さ測定装置及び表面粗さ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】坏被測定物の製造ライン中に組み込んで使用することが可能である表面粗さ測定装置を提供する。
【解決手段】被測定物１０を載置する載置板５と、載置板５に被測定物１０を載置したときの被測定物１０の中心軸を中心にして被測定物１０の周囲を回転する回転運動、及び被測定物１０の中心軸方向に移動する直線運動の両方の動きをすることができるとともに、回転運動と直線運動とを合わせた動きをすることができる、被測定物１０の表面粗さを測定するレーザー変位計４とを備え、レーザー変位計４で被測定物１０の表面粗さを測定するときに、レーザー変位計４のスキャンスピードＶ（ｍ／秒）と、レーザー変位計のサンプリング間隔Ｘ（秒）との関係が、下記式（１）を満たす関係となる表面粗さ測定装置。
Ｖ×Ｘ≦４×１０^−６（ｍ）・・・（１）
【選択図】図１

Description

本発明は、表面粗さ測定装置及び表面粗さ測定方法に関し、更に詳しくは、被測定物の製造ライン中に組み込んで使用することが可能である表面粗さ測定装置及び表面粗さ測定方法に関する。

自動車の排気ガス等の処理に用いられるセラミック製のハニカム構造体は、通常、圧力をかけた状態で容器内に収納されて使用される。これは、ハニカム構造体が、容器内で回転したり、容器から落下したりすることを防止するためである。しかし、ハニカム構造体を容器に収納するときの圧力を大きくし過ぎると、ハニカム構造体が破損等するという問題があった。

一方、ハニカム構造体を容器に圧力をかけた状態で収納すると、ハニカム構造体と容器との間の摩擦が大きくなり、それにより、ハニカム構造体を容器内に確実に固定することができる。逆に、ハニカム構造体と容器との間の摩擦が小さいと、上記のように、ハニカム構造体が、容器内で回転したり、容器から落下したりするという問題が生じる。

また、ハニカム構造体を容器に収納した（キャニングした）ときの、ハニカム構造体と容器との間の摩擦の大きさは、ハニカム構造体の外周の表面粗さに影響される。表面粗さが大きいと摩擦が大きくなり、表面粗さが小さいと摩擦が小さくなる。そのため、表面粗さが大きいハニカム構造体を容器に収納するときには、圧力は小さくてよく、表面粗さが小さいハニカム構造体を容器に収納するときには、圧力を大きくする必要がある。

そのため、予めハニカム構造体の外周の表面粗さを知っておけば、ハニカム構造体を容器に収納するときの圧力を大きくし過ぎることもなく、最適の圧力をかけることができる。逆に、ハニカム構造体の表面粗さが分からなければ、ハニカム構造体が容器内で回転等しないように大きめの圧力をかける必要があるため、強度の低いハニカム構造体の場合、ハニカム構造体が破損等するという問題が生じる。

従来、ハニカム構造体の外周の表面粗さの測定は、大きな装置で長時間かけて行う必要があったため（例えば、特許文献１を参照）、ハニカム構造体の生産ラインにこのような装置を組み込んでハニカム構造体の外周の表面粗さを測定すると、生産効率が著しく低下するという問題があった。

尚、表面粗さの測定装置（方法）ではないが、ハニカム構造体の外形形状を測定する装置（方法）として、ハニカム構造体にレーザー光を当てる装置（方法）が開示されている（例えば、特許文献２、３を参照）。

特開２００２−３２６０３４号公報 特開平７−２６０４４０号公報 特開平７−２６０４４２号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、被測定物の製造ライン中に組み込んで使用することが可能である表面粗さ測定装置及び表面粗さ測定方法を提供することを特徴とする。

本発明によって以下の表面粗さ測定装置及び表面粗さ測定方法が提供される。

［１］ 被測定物を載置する載置板と、前記載置板に前記被測定物を載置したときの前記被測定物の中心軸を中心にして前記被測定物の周囲を回転する回転運動、及び前記被測定物の中心軸方向に移動する直線運動の両方の動きをすることができるとともに、前記回転運動と前記直線運動とを合わせた動きをすることができる、前記被測定物の表面粗さを測定するレーザー変位計とを備え、前記レーザー変位計で前記被測定物の表面粗さを測定するときに、前記レーザー変位計のスキャンスピードＶ（スキャンスピードとは被測定物の表面をレーザー光が移動する速度を意味する。）（ｍ／秒）と、前記レーザー変位計のサンプリング間隔Ｘ（秒）との関係が、下記式（１）を満たす関係となる表面粗さ測定装置。
Ｖ×Ｘ≦４×１０^−６（ｍ）・・・（１）

［２］ ［１］に記載の表面粗さ測定装置の前記載置板に被測定物を載置し、前記レーザー変位計に、前記回転運動、前記直線運動、又は前記回転運動と前記直線運動とを合わせた動きをさせながら、前記式（１）の関係を満たすようにして前記レーザー変位計で前記被測定物の表面粗さを測定する表面粗さ測定方法。

本発明の表面粗さ測定装置によれば、「回転運動、直線運動、又は回転運動と直線運動とを合わせた動きをすることができ、スキャンスピードＶ（ｍ／秒）と、サンプリング間隔Ｘ（秒）との関係が上記式（１）の関係である」レーザー変位計によって、表面粗さを測定するため、小型化することができるとともに、短時間で表面粗さを測定することができ、それにより、被測定物の生産ライン中に組み込んで使用することが可能である。

本発明の表面粗さ測定装置の一の実施形態を模式的に示す側面図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

（１）表面粗さ測定装置：
図１に示すように、本発明の表面粗さ測定装置の一実施形態は、被測定物１０を載置する載置板５と、「載置板５に被測定物１０を載置したときの被測定物１０の中心軸を中心にして被測定物１０の周囲を回転する回転運動、及び被測定物１０の中心軸方向に移動する直線運動の両方の動きをすることができるとともに、回転運動と直線運動とを合わせた動きをすることができる、被測定物１０の表面粗さを測定する」レーザー変位計４とを備えるものであり、レーザー変位計４で被測定物１０の表面粗さを測定するときに、レーザー変位計４のスキャンスピードＶ（ｍ／秒）と、レーザー変位計４のサンプリング間隔Ｘ（秒）との関係が、「式（１）：Ｖ×Ｘ≦４×１０^−６（ｍ）」を満たす関係となるものである。「スキャンスピード」とは被測定物の表面をレーザー光が移動する速度を意味する。

レーザー変位計４は、「被測定物１０が載置される載置板５の上方に備えられた回転盤１の外縁１ａから垂下し、前記被測定物１０の中心軸を中心として被測定物１０の周囲を回転する」支持部３に、配設されている。尚、回転盤１の回転中心（回転軸）と、被測定物１０の中心軸とが一致している。また、支持部３は、回転盤１に固定された棒状の固定部３ａと、固定部３ａに、「被測定物１０の中心軸方向に移動可能に」取り付けられた棒状の可動部３ｂとを有するものである。また、回転盤１は、回転盤１の中心に配設された駆動軸２が回転することにより回転する。そして、レーザー変位計４は、被測定物１０にレーザー光を照射して被測定物１０の表面粗さを測定できるように、可動部３ｂに取り付けられている。本実施形態の表面粗さ測定装置１００は、このように、「レーザー変位計４が、「被測定物１０の中心軸方向」に移動可能な可動部３ｂに取り付けられ、可動部３ｂが、固定部３ａを介して、可動部３ｂを被測定物１０の中心軸を中心にして回転させることができる回転盤１に取り付けられている」ため、レーザー変位計４は、載置板５に被測定物１０を載置したときに、被測定物１０の中心軸を中心にして被測定物１０の周囲を回転する回転運動、及び被測定物１０の中心軸方向に移動する直線運動の両方の動きをすることができるとともに、回転運動と直線運動とを合わせた動きをすることができる。

本実施形態の表面粗さ測定装置１００においては、可動部３ｂは、固定部３ａに沿ってスライドするように移動することができるものであるが、可動部３ｂの移動形式はこれに限定されるものではない。被測定物１０は筒状（柱状を含む）であることが好ましく、円筒状又は楕円筒状であることが更に好ましい。回転盤１の形状は特に限定されないが、円盤状であることが好ましい。回転盤１の外縁１ａとは、回転盤１の最外周から、回転盤１の半径の３０％の距離だけ内側に入った位置まで、の外周部分の範囲のことである。

このように、「回転運動、直線運動、又は回転運動と直線運動とを合わせた動きをすることができ、スキャンスピードＶ（ｍ／秒）と、サンプリング間隔Ｘ（秒）との関係が上記式（１）の関係である」レーザー変位計によって、表面粗さを測定するため、小型化することができるとともに、短時間で表面粗さを測定することができ、それにより、被測定物の生産ライン中に組み込んで使用することが可能である。

本発明の表面粗さ測定装置は、被測定物１０が、筒状のセラミック構造体である場合に、特に精度良く表面粗さを測定することができる。筒状のセラミック構造体としては、例えば、自動車の排気ガス等の処理に用いられるセラミック製のハニカム構造体を挙げることができる。ハニカム構造体は、流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を備える筒状の構造体である。そして、本発明の表面粗さ測定装置は、被測定物１０の表面に形成される凹凸において、隣接する凸部間の間隔が８μｍ以上、更に望ましくは４０μｍ以上である。８μｍ以上である場合に精度良く表面粗さを測定することができる。

本実施形態の表面粗さ測定装置は、レーザー変位計４で被測定物１０の表面粗さを測定するときに、レーザー変位計４のスキャンスピードＶ（ｍ／秒）と、レーザー変位計４のサンプリング間隔Ｘ（秒）との関係が、「式（１）：Ｖ×Ｘ≦４×１０^−６（ｍ）」を満たす関係となるものであり、「Ｖ×Ｘ≦２×１０^−６（ｍ）」を満たす関係となるものであることが好ましい。また、「Ｖ×Ｘ」の下限値は、４×１０^−１０（ｍ）であることが好ましい。「Ｖ×Ｘ」が４×１０^−６（ｍ）より大きいと、被測定物の表面粗さを測定することが困難になる。

レーザー変位計４のスキャンスピードＶ（ｍ／秒）は、５×１０^−４〜５×１０^−３（ｍ／秒）であることが好ましく、７×１０^−４〜３×１０^−３（ｍ／秒）であることが更に好ましい。５×１０^−４（ｍ／秒）より遅いと、表面粗さの測定時間が長くなることがある。５×１０^−３（ｍ／秒）より速いと、測定間隔のずれが大きくなり等間隔での測定が困難になることがある。レーザー変位計４のサンプリング間隔Ｘ（秒）は、１×１０^−７〜２×１０^−５（秒）であることが好ましく、１．２×１０^−７〜１×１０^−５（秒）であることが更に好ましい。１×１０^−７（秒）より短いと、取得データが多くなりデータ処理に時間を要する可能性がある。２×１０^−５（秒）より長いと、表面粗さを精度良く測定することができないことがある。レーザー変位計４のサンプリング間隔Ｘ（秒）とは、Ｘ（秒）に一度、レーザー変位計４から被測定物１０の表面までの距離を測定することを意味する。

本実施形態の表面粗さ測定装置は、「式（１）：Ｖ×Ｘ≦４×１０^−６（ｍ）」の関係を満たすように、レーザー変位計４を駆動させる必要がある。そのため、回転盤１を、１．５（°／秒）以下の回転速度で制御可能であり、且つ、４×１０^−３（°）の角度の変化を認識できるような仕様にすることが好ましい。また、支持部３を、５×１０^−４〜５×１０^−３（ｍ／秒）で制御可能であり、且つ、４×１０^−６（ｍ）の位置変化を認識できるような仕様にすることが好ましい。

回転盤１の大きさは、特に限定されず、被測定物の表面粗さを測定できる大きさであればよい。例えば、回転盤１が円盤状である場合には、直径が１５０〜４５０ｍｍであり、回転により変形しない厚みを有することが好ましい。直径が１５０ｍｍより短いと、被測定物によってはレーザー変位計が非測定物に接触するおそれがある。直径が４５０ｍｍより長いと、非測定物に対して変位計が離れすぎるため測定精度が低下するおそれがある。回転盤１は、駆動軸２に取り付けられたダイレクトドライブモータ６によって回転することが好ましい。尚、回転盤１を回転させる方法は、ダイレクトドライブモータ６を用いることが好ましいが、これに限定されるものではない。

支持部３の大きさは、特に限定されず、被測定物の表面粗さを測定できる大きさであればよい。例えば、固定部３ａの長さが５００〜１０００ｍｍであり、可動部３ｂの長さが１００〜５００ｍｍであることが好ましい。そして、可動部３ｂの移動範囲（移動幅）が１００ｍｍ以上であることが好ましい。固定部３ａの長さが５００ｍｍより短いと、可動部３ｂを十分に移動させ難いことがある。固定部３ａの長さが１０００ｍｍより長いと、表面粗さ測定装置１００の大きさが大きくなりすぎることがある。可動部３ｂの長さが１００ｍｍより短いと、レーザー変位計４を安定して支えることが難しくなることがある。可動部３ｂの長さが５００ｍｍより長いと、可動部３ｂが重くなり、所望の速さで移動させ難くなることがある。可動部３ｂの移動範囲（移動幅）が１００ｍｍより短いと、指定された測定位置まで移動できない可能性がある。

図１に示すように、レーザー変位計４としては、例えば、ＮＡＮＯ ＴＥＸ社のＮＬシリーズ等を挙げることができる。また、レーザー変位計４から照射されるレーザー光４ａは、直径（レーザー光の進行方向に直交する断面における直径）１０μｍ以下であることが好ましい。１０μｍより太いと、「被測定物１０の表面」の表面粗さを、精度良く測定することが難しくなることがある。レーザー変位計４から照射されるレーザー光４ａの直径は、細いほど好ましい。レーザー光の種類は特に限定されない。レーザー変位計４の質量は、０．５ｋｇ以下が好ましい。０．５ｋｇより重いと、レーザー変位計４を所望の速度で駆動させ難くなることがある。レーザー変位計４は、軽いほど好ましい。

載置板５は、被測定物１０を載置するものであり、モータ７により上下に移動できるように形成されていることが好ましい。モータ７としては、特に限定されず、公知のモータを用いることができる。載置板５は、直径２００〜５００ｍｍの円板状であることが好ましい。

（２）表面粗さ測定方法：
本発明の表面粗さ測定方法の一の実施形態は、上述した本発明の表面粗さ測定装置を用いて被測定物の表面粗さを測定するものである。本実施形態の表面粗さ測定方法は、図１に示される表面粗さ測定装置１００の載置板５に被測定物１０を載置し、レーザー変位計４に、回転運動、直線運動、又は回転運動と直線運動とを合わせた動きをさせながら、上記式（１）の関係を満たすようにしてレーザー変位計４で被測定物１０の表面粗さを測定するものである。

このように、表面粗さの測定に際し、レーザー変位計４に、「回転運動、直線運動、又は回転運動と直線運動とを合わせた動き」をさせて、レーザー変位計４の「スキャンスピードＶ（ｍ／秒）と、サンプリング間隔Ｘ（秒）との関係」を、上記式（１）の関係とすることによって、短時間で表面粗さを測定することができ、それにより、被測定物の生産ライン中に組み込んで使用することが可能である。

本実施形態の表面粗さ測定方法においては、レーザー変位計４のスキャンスピードＶ（ｍ／秒）及びサンプリング間隔Ｘ（秒）の条件は、上記本発明の表面粗さ測定装置における、それぞれの好ましい条件と同じであることが好ましい。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す表面粗さ測定装置１００を作製した。直径４５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍの、円盤状の回転盤１の中心に直径５０ｍｍの駆動軸２を取り付けた。駆動部２には、ダイレクトドライブモータを取り付けた。そして、支持部３を、回転盤１の外縁１ａに、回転盤１に直交するように取り付けた。支持部３は、長さ７００ｍｍ、長さ方向に直交する断面が１００ｍｍ×５０ｍｍの四角形である四角柱状の固定部３ａと、長さ１５０ｍｍ、長さ方向に直交する断面が１００ｍｍ×３０ｍｍの四角形である四角柱状の固定部３ｂとから構成されるものとした。可動部３ｂは、スライド方式（駆動機構）によって被測定物の中心軸方向に移動するものとした。可動部３ｂにレーザー変位計４を取り付けた。レーザー変位計４としては、Ｎａｎｏ Ｔｅｘ社製のＮＬ（レーザー光波長：６５０ｎｍ（カタログ値））を用いた。直径２５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの、円板状の載置板５を、モータ７によって昇降できるようにして取り付けた。

得られた表面粗さ測定装置を用い、直径１４４ｍｍ、長さ１５０ｍｍのセラミック製の円筒状のハニカム構造体を被測定物として、表面粗さの測定を行った。表面粗さの測定に際しては、レーザー変位計４のスキャンスピードＶ（ｍ／秒）を１×１０^−３（ｍ／秒）とし、サンプリング間隔Ｘ（秒）を１×１０^−４（秒）とした。従って、「Ｖ×Ｘ（ＶとＸとの積）＝１×１０^−７（ｍ）」であった。また、測定に要した時間を測定した。

測定結果を、下記「ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４」に準拠した方法により、表面粗さを測定した結果と対比することにより評価した。ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４に準拠した方法により得られた測定結果との差の絶対値を「表面粗さの差異」とした。「表面粗さの差異」が０．４μｍ以下を合格とした。結果を表１に示す。

（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４に準拠した方法）
テーラー・ホブソン社製、表面粗さ形状測定機を用いて測定する。測定条件としては、触診先端半径２（μｍ）、測定速度１（ｍｍ／秒）、測定長さ２５（ｍｍ）とし、任意の５箇所を測定しその平均値を測定値とした。ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４に準拠した方法によって測定した表面粗さは、誤差±０．４μｍ以下で正確である。

（実施例２〜１６、比較例１，２）
レーザー変位計４のスキャンスピードＶ（ｍ／秒）、サンプリング間隔Ｘ（秒）及び「Ｖ×Ｘ」を表１に示すように変化させた以外は、実施例１と同様にして、被測定物の表面粗さを測定した。実施例１の場合と同様にして、表面粗さの差異を求め、測定時間を測定した。結果を表１に示す。

表１より、「Ｖ×Ｘ」が４×１０^−６（ｍ）より大きいと、被測定物の表面粗さを正確に測定できないことがわかる。また、レーザー変位計４のスキャンスピードＶ（ｍ／秒）が、５×１０^−４より遅いと、被測定物の表面粗さの測定精度が若干低くなり、測定時間が長くなることがわかる。また、サンプリング間隔Ｘ（秒）が２×１０^−５より長いと、被測定物の表面粗さの測定精度が若干低くなることがわかる。

本発明の表面粗さ測定装置及び表面粗さ測定方法は、自動車の排気ガス等の処理に用いられるセラミック製のハニカム構造体を製造するために好適に利用することができる。

１：回転盤、２：駆動軸、３：支持部、３ａ：固定部、３ｂ：可動部、４：レーザー変位計、４ａ：レーザー光、５：載置板、６：ダイレクトドライブモータ、７：モータ、１０：被測定物、１００：表面粗さ測定装置。

Claims (2)

1. 被測定物を載置する載置板と、
   前記載置板に前記被測定物を載置したときの前記被測定物の中心軸を中心にして前記被測定物の周囲を回転する回転運動、及び前記被測定物の中心軸方向に移動する直線運動の両方の動きをすることができるとともに、前記回転運動と前記直線運動とを合わせた動きをすることができる、前記被測定物の表面粗さを測定するレーザー変位計とを備え、
   前記レーザー変位計で前記被測定物の表面粗さを測定するときに、前記レーザー変位計のスキャンスピードＶ（ｍ／秒）と、前記レーザー変位計のサンプリング間隔Ｘ（秒）との関係が、下記式（１）を満たす関係となる表面粗さ測定装置。
   Ｖ×Ｘ≦４×１０^−６（ｍ）・・・（１）
2. 請求項１に記載の表面粗さ測定装置の前記載置板に被測定物を載置し、
   前記レーザー変位計に、前記回転運動、前記直線運動、又は前記回転運動と前記直線運動とを合わせた動きをさせながら、前記式（１）の関係を満たすようにして前記レーザー変位計で前記被測定物の表面粗さを測定する表面粗さ測定方法。

Images