JP2018084491A - 表面粗さ測定方法及び表面粗さ測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は上記の課題を鑑みて創作されたものであり、短時間で測定可能な表面粗さ測定方法及び表面粗さ測定装置を提供する。
表面粗さ測定方法であって、
被測定物(17)を加熱する加熱工程と、
表面(21,43)と裏面(22、44)とを有し、表面と前記裏面との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生する熱流束センサ(11)を用いて、被測定物の上に熱流束センサの裏面を接触させ、表面と裏面の温度差に相当する熱流束センサの出力を測定する出力測定工程と、
熱流束センサの出力電圧の応答から表面粗さを測定し、規格値以内かどうかを判定する判定工程と、を含む。
この測定方法により、被測定物の表面粗さが規格値以内かどうかの判定が短時間で容易に行えるので、生産物を全数測定することも可能になる。
表面粗さの測定装置(10)であって、発熱体(12)と、発熱体の温度を所定温度に制御する温度制御装置(13)と、を備える。
表面(21)と裏面(22)とを有し、表面と裏面との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生する熱流束センサ(11)と、前記表面と前記裏面の温度差に相当する熱流束センサの出力を出力する出力線(143、145)と、
熱流束センサの出力を測定する電圧計(24)と、を備える。
さらに、熱流束センサの裏面に設置され、被測定物に対向する面の表面粗さが、被測定物の表面粗さよりも小さい接触板(42)と、熱流束センサの表面に設置され、空気との間に設置される放熱板(41)とを備える。
この装置により、被測定物の表面粗さが規格値以内かどうかの判定が短時間で容易に行えるので、生産物を全数測定することも可能になる。
(第一実施形態)
図1に熱流速センサを使用した表面粗さ測定装置10の全体図を示す。表面粗さ測定装置10は、熱流束センサ11と、発熱体12と、発熱体を一定温度に制御する温度制御装置13と、発熱体を上下に駆動させる発熱体駆動部18と、発熱体駆動部を制御する駆動制御装置14と、熱流束センサからの出力電圧を増幅する計測アンプ15と、出力電圧を計測する電圧計24と、表面粗さを測定し、規格値以内かどうかを判定するコントローラ16とから構成される。ここで、コントローラ16が温度制御装置13や駆動制御装置14と連動して動作するようにしてもよい。
端子141は、接続バンプ142を介して出力線143と電気的に接続している。また、端子151は、接続バンプ152を介して出力線153と電気的に接続している。
Q∝(T2−T1)=(C/d)×(T2−T1)・・・(1)
C:熱伝導率、d:表面と裏面との距離、T1:表面の温度(K)、T2:裏面の温度(K)
熱流束Qの単位はW/m2であり、単位時間に単位面積を横切る熱量で表される。
このように、熱流束センサを用いることで、表面21の温度T1(K)と裏面22の温度T2(K)との差に比例した出力をもとに、熱流束を求めることができる。
図5(a)に示すように、熱流束センサ11のワーク17に接触しない面を表面21とし、反対側を裏面22とする。このとき、表面21が空気と接触しているとすると、放熱が進まず、測定を繰り返すうちに表面21の温度が上昇していくことがある。熱流束センサ11は、表面21と裏面22との温度差を出力するものである。したがって、熱流束センサの温度自身が大きく上昇してしまうと、表面21と裏面22との温度差が小さくなってしまい、出力電圧の変化を検出しにくくなる。
接触板42としてはたとえば研磨等によって表面粗さがワークの表面粗さより小さくなっているアルミなどの金属薄板やSiウエハ薄板などがある。
ステップS1において、温度制御装置13により、発熱体12を所定の発熱量にする。本実施形態では発熱体12は金属体にヒータを埋め込んだ、いわゆるブロックヒータを使用している。発熱体12のワークに近接する面の表面粗さは、ワーク17の表面粗さなどよりも小さくしておくと良いが、特にこれに限られるものではない。また、ワーク17のある一定部分に対して一定の熱量を安定して与えられればよいため、その手法はブロックヒータに限られるものではない。たとえば、レーザやスポットヒータで加熱してもよいし、高周波加熱でもよい。
このとき、熱流束センサ11は人の手、または機械による駆動などで、ワーク17の上に接触されているものとする。発熱体12がワーク17に近接する前に熱流束センサがワーク17に接触しているのが好ましいが、発熱体12がワーク17に近接した後に、熱流束センサ11がワーク17に接触したとしても、表面粗さ測定は可能である。
ワーク17に発熱体12が近接したことで、ワーク17の表面の発熱体12に近い部分は加熱されて温度が上昇する加熱部位61を有する。
ワーク17の表面粗さが小さい場合、図7(a)のように、熱流束センサ11の裏面44とワーク17の表面とは密着し、空気層が少ない。一方図7(b)のようにワーク17の表面粗さが大きい場合は、熱流束センサ11の裏面44とワーク17の表面の間に空気層60を含む。
時刻t1にて、発熱体12がワーク17の表面に近接すると、熱流束センサ11により熱流束が検知されて、出力電圧が立ち上がる。
時刻t2にて、表面粗さが規格値以内のワーク17についても、表面粗さが規格値よりも大きいワーク17についても、出力電圧は立ち上がっている途中である。
時刻t3にて、表面粗さが規格値以内のワーク17は出力電圧の立ち上がりが終了する。表面粗さが規格値よりも大きいワーク17は未だ出力電圧が立ち上がりの途中である。
時刻t4において、面粗さが規格値よりも大きいワーク17の出力電圧の立ち上がりも終了する。
または、立ち上がりが終了するまでの時間、たとえば、表面粗さが規格値以内のワーク17については時刻t2、表面粗さが規格値よりも大きいワーク17については時刻t3である。t1からの経過時間がある一定以内であれば、表面粗さは規格値以内にあると判断する。
また、本実施形態では、表面粗さ測定と規格値以内かどうかの判定はコントローラ16が行うものとしたが、人が熱流束センサからの出力電圧や出力値を紙などに記録し、そこから人が表面粗さの測定と規格値以内かどうかの判定を行っても良い。
熱流束センサ11は測定部31をたとえば数cm角から数10cm角の比較的大きな形状にすることも容易である。そのため、本実施形態においては、顕微鏡やレーザ距離計などの光学測定による表面粗さの測定方法、あるいは、ノギス、触針式等他の測定方法と比較すると、広い面積での表面粗さの測定と規格値以内かどうかの判定を短時間で行うことができる。
図9に表面粗さ連続測定装置100の全体図を示す。表面粗さ連続測定装置100は、表面粗さ測定装置10と、コンベア80と、位置測定センサ81から構成されている。
その後、実施形態1と同様に図6におけるステップS1からS4に従って、表面粗さの測定と規格値以内かどうかの判定とを、コントローラ16が行う。
加工刃具によって、金属の表面を切削していくと、加工用の刃具が劣化ししていき、表面粗さが大きくなる。本実施形態のように連続的に表面粗さ測定のデータを取得できると、表面粗さの経時変化を取得することができるため、抜き取りによる表面粗さ測定結果よりも安定して刃具の劣化を可視化し、交換時期の判定ができる。
表面粗さ連続測定装置100を使用することで、切削に使用する加工用刃具の劣化、欠損、割れ、折損等の突発的変化を検出できるだけでなく、研削や研磨に使う砥石の劣化など、他の様々な加工工具の劣化等も可視化し、交換時期を判定することが可能である。
図10(a)は本実施形態の手法である。横軸はワークの数で、縦軸は表面粗さである。ここで、たとえば縦軸は表面粗さの数値そのものではなく、表面粗さに相関した値である。たとえば、出力電圧の傾きにより表面粗さを測定したならば、傾きの逆数などがあるし、熱流束の大きさであってもよい。これらの値から求めた近似直線を一点鎖線で示す。
図10(b)は従来の手法である。横軸はワークの数で、縦軸はレーザや接触式の面粗さ測定方法で測定した表面粗さの値である。図10(a)において、白丸のところだけ抜き取りをしたものである。これらの値から求めた近似直線を点線で示す。
一方、抜き取りで測定した図10(b)においては、抜き取りのタイミングによっては、表面粗さが増加している傾向は読みとれず、測定値のばらつきが大きくなっていることも明確にならない。そのため、表面粗さが規格値を超えて不良品となるワークが出ることになる上、刃具の交換のタイミングも判定できない。
(a)上記実施形態では発熱体の温度はワークよりも高いが、逆にワークより低温であってもよい。たとえば、ワークが加工された直後で高い温度を持っている場合などは、温度が低温もしくは室温のブロックをワークに近接させて、ワークからブロックに奪われる熱流束を測定することで表面粗さ測定を行うことができる。
(b)図11(a)は上記実施形態のように、平たい平面を有するワークの上に、熱流束センサを接触させた側面図である。しかし、熱流束センサはフレキシブルな形態にすることも可能であるため、図11(b)のように、曲面を持つワークにも本発明は適用可能である。
曲面を有するワークの場合、熱流束センサをあらかじめワークの形状に沿った形状に加工しておくとより好ましい。他、曲面に限らず、様々な表面形状を有するワークの表面粗さ測定にも本発明は適用可能である。
(c)上記実施形態では、ワークは切削や研削により加工された金属であるとしたが、たとえば射出成形により製造された樹脂成形品についても本発明は適用可能である。連続で表面粗さを測定することでたとえば連続使用により劣化した金型や成形装置のメンテナンスの時期が推測できる。
(d)被測定物が熱に弱い場合など、加熱温度をできるだけ下げたいときがある。このとき、試料の加熱温度と比べて環境温度との温度差が小さくなる場合がある。そのようなときは、出力電圧が低下し判定しにくくなるので、環境温度を一定に制御するチャンバーなどの空間中で測定するのが好ましい。
以上、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施可能である。
11 熱流束センサ、 12 発熱体、 13 温度制御装置
14 駆動制御装置、 15 計測アンプ、 16 コントローラ
24 電圧計、 143、153 出力線、 41 放熱板、 42 接触板
21、43 熱流束センサ表面、 22、44 熱流束センサ表面
Claims (9)
- 被測定物(17)を加熱する加熱工程と、
表面(21、43)と裏面(22、44)とを有し、前記表面と前記裏面との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生する熱流束センサ(11)を用いて、前記被測定物の上に前記熱流束センサの前記裏面を接触させ、前記表面の温度と前記裏面の温度との温度差に相当する前記熱流束センサの出力を測定する出力測定工程と、
時間と前記出力との応答から表面粗さを測定し、前記表面粗さが規格値以内かどうかを判定する表面粗さ判定工程と、
を含む、表面粗さ測定方法。 - 前記加熱工程において、前記被測定物は外気温よりも高い所定の温度に制御された発熱体(12)を近接、若しくは接触させることにより加熱される、請求項1に記載の表面粗さ測定方法。
- 前記加熱工程において、前記被測定物は外気温よりも低い所定の温度に制御された発熱体(12)を近接、若しくは接触させることにより加熱される、請求項1に記載の表面粗さ測定方法。
- 前記熱流束センサは、
前記熱流束センサの前記裏面(22)と前記被測定物との間に設置される接触板(42)と、
前記熱流束センサの前記表面(21)と空気との間に設置される放熱板(41)と、
を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の表面粗さ測定方法。 - 前記出力測定工程において、前記被測定物の表面粗さよりも、前記被測定物に対向する面の表面粗さが小さい前記接触板を用いる、請求項4に記載の表面粗さ測定方法。
- 前記表面粗さ判定工程において、複数の前記被測定物の表面粗さの測定と、表面粗さが規格値以内かどうかの判定と、を行う、請求項1から5のいずれか一項に記載の表面粗さ測定方法。
- 複数の前記被測定物の表面粗さ測定の結果から、前記被測定物の加工に用いられる加工工具の交換時期の判定を行う交換判定工程をさらに含む、請求項6に記載の表面粗さ測定方法。
- 前記加熱工程と、前記出力測定工程とを、環境温度が一定に制御された空間内で行う、
請求項1から6のいずれか一項に記載の表面粗さ測定方法。 - 被測定物の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置(10)であって、
発熱体(12)と、
前記発熱体の温度を所定の温度に制御する温度制御装置(13)と、
表面(21)と裏面(22)とを有し、前記表面の温度と前記裏面の温度との温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生する熱流束センサ(11)と、
前記表面と前記裏面の温度差に相当する出力を出力する出力線(143、145)と、
前記熱流束センサの出力を測定する電圧計(24)と、
前記熱流束センサの前記裏面に設置され、前記被測定物に対向する面の表面粗さが、前記被測定物の面粗さよりも小さい接触板(42)と、
前記熱流束センサの前記表面と、空気との間に設置される放熱板(41)と、
を備える、表面粗さ測定装置。
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