JPH07103752A

JPH07103752A - 表面粗さ検出方法及び装置

Info

Publication number: JPH07103752A
Application number: JP26996193A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Tsuboi; 淨坪井
Original assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Current assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 1995-04-18

Abstract

(57)【要約】【目的】被測定物の表面形状に左右されずに、被測定
物の表面粗さを検出できる方法を提供する。【構成】被測定物品３１を加振し、その振動をピック
アップする。このピックアップした振動から、被測定物
品３１の縦振動のスペクトル成分を抽出する。このスペ
クトル成分を時系列変換した信号のエンベロープ波形に
含まれている高周波成分を抽出する。この高周波成分に
基づいて被測定物品の表面粗さを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、被測定物品表面の粗
さを検出する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば研磨された金属部品などの表面の
粗さを検出する方法としては、従来、レーザや超音波を
使用する方法が提供されている。

【０００３】例えばレーザを用いる方法は、図１０に示
すように、レーザ光源と受光部とを備える光ピックアッ
プ１により、この光ピックアップ１と物品外観表面（表
面粗さを無視した物品の外観表面）２との間の距離Ｄを
一定に保ちながら、検査対象の物品表面２上を光走査す
る。この光走査の際に、物品表面２からの反射光を、受
光部３で受光させ、反射光の物品表面２から受光までの
時間（受光部と物品表面との距離に対応）を計測し、そ
の計測結果を検出出力とする。

【０００４】この検出出力としては、図１１に示すよう
な物品表面２の粗さに応じた波形信号が得られる。この
波形の振幅は、物品表面の凹凸の深さに相当し、波形の
繰り返し周波数は、凹凸の粗密に対応している。そこ
で、この波形信号のＰＤＦ（プロバビリティ・デンシテ
ィ・ファンクション；確率密度関数）を求めると、図１
１の右横に示すようなグラフが得られる。このＰＤＦの
波形の幅Ｗが物品表面の凹凸の最大深さであり、振幅
は、繰り返し周波数及び信号波形の形状にしたがったも
のとなっている。

【０００５】なお、レーザの代わりに超音波を用いるこ
とにより、同様にして物品表面の粗さを検出することが
できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来は、以上のように
して物品表面の粗さを求めることができるが、従来の方
法は、レーザ光、あるいは超音波を物品表面に照射させ
たときの、物品表面からの反射光、あるいは反射波を受
光部で検出して、受光部と物品表面までの距離を求める
ものであるので、ピックアップ１と物品外観表面２との
間の距離Ｄを一定に保ちながら、物品の外観形状に応じ
て物品表面を走査するようにする必要がある。

【０００７】表面が平面、あるいは断面が真円である場
合には、物品外観表面とピックアップとの距離を一定に
保つことは、比較的容易であるが、物品外観表面が任意
の形状の曲面であったり、複雑な形状をしている場合に
は、その外観形状に合わせてピックアップを物品外観表
面に沿って走査させることは困難である。このため、従
来の物品の表面粗さ検出装置は、特定の形状の物品にし
か用いることができなかった。

【０００８】この発明は、以上の点に鑑み、物品表面を
走査することなく、表面粗さを検出することができる新
規な方法及び装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明による表面粗さ
検出方法においては、被測定物品を加振し、その振動を
ピックアップし、このピックアップした振動から、上記
被測定物品の縦振動のスペクトル成分を抽出し、このス
ペクトル成分を時系列変換した信号のエンベロープ波形
に含まれている高周波成分を抽出し、この高周波成分の
振幅及び周波数に基づいて被測定物品の表面粗さを検出
するようにしたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】加振された被測定物品の振動は、非接触でピッ
クアップされる。そして、そのピックアップされた振動
をスペクトル分析し、その固有振動の内の縦振動の、例
えば１次スペクトル近傍の成分を抽出する。この成分を
時系列変換し、その時系列波形信号を検波し、その検波
出力を周波数軸の信号に変換し、その高周波成分を抽出
する。この高周波成分の振幅は、被測定物品表面の凹凸
の深さに対応し、また、周波数は、凹凸の出現周期に対
応しており、被測定物品表面の粗さを検出することがで
きる。

【００１１】

【実施例】以下、この発明による表面粗さの検出方法及
び装置の一実施例を、図を参照しながら説明する。

【００１２】この発明による表面粗さ検出方法は、以下
に説明するように、この発明の発明者の研究結果に基づ
いて誕生したものである。

【００１３】すなわち、被測定物品に例えば衝撃を加え
るなどして、これを加振すると、被測定物品には、縦振
動波、横振動波、ねじれ振動波が生じることが知られて
いる。このうち、縦振動波は、粗密波（圧縮波ともい
う）であって、対向する２面間を伝播する。

【００１４】今、例えば被測定物品として、図２に示す
ような直方体１を考える。この直方体１に衝撃を与える
等して振動を加えると、この直方体１には、３対の相対
向する面により発生する３方向の縦振動が生じる。すな
わち、図２に示すように、直方体１の側面１ａ，１ｂに
直交する方向に伝播する縦振動波Ｖｘと、直方体１の
側面１ｃ，１ｄに直交する方向の方向に伝播する縦振
動波Ｖｙと、直方体１の上下面１ｅ，１ｆに直交する方
向に伝播する縦振動波Ｖｚとの、３つの伝播方向の定
常振動波が生じる。

【００１５】また、被測定物が、例えば図３に示すよう
な中実円筒３の場合には、この中実円筒３を加振する
と、中心線に沿う方向を伝播方向とする縦振動波Ｖｎ
と、中心線を中心とする回転方向を伝播方向とする縦
振動波Ｖｃと、中心線を通る方向を伝播方向とする縦
振動波Ｖｒが発生する。

【００１６】発明者は、この被測定物品に生じる縦振動
波を、振動検出センサでピックアップし、その出力電気
信号を周波数分析し、縦波の例えば１次スペクトルを抽
出し、その時系列変換波形に注目したところ、そのエン
ベロープ波形には、高周波の波形が重畳され、その重畳
されている高周波波形は、その縦波の伝播方向に沿う物
品表面の表面粗さに対応していることを検知した。

【００１７】すなわち、前記波形の振幅は、当該物品表
面の微細な凹凸の深さに対応しており、前記波形の繰り
返し周波数は、上記凹凸の粗密に対応していることが判
明した。この場合、被測定物品表面の各方向〜に生
じている凹凸の状況が、その方向の縦振動波を検査する
ことにより分かる。

【００１８】この場合、各方向〜の縦振動波は、被
測定物品の材質や、その方向の寸法ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，
ｈ，２πｒ，ｒに応じた周波数として発生する。このた
め、これら寸法に応じた周波数成分に注目することで、
各方向の縦振動波成分は容易に抽出することができ、そ
の方向の表面粗さを検出することが可能である。

【００１９】次に、この発明による被測定物品の表面粗
さ検出方法を実施する装置装置の一実施例を、図１を参
照しながら説明する。図１は、この例の装置の一実施例
を示す。被測定物３１は、例えば測定用ステージ３２上
に載置される。測定用ステージ３２は、例えば硬質ゴム
等により構成される。そして、この測定用ステージ３２
に被測定物３１が載置されたことが、例えば測定用ステ
ージ３２に設けられたセンサによって検出されると、制
御装置３３は、加振装置３４を駆動し、被測定物３１を
加振する。

【００２０】この例では、加振装置３４は、例えば振り
子状におもり等の衝撃物により被測定物３１を、例えば
インパルス衝撃する。おもりの駆動機構は、衝撃後、お
もりが被測定物から即座に離れるようにカム機構等によ
り構成される。なお、加振は、１回ではなく、複数回行
なってもよく、しかも、異なる複数の部位を加振するよ
うにしてもよい。

【００２１】以上のようにして、加振された被測定物３
１の振動は、非接触で出力振動受信装置３５のセンサ３
６で検出され、電気信号に変換され、シグナルコンディ
ショナー３７に供給される。シグナルコンディショナー
３７では、電気信号が増幅され、また、不要高低域成分
の除去（トレンドの除去）などの所定の信号処理がなさ
れる。この場合、センサ３６は、振動を検出できるもの
であれば、どのようなものでも使用でき、変位計等を用
いることもできる。もっとも、周囲からの雑音振動をで
きるだけ拾わないようにするために、被測定物３１の方
向に鋭い指向性を有するものが好ましい。

【００２２】出力振動受信装置３５からの電気信号は、
伝送路３８を介して演算処理及び検出装置４０に供給さ
れる。この演算処理及び検出装置４０は、例えばマイク
ロコンピュータを有し、ソフトウェアにより後述の演算
処理及び表面粗さ検出動作をなすものであるが、この処
理を機能ブロックで示すと、図１のようになる。

【００２３】ところで、ここで問題にする振動は、その
被測定物の形状が持つ固有振動である。しかし、被測定
物を強制的に振動させた場合、その強制振動などが固有
振動（定常波としての縦振動）と混在することになる。
そこで、次のようにして固有振動成分のみを抽出できる
ようにしている。

【００２４】先ず、前述したように、被測定物３１に
は、粗密波である縦振動波のほかに、密度変化を伴わな
い横波が生じる。この横波は、被測定物３１の重心付近
を加振することにより、発生させない、あるいは微小に
押さえることができる。

【００２５】次に、強制振動に対しては、センサ３６か
らの信号の測定開始点を、加振時から所定時間経過した
時点とすることで、影響を除去するようにする。すなわ
ち、被測定物３１を加振する場合、正弦波法とインパル
ス衝撃法とがあるが、正弦波法の場合には、一定条件で
被測定物３１を加振しておき、ある瞬間で、これを停止
する。そして、その停止時から少し時間経過した時点か
ら振動の測定を開始する。インパルス衝撃法の場合に
は、衝撃を与える等して加振した直後から少し時間を経
過した時点から測定を開始する。

【００２６】この場合の加振停止時、あるいは衝撃時か
ら測定を開始するまでの時間は、次のようにして定める
ことができる。すなわち、被測定物３１中を伝わる音波
の速度ｃは、そのヤング率Ｅ（弾性係数）とその物体の
密度ρによって異なり、ｃ²＝Ｅ／ρ の関係がある。そして、例えば、この例のインパルス衝
撃法による場合、衝撃直後からピックアップした振動の
時系列波形は図４Ａのようになる。

【００２７】この図４Ａの波形からもわかるように、加
振後の振動は地震波の場合と同じであるので、上記のよ
うに速度の速い縦波や遅い波が混在しており、また、振
動に強制振動が残り、被測定物３１の形状に特有の固有
振動波形になっていない。この形状に特有の固有振動波
は、例えばコマの「さいさ運動」のように、停止する少
し前に、観測されるものであると考えられる。このた
め、図４Ｂのような矩形波のウインドーＷ1 を設定し、
このウインドーＷ1 によって、この例では振動波を抽出
する。

【００２８】すなわち、演算処理・判定処理装置４０に
入力された電気信号はゲート手段４１に供給される。そ
して、ウインドーＷ1 形成手段４２からの前記のウイン
ドー信号Ｗ1 により、加振すなわち衝撃後の被測定物３
１の振動から、被測定物３１の形状の固有振動成分が抽
出される。ウインドーＷ1 形成手段４２では、制御装置
３２からの加振開始の情報を受け、衝撃直後からウイン
ドーＷ1 の立ち上げ時点までの時間と、ウインドー幅を
設定する。図４の例では、衝撃直後から２０msec経過し
た時点からウインドーＷ1 を立ち上げ、２００msecのウ
インドー幅を設定する。

【００２９】以上のようにして、ウインドーＷ1 により
被測定物３１の固有振動成分が抽出される。そして、そ
の固有振動部分がＡ／Ｄ変換手段４３でデジタルデータ
に変換され、メモリ手段４４に書き込まれる。そして、
メモリ手段４４からのこのデジタルデータが読み出さ
れ、ＦＦＴ（ファーストフーリエ変換）手段４５により
時系列波形が直交変換されて、周波数軸の信号の変換さ
れる。つまり、スペクトル分析される。

【００３０】例えば、被測定物３１が前述した中実円筒
の場合には、このＦＦＴ手段４５からは、図５Ａに示す
ように、円筒の材質や寸法ｈ，２πｒ，ｒ（ｒは半径）
に応じた周波数位置に、それぞれ１つのピーク２１，２
２，２３が立つスペクトルが得られる。この場合、ｈ＞
２πｒ＞ｒであるとすると、周波数の低い方から順に、
ピーク２１は、振動波Ｖｎのスペクトル、ピーク２２
は、振動波Ｖｃのスペクトル、ピーク２３は、振動波Ｖ
ｒのスペクトルとなる。

【００３１】なお、図５Ａは、振動波Ｖｎ，Ｖｃ，Ｖｒ
のそれぞれについての１次のスペクトルを示すもので、
それぞれ２次、３次のスペクトルも観測できるが、これ
らの２次以上のスペクトルは、周波数が大きく異なるの
で、ここでは省略する。

【００３２】そして、中実円筒３に、亀裂（以下クラッ
クという）がある場合には、各振動波Ｖｎ，Ｖｃ，Ｖｒ
のそれぞれについての１次のスペクトルは、図５Ｂに示
すように、固有周波数の位置のピーク２１，２２，２３
と、それより周波数の低い方に、さらにもう１つのピー
ク２４，２５，２６が現れて、２つに分かれて観測する
ことができる。

【００３３】これは、クラックの存在によりこのクラッ
クの部分を振動波が通過できずに、迂回することにより
伝播経路が長くなる振動波成分が発生し、このため、基
本固有周波数成分によるスペクトルのピークのほかに、
クラックの分だけ被測定物の基本固有振動スペクトルよ
り低い周波数側にずれた位置に、クラックの存在による
スペクトルのピークが生じるためである。

【００３４】すなわち、クラックが被測定物３１に存在
している場合には、図５Ｂに示すように、それぞれの伝
播方向，，の振動波の基本固有振動スペクトルの
第１次スペクトルのピーク２１，２２，２３の下側（周
波数の低い側）にクラックに存在よる振動のスペクトル
のピーク２４，２５，２６が分かれて現われるのであ
る。この場合、両者のスペクトルのエネルギーの和は、
図５Ａのクラックの無い場合のそれぞれの振動波の１次
スペクトルのエネルギーに等しい。また、クラックの各
方向，，の大きさは、２つに分かれた各１次のス
ペクトルのピークが立つ周波数の比例する。

【００３５】このＦＦＴ手段４５の出力は、目的方向成
分抽出手段４６に供給されて、目的の伝播方向の表面粗
さを検出するために、その伝播方向についての１次スペ
クトル成分、例えばピーク２１（及び２４）の近傍の成
分のみが抽出される。

【００３６】抽出された１次スペクトル成分は、逆ＦＦ
Ｔ手段４７に供給されて、時系列波形に変換される。こ
の時系列変換波形は、被測定物３１にクラックがないと
きには、図６Ａに示すように、そのエンベロープが単調
減衰の波形になる。また、クラックが存在するときは、
図６Ｂに示すように、そのエンベロープが正弦波状にな
る波形となる。この正弦波状エンベロープ波形の周波数
は、ピーク２１と、ピーク２４の周波数差に等しい。ま
た、図６Ｂの時系列波形のキャリアの周波数は、ピーク
２１とピーク２４の周波数の和に等しい。

【００３７】このようになるのは、被測定物３の振動波
は、欠陥等が存在するときには、その欠陥等による振動
波による変調を受けているからであると考えられる。本
願の発明者は、このことに着目して、例えば前記の円筒
の場合において、ゲート手段４１の出力に対して、振動
波Ｖｎ，Ｖｃ，Ｖｒのそれぞれの固有周波数付近の振動
を抽出する周波数ウインドーをかけて、その抽出した各
振動波についての時系列波形を観測した。その結果、欠
陥等が存在しないときには、そのエンベロープが単調減
衰であるのに対し、欠陥等が存在するときには、そのエ
ンベロープが正弦波であることを確認した。しかも、そ
の正弦波の周波数は、基本固有周波数と、欠陥等による
振動波の周波数との差であることも確認した。

【００３８】ここで、図６Ａ及びＢのエンベロープ波形
を拡大してみると、前述したように、このエンベロープ
波形には、被測定物３１表面の伝播方向に沿う方向の
微細な凹凸の状態、つまり表面粗さに応じた高周波成分
が重畳されている。

【００３９】したがって、この高周波成分を抽出するこ
とにより、被測定物３１の表面粗さを検出することがで
きる。そこで、逆ＦＦＴ手段４７の出力は、検波手段４
８において検波される。この検波手段４８では、先ず、
例えば図６Ｂの波形をゼロクロスで、折り返し、それを
エンベロープ検波して、図６Ｃに示すような波形を得
る。そして、そのエンベロープ検波波形から、低周波成
分を除去する。このとき、図６Ｃの波形の低周波分は、
クラックの存在により生じた振動波の成分であり、その
成分がエンベロープ検波波形から除去されることにな
る。

【００４０】この低周波分の除去の方法としては、例え
ば次のような手法を用いることができる。すなわち、上
記エンベロープ波形をローパスフィルタに通し、その低
周波分を得る。そして、その成分を上記エンベロープ波
形から減算する。以上の処理により、検波手段４８から
は、図６Ｄに示すような被測定物の表面状況成分が得ら
れる。この低周波成分は、前述したように、被測定物に
クラックが存在するときには、そのクラックの存在のた
めに生じる正弦波成分であり、これを除去するというの
は、エンベロープ波形からクラックによる変調成分を除
去することになる。

【００４１】また、次のようにしても被測定物の表面状
況成分が得られる。すなわち、図６Ｃのエンベロープ波
形信号をＦＦＴして周波数軸の信号に変換する。する
と、クラックの存在のための振動波の低周波成分の周波
数位置と、被測定物の表面状況成分の周波数位置におい
て、ピークが立つスペクトラムが得られる。そこで、周
波数ウインドーにより、被測定物の表面状況成分のみを
抽出する。

【００４２】この検波手段４８からの表面状況成分は、
ＰＤＦ形成手段４９に供給され、ＰＤＦが求められる。
また、ＰＤＦ形成手段４９のＰＤＦ出力は、粗さ検出手
段５０に供給される。粗さ検出手段５０は、この例の場
合には、中実円筒の周側面の中心線方向に沿う方向の表
面粗さを、凹凸の数（繰り返し周波数）、凹凸の深さか
ら求める。そして、ＰＤＦ形成手段４９からのＰＤＦ波
形情報や粗さ検出回路５０からの凹凸の繰り返し周波
数、深さ情報が、出力装置５１に供給され、これらの情
報がディスプレイに表示され、あるいは記録紙にハード
コピーとして出力される。

【００４３】図７Ａは、検波手段４８からの表面状況成
分の一例で、図７Ｂはその一部拡大図である。そして、
図８Ｃは、そのＰＤＦ波形である。また、図７Ｄは、検
波手段４８からの表面状況成分をスペクトル分析したも
のである。この図７から、被測定物３１の検査対象表面
の状況は、所定の深さで、規則正しい凹凸（図の例で
は、繰り返し周波数ｆは２．２ｋＨｚ）が表面に生じて
いることが分かる。そして、ＰＤＦ波形から、凹凸の形
状は、表面付近の曲面がなだらかであることが分かる。

【００４４】図８Ａは、検波手段４８からの表面状況成
分の他の例で、図８Ｂはその一部拡大図である。そし
て、図８Ｃは、そのＰＤＦ波形である。また、図８Ｄ
は、検波手段４８からの表面状況成分をスペクトル分析
したものである。この図８から、被測定物３１の検査対
象表面の状況は、所定の深さで、ほぼ規則正しい凹凸
（図の例では、繰り返し周波数ｆは４．０ｋＨｚ）が表
面に生じていることが分かる。そして、ＰＤＦ波形か
ら、深さは図７の例に比べて浅く、凹凸の形状は、表面
付近と、谷の部分とがほぼ同じ曲面を有していることが
分かる。

【００４５】なお、図７及び図８の場合の表面の凹凸の
個数は、寸法ｈで定まる縦波の１次スペクトルの周波数
（これは寸法から既知である）をｆｏとしたとき、ｆ／
ｆｏとして求めることができる。

【００４６】図９Ａは、検波手段４８からの表面状況成
分のさらに他の例で、図９Ｂはその一部拡大図である。
そして、図９Ｃは、そのＰＤＦ波形である。また、図９
Ｄは、検波手段４８からの表面状況成分をスペクトル分
析したものである。この図９から、被測定物３１の検査
対象表面の状況は、ほぼ平坦であることが分かる。

【００４７】以上の例は、円筒の周側面の、この円筒の
中心線方向の凹凸から表面粗さを検出する場合であるの
で、方向を伝播方向とする縦振動波Ｖｎについて検査
するようにしたが、この発明は、表面粗さを知りたい方
向の縦振動波を用いることにより、被測定物の任意の面
の任意の方向の表面粗さを測定して検出することができ
る。例えば、円筒の周側面の周方向の凹凸から表面粗さ
を検出する場合には、伝播方向の縦振動波Ｖｃの１次
スペクトル成分近傍の周波数成分を用いるものである。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、検査対象とする表面粗さを知りたい方向に伝播する
縦振動波を用いて、そのエンベロープに含まれる高周波
成分から目的の方向の表面粗さを求めることができる。
そして、この発明の場合には、被測定物を加振して、そ
の振動波を分析するだけで、被測定物の表面粗さを検出
することができるので、被測定物の形状に関係なく、容
易に表面粗さを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のよる表面粗さ検出装置の一実施例の
ブロック図である。

【図２】加振により被測定物に生じる縦振動波の一例を
説明するための図である。

【図３】加振により被測定物に生じる縦振動波の他の例
を説明するための図である。

【図４】図１の実施例の動作の一部を説明するための図
である。

【図５】図１の実施例の動作の一部を説明するための図
である。

【図６】図１の実施例の要部の動作を説明するための図
である。

【図７】この発明の一実施例による測定例を説明するた
めの図である。

【図８】この発明の一実施例による測定例を説明するた
めの図である。

【図９】この発明の一実施例による測定例を説明するた
めの図である。

【図１０】従来の表面粗さ検出方法を説明するための図
である。

【図１１】従来の表面粗さ検出方法を説明するための図
である。

【符号の説明】

３１被測定物３４加振装置３６センサ４０演算処理及び検出装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物品を加振し、その振動をピック
アップし、このピックアップした振動から、上記被測定物品の縦振
動のスペクトル成分を抽出し、このスペクトル成分を時系列変換した信号のエンベロー
プ波形に含まれている高周波成分を抽出し、この高周波成分に基づいて被測定物品の表面粗さを検出
するようにした表面粗さ検出方法。
【請求項２】被測定物品を加振する加振手段と、上記加振手段による加振により被測定物品に生じる振動
をピックアップし、電気信号に変換するピックアップ手
段と、このピックアップ手段からの電気信号をスペクトル分析
し、上記被測定物品の縦振動のスペクトル成分を抽出す
る手段と、上記抽出したスペクトル成分を時系列変換し、その時系
列波形のエンベロープ波形に含まれる高周波成分のみを
抽出する手段と、この高周波成分の振幅及び繰り返し周波数から上記被測
定物品の表面粗さを検出する手段とを備える表面粗さ検
出装置。