JPS6035609B2 - 表面粗さ測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は走行物体の表面粗さを測定する装置に関し、特
に高速で走行する物体にも適用可能な純光学式の表面組
さ測定装置を提案したものである。

プレス加工に供される冷延鋼板は、プレス加工時の潤滑
性及び塗装性を良好にするために、又は塗装後の美観を
確保するためにその表面を適切な粗さにすることが要求
され、従って冷間課質圧延工程においては鋼板の表面粗
さが重要な管理対象項目となっている。

この鋼板表面の凹凸は所定粗さに仕上げたロールを使用
した場合に、そのロール表面の凹凸が鋼板表面に転写さ
れることによって形成される。ところがロールの使用回
数を重ねるにつれてロールが摩耗し、ロール表面の粗さ
が小さくなると、それにつれて鋼板表面の粗さも所定粗
さより小さくなる。このため、鋼板の表面粗さを許容範
囲内に管理するためには鋼板の表面組さを測定し、この
表面粗さが許容範囲を逸脱しないように摩耗したロール
を早期に交換する必要がある。ところでこの表面粗さの
測定装置として触針を被測定物表面の凹凸形状に倣わせ
て鷹動せしめ、触針の振動を電気信号に変換することに
より行うものが提案されているが、この装置は表面形状
を触針の振動にて検出するという機械的な原理に塞いて
いるため、通板速度が１物／分と高速である調質圧延工
程の鋼板表面の凹凸に触針が追随し得ないためにオンラ
インには適用し得ず、また測定時に通板速度を低下させ
ることとしても測定後の鋼板表面に触針による痕が残る
等の不都合があり、更に触針自体の摩耗が激しく測定精
度を確保するためには頻繁に針交換を行う必要があって
測定作業上煩わしく、譲質圧延工程のオンラインには適
用し得ない。従って従来は圧延後に小サンプルを切り出
してオフラインで表面粗さを測定していたが、当然なが
ら不良品発生から摩耗ロール交換までの対応が遅れ、大
量の不良品発生という事態を回避するためには安全を見
込んで早目にロール交換を行う必要があった。本発明は
斯かる事情に鑑みてなされたものであって、高速で通板
される鋼板にも適用可能であり、被測定物表面に非接触
であって表面に澄江定痕を残すことなく、大量の被測定
物も連続的に安定して計測可能な表面粗さ測定装置を提
供することを目的とする。

先ず本発明装置による表面粗さの測定原理について説明
する。

一般に凹凸を有する物体表面に光を投射すると第１図に
示すように物体表面（斜線領域にて示す）からあらゆる
方向へ乱反射する。従ってこの反射光を検出しても物体
表面の粗さに関連するデ−夕は得られない。ところが第
２図に示すように光ビームのビーム径を物体表面の頂部
と谷底部との間隔（凹凸ピッチ）以下に絞って物体表面
に投射すると、光ビームは散乱することなく光ビームが
入射している位置における部分の傾斜方向と傾斜角度と
によって定まる特定の方向へ反射する。従って一定の方
向から反射してくる光ビームを検出すべく物体表面に向
けて検出器１を設置し、物体を物体表面に平行な方向（
白抜失符にて示す）に一定速度で走行させると、検出器
１にて検出された反射光ビームの強度は第４図に示すよ
うな時間変化を示す。第４図は機軸に時間をとり、また
縦軸に検出器１にて検出された光ビームの強度をとって
、検出器１に向けて反射してきた光ビームの強度の時間
変化を模式的に表わしたものである。また第３図は表面
の凹凸形状が第２図の物体よりも粗大な物体に、第２図
と同機にして光ビームを投射し、検出器１にて反射光ビ
ームを検出している様子を表わしているが、この物体を
第２図の物体と同一の移動速度で白抜矢符方向に走行さ
せると、検出器１にて検出された反射光ビームの強度は
第５図に示すような時間変化を示す。即ち第４図及び第
５図を比較すると、反射光ビームが検出されている間の
光ビームの強度は両者共同一であるが、検出周期又は単
位時間に光ビームが検出される回数は微４・な凹凸（凹
凸ピッチ小）では大、粗大な凹凸（凹凸ピッチ大）では
小となる。従って物体表面の凹凸ピッチ以下にビー三要
言麓晃吉圭三葦蔓畠費隼妻事鼻寮塁言号蚤題を解析する
ことにより、第２図及び第３図に示すような物体の表面
粗さの差異を検知することが可能である。つまり本発明
は物体表面の粗さを特定の方向へ反射してきた光ビーム
の周期、更にはその強度により検出するという原理に基
いて完成されたものである。なお実際の冷延鋼板の表面
は第６図に示すように比較的大きなピッチ形状の凹凸面
上に微小ピッチの凹凸が存在する如き形状をなすから大
ピッチの凹凸に合わせて定めた径の光ビームの投射では
、その反射方向は一定せず光ビームは散乱する。しかし
ながら大部分の光ビームは、大ピッチの凹凸面の傾斜方
向にて定まる方向へ反射するため、検出器１‘こて検出
される光ビームの強度又は検出信号の時間変化は第７図
にこれを示すように大ピッチの凹凸形状にて定まる低周
波上に小ピッチの凹凸形状に困る微小レベルの高周波が
車畳した様相を呈するから、実際にはこの低周波信号波
の強度及びその時間変化にて物体表面の大きな凹凸形状
に基〈粗さを検知することができる。以下本発明をその
実施例を示す図面に塞いて具体的に説明する。

第８図は本発明に係る装置の模式的ブロック図である。
調質圧延工程にて圧延された後、ローラテーブル６上を
白抜矢符方向へ搬送されていく鋼板ＳＴの通過域の上方
にはしーザ発生器２がレーザビームを鋼板ＳＴの表面に
向けて所定角度で技射すべく配設されており、またビー
ム光路中にはコリメータレンズ３が配設されていていず
れも適宜の支持部村にて固定されており、コリメータレ
ンズ３はしーザビーム径２肋◇程度以下に絞る。なお物
体表面に投射する光ビームはしーザビームの如きコヒー
レント光である必要はなく、上記のように物体表面にお
いてビ、‐ム径を２側め程度以下に絞ることができるも
のであればよい。鋼板ＳＴ通過城の上方にはビーム投射
角度に応じた適宜の伸角で懐射するようにして光電変換
素子１が設置されている。

光電変換素子１は光電子増倍管、フオトダィオード等通
等なものを使用すればよいが、その受光範囲は立体角に
おいて０．０１〜０．２０ステラジアンの範囲にするの
が適当である。けだし受光範囲が狭すぎる場合は鋼板Ｓ
Ｔの移動に伴う表面の上下動（所謂バタッキ）が検出結
果に影響を及ぼし、また受光範囲が広すぎる場合は投射
ビーム径が太い場合と同じく検出されたレーザビームの
時間変化量が少く、検出結果と表面凹凸形状との間に良
い対応が得られないためである。光電変換素子１が検出
した物体表面の反射光はその強度に応じたレベルの電気
信号に変換されて、信号処理部の感度調整回路１１へ入
力される。更にローラテーブル６の適宜のロール６ａに
パルスジヱネレータ５を運動連結し、その出力をカウン
ター７へ入力させるようにしてある。このパルスジェネ
レ−夕５は所謂回転ェンコ−ダであって、そのロータ又
はこれと連動回転するロール６ａが一定角度回転する毎
に１パルスを出力するから、一定時間に出力するパルス
数はロール６ａの単位時間当り回転数、従って鋼板６Ｔ
の移動速度に関連するデータになっている。次に信号処
理部の構成について説明する。

感度調整回路１１へ入力された光電変換素子１の検出信
号は、感度調整回路１１にて物体表面の巨視的反射率の
変動に対して補正される。鋼板ＳＴの表面には圧延時に
塗着された油等が部分的に付着していることが多く光電
変換素子１の検出信号の変動要因となるから、光電変換
素子１の検出信号を鋼板ＳＴ表面の巨視的反射率の高低
に応じて補正することにより、その変動を補償する構成
としている。この感度調整回路１１としては、例えば第
１０図に示すものを使用すればよい。即ち光電変換素子
１の出力はローパスフィルタ１９及び増幅器２１に入力
されるようにしてあり、光電変換素子１の検出信号は増
幅器２１にて増幅された後バンドパスフイルタ１２へ出
力されるが、ローパスフィルタ１９に入力された検出信
号はその高周波交流分がカットされて演算回路２０に入
力され、演算回路２川まこの検出信号の直流分（低周波
分を含む）の高低に応じて、増幅器２１のゲインを調整
する構成としている。光電変換素子１の検出信号は第７
図に示す如く直流信号に交流信号を車畳した波形を有し
、この直流分の変動が物体表面の巨視的反射率の変動、
即ち鋼板ＳＴの表面の油の付着、汚れ「バタッキ等に起
因する検出信号の変化を表わしており、交流分の変動が
表面粗さの変化による検出信号の変化を表わしている。
そこで演算回路２０１こおいて、ローパスフィルタ１９
を通過してきた直流分が低下した場合に、光電変換素子
１の検出位置の巨視的反射率が低いと判断して増幅器２
１のゲインを上げ、逆に直流分が増加した場合に、巨視
的反射率が高いと判断して増幅器２１のゲインを下げる
よう増幅器２１のゲイン調整を行わせることにより、感
度調整回路１１からバンドパスフィル夕１２へ出力する
信号の直流分を、巨視的反射率の変動によらず一定にす
ることができる。なお表面粗さの変化に起因する反射率
の変化による感度調整ミスを回避し得る程度に感度調整
回路１１の応答速度を定める。感度調整回路１１にて補
正された光電変換素子１の検出信号は、バンドパスフィ
ルタ１２に入力せしめられるようにしてあり、通過周波
数帯域成分のみが粗さ検知回路１３へ入力される。

バンドパスフィルタ１２の通過周波数帯域はこれを通過
する検出信号の周波数成分の実効値（２乗平均値）と、
触針による粗さ測定等従来慣用されている方法の測定結
果とが、最も良く対応する帯城として選定されるべきも
のであり、そのためにはデータ集積を必要とするが、被
測定物表面粗さに関係する要因、例えば被測定物の加工
に供したロール、圧延条件等が同一である場合は比較的
小数のデータ集積でこれを選定することが可能である。
ちなみに調質圧延工程における鋼板ＳＴの移動速度が２
００の／分である場合に、バンドパスフイルタ１２の通
過周波数帯城は５０ＨＺ〜２ｋＨＺ程度となる。一方、
パルスジェネレータ５の出力はカウンタ１７へ与えられ
る。

カウンタ１７の計数値は速度検知回路１８は逐購読込ま
れる。速度検知回路１８はこの計数値、即ち被測定物の
移動速度に関するデータを議込み、移動速度に応じて通
過周波数帯城を高周波側、低周波側へ各シフトさせるべ
くバンドパスフィルタ１２の通過周波数帯域を変更調節
する。即ち検出信号周期は被測定物たる鋼板ＳＴの移動
速度に依存するから、移動速度の高低による検出信号周
期の変動を補償するためである。粗さ検知回路１３は入
力信号値を実効値に変換して出力する回路である。

粗さ検知回路１３にはバンドパスフィルタ１２により、
従来方法による粗さ測定結果とその実効値とが最も良く
対応する周波数帯城の検出信号のみが抽出されて入力し
てくるので、粗さ検知回路１３にてこれを実効値に変換
することにより、この実効値として鋼板ＳＴ表面の粗さ
を検知することができる。粗さ検知回路１３の出力はＡ
／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１４へ入力して、
ここでディジタルデータに変換し、マイクロコンピュー
タ等よりなる平均化回路１５へ変換データを入力する。
平均化回路１５にはカウンター７からその積算内容が入
力されており、積算値が一定値ずつ加算される都度、即
ち鋼板ＳＴが一定距離移動する都度、平均化回路１５は
ストアした表面粗ごに関するデータを読み出してこれら
を平均し、鋼板ＳＴの一定長毎の表面粗さの平均値とし
てプリンタ又はＣＲＴ等の表示器１６へ出力する。徐上
の如く構成された本発明装置にあっては、鯛質圧延され
た後、ローラテーブル６上を搬送されていく鋼板ＳＴの
表面に、レーザチュープ２から発せられたレーザビーム
をコリメータレンズ３にてビーム径を２側め以下に絞っ
て投射する。

そして特定の方向へ反射してきた反射ビームを光電変換
素子１にて検出し、電気信号に変換して感度調整回路１
１へ入力する。また鋼板ＳＴの移動位置をパルスジェ
ネレータ５によって検出し、このパルス信号をカウンタ
ー７へ入力する。感度調整回路１１にて、光電変換素子
１の検出信号を鋼板ＳＴ表面の油量変動、色調変化等に
起因する巨視的反射率の変動に対して補正し、バンドパ
スフイルタ１２へ入力する。

バンドパスフイルタ１２を通過する検出信号は、カウソ
タ１７の積算値により速度検知回路１８にて算出される
鋼板ＳＴの移動速度に基いて変更調節された特定の周波
数帯城成分のみであり、これを粗さ検知回路１３に入力
して実効値に変換することにより、鋼板ＳＴの表面粗さ
を実効値として検知する。そして粗さ検知回路１３の出
力をＡ／Ｄ変換器１４を介して平均化回路１５へ入力し
、鋼板ＳＴの一定長毎の粗さ平均値として表示器１６へ
表示せしめる。次に今一つの本発明の装置について第９
図に基き説明する。

この装置は鋼板ＳＴの移動速度の変動により光電変換素
子１の検出信号の解析対象周波数が変動するのを、第８
図の装置のようにバンドパスフィルタ１２の通過周波数
帯城を移動速度に応じて変更調節するのではなく、検出
信号の実効値を予め求めてある既知の表面粗さと移動速
度との関係に塞いて補正演算することにより、表面粗さ
を移動速度の変動に対して補正するものであり、基本的
構成は第８図の装置と同様であるので同一物には同一符
号を付して説明を省略する。１２′はハィパスフィル夕
であり、感度調整回路１１にて鋼板ＳＴ表面の巨視的反
射率の変動に対して補正された光電変換素子１の検出信
号から、低周波成分をカットする。

これはローラテーブル６上を高速で移動する鋼板ＳＴが
上下方向へ揺動して所謂バタッキ現象を起し、光電変換
素子１の検出信号に重畳された低周波成分を除去し、ま
たこの物体表面の粗さと無関係な低周波成分をカットす
るために設置するものである。／・ィパスフィルタ１２
′の出力は粗さ検知回路１３にてその実効値が求められ
、Ａ／Ｄ変換器１４を介してマイクロコンピュータ等よ
りなる補正演算部１５′へ入力せしめられる。補正演算
部１５′にはカウンタ１７の計数値、即ち鋼板ＳＴの移
動速度に関するデータが入力されており、粗さ検知回路
１３から入力される実効値を移動速度に基いて補正し表
面粗さを算出する。この補正は、表面相さが既知である
物体の移動速度と実効値との関係を予め求めておき、こ
れを種々の移動速度における実効値から表面粗さへの補
正係数として補正演算部１５′に設定しておき、カウン
ター７による移動速度に基いて対応する補正係数を選択
し、この補正係数を実効値に乗ずることにより行われる
。そして補正演算部１５′はカウンタ１７の積算値が一
定値ずつ加算される都度、この表面粗さに関するデータ
を平均し、鋼板ＳＴの一定長毎の表面粗さの平均値とし
て表示器１６へ出力する。なお補正演算部１５′に入力
される光電変換素子１の検出信号は、上述のように粗ご
検知回路１３により実効値に変換されたものとせずとも
、感度調整回路１１の出力をＡ／Ｄ変換器１４を介する
だけでそのまま入力せしめ、補正演算部１５′にて実効
値相当の演算を行い、この結果に対して上述の移動速度
に対する補正を行う構成としてもよい。このように第９
図に示す装置においては、光電変換素子１の検出信号は
鋼板ＳＴ表面の巨視的反射率の変動に対して補正された
後、鋼板ＳＴの移動に伴うバタッキ現象等に起因する低
周波成分がカットされ、その実効値が求められる。

そしてこの実効値は補正演算部１５′にて、予め求めて
ある移動速度と実効値との関係に基く補正係数により、
移動速度に対して補正されるので、補正後の実効値は移
動速度の変動によらず鋼板ＳＴ表面の粗さを表わすデー
タとなっている。このようにして得られた鋼板ＳＴの表
面粗さは、従来の触針等により求めた表面粗さの測定結
果とよく対応する。

第１１図、第１２図は夫々第８図、第９図の本発明装置
により論貿圧延工程のオンラインにて鋼板ＳＴ表面の粗
さを測定した結果と、圧延後に切り出して従来同様触針
により表面粗さを測定した結果との対応関係を示すグラ
フである。なお第１１図、第１２図はいずれも機軸が触
針による測定結果（凹凸の最大高さ）であり、また縦軸
が本発明装置により測定した表面組さの指数である。図
から明らかなように、本発明装置による測定結果は従釆
の触針による測定結果とよく対応し、本発明装置により
高速で移動する物体の表面粗さを非接触で且つ従来同様
の高信頼度で測定できることが実証された。以上詳述し
た如く本発明に係る表面組ご測定装置は、光ビーム発生
装置と、物体表面から反射してきた光ビームを検出する
光電変換素子と、物体の移動速度検出手段と、前記光電
変換素子の検出信号を補正する感度調整回路とを具備し
、更に前記移動速度検出手段が検出した移動速度に関達
する特定周波数帯城成分を前記感度調整回路の出力から
抜き出すバンドパスフィルタか、又は前記感度調整回路
の出力又はこれに基いて得られる信号を前記移動速度検
出手段が検出した移動速度の変化に応じて補正する手段
とを具備し、前記バンドパスフィルタ又は前記補正手段
の出力に基いて物体表面の粗さを検知すべ〈構成したこ
とを特徴とするものであるから、物体表面の粗さを非接
触で測定することができるため、高速で移動する物体の
表面粗さも測定することができ、また従来の触針のよう
に検出部が消耗することがなく、被測定物表面に側定痕
を残すこともなく、更に大量の被測定物も連続的に安定
して表面粗さを検知することができ、さらにまた、光電
変換素子の出力を物体表面の反射率に対応させて補正す
るものであるため、物体表面の油の付着、汚れ等に起因
する反射率の影響を排除し得て、正確な測定ができる等
、本発明は従釆オンラインでは測定できなかった高速で
移動する物体又は表面の美観が重視される物体等に必要
とされる表面組さの非接触測定技術の向上に多大の寄与
をなすものである。

【図面の簡単な説明】

第１〜７図は本発明による表面粗さの測定原理を説明す
る模式図、第８，９図は本発明装置の２実施例を各示す
模式的ブロック図、第１０図は感度調整回路の構成を示
す模式的ブロック図、第１１，１２図は本発明の効果を
示すグラフである。 １・・・・・・光電変換素子、２・・・・・・レーザチ
ューフ、５・・・・・・パルスジェネレータ、１１・・
・・・・感度調整回路、１２……バンドパスフイルタ、
１２′……／・ィパスフィルタ、１３・・・・・・組さ
検知回路、１５・・・・・・平均化回路、１５′・・・
・・・補正演算部。 第 １０ 図多１図 第２図 多３図 多４図 多５図 髪６図 多ワ図 図 球 図 紫 第１１ 図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 移動している物体表面の粗さを測定する装置におい
   て、光ビーム発生装置と、物体表面から反射してきた光
   ビームを検出する光電変換素子と、物体の移動速度検出
   手段と、前記光電変換素子の検出信号を物体表面の反射
   率に対応させて補正する感度調整回路と、前記移動速度
   検出手段が検出した移動速度に関連する特定周波数帯域
   成分を前記感度調整回路の出力から抜き出すバンドパス
   フイルタとを具備し、該バンドパスフイルタの出力に基
   いて物体表面の粗さを検知すべく構成したことを特徴と
   する表面粗さ測定装置。 ２ 移動している物体表面の粗さを測定する装置におい
   て、光ビーム発生装置と、物体表面から反射してきた光
   ビームを検出する光電変換素子と、物体の移動速度検出
   手段と、前記光電変換素子の検出信号を物体表面の反射
   率に対応させて補正する感度調整回路と、該感度調整回
   路の出力又はこれに基いて得られる信号を前記移動速度
   検出手段が検出した移動速度の変化に応じて補正する手
   段とを具備し、この補正手段の出力に基いて物体表面の
   粗さを検知すべく構成したことを特徴とする表面粗さ測
   定装置。