表面計測

表面計測学は、表面上の小規模な特徴を測定する学問であり、計測学の分野です。表面の一次形状、表面のフラクタル性、表面仕上げ（表面粗さを含む）は、この分野に最もよく関連するパラメータです。多くの分野にとって重要であり、主に、嵌合面がある、または高い内部圧力で動作する必要がある精密部品やアセンブリの機械加工で知られています。

表面仕上げは、接触法と非接触法の 2 つの方法で測定できます。接触法では、測定スタイラスを表面に沿ってドラッグします。これらの機器は、プロファイロメータと呼ばれます。非接触法には、干渉法、デジタル ホログラフィー、共焦点顕微鏡、焦点変化法、構造化光法、電気容量法、電子顕微鏡法、写真測量法、非接触プロファイロメータなど があります。

最も一般的な方法は、ダイヤモンドスタイラスプロファイロメータを使用することです。スタイラスは、表面のレイに対して垂直に動かされます。^[1]プローブは通常、平面上の直線に沿って、または円筒形の表面の周りの円弧に沿ってトレースします。トレースするパスの長さは、測定長と呼ばれます。データの分析に使用される最低周波数フィルターの波長は、通常、サンプリング長として定義されます。ほとんどの規格では、測定長はサンプリング長の 7 倍以上であるべきであり、ナイキスト-シャノンのサンプリング定理によれば、測定長は関心のあるフィーチャの波長の 2 倍以上である必要があります。評価長または評価長は、分析に使用されるデータの長さです。通常、測定長の両端から 1 つのサンプリング長が破棄されます。プロファイロメータを使用して表面上の 2D 領域をスキャンすることにより、3D 測定を行うことができます。

プロファイロメータの欠点は、表面の特徴のサイズがスタイラスと同じサイズに近い場合、正確ではないことです。もう1つの欠点は、プロファイロメータでは、表面の粗さと同じ一般的なサイズの欠陥を検出することが難しいことです。^[1]非接触式計測器にも制限があります。たとえば、光干渉に依存する計測器では​​、動作波長の何分の1か未満の特徴を分解できません。この制限により、一般的な物体であっても、正確な粗さの測定が困難になる可能性があります。これは、興味深い特徴が光の波長よりもはるかに低い可能性があるためです。赤色光の波長は約650 nmですが、^[2]研磨されたシャフトの平均粗さ (R _a ) は200 nmになる可能性があります。

分析の最初のステップは、生データをフィルタリングして、非常に高い周波数のデータ（「マイクロ粗さ」と呼ばれる）を除去することです。これは、表面の振動や破片に起因することが多いためです。特定のカットオフしきい値でマイクロ粗さをフィルタリングすると、2 μm と 5 μm の半径など、異なるスタイラス ボール半径を持つプロフィロメータを使用して行われた粗さ評価をより正確にすることもできます。次に、データは粗さ、うねり、および形状に分割されます。これは、参照線、エンベロープ法、デジタル フィルタ、フラクタル、またはその他の手法を使用して実行できます。最後に、1 つ以上の粗さパラメータ、またはグラフを使用してデータを要約します。以前は、表面仕上げは通常、手作業で分析されていました。粗さのトレースはグラフ用紙にプロットされ、熟練した機械工がどのデータを無視し、平均線をどこに配置するかを判断していました。今日では、測定されたデータはコンピューターに保存され、信号分析と統計の手法を使用して分析されます。^[3]

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  さまざまなフォーム除去技術が表面仕上げ分析に与える影響
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  フィルタのカットオフ周波数が波状性と粗さの分離にどのように影響するかを示すグラフ
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  表面仕上げトレースの生のプロファイルが、主要なプロファイル、形状、波状度、粗さにどのように分解されるかを示す図
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  異なるフィルターを使用して表面仕上げのトレースを波状と粗さに分離する効果を示す図

スタイラスベースの接触式計測器には、次のような利点があります。

• このシステムは非常にシンプルで、2D プロファイルのみを必要とする基本的な粗さ、うねり、または形状の測定 (Ra 値の計算など) には十分です。
• システムは、サンプルの光学特性（高反射性、透明、微細構造など）に左右されることはありません。
• スタイラスは、工業プロセス中に多くの金属部品を覆う油膜を無視します。

テクノロジー:

• 接触型プロファイロメーター– 従来はダイヤモンドのスタイラスを使用し、蓄音機のように動作します。
• 原子間力顕微鏡は、原子スケールで動作する接触プロファイラーと見なされることもあります。

光学式測定機器は、触覚式測定機器に比べて次のような利点があります。

• 表面に触れない（サンプルが損傷しない）
• 測定速度は通常はるかに高速です（1秒間に最大100万の3Dポイントを測定できます）
• それらのいくつかは、単一のデータトレースではなく、3D表面地形のために構築されています。
• ガラスやプラスチックフィルムなどの透明な媒体を通して表面を測定できる
• 測定対象のコンポーネントが非常に柔らかい場合（汚染堆積物など）、または非常に硬い場合（研磨紙など）は、非接触測定が唯一の解決策となる場合があります。

垂直スキャン：

• コヒーレンス走査干渉法
• 共焦点顕微鏡
• フォーカスの変化
• 共焦点色収差

水平スキャン：

• 走査型レーザー顕微鏡（SLM）
• 構造化光スキャン

非スキャン

• デジタルホログラフィック顕微鏡

すべての計測器には長所と短所があるため、オペレータは測定アプリケーションに応じて適切な計測器を選択する必要があります。以下に、主要な技術の長所と短所をいくつか示します。

• 干渉法: この方法は、あらゆる光学技術の中で最も高い垂直解像度を持ち、横方向解像度は共焦点法よりも優れた横方向解像度を持つ他のほとんどの光学技術と同等です。機器は、高い垂直再現性を持つ位相シフト干渉法 (PSI) を使用して非常に滑らかな表面を測定できます。このようなシステムは、大型部品 (最大 300 mm) の測定専用にすることも、顕微鏡ベースにすることもできます。また、白色光源を使用したコヒーレンス走査干渉法(CSI) を使用して、機械加工された金属、フォーム、紙など、急勾配または粗い表面を測定することもできます。すべての光学技術の場合と同様に、この機器における光とサンプルの相互作用は完全には理解されていません。つまり、特に粗さの測定では測定誤差が発生する可能性があります。^{[4] [5]}
• デジタル ホログラフィー: この方法は、干渉法と同様の解像度で 3D トポグラフィーを提供します。さらに、非スキャン技術であるため、移動するサンプル、変形可能な表面、MEMS ダイナミクス、化学反応、サンプルに対する磁場または電場の影響、特に品質管理のための振動の存在の測定に最適です。
• 焦点変化: この方法は色情報を提供し、急峻な側面や非常に粗い表面でも測定できます。欠点は、シリコン ウェーハのような非常に滑らかな表面粗さの表面では測定できないことです。主な用途は、金属 (機械加工された部品や工具)、プラスチック、または紙のサンプルです。
• 共焦点顕微鏡法: この方法はピンホールを使用するため横方向の解像度が高いという利点がありますが、急峻な側面を測定できないという欠点があります。また、垂直方向の感度は使用する顕微鏡の対物レンズに依存するため、広い領域を観察すると垂直方向の解像度が急速に低下します。
• 共焦点色収差: この方法の利点は、垂直スキャンなしで特定の高さの範囲を測定できること、非常に粗い表面を簡単に測定できること、および 1 nm の範囲まで滑らかな表面を測定できることです。これらのセンサーには可動部品がないため、非常に高速なスキャンが可能で、再現性も非常に高くなります。開口数が高い構成では、比較的急な側面でも測定できます。測定範囲が同じまたは異なる複数のセンサーを同時に使用できるため、差分測定アプローチ (TTV) が可能になり、システムのユースケースが拡張されます。
• 接触式プロファイロメーター: この方法は最も一般的な表面測定技術です。利点は、安価な機器であり、選択したスタイラスの先端半径に応じて光学技術よりも横方向の解像度が高いことです。新しいシステムでは、2D トレースに加えて 3D 測定が可能で、形状や重要な寸法、粗さを測定できます。ただし、欠点は、スタイラスの先端が表面と物理的に接触している必要があるため、表面やスタイラスが変化し、汚染が発生する可能性があることです。さらに、機械的な相互作用のため、スキャン速度は光学的方法よりも大幅に遅くなります。スタイラス シャンクの角度のため、スタイラス プロファイロメーターは隆起構造の端まで測定できず、「影」または未定義領域が発生します。これは通常、光学システムで一般的なものよりもはるかに大きくなります。

希望する測定のスケールによって、使用する顕微鏡の種類が決まります。

3D 測定の場合、プローブは表面上の 2D 領域をスキャンするように指示されます。データ ポイント間の間隔は両方向で同じではない場合があります。

場合によっては、測定機器の物理的特性がデータに大きな影響を与えることがあります。これは、非常に滑らかな表面を測定する場合に特に当てはまります。接触測定の場合、最も明らかな問題は、スタイラスが測定対象の表面を傷つける可能性があることです。もう 1 つの問題は、スタイラスが鈍すぎて深い谷底に届かず、鋭い山の先端が丸くなる可能性があることです。この場合、プローブは機器の精度を制限する物理的なフィルターです。

実際の表面形状は非常に複雑なため、有限個のパラメータでは完全な説明はできません。使用するパラメータの数を増やすと、より正確な説明が得られます。これが、表面評価に新しいパラメータを導入する理由の 1 つです。表面粗さパラメータは、通常、その機能に応じて 3 つのグループに分類されます。これらのグループは、振幅パラメータ、間隔パラメータ、ハイブリッド パラメータとして定義されます。^[6]

表面を記述するために使用されるパラメータは、主に表面の高さの多数のサンプルから取得された 統計的指標です。次に例を示します。

これは、ASME B46.1 ^[7]や ISO 4287 ^[8]などの規格に記載されている利用可能なパラメータの小さなサブセットです 。これらのパラメータのほとんどは、プロファイロメータやその他の機械プローブシステムの機能に由来しています。さらに、高解像度の光学計測技術によって可能になった測定に直接関連する表面寸法の新しい測定方法が開発されました。

これらのパラメータのほとんどは、 ImageJのSurfCharJプラグイン[1]を使用して推定できます。

表面粗さは、領域全体にわたって計算することもできます。これにより、 R _a値ではなくS _{a 値}が得られます。ISO 25178シリーズでは、これらすべての粗さの値が詳細に説明されています。プロファイル パラメータに対する利点は次のとおりです。

• より重要な価値
• 実際の関数とのより深い関係が可能
• 実際の計測器によるより高速な測定^{[説明が必要]}が可能 (光学面ベースの計測器は、 R _aよりも高速でS _{a を}測定できます。

表面はフラクタルな性質を持っているため、長さスケールフラクタル解析や面積スケールフラクタル解析などのマルチスケール測定も行うことができます。^[9]

表面特性を得るために、ほぼすべての測定はフィルタリングの対象となります。これは、粗さ、うねり、形状誤差などの表面属性の指定と制御に関して最も重要なトピックの 1 つです。表面偏差のこれらのコンポーネントは、測定時に明確に分離可能でなければなりません。そうすることで、表面の供給者と受取者の間で、問題の表面の予想される特性について明確な理解が得られます。通常、測定から生じる形状誤差、うねり、粗さを分離するために、デジタル フィルターまたはアナログ フィルターが使用されます。主なマルチスケール フィルタリング方法は、ガウス フィルタリング、ウェーブレット変換、および最近では離散モード分解です。機器が計算する可能性のあるパラメーター値を理解するために、これらのフィルターの 3 つの特性を知っておく必要があります。これらは、フィルターが粗さをうねりから分離する空間波長、フィルターのシャープネス、つまりフィルターが表面偏差の 2 つのコンポーネントをどれだけきれいに分離するか、およびフィルターの歪み、つまりフィルターが分離プロセスで空間波長コンポーネントをどれだけ変更するかです。^[7]

• 平坦度（製造）  - ワークピースとツールの幾何学的条件
• プロファイロメーター – 表面形状と粗さを測定する機器
• 距離画像化 - 測定技術

• 「表面計測ガイド」、デジタルサーフ