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表面粗さ、あるいは単に粗さとは、表面が滑らかでない性質を指し、人間の触覚による表面の質感の知覚と密接に関係しています。数学的な観点から見ると、表面の空間的な変動構造と関連しており、本質的にマルチスケール特性です。その解釈や定義は、研究分野によって異なります。
表面計測において、表面粗さは表面仕上げ（表面テクスチャ）の構成要素の一つです。これは、実際の表面の法線ベクトル方向における理想的な形状からのずれによって定量化されます。このずれが大きいほど表面は粗く、小さいほど表面は滑らかです。粗さは通常、測定対象の表面の高周波・短波長成分であると想定されます。しかし実際には、表面が目的に適していることを確認するために、振幅と周波数の両方を知る必要がある場合がよくあります。
表面の粗さは、実際の物体が周囲の環境とどのように相互作用するかを決定する上で重要な役割を果たします。摩擦学では、通常、粗い表面は滑らかな表面よりも摩耗が早く、摩擦係数も高くなります。表面の不規則性は亀裂や腐食の核となる可能性があるため、粗さは機械部品の性能を予測する上でしばしば有効です。一方、粗さは接着を促進する可能性があります。一般的に、スケール固有の記述子ではなく、表面フラクタル性などのクロススケール記述子は、接触剛性[ 1 ]や静止摩擦[ 2 ]を含む表面での機械的相互作用のより意味のある予測を提供します。
表面粗さの値が高いことは望ましくないことが多いが、製造においてそれを制御するのは難しく、コストもかかる。例えば、溶融堆積モデリング（FDM）で製造された部品の表面粗さを制御するのは難しく、コストもかかる。 [ 3 ]表面の粗さを小さくすると、通常は製造コストが増加する。これは多くの場合、部品の製造コストと使用時の性能とのトレードオフにつながる。
表面粗さは、「表面粗さ比較器」（既知の表面粗さのサンプル）との手動比較によって測定することもできますが、より一般的には、表面形状測定器を用いて表面形状を測定します。表面形状測定器には、接触式（通常はダイヤモンドスタイラス）と光学式（例：白色光干渉計やレーザー走査型共焦点顕微鏡）があります。
しかし、表面の粗さを制御することが望ましい場合も多い。例えば、光沢のある表面は目に眩しすぎたり、指で触ると滑りやすすぎたりすることがある（タッチパッドが良い例だ）。そのため、表面の粗さを制御する必要がある。このような場合、振幅と周波数の両方が非常に重要となる。
表面構造は接触力学を支配する上で重要な役割を果たします[ 1 ]。接触力学とは、2つの固体物体が互いに接近し、非接触状態から完全接触状態に移行する際の界面での機械的挙動のことです。特に、通常の接触剛性は、主に突起構造（粗さ、表面傾斜、フラクタル性）と材料特性によって決まります。
エンジニアリング表面に関しては、粗さは部品の性能に悪影響を及ぼすと考えられています。そのため、ほとんどの製造図面では粗さの上限は規定されていますが、下限は規定されていません。例外は、表面形状にオイルが保持され、最小限の粗さが要求されるシリンダーボアです。[ 4 ]
表面構造は、表面の摩擦特性や摩耗特性と密接に関係していることが多い。[ 2 ]フラクタル次元が高い表面は、値、または正の値摩擦係数が高く、摩耗も早い傾向があります。表面粗さのピークが必ずしも接触点とは限りません。形状や波状性（振幅と周波数の両方）も考慮する必要があります。
粗さの値は、プロファイル（線）または表面（面積）のいずれかで計算できます。プロファイル粗さパラメータ（、、...）の方が一般的です。面積粗さパラメータ（、、…）はより重要な値を与える。
プロファイル粗さパラメータ[ 5 ]は、英国規格BS EN ISO 4287:2000に含まれており、ISO 4287:1997規格と同一である[ 6 ] 。この規格は「M」（平均線）システムに基づいている。使用されている粗さパラメータは多数あるが、が圧倒的に一般的だが、これは歴史的な理由によるもので、特にメリットがあるわけではない。初期の粗度計は しか測定できなかったからである。その他の一般的なパラメータには以下が含まれます。、、 そして一部のパラメータは、特定の業界または特定の国でのみ使用されます。たとえば、パラメータ群は主にシリンダーボアライニングに使用され、Motif パラメータは主にフランスの自動車産業で使用されています。[ 7 ] MOTIF 法は、表面形状の波状性を粗さからフィルタリングすることなく、表面形状をグラフィカルに評価します。モチーフは、2 つのピーク間のプロファイルの部分で構成され、これらのモチーフの最終的な組み合わせは、「重要でない」ピークを除去し、「重要な」ピークを保持します。は、マイクロメートルまたはマイクロインチで表される寸法単位です。
これらのパラメータはプロファイル内のすべての情報を単一の数値に集約するため、適用と解釈には細心の注意が必要です。生プロファイルデータのフィルタリング方法、平均線の計算方法、測定の物理的特性におけるわずかな変化でも、計算されたパラメータに大きな影響を与える可能性があります。最新のデジタル機器を使用すれば、スキャン結果を評価して、値を歪めるような明らかな不具合がないことを確認できます。
多くのユーザーにとって各測定値が実際に何を意味するのかが明確でない可能性があるため、シミュレーションツールを使用すると、ユーザーは主要なパラメータを調整して、人間の目には明らかに異なる表面が測定値によってどのように区別されるかを視覚化できます。たとえば、一方では滑らかな表面にピークがあり、他方では同じ振幅の谷がある2つの表面を区別することができない。このようなツールはアプリ形式で見つけることができる。[ 8 ]
慣例として、すべての 2D 粗さパラメータは大文字です添え字にはさらに文字が続きます。添え字は使用された数式を識別し、は、その式が 2D 粗さプロファイルに適用されたことを意味します。異なる大文字は、その式が異なるプロファイルに適用されたことを意味します。たとえば、は粗さプロファイルの算術平均であり、は、フィルタリングされていない生のプロファイルの算術平均であり、これは3D粗さの算術平均です。
表に記載されている各式は、粗さプロファイルが生のプロファイルデータからフィルタリングされ、平均線が計算されていることを前提としています。粗さプロファイルには、トレースに沿って等間隔に並んだ点、は平均線から垂直距離ですデータポイント。高さは、バルク材料から離れる方向、つまり上方向を正とします。
振幅パラメータは、粗さプロファイルの平均線からの垂直方向の偏差に基づいて表面を特徴付けます。これらの多くは、母集団サンプルを特徴付ける統計学で見られるパラメータと密接に関連しています。たとえば、評価長さ内の中心線からの偏差から決定されたフィルタリングされた粗さプロファイルの算術平均値であり、これは、収集された粗さデータポイントの範囲です。
算術平均粗さ、は、最も広く使用されている一次元粗さパラメータです。
以下は、粗さ等級の数値を用いた一般的な換算表です。
傾斜パラメータは、粗さプロファイルの傾斜特性を表します。間隔パラメータと計数パラメータは、プロファイルが特定の閾値をどのくらいの頻度で超えるかを表します。これらのパラメータは、旋盤加工などで生成されるような、繰り返し発生する粗さプロファイルを記述するためによく使用されます。
その他の「周波数」パラメータは S mです。とq。S mはピーク間の平均間隔です。実際の山と同様に、「ピーク」を定義することが重要です。S mの場合、表面は平均表面より下に沈んでから、再び新しいピークまで上昇する必要があります。平均波長aと二乗平均平方根波長qは以下から派生するa . 振幅と周波数の両方に依存する曲面を理解しようとする場合、どの指標のペアがバランスを最適に記述するかは明らかではないため、測定値のペアの統計分析を実行できます（例：R zとaまたは R aと Sm) を用いて、最も強い相関関係を見つけます。
これらのパラメータは、ベアリング比曲線（アボット・ファイアストン曲線とも呼ばれる）に基づいています。これには、Rkパラメータ群が含まれます。
数学者のブノワ・マンデルブロは、表面粗さとフラクタル次元の関連性を指摘した。[ 11 ]微細粗さレベルでのフラクタルによる記述は、材料特性と発生するチップ形成の種類を制御することを可能にするかもしれない。しかし、フラクタルは、工具送り痕の影響を受ける典型的な機械加工面の完全な表現を提供することはできない。切削刃の形状を無視しているからである。(J. Paulo Davim、2010、前掲書)。表面のフラクタル記述子は、物理的な表面特性と表面構造を相関させる上で重要な役割を果たす。複数の分野にわたって、物理的、電気的、機械的挙動を従来の表面粗さや傾斜の記述子と結びつけることは困難であった。表面フラクタル性の尺度を粗さや表面形状の尺度と併用することで、接触力学、摩擦、電気接触抵抗などの特定の界面現象を表面構造に関してより適切に解釈することができる。[ 12 ]
面積粗さパラメータは、ISO 25178シリーズで定義されています。得られる値は、Sa、Sq、Szなどです。多くの光学測定機器は、ある領域の表面粗さを測定できます。接触式測定システムでも面積測定が可能です。対象領域を複数の間隔を狭めて2Dスキャンします。これらのスキャンは、関連ソフトウェアを使用してデジタル的に結合され、3D画像とそれに付随する面積粗さパラメータが生成されます。
