表面粗さは製品の質感や光沢感といった見た目の問題に影響を及ぼすだけでなく、燃費や騒音、気密性など製品性能そのものにも影響を与えることがあります。そのため表面粗さを測定し、仕様通りか確認することは製品の品質担保に欠かせません。また正確な測定には、対象物に合った測定方法を選ぶことが重要です。本記事では表面粗さの概要や測定方法について詳しく解説します。
表面粗さとは？
表面粗さとは加工製品などの表面性状を示す指標のことです。検査では鉛直方向の変位がどれだけあるかを計測します。変位差が大きければざらつきのある表面になり、小さければなめらかな表面になります。
表面粗さは小さい、または大きければいいというものではありません。製品の目的によって適切な粗さに設定される必要があります。例えば半導体ウエハのような精密性を要するものであれば、表面粗さの小さいなめらかな仕上がりが求められるでしょう。一方塗装仕上げが施される製品の場合、塗装の密着性を上げるためにある程度粗く設定されます。
このように表面粗さは見た目や手触りといった製品表面の問題だけでなく、製品の仕上がりや製品性能をも左右する重要な役割を持つ指標です。
表面粗さを測定する目的
表面粗さを測定する主な目的は製品の品質担保です。例えば、エンジンのシリンダなどは表面粗さが燃費や騒音、振動を左右します。より良い燃費性能や燃焼効率のために適切な表面粗さが設定されているため、規定通りに仕上げることは必須です。
表面粗さの測定に用いられるのは、マイクロメートル（μm）やナノメートル（nm）といった極小の単位です。つまり表面粗さは人の目で容易に確認できるものではなく、専用の測定方法、測定機器を用いなければ正確に測定できません。そのため実際の現場では、「JIS B 0601」や「ISO 25178 表面性状（面粗さ測定）」にのっとり、対象物に応じた方法を用いて精密な測定が行われます。
表面粗さを測定するには？
表面粗さを評価するためには、さまざまなパラメーターが用いられます。大きくは「高さ」「空間」「複合」の3種類に分けられ、測定の目的に応じて使用するパラメーターを選びます。代表的なパラメーターは以下の通りです。
| 目的 | 主に使用されるパラメーターの種類（ISO 25178） | 主に使用されるパラメーターの種類（JIS B 0601） |
| 起伏の大きさを評価したい | 高さパラメーター（Sq、Sa、Sz、Sp、Sv） | 高さパラメーター（Rq、Ra、Rz、Rp、Rv） |
| 起伏の分布を評価したい | 高さパラメーター（Ssk、Sku） | 高さパラメーター（Rsk、Rku） |
| 起伏の密度を評価したい | 空間パラメーター（Sal） 複合パラメーター（Sdq、Sdr） | 複合パラメーター（RΔq） |
| 表面性状の方向性を評価したい | 空間パラメーター（Std、Str） | – |
中でもよく使用されるのが「Ra（算術平均高さ）」です。Raは平均値を用いるため、突発的な傷などの影響を受けにくく安定した測定を可能にします。もうひとつよく利用されるのが「Rz（最大高さ）」で、こちらは傷や突起の有無を確認するのに有効です。
具体的な測定方法は触針を使う接触式と、光やレーザーを用いて測定する非接触式に分けられます。それぞれの特徴を詳しく解説します。
接触式
接触式は対象物の表面に触針を接触させ、針の上下の変位を検出して表面粗さを測定します。正確な測定のためには触針の先端がなるべく小さく、接触圧が限りなく少ないことが求められます。理想的な形状は先端が球状の円錐形です。素材にはダイヤモンドやサファイヤといった、摩耗が少ない硬質なものが用いられます。
対象物に直接触れるため測定の信頼性は高いですが、測定時に対象物に圧痕が付く可能性はデメリットです。また粘着性のある資料や、触針の先端より小さい溝の測定はできません。硬い素材が用いられるとはいっても触針の摩耗は避けられないため、定期的な研磨が必要です。
非接触式
非接触式の測定法では光やレーザーが使われます。原理の違いによりさまざまな方式のものがありますが、接触式と異なり対象物への圧痕の心配がなく、粘着性のある試料でも精度の高い測定が可能です。測定面を一瞬でスキャンできるため、測定時間が短いのも特徴。測定と同時に立体画像の取得もできるため、全体的な構造の確認にも役立ちます。
触針の研磨のようなメンテナンスが必要なく、短時間で精密な測定ができる点はメリットです。しかし顕微鏡タイプの測定機の中には、ステージに乗らない大型の対象物の測定が難しいものもあります。
表面粗さはデジタルマイクロスコープでも測れる
表面粗さの測定は、規定通りの製品を製作し、品質を担保するために欠かせません。測定には触針を使う接触式や光などを使う非接触式があり、対象物に合わせて測定方法を選択することが重要です。
アクティブウェーブのデジタルマイクロスコープは、3D計測機能によって表面粗さの測定が可能です。プロファイル計測やポイントの高さ計測、表面の粗さ計測（Ra、Rz、Rzjisなど）をはじめ、体積、表面積、断面積などの幅広い測定に対応しています。半導体や電子部品といった精密さを要する対象も、3D計測機能なら立体的に映し出し、細やかな観察を可能にします。
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