JPH05133742A - レーザ式表面粗度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋼材の表面粗度を自動計測し、粗さが得られ
ていない部位にその表面粗度の状態を自動マーキングす
ることのできるレーザ式表面粗度測定装置を得ること。 【構成】 鋼材７表面にマーキング可能な出力を得られ
る半導体レーザ発振器のレーザパワーを制御し、レーザ
光の走査により表面粗度測定とマーキングとを連続的に
行うようにして、表面粗度測定及びマーキングが終了し
た鋼材７の表面粗度の状態を直接目視によって確認する
ことができるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼材の表面粗度を自動
計測し、粗さが得られていない部位にその表面粗度の状
態を自動マーキングすることのできるレーザ式表面粗度
測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼材と被覆との密着性を向上させるた
め、塗装、塗覆装の素地調整要求範囲として鋼材の表面
粗度は重要である。鋼材の表面粗度の調整は、一般には
ブラスト処理により行われる。従って、ブラスト処理に
より付与されたアンカープロフィル（表面の凹凸形状）
がどの程度であるかを把握することも重要である。

【０００３】鋼材の表面粗度の計測方式としては、接触
式と非接触式とに大別することができる。接触式として
は例えば触針式やプレスオーフィルムがあり、また非接
触式としては例えば目視コンパレータやレーザを用いた
光波精密干渉測長機がある。この中、レーザを用いた非
接触式の光波精密干渉測長機は、光の波動的性質を利用
して表面粗さを検出するものであり、精度、信頼性とも
他の計測方式のものより優れていると言えるとともに、
更にレーザとして半導体レーザを用いれば、装置が小
形、軽量となり、制御性の点でも有利であるとされてい
る。ここで、レーザを用いた光波精密干渉測長機の原理
について簡単に説明すると、鋼材表面の微細構造（表面
粗さ）に光波を照射した場合に見られる回折縞を利用し
て表面粗さを計測する。回折縞はレーザの走査方向を鋼
材の圧延方向に対し直交方向とすることにより容易に抽
出することができる。回折像の強度分布は鋼材表面の微
細な構造に対応しており、この回折像の強度分布を検知
することにより、表面粗さの状態をモニターすることが
できる。

【０００４】そして、このようなレーザを用いた非接触
式のものや前述の接触式のいずれのものにおいても、計
測した表面粗度データをメモリに記憶したり、プリンタ
等によって紙片に拡大記録するようにしている。また、
メータに表面粗度Ｒａ，Ｒｚ，Ｒｍａｘを直示できるよ
うにしたアナログ形の測定器も知られている。ここで、
表面粗度Ｒａは中心線平均粗さ、Ｒｚは十点平均粗さ、
Ｒｍａｘは最大高さを意味している（ＪＩＳ Ｂ ０６
０１）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の表面粗度測定装
置は、前述のような種々の方式のものがあり、それぞれ
計測した表面粗度データをメモリに記憶したり、紙片に
拡大記録したり、メータに表面粗度Ｒａ，Ｒｚ，Ｒｍａ
ｘを直示するようにしているが、これらの表面粗度デー
タを計測対象物である鋼材表面に直接マーキングするも
のでないので、得られた表面粗度データ（例えば紙片に
拡大記録した線図）が鋼材のどの部位のものであるかを
直接目視によっては確認できず、表面粗度データと鋼材
との対応関係を知るのに熟練を要すという難点があっ
た。

【０００６】本発明は以上の点に鑑み、鋼材の表面粗度
を自動計測し、粗さが得られていない部位にその表面粗
度の状態を自動マーキングすることのできるレーザ式表
面粗度測定装置を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ式表
面粗度測定装置は、鋼材表面にマーキング可能な出力を
得られる半導体レーザ発振器、投光レンズ、及び該半導
体レーザ発振器から出射されるレーザ光を走査するため
のミラーを有する投光部と、前記半導体レーザ発振器を
設定値に基づき駆動制御するとともに、レーザ出力時に
レーザ出力状態信号を出力するレーザパワー駆動制御手
段と、前記レーザパワー駆動制御手段からレーザ出力状
態信号の入力があると前記ミラーを駆動制御してレーザ
光を走査するミラー駆動制御手段と、前記投光部から鋼
材表面に出射された低出力の走査レーザ光の反射光を受
光する受光部と、前記受光部の前面に配置され、前記投
光部から鋼材表面に出射された高出力のレーザ光の反射
光を遮光するシャッタと、前記受光部にて受けた反射光
より鋼材表面の粗度を測定する鋼材表面粗度測定手段
と、前記鋼材表面粗度測定手段にて測定された鋼材表面
粗度と基準値との差を求め、求めた差の値を出力する減
算器と、前記減算器にて求めた差の値が入力すると、予
めメモリに記憶されている基準値との差と時間との関係
データに基づき、前記減算器で求めた差に対応する時間
を算出し、得られた時間の信号と、前記レーザ光のパワ
ーが前記鋼材表面にマーキングできるパワーとなるよう
なレーザパワー増大信号を出力するマーキングパワー制
御手段と、前記マーキングパワー制御手段からの時間信
号とレーザパワー増大信号に基づき、前記レーザパワー
駆動制御手段に設定されるレーザパワーを、表面粗度測
定用レーザパワーから所定時間マーキングパワーに切換
えさせる切換器とを設けたものである。

【０００８】

【作用】本発明においては、投光部から計測対象物であ
る鋼材の表面に向け低出力のレーザ光が出射されて鋼材
圧延方向と直交方向に走査されると、鋼材表面にレーザ
光による回折像が現れる。受光部は鋼材表面からの反射
光である回折像の光波を捉え、鋼材表面粗度測定手段に
対し出力する。鋼材表面粗度測定手段では受光部で受光
した回折像の強度分布を検知し、その分布状態を高速で
処理することにより鋼材表面の粗度を測定し、測定結果
を減算器に対し出力する。減算器は、鋼材表面粗度測定
手段にて測定された鋼材表面粗度と基準値との差を求
め、求めた差の値をマーキングパワー制御手段に対し出
力する。マーキングパワー制御手段は、減算器にて求め
た差の値が入力すると、予めメモリに記憶されている基
準値との差と時間との関係データに基づき、前記減算器
で求めた差に対応する時間を算出し、得られた時間の信
号と、レーザ光のパワーが鋼材表面にマーキングできる
パワーとなるようなレーザパワー増大信号を切換器に対
し出力する。切換器は、マーキングパワー制御手段から
の時間信号とレーザパワー増大信号に基づき、レーザパ
ワー駆動制御手段に設定されるレーザパワーを、表面粗
度測定用レーザパワーから所定時間マーキングパワーに
切換えさせる。レーザパワー駆動制御手段は、切換器か
らレーザパワー増大信号が入力している間、レーザパワ
ーがマーキングパワーとなるように半導体レーザ発振器
の電流を制御して出力を上げ、パワーアップしたレーザ
光により鋼材表面にマーキングする。

【０００９】

【実施例】以下、図示実施例により本発明を説明する。

【００１０】図１は本発明の一実施例に係るレーザ式表
面粗度測定装置の制御部の構成を示すブロック図、図２
はその外観を示す斜視図、図３はその動作を説明するた
めの説明図である。

【００１１】図２において、１は平行レール２ａ，２ｂ
上をＹ軸方向に移動可能な門型の作業台車であり、その
一端面側には、門型両脚部１ａ，１ｂから水平梁部１ｃ
の全域に亘り案内溝１ｄが設けられている。３は案内溝
１ｄ内を転動可能なローラ４に片持ち状態に軸支された
測定装置本体で、レーザ光の投光部５と受光部６とから
成り、本体３そのものは平行レール（Ｙ軸）に対して直
交部であるＸ軸，Ｚ軸と、姿勢部であるＡ軸，Ｂ軸，Ｃ
軸の５軸の自由度を持っている。７は平行レール２ａ，
２ｂ間にて置台８上に載置された計測対象物である鋼材
である。従って、本体３は作業台車によりＹ軸方向に移
動可能でかつそれ自体の持つ５軸の自由度により鋼材７
の形状に沿ってその周りを移動できるようになってい
る。なお、各軸とも駆動用モータを有し、駆動用モータ
はＮＣ装置により制御されるようになっているが、その
制御手法については従来より周知の手法により制御可能
であるので、その説明は省略する。

【００１２】投光部５には、鋼材７の表面にマーキング
可能な出力を得られる半導体レーザ発振器と、投光レン
ズと、半導体レーザ発振器から出射されるレーザ光を走
査するためのミラーとが内蔵され（いずれも図示せ
ず）、Ｙ軸を含む６軸にて本体３の鋼材７に対する位置
決めがなされると、その位置にて対向する鋼材表面を所
定範囲内でレーザ光によりスキャニングできるようにな
っている。

【００１３】受光部６の前面には投光部５から鋼材表面
に出射された高出力のレーザ光の反射光を遮光するため
のシャッタ９が設置され、高出力のレーザ光の反射によ
り内部の素子が影響を受けるのを防止できるようになっ
ている。従って、受光部６は、投光部５から鋼材表面に
出射された低出力の走査レーザ光の反射光のみを受光す
る。

【００１４】次に、本実施例装置の制御部の構成を図１
のブロック図に基づき説明すると、１０は投光部５内の
半導体レーザを制御するレーザパワー駆動制御手段であ
り、半導体レーザを設定値に基づき制御するとともに、
レーザ出力時にレーザ出力状態信号を出力するレーザパ
ワー制御部１１と、レーザパワー制御部１１にて設定さ
れたレーザパワーの値と受光部６からのフィードバック
信号に基づき半導体レーザの電流制御を行うレーザ駆動
部１２とから構成されている。

【００１５】１３は投光部５内のミラーを制御してレー
ザ光をスキャニングするミラー駆動制御手段であり、レ
ーザパワー制御部１１からレーザ出力状態信号の入力が
あるとミラーを所定範囲内で揺動させるための揺動信号
を出力するとともに、レーザパワー制御部１１からレー
ザ出力状態信号の入力がなくなるとミラーを次の走査線
開始位置で停止させるための停止信号を出力し、ミラー
が次の走査線開始位置で停止するとレーザパワー制御部
１１に対しスタンバイ信号を出力するミラー制御部１４
と、ミラー制御部１４からの揺動信号または停止信号に
基づきミラー駆動用モータ（図示せず）を駆動させるミ
ラー駆動部１５とから構成されている。１６は鋼材表面
粗度測定手段であり、受光部６にて受けた反射光すなわ
ち回折像の強度分布を検知することによって鋼材７の表
面粗さを測定して、測定結果を出力するとともに、メモ
リ１７に記憶するものである。

【００１６】１８は減算器であり、鋼材表面粗度測定手
段１６にて測定された鋼材表面粗度と基準値との差を求
め、求めた差の値を出力するものである。

【００１７】１９はマーキングパワー制御手段であり、
減算器１８にて求めた差の値が入力すると、予めメモリ
２０に記憶されている基準値との差と時間との関係デー
タに基づき、減算器１８で求めた差に対応する時間を算
出し、得られた時間の信号と、レーザ光のパワーが鋼材
表面にマーキングできるパワーとなるようなレーザパワ
ー増大信号を出力するものである。

【００１８】２１はシャッタ駆動部であり、マーキング
パワー制御手段１９からレーザパワー増大信号の出力が
あったことを知らせる信号の入力があった場合に、シャ
ッタ９を駆動して受光部６を遮光するものである。

【００１９】２２は表面粗度測定用レーザパワー設定手
段であり、半導体レーザのパワーを表面粗度測定用レー
ザパワーとなるようレーザパワー制御部１１に設定させ
るものである。

【００２０】２３は切換器であり、マーキングパワー制
御手段１９からの時間信号とレーザパワー増大信号に基
づき、レーザパワー制御部１１に設定されるレーザパワ
ーを、表面粗度測定用レーザパワーから所定時間マーキ
ングパワーに切換えさせるものである。

【００２１】次に、前述の構成を有する本実施例装置の
動作について図１及び図２に基づき図３をも参照しなが
ら説明する。この場合、本体３は各軸（Ｙ軸，Ｘ軸，Ｚ
軸，Ａ軸，Ｂ軸，Ｃ軸）がＮＣ装置により制御されて鋼
材７の所定の表面に対向配置され、停止状態つまりスキ
ャニング可能状態にあるとする。また、レーザ光の走査
の幅及び行間隔は任意に設定可能であるが、この実施例
では走査の幅は２００ｍｍ、行間隔は２〜３ｍｍであ
り、受光部６は走査の幅２００ｍｍ及び行数ｎ（例えば
７０行）が視野内に入る視野角を有しているものとす
る。

【００２２】まず、投光部５から鋼材７の計測すべき表
面に向け低出力のレーザ光が出射され、ミラー駆動制御
手段１３によりミラーが所定範囲内で揺動されて鋼材圧
延方向と直交方向に図３に示す第１行目のレーザ光の走
査ａが開始されると、鋼材表面にレーザ光による回折像
が現れる。

【００２３】受光部６は鋼材表面からの反射光である回
折像の光波を捉え、鋼材表面粗度測定手段１６に対し出
力する。

【００２４】鋼材表面粗度測定手段１６では受光部６で
受光した第１行目の走査ａによる回折像の強度分布を検
知し、その分布状態を高速で処理することにより鋼材表
面の粗度を測定し、測定結果を減算器１８に対し出力す
る。

【００２５】減算器１８は鋼材表面粗度測定手段１６が
測定した鋼材表面粗度と基準値との差を求め、求めた差
の値をマーキングパワー制御手段１９に対し出力する。

【００２６】マーキングパワー制御手段１９では、減算
器１８から差の値が入力すると、メモリ２０から読み込
んだ基準値との差と時間との関係データに基づいて減算
器１８からの差の値が、例えば粗さ基準値との差を小，
中，大の３段階に分けたどの範囲内にあるかを算出し、
小，中，大に対応する時間ｔを抽出し、得られた時間ｔ
の信号と、レーザ光のパワーが鋼材表面にマーキングで
きるパワーとなるようなレーザパワー増大信号を切換器
２３に対し出力するとともに、シャッタ駆動部２１にレ
ーザパワー増大信号の出力があったことを知らせ、シャ
ッタ９を閉じさせる。この場合、差が小であり、対応す
る時間ｔがｔ１であるとする。

【００２７】切換器２３はマーキングパワー制御手段１
９からの時間信号ｔ１とレーザパワー増大信号に基づ
き、レーザパワー駆動制御手段１０に設定されるレーザ
パワーを、表面粗度測定用レーザパワーから時間ｔ１の
間マーキングパワーに切換えさせる。

【００２８】レーザパワー駆動制御手段１０では、切換
器２３からレーザパワー増大信号が入力している間、レ
ーザパワーがマーキングパワーとなるように半導体レー
ザ発振器の電流を制御して出力を上げ、第２行目のレー
ザ光の走査ｂの開始点より時間ｔ１の間、パワーアップ
したレーザ光により鋼材表面にマーキングし、時間ｔ１
が経過すると、ミラー制御部１４からスタンバイ信号の
入力があるまで半導体レーザ発振器の出力を停止させ、
スタンバイ信号の入力があるとレーザパワーの設定値を
マーキングパワーから表面粗度測定用レーザパワーとな
るように半導体レーザ発振器の電流を制御して出力を下
げる。

【００２９】このマーキングパワー切換時の半導体レー
ザ発振器の出力停止中、レーザパワー駆動制御手段１０
からミラー駆動制御手段１３へのレーザ出力状態信号の
出力が停止するので、ミラー制御部１４はミラー駆動部
１５に対しミラーを次の走査線開始位置で停止させるよ
う指令する。すると、ミラー駆動部１５はミラーの角度
をレーザ光による第３行目の走査ｃの開始点に設定す
る。そして、レーザパワーがマーキングパワーから表面
粗度測定用レーザパワーに切換えられて、レーザパワー
駆動制御手段１０からミラー駆動制御手段１３に対し再
びレーザ出力状態信号の出力があると、ミラー駆動制御
手段１３は第３行目のレーザ光の走査ｃを開始する。

【００３０】以上の動作が繰り返され、粗さが足りない
場合には、表面粗度測定用レーザパワーによる走査と、
マーキングパワーによる走査が１行置きに繰り返され、
鋼材表面に基準値との差に対応するマーキングが施され
る。そして、最終行ｎ（７０行）までの走査が終了する
と、本体３は各軸（Ｙ軸，Ｘ軸，Ｚ軸，Ａ軸，Ｂ軸，Ｃ
軸）を駆動して、鋼材７の次の表面粗度測定部位まで本
体３を移動させ、前述と同様の動作を繰り返させる。

【００３１】このように本実施例のレーザ式表面粗度測
定装置は、レーザ光の走査により表面粗度測定とマーキ
ングとが連続的に行われるので、表面粗度測定及びマー
キングに時間を要せず、かつ表面粗度測定及びマーキン
グが終了した鋼材７はその表面粗度の状態を直接目視に
よって確認することができ、表面粗度と鋼材７との対応
関係を容易に把握することができる。

【００３２】図４は本発明の他の実施例に係るレーザ式
表面粗度測定装置の制御部の構成を示すブロック図であ
る。この実施例のものは、マーキングパワー制御手段１
９はレーザパワー増大信号を出力する際に、ミラー制御
部１４に対しレーザパワー増大信号の出力があったこと
を時間ｔの信号によって知らせるようにするとともに、
ミラー制御部１４はマーキングパワー制御手段１９から
レーザパワー増大信号の出力があったことが時間ｔの信
号によって知らせられると、予めメモリ２４に記憶され
ている時間ｔの信号に対応する文字データを読み、読み
込んだ文字をレーザ光による鋼材表面粗度測定のための
走査線の次の行にマーキングするようにした点が前述し
た実施例のものと異なっている。

【００３３】この実施例においては、鋼材表面粗度の状
態が文字により確認できるので、表面粗度と鋼材７との
対応関係を更に容易に把握することができる。

【００３４】なお、前述した各実施例では、レーザパワ
ーを半導体レーザ発振器の電流制御によりのみ制御する
ようにしたものを示したが、これに更に自動フォーカス
装置を付加して、投光レンズによるレーザ光の自動焦点
距離調整を行なわせるようにしてもよく、このようにす
ればレーザパワーの安定性、精度、及び信頼性を更に高
めることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、レ
ーザ光の走査により表面粗度測定とマーキングとを連続
的に行うようにしたので、表面粗度測定及びマーキング
に時間を要せず、かつ表面粗度測定及びマーキングが終
了した鋼材の表面粗度の状態を直接目視によって確認す
ることができ、表面粗度と鋼材との対応関係を容易に把
握することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例装置の制御部の構成を示すブ
ロック図である。

【図２】本発明の一実施例装置の外観を示す斜視図であ
る。

【図３】本発明の一実施例装置の動作を説明するための
説明図である。

【図４】本発明の他の実施例装置の制御部の構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

５ 投光部 ６ 受光部 ７ 鋼材 ９ シャッタ １０ レーザパワー駆動制御手段 １３ ミラー駆動制御手段 １６ 鋼材表面粗度測定手段 １８ 減算器 １９ マーキングパワー制御手段 ２０ メモリ ２３ 切換器

フロントページの続き (72)発明者 中村 進 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼材表面にマーキング可能な出力を得ら
   れる半導体レーザ発振器、投光レンズ、及び該半導体レ
   ーザ発振器から出射されるレーザ光を走査するためのミ
   ラーを有する投光部と、 前記半導体レーザ発振器を設定値に基づき駆動制御する
   とともに、レーザ出力時にレーザ出力状態信号を出力す
   るレーザパワー駆動制御手段と、 前記レーザパワー駆動制御手段からレーザ出力状態信号
   の入力があると前記ミラーを駆動制御してレーザ光を走
   査するミラー駆動制御手段と、 前記投光部から鋼材表面に出射された低出力の走査レー
   ザ光の反射光を受光する受光部と、 前記受光部の前面に配置され、前記投光部から鋼材表面
   に出射された高出力のレーザ光の反射光を遮光するシャ
   ッタと、 前記受光部にて受けた反射光より鋼材表面の粗度を測定
   する鋼材表面粗度測定手段と、 前記鋼材表面粗度測定手段にて測定された鋼材表面粗度
   と基準値との差を求め、求めた差の値を出力する減算器
   と、 前記減算器にて求めた差の値が入力すると、予めメモリ
   に記憶されている基準値との差と時間との関係データに
   基づき、前記減算器で求めた差に対応する時間を算出
   し、得られた時間の信号と、前記レーザ光のパワーが前
   記鋼材表面にマーキングできるパワーとなるようなレー
   ザパワー増大信号を出力するマーキングパワー制御手段
   と、 前記マーキングパワー制御手段からの時間信号とレーザ
   パワー増大信号に基づき、前記レーザパワー駆動制御手
   段に設定されるレーザパワーを、表面粗度測定用レーザ
   パワーから所定時間マーキングパワーに切換えさせる切
   換器とを設けたことを特徴とするレーザ式表面粗度測定
   装置。