JPS5950309A - 表面のあらさを決定するための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、表面のあらさ状態を決定することに関し、特
に工作機械で加工して得られた表面又は鋳型内で鋳造さ
れてから工作機械によって加工される表面のあらさ状態
を決定することに関するものである。

一般に表面の幾何学的状態は理想的な幾何学形状と比較
される異なった欠陥によって表示されることが指摘され
ている。これらの欠陥は、周期性又は非周期性と同じく
振幅の関数として分類される。

慣用的には異なった形式の変動又は差違の間で区別がな
される。かくて第１の値の変動又は形状の差違は一般に
工作機械又は加工すべき部分の欠陥に従い、部分の全体
的な形状に影響を及ぼす変形（丸さ、平らさおよび類似
の欠陥）をもたらす。

これらの変動は部分の肉眼で観察できる形状に影響を及
ぼし、このことは、わずかな円錐形状をともなう理論的
な円筒形状部分または楕円体に類似した形状をともなう
理論的な球状部分において明らかに例示することができ
る。次に第２の値の変動又は起伏又は波動変化があり、
これらはしばしば周期的な性質を有し、特に工具の変化
又は加工すべき部分に従い、そのため空間的な周波数ま
たは一定の間隔を有している。最後に第３の値の変動又
は粗さの変化があり、これらは第２の輪郭のまわりに卵
重に小さな起伏又は波動によって形成され、一般に切断
用工作機械の切断縁の形状、向き、供給又は進行即ち実
際の加工処理に従う。このことは、第３の起伏又は波動
をもたらし、又これは周期的又は非周期的な性質である
。第３０値の変動は、いわゆる加工された部分の表面の
あらさを構成する。

第１図は前述した第２の値１の情報、起伏を示し、第３
の値２のあらさの変動が付は加えられ、調査した部分の
長さに相当する横座標方向りに示されている。第１図の
場合最初望んだ輪郭の方向は横座標方向であり、例示さ
れた欠陥は図面の理解を促進するために大きさを拡大さ
れていると理解すべきである。

従来の技術は前述の変動を測定するための種々の機械を
提供し、この機械は加工された部分の輪郭に沿った水準
線を観察することにより作動する。

あらさを測定するために種々の物理的且つ総計的な基準
を使用することができるが、以下の説明に際しては最も
普通の基準を使用する。この基準は慣用瞥に保体Ｒａと
して参照される平均的なあらさ線に関して平均的な変動
である。係数Ｒａは第２図を参照して以下の方法で定義
することができ、第２図はデカルト座標Ｏｘｙに゛おい
て、Ｏｘ方向に周期的なあらさを有する加工された部分
輪郭を示す。

空間的な座標を表す横座標Ｘの関数として、関数ｙ　（
ｘ）によってあらい部分の輪郭を定義することができる
ことを考慮するならば、表面のあらさ係数は以下の通り
定義される。

これは空間ＯＬにおける関数ＩＶＩの平均値である。

従来技術においては調査すべき表面の輪郭を決定するた
めに、ダイアモンドチップ付プルーブを備えた種々の機
械的なピンクアンプを使用していた。比較的複雑な中間
ろ過システムによって、前述した２つの第１の値祷対応
する欠陥がらインピーダンスを得て、その結果あらさの
欠陥を測定することができる。機械的な検知は、走査線
、二股的には表面の輪郭線に沿って一定の速度で所定の
直径のプルーブを移動させることによっておこなわれる
。都合の悪いことに、測定すべき部分と必然的に接触す
るプルーブは表面上にマークを残し、このマークは高質
の表面を加工するとき極めて迷惑である。加うるにこの
ような方法によって、例えば０．１マイクロメーター以
下のあらさ値Ｒａに正確に達することはできない。

この不都合を除去するためにレーザーを使用した非接触
式光学法がすでに採用されており、以下の文献中に説明
されている。

Ｈ，Ｓ、　　コーリー “レーザー面仕上ゲージ” 光学機器技術者年次国際技術シンポジウム学会λ提出す
るための再版物 カルフォルニア州すンディエゴ１９８０年７月２８日〜
８月１日 この既知の方法を一層良く理解するために第３図を参照
すれば、走査すべき表面輪郭３は゛レーザービーム４の
光によって点Ｏにおいて照射される。周期的な欠陥を有
する加工面例えば表面３上でレーザービーム４は方向５
へ回折した反射をうけ、垂直線Ｏｙとの間に角度ｉを形
成する。この角度ｉはビーム４の入射角ｉに等しく、完
全になめらかな鏡上での直接反射となるであろう角度に
相当する。実際すべての反射光は回折スボ・ノド中にし
るされ、強さの輪郭は反射方向の関数として第３図の輪
郭６によって表される。既知の方法において回折スポッ
トは、表面３の加工不完全の好ましい向きに垂直な方向
に好ましい向きを有している。回折スポット６内に集め
られた異なる照度Ｅの値を検査すると、最大照度Ｅ、は
デカルト反射方向においてビーム５に沿っておこる。例
えば方向５と数度の角度を形成する他の方向７において
照度値は低めであり、値Ｅ２を有するのみである。

理論および実験によれば、表面３のような不完全な面は
、表面状態の劣化に比例して回折スポット６内でのエネ
ルギー分布を増大させることによって反射光を拡散させ
ることを示し、平均線と比較したあらさＲａの平均算出
変動を特徴とする。

前述の記事中に記載されているように、照明強さの比率
Ｅ１／Ｅ２を確立し、既知の大きさの欠陥を有する表面
によって予め標準化された前記比率の目盛り曲線を参照
することによって、例えば表面３のような表面のあらさ
Ｒａを正確に測定できることが明らかとなった。かくて
回折パターンの中央で測定した照度Ｅ、と測定中一定に
維持される方向で二次ローブ内で測定された照度Ｅ２と
の間の比率をとることによって、レーザービームの強さ
の変動によると同じく個々のサンプルの間の反射能の変
化による信号の変動を除去することができる。更にデカ
ルトの法則に従う直接反射に相当する最大強さ方向と一
定の角度を形成する方向で照度Ｅ２の強さを測定する間
、表面の反射能の変動は入射角の関数であった。

例えば第４図は凸面に相当する目盛り曲線の慣用的な輪
郭を示し、゛横座標に沿ってマイクロメーターで表され
たあらさ係数Ｒａの関数として縦座標に関数１ｏｇＥ１
／Ｅ２を示す。比率Ｅ　１／　Ｅ　２を測定した後でこ
の型式の曲線と比較することによって、あらさ係数Ｒａ
の正確な値を推定することができる。しかしながらこれ
らの既知の方法は種々の困難を有している。なぜならば
２つの点において、即ち回折スポットの中央においてＥ
ｌを、二次ローブにおいてＥ２を測定し、直接反射軸か
ら一定の距離をおいて角度的に位置した照度に作用する
必要があるからである。二次ローブ上の黒光ザンブリン
グ吟）ら照度Ｅ２がおこるとき、照度Ｅ２を測定するこ
とはあまり容易でなく正確ではない。

本発明の目的は、全面に亘る測定によって照度Ｅ２の点
測定を置き換えることができ且つ方法を一層正確且つ有
利なものとする、レーザービームを使用し前述したのと
同一の原理を使用する非接、触式決定方法を”提供する
ことである。

面のあら令を非接触式決定するためのこの方法は、それ
自体既知の方法でレーザー光ビームによる面の照射、直
接反射される光の部分の照度Ｅ１および回折反射される
光の部分の照度Ｅ２の決定、比率Ｆ、　１　／　Ｅ　２
の一定および標準目盛り曲線と比較することによる表面
のあらさＲａの決定を有し、回折照度Ｅ、Ｉの測定が直
接反射方向を中心とする環状リングに受は止められた光
の集積および底部として前記環状リング、軸ｉとして直
接反射方向を有する環状円錐形ガイドにおける光の案内
によっておこなわれることに本質的に特徴を有するもの
である。

明らかに理解できるとおり、本発明による方法の本質的
な独創性は、光ガイド円錐体の底部を構成する環状リン
グの型式の表面上に回粧した照度Ｅ２をすべて集めるこ
とから成り、この光ガイド円錐体は、照度Ｅ２を測定し
なければならない検出器への頂点に直接光を導く。かく
て所定の空間方法での点照度の測定は、表面への垂直線
に集中した所定の固定角部分に面のすべての点の照度の
集積測定によって置き換えられる。−この方法の他の部
分は前述した従来技術の方法に従う。

本発明は前述した方法、を実施するための装置に関し、
この装置は、検査すべき表面にレーザーのビームを向げ
且つ反射したビームを集めて照度Ｅ１を測定する第１の
検出器へ伝えることができる平らな鏡と、前記光のため
に透明な材料からつくられ且つ円錐体形状の光ガイドと
を有し、この円錐体は横断面が環状リングを有し、光を
その頂点の方向にむけ、頂点には照度Ｅ２を測定する第
２の検出器が配置されている。

光のガイドとして使用される光の円錐体は、円錐体の厚
さおよび屈折率に基づいて、底部を構成する環状リング
を貫通する光線が内壁および外壁への全反射によって捕
獲され、最後に第２の検出器に導かれ、この第２の検出
器は集積した照度Ｅ２を測定する。この円錐体は任意の
レーザー放射透明材料からつくることができ、非制限的
な例としてガラス又はプレキシガラス（ポリメチル　メ
タクリル酸塩）を参考にする。λレーザービームを向は
且つ調査すべきサンプルの表面上へ入射した後出レーザ
ービームを集めるための鏡は、例えば前記光用錐体の光
学的に未使用のベースに固定された４５°に配置された
鏡であることができる。最大強さそして第１の光検出器
への照度Ｅ１に相当するレーザービームを案内するため
の光フアイバーシステムを使用することもできる。

第５図を参照して非限定的な実施例に関して本本実施例
において課題は、入射光として波長λ−０．６３２８マ
イクロメーターで発する５ｍｗのへリウムーネオンレー
ザー５の光ビームを使用することによって、あらさ係数
Ｒａが０．０２マイクロメーターと０．５マイクロメー
ターとの間であるサンプルを調査することである。最初
ビーム４は平らな鏡８に当たり、ビーム９に従って反射
され、調査すべきサンプル１０のあらい表面に点Ｏのと
ころであたる。第５図の装置は、ビーム９が垂直線に近
い入射でサンプル１０の表面にあたるように制御される
。デカルトの法則によって空間中で局在化される直接反
射は、ビーム１１によって物理的に具現化され、このビ
ーム１１は鏡８上で反射してビーム１２となり、次にビ
ーム１２は光ファイバー１３によって捕えられ、測定す
べき照度Ｅ１の第１の検出器１４へ到達する。サンプル
１０上での反射の回折成分を測定するために、方向反射
軸線から１０°のところの方向を使用する。即ちハツチ
ングで示された２つのビーム１５および１６によって断
面的に示された円錐形領域に含まれる反射光部分を使用
する。

本発明によれば、この円錐形光領域は環状リング１７に
よって吸収され、このリング１７は円錐形光ガイド１８
の底部を構成し、ガイド１８は円錐体の頂点に位置した
検出器１９へ前記光を伝える。検出器１９は、前記円錐
体のｉ状底部１７に受は止φられた全光放射のための照
度Ｅ２の集積値を求めるのに役立つ。回折バクーンの不
均一特性を考慮すれば、円錐体１８を使用する完全なリ
ング上への集積によっておこなわれるかかる測定は、従
来技術の場合には回折スポットの一つの点上でおこなわ
れた走査より正確な測定を供給するために一層適してい
る。　従来技術の場合と同じく続いて照度の比率で予め
確定された第４図に示さ、れるような目盛りで確められ
たサンプル１０のあらさを推定することができる。

調査すべきサンプルの面によってレーザービームの直接
且つ回折した反射を測定することによって、本発明によ
る方法で従来技術の方法ではできなかった０、０２乃至
０．４マイクロメーターの範囲内で前記面のあらさ係数
Ｒａを正確に定めることかで−きる。

例えばタンクのような凹面、圧延機を出るシート等の平
らな面の状態を検査するときのように、明らかに定めら
れた幾何学形状を有する任意の加工部分の製造を容易に
検査することができこ。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第２の値１の情報、起伏を第３の値２のあら
さの変動を付は加えて示した図、第２図はデカルト座標
ＱｘｙにおいてＯｘの方向に周期的なあらさを有する加
工された部分輪郭を示第３図は、レーザーを使用した非
接触式光学法を説明するための図、 第４図は凸面に相当する目盛り曲線の慣用的な輪郭を示
した図、 警５図は、本発明の好ましい実施例を説明するための図
である。　　　　　　　゛ ３：表面、　　　　４：ビーム、 ５：ビーム、　　　　６：輪郭、 Ｅｌ　、Ｅ２　：照度、Ｒａ：あらさ 出願人　コミザリア　り　レネルジー アトミンク 代理人　弁理士　新居　正彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザー光ビームによる表面の照射、直接反射さ
   れる光の部分の照度Ｅ１および回折反射される光の部分
   の照度Ｅ２の決定、比率Ｅ　１／　Ｅ　２の確定および
   標準目盛り曲線と比較することによる表面のあらさの決
   定から構成される型式の表面のあらさを非接触式で決定
   する方法であって、回折照度Ｅ２の測定が、直接反射方
   向を中心とする環状リングに受は止められた光を簗積し
   、底部として前記環状リング、軸線として直接反射方向
   を有する環状円錐形ガイドへ光を案内することによって
   おこなわれることを特徴とする方法。
2. （２）検査すべき表面へレーザーのビームを向けて反射
   したビームを集め、照度Ｅ１を測定する第１の検出器へ
   反射したビームを伝えることを可能にする平らな鏡と、
   前記光のために透明な材料から作られた円錐体形状の光
   ガイドとを有し、前記光ガイドは横断面において環状リ
   ングを有し、光を頂点へ向り、前記頂点には照度Ｅ２を
   測定する第２の検出器が配置されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の方法を実施するための装
   置。