つるつる?でこぼこ?いろいろな物の表面の凹凸を数値化!面粗さ測定器

mennarasa

突然ですが、次にあげる果物のうち表面が一番凸凹している果物はどれだと思いますか?

  • 「柑橘の代表格温州ミカン」
  • 「南国フルーツの代表バナナ」
  • 「寒い国でもおいしく育つリンゴ」

いったいどの果物の表面が一番つるつるで、どの果物が一番凸凹しているのでしょう?そんな疑問を数値で示して解決してくれる計測器、それが面粗さ測定器です。実際に果物の表面の凸凹を測ることはあまりありませんが、工業分野の中でも製造業では頻繁に使用される計測機器の一つです。

では面粗さ測定器ではどのようにして、対象物の表面粗さを数値化するのでしょうか?

今回は製造業の縁の下の力持ち、面粗さ測定器についてご紹介します。

表面の凸凹を一定の基準で数値として表すには?

先ほどの果物のうち、あなたはミカンとバナナの表面の手触りの違いを明確に他人に伝えることはできますか?手触り?見た目?はたまた舌ざわり?いずれの方法も人の五感に頼った情報で、見る人や触る人が変われば感じ方も伝え方も変わってしまいます。その為、「面粗さ」の分野では世界共通の基準で表現することで、個人差なく表面の形状を表現しています。

表面の凸凹の平均値

表面の凸凹の平均値を基に計算されるのが「十点平均粗さ」と「算術平均粗さ」です。二つの粗さの求め方には、多少の違いはあるものの計測した数値を一定の条件で計算し、平均値として表現される表面粗さです。JISでは「Ra」や「RzJIS」と表記されます。製造の現場ではもっとも頻繁に用いられる表面粗さの単位で、厳格な面粗さを表す「最大高さ」が一般的になるまでは「特記無き=Rz(旧記号ではRa)」として認識されていました。

もっとも飛び出した部分と最もへこんだ部分の差

平均粗さと対象的に、計測した凸凹の最大値と最小値の差から求められるのが「最大高さ」「Rz」です。こちらは読んで字の如く、凸凹の最大値と最小値の差がそのまま数値として表現されます。平均粗さと最大高さの数値には互換性もあり、どちらかしか測定のできない計器で測定をしたデータも換算用の計算式に当てはめることで、同じ条件で比較することが可能です。

それでは、どのようにして表面の凸凹を正確に測ることができるのでしょうか?次項では面粗さ測定器の仕組みについてご紹介していきます。

表面の凸凹を正確に測る仕組みは?

表面の凸凹を正確に測る方法には「直接法」と「間接法」の2種類があります。それぞれにメリットもデメリットもあり、計りたい対象物によって使い分けることが重要です。

直接法とは

直接法は測定したい対象物に実際に測定子を当ててその高さを把握します。原理はレコードプレーヤーと同じで、対象物の表面に測定子といわれる針状のものを押し付けて表面を滑らせることで、測定子の微妙な動きを読み取り表面の凸凹を数値化します。この方法は比較的簡易的は装置で計測を行うことができるため、多くの製造業の現場で用いられています。しかし、測定子の移動範囲に制限があることや装置そのものが動くことの無いよう、装置を固定した状態でしか使用できないため測定範囲が広範囲にわたる場合などは測定ができないといったデメリットもあります。

間接法とは

直接法と対象的に測定したい対象物に直接触れることなく表面の凸凹の高さを把握できるのが間接法です。表面の凸凹の把握に用いるのはレーザーや赤外線など様々な方法がありますが、直接的に対象物に触れないといった点は共通しています。多くの場合は対象物に特定の光線や音波を照射し、その跳ね返り具合の違いを読み取ることで対象物の表面を観察できる仕組みです。この方法は直接法のように装置を固定する必要性が低く、製品によってはハンディタイプの測定器も発売されています。その為、広範囲の測定も可能な点では直接法では計測できない製品の表面を観察することも可能です。様々な種類のある面粗さ測定器ですが、どのような場面でどのような製品が使用されているのか、次項では実際の製品を紹介しながら使用される場面についてもご紹介します。

ポピュラーな直接法を用いた面粗さ測定器

東京精密製 サーフコム FREX

出典元:「東京精密製 サーフコム FREX」https://www.monotaro.com/p/2146/5797/

必要最小限の機能に絞って開発された、面粗さ測定器の入門グレードです。コンパクトでありながらもしっかりとした計測が可能で、計測結果をデータとして出力することも可能です。小型でコンパクトな設計の為、設置場所を選ばず多くの製造現場で活躍してくれます。

もっと簡単に表面の凸凹を把握するには?

面粗さ測定器を使用し、物質の表面の粗さを把握する方法についてご紹介してきましたが、実はもっと簡単に簡易的に表面の粗さを把握する方法があります。製造業の現場ではしばしば「人間の五感に勝るものはない」といわれます。それはいくら計器が発達し細かく正確な数値を導き出せるようになっても、人間の五感にはかなわないという意味です。
上の写真はそんな人間の五感に頼って物質の表面の粗さを把握する際に用いる、表面粗さの基準片です。製品と基準片を実際に見比べたり、さわり比べたりしてその違いから表面の粗さを把握するための物です。多くの面粗さ測定器が出回っている今日でも、製造の現場ではこの試験片がいまでも第一線で活躍しています。
製造の現場では、「人間の五感」と「機械計測による数値」その両方が必要な物としてしっかりと認識されています。

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ライタープロフィール
シバ

広島県出身の41歳。現在は製造業で管理職の傍ら執筆活動を行っている。実は調理師出身という経歴の持ち主。得意分野は工業系の専門分野からアウトドアクッキングまで幅広く対応可能。

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