表面粗さ：定義、パラメータ、および測定方法

表面粗さとは、表面の高さに生じる微小な変動のことです。人間の目には滑らかに見える表面であっても、微細な山や谷が存在します。こうした不規則性は、機械加工、研削、研磨、コーティング、積層造形、成形、エッチングなどの製造工程によって生じます。

表面組織解析において、粗さは通常、うねりや形状といった長波長の表面成分とは区別されます。この区別は、各成分が表面の異なる側面を表しているため重要です：

したがって、表面粗さは単なる視覚的な印象ではありません。これは測定可能な特性であり、定義されたパラメータ、フィルター、および基準に基づいて評価する必要があります。うねりや形状に関する詳細については、表面構造のページもご参照ください。

表面粗さは、部品の使用時の挙動に影響を与えます。用途によっては、表面を非常に滑らかにしたり、意図的にテクスチャを施したり、あるいは狭い公差範囲内に制御したりする必要がある場合があります。

代表的な機能的影響には、次のようなものがあります：

このため、表面粗さ測定は、品質管理、研究開発、プロセスの最適化、および故障解析において活用されています。

表面粗さは、主に2つの方法で評価できます。すなわち、2次元プロファイルとして、あるいは3次元表面積としてです。

面粗さは、表面全体にわたって評価されます。これにより、測定面の3次元高さマップが作成され、Sa、Sq、Szなどの面粗さパラメータが算出されます。

面状測定は、局所的な欠陥、異方性、テクスチャ方向、ピーク、バレー、および機能的な表面特徴など、表面構造全体に関するより多くの情報を提供します。

面状表面粗さ測定装置の大きな利点は、必要に応じてプロファイルパラメータも提供できる点にあります。また、表面領域の生データが取得・保存されるため、測定中はもちろん、数日後であっても、いつでも様々なプロファイルを抽出することが可能です。

ISO 25178は面状表面粗さパラメータを規定しており、一方、ISO 21920はプロファイル粗さ測定に関する最新の規格シリーズである。 ISOは、ISO 25178-2が面状表面粗さの用語、定義、およびパラメータを規定していると述べています。PTBは、ISO 21920を、ISO 4287、ISO 4288、およびISO 13565の一部といった旧規格に代わる、プロファイル粗さ測定のための改訂された3部構成の規格シリーズであると説明しています。

Ra：算術平均粗さ

Raは、最も広く使用されている粗さパラメータの一つです。これは、評価長内における平均線からの絶対的な高さ偏差の算術平均を表します。

Raは一般的な粗さ管理には有用ですが、表面に孤立したピークや深い谷、あるいは方向性のある構造が存在するかどうかは示しません。2つの表面が同じRa値を示していても、その機能的な挙動は大きく異なる場合があります。

Rz：粗さ深度

Rzは、プロファイルに沿った山と谷に関連する粗さ情報を表します。これは、技術図面や製造仕様書で頻繁に使用されます。Raと比較して、Rzは顕著な山や谷に対してより敏感です。

規格は時代とともに変化しているため、仕様書でどのRzの定義およびどの規格が参照されているかを確認することが重要です。

Sa：面積平均高さ

SaはRaの面積版にあたります。単一のラインを評価するのではなく、Saは完全な3D表面積から算出されます。これにより、1つのプロファイルでは表面を確実に表現できない場合に有用です。

Saは、方向性のあるテクスチャ、局所的な欠陥、構造化された特徴、または不均一な粗さを持つ表面に特に適しています。

Sq：面積平均二乗高

Sqは、表面の二乗平均平方根高さです。Saと比較して、Sqは高いピークや深い谷をより重視します。したがって、極端な高さの偏差が機能的に重要となる場合に有用です。

ISO 21920は、プロファイル粗さの測定方法を最新のものに更新し、従来のいくつかのプロファイル関連規格に取って代わるものとして重要視されています。しかし、既存の図面の多くは依然としてISO 4287やISO 4288を参照しています。したがって、粗さを評価する際には、図面や仕様書に記載されている正確な規格参照を確認する必要があります。

3次元面積測定に関しては、ISO 25178が主要な規格群です。この規格は、面積表面粗さの用語とパラメータを定義しており、光学式3次元表面測定において広く使用されています。