JP2001141434A - 接触状態観察方法および接触状態観察装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被接触物に接触した状態で実使用される観察対
象物の接触面の接触状態を再現でき、かつ、再現された
接触状態を詳細かつ明瞭に観察可能な接触状態観察方法
および接触状態観察装置を提供する。 【解決手段】一方面に実質的に平滑な平滑面を有し、他
方面に前記平滑面から入射した光を乱反射させる凹凸面
を有する透明な材料からなる観察用部材としてのガラス
板１１と、ガラス板１１の凹凸面１１ａと観察対象物Ｗ
の被観察面とを所定の押圧力で相対的に押し付けるアク
チュエータ２１と、ガラス板１１を通じて観察対象物Ｗ
に光を照射する光源３５と、ガラス板１１を通じて観察
対象物Ｗと凹凸面１１ａとの接触部の光学拡大像を得る
光学拡大手段とての顕微鏡鏡筒４１と、光学拡大像を撮
像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ４２と、撮像画像
を表示する表示手段としての画像処理装置３１、表示装
置３２とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば、シール
製品のシール面や自動変速機用湿式クラッチに組み込ま
れる摩擦材の表面等の対象物に接触あるいは摺動させて
使用される被観察面の当該対象物との接触状態を再現し
て観察する接触状態観察方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、ゴムに代表される弾性体シー
ル製品のシール機能の制御において、シール製品と当該
シール製品のシール面によってシールされる被接触物と
の接触状態を明瞭に測定することが重要である。しかし
ながら、シール製品のシール面が被接触物と接触した状
態を直接観察することは困難であるため、観察すべき被
観察面であるシール面と被接触物の表面との接触状態を
観察可能な状態に再現する必要がある。このため、従来
においては、被観察面と被接触物の表面との接触状態を
再現する方法として、たとえば、特開平８−２４７７４
７号公報等に開示されているように、実質的に平滑な表
面を有するガラス板や、プリズム等の透明な観察用部材
を被観察面に接触させて接触状態を観察する方法が採ら
れている。

【０００３】具体的には、特開平８−２４７７４７号公
報では、図１７に示すような方法で試料の観察すべき被
観察面の接触状態を観察する。まず、試料１０１の観察
すべき被観察面を倒立台形状の透明プリズム１０２の上
面に載置し、押圧ブロック１０３を介してスラスト荷重
Ｆを試料１０１に与えて試料１０１を透明プリズム１０
２の平滑な上面に押し付ける。一方、透明プリズム１０
２の片側下方には、光源１０４と、コリメータレンズ１
０５と、偏光板１０６と、１／４波長板１０７とが設け
られ、他方には偏光板１０８と、集光レンズ１０９と反
射鏡１１０と、ＣＣＤカメラ１１１と、画像処理装置１
１２とが設けられており、光源１０４からの光はコリメ
ータレンズ１０５、偏光板１０６および１／４波長板１
０７を通過して透明プリズム１０２の片面から透明プリ
ズム１０２内に垂直に入射し、試料１０１の被観察面で
ある下面で反射する。この反射光は透明プリズム１０２
の他面から垂直方向に出て、偏光板１０８、集光レンズ
１０９を通じて反射鏡１１０で反射しＣＣＤカメラ１１
１に入射する。ＣＣＤカメラ１１１で撮像された画像デ
ータは、試料１０１の被観察面と透明プリズム１０２の
上面との間において、透明プリズム１０２側から入射し
た光は試料１０１の被観察面と透明プリズム１０２の上
面とが接触していない非接触部分では透明プリズム１０
２の上面で全反射し、接触部分では試料１０１に吸収さ
れるため、非接触部分では明るく接触部分では相対的に
暗い画像となる。この状態の画像データを画像処理装置
１１２において、たとえば、明暗に応じて多値化処理
し、表示装置に画像データを表示することで試料１０１
の被観察面と透明プリズム１０２との接触状態を把握す
ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来の方法では、試料１０１の被観察面と透明プリズ
ム１０２との間の非接触部分での光の全反射を起こさせ
るために、光源１０４等の光学系やＣＣＤカメラ１１１
を試料１０１の被観察面に対して一定の角度を持たせて
設置して観察せざるを得ない。このため試料１０１の被
観察面を斜め方向から観察する必要があり、観察された
画像は観察方向に沿って縮小された状態となる。したが
って、試料１０１の被観察面を垂直方向から観た場合
の、真の接触状態を観察するには、この観察角度による
影響を補正する必要があった。また、例えば、顕微鏡を
利用して高倍率で接触状態を観察したい場合、斜め方向
から試料１０１の被観察面を観察すると、垂直方向から
観察する場合に比べて顕微鏡のレンズと試料１０１の被
観察面との光路長が長くなる。一方、顕微鏡の拡大倍率
を大きくとるほど、顕微鏡のレンズ系の作動距離が短く
なり、上記の光路長よりも短くなる場合もあり、十分な
拡大率が得られず、接触状態の詳細な観察ができないこ
とがあった。さらに、上記のような従来の方法では、透
明プリズム１０２の上面を平滑面である。しかしなが
ら、たとえば、試料１０１がシール製品等の場合には、
実際の使用においてシール製品のシール面等が接触する
被接触物の表面は平滑面とは限らない。また、シール製
品のシール面が実際に接触するのは、たとえば、金属表
面等であり、金属表面の状態はガラス表面の状態とは異
なる。このため、上記のような従来の方法では、表面に
粗さを有する被接触物に対するシール製品のシール面等
の実使用状態での接触状態を再現できなかった。

【０００５】本発明は、上述した問題に鑑みてなされた
ものであって、被接触物に接触した状態で実使用される
観察対象物の接触面の接触状態を再現でき、かつ、再現
された接触状態を詳細かつ明瞭に観察可能な接触状態観
察方法および接触状態観察装置を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の接触状態観察方
法は、一方面が実質的に平滑な面からなり、他方面が前
記一方面から入射した入射光を乱反射させる凹凸面から
なり、所定の屈折率の透明性材料からなる観察用部材の
当該凹凸面を観察対象物の被観察面に対し所定の押圧力
で相対的に押し付け、前記観察用部材の一方面側から前
記被観察面に向けて光を照射し、前記観察用部材の凹凸
面と前記被観察面との接触部からの反射光に生じる明暗
に基づいて前記接触状態を把握する。

【０００７】好適には、前記観察対象物の被観察面と前
記観察用部材の接触面との接触部を当該観察用部材を通
じて光学拡大手段によって拡大して観察する。

【０００８】また、本発明は、前記観察用部材の凹凸面
に当該観察用部材を構成する構成材料と略同じ屈折率を
もつ透明性材料を塗布し、当該接触面の凹凸状態を任意
に調整する。

【０００９】好適には、前記観察用部材の凹凸面の凹凸
形状と、前記透明性材料の塗布条件によって前記凹凸形
状を任意の形状に調整する。

【００１０】また、本発明の接触状態観察方法は、一方
面が実質的に平滑な面からなり、他方面が前記一方面か
ら入射した入射光を乱反射させる凹凸面からなる透明な
観察用部材の当該凹凸面を観察対象物の被観察面に対し
所定の押圧力で相対的に押し付け、前記一方面から前記
被観察面に向けて光を照射しつつ、前記観察対象物の被
観察面と前記観察用部材の凹凸面との接触領域と非接触
領域との明暗状態に基づいて当該被観察面と凹凸面との
接触状態を観察する。

【００１１】前記観察用部材の凹凸面の表面粗さは、前
記観察対象物の被観察面の表面粗さよりも十分に小さ
い。

【００１２】本発明の接触状態観察装置は、一方面に実
質的に平滑な平滑面を有し、他方面に前記平滑面から入
射した光を乱反射させる凹凸面を有する透明な材料から
なる観察用部材と、前記観察用部材の凹凸面と観察対象
物の被観察面とを所定の押圧力で相対的に押し付ける押
し付け手段と、前記観察用部材を通じて前記観察対象物
の被観察面に光を照射する光源と、前記観察用部材を通
じて前記被観察面と前記凹凸面との接触部の光学拡大像
を得る光学拡大手段と、前記光学拡大像を撮像する撮像
手段と、前記撮像手段による撮像画像を表示する表示手
段とを有する。

【００１３】本発明では、観察対象物の被観察面に凹凸
面を有する透明な材料からなる観察用部材を押し付け、
被観察面に観察用部材を通じて光を照射して接触状態を
観察する。観察用部材の凹凸面と観察対象物の被観察面
との接触部では、被観察面の有する凹凸によって凹凸面
との接触領域と非接触領域が発生する。観察用部材から
入射した光は、被観察面と凹凸面との接触領域では被観
察面に一部または全部が吸収される。非接触領域では、
凹凸面と被観察面との間に空気の層が形成され凹凸面で
乱反射される。このため、観察用部材を通じて被観察面
と凹凸面との接触領域、非接触領域をそれぞれ観察する
と、接触領域からの反射光の光量は非接触領域からの反
射光の光量よりも相対的に少なく、したがって、接触領
域は相対的に暗くなり非接触領域は相対的に明るくな
る。この結果、被観察面と凹凸面とにおける接触領域と
非接触領域との明暗がはっきりと生じることになる。ま
た、この被観察面と凹凸面とにおける接触領域と非接触
領域との明暗は、観察用部材に対する光の入射角度を傾
けなくても得られ、かつ、光の入射角度によらず任意の
方向から観察できる。

【００１４】さらに、本発明では、観察用部材の凹凸面
の表面粗さを被観察面の表面粗さよりも十分に小さくす
ることで、被観察面の凹凸に応じた接触、非接触状態が
適切に得られる。すなわち、凹凸面の表面粗さが被観察
面の表面粗さに対して大きいと、被観察面の凹凸および
観察用部材の凹凸面の凹凸のいずれによっても接触、非
接触状態が発生するため、被観察面の凹凸に応じた接
触、非接触状態を得ることが難しいが、凹凸面の表面粗
さを十分小さくすることで凹凸面と被観察面との間に生
じる接触、非接触状態は、ほぼ被観察面の凹凸のみによ
って生じるものとすることができる。

【００１５】さらに、本発明では、観察用部材の凹凸面
に透明性材料を塗布することで、観察用部材の凹凸面の
状態を任意に調整でき、たとえば、透明性材料の塗布量
等の塗布条件および凹凸面の凹凸形状によって任意の状
態の凹凸面とすることができ、観察対象物の被観察面の
実使用時の接触状態を可能な限り正確に再現することが
可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。第１実施形態 図１は、本発明の一実施形態に係る接触状態観察装置の
構成図である。図１に示す接触状態観察装置１は、ベー
ス２上に平行に立設された複数のガイド棒３に移動自在
に案内された保持板４と、保持板４の下面に保持された
ガラス板１１と、保持板４上に設置された顕微鏡鏡筒４
１と、光源３５と、顕微鏡鏡筒４１に接続されたＣＣＤ
カメラ４２と、保持板４の下方のベース２上に設けられ
たアクチュエータ２１と、アクチュエータ２１と連結さ
れ観察対象物Ｗを支持する支持台２２と、ＣＣＤカメラ
４２と接続された画像処理装置３１と、画像処理装置３
１と接続された表示装置３２とを備えている。ここで、
ガラス板１１は本発明の観察用部材の一具体例に対応
し、顕微鏡鏡筒４１は本発明の光学拡大手段の一具体例
に対応し、光源３５は本発明の光源の一具体例に対応
し、ＣＣＤカメラ４２は本発明の撮像手段の一具体例に
対応し、表示装置３２および画像処理装置３１は本発明
の表示手段の一具体例に対応している。

【００１７】保持板４は、保持板４の側方に設けられた
昇降用ハンドル５をいずれかの向きに回転させることに
より、ガイド棒３の任意の位置に昇降するように設けら
れている。また、保持板４には開口部４ａが形成されて
おり、この開口部４ａの下部にガラス板１１が固定され
ている。

【００１８】アクチュエータ２１は、支持台２２をロッ
ド２１ａで支持しており、このロッド２１ａが矢印Ａ１
およびＡ２方向に伸縮し、支持台２２を矢印Ａ１および
Ａ２方向の任意の位置に移動させる。アクチュエータ２
１には、たとえば、エアシリンダを用いることができ
る。支持台２２は、その上面がガラス板１１に略平行に
なるように支持されており、この上面に観察対象物Ｗを
支持している。アクチュエータ２１が支持台２２を矢印
Ａ１方向に移動させることにより、支持台２２に載置さ
れた観察対象物Ｗをガラス板１１に押し付けられる。す
なわち、アクチュエータ２１、支持台２２およびガラス
板１１を保持している保持板４は、本発明の押し付け手
段を構成している。

【００１９】保持板４上に設置された顕微鏡鏡筒４１
は、その光軸が上記の支持台２２の上面に略垂直になる
ように配置されており、保持板４の開口部４ａおよびガ
ラス板１１を通じて観察対象物Ｗの光学像を任意の倍率
に拡大可能になっている。顕微鏡鏡筒４１に接続された
ＣＣＤカメラ４２は、電荷結合素子を用いたカメラであ
り、顕微鏡鏡筒４１によって拡大された光学像を撮像
し、この撮像データを画像処理装置３１に出力する。

【００２０】顕微鏡鏡筒４１に隣接して設けられた光源
３５は、上記支持台２２に載置された観察対象物Ｗに向
けて光を照射する。すなわち、光源３５は保持板４の開
口部４ａを通じて観察対象物Ｗに光を照らす。

【００２１】画像処理装置３１は、たとえば、パーソナ
ルコンピュータからなり、ＣＣＤカメラ４２の撮像した
画像データを、Ａ／Ｄ変換した後取り込み、この取り込
んだ画像データに対して、所定の画像処理を行う。具体
的な所定については後述する。表示装置３２は、たとえ
ば、ＣＲＴや液晶表示装置からなり、画像処理装置３１
で処理された画像データを画面に表示する。

【００２２】観察対象物Ｗは、たとえば、ゴム製のシー
ル部材等の弾性体であるが、実使用時に他の固体表面と
接触あるいは摺動した状態で使用されるもので、かつ、
その接触状態が重要である観察すべき被観察面を有する
ものであれば特に限定されない。

【００２３】図２は、ガラス板１１の断面形状の一例を
示す断面図である。図２に示すように、ガラス板１１の
一方面は凹凸を持つ凹凸面１１ａとなっており、他方面
は実質的に平滑な平滑面１１ｂとなっている。なお、凹
凸面１１ａは、観察対象物Ｗに対向する側に形成されて
いる。ガラス板１１の凹凸面１１ａは、平滑面１１ｂ側
から入射した光が凹凸面１１ａで乱反射を起こすための
粗さを持ちながら、観察対象物Ｗの表面の有する凹凸よ
りも微細に形成されている。凹凸面１１ａの凹凸の状態
は、たとえば、表面粗さによって規定する。表面粗さ
は、図２に示すように、凹凸面１１ａの凹凸の平均的高
さｄおよび凹凸の凸部間の平均的間隔λとの比λ／ｄで
表される。平均的高さｄが同じである場合に、この表面
粗さλ／ｄの値が小さいほど、単位面積当たりの凹凸の
数が多く、λ／ｄの値が大きいほど単位面積当たりの凹
凸の数が少ない。本実施形態では、凹凸面１１ａの表面
粗さを、観察対象物Ｗの表面（被観察面）の有する表面
粗さよりも十分小さい表面粗さとするが、表面粗さλ／
ｄの値が小さすぎると観察対象物Ｗの表面と凹凸面１１
ａの接触性が悪化する等の理由から表面粗さλ／ｄの値
を適正な値にする必要がある。

【００２４】具体的には、観察対象物Ｗとして種々の表
面粗さのゴム材製のＯリングを用いて検討した結果、３
＜λ／ｄ＜２５，１μｍ＜ｄ＜２０μｍの条件を満たす
ように、ガラス板１１の凹凸面１１ａの凹凸を微細に形
成する。より好ましくは、４＜λ／ｄ＜２０，２μｍ＜
ｄ＜１０μｍの条件の表面凹凸形状が望ましい。

【００２５】ガラス板１１の凹凸面１１ａを形成するに
は、ブラスト、エッチング、モールディング、研磨など
の方法を用いることができるが、ガラス面に微小凹凸形
状を形成することのできる方法であればよい。また、ガ
ラス板１１の形成材料としては、シリカガラス等が挙げ
られるが、特に、これに限定されるわけではない。ま
た、本実施形態では、観察用部材の一具体例としてガラ
ス板１１を挙げたが、透明なガラス状の材料であれば、
いかなる材料も利用することができる。

【００２６】次に、上記構成の接触状態観察装置１を用
いた観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａ
（被観察面）の接触状態の観察方法について説明する。
まず、観察対象物Ｗを支持台２２上に載置するととも
に、保持板４の位置を所定の位置に調整する。この状態
から、アクチュエータ２１を駆動して、支持台２２上に
載置された観察対象物Ｗを矢印Ａ１の向きに上昇させ、
観察対象物Ｗをガラス板１１の凹凸面１１ａに接触させ
る。

【００２７】このとき、観察対象物Ｗは、所定の荷重、
あるいは、所定のつぶし率となるようにガラス板１１に
押し付ける。ここで、つぶし率とは、観察対象物Ｗが、
たとえば、Ｏリングの場合、図３に示すように、Ｏリン
グの直径をＤとし、ガラス板１１と支持台２２の上面と
の距離をδとして、（Ｄ−δ）／Ｄ×１００（％）で表
される値をいう。Ｏリングの一般的な使用条件は、この
つぶし率が５〜３０％程度である。したがって、つぶし
率を５〜３０（％）程度の範囲で変化させてＯリング表
面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触状態を観察す
る。また、研究を目的とする場合には、つぶし率を、た
とえば、０〜５０（％）の範囲で変化させてＯリング表
面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触状態を観察す
る。

【００２８】観察対象物Ｗにガラス板１１の凹凸面１１
ａを所定の荷重または所定のつぶし率となるように押し
付けた状態で、光源３５から光を照射すると、光はガラ
ス板１１の平滑面１１ｂ側から入射する。ここで、図４
はガラス板１１の凹凸面１１ａと観察対象物Ｗの表面と
の接触部の拡大図である。図４に示すように、観察対象
物Ｗの表面に凹凸が存在すると、観察対象物Ｗの表面は
ガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に接触領域と非接触
領域とが発生する。図４からわかるように、ガラス板１
１の凹凸面１１ａの表面粗さは、観察対象物Ｗの表面の
表面粗さよりも十分に小さくなっているため、観察対象
物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生
する接触領域と非接触領域は、観察対象物Ｗの表面の凹
凸に応じて発生する。すなわち、ガラス板１１の凹凸面
１１ａの表面粗さが大きいと、観察対象物Ｗの表面とガ
ラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生する接触領域と
非接触領域は、観察対象物Ｗの表面の凹凸だけでなく、
ガラス板１１の凹凸面１１ａの凹凸によっても発生する
が、本実施形態ではそのようなことがない。

【００２９】一方、光源３５からガラス板１１に入射さ
れた光Ｌは、観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸
面１１ａとの接触領域では、凹凸面１１ａを通じて観察
対象物Ｗの表面に一部または全部が透過吸収される。観
察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの非
接触領域では、ガラス板１１の凹凸面１１ａと観察対象
物Ｗの表面には空気の層が形成され、空気とガラス板１
１の屈折率は異なるため、光源３５からガラス板１１に
入射された光Ｌは、凹凸面１１ａで乱反射する。

【００３０】このことから、観察対象物Ｗの表面とガラ
ス板１１の凹凸面１１ａとの接触部をガラス板１１の平
滑面１１ｂ側から観察すると、観察対象物Ｗの表面とガ
ラス板１１の凹凸面１１ａとの接触領域は暗く見え、非
接触領域は明るく見えることになる。

【００３１】このような状態にある観察対象物Ｗの表面
とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触部を、顕微鏡鏡
筒４１によって光学的に拡大し、この光学拡大像をＣＣ
Ｄカメラ４２で撮像する。ＣＣＤカメラ４２から出力さ
れた撮像データは、画像処理装置３１に入力され、画像
処理装置３１は、画像データを表示装置３２に表示す
る。さらに、画像処理装置３１では、入力された画像デ
ータに所定の画像処理を施すことにより、観察対象物Ｗ
の表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの真実接触面積
や接触率の分布などのデータ解析を行う。

【００３２】表示装置３２に表示された観察対象物Ｗの
表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触部の拡大画
像において、非接触領域は比較的明るい部分として表示
され、接触領域は比較的暗い部分として表示され、高コ
ントラストな画像となる。したがって、表示装置３２に
表示された画像の明暗を観察することにより、観察対象
物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触状態
を把握することができる。

【００３３】実施例１ 次に、上記構成の接触状態観察装置１を用いた具体的な
観察結果について説明する。観察対象物Ｗとして、ＮＢ
Ｒ（ニトリル・ブタジエンゴム）製のＯリング（内径：
φ９．５ｍｍ，線径：φ１．５ｍｍ）を用い、ガラス板
１１の凹凸面１１ａは、所定の粗さの研磨粉を用いたブ
ラスト処理により形成した。ガラス板２の表面粗さλ／
ｄは、４．５とした。また、微細な接触状態の観察が可
能かどうかを検討するために、Ｏリングにはあらかじめ
表面に粗さを付与した。

【００３４】図５は、上記の条件で得られた観察対象物
Ｗとガラス板１１の接触状態の観察画像を示す図であ
る。なお、顕微鏡鏡筒４１による倍率は２００倍であ
る。図５の観察画像の上部に示した図の、色の濃い領域
Ｒ１は観察対象物ＷとしてのＯリングの表面がガラス板
１１の凹凸面１１ａとの接触によって押し潰された領
域、すなわち、接触領域であり、色の薄い領域Ｒ２はＯ
リングの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとが接触し
ていない非接触領域を示している。図５の観察画像から
わかるように、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界
ははっきりしており、高コントラストな画像が得られて
いる。さらに、接触領域Ｒ１内においても、Ｏリングの
表面に存在する凹凸によってガラス板１１の凹凸面１１
ａとの間に発生した非接触領域が存在することを明確に
確認することができる。

【００３５】比較例１ 比較例として、図６に凹凸面１１ａが存在しない、すな
わち、両面が平滑なガラス板を用いて、図５において説
明したのと同じ条件でガラス板とＯリングの接触状態を
観察した結果を示す。図６に示す観察画像からわかるよ
うに、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界がはっき
りせず、すなわち、コントラストが弱く、接触領域Ｒ１
と非接触領域Ｒ２とを明確に分割することが困難である
ことが判る。さらに、接触領域Ｒ１におけるＯリングの
表面に存在する凹凸によってガラス板１１の表面との間
に発生する非接触領域を確認することも困難である。

【００３６】比較例２ さらなる比較例として、図７に、ガラス板１１の凹凸面
１１ａを所定の粗さの研磨粉を用いたブラスト処理によ
り形成したものを用いて、図５において説明したのと同
じ条件でガラス板とＯリングの接触状態を観察した結果
を示す。なお、ガラス板１の表面粗さλ／ｄは、１．５
である。すなわち、表面粗さλ／ｄが図５において説明
した場合よりも小さい場合である。図７からわかるよう
に、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界がはっきり
せず、さらに、接触領域Ｒ１におけるＯリングの表面に
存在する凹凸によってガラス板１１の表面との間に発生
する非接触領域を確認することも困難である。このこと
から、表面粗さλ／ｄが小さすぎる、すなわち、凹凸の
間隔が狭すぎると、ガラス板１１の凹凸面１１ａとＯリ
ングの表面が接触しても、弾性変形したＯリングが凹凸
の谷に入らず適切な接触状態が得られず、接触領域でも
光の乱反射が発生し易くなることが利用として考えられ
る。すなわち、ガラス板１１の凹凸面１１ａの表面粗さ
は、Ｏリングの表面の表面粗さよりも十分に小さくする
必要があるが、ガラス板１１の凹凸面１１ａとＯリング
の表面との適切な接触性が得られる程度の範囲にする必
要がある。

【００３７】以上のように、本実施形態によれば、ガラ
ス板１１に形成した凹凸面１１ａに発生する光の乱反射
を利用して、観察対象物Ｗ（Ｏリング）の表面とガラス
板１１の凹凸面１１ａとの接触領域と非接触領域を明瞭
に区別できる高コントラストな画像を得ることができ
る。このため、画像処理装置３１において、観察対象物
Ｗ（Ｏリング）の表面とガラス板１１の凹凸面１１ａと
の真の接触面積の解析や、接触領域の分布の解析等を容
易にかつ正確に行うことが可能となる。さらに、本実施
形態によれば、観察対象物Ｗの表面（被観察面）に照射
する光の入射方向は特に限定されず、顕微鏡鏡筒４１の
向きも特に限定されず、かつ、観察対象物Ｗ（Ｏリン
グ）の表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触領域
と非接触領域を明瞭に区別できる画像を得ることができ
る。このため、顕微鏡鏡筒４１の光軸をガラス板１１に
垂直に向け、また、ガラス板１１に可能な限り接近させ
ることができるため、観察対象物Ｗ（Ｏリング）の表面
とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触部を高倍率に拡
大した画像が容易に得られ。

【００３８】第２実施形態 次に、本発明の第２の実施形態として、上記接触状態観
察装置を用いた他の観察方法について説明する。たとえ
ば、シール製品に代表される弾性体は、たとえば、加工
した金属面間のシールとして使用される。金属表面は、
加工時に塑性変形を生じるという特徴がある。一方、上
記したガラス板１１を構成するガラス材料は脆性材料で
あるため、基本的に加工された表面形状が異なる。金属
の場合は、塑性変形により、ガラス加工面と比較して滑
らかな凹凸形状となる。すなわち、たとえば、図８
（ａ）に示すように、ガラス板１１に形成した凹凸面１
１ａは、上記のガラス材料の性質によって、凹凸面１１
ａの凹凸は鋭角的に尖った状態となっていると考えられ
る。一方、金属の加工面は、たとえば、図８（ｂ）に示
すように、金属板２０１の加工面２０１ａの凹凸は、上
記した金属材料の性質によって、比較的滑らかな凹凸で
あると考えられる。

【００３９】したがって、上述した実施形態において、
ガラス板１１の凹凸面１１ａに観察対象物ＷであるＯリ
ングを接触させたのでは、Ｏリングの実使用時の状態と
は異なる。本実施形態では、このガラス板１１の凹凸面
１１ａの凹凸形状の差異を可能な限り解消するために、
たとえば、図８（ｃ）に示すように、ガラス板１１の凹
凸面１１ａに透明液体を塗布して透明膜ＬＦを形成す
る。

【００４０】透明膜ＬＦが形成されたガラス板１１の凹
凸面１１ａは、透明膜ＬＦによって凹凸が滑らかにな
る。透明膜ＬＦには、ガラス板１１を構成する材料と同
程度の屈折率を有する透明液体を用いることができる。

【００４１】ガラス板１１の凹凸面１１ａの凹凸の谷部
に、透明液体を満たし、かつ、塗布する透明液体の量を
調整することによって、谷部の高さを任意に制御するこ
とが可能である。透明液体は、ガラス板１１の性状によ
って、化学構造や粘度などの特定を考慮して適宜選択す
る。例えば、石英ガラスをガラス板１１として使用する
場合、ガラスとの濡れ性を考慮し、シリコーンオイルを
選定する。また、シリコーンオイルは、極性官能基を有
するものを選定し、より好ましくは、エポキシ変性シリ
コーンオイル、カルボキシル変性シリコーンオイル、カ
ルビノール変性シリコーンオイルなどの官能基変性シリ
コーンオイルを選択する。さらに、シリコーンオイルの
粘度は、低粘度から高粘度まで、ガラスの種類、表面凹
凸形状を考慮して適切に選定する。好ましくは、５００
ｃＳｔ以下のシリコーンオイルを使用するのが望まし
い。

【００４２】本実施形態に係る接触状態観察方法は、上
述したように、ガラス板１１の凹凸面１１ａに透明膜Ｌ
Ｆが形成されて凹凸が滑らかになった状態のガラス板１
１を上記構成の接触状態観察装置１に装着して行う。

【００４３】実施例１ ここで、凹凸面１１ａに透明膜ＬＦが形成されたガラス
板１１を用いて、観察対象物ＷとしてのＯリングの表面
とガラス板１１との接触状態を観察した具体的結果につ
いて説明する。なお、ガラス板１１の凹凸面１１ａは、
所定の粗さの研磨粉を用いてブラスト処理により形成し
た。また、接触状態の観察の可能性を検討するために、
あらかじめＯリングの表面に粗さを付与した。さらに、
シリコーンオイルとして、カルビノール変性シリコーン
オイルＸ−２２−１６０ＡＳ（信越化学工業社製）を使
用した。このシリコーンオイルの粘度は１６０ｃＳｔで
ある。また、シリコーンオイルのガラス板１１の凹凸面
１１ａへの塗布は、いかなる方法も使用することができ
るが、均一に塗布するためには、例えばスピンコーター
などを使用するのが好ましい。

【００４４】図９は、シリコーンオイル塗布後のガラス
板１１の凹凸面１１ａの表面の顕微鏡写真図である。図
９からわかるように、ガラス板１１の凹凸面１１ａとシ
リコーンオイルによるランダムな海島構造が観察され、
これにより目的とする凹凸形状が形成されていることが
判る。

【００４５】図１０は、凹凸面１１ａに透明膜ＬＦが形
成されたガラス板１１と観察対象物Ｗとの接触状態の観
察画像である。なお、観察対象物Ｗには、ＮＢＲ（ニト
リル・ブタジエンゴム）製のＯリング（線径：φ１．５
ｍｍ，内径：φ９．５ｍｍ）を用いた。図１０の観察画
像の上側に示す図において、色の濃い領域Ｒ１は観察対
象物ＷとしてのＯリングの表面がガラス板１１の凹凸面
１１ａとの接触によって押し潰された領域、すなわち、
接触領域であり、色の薄い領域Ｒ２はＯリングの表面と
ガラス板１１の凹凸面１１ａとが接触していない非接触
領域を示している。図１０の観察画像からわかるよう
に、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界ははっきり
しており、高コントラストな画像が得られている。さら
に、接触領域Ｒ１内においても、Ｏリングの表面に存在
する凹凸によってガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に
発生した数ミクロン〜数十ミクロン程度の大きさの非接
触領域が存在していることを明瞭に観察できる。

【００４６】図１１は、図１０中の観察画像中の線分Ａ
−Ａ’にそった輝度の変化を示すグラフである。なお、
輝度は、８ｂｉｔ（２５６階調）で表示した。図１１に
おいて、接触領域Ｒ１内の接触部分（色の濃い部分）
は、輝度は零に近く、接触領域Ｒ１内の非接触部分の輝
度が接触部分よりも外側の非接触領域Ｒ２と同等の輝度
を示しているのがわかる。すなわち、本実施形態では、
接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界を明瞭に区別で
きるだけでなく、接触領域Ｒ１内の非接触部分も明瞭に
観察できることができる。

【００４７】比較例１ 比較例として、図１２に、凹凸面１１ａが形成されてい
ない平滑な面のガラス板を用いた場合の観察画像を示
す。また、図１３に、図１２の観察画像中の線分Ｂ−
Ｂ’にそった輝度分布をそれぞれ示す。図１２および図
１３から判るように、凹凸面１１ａが形成されていない
平滑な面のガラス板を使用した場合は、接触領域Ｒ１と
非接触領域Ｒ２との境界を識別するのが困難であること
が判る。

【００４８】以上のように、本実施形態によれば、上述
した第１の実施形態と同様の効果似加えて、観察対象物
Ｗが実際に使用される状態に近い条件での接触状態を再
現でき、より正確な接触状態を得ることができる。

【００４９】第３実施形態 本発明の第３の実施形態として、上記構成の接触状態観
察装置を用いた他の接触状態観察方法について説明す
る。上述した第２の実施形態では、ガラス板１１の凹凸
面１１ａに透明液体を塗布して透明膜ＬＦを形成し、ガ
ラス板１１の凹凸面１１ａの状態を観察対象物Ｗである
Ｏリングの実使用時の状態と近似させる構成として、Ｏ
リングの接触状態を実使用時に近い状態で再現した。し
かしながら、上述した第２の実施形態では、ガラス板１
１の凹凸面１１ａに透明液体であるシリコーンオイルを
塗布するため、観察対象物ＷであるＯリングのガラス板
１１の凹凸面１１ａによるつぶし量が大きくなると、シ
リコーンオイルとＯリング表面間の濡れ性によって、ガ
ラス板１１の凹凸面１１ａとＯリング表面との間に形成
される微細な隙間にシリコーンオイルが浸透してしま
い、接触領域Ｒ１内での非接触部分の観察ができなくな
ることがある。

【００５０】このため、本実施形態では、ガラス板１１
の凹凸面１１ａに透明液体ではなく、固体透明膜を塗布
する。固体透明膜は、ガラス板１１の屈折率と略同様の
屈折率のものを使用する。固体透明膜の選定は、ガラス
板１１との密着性を考慮し、適切に選ぶ必要がある。た
とえば、石英ガラスを用いる場合には、固体透明膜とし
てシロキサン系コート剤を利用することで高い密着性を
得ることができる。固体透明膜の選定、ガラス板１１の
凹凸面１１ａへの密着においては、固体透明膜の種類、
コーティング方法、硬化（ゲル化）方法、蒸着方法など
のいかなる方法についても、本構成を達成する目的で用
いることができる。また、ガラス板１１の凹凸面１１ａ
の凹凸形状、固体透明膜の特性、コート条件を制御する
ことにより任意の表面凹凸形状を形成することができ
る。

【００５１】ガラス板１１の凹凸面１１ａに透明液体で
はなく、固体透明膜を塗布することで、ガラス板１１の
凹凸面１１ａの凹凸は滑らかに調整され、この滑らかに
なった凹凸によって、ガラス板１１に入射した光はその
表面で乱反射し、明るく観測される。このように固体透
明膜が塗布されたガラス板１１の凹凸面１１ａを観察対
象物ＷであるＯリングに強く押し付けても、固体透明膜
は液体透明膜のようにＯリング表面との間に形成される
微細な隙間に浸透することがなく、ガラス板１１とＯリ
ング表面との接触状態を明瞭に観察することができる。

【００５２】実施例１ 次に、固体透明膜が塗布されたガラス板１１と観察対象
物ＷとしてのＯリングとの接触状態の具体的な観察結果
について説明する。なお、ガラス板１１の凹凸面１１ａ
は、所定の粗さの研磨粉を用いてブラスト処理を行っ
た。また、固体透明膜を形成させるために、シロキサン
系ハードコート剤であるＫＰ８５４（信越化学工業社
製）を使用した。観察対象物Ｗとして、ＮＢＲ（ニトリ
ル・ブタジエンゴム）製のＯリング（線径：φ１．５ｍ
ｍ，内径：φ９．５ｍｍ）を用いた。

【００５３】図１４は、固体透明膜を形成したガラス板
１１の凹凸面１１ａのＳＰＭ測定結果を示す図である。
膜形成前では、凹凸面１１ａの凹凸の高さが７μｍ以上
であったが、膜の形成により凹凸の高さが約１μｍで、
かつ滑らかな形状を付与することができている。

【００５４】図１５は、凹凸面１１ａに固体透明膜が形
成されたガラス板１１と観察対象物ＷとしてのＯリング
の接触状態の観察画像である。図１５の観察画像の上側
に示す図において、色の濃い領域Ｒ１は観察対象物Ｗと
してのＯリングの表面がガラス板１１の凹凸面１１ａと
の接触によって押し潰された領域、すなわち、接触領域
であり、色の薄い領域Ｒ２はＯリングの表面とガラス板
１１の凹凸面１１ａとが接触していない非接触領域を示
している。

【００５５】図１５の観察画像からわかるように、接触
領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界ははっきりしてお
り、高コントラストな画像が得られている。さらに、接
触領域Ｒ１内においても、Ｏリングの表面に存在する凹
凸によってガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生し
た数ミクロン〜数十ミクロン程度の大きさの非接触領域
が存在していることを明瞭に観察できる。

【００５６】比較例１ 比較例として、図１６に第２の実施形態で使用したと同
様の流動性を有する透明液体を使用した場合の接触状態
の観察画像を示す。なお、透明液体として、シリコーン
オイルを使用し、ガラス板１１の凹凸面１１ａは、所定
の粗さの研磨粉を用いてブラスト処理を行った。シリコ
ーンオイルとしては、カルビノール変性シリコーンオイ
ルＸ−２２−１６０ＡＳ（信越化学工業社製）を使用し
た。粘度は１６０ｃＳｔである。また、観察対象物Ｗは
実施例１と同じＯリングである。

【００５７】図１６から判るように、接触領域Ｒ１と非
接触領域Ｒ２との境界ははっきりしており、高コントラ
ストな画像が得られるが、接触領域Ｒ１内において、ガ
ラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生した数ミクロン
〜数十ミクロン程度の大きさの非接触部分が観察できな
いのが判る。これは、シリコーンオイルとＯリング表面
間の濡れ性によって、Ｏリング表面とガラス板１１の凹
凸面１１ａとの間に形成される微細な隙間にシリコーン
オイルが浸透したためである。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、たとえば、弾性体から
なる観察対象物の被観察面と観察用部材の凹凸面との間
の接触状態を高コントラスト、かつ高倍率で観察するこ
とができる。この結果、得られた高コントラストな画像
を基に所定の画像処理を施して、真実接触面積や接触率
分布などのデータ解析を効率的にかつ高精度で行うこと
が可能となる。さらに、本発明によれば、観察対象物の
任意の表面凹凸形状を有する表面間との接触状態を再現
でき、観察対象物が実際に使用される状態での接触状態
を正確に再現できこれを観察することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る接触状態観察装置の
構成図である。

【図２】ガラス板１１の断面形状の一例を拡大して示す
断面図である。

【図３】Ｏリングのつぶし率を説明するための図であ
る。

【図４】ガラス板１１の凹凸面１１ａと観察対象物Ｗの
表面との接触部の拡大図である。

【図５】観察対象物Ｗとガラス板１１の接触状態の観察
画像を示す図である。

【図６】凹凸面１１ａの無いガラス板１１と観察対象物
Ｗとの接触状態の観察画像を示す図である。

【図７】凹凸面１１ａの表面粗さが小さすぎる場合の、
ガラス板１１と観察対象物Ｗとの接触状態の観察画像を
示す図である。

【図８】（ａ）はガラス板１１に形成した凹凸面１１ａ
の形状の一例を示す断面図であり、（ｂ）は金属の加工
面の凹凸形状の一例を示す断面図であり、（ｃ）はガラ
ス板１１の凹凸面１１ａに透明膜を形成した状態を示す
断面図である。

【図９】シリコーンオイル塗布後のガラス板１１の凹凸
面１１ａの表面の顕微鏡写真図である。

【図１０】凹凸面１１ａに透明膜ＬＦが形成されたガラ
ス板１１と観察対象物Ｗとの接触状態の観察画像であ
る。

【図１１】図１０中の観察画像中の線分Ａ−Ａ’にそっ
た輝度の変化を示すグラフである。

【図１２】凹凸面１１ａが形成されていない平滑な面の
ガラス板を用いた場合のガラス板１１と観察対象物Ｗと
の接触状態の観察画像を示す図である。

【図１３】図１２の観察画像中の線分Ｂ−Ｂ’にそった
輝度分布をそれぞれ示す。

【図１４】固体透明膜を形成したガラス板１１の凹凸面
１１ａのＳＰＭ測定結果を示す図である。

【図１５】凹凸面１１ａに固体透明膜が形成されたガラ
ス板１１と観察対象物ＷとしてのＯリングの接触状態の
観察画像を示す図である。

【図１６】第２の実施形態で使用したと同様の流動性を
有する透明液体を使用した場合の接触状態の観察画像を
示す図である。

【図１７】従来の接触状態の観察方法の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…接触状態観察装置 ２…ベース ３…ガイド棒 ４…保持板 ５…昇降用ハンドル １１…ガラス板 ２１…アクチュエータ ２２…支持台 ３１…画像処理装置 ３２…表示装置 ３５…光源 ４１…顕微鏡鏡筒 ４２…ＣＣＤカメラ Ｗ…観察対象物

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA49 BB26 CC00 FF04 JJ03 JJ26 PP24 QQ31 UU04 2G059 AA05 BB15 CC20 DD13 EE02 EE05 FF01 GG00 GG04 JJ11 JJ12 JJ13 JJ19 JJ20 KK04 MM03 MM09 PP04

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方面が実質的に平滑な面からなり、他方
   面が前記一方面から入射した入射光を乱反射させる凹凸
   面からなり、所定の屈折率の透明性材料からなる観察用
   部材の当該凹凸面を観察対象物の被観察面に対し所定の
   押圧力で相対的に押し付け、 前記観察用部材の一方面側から前記被観察面に向けて光
   を照射し、 前記観察用部材の凹凸面と前記被観察面との接触部から
   の反射光に生じる明暗に基づいて前記接触状態を把握す
   る接触状態観察方法。
2. 【請求項２】前記観察用部材の凹凸面は、前記被観察面
   の有する表面粗さよりも十分小さい表面粗さを有する請
   求項１に記載の接触状態観察方法。
3. 【請求項３】前記観察対象物の被観察面と前記観察用部
   材の接触面との接触部を当該観察用部材を通じて光学拡
   大手段によって拡大して観察する請求項１に記載の接触
   状態観察方法。
4. 【請求項４】前記光学拡大手段の光軸を前記観察対象物
   の被観察面に対して実質的に垂直にして前記拡大画像を
   得る請求項３に記載の接触状態観察方法。
5. 【請求項５】前記観察用部材の凹凸面の凹凸の平均的高
   さ（ｄ）と前記接触面の凹凸の平均的間隔（λ）との比
   （ｄ／λ）が前記観察対象物の被観察面の表面粗さに対
   して所定の値に調整されている請求項１に記載の接触状
   態観察方法。
6. 【請求項６】前記拡大画像を撮像手段によって撮像し、
   当該撮像データを表示手段に表示して観察する請求項３
   に記載の接触状態観察方法。
7. 【請求項７】前記観察用部材の凹凸面に当該観察用部材
   を構成する構成材料と略同じ屈折率をもつ透明性材料を
   塗布し、当該凹凸面の凹凸状態を任意に調整する請求項
   １に記載の接触状態観察方法。
8. 【請求項８】前記観察用部材の凹凸面と、前記透明性材
   料の塗布条件によって前記凹凸形状を任意の形状に調整
   する請求項７に記載の接触状態観察方法。
9. 【請求項９】前記透明性材料は、液体材料からなる請求
   項７に記載の接触状態観察方法。
10. 【請求項１０】前記透明性材料は、固体材料からなる請
    求項７に記載の接触状態観察方法。
11. 【請求項１１】前記観察対象物は、弾性体からなる請求
    項１に記載の接触状態観察方法。
12. 【請求項１２】一方面に実質的に平滑な平滑面を有し、
    他方面に前記平滑面から入射した光を乱反射させる凹凸
    面を有する透明な材料からなる観察用部材と、 前記観察用部材の凹凸面と観察対象物の被観察面とを所
    定の押圧力で相対的に押し付ける押し付け手段と、 前記観察用部材を通じて前記観察対象物の被観察面に光
    を照射する光源と、 前記観察用部材を通じて前記被観察面と前記凹凸面との
    接触部の光学拡大像を得る光学拡大手段と、 前記光学拡大像を撮像する撮像手段と、 前記撮像手段による撮像画像を表示する表示手段とを有
    する接触状態観察装置。
13. 【請求項１３】前記観察用部材の凹凸面の表面粗さは、
    前記観察対象物の被観察面の表面粗さよりも十分に小さ
    い請求項１２に記載の接触状態観察装置。
14. 【請求項１４】前記観察用部材の凹凸面には、当該観察
    用部材を構成する構成材料と略同じ屈折率をもつ透明性
    材料が塗布され、当該凹凸面の凹凸状態が任意に調整さ
    れている 請求項１２に記載の接触状態観察装置。
15. 【請求項１５】前記透明性材料は、液体材料からなる請
    求項１４に記載の接触状態観察方法。
16. 【請求項１６】前記透明性材料は、固体材料からなる請
    求項１４に記載の接触状態観察方法。