JP2006329635A - 接触面積−電気抵抗測定装置及びそれを用いた測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気接点における電気接触抵抗と真実接触面積とを同時に測定し、また、より鮮明な反射像が得られる観察測定装置及びその観察測定方法を提供すること。
【解決手段】三角プリズム１２の被測定物載置面に透明導電性被膜１３を形成し、該三角プリズム１２の透明導電性被膜面に被測定物１４を押し当てた状態で該三角プリズム１２に青色ないし紫色の単一波長光を導入し透明導電性被膜面に裏側から照射してその反射光を観察することにより被測定物１４の真実接触面積を求める真実接触面積測定系（１１，１５，１６）と、前記三角プリズム１２の透明導電性被膜面に押し当てられた被測定物１４と透明導電性被膜１３との間の電気接触抵抗を測定する電気抵抗測定系（１７，１８）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接触面積−電気抵抗測定装置に関し、さらに詳しくは、電気接触材料などの電気接点における真実接触面積の測定と電気接触抵抗の測定とを同時的に行うのに好適に用いられる接触面積−電気抵抗測定装置及びそれを用いた測定方法に関する。

従来、各種機械装置に組み込まれる摩擦材等において、その摩擦材等の表面と相手面との接触面のトライボロジー挙動を解析してより高性能の新素材開発に繋げるために、接触面を観察する方法が種々提案されている。

例えば、光学的に真実接触面積を測定する方法が非特許文献１及び２に示されている。図６に非特許文献１の原理について示すが、これによると、ガラスプリズム６３上に試料６４を押し当て、光源６１から出た白色光をガラスプリズム６３を通過させ、試料６４に当てて反射させる。この場合、ガラスプリズム６３を通過した白色光は、ガラスプリズム６３と試料６４の接触界面において、ガラスプリズム６３と試料６４との間に空気層が存在するところでは全反射し、ガラスプリズム６３と試料６４とが接触し、空気層のないところでは反射率が低下する。そして、それによって得られる反射光の明暗を２値化することにより画像表示し、その接触面積を求めることができる。また、非特許文献２は、非特許文献１に示された装置に更に光学系に偏光板及び１／４波長板を組み込むことにより反射像のコントラストを改善するものである。

そして、接触面を観察するための真実接触面観察装置及び観察方法に関する特許出願としては、特許文献１及び２などがある。例えば特許文献１は、試料台と透明ガラス板とで固体を挟んで観察すべき固体の表面に透明ガラス板の片面を密着させると共に、この透明ガラス板の他面に入反射光用プリズムの片面を、上記透明ガラス板とほぼ同等の屈折率を有する中間液を介して重ね合わせ、上記固体及び入反射光用プリズムに対する透明ガラス板の運動時に入反射光用プリズムの一方の側からこの入反射光用プリズムと上記中間液及び透明ガラス板とを通過して上記固体の表面に達し、この表面で反射して上記透明ガラス板及び中間液と入反射光用プリズムとを通過してこの入反射光用プリズム外に出る光の濃淡を観察する固体接触面間の真実接触点の観察方法である。観察すべき固体を透明ガラス板に押し付け、主軸を介して透明ガラス板を回転させ、固体とガラス板との間の摺動状態での真実接触点の変化を観察可能にしたものである。

そして特許文献２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接触状態観察方法である。

特開平０８−２４７７４７号公報 特開２００１−１４１４３４号公報 曽田、河野 潤滑２２（１９７７）１７ 大谷 日本潤滑学会トライボロジー会議予稿集（東京 １９９２−５）Ｐ４５５

例えば、コネクタなどの電気接続端子のように接触している２対象物が電気接点であり、低接触抵抗などの接点特性を向上させた電気接点材を開発するためには、上記のような方法による接点における接触面の解析だけでなく、それと同時に接点における電気接触抵抗を測定し、接触面積と接触抵抗との関係について調べることが重要である。

しかしながら、上述したような非特許文献１，２、あるいは特許文献１，２に示されるような装置や方法では、電気接点における接触面積と接触抵抗とを同時に測定し、それらの直接的な関係について調べることはできない。

そして、これまでは、電気接点の素材開発において接触面積と接触抵抗を同時に測定することができなかったため、例えば、非特許文献１に記載のような真実接触面顕微鏡を用いて測定した見かけの接触面積と、金属棒同士を押し当てて接触抵抗を測定する方法や４端子法による抵抗を測定する方法といった一般的な方法で別途測定した接触抵抗とを関連づけることによってこれらの関係について調べていた。しかし、見かけの接触面積では実際の接触状態を把握することはできず、また真実接触面積と接触抵抗とを同時に測定するものではないため、接触面積と接触抵抗との正確な関係を把握するには限界があった。

また、これまでの真実接触面顕微鏡に用いられていた光源についても以下の問題があった。すなわち、非特許文献１などの真実接触面顕微鏡における光源には従来から白色光が用いられていたが、白色光では、光の反射率の波長依存性により反射像がぼやけることがある。また非特許文献１によると、真実接触面顕微鏡における接触領域の分解能は入射光の波長の長さに影響され、接触面での観察対象物とガラスプリズムの間隙が光源波長の０．３倍程度以下になった場合には非接触領域として見分けられなくなる。このため、波長の長い光を有する白色光を光源に用いた従来法では、より狭い間隙を持つ非接触領域が接触領域として認識されてしまうという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、電気接点の観察をより正確に行うために、電気接点における電気接触抵抗と真実接触面積とを同時に測定することができるものであり、また、より鮮明で真実に近い観察像を得ることができる接触面積−電気抵抗測定装置及びその装置を用いた測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る接触面積−電気抵抗測定装置は、請求項１に記載の発明のように、三角プリズムの直角に対向する面に透明導電性被膜を形成し、該三角プリズムの透明導電性被膜面に被測定物を押し当てた状態で該三角プリズムに光を導入し透明導電性被膜の裏側から被測定物−透明導電性被膜接触面に光を照射してその反射光を観察することにより被測定物の真実接触面積を求める真実接触面積測定系と、前記三角プリズムの透明導電性被膜面に押し当てられた被測定物と透明導電性被膜との間の電気接触抵抗を測定する電気抵抗測定系とを備えることを要旨とする。

前記三角プリズム又は被測定物は、請求項２に記載のように、光照射部−被測定物接触部−光反射部を含む面に垂直の方向に相対移動（スライド）することができる。

前記透明導電性被膜は、請求項３に記載のように、前記透明導電性被膜に取り付けられた通電電極及び被測定物に対しオーミック性を有し、その屈折率は前記三角プリズムの屈折率の１／√２倍より大きく、かつ、空気の屈折率の√２倍より大きく、波長が４７０ｎｍ〜３６５ｎｍである青色ないし紫色の単一の波長を有する光に対して透明性を有する半導体材料であることが好適な例として挙げられる。

前記透明導電性被膜は、請求項４に記載のように、屈折率が１．５〜２．０の範囲にある酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムから選択された１種又は２種以上の透明電極として用いられる化合物からなることが好適な例として挙げられる。

前記三角プリズムは、請求項５に記載のように、屈折率が１．５〜２．０の範囲にある透明材料であることが好適な例として挙げられる。

前記真実接触面積測定系は、請求項６に記載のように、波長が４７０ｎｍ〜３６５ｎｍの青色ないし紫色発光ダイオード又はレーザーからなる単一の波長光を出射する光源と、該被測定物−透明導電性被膜接触面での反射光を受光する受光器とを含むことが望ましい。

前記電気抵抗測定系は、請求項７に記載のように、三角プリズムの透明導電性被膜面に押し当てられる被測定物と透明導電性被膜との間に電流を流す電流源又は電圧源と、その電流を測定するための電流計又はその電流を流した時の透明導電性被膜−被測定物間の電圧を測定する電圧計とを含むことが望ましい。

本発明に係る接触面積−電気抵抗測定方法は、請求項８に記載の発明のように、三角プリズムの透明導電性被膜面に被測定物を載置し、その透明導電性被膜面に被測定物を押し当てた状態で該三角プリズムに青色ないし紫色の単一波長光を導入し透明導電性被膜面に裏側から照射して該被測定物−透明導電性被膜接触面での反射光を観察することにより被測定物の真実接触面積を求めるとともに、その透明導電性被膜面に押し当てられた被測定物と透明導電性被膜との間の電気接触抵抗を測定することを要旨とする。

請求項１に記載の接触面積−電気抵抗測定装置によれば、例えば電気接点材料のような被測定物を三角プリズムの透明導電性被膜面に押し当てた状態で真実接触面積測定系の操作により光を三角プリズムに導入して透明導電性被膜の裏側から被測定物−透明導電性被膜接触面に照射してその反射光を観察することにより被観察物の真実接触面積を測定し、またその被測定物を透明導電性被膜面に押し当てた状態で電気抵抗測定系を操作し、その被測定物と透明導電性被膜との間の電気接触抵抗を測定することにより導電性を有する被測定物の接点における電気接触抵抗と真実接触面積を同時に測定することができる。

また、この測定装置では、透明導電性被膜面への被測定物の加圧力を変えていくことで真実接触面積と電気接触抵抗との相関性が得られ、電気接点材料としての特性が正確に把握されることとなる。

請求項２に記載のように、三角プリズム又は被測定物を、光照射部−被測定物接触部−光反射部を含む面に垂直の方向に相対移動（スライド）させることによって、例えば、同一の被測定物の接触面積及び電気抵抗を測定する場合に、三角プリズム又は被測定物の微小な相対移動（スライド）によりその被測定物の接触面を連続的に変えて、被測定物がどのような当たり方をしたときに電気抵抗として最も良くなるかなどを効率的に調べることができる。

また一方で、定点で接触抵抗を調べる場合、用いる透明導電性被膜は軟らかいものが多く、透明導電性被膜に被測定物を接触させて荷重をかけた場合、接触面において透明導電性被膜に傷が付き、その結果鮮明な接触面が観察できなくなる。サンプル毎に測定位置を変えなければならないが、三角プリズム又は被測定物を相対移動（スライド）させる機構を利用することによって測定位置の変更が容易にできる利点がある。

請求項３又は４に記載のように、前記透明導電性被膜が、前記通電電極及び前記被測定物に対しオーミック性を有することによって、被測定物と透明導電性被膜との間での接触抵抗の測定が可能となる。そして、透明導電性被膜の屈折率が、三角プリズムの屈折率の１／√２倍より大きいものである場合には、三角プリズムと透明導電性被膜との界面で入射光の反射が起こらなくなる。また、その透明導電性被膜の屈折率が、空気の屈折率の√２倍より大きいものである場合には、透明導電性被膜と空気層との界面で入射光が全反射することとなる。更に、青色ないし紫色の単一の波長を有する光に対して透明性を有することにより、透明導電性被膜においてその光を透過して、被測定物又は空気層との界面を照射することができる。

前記三角プリズムを、請求項５に記載の材料にすることにより、三角プリズムと透明導電性被膜との屈折率の差が大きくなることが抑えられるため、三角プリズムと透明導電性被膜の界面での反射が抑えられ、被測定物と透明導電性被膜の界面まで入射光は透過し、その界面を照射することができる。そして、三角プリズムと透明導電性被膜の界面で反射する光とは混ざることはないため、その反射像は、より正確に被測定物と透明導電性被膜の界面を映したものとなる。

請求項６に記載のように、真実接触面積の測定に際して、青色ないし紫色の単一波長光を導入しているため、屈折率の波長分散性による収差が減少しかつ、エバネッセント光強度（透明導電性被膜から空気中への光のしみだし）が短波長化により減少するため接触部分に隣接した非接触部分にある空間での反射による迷光が減少し、三角プリズムの透明導電性被膜面での被測定物の接触領域の分解能が高くなり、その結果、真実接触面積の測定精度は高いものが得られる。

請求項７に記載の電気抵抗測定系を含むことにより、三角プリズムの透明導電性被膜面と被測定物との間の電流並びに電圧が測定され、これにより被測定物の電気接触抵抗を測定することができる。

請求項８に記載の接触面積−電気抵抗測定方法によれば、前記被測定物の接点における電気接触抵抗と接触面積とを同時に測定することができるため、真実接触面積と電気接触抵抗の正確な関係について知ることができる。

次に、本発明の実施形態について、図１〜２を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る接触面積−電気抵抗測定装置を示すものである。同図に示される接触面積−電気抵抗測定装置１０は、光源１１と、三角プリズム１２と、その上に成膜された透明導電性被膜１３と、反射像を観察するための受光器１５と、受光器１５に接続された画像処理装置１６と、透明導電性被膜１３と被測定物１４の間の電気接触抵抗を測定するための電流源１７及び電圧計１８とを備えており、三角プリズム１２の透明導電性被膜１３面に、被測定物１４を押し当てた状態で三角プリズム１２に光を導入し透明導電性被膜１３の裏側から被測定物−透明導電性被膜接触面に光を照射してその反射光を観察することにより被測定物の真実接触面積を求める真実接触面積測定系と、三角プリズム１２の透明導電性被膜１３面に押し当てられた被測定物１４と透明導電性被膜１３との間の電気接触抵抗を測定する電気抵抗測定系とからなるものである。

上記測定装置１０は、三角プリズム１２が、図１において紙面に対し垂直方向に移動（スライド）できるようになっている。具体的には図示しないが、プリズムガイドレールに沿って前進後退動自在に配置され、例えばステッピングモータの駆動軸に連繋されてモータの可逆転式回転駆動により前進後退動されるようになっている。

このため、その被測定物１４の接触面を連続的に変えることができることから、被測定物１４がどのような当たり方をしたときに電気抵抗として最も良くなるかなどを効率的に調べることができる。また、その測定位置の変更が容易にできるため、透明導電性被膜１３が変形や傷がついても、すぐに別の場所で測定できるため、常に鮮明な接触面の観察を行うことができる。なお、その被測定物１４の接触面を連続的に変えることができることから、摩擦現象や摩耗現象といったトライボロジー特性と電気抵抗との関係を効率的に調べることができるようにもなる。

そして、上記相対移動（スライド）においては、三角プリズム１２又は被測定物１４のいずれかが移動（スライド）できればよいが、被測定物１４を移動させる場合にはそれと同時に光源１１及び受光器１５も移動（スライド）させなければならず、三角プリズムの移動（スライド）と比べて装置が大掛りなものとなるため、三角プリズム１２が移動するほうが好ましい。

上記透明導電性皮膜１３は、上記測定装置１０において接触面積と電気抵抗を同時に測定するためのものであることから、被測定物１４に対しオーミック性を有し、その屈折率が空気の屈折率（＝１）の√２倍より大きく三角プリズム１２の屈折率の１／√２倍より大きいものであり、かつ、青色ないし紫色の単一の波長を有する光に対して透明性を有することが好ましい。

被測定物１４に対し上記透明導電性被膜１３がオーミック性を有さない場合には、その接触界面での接触抵抗が回路を流れる電流源からの電流値によって変動するため、純粋な接触抵抗のみを測定することができないからである。

また、その屈折率については、図２を用いて、測定装置の測定原理に基づいて説明する。図２は、図１における三角プリズム１２と、その上に成膜された透明導電性被膜１３及びその膜の上に載置された被測定物１４の一部を拡大して示したものである。なお、屈折率とは、ヘリウム光線の出す黄色スペクトル線であるｄ線（５８７．６ｎｍ）を測定波長としている。

光源を出た入射光Ｌは三角プリズム１２を通過して三角プリズム１２と透明導電性被膜１３との界面Ｘに達する。その後、その界面Ｘを通過して透明導電性被膜１３と空気層Ｋとの界面Ｙまで入射光Ｌは到達する。そして、載置された被測定物がこの界面Ｙ上の点Ａにおいて接触している時には、入射光Ｌは反射されずに吸収されるが、図示のように接触していない時には、透明導電性被膜１３と空気との屈折率が大きく異なる場合において、この界面で光の反射（反射光Ｑ）が起き、この反射光Ｑが観察像となる。

この場合、三角プリズム１２や透明導電性被膜１３の材質の選択によっては、界面Ｘで入射光Ｌの一部が反射（反射光Ｐ）したり、界面Ｙで全反射しないことがある。よって、界面Ｘで反射しない条件及び界面Ｙで全反射する条件を、〔数１〕を使って以下に説明する。

三角プリズム１２の屈折率をｎ１、透明導電性被膜１３の屈折率をｎ２、入射角をθ１、屈折角をθ２とすると、スネルの法則から下記の数１式が成り立つ。

〔数１〕
ｓｉｎθ１×ｎ１＝ｓｉｎθ２×ｎ２

例えば、三角プリズム１２と透明導電性被膜１３との界面への単一光の入射角θ１が４５°の時、ｓｉｎθ１＝１／√２となり、三角プリズム１２の屈折率ｎ１と透明導電性被膜１３の屈折率ｎ２との関係は、ｎ２＝ｎ１×（１／√２）×（１／ｓｉｎθ２）となる。全反射することなく光透過するのは０＜ｓｉｎθ２＜１の場合であることから、ｎ２＞ｎ１×（１／√２）であれば入射された単一光は三角プリズム１２と透明導電性被膜１３との界面で全反射することなく光透過するものとなる。

同様に、透明導電性被膜と空気との間で全反射する条件は、ｓｉｎθ２×ｎ２＞１であるため、上記のように、θ２＝４５°の時には、ｎ２＞√２となる。

よって、透明導電性被膜１３は、その屈折率が、三角プリズム１２の屈折率の１／√２倍より大きいものであって、かつ、空気の屈折率（＝１）の√２倍より大きいものが好ましい。

さらに、上記透明導電性被膜１３が、青色ないし紫色の単一の波長を有する光に対して透明性を有することが好ましいのは、透明性を有さない場合、この膜１３を透過する光量が小さくなり、被測定物１４（又は空気層Ｋ）との界面を照射することができなくなるからである。

このような透明導電性被膜１３を用いることによって、被測定物１４の接触面の観察と同時に被測定物１４と透明導電性被膜１３の間での接触抵抗を測定することが可能となる。

なお、界面Ｙにおいて、入射光Ｌの一部がしみだしする（光Ｒが発生する）こともあるが、この場合には、反射光Ｑの光量が低下し、光Ｒの反射光と混じるため、反射像の鮮明度が低下することになる。このため、界面Ｙにおいてしみだしが少なくなるようにするには、透明導電性被膜１３の屈折率は大きいほど好ましい。

上記透明導電性被膜１３は、例えば、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタ法、真空蒸着法など常用の成膜技術を適用して対象物に形成することができる。

上記透明導電性被膜１３としては、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムなどが例示できる。これらの化合物は、単独で用いても良いし、組み合わせて用いても良い。また、これらの化合物以外の金属酸化物等を適宜ドープしたものを用いることも可能である。そして、これらの化合物を用いて透明導電性被膜を形成した場合、その透明導電性被膜の屈折率が１．５〜２．０の範囲にあるものが良い。

上記三角プリズム１２は、４５度直角プリズムが良い。また、その屈折率が１．５〜２．０の範囲にある透明材料であるものが良い。透明導電性被膜１３として用いる酸化インジウムスズなどの屈折率は、そのドープの量によるが、通常１．５〜２．０の範囲のものとなるからである。

上記透明材料は、例えば、光学ガラスなどが好ましい。そして、光学ガラスとしては、例えば、エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社製のもので、ＢＫ７（屈折率１．５１７）や、Ｃ０５５０（屈折率１．６０５）、ＬａＳＦＮ３０（屈折率１．８０３）、ＬａＳＦＮ９（屈折率１．８５０）、Ｓ−ＬＡＨ７９（屈折率２．００３）などが例示できる。

ここで、上記透明導電性被膜１３の屈折率と上記三角プリズム１２の屈折率とは、その差ができるだけ小さいものであることが好ましい。より好ましくは、それらの屈折率が同一な場合である。

その屈折率が異なる場合には、入射光はプリズムと透明導電性被膜の界面で屈折および反射することになる。図２で説明すると、その反射光Ｐは、界面Ｙまで到達していない光であるため、被測定物１４と透明導電性被膜１３との界面を映すものではない。そして、反射光Ｐ及びＱが重なって映るために、反射像の正確度は低下することとなる。 さらに、プリズムと透明導電性被膜間界面での屈折により、接触面への入射角に波長分散が加わり、そのため観察像の縦横比のぼやけが大きくなり、その後の像の観察や面積測定などの画像処理が最適にできなくなる。

なお、透明導電性被膜の屈折率が三角プリズムの屈折率に比べ大きい場合、その屈折角は４５度よりも小さくなるため、透明導電性被膜と空気層との界面への入射光の入射角は理想である４５度に比べてより小さくなる。透明導電性被膜と空気層の界面への入射角が小さいほど、全反射から屈折現象に近づき入射角≦ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）で全反射できなくなる。入射角＞ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）であっても、その界面において入射光が透過する量（光量）が大きくなるため、凹凸のある接触面では非接触部での空間での迷光により不鮮明な接触面像が得られることになる。また逆に、透明導電性被膜の屈折率が三角プリズムの屈折率に比べて小さい場合、透明導電性被膜と空気層との界面への入射角は４５度よりも大きくなる。この場合には全反射は保証されているが上記の反射物と反射像の縦横比に違いが出てくるが、補正することで対応できる。

従って、その屈折率の差は可能な限り小さくした方が、鮮明かつ正確な接触面像が得られる。

上記光源１１は、青色ないし紫色の単一波長光を発するダイオード又はレーザーである。一般的に、光の反射率は、被測定物１４と三角プリズム１２（又は透明導電性被膜１３）との間隙と入射光Ｌの波長との比によって決まり、より波長の短い光の方が反射率が高くなるからである。なお、光源波長が短いほどしみだし量は小さくなるため、より鮮明な反射像を得るためには、上記のように、青色ないし紫色の光を発するものが好ましい。

上記被測定物１４は、例えば電気接点等であるが、導電性を有するものであれば特に限定されない。

上記受光器１５は、デジタルマイクロスコープなどが例示できる。

上記画像処理装置１６は、例えばパーソナルコンピューター等であり、受光器１５で取り込んだ画像データに対して所定の画像処理及びデータ解析を行うものである。

次に本発明に係る接触面積−電気接触抵抗測定方法について、図１を用いて説明する。

被測定物１４を三角プリズム１２の透明導電性被膜１３を成膜した面に載置し、被測定物１４と透明導電性被膜１３上の電極間に電流源１７及び電圧計１８を接続する。被測定物１４に所定の荷重をかけた後、光源１１から青色ないし紫色の短波長光Ｌを照射させ、三角プリズム１２を通じて被測定物１４と接触している内面で反射させ、その反射像を受光器（デジタルマイクロスコープ）１５で観察する。この時、被測定物１４の接触表面と三角プリズム１２上の透明導電性被膜１３との接触領域では、入射光Ｌは被測定物１４の表面に一部が透過または吸収される。一方、非接触領域では、被測定物１４と三角プリズム１２上のＩＴＯ膜１３との間に空気層Ｋが形成されるため、全反射する。その結果、接触領域は暗く（黒く）写り、非接触領域は明るく（白く）写るようになる。

この観察画像における光の明暗を画像処理により２値化して、接触面積を求めることとなる。この場合、画像の２値化における輝度（明暗）の閾値は、観察画像に近い像となるように目視で決めることができる。そして、その２値化によって得られた画像の黒色部分の面積を積算することによって接触面積が求まる。

一方、それと同時に被測定物１４とＩＴＯ膜１３上の電極間に所定の電流（１０ｍＡ）をかけてその時の接点における電圧降下を測定することができる。これによって、接点における電気接触抵抗値を求めることができる。

なお、被測定物１４と三角プリズム１２上の透明導電性被膜１３との電気接触抵抗は、抵抗が低い（導電率が高い）場合、２端子法による測定では測定端子として用いるリード線やリード線と試料との接続部分における接触抵抗も測定に影響を与えるため、これらの影響を受けない４端子法を用いる。即ち、被測定物１４と三角プリズム１２上の透明導電性被膜１３間に電流を流す回路とは別に、被測定物１４と三角プリズム１２上の透明導電性被膜１３間の接点における電圧降下を測定する回路を備えた方法により被測定物１４と三角プリズム１２上の透明導電性被膜１３間の電気接触抵抗を求める。

本実施形態に係る接触面積−電気接触抵抗測定方法によって、接触面積の測定と同時に電気接触抵抗を測定することができる。その結果、これらの相関関係について調べることが可能となるものである。

次に、本発明の実施例について詳細に説明する。本発明の実施例において使用する三角プリズムは、エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社製の光学ガラスＢＫ７で、その屈折率ｎ１＝１．５１４７である。また、ＩＴＯ膜の屈折率ｎ２＝１．８８であり、ｎ２＞ｎ１×（１／√２）かつｎ２＞１（空気の屈折率）となっている。

〔真実接触面積と電気接触抵抗の同時測定〕
（実施例１）
ＣｕＢｅピンを、厚み０．６μｍ、体積抵抗率１５０μΩｃｍのＩＴＯ膜をスパッタ成膜済みの三角プリズム（ＢＫ７）上に載置し、表１に記載の各種荷重量で押し当てた。その後、ＣｕＢｅピンとＩＴＯ膜上の電極間の電気抵抗を４端子法により測定した。また、同時に接触面に三角プリズムを通じて青色ＬＥＤによる短波長光を照射し、その反射光をデジタルマイクロスコープ（倍率５００倍）で観察し、デジタル画像処理を行った。この場合、各種荷重での測定において、ＣｕＢｅピンがＩＴＯ膜上の常に同じ位置にならないように、ＣｕＢｅピンに対して三角プリズムを微小に相対移動させて異なる接触面になるようにして、電気接触抵抗と真実接触面積の測定を連続的に行った。なお、真実接触面積を求める際、観察像の２値化において、各荷重で同じ閾値を用いて２値化を行っている。

実施例１によって求めた真実接触面積と電気接触抵抗値を荷重に対してプロットしたものを図３に示す。測定抵抗値は荷重とともに低下し、４Ωで下げ止まるのに対して、真実接触面積は荷重と共にほぼ直線状〜放物線状に上昇することが分かった。このように、真実接触面積と電気接触抵抗との正確な関係が把握できることを確認した。

〔接触面の観察〕
（実施例２）
ＣｕＢｅピンを、厚み０．６μｍ、体積抵抗率１５０μΩｃｍのＩＴＯ膜をスパッタ成膜済みの三角プリズム（ＢＫ７）上に載置し、２０Ｎの荷重で押し当てた。その後、ＣｕＢｅピンとＩＴＯ膜上の電極間の電気抵抗を４端子法により測定した。また、同時に接触面に三角プリズムを通じて青色ＬＥＤによる短波長光を照射し、その反射光をデジタルマイクロスコープ（倍率５００倍）で観察し、デジタル画像処理を行った（図４、５）。

（比較例）
青色ないし紫色の発光ダイオードに変えて白色光を光源として用い、導電性のＩＴＯ膜を塗布していない三角プリズムを用いた以外、本発明に係る装置及び方法と同様に接触面の観察を行った（図８）。

実施例２で得られた反射像をデジタルマイクロスコープ１５（倍率５００倍）で観察した画像を図４に示す。円で囲って示している部分（以下、ヘルツ円３４という）はＣｕＢｅピンの先端が完全に平坦であった場合の接触面（見かけの接触面）である。そして、被測定物１４であるＣｕＢｅ先端には研削による加工が施されており、図３には指紋様の研削傷が見えている。

円で囲った寸法は直径２８０μｍであり、円内の面積が見かけの接触面積である。実際の観測では反射光を接面直下から見ているのではなく斜め４５度から見ており接触面が正円の場合には楕円として見えるため、直下から見たイメージ（正円）になるようにＸ軸方向（図の横方向）を約１．４倍に拡大している。そして、ヘルツ円３４内部には表面凹凸の凸部が接触していることを示す部分が見えてい
る（以下ａ−ｓｐｏｔ３２という）。また、ヘルツ円３４の外側にもａ−ｓｐｏｔ３２が見えているが、この部分は実際には接触面ではないが、より間隙が小さい領域なため、接触面として観測された部分である。

そして、図５には、図４に示される観測画像における反射光の明暗を画像処理により２値化した結果を示す。この場合、画像の２値化における輝度（明暗）の閾値は、図４に示す画像に近い像となるように目視で決めた。なお、図５の黒色部分の面積が接触面積となる。

実施例２によって真実接触面積を求めたところ、１３３４７μｍ２であった。なお、この真実接触面積は、見かけの面積（ヘルツ円全体の面積）の７％であった。

一方、比較例１で得られた反射像をデジタルマイクロスコープ１５（倍率５００倍）で観察した画像を図８に示す。図８中のヘルツ円内には、被測定物先端の凹凸を示す円模様がわずかに見えているが、実施例２と比べ、指紋様の線のピッチも大きく、凹凸がはっきりしないぼやけたものとなっている。よって、図７からは接触部と非接触部の区別がはっきりせず、２値化して真実接触面積を求めることが難しく、その見かけの面積（ヘルツ円全体の面積）しか求めることができなかった。それに対して実施例２では、指紋様の線もはっきりしており、２値化によって、その真実接触面積を求めることが可能であった。また、より鮮明かつ正確な接触界面の観察ができることが確認できた。

これは、真実接触面積の測定に際して、実施例２では、青色の単一波長光を導入しており、屈折率の波長分散性による収差が減少しかつ、エバネッセント光強度（透明導電性被膜から空気層への光のしみだし）が、白色光より短波長化したことにより減少するため、接触部分に隣接した非接触部分にある空間での反射による迷光が減少し、三角プリズムの透明導電性被膜面での被測定物の接触領域の分解能が高くなったためである。

ここで、実施例２及び比較例１の条件（プリズム材料、透明導電性被膜材料、及び光の波長）での光のしみだし厚みを、以下の計算式に基づいて算出した。

光のしみだし厚みをΛ、空気中の波長をλａｉｒ、透明導電性被膜の屈折率をｎｃｏａｔ、入射角をθ１とすると、しみだし厚みΛは、数２で表される。

〔数２〕
Λ＝λａｉｒ／｛（２π）√（ｓｉｎ２θ１×ｎｃｏａｔ２−１）｝

また、電場の実数成分の絶対値｜Ｅ（Ｚ）｜は、数３で表される。

〔数３〕
｜Ｅ（Ｚ）｜∝ｅｘｐ（−Ｚ／Λ）
（大津元一著 近接場光の基礎 Ｐ２７参照）

図６は、光源波長とプリズムの屈折率及び透明導電性被膜の屈折率による、しみだし量Λの検討結果（計算結果）である。なお、図中横軸は、三角プリズムと透明導電性被膜（又は空気層）との界面からの距離を表し、縦軸は、光の電場の減衰を表す。この減衰量が多いほど、光のしみだし量が多いことを示す。また、屈折率１．５１４７の三角プリズムはＢＫ７に、屈折率２．０の三角プリズムはＳ−ＬＡＨ７９に、屈折率２．０の透明導電性被膜は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜に相当し、波長４７０ｎｍの光は青色発光ダイオードからの光に、波長７７０ｎｍの光は白色光に対応するものである。

検討１は、屈折率１．５１４７の三角プリズムに、波長４７０ｎｍの光を４５度で入射させた場合のしみだし量である。なお、透明導電性被膜は考慮していない。

検討２は、屈折率１．５１４７の三角プリズムに、波長７７０ｎｍの光を４５度で入射させた場合のしみだし量である。なお、透明導電性被膜は考慮していない。

検討３は、屈折率２．０の透明導電性被膜を成膜した屈折率２．０の三角プリズムに、波長４７０ｎｍの光を４５度で入射させた場合のしみだし量である。

検討４は、屈折率１．８８の透明導電性被膜を成膜した屈折率１．５１４７の三角プリズムに、波長４７０ｎｍの光を３４．７３度で入射させた場合のしみだし量である。この場合、三角プリズムに４５度で入射した光が、透明導電性被膜と三角プリズムとの界面で３４．７３度で屈折する。スネルの法則により、検討結果１と同じ結果になっている（図６において検討１と検討４は重なっている）。

上記検討４が実施例２の条件に相当し、検討２が比較例１の条件に相当するものである。このように、実施例２（検討４）の場合のほうが比較例１（検討２）よりも早く減衰する（透明導電性被膜−三角プリズム界面からの距離が短いところで減衰する）ため、比較例１において透明導電性被膜と被測定物との距離が近いためにしみだし光が被測定物の表面で反射してその部分を接触領域としてしまっていたものが、実施例２においてはしみだし光が被測定物の表面まで届かないためそこで反射せずその部分を非接触領域と認識しているのである。これによってより鮮明かつ正確な観察が可能となったと考える。

なお、上記計算式に基づいて、実施例２（検討４）よりも光の減衰が早い条件について検討したところ、検討３の条件が最も良くなることが分かった。これは、すなわち、透明導電性被膜の屈折率が２．０と高く、また、三角プリズムと透明導電性被膜の屈折率が等しい場合であり、この条件において最も良好な像が得られると考える。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

例えば、上記実施例では単一波長光として青色発光ダイオードを光源に用いた例を示したが、要するに可能な限り短波長であり、可視光である単一の短波長光を用いることが重要なため、紫色光までの範囲で使用できることは勿論である。また、透明導電性被膜として酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜を用いた例について示したが、透明導電性被膜に取り付けられた通電電極及び被測定物に対しオーミック性を有し、その屈折率は前記三角プリズムの屈折率の１／√２倍より大きく、かつ、空気の屈折率の√２倍より大きく、波長が４７０ｎｍ〜３６５ｎｍである青色ないし紫色の単一の波長を有する光に対して透明性を有する薄膜であれば良い。

本発明に係る接触面積−電気抵抗測定装置及びそれを用いた測定方法は、電気接点の観察に必要な、接点における真実接触面積と接触抵抗を同時に測定するための装置として使用することができ、低接触抵抗等の接点特性を有する接点材料の開発に利用することができる。

本発明に係る接触面積−電気抵抗測定装置を示す概略図である。 図１における三角プリズム１２と、その上に成膜された透明導電性被膜１３及びその膜の上に載置された被測定物１４の一部を拡大して示した図である。 本発明の実施により求めた、ＣｕＢｅピンの接点における真実接触面積と接触抵抗値の関係を示す図である。 本発明に係る接触面積−電気抵抗測定装置を用いてＣｕＢｅピンを２０Ｎの荷重で押し当てたときの接触面をデジタルマイクロスコープ（倍率５００倍）で観察した結果を示す図である。 本発明に係る接触面積−電気抵抗測定装置を用いてＣｕＢｅピンの三角プリズムとの接触面を照射した時に得られる反射光の明暗を画像処理により２値化した結果と接触面積（黒い部分の面積）を計算した結果を示す図である。 光源波長、三角プリズムの屈折率、及び透明導電性被膜の屈折率による光のしみだし量の検討結果を示す図である。 従来法の真実接触面顕微鏡の説明図である。 従来法の真実接触面顕微鏡によるＣｕＢｅピンの接触面を示す図である。

符号の説明

１０ 接触面積−電気抵抗測定装置
１１ 青色〜紫色ＬＥＤ光源
１２ 三角プリズム
１３ 透明導電性被膜（ＩＴＯ膜）
１４ 被測定物
１５ デジタルマイクロスコープ
１６ 画像処理装置
１７ 電流源
１８ 電圧計
Ｌ 入射光
Ｐ、Ｑ 反射光
Ｒ 透過光
Ｘ、Ｙ 接触界面
４２ ａ−ｓｐｏｔ
４４ ヘルツ円

Claims (8)

1. 三角プリズムの直角に対向する面に透明導電性被膜を形成し、
   該三角プリズムの透明導電性被膜面に被測定物を押し当てた状態で該三角プリズムに光を導入し透明導電性被膜の裏側から被測定物−透明導電性被膜接触面に光を照射してその反射光を観察することにより被測定物の真実接触面積を求める真実接触面積測定系と、
   前記三角プリズムの透明導電性被膜面に押し当てられた被測定物と透明導電性被膜との間の電気接触抵抗を測定する電気抵抗測定系と、
   を備えることを特徴とする接触面積−電気抵抗測定装置。
2. 前記三角プリズム又は被測定物が、光照射部−被測定物接触部−光反射部を含む面に垂直の方向に相対移動（スライド）することを特徴とする請求項１に記載の接触面積−電気抵抗測定装置。
3. 前記透明導電性被膜は、以下の条件をすべて満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の接触面積−電気抵抗測定装置。
   （１）前記透明導電性被膜に取り付けられた通電電極及び被測定物に対しオーミック性を有する。
   （２）前記透明導電性被膜の屈折率は、前記三角プリズムの屈折率の１／√２倍より大きくかつ空気の屈折率の√２倍より大きい。
   （３）波長が４７０ｎｍ〜３６５ｎｍの青色ないし紫色の単一の波長を有する光に対して透明性を有する半導体材料である。
4. 前記透明導電性被膜は、屈折率が１．５〜２．０の範囲にある酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムから選択された１種又は２種以上の透明電極として用いられる化合物からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の接触面積−電気抵抗測定装置。
5. 前記三角プリズムは、屈折率が１．５〜２．０の範囲にある透明材料であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の接触面積−電気抵抗測定装置。
6. 前記真実接触面積測定系が、波長が４７０ｎｍ〜３６５ｎｍの青色ないし紫色発光ダイオード又はレーザーからなる単一の波長光を出射する光源と、該被測定物−透明導電性被膜接触面での反射光を受光する受光器とを含むことを特徴とする請求項１ないし５に記載の接触面積−電気抵抗測定装置。
7. 前記電気抵抗測定系が、三角プリズムの透明導電性被膜面に押し当てられる被測定物と透明導電性被膜との間に電流を流す電流源又は電圧源と、その電流を測定するための電流計又はその電流を流した時の透明導電性被膜−被測定物間の電圧を測定する電圧計とを含むことを特徴とする請求項１ないし６に記載の接触面積−電気抵抗測定装置。
8. 三角プリズムの透明導電性被膜面に被測定物を載置し、その透明導電性被膜面に被測定物を押し当てた状態で該三角プリズムに青色ないし紫色の単一波長光を導入し透明導電性被膜面に裏側から照射して該被測定物−透明導電性被膜接触面での反射光を観察することにより被測定物の真実接触面積を求めるとともに、その透明導電性被膜面に押し当てられた被測定物と透明導電性被膜との間の電気接触抵抗を測定することを特徴とする電気接点材料の接触面積−電気抵抗測定方法。