JP2017044587A - Film thickness distribution measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転や往復移動する基板に対して潤滑剤を介して回転している回転体又は摺動する物体の接触部分の潤滑剤の膜厚分布を計測する膜厚分布測定装置に関する。 The present invention relates to a film thickness distribution measuring apparatus for measuring a film thickness distribution of a lubricant at a contact portion of a rotating body or a sliding object rotating through a lubricant with respect to a rotating or reciprocating substrate.
例えばベアリングにおいては、互いに潤滑油で潤滑されているボール(一方の物体)と、外輪リング、或いは内輪リング(他方の物体)が、線接触または点接触している。このとき、互いの物体の接触部分には荷重が集中するため、物体が弾性変形するとともに、潤滑油が高圧・高粘度となる弾性流体潤滑状態(EHL状態:Elasto-hydrodynamic Lubrication)になる。 For example, in a bearing, a ball (one object) lubricated with lubricating oil and an outer ring or inner ring (the other object) are in line contact or point contact. At this time, the load concentrates on the contact portions of the objects, so that the objects are elastically deformed, and an elastic fluid lubrication state (EHL state: Elasto-hydrodynamic Lubrication) in which the lubricating oil becomes high pressure and high viscosity is obtained.
このようなベアリングのEHL状態を観察する従来の方法として、円盤状のディスク及び鋼球を相対的に回転又は摺動するように配置し、そのディスク及び鋼球の接触部分を潤滑油で潤滑しておくとともに、接触部分の潤滑油にライン状の光を走査しながら照射して白黒の干渉縞を発生させ、白縞の波長および黒縞の波長に基づいて潤滑剤の膜厚を測定する技術が知られている(例えば、特許文献1)。 As a conventional method for observing the EHL state of such a bearing, a disk-shaped disk and a steel ball are arranged so as to rotate or slide relative to each other, and the contact portion of the disk and the steel ball is lubricated with a lubricating oil. A technology that measures the film thickness of lubricant based on the wavelength of white stripes and the wavelength of black stripes by generating line-shaped interference fringes by irradiating the contact area with lubricating oil while scanning the line-shaped light Is known (for example, Patent Document 1).
また、反射膜とスペーサ膜を順次形成し、スペーサ膜を試料に接する光透過性基板と、スペーサ膜とは反対側から光透過性基板に白色光を照射する照射手段と、白色光の反射光を受光する受光手段と、反射光から色彩情報を取得する色彩情報取得手段を有する膜厚測定装置を用いて干渉画像を取得し、その色情報をHSV色空間に変換して色相値を求め、二面間のすきまの厚さとの校正結果に基づき、すきまの厚さあるいは膜厚ゼロに相当する真実接触部を可視化する技術が知られている(例えば、特許文献2)。 In addition, a reflective film and a spacer film are sequentially formed, a light-transmitting substrate that contacts the sample with the spacer film, irradiation means for irradiating the light-transmitting substrate with white light from the opposite side of the spacer film, and reflected light of white light An interference image is obtained using a film thickness measuring device having a light receiving means for receiving light and a color information obtaining means for obtaining color information from reflected light, and the hue information is obtained by converting the color information into an HSV color space, A technique for visualizing a true contact portion corresponding to a gap thickness or zero film thickness based on a calibration result with a gap thickness between two surfaces is known (for example, Patent Document 2).
また、油膜を挟んだ2つの物体間に電圧を印加して油膜の絶縁破壊を調べる油膜絶縁破壊評価装置において、一方の物体を透明体とし、かつ、他方の物体との接触面側に可視光を透過する電極(例えば、透明導電膜)を用い、荷重をかけた状態で接触面の油膜厚さを光干渉法で実測する技術が知られている(例えば、特許文献3)。 Also, in an oil film dielectric breakdown evaluation apparatus that examines the dielectric breakdown of an oil film by applying a voltage between two objects sandwiching the oil film, one object is a transparent body, and visible light is on the contact surface side with the other object. A technique is known in which an oil film thickness of a contact surface is measured by an optical interferometry in a state where a load is applied using an electrode that transmits light (for example, a transparent conductive film) (for example, Patent Document 3).
また、透明膜に向けて複数波長からなる光を照射し、当該透明膜の表面反射光及び裏面反射光により生成されるカラーの干渉縞画像を撮像し、当該画像に干渉縞モデルを適合することで複数点の膜厚を一括して測定(つまり、各色情報と膜厚値との関係付けの校正を必要とせずに、膜厚分布を測定)する技術が知られている(例えば、特許文献4、非特許文献1)。さらに、非特許文献1には、青色:470nm、緑色:560nm、赤色:600nmの組合せで8μmの膜厚レンジ測定が期待でき、実試料による実験で4μmの膜厚測定ができる旨が記載されている。 Also, irradiate light with multiple wavelengths toward the transparent film, capture a color interference fringe image generated by the surface reflection light and back surface reflection light of the transparent film, and fit the interference fringe model to the image A technique is known in which film thicknesses at a plurality of points are collectively measured (that is, a film thickness distribution is measured without requiring calibration of the relationship between each color information and a film thickness value) (for example, Patent Documents) 4, Non-Patent Document 1). Further, Non-Patent Document 1 describes that a film thickness range of 8 μm can be expected by a combination of blue: 470 nm, green: 560 nm, and red: 600 nm, and a film thickness of 4 μm can be measured by an experiment using an actual sample. Yes.
しかし、特許文献1の技術では、ライン走査により面の膜厚分布を測定しているため、経時的な膜厚分布の変化が生じない状況にあるもの(例えば、一定速度で回転や摺動するもの)しか、測定ができなかった。 However, in the technique of Patent Document 1, since the film thickness distribution of the surface is measured by line scanning, the film thickness distribution does not change over time (for example, rotating or sliding at a constant speed). However, measurement was not possible.
一方、特許文献2の技術では、膜厚の二次元分布の測定が可能であるが、各色情報と膜厚値との関係付けの校正が必要であり、その関係が照明系、光学系、対象表面など多くの要因で変化する。さらに、色情報(BGR値)を色相に変換しているが、色相が膜厚約260nmの周期のため、膜厚測定レンジが限定されるという課題があった。
On the other hand, in the technique of
一方、特許文献3の技術では、555nm(緑色)と630nm(赤色)の波長の異なる単色光を2色重ねた2色光源を用い、実際の油膜厚さと色との関係をあらかじめ分かっている隙間を用いて検定した関係データに基づいて、光干渉画像の色から膜厚を測定している。そのため、特許文献2と同様、各色情報と膜厚値との関係付けの校正が必要となる。
On the other hand, in the technique of
一方、特許文献4では、フィルム製造プロセスにおいて連続走行するフィルムシートの膜厚をオンライン計測することに適用可能な旨が記載されており、非特許文献1では、シリコンウエハ上のシリコン酸化膜の膜厚、ニュートンリング板の空気間隙、シャボン膜の膜厚を測定できる旨が記載されているが、ベアリングなどのEHL状態にある潤滑剤の膜厚分布を測定する具体的手段までは言及されていない。
On the other hand,
そこで本発明は、EHL状態の物質同士の接触部分を潤滑する潤滑剤の過渡的な膜厚変動や膜厚分布を、幅広い膜厚レンジで校正なしに測定ができる装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has an object to provide an apparatus capable of measuring transient film thickness fluctuation and film thickness distribution of a lubricant that lubricates a contact portion between substances in an EHL state without calibration in a wide film thickness range. To do.
以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
EHL状態の物体同士の接触部分を潤滑する潤滑剤の膜厚分布を測定する膜厚分布測定装置であって、
光透過性を備えた基板と、
基板に潤滑剤を介して接触する接触個片と、
基板と接触個片を相対移動させる移動機構と、
基板側に接触個片を押し付けて荷重を付与する荷重付与機構と、
基板と接触個片の接触部分に向けて少なくとも3種類の波長の光を照射する光源と、
基板と接触個片の接触部分から反射された光を、基板越しにカラーカメラにて干渉色画像として撮像する干渉色撮像部と、
コンピュータ部を備え、
コンピュータ部には、
干渉色撮像部で撮像された干渉色画像を記録する画像記録部と、
画像記録部に記録された干渉色画像のうち、選択された干渉色画像に含まれる各点の色情報から少なくとも3種類の波長の光毎に色分離して輝度値を算出し、当該輝度値から波長毎の位相を算出し、当該波長毎の位相から複数の膜厚候補を算出し、当該算出された複数の膜厚候補から基板と接触個片の接触部分の潤滑剤の膜厚分布を推定する膜厚分布推定部を備える。
In order to solve the above problems, an aspect of the present invention is as follows.
A film thickness distribution measuring apparatus for measuring a film thickness distribution of a lubricant that lubricates a contact portion between objects in an EHL state,
A substrate with optical transparency;
A contact piece that contacts the substrate via a lubricant;
A moving mechanism for relatively moving the substrate and the contact piece;
A load applying mechanism for applying a load by pressing the contact piece on the substrate side;
A light source that emits light of at least three wavelengths toward the contact portion of the substrate and the contact piece;
An interference color imaging unit that images light reflected from the contact portion of the substrate and the contact piece as an interference color image with a color camera through the substrate;
It has a computer part,
In the computer part,
An image recording unit for recording an interference color image captured by the interference color imaging unit;
Among the interference color images recorded in the image recording unit, the luminance value is calculated by color-separating at least three types of light from the color information of each point included in the selected interference color image, and the luminance value From the phase for each wavelength, a plurality of film thickness candidates are calculated, and from the calculated plurality of film thickness candidates, the lubricant film thickness distribution at the contact portion between the substrate and the contact piece is calculated. A film thickness distribution estimation unit for estimation is provided.
この態様によれば、高速で潤滑剤の膜厚の二次元分布の測定ができるため、過渡的な膜厚分布の変化(例えば、加減速評価や破断プロセス評価など)が可能となる。そのうえ、広域モデル適合法により、対象基板を撮像した干渉画像から校正を行う(いわゆる、セルフキャリブレーションを行う)ため、各色情報と膜厚値との関係づけの校正が不要であり、青・緑・赤色の3波長を用いれば、4μmないし8μm程度の幅広い膜厚レンジで、膜厚分布の測定が可能となる。 According to this aspect, since the two-dimensional distribution of the lubricant film thickness can be measured at a high speed, a transitional film thickness distribution change (for example, acceleration / deceleration evaluation or fracture process evaluation) can be performed. In addition, since calibration is performed from the interference image obtained by imaging the target substrate by the wide-area model fitting method (so-called self-calibration is performed), it is not necessary to calibrate the relationship between each color information and the film thickness value. -If the three wavelengths of red are used, the film thickness distribution can be measured in a wide film thickness range of about 4 to 8 μm.
EHL状態の物質同士の接触部分を潤滑する潤滑剤の過渡的な膜厚変動や膜厚分布を、幅広い膜厚レンジで校正なしに測定ができる。 Transient film thickness fluctuations and film thickness distributions of lubricants that lubricate contact portions between substances in the EHL state can be measured without calibration over a wide film thickness range.
以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。なお各図では、水平方向をx方向、y方向と表現し、xy平面に垂直な方向(つまり、重力方向)をz方向と表現する。また、重力に逆らう方向を上、重力がはたらく方向を下と表現する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the horizontal direction is expressed as the x direction and the y direction, and the direction perpendicular to the xy plane (that is, the gravity direction) is expressed as the z direction. Also, the direction against gravity is expressed as up, and the direction in which gravity works is expressed as down.
図1は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。
図2は、本発明を具現化する形態の一例の一部を拡大して示した部分拡大図である。
図3は、本発明を具現化する形態の一例における各機器のつながりを示す機能ブロック図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an example of a form embodying the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged view showing an enlarged part of an example embodying the present invention.
FIG. 3 is a functional block diagram showing the connection of each device in an example embodying the present invention.
本発明に係る膜厚分布測定装置1は、EHL状態の基板2と接触個片3の接触部分SPを潤滑する潤滑剤LBの膜厚分布を測定するものである。具体的には、膜厚分布測定装置1は、干渉色画像を撮像し、この干渉色画像に基づいて、潤滑剤LBの膜厚分布を測定する。より具体的には、膜厚分布測定装置1は、基板2、接触個片3、移動機構4、回転体回転機構5、荷重付与機構6、光源部7、干渉色撮像部8、コンピュータ部9、表示部10等を備えて構成されている。
The film thickness distribution measuring apparatus 1 according to the present invention measures the film thickness distribution of the lubricant LB that lubricates the contact portion SP of the
基板2は、光透過性を備えた材料で構成されている。具体的には、基板2は、xy方向に平坦で、z方向に所定の厚みをもった、透明なガラス製の円板20を例示できる。より具体的には、円板20の下面には、クロム(Cr)などの金属薄膜21が成膜されており、さらにその下面には、酸化シリコン(SiO2)などの潤滑剤LBと同程度の屈折率の透明膜22が成膜されている。
The board |
接触個片3は、基板2に潤滑剤LBを介して接触しながら回転するものである。具体的には、接触個片3として、回転体の一類型である鋼球30を例示する。鋼球30には、シャフト31が連結されている。シャフト31は、xy平面に平行な方向(図1ではx方向)に所定の長さを有し、後述する回転体回転機構5と連結されている。
The
鋼球30は、潤滑剤LBを介して円板20の下面の透明膜22と接触している。また、鋼球30の下方には、潤滑剤LBを貯めておくオイルパンPが備えられいる。そして、鋼球30が回転すると、オイルパンPに溜まっている潤滑剤LBがそれ自身の粘性により上方へ移動し、余剰となった潤滑剤は下方へ落ちる。そのため、円板20と鋼球30との接触部分SPに適量の潤滑剤LBが供給される。
The
移動機構4は、基板2と接触個片3を相対移動させるものである。具体的には、移動機構4は、回転モータ40により構成することができる。回転モータ40は、円板20をxy方向と垂直な軸を回転中心として矢印2dに示す方向に所定の速さで回転させたり、静止させたり、矢印2dとは逆方向に所定の速さで回転させるものである。より具体的には、回転モータ40は、本体部と本体部の内側に組み込まれたロータ(不図示)を備えており、円板20とロータとが連結部材41にて連結されている。回転モータ40は、モータアンプユニット(不図示)を介して、詳細を後述するコンピュータ部9と接続され、円板20の回転方向および回転速度が適宜制御される。
The moving
回転体回転機構5は、回転体である鋼球30を回転させるものである。具体的には、回転体回転機構5は、鋼球30とシャフト31を矢印3dの方向に所定の速さで回転させたり、静止させたり、矢印3dとは逆方向に所定の速さで回転させるものである。
より具体的には、回転体回転機構5は、回転モータ50と、回転モータ50のロータに連結されたシャフト51を備えている。
The rotating
More specifically, the rotating
回転モータ50は、モータアンプユニット(不図示)を介して、詳細を後述するコンピュータ部9と接続され、シャフト51の回転方向および回転速度が適宜制御される。
The
荷重付与機構6は、鋼球30を円板20に接触させる際に、荷重を付与するものである。具体的には、荷重付与機構6は、円板20の下方に配置された鋼球30を、上向きに押し上げるものである。より具体的には、荷重付与機構6は、アクチュエータ60と、ホルダ63を備えて構成されている。アクチュエータ60は、エアや油圧、電動で可動子61が上下動するものであり、アクチュエータ60の本体部は装置フレーム1fに取り付けられており、可動子61にホルダ63が取り付けられている。アクチュエータ60は、後述する押付荷重制御部17と接続されている。
The
なお、円板20の回転速度や、鋼球30の回転速度、荷重付与機構6のアクチュエータ60による押付荷重等は、ベアリングが実際に使用される状態を再現するように設定したり、想定される使用状態に合わせて設定したりする。そうすることで、EHL状態で回転するベアリング内の接触部分の環境条件を設定することができる。
In addition, the rotational speed of the
光源部7は、基板2と接触個片3の接触部分SPに向けて少なくとも3種類の波長の光L1を照射するものである。具体的には、光源部7は、照明ユニット70と、照明用電源75を備えている。
The light source unit 7 emits light L1 of at least three types of wavelengths toward the contact portion SP of the
照明ユニット70は、干渉色画像の撮像に必要な、少なくとも3種類の波長の光を発するものである。具体的には、照明ユニット70は、白色ランプ70と、反射板71と、3波長帯域フィルタ73を備えている。白色ランプ70は、青色:470nm、緑色:560nm、赤色:600nmを含む広い帯域(いわゆる、ブロードな波長帯域)の光を放出するものであり、具体的にはハロゲンランプが例示できる。反射板71は、白色ランプ70から放出された可視光を反射し、外部に照射する光L1の量を増やすものである。3波長帯域フィルタ73は、白色ランプ70から放出された光のうち、少なくとも3種類の波長成分(ここでは、赤色・緑色・青色を例示する)を通過させ、それ以外の波長成分を減衰させるものである。より具体的には、3波長帯域フィルタ73は、ガラスや石英基板の表面に複数の薄膜が形成された、いわゆる3波長バンドパスフィルターで構成されている。
The
照明用電源75は、照明ユニット70の白色ランプ70に対して、発光に必要な電力を供給するものである。
The
干渉色撮像部8は、基板2と接触個片3の接触部分SPから反射された光L3を、基板2越しにカラーカメラ80にて干渉色画像として撮像するものである。具体的には、干渉色撮像部8は、カラーカメラ80と、レンズユニット81を備えている。なお、ここで言う、基板2と接触個片3の接触部分SPから反射された光L3とは、基板20と金属薄膜21の界面で反射した光(いわゆる、表面反射光)と、潤滑剤LBと鋼球30との界面で反射した光(いわゆる、裏面反射光)とが合成されたものである。
The interference
カラーカメラ80は、撮像されたカラー画像に対応した映像信号(アナログ信号)や映像データ(デジタル信号)を外部に出力するものであり、カラーフィルタ85と、撮像素子86を備えている。
The
レンズユニット81は、基板2と接触個片3の接触部分SPの像を、カラーカメラ80の撮像素子86に結像させるものである。また、本実施例におけるレンズユニット81は、光源7から照射された光を、撮像対象に向けて照射する役割も併せ持ち、照明光を撮像光軸と同じ(つまり、同軸落斜方式)にすることができる。具体的には、レンズユニット81は、ハーフミラー82、対物レンズ83、結像レンズ84を備えている。そのため、レンズユニット81は、光源部7から照射された光L1を、ハーフミラー82で反射させて照明光L2として膜厚の測定対象領域Rに照射し、基板2と接触個片3の接触部分SPから反射された光L3のうち、対物レンズ83とハーフミラー82を通過した光L4を結像レンズ84にてカラーカメラ80の撮像素子86に結像させることができる。
The
コンピュータ部9は、信号やデータの入力や出力、データの記憶、入力または記憶されたデータに対する演算処理のほか、画像の入力や記憶、これら画像に対する画像処理、画像処理に基づく判定処理や画像変換処理、判定結果や画像処理後の画像の出力などを行うものである。具体的には、コンピュータ部9は、入力部、情報記録部、数値演算処理部、画像処理部、出力部を備えている。より具体的には、コンピュータ部9は、画像処理機能を備えたコンピュータ(ハードウェア)とその実行プログラム(ソフトウェア)により構成されている。また、コンピュータ部9は、キーボードやマウス、トラックパッドなどの情報入力デバイスを備え、後述する表示部10と接続されている。
The
コンピュータ部9は、画像記録部11、膜厚分布推定部12を備えている。さらに、コンピュータ部9は、膜厚最薄部情報記録部13、トラクション係数算出部15、すべり率制御部16を備えている。
The
画像記録部11、干渉色撮像部8で撮像された干渉色画像を記録するものである。具体的には、画像記録部11は、コンピュータ部9の情報記録部(例えば、ハードディスクなどの磁気記録媒体や、半導体メモリーなど)で構成されている。
The interference color image captured by the image recording unit 11 and the interference
膜厚分布推定部12は、画像記録部11に記録された干渉色画像のうち、選択された干渉色画像に含まれる各点の色情報から少なくとも3種類の波長の光毎に色分離して輝度値を算出し、当該輝度値から波長毎の位相を算出し、当該波長毎の位相から複数の膜厚候補を算出し、当該算出された複数の膜厚候補から基板2と接触個片3の接触部分SPの潤滑剤LBの膜厚分布を推定するものである。具体的には、膜厚分布推定部12は、コンピュータ部9の画像処理部や数値演算処理部(ハードウェア)と、その実行プログラム(ソフトウェア)で構成されている。
The film thickness
そのため、コンピュータ部9は、干渉色撮像部8から出力された映像信号(アナログ信号)や映像データ(デジタル信号)が入力されると、実行プログラムに基づいて、所定の画像処理を行ったり、画像記録部11に画像を保存したり、画像記録部11から画像を読み出したり、膜厚分布推定部12にて所定の画像処理や数値演算処理をしたりして、膜厚分布を推定することができる。
Therefore, when the video signal (analog signal) or video data (digital signal) output from the interference
具体的には、膜厚分布推定部12は、特許文献4に記載されているような干渉縞モデル適合による波長推定処理を、画像内の各点に対して行うことで、膜厚分布を推定するものである。より具体的には、膜厚分布推定部12は、
複数の波長の単色光を含む照明光を測定対象である透明膜に照射し、透明膜の表面の反射光と裏面の反射光により生成される干渉画像から1点以上の選択点をn点選択し、n点の選択点の内のi点に対応する波長番号jの干渉輝度信号に、波長番号jの波長λ(j)を既知とし、波長番号jの平均輝度a(j)、干渉変調度b(j)、および点iの膜厚t(i)のすべて、あるいは、一部を未知パラメータとし、残りを既知パラメータとして、点iに対応する波長番号jの輝度g(i,j)が、次式
g(i,j)=a(j)[1+b(j)×cos{4πt(i)/λ(j)}]
で表される干渉縞モデルを適合することにより、未知パラメータを求める処理(つまり、膜厚推定演算処理)を行う。
Specifically, the film thickness
Illumination light including monochromatic light of multiple wavelengths is irradiated onto the transparent film to be measured, and n or more selected points are selected from the interference image generated by the reflected light on the surface and the back surface of the transparent film The wavelength λ (j) of the wavelength number j is known to the interference luminance signal of the wavelength number j corresponding to the i point among the n selected points, and the average luminance a (j) of the wavelength number j is interferometric modulated. The brightness g (i, j) of the wavelength number j corresponding to the point i with the degree b (j) and the film thickness t (i) of the point i all or part of them as unknown parameters and the rest as known parameters G (i, j) = a (j) [1 + b (j) × cos {4πt (i) / λ (j)}]
By matching the interference fringe model expressed by the following, processing for obtaining an unknown parameter (that is, film thickness estimation calculation processing) is performed.
さらに、干渉画像内の任意の点kに関し、請求項1で得られた、既知の波長番号jの平均輝度a(j)および干渉変調度b(j)と、点kの各波長の輝度g(k,j)とから、点kにおける波長番号jの位相φ(k,j)を、次式
φ(k,j)=cos−1[{g(k,j)/a(j)−1}/b(j)]
により求め、得られた複数の位相から点kの膜厚t(k)を求める処理(いわゆる、ACOS法)を行う。
Further, for an arbitrary point k in the interference image, the average luminance a (j) and the interference modulation degree b (j) of the known wavelength number j obtained in claim 1 and the luminance g of each wavelength at the point k are obtained. From (k, j), the phase φ (k, j) of the wavelength number j at the point k is expressed by the following equation φ (k, j) = cos −1 [{g (k, j) / a (j) − 1} / b (j)]
And a process (so-called ACOS method) for obtaining the film thickness t (k) at the point k from the obtained plurality of phases.
図4は、膜厚分布推定部12に入力される干渉色画像の一例を示す画像図である。図4には、円板20と鋼球30が静止しているときの干渉色画像が示されている。なお画像図には、本来カラー情報も含まれるが、添付図面としての制約上、白黒の濃淡にて表現したもので代用する(以下同様)。
FIG. 4 is an image diagram illustrating an example of an interference color image input to the film thickness
図5は、干渉色画像を三色分離した後の一例を示す画像図である。図5(a)、図5(b)、図5(c)は、カラー干渉色画像を三色分離して、青・緑・赤色の単色画像に変換した後の画像の一例を示す画像図である。具体的には、膜厚分布推定部12では、カラーカメラの青・緑・赤色の各点の輝度値から位相計算処理を行うことで、カラー干渉色画像を三色分離して、青・緑・赤色毎に単色の濃淡画像に変換し、上述のACOS法により位相計算を行い、膜厚候補を算出する。そして各点について、各色の膜厚候補から合致法により推定膜厚を算出(つまり、膜厚推定演算処理)している。
FIG. 5 is an image diagram illustrating an example after the interference color image is separated into three colors. FIGS. 5A, 5B, and 5C are image diagrams showing an example of an image after the color interference color image is separated into three colors and converted into a single color image of blue, green, and red. It is. Specifically, the film thickness
膜厚最薄部情報記録部13は、基板2と接触個片3の接触部分SPの潤滑剤LBの膜厚分布の中の、膜厚最薄部の位置および膜厚を記録するものである。具体的には、膜厚最薄部情報記録部13は、コンピュータ部9の情報記録部で構成されている。
The thinnest film thickness
さらに、本実施形態では、押付荷重測定部65と、トルク測定部14と、トラクション係数算出部15を備えた構成を例示する。
Furthermore, in this embodiment, the structure provided with the pressing
押付荷重測定部65は、円板20に鋼球30を押し付けたときの荷重を測定するものである。具体的には、押付荷重測定部65は、ロードセルとアンプ部(不図示)を備えている。ロードセルは、荷重付与機構6の可動子61とホルダ63との間に配置され、鋼球30を円板20に押し付けたときの荷重により生じるロードセル内のひずみ量を計測し、このひずみ量に対応した信号をアンプ部に出力するものである。アンプ部は、ロードセルから出力された信号が入力されると、ひずみ量を荷重値(または応力値)に変換し、荷重値を表示したり、荷重値に応じた信号やデータをコンピュータ9や後述する押付荷重制御部17などの外部機器に出力するものである。
The pressing
トルク測定部14は、回転体である鋼球30の回転中の伝達トルクTを測定するものである。具体的には、トルク測定部14は、鋼球30に連結されたシャフト31と、回転体回転機構5のシャフト51との間に配置された、トルクメータ55を備えた構成を例示する。トルクメータ55は、本体部56とシャフト57を備えて構成されており、シャフト57に作用する伝達トルクTを測定するものである。具体的には、シャフト57が回転する際にねじれるため、トルクメータ55は、このねじれにより生じるシャフト57のひずみ量を測定し、シャフト57を伝達する伝達トルクTに変換して出力するものである。シャフト57は、一端がカップリング52を介してシャフト51と、他端がカップリング53を介してシャフト31と連結されており、すべりは生じない。そのため、トルクメータ55は、シャフト57の伝達トルクTを測定することで、回転体である鋼球30の回転中の伝達トルクをT測定することができる。また、トルクメータ55は、測定した伝達トルクTに対応した信号やデータを直接又は他の機器を介してコンピュータ9に出力することができる。
The
トラクション係数算出部15は、トラクション係数μの算出を行うものである。ここで言うトラクション係数μとは、駆動係数とも呼ばれ、円板20と、回転体である鋼球30との間に生じる摩擦の度合いを無次元化して表したものである。具体的には、トラクション係数算出部15は、鋼球30の回転中の伝達トルクT(つまり、トルク測定部14で測定されたシャフト57を伝達する伝達トルク)と、回転体である鋼球30の回転半径RBと、回転体である鋼球30を押し付ける荷重Wbとに基づいて、トラクション係数μを算出する。なお、トラクション係数μを算出する式は、数式(1)で求めることができる。より具体的には、トラクション係数算出部15は、コンピュータ部9の数値演算処理部(ハードウェア)と、その実行プログラム(ソフトウェア)で構成されている。
The
すべり率制御部16は、移動機構4の移動速度および回転体回転機構5の回転速度のうち少なくとも一方の速度を制御して、基板2と回転体とのすべり率を制御するものである。具体的には、移動機構4の移動速度に相当する円板20の回転速度は、円板20の単位時間あたりの回転数と、円板20の回転中心から鋼球30が接触する場所までの距離から算出する。一方、回転体回転機構5の回転速度は、鋼球30に連結されているシャフト51の単位時間あたりの回転数と、鋼球30の回転中心から鋼球30が接触する場所までの距離(つまり、鋼球の回転半径RB)から算出する。そして、所望のすべり率となるように、円板20の回転速度とシャフト51の回転速度をそれぞれ制御する。このとき、円板20と鋼球30とが同じ速度で回転していればすべり率は0%となり、どちらか一方が静止していればすべり率は100%となる。
The slip ratio control unit 16 controls the slip ratio between the
押付荷重制御部17は、荷重付与機構5における基板2側に接触個片3を押し付ける押付荷重を制御するものである。具体的には、押付荷重制御部17は、押付荷重測定部65から荷重値や応力値に対応した信号を入力し、予め設定しておいた基準値と比較し、荷重付与機構6のアクチュエータ60を制御して、円板20に鋼球30を押し付ける荷重を制御するものである。より具体的には、押付荷重制御部17は、専用のコントロールユニットで構成され、コンピュータ部9から押付荷重の基準値を入力したり、コンピュータ部9に押付荷重の現在値を出力したりすることができる。そのため、押付荷重を自動制御して、膜厚分布測定の時間中、一定の荷重を付与し続けることができる。
The pressing
表示部10は、インフォメーションディスプレイ、表示モニタとも呼ばれ、コンピュータ部9から出力された映像信号が入力されると、映像信号に対応して文字や図形情報などが表示されるものである。具体的には、表示部10は、
1)画像記録部11に記録された干渉色画像のうち、選択された干渉色画像
2)膜厚分布推定部12で推定された潤滑剤LBの膜厚分布を二次元分布で表した画像
3)膜厚分布推定部12で推定された潤滑剤LBの膜厚分布を三次元的に表した画像
のうち、少なくともいずれか1つの画像を表示すると共に、
4)膜厚最薄部情報記録部13に記録された膜厚最薄部の位置情報および膜厚情報も併せて表示(つまり、一度に表示)するものである。
The
1) The interference color image selected from the interference color images recorded in the image recording unit 11 2) The image showing the film thickness distribution of the lubricant LB estimated by the film thickness
4) The position information and film thickness information of the thinnest film thickness recorded in the thinnest film thickness
図6は、干渉色画像の一例を示した画像の一例を示す画像図である。 FIG. 6 is an image diagram showing an example of an image showing an example of an interference color image.
図7は、膜厚分布の測定結果を二次元分布で表した画像の一例を示す画像図である。 FIG. 7 is an image diagram illustrating an example of an image in which the measurement result of the film thickness distribution is represented by a two-dimensional distribution.
図8は、膜厚分布の測定結果を三次元的に表した画像の一例を示す画像図である。 FIG. 8 is an image diagram illustrating an example of an image that three-dimensionally represents the measurement result of the film thickness distribution.
図9は、X方向およびY方向の膜厚分布の測定結果プロファイル並びに膜厚最薄部の位置情報および膜厚情報の一例を示す画像図である。 FIG. 9 is an image diagram illustrating an example of a measurement result profile of film thickness distribution in the X direction and the Y direction, position information of the thinnest film thickness, and film thickness information.
本発明に係る膜厚分布測定装置1は、この様な構成をしているため、基板2と接触個片3(上述では、円板20と回転体である鋼球30を例示)との相対速度の変動の有無に関わらず、幅広いレンジで、EHL状態の物質同士の接触部分SPを潤滑する潤滑剤LBの膜厚分布測定ができる。このとき、光源部7から赤色・緑色・青色の3種類の波長を含んだ光を照射することで、潤滑剤LBの膜厚が4μmないし8μm程度の幅広い膜厚レンジで、膜厚分布を測定することができる。
Since the film thickness distribution measuring apparatus 1 according to the present invention has such a configuration, the relative relationship between the
[別の形態]
また、本発明を具現化する上で膜厚分布測定装置は、上述の構成に限らず、以下に例示するような形態であっても良い。
[Another form]
Further, in realizing the present invention, the film thickness distribution measuring apparatus is not limited to the above-described configuration, and may be in the form exemplified below.
例えば、上述の表示部10は、必要に応じて円板20の回転数、回転体である鋼球30の回転数、押付荷重、回転トルク、トラクション係数、すべり率などを表示させても良い。また、作業者がコンピュータ部9の情報入力デバイスを操作して、画像記録部11から任意の時刻における干渉色画像を読み出し、その干渉色画像を表示部10に表示させても良い。さらに、膜厚分布測定装置1は、この干渉色画像に対する膜厚分布の測定結果やその他の情報を併せて、表示部10に表示させても良い。
For example, the
[潤滑剤の温度計測]
本発明に係る膜厚分布測定装置は、上述の構成に加え、温度測定部18と温度記録部19を備えた構成としても良い。
[Lubricant temperature measurement]
The film thickness distribution measuring apparatus according to the present invention may include a
温度測定部18は、基板2と接触個片3の接触部分SPの温度を測定するものである。具体的には、温度測定部18は、円板20と鋼球30との接触部分SPを潤滑する潤滑剤LBの温度を、円板20の斜め上方から円板20越しに非接触で測定するものである。より具体的には、温度測定部18は、赤外線式の温度センサを備え、測定した温度を表示したり、測定した温度に対応する信号やデータを外部へ出力したりする機能を備えている。
The
温度記録部19は、温度測定部18から出力された信号やデータを入力し、その都度、温度を記録するものである。具体的には、温度記録部19は、コンピュータ部9の一部として又はデータロガーなどの独立した機器で構成され、予め設定された間隔で温度を記録したり、外部からのトリガ信号に基づいて適宜温度を記録することができる。また、温度記録部19は、温度を記録する際に、必要に応じて日付や時刻も記録することができる。
The
このような温度測定部18と温度記録部を備えることで、膜厚分布測定の時間中、接触部分SPの温度を測定・記録することができ、膜厚に関する情報と共に後から参照して、EHL状態の挙動解析に役立てることができる。
By providing such a
なお、温度測定部18は、上述のような赤外線式の温度センサを用いて円板20越しに非接触で温度を測定する構成に限らず、円板20の下方に配置した熱電対プローブなどにより鋼球30の温度や潤滑剤LBの温度を直接測定する構成であっても良い。
The
[基板の変形例]
また上述では、基板2は、平坦なガラスの円板20であって、その下面にクロムなどの金属薄膜21と酸化シリコンなどの透明膜22が成膜されており、接触個片3との接触部分SPが平坦な面である例を示した。しかし、基板2の接触部分の形状は、このような形状に限らず、湾曲面で構成したり、平面または湾曲面に溝部が形成されたものでも良い。この接触部分の形状は、潤滑剤LBの膜厚分布を測定したいベアリングや摺動する物体などの形状を再現したりモデル化した形状とすれば良い。また、基板2の材料は、ガラスに限らず、サファイヤやシリコン、樹脂など、他の材料でも良い。
[Modification of substrate]
Further, in the above description, the
また、基板2の下面の金属薄膜21は、上述したクロムに限らず、アルミや銅、銀、金などの薄膜を成膜(コーティングとも言う)したものでも良い。なお、本発明を実施する上で、金属薄膜21は、干渉色画像を取得するためのいわゆる表面反射光を発生させるためのものである。そのため、基板2と潤滑剤LBとの界面から反射光が得られれば、金属薄膜21は成膜されていなくても良い。
In addition, the metal
また、基板2の下面の透明膜22は、上述した酸化シリコンに限らず、潤滑剤LBの屈折率に近い透明な材料を成膜したものでも良い。なお、透明膜22は、潤滑剤LBの膜厚が薄い場合であっても、測定分解能を高めるために見かけ上の膜厚が厚く測定されるようにし、後に透明膜22の膜厚分を差し引くといった処理を行うためのものである。そのため、潤滑剤LBの厚みが所望の測定分解能を得られる場合であれば、基板2の下面の透明膜22は成膜されていなくても良い。
Further, the
[接触個片の変形例]
また上述では、接触個片3は、ボールベアリング内の接触部分を再現するために回転体の一類型である鋼球30である例を示した。しかし、接触個片3は、回転体として鋼鉄製の球体に限定されず、他の材料(例えば、アルミやセラミック、樹脂など)でも良く、他の形状(例えば、円柱や円錐など)であっても良い。さらに、接触個片3は、回転体のみならず、平板個片35などの摺動物体(つまり、非回転の物体)で構成しても良い。そして、平板個片35は、鋼鉄、アルミ、セラミック、樹脂など、任意の材料から適宜選定し得る。
[Modification of contact piece]
In the above description, the
[移動機構の変形例]
また上述では、移動機構4は、回転モータ40の回転軸を中心として、円板20を回転させる構成を例示した。しかし、本発明に係る移動機構としては、直線軌道に沿って往復動作をするアクチュエータを備えて、円板20または非円形の基板(例えば、矩形や六角形、八角形など)を往復動作させる構成であっても良い。
[Modification of moving mechanism]
In the above description, the moving
[別の形態]
また上述では、接触個片3として回転体の一類型である鋼球30を備え、さらに回転体回転機構5を用いた例を示した。しかし、回転体回転機構5は、本発明を具現化する上で必須の構成要素ではなく、これを省いた構成であっても良い。そのため、回転体回転機構5を省いた構成においては、上述のトルク測定部55、トラクション係数算出部15、すべり率制御部16は不要なため、これらを省いた構成とする。
[Another form]
In the above description, an example in which the
[別の形態]
また上述では、移動機構4の移動速度および回転体回転機構5の回転速度のうち少なくとも一方の速度を制御して、基板2と回転体である鋼球30とのすべり率を制御するすべり率制御部16を備えた構成を例示した。この構成によれば、任意のすべり率の状態に設定して、潤滑剤LBの膜厚分布を測定することが可能となる。
[Another form]
Further, in the above description, the slip ratio control for controlling the slip ratio between the
しかし、すべり率制御部16は、本発明を具現化する上で必須の構成要素ではなく、これを省いた構成としても良い。この場合、基板2を一定の速度で回転させつつ、
1)鋼球30を一定速度で回転させる
2)鋼球30を、基板2の回転に合わせて受動的に回転させる
3)鋼球30を静止させる
のいずれかに設定したり、手動にて切り換えて設定したりすることができる。
However, the slip ratio control unit 16 is not an essential component for embodying the present invention, and may be configured without this. In this case, while rotating the
1) The
[別の形態]
また上述では、接触個片3を基板2に押し付ける荷重を調節するためのアクチュエータ60と、押付荷重を制御するための押付荷重制御部17を備えた構成(いわゆる、自動制御方式)を例示した。しかし、押付荷重制御部17は、上述のような専用のコントロールユニットではなく、コンピュータ部9の一部に組み込んだ構成としても良い。
[Another form]
In the above description, the configuration (so-called automatic control method) including the
また、押付荷重制御部17は、本発明を具現化する上で必須の構成要素ではなく、これを省き、自動制御方式ではなく、バネやゴムなどの弾性体を用いつつ、外部信号により位置変更ができるアクチュエータ60を備えた構成(いわゆる、半自動操作方式)であっても良い。或いは、アクチュエータ60も省き、接触個片3を、シム調節や固定ネジの位置調節や回転調節などによりz方向に位置調節し、押付荷重を変更する構成(いわゆる、手動調節方式)としても良い。
In addition, the pressing
[別の形態]
上述では、コンピュータ部9に、基板2と接触個片3の接触部分SPの潤滑剤LBの膜厚分布の中の膜厚最薄部の位置および膜厚を記録する膜厚最薄部情報記録部13を備えた構成を例示した。しかし、膜厚最薄部情報記録部13は、本発明を具現化する上で必須の構成要素ではなく、これを省いた構成であっても良い。
[Another form]
In the above description, the thinnest film thickness information recording for recording the position and film thickness of the thinnest film thickness in the film thickness distribution of the lubricant LB at the contact portion SP of the
[別の形態]
また上述では、膜厚分布測定装置1に表示部10を備えた構成を例示した。しかし、表示部10は、本発明を具現化する上で必須の構成要素ではなく、これを省いた構成としても良い。また、本発明に係る膜厚分布測定装置は、表示部10を備える/備えないに関わらず、外部の装置や機器に、膜厚分布を測定した結果が含まれたデータを出力する構成としても良い。
[Another form]
Moreover, in the above, the structure provided with the
[光源部の変形例]
また、光源部7を構成する白色ランプ70は、上述のハロゲンランプに限らず、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、白色LEDなどで構成しても良い。
[Modification of light source section]
The
また、光源部7を構成する3波長帯域フィルタ73は、上述のような白色ランプ70とハーフミラー82の間に配置された構成に限らず、対物レンズ83と基板2の間、ハーフミラー82と結像レンズ84の間、結像レンズ84と撮像カメラ80の間などに配置した構成としても良い。
The three-
また光源部7は、上述のような白色ランプ70と、反射板71と、3波長帯域フィルタ73を備えた構成に限らず、赤色に発光するLEDと、緑色に発光するLEDと、青色に発光するLEDとを備えた発光ユニットを備えた構成としても良い。この場合、各色のLEDは、1個ずつないし複数備えた構成とし、照明用電源は、各LEDに所定の直流電圧と電流を供給する構成としておく。或いは、各色で発光するLEDに代えて、各色で発光するレーザダイオードまたは3波長が同時発光するレーザダイオードと、そのレーザダイオードを駆動させる電源を備えた構成としても良い。
The light source unit 7 is not limited to the configuration including the
また上述では、光源部7として、青色:470nm、緑色:560nm、赤色:600nmの3種類の波長の光を照射する構成を例示した。しかし、本発明に係る光源部は、このような構成に限定されず、一部又は全部を他の波長の光に代えた構成としても良い。この場合、光源部から照射される他の波長の光としては、近赤外線の光、橙色の光、青緑色の光などが例示できる。また、光源部7から照射される光の波長は、全部で4種類としても良いし、それ以上の種類としても良い。 In the above description, the light source unit 7 is configured to irradiate light having three types of wavelengths of blue: 470 nm, green: 560 nm, and red: 600 nm. However, the light source unit according to the present invention is not limited to such a configuration, and a part or all of the light source unit may be replaced with light of other wavelengths. In this case, examples of light of other wavelengths emitted from the light source unit include near infrared light, orange light, and blue-green light. Further, the wavelengths of light emitted from the light source unit 7 may be four types in total, or may be more types.
1 膜厚分布測定装置
2 基板
2d 矢印(基板の移動方向,円板の回転方向)
3 接触個片
3d 矢印(接触個片の移動方向,回転体の回転方向)
4 移動機構
5 回転体回転機構
6 荷重付与機構
7 光源部
8 干渉色撮像部
9 コンピュータ部
10 表示部
11 画像記録部
12 膜厚分布推定部
13 膜厚最薄部情報記録部
14 トルク測定部
15 トラクション係数算出部
16 すべり率制御部
17 押付荷重制御部
18 温度測定部
19 温度記録部
20 円板(基板の一類型)
21 金属薄膜
22 透明膜
30 鋼球(接触個片/回転体の一類型)
31 シャフト
40 回転モータ
41 連結部材
50 回転モータ
51 シャフト
55 トルク測定部
56 本体部
57 シャフト
60 アクチュエータ
61 可動子
63 軸受部
65 押付荷重測定部(ロードセル)
70 白色ランプ
75 照明用電源
80 撮像カメラ
81 レンズユニット
82 ハーフミラー
83 対物レンズ
84 結像レンズ
85 カラーフィルタ
86 撮像素子
LB 潤滑剤
SP 基板と鋼球の接触部分
RB 鋼球の回転半径
R 膜厚の測定対象領域
L1 光源部から照射された光
L2 膜厚の測定対象領域に照射された光
L3 膜厚の測定対象領域から反射された光(干渉光)
L4 ハーフミラーを通過した光(撮像される干渉光)
μ トラクション係数(摩擦係数)
T 伝達トルク
Wb 押付荷重
1 Thickness
3
DESCRIPTION OF
21 Metal
31
70
Light that passed through the L4 half mirror (interference light to be imaged)
μ Traction coefficient (friction coefficient)
T Transmission torque Wb Pressing load
Claims (8)
光透過性を備えた基板と、
前記基板に前記潤滑剤を介して接触する接触個片と、
前記基板と前記接触個片を相対移動させる移動機構と、
前記基板側に前記接触個片を押し付けて荷重を付与する荷重付与機構と、
前記基板と前記接触個片の接触部分に向けて少なくとも3種類の波長の光を照射する光源部と、
前記基板と前記接触個片の接触部分から反射された光を、前記基板越しに画像を撮像し、カラーの干渉縞を干渉色画像として取得する干渉色撮像部と、
コンピュータ部を備え、
前記コンピュータ部には、
前記干渉色撮像部で撮像された干渉色画像を記録する画像記録部と、
前記画像記録部に記録された前記干渉色画像のうち、選択された干渉色画像に含まれる各点の色情報から前記少なくとも3種類の波長の光毎に色分離して輝度値を算出し、当該輝度値から前記波長毎の位相を算出し、当該波長毎の位相から複数の膜厚候補を算出し、当該算出された複数の膜厚候補から前記基板と前記接触個片の接触部分の潤滑剤の膜厚分布を推定する膜厚分布推定部を備えた、膜厚分布測定装置。 A film thickness distribution measuring apparatus for measuring a film thickness distribution of a lubricant that lubricates a contact portion between objects in an EHL state,
A substrate with optical transparency;
A contact piece that contacts the substrate via the lubricant;
A moving mechanism for relatively moving the substrate and the contact piece;
A load applying mechanism for applying a load by pressing the contact piece on the substrate side;
A light source unit that emits light of at least three types of wavelengths toward the contact portion of the substrate and the contact piece;
An interference color imaging unit that captures an image of the light reflected from the contact portion of the substrate and the contact piece through the substrate and acquires a color interference fringe as an interference color image;
It has a computer part,
In the computer part,
An image recording unit that records an interference color image captured by the interference color imaging unit;
Of the interference color images recorded in the image recording unit, color separation is performed for each light of the at least three wavelengths from the color information of each point included in the selected interference color image, and a luminance value is calculated. The phase for each wavelength is calculated from the luminance value, a plurality of film thickness candidates are calculated from the phase for each wavelength, and the contact portion between the substrate and the contact piece is lubricated from the calculated plurality of film thickness candidates. A film thickness distribution measuring apparatus comprising a film thickness distribution estimating unit for estimating the film thickness distribution of the agent.
ことを特徴とする、請求項1に記載の膜厚分布測定装置。 The computer unit includes a thinnest film thickness information recording unit for recording the position and film thickness of the thinnest film thickness in the lubricant film thickness distribution at the contact portion between the substrate and the contact piece. The film thickness distribution measuring apparatus according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする、請求項2に記載の膜厚分布測定装置。 At least one of the selected interference color image, an image representing the film thickness distribution of the lubricant estimated by the film thickness distribution estimation unit in a two-dimensional distribution, and an image represented in a three-dimensional manner And a display unit for displaying the position information and the film thickness information of the thinnest film thickness recorded in the thinnest film thickness information recording unit at a time. Film thickness distribution measuring device.
前記回転体を回転させる回転体回転機構を備えた
えたことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の膜厚分布測定装置。 The contact piece is a rotating body that rotates while contacting the substrate via the lubricant,
The film thickness distribution measuring apparatus according to claim 1, further comprising a rotating body rotating mechanism that rotates the rotating body.
前記回転体と前記回転体回転機構との間に配置されて、前記回転体の回転中の伝達トルクを測定するトルク測定部と、
前記トルク測定部で測定された前記伝達トルクと、前記回転体の回転半径と、前記押付荷重とに基づいて、トラクション係数を算出するトラクション係数算出部を備え、
前記膜厚測定と前記トラクション係数の算出が同時に行われる
ことを特徴とする、請求項4に記載の膜厚分布測定装置。 A pressing load measuring unit for measuring a pressing load pressing the contact piece against the substrate;
A torque measuring unit disposed between the rotating body and the rotating body rotating mechanism to measure a transmission torque during rotation of the rotating body;
A traction coefficient calculation unit that calculates a traction coefficient based on the transmission torque measured by the torque measurement unit, the rotation radius of the rotating body, and the pressing load;
The film thickness distribution measuring apparatus according to claim 4, wherein the film thickness measurement and the calculation of the traction coefficient are performed simultaneously.
ことを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の膜厚分布測定装置。 The film thickness distribution measuring apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising a pressing load control unit that controls a pressing load that presses the contact piece toward the substrate in the load applying mechanism.
前記温度測定部で測定した前記潤滑剤の温度を記録する温度記録部を備えた
ことを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の膜厚分布測定装置。 A temperature measuring unit for measuring a temperature of a lubricant that lubricates a contact portion between the substrate and the contact piece;
The film thickness distribution measuring device according to claim 1, further comprising a temperature recording unit that records the temperature of the lubricant measured by the temperature measuring unit.
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