JP2018105646A - Film thickness distribution measuring apparatus - 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、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2)。 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 2).
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3、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) 3, 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.
特許文献1,2の技術では、円盤状のディスク(円形基板)と鋼球(接触個片)とを相対的に回転又は摺動させるために、円形基板の中心に取り付けられたディスク回転軸を回転させて、円形基板を回転させている。
In the techniques of
そして、円形基板と接触個片との接触部分をEHL状態にするには、円形基板を高速回転させる必要があること、円形基板に対して接触個片を任意の力で押さえ付ける必要があることから、回転中のディスクが上下に振れてフォーカスずれが発生しないように、円形基板の中央部を堅牢な部材で上面側ないし下面側から押さえ付けておく必要があった。 In order to bring the contact portion between the circular substrate and the contact piece into the EHL state, it is necessary to rotate the circular substrate at a high speed, and it is necessary to press the contact piece against the circular substrate with an arbitrary force. Therefore, it is necessary to press the central portion of the circular substrate from the upper surface side or the lower surface side with a robust member so that the rotating disk does not shake due to up and down movement.
しかし、円形基板の央部を堅牢にしようとすると、ある程度大きな部材を配置する必要がある。そうすると、この部材が膜厚測定のための撮像範囲と干渉してしまい、撮像範囲を広く設定することができないという課題があった。 However, in order to make the central portion of the circular substrate robust, it is necessary to dispose a large member to some extent. Then, this member interferes with the imaging range for film thickness measurement, and there is a problem that the imaging range cannot be set wide.
そこで本発明は、円形基板の中央部を堅牢な部材で保持することなく、接触個片を押し付ける荷重を変化させても、回転する基板の上下振れを抑制することができ、膜厚測定のための撮像範囲を広く設定することが可能な装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can suppress the vertical swing of the rotating substrate even if the load for pressing the contact piece is changed without holding the central portion of the circular substrate with a robust member, and for film thickness measurement. An object of the present invention is to provide a device capable of setting a wide imaging range.
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、
光透過性を備えた円形基板と、
円形基板を回転させる回転機構と、
円形基板に潤滑剤を介して接触する接触個片と、
接触個片を基板側に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所定波長の光を照射する光源部と、
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撮像する撮像部と、
撮像部で撮像された円形基板と接触個片の接触部分の干渉縞画像を取得し、当該干渉縞画像を解析して潤滑剤の膜厚分布を測定する膜厚分布測定部を備え、
円形基板の外周部より外側に配置された支持部と、当該支持部に取り付けられて円形基板の外周部を上下方向から押さえ付け、当該円形基板が回転する際に発生する当該外周部の上下振れを抑える基板押さえ部を備えたことを特徴とする。
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 circular substrate with optical transparency;
A rotation mechanism for rotating the circular substrate;
A contact piece that contacts the circular substrate via a lubricant;
A load applying mechanism for applying a load by pressing the contact piece against the substrate side;
A light source unit that emits light of a predetermined wavelength toward the contact part of the substrate and the contact piece;
An imaging unit for imaging light reflected from the contact part of the substrate and the contact piece through the substrate;
A film thickness distribution measuring unit that acquires an interference fringe image of a contact portion of the circular substrate and the contact piece imaged by the imaging unit, analyzes the interference fringe image, and measures the film thickness distribution of the lubricant,
A support part arranged outside the outer peripheral part of the circular substrate, and an up-and-down swing of the outer peripheral part that occurs when the circular substrate rotates by pressing the outer peripheral part of the circular substrate from above and below by attaching to the support part. It is characterized by having a substrate pressing part that suppresses the above.
この態様によれば、円形基板の外周部を上下方向から押さえ付けるため、接触個片を押し付ける荷重を変化させても、回転する円形基板の上下振れを抑制することができる。さらに、円形基板の中央部を堅牢な部材を配置する必要がなくなり、膜厚測定のための撮像範囲と干渉することを避けることができる。 According to this aspect, since the outer peripheral portion of the circular substrate is pressed in the vertical direction, the vertical swing of the rotating circular substrate can be suppressed even if the load pressing the contact piece is changed. Furthermore, it is not necessary to arrange a robust member at the center of the circular substrate, and interference with the imaging range for film thickness measurement can be avoided.
円形基板の中央部を堅牢な部材で保持することなく、接触個片を押し付ける荷重を変化させても、回転する基板の上下振れを抑制することができ、焦点深度の浅いレンズを使用した撮像(高分解能画像の取得)が可能となる。また、膜厚測定のための撮像範囲を広く設定することが可能となる。 Without holding the central part of the circular substrate with a robust member, even if the load that presses the contact piece is changed, the vertical swing of the rotating substrate can be suppressed, and imaging using a lens with a shallow depth of focus ( Acquisition of high-resolution images). In addition, it is possible to set a wide imaging range for film thickness measurement.
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。 FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an example of a form embodying the present invention.
本発明に係る膜厚分布測定装置1は、EHL状態の円形基板2と接触個片3の接触部分を潤滑する潤滑剤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、円形基板2、接触個片3、接触個片回転機構3R、回転機構4、荷重付与機構5、基板押さえ部6、光源部7、撮像部8、膜厚分布測定部9、コンピュータ部CN、表示部DU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 a lubricant that lubricates the contact portion between the EHL
円形基板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、円形基板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)などの潤滑剤と同程度の屈折率の透明膜が成膜されている。
The
接触個片3は、円形基板2に潤滑剤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、後述する接触個片回転機構3Rと連結されている。
The
鋼球30は、潤滑剤を介して円板20の下面の透明膜22と接触している。また、鋼球30は、上面が開放した箱状のホルダ33に組み込まれている。ホルダ33には、側面にシャフト31を貫通させつつ回転可能に支持する回転支持部が備えられている。鋼球30の上部は、ホルダ33の開放した上面よりも上方に突出しており、鋼球30の下方には、潤滑剤を貯めておくオイルパン(不図示)が備えられいる。そして、ホルダ33に組み込まれた鋼球30が回転すると、オイルパンに溜まっている潤滑剤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との接触部分に適量の潤滑剤が供給される。
The
接触個片回転機構3Rは、回転体である接触個片3を回転させるものである。具体的には、接触個片回転機構3Rは、鋼球30とシャフト31を矢印3vの方向に所定の速さで回転させたり、静止させたり、矢印3v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、接触個片回転機構3Rは、回転モータ35と、回転モータ35のロータに連結されたシャフト36を備えており、カップリングや自在継手等を介してシャフト31とシャフト36が連結されている。なお、回転モータ35は、フレーム1fの上に連結部材38を介して取り付けられている。
The contact piece
回転モータ35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CNと接続され、シャフト36(つまり、それに連結されている鋼球30)の回転方向および回転速度が適宜制御される。
The
回転機構4は、円形基板2を回転させるものである。具体的には、回転機構4は、回転モータ40、ローラ41等により構成することができる。
The rotation mechanism 4 rotates the
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4v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4v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、当該ロータにはシャフト等を介してローラ41が連結されている。
The
ローラ41は、回転モータ40の回転力を円板20に伝達するものである。具体的には、ローラ41は、ゴムや可撓性樹脂などの弾力があり発生するすべり摩擦力が大きな材料が外周面に配置された、円柱状の部材で構成されている。
The
そして、ローラ41の外周面が円板20の外周部と常に接する様に、回転モータ40が装置フレーム1fの上に取り付けられている。なお、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CNと接続されており、円板20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5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5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5は、アクチュエータ50と、不図示の押付荷重測定部や押付荷重制御部等を備えて構成されている。アクチュエータ50は、鋼球30を、円板20の下面側から上方に向けて所定の荷重で押し上げるものである。具体的には、アクチュエータ50は、エアや油圧、電動で可動子51が上下動するものであり、可動子51には鋼球30が組み込まれたホルダ33が取り付けられている。また、アクチュエータ50は、固定側本体部が装置フレーム1fに取り付けられており、後述する押付荷重制御部と接続されている。
The
押付荷重測定部は、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、押付荷重測定部は、不図示のロードセルとアンプ部を備えている。ロードセルは、荷重付与機構5の可動子51と鋼球30が組み込まれたホルダ33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CNや押付荷重制御部などの外部機器に出力する構成をしている。
The pressing load measuring unit measures a load when the
押付荷重制御部は、荷重付与機構5における円形基板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、押付荷重制御部は、押付荷重測定部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5のアクチュエータ50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CNから押付荷重の基準値を入力したり、コンピュータ部CN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 load control unit controls the pressing load that presses 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5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
基板押さえ部6は、円形基板2が回転する際に発生する外周部の上下振れを抑えるものである。具体的には、基板押さえ部6は、支持部61と上下一対のローラ62を備えている。
The
支持部61は、円形基板2の外周部より外側に配置されており、装置フレーム1fの上に取り付けられている。さらに、支持部61には、上下一対のローラ62が取り付けられている。
The
上下一対のローラ62は、円形基板2の外周部を上下方向から押さえ付けるものであり、円板20の外周エッジ部Eの上面Es側および下面Eb側に当接しつつ(つまり、円板20を挟み込んで)、円板20の回転に追従して回転するものである。
The pair of upper and
具体的には、上下一対のローラ62は、円板20の外周を囲むように複数配置されており、それぞれの上下一対のローラ62は、回転中心(回転軸とも言う)が円板20の中心に向くように配置されている。また、それぞれの上下一対のローラ62は、互いに円板20の厚み分だけ上下に離間して配置されている。
Specifically, a plurality of pairs of upper and
なお、上下一対のローラ62において、円板20と接触する部分(つまり、上側ローラと円板20の上面とが当接する部分および、下側ローラと円板20の下面とが当接する部分)をそれぞれ当接部と呼ぶ。そして、この当接部が、円板20の外周部が上下方向に動くことを規制し、円板20の上下振れを抑える。
In the pair of upper and
そして、支持部61および上下一対のローラ62は、例えばアナログ時計の文字盤で言うところの1時,5時,10時方向の位置(つまり、3箇所)に配置されている(なお、y方向を12時、x方向を3時方向とする)。
The
基板押さえ部6は、この様な構成をしているため、円板20の外周部を上下方向から押さえ付けるため、鋼球30を押し付ける荷重を変化させても、回転する円板20の上下振れを抑制することができる。
Since the
光源部7は、円形基板2と接触個片3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
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、不図示の白色ランプ、3波長帯域フィルタ、照明用電源等を備えている。白色ランプは、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。3波長帯域フィルタ73は、白色ランプ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。照明用電源は、照明ユニットの白色ランプに対して、発光に必要な電力を供給するものである。
The
撮像部8は、円形基板2と接触個片3の接触部分から反射された光を、円形基板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、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、円形基板2と接触個片3の接触部分から反射された光とは、円形基板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 imaging unit 8 captures light reflected from the contact portion between the
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、円形基板2と接触個片3の接触部分の像を、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、不図示のハーフミラー、対物レンズ、結像レンズを備えている。そのため、レンズユニット81は、光源部7から照射された光を、ハーフミラーで反射させて照明光として膜厚の測定対象領域Rに照射し、円形基板2と接触個片3の接触部分から反射された光のうち、対物レンズとハーフミラーを通過した光を結像レンズにてカラーカメラ80の撮像素子に結像させることができる。なお、レンズユニット81は、固定倍率方式やズーム方式のほか、観察倍率の異なる対物レンズを複数備え、使用する対物レンズをレボルバー機構で切り替える構成であっても良い。
The
コンピュータ部CN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CN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CN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CN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DUと接続されている。さらに、コンピュータ部CNは、画像記録部11、膜厚分布測定部12を備えている。
The computer unit CN inputs and outputs signals and data, stores data, performs arithmetic processing on the input or stored data, inputs and stores images, image processing on these images, determination processing based on image processing, and image conversion Processing, determination results, image output after image processing, and the like are performed. Specifically, the computer unit CN includes an input unit, an information recording unit, a numerical calculation processing unit, an image processing unit, and an output unit. More specifically, the computer unit CN includes a computer (hardware) having an image processing function and an execution program (software) thereof. The computer unit CN includes information input devices such as a keyboard, a mouse, and a track pad, and is connected to a display unit DU described later. Further, the computer unit CN includes an image recording unit 11 and a film thickness
画像記録部11、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CN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 imaging unit 8 is recorded. Specifically, the image recording unit 11 includes an information recording unit (for example, a magnetic recording medium such as a hard disk, a semiconductor memory, or the like) of the computer unit CN.
膜厚分布測定部12は、画像記録部11に記録された干渉色画像を取得し、当該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円形基板2と接触個片3の接触部分の潤滑剤の膜厚分布を測定するものである。具体的には、膜厚分布測定部12は、コンピュータ部CN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CNは、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、膜厚分布測定部12にて所定の画像処理や数値演算処理をしたりして、画像内の各点(つまり、各測定点)の膜厚を推定し、推定結果に基づいて画像全体の各点の膜厚(つまり、膜厚分布)を測定することができる。
Therefore, when the video signal (analog signal) or video data (digital signal) output from the imaging unit 8 is input, the computer unit CN performs predetermined image processing based on the execution program, or the image recording unit. 11, the image is stored in the image recording unit 11, the image is read from the image recording unit 11, and predetermined image processing or numerical calculation processing is performed in the film thickness
具体的には、膜厚分布測定部12は、特許文献3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(各測定点)に対して行うことで、膜厚分布を推定・測定するものである。より具体的には、膜厚分布測定部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・測定演算処理)を行う。
Specifically, the film thickness
By matching the interference fringe model expressed by the following formula, processing for obtaining an unknown parameter (that is, film thickness estimation / measurement 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2は、膜厚分布測定部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. 2 is an image diagram illustrating an example of an interference color image input to the film thickness
図3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3(a)、図3(b)、図3(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、膜厚分布測定部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し、推定膜厚に基づいて膜厚分布の算出(つまり、膜厚推定・測定演算処理)をしている。
FIG. 3 is an image diagram illustrating an example after the interference color image is separated into three colors. FIGS. 3A, 3B, and 3C 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
表示部DU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CN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DU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)膜厚分布測定部12で測定された潤滑剤の膜厚分布を二次元分布で表した画像
3)膜厚分布測定部12で測定された潤滑剤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 display unit DU is also called an information display or a display monitor. When a video signal output from the computer unit CN is input, characters, graphic information, and the like are displayed corresponding to the video signal. Specifically, the display unit DU
1) The interference color image selected from the interference color images recorded in the image recording unit 11 2) An image representing the lubricant film thickness distribution measured by the film thickness
4) Position information and film thickness information of the thinnest film thickness recorded in the thinnest film thickness information recording unit are also displayed (that is, displayed at once).
図4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. 4 is an image diagram showing an example of an image showing an example of an interference color image.
図5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. 5 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6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. 6 is an image diagram illustrating an example of an image that three-dimensionally represents the measurement result of the film thickness distribution.
図7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. 7 is an image diagram showing an example of the measurement result profile of the film thickness distribution in the X direction and the Y direction, the position information of the thinnest film thickness, and the 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、円形基板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を潤滑する潤滑剤の膜厚分布測定ができる。このとき、円形基板3に接触個片3を押し付ける荷重を変化させても、回転する円形基板2の上下振れを抑制することができ、焦点深度の浅いレンズを使用した撮像(高分解能画像の取得)が可能となる。また、円形基板2の中心部周辺に大きな補強材を配置する必要が無くなるため、膜厚測定のための撮像範囲を広く設定することが可能となる。
Since the film thickness distribution measuring apparatus 1 according to the present invention has such a configuration, the
[別の形態]
なお上述では、本発明に係る基板押さえ部6として、支持部61と、円板20の厚み分だけ上下に離間して支持部61に取り付けられた上下一対のローラ62とが、それぞれ円板20の外周を囲む様に複数備えられた構成を示した。しかし、本発明を具現化する上で基板押さえ部6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]
In the above description, as the
図8は、本発明を具現化する別の形態の要部を示す概略図である。図8(a)〜(e)には、本発明に係る基板押さえ部6の変形例が示されている。
FIG. 8 is a schematic view showing a main part of another embodiment embodying the present invention. 8A to 8E show modified examples of the
例えば、装置フレーム1fの上には、上下方向に所定の長さを有する支持部61が円板20の外周を取り囲むように複数配置されており、支持部61には以下に示すような形状のローラ62a〜52eが、z方向に位置ずれすることなく、z方向を回転中心(回転軸とも言う)として回転する様に取り付けられている。
For example, a plurality of
図8(a)に示すローラ62aは、上下方向に所定の長さを有する円筒状の外周面を備え、ローラ62aの中央部(つまり、円板20の外周部と接する部分)に段状の溝(凹み、切り欠きとも言う)が設けられている。なお、この段状の溝の幅は円板20と同じ又は僅かな隙間(ただし、撮像部8の被写界深度より小さい範囲)に設定されており、この溝に円板20の外周部がかかるように、それぞれの支持部61およびローラ62aが装置フレーム1fの上に配置されている。そのため、円板20が回転しても、円板20の外周部はこの溝よりも上方または下方への移動(つまり、上下振れ)が規制され、円板20の上下振れが抑えられる。
A
図8(b)に示すローラ62bは、上下方向に所定の長さを有する円筒状の外周面を備え、ローラ62bの中央部(つまり、円板20の外周エッジ部と接する部分)にV字状に屈曲した溝(凹み、切り欠きとも言う)が設けられている。なお、このV字状に屈曲した溝は、円板20の外周エッジ部の上面側および下面側に当接する幅、角度および直径に設定されており、この溝に円板20の外周エッジ部がかかるように、それぞれの支持部61およびローラ62bが装置フレーム1fの上に配置されている。そのため、円板20が回転しても、円板20の外周エッジ部はこの溝よりも上方または下方への移動(つまり、上下振れ)が規制され、円板20の上下振れが抑えられる。
A
図8(c)に示すローラ62cは、上下方向に所定の長さを有する略円筒状の外周面を備え、ローラ62cの中央部(つまり、円板20の外周エッジ部と接する部分)に湾曲したくびれ部(ウエスト部とも言う)が設けられている。なお、この湾曲したくびれ部は円板20の外周エッジ部の上面側および下面側に当接する湾曲率や直径に設定されており、このくびれ部に円板20の外周エッジ部がかかるように、それぞれの支持部61およびローラ62cが装置フレーム1fの上に配置されている。そのため、円板20が回転しても、円板20の外周エッジ部はこのくびれ部よりも上方または下方への移動(つまり、上下振れ)が規制され、円板20の上下振れが抑えられる。
A
図8(d)に示すローラ62dは、上下方向に所定の長さを有する略円筒状の屈曲した外周面を備え、ローラ62dの中央部(つまり、円板20の外周エッジ部と接する部分)がより直径が小さいくびれ部がある形状をしている。なお、この屈曲した外周面とくびれ部は、円板20の外周エッジ部の上面側および下面側に当接する屈曲角度や直径に設定されており、このくびれ部に円板20の外周エッジ部がかかるように、それぞれの支持部61およびローラ62dが装置フレーム1fの上に配置されている。そのため、円板20が回転しても、円板20の外周エッジ部はこのくびれ部よりも上方または下方への移動(つまり、上下振れ)が規制され、円板20の上下振れが抑えられる。
A
図8(e)に示すローラ62eは、上下方向に所定の長さを有する略円筒状の湾曲した外周面を備え、ローラ62eの中央部(つまり、円板20の外周エッジ部と接する部分)がより直径が小さいくびれ部がある形状をしている。なお、この湾曲した外周面とくびれ部は、円板20の外周エッジ部の上面側および下面側に当接する湾曲率や直径に設定されており、このくびれ部に円板20の外周エッジ部がかかるように、それぞれの支持部61およびローラ62eが装置フレーム1fの上に配置されている。そのため、円板20が回転しても、円板20の外周エッジ部はこのくびれ部よりも上方または下方への移動(つまり、上下振れ)が規制され、円板20の上下振れが抑えられる。
A
つまり、本発明に係る基板押さえ部6は、円形基板2の外周エッジ部の上面側および下面側に当接するような湾曲ないし屈曲した円筒状当接面を有するローラを備えた構成とすることで、回転する円形基板2の上下振れを抑制しつつ、基板の最外周付近まで撮像範囲が拡がり、接触個片2がより高速回転する領域での潤滑剤の膜厚測定が可能となる。
That is, the
なお上述では、基板押さえ部6を構成する上下一対のローラ62やローラ62a〜eが、いずれも円板20の回転に追従して回転する構成を示した。この様な構成であれば、円板20の外周エッジ部の上下振れを確実に抑えつつ、円板20とローラとが接触する部分の摩耗を最小限に抑えることができるため好ましい。しかし、本発明を具現化する上で、ローラ62,52a〜eが回転しうることは必須の構成要素ではなく、上下一対のローラ62の上下いずれか又は双方やローラ62a〜eを固定状態とし、円板20に対して滑らせながら上下方向から押さえる部材(つまり、摺動押さえ部材)を備えた構成であっても良い。そうすることで、円板20の外周エッジ部の上下振れを抑えることができる。なお、この場合、摺動押さえ部材の表面を摩擦の少ない材質や形状としたり、円板20との摺動部に潤滑剤を塗布しておくことが好ましい。
In the above description, a configuration in which the pair of upper and
なお上述では、基板押さえ部6は、例えばアナログ時計の文字盤で言うところの1時,5時,10時方向の位置(つまり、3箇所)に配置されている例を示したが、他の位置に配置さていても良いし、4箇所以上配置しても良く、もっとも間隔の離れたところが、円板20の全外周の半分の長さよりも短くなるように配置されていれば良い。
In the above description, the
なお基板押さえ部6を構成する上下一対のローラ62やローラ62a〜eは、金属や硬質の樹脂で構成されていることが好ましい。そうすることで、円板20を上下方向から押さえ付けた際の変形がほとんど生じず、円板20の外周部の上下振れを確実に抑えることができる。
The pair of upper and
しかし、これらローラ62,62a〜eは、外周面の変形量と撮像部8の被写界深度との兼ね合いで、外周面ないし本体を弾性のある樹脂等で構成しても良い。
However, the
[別の形態]
なお上述では、本発明に係る膜厚分布測定装置1として、円形基板2を回転させる回転機構4と、円形基板2の上下振れを押させる基板押さえ部6とが、それぞれ別個に備えられた構成を示した。しかし、本発明を具現化する上で、これらが独立して備えられていることは必須条件では無く、基板押さえ部6を構成するローラの一部ないし全部が回転することで円形基板2を回転させる構成(つまり、回転機構4と基板押さえ部6とが兼用)であっても良い。そうすることで、装置構成がシンプルになるため、好ましい。
[Another form]
In the above description, as the film thickness distribution measuring apparatus 1 according to the present invention, the rotation mechanism 4 that rotates the
[回転機構の変形例]
また、上述の様な構成に限らず、本発明に係る回転機構4は、円板20の中心に取り付けられた構成であっても良い。この場合でも、円板20の外周に基板押さえ部6が配置されているため、円板20の中心部を堅牢な部材や構造物にて固定する必要が無くなる。
[Modification of rotation mechanism]
The rotation mechanism 4 according to the present invention is not limited to the configuration as described above, and may be a configuration attached to the center of 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
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、さらに接触個片回転機構3Rを用いた例を示した。このような構成であれば、回転機構4の回転速度および接触個片回転機構3Rの回転速度のうち少なくとも一方の速度を制御して、円形基板2と回転体である鋼球30との回転数の差に起因する「すべり率」を設定することができる。そのため、任意のすべり率の状態に設定して、潤滑剤の膜厚分布を測定することが可能となるので好ましい。
Moreover, in the above-mentioned, the
しかし、接触個片回転機構3R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く、回転可能な鋼球30を円板20の回転に追従するように回転させる構成や、回転しない接触個片を円板20と接触させつつ滑らせる(つまり、摺動させる)構成としても良い。そうすることで、追従回転する鋼球や、摺動する接触個片におけるEHL状態での潤滑剤の膜厚測定が可能となる。
However, the contact piece
[荷重付与機構別の変形例]
また上述では、接触個片3を円形基板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CNの一部に組み込んだ構成としても良い。
[Modifications by load application mechanism]
In the above description, the configuration (so-called automatic control system) including the actuator 60 for adjusting the load for pressing the
また、押付荷重制御部は、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 load control unit is not an essential component for embodying the present invention, omitting this, and using an elastic body such as a spring or rubber instead of an automatic control system, the position can be changed by an external signal. The structure (what is called a semiautomatic operation system) provided with the actuator 60 which can be used may be sufficient. Alternatively, the actuator 60 may be omitted, and the
[基板の変形例]
また上述では、円形基板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と酸化シリコンなどの透明膜が成膜されており、接触個片3との接触部分が平坦な面である例を示した。しかし、円形基板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、円形基板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、円形基板2の下面の金属薄膜は、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、円形基板2と潤滑剤との界面から反射光が得られれば、金属薄膜は成膜されていなくても良い。
In addition, the metal thin film on the lower surface of the
また、円形基板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、透明膜は、潤滑剤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、潤滑剤の厚みが所望の測定分解能を得られる場合であれば、円形基板2の下面の透明膜は成膜されていなくても良い。
Further, the transparent film 22 on the lower surface of 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と円形基板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-wavelength band filter 73 constituting the
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
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
[他の変形例]
また上述では、膜厚分布測定装置1に表示部DUを備えた構成を例示した。しかし、表示部DU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DU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。
[Other variations]
Moreover, in the above, the structure provided with the display part DU in the film thickness distribution measuring apparatus 1 was illustrated. However, the display unit DU is not an essential component for embodying the present invention, and may be configured without this. In addition, the film thickness distribution measuring apparatus according to the present invention may be configured to output data including the result of measuring the film thickness distribution to an external apparatus or device regardless of whether or not the display unit DU is provided. good.
1 膜厚分布測定装置
2 円形基板
3 接触個片
3R 接触個片回転機構
4 回転機構
5 荷重付与機構
6 基板押さえ部
7 光源部
8 撮像部
CN コンピュータ部
DU 表示部
11 画像記録部
12 膜厚分布測定部
R 膜厚の測定対象領域
1f 装置フレーム
2v 矢印(基板の移動方向,円板の回転方向)
3v 矢印(基板の移動方向,円板の回転方向)
4v 矢印(接触個片の移動方向,回転体の回転方向)
20 円板
30 鋼球(接触個片/回転体の一類型)
31 シャフト
33 ホルダ
35 回転モータ
36 シャフト
40 回転モータ
41 ローラ
50 アクチュエータ
51 可動子
61 支持部
62 ローラ
63a〜e 当接部
70 照明ユニット(ハロゲンランプ)
75 照明用電源
80 撮像カメラ
81 レンズユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thickness
3v arrow (moving direction of substrate, rotating direction of disc)
4v arrow (moving direction of contact piece, rotating direction of rotating body)
20
DESCRIPTION OF
75 Power supply for
Claims (3)
光透過性を備えた円形基板と、
前記円形基板を回転させる回転機構と、
前記円形基板に前記潤滑剤を介して接触する接触個片と、
前記接触個片を前記基板側に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所定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撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像された前記円形基板と前記接触個片の接触部分の干渉縞画像を取得し、当該干渉縞画像を解析して前記潤滑剤の膜厚分布を測定する膜厚分布測定部を備え、
前記円形基板の外周部より外側に配置された支持部と、当該支持部に取り付けられて前記円形基板の外周部を上下方向から押さえ付け、当該円形基板が回転する際に発生する当該外周部の上下振れを抑える基板押さえ部を備えた
ことを特徴とする、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 circular substrate with optical transparency;
A rotating mechanism for rotating the circular substrate;
A contact piece that contacts the circular substrate via the lubricant;
A load applying mechanism that applies a load by pressing the contact piece against the substrate;
A light source unit that emits light of a predetermined wavelength toward a contact portion of the substrate and the contact piece;
An imaging unit for imaging light reflected from the contact part of the substrate and the contact piece through the substrate;
A film thickness distribution measuring unit that acquires an interference fringe image of a contact portion between the circular substrate and the contact piece imaged by the imaging unit, and analyzes the interference fringe image to measure the film thickness distribution of the lubricant. Prepared,
A support portion disposed outside the outer peripheral portion of the circular substrate, and an outer peripheral portion that is attached to the support portion and presses the outer peripheral portion of the circular substrate from above and below, and is generated when the circular substrate rotates. A film thickness distribution measuring apparatus comprising a substrate pressing portion that suppresses vertical deflection.
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 said board | substrate holding | suppressing part was equipped with the roller which has the curved or curved cylindrical contact surface which contact | abuts to the upper surface side and lower surface side of the outer periphery edge part of the said circular board | substrate. Film thickness distribution measuring device.
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