JP2020085769A - 膜厚分布測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉光の強度に基づき高い効率で精度のよい膜厚分布を得る。【解決手段】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１であって、光透過性を備えた基板２と、基板２に潤滑剤ＬＢを介して接触する接触個片３と、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種類の波長を含む光を照射する光源部７と、基板２と接触個片３の接触部分ＳＰから反射された光を、基板２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８と、コンピュータ部９を備え、コンピュータ部９には、干渉色撮像部８で撮像された干渉色画像を記録する画像記録部１１と、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、当該波長毎の強度を取得し、当該強度に基づき基板２と接触個片３の接触部分ＳＰの潤滑剤ＬＢの膜厚分布を算出する膜厚分布推定部１２を備える。【選択図】図３

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。

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。

このようなベアリングのＥＨＬ状態を観察する従来の膜厚分布測定装置として、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、波長毎の位相、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とを備えたものがある（特許文献１参照）。

特開２０１７−４４５８７号公報

従来技術は、専ら色相や輝度等の色の基本要素と潤滑剤の膜厚の関係から、膜厚分布を測定する方法である。このような方法は一定領域における膜厚分布を一度の観測により取得することができるものであり、速やかに結果を得ることができる方法であるが、得られる膜厚の精度が高いものとは必ずしも言えない。

本発明は、高い効率で精度のよい膜厚分布を得ることのできる技術に関する。

本発明の膜厚分布測定装置は、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、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の接触部分に向けて少なくとも３種類の波長を含む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、当該波長毎の強度を取得し、当該強度に基づき前記基板と前記接触個片の接触部分の前記潤滑剤の膜厚分布を算出する膜厚分布推定部を備える。

本発明によれば、干渉光の強度に基づき高い効率で精度のよい膜厚分布を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る膜厚分布測定装置の全体構成を示す概略図。 実施形態の膜厚分布測定装置の一部を拡大して示した部分拡大図であり、（ａ）基板及び接触個片の部分の拡大図、（ｂ）（ａ）における測定対象領域Ｒの一例の拡大図。 （ａ）は本発明の他の実施形態に係る膜厚分布測定装置の全体構成を示す概略図であり、（ｂ）は（ａ）における測定対象領域Ｒの一例の拡大図。 サンプル１についての時間経過に伴う各種物性の変化を示すグラフ。 サンプル１についての径方向Ｘにおける膜厚分布を示すグラフである。 各種方法により得られる観測画像であって、（ａ）分光法によるサンプル２の画像、（ｂ）分光法によるサンプル３の画像、（ｃ）ＳＬＩＭ法によるサンプル２の干渉画像、（ｄ）ＳＬＩＭ法によるサンプル３の干渉画像、（ｅ）図３（ａ）の膜厚分布測定装置を用いたサンプル２の干渉画像、（ｆ）図３（ａ）の膜厚分布測定装置を用いたサンプル３の干渉画像。 青色波長（４７０ｎｍ）の照射光の照射時における径方向Ｘについての反射率を示すグラフであり、（ａ）サンプル２、（ｂ）サンプル３。 緑色波長（５６０ｎｍ）の照射光の照射時における径方向Ｘについての反射率を示すグラフであり、（ａ）サンプル２、（ｂ）サンプル３。 赤色波長（６４５ｎｍ）の照射光の照射時における径方向Ｘについての反射率を示すグラフであり、（ａ）サンプル２、（ｂ）サンプル３。 照射光の波長に対する反射率を示すグラフであり、（ａ）サンプル２、（ｂ）サンプル３。 径方向Ｘについての膜厚分布を示すグラフであり、（ａ）サンプル２、（ｂ）サンプル３。

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。

図１は、本発明を具現化する一の実施形態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。

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。

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（半反射膜）２１が製膜されており、さらにその下面には、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの潤滑剤ＬＢと同程度の屈折率の透明膜２２が製膜されている。

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。

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が備えられている。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。鋼球３０は回転半径ＲＢを有する。

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。

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。

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。

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。

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。

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種類の波長を含む光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。

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種類の波長を含む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７２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７２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７２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７２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で構成されている。尚、３波長帯域フィルタ７３は白色ランプ７２から放出された光から少なくとも３種類の波長成分を取り出す役割を果たせばよく、光源部７に必ずしも配置する必要はない。すなわち３波長帯域フィルタ７３は、光源部７から干渉色撮像部８に至る光路上の任意の位置に配置すればよく、この配置位置は特に限定されない。

また、少なくとも３種類の波長成分の光を適用することが可能であれば、３波長帯域フィルタ７３は必ずしも必要ではない。例えば、光源部７、特にその白色ランプ７２の代わりに３種類の波長の異なるレーザ源を適用すれば、フィルタリングは不要、すなわち３波長帯域フィルタ７３は不要となる。すなわち、上述した「光源部７（または照明ユニット７０）が少なくとも３種類の波長を含む光を照射する」とは、白色ランプ７２の如き単体光源からの光が３種類の波長を含む場合のみならず、３種のレーザ源の如き３つの光源から照射される３つの波長の光が存在する場合にも適用されることを意味する。

照明用電源７５は、照明ユニット７０の白色ランプ７２に対して、発光に必要な電力を供給するものである。

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越しに撮像カメラ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、撮像カメラ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、円板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。

撮像カメラ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。

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、撮像カメラ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、光源部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にて撮像カメラ８０の撮像素子８６に結像させることができる。

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。

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。画像記録部１１は、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。

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、波長毎の強度、さらに例えば強度に対応した反射率（reflectance）を取得し、当該反射率から基板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。

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。

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を備えた構成を例示する。

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部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。

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部９に出力することができる。

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、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や、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やグラフの形式で表した画像等を表示するものである。

また、図２（ｂ）は、図２（ａ）における膜厚の測定対象領域Ｒの拡大図を示し、接触面の光学モデルの一例を示すものである。照明光Ｌ２が膜厚の測定対象領域Ｒに照射し、接触部分ＳＰから反射された光（反射光）Ｌ３が得られる。ここで反射光Ｌ３は、円板２０と金属薄膜２１のＣｒ膜の界面での反射光Ｌ３１と、潤滑剤ＬＢと鋼球３０の界面での反射光Ｌ３２に分かれ、干渉縞を形成させる。光Ｌ３１、Ｌ３２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にて撮像カメラ８０の撮像素子８６に結像させることができる。このとき、光Ｌ４を媒介として得られる干渉縞像を撮像カメラ８０にて撮影することで、膜厚解析対象画像における各画素のＲＧＢ強度、すなわち光強度Ｉ（λ）を得ることができる。光強度Ｉ（λ）は、例えば反射率に変換することができる。

上述した実施形態の膜厚分布測定装置１は、荷重付与機構６により鋼球３０および円板２０に静荷重を付与する。一方、図３（ａ）に示した他の実施形態による膜厚分布測定装置１は、静荷重ではなく、瞬間的な撃力を円板２０および鋼球３０に印加し、高速度カメラを用いて接触面の画像を撮影する。

図３（ａ）の実施形態では、鋼球３０は容器１０１に収められた状態で、円板２０の下方に位置しており、潤滑剤ＬＢをと鋼球３０の間には、潤滑剤ＬＢが存在する。円板２０は、支点１２３を有するレバー１２０の腕に収められており、レバー１２０の他の腕には加速度計１２１が設けられている。

レバー１２０の支点１２３を中心として、円板２０、鋼球３０が存在する側と反対側には、小鋼球１１２、コイルスプリング１１０が配置されている。コイルスプリング１１０の復元力により小鋼球１１２を発射して腕に衝突させ（矢印Ａ方向）、その作用力を撃力として、円板２０と鋼球３０の接触部分に印加することができる（矢印Ｂ方向）。このとき、加速度計１２１が撃力印加のタイミングを検知し、高速度カメラから構成される撮像カメラ８０（干渉色撮像部８）により接触面画像を取得する。すなわち、コイルスプリング１１０、小鋼球１１２、レバー１２０は、基板２（円板２０）と接触個片である鋼球３０を互いに衝突させ、基板２（円板２０）と鋼球３０の接触部分に撃力を印加する撃力印加機構として機能する。

次に、図３（ａ）に示した膜厚分布測定装置１を用いて行った実験１について説明する。鋼球３０（材質：ＳＵＪ２、直径：１９．１ｍｍ）に、円板２０としてのガラス製の本体である平板（材質：ＢＫ−７、直径：２５ｍｍ、厚さ：２ｍｍ）を接触させ、接触部に潤滑剤ＬＢを注入してメニスカスにより保持させた。小鋼球１１２（直径：１９．１ｍｍ、質量：３．０ｇ）をコイルスプリング１１０の復元力により発射してレバー１２０の腕に衝突させ、その作用力を撃力として接触面に印加させた。加速度計１２１により撃力印加のタイミングを検知し、高速度カメラより構成される撮像カメラ８０により接触面画像を取得した。そして、次に述べる膜厚解析により同定した膜厚の時間変化から緩衝特性を評価した。

発明者は、潤滑剤ＬＢの膜厚を高速度で、かつその分布状態も計測するため、３波長（ＲＧＢ）光による独自の光干渉膜厚計測法を用いた本実験では、明瞭な干渉縞を得るために半反射膜である金属薄膜２１をＣｒ膜にて製膜した。また、潤滑膜厚が小さい場合でも高精度に計測するために光路を嵩増するスペーサレイヤー層を設けた。後述するサンプル１では、図１（ｂ）に示した様に、スペーサレイヤー層として透明膜２２をＳｉＯ_２膜にて製膜した。

図３（ａ）の実施形態でも、図２（ｂ）に示す様な測定対象領域Ｒが存在する。反射光Ｌ３は、円板２０と金属薄膜２１の界面での反射光Ｌ３１と、潤滑剤ＬＢと鋼球３０の界面での反射光Ｌ３２に分かれ、干渉縞を形成させる。光Ｌ４を媒介として得られる干渉縞像を撮像カメラ８０にて撮影することで、膜厚解析対象画像における各画素のＲＧＢ強度、すなわち光強度Ｉ（λ）を得た。光強度Ｉ（λ）は、例えば反射率の形式で得られる。

ここで、到来する照射光Ｌ２は、３波長帯域フィルタ７３によって３種類の３波長成分（λ＝４２０ｎｍ、５１５ｎｍ、６５０ｎｍ）を含んでおり、それぞれ上述した二つの界面において反射光Ｌ３１、反射光Ｌ３２に分かれ、干渉縞を形成させる。高速度カメラからなる撮像カメラ８０（最高撮影速度：５４０ｋＨｚ）が、光Ｌ４を媒介として得られる干渉縞像を撮影し、膜厚解析対象画像における各画素のＲＧＢ強度を得た。このＲＧＢ強度を光強度Ｉ（λ）とした。また、参照用に同撮影条件にて撮影したＳｉウェハの観察画像からＩ_ｒｅｆ（λ）を得た。さらにカメラの受光感度特性の影響を考慮して、Ｉ（λ）とＩ_ｒｅｆ（λ）に対してクロストーク補正を行い、Ｉ’（λ）とＩ’_ｒｅｆ（λ）を得た。

既知のＳｉウェハの反射率Ｒ_ｒｅｆ（λ）を用いて、解析対象の反射率Ｒ（λ）＝Ｒ_ｒｅｆ（λ）/Ｉ’_ｒｅｆ（λ）×Ｉ’（λ）を算出した。各画素において、図２（ｂ）の多層の光学モデルを仮定して各層の屈折率ｎ_ｉ（λ）より各界面のフレネル係数ρ_ｉ（λ）、τ_ｉ（λ）について多重反射を考慮して計算して反射率Ｒ_ｎｕｍ（λ）を理論的に算出し、Ｒ（λ）との誤差を最小化することにより、膜厚分布推定部１２は、膜厚ｈを算出した。本膜厚計測法では、光学モデルを修正することで様々な多層膜の膜厚分布計測に適用可能である。

本実験に使用したサンプル１は、金属薄膜２１としてＣｒ膜（膜厚：５ｎｍ）、透明膜２２としてＳｉＯ_２膜（膜厚：５８０ｎｍ）を製膜した基板２（円板２０）と、未処理の鋼球３０の組合せである。このＳｉＯ_２膜が、スペーサレイヤー層の役割を果たす。

このサンプルについて、静荷重１０Ｎにて円板２０を鋼球３０に接触させ、潤滑剤ＬＢをメニスカスにて保持した状態で撃力を印加し、加速度ａと膜厚ｈの時間変化を計測した。加速度計１２１のサンプリング周波数は１ＭＨｚ、撮像カメラ８０の撮影速度は１０ｋＨｚとした。実験は室温２５℃、湿度４０％の環境で実施した。

図４は、サンプル１の実験結果として加速度ａ、接触円直径φ、膜厚ｈのプロファイルの時間変化を示す。加速度計１２１にて撃力の印加が検知された時刻をｔ＝０ｍｓとした。また、膜厚ｈは、測定対象領域Ｒの中心を０とした径方向Ｘについての値の形式で示している。尚、図４における最下段のグラフにおいて、径方向Ｘにおいて、中心の０μｍから上下の±１１０μｍ付近までは膜厚ｈの値は小さく、５７０ｎｍに近い値が分布している。径方向Ｘの±１１０μｍ付近で膜厚ｈの値が揺らぎ、径方向Ｘにおいてさらに外側では膜厚ｈの値は７００ｎｍ付近まで大きくなる。

図５は、ｔ＝０ｍｓにおける膜厚ｈのプロファイルを示す。ここでの膜厚ｈとは、潤滑剤ＬＢの膜厚と、スペーサレイヤー層（透明膜２２であるＳｉＯ_２膜または鋼球３０の表面のＣＰＢ膜）の合計膜厚である。接触円直径φは、最小膜厚の膜厚ｈ_ｍｉｎの最外周円の直径であり、図５の矢印にて示した範囲とした。

接触円直径φについて、ｔ＝０ｍｓにおいてサンプル１ではφ＝２１４μｍであった。撃力を印加する以前（ｔ＜０ｍｓ）では、接触円直径φに変化は見られなかった。

撃力を印加した直後、サンプル１ではｔ＝１．７ｍｓにおいてφ＝２２３μｍに増大し、ｔ＝４．２ｍｓにおいてφ＝１３３μｍに減少し、接触円直径が増減を繰り返しながら変化してｔ＝４０ｍｓ時点でも収束しなかった。φに現れた減衰振動の周波数は、２６６Ｈｚであった。

ヘルツの接触理論を用いて静荷重１０Ｎの接触面直径φを算出すると、φ＝２１６ｍｍとなり、この値は、ｔ＝０ｍｓの接触円直径と一致している。また、実験系の固有振動数ｆｎは、鋼球３０と基板２（円板２０）の接触剛性（バネ定数）２．１×１０^４Ｎｍ／ｒａｄとガラス平板の剛性（ばね定数）２．０×１０^４Ｎｍ／ｒａｄの直列接続を仮定（合成ばね定数１．０×１０^４Ｎｍ／ｒａｄ）し、てこ機構の慣性モーメント３．６×１０^−３ｋｇｍ^２よりｆｎ＝２７０Ｈｚと算出される。固有振動数ｆｎの値が、実験にて現れた接触面直径φの振動周波数とほぼ一致しているため、膜厚変化は鋼球３０と基板２（円板２０）の接触剛性と基板２（円板２０）の剛性により発生していると考えられる。

上述したように、実施形態の膜厚分布測定装置１を利用して少なくとも３種の波長の光の強度（反射率）を得ることにより、多くの種類の情報を得ることができる。特に図３（ａ）の膜厚分布測定装置１が生成する撃力を用いた実験によれば、静荷重を与える実験に比べ、短時間で多くの種類の情報を得ることができる。また、鋼球３０を回転させた状態で実験をおこなうことも可能であり、その場合には流体膜の効果が含まれた情報を得ることができる。

続いて図３（ａ）に示した膜厚分布測定装置１を用いて行った実験２について説明する。本実験に使用したサンプルは次の２種、サンプル２及びサンプル３である。サンプル２は、図２（ｂ）のモデル図に対応し、金属薄膜２１としてＣｒ膜（膜厚：７ｎｍ）、透明膜２２としてＳｉＯ_２膜（膜厚：５００ｎｍ）を製膜した基板２（円板２０）を用いた。

一方、サンプル３は、図３（ｂ）のモデル図に対応している。図３（ｂ）では、円板２０であるガラス製の本体の上にある金属薄膜２１が第１の金属薄膜２１であり、さらに透明膜２２上に設けられた別の金属薄膜である第２の金属薄膜２３が用いられる。例えば第１の金属薄膜２１がＣｒ膜であり、第２の金属薄膜２３がＦｅ膜である。

ここで、第２の金属薄膜２３は、実際の鋼球３０が利用される環境下において、鋼球３０が接触する物体に相当する。第２の金属薄膜２３をＦｅ膜により構成することにより、鋼球３０が接触する相手方のＦｅ製の部材が存在するという実際の利用環境下により近い状況にて実験を行うことができ、実験の有用性が向上する。サンプル３では、第１の金属薄膜２１としてＣｒ膜を製膜し（膜厚：７ｎｍ）、透明膜２２としてＳｉＯ_２膜（膜厚：５００ｎｍ）、第２の金属薄膜２３としてＦｅ膜（膜厚：１０ｎｍ）を製膜した基板２（円板２０）を用いた。ただし、実験２における照射光の波長は、４７０ｎｍ（青色）、５６０ｎｍ（緑色）、６４５ｎｍ（赤色）の３種類である。他の条件は実験１と共通している。

図６は、サンプル２及びサンプル３の測定対象領域Ｒの観測画像であって、（ａ）分光法によるサンプル２の画像、（ｂ）分光法によるサンプル３の画像、（ｃ）ＳＬＩＭ（Spacer Layer Imaging Method）法に用いたサンプル２の干渉画像、（ｄ）ＳＬＩＭ法に用いたサンプル３の干渉画像、（ｅ）本実施形態の膜厚分布測定装置１を用いたサンプル２の干渉画像、（ｆ）本実施形態の膜厚分布測定装置１を用いたサンプル３の干渉画像をそれぞれ示す。

図６（ａ）、（ｂ）は分光法によるサンプル２、３の画像を示している。分光法は従来から実施されている方法であり、測定対象領域Ｒにおける所定の幅を持つ一列、例えば図２（ａ）の測定対象領域Ｒの真ん中の部分において紙面に垂直な方向の一列から出てくる光を、波長λ毎にプリズム等を用いて分光する方法であって、精度のよい測定方法である。図６（ａ）、（ｂ）において横軸は波長λ（左から右に向かって波長が大きくなる）に対応する。一方、縦軸は空間情報、すなわち一列の方向であり、画像の縦軸方向の中央部分が測定対象領域Ｒにおいて、基板２（円板２０）と鋼球３０が最接近し、潤滑剤ＬＢの膜厚が最も薄くなっている部分である。本画像では、横軸の右に進むほど中央の帯の様な部分が縦方向に拡がっており、このことは、波長が長い領域が画像の上下、すなわち潤滑剤ＬＢの膜厚が最も薄くなっている部分から外側の方向（図２（ａ）の測定対象領域Ｒの真ん中の部分において紙面から表と裏の方向）に向かって分布している。波長が長いことは膜厚が厚いことを意味するため、外側ほど膜厚が厚くなっていることを意味する。

図６（ｃ）、（ｄ）はＳＬＩＭ法に用いたサンプル２、３の画像を示している。ＳＬＩＭ法も従来から実施されている方法であり、得られた画像の色合い（ＲＧＢの色相）と膜厚の関連性に基づき、膜厚を算出することができる方法であり、特許文献１に開示の方法も類似の方法である。本画像では、中央の円状の部分が潤滑剤ＬＢの膜厚が最も薄くなっている部分に相当し、その部分から外側に進むほど膜厚が厚くなっていることを示している。

図６（ｅ）、（ｆ）は、本実施形態の膜厚分布測定装置１を用いたサンプル２、３の画像を示しており、撮影方法は上述したものである。本画像も図６（ｃ）、（ｄ）と同様に、中央の円状の部分が潤滑剤ＬＢの膜厚が最も薄くなっている部分に相当し、その部分から外側に進むほど膜厚が厚くなっていることを示している。

そして、コンピュータ部９の膜厚分布推定部１２が、画像記録部１１に記録された図６の各画像に基づき、３種の波長の照射光について画素ごとに強度、さらには反射率を取得し、当該反射率から基板２と接触個片３の接触部分ＳＰの潤滑剤ＬＢの膜厚分布を算出した。表示部１０がこれらの値をグラフの形式で表示することができる。図７〜図１１は表示部１０が表示するグラフである。

図７は、青色波長（４７０ｎｍ）の照射光の照射時における径方向Ｘについての反射率を示すグラフであり、（ａ）はサンプル２のグラフ、（ｂ）はサンプル３のグラフである。図８は、緑色波長（５６０ｎｍ）の照射光の照射時における径方向Ｘについての反射率を示すグラフであり、（ａ）はサンプル２のグラフ、（ｂ）はサンプル３のグラフである。図９は、赤色波長（６４５ｎｍ）の照射光の照射時における径方向Ｘについての反射率を示すグラフであり、（ａ）はサンプル２のグラフ、（ｂ）はサンプル３のグラフである。本実施形態の膜厚分布測定装置１により得られた反射率と、分光法により得られた反射率はよく一致していることが理解される。

図１０は、測定対象領域Ｒの中央位置における干渉光の波長に対する反射率を示すグラフであり、（ａ）はサンプル２のグラフ、（ｂ）はサンプル３のグラフである。本実施形態の膜厚分布測定装置１により得られた反射率と、分光法により得られた反射率のスペクトル（波長λに依存した周波数特性）はよく一致していることが理解される。今回の実験で本実施形態では、３点（青色波長４７０ｎｍ、緑色波長５６０ｎｍ、赤色波長６４５ｎｍ）の波長での反射率のみを得ているが、この３点の反射率は分光法により得られた反射率のスペクトルとよく一致しており、３点の情報だけでも膜厚を得ることが可能である。

図１１は、径方向Ｘについての膜厚分布を示すグラフであり、（ａ）はサンプル２のグラフ、（ｂ）はサンプル３のグラフである。膜厚ｈは、図７〜図９の反射率に基づき算出することができる。図１１（ａ）は、本実施形態の膜厚分布測定装置１により得られた膜厚と、分光法により得られた膜厚と、ＳＬＩＭ法により得られた膜厚はよく一致していることを示している。

一方、図１１（ｂ）は、本実施形態の膜厚分布測定装置１により得られた膜厚と分光法により得られた膜厚は比較的一致しているのに対し、ＳＬＩＭ法により得られた膜厚は一致しておらず、ＳＬＩＭ法の精度が低いことを示している。すなわち、図３（ｂ）のように、第１の金属薄膜２１（Ｃｒ）膜、第２の金属薄膜２３（Ｆｅ膜）が存在する場合、本実施形態の膜厚分布測定装置１によれば精度よく膜厚を得られるのに対し、ＳＬＩＭ法によれば得られる膜厚の精度はよくない。

すなわち、ＳＬＩＭ法は色相と膜厚の関係を利用しており、色があまり変化しないような微小な膜厚変化に対しては有効とは言い難い。例えば第１の金属薄膜２１（Ｃｒ）膜、第２の金属薄膜２３（Ｆｅ膜）の場合は、第１の金属薄膜２１と第２の金属薄膜２３の間で生じる光干渉が潤滑剤ＬＢの膜厚によらず常に強調されるので、色合いの変化があまりない状況となり、ＳＬＩＭ法は有効ではない。

一方、本実施形態の膜厚分布測定装置１によれば、第１の金属薄膜２１（Ｃｒ）膜、第２の金属薄膜２３（Ｆｅ膜）の場合であっても、照射した光の反射率を利用するため精度のよい膜厚の測定を行うことが可能である。

本実施形態では、３種類の波長により生じた光干渉像を撮像し、その３種類の波長に対応する画像、すなわちＲＧＢ画像から３波長の強度（例えば反射率）を求め、光干渉多層構造の多光束モデルを用いて膜厚の同定解析をおこなうことで、潤滑剤の膜厚の空間分布を測定することができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

１ 膜厚分布測定装置
２ 基板
３ 接触個片
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
１４ トルク測定部
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 トルクメータ
５６ 本体部
５７ シャフト
６０ アクチュエータ
６１ 可動子
６３ ホルダ
６５ 押付荷重測定部（ロードセル）
７０ 照明ユニット
７２ 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）
Ｔ 伝達トルク

Claims (5)

1. 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、
   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の接触部分に向けて少なくとも３種類の波長を含む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、当該波長毎の強度を取得し、当該強度に基づき前記基板と前記接触個片の接触部分の前記潤滑剤の膜厚分布を算出する膜厚分布推定部を備えた、膜厚分布測定装置。
2. 請求項１に記載の膜厚分布測定装置であって、
   前記膜厚分布推定部は前記強度から反射率を算出し、当該反射率に基づき前記膜厚分布を算出する、
   膜厚分布測定装置。
3. 請求項１に記載の膜厚分布測定装置であって、
   前記基板と前記接触個片を互いに衝突させ、前記基板と前記接触個片の接触部分に撃力を印加する撃力印加機構を更に備え、
   前記干渉色撮像部が高速度カメラにより構成される、
   膜厚分布測定装置。
4. 請求項１に記載の膜厚分布測定装置であって、
   前記基板が、ガラス製の本体と、前記本体上に第１の金属薄膜と、前記第１の金属薄膜上に製膜された透明膜と、前記透明膜上に製膜された第２の金属薄膜と、を備える、
   膜厚分布測定装置。
5. 請求項４に記載の膜厚分布測定装置であって、
   前記第１の金属薄膜がＣｒ膜であり、前記第２の金属薄膜がＦｅ膜である、
   膜厚分布測定装置。