JP2023060155A - Film thickness distribution measurement device - Google Patents

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千治 田所
Chiharu Tadokoro
拓夫 長嶺
Takuo Nagamine
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NSK Ltd
Saitama University NUC
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NSK Ltd
Saitama University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an accurate film thickness distribution with high efficiency on the basis of intensity of interference light.
SOLUTION: A film thickness distribution measurement device 1 for measuring a film thickness distribution of a lubricant that lubricates a contact portion of objects in an EHL state comprises: a substrate 2 that has light permeability; a contact piece 3 that contacts the substrate 2 through a lubricant LB; a light source section 7 that emits light including at least three kinds of wavelengths toward a contact portion SP between the substrate 2 and the contact piece 3; an interference light imaging section 8 that takes an image of light reflected from the contact portion SP between the substrate 2 and the contact piece 3, through the substrate 2, and obtains a colored fringe as an interference color image; and a computer section 9. The computer section 9 comprises: an image recording part 11 that records the interference color image taken by the interference color imaging section 8; and a film thickness distribution estimation part 12 that performs color separation for each light having at least three kinds of wavelengths from color information at each point included in the selected interference color image among the interference color images recorded in the image recording part 11, obtains intensity for each of the wavelengths and calculates the film thickness distribution of the lubricant LB at the contact portion SP between the substrate 2 and the contact piece 3 on the basis of the intensity.
SELECTED DRAWING: Figure 3
COPYRIGHT: (C)2023,JPO&INPIT

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 平成30年10月29日にトライポロジー会議2018秋 伊勢の予稿集にて公開 〔刊行物等〕 平成30年11月7日~9日にトライポロジー会議2018秋 伊勢にて公開Applied for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Published in Tripology Conference 2018 Autumn Proceedings of Ise on October 29, 2018 [Publications] Tripology Conference 2018 Autumn from November 7 to 9, 2018 Released at Ise

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 the film thickness distribution of a lubricant at a contact portion of a rotating rotating body or a sliding object with respect to a substrate that rotates or reciprocates through the lubricant.

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 an inner ring (the other object) are in line contact or point contact. At this time, since the load is concentrated on the contact portion of the objects, the objects elastically deform and the lubricating oil enters an elasto-hydrodynamic lubrication state (EHL state) in which the lubricating oil has high pressure and high viscosity.

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)。 As a conventional film thickness distribution measuring apparatus for observing the EHL state of such a bearing, an image recording unit for recording an interference color image captured by an interference color imaging unit, and an interference color image recorded in the image recording unit , from the color information of each point included in the selected interference color image, color separation is performed for each light of at least three wavelengths to calculate the luminance value, the phase for each wavelength, and a plurality of film thickness candidates, and the calculated There is one that includes a film thickness distribution estimating unit that estimates the film thickness distribution of the lubricant at the contact portion between the substrate and the contact pieces from a plurality of film thickness candidates (see Patent Document 1).

特開2017-44587号公報JP 2017-44587 A

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。 The conventional technique is a method of measuring the film thickness distribution solely from the relationship between the film thickness of the lubricant and basic elements of color such as hue and brightness. Such a method can acquire the film thickness distribution in a certain area by one observation, and it is a method that can obtain results quickly, but the accuracy of the obtained film thickness is not necessarily high. I can not say.

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。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technique capable of obtaining a film thickness distribution with high efficiency and good accuracy.

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。 A film thickness distribution measuring apparatus according to the present invention is a film thickness distribution measuring apparatus for measuring the film thickness distribution of a lubricant that lubricates contact portions between objects in an EHL state, comprising: a substrate having light transmittance; a contact piece that comes into contact with the above through the lubricant, a light source unit that irradiates light containing at least three wavelengths toward the contact portion between the substrate and the contact piece, and the contact piece between the substrate and the contact piece. An interference color imaging unit for capturing an image of the light reflected from the contact portion through the substrate and acquiring color interference fringes as an interference color image, and a computer unit, wherein the computer unit includes the interference color imaging. an image recording unit for recording the interference color image captured by the image recording unit; a film thickness distribution estimating unit that separates colors for each wavelength of light, acquires the intensity for each wavelength, and calculates the film thickness distribution of the lubricant at the contact portion between the substrate and the contact piece based on the intensity. Prepare.

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。 According to the present invention, highly efficient and accurate film thickness distribution can be obtained based on the intensity of interference light.

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。Schematic diagram showing the overall configuration of a film thickness distribution measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 is a partial enlarged view showing an enlarged part of the film thickness distribution measuring apparatus of the embodiment, (a) an enlarged view of the substrate and the contact pieces, (b) an example of the measurement target region R in (a). Enlarged view of . (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。(a) is a schematic diagram showing the overall configuration of a film thickness distribution measuring apparatus according to another embodiment of the present invention, and (b) is an enlarged view of an example of a measurement target region R in (a). 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。4 is a graph showing changes in various physical properties of Sample 1 over time. 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。4 is a graph showing the film thickness distribution in the radial direction X for Sample 1. FIG. 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。Observed images obtained by various methods, including (a) image of sample 2 by spectroscopic method, (b) image of sample 3 by spectroscopic method, (c) interference image of sample 2 by SLIM method, and (d) SLIM method. Interference image of sample 3, (e) Interference image of sample 2 using the film thickness distribution measuring device of FIG. interference image. 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。2 is a graph showing the reflectance in the radial direction X when irradiated with blue wavelength (470 nm) light for (a) sample 2 and (b) sample 3. FIG. 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。2 is a graph showing the reflectance in the radial direction X when irradiated with light having a green wavelength (560 nm), (a) sample 2 and (b) sample 3. FIG. 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。2 is a graph showing the reflectance in the radial direction X when irradiated with red wavelength (645 nm) light for (a) sample 2 and (b) sample 3. FIG. 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。2 is a graph showing the reflectance with respect to the wavelength of irradiation light, (a) sample 2, (b) sample 3. FIG. 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。4 is a graph showing the film thickness distribution in the radial direction X for (a) sample 2 and (b) sample 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。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated, using a figure. In each figure, the horizontal directions are expressed as the x direction and the y direction, and the direction perpendicular to the xy plane (that is, the gravitational 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。 FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of one embodiment embodying the present invention. FIG. 2 is a partial enlarged view showing an enlarged part of an example of an embodiment 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。 A film thickness distribution measuring apparatus 1 according to the present invention measures the film thickness distribution of a lubricant LB that lubricates a contact portion SP between a substrate 2 and a contact piece 3 in an EHL state. Specifically, the film thickness distribution measuring apparatus 1 captures an interference color image, and measures the film thickness distribution of the lubricant LB based on this interference color image. More specifically, the film thickness distribution measuring apparatus 1 includes a substrate 2, a contact piece 3, a moving mechanism 4, a rotating body rotating mechanism 5, a load applying mechanism 6, a light source section 7, an interference color imaging section 8, and a computer section 9. , a display unit 10, and the like.

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)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。 The substrate 2 is made of a material having optical transparency. Specifically, the substrate 2 can be exemplified by a transparent glass disk 20 that is flat in the xy direction and has a predetermined thickness in the z direction. More specifically, a metal thin film (semi-reflective film) 21 such as chromium (Cr) is formed on the lower surface of the disc 20, and a lubricant such as silicon oxide (SiO 2 ) is applied to the lower surface. A transparent film 22 having a refractive index similar to that of the agent LB is formed.

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 contact piece 3 rotates while being in contact with the substrate 2 via the lubricant LB. Specifically, as the contact piece 3, a steel ball 30, which is one type of rotating body, is exemplified. A shaft 31 is connected to the steel ball 30 . The shaft 31 has a predetermined length in a direction parallel to the xy plane (x direction in FIG. 1), and is connected to the rotating body rotating mechanism 5, which will be described later.

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。 Steel ball 30 is in contact with transparent film 22 on the lower surface of disc 20 via lubricant LB. An oil pan P is provided below the steel balls 30 to store the lubricant LB. When the steel ball 30 rotates, the lubricant LB accumulated in the oil pan P moves upward due to its own viscosity, and excess lubricant falls downward. Therefore, an appropriate amount of lubricant LB is supplied to the contact portion SP between the disc 20 and the steel ball 30 . Steel ball 30 has a radius of gyration RB.

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 mechanism 4 relatively moves the substrate 2 and the contact pieces 3 . Specifically, the moving mechanism 4 can be configured by a rotary motor 40 . The rotary motor 40 rotates the disk 20 about an axis perpendicular to the xy direction at a predetermined speed in the direction indicated by the arrow 2d, stops it, or rotates the disk 20 at a predetermined speed in the direction opposite to the arrow 2d. It rotates. More specifically, the rotary motor 40 includes a main body and a rotor (not shown) incorporated inside the main body. The rotary motor 40 is connected to the computer section 9, which will be described later in detail, via a motor amplifier unit (not shown), and the rotation direction and rotation speed of the disk 20 are appropriately controlled.

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 body rotating mechanism 5 rotates a steel ball 30 which is a rotating body. Specifically, the rotating body rotating mechanism 5 rotates the steel ball 30 and the shaft 31 at a predetermined speed in the direction of the arrow 3d, stops them, or rotates them at a predetermined speed in the direction opposite to the arrow 3d. It is something that makes More specifically, the rotating body rotating mechanism 5 includes a rotating motor 50 and a shaft 51 connected to the rotor of the rotating motor 50 .

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 rotary motor 50 is connected to the computer section 9, which will be described later in detail, via a motor amplifier unit (not shown), and the rotation direction and rotation speed of the shaft 51 are appropriately controlled.

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。 The load application mechanism 6 applies a load when the steel ball 30 is brought into contact with the disc 20 . Specifically, the load applying mechanism 6 pushes up the steel ball 30 arranged below the disc 20 . More specifically, the load applying mechanism 6 is configured with an actuator 60 and a holder 63 . The actuator 60 has a mover 61 that moves up and down by air, hydraulic pressure, or electric power.

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。 The rotational speed of the disk 20, the rotational speed of the steel ball 30, the pressing load of the actuator 60 of the load applying mechanism 6, and the like are set or assumed so as to reproduce the state in which the bearing is actually used. Set according to usage conditions. By doing so, the environmental conditions of the contact area in the bearing rotating in the EHL state can be set.

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。 The light source unit 7 irradiates the contact portion SP between the substrate 2 and the contact piece 3 with light L1 including at least three wavelengths. Specifically, the light source section 7 includes an illumination unit 70 and an illumination power source 75 .

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。 The lighting unit 70 emits light containing at least three wavelengths necessary for capturing an interference color image. Specifically, the lighting unit 70 includes a white lamp 72 , a reflector 71 , and a three-wavelength bandpass filter 73 . The white lamp 72 emits light in a wide band including blue: 470 nm, green: 560 nm, and red: 600 nm (so-called broad wavelength band), and a specific example is a halogen lamp. The reflector 71 reflects the visible light emitted from the white lamp 72 and increases the amount of the light L1 emitted to the outside. The three-wavelength band filter 73 passes at least three wavelength components (here, red, green, and blue are exemplified) in the light emitted from the white lamp 72, and attenuates other wavelength components. is. More specifically, the three-wavelength bandpass filter 73 is a so-called three-wavelength bandpass filter in which a plurality of thin films are formed on the surface of a glass or quartz substrate. Note that the three-wavelength band filter 73 only has to play the role of extracting at least three wavelength components from the light emitted from the white lamp 72 , and does not necessarily have to be arranged in the light source section 7 . That is, the three-wavelength band filter 73 may be arranged at any position on the optical path from the light source unit 7 to the interference color imaging unit 8, and the arrangement position is not particularly limited.

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。 Also, if it is possible to apply light of at least three wavelength components, the three-wavelength bandpass filter 73 is not necessarily required. For example, if three different wavelength laser sources are applied in place of the light source unit 7, particularly its white lamp 72, no filtering is required, ie, the three-wavelength bandpass filter 73 is not required. That is, the above-mentioned "the light source unit 7 (or the lighting unit 70) emits light containing at least three wavelengths" means only when the light from a single light source such as the white lamp 72 contains three wavelengths. However, it also means that there are three wavelengths of light emitted from three light sources such as three laser sources.

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。 The lighting power supply 75 supplies power necessary for light emission to the white lamp 72 of the lighting unit 70 .

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。 The interference color imaging section 8 captures the light L3 reflected from the contact portion SP between the substrate 2 and the contact piece 3 as an interference color image through the substrate 2 with the imaging camera 80 . Specifically, the interference color imaging unit 8 includes an imaging camera 80 and a lens unit 81 . Here, the light L3 reflected from the contact portion SP between the substrate 2 and the contact piece 3 includes the light reflected at the interface between the disk 20 and the metal thin film 21 (so-called surface reflected light) and the lubricant The light reflected at the interface between the LB and the steel ball 30 (so-called rear surface reflected light) is synthesized.

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。 The imaging camera 80 outputs a video signal (analog signal) and video data (digital signal) corresponding to a captured color image to the outside, and includes a color filter 85 and an imaging device 86 .

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。 The lens unit 81 forms an image of the contact portion SP between the substrate 2 and the contact piece 3 on the imaging element 86 of the imaging camera 80 . In addition, the lens unit 81 in this embodiment also has the role of irradiating the imaging target with the light emitted from the light source unit 7, and makes the illumination light the same as the imaging optical axis (that is, coaxial oblique method). be able to. Specifically, the lens unit 81 includes a half mirror 82 , an objective lens 83 and an imaging lens 84 . Therefore, the lens unit 81 reflects the light L1 emitted from the light source unit 7 by the half mirror 82 and irradiates the film thickness measurement target region R as the illumination light L2, so that the contact portion between the substrate 2 and the contact piece 3 Of the light L3 reflected from the SP, the light L4 that has passed through the objective lens 83 and the half mirror 82 can be imaged on the imaging device 86 of the imaging camera 80 by the imaging lens 84 .

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 computer unit 9 performs input and output of signals and data, storage of data, arithmetic processing on input or stored data, input and storage of images, image processing on these images, determination processing and image conversion based on image processing. It performs processing, determination results, output of images after image processing, and the like. Specifically, the computer section 9 includes an input section, an information recording section, a numerical calculation processing section, an image processing section, and an output section. More specifically, the computer unit 9 is composed of a computer (hardware) having an image processing function and its execution program (software). The computer unit 9 also includes information input devices such as a keyboard, mouse, and trackpad, and is connected to the display unit 10, which will be described later.

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。 The computer section 9 includes an image recording section 11 and a film thickness distribution estimation section 12 . The image recording section 11 records the interference color image captured by the interference color imaging section 8 . Specifically, the image recording section 11 is composed of an information recording section (for example, a magnetic recording medium such as a hard disk, a semiconductor memory, etc.) of the computer section 9 .

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。 The film thickness distribution estimating unit 12 performs color separation for each light of at least three wavelengths from the color information of each point included in the selected interference color image among the interference color images recorded in the image recording unit 11. , obtain the intensity for each wavelength, and further, for example, the reflectance corresponding to the intensity, and estimate the film thickness distribution of the lubricant LB at the contact portion SP between the substrate 2 and the contact piece 3 from the reflectance. . Specifically, the film thickness distribution estimating section 12 is composed of an image processing section and a numerical calculation processing section (hardware) of the computer section 9 and their execution programs (software).

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 the video data (digital signal) output from the interference color imaging unit 8 is input, the computer unit 9 performs predetermined image processing or image processing based on the execution program. The film thickness distribution can be estimated by storing the image in the recording unit 11, reading the image from the image recording unit 11, and performing predetermined image processing and numerical calculation processing in the film thickness distribution estimation unit 12. can.

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。 Furthermore, in this embodiment, a configuration including the pressing load measuring section 65 and the torque measuring section 14 is illustrated.

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。 The pressing load measuring section 65 measures the load when the steel ball 30 is pressed against the disc 20 . Specifically, the pressing load measuring section 65 includes a load cell and an amplifier section (not shown). The load cell is arranged between the mover 61 and the holder 63 of the load applying mechanism 6, measures the amount of strain in the load cell caused by the load when the steel ball 30 is pressed against the disk 20, and measures the amount of strain. This signal is output to the amplifier section. When the signal output from the load cell is input, the amplifier unit converts the amount of strain into a load value (or stress value), displays the load value, and transmits signals and data corresponding to the load value to the computer unit 9 or the It outputs to an external device such as the pressing load control unit 17, which will be described later.

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。 The torque measuring section 14 measures the transmission torque T during rotation of the steel ball 30, which is a body of rotation. Specifically, the torque measuring unit 14 is provided with a torque meter 55 arranged between the shaft 31 connected to the steel ball 30 and the shaft 51 of the rotary body rotating mechanism 5 . The torque meter 55 comprises a main body 56 and a shaft 57 and measures the transmission torque T acting on the shaft 57 . Specifically, since the shaft 57 twists when it rotates, the torque meter 55 measures the strain amount of the shaft 57 caused by this twist, converts it into a transmission torque T transmitted through the shaft 57, and outputs the torque. . One end of the shaft 57 is connected to the shaft 51 via the coupling 52, and the other end is connected to the shaft 31 via the coupling 53, so no slip occurs. Therefore, by measuring the transmission torque T of the shaft 57, the torque meter 55 can measure the transmission torque T during rotation of the steel ball 30, which is a rotating body. Further, the torque meter 55 can output a signal or data corresponding to the measured transmission torque T to the computer section 9 directly or via another device.

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。 The display section 10 is also called an information display or a display monitor, and when a video signal output from the computer section 9 is input, it displays characters, graphic information, etc. corresponding to the video signal. Specifically, the display unit 10 displays the selected interference color image from among the interference color images recorded in the image recording unit 11 and the film thickness distribution of the lubricant LB estimated by the film thickness distribution estimation unit 12. It displays an image or the like in the form of a two-dimensional distribution or graph.

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。 FIG. 2(b) shows an enlarged view of the film thickness measurement target region R in FIG. 2(a), showing an example of an optical model of the contact surface. The illumination light L2 irradiates the film thickness measurement target region R, and light (reflected light) L3 reflected from the contact portion SP is obtained. Here, the reflected light L3 is divided into a reflected light L31 at the interface between the disk 20 and the Cr film of the metal thin film 21 and a reflected light L32 at the interface between the lubricant LB and the steel ball 30 to form interference fringes. Of the lights L31 and L32, the light L4 that has passed through the objective lens 83 and the half mirror 82 can be imaged by the imaging lens 84 on the imaging device 86 of the imaging camera 80. FIG. At this time, by photographing the interference fringe image obtained through the light L4 with the imaging camera 80, the RGB intensity of each pixel in the film thickness analysis target image, that is, the light intensity I(λ) can be obtained. The light intensity I(λ) can be converted into reflectance, for example.

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。 In the film thickness distribution measuring apparatus 1 of the embodiment described above, a static load is applied to the steel ball 30 and the disc 20 by the load applying mechanism 6 . On the other hand, the film thickness distribution measuring apparatus 1 according to another embodiment shown in FIG. to take an image of the contact surface.

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。 In the embodiment of FIG. 3( a ), the steel balls 30 are housed in the container 101 and positioned below the disk 20 , and between the lubricant LB and the steel balls 30 , the lubricant LB exists. The disc 20 is housed in an arm of a lever 120 having a fulcrum 123 and an accelerometer 121 on the other arm of the lever 120 .

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。 A small steel ball 112 and a coil spring 110 are arranged on the opposite side of the disc 20 and the steel ball 30 with the fulcrum 123 of the lever 120 as the center. The restoring force of the coil spring 110 shoots a small steel ball 112 to collide with the arm (in the direction of arrow A), and the acting force can be applied as an impact force to the contact portion between the disk 20 and the steel ball 30 ( arrow B direction). At this time, the accelerometer 121 detects the timing of impulsive force application, and the contact surface image is acquired by the imaging camera 80 (interference color imaging unit 8) composed of a high-speed camera. That is, the coil spring 110, the small steel ball 112, and the lever 120 cause the substrate 2 (disk 20) and the steel ball 30, which is the piece of contact, to collide with each other, and the contact portion between the substrate 2 (disk 20) and the steel ball 30 It functions as an impact force application mechanism that applies an impact force to.

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。 Next, Experiment 1 performed using the film thickness distribution measuring apparatus 1 shown in FIG. 3(a) will be described. A flat plate (material: BK-7, diameter: 25 mm, thickness: 2 mm), which is a glass main body as the disk 20, is brought into contact with the steel ball 30 (material: SUJ2, diameter: 19.1 mm), and the contact portion is Lubricant LB was injected into and held by the meniscus. A small steel ball 112 (diameter: 19.1 mm, mass: 3.0 g) was shot by the restoring force of the coil spring 110 to collide with the arm of the lever 120, and the acting force was applied to the contact surface as an impact force. The timing of impulsive force application was detected by the accelerometer 121, and the image of the contact surface was acquired by the imaging camera 80 composed of a high-speed camera. Then, the buffering characteristics were evaluated from the time change of the film thickness identified by the film thickness analysis described below.

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膜にて製膜した。 In order to measure the film thickness of the lubricant LB at a high speed and also to measure its distribution state, the present experiment using a unique optical interference film thickness measurement method using three wavelengths (RGB) light showed clear interference fringes A metal thin film 21, which is a semi-reflecting film, was formed from a Cr film. In addition, a spacer layer was provided to increase the optical path in order to measure with high accuracy even when the lubricating film thickness is small. In Sample 1, which will be described later, as shown in FIG. 1(b), a transparent film 22 was formed from a SiO 2 film as a spacer layer.

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。 Also in the embodiment of FIG. 3(a), there is a measurement target area R as shown in FIG. 2(b). The reflected light L3 is divided into a reflected light L31 at the interface between the disk 20 and the metal thin film 21 and a reflected light L32 at the interface between the lubricant LB and the steel ball 30 to form interference fringes. An interference fringe image obtained through the light L4 as a medium was captured by the imaging camera 80 to obtain the RGB intensity of each pixel in the film thickness analysis target image, that is, the light intensity I(λ). The light intensity I(λ) is obtained, for example, in the form of reflectance.

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Iref(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Iref(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。 Here, the incoming irradiation light L2 contains three types of three-wavelength components (λ=420 nm, 515 nm, and 650 nm) by the three-wavelength bandpass filter 73, and the reflected light L31 and the reflected light L32 are respectively reflected at the two interfaces described above. to form interference fringes. An imaging camera 80 (maximum imaging speed: 540 kHz), which is a high-speed camera, captured an interference fringe image obtained using the light L4 as a medium to obtain the RGB intensity of each pixel in the film thickness analysis target image. This RGB intensity was taken as light intensity I(λ). Also, for reference, I ref (λ) was obtained from an observed image of the Si wafer taken under the same shooting conditions. Furthermore, considering the influence of the light sensitivity characteristics of the camera, crosstalk correction was performed on I(λ) and I ref (λ) to obtain I′(λ) and I′ ref (λ).

既知のSiウェハの反射率Rref(λ)を用いて、解析対象の反射率R(λ)=Rref(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(λ)より各界面のフレネル係数ρ(λ)、τ(λ)について多重反射を考慮して計算して反射率Rnum(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。 Using the known Si wafer reflectance R ref (λ), the reflectance R(λ)=R ref (λ)/I′ ref (λ)×I′(λ) was calculated. In each pixel , assuming the multi-layer optical model of FIG . The film thickness distribution estimator 12 calculated the film thickness h by theoretically calculating the reflectance R num (λ) and minimizing the error from R(λ). This film thickness measurement method can be applied to the film thickness distribution measurement of various multilayer films by correcting the optical model.

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膜が、スペーサレイヤー層の役割を果たす。 The sample 1 used in this experiment consists of a substrate 2 (disk 20) on which a Cr film (thickness: 5 nm) as the metal thin film 21 and a SiO 2 film (thickness: 580 nm) as the transparent film 22 are formed, and an untreated is a combination of steel balls 30 of This SiO 2 film serves as a spacer layer.

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。 For this sample, the disk 20 was brought into contact with the steel ball 30 under a static load of 10 N, and an impact force was applied while the lubricating agent LB was held by the meniscus, and changes over time in the acceleration a and the film thickness h were measured. The sampling frequency of the accelerometer 121 was set to 1 MHz, and the imaging speed of the imaging camera 80 was set to 10 kHz. The experiment was carried out at room temperature of 25° C. and humidity of 40%.

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。 FIG. 4 shows temporal changes in profiles of acceleration a, contact circle diameter φ, and film thickness h as experimental results of sample 1. In FIG. The time at which the accelerometer 121 detected the application of the impact force was t=0 ms. Also, the film thickness h is shown in the form of a value in the radial direction X with the center of the measurement target region R being 0. As shown in FIG. In the graph at the bottom of FIG. 4, the value of the film thickness h is small and values close to 570 nm are distributed from 0 μm at the center to around ±110 μm above and below in the radial direction X. FIG. The value of the film thickness h fluctuates around ±110 μm in the radial direction X, and increases to around 700 nm further outside in the radial direction X.

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hmin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。 FIG. 5 shows the profile of film thickness h at t=0 ms. Here, the film thickness h is the total film thickness of the lubricant LB film thickness and the spacer layer layer (the SiO 2 film as the transparent film 22 or the CPB film on the surface of the steel ball 30). The osculating circle diameter φ is the diameter of the outermost circumference circle of the minimum film thickness hmin , and is within the range indicated by the arrow in FIG.

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。 The osculating circle diameter φ was φ=214 μm for sample 1 at t=0 ms. Before the impact force was applied (t<0 ms), no change in contact circle diameter φ was observed.

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。 Immediately after the impact force was applied, sample 1 increased to φ = 223 µm at t = 1.7 ms, decreased to φ = 133 µm at t = 4.2 ms, and the contact circle diameter changed while repeating increases and decreases until t = 40 ms. It did not converge even at the time point. The frequency of the damped oscillation that appeared at φ was 266 Hz.

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)2.1×10Nm/radとガラス平板の剛性(ばね定数)2.0×10Nm/radの直列接続を仮定(合成ばね定数1.0×10Nm/rad)し、てこ機構の慣性モーメント3.6×10-3kgm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。 When calculating the contact surface diameter φ with a static load of 10 N using Hertz's contact theory, φ=216 mm, which matches the contact circle diameter at t=0 ms. The natural frequency fn of the experimental system is 2.1×10 4 Nm/rad in contact stiffness (spring constant) between the steel ball 30 and the substrate 2 (disk 20) and 2.0 in stiffness (spring constant) of the glass flat plate. Assuming a series connection of ×10 4 Nm/rad (combined spring constant 1.0×10 4 Nm/rad), fn=270 Hz is calculated from the moment of inertia of the lever mechanism of 3.6×10 −3 kgm 2 . Since the value of the natural frequency fn substantially matches the vibration frequency of the contact surface diameter φ that appeared in the experiment, the change in film thickness depends on the contact stiffness between the steel ball 30 and the substrate 2 (disk 20) and the substrate 2 ( It is considered that this is caused by the rigidity of the disk 20).

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。 As described above, many types of information can be obtained by obtaining the intensity (reflectance) of light of at least three wavelengths using the film thickness distribution measuring apparatus 1 of the embodiment. In particular, according to the experiment using the impact force generated by the film thickness distribution measuring apparatus 1 shown in FIG. 3(a), it is possible to obtain many types of information in a short time compared to the experiment in which a static load is applied. Also, it is possible to conduct the experiment while rotating the steel ball 30, in which case information including the effect of the fluid film can be obtained.

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膜(膜厚:500nm)を製膜した基板2(円板20)を用いた。 Next, Experiment 2 performed using the film thickness distribution measuring apparatus 1 shown in FIG. 3(a) will be described. The following two types of samples, Sample 2 and Sample 3, were used in this experiment. Sample 2 corresponds to the model diagram of FIG . A plate 20) was used.

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。 On the other hand, Sample 3 corresponds to the model diagram of FIG. 3(b). In FIG. 3B, the metal thin film 21 on the disk 20 made of glass is the first metal thin film 21, and the transparent film 22 is further provided on the transparent film 22, which is the second metal thin film. of metal thin film 23 is used. For example, the first metal thin film 21 is a Cr film, and the second metal thin film 23 is an Fe film.

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。 Here, the second metal thin film 23 corresponds to an object with which the steel ball 30 comes into contact under the environment in which the steel ball 30 is actually used. By forming the second metal thin film 23 from the Fe film, the experiment can be conducted in a situation closer to the actual use environment in which there is a member made of Fe with which the steel ball 30 comes into contact. Improves usability. In sample 3, a Cr film (film thickness: 7 nm) was formed as the first metal thin film 21, a SiO 2 film (film thickness: 500 nm) as the transparent film 22, and an Fe film (film thickness: 500 nm) as the second metal thin film 23. : 10 nm) was used. However, the wavelengths of the irradiation light in Experiment 2 were 470 nm (blue), 560 nm (green), and 645 nm (red). Other conditions are the same as Experiment 1.

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。 FIG. 6 shows observation images of the measurement target regions R of samples 2 and 3, including (a) an image of sample 2 obtained by spectroscopy, (b) an image of sample 3 obtained by spectroscopy, and (c) SLIM (Spacer Layer Imaging Method) method, (d) an interference image of sample 3 used in the SLIM method, (e) an interference image of sample 2 using the film thickness distribution measuring apparatus 1 of the present embodiment, ( f) Interference images of Sample 3 using the film thickness distribution measuring apparatus 1 of the present embodiment are respectively shown.

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。 FIGS. 6(a) and (b) show images of samples 2 and 3 by spectroscopy. Spectroscopy is a method that has been practiced in the past, and a line having a predetermined width in the measurement target region R, for example, a line in a direction perpendicular to the paper surface in the middle part of the measurement target region R in FIG. It is a method of spectrally separating incoming light for each wavelength λ using a prism or the like, and is a highly accurate measurement method. In FIGS. 6A and 6B, the horizontal axis corresponds to the wavelength λ (wavelength increases from left to right). On the other hand, the vertical axis represents spatial information, that is, the direction of one row. This is the portion where the film thickness is the thinnest. In this image, the band-like portion in the center expands in the vertical direction as it goes to the right of the horizontal axis. 2(a) (in the middle part of the measurement target region R in FIG. 2A). A longer wavelength means a thicker film thickness, meaning that the film thickness increases toward the outside.

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。 6(c) and (d) show images of samples 2 and 3 used in the SLIM method. The SLIM method is also a method that has been conventionally practiced, and is a method that can calculate the film thickness based on the relationship between the tint (RGB hue) of the obtained image and the film thickness, and is disclosed in Patent Document 1. is a similar method. In this image, the circular portion in the center corresponds to the portion where the film thickness of the lubricant LB is the thinnest, and the film thickness increases toward the outside from that portion.

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。 FIGS. 6(e) and 6(f) show images of samples 2 and 3 using the film thickness distribution measuring apparatus 1 of the present embodiment, and the photographing method is as described above. Similar to FIGS. 6(c) and (d), in this image, the circular portion in the center corresponds to the portion where the film thickness of the lubricant LB is the thinnest, and the film thickness increases outward from that portion. It shows that it is thicker.

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。 Then, the film thickness distribution estimating unit 12 of the computer unit 9 acquires the intensity and reflectance for each pixel of the irradiation light of the three wavelengths based on each image of FIG. 6 recorded in the image recording unit 11. , the film thickness distribution of the lubricant LB at the contact portion SP between the substrate 2 and the contact piece 3 was calculated from the reflectance. A display 10 can display these values in the form of a graph. 7 to 11 are graphs displayed by the display unit 10. FIG.

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。 7A and 7B are graphs showing reflectance in the radial direction X when irradiated with blue wavelength (470 nm) light, where (a) is the graph for sample 2 and (b) is the graph for sample 3. FIG. FIG. 8 is a graph showing the reflectance in the radial direction X at the time of irradiation with green wavelength (560 nm) light, where (a) is the graph for sample 2 and (b) is the graph for sample 3. 9A and 9B are graphs showing the reflectance in the radial direction X when irradiated with red wavelength (645 nm) light, where (a) is the graph for sample 2 and (b) is the graph for sample 3. It is understood that the reflectance obtained by the film thickness distribution measuring apparatus 1 of the present embodiment and the reflectance obtained by spectroscopy are in good agreement.

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。 10A and 10B are graphs showing the reflectance with respect to the wavelength of the interference light at the central position of the measurement target region R, where (a) is the graph for sample 2 and (b) is the graph for sample 3. FIG. It is understood that the reflectance obtained by the film thickness distribution measuring apparatus 1 of the present embodiment and the reflectance spectrum (frequency characteristics dependent on the wavelength λ) obtained by spectroscopy are in good agreement. In this experiment, in this embodiment, only the reflectance at the wavelengths of three points (blue wavelength 470 nm, green wavelength 560 nm, red wavelength 645 nm) was obtained, but the reflectance at these three points was obtained by spectroscopy. It agrees well with the reflectance spectrum, and it is possible to obtain the film thickness with only three points of information.

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。 11A and 11B are graphs showing the film thickness distribution in the radial direction X, where (a) is the graph for sample 2 and (b) is the graph for sample 3. FIG. The film thickness h can be calculated based on the reflectances shown in FIGS. FIG. 11A shows that the film thickness obtained by the film thickness distribution measuring apparatus 1 of this embodiment, the film thickness obtained by the spectroscopic method, and the film thickness obtained by the SLIM method are in good agreement. is shown.

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。 On the other hand, FIG. 11B shows that the film thickness obtained by the film thickness distribution measuring apparatus 1 of the present embodiment and the film thickness obtained by the spectroscopic method are relatively consistent, whereas the film thickness obtained by the SLIM method is relatively consistent. The obtained film thicknesses are inconsistent, indicating the low precision of the SLIM method. That is, when the first metal thin film 21 (Cr) film and the second metal thin film 23 (Fe film) exist as shown in FIG. Although the film thickness can be obtained with high accuracy, the precision of the film thickness obtained by the SLIM method is not good.

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。 That is, the SLIM method utilizes the relationship between the hue and the film thickness, and it is difficult to say that it is effective for such a minute change in film thickness that the color does not change much. For example, in the case of the first metal thin film 21 (Cr) film and the second metal thin film 23 (Fe film), the light interference generated between the first metal thin film 21 and the second metal thin film 23 causes the lubricant LB to Since the image is always emphasized regardless of the film thickness, there is little change in color tone, and the SLIM method is not effective.

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。 On the other hand, according to the film thickness distribution measuring apparatus 1 of the present embodiment, even in the case of the first metal thin film 21 (Cr) film and the second metal thin film 23 (Fe film), the reflectance is used, it is possible to measure the film thickness with high accuracy.

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。 In this embodiment, an optical interference image generated by three kinds of wavelengths is captured, and the intensity (for example, reflectance) of the three wavelengths is obtained from the image corresponding to the three kinds of wavelengths, that is, the RGB image, and the optical interference multilayer structure is obtained. The spatial distribution of the film thickness of the lubricant can be measured by performing identification analysis of the film thickness using the multi-beam model.

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。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified, improved, etc. as appropriate. In addition, the material, shape, size, numerical value, form, number, location, etc. of each component in the above-described embodiment are arbitrary and not limited as long as the present invention can be achieved.

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
1 film thickness distribution measuring device 2 substrate 3 contact piece 4 moving mechanism 5 rotating body rotating mechanism 6 load applying mechanism 7 light source unit 8 interference color imaging unit 9 computer unit 10 display unit 11 image recording unit 12 film thickness distribution estimating unit 14 torque Measurement unit 20 disk (one type of substrate)
21 Metal thin film 22 Transparent film 30 Steel ball (contact piece/one type of rotating body)
31 Shaft 40 Rotating motor 41 Connecting member 50 Rotating motor 51 Shaft 55 Torque meter 56 Body 57 Shaft 60 Actuator 61 Mover 63 Holder 65 Pressing load measuring unit (load cell)
70 Lighting unit 72 White lamp 75 Lighting power supply 80 Imaging camera 81 Lens unit 82 Half mirror 83 Objective lens 84 Imaging lens 85 Color filter 86 Imaging element LB Lubricant SP Contact portion RB between substrate and steel ball Rotation radius R of steel ball Film thickness measurement target area L1 Light L2 irradiated from the light source section Light L3 irradiated to the film thickness measurement target area Light reflected from the film thickness measurement target area (interference light)
Light passing through the L4 half mirror (interference light captured)
T transmission torque

Claims (5)

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。
A film thickness distribution measuring device for measuring the film thickness distribution of a lubricant that lubricates contact portions between objects in an EHL state,
a substrate having optical transparency;
a contact piece that contacts the substrate via the lubricant;
a light source unit that irradiates light containing at least three wavelengths toward a contact portion between the substrate and the contact piece;
an interference color imaging unit that captures an image of the light reflected from the contact portion between the substrate and the contact piece through the substrate and acquires color interference fringes as an interference color image;
Equipped with a computer section,
The computer section includes
an image recording unit for recording the interference color image captured by the interference color imaging unit;
From the interference color images recorded in the image recording unit, the color information of each point included in the selected interference color image is color-separated for each of the at least three wavelengths of light, and the intensity of each wavelength is obtained. and calculating the film thickness distribution of the lubricant at the contact portion between the substrate and the contact piece based on the intensity.
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。
The film thickness distribution measuring device according to claim 1,
The film thickness distribution estimation unit calculates the reflectance from the intensity, and calculates the film thickness distribution based on the reflectance.
Film thickness distribution measuring device.
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。
The film thickness distribution measuring device according to claim 1,
further comprising an impact force applying mechanism for causing the substrate and the contact piece to collide with each other and applying an impact force to the contact portion between the substrate and the contact piece;
The interference color imaging unit is composed of a high-speed camera,
Film thickness distribution measuring device.
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。
The film thickness distribution measuring device according to claim 1,
The substrate comprises a main body made of glass, a first metal thin film on the main body, a transparent film formed on the first metal thin film, and a second metal film formed on the transparent film. a thin film;
Film thickness distribution measuring device.
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。
The film thickness distribution measuring device according to claim 4,
wherein the first metal thin film is a Cr film and the second metal thin film is an Fe film;
Film thickness distribution measuring device.
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