JPH08304255A - 摩耗試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜材料の摩耗特性を測定することができ、
しかも試験中に摩耗状態をリアルタイムで数値化するこ
とが可能な摩耗試験機を提供する。 【構成】 試験開始前に採取した初期画像と、試験中に
サンプリングした画像信号とを判定部ｇで比較して初期
画像からの変化を求め、その変化の度合が基準値以上と
なる部分（画素）を剥離部と判定することで、カメラ画
像において剥離部の明となる場合、または暗となる場合
であっても剥離部を正確に判定できるようにし、しか
も、一度剥離部と判定した部分の画素位置を記憶する記
憶部ｈを設けることで、剥離の進行過程で剥離部が非剥
離部とほぼ同程度の明るさに変化しても、その影響が剥
離率の計算に及ばないようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜材料の摩耗特性を評
価するのに用いる試験機に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、摩耗試験としては、試験片（圧
子）を相手方材料（試料）に接触させて荷重を掛けた状
態で、そのいずれか一方に回転あるいは直線運動を与え
て相手方材料の表面上で試験片を一定時間だけ摺動さ
せ、その試料片または相手方材料の試験前後の重量減
（体積減）を測定することにより材料の摩耗特性を評価
する方法がある。

【０００３】ところが、このような測定方法は、試料を
薄膜材料とする場合には不向きな方法である。すなわ
ち、薄膜材料は体積がきわめて小さくてその摩耗量もき
わめて少ないため、試験前後の重量変化を精度良く測定
することは困難である。

【０００４】そこで、近年、薄膜材料の摩耗特性を評価
する装置として、試料裏面の状態をテレビカメラ等を利
用して光学的に撮らえ、その画像から試料（薄膜）の剥
離の状態を測定する試験機が提案されている（特開昭６
３−２２１２３１号公報）。

【０００５】この提案技術の摩耗試験機は、薄膜材料の
摩耗を面積的な減少として捉えるもので、摩耗により試
料表面に剥離が生じるとカメラで撮像した画像に、図９
に示すような明暗が現れ、その剥離した部分の幅をＡ1
・・Ａ4 とし、圧子の直径をＬとして剥離率を 剥離率＝（Ａ1+Ａ2+Ａ3+Ａ4 ）／Ｌ ・・・・ (1) と定義しており、この剥離率から摩耗特性を定量的に評
価することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した提
案技術によると、試料裏面を撮像した画像から剥離率を
求めるための具体的な方法（画像処理等）は明らかでは
ないが、その処理法としては、例えば、テレビカメラか
らの画像信号をモニタ上に表示し、その表示画面上でオ
ペレータらが摩耗（剥離）部分を判定し、上記した幅Ａ
1 ・・Ａ4 を求めて(1)式により剥離率を計算する等の方
法が考えられる。

【０００７】しかし、そのようなオペレータらによる処
理は、試験中にカメラからの画像信号をサンプリングす
るごとにリアルタイムで実行することは実質的に不可能
で、従って、このような処理の場合、試験中に画像信号
のサンプリングのみを行ってその各画像データをビデオ
レコーダ等に格納しておき、試験が完了した後に、採取
済の画像データをモニタの画面上に順次に呼出し、その
各画像データについて摩耗部分の判定と剥離率の計算等
を行うといった手順を採用せざるを得ず、このため試験
後に長時間にわたる作業が必要となる。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、薄膜材料の摩耗特性を測定することができ、し
かも試験中に摩耗状態をリアルタイムで数値化すること
が可能な摩耗試験機を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の摩耗試験機は、図１の基本概念図に示すよ
うに、基板上に薄膜が形成された試料Ｓの表面に圧子ａ
を設定荷重で押しつける負荷装置ｂと、試料Ｓもしくは
圧子ａのいずれか一方に直線運動または円運動を与える
摺動装置ｃと、試料Ｓの裏面像（もしくは表面像）を複
数の画素に分解して撮像する撮像手段ｄと、試験が開始
される前に撮像手段ｄの出力信号を採取して試料裏面
（もしくは試料表面）の初期画像を記憶する画像記憶部
ｅと、撮像手段ｄが出力する画像信号を所定周期で採り
込むサンプリング部ｆと、そのサンプリングごとに画像
信号と先に記憶の初期画像とを比較し、その画像変化の
度合が基準値よりも大となる画素位置を判定する判定部
ｇと、画像の変化度合が大と判定された画素位置を記憶
する位置記憶部ｈと、画像信号のサンプリングごとに判
定部ｇの判定結果と位置記憶部ｈの位置データを用いて
剥離率を求める演算部ｉを備えていることによって特徴
づけられる。

【００１０】

【作用】まず、試料裏面の画像をＣＣＤカメラ等により
撮像し、その画像から薄膜の面積的減少（剥離部の面
積）を測定するといった摩耗試験法によると、カメラ画
像において、剥離部は薄膜材料によって明るくなる場合
と暗くなる場合があり、また、一度剥離が発生した部分
でも、剥離が進むにつれて剥離していない部分とほぼ同
じ程度の明るさに変化する場合もある等の画像処理上の
問題があり、この点が実用化の際の妨げとなる。

【００１１】そこで、本発明の摩耗試験機では、試験開
始前に試料裏面の初期画像を採取して画像記憶部ｅに記
憶しておき、その初期画像と、試験中にサンプリングし
た画像信号とを判定部ｇで比較して初期画像からの変化
を求め、その変化の度合が基準値よりも大きくなった部
分（画素）を剥離部と見做すことで、カメラ画像におい
て剥離部が明となる場合、または暗となる場合であって
も剥離部を正確に判定できるようにし、しかも、一度剥
離部と判定した部分の画素位置を記憶する位置記憶部ｈ
を設けることで、剥離の進行過程で剥離部が非剥離部と
ほぼ同程度の明るさに変化しても、その影響が剥離率の
計算に及ばないようにしている。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を、以下、図面に基づいて説
明する。図２は本発明実施例の機構部の構成を示す正面
図、図３はその側面図である。

【００１３】まず、この例の試験機は、ガラス板の表面
に薄膜を形成した試料Ｓの摩耗特性を測定する装置で、
その機構部は、試料台１、負荷装置２、接触面顕微鏡
３、摺動装置４、観察用顕微鏡５、スライド装置６及び
昇降装置７によって主に構成されている。

【００１４】負荷装置２は、試料台１に置かれた試料Ｓ
の表面に圧子２ａを設定荷重で押しつけるための装置
で、図４に示すように、移動台２１ａに設けられたボー
ルねじ２１ｂとこれに噛み合う送りねじ２１ｃ、この送
りねじ２１ｃに回転力を与えるモータ２１ｄ等によって
構成されたねじ式移動機構２１と、この移動機構２１の
移動台２１ａに板ばね２２等を介して支持され、下部に
圧子２ａが装着されるロッド２３と、圧子２ａの接触に
より試料Ｓに作用する負荷荷重を検出するロードセル２
４を備えている。

【００１５】また、負荷装置２のロッド２３の下部に
は、圧子２ａを試料Ｓ上で摺動させた際に横方向の力を
検出するための摩擦力センサ２５が設けられている。こ
の摩擦力センサ２５は、例えば図５に示すように、圧子
２ａをロッド２３に変位自在（摺動方向）に支持する板
ばね２５ａと、この板ばね２５ａの側面に貼り着けられ
た歪みゲージ２５ｂ等によって構成されている。

【００１６】接触面顕微鏡３は、図６に示すように、試
料台１の置かれた試料Ｓの裏面（ガラス板を通した薄膜
の裏面）に、収束レンズ３ｃ及び試料台１の直角プリズ
ム１ａを通じて光を照射する光源３ｂと、その試料裏面
で反射された光を直角プリズム１ａ及び対物レンズ３ｄ
を介して受光するＣＣＤカメラ３ａを備えている。

【００１７】なお、この図６に示す光学系では、圧子２
ａの中心に相当する位置の試料Ｓの裏面像を撮像するよ
うになっているが、実際の場合、圧子２ａの先端面によ
る像がＣＣＤカメラ３ａの画像に悪影響を及ぼす可能性
があるので、本発明実施例では、図８の模式図に示すよ
うに、ＣＣＤカメラ３ａの撮像領域を、圧子２ａとは干
渉しない試料Ｓの端部とする。

【００１８】摺動装置４は、試料台１に左右方向の直線
往復運動を与える装置で、その摺動速度（周期）は、例
えば０．２５Hz，０．５Hz，１Hz，２Hzから選択できる
ようになっている。この摺動装置４の駆動・停止は、後
述する計測制御装置１２によって制御され、また、摺動
速度は同じく計測制御装置１２からの指令によって設定
される。

【００１９】観察用顕微鏡５は、通常、試験後の観察の
ために使用するが、この例では、試験開始前の準備段階
において試料Ｓの試験位置を求める際にも使用する。そ
の試験位置の設定操作は、試料台１に試料Ｓを置き、次
いでスライド装置６の駆動により試料Ｓを観察用顕微鏡
５の視野下に配置し、この状態で、試料Ｓの位置を手動
等により動かしつつ、試料Ｓの試験位置を観察用顕微鏡
５の視野中心に一致させ、この後、スライド装置６を先
とは逆の向きに同じ量だけ駆動することにより、圧子２
ａの中心を所望の試験位置に合わせるという手順で行
う。

【００２０】図７は本発明実施例の制御系の回路構成を
示すブロック図である。演算処理装置１１は、例えばコ
ンピュータであって、試験結果を記録するプリンタ１
４、試験結果表示用のＣＲＴ１５及び画像メモリ１３な
どが接続されている。その画像メモリ１３には、後述す
る初期の画像データと画素位置に関する位置データとを
それぞれ個別に格納するためのエリアが設定されてお
り、また、その各エリアはＣＣＤカメラ３ａの画素配列
に対応している。

【００２１】計測制御装置１２は、演算処理装置１１か
らの指令に応じて、負荷装置２、摺動装置４及びスライ
ド装置６をそれぞれ駆動制御する。なお、この計測制御
装置１２による負荷装置２の駆動制御は、目標値として
の設定荷重値とロードセル２４の検出値との偏差を無く
すべく、ねじ式移動機構２１の駆動するといったフィー
ドバック制御で、この制御により試料Ｓに圧子２ａを介
して所定の設定荷重を掛けることができる。

【００２２】さて、本発明実施例において注目すべきと
ころは、演算処理装置１１で実行される画像処理にあ
る。その処理動作を以下に説明する。まず、演算処理装
置１１は、試料Ｓのセッティングが完了した後、試験を
開始する前に、ＣＣＤカメラ３ａの出力信号を採取し
て、その画像信号を初期の画像データとして画像メモリ
１３内に格納する。

【００２３】次いで、試験を開始すると、所定のサンプ
リング周期でＣＣＤカメラ３ａの出力信号を採取してゆ
き、このサンプリングごとの画像信号と、画像メモリ１
３に格納した初期画像データとを比較し、その画像変化
の度合が、予め設定された基準値よりも大きくなる画素
があるか否かを判定し、この判定結果に基づいて剥離率
を求めるとともに、基準値以上の画素があれば、その画
素位置を画像メモリ１３内に格納する。

【００２４】ここで、本発明実施例では、剥離率は先の
(1)式を用いて計算するわけであるが、この (1)式にお
ける剥離幅の総和〔Ａ1 ＋,・・,＋Ａ4 ＋,・・,＋Ａn 〕は
次のようにして求める。

【００２５】まず、ＣＣＤカメラ３ａとして５行×２０
０列の画素がマトリクス状に配列されたものとし、その
各行の１００列分（中心振り分け）の画素が圧子２ａの
直径Ｌに相当するものと仮定し、このＣＣＤカメラ３ａ
で画像を採取した際に、その画像信号に基準値以上とな
る画素が、例えば２５０点がある場合、それらの点数を
行単位で平均化して１行分の点数を求め〔２５０／５＝
５０〕、この１行分の画素数５０点を剥離部の総和とす
る。そして、この総和（５０画素）と圧子２ａの直径Ｌ
（１００画素）を (1)式に代入することにより剥離率＝
５０％を得る。

【００２６】また、以上の剥離率の計算を行うとき、先
のサンプリング時に実行した画像処理により、画像メモ
リ１３内に、基準値以上となった画素の位置データが既
に格納されているときには、その画素位置のデータと、
今回の計算に用いる画素データとを照合し、格納済の画
素位置のデータから今回の画素データが増えた分だけ
を、その格納済のデータに加えた後に、上記した算出法
により剥離部の総和を求める。

【００２７】なお、以上の画像処理の際に用いる基準値
は、試料（薄膜）Ｓと圧子２ａの材料の組み合わせ等に
よって大きく左右されるので、ここでは具体的な数値は
挙げないが、実際に試験を行う際には、例えば、試験前
に圧子２ａを試料Ｓ上で所定時間だけ摺動させた後、観
察用顕微鏡５などを利用して剥離部を判定し、このとき
の接触面顕微鏡３による画像変化の度合を予め調査して
おき、その値を基準値とするといった方法を採用すれば
よい。

【００２８】次に、本発明実施例の作用を図８を参照し
て述べる。まず、試験を開始して１回目のサンプリング
が実行されると、その採取画像と初期画像とが比較さ
れ、この画像処理において初期画像からの変化の度合が
基準値以上となる画素がないと判定されたときには〔図
８(a) 〕、演算処理装置１１での剥離率の計算値は０と
なり、また、画像メモリ１３には剥離部に関する位置デ
ータが記憶されない。

【００２９】次いで、試験が進行して、ある回数目のサ
ンプリング時の画像処理において、画像の変化度合が基
準値以上となる画素があると判定されると、その判定結
果に基づいて剥離率が計算されるとともに、その基準値
以上の画素の位置データが画像メモリ１３にされる。

【００３０】いま、ある回数のサンプリングが完了した
ときの状態が、例えば図８(b) の模式図に示すように、
剥離部Ａ1 ・・Ａ4 が発生した状態になっているとし、こ
の状態から、さらに試験が進行して、１度剥離した部分
Ａ1 ・・Ａ4 が、反射率の変化等の原因により剥離前の元
の状態戻り、図８(c) の模式図に示すように、新たな剥
離部Ａ5 が新たに発生したとすると、この時の画像信号
では、剥離部Ａ5 に相応する点数の画素のみが基準値以
上と判定されるが、この時点では、１度剥離した部分Ａ
1 ・・Ａ4 に相当する画素位置に関するデータが画像メモ
リ１３に記憶されているので、その剥離部Ａ1 ・・Ａ4 に
新たな剥離部Ａ5 を加えたものを剥離部の総和として剥
離率が計算される。従って、このように剥離の進行過程
で剥離部が非剥離部とほぼ同程度の明るさに変化して
も、その影響が剥離率の計算に及ぶことはない。

【００３１】ここで、本発明実施例によると、以上述べ
た特徴に加えて、負荷装置２の圧子２ａを装着する部分
に摩擦力センサ２５を設けているので、そのセンサ出力
を演算処理装置１１を入力することにより摩擦係数を求
めることも可能で、これにより、１台の試験機で摩擦特
性と摩耗特性の双方を同時に測定することができるとい
った利点もある。

【００３２】なお、以上の実施例では、試料Ｓの直線往
復運動により圧子２ａを試料Ｓ上で摺動させているが、
その摺動時の運動は円運動であってもよい。また、圧子
２ａ側を運動させても本発明は実施可能であるが、装置
構成が複雑になる点を考慮すると試料Ｓ側を移動させる
構造の方が好ましい。

【００３３】さらに、以上の本発明実施例においては、
試料の裏面像を撮像して、その画像処理により剥離率を
求めるように構成しているが、本発明はこれに限られる
ことなく、試料の表面像をＣＣＤカメラ等により撮像し
て、その表面画像を用いて先と同様な処理、つまり初期
画像からの変化の度合に基づいて剥離部を判定して剥離
率を求めるとともに、一度剥離した部分（画素）は記憶
しておく、といった画像処理を行うように構成しても、
先の実施例と同等な効果を達成することができる。ま
た、このように試料の表面像を撮像する場合、薄膜を形
成基板は特に透明な基板である必要はない。

【００３４】本発明の他の実施態様として次のものが挙
げられる。請求項１に記載の構成に加えて、試料の平面
像を観察する顕微鏡を設けるとともに、その顕微鏡像を
利用して試料の試験位置を設定する手段を設けておけ
ば、確実な試験位置の位置決めが可能となる。

【００３５】また、請求項１に記載の構成に加えて、圧
子に対して摺動方向に作用する力を検出する力センサ
と、そのセンサ出力から摩擦係数を求める演算部を設け
ておけば、薄膜材料の摩擦特性と摩耗特性を同時に測定
することが可能な、今までに存在しない新規の摩擦・摩
耗試験機を実現できる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の摩耗試験
機によれば、試験開始前に試料裏面（もしくは試料表
面）の初期画像を採取し、この初期画像と、試験中にサ
ンプリングした画像信号とを比較して初期画像からの変
化を求め、その変化の度合が基準値よりも大きくなった
部分を剥離部と判定する画像処理機能を設け、しかも、
一度剥離部と判定した部分は記憶するように構成したの
で、カメラ画像において剥離部が明となる場合または暗
となる場合であっても、これに関係なく剥離部を正確に
判定でき、しかも剥離の進行過程で剥離部が非剥離部と
ほぼ同程度の明るさに変化しても、その影響が剥離率の
計算に及ぶことがなくなり、これにより画像処理の自動
化を達成できる。その結果、試験中に摩耗状態をリアル
タイムで数値化することが可能となるとともに、試験の
効率化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示す基本概念図

【図２】本発明実施例の機構部の構成を示す正面図

【図３】同じく機構部の構成を示す側面図

【図４】負荷装置２の構成図

【図５】摩擦力センサ２５の構成図

【図６】接触面顕微鏡３の光学系を示す図

【図７】本発明実施例の制御系の構成を示すブロック図

【図８】本発明実施例に作用説明図

【図９】剥離像を模式的に示す図

【符号の説明】

１ 試料台 １ａ 直角プリズム ２ 負荷装置 ２ａ 圧子 ２１ ねじ式移動機構 ２４ ロードセル ２５ 摩擦力センサ ３ 接触面顕微鏡 ３ａ ＣＣＤカメラ ３ｂ 光源 ４ 摺動装置 ５ 観察用顕微鏡 ６ スライド装置 ７ 昇降装置 １１ 演算処理装置 １２ 計測制御装置 １３ 画像メモリ Ｓ 試料

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に薄膜が形成された試料の摩耗特
   性を測定する試験機であって、試料表面に圧子を設定荷
   重で押しつける負荷装置と、試料もしくは圧子のいずれ
   か一方に直線運動または円運動を与える摺動装置と、試
   料の裏面もしくは表面像を複数の画素に分解して撮像す
   る撮像手段と、試験が開始される前に撮像手段の出力信
   号を採取して試料裏面もしくは表面の初期画像を記憶す
   る画像記憶部と、撮像手段が出力する画像信号を所定周
   期で採り込むサンプリング部と、そのサンプリングごと
   に画像信号と先に記憶の初期画像とを比較し、その画像
   変化の度合が基準値よりも大となる画素位置を判定する
   判定部と、画像の変化度合が大と判定された画素位置を
   記憶する位置記憶部と、画像信号のサンプリングごとに
   上記判定部の判定結果と上記位置記憶部の位置データを
   用いて剥離率を求める演算部を備えていることを特徴と
   する摩耗試験機。