(57)【要約】【課題】実使用される確認対象物の接触状態を再現でき、かつ、再現された接触状態を詳細かつ明瞭に観察可能な接触状態確認方法および接触状態確認装置を提供する。【解決手段】本発明の接触状態確認方法は、第一の屈折率を有する確認対象物１と第二の屈折率を有するプリズム２とを接触させることにより、確認対象物１のプリズム２との接触状態を確認する接触状態確認方法であって、プリズム２を通して確認対象物１に向けて光を照射し、その照射光を確認対象物１とプリズム２とが接触する接触面に対し１０°〜３０°の範囲の所定の角度で入射させ、プリズム２において、上記照射光の光路長と上記接触面で反射する反射光の光路長との和を１５ｍｍ以下に設定し、上記反射光に生じる明暗に基づいて、確認対象物１のプリズム２との接触状態を確認する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の屈折率を有する確認対象物と第二の屈折率を有するプリズムとを接触させることにより、上記確認対象物の上記プリズムとの接触状態を確認する接触状態確認方法であって、
上記プリズムを通して上記確認対象物に向けて光を照射し、
その照射光を上記確認対象物と上記プリズムとが接触する接触面に対し１０°〜３０°の範囲の所定の角度で入射させ、
上記プリズムにおいて、上記照射光の光路長と上記接触面で反射する反射光の光路長との和を１５ｍｍ以下に設定し、
上記反射光に生じる明暗に基づいて、上記確認対象物の上記プリズムとの接触状態を確認する接触状態確認方法。
【請求項２】
上記確認対象物と上記プリズムとの間に、上記第一の屈折率および上記第二の屈折率と異なる第三の屈折率を有する液体を介在させながら上記確認対象物と上記プリズムとを接触させる請求項１に記載の接触状態確認方法。
【請求項３】
上記確認対象物と上記プリズムとが接触する接触面において、上記確認対象物と上記プリズムとを最高相対速度５．０ｍ／秒以下で接触させながら移動させる請求項１または２に記載の接触状態確認方法。
【請求項４】
上記反射光を光学拡大手段に通過させることにより２．５倍以上２５倍以下に拡大された像を形成し、上記拡大された像に生じる明暗に基づいて、上記確認対象物の上記プリズムとの接触状態を確認する請求項１〜３のいずれか一項に記載の接触状態確認方法。
【請求項５】
上記プリズムがドーブプリズムまたは三角プリズムである請求項１〜４のいずれか一項に記載の接触状態確認方法。
【請求項６】
第一の屈折率を有する確認対象物を支持する支持部材と、
第二の屈折率を有するプリズムと、
そのプリズムを上記支持部材によって支持された確認対象物に押圧するプリズム押圧手段および上記支持部材によって支持された確認対象物を上記プリズムに押圧する確認対象物押圧手段の少なくとも一方と、
上記支持部材によって支持された確認対象物に向けて上記プリズムを通して光を照射するための光源とを備え、
上記光源からの照射光の上記確認対象物と上記プリズムとが接触する接触面への入射が当該接触面に対して１０°〜３０°の範囲の所定の角度に設定され、
上記プリズムにおいて、上記照射光の光路長と上記接触面で反射する反射光の光路長との和が１５ｍｍ以下に設定されている、上記確認対象物の上記プリズムとの接触状態を確認するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、研磨材や摩擦材等の表面とこれらに当接される相手材の表面との接触を再現することによって接触状態や接触面積を把握できる、接触状態確認方法および接触状態を確認するために用いる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス研磨やハードディスク研磨等の研磨は、通常、水や研磨スラリー等の液体を介在させた状態で、研磨材に研磨対象物を押し付け、研磨材と研磨対象物の両者を共に自転させるなどして互いに接触・摺動させることにより行われている。また、自動変速機用湿式クラッチ等の摩擦材では、潤滑油等の液体を介在させた状態で実使用に供されている。このような研磨材や摩擦材の性能をより向上させるためには、これら研磨材や摩擦材の表面と、それに当接される相手材の表面（相手面）との接触状態や摩擦摩耗状態などを評価する必要がある。上記研磨材や摩擦材は、通常、表面に微細な凹凸を有していて、微視的にはその凸部が相手面と真に接触しており、研磨材や摩擦材が相手面に直接的に作用する真の接触点あるいは接触領域がこれらの性能を決定付ける重要な要因の一つとなっている。そのため、実使用下における接触状態を把握することは極めて重要である。しかしながら、上記研磨材や摩擦材が相手面と接触した状態を直接観察することは困難であるため、観察すべき研磨材や摩擦材と相手面との接触状態を観察可能な状態に再現する必要性が生じる。
【０００３】
このような観点から、図４に示すように、実際に使用される相手材の代わりに透明プリズムを観察すべき試料に押圧し、上記透明プリズムを通して試料に光をあて、その反射光をＣＣＤカメラで撮像することにより、真の接触点を確認する方法が知られている（例えば、特許文献１の従来の技術の項を参照）。図４においては、試料１０１の観察表面が倒立台形状の透明プリズム１０２に接触するようにその上面に載置し、押圧ブロック１０３を介してスラスト荷重Ｆを試料１０１に与えて、試料１０１を透明プリズム１０２の平滑な上面に押し付けている。この透明プリズム１０２の上面と、観察される表面である試料１０１の下面との間には、必要に応じて潤滑油を塗布する場合がある。透明プリズム１０２の片側下方には、光源１０４と、コリメータレンズ１０５と、偏光板１０６と、１／４波長板１０７とが設けられ、他方には偏光板１０８と、集光レンズ１０９と反射鏡１１０と、ＣＣＤカメラ１１１と、画像処理システム１１２とが設けられている。そして、光源１０４から出た光はコリメータレンズ１０５、偏光板１０６および１／４波長板１０７を通過して透明プリズム１０２の片面から透明プリズム１０２内に垂直に入射し、試料１０１の被観察面である下面で反射する。この反射光は透明プリズム１０２の他面から垂直方向に出て、偏光板１０８、集光レンズ１０９を通過して反射鏡１１０で反射し、ＣＣＤカメラ１１１に入射する。透明プリズム１０２に入射した光は、試料１０１の被観察面と透明プリズム１０２の上面とが接触していない非接触部分では透明プリズム１０２の上面で全反射する一方、接触部分では試料１０１に吸収される。そのため、上記反射光は、非接触部分では明るく接触部分では相対的に暗い像を与える。この状態の像をＣＣＤカメラ１１１で撮像し、得られた撮像データを画像処理システム１１２において、例えば、像における明暗に応じて多値化処理を施すなどすることで試料１０１の被観察面と透明プリズム１０２との接触状態を把握できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２４７７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の技術では、例えば、確認対象物（試料）とプリズムとの接触状態を顕微鏡を用いて確認する際に、確認対象物から顕微鏡のレンズまでの光路長が長くなることに起因して、十分な拡大像を得ることが困難となったり、収差の影響が大きくなり結像しにくくなったりする。そのため、高倍率の拡大像によって詳細な接触状態を確認するためにはさらなる改良の余地があった。
【０００６】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであって、実使用される確認対象物の接触状態を再現でき、かつ、再現された接触状態を詳細かつ明瞭に観察可能な接触状態確認方法および接触状態確認装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく検討を重ねた結果、本発明者は、小型のプリズムを用いると、上記した従来技術とは異なり、高倍率条件においても、明瞭な観察像が得られることを見出し、当該知見に基づいてさらに検討を重ねて本発明を完成させた。
【０００８】
本発明の接触状態確認方法は、第一の屈折率を有する確認対象物と第二の屈折率を有するプリズムとを接触させることにより、上記確認対象物の上記プリズムとの接触状態を確認する接触状態確認方法であって、上記プリズムを通して上記確認対象物に向けて光を照射し、その照射光を上記確認対象物と上記プリズムとが接触する接触面に対し１０°〜３０°の範囲の所定の角度で入射させ、上記プリズムにおいて、上記照射光の光路長と上記接触面で反射する反射光の光路長との和を１５ｍｍ以下に設定し、上記反射光に生じる明暗に基づいて、上記確認対象物の上記プリズムとの接触状態を確認する。
【０００９】
本発明の接触状態確認方法において、上記確認対象物と上記プリズムとの間に、上記第一の屈折率および上記第二の屈折率と異なる第三の屈折率を有する液体を介在させながら上記確認対象物と上記プリズムとを接触させることが好ましい。
【００１０】
また、上記確認対象物と上記プリズムとが接触する接触面において、上記確認対象物と上記プリズムとを最高相対速度（プリズム上の確認対象物と接触する各地点における、プリズムと確認対象物との相対速度のうちの最高の相対速度）５．０ｍ／秒以下で接触させながら移動させることが好ましい。
【００１１】
さらに、上記反射光を光学拡大手段に通過させることにより２．５倍以上２５倍以下に拡大された像を形成し、上記拡大された像に生じる明暗に基づいて、上記確認対象物の上記プリズムとの接触状態を確認することが好ましい。
【００１２】
さらにまた、上記プリズムがドーブプリズムまたは三角プリズムであることが好ましい。
【００１３】
本発明の装置は、第一の屈折率を有する確認対象物を支持する支持部材と、第二の屈折率を有するプリズムと、そのプリズムを上記支持部材によって支持された確認対象物に押圧するプリズム押圧手段および上記支持部材によって支持された確認対象物を上記プリズムに押圧する確認対象物押圧手段の少なくとも一方と、上記支持部材によって支持された確認対象物に向けて上記プリズムを通して光を照射するための光源とを備え、上記光源からの照射光の上記確認対象物と上記プリズムとが接触する接触面への入射が当該接触面に対して１０°〜３０°の範囲の所定の角度に設定され、上記プリズムにおいて、上記照射光の光路長と上記接触面で反射する反射光の光路長との和が１５ｍｍ以下に設定されている、上記確認対象物の上記プリズムとの接触状態を確認するための装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、確認対象物の被観察面において再現された接触の状態を高倍率で詳細かつ明瞭に確認できる接触状態確認方法および接触状態を確認するための装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施態様を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１において得られた高速度カメラによる顕微鏡写真画像である。
【図３】本発明の比較例１において得られた高速度カメラによる顕微鏡写真画像である。
【図４】従来技術の一態様を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態である接触状態確認方法を、その一例として図１の概略図で示した装置をもとに説明する。図１の装置を用いた本実施形態の方法では、第一の屈折率を有する確認対象物１の下面を支持部材４に支持、確認対象物１の上面に第二の屈折率を有するプリズム２の底面を押し付け、プリズム２を押圧するプリズム押圧手段３で荷重を加え、液体供給手段１５から供給される第三の屈折率を有する液体を確認対象物１の上面とプリズム２の底面との間に介在させながら、プリズム２に向け、光源５から光を照射し、コリメータレンズ６、偏光板７、１／４波長板８を通過させ、確認対象物１とプリズム２との間で全反射を起こさせ、照射した光の反射光に生じる明暗に基づいて、確認対象物１とプリズム２との接触状態を確認することにより行われる。
【００１７】
接触状態が確認される確認対象物１としては、例えば、ガラス研磨やハードディスク研磨等の研磨に使用される研磨材、自動変速機用湿式クラッチ等の摩擦材、タイヤなどが挙げられる。本実施形態の接触状態確認方法で確認される確認対象物１の具体的な素材としては、例えば、ポリウレタン等の樹脂、ゴム、金属などが挙げられる。
【００１８】
中でも、接触部分と非接触部分とのコントラストが向上し接触の状態をより詳細かつ明瞭に観察できるように、２５℃における波長５８９ｎｍの光の屈折率が１．４〜１．６の範囲内（第一の屈折率）にある確認対象物１が好ましい。
【００１９】
プリズム２としては、接触状態を確認する際に照射される光およびその反射光を透過させることができるものであれば特に制限されない。プリズム２を構成する素材としては、例えば、ガラス、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート等が挙げられる。
【００２０】
中でも、接触部分と非接触部分とのコントラストが向上し接触の状態をより詳細かつ明瞭に観察できるように、２５℃における波長５８９ｎｍの光の屈折率が１．４〜１．６の範囲内（第二の屈折率）にあるプリズム２が好ましい。なお、上記第一の屈折率と第二の屈折率は互いに同じであっても異なっていてもよい。
【００２１】
光源５からの照射光の確認対象物１とプリズム２とが接触する接触面への入射は当該接触面に対して１０°〜３０°（入射角としては８０°〜６０°）の範囲の所定の角度に設定され、プリズム２における上記照射光の光路長と、プリズム２における上記接触面で反射する反射光の光路長との和は１５ｍｍ以下に設定される。プリズム２の形状としては、ドーブプリズムまたは三角プリズムが好ましく、ドーブプリズムがより好ましい。
【００２２】
プリズム２と確認対象物１の接触は両者を互いに押し付けることにより行うことができ、例えば、プリズム押圧手段３および支持部材４に支持された確認対象物１をプリズム２に押圧する確認対象物押圧手段１６の少なくとも一方を用いて行うことができる。プリズム押圧手段３としては、例えば、アクチュエータ、重り等が挙げられる。また、確認対象物押圧手段１６としては、例えば、アクチュエータ、ジャッキ等が挙げられる。なお、プリズム２と確認対象物１とは、それらの少なくとも一部において両者が実質的に接触していればよい。
【００２３】
また、プリズム２と確認対象物１の間に第三の屈折率を有する液体を介在させることにより、実使用下における確認対象物１と相手材（研磨対象物や摩耗対象物など）との接触条件をより正しく再現することが可能となるが、第三の屈折率を有する液体を供給しながらプリズム２と確認対象物１とを接触させて接触状態を確認することが好ましい。プリズム２と確認対象物１の間に介在させるための液体を供給する液体供給手段１５としては、特に限定されないが、例えば、確認対象物１が研磨材である場合に、実際の研磨材と研磨対象物との運動を再現できるように、１分あたり０〜４００ｍｌの液体を滴下可能な装置であることが好ましい。
【００２４】
確認対象物１とプリズム２との間に介在させることのできる、確認対象物１の屈折率である第一の屈折率およびプリズム２の屈折率である第二の屈折率と異なる第三の屈折率を有する液体は、確認対象物１の用途などに応じて適宜選定することができ、特に限定はされないが、水、エタノール、メタノール、２−プロパノール、アセトン等が挙げられる。
【００２５】
介在させる液体の屈折率（第三の屈折率）は、接触部分と非接触部分とのコントラストが向上し接触の状態をより詳細かつ明瞭に確認できるように、２５℃における波長５８９ｎｍの光の屈折率として、１．２８〜１．３８の範囲内にあることが好ましく、１．３１〜１．３５の範囲内にあることがより好ましい。
【００２６】
光源５から確認対象物１への光の照射はプリズム２を介して行う。光を照射するための光源５としては、例えば、ハロゲンランプ、ＬＥＤランプ、ＨＩＤ（高輝度放電）ランプ等が挙げられるが、高輝度であることから、ＨＩＤランプが好ましい。
【００２７】
本実施形態では、確認対象物１を水平回転させながら接触状態を確認できる。確認対象物１を回転させることにより確認対象物１とプリズム２との動的な接触状態を確認できる。確認対象物１の回転はそれを支持する支持部材４を回転させることにより行うことができる。回転の駆動源として使用することのできるモーターは、例えば、確認対象物１が研磨材である場合に、実際の研磨材と研磨対象物との運動を再現できるように、確認対象物１を０〜２５０ｒｐｍの範囲内で回転させることができるものが好ましい。
【００２８】
上記照射光によって得られる、プリズム２と確認対象物１との巨視的な境界面からの反射光に生じる明暗に基づいて、確認対象物１のプリズム２との接触状態を確認できる。接触状態は反射光を目視により確認することにより行うことができるが、接触状態をより詳細かつ明瞭に確認できるように、上記反射光を光学拡大手段１１に通過させることにより得られる拡大された像に生じる明暗に基づいて、接触状態を確認することが好ましい。光学拡大手段１１としては、例えば、光学顕微鏡、ルーペ等が挙げられ、光学顕微鏡が好ましい。また、反射光は偏光板９および集光レンズ１０を通過させた後、光学拡大手段１１に通過させることが好ましい。
【００２９】
光学拡大手段１１を通過させることにより得られる拡大された像の、拡大される前の像に対する光学倍率としては、接触状態をより詳細かつ明瞭に確認することができるように、またあまりに高すぎて接触部分または非接触部分を見出すことが困難とならないように、光学倍率２．５倍以上２５倍以下であることが好ましい。
【００３０】
また、上記拡大された像は、撮像手段１２によって撮像し、得られた撮像データを、必要に応じてパーソナルコンピュータ等の画像処理システム１３などにより処理した後に、液晶ディスプレイ、ブラウン管ディスプレイ、プラズマディスプレイ、プロジェクタ、有機ＥＬディスプレイ等の表示手段１４によって画像として表示することが好ましい。上記画像に生じる明暗に基づいて、接触状態をより詳細かつ明瞭に確認できる。撮像手段１２としては、例えば、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等が挙げられる。
【００３１】
また、撮像手段１２として高速度カメラを用いると、確認対象物１を回転させた場合であっても接触状態をより詳細かつ明瞭に確認できることから好ましい。高速度カメラとしては、反射光を光学拡大手段１１に通過させることにより得られる拡大された像を撮像する際に確認対象物１が高速で回転していても接触状態を充分に確認できるように、撮影フレームレートが２，０００ｆｐｓ以上のものであることが好ましく、３，０００ｆｐｓ以上のものであることがより好ましく、５，０００ｆｐｓ以上のものであることがさらに好ましい。また、高速度カメラによって撮像する際のシャッタースピードとしては、１／５，０００秒以下であることが好ましく、１／１０，０００秒以下であることがより好ましく、１／５０，０００以下であることがさらに好ましい。
【００３２】
接触状態の確認には、接触面積の測定、各接触部分の形状の把握、接触部分の数の把握、確認対象物１および／またはプリズム２の回転時と静止時との接触部の比較などが包含されるが、本実施形態の接触状態確認方法は、特に、接触面積測定手段１３でもあるパーソナルコンピュータなどを用いて、接触面積を測定する際に有用である。
【００３３】
本実施形態の接触状態確認方法を使用する際に用いる装置も、本発明の一実施形態である。この装置は第一の屈折率を有する確認対象物１を支持する支持部材４と、第二の屈折率を有するプリズム２と、そのプリズム２を上記支持部材４によって支持された確認対象物１に押圧するプリズム押圧手段３および上記支持部材４によって支持された確認対象物１を上記プリズム２に押圧する確認対象物押圧手段１６の少なくとも一方と、上記支持部材４によって支持された確認対象物１に向けて上記プリズム２を通して光を照射するための光源５とを備え、上記光源５からの照射光の上記確認対象物１と上記プリズム２とが接触する接触面への入射が当該接触面に対して１０°〜３０°の範囲の所定の角度に設定され、上記プリズム２において、上記照射光の光路長と上記接触面で反射する反射光の光路長との和が１５ｍｍ以下に設定されている、上記確認対象物１の上記プリズム２との接触状態を確認するための装置である。
【実施例】
【００３４】
以下に実施例を示すが、当該実施例は本発明を何ら制限するものではない。
【００３５】
［実施例１］
図１に概略図を示したのと同様の装置（ただし、コリメータレンズ６、偏光板７、１／４波長板８、偏光板９および集光レンズ１０は使用しなかった）により本発明を実施した。図１において、支持部材である回転円盤４は、確認対象物回転手段である日本電産シンポ株式会社製電動ろくろ「ＲＫ−３Ｄ」（商品名）の一部であり、回転円盤４を支持台として、回転円盤上に確認対象物である研磨材１（材質：熱可塑性ポリウレタン、２５℃における波長５８９ｎｍの光の屈折率：１．４５）が両面テープ（図示せず）により貼り付けられている。確認対象物回転手段の下には確認対象物押圧手段であるジャッキ１６が設置されている。確認対象物１に押し当てられているプリズム２（ドーブプリズム、材料：ＢＫ−７（ホウ素シリカガラス）、研磨材１とプリズム２とが接触する接触面に対する照射光の角度が１５°のときの最大の光路長は１２ｍｍ）は、プリズム押圧手段３に支えられている。プリズム２の図面右上方には、光学拡大手段である光学顕微鏡（ライカ社製「マクロスコープＺ１６ＡＰＯ」（商品名）、光学倍率：４倍）の鏡筒１１が位置し、鏡筒１１に取り付けられた撮像手段である高速度カメラ１２（ＣＭＯＳカメラ）は株式会社ナックイメージテクノロジー製「ＭＥＭＲＥＣＡＭｆｘ  ＲＸ−６Ｇ」（商品名）であり、高速度カメラ１２から出力された撮像データを処理するとともに接触面積を測定するための、画像処理システムおよび接触面積測定手段であるパーソナルコンピュータ１３と、撮像データを画像として映し出す表示手段である液晶ディスプレイ１４とが設置されている。プリズム２の図面左上方の光源５はＨＩＤランプであり、光源５から生じた光がプリズム２に入射するようなっている。回転円盤４の中心から５０ｍｍ上方には、液体供給手段であるポンプ１５から供給される水を研磨材１の上面に供給して研磨材１の上面とプリズム２の底面との間に介在させるための水供給口が位置している。光源５から生じた光は、プリズム２を通して研磨材１に向けて照射される。光源５から照射される光の光軸は研磨材１の上面に対し１５°の角度に設定され、また反射光を取り込む鏡筒１１の光軸は研磨材１の上面に対し１５°になるように設定されており、真上から見た場合、光源５、プリズム２および鏡筒１１は同一線上に配置されている。
【００３６】
上記のように構成された装置を用いて、水を介在させた状態における研磨材１のプリズム２との接触面積の測定を行った。すなわち、光源５から生じた光がプリズム２を通して、研磨材１に向けて照射され、プリズム２と研磨材１との巨視的な境界面で反射した光を高速度カメラ１２（撮像フレームレート：６，０００ｆｐｓ、シャッタースピード：１／１００，０００秒）で撮像した。プリズムにおける照射光の光路長と反射光の光路長との和は１２ｍｍとした。また、微視的には接触部分以外の領域が介在させる水で満たされるように、水供給口から２００ｍｌ／分の流速で水を供給した。さらに、回転円盤４は１００ｒｐｍ（研磨材とプリズムとの最高相対速度：１ｍ／秒）で回転させた。得られた顕微鏡写真画像を図２に示す。図２において、暗部が真の接触部分であり、明部は水が存在する非接触部分を示している。図２においては、接触部分（接触面）と非接触部分（非接触面）とのコントラストがよく、確認対象物１の被観察面において再現された接触の状態を高倍率で詳細かつ明瞭に確認することができた。
【００３７】
［比較例１］
実施例１において、プリズム２として、研磨材１とプリズム２とが接触する接触面に対する照射光の角度が１５°のときの最大の光路長が３６ｍｍであるものを用いることによりプリズム２における照射光の光路長と反射光の光路長との和が３６ｍｍとなるようにしたこと以外は実施例１と同様にして、接触面積を測定した。反射光を高速度カメラ１２で撮像することにより得られた顕微鏡写真画像を図３に示す。その結果、接触部分（接触面）と非接触部分（非接触面）との境界の明暗が滲み、接触部分の面積を測定することが困難であった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、確認対象物の被観察面において再現された接触の状態を高倍率で詳細かつ明瞭に確認できることから、実使用下における確認対象物と相手材との接触の状態をより正確に把握でき、例えば、確認対象物の製造における検査工程などにおいて有用である。
【符号の説明】
【００３９】
１    確認対象物
２    プリズム
３    プリズム押圧手段
４    支持部材
５    光源
１１  光学拡大手段
１２  撮像手段
１３  画像処理システム（接触面積測定手段）
１４  表示手段
１５  液体供給手段
１６  確認対象物押圧手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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