(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面に塗布された油膜に裏面が接する透光板と、
上記透光板を介して試料の表面に光を照射する光照射手段とを備え、
油膜の表面および試料の表面からの反射光を受光手段を介して受光し、両反射光の干渉光に基づいて油膜の厚さを測定する膜厚測定装置において、
上記透光板を回転させる回転機構を備え、
上記透光板は平坦な裏面を含み、
上記透光板は、上記回転機構によって、透光板の裏面と直交する軸線の回りに回転され、その回転に伴って、試料が透光板の裏面に対して摺動または転がり接触し、
上記透光板の表面からの反射光が受光手段によって受光されないように、透光板の表面が裏面に対して傾斜しており、
上記透光板の表面は、球面または円錐状テーパ面を含むことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
試料の表面に塗布された油膜に裏面が接する透光板と、
上記透光板を介して試料の表面に光を照射する光照射手段とを備え、
油膜の表面および試料の表面からの反射光を受光手段を介して受光し、両反射光の干渉光に基づいて油膜の厚さを測定する膜厚測定装置において、
上記透光板を回転させる回転機構を備え、
上記透光板は、表面と裏面が平行な平板からなり、
上記透光板は、上記回転機構によって、透光板の裏面と直交する軸線の回りに回転され、その回転に伴って、試料が透光板の裏面に対して摺動または転がり接触し、
上記光照射手段は、透光板の表面に対して斜めから光を照射し、
上記受光手段は、油膜の表面および試料の表面からの反射光を受光し、且つ透光板の表面からの反射光を受光しないように、透光板の板厚を設定してあり、
上記光照射手段から透光板の表面への光の入射角をＡ、透光板の板厚をｔ、光照射手段の照射口の径をｄ１として、下記式が満たされ、
ｔ≧（ｄ１／２）ｓｉｎＡ
透光板の裏面と油膜の表面との接触領域の幅をＣ、受光手段の最大受光幅をｄ２、上記光照射手段から透光板の表面への光の入射角をＡとして、下記式が満たされるように、試料が透光板の裏面に対して押し付けられていることを特徴とする膜厚測定装置。
Ｃ＝ｄ２／ｃｏｓＡ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、油膜の厚さを光干渉法により測定する膜厚測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転動面や摺動面には、潤滑のために油膜が塗布される。従来、油膜の厚さの測定方法として、光干渉法が広く使用されている。この種の測定方法では、油膜に裏面が接する例えば平板の透光板を介して、転動部材や摺動部材の試料の表面に光照射手段により光を照射し、油膜の表面および試料の表面からの反射光により発生する干渉光を受光手段を介して受光し、この干渉光の位相差に基づいて油膜の厚さを測定する。
【０００３】
表面の光反射率が比較的大きい鋼球からなる軸受用の玉などを試料として用いる場合、受光手段により受光した光のうち、上記干渉光が約９０％を占めるのに対して、透光板の表面からの反射光は５％程度で、誤差として無視できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、表面の光反射率が比較的小さい、摺動部材としてのゴム製のオイルシールのリップやＯリングなどの試料を用いる場合、受光手段により受光した光のうち、上記干渉光の占める割合が小さくなり、透光板の表面からの反射光を誤差として無視できなくなって、油膜の厚さを正確に測定できない。
この発明は、上記課題に鑑みて、油膜の厚さを正確に測定できる膜厚測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記目的を達成するため、本発明は、試料の表面に塗布された油膜に裏面が接する透光板と、上記透光板を介して試料の表面に光を照射する光照射手段とを備え、油膜の表面および試料の表面からの反射光を受光手段を介して受光し、両反射光の干渉光に基づいて油膜の厚さを測定する膜厚測定装置において、上記透光板を回転させる回転機構を備え、上記透光板は平坦な裏面を含み、上記透光板は、上記回転機構によって、透光板の裏面と直交する軸線の回りに回転され、その回転に伴って、試料が透光板の裏面に対して摺動または転がり接触し、上記透光板の表面からの反射光が受光手段によって受光されないように、透光板の表面が裏面に対して傾斜しており、上記透光板の表面は、球面または円錐状テーパ面を含むことを特徴とする膜厚測定装置である。
【０００６】
この場合、受光手段が透光板の表面からの反射光を受光しないで、油膜の表面および試料の表面からの反射光を主に受光するので、きれいな干渉縞を得ることができる。したがって、試料の表面の反射率の大小に関わらず、油膜の厚さをより正確に測定することができる。
上記透光板の表面は、球面または円錐状テーパ面を含むことが好ましい。というのは、試料が軸受用の玉であるときに、玉と透光板を転がり接触させても、透光板の表面からの反射光の向きが変わらないからである。
【０００７】
また、本発明は、試料の表面に塗布された油膜に裏面が接する透光板と、上記透光板を介して試料の表面に光を照射する光照射手段とを備え、油膜の表面および試料の表面からの反射光を受光手段を介して受光し、両反射光の干渉光に基づいて油膜の厚さを測定する膜厚測定装置において、上記透光板を回転させる回転機構を備え、上記透光板は、表面と裏面が平行な平板からなり、上記透光板は、上記回転機構によって、透光板の裏面と直交する軸線の回りに回転され、その回転に伴って、試料が透光板の裏面に対して摺動または転がり接触し、上記光照射手段は、透光板の表面に対して斜めから光を照射し、上記受光手段は、油膜の表面および試料の表面からの反射光を受光し、且つ透光板の表面からの反射光を受光しないように、透光板の板厚を設定してあり、上記光照射手段から透光板の表面への光の入射角をＡ、透光板の板厚をｔ、光照射手段の照射口の径をｄ１として、下記式が満たされ、
ｔ≧（ｄ１／２）ｓｉｎＡ
透光板の裏面と油膜の表面との接触領域の幅をＣ、受光手段の最大受光幅をｄ２、上記光照射手段から透光板の表面への光の入射角をＡとして、下記式が満たされるように、試料が透光板の裏面に対して押し付けられていることを特徴とする膜厚測定装置である。
Ｃ＝ｄ２／ｃｏｓＡ
【０００８】
この場合、受光手段が透光板の表面からの反射光を受光しないで、油膜の表面および試料の表面からの反射光を主に受光するので、きれいな干渉縞を得ることができる。したがって、試料の表面の反射率の大小に関わらず、油膜の厚さをより正確に測定することができる。
また、本願発明者は、上記光照射手段から透光板の表面への光の入射角Ａ、透光板の板厚ｔ、光照射手段の照射口の径ｄ１が下記式を満たすように設定されていることが好ましいという知見を得た。
【０００９】
ｔ≧ｄ１／２ｓｉｎＡ
特に、透光板の板厚を、上記範囲内においてできるだけ薄くする。すなわち、透光板の板厚を、
ｔ＝ｄ１／２ｓｉｎＡ
としたとき、光のエネルギー損失が最も小さく、油膜の厚さを最も正確に測定することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。図１は、この発明の一実施形態にかかる膜厚測定装置１の構成を示す図解図である。図１では、膜厚測定装置１は、試料２の表面に塗布された油膜３の厚さを光干渉法により測定する装置であり、油膜３の表面に裏面４ａが接するように配置された透光板４と、この透光板４および油膜３を介して試料２の表面に光を照射する光照射手段５と、油膜３の表面からの反射光６および試料２の表面からの反射光７により発生する干渉光８を受光する受光手段９とを有する。
【００１１】
試料２は、例えば摺動部材としてのゴム製のＯリングである場合があり、この場合、弾性を有し、且つ表面の光反射率が比較的小さい。試料２は、図示しない試料台により保持され、透光板４に抗して所定の荷重がかけられる。したがって、試料２は、透光板４の裏面４ａに押しへこめられ、透光板４の裏面４ａ対して平行な平行面２ａを形成している。
透光板４は、例えばガラスにより形成された裏面４ａが平坦な円板で、その表面４ｂは例えば球面をなしている。また、透光板４の裏面４ａは、その中心で回転軸１０に連結されていて、膜厚測定装置１が運転されると、サーボモータなどにより回転軸１０が回転され、例えばＯリングからなる試料２に対して、透光板４が摺動しながら回転する。一方、鋼球からなる試料２を用いる場合は、透光板４の回転に伴って、試料２が転動するようになっている。ここで、透光板４の形状は上記の形状に限らず、透光板４が回転することにより透光板４の表面４ｂからの反射光の向きが変わらないような形状であれば、例えばその表面４ｂが円錐状テーパ面であってもよいし、外形が円板ではなく楕円板や四角板であってもよい。また、透光板４の材質は、ガラスに限らず、例えばアクリルであってもよい。
【００１２】
光照射手段５は、その一端に例えば断面円形形状の照射口５ａを有していて、この照射口５ａから、試料２の平行面２ａに対して例えば斜めにレーザなどの光を照射する。照射された光は、透光板４の表面４ｂを透過する１次透過光１１と、透光板４の表面４ｂで反射する１次反射光１２とに分かれる。１次反射光１２は、例えば透光板４の表面４ｂに垂直な方向に対して、入射した角度と同じ角度で反射する。透光板４の表面４ｂは球面をなしているので、１次反射光１２は受光手段９から十分離れた方向に反射する。
【００１３】
１次透過光１１は、油膜３の表面に接する透光板４の裏面４ａに達すると、油膜３内を透過する２次透過光１３と、油膜３の表面で反射する２次反射光６とに分かれる。２次反射光６は、油膜３の表面に対して入射した角度と同じ角度で反射する。また、２次透過光１３は、試料２の平行面２ａの表面において、この平行面２ａに対して入射した角度と同じ角度で３次反射光７として反射する。両反射光６、７は互いに干渉し、干渉光８が発生する。
【００１４】
受光手段９は、その一端に例えば断面円形形状の受光口９ａを有していて、この受光口９ａは、２次反射光６および３次反射光７により発生する干渉光８を受光し、１次反射光１２を受光しないように配置されている。そして、受光手段９により受光された上記干渉光８の位相差に基づいて油膜３の厚さが測定される。この実施形態では、受光手段９が１次反射光１２を受光しないで、２次反射光６および３次反射光７を主に受光するので、きれいな干渉縞を得ることができる。したがって、油膜３の厚さをより正確に測定することができる。特に、反射率の低い試料２の表面の油膜３の厚さも正確に測定できる点で非常に有効である。また、既存の膜厚測定装置の透光板を変更するのみで、コストを安価に膜厚測定装置の性能を向上させることができる。ただし、光照射手段５は、１次反射光１２を受光手段９が受光しなければ、試料２の平行面２ａに対して略垂直に光を照射してもよい。
【００１５】
図２は、この発明の他の実施形態にかかる膜厚測定装置１ａの構成を示す図解図である。図２を参照して、本実施形態が図１の実施形態と主に異なるのは、透光板４の裏面４ａと表面４ｂが互いに平行な平板からなる透光板１５を用いている点にある。他の構成については、図１の実施例と同様であるので、図に同一符号を付してその説明を省略する。
透光板１５の板厚ｔは、上記光照射手段５から透光板１５の表面１５ｂへ照射した光が透光板１５に垂直な方向に対してなす入射角Ａ、光照射手段５の照射口５ａの径ｄ１、および受光手段９の受光口９ａの径ｄ２により構成される下記式を満たしている。
【００１６】
ｔ≧ｄ１／２ｓｉｎＡ          ・・・（１）
上記式を導出するに至った過程を図３（ａ）および図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）に示すように、透光板１５の表面１５ｂからの１次反射光１２と、透光板１５の裏面１５ａに接する油膜３の表面からの２次反射光６（干渉光に相当）とが少なくとも一部重複すると、受光手段９が両反射光１２、６を受光してしまう。
【００１７】
逆にいうと、受光手段９が１次反射光１２を受光せず、２次反射光６を受光するためには、図３（ｂ）に示すように、両反射光１２、６が重複しないことが必要である。
ビーム径ｄ１（照射口５ａの径ｄ１に相当）を持つ光照射手段５からの照射光の１次反射光１２に対して、２次反射光６は、透光板１５の表面１５ｂに平行な方向に２ｔ・ｔａｎＡだけオフセットすることになり、これを両反射光１２、６に直交する方向に見ると、オフセット量Ｂは
Ｂ＝２ｔ・ｔａｎＡ・ｃｏｓＡ＝２ｔｓｉｎＡ      ・・・（２）
となる。
【００１８】
ここで、両反射光１２、６が重複しないためには、
Ｂ≧ｄ１                    ・・・（３）
式（２）および（３）より、上記式（１）が導出される。
この実施形態では、透光板１５の板厚ｔを上記式（１）を満たす値にすることで、受光手段９が１次反射光１２を受光しないで、２次反射光６および３次反射光７を受光するので、きれいな干渉縞を得ることができる。したがって、油膜３の厚さをより正確に測定することができる。特に、透光板１５の板厚を、
ｔ＝ｄ１／２ｓｉｎＡ
としたとき、光のエネルギー損失が最も小さく、油膜３の厚さを最も正確に測定することができる。
【００１９】
また、図４を参照して、受光手段９の最大受光幅ｄ２に対応する、透光板１５の裏面１５ａと油膜３の表面との接触領域１７の幅Ｃは下記式により算出される。
Ｃ＝ｄ２／ｃｏｓＡ
例えば、ｄ１＝５ｍｍ、ｄ２＝５ｍｍ、Ａ＝２０°の場合、透光板１５の板厚ｔおよび接触領域１７の幅Ｃは、それぞれ次のような値になる。
【００２０】
ｔ≧６．９ｍｍ
Ｃ＝５．３ｍｍ
この場合、透光板１５の板厚ｔは６．９ｍｍ以上で検討した値とすればよく、接触領域１７の幅Ｃが、５．３ｍｍになるように試料２に荷重を加えればよい。ただし、透光板４の形状は上記の形状に限らず、外形が円板ではなく楕円板や四角板であってもよい。また、透光板４の材質は、ガラスに限らず、例えばアクリルであってもよい。
【００２１】
この発明は、以上の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかる膜厚測定装置の構成を示す図解図である。
【図２】この発明の他の実施形態にかかる膜厚測定装置の構成を示す図解図である。
【図３】透光板の板厚の最小値を導出するための模式図である。
【図４】接触領域の幅を導出するための模式図である。
【符号の説明】
１      膜厚測定装置
１ａ    膜厚測定装置
２      試料
３      油膜
４      透光板
４ａ    裏面
４ｂ    表面
５      光照射手段
６      ２次反射光
７      ３次反射光
８      干渉光
９      受光手段
１２    １次反射光
１５    透光板
１５ａ  裏面
１５ｂ  表面
Ａ      入射角
ｔ      板厚
ｄ１    照射口の径
【図１】
0003837276.tif 000002
【図２】
0003837276.tif 000003
【図３】
0003837276.tif 000004
【図４】
0003837276.tif 000005