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【発明の名称】 接触状態観察方法および接触状態観察装置
【発明者】 【氏名】田口 紳一郎

【氏名】太田 隆
【要約】 【課題】被接触物に接触した状態で実使用される観察対象物の接触面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観察方法および接触状態観察装置を提供する。

【解決手段】一方面に実質的に平滑な平滑面を有し、他方面に前記平滑面から入射した光を乱反射させる凹凸面を有する透明な材料からなる観察用部材としてのガラス板１１と、ガラス板１１の凹凸面１１ａと観察対象物Ｗの被観察面とを所定の押圧力で相対的に押し付けるアクチュエータ２１と、ガラス板１１を通じて観察対象物Ｗに光を照射する光源３５と、ガラス板１１を通じて観察対象物Ｗと凹凸面１１ａとの接触部の光学拡大像を得る光学拡大手段とての顕微鏡鏡筒４１と、光学拡大像を撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ４２と、撮像画像を表示する表示手段としての画像処理装置３１、表示装置３２とを有する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】一方面が実質的に平滑な面からなり、他方面が前記一方面から入射した入射光を乱反射させる凹凸面からなり、所定の屈折率の透明性材料からなる観察用部材の当該凹凸面を観察対象物の被観察面に対し所定の押圧力で相対的に押し付け、前記観察用部材の一方面側から前記被観察面に向けて光を照射し、前記観察用部材の凹凸面と前記被観察面との接触部からの反射光に生じる明暗に基づいて前記接触状態を把握する接触状態観察方法。
【請求項２】前記観察用部材の凹凸面は、前記被観察面の有する表面粗さよりも十分小さい表面粗さを有する請求項１に記載の接触状態観察方法。
【請求項３】前記観察対象物の被観察面と前記観察用部材の接触面との接触部を当該観察用部材を通じて光学拡大手段によって拡大して観察する請求項１に記載の接触状態観察方法。
【請求項４】前記光学拡大手段の光軸を前記観察対象物の被観察面に対して実質的に垂直にして前記拡大画像を得る請求項３に記載の接触状態観察方法。
【請求項５】前記観察用部材の凹凸面の凹凸の平均的高さ（ｄ）と前記接触面の凹凸の平均的間隔（λ）との比（ｄ／λ）が前記観察対象物の被観察面の表面粗さに対して所定の値に調整されている請求項１に記載の接触状態観察方法。
【請求項６】前記拡大画像を撮像手段によって撮像し、当該撮像データを表示手段に表示して観察する請求項３に記載の接触状態観察方法。
【請求項７】前記観察用部材の凹凸面に当該観察用部材を構成する構成材料と略同じ屈折率をもつ透明性材料を塗布し、当該凹凸面の凹凸状態を任意に調整する請求項１に記載の接触状態観察方法。
【請求項８】前記観察用部材の凹凸面と、前記透明性材料の塗布条件によって前記凹凸形状を任意の形状に調整する請求項７に記載の接触状態観察方法。
【請求項９】前記透明性材料は、液体材料からなる請求項７に記載の接触状態観察方法。
【請求項１０】前記透明性材料は、固体材料からなる請求項７に記載の接触状態観察方法。
【請求項１１】前記観察対象物は、弾性体からなる請求項１に記載の接触状態観察方法。
【請求項１２】一方面に実質的に平滑な平滑面を有し、他方面に前記平滑面から入射した光を乱反射させる凹凸面を有する透明な材料からなる観察用部材と、前記観察用部材の凹凸面と観察対象物の被観察面とを所定の押圧力で相対的に押し付ける押し付け手段と、前記観察用部材を通じて前記観察対象物の被観察面に光を照射する光源と、前記観察用部材を通じて前記被観察面と前記凹凸面との接触部の光学拡大像を得る光学拡大手段と、前記光学拡大像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による撮像画像を表示する表示手段とを有する接触状態観察装置。
【請求項１３】前記観察用部材の凹凸面の表面粗さは、前記観察対象物の被観察面の表面粗さよりも十分に小さい請求項１２に記載の接触状態観察装置。
【請求項１４】前記観察用部材の凹凸面には、当該観察用部材を構成する構成材料と略同じ屈折率をもつ透明性材料が塗布され、当該凹凸面の凹凸状態が任意に調整されている 請求項１２に記載の接触状態観察装置。
【請求項１５】前記透明性材料は、液体材料からなる請求項１４に記載の接触状態観察方法。
【請求項１６】前記透明性材料は、固体材料からなる請求項１４に記載の接触状態観察方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば、シール製品のシール面や自動変速機用湿式クラッチに組み込まれる摩擦材の表面等の対象物に接触あるいは摺動させて使用される被観察面の当該対象物との接触状態を再現して観察する接触状態観察方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】たとえば、ゴムに代表される弾性体シール製品のシール機能の制御において、シール製品と当該シール製品のシール面によってシールされる被接触物との接触状態を明瞭に測定することが重要である。しかしながら、シール製品のシール面が被接触物と接触した状態を直接観察することは困難であるため、観察すべき被観察面であるシール面と被接触物の表面との接触状態を観察可能な状態に再現する必要がある。このため、従来においては、被観察面と被接触物の表面との接触状態を再現する方法として、たとえば、特開平８−２４７７４７号公報等に開示されているように、実質的に平滑な表面を有するガラス板や、プリズム等の透明な観察用部材を被観察面に接触させて接触状態を観察する方法が採られている。
【０００３】具体的には、特開平８−２４７７４７号公報では、図１７に示すような方法で試料の観察すべき被観察面の接触状態を観察する。まず、試料１０１の観察すべき被観察面を倒立台形状の透明プリズム１０２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る。一方、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、画像処理装置１１２とが設けられており、光源１０４からの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を通じて反射鏡１１０で反射しＣＣＤカメラ１１１に入射する。ＣＣＤカメラ１１１で撮像された画像データは、試料１０１の被観察面と透明プリズム１０２の上面との間において、透明プリズム１０２側から入射した光は試料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の上面で全反射し、接触部分では試料１０１に吸収されるため、非接触部分では明るく接触部分では相対的に暗い画像となる。この状態の画像データを画像処理装置１１２において、たとえば、明暗に応じて多値化処理し、表示装置に画像データを表示することで試料１０１の被観察面と透明プリズム１０２との接触状態を把握することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のような従来の方法では、試料１０１の被観察面と透明プリズム１０２との間の非接触部分での光の全反射を起こさせるために、光源１０４等の光学系やＣＣＤカメラ１１１を試料１０１の被観察面に対して一定の角度を持たせて設置して観察せざるを得ない。このため試料１０１の被観察面を斜め方向から観察する必要があり、観察された画像は観察方向に沿って縮小された状態となる。したがって、試料１０１の被観察面を垂直方向から観た場合の、真の接触状態を観察するには、この観察角度による影響を補正する必要があった。また、例えば、顕微鏡を利用して高倍率で接触状態を観察したい場合、斜め方向から試料１０１の被観察面を観察すると、垂直方向から観察する場合に比べて顕微鏡のレンズと試料１０１の被観察面との光路長が長くなる。一方、顕微鏡の拡大倍率を大きくとるほど、顕微鏡のレンズ系の作動距離が短くなり、上記の光路長よりも短くなる場合もあり、十分な拡大率が得られず、接触状態の詳細な観察ができないことがあった。さらに、上記のような従来の方法では、透明プリズム１０２の上面を平滑面である。しかしながら、たとえば、試料１０１がシール製品等の場合には、実際の使用においてシール製品のシール面等が接触する被接触物の表面は平滑面とは限らない。また、シール製品のシール面が実際に接触するのは、たとえば、金属表面等であり、金属表面の状態はガラス表面の状態とは異なる。このため、上記のような従来の方法では、表面に粗さを有する被接触物に対するシール製品のシール面等の実使用状態での接触状態を再現できなかった。
【０００５】本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであって、被接触物に接触した状態で実使用される観察対象物の接触面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観察方法および接触状態観察装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の接触状態観察方法は、一方面が実質的に平滑な面からなり、他方面が前記一方面から入射した入射光を乱反射させる凹凸面からなり、所定の屈折率の透明性材料からなる観察用部材の当該凹凸面を観察対象物の被観察面に対し所定の押圧力で相対的に押し付け、前記観察用部材の一方面側から前記被観察面に向けて光を照射し、前記観察用部材の凹凸面と前記被観察面との接触部からの反射光に生じる明暗に基づいて前記接触状態を把握する。
【０００７】好適には、前記観察対象物の被観察面と前記観察用部材の接触面との接触部を当該観察用部材を通じて光学拡大手段によって拡大して観察する。
【０００８】また、本発明は、前記観察用部材の凹凸面に当該観察用部材を構成する構成材料と略同じ屈折率をもつ透明性材料を塗布し、当該接触面の凹凸状態を任意に調整する。
【０００９】好適には、前記観察用部材の凹凸面の凹凸形状と、前記透明性材料の塗布条件によって前記凹凸形状を任意の形状に調整する。
【００１０】また、本発明の接触状態観察方法は、一方面が実質的に平滑な面からなり、他方面が前記一方面から入射した入射光を乱反射させる凹凸面からなる透明な観察用部材の当該凹凸面を観察対象物の被観察面に対し所定の押圧力で相対的に押し付け、前記一方面から前記被観察面に向けて光を照射しつつ、前記観察対象物の被観察面と前記観察用部材の凹凸面との接触領域と非接触領域との明暗状態に基づいて当該被観察面と凹凸面との接触状態を観察する。
【００１１】前記観察用部材の凹凸面の表面粗さは、前記観察対象物の被観察面の表面粗さよりも十分に小さい。
【００１２】本発明の接触状態観察装置は、一方面に実質的に平滑な平滑面を有し、他方面に前記平滑面から入射した光を乱反射させる凹凸面を有する透明な材料からなる観察用部材と、前記観察用部材の凹凸面と観察対象物の被観察面とを所定の押圧力で相対的に押し付ける押し付け手段と、前記観察用部材を通じて前記観察対象物の被観察面に光を照射する光源と、前記観察用部材を通じて前記被観察面と前記凹凸面との接触部の光学拡大像を得る光学拡大手段と、前記光学拡大像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による撮像画像を表示する表示手段とを有する。
【００１３】本発明では、観察対象物の被観察面に凹凸面を有する透明な材料からなる観察用部材を押し付け、被観察面に観察用部材を通じて光を照射して接触状態を観察する。観察用部材の凹凸面と観察対象物の被観察面との接触部では、被観察面の有する凹凸によって凹凸面との接触領域と非接触領域が発生する。観察用部材から入射した光は、被観察面と凹凸面との接触領域では被観察面に一部または全部が吸収される。非接触領域では、凹凸面と被観察面との間に空気の層が形成され凹凸面で乱反射される。このため、観察用部材を通じて被観察面と凹凸面との接触領域、非接触領域をそれぞれ観察すると、接触領域からの反射光の光量は非接触領域からの反射光の光量よりも相対的に少なく、したがって、接触領域は相対的に暗くなり非接触領域は相対的に明るくなる。この結果、被観察面と凹凸面とにおける接触領域と非接触領域との明暗がはっきりと生じることになる。また、この被観察面と凹凸面とにおける接触領域と非接触領域との明暗は、観察用部材に対する光の入射角度を傾けなくても得られ、かつ、光の入射角度によらず任意の方向から観察できる。
【００１４】さらに、本発明では、観察用部材の凹凸面の表面粗さを被観察面の表面粗さよりも十分に小さくすることで、被観察面の凹凸に応じた接触、非接触状態が適切に得られる。すなわち、凹凸面の表面粗さが被観察面の表面粗さに対して大きいと、被観察面の凹凸および観察用部材の凹凸面の凹凸のいずれによっても接触、非接触状態が発生するため、被観察面の凹凸に応じた接触、非接触状態を得ることが難しいが、凹凸面の表面粗さを十分小さくすることで凹凸面と被観察面との間に生じる接触、非接触状態は、ほぼ被観察面の凹凸のみによって生じるものとすることができる。
【００１５】さらに、本発明では、観察用部材の凹凸面に透明性材料を塗布することで、観察用部材の凹凸面の状態を任意に調整でき、たとえば、透明性材料の塗布量等の塗布条件および凹凸面の凹凸形状によって任意の状態の凹凸面とすることができ、観察対象物の被観察面の実使用時の接触状態を可能な限り正確に再現することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
第１実施形態図１は、本発明の一実施形態に係る接触状態観察装置の構成図である。図１に示す接触状態観察装置１は、ベース２上に平行に立設された複数のガイド棒３に移動自在に案内された保持板４と、保持板４の下面に保持されたガラス板１１と、保持板４上に設置された顕微鏡鏡筒４１と、光源３５と、顕微鏡鏡筒４１に接続されたＣＣＤカメラ４２と、保持板４の下方のベース２上に設けられたアクチュエータ２１と、アクチュエータ２１と連結され観察対象物Ｗを支持する支持台２２と、ＣＣＤカメラ４２と接続された画像処理装置３１と、画像処理装置３１と接続された表示装置３２とを備えている。ここで、ガラス板１１は本発明の観察用部材の一具体例に対応し、顕微鏡鏡筒４１は本発明の光学拡大手段の一具体例に対応し、光源３５は本発明の光源の一具体例に対応し、ＣＣＤカメラ４２は本発明の撮像手段の一具体例に対応し、表示装置３２および画像処理装置３１は本発明の表示手段の一具体例に対応している。
【００１７】保持板４は、保持板４の側方に設けられた昇降用ハンドル５をいずれかの向きに回転させることにより、ガイド棒３の任意の位置に昇降するように設けられている。また、保持板４には開口部４ａが形成されており、この開口部４ａの下部にガラス板１１が固定されている。
【００１８】アクチュエータ２１は、支持台２２をロッド２１ａで支持しており、このロッド２１ａが矢印Ａ１およびＡ２方向に伸縮し、支持台２２を矢印Ａ１およびＡ２方向の任意の位置に移動させる。アクチュエータ２１には、たとえば、エアシリンダを用いることができる。支持台２２は、その上面がガラス板１１に略平行になるように支持されており、この上面に観察対象物Ｗを支持している。アクチュエータ２１が支持台２２を矢印Ａ１方向に移動させることにより、支持台２２に載置された観察対象物Ｗをガラス板１１に押し付けられる。すなわち、アクチュエータ２１、支持台２２およびガラス板１１を保持している保持板４は、本発明の押し付け手段を構成している。
【００１９】保持板４上に設置された顕微鏡鏡筒４１は、その光軸が上記の支持台２２の上面に略垂直になるように配置されており、保持板４の開口部４ａおよびガラス板１１を通じて観察対象物Ｗの光学像を任意の倍率に拡大可能になっている。顕微鏡鏡筒４１に接続されたＣＣＤカメラ４２は、電荷結合素子を用いたカメラであり、顕微鏡鏡筒４１によって拡大された光学像を撮像し、この撮像データを画像処理装置３１に出力する。
【００２０】顕微鏡鏡筒４１に隣接して設けられた光源３５は、上記支持台２２に載置された観察対象物Ｗに向けて光を照射する。すなわち、光源３５は保持板４の開口部４ａを通じて観察対象物Ｗに光を照らす。
【００２１】画像処理装置３１は、たとえば、パーソナルコンピュータからなり、ＣＣＤカメラ４２の撮像した画像データを、Ａ／Ｄ変換した後取り込み、この取り込んだ画像データに対して、所定の画像処理を行う。具体的な所定については後述する。表示装置３２は、たとえば、ＣＲＴや液晶表示装置からなり、画像処理装置３１で処理された画像データを画面に表示する。
【００２２】観察対象物Ｗは、たとえば、ゴム製のシール部材等の弾性体であるが、実使用時に他の固体表面と接触あるいは摺動した状態で使用されるもので、かつ、その接触状態が重要である観察すべき被観察面を有するものであれば特に限定されない。
【００２３】図２は、ガラス板１１の断面形状の一例を示す断面図である。図２に示すように、ガラス板１１の一方面は凹凸を持つ凹凸面１１ａとなっており、他方面は実質的に平滑な平滑面１１ｂとなっている。なお、凹凸面１１ａは、観察対象物Ｗに対向する側に形成されている。ガラス板１１の凹凸面１１ａは、平滑面１１ｂ側から入射した光が凹凸面１１ａで乱反射を起こすための粗さを持ちながら、観察対象物Ｗの表面の有する凹凸よりも微細に形成されている。凹凸面１１ａの凹凸の状態は、たとえば、表面粗さによって規定する。表面粗さは、図２に示すように、凹凸面１１ａの凹凸の平均的高さｄおよび凹凸の凸部間の平均的間隔λとの比λ／ｄで表される。平均的高さｄが同じである場合に、この表面粗さλ／ｄの値が小さいほど、単位面積当たりの凹凸の数が多く、λ／ｄの値が大きいほど単位面積当たりの凹凸の数が少ない。本実施形態では、凹凸面１１ａの表面粗さを、観察対象物Ｗの表面（被観察面）の有する表面粗さよりも十分小さい表面粗さとするが、表面粗さλ／ｄの値が小さすぎると観察対象物Ｗの表面と凹凸面１１ａの接触性が悪化する等の理由から表面粗さλ／ｄの値を適正な値にする必要がある。
【００２４】具体的には、観察対象物Ｗとして種々の表面粗さのゴム材製のＯリングを用いて検討した結果、３＜λ／ｄ＜２５，１μｍ＜ｄ＜２０μｍの条件を満たすように、ガラス板１１の凹凸面１１ａの凹凸を微細に形成する。より好ましくは、４＜λ／ｄ＜２０，２μｍ＜ｄ＜１０μｍの条件の表面凹凸形状が望ましい。
【００２５】ガラス板１１の凹凸面１１ａを形成するには、ブラスト、エッチング、モールディング、研磨などの方法を用いることができるが、ガラス面に微小凹凸形状を形成することのできる方法であればよい。また、ガラス板１１の形成材料としては、シリカガラス等が挙げられるが、特に、これに限定されるわけではない。また、本実施形態では、観察用部材の一具体例としてガラス板１１を挙げたが、透明なガラス状の材料であれば、いかなる材料も利用することができる。
【００２６】次に、上記構成の接触状態観察装置１を用いた観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａ（被観察面）の接触状態の観察方法について説明する。まず、観察対象物Ｗを支持台２２上に載置するとともに、保持板４の位置を所定の位置に調整する。この状態から、アクチュエータ２１を駆動して、支持台２２上に載置された観察対象物Ｗを矢印Ａ１の向きに上昇させ、観察対象物Ｗをガラス板１１の凹凸面１１ａに接触させる。
【００２７】このとき、観察対象物Ｗは、所定の荷重、あるいは、所定のつぶし率となるようにガラス板１１に押し付ける。ここで、つぶし率とは、観察対象物Ｗが、たとえば、Ｏリングの場合、図３に示すように、Ｏリングの直径をＤとし、ガラス板１１と支持台２２の上面との距離をδとして、（Ｄ−δ）／Ｄ×１００（％）で表される値をいう。Ｏリングの一般的な使用条件は、このつぶし率が５〜３０％程度である。したがって、つぶし率を５〜３０（％）程度の範囲で変化させてＯリング表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触状態を観察する。また、研究を目的とする場合には、つぶし率を、たとえば、０〜５０（％）の範囲で変化させてＯリング表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触状態を観察する。
【００２８】観察対象物Ｗにガラス板１１の凹凸面１１ａを所定の荷重または所定のつぶし率となるように押し付けた状態で、光源３５から光を照射すると、光はガラス板１１の平滑面１１ｂ側から入射する。ここで、図４はガラス板１１の凹凸面１１ａと観察対象物Ｗの表面との接触部の拡大図である。図４に示すように、観察対象物Ｗの表面に凹凸が存在すると、観察対象物Ｗの表面はガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に接触領域と非接触領域とが発生する。図４からわかるように、ガラス板１１の凹凸面１１ａの表面粗さは、観察対象物Ｗの表面の表面粗さよりも十分に小さくなっているため、観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生する接触領域と非接触領域は、観察対象物Ｗの表面の凹凸に応じて発生する。すなわち、ガラス板１１の凹凸面１１ａの表面粗さが大きいと、観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生する接触領域と非接触領域は、観察対象物Ｗの表面の凹凸だけでなく、ガラス板１１の凹凸面１１ａの凹凸によっても発生するが、本実施形態ではそのようなことがない。
【００２９】一方、光源３５からガラス板１１に入射された光Ｌは、観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触領域では、凹凸面１１ａを通じて観察対象物Ｗの表面に一部または全部が透過吸収される。観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの非接触領域では、ガラス板１１の凹凸面１１ａと観察対象物Ｗの表面には空気の層が形成され、空気とガラス板１１の屈折率は異なるため、光源３５からガラス板１１に入射された光Ｌは、凹凸面１１ａで乱反射する。
【００３０】このことから、観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触部をガラス板１１の平滑面１１ｂ側から観察すると、観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触領域は暗く見え、非接触領域は明るく見えることになる。
【００３１】このような状態にある観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触部を、顕微鏡鏡筒４１によって光学的に拡大し、この光学拡大像をＣＣＤカメラ４２で撮像する。ＣＣＤカメラ４２から出力された撮像データは、画像処理装置３１に入力され、画像処理装置３１は、画像データを表示装置３２に表示する。さらに、画像処理装置３１では、入力された画像データに所定の画像処理を施すことにより、観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの真実接触面積や接触率の分布などのデータ解析を行う。
【００３２】表示装置３２に表示された観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触部の拡大画像において、非接触領域は比較的明るい部分として表示され、接触領域は比較的暗い部分として表示され、高コントラストな画像となる。したがって、表示装置３２に表示された画像の明暗を観察することにより、観察対象物Ｗの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触状態を把握することができる。
【００３３】実施例１次に、上記構成の接触状態観察装置１を用いた具体的な観察結果について説明する。観察対象物Ｗとして、ＮＢＲ（ニトリル・ブタジエンゴム）製のＯリング（内径：φ９．５ｍｍ，線径：φ１．５ｍｍ）を用い、ガラス板１１の凹凸面１１ａは、所定の粗さの研磨粉を用いたブラスト処理により形成した。ガラス板２の表面粗さλ／ｄは、４．５とした。また、微細な接触状態の観察が可能かどうかを検討するために、Ｏリングにはあらかじめ表面に粗さを付与した。
【００３４】図５は、上記の条件で得られた観察対象物Ｗとガラス板１１の接触状態の観察画像を示す図である。なお、顕微鏡鏡筒４１による倍率は２００倍である。図５の観察画像の上部に示した図の、色の濃い領域Ｒ１は観察対象物ＷとしてのＯリングの表面がガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触によって押し潰された領域、すなわち、接触領域であり、色の薄い領域Ｒ２はＯリングの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとが接触していない非接触領域を示している。図５の観察画像からわかるように、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界ははっきりしており、高コントラストな画像が得られている。さらに、接触領域Ｒ１内においても、Ｏリングの表面に存在する凹凸によってガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生した非接触領域が存在することを明確に確認することができる。
【００３５】比較例１比較例として、図６に凹凸面１１ａが存在しない、すなわち、両面が平滑なガラス板を用いて、図５において説明したのと同じ条件でガラス板とＯリングの接触状態を観察した結果を示す。図６に示す観察画像からわかるように、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界がはっきりせず、すなわち、コントラストが弱く、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２とを明確に分割することが困難であることが判る。さらに、接触領域Ｒ１におけるＯリングの表面に存在する凹凸によってガラス板１１の表面との間に発生する非接触領域を確認することも困難である。
【００３６】比較例２さらなる比較例として、図７に、ガラス板１１の凹凸面１１ａを所定の粗さの研磨粉を用いたブラスト処理により形成したものを用いて、図５において説明したのと同じ条件でガラス板とＯリングの接触状態を観察した結果を示す。なお、ガラス板１の表面粗さλ／ｄは、１．５である。すなわち、表面粗さλ／ｄが図５において説明した場合よりも小さい場合である。図７からわかるように、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界がはっきりせず、さらに、接触領域Ｒ１におけるＯリングの表面に存在する凹凸によってガラス板１１の表面との間に発生する非接触領域を確認することも困難である。このことから、表面粗さλ／ｄが小さすぎる、すなわち、凹凸の間隔が狭すぎると、ガラス板１１の凹凸面１１ａとＯリングの表面が接触しても、弾性変形したＯリングが凹凸の谷に入らず適切な接触状態が得られず、接触領域でも光の乱反射が発生し易くなることが利用として考えられる。すなわち、ガラス板１１の凹凸面１１ａの表面粗さは、Ｏリングの表面の表面粗さよりも十分に小さくする必要があるが、ガラス板１１の凹凸面１１ａとＯリングの表面との適切な接触性が得られる程度の範囲にする必要がある。
【００３７】以上のように、本実施形態によれば、ガラス板１１に形成した凹凸面１１ａに発生する光の乱反射を利用して、観察対象物Ｗ（Ｏリング）の表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触領域と非接触領域を明瞭に区別できる高コントラストな画像を得ることができる。このため、画像処理装置３１において、観察対象物Ｗ（Ｏリング）の表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの真の接触面積の解析や、接触領域の分布の解析等を容易にかつ正確に行うことが可能となる。さらに、本実施形態によれば、観察対象物Ｗの表面（被観察面）に照射する光の入射方向は特に限定されず、顕微鏡鏡筒４１の向きも特に限定されず、かつ、観察対象物Ｗ（Ｏリング）の表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触領域と非接触領域を明瞭に区別できる画像を得ることができる。このため、顕微鏡鏡筒４１の光軸をガラス板１１に垂直に向け、また、ガラス板１１に可能な限り接近させることができるため、観察対象物Ｗ（Ｏリング）の表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触部を高倍率に拡大した画像が容易に得られ。
【００３８】第２実施形態次に、本発明の第２の実施形態として、上記接触状態観察装置を用いた他の観察方法について説明する。たとえば、シール製品に代表される弾性体は、たとえば、加工した金属面間のシールとして使用される。金属表面は、加工時に塑性変形を生じるという特徴がある。一方、上記したガラス板１１を構成するガラス材料は脆性材料であるため、基本的に加工された表面形状が異なる。金属の場合は、塑性変形により、ガラス加工面と比較して滑らかな凹凸形状となる。すなわち、たとえば、図８（ａ）に示すように、ガラス板１１に形成した凹凸面１１ａは、上記のガラス材料の性質によって、凹凸面１１ａの凹凸は鋭角的に尖った状態となっていると考えられる。一方、金属の加工面は、たとえば、図８（ｂ）に示すように、金属板２０１の加工面２０１ａの凹凸は、上記した金属材料の性質によって、比較的滑らかな凹凸であると考えられる。
【００３９】したがって、上述した実施形態において、ガラス板１１の凹凸面１１ａに観察対象物ＷであるＯリングを接触させたのでは、Ｏリングの実使用時の状態とは異なる。本実施形態では、このガラス板１１の凹凸面１１ａの凹凸形状の差異を可能な限り解消するために、たとえば、図８（ｃ）に示すように、ガラス板１１の凹凸面１１ａに透明液体を塗布して透明膜ＬＦを形成する。
【００４０】透明膜ＬＦが形成されたガラス板１１の凹凸面１１ａは、透明膜ＬＦによって凹凸が滑らかになる。透明膜ＬＦには、ガラス板１１を構成する材料と同程度の屈折率を有する透明液体を用いることができる。
【００４１】ガラス板１１の凹凸面１１ａの凹凸の谷部に、透明液体を満たし、かつ、塗布する透明液体の量を調整することによって、谷部の高さを任意に制御することが可能である。透明液体は、ガラス板１１の性状によって、化学構造や粘度などの特定を考慮して適宜選択する。例えば、石英ガラスをガラス板１１として使用する場合、ガラスとの濡れ性を考慮し、シリコーンオイルを選定する。また、シリコーンオイルは、極性官能基を有するものを選定し、より好ましくは、エポキシ変性シリコーンオイル、カルボキシル変性シリコーンオイル、カルビノール変性シリコーンオイルなどの官能基変性シリコーンオイルを選択する。さらに、シリコーンオイルの粘度は、低粘度から高粘度まで、ガラスの種類、表面凹凸形状を考慮して適切に選定する。好ましくは、５００ｃＳｔ以下のシリコーンオイルを使用するのが望ましい。
【００４２】本実施形態に係る接触状態観察方法は、上述したように、ガラス板１１の凹凸面１１ａに透明膜ＬＦが形成されて凹凸が滑らかになった状態のガラス板１１を上記構成の接触状態観察装置１に装着して行う。
【００４３】実施例１ここで、凹凸面１１ａに透明膜ＬＦが形成されたガラス板１１を用いて、観察対象物ＷとしてのＯリングの表面とガラス板１１との接触状態を観察した具体的結果について説明する。なお、ガラス板１１の凹凸面１１ａは、所定の粗さの研磨粉を用いてブラスト処理により形成した。また、接触状態の観察の可能性を検討するために、あらかじめＯリングの表面に粗さを付与した。さらに、シリコーンオイルとして、カルビノール変性シリコーンオイルＸ−２２−１６０ＡＳ（信越化学工業社製）を使用した。このシリコーンオイルの粘度は１６０ｃＳｔである。また、シリコーンオイルのガラス板１１の凹凸面１１ａへの塗布は、いかなる方法も使用することができるが、均一に塗布するためには、例えばスピンコーターなどを使用するのが好ましい。
【００４４】図９は、シリコーンオイル塗布後のガラス板１１の凹凸面１１ａの表面の顕微鏡写真図である。図９からわかるように、ガラス板１１の凹凸面１１ａとシリコーンオイルによるランダムな海島構造が観察され、これにより目的とする凹凸形状が形成されていることが判る。
【００４５】図１０は、凹凸面１１ａに透明膜ＬＦが形成されたガラス板１１と観察対象物Ｗとの接触状態の観察画像である。なお、観察対象物Ｗには、ＮＢＲ（ニトリル・ブタジエンゴム）製のＯリング（線径：φ１．５ｍｍ，内径：φ９．５ｍｍ）を用いた。図１０の観察画像の上側に示す図において、色の濃い領域Ｒ１は観察対象物ＷとしてのＯリングの表面がガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触によって押し潰された領域、すなわち、接触領域であり、色の薄い領域Ｒ２はＯリングの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとが接触していない非接触領域を示している。図１０の観察画像からわかるように、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界ははっきりしており、高コントラストな画像が得られている。さらに、接触領域Ｒ１内においても、Ｏリングの表面に存在する凹凸によってガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生した数ミクロン〜数十ミクロン程度の大きさの非接触領域が存在していることを明瞭に観察できる。
【００４６】図１１は、図１０中の観察画像中の線分Ａ−Ａ’にそった輝度の変化を示すグラフである。なお、輝度は、８ｂｉｔ（２５６階調）で表示した。図１１において、接触領域Ｒ１内の接触部分（色の濃い部分）は、輝度は零に近く、接触領域Ｒ１内の非接触部分の輝度が接触部分よりも外側の非接触領域Ｒ２と同等の輝度を示しているのがわかる。すなわち、本実施形態では、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界を明瞭に区別できるだけでなく、接触領域Ｒ１内の非接触部分も明瞭に観察できることができる。
【００４７】比較例１比較例として、図１２に、凹凸面１１ａが形成されていない平滑な面のガラス板を用いた場合の観察画像を示す。また、図１３に、図１２の観察画像中の線分Ｂ−Ｂ’にそった輝度分布をそれぞれ示す。図１２および図１３から判るように、凹凸面１１ａが形成されていない平滑な面のガラス板を使用した場合は、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界を識別するのが困難であることが判る。
【００４８】以上のように、本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果似加えて、観察対象物Ｗが実際に使用される状態に近い条件での接触状態を再現でき、より正確な接触状態を得ることができる。
【００４９】第３実施形態本発明の第３の実施形態として、上記構成の接触状態観察装置を用いた他の接触状態観察方法について説明する。上述した第２の実施形態では、ガラス板１１の凹凸面１１ａに透明液体を塗布して透明膜ＬＦを形成し、ガラス板１１の凹凸面１１ａの状態を観察対象物ＷであるＯリングの実使用時の状態と近似させる構成として、Ｏリングの接触状態を実使用時に近い状態で再現した。しかしながら、上述した第２の実施形態では、ガラス板１１の凹凸面１１ａに透明液体であるシリコーンオイルを塗布するため、観察対象物ＷであるＯリングのガラス板１１の凹凸面１１ａによるつぶし量が大きくなると、シリコーンオイルとＯリング表面間の濡れ性によって、ガラス板１１の凹凸面１１ａとＯリング表面との間に形成される微細な隙間にシリコーンオイルが浸透してしまい、接触領域Ｒ１内での非接触部分の観察ができなくなることがある。
【００５０】このため、本実施形態では、ガラス板１１の凹凸面１１ａに透明液体ではなく、固体透明膜を塗布する。固体透明膜は、ガラス板１１の屈折率と略同様の屈折率のものを使用する。固体透明膜の選定は、ガラス板１１との密着性を考慮し、適切に選ぶ必要がある。たとえば、石英ガラスを用いる場合には、固体透明膜としてシロキサン系コート剤を利用することで高い密着性を得ることができる。固体透明膜の選定、ガラス板１１の凹凸面１１ａへの密着においては、固体透明膜の種類、コーティング方法、硬化（ゲル化）方法、蒸着方法などのいかなる方法についても、本構成を達成する目的で用いることができる。また、ガラス板１１の凹凸面１１ａの凹凸形状、固体透明膜の特性、コート条件を制御することにより任意の表面凹凸形状を形成することができる。
【００５１】ガラス板１１の凹凸面１１ａに透明液体ではなく、固体透明膜を塗布することで、ガラス板１１の凹凸面１１ａの凹凸は滑らかに調整され、この滑らかになった凹凸によって、ガラス板１１に入射した光はその表面で乱反射し、明るく観測される。このように固体透明膜が塗布されたガラス板１１の凹凸面１１ａを観察対象物ＷであるＯリングに強く押し付けても、固体透明膜は液体透明膜のようにＯリング表面との間に形成される微細な隙間に浸透することがなく、ガラス板１１とＯリング表面との接触状態を明瞭に観察することができる。
【００５２】実施例１次に、固体透明膜が塗布されたガラス板１１と観察対象物ＷとしてのＯリングとの接触状態の具体的な観察結果について説明する。なお、ガラス板１１の凹凸面１１ａは、所定の粗さの研磨粉を用いてブラスト処理を行った。また、固体透明膜を形成させるために、シロキサン系ハードコート剤であるＫＰ８５４（信越化学工業社製）を使用した。観察対象物Ｗとして、ＮＢＲ（ニトリル・ブタジエンゴム）製のＯリング（線径：φ１．５ｍｍ，内径：φ９．５ｍｍ）を用いた。
【００５３】図１４は、固体透明膜を形成したガラス板１１の凹凸面１１ａのＳＰＭ測定結果を示す図である。膜形成前では、凹凸面１１ａの凹凸の高さが７μｍ以上であったが、膜の形成により凹凸の高さが約１μｍで、かつ滑らかな形状を付与することができている。
【００５４】図１５は、凹凸面１１ａに固体透明膜が形成されたガラス板１１と観察対象物ＷとしてのＯリングの接触状態の観察画像である。図１５の観察画像の上側に示す図において、色の濃い領域Ｒ１は観察対象物ＷとしてのＯリングの表面がガラス板１１の凹凸面１１ａとの接触によって押し潰された領域、すなわち、接触領域であり、色の薄い領域Ｒ２はＯリングの表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとが接触していない非接触領域を示している。
【００５５】図１５の観察画像からわかるように、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界ははっきりしており、高コントラストな画像が得られている。さらに、接触領域Ｒ１内においても、Ｏリングの表面に存在する凹凸によってガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生した数ミクロン〜数十ミクロン程度の大きさの非接触領域が存在していることを明瞭に観察できる。
【００５６】比較例１比較例として、図１６に第２の実施形態で使用したと同様の流動性を有する透明液体を使用した場合の接触状態の観察画像を示す。なお、透明液体として、シリコーンオイルを使用し、ガラス板１１の凹凸面１１ａは、所定の粗さの研磨粉を用いてブラスト処理を行った。シリコーンオイルとしては、カルビノール変性シリコーンオイルＸ−２２−１６０ＡＳ（信越化学工業社製）を使用した。粘度は１６０ｃＳｔである。また、観察対象物Ｗは実施例１と同じＯリングである。
【００５７】図１６から判るように、接触領域Ｒ１と非接触領域Ｒ２との境界ははっきりしており、高コントラストな画像が得られるが、接触領域Ｒ１内において、ガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に発生した数ミクロン〜数十ミクロン程度の大きさの非接触部分が観察できないのが判る。これは、シリコーンオイルとＯリング表面間の濡れ性によって、Ｏリング表面とガラス板１１の凹凸面１１ａとの間に形成される微細な隙間にシリコーンオイルが浸透したためである。
【００５８】
【発明の効果】本発明によれば、たとえば、弾性体からなる観察対象物の被観察面と観察用部材の凹凸面との間の接触状態を高コントラスト、かつ高倍率で観察することができる。この結果、得られた高コントラストな画像を基に所定の画像処理を施して、真実接触面積や接触率分布などのデータ解析を効率的にかつ高精度で行うことが可能となる。さらに、本発明によれば、観察対象物の任意の表面凹凸形状を有する表面間との接触状態を再現でき、観察対象物が実際に使用される状態での接触状態を正確に再現できこれを観察することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００４３８５
【氏名又は名称】エヌオーケー株式会社
【出願日】 平成１１年１１月１５日（１９９９．１１．１５）
【代理人】 【識別番号】１０００９４０５３
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 隆久
【公開番号】 特開２００１−１４１４３４（Ｐ２００１−１４１４３４Ａ）
【公開日】 平成１３年５月２５日（２００１．５．２５）
【出願番号】 特願平１１−３２４１４４