JPS5987307A - 表面被膜の膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 されろ水和酸化クロム被膜の膜厚をオンラインで測定す
る表面被膜の膜厚測定装置に関する。

クロムーメツキ鏑板上の水和酸化クロム被膜は、品質管
理上、その膜厚を数百オンクストローム以下のある一定
の範囲内にコントロールする必要があるが、この厚みは
電解液組成や電解午件、電解後のリンス条件等の製造条
件によって複雑な挙動を示すことから製造ライン上にお
いて膜厚を迅速に測定する装置の開発が強く望まれてい
た。

このような朽薄破膜の〜ざを測定する装置としては、従
米より偏光解析装置、螢光Ｘ紳装欝、分光街ＩＩ定装＃
ゴ等が知られている。

しかし、偏光解析装置は下地鋼状の表面粗度や水和酸化
クロム被膜の下層に存在する金杯クロム被膜の膜厚の影
赫を大きく受けることから、鋼材をラインで搬送しなか
ら各神処理を行なう、いわゆるオンラインでの測定には
不向きである。

挙党Ｘ線装置は、原理的に金属クロム被膜中のクロム原
子と水利酸化クロムＩｋ　ＭＡ中のクロム原子とを区別
することが不可能なため、オンラインにて水和酸化クロ
ム被膜の厚さのみを測定することが不可能である。

分光訓定装箔は、被測定対象膜に多波長の光を照射し、
その反射率パターンが膜厚によって変化する現象を利用
して、膜厚を求める方法に基づくものである。第１図は
水利酸化クロム被膜の分光反射特性を模式的に示したも
ので、横軸は光の波長、細軸は反射率を、曲線Ａは厚い
被膜、Ｂは薄い被膜の特性を示している。すなわち、紫
外領域では水利酸化クロム被膜の膜厚が厚くなるにした
がって、赤外、可物領域よυも反射率の低下が著しい。

これは、紫外領域の光が被膜によってより多くの吸収を
受けるためと推察される。

いま、紫外領域において、１つの波長λ、を定め、赤外
、可視領域においても１つの波長λ２を定め、この両波
長における反射率の比較を行なえば、物；えは第２図に
示すように膜厚との間に良好な相関関係が認められる。

ところが、このような分光測定装置をオンライン測定に
適用しようとすると、次のような間１点があった。

（１）反射率比と膜厚の相関関係を良好に保つためには
、λ、として紫外領域の波長を選定する必要がある。こ
のため、光かとしてλ２用のハロゲ゛ンランプの他に重
水素ランプを用いているが、重水素ランプは寿命が約５
００時ＩＶ＋と短く、２４時間連続測定のオンライン測
定装置とじては不向きである。

（１１）　　λ１．λ、の波長を選択するために分光器
を用いているが、分光器は機械的強度が弱く、かつ温度
特性が悪いために波長選択に誤差を生じ、これにより膜
厚測定（／ｉ７誤差を生じてしまあまた、膜厚との相関
関係をより高度に保とうとすると、３波長以上の多波長
による反射率を測定する必要がある。

ところが、この場合には波長選択、すなわち分光器の回
転に数秒ないし数十秒を要し、この間に鋼粉はラインに
より数十ないし数百メートル走行してし捷うため、波長
間の測定点が対応しなくなり、粗度の良い測定を行がえ
ない０（曲　オンライン測定においては、鋼板の表面粗
度の変化や、走行中の鋼板のばたつき及び方向変化によ
って乱反射の度合が異なってし甘うために、正反射光の
みを測定する方法では大きな測定誤差を生じてしまう。

このため、走行中のクロム・メッキ鋼根の水和酸化クロ
ム被膜厚を精度良く測定するには、正反射成分に加えて
乱反身４成分をも測定することが必要である。乱反射成
分を含んだ反射光を集光する装置としては積分球が知ら
れているが、通常の分光測定において積分球を使用する
場合は、外乱光を遮蔽するために測定対象物を積分球に
密着させる方法がとられている。しかしこの方法を鋼板
の走行中に行なうときには破壊検査となってしまい、ま
たそれを避けようとすれは、測定時にラインを一時停止
させなければならないので、間欠測定になってしまい、
連続的に高速度の測定を行なえ々い。

本発明は、−Ｆ記事情に着目してなされたもので、その
目的とするところは、オンラインにおいて、非破壊で連
続的に、しかも高粗度に被膜の膜厚を測定しイ（する表
面被膜の膜厚測定装置を提供することにある。

以下、第３図および第４図を参照して本発明の一実施例
における膜厚測定装置を説明する。

第４図において、この膜厚測定装置は、水銀ランプから
なる測定用光源１を有している。水銀ランプｌｄ　、一
般に紫外領域ばかシでなく可彷および赤外領域の波長成
分を含み、しかもこれらの各領域の波長が例えは第３図
に示す如く比較的強いスペクトラムを有している。なお
、第３図中の各スペクトラムの波長は下表の通りである
。

このような光源１から発せられた測定光１ａは、コンデ
ンサ２およびアパーチャ３を経たのち波長選択部４に導
かれる０この波長選択部４は円板４１の円周方向に波長
選択特性の異なる複数のフィルタ４２を配設し、上記円
板４１をモータ４３で回転させることにより各フィルタ
４２を択一的に前記測定光１ａの光路中に挿入するもの
である。しかして、測定光Ｊａは、上記各フィルタ４２
を通過する際にそれぞれ特定の波長成分だけが選択され
、かつこれらの選択光は時分割でそれぞれ送出される。

そうして波長選択部４から出力された各選択光は、コリ
メータレンズ５を介して積分球６の光照射孔６ａより被
測定物７の測定表面に照射される。

一方、この被測定物７の測定表面における上記各選択光
の反射光は、それぞれ正反射光および乱反射光ともに集
光部としての積分球６で集光され、その合成光として光
電子増倍管８で受光される。なお、図中９はこの光電子
増倍管８に対し駆動電圧を印加するための高圧供給電源
である。ここで、上記反射光は、微視的には照射光が被
測定物表面の薄膜層に侵入して吸収を受けたのち、被測
定物の下地表面で反射され、さらに上記薄膜層で吸収さ
れて外部へ射出するものと、薄膜層゛表面で直接反射さ
れるものとの合成光であるが、多くは前者の吸収を受け
たものとなる。したがって、上記反射光を処理すること
により、被測定物７の表面被膜の膜厚情報を得ることは
可能である。

そうして、光霜子増倍￥！−８で充ｔｊ［−１換された
前記各反射光の受光出力は、増幅器１０で増幅されたの
ちサンプルホールド回路１１で所定のレベルがサンプル
ホールドされ、しかるのちＡ／Ｄ変換株、１２でデジタ
ル化されたのちインタフェース回路１３を介して電子計
算機からなる演獅処理部１４に導入される。このとき、
上記サンプルホールド回路１１、Ａ／Ｄ変換器１２およ
びインタフェース回路１３は、前記波長選択部４の回転
動作に同期して同期信号発生器１５で発生された同期パ
ルスにより互いに同期動作する。しかして、前記各反射
光の受光出力は、それぞれ各別に、つまり各波長成分毎
に別々に信号処理され、演算処理部１４にそれぞれ導か
れる。

この結果、演算処理部１４は、例えば上記各波長毎の受
光出力をそれぞれ平均化処理する等してその信号パター
ンを求め、それらの各パターンを比較演算することによ
シ被測定物７０表面被膜の膜厚を算出する。そして、こ
の算出結果をインタフェース回路１３を経て例えばディ
スプレイやプリンタ等の表示器１６に表示すもこのよう
に構成された装置、であれば、次に示す如き各種効果を
奏する０すなわち、 （１）光源１として水銀ランプを用いているので、従来
の重水素ランプ等に比べて４〜５倍の長寿命化をはかる
ことができ、この結果２４時間連１続運転するラインに
適用した場合でも、十分に対応することができる。

（１１）　　スペクトラムの分布領域が広く、かつスペ
クトラムの強い水銀ランプを用いているので、この水銀
ランプとモノクロフィルタからなる波長選択部４とを組
み合わせるだけで、必要とする複数波長の測定光を得る
ことができ、この結果分光器を不要にすることができる
。したがつて、機械的強度の問題や温度特性の問題点を
無くして、測定精度を高めることができ、しかも測定速
度を高速化できることから、各波長の測定光を被測定表
面の略同−位置に照射することができ、この結果上記温
度特性の問題等を無くせることと相１って、よシ一層の
測定粉度向上をはかることができる。

ＯｉＤ　　先に述べた如く、光源１としてスペクトラム
強度の大きな水銀ランプを光源１として用いているので
、光電子増倍管８を簡単に遮光するだけで、積分球６を
被測定物７の表面に対して３０〜５０酊程度離間させた
状態でも密接させた状態と略同等の測定精度を得ること
ができる。

外お、必ずしも遮光しなくとも、実用に十分な測定精度
を得られることが、本発明者の実験により確認された。

このように、従来のように積分球ケ被沖１定物の表面に
密接させなくてもよいので、被測定物を破壊することな
く測定を行ない得、シかも破壊を避けるために測定時に
ラインを一時停止させなくてもよいので、連続的にライ
ンを駆動しながら測定も行なうことができる０ くψ　光電子増倍管８を各波長に対し共通としているの
で、光電子増倍管を複数個使用する場合に比べて光電子
増倍管間の特性差を考慮する必要か々く、精度の良い測
定を行ない得、また構成を簡単化することができる。

第５図は、本発明の他の実施例における膜厚測定装置の
概略構成図で、３種類の波長成分から測定値を得るよう
にしたものである。なお、同図において前記第４図と同
一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

この実施例の装置の前記実施例と構成を異にするところ
は、光源１から発せられた測定光１ａをフィルタを通す
ことなくそのまま被測定物７の測定面に照射し、その反
射光のうち必要とする複数の波長成分を積分球６周面の
異なる開口部に配設した各フィルタ２２　ａ、　２７　
ｂ。

２１Ｑによシ選択してそれぞれ光電子増倍管８　ａ　ｔ
　８　ｂ　ｔ　８　ｃ　Ｋ　４　＃　、その受光出力を
それぞれ増幅器Ｊ　Ｏａ、ｌ　Ｏｂ、ｌ　Ｏｃを介して
各別にサンプルホールド回路１１ａ、ｌｌｂ。

１１ｃでサンプルホールドし、その出力を弁別回路２５
ＫＬυ時分割で交互にＡ／Ｄ変換器１２に供給するよう
にした点である。なお、図中２６は測定光１ａの照射期
間を規定するためのチョッパである。

このような装色であれは、前記一実施例で得られた（１
）〜０１０の各効果の他、次のような効果を得ることが
できる。すなわち、被測定物７に対し衿数波長の測定光
を同時に照射し、その反射波を検出する時点で′Ｎ？の
波長成分を選択するようにしているので、光源１の発光
特性の高速度の変動や被測定物の形状変化およびはたつ
診等による各波長間の受光出力レベルの変化を無くすこ
とができ、これによ郵高精度の洲１定を行なうことがで
きる。

なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではない
。例えば、第６図に示す如く、被測定物７と積分球６と
の間に進退自在に標準板３１を設け、測定前にこの標準
板３１に測定光を照射してその反射光の各光電子増倍管
８ａ、８ｂ８０間における受光レベル差を検出するよう
にしてもよい。これによシ、各党　子増倍管８ａ、８ｂ
、Ｂｃ相互間の特性のバラツキを補正することができる
。その他、選択する波長の数の処理回路部の構成、波長
選択部の構成等についても、本発明の要旨を逸脱しない
ｔ！５囲で種々変形して実施できる。

以上詳述したように本発明は、光源を水銀ランプにより
構成し、その出力光のうち必要とする複数の波長成分を
波長選択部によシそれぞれ選択してこれらを時分割で被
測定物の測定面に照射し、その正反射光および乱反射光
を集光して光検出部で検出し、その検出出力に基づいて
被測定物の表面被膜の膜厚を算出するようにしたもので
ある。

また他の本発明は、水銀ランプからなる光源の出力光を
被測定物の表面被膜に照射し、その正反射光および乱反
射光をそれぞれ集光してこの集光した反射光のうち、必
要とする複数の波長成分を選択的に各別に受光して検出
し、この検出出力に基づいて被測定物の表面彷Ｔ膜の膜
厚を算出するようにしたものである。

したがって本発明によれは、オンラインにおいて、非破
壊で連続的に、シ゛かも高籾度に被膜の膜厚を測定し得
る表面被膜の膜厚測定装「１を枡供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は測定光の波五に対する反射率の変化を示す分光
反射率特性図、第２図は膜厚と反射率比との関係を示す
特性図、第３図は水銀ランプのスペクトラム分布図、第
４図は本発明の一実施例における膜厚測定装置の概、略
楢成図、第５図は本発明の他の実施例を示す膜厚測定装
置の析略構成図、ｇＸ６図は本発明の別の実施例を示す
要部構成図である。 １・・・光源（水銀ランプ）、４・・・波長選択部、４
２　、　２１　ａ　、　２　ｌ　ｂ　、　２１　ｃ　・
−フィルタ、６・・・積分球、７・・・被測定物、８・
・・光　子増倍管、３１・・・標準板。 出願人代理人　弁理士　　鈴　　江　　武　　彦Ｌ ＼−−ノ′ 翼叔Ｗ鰯 １、事件の表示 特願昭５７−１９８２９６号 ２・発明の名称 表面波＠■膜厚測定装置 ３、補正をする者 事件との関係　特ｎ”ｌ”　を石ｊ：；（人（４１２）
　　日本銅管株式会社 （ほか１名） ４、代理人 住所　東京都港区虎ノ門１丁目２６番５号　第１７森ピ
ル〒１０５　　　電話０３　（５０２）　３１８１　（
大代表）昭和５８年２月２２日 ６、補正の対象 代理権を証明する誉面、明細書全文 ７、補正の内容 （１）代理権を証明する魯面１通を別紙の通り補正する
。 （２）　　明細書の浄Ｖ（内容に変更なし）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　水銀ランプからなる光源と、この光源から発
   せられた光のうち必要とする複数の汲上成分を各別に選
   択して時分割で被測定物の測定月貞に照射する波長選択
   光学系と、上記測定膜による前記照射光の正反射光およ
   び乱反射光をそれぞれ集光する集光部と、この集光部に
   より集光された各反射光を帥記波長毎にそれぞれ受光す
   る光検出部と、この光検出部によυ得られた前記波長毎
   の各受光出力からその反射率パターンを求めこのパター
   ンに卑づいて前記被測定物の測定膜の膜厚を算出する処
   理部とを具備したことを特徴とする表面被膜の膜厚測定
   装置。
2. （２）　　水銀ランプからなる光源と、この光源から発
   せられた光を被測定物の測定膜に照射する照射光学系と
   、上記測定膜による前記照射光の正反射光および乱反射
   光をそれぞれ４Ｊｆ元する集光部と、この集光部により
   ｙ；を光された各反射光のうち必要とする＋、＝　ｖｙ
   、の波長成分をそれぞれ選択的に受光する枚数の光検出
   部と、これらの光検出部により得られた前記各波長の受
   光出力からその反射率パターンを求め、このパターンに
   基づいて前記被ｄ１１１定物の測定膜の膜厚を濡出する
   処理部とを具備したことを特徴とする表面被膜の膜厚δ
   １り定装置。