JPH03505251A - 基板上の皮膜の厚さと組成を計測するための方法 - 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】 基板上の皮膜の厚さを計測するための方法及び装置発明の分野 本発明は基板上の多元素皮膜の皮膜重量及び相対濃度の計測、並びにかかる計測 を可能ならしめる装置に関する。この方法は皮膜及び基板が共に同じ元素を含有 するとき、かかる元素が皮膜の化学組成の欠くことのできない部分であるか又は その元素が基板から拡散プロセスにより皮膜へと泳動したかどうかを問わず応用 可能である；（例えば、亜鉛めっきされた製品における鋼基板から亜鉛皮膜へめ 鉄の泳動）。

従来の技術及び発明の背景 金属上に施された薄い金属皮膜の計測に伴う問題は何十年にもわたって蛍光を用 いることによって解決されてきた。具体的には、そのような方法は、鋼上の錫の 皮膜（錫板）、又は、鋼上の亜鉛皮膜（亜鉛めっきされたｇ４）の計測に使われ る。他の皮膜には、ニッケル、クロミウム、アルミニウム、又は真鍮を始めその 他多くの金属が含まれる。基板には、鋼、アルミニウム、真鍮その他の金属があ る。皮膜の濃度にはかなりの幅があるが、平方メートル当たり数グラムから平方 メートル当たり数百グラムの間が一般的である。

他の金属上におけるかかる皮膜の厚さの計測には、米国特許２７１１４８０及び ２９２６２５７号のフリートマン特許、及び２９２５４９７号のベラセン特許を 使うことが知られている。これらは一般的に以下の２つの現象に基づくものであ る：　　　　゛ Ａ、特定の放射線によって照らされたときの基板材料の蛍光。このとき皮膜の厚 さは基板によって発せられた蛍光に対する吸収作用によって決定される。

Ｂ、皮膜自体にほぼ比例する皮膜自体の蛍光。

放射線源としては、固定エネルギーのガンマ線を発生する放射性同位元素又は各 微粒子のエネルギーがＸ線管内のキロボルト電位差によってキロエレクトロン・ ボルトで表される範囲にある放射線スペクトルを発生するＸ線源を用いることが できる。

米国特許２７１１４８０号又は２９２６２５７号においてフリートマンは基板上 の皮膜を計測する蛍光ゲージを説明しているが、ここでは皮膜と基板が同じ元素 を含む場合が除外されている。

米国特許２７１１４８０号ではフリートマンは、ブラッグの原理を用いて、蛍光 放射線と検出器との間にモノクロマトール（エネルギーを分散させる結晶）を用 いて基板の蛍光と皮膜の蛍光とを区別することを説明している。米国特許２９２ ５４９７号の中でベラセンは、放射線源と被膜との間にモノクロマトールを用い て放射線源から励起エネルギーを選択的に取り出すことを説明している。いずれ の場合においても、モノクロマトールを用いることによって計測に関係する放射 線の濃度を著しく減少させ、正確な結果を得るためには、計測を数秒間にわたっ て行なう必要があり、高速で動く生産ラインで用いるのは困難であった。

被膜に２種類の材料が含まれるときは問題はさらに困難になり、被膜と基板が同 じ元素からなるときはそれ以上に困難であった。米国特許４７６４９４５号、ア ベ・タヒダロ特許（１９８８年）は、亜鉛めっきされた製品の場合について、蛍 光計測と選択されたエネルギー（クロームに−）についてのブラッグ回折計測を 組み合わせて、異なる角度で行なうことにより、この問題の解決を計っている。

それにしてもこの方法に伴う主たる問題は、ブラッグ回折に関係する信号が極め て弱く、正確な計測に要する時間が、特に、高速の生産ラインで用いるには長く かかり過ぎるということである。また、装置は極めて複雑であり、計測する材料 またはモノクロマトールの結晶構造によって作られるブラッグ特性線を計測する ために検出器をアーム上で正確な角度で回転させなければならないため機械的に 遅いということがあった。

発明の開示 本発明の目的は、特に被膜と基板が同じ元素を含む場合に、効率的なＸ線装置を 使って、被膜重量と相対濃度を同時に計測する方法を提供し、高速で動く生産ラ イン上での計測を可能にすることにある。

本発明はまた、亜鉛めっきされた製品又は同様の製品の場合に、被膜の中に泳動 した基板の数量を計測する方法を提供することを目的とする。

さらに本発明は、被膜の中に泳動した基板材料の量にかかわらず被膜厚さを計測 する方法を提供することを目的とする。

また、本発明は全速で流れる生産ラインの高速帯における様々な製品に対応でき るだけの高速計測を提供することをも目的とする。

本発明は、基板上の皮膜の厚さ及び相対組成の計測を行なうための、皮膜の表面 に対し少なくとも１本の放射線投射光線を所定の鋭角の入射角にて当てて投射さ れた光子又は微粒子の光線の大部分が該皮膜の内部で阻止されるようにし、皮膜 材料の蛍光を発生させ、入ってくる光線の束の大部分が皮膜材料の内部で阻止さ れるように投射エネルギーを選択し、そして発せられた蛍光光線のみを受は入れ るような位置に放射線検出器を置くことからなる方法を提供するものである。

このように、本発明は、蛍光を発生させ、かがる蛍光を、皮膜のみが影響を受け 、基板には影響を及ぼさないように観察することを含む方法を選択することによ って実行する。第一の光線は皮膜の内部で実際に阻止されるようにする方が皮膜 材料のより深い層により発せれな蛍光光線が表面に到達するまでにほとんど弱く なってしまうようにするよりも簡単である。

本発明はまた、基板上の皮膜の厚さを計測するための、少なくとも１本の放射線 光線を発生させるようにした放射線源、放射線を照射すべき材料に向けて所定の 方向に単数又は複数の放射線光線を導く手段、かかる材料から発せられた単数又 は複数の放射線の蛍光光線を受けとめる手段、及び受は取った放射線光線を検出 し評価する手段からなる装置を提供するものである。

本発明を実現するための一つの手段においては、放射線源は単数又は複数の放射 線光線を所定の角度にて皮膜の表面に発するように向ける。

本発明を実現するための他の側面においては、かかる単数又は複数の放射線光線 の少なくとも１本を該材料の表面に対して１０″及び２０°の間又は４５°の方 向に向けることが望ましい。

本発明のある実施例においては、放射線源はＸ線源であるが、別の実施例におい ては、放射線源として放射性同位元素を用いている。

また別の実施例においては、検出器は比例計算器からなる。代わる実施例におい ては、検出器はイオン化室、閃光計算器又はソリッドステート検出器からなる。

本発明のより好ましい実施例においては、検出器は照射された元素の蛍光エネル ギーより高い蛍光放射線を濾過するフィルターと該元素のエネルギーより低いエ ネルギーでの蛍光放射線を濾過するフィルターとを備えるイオン室の組み合わせ 、からなる。本発明のさらに望ましい実施例においては、検出器は共通のガス雰 囲気が充満した共通のハウジング内に収められ電極を別々に持つ２つのイオン室 からなる。

図面の簡単な説明 本発明の効果を添付図面に基づいて説明する。

図１は、２つの元素Ａ及びＢからなる皮膜材料がのせられた基板Ｓの概略を示す ものである。

図２は、皮膜中の元素Ａの濃度レペルエと厚さＷ及び濃度（ａ）との関係をグラ フで表したものである。

図３は、皮膜中の元素人の一定の濃度レベルと厚さ及び濃度（＆）との関係をグ ラフで示したものであり、ここで皮膜は基板と同じ元素Ｂを含んでいる。

図４は、質量吸収係数（μ）と放射線のエネルギーレベルとの関係をグラフで示 したものである。

図５は、一つの皮膜元素の質量による比率の値と皮膜の元素の蛍光放射線レベル の割合との関係をグラフで示したものである。

図６は、本発明の方法を実行するための装置の単純化した概略図である。

図７は、本発明の方法を実行するための装置のより好ましい実施例の概略図であ る。

技術的な説明 添付図面の図１に示すように、基板Ｓは２つの元素Ａ及びＢの混合物により皮膜 されている。ここで、皮膜の総重量Ｗ並びに元素人及びＢの混合物に含まれる元 素Ａの質量（ａ）による比率を計算する方法が問題となる。その解決策として、 それぞれ数量■＾、ＩＢ及びＩｓで示されるＡ、Ｂ及びＳの蛍光によって発せら れる放射線濃度を計測することができる。

図２の例では、ＩＡのある値及びＩＢのある値が得られている。（ａ）およびＷ の関数としての一定の値に対応する２つの曲線■＾とＩＢが示されており、それ ぞれ計測の誤差により曲１ｍ　Ｉ　ＡとＩＢの位置が多少ずれても（ａ）及びＷ に大きな誤差を及ぼさないような角度にて交差している。

特に、皮膜に含まれる元素のうち一つが基板に含まれる元素と同じである場合、 即ち、ＢがＳと同じ元素である場合は、若干の問題が起こる。この場合、図３に 示すように、グラフは一定の値ＩＡとＩｓを表す曲線の交差を示している。

ＩＡ又はＩｓの計測における微小な誤差がこの方法によって得られる（ａ）及び Ｗの値に非常に大きな誤差を及ぼすことがあることはすぐに明らかである。

本発明を理解するためには、物質による放射線の吸収に伴う基本原理を思い出す ことが望まれる。放射線工の濃度は、放射線が単位面積当たりの質量で表される 厚さＷの層を通過した後、次の式で表される放射線の初期束、Ｉｏの関数として 与えられる：ｌ冨１ｏｅ’メ１ 因数（μ）、即ち質量吸収係数は、放射線のエネルギ−と共に変化する。亜鉛の 場合、ここで問題としているエネルギーの範囲では、図４に示すように変化する 。

（より詳しい説明は、例えば、エバンス、ロブレイ著：原子核、ｌ５ＢＮ　Ｏ， ８９８７４，４１４，８及びシーブバーン著：アルファ、ベータ、ガンマ線分光 学、ｌ５ＢＮ　Ｏ，７２０４，００８３，Ｘ及びＲ，ターシアン、Ｆ、クレーズ 著：数量的Ｘ１１１Ｌ蛍光分析の原理、ｌ５ＢＮ　Ｏ，８５５０１，７０９，０ に見ることができる。）これにより放射線投射光線の１゜８％又は１３％が吸収 されないような材料の厚さの値を計算することができる。亜鉛については以下の ようになる： 光線　　　　　　　厚さく単位：ｇｍ／ｍ”）：エネルギー、ＫＶ　　Ｉ／Ｉｏ ＝０．０１８　１／Ｉｏ＝０．１３９．６５８　　　　　　１０８４　　　　　 ５４２９．６５９　　　　　　　１５０　　　　　　７５２０　　　　　　　　 １０５５　　　　　　５２ｇ３５　　　　　　　　５１３５　　　　　２５６ｉ Ｓこれらから、投射された放射線の特定のエネルギーが選択できるだけでなく、 この光線が材料に投射される角度をも選択できるため、材料全体を通り抜けるよ うな微粒子は、放射線光線が表面に対して垂直ではないため実際にはより大きな 厚さを通過しなければならないことになることは明らかである。

これが達成されると、基板の金属の蛍光は出力光線中には小量しか含まれず、Ａ の濃度（２）は図５に示すように、数量Ｉ＾をＩｎで割った計測結果に関係する 。

これにより（ａ）の計測を容易に行なうことが可能である。実際の皮膜重量の計 測は、表面に向けられた又は垂直の、異なるエネルギーの放射線の別の光線を用 い、その光線により発生するＩ＾、Ｉｎ及びＩｓの値を集めることによって行な うことができる。これらの値のうち、すでに達成された数量（ａ）の評価に関連 する一つのみが、皮膜重量を示すＷを提供するのに充分である。

図６は本発明の特別な実施例を示している。１つ又は２つの所定の切り替え可能 なエネルギーレベル（ＫＶ’Ｓ）で作動しているＸ線放射線源ｌが、金属５の表 面に対して、望ましくはｌＯｏから２０°の間又は４５’の角度θで第一の放射 線光１ａ２を発するように向けられている。金属５に対して菫ましくは垂直の１ 個以上の検出器３が、発せられた蛍光放射線４を受は取る。

これに代わる放射線源としては放射線同位元素がある。

検出器は、比例計算器、又は、例えば、クノール、グレン著：放射線の検出と計 測、ｌ５ＢＮ　０゜４７１．４９５４５．Ｘに述べられているようなイオン化室 、又は望ましくは問題となっている元素の蛍光エネルギーを超える蛍光放射線を 濾過するフィルターと該元素のエネルギーより低いエネルギーの放射線を濾過す るフィルターを備えた複数のイオン室から構成してもよいＯ このようにして、一方の室の出力を他の室の出力から差し引くことによって目的 とする元素の蛍光を厳密に計測することができる゛。

これに代わる方法では、共通のガスが充満した１つのエンクロージャーの中に、 別々の電極とそれぞれに元素Ａ及びＢの蛍光エネルギーＩ＾及びＩＢを区別して 遊離し、！＾がＩｎとは異なるエネルギーレベルの第一光線で計測されるような 放射線フィルターが備わった２つ以上の室を組み合わせる。

本発明のより好ましい実施例を図７に示す。

図１は材料を説明しているが、この特別な場合においては皮膜の元素Ｂは基板と 同じである。

Ｘ線源（７）は選択されたエネルギーレベル（ＫＶ）の放射線の光線（９）を光 線規準器（８）を通して皮膜材料帯（４）へと角度（θ）にて発することができ る方向を向いている。

皮膜材料帯（４）に垂直に置かれた示差環状イオン室検出器（１１）は蛍光を阻 止し、皮膜材料帯（４）からの放射！（１０）を後方散乱させ、元素Ｂ（ＩＢ） の蛍光を区別する。

第二Ｘ線源（１）は選択されたエネルギーレベル（ＫＶ）の放射線の光線（３） を光線規準器（２）を通して皮膜材料帯（４）へと垂直に発することができる方 向を向いている。

皮膜材料帯（４）に垂直に置かれた示差環状イオン室検出器（６）は蛍光を阻止 し、皮膜材料帯（４）からの放射線（５）を後方散乱させ、元素Ａ（Ｉ＾）の蛍 光を区別する。

エンクロージャー（１２）にはＸ線源（１）、（））及び検出器（６）、（１１ ）が収納される。

皮膜材料帯（４）は高速で移動しロール（１３）により支持される。

コンピューターが計測された信号Ｉ＾及びＩＢを同時に用いて皮膜の相対組成と 皮膜重量を計算する。

ｌ５ＩＡ　　　　　ＩＢ　　−か−（蛍光信号）第１図 皮膜厚さ μ 第５図 第６図 国際調査報告 ｌＩＩ＋−＠＾−１ム―・ｋｎ＋噂峨Ｎ拳ＰＣＴ／ＧＢ８９１００５１Ｂ国際調 査報告

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．基板上の皮膜の厚さ及び相対組成の計測を行なうための、皮膜材料の表面に 対し少なくとも１本の放射線投射光線を所定の鋭角の入射角にて当てて投射され た光子又は微粒子の光線の大部分が該皮膜材料の内部で阻止されるようにし、皮 膜材料の蛍光を発生させ、入ってくる放射線の束の大部分が皮膜材料の内部で阻 止されるように投射エネルギーを選択し、発せられた蛍光光線のみを受け入れる ような位置に放射線検出器を置くことからなる方法。
2. ２．基板上の皮膜の厚さ及び組成を計測するための、少なくとも１本の放射線光 線を発生させるようにした放射線源、放射線を照射すべき材料に向けて所定の方 向に単数又は複数の放射線光線を導く手段、かかる材料から発せられた単数又は 複数の放射線の蛍光光線を受けとめる手段、及び受け取った放射線光線を検出し 評価する手段からなる装置。
3. ３．放射線源は発せられた放射線光線を所定の角度にて皮膜の表面に発するよう 向けられた請求項１記載の方法。
4. ４．かかる単数又は複数の放射線光線の少なくとも１本を該材料の表面に対して １０°及び２０°の間又は４５°の方向に向けた請求項３記載の方法。
5. ５．放射線源がＸ線源である請求項２記載の装置。
6. ６．放射線源が放射性同位元素である請求項２記載の装置。
7. ７．検出器が比例計算器からなる請求項２記載の装置。
8. ８．検出器がイオン化室からなる請求項２記載の装置。
9. ９．検出器が材料中に検出すべき照射された元素の蛍光エネルギーより高い蛍光 及び後方散乱放射線を濾過するフィルターと該元素の蛍光エネルギーより低いエ ネルギーでの蛍光及び後方散乱放射線を濾過するフィルターとを備えるイオン室 の組み合わせからなる請求項８又は９記載の装置。
10. １０．検出器は共通のハウジング内に収められ、共通のガスを共有し、それぞれ が請求項９に記載したような放射線フィルターを備えた２つのイオン室からなり 、その２つのイオン室の出力差が材料の照射された元素の蛍光エネルギーレベル を区別するような請求項８又は９記載の装置。
11. １１．皮膜が基板と同じ元素を含む場合に基板上の多元素皮膜の厚さと組成を計 測するための方法及び装置。
12. １２．検出器が閃光計算器からなる請求項２記載の装置。
13. １３．検出器がソリッドステート放射線検出器からなる請求項２記載の装置。
14. １４．検出器は共通のハウジング内に格納され、共通のガスを共有し、それぞれ が放射線フィルターを備えており、任意の２つのイオン室の出力の差が照射され た材料の元素の一つの蛍光エネルギーレベルを区別するような請求項８、９又は １０記載の装置。