(57)【要約】【課題】膜厚測定対象が非平面でもテラヘルツエコーパルスのパルス幅の増大がなく、膜厚測定分解能が低下しない膜厚測定装置を提供すること。【解決手段】テラヘルツ波パルスＬtを発生するテラヘルツ波発生手段１と、テラヘルツ波パルスＬtを膜厚測定対象に入射させる入射光学系５と、膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスＬteを受光する受光光学系６と、テラヘルツエコーパルスＬteのパルス幅を短パルス化する短パルス化手段１５と、テラヘルツエコーパルスＬteの電場振幅時間分解波形を検出する検出手段７と、を有する膜厚測定ユニット１７を備えることを特徴とする非接触膜厚測定装置。【選択図】図１
2010181164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生手段と、
前記テラヘルツ波発生手段から発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させる入射光学系と、
前記入射光学系で前記テラヘルツ波パルスが前記膜厚測定対象に入射され、前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを受光する受光光学系と、
前記テラヘルツエコーパルスのパルス幅を短パルス化する短パルス化手段と、
前記短パルス化手段で短パルス化されたテラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を検出する検出手段と、を有する膜厚測定ユニットを備えることを特徴とする非接触膜厚測定装置。
【請求項２】
前記短パルス化手段は、前記膜厚測定対象と前記検出手段との間に配置される絞りである請求項１に記載の非接触膜厚測定装置。
【請求項３】
前記絞りは、可変絞りである請求項２に記載の非接触膜厚測定装置。
【請求項４】
前記膜厚測定ユニット及び前記膜厚測定対象の少なくとも一方を制御して互いの相対位置関係を所定の位置関係に位置決め制御する位置決め制御機構を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材にコートされた膜の厚さを測定する装置に関する。詳しくは、膜厚測定対象にテラヘルツ波を照射して非接触で膜厚を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や家電製品など多くの工業製品は、基材（下地）の防錆、製品の美観などのために塗装されている。例えば、メタリック塗装乗用車の場合、図４（ａ）に示すように、下地鋼板６０の上に防錆のための電着塗装膜６１が形成され、その上に飛び石などを防ぐチッピングプライマー塗装膜６２が形成され、その上に中塗り塗装膜６３が形成され、その上に顔料と光輝材を含むベース塗装膜６４が形成された後、顔料と光輝材を含まないクリア塗装膜６５が形成されている。電着塗装膜６１は、下地の防錆のために形成され、チッピングプライマー塗装膜６２は、飛び石などによる傷つきを防止するために形成される。したがって、これらの膜厚が規定の膜厚を下回ると、防錆機能や傷つき防止機能が損なわれるため、膜厚を測定して厳密に管理する必要がある。また、中塗り塗装膜６３、ベース塗装膜６４及びクリア塗装膜６５は、外観品質（色、メタリック感、光沢、ゆず肌、深み感など）と密接に関連する。したがって、これらの膜厚も測定管理される必要がある。
【０００３】
従来は、各塗装膜が形成される都度ドライ状態で渦電流式膜厚計を接触させて膜厚を測定していた。したがって、従来の渦電流式膜厚計による測定には工業製品にキズを付ける問題や、多層膜の各層の膜厚を測定することができないといった問題があった。
【０００４】
そこで、キズ付きの問題を解決するために光学干渉を応用した非接触膜厚計が開発された（例えば、特許文献１及び２参照。）が、多層膜の各膜厚を測定することができなかった。
【０００５】
最近、上記従来の膜厚計の問題を解決するために、膜厚測定対象にテラヘルツ波を照射して非接触で膜厚を測定する装置が開発された（例えば、特許文献３参照。）。テラヘルツ波は、波長が３０〜３０００μｍ（周波数が０．１〜１０ＴＨｚ）の電磁波であり、主たる成分が高分子材料である塗膜を透過する。したがって、図４（ａ）に示すような多層膜からなる膜厚測定対象にテラヘルツ波パルスを入射させると、屈折率不連続面である各境界面ＩＰ１〜ＩＰ５でフレネル反射が起き、反射テラヘルツ波パルス（以下、テラヘルツエコーパルスという。）が得られる。このテラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を模式的に示すと、図４（ｂ）のようになり、それぞれ互いに隣接する各境界面からのエコーパルスＰ１、Ｐ２間の時間差Ｔ１２、エコーパルスＰ２、Ｐ３間の時間差Ｔ２３、及びエコーパルスＰ３、Ｐ４間の時間差Ｔ３４に基づいて、タイム・オブ・フライト法を用いて次式により各塗装膜の膜厚を測定することができる。
【０００６】
膜厚＝（時間差×光速）／（塗膜の群屈折率）        （１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許３５４２３４６号公報
【特許文献２】特許３３２６９６１号公報
【特許文献３】特開２００４−２８６１８号公報（第６−７頁、図１、図５、図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、エコーパルス間の時間差から膜厚を求める場合、エコーパルスのパルス幅が膜厚測定分解能を決め、パルス幅をτ、塗膜の群屈折率をｎ、光速をｃとすると、（１）式から分解能Ｒは、
Ｒ＝τｃ／ｎ
となる。この式から、図５にテラヘルツエコーパルスを模式的に示すように、隣り合うエコーパルスが分離できる限界時間差Ｔｒ＝τ／２であることがわかる。すなわち、膜厚測定分解能を上げるためには、テラヘルツエコーパルスのパルス幅を短くしなければならないことがわかる。テラヘルツエコーパルスは膜厚測定対象に照射されるテラヘルツ波のパルス幅にほぼ等しい。通常、テラヘルツ波は、非線形結晶を短パルスレーザ光でポンプして結晶のχ（２）効果で発生されるため、発生するテラヘルツ波のパルス幅は、ポンプ光のパルス幅に依存する。したがって、所望の膜厚分解能にするには、それに見合ったパルス幅のテラヘルツ波を照射する必要がある。
【０００９】
上記従来の膜厚測定装置では、τ＝４００ｆｓであり（特許文献３の図５参照。）、ｎ＝２とすると、Ｒ＝６０μｍと見積もられる。すなわち、従来の膜厚測定装置では６０μｍ未満の膜厚を測定することができない。
【００１０】
一方、膜厚測定対象が平面でないと、膜厚分解能を低下させる、すなわち、テラヘルツエコーパルスのパルス幅を増大させる。通常の工業製品は非平面であるため、テラヘルツエコーパルスのパルス幅が増大し、膜厚測定分解能が低下する。
【００１１】
例えば、図６に示すように、曲率半径ｒの曲面にビーム径２ａのテラヘルツ波が照射されると、中心の光線Ｒcと外側の光線Ｒoとでは、往復約２δの光路差が生じる。例えば、ｒ＝１０ｍｍ、２a＝１ｍｍの場合、δ＝１３μｍとなる。すなわち、１３μｍの膜厚の差が検出されないことになる。別の言い方をすれば、平面状膜厚測定対象からのテラヘルツエコーパルスのパルス幅よりｒ＝１０ｍｍの球面状膜厚測定対象からのテラヘルツエコーパルスのパルス幅が約２００ｆｓ（＝２ｎδ／ｃ）長くなり、その分、膜厚測定分解能が低いことになる。
【００１２】
上記従来の膜厚測定装置では、膜厚測定対象からのテラヘルツエコーパルスをそのまま検出器で受光するため、非平面によってテラヘルツエコーパルスのパルス幅が増大し、膜厚測定分解能が低かった。
【００１３】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、膜厚測定対象が非平面でもテラヘルツエコーパルスのパルス幅の増大がなく、膜厚測定分解能が低下しない膜厚測定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】
【００１４】
上記の課題を解決するためになされた本発明の膜厚測定装置は、テラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生手段と、前記テラヘルツ波発生手段から発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させる入射光学系と、前記入射光学系で前記テラヘルツ波パルスが前記膜厚測定対象に入射されて前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを受光する受光光学系と、前記テラヘルツエコーパルスのパルス幅を短パルス化する短パルス化手段と、前記短パルス化手段で短パルス化された前記テラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を検出する検出手段と、を有する膜厚測定ユニットを備えることを特徴とする。
【００１５】
上記の非接触膜厚測定装置において、前記短パルス化手段は、前記膜厚測定対象と前記検出手段との間に配置される絞りであることが好ましい。
【００１６】
また、前記絞りは可変絞りが好ましい。
【００１７】
また、前記膜厚測定ユニット及び前記膜厚測定対象の少なくとも一方を制御して互いの相対位置関係を所定の位置関係に位置決め制御する位置決め制御機構を有するとよい。
【発明の効果】
【００１８】
テラヘルツエコーパルスのパルス幅を短パルス化する短パルス化手段を備えているので、膜厚測定対象が非平面であるために増大するパルス幅を短パルス化することができ、膜厚測定分解能の低下がない。
【００１９】
絞りで正反射テラヘルツエコーパルス以外をカットすることで、非平面膜厚測定対象のために増大するパルス幅を短パルス化できるので、膜厚測定ユニットを小さくスマートにできる。
【００２０】
可変絞りとすることで、膜厚測定対象毎に異なる所望の膜厚測定分解能に合った絞り開口とすることができる。
【００２１】
膜厚測定ユニット及び膜厚測定対象の少なくとも一方を制御して互いの相対位置関係を所定の位置関係に位置決め制御する位置決め制御機構を有しているので、繰り返し測定する際に、互いの相対位置関係を同じにすることができ、常に膜厚測定対象から正反射テラヘルツエコーパルスを検出手段に入射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態１に係る非接触膜厚測定装置の概略構成図である。
【図２】電場振幅時間分解波形図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る非接触膜厚測定装置の概略構成図である。
【図４】従来技術による膜厚測定原理を示す図であって、（ａ）は自動車ボディー塗装における多層塗装膜の一例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）において測定されたテラヘルツエコーパルスを示す電場振幅時間分解波形図である。
【図５】テラヘルツエコーパルスのパルス幅と膜厚測定分解の関係を説明するための図である。
【図６】曲面にテラヘルツ波パルスが照射されて光路差ができる様子を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２４】
（実施形態１）本実施形態の非接触膜厚測定装置は、図１に示すように、テラヘルツ波パルスLtを発生するテラヘルツ波発生手段４と、テラヘルツ波パルスLtを膜厚測定対象２０に入射させる入射光学系５と、膜厚測定対象２０から反射されてくるテラヘルツエコーパルスLteを受光する受光光学系６と、テラヘルツエコーパルスLteのパルス幅を短パルス化する短パルス化手段１５と、テラヘルツエコーパルスLteの電場振幅時間分解波形を検出する検出手段７と、を有する膜厚測定ユニット１７を備えている。
【００２５】
膜厚測定ユニット１７は、上記の他にテラヘルツ波発生手段４を励起するポンプ光Lpuと検出手段７でテラヘルツエコーパルスLteの電場振幅時間分解波形を検出するためのプローブ光Lprを発生する超短光パルス光源１と、超短光パルス光源１から発生された超短光パルスレーザLoをポンプ光Lpuとプローブ光Lprとに分割する光分割手段２と、プローブ光Lprの時間遅延を制御する光遅延手段３、他を備えている。
【００２６】
超短光パルス光源１は、ＳＨＧ結晶を備えるErドープファイバレーザで、パルス幅１７ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、中心波長１５５０ｎｍ、出力１００ｍＷの基本波パルスと、中心波長７８０ｎｍ、出力１０ｍＷの第２高調波パルスからなる超短光パルスレーザＬ0を発生する。
【００２７】
超短光パルス光源１は、上記に限定されるものでなく、例えば、Ｙｂドープファイバレーザやチタンサファイアレーザ等でもよい。
【００２８】
繰り返し周波数は、大きいほどテラヘルツエコーパルスLteの電場振幅時間分解波形のＳＮ比を上げることができるが、繰り返し周波数が大き過ぎるとパルス間隔が狭まり、時間領域でのスキャンレンジが狭まるので、膜厚測定対象に応じて適切な繰り返し周波数のレーザを用いることが望ましい。
【００２９】
パルス幅は、膜厚測定分解能を上げるためにできるだけ短い方がよい。
【００３０】
光分割手段２は、２色ミラーで、超短光パルスレーザＬ0を波長１５５０ｎｍのポンプ光Ｌpu（基本波パルス）と波長７８０ｎｍのプローブ光Ｌpr（第２高調波パルス）に分割する。超短光パルス光源１がチタンサファイアレーザ等の単一波長で発振するレーザの場合は、光分割手段２にビームスプリッタを用いる。
【００３１】
光遅延手段３は、交差ミラー３１と交差ミラー３１を矢印Ａ方向に移動させる移動機構３２とを備え、後述のポンプ光Ｌpuでポンプされて発生するテラヘルツ波パルスＬtに対して、２色ミラー２で分割されたプローブ光Ｌprに時間的な遅れ、或いは進みを発生させる。移動機構３２は、パソコン１１で制御される。
【００３２】
ポンプ光Lpuは、変調器８を通過して変調を受ける。変調器８による変調周波数は、ポンプ光Lpuの繰り返し周波数の１／１０以下程度であれば高い方が好ましい。本実施形態では、変調器８にチョッパが用いられ、ポンプ光Lpuは１ｋＨｚで変調された。なお、変調器８に音響光学変調器（AOM）や電気光学変調器（EOM）等を用いると、高速変調が可能になる。
【００３３】
変調を受けたポンプ光Lpuは、レンズ９でテラヘルツ波発生手段４に集光される。テラヘルツ波発生手段４は、有機非線形結晶のＤＡＳＴ（4-dimethylamino-N-methyl-4 stilbazobazolium tosylate）であり、用いたＤＡＳＴ結晶４はｃ軸に直交する二つの面４１、４２を持ち、面４１と４２の間隔（厚さ）は０．１ｍｍである。ＤＡＳＴ結晶４にポンプ光Ｌpuが照射されると、結晶のχ（２）効果でテラヘルツ波パルスＬtが発生される。
【００３４】
入射光学系５は、二つの軸外し放物面鏡５１、５２を備えている。一方の軸外し放物面鏡５１は、ＤＡＳＴ結晶４から放射されるテラヘルツ波パルスＬtをコリメートし、他方の軸外し放物面鏡５２はコリメートされたテラヘルツ波パルスＬｔを膜厚測定対象２０に集光照射する。
【００３５】
受光光学系６は、二つの軸外し放物面鏡６１、６２を備えている。一方の軸外し放物面鏡６１は、膜厚測定対象２０からのテラヘルツエコーパルスＬteをコリメートし、他方の軸外し放物面鏡６２はコリメートされたテラヘルツエコーパルスLteを検出手段７に集光照射する。
【００３６】
軸外し放物面鏡６１と６２の間に配置された短パルス化手段１５は、絞りである。絞り１５の開口は、図１中点線で示すテラヘルツエコーパルスＬteのビーム径に等しくしてある。なお、この点線は、膜厚測定対象２０が平面のときのレイトレーシングである。膜厚測定対象２０が図１に示すように凸面の場合は、絞り１５の位置でテラヘルツエコーパルスＬteのビーム径が点線より大きくなる。なお、絞りは可変絞りが好ましい。
【００３７】
本実施形態では、上記のように短パルス化手段１５として絞りを用いたが、回折格子圧縮器、プリズム圧縮器等を用いてもよい。
【００３８】
検出手段７は、シリコンレンズ７１と光伝導スイッチ７２を備えている。光伝導スイッチ７２は、低温成長GaAs基板にダイポールアンテナを形成したもので、ダイポールアンテナのギャップ部をプローブ光Ｌprで励起して、そこにテラヘルツエコーパルスＬteを入射させてその電場振幅時間波形を得ることができる。
【００３９】
１６は、光伝導スイッチ７２からの電気信号を増幅する増幅器である。
【００４０】
１０は、光伝導スイッチ７２で検出された信号の中からチョッパ８の変調信号に同期した成分を抽出して増幅するロックインアンプである。
【００４１】
１１は、光遅延手段３の位置情報と、ロックインアンプ１０からの信号を記録するパソコンであり、光遅延手段３の移動機構３２とロックインアンプ１０を制御する機能も有している。
【００４２】
次に、非接触膜厚測定装置の動作を説明する。
【００４３】
まず、超短光パルス光源１から発生された超短光パルスレーザＬoは、２色ミラー２でポンプ光Ｌpuとプローブ光Ｌprに分割される。
【００４４】
ポンプ光Ｌpuは、チョッパ８で強度変調された後、レンズ９でＤＡＳＴ結晶４のｃ軸方向に集光照射される。すると、結晶４のχ（２）効果でテラヘルツ波パルスＬtが発生される。
【００４５】
テラヘルツ波パルスＬtは、入射光学系５の軸外し放物面鏡５１でコリメートされた後、軸外し放物面鏡５２で膜厚測定対象２０に集光照射される。すると、膜厚測定対象２０の屈折率が異なる界面から反射され、点線で示すテラヘルツエコーパルスＬteが放射される。
【００４６】
膜厚測定対象２０から放射されるテラヘルツエコーパルスＬteは、受光光学系６の軸外し放物面鏡６１でコリメートされ、絞り１５で正反射以外のテラヘルツエコーパルスＬteが除去され、点線で示す正反射テラヘルツエコーパルスＬteが軸外し放物面鏡６２でシリコンレンズ７１を介して光伝導スイッチ７２に集光される。
【００４７】
一方、２色ミラー２で分割されたプローブ光Ｌprは、光遅延手段３を経て、レンズ１９により光伝導スイッチ７２に集光される。光遅延手段３をスキャンすることにより、光伝導スイッチ７２でテラヘルツエコーパルスＬteの電場振幅時間分解波形を計測する。すなわち、光伝導スイッチ７２の信号をアンプ１６で増幅し、さらに、ロックインアンプ１０で増幅し、パソコン１１でデータ蓄積して、テラヘルツエコーパルスＬteの図４（ｂ）に示すような電場振幅時間分解波形を得る。
【００４８】
なお、光遅延手段３がラピッドスキャン型の場合、遅延掃引の周期にパソコンを同期させるとよい。こうすることにより、より高速にデータを取得できるようになる。
【００４９】
次に、非接触膜厚測定装置の効果の検証実験を説明する。図１の膜厚測定対象２０を曲率半径１０ｍｍの凸面鏡にして検証実験を行い図２に示す結果を得た。図２において、点線の波形（イ）は、絞り１５がない場合のテラヘルツエコーパルスLteの波形であり、実線の波形（ロ）は、絞り１５がある場合の波形である。図２から、絞り１５があると、パルス幅がない場合の半分の５００ｆｓになることがわかる。すなわち、膜厚測定対象２０が非平面であることでテラヘルツエコーパルスLteのパルス幅が１ｐｓに拡がったパルス幅が絞り１５を配置することで５００ｆｓに圧縮されていることがわかる。
【００５０】
（実施形態２）本実施形態の非接触膜厚測定装置は、実施形態１の非接触膜厚測定装置に位置決め制御機構を付加したものであり、実施形態１と同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５１】
本実施形態の非接触膜厚測定装置は、図３に示すように、膜厚測定ユニット１７の中に測距器１９を備え、測定ユニット１７が搭載される位置姿勢制御手段１８を備えている。測距器１９、位置姿勢制御手段１８及びパソコン１１で位置決め制御機構を構成する。
【００５２】
測距器１９は、たとえば光波測距器であり、測定ユニット１７から膜厚測定対象２０までの距離を測定し、パソコン１１に測距データを送る。
【００５３】
位置姿勢制御手段１８は、たとえば、ＸＹＺθステージであり、パソコン１１の指令で測定ユニット１７の位置姿勢を制御する。
【００５４】
なお、位置姿勢制御手段１８は、コンピュータ制御のロボットハンドでもよい。
【００５５】
パソコン１１は、測距器１９から取り込んだ測距データから求まる距離が所定の距離になるように、且つ検出手段７から入力される信号が最大になるように、ＸＹＺθステージ１８を駆動制御する。
【００５６】
本実施形態の非接触膜厚測定装置は、上記のように、測距器１９、位置姿勢制御手段１８及びパソコン１１からなる位置決め制御機構を有するので、繰り返し膜厚測定する際に、測定ユニット１７と膜厚測定対象２０の相対位置関係を同じにすることができ、常に膜厚測定対象２０から正反射テラヘルツエコーパルスを検出手段に入射させることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１・・・・・・・・・・・・テラヘルツ波発生手段
５・・・・・・・・・・・・入射光学系
６・・・・・・・・・・・・受光光学系
７・・・・・・・・・・・・検出手段
１５・・・・・・・・・・・短パルス化手段（絞り）
１７・・・・・・・・・・・膜厚測定ユニット
（１１＋２１＋２２）・・・位置決め制御機構
Ｌt・・・・・・・・・・・ テラヘルツ波パルス
Ｌte・・・・・・・・・・・テラヘルツエコーパルス
【図１】
2010181164.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010181164.tif 000007
【図６】
2010181164.tif 000008