(57)【要約】【課題】微弱な蛍光を検出可能でありながら、光センサからの伝熱による測定精度の悪化およびシンチレータの劣化を抑制することが可能なフィルム等の厚さ測定装置を提供する。【解決手段】Ｘ線源２０と、被測定物が挿入される空間１４’を挟んで前記Ｘ線源２０に相対する検出部３０とを備え、前記検出部３０は、Ｘ線を受光するシンチレータ４０と、前記シンチレータ４０と空隙ｄを介して配置され、前記シンチレータ４０からの蛍光を受光する光センサ５０とを有する厚さ測定装置１０である。【選択図】図１
2015021911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源と、
被測定物が挿入される空間を挟んで前記Ｘ線源に相対する検出部とを備え、
前記検出部は、
Ｘ線を受光するシンチレータと、
前記シンチレータと空隙を介して配置され、前記シンチレータからの蛍光を受光する光センサとを有する、
厚さ測定装置。
【請求項２】
前記Ｘ線源から照射されるＸ線のエネルギーが２０ｋｅＶ以下である、
請求項１に記載の厚さ測定装置。
【請求項３】
前記シンチレータが、吸湿性を有する蛍光物質と、該蛍光物質を密封する容器とを有する、
請求項１または２に記載の厚さ測定装置。
【請求項４】
前記光センサが、１以上のアバランシェフォトダイオードを有する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の厚さ測定装置。
【請求項５】
前記空隙が、真空層または不活性ガス充填層である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の厚さ測定装置。
【請求項６】
前記空隙が７ｍｍ以下である、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の厚さ測定装置。
【請求項７】
前記空隙が１ｍｍ以上である、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の厚さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィルム、シート、フィルム基材上にコートされた薄膜等の厚さを測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線を利用して、フィルム状の物体の厚さを測定することが行われている。これは、Ｘ線を被測定物に照射して、透過したＸ線の強度を測定することにより、Ｘ線の減衰量に基づいて被測定物の厚さを求めるものである。透過したＸ線の強度は、Ｘ線を蛍光物質に照射し、出射する蛍光を光センサで検出することによって測定される。
【０００３】
Ｘ線を利用することで被測定物が不透明であっても厚さを測定できる。また、いわゆる軟Ｘ線等の低エネルギーのＸ線を用いることで、フィルム状の被測定物に対して適切な減衰量を得るとともに装置を小型化でき、また装置の取り扱いを容易にできるといったメリットがある。しかし、Ｘ線を直接検出することは困難である。そこで、Ｘ線を当てると蛍光を発する蛍光物質が用いられる。蛍光物質としては光変換効率の大きなものが用いられる。蛍光物質がタリウム活性化ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ（Ｔｌ））結晶のように吸湿性を有する場合には、これを気密容器に密封して用いられる。以下本明細書では、蛍光物質が単独で用いられる場合にはその蛍光物質をシンチレータといい、蛍光物質が容器に密封されて用いられる場合には蛍光物質と容器を含めた全体を指してシンチレータという。
【０００４】
光センサとしてはフォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェ型ＰＤ（ＡＰＤ）などの受光素子を利用したものが用いられる。これらの半導体からなる受光素子の特性は温度の影響を強く受けるため、素子を冷却することが必要となる。例えば、ＰＤやＡＰＤを用いる光センサでは、受光素子はペルチェ素子などで電子的に冷却されて低温に保たれる。さらに、微弱な蛍光を検出するために、光センサとシンチレータは接触させて配置される。
【０００５】
特許文献１には、電磁波ビームを被測定物に照射し、透過減衰した電磁波ビームをシンチレータとリニアイメージセンサを組み合わせた検出側ヘッドで検出する、フィルム等の厚さ測定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２０１３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、受光素子を冷却すると、その放熱のために光センサ自体が熱を持つので、この熱が伝わることによってシンチレータの光変換効率が変化し、結果として厚さ測定精度が悪化することが懸念される。また、熱によってシンチレータが劣化することも懸念される。蛍光物質が単独で用いられる場合には光センサからの熱が直接伝わるし、蛍光物質が容器に密封されている場合にも、容器を密封するシールが劣化することによって蛍光物質が劣化することになる。
【０００８】
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、装置全体を小型なものとしながら、シンチレータが発する微弱な蛍光を光センサが検出可能であり、かつ光センサからの伝熱による測定精度の悪化およびシンチレータの劣化を抑制することが可能な厚さ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】
【０００９】
上記の課題に対して、本発明では、シンチレータと光センサの間に空隙を設けることによって、光センサからシンチレータへの伝熱を低減する。
【００１０】
本発明の厚さ測定装置は、Ｘ線源と、被測定物が挿入される空間を挟んで前記Ｘ線源に相対する検出部とを備える。そして、前記検出部は、Ｘ線を受光するシンチレータと、前記シンチレータと空隙を介して配置され、前記シンチレータからの蛍光を受光する光センサとを有する。
【００１１】
この構成により、光センサからの伝熱を低減することができる。なおここで、空隙とは、空気、不活性ガス等の気体層による断熱、または真空層による断熱を意図したものであるから、シンチレータと光センサの間隙をシリコーングリース等で埋めて光学的に接合したものは含まれない。
【００１２】
好ましくは、前記Ｘ線源から照射されるＸ線のエネルギーが２０ｋｅＶ以下である。このように、低エネルギーのＸ線を用いることによって、装置全体を小型にし、装置の取り扱いを容易にすることができる。
【００１３】
前記シンチレータは、吸湿性を有する蛍光物質と、該蛍光物質を密封する容器とを有するものとすることができる。このようなシンチレータは熱によってシール部が劣化しやすいので、本発明によって得られる効果がより大きなものとなる。
【００１４】
前記光センサは、１以上のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を有するものとすることができ、特に２以上のＡＰＤを有するものが好ましい。このような光センサは検出感度に及ぼす温度の影響が特に大きく、強度の冷却を必要とするので、本発明によって得られる効果がより大きなものとなる。
【００１５】
好ましくは、前記空隙が真空層または不活性ガス充填層である。これによって、光センサとシンチレータの間により高い断熱性を得ることができる。
【００１６】
好ましくは、前記空隙が７ｍｍ以下である。これにより、光センサの受光量が増え、測定のバラつきが小さくなることで、厚さの測定精度を高める効果が期待できる。
【００１７】
また、好ましくは、前記空隙が１ｍｍ以上である。これにより、シンチレータと光センサの間の断熱性をより大きなものとすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の厚さ測定装置によれば、微弱な蛍光を検出可能でありながら、光センサからシンチレータへの伝熱による測定精度の悪化とシンチレータの劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の厚さ測定装置の一部の断面構造を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の厚さ測定装置の使用方法を説明する図である。
【図３】厚さ測定精度に関する実験結果を示す図である。
【図４】厚さ測定精度に関する実験結果を示す図である。
【図５】シンチレータ−光センサ間の空隙と測定感度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態の厚さ測定装置の一部の断面構造を被測定物とともに示したものである。
【００２１】
図１において、厚さ測定装置１０はＸ線源２０と検出部３０を有する。Ｘ線源２０と検出部３０は、被測定物が挿入される空間１４’を挟んで相対している。
【００２２】
Ｘ線源２０は、被測定物の種類に応じて、各種のものを用いることができる。Ｘ線のエネルギーは低いことが好ましい。フィルム状の被測定物に対して適切な減衰量を得るとともに、厚さ測定装置１０の全体を小型なものとし、作業者の取り扱いを容易にできるからである。Ｘ線のエネルギーは２０ｋｅＶ以下であることが好ましく、１０ｋｅＶ以下であることがさらに好ましい。
【００２３】
検出部３０は、被測定物１４が挿入される空間１４’を挟んでＸ線源２０と相対している。検出部３０は、アルミニウム等の筐体の内部に、シンチレータ４０、光センサ５０、図示しないパルスカウントモジュールを有する。
【００２４】
本実施形態のシンチレータ４０は、蛍光物質４４を容器に密封したボタン型の形状を有する。容器は、リング状の枠４１と、入射窓４２と、入射窓４２と反対側に光学窓４３を有し、吸湿性を有する蛍光物質４４を気密にシールしている。シンチレータ４０は入射窓４２がＸ線源２０に相対するように配置されている。枠４１にはアルミニウム等の金属製のものを用いることができる。入射窓４２には、アルミニウム、ベリリウムなどのＸ線を透過する材料を用いることができる。光学窓４３には、石英ガラス、ほうけい酸ガラス、その他の光学ガラスを用いることができる。蛍光物質４４としてはＮａＩ（Ｔｌ）などを用いることができる。蛍光物質４４は光学窓４３と光学的に接合されていることが好ましい。
【００２５】
本実施形態の光センサ５０は、シンチレータ４０の光学窓４３に相対して光学窓５２と、光学窓５２の内側に受光素子５１を有し、図１上方に図示しない電源回路・各種制御回路を有する。光センサ５０としては、複数のＡＰＤを２次元マトリクス状に並べた受光素子５１を有するＭＰＰＣ（Ｍｕｌｔｉ−Ｐｉｘｅｌ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｃｏｕｎｔｅｒ）が、高感度であるので好ましい。受光素子５１は電子的に冷却されている。
【００２６】
シンチレータ４０と光センサ５０は、双方の光学窓４３、５２が相対するように近接して配置されているが、両者の間には空隙ｄが設けられている。シンチレータ４０が発する蛍光は微弱であるため、空隙ｄは、十分な量の蛍光が光センサ５０の光学窓５２を通して取り込まれる程度に小さい必要がある。また、蛍光はシンチレータ４０の光学窓４３から全方位に発散されるため、空隙ｄが大きくなると、光センサ５０に取り込まれずに失われる割合が急激に大きくなる。なお、空隙ｄが大きくなると、シンチレータ４０と光センサ５０の間に集光レンズ等を設けたとしても、蛍光が全方位に発散されるため、これを無駄なく受光素子５１に集光させることは難しい。本実施形態では、集光レンズ等を介さずに、シンチレータ４０からの蛍光を光センサ５０に直接取り込む。
【００２７】
光センサ５０に取り込まれる蛍光の量は、シンチレータ４０、光センサ５０、Ｘ線源２０など装置１０を構成する各部の特性や被測定物の種類などに依存するが、空隙ｄの大きさは、７ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下であることがさらに好ましく、３．５ｍｍ以下であることが特に好ましい。
【００２８】
一方、断熱のためには、シンチレータ４０と光センサ５０が接触することなく保持されていればよい。すなわち空隙ｄ＞０ｍｍであればよい。シンチレータ４０と光センサ５０が直接またはグリース等を介して間接に接触している場合に比べて、ごく薄いものであっても空気等気体の層が介在することによって、伝導による伝熱（熱伝達）量は格段に小さくなるからである。
【００２９】
シンチレータ４０と光センサ５０の間に空気層が介在する場合であっても、輻射による熱伝達量は低減できない。しかし、室温付近においては、空気層厚さが約５ｍｍ以下では空気層を通る伝導による熱伝達が支配的である。伝導による熱伝達量は空隙ｄの減少関数になり、空隙ｄが大きくなるにしたがって熱伝達量は小さくなる。したがって、空隙ｄの大きさは、１ｍｍ以上であることが好ましく、１．５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。
【００３０】
より断熱性を高めるためには、空隙を真空とすることが好ましい。検出部の筐体を真空容器とし、内部を真空引きすることで内圧を０．５Ｐａ〜１００Ｐａ程度とし、シンチレータ４０と光センサ５０の間の空隙を真空断熱層とすることができる。これによって、より高い断熱性が得られる。また、空隙に窒素やアルゴンなどの不活性ガスを充填してもよい。不活性ガスとして窒素を用いても空気と同等の断熱性が得られるし、アルゴンなどの空気よりも熱伝導率が低い気体を用いればより高い断熱性が得られる。また、不活性ガスを充填する場合には、空隙が真空の場合と比べて、容器内外の圧力差によって生じる機械的ストレスを減らすことができる。
【００３１】
パルスカウントモジュールは、光センサ５０のパルス出力をカウントし、一定時間毎のカウントの積算値（以下「カウント値」という）を検出部外部へ出力する。
【００３２】
次に、本実施形態の厚さ測定装置の使用方法を図１および図２に基づいて説明する。図２は、測定系の全体構成を被測定物１４とともに示したものである。
【００３３】
本実施形態の測定系は厚さ測定装置１０と演算部１１からなる。Ｘ線源２０から照射されたＸ線は被測定物１４を透過・減衰して、検出部３０に入射する。検出部３０に入射したＸ線はシンチレータ４０に当たり、Ｘ線の強度に応じた蛍光が発せられる。発せられた蛍光は受光センサ５０に入射し、受光センサ５０が検出した蛍光の強度に応じたカウント値がパルスカウントモジュールから演算部１１に送られる。演算部１１では、受信したカウント値と、被測定物が無い状態で計測されたカウント値と、予め作成された検量線に基づいて、被測定物１４の厚さを求めることができる。
【００３４】
被測定物１４としては、プラスチック、繊維、紙等の各種フィルム・シートを測定することができる。フィルムは透明でも不透明でもよく、またフィラーが混入されたものであってもよい。例えば、太陽電池用のバックシートや封止材フィルム、各種光学フィルム、バッテリーセパレータフィルムなどが挙げられる。また、フィルム基材表面に薄膜がコートされたものについて、基材と薄膜材料のＸ線の減衰率に大きな差がある場合は、基材上の薄膜の膜厚を測定することができる。
【００３５】
次に、シンチレータ４０と光センサ５０の空隙ｄの距離が厚さの測定精度に及ぼす影響を、実験によって確認した。
【００３６】
実験条件は次のとおりである。Ｘ線はエネルギーが５ｋｅＶのものを用いた。シンチレータは、蛍光物質として直径２５．４ｍｍ・厚さ２ｍｍのＮａＩ（Ｔｌ）、枠としてアルミニウム製のもの、入射窓として厚さ１５０μｍのベリリウム箔、光学窓として厚さ２．５ｍｍのほうけい酸ガラスを有するもの（応用光研工業株式会社、平板型）を用いた。光センサは、ＭＰＰＣ（浜松ホトニクス株式会社、Ｓ１１２０８−０２５）を受光素子とするものを用いた。受光素子はペルチェ素子によって−１０℃に冷却されている。シンチレータと光センサの間の空隙ｄには空気が存在する。装置を暗箱内に設置し、Ｘ線を被測定物を通さず直接シンチレータに照射した。光センサのパルス出力をカウントし、１００ミリ秒毎のカウント値を１万回記録した。空隙ｄは６．７ｍｍと２．５ｍｍで測定を行った。
【００３７】
空隙ｄが２．５ｍｍの場合では、６．７ｍｍの場合と比べてカウント値が約８倍であった。図３および４に、空隙ｄがそれぞれ６．７ｍｍと２．５ｍｍの場合の結果を示す。図３および４は、黄色透明のポリイミドフィルムに対する検量線を前提として、１００ミリ秒毎のカウント値のばらつきを厚さのばらつきに換算したものである。厚さのばらつきの標準偏差は、空隙ｄが６．７ｍｍでは１．５９μｍであったのに対して、空隙ｄが２．５ｍｍでは０．８０μｍであった。以上より、本実験条件では、空隙ｄを６．７ｍｍから２．５ｍｍに小さくすることによって、検出感度が約８倍に、厚さ測定精度が約２倍に向上した。
【００３８】
図５に、空隙ｄと１００ミリ秒のカウント値の平均との関係を示す。カウント値は光センサが受光する蛍光の強度（以下「受光強度」と略する。）にほぼ比例する。蛍光物質から全方位に発せられた蛍光の一部がシンチレータの光学窓から出射するので、シンチレータの光学窓を面光源とみなすことはできる。しかし、面内の発光強度の分布は一様ではなく中心付近で大きいので、空隙ｄとの関係を単純にモデル化することは難しい。しかしながら、蛍光が全方位に発散されることを考えると、受光強度が空隙ｄのべき乗に反比例するとするのが一つの妥当な仮定であろう。
【００３９】
図５では、カウント値が空隙ｄの約２乗に反比例するとした場合に実験結果がよく説明できた。図５からは、空隙ｄは７ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下であることがさらに好ましく、３．５ｍｍ以下であることが特に好ましい。
【００４０】
また、上記実験は空隙ｄに空気が存在する状態で行ったが、空隙部分の空気を窒素やアルゴンなどの不活性ガスで置換した不活性ガス充填層としてもよい。不活性ガスとして窒素を用いる場合には空気と同等の断熱性が得られる。不活性ガスとしてアルゴンなどの空気よりも熱伝導率の低い気体を用いれば、同じ大きさの空隙ｄに対して、より高い断熱性が得られる。さらに、空隙部分を、内圧が０．５Ｐａ〜１００Ｐａ程度、好ましくは０．５Ｐａ〜１Ｐａ程度に真空引きすることにより、真空層としてもよい。この場合にも、同じ大きさの空隙ｄによって、より高い断熱性が得られる。
【００４１】
図３〜５の結果は普遍的なものではなく、装置を構成する各部の特性などに依存するものであるが、定性的には正しく現象を説明している。また、厚さ１〜３００μｍ、特に５〜１５０μｍ程度のプラスチックフィルムの厚さを測定する装置では、図３〜５から得られた結果がほぼ妥当するものと考えられる。
【００４２】
本発明は、以上の実施形態や好ましい実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態では光センサとして、ＭＰＰＣを有するものを用いたが、受光素子としてＰＤやＡＰＤを利用する他の光センサを用いてもよい。あるいは、光センサとして光電子増倍管を用いてもよい。
【００４４】
また、上記実施形態ではシンチレータの蛍光物質として、ＮａＩ（Ｔｌ）を用いたが、これに限らず、Ｘ線の入射により発光する物質であればシンチレータとして用いることができる。例えば、セリウム添加ケイ酸ガドリニウム（ＧＳＯ）やタリウム活性化ヨウ化セシウム（ＣｓＩ（Ｔｌ））などを用いることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０  厚さ測定装置
１１  演算部
１４  被測定物
１４’被測定物が挿入される空間
２０  Ｘ線源
３０  検出部
４０  シンチレータ
４１  枠
４２  入射窓
４３  光学窓
４４  蛍光物質
５０  光センサ
５１  受光素子
５２  光学窓
【図１】
2015021911.tif 000003
【図２】
2015021911.tif 000004
【図３】
2015021911.tif 000005
【図４】
2015021911.tif 000006
【図５】
2015021911.tif 000007