JP2004198416A - 薄い層の厚さを計測する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄い層の厚さを非常に短い計測時間で正確に計測できるようにする。
【解決手段】本発明は、計測すべき層に向かうＸ線を放射するＸ線管（１２）を使用した薄い層の厚さを計測するための装置である。本装置は、Ｘ線管（１２）と計測すべき層との間に配置された少なくとも１つのアパーチャ装置（１７）を有し、アパーチャ装置が、Ｘ線を吸収する領域（２６）を含むと共に、アパーチャ開口（２８）を有する。アパーチャ装置（１７）内の少なくとも１つのアパーチャ開口（２８）が、ビーム方向に見て、計測すべき層の形態に少なくとも部分的に一致する領域を投影する幾何学的形状を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄い層の厚さをＸ線照射によって計測するための装置に関する。

この装置はＤＥ３２３２３７９から知られている。これは、Ｘ線蛍光原理に基づいた薄い層の厚さの計測に使用される。この装置は、計測対象上の計測すべき層に向けられるＸ線を放射するＸ線管を有する。計測すべき層上の計測点へのＸ線照射を制限するアパーチャ装置が、計測対象とＸ線管との間に、計測対象すなわち計測すべき層から可変できる距離を保って設けられている。照射された計測対象から放射された蛍光線を検出して、検出器で評価する。アパーチャ装置とＸ線管との間のビーム路に半反射屈折ミラーを設けて、これをＸ線が透過し、計測対象及び計測すべき層を見ることができるようにしている。

この装置のアパーチャ装置は、互いに固定距離を置いて配置された寸法が異なる２つ以上の貫通穴を有する。これらの貫通穴は、計測作業用に適切に選択することができ、その結果、正確に規制することができる小さい計測点または区域を検出することができる。この装置は、計測すべき層上の個々の非常に小さい領域を正確に決定できるようにする。この目的には高強度が必要であり、それが計測対象に作用する。計測時間が長いほど、検出できる計測精度が高くなる。

薄い層の厚さの計測は、大量生産品に対しても行うことができる。たとえば、インジェクションポンプ用の弁部品の場合、電気化学メッキ処理によって塗布された層の厚さを検出することが必要である。これらの部品は、何百万個も生産される。薄い層の厚さを決定するための計測処理にかかる計測時間は短時間でなければならない。

独国特許３２ ３９ ３７９ Ｃ２

したがって、本発明は、この形式の装置を発展させて、薄い層の厚さを非常に短い計測時間で正確に計測できるようにすることを目的とする。

本発明は、計測すべき層に向かうＸ線を放射するＸ線管を使用して、Ｘ線によって薄い層の厚さを計測するための装置である。本装置は、Ｘ線管と計測すべき層との間に配置された少なくとも１つのアパーチャ装置を有する。アパーチャ装置は、Ｘ線を吸収する領域を含むと共に、アパーチャ開口を有する。アパーチャ装置内の少なくとも１つのアパーチャ開口が、ビーム方向に見て、計測すべき層の形態に少なくとも部分的に一致する領域を投影する幾何学的形状を有する。

被膜の厚さを検出するための大量生産品用の短い計測時間は、ビーム方向に見て、計測すべき層の態様に少なくとも部分的に一致する領域を投影する幾何学的形状を有するアパーチャ開口を設けたアパーチャ装置を提供することによって達成される。これは、計測すべき層の表面の均一照射を可能にし、それによって計測表面全体を１回の計測処理だけで記録することができる。このように、アパーチャ開口を計測すべき層の態様に少なくとも部分的に一致させることによって、大量生産品に対する計測時間を短縮させることができる。これは、金銭的に相当に重要である。計測時間の短縮によって、部品処理量を増加させることができる。これによって、全数検査を実施し、品質検査コストを低下させることができる。本発明に従ったアパーチャ装置のこの改良によって、非常に短い計測時間しか使用できない大量生産品の非接触計測にＸ線を使用することができる。

本発明の１つの好適な改良は、アパーチャ装置のアパーチャ開口が、アパーチャ開口を包囲する吸収領域を有し、少なくとも１つの吸収領域が、アパーチャ開口内、または少なくとも部分的にそれに隣接して設けられることである。この改良によって、Ｘ線を多数の態様に一致させて、計測表面上に投影させることができる。アパーチャ開口内に少なくとも１つの吸収領域を配置することによって、表面上へのビーム投影のサブ領域を、計測すべき層上で遮蔽することができる。これによって、計測対象に、または計測すべき層の表面に一致するビーム案内が可能になる。

アパーチャ開口内に設けられる少なくとも１つの貫通開口は、１つの好適な実施態様によれば、ギャップ幅及び／またはギャップ長さを有して、これは、ビーム方向に見た時、計測すべき層の領域と同一か、またはそれより小さい寸法の領域を計測すべき層の表面上に投影する。したがって、アパーチャ装置を使用して、計測すべき層の表面全体を１回の計測処理で照明することができる。少なくとも１つの貫通開口の長さ及び幅の任意の幾何学的形状によって、品質検査に該当する領域を同時に計測することができ、また、その他の領域を遮蔽することができる。したがって、アパーチャ装置は、個々の計測作業に一致させることができる。

アパーチャ装置は好ましくは、ギャップの形の少なくとも１つの貫通開口を、少なくとも１つのアパーチャ開口と、その内部またはそれに隣接した吸収領域との間に有する。これによって、繊細な構造及び線の形または領域を形成させて、そこを放射線が通過して、計測すべき層の表面に入射するようにすることができる。ギャップの形の少なくとも１つの貫通開口を設ける改良によって、非常に繊細に塗布されている領域でも、表面の広がりが可変である領域と共に計測することができる。

好ましくは、環状ギャップを形成する少なくとも１つの貫通開口が設けられている。これによって、特に回転対称部品上の層の計測に使用される、いわゆるリングアパーチャまたはリングコリメータを形成させることができる。これらの回転対称部品は、被膜が塗布され、その層厚さを検査しようとする１つまたは複数の円形または環状領域を有することができる。

１つの好適な実施態様では、ギャップの形である少なくとも１つの貫通開口の間に、環状ギャップに対して配置される少なくとも１つのウェブが設けられており、このウェブが、アパーチャ開口内に配置される吸収領域を位置決めする。ウェブは、好ましくは非常に細く構成され、したがって、隣接する貫通開口にもよるが、計測すべき層の表面を実質的に均一に照明または照射できる。

あるいは、たとえば、細いワイヤからなる多数のウェブを互いに間隔を置いて設けることが可能である。ワイヤは、アパーチャ装置の片側に設けるか、あるいはアパーチャ装置内の層として設けることができる。

本発明のさらに好都合な改良によれば、アパーチャ開口内に配置されている吸収領域を、アパーチャ開口の平面から外して位置決めすることができる。たとえば、内側吸収領域をビーム源の方向に移動させることによって、貫通開口のギャップ幅を減少させることができる。これによって、計測平面上の放射線投影領域を減少させることができる。

これによって、たとえば、アパーチャ装置用に薄い材料を選択することができ、その結果として、これを容易に処理することができる。アパーチャ装置は、好ましくは透明である有機または無機ガラスで形成されることが好ましい。鉛ガラスの使用が特に適切である。放射線の必要なエネルギ組成によっては、鉛ガラスの厚さを減少させても、Ｘ線の吸収を達成することができる。計測用に大きい領域が照射されるので、低い放射線強度でも計測を行うのに十分である。

アパーチャ開口内の貫通開口は好ましくは、アパーチャ装置の表面に直角に形成される。これらの貫通開口は同様に、ビーム方向に見て、少なくともわずかに広がることができる。

本発明のさらなる好都合な実施態様では、アパーチャ装置を回転できるように構成することができる。計測平面に対して水平配置または平行配置からのふれによって、たとえば、環状ギャップを有するアパーチャ装置を使用して、楕円形の領域を投影する貫通開口とすることができる。したがって、１つのアパーチャ装置が、計測すべき対象の表面の多くの幾何学的形状に一致することができる。

本発明のさらなる変更実施態様では、アパーチャ開口内、または少なくとも部分的にそれに隣接した少なくとも１つの領域を、アパーチャ開口に対して回転できるように配置することが可能である。たとえば、リングアパーチャの場合、内側吸収領域は、その回転によって、透過度を変化させることができるアパーチャ装置を形成できるように構成することができる。

次に、図面に示された例を参照した以下の文章で、本発明と共にその好適な実施形態及び変形をさらに詳細に記載し、説明する。本説明及び図面に見られる特徴は、本発明に従って、それ自体個別に、あるいは任意の所望の組み合わせで使用することができる。

図１は、Ｘ線照射によって、特に蛍光Ｘ線照射によって薄い層の厚さを計測するための装置１１を示す。本装置１１は、ハウジング１３内にＸ線を発生するためのＸ線管１２を有する。Ｘ線は、ハウジング１３の開口を通って出て、計測対象１６の表面１４に入射する。計測対象１６の表面１４から所定距離を置いて配置されたアパーチャ装置１７によって、Ｘ線の特定の表面領域が計測対象１６の表面１４に投影される。比例ターゲットチューブ１８すなわち検出器が、計測対象によって放射された蛍光放射線または二次放射線を検出して、その放射線をデータ処理システムの支援のもとで評価する。

装置１１はＸ線のビーム路内に配置された半反射ミラー２１を有している。これによって、計測対象１６の表面１４の像を光学機器で見ることができ、かつ電子インジケータ２２によって記録し、モニタに出力させることができる。

図２は、Ｘ線管から計測対象１６までのビーム路を斜視図で示し、拡大しているが、同一縮尺ではない。アパーチャ装置１７は吸収領域２６を有し、これは、たとえば、調節機構２７内に取り付けられ、この調節機構によって、計測対象１６の表面１４までの距離を調節することができる。アパーチャ装置１７は、外側吸収領域２６に隣接したアパーチャ開口２８を有する。アパーチャ開口２８の内部に内側吸収領域２９が配置されており、これによって、アパーチャ開口２８に環状ギャップ３１が形成される。内側吸収領域２９はウェブ３２によってアパーチャ開口２８に対して位置決めされる。ウェブは図３に示された平面図に詳細に図示されている。例示的な実施形態によれば、３つの貫通開口３３で形成されている環状ギャップ３１の形成によって、Ｘ線が環状領域３６を計測対象１６の表面１４上に投影することができる。この環状領域３６は、計測領域に対応し、計測対象上のその層の厚さが、この装置１１によって決定される。

例示的な実施形態によれば、計測対象１６は自動車のインジェクションポンプに使用される回転対称部品である。端面３７に被膜３８が塗布されており、好適に使用される電気化学メッキ処理中に、少なくとも側縁部まで広がる。この被膜３８は、たとえば、クロム被膜であり、その被膜厚さを計測しようとするものである。

例示として示されたこれらの計測対象１６は、大量生産品であり、その全数検査を実行しなければならない。この場合の目的は、端面３７の被膜厚さを検査して、塗布された被膜３８が少なくとも必要な被膜厚さを有することを確認することである。

図２及び図３に示されたアパーチャ装置１７の改良は、リングコリメータとも呼ばれるが、環状領域３６の被膜厚さを数秒、たとえば、１秒の計測時間で記録できるようにしている。アパーチャ装置１７はＸ線を表面１４に均等に到達させている。間に配置されたウェブ３２は、比較的細く構成されており、そのため、それらの影は無視できる。

図４ａは計測対象１６の概略的な断面図である。計測対象１６がビーム路に対して理想的に整合した位置にある時、図４ａに示されているように、環状領域３６が端面３７上の被膜３８上に投影される。この環状領域３６は中央領域であるのが好ましい。

これらの部材は、被膜３８が内側から外側に向かって増加するという特別な特徴を有する。環状領域３６は、これに一致するように設けられており、そのため、これを円周面の内縁部領域より外縁部領域に接近させるようにしている。環状領域３６の幅は、計測領域の幅に、あるいは計測対象１６の端面３７に一致する。環状領域から放射された二次放射線から得られたデータを評価ユニットによって積分し、被膜厚さを決定する。

このリングアパーチャ装置は、公差に対して敏感でないという利点を有する。たとえば、図４ｂは、ビーム軸に対して側方にずれた位置にある計測対象１６を示す。被膜３８に対する環状領域３６の配置からわかるように、左側より右側で、厚い被膜を有する部分に照射される。環状領域全体の積分値を決定する結果として平均化され、これによって、より妥当な値が得られる。

環状領域のこのような完全、またはほぼ完全な照射によって、大量生産品の全数検査を短時間で実行することができる。これは、デリケートな表面の場合に特に好都合である。従来型スポット計測に比べて、アパーチャ装置によって設けられる計測領域が大きいので、検出器が記録できるよりも多くの一次放射線を、したがってより多く放射された二次放射線を得ることができる。したがって、計測時間の短縮を達成することができる。例示的な実施形態に記載されている計測対象の場合、たとえば、計測時間を１秒以下にすることができる。これにより、短いサイクル時間でも蛍光Ｘ線を使用して非接触計測を実行することができる。

原則的に、アパーチャ装置１７の構造をさまざまに変えて、計測対象１６の表面１４、または計測対象１６の表面領域のそれぞれの形態に一致させることができる。たとえば、環状領域３６は、図４ａ及び図４ｂに示されているような回転対称部品の壁厚さ全体にわたって広がっていてもよい。環状領域３６のリング幅は任意に調節可能である。個々の円弧の形状及び輪郭も同様に変更することができる。たとえば、ウェブ３２が、環状領域の相当に大きい部分を占めてもよい。さらに、たとえば、図３に示されているように、吸収領域と同一の材料で構成されている１つまたは複数のウェブの代わりに、たとえば、内側領域２９を外側領域２６に対して位置決めするワイヤを設けることができる。たとえば、ワイヤまたはワイヤメッシュを、鉛ガラスで形成されたアパーチャ装置１７内にはめることができる。

さらに、変形例として、たとえば、円形ディスクの形で図示されている内側吸収領域２９を回転可能なシャフトによって保持することが可能である。これにより、内側吸収領域２９を回転させることによって、所望計測領域の関数として可変透過度を達成することができる。内側吸収領域２９は、アパーチャ開口２８が閉鎖される閉鎖位置を持つことができる。たとえば、アパーチャ開口２８を２〜３度の角度だけわずかに開くことによって、２つの鎌状の領域を解放することができ、これにより、計測対象１６の表面１４上に対応領域が投影される。同様に、９０度の回転によって、ほぼ完全な照射を行うことが可能である。

アパーチャ装置１７は、有機または無機ガラスで形成される。インジケータ２２によって計測対象を見るために、透明鉛ガラスを使用することが好ましい。Ｘ線の吸収を行うために使用されるガラス厚さは、Ｘ線照射のビーム性質によって決まる。たとえば、壁厚が８ｍｍ未満、好ましくは１〜４ｍｍの鉛ガラスを使用することができる。アパーチャ装置１７は、上下面を処理しておくことができる。金属などの被膜を同様に設けることができる。

アパーチャ開口２８は領域２６内に任意の所望形態及び形状を有することができ、内側吸収領域２９も開口２８に対して任意の所望方法で配置することができる。被膜を有し、その厚さを計測しなければならない計測対象１６は任意の幾何学的構造とすることができる。たとえば、Ｕ字形またはＶ字形貫通開口を形成したものでもよい。同様に、クローバ形構造や互いに円形に配置された多数の環状構造とすることもできる。貫通開口３３の幅及び長さは、それの数及び寸法及び内側吸収領域２９の数と共に、可変であり、多くのやり方で組み合わせることができる。

たとえば、リングコリメータとして図示されているアパーチャ装置１７は、水平軸を中心にした回転によって、楕円形の環状領域３６の像を形成することができる。回転軸を中心にしたこの傾動は、それに重ねられた少なくとも１つのさらなる回転軸を中心にした傾動を有することができる。

図５ａ及び図５ｂは、アパーチャ装置１７のさらなる変更実施形態を示す。この改良では、内側吸収領域２９が、回転可能なフラップによって形成されており、このフラップは、軸４０を中心にして平面の外へ回転できるように構成されている。この軸は、駆動ユニットに接続することができ、それによって、内側吸収領域２９に対して可変位置を設定することができる。この駆動装置は、角位置の極微細調節を可能にするであろう。

たとえば、位置４１で示されているように、内側吸収領域２９は、外側領域２６と同一平面上に設けられる。この配置では、図５ｂに示されているように、４１’で表される投影領域が生成される。

この例示的な実施形態では、環状開口３３が設けられ、これの像も、図５ｂに環状領域３３として形成される。代わりに、内側領域２９を位置４１において外側領域２６と面一で接するように設けることもでき、これによって事実上、Ｘ線用の通路がまったくなくなる。

軸を数度の角度だけ回転させると、内側領域２９が、たとえば、位置４２へ移動する。その結果、計測面に入射するビームで投影領域４２’が覆われる。

例として示されているさらなる位置４３は、さらに小さい領域４３’を形成し、その結果、入射放射線の面積がより大きくなる。９０°の最大角度に内側領域２９が回転すると、最小面積が影になり、これは無視できる。段階的調節処理を好適に使用することによって、さまざまな位置を移動させることができる。回転できる内側領域２９すなわちフラップの図示の形態は、一例として示されているだけであって、これに制限されるものではない。

図６は、アパーチャ装置１７のさらなる変更改良を示す。この改良は、内側吸収領域２９を外側領域２６の平面外へ移動させ、たとえば、ビーム源の方向にずらして配置することができる。同様にそれを逆方向に移動させることもできる。これによって、貫通開口３３の基本形状を維持しながら、ギャップ幅を変化させることができる。また、領域２６及び２９の両方は、少なくとも１つの回転軸を中心にして互いに独立に調節できるように構成させることができる。内側領域２９を領域２６から分離して設けることができ、ワイヤまたはさらなる適当な手段を使用してその位置に保持し、それによって外側領域２６から切り離して配置することができる。

環状ギャップの代わりに、三角形、正方形、多角形、楕円形または他の開環状形状または波線形状などを設けることができることは、自明であり、特に、計測対象の表面の一部をＸ線照射から、または計測対象の表面上に投影される領域から遮蔽するように、計測すべき層の表面の形態を設けることができる。

Ｘ線照射によって薄い層の計測を行う装置の概略図である。 本発明に従ったアパーチャ装置と共にビーム路を示す概略図である。 図２に示されたアパーチャ装置の概略平面図である。 層厚さ計測中にさまざまな計測位置にある計測対象の概略断面図である。 アパーチャ装置の変更実施形態の概略図である。 アパーチャ装置の、図２に示されたものの変更実施形態と共にビーム路を示す概略図である。

符号の説明

１２ Ｘ線管、 １７ アパーチャ装置、 ２６ 外側吸収領域、 ２８ アパーチャ開口、 ２９ 内側吸収領域

Claims (14)

1. 計測すべき層に向かうＸ線を放射するＸ線管（１２）を使用して、Ｘ線によって薄い層の厚さを計測するための装置であって、前記Ｘ線管（１２）と前記計測すべき層との間に配置された少なくとも１つのアパーチャ装置（１７）を有し、そのアパーチャ装置は、Ｘ線を吸収する領域（２６）を含むと共に、アパーチャ開口（２８）を有し、前記アパーチャ装置（１７）内の少なくとも１つのアパーチャ開口（２８）が、ビーム方向に見て、前記計測すべき層の形態に少なくとも部分的に一致する領域を投影する幾何学的形状を有することを特徴とする装置。
2. 前記アパーチャ装置（１７）は、少なくとも１つのアパーチャ開口（２８）を包囲する吸収領域（２６）を有し、少なくとも１つの内側吸収領域（２９）が、前記少なくとも１つのアパーチャ開口（２８）内、または少なくとも部分的にそれに隣接して設けられており、それによって、前記アパーチャ開口（２８）内に少なくとも１つの貫通開口（３３）が形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つの貫通開口（３３）は、ある長さ及び幅を有して、前記ビーム方向に見た時、前記計測すべき層の形態と同一か、またはそれより小さい寸法の領域を前記計測すべき層上に投影することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. ギャップの形の少なくとも１つの貫通開口（３３）が、前記アパーチャ開口（２８）及び前記内側吸収領域（２９）間に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つの貫通開口（３３）は、環状ギャップの形をしていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. ギャップの形である前記貫通開口（３３）は、少なくとも１つのウェブ（３２）によって中断される環状ギャップを形成するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 互いに間隔を置いて配置される多数のウェブ（３２）が設けられたことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記アパーチャ開口（２８）内、または少なくとも部分的にそれに隣接した吸収領域（２９）を、前記アパーチャ開口（２８）から外れた平面上に位置決めすることができることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記アパーチャ装置（１７）は、有機または無機ガラス、特に鉛ガラスで形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記アパーチャ装置（１７）は、透明ガラスで形成されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの貫通開口（３３）は、前記アパーチャ装置（１７）の表面に直角に形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記アパーチャ装置（１７）は、少なくとも１本の軸をを中心にして回転できるように構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記アパーチャ開口（２８）内に配置された少なくとも１つの吸収領域（２９）は、回転できるように取り付けられることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記アパーチャ装置（１７）によってＸ線で投影される領域は、計測すべき層上に二次放射線を放射し、該二次放射線から、前記層の厚さに関して積分値を決定することができることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。

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