JP2010151743A

JP2010151743A - 接着剤の膜厚測定装置

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Publication number: JP2010151743A
Application number: JP2008332648A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Suzuki; 博雄鈴木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】ガラス基板と接着剤の屈折率差の大小に依存することなく、接着剤の膜厚を算出することを可能とする。
【解決手段】膜厚測定装置１は、基台１１上に設けられるとともに被検物４を載置させるための加熱器１２と、被検物４の加熱温度を制御するための加熱制御部１４と、被検物４の上方に配置されていて加熱された被検物４の膨張による高さ方向の変化量を測定するためのレーザー変位計１３と、被検物４の接着剤３の線膨張係数を入力するための入力部１５と、レーザー変位計１３により測定した被検物４の高さ方向の変化量、加熱温度、入力部１５で入力した接着剤３の線膨張係数に基づいて接着剤３の膜厚を算出する演算部１６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、二枚のガラス基板の間に介在する接着剤の膜厚を測定するための装置に関する。

従来、光学製品の分野では、重ね合わせた二枚の光学ガラス基板の間に膜状の接着剤を介在させることで、それら二枚の光学ガラス基板を固定した光学部品が広く用いられている。このような光学部品の性能を決定する要素として、光学ガラス基板の間に介在する接着剤の膜厚寸法が挙げられるが、所定の膜厚を評価、管理することによって性能を確保するためには、高い精度で膜厚寸法の測定ができる膜厚測定装置が必要となっている。

ところで、膜厚寸法を測定する方法としては、例えば特許文献１で開示されている透明フィルムの厚み測定方法を用いることができる。図５、図６、及び図７は特許文献１に示された透明フィルムの厚み測定方法の概要を説明するための図である。
図５に示すように、白色の平行光線１０１をフィルム１０２に照射すると、反射光としては直接反射していく光１の他に、フィルム１０２の両表面の間を何回か反射した後、出て行く光２、光３、…（図ではローマ数字で示している、以下同様）が存在するが、この二種類の光２、３は互いに干渉し合い、その結果、特定の波長の光が強く、また特定の波長の光が弱くなる。つまり、フィルム１０２に入る前の光の放射エネルギーの波長強度分布（以下、「光のスペクトル」という）は、フィルム１０２によって反射されることにより変化する。この変化は、光線の入射角θが一定ならば、フィルム１０２の厚さｄおよび屈折率ｎに依存する。したがって、フィルム１０２に白色の平行光線１０１を照射し、フィルム１０２により反射された光のスペクトルを測定することで、これと予め測定したフィルム１０２の屈折率ｎからフィルム１０２の厚さｄを求めることを可能としたものである。

以下、数式を用いて原理を説明すると、白色の平行光線１０１をフィルム１０２に角度θで入射させると、フィルム１０２に入射せず反射した光１と、フィルム１０２に入射して屈折した後にフィルム１０２と空気１０３との界面で反射を繰り返してフィルム１０２外に出る光２、光３、…とが存在する。図５において、光３以後の光の強度は非常に弱くなるので、この表面で反射した光１と、一回反射した後にフィルム１０２外へ出る光（すなわちフィルム１０２の片面で反射し更に他面より外へ出る光２）とを考えると、その光学的距離の差（光路差）Δは、屈折角をθ´とすると、次式で示される。
Δ＝２ｎｄｃｏｓθ´ （１０１）
θ´＝ｓｉｎ−１｛（ｓｉｎθ）／ｎ｝（１０２）

つまり、光１、光２が干渉することにより、Δが次式（１０３）で示される条件を満たすような波長の光について反射光は極大となり、また（１０４）式で示されるような条件を満たす波長については反射光が極小となる。
Δ＝ｍλ（ただし、ｍ＝１／２、３／２、５／２、…）（１０３）
Δ＝ｍλ（ただし、ｍ＝１、２、３、…）（１０４）
（ただし、ｍは干渉の次数、λは波長である。）
したがって、反射光のスペクトルは（１０３）式を満たす波長で極大を示し、（１０４）式を満たす波長で極小を示して図６のようになる。
図６において、ｋ番目の極小を示す波長をλｋとし、波長が短い方向へ順に極小へはｋ、ｋ＋１、ｋ＋２、…、極大にはｋ＋１／２、ｋ＋３／２、ｋ＋５／２、…という番号を付け、その波長をそれぞれλｋ、λｋ＋１／２、λｋ＋１、λｋ＋３／２、…とすれば、光強度Ｉが二つの極大または極小を示す波長λｊ、λl（ｊ＜1、ｊ＝1／2、１、３／２、２、…、ｌ＝１／２、１、３／２、２、…）について、λｊの干渉次数は次の（１０５）式のようになる。
ｍ＝（ｌ−ｊ）λl／（λｊ−λl）（１０５）
従ってフィルム１０２の厚さｄは、（１０３）式または（１０４）式より次の（１０６）式で表すことができる。
ｄ＝ｍλｊ／（２ｎｃｏｓθ´）（１０６）
ここで屈折率ｎを予め他の方法で測定しておいて、何らかの方法でフィルム１０２より反射された光のスペクトルを測定することにより、（１０６）式よりフィルム１０２の厚さｄを計算することができる。

さらに、図７において、光源１１１より出た光はレンズ系１１２により平行光線になった後、照射部１２３に至りフィルム１０２により反射される。このフィルム１０２の裏面には反射鏡あるいはローラーのような反射部材１２２が設けられている。更にレンズ系１１３、１１４で十分に拡がった平行光線になった後、プリズム１１５を通り分光され、レンズ１１６により波長によって異なった位置へ集光され、受光素子１１７の上にスペクトルを写し出す。受光素子１１７により得られる電気信号は各波長に対応した集光位置における光強度であるので、これを波長−光強度に変換すればスペクトルが得られる。かくして得られたスペクトルより極大または極小を示す波長を見出し、フィルム１０２の厚さｄを計算することが可能となっている。
なお、フィルム反射前の光をハーフミラー１２１等のようなもので分割し、分割した光をプリズム（または回折格子）１１８、レンズ１１９、受光素子１２０でスペクトルの測定を行い、光源１１１の持っているスペクトルおよび光源の変動を監視すれば、よりノイズの少ないきれいなスペクトルが得られ、より精度よくフィルム１０２の厚さｄを測定することが可能となっている。
特開昭５６−１１５９０５号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている従来技術では、以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１ではフィルムの厚さ（膜厚寸法）の測定に反射光を利用しているが、反射光量を決定する反射率と光が通過する媒質の関係は、フレネルの公式によって定義されている。フレネルの公式によると、図８において、媒質１３１の屈折率をｎ_１、媒質１３２の屈折率をｎ_２とすると、反射率は以下の式で表すことができる。
Ｒ＝｛（ｎ_２−ｎ_１）／（ｎ_２＋ｎ_１）｝^２（１０７）
この式によると、ｎ_１値とｎ_２の値の差が小さいときには、反射率Ｒの値が小さくなり、反射光の量が少なくなる。
つまり、重ね合わせた二枚の光学ガラス基板どうしが接着剤によって接着された構成をなし、光の透過と反射が可能な被検物において、その接着剤の膜厚寸法を従来技術を用いて測定すると、接着剤と光学ガラスの屈折率差が小さい場合に、反射光の量が不足して測定することができないという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ガラス基板と接着剤の屈折率差の大小に依存することなく、接着剤の膜厚を算出することが可能な接着剤の膜厚測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る接着剤の膜厚測定装置では、二枚のガラス基板の間に接着剤を介在させてなる被検物における接着剤の膜厚を計測するための接着剤の膜厚測定装置であって、被検物の加熱温度を制御する加熱制御手段と、加熱された被検物の膨張による高さ方向の変化量を測定するための変位測定手段と、接着剤の線膨張係数を入力するための入力手段と、変位測定手段により測定した被検物の高さ方向の変化量、加熱温度、及び接着剤の線膨張係数に基づいて、接着剤の膜厚を算出する演算手段とを備えていることを特徴としている。

本発明では、被検物を所定の加熱温度ｄＴで加熱して膨張させることによって生じる変形量（高さ方向の変化量Δｈ）を測定し、演算手段において、測定した被検物の変化量Δｈと加熱温度ｄＴと接着剤の線膨張係数ρとに基づいて、接着剤の膜厚ｔを算出することができる。例えばガラスの線膨張係数が接着剤の線膨張係数ρに比べて１／１０００程度となり、十分に小さい値であることから、ガラス基板の厚さ寸法を考慮せずに、被検物の高さ方向の変化量Δｈを接着剤の膨張（高さ方向の変化量）とすることが可能であり、接着剤の膜厚ｔをｔ≒Δｈ／（ρ×ｄＴ）の式を用いて算出することができる。そして、この場合には、接着前のガラス基板の厚さを予め測定することが不要となる。このように、本膜厚測定装置では、ガラス基板と接着剤の屈折率差のが小さい場合であっても接着剤の膜厚を測定することができる。

また、本発明に係る接着剤の膜厚測定装置では、変位測定手段を被検物に対して高さ方向に近接離反させるための移動手段が設けられていてもよい。

これにより、移動手段により、被検物の高さに応じて、その被検物の上面が変位測定手段の測定範囲に収まるように位置を調整することが可能となることから、変位測定手段の測定範囲を超える、様々な厚さ寸法の被検物を測定することができる。

本発明の接着剤の膜厚測定装置によれば、ガラス基板と接着剤の屈折率差の大小に依存することなく、測定した被検物の変化量と加熱温度と接着剤の線膨張係数とに基づいて、計算式により接着剤の膜厚を算出することができる。

以下、本発明の第１の実施の形態による接着剤の膜厚測定装置について、図１乃至図３に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態による接着剤の膜厚測定装置の概略構成を示す図、図２は図１に示す膜厚測定装置で測定する被検物の詳細構成を示す側面図、図３は被検物の加熱による変化の状態を説明するための図である。

図１に示すように、本第１の実施の形態による膜厚測定装置１は、二枚のガラス基板（光学ガラス基板２Ａ、２Ｂ）を接着剤３を介して貼り合せた被検物４において、その接着剤３の膜厚寸法（膜厚ｔ）を算出するためのものである。
ここで、図2に示すように、被検物４は、第１光学ガラス基板２Ａの上板面２ａと第２光学ガラス基板２Ｂの下板面２ｄとを対向させて重ね合わせ、第１光学ガラス基板２Ａと第２光学ガラス基板２Ｂとの間において、全面にわたって膜状に広がった接着剤３を介在させた構造となっている。なお、本実施の形態では、上下方向で下側（後述する加熱器１２に載置する側）を第１光学ガラス基板２Ａとし、上側を第２光学ガラス基板２Ａとする。

図１に示すように、膜厚測定装置１は、基台１１上に設けられるとともに被検物４を載置させるための加熱器１２と、被検物４の加熱温度ｄＴを制御するための加熱制御部１４（加熱制御手段）と、被検物４の上方に配置されていて加熱された被検物４の膨張による高さ方向の変化量を測定するためのレーザー変位計１３（変位測定手段）と、被検物４の接着剤３の線膨張係数ρを入力するための入力部１５（入力手段）と、レーザー変位計１３により測定した被検物４の高さ方向の変化量Δｈ、加熱温度ｄＴ、入力部１５で入力した接着剤３の線膨張係数ρに基づいて接着剤３の膜厚ｔを算出する演算部１６（演算手段）とから概略構成されている。

加熱器１２は、被検物４を載置させるための載置面１２ａにおいて、第１光学ガラス基板２Ａを下板面２ｂが接するようにして載置させるものである。
レーザー変位計１３は、基台１１上に立設された支持部材１７によって支持されており、被検物４の上方位置であって、被検物４の第２光学ガラス基板２Ａの上板面２ｃの高さ位置を計測することが可能な位置に配置されている。そして、レーザー変位計１３は、演算部１６に接続され、検出した被検物４の高さ方向の変化量Δｈを演算部１６へ送る機能を有している。

加熱器１２を制御する加熱制御部１４は、被検物４の接着剤３に取り付けられた熱伝対１８を接続させるとともに、演算部１６に接続している。つまり、その熱伝対１８の温度（接着剤温度）が所定温度となるように加熱器１２を温度調整する制御を行うとともに、熱伝対１８で検知した接着剤３の温度を演算部１６へ送る機能を有している。
入力部１５は、加熱器１２上に載せられる被検物４の接着剤３の線膨張係数ρを入力し、演算部１６に送るものである。

演算部１６は、上述したように、レーザー変位計１３、加熱制御部１４、および入力部１５に接続されており、それらから取り込んだ情報、すなわち加熱器１２によって加熱された被検物４の高さ方向の変化量Δｈと、そのときの加熱された接着剤３の加熱温度ｄＴと、接着剤３の線膨張係数ρとに基づいて接着剤３の膜厚ｔを算出し、モニター等の表示部１９へ出力する構成となっている。

次に、このように構成される膜厚測定装置１を用いて被検物４の接着剤３の膜厚ｔを算出する方法について、図面に基づいて詳細に説明する。
先ず、図３に示すように、加熱による第１光学ガラス基板２Ａの厚さ寸法をｔ１とし、加熱による第２光学ガラス基板２Ｂの厚さ寸法をｔ２とし、第２光学ガラス基板２Ｂの上板面２ｃ（被検物４の上面）の高さの変化量をΔｈ、第１光学ガラス基板２Ａの線膨張係数をρ１、第２光学ガラス基板２Ｂの線膨張係数をρ２、接着剤３の線膨張係数をρ、加熱温度をｄＴとすると、接着剤３の膜厚ｔは以下の式で表すことができる。

（１）式において、ガラスの線膨張係数は接着剤の線膨張係数に比べて十分に小さいため、第１光学ガラス基板２Ａの線膨張係数ρ１と、第２光学ガラス基板２Ｂの線膨張係数ρ２とは、接着剤３の線膨張係数ρに対して無視することが可能であり、（２）式のように近似することができる

また、図３に示すように、加熱前の被検物４の上面（第２光学ガラス基板２Ｂの上板面２ｃ）の高さをｈｂとし、加熱後の第２光学ガラス基板２Ｂの上板面２ｃの高さをｈａとすると、上板面２ｃの高さの変化量Δｈは以下の式で表すことができる。

また、加熱前の被検物４の温度をＴｂとし、加熱温度をｄＴとすると、加熱後の被検物４の温度Ｔａは以下の式で表すことができる。

次に、具体的に膜厚測定装置１を用いて接着剤３の膜厚ｔを算出する方法について、図１等に基づいて説明する。
先ず、接着剤３の線膨張係数ρ、および加熱温度ｄＴを、入力部１５に入力する。そして、被検物４を第１光学ガラス基板２Ａの下板面２ｂが載置面１２ａに接するようにして加熱器１２に載せてから、レーザー変位計１３によって加熱前の第２光学ガラス基板２Ｂの上板面２ｃの高さｈｂ（図３参照）が測定され、得られた測定値が演算部１６に送られる。さらに、熱伝対１８によって加熱前の被検物４の温度Ｔｂが測定され、その得られた測定値が演算部１６に送られる。これにより、演算部１６において、加熱温度ｄＴと加熱前の被検物４の温度Ｔｂとに基づいて、上記（４）式より加熱後の被検物４の温度Ｔａが算出され、加熱制御部１４に送られる。

次いで、加熱器１２で被検物４を加熱し、被検物４の温度が加熱後の被検物４の温度Ｔａで平衡状態になったことを熱伝対１８で検知した時点で、レーザー変位計１３によって加熱後の第２光学ガラス基板２Ｂの上板面２ｃの高さｈａ（図３参照）が測定され、得られた測定値が演算部１６に送られる。
そして、演算部１６において、加熱前の第２光学ガラス基板２Ｂの上板面２ｃの高さｈｂと加熱後の高さｈａを（３）式に代入して、第２光学ガラス基板２Ｂの上板面２ｃの高さの変化量Δｈが求められる。さらに、その上板面２ｃの高さの変化量Δｈと、接着剤３の線膨張係数ρと、加熱温度ｄＴとを（２）式に代入することにより、接着剤３の膜厚ｔが算出される。なお、表示器１９には、演算部１６によって算出された接着剤３の膜厚ｔが表示されることになる。

（実施例）
次に、上述した本実施の形態の膜厚測定装置１による被検物４の接着剤３の膜厚ｔの算出方法を裏付けるため、具体例の一例について以下に説明する。なお、以下の符号は、図１乃至図３に基づくものとする。
本実施例では、第１及び第２光学ガラス基板２Ａ、２Ｂとして、基板の厚さ寸法ｔ１、ｔ２が共に０．２ｍｍであり、線膨張係数ρ１、ρ２が共に３．２×１０^−６／℃のパイレックス（登録商標）ガラスを使用するとともに、線膨張係数ρが３×１０^−３／℃の接着剤３を使用し、本膜厚測定装置１により加熱温度ｄＴを２０℃として接着剤３の膜厚ｔを算出した。そして、レーザー変位計１３で測定した被検物４の膨張による第２光学ガラス基板２Ｂの上板面２ｃの高さの変化量Δｈは５μｍであった。
そして、光学ガラス基板２Ａ、２Ｂの線膨張係数ρ１、ρ２と厚さ寸法ｔ１、ｔ２を考慮した上記（１）式より接着剤３の膜厚ｔ´を算出すると、８２．９１μｍとなる。
一方、光学ガラス基板２Ａ、２Ｂの線膨張係数ρ１、ρ２と、厚さ寸法ｔ１、ｔ２を無視した上記（２）式より算出した接着剤３の膜厚ｔは、８３．３３μｍとなる。

つまり、光学ガラス基板２Ａ、２Ｂの線膨張係数ρ１、ρ２が接着剤３の線膨張係数ρに比べて１／１０００程度となり、十分に小さい値であり、上述の算出結果のとおり、光学ガラス基板２Ａ、２Ｂを考慮して算出した接着剤３の膜厚ｔ´と、光学ガラス基板２Ａ、２Ｂを考慮せずに無視して算出した膜厚ｔとの差は０．４２７μｍとなり、その誤差はレーザー変位計１３による測定値（５μｍ）に対して１／１０程度となる。そのため、ガラス基板の線膨張係数ρ１、ρ２と、厚さ寸法ｔ１、ｔ２を無視した上記（２）式で算出することが可能であり、すなわち、被検物４の高さ方向の変化量Δｈを接着剤３の膜厚ｔの変化量として算出することが可能であることが確認できる。

上述のように本第１の実施の形態による接着剤の膜厚測定装置では、光学ガラス基板２Ａ、２Ｂと接着剤３の屈折率差の大小に依存することなく、測定した被検物４の変化量と加熱温度と接着剤３の線膨張係数とに基づいて、計算式により接着剤３の膜厚を算出することができる。

次に、他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
図４は本発明の第２の実施の形態による接着剤の膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
図４に示すように、第２の実施の形態による膜厚測定装置５は、上述した第１の実施の形態による膜厚測定装置１（図１参照）と同一構成品には同じ符号を付し、説明を省略または簡略する。
図４に示すように、第２の実施の形態による膜厚測定装置５では、基台１１には上下方向（高さ方向、矢印Ｚ方向）に移動可能なＺステージ２０（移動手段）が取り付けられ、このＺステージ２０に支持部材１７が立設されている。
つまり、本第２の実施の形態では、被検物４を加熱器１２上に設置する際に、Ｚステージ２０を駆動してレーザー変位計１３を高さ方向に移動させることによって、被検物４の高さに応じて、その被検物４の上板面２ｃがレーザー変位計１３の測定範囲に収まる位置に調整することができる。これにより、レーザー変位計１３の測定範囲を超える、様々な厚さ寸法の被検物を測定することが可能である。
なお、Ｚステージ２０は、支持部材１７に取り付け、レーザー変位計１３は、Ｚステージ２０に取り付けてもよい。

以上、本発明による接着剤の膜厚測定装置の第１及び第２の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では被検物４の高さ方向の変化量Δｈを接着剤３の膨張による変化量とし、光学ガラス基板２Ａ、２Ｂを考慮しないで接着剤３の膜厚ｔを算出しているが、これに限定されることはなく、光学ガラス基板２Ａ、２Ｂの厚さ寸法や線膨張係数を考慮して上述した（１）式により接着剤３の膜厚ｔを算出するようにしてもかまわない。
また、本第１の実施の形態における実施例では光学ガラス基板としてパイレックス（登録商標）ガラスを採用しているが、これに限らず、他の種類のガラス基板であってもかまわない。

本発明の第１の実施の形態による接着剤の膜厚測定装置の概略構成を示す図である。図１に示す膜厚測定装置で測定する被検物の詳細構成を示す側面図である。被検物の加熱による変化の状態を説明するための図である。本発明の第２の実施の形態による接着剤の膜厚測定装置の概略構成を示す図である。従来の厚み測定方法の概要を説明するための図である。従来の厚み測定方法の概要を説明するための図である。従来の厚み測定方法の概要を説明するための図である。従来の厚み測定方法の概要を説明するための図である。

符号の説明

１、５膜厚測定装置
２Ａ第１光学ガラス基板
２Ｂ第１光学ガラス基板
２ｃ上板面
３接着剤
４被検物
１１基台
１２加熱器
１３レーザー変位計（変位測定手段）
１４加熱制御部（加熱制御手段）
１５入力部（入力手段）
１６演算部（演算手段）
１８熱伝対
１９表示部
２０Ｚステージ（移動手段）
Δｈ被検物の高さ方向の変化量
ｔ接着剤の膜厚
ρ 接着剤の線膨張係数

Claims

二枚のガラス基板の間に接着剤を介在させてなる被検物における前記接着剤の膜厚を計測するための接着剤の膜厚測定装置であって、
前記被検物の加熱温度を制御する加熱制御手段と、
加熱された前記被検物の膨張による高さ方向の変化量を測定するための変位測定手段と、
前記接着剤の線膨張係数を入力するための入力手段と、
前記変位測定手段により測定した前記被検物の高さ方向の変化量、前記加熱温度、及び前記接着剤の線膨張係数に基づいて、前記接着剤の膜厚を算出する演算手段と、
を備えていることを特徴とする接着剤の膜厚測定装置
前記変位測定手段を前記被検物に対して高さ方向に近接離反させるための移動手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の接着剤の膜厚測定装置。