JP2015102439A - 膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化、省資源化、製造の容易化、性能の向上等を図ることのできる膜厚測定装置を提供する。
【解決手段】被測定膜Ｆの膜厚を測定する膜厚測定装置１０であって、赤外線ＩＲを被測定膜Ｆに照射する黒体炉２０と、赤外線ＩＲが照射された被測定膜Ｆを透過した透過光のうち、特定の波長領域の赤外線を透過させる赤外線フィルタ３３と、赤外線フィルタ３３を透過した赤外線を検出する赤外線カメラ３０とを備え、赤外線フィルタ３３は、被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルの半値幅に対応する波長領域以上、かつ、半値幅の２倍に対応する波長領域以下の波長範囲を有する波長領域の赤外線を透過させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜厚を測定する技術に関する。

膜厚を測定する技術として、例えば、レーザー光を用いて膜厚を非接触に測定する技術が知られている。この測定技術は、一点ずつ膜厚測定する点測定、または、被測定膜を搬送しながら測定点を走査させて線状に膜厚を測定する線測定として用いられる。また、他の膜厚測定技術として、下記特許文献１の測定方法が知られている。特許文献１には、被測定膜と同一の物質を加熱して発生させた赤外線を被測定膜に照射し、被測定膜を透過した赤外線の強度の分布を測定して、被測定膜の膜厚を測定する技術が開示されている。

特開平３−９４６７９号公報

しかし、レーザー光を用いて膜厚を測定する場合、膜厚の測定部分が点または線であるため、被測定膜の面内に未測定部分が発生する虞がある。例えば、燃料電池の電解質膜の膜厚を測定する場合、膜に生じた穴を検出することができない場合があり、点測定または線測定では、電解質膜の品質保証が不十分となる可能性がある。

また、特許文献１による膜厚測定の場合、被測定膜と同一物質を加熱して赤外線を発生させるので、赤外線の放射率が低い場合がある。さらに、被測定膜と同一物質を加熱して赤外線を発生させる場合、その物質の融点が加熱温度の上限となるため、十分な強度の赤外線を発生させることができないといった問題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置が提供される。この形態の膜厚測定装置は、赤外線を前記被測定膜に照射する黒体炉と；前記赤外線が照射された前記被測定膜を透過した透過光のうち、特定の波長領域の赤外線を透過させる赤外線フィルタと；前記赤外線フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線カメラとを備え；前記赤外線フィルタは、前記被測定膜の赤外線吸収スペクトルの半値幅に対応する波長領域以上、かつ、前記半値幅の２倍に対応する波長領域以下の波長範囲を有する波長領域の赤外線を透過させる。

この形態の膜厚測定装置によると、被測定膜を透過した赤外線を赤外線カメラで検出することによって被測定膜の膜厚を測定するので、被測定膜の膜厚を２次元に測定することができる。また、この膜厚測定装置は、黒体炉から赤外線を出力させるので、出力させる赤外線の放射量を大きくすることができる。また、この膜厚測定装置は、赤外線フィルタを用いるので、赤外線カメラによる膜厚測定に必要な波長領域以外の波長の光によるノイズを除去することができる。さらに、赤外線フィルタは、透過させる光の波長領域が、被測定膜の赤外線吸収スペクトルの半値幅に対応する波長領域以上かつ半値幅の２倍に対応する波長領域以下の波長範囲を有する。よって、赤外吸収ピーク波長における赤外吸収率が１００％以上である被測定膜の膜厚を測定する場合であっても、赤外線フィルタは、被測定膜の赤外吸収ピークの波長以外の赤外線を比較的放射量を確保して透過させる。従って、赤外線カメラは、赤外線フィルタを透過した赤外吸収ピークの波長以外の赤外線を検出することができる。従って、この膜厚測定装置は、比較的膜厚が厚く赤外線吸収率が高い被測定膜の膜厚を測定することができる。

また、このような形態によれば、低コスト化、省資源化、製造の容易化、性能の向上等の種々の課題の少なくとも１つを解決することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、膜厚測定方法、膜厚測定システム、燃料電池用電解質膜の製造方法および製造装置などの種々の形態で実現することができる。

膜厚測定装置を示す説明図である。 被測定膜の赤外線吸収特性と赤外線フィルタの透過波長領域との関係を示す説明図である。 赤外線フィルタの特性を示す説明図である。 実施例１の測定結果を示す説明図である。 実施例２の測定結果を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
（Ａ１）膜厚測定装置：
図１は、本発明の第１実施形態としての膜厚測定装置１０を説明する説明図である。膜厚測定装置１０は、赤外光源としての黒体炉２０と、赤外線カメラ３０と、画像生成部４０と、画像表示部５０とを備える。黒体炉２０と赤外線カメラ３０との間には、膜厚の測定対象である被測定膜Ｆが配置されている。

黒体炉２０は、熱放射によって赤外線を出力する赤外線光源である。本実施形態で用いる黒体炉２０の放射率は、０．９９以上である。本実施形態においては、黒体炉２０として、Ｍｉｋｒｏｎ製（Mikronは登録商標）のＭ３１６型の簡易黒体炉を採用する。黒体炉２０は、被測定膜Ｆに向けて赤外線を出力する。

赤外線カメラ３０は、受光した赤外線を画像化する機能を有するサーモグラフィー装置である。赤外線カメラ３０は、入射部３１と、レンズ３２と、赤外線フィルタ３３と、検出器３６とを備える。入射部３１は、光を赤外線カメラ３０の内部に入射させる。レンズ３２は、入射した光を集光する。赤外線フィルタ３３は、集光された光のうち、特定の波長領域の赤外線を透過させる。本実施形態においては、赤外線フィルタ３３は、赤外線カメラ３０の一部の構成として説明したが、赤外線カメラ３０とは別体として赤外線カメラ３０の外部に設けるとしてもよい。赤外線フィルタ３３の特性については、後で詳しく説明する。検出器３６は、赤外線を２次元で受光して赤外線の受光量を検出して電気信号に変換し、画像生成部４０に出力する。

本実施形態おいては、赤外線カメラ３０として、以下の装置を用いる。
・装置：サーモグラフィー装置（日本アビオニクス製、ＴＳ９２３０Ｍ型）
・温度測定範囲：−４０℃〜１２０℃
・最少検出温度差：０．０８℃（３０℃黒体炉の場合）
・測定精度：±２℃または読み値の±２％のいずれか大きい方
・測定波長域：８〜１３μｍ
・検出器：２次元非冷却センサ（マイクロボロメータ）
・視野角：水平２１．７°×垂直１６．４°
・空間分解能：１．２ｍｒａｄ
・焦点範囲：３０ｃｍ〜∞
・画像データ数：３２０（Ｈ）×２４０（Ｖ）
・データ深渡：１４ｂｉｔ

画像生成部４０、検出器３６から出力された電気信号を受信し、検出器３６が受光した赤外線の受光量に基づいた画像を生成する。画像生成部４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるコンピュータである。本実施形態においては、画像生成部４０は、画像を生成するために所定の解析ソフトを用いる。画像表示部５０は、画像生成部４０が生成した画像を、膜厚測定装置１０のユーザに視認可能に表示する。

被測定膜Ｆは、本実施形態においては、固体高分子型燃料電池用の電解質樹脂の前駆体高分子（高分子鎖末端が−Ｓ０２Ｆ）を押し出し成形機にて所定の膜厚に成形した薄膜である。

以上説明した構成の膜厚測定装置１０は、以下に説明する態様で被測定膜Ｆの膜厚を測定する。黒体炉２０から出力された赤外線は被測定膜Ｆに照射される。被測定膜Ｆは、被測定膜Ｆを構成する物質固有の赤外線吸収特性（赤外線吸収ピーク）を有し、所定の波長領域の赤外線を吸収する。被測定膜Ｆによる赤外線の吸収量は、被測定膜Ｆの膜厚と相関関係を有する。具体的には、被測定膜Ｆの膜厚が厚いほど、被測定膜Ｆによる赤外線の吸収量は多くなる。換言すると、被測定膜Ｆの膜厚が厚いほど、被測定膜Ｆを透過する赤外線（以下、透過赤外線とも呼ぶ）の透過量は少なくなる。

被測定膜Ｆに照射された赤外線のうち、透過赤外線は、赤外線カメラ３０に入射する。赤外線カメラ３０の検出器３６は、透過赤外線の受光量を検出して電気信号に変化し、画像生成部４０に出力する。画像生成部４０は、受信した電気信号に基づいて、透過赤外線の受光量を被測定膜Ｆの膜厚情報に変換し、膜厚の大小を反映した画像を生成する。画像表示部５０は、画像生成部４０が生成した画像を表示する。膜厚測定装置１０は、このようにして被測定膜Ｆの膜厚を測定する。

（Ａ２）赤外線フィルタ：
次に、本実施形態において用いる赤外線フィルタ３３について説明する。本実施形態で用いる赤外線フィルタ３３は、透過させる光の波長領域（透過波長領域）が、被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルの半値幅に対応する波長領域以上、かつ、半値幅の２倍に対応する波長領域以下の波長範囲を有する。以下、赤外線フィルタ３３の透過波長領域と、被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルとの関係について、図２および図３を用いて説明する。

説明の便宜上、先に比較例としての赤外線フィルタについて説明し、その後、赤外線フィルタ３３について説明する。
図２は、比較例として、赤外線フィルタの透過波長領域が被測定膜Ｆの半値幅未満の場合の、被測定膜Ｆの赤外線吸収特性と赤外線フィルタの透過波長領域との関係を示す説明図である。図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、４種類の膜厚の被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルと赤外線フィルタの透過波長領域との関係を示す。図に示した赤外線吸収スペクトルＳＰａ〜ＳＰｄは、各膜厚における被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルを示している。また、図に示したＷ１は、赤外線フィルタの透過波長領域を示す。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、被測定膜Ｆの膜厚が薄い場合には、赤外線吸収ピーク波長における被測定膜Ｆの赤外線吸収率が１００％未満であるため、赤外線吸収ピーク波長領域の赤外線も被測定膜Ｆを透過する。そして、透過赤外線の波長は、赤外線フィルタの透過波長領域Ｗ１内であるため、赤外線フィルタを透過して検出器３６で検出可能である。

しかし、図２（Ｃ）および図２（Ｄ）で示すように、被測定膜Ｆの膜厚が比較的厚い場合には、赤外線吸収ピーク波長における被測定膜Ｆの赤外線吸収率が１００％以上であるため、赤外線吸収ピーク波長領域付近の赤外線は被測定膜Ｆをほとんど透過しない。従って、赤外線フィルタを透過する赤外線が微小であり、被測定膜Ｆの膜厚の変化を検出可能な赤外線を検出器３６で受光することができない。よって、赤外線フィルタの透過波長領域Ｗ１が被測定膜Ｆの半値幅未満の場合には、所定以上の厚さの被測定膜Ｆの膜厚を測定することができない。

図３は、本実施形態で用いた赤外線フィルタ３３の特性を示す説明図である。上述のように、赤外線フィルタ３３は、透過波長領域が、被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルの半値幅に対応する波長領域以上、かつ、半値幅の２倍に対応する波長領域以下の波長範囲を有する。図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、図２と同様、４種類の膜厚の被測定膜Ｆの赤外線吸収特性と赤外線フィルタ３３の透過波長領域との関係を示す。図に示した赤外線吸収スペクトルＳＰａ〜ＳＰｄは、各膜厚における被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルを示している。図３に示した赤外線吸収スペクトルＳＰａ〜Ｓｐｄは、図２に示した赤外線吸収スペクトルＳＰａ〜Ｓｐｄと同じである。図３に示したＷ２は、赤外線フィルタ３３の透過波長領域を示す。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、被測定膜Ｆの膜厚が薄い場合には、比較例の赤外線フィルタと同様、赤外線吸収ピーク波長における被測定膜Ｆの赤外線吸収率が１００％未満であるため、赤外線吸収ピーク波長領域の赤外線も被測定膜Ｆを透過する。そして、透過赤外線の波長は、赤外線フィルタ３３の透過波長領域Ｗ２内であるため、赤外線フィルタを透過して検出器３６で検出可能である。

図３（Ｃ）および図３（Ｄ）で示すように、被測定膜Ｆの膜厚が厚い場合には、赤外線吸収ピーク波長における被測定膜Ｆの赤外線吸収率が１００％以上であるが、赤外線フィルタ３３の透過波長領域Ｗ２が、被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルの半値幅に対応する波長領域以上に広い波長範囲を有するので、赤外線吸収ピーク波長領域の外側の波長領域の赤外線を検出器３６で検出可能である。従って、被測定膜Ｆの膜厚が厚くなった場合でも、赤外線吸収ピーク波長領域の外側の波長領域の赤外線の変化を検出することにより、被測定膜Ｆの膜厚を測定することが可能である。また、赤外線フィルタ３３は、透過波長領域Ｗ２が赤外線吸収スペクトルの半値幅の２倍に対応する波長領域以下の波長範囲であるので、膜厚測定に不要な波長のノイズを除去する。なお、膜厚測定装置１０によって被測定膜Ｆの膜厚を測定する際には、予め測定対象である被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルを取得し、取得した赤外線吸収スペクトルに基づいて決定した透過波長領域Ｗ２の赤外線フィルタ３３を用いる。

（Ａ３）膜厚測定：
膜厚測定装置１０を用いた被測定膜Ｆの膜厚測定の結果について説明する。
［１］実施例１：
膜厚測定の実施例１として、膜厚が１０μｍの被測定膜Ｆの膜厚を膜厚測定装置１０によって測定した。黒体炉２０の温度は１００℃に設定した。赤外線フィルタ３３は、以下の赤外線フィルタを採用した。この赤外線フィルタの透過波長領域は、被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルの半値幅に対応する波長領域以上、かつ、半値幅の２倍に対応する波長領域以下の波長範囲を有するという条件を満たす。
・赤外線フィルタ：（株）アイアールシステム製 ブロードバンドパスフィルタ ＢＢＰ−７８００−９４００ｎｍ
・透過波長領域：７８００ｎｍ〜９４００ｎｍ
・赤外光透過率：７０％以上（透過波長領域以外の波長の透過率は約０％）

図４は、実施例１の測定結果を示す説明図である。図４（Ａ）は、膜厚測定装置１０による測定によって画像表示部５０に表示された表示画像を示す。図面の制約上、図４（Ａ）は白黒の画像として示しているが、実際には、カラー画像として示され、検出器３６で検出した赤外線の受光量に応じて色分けがされている。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）として画像生成部４０に表示されている被測定膜Ｆの領域の点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ線分上（検量線）の被測定膜Ｆの膜厚を示す。図４（Ａ）に示した画像を反映した膜厚として示されている。実施例１の結果、被測定膜Ｆの膜厚を２次元的に測定可能であることが確認された。

［２］実施例２：
膜厚測定の実施例２として、膜厚が２０μｍの被測定膜Ｆの膜厚を膜厚測定装置１０によって測定した。黒体炉２０の温度は２００℃に設定した。赤外線フィルタ３３は、実施例１と同じ赤外線フィルタを採用した。

図５は、実施例２の測定結果を示す説明図である。図５（Ａ）は、膜厚測定装置１０による測定によって画像表示部５０に表示された表示画像を示す。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）として画像生成部４０に表示されている被測定膜Ｆの領域の点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ検量線上の被測定膜Ｆの膜厚を示す。実施例２の結果、実施例１と同様、被測定膜Ｆの膜厚を２次元的に測定可能であることが確認された。

［３］比較例１：
膜厚測定の比較例１として、用いる赤外線フィルタ以外は実施例１と測定条件を同じにして、被測定膜Ｆの膜厚を測定した。赤外線フィルタは、以下の赤外線フィルタを採用した。この赤外線フィルタの透過波長領域は、被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルの半値幅以下である。
・赤外線フィルタ：（株）アイアールシステム製 バンドパスフィルタ ＢＰ−８１７０−２５０ｎｍ
・透過波長領域：赤外中心波長８１７０ｎｍ
・赤外光透過率：半値幅２５０ｎｍのピークを有する赤外光の透過率は７０％（その他の波長の透過率は約０％）

比較例１によって、被測定膜Ｆの膜厚測定を試みたが、膜厚が５μｍ以上において、膜厚の増加と赤外線フィルタを透過する赤外線の透過量との間に相関が無くなるため、膜厚の測定が不可能であった。赤外線フィルタの透過波長領域が小さいため、被測定膜Ｆを透過した赤外線がほとんど赤外線フィルタによって除去されてしまったと推定される。すなわち、図２（Ｃ）または図２（Ｄ）に示した現象が現れていると推定される。

［４］比較例２：
膜厚測定の比較例２として、赤外光源として、黒体炉２０に代えて、被測定膜Ｆと同一物質（電解質樹脂前駆体）をホットプレートで２００℃に加熱し赤外線の発生を試みた。その他の測定条件は、実施例２と同じである。結果として、赤外光源として加熱した電解質樹脂前駆体が溶融してしまい、赤外光源として用いることができず、膜厚の測定は不可能であった。

（Ａ４）効果：
以上説明したように、膜厚測定装置１０は、赤外線カメラを用いて被測定膜Ｆの膜厚を測定するので、２次元的に膜厚を測定することができる。また、膜厚測定装置１０は、赤外光源として黒体炉２０を用いるので、被測定膜と同一物質を加熱して赤外光を発生させる場合と比較して、出力させる赤外線の放射量及び強度を十分に確保することができる。

また、膜厚測定装置１０が備える赤外線フィルタ３３は、透過させる光の波長領域が、被測定膜Ｆの赤外線吸収スペクトルの半値幅に対応する波長領域以上かつ半値幅の２倍に対応する波長領域以下の波長範囲を有する。よって、被測定膜Ｆの赤外吸収ピーク波長における赤外吸収率が１００％以上である場合であっても、赤外線カメラ３０は、赤外線フィルタ３３を透過した赤外吸収ピークの波長以外の赤外線を検出することができる。従って、膜厚測定装置１０は、比較的膜厚が大きく赤外吸収率が高い被測定膜Ｆの膜厚を測定することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
（Ｂ１）変形例１：
上記実施形態においては、被測定膜Ｆとして、燃料電池用電解質膜の前駆体高分子の膜を用いて説明をしたが、膜厚測定装置１０は、被測定膜として種々の膜の膜厚を測定することができる。例えば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）など、種々の材料によって形成されたフィルムの膜厚を測定することも可能である。

１０…膜厚測定装置
２０…黒体炉
３０…赤外線カメラ
３１…入射部
３２…レンズ
３３…赤外線フィルタ
３６…検出器
４０…画像生成部
５０…画像表示部
Ｆ…被測定膜
Ｗ１，Ｗ２…透過波長領域
Ｐ１，Ｐ２…点
ＳＰａ〜ＳＰｄ…赤外線吸収スペクトル

Claims (1)

1. 被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
   赤外線を前記被測定膜に照射する黒体炉と、
   前記赤外線が照射された前記被測定膜を透過した透過光のうち、特定の波長領域の赤外線を透過させる赤外線フィルタと、
   前記赤外線フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線カメラとを備え、
   前記赤外線フィルタは、前記被測定膜の赤外線吸収スペクトルの半値幅に対応する波長領域以上、かつ、前記半値幅の２倍に対応する波長領域以下の波長範囲を有する波長領域の赤外線を透過させる
   膜厚測定装置。