JPS58154602A - テイン・フリ−・スチ−ルの表面被膜厚測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はティン・フリー・スチールの！！！面被膜厚測
定方法に関するものである。

鋼板表面にクロムメッキを施したいわゆるナイン・フリ
ー・スチールは、錫をメッキしたブリキに替る安価な缶
用材料として急速に利用されつつある。

ティン・フリー・スチール絋、下地鋼板面に１図に示す
ようになっている。なお、第１図において、図中Ａは下
地鋼板、Ｂは金属クロム被膜、Ｃは水利酸化クロム被膜
である。

、ところで、上記ナイン・フリー・スチールに（ おいては、耐蝕性、塗装性、耐経時劣化性等の性能を確
保する丸めに、金属クロム被膜及び水利酸化被膜を共に
数百オングストローム以下のある一定の膜厚とすること
が必要であり、従って上記ナイン・フリー・スチールの
製造においては、金属クロムメッキ及び水利酸化クロム
メッキに際し、メッキ被膜の厚さを上記のような所定の
膜厚となるようにコントロールすることが必要である。

前記被膜のうち、金属クロム被膜の厚さは、基本的には
７アラデーの法則に従い電気量に比例するため、この金
属クロム被膜の膜厚はメッキ電気量の制御によって容易
にコントレールできる。しかし、水利酸化クロム被膜の
厚さは、電解液組成や電解条件及び電解後のリンス条件
等によシ複雑な挙動を示すために、水和酸化クロム被膜
の厚さのコントロールは困難である。

従ってとの水和酸化クロム被膜のメッキ工程において蝶
、メッキ被膜の厚さを連続的に測定して膜厚の変動をチ
ェックすることが必要であυ、この膜厚の測定は走行中
のメッキ鋼板に対して非接触で行なう必要がある。

しかしながら、従来知られている非接触で膜厚を測定す
る方法では、ティン・フリー・スチールの表面被膜であ
る水和酸化クロム被膜の膜厚は測定できないために、従
来はオンラインでの水和酸化クロム被膜の膜厚測定は不
可能とされていえ。

すなわち、数百オングストローム以下の極薄被膜の厚さ
を連続的にかつ非接触で測定する方法として杜、従来か
ら、螢光Ｘ線法と偏光解析法が知られている。

螢光Ｘ線法は、オンラインの被膜厚さ測定方法として広
く用いられている方法であるが、測定対称が金属環の原
子であるために、ティン・フリー・スチールのように金
属クロム被膜と水利酸化クロム被膜の双方にクロム原子
が存在する場合は両者の被膜中のクロム原子を分離する
ことができず、従って水和酸化クロム被膜の厚さだけを
測定することは不可能である。

また、偏光解析法は、被膜表面に一任意の角度で単一波
長の光を照射し、その正反射光の照射光に対する偏光度
合の変化から被膜厚さを測定するものであ・るが、ティ
／パフリー・スチールにおいては、表面粗度や水和酸化
クロム被膜下の金属、クロム被膜の厚さが測定値に強ぐ
影響するために、この方法もティン・７１７−・スチー
ルの水利酸化被膜の厚さ測定に適用することは難かしい
。

一方、パッチ的に被膜厚さを測定する方法としては、可
視光範囲（４０００１〜７０００Ｘ）の多数の波長の反
射率を測定し、そのノ９ターンから被膜厚さを求める方
法が知られておシ、主に半導体シリコン基板上のシリコ
ンオキサイド膜の厚さ測定に広く利用されている。この
方法の原理は次のようなものである。すなわち、単一波
長の光をその波長と同じオーダーの厚さの透明被膜表面
に垂直に照射した場合、その反射率はある一定の値を示
すが、被膜の厚さを変えると反射率は大きく変化する。

これは被膜表面で反射した光と被膜を透過して下地面で
反射した光とが干渉を起すためであシ、被膜厚さを変化
させるかわりに照射光の波長を変化させても同様な現象
が起きる。第２図はシリコン基板上のシリコンオキサイ
ド膜の厚さ測定における照射光の波長と反射率との関係
を示したものであり、反射率のピーク位置から被膜の厚
さを求めることができる。

との被膜厚さを求める方法を具体的に説明すると、照射
光の波長をλ、空気中での光の屈折率をｎ・、透明被膜
中での光の屈折率をｎ！、透明被膜の厚さをｄ１下地面
での光の屈折率と一光吸収係数をｎｌ＋ｋｌとすると、
反射率Ｒは次式で４見られる。

ただし、 ２πｎｏｄ ６＝□ λ 従って、反射率Ｒが極大もしくは極小となる波長λと被
膜厚さｄとの関係は、ｄＲ／ｄλ＝０より次式で与えら
れる。

λ ｄ＝−（＃＋２ｐｒ＋ｑπ）・・・・・・（１）４ｆｎ
ま ただし、 ｐ　”’　ＯＰ　１．２　＊・・・ ｑ＝０（極大）またはｑ＝１（極小） しかして、被膜の厚さは、極大もしくは極小となる波長
を１つ以上測定し、（１）式に代入することで被膜厚さ
ｄを計算し、最も共通的な値をもって被膜厚とする方法
で求められる。

この方法は、表面粗度や下地面での光の屈折率及び光吸
収係数に多少の変動があっても適用できる。しかしなが
ら、この方法は、測定し得る膜厚範囲に下限があシ、通
常１０００Ｘｉｔ度以上の膜厚までしか測定できないと
いう問題がある。ちなみに水利酸化クロム被膜の場合に
ついて計算してみると、可視光の範囲では極小ピークが
現われるためには６００Ｘ以上の膜厚、極大ピークが現
われるためには１３００Ｘ以上の膜厚を必要とする。従
って、この方法は、ナイン・フリー・スチールの水利酸
化クロム被膜のような数百オングストローム以下、特に
１００１根度の厚さの被膜の膜厚測定への適用は可視光
を用いる限り不可能である。力お、数式上Ｌ１可視光の
１／ｌＯ以下の波長を用いればこの方法でも数百オング
ストローム以下の膜厚測定か可能であるが、この波長領
域では測定対称被膜及び下地面での光屈折率と光吸収係
数を正確に求める方法がなく、しかも光が被膜を透過し
なくなるために、実際には数百オングストローム以下の
極薄被膜の厚さＩＩＩ定への適用り不可能である。

本発明は上記のような実情にかんがみてなされたもので
あって、その目的とするとζろは、ナイン・フリー・ス
チールの水利酸化クロム被膜の厚さを、連続的にかつ非
接触で測定することを可能とした、ナイン・フリー・ス
チールの表面被膜厚測定方法を提供することにある。

すなわち、本発明の被膜厚測定方法は、ナイン・フリー
・スチール表面の水和酸化クロム被Ｍ（ｉｉに紫外域を
含む波長と赤外および可視域の波長との少なくとも２波
長以上の光を照射し、その反射光を測定して前記被膜に
おける反射率・！ターンを求め、これと、あらかじめ求
めておいた標準反射率パターンとを比較して被膜厚さを
判定することを特徴とするものであシ、また本発明の被
膜厚さ測定装置は、ナイン・フリー・スチールの表面に
近接対向させて積分球を配置し、この積分球によって反
射光を測定するようにすると共に、この積分球を遮光筐
によって橿った構成のものである。

以下、本発明の被膜厚測定方法について具体的に説明す
る。

本発明は、表面的には、前述した多波長の光の反射率を
゛測定してそのノリーンから被膜厚さを求める従来の方
法を発展させたものであるが、原理とする物理現象は前
述の従来方法とは異なっている。

つまり、本発明の原理は、厚さが数百オングストローム
以下である水利酸化クロム被ｇ４表面の反射率のパター
ンが、第３図に示すように、赤外領域及び可視領域では
被膜厚によって変化せず、紫外領域に表ると、短波長に
なるはど急激に下がシ、シかもこの反射率の下がる比率
が被膜厚さに比例する現象を利用し、この反射率パター
ンの差から被膜厚さを求めることにあり、この原理思想
が本発明の第１の要点である。

ただし、ティン・フリー・スチール懺面の水利酸化クロ
ム被膜厚の測定においては、上記現象以外に反射率を変
化させる外乱が存在する。

その主な要因は、表面粗度と、水利酸化クロム被膜下の
金属クロム被膜の厚さでＴｏシ、従って水利酸化クロム
被膜の厚さを精度良く求めるためには上記外乱の影響を
考慮する必要がある。

そこで、外乱の影響を把掘するために実験を繰シ返えし
九ところ、各波長光Ｑ絶対反射率は上記外乱によって変
化するが、この変化の割合は、被測定物が静止している
限シ、全ての波長光にわたって一定であることが分かっ
た。

本発明はこのような知見に基づいて被膜厚さを求めるこ
とを第２の要点としているもので、この被膜厚さを求め
る手法としては次のような方法をとっている。

まず、水和酸化クロム被膜の厚さがすでに分か？ている
サンプル（このサングルの水和酸化クロム被膜厚さは、
例えば螢光Ｘ線法によシ水和酸化クロム被膜と金属クロ
ム被膜との総厚を測定し、さらに水利酸化クロム被膜を
剥離して金属クロム被膜の厚さを測定して、この２つの
測定値の差を求めることにより知ることができる）を多
数用意し、このサンプルに紫外域を含む波長と赤外およ
び可視域の波長との少なくとも２波長以上の光を照射し
てその反射光を測定することにより、各膜厚の水利酸化
クロム被膜□ について樟準厚・耐重パターン（Ｒ（λ、ｄ））（ただ
）、赤外および可視の一定領域での平均値がたとえば１
となるもの）をあらかじめ求めておく。

そして、ナイン・フリー・スチールの水利酸化クロム被
膜厚の測定においては、水利酸化クロム被膜に紫外域を
含む波長と赤外および可視域の波長との少々くとも２波
長以上の光（波長はサングルの膜厚測定に使用した波長
と同じ）を照射してその反射光を測定し、その反射率パ
ターン［ｒ（λ）〕（赤外および可視の一定領域での平
均値が九とえばｌとなるもの）を＃ｊ定波長の全てにつ
いて標準反射率／４’ターンと比較し、測定反射率パタ
ーンに最も近い標準反射率パターンたとえば自乗平均誤
差の最も小さい標準反射率パターンを選出すればよく、
この標準反射率ノ々ターンが得られる被膜厚さはあらか
じめ分っているから、これを被測定被膜の膜厚とみなせ
ば水利酸化クロム被膜の厚さを知ることができる。

このノリーン比較法によシ得られた実検は、水利酸化ク
ロム被膜の付着量が５〜２５Ｍ９７′ｍ２の範囲で標準
偏差（σ）は１．０”７ｍ２（第４図参照）であ°す、
精度的に十分満足できる。

なお、前記標準反射率パターンとして、Ｒ（λ、ｄ）の
かわシに Ｒ（λ、ｄ）ＥＲ（λ、０）ＸＡ（λ）Ｘｄ＝ｉＢ（λ
）ｘｄなるＢ（λ）を求めておき、測定された反射率ツ
ヤターンｒ（λ）とからＣＢ（λｔ）ｄ　　ｒ（λ、）
〕２が全１１ｔｌＤ波長について最小となるｄの値を求
めてこれを被膜厚さとして屯よい、また非常に簡略な方
法としては、上記パターンの比較を紫外域の１点ボけで
行ない、ｄ　ｅｘ　ｙ　（λｆｌｘ）／Ｂ　（２ｆｉｘ
）として被膜厚さを求める方法もある。この方法による
測定精度つｔシ標準偏差＜１＞は、第５図に示すように
１．３Ｎ９／ｍ２であるが、精度的には実用上十分満足
することができる。

一方、この方法によって走行中、のティン・フリー・ス
チールの水利酸化クロム被膜厚を測定する場合、２波長
以上の反射率を、同一点から全く同時に測定するのが理
想であるが、現在の技術ではこれは不可能であるために
、各波長の照射光についてその反射率測定を順次行なう
しかない。そして、このような手段によっても、被測定
−が静止していれば各波長について同一条件で同一点か
らの反射率を測定することは可能であるが、被測定物が
走行していると、各波艇毎に測定条件および測定ポイン
トが異なってしまうことになる。そしてナイン・フリー
・スチールの水利酸化クロム被膜厚さや金属クロム被膜
厚さは急激には変化しないために測定Ｉイ／トが異なる
のは致命的ではないとしても、表面粗度の変化や走行中
の鋼板のばたつき及び方向変化によって乱反射の度合が
異なってしまうために、正反射光のみを測定する方法で
は大きな誤差を生じることになる。従って走行中のナイ
ン・フリー・スチールの水利酸化クロム被膜厚を精度良
く測定するには、正反射成分に加えて乱反射成分をも測
定することが必要であるが、これは例えば通常の分光分
析に利用されている積分球を使用することで実施するこ
とができる。

すなわち、周知のように、通常の分光分析において積分
球を用いる場合は、測定対象物を積分球に密着させて外
乱光を蓮へいするとともに、正反射および乱反射成分を
全て積分球内に取シ込んでいるが、実験によれば測定対
象物を積分球から３０−程度離しても積分球および測定
対象物を外乱光から遮光すれば、積分球に測定対象物を
密着させた場合の測定値とほとんど差のない測定値が得
られることが確認されたし、また必ずしも遮光しなくて
も、照射光の強度を外乱光が無視できるまで強くすれば
誤差はほとんどと生じないから、ナイン・フリー・スチ
ールに対し非接触で積分球による反射率測定を行なうこ
とは十分可能である・ 次に、上記被膜厚＃ｊ定を行なうための装置についてそ
の実施例を説明する。

＠６図及び第７図は本発明の被膜厚測定装置の第１の実
施例を示したもので、第６図において図中１は走行中の
ナイン・フリー・スチール、２はそのサポートロール、
３はティン・フリー・スチール１０表面に近接させて対
向配置された積分球、４は分光光度針、５は遮光筐であ
わ、この遮光＠Ｓはティ／・フリー・スチール１と対向
する面のみが開放する密閉筒とされ、前記積分球３及び
分光光度計４ｔｌｅｌｉうと共に、その開口周縁をティ
ン・フリー・スチール１面に近接させて設けられている
。また、前記分光光度計４は、第７図に示すように、赤
外〜可視光源１０と紫外光源１１とを備え、この両光源
から積分球３に２つの波長の光を切換供給するようにし
たもので、図中１２は光源切換反射板、１３はスリット
、１４はコリメータ、１５は回折格子、１６はミラー、
１７はチ冒ツバ、１８はチ曹ツバ用モータ、１９．１９
はミラーである。また、２０は積分球３の検出器、２１
は副白板であシ、前記検出器２０は図示しない演算器に
接続されている。

第８図は本発明の被膜厚測定装置の第２の実施例を示し
たもので、この実施例は、複数台例えば２台の積分球３
＊　ｒ　ｓｂ及び分光光度計４ａｅｎｂを使用するもの
であって、一方の分光光度計４１は特定波長の赤外〜可
視光源を備えたものとされ、他方の分光光度計４ｈは特
定波長の紫外光源を備えたものとされている。

すなわち、上記各実施例の被膜厚測定装置は、分光光度
計と積分球とを備えかつ積分球はティン・フリー・スチ
ールの表面に近接対向させて設けると共に、これらを遮
光筐で覆ったものであり、この測定装置によれば遮光筐
によって外乱光を遮光することができるから、前記本発
明の被膜厚測定方法による被膜厚＃ｊ定奢良好な条件の
下で行なうことができる。

本発明は上記のようなものであるから、ナイン・フリー
・スチールの水利酸化被膜の厚さを連続的にかつ非接触
で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はナイン・フリー・スチールの断面図、第２図は
シリコン基板上のシリコンオキサイド膜厚の測定におけ
る照射光の波長と反射率との関係を示す図、第３図は水
利酸化クロム被膜表面の反射率のパターンを示す図、第
４図及び第５図は本発明の測定方法における測定精度を
示す図、第６図及び第７図は本発明の測定装置の第１の
実施例を示す配置図及び分光光度針の内部構成図、第８
図は本発明の測定装置の第２の出願人代理人　　弁理士
　鈴　江　武　彦第１図 ハ 第２図 第３図 第　８　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　ナイン・フリー・スチール表面の水利酸化ク
   ロム被膜面に館外域の波長と赤外および可視域の波長と
   の少なくとも２波長以上の光を照射し、その反射光を測
   宴して前記被膜における反射率ｔ＋ターンを求め、これ
   と各種膜厚の被膜についてあらかじめ求めておいた標準
   反射率ｉ４？ターンとを比較して被膜厚さを判定するこ
   とを特徴とするナイン・フリー・スチールの表面被膜厚
   測定方法。
2. （２）分光光度針と積分球とを備え、かつ積分球はティ
   ン・フリー・スチールの表面に近接対向させて配置する
   と共に、この分光光度針と積分球を遮光筐で覆ったこと
   を特徴とするティン・フリー・スチールの表面被膜ＪＪ
   １ｍ定装置。