JP4233609B2 - 導電材製膜の厚みを測定する方法 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、導電材製膜、例えば、クロム膜の厚みを測定する方法に関する。従来、実際には、クロムメッキ部分は、例えば、蛍光Ｘ線法によって測定される。しかし、この方法は、高価で時間が掛かる。また、所謂誘導測定方法が使用されている。しかし、この場合、表面上で、点状にしか測定することができない。この測定方法を実際に用いるためには、非常に高い位置決め精度を必要とする。これら両方の方法では、発生する測定誤差を除去するのが比較的難しい。
発明の効果
それに対して、本発明の、導電材製膜の厚みを測定する方法では、発生する測定誤差を十分に除去することができるという利点がある。
殊に、量産製造されたコーティング部を、連続的に実行される測定方法で検査することができる。場合によって生じる、基材材料の特性変動、及び、例えば、汚染乃至摩滅に起因する、測定コイルと被測定対象との間の間隔の差違を除去することができる。そうすることによって、被測定膜厚について信頼度の高い一義的なデータを得ることができる。
従属請求項に挙げた手段によって、有利な実施例と、独立請求項に挙げた方法を改善することができる。
図面
本発明について、図示の実施例を用いて以下詳細に説明する。図１には、測定装置の概略構造が示されており、図２には、種々異なる間隔及び被測定膜の下側にある材料の種々異なる材料特性α乃至βでの被測定膜の厚みａに亘る、測定コイルのインダクタンスＬの経過特性が示されている。図３には、図２で使用される、測定コイルと測定対象との種々異なる間隔の比が示されている。図４には、膜厚ａに亘っての規定値Ｍ_ｅの経過特性について示されている。図５には、方法のブロック図が示されており、図６には、膜厚ａに亘っての規定値Ｍ_ｅの経過特性が示されている。図７には、方法の変形実施例の別のブロック図が示されており、図８には、測定方法で使用された較正体の変形実施例が示されており、図９には、測定方法で使用された測定体の変形実施例が示されている。
実施例の説明
本発明の測定方法は、所謂誘導−渦電流測定方式に基づいている。図１には、そのために使用されるセンサ１０の構造が示されている。センサ１０は、基体１２の凹部１１内に設けられており、コイルボビン１３から構成されており、このコイルボビン上には、高周波交流電流（例えば、４ＭＨｚ）が流されているコイル１４が取り付けられている。コイル１４は、例えば、平巻きコイル又はリングコイルとして構成されている。コイルボビン１３は、有利には、非導電且つ非強磁性材、例えば、プラスチック製であり、殆ど摩擦なく凹部１１内に案内される。監視すべき構成部分１７は、案内体１８内に挿入され、この案内体１８は、構成部分１７とコイル１４とを相互に位置決めする。ばね１９を用いて、コイルボビン１３及びコイル１４は、構成部分１７の表面２０に対して押圧されている。表面２０は、被測定膜を有している。構成部分１７は、例えば、燃料噴射弁のノズルであり、その際、膜２０は、クロム膜を形成している。コイル１４に交流電流が流されると、交番磁場が形成され、この交番磁場は、クロム膜２０も、その下に位置している、構成部分１７の強磁性材からなる材料層も貫通する。その際、クロム膜２０には、渦電流効果しか作用せず、基体１７の強磁性材中には、誘導及び渦電流効果が作用する。
以下、それぞれ他の部分は存在しないとした場合に発生するそれぞれの測定効果について説明する。コイル１４に交流電流が流されて、コイルの交番磁場が検出されると、良導電非強磁性材、即ち、クロム膜２０だけが、コイルの交番磁場によって検出され、所謂渦電流効果だけが作用する。良導電非磁性材内に形成される渦電流に基づいて、コイル１４のインダクタンスが最小になる。
以下、交流電流が流されているコイル１４の磁場が、このコイルに対向配置された強磁性材、即ち、基体１７の材料部に及ぼす作用について説明する。交流電流が流されているコイルの交番磁場によって、基体１７の材料部が検出される。導電且つ強磁性材では、強磁性の効果も渦電流効果も作用する。渦電流効果により、測定コイルのインダクタンスは小さくなるが、強磁性の効果により、測定コイルのインダクタンスは、大きくなる。両効果のうちどちらの効果が優勢であるのかは、第１に、コイル１４を流れる交流電流の周波数と、基体１７の材料特性に依存している。両測定効果をクロム膜２０を有する基体１７に当てはめると、クロム膜２０が厚くなればなる程、磁場は弱くなり、従って、コイル１４のインダクタンスは弱くなる。図２には、α１で、クロム膜２０の増大する厚みに亘って測定コイル１４の減少するインダクタンス経過特性を示す相応の測定曲線が示されている。
しかし、膜厚ａに亘ってのインダクタンスＬの測定曲線の経過特性は、基体１７の材料特性、つまり、例えば、材料の電気抵抗、透磁率、コイル１４と被測定表面２０との間の間隔に依存している。例えば、汚染又はコイルボビンの摩耗によって、測定コイル１４とクロム膜２０との間隔が変わって、インダクタンスＬの、膜厚ａに亘る経過の種々の特性曲線が得られる。図２には、種々の例が示されている。この際、特性曲線α２、α３及びα４は、測定コイルと監視すべきクロム膜との間の種々の間隔（但し、基体１７の材料特性は同じ）の下で膜厚ａに亘るインダクタンスＬの経過特性について示されている。図３には、コイル１４と監視すべきクロム膜２０との間αの間隔の大きさが示されている。α１〜α４の間隔は常に大きくなることが分かる。これに対して、基体１７の材料の材料特性が変化すると、特性曲線β１〜β４が得られる。特性曲線β１〜β４は、基体の第２の材料特性の場合の、測定コイルと監視すべきクロム膜との間の間隔の変化を意味する。図２のダイアグラムから、測定されたインダクタンス値Ｌには、多数の可能な膜厚を配属することができることが分かる。インダクタンスの代わりに、コイルのインピーダンス値を評価してもよい。
本発明の測定方法によると、基体１７の材料特性乃至測定コイル１４と被測定クロム膜との間隔が変わっても、測定コイル１４の測定インダクタンス値とクロム膜２０の厚みａとを一義的に対応付けることもできる。本発明の方法の核心的技術思想は、発生する測定誤差を除去し、一義的に対応付けることができる測定値を検出するように規格化を行うことにある。
本発明の、膜の厚みを測定する方法は、複数の測定及び評価ステップで実行される。基体１７のコーティングの前に、所謂予備測定中、コイル１４のインダクタンス値Ｌ_０が検出される。この際、コイル１４は、基体１７の、未だコーティングされていない、コイル側の表面（測定面）上にできる限り直接載置されている。従って、基体１７の材料部に対してだけ測定が行われる。インダクタンス値Ｌ_０の大きさは、基体の特性に依存しており、殊に、基体の磁気及び電気的特性に依存している。基体１７の、この特性は、量産中変動することがある。そのために、インダクタンス値Ｌ_０を各個別基体１７の測定の開始時点で求めて、データメモリ内に対応付け可能に記憶しておくことができる。
続いて、基体１７には、相応のコーティング装置内でクロム膜２０が設けられる。その後、第２の測定、即ち、所謂事後測定が、上述の予備測定と同じ基体１７の位置で行われる。その際、測定コイル１４のインダクタンス値Ｌ_Ｘが得られる。インダクタンス値Ｌ_Ｘの大きさは、特に、クロム膜２０の厚み及び基体１７の材料特性によって決められる。検出された両インダクタンス値Ｌ_０乃至Ｌ_Ｘは、それぞれ一義的に同一基体１７に対応付けられる。これら両インダクタンス値Ｌ_０乃至Ｌ_Ｘは、アルゴリズムを用いて規定値に変換され、即ち、相応の膜厚に対応付けることができる無次元特性数に変換される。この規定値形成を実行することができるためには、インダクタンス値Ｌ∞を検出する必要がある。較正体で、クロム膜に対してだけ測定が実行された場合に、このインダクタンス値Ｌ∞が得られる。その際、較正体の表面は、コイルの磁場全体を覆うような厚みのクロム膜を有している必要があり、その結果、較正体の強磁性基材には、誘導電流効果も渦電流効果も作用が及ぼされることはない。場合によっては、較正体に、クロムの代わりに、他の導電非強磁性材を代替物として使用してもよい。式１に相応して、規定値Ｍ_ｅを求めることができる。ファクタ１０００は、０〜∞に任意に変えることができる。
（１） Ｍ_ｅ＝１０００・（Ｌ_Ｘ−Ｌ_０）／（Ｌ∞−Ｌ_０）
Ｍ_ｅ＝測定値／規定値
Ｌ_０＝インダクタンス値（非コーティング基体）
Ｌ_Ｘ＝インダクタンス値（コーティング部）
Ｌ∞＝インダクタンス値（クロム製較正体）
図４には、式（１）に応じて規格化された測定値Ｍ_ｅの、膜厚ａに亘っての経過特性γが示されている。図２に示された種々の曲線から、その都度求められた規定値Ｍ_ｅのほぼ一致する経過特性γが得られる。図４には、図２に対して、規定値Ｍ_ｅを、膜２０の厚みに対して一義的に対応付けることができる。
式１を用いて、従来技術では、測定コイルと被測定膜との種々異なる大きさの間隔によって、又、基体１７の材料の種々異なる磁気乃至電気特性によって生じる誤差がほぼ除去されてきた。しかし、特に、温度変動によって生じる所謂オフセットドリフトによって測定結果に及ぼされる影響を抑圧することもできる。このために、測定コイルのインダクタンス値を検出することもでき、このインダクタンス値は、測定コイルを空気に対してのみ測定した場合に、即ち、測定コイルがクロム膜に対向配置されておらず、何らかの構成部分にも対向配置されていない場合に測定される。この測定値は、以下、原空気値Ｌ０∞と呼ぶ。この値は、インダクタンス値Ｌ∞の直ぐ前か又は後に（できる限り同時に）、較正体を用いて検出される。この値Ｌｌ∞は、後続の測定のためにそれぞれ使用される基本値を示す。それぞれの基体１７を個別に測定する間、上述の所謂予備測定前又は後、即ち、できる限り、コイルのインダクタンス値Ｌ_０の検出と同時にインダクタンス値Ｌｌ_０が求められ、このインダクタンス値は、測定コイルが再度空気に対して測定される場合に形成される。続いて、例えば、マイクロコンピュータで、差形成ΔＬ_０＝Ｌｌ_０−Ｌｌ∞が行われる。この値ΔＬ_０を用いて、補正されたインダクタンス値Ｌ_０ ^＊＝Ｌ_０−ΔＬ_０が算出される。同様に、インダクタンス値Ｌ_Ｘの測定の際、補正された測定値Ｌ_Ｘ ^＊を求めることもできる。この際、上述の所謂事後測定の時間的に少し前、又は後に、即ち、空気に対してコイルのインダクタンス値の値Ｌ_Ｘ（Ｌｌ_Ｘで示される）を求めた少し前又は後に検出される。空気に対するコイルの値を、ここでは、もう一度求める必要がある。と言うのは、所謂予備測定時の空気に対するコイルのインダクタンス値の検出と、所謂事後測定時の空気に対するコイルのインダクタンス値の検出との時間差があり、従って、温度変動が生じることがあるからである。一度求められた所謂原空気値Ｌｌ∞は、インダクタンス値Ｌ_０の補正時にもインダクタンス値Ｌ_Ｘの補正時にも長時間に亘って使用することができる。クロム膜に対してだけ測定したインダクタンス値を示すインダクタンス値Ｌ∞を間隔をおいて検出して、長時間データバンク内に記憶しておきさえすれば、十分である。しかし、例えば、測定コイルと測定対象との間隔がゆっくり且つ連続的に変化すること（例えば、摩耗により）を考慮するために、インダクタンス値Ｌ∞を新たに検出するには、それと同時に、所謂原空気値Ｌｌ∞も新しくする必要がある。規定値形成の場合に、温度変動によって生じる測定結果のオフセットドリフトも考慮するために、式２を用いることができる。
（２）Ｍ_ｅ＝１０００・（（Ｌ_Ｘ−（Ｌｌ_Ｘ−Ｌｌ∞））−（Ｌ_０−（Ｌｌ_０−Ｌｌ∞）））／（Ｌ∞−（Ｌ_０−（Ｌｌ_０−Ｌｌ∞）））
センサを交換する際には、インダクタンス値Ｌ∞及びＬｌ∞も新たに検出する必要がある。予備測定と事後測定との間で交換を行う場合には、事後測定時にも、以前の基準値Ｌｌ∞を使う必要がある。
基体１７用の多くの材料の場合、比較的長い時間経過に亘って見ると、基体材料の電気値も磁気値も変化する。この変化、即ち、ドリフトは、各被測定体の場合に、種々異なる大きさである。と言うのは、このドリフトは、材料特性の他に、クロムメッキの前に行う個別の熱処理にも依存するからである。調整特性曲線の検出のために（図４参照）、図８に示されているのと同様の較正体が製造される。較正体３０は、２つの端面３１及び３２を有している。測定面３１は、ここでは、非コーティング材製であり、測定面３２には、クロム膜が設けられている。しかし、両測定面３１及び３２は、同一形状である。測定面３２上にコーティングされたクロム膜の厚みは、分かっている。較正の際に、この較正体３０で検出される規定値は、変化しないか、又は、材料の電気的及び磁気的な特性が、経年過程によって変化する場合にも、ほんの僅かしか変化しない。この際、前提とされているのは、材料の磁気的且つ電気的特性が較正体全体に亘って均一に変化するということである。
以下、それぞれの測定及び算出ステップについて、もう一度図５のダイアグラムを用いてリストアップする。測定方法は、概略説明したように、３つのステップ、即ち、所謂較正値検出、所謂予備測定及び所謂事後測定の各ステップの経過で行われる。較正値検出では、厚みが検出された材料（乃至、その代替材料）に対してのみ測定されたインダクタンス値Ｌ∞が検出され、その際、較正体の強度は、有利には、測定コイルの交番磁場の浸透度よりも大きい。続いて、できる限り値Ｌ∞の検出時点での、空気に対する測定コイルのインダクタンス値を示すインダクタンス値Ｌｌ∞が検出される。
ここで、所謂予備測定ステップが開始される。
３．空気に対するコイルの実際のインダクタンス値Ｌｌ０の検出ステップ
４．差ΔＬ_０＝Ｌｌ_０−Ｌｌ∞の形成ステップ
５．インダクタンス値Ｌ_０、即ち、非コーティング基体に対するインダクタンス値の検出ステップ
６．差形成Ｌ_０ ^＊＝Ｌ_０−ΔＬ_０に相応する補正値Ｌ_０ ^＊の検出ステップ
続いて、所謂事後測定の算出ステップが行われる：
７．空気Ｌｌ_Ｘに対するコイルのインダクタンス値の検出ステップ
８．差ΔＬ_Ｘ＝Ｌｌ_Ｘ−Ｌｌ∞の形成ステップ
９．インダクタンス値Ｌ_Ｘの検出ステップ
１０．差形成による補正値Ｌ_Ｘ ^＊の検出ステップ：
Ｌ_Ｘ ^＊＝Ｌ_Ｘ−ΔＬ_Ｘ
１１．値Ｌ∞、及びＬ_Ｘ ^＊乃至Ｌ_０ ^＊を有する式に相応する規定値算出を実行するステップ
１２．較正曲線を用いて、１１で検出された規定値を膜厚に変換するステップ
方法の変形実施例では、インダクタンス値Ｌ_０は、それぞれの各構成部分で、個別に当該構成部分に対して検出するのではなく、較正要素を用いて測定されて記憶される。しかし、この調整部分は、装置の作動期間中、その電気的且つ磁気的特性が変わらない。インダクタンス値Ｌ∞は、上述のようにして検出される。以下、図７に相応する測定ステップについて説明し、その際、簡単化及び分かり易くするために、温度ドリフトの補正については考慮しない。この方法の変形実施例の場合、各材料に対して、図６に相応する独自の変形較正曲線（ステップ１で使用された同じ較正要素を用いて検出される）を検出する必要がある。
ステップ１
１．インダクタンス値Ｌ∞の検出とデータバンクへの記憶ステップ
２．較正要素に対するインダクタンス値Ｌ_０の検出とデータバンクへの記憶ステップ
ステップ２
３．非コーティング構成部分でのインダクタンス値Ｌ_０の検出ステップ
４．膜厚０での式１を用いた規定値Ｍ_ｅの算出ステップ
５．図６による材料に関する変換較正曲線の選択ステップ
ステップ３
６．コーティングされた構成部分でのインダクタンス値Ｌ_Ｘの検出ステップ
７．式１を用いて規定値を算出するステップ
８．選択された較正曲線を用いて規定値を膜厚値に変換するステップ
従来技術で使用されている渦電流方式乃至誘導方式に対して、この方法では、測定コイルには、高周波交流電流（例えば、４ＭＨｚ）が流される。その際、コイルのインダクタンスは比較的小さい。コイルのコアは必要なく、その結果、可変且つ安価な構成形式が可能である。
所謂マルチプレクサを使用することによって、多数の測定部分を短時間に測定することができる。この際、多数の測定コイルを、同時に、被測定測定面に対応付けることができる。順次連続して短時間に、測定ブリッジによってマルチプレクサを用いて、この測定面が走査される。これは、上述の測定高周波（例えば、４ＭＨｚ）を用いて、インダクタンス値を検出する場合にも可能である。
図９には、図１の、構造上の装置構成の別の構成が示されている。この方法の、インダクタンス値Ｌ_０の検出（非コーティング構成部分に対するコイルの測定）は、別個の第２の測定コイル４０を用いても行うことができる。このために、クロムメッキ後、即ち、被測定膜のコーティング後、被監視構成部分の表面上に更に非コーティングゾーンを設ける必要がある。図９に示された構成部分４１の場合、コイルボビン４２の突起部４４は、構成部分４１の孔４３内に突入されている。この際、孔４３の壁は、被測定クロム膜でコーティングされている。コイル４０を用いて、基体の電気的及び電磁的特性が検出され、それと同時に、測定コイル１４を用いて、被測定クロム膜に対して測定される。このセンサを用いて、構成部分を一度しかセンサ上に配置する必要がなく、その結果、比較的短いクロック時間が形成される。

Claims (7)

1. 強磁性材製の基体（１７）上にコーティングされた導電材製の膜（２０）の厚みを、高周波交流電流が流されている少なくとも１つの測定コイル（１４）を用いて測定する方法であって、前記測定コイル（１４）のインダクタンスの変化を評価し、以下の測定ステップを有しており、即ち：
   −前記導電材製の膜だけを測定する際に前記測定コイル（１４）のインダクタンス値Ｌ∞を検出するステップ、
   −前記強磁性材製の基体だけを測定する際に前記測定コイル（１４）のインダクタンス値Ｌ_０を検出するステップ、
   −測定すべき膜（２０）を測定する場合、前記測定コイル（１４）のインダクタンス値Ｌ_Ｘを検出するステップ、
   −前記インダクタンス値Ｌ∞、Ｌ _０ 、Ｌ _Ｘ を無次元値Ｍ_ｅに変換するステップ、
   −前記無次元値Ｍ_ｅを、較正曲線を用いて膜厚値に変換するステップ
   とを有していることを特徴とする導電材製の膜の厚みを測定する方法。
2. 無次元値Ｍ_ｅを、以下の式を用いて求め：
   Ｍ_ｅ＝Ａ・（Ｌ_ｘ−Ｌ_０）／（Ｌ∞−Ｌ_０）
   この式において、
   Ｌ_０＝コーティングされていない基体のインダクタンス値
   Ｌ_ｘ＝コーティング部のインダクタンス値
   Ｌ∞＝膜だけのインダクタンス値
   Ａ＝ファクタ
   である請求項１記載の方法。
3. 較正部のインダクタンス値Ｌ_０を求め、規定値Ｍ_ｅを膜厚ゼロの場合に形成し、前記規定値Ｍ_ｅを用いて、変換曲線を選定する請求項１及び２記載の方法。
4. 無次元値を以下の式を用いて求め：
   （２）Ｍ_ｅ＝Ａ・（Ｌ_ｘ−（ＬＩ_ｘ−ＬＩ∞））−（Ｌ_０−（ＬＩ_０−ＬＩ∞））／（Ｌ∞−（Ｌ_０−（ＬＩ_０−ＬＩ∞）））
   この式において、
   ＬＩ_ｘ：Ｌ_ｘの検出前又は後の空気に対するインダクタンス値
   ＬＩ_０：Ｌ_０の検出前又は後の空気に対するインダクタンス値
   ＬＩ∞：Ｌ∞の検出前又は後の空気に対するインダクタンス値
   である請求項１〜３までのいずれか１記載の方法。
5. コイル（１４）には、高周波電流を流す請求項１〜４までのいずれか１記載の方法。
6. 均一な材料成分の較正体（３０）で、インダクタンス値Ｌ_０及びインダクタンス値Ｌ_Ｘを検出する請求項１〜５までのいずれか１記載の方法。
7. インダクタンス値Ｌ_０及びインダクタンス値Ｌ_Ｘをそれぞれ固有の測定コイル（１４，４０）を用いてほぼ同時に検出する請求項１〜６までのいずれか１記載の方法。

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