JP4233609B2 - 導電材製膜の厚みを測定する方法 - Google Patents
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Description
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Me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Me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L0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L0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L0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LXが得られる。インダクタンス値LX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L0乃至LX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L0乃至LX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Me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) Me=1000・(LX−L0)/(L∞−L0)
Me=測定値/規定値
L0=インダクタンス値(非コーティング基体)
LX=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Me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Me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Me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L0の検出と同時にインダクタンス値Ll0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ΔL0=Ll0−Ll∞が行われる。この値ΔL0を用いて、補正されたインダクタンス値L0 *=L0−ΔL0が算出される。同様に、インダクタンス値LXの測定の際、補正された測定値LX *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LX(LlX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L0の補正時にもインダクタンス値LX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)Me=1000・((LX−(LlX−Ll∞))−(L0−(Ll0−Ll∞)))/(L∞−(L0−(Ll0−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ΔL0=Ll0−Ll∞の形成ステップ
5.インダクタンス値L0、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L0 *=L0−ΔL0に相応する補正値L0 *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LlX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ΔLX=LlX−Ll∞の形成ステップ
9.インダクタンス値LXの検出ステップ
10.差形成による補正値LX *の検出ステップ:
LX *=LX−ΔLX
11.値L∞、及びLX *乃至L0 *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L0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L0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L0の検出ステップ
4.膜厚0での式1を用いた規定値Me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LX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L0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)
- 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L0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LX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Meに変換するステップ、
−前記無次元値Me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。 - 無次元値Meを、以下の式を用いて求め:
Me=A・(Lx−L0)/(L∞−L0)
この式において、
L0=コーティングされていない基体のインダクタンス値
Lx=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。 - 較正部のインダクタンス値L0を求め、規定値Meを膜厚ゼロの場合に形成し、前記規定値Me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。
- 無次元値を以下の式を用いて求め:
(2)Me=A・(Lx−(LIx−LI∞))−(L0−(LI0−LI∞))/(L∞−(L0−(LI0−LI∞)))
この式において、
LIx:Lxの検出前又は後の空気に対するインダクタンス値
LI0:L0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。 - 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。
- 均一な材料成分の較正体(30)で、インダクタンス値L0及びインダクタンス値LXを検出する請求項1〜5までのいずれか1記載の方法。
- インダクタンス値L0及びインダクタンス値LX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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