JP3136032B2 - 膜厚計測センサーおよび計測回路 - Google Patents

膜厚計測センサーおよび計測回路

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JP3136032B2 JP05233445A JP23344593A JP3136032B2 JP 3136032 B2 JP3136032 B2 JP 3136032B2 JP 05233445 A JP05233445 A JP 05233445A JP 23344593 A JP23344593 A JP 23344593A JP 3136032 B2 JP3136032 B2 JP 3136032B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は金属板に施こされた表面
処理被膜の厚さを測定する装置に関する。
【0002】
【従来の技術とその問題点】一般に金属の防錆、絶縁あ
るいは外観上の目的で施こす塗装被膜あるいはメッキ被
膜あるいはアルマイト膜の厚さは数μmから数百μmの
広範囲に及ぶ。この厚さを被膜を傷つけることなく測定
する装置として一般に、プローブを鉄等の磁性金属表面
上のメッキあるいは塗装に押し当て、その厚さを計測す
る電磁膜厚計と、非磁性金属、即ちアルミニウム、真
鍮、ステンレスの表面上のアルマイト、塗装被膜の厚さ
を計測する渦電流膜厚計とがある。
【0003】電磁膜厚計は鉄の透磁率の変化を利用して
被膜の厚さを測定するもので、電源周波数としては10
0〜1,000Hz程度の低周波を用いている。又渦電
流膜厚計は金属の導電性を利用するもので、比較的高周
波(200k〜10MHz)を用いている。
【0004】以上述べた2つの方式は回路構成、プロー
ブの構造が全く異るので、鉄板上及び非鉄金属上の膜の
厚さ測定の2つの目的を達成するためには2台の膜厚計
を用意するか、又はこの2つの回路方式を組込み、2本
のプローブを備えた膜厚計を用意しなければならなかっ
た。
【0005】
【問題点解決のための手段、作用効果及び実施例】本発
明の目的は1台のセンサー/膜厚計で鉄板と非鉄金属板
上の膜厚測定を可能とするようにした電磁式/高周波式
センサー/膜厚計を提供することである。本発明によれ
ば、金属上の被膜に押圧して該被膜の厚さを測定するた
めに用いる膜厚計測センサーであって、先端チップと、
該先端チップを取り囲むように100から500回の範
囲で巻回されたコイルとを有し前記コイルの直径を大き
くして電磁式/高周波式の両方の膜厚計測ができるよう
にした膜厚計測センサーが与えられる。
【0006】さらに本発明によれば、金属上の被膜の厚
さを測定するために用いる膜厚計であって、センサーを
接続するための端子と、該端子を介して該センサーと直
列に接続される第1の発振回路であって演算増幅器と該
増幅器の出力に直列に接続される半導体スイッチを有す
る前記第1の発振回路と、コンデンサ及び該端子を介し
て該センサーと直列に接続される第2の発振回路であっ
て前記第1の発振回路よりも高い周波数で発信するよう
に構成され、前記第1の発振回路からの信号が前記コン
デンサでブロックされる前記第2の発振回路とを有する
前記膜厚計が与えられる。
【0007】本発明のさらに詳細な構成は以下の説明に
よってさらに明らかにされよう。
【0008】図1は従来から一般に採用されてきた電磁
式センサーの構造を示す。磁性体4の素材(一般には
鉄)の上のメッキまたは塗装など被膜5の厚さを測るも
のであり、コイル2によって発生した磁界が先端チップ
3を介して被膜、素材を通過する。被膜の厚さによって
素材と先端チップの距離が変わり、これによって変わる
コイルのQ、インダクタンスを電子回路を用いて検出す
る。周波数は比較的低く100〜1000Hz程度で測
定を行うためコイルの巻き数を多くし、(1000ター
ン以上)先端チップに強磁性体を使う。先端チップは測
定面に当たるために併せて耐久性が要求され、硬い材料
で作られている。高周波式でも同様なコイル構造のもの
が用いられ、磁界は同様な経路をたどる。測定対象は被
膜が塗装、アルマイトなどの非導電体、素材はアルミ、
銅などの導体である。素材に渦電流が生じることから素
材と先端チップとの距離、すなわち被膜の厚さにしたが
ってコイルのQ、インダクタンスが変化する。素材に渦
電流を生じさせる必要性から周波数が200K〜10M
Hz程度と高く、コイルが回路によって安定して測定し
やすい大きさのインピーダンスにするためにコイルの巻
き数は電磁式の1/100程度と少なくまたコイルの直
径も小さくする。先端チップは渦電流損失が大きく感
度、安定度に悪影響を与えるため導電率の大きな鉄は使
わず、抵抗率の高い人工ルビーなどが使用される。
【0009】電磁式のセンサーを高周波式に使用できな
い理由は以下の通りである。 (a) コイルの巻き数が多くインピーダンスが高すぎるた
め、回路で安定して測定を行うことが難しい。 (b) コイルの巻き数が多いため巻き線間の容量が大きく
周波数が高くなるとキャパシティブになってしまう。 (c) 先端チップ表面と内部に渦電流が発生するため感度
が大幅に低下し安定度が悪くなる。
【0010】一方、高周波式センサーを電磁式に使用で
きない理由は以下の通りである。 (a) コイルの巻き数が少ないためインピーダンスが低す
ぎて回路で安定して測定を行うことが難しい。図2は本
発明によるセンサーの一実施例を示す。基本的な構造は
高周波式の場合と同様であるが高周波式とまったく同じ
ではインダクタンスが小さすぎて電磁式の周波数ではイ
ンピーダンスが小さくインダクタンス、Qの測定が困難
である。そこでフェライトポットコア1の内部に埋込む
コイル2のターン数を高周波式と電磁式の中間的な10
0〜500ターン程度とする。またコイルの直径を7〜
15mmと大きくしてインダクタンスを大きくしている。
そしてインピーダンスを極力大きくして測定を安定に行
うために電磁式の周波数を400〜1000(Hz)と
高めをつかう。これ以上周波数を上げると渦電流の発生
が大きくなり素材の導電率の影響を受け安定度が落ち
る。このセンサーを高周波で使用するには先端チップ3
は問題はないが従来の電磁式に比べれば少ないが巻き数
はやはり大きめなため周波数を低めに800(KHz)
以下にする。ただし400(KHz)以下にすると渦電
流が小さくなり感度が落ちる。
【0011】図3は測定回路のブロック図である。電磁
式測定回路11はセンサーのコイルのインダクタンスL
とQの変化にしたがって発振周波数が変化する。この発
振した信号(正弦波)を電磁式測定回路内部の増幅率の
大きな増幅器によって増幅し、矩形波となって出力され
る。高周波式測定回路12も周波数が高いことを除けば
電磁式測定回路と同様な機能である。ただし演算制御器
を電磁式測定回路からの信号と高周波式測定回路からの
信号を(回路の小型化のため)同じ回路で処理できるよ
うにするため両者からの出力信号は周波数が近いことが
望ましいことから高周波式測定回路12の出力は内蔵の
分周器を介して周波数を下げて出力する。演算制御器1
4につながっているキースイッチSWによって使用者は
電磁式か高周波式を選択する。これにしたがって演算制
御器14は電磁式/高周波式切り換え信号15によって
入力信号切り換え器13を選択された方の入力に切り換
える。また電磁式/高周波式切り換え信号16によって
選択された方の測定回路を動作させて他方の動作をとめ
る。演算制御器14では入力された矩形波の周期をマイ
クロコンピューターのタイマー機能を利用して測定し、
あらかじめプログラムされている演算方法にしたがって
計算をおこない膜厚に換算する。そしてこの値を液晶、
LEDなどの表示器17に表示させる。
【0012】測定回路が二つでセンサーが一つの場合に
図4のような方法を使う場合には、電磁式/高周波式切
り換え信号16の機能が図3と違い、演算制御器14か
らの信号にしたがってセンサー切り換え器18によって
センサーを電磁式測定回路11または高周波式測定回路
12に切り換える。しかし電磁式での動作では周波数が
低いためにセンサーのコイルのインピーダンスが小さ
く、これに比較して半導体SWはON時のインピーダン
ス大きく無視できなくなる。しかも半導体SWのON時
のインピーダンスは一般に温度変化にしたがって大きく
変動するためコイルのQ、インダクタンスを測定する
時、すなわち膜厚を測定する際には温度ドリフトの原因
となるので使用できない。又リレーは接点の抵抗がコイ
ルのインピーダンスに比べて無視できる程度に小さく温
度ドリフトの原因とはならないがリレー駆動電力が非常
に大きく電池仕様の場合は使用できない。膜厚計は作業
現場で使われることが多いため電池で動作することは欠
かせない機能となりしたがって半導体SWを入力信号切
換器13に使う必要がある。そこで半導体SWを使用し
ても温度ドリフトの原因とならないようにしたのが先に
述べた図3の方法である。
【0013】図5は測定回路(図3)の詳細を示す図で
ある。C1、C2は高周波式での周波数では周波数が高
くインピーダンスが小さく通過するが、電磁式での周波
数では周波数が低くインピーダンスが大きくなりほとん
ど通過しない。高周波式測定回路はよく使われるコルピ
ッツ発振回路を有しトランジスタTR1のコレクタから
の信号はC1、C2、センサーのコイルを通過してTR
1のベースに入る。センサーのコイルのインダクタンス
L、Qの変化にしたがって発振周波数が変化しこれを分
周用のICで分周して入力信号切り換え器22におく
る。高周波信号はIC3の入力端子に流入し、又抵抗r
1とr2を介してIC1の入力端子に流入するが、FE
T入力のOPアンプであるためそのインピーダンスが非
常に大きく高周波式の測定にはほとんど影響を与えな
い。高周波式の測定では半導体スイッチS1、S2は電
磁式/高周波式切り換え信号15によってOFFされ
る。発振周波数はコルピッツ発振回路内の各定数とLに
より定まる。IC1、IC3ともに出力端の入力インピ
ーダンスは小さくここに高周波電流が流入するとコルピ
ッツ発信回路は発信が止まってしまうため高周波式の測
定の時にはこれらをOFFしておく必要がある。次に電
磁式測定回路23もセンサーのコイルのインダクタンス
L、Qの変化にしたがって発振周波数が変化する方式で
ある。S1、S2は電磁式/高周波式切り換え信号15
によってONされると、r1とR2、センサーのコイ
ル、r3、C3、r4、C4、r5、C5によって位相
がずらされてループを一周すると360°位相がずれる
周波数で発信する。IC2は出力振幅がOPアンプの最
大出力で一定となり通常の発信回路の振幅制限器と同じ
働きをする。S1、S2がONされているためIC1と
IC3出力端の低い入力インピーダンスと接続された高
周波式測定回路は動作しない。C1、C2のために低周
波数では電磁式の測定信号は高周波式測定回路に流入し
ないことから該回路内部のインピーダンスの影響を受け
ず電磁式測定回路は安定して動作する。特にTR1に流
入すると、これが温度変化によって大きく変動するため
測定が不安定となってしまう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による膜厚計測用センサーを示す図。
【図2】本発明による膜厚計測用センサーを示す図。
【図3】本発明による膜厚計回路図。
【図4】膜厚計の回路構成を評価するための検討回路
図。
【図5】本発明による膜厚計回路図である。
【符号の説明】
1 フェライトコア 2 コイル 3 先端チップ 11 電磁式測定回路 12 高周波式測定回路 13 入力信号切換器 14 演算制御器 17 表示器 IC1,2,3 演算増幅器 S1,2 半導体スイッチ

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属上の被膜に押圧して該被膜の厚さを
    測定するために用いる膜厚計測センサーであって、先端
    チップと、該先端チップを取り囲むように100から5
    00回の範囲で巻回されたコイルとを有し前記コイルの
    直径は7から15mmであることを特徴とする膜厚計測セ
    ンサー。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の膜厚計測センサーであっ
    て、前記先端チップは、ルビーであることを特徴とする
    前記センサー。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の膜厚計測センサーであっ
    て、前記先端チップは、非磁性の材料からなり、前記先
    端チップに及ぶ磁界を強くするように前記コイルを埋め
    込むための凹部を有するフェライトポットコアーをさら
    に有することを特徴とする前記センサー。
  4. 【請求項4】 金属上の被膜の厚さを測定するために用
    いる膜厚計であって、センサーを接続するための端子
    と、該端子を介して該センサーと直列に接続される第1
    の発振回路であって演算増幅器と該増幅器の出力に直列
    に接続される半導体スイッチを有する前記第1の発振回
    路と、コンデンサ及び該端子を介して該センサーと直列
    に接続される第2の発振回路であって前記第1の発振回
    路よりも高い周波数で発振するように構成され、前記第
    1の発振回路からの信号が前記コンデンサでブロックさ
    れる前記第2の発振回路とを有する前記膜厚計。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の膜厚計であって、前記第
    1の発振回路は複数の演算増幅器を有し該複数の演算増
    幅器と前記半導体スイッチと前記センサーとがループを
    形成するように直列に接続されるとともに前記半導体ス
    イッチに接続された2つの演算増幅器が前記端子と接続
    されるように構成され、前記第2の発振回路を動作させ
    るときは前記半導体スイッチを開状態とすることを特徴
    とする前記膜厚計。
  6. 【請求項6】 請求項4記載の膜厚計であって、前記第
    1の発振回路は複数の演算増幅器を有し該複数の演算増
    幅器と前記半導体スイッチと前記センサーとがループを
    形成するように直列に接続されるとともに前記半導体ス
    イッチに接続された2つの演算増幅器が前記端子と接続
    されるように構成され、前記第1の発振回路を動作させ
    るときは前記半導体スイッチを閉状態として前記第2の
    発振回路から前記コンデンサを介して前記第1の発振回
    路に入力される信号が前記半導体スイッチを介して出力
    インピーダンスの低い前記演算増幅器に吸収され発信を
    阻止することを特徴とする前記膜厚計。
  7. 【請求項7】 請求項5又は6記載の膜厚計であって、
    前記第1及び第2の発振回路の出力に接続され該二つの
    出力の一方を与えるための切り替え制御器を有する前記
    膜厚計。
  8. 【請求項8】 請求項7記載の膜厚計であって、前記切
    り替え制御器の出力に接続され前記第1又は第2の発振
    回路からの発信号の周波数を検出し、所定の計算式によ
    り前記被膜の厚さに変換する演算制御器と前記演算制御
    器に接続され被膜の厚さを表示する表示器を有すること
    を特徴とする前記膜厚計。
  9. 【請求項9】 請求項7記載の膜厚計であって、前記切
    り替え制御器と前記第2の発振回路との間に接続され、
    前記第2の発振回路からの発振信号を分周するための分
    周回路を有することを特徴とする前記膜厚計。
  10. 【請求項10】 請求項4から9項までのいずれかに記
    載の膜厚計であって、前記第1発振回路の発振周波数を
    400から1000Hzとし前記第2発振回路の発振周
    波数を400KHzから800KHzになるように構成
    し前記端子に接続された一つのセンサーで膜厚を計測で
    きるように切り替えるための機能を前記演算制御器の中
    に有することを特徴とする前記膜厚計。
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