JP3214190B2 - 非接触式膜厚測定器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導電体上に被覆された
絶縁物の厚さを測定する非接触式膜厚測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、導電性基体、例えば金属基体
上に被覆された絶縁性被膜の膜厚を正確に測定するため
の種々の技術が公知であり、特に非接触式に膜厚測定を
行う装置として、特開平１−１３６００９号公報に開示
された「非接触式膜厚測定器」や特開平１−１４３９０
８号公報に開示された「薄膜厚測定器」が知られてい
る。

【０００３】上述した２つの公報に開示された各膜厚測
定器は、いずれも基本原理は同じであり、導電性基体ま
での距離を基体上に発生する渦電流を利用することによ
り電磁式センサで測定するとともに、絶縁性被膜までの
距離を投光部と受光部とを有する光学式センサで測定す
る。そして、これらの各測定値の差から膜厚を求める。

【０００４】これらの膜厚測定器を用いることにより、
測定対象物に触れることなく、しかも測定対象物を破壊
することなく膜厚測定を行うことができるというもので
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した非
接触式膜厚測定器および薄膜厚測定器のそれぞれは、概
して測定精度が低く、高精度な非接触測定が行えないと
いう問題があった。そのため、被測定膜厚が厚い場合や
低い測定精度でも充分な場合に限り使用されていた。従
って、例えば自動車の塗装工程においてその塗装膜厚を
測定するような場合には、１μｍ程度の測定精度が必要
であり、上述した従来の膜厚測定器では対応できなかっ
た。

【０００６】上述した従来の膜厚測定器における測定精
度が低い主な理由は、電磁式センサと光学式センサとい
う２種のセンサの動作原理，機能，性能が異なるため
に、測定範囲，測定距離，分解能・精度などが大きく異
なっていることにある。このため、膜厚測定器全体の精
度は、低い性能を有するセンサの精度により制限される
ことになる。

【０００７】例えば、光学式センサとして三角測量式の
ものが周知でありよく用いられるが、被測定物である絶
縁物までの距離、つまりその表面までの距離を正確に測
定するには、照射されたレーザ光のうち表面反射するレ
ーザ光のみを選択的に受光するタイプ（以下、このよう
に投光系と受光系が被測定面の法線に対し対称の角度で
配置されていている正反射光学系にあるものを「正反射
タイプ」という。）の光学式センサである必要がある。
ところが、一般的に用いられている光学式センサのほと
んどはこのタイプではなく、絶縁物表面の法線上に投光
系を配置し、この法線と一定の角度を有する方向に受光
系を配置している。このため、絶縁物の表面下に潜り込
んだビームスポットを受光・検出しており、表面までの
距離を正確に測定していないため、測定精度が低くなっ
ていた。

【０００８】また、上述した正反射タイプの光学式セン
サであっても、被測定物表面までの距離を高精度に測定
するには重大な問題がある。すなわち、光学式センサに
用いられるレーザからのビーム光の出射方向が変動する
ことにより、被測定物表面上に照射されるスポット位置
が変動し、これにより出力変動つまり測定距離のばらつ
きが生じていた。このことは、サブミクロン以下の分解
能が要求される高精度な測定を行う場合になって初めて
無視できない問題となって明らかになったものであり、
それ以前は問題点という認識すら無かったことである。

【０００９】一方、電磁式センサの一つである渦電流セ
ンサでは、センサの先端が測定範囲の基準点となってお
りこの基準点における電磁場の状態を検出している。従
って、非接触式で使う場合には被測定物である絶縁物及
び導電体から離さなければならず、どうしても測定範囲
が大きくなってしまう。このことは、センサ出力のＳ／
Ｎ比を低減させ、測定分解能及び測定精度の低下を引き
起こす。

【００１０】非接触式の渦電流センサに関するこれらの
欠点をを改善する方法としては、ノイズを徹底的に排除
するとともに測定距離と出力の関係を厳密に把握するこ
とも考えられる。しかし、１μｍ以下の測定精度を有
し、実用に耐えうる高精度な膜厚測定を実現するために
は、このような対策をもってしても十分でないことが明
らかになった。

【００１１】以上より、従来の膜厚測定器では、塗装直
後のウェット膜厚等を再現性良く、しかも高精度に測定
することができず、このような測定が可能な非接触式か
つ非破壊式の膜厚測定器が望まれていた。

【００１２】本発明は、このような従来の課題に鑑みな
されたものであり、高い精度で測定することができる非
接触式膜厚測定器を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】

第１発明 ［構成］上述した課題を解決するために、請求項１の発
明は、投光部と受光部とを含んでおり、導体上の絶縁物
表面における光の反射を利用して前記絶縁物表面までの
距離を測定する光学式センサと、前記導体に発生する渦
電流を利用して前記導体までの距離を測定する渦電流セ
ンサと、前記光学式センサによって測定される距離と前
記渦電流センサとによって測定される距離との差から前
記絶縁物の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備える非接
触式膜厚測定器において、前記光学式センサの投光部
は、前記絶縁物に対して光を照射するレーザ光源と、前
記レーザ光源から入射された光の中の所定の固有モード
の光のみを通過させ、前記絶縁物表面に向け出射する光
ファイバと、を含むことを特徴とする。

【００１４】上述した構成を有する請求項１に係る非接
触式膜厚測定器は、従来の膜厚測定器がレーザからのビ
ーム光の出射方向が変動することにより、被測定物表面
上に照射されるスポット位置が変動して測定距離のばら
つきが生じていた点に着目し、この点を改善したもので
ある。

【００１５】すなわち、レーザから出射するビーム光の
変動そのものを無くすことは原理的に不可能であるた
め、結局、投光系の出射端からのビーム光の位置変動を
制御するようにしたものである。具体的には、通常は光
通信などで光を伝達するために用いられている光ファイ
バを利用し、その幾何学的構造に起因する光の閉じ込め
作用により所定の固有モード（導波モード）の光のみを
通過させることによって、出射ビーム光の位置変動を低
減し、これにより測定精度を上げようというものであ
る。

【００１６】上述した構成において、光ファイバは、シ
ングルモード光ファイバを用いることが望ましく、その
長さは例えば数１００ｍｍ程度とすることができる。

【００１７】また、膜厚算出手段は、最も簡単な場合に
は、導体までの距離から絶縁物までの距離を減算するこ
とにより、絶縁物の膜厚を求めることができる。 ［作用］請求項１の発明は以上の構成からなり、次に、
その作用を説明する。

【００１８】光学式センサの投光部において、レーザ光
源から光を照射すると、この照射された光は光ファイバ
を通った後絶縁物に向けて一定の入射角θをなすように
出射される。

【００１９】例えば、光ファイバの一方端である入射端
近傍にマイクロレンズからなる投光レンズを設け、他方
端である出射端近傍に同様にマイクロレンズからなる受
光レンズを設ける。これにより、レーザ光源から照射さ
れた光が投光レンズによりほぼ一定に集光されて光ファ
イバの入射端に入射され、光ファイバ内を伝送された後
に光ファイバの出射端から出射される。さらに、出射さ
れた光が受光レンズによって平行ビームとなって絶縁物
表面に入力角θで照射され、ごく狭い範囲のスポットを
形成する。

【００２０】このスポット部分で反射された光は、その
後受光部に入射され、受光部内の位置検出器上に結像が
生じる。このようにして生じた結像の位置に基づいて、
三角測量の原理により絶縁物までの距離が求められる。

【００２１】特に、上述した投光部に所定の固有モード
のみの光を通過させるシングルモードの光ファイバを用
いることにより、ある固有モード以外の光は伝送される
途中において減衰し、所定の固有モードの光のみが通過
してその出射端から絶縁物に向けて照射されることにな
る。このため、出射光の重心位置が光ファイバの中心に
一致するため出射方向が安定し、絶縁物上に生じる照射
スポットの光量重心も安定し、受光部内の位置検出器上
に結像するスポット重心も安定することになり、この像
に基づいて絶縁物表面までの距離が求められる。

【００２２】一方、渦電流センサを用いることにより、
導体上に発生する渦電流を利用して導体表面までの距離
が求められる。

【００２３】膜厚算出手段は、このようにして求めた２
つの距離に基づいて、最も簡単な場合には、導体までの
距離から絶縁物までの距離を減算することにより、絶縁
物の膜圧を算出する。 ［発明の効果］以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、投光部に所定の固有モードの光のみを通過させ
る光ファイバを含み、レーザ光源から照射した光をこの
光ファイバ内を通した後に絶縁物に向け出射させること
により、この出射光の出射方向の変動を防止して、正確
に絶縁物表面までの距離を測定することができる。従っ
て、この正確な絶縁物表面までの距離に基づいて、絶縁
物の膜厚を高い精度で測定することができる。

【００２４】他の発明 ［構成］ また、上述した課題を解決するために、他の第１の発明
は、導体上の絶縁物表面における光の反射を利用して前
記絶縁物表面までの距離を測定する光学式センサと、前
記導体に発生する渦電流を利用して前記導体までの距離
を測定する渦電流センサと、前記渦電流センサの温度を
検出する温度センサと、前記渦電流センサを加熱するヒ
ータと前記温度センサによって検出される前記渦電流セ
ンサの温度を前記ヒータによる加熱を行うことにより一
定に維持する温度制御手段と、前記光学式センサによっ
て測定される距離と前記渦電流センサとによって測定さ
れる距離との差から前記絶縁物の膜厚を算出する膜厚算
出手段と、を備え、前記渦電流センサの温度を制御して
温度ドリフトを防止しながら、前記絶縁物の膜厚測定を
行うことを特徴とする。

【００２５】また、他の第２の発明は、前記他の第１の
発明において、前記温度制御手段による前記渦電流セン
サの温度調整は、前記ヒータに対する通電を断続するこ
とにより行い、前記渦電流センサによる距離の測定は、
前記ヒータに対する通電が中断したときに行うことを特
徴とする。

【００２６】また、他の第３の発明は、導体上の絶縁物
表面における光の反射を利用して前記絶縁物表面までの
距離を測定する光学式センサと、前記導体に発生する渦
電流を利用して前記導体までの距離を測定する渦電流セ
ンサと、前記渦電流センサの温度を検出する温度センサ
と、前記渦電流センサを加熱するヒータと前記温度セン
サによって検出される前記渦電流センサの温度を、前記
ヒータに交流電流を流して加熱することにより一定に維
持する温度制御手段と、前記渦電流センサの出力に現れ
る前記ヒータの電流周波数成分を除去する周波数成分除
去手段と、前記光学式センサによって測定される距離
と、前記周波数成分除去手段によってヒータ電流の周波
数成分が除去された前記渦電流センサの出力に基づいて
測定される距離との差から前記絶縁物の膜厚を算出する
膜厚算出手段と、を備え、前記渦電流センサの温度を制
御することにより温度ドリフトを防止することを特徴と
する。

【００２７】また、他の第４の発明は、前記他の第１〜
第３の発明において、前記ヒータは、発熱用導体を１箇
所あるいは複数箇所で折り返すことにより、あるいは偶
数本の発熱用導体を組み合わせて用いることにより、隣
接する前記発熱用導体を通電電流の向きが反対になるよ
うに配置して用いることを特徴とする。

【００２８】上述した他の第１〜第４の発明は、渦電流
センサが使われる環境、特に周囲の僅かな温度変動が高
精度測定に悪影響をもたらす支配的な要因であることに
着目し、これらの点を改善したものである。

【００２９】そもそも渦電流センサは、内蔵されたコイ
ルに高周波電流を与え、導電体との距離に応じた磁界及
び電界の変化をコイルのインダクタンスの変化として検
出するものであって電磁気的に非常に敏感なものであ
る。従って、渦電流センサ近傍にヒータを配置するとい
った電磁気的に影響を与えることは好ましくないとされ
ていた。ところが、温度変動による悪影響を防止して高
精度化を実現するには、渦電流センサに対して積極的に
温度制御を施さなければならず、しかも、渦電流センサ
本来の動作や機能を保たなければならないという相反す
る要求を満たす必要があった。このために種々の実験・
検討を行った結果、いくつかの手法により上記相反する
要求を満たすことができることが判明した。

【００３０】一つの方法は、渦電流センサ（例えば渦電
流センサ内の測定プローブ部のみ、あるいは測定プロー
ブ部とこの測定プローブ部の出力電圧を増幅するアンプ
部の両方）にヒータを配置し、ヒータ電流をオンオフす
ることにより、渦電流センサを常温よりも高い一定温度
に保つようにする。そして、ヒータ電流オフ時を捕らえ
て測定信号の取り込みを行う方法である。

【００３１】他の方法は、同様に渦電流センサにヒータ
を配置し、ヒータ電流としてある一定の周波数の交流電
流を流す。この交流電流の振幅を制御することにより、
渦電流センサを常温よりも高い一定温度に保つようにす
る。そして、渦電流センサの処理回路部にヒータ電流の
周波数成分を除去する回路を付加する方法である。但
し、この手法においてヒータ電流振幅の急激な変調を行
う場合には、ヒータ電流に含まれる周波数帯域が広くな
ることを考慮し、渦電流センサのプローブ部に付加され
る高周波電界の帯域が干渉しないように、ヒータ電流の
周波数を設定する必要がある。

【００３２】さらに他の方法は、ヒータ線（発熱用導
体）折り返すことにより通電電流の向きが反対となるよ
うにヒータを配置し、あるいは通電電流の向きが反対と
なるように偶数本のヒータ線を対にして配置することに
より、ヒータ電流によって生じる磁界を軽減する方法で
ある。この方法は、上述した２つの方法と併用しても良
い。

【００３３】また、渦電流センサの測定プローブにヒー
タ線を巻く場合、ヒータ線は導電体であるために、密に
巻きすぎると渦電流センサの感度を低下するので注意が
必要である。 ［作用］前記他の第１〜第４ の発明は以上の構成からなり、次
に、その作用を説明する。

【００３４】前記他の第１の発明の非接触式膜厚測定器
では、渦電流センサの温度を検出するために温度センサ
が設けられており、温度制御手段によってこの検出した
温度を監視する。そして、渦電流センサが所定の設定温
度より低い場合には渦電流センサに装着されているヒー
タに通電し、設定温度に達したら通電を停止することに
より、渦電流センサが一定温度に制御される。

【００３５】このようにして一定温度に制御された渦電
流センサにより、例えば測定プローブ内のコイルのイン
ダクタンスを検出して導体までの距離を測定する。この
コイルのインダクタンスは、導体までの距離が一定でも
温度が変化するとコイル形状が変化してしまう。従っ
て、本発明では渦電流センサを一定温度に制御しながら
検出信号の取り込みを行っている。

【００３６】前記他の第２の発明の非接触式膜厚測定器
では、上述した請求項２の温度制御手段による温度調整
をヒータに対する通電を断続することにより行ってお
り、ヒータに対する通電を中断したときのタイミングで
渦電流センサによる検出動作を行っている。上述したよ
うに、測定プローブ内のコイルのインダクタンスは、導
体までの距離が一定でも温度が変化するとコイル形状が
変化してしまうが、導体までの距離と温度が一定でもヒ
ータへの通電による電磁障害を受けた場合には変化して
しまう。従って、本発明では渦電流センサを一定温度に
制御するとともに、ヒータへの通電を中断したタイミン
グで検出信号の取り込みを行っている。

【００３７】前記他の第３の発明の非接触式膜厚測定器
では、渦電流センサに装着されているヒータに交流電流
を流すことにより加熱を行っており、温度制御手段は、
この交流電流の振幅（すなわちヒータに印加する交流電
圧の振幅）を現在の渦電流センサの温度と設定温度との
差に応じて制御することにより、渦電流センサが一定温
度に制御されるようになっている。

【００３８】本発明では、このようにヒータ電流として
振幅変調したある一定の周波数の交流電流を流している
ため、渦電流センサの検出出力にも同じ周波数成分が現
れ、この周波数成分を周波数成分除去手段によって除去
することにより、電磁障害のない良好な検出結果を得て
いる。

【００３９】但し、ヒータ電流に含まれる周波数帯域
が、渦電流センサプローブに付加している高周波電圧の
帯域と干渉した場合には、ヒータ電流に含まれる周波数
成分のみを良好に除去できないため、このような干渉が
生じないようにヒータの通電電流の周波数を決定する必
要がある。

【００４０】前記他の第４の発明の非接触式膜厚測定器
では、上述したヒータの発熱用導体を折り返すことによ
り、あるいは偶数本を対にして組み合わせて用いること
により、隣接する発熱用導体の通電の向きが反対にな
る。従って、電流値が同じ強度で逆向きの２本の発熱用
導体を束ねることにより、お互いが発生する磁界が打ち
消し合う。 ［発明の効果］ 以上説明したように、前記他の第１〜第４の発明によれ
ば、ヒータで加熱することにより渦電流センサを一定温
度に保っており、温度ドリフトを防止することにより、
正確に導体までの距離を測定することができる。

【００４１】また、ヒータ加熱を中断した際に測定を行
うことにより、あるいは、ヒータ通電電流により現れる
周波数成分を後に除去することにより、あるいは、ヒー
タの発熱用導体同士を互いに発生する磁界を打ち消すよ
うに配置することにより、ヒータ通電による電磁障害を
防止して、正確に導体までの距離を測定することができ
る。

【００４２】この結果、正確な導体までの距離に基づい
て、絶縁物の膜厚を高い精度で測定することができる。

【００４３】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例につ
いて詳細に説明する。

【００４４】図１は、本発明を適用した一実施例の非接
触式膜厚測定器の全体構成を示す図である。

【００４５】本実施例は、光学式センサの投光部に半導
体レーザ（ＬＤ）と光ファイバとを有し、渦電流センサ
およびアンプにヒータを配してアクティブな温度制御を
行うことにより、非接触・非破壊型の高精度測定を可能
にしたことに特徴がある。

【００４６】図１に示す本実施例の非接触式膜厚測定器
は、基体１００上に被覆された被膜１１０の膜厚を高精
度に測定するものである。基体１００は導体により形成
されており、被膜１１０は絶縁体により形成されてい
る。

【００４７】この非接触式膜厚測定器は、プローブケー
ス１０内に収納固定された渦電流センサプローブ１２及
び光学式センサプローブ１４と、これらの各プローブか
ら出力される検出信号に基づいて基体１００までの距離
Ｄａ及び被膜１１０までの距離Ｄｂを算出するとともに
被膜１１０の膜厚Ｄを算出する信号処理部１６と、信号
処理部１６による算出結果を表示する表示部１８とを含
んで構成されている。

【００４８】上述した信号処理部１６は、渦電流センサ
プローブ１２から出力される検出信号Ｓa を増幅するア
ンプ２０を含んでおり、このアンプ２０と渦電流センサ
プローブ１２とが室温より高い一定温度に制御されるよ
うになっている。

【００４９】この温度制御を行うために、ヒータ及び温
度センサを含む２つの温度制御装置２２，２４が設けら
れており、一方の温度制御装置２２が渦電流センサプロ
ーブ１２を覆うように配置され、他方の温度制御装置２
４がアンプ２０を覆うように配置されている。

【００５０】光学式センサプローブ１４は、三角測量の
原理を用いることにより被膜１１０までの距離を測定す
るためのものであり、正反射構造を有する投光部２６と
受光部２８とを含んでいる。

【００５１】一般に、表面反射光と内部拡散光の光強度
を比べると、表面反射光の方が圧倒的に大きい。例え
ば、自動車の外板塗装のように光沢を有する塗膜面で
は、内部拡散光より表面反射光の方が４０ｄＢも大きく
なる。それに加え、正反射光強度は被膜の色にほとんど
左右されないため、正反射構成の光学式センサでは、被
膜の色による補正や調整を必要とせずに正確に表面の位
置を測定することができる利点があり、このため本実施
例の光学式センサプローブ１４も正反射構成としたもの
である。なお、この光学式センサプローブ１４の詳細な
構成については後述する。

【００５２】本実施例の非接触式膜厚測定器はこのよう
な構成を有しており、上述したプローブケース１０を基
体１００及び被膜１１０に向け隔離的に対向配置するこ
とにより、渦電流センサプローブ１２を用いて基体１０
０の表面までの距離Ｄａが測定される。また、光学式セ
ンサプローブ１４を用いて被膜１１０の表面までの距離
Ｄｂが測定される。両センサプローブ１２，１４から出
力される各測定信号Ｓａ及びＳｂは、ともに信号処理部
１６へ向け出力される。

【００５３】信号処理部１６は、各プローブ１２，１４
から入力される信号ＳａおよびＳｂに基づいて上述した
２つの距離Ｄａ，Ｄｂを演算し、さらにこれらの値に基
づいて被膜１１０の膜厚Ｄを演算し、その演算結果を測
定信号Ｓｄとして外部及び表示部１８に向け出力する。
このように、外部に信号Ｓｄを出力することにより、こ
の測定信号Ｓｄに基づいて塗装ラインの自動制御を行っ
たり、その他各種用途に広く用いることが可能になる。

【００５４】表示部１８は、信号処理部１６から入力さ
れる測定信号Ｓｄに基づき、被膜１１０の膜厚測定結果
を表示する。また、信号処理部１６において膜厚の測定
値が要求される許容範囲に入っているか否かを判断する
ようにすれば、表示部１８からこの許容範囲内にあるか
否かを同時に表示することも可能であり、許容範囲を外
れた場合の対策を即座に行うこともできる。

【００５５】図２は、上述した光学式センサプローブ１
４の詳細な構成を示す図である。同図に示すように、光
学式センサプローブ１４は、投光部２６と受光部２８と
を正反射構造に配置して形成されている。

【００５６】また、図３は本実施例の投光系の概略を示
す図であり、図４は一般的な光学式三角測量を行う従来
の投光系を示す図である。

【００５７】本実施例の投光部２６は、光源となるレー
ザダイオード（ＬＤ）３０と、光を伝搬する光ファイバ
３４と、光ファイバ３４の入射端及び出射端に設けられ
る２つのレンズ３２，３６とを含んで構成される。

【００５８】図３に概略を示した本実施例の投光系にお
いては、ＬＤ３０から照射される光は、レンズ３２によ
って集光され、光ファイバ３４に導かれる。このように
して光ファイバ３４に入射された光は光ファイバ３４内
を伝搬し、出射光が光ファイバ３２の出射端に配置され
たレンズ３６によって平行光線となる。

【００５９】図３に示した投光系では、ＬＤ３０の出射
光の中心位置変動は、光ファイバ３４の入射端でのスポ
ット変動となるが、レンズによる結像系の倍率を等倍程
度にしておけば、光ファイバ３４への結合効率にもほと
んど影響を与えない。

【００６０】また、光ファイバ３４内を伝搬する光波
は、光ファイバ３４の固有モード群の重ね合わせとして
伝搬する。固有モード群に一致しない光波成分は、光フ
ァイバ３４を伝搬することができず、途中で光ファイバ
３４の外に放射される。この固有モード群に一致しない
導波モードを一般に漏れモードと呼ぶ。ほとんどの漏れ
モードが光ファイバ３４の外へ放射されるには、ある程
度光ファイバ３４を長くする必要がある。例えば、光フ
ァイバ３４の構造等によって異なるが、一般に、数１０
０ｍｍ程度の長さがあれば充分である。また、各固有モ
ードの光波については、光ファイバ３４の長手方向に垂
直な成分の光強度分布は、光ファイバの長手方向位置に
よらず一定となる。

【００６１】図５は、３種類の固有モードを例にとり、
上述した垂直方向成分の強度分布を示す図である。同図
に示すように、光ファイバ３４中を伝搬する光波の導波
モードの強度分布は中心対称であり、重心位置はどれも
光ファイバの中心Ｏに一致する。従って、固有モードの
異なる複数種類の光波の重ね合わせで表される光波の光
強度重心位置も常に光ファイバ中心に位置する。すなわ
ち、光ファイバ３４の出射端における光強度重心位置は
光ファイバ３４の中心に位置し変動しない。その結果、
測定対象物１２０上の照射スポット位置中心は、ＬＤ出
射中心位置の変動に全く影響されず、安定したものとな
る。

【００６２】しかし、光ファイバ３４として複数の固有
モードを有するマルチモード光ファイバを用いると、入
射時に結合される各固有モードのパワーの比率が変化し
たり、外乱等により光ファイバ内で固有モード間の変換
が生じる。その結果、光ファイバの出射端において、光
強度重心位置は変化しなくとも、光強度分布自体が変化
してしまう。実際に図２に示す受光部２８によって反射
光を検出する際には、光スポットの重心位置を求めるた
め、光強度分布の変動は原理的には出力に影響を与えな
い。但し、位置検出器としてＰＳＤ（Position Sensiti
ve Device ）を用いた場合には、ＰＳＤの有する非線形
性などによって誤差を生じることが考えられるため、こ
の場合にはマルチモード光ファイバの使用は好ましくな
い。

【００６３】一方、光ファイバとして固有モードを１つ
しか有しないシングルモード光ファイバを用いた場合に
は、光ファイバの出射端の光強度分布は、重心位置だけ
でなくそのプロファイル（輪郭形状）も一定に保たれる
ことから、ＰＳＤの非線形性にも影響されずに正しい出
力が得られる。従って、本実施例で用いる光ファイバ３
４は、特にシングルモード光ファイバとすることが好ま
しい。

【００６４】また、光ファイバ３４の出射端に設けられ
たレンズ３６は、光ファイバ３４の出射端に接して配置
可能なセルフォックレンズを使用するのが便利であり、
しかもこのように出射端に接して配置した場合には出射
端近傍での光の漏れが少なく集光効率も良い。

【００６５】ところで、図４に示す従来の投光系におい
ては、ＬＤ３０の出射光はレンズ３１により、平行光線
となるか、あるいは測定対象物１２０上の測定範囲の中
心位置で集光されるようになっている。一般に、ＬＤ出
射光は大きな広がり角を有するため、ＬＤ３０とレンズ
３１との距離Ｌａは数ｍｍ以下に近接して置かれる。そ
れに対し、レンズ３１と測定対象物１２０の距離Ｌｂは
大きいため、拡大光学系になっているのが普通である。
一般にＬＤ３０の出射開口の大きさは、厚さが１μｍ以
下、幅が数μｍであり、ＬＤ出射光の中心位置は数ｎｍ
程度は変動している。例えば、ＬＤ３０とレンズ３１と
の距離Ｌａが１ｍｍで、レンズ３１と測定対象物１２０
の距離Ｌｂが５０ｍｍであった場合には、ＬＤ出射光の
中心位置が数ｎｍ程度変動することにより、測定対象物
上では０．１μｍのスポット変動となって現れる。従っ
て、図４のような従来の投光系ではサブμｍの高分解能
測定を達成することは困難であった。

【００６６】また、図２に示した本実施例の受光部２８
は、被覆１１０からの反射光を全反射するミラー３８
と、このミラー３８によって全反射された光を集光する
レンズ４０と、フィルタ４２と、結像の位置を検出する
位置検出器４４とを含んで構成される。

【００６７】この受光部２８は、上述した投光部２６か
らの正反射光を受光するように配置されている。被膜１
１０から入射される反射光は、ミラー３８によって所定
の方向に向け全反射され、レンズ４０及びフィルタ４２
を通過した後位置検出器４４上に投射される。被膜１１
０と位置検出器４４とは、レンズ４０を挟んで結像位置
に配置してある。従って、被膜１１０の測定対象面が傾
いていても、その正反射光がレンズ４０の開口内にある
限り位置検出器４４上のスポット位置（結像位置）は変
動しないため、被膜１１０の測定対象面の傾きに影響さ
れずに、正確な表面位置の測定が可能となる。

【００６８】位置検出器４４上に形成される結像位置と
被膜１１０の反射位置、すなわち被膜１１０までの距離
とは１対１に対応しており、位置検出器４４による検出
結果は、光学式センサプローブ１４の出力信号Ｓｂとし
て信号処理部１６に入力され、信号処理部１６において
光学式センサプローブ１４の先端から被膜１１０の表面
までの距離Ｄｂが算出される。

【００６９】また、位置検出器４４とレンズ４０との間
に波長選択用のフィルタ４２を介在させることにより、
ＬＤ３０から照射される光の波長成分のみを選択的に透
過させることが可能となる。これにより、光源であるＬ
Ｄ３０の出力が比較的小さくても、外乱光の影響を受け
ずに精度の高い測定を行うことが可能となる。

【００７０】図６は、温度ドリフトの影響を除去するた
めに渦電流センサプローブ１２を覆うように設けられた
温度制御装置２２の詳細構成を示す図である。

【００７１】同図に示す温度制御装置２２は、渦電流セ
ンサプローブ１２を加熱するヒータ４６と、渦電流セン
サプローブ１２の温度を検出する温度センサ４８と、ヒ
ータ４６に通電を行う直流電源５０と、ヒータ４６に対
する通電をオンオフするリレー５２と、渦電流センサプ
ローブ１２の温度を一定に保つための制御を行う温度調
整器５４とを含んで構成されている。

【００７２】温度調整器５４は、渦電流センサプローブ
１２の温度を温度センサ４８で監視している。渦電流セ
ンサプローブ１２の温度が設定温度より低い場合には、
リレー５２内のリレーコイルに通電することによりリレ
ー接点をオン状態にしてヒータ４６に通電を行う。そし
て、設定温度に達した場合には、ヒータ４６に対する通
電を停止する。このようにして、渦電流センサプローブ
１２が一定温度に制御される。

【００７３】また、上述したリレー５２からは、あるい
は温度調整器５４からはレリー５２内のリレー接点のオ
ンオフ状態を示すオンオフ信号Ｓｋを出力しており、こ
のオンオフ信号Ｓｋを渦電流センサプローブ１２の出力
Ｓａとともに上述した信号処理部１６に送っている。

【００７４】信号処理部１６は、入力されるオンオフ信
号Ｓｋに基づいてリレー５２のリレー接点がオン状態か
らオフ状態に変わる時点、すなわちヒータ４６に対する
通電が中断したタイミングを判断し、その後渦電流セン
サプローブ１２の出力Ｓａを取り込んでアンプ２０によ
る増幅を行う。これにより、ヒータ電流が流れていない
ときに信号Ｓａを取り込むことになるため、渦電流セン
サプローブ１２によって測定される基体１００までの距
離は、ヒータ電流による電磁障害を受けることはなく、
高精度に測定することができる。

【００７５】また、信号処理部１６内のアンプ２０を一
定温度に制御するために設けられた温度制御装置２４も
上述した温度制御装置２２と同じ構成を有しており、ア
ンプ２０を一定温度に保っている。但し、アンプ２０の
動作が周辺の電磁場により影響を受けず、温度を一定に
保つことにより常に安定した動作が行われる場合には、
ヒータに対する通電を中断したタイミングで動作させる
必要はない。

【００７６】なお、渦電流センサプローブ１２を冷却し
て室温より低い一定温度に保った場合にも温度ドリフト
の発生を防止することができる。しかし、この場合には
プローブケース１０等の結露を防止するための手段を講
じる必要がある。

【００７７】図７は、渦電流センサプローブ１２を覆う
ように設けられた温度制御装置２２の他の例を示す図で
ある。

【００７８】同図に示す温度制御装置２２は、ヒータ４
６と温度センサ４８の他、ヒータ４６に所定の交流電流
を通電する交流電源５６と、特定の周波数帯域の信号の
みを除去するためのフィルタ回路５８と、渦電流センサ
プローブ１２の温度を一定に保つための制御を行う温度
調整器６０とを含んで構成されている。

【００７９】温度調整器６０は、渦電流センサプローブ
１２の温度を温度センサ４８で監視している。そして、
渦電流センサプローブ１２の温度が設定温度より低い場
合にはヒータ４６に流す交流電流の振幅を大きく、設定
温度に達した場合にはヒータ４６に流す交流電流の振幅
を小さく制御することにより、渦電流センサプローブ１
２が一定温度に制御される。

【００８０】このように、ヒータ電流として一定周波数
の交流電流を流すと、渦電流センサプローブ１２内のコ
イルのインダクタンスが変化し、渦電流センサプローブ
１２の出力Ｓａにはヒータ電流と同じ周波数成分が現れ
る。フィルタ回路５８は、渦電流センサプローブ１２の
出力からこの周波数成分のみを除去するためのものであ
り、フィルタ回路５８を介した信号Ｓａが信号処理部１
６内のアンプ２０に入力される。

【００８１】なお、信号処理部１６内のアンプ２０を一
定温度に制御するために設けられた温度制御装置２４も
図７に示した温度制御装置２２と同じ構成とすることが
できる。但し、アンプ２０の動作が周辺の電磁場により
影響を受けず、温度を一定に保つことにより常に安定し
た動作が行われる場合には、フィルタ５８を省略するこ
とができる。また、温度制御装置２４のみを図６に示す
構成とすることもできる。

【００８２】図８は、渦電流センサプローブ１２に装着
するヒータの配置を工夫することにより、渦電流センサ
プローブ１２に及ぼす電磁障害を軽減する場合の構成を
示す図である。同図に示す構成は、図６あるいは図７に
示す構成とともに用いることができる他、単独で用いる
ことができる。

【００８３】図８に示すヒータ４６は、１本の発熱用導
体６４を渦電流センサプローブ１２の外周に巻き込むこ
とにより形成されている。具体的には、１本の発熱用導
体６４を中央部Ａで折り返し、この折り返された２本の
発熱用導体６４を一対にして渦電流センサプローブ１２
に巻き付けてある。このように発熱用導体６４を巻き付
けることにより、ヒータ４６に流れる電流が図８に示す
矢印方向に流れるため、隣接する発熱用導体６４によっ
て生じる磁界が互いに打ち消し合う。従って、渦電流セ
ンサプローブ１２の出力Ｓａに対する電磁障害を軽減す
ることができる。

【００８４】このように、本実施例の非接触式膜厚測定
器は、投光部２６に光ファイバ３４を用いており、これ
により被膜１１０上に生じる照射スポットの中心は、Ｌ
Ｄ出射中心位置の変動に全く影響されず、安定したもの
となる。従って、光学式センサプローブ１４の出力に基
づいて信号処理部１６によって算出される被膜１１０ま
での距離Ｄｂも誤差の少ない精度の高いものとなる。

【００８５】また、上述した光ファイバ３４をシングル
モード光ファイバとすることにより、光ファイバ３４の
出射端の光強度分布を重心位置だけでなくその輪郭形状
も一定に保つことができることから、光ファイバ３４か
らの出射光をさらに安定させることができ、さらに高い
測定精度を実現することができる。

【００８６】また、光学式センサプローブ１４の投光部
２６に光ファイバ３４を用いることにより、その可とう
性から測定装置の光源であるＬＤ３０の配置に自由度を
持たせることができるため、例えばプローブケース１０
の小型化や非接触式膜厚測定器の設計が容易になるとい
った効果もある。

【００８７】また、本実施例の非接触式膜厚測定器は、
渦電流センサプローブ１２に対する電磁障害をなくすた
めに以下の方法を用いている。

【００８８】(1) ヒータ４６に直流電流を流すことによ
り渦電流センサプローブ１２の温度を一定に保つととも
に、ヒータ４６に対する通電を中断した後に基体１００
までの距離を測定する。

【００８９】(2) ヒータ４６に一定周波数の交流電流を
流し、この交流電流の振幅を可変に制御することにより
渦電流センサプローブ１２の温度を一定に保つととも
に、渦電流センサプローブ１２の出力信号からヒータ電
流の周波数成分のみを除去した信号に基づいて基体１０
０までの距離を測定する。

【００９０】(3) ヒータ４６を形成する発熱用導体６４
を折り返すことにより、隣接する発熱用導体６４に流れ
る電流の向きを反対にし、発生する磁界が互いに打ち消
し合うようにする。

【００９１】これらの方法により渦電流センサプローブ
１２の温度を一定に保つとともに、ヒータ４６の通電電
流により生じる電磁障害をなくすことができ、渦電流セ
ンサプローブ１２の出力に基づいて信号処理部１６によ
って算出される基体１００までの距離Ｄａも誤差の少な
い精度の高いものとなる。

【００９２】このように本実施例によれば、基体１００
及び被膜１１０までの距離Ｄａ，Ｄｂを高い精度で測定
することができ、これら基づいて算出される被膜１１０
の膜厚Ｄの値も高い精度で求めることができる。

【００９３】次に、本実施例の非接触式膜厚測定器を用
いて、自動車鋼板の平板サンプル上の塗装膜厚測定を実
際に行った結果の一例を説明する。

【００９４】図９は、塗装被膜測定装置の構成を示す図
である。

【００９５】同図に示す塗装被膜測定装置は、図１に示
した本実施例の非接触式膜厚測定器にＺ軸ステージ７０
とコンピュータ７２とを加えて構成されており、温度制
御装置２２としては図６に示した構成を有する場合が示
されている。

【００９６】Ｚ軸ステージ７０は、図１に示したプロー
ブケース１０を垂直方向に移動させるものであり、下端
近傍に取り付け固定された塗板１３０とプローブケース
１０内の渦電流センサプローブ１２及び光学式センサプ
ローブ１４の各先端との距離を固定する。また、この固
定された距離はコンピュータ７２からの指示により任意
に変えることができる。

【００９７】コンピュータ７２は、信号処理部１６に接
続されており、Ｚ軸ステージ７０に取り付けられたプロ
ーブケース１０を垂直方向に移動させる指示を行うとも
に、塗装被膜の膜厚計算を行う。なお、信号処理部１６
において膜厚計算まで行う場合には、このコンピュータ
７２によってプローブケース１０の垂直位置のみを制御
すればよい。

【００９８】図９に示した塗装被膜測定装置において、
光学式センサプローブ１４は図２に示した構成を有して
いる。そして、ＬＤ３０のＬＤ発振波長は８３０ｎｍ
で、出力は２ｍＷとする。また、光ファイバ３４はコア
径がφ６μｍ、クラッド径がφ１２５μｍ、長さが１ｍ
のシングルモードファイバを用い、ファイバ出射端にセ
ルフォックレンズ３６を配置した。実際に塗板１３０上
での照射スポットサイズを測定したところ約φ０．２ｍ
ｍであった。また、受光部２８の結像倍率は約３倍であ
る。

【００９９】なお、この光学式センサプローブ１４によ
る測定範囲は７．５±０．５ｍｍであり、光学式センサ
プローブ１４の先端から塗板１３０の導体表面までの距
離がこの範囲にある場合に限り高分解能測定が可能とな
る。

【０１００】また、渦電流センサプローブ１２は、図６
に構成を示した温度制御装置２２により一定温度４０±
０．１℃に保たれている。４０℃付近での温度ドリフト
を測定したところ最大０．２４μｍ／℃であったことか
ら、温度制御下における渦電流センサプローブ１２の温
度ドリフトは０．０２４μｍ以下であり、測定結果に全
く影響しない。

【０１０１】なお、この渦電流センサプローブ１２によ
る測定範囲は、低分解能測定の場合は０〜１０ｍｍであ
り、高分解能測定の場合は７．５±０．５ｍｍである。

【０１０２】信号処理部１６は、渦電流センサプローブ
１４の出力に基づいて塗板１３０表面までの距離を求
め、低分解能出力Ｄｃと高分解能出力Ｄａをコンピュー
タ７２に向け出力する。実際には、渦電流センサプロー
ブ１２の出力信号をカットオフ周波数１０Ｈｚのフィル
タを通してＳ／Ｎ比を上げることにより、高分解能出力
Ｄａを得ている。また、信号処理部１６は、光学式セン
サプローブ１２の出力に基づいて塗板１３０の鋼板表面
までの距離を求め、高分解能出力Ｄｂをコンピュータ７
２に向け出力する。

【０１０３】測定は次のようにして行った。

【０１０４】まず、渦電流センサプローブ１２の出力を
信号処理部１６で処理した低分解能出力Ｓｃをコンピュ
ータ７２でモニタしながら、渦電流センサプローブ１２
及び光学式センサプローブ１４の高分解能測定範囲
（７．５±０．５ｍｍ）までＺ軸ステージ７０を駆動
し、プローブケース１０を移動させる。

【０１０５】プローブケース１０を高分解能測定範囲に
移動したら、Ｚ軸ステージ７０を固定し測定を開始す
る。図６に示した温度制御装置２２のリレー５２の立ち
下がり信号Ｓｋをトリガ信号にして、信号処理部１６
は、渦電流センサプローブ１２の出力に基づく高分解能
出力Ｄａと光学式センサプローブ１４の出力に基づく高
分解能出力Ｄｂと求める。コンピュータ７２は、これら
２つの高分解能出力Ｄａ，Ｄｂを同時に取り込み、所定
の演算処理を行って膜厚Ｄを求め、内蔵されたディスプ
レイ上に表示する。

【０１０６】以下、コンピュータ内の演算処理について
付け加える。μｍオーダーの高精度測定のためには、渦
電流センサプローブ１２を用いた測定原理による距離と
出力の非線形性と、光学式センサプローブ１４内のレン
ズの収差や位置検出器４４による距離と出力の非線形性
は無視できない。そのため、予め求めておいた校正曲線
と両センサプローブの出力から、塗板１３０の下地鋼板
までの距離Ｄａと塗膜表面までの距離Ｄｂを換算した。

【０１０７】較正曲線の測定は、塗膜のない鋼板あるい
は膜厚の既知である塗板を対象にして、コンピュータ７
２でＺ軸ステージ７０を制御し、プローブケース１０と
塗板との距離を一定間隔づつ変えていって、２つの高分
解能出力Ｄａ，Ｄｂを測定することにより行った。この
測定結果に基づいて、測定点以外を補間することにより
校正曲線の全体を求めることができる。

【０１０８】このように、容易に較正曲線を測定できる
ことは望ましいことである。渦電流センサプローブ１２
の出力は、塗板１３０の厚さや曲率、材質によって左右
される。従って、より正確な測定を行うには、予め、塗
料を塗布する前の下地鋼板を用いて較正曲線を算出して
おき、塗料を塗布後に膜厚を測定することが望ましい。
こうすることにより、鋼板の厚さや曲率、材質の違いに
よる影響を補正し、真に正確な膜厚を測定することがで
きる。

【０１０９】また、複数層の塗膜が重ね塗りされる場合
において、その内の１層の膜厚を測定することも可能で
ある。例えば、２層の塗膜の上の層の膜厚を測定したい
場合には、１層目を塗布した塗板を用いて較正曲線を算
出し、２層目塗布後に膜厚を測定すれば、正確に２層目
の膜厚のみを測定することができる。

【０１１０】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実
施が可能である。

【０１１１】例えば、上述した実施例においては、基体
１００上に形成された１層の被膜１１０の膜厚を測定す
る場合、あるいは校正曲線を用いることにより複数層の
内の１層の膜厚のみを測定する場合を説明したが、基体
１００上に積層された複数層の絶縁被膜の各膜厚を測定
することもできる。この場合には、それぞれの層が積層
された直後に膜厚を測定し、それぞれの測定結果を減算
することにより各層の膜厚を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した一実施例の非接触式膜厚測定
器の全体構成を示す図である。

【図２】光学式センサプローブの詳細な構成を示す図で
ある。

【図３】本実施例の投光系の概略を示す図である。

【図４】一般的な光学式三角測量を行う従来の投光系を
示す図である。

【図５】光ファイバ内の３種類の固有モードの強度分布
を示す図である。

【図６】温度ドリフトの影響を除去するために渦電流セ
ンサプローブを覆うように設けられた温度制御装置の詳
細構成を示す図である。

【図７】温度制御装置の他の例を示す図である。

【図８】渦電流センサプローブに装着するヒータの配置
を工夫することにより電磁障害を軽減する場合の構成を
示す図である。

【図９】本実施例の非接触式膜厚測定器が適用される塗
装被膜測定装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ プローブケース １２ 渦電流センサプローブ １４ 光学式センサプローブ １６ 信号処理部 ２２，２４ 温度制御装置 ２６ 投光部 ２８ 受光部 ３０ レーザダイオード（ＬＤ） ３４ 光ファイバ ４４ 位置検出器 ４６ ヒータ ４８ 温度センサ ５４ 温度調整器 ５８ フィルタ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−136009（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−52702（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34 102 G01B 11/00 - 11/30 102

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投光部と受光部とを含んでおり、導体上
   の絶縁物表面における光の反射を利用して前記絶縁物表
   面までの距離を測定する光学式センサと、 前記導体に発生する渦電流を利用して前記導体までの距
   離を測定する渦電流センサと、 前記光学式センサによって測定される距離と前記渦電流
   センサとによって測定される距離との差から前記絶縁物
   の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備える非接触式膜厚
   測定器において、 前記光学式センサの投光部は、 前記絶縁物に対して光を照射するレーザ光源と、 前記レーザ光源から入射された光の中の所定の導波モー
   ドの光のみを通過させ、前記絶縁物表面に向け出射する
   光ファイバと、 を含むことを特徴とする非接触式膜厚測定器。
2. 【請求項２】 導体上の絶縁物表面における光の反射を
   利用して前記絶縁物表面までの距離を測定する光学式セ
   ンサと、 前記導体に発生する渦電流を利用して前記導体までの距
   離を測定する渦電流センサと、 前記渦電流センサの温度を検出する温度センサと、 前記渦電流センサを加熱するヒータと前記温度センサに
   よって検出される前記渦電流センサの温度を前記ヒータ
   による加熱を行うことにより一定に維持する温度制御手
   段と、 前記光学式センサによって測定される距離と前記渦電流
   センサとによって測定される距離との差から前記絶縁物
   の膜厚を算出する膜厚算出手段と、 を備え、前記渦電流センサの温度を制御して温度ドリフ
   トを防止しながら、前記絶縁物の膜厚測定を行い、 前記温度制御手段による前記渦電流センサの温度調整
   は、前記ヒータに対する通電を断続することにより行
   い、前記渦電流センサによる距離の測定は、前記ヒータに対
   する通電が中断したときに行う ことを特徴とする非接触
   式膜厚測定器。
3. 【請求項３】 導体上の絶縁物表面における光の反射
   を利用して前記絶縁物表面までの距離を測定する光学式
   センサと、 前記導体に発生する渦電流を利用して前記導体までの距
   離を測定する渦電流センサと、 前記渦電流センサの温度を検出する温度センサと、 前記渦電流センサを加熱するヒータと前記温度センサに
   よって検出される前記渦電流センサの温度を、前記ヒー
   タに交流電流を流して加熱することにより一定に維持す
   る温度制御手段と、 前記渦電流センサの出力に現れる前記ヒータの電流周波
   数成分を除去する周波数成分除去手段と、 前記光学式センサによって測定される距離と、前記周波
   数成分除去手段によってヒータ電流の周波数成分が除去
   された前記渦電流センサの出力に基づいて測定される距
   離との差から前記絶縁物の膜厚を算出する膜厚算出手段
   と、 を備え、前記渦電流センサの温度を制御することにより
   温度ドリフトを防止することを特徴とする非接触式膜厚
   測定器。
4. 【請求項４】 請求項２または３において、 前記ヒータは、発熱用導体を１箇所あるいは複数箇所で
   折り返すことにより、あるいは偶数本の発熱用導体を組
   み合わせて用いることにより、隣接する前記発熱用導体
   を通電電流の向きが反対になるように配置して用いるこ
   とを特徴とする非接触式膜厚測定器。