JP4486565B2 - 電気メッキ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のパルス電源を用いてメッキする電気メッキ装置に関する。

例えば磁気記録装置用磁気ヘッドの薄膜部（主に磁性層）を形成する際に、パルス電流による電気メッキ法が用いられる場合がある。このパルス電流による電気メッキを用いる利点は、攪拌効果を向上させることができ、直流電流による電気メッキ法に比べてメッキ膜（磁性膜）内に含有される構成元素の含有量を所定範囲内に調整しやすくできる点にある。

電気メッキ法で従来一般に使用される電気メッキ装置は、メッキ槽内に、所定間隔をあけて対向配置した一対のアノード（陽極）及びカソード（陰極）となる主基板と、この主基板の周囲に配置した補助陰極となる補助基板と、アノード−主基板間に接続されたメイン電源と、アノード−補助基板間に接続したサブ電源とを備えている。補助基板は、主基板の電流密度の不均一を抑制するために用いられる。
特開平１０−１５２７９９号公報 特開２００２−３０４９２号公報 特開２００３−３４８８４４号公報

アノード−主基板間に接続されたメイン電源にパルス電源を用い、アノード−補助基板間に接続されたサブ電源に定電流源（直流電源）を用いた場合、アノード−主基板に電流が流れていないとき（パルス電流ＯＦＦ時）もアノード−補助基板間には電流が常時流れているため、補助基板上にはメッキ層が析出しつづけ、補助基板上に析出するメッキ層は非常に厚い膜厚となってしまう。このため、補助基板の本来の機能（主基板の電流密度を均一にする機能）が鈍りやすく、予定よりも早い段階で補助基板を取り替えなければならない。ここで、アノード−補助基板間に接続されたサブ電源にもパルス電源を用いることが考えられるが、ただ闇雲にパルス電源を用いても、アノード−補助基板間のパルス電源がＯＦＦしているときにアノード−主基板間のパルス電源がＯＮしていると補助基板が機能せず、主基板上に不均一な厚さのメッキ膜が形成されてしまう。

また、上記問題を解決するには、メイン電源及び補助電源の両方にパルス電源を用い、アノード−主基板間に流れるパルス電流とアノード−補助基板間に流れるパルス電流とを同期させることが考えられる。具体的には、メイン電源とサブ電源に並列にトリガー信号源を接続し、このトリガー信号源からパルス電流の立ち上がりのタイミング信号を通信によりメイン電源とサブ電源とに同時に与えることで、メイン電源から供給されるパルス電流の立ち上がりとサブ電源から供給されるパルス電流の立ち上がりを一致させる。

しかしながら、上記パルス電流の立ち上がりのタイミング信号をメイン電源とサブ電源に同時に与えても、実際には各電源内でパルススタート時間のずれやパルスサイクルの微妙な違いがあり、同期ずれが生じてしまうことが判明した。この同期ずれは、メッキ合金膜の組成ずれや膜厚分布劣化の要因になっている。

本発明は、アノード−主基板間に流れるパルス電流とアノード−補助基板間に流れるパルス電流の同期ずれを解消できる電気メッキ装置を得ることを目的としている。

本発明は、メイン電源とサブ電源の同期ずれが、駆動開始コマンドを受信する（受信したと認識する）タイミングにずれが生じること及び駆動開始コマンドを受信してから各電源内で独立したシーケンス処理を実行し、このシーケンス処理の最終段階でパルス電流を出力していることに起因していることを見出して完成されたものである。

すなわち、本発明は、メッキ槽内に配置したカソードである主基板と、この主基板に所定間隔をあけて対向配置したアノードと、主基板の周囲に配置した補助基板と、アノード−主基板間に電流を供給するメイン電源と、アノード−補助基板間に電流を供給するサブ電源とを有する電気メッキ装置において、メイン電源及びサブ電源には、外部からのＯＮ／ＯＦＦアナログ信号入力で電流出力及び停止のみ実行するアナログリモートコントロール機能を備えたパルス電源を用いること、これらメイン電源及びサブ電源とは別に、駆動開始コマンドを送信する通信手段と、この通信手段と前記メイン電源及びサブ電源の間に接続され、該メイン電源及びサブ電源にＯＮ／ＯＦＦ信号をアナログ出力するメインサブ共用の制御手段とを設けること、制御手段は、通信手段から受信した駆動開始コマンドをトリガーとしてメイン電源及びサブ電源へのＯＮ／ＯＦＦ信号のアナログ出力を同時に開始し、該メイン電源及びサブ電源をアナログリモートコントロール機能で動作させてアノード−主基板間に流れるパルス電流と前記アノード−補助基板間に流れるパルス電流を同期させること、及び、制御手段は、制御手段からのＯＮ／ＯＦＦ信号の出力タイミングを規定すると共に、メイン電源及びサブ電源へのＯＮ／ＯＦＦ信号の入力タイミングを一致させるための同期転送信号を、メイン電源及びサブ電源へ出力し、ＯＮ／ＯＦＦ信号は、同期転送信号に基づいてメイン電源及びサブ電源へ入力されること、を特徴としている。

上記態様によれば、パルス電流出力制御に関する各種設定処理（シーケンス処理）はメインサブ共有の制御手段で実行され、メイン電源及びサブ電源は、ＯＮ／ＯＦＦ信号を入力したらパルス電流出力またはパルス電流出力停止のみを実行する。このようにメイン電源とサブ電源が独立に実行する処理を可及的に減らせば、メイン電源のパルス電流出力タイミングとサブ電源のパルス電流出力タイミングのずれを抑えることができ、アノード−主基板間に流れるパルス電流とアノード−補助基板間に流れるパルス電流を良好に同期させることができる。また上記態様によれば、パルス電流出力または出力停止を指示するＯＮ／ＯＦＦ信号の授受に通信を使用しておらず、制御手段からメイン電源及びサブ電源に直接入力されるので、通信によるタイムラグもなくすことができる。

制御手段は、通信手段から受信する駆動開始コマンドの種類に対応する複数パターンのＯＮ／ＯＦＦ信号を格納するメモリを有し、受信した駆動開始コマンドの種類に応じたパターンのＯＮ／ＯＦＦ信号を選択してメイン電源及びサブ電源に出力することが好ましい。

通信手段には、パルス電流の供給開始を指示するための操作パネルが接続されていることが好ましい。使用者は、操作パネルで駆動開始を指示することができる。

本発明によれば、アノード−主基板間に流れるパルス電流とアノード−補助基板間に流れるパルス電流の同期ずれを解消できる電気メッキ装置が得られる。

図１は、本発明による電気メッキ装置の概略構成を示す部分断面図である。本電気メッキ装置は、メッキ液（電解液）５で満たされるメッキ槽１と、このメッキ槽１内で図示上下方向に所定間隔をあけて対向配置したアノード（陽極）２及び主基板（カソード、陰極）３と、メッキ槽１の底面に埋設された補助基板（補助陰極）４とを備えている。

メッキ槽１には、メッキ液５を槽内に注入する供給口６と槽内のメッキ液５を槽外へ排出する排出口１５とが設けられており、常に新しいメッキ液５が槽内部を循環するように構成されている。メッキ液５の循環は、攪拌効果を高めて、濃度分極を低減させることができる。

メッキ槽１の底面には、略中央部に位置して、略円形状の穴部１ａが形成されている。主基板３は、この穴部１ａよりも大径の円盤状をなし、メッキ槽１の底面に図示下方向から当接して穴部１ａを塞いでいる。補助基板４は、穴部１ａ及び主基板３よりも大径の略リング状をなしており、図２に示すように主基板３の周囲に位置している。この主基板３と補助基板４の間は絶縁された状態にあり、主基板３と補助基板４が導通しないようになっている。

図３は、同電気メッキ装置の電気系統を示す模式回路図である。アノード２‐主基板３間にはメイン電源９が接続され、アノード２−補助基板４間にはサブ電源１０が接続されている。メイン電源９及びサブ電源１０は、メッキ形成用のパルス電源である。メッキ液５で満たされたメッキ槽１内のアノード２‐主基板３間及びアノード２−補助基板４間にパルス電流を供給することにより、主基板３の上にメッキ膜が形成される。ここで、パルス電流を用いるのは、レジスト等で囲まれた非常に狭い空間内にメッキ膜を所定の組成比で効果的にメッキ形成できるからである。補助基板４は、上述したように主基板３の外周を囲んで配置されているため、アノード２‐主基板３間とアノード２−補助基板４間が同時に通電されることにより、主基板３上に形成されるメッキ膜の膜厚の均一化を促進させる機能を有している。補助基板４が設けられていないと、アノード２から主基板３に向けて流れるパルス電流の電流密度が主基板３上の各部位で不均一になり、特に、主基板３の中央と端での電流密度の差は非常に大きい。補助基板４を設けることで、主基板３上にメッキ形成されるメッキ膜は、補助基板４を設けない場合に比べてより均一な膜に近づく。

パルス電流を用いた電気メッキ法を用いると、電流を流さない時間があるので、例えばＦｅＮｉ合金やＦｅＣｏＮｉ合金を少しずつメッキ形成でき、また、メッキ槽１中のＦｅイオンの濃度を増やしても、直流電流を用いた場合に比べメッキ形成時における電流密度の分布の偏りを緩和することが可能になっている。またパルス電流を用いることで、非常に狭い空間内をメッキ形成するときでも攪拌効果を高めることができる。

次に、図３〜図５を参照し、本発明の特徴部分であるパルス電源出力の同期制御について説明する。

メイン電源９及びサブ電源１０は、外部からのＯＮ／ＯＦＦアナログ信号入力で電流出力開始及び電流出力停止のみ実行するアナログリモートコントロール機能を有している。本実施形態では、このアナログリモートコントロール機能でメイン電源９及びサブ電源１０を動作させ、アノード−主基板間及びアノード−補助基板間にそれぞれ流れるパルス電流を制御する。

メイン電源９及びサブ電源１０には、入出力ポートとして、外部からの信号を入力する信号入力ポート（ＳＩＧ．ＩＮ）９ａ、１０ａと、この信号入力ポート９ａ、１０ａの入力タイミングを一致させる同期転送信号を入力するＰＩＯポート（９ｂ、１０ｂと、パルス電流を出力する出力ポート９ｃ、１０ｃとが設けられている。このメイン電源９及びサブ電源１０には外部機器との間でデータ通信を実行するための通信ポートも設けられているが、本実施形態では使用しないので図示省略してある。

メイン電源９及びサブ電源１０に共用の電源制御系には、図３に示されるように、使用者により操作される操作パネル５１、この操作パネル５１に例えばＬＡＮ５２を介して接続された通信部（ＰＬＣ；Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）５３及びこの通信部５３とメイン電源９及びサブ電源１０とに接続された制御部５４が設けられている。通信部５３は、使用者が操作パネル５１を操作してパルス電流の供給開始を指示したときに、駆動開始コマンドを制御部５４へ出力する。通信部５３からの駆動開始コマンドは、使用者の要望に柔軟に沿えるよう複種類設けられている。

制御部５４は、ＲＯＭ５４ａを有し、このＲＯＭ５４ａに格納された制御プログラムに基づいて動作する。ＲＯＭ５４ａには、制御プログラムのほか、通信部５３が出力する駆動開始コマンドの種類に１：１で対応する複数パターンのＯＮ／ＯＦＦ信号が格納されている。

制御部５４には、入出力ポートとして、通信部５３との間でデータ通信を実行する通信ポート５４ｂと、メイン電源９及びサブ電源１０に与える所定パターンのＯＮ／ＯＦＦ信号（本実施形態では−１０Ｖ〜＋１０Ｖ）をアナログ出力する信号出力ポート５４ｃと、この信号出力ポート５４ｃからの出力タイミングを規定する同期転送信号を出力するＰＩＯポート５４ｄとが設けられている。

制御部５４は、通信ポート５４ｂを介して通信部５３から駆動開始コマンドを受信すると、該受信した駆動開始コマンドに対応するパターンのＯＮ／ＯＦＦ信号を選択し、該選択したＯＮ／ＯＦＦ信号を信号出力ポート５４ｃからメイン電源９及びサブ電源１０に向けて同時に出力する。出力されたＯＮ／ＯＦＦ信号は、制御部５４のＰＩＯポート５４ｄとメイン電源９及びサブ電源１０のＰＩＯポート９ｂ、１０ｂとの間で授受される同期転送信号に基づいて、メイン電源９及びサブ電源１０の信号入力ポート９ａ、１０ａから逐一入力される。すなわち、制御部５４からのＯＮ／ＯＦＦ信号は、メイン電源９とサブ電源１０に同時に入力される。上述したように、メイン電源９及びサブ電源１０にはアナログリモートコントロール機能が設定されているので、信号入力ポート９ａ、１０ａからＯＮ信号を入力すると、即時に、入力したＯＮ信号に対応する電流値のパルス電流が出力ポート９ｃ、１０ｃから出力される。逆に、信号入力ポート９ａ、１０ａからＯＦＦ信号を入力すると、即時に、出力ポート９ｃ、１０ｃからのパルス電流出力を停止する。このようにメイン電源９及びサブ電源１０は、ＯＮ／ＯＦＦ信号の入力後はパルス電流の出力実行／出力停止以外の動作、例えばパルス電流のデューティ比設定等を一切行わないので、ＯＮ／ＯＦＦ信号を入力してからパルス電流が出力または出力停止されるまでにメイン電源９とサブ電源１０の間でタイムラグが起きにくく、互いのパルス電流の出力タイミングを一致させることができる。これにより、アノード２−主基板３間に流れるパルス電流とアノード２−補助基板４間に流れるパルス電流の同期ずれをなくすことができる。

図４及び図５は、アナログリモート機能を利用して制御部５４からのＯＮ／ＯＦＦ信号によりメイン電源９及びサブ電源１０を動作させた場合（実施例）と、通信部５３からの駆動開始コマンド（トリガー信号）によりメイン電源９及びサブ電源１０を動作させた場合（比較例）とにおいて、メイン電源９とサブ電源１０のパルス電流を測定した実験結果を示している。
［実施例］
図４は、制御部５４から設定時間経過毎にＯＮ信号とＯＦＦ信号を交互にアナログ出力したときに、メイン電源９から出力される電流波形とサブ電源１０から出力される電流波形を比較して示している。ＯＮ信号を出力する第１設定時間ｔ１は１０ｍｓｅｃ、ＯＦＦ信号を出力する第２設定時間ｔ２は９０ｍｓｅｃであり、１周期１００ｍｓｅｃとしてある。また、メイン電源９から出力されるパルス電流を１０００ｍＡ、サブ電源１０から出力されるパルス電流を５００ｍＡとしてある。

図４を見ると、最初のパルス電流の出力開始タイミング（電源駆動開始タイミング）が一致しており、電源駆動中も同期ずれがないことを確認できる。これは、メイン電源９及びサブ電源１０のアナログ応答性が良く、且つ、電源側ではシーケンス動作を一切実行しないことから処理サイクルのずれが発生しないためと考えられる。
［比較例］
図５は、制御部５４を介さずに、通信部５３からメイン電源９及びサブ電源１０に駆動開始コマンド（トリガ信号）を直接送信したときに、メイン電源９から出力される電流波形とサブ電源１０から出力される電流波形を比較して示している。メイン電源９及びサブ電源１０は、各通信ポート（不図示）を介して通信部５３から駆動開始コマンドを受信すると、各電源毎に、受信した駆動開始コマンドに基づいて出力開始タイミングやパルス電流のデューティ比を設定したり等するシーケンス動作を実行し、このシーケンス動作の最終段階でパルス電流を出力するようになっている。ＯＮ信号を出力する第１設定時間ｔ１は１０ｍｓｅｃ、ＯＦＦ信号を出力する第２設定時間ｔ２は９０ｍｓｅｃであり、１周期１００ｍｓｅｃとしてある。また、メイン電源９から出力されるパルス電流を１０００ｍＡ、サブ電源１０から出力されるパルス電流を５００ｍＡとしてある。

図５を見ると、最初のパルス電流の出力開始タイミング（電源駆動開始タイミング）は一致しているものの、所々に１０ｍｓｅｃほどの同期ずれを確認できる。この同期ずれの原因としては、メイン電源９とサブ電源１０の間で、駆動開始コマンドを受信する（受信したと認識する）タイミングにずれが生じていること、駆動開始コマンドを受信してから各電源内で独立したシーケンス動作を実行していることが考えられる。駆動開始コマンドを１パルス毎にメイン電源及びサブ電源に与えることで、時間経過とともにパルス電流波形がずれていく現象は解消されると思われるが、所々に生じる同期ずれは解消することができない。

以上の図４と図５から明らかなように、実施例では、比較例に比べてメイン電源９からのパルス電流出力とサブ電源１０からのパルス電流出力の同期ずれが改善されている。これにより、アノード２−主基板３間に流れるパルス電流とアノード２−補助基板４間に流れるパルス電流が良好に同期し、メッキ形成されるメッキ合金膜の組成比や膜厚分布を高精度に制御することができる。

本発明による電気メッキ装置のメッキ槽内構成を示す部分断面図である。 主基板と補助基板の配置態様を拡大して示す平面図である。 同電気メッキ装置の電気系統を示す模式回路図である。 設定時間経過毎にＯＮ信号とＯＦＦ信号を交互にアナログ出力した場合の、メイン電源の出電流波形とサブ電源１０の出力電流波形を比較して示している。 メイン電源及びサブ電源に駆動開始コマンド（トリガ信号）を直接送信した場合の、メイン電源の出力電流波形とサブ電源の出力電流波形を比較して示している。

符号の説明

１ メッキ槽
２ アノード（陽極）
３ 主基板（カソード；陰極）
４ 補助基板（補助陰極）
５ メッキ液
９ メイン電源
９ａ 信号入力ポート
９ｂ ＰＩＯポート
９ｃ 出力ポート
１０ サブ電源
１０ａ 信号入力ポート
１０ｂ ＰＩＯポート
１０ｃ 出力ポート
５１ 操作パネル
５２ ＬＡＮ
５３ 通信部（ＰＬＣ）
５４ 制御部
５４ａ ＲＯＭ
５４ｂ 通信ポート
５４ｃ 信号出力ポート
５４ｄ ＰＩＯポート

Claims (3)

1. メッキ槽内に配置したカソードである主基板と、この主基板に所定間隔をあけて対向配置したアノードと、主基板の周囲に配置した補助基板と、アノード−主基板間に電流を供給するメイン電源と、アノード−補助基板間に電流を供給するサブ電源とを有する電気メッキ装置において、
   前記メイン電源及びサブ電源には、外部からのＯＮ／ＯＦＦアナログ信号入力で電流出力及び停止のみ実行するアナログリモートコントロール機能を備えたパルス電源を用いること、
   これらメイン電源及びサブ電源とは別に、駆動開始コマンドを送信する通信手段と、この通信手段と前記メイン電源及びサブ電源の間に接続され、該メイン電源及びサブ電源にＯＮ／ＯＦＦ信号をアナログ出力するメインサブ共用の制御手段とを設けること、
   前記制御手段は、前記通信手段から受信した駆動開始コマンドをトリガーとして前記メイン電源及びサブ電源へのＯＮ／ＯＦＦ信号のアナログ出力を同時に開始し、該メイン電源及びサブ電源をアナログリモートコントロール機能で動作させて前記アノード−主基板間に流れるパルス電流と前記アノード−補助基板間に流れるパルス電流を同期させること、及び、
   前記制御手段は、前記制御手段からの前記ＯＮ／ＯＦＦ信号の出力タイミングを規定すると共に、前記メイン電源及び前記サブ電源への前記ＯＮ／ＯＦＦ信号の入力タイミングを一致させるための同期転送信号を、前記メイン電源及び前記サブ電源へ出力し、
   前記ＯＮ／ＯＦＦ信号は、前記同期転送信号に基づいて前記メイン電源及び前記サブ電源へ入力されること、
   を特徴とする電気メッキ装置。
2. 請求項１記載の電気メッキ装置において、前記制御手段は、前記通信手段から受信する駆動開始コマンドの種類に対応する複数パターンのＯＮ／ＯＦＦ信号を格納するメモリを有し、受信した駆動開始コマンドの種類に応じたパターンのＯＮ／ＯＦＦ信号を選択して前記メイン電源及びサブ電源に出力する電気メッキ装置。
3. 請求項１記載の電気メッキ装置において、前記通信手段には、パルス電流の供給開始を指示するための操作パネルが接続されている電気メッキ装置。

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