JPH06330399A - 電析用電源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気メッキや分散メッキなどのメッキ膜さら
に電界着色や電着など着色膜や保護皮膜の生成において
処理部分の表面積が変化しても安定に膜の生成を可能と
するものである。 【構成】 電極間の電気量の総量を変化しながら電極間
に電流を流す電源装置と、この場合の電圧をモニタする
電圧モニタ回路とモニタした電圧をデジタル信号に変換
するＡ−Ｄ変換器、さらにこのデジタル信号を記録する
記憶回路、電気量のそれぞれ異なる場合の記憶回路に記
憶されたデジタル信号の補完を演算しこの補完データを
補完されたアナログ信号に再生する再生器と、再生器の
出力を基準電圧として電解用電源を発生させる電源装置
より構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】メッキや分散めっき、電解着色、
電着塗装、酸化皮膜生成などのような電析や陽極酸化を
利用した膜生成装置において、処理面積の変化に対して
影響がない安定な皮膜や着色、陽極酸化を得る方法であ
る。

【０００２】

【従来の技術】金属イオンの電析を利用した電気メッキ
や金属イオンとともにコロイドや界面活性剤で価電され
た粒子を共析する分散メッキ、酸化皮膜の微細孔中に金
属を電析して着色する電解着色、コロイドや界面活性剤
などで帯電された塗料粒子を電気泳動によって電着して
塗膜を生成する電着塗装、金属表面に陽極酸化によって
酸化皮膜を生成する電析や電着、陽極酸化による膜生成
などの多くの電気的な電析には処理する面積に応じて電
源の電圧や電流の設定を変えたり、処理時間を変化する
必要があった。この設定変更はわずわらしく誤設定をす
る可能性があったり、処理される部分の形状が複雑な場
合は面積計算が煩雑であったりして安定で歩留まりの良
い皮膜を生成するには多くの困難をともなった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】発明者は処理部分の面
積の変化に対しても自動的に電流を追従し、常に安定な
電析膜や酸化皮膜を生成することを課題として電析装置
の設計を試みた、この方法は処理面積の変化によって生
じるインピーダンスの変化などの電気的パラメータの変
化を検出し、この変化から適合する電流や電圧を演算す
るなどの手法であるが電析の様子はそれぞれ異なり、全
ての装置に共用できるようなシステムの設計は非常に困
難であった。

【０００４】

【作用】このような課題を実現する方法として、希望の
膜を生成した場合の電極間電圧をそのままデジタル的に
記録した後これを再生し、この条件で再び電圧を発生さ
せて電極間電圧として電析膜を生成すると処理面積が変
化しても電流は正確に処理面積に比例して流れ、処理面
積に影響されない安定な膜生成が可能となることを発案
し実験でも確かめた。

【０００５】電析膜の厚みや着色の濃度は電極間に流れ
た電気量（直流に交流を重畳した場合は電極間に流れた
正の電流成分と負の電流成分の積分値の差）と最も強い
相関がある。この電気量がそれぞれ異なる状態で電気量
に対する電極間電圧の離散データを取り、中間の電気量
に対してはその近傍の電気量で電析した場合の電極間電
圧の補完データを演算で求め、この結果で電析を行うと
実際にサンプルをしていない中間値の電気量に対しても
膜生成が可能となる。

【０００６】

【実施例】電析膜の厚みや着色の濃度は電極間に流れた
電気量（直流に交流を重畳した場合は電極間に流れた正
の電流成分と負の電流成分の積分値の差）に対して最も
相関が高い。電析する電流に交流を重畳した場合も電流
の流れた電流の積分値に対し高い相関を示す場合が多
い。交流を重畳したり極正が反転したりして電流に負の
期間がある場合は正方向の電流値から負方向の積分値を
減算するような積分をする。ここで説明する正方向電流
とは電析が進行する方向を正と仮定する。したがって、
電源装置と電極間に電流検出器を挿入し、この検出信号
を積分器に加えると膜生成過程の電気量をモニタでき
る。一方、希望した膜生成速度に相当するパターン（電
極電流の積分値の時間的変化を示す）をアナログまたは
デジタル的に発生する。このパターンでは時間的に変化
のないフラットな状態では電極間に流れる電流の平均値
は零となり、時間的な信号の立ち上がりが急峻であれば
電極間に流れる電流密度が高く、その勾配は電流の積分
値の極正を意味し、正であれば膜が生成する方向を示
す。したがって、この信号パターンと電極に流れた電流
の積分値のパターンを比較して、この差が最小になるよ
うに電極間に流す電流または電圧を自動制御すると希望
の速度で膜を生成することが可能となり、膜生成の電気
量も正確に計測することが可能となる。この場合の電源
は定電流電源でも定電圧電源でも適用が可能であり直流
分に任意波形の交流を重畳した場合にも適用できる。こ
の方法は既に電解着色電源の制御方法としてすでに出願
済みであり、ＣＬＣＣ法と呼ばれている。

【０００７】電析用電源が定電流電源の場合はそのまま
定電流を電極間に流し、膜生成速度を時間的に変化した
い場合は定電流の値をその速度に比例するように変化さ
せる簡単な方法で同様な効果を得ることができ、電流の
積分器や補正回路を省略しても全く同じ動作をすること
が可能である。

【０００８】このような方法で電極に流れる電気量を制
御しながら膜を生成する。この膜を生成している途中の
電極間電圧を直接または分圧器を通じてＡ−Ｄコンバー
タに取り込む。このデジタルデータはそのまま、または
圧縮処理をして半導体メモリーやハードデスク、磁気テ
ープ、光デスクまたはそれに準ずるデジタル記録装置に
デシタル記録をする。Ａ−Ｄコンバータのサンプルレー
トは直流による電気メッキの場合は比較的に低くても可
能である。しかし、電解着色や特殊なメッキのように直
流に交流を重畳した電源ではその交流成分に応じた帯域
になるようにサンプルレートを選ぶ必要がある。サンプ
ルレートが高い場合に記録容量の増大を防ぐため、音声
信号の圧縮に使用されるＡＤＰＣＭの手法によるデータ
圧縮方法を使用しても良い結果が得られる。このデータ
圧縮方法は人の耳で感ずる音を損なわないように開発さ
れた圧縮方法であるが、電気化学反応にも良い整合性が
得られる。

【０００９】希望の電析条件が得られたらこの条件で得
られた電圧データを再生する。再生したデジタル信号は
Ｄ−Ａコンバータによってアナログ信号に変換しこれを
基準電圧として電源装置に加える。電源装置はこの基準
電圧をもとにして、取り込んだ場合と等しい電圧を電極
間に加えるようにする。Ｄ−Ａコンバータの出力回路に
は適当なローパス・フイルタを挿入し離散化によるノイ
ズの発生を極力少なくする。帯域を下げずにノイズを減
少するには、オーバサンプリングの技法とデジタル・ロ
ーパスフイルタを利用すると良い結果が得られる。

【００１０】この方法ではそれぞれの電気量に対して離
散的なデータとなるので、連続した値に対してこの方法
を適用するには、離散データから任意の電気量に対する
データを統計的に計算する。この計算方法の最も簡単な
方法は、希望する電気量の近傍の実測データの瞬時値か
ら補完する方法をとり、途中の電気量のデータを得る。
例えば、最も簡単な一次近似の手法による補完では、電
気量１の場合と電気量２場合の時間に対する記録データ
から電源投入から終了までの各時間に対する両者のデー
タを加えて平均化し、これをすべての時間について行う
と電気量１.５の補完データが得られる。これは最も簡
単な例であるがデータが多い場合は回帰計算により多次
元や関数による近似をもちいて正確な補完データを得る
ことが可能となる。補完の演算は記録装置に記録された
データからデジタル演算によって計算すると便利である
が、デジタルデータをアナログデータに戻してからアナ
ログ演算器によって演算しても同様な目的が達成でき
る。

【００１１】さらに、溶液の温度、濃度、ｐＨ、妨害物
質の濃度、電解着色のように酸化皮膜に着色する場合は
酸化皮膜の厚みなどのパラメータ変動に対する電析の能
率を入手できる場合はそれぞれのパラメータから補正値
を計算する。パラメータが多い場合は多変量解析を利用
すると便利である。この計算結果によって補完データに
さらに補正を加えた電圧で膜の生成を行うと変動要因に
よる歩留まりの低下も防ぐことができる。

【００１２】電極間電流が直流に交流を重畳した場合
は、それぞれのデータを得るための交流信号はビートに
よる障害を防ぐため同期を正確に取る必要がある。これ
を満足するには、重畳する交流の周波数をＡ−Ｄコンバ
ータのサンブリング周波数に同期させる。この手法はサ
ンプリング周波数を重畳交流成分の周波数の整数倍にす
るか、ＰＬＬ回路による同期回路が必要であり、電源投
時の位相も一致させる必要がある。

【００１３】

【発明の効果】本発明により処理面積の変化に対して変
化の少ない処理が可能となるだけでなく、自動化が容易
であり省力化には極めて有効な手法である。とくに処理
する材料の形状が複雑であったり面積が一定していない
ような、多種少量生産の場合には極めて優れた効果が発
揮できる。

【００１４】膜の生成速度を任意に設定できる場合の効
果を酸化皮膜の微細孔に金属を析出する電解着色を例に
説明すると、電解着色では着色溶液に陽極酸化された試
料と対極を設け、この電極間に電流を流し、酸化皮膜の
微細孔に金属を電析させて着色を行う。この場合電極間
に電圧を印加した直後、付き回り性を改善する目的でア
ルミニウムの酸化皮膜側が平均的にアノード分極する方
向に制御する。これは前記した電極電流の積分値を示す
パターンでは負の勾配を持つパターンに相当し、定電流
電源では電流の直流成分が酸化皮膜側をアノード分極に
する方向の直流定電流成分を交流に重畳する。このよう
な状態を着色の初期に行うと付き回り性を大幅に改善可
能である。この理由は、着色溶液中で酸化皮膜側を平均
的にアノード分極すると電極反応にって生じた負のイオ
ンである水酸基や硫酸基などが生じ（硫酸アンモニウム
が着色溶液中に添加された場合はアミノ基）これがアル
ミニウムイオンと反応し、電気伝導度の比較的に高いコ
ロイド膜を作り、電極に近い部分ほど表面の電気抵抗が
高くなり着色しにくくなる。このような状態で酸化皮膜
側をカソード分極の成分が大きくなるように正の勾配パ
ターン（交流電流に酸化皮膜側をカソード分極にする方
向の直流成分の定電流を重畳する）にすると着色が進行
する。前記の処理の行われていない場合は電極に近い方
向が強く着色されて付き回り性が劣化する。しかし、前
記した処理によって電極に近いほど表面の電気抵抗が高
くなり着色が抑制され、電極から離れた部分はその影響
が少なくなって着色の抑制も少なくなり、電極近傍が強
く着色することが低減されて付き回り性が改善される。
また、電極間に流れる平均電流が正の場合（酸化皮膜側
が平均的にカソード分極される方向）では着色が進行す
るが、前処理によって電気抵抗の高くなった過渡的な膜
も時間とともに減少する。この電気抵抗を大きくする物
質が水酸化アルミニウムである場合を考えると、この電
極付近で生じた水酸化アルミニウムは粘性のある正コロ
イドとして振る舞いイオン電導を妨げて等価的表面抵抗
が増大する。この正コロイドは酸化皮膜側がカソード分
極された時に電荷を放電して酸化皮膜に吸着したり逆の
極正のときは溶液中に拡散する、したがって、前処理を
終了してから着色を開始した直後の着色速度も付き回り
に影響し、前処理を効果的に発揮するにはこの抵抗の高
い膜の存在している期間に全面に金属を析出させること
がポイントとなる。さらに、中性や弱酸の着色溶液と比
較してアルミと反応の速い錫浴のような強酸の着色溶液
やアミノ基を含む着色溶液ではこの処理時間や分極レベ
ルは極めて少なくても目的を達成できる。このように電
解着色では、電流の平均値の極性や値を時間に対して最
適に変化させる必要があり、この最適な条件を量産現場
で得るにはコストと時間がかかる。しかし、本発明では
実験室レベルの少ない面積の試料で最適値を求め、この
データを蓄積し大規模な量産ではこの結果を再生するか
補完データによって着色を行い、量産工場の立ち上げも
容易に行うことが可能となる。

【００１５】本発明は半年の小規模テストの後、工業化
レベルのテストとして平成５年３月６日株式会社パイロ
ットの軽金属事業部で同事業部水沢氏立ち会いのもとで
行われ、その有効性が実証された。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 メッキや分散メッキなどによる皮膜生
   成、電解着色による着色さらに電解による酸化皮膜生
   成、電気泳動と電着を利用した電着塗装（微細孔中の析
   出も含む）などの電析膜や酸化皮膜の膜生成装置におい
   て、電解液中に入れた電極の両極間に流れる電流の積分
   値の時間的変化を基準パターンと一致するようにする
   か、プログラムされた定電流電源によって電流設定値を
   制御して膜を生成し、膜生成過程の電極間電圧をモニタ
   し、このモニタ信号をデジタル信号に変換しデジタル記
   録する。同様にして異なる電流の積分値で膜を生成し、
   電極に流れた電流の積分値の総量に対する膜生成過程の
   電極間電圧データを収集する。この電圧データは電流の
   積分値の総量に対して離散データとなるが、任意の電流
   の積分値に対する電圧データはこの近傍に於ける条件の
   実測データからデジタルまたはアナログ的な演算によっ
   て補完データ得て、この補完データを基準電圧として皮
   膜や着色を得る方法と補完データに対し溶液の温度、濃
   度、妨害物質濃度、ｐＨさらに酸化皮膜に着色する場合
   は膜厚データなどの電析に変化を与えるパラメータによ
   り補正値を与えた電圧によって膜を生成する電析用電源
   の制御方法。