JPH0645844Y2 - 渦電流式膜厚センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、渦電流式膜厚センサに関する。

（従来の技術） アルミニウム、銅、真鍮、オーステナイト系のステンレ
ス等の非磁性且つ良好な導電性を有する部材の表面に施
された非磁性及び非導電性の皮膜例えば、塗装、樹脂、
酸化物等の絶縁皮膜を測定する場合には、渦電流の原理
を利用した渦電流式膜厚センサが使用されている。

この渦電流式膜厚センサの測定原理は、第11図に示すよ
うに細い棒状のフェライトコア30にコイル31を巻回して
高周波電流を印加し、導電材料32に近接されると、当該
導電材料32の表面に渦電流が流れる。この渦電流の大き
さは、フェライトコア30の端面30aと導電材料32の表面3
2aとの間の距離ｌに応じて変化する。この渦電流の変化
は、コイル31側からみるとインピーダンスＬの変化とな
り、距離ｌとインピーダンスＬとの関係は第12図に示す
ようになる。そこで、このコイル31のインピーダンス変
化量と膜厚との関係を予め求めておくことにより、被測
定対象物（導電材料）の表面に施した膜厚を非破壊で測
定することができる。このような膜厚センサは、フェラ
イトコア30の端面30aが被測定対象物に当接することか
ら一点接触式センサと呼ばれている。

（考案が解決すべき課題） ところで、従来の渦電流式膜厚センサは素地の面積、或
いは丸棒やパイプ状の部材の径による影響が非常に大き
く、小さな部品や形状が様々な部品、或いは特に細径の
丸棒やパイプ等の表面に施された皮膜の厚みを精度良く
測定することが極めて困難であるという問題がある。こ
れは、センサのコイルから発生する磁界が、実際に被測
定対象物に当接するフェライトコアの端面の面積に比べ
て非常に広い面積（数百倍以上）に広がっていることに
起因している。

本考案は上述の点に鑑みてなされたもので、コイルの発
生する磁界の広がりを抑え、且つ当該磁界を狭い範囲に
集中させて不均一高周波磁界を形成し、被測定対象物の
大きさによる影響を少なくするようにした渦電流式膜厚
センサを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本考案によれば、底面の直径
位置に絶縁スリットが形成された２個の有底円筒体状の
遮蔽板の夫々に励磁コイルと受信コイルとを収納したア
クティブヘッドとダミーヘッドとを、各絶縁スリットを
外方に向けて同一軸線上に対称に結合し、且つ前記各励
磁コイル及び各受信コイルを夫々差動結合し、前記各絶
縁スリット部に磁束が集中する不均一高周波磁界を形成
するセンサと、前記励磁コイルに高周波励磁電流を印加
し、前記受信コイルの出力信号を差動増幅回路により検
出する信号処理回路とを備えた構成としたものである。

（作用） アクティブヘッドとダミーヘッドの各励磁コイルに高周
波励磁電流を印加して各絶縁スリットに不均一高周波磁
界を発生させる。そして、アクティブヘッドの絶縁スリ
ット部を、非磁性且つ導電性部材で形成された被測定対
称物の表面に当接させる。この受信コイルの出力信号
は、前記被測定対称物の表面に施された皮膜の厚みに応
じて変化する。

信号処理回路は、センサ即ち、前記受信コイルから出力
される信号を差動増幅回路を介して検出し、前記皮膜の
厚みに対応する信号を出力する。前記不均一高周波磁界
による磁束分布は絶縁スリット部において最大となり且
つ極めて急峻に変化し、従って、被測定対称物が特に丸
棒或いはパイプ状をなしている場合でも、その曲率によ
る影響が大幅に小さくなる。これにより、可成り細い径
の被測定対称物の表面に施された前記皮膜を精度良く測
定することが可能となる。

（実施例） 以下本考案の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。

第１図において、センサ１は、アクティブヘッド２と、
ダミーヘッド３と、これらの両ヘッド２と３とを結合す
るヘッド治具４とにより構成されている。アクティブヘ
ッド４は、細径の棒状のフェライトコア５と、当該フェ
ライトコア５に巻回されたアクティブ受信コイル６、ア
クティブ励磁コイル７と、これらを収納する遮蔽板８と
により構成されている。

遮蔽板８は、第２図に示すように有底円筒体を軸方向に
沿って半割りにした有底半円筒体8a、8a′を微少な間隙
ｄ（第４図）を存して合わせ、再び有底円筒体としたも
のである。これらの有底半円筒体8a、8a′は、周壁8b、
8b′及び底部8c、8c′の対向する各端面が絶縁性を有す
る接着剤により強固に接着固定され、且つ当該接着剤の
層が前記微小な間隙ｄの絶縁スリット９を形成する。こ
の遮蔽板８は、非磁性、且つ導電性の良好な例えば、銅
等の薄板の金属部材により形成する。

そして、この遮蔽板８内に前述したフェライトコア５に
巻回した受信コイル６と励磁コイル７とを収納し、遮蔽
板８の底面8c、8c′にフェライトコア５及び各コイル
６、７の各一端面を当接させる。この状態において、フ
ェライトコア５の中心は遮蔽板８の中心に合致し、絶縁
スリット９は、当該フェライトコア５の端面の直径上に
位置している。

ダミーヘッド３も前記アクティブヘッド２と同様に形成
されており、フェライトコア10に巻回したダミー受信コ
イル11及びダミー励磁コイル12が遮蔽板13内に収納され
ている。そして、これらのアクティブヘッド２とダミー
ヘッド３とは、ヘッド治具４の両側に、各絶縁スリット
９、14を夫々外方に向けて同一軸線上に対称に取り付け
られて固定されている。

また、アクティブヘッド２の遮蔽板８の底面の絶縁スリ
ット９には非磁性及び非導電性を有し、且つ耐摩耗性に
優れた例えば、ルビー（人口ルビー）15が設けられてい
る。このルビー15は半球状をなしており、平面部が遮蔽
板８の底面8c、8c′の中央に絶縁スリット９を塞ぐよう
に接着固定されている。このルビー15は、遮蔽板８の底
面8c、8c′即ち、フェライトコア５の端面と被測定対称
物の表面との間の距離Ｄを常に正確に保持するためのも
のである。

尚、ルビー15は絶縁スリット９の真下に底面の中心から
適当な間隔を存して２個設けてもよく、この場合には被
測定対称物に当接する際の安定性が良くなる。また、こ
のルビー15は必ずしも必要ではない。

そして、アクティブヘッド２とダミーヘッド３の励磁コ
イル７と12、及び受信コイル６と11とは夫々直列に接続
されて差動コイルを構成している。このセンサ１は第３
図に示す信号処理回路20に接続される。

第３図において、信号処理回路20の高周波発振回路21の
出力端子は電流増幅回路22及びサンプル信号発生回路23
の各入力端子に接続され、電流増幅回路21の出力端子
は、センサ１の励磁コイル７と12との接続端子1a、1bに
接続されている。また、このセンサ１の受信コイル６と
11との接続端子1c、1cは高周波差動増幅回路24の入力端
子に接続され、当該高周波差動増幅回路24の出力端子は
サンプルホールド回路25の入力端子に接続されている。
このサンプルホールド回路25の入力端子には、前記サン
プルパルス信号発生回路23の出力端子が接続されてい
る。サンプルホールド回路25の出力端子は対数増幅回路
26の入力端子に接続されている。

以下に作用を説明する。

信号処理回路20の高周波発振回路21から出力された高周
波励磁電流ｉは電流増幅回路22により増幅されてセンサ
１の各励磁コイル７、12に印加される。励磁コイル７
は、高周波励磁電流ｉが印加されると高周波磁界Ｈを発
生し、これに伴い遮蔽板８の各底面8c、8c′に第４図に
点線で示すように渦電流ｉ′が誘導される。この渦電流
ｉ′は励磁コイル７の磁束の変化を妨げる方向に発生
し、当該励磁コイル７による磁界Ｈと遮蔽板８の底面8
c、8c′とに流れる渦電流ｉ、ｉ′による磁界との合成
磁界は弱くなり、底面8c、8c′における磁束密度は小さ
くなる。

一方、遮蔽板８の絶縁スリット９には渦電流が発生せ
ず、従って、当該絶縁スリット９を通る磁束は妨げられ
ることなく、高磁束密度となる。この結果、遮蔽板８を
通る磁束分布は、第５図に示すように絶縁スリット９の
垂直面内に集中した不均一な磁束分布となる。この図か
ら明らかなように遮蔽板８の底面の磁束密度Ｂは、絶縁
スリット９の位置において最大値B_maxとなる。この結
果、アクティブヘッド２により形成される磁界は、絶縁
スリット９において最大となり、且つ極めて急峻に変化
する不均一高周波磁界となる。ダミーヘッド３について
もアクティブヘッド２と同様である。

いま、第６図に示すようにこのセンサ１のアクティブヘ
ッド２のルビー15を、非磁性、且つ導電性の良好な被膜
が施されていない銅板35の上面35aに垂直に当接する。
この状態において、銅板35に誘導される渦電流は最大と
なり、アクティブヘッド２の絶縁スリット９の磁束密度
が小さくなり、受信コイル６のインダクタンスが小さく
なる。この時のアクティブヘッド２の遮蔽板８の底面と
銅板35の上面35aとの間の距離は最小となり、前記値Ｄ
である。そして、この時の受信コイル６と11との出力電
圧をV₀とする。この電圧V₀は「０調整」時における電圧
である。

次に、第１図に示すように厚さｔなる皮膜36を施した銅
板35の当該皮膜36に、アクティブヘッド２を前述と同様
にして当接する。この状態においてはアクティブヘッと
２との遮蔽板８の底面と銅板35の上面35aとの間の距離
は前記距離Ｄよりも皮膜36の厚み分ｔだけ大きくなる。
これに伴い銅板35に誘導される渦電流が小さくなり、絶
縁スリット９の磁束密度が大きくなり、受信コイル６の
インダクタンスが大きくなる。そして、この時の受信コ
イル６と11との出力電圧をV_tとする。

高周波差動増幅回路24は、入力せる電圧V_tと前記０調整
時の電圧V₀との差電圧V_d（＝V_t−V₀）を増幅して出力す
る。サンプルホールド回路25は、サンプル信号発生回路
23から入力される前記高周波励磁電流のピーク値に同期
して形成されたサンプリングパルスPsにより、入力せる
電圧V_tのピーク値V_tpをホールドして出力する。この出
力電圧V_tpは対数増幅回路26により増幅され、信号V_OUT
として出力される。受信コイル６と11との出力電圧V
_tは、皮膜36の厚みｔに対して指数関数的に変化するた
めにサンプルホールド回路25の出力信号V_tpを対数増幅
器26により補正し、出力電圧V_OUTが膜厚ｔの変化に対し
て略直線的な変化となるようにしている。

銅板35の皮膜36の厚みｔを連続的に測定する場合には、
ルビー15を当該皮膜36に当接させたまま絶縁スリット９
と直交する方向に水平に移動させる。この場合、移動方
向の分解能が高くなる。

また、第７図に示すように例えば、銅等の細い丸棒40の
真上に、且つ長手方向に沿って平行にアクティブヘッド
２の絶縁スリット９を配置してルビー15を当接させた
後、丸棒40と直交する矢印Ｘ方向にセンサ１を水平に移
動させると、受信コイル６と11との出力電圧Ｖは、第８
図に示すように移動距離ｘに対して急峻に変化する。そ
して、センサ１の絶縁スリット９が、丸棒40の真上から
矢印Ｘ方向に数mm（本実施例では2mm）以上離れると、
当該丸棒40の影響を殆ど受けない。これは、丸棒等の皮
膜を測定する際に、曲率による誤差を大幅に小さくする
ことができることを意味する。因みに、丸棒40の直径が
5mm以上であれば、その誤差は無視できる程小さくなる
ことが確認された。

そこで、丸棒等の表面に施された皮膜を測定する場合に
は第９図又は第10図に示すように例えば、銅の太径の丸
棒41又は小径の丸棒43の表面に夫々長手方向に沿ってア
クティブヘッド２の絶縁スリット９を平行に配置し、ル
ビー15を当接することによりこれらの表面に施された皮
膜41又は43の厚みを測定することができる。この測定時
においてセンサ１が矢印Ａ又はＢ方向に僅かに傾いて
も、測定結果は殆ど影響を受けることがない。尚、丸棒
に替えてパイプであっても同様である。この場合、パイ
プはある程度の肉厚みが必要である。

センサ１は、前述したようにアクティブヘッド２とダミ
ーヘッド３とを備え、且つ各受信コイル６と11及び各励
磁コイル７と12とを夫々差動結合し、信号処理回路20に
差動増幅回路を採用していることにより、周囲温度の影
響、励磁電流の変動等に起因する測定誤差を大幅に小さ
くすることができ、測定精度が向上する。

（考案の効果） 以上説明したように本考案によれば、底面の直径位置に
絶縁スリットが形成された２個の有底円筒体状の遮蔽板
の夫々に励磁コイルと受信コイルとを収納したアクティ
ブヘッドとダミーヘッドとを、各絶縁スリットを外方に
向けて同一軸線上に対称に結合し、且つ前記各励磁コイ
ル及び各受信コイルを夫々差動結合し、前記各絶縁スリ
ット部に磁束が集中する不均一高周波磁界を形成するセ
ンサと、前記励磁コイルに高周波励磁電流を印加し、前
記受信コイルの出力信号を差動増幅回路により検出する
信号処理回路とを備え、前記センサのアクティブヘッド
の絶縁スリット部を非磁性且つ導電性部材で形成された
被測定対称物表面に当接し、当該表面に施されている非
磁性且つ非導電性皮膜の膜厚を測定するようにしたの
で、センサの出力信号の変化を大きくとることができ、
特に丸棒、パイプ等の曲率による誤差を大幅に小さくす
ることができ、この結果、これらの丸棒、パイプ等の表
面に施した皮膜を正確に測定することが可能となる。ま
た、小さい面積の平板上の皮膜も正確に測定することが
できる等の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る渦電流式膜厚センサのセンサ部分
の一実施例を示す断面図、第２図は第１図のセンサの遮
蔽板の組立斜視図、第３図は第１図に示す渦電流式膜厚
センサの信号処理回路の一実施例を示すブロック図、第
４図は第１図のセンサの遮蔽板に誘導される渦電流を示
す図、第５図は第４図の遮蔽板による磁束分布を示す
図、第６図は第１図のセンサを平板に当接した状態を示
す図、第７図は丸棒に対するセンサの位置関係を示す
図、第８図は第７図のセンサの出力電圧の変化を示す
図、第９図及び第10図は丸棒の表面に施された皮膜の測
定を示す図、第11図は渦電流式膜厚センサの原理を示す
図、第12図は第11図のコイルの特性を示す図である。 １……センサ、２……アクティブヘッド、３……ダミー
ヘッド、４……ヘッド治具、５、10……フェライトコ
ア、６、11……サクティブ受信コイル、７、12……ダミ
ー励磁コイル、８、13……遮蔽板、９、14……絶縁スリ
ット、15……ルビー、20……信号処理回路、35……銅
板、40、41、43……丸棒、36、42、44……皮膜。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】底面の直径位置に絶縁スリットが形成され
   た２個の有底円筒体状の遮蔽板の夫々に励磁コイルと受
   信コイルとを収納したアクティブヘッドとダミーヘッド
   とを、各絶縁スリットを外方に向けて同一軸線上に対称
   に結合し、且つ前記各励磁コイル及び各受信コイルを夫
   々差動結合し、前記各絶縁スリット部に磁束が集中する
   不均一高周波磁界を形成するセンサと、前記励磁コイル
   に高周波励磁電流を印加し、前記受信コイルの出力信号
   を差動増幅回路により検出する信号処理回路とを備え、
   前記センサのアクティブヘッドの絶縁スリット部を非磁
   性且つ導電性部材で形成された被測定対称物表面に当接
   し、当該表面に施されている非磁性且つ非導電性皮膜の
   膜厚を測定することを特徴とする渦電流式膜厚センサ。