JPH07167838A - 金属対象物の表面層物性を調べるためのセンサ配置及び方法 - Google Patents

金属対象物の表面層物性を調べるためのセンサ配置及び方法

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JPH07167838A
JPH07167838A JP6215249A JP21524994A JPH07167838A JP H07167838 A JPH07167838 A JP H07167838A JP 6215249 A JP6215249 A JP 6215249A JP 21524994 A JP21524994 A JP 21524994A JP H07167838 A JPH07167838 A JP H07167838A
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sensor
eddy current
displacement measuring
surface layer
sensor arrangement
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JP6215249A
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Roland Mandl
ローラント・マンドル
Axel Seikowsky
アクセル・ザイコフスキー
Andreas Spang
アンドレア・シュパング
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Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
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Micro Epushiron Mesutehiniku & Co KG GmbH
Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 対象物を破壊することなく、且つ、対象物か
らの距離に関係なく金属対象物の表面層の物性を調査す
ることができる、センサ配置及び方法の提供。 【構成】 センサ配置（１）は少なくとも１つの渦電流
センサ（５）と少なくとも１つの変位測定センサ（６）
の組合せからなる。渦電流センサ（５）によって発生さ
せられる渦電流の浸透深さは表面層（３）の厚みの少な
くとも２倍に対応する。変位測定センサ（６）は対象物
の表面（４）からセンサ配置（１）までの距離を決定す
る。渦電流センサ（５）及び変位測定センサ（６，７）
の測定信号は、渦電流の仮想透過深さに基づいて評価さ
れる。浸透深さは、対象物（２）のベース材料（８）に
おける渦電流の周波数、導電率及び透磁率の関数として
決定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、対象物のベース金属の
導電率及び透磁率が知られているという前提のもとに、
金属対象物の表面層物性を調べるためのセンサ配置及び
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】金属対象物の表面層物性の調査には、例
えば、対象物の表面層の同種性の検査又は対象物表面の
構造の損傷の検出が含まれる。特に重要なことは、本発
明の適用分野が被膜厚みの測定にあることである。この
場合、対象物は、金属ベース材料と、表面層であり、且
つ、ベース材料とは異なる金属材料からなっている被
膜、すなわち、めっきからなる。従って、ベース材料
は、被膜、すなわち、表面層のキャリアとして機能す
る。実際、このような被膜の厚みを測定することがしば
しば必要となる。しかし、測定中に被膜を損傷させては
ならない場合には問題を生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】厚みを測定する方法は
金属箔、ストリップ又は非導電性材料のようなものでは
公知であるが、センサを使用したり、その方法の測定原
理を利用したりしても、金属ベース材料上での金属表面
層の被膜厚みを測定するに際して、このような方法を転
用することは容易でない。この方法は、或る測定用途に
使用される測定方法以外には適用ができず、特に、この
方法に使用されるセンサのタイプは、測定されるべき厚
みの層が導電性か非導電性かによって選択されなければ
ならない。
【０００４】従って、本発明の目的は、構造を破壊する
ことなく且つセンサ位置の精度に関係なく金属対象物の
表面層物性を調べるためのセンサ配置及び方法を提供す
ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明のセンサ配置は、
前記目的を達成し、特許請求の範囲第１項の特徴を有す
る。その特徴は、少なくとも１つの渦電流センサと１つ
の変位測定センサの組合せからなる。渦電流センサによ
って発生させられる渦電流の浸透深さは表面層の厚みの
少なくとも２倍に対応し、変位測定センサは、対象物の
表面からセンサ配置までの間隔を決定するように機能す
る。
【０００６】本発明の方法は、前記目的を達成し、特許
請求の範囲第１０項の特徴を有する。その特徴とは、渦
電流センサによって発生させられる渦電流が少なくとも
検査されるべき対象物の表面層に浸透するように、セン
サ配置が対象物表面に対して配置され、変位測定センサ
の使用により対象物表面から渦電流センサまでの間隔が
決定され、渦電流センサ及び変位測定センサの測定信号
が、対象物のベース材料の渦電流の周波数、導電率と透
磁率の関数として決定される渦電流の仮想的浸透深さに
基づいて評価される。
【０００７】始めに、本発明によれば、スキン深さ(ski
n depth)と言われる浸透(penetra-tion)深さは、下記式
によって、
【数１】 渦電流の周波数ｆ、導電率σ及び透磁率μの関数とし
て、金属表面の渦電流高周波数と関連する。従って、渦
電流センサによって発生させられる渦電流の周波数ｆ、
対象物の導電率σとともに透磁率μが知られていれば、
渦電流センサによって発生させられる渦電流の浸透深さ
を計算することが可能である。予測される浸透深さと実
際に測定された浸透深さとの変化は、次いで計算され、
渦電流によって浸透された対象物の表面層の物性が推定
される。本発明によれば、上記原理を実際の測定方法に
変換するには、例えば、測定毎にランダムに変化するセ
ンサの位置の相違のような測定条件を決定するための尺
度が必要であり、これが測定値の評価に際して考慮され
なければならないことが判明した。この目的のために、
本発明は、センサの組合せ、すなわち、少なくとも１つ
の渦電流センサと少なくとも１つの変位測定センサから
なるセンサ配置の使用を提案する。変位測定センサの使
用は、対象物の表面から、センサ配置、特に、渦電流セ
ンサまでの間隔を簡単な方法で決定する。最後に、渦電
流センサによって発生させられる渦電流の予測される浸
透深さが表面層の厚みの少なくとも２倍に対応すると
き、測定の特に高い信頼性が達成される。
【０００８】センサ配置の２つのタイプのセンサを実施
するに際して、種々の改変が可能である。渦電流センサ
を選択するとき、高周波数渦電流を発生するようなセン
サが好ましい。その理由は、浸透深さ、すなわち、スキ
ン深さと、渦電流の周波数との間の上記特定の関数的関
係が高周波数渦電流によって与えられるためである。関
数的関係は低周波数においてもスキン深さと渦電流の周
波数との間に同様に存在するが、評価が容易ではない。
【０００９】変位測定センサとして使用できるものは、
静電容量型又は光学型センサである。本発明によるセン
サ配置は移動するのが通常であるため、特定のセンサを
選択するとき、センサのタイプはでこぼこのデザイン、
すなわち、ハウジングを有するものでないことが好まし
く、対象物との接触が適切になされるべきである。
【００１０】１以上の変位測定センサに対する渦電流セ
ンサの構造に関して、本発明のセンサ配置を実施するに
は種々の改変が考えられる。特に、１つの軸に沿って、
渦電流センサと変位測定センサを構成することが望まし
い。その理由は、この構造がセンサ配置の傾斜によって
生じる測定信号の変化を特に排除できるからである。具
体的には、渦電流センサのコイルの内部でコイルの軸と
平行に静電容量型又は光学型変位測定センサを配置する
ことが望ましい。しかし、センサ配置のセンサが１つの
軸に沿って配置されず、並列に配置されたときでも、複
数の変位測定センサが渦電流センサの周囲に均等に分配
配置されているので、センサ配置の傾斜によって生じる
測定誤差を防止することができる。この方法では、傾斜
を検出するだけでなく、測定値信号の評価において傾斜
を考慮することが可能である。
【００１１】評価に当り、評価ユニットをセンサ配置か
ら空間的に分離しておくことが望ましい。対象物表面へ
のアクセスが困難なときでも、常にこのように構成して
おくことが望ましい。例えば、センサ配置はできるだけ
小さくすること、すなわち、センサ配置全体を大きくす
る付加的なユニットを設けないことが望ましい。その理
由は、測定を行うとき、センサ配置は対象物表面に直接
保持され又は押し付けられ、センサ配置の渦電流センサ
によって発生させられる渦電流の実際の浸透深さが検査
される表面の厚みの少なくとも２倍に対応すべきことを
常に考慮しなければならないからである。
【００１２】前述したように、本発明の方法は、本発明
のセンサ配置の組合せによって、検査される表面層の異
なる物性を測定するようになっている。例えば、対象物
は、導電率及び透磁率が知られている単一の金属材料か
らなっていてもよい。これは、表面層の材料が対象物の
ベース材料と同じであることを意味する。本発明の方法
は、表面層でも異種性、すなわち、対象物表面から始ま
る一定の深さまで測定することができる。同様に、対象
物表面の構造の損傷を測定することができる。
【００１３】しかし、対象物は被覆されていたりめっき
されていたりしていても差し支えない。このような例と
しては、クロムめっきされた真ちゅうロールがある。こ
のような対象物は、ベース材料を形成する真ちゅうロー
ルと、以下表面層と称するクロムめっきからなる。ベー
ス材料の導電率及び透磁率と表面材料の導電率及び透磁
率とは両方とも既知であると考えられる。本発明の方法
では、渦電流センサによって発生させられる渦電流の周
波数と、ベース材料及び表面層を形成する材料の導電率
及び透磁率との間の関数的関係に基づいて、めっき、す
なわち、表面層の厚みを数値的に計算することができ
る。測定は構造を破壊することなく行われるので、本発
明のセンサ配置によって、この方法は、表面層の厚みを
測定するのに特に有用である。さらに、センサ配置の配
置に関する必要条件は殆どないので、間隔とは無関係に
測定を行うことができる。材料データは周知であるた
め、センサ配置を調整することは不要である。最後に、
本発明の方法は、強磁性ベース材料と非強磁性又は強磁
性表面層にも、非強磁性又は強磁性表面層を具えた非強
磁性ベース材料にも適用することができる。
【００１４】図面の記載に関連して、表面層の厚みａ、
渦電流の周波数ｆ、ベース材料及び表面層を形成する材
料の導電率σ及び透磁率μの関数的関係は、以下詳細に
説明される。
【００１５】本発明の要旨を構成し且つさらに発展させ
る種々の可能性がある。この目的のため、請求項１及び
請求項１０の従属項を参照すべきであり、図面を参照し
て本発明の内容を具現化した２つの実施例の記載を参照
すべきである。さらに、図面と関連して、本発明を含む
モデルが以下に説明される。
【００１６】
【実施例】図１及び図２は、それぞれ、対象物２の表面
４から間隔をおいて配置されたセンサ配置１を示してい
る。２つの実施例において、各対象物２は、ベース材料
８及び表面層３からなる。ベース材料８は、表面層３で
被覆された事実上のキャリアを形成している。既に説明
したように、対象物２は、１又は２以上の異なる金属材
料からなる。図示された実施例では、ベース材料８は表
面層３の材料と異なっている。このような材料の組合例
の名称をあげると、ベース材料としては真ちゅうであ
り、表面層の材料としてはクロムである。以下に詳細に
説明するが、所定の状態下においては、他の材料の組合
せであってもよい。
【００１７】本発明によると、図１及び図２に示される
２つのセンサ配置は、渦電流センサ５と変位測定センサ
６の組合せからなる。渦電流センサによって発生させら
た渦電流の浸透の理想深さは、対象物２の表面層３の厚
みの少なくとも２倍に対応する。変位測定センサ６又は
７は、対象物表面４からセンサ配置１全体までの距離を
測定するように機能する。言い換えれば、変位測定セン
サ６又は７は、対象物表面４からそれ自身までの距離を
測定する。しかし、センサ配置１は剛体であると考えら
れるので、渦電流センサ５と変位測定センサ６又は７が
同じ剛性ハウジングに設けられている限り、変位測定セ
ンサ６又は７と対象物表面４の間隔から、対象物表面４
からのセンサ配置１全体までの間隔と対象物表面４から
の渦電流センサ５までの間隔を測定することができる。
【００１８】渦電流センサ５は、図３及び図４に詳細に
示されるように、高周波数の渦電流を発生させる。
【００１９】図１に示された変位測定センサ６は、静電
容量により作動する変位測定センサであり、一方、図２
に示された変位測定センサ７は、光学作動原理によって
作動する。
【００２０】両方の実施例とも、渦電流センサ５及び変
位測定センサ６又は７は１つの軸に沿って配置されてお
り、そして、変位測定センサ６及び７は、それぞれ、渦
電流センサ５のコイルの内側で且つコイル軸に平行に配
置されている。
【００２１】渦電流センサ５と変位測定センサ６又は７
によって形成されるセンサの組合せは対象物のベース材
料８に対して線形化されるか又は零点補正(zero balanc
e)されているので、渦電流センサ５と変位測定センサ６
又は７の測定信号の評価はきわめて簡単である。この場
合、予測される理想測定結果からの変化を測定又は評価
すると特に簡単である。
【００２２】センサ配置を使用するための２つの有利な
点を説明したが、以下、図３及び図４を参照して、被覆
厚みを測定するための発明の方法をより詳細に説明す
る。
【００２３】電気伝導性金属の被膜の厚み測定で欠くこ
とができないことは、組合せ金属が異なる導電率を有
し、又は、それらの相対透磁率が変化することである。
さらに、被膜厚みが渦電流センサの浸透深さの２乃至３
倍より薄くなければならない。この方法は、例えば、ア
ルミニウム又は他の強磁性若しくは非強磁性金属上の
０．３mmのクロムの厚みを適切な精度で、すなわち、１
μmの精度で測定することができる。この目的のため、
ベース材料に対して線形化（厚み）された一対のセンサ
が、０．５mmまでの間隔で被膜に押し当てられる。な
お、この間隔は重要でない。この手順において、ベース
材料に対する測定値のシフトの測定結果が比較される。
これは、また、ゼロシフトと言われる。測定値のこのシ
フトは、組合せ金属の導電率の比及び被膜の厚みに数学
的に関係がある。
【００２４】既に説明したように、金属表面の高周波数
渦電流の浸透深さすなわちスキン深さ(skin depth)と、
これらの渦電流の周波数ｆ、導電率σ及び透磁率μとの
間には、以下の関係がある。
【数２】 これから、図３に示されるように、表面の電流分布が得
られる。従って、実際には、渦電流センサは金属の表面
を測定するのではなく、スキン深さに応じて金属のより
深い又はより浅いところにある点を測定する。その点は
Ｘs で示されている。
【００２５】計算例では、この点は、例えば、電流分布
関数の重心Ｘs と仮定される（このようにすることによ
り、反射減衰の観察及び近辺(near-field)観察が不要で
ある）。
【００２６】対象物の積層構造は、結果として、対応す
るモデルを与える。このモデルの電流分布は図４に示さ
れている。この場合、重心Ｘs の座標は、被膜厚みａ及
び２つのスキン深さα，βの関数である。この関係か
ら、被膜厚みａを数値的に計算することができる。この
計算を詳細に処理する前に、実験的に測定された応答値
は前述のモデルと非常に似たものとなることに注目すべ
きである。僅かな変動があるとすれば、共振曲線の側面
上でのセンサの調節及びモデルにおいて仮定された簡易
化によって説明されるべきである。注目すべきことは、
約１６０μmのクリアゼロシフト（重心）で変動が大き
い導電率の非強磁性金属を測定するときでも、直線カー
ブが殆ど変化しないということである。
【００２７】第２センサ、すなわち、変位測定センサ
は、例えば、静電容量的に又は光学的に対象物の表面を
測定し、渦電流センサの同じ軸に沿って配置されてお
り、２つの測定経路の相違を形成することにより、金属
の導電率及び被膜の厚みを計算する。渦電流センサの調
節により、以下の実施可能な測定方法が得られる。 1.被膜厚み測定
【表１】 2.金属（同種）の導電率測定 3.２倍スキン深さより浅い深さまで、金属表面の構造の
損傷の検出
【００２８】最後に、センサ信号の評価について説明す
る。測定されるのは、ゼロシフトｎと、対象物表面から
変位測定センサの距離ｄref である。式に示されるよう
に、定数Ｃと、変位測定センサと渦電流センサとの間隔
ｄが与えられる。最後に、ドイツ特許出願DE4011717A1
に開示されるように、比例補正Ｋ（ｄ，ｄref）が含め
られる。従って、ゼロシフトは下記式で形成される。
【数３】
【００２９】センサ及び電気機器の特徴データを参考に
し、ゼロシフトから上記モデルにより重心シフトＸs を
計算することができる。
【数４】
【００３０】Ｃ1及びＣ2は２つの互いに独立する定数で
ある。従って、Ｘs は、２つの互いに独立する定数Ｃ1
とＣ2及び測定値ｎから求められる。しかし、Ｘs は、
被膜及びキャリア金属のスキン深さα，β及び被膜厚み
ａの関数である。
【数５】 前記式は、ａを数学的に求め得るものである。
【００３１】最後に、本発明によって提案されたセンサ
配置は、対象物の表面層のさらなる物性（特性）を測定
するのにも使用できる。また、本発明の範囲には方法も
含まれ、さらに、方法の各工程に加えて補助的な測定方
法を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるセンサ配置の第１実施例を示す
概略図。
【図２】 本発明によるセンサ配置の第２実施例を示す
概略図。
【図３】 同種材料の金属対象物の理想電流分布を示
す。
【図４】 表面層の材料が対象物のベース層の材料と異
なるときにおける対象物の理想電流分布を示す。
【符号の説明】
１ センサ配置 ２ 対象物 ３ 表面層 ４ 表面 ５ 渦電流センサ ６，７ 変位測定センサ ８ ベース材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローラント・マンドル ドイツ国 94496 オルテンブルグ、ハイ ンバーガー ヴェーク ８ (72)発明者 アクセル・ザイコフスキー ドイツ国 84347 ファールキルヒェン、 デュッツルシュトラーセ 24 (72)発明者 アンドレア・シュパング ドイツ国 66625 テュルキスミューレ、 ボン−ボッホ−シュトラーセ １

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対象物（２）のベース材料（８）の導電
    率及び透磁率が既知である金属対象物（２）の表面層
    （３）の物性を決定するためのセンサ配置であって、 少なくとも１つの渦電流センサ（５）と少なくとも１つ
    の変位測定センサ（６）の組合せからなり、渦電流セン
    サ（５）によって発生させられる渦電流の浸透深さが表
    面層（３）の厚みの少なくとも２倍に対応し、前記変位
    測定センサ（６）が前記対象物の表面（４）からセンサ
    配置（１）までの間隔を決定するように機能することを
    特徴とする、 センサ配置。
  2. 【請求項２】 前記渦電流センサ（５）は高周波数渦電
    流を発生させる、請求項１のセンサ配置。
  3. 【請求項３】 前記変位測定センサ（６）は静電容量に
    よって作動する、請求項１又は２のセンサ配置。
  4. 【請求項４】 前記変位測定センサ（７）は光学測定原
    理によって作動する、請求項又は２のセンサ配置。
  5. 【請求項５】 前記渦電流センサ（５）及び前記変位測
    定センサ（６，７）は１つの軸に沿って配置されてい
    る、請求項１乃至４のいずれか１つのセンサ配置。
  6. 【請求項６】 前記渦電流センサ及び前記変位測定セン
    サが並列に配置されている、請求項１乃至４のいずれか
    １つのセンサ配置。
  7. 【請求項７】 複数の変位測定センサが前記渦電流セン
    サの周囲で実質的に均等に分配配置されている、請求項
    ６のセンサ配置。
  8. 【請求項８】 前記変位測定センサが前記対象物の前記
    ベース材料（８）に対して線形化、すなわち、零点補正
    されている、請求項１乃至７のいずれか１つのセンサ配
    置。
  9. 【請求項９】 前記渦電流センサ（５）及び前記変位測
    定センサ（６，７）の測定信号の評価ユニットが設けら
    れている、請求項１乃至８のいずれか１つのセンサ配
    置。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれか１つのセン
    サ配置（１）を使用して、対象物のベース材料（８）の
    導電率及び透磁率が既知である金属対象物（２）の表面
    層（３）の物性を調べるための方法であって、渦電流セ
    ンサ（５）によって発生させられる渦電流が少なくとも
    検査されるべき対象物（２）の表面層（３）に浸透する
    ように、センサ配置（１）が対象物表面（４）に対して
    配置され、変位測定センサ（６，７）により対象物表面
    （４）から渦電流センサ（５）の間隔が決定され、渦電
    流センサ（５）及び変位測定センサ（６，７）の測定信
    号が、対象物（２）のベース材料（８）における渦電流
    の周波数、導電率及び透磁率の関数として決定される仮
    想的浸透深さに基づいて評価されるようになっている、
    方法。
  11. 【請求項１１】 対象物（２）の表面層（３）の同質性
    を検査するために使用される、請求項１０の方法。
  12. 【請求項１２】 対象物表面（４）の構造の破壊を検出
    するために使用される、請求項１０の方法。
  13. 【請求項１３】 対象物（２）の表面層（３）の厚みを
    測定するために使用される、請求項１０の方法。
  14. 【請求項１４】 対象物（２）のベース材料（８）と異
    なる材料からなり、導電率と透磁率が既知である表面層
    （３）を調べるための請求項１０乃至１３のいずれか１
    つの方法であって、渦電流センサ（５）及び変位測定セ
    ンサ（６，７）の測定信号の評価が、対象物（２）のベ
    ース材料（８）における渦電流の周波数、導電率及び透
    磁率の替わりに、表面層（３）の材料の導電率及び透磁
    率に基づく、方法。
  15. 【請求項１５】 前記センサ配置が前記対象物表面
    （４）に対して保持され又は押し付けられる、請求項１
    ０乃至１４のいずれか１つの方法。
  16. 【請求項１６】 前記測定が非接触で行われ、前記セン
    サ配置（１）が前記対象物表面（４）から離れている、
    請求項１０乃至１４のいずれか１つの方法。
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