WO2009024187A1 - Dispositif de mesure sans contact de l'epaisseur de films ou de couches minces en defilement - Google Patents

Abstract

Le dispositif de mesure sans contact (2) de l'épaisseur d'un film (48) ou d'une couche déposée sur un support défilant en regard de ce dispositif comprend un capteur de distance inductif (22) et une buse à coussin d'air (20) solidaire de ce capteur. La buse est agencée pour recevoir un gaz sous pression de manière à former le coussin d'air et est associée à des moyens électromagnétiques (6, 14, 36) pour exercer une force constante sur cette buse. Ces moyens électromagnétiques comprennent un circuit magnétique fixe (6) associé à un aimant (14) et une bobine mobile (36) montée avec le capteur de mesure et la buse sur une structure élastiquement déformable (42, 44) selon l'axe central (32). La force électromagnétique, dite force de Laplace, exercée pour obtenir un coussin d'air d'une épaisseur donnée est déterminée par le courant d'alimentation de la bobine. La partie mobile présente une haute dynamique selon l'axe central.

Description

Cas 2729

Dispositif de mesure sans contact de l 'épaisseur de fil ms ou de couches minces en défilement

La présente invention concerne un dispositif de mesure sans contact de l'épaisseur moyenne, dans une certaine zone, d'au moins un film ou une couche déposée sur un support, ce film ou cette couche défilant en regard de ce dispositif de mesure.

Il est connu du document EP 0 686 826 un tel dispositif. Ce dispositif comprend un capteur de mesure de distance du type capacitif et une buse à coussin d'air solidaire de ce capteur. La buse est agencée pour recevoir un gaz sous une certaine pression, lequel s'écoule dans deux fentes de la buse pour former un coussin d'air entre la buse et le film en défilement. La buse et le capteur sont associés à un vérin à air comprimé qui engendre une force selon l'axe central du dispositif de mesure en direction du film en défilement. La pression du gaz d'une part et la force appliquée sur la buse définissent une épaisseur donnée pour le coussin d'air entre le film et la paroi inférieure de la buse. Pour maintenir cette épaisseur du coussin d'air constante, à pression relative constante et température constante, il est nécessaire d'appliquer également une force constante sur la buse.

Il est commun d'utiliser un tel dispositif de mesure monté sur une unité de translation pour effectuer des mesures à différents endroits sur toute la largeur du film en défilement. La distance entre le dispositif de mesure et la surface inférieure du film en défilement peut varier en fonction de la position de ce dispositif de mesure sur son axe de déplacement. Pour conserver une épaisseur du coussin d'air constante et ainsi une fiabilité de la mesure d'épaisseur du film effectuée, il est donc nécessaire que la buse puisse subir un certain déplacement selon l'axe central du dispositif de mesure. Dans le cas notamment où la mesure est effectuée en face d'un cylindre de l'installation qui tourne sur son axe de manière que sa surface externe présente une vitesse tangentielle égale à la vitesse de défilement du film, un léger décentrage de l'axe de rotation d'un tel cylindre engendre à chaque tour du cylindre une variation de la distance radiale du film relativement à l'axe de rotation. Comme les vitesses de défilement sont généralement élevées, une telle variation intervient à relativement haute fréquence. Dans une telle situation où la distance entre le support du film en défilement et le dispositif de mesure d'épaisseur varie, comme c'est pratiquement toujours le cas, un système formé par un vérin à gaz comprimé pour engendrer une force constante sur la buse est peu efficace et engendre des erreurs de mesure au cours du temps. En particulier, un vérin à gaz comprimé présente une inertie relativement grande et donc une faible dynamique, ce qui l'empêche de répondre instantanément aux variations de distance entre le dispositif de mesure et le support du film en défilement.

Ensuite, un tel système n'a pas de flexibilité pour pouvoir varier rapidement la force exercée sur la buse. Il n'est donc pas possible d'adapter cette force en fonction d'autre paramètre du dispositif de mesure et de son environnement.

Le but de la présente invention est de pallier aux inconvénients susmentionnés en proposant un dispositif de mesure sans contact d'épaisseur de film ou de couche mince en défilement qui présente une haute dynamique pour le mouvement selon l'axe central du capteur associé à la buse, ceci tout en maintenant une force constante au cours du temps et notamment lors de ces variations de distance à un support de référence.

Un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif de mesure telle que mentionné ci-dessus et équipé de moyens permettant de varier rapidement la force exercée par les moyens prévus à cet effet en fonction de la variation de certains paramètres du dispositif de mesure ou de son environnement.

A cet effet, la présente invention concerne un dispositif de mesure de l'épaisseur moyenne, dans une certaines zone, d'au moins un film ou une couche déposée sur un support, notamment une feuille plastique ou métallique, et comprenant un capteur de mesure de distance et une buse à coussin d'air solidaire de ce capteur ainsi que des moyens exerçant une certaine force sur cette buse et ce capteur de manière à maintenir le plus constant possible la distance entre le capteur et le film ou la couche en défilement. Ce dispositif de mesure est caractérisé selon l'invention en ce que le capteur et la buse sont montés sur une structure élastiquement déformable selon un axe central du dispositif, et en ce que lesdits moyens exerçant une certaine force sur la buse et le capteur sont formés par une bobine mobile également montée sur ladite structure élastiquement déformable et couplée à un champ magnétique d'un aimant agencé dans le dispositif et associé à un circuit magnétique, ce circuit magnétique présentant un entrefer dans lequel est agencé la bobine mobile de manière à engendrer une force électromagnétique selon ledit axe central lorsque cette bobine est alimentée en courant électrique. Dans un mode de réalisation préféré, la structure élastiquement déformable est formée de deux membranes agencées perpendiculairement audit axe central du dispositif.

Dans une variante préférée, chaque membrane est formée par une feuille présentant une certaine élasticité selon ledit axe central du dispositif mais relativement rigide dans le plan de cette feuille.

Les dispositifs de mesure connus, notamment celui de l'art antérieur décrit précédemment, permettent généralement des précisions de l'ordre du micron au mieux. Le dispositif de mesure de la présente invention est agencé pour permettre des précisions de mesure de l'ordre du dixième de micron. Avec une telle précision, il est possible de répondre à un problème - A -

connu dans l'industrie de l'emballage relatif à la mesure d'un adhésif sans solvant appliqué sur un film plastique ou aluminium. On notera que dans un tel cas, la mesure ne peut pas être effectuée par interférométrie car la colle, transférée sur le film au moyen d'un rouleau, se présente sous forme de petits aggloméras ou gouttes de colle, plutôt qu'une couche homogène. Les quantités de colle appliquée sont de l'ordre de quelque grammes par mètre carré, ce qui donne une épaisseur moyenne de quelques microns seulement. Bien évidemment, l'utilisation du dispositif de l'invention n'est pas limitée à la mesure de couche d'adhésif sur un film. Toute mesure de film ou couche mince peut être envisagée avec le dispositif de l'invention.

D'autres caractéristiques particulières de l'invention seront décrites également par la suite dans le cadre de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples nullement limitatifs, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif de mesure selon l'invention ;

- la figure 2 est une vue de dessous d'un mode de réalisation préféré de l'invention ;

- la figure 3 est une coupe selon la ligne de M-Il de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue éclatée en coupe des diverses parties formant le dispositif de la figure 2 ;

- la figure 5 est une représentation schématique d'une variante de réalisation du dispositif de l'invention ;

- la figure 6 est une représentation schématique partielle d'une variante perfectionnée du dispositif de l'invention ; et

- la figure 7 concerne une autre variante perfectionnée du dispositif selon l'invention. A la figure 1 , le dispositif 2 selon l'invention comprend une partie fixe formée d'un corps cylindrique externe 4 à l'intérieur duquel est agencé un circuit magnétique 6 formé d'une première pièce 8 définissant un cylindre fermé du côté inférieur par un disque et d'une deuxième pièce 10 de forme générale circulaire et agencée à l'intérieur de la partie cylindrique de la première pièce 8 de manière à former une fente 12 entre les deux pièces.

Cette fente 12 définit un entrefer de forme cylindrique 12. Un aimant 14 est agencé dans le circuit magnétique entre les deux pièces magnétiques 8 et

10. Les lignes du champ magnétique de cet aimant se referment dans le circuit magnétique 6 en traversant l'entrefer 12.

Le dispositif 2 comprend en outre une partie mobile comprenant une buse à coussin d'air 20 et un capteur de distance inductif 22 dont la tête 24 est agencée au centre de la buse du côté de sa paroi inférieure 26. Cette paroi 26 présente une pluralité de trous ou de fentes 28 pour le passage d'un gaz sous pression fournis à la buse 20 via un canal d'entrée 30. Le capteur magnétique 22 présente une forme cylindrique allongée dont l'axe est confondu avec l'axe central 32 du dispositif de mesure. Le capteur 22 est relié à des moyens électroniques de traitement des signaux fournis par le capteur (ces moyens électroniques n'étant pas représentés sur la figure). La partie mobile comprend encore une bobine cylindrique 36 agencée dans l'entrefer 12 du circuit magnétique 6. Cette bobine 36 est portée par une armature légère 38 solidaire du capteur 22 et de la buse 20.

Les divers éléments mobiles 20, 22 et 36 sont montés sur une structure élastiquement déformable représentée schématiquement à cette figure 1 par deux membranes 42 et 44 présentant un pli en accordéon. On notera que toute structure élastiquement déformable selon la direction de l'axe central 32 peut être prévue. De préférence on choisi une structure légère pour obtenir une bonne dynamique de la partie mobile selon cet axe 32. La bobine mobile 36 agencée dans la fente 12 du circuit magnétique 6 est soumise à une force électromagnétique lorsqu'elle est alimentée en courant électrique. La composante du champ magnétique de l'aimant traversant la fente 12 perpendiculairement à celle-ci engendre sur la bobine 36 une force, dite force de Laplace, dans la direction de l'axe central 32. En alimentant la bobine 36 avec un courant constant dans le sens approprié, on génère ainsi une force électromagnétique constante sur la partie mobile du dispositif 2 en direction du film 48. Le film en défilement 48 est situé sur un support 50 dont la face supérieur 52 définit une surface de référence pour la mesure de distance 54 par le capteur de distance inductif 22. En fournissant un gaz sous une certaine pression à la buse 20 et en exerçant une force constante sur cette buse en direction du film 48, on engendre un coussin d'air ayant une certaine épaisseur constante 56.

La partie mobile du dispositif 2 est prévue aussi légère que possible, de même que les moyens de déformation élastique couplés à cette partie mobile. Ainsi, la partie mobile présente une haute dynamique permettant de suivre aisément toute variation d'épaisseur du film en défilement 48 ou de variations de la position de la surface de référence 52. De plus, le système électromagnétique servant à exercer une force de pression constante sur la buse 20 permet également des variations rapides et donc une haute dynamique de la partie mobile, comme dans un système de haut-parleur.

A l'aide des figures 2 à 4 suivantes, on décrira un mode de réalisation préféré de l'invention. La plupart des éléments formant le dispositif 62 sont semblables à ceux décrits précédemment à la figure 1. Ils ne seront pas décrits ici à nouveau en détail.

La partie mobile du dispositif 62 comprend deux membranes 42A et 44A élastiquement déformable selon l'axe central 32. Ces deux membranes sont fixées à leur bord externe au corps cylindrique 4 respectivement par deux pièces annulaires 64 et 66. Elles sont reliées entre elles dans leur partie centrale au moyen de premier et deuxième tubes 68 et 69 chassés l'un dans l'autre et agencés dans une ouverture centrale 70 traversant les deux pièces magnétiques 4 et 8 et l'aimant 14. Le capteur de distance inductif 22 est agencé à l'intérieur des tubes 68 et 69. Il est maintenu en position au moyen d'un pas de vis prévus dans la partie supérieur du capteur et d'un taraudage prévu dans le tube 68 à l'intérieur duquel le capteur 22 est visé. Un tel montage permet de déterminer précisément la position de la tête 24 du capteur. Le capteur traverse une ouverture centrale 72 de la buse 20, cette dernière étant fixée au tube 69 et/ou à la partie centrale de la membrane 44A par collage ou tout autre moyen de fixation possible. On remarquera que l'ouverture 70 est usinée de manière que les tubes 68 et 69 puissent se mouvoir librement dans cette ouverture 70 selon l'axe central 32. Les deux membranes 42A et 44A formant la structure élastiquement déformable sont agencées perpendiculairement à l'axe central 32. A titre d'exemple, les membranes sont formées de feuilles d'acier ou de bronze-bérilium dans lesquelles des fentes sont usinées pour donner une capacité de déformation élastique suffisante selon un axe perpendiculaire à chaque membrane. De telles membranes présentes donc une certaine élasticité selon un axe perpendiculaire correspondant à l'axe central 32 mais une bonne rigidité dans le plan de la membrane. Ceci permet de garantir une bonne stabilité de la partie mobile et un mouvement correctement aligné sur l'axe central 32. Les fentes 76 de la membrane 44A représenté à la figure 2 présentent un tracé particulier étudié pour optimiser une bonne rigidité dans le plan de la membrane et une bonne élasticité de cette membrane selon un axe perpendiculaire.

De préférence il a été choisi d'utiliser un capteur de distance inductif. Cependant, la présente invention n'est pas limitée à un tel capteur et d'autres types de capteurs peuvent également être prévus, notamment des capteurs capacitifs. La paroi terminale 26 de la buse 20 présente une pluralité de trous ou de fentes 28 au travers desquelles un gaz fourni à cette buse sous une certaine pression peut s'écouler pour former un coussin d'air entre la buse 20 et un film ou une couche en défilement en regard de cette buse 20.

A la figure 5 est représentée une variante de réalisation du dispositif selon l'invention. Le dispositif 82 est similaire au dispositif 2 de la figure 1. II se distingue de celui-ci seulement par la forme de la buse 2OA. Dans la présente application, le film 48 dont l'épaisseur est mesurée par le dispositif 82 est agencée sur un cylindre métallique 84 dont la surface externe 86 définit une surface de référence pour la mesure de distance effectuée par le capteur 22. De manière à avoir entre la buse 2OA et le film 48 un coussin d'air présentant une épaisseur sensiblement constante, la paroi inférieure 26A de la buse est prévue légèrement concave avec un rayon de courbure correspondant sensiblement à celui de la surface de référence 86 du cylindre 84.

A l'aide de la figure 6, on décrira une variante de réalisation perfectionnée du dispositif de l'invention. Sur cette figure 6, seule la membrane supérieure 42 fixée au corps cylindrique 4 du dispositif 2 de la figure 1 a été représentée schématiquement. Etant donné que les membranes présentent une certaine constante d'élasticité et engendrent selon l'axe central une certaine force de rappel lorsqu'elles s'écartent de leur position zéro, il est prévu des moyens pour compenser cette force additionnelle à la force électromagnétique exercée par la bobine du dispositif de l'invention. Pour ce faire, il est prévu d'agencer un capteur 90 pour déterminer la position de la membrane 42. Le capteur 90 envoie un signal de position 92 à une unité de traitement électronique 94 qui détermine un facteur de correction du courant d'alimentation de la bobine en fonction de la position de la membrane 42. On notera que, de préférence, le réglage du courant d'alimentation de la bobine en fonction de la position de la membrane 42 tient compte également de phénomènes non linéaires parasites du dispositif. Le système aimant-bobine réagit très rapidement de sorte qu'il est possible de varier quasi instantanément le courant d'alimentation fourni à la bobine et par conséquent la force électromagnétique exercée sur la partie mobile du dispositif selon l'invention. Les moyens électroniques de traitement 94 fournissent ainsi un signal à un amplificateur 96 qui fournit un signal de commande 98 à l'alimentation électrique de la bobine. A la figure 7 est représentée partiellement une variante du dispositif de la figure 6 présentant un perfectionnement supplémentaire.

Le signal de position 92 fourni par le capteur 90 (non représenté) est fourni aux moyens de traitement 94 et en parallèle à un circuit électronique de dérivation 100. Les signaux fournis respectivement par l'unité de traitement 94 et par l'unité de dérivation 100 sont additionnés en opposition de phase de manière à former le signal de commande 98 de l'alimentation de la bobine. L'unité de dérivation 100 définit des moyens électroniques d'amortissement de vibrations éventuelles du dispositif de mesure à une fréquence propre de la partie mobile de ce dispositif. De telles vibrations peuvent être engendrées par l'installation dans laquelle le dispositif de l'invention est agencé. A titre d'exemple, la fréquence propre du dispositif de l'invention peut se situer entre 100 et 500 Hertz. Le capteur de position 90 et les circuits électroniques de traitement du signal définissent des moyens d'asservissement du courant d'alimentation de la bobine de manière à maintenir constante la force totale exercée sur la buse selon l'axe central du dispositif. Ainsi, l'épaisseur du coussin d'air peut être maintenue constante et la mesure de l'épaisseur moyenne dans la zone du film ou de la couche située en face de la buse est effectuée avec précision. Toute variation d'épaisseur est quasi instantanément détectée par le dispositif de mesure de l'invention.

On notera finalement que l'épaisseur du coussin d'air, notamment de l'ordre de 20 à 30 microns dépend également de la température et de la différence de pression entre le gaz fourni à la buse et la pression extérieure. L'homme du métier pourra prévoir des moyens pour compenser des variations de température ou de pression relative. Trois méthodes peuvent être mentionnées à titre d'exemples non limitatifs :

A) Contrôle de la pression relative et de la température. La différence de pression et la température peuvent être mesurées par des capteurs prévus à cet effet. La différence de pression peut être maintenue constante par un système de vannes réglables électroniquement. La température peut également être maintenue constante par un système de chauffage/refroidissement du gaz fourni. L'homme du métier connait de tels systèmes de réglage. B) Compensation électronique des variations de température et de pression relative. De manière empirique, il est possible de connaître le coefficient de variation de l'épaisseur du coussin d'air en fonction de la température du gaz et de la pression relative de celui-ci. Il est ainsi possible de compenser le signal de mesure d'épaisseur reçu par des moyens électroniques sur la base des coefficients prédéterminés.

C) Une méthode mixte entre les méthodes A et B citées ci-dessus.

On maintient la température du gaz sous pression par un système de régulation de cette température alors que la différence de pression mesurée est compensée numériquement par une table de correction prédéfinie. Cette approche mixte est préférée.

Claims

REVEN DICATIONS

1. Dispositif de mesure sans contact (2 ; 62 ; 82) de l'épaisseur moyenne, dans une certaine zone, d'au moins un film (48) ou une couche déposée sur un support, ce film ou cette couche défilant en regard de ce dispositif de mesure, lequel comprend un capteur de mesure de distance (22) et une buse (20, 20A) solidaire de ce capteur, ladite buse étant destinée à recevoir un gaz sous une certaine pression pour former un coussin d'air entre cette buse et ledit film ou ladite couche en défilement, cette buse étant associé à des moyens exerçant une certaine force sur elle de manière à maintenir le plus constant possible la distance entre ledit capteur et ledit film ou ladite couche, caractérisé en ce que ledit capteur et ladite buse sont montées sur une structure élastiquement déformable (42, 44 ; 42A et 44A) selon un axe central (32) du dispositif, et en ce que lesdits moyens exerçant une certaine force sur ladite buse sont formés par une bobine mobile (36) également montée sur ladite structure élastiquement déformable et couplée à un champ magnétique d'un aimant (14) agencé dans un circuit magnétique (6) du dispositif, ce circuit magnétique présentant un entrefer (12) dans lequel est agencée ladite bobine mobile (36) de manière à engendrer une force électromagnétique selon ledit axe central lorsque cette bobine est alimentée en courant électrique.

2. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite structure élastiquement déformable est formée de deux membranes (42, 44 ; 42A, 44A) agencées perpendiculairement audit axe central (32).

3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des deux membranes est formée par une feuille présentant une certaine élasticité selon ledit axe central mais étant relativement rigide dans le plan de cette feuille.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite feuille (42A, 44A), formant chaque membrane, est formée par une feuille métallique dans laquelle sont usinées diverses fentes (76).

5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur de mesure (22) est un capteur de distance inductif.

6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite buse (20, 20A) présente une paroi terminale (26) dans laquelle sont usinées une pluralité de trous ou de fentes (28) au travers desquelles un gaz fourni à cette buse peut s'écouler pour former ledit coussin d'air.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite paroi terminale (26A) de la buse (20A) a un profil externe qui suit sensiblement celui dudit film ou de ladite couche (48) en défilement sur un support cylindrique.

8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un capteur (90) de détection de la position d'au moins une des deux membranes (42, 44 ; 42A, 44A) et des moyens d'asservissement (94) du courant électrique d'alimentation de la bobine mobile (36) en fonction de la position de cette au moins une membrane, de manière à maintenir constante la force totale exercée sur ladite buse (20, 20A) selon ledit axe central (32).

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens électroniques (100) d'amortissement de vibrations éventuelles dudit dispositif à une fréquence propre de sa partie mobile.