JP2698749B2

JP2698749B2 - 鉄基板上の非鉄塗装および導電性基板上の非導電性塗装のための併用塗装厚さゲージ

Info

Publication number: JP2698749B2
Application number: JP5269509A
Authority: JP
Inventors: ジェー．コックフランク; シー．バンデルバルクレオン; ジェー．バーミッシュデビッド
Original assignee: デフェルスココーポレーション
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: USRE35703E; GB2271641A; DE4333419C2; US5343146A; GB9319413D0; GB2271641B; DE4333419C5; DE4333419A1; JPH06317401A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板表面の塗装厚さを
測定するためのゲージに関するものである。特に、本発
明は、鉄基板上の非鉄塗装および導電性基板上の非導電
性塗装の厚さを測定するための併用塗装厚さ計測用のゲ
ージに関するものである。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来
においては、塗装厚さゲージの使用者は、厚さの測定前
に、塗装が施された基板の種類を知る必要があった。基
板の種類を知った後に、使用者は、適切なプローブ構造
を選択して、適切な測定を行っていた。典型的な場合に
おいては、二つの独立した測定用システム、すなわち単
一のゲージに接続可能な二つの独立したプローブが必要
であった。また、種類の分かった基板上の塗装厚さを測
定するのに先立って、その標本（塗装と基板の組み合わ
せ）の特性を測定する必要があった。

【０００３】したがって、自動的に基板特性を測定し
て、その基板上の塗装厚さを測定することの可能な機器
に対する要望がある。このような機器を用いることによ
り、使用者は、機器に取り付けられた単一のプローブの
先端を標本上に設置し、このプローブに接続された適切
な機器を用いて、基板の種類を決定して、自動的に塗装
厚さを測定することが可能になる。

【０００４】以下に説明するように、幾つかの二重目的
用の電磁式厚さゲージが知られている。

【０００５】例えば、ニックス（Ｎｉｘ）等に付与され
た米国特許第３，９８６，１０５号の明細書には、細長
い強磁性コアに巻いた２つのコイルを用いたプローブが
開示されている。一方のコイルは励磁用電流を担持し、
他方のコイルは測定のために使用される。励磁周波数を
変更することにより、測定用コイル上における鉄基板お
よび非鉄基板の双方の磁気効果を測定することができ
る。低周波数（３００Ｈｚ以下）の励磁電流を用いるこ
とにより、鉄基板上の非鉄層の厚さの測定を行うことが
でき、高周波数（１０００Ｈｚ以上）の励磁電流を用い
ることにより、測定用コイルの渦電流効果を利用して、
非鉄導電性基板上の非導電性層の厚さを測定することが
できる。この二重目的用の電磁式厚さゲージは、塗装厚
さを測定するためにホール効果磁気センサに取り付けた
永久磁石によって形成される一定の磁場を利用してはい
ない。また、測定した磁束密度の温度変化を補償するた
めの手段を利用していない。さらには、導電性基板に対
する渦電流の侵入深さを低減できるような十分に高い周
波数で励磁された渦電流検索用コイルを利用していない
ので、基板厚さの変動に左右されることのない測定を行
うことができない。さらにまた、この二重目的用の電磁
式厚さゲージにおいては、基板の磁気特性に応じた厚さ
計測モードの切り換え（低および高周波数のコイル励磁
の切り換え）を自動ではなく、手動によっておこなって
いる。

【０００６】スムート（Ｓｍｏｏｔ）等に付与された米
国特許第４，００５，３５９号の明細書には、鉄基板お
よび非鉄導電性基板上の塗装厚さを測定するための電子
式の厚さゲージが開示されており、この測定は、鉄基板
および／または非鉄導電性基板を、変圧器の極表面のギ
ャップ間に架け渡したときにおけるオーバーカップルド
・ダブルチューンド・オープンフェース（ｏｖｅｒ−ｃ
ｏｕｐｌｅｄ，ｄｏｕｂｌｅ−ｔｕｎｅｄ，ｏｐｅｎ−
ｆａｃｅｄ）変圧器の応答曲線に現れる低周波の山の移
動を測定することにより行われる。塗装厚さおよび基板
の磁気特性の双方を、不正確さあるいは機器の変更を伴
うことなく、一つの動作によって測定することができ
る。これは、本件装置が、その自己インダクタンスおよ
び相互インダクタンスの変化に応じて、その全周波数応
答を変更することが可能だからである。この塗装厚さゲ
ージは、鉄基板およぎ非鉄導電性基板上の塗装厚さを測
定するためにオープン・フェース変圧器を必要とし、ま
た、変圧器の極表面の間の比較的大きなギャップ間に、
塗装が施された基板を架け渡す必要がある。このため
に、この装置は、塗装された基板に対して少なくも２か
所接触させる必要があり、この装置と塗装された基板と
の間の接触領域は比較的大きい。また、この装置は、い
ずれの塗装厚さ測定を行う場合にもホール発生器および
渦電流検索用コイルを用いていないので、この装置を、
非常に小さな接触領域の一か所で塗装が施された表面に
接触させる単一ゲージ・プローブの中にコンパクトに装
着することができない。したがって、ホール発生器を用
いて鉄基板の判別を行い、渦電流検索コイルを用いて非
鉄基板の判別を行い、鉄製および非鉄製基板上の塗装厚
さを測定するために一方の測定モードから他方の測定モ
ードへの切り換えを自動的に行い、比較的狭い接触領域
で塗装された基板に対して一か所だけ接触させるように
なっているコンパクトな塗装厚さゲージ・プローブに対
する要望がある。

【０００７】ザセピン（Ｚａｔｓｅｐｉｎ）等に付与さ
れた米国特許第４，２５５，７０９号の明細書に開示さ
れた塗装厚さ測定用の装置は、個々の用途に応じて、例
えば、電磁式、マイクロウエーブ式、超音波式等の異な
った種類の厚さゲージを用いている。この測定装置は、
金属製品表面の誘電塗装の厚さ、および強磁性製品表面
の非磁性電着層の厚さを測定するものである。厚さゲー
ジを適切に選択して、本件の装置は、非磁性の電流搬送
材料表面の非磁性の電流搬送塗装の厚さを測定する。こ
の明細書に記載の塗装厚さゲージ・システムは、測定レ
ンジの自動切り換え用ユニットを用いているが、この測
定レンジの自動切り換えは、下地の基板の磁気特性に関
係なく、一方の厚さ測定レンジから他方のレンジに自動
的に切り替わってしまう。この装置は、基板の磁気特性
に応じた厚さゲージの切り換えを自動的にではなく手動
により行っている。したがって、自動的に決定される下
地の基板の性質に応じて、塗装厚さ測定用モードを自動
的に切り換えることの可能な併用塗装厚さ測定用の単一
ゲージプローブに対する要望がある。

【０００８】シュミット（Ｓｃｈｍｉｄｔ）等に付与さ
れた米国特許第４，７２２，１４２号の明細書に開示の
装置は、金属製の筒状部材の内周壁表面のプラスチック
等の導電性の高くない塗装の厚さ測定と、金属製筒状部
材の全長さを測定するためのものである。この装置は、
塗装厚さを測定するために、電子式の渦電流損失近接デ
ィテクターを使用することが好ましいとされている。

【０００９】ローズ（Ｒｏｓｅ）等に付与された米国特
許第５，０１５，９５０号の明細書に開示されているシ
ステムは、導電性材料表面のバリア塗装の非破壊解析用
のものであり、塗装の局所部分に調整された既知の値の
熱荷重を加えて、渦電流コイルを用いて、下地の材料の
導電特性の変化を測定することによって解析を行うもの
である。材料の導電性は、塗装を通して材料内に伝わる
熱伝導に関する温度変化に影響されるので、いずれの種
類の塗装においても、解析対象である塗装の厚さ、その
熱抵抗、および／またはその構造上の一体性がその変化
によって影響される。

【００１０】上記のシュミットおよびローズ等の発明に
よる塗装厚さ測定用装置は、いずれも、渦電流ディテク
ターを用いて導電性基板表面の塗装厚さを測定している
が、これらの装置のいずれにおいても、ホール発生器を
用いて鉄基板表面の塗装厚さの測定は行っておらず、し
たがって、これらのいずれの装置においても、基板の磁
気特性に応じてディテクターを自動的にあるいは手動に
より切り換えることは行っていない。

【００１１】このように、ホール発生器を用いて鉄基板
上の非鉄塗装の厚さを測定し、渦電流検索コイルを用い
て導電性の非鉄基板上の非導電性塗装の厚さを測定し、
下地の基板の性質の自動判別結果に応じて塗装厚さ測定
用モードの自動切り換えが可能な併用塗装厚さ測定用の
ゲージプローブに対する要望がある。この必要とされて
いるゲージプローブは、塗装基板表面に対して、比較的
狭い領域で一か所だけ接触させて測定できることが必要
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のハンドヘルド式
の併用塗装厚さゲージは、鉄基板上の非鉄塗装および導
電性の非鉄基板上の非導電性塗装の双方の厚さ測定を行
うことができる。このゲージプローブにおいては、単一
のプローブにより、基板の特性を自動的に判別して、そ
の基板上の塗装厚さの測定を行うことができる。このゲ
ージプローブは、単一のプローブで双方の種類の測定を
行うために必要とされるセンサと一体化されている。

【００１３】鉄基板上の塗装を測定するための技法とし
ては、一定の磁束を形成するための永久磁石と、ホール
センサと、サーミスタを用い、これらを、永久磁石製の
一方の極における温度補償された磁束密度を測定するよ
うに構成している。磁極の磁束密度は、鉄基板上の非鉄
塗装厚さに相関する。導電性の非鉄基板上の非導電性塗
装を測定するための技法としては、渦電流効果を用いて
いる。ゲージプローブ先端に近接配置したコイルを、約
６ＭＨｚと約１２ＭＨｚの範囲内の周波数の交流電流に
よって励磁する。このコイルにより、導電性基板の表面
上に渦電流が形成される。これにより、渦電流は反対極
性の磁束を形成し、この磁束により、励磁されたコイル
が影響を受ける。コイルに対する渦電流効果の量は、コ
イルのインピーダンスを測定することにより求められ、
渦電流効果の程度は、導電性基板上の非導電性塗装の厚
さに相関する。コイルのインピーダンスは、導電性基板
上の非導電性塗装の厚さに対応する。

【００１４】ゲージプローブは基板の種類を検出し、自
動的に適切な測定モードへの切り換えを行い、自動的に
検出基板上の塗装厚さの測定を行う。

【００１５】本発明のゲージプローブは、ホール発生器
およびサーミスタを用いて永久磁石の極における温度補
償された磁束密度を測定する鉄基板判別の塗装厚さゲー
ジに使用するのに適している。磁束密度および温度の測
定値は、温度補償された磁束密度の値に変換される。こ
の値は、鉄基板上の塗装の厚さに比例している。基板が
鉄製でないことが検出された場合には、塗装厚さゲージ
は自動的に導電性の非鉄基板判別用に切り換わり、渦電
流検索コイルを用いた塗装厚さ測定用磁束により、導電
性の非鉄基板に発生した渦電流の効果を測定する。この
渦電流の測定値は渦電流周波数の値に変換され、この値
は、導電性の非鉄基板上の塗装の厚さに比例する。

【００１６】上記およびその他の本発明の特徴は、添付
図面を参照して以下の詳細な説明から理解することがで
きる。

【００１７】

【実施例】図１および図２は、本発明によるゲージプロ
ーブの実施例の断面図である。これらの各断面は、図２
におけるＩＡ−ＩＡ線および図１におけるＩＢ−ＩＢ線
で切断したものである。円筒状のプローブ・シェル２０
は円筒状のプローブ・コア１０を取り囲んでいる。この
プローブ・コア１０は、環状の渦電流検索コイル６０を
有しており、このコイルは円筒状のホール効果磁気セン
サ５０をコンパクトな状態で内蔵している。この渦電流
検索コイル６０は熱伝導性のエポキシ樹脂８０に装着さ
れ、このエポキシ樹脂により、渦電流検索コイル６０は
プローブ・コア１０に取付けられ、渦電流検索コイル６
０が励磁された時に発生する熱が放散されるようになっ
ている。十分に高い周波数（約１０００Ｈｚ以上）の交
流電流によって励磁することにより、渦電流検索コイル
６０は、下地の導電性基板の表面からその基板の略侵入
深さまで至る渦電流を発生する。基板の侵入深さは、渦
電流検索コイル６０を励磁する交流電流の周波数に応じ
て変動し、別の基板においても異なる。本発明の測定用
プローブによれば、渦電流検索コイル６０を十分に高い
周波数の交流電流によって励磁することにより、導電性
基板内への渦電流の侵入深さを減少させて、基板厚さの
変動に影響されない渦電流効果の測定を実現することが
できる。

【００１８】ホール効果磁気センサ５０は円筒状の永久
磁石３０の一端に取付けられ、このホール効果磁気セン
サ５０に最も近い磁石３０の極表面の近傍における磁束
密度を測定するようになっている。このホール効果を用
いて、ホール効果磁気センサ５０を通る磁界Ｂ_iの測定
を行う。この磁界Ｂ_iは、次式により規定される表面を
通過する磁束密度φと相関関係にある。

【００１９】

【数１】

【００２０】この式において、積分は微分表面要素ｄＡ
_iを用いて関連表面の全体に対して行っている。

【００２１】図３はホール効果を説明するための電流お
よび磁界の配列を示すものである。図３に示す導電体あ
るいは半導体のスラブ４００は、ｚ方向の厚さがｔであ
り、ｙ方向の幅がｗであり、ｘ方向に電流密度Ｊ_xが伝
搬され、ｚ方向に延びる磁界Ｂ_z内に設置されている。
電流密度Ｊ_xは密度ｎの電荷キャリアから構成され、各
電荷キャリアは電荷ｑを担持して、ｖ_xのドリフト速度
でｘ方向に移動する。ローレンツ力Ｆ_i ^Lorentzは次式
で与えられる。

【００２２】

【数２】

【００２３】この式において、Ｅ_iは電荷キャリアに対
する電界であり、ε_ijkは三次元空間内の完全に非対称
のテンソルである。最初に、Ｅ_iが零であり、ローレン
ツ力Ｆ_i ^Lorentz＝Ｆ_y ^Lorentz＝−ｑｖ_xＢ_z＝−
（Ｊ_x／ｎ）Ｂ_zは、ｙ方向における負の方向である。
電荷キャリアがスラブ４００の表面上においてｙ方向の
負方向に直交する方向に堆積するのに伴って、電場Ｅ_i
＝Ｅ_y＝ｖ_xＢ_z＝（Ｊ_x／（ｎｑ））Ｂ_zが、ｙ方向
の正の方向に形成され、全体の実ローレンツ力Ｆ_i
^Lorentzを中性化して平衡状態に導き、力が完全に釣り
合った状態になる。

【００２４】補償電界Ｅ_yによりホール電圧Ｖ_Hall＝ｗ
Ｅ_yがスラブ４００の間に発生し、ホール効果が現れ
る。このホール効果は、十分な精度で測定することがで
きる。スラブ４００を流れるホール電流Ｉ_Hallは、Ｉ
_Hall＝ｗｔＪ_xなので、単純に電流密度Ｊ_xと相関して
おり、ホール電圧Ｖ_Hallと同様に、ホール電流Ｉ_Hallも
十分な精度で測定することができる。ホール抵抗Ｒ_Hall
は次式により求めることができる。

【００２５】

【数３】

【００２６】ここに、Ｖ_Hall＝ｗＥ_y＝ｗ（Ｊ_x／（ｎ
ｑ））Ｂ_zであり、Ｉ_Hall＝ｗｔＪ_Xはホール定数Ｒ＝
（１／（ｎｑ））に相関している。このホール抵抗Ｒ
は、多くの導電体および半導体について実験的に測定さ
れている。したがって、スラブ４００の素材のホール定
数Ｒを求め、スラブ４００の厚さｔを求め、ホール電圧
Ｖ_Hallとホール電流Ｉ_Hallとを十分な精度で測定するこ
とにより、スラブ４００を通る磁界Ｂ_zの量を測定する
ことができる。

【００２７】使用材料におけるホール定数Ｒ＝（１／
（ｎｑ））はその材料中における電荷キャリアの密度ｎ
に応じて変動する。一方、材料中の電荷キャリアの密度
ｎは材料の温度に応じて変動する。すなわち、ｎ＝ｎ
（Ｔ）であり、Ｔは材料の絶対温度である。よって、既
知のように、ホール効果を利用した磁界の測定を、ホー
ル効果磁気センサの温度に対して非常に敏感にすること
ができる。

【００２８】サーミスタ４０はホール効果磁気センサ５
０に取付けられており、永久磁石３０と接触している。
サーミスタ４０はホール効果磁気センサ５０の温度を測
定し、測定した温度をコントローラ９０に出力する。

【００２９】プローブ・コア１０に接続したプローブ先
端７０はプローブ・シェル２０の底から突出している。
プローブ先端７０はプローブ・コア１０と塗装基板の表
面との間のスペーサとして機能して、プローブ・コア１
０の円筒対称軸が塗装基板の平坦な表面に対して実質的
に垂直になっている場合には、塗装表面とプローブ・コ
ア１０の間を既知の距離ｄに保持する。プローブ・コア
１０の円筒対称軸を塗装基板の平坦な表面に対してほぼ
垂直に保持することが好ましい理由は、このように配置
することにより、ホール効果磁気センサ５０の磁束密度
φの測定を極めて均一に行うことが確保できるからであ
る。このプローブ先端７０を配置したことにより、ホー
ル効果磁気センサ５０と塗装表面との間の距離も既知と
なり、さらには、ホール効果磁気センサ５０に最も近い
永久磁石３０の極表面と塗装表面との間の距離が既知と
なる。

【００３０】塗装厚さの表示を行うためには、オペレー
タはプローブ先端７０を測定対象の塗装表面に置いて、
プローブ・コア１０の円筒対称軸が塗装基板の表面に対
して略垂直となるようにする。コントローラ９０がホー
ル効果磁気センサ５０における磁束密度φの測定を行
う。コントローラ９０はまた、ホール効果磁気センサ５
０の温度の測定を行う。塗装表面に最も近い永久磁石３
０の極表面は、塗装表面に対してほぼ平行となるように
向いており、したがって、下地の基板に対してほぼ平行
となっているので、磁束密度φの測定の均一性をさらに
確保することができる。磁束密度φの測定は、永久磁石
３０の極表面に取り付けたホール効果磁気センサ５０を
用いて行われ、温度の測定は、ホール効果磁気センサ５
０および永久磁石３０の双方に取りついているサーミス
タ４０を用いて行われる。

【００３１】ホール効果磁気センサ５０は、従来の場合
と同様にして永久磁石３０の極表面の近傍における磁束
密度φを表示できるように、コントローラ９０に接続さ
れている。同様に、サーミスタ４０も、従来の場合と同
様にしてホール効果磁気センサ５０の温度を表示できる
ように、コントローラ９０に接続されている。コントロ
ーラ９０は、従来と同様にして、指示された磁束密度φ
および温度Ｔを、永久磁石３０の極表面の近傍における
温度補償された後の磁束密度φ^tempcompに比例する量に
変換する。

【００３２】図４および図５は、永久磁石３２を、その
極表面とほぼ平行な表面を有する金属基板１００に接近
させた場合における、この永久磁石３２の極表面での磁
界ライン３１と磁束密度φへの影響を概略的に示してあ
る。図４は、磁石３２を、この磁石の極表面にほぼ平行
な金属基板の上方において距離ｄ₁だけ離れた位置にあ
る場合を示している。磁束密度φ₁は、磁石３２の極表
面の面積とほぼ同一の面積の平面部分Ａを通る磁界ライ
ン３１の数により表してある。この平面部分Ａは磁石３
２と鉄基板１００の間において磁石３２の極表面に近い
側に位置しており、磁石３２と鉄基板１００の双方に対
してほぼ平行となっている。

【００３３】同様に、図５は、磁石３２を、磁石３２の
極表面にほぼ平行な鉄基板１００の上方の距離ｄ₂の位
置に配置した場合を示している。磁束密度φ₂は、磁石
３２の極表面の面積とほぼ同一の面積の平面部分Ａを通
る磁界ライン３１の数により表してある。この平面部分
Ａは磁石３２と鉄基板１００の間において磁石３２の極
表面に近い側に位置しており、磁石３２と鉄基板１００
の双方に対してほぼ平行となっている。

【００３４】磁石３２が鉄基板１００に接近するに伴っ
て、磁石３２の極表面から発生して高透過性の強磁性の
鉄基板１００に入る磁界ライン３１の本数が増加する。
よって、磁石３２が鉄基板１００に接近するのに伴っ
て、平面部分Ａを通る磁界ライン３１の本数も増加す
る。したがって、磁石３２と鉄基板１００の間の距離が
減少するのに伴って、磁束密度φが増加する。図４およ
び５においては、ｄ₂＜ｄ₁なので、φ₂＞φ₁であ
る。磁束密度φは、磁石３２と鉄基板１００の間の距離
ｄに対して逆の関係にある。測定した磁束密度φと、磁
石３２および鉄基板１００の間の距離ｄとの間の相関関
係を用いて、鉄基板１００上の非鉄塗装の厚さを測定す
るゲージの較正を行うことができる。

【００３５】サーミスタ４０はホール効果センサ５０の
温度Ｔを出力し、コントローラ９０はこれを用い、ホー
ル効果磁気センサ５０と永久磁石３０の各組み合わせに
対して実験的に求められた補償係数を用いて、ホール効
果磁気センサ５０から出力される磁束密度φの温度補償
を行う。温度補償された後の磁束密度φ^tempcompは、プ
ローブ先端７０と下地の鉄基板の間の距離ｄ^coatingに
対して実験的に相関関係と言える。実験上のポイントに
ほぼ一致する数学的な関係、好ましくは次式の関係を求
めることができる。この式においてｖは適応指数であ
る。

【００３６】

【数４】

【００３７】実験により求めた数学的関係を用いて、コ
ントローラ９０は、温度補償された磁束密度φ^tempcomp
の測定値から非鉄塗装の厚さｄ^coatingを測定する。

【００３８】渦電流検索コイル６０は図６および図７に
示すように構成されており、このコイル６０は塗装およ
び基板に対して平行に配置され、図６に示すコイル６０
の内径間の領域の測定における均一性をより高めるよう
にしている。コイル６０は、３９ＡＷＧワイヤをパンケ
ーキ状に６０回巻き、内径が約３ｍｍで、外径が約５．
２５ｍｍで、厚さが約０．５ｍｍとなるようにすること
が好ましい。図１および図２に示すように、渦電流検索
コイル６０はホール効果磁気センサ５０の外側に巻か
れ、これによりスペースを節約し、コンパクトなプロー
ブ・コア１０を構成し、したがって、コンパクトなゲー
ジプローブを構成している。このコンパクトなゲージプ
ローブにより得られる利点は、塗装基板との接触面積が
比較的小さな一か所の領域で済むということであり、こ
の接触面積は、プローブ先端７０と塗装基板との接触面
積により規定される。接触面積が小さいということは、
加熱された塗装基板の塗装厚さを測定する場合に特に有
利である。さらに、コイル６０を可能な限りプローブ先
端７０の近くに配置してあり、したがって、コイル６０
を塗装基板の表面に可能な限り近くに配置してあるの
で、コイル６０と、基板に誘起される渦電流との間のエ
アーギャップを小さくでき、よって、コイル６０と誘起
渦電流の間の磁気結合を強化でき、より正確な測定を行
うことができるように、コイル６０と誘起渦電流とを相
互に影響させることができる。

【００３９】渦電流検索コイル６０の励磁は、約６ＭＨ
ｚと約１２ＭＨｚの間の周波数で振動する交流電流によ
って行われ、導電性基板１１０の表面上あるいはその近
傍に渦電流が形成される。一方、コイル６０によって誘
起される渦電流により、反対極性の磁界がレンツの法則
にしたがって形成される。これにより、渦電流検索コイ
ル６０は、ネット磁束密度φ^netを検知する。このネッ
ト磁束密度は、次式により求まる励磁用磁束密度φ
^excite と渦電流磁束密度φ^eddyとの差であり、時間ｔ
およびコイル６０の対称軸に直交する非鉄製の導電性基
板の表面上におけるコイル６０の高さｚにおける磁束密
度φの値に明らかに依存している。

【００４０】

【数５】

【００４１】図８および図９は、コイル６０を、それに
略平行な表面１１２を有する非鉄製の導電性材料１１０
に近づけた場合に現れる磁界ライン３１と、コイル６０
にリンクしているネット磁束密度φ^netへの影響とを示
している。図８および図９に示す時点は、コイルによっ
て誘導された磁場が下方に向けて最大値となった時点で
ある。図８に示すコイル６０は、コイル６０の部分に対
して実質的に平行な非鉄製の導電性基板１１０の表面１
１２に対して上方に距離Ｄ₁の位置にある状態を示して
ある。距離Ｄ₁における時点での磁束密度φ^exciteは、
コイル６０を通って下方に向かっている磁場ライン３１
の本数によって表示されている。距離Ｄ₁における時点
での渦電流による磁束密度φ^eddyは、コイル６０を通っ
て上方に向かっている磁場ライン３１の本数によって表
示されており、この時点での渦電流３２は表面１１２上
に表示されている。

【００４２】同様に、図９に示すコイル６０は、コイル
６０の部分に対して実質的に平行な非鉄製の導電性基板
１１０の表面１１２に対して上方に距離Ｄ₂の位置にあ
る状態を示してある。距離Ｄ₂における時点での磁束密
度φ^exciteは、コイル６０を通って下方に向かっている
磁場ライン３１の本数によって表示されている。距離Ｄ
₂における時点での渦電流による磁束密度φ^eddyは、コ
イル６０を通って上方に向かっている磁場ライン３１の
本数によって表示されており、この時点での渦電流３２
は表面１１２上に表示されている。

【００４３】コイル６０が非鉄製の導電性基板１１０に
より接近すると、コイル６０にリンクしている磁場ライ
ン３１の実際の本数が減少する。よって、コイル６０が
非鉄製の導電性基板１１０に向けてより接近すると、コ
イル６０の部分を通過する磁場ライン３１の本数が減少
するので、コイル６０と非鉄製の導電性基板１１０との
距離Ｄが減少するのに伴って、ネット磁束密度φ^netが
減少する。図８および図９には、Ｄ₂＜Ｄ₁なので、ネ
ット磁束密度φ^net＝φ^excite−φ^eddyが減少すること
を示している。この磁束密度φ^netは直接にコイル６０
と非鉄製の導電性基板１１０との間の距離に相関関係に
ある。測定した磁束密度φ^netと、コイル６０および非
鉄製の導電性基板１１０の間の距離Ｄとの相関関係を用
いて、非鉄製の導電性基板１１０上の非導電性塗装の厚
さを測定するゲージの較正を行うことができる。

【００４４】このように、コイル６０の対称軸に対して
ほぼ直交している非鉄製の導電性基板１１０の表面１１
２に対してコイル６０を接近させると、それに伴って、
コイル６０に対する渦電流磁束密度φ^eddyのリンクが増
加して、このコイル６０にリンクしている全ネット磁束
密度φ^netが減少する。コイル６０のインピーダンスＺ
^coilはコイル６０にリンクしているネット磁束密度φ
^netに比例するので、コイル６０のインピーダンスＺ
^coilは導電性基板１１０の表面からコイル６０までの距
離に応じて変動する。

【００４５】コイル６０に接続されているコントローラ
９０は、従来と同様にして、コイル６０のインピーダン
スＺ^coilを測定する。測定されたコイル６０のインピー
ダンスＺ^coilは実験的に、プローブ先端７０と下地の導
電性基板との間の距離に対して一定の関係を持たせるこ
とができる。数学的な関係は好ましくは次式であり、こ
の式において、ξは適応指数であり、この式を、実験ポ
イントに略一致するように決定することができる。

【００４６】

【数６】

【００４７】このように実験的に決定した数学的関係を
用いて、コントローラ９０は、コイル６０のインピーダ
ンスＺ^coilの測定値から非導電性塗装の厚さＤ^coating
を計測する。

【００４８】図１および２、並びに図１０に示すよう
に、コントローラ９０は、ホール効果磁気センサ５０、
サーミスタ４０および渦電流検索コイル６０からの入力
を受取、これらに対して制御コマンドを送る。また、コ
ントローラ９０は、計測された塗装厚さを指示するイン
ジケータ９５に対して信号を出力する。コントローラ９
０はユーザー・インターフェース１２０から入力信号を
受け取る。図１０においては、電気的な接続関係を実線
の矢印で示してある。熱的な接続関係を破線の矢印で示
してある。本発明の好ましい実施例においては、渦電流
検索コイル６０と、サーミスタ４０と、ホール効果磁気
センサ５０と永久磁石３０の間の熱的な接続は、図２に
示すように、熱伝導性のエポキシ樹脂によって形成され
ている。

【００４９】本発明の好ましい実施例においては、コン
トローラ９０は、必要な入力／出力通信部分を備えた一
般的なマイクロプロセッサを備えている。コントローラ
９０は、金属基板上のｄ^coatingの指標レンジを予め設
定した任意の値ｄ^maxに制限して、金属基板上のｄ
^coatingの指標がｄ^maxの値を越えた場合には、自動的
に切り換えを行い、渦電流検索コイル６０を用いた従来
式の渦電流による手法を利用して塗装厚さの測定を行う
ようになっている。予め設定したこの任意の値ｄ^maxは
一般的な方法でコントローラ９０のメモリ領域内に記憶
される。例えば、最大約６０ミル（約１．５２４ｍｍ）
までの塗装厚さを計測するのに用いる本発明による好適
なゲージの実施例においては、ｄ^maxの好ましい値は、
約８０ミル（約２．０３２ｍｍ）である。

【００５０】物理的に言って、基板近傍における外部磁
界上の非鉄導電性基板下地に誘導される渦電流の効果
は、外部磁場が永久磁石３０等のような永久磁石により
形成された場合でも、コイル６０のような電磁コイルに
よって形成された場合でも、同一である。図９に示すよ
うに、レンツの法則が示すように、導電性基板内の誘導
渦電流３２により形成される磁界の実効果は、平面部分
Ａを通過する磁界ライン３１の実本数が減少して、平面
部分Ａを通過する下方に向かう磁界ラインの本数から、
平面部分Ａを通過する上方に向かう磁界ラインの本数を
引いたものとなる。したがって、導電性基板内の誘導渦
電流によって、実磁束密度φ^netは減少する。この導電
性基板内の誘導渦電流３２による実磁束密度φ^netの減
少は、下地の導電性基板に対してプローブ先端７０が接
近すればするほど顕著になり、また、塗装厚さが薄い
程、より顕著になる。プローブ先端７０と下地の基板と
の間の距離ｄの減少に応じた、下地の導電性基板内の誘
導渦電流による実磁束密度φ^netの減少は、プローブ先
端７０と下地の基板との間の距離ｄの減少に応じて、実
磁束密度φ^netの増加とは正に逆の関係になる。温度補
償された磁束密度φ^tempcompが、予め設定した閾値ｄ
^maxを越える塗装厚さｄ^coatingに対して相関関係にあ
る限りは、コンロトーラ９０は、鉄基板上に厚さｄ
^coatingの過度に厚い非鉄塗装が存在するのではなく、
下地の導電性基板が存在しているものとの判断を自動的
に行う。よって、コントローラ９０は、誘導渦電流効果
の測定を直接にしかも正確に行えるように自動的に切り
換えを行い、非鉄導電性基板上の非導電性塗装の厚さＤ
^coatingの測定を行う。

【００５１】オペレータが前もって、導電性基板上の非
導電性塗装の測定のみを行うことが分かっている場合に
は、ユーザーは、ユーザー・インターフェース１２０を
用いてコントローラ９０が渦電流検索コイル６０を用い
た塗装厚さ測定のみを行うように、このコントローラを
ロックすることができる。オペレータによりコントロー
ラ９０がロックされていない場合には、コントローラ９
０は、先ず、温度補償された磁束密度φ^tempcompを測定
し、誘導渦電流効果の測定をする前に、ｄ^coatingがｄ
^max以上であるか否かを判別するテストを行う。

【００５２】図１１には、コントローラ９０によって行
われる動作の流れのステップを示してある。コントロー
ラ９０は、ステップ９００において、ロックが設定され
ているか否かの判別テストを行う。ロックがオンの場合
には、コントローラ９０はステップ１０６０に進む。ロ
ックがオフの場合には、コントローラ９０はステップ１
０００に進む。コントローラ９０はホール効果磁気セン
サ５０を励磁し、ホール効果磁気センサ５０によって測
定された磁束密度φがステップ１０００においてコント
ローラ９０に入力される。サーミスタ４０によって測定
された温度Ｔがステップ１０１０においてコントローラ
９０に入力される。コントローラ９０は、入力された磁
束密度φと、温度Ｔとを用いて、ステップ１０２０にお
いて、温度補償された磁束密度φ^tempcompを算出する。
ステップ１０３０において、コントローラ９０は、温度
補償された磁束密度φ^tempcompを、プローブ先端７０と
下地の鉄基板との間の距離ｄ^coatingに対して対応付け
する。このステップ１０３０において、コントローラ９
０は、次の数式を用いて、温度補償された磁束密度φ
^tempcompを距離ｄ^coatingに対して対応付けすることが
好ましい。

【００５３】

【数７】

【００５４】この式において、ｋ_EXPは実験的に求めた
比例定数であり、ｖ_EXPは実験的に求めた指数値であ
る。

【００５５】コントローラ９０は、ステップ１０４０に
おいて、ステップ１０３０において算出した距離ｄ
^coatingが予め設定した最大値ｄ^max以上であるか否か
を調べるためのテストを行う。距離ｄ^coatingが予め設
定した最大距離ｄ^max以上ではない場合には、コントロ
ーラ９０は、ステップ１０５０において、インジケータ
９５に対して信号を送り、鉄基板上の非鉄塗装の測定厚
さとして距離ｄ^coatingを表示させる。次に、ステップ
９００に戻り、ロックが設定されているか否かを判別す
る。

【００５６】ステップ１０４０の判別において、ｄ
^coatingが予め設定した最大値ｄ^max以上であることの
結果が出た場合には、コントローラ９０は、渦電流検索
コイル６０を励磁して、ステップ１０６０において、実
磁束密度φ^net＝φ^excite−φ^ed ^dyを入力する。コント
ローラ９０は、ステップ１０７０において、実磁束密度
φ^netを、プローブ先端７０と下地の非鉄導電性基板と
の間の距離Ｄ^coatingに対応付けする。コントローラ９
０による、ステップ１０７０での実磁束密度φ^netのプ
ローブ先端７０と下地の非鉄導電性基板との間の距離Ｄ
^coatingに対する対応付けは、次の数学的関係を用いる
ことが好ましい。

【００５７】

【数８】

【００５８】この式において、Ｋ_EXPは実験的に求めた
比例定数であり、ξは実験的に求めた指数値である。

【００５９】ステップ１０７５において、コントローラ
９０は、ステップ１０７０において算出した距離Ｄ
^coatingが予め設定した最大値Ｄ^max以上であるか否か
を判別する。距離Ｄ^coatingが予め設定した最大値Ｄ
^max以上ではない場合には、コントローラ９０はステッ
プ１０８０においてインジケータ９５に信号を送り、距
離Ｄ^coatingを非鉄導電性基板上の非導電性塗装の測定
厚さとして表示させる。次に、コントローラ９０は、ス
テップ９００に戻り、ロックが設定されているか否かを
判別する。

【００６０】ステップ１０４０の判別で、Ｄ^coatingが
予め設定した最大値Ｄ^max以上であるとの結果が出た場
合には、ステップ１０８５において、コントローラ９０
はインジケータ９５に信号を送り、読み取りが無効であ
る旨を表示させる。次にコントローラ９０はステップ９
００に戻り、ロックが設定されているか否かを判別す
る。

【００６１】本発明によるゲージプローブの別の実施例
では、永久磁石３０の代わりに、円筒状の強磁性コア片
を用いている。この実施例においては、コイル６０が、
ホール効果磁気センサ５０の周りではなく、ホール効果
磁気センサ５０に最も近い円筒状の強磁性コア片の先端
の周りに巻かれる。コントローラ９０が、周波数が零の
電流、すなわち直流電流（Ｄ．Ｃ．）でこの円筒状の強
磁性コアー片に巻かれたコイル６０を励磁すると、前述
した好適な実施例における永久磁石３０に取って代わる
電磁石が形成される。この実施例においては、コントロ
ーラ９０により、ホール効果磁気センサ５０が、鉄基板
上の非鉄塗装の厚さを計測しようとしているときに、こ
のセンサが励磁されるのと実質的に同時にコイル６０を
Ｄ．Ｃ．で励磁することを確保している。

【００６２】以上、本発明を特定の実施例について説明
してきた。しかし、当業者にとっては、本発明がこれら
の実施例に限定されるものではなく、これらの実施例以
外の装置および方法に対して組み込みあるいは実施でき
るこということは明確である。例えば、前述の「鉄基
板」という用語は、より一般的に「磁気基板」を含むも
のとして理解すべきであり、また、「非鉄塗装」という
用語は、より一般的には「非磁性塗装」を含むものとし
て理解すべきである等である。このように、本発明は上
記の特定の実施例に限定されるものとして解釈されるべ
きではなく、添付の特許請求の範囲に対応したものとし
て解釈すべきである。さらに、添付の特許請求の範囲の
記載において、構造、材料あるいは動作を特定すること
なく特定の機能を実現するための手段あるいは工程とし
て表現される添付の特許請求の範囲の記載における各要
素は、本明細書に記載され、あるいはそれらと同等であ
る対応する構造、材料あるいは動作を包含するものであ
る。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のハンドヘ
ルド式の併用塗装厚さゲージは、鉄基板上の非鉄塗装お
よび導電性の非鉄基板上の非導電性塗装の双方の厚さ測
定を行うことができる。このゲージプローブにおいて
は、単一のプローブにより、基板の特性を自動的に判別
して、その基板上の塗装厚さの測定を行うことができ
る。このゲージプローブは、単一のプローブで双方の種
類の測定を行うために必要とされるセンサと一体化され
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプローブにおける図２のＩＡ−ＩＡ線
で切断した部分の横断面図である。

【図２】本発明のプローブにおける図１のＩＢ−ＩＢ線
で切断した部分の横断面図である。

【図３】ホール効果を示すために電流と磁界の配置関係
を示す説明図である。

【図４】金属基板上の距離ｄ₁にある永久磁石の磁界ラ
インを示す説明図である。

【図５】図４の距離ｄ₁よりも小さな距離ｄ₂だけ金属
基板の表面から上方に離れた位置にある永久磁石の磁界
のラインを示す説明図である。

【図６】本発明の実施例で使用する渦電流コイルにおけ
る図７のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線で切断した部分を示す横
断面図である。

【図７】本発明の実施例で使用する渦電流コイルにおけ
る図６のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線で切断した部分の横断面
図である。

【図８】非金属製の導電性基板上の距離Ｄ₁にある電磁
コイルの磁界ラインを示す説明図である。

【図９】図８の距離Ｄ₁よりも小さな距離Ｄ₂だけ非金
属製の導電性基板の表面から上方に離れた位置にある電
磁コイルの磁界ラインを示す説明図である。

【図１０】本発明の実施例におけるゲージ用コンローラ
の概略図である。

【図１１】図１０に示すコンローラによって行われる動
作ステップのフローチャートである。

【符号の説明】

１０・・・プローブ・コア２０・・・プローブ・シェル３０・・・永久磁石４０・・・サーミスタ５０・・・ホール効果磁気センサ６０・・・渦電流検索コイル７０・・・プローブ先端８０・・・エポキシ樹脂９０・・・コントローラ９５・・・インジケータ１２０・・・ユーザー・インターフェース

フロントページの続き (72)発明者レオンシー．バンデルバルクアメリカ合衆国ニューヨーク州 13669 オグデンスブルグピー．オー. ボックス 676 デフェルスココーポレーション内 (72)発明者デビッドジェー．バーミッシュアメリカ合衆国ニューヨーク州 13669 オグデンスブルグピー．オー. ボックス 676 デフェルスココーポレーション内 (56)参考文献特開昭57−57204（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−188802（ＪＰ，Ａ) 米国特許3986105（ＵＳ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄基板上の非鉄塗装および導電性の非鉄
基板上の非導電性塗装の双方の膜厚を測定するための塗
装厚ゲージにおいて、磁石と、前記磁石の極表面近傍の磁界を検知するように、当該極
表面の近接位置に配置された磁束密度センサと、前記極表面の近傍周囲に配置された渦電流検索コイル
と、前記磁束密度センサおよび前記渦電流検索コイルからの
入力を受け取り、これらの入力のうちの一つを塗装厚さ
の算出に使用するために自動的に選択し、選択した入力
に基づき塗装厚さを算出する制御手段と、を有することを特徴とする塗装厚さゲージ。
【請求項２】請求項１において、前記磁石、前記磁束
密度センサおよび前記渦電流検索コイルは、単一のゲー
ジプローブ内に配置されていることを特徴とする塗装厚
さゲージ。
【請求項３】請求項２において、さらに、前記磁束密
度センサの近傍の温度を検知するために、当該磁束密度
センサに取付けられた温度センサを有していることを特
徴とする塗装厚さゲージ。
【請求項４】鉄基板上の非鉄塗装および導電性の非鉄
基板上の非導電性塗装の双方の膜厚を測定するための塗
装厚さゲージにおいて、磁石と、前記磁石の極表面近傍に配置され、当該極表面の近傍の
磁界を検知するための磁束密度検知手段と、前記極表面の周囲近傍に配置した渦電流検索コイルと、前記磁束密度検知手段に取付けられ、当該磁束密度検知
手段の近傍の温度を検知するためのものであり、検知し
た温度を、温度補償された磁束密度測定値を塗装厚さゲ
ージに提供するために用いることが可能となっている温
度検知手段と、前記磁束密度センサおよび前記渦電流検索コイルからの
入力を受け取り、これらの入力のうちの一つを塗装厚さ
の算出に使用するために自動的に選択し、選択した入力
に基づき塗装厚さを算出する制御手段と、を有することを特徴とする塗装厚さゲージ。
【請求項５】請求項１において、前記磁束密度センサ
はホール効果磁気センサであることを特徴とする塗装厚
さゲージ。
【請求項６】請求項１において、前記温度センサはサ
ーミスタであることを特徴とする塗装厚さゲージ。
【請求項７】請求項４において、前記磁束密度検知手
段は、ホール効果磁気センサであることを特徴とする塗
装厚さゲージ。
【請求項８】請求項４において、前記温度検知手段
は、サーミスタであることを特徴とする塗装厚さゲー
ジ。
【請求項９】請求項１において、前記制御手段は、前
記磁束密度センサからの入力により算出される塗装厚さ
が、予め設定されている最大塗装厚さ（ｄ ^MAX ）を越え
る場合には、前記渦電流検索コイルからの入力を塗装厚
さの算出に使用するために選択し、選択した当該入力に
基づき塗装厚さの算出を行うことを特徴とする塗装厚さ
ゲージ。
【請求項１０】請求項９において、前記制御手段は、
前記渦電流検索コイルからの入力により算出される塗装
厚さが、予め設定されている最大塗装厚さ（Ｄ ^MAX ）を
越える場合には、前記磁束密度センサからの入力を塗装
厚さの算出に使用するために選択し、選択した当該入力
に基づき塗装厚さの算出を行うことを特徴とする塗装厚
さゲージ。
【請求項１１】塗装厚さゲージを用いて、鉄基板上の
非鉄塗装および導電性の非鉄基板上の非導電性塗装の双
方の厚さの測定を行う方法であり、前記塗装厚さゲージ
は、単一のプローブを用いて、自動的に基板特性を判別
して、特性を判別した前記基板上の塗装厚さの測定を行
うようになった併用塗装厚さ計測を可能にするものであ
り、当該測定方法は、前記塗装厚さゲージのプローブ内に配置した磁石の極に
おける磁束密度を測定することにより、鉄基板であるこ
とを判別する工程と、鉄基板が検知されない場合には、前記塗装厚さゲージ
を、自動的に導電性の非鉄基板の判別に切り換える工程
と、塗装厚さゲージの磁界により、導電性の非鉄基板内に発
生する渦電流効果を測定する工程と、を含む塗装厚さ測定方法。
【請求項１２】請求項１１において、さらに、温度セ
ンサを用いて、磁束密度の温度補償を行う工程を含むこ
とを特徴とする塗装厚さ測定方法。
【請求項１３】請求項１において、前記渦電流検索コ
イルは、パンケーキ状態に３９ＡＷＧワイヤを６０回巻
き、内径が約３ｍｍで外径が約５．２５ｍｍで、厚さが
約０．５ｍｍとしたものであることを特徴とする塗装厚
さゲージ。
【請求項１４】請求項１において、前記渦電流検索コ
イルは、約６ＭＨｚと約１２ＭＨｚの間の周波数の交流
電流によって励磁されることを特徴とする塗装厚さゲー
ジ。
【請求項１５】請求項１または４において、前記磁石
は、永久磁石および電磁石の何れか一方であることを特
徴とする塗装厚さゲージ。
【請求項１６】請求項１１において、前記磁石は、永
久磁石および電磁石の何れか一方であることを特徴とす
る塗装厚さ測定方法。