(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のコイル・デバイス（２４）、第２のコイル・デバイス（３１）、およびコア（２１）を有するプローブ・ヘッド（１４）を備えたプローブ（１１）を用いて薄層の厚さの非破壊測定を行う装置であって、
第１のコイルデバイス（２４）はコア（２１）上に設けられ、第２のコイル・デバイス（３１）は、コア（２１）の外側シェル（２９）上に設けられ、
第１のコイル・デバイス（２４）と第２のコイル・デバイス（３１）は共通幾何学軸（２２）を有するとともに、半球状位置決めドーム（２７）は、当該共通幾何学軸（２２）上に設けられ、
さらに有する回路（５０）は、２つの回路（５１、５２）から構成され、
第１のコイル・デバイス（２４）は回路（５１）を有し、第２のコイル・デバイス（３１）は回路（５２）を有し、これらの回路（５１、５２）は、それぞれキャパシタ（５３）、トランジスタ（５４）、フリップフロップ回路（５１、５２）、周波数信号の位相関係をセットするための補償器（５８）を備え、
当該フリップフロップ回路（５１、５２）によって、それぞれのコイル・デバイス（２４、３１）に割り当てられたトランジスタ（５４）が、時間に従属して好都合に切り替えられることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記コイル・デバイス（２４，３１）は、高周波を用いて励振されること
を特徴とする前記請求項１記載の装置。
【請求項３】
時間的に互いに区別されて発せられる周波数信号は、前記それぞれのコイル・デバイス（２４，３１）の前記トランジスタ（５４）によって周波数信号が発せられる期間により限定されることを特徴とする前記請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
回路（５０）を構成する回路（５１、５２）は、共通の信号入力ライン（６１）を備えたことを特徴とする前記いずれかの請求項に記載した装置。
【請求項５】
プローブ・ヘッド（１４）は、第１の円筒部分（３３）と、直径のより小さい第２の円筒部分（３４）を備え、回路（５０）は、第２の円筒部分（３４）に備えられたことを特徴とする前記いずれかの請求項に記載した装置。
【請求項６】
前記コイル・デバイス（２４，３１）によって発せられる信号が、互いに独立して直列発振回路（６５）によって評価されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載した装置。
【請求項７】
前記コイル・デバイス（２４，３１）が、同一の周波数を用いて励振されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載した装置。
【請求項８】
前記第１のコイル・デバイス（２４）は、８から２０ＭＨｚまでの間の周波数を用いて励振され、前記第２のコイル・デバイス（３１）は、４から１２ＭＨｚまでの間の周波数を用いて励振されること特徴とする前記請求項１から６までのいずれかに記載した装置。
【請求項９】
前記第１のコイル・デバイス（２４）の巻数は、前記第２のコイル・デバイス（３１）の巻数に等しいかそれより少なく、また、前記第１および第２のコイル・デバイス（２４，３１）は、互いに対して固定的に配置され、好ましくは鋳込み成形材料内に埋め込まれていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載した装置。
【請求項１０】
前記第１および第２のコイル・デバイス（２４，３１）は、プローブ・ヘッド（１４）のエンド面に関して１つの平面内に配置されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載した装置。
【請求項１１】
前記プローブ・ヘッド（１４）は、ガイド・スリーブ（１７）内において軸方向に変位することが可能であり、かつ前記ガイド・スリーブ（１７）との関係において固定的に配置されたスリーブ（１６）に関して引き込むことが可能な態様でマウントされることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載した装置。
【請求項１２】
前記スリーブ（１６）は、前記プローブ・ヘッド（１４）に向かうエンド面上に切り欠き（４１）を有し、好ましくはそれがプリズム状に形成されていることを特徴とする前記請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記プローブ・ヘッド（１４）がスプリング力に抗してスリーブ（１６）内に引き込み可能であること、およびスプリング・エレメント（３７）が前記ガイド・スリーブ（１７）に関して少なくともわずかなバイアスをもって配置されることを特徴とする前記請求項１１または１２記載の装置。
【請求項１４】
第１のコイル・デバイス（２４）は層厚に感応すべく設計され、前記第２のコイル・デバイス（３１）は曲率に感応すべく設計されることを特徴とする前記請求のいずれかに記載した装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、プローブを用いた薄層の非破壊測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
曲げおよびコーティングの施された表面は、特に航空機の構造、自動車、鋳造された部品、家庭電化製品、パイプライン構造、ベネシャン・ブラインドおよび、その他多くのコーティングされた測定対象に見ることができる。原子力の分野においても同様であり、ジルコニウム熱交換チューブの酸化層の場合であれば、直径が約１２ｍｍのチューブ上の２０μｍ程度の層を測定しなければならない。
【０００３】
たとえば渦電流原理を基礎としている周知の接触測定方法は、測定対象の形状の影響を強く受ける。そのため、曲率が異なるときには較正が必須となるが、時間を要するだけでなくエラーをもたらす可能性もあり、特に曲率における変化を考慮していないときにはそれが顕著になる。
【０００４】
ＤＥ  ４１  １９  ９０３  Ａ１は、測定対象の幾何学的形状に対する測定値の望ましくない依存を、広い範囲で除去できるようにした薄層を測定するための方法および装置を開示している。これは、測定対象の表面が曲面である場合においても薄層の測定が可能になることを意味している。層厚は、わずか数μｍから数百μｍの範囲にわたる。この非破壊層厚測定は、渦電流原理に基づいており、測定対象に塗布された層に依存する低周波もしくは高周波電界の変化を基礎としている。これには、フェライト・コア上に第１のコイル・デバイスを有する装置が用いられる。この第１のコイル・デバイスを覆う外側スリーブが、その外側に配置される第２のコイル・デバイスを支える。第１のコイル・デバイスを支えるコアは、下端に、耐摩耗性の材料からなる半球の位置決めドームを備える。
【０００５】
層を調べるとき、プローブを測定対象上に置く。２つのコイル・デバイスは、異なる周波数を用いて同時に励振され、その結果、測定の間、２つの異なる周波数の信号が発せられて、それが適切な回路によって評価されて層厚の計算が行われる。層厚は、ＤＥ  ４１  １９  ９０３  Ａ１に示されている式に従って求められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明は、薄層の厚さの非破壊測定において求められる層厚の値を質的に向上させることを基本的な目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、測定の間、第２のコイル・デバイスを逐次励振させることを特徴とする。この少なくとも２つのコイル・デバイスの逐次励振は、コイル・デバイスから評価ユニットに対して非破壊的に測定信号を発することを可能にする。またそれぞれの周波数を用いたコイル・デバイスの連続励振によって、測定間の評価ユニットは、それぞれの隣接する他方のコイル・デバイスに影響されない信号を記録することが可能になり、さらにそれを各コイル・デバイスに明確に指定することが可能になる。この結果、オーバーシュートまたは隣接するコイル・デバイスの共振を除去することが可能になり、それによって擾乱パラメータとは無関係に信号を発することが可能になる。
【０００８】
さらに改良したこの方法によれば、コイルは高周波によって励振される。その結果、プローブ・ヘッドが測定対象に到達したとき、交番電磁界の変化を測定のための測定結果として使用することができる。高周波電磁界を使用するときは、測定対象となる層が、たとえばペイント等の不導体、あるいはクロム等の弱導体である。
【０００９】
この方法をさらに改良した方法によれば、互いに異なる時点において発せられた第１および少なくとも第２のコイル・デバイスから到来する周波数信号が、電界効果トランジスタにより信号を発する持続時間において制限される。この結果、第１のコイル・デバイスから放射された周波数信号と少なくとも第２のコイル・デバイスから放射された周波数信号の間の分離が確実になされ、それによって、測定信号の正確な記録および指定を達成することが可能になる。結果的にこれは、評価ユニットに対して信号を送る間においてさえも相互干渉または重合を防止することを可能にする。コイル・デバイスの付勢および、評価ユニットに渡される測定信号をゲートする電界効果トランジスタの付勢は、定義済みの時間ウインドウにおいて行うことが可能であり、またそれによって測定信号の指定も可能になる。
【００１０】
この方法をさらに改良した方法によれば、コイル・デバイスによって発せられた信号が互いに独立に評価される。たとえば、実質的に層厚を決定する信号を第１のコイル・デバイスによって記録し、たとえば測定対象の曲率を決定する信号を別のコイル・デバイスによって記録することが考えられる。このように評価を分けることにより、２つの測定変数の正確な計算を得ることが可能になり、それによってその後、ＤＥ  ４１  １９  ９０３  Ａ１に開示された式を使用し、さらに高い精度をもって測定値を求めることが可能になる。
【００１１】
コイル・デバイスの信号を分離すると、好都合にも同一の周波数を用いてコイル・デバイスの励振を行うことが可能になり、それによってコントロール・システムの構造的なセットアップをさらに簡略化することができる。
【００１２】
この方法をさらに改良した方法によれば、測定を行うために、第１の回路による第１のコイル・デバイスの励振と、第２の回路による第２のコイル・デバイスの励振をフリップフロップ回路によって交互に切り替える。好ましくは電界効果トランジスタを備え、それが、使用する回路によって、周波数信号を発するためのコイル・デバイスの逐次的な付勢が可能になることを保証できるようにする。好ましくは、コイル・デバイスの回路がまったく同じに設計される。その結果、回路のセットアップを単純な構成にすることができる。
【００１３】
この方法をさらに改良した方法によれば、補償器を介して周波数信号が評価ユニットに渡される。これによって、基材の導電性に対する測定信号の望ましくない依存性が大きく抑えられる形で周波数信号の位相関係をセットすることが可能になる。
【００１４】
結論を述べれば、本発明による薄層の厚さの非破壊測定のための方法により、少なくとも、特に数μｍ台の薄層の測定に重大な影響を持つ測定対象の表面の曲率および導電率といった擾乱パラメータが測定値に与える影響を実質的に完全に除去する効果が達成できるということになる。
【００１５】
本発明に従った、特に前述の方法を実行するための装置は、ハウジング内にフェライトのカップ−タイプのコアを有し、それが第１のコイル・デバイスを支持し、かつ、第１のコイル・デバイス内に位置するピン上に半球状位置決めドームを有し、さらに当該カップ−タイプのコアの外側において別のコイル・デバイスを第１のコイル・デバイスと同軸に支持する。これらのコイル・デバイスは、互いに固定された関係で配置され、共通の中心軸を有し、半球状位置決めドームの共通配置ポイントによって第１および第２のコイル・デバイスの作用範囲が共通の幾何学軸から開始することから、正確な確認が可能になる。この場合、第１の、すなわち内側コイル・デバイスは層厚に感応すべく設計され、外側、すなわち第２のコイル・デバイスは、曲率に感応すべく設計される。
【００１６】
このほかの好適な設計については、特許請求の範囲に示す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従った方法を実行するための測定プローブならびに回路の好ましい実施態様を詳細に説明する。
【００１８】
測定プローブ１１として設計されたデバイスを図１に斜視図の形で示す。測定プローブ１１は、ケーブル１２および接続プラグ１３を介して評価デバイス（これ以上の詳細は示していない）に接続される。測定プローブ１１は、周囲がスリーブ１６に覆われているプローブ・ヘッド１４を有している。プローブ・ヘッド１４はガイド・スリーブ１７に対して軸方向に移動可能に構成されている。これについては図４を参照してさらに詳細に説明する。
【００１９】
プローブ・ヘッド１４の概略の断面を大きく拡大して図２に示す。図３は、下側から見たこれに対応する図である。プローブ・ヘッド１４は、ハウジング１８を有し、その中に、好ましくは非磁性体の部材１９に埋め込まれた測定システムが備わっている。この測定システムは、幾何学軸２２に沿って中心ピン２３を有するカップ−タイプのコア２１を備えている。第１の、つまり内側コイル・デバイス２４は、この中心ピン２３と同軸である。カップ−タイプのコア２１の底面には、たとえば絶縁ディスク２６が備えられる。カップ−タイプのコア２１は、中心ピン２３の先端面に、耐摩耗性があり、少なくとも非磁性体の、たとえばルビー等の材料から形成された半球状位置決めドーム２７を備えている。半球状位置決めドーム２７の位置決め表面は、曲面に設計され、もっとも厚みが大きくなるポイントが幾何学軸２２に配置されている。カップ−タイプのコア２１は、好ましくは直径方向で反対に位置するスリット２８を有し、それを介して内側コイル・デバイス２４の接続ラインがプローブ・ヘッド１４の後ろ側の領域に導かれ、ラインが電子回路５０に接続される。カップ−タイプのコア２１の外側シェル２９上には、第２の、つまり外側コイル・デバイス３１が備わっている。コイル・デバイス２４および３１は、カップ−タイプのコア２１に固定、たとえば定位置にキャストされ、その結果、プローブ・ヘッド１４が一体化された１つのユニットとなる。また、測定対象に向けられるコイル・デバイス２４および３１の端面は、同一面となるように配置されている。同様に、ハウジング１８の端面についても、都合よくはこれらと同じ面に一致させる。測定プローブ１１の寸法は、たとえば一般的な万年筆の直径に等しく、そこには、約２ｍｍの直径を有する実際の測定システムが移動自在に収められる。
【００２０】
対象となる層厚は、主に数μｍから１００μｍの範囲である。しかしながら、より厚いｍｍ台に至るコーティングについても記録は可能である。
【００２１】
測定プローブ１１のセットアップを分解図の形で図４に示す。プローブ・ヘッド１４は、第１の円筒部分３３を有し、そこに、より直径の小さい第２の部分３４が連結されている。この第２の円筒部分３４にネジ溝を形成し、それにより中間スリーブ３６と容易に結合できるようにすることが望ましい。この部分にはプリント基板が備わり、そこには本発明に従った、図６に示す回路５０を備えている。この構造的なユニットを、中間スリーブ３６によって受け、さらにこのスリーブを、好ましくはヘリカル・スプリング３７からもたらされる弾力を伴った方法でガイド・スリーブ１７により支持する。ガイド・スリーブ１７は支持部分３８を有し、そこにスリーブ１６を嵌合することができる。ガイド・スリーブ１７内で中間スリーブ３６を弾性的に取り付けることによってプローブ・ヘッド１４は、スリーブ１６の端面から突出した開始ポジションからスリーブ内に移動することが可能になる。またこれには、半球状位置決めドーム２７を幾何学軸２２の延長上で接触させて位置決めするという目的を達成する効果もあり、それについては図５を参照して説明する。なお、この図４でのガイド・スリーブ１７の表面には溝が形成されているが、これは使用者が本プローブを持つときの便宜のためである。
【００２２】
中間スリーブ３６は、ガイド・スリーブ１７内に軸方向に移動可能にガイドされる。さらに、舌片と溝との接続や、中間スリーブに当接して配置され、ガイド・スリーブの溝内に導かれているスプリング・エレメントなどのなどのねじれ止め手段を設けても良い（図示せず）。ガイド・スリーブ１７に対する接続ラインは、中間ピース３９によって固定される。同時にこれは、ひずみの解放を形成することにもなる。
【００２３】
中間スリーブ３６とガイド・スリーブ１７の間に配置されるスプリング３７は、少なくともわずかにバイアスされ、それにより、曲面の測定を行う間のプローブ・ヘッド１４が、測定する表面または層に対して少なくともわずかな圧接力を与える。しかしながらこの力は、層の硬度に比較して小さく、そのため、層厚の測定後に影響もしくはダメージを残すことはない程度である。
【００２４】
曲面上における層厚の測定を一例を示す形で図５に図示する。スリーブ１６は、その端面に好ましくはプリズム形状の切り欠き４１を有し、それによって、測定プローブ１１を曲面上に当てたとき、測定プローブ１１と表面の間の確実かつ明確な接触が得られるという効果を達成することが可能になる。切り欠き４１のサイズおよび特性は、測定対象に応じて適応させることができる。これはまた、測定プローブ１１を円筒または曲面の中心に位置合わせすることを可能にし、その結果、安定した測定を実施することが可能になる。この場合、プローブ・ヘッド１４が、図１に一例を示した開始ポジションから幾何学軸２２に沿ってスリーブ１６内に押し込まれる。半球状位置決めドーム２７は、ヘリカル・スプリング３７により、少なくともわずかな圧接力を伴って測定対象の表面４２上に保持される。薄層の厚さの測定は、測定プローブ１１が測定対象の上に置かれた直後に実施可能となる。
【００２５】
次に図６に従って、回路５０に基づいてこの測定を説明する。
【００２６】
回路５０は、実質的に同じである２つの発振回路５１および５２から構成されている。例を示す形で、内側巻き線またはコイル・デバイス２４に割り当てられている回路５１を参照してこれらの動作モードを説明する。このコイル・デバイス２４のキャパシタ５３を含む直列発振回路は、デュアル・ゲート電界効果トランジスタ５４に関してアクティブ直列共振回路を構成する。直列共振の場合、抵抗５６に生じる高周波電圧に比較して明瞭な過電圧がコイル・デバイス２４に生じることからこれが可能になる。これは、共振条件を満足する。コイル・デバイス２４の一方は、アース電位である。コイル・デバイス２４に生じる電圧は、抵抗５７および可変抵抗５８を介してトランジスタ５４のゲート２に供給される。可変抵抗５８を使用し、基材の導電性に対する測定値の望ましくない依存性がほぼ完全に抑圧されるように、キャパシタとの関連で位相回転を行うことができる。キャパシタ５９は、フィードバックを決定し、抵抗５６において、高調波成分が非常に小さい実質的な正弦波電圧が生成されるように選択される。これによりスプリアス放射を大きく抑えることが可能になる。トランジスタ５４のゲート１がローに切り替えられると、共振条件が満たされなくなり、発振が直ちに停止する。プローブ・ヘッド１４を金属基材に向けると、そこに渦電流が生じて発振回路５１の離調が招かれる。コイル・デバイス２４へ接近させることは、層厚の測定結果に対応する。測定結果は、非線形関数によって層厚にリンクされる。この層は一般に不導体であり、そのため、渦電流は基材においてのみ発生することになる。しかしながら回路５０を用いれば、本発明に従って、たとえばクロム等の導電性が低い非磁性体層が、たとえばアルミニウム等の明確に区別される良好な導電性を有する非磁性体基材上に電解析出されている場合であっても測定が可能になる。
【００２７】
回路５２は、回路５１と同様に動作する。しかしながら、好ましくはコイル・デバイス２４と同一の周波数を用いて励振されるコイル・デバイス３１は、実質的に曲率のみに応答し、ＤＥ  ４１  １９  ９０３  Ａ１に対応する方法において、曲率がもたらす周波数の変化が曲率の影響を補償すべく作用する。コイル・デバイス２４、３１の励振周波数は、たとえば５ＭＨｚから３０ＭＨｚの範囲とする。信号入力ライン６１にインバータ６２、６３を備えていることから、回路５１、５２のうちの一方のトランジスタ５４のみが発振のためにイネーブルされることが保証される。切り替えポイント６４がハイ（１）のときは、回路５１のみが発振のためにイネーブルされる。切り替えポイント６４がロー（０）のときは、回路５２のみが発振のためにイネーブルされる。これら２つのデュアル・ゲート電界効果トランジスタ５４は、ライン６０を介して、たとえば５Ｖの同一のＤＣ電源に接続されており、その付勢のために小さいインダクタンス６６を介して供給される。上記に代えて、電界効果トランジスタ５４のゲート１をなくし、２つの間欠的に切り替えられるラインを用いてトランジスタ５４のオン／オフを切り替えることもできる。このタイプの切り替えは、高速半導体スイッチを用いれば可能である。
【００２８】
逐次接続される２つのトランジスタ５４の共振は、回路５１および５２によって、キャパシタ６７とともに直列発振回路６５を構成するインダクタンス６６を介し、抵抗６８においてそれぞれの共振周波数をピックアップできるという効果を有する。これによって、下流にある直列回路６５は、切り替えポイント７０を介してそれぞれのコイル・デバイス２４、３１の信号の検出ならびにピックアップを行い、記録および評価を行うことができる。高周波信号は、ＤＣ電圧供給ライン６１上に重畳される。評価においては、測定値の生成するために少なくとも１００，０００回の発振を利用できるように、コイル・デバイス２４、３１の間の変化が、たとえば毎秒１０回は起きる。ただし、これより少ない数でも充分である。
【００２９】
切り替えポイント６４における切り替え状態に関連して、回路５１および５２によって共振が固有に定義され、その結果、回路５１、５２による２つの信号をＤＥ  ４１  １９  ９０３  Ａ１に示されているようにともに下流の回路に導くことができる。図示の回路は、ＳＭＤテクノロジを使用して構成してもよく、また、図４に示すように測定プローブ１１内に直接組み込んでもよい。
【００３０】
図７は、層厚の測定が行われる曲面の直径に依存する曲率による誤差のパーセンテージを表した特性曲線のグラフである。特性曲線８１は、従来技術から周知となっている測定プローブおよび回路によってこれまでに得られている測定値を表している。このグラフから、以前もたらされていた曲率誤差が、特に直径が非常に小さいとき、非常に大きなパーセンテージになることがわかる。本発明による装置および本発明による方法を用いれば曲線８２に従った測定値が得られ、その曲率誤差のパーセンテージが、かなりの程度まで減少していることがわかる。これにより、従来技術に対する改良がどの程度のものであるかが明確になる。これは、ユーザにとって重大な意義を持つ。たとえば、品質コントロールにおける測定精度の実質的な向上がこれによって可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定プローブの斜視図である。
【図２】測定プローブのプローブ・ヘッドの概略断面図である。
【図３】図２に示したプローブ・ヘッドを下側から見た底面図である。
【図４】他方の内側に順次はめ込むことができる測定プローブのコンポーネントを表した概要図である。
【図５】曲面上の測定における測定プローブを表した概要図である。
【図６】測定方法を実施するための回路を表した概要図である。
【図７】従来技術による方法によって得られた特性曲線と、本発明による方法によって得られた特性曲線を比較したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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