(57)【要約】【課題】ＭＲ流体の粒子濃度の決定に際して流体導電率を考慮に入れる材料の透磁率を測定するための方法を提供する。【解決手段】一次および二次の同軸コイルとして形成される２つの電気インダクタは、共通の磁気コア空間を共有する。一次コイルに印加される第１のＡＣ電圧は、材料の透磁率に比例する磁束をコア内に形成する。磁束は、サンプルの見掛け上の透磁率を示すＡＣ電圧を二次コイルに誘導する。見掛け上の透磁率は、材料中に配置される第１および第２の電極間に直列に設けられる第２のＡＣ電圧および抵抗器からなる回路により、導電率に対して補正される。材料が磁性流体であると、透磁率は、サンプル中の磁性粒子の濃度に比例し、二次電圧信号の振幅から逆算することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の透磁率を決定するためのシステムにおいて、
ａ）第１の電気インダクタと、
ｂ）第２の電気インダクタと、
ｃ）前記第１および第２の電気インダクタと前記材料のサンプルとを取り囲む磁場を誘導するために、前記第１の電気インダクタに接続される第１のＡＣ電圧源と、
ｄ）前記第２の電気インダクタにおける誘導ＡＣ電圧信号を測定するための装置と、
ｅ）前記材料のサンプルの導電率に比例する電圧信号を決定するために、可変ＡＣ電圧源および抵抗器と直列に接続され、且つ前記材料の前記サンプル中に浸された第１および第２の電極からなる回路とを含み、前記回路の信号が、前記第２の電気インダクタからの前記誘導ＡＣ電圧信号に加えられることにより、前記サンプルの透磁率を示す導電率補正された誘導ＡＣ電圧信号が与えられることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記第１の電気インダクタが、第１のコイルであり、前記第２の電気インダクタが、前記第１のコイルと同軸の第２のコイルであり、前記磁場が、前記第１および第２のコイル内で軸方向に向けられ、前記材料の前記サンプルが、前記軸方向に向けられた磁場内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第２のコイルが、前記第１のコイルの周囲に巻回されることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記材料は、液体キャリア中に分散される磁性粒子を備える磁性流体であり、前記透磁率は、前記液体キャリア中の磁性粒子の濃度に比例することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記システムが、磁性流体研磨システムの一構成要素であることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
材料の透磁率を決定するための方法であって、
ａ）第１の電気インダクタを設けるステップと、
ｂ）第２の電気インダクタを設けるステップと、
ｃ）前記第１および第２の電気インダクタを取り囲む磁場を誘導するために前記第１の電気インダクタに接続されるＡＣ電圧源を設けるステップと、
ｄ）前記第２の電気インダクタにおける誘導ＡＣ電圧を測定するための装置を設けるステップと、
ｅ）前記材料の導電率を測定するための装置を設けるステップと、
ｆ）前記材料のサンプルを前記磁場内に配置するステップと、
ｇ）前記材料の導電率に対しての補正される前記誘導ＡＣ電圧の振幅を決定するステップとからなり、
前記誘導ＡＣ電圧の導電率補正された振幅が、前記材料の前記透磁率に比例することを特徴とする方法。
【請求項７】
前記第１の電気インダクタが、第１のコイルであり、前記第２の電気インダクタが、前記第１のコイルと同軸の第２のコイルであり、前記磁場が、前記第１および第２のコイル内で軸方向に向けられ、前記材料の前記サンプルが、前記軸方向に向けられた磁場内に配置されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
磁性流体研磨システムにおいて、
ａ）バルク供給磁性流体を蓄えて、前記システムでの磁性流体の再循環使用中に磁性流体を供給し且つ受けるための貯留槽と、
前記磁性流体がキャリア流体中に分散される磁性粒子を含み、
前記キャリア流体中の前記粒子の濃度が、前記再循環使用中に前記キャリア流体の一部の蒸発損失によって増大し、更に
ｂ）同軸に巻回される一次コイルおよび二次コイルを含み、前記一次および二次コイル内に、前記バルク供給磁性流体からの前記磁性流体のサンプルを受けるためのサンプル空間を形成する二重コイル相互インダクタンスセンサと、
ｃ）前記一次コイルにＡＣ電圧を印加するための手段と、
ｄ）前記二次コイルに誘導されるＡＣ電圧の振幅を表わす第１の信号を前記二次コイルから送るための手段を含み、
前記第１の信号が前記サンプルにおける前記キャリア流体中の前記磁性粒子の濃度に比例し、更に
ｅ）前記磁性流体の導電率を決定するとともに、前記導電率を示す第２の信号を送るための手段と、
ｆ）前記第１および第２の信号に応答するコントローラ手段であって、当該コントローラ手段は、前記第１および第２の信号を処理し、その結果得られる信号を、前記キャリア流体中に分散された前記磁性粒子の目標濃度を示す記憶された基準信号と比較するとともに、前記蒸発損失を元に戻すために、前記貯留槽へ加えるのに必要な補充キャリア流体の流量を計算するプログラムされた手段を含み、
これにより、前記バルク供給磁性流体を前記目標濃度に維持し、更に
ｇ）前記コントローラ手段に応答して、前記補充キャリア流体を前記計算された流量で、前記バルク供給磁性流体中へ供給するための供給手段と、
から構成されたことを特徴とする磁性流体研磨システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、推論測定のための方法および装置に関し、特に、材料の透磁率を決定するための方法および装置に関するものであり、とりわけ、そのような測定を使用して磁性流体（ＭＲ）中の磁性材料の濃度を制御するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲ流体は、良く知られており、実際には、それを磁場に晒すことによりその見掛け粘度が可逆的に増大される流体材料として規定されてもよい。粘度の増大は、異方性であり、磁化粒子のフィブリルの形成に起因して磁場の方向において最も高い。“硬化”として当該技術分野において知られるこの特性は、分解能が極めて高い表面の成形、仕上げ、研磨、特に光学素子の成形、仕上げ、研磨の分野で大成功裏に使用されてきた。この場合、高精度に且つ制御された態様で非常に少量の材料が除去され得る。この分野は、一般に、磁性流体研磨（ＭＲＦ）として当該技術分野において知られている。これについては、例えば、その関連する開示内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，９７１，８３５号明細書、第６，７４６，３１０号明細書、第６，８９３，３２２号明細書を参照されたい。
【０００３】
ＭＲＦの技術分野における問題は、磁気作業領域に入るＭＲ流体における磁性粒子濃度を一定に維持することである。ＭＲ流体は、混合貯留槽からＭＲ流体を引き出す供給システムによって作業領域へと供給され、使用済みのＭＲ流体が混合および再使用のために作業領域から混合貯留槽へと送り込まれる。使用済みのＭＲ流体は、典型的に、蒸発によってキャリア（水）が使い果たされるとともに加熱され、したがって、その変化の両方が、ＭＲ流体が再使用され得る前に補正されなければならない。蒸発によって失われた水の補充がなければ、貯留槽内のバルク供給ＭＲ流体は、ＭＲＦ作業中に粒子濃度が徐々に増大する。これは望ましくない作業状態である。なぜなら、粒子濃度は、研磨されるべき基材からの材料除去の速度を支配する重要なファクタだからである。したがって、貯留槽から供給されるＭＲ流体中の粒子濃度が何なのかを常に知ること、および、適切な水補充率を貯留槽に与えて、使用中に蒸発により失われた水を補充し、それによって、濃度を目標値で一定に動的に維持することが重要である。
【０００４】
米国特許第５，５５４，９３２号明細書は、サンプル材料の磁気飽和磁束密度を測定するためのシステムを開示している。円筒状の永久磁石の両側には第１および第２のサンプルホルダが対称に配置される。サンプルホルダの周囲にはコイルが配置され、また、永久磁石が回転される。一方のサンプルホルダに磁性材料が存在しない状態でコイルに誘導される信号は、ヌル信号を与えるような態様で増幅器／計測器に対して印加される。サンプルホルダのうちの１つにサンプルが配置されると、磁気飽和磁束密度を測定することができる。開示されたシステムの欠点は、機械装置が比較的扱い難く且つ重大な可動部（永久磁石）を有しているという点である。
【０００５】
米国特許第６，６５０，１０８号明細書は、流れるＭＲ流体中の磁性粒子の濃度を推論するためのシステムを開示している。システムは、高感度電気ブリッジ回路を伴う比較的複雑な技術を用いたインピーダンス測定に収束するインダクタンス測定に基づいている。開示されたシステムの欠点は、分解能が比較的低いという点である。
【０００６】
２００７年３月２日に出願された米国特許出願第１１／６８１，２５８号明細書は、混合排出ＭＲ流体中の磁性粒子の濃度を連続的に測定して監視し、排出ＭＲ流体が研磨のために再使用される前にＭＲ流体の制御されたリアルタイムな希釈を可能にするための簡単な高分解能手段を開示している。開示されたシステムの欠点は、見掛け上の濃度（透磁率）もＭＲ流体の導電率の関数であるという点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
当該技術分野において必要とされるものは、混合排出ＭＲ流体における流体導電率の変化に対して出力信号を連続的に補償して、排出ＭＲ流体が研磨のために再使用される前にＭＲ流体の制御されたリアルタイムな希釈を可能にするための簡単な高分解能手段である。
【０００８】
本発明の主な目的は、ＭＲ流体の粒子濃度の決定に際して流体導電率を考慮に入れることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
簡単に説明すると、本発明の方法および装置では、２つの電気インダクタが同じ磁気コアを共有する。インダクタは一次および二次同軸コイルとして形成されることが好ましい。一次コイルに対してＡＣ電圧が印加されると、強度がコアの透磁率に比例する軸方向に向けられる磁束がコアに形成される。また、相互インダクタンスの作用に起因して、磁束は、電源電圧と同じ位相のＡＣ電圧を二次コイルに引き起こす。コアの透磁率は、サンプル中の磁性粒子の濃度によって決まり（“コア”がＭＲ流体のサンプルであるとき）、したがって、二次電圧信号の振幅から磁性粒子の濃度を逆算することができる。
【００１０】
測定の感度およびシステム分解能は、コイルの２つの同一のセットまたは対を使用する微分手法を使用することによって高めることができる。この場合、基準材料が一方のコイルセットのための磁気コアを形成し、ＭＲ流体が他方のコイルセットのための磁気コアを形成する。
【００１１】
液体導電コア中に磁気的に誘導される循環渦電流が外部磁場と反対の磁場を形成するため、装置の出力信号が影響を受ける場合がある。そのような渦電流の強度は、ＭＲ流体の耐用年数にわたって生じる酸化などの化学プロセスに起因して経時的に変化し得るＭＲ流体の導電率の関数である。したがって、装置の電圧出力を計算する際には導電率項が含められなければならず、また、ＭＲ流体の導電率が使用中に連続的に測定されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】導電率を連続的に測定するための手段を含む、透磁率を測定するための本発明に係るシステムの典型的な実施形態の概略図である。
【図２】ＭＲ流体研磨機における典型的な実施形態の適用を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の前述の目的および他の目的、特徴、および、利点、並びに、本発明の現在好ましい実施形態は、添付図面に関連する以下の説明を読むことにより更に明らかとなる。
【００１４】
図１を参照すると、磁気コア１２の材料の透磁率を測定するのに適した本発明に係るシステム１０において、２つのインダクタ（一次コイル１４および二次コイル１６）は、ＭＲ研磨機の貯留槽内のＭＲ流体などの検査されるべき磁性材料のサンプルである磁気コア１２を共有する。一次コイル１４に対してＡＣ電圧Ｖｐが印加されると、方程式１にしたがって軸方向に向けられる磁束１８がコア１２に形成される。
【００１５】
Ｂ＝μ＊（Ｎ／ｌ）＊（Ｉｐ／√２）        （方程式１）
式中、μはコアの透磁率、Ｎは一次コイルの巻数、ｌはコイルの長さ、Ｉｐは電流振幅、および、Ｉｐ／√２は実効電流である。
【００１６】
また、相互インダクタンスの作用に起因して、磁束１８は、方程式２にしたがって電源電圧と同じ位相で二次コイル１６にＡＣ電圧Ｖｓを引き起こす。
【００１７】
Ｖｓ＝２πｆＮＡＢ        （方程式２）
この場合、ｆは電流周波数、Ａはコア１２の断面積である。方程式１および方程式２から、二次コイル１６で発生される実効電圧Ｖｓが方程式３によって与えられることになる。
【００１８】
Ｖｓ＝４．４４μｆ（Ｎ２Ａ／ｌ）Ｉｐ            （方程式３）
一次コイル１４は、ＡＣ電圧源Ｖｐに対して負荷として振舞い、また、二次コイル１６は、抵抗器Ｒ２に対して電源として振舞う。同時に、透磁率μは、コア１２の磁気特性によって決まる。また、これらの特性は、方程式４によって与えられるサンプルの磁性粒子の濃度φに依存する。
【００１９】
μ＝ｆ（φ）        （方程式４）
一次コイルに印加されるＡＣ電圧を含むシステム１０の全てのパラメータが一定に保たれると、磁気コア１２における磁性粒子濃度の任意の濃度変化は、方程式３から分かるように、二次コイル１６におけるＡＣ電圧Ｖｓの比例的変化をもたらす。その際、システム出力信号は、サンプル磁性粒子濃度の変化に追従する。一般的なケースでは、システム出力信号を方程式５に示されるように規定することができる。
【００２０】
Ｖｓ＝ｆ（φ，ｋ１，ｋ２，…）          （方程式５）
式中、ｋ１，ｋ２．．．は、システムの幾何学的形態およびシステムの電気的パラメータによって決まる幾つかの定数パラメータである。出力信号の大きさは、コイルの巻数および形状、オシレータの周波数および電圧、構成要素のインピーダンスなどの様々なシステムパラメータを（予め）設定することによって操作することができる。システム１０は、サーミスタなどの温度センサ（図示せず）、回路インピーダンスの熱的変動と温度の変化に起因する出力信号の変化とを補償するための手段、および、システム１０からのデータを処理して透磁率を計算するとともに後述する図２に示されるように貯留槽内のＭＲ流体の補充を制御するための電子コントローラを更に含んでいてもよい。
【００２１】
同時に、ＭＲ流体は、ミクロンサイズの鉄と研磨粒子とからなる水性懸濁液である。粒子の沈降および腐食を遅らせるために、流体は、比較的高い流体ｐＨおよび導電率をもたらす幾つかの化学的添加物を含んでいる。そのような導電性流体がＡＣ磁場内に配置されると、誘導外部磁場に対して垂直な閉じられた円形経路の状態で導電材料中に渦電流が誘導される。そのような誘導渦電流は誘導外部磁場の変化に対抗し、その結果として、循環する渦電流によって生み出されるＡＣ磁場は、更に大きい外部ＡＣ磁場を減少させることができ、したがって、装置出力信号を減少させることができる。
【００２２】
また、流体導電率は、ＭＲＦ機内で流体寿命中に起こる化学的なプロセス（酸化）に起因して経時的に変化する場合があり、それにより、出力信号が不安定となり、結果として、流体監視および材料除去速度にエラーが生じる。
【００２３】
その上、エラーの更なる根源は、鉄粒子の濃度への流体導電率の依存であり、これは本方法によって測定されるべき主要な機能である。
【００２４】
必要とされるものは、混合排出ＭＲ流体の流体導電率の変化に対して出力信号を連続的に補償して、排出ＭＲ流体が研磨のために再使用される前にＭＲ流体の制御されたリアルタイムな希釈を可能にする簡単で高分解能な手段である。
【００２５】
この目的のため、流体導電率が連続的に測定される。システム１０は、一次および二次コイル１４，１６の両端でＭＲ流体コア１２中に配置されて抵抗器Ｒ３を介して電圧源Ｖｃ（電極の分極を回避するため、ＡＣ１００００Ｈｚ）に接続される２つの電極２０，２２を含む。抵抗器Ｒ３からの電圧は、ＭＲ流体コア１２の導電率に比例しており、導電率の変化に起因する回路インピーダンスの導電率変化および出力信号の変化を計算して補償するためにコントローラで使用されてもよい。
【００２６】
このケースでは、導電率調整された出力信号Ｖｓ１を方程式５における変形として規定することができる。この場合、導電率項が加えられる。
【００２７】
Ｖｓ＝ｆ（φ，ｋ１，ｋ２，…）＋Ψ（Ｇ）        （方程式６）
式中、Ｇは流体導電率である。
【００２８】
濃度と二次コイルの電圧Ｖｓ１との間の適切な定量的関係は、既知の磁性粒子濃度のサンプルを用いた較正によって決定され、その較正は、濃度に関する以下の一般的な式を与える。
【００２９】
φ＝ａＶｓ１＋ｂ            （方程式７）
式中、ａ，ｂは較正によって規定される定数である。
【００３０】
図２を参照すると、ＭＲ研磨装置２００におけるＭＲ流体中の磁性粒子の濃度を一定に維持するのに役立つ本発明に係るシステム２１０のための典型的な用途が示されている。
【００３１】
ＭＲ研磨装置２００における従来技術で知られるように、また、組み込まれた引用文献に更に十分に記載されるように、キャリアホイール２３０は、ノズル２３６から非硬化状態でＭＲ流体のリボン２３４を受けるための表面２３２、好ましくは球面を有する。表面２３２は、表面２３２と研磨処理されるべき離間された工作物２４０との間の作業領域２３８へとリボン２３４を運ぶ。成形磁極片（図示せず）が作業領域２３８内に配向磁場を形成し、この配向磁場によって、該磁場内のＭＲ流体がパテに近似する硬さまで硬化される。酸化セリウムなどの研削材の非磁性粒子を含んでもよい硬化されたＭＲ流体は、それが作業領域２３８にわたって引き出されると、制御された態様で工作物２４０の表面を削磨する。キャリア表面２３２は、連続的にＭＲ流体を作業領域２３８へ供給し且つ作業領域２３８から除去する。スクレーパ２４２は、もはや硬化されていない使用済みのＭＲ流体をキャリア表面２３２から除去して、それを吸引ポンプ２４４を介して混合貯留槽２４６へと戻す。この場合、使用済みのＭＲ流体がバルク供給ＭＲ流体２２０と混合され、そこから、混合されたＭＲ流体２２０が送出ポンプ２４８によって引き込まれて再び非磁性チューブ２５０を介してノズル２３６へと供給される。
【００３２】
本発明に係るＭＲ流体導電率測定手段が与えられ且つ前述したようにＡＣ電源２５２によって制御可能に駆動される相互インダクタンスセンサ２１９が、流れるＭＲ流体２２０で満たされる非磁性チューブ２５０の外側に同心的に配置される。センサ２１９からの出力信号２５４，２５５は、方程式１〜７にしたがってアルゴリズムおよびルックアップテーブルを用いてプログラムされ且つ目標濃度に対応する設定点を有するプログラマブルコントローラ２５６へ送られ、プログラマブルコントローラ２５６は、ポンプ２５８を制御して、補充水２６０を制御された流量で貯留槽２４６内へと分配することにより、ＭＲ流体リボン２３４の使用中にキャリアホイール２３０で露出される際にＭＲ流体リボン２３４から蒸発される水を補償する。補充水２６０は、バルク濃度を目標まで希釈するために貯留槽２４６内のバルク供給ＭＲ流体と混合される。したがって、作業領域２３８への供給のために貯留槽２４６から引き出されるＭＲ流体２２０中の磁性粒子の濃度が目標濃度に維持され、それにより、工作物２４０からの安定した予測できる速度の材料除去がなされる。
【００３３】
様々な特定の実施形態を参照することにより本発明を説明してきたが、説明した発明概念の精神および範囲内で多数の変更をなすことができることは言うまでもない。したがって、本発明は、説明した実施形態に限定されず、全ての範囲が以下の請求項の用語によって規定される。
【図１】
2010520456.tif 000003
【図２】
2010520456.tif 000004
【国際調査報告】
2010520456.tif 000005
2010520456.tif 000006