JPH07280503A - 表面皮膜厚測定装置 - Google Patents

表面皮膜厚測定装置

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JPH07280503A
JPH07280503A JP6617194A JP6617194A JPH07280503A JP H07280503 A JPH07280503 A JP H07280503A JP 6617194 A JP6617194 A JP 6617194A JP 6617194 A JP6617194 A JP 6617194A JP H07280503 A JPH07280503 A JP H07280503A
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JP
Japan
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capacitance
metal strip
electrode
surface coating
thickness
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP6617194A
Other languages
English (en)
Inventor
Kazumoto Futaki
一元 二木
Nobuyuki Nakao
展行 中尾
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 走行する金属帯等の表面皮膜の厚さを測定す
る装置を提供する。 【構成】 金属帯4の表面皮膜5に電極を接触させて静
電容量を計測し表面皮膜の厚さを測定する静電容量型の
表面皮膜厚測定装置において、少なくとも1つの電極1
の構造が回転可能な円筒型であることを特徴とする表面
皮膜厚測定装置。更に、電極1が2つ備えられているこ
とを特徴とする表面皮膜厚測定装置。 【効果】 走行中の金属帯に電極を接触させることによ
り、オンラインで静電容量方式の表面皮膜厚の測定が可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、走行する金属帯等の
表面に塗布された絶縁性の表面皮膜の厚さを測定するた
めの装置に関する。
【0002】
【従来の技術】金属帯等の導電性材料の表面に塗布され
た絶縁性の表面皮膜の厚さを測定する手法としては、各
種の手法が提案されている。それらの中でも、静電容量
の計測技術を応用した手法は、簡便なため広く用いられ
ている。これは、平板状の電極を被検体の表面皮膜に接
触させ、被検体の本体(金属帯等)をもう一方の電極と
見立て、これら2つの電極の間の静電容量を計測するも
のである。
【0003】図3は、従来の測定装置の構成を示す図で
ある。図中、1は電極、4は金属帯、5は表面皮膜、6
は静電容量計測端子をそれぞれ示す。ここで、被検体と
なる金属帯4(および金属帯の表面皮膜5)は、平板状
の電極1より十分大きく採取する。平板状の電極1の接
触面積をS、皮膜5の比誘電率をε、真空(空気)の誘
電率をε0 、計測された静電容量をCとすれば、皮膜5
の厚さtは、 t=ε・ε0 ・S/C と表される。皮膜5の比誘電率εが既知であれば、この
式より皮膜5の厚さtが計算できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来技術は、安価で比
較的精度の高い方法であるが、これを金属帯の製造ライ
ンのように、走行する金属帯の表面皮膜の測定に適用す
るのは困難である。
【0005】まず、走行する金属帯表面に電極を接触さ
せるためには、電極を金属帯の走行に完全に追随させる
必要があり、そのための機構および駆動装置が複雑とな
る。また、仮に追随装置を作成しても、金属帯表面と電
極の間に僅かでも隙間があると静電容量が低下し、表面
皮膜厚さが過大に測定されることになる。
【0006】次に、走行する金属帯と小さいギャップを
あけて対向させることも考えられるが、ギャップを一定
に保つことは困難である。それは、一般に、金属帯を走
行させる製造ラインでは、バタツキ又はライン振動と呼
ばれる金属帯の振動が避けられないことによる。また、
このライン振動は金属帯の張力や走行速度によっては、
振幅が拡大することがあり、測定はおろか検出器自体が
損傷する可能性があるので、結局のところ実用性に乏し
い。
【0007】この発明は、従来技術を走行する金属帯に
適用する場合予想されるこれらの問題を解決し、オンラ
インで適用可能な表面皮膜の測定装置を提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、金属
帯の表面皮膜に電極を接触させて静電容量を計測し表面
皮膜の厚さを測定する静電容量型の表面皮膜厚測定装置
において、少なくとも1つの電極の構造が回転可能な円
筒型であることを特徴とする表面皮膜厚測定装置であ
る。請求項2の発明は、請求項1の発明において、電極
を2つ備えていることを特徴とする表面皮膜厚測定装置
である。
【0009】
【作用】この発明では、円筒型の電極を金属帯の表面皮
膜に接触させると、電極は回転し、金属帯の走行中でも
電極と金属帯の幾何学的な位置関係が、常に一定に保た
れる。電極と金属帯は表面皮膜を挟む静電容量を構成し
ており、その値は、表面皮膜の厚さと誘電率(比誘電
率)により決まる。この静電容量は、表面皮膜の誘電率
が一定であれば、表面皮膜の厚さと一対一に対応する。
従って、この静電容量を計測することにより、表面皮膜
の厚さが測定できる。
【0010】請求項2の発明は、円筒型の電極を2つ備
えているので、走行する金属帯の本体の金属部を電気的
に接続せずに静電容量を計測できる。この発明では、金
属帯とこれらの2つの電極により構成される2つの静電
容量は、電気回路的には金属帯により直列に接続されて
いる。これら2つの静電容量は、表面皮膜の誘電率が一
定であれば、表面皮膜の厚さと一対一に対応するので、
これらを直列に接続した合成の静電容量も、表面皮膜の
厚さと一対一に対応する。
【0011】
【実施例】図1は、発明の測定装置の1実施例を示す図
である。図中、1は電極、2は集電子、3は慴動子、4
は金属帯、5は表面皮膜、6は計測端子、10は静電容
量計測装置、11は交流電源、12、13は第1、第2
の乗算器、14、15は第1、第2の積分器、16は除
算器、17は参照用インピーダンス、18は移相器をそ
れぞれ示す。
【0012】電極1にはそれぞれ集電子2が取り付けら
れており、集電子2は慴動子3と接触している。慴動子
3は計測端子6に接続されており、このようにして電極
1と計測端子6が電気的に接続されている。電極1を金
属帯4の表面皮膜5に接触させた状態で、計測端子6の
静電容量を静電容量計測装置10で計測する。
【0013】このようにして求めた静電容量Cから表面
皮膜の厚さtを測定するには、両者の関係を予め実測し
て求めておくのがよいが、理論的に扱ってもよい。図2
a,bは、電極と金属帯とで構成される静電場を考える
ための模式図である。まず、図2aは、金属帯とそれぞ
れの電極の幾何学的配置を示す。一方の電極の周辺の電
場に着目すると、金属帯は導体なので電位は等しい。従
って、金属帯4と表面皮膜5の界面は、等電位面とな
る。他の電極についても同様に金属帯4と表面皮膜5の
界面が等電位面となる。
【0014】図2bは、これら2つの電極に関する等電
位面の位置で、背中合わせにした配置図である。図中、
45は等電位面を示す。結局、この図のように、2つの
電極の間に厚さ2tの誘電体が挟まれた配置について、
電場を考えればよいことになる。
【0015】表面皮膜の厚さをt、その比誘電率をεと
すると、厚さ2tで比誘電率εの誘電体は、静電容量と
しては厚さ2t/εの真空(空気)と等価である。従っ
て、隙間2t/εを隔てて配置された直径D、幅Lの2
つの円筒状の導体の間の静電容量を求めればよいことに
なる。
【0016】電極の幅(Lとする)が直径(Dとする)
より十分大きく、電場が2次元電場とみなせる場合即ち
長さが無限の円筒については、2つの円筒の間の静電容
量Cは理論的に求まり、X=t/(ε・D)と表すと、 C=π・ε0 ・L/ln〔1+X+(2X+X2)1/2 〕 となる。従って、静電容量CからXを求め、tを計算す
ることができる。
【0017】また、通常、表面皮膜の厚さtは数10μ
mに対し、電極の径Dは数10mm以上であり、t<<
Dであるから、更に近似を進めて、 C=π・ε・ε0 ・L・D/t としてもよい。
【0018】なお、2つの電極1、1は金属帯の表面皮
膜5に確実に接触している必要がある。そのためには、
ガイドロール等で金属帯の表面皮膜を電極に接触させれ
ばよい。その際、金属帯が電極に巻き付くようになる
と、金属帯の表面皮膜と電極が面接触することになり静
電容量が変わるので、静電容量による表面皮膜厚の測定
が不可能となる。また、測定精度以外の問題として、電
極に大きな力がかかり装置が破損する危険性もある。
【0019】従って、電極は金属帯の表面皮膜と常に線
接触を保つように調整する必要がある。そのためには、
電極の前後にガイドロールを設けたり、電極と抑えロー
ルで金属帯を挟むような配置等、種々の配置が有効であ
る。また、この発明で用いる電極は導体であればよく、
金属帯の表面皮膜と接触する部分が円筒型であれば、中
空であっても中実であってもよい。
【0020】なお、このようにして得た計測端子6の静
電容量は、正確には2つの電極の間の静電容量C0 を加
えたC+C0 の値であるから、実際はC0 の値を差し引
いた値を計測端子6の静電容量Cとすればよい。
【0021】ここで、C0 は、2つの円筒導体間の静電
容量として計算することもできるが、被検体が無い場合
の計測端子6の静電容量でもある。従って、被検体が無
い場合の計測端子6の静電容量を測定しておき、測定装
置自体の装置定数とするのが最も正確である。但し、電
極間の距離を皮膜厚さに比べてはるかに大きくとれば、
その静電容量C0 は皮膜の静電容量Cに対して無視して
もよい。
【0022】なお、図1の実施例は電極を2つ用いてい
るが、1つの電極と金属帯の間の静電容量を計測しても
よい。その場合、図1の計測端子6には、1つの電極と
金属帯の金属部本体4を、それぞれ電気的に接続する。
ここで、金属帯の表面皮膜が片面であれば、金属帯は搬
送ロール等でアースされているので、金属帯の電位とし
てアース電位を用いてもよい。また、直接接続しなくて
も、電気的に接続されていればよく、例えば、デフレク
タロール等広い面積で金属帯の表面皮膜と接触するロー
ルと、金属帯との容量結合を利用してもよい。
【0023】静電容量計測装置については種々の計測装
置があるが、ここでは、簡便で表面皮膜厚さの変動への
応答性の良い回路を用いた。図1で、計測端子6は、参
照用インピーダンス17を経由して、交流電源11に接
続されており、計測端子間の静電容量に電流を供給す
る。
【0024】計測端子および参照用インピーダンスに
は、それぞれの交流抵抗値(Z,Zrとする)と電流
(Iとする)の積(I・Z,I・Zr)に等しい電圧が
発生する。第1および第2の乗算器12、13により、
これら2つのの電圧の積(I2 ・Z・Zr)およびどち
らか一方の2乗(I2 ・Z2 又はI2 ・Zr2 )が出力
として得られる。
【0025】ここで、乗算器12、13の出力(I2
Z・Zr、I2 ・Z2 又はI2 ・Zr2 )について比を
とれば、電流の2乗(I2 )が約分され、2つの交流抵
抗値(Z,Zr)の比が得られる。
【0026】移相器18および第1および第2の積分器
14、15は、交流信号の振幅を求めている。積分器1
4、15では、電流実効値の2乗(I2 )の積分と2つ
の交流抵抗値の積(Z・Zr)との積、および電流実効
値の2乗(I2 )の積分とどちらか一方の2乗(Z2
はZr2 )との積が、積分値として得られる。
【0027】除算器16では、これら2つの積分値の比
を出力するが、電流実効値の2乗(I2 )の積分につい
ては約分され、その結果、2つの交流抵抗値の相互の積
とどちらか一方の2乗の比(Z・Zr/Z2 又はZ・Z
r/Zr2 )が残る。これは更に約分され、結局、除算
器で出力される比は、交流抵抗値の比(Zr/Z又はZ
/Zr)に等しくなる。参照用インピーダンス17の交
流抵抗(Zr)は既知であるから、この比から計測端子
6の交流抵抗(Z)が容易にわかり、交流抵抗を静電容
量に換算すれば、表面皮膜の厚さを測定することができ
る。
【0028】図1において、参照用インピーダンス17
に抵抗器を用いた場合について説明する。計測端子6に
おける電流をI、その周波数をω、抵抗器の抵抗値を
R、計測端子6の静電容量をCとする。まず、計測端子
6の電圧はI/jωCとなり、これが移相器18により
90°位相をずらされ、I/ωCとなる。次に、参照用
インピーダンス(抵抗器)17の電圧はI・Rとなる。
【0029】これらの電圧が第1、第2の乗算器の入力
となるので、乗算器の出力はそれぞれ、I2 ・R/ω
C、およびI2 ・R2 となる。これより、積分後の出力
の比は1/ωC・Rとなり、Rの値は既知なので表面皮
膜の静電容量Cが求まる。
【0030】また、参照用インピーダンス17に、コン
デンサを用いてもよい。その場合、移相器18の位相の
ずらし量は0°とするか、あるいは移相器自体を省略で
きる。参照用インピーダンス(コンデンサ)の容量をC
rとすると、その電圧はI/jωCrとなる。
【0031】この電圧と計測端子6の電圧I/jωC
が、第1、第2の乗算器の入力となるので、乗算器の出
力はそれぞれ、位相(電流Iに対し90°のずれ)を除
き、I 2 /(ω2 C・Cr)、I2 /(ω2 Cr2 )と
なる。これより、積分後の出力の比はCr/CとなりC
rは既知なので、表面皮膜の静電容量Cが求まる。
【0032】
【発明の効果】この発明は、回転可能な円筒型の電極を
用いているので、走行中の金属帯の表面皮膜に接触させ
ることにより、オンラインでの表面皮膜厚の測定が可能
となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の測定装置の1実施例を示す図。
【図2】電極と金属帯とで構成される静電場を考えるた
めの模式図。
【図3】従来の測定装置の構成を示す図。
【符号の説明】
1 電極 4 金属帯 5 表面皮膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属帯の表面皮膜に電極を接触させて静
    電容量を計測し表面皮膜の厚さを測定する静電容量型の
    表面皮膜厚測定装置において、少なくとも1つの電極の
    構造が回転可能な円筒型であることを特徴とする表面皮
    膜厚測定装置。
  2. 【請求項2】 前記の電極を、2つ備えていることを特
    徴とする請求項1の表面皮膜厚測定装置。
JP6617194A 1994-04-04 1994-04-04 表面皮膜厚測定装置 Withdrawn JPH07280503A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007302929A (ja) * 2006-05-10 2007-11-22 Sumitomo Electric Ind Ltd 被覆層の厚み計量機構およびそれを用いた被覆層形成装置
JP2008216074A (ja) * 2007-03-05 2008-09-18 Yaskawa Electric Corp 高分子アクチュエータの伸縮量センシング方法および伸縮量センシング装置

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