膜厚計の測定原理




電磁式(電磁誘導式膜厚計)

下地が磁性体であることが必要

 

低周波交流電磁石の入ったプローブの先端に磁性体を近づけると、磁石が磁性体をひきつけることに対する反作用(電磁誘導)がおき、2者間の距離のわずかな変化に対応して、2次コイルの電圧が変化します。この変化を利用して膜の厚さを測るものです。電磁式は、下地が鉄などの磁性金属の場合にのみ使用できます。非鉄金属(非磁性金属)が下地の場合は、渦電流を利用する、渦電流式膜厚計か渦電流位相式膜厚計を使用します。

プローブの先端がスプリングで引っ込むようになっていれば定圧接触式で非破壊の膜厚計になります。

測定対象: 磁性体(鉄、鋼、フェライト系ステンレスなど)素材上の非磁性皮膜(メッキ、ペイント、樹脂膜など)

(注)下地が磁性体であることが条件となります。プローブから磁性下地までの距離を測っているので、プローブの密着度・膜の表面粗さなどが測定に影響します。これを避けるには、実質非接触式の渦電流位相式や質量を測るベーター線式が、おすすめ。また、接触式でも測定センサーをプローブ内に2点持っているタイプや、プローブ接触面が大きいものを利用して平均化を図ることもできます。

 

 

渦電流式膜厚計(渦電流振幅感応式)

下地が導電性・非磁性金属であることが必要

 

DIN EN ISO 2360, ASTM B244準拠の方式。高周波電界によって非磁性金属表面に誘起される渦電流の大きさと磁界・金属表面の距離(皮膜厚み)との電気的相関性を利用して、金属上の絶縁性皮膜の厚さを測るものです。

高周波交流(2MHz~)により交流磁界を発生させるコイルの入ったプローブを導電性非磁性金属表面に近づけると,高周波交流の電流により金属表面に渦状の電流が発生します。渦電流は磁界を打ち消す方向に流れるので発信機からの電流は抵抗を受けます。その大きさは母材特性とプローブからの距離(膜厚)と相関性があるので膜厚に変換します。

測定対象:導電性非磁性金属(アルミ、銅、オーステナイト系ステンレスなど)素材上の絶縁性膜(塗膜、樹脂膜、アルマイトなど)や非磁性膜厚の測定

(注)下地が導電性・非磁性金属であり渦電流が起こせることが必要です。プローブから磁性下地までの距離を測っているので、プローブの密着度・膜の表面粗さなどが測定に影響します。

 

 

渦電流位相式(渦電流位相変位感応式)

膜厚の直接測定

 

DIN EN ISO 21968準拠による、入力側の高周波磁界と被測定膜上の渦電流との位相差を厚さに変換します。各プローブで許容されている範囲内において、プローブと被測定膜の距離は位相差に影響しないので、プローブを密着させないで膜厚測定ができます。そのため、パシベーション膜があるPC基板上のCuや、ペイント後の車両鋼板上のZnメッキ厚などが測れます。

  1. 磁性体上の非磁性導電性膜:Fe上のZn、Cu、Al、Niメッキの膜厚
    ※塗装/ Zn / 鋼板 (自動車のボディ)のペイント層下のZn厚の非接触測定
    ※ネジ道上のメッキ厚測定
  2. 低電導率・非磁性体上の高電導率・非磁性膜: 真鍮、ステンレス上のCu膜
  3. 非導電性素材上の非磁性金属膜厚:PC基板の銅膜厚の測定、スルーホール内側の銅被膜
    ※Cu膜上にパシベーション膜があっても計測
    ※密着できない穴の内側のCu厚計測

 

Surface World 2010 Oct Simaltanious thickness measurement of Zn and paint coating in automotive industry. (English)
電磁式膜厚計と渦電流位相式膜厚計を組み合わせたプローブを使用して、折り曲げ加工後の車体(Fe)上のペイント厚みとZnメッキ厚みを同時に計測する。渦電流位相式でZn厚を直接ペイントを通して測り、電磁式でペイントとZn層の合計を測る。2者の差がペイント厚みとなります。 自動車車体工場に納品された、亜鉛メッキ済み鋼板はメッキ厚のばらつきと折り曲げ加工によるメッキ厚変動が考えられるが、加工完了後にもペイント厚とメッキ厚を同じポイントで計測できる手法は、自動車産業の品質管理に大いに貢献しています。
 

 

蛍光X線式膜厚計・素材分析(蛍光X線スペクトル分析法)

膜厚の直接測定

 

X線管から発生した一次X線を試料物質にあてると、その原子核から電子をたたき出します。このときエネルギーレベルの高い、より遠くの殻からの電子が空いた電子の空間に「落ち」込みます。このポジション変化の過程で原子は特定の元素に特有の波長を持った2次X線(蛍光X線)を放出します。複数の元素からの蛍光X線を半導体検出器などによって種類と強度をスペクトル分析します。

それぞれの波長から元素の種類を特定し、且つ強度から元素の量を確定します。つまり、同じ測定で定性分析(素材分析)と定量分析(膜厚測定)が同時にできます。フィッシャー社のED-XRF装置(エネルギー分散型蛍光X線分析器)では高度なソフトウエア処理などにより、最高24種類の元素の同時分析が可能になっています。

検出可能な元素の範囲は大気中でもアルミニウム(Al)からウラン(U)までと広く、且つ同時に多数の元素が分析できます。 高感度のX線検出管を使用して真空中で計測すればナトリウム(Na)からUまでの元素分析が可能。これは、大気で減衰してしまう蛍光X線領域の利用が真空チャンバーで可能になるからです。 工程管理から研究開発にいたる広い分野で利用されており、近年問題になっている環境試料や産業廃棄物においても有効でコスト効率の高い分析装置です。

 

 

電気抵抗式膜厚計

PC基板上のCu膜測定用、膜厚の直接測定

 

DIN EN 14571準拠の接触式測定法。4つの測定端子を測定面に接触させて、外側2端子より電流を流しながら内側2端子間の電圧降下度合いを測定する。Cu(銅)などの厚みは導電率に相関しているので計算により膜厚を求めています。

しかしCuの導電率は温度に影響を受けるので、精度を出すためには表面温度計が埋め込まれたプローブを使用して、自動的に温度補正をかけたり、外部温度計にて同じことをする必要があります。

多層のプリント回路基板のCu膜厚を測るのに向いており、DC仕様で電磁誘導が起きないので多層基板や両面基板などの場合、絶縁層を経た隣接するCu層の影響を受けない。 フィッシャー社製膜厚計の場合、測定プローブ幅は4mmと26mmタイプがあります。

 

 

β線後方散乱式膜厚計

 

物質にベータ線を照射すると一部は吸収され、一部は透過されます。また一部は後方に散乱し、その線量はその物質の厚みと核外電子数(電子番号)によって異なります。線量の増加が検出できなくなる飽和厚に達するまでは、厚みが増えると後方散乱量が増加するので、下地の後方散乱量と皮膜のそれを比較することで厚みを測定することができます。 従って、下地と皮膜の原子番号の差が大きいほど測定精度は上がり、原子番号の差が小さいほど測定精度は低下します。

ISO 3543, ASTM B567準拠の方式で、密閉容器に入った放射性同位元素の放射線源から照射されたβ線(ベーター線)を、膜と基板に照射して線源側に反射された電子の数をガイガーミュラー計数管ではかる。この方式は基板と膜が元素番号で5番以上の違いがあるときに使用できます。

放射線の使用は安全管理が面倒な反面、β線の実態が質量のある電子であるためX線よりは減衰しやすく、より高いゲインが取れるため薄物の測定に向いている。線源にはPm147、Tl204、Sr90、C14があり1~800μmの厚さレンジの測定となります。

同じ線源と計数管を透過式としてβ線の減衰の度合いを測ればフィルム膜厚計に使用できます。(フィッシャー社では測定ステージZ6NGで透過型測定ができます。)

測定例

  1. 非鉄金属、鉄、絶縁材上の油膜、ペンキ、プラスチック、セラミックコート
  2. 亜鉛メッキ鋼板の上のZnを含んだ有機系コーティング
  3. 金属、非導電性基板上の金属膜
 

 

磁気式 膜厚計 (ホール効果)

膜厚の直接測定

 

ISO2178準拠の接触式のNi膜厚測定方式。永久磁石を使用した接触式でNiなどの磁性金属膜が非磁性下地上にある場合などに使用する。磁性金属膜圧が永久磁石の磁場に与える度合いを起電力の変化としてホール効果センサーで測定し膜圧に変換します。電磁式に比べ渦電流による特性劣化がないため厚物の測定に向いています。

測定例

  1. 非磁性材上の電解Niメッキ:Al上のNiメッキ
  2. 磁性体上の非鉄金属膜:鋼、Fe上のCu, Al, Pb 膜