デュアルテクノロジーの膜厚測定

アプリケーションノートLA05-0010

著作権©2009 Lion Precision。 www.lionprecision.com

サマリー

静電容量センシング技術は、紙やプラスチックなどの非導電性フィルムの厚さを測定できます。 このプロセスは、厚さの大きな変化に対して効果的かつ簡単です。 ただし、厚さをミクロンに解決するには、生産環境に存在することが多いエラー原因を制御または補正する必要があります。 本質的な問題は、膜厚の変化に対する静電容量センサーの感度が低いことと、センサーと導電性ターゲット間のギャップの変化に対する感度が高いことです。 静電容量センシング技術と渦電流センシング技術を併用すると、エラーの原因の一部を軽減できます。 膜厚のミクロン単位の分解能を得るには、追加の機械的および計算技術が必要になります。

静電容量センサーによる基本的なフィルム測定
不導体測定

図1.非導電体は、非導電体を通過して背後の静止した導電性ターゲットに電界を通過させることで測定できます

静電容量センサーは、プローブの検知領域と接地された導電性表面との間の静電容量に基づいて測定を行います。 一般的な静電容量センシングアプリケーションでは、ターゲットがプローブに近づく、またはプローブから遠ざかるにつれて、静電容量の変化を測定します。 しかし、静電容量は、プローブと接地された導電性表面との間のギャップ内の材料の誘電率を変更することによっても変更されます(図1)。 ほとんどのフィルムは、空気よりもかなり高い誘電率を持っています。 このため、プローブと導電性の基準面との間のフィルムの厚さが変化すると、静電容量が変化し、センサーの出力電圧が変化します。 信頼できる結果を得るには、プローブと基準面の間のギャップを一定に保つ必要があります。 感度はフィルムの厚さの変化よりも導電性表面の動きに対してはるかに高いため、ギャップの小さな変化はフィルムの厚さに大きな誤差を生じます。

感度に関する考慮事項

線形出力の静電容量センサーは、膜厚を測定するときに線形出力も提供しますが、感度は大幅に低下します。 導電性ターゲットの位置の数ミクロンの変化に対してXNUMXボルトの変化を生じるセンサーは、膜厚の数ミクロンの変化に対して数ミリボルトの変化しか生じない場合があります。 膜厚に対する感度を決定する要因のXNUMXつは、材料の誘電率(ε)です。 誘電率が高いほど感度が高くなります。 以下の表に、いくつかの一般的な材料の誘電率を示します。

材料

誘電率(ε)

空気 1
マイラー 3.1
ネオプレン 6.7
ポリエチレン 2.25
テフロン 2.1

膜厚に対する感度のもうXNUMXつの重要な要素は、静電容量センサーの較正範囲です。 膜厚の変化に対する静電容量センサーの感度は、センサーの範囲に反比例します。 フィルムの厚さの変化に対する感度を高めるには、静電容量センサーの範囲が非常に狭く、フィルムに非常に近いことが必要です。 以下のチャートは、XNUMXつの異なる誘電率における静電容量センサーの範囲と膜厚変化に対する感度の典型的な関係を示しています。

静電容量センサー範囲に対するフィルム感度

膜厚に対する感度の調整

静電容量式センサーは一般に、導電性ターゲットの位置の変化に対して較正されます。 フィルムの厚さの変化に対する容量センサーの感度を決定するには、既知の厚さのフィルムがXNUMX枚必要です。 各ピースは、センサーと基準面の間のギャップに配置され、測定されます。 XNUMXつの厚さとそれぞれの測定値の差がシステムの感度です。 出力は膜厚に対して線形であるため、この感度はセンサーの範囲内のすべての測定に適用されるはずです。

主な生産エラーの原因
金属ローラー

フィルム生産環境では、フィルムが金属ローラーを通過するときにほとんどの厚さ測定が行われます。 ローラーは静電容量センサーに必要な基準面を提供しますが、不完全なベアリングで回転するローラーの不完全な形状により、ローラーが回転するにつれてローラーが静電容量プローブに近づいたり離れたりします(図2)。

図2.不完全なベアリング上の不完全なローラーは、静電容量センサーの重大な誤差源を作成します

スキャン

多くのフィルムアプリケーションでは、ウェブ全体のフィルム厚をスキャンする必要があります。 これは通常、ローラーに平行にウェブ上でセンサーを移動することで実現されます。 スキャンシステムの機構も不完全であり、スキャン中にローラーとセンサーのギャップが変化します(図3)。

図3.不完全なスキャナーのメカニズムは、静電容量センサーの重大なエラーソースも作成します。

 

静電容量センサーは、導電性ターゲットの動きに対してはるかに敏感であるため、ローラーとセンサー間のギャップのこれらの変化で膜厚の変化が失われます。

渦電流センサーはローラーとスキャンの問題を解決します

渦電流センサーは、フィルムやその他の不導体を検出できません。 渦電流センサーを使用して、ローラーと静電容量センサー間のギャップの変化を監視できます。 渦電流センサーによって測定されたギャップの変化は、静電容量センサーによって測定された変化から差し引くことができ、その結果、膜厚のみが測定されます(図4)。

静電容量センサーと渦電流センサーを使用した差動測定により、システムからギャップ変更エラーを除去

不完全なセンサー

容量センサーと渦電流センサーが理想的な場合、デュアルテクノロジーの膜厚センサーが理想的なソリューションとなり、膜厚測定が簡素化されます。 膜厚変化に対する静電容量センサーの感度は比較的低いため、静電容量センサーと渦電流センサーでは通常重要ではない小さな誤差が膜厚の測定における重要な要因になります。 デュアルテクノロジーセンサーソリューションを使用して膜厚測定を行うには、静電容量センサーおよび渦電流センサーのエラーソースを、必要な最小膜厚分解能よりも小さいレベルに制御する必要があります。 アプリケーションが2mVで表される膜厚の10µmの変化の測定を必要とする場合、誤差源は10mVを大幅に下回る必要があります。 重要な考慮事項となる非接触センシングに共通のエラーソースがいくつかあります。 それぞれについて以下で説明します。

センサーエラーソース

センサー誤差の原因は、膜厚のわずかな変化に対するセンサーの感度よりも大きくなる可能性があります。 デュアルテクノロジーシステムを使用する場合、容量センサーと渦電流センサーでエラーの極性が異なると、エラーの大きさがXNUMX倍になることがあります。

直線性誤差

すべての変位センサーは小さな直線性誤差を示します。 直線性エラーは、測定ポイント間の感度がセンサーの範囲にわたって一貫していない場合に発生します。 静電容量センサーと渦電流センサーの一般的な直線性誤差の仕様は、フルスケール範囲の±0.2%です。 最悪のシナリオでは、静電容量センサーと渦電流センサーは、それぞれの範囲の同じポイントで逆極性の直線性誤差を持ちます。 その結果、0.4%のフルスケールの合計誤差が生じます。 0-10V出力の場合、そのポイントでの誤差電圧は40mVです。 このセクションの最後にある相対誤差マグニチュードチャートを参照すると、40mVは、チャートにリストされている最も感度の高い範囲では膜厚の5µm誤差に、そして最も感度の低い(最も広いギャップ)校正では20µm誤差にほぼ等しくなります。 このシステムは、そのままでは膜厚の1または2μmの変化を確実に測定できませんでした。 システムを「マスター」すると、このエラーを大幅に減らすことができます。 熱ドリフトについて説明した後、マスタリングについて説明します。

熱ドリフト

すべての変位センサーは小さな熱ドリフトを示します。 温度の変化は、プローブ構造の機械的変化と一部の電子部品の電気ドリフトを引き起こします。 これらは通常非常に小さいですが、膜厚測定に伴う感度が低いため、重要な場合があります。 熱ドリフトは、主に出力のDCシフトです。 感度(ゲイン)は影響を受ける可能性がありますが、その影響はDCシフトよりもはるかに小さくなります。 静電容量センサーと渦電流センサーの一般的な熱ドリフト仕様は、±0.04%フルスケール/°Cです。 0.08つのセンサーを使用する場合、それぞれの熱ドリフトが反対になる可能性があり、潜在的な誤差が3%フルスケール/°Cに倍増します。 24℃の変化に対して、出力は3mV変化する可能性があります。 これは、最も感度の高い範囲では膜厚10µmに相当し、最も感度の低い範囲ではXNUMXµm以上になります。

エラーを減らすためのマスタリング

デュアルテクノロジーの膜厚測定で生じるエラーのほとんどは、XNUMXつのセンサー間のエラーの違いに起因します。 XNUMXつのセンサーの誤差を一致させることができた場合、測定値を数学的に組み合わせると、誤差はほぼゼロに減少します。 これは、「マスタリング」と呼ばれるプロセスによって実現できます。マスタリングには、生産中のセンサーの性能の時折のテストと補正が含まれます。 これは手動で行うことができますが、通常はコンピューター制御システムの自動化された部分です。

直線性誤差を減らすためのマスタリング

直線性誤差(またはその他の感度誤差)を減らすには、センサーをフィルムから離し、ローラーとセンサー間のギャップが変化したときにセンサーを調整します。 これは、センサーを上下に移動するメカニズム、または複数の高さのターゲットをセンサーの下の複数の位置に移動するメカニズムで実現できます。 さまざまなギャップの各センサーからデータが収集されます。 ルックアップテーブルを使用するか、多項式を計算することにより、両方のセンサーが数学的に較正され、異なるギャップで同一の結果が生成されます。 直線性と感度は変化の影響を受けにくいため、マスタリングプロセスを頻繁に行う必要はありません。

熱ドリフトエラーを減らすためのマスタリング

熱エラーを減らすには、フィルムが存在しない状態でローラーを測定するためにセンサーをフィルムから離すだけです。 フィルムから離れている間、センサーの出力は数学的にゼロに設定され、測定が再開されます。 熱ドリフトが発生した場合、フィルムから離れたときに両方のセンサーをゼロにリセットすることにより、熱ドリフトを除去します。 この操作の頻度は、設置の熱環境とセンサーの熱安定性によって決まります。 温度の頻繁な変化や大きな変化は、より頻繁なマスタリングを必要とします。

センサーの電気ノイズ

センサーを含むすべての電気機器は、出力に少量の電気ノイズを生成します。 他のエラー源と同様に、このノイズは非常に小さいですが、膜厚の小さな変化(ミクロン)を測定する場合に大きくなる可能性があります。 電気ノイズは、周波数の広いスペクトルにわたって分布しています。 このため、ローパスフィルターまたは低帯域幅センサーはノイズの一部を除去し、それによってこのエラーソースを減らすことができます。 実際の解像度の値は特定のセンサーとキャリブレーションに依存しますが、静電容量センサーのノイズの典型的な値は、0.004kHz帯域幅で15%フルスケール、0.002Hzで100%のみです。 0-10V出力では、これは0.2mVです。 渦電流センサーの一般的な分解能値は、0.008kHzで15%、0.004Hzで100%です。 0-10V出力では、これは0.4mVです。

相対誤差の大きさ

以下のチャートは、膜厚が1µm変化した場合のセンサーの電圧変化と、マスタリングされていないデュアルテクノロジーセンシングシステムの最悪のシナリオで起こりうるエラー電圧を示しています。

フィルムの感度と誤差の大きさは、一般化された近似値です。 特定の値は、最終的なシステム構成によって異なります。

センサー対象エリア

隣接する容量性センサーと渦電流センサーを使用することは効果的かもしれませんが、検知エリアの位置の違いはシステムのエラー原因になります。 静電容量センサーと導電性ターゲット間のギャップの変化は、渦電流センサーの位置でのギャップの変化と一致しません。 ミクロンの膜厚分解能が必要な場合、このエラーは法外な場合があります。 デュアルテクノロジー厚さシステムの理想的なアプリケーションでは、静電容量センサーと渦電流センサーが同じ場所を測定する必要があります。 これには、センサーが同心であることが必要です。 特別に設計されたデュアルテクノロジーのプローブはこれを可能にします。