特開 2022-16736 塗膜測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022016736

(43)【公開日】2022-01-25

(54)【発明の名称】塗膜測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/06 20060101AFI20220118BHJP

   G01N 22/00 20060101ALI20220118BHJP

【ＦＩ】

G01B7/06 Z

G01N22/00 S

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020119624

(22)【出願日】2020-07-13

(71)【出願人】

【識別番号】519441523

【氏名又は名称】７Ｇａａ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000147350

【氏名又は名称】株式会社精工技研

(71)【出願人】

【識別番号】503180030

【氏名又は名称】山勝電子工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100178906

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 充和

(72)【発明者】

【氏名】黒川 悟

(72)【発明者】

【氏名】鳥羽 良和

【テーマコード（参考）】

2F063

【Ｆターム（参考）】

2F063AA16

2F063BA14

2F063BB08

2F063BC05

2F063BD13

2F063CA09

2F063DA01

2F063DA05

2F063DC08

2F063DD02

2F063LA04

2F063LA17

(57)【要約】

【課題】船舶を構成する金属板上の塗膜の膜厚測定において、十分な測定速度が得られ、測定膜厚の変化等に対して柔軟に対応可能な塗膜測定方法を提供する。
【解決手段】船舶を構成する金属板１上に塗装された塗膜の厚さを測定する方法であって、送受信アンテナであるホーンアンテナ５と、マイクロ波の電気信号を発生してホーンアンテナ５に供給し、ホーンアンテナ５により受信されたマイクロ波の電気信号が入力される送受信回路６と、を有するマイクロ波送受信装置３を備え、塗膜２の表面にほぼ垂直に周波数を掃引しながらマイクロ波７を入射して、塗膜２から反射される反射波８の強度が極小、又は極大となる周波数を検出し、その検出した周波数に基づいて塗膜２の厚さを算出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

船舶を構成する金属板上に塗装された塗膜の厚さを測定する方法であって、
電気信号を入力してマイクロ波を出力し、入力されるマイクロ波を受信して電気信号を出力する送受信アンテナと、マイクロ波の電気信号を発生して前記送受信アンテナに供給し、前記送受信アンテナにより受信されたマイクロ波の電気信号が入力される送受信回路と、を有するマイクロ波送受信装置を備え、
前記塗膜の表面にほぼ垂直に周波数を掃引しながらマイクロ波を入射して、前記塗膜から反射されるマイクロ波の強度が極小、又は極大となる周波数を検出し、
前記の検出した周波数に基づいて前記塗膜の厚さを算出することを特徴とする塗膜測定方法。

【請求項2】

前記マイクロ波が入射される前記塗膜上に所定の厚さの誘電体を設置して該誘電体の表面から前記マイクロ波を照射し、前記誘電体の厚さは、前記塗膜から反射されるマイクロ波の強度が、前記マイクロ波の掃引周波数の範囲内において極小、又は極大となるように設定されることを特徴とする請求項1に記載の塗膜測定方法。

【請求項3】

前記マイクロ波は、前記塗膜又は前記誘電体の表面に近接して配置された導波管の開口又はホーンアンテナの開口から放射されることを特徴とする請求項１又は２に記載の塗膜測定方法。

【請求項4】

前記マイクロ波は、前記塗膜の表面に近接して配置された導波管の開口又はホーンアンテナの開口から放射され、前記誘電体は前記導波管又は前記ホーンアンテナの開口の内側に設置されることを特徴とする請求項２に記載の塗膜測定方法。

【請求項5】

前記送受信アンテナ及び前記送受信回路は、それぞれＯ／Ｅ変換器とＥ／Ｏ変換器とを備え、前記送受信アンテナと前記送受信回路との間は光ファイバで接続され、
前記送受信回路より出力されて前記送受信アンテナに供給されるマイクロ波の電気信号及び前記送受信アンテナにより受信されて前記送受信回路に入力されるマイクロ波の電気信号は、それぞれ光信号に変換されて前記光ファイバにより伝達されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の塗膜測定方法。

【請求項6】

前記マイクロ波送受信装置を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の塗膜測定方法。

【請求項7】

前記制御装置は、前記マイクロ波送受信装置と離れた場所に設置され、前記マイクロ波送受信装置との間の通信手段を有することを特徴とする請求項６に記載の塗膜測定方法。

【請求項8】

前記塗膜の表面に沿って、前記塗膜との間の距離をほぼ一定に保ちながら前記送受信アンテナを移動する走査手段を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の塗膜測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、船舶を構成する金属板上に塗装された塗膜の厚さを測定する方法に関し、特にマイクロ波を用いた塗膜測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

船舶には、船舶を構成する外板や船舶内の水を収容するバラストタンク、荷物や石油等を収容するカーゴタンク等の大きな面積を有する金属板が多く使用されている。それらの金属板は海上で運用されるため、防食性、耐水性、耐候性、等に対する対策が非常に重要であり、それらの性能を達成するため、特許文献１及び２に記載されているように、金属表面には用途に応じて様々な塗装が行われている。一般的には、数種類の重ね塗装が施されている。その塗装工程においては塗膜の膜厚の管理が必要である。

【0003】

従来の塗膜の膜厚管理は特許文献２に記載されているように、広い面積は目視で素地に対する隠蔽性や色調で管理していた。また、厚さを正確に把握するため、特定の個所のみを膜厚計で実測していた。従来、層状に形成された膜体の膜厚を測定する場合、磁気式、電磁式、渦電流式、超音波式、光学式等の方式を用いた測定器により測定されている。特許文献３には従来の電磁式膜厚計の一例が、特許文献４には超音波式膜厚計の一例が、特許文献５には光学式膜厚計の一例が、それぞれ記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平８－２４７８１号公報

【特許文献2】特開２０００－３７６５８号公報

【特許文献3】特開平１０－３００４１２号公報

【特許文献4】特開平９－４２９５０号公報

【特許文献5】特開平６－３００５２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

膜厚を制御しながら大面積の塗装を実施する場合には、塗膜の膜厚測定を高速に行い、塗装工程にフィードバックして制御する必要が生ずる。特に大面積の塗装を必要とする船舶においては重要である。また、設定膜厚が異なる表面を有する領域について連続して測定する際には、容易に異なる膜厚に対する設定変更の操作が行えることが望ましい。しかし、従来のいずれの方式の膜厚測定においても、船舶を構成する金属板の塗装工程に適合できるような膜厚の測定速度や測定膜厚の変化等への対応性については十分な性能は得られていない。

【0006】

本発明の目的は、上記の課題を解決し、船舶を構成する金属板上の塗膜の膜厚測定において、十分な測定速度が得られ、測定膜厚の変化等に対して柔軟に対応可能な塗膜測定方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、第１の観点では、本発明による塗膜測定方法は、船舶を構成する金属板上に塗装された塗膜の厚さを測定する方法であって、電気信号を入力してマイクロ波を出力し、入力されるマイクロ波を受信して電気信号を出力する送受信アンテナと、マイクロ波の電気信号を発生して前記送受信アンテナに供給し、前記送受信アンテナにより受信されたマイクロ波の電気信号が入力される送受信回路と、を有するマイクロ波送受信装置を備え、前記塗膜の表面にほぼ垂直に周波数を掃引しながらマイクロ波を入射して、前記塗膜から反射されるマイクロ波の強度が極小、又は極大となる周波数を検出し、前記の検出した周波数に基づいて前記塗膜の厚さを算出することを特徴とする。

【0008】

本発明の塗膜測定方法において、一般的に、塗膜はマイクロ波を少なくとも一部透過するので、塗膜から反射されるマイクロ波は、その表面からの反射波と、その裏面と金属との境界からの反射波を含んでいる。また、塗膜の裏面はマイクロ波の反射率の大きな金属と接しているので、塗膜におけるマイクロ波の吸収があっても裏面からは大きな反射波が得られる。周波数を掃引しながらマイクロ波を入射することにより、表面からの反射波と裏面からの反射波が干渉し、特定の周波数において、反射されるマイクロ波の強度が極小、又は極大となる。

【0009】

具体的には、塗膜の厚さが塗膜中に入射されたマイクロ波の波長の１／４の奇数倍となるときには、塗膜中を往復したマイクロ波と塗膜の表面で反射するマイクロ波は互いに逆相となり、打ち消し合うので反射されるマイクロ波の強度が極小となる。一方、塗膜の厚さが上記マイクロ波の波長の１／４の偶数倍となるときには、塗膜中を往復したマイクロ波と塗膜の表面で反射するマイクロ波は同相となり、強め合うので反射されるマイクロ波の強度が極大となる。例えば、塗膜の厚さがマイクロ波の波長の１／４であるとき、塗膜中のマイクロ波は、表面と裏面との間を往復する間にπの位相変化を生じ、さらに裏面の金属の表面での反射によりπの位相変化を生じるので、塗膜の表面に戻るときの位相変化量は合計２πとなる。一方、塗膜の表面で反射するマイクロ波はπの位相変化を生ずる。この結果、塗膜中を往復したマイクロ波と塗膜の表面で反射するマイクロ波の間にはπの位相差が生じ、互いに逆相となる。

【0010】

本発明においては、塗膜の誘電率を予め把握しておくことにより各周波数における塗膜中のマイクロ波の波長を把握することができる。極小、又は極大となる周波数を検出し、その周波数に基づいて塗膜の厚さを算出することが可能となる。測定膜厚が変化した場合にもマイクロ波の周波数を変えるという簡単な手段により対応可能である。なお、本発明において、上記のマイクロ波はいわゆるミリ波帯の周波数領域を含んでいてもよい。送受信回路は、マイクロ波発信回路、周波数掃引回路、マイクロ波検出回路等を有している。

【0011】

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点の塗膜測定方法において、前記マイクロ波が入射される前記塗膜上に所定の厚さの誘電体を設置して該誘電体の表面から前記マイクロ波を照射し、前記誘電体の厚さは、前記塗膜から反射されるマイクロ波の強度が、前記マイクロ波の掃引周波数の範囲内において極小、又は極大となるように設定されることを特徴とする。

【0012】

本観点の発明は、使用可能な最大のマイクロ波周波数においても、測定可能な厚さ、すなわち、マイクロ波の波長の１／４よりも塗膜の厚さが小さい場合、予めその誘電率と厚さが判明している誘電体を測定対象の塗膜上に設置することにより、塗膜の厚さを測定可能とするものである。すなわち、誘電体と塗膜の厚さの合計が誘電体及び塗膜中に入射されたマイクロ波の波長のほぼ１／４となるとき、誘電体の表面と金属の表面との間を往復したマイクロ波と誘電体の表面で反射するマイクロ波は互いに逆相となり、打ち消し合うので反射されるマイクロ波の強度が極小となる。塗膜上に設置する誘電体の誘電率は塗膜に近く、誘電体と塗膜の境界における反射波が小さいことが望ましいが、その境界からの反射波があっても、測定された周波数特性に基づく計算により塗膜の厚さを求めることができる。

【0013】

第３の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の塗膜測定方法において、前記マイクロ波は、前記塗膜又は前記誘電体の表面に近接して配置された導波管の開口又はホーンアンテナの開口から放射されることを特徴とする。本観点の発明においては、マイクロ波を放射し、かつ、反射波が入力される導波管の開口又はホーンアンテナの開口を常に塗膜又は誘電体の表面に近接して配置することにより、塗膜又は誘電体との間の距離をほぼ０に、又は小さい一定の値に保ち、かつ、塗膜へのマイクロ波の入射角度及び反射波の導波管の開口又はホーンアンテナの開口への入射角度を一定に保つことが容易となる。これにより、測定精度の向上が図れる。導波管又はホーンアンテナを移動させながら塗膜の厚さ分布を測定する場合等には非常に有効である。

【0014】

第４の観点では、本発明は、前記第２の観点の塗膜測定方法において、前記マイクロ波は、前記塗膜の表面に近接して配置された導波管の開口又はホーンアンテナの開口から放射され、前記誘電体は前記導波管又は前記ホーンアンテナの開口の内側に設置されることを特徴とする。前記の第２の観点の発明のように誘電体を測定対象の塗膜上に設置して測定する場合、大きな領域を測定するためには、誘電体を測定の度に測定個所に移動するか、又はその領域全体に同じ厚さの誘電体シート等を貼り付けておく必要がある。しかし、本観点の発明では、その誘電体をアンテナに一体として設置することにより、同じ誘電体を用いて容易に異なる個所の測定を行うことができる。

【0015】

第５の観点では、本発明は、前記第１乃至第４の観点の塗膜測定方法において、前記送受信アンテナ及び前記送受信回路は、それぞれＯ／Ｅ変換器とＥ／Ｏ変換器とを備え、前記送受信アンテナと前記送受信回路との間は光ファイバで接続され、前記送受信回路より出力されて前記送受信アンテナに供給されるマイクロ波の電気信号及び前記送受信アンテナにより受信されて前記送受信回路に入力されるマイクロ波の電気信号は、それぞれ光信号に変換されて前記光ファイバにより伝達されることを特徴とする。

【0016】

本観点の発明では、送受信アンテナと送受信回路とを分離して配置し、光ファイバによりそれらの間を接続することにより、塗膜の複数の測定個所や広い面積を走査して測定する場合、送受信回路を移動させることなく、送受信アンテナのみを移動させて測定することが可能となる。光ファイバは軽量であり、かつ、マイクロ波信号を小さな損失で送信することができる。また、送受信アンテナにおいて、Ｏ／Ｅ変換により、測定に必要なマイクロ波の電力が得られることも発明者らにより確認されている。

【0017】

第６の観点では、本発明は、前記第１乃至第５の観点の塗膜測定方法において、前記マイクロ波送受信装置を制御する制御装置を備えることを特徴とする。本観点の発明において、制御装置は、放射されるマイクロ波の周波数、強度等を決定してマイクロ波の送信回路を制御し、マイクロ波の受信回路により受信されたマイクロ波の強度等の情報を受信する。また、制御装置は、マイクロ波の強度が極小、又は極大となる周波数を検出し、その検出した周波数に基づいて塗膜の厚さを算出する手段を有していてもよい。又は、上記の算出手段などは制御装置の情報に基づいて、他のパーソナルコンピュータ等により算出してもよい。

【0018】

第７の観点では、本発明は、前記第６の観点の塗膜測定方法において、前記制御装置は、前記マイクロ波送受信装置と離れた場所に設置され、前記マイクロ波送受信装置との間の通信手段を有することを特徴とする。本観点の発明では、マイクロ波送受信装置と制御装置とを分離して配置することにより、測定システムにおいて演算処理回路や表示装置等の出力装置等が必要な場合、それらの装置を備える制御装置を移動させることなく、マイクロ波送受信装置のみを移動させて広い面積の塗膜を測定することが可能となる。また、マイクロ波送受信装置と制御装置との間の通信手段としては、無線ＬＡＮを利用した通信や、Ｅ／Ｏ変換器、Ｏ／Ｅ変換器を設置して光ファイバによる通信を行うことができる。

【0019】

第８の観点では、本発明は、前記第１乃至第７の観点の塗膜測定方法において、前記塗膜の表面に沿って、前記塗膜との間の距離をほぼ一定に保ちながら前記送受信アンテナを移動する走査手段を有することを特徴とする。塗膜の複数個所の厚さ、又はある程度の広い領域の厚さ分布等を測定する場合に、送受信アンテナを塗膜との間の距離をほぼ一定に保って移動させながら測定を行うことが必要であり、このような場合に本観点の発明は有効である。一定の制御により順次所定の位置に送受信アンテナを移動するための走査手段としては、電動の移動機構や工業用のロボット等を利用することができる。

【0020】

前記の第５の観点の発明のように、送受信アンテナと送受信回路とが分離されている場合は送受信アンテナのみを移動し、送受信アンテナと送受信回路が一体となっている場合は、マイクロ波送受信装置全体を移動することができる。また、その走査手段は、送受信アンテナ又はマイクロ波送受信装置を搭載し塗膜との間の距離をほぼ一定に保つように制御されて走行する車両等であってもよい。また、塗膜が曲面形状の金属板の表面に設置されている場合は、走査手段としては、その曲面形状に沿って移動する移動機構を用いることができる。

【発明の効果】

【0021】

上記のように、本発明により、船舶を構成する金属板上の塗膜の膜厚測定において、十分な測定速度が得られ、測定膜厚の変化等に対して柔軟に対応可能な塗膜測定方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施例１の塗膜測定方法の構成例を模式的に示す図。

【図2】本発明の実施例２の塗膜測定方法の構成例を模式的に示す図。

【図3】本発明の実施例３の塗膜測定方法の構成例を模式的に示す図であり、図３（ａ）は送受信アンテナとしてホーンアンテナを使用した場合、図３（ｂ）は送受信アンテナとして導波管を使用した場合、図３（ｃ）は導波管の開口の内側に誘電体を設置した場合を示す。

【図4】本発明の実施例４の塗膜測定方法の構成例を模式的に示す図。

【図5】本発明の実施例５の塗膜測定方法の構成例を模式的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照して本発明の塗膜測定方法を実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

【実施例0024】

図１は、本発明の実施例１の塗膜測定方法の構成例を模式的に示す図である。図１は、ほぼ平坦な船舶の外板の一部を構成する金属板１上に塗装された塗膜２の厚さを塗膜測定装置１０を用いて測定する場合の構成を示しており、塗膜測定装置１０は、電気信号を入力してマイクロ波を出力し、入力されるマイクロ波を受信して電気信号を出力するホーンアンテナ５と、マイクロ波の電気信号を発生してホーンアンテナ５に供給し、ホーンアンテナにより受信されたマイクロ波の電気信号が入力される送受信回路６とを有するマイクロ波送受信装置３を備えている。ホーンアンテナ５により塗膜２にほぼ垂直にマイクロ波７を放射し、塗膜２から反射される反射波８を受信する。

【0025】

さらに、本実施例では、マイクロ波送受信装置３を制御し、マイクロ波送受信装置３から得られる受信データを用いて塗膜２の厚さを算出し表示する制御装置４を備えている。制御装置４は、パーソナルコンピュータを用いて構成し、送受信回路６の発信周波数や発信強度、マイクロ波ビーム幅等を制御する。

【0026】

発信強度をほぼ一定とし、発信周波数を掃引しながらホーンアンテナ５よりマイクロ波７を塗膜２に入射することにより、塗膜２の表面からの反射波とその裏面からの反射波が干渉し反射波８となってホーンアンテナ５に戻る。この結果、塗膜２の厚さｄが塗膜２中に入射されたマイクロ波の波長の１／４の奇数倍となるときには反射されるマイクロ波の強度が極小となり、そのマイクロ波の波長の１／４の偶数倍となるときには反射されるマイクロ波の強度が極大となる。例えば、塗膜２は樹脂材料を主成分とする塗料の塗装によって形成された塗膜であって、その比誘電率を５．８とすると、塗膜２中でのマイクロ波の波長は空気中での波長の凡そ１／２．４となる。塗膜２の厚さｄを３９０μｍとし、マイクロ波７の周波数を７５ＧＨｚから８５ＧＨｚまで掃引したときに、周波数ｆｃ＝７９．８ＧＨｚにおいて、誘電体２中でのマイクロ波の波長λ１がｄの値の４倍、すなわちｄの値がλ１の１／４となる。この周波数ｆｃにおいて送受信回路６により検出される反射波８の強度は最小となる。本実施例においては、制御装置４において送受信回路６より送られる受信データより受信強度が最小となるｆｃの値を判別し、その値から、塗膜２の厚さｄを算出する。なお、塗膜２の誘電率は予め過去のデータや予備測定などにより把握しておく。

【実施例0027】

図２は、本発明の実施例２の塗膜測定方法の構成例を模式的に示す図である。本実施例は、船舶の荷物室又はタンクの一部を構成する金属板１１上に塗装された塗膜１２の厚さを測定する場合の構成を示しており、本実施例においても、実施例１と同様に、マイクロ波送受信装置３と制御装置４を使用するが、図２ではそれらを省略して示している。本実施例においては、マイクロ波７が入射される塗膜１２上に所定の厚さの誘電体１３を設置して誘電体１３の表面からマイクロ波７を照射する。誘電体１３の厚さは、塗膜１２から反射されるマイクロ波の強度が、前記マイクロ波の掃引周波数の範囲内において極小、又は極大となるように設定される。

【0028】

例えば、塗膜１２の厚さｄ１を２４０μｍ、比誘電率を４とし、誘電体１３の厚さｄ２を１１００μｍ、比誘電率を４とし、マイクロ波７の周波数を２５ＧＨｚから３５ＧＨｚまで掃引したときに、周波数ｆｃ＝２８．０ＧＨｚにおいて、塗膜１２及び誘電体１３中でのマイクロ波７の波長λ２がｄ１＋ｄ２の値の４倍、すなわちｄ１＋ｄ２の値がλ２の１／４となる。この周波数ｆｃにおいて反射波８の強度は最小となる。本実施例においても、制御装置において送受信回路より送られる受信データより受信強度が最小となるｆｃの値を判別し、その値から、塗膜１２の厚さｄ１を算出する。誘電体１３の厚さｄ２と誘電率、及び塗膜１２の誘電率を予め把握しておけば、上記のｄ１の算出は可能である。

【0029】

なお、誘電体１３は、塗膜１２と誘電率が同じ値でなくとも、近い値であれば誘電体１３と塗膜１２の境界での反射は小さいので、反射波８の極小値の判別は可能である。また、そのように塗膜１２と誘電体１３の誘電率が異なる場合、誘電体１３の誘電率に基づく誘電体１３内のマイクロ波７の波長、及び塗膜１２内でのマイクロ波７の波長を用いた詳細な計算によりｄ１の値を求めることができる。