JP2005172814A - 反射紫外線測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型・軽量である携帯型の反射紫外線測定装置、該装置を用いた被測定物の紫外線吸収性の測定方法及び評価方法を提供する。
【解決手段】 紫外線を被測定物に照射するための紫外線発光ダイオードを備えた少なくとも１つの照射部と、該被測定物からの反射光を受光し、受光した光の強度に応じた電気信号を出力する受光部とを具備しており、該受光部が、被測定物からの正反射光が入射しない角度に配置されている反射紫外線測定装置、該装置を用いて、紫外線反射強度を測定する方法、及び、該方法による測定結果を用いて被測定物の紫外線吸収性を評価する方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、紫外線の反射強度を測定するための装置、及び該装置による測定値を用いた被測定物の紫外線吸収性を評価する評価方法に関する。

被測定物に紫外線を照射することを原理とする測定装置は、化学、医療等多くの分野で用いられている。例えば、特許文献１には、紫外線吸収剤を含む高分子材料に紫外線を照射して、該材料から拡散反射する紫外線量を測定し、その経時変化を追跡することによって該高分子材料の耐候劣化の度合いを評価する方法が記載されている。この方法に用いられる装置は、被測定物の表面から拡散反射してくる紫外線量を効率よく受光することができるものの、被測定物の面での反射光を集めるための積分球を具備し、積分球の外に置かれたブラックライト（ＢＬＢ、１００ｗ）を光源としており、構成が複雑であるという問題があった。また、一般に紫外線や赤外線照射を原理とする測定装置は、装置としての重量が重く大型であるということから、使用される場所に制限があるという問題点があった。
特開平９−１６６５４２公報

本発明の目的は、小型・軽量である携帯型の反射紫外線測定装置、該装置を用いた被測定物の紫外線吸収性の測定方法及び評価方法を提供することである。

本発明は、上記課題を達成するため、紫外線を被測定物に照射するための紫外線発光ダイオードを備えた少なくとも１つの照射部と、該被測定物からの反射光を受光し、受光した光の強度に応じた電気信号を出力する受光部とを具備する装置であって、該受光部が、被測定物からの正反射光が入射しない角度に配置されていることを特徴とする反射紫外線測定装置を提供するものである。

一般に、物体に紫外線が照射されると、物体の紫外線吸収能に応じて紫外線の一部は該物体に吸収され、「正反射光」と「拡散反射光」として反射される。本明細書及び請求項において「正反射光」とは、「被測定物表面と入射光との接点の法線に対して入射光角度と同じ角度で且つ該入射光と反対の方向に該接点から反射していく光」であり、「拡散反射光」とは、「被測定物表面で四方に散乱する光」を意味する。照射部から発せられる光が、平行光である場合は、その光軸の角度から正反射光の角度が決まる。照射部から発せられる光が、ある程度広がりをもった拡散光である場合は、正反射光は照射光の拡散角度に応じた拡散角度を有する。この場合は、受光部が拡散した正反射光の一部を受ける可能性がある。但し、拡散角度をもった正反射光の内、周辺部分の正反射光の強度が、被測定物からの拡散反射光に比して低く、測定上問題とならない場合は、受光部がそのような正反射光を受けることは、本発明において許容され得る。本発明における「正反射光が入射しない角度」とは、このような角度を含む。

前記照射部及び受光部は、被測定物からの拡散反射光の一部が受光部に受光されるように夫々配置されていることが望ましい。

この配置のための前記照射部及び受光部の好ましい位置関係として、照射部は、上記開口部の面の中心法線に対して５〜８５°、より好ましくは４０〜５０°の範囲内の角度となるように配置されることが望ましい。受光部は、開口部の面の中心法線に対して０〜５°未満の範囲内、好ましくは該中心法線上に配置することができる。ここで、面の中心法線とは、照射される面の中心を通る法線を意味する。

前記照射手段及び受光手段は、開口部を備えた遮蔽カバー内に収納されていることが望ましい。

上記照射部は遮蔽カバー内に複数備えることもできる。この際、夫々の照射部及び受光部は、被測定物からの正反射光及び互いの照射部からの照射光を受光しないような角度に夫々配置されていることが望ましい。また、複数の照射部及び受光部の好ましい位置関係としては、複数の照射部が、開口部の面の中心法線に対して５〜８５°の範囲内の角度となるように、且つ該法線を中心軸とした円周上に配置され、受光部が、開口部の面の中心法線上に配置されていることが望ましい。

前記照射部が複数備えられた場合には、ピーク波長の異なる紫外線を照射する照射部を複数具備することが望ましく、具体的には、例えば複数の照射部から照射される紫外線のピーク波長が互いに１０ｎｍ以上異なることが望ましい。このように遮蔽カバー内に異なるピーク波長を有する複数の照射部を備えると、異なる波長における紫外線反射強度の値が１台の装置で取得することができ、紫外線反射強度の波長による傾向等を分析することができる。

本発明の反射紫外線測定装置は、携帯型であることができる。

本発明はさらに、上記反射紫外線測定装置を用いて被測定物の紫外線反射強度を測定する方法を提供する。

また、本発明評価方法は、上記測定方法により得られた紫外線反射強度の測定値を用いて被測定物の紫外線吸収性を評価する評価方法をも提供する。

「被測定物の紫外線吸収性」とは、被測定物が紫外線を吸収する性能を表し、例えば被測定物の紫外線吸収性が高いとは、被測定物が紫外線を多く吸収する性能を有するという意味を表す。

本発明方法においては、「紫外線反射強度」と「被測定物の紫外線吸収性」とは相関性が高く、例えば「紫外線反射強度の数値が大きい」は、「被測定物の紫外線吸収性が低い」を意味している。紫外線反射強度の数値自体は相対的に扱うことができ、具体的には、異なる被測定物同士の紫外線反射強度を対比する方法、被測定物の紫外線反射強度の経時変化を調べる方法等により被測定物の紫外線吸収性を評価することができる。また、被測定物の紫外線吸収性の経時変化を調べることにより、被測定物の耐候性の劣化を予測することも可能である。

本発明における「紫外線反射強度」は、前記受光部の受光面全体が受ける紫外線の強度、受光面における単位面積あたりの紫外線強度の平均値、中央値若しくは最大値など、測定対象に応じた値として定義され得る。

また、本発明の反射紫外線測定装置を用いて得られた測定値である「紫外線反射強度」と、従来の装置を用いて測定して得られた紫外線反射率との関係を示す検量線をあらかじめ作成することによって、上記紫外線反射強度から従来の装置で得られる紫外線反射率の値を得ることもできる。

本発明方法が適用される被測定物としては、特に制限はないが、紫外線吸収性物質を含有する被測定物であることが望ましく、例えば塗膜、塗膜が形成された物品、プラスチック等の高分子材料、化粧品、板ガラス、ゴムシート等を例示することができる。紫外線吸収性物質としては、マイクロチタンなどの平均粒子径が１０〜８０ｎｍの二酸化チタン、酸化亜鉛などの顔料、トリアゾール系化合物等の紫外線吸収剤等の紫外線吸収性化合物、スチレン等が共重合されている樹脂等を挙げることができる。

本発明の反射紫外線測定装置に用いられる照射部の光源としての紫外発光ダイオードとしては、２８０〜４００ｎｍのピーク波長の紫外線を照射するものが好ましい。この波長領域は、通常の環境における紫外線に該当する。

また、紫外線発光ダイオードの照射光が、被測定物に到達する前に受光部に受光されないように、該照射部がコリメートレンズ等の集光部材を紫外線発光ダイオードの照射方向に設置していてもよい。照射される紫外線が拡散するのを防止するために、該紫外発光ダイオード周囲に円筒状のカバー等のガイド部材を設けてもよい。

上記開口部は、測定時に被測定物表面に接触させて被測定物に紫外線を照射させ、該被測定物からの反射光を受光部に受光させるために設けられるものである。該開口部の形状としては、円状、方状等特に制限はないが、対称な形状であることが望ましい。また、被測定物と該開口部との間に隙間ができないようにするためのゴム状のパッキン等を該開口部周囲に設けたものであってもよい。遮蔽カバーの寸法及び形状としては、少なくとも前記照射部及び前記受光部が収納されるように製作されているのが望ましく、これらの部分の制御部及び／又は表示部は遮蔽カバーの内部又は外部に世知される。また該遮蔽カバーは、少なくとも上記開口部を設ける部分が平坦状であることが望ましい。

本発明の反射紫外線測定装置によれば、紫外線を被測定物に照射するための照射部は、紫外線発光ダイオードを備えて構成され、受光部は、被測定物からの反射光を受光し、受光した光の強度に応じた電気信号を出力するように構成されているので、装置は、全体として軽量、小型であり、容易に持ち運びができる。したがって、屋外、現場又は顧客先等の場所において、塗膜、プラスチック等の高分子材料、化粧品、印刷物などの種々の被測定物の紫外線反射強度を測定することができる。また、この測定結果から被測定物の紫外線吸収性を評価することができる。

しかも、本発明の測定装置は、小型でありながら、得られる測定結果は精度が高いという利点を有する。これは、前記受光部が、被測定物の面からの正反射光が入射しない角度に配置されているからである。通常、照射部の紫外線発光ダイオードは、複数の発光ダイオードがマトリックス状等の面状に並べて配置されるので、光源面積が大きくなる。発光ダイオードの前に、コリメートレンズ等の集光部材を配置したり、紫外発光ダイオード周囲に筒状のカバー等のガイド部材を設けたりした場合にも、周辺光での光強度が点光源に比して高くなるので、同様の傾向を示す。このような広い面積の光源からの光は、被測定物の面からの広い範囲に亘る正反射光を生じる。正反射光の光強度は、被測定物の面の滑らかさ、粗さ又は凹凸状態に大きく影響されるので、受光部が正反射光を受光すると、該面の紫外線吸収性の測定及び評価を正しく行い難い。

本発明においては、前記受光部が、被測定物の面からの正反射光が入射しない角度に配置されているので、照射部が、紫外線発光ダイオードを備えて構成されているにも拘わらず、精度の高い測定結果が得られるのである。

すなわち、受光部に受光される反射光が拡散反射光であると、本発明の反射紫外線測定装置の測定値である「紫外線反射強度」と「被測定物の紫外線吸収性」との相関性が高くなるので、好適である。

また、該装置内に照射部を複数具備させることもできる。この場合には、被測定物に波長の異なる複数の紫外線を順次照射させ、異なる波長による紫外線反射強度を１台の装置で短時間で取得でき、被測定物の紫外線吸収性について多くの情報を得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明の反射紫外線測定装置該装置、該装置を使用した測定方法、及びその測定結果を用いた紫外線吸収性の評価方法の好適な実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の第１実施形態である反射紫外線測定装置の概略図である。図１において、反射紫外線測定装置は、円筒状のガイドカバー１内に、３７０ｎｍのピーク波長の紫外線を放射する紫外線発光ダイオード（図示せず）及びコリメートレンズ３を備えた照射部２と、被測定物からの反射光を受光し、電気信号に変換する受光センサー４（「Ｇ５８４２」：浜松フォトニクス社製、半導体ＵＶセンサー、感度波長範囲は２６０〜４００ｎｍ）と、該電気信号を表示するデジタル表示器５と、を開口部６を備えた箱状の遮蔽カバー７内に具備しており、デジタル表示器５の表示部は、遮蔽カバー外面から読み取れるように配置されている。開口部６は、長方形の長手部にそれぞれ半円がついた形状をしている。

照射部２は、電圧を所定の範囲内に調整するための定電圧回路８を介して、電源９に接続されており、受光センサー４は、直流増幅回路１０を介してデジタル表示器５に接続されている。

受光センサー４は、開口部６面の中心法線ｌ上、且つ受光センサー４の受光面が開口部６面と平行となるように配置されており、照射部２は、開口部６面の中心法線ｌに対して４５°の傾斜角に配置されている。

被測定物ｍは、その表面と開口部６が接するように押し当てられている。この状態で紫外線を照射すると、被測定物ｍの表面に４５°の角度で紫外線が入射され、被測定物ｍの紫外線吸収性に応じて一部は被測定物ｍに吸収され、一部は４５°の角度で正反射され（正反射光ｎ）、残りの被測定物ｍの表面で生じる拡散反射光（点線矢印）の一部が受光センサー４で検出される。受光センサー４は、受光した拡散反射光の強度に応じて電気信号を出力し、該信号は、直流増幅回路１０を経由した後、デジタル表示器５でデジタルで表示される。

［実施形態２］
図２は、本発明の第２の実施形態である反射紫外線測定装置の概略を示す。図２に示した反射紫外線測定装置は、３７０ｎｍのピーク波長を有する紫外線を放射する紫外線発光ダイオード（図示せず）を備えた照射部２ａと、３９０ｎｍのピーク波長を有する紫外線を放射する紫外線発光ダイオード（図示せず）を備えた照射部２ｂと、受光センサー４と、デジタル表示器５と、を開口部６を備えた箱状の遮蔽カバー７内に具備している。第２の実施形態では、遮蔽カバー７内に、異なる波長を有する照射部２ａと、２ｂが備えられていることを特徴としている。受光センサー４、電源９、定電圧回路８、直流増幅回路１０及びデジタル表示器５については、第１の実施形態と同様である。紫外線発光ダイオードを備えた照射部２ａ及び紫外線発光ダイオードを備えた照射部２ｂは、共に、開口部６面中心の法線ｌを中心軸とした円周上で且つ該中心法線に対して、４５°の傾斜角に配置されており、受光センサー４は、開口部６面中心の法線ｌ上に配置されている。本実施形態では、照射部２ａ及び２ｂから紫外線が時間を異ならせて順次放射されるようになっており、３７０ｎｍ及び３９０ｎｍにおける紫外線反射強度が順次デジタル表示される。かかる構成であることによりこの装置１機のみで異なる波長における紫外線反射強度を取得することができる。

［反射紫外線測定装置を用いた評価試験］
試験塗板作成用のベース塗料の作成
製造例１〜４
アルミニウム顔料を１０ＰＨＲ含有する溶剤型アクリルメラミン硬化塗料を用いて、紫外線吸収性物質として、「ＭＴ５００ＨＤ」（注１）の配合量を、０、５、１０、１５ＰＨＲに変動させたベース塗料を夫々作成した。
（注１）「ＭＴ５００ＨＤ」：商品名、テイカ社製、平均１次粒子径が３０ｎｍの微粒子二酸化チタン（以下「マイクロチタン」と表記する）
製造例５
上記製造例１において、マイクロチタンを配合するかわりに紫外線吸収性物質として、「ＦＩＮＥＸ２５Ａ」（注２）を塗膜中に５ＰＨＲ含有するベース塗料を作成した。
（注２）「ＦＩＮＥＸ２５Ａ」：商品名、堺化学工業社製、酸化亜鉛（以下「酸化亜鉛」と表記する）
「ＰＨＲ」とは、塗料中の樹脂固形分体積１００に対する顔料の体積割合を表す。

試験用塗板の作成
製造例６〜１０
上記製造例１〜５で得られた各ベース塗料を中塗り塗料を塗装した鋼板上に、乾燥膜厚が１５から２０micron(μm)となるように塗装し、１分間静置した後、メラミン硬化アクリル樹脂系クリヤー塗料を、乾燥膜厚が２５〜３０micron(μm)となるように塗装した。これを、１４０℃、３０分の条件で焼き付けて、両塗膜を同時に硬化させて、製造例１〜４によるマイクロチタン含有塗板（Ａ１）〜（Ａ４）、及び製造例５による酸化亜鉛含有塗板（Ｂ１）を作成した。

紫外線反射強度の測定１
上記試験用塗板（Ａ１）〜（Ａ４）を用いて、図２の反射紫外線測定装置を用いて紫外線反射強度を測定した。本装置による測定は、電源スイッチを入れ、本装置の開口部を試験用塗板表面に密着するように押し当てたときの表示部に順次示される紫外線反射強度値（波長が３７０ｎｍにおける紫外線反射強度及び波長が３９０ｎｍにおける紫外線反射強度）を読みとることにより行った。結果を表１に示す。

表１によれば、両波長とも、マイクロチタンの添加量が増加するにしたがって、測定結果（紫外線反射強度）が小さくなっている。波長により紫外線反射強度の数値が異なり、紫外線反射強度自体は、３９０ｎｍの波長の時の方が大きく、この試料に含まれる紫外線吸収性物質（マイクロチタン）は、波長が３９０ｎｍの紫外線よりも波長が３７０ｎｍの紫外線を吸収する性質を有することがわかる。

表１には、精密な測定が可能である市販の測定機、「ＵＶ３１００」（商品名、島津製作所製、ＵＶ−可視−赤外分光光度計型、光源として重水素Ｄ２ランプを具備）を用いて測定した紫外線反射率を併記している。測定にはあらかじめ付属の硫酸バリュウムの白板で校正を行った後、測定モードを「反射」に設定し、測定波長を２８０−４２０ｎｍの２ｎｍ間隔に設定して測定を行った。表１中の「ＵＶ３１００」による数値は、得られたデータのうち波長３７０ｎｍ及び３９０ｎｍのときの紫外線反射率を選択したものである。

両装置とも、マイクロチタンの添加量が増加するにしたがって、測定結果の数値が小さくなっている。そこで、本装置による紫外線反射強度値と「ＵＶ３１００」による紫外線反射率の値について、相関性があるかどうかを調べるために、表１の３７０ｎｍの数値をグラフ化し、相関係数を算出した。その結果、本装置により得られた測定値をｙとし、「ＵＶ３１００」による紫外線反射率の値をｘとしたときに、ｙ＝１８．５１７ｘ−１０．７２２の関係式が得られ、相関係数ｒ＝０．９９９が得られた。相関係数ｒの値が１に近いほど、関係式が正しいことを意味する。

尚、上記装置「ＵＶ−３１００」は、１０００×６５０×２６０ｍｍ程度の大きさであり、しかもコンピュータにも接続されているので卓上型であるとはいえ、持ち運びできるとは言いがたいものである。本発明実施形態２の反射紫外線測定装置は、１２０×６０×２０ｍｍ程度の大きさであり、測定結果が市販の測定機による紫外線反射率と同等の精度を有し、しかも小型で容易に持ち運びできることがわかる。

紫外線反射強度の測定２
上記試験用塗板（Ａ１）〜（Ａ２）及び（Ｂ１）を用いて、図２の実施形態の反射紫外線測定装置により紫外線反射強度を測定した。結果を表２に示す。異なる紫外線吸収性物質を含有する塗板である（Ａ２）と（Ｂ１）の測定結果を比較すると、３７０ｎｍの反射強度は（Ａ２）と（Ｂ１）で１２７と１３７であり、測定結果に殆ど差がみられない。これに対し、３９０ｎｍの反射強度は（Ａ２）と（Ｂ１）で６５８と７８７と測定結果が大きく異なる。また、２つの波長での反射強度の比はマイクロチタンは５．１８、酸化亜鉛は５．７４と異なり、被測定物に含有される紫外線吸収剤の種類により、２つの波長での反射強度の比率が異なることを示している。これはマイクロチタンを含有する塗板（Ａ２）は長波長での紫外線吸収性が酸化亜鉛を含有する（Ｂ１）よりも高いことを示している。

このように異なる波長における紫外線反射強度を求めることによって、被測定物に含有される紫外線吸収性物質の量及び種類についてより多くの情報を取得することが可能である。

本発明の第１実施形態である反射紫外線測定装置の概略図である。 本発明の別の実施形態である反射紫外線測定装置の概略図である。

符号の説明

１ ガイドカバー
２ 照射部
３ コリメートレンズ
４ 受光センサー
５ デジタル表示部
６ 開口部
７ 遮蔽カバー

Claims (11)

1. 紫外線を被測定物に照射するための紫外線発光ダイオードを備えた少なくとも１つの照射部と、該被測定物からの反射光を受光し、受光した光の強度に応じた電気信号を出力する受光部とを具備する装置であって、該受光部が、被測定物からの正反射光が入射しない角度に配置されていることを特徴とする反射紫外線測定装置。
2. 前記照射部及び受光部が、被測定物からの拡散反射光の一部が前記受光部に受光されるように夫々配置されている請求項１に記載の反射紫外線測定装置。
3. 前記照射部及び前記受光部が、開口部を備えた遮蔽カバー内に収納されている請求項１または２に記載の反射紫外線測定装置。
4. 前記照射部からの照射光の軸線が、前記開口部の開口面の中心法線に対して５〜８５°の範囲内の角度となるように配置されている請求項３に記載の反射紫外線測定装置。
5. 前記照射部が、遮蔽カバー内に複数配置されている請求項１から４のいずれかに記載の反射紫外線測定装置。
6. 前記複数の照射部が、ピーク波長の異なる紫外線を照射する請求項５に記載の反射紫外線測定装置。
7. 前記複数の照射部からの照射光の軸線が、前記開口部の開口面の中心法線に対して５〜８５°の範囲内の角度となるように、且つ該法線を中心軸とした円周上に配置され、前記受光部が、前記開口部の開口面の中心法線上に配置されている請求項５または６に記載の反射紫外線測定装置。
8. 前記複数の照射部が、時間を異ならせて紫外線を照射し得るように構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の反射紫外線測定装置。
9. 携帯型であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の反射紫外線測定装置。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の反射紫外線測定装置を用いて被測定物の紫外線反射強度を測定する方法。
11. 請求項１０に記載の方法により得られた測定値を用いて被測定物の紫外線吸収性を評価する評価方法。
    

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