JP5477275B2 - 塗装膜の検査装置および検査方法 - Google Patents
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Description
自動車等の商品に施される塗装は、防錆の目的以外に商品の外観を決定する重要な要素となることから、塗装外観を客観的に計測する必要がある。特に、自動車は大量生産されるとともに、高品質な塗装が要求されることから、塗装検査を正確かつ短時間で行うことが求められている。自動車の塗装はソリッド塗装とメタリック塗装に大別され、ソリッド塗装はバインダに顔料を含有させたものであるため、色相、明度の光学特性を計測装置によって計測し易い。一方、メタリック塗装は、クリア層とベース層からなり、ベース層に顔料の他に燐片状の光輝材( アルミフレーク,マイカフレークなど) を含む。このため、フレークの配向状態に応じて、方向性を持った反射光が生じ、メタリック塗装に特有の光沢感を生み出す。フレークの配向状態または分布状態が均一でない場合には、色ムラとして認識されることから、メタリック塗装の色ムラを検査する必要がある。ところが、メタリック塗装の色ムラはソリッド塗装のように色相、明度等によって表現できないため、目視検査に頼らざるを得ないのが現状である。
このような状況の下、メタリック塗装を客観的に評価すべく、いくつかの試みがなされてきた。
前記制御部は、前記波形データから、振幅の大きな順にピークを検出する。
前記制御部は、予め入力された膜厚範囲に対応する時間範囲にある複数のピークを検出する。
前記制御部は、予め入力された強度比範囲にある複数のピークを検出する。
前記所定角度は略45度であって、前記テラヘルツ波検出器は回転の前後における2つの偏光成分を検出する。
前記テラヘルツ波検出器はダイポールアンテナ型の検出器を備える。また、前記テラヘルツ波検出器はEO結晶を備える。
また、予め入力されたピークパターンに従い、波形データから複数のピークを検出することにより、多重反射およびノイズ等をピークとして誤検出することを回避することができる。
さらに、検出手段を反射テラヘルツ波の光軸に対して所定角度だけ回転させることによって、反射テラヘルツ波における複数の偏光成分を検出することができる。検出手段としてダイポールアンテナを用いた場合には、検出手段の回転角度を45度とすることにより、偏光成分の検出値がゼロになってしまうことを回避できる。
(全体構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係る塗装膜の検査装置の概略構成図である。
図2は光学装置2の詳細を表すブロック図である。
光学装置2は、フェムト秒ファイバレーザ10、ダイクロイックミラー11、チョッパ(変調器)12、ミラー13、基本波集光用放物面鏡14、DAST(テラヘルツ波発生器)15、軸はずし放物面鏡16、17、18、20、絞り19、テラヘルツ波検出器22、集光レンズ23、光学遅延部25、ミラー26を備えている。光学装置2は筐体によって外部から密閉されており、筐体内部を除湿、窒素ガス封入、もしくは真空にすることが望ましい。このような構成によって、テラヘルツ波が空気中の水分によって吸収されるのを防止することができる。
さらに、レーザ光源としてチタンサファイヤレーザのように、単一の中心波長で発振するレーザを用いる場合には、基本波をビームスプリッタで分割しても良い。
図3を参照しながら、レーザ10、分波器11の詳細な構成を説明する。
レーザ10は光ファイバレーザであって、励起用のオシレータ1001、ポンプ光源であるレーザダイオード1002〜1004、λ/2板1005、WDM(波長分割多重:(wavelength-division multiplexing)カプラ1006、1007、偏波コンバイナ1008、シングルモードファイバ1009、エルビウムドープファイバ1010、偏光ビームコンバイナ(Polarization beam combiner)1010、反射器1014、LMA−PCF(広モードエリアフォトニッククリスタルファイバ:Large Mode Area-Photonic Crystal Fiber)1015、λ/2板1016、偏光ビームスプリッタ1017、HNLF(高非線形ファイバ:Highly Non-Linear Fiber)1018を備える。
続いて、図6を参照しながら、試料3において反射したテラヘルツ波の光路を説明する。上述したように、DAST5等のテラヘルツ発生部から照射されたテラヘルツ波は軸外し放物面鏡17において反射し、試料3表面に到達する。テラヘルツ波の中心部分は正反射として、実線矢印で示された経路を伝播する。一方、テラヘルツ波の周辺部分は、正反射とは異なり、破線矢印で示された経路を伝播する。このように、テラヘルツ波の中央部分、周辺部分がそれぞれ異なる伝播をするのは、試料3の曲面、島状物質等の凹凸に起因するためである。
図8は本実施形態に係る制御装置5のブロック図である。制御部5はパーソナルコンピュータ等によって構成され、データバス500、インターフェース501、レジスタ502、CPU503、ROM505、RAM507、記憶装置508、ディスプレイ509等を備えている。
続いて、本実施形態に係る膜厚の計測原理について詳述する。図9は塗装試料の断面図である。この図に示すクリヤ塗装は、下地である金属上にカラー層、マイカ層、クリヤ層が順に形成されて構成されている。塗装試料に対して、テラヘルツ波を照射すると、テラヘルツ波は、屈折率が変化する境界面において反射する。すなわち、テラヘルツ波は、空気およびクリヤ層の境界面(1)、クリヤ層およびマイカ層の境界面(2)、マイカ層およびカラー層の境界面(3)、カラー層および金属の境界面(4)において反射する。
膜厚d=Δt・c・cosθ/2n ・・・(式1)
ここで、Δtは時間差、cは光速、θはテラヘルツ波の入射角度、nは塗装の屈折率を表している。
(n1−n2)/(n1+n2) ・・・(式2)
続いて、図13のフローチャートを参照しながら、本実施形態に係る検査方法を説明する。
まず、検査対象となる試料3を光学装置3にセットする(ステップS1)。このとき、試料3からのテラヘルツ波が絞り19A,19Bを通過するように、光学装置2に対する試料3の角度を調整する。オペレータが制御装置5を操作し、検査プログラムを起動させると、CPU503は外部記憶装置506に記憶された検査プログラムを実行し、光学装置2、ロックインアンプ4、制御装置5を初期化する(ステップS2)。
続いて、図15のフローチャートを参照しながら、膜厚演算処理(ステップS5)の詳細を説明する。
ステップS51において、オペレータは制御装置5を操作し、ディスプレイ508に表示された塗装膜、基板の種類の中から、測定対象となるものを選択し、入力する。例えば、図12に示された種類の中から3層クリヤ塗装膜、金属基板が入力される。これにより、制御装置5は、図12に示されたピークパターン3を決定し、ディスプレイ508に表示する(ステップS52)。
図16、図17は、ピーク検出処理(ステップS56)の詳細を表すフローチャートである。図15のステップS53においては、3層クリヤ塗装膜、金属基板が測定対象として選択されている。従って、以下のピーク検出処理は、ピークパターン3に従い、実行される。
それぞれの膜厚が予め定められた範囲内にない場合(ステップS121でNO)には、ピークが正しく検出されていない可能性がある。このため、ステップS121の条件が満たされるまで、次に大きな負のピークが検出される(ステップS122)。
続いて、本発明の第2実施形態に係る検査装置を説明する。本実施形態に係る検査装置は第1実施形態の変形例であって、メタリック塗装の膜厚を計測可能なものである。本実施形態に係る検査装置の構成は、ピーク検出処理(ステップS56)を除いて第1実施形態と略同様に構成されているため、異なる構成について説明する。
図26、図27は本発明の第3実施形態に係る検査装置を説明するための図である。上述の第1実施形態に係る検査措置によれば、図26に示されるように試料3に溝が存在している場合であっても、テラヘルツ波は散乱されずに、テラヘルツ波検出器22に到達する。したがって、反射波の遅延を計測することにより、溝の底部aの膜厚を求めることができる。ところが、テラヘルツ波が照射されない壁部b、cにおける膜厚を計測することはできない。ピストンシリンダにおいては、内部に施されたコーティングの精度が、エンジン性能に大きな影響を及ぼすことから、壁部を計測する必要性は高い。
続いて、本発明の第4実施形態に係る塗装膜の検査措置1aを説明する。この検査装置1aは、膜厚の計測と同時に、メタリック塗装の配向状態の計測を行うことが可能である。
図28は、本発明の第4実施形態に係る塗装膜の検査装置のブロック図である。試料3にテラヘルツ波を照射するとともに反射波を検出する光学装置2a、反射波の検出信号を同期増幅するロックインアンプ4、検査装置を制御する制御装置5aを備えている。図28において、図1と同じ符号を付した部材は第1実施形態に係る部材と同様に構成されている。以下、第1実施形態に係る構成と異なる点を中心に、第4実施形態に係る構成を説明する。
光学装置2aは、フェムト秒ファイバレーザ10、ダイクロイックミラー11、チョッパ12、ミラー13、基本波集光用放物面鏡14、DAST15、軸はずし放物面鏡16、17、18、20、絞り19、テラヘルツ波検出器22、集光レンズ23、アクチュエータ24、光学遅延部25、ミラー26を備えている。光学装置2は筐体によって外部から密閉されており、筐体内部を除湿、窒素ガス封入、もしくは真空にすることが望ましい。このような構成によって、テラヘルツ波が空気中の水分によって吸収されるのを防止することができる。
図29は本実施形態に係る制御装置5aのブロック図である。制御装置5aはパーソナルコンピュータ等によって構成され、データバス500、インターフェース501、レジスタ502、CPU503、ROM505、RAM507、記憶装置508、ディスプレイ509等を備えている。
続いて、図30のフローチャートを参照しながら、本実施形態に係る検査装置を用いた検査方法を説明する。
まず、検査対象となる試料3を光学装置2aにセットする。このとき、試料3からのテラヘルツ波が絞り19を通過するように、光学装置2aに対する試料3の角度を調整する。オペレータが制御装置5を操作し、検査プログラムを起動させると、CPU503は外部記憶装置506に記憶された検査プログラムを実行し、光学装置2a、ロックインアンプ4、制御装置5を初期化する(ステップS401)。制御装置5aはアクチュエータ24を駆動し、テラヘルツ波検出器22が水平偏光を検出するように、テラヘルツ波検出器22の角度を調整する。
図31は、本発明の第5実施形態に係るメタリック塗装の検査装置1bのブロック図である。検査装置1bは、光学装置2b、ロックインアンプ4、制御装置5を備えて構成されている。本実施形態に係る検査装置は第4実施形態と異なり、テラヘルツ波検出器としてEO(electro-optic)結晶35を用い、このEO結晶35を45度回転させることによって、テラヘルツ波の2つの偏光成分を検出している。
光学装置2bは、フェムト秒ファイバレーザ10、ダイクロイックミラー11、チョッパ12、ミラー13、26、32、33、基本波集光用放物面鏡14、DAST15、軸外し放物面鏡16、17、18、30、絞り19、アクチュエータ24、光学遅延部25、EO結晶35、λ/4板36、ウォラストンプリズム37、バランス検出器38を備えている。本実施形態において、第1実施形態における符号と同一の符号を付した部材は第4実施形態と同様に構成されているため、第4実施形態と異なる部材を中心に説明する。
完全な円偏光の場合には、差分はゼロであるが、楕円偏光のような場合には、差分が生じ、差動増幅器38Cによって増幅される。増幅後の信号はロックインアンプ4に出力される。
続いて、図32のフローチャートを参照しながら、本実施形態に係る検査装置を用いた検査方法を説明する。
まず、検査対象となる試料3を光学装置2bにセットした後、EO結晶35の結晶軸がテラヘルツ波の偏光方向と一致するように、EO結晶35の角度を調整する。EO結晶35の回転角度の調整は、制御装置5bによって駆動されるアクチュエータ24によって行っても良い。オペレータが制御装置5bを操作し、検査プログラムを起動させ(ステップS501)、検査装置1bは以下の手順に従い計測を行う(ステップS502)。
2、2a、2b 光学装置
3 試料
4 ロックインアンプ
5 制御装置(制御部)
10 フェムト秒ファイバレーザ
15 DAST(テラヘルツ波発生器)
16、17 軸外し放物面鏡(照射光学系)
19A、19B 絞り
22 テラヘルツ波検出器
24 アクチュエータ
35 EO結晶(テラヘルツ波検出器)
Claims (10)
- テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波を、膜が形成された試料に照射させる照射光学系と、
前記試料において反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、
検出されたテラヘルツ波の電場強度を時間軸の波形データに表し、前記波形データから複数のピークを検出するとともに、ピーク間の時間差に基づき膜厚を算出する制御部と、
前記試料の情報を入力する入力手段と、
複数種類の前記試料に対して予め取得された前記波形データにおける前記ピークの情報をそれぞれ含む複数のピークパターンが記憶されている記憶手段と、
を備え、
前記制御部は、前記入力手段からの前記試料の前記情報に基づいて前記記憶手段に記憶されている前記ピークパターンのいずれかを選択し、前記選択されたピークパターンに基づいて前記波形データから前記複数のピークを検出するように構成されている、塗装膜の検査装置。 - 前記ピークパターンに含まれる前記ピークの情報は、前記波形データの各ピークが正および負のどちらであるかの情報を含む請求項1に記載の塗装膜の検査装置。
- 前記試料の前記情報は、前記膜の種類を含む請求項1または2に記載の塗装膜の検査装置。
- 前記制御部は、前記波形データから、振幅の大きな順にピークを検出する請求項1〜3のいずれか1項に記載の塗装膜の検査装置。
- 前記制御部は、予め入力された膜厚範囲に対応する時間範囲にある複数のピークを検出する請求項1〜4のいずれか1項に記載の塗装膜の検査装置。
- 前記制御部は、予め入力された強度比範囲にある複数のピークを検出する請求項1〜5のいずれか1項に記載の塗装膜の検査装置。
- 膜が形成された試料の情報を入力する工程と、
前記試料の前記情報に基づいて複数のピークパターンのいずれかを選択する工程と、
テラヘルツ波を発生させる工程と、
前記テラヘルツ波を、前記試料に照射させる工程と、
前記試料において反射したテラヘルツ波を検出する工程と、
検出されたテラヘルツ波の電場強度を時間軸の波形データに表し、前記選択されたピークパターンに基づいて前記波形データから複数のピークを検出するとともに、ピーク間の時間差に基づき膜厚を算出する工程と、
を備え、
前記複数のピークパターンは、複数種類の前記試料に対して予め取得された前記波形データにおける前記ピークの情報をそれぞれ含む、塗装膜の検査方法。 - 前記ピークパターンに含まれる前記ピークの情報は、前記波形データの各ピークが正および負のどちらであるかの情報を含む請求項7に記載の塗装膜の検査方法。
- 前記試料の前記情報は、前記膜の種類を含む請求項7または8に記載の塗装膜の検査方法。
- 前記算出工程は、前記波形データから、振幅の大きな順にピークを検出する請求項7〜9のいずれか1項に記載の塗装膜の検査方法。
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