JPH09152326A - プラスチック塗装膜厚計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラスチック材料の上に施された塗装膜の膜
厚を測定する膜厚測定装置を提供すること。 【解決手段】 パルス発生器に接続された超音波センサ
ーの出力はゲインコントロールアンプに接続され、塗装
膜の上端下端で反射した超音波反射信号の時間間隔を温
度補正するため、センサーの遅延材の一部分に超音波反
射をさせるための不連続部分を設け、補正された塗装膜
の厚さを与えるための装置。プラスチック材料の正確な
膜厚測定を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラスチック材料の上に
施された塗装膜の膜厚を測定するための膜厚計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】自動車、オートバイ、家電
製品等プラスチックを使用した製品表面に塗装を施して
あるものがある。この塗装は外観を美しく見せる、光線
によるプラスチックの劣化を防ぐ等の目的でおこなわれ
る。目的を達するための最適な厚さに塗装することがも
っとも望ましく、厚すぎた場合には使用する塗料の量が
必要以上となり不経済である。また重量が重くなり例え
ば自動車の場合には燃費、加速に影響を及ぼす。また薄
すぎる場合には目的とする外観を得られなくまた、戸外
で使用する自動車などの場合には耐光性が悪くなる。製
造、管理の過程では特に膜厚を正確、迅速、簡便に測定
する必要性があるが、これまでは適当な測定手段がなか
ったため実際に塗装されたものを切断し断面の膜厚を顕
微鏡で測定するなどの方法によりおこなっていた。しか
しこれでは手間、時間がかかるうえにサンプリングで行
わざるを得ず全数測定はできなかった。

【０００３】

【問題点解決のための手段、作用効果及び実施例】本発
明の目的は、上述の問題点を解決し、プラスチック材料
の上に施された塗装膜の膜厚を測定するための膜厚測定
装置を提供することである。本発明によれば、プラスチ
ック材料の上に施された膜の厚さを測定するための膜厚
測定装置であって、パルス信号を発生するパルス発生器
と、前記パルス発生器に接続された超音波センサーと、
前記センサーに設けられ、内部に不連続部分を備え、膜
厚被測定物に押し当てるための材料と、前記被測定物の
両面から反射する超音波信号を膜厚に変換する際、前記
不連続部分からの反射超音波信号を用いて厚さの補正を
行う計測回路と、を有する膜厚測定装置が提供される。

【０００４】本発明のさらに詳細な構成は以下の説明に
よって明らかにされよう。図１に示すようにパルス電圧
を超音波振動子１に印加すると超音波振動子１は固有の
周波数の超音波を発射し、後述の遅延材２、測定対象の
塗装膜３、及び素地であるプラスチック４に伝播する。
超音波は音響特性の違う材料の境界で反射する特性があ
ることから遅延材と塗装の境界からその一部が反射し
（反射波ｕ２）、また別の一部が塗装と素地の境界から
反射する（反射波ｕ３）。これらの弾性波は超音波振動
子１により電圧に変換され外部に出力することができ
る。ｕ２に相当する電気信号ｓ２とｕ３に相当する電気
信号ｓ３の間の時間差ｔ１（図２）は超音波が遅延材と
塗装の境界と塗装と素地の境界の間を往復する時間であ
る。したがってこの塗装膜物質の音速が既知であれば厚
さを知ることができる。

【０００５】図４で制御器４１から発した制御信号１に
したがってパルス発生器４２から出力された電気パルス
が、プローブの超音波振動子すなわちセンサー４３に印
加され超音波が発射される。温度補正用反射穴、遅延材
と塗膜との境界、塗膜と素地の境界で反射した超音波
は、同じ超音波振動子で電気信号に変換されプリアンプ
４４に入力される。その出力はさらにゲインコントロー
ルアンプ４５により増幅される。ゲイコントロールアン
プの出力はａ／ｄ変換器４６に入力されデジタル信号に
変換後演算処理器４７及びメモリー４９によって膜厚値
を算出して表示器４８に表示される。

【０００６】さて塗装の膜厚が薄い場合には図２に示す
信号ｓ２とｓ３が重なり合って識別が困難となってしま
う。この点を解決するため、あらかじめプローブを空中
にむけてプローブ終端からの反射波に応じた電気信号の
波形ｓ４を測定し記憶しておく（ｓ４）（図３）。次に
プローブを測定面に押し当てたときの遅延材と塗装の境
界からの反射波と塗装と素地の境界からの反射波が合成
された反射波に応じた電気信号の波形ｓ５を測定記憶し
ておく。次にｓ５とｓ４の時間差を検出する。この時間
差は塗装の膜厚が厚い場合のｓ２とｓ３の間の時間差と
ほぼ一定の関係を持っているため、あらかじめ同じ塗装
材料の膜を測定してキャリブレーションを行っておけば
薄い膜厚の測定が可能となる。なお、図３に示すｓ６は
送信パルスによって発した信号である。ｔ２、ｔ３は上
述のｓ４とｓ５の測定のそれぞれの状態のときに送信さ
れてから反射波が戻ってくるまでの時間である。

【数１】ｔ３−ｔ２ …… (1) がｓ５とｓ４の間の時間差となる。ｔ２、ｔ３の時間の
うちの大部分は超音波が遅延材を伝搬するために要する
時間であり、遅延材の材料の音速に依存するが、注意す
べきは音速が温度に依存することであって、もしキャリ
ブレーションを行ったときと測定のときの温度がほぼ同
じでなければ測定誤差が発生してしまう。これは環境温
度の変化だけでなく操作のためプローブを持つ手からあ
るいは測定対象素地からの熱の影響も受け１〜２（ｓｅ
ｃ）の間に測定値が変化してしまうこともある。したが
ってかなり頻繁にキャリブレーションを行わなければ安
定した測定ができなくなり実用上非常に不都合である。

【０００７】図５に示すように遅延材２の先端に近い部
分に遅延材の中心軸に垂直な面内に穴をあける。これに
よって測定した反射波形を図８に示す。ｓ６は発信した
波形で、ｓ７は温度補正用反射穴での反射波形である。
ｓ７の受信後に受信される波形としては、塗装が薄いと
きにはｓ５は遅延材と塗装の境界からの反射と塗装と素
地の境界からの反射が合成された形となるであろう（図
８(b) ）。塗装が厚いときにはこれらはｓ２とｓ３のふ
たつの波形に分かれるであろう。後者の場合はｓ２とｓ
３の間の時間が、遅延材を伝搬する時間の温度変化によ
り受ける影響の割合は小さいが、前者ではｓ５とｓ７の
間の測定時間に対する遅延材伝搬時間の温度変化による
影響が無視できないため次のような補正法を使用する。
あらかじめプローブを空中に向けて反射波を記憶して時
間差を検出する（図８(a) 、ｔ５、ｔ６）。次にプロー
ブを測定面に押し当てて反射波の測定を行う。温度変化
によりｔ５はｔ５′に、ｔ６は温度変化によることと遅
延材と塗装の境界からの反射波と塗装と素地の境界から
の反射波が合成されることによってｔ６′に変化する。
遅延材の音響特性が穴の上下でほぼ均質に作られてあれ
ばｔ６の温度変化の割合とｔ５の温度変化の割合は同じ
であるため

【数２】ｔ６′−（ｔ６／ｔ５）×ｔ５′……(2) を計算することによってｔ６′の温度による変化分をキ
ャンセルすることができる。したがってたとえ膜厚が薄
くとも、プローブと塗装の境界からの反射波と塗装と素
地の境界からの反射波が互に近付いて合成された波形を
用いた膜厚計測を実施することが可能となる。

【０００８】ｓ７を生じるための穴３は小さすぎると信
号の検出が困難であるし、大きすぎた場合には超音波の
エネルギーの多くがここで反射してしまうためさらにそ
の先に伝搬するエネルギーが小さくなりｓ２、ｓ３、ｓ
５が小さくなりこれらの検出が困難となる。したがって
最も適当な反射係数に調節する必要がある。遅延材の中
心軸と直交する方向にあける穴の径、長さを調節するこ
とによって反射係数の大小のコントロールが可能であ
る。図６は上述と同じ目的を達するための他の実施例を
示す図である。音響特性の温度変化が同様な異種の遅延
材ＡとＢ、８、９を２層にして境界面５からの反射波を
温度補正用反射穴での反射の代わりとする。二つの遅延
材は、適当な反射係数が得られ両者の温度特性が類似な
材料の組み合わせを採用するのが良い。また両者が全く
同じ材料であったとしても両者間を接着剤で張り合わせ
ることによって反射波を得ることが可能である。図７は
もう一つの別の実施例である。先述の穴で反射を生じさ
せたのに代わり音響特性が遅延材と異る異物１１をいれ
ここで反射させる。反射の大きさは異物の音響特性を選
択すること、異物の厚さあるいは大きさを変えることに
よってコントロール可能である。

【０００９】遅延材、塗膜、素地の音響特性の相互の関
係とそれぞれの境界面の状態によって反射係数が変化す
るため反射波の大きさが変化する。境界面はプローブの
押し当て方、測定面の状態、塗装材料、塗料の塗り方に
よって伝搬条件が変化するので伝搬損失は一定ではな
く、反射波の波高値は時には大きすぎてアンプ、あるい
はａ／ｄ変換器の出力が飽和し、時には小さすぎてｓ／
ｎ比が悪く、ａ／ｄ変換の分解能が得られないといった
問題が起こる。これを防ぐために増幅率をコントロール
して適当な波高値をａ／ｄ変換器に与えることが望まし
い。このため、演算処理器４７では波高値が適切かどう
かを判断し不適当な場合即ち所定の範囲よりも大きいか
あるいは小さいことが判定された場合には制御器に命令
をおくりこれによって制御信号２により増幅率をたとえ
ば６ｄｂづつ増減して再度測定をやり直す。

【００１０】膜厚が厚いときには所定の時間内にｓ２、
ｓ３の二つの波形が現れ（図２参照）、薄いときにはｓ
５一つのみが現れる（図８(b) 参照）ため演算処理器で
これを判断して厚い場合には(1) 式の手法で薄い場合に
は(2) 式の演算の手法で測定を行う。

【００１１】演算処理器４７にはあらかじめメモリ４９
から典型的な塗装の音速を設定しておきこれによって測
定された時間から膜厚を換算することができる。また、
異なる音速を設定するためのキャリブレーション機能を
提供することが可能である。この機能では超音波によっ
て測定した時間をメモリに記憶するとともに測定したサ
ンプルを顕微鏡などによって実際の膜厚の測定を行いこ
の値をキー操作によって入力することによってメモリ４
９に記憶するべき音速が設定できる。

【００１２】図９と図１０は遅延材２の更に別の加工方
法の実施例を示す。図９は外周全体に切り込みを入れて
空気層あるいは樹脂層７を形成した遅延材７、図１０は
外周４個所に互いに離れた複数個の切り込みを入れて空
気層あるいは樹脂層６を形成した遅延材６を示す。な
お、遅延材の形状は製作の都合上円柱状であることが望
ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による膜厚測定原理を示す模式図。

【図２】本発明による膜厚測定原理を示す波形図。

【図３】本発明による膜厚測定原理を示す波形図。

【図４】本発明による膜厚測定装置内部の接続図。

【図５】本発明による膜厚測定プローブの構造を示す
図。

【図６】本発明による別の膜厚測定プローブの構造を示
す図。

【図７】本発明による別の膜厚測定プローブの構造を示
す図。

【図８】本発明による膜厚測定原理を示す波形図。

【図９】本発明によるさらに別の膜厚測定プローブの構
造を示す図。

【図１０】本発明によるさらに別の膜厚測定プローブの
構造を示す図。

【符号の説明】

１ 超音波振動子 ２ 超音波遅延材 ３ 測定対象皮膜 ４ 素地 ５ 遅延材境界面 １１ 温度補正用異物 ４２ パルス発生器 ４３ センサー ４５ ゲインコントロールアンプ ４６ Ａ／Ｄ変換器 ４８ 表示器 ４９ メモリー

フロントページの続き (72)発明者 大森 聡 長野県上田市踏入二丁目10番19号 上田日 本無線株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラスチック材料の上に施された膜の厚
   さを測定するための膜厚測定装置であって、 パルス信号を発生するパルス発生器と、 前記パルス発生器に接続された超音波センサーと、 前記センサーに設けられ、内部に不連続部分を備え、膜
   厚被測定物に押し当てるための材料と、 前記被測定物の両面から反射する超音波信号を膜厚に変
   換する際、前記不連続部分からの反射超音波信号を用い
   て厚さの補正を行う計測回路と、を有する膜厚測定装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の膜厚測定装置であって、
   前記材料内に設けられる不連続部分は、前記材料中の前
   記センサーとは反対側の面に近い部分に長さ方向に対し
   てほぼ直角方向に空けられ、超音波信号を反射するよう
   に設けられた穴であることを特徴とする前記膜厚測定装
   置。