WO2014038601A1 - 塗膜の表面粗度分布測定装置 - Google Patents

塗膜の表面粗度分布測定装置 Download PDF

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WO2014038601A1
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light
coating film
displacement sensor
film surface
surface roughness
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PCT/JP2013/073842
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Inventor
竹内　徹
Original Assignee
関西ペイント株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

Definitions

  • the present invention relates to a coating film surface roughness distribution measuring apparatus.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2012-193969 for which it applied on September 4, 2012, and uses the content here.
  • stylus-type surface roughness meters and optical non-contact surface roughness meters are commercially available to measure the surface roughness of coatings.
  • Portable simple roughness meters and high-precision stationary roughness meters Various surface roughness meters such as a meter are used.
  • the measurement length of the portable surface roughness meter is about several mm to 50 mm, and in the case of a measurement length of 50 mm or more, a stationary surface roughness meter is generally used. Used for.
  • a high-precision surface roughness meter applying principles such as optical interference and confocal, PSD (Position Sensitive Detector) and CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) are used as detectors.
  • PSD Position Sensitive Detector
  • CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor
  • a surface roughness meter using a displacement sensor or the like is known.
  • various surface roughness meters are used depending on the object to be measured and the environment. For example, in Patent Document 1, a light / dark pattern is projected on a surface to be inspected, and a light-receiving image of the light / dark pattern obtained by imaging is converted into image data of an electrical signal, and a boundary region between a bright part and a dark part is extracted from the image data.
  • Patent Document 2 describes a surface inspection apparatus that irradiates light perpendicularly to a measurement surface, receives only regular reflection light, obtains the amount of regular reflection light, and quantifies the surface state of the measurement surface. Has been.
  • a portable and simple surface roughness tester can be brought to the site where the measurement is performed to measure the surface roughness of the object being measured, but in most cases it is generally a stylus type surface roughness.
  • a dynamometer is used.
  • the stylus type surface roughness meter could not be applied to the measurement of a wet coating film or a soft coating film because the needle directly touches the coating film at the time of measurement.
  • the measurement length of the portable surface roughness meter is about 50 mm at the maximum, which is not suitable for measuring large waviness with a long wavelength.
  • an optical surface roughness meter using a displacement sensor can measure surface roughness without directly touching the coating film.
  • a 2C-1B coating film in which a clear coat is coated on a metallic base the reflected light generated from the aluminum pigment contained in the metallic base becomes a noise component, and the roughness of the clear coating surface is accurately determined. It was difficult to measure. Therefore, as an optical surface roughness meter using the latest displacement sensor, a high-precision optical surface roughness meter to which a signal processing circuit incorporating various algorithms for removing a noise signal is added is put on the market. .
  • the present invention has been made to solve such a problem, and is a portable and simple device using an optical sensor, and can measure a wide range of surface roughness with a single optical probe.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus capable of ensuring a measurement length of 50 mm or more and capable of accurately measuring the surface roughness of a coating film containing a bright pigment.
  • the surface roughness distribution measuring apparatus includes an irradiation unit that emits light and a light receiving unit that receives the light, and the light emitted from the irradiation unit is incident on the coating surface as incident light.
  • a displacement sensor that detects a change in the center position of the reflected light reflected by the coating surface, a single-axis actuator that scans the displacement sensor relative to the coating surface, and incidence of the incident light on the coating surface And a reflection mirror for changing the angle.
  • the incident angle, the light receiving angle of the reflected light traveling from the coating film surface toward the displacement sensor, and the distance between the irradiation unit and the coating film surface via the reflection mirror and the coating film surface is adjusted by the position and orientation of the reflecting mirror and the position and orientation of the displacement sensor.
  • either the p wave or the s wave is provided from the reflected light that is provided in front of the light receiving surface of the displacement sensor and travels from the coating surface toward the displacement sensor. It is preferable to have a polarizing filter for selecting the above.
  • the irradiation unit of the displacement sensor and the above-described one so that a total of the incident angle and the reflection angle on the coating film surface is 120 degrees or more and 160 degrees or less. It is preferable that the reflection mirror is installed between the coating surface.
  • the surface roughness distribution measuring apparatus of one embodiment of the present invention is an apparatus that applies an optical sensor, so that non-contact measurement is possible. Even if the measurement target is a wet coating film or a soft coating film, the surface of the coating film It is possible to measure the roughness distribution.
  • a single optical probe can measure a wide range of surface roughness, a measurement length of 50 mm or more can be secured, and the surface roughness of a coating film containing a bright pigment can be measured with high accuracy.
  • the surface roughness distribution measuring apparatus includes an optical probe 10 having a displacement sensor 11 and a reflection mirror 12 mounted on a base plate 13 as a surface roughness meter.
  • the single-axis actuator 20 that scans the measurement target (coating surface) with the optical probe 10 including the displacement sensor 11 is not particularly limited, but the precision slide rail 21, the guide unit 22, and the precision shown in FIGS. 1A and 1B. It can be constructed by a combination of small gear motors 26.
  • the base plate 13 of the optical probe 10 is attached to the guide unit 22 of the slide rail 21 and is guided so as to freely reciprocate along the longitudinal direction of the slide rail 21.
  • the base plate 13 is connected to the loop wire 25 through the attachment portion 13a.
  • the loop wire 25 is attached between the drive pulley 23 and the driven pulley 24.
  • the drive pulley 23 is connected to a precision small gear motor 26, and is controlled by an electrical signal output from a controller (not shown). When the signal output from the controller enters the drive pulley 23, the drive pulley 23 connected to the precision small gear motor 26 rotates at a constant speed, and the optical probe 10 on the guide unit 22 starts moving together with the loop wire 25.
  • the displacement signal output from the optical probe 10 is fed back to the controller and recorded in the internal memory of the controller as displacement data for the moving distance.
  • Limit switches 27 are installed in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the slide rail 21 (positions close to both ends).
  • the controller stops the operation of the precision small gear motor 26 by a signal output from the limit switch 27.
  • the optical probe 10 stands by at the stop position until the next start signal is received.
  • the single-axis actuator 20 of the scanning mechanism can be easily constructed.
  • the loop wire 25 include a metal wire such as stainless steel.
  • a transmission member such as a chain, a belt, or a cable can be used.
  • rotating wheels such as gears, sprockets, and drums may be used.
  • the slide rail 21 used in the present apparatus surface roughness distribution measuring apparatus
  • the wire drive method is adopted for driving the optical probe 10, but a ball screw drive method can also be applied if the weight of the device is not increased.
  • the slide rail 21, the gear motor 26, and the limit switch 27 are mounted on the same surface of the support portion 31 of the casing or the frame 30.
  • a first end surface portion 32 and a second end surface portion 33 are provided at both ends of the support portion 31.
  • a cover portion 34 disposed to face the support portion 31 is provided on the opposite side of the first end surface portion 32 and the second end surface portion 33 from the support portion 31.
  • the displacement sensor 11 As the displacement sensor 11 used in this apparatus, a displacement sensor (ranging sensor) combining an infrared LED light source and a PSD detector, a displacement sensor combining a laser light source and a CMOS detector, and the like are suitable. As shown in FIGS. 2A and 2B, the displacement sensor 11 projects a light source 50 (irradiation unit) that irradiates light onto the coating surface and light emitted from the light source 50 onto a measurement object (coating surface). And a light receiving surface 11b (light receiving portion) for receiving reflected light reflected from the measurement object.
  • the light source 50 may be provided inside the displacement sensor 11, but it is preferable that the light source 50 is provided on the light projecting surface 11a because the displacement sensor 11 can be downsized.
  • the light projection axis 11c of light emitted from the light projecting surface 11a is perpendicular to the measurement surface 1 of the object and receives light.
  • a diffuse reflection type displacement sensor in which a light receiving axis 11d of light traveling toward the surface 11b is inclined from the measurement surface 1, and a light projection axis 11c and a light receiving axis 11d are normal lines (perpendicular) 2 from the measurement surface 1.
  • a regular reflection displacement sensor see FIG. 2B that is symmetrical to each other.
  • the intersection angle ⁇ between the light projecting axis 11c and the light receiving axis 11d is equal to the sum of the incident angle and the reflection angle of the object with respect to the measurement surface 1.
  • the total angle ⁇ of the incident angle and the reflection angle of a commercially available distance measuring sensor or displacement sensor is 20 ° or more in both the diffuse reflection type displacement sensor (see FIG. 2A) and the regular reflection type displacement sensor (see FIG. 2B). It is about 90 °.
  • the sum of the distance from the light source 50 to the coating surface (distance that the incident light travels) and the distance from the coating surface to the light receiving surface 11b (the distance that the reflected light travels) is: Measurement distance (optical distance).
  • the object to be measured is, for example, a coating film, and in this case, the measurement surface 1 is a coating film surface.
  • This device can also be applied to the measurement of surface roughness of various materials such as resin moldings, films, metal plates, etc.
  • the surface of the object to be measured may be an unpainted substrate, and various coatings other than coating films. You may have. It is desirable to adjust the beam diameter of the light source 50 of the displacement sensor 11 according to the surface roughness of the measurement surface 1.
  • the beam diameter is adjusted with an optical system that combines one or more of a condensing lens, a collimating lens, and a pinhole.
  • the surface roughness of a general coating film is set by setting the beam diameter within 1 mm. Can be measured. However, if the beam diameter emitted from the light source 50 used in advance for the displacement sensor is within 1 mm ⁇ , there is no need to adjust the beam diameter, and the light emitted from the light source 50 is adjusted. Applicable to the device.
  • the displacement sensor 11 that directly receives the reflected light reflected by the measurement surface 1 (including the case of diffusion) from the light projected along the light projecting axis 11c by the light receiving surface 11b.
  • the total angle of the incident angle and the reflection angle on the measurement surface 1 is referred to as “direct reflection method”) on the light projecting axis 11c and the light receiving surface 11b of the light emitted from the light source 50 (light projecting surface 11a) of the displacement sensor 11.
  • the intersection angle ⁇ of the light traveling toward the light receiving axis 11d it may be not less than 20 ° and not more than 90 °.
  • the present apparatus as shown in FIG.
  • the reflection mirror 12 is installed between the light source 50 (light projection surface 11a) and the measurement surface 1, and the light projected along the light projection axis 11c is temporarily used.
  • the light is reflected by the reflection mirror 12 and the reflected light is projected onto the measurement surface 1.
  • the light reflected by the reflection mirror 12 is reflected by the measurement surface 1 (including the case of diffusion), and is received by the light receiving surface 11b.
  • the total angle ⁇ of the incident angle and the reflection angle on the measurement surface 1 is larger than the total angle (intersection angle ⁇ ) of the incident angle and the reflection angle on the measurement surface 1 by the direct reflection type displacement sensor 11 shown in FIG. 3A.
  • the angle can be 120 ° or more and 160 ° or less.
  • the distance from the light source 50 to the coating surface through the reflection mirror 12 (distance that the incident light travels) and the distance from the coating surface to the light receiving surface 11b (the distance that the reflected light travels).
  • the total is a measurement distance (optical distance).
  • the light emitted from the light source 50 travels to the reflection mirror 12, and this light is reflected by the reflection mirror 12 and travels toward the coating film surface.
  • the light reflected by the coating surface is directed to the light receiving surface 11b.
  • Such a light path is the measurement distance (optical distance) of the present invention.
  • the coating film when the coating film is irradiated with light while moving the displacement sensor 11 parallel to the coating film, it is microscopically formed on the surface of the coating film so as to correspond to the movement distance of the displacement sensor 11. It is possible to continuously measure a change in measurement distance caused by the uneven shape (waveform shape). As a result, it is possible to measure the variation (displacement) in the reflected light caused by the uneven shape formed on the surface of the coating film, the change in the light receiving position, that is, the change in the center position of the reflected light (center position change). . Thereby, the distribution of the surface roughness of the coating film corresponding to the amount of change in the measurement distance can be obtained.
  • a special effect can be obtained as compared with an apparatus not including the reflection mirror 12. That is, compared with the total angle ⁇ (20 ° to 90 °) in the diffuse reflection type displacement sensor (see FIG. 2A) and the regular reflection type displacement sensor (see FIG. 2B) that do not include the reflection mirror 12, in this apparatus, The reflectance of light reflected from the coating surface (the reflectance of the s-wave component) increases 4 to 6 times the total angle ⁇ (20 ° to 90 °). Thereby, sensing with higher accuracy becomes possible. This fact can be explained by a relation graph of “incident angle and reflectance” generally derived from the Fresnel equation.
  • the change in the center of gravity position (in the case of PSD) or peak position (in the case of CMOS) of the reflected light due to the displacement of the measurement surface 1 is about 3.3 times that of the direct reflection system (the total angle is 30 ° to 120 °).
  • the total angle ⁇ of the incident angle and the reflection angle with respect to the measurement surface 1 is 30 ° and the incident angle and the reflection angle are 15 °
  • B / A sin 60 ° / sin 15 ° ⁇ 3.3.
  • FIGS. 5A and 5B are detailed explanatory views of the optical probe 10 of the present apparatus.
  • a displacement sensor 11, a condensing lens 14, a reflection mirror 12, and a polarizing filter 15 are mounted on a base plate 13 that is attached to the guide unit 22.
  • 5A and 5B light is emitted from the light source 50, and the emitted light is reflected by the reflection mirror 12 to generate first reflected light, and the first reflected light reaches the measurement surface 1.
  • the angle between the first reflected light and the measurement surface 1 is the reflection angle a 1 in FIG. 5A and the reflection angle b 1 in FIG. 5B.
  • the angle between the light reflected by the measurement surface 1 (second reflected light) and the measurement surface 1 is the light reception angle a 2 in FIG. 5A and the light reception angle b 2 in FIG. 5B.
  • the light reflected from the measurement surface 1 at the light receiving angle a 2 travels toward the detector (displacement sensor 11).
  • FIG. 5A shows a case where the reflection angle a 1 and the light reception angle a 2 are each a first angle (for example, 30 °).
  • FIG. 5B shows a case where the reflection angle b 1 and the light reception angle b 2 are each a second angle (for example, 20 °).
  • the mounting position (angle) of the displacement sensor 11 and the angle of the reflection mirror 12 are adjusted according to the roughness level of the measurement surface 1, and the incident angle (reflection) at which the displacement signal corresponding to the undulation of the measurement surface 1 does not become a scale over. It is possible to construct a surface roughness distribution measuring instrument having a large measurement range of roughness by setting the angle so as to be an angle.
  • the irradiation beam diameter emitted from the light source 50 is sufficiently small (1 mm ⁇ or less) collimated (parallel) light, there is no problem even if the beam length from the irradiation port of the light source 50 to the measurement surface varies. If it is too large (about 5 mm ⁇ for the distance measuring sensor), it is necessary to use a condensing lens that focuses on the measurement surface. In any case, it is practically desirable to adjust the beam diameter according to the roughness level, using a condensing lens, a collimating lens, and a pinhole structure, member, or element (means). It is desirable to form the best irradiation beam.
  • p wave electric field vector is a polarization component parallel to the incident surface
  • s from reflected light traveling from the coating film surface 1 toward the displacement sensor 11 or s.
  • a polarization filter 15 that selects any one of the waves (the polarization component whose electric field vector is perpendicular to the incident surface) may be provided.
  • the polarizing filter 15 is provided between the measurement surface 1 and the light receiving surface 11b. Since most of the reflected light component generated from the coating surface is an s-wave component, the reflected component generated from the inside of the coating film is minimized by the p-wave cut polarizing filter assembled on the light receiving surface 11b of the displacement sensor 11.
  • a compact optical probe can be realized, so that a light-weight apparatus having an appropriate rigidity for the slide rail can be obtained.
  • the optical probe drive mechanism can adopt a light wire drive system, a portable surface roughness distribution measuring device having a long measurement distance can be constructed as a result.
  • surface property data such as the surface roughness of the coating film surface, its uniaxial distribution, surface shape, and contour curve can be measured.
  • maximum peak height (Rp), maximum valley depth (Rv or Rm), maximum height (Ry or Rz), arithmetic average height (Ra), root mean square height Parameters such as (Rq) can also be obtained for each reference length or at a desired position.
  • FIG. 6A and FIG. 6B are examples in which the surface roughness distribution of the coating film was measured by the apparatus in which the present invention was implemented (the optical system is FIG. 3B).
  • FIG. 6A shows a measurement example of a coating surface having a rough surface roughness
  • FIG. 6B shows a measurement example of a coating surface having a smooth surface roughness.
  • FIGS. 7A and 7B show an example in which the same displacement sensor is used and measured by a direct reflection type optical system (FIG. 3A, prior art). Obviously, the detection sensitivity of the surface roughness distribution is greatly improved in the optical system of the apparatus in which the present invention is implemented.
  • FIG. 8A and 8B show measurement examples for explaining the effect of the polarizing filter.
  • a 2C-1B metallic coating was used as a sample to be measured.
  • This metallic coating film is a coating film obtained by painting a metallic base paint containing an aluminum pigment with a bar coater, preliminarily drying, then applying a clear paint and baking and drying.
  • FIG. 8A shows the result of measuring this sample by a direct reflection method (without a polarizing filter, the optical system is FIG. 3A, the prior art).
  • FIG. 8B is an example showing the results measured by using the apparatus in which the present invention is implemented (there is a polarizing filter, and the optical system is FIG. 5A and FIG. 5B). As is apparent from FIG. 8B, it was confirmed that the reflected light generated from the base coating film was cut by arranging the polarizing filter, and the roughness distribution of the clear coating film on the surface could be detected.
  • SYMBOLS 11 Displacement sensor, 12 ... Reflection mirror, 13 ... Base plate, 14 ... Condensing lens, 15 ... Polarizing filter, 20 ... Single axis actuator, 21 ... Slide rail, 22 ... Guide unit, 23 ... Drive pulley, 24 ... Drive pulley 25 ... Loop wire, 26 ... Gear motor, 27 ... Limit switch.

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  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Abstract

　本発明の塗膜の表面粗度分布を測定する測定装置は、照射部（５０，１１ａ）と、受光部（１１ｂ）を備え、前記照射部（５０，１１ａ）から出射された光を入射光として塗膜面（１）に入射させ、前記塗膜面（１）で反射した反射光の中心位置変化を検出する変位センサー（１１）と、前記塗膜面（１）に対して前記変位センサー（１１）を走査させる単軸アクチュエーター（２０）と、前記塗膜面（１）に対する前記入射光の入射角を変える反射ミラー（１２）とを備え、前記入射角、前記塗膜面（１）から前記変位センサー（１１）へ向かって進む前記反射光の受光角、および、前記反射ミラー（１２）を介した前記照射部（５０，１１ａ）と前記塗膜面（１）との距離と前記塗膜面（１）から前記受光部との距離との合計である測定距離は、前記反射ミラー（１２）の位置および姿勢と、前記変位センサー（１１）の位置および姿勢とにより調整されている。

Description

塗膜の表面粗度分布測定装置
　本発明は、塗膜の表面粗度分布測定装置に関する。
　本願は、２０１２年９月４日に出願された特願２０１２－１９３９６９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、塗膜の表面粗度を測定するには触針式表面粗度計や光学式の非接触表面粗度計などが市販され、ポータブルな簡易型粗度計や高精度な据置型粗度計等、様々な表面粗度計が利用されている。触針式の表面粗度計においては、携帯型の表面粗度計の測定長さは数ｍｍから５０ｍｍ程度であり、５０ｍｍ以上の測定長さの場合では据置型の表面粗度計が一般的に用いられる。光学式の表面粗度計としては、光干渉や共焦点などの原理を応用した高精度の表面粗度計や、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を検出器に利用した変位センサー等を利用した表面粗度計が知られており、現状では、測定する対象物や環境に応じて、各種の表面粗度計が使い分けされている。
　例えば、特許文献１には、被検査面に明暗パターンを映し出し、撮像して得られる明暗パターンの受光画像を電気信号の画像データに変換し、画像データから明部と暗部の境界領域を抽出し、明暗境界領域の幅のばらつき度合に応じて被検査面の平滑性を判定する塗膜平滑性検査装置が記載されている。
　また、特許文献２には、測定面に対して垂直に光を照射して正反射光のみを受光し、正反射光の光量を求めて測定面の表面状態を定量化する表面検査装置が記載されている。
特開平９－１２６７４４号公報 特開２０００－１２１５６７号公報
　ポータブルな簡易型の表面粗度計は、測定が行われる現場に持ち込んで、測定対象物の表面粗度を測定することが可能だが、ほとんどの場合、一般的に触針式のタイプの表面粗度計が用いられる。触針式表面粗度計では測定時には直接塗膜に針が触れるため、ウエットな塗膜や柔らかい塗膜の測定に触針式表面粗度計を適用することができなかった。また、携帯型の表面粗度計の測定長さは最大でも５０ｍｍ程度であり、長波長の大きなうねりを測定したい場合には不向きであった。
　一方、変位センサーを利用した光学式表面粗度計は、直接塗膜に触れずに表面粗度の測定が可能である。しかしながら、例えば、メタリックベースの上にクリヤーコートが塗装された２Ｃ－１Ｂ塗膜などでは、メタリックベースに含まれたアルミニウム顔料から生じる反射光がノイズ成分となり、クリヤー塗膜表面の粗度を正確に測定することが困難であった。そのため、最新の変位センサーを使用した光学式表面粗度計として、ノイズ信号を除去する様々なアルゴリズムを取り入れた信号処理回路等が付加された高精度の光学式表面粗度計が上市されている。しかしながらこのような高精度タイプの光学式表面粗度計のほとんどは、据置型の大型装置であり、測定が行われる現場に持ち込んで対象物の表面粗度を簡易的に測定できるような携帯型の測定装置にはなり得なかった。また、光学式表面粗度計の中で高精度な粗度計は、測定可能な表面粗度のダイナミックレンジが狭く、測定対象物の種類に応じて複数の光学プローブを準備しなくてはならなかった。
　特許文献１に記載の検査装置の場合、明暗パターンを被検査面のより広い範囲に映し出すことで、大面積の物体を効率良く検査することができるが、装置が大型化してしまう。
　特許文献２に記載の検査装置の場合、あらかじめ目視結果の良好な部位の測光量を平均して基準値を求めておく必要があり、材料や条件等が異なるたびに新たな基準値を設定しなければならない。また、２Ｃ－１Ｂ塗膜のように光の反射性や透過性の異なる塗膜が積層している場合は、表層から生じる反射光とベースから生じる反射光とが混じり合い、各層の表面状態の影響を分離して計測することが難しい。
　本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであって、光学式センサーを利用したポータブルな簡易型装置であって、一つの光学プローブで広いレンジの表面粗度測定が可能で、５０ｍｍ以上の測定長さが確保でき、光輝性顔料を含む塗膜の表面粗度も精度良く測定できる装置の提供を目的とする。
　本発明の一態様の表面粗度分布測定装置は、光を出射する照射部と、前記光を受光する受光部を備え、前記照射部から出射された前記光を入射光として塗膜面に入射させ、前記塗膜面で反射した反射光の中心位置変化を検出する変位センサーと、前記塗膜面に対して前記変位センサーを走査させる単軸アクチュエーターと、前記塗膜面に対する前記入射光の入射角を変える反射ミラーと、を備える。また、前記入射角、前記塗膜面から前記変位センサーへ向かって進む前記反射光の受光角、および、前記反射ミラーを介した前記照射部と前記塗膜面との距離と前記塗膜面から前記受光部との距離との合計である測定距離は、前記反射ミラーの位置および姿勢と、前記変位センサーの位置および姿勢とにより調整されている。
　本発明の一態様の表面粗度分布測定装置においては、前記変位センサーの受光面の前に設けられ、前記塗膜面から前記変位センサーへ向かって進む前記反射光からｐ波またはｓ波のいずれかを選択する偏光フィルターを有することが好ましい。
　本発明の一態様の表面粗度分布測定装置においては、前記塗膜面における前記入射角と前記反射角の合計が１２０度以上１６０度以下となるように、前記変位センサーの前記照射部と前記塗膜面との間に前記反射ミラーが設置されていることが好ましい。
　本発明の一態様の表面粗度分布測定装置は、光学式センサーを応用した装置なので非接触測定が可能であり、測定対象がウエットな塗膜や柔らかい塗膜であっても、塗膜の表面粗度の分布を測定することが可能である。一つの光学プローブで広いレンジの表面粗度測定が可能であり、５０ｍｍ以上の測定長さが確保でき、光輝性顔料を含む塗膜の表面粗度も精度良く測定できる。
本発明の実施形態の表面粗度分布測定装置の一例を示す正面図である。 本発明の実施形態の表面粗度分布測定装置の一例を示す平面図である。 拡散反射型の変位センサーの取り付け姿勢における投受光を説明するための説明図である。 正反射型の変位センサーの取り付け姿勢における投受光を説明するための説明図である。 直接反射方式と本発明の実施形態における投受光角度とを比較する図であって、直接反射方式を説明する説明図である。 直接反射方式と本発明の実施形態における投受光角度とを比較する図であって、本発明の実施形態を説明する説明図である。 直接反射方式と本発明の実施形態における受光変位幅とを比較する図であって、直接反射方式を説明する説明図である。 直接反射方式と本発明の実施形態における受光変位幅とを比較する図であって、本発明の実施形態を説明する説明図である。 本発明の実施形態の表面粗度分布測定装置の投受光角調整の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態の表面粗度分布測定装置の投受光角調整の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態の表面粗度分布測定装置を用いて粗い塗膜面を測定することによって得られた表面粗度分布の測定例を示すグラフである。 本発明の実施形態の表面粗度分布測定装置を用いて滑らかな塗膜面を測定することによって得られた表面粗度分布の測定例を示すグラフである。 直接反射方式によって粗い塗膜面を測定することによって得られた表面粗度分布の測定例を示すグラフである。 直接反射方式によって滑らかな塗膜面を測定することによって得られた表面粗度分布の測定例を示すグラフである。 本発明の実施形態の偏光フィルターの効果を説明するグラフであって、偏光フィルターなしの場合の測定例を示すグラフである。 本発明の実施形態の偏光フィルターの効果を説明するグラフであって、偏光フィルターありの場合の測定例を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態の装置について図面を参照して説明する。
　図１Ａ及び図１Ｂに本発明の実施形態の表面粗度分布測定装置の一実施形態を示す。この表面粗度分布測定装置は、表面粗度計として、ベースプレート１３に変位センサー１１および反射ミラー１２がマウントされた光学プローブ１０を備える。変位センサー１１を備える光学プローブ１０を測定対象物（塗膜面）に対して走査させる単軸アクチュエーター２０は、特に限定されないが、図１Ａ及び図１Ｂに示す精密スライドレール２１とガイドユニット２２および精密小型ギアモーター２６の組み合わせで構築することができる。
　光学プローブ１０のベースプレート１３は、スライドレール２１のガイドユニット２２に取り付けられ、スライドレール２１の長手方向に沿って自由に往復移動可能に案内されている。ベースプレート１３は、取付部１３ａを介して、ループワイヤー２５に連結されている。ループワイヤー２５は、駆動プーリー２３と従動プーリー２４との間に取り付けられている。駆動プーリー２３は精密小型ギアモーター２６に連結されており、コントローラー（図示せず）から出力される電気信号で制御されている。コントローラーから出力された信号が駆動プーリー２３に入ると精密小型ギアモーター２６に連結された駆動プーリー２３が一定速度で回転し、ループワイヤー２５とともにガイドユニット２２上の光学プローブ１０が移動を開始する。同時に、光学プローブ１０から出力される変位信号がコントローラーへフィードバックされ、移動距離に対する変位データとしてコントローラーの内部メモリーに記録される。スライドレール２１の長手方向の両端近傍（両端に近い位置）のそれぞれには、リミットスイッチ２７が設置されている。ベースプレート１３はリミットスイッチ２７に接触すると、リミットスイッチ２７から出力される信号によりコントローラーは精密小型ギアモーター２６の動作を停止する。光学プローブ１０は、次のスタート信号を受信するまで、停止位置で待機する。
　ギアモーター２６の駆動軸２６ａに取り付けた駆動プーリー２３とループワイヤー２５とスライドレール２１等を組み合わせれば簡単に走査機構の単軸アクチュエーター２０を構築することが可能である。ループワイヤー２５としてはステンレス等の金属ワイヤーが挙げられる。ワイヤーに代えて、チェーン、ベルト、ケーブルなどの伝動部材を用いることもできる。プーリー２３，２４に代えて、歯車、スプロケット、ドラムなどの回転輪を用いることもできる。
　また、本装置（表面粗度分布測定装置）に使用するスライドレール２１は、有効ストロークが１００ｍｍ以上で、走り平行度が１０μｍ以下の精密さを有することが望ましい。
　図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、光学プローブ１０の駆動にワイヤー駆動方式を採用したが、装置の重量アップを気にしなければボールネジ駆動方式も適用することが可能である。
　スライドレール２１、ギアモーター２６、リミットスイッチ２７は、筐体又は枠体３０の支持部３１の同じ面上に取り付けられている。支持部３１の両端には第１端面部３２と第２端面部３３が設けられている。第１端面部３２と第２端面部３３の支持部３１とは反対側には、支持部３１に対向して配置された覆い部３４が設けられている。
　本装置に使用する変位センサー１１としては、赤外ＬＥＤ光源とＰＳＤ検出器を組み合わせた変位センサー（測距センサー）や、レーザー光源とＣＭＯＳ検出器を組み合わせた変位センサーなどが適している。
　図２Ａ及び図２Ｂに示すように、変位センサー１１は、塗膜面に光を照射する光源５０（照射部）と、光源５０から出射された光を測定対象物（塗膜面）に投光する投光面１１ａ（照射部）と、測定対象物から反射された反射光を受光する受光面１１ｂ（受光部）を有する。光源５０は変位センサー１１の内部に設けられていてもよいが、光源５０が投光面１１ａに設けられていると、変位センサー１１を小型化でき、好ましい。一般に市販されている変位センサー（測距センサーを含む）としては、投光面１１ａ（光源５０）から出射された光の投光軸１１ｃが対象物の測定面１に対して垂直であって受光面１１ｂに向けて進む光の受光軸１１ｄが測定面１から傾斜した拡散反射型変位センサー（図２Ａ参照）と、投光軸１１ｃ及び受光軸１１ｄが測定面１からの法線（垂線）２に対称な正反射型変位センサー（図２Ｂ参照）とが知られている。上記両センサーのいずれも本発明の実施形態の装置（例えば、図３Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ参照）に使用できる。
　投光軸１１ｃと受光軸１１ｄとの交差角度θは、対象物の測定面１に対する入射角と反射角の合計に等しい。一般に市販されている測距センサーや変位センサーの入射角と反射角の合計角度θは、拡散反射型変位センサー（図２Ａ参照）、正反射型変位センサー（図２Ｂ参照）いずれにおいても２０°～９０°程度である。このような図２Ａ及び図２Ｂにおいて、光源５０から塗膜面までの距離（入射光の進む距離）と、塗膜面から受光面１１ｂまでの距離（反射光の進む距離）との合計は、測定距離（光学距離）である。
　測定する対象物は例えば塗膜であり、その場合、測定面１は塗膜面である。本装置は、樹脂成形物やフィルム、金属板等、各種材料の表面粗度の測定にも適用可能であり、測定する対象物の表面は、未塗装の素地でもよく、塗膜以外の各種コーティングを有していてもよい。
　変位センサー１１の光源５０のビーム径は、測定面１の表面粗度によって調整することが望ましい。ビーム径の調整は集光レンズとコリメートレンズおよびピンホールのいずれか、あるいはいくつかを組み合わせた光学系で行い、通常はビーム径を１ｍｍ以内に設定することで一般的な塗膜の表面粗度を測定することが可能である。但し、変位センサーに予め用いられている光源５０から出射されるビーム径が１ｍｍφ以内のコリメート光であれば、ビーム径を調整の必要はなく、光源５０から出射される光を調整することなる本装置に適用可能である。
　図３Ａに示すように、投光軸１１ｃに沿って投光した光が測定面１で反射（拡散の場合を含む。）した反射光を受光面１１ｂで直接受光する変位センサー１１の場合（以下「直接反射方式」という。）、測定面１における入射角と反射角の合計角度は、変位センサー１１の光源５０（投光面１１ａ）から出射される光の投光軸１１ｃと受光面１１ｂに向けて進む光の受光軸１１ｄとの交差角度θと同じく、２０°以上９０°以下であってもよい。
　これに対して本装置では、図３Ｂに示すように、光源５０（投光面１１ａ）と測定面１の間に反射ミラー１２を設置し、投光軸１１ｃに沿って投光した光を一旦反射ミラー１２に反射させ、その反射光を測定面１に投光する。そして、反射ミラー１２での反射光が測定面１で反射（拡散の場合を含む。）した反射光を受光面１１ｂで受光する。これにより、測定面１における入射角と反射角の合計角度αを、図３Ａに示す直接反射方式の変位センサー１１による測定面１における入射角と反射角の合計角度（交差角度θ）よりも大きく拡大することができ、例えば、１２０°以上１６０°以下とすることができる。
　このような図３Ｂにおいて、反射ミラー１２を介した光源５０から塗膜面までの距離（入射光の進む距離）と、塗膜面から受光面１１ｂまでの距離（反射光の進む距離）との合計は、測定距離（光学距離）である。具体的に、光源５０から出射された光は反射ミラー１２に進み、この光は、反射ミラー１２によって反射されて塗膜面に向かう。塗膜面で反射された光は受光面１１ｂに向かう。このような光の経路が、本発明の測定距離（光学距離）である。上記のように、変位センサー１１を塗膜に対して平行に移動させながら塗膜に光照射を行うと、変位センサー１１の移動距離に対応するように、塗膜の表面に微視的に形成されている凹凸形状（波形形状）に起因する測定距離の変化を連続的に測定することができる。これによって、塗膜の表面に形成されている凹凸形状に起因する反射光の変動（変位）、受光位置の変化、即ち、反射光の中心位置の変化（中心位置変化）を測定することができる。これによって、測定距離の変化量に相当する塗膜の表面粗度の分布を得ることができる。
　また、上記のように反射ミラー１２を備えた本装置によれば、反射ミラー１２を備えていない装置に比べて格別の効果が得られる。即ち、反射ミラー１２を備えていない拡散反射型変位センサー（図２Ａ参照）及び正反射型変位センサー（図２Ｂ参照）における合計角度θ（２０°～９０°）と比較して、本装置においては塗膜表面から反射される光の反射率（ｓ波成分の反射率）が、合計角度θ（２０°～９０°）に対して、４～６倍に増加する。これにより、より高精度なセンシングが可能になる。この事実は、一般的にフレネルの式から導かれる「入射角と反射率」の関係グラフで説明することができる。
　更に、測定面１の変位による反射光の重心位置（ＰＳＤの場合）あるいはピーク位置（ＣＭＯＳの場合）の変化が、直接反射方式に対して約３．３倍（合計角度を３０°から１２０°へ変更した場合）になるという相乗効果も期待できる。
　例えば、測定面１に対する入射角と反射角との合計角度θが３０°で、入射角と反射角がそれぞれ１５°のとき、測定面１の変位ｄに対する反射光の受光位置の変化Ａは、ｓｉｎ１５°＝Ａ／２ｄである（図４Ａ参照）。また、測定面１に対する入射角と反射角との合計角度αが１２０°で、入射角と反射角がそれぞれ６０°のとき、測定面１の変位ｄに対する反射光の受光位置の変化Ｂは、ｓｉｎ６０°＝Ｂ／２ｄである（図４Ｂ参照）。このとき、Ｂ／Ａ＝ｓｉｎ６０°／ｓｉｎ１５°≒３．３である。
　図５Ａ及び図５Ｂは本装置の光学プローブ１０の詳細説明図である。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ガイドユニット２２に取り付けるためのベースプレート１３には、変位センサー１１、集光レンズ１４、反射ミラー１２、偏光フィルター１５がマウントされている。図５Ａ及び図５Ｂにおいては、光源５０から光が出射され、この出射光が反射ミラー１２によって反射されて第１反射光が生じ、第１反射光が測定面１に到達している。第１反射光と測定面１との間の角度は、図５Ａにおいて反射角ａ１であり、図５Ｂにおいて反射角ｂ１である。また、測定面１によって反射された光（第２反射光）と測定面１との間の角度は、図５Ａにおいて受光角ａ２であり、図５Ｂにおいて受光角ｂ２である。受光角ａ２で測定面１から反射された光は、検出器（変位センサー１１）へ向かって進む。
　ここで、図５Ａは、反射角ａ１および受光角ａ２がそれぞれ第１の角度（例えば３０°）の場合を示している。図５Ｂは、反射角ｂ１および受光角ｂ２がそれぞれ第２の角度（例えば２０°）の場合を示している。
　測定面１の粗度レベルに応じて変位センサー１１の取り付け姿勢（角度）および反射ミラー１２の角度を調整し、測定面１のうねりの山谷に対応した変位信号がスケールオーバーにならない入射角（反射角）になるように角度を設定することで粗度の測定範囲が大きい表面粗度分布測定器を構築することが可能となる。
　光源５０から出射される照射ビーム径が十分小さな（１ｍｍφ以下）コリメート（平行）光であれば、光源５０の照射口から測定面までのビーム長さが変動しても問題ないが、ビーム径が大き過ぎる場合（測距センサーでは約５ｍｍφ）には、測定面で焦点を結ぶような集光レンズを併用する必要がある。いずれの場合であっても粗度レベルに応じてビーム径を調整することが実用上は望ましく、集光レンズやコリメートレンズ、更にはピンホールなどの構造、部材、或いは素子（手段）を使って最良の照射ビームを形成することが望ましい。
　本装置においては、変位センサー１１の受光面１１ｂの前に、塗膜面１から変位センサー１１へ向かって進む反射光の中から、ｐ波（電場ベクトルが入射面に平行な偏光成分）またはｓ波（電場ベクトルが入射面に垂直な偏光成分）のいずれかを選択する偏光フィルター１５を設けてもよい。偏光フィルター１５は、測定面１と受光面１１ｂとの間に設けられている。
　塗膜表面から生じる反射光成分は、ほとんどがｓ波成分であることが判っているので、変位センサー１１の受光面１１ｂに組み付けたｐ波カットの偏光フィルターにより塗膜内部から生じる反射成分を極力カットすることで、よりノイズのない表面粗度分布測定装置の提供が可能となる。逆に、ｓ波カットの偏光フィルターを組み付ければ、塗膜表面から生じる反射光をほとんどカットすることができるので、前述の２Ｃ－１Ｂ塗膜におけるメタリックベース肌の粗度を、クリヤー表面の肌に影響されずに測定することも可能となる。
　以上のように、本装置によればコンパクトな光学プローブを実現することが可能なので、スライドレールも適度な剛性を持つ軽量タイプの装置が得られる。また、光学プローブの駆動機構も軽量なワイヤー駆動方式が採用できるので、結果的に測定距離の長い携帯型の表面粗度分布測定装置の構築が可能となる。
　本発明の実施形態の表面粗度分布測定装置によれば、塗膜表面の表面粗度やその一軸上での分布、表面形状、輪郭曲線等の表面性状データを測定することができる。また、得られた表面データに基づいて、最大山高さ（Ｒｐ）、最大谷深さ（Ｒｖ又はＲｍ）、最大高さ（Ｒｙ又はＲｚ）、算術平均高さ（Ｒａ）、二乗平均平方根高さ（Ｒｑ）等のパラメータを、基準長さ毎、又は所望の位置で求めることもできる。
　本発明の好ましい実施形態を説明し、上記で説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。
　図６Ａおよび図６Ｂは本発明が実施された装置（光学系は図３Ｂ）により塗膜の表面粗度分布を測定した例である。図６Ａは表面粗度が粗い塗面、図６Ｂは表面粗度が滑らかな塗面の測定例である。比較に、同じ変位センサーを使用し直接反射方式の光学系（図３Ａ、従来技術）で測定した例を図７Ａおよび図７Ｂに示した。明らかに本発明が実施された装置の光学系の方が表面粗度分布の検出感度が大きく向上していることが判る。
　また、図８Ａおよび図８Ｂには偏光フィルターの効果を説明する測定例を示した。測定対象であるサンプルとして、２Ｃ－１Ｂのメタリック塗膜を用いた。このメタリック塗膜は、アルミニウム顔料を含むメタリックベース塗料をバーコーターで引き塗りし、予備乾燥させた後にクリヤー塗料を塗装し焼き付け乾燥させることによって得られた塗膜である。その結果、ベース塗膜にはバーコーターによる塗布の際に生じた筋（バーコーターの筋）が模様として残っているが、サンプルであるクリヤー塗膜の表面には筋の影響は現れていない。このサンプルを、直接反射方式の方法（偏光フィルターなし、光学系は図３Ａ、従来技術）で測定した結果を図８Ａに示す。ベース塗膜に形成されたバーコーターの筋が消えずに、表面粗度分布の測定データに影響を及ぼしていることが判る。図８Ｂは本発明が実施された装置（偏光フィルターあり、光学系は図５Ａ及び図５Ｂ）を用いることによって測定された結果を示す例である。図８Ｂから明らかなように、偏光フィルターを配置することによりベース塗膜から生じる反射光をカットし、表面のクリヤー塗膜の粗度分布を検出できていることが確認できた。
　以上のように、本発明によれば市販の変位センサーを使用して高精度な表面粗度分布測定装置の構築が可能となる。
１１…変位センサー、１２…反射ミラー、１３…ベースプレート、１４…集光レンズ、１５…偏光フィルター、２０…単軸アクチュエーター、２１…スライドレール、２２…ガイドユニット、２３…駆動プーリー、２４…従動プーリー、２５…ループワイヤー、２６…ギアモーター、２７…リミットスイッチ。

Claims (3)

  1. 　塗膜の表面粗度分布を測定する測定装置であって、
    　光を出射する照射部と、前記光を受光する受光部を備え、前記照射部から出射された前記光を入射光として塗膜面に入射させ、前記塗膜面で反射した反射光の中心位置変化を検出する変位センサーと、
    　前記塗膜面に対して前記変位センサーを走査させる単軸アクチュエーターと、
    　前記塗膜面に対する前記入射光の入射角を変える反射ミラーと、
    　を備え、
    　前記入射角、前記塗膜面から前記変位センサーへ向かって進む前記反射光の受光角、および、前記反射ミラーを介した前記照射部と前記塗膜面との距離と前記塗膜面から前記受光部との距離との合計である測定距離は、前記反射ミラーの位置および姿勢と、前記変位センサーの位置および姿勢とにより調整されている塗膜の表面粗度分布測定装置。
  2. 　前記変位センサーの受光面の前に設けられ、前記塗膜面から前記変位センサーへ向かって進む前記反射光からｐ波またはｓ波のいずれかを選択する偏光フィルターを有する請求項１に記載の塗膜の表面粗度分布測定装置。
  3. 　前記塗膜面における前記入射角と前記反射角の合計が１２０度以上１６０度以下となるように、前記変位センサーの前記照射部と前記塗膜面との間に前記反射ミラーが設置されている請求項１又は請求項２に記載の塗膜の表面粗度分布測定装置。
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