(57)【要約】【課題】金属層に誘電体層が接合された接合体に生じた空気層の厚さを非破壊で測定することができる空気層の厚さの測定方法を提供する。【解決手段】金属板２に樹脂板３が接合された接合体１において、それらの間に生じた空気層５の厚さ測定方法であって、樹脂板３側から接合体１にテラヘルツ波を照射し、樹脂板３の往復回数をｍ、空気層５の往復回数をｎとしたときの反射波をＲｍｎとし（ｍ、ｎは０以上の整数）、反射波Ｒ１０、反射波Ｒ１１を選択し、これらの反射波が検出されるまでの時間差と、テラヘルツ波の速度とから空気層５の厚さｄを計算する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層に誘電体層が接合された接合体において、それらの間に生じた空気層の厚さ測定方法であって、
前記誘電体層側から前記接合体にテラヘルツ波を照射し、
前記誘電体層及び前記空気層との界面を反射した反射波、前記金属層に反射して少なくとも前記空気層を一往復以上した複数の反射波のうちから二つを選択し、
選択された二つの反射波が検出されるまでの時間差と、テラヘルツ波の速度とから前記空気層の厚さを計算する
ことを特徴とする空気層の厚さ測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載する空気層の厚さ測定方法において、
前記誘電体層の往復回数をｍ、前記空気層の往復回数をｎとしたときの反射波をＲｍｎとし（ｍ、ｎは０以上の整数）、
反射波Ｒ１０と反射波Ｒ１１との時間差Ｔ又は反射波Ｒ１１と反射波Ｒ１２との時間差Ｔとし、
前記空気層の厚さｄを下記数１で計算する
ことを特徴とする空気層の厚さ測定方法。
〔数１〕
ｄ＝ｃＴ／２  （ｃは光速）
【請求項３】
請求項１に記載する空気層の厚さ測定方法において、
前記誘電体層の往復回数をｍ、前記空気層の往復回数をｎとしたときの反射波をＲｍｎとし（ｍ、ｎは０以上の整数）、
前記空気層に対する反射波Ｒ１１の強度の極大値を取得すると共に、反射波Ｒ１１の前後の極小値を取得し、
前記極大値及び前記極小値の比から前記空気層の厚さを推定する
ことを特徴とする空気層の厚さ測定方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する空気層の厚さ測定方法において、
サーモグラフィ法により前記接合体に生じた前記空気層の位置を特定し、当該位置に前記テラヘルツ波を照射する
ことを特徴とする空気層の厚さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属層に誘電体層が接合された接合体において、それらの間に生じた空気層の厚さの測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
屋外環境や高温環境で使用される各種機器の金属表面は、防水・防食・熱酸化防止を目的とした塗膜・ライニング・コーティングなどの保護膜が施工されている。保護膜は、多くの場合、樹脂やセラミックなどの誘電体を材料としている。例えば、高温環境で使用される火力発電用ガスタービンのタービンブレードには、熱酸化防止のための遮熱コーティングや、腐食防止のための防食ライニングが適用される。
【０００３】
図１（ａ）に示すように、タービンブレード１００（接合体の一例）は、高温下で使用されるため、金属板１０１（金属層の一例）の表面に遮熱層１０２（誘電体層の一例）が設けられている。遮熱層１０２は、セラミックからなり、合金からなるボンドコート（特に図示せず）を介して金属板１０１に密着されている。なお、防食目的の場合は、保護膜として、ポリ塩化ビニールなどの樹脂を金属板１０１の表面に加熱して密着させる。
【０００４】
図１（ｂ）に示すように、タービンブレード１００は、高温酸化雰囲気下において経年使用されると、遮熱層１０２が一部剥離したり、金属板１０１の表面が酸化するなどの欠陥が生じた場合、それらの間に空気層１０３が生じる。そして、図１（ｃ）に示すように、空気層１０３が拡大すると、遮熱層１０２の一部が剥離してしまう。
【０００５】
したがって、このような遮熱層１０２の剥離が起きる前に空気層１０３を非破壊で早期に発見することが重要である。また、その空気層１０３の厚さがどの程度であるかを測定し、遮熱層１０２の剥離がどの程度進行しているかを把握することも重要である。
【０００６】
一方、このような接合体を非破壊で剥離状況を測定するものとしては、赤外線サーモグラフィ法、蛍光Ｘ線法（フォトルミネッセンス法）及び浸透探傷法を併用し、遮熱コーティングの膜厚を測定するものがある（例えば、特許文献１参照）。しかし、特許文献１に係る技術では、膜厚を測定するものであり、空気層の厚さを測定することが困難である。また、複数の方法を用いるため、使用にあたっては煩雑であるという問題がある。
【０００７】
このように、非破壊で接合体に生じた空気層の厚さを測定する方法は提案されていないというのが現状である。
【０００８】
なお、このような問題は、ガスタービンのタービンブレードのみならず、金属板に誘電体層を被膜した接合体一般に存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１５６４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑み、金属層に誘電体層が接合された接合体に生じた空気層の厚さを非破壊で測定することができる空気層の厚さの測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための第１の態様は、金属層に誘電体層が接合された接合体において、それらの間に生じた空気層の厚さ測定方法であって、前記誘電体層側から前記接合体にテラヘルツ波を照射し、前記誘電体層及び前記空気層との界面を反射した反射波、前記金属層に反射して少なくとも前記空気層を一往復以上した複数の反射波のうちから二つを選択し、選択された二つの反射波が検出されるまでの時間差と、テラヘルツ波の速度とから前記空気層の厚さを計算することを特徴とする空気層の厚さ測定方法にある。
【００１２】
かかる第１の態様は、金属層に誘電体層を接合した接合体にテラヘルツ波を照射し、その反射波の時間差を得ることで、接合体に生じた空気層の厚さを非破壊で測定することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する空気層の厚さ測定方法において、前記誘電体層の往復回数をｍ、前記空気層の往復回数をｎとしたときの反射波をＲｍｎとし（ｍ、ｎは０以上の整数）、反射波Ｒ１０と反射波Ｒ１１との時間差Ｔ又は反射波Ｒ１１と反射波Ｒ１２との時間差Ｔとし、前記空気層の厚さｄを下記数１で計算することを特徴とする空気層の厚さ測定方法にある。
〔数１〕
ｄ＝ｃＴ／２  （ｃは光速）
【００１４】
かかる第２の態様では、時間波形からそれらの反射波の時間差を測定しやすくすることができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第１の態様に記載する空気層の厚さ測定方法において、前記誘電体層の往復回数をｍ、前記空気層の往復回数をｎとしたときの反射波をＲｍｎとし（ｍ、ｎは０以上の整数）、前記空気層に対する反射波Ｒ１１の強度の極大値を取得すると共に、反射波Ｒ１１の前後の極小値を取得し、前記極大値及び前記極小値の比から前記空気層の厚さを推定することを特徴とする空気層の厚さ測定方法にある。
【００１６】
かかる第３の態様では、より薄い空気層の厚さを非破壊で測定することができる。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか一つの態様に記載する空気層の厚さ測定方法において、サーモグラフィ法により前記接合体に生じた前記空気層の位置を特定し、当該位置に前記テラヘルツ波を照射することを特徴とする空気層の厚さ測定方法にある。
【００１８】
かかる第４の態様では、サーモグラフィ法を用いて空気層の位置を特定してから厚さの測定を行うので、短時間で効率的に空気層の厚さを測定することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、金属層に誘電体層が接合された接合体に生じた空気層の厚さを非破壊で測定することができる空気層の厚さの測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】タービンブレードの断面図である。
【図２】実施形態１に係る測定システムの概略構成図である。
【図３】接合体の要部を拡大した断面図である。
【図４】接合体に照射されるテラヘルツ波の反射波を示した概略図である。
【図５】測定システムにより検出された反射波Ｒｍｎの時間波形である。
【図６】測定システムにより検出された反射波Ｒｍｎの時間波形である。
【図７】空気層の厚さを変化させたときの反射波Ｒ１１の時間波形である。
【図８】反射波Ｒ１１の極小値に対する極大値の比率と空気層の厚さとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〈実施形態１〉
本実施形態に係る空気層の厚さの測定方法に用いる装置構成について説明する。図２は、本実施形態に係る測定システムの概略構成図である。
【００２２】
測定システム１０は、接合体１を収容する筐体２０、レーザ光を生成するレーザ光源３０、テラヘルツ波の生成及び検出をする検出装置４０を備えている。
【００２３】
筐体２０は、箱状をしており、底部に接合体１が載置される。また、その内部に検出装置４０を収容している。特に図示しないが、筐体２０には、検出装置４０を水平方向に移動させる移動機構を有している。
【００２４】
レーザ光源３０は、フェムト秒レーザなどのレーザ光を生成する装置である。当該レーザ光は、ファイバ３１に導かれて検出装置４０の生成部４２や検出部４３に到達するようになっている。
【００２５】
検出装置４０は、垂直管路４１ｖと水平管路４１ｈからなるＴ字状のケース４１を有している。
【００２６】
垂直管路４１ｖの上端部には、テラヘルツ波を生成する生成部４２が配置されている。垂直管路４１ｖの下端部は、接合体１側に開口している。垂直管路４１ｖの内部には、ハーフミラー４４が配置されている。また、水平管路４１ｈの一端部には、テラヘルツ波（反射波）を検出する検出部４３が配置されている。
【００２７】
また、垂直管路４１ｖには、生成部４２とハーフミラー４４との間、ハーフミラー４４とその接合体１との間、検出部４３とハーフミラー４４との間に、それぞれレンズ４５が配置されている。各レンズ４５は、テラヘルツ波を接合体１や検出部４３に焦点を合わせて収束させるために用いられる。
【００２８】
生成部４２は、例えば、光伝導アンテナである。生成部４２は、レーザ光源３０からのレーザ光が入射されるとテラヘルツ波を放射する。生成部４２から放射されたテラヘルツ波は、垂直管路４１ｖ内部を通り、ハーフミラー４４を透過し、下端部から外に出て接合体１に照射される。テラヘルツ波が接合体１に反射した反射波は、垂直管路４１ｖの下端部からケース４１内に進入し、ハーフミラー４４で反射されて検出部４３に至る。
【００２９】
検出部４３は、例えば、光伝導アンテナである。検出部４３は、レーザ光源３０からのレーザ光が入射されている。そして、反射波が検出部４３に入射すると、検出部４３では反射波の電場強度に比例した電流が生じる。この電流は反射波の時間波形を表す検出信号として、例えばコンピュータ等（図示せず）に送信される。
【００３０】
なお、生成部４２及び検出部４３は、光伝導アンテナに限定されない。例えば、生成部４２は非線形光学結晶であってもよいし、検出部４３は電気光学結晶であってもよい。
【００３１】
図３は、接合体の要部を拡大した断面図である。図示するように、接合体１は、金属層の一例としてＳＵＳなどの金属板２に、誘電体層の一例として高密度ポリエチレンなどの樹脂板３を接合したものである。本実施形態では、金属板２と樹脂板３との間に板状部材４を載置し、金属板２に対して樹脂板３が傾斜するように接合体１を構成している。
【００３２】
このように樹脂板３を傾斜させることで、金属板２及び樹脂板３の間に、厚さが連続的に変化する空気層５が形成される。すなわち、金属板２が載置された平面をＸＹ面とし、金属板２と樹脂板３が接触した部位をＸ軸の原点とすると、空気層５は、Ｘ軸において原点からの距離に比例して厚さｄが増大している。
【００３３】
これは、本測定方法によれば様々な厚さの空気層５について測定できることを説明するために、人為的に空気層５を形成したものである。もちろん、本測定方法は、図１に示したタービンブレードのように、経年使用等により空気層５が発生した接合体にも適用することができる。
【００３４】
上述した測定システム１０を用いて、接合体１の空気層５の厚さを測定する測定方法について説明する。
【００３５】
図４は、接合体に照射されるテラヘルツ波の反射波を示した概略図である。同図の矢印は、接合体１に入射し、金属板２及び樹脂板３の各面で反射するテラヘルツ波の軌跡を模式的に示したものである。
【００３６】
本測定方法では、まず測定システム１０の生成部４２よりテラヘルツ波を樹脂板３側から接合体１に照射する。各矢印に示すように、テラヘルツ波は、樹脂板３の表面Ａ、樹脂板３と空気層５との界面Ｂ（樹脂板３の表面のうち金属板２側の表面）、金属板２と空気層５との界面Ｃ（金属板２の表面のうち樹脂板３側の表面）のそれぞれで反射する。
【００３７】
図中の符号Ｓは、表面Ａで反射した反射波を表し、Ｒｍｎは樹脂板３をｍ往復し、厚さｄの空気層５をｎ往復した反射波を表している。ｍは１以上の整数、ｎは０以上の整数である。
【００３８】
例えば、Ｒ１０は、樹脂板３を１往復し、空気層５を往復していない（透過していない）反射波を表している。Ｒ１１は、金属板２を反射した反射波を表し、Ｒ１２は空気層５を２往復した反射波を表している。
【００３９】
このようにして、テラヘルツ波は接合体１で反射し、各反射波Ｒｍｎは測定システム１０の検出部４３により検出される。検出部４３で検出された反射波Ｒｍｎは、時間波形として出力される。
【００４０】
図５は、測定システムにより検出された反射波Ｒｍｎの時間波形である。縦軸は反射波の強度であり、横軸は時間軸である。
【００４１】
同図には、空気層５の厚さｄが１．０ｍｍである箇所にテラヘルツ波を照射し、その反射波の時間波形が表されている。なお、時間軸は金属板２で反射した反射波の極小値がｔ＝０となるように調整してある。
【００４２】
この時間波形の極値は、ｔ＝０を基準としたある時間における反射波Ｓ、反射波Ｒｍｎの強度を示している。このような時間波形で表される各反射波Ｒｍｎのうち任意の２つを選べばその反射波Ｒｍｎ間の時間差を得ることができる。
【００４３】
例えば、反射波Ｒ１０と反射波Ｒ１１を選択する。そして、これらの反射波の時間差を時間波形から取得する。反射波Ｒ１０と反射波Ｒ１１との時間差をＴ１とする。
【００４４】
反射波Ｒ１０と反射波Ｒ１１との時間差Ｔ１は、空気層５を往復する時間に相当する（図４参照）。したがって、空気層５の厚さｄは、下記式より計算することができる。
〔数２〕
ｄ＝ｃＴ１／２  （ｃ：光速、０．３ｍｍ／ｐｓ）
【００４５】
この式は、反射波Ｒｍｎと反射波Ｒｍ（ｎ＋１）の関係であれば適用することができる。例えば、反射波Ｒ１１と反射波Ｒ１２とを選択し、時間差Ｔ２であれば、上記式を適用することで空気層５の厚さｄを求めることができる。
【００４６】
なお、そのような関係にある反射波同士を選択しない場合、例えば、反射波Ｒ１１と反射波Ｒ１３や、反射波Ｒ２２と反射波Ｒ２４などでも、それらは空気層５の往復に要した時間が異なるのみである。よって、それらの反射波Ｒｍｎの時間差と、その往復に要した時間とから厚さｄを求めることができる。
【００４７】
図５の時間波形のように、反射波Ｒ１１は絶対値が最も大きい負の強度を示しており、反射波Ｒ１０は絶対値が大きい正の強度を示しており、Ｒ１２は、絶対値が大きい負の強度を示している。このように反射波Ｒ１１、これを中心とした前後の反射波Ｒ１０及び反射波Ｒ１２は、時間波形の中でもとりわけ判別しやすいものである。したがって、時間差を比較的測定しやすい。
【００４８】
図６は、測定システムにより検出された反射波Ｒｍｎの時間波形である。縦軸はＸ軸における原点からの距離（図３参照）、横軸は時間軸である。反射波の強度は色の濃淡で表している。図５と同様に、時間軸は金属板２で反射した反射波Ｒ１１の極小値がｔ＝０となるように調整してある。
【００４９】
例えば、Ｒ１１（中央部の黒い縦線）とＲ１０（Ｒ１１から分岐するように左上方向に屈曲した白線）とを比較すると、原点に近い部分、すなわち空気層５の厚さｄが薄い箇所ではほとんど重なっており、時間差Ｔを得ることが困難となっている。一方、原点から離れるほど両者が離れ、時間差Ｔが得られることが分かる。
【００５０】
同図に示した例では、原点から約２０ｍｍの間の位置では時間差Ｔが得られないので、その位置に対応する厚さｄを測定することはできない。しかしながら、原点からの位置が約２０ｍｍ以上離れると時間差Ｔを求めることができるので、その位置に対応した厚さｄを測定することができる。
【００５１】
すなわち、上述した本測定方法によれば、反射波Ｒｍｎの時間差Ｔを得られる範囲では空気層５の厚さを求めることができる。
【００５２】
このような反射波Ｒｍｎの時間差が得られない場合であっても、さらに薄い空気層５の厚さを求める測定方法について説明する。
【００５３】
図７（ａ）及び（ｂ）は、空気層の厚さを変化させたときの反射波Ｒ１１の時間波形である。縦軸は強度であり、横軸は時間軸である。時間軸は、樹脂板３で反射した反射波Ｓの極大値がｔ＝０となるように調整してある。
【００５４】
図７（ａ）には、空気層５の厚さを０．０１〜０．２０ｍｍの範囲で０．０１ｍｍ刻みで変化させ、それぞれの反射波Ｒ１１の時間波形を数値計算により求めたものが示されている。空気層５の厚さを薄い順にｄ１、ｄ２，・・・、ｄＮ（Ｎは測定した厚さの数）とし、その厚さの反射波Ｒ１１の時間波形をＲ１１（ｄｋ）のように表すとする（ｋは１〜Ｎ）。図７（ｂ）は、図７（ａ）の反射波のうち、最も薄いｄ１と最も厚いｄＮに関する時間波形を取り出したものである。
【００５５】
時間波形のうち、最も大きな絶対値を有する極小値の部分が反射波Ｒ１１（ｄｋ）である（図５参照）。反射波Ｒ１１（ｄｋ）の前後（図としては左右）においては、極大値が表れている。反射波Ｒ１１（ｄｋ）の前に表れた極大値を反射波Ｒ１１（ｄｋ）の絶対値で規格化した値をｒ１１（−）、後に表れた極大値を反射波Ｒ１１（ｄｋ）の絶対値で規格化した比率をｒ１１（＋）と表記する。
【００５６】
各反射波Ｒ１１（ｄｋ）の極小値は略同じである。一方、極大値の比率ｒ１１（−）は空気層５の厚さｄｋが厚くなるに伴い増大している。また、極大値の比率ｒ１１（＋）は空気層５の厚さｄｋが厚くなるに伴い減少している。このような現象は、反射波Ｒ１０と反射波Ｒ１１の干渉、反射波Ｒ１１と反射波Ｒ１２の干渉に起因する。
【００５７】
図８は、反射波Ｒ１１の極小値に対する極大値の比率と空気層の厚さとの関係を示す図である。縦軸は当該比率、横軸は空気層の厚さである。同図には、空気層５の厚さｄｋごとに、極小値に対する極大値の比率ｒ１１（−）、ｒ１１（＋）が示されている。
【００５８】
反射波Ｒ１１の極大値の比率ｒ１１（−）については、空気層の厚さが厚くなるに伴い、極小値に対する比率が増大している。反射波Ｒ１１の極大値ｒ１１の比率（＋）については、空気層の厚さが厚くなるに伴い、極小値に対する比率が減少している。
【００５９】
このように、空気層５の厚さは、反射波Ｒ１１の極小値に対して、その前後に表れる極大値の比率に相関があることが計算結果より示された。
【００６０】
これらの計算結果等によれば、次のような工程を実施することで空気層５の厚さを測定することができる。すなわち、本測定方法としては、反射波Ｒ１１の極小値、及びその前後の極大値を測定し、極小値に対する極大値の比率を計算し、その比率から空気層５の厚さを推定する。
【００６１】
具体的には上述したように、既知の厚さの空気層５に対してテラヘルツ波を照射してその時間波形を得て、反射波Ｒ１１の極小値及びその前後の極大値を測定する。これにより、図８に示したように、極小値に対する極大値の比率と、それに対応する空気層５の厚さを得ることができる。
【００６２】
このような比率と空気層５の厚さとの関係を一度得ておけば、接合体１に存在する未知の厚さの空気層５については、その反射波Ｒ１１の極小値及び極大値の比率を計算すれば、その比率に対応する厚さを図８より得ることができる。
【００６３】
図５及び図６で説明したように、反射波Ｒ１０と反射波Ｒ１１との時間差から空気層の厚さを求める場合では、空気層が薄いとその時間差を判別することが困難であった。図６の例では空気層の厚さが約２０ｍｍ未満では２つの反射波の時間差を判別できなかった。
【００６４】
一方、反射波Ｒ１１の極小値及びその前後の極大値の比率に基づいて厚さを測定する場合、時間差に基づいて厚さを測定するよりもさらに薄い空気層を測定することができる。例えば、図８に示すように、極小値に対する極大値ｒ１１の比率（−）に関しては、空気層５の厚さが約０．０５ｍｍ以上となると、当該比率が増大し始め、当該比率から一つの厚さが特定できるようになっている。このことから、０．０５ｍｍ以上の空気層の厚さを測定することができる。極小値に対する極大値の比率ｒ１１（＋）に関しては、同様に、約０．０４ｍｍ以上の空気層の厚さを測定することができる。
【００６５】
以上に説明した本測定方法によれば、金属板２（金属層）に樹脂板３（誘電体層）を接合した接合体１に生じた空気層５の厚さを非破壊で測定することができる。すなわち、接合体にテラヘルツ波を照射し、その反射波の時間差を得ることで、空気層の厚さを非破壊で測定することができる。また、反射波Ｒ１１の極小値及びその前後の極大値を測定し、それらの比率に基づいて、時間差に基づく場合よりもさらに薄い空気層の厚さを非破壊で測定することができる。
【００６６】
〈実施形態２〉
実施形態１に係る測定方法は、測定システム１０の検出装置４０を接合体に対して相対移動させ、接合体の空気層の厚さを測定したものであるが、サーモグラフィ法を併用してもよい。
【００６７】
特に図示しないが、公知のサーモグラフィ法により、接合体１の表面側（例えば樹脂板３の表面側）の温度分布画像を形成する。この温度分布画像に基づいて、接合体１の空気層５が存在する位置を特定する。
【００６８】
そして、当該位置に対してテラヘルツ波を照射し、その厚さを測定する。厚さの測定は、実施形態１に説明した時間差または比率に基づく方法の何れか、若しくは両方を用いればよい。
【００６９】
本実施形態に係る空気層の測定方法によれば、最初にサーモグラフィ法を実施することで空気層の位置を迅速に特定することができる。そして、その位置を対象としてテラヘルツ波による空気層５の厚さを測定することができるので、全体として、空気層５の特定及び厚さの測定を短時間で行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、金属層及び誘電体層からなる接合体に生じた空気層の厚さを非破壊で測定する産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
Ｒｍｎ 反射波
１     接合体
２     金属板
３     樹脂板
４     板状部材
５     空気層
１０   測定システム
２０   筐体
３０   レーザ光源
３１   ファイバ
４０   検出装置
４１   ケース
４１ｈ 水平管路
４１ｖ 垂直管路
４２   生成部
４３   検出部
４４   ハーフミラー
４５   レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図６】
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