(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被塗物に塗膜が積層されてなる複層塗膜に光源からの光を照射し、前記複層塗膜からの反射光を検出して解析することによる複層塗膜の非接触非破壊評価方法であって、
光源からの光を参照光と前記複層塗膜への入射光とに分岐する分岐ステップと、
前記参照光の光学距離を調整する調整ステップと、
前記複層塗膜からの反射光と前記参照光とを干渉せしめる干渉ステップと、
前記複層塗膜からの前記反射光を含む干渉光を検出して前記干渉光の強度信号を出力する検出ステップと、
前記強度信号を解析する解析ステップと、を含み、
前記解析ステップが、前記強度信号のパターンと、リファレンス複層塗膜により得られた強度信号であるリファレンス・プロファイルとの比較を行うことにより、前記複層塗膜内の内部欠陥の存在を判定する
ことを特徴とする複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項２】
前記光が、波長７８０ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲内の近赤外光である請求項１に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項３】
前記光が、波長１３００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内の近赤外光である請求項２に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項４】
前記光源が、ＬＥＤ、ＳＬＤ、又はレーザーから選択された何れか１つである請求項１〜３の何れか一項に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項５】
前記解析ステップが、前記反射光の光学距離と前記強度信号との関係を特定することにより行われる請求項１〜４のいずれか一項に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項６】
前記関係を特定することが、
前記関係における前記強度信号のピークの数を、被塗物及び前記複層塗膜の層の数として決定すること、及び／又は
前記強度信号の隣接するピーク間の間隔から、前記複層塗膜の対応する層の厚さを求めることを含む、請求項５に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項７】
前記強度信号の２番目以降のピークの、表層を示す１番目のピークに対する強さの比率が、前記リファレンス複層塗膜により得られた対応する比率より所定値以上小さいとき、最初に小さい比率を示した前記２番目以降のピークに対応する塗膜及び／又は界面に欠陥があると判断する、請求項１に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項８】
前記強度信号のピークの数が前記リファレンス・プロファイルにおけるピークの数と異なるとき、前記複層塗膜に欠陥があると判断する請求項１に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項９】
前記強度信号のピークが前記リファレンス・プロファイルにおける２つの強度ピークの間にも存在するとき、前記複層塗膜の対応する層内に欠陥があると判断する請求項１に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項１０】
前記強度信号において前記リファレンス・プロファイルの特定の強度ピークに対応する位置の両側にピークが存在するが、前記特定の強度ピークに対応するピークが存在しないとき、前記複層塗膜の、前記特定の強度ピークが示す膜間の界面に欠陥があると判断する請求項１に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項１１】
前記複層塗膜が、可視光領域において被塗物を隠蔽する隠蔽塗膜である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項１２】
前記分岐ステップ〜前記解析ステップまでの処理が、前記複層塗膜の表面の複数箇所に対して行われる請求項１〜１１のいずれか一項に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価方法。
【請求項１３】
被塗物に塗膜が積層されてなる複層塗膜に光源からの光を照射し、前記複層塗膜からの反射光を検出して検出信号を解析することによる複層塗膜の非接触非破壊評価装置であって、
光源と、
前記光源からの光を参照光と前記複層塗膜への入射光とに分岐する分岐手段と、
前記参照光の光学距離を調整する参照光光学系と、
前記入射光を前記複層塗膜へ入射させ、さらに、前記複層塗膜からの反射光を取り出す反射光光学系と、
前記参照光光学系からの参照光と前記反射光光学系からの反射光とを干渉せしめる干渉手段と、
前記干渉手段からの、前記反射光を含む干渉光を検出して前記干渉光の強度信号を出力する検出手段と、
前記強度信号を解析する解析手段と、を備え、
前記解析手段が、前記強度信号のパターンと、リファレンス複層塗膜により得られた強度信号であるリファレンス・プロファイルとの比較を行うことにより、前記複層塗膜内の内部欠陥の存在を判定する
ことを特徴とする複層塗膜の非接触非破壊評価装置。
【請求項１４】
前記解析手段が、前記反射光の光学距離と前記強度信号との関係を特定する、請求項１３に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価装置。
【請求項１５】
前記光が、波長７８０ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲内の近赤外光である請求項１３又は請求項１４に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価装置。
【請求項１６】
前記光源が、ＬＥＤ、ＳＬＤ、又はレーザーから選択された何れか１つである請求項１３〜１５の何れか一項に記載の複層塗膜の非接触非破壊評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種素材に対して塗装を一回以上行って積層された単層塗膜又は複層塗膜の構造及び、各層内に生じた欠陥、各層間に生じた欠陥、塗膜と被塗物表面との界面に生じた欠陥を非接触非破壊的に測定し評価する複層塗膜の非接触非破壊評価装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の工業製品や、建築物の内装材、外装材の表面には、素材の保護及び美粧性を付与することを目的として、各種の塗料が塗装され、塗膜が形成されている。塗膜内部の状態が、素材の保護や美粧性の付与に大きな影響を及ぼしているので、内部状態の把握は重要である。内部欠陥を検出できれば、塗膜劣化が推定できるので、再塗装の必要性等を検討することができる。
【０００３】
塗膜内部の検査方法としては、塗膜を破壊して検査する方法と塗膜を破壊しないで検査する方法がある。
【０００４】
塗膜を破壊して検査する方法には、塗膜を破断し断面を顕微鏡などで観察する光学顕微鏡法及びＳＥＭ法など、塗膜の一部を採取して（削り取って）分析する赤外分析など、塗膜を断片状にし、化学的処理をして分析する元素分析など、さらには、塗膜ごと素地を削り取って電気化学的に検査するインピーダンス法などがある。
【０００５】
塗膜を破壊せずに検査する方法には、塗膜に超音波を照射し得られる反射波によって塗膜内部を解析する超音波診断法、塗膜をたたいて音で塗膜の欠陥を診断する打診法、表面から観察する光学顕微鏡法、医療用途として波長８００ｎｍが多用されている従来の光干渉断層法、さらには、近年研究されているテラヘルツ波を用いた光干渉断層法（特許文献１）がある。また、特許文献２には、測定対象の試料がフラットな平面を有しない場合、試料を載せつつ回転できる試料載置台を備えて測定精度を上げる光干渉断層法の計測装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−０２８６１８号公報
【特許文献２】特開平１１―３２６１８３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】森谷 洋平、外３名、「長深度低コヒーレンス干渉計のための可変光路拡大機構」、電子情報通信学会技術研究報告、信学技報、2000年11月8日、Vol.100, No.428, p.83-88
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
素材の保護には堅牢な塗膜が必要であり、また、美粧性には無傷であることが必要である。しかしながら、従来から公知の塗膜を破壊して塗膜内部を検査する方法を適用すると、塗膜が損傷してしまい、さらに、素地にも損傷が及ぶ場合がある。しかし、塗膜の機能を維持するためには、塗膜表層、内部及び素材との界面が健全であることが重要である。塗膜に損傷を与えると、塗膜の機能を損なう可能性があり好ましくない。
【０００９】
他方、塗膜の劣化や素地の劣化などは塗膜下で進行することがある。このため、例えば補修時期の決定には、塗膜に損傷を与えずに塗膜内部および塗膜下の状態を調べることは有用である。
【００１０】
しかし、従来から公知の塗膜を破壊せずに塗膜内部を検査する方法にもそれぞれの問題がある。例えば、超音波診断法では、塗膜内部で超音波が減衰し、深さ方向の分解能が小さいため複層塗膜の解析に適用するのは困難である。打診法では、周囲の音との比較による定性的評価は可能であるが、複層塗膜の内部を詳細に解析することは困難である。表面から観察する光学顕微鏡法では、塗膜表面から深度方向に塗膜内部を観察するが、可視光が透過しない塗膜には適用できない。医療用途として波長８００ｎｍが多用されている従来の光干渉断層法は、塗膜に黒顔料、青系顔料が含まれると、入射光が吸収されて、計測に十分な反射強度を得られないという問題がある。さらに、テラヘルツ波を用いた光干渉断層法は、分解能力が不十分な上に、光源にフェムト秒レーザーを用いるなど、システムが複雑になってしまうという欠点がある。
【００１１】
従って、本発明は、上記説明した従来技術の問題を解決するために成されたもので、種々の物体上の複層塗膜の内部構造及び内部欠陥を、非接触非破壊且つ簡便に測定、解析することができる複層塗膜の非接触非破壊評価方法及びそれを用いた装置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】
【００１２】
本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（１）は、被塗物に塗膜が積層されてなる複層塗膜に光源からの光を照射し、前記複層塗膜からの反射光を検出して解析することによる複層塗膜の非接触非破壊評価方法であって、光源からの光を参照光と前記複層塗膜への入射光とに分岐する分岐ステップと、前記参照光の光学距離を調整する調整ステップと、前記複層塗膜からの反射光と前記参照光とを干渉せしめる干渉ステップと、前記複層塗膜からの前記反射光を含む干渉光を検出して前記干渉光の強度信号を出力する検出ステップと、前記強度信号を解析する解析ステップと、を含むことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（２）は、上記の非接触非破壊評価方法（１）において、前記光が、波長７８０ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲内の近赤外光であることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（３）は、上記の非接触非破壊評価方法（２）において、前記光が、波長１３００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内の近赤外光であることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（４）は、上記の非接触非破壊評価方法（１）〜（３）の何れかにおいて、前記光源が、ＬＥＤ、ＳＬＤ、又はレーザーから選択された何れか１つであることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（５）は、上記の非接触非破壊評価方法（１）〜（４）の何れかにおいて、前記解析ステップが、前記反射光の光学距離と前記強度信号との関係を特定することにより行われることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（６）は、上記の非接触非破壊評価方法（５）において、前記関係を特定することが、前記関係における前記強度信号のピークの数を、被塗物及び前記複層塗膜の層の数として決定すること、及び／又は、前記強度信号の隣接するピーク間の間隔から、前記複層塗膜の対応する層の厚さを求めることを含むことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（７）は、上記の非接触非破壊評価方法（１）〜（４）の何れかにおいて、前記解析ステップが、前記強度信号のパターンとリファレンス複層塗膜により得られた強度信号であるリファレンス・プロファイルとの比較により行われることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（８）は、上記の非接触非破壊評価方法（７）において、前記強度信号の２番目以降のピークの、表層を示す１番目のピークに対する強さの比率が、前記リファレンス複層塗膜により得られた対応する比率より所定値以上小さいとき、最初に小さい比率を示した前記２番目以降のピークに対応する塗膜及び／又は界面に欠陥があると判断することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（９）は、上記の非接触非破壊評価方法（７）において、前記強度信号のピークの数が前記リファレンス・プロファイルにおけるピークの数と異なるとき、前記複層塗膜に欠陥があると判断することを特徴としている。
【００２１】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（１０）は、上記の非接触非破壊評価方法（７）において、前記強度信号のピークが前記リファレンス・プロファイルにおける２つの強度ピークの間にも存在するとき、前記複層塗膜の対応する層内に欠陥があると判断することを特徴としている。
【００２２】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（１１）は、上記の非接触非破壊評価方法（７）において、前記強度信号において前記リファレンス・プロファイルの特定の強度ピークに対応する位置の両側にピークが存在するが、前記特定の強度ピークに対応するピークが存在しないとき、前記複層塗膜の、前記特定の強度ピークが示す膜間の界面に欠陥があると判断することを特徴としている。
【００２３】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（１２）は、上記の非接触非破壊評価方法（１）〜（１１）の何れかにおいて、前記複層塗膜が、可視光領域において被塗物を隠蔽する隠蔽塗膜であることを特徴としている。
【００２４】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価方法（１３）は、上記の非接触非破壊評価方法（１）〜（１２）の何れかにおいて、前記分岐ステップ〜前記解析ステップまでの処理が、前記複層塗膜の表面の複数箇所に対して行われることを特徴としている。
【００２５】
さらに、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価装置（１）は、被塗物に塗膜が積層されてなる複層塗膜に光源からの光を照射し、前記複層塗膜からの反射光を検出して検出信号を解析することによる複層塗膜の非接触非破壊評価装置であって、光源と、前記光源からの光を参照光と前記複層塗膜への入射光とに分岐する分岐手段と、前記参照光の光学距離を調整する参照光光学系と、前記入射光を前記複層塗膜へ入射させ、さらに、前記複層塗膜からの反射光を取り出す反射光光学系と、前記参照光光学系からの参照光と前記反射光光学系からの反射光とを干渉せしめる干渉手段と、前記干渉手段からの、前記反射光を含む干渉光を検出して前記干渉光の強度信号を出力する検出手段と、前記強度信号を解析する解析手段と、を備えることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価装置（２）は、上記の非接触非破壊評価装置（１）において、前記解析手段が、前記反射光の光学距離と前記強度信号との関係を特定すること、及び／又は、前記強度信号のパターンとリファレンス複層塗膜により得られた強度信号であるリファレンス・プロファイルとの比較を行うことを特徴としている。
【００２７】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価装置（３）は、上記の非接触非破壊評価装置（１）又は（２）において、前記光が、波長７８０ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲内の近赤外光であることを特徴としている。
【００２８】
また、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価装置（４）は、上記の非接触非破壊評価装置（１）〜（３）の何れかにおいて、前記光源が、ＬＥＤ、ＳＬＤ、又はレーザーから選択された何れか１つであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２９】
本発明にかかる複層塗膜の非接触非破壊評価方法及び評価装置によれば、複層塗膜の内部構造を非接触で且つ非破壊で特定することができる。また、塗膜の劣化などによる塗膜内部の欠陥、塗膜と素地との間に発生した隙間などを診断することができる。近赤外光を使用することにより、顔料を含む可視光の透過率の小さい塗膜、即ち、隠蔽性塗膜についても測定が可能である。
【００３０】
さらに、他の物理的に膜厚を測定する方法と本装置を組み合わせることによって従来測定が困難であった隠蔽塗膜の屈折率を見積もることができる。
【００３１】
従って、本発明は、例えば工業製品や各種構造物に適用された複層塗膜の経時劣化の被破壊検査、耐候性試験、耐食性試験等に供された各種試験板に適用された複層塗膜の非破壊測定、塗膜の白化、ハガレといった塗膜の層内、層間の欠陥の非破壊検査、劣化度測定、膜層の間に付着した塩類による欠陥の検査、建築、旧塗膜の塗装前診断など広範囲に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係る複層塗膜の非接触非破壊評価装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を用いて鋼板及び４層の複層塗膜からなるサンプルに対して測定を行い、検出信号を解析する測定例を説明する図である。
【図３】本発明を用いて塗膜の層間に欠陥があるサンプルに対して測定を行い、検出信号を解析する測定例を説明する図である。
【図４】本発明を用いて塗膜の層内に欠陥があるサンプルに対して測定を行い、検出信号を解析する測定例を説明する図である。
【図５】２層の塗膜を有するサンプルに関する実施例を説明する図である。
【図６】３層の塗膜を有するサンプルに関する実施例を説明する図である。
【図７】赤顔料を含んだ塗膜を有するサンプルに関する実施例（λ＝１３１０ｎｍ）を説明する図である。
【図８】黒顔料を含んだ塗膜を有するサンプルに関する実施例（λ＝１３１０ｎｍ）を説明する図である。
【図９】黒顔料を含んだ塗膜を有するサンプルに関する実施例（λ＝８４０ｎｍ）を説明する図である。
【図１０】促進耐候試験を行わずに同じ塗膜が積層されたサンプルに関する実施例を説明する図である。
【図１１】１層目の塗膜の形成後に促進耐候試験を行ってから２層目の塗膜が形成されたサンプルに関する実施例を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の原理は、位置分解能が高く、塗膜の透過性が良い近赤外線を好ましい光源とし、光源から２つに分岐された一方の測定系光路の光線を複層塗膜に照射し、他方の参照系光路の光線を参照光とし、少なくとも参照系光路の光学距離を制御しながら、二つ光路の光学距離が一致したときに複層塗膜からの反射光と参照光との重ね合わせにより生じる干渉光を測定することにより、単層または複層塗膜の内部構造を評価、特定することである。
【００３４】
尚、本発明では、光の干渉現象を利用するので、光が通過する距離を波長単位で評価することが必要である。そして、本発明では、光は異なる媒質中（空気、塗膜中の各層）を通過するので、波長が変化する。従って、本明細書において距離は、特別な記載が無い限り、媒質の屈折率を考慮した「光学距離」を意味する。
【００３５】
図１は、本願発明の実施の形態に係る複層塗膜の非接触非破壊評価装置の構成を示すブロック図である。
【００３６】
本実施の形態に係る複層塗膜の非接触非破壊評価装置は、マイケルソン干渉計の原理を用いるＯＣＴ（Optical Coherence Tomography：光干渉断層法）を採用し、主に、光源部と、光源部からの光を用いて干渉を生じさせる第１光学部、塗膜のサンプルに光を照射し、サンプルからの反射光を第1光学部に入射させる第２光学部と、参照光を制御する第３光学部と、干渉光を受光して増幅する受光増幅部と、増幅の結果を記録して解析する解析部とで構成される。
【００３７】
具体的に、本装置は、光源１、光源１で発生させた光を入射光と参照光とに分岐し、後述の反射光と参照光とを重ね合わせ、干渉を生じさせるビームスプリッター２、入射光を集束させてサンプル４に照射し、そして、サンプル４からの反射光をビームスプリッター２に戻させる集束レンズ３、参照光の光学距離を変化させ、且つ、参照光をビームスプリッター２に戻させる位置可変機構付き交差ミラー５、位置可変機構付き交差ミラー５に固定されている固定ミラー６、干渉光を受光する受光センサー７、受光センサー７の出力信号を増幅する増幅器８、及び、増幅した信号を解析するコンピューター９を備える。
【００３８】
ここでは、ビームスプリッター２は第１光学部に相当し、集束レンズ３は、第２光学部に相当し、位置可変機構付き交差ミラー５及び固定ミラー６は、第３光学部に相当し、受光センサー７及び増幅器８は、受光増幅部に相当し、コンピューター９は、解析部に相当する。
【００３９】
次に、本実施の形態に係る複層塗膜の非接触非破壊評価装置の動作方法を、図１に示した本発明の非接触非破壊評価装置の一例を用いて説明する。
【００４０】
複層塗膜のサンプル４を所定の台（図示せず）に載せる。光源１から発せられた光がビームスプリッター２によって直進の参照光と進行方向が変更された入射光とに分かれる。入射光は、集束レンズ３によってサンプル４に照射し、サンプルからの反射光はまた、集束レンズ３を介してビームスプリッター２に入射する。一方、位置可変機構付き交差ミラー５は図１に示す矢印の方向に左から右へ移動させられながら、即ち、参照光の光学距離を変えながら、参照光の方向を変更して参照光をビームスプリッター２に入射させる。このとき、ビームスプリッター２において、サンプル４からの反射光と位置可変機構付き交差ミラー５からの参照光とが重なり合い、干渉し合う。このように形成された干渉光は、受光センサー７によって受光される。増幅器８は、受光センサー９の出力を適切に増幅し、コンピューター９は、増幅器８の出力を解析し、塗膜の内部構造や、膜厚を評価する。
【００４１】
上記した位置可変機構付き交差ミラー５の移動、即ち、位置可変機構付き交差ミラー５の位置を走査することは、参照光の光学距離を変化させるためである。ビームスプリッター２にてサンプル４からの反射光と重ね合う際に、参照光は、その光学距離に応じたサンプル４の深さ方向の所定の距離からの反射光と干渉を生じる。即ち、参照光の光学距離と入射光及び反射光の光学距離とが等しいとき、干渉光の強度が増大する。
【００４２】
例えば、図１に示している位置では、ビームスプリッター２から位置可変機構付き交差ミラー５を介して固定ミラー６までの距離は、ビームスプリッター２からサンプル４の表面までの距離と同じとする。この状態から、位置可変機構付き交差ミラー５を右へ、複層塗膜の表面の第１層の厚さほど移動させると、例えば複層塗膜の第１層の屈折率は空気の屈折率と同じである場合、参照光は、複層塗膜の第１層の深さで生じた反射光と干渉を生じることができる。
【００４３】
従って、複層塗膜の全体構造を解析するには、位置可変機構付き交差ミラー５の位置を最小でも、複層塗膜の厚さほど走査する必要がある。
【００４４】
屈折率が不連続に変化する部分で反射が生じる。そのため、サンプルからの反射光はサンプル中の屈折率変化を反映する情報である。塗膜において屈折率変化の大きな要因となるのは「塗膜と塗膜との屈折率差」、「塗膜中の欠陥」、「光源波長λに対してλ／２に相当するサイズの塗膜含有物（主に顔料）、相分離構造」などである。
【００４５】
このうち、層間の屈折率差による屈折率変化は、塗膜の各層の厚さがほぼ一定であると考えられるので、塗膜の深さ方向の位置がほぼ一定である。この特徴は、屈折率変化が層間の屈折率差に起因するものか、又は、含有物の存在に起因するものかを区別することを可能にする。
【００４６】
このため、測定された光学距離又は膜厚と干渉光の強さとの関係において、以下のような関係が存在し、複層塗膜の内部構造の評価に使用されることができる。
・ピークの数
干渉光強度のピーク、即ち、最も強い干渉光を生じさせた場所は、屈折率の差異が最も大きい場所であり、複層塗膜の屈折率が変化する界面、及び複層塗膜と周囲との界面を意味する。例えば、自然環境（空気）に置かれるサンプルが、素材と、素材上のＮ層の複層塗膜とがある場合、空気と複層塗膜の表層との屈折率の相違、及び、素材と複層塗膜の最下層との屈折率の相違を考慮すると、複層塗膜を取り巻く屈折率が変化する界面の数はＮ＋１であり、即ち、屈折率が変化する界面の数は屈折率が異なる複層塗膜の層の数より１多い。このため、界面に対応するピークの数より複層塗膜は何層の塗膜から構成されているのかが分かる。
・ピーク間の距離
ピーク間の距離は、即ち光学距離であり、膜の厚さ及び屈折率により決まる。従って、ピーク間の距離により各層の膜厚を求めることができる。
・ピークの高さ
隣接する層がはっきり区別でき、即ち、層が平滑で、層の乱れがない場合、この層間の屈折率の差による反射光は最も強く、ゆえに、干渉光も最も強い。しかし、この層間が混層（境界で２つの層の物質が混合した状態）になっていれば、或いは、層内に光を散乱するようなものが存在していれば、反射光が弱まり、ゆえに、干渉光も弱まる。
【００４７】
例えば、図２において、表層のクリヤーＣＣの塗膜と空気との界面からの反射光ａは、表面の塗膜が平滑であれば、その強さを示すピークの大きさは安定である。表層のクリヤーＣＣとその下のベースコートＢＣとの界面からの反射光は反射光ｂである。この反射光ｂは、反射光ａと同様に、界面が平滑ならば、また、クリヤーＣＣ内に光を散乱するようなものがない場合には、大きなピークを示すが、そうでない場合には、小さめのピークを示す。従って、反射光ａ、ｂに対応する干渉光のピークの比率ｂ／ａは、層内及び界面が正常であるか又は何らかの欠陥が存在するかを示す指標となる。即ち、比率ｂ／ａは、リファレンス塗膜の測定値より小さいとき、界面又は層内に欠陥が存在することが分かる。ここでは、層内が正常であることは、層内に光を散乱し、及び／又は反射する要因がないことを意味し、界面が正常であることは、隣接する層がはっきり区別でき、即ち、層が平滑で、層の乱れがないことを意味する。
【００４８】
その他の層に関する比率、図２を例にすると、ｃ／ａ、ｄ／ａ、ｅ／ａも同様にそれぞれの界面や層内の状態を示し得る。
【００４９】
尚、上記のリファレンス塗膜には、正常であることが既知な複層塗膜を用いることができる。ここでの正常とは、塗膜の外観に異常がなく、破壊検査で層内及び層間の異常がないのが確認されたことをいう。また、リファレンス塗膜には、例えば、耐候性試験等に供する、同一の素材、同一の塗料、同一の塗装条件で形成された試験板を一対作成しておいて、そのうちの耐候性試験に供さなかった試験板を用いることができる。リファレンス塗膜は、評価対象の被試験塗膜に応じて、単層又は複層であり得る。
【００５０】
さらに、リファレンス塗膜を測定して得られた干渉光強度と光学距離との関係をリファレンス・プロファイルという。リファレンス・プロファイルが示す、例えば図２（ｂ）に示しているようなピークパターンは、リファレンス・ピークパターンと呼ぶ。なお、リファレンス・プロファイルは、例えば、リファレンス塗膜の複数箇所について検査を行うことにより検出されるものであることもできる。
・ピークパターン
測定対象の複層塗膜の上記干渉光強度と光学距離との関係に示されるピークパターンとリファレンス塗膜のリファレンス・ピークパターン（既知と仮定する）との比較により、複層塗膜の内部構造が分かる。
【００５１】
即ち、強度信号のピークの数がリファレンス・ピークパターンのピークの数と異なるとき、複層塗膜に欠陥があると判断することができる。また、測定対象の強度信号のピークがリファレンス・ピークパターンの２つの強度ピークの間にも存在するとき、複層塗膜の対応する層内に欠陥があることが分かる。強度信号においてリファレンス・ピークパターンの特定の強度ピークに対応する位置の両側にピークが存在するが、該特定の強度ピークに対応するピークが存在しないとき、複層塗膜の、該特定の強度ピークが示す層間の界面に欠陥があると判断する。これらのことは、後述する測定例より一層明らかになる。
【００５２】
次に、本実施の形態による評価装置を使用して得られた典型的な測定結果に基づいた複層塗膜の評価方法を説明する。
【００５３】
図２（ａ）は、鋼板と、鋼板に塗装された電着層ＥＤ、中塗り層、ベースコートＢＣ、及びトップのクリヤー層ＣＣからなる複層塗膜とを含むサンプルを示している。サンプルの隣接する各層間の屈折率が異なるため、該サンプルに図１のレーザー光を照射すると、レーザー光は各層の上面で反射されて反射光ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを生じる。
【００５４】
これらの反射光は、制御されて対応する光学距離を持つ参照光とそれぞれ干渉し強め合い、受光センサー７によって受光されて、図２（ｂ）に示す５つのピーク信号が得られる。ここで、図２（ｂ）の横軸は、得られた干渉光間の光学距離を表し、縦軸は、受光した干渉光の強度を表している。なお、図２（ｂ）における符号ａ〜ｅは、図２（ａ）における反射光ａ〜ｅに対応することを示している（図３以降についても同様）。
【００５５】
このようにして得られた干渉光を介して反射波の位置を特定することにより、測定した複層塗膜が４層からなると判断することができる。
【００５６】
図３は、複層サンプル中の層間に屈折率差を生じ得る何らかの欠陥がある場合を示している。例えば、図３（ａ）に示すように、鋼板上に塗装されたそれぞれ屈折率の異なる電着層ＥＤ、中塗り層、ベースコートＢＣ、及びトップのクリヤー層ＣＣからなる複層塗膜において、ＢＣ及び中塗りの間に何らかの欠陥があるとする。
【００５７】
このとき、サンプルに照射するレーザー光は各膜層の界面の他にＢＣ−欠陥界面、及び、欠陥−中塗り界面においても反射光を生じるため、評価装置に欠陥の厚みを計測する十分な分解能がある場合には、図２の反射光ｃが、図３に示すように反射光ｃ及び反射光ｃ’に分離する。評価装置の分解能が欠陥の厚みを計測するに不十分な場合には、図２（ｂ）においてｃがブロード化する（横方法に広がる）。即ち、ｃ、ｃ’がブロードなピークとして生じる。
【００５８】
このような測定結果をリファレンス塗膜の測定結果と比較することによって、層間に欠陥があることが分かる。
【００５９】
図４は、複層塗膜中の層内に屈折率差を生じ得る何らかの欠陥がある場合を示している。ここでは、サンプルの複層膜はそれぞれ屈折率の異なる電着層ＥＤ、中塗り層、ベースコートＢＣ、及びトップのクリヤー層ＣＣからなり、そして、ＢＣ層内に何らかの欠陥があるとする。
【００６０】
このとき、サンプルにレーザー光を照射すると、レーザー光は各膜層間の界面の他にＢＣ−欠陥上部界面、及び、欠陥下部-ＢＣ界面においても反射光を生じる。このため、評価装置に欠陥の厚みを計測する十分な分解能がある場合には図２（ｂ）のピークｂ及びｃの間に新たなピークｆ、ｆ’が得られる。また、評価装置の分解能が欠陥の厚みを計測するに不十分な場合には、ｆ、ｆ’がブロードなピークとして生じる。
【００６１】
このような測定結果をリファレンス塗膜の測定結果と比較することによって、塗膜の層内に欠陥があることが分かる。
【００６２】
このように、リファレンス塗膜を測定するときには、得られた干渉光の強度と光学距離との関係図（リファレンス・プロファイル）を目視するだけでも、測定されたピーク（シグナル）の個数より複層塗膜の層の数、ピーク間の間隔よりそれらの層の相対的な厚さが分かる。また、リファレンス塗膜の測定結果と比較して、測定対象の複層塗膜に欠陥があるか無いか、またその欠陥の位置をも容易に特定することができる。
【００６３】
複層塗膜における個々の膜層の実際の物理的な厚さＴ、また、欠陥の位置を定量的に評価することも、以下のように可能である。具体的には、厚さＴは、下記の式１及び式２により求めることができる。
【００６４】
膜の厚さＴ  ＝  光学距離Ｌ  ÷  屈折率ｎ                     （式１)
光学距離Ｌ  ＝  Ｚ×ｎ＊                                     （式２）
ここでは、Ｚは、膜の厚さＴを得るのに位置可変機構付き交差ミラー５が移動した物理距離である。ｎ＊は、空気の屈折率である。ｎは、膜の屈折率である。
【００６５】
このように、複層塗膜の各層の厚さを計算することができる。また、逆に、物理的に膜厚を測定する方法（例えば、触針法など）と本装置を組み合わせることによって、従来測定が困難であった、例えば樹脂と顔料と添加剤との複合系の塗膜を含む種々の塗膜の屈折率を求めることもできる。
【００６６】
本評価装置の膜の深さ方向（厚さ方向）で空間分解能ΔＴは、入射光の性質によって決められ、光源の波長幅Δλが広いほど、光源の波長λ０が短いほど、良くなる。空間分解能ΔＴは、下記の式３により求めることができる。
【００６７】
ΔＴ＝２ｌｎ（２／π×（λ０２／Δλ）  ）                          （式３）
ここでは、λ０は、入射光の中心波長であり、Δλは、入射光のスペクトル幅である。
【００６８】
従って、例えば、中心波長が１３１０ｎｍで、スペクトル幅が約９０ｎｍの赤外ＬＥＤを本実施の形態の評価装置の光源として使用する場合、分解能ΔＴは８．４μｍである。短波長で高帯域なほど分解能ΔＴが向上する。自動車外板用途の複層塗膜を想定する場合、通常各層の膜厚は、約１０〜１５μｍ以上ある。従って、波長が１３１０ｎｍで、スペクトル幅が約９０ｎｍの赤外ＬＥＤは、自動車外板用途の塗膜の測定に関しては十分な分解能を提供できることが分かる。また、自動車製造において省工程化を図るため、各層の塗膜を薄膜化かつ高機能化されることがあれば、分解能が不足するのを解消するためには、測定装置の分解能をさらに高くさえすれば対応することができる。
【００６９】
逆に波長を特定することもできる。例えば、隠蔽塗膜の透過率が高い赤外光源を使う場合、分解能ΔＴが１５μｍ程度で、スペクトル幅が９０ｎｍの赤外ＬＥＤを使うとき、必要な観察波長は、上記の式３により約１．７μｍであることが分かる。同じ分解能ΔＴが１５μｍ程度で、スペクトル幅が１２０ｎｍの赤外ＬＥＤを使うときは、必要な観察波長は、上記の式３により約２．０μｍであることが分かる。
【００７０】
また、複層塗膜の評価に使用する光源として、７８０ｎｍ以下の波長（可視光）では顔料による吸収の影響が大きく、顔料によっては塗膜の光線透過率が著しく減少するので好ましくない。３０００ｎｍ以上の波長では評価装置の空間分解能が塗膜の層間を分離して検出するために必要な距離よりも大きくなってしまい、複層塗膜を正確に解析できない。このような空間分解能及び透過率の配慮から、本願発明の光源として使用されるのは、波長が７８０ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲内、好ましくは１３００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内の近赤外線である。
【００７１】
以上で説明したように、本発明に係る複層塗膜の非接触非破壊評価装置及びそれを用いた方法では、空間分解能が高く、塗膜では透過率も高い光源、特に近赤外光を使用し、複層塗膜の層毎の反射光と参照光とを干渉させて干渉光を観測、測定することにより、複層塗膜の内部構造、各層内又は層間の欠陥を特定することができる。また、塗膜形成直後と経時後との測定結果の比較を行うことによって、屈折率に起因する塗膜の内部変化を調べることができる。この場合の内部変化とは空隙の発生、水分の侵入等であり、これらの存在は大きな屈折率差を生み出し、塗膜に対して重大な損害が発生する原因となる。
【００７２】
言うまでもなく、図１に示す評価装置並びに上記説明した実施の形態は、あくまでも例示に過ぎず、当業者は、本発明の技術的思想の範囲内で様々な変更や置換をすることができ、そして、それらの変更や置換も本願発明に属する。
【００７３】
例えば、上記の実施形態では、主に複層塗膜を例に本発明を説明したが、本発明は、単層塗膜にも同様に適応でき、単層塗膜の構造、内部欠陥、又は塗膜と被塗物との間に存在する欠陥を検査、評価することができる。
【００７４】
また、上記の図２、図３、図４の測定例では、サンプルの一箇所を測定する場合を説明したが、本評価装置は、複数箇所からの反射光を取得して塗膜の２次元又は３次元の情報を得ることもできる。複数箇所を、線状に、または平面的に測定する場合、本装置を、持ち運び可能なポータブル測定器にしたり、その他の移動する載置台に固定したりすることにより、さらには、被塗物を移動することにより、種々の態様の測定が実現できる。
【００７５】
干渉光を得るには、測定系の光学距離と参照系の光学距離とが一致すれば十分なので、図１に示す装置におけるビームスプリッター２、集束レンズ３や、交差ミラー５及び固定ミラー６の位置は相対的に自由に配置することができる。即ち、それらの構成要件の配置は、２つの光学系の光路長を一致させる任意の配置であることができる。また、光学系自体も、例えば、ハーフミラーを配置したり、全反射ミラーを多く配置したりする種々のシステムとして考案されることができる。
【００７６】
また、上記の実施形態では、参照光の光学距離を制御する構成は、線形の往復運動が可能な位置可変機構付き交差ミラー５としている。即ち、交差ミラー５の移動機構は、線形運動の機構である。しかし、それはあくまでも一例に過ぎない。例えば、交差ミラーを回転ディスク上に固定し、回転ディスクとモータ・シャフトを接続させ、モータを定速で回転させることで安定な位置走査ができる回転機構を利用して参照光の光学距離を制御することもできる（非特許文献１）。
【００７７】
また、光源には、レーザー以外にも、コヒーレンシーを必要としないため、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)やＳＬＤ（Super Luminescent Diode）など種々のものを使用することができる。
【００７８】
受光センサーとしては、光電子増倍管、フォトダイオード等を用いることができる。受光センサーの出力を増幅する増幅方法についても特に規定しないが、精度を高めるためにはロックインアンプを用いることができる。
【００７９】
さらに、本評価装置は、ＴＤ（Time Domain）法と組み合わせて、安価で簡便なポータブルな装置として実現することができる。ＴＤ法の場合、参照ミラーである交差ミラー５を一定速度で移動し、参照系光路の光学距離と測定系光路の光学距離が一致した位置で起こる干渉を観察し、干渉光、即ち、反射光の時間軸の情報を得る。反射光は時間軸に沿って並ぶ（図２（ｂ）の横軸が時間軸になる）ので、得られた反射光の数から塗膜の構成を得る。さらに、時間軸の情報から距離情報を得る。即ち、時間軸の情報を、参照ミラーの移動した物理距離にそして光学距離に変換し、さらに膜の物理距離に変換することで、複層膜間の物理距離（膜厚）を得ることができる。例えば最表面との干渉を測定した時間をt0として、走査速度を一定のvとすると、t1で測定した次の界面までの参照ミラーの移動距離Ｚは(t1-t0)/vで求まる。
【実施例】
【００８０】
次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
【００８１】
本実施例では、図１に示すように、複層塗膜の非接触非破壊評価装置を構成し、波長が１３１０ｎｍ及び８４０ｎｍの２種類の光源を採用した。入射光の照射領域は、直径が約10μｍの円とした。光学系はＴＤ法を適用できるように構成し、スキャン速度はλ＝１３１０ｎｍの場合には５０scan/sec、λ＝８４０ｎｍの場合には１scan/minとした。
＜電着中塗り板の測定＞
図５（ａ）に示すような、鋼板上に電着塗料ＥＤ、中塗り塗料（明度Ｌ＊＝６０)を順次塗装、焼き付けして複層塗膜を形成した。形成した複層塗膜と鋼板とからなるサンプルに波長１３１０ｎｍの赤外レーザー光を照射して、反射光と参照光との干渉結果である干渉光を測定した。
【００８２】
干渉光に由来する図５（ｂ）のピーク信号ａ、ｂ、ｃを得た。このことから、測定した塗膜が２層構造であることが分かる。即ち、ａｂ間が中塗り塗膜を示し、ｂｃ間が電着塗膜を示しており、実際と一致した。
【００８３】
＜電着中塗り板上にクリヤー層を追加したときの測定＞
図６（ａ）に示すような、鋼板上に電着塗料ＥＤ、中塗り塗料（明度Ｌ＊＝６０)、トップクリヤーを順次塗装、焼き付けして複層塗膜を形成した。形成した複層塗膜と鋼板とからなるサンプルに、波長１３１０ｎｍの赤外レーザー光を照射して、反射光と参照光との干渉結果である干渉光を測定した。
【００８４】
干渉光に由来する図６（ｂ）のピーク信号ａ、ｂ、ｃ、ｄを得た。このことから、測定した塗膜が３層構造であることが分かる。即ち、ａｂ間がトップクリヤー、ｂｃ間が中塗り塗膜、ｃｄ間が電着塗膜を示しており、実際と一致した。
【００８５】
＜ペースト塗膜の測定＞
まず、ポリプロピレン（ＰＰ）板上の異なる場所に赤系顔料ペースト、黒顔料ペーストを別々に塗装し、赤系顔料及び黒顔料の顔料ペースト塗膜（ベースコートＢＣに相当する）をそれぞれ形成した。そして、顔料ペースト塗膜をＰＰ板より剥離して、図７（ａ）、図８（ａ）に示すように、スライドガラス上に貼り付けた。
【００８６】
次に、波長１３１０ｎｍの赤外レーザー光を、顔料ペースト塗膜ＢＣとガラス板とからなるサンプルに照射して、反射光と参照光との干渉結果である干渉光を測定した。
【００８７】
赤系顔料ペーストの場合には、図７（ｂ）に示すような、干渉光に由来するピーク信号ａ、ｂ、ｃを得た。黒顔料ペーストの場合には、図８（ｂ）に示すような、干渉光に由来するピーク信号ａ、ｂを得たが、図７（ｂ）のピーク信号ｃに対応するピーク信号は得られなかった。
【００８８】
図７（ｂ）及び図８（ｂ）から分かるように、ピーク信号bの強度は塗膜の１３１０ｎｍの赤外光の透過率Ｔ％が小さい顔料では信号強度が低下した。即ち、図８（ｂ）の黒顔料が含まれた塗膜の反射光を示す信号ｂが、図７（ｂ）の赤系顔料が含まれた塗膜の反射光を示す信号ｂより弱い。
【００８９】
一方、図９に示しているように、黒顔料の顔料ペースト塗膜ＢＣとガラス板とからなるサンプルに、波長８４０ｎｍの赤外レーザー光を照射して測定したところ、反射光に由来するピーク信号ａが得られたが、ピーク信号ｂの強度の減衰は、波長１３１０ｎｍの赤外レーザー光の場合より大きく、信号ｂが無視できるほど小さかった。青系顔料についても同様に実験したところ、黒顔料の場合と同様の結果が得られた。
【００９０】
＜防食用の塗板の測定＞
まず、鋼板上に防食用塗料１を塗装、乾燥し、促進耐候試験を施さない塗板１と、促進耐候試験を施した塗板２を作製した。そして、塗板１及び塗板２に対してさらに上記防食用塗料１と同一の防食用塗料２を塗装、乾燥した。図１０（ａ）は、塗板１を示し、図１１（ａ）は、塗板２を示している。
【００９１】
塗板１及び塗板２に、上記の測定と同様に、波長１３１０ｎｍの赤外レーザー光をそれぞれ照射して測定を行なった。塗板１からは干渉光（反射光に由来する）に由来するピーク信号ａ、ｂが得られた。塗板２からは干渉光に由来するピーク信号ａ，ｃ、ｂが得られ、ピーク信号ｃは、塗板１からは得られなかった信号であった。
【００９２】
塗板１及び２は何れも同一の塗料を繰り返し塗装したので、光学的には単一の塗膜であることを示す結果が得られることが想定される。しかし、塗板２には新たなピーク信号が生じており、これは塗膜内に屈折率の異なる欠陥部位の存在を示唆している。塗板１、２に対して付着性試験を行なったところ、塗板１はハガレが生じなかったのに対して、塗板２はハガレが生じた。このことから塗板２内部のハガレの原因となる欠陥をピーク信号ｃとして検出することができたと言える。
【符号の説明】
【００９３】
１    光源
２    ビームスプリッタ
３    集束レンズ
４    複層塗膜のサンプル
５    位置可変機構付き交差ミラー
６    固定ミラー
７    受光センサー
８    増幅器
９    コンピュータ
【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６】
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【図７】
0005674396.tif 000008
【図８】
0005674396.tif 000009
【図９】
0005674396.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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