(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象に形成された遮熱コーティング膜の膜厚を測定する膜厚測定手段と、
前記遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である前記被測定対象上の測定地点を記憶している記憶手段と、
前記被測定対象の形状を測定する形状測定手段と、
前記測定手段によって測定された前記被測定対象の形状と、前記記憶手段に記憶されている前記被測定対象上の測定地点に基づいて、前記膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点を算出する測定位置算出手段と、
前記測定位置算出手段によって算出された前記実測定地点に基づいて、前記膜厚測定手段を駆動して、前記膜厚測定手段の測定位置を調整する駆動手段と、
を備える膜厚測定装置。
【請求項２】
前記形状測定手段は、レーザ光を直線方向に走査して２次元面内の前記被測定対象の形状を算出する請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記遮熱コーティング膜の表面温度を測定する温度測定手段を更に備え、
前記膜厚測定手段は、前記温度測定手段によって測定された表面温度に基づいて、測定された前記膜厚を補正する請求項１又は２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
膜厚測定手段が、被測定対象に形成された遮熱コーティング膜の膜厚を測定するステップと、
形状測定手段が、前記被測定対象の形状を測定するステップと、
測定位置算出手段が、前記形状測定手段によって測定された前記被測定対象の形状と、記憶手段に記憶されている、遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である前記被測定対象上の測定地点に基づいて、前記膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点を算出するステップと、
駆動手段が、前記測定位置算出手段によって算出された前記実測定地点に基づいて、前記膜厚測定手段を駆動して、前記膜厚測定手段の測定位置を調整するステップと、
を備える膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象に施された遮熱コーティング膜の膜厚を測定する膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンに用いられる静翼や動翼といったガスタービン翼には、遮熱コーティング膜（ＴＢＣ:Thermal Barrier Coating）が施される。そして、高品質なガスタービン翼を製造するため、ガスタービン翼の製造工程において、ＴＢＣの膜厚が管理される必要がある。
【０００３】
特許文献１では、導電体基板上に置かれる薄い非導電体コーティングの厚さを測定するコーティング厚さ測定計器に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０９２７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ガスタービン翼のＴＢＣ膜厚は、検査員が渦電流式変位センサ（以下「ＥＣＴセンサ」という。）を用いることによって手動で測定されている。ＴＢＣ膜厚測定は、例えばガスタービン翼の出荷時に行われ、静翼の場合、１翼当たり３２箇所程度で測定される。ＴＢＣの膜厚は、例えば500μｍであり、膜厚精度は、製品のフラット部分では例えば±20μｍ、複雑な曲面形状部分では例えば±50μｍが要求される。
【０００６】
ＥＣＴセンサによる膜厚測定は、ＥＣＴセンサをＴＢＣの表面に接触させ、ＥＣＴセンサとＴＢＣの基材となる金属部材との距離を測定して、その測定結果を膜厚とするものである。したがって、ＥＣＴセンサがＴＢＣの表面に対して傾いた状態で測定が行われると、正確な膜厚を取得できない。膜厚測定は、手動で行われていることから、特に複雑な形状部分ではＥＣＴセンサが傾きやすく正確な測定が困難である。また、正確な所定位置での測定が難しいという問題があった。更に、正確で、大量且つ迅速な測定を行うためには、検査員の熟練度が高いことが要求される。
【０００７】
また、施工直後のＴＢＣは、材料の溶射によって約３００℃と高温である。そのため、検査員の手動による現状の方法では、安全面の観点から施工直後の膜厚測定が困難であり、再施工要否の判断のための測定は、冷却されるまで待つ必要があった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、被測定対象に施される遮熱コーティングの膜厚を効率良く正確に測定することが可能な膜厚測定装置及び膜厚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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の膜厚測定装置及び膜厚測定方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る膜厚測定装置は、被測定対象に形成された遮熱コーティング膜の膜厚を測定する膜厚測定手段と、遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である被測定対象上の測定地点を記憶している記憶手段と、被測定対象の形状を測定する形状測定手段と、形状測定手段によって測定された被測定対象の形状と、記憶手段に記憶されている被測定対象上の測定地点に基づいて、膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点を算出する測定位置算出手段と、測定位置算出手段によって算出された実測定地点に基づいて、膜厚測定手段を駆動して、膜厚測定手段の測定位置を調整する駆動手段とを備える。
【００１０】
この発明によれば、遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である被測定対象上の測定地点が記憶手段に記憶されており、測定位置算出手段によって測定された被測定対象の形状に基づいて、膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点が算出される。そこで、駆動手段が膜厚測定手段を駆動して、膜厚測定手段を膜厚測定に適した実測定位置へ移動させて、膜厚測定手段の測定位置を調整することによって、膜厚測定の精度を向上させることができる。なお、被測定対象は、例えば静翼又は動翼といったガスタービン翼である。
【００１１】
上記発明において、形状測定手段は、レーザ光を直線方向に走査して２次元面内の被測定対象の形状を算出してもよい。
【００１２】
この発明によれば、測定地点を含む被測定対象の形状を２次元面で算出することから、外表面が複雑な曲面形状を有する被測定対象であっても、被測定対象の形状と、膜厚測定手段による膜厚測定に適した実測定位置を簡易に取得することができる。
【００１３】
上記発明において、遮熱コーティング膜の表面温度を測定する温度測定手段を更に備え、膜厚測定手段は、温度測定手段によって測定された表面温度に基づいて、測定された膜厚を補正してもよい。
【００１４】
この発明によれば、温度測定手段によって測定された表面温度に基づいて、膜厚測定手段によって測定された膜厚が補正されることから、膜厚測定手段の温度特性によって、測定される値が温度に依存して変化する場合でも、より正確な遮熱コーティング膜の膜厚を取得することができる。
【００１５】
また、本発明に係る膜厚測定方法は、膜厚測定手段が、被測定対象に形成された遮熱コーティング膜の膜厚を測定するステップと、形状測定手段が、被測定対象の形状を測定するステップと、測定位置算出手段が、形状測定手段によって測定された被測定対象の形状と、記憶手段に記憶されている、遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である被測定対象上の測定地点に基づいて、膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点を算出するステップと、駆動手段が、測定位置算出手段によって算出された実測定地点に基づいて、膜厚測定手段を駆動して、膜厚測定手段の測定位置を調整するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被測定対象に施される遮熱コーティングの膜厚を効率良く正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図２】同実施形態に係る膜厚測定装置を示す斜視図である。
【図３】ガスタービン翼とガスタービン翼上の膜厚測定地点を示す斜視図である。
【図４】ガスタービン翼と膜厚測定装置の位置を示す断面図である。
【図５】ガスタービン翼と膜厚測定装置の位置を示す断面図である。
【図６】ＥＣＴセンサと被測定対象の凸部分の関係を示す概略図である。
【図７】ＥＣＴセンサと被測定対象の凹部分の関係を示す概略図である。
【図８】ＥＣＴセンサの測定誤差とＥＣＴセンサの位置ずれの関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態に係る膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図１０】ＥＣＴセンサで測定された信号と測定された温度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る膜厚測定装置１について説明する。
膜厚測定装置１は、図１に示すとおり、ロボットアーム３と、ロボットアーム３に搭載されたＥＣＴセンサ４及びレーザ変位計５と、アーム駆動手段６と、膜厚測定手段７と、測定位置算出手段８と、記憶手段９などからなる。
【００１９】
膜厚測定装置１は、図２に示すとおり、タービン翼１１（ガスタービンの動翼及び静翼いずれの場合も含む。）の表面に施された遮熱コーティング膜（ＴＢＣ:Thermal Barrier Coating）の膜厚を測定する。ＴＢＣには、基材となる金属部材上に、例えば、耐酸化性に優れるMCrAlY（M:Co，Ni，CoNi等）合金をボンドコートとして施工した後、熱伝導率の低いZrO2系セラミックス（YSZ：８wt％のY2O3で部分安定化したZrO2：Yttria Partially Stabilized Zirconia）をトップコートとして被覆したものがある。
【００２０】
ＥＣＴセンサ４及びレーザ変位計５は、ロボットアーム３の例えば先端部分に固定されており、ロボットアーム３が駆動することによって、ＥＣＴセンサ４及びレーザ変位計５の位置及び方向が変化する。
【００２１】
ＥＣＴセンサ４は、渦電流を用いた測定装置であり、被測定対象である金属部材とＥＣＴセンサ４との距離が測定信号として得られる。したがって、ＥＣＴセンサ４をＴＢＣの表面に接触させて、ＥＣＴセンサ４とＴＢＣの基材となる金属部材との距離を測定することによって、その測定結果をＴＢＣの膜厚として取得する。
【００２２】
レーザ変位計５は、例えば２次元レーザ変位計であり、レーザ光を直線方向に走査して、走査した結果得られる２次元面内の被測定対象の形状を取得する。
【００２３】
アーム駆動手段６は、ロボットアーム３を駆動するモータや伝達部材であり、ロボットアーム３の位置や方向を変更させる。また、アーム駆動手段６は、ロボットアーム３の現在の位置や方向（ＥＣＴセンサ４及びレーザ変位計５の現在の位置や方向を含む）と、ＥＣＴセンサ４による膜厚測定のための最適測定地点（実測定地点）に基づいて、ロボットアーム３の位置や方向を変更できる。これにより、ＥＣＴセンサ４の位置や方向が、例えばＥＣＴセンサ４による膜厚測定に適した位置や方向に調整される。
【００２４】
膜厚算出手段７は、ＥＣＴセンサ４から測定信号を取得し、その測定信号を換算してＴＢＣの膜厚を算出する。
【００２５】
測定位置算出手段８は、レーザ変位計５が測定した被測定対象であるタービン翼１１の表面形状と、記憶手段９に保存されている被測定対象とするタービン翼１１の形状に関するデータ（ＣＡＤデータ）とを重ね合わせて、フィッティングする。そして、測定位置算出手段８は、記憶手段９に保存されている膜厚測定地点に基づいて、実際のタービン翼１１上における膜厚測定に適した最適測定地点を算出する。
【００２６】
記憶手段９には、被測定対象とするタービン翼１１の形状に関するデータ（例えば、ＣＡＤデータ）と、ＣＡＤデータに関連付けられたタービン翼１１における膜厚測定地点が保存されている。
【００２７】
次に、膜厚測定装置１を用いた膜厚測定方法について説明する。
タービン翼１１におけるＴＢＣの膜厚は、図３中のａ〜ｄの４箇所を含む１翼当たり３２箇所程度で測定される。ＥＣＴセンサ４による測定は、上述の通り、ＥＣＴセンサ４をＴＢＣの表面に接触させ、ＥＣＴセンサ４とＴＢＣの基材となる金属部材との距離を測定して、その測定結果を膜厚とするものである。そのため、ＥＣＴセンサ４がＴＢＣの表面に対して傾いた状態で測定が行われると、正確な膜厚を取得できない。特に、タービン翼１１のリーディングエッジ１２上の測定地点ａやプラットフォーム１４から翼部分への立ち上がりに設けられたフィレット部分１３上の測定地点ｄで誤差が生じやすい。
【００２８】
誤差の発生状況について、図４を参照し、図３中のリーディングエッジ１２上の測定地点ａを含むＬ１線で切断した断面で説明する。図４では、ＥＣＴセンサ４の測定位置として、４Ａ、４Ｂ、４Ｃの３点を例示した。測定地点４Ａでは、ＥＣＴセンサ４の先端部分がＴＢＣ１５の表面に適切に接触しており、正確な膜厚が測定される。しかし、測定地点４Ｂ、４Ｃでは、ＥＣＴセンサ４の先端部分がＴＢＣの表面に部分的にしか接触しておらず、ＥＣＴセンサ４から金属部材まで距離は、ＴＢＣの膜厚よりも長い距離になり、測定結果はＴＢＣの膜厚を示さない。
【００２９】
同様に、誤差の発生状況について、図５を参照し、図３中のフィレット部分１３上の測定地点ｄを含むＬ２線で切断した断面で説明する。図５では、ＥＣＴセンサ４の測定位置として、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆの３点を例示した。測定地点４Ｄでは、ＥＣＴセンサ４の先端部分がＴＢＣ１５の表面に適切に接触しており、正確な膜厚が測定される。しかし、測定地点４Ｅ、４Ｆでは、ＥＣＴセンサ４の先端部分がＴＢＣ１５の表面に部分的にしか接触しておらず、ＥＣＴセンサ４から金属部材まで距離は、ＴＢＣ１５の膜厚よりも長い距離になり、測定結果は、やはりＴＢＣ１５の膜厚を示さない。
【００３０】
図６及び図７は、それぞれリーディングエッジ１２の凸部分及びフィレット部分１３の凹部分を模式的に示した図である。図６及び図７では、基材１６、１８上にＴＢＣ１７、１９がそれぞれ施されている。この場合のＥＣＴセンサ４の横方向への位置ずれと、膜厚測定されたときの測定値及び実際値の差（誤差）の関係を図８に示す。図８は、ＴＢＣ１７、１９の膜厚が0.5mm、ＥＣＴセンサ４の先端とＥＣＴセンサ４内のコイル部分までの距離が0.8mmとしたときに生じる誤差を示している。誤差は、ＥＣＴセンサ４の位置ずれが大きくなるほど、大きくなる傾向にあることから、ＥＣＴセンサ４の位置ずれは極力少ないことが望ましい。
【００３１】
そこで、レーザ変位計５がレーザ光を直線方向に走査することによって、走査した結果から、２次元面内の被測定対象の断面形状を取得する。そして、取得された２次元断面形状と、記憶部９に記憶されているＣＡＤデータから導かれる被測定対象の断面形状と、記憶部９に記憶されている所定の測定地点に基づいて、実際に測定に適した最適測定地点を算出する。
【００３２】
タービン翼１１の基材である金属部材は、鋳物であることから、製品ごとに形状誤差が生じる。そこで、測定位置算出手段８は、走査した結果得られる２次元面内の被測定対象の断面形状をＣＡＤデータと重ね合わせ、フィッティングする。そして、ＣＡＤデータと関連付けられた所定の測定地点に基づいて、実際に測定に適している最適測定地点を算出する。
【００３３】
アーム駆動手段６は、算出された最適測定地点に基づいて、ロボットアーム１１の先端部分を駆動し、ＥＣＴセンサ４及びレーザ変位計５を移動させる。このとき、レーザ変位計５は、移動先の現在位置を取得するため、継続して位置情報を取得する。その結果、ＥＣＴセンサ４は、測定に適した測定位置へ導かれ、最適測定地点において、より正確なＴＢＣの膜厚を取得できる。
【００３４】
上記第１実施形態によれば、タービン翼１１の表面形状が複雑な曲面であり、ＣＡＤデータなどの設計データと、実際の製品の形状とが異なる場合でも、ＴＢＣの膜厚測定に適した最適測定地点を算出できる。また、ロボットアーム３の位置や方向が調整されることによって、ＥＣＴセンサ４をＴＢＣ表面に適切に接触させることができることから、正確なＴＢＣの膜厚を取得できる。
【００３５】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る膜厚測定装置２について説明する。
本実施形態では、測定時のタービン翼１１の温度を考慮して、ＴＢＣの膜厚を測定する。
【００３６】
膜厚測定装置２は、図９に示すように、第１実施形態の膜厚測定装置１に対して、温度算出手段１０を更に備える。温度算出手段１０は、ＥＣＴセンサ４で得られるコイル抵抗値に基づいて温度を算出する。ＥＣＴセンサ４には、銅線等のコイルが使用されており、ＴＢＣ表面から金属部材までの距離（膜厚）を示す測定信号は、温度に依存する。そこで、恒温槽等を使用して、ＥＣＴセンサ４の校正カーブを予め取得しておき、温度と測定信号から膜厚を算出できるようにする。
【００３７】
図１０は、校正カーブの一例である。ＥＣＴセンサ４で測定された信号と、コイル抵抗値から導かれる温度が取得されることによって、図１０の校正カーブを用いて、ＴＢＣの膜厚を算出できる。
【００３８】
記憶手段９は、上記校正カーブを保存している。また、膜厚測定手段７は、温度算出手段１０で算出された温度と、記憶手段９に記憶されている校正カーブを用いて、ＥＣＴセンサ４の測定信号に基づく膜厚を補正する。これにより、温度を考慮した、より正確なＴＢＣの膜厚を算出できる。
【００３９】
以上、本実施形態によれば、ロボットアーム３を使用し且つ温度特性を考慮した測定が実施されることから、人間が高温で触れないタービン翼１１の状態でも、正確なＴＢＣの膜厚測定が可能になる。また、ＴＢＣ施工直後の高温状態（約３００℃）でも、検査結果が得られるため、ＴＢＣが冷却されるまで膜厚測定の実施を待つ必要がない。よって、ＴＢＣの除去や再溶射といった再施工の要否の判断までにかかる時間を短縮化できる。
【符号の説明】
【００４０】
１、２  膜厚測定装置
３  ロボットアーム
４  ＥＣＴセンサ（膜厚測定手段）
５  レーザ変位計（形状測定手段）
６  アーム駆動手段（駆動手段）
７  膜厚算出手段
８  測定位置算出手段
９  記憶手段
１０  温度算出手段
１１  タービン翼
【図１】
0005791431.tif 000002
【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】
0005791431.tif 000008
【図８】
0005791431.tif 000009
【図９】
0005791431.tif 000010
【図１０】
0005791431.tif 000011