(57)【要約】【課題】本発明の課題は、感圧塗料または感温塗料の汚染や光劣化の問題に対処し、感圧塗料や感温塗料の変更を容易に行い、迅速に再計測を可能とする計測法を提供することにある。【解決手段】本発明の感圧塗料及び／又は感温塗料シートは、流体に接する物体表面の圧力分布計測用の感圧塗料、または流体に接する物体表面の温度分布計測用の感温塗料、またはその両者を塗装したシートであって、塗装面の裏面側は接着材が塗布された面を備え、かつ前記シートの塗料層以下の下層には複数の孔が分散配置されたものであり、かつ前記塗料層を物理的かつ光学的に保護するシートを有したものであって、測定対象の物体表面に接着可能であるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体に接する物体表面の圧力分布計測用の感圧塗料、または流体に接する物体表面の温度分布計測用の感温塗料、またはその両者を複合塗装したシートであって、塗装面の裏面側は接着材が塗布された面を備え、かつ前記シートの塗料層以下の下層には複数の微細な孔が分散配置されたものである測定対象の物体表面に接着可能であることを特徴とする感圧塗料及び／又は感温塗料シート。
【請求項２】
前記のシートの上面に感圧及び／又は感温塗装面を物理的に保護するシート、または光学的に保護するシート、またはその両者を兼ねたシートを容易に剥離できる形態で備えたものであり、計測時にはそれら保護シートを剥離して計測を行うことを特徴とする請求項１に記載の感圧塗料及び／又は感温塗料シート。
【請求項３】
容易に剥離できる形態として静電接着の手法を採用したものである請求項２に記載の感圧塗料及び／又は感温塗料シート。
【請求項４】
感圧及び／又は感温色塗料層の下層となる下地には表面が白色であるものが用いられることにより、前記感圧及び／又は感温色塗料の発光強度を増加させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の感圧及び／又は感温色塗料シート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物体表面における圧力と温度を色素の発光を利用して計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
感圧塗料(Pressure-Sensitive paint: PSP)を用いた気流中の物体表面の圧力場計測が自動車や鉄道等の陸上輸送機および航空宇宙分野の風洞実験において注目されている。この計測技術は、感圧塗料に含まれた色素の発光強度が酸素により消光する現象を利用したものである。試験体表面に感圧塗料をスプレー等により塗布し、その表面に励起光をあて、色素からの発光をデジタルカメラにおいて取得することにより試験体表面の圧力場を計測する。数十ｍ/ｓの低速流から遷音速流や超音速流中の物体表面の圧力場計測を可能とする手法である。
【０００３】
一方、感温塗料(Temperature-Sensitive paint: TSP)を用いた気流中の物体表面の温度場計測も自動車や鉄道等の陸上輸送機および航空宇宙分野の風洞実験において注目されている。この計測技術は、感温塗料に含まれた色素の発光強度が温度により消光する現象を利用したものである。試験体表面に感温塗料をスプレー等により塗布し、その表面に励起光をあて、色素からの発光をデジタルカメラにおいて取得することにより試験体表面の温度場を計測する。
【０００４】
この分野の技術は特許文献１に紹介されており、図７に示すように被検体として、金属性の航空機模型を使用し、その表面に感圧塗料を左前翼に感温塗料を右前翼に領域区分して塗布し、これに光源から励起光を照射して両塗料の発光強度をＣＣＤカメラで撮影するものとなっている。まず、模型表面に感圧塗料および感温塗料の発光強度を増加促進させるための白色塗料を塗布する。その上から感圧塗料および感温塗料を模型左右に塗り分けて塗布する。この感圧塗料および感温塗料は、圧力および温度に応じて発光強度が変化する化学物質とそれを包むポリマーから構成されている。励起光源としてはキセノン光源を用い干渉フィルタを介して励起光照射する。感圧塗料および感温塗料のそれぞれが励起される適切な波長域の光を模型に照射する。また、光源からの光照射とカメラシャッターはパルス信号発生装置を使用して適切なタイミングで同期させるというものである。
【０００５】
感圧塗料や感温塗料を用いた圧力場または温度場計測では、上記のように計測対象の物体表面に対し白色色素などの下地を塗装した後、感圧または感温塗料を直接吹きつける方法が一般的に使用されている。この方法は、塗装さえできれば、複雑な形状に対しても圧力場計測ができるため優れた方法である。しかしながら感圧塗料や感温塗料が、油等で汚染された場合や、長い時間光にさらされることで生ずる光劣化を生じた場合、使用した色素が測定対象に合わず交換を余儀なくされる場合などは、色素を剥離した後に塗装を再度行わなければならず、時間的制約となり、また色素選択の自由度の制約となっている。特に、実飛行試験や実車試験等のような屋外での圧力場や温度場の計測に際しては、このような塗装の交換を余儀なくされる場合がしばしば存在するにもかかわらず、再塗装を可能とする設備の確保は困難であり、感圧塗料や感温塗料による圧力場や温度場計測の適用先を限定する要因となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１０５１７号公報  「温度依存性補正を加えた感圧塗料のｉｎｓｉｔｕ計測手法とその装置」  平成１８年１月１２日公開
【特許文献２】特開２００９−９２６１５号公報  「３層構造の感圧塗料薄膜センサー」  平成２１年４月３０日公開
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、このような感圧塗料または感温塗料の汚染や光劣化の問題に対処し、感圧塗料や感温塗料の変更を容易に行い、迅速に再計測を可能とする計測法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の感圧塗料及び／又は感温塗料シートは、流体に接する物体表面の圧力分布計測用の感圧塗料、または流体に接する物体表面の温度分布計測用の感温塗料、またはその両者を塗装したシートであって、塗装面の裏面側は接着材が塗布された面を備え、かつ前記シートの塗料層以下の下層には複数の微細な孔が分散配置されたものである測定対象の物体表面に接着可能であるようにした。
また、本発明の感圧塗料及び／又は感温塗料シートは、前記のシートの上面に感圧及び／又は感温塗装面を物理的に保護するシート、または光学的に保護するシート、またはその両者を兼ねたシートを容易に剥離できる形態で備えたものであり、計測時にはそれら保護シートを剥離して計測を行えるものとした。
更に、本発明の感圧塗料及び／又は感温塗料シートは、前記感圧及び／又は感温色塗料の発光強度を増加させるために感圧及び／又は感温色塗料層の下層となる下地には表面が白色であるものが用いられるものとした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の感圧塗料及び／又は感温塗料シートは、測定対象の物体表面に接着可能な構成を採用したことにより、単に測定対象の物体表面に貼付けたり剥がしたりするだけの作業で準備ができるので、従来のような感圧塗料および感温塗料計測における塗装の剥離作業および再設置作業を短縮でき、感圧塗料および感温塗料における圧力場計測と温度場計測の時間的な自由度は向上する。
また、本発明の感圧塗料及び／又は感温塗料シートは、前記塗料層以下の下層には複数の微細な孔が分散配置されたものであるから、計測が困難である実飛行試験環境下における航空機翼の上面圧力分布の計測などの気圧変化を伴う屋外の計測においても、気圧変化に伴う内部気泡の発生によるシートの剥離を抑制できる。また、そのことにより、感圧塗料や感温塗料を使用した自由度の高い計測が可能となり、測定可能な環境の拡大にもつながる。加えて、感圧または感温塗料に対する知識や塗装方法に対する特殊な知識を持たずとも、シートを揃えて貼付けるだけで、感圧または感温塗料による圧力場または温度場計測が可能となり、利用者の拡大にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る感圧塗料シートまたは感温塗料シートの断層図を示す図である。
【図２】多数の孔を有する本発明のシートを上面から見た図である。
【図３】ローラを使用して色素層を破壊しない程度の力で圧着して、測定対象の表面に接着する様子を示す図である。
【図４】測定対象の模式図および感圧および感温塗料用の励起光源および撮影系の模式図を示す図である。
【図５】試験飛行時に撮影した感圧塗料シートの発光を写した写真である。
【図６】実験で得られた主翼部の圧力分布をスケールと共に示した図である。
【図７】発光色素を用い風洞で測定対象の表面の圧力・温度場を計測する従来からのシステムを紹介する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、塗料の剥離時間や再塗装時間を短縮する方法として、感圧または感温色素の塗装をあらかじめ施したシートを作ってこれを貼り付けまたは剥離して使用する方法を採用するものとした。シートの形態は一面を感圧塗料及び／又は感温塗料面とし、裏面を粘着剤が塗布されたものとする。このようなシートであれば、貼り付けと剥離は従来の再塗装の手間に比べ格段に容易であり、再度の計測準備にかかる時間は最小限に抑えられる。
シートを使用する場合の問題点としては、前述した汚染や光劣化の問題に加え、期せずして生ずるシートの剥離という現象が挙げられる。これらについて、本発明では以下のように対処するようにした。まず、汚染に対しては、試験時以外は、シート表面を物理的に保護し、感圧塗料または感温塗料を害さない保護用のカバーシートを感圧塗料または感温塗料表面に設えるものとする。これにより、試験時以外は、塗装面はこのシートにより保護され汚染等の影響を最小限に抑えられる。光劣化についても、試験時以外は先の保護シートの上面に光を遮断するシートを設置することで対処するようにした。
【００１２】
期せずして生ずるシートの剥離という現象は、スプレー等の塗装方式の感圧塗料や感温塗料の使用においては起こらないシートを使用することによる特有の問題である。この期せずして生ずるシートの剥離の原因は、大きく二つに分類される。端部のわずかなめくれ目からの剥離と、シートと接着部との間に残った気体が圧力変化により体積を増加させることで生ずる剥離の２つである。前者の現象には、シート端部を接着剤等を用いて補強することで対応するようにした。後者の現象には、一般には、ヘラ等を圧着させ内部の気体を抜く方法が採られるが、本発明の感圧塗料や感温塗料の色素に関しては、塗料のシートへの付着強度が弱いために、ヘラ等で圧着する際の圧力は抑えなければならない。そのため、ヘラ等での圧着では、十分に空気を抜くことができない。そこで、本発明においては、感圧塗料及び／又は感温塗料を塗布した接着可能なシート面に、空気抜き用の微細な孔を多数分散配置する構成を採用する。この微細な孔により、シートと接着対象との間の空気が容易に抜けるようになり、期せずして生ずる剥離を抑制することが可能となる。また、微細な孔の存在により、シートは湾曲しやすい状態となることから、曲面への貼り付けの難易度も緩和される。これら、物理的かつ光学的な保護方法と期せずして生ずる剥離に対して孔付のシートを使用することでシート状の感圧及び／又は感温塗料シートを実用化した点が本発明の要点である。ただし、孔部分は圧力・温度の不感域となるため、当然ながら計測に支障を来たさない微細な孔である必要がある。
【００１３】
感圧塗料シートにおいては、計測対象に想定される圧力範囲において、十分な発光変化特性を有する塗料を使用する。発光量分布を精度よく検出するために、可能な限り高解像度のカメラを使用し、使用する感圧塗料に含まれる感圧色素の吸収線波長を含む十分に励起光量の大きい励起光源を用いる。感圧塗料の発光と感圧塗料の励起光は、それぞれ光学的に分離可能な光とする。
感温塗料シートにおいては、計測対象に想定される温度範囲において、十分な発光変化特性を有する塗料を使用する。可能な限り高解像度のカメラを使用し、使用する感温塗料に含まれる感温色素の吸収線波長を含む十分に励起光量の大きい励起光源を用いる。感温塗料の発光と感温塗料の励起光は、それぞれ光学的に分離可能な光とする。
感圧および感温シートにおいては、２種類の塗料を帯状とか市松模様に交互に塗布するか、両者の特性を有する複合塗料を使用する。励起光は、両者の吸収波長を含む十分に励起光量の大きい励起光源を用いる。両色素の発光は互いに波長域が重畳しないように光学的に分離可能なものとし、光学フィルタを使用して分離し高解像度のカメラで撮影する。
【００１４】
図１に、本発明に係る感圧塗料または感温塗料またはその両者を塗布することにより形成する感圧塗料シートまたは感温塗料シートの断層図を示す。シート１０は積層形状とする。シートの各層は、物体表面に接着する側から、１の接着面の保護シート、２の接着剤からなる接着剤層、３のシート地およびその上面の下地塗装からなる白色下地、４の中間層、５の感圧または感温色素層、６の物理的保護シート、７の光学的保護シートとなっている。図２は、シート１０を上面から見た図である。シート１０は、多数の孔８を有する。各孔８は、感圧または感温色素層から接着剤層まで貫通しており、接着剤層と測定対象の物体表面との間に残る気体が抜ける構造である。孔８は塗料層以下の下層に穿設されていれば、計測中の環境変化によって生じる気泡等は排除できる。何故ならば、計測時には物理的保護シート６、光学的保護シート７は剥がされているからである。なお、物体表面に接着する際に該表面とシート間に閉じこめられたエアーを逃がすためには物理的保護シート６にも孔８を通しておくと貼着作業が効果的となる。この微細な孔の寸法と密度は１実施形態では0.5ｍｍφ，約1.6ヶ／ｃｍ２とした。なお、この例では孔８は8mm間隔で空けられている。
また、シートの上記の中間層４は、特許文献２に開示された技術で、PSPと白色ベースコート間に生じる干渉(PSP特性の劣化)を防止するための手法であり、下層の白色べースコートと上層のPSP間に、PSPと同種のポリマーの中間層を介在させて３層構造にコーティングするようにしたものである。
【００１５】
接着面保護シート１は、感圧または感温シート接着時には容易に剥離できるものとする。接着時には、接着面保護シート１と光学的保護シート７は剥離し、図３に示すようにローラ等を使用して色素層５を破壊しない程度の力で圧着して、測定対象の表面に接着する。白色下地３は、一定厚のシート上面に白色塗料を塗布することにより形成する。なおシート１０そのものが白色の場合は、塗装の必要はない。中間層４は、感圧または感温色素と下地との縁切りのために白色下地層３の上面に塗装する。中間層４の上面に感圧または感温またはその両者の特性を有する色素を塗布する。色素層５の上面には、埃やちりや油や水等の物質による汚染から色素層を保護するための物理的保護シート６を設ける。該物理的保護シート６の上面には、光劣化を抑制するために、遮光性の高い光学的保護シート７を設ける。物理的保護シート６と光学的保護シート７は１層で両者の特性を有するものであっても良い。また、これらの保護シートは、静電気等の特性により計測時以外はシートに密着できるものとし、計測時にはシート上面より容易に撤去可能なものとする。
【実施例】
【００１６】
感圧および感温塗料シート１０の製作および保管について、説明する。本発明の感圧および感温塗料シート１０は、多数の孔８を有し接着剤層２および接着面保護シート１からなるシートに、白色下地３、中間層４、感圧または感温色素５を塗装する方法で製作した。各層を塗装すると多数の孔８の一部は目詰まりを起こす。目詰まりを解消するため、塗装後に色素層から接着面まで貫通するように孔をあけなおした。使用時までは、色素層の上面には樹脂製の物理的保護シート６を設置した状態にしておく。樹脂製シートの中には、取り扱いを容易にするために、粉体等を表面に有するものも存在するが、本発明では色素層５の破壊をさけるために、粉体を含まない樹脂製シートを使用するようにした。また、色素層５と物理的保護シート６の接着は静電気による接着法を採用した。物理的保護シート６の上面には、光学的保護シート７として遮光のためのアルミシートを設置した。測定対象への接着時まで上記３枚の保護シートを含む状態で保管した。
【００１７】
つぎに感圧および感温塗料シート１０の貼り付けについて説明する。感圧および感温塗料シート１０は、接着面保護シート１を剥離し、かつ光学的保護シート７を一時的に取り外し、物理的保護シート６の上面からローラで被検査体に圧着する方法で貼付けした。図３に貼り付け時の写真を示す。圧着後は、シート端部と接着対象物の境界線上およびその周囲に対し、接着剤をシートと同程度の厚みとなるように刷毛で塗りつけた。この端部の処理は、シート端部からのシートの剥離を抑えるためである。
【００１８】
次に、測定対象および計測系について説明する。測定対象は２発のプロペラを有する小型航空機の翼上面の圧力分布である。図４に測定対象の模式図および感圧および感温塗料用の励起光源および撮影系の模式図を示す。感圧および感温シートは、左舷翼上面のスパン方向の中央部でありかつコード方向の大部分を占める領域に設置した。航空機胴体上部に設置した励起光源照射系より励起光を照射し、機体内部に設置したデジタルカメラにより感圧および感温塗料シートの発光を撮影した。
【００１９】
実験結果は次のとおりであった。飛行時に撮影した感圧塗料シートの発光写真（図５参照）で観測すると励起光で照射された感圧塗料シートが赤色に発光していることが確認できた。白黒写真の図５では確認できないが、感温塗料が塗られているときは黄色がかって発色する。また、その周辺が青くなって見えるのは励起光の色である。図４に示されるシステムでデータを採取したが、機体中に設置したＣＣＤカメラ９には黒白ディジタルカメラが用いられ、それで発光画像を撮影した。機体が地上に静止している時の大気圧下での発光画像を別途撮影し、これを基準画像とした。この基準画像と飛行時の発光画像の同一位置での発光輝度比を求めた。感圧色素だけのシートであれば発光輝度比は圧力と相関を持つ。得られた発光輝度比を事前に求めた圧力と発光輝度比の関係に当てはめることにより、翼上面の圧力分布を得ることができた。感圧塗料及び感温塗料の複合塗料のシートを使用した場合には、感圧塗料と感温塗料の発光が混合されるので、その状態で基準画像と飛行時の発光画像の同一位置での発光輝度比から、圧力データと温度データを検知することはできない。そこで、本システムでは混合されている感圧塗料と感温塗料の発光を分離して検出するために、２種類のバンドパス付のバンドパスフィルターホイールが設置されている。感圧塗料の発光波長と感温塗料の発光波長は分離可能な異帯域であるので、それぞれのデーターだけがカメラに取り込めるように、これらのバンドパスフィルターを使用した。このようにすることにより、それぞれの基準画像との比を出すことで圧力データと温度データを検知することができる。さらに、取得した温度データを使用することにより、感圧塗料の温度依存による圧力計測の誤差を補正することも可能である。
【００２０】
図６は得られた圧力分布をスケールと共に表示した写真である。基データはカラー分布図であり、翼前縁部では圧力は低く（青色）、翼後縁部では圧力が上昇して高い（赤色）となっているが、特許図面ではそれを直接表示することができない。そこで、この図６はこのカラースケールをグレースケールに変換し、圧力の低い青色を白く、圧力の高い赤色を黒く対応させて表現してある。この図から分かるように、本発明の表面圧力場および温度場計測用孔付き感圧感温塗料シートは、従来の塗布タイプのものと同様に測定対象の物体表面の温度及び／又は感圧データを分布情報として得ることができることが確認できた。勿論、本発明の表面圧力場および温度場計測用孔付き感圧感温塗料シートの場合は貼着と剥離が容易なシート形態を採ったことで、塗料の汚染や光劣化の問題に対処し、感圧塗料や感温塗料の変更を容易に行い、迅速に再計測を可能とする計測法を提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
航空宇宙分野をはじめとし、鉄道、自動車などの輸送機械、空調機、ファン、風車などの流体機械、エンジン、医療分野および化学プラント等で使用される管内流などの広い分野にわたり、圧力場または温度場計測を必要とする場面で有用である。従来の塗装方式による感圧塗料や感温塗料計測では、色素の選定や色素の塗装方法等の専門的な知識を必要とした。しかしながら、本発明は、あらかじめ塗装したシートを貼り付ける方式をとるため、利用者はこのシートを入手できれば、塗料の選定や塗装方法の専門知識を必要とせず、感圧塗料や感温塗料を利用することができる。専門家以外への感圧塗料や感温塗料の利用を促進する上で有効な発明である。また、本発明により、計測不良時の塗装の剥離および再塗装の時間を省略することができる。また、物理的保護シートと光学的保護シートを有し、さらには期せずして生ずるシートの剥離への対策も施している。これらの対策は、屋外での使用を含めた実験室環境以外での感圧塗料および感温塗料の使用を促進する上で重要である。
【符号の説明】
【００２２】
１  接着面保護シート              ２  接着剤層
３  白色下地                      ４  中間層
５  感圧及び/又は感温色素層       ６  物理的保護シート
７  光学的保護シート              ８  小孔
９  ＣＣＤカメラ 
１０  表面圧力場および温度場計測用孔付き感圧感温塗料シート
【図１】
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【図２】
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【図７】
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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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