JPH05506931A - プラスチック基板上のペイントの乾燥膜厚を測定するための接触式測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 プラスチック基板上のペイントの乾燥 膜厚を測定するための接触式測定装置 発明の背景 本発明は、プラスチック製非金属基板に塗布した乾燥ペイント膜の厚さを、ペイ ント膜を破壊することなく測定する装置に関するものである。特にこの装置は、 導電性プライマーで下塗りしたプラスチック基板に普通の、すなわち静電吹き付 けによって塗布したペイントの乾燥膜厚を測定するのに使用できる。

特にプラスチック基板への多くのペイントの吹き付けにおいては、比較的薄い膜 が被覆されつつある物品の縁付近に形成されるが、物品の中心ではかなり厚くな っている。ペイント膜の厚さの差は、物品の中心から縁に向かって外観の変化を 生じさせる。これは均一な外観が望まれる自動車の車体パネルまたはフヱーシア のような物品の被覆の際に問題となる。特に、実験室、ペイント製造プラントお よび乗用車・トラック組み立てプラントで色基準として用いられるペイント・パ ネルにとって問題となる。特に、色基準として用いられるべきペイント・パネル の不良品は、このような用途のために被覆されたパネルの６６％の高率になり得 る。膜厚を測定する現行方法は膜を破壊する。プラスチック基板上のペイント膜 を迅速かつ正確に測定する良好で正確な非破壊式方法または装置はない。

膜を破壊せず、プラスチック基板上のペイント膜厚を正確に測定する乾燥膜厚測 定装置が期待されている。

発明の概要 プラスチック基板に接着した導電性コーティングに塗布したペイント膜の乾燥膜 厚を、膜を破壊することなく測定する電気装置は、以下の構成要素を包含する。

すなわち： ａ、２つの別個の電極からなる電気検知手段。これらの２つの電極が互いに隔離 されており、測定されつつある膜の表面に適応することのできる材料内に設置さ れている。この検知手段は、膜の表面と接触した状態で設置され、均一で再現性 のある圧力の下に測定を行う。

ｂ、　前記検知手段に電気接続された利得・位相測定装置。この利得・位相測定 装置は、一方の電極から膜および導電性コーティングを通って第２の電極に流れ た交流電気信号の利得、位相を測定する。

Ｃ０利得・位相測定装置と電気的に組み合わせてあり、２つの電極、ペイント膜 および導電性コーティングからなる回路全体の利得、位相信号を測定し、これら の利得、位相信号から膜の厚さおよび導電性コーティング層の抵抗を計算する手 段。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の装置の概略図であり、プローブ組立体、利得・位相メータ、 オシレータ兼電源およびコンピュータを示す図である。

第２図は、第１図のプローブ組立体の横断面図である。

第３図は、第２図のプローブで用いられる同心リング組立体の詳細図である。

第４図は、測定回路の概略図である。

第５図は、膜キャパシタンスのログに対してプロットした膜厚のログを示すグラ フである。

第６図は、本発明の装置を用いてキャパシタンス・データを得たときの膜厚の実 験データ（１／キヤパシタンス）のグラフである。

発明の詳細な説明 本発明の主な利点は、プラスチック基板に塗布した乾燥ペイント膜の厚さを膜ま たは基板を破壊したり、損傷を与えたりすることなく測定する装置を提供すると いうことにある。この装置は、膜を塗布するときにその厚さを制御する装置と組 み合わせて使用できる。この装置はまた、膜の光学反射率およびばらつき特性と は無関係であるという利点を有する。装置は、プラスチックその他非金属基板に 塗布した乾燥膜の厚さを１２ミクロン（０，１１Ｉｉｌｓ）あるいはそれ以上の 精度で測定する。この装置を用いると、種々のタイプのペイント膜、例えば光沢 ペイント、つや無しペイント、金属フレーク含有ペイントの乾燥膜厚を正確に測 定することができる。

まず第１図（本発明の全体図）を参照して、手持ち式ブローブ組立体９（第２図 に関連してより詳しく説明する）が、直流電源１１と利得・位相メータ１２（代 表的には、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ　３５７５Ａ利得・位相メータ）と オシレータ１３（代表的には、Ｈｅｖｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ　８１！６＾関 数発生器）とに電気的に接続しである。利得・位相メータ１１はコンピュータ１ ０に接続している。サンプル８（代表的には、乾燥したペイント層）がプローブ ９と密着している。コンピュータ１０（代表的には、２つのＮａｔｉｏｎａｌＩ ｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　ＮＢ−ＤＩＯ２４インタフェ ース・ボードとＰＰ−ＧＰＩＢコントローラ・ボードとＬａｂｖｉｅｖ演算シス テムとを有するＡｐｐｌｅ　ｌ［ａｃｉｎｔｏｓｈ■）は、データを解釈し表示 するのに用いられ、本発明に対する人的インタフェースとなる。また、出力を中 央データ捕捉システムに送ることもできる。

第２図は、第１図の手持ち式プローブ９の横断面である。電極組立体１は、互い に隔離された中央ディスク、同心リングの２つの電極を包含する。代表的には、 これらの電極は、それらを形成するように柔軟な非導電性支持膜に接着された銅 箔を蝕刻することによって形成される。代表的には、導電性銅層とポリアミドま たはポリイミド基板とからなるｒＰｙｒａｌｕｘＪ可撓性回路ボードを用いる。

この電極組立体は、自動車のフェーシアのような塗装プラスデック部品の輪郭に 順応することができる。

この組立体は第３図により詳しく示す。電極組立体１は、中密度ポリウレタン開 放発泡体である弾性エラストマー１４（例えば、５ｐｅｃｆａｌｔｙ　Ｃｏｍｐ ｏｓｆｔｅｓ　Ｃａｒｐ、のＣ−４２“Ｃｏｎｆｏｒ”）で支持されており、こ の電極組立体をサンプルの形状に一致するように押すことができる。可撓性のジ ヨイント２により、電極４組立体が測定しようとしている表面と自動整合するこ とができる。回転防止ビン３が電極組立体に取り付けてあり、この電極組立体の 回転を阻止するようになっている。塗装済みの基板に加えた力を測定するには、 撓みピボット４を用いる。適正な力はマイクロスイッチ６を経て検出され、これ がコンピュータ１０を付勢して読み取りを行う。マイクロスイッチ５が過負荷に 対して設定してあり、所望に応じてコンピュータにフラグ設定を行うことができ る。電気信号は電気機器７によって増幅される。この電気機器は代表的には、利 得・位相メータ１２およびオシレータ１３に接続したケーブルを通して信号レベ ルをブートする増幅器を含む。

第３図は、第２図の電極組立体１を示している。ディスク、同心リング状の電極 １５．１６は互いに隔離されている。代表的には、電極は可撓性のある銅箔であ り、この箔が柔軟なプラスチック、例えばポリアミドあるいはポリイミドに取り 付けである。柔軟なエラストマー１４の均等な力はディスク、リング状の電極を 基板８に対して押圧する。代表的には、約５〜１５ボンドの下向きの力がプロー ブに加えられる。

第４図は、本発明で用いる回路のモデルを示すブロック図である。ＣＰおよびＲ ５Ｂは、ペイント膜と導電性プライマー膜の測定したキヤパシタンスと抵抗を表 わしている。測定回路の各部分は、第１図のプローブ９のヘッド内に納められて いる。

ここに開示した特別の構成は光沢ペイント、つや無しペイントおよび金属フレー ク含有ペイントのような種々のペイントの厚さを測定するのに有効である。

図示していないが本発明の装置は、膜厚を制御する装置を含むことができる。こ の種の装置の一例がＦａｌｃｏｆｆの米国特許第４．７０２．９３１号に開示さ れており、この米国特許の開示内容全体をここで参考資料として援用する。

膜厚制御装置を本発明の装置と組み合わせて用いると、先行の基板について得た ペイント膜厚測定値に従って次の基板に塗布すべきペイントの量を変えることが できる。

代表的には、乗用車またはトラックの車体パネル等を塗装する作業においては、 一連の物品は機械、例えばロボットによって自動的に且つ連続的に吹き付は塗装 されて各物品の表面に均一なペイント膜を形成される。しかしながら、いくつか のファクタ、例えばペイント粘度、ペイント流量、ペイント・ノズルでの霧化圧 力、環境における種々の温度階調、空気流、湿度で膜厚に変化が生じる。これら のファクタは変動しがちであるため、膜厚は所与の作業時間で広い範囲にわたっ て変化する可能性がある。したがって、ペイント膜厚を規則正しい所望の間隔で 監視することが絶対必要となる。任意の時点で膜厚の変化が検出されたとき、こ れらのファクタの１つまたはそれ以上を調節して所望のペイント膜厚を得ること ができる。

第４図のモデル回路のブロック図は本発明装置の概念を示している。測定回路の 出力量を「利得」および「位相」と呼ぶ。利得および位相は、以下の等式Ｉａ１ 　ｌｂによって定義される。

利得＝　２０　ｌｏｇｔｏ　（ｌ　Ｚ　ｌ／　Ｒｍ）　（式１ａ）ここで、Ｚ＝ ニブロー回路インピーダンスＲ，Ｉｌ＝ｌニブローブける計量抵抗器φ位相＝ａ ｒｃ　ｔａｎ［ＸＣＰ／Ｒｔｓｌ　（式１ｂ）ここで、ｘＣｐ＝容量性リアクす ンス Ｃｐ＝ペイント膜キャパシタンス Ｒ８ｇ＝導電性コーティングの抵抗値 利得は、変数であるインピーダンスＺ対計量抵抗器の値Ｒ□の比の関数である。

１１．の代表的な値は１００オームである。図示のように対数量を用いるとき、 計量抵抗器の効果は利得数から定数を減算することによって引き起こされる。位 相値は、計量抵抗器によってはほとんど影響を受けない。これは抵抗値がインピ ーダンスＺの値に比べて非常に小さいからである。

周波数は、本発明においては暗黙変数である。回路インピーダンスス１利得およ び位相φのすべてが周波数と共に変化するからである。しかしながら、膜厚の測 定を望む場合には周波数ｆｃでの利得、位相の単一特定値で充分であろう。代表 的には、良好なキャパシタンス測定は１〜３０ｋＨｚの周波数で行われ得る。以 下の表１に示すデータは、１０ｋＨｚの周波数で得たものである。キャパシタン スの値は、以下の式ＩＩａ、ＩＩｂ、Ｉｌｃによってインピーダンス値から計算 される。

１ｚ１＝ら・１０　（Ｏｓ　＋　＠／！費）　（式１１ａ）Ｘ＝ｌＺｌ・ｓｉｎ φ　（弐ｎｂ） Ｃ，＝　−（１／　２　ｙｒ　ｆｃＸ）　（式Ｉｒｅ）ここで二〇ｐはペイント 膜のキャパシタンス、ｆｏは測定周波数、Ｚは回路インピーダンス、Ｘは回路リ アクタンス、Ｒ１は固定測定抵抗器の抵抗値である。

導電性コーティング（代表的にはプライマーである）の抵抗値は、以下の式Ｉｆ 　（ｄ）によって導かれる。

Ｒ５５＝ｌ　Ｚ　ｌ　・ｃｏｓφ　（式Ｉ！ｄ）ここで：Ｒｓｓは導電性コーテ ィングの抵抗値、Ｚは回路インピーダンス、φは位相角である。

膜のキャパシタンスが既知であるとき、第５図に概略的に示すようなデータを用 いて膜厚を計算する。この図は式■に示すように、所与の距離Ｔ２だけ分離した 平行プレートのキャパシタンスについての基本式に基づくものである。

Ｃｐ＝　（１／　Ｔｐ）　・［（ｋ）　（ζＰ）（＾ｄ＋−に）］　（式■）こ こで・Ｃｐはペイント膜のキャパシタンス、Ｔｐは膜厚、ｋは機器の物理的寸法 に基づく定数、ζ２はキャパシタにおける絶縁材料の誘電率、Ａｄｉｓｋは平行 プレートの面積である。

スケール・ファクタには実験における物理的メトリックスに依存し、ファクタζ ２はキャパシタにおける絶縁材料の誘電率であり、ＡｄｉＳ□は平行プレートの 面積、すなわち、この場合はぼペイント・センサ・ヘッドにおけるディスク形す なわち中央電極の面積である。第５図における縦座標のインタセプトは、既知の 膜厚を測定することによって実験的に決定される。平行な破線は、種々の材料が 種々の誘電率を持ち得るという事実を示すために含めた。

本発明の装置の作動に際して、プローブの２つの電極、すなわち中央ディスクと 同心のリングとを横切って既知の抵抗値、例えば１９．６キロオームの抵抗器を 設置することによって較正を行う。１９．６キロオームの抵抗器を用いたとき、 利得・位相メータは以下の読み取り値を持つ。

すなわち： 利得＝　＋　１．０９ｄＢ 位相＝−０，６度 増幅を行わないときの理論的な利得は上述の式１ａから以下のように計算する。

利得＝　２０　ｌｏｇ（１９６００＋　１００）／　１００＝　４５．８９ｄＢ 利得、位相補正ファクタは次のように計算する。

利得補正コアクタ＝理論利得−測定利得＝　４５．８９−１．０９＝　４４．８ ０ｃｌＢ位相補正ファクタ＝−測定位相 ＝−（−０，６）　＝＋０．６度 以下に本発明の装置を用いて表ＩのパネルＩａについての値を決定するための計 算を示す。

測定利得＝　１８．８５ｄＢ 測定位相＝　−５６，４７度 補正利得＝測定利得＋補正ファクタ ＝　１８．８５＋　４４．８０＝　６３．６５ｄＢ補正位相＝測定位相＋補正フ ァクタ ＝　−５６，４７＋　０．６＝　−５５，８７１Ｚｌ＝Ｒ１１−１０””　”！ ”　＝１００−１０（６３，６５／２０）４５２．２３０　ｏｈｍｓ Ｘ＝ｌＺｌ　・Ｓｉｎφ＝１５２．２３０（Ｓｆｎ　−５５，，８７）＝−１２ ６，０１１ｏｈ＋＊５ Ｃｐ＝−（１／２πｆｃｌＸＩ）＝−（１／２ｒ　−ｔｏ、　０００・−１２６ ，０１１）−１２６，３ｐＦ Ｒｓｓ＝ｌＺｌ　・ｃｏｓφ＝１５２．２３０（ｃｏｓ−５５，８７）＝８５． ４　Ｋｏｈ＋ｓ ペイント膜厚は上記の式■によって決定される。

装置の実際の動作において、利得値、位相値およびそれぞれの補正ファクタは、 上記の式でプログラムしたコンピュータに送り込まれ、値がコンピュータによっ て計算される。

表■は、３種類の８７１　Ｌｉｎｅベースコート／クリアコート・ペイントから 取ったデータを示す。これらのペイントについての色はガンメタル・メタリック 、タン・メタリックおよびブラウン・メタリックである。各ペイントは、１５％ ガラスフィラーと共にＭｏｂａｙ＃１ｌ１０−２５ＲＩ　（補強射出成形した） プラスチック基板に吹き付け、トップコートと基板の間に名目上で１ミル厚のＰ ＰＧ　［ｌ５Ｐ−９４６９導電性プライマー層を設けた。吹き付は中、金属パネ ルによって一連のプラスチック・サンプルを物理的にひとまとめにした。金属パ ネルの膜厚は、Ｆｉｓｈｅｒｓｃｏｐｅメータを用いる普通の渦電流手段によっ て測定した。このとき２つの金属パネル間のプラスチック・サンプルの膜厚を同 じと仮定した。プラスチック・パネルのギヤバシタンス値は、本発明の装置を用 いて得た。データは第６図のようにプロットした。暗示された全形成膜対（１／ キヤパシタンス）の相関係数は０．９４であり、これはこの測定技術の有効性を 示す。

表■ 全膜構造　キャパシタンス　抵　抗 Ｉ　Ａ　１．１５　１２６．３　０．００７９　８５．４２　Ａ　２．６４　７ ５．５　０．０１３２　１６３．０３　Ａ　２．２１　８４．４　０．０１１８ 　８６．９４　Ａ　３．１０　４７．６　０．０２１０　２４６．５５　Ａ　３ ．７０　４２．７　０．０２３４　１４９．１６Ａ　４．５９　３２．８　０． ０３０５　１１９．３７　Ａ　１．０６　１２３．５　０．００８１　１６２． ３８　Ａ　１．９５　６２．４　０．０１６０　２０６．５タンメタ ９　Ａ　Ｏ，８２１７８，３０，００５６７０，１１ＯＡ　１．５７　１０３． ０　０．００９７　１２２．９１１Ａ　１．７４　８９．５　０．０１１４　６ ９．０１２Ａ３、ＤＯ５２，４０，０１９１１２１，４１３Ａ　２．４９　５４ ．９　０．０１８２　１７？、　３１４Ａ　３．７５　４１．７　０．０２４０ 　１３７．２１５Ａ　Ｏ，９２１０６，４０，００９４９８，５１６Ａ　２．１ ８　６３．９　０．０１５６　１５０．２１７Ａ　Ｏ，８０１４１，９０，００ ７０１００，６１８Ａ　１．６０　ｇ５．７　０．０１１７　１３９．２１９Ａ 　１．５９　ｇ９．９　０．０１１１　？８．３２０Ａ　２．４５　５３．６　 ０．０１ｇ７　１３６．６２１Ａ　２．３９　６４．４　０．０１５５　１４８ ．９２２Ａ　３．２５　４５．５　０．０２２０　１５４．０２３Ａ　０．７９ 　１３３．９　０．００７５　６３．４２４Ａ　１．６５　７７．３　０．０１ ２９　１１ｇ、７上記データの回帰式から： 全膜厚（ミル）＝（１５７，６／Ｃｐ）−０，１６６（式■）ここで： Ｃｐ＝ペイント膜キャパシタンス 式■を用いる代わりに、式■を用いて勾配およびインタセブトを制御した較正か ら決定した後に未知のサンプルの膜厚を決定してもよい。

本発明を好ましいデザインを有するものについて説明してきたが、全般的に本発 明の原理に従い、発明の関係する技術における公知または慣例の実務内に入りか つ前述の本質的な特徴に適用できるような本開示内容からの逸脱を含み、また、 発明の範囲または添付の請求の範囲の限界内に入る発明のさらなる変更、使用お よび適用が可能であることは了解されたい。

Ｆｉｇｕｒｅ　１ Ｆｉｇｕｒｅ　２ 利得　中１位相 ログ膜厚対ログキャパシタンス Ｆｉｇｕｒｅ　５ 全膜構造（ミル） 要　約　書 プラスチック基板に接着した導電性コーティングに塗布したペイント膜の乾燥膜 厚を、膜を破壊することなく測定する電気装置であり、この装置は、（ａ）２つ の別個の電極からなる電気検知手段であり、これらの２つの電極が互いに隔離さ れており、測定されつつある膜の表面に適応することのできる材料内に設置され ており、膜の表面と接触した状態で設置され、均一で再現性のある圧力の下に測 定を行う電気検知手段と、（ｂ）検知手段に電気接続された利得・位相測定装置 であり、一方の電極から膜および導電性コーティングを通って第２の電極に流れ た交流電気信号の利得、位相を測定する利得・位相測定装置と、（ｃ）利得・位 相測定装置と電気的に組み合わせてあり、２つの電極、ペイント膜および導電性 コーティングからなる回路全体の利得、位相信号を測定し、これらの利得、位相 信号から膜の厚さおよび導電性コーティング層の抵抗を計算する手段とを包含す る。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成４年１１月１０日

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．プラスチック基板に接着した導電性コーティングに塗布したペイント膜の乾 燥膜厚を、膜を破壊することなく、測定する電気装置であって、 ａ．２つの別個の電極からなる電気検知手段であり、これらの２つの電極が、互 いに隔離されており、測定されつつある膜の表面に適応することのできる材料内 に設置されており、膜の表面と接触した状態で設置され、均一で再現性のある圧 力の下に測定を行う電気検知手段と、 ｂ．前記検知手段に電気接続された利得・位相測定装置であり、一方の電極から 膜および導電性コーティングを通って第２の電極に流れた交流電気信号の利得、 位相を測定する利得・位相測定装置と、ｃ．利得・位相測定装置と電気的に組み 合わせてあり、２つの電極、ペイント膜および導電性コーティングからなる回路 全体の利得、位相信号を測定し、これらの利得、位相信号から、膜の厚さおよび 導電性コーティング層の抵抗を計算する手段 とを包含することを特徴とする電気装置。
2. ２．請求項１記載の電気装置において、電気検知手段が、２つの個別の電極を包 含し、一方の電極が、ディスクの形をしており、第２の電極が、このディスクを 取り囲み、均一な絶縁スペース分だけディスクから分離している同心のリングの 形をしていることを特徴とする電気装置。
3. ３．請求項２記載の電気装置において、検知手段が、測定している表面に一致す る柔軟なポリマー基板上に取り付けてあることを特徴とする電気装置。
4. ４．請求項３記載の電気装置において、可搬式のプローブ組立体を包含し、この プローブ組立体が、柔軟なポリマー基板上に装置した電気検知手段を収容してお り、また、利得・位相測定装置に電気的に接続した電気検知手段に接続した増幅 器を有することを特徴とする電気装置。
5. ５．請求項４記載の電気装置において、利得・位相測定装置が、プローブから分 離して装着されかつプローブに電気的に接続した利得・位相メータであることを 特徴とする電気装置。
6. ６．請求項５記載の電気装置において、利得・位相メータが、オシレータおよび 直流電源に接続してあることを特徴とする電気装置。
7. ７．請求項５記載の電気装置において、利得・位相メータに組み合わせてあって 、ペイント膜原および導電性コーティングの抵抗値を計算する手段がコンピュー タであることを特徴とする電気装置。
8. ８．請求項４記載の電気装置において、プローブが、正しい力がプローブに加え られたときに付勢されて測定を行うマイクロスイッチと、プローブに過剰な力が 加えられたときに付勢されてプローブを消勢する第２のマイクロスイッチとを包 含することを特徴とする電気装置。
9. ９．請求項１記載の電気装置において、電気検知手段が可搬式プローブ組立体内 に収容されており、この電気検知手段が柔軟なポリマー基板に装着してあり、こ のポリマー基板が測定しつつある表面に一致し、検出手段が、２つの個別の電極 を包含し、一方の電極がディスクの形状をしており、第２の電極がディスクを取 り囲み、均一な絶縁スペース分だげディスクから分離している同心のリングの形 をしており、プローブが、検知手段および利得・位相メータに電気的に接続した 増幅器を包含し、利得・位相メータが、オシレータおよび直流電源に電気的に接 続してあり、コンピュータが、利得・位相メータに電気的に接続してあって、ペ イント濃厚および導電性コーティング抵抗値を計算するようになっており、さら に、プローブが、現行の力がプローブに加えられたときに付勢されて測定を行う マイクロスイッチと、プローブに過剰な力が加えられたときに付勢されてプロー ブを消熱する第２のマイクロスイッチとを包含することを特徴とする電気装置。