JP5203832B2

JP5203832B2 - 膜厚測定方法

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Publication number: JP5203832B2
Application number: JP2008191259A
Authority: JP
Inventors: 祐司金子; 昌明長谷川; 淳一郎久保; 恵哲六郷; 幸男浅野
Original assignee: Central Japan Railway Co
Current assignee: Central Japan Railway Co
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: JP2010025904A

Description

本発明は、例えば、膜厚が数μｍ程度である薄膜の膜厚を測定できる膜厚測定方法に関する。

コンクリート構造物の耐久性向上、補修、美観や景観の確保等を目的として、コンクリート構造物にプライマー、パテ、主材（中塗り材）、及び上塗り材を順次塗布する技術が知られている。この上塗り材として、乾燥膜厚が数μｍ程度で、紫外線劣化防止の効果を奏するものが開発されつつある。

上塗り材の効果を十分に奏するためには、その膜厚管理が重要である。膜厚の測定方法としては、大別して、非破壊式と破壊式とがある。非破壊式には、電磁式、渦電流式、永久磁石式、超音波式がある。また、破壊式には、ウエットゲージ式、カット式がある（特許文献１〜３参照）。

上記電磁式は、基材が鋼板等の場合に用いられる方法であり、鉄芯入りコイルの先端に鉄を近づけるとコイルのインダクタンスが変化することを利用して塗膜の膜厚を測定する。鉄以外の金属の場合には、渦電流式が用いられる。

上記永久磁石式は、塗膜上に配置された磁石と基材との間に働く磁力は、基材から磁石が遠ざかるほど（膜厚が厚くなるほど）、弱くなるという原理を利用した方法であり、基材が鉄または鋼の場合に用いられる。

上記超音波式は、塗膜表面から基材方向に発信した超音波が、基材表面で反射して塗膜表面上の受信子に到達する伝播速度は、塗膜の膜厚により異なるという原理を利用した方法である。

上記ウエットゲージ式の膜厚計には，くし型やロータリー型のものがあり、ロータリー型の膜厚計は，輪（ロータリー）の外輪と内輪の高さの差を利用して、基材上の未乾燥塗膜の膜厚を測定する計測器である。

上記カット式は、計測器にセットされた刃物で塗膜を切断し，計測器に内蔵されたマイクロスコープによって，塗膜の切断面を観察し，塗膜厚を測定する方法である。
特願平04-329617号公報特開平10-303262号公報特開2003-156314号公報

上記電磁式や渦電流式は、基材がコンクリート系材料等の場合には適用できない。また、厚みが数μm程度の薄膜には適用が難しい。上記永久磁石式も、基材がコンクリート系材料等の場合には適用できない。上記超音波方式も、厚みが数μm程度の薄膜には適用が難しい。上記ウエットゲージ式も，塗膜の乾燥が早い、厚みが数μm程度の薄膜には適用が難しい。上記カット式は、塗膜表面に凹凸がある場合には、正確な膜厚測定が困難である。
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、基材の材質や凹凸によらず、数μｍ程度の膜厚を測定することができる膜厚測定方法を提供することを目的とする。

本発明の膜厚測定方法は、基材上に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、前記基材の表面のうち、第１の色の領域に形成された前記薄膜における輝度と、前記基材の表面のうち、前記第１の色とは異なる第２の色の領域に形成された前記薄膜の輝度との輝度差を算出し、前記算出した輝度差に基づいて前記薄膜の膜厚を算出することを要旨とする。

本発明によれば、基材の材質や凹凸によらず、数μｍ程度の膜厚を正確に測定することができる。
薄膜の膜厚を算出するには、例えば、算出した輝度差を、輝度差と薄膜の膜厚との関係を表す検量線にあてはめる方法をとることができる。この検量線は、例えば、第１の色、第２の色、及び薄膜の種類を、本来の測定時と同一条件として、予め作成しておいたものを利用することができる。

前記第１の色の領域は、例えば、基材そのものの色としてもよいし、基材の表面に、第１の色を有する膜を形成した領域とすることもできる。また、前記第２の色の領域は、例えば、基材そのものの色としてもよいし、基材の表面に、第２の色を有する膜を形成した領域とすることもができる。前記第１の色と前記第２の色との組み合わせとしては、例えば、白と黒が挙げられる。

本発明で膜厚を測定する薄膜としては、例えば、液状の塗材を塗布、乾燥して成る薄膜であってもよいし、物理的な薄膜形成方法（例えば、スパッタリングや蒸着）により形成された薄膜であってもよい。本発明における基材は特に限定されず、例えば、コンクリートのように、表面に凹凸がある基材であってもよい。前記輝度は、一般的なマイクロスコープやデジタルカメラを用いて測定することができる。第１の色の領域での輝度と、第２の色の領域での輝度とは、同条件（特に照明の照度が同じ条件）で測定することが好ましい。

本発明の実施形態を説明する。
１．検量線の作成
（１）石英基板の全面に、刷毛を用い、白色の遮熱塗料を３００μｍ程度の厚みで塗布した。次に、石英基板の表面における一部の領域に墨汁を塗布し、黒色の領域（以下、黒色領域とする）を形成した。石英基板の表面のうち、黒色領域以外の領域では、白色の遮熱塗料が露出し、白色を呈している。この領域を、以下では、白色領域とする。
（２）石英基板の黒色領域と、白色領域とのそれぞれについて、後述する半透明塗料を塗布しない状態で、マイクロスコープを用い、輝度を測定した。測定はそれぞれ６点で行い、その平均値を用いた。なお、輝度の測定時、石英基板には、通常の室内照明が照射されており、石英基板の表面における照度は常に一定である。後述する輝度の測定時においても同様である。
（３）石英基板の全面（黒色領域、白色領域の両方を含む）に、キャスト法で半透明塗料を一定の膜厚となるように、１回、塗布、乾燥してから、黒色領域と、白色領域のそれぞれについて、マイクロスコープを用い、輝度を測定した。輝度の測定は、それぞれ、６点で行い、その平均値を用いた。半透明塗料は、樹脂系成分を含む塗料であり、UV吸収成分を含む。

また、１回目の塗布による塗膜が乾燥してから、半透明塗料の２回目の塗布、乾燥を行った。塗布条件は１回目と同様とした。そして、黒色領域と、白色領域のそれぞれについて、マイクロスコープを用い、輝度を測定した。輝度の測定条件は１回目の塗布後と同様とした。

また、２回目の塗布による塗膜が乾燥してから、半透明塗料の３回目の塗布、乾燥を行った。塗布条件は１、２回目と同様とした。そして、黒色領域と、白色領域のそれぞれについて、マイクロスコープを用い、輝度を測定した。輝度の測定条件は１、２回目の塗布後と同様とした。

表１に、各測定における、白色領域での輝度、黒色領域での輝度、及び白色領域での輝度から黒色領域での輝度を差し引いた値（輝度差）を示す。

（４）前記（３）において、１〜３回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚を、塗布量と塗布回数から計算した。その結果、１〜３回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚は、それぞれ、４μｍ、８μｍ、１２μｍであった。
（５）上記（３）と上記（４）の結果を用いて、黒色領域における輝度と、半透明塗料の塗膜の膜厚との相関を表す数式を算出した。その数式に対応する曲線（検量線Ａ）を図１に示す。また、上記（３）と上記（４）の結果を用いて、白色領域における輝度と、半透明塗料の塗膜の膜厚との相関を表す数式を算出した。その数式に対応する曲線（検量線Ｂ）を図１に示す。また、上記（３）と上記（４）の結果を用いて、白色領域における輝度から黒色領域における輝度を差し引いた輝度差と、半透明塗料の塗膜の膜厚との相関を表す数式を算出した。その数式に対応する曲線（検量線Ｃ）を図１に示す。なお、図１では、６点の平均ではなく、各測定値を示している。図１に示すように、検量線Ｃは、検量線Ａ、Ｂに比べて、輝度の変化量に対する膜厚の変化量の割合が小さい。

２．膜厚の測定
（１）コンクリート下地の上に、刷毛を用い、白色の遮熱塗料を３００μｍ程度の厚みで塗布した。この白色の遮熱塗料は検量線の作成のときに用いたものと同じである。次に、白色の遮熱塗料を塗布した領域のうち一部に、重ねて墨汁を塗布し、黒色の領域（以下、黒色領域とする）を形成した。コンクリート下地の表面のうち、黒色領域以外の領域では、白色の遮熱塗料が露出し、白色を呈している。この領域を、以下では、白色領域とする。
（２）コンクリート下地の黒色領域と、白色領域のそれぞれについて、半透明塗料を塗布しない状態で、マイクロスコープを用い、輝度を測定した。測定は、黒色領域における６点（以下、ｂ１〜ｂ６とする）と白色領域における６点（以下、ｗ１〜ｗ６とする）のそれぞれにおいて行った。
（３）コンクリート下地の全面（黒色領域、白色領域の両方を含む）に、スプレー法で半透明塗料を一定の膜厚となるように塗布（１回目の塗布）、乾燥してから、黒色領域と、白色領域のそれぞれについて、マイクロスコープを用い、輝度を測定した。測定は、黒色領域におけるｂ１〜ｂ６の６点と白色領域におけるｗ１〜ｗ６の６点でそれぞれ行った。なお、半透明塗料は、検量線の作成のときに用いたものと同じである。

次に、先に半透明塗料を塗布した上に重ねて、半透明塗料の２回目の塗布をスプレー法により行い、塗膜の乾燥後、再び、黒色領域と、白色領域のそれぞれについて、マイクロスコープを用い、輝度を測定した。測定は、黒色領域におけるｂ１〜ｂ６の６点と白色領域におけるｗ１〜ｗ６の６点でそれぞれ行った。

次に、半透明塗料の３回目の塗布をスプレー法により行い、塗膜の乾燥後、再び、黒色領域と、白色領域のそれぞれについて、マイクロスコープを用い、輝度を測定した。測定は、黒色領域におけるｂ１〜ｂ６の６点と白色領域におけるｗ１〜ｗ６の６点でそれぞれ行った。

１〜３回目の塗布後における輝度の測定結果を表２に示す。なお、表２には、６点の測定の平均値を示す。また、表２には、白色領域における輝度から黒色領域における輝度を差し引いた輝度差も併せて示す。

なお、輝度差は、ｗ１における輝度からｂ１における輝度を差し引くことにより算出する。また、同様に、ｗ２における輝度からｂ２における輝度を差し引き、ｗ３における輝度からｂ３における輝度を差し引き、ｗ４における輝度からｂ４における輝度を差し引き、ｗ５における輝度からｂ５における輝度を差し引き、ｗ６における輝度からｂ６における輝度を差し引くことで算出する。

（４）半透明塗料の１回目の塗布後における黒色領域での輝度を、検量線Ａにあてはめ、１回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚を算出した。膜厚は、ｂ１〜ｂ６の６点の測定点のそれぞれについて算出した。また、半透明塗料の１回目の塗布後における白色領域での輝度を、検量線Ｂにあてはめ、１回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚を算出した。膜厚は、ｗ１〜ｗ６の６点の測定点のそれぞれについて算出した。また、半透明塗料の１回目の塗布後における白色領域での輝度から、黒色領域での輝度を差し引いた輝度差を、検量線Ｃにあてはめ、１回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚を算出した。

上記のようにして算出した、１回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚を表３に示す。なお、半透明塗料の１回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚は、レーザー顕微鏡を用いた膜厚測定の結果、４．１μｍであった。

同様に、半透明塗料の２回目、３回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚も、測定した輝度（輝度差）を、検量線Ａ〜Ｃにあてはめることで算出した。その結果を表４に示す。なお、半透明塗料の２回目、３回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚は、レーザー顕微鏡を用いた膜厚測定の結果、それぞれ、８．０μｍ、１２．０μｍであった。

（５）半透明塗料の１回目の塗布後における半透明塗料の塗膜の膜厚を、電磁式膜厚計を用いて測定した。その結果を上記表３に示す。

３．本発明の膜厚測定方法が奏する効果
（１）本発明の膜厚測定方法は、基材の材質によらず（基材がコンクリートであっても）、膜厚の測定が可能である。また、基材がコンクリートのように、表面に凹凸があるものであっても、膜厚の測定が可能である。
（２）本発明の膜厚測定方法は、上記表２〜表４の測定結果に示すように、厚みが数μｍ程度である薄膜の膜厚を正確に測定することができる。
（３）本発明の膜厚測定方法は、白色領域における輝度から黒色領域における輝度を差し引いた輝度差を検量線Ｃに当てはめることで、膜厚を算出する。この方法をとることにより、黒色領域における輝度を検量線Ａに当てはめる方法や、白色領域における輝度を検量線Ｂに当てはめる方法よりも、膜厚を正確に、且つ精度良く測定することができる。この理由は、以下のことであると考えられる。
輝度（輝度差）の変化に対する膜厚の変化量は、検量線Ｃの場合の方が、検量線Ａ〜Ｂの場合よりも小さくなっていることが、図１からわかる。例えば、それぞれの検量線における膜厚4μmのときの輝度（輝度差）を中心値とし、輝度（輝度差）をその中心値から±10cd/m²変化させた場合の膜厚の変化範囲は、検量線Ａの場合では2.2〜7.4μm 、検量線Ｂの場合では2.7〜5.4μm 、検量線Ｃの場合では3.5〜4.6μmとなる。よって、輝度（輝度差）のばらつきに起因する膜厚のずれは、検量線Ｃを用いる方法の方が、検量線Ａ〜Ｂを用いる方法よりも遙かに小さくなる。
（４）本実施形態の膜厚測定方法では、黒色領域を形成している。黒色領域では、UV吸収型の半透明塗料を塗布した後の輝度の変化量が、白色領域における変化量よりも大きくなることから、膜厚の判定がし易くなる。特に、膜厚が数μm以下の場合では、その効果は高くなる。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、基材上に形成する異なる色の組み合わせは白と黒には限られず、他の色の組み合わせであっても良い。基材上に形成する異なる色の組み合わせは、輝度の差が大きくなる組み合わせが好ましく、例えば、色相が異なる２色の組み合わせが好ましい。

輝度（輝度差）と膜厚との関係を表す検量線のグラフである。

Claims

基材上に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
前記基材の表面のうち、第１の色の領域に形成された前記薄膜における輝度と、前記基材の表面のうち、前記第１の色とは異なる第２の色の領域に形成された前記薄膜の輝度との輝度差を算出し、
前記算出した輝度差に基づいて前記薄膜の膜厚を算出する膜厚測定方法。
前記輝度差を、前記輝度差と前記薄膜の膜厚との関係を表す検量線にあてはめ、前記薄膜の膜厚を算出する請求項１記載の膜厚測定方法。
前記第１の色の領域、及び／又は前記第２の色の領域は、前記基材の表面に、それぞれの色を有する膜を形成した領域であることを特徴とする請求項１又は２記載の膜厚測定方法。