塗料の乾燥硬化過程の定量的評価と可視化を実現

ポイント

• 塗料の乾燥や硬化過程を「非接触」かつ「定量的」に評価する装置を製品化
• 平面だけでなく立体面に対する測定や、乾燥度分布の可視化もほぼ実時間で実現
• 塗料に加えて、接着剤やインクなどの乾燥硬化過程の評価も可能

＜開発の背景と経緯＞

塗料やインクなどの開発にあたって、塗膜表面の変化や乾燥硬化までの時間などを含め、乾燥硬化過程に関する情報を取得することは重要な開発要素です。しかしながら、塗料の乾燥硬化や乾燥分布を定量的に評価、可視化する方法は従来なく、日本工業標準調査会（ＪＩＳ）の規格^注３）でも、塗料の乾燥状態は、触って判定する指標（指触乾燥、硬化乾燥）での評価となっています。

島根大学 大学院総合理工学研究科の横田 正幸　教授は、ディジタルホログラフィに関わる技術の応用分野として、塗料乾燥硬化の評価に着目し、平成２２年には世界に先駆けて国際誌に論文発表^{参考文献１）}を行いました。平成２３年度には、研究成果最適展開支援プログラム（Ａ－ＳＴＥＰ）探索タイプ、平成２５年度には、シーズ顕在化タイプの採択を受けて、塗料乾燥硬化の評価に関わる実験データとノウハウを蓄積してきました。これらの動きと並行して、平成２５年度には、東洋精機製作所と島根大学は、共同研究契約を締結し、塗装乾燥硬化評価装置としての製品化を目指した研究開発を進めてきました^{参考文献２）}。

＜本製品の概要＞

本製品は、ディジタルホログラフィを応用し、塗料の乾燥硬化過程を非接触かつ定量的に評価し、乾燥分布を可視化する装置です（図１）。レーザ・ダイオード（ＬＤ）から照射されたレーザ光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）によって光路が分けられ、記録する物体（サンプル）に照射された反射光と、偏光子（Ｐ）^注４）とＰＺＴ鏡^注５）を介した参照光がつくられます。これらを干渉させて出来る干渉縞（ホログラム）をＣＣＤで記録し、記録したホログラムを数値計算（回折積分）すると物体像が３次元で再生できます。

本製品では、２．０秒間の塗膜変化を位相変化量として捉えて画像化し、各時点での乾燥状態を調べることができます。図２は、４０×４０ｍｍ^２の銅板上に水性クリア塗料を刷毛で塗布したものを評価対象とした実験結果です。測定開始直後に得られた再生像の強度画像^注６）（左図）と、開始直後の再生像の位相分布と２秒後に得られた再生像の位相分布との差である位相差画像Δφ（右図）を示しています。強度画像は写真と同様に塗膜の像を表し、位相差画像は塗膜の変位や変形を表します。また、位相差画像において白く明るい部分は変化の大きい部分を表し、全体としては塗膜の変位や変形の分布を表しています。これが乾燥中に変化を知る鍵となります。図３は、測定終了後に２．０秒間隔での位相変化Δφから計算した標準偏差σの時間変化を示したものです。このσの値の変化より、値が収束する、すなわち表面の変位・変形が収まる時間が分かります。この結果から、４００秒後には、塗膜はほぼ半硬化乾燥^注７）に至っていると評価できます。

本製品によって、塗料やインクなどの開発だけでなく、塗装や乾燥を必要とする製造ラインに、さらなるイノベーションを起こす可能性があります。秒単位で乾燥状態の管理が可能になることによる製造ラインの効率化、また、達成すべき塗装状態から逆算した必要な塗料の量や、乾燥時間の設定も可能になります。さらには、光硬化型の接着剤の硬化過程評価や、インクドットなどの乾燥・硬化解析からプリンタブルエレクトロニクスへの応用も期待されます。

＜本製品の仕様等＞

●主な仕様

測定原理	位相シフトディジタルホログラフィ法
測定範囲	φ２０ｍｍ
測定間隔	２秒／回
カメラ	白黒　１２８０×９６０画素　３０ｆｐｓ　画素サイズ３．７５×３．７５μｍ　接続：ＵＳＢ３．０
レーザ	波長：６５０ｎｍ　最大出力３０ｍＷ　クラス３Ｂ
画像処理	専用ＧＰＵ基板によりソフトウエアにて演算
パソコン	デスクトップパソコン、専用ＧＰＵ基板、モニタ：２１インチ以上
電源	ＡＣ１００Ｖ　５０／６０Ｈｚ　５Ａ　（ＰＣを除く）
本体寸法	本体：４８８×３００×１６０ｍｍ
質量	約１０ｋｇ

●販売開始日　平成２８年６月１５日
●製品価格（税別）　６，５００，０００円

＜参考図＞

＜参考文献＞

１．M. Yokota, T. Adachi and I. Yamaguchi,“ Monitoring and evaluation of drying of paint by using phase-shifting digital holography,” Optical Engineering, 49 (1), 015801 (February 01, 2010).

２．丹生 晃隆・石倉 賢・横田 正幸・小林 幸一：「産学連携による塗料乾燥評価装置の研究開発」、産学連携学会第１３回大会講演予稿集、ｐｐ．６８－６９、２０１５。

＜用語解説＞

注１） ディジタルホログラフィ

レーザ光を２光路に分けて、記録する物体からの反射光と鏡で反射させた参照光を作る。参照光の波面（等位相面）は既知のものを用いるので、通常は鏡で反射させた平面波を用いる。これを干渉させて出来る干渉縞をＣＣＤで記録する。記録した干渉縞（ホログラム）を数値計算（回折積分）すると物体像が３次元で再生できる。従来はホログラムの記録には写真乾板を用いていたが、ディジタル化することで、数値データとして取り扱うことが可能となる。ホログラムを一度記録すれば、その再生計算時に焦点距離を変えるだけで別々の奥行における結果が得られるため、レンズや光学系の調整は不要である。

注２） スペックルパターン

粗面に対してレーザ光を照射すると、粗面で散乱された光がランダムな位相関係で干渉して粒状のパターンを形成する。これをスペックルパターンと呼び、表面の変形前後で記録されたスペックルパターンからその変形を得ることができる。スペックルパターンを用いた塗装乾燥硬化評価では、表面の可視化のためにはレンズによる結像系が必要であり、３次元の物体では、焦点深度の問題からレンズの走査も必要になる。

注３） ＪＩＳ規格

規格番号：ＪＩＳ　Ｋ　５６００
規格名称：塗料一般試験方法

注４） 偏光子（Ｐ）

光を、光波の電気ベクトルの振動方向が直線的である直線偏光に変える素子。

注５） ＰＺＴ鏡

通常の光学研磨された鏡にピエゾ素子を用いた移動ステージをつけたもの。鏡に数１０ｎｍの微小変位を加えることで光の光路長を変化させて位相のシフトを導入するために用いる。

注６） 強度画像

ディジタルホログラフィでは、合焦位置で計算して得られる再生像は振幅と位相からなる。振幅は物体像を表し、位相は物体形状に関連した情報を与える。振幅を二乗すると光強度分布が得られるので、写真と同じ物体画像が得られ、これを強度画像としている。

注７） 半硬化乾燥

塗料の乾燥状態の一つ。塗った面の中央を指先でかるくこすってみて塗面にすり跡が付かない状態（ｄｒｙ　ｔｏ　ｔｏｕｃｈ）になったときをいう。ＪＩＳ　Ｋ　５６００－１－１を参照。