JP2025086355A - 押出機に設けられる計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】使用中の押出機について様々な情報を簡便に取得できる計測装置及び計測方法を提供すことを目的とする。【解決手段】上記課題を解決する本願発明は、回転駆動する駆動部１１と、駆動部１１と接続するシャフト１３と、シャフト１３と協働して回転するスクリュー１４と、を備える押出機１に設けられる計測装置２であって、光ファイバを含むセンサ部２１と、前記センサ部を制御する制御部２２と、を有し、センサ部２１は、シャフト１３と当接して配置される計測装置。【選択図】図１

Description

本発明は、押出機に設けられ、内部に流れる流動体の様子を推測できる計測装置に関する。

押出機は、内部の管路に食材や熱可塑性樹脂等の流動体を入れて溶融させ、スクリューで吐出口へ押し出す装置である。押出機は、材料の性状や製造を行う製品に合わせて加熱度合、駆動速度のパラメータの調整やスクリューの形状の選定を行う。しかし、これに伴い駆動中の押出機がどのような状態になるのかや樹脂の挙動を精確に把握することは困難である。

実全昭４８－０４６６７８号公報

特許文献１には、ひずみゲージを用いることで、シリンダ装置の内圧を測定する装置が記載されている。この装置は有用であるが、ひずみゲージから得られる情報には限りがある点で課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑み、使用中の押出機について様々な情報を簡便に取得できる計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、回転駆動する駆動部と、前記駆動部と接続するシャフトと、前記シャフトと協働して回転するスクリューと、を備える押出機に設けられる計測装置であって、光ファイバを含むセンサ部と、前記センサ部から得られる情報を処理する情報処理部と、を有し、前記センサ部は、前記シャフトと当接して配置される計測装置である。
このような構成によって、使用中の押出機に光ファイバを設置して様々な情報を簡便に取得できる。

本発明の好ましい形態では、前記センサ部と、前記制御部とは、ロータリージョイントを介して接続する。このような構成によって、制御部を固定した状態でシャフトが回転しても、センサ部によりを溜めないようにできる。

本発明の好ましい形態では、前記シャフトは、周面に軸方向に平行なシャフト溝を有し、前記シャフト溝に沿って前記センサ部が設けられている。
このような構成によって、センサ部の取付位置を容易に画定できる。

本発明の好ましい形態では、前記シャフト溝は、前記スクリューの内周面に設けられる篏合突起と、篏合し、前記センサ部は、前記シャフト溝と、前記篏合突起の間に配置される。このような構成によって、シャフトやスクリューの構造を生かして、光ファイバを確実かつ実用的に固定できる。

本発明の好ましい形態では、前記センサ部は、前記シャフトの端部で折り返されて配置される。このような構成によって、一本の光ファイバから得られるデータ量をさらに増やすことができる。

本発明の好ましい形態では、前記シャフトは、複数軸が平行に設けられ、少なくとも何れか一つのシャフトに前記センサ部が設けられる。これにより、複数軸でも簡便なセンシングを行うことができる。

本発明は、回転駆動する駆動部と、前記駆動部と接続するシャフトと、前記シャフトを覆いながら協働して回転するスクリューと、を備える押出機を計測する計測方法であって、光ファイバを含むセンサ部を、前記当接して配置する配置工程と、前記センサ部から得られる情報を処理する情報処理部によって、前記シャフトの状態を計測する計測工程と、を含む計測方法である。
これにより、使用中の押出機について様々な情報を簡便に取得できる。

本発明の好ましい形態では、前記計測工程は、前記情報処理部が前記シャフト全体にかかるトルクを算出するトルク算出工程を含み、前記トルク算出工程は、前記光ファイバのひずみ量からねじれ角を算出するねじれ角算出工程と、前記ねじれ角からトルクを算出するトルク分布算出工程を含む計測方法である。
このように光ファイバを利用することで、成形の結果物に影響を与えやすい押し出し機のシャフトのトルクを算出し、成形品質の向上につなげることができる。

本発明に好ましい形態では、前記センサ部は、前記シャフトの温度を測定し、前記トルク算出工程は、前記センサ部で得られた温度に基づき熱による前記シャフトの伸びを補正する熱ひずみ補正工程を含む。
これにより、樹脂の加熱による誤差を小さくして、融点が高い樹脂を使用しても補正してトルクの算出ができる。

本発明の好ましい形態では、前記センサ部は、前記押出機の内部圧力を計測する圧力計測器を有し、前記トルク算出工程は、前記光ファイバのひずみ量からねじれ角を算出するねじれ角算出工程と、前記シャフトの軸方向のひずみ量を補正する軸ひずみ補正工程を含み、前記軸ひずみ補正工程は、前記圧力計測器から得られる圧力に基づきひずみ量を補正する計測方法である。
このように軸方向のひずみを補正することで、実際の使用時にシャフトに圧力がかかった状態であっても、補正してトルクの算出ができる。

上記課題を解決する本発明は、使用中の押出機について様々な情報を簡便に取得できる計測装置及び計測方法を提供できる。

本発明の第一の実施形態に係る、押出機及び計測器の模式図である。 本発明の第一の実施形態に係る、シャフト部分の斜視模式図である。 本発明の第一の実施形態に係る、シャフト及びエレメントの説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る、シャフト及びエレメントの説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る、ジョイントの模式図である。 本発明の第二の実施形態に係る、押出機及び計測器の模式図である。 本発明の第三の実施形態に係る、シャフト及びエレメントの説明図である。 本発明の第三の実施形態に係る、シャフト及びエレメントの断面図である。 本発明の第三の実施形態に係る、計測工程の詳細を表すフローチャートである。

以下、図面を用いて、本発明の各実施形態に係る計測装置について説明する。説明は、実施形態の構成、実施の方法、他の実施例の順に詳述する。
なお、以下に示す実施形態は本発明の一例であり、本発明を以下の各実施形態に限定するものではない。また、出願書類中の「略」は、その後に続く形状に面取りや丸め加工がなされていること、また形状を構成する要素がその構成の目的を阻害しない範囲内で変形や長さ変更されているものを含むことを意味する概念である。

≪第一の実施形態≫
押出機１は筒状であって、内部のスクリューを回転させて内部の流動体Ｌを絞り出す機械である。流動体Ｌとしては、プラスチックやゴム、セラミック、アルミニウム、食品など、様々な材が想定される。また、成形の方法としては、押出成形、射出成形、ブロー成形など、様々な方法で利用されうる。

押出機１は、模式図である図１に示すように、回転駆動する駆動部１１と、駆動部１１の回転速度を調整する減速部１２と、駆動部１１の回転を受けて回転するシャフト１３と、シャフト１３と協働して回転する、流動体Ｌを移動させるためのスクリュー１４と、流動体Ｌを押出機１の内部の所定位置で保持するシリンダ１５と、を有する。

計測装置２は、押出機１の計測を行い、内部にある流動体Ｌの状態を推測するための装置である。
実施形態において、計測装置２は、光ファイバによってシャフト１３の状態を計測する光ファイバ計測器２Ａと、シリンダ１５に貫入して内圧を計測する圧力計測器２Ｂを備える。
光ファイバ計測器２Ａは、押出機１に設置される光ファイバであるセンサ部２１と、センサ部２１を制御するための制御部２２と、を有する。また、センサ部２１は、押出機１の端部において、ジョイント部２３を介して接続されている。また、計測装置２は、制御部２２や圧力計測器２Ｂから得られる情報を処理する情報処理部Ｃを有する。

駆動部１１は、回転駆動する駆動本体１１０と、駆動本体１１０に協働して回転する軸である駆動シャフト１１１と、を有する。駆動本体１１０は、例えばエンジンや電動モータが想定され、情報処理部Ｃによって回転数を調整できるようにすることが好ましい。

減速部１２は、駆動部１１から受けた回転動力を適切な回転速度及びトルクに調整するための部分であり、具体的には減速機である。減速部１２は、減速機構を内部に格納する減速筐体１２０と、駆動シャフト１１１の駆動を減速する減速歯車１２１と、シャフト１３を回転可能に挿通する挿通部１２２と、を有する。

減速歯車１２１は、駆動シャフト１１１の一部と噛み合う、駆動シャフト１１１よりも径が大きい歯車であり、回転中心においてシャフト１３と協働して回転可能に接続されている。なお、減速歯車１２１は連結して複数設けられていてもよい。

挿通部１２２は、減速筐体１２０一端面から他端面に掛けて挿通する孔部分であり、センサ部２１が全体を貫通するとともに、所定位置に軸受けが設けられてシャフト１３を回転可能に支持する。また、挿通部１２２の中途には減速歯車１２１が設けられるが、挿通部１２２は減速歯車１２１の中心を貫通する。

シャフト１３は、一端が減速筐体１２０の中に貫通する部材であって、減速歯車１２１の回転と共同して回転する。シャフト１３は、図２に示すように、軸状のシャフト本体１３０と、シャフト本体１３０の端部と接続する拡幅部１３１と、減速部１２の内部においてシャフト本体１３０を覆う被覆部１３２と、シャフト本体１３０において被覆部１３２と逆側の端部に、シャフト端部１３３を有する。

スクリュー１４は、図２に示すように複数のエレメント１４０に分割可能に設けられている。それぞれのエレメント１４０は、シャフト１３を内周面で篏合する篏合筒１４１と、篏合筒１４１の外周面に設けられ、回転によって流動体Ｌを移送するための羽１４２と、を有する。また、スクリュー１４の端部には、キャップ１４４が設けられている。

シリンダ１５は、内部にスクリュー１４が設けられる筒状のシリンダ本体１５０と、シリンダ本体１５０に流動体Ｌの原料を投入するためのホッパー１５１と、シリンダ本体１５０の端部に設けられ、流動体Ｌを排出する吐出口１５２と、を有する。また、シリンダ１５の外周面には、流動体Ｌの材料を溶かし、粘性を下げるためのヒーター１５３が複数配置される。

シャフト本体１３０は、スクリュー１４、拡幅部１３１及び被覆部１３２に内挿される細長い柱状部材である。シャフト本体１３０は、スクリュー１４に覆われる領域においては中実であり、拡幅部１３１ないし被覆部１３２に覆われる領域においては中空である。

シャフト本体１３０の外周面には等間隔に同一深さの複数のシャフト溝１３４が軸方向に伸びている。また、篏合筒１４１の内周面には等間隔に同一高さの複数の篏合突起１４３がシャフト溝１３４に対応して複数設けられている。これらのシャフト溝１３４と篏合突起１４３が嵌り合うことによって、シャフト本体１３０と協働してスクリュー１４が回転する。

ここで、図３（ａ）の断面図に示すように、シャフト溝１３４と篏合突起１４３の間には、センサ部２１が配置されている。すなわち、シャフト溝１３４の凹面と篏合突起１４３の凸面が、少なくともセンサ部２１の径よりも離れる凹み部Ｄを有する。なお、凹面とは溝の底にあたる面であり、凸面とは突起の頂端にあたる面を意味する。

凹み部Ｄは、センサ部２１を格納できればどのような構成でもよく、例えば図３（ｂ）に示すように、篏合突起１４３の一部を、軸方向の全体に渡り削って設けられていてもよく、図３（ｃ）に示すようにシャフト溝１３４の凹面をさらに軸方向の全体に渡って削って設けられていてもよい。このように凹み部Ｄを設けることで、押出機１にセンサ部２１を付加的に設置できる。

また、シャフト本体１３０の側面には、図４（ａ）に示すように中空の部分に向けて貫通する孔が設けられている。凹み部Ｄに配置されたセンサ部２１は、この孔を通ってシャフト本体１３０の中空部分を挿通する。
なお、図４（ａ）は、シャフト１３及びエレメント１４０の軸方向の断面図であり、図４（ｂ）はエレメント１４０の一部を断面で表したシャフト１３の斜視模式図である。

凹み部Ｄは、押出機１に一つ以上設けられているが、好ましくは２以上設けられており、シャフト本体１３０の端部において折り返して配置できるようにしてもよい。実施形態では２の凹み部Ｄが相対して設けられている。

拡幅部１３１は、シャフト本体１３０の一端に設けられる部分であり、径がシャフト本体１３０よりも、少なくとも篏合筒１４１の厚み分大きく設けられている。これにより、エレメント１４０をシャフト本体１３０の奥まで挿入して、所定位置で当接して固定できる。

被覆部１３２は、内周面でキーＫを介してシャフト本体１３０と接続し、シャフト本体１３０と協働して回転する。また、被覆部１３２は、シャフト本体１３０を減速部１２の内部で保護する。すなわち、被覆部１３２は、外周面で軸受けと当接し、減速歯車１２１と接続して動力をシャフト本体１３０に伝達する。

また、拡幅部１３１及び被覆部１３２は筒型であり、シャフト本体１３０を内挿する。内挿する部分において、拡幅部１３１及び被覆部１３２の内径はシャフト本体１３０の外径よりも小さく、間にセンサ部２１が配置される。

シャフト端部１３３は、シャフト溝１３４の凹面よりも、少なくともセンサ部２１の径だけ小さい径に設けられている。これにより、センサ部２１をシャフト端部１３３上に設けてもセンサ部２１とスクリュー１４との干渉を防ぐ。

エレメント１４０は、複数がシャフト本体１３０に篏合するように分割して設けられている。これにより、流動体Ｌの性状に応じた任意のエレメントを適宜選択・交換できるようにしている。センサ部２１をシャフト本体１３０に配置することによって、エレメント１４０を変更してもセンサ部２１が動ないため、エレメント１４０の変更で計測結果がどのように変化するかを精度よく見られる。

篏合筒１４１の内径は、少なくともシャフト本体１３０が露出する部分の径よりも大きく設けられ、篏合突起１４３によってシャフト本体１３０と嵌め合うようにしている。

羽１４２は、篏合筒１４１の外周面において、らせん状に連続して設けられている板状の部材であって、回転することによって流動体Ｌを吐出口１５２に誘導する。エレメント１４０を交換することで、羽１４２の同士の距離やらせんの角度、表面の摩擦等を任意に変更できる。なお、スクリュー１４の形状として羽１４２が連続して設けられているものの他に、後述するミキシングセクション１４６を取り付けたものとしてもよい。

また、シャフト本体１３０の端部には、篏合筒１４１を有するエレメントの代わりに、キャップ１４４が設けられる。キャップ１４４はエレメント１４０の内周と略同一径の円柱部分を有し、ここが隣接するエレメント１４０を篏合する。

シリンダ本体１５０は筒状の部材であって、内径が羽１４２の外周縁の径と略同一か少し大きくなるように設けられていることで、流動体Ｌを移送する効率を高めている。

ホッパー１５１は、シリンダ本体１５０の上流側に設けられ、重力によって流動体Ｌの材料をシリンダ本体１５０の内部に適宜投入する漏斗状の部材である。ホッパー１５１の上端は拡幅して材料を入れやすくしてあり、下端はシリンダ本体１５０の内部に貫入する。ホッパー１５１の直下には羽１４２が位置し、投入される材料がそのまま移送される。ホッパー１５１からの材料の投入量は、情報処理部Ｃによって制御できることが好ましい。

吐出口１５２は、シリンダ本体１５０の下流側の端部に設けられ、端部に向けて窄まるように設けられている。また、型やブロー装置など各種の成形装置と接続可能としており、ここから放出された流動体Ｌを成形できるようにしている。吐出口１５２は、シリンダ本体１５０から分離可能に設けられている。

ヒーター１５３は、シリンダ本体１５０の外周面に設けられる加熱装置であって、各々の加熱強度を調整することによって、シリンダ本体１５０内部の流動体Ｌを加熱して、粘性等の性状を調整できるようにしている。ヒーター１５３の温度は、情報処理部Ｃによって制御できることが好ましい。

センサ部２１は、一本の光ファイバであり、長手方向は少なくともシャフト本体１３０よりも長い。センサ部２１は、被覆部１３２に覆われる領域においては中空の部分に位置しており、シャフト本体１３０の外周面（凹み部Ｄ）において軸方向に沿って配置されている。

実施形態において、センサ部２１は、シャフト端部１３３で折り返されて設けられている。詳述すると、凹み部Ｄのキャップ側の端部から出たセンサ部２１は、シャフト端部１３３において内部の光の全反射を阻害しない曲率半径で屈曲し、出てきた凹み部Ｄと異なる凹み部Ｄに挿入され、ここにおいてもシャフト１３に配置される。これにより、シャフト１３の測定点が増え、より詳細な計測データを得ることができる。なお、より詳細な計測データを得るため、２つの凹み部Ｄは断面視で対称位置に設けられることが好ましい。また、センサ部２１はシャフト端部１３３においても接着されていることが好ましい。

なお、実施形態においてセンサ部２１の折り返しはシャフト端部１３３で一回のみされているが、拡幅部１３１や被覆部１３２において再度折り返しがされ、さらに計測対象のデータ量を増やしてもよい。この際、センサ部２１が設けられる３以上の凹み部Ｄは断面視で点対称になるようにして、解析を容易にしている。

ひずみを計測する部分において、センサ部２１の光ファイバは、凹み部Ｄにおいて、シャフト本体１３０と軸方向の全体に渡り接着剤によって接着されており、シャフト本体１３０の伸び縮みに伴って光ファイバも伸縮するようにしている。

温度を計測する部分において、センサ部２１の光ファイバは、保護管によって覆われている。この保護管は、凹み部Ｄにおいて、シャフト本体１３０と軸方向に沿って接着されており、内挿された光ファイバが熱によって伸縮できるように保持する。

センサ部２１の光ファイバは、シャフト本体１３０の一端から他端までの領域では直接接着され、折り返して設けられた他端から一端までの領域では保護管に内挿されていることにより、一のセンサ部２１で温度とひずみを同時に測定できる。

また、実施形態においてセンサ部２１の光ファイバは、コーティングされていることで、耐久性・耐熱性を向上させている。このコーティングとしては、ポリエチレンやポリイミドなどのプラスチックの他、カーボン、金などが想定される。

ここにおいて、センサ部２１に用いる光ファイバの所定位置と特定波長ごとに反射される固有の散乱光の強度の関係を予め計測し、その特定波長のシフト量を計測することで所定位置のひずみや温度を測定することができる。
また、センサ部２１の複数の位置において、所定波長に対応するＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）が書き込まれ、その点を主にセンシングする方式であってもよい。これにより、特定個所におけるシャフト１３の状態をより精確に把握できる。また、ＦＢＧが圧力計測器２Ｂに対応する位置に書きこまれていれば、内圧と関連付けて押出機１の状態を精確に把握することができる。

制御部２２は、センサ部２１に光信号を送る光源２２１と、光源２２１の光を分岐させる分光器２２２と、センサ部２１から得られる散乱光を計測する計測器２２３と、を備える。

光源２２１は、分光器２２２を介して所定波長の光をセンサ部２１の内部に発射する部品であり、情報処理部Ｃから送信される信号に従って動作する。光源２２１としては、発光ダイオードや、レーザーダイオードが想定され、任意の波長を放射できることが好ましい。

分光器２２２は、光源２２１から放射される光を分岐させる部分であり、分岐させた一の光を計測器２２３に向けて屈曲させ、他の光をセンサ部２１に向けて屈曲させる。

計測器２２３は、光を検出・計測する部品であって、少なくとも波長ごとの強度を定量的に計測できるようにしている。実施形態において、分光器２２２によって直接分岐された参照光と、センサ部２１から散乱されて返ってきた測定光を比較して測定データを得る。このデータは適宜、情報処理部Ｃに送信されるようにしている。

計測器２２３は、測定光のレイリー散乱、ブリルアン散乱又はラマン散乱を主に計測し、情報処理部Ｃはこれに基づきセンサ部２１の所定位置における振動、ひずみ、温度等を計測する。例えば、レイリー散乱の波長シフト量を介してセンサ部２１の伸縮の計測することで、シャフト本体１３０のひずみや温度を測定する。情報処理部Ｃは、これらのデータに基づき、シャフト１３の曲げや、負荷を算出できるようにしてもよい。

ジョイント部２３は、図６に示すように光ファイバを回転可能に接続する部材であって、センサ部２１の中途にコネクタを介して接続している。ジョイント部２３は、ロータリージョイント２３１と、ロータリージョイント２３１を制御部２２の側で固定する固定治具２３２と、を有する。コネクタの一部は減速筐体１２０の内部に貫入していてもよい。

ロータリージョイント２３１は、減速筐体１２０の外側に設けられ、減速部１２側に設けられる第一部分２３１ａが、制御部２２側に設けられる第二部分２３１ｂに対して回転可能に接続している。ロータリージョイント２３１の内部には光ファイバが通っており、回転しても光ファイバの接続が遮断しないようにしている。

固定治具２３２は、第二部分２３１ｂが回転しないように固定する治具である。この治具は、減速部１２や、固定台に回転不能に接続されており、制御部２２にシャフト１３の回転が伝達されないようにしている。

圧力計測器２Ｂは、シリンダ本体１５０の上側に設けられており、側面を貫通して内部を流れる流動体Ｌの圧力を計測できるようにしている。また、圧力計測器２Ｂから得られた情報は情報処理部Ｃに送信される。

圧力計測器２Ｂは、シリンダ本体１５０の上に等間隔に配置されている。また、図１に示すように、スクリュー１４の先端部分に近接して配置されている先端圧力計測器２Ｂ’を含む。先端圧力計測器２Ｂ’は、吐出口１５２を貫通して設けられている。これにより、実際に樹脂が吐出される部分ないしスクリュー１４に係る圧力を計測する。

情報処理部Ｃは、パソコン、タブレット、スマートフォンなどの電子機器であって、ハードウェア構成として、処理部Ｃ１と、記憶部Ｃ２と、通信部Ｃ３と、入力部Ｃ４と、出力部Ｃ５とを備える。処理部Ｃ１は、ＣＰＵ等の１又は２以上のプロセッサを含み、プログラムその他のアプリケーションを実行することで、制御部２２を含めた動作処理全体を制御する。記憶部Ｃ２は、ＨＤＤ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等であって、プログラムで利用される種々のデータを記憶する。通信部Ｃ３は、駆動部１１、ホッパー１５１、ヒーター１５３、制御部２２及び圧力計測器２Ｂとの通信制御を実行して、押出機１や制御部２２をはじめとする計測装置２を動作させるために必要な入力や、計測結果に係る出力を行う。

入力部Ｃ４は、タッチパネル、マウス及びキーボード等であって、利用者による操作要求を処理部Ｃ１に入力する。入力部Ｃ４は、少なくとも駆動部１１、ホッパー１５１、ヒーター１５３、制御部２２、を操作できるように、処理部Ｃ１に制御信号を送らせる。出力部Ｃ５は、ディスプレイ等であって、処理部Ｃ１において表示処理された結果等を表示する。

以下、図１～図５を用いて、本発明の実施の方法について詳述する。本発明は、計測装置２を使用する使用者によって実施される。また、以下に示す実施の方法は一例であり、実施の方法はこれに限られず、順番は前後してもよい。

まず、使用者は、シャフト溝１３４にセンサ部２１が適切に配置されているかを確認し適切でなければ修正する（配置工程）、その後、シャフト本体１３０に任意の組合せのエレメント１４０を複数嵌め込む。このとき、センサ部２１と凹み部Ｄとを対応させるように注意する。エレメント１４０をシャフト本体１３０の終端付近まで貫入し終えたら、キャップ１４４を終端のエレメント１４０に嵌め込み、シャフト本体１３０の全体を被覆する。

次に使用者は、吐出口１５２に種々の成形装置を設置し、ホッパー１５１に流動体Ｌの材料を投入する。その後使用者は、入力部Ｃ４によって、各種部品を制御するパラメータを設定し、処理部Ｃ１によって押出機１及び計測装置２を動かし、成形を開始する。（動作工程）

使用者が光源２２１を動作させると、センサ部２１に光が通り、散乱光が反射さることで計測器２２３によってシャフトの状態が計測される（計測工程）。計測された情報は通信部Ｃ３を介して処理部Ｃ１や記憶部Ｃ２で処理され、使用者に見やすい形で出力部Ｃ５に表示される。この出力部Ｃ５への表示は、圧力計測器２Ｂで得られた情報や、現在の駆動部１１、ホッパー１５１及びヒーター１５３の稼働状況を同時に表示するとよい。

以上によって、使用者は、出来のいい成形品と計測装置２によって得られた情報を関連付けて考えることができる。即ち、使用者は使用中の押出機１について様々な情報を簡便に取得できる計測装置及び計測方法を提供することができる。

《第二の実施形態》
以下、図６を用いて本発明の第二の実施形態に係る計測装置２について詳述する。第一の実施形態と同様の構成については同様の符号を用いて説明を省略する。実施形態において、シャフト１３は第一シャフト１３Ａと第二シャフト１３Ｂの二本設けられ、それぞれに第一エレメント１４Ａ及び第二エレメント１４Ｂが篏合している。計測装置２は第一の実施形態と同様の仕様であるため説明を省略する。

図６は、本実施形態に係る水平断面図である。押出機１は、駆動部１１と、減速部１２と、第一シャフト１３Ａと、第二シャフト１３Ｂと、を備える。減速部１２は、減速歯車１２１と挿通部１２２を有し、減速歯車１２１は第一シャフト１３Ａと接続し、挿通部１２２は第一シャフト１３Ａを挿入可能に設けられている。また、第一シャフト１３Ａと第二シャフト１３Ｂは、互いに平行に設けられ、同一の速度で回転できるように減速筐体１２０の内部で等速歯車１２３によって接続されている。

第一シャフト１３Ａには、第一エレメント１４Ａが挿入され、第二シャフト１３Ｂには第二エレメント１４Ｂが挿入され、それぞれのエレメント１４０がシャフト１３と協働して回転する。それぞれのエレメント１４０の羽１４２は、互いに重複しないように同一方向に向けて回転することで、圧送の効率をさらに高められる。

第一エレメント１４Ａと第二エレメント１４Ｂは、羽１４２が設けられた篏合筒１４１以外にも、互いに干渉しないように軸に対して径を一部大きくした混錬部１４５を有する。これにより、流動体Ｌの材料を混錬させながら圧送できる。

ここで、第一シャフト１３Ａ及び第一エレメント１４Ａには、先の実施形態で述べたシャフト１３と同様にして、凹み部Ｄが設けられ、ここにおいてセンサ部２１が配置される。一方、第二シャフト１３Ｂには、センサ部２１を設けない。これにより、センサ部２１の干渉を発生させないで、拡張を容易にできる。

使用者は第一の実施形態と同様に情報処理部Ｃを操作することで、第一シャフト１３Ａについて計測を行い、出来のいい成形品を模索する。

なお、第二の実施形態では、２本のシャフトの実施例を示したが、３本以上の複数軸のシャフトを用いてもよい。この場合も、中心に位置するシャフトのみにセンサ部２１が設けられれば十分である。

また、吐出口１５２の側からセンサ部２１を出して、ジョイント部２３を介して制御部２２と接続する方式にしてもよい。

《第３の実施形態》
以下、図７～図９を用いて本発明の第三の実施形態に係る計測装置２について詳述する。第一の実施形態と同様の構成については同様の符号を用いて説明を省略する。なお、図７では、スクリュー１４を取り付けたシャフト１３を表しその他の部分は省略している。また、図８は、シャフト１３の先端付近の径方向断面図である。
押出機１は、駆動部１１と、減速部１２と、シャフト１３と、スクリュー１４と、を備えている。計測装置２は、センサ部２１を含む光ファイバ計測器２Ａと、シリンダ１５に貫入して内圧を計測する圧力計測器２Ｂを備える。

シャフト１３は、減速歯車１２１の回転と共同して回転し、シャフト本体１３０と、拡幅部１３１と、被覆部１３２と、シャフト端部１３３とを有する。シャフト本体１３０の外周面には複数のシャフト溝１３４が軸方向に伸びており、このシャフト溝１３４の所定位置に凹み部Ｄが設けられている。

実施形態において、凹み部Ｄは４つ設けられ、それぞれ第一の凹み部Ｄ１と、第一の凹み部Ｄ１から離れて設けられる第二の凹み部Ｄ２と、第二の凹み部Ｄ２に対して第一の凹み部Ｄ１から離れた側に設けられる第三の凹み部Ｄ３と、第一の凹み部Ｄ１と第三の凹み部Ｄ３の間に設けられる第四の凹み部Ｄ４と、を有する。このうち、第一の凹み部Ｄ１と第三の凹み部Ｄ３は相対し、第二の凹み部Ｄ２と第四の凹み部Ｄ４とは相対し、それぞれ断面視で同一直線上に設けられる。この凹み部Ｄには、光ファイバであるセンサ部２１が配置され、ひずみ及び温度をそれぞれ計測する。

スクリュー１４は、複数のエレメント１４０に分割可能に設けられ、それぞれのエレメント１４０は、篏合筒１４１と、羽１４２と、を有する。また、スクリュー１４の端部には、キャップ１４４が設けられている。
図７（ａ）に示すように、シャフト本体１３０の基部に近い位置では篏合筒１４１に対する羽１４２の径が大きいエレメント１４０が選択されることで、加圧・混錬の性能を高めることができる。また、シャフト本体１３０の端部に近い位置では、篏合筒１４１に対する羽１４２の径が小さいものを用いることで、容積に対してシリンダ本体１５０に接する表面積を大きくして材料の融解の効率を高めている。実施形態では、篏合筒１４１の径が小さいエレメントの組と、篏合筒１４１の径が大きいエレメントの組との間に、篏合筒１４１が徐々に大きくなるエレメントが設けられる構成であるが、羽１４２の径が、端部に向けて徐々に小さくなるようにエレメント１４０を選択してもよい。
また、図７（ｂ）に示すように、シャフト本体１３０の先端に近い位置においては、羽１４２の代わりに、径断面当たりの突起の数がより多いミキシングセクション１４６を設けたエレメントを設けることで、より混錬性能を高めてもよい。

センサ部２１は、一本の光ファイバであり、長手方向は少なくともシャフト本体１３０よりも長い。実施形態においては３回折り返して設けられ、少なくともシャフト本体１３０の長さの４倍以上の長さに設けられている。

センサ部２１は凹み部Ｄに沿って、折り返されて配置されている。詳述すると、センサ部２１は基部から第一の凹み部Ｄ１に配置され、次に、端部で折り返されて第二の凹み部Ｄ２に配置され、その後、基部で折り返されて第三の凹み部Ｄ３に配置され、さらに、端部で折り返されて第四の凹み部Ｄ４に配置される。また、センサ部２１は、第一の凹み部Ｄ１及び第三の凹み部Ｄ３においてシャフト本体１３０のひずみを測定し、第二の凹み部Ｄ２及び第四の凹み部Ｄ４において温度を計測するように設けられている。このセンサ部２１によって、シャフト１３における温度とひずみの情報を得ることができる。
このように、センサ部２１が折り返され隣接する凹み部Ｄに順々に配置されることで、センサ部２１が交差しないようにしている。また、回転する凹み部Ｄにおいて、相対する位置で同じ事項を計測することで、シャフト１３における平均的な情報を取得しやすくしている。
一方、測定の対象は上記に限られず、適宜測定の対象を変更してもよい。例えば、全ての位置において温度を計測するようにしてもよく、全ての位置においてひずみを計測するようにしてもよい。

実施形態では、計測装置２として複数の温度計測器（熱電対）がさらに設けられ、温度計測器から得られた情報は情報処理部Ｃに送信される構成としている。詳述すると、圧力計測器２Ｂと同様にシリンダ本体１５０を貫通して押出機１の内部の温度を直接計測する温度計測器と、ヒーター１５３の間に設けられ、シリンダ本体１５０の外周の温度を測定する温度計測器を有し、樹脂の温度やヒーター１５３の加熱温度を把握し、温度の補正ができるようにしている。なお前者の温度測定器は、圧力計測器２Ｂに一体に組み込まれていることが好ましい。これらの計測装置２によって、押し出し機内部の圧力や温度の情報、シリンダ外部の温度の情報を得る。

以下に図９を用いて、計測工程において、実施形態の計測装置２から得られたデータを用いて、情報処理部Ｃが押出機１のトルクを算出する方法について、詳述する。なお、図９中の動作工程は、計測工程に含まれない。

情報処理部Ｃは、機能手段として、計測装置２によって計測された計測結果を記録する記録手段と、記録手段において記録された情報を処理してトルクを算出するための計算手段と、使用者が操作入力を行う種々の画面を表示処理し、表示処理結果を出力部Ｃ５に表示する表示手段と、備える。ここで記録手段は少なくとも記憶部Ｃ２を含み、計算手段は処理部Ｃ１を含む。これらの手段によって、記憶部Ｃ２に記憶されているソフトウェアによるトルクの算出に係る処理が、ハードウェアである情報処理部Ｃによって具体的に実現される。

記憶部Ｃ２は、種々の情報を格納する。具体的には、光ファイバ計測器２Ａによって得られる、温度やひずみに関わる情報、圧力計測器２Ｂによって得られる圧力の情報、温度計測器によって得られる温度の情報及びこれらを処理した情報を、通信部Ｃ３を介して受け付け、データベース内に格納する。これらの情報は、計測日時のタイムスタンプと同時に格納される。また、記憶部Ｃ２は、シャフト１３の径や長さの情報や各種の係数を、入力部Ｃ４を介して変更可能に格納される。

計算手段は、記録手段において記録された情報を処理してシャフトのトルクを算出する。ここで、トルクとは、スクリュー１４を含むシャフト１３全体に係るトルクを意味する。表示手段は、算出されたトルクの情報を表示処理し、表示処理結果を、通信部Ｃ３を介して出力部Ｃ５に出力する。

以下、情報処理部Ｃを用いた各機能手段要素による処理内容について説明する。図８は、計測装置２によって得られた情報を記憶部Ｃ２に格納してから出力部Ｃ５において表示がなされるまでの手順を表したフローチャートである。

事前情報記録工程として、使用する押出機１の情報（例えばシャフト１３の長さ、幅等）や、押出機に使用される材料に係る係数（例えば線膨張係数、ヤング率、横弾性係数）を記憶部Ｃ２（手段）に記録する。事前情報記録工程を行った後に動作工程を行う。

次に、情報取得工程として、処理部Ｃ１は、計測装置２から得られた情報を処理して、シャフト１３内部の温度情報及びひずみに関する情報、押し出し機内部の圧力や温度の情報、シリンダ外部の温度の情報をタイムスタンプと共に記録手段に記録する。

次に、計算手段は、トルク算出工程として、略同じ時間に計測されたデータを利用して、計算手段によってトルクを算出する。計測されたデータは必要に応じて、複数の時間で得られたデータを平均して用いてもよく、複数の計測点で得られたデータを平均して用いてもよい。例えば、１０秒間で得られたデータの平均値を一つの測定点の値として用いてもよく、隣接する複数点のデータの平均値を一つの測定点の値として扱ってもよい。

まず、計算手段は、熱ひずみ補正工程として、熱によるシャフト１３内部の伸びを補正して、熱の影響の無い各測定点のひずみ値を計算し、記録手段に格納する。この補正は、記憶部Ｃ２に記録されたシャフト１３各点における内部の温度に、事前情報として記録された所定の関係式を適用することで、各点における線膨張係数倍率を求め、これを各点で計測されたシャフト１３内部のひずみにかけ合わせることによって行う。これによって、押出器内部の温度による変動の影響を除去できる。なお、温度測定に当たっては、温度測定器の情報を併せて用いてもよい。

次に、計算手段は、軸ひずみ補正工程として、軸方向圧力によるシャフト１３内部の圧縮を補正して、軸方向圧力の影響の無い各測定点のひずみ値を計算し、記録手段に格納する。この補正は、先端圧力計測器２Ｂ’から得られる圧力をシャフト１３の軸方向に係る応力とみなし、篏合筒１４１の断面積とヤング率から、所定領域における圧縮の量を算出し、この圧縮量を打ち消すように、熱ひずみ補正工程で得られたシャフト１３内部各点のひずみに加算する。特に本実施形態のようにシャフト１３の断面積が位置によって異なる場合は、この補正を行うことで、得られるデータの確度を高められる。

次に計算手段は、伸び量算出工程として、補正されたシャフト１３内部における各点のひずみを基に、光ファイバの伸び量を算出して記録手段に格納する。即ち、駆動部１１側の側端部におけるシャフト１３の伸び量をゼロとして、各点で得られたひずみ量を積算することによって、シャフト１３の長さ方向各位置における光ファイバの伸び量を計算する。

次に計算手段は、ねじれ角算出工程として、長さ方向各位置における光ファイバの伸び量を基に、各位置におけるねじれ角を算出して記録手段に格納する。実施形態では、光ファイバが伸びた分、光ファイバが軸に対して傾いたと仮定して、各位置における光ファイバの伸び量を駆動部１１側の側端部からの距離で除した値を、その位置におけるねじれ角と近似して算出する。

次に計算手段は、比ねじれ角算出工程として、光ファイバを単位長さ毎に分割し、各位置における比ねじれ角を算出して記録手段に格納する。比ねじれ角は、単位長さに分割した両端の点における、ねじれ角の差を取ることで算出できる。なお、実施形態で単位長さは計測値の分解能と等しい０．６５ｍｍとしているが、より長くしてもよい。

次に計算手段は、トルク分布算出工程として、各位置におけるトルクを算出して記録手段に格納する。各位置におけるトルクＴは、材料の横弾性係数、算出位置におけるシャフト本体１３０の平均直径、ねじれ角を用いて算出する。具体的には、円周率、平均直径の４乗、横弾性係数及びねじれ角を乗算し、３２で除算することで得られる。

次に計算手段は、積算トルク算出工程として、各位置におけるトルクを積算してシャフト１３全体のトルクを求め、記録手段に格納する。これにより、シャフト全体に係るトルクを算出することができる。

最後に、表示手段は表示工程として、記録手段に格納されたトルクの値を表示処理し、出力部Ｃ５に表示処理結果を送信する。これにより、使用者はシャフト全体に係るトルクの計測結果を確認し、これに応じて押出機１の制御を変更できる。また計測工程においては、計測終了まで上述のトルク算出工程を繰り返し行うことで、逐次変化を計測できるようにしている。

なお、処理部Ｃ１は、得られたトルクに基づき、駆動部１１、ヒーター１５３の出力やホッパー１５１の開閉度を調整するフィードバック制御信号を発してもよい。これにより、トルクを常に一定にすることで、押出機１の生産の安定性を高め、品質のばらつきを抑制することができる。
また、上記によって得られたトルクから溶融樹脂の練り度合を算出し、適切なエレメント１４０を設定、設計を行うこともできる。これにより、品質の高い成形品を迅速に生産することができる。

１ 押出機
１１ 駆動部
１１０ 駆動本体
１１１ 駆動シャフト
１２ 減速部
１２０ 減速筐体
１２１ 減速歯車
１２２ 挿通部
１２３ 等速歯車
１３ シャフト
１３０ シャフト本体
１３１ 拡幅部
１３２ 被覆部
１３３ シャフト端部
１３４ シャフト溝
１３Ａ 第一シャフト
１３Ｂ 第二シャフト
１４ スクリュー
１４０ エレメント
１４１ 篏合筒
１４２ 羽
１４３ 篏合突起
１４４ キャップ
１４５ 混錬部
１４６ ミキシングセクション
１４Ａ 第一エレメント
１４Ｂ 第二エレメント
１５ シリンダ
１５０ シリンダ本体
１５１ ホッパー
１５２ 吐出口
１５３ ヒーター
２ 計測装置
２Ａ 光ファイバ計測器
２１ センサ部
２２ 制御部
２２１ 光源
２２２ 分光器
２２３ 計測器
２３ ジョイント部
２３１ ロータリージョイント
２３２ 固定治具
２Ｂ 圧力計測器
Ｄ 凹み部
Ｃ 情報処理部
Ｃ１ 処理部
Ｃ２ 記憶部
Ｃ３ 通信部
Ｃ４ 入力部
Ｃ５ 出力部
Ｌ 流動体

Claims (11)

1. 回転駆動する駆動部と、前記駆動部と接続するシャフトと、前記シャフトと協働して回転するスクリューと、を備える押出機に設けられる計測装置であって、
   光ファイバを含むセンサ部と、前記センサ部を制御する制御部と、を有し、
   前記センサ部は、前記シャフトと当接して配置される計測装置。
2. 前記センサ部と、前記制御部とは、ロータリージョイントを介して接続する請求項１に記載の計測装置。
3. 前記シャフトは、周面に軸方向に平行なシャフト溝を有し、
   前記シャフト溝に沿って前記センサ部が設けられている請求項１に記載の計測装置。
4. 前記シャフト溝は、前記スクリューの内周面に設けられる篏合突起と、篏合し、
   前記センサ部は、前記シャフト溝と、前記篏合突起の間に配置される請求項３に記載の計測装置。
5. 前記センサ部は、前記シャフトの端部で折り返されて配置される請求項１に記載の計測装置。
6. 前記シャフトは、複数軸が平行に設けられ、
   少なくとも何れか一つのシャフトに前記センサ部が設けられる請求項１から５のいずれか一項に記載の計測装置。
7. 回転駆動する駆動部と、前記駆動部と接続するシャフトと、前記シャフトを覆いながら協働して回転するスクリューと、を備え、光ファイバを含むセンサ部と、前記センサ部を制御する制御部と、を有し、
   前記センサ部は、前記シャフトと当接して配置さる押出機を計測する計測方法であって、
   前記センサ部から得られる情報を処理する情報処理部によって、前記シャフトの状態を計測する計測工程を含む計測方法。
8. 前記計測工程は、前記情報処理部が前記シャフト全体にかかるトルクを算出するトルク算出工程を含む請求項７に記載の計測方法。
9. 前記トルク算出工程は、前記光ファイバのひずみ量からねじれ角を算出するねじれ角算出工程と、前記ねじれ角からトルクを算出するトルク分布算出工程を含む、請求項８に記載の計測方法。
10. 前記センサ部は、前記シャフトの温度を測定し、
    前記トルク算出工程は、前記センサ部で得られた温度に基づき熱による前記シャフトの伸びを補正する熱ひずみ補正工程を含む請求項９に記載の計測方法。
11. 前記センサ部は、前記押出機の内部圧力を計測する圧力計測器を有し、
    前記トルク算出工程は、前記シャフトの軸方向のひずみ量を補正する軸ひずみ補正工程を含み、
    前記軸ひずみ補正工程は、前記圧力計測器から得られる圧力に基づきひずみ量を補正する請求項９に記載の計測方法。