JP4710510B2

JP4710510B2 - 配向計

Info

Publication number: JP4710510B2
Application number: JP2005275484A
Authority: JP
Inventors: 祐彦大日方
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP2007085908A

Description

本発明は、フィルタシートの分子又は紙の繊維の配向特性を光学的に非接触測定する配向計に関し、高速度・高精度化を図った配向計に関する。

配向計は、紙の繊維配向をはじめ、プラスチックフィルタシートに代表される分子配向や、強化プラスチック中に配合された繊維状のフィラーやその他フィラーによる混合具合を含む配向性、更には液晶フィルタ製造過程のラビング処理により生じる配向特性等を測定する装置である。配向を測定する手段には、超音波、誘電率、マイクロ波、透過光、反射光、顕微鏡、等々様々な測定方法が取られている。

紙の繊維配向を光学的に非接触測定する繊維配向計に関する先行技術としては、例えば下記のようなものがある。

特開平１１−２６９７９０号公報

図４は上記特許文献1に記載された繊維配向計の断面図（ａ）、及び底面図（ｂ）である。図４（ａ）において、光源１１１は、被測定対象物１１２に対してほぼ鉛直に設置されたＬＥＤやレーザー等で、集光レンズ１１３を用いて光源１１１から放射される光を被測定対象物１１２に集光する。
受光素子１１４は、光源１１１を中心として例えば８〜１２個設けられた受光ダイオードで、被測定対象物１１２からの反射光を受光して電気信号に変換するもので、例えば光軸となす反射角度θを５５度程度に選定して配向方向を測定する。

受光素子保持部１１５は、リング形状の鍔部１１６と、各受光素子毎に設けられた受光素子装着穴１１７と、集光レンズ１１３を保持するレンズ装着穴１１８を有している。光源保持部１１９は、レンズ装着穴１１８と同心円状に受光素子保持部１１５に固定されるもので、光源１１１が所定の姿勢で保持される。

図４（ｂ）は、受光素子保持部１１５の底面図である。ここでは、鍔部１１６の一部を切り欠いて位置決め部１２０を形成し筐体（図示せず）に対する受光素子保持部１１５の取付け角度を一義的に定めている。受光素子装着穴１１７は、ここでは１２個設けられており、受光素子固定穴１２２が一対一に設けられている。上部外周部１２３は、レンズ装着穴１１８と同心円状に設けられた円筒部で、光源保持部１１９が固定される。

上述の構成において、光源１１１から被測定対象物１１２に光を照射し、被測定対象物１１２で反射した光を光源１１１からの照射光軸に対して沿面に配した受光素子１１４を用いて反射光の分布を測定する。
図５は信号の流れを示すもので、受光素子１１４で電気信号に変換された信号は素子信号１３０としてＡ／Ｄ変換器１３１に入力され、分布測定手段１３２により光の分布測定が行われた後、配向演算手段１３３により配向方向が演算されて測定値１３４が出力される。

ところで、このような構成の配向計においては、分子配向は、光導波により反射／拡散した光の強度分布として求められるが、シート面に対して受光素子と発光素子を同じ側に持つ場合には、光導波性の小さい被測定物では感度が上がりにくいという欠点があった。

また、共押し出しやラミネートフィルムの様にフィルタ内部の光の屈折率が異なる場合には、表層の状態と中間層／裏面層の影響が分り難いという欠点があった。
更に、透過式として沿面に配置した発光素子から斜め方向に照射された光をシートを挟んで対向する沿面に配置した受光素子で測定する場合、フィルタの屈折率に応じて受光側の信号強度が変化し、Ｓ／Ｎを安定化し難いという欠点があった。

従って本発明が解決しようとする課題は、
１）分子配向を透過光により求めることで、共押し出しやラミネートフィルムの全層に渡る配向状態を得易くすること。
２）透過光による測定であってもＳ／Ｎを劣化させずに測定ができるようにすること。
３)薄膜などのように反射側への光導波性の小さな被測定対象物でも配向特性の測定ができるようにすること。
が可能な配向計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
円周上に等間隔に配置された複数の受光素子と該受光素子と被測定対象物を挟んで配置された光源からなり、該光源は受光素子が並ぶ円の中心軸上付近に配置され、光源から照射され被測定対象物を透過した透過光を受光素子で受光するように構成された配向計において、
複数の受光素子の個体差を記憶する記憶手段を有し、校正に際しては発光素子と複数の受光素子の間に、これら発光素子と受光素子の間で中心軸に沿って移動可能とした拡散板を配置し、該拡散板を透過して拡散された光を複数の受光素子で受光し、該受光素子の個体差を記憶手段に記憶し、測定に際しては記憶手段に記憶された受光素子の個体差に基づいて配向の演算をおこなうことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１に記載の配向計において、
拡散板としてレンズユニットを用いたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載の配向計において、
受光素子は半導体フォトディテクタ、光源はＬＥＤ或いは、円偏光レーザダイオードであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１に記載の配向計において、
被測定対象物を挟んで対向して配置された光源と受光素子は光源が下側になるように配置したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１または３乃至５のいずれかに記載の配向計において、
光源は赤外線を含んだ光源とし、受光素子は赤外線透過フィルタを透過した光を受光するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば次のような効果がある。請求項１記載の配向計によれば、
円周上に等間隔に配置された複数の受光素子と該受光素子と被測定対象物を挟んで配置された光源からなり、該光源は受光素子が並ぶ円の中心軸上付近に配置され、光源から照射され被測定対象物を透過した透過光を受光素子で受光するように構成された配向計において、
複数の受光素子の個体差を記憶する記憶手段を有し、校正に際しては発光素子と複数の受光素子の間に拡散板を配置して該拡散板を透過して拡散された光を複数の受光素子で受光し、該受光素子の個体差を記憶手段に記憶し、測定に際しては記憶手段に記憶された受光素子の個体差に基づいて配向の演算をおこなうので、共押し出しやラミネートフィルムの全層に渡る配向状態を得易くなり、また、薄膜等で反射側に導波される光が少ない場合でも透過光による測定であるためＳ／Ｎを劣化させずに測定ができ、拡散光の広がりを調整することができ、正確な配向測定が可能となる。

請求項２記載の配向計によれば、
拡散板としてレンズユニットを用いたので、拡散光の広がりを調整することができる。

請求項３記載の配向計によれば、
受光素子は半導体フォトディテクタ、光源はＬＥＤ或いは、円偏光レーザダイオードとしたので、小型化が可能である。

請求項４記載の配向計によれば、
被測定対象物を挟んで対向して配置された光源と受光素子は光源が下側になるように配置したので、埃の影響を少なくすることができる。

請求項５記載の発明によれば、
光源は赤外線を含んだ光源とし、受光素子は赤外線透過フィルタを透過した光を受光するようにしたので、可視光による迷光がノイズ成分になるのを防いでＳ／Ｎの低下を防止することができる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１(ａ，ｂ)は本発明に係る配向計の要部を示す構成図で、(ａ)は測定時の(ｂ)は校正時において発光素子と受光素子の間に拡散板を配置した状態を示している。

図１(ａ)において、１はＬＥＤやレーザー等の発光素子からなる光源、５０は発光素子保持部材である。２−１〜２−８は受光ダイオード等からなる受光素子であり、これらの受光素子２−１〜２−８は円板状の受光素子保持部材３1の周縁付近に等間隔に取付けられている。図に示すように発光素子と受光素子は被測定対象物を挟んで発光素子が下側になるように配置するのは埃の影響を少なくするためである。

また、図では省略するが、発光素子は赤外線を含んだ光源とし、受光素子の前面に赤外線透過フィルタを配置し、そのフィルタを透過した光を受光するようにすれば、可視光による迷光がノイズ成分になるのを防ぐのでＳ／Ｎの低下を防止することができる。

発光素子１から照射された光は被測定対象物３０を透過する際光導波されながら散乱し、その散乱光が受光素子保持部材３1に取付けられた受光素子２−１〜２−８で受光される。また、校正時には発光素子１と受光素子２−１〜２−８の間に拡散板３５が配置される。

図２（ａ，ｂ)は本発明の配向計における測定の流れ（ａ）と機器の構成例（ｂ）を示すものである。(ａ)図において、工程（Ａ）にて発光部から光を照射する。校正モード時の工程（Ｂ）で発光部から照射された光は拡散板で拡散され、この拡散板からの透過光が受光素子で受光される。工程（Ｃ）において、受光素子からの電気信号がＡ／Ｄ変換され、個々の受光素子からの校正データが記憶素子（図示せず）に記憶される。

次に測定モードに移り、発光素子と受光素子の間に被測定対象物３０が配置される。そして、発光素子から被測定対象物３０に向かって光が照射され、工程（Ｄ）において、シート（測定対象物）の透過光が受光素子で受光される。

そして、工程（Ｅ）において受光素子からの電気信号がＡ／Ｄ変換され、工程（Ｆ）において、先に記憶した拡散板を用いた校正データを用いて測定データが正規化される。次に工程（Ｇ）において、この正規化されたデータに基づいて配向度と配向角が演算される。

正規化した測定値は例えば下式に示すような楕円近似を行い、反射光の強度分布の方向とアスペクト比を求める。

なお、配向強度及び角度の算出は反射光の強度分布から得るがその方法は上述の楕円近似のほか三角関数近似やその他の方法によるものでもよい。

図２（ｂ）の機器の構成例において、中央処理回路１０は発光回路３に駆動指令を発する。受光素子２−１〜２−８で受光された光は受光回路４により信号処理が行われ中央処理回路１０の指令に基づいてＡ／Ｄ変換器６によりＡ／Ｄ変換される。

次に同じく中央処理回路１０の指令に基づいて演算器１５により配向度と配向角が演算され、インタフェース１６を介して出力される。このインタフェース１６は外部からの操作に基づいて拡散板駆動回路１２に駆動信号を発して拡散板３５を駆動したり、校正データや測定データを格納する等測定／校正に必要な要素を中継する機能を持っている。

フィルムの分子配向やプラスチック中のフィラーの場合、光導波された拡散光の強度が強い方向が分子の配向方向として求められる。この現象は、分子配向をはじめ高分子性フィラーや紙の繊維においてもOpticalWaveGuideの効果により分子の配向方向及びフィラーや繊維の方向に光が導波されることにより反射光が強くなることに由来すると考えられる。

図３(ａ〜ｅ)は拡散板３５の取付け位置および保持手段について示すものである。図３ａは利用時に拡散板３５をせり出させて発光素子１上に接しない程度の上空に位置させたものであり、図３ｂは発光素子に接しない程度の位置から上方に距離Ｈが取り得る範囲が広いことを示している。

このように拡散板３５を受光素子２側に移動させると拡散光の広がりを調整することができる。
図３(ｃ，ｄ)は校正位置に予め支持部材３５ａに設置した拡散板３５の位置に合わせてセンサ部を矢印Ａ方向に移動させるように構成したものである。

このように校正に際して拡散板を照射軸上に配置すると、拡散板を用いない場合に比べ、受光素子に入る光量が増えるため正確な校正を行うことができる。これは、発光素子からの光束が絞られている場合、被測定対象物のない校正時は受光素子に光がほとんど届かないためである。
また、校正時に照射光を拡散させることで受光素子の感度や機械精度によるばらつきを抑えて測定精度を向上させることができる。

図３ｅは拡散のためにレンズユニット３６を用いた構成例を示すもので、レンズユニット３６の取付け位置による照射角の広がりの違いを示す図である。即ち、レンズユニット３６が発光素子側に近ければ照射角は広がり、離れるにしたがって広がりが少なくなっている。また、このレンズユニットは、校正に用いるだけでなく被測定対象物における光の導波しやすさ、光透過率に応じて適宜光束を調整する場合にも有効である。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば、光導波路の性質を応用したものであれば、プラスチックシートや紙に限らず光透過性を持つ物質も測定対象とすることができる。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の配向計の一実施例を示す要部構成図である。本発明の配向計における測定の流れ（ａ）と機器の構成例（ｂ）を示す図である。拡散板の取付け位置を示す説明図である従来の配向計の断面図及び底面図である。従来の配向計の信号の流れを示す説明図である。

符号の説明

１発光素子
２受光素子
３発光回路
４受光回路
６Ａ／Ｄ変換器
１０ＣＰＵ
１２拡散板駆動回路
１５演算器
１６入出力インタフェース
３０被測定対象物
３１受光素子保持部
３５拡散板
３５ａ支持部材
３６レンズユニット
５０発光素子保持部
１１１光源
１１３集光レンズ
１１６鍔部
１１７受光素子装着穴
１１８レンズ装着穴
１１９光源保持部
１２０位置決め部
１２１固定穴
１２２受光素子固定穴
１２３上部外周部
１３０素子信号
１３２分布測定手段
１３３配向演算手段
１３４測定値出力

Claims

円周上に等間隔に配置された複数の受光素子と該受光素子と被測定対象物を挟んで配置された光源からなり、該光源は前記受光素子が並ぶ円の中心軸上付近に配置され、前記光源から照射され前記被測定対象物を透過した透過光を前記受光素子で受光するように構成された配向計において、
前記複数の受光素子の個体差を記憶する記憶手段を有し、校正に際しては前記発光素子と複数の受光素子の間に、これら発光素子と受光素子の間で中心軸に沿って移動可能とした拡散板を配置し、該拡散板を透過して拡散された光を前記複数の受光素子で受光し、該受光素子の個体差を前記記憶手段に記憶し、測定に際しては前記記憶手段に記憶された受光素子の個体差に基づいて配向の演算をおこなうことを特徴とする配向計。
前記拡散板としてレンズユニットを用いたことを特徴とする請求項１に記載の配向計。
前記受光素子は半導体フォトディテクタ、光源はＬＥＤ或いは、円偏光レーザダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の配向計。
前記被測定対象物を挟んで対向して配置された光源と受光素子は光源が下側になるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の配向計。
前記光源は赤外線を含んだ光源とし、前記受光素子は赤外線透過フィルタを透過した光を受光するようにしたことを特徴とする請求項１または３又は４に記載の配向計。