JP4876631B2

JP4876631B2 - 粉体の目付測定方法および測定装置

Info

Publication number: JP4876631B2
Application number: JP2006052447A
Authority: JP
Inventors: 浩司鍵谷; 博樹中嶋
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007232472A

Description

本発明は、粉体の目付分布測定装置に関し、さらに詳しくは、例えば基材上に均一に粉体を散布する際の、非接触オンライン測定に特に有効な粉体の目付測定方法および測定装置に関する。

一般的に粉体を定量的に散布する方法としては、粉体の供給元である供給装置の計量精度を高精度に行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）が、散布後の定量性や例えば面上に散布した粉体の分布の均一性を測定することはなかった。供給装置にて高精度に計量する方法は、供給した粉体がロスなく目的とする場所に到達するという前提の元で定量性が保障されるが、通常は供給装置から散布装置間の導管でのロスや散布装置から吐出された後の気流の影響などによって、必ずしも定量性が保持されているとは言いがたい。より高い定量性を得るためには散布後の粉体の重量または面上に散布した場合には目付分布も測定する必要がある。

本発明は、上述した欠点や問題点に鑑みてなされたもので、より粉体の散布を定量的にかつ均一性よく行うために、粉体の定量供給装置を用いて散布を行った粉体の目付分布をオンラインで測定する粉体の目付測定方法および測定装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、次の（１）〜（５）を特徴とするものである。

（１）繊維を一方向に配列したシートからなる平面基材の一面側に光の照射手段と受光手段を設け、前記光の照射手段からの照射光の正反射軸から外れる位置に前記受光手段を設けるとともに、前記平面基材上に載置された粉体に該照射光を前記繊維の配向方向と並行な方向から照射し、前記粉体により散乱、回折もしくは反射された光または前記粉体からの蛍光発光の強度を測定し、この測定値と予め作成しておいた検量値と比較することにより粉体の目付を測定することを特徴とする粉体の目付測定方法。

（２）測定前に前記平面基材の位置する測定領域の幅方向全域を校正板を走査して得たデータで、幅方向の位置毎の強度分布を補正することを特徴とする前記（１）に記載の粉体の目付測定方法。

（３）測定時に前記受光手段が受光する領域内に設けた基準板の光量変化を検出し、前記光量変化で経時的に測定値を補正することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の粉体の目付測定方法。

（４）前記（１）〜（３）のいずれかに記載の方法で得られたデータを基に、粉体の供給量もしくは散布量または平面基材の搬送速度を制御することを特徴とする粉体の目付制御方法。

（５）繊維を一方向に配列したシートからなり粉体を載置する平面基材と、該平面基材の一面側に設けた光の照射手段と前記光の照射手段からの照射光の正反射軸から外れる位置に設けた受光手段と、前記平面基材上に載置された粉体に光を前記繊維の配向方向と並行な方向から照射し、前記粉体により散乱、回折もしくは反射された光または前記粉体からの蛍光発光の強度を測定する光強度の測定手段と、この測定値と予め作成しておいた検量値と比較することにより粉体の目付を測定するデータ処理手段とを有することを特徴とする粉体の目付測定装置。

本発明によれば、基材上に散布された粉体の目付分布をオンラインで精度よく測定できる。また、本発明の粉体の目付測定方法および測定装置を用いて、基材上への粉体の散布を行う場合、オンラインで目付分布の測定および粉体散布の制御を行うことが可能となり、安定した粉体散布が行え、生産歩留まりの向上や品質向上が可能となるとともに、確実な品質保証が行える。

次に本発明を図面に基づいてさらに詳しく説明する。図１は、本発明に係る粉体の目付分布測定装置を模式的に示す側面図であり、図２は、図１の平面図であり、基材１上に散布された粉体２の目付分布測定の状況を示している。

粉体２が散布された基材１の一面側に照射手段３と受光手段４が設けられており、前記受光手段４で検出された信号はデータ処理手段５に導かれ、画像処理手段６へ入力され、記録媒体７に記憶された検量線との比較を行う。また、基材１の一面側付近には校正板８と該校正板８を基材１の幅方向に移動させる移動機構９が備えられている。ここで基材１は図１に示される装置の前後（左右）に設けられた巻き出し、巻き取り装置（図示せず）にて連続的に供給される。

本発明においては基材１上に散布された粉体２に照射手段３からの測定光を照射し、前記粉体２で散乱、回折または反射された光の強度を受光手段４にて受光することで、目付分布および目付量などの目付を測定することができる。ここで粉体２が光を照射することで蛍光発光する場合には、その強度を受光することで目付分布を測定することもできる。

図３および図４は、本発明に係る粉体の目付測定方法の別の実施形態を示す模式図である。基材１が光を透過しないか、もしくは透過しにくくて、または表面粗さが大きくて、光が強く散乱する場合には、前記のように照射手段３と受光手段４を粉体２が散布された一面側に設けるのが重要である。一方、基材１が光をよく透過する場合には、図３に示すように、基材１の一面側に照射手段３を配置し、この一面側とは反対側の他の一面側に受光手段４を配置する構成も可能である。さらに図４に示すように、粉体２が散布された基材の一面側とは反対側の他の一面側に照射手段３と受光手段４を配置することもできる。

基材１は、シート状または板状であれば特に限定されるものではなく、プラスチックのフィルムや板、金属板や、繊維からなる織物、編物、または不織布などの布帛が好ましい。より好ましくは繊維が炭素繊維からなる強化繊維であって連続した強化繊維糸条を一方向に並行するように引き揃え、連続した補助繊維糸条を強化繊維糸条と交差する方向に延在した経方向補助繊維糸条または不連続の補助繊維からなる一方向性強化布帛がよい。また連続する強化繊維糸条をそれぞれ交差する方向に編み込んだ織物でもよい。

粉体２は、光を散乱、反射、回折させるものであれば特に限定されるものではなく、光を吸収し、蛍光を発するものを用いることもできる。好ましくは白色であるナイロンやポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）などの樹脂粒子が好ましい。ここで粉体２が蛍光発光を有する場合、その波長を選択的に透過させる干渉フィルタなど光学的な挟帯域フィルタを受光手段４または結像手段１０の前に設けることが好ましい。蛍光発光が複数波長または広帯域に存在する場合には透過波長範囲の広い広帯域フィルタを用いてもよい。これによって粉体のみの信号を測定することが可能となり、よりＳ／Ｎの高い測定が実現できる。

照射手段３には、受光手段４が検出感度を持つ波長を出力するものであれば特に限定されないが、好ましくは波長２００〜１１００ｎｍの範囲に主な強度を持つタングステンやハロゲンランプ、蛍光灯などの放電管がよく、より好ましくは４００ｎｍ以下に主なピーク強度を持つブラックライトやメタルハライドランプ、水銀キセノンランプ、重水素ランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、水銀・キセノンランプなどがよい。

受光手段４には、受光素子が直線上に配置されたラインセンサカメラを用いることが好ましいが、２次元的に配置されたエリアカメラを用いることもできる。また、検出分解能が必要なければ例えばフォトダイオードのような光検出器を複数個ライン状、または２次元的に配置したものでもよく、ある特定位置のみの測定であれば例えばフォトダイオードのような光検出器を一個だけ配置して測定することもできる。また、受光手段４には、結像手段１０としてカメラレンズなどのレンズ系を設けるのが好ましい。

照射手段３と受光手段４とが、基材１の一面側に配置されている場合、前記受光手段４は前記照射手段３からの正反射光が入射しない角度とすることが重要である。設置位置は特に限定されるものではないが、好ましくは受光手段４は基材１の面を０°として８０〜１００°の範囲、より好ましくは垂直方向に設置されており、照射手段３の光軸は基材１の面に対して１０〜８０°、１００〜１７０°の角度から基材面１を照射するのが好ましい。また、基材１が透光性の場合、図３に示されるように、照射手段３は基材１を挟んで受光手段４と反対側の面側に設置することもできる。この場合、受光手段４は照射手段３からの正反射光が入射しない角度であれば設置位置は特に限定されるものではないが、照射手段３は受光手段４が設置された基材１の面を基準として、１９０〜２６０°、２８０〜３５０°の角度から照射するのが好ましい。さらに基材１が透光性の場合、図４に示されるように、粉体が付着した基材面と異なる一面側に照射手段３と受光手段４を設けることもできる。また、照射手段３は、前記設置範囲内に任意の台数を設置することが可能であり、基材や散布する粉体の種類、量、などに応じて、自由に選択することができる。ところで、基材が、繊維が炭素繊維からなる強化繊維であって連続した強化繊維糸条を一方向に並行するように引き揃え、連続した補助繊維糸条を強化繊維糸条と交差する方向に延在した経方向補助繊維糸条または不連続の補助繊維からなる一方向性強化布帛の場合、照射手段３の光軸は装置の基材の搬送方向と並行となるように設置するのが重要である。

データ処理手段５には、画像処理手段６と記憶媒体７が備えられており、前記画像処理手段６は少なくとも前記受光手段４からの信号を光の強度に応じた数値に変換できるものであれば特に限定されない。また記憶媒体７は、予め求めておいた光強度と粉体重量との関係を表した検量線式を記憶しておけるものであれば特に限定されるものではない。検量線式は、粉体重量が既知のサンプルの光強度を少なくとも２水準以上測定して近似式を求めて作成するのが好ましい。データ処理手段５は、画像処理手段６で得られた粉体の光強度と、記録媒体７に記憶された検量線式を用いて、基材上の粉体重量を計算し、例えばディスプレイなどの表示手段に面情報として２次元的にリアルタイムで表示したり、プリンタなどの出力手段に出力したりすることができる。さらに計算された粉体重量値をデジタルやアナログ出力手段へ粉体重量に応じた値、例えば電圧値や電流値、ビット値などとして出力することもでき、ＬＡＮやＲＳ２３２Ｃなどの通信手段を介して、データを出力することもできる。

図５は、受光手段において生じる受光光量ムラの状況を説明する模式図であり、図６は、図５の受光光量ムラを補正する一実施形態を示す模式図である。

校正板８は、図５に示すように、受光手段４に用いるカメラレンズなどの結像手段１０の画角の影響や光源固有の光量ムラによって生じる受光手段４の幅方向の受光光量ムラを補正するものであり、均一に光を散乱させるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、基材幅をカバーできる幅を持った白色や透明のプラスチック板やガラス板の表面をサンドブラストのように表面を粗面にする加工を施した拡散板、市販の標準拡散板を用いることができる。この校正板８を用いて事前に受光光量ムラを測定しておき、そのデータで得られた測定値を幅方向各位置毎に割り返すことで前記受光ムラの影響を低減することができる。また、より好ましくは、小片の校正板８を幅方向に移動させる移動機構９（図１参照）に搭載し、基材幅分をスキャンさせるのがよい。小片の幅は特に限定されないが、基材幅の１／４〜１／１００が好ましい。さらに、基材が均一な散乱や拡散特性を有するものであれば、校正板８の代替として基材を用いることもできる。ところで、基材の散乱や拡散の光強度が粉体の目付測定のノイズとなる場合、例えば測定前に基材１の信号のみを測定しておき、測定時に測定信号から前記基材のみの信号を差し引くか、もしくは測定時に基材１からの光信号のみを測定する受光手段４を粉体２の散布工程前に設け、測定中に基材上の粉体２の光強度を測定する受光手段４からの信号から基材１のみの光強度を測定する受光手段からの信号を差し引くこともできる。

図７は、光源の光量変化を補正する一実施形態を示す模式図である。一方で小片の校正板８は、図７に示すように、光源光量のモニタとして使用することもできる。小片の校正板８を基材１に掛からない位置でかつ受光手段４の視野内に移動機構にて移動、固定し、常に小片が位置する場所の光量をモニタすることで、光源光量の変動による測定値の変化を補正することができる。小片の校正板８としては、先に記載のとおり、標準拡散板などが好ましいが、より好ましくは検出部で得られる光量が散布粉体から得られる平均光量の±２０％以内となる反射率のものを選定するのがよい。ただし、これはより精度の高い測定を行うために必要であって、光量がモニタできる程度の反射率を有していればこれに限定されるものではない。

データ処理部５は受光手段４で得られた光量値を数値化し、事前に求めておいた光量値と粉体重量との関係式より粉体重量を求める。例えば受光手段４にラインセンサを用いた場合、画素毎に粉体重量を求めることで幅方向の粉体の重量分布が得られ、そのデータを時系列的に並べることで基材１の流れ方向も含めた粉体分布を２次元的に測定することができる。

光量値と粉体重量の関係式は、事前に重量が既知の基材１に粉体２を散布し、その時の光量値を該装置にて測定しておく。粉体２の重量は粉体２が散布された基材１の重量を測定し、既知の基材１の重量を差し引くことで求めることができる。この作業を少なくとも２回以上行い、粉体２の重量と光量から関係式を導くことができる。関係式は測定毎に行うことが好ましいが、基材１や散布する粉体２が変わらなければそのまま使うことができる。
図８は、本発明に係る粉体の目付測定方法の製造装置における一実施形態を示す模式図である。図８に示すように、少なくとも粉体２を供給する装置１８と供給された粉体２を基材１上に散布するノズル１７と、該ノズル１７を基材１の幅方向に移動させる装置（図示せず）と、基材１を搬送する装置と、基材１の巻取り装置２０からなる粉体２の散布装置１９において、本発明の粉体の目付測定装置は、粉体２の散布装置１９と巻き取り装置２０の間に設置され、連続で移動する粉体２が散布された基材１上の粉体２の目付分布を測定し、その結果に基づいて粉体２の供給装置１８の供給量を調整したり、ノズル１７の移動速度を制御することで基材１の幅方向の粉体の分布や目付量を制御したりすることができる。また、目付量は基材１の搬送速度を制御することでも調整することができる。また粉体２を散布する装置としては特許文献１に記載の方法やロール表面に溝を設けた彫刻ロールで計量する方法など、特に限定されるものではない。

図８に示すように、粉体２の散布工程において、ｆ２０ｍｍ（ニコン製）のカメラレンズ１２を取り付けた有効画素数５０００画素のラインセンサカメラ１１（三菱レイヨン（株）製、ＭＫＳ−５０００−４０）を基材１の面から約６００ｍｍ離れた位置に設置し、基材１の面から約３０ｍｍの位置に３０ｋＨｚで高周波点灯させた４０Ｗのブラックライト１３を２本設置した。ラインセンサカメラ１１は基材１に対して約９０度の垂直方向に設置し、ブラックライト１３は基材１に対して４５度と１３５度の方向から照射するように設置した。ブラックライト１３は反射板を有したケースに収められており、図中の一面方向へ光が出射するようにした。ラインセンサカメラ１１からの信号は画像処理基板１４（Ｍａｔｒｏｘｍｅｔｅｏｒ２）が挿入されたパソコン１５へ入力した。このときのカメラ視野幅は約１０００ｍｍとなる。基材１には炭素繊維を一方向に配列したシートを用い、散布する粉体２には約１００μｍの粒径を持つＰＥＳ粒子を用いた。

粉体の散布ブース１６で散布されＰＥＳ粉体２は、ノズル１７から吐出された後、散布ブース１６内を浮遊し、基材１上に落下する。基材１は一定速度で搬送され、ラインセンサカメラ１１の直下を通過していく。このとき、ブラックライト１３からの近紫外光がＰＥＳ粉体２によって散乱、回折、反射または粉体自体が蛍光発光し、その光がカメラレンズ１２で集光され、幅方向の光強度分布として検出される。検出された光強度は画像処理基板１４によって２５６階調の強度信号に変換され、あらかじめパソコンに記憶されている検量線を用いて重量換算される。この処理を基材１の搬送方向に連続的に行うことで、２次元的な目付分布を求めることができる。

図９は、検量線を作成するために１０ｃｍ□の基材１にＰＥＳ粉体２を散布し、得られた光強度と粉体の実重量との関係を示したものである。縦軸は実重量、横軸は光強度を示している。実重量はあらかじめ基材１の重量を測定しておき、ＰＥＳ粉体２の散布後の重量から基材１の重量を差し引くことで求めた。この場合、光強度と粉体重量には、
粉体重量［ｇ／ｍ^２］＝（０．０２２８×光強度）−６．９１４６・・・（１）
の関係が成り立つことがわかり、粉体２の散乱光や蛍光発光強度を使うことで用いることで重量測定が可能なことがわかる。ここでこのように光の散乱などを用いる場合、粒子が重なると下に隠れた粒子の情報は得られないため、正確な測定が困難となる。これを加味すると粒子が均一に重なりが少なく散布されたとして約４０ｇ／ｍ^２の散布重量まではリニアに測定できることを確認した。

図１０は基材１の搬送方向に連続的に測定した粉体重量の測定結果であり、横軸が幅方向、縦軸が搬送方向を示しており、色の濃淡が粉体重量つまり目付量を表している。ここでは５００ｍｍ幅の基材を０．３３ｍ／ｍｉｎで搬送したときの結果を示しており、カラーバーより目付量が約２０ｇ／ｍ^２から約３５ｇ／ｍ^２まで変化していることが読みとれる。

一方で、ラインセンサカメラ１１の観測視野が広い場合、カメラレンズの画角によって端部の光強度が弱くなるため、幅方向に同じ強度分布であっても検出部では山型のプロファイルとなってしまう。このため、いわゆるシェーディング補正を行う必要がある。本実施例では長尺の白色の樹脂板を用いて、検量線測定前に樹脂板の幅方向の光強度分布を測定し、図１１に示すように、幅方向中央付近の最大光量値を１として正規化した幅方向の補正プロファイルを作成した。測定時には（１）式にシェーディング補正を加えた次式を使った。

粉体重量［ｇ／ｍ２］＝（０．０２２８×［各幅位置におけるシェーディング補正値］×［測定値］）−６．９１４６・・・（２）
図１２は測定器で得られた重量と抽出法（基材上の樹脂を薬品にて溶かし出し、前後の重量変化より実樹脂重量を求める方法）で得られてそれとを比較した結果であり、よく一致していることがわかる。

上述した本発明の粉体の目付け測定方法は、繊維で作られた基材の製造に限らず、シート上に散布された粉体の目付けまたは重量測定に好適に用いることができる。

本発明に係る粉体の目付測定方法の一実施形態を示す模式図である。本発明に係る粉体の目付測定方法の一実施形態を上方から見た模式図である。本発明に係る粉体の目付測定方法の別の実施形態を示す模式図である。本発明に係る粉体の目付測定方法の別の実施形態を示す模式図である。受光手段において生じる受光光量ムラの状況を説明する模式図である。図５の受光光量ムラを補正する一実施形態を示す模式図である。光源の光量変化を補正する一実施形態を示す模式図である。本発明に係る粉体の目付測定方法の製造装置における一実施形態を示す模式図である。受光手段での受光光量と粉体の重量の相関を示す一実施例である。本発明にて測定した粉体の目付測定結果を２次元的に表示した一実施例である。受光手段での受光光量ムラを補正する補正特性の一実施例である。測定器で得られた重量と抽出法で得られて重量とを比較した結果図である。

符号の説明

１：基材シート
２：粉体
３：光源
４：受光装置
５：データ処理装置
６：画像処理装置
７：記録装置
８：校正板
９：移動装置
１０：結像手段
１１：ラインセンサカメラ
１２：カメラレンズ
１３：紫外線光源
１４：画像処理基板
１５：データ処理装置
１６：粉体散布ブース
１７：粉体散布ノズル
１８：粉体供給装置
１９：粉体散布装置
２０：基材の巻取り装置

Claims

繊維を一方向に配列したシートからなる平面基材の一面側に光の照射手段と受光手段を設け、前記光の照射手段からの照射光の正反射軸から外れる位置に前記受光手段を設けるとともに、前記平面基材上に載置された粉体に該照射光を前記繊維の配向方向と並行な方向から照射し、前記粉体により散乱、回折もしくは反射された光または前記粉体からの蛍光発光の強度を測定し、この測定値と予め作成しておいた検量値と比較することにより粉体の目付を測定することを特徴とする粉体の目付測定方法。
測定前に前記平面基材の位置する測定領域の幅方向全域を校正板を走査して得たデータで、幅方向の位置毎の強度分布を補正することを特徴とする請求項１に記載の粉体の目付測定方法。
測定時に前記受光手段が受光する領域内に設けた基準板の光量変化を検出し、前記光量変化で経時的に測定値を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の粉体の目付測定方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の方法で得られたデータを基に、粉体の供給量もしくは散布量または平面基材の搬送速度を制御することを特徴とする粉体の目付制御方法。
繊維を一方向に配列したシートからなり粉体を載置する平面基材と、該平面基材の一面側に設けた光の照射手段と前記光の照射手段からの照射光の正反射軸から外れる位置に設けた受光手段と、前記平面基材上に載置された粉体に光を前記繊維の配向方向と並行な方向から照射し、前記粉体により散乱、回折もしくは反射された光または前記粉体からの蛍光発光の強度を測定する光強度の測定手段と、この測定値と予め作成しておいた検量値と比較することにより粉体の目付を測定するデータ処理手段とを有することを特徴とする粉体の目付測定装置。