JP7409270B2 - Crystallinity estimation device, crystallinity estimation method, crystallinity estimation program, and recording medium - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、機械学習を使用して材料の結晶化度を推定する結晶化度推定技術に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a technique that is effective when applied to, for example, a crystallinity estimation technique that estimates the crystallinity of a material using machine learning.
非特許文献1には、任意の温度履歴に対する結晶化度を推定する技術として、アブラミの式を使用したシミュレーション技術が記載されている。
Non-Patent
例えば、金属やプラスチックなどの材料を溶融状態から固化させる際、冷却温度履歴によって材料の結晶化度が異なる。この結晶化度の相違は、材料を固化した後の弾性率や延性などの物性に影響を与えることがある。そこで、材料を固化した後の最終的な物性を予測するために、シミュレーション技術を使用して、結晶化度を推定することが行われている。ここで、「結晶化度」とは、材料の全体領域に占める結晶化領域の割合を示す。 For example, when a material such as metal or plastic is solidified from a molten state, the degree of crystallinity of the material differs depending on the cooling temperature history. This difference in crystallinity may affect physical properties such as elastic modulus and ductility after the material is solidified. Therefore, in order to predict the final physical properties of a material after solidification, simulation techniques are used to estimate the degree of crystallinity. Here, "crystallinity" refers to the ratio of the crystallized region to the total region of the material.
これまでのシミュレーション技術では、まず、示差走査熱量計(Differential scanning calorimetry:DSC、以下、「DSC」と呼ぶ)を使用することにより、ヒートフローの温度依存性を示す実測データを取得する。その後、例えば、結晶核生成と結晶成長のモデルを提案し、この提案されたモデルに基づいて、ヒートフローの温度依存性を示す温度関数の関数形を仮定する。そして、仮定した温度関数に含まれるパラメータを実測データに合うようにフィッティングして決定することにより、ヒートフローの温度関数を取得する。次に、取得されたヒートフローの具体的な温度関数をアブラミの式に取り入れて、結晶成長のシミュレーションを行うことにより、任意の温度履歴に対する結晶化度を推定する。 In conventional simulation techniques, first, measured data indicating the temperature dependence of heat flow is obtained by using a differential scanning calorimetry (DSC, hereinafter referred to as "DSC"). Then, for example, we propose a model for crystal nucleation and crystal growth, and based on this proposed model, we hypothesize a functional form of the temperature function that indicates the temperature dependence of heat flow. Then, the temperature function of the heat flow is obtained by fitting and determining the parameters included in the assumed temperature function to match the actual measurement data. Next, the degree of crystallinity for an arbitrary temperature history is estimated by incorporating the specific temperature function of the obtained heat flow into Avrami's equation and simulating crystal growth.
ところが、これまでのシミュレーション技術では、結晶核生成と結晶成長のモデルを人為的に提案して、ヒートフローの温度関数の関数形を決定している。このことから、温度関数の関数形を決定するために多大な工数を要していた。 However, with conventional simulation techniques, models of crystal nucleation and crystal growth are artificially proposed to determine the functional form of the temperature function of heat flow. For this reason, a large number of man-hours were required to determine the functional form of the temperature function.
本発明の目的は、工数を低減することが可能な材料の結晶化度推定技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique for estimating the crystallinity of a material that can reduce the number of man-hours.
一実施の形態における結晶化度推定装置は、材料からの単位時間当たりの放熱量を示すヒートフローであって、温度依存性を有するヒートフローに基づいて、材料の結晶化度を推定するように構成された結晶化度推定装置において、温度値に対応するヒートフロー値を測定することにより得られた実測データに基づいて、ヒートフローの温度関数を取得するように構成された温度関数取得部と、温度関数取得部で取得された温度関数に基づいて、材料の結晶化度を推定するように構成された結晶化度推定部とを備え、温度関数取得部は、教師データとして実測データを使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させることにより、温度関数を取得するように構成されている。 In one embodiment, the crystallinity estimating device estimates the crystallinity of a material based on a heat flow that indicates the amount of heat dissipated from the material per unit time and has temperature dependence. In the crystallinity estimation device configured, a temperature function acquisition unit configured to acquire a temperature function of heat flow based on actual measurement data obtained by measuring a heat flow value corresponding to a temperature value; , a crystallinity estimation section configured to estimate the crystallinity of the material based on the temperature function obtained by the temperature function obtaining section, and the temperature function obtaining section uses the measured data as training data. The temperature function is acquired by learning a neural network that inputs temperature values and outputs heat flow values.
一実施の形態における結晶化度推定方法は、材料からの単位時間当たりの放熱量を示すヒートフローであって、温度依存性を有するヒートフローに基づいて、材料の結晶化度を推定する結晶化度推定方法において、温度値に対応するヒートフロー値を測定することにより得られた実測データに基づいて、ヒートフローの温度関数を取得する温度関数取得工程と、温度関数取得工程で取得された温度関数に基づいて、材料の結晶化度を推定する結晶化度推定工程とを備え、温度関数取得工程は、教師データとして実測データを使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させることにより、温度関数を取得する。 A method for estimating crystallinity in one embodiment includes estimating the degree of crystallinity of a material based on a heat flow that indicates the amount of heat dissipated from a material per unit time and that has temperature dependence. In the temperature estimation method, there is a temperature function acquisition step of acquiring a temperature function of heat flow based on actual measurement data obtained by measuring a heat flow value corresponding to a temperature value, and a temperature function acquisition step of acquiring a temperature function of heat flow, and a temperature and a crystallinity estimation step that estimates the crystallinity of the material based on the function, and the temperature function acquisition step uses actual measurement data as training data, inputs the temperature value, and outputs the heat flow value. The temperature function is obtained by training a neural network with
一実施の形態における結晶化度推定プログラムは、材料からの単位時間当たりの放熱量を示すヒートフローであって、温度依存性を有するヒートフローに基づいて、材料の結晶化度を推定する結晶化度推定処理をコンピュータに実行させるための結晶化度推定プログラムにおいて、温度値に対応するヒートフロー値を測定することにより得られた実測データに基づいて、ヒートフローの温度関数を取得する温度関数取得処理と、温度関数取得処理で取得された温度関数に基づいて、材料の結晶化度を推定する結晶化度推定処理とを備え、温度関数取得処理は、教師データとして実測データを使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させることにより、温度関数を取得する処理である。 A crystallinity estimation program in one embodiment is a crystallinity estimation program for estimating the crystallinity of a material based on a heat flow that indicates the amount of heat dissipated from a material per unit time and that has temperature dependence. Temperature function acquisition that obtains the temperature function of heat flow based on the actual measurement data obtained by measuring the heat flow value corresponding to the temperature value in the crystallinity degree estimation program for causing the computer to execute the crystallinity estimation process. and a crystallinity estimation process that estimates the crystallinity of the material based on the temperature function acquired in the temperature function acquisition process, and the temperature function acquisition process uses actual measurement data as training data. This process acquires a temperature function by training a neural network that inputs temperature values and outputs heat flow values.
この結晶化推定プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録される。 This crystallization estimation program is recorded on a computer-readable recording medium.
一実施の形態によれば、工数を低減することが可能な材料の結晶化度推定技術を提供できる。 According to one embodiment, it is possible to provide a technique for estimating the crystallinity of a material that can reduce the number of man-hours.
実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。 In all the drawings for explaining the embodiment, the same members are designated by the same reference numerals in principle, and repeated explanations thereof will be omitted. Note that, in order to make the drawings easier to understand, hatching may be added even in a plan view.
<結晶化度推定原理>
「ヒートフロー」(熱流量)とは、材料からの単位時間当たりの放熱量を示す物理量であって、温度依存性を有する物理量である。本実施の形態では、このヒートフローに基づいて、材料の結晶化度を推定する。以下に、この原理について説明する。
<Crystallinity estimation principle>
"Heat flow" is a physical quantity that indicates the amount of heat dissipated from a material per unit time, and is a physical quantity that is temperature dependent. In this embodiment, the crystallinity of the material is estimated based on this heat flow. This principle will be explained below.
対象となる材料を一度溶融させてから冷却して固化させるとき、材料から熱が放出される。これは、溶融した状態の内部エネルギーよりも固化した状態の内部エネルギーが低くなることから、内部エネルギーの高い溶融状態から内部エネルギーの低い固化状態に相転移する際、余分なエネルギーが熱として放出されるからである。 When the target material is melted and then cooled and solidified, heat is released from the material. This is because the internal energy of the solidified state is lower than the internal energy of the molten state, so when the phase transition occurs from the molten state with high internal energy to the solidified state with low internal energy, excess energy is released as heat. This is because that.
したがって、溶融状態から固化状態に相転移する材料から放出される放熱量を調べることにより、材料がどのくらい結晶化(固化)しているのかを推定できることになる。 Therefore, by examining the amount of heat released from a material that undergoes a phase transition from a molten state to a solidified state, it is possible to estimate how much the material has crystallized (solidified).
具体的には、放熱量自体ではなく、単位時間当たりの放熱量を示すヒートフローに基づいて、材料の結晶化度が推定される。 Specifically, the crystallinity of the material is estimated based on the heat flow, which indicates the amount of heat dissipated per unit time, rather than the amount of heat dissipated itself.
ヒートフローは、例えば、「DSC」を使用して測定される。「DSC」では、対象となる材料を一度溶融させてから固化させる際のヒートフローを一定冷却速度で測定する。 Heat flow is measured using, for example, "DSC". "DSC" measures the heat flow when a target material is once melted and then solidified at a constant cooling rate.
例えば、図1は、温度値に対応したヒートフローの数値データ例を示す表である。図1に示すように、温度値に対応したヒートフロー値は、離散的なデータとして得られる。 For example, FIG. 1 is a table showing examples of numerical data of heat flow corresponding to temperature values. As shown in FIG. 1, heat flow values corresponding to temperature values are obtained as discrete data.
図2は、温度値に対応したヒートフローの数値データをグラフ化した図である。図2において、横軸は温度(℃)を示す一方、縦軸はヒートフロー(W/g)を示している。 FIG. 2 is a graph of numerical data of heat flow corresponding to temperature values. In FIG. 2, the horizontal axis represents temperature (° C.), while the vertical axis represents heat flow (W/g).
上述したように、材料を冷却すると、材料の結晶化が進行して、結晶化によるミクロ構造の変化によって熱が放出される。「DSC」では、この熱を単位時間当たりの放熱量であるヒートフローとして測定している。 As mentioned above, when a material is cooled, crystallization of the material progresses, and heat is released due to changes in the microstructure due to crystallization. In "DSC", this heat is measured as heat flow, which is the amount of heat dissipated per unit time.
放熱量とヒートフローの間には、以下の(数式1)に示す関係が成立する。 The following relationship (Equation 1) holds true between the amount of heat dissipation and the heat flow.
t:時間
T:温度
Q:放熱量
J(T):ヒートフロー
t: Time T: Temperature Q: Heat radiation amount J(T): Heat flow
材料が溶融状態から結晶化すると熱が放出されることから、材料の結晶化度が大きくなれば、それまでに放出された放熱量は大きくなると考えられる。すなわち、材料の結晶化度は、放熱量に比例すると考えることが妥当である。このことから、以下の(数式2)に示す関係が成立すると仮定する。 Since heat is released when a material crystallizes from a molten state, it is thought that the greater the crystallinity of the material, the greater the amount of heat released up to that point. That is, it is reasonable to consider that the crystallinity of a material is proportional to the amount of heat dissipation. From this, it is assumed that the relationship shown in (Equation 2) below holds true.
X:結晶化度
C:比例定数
Q:放熱量
X: Crystallinity C: Constant of proportionality Q: Amount of heat dissipation
上述した(数式1)と(数式2)から、結晶化度の時間微分である結晶化速度は、以下の(数式3)で表される。 From the above-mentioned (Formula 1) and (Formula 2), the crystallization rate, which is the time differential of the degree of crystallinity, is expressed by the following (Formula 3).
dX/dt:結晶化速度
C:比例定数
J:ヒートフロー
dX/dt: Crystallization rate C: Proportionality constant J: Heat flow
このように結晶化速度は、ヒートフローに比例することがわかる。すなわち、ヒートフローの関数形がわかれば、(数式3)で表される微分方程式を解くことにより、結晶化速度を求めることができる。 It can thus be seen that the crystallization rate is proportional to the heat flow. That is, if the functional form of the heat flow is known, the crystallization rate can be determined by solving the differential equation expressed by (Equation 3).
ここで、比例定数「C」は定数にしているが、材料の結晶化が進行すると、結晶化していない未結晶領域が少なくなり、未結晶領域が少なくなれば、結晶化速度も小さくなると考えられる。すなわち、比例定数「C」は、実際には、結晶化度「X」に依存すると考えると、結晶化速度「dX/dt」は、以下の(数式4)で表される。 Here, the proportionality constant "C" is set as a constant, but as the crystallization of the material progresses, the uncrystallized region that is not crystallized decreases, and if the uncrystallized region decreases, it is thought that the crystallization rate also decreases. . That is, considering that the proportionality constant "C" actually depends on the crystallinity "X", the crystallization rate "dX/dt" is expressed by the following (Equation 4).
dX/dt:結晶化速度
J(T):ヒートフロー
C(X):係数
dX/dt: Crystallization rate J(T): Heat flow C(X): Coefficient
この(数式4)は、「アブラミの式」と呼ばれる。例えば、結晶化度が飽和する現象を考慮すると、(数式4)に含まれる「C(X)」を具体的に表すことができる。この結果、結晶化度「dX/dt」は、以下の(数式5)で表される。 This (Equation 4) is called "Avrami's equation". For example, considering the phenomenon of crystallinity saturation, "C(X)" included in (Formula 4) can be specifically expressed. As a result, the crystallinity "dX/dt" is expressed by the following (Equation 5).
dX/dt:結晶化速度
J(T):ヒートフロー
X:結晶化度
X∞:飽和結晶化度
dX/dt: Crystallization rate J(T): Heat flow X: Crystallinity X ∞ : Saturated crystallinity
「C(X)」を「X・(X∞-X)」で表すことができることについて定性的に説明すると、以下のようになる。すなわち、結晶化度が飽和状態に近づくと、結晶化する領域は少なくなることから、結晶化速度は小さくなると考えられる。つまり、結晶化度が飽和状態に近づけば近づくほど結晶化速度は小さくなると考えられる。このことから、結晶化速度「dX/dt」は、「(X∞-X)」に比例すると考えられる。また、初期状態においては、結晶成長の核が多いほど結晶速度が大きくなると考えられる。そして、結晶成長の核となる結晶領域が多いほど、その領域を起点とした結晶成長が進みやすい。したがって、結晶化速度「dX/dt」は、結晶化度「X」に比例すると考えられる。 A qualitative explanation of the fact that "C(X)" can be expressed as "X·(X ∞ -X)" is as follows. That is, it is considered that as the degree of crystallinity approaches a saturated state, the area to be crystallized decreases, and thus the crystallization rate decreases. In other words, it is considered that the closer the crystallinity is to the saturated state, the lower the crystallization rate becomes. From this, it is considered that the crystallization rate “dX/dt” is proportional to “(X ∞ −X)”. Further, in the initial state, it is considered that the more nuclei for crystal growth there are, the higher the crystallization speed becomes. The more crystal regions that serve as nuclei for crystal growth, the easier it is for crystal growth to proceed from those regions as starting points. Therefore, the crystallization rate "dX/dt" is considered to be proportional to the crystallinity "X".
以上のことから、「C(X)」は、X・「(X∞-X)」で表すことが妥当であると考えられる。このようにして、結晶化速度「dX/dt」は、(数式4)で表される「アブラミの式」を具体化して、例えば、(数式5)で表すことができる。 From the above, it is considered appropriate to represent "C(X)" as X・(X ∞ -X). In this way, the crystallization rate "dX/dt" can be expressed by, for example, (Formula 5) by embodying the "Abrami's equation" expressed by (Formula 4).
そして、(数式4)や(数式5)で表される微分方程式を解くことにより、結晶化度「X」を計算することができる。つまり、(数式4)や(数式5)に含まれるヒートフロー「J(T)」の温度関数がわかれば、具体的に微分方程式を解くことが可能となり、結晶化度「X」を計算することができる。例えば、図2に示すヒートフローの温度依存性を示す曲線を忠実に再現する温度関数がわかれば、結晶化度「X」の精度を高めることができる。したがって、ヒートフロー「J(T)」の温度関数を精度良く求めることが重要である。 Then, by solving the differential equations expressed by (Equation 4) and (Equation 5), the degree of crystallinity "X" can be calculated. In other words, if we know the temperature function of the heat flow "J(T)" included in (Formula 4) and (Formula 5), we can specifically solve the differential equation and calculate the degree of crystallinity "X". be able to. For example, if a temperature function that faithfully reproduces the curve showing the temperature dependence of heat flow shown in FIG. 2 is known, the accuracy of the crystallinity "X" can be improved. Therefore, it is important to accurately determine the temperature function of heat flow "J(T)".
なお、対象となる材料を溶融状態から結晶化させるための冷却履歴によって、結晶化度「X」が変化することは、例えば、「アブラミの式」である(数式4)を変形することにより理解しやすくなる。例えば、(数式4)を解くために変形すると、(数式6)が得られる。 It should be noted that it can be understood that the degree of crystallinity "X" changes depending on the cooling history for crystallizing the target material from the molten state, for example, by transforming the "Avrami equation" (Equation 4). It becomes easier to do. For example, when (Equation 4) is transformed to solve it, (Equation 6) is obtained.
ここで、(数式6)の右辺において、温度履歴によってヒートフロー「J(T)」自体の温度関数は変化しないとしても、被積分関数には、「dT/dt」が含まれている。この「dT/dt」は、温度の時間変化を表しており、右辺の積分値は、温度の時間変化が異なれば異なる値となる。つまり、(数式6)の右辺の積分値は、温度の時間変化に依存する。そして、温度の時間変化が異なるということは、冷却過程における温度履歴が異なることを意味する。したがって、(数式6)の右辺の積分値は、温度履歴によって異なることになる。これにより、(数式6)を解いて算出される結晶化度「X」は、温度履歴で異なる。 Here, on the right side of (Equation 6), even though the temperature function of the heat flow "J(T)" itself does not change depending on the temperature history, the integrand function includes "dT/dt". This "dT/dt" represents the change in temperature over time, and the integral value on the right side will be a different value if the change in temperature over time is different. In other words, the integral value on the right side of (Equation 6) depends on the temporal change in temperature. A different temporal change in temperature means a different temperature history during the cooling process. Therefore, the integral value on the right side of (Equation 6) will differ depending on the temperature history. As a result, the crystallinity "X" calculated by solving (Equation 6) differs depending on the temperature history.
<一般的なシミュレーション技術>
まず、上述した原理に基づいて結晶化度を推定するための一般的なシミュレーション技術の手法について説明する。図3は、一般的なシミュレーション技術によって結晶化度を推定する手法を説明するフローチャートである。
<General simulation technology>
First, a general simulation technique for estimating the degree of crystallinity based on the above-mentioned principle will be explained. FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of estimating crystallinity using a general simulation technique.
図3において、まず、「DSC」を使用することにより、ヒートフローの温度依存性を示す実測データを取得する(S101)。その後、例えば、研究者が結晶核生成と結晶成長のモデルを提案し、この提案されたモデルに基づいて、ヒートフローの温度依存性を示す温度関数の関数形を仮定する(S102)。そして、仮定した温度関数に含まれるパラメータを実測データに合うようにフィッティングして決定することにより(S103)、ヒートフローの温度関数を取得する(S104)。次に、取得されたヒートフローの具体的な温度関数をアブラミの式(数式4や数式5)に取り入れる(S105)。そして、冷却履歴を示す環境条件(温度の時間変化)をアブラミの式に入力して(S106)、結晶成長のシミュレーションを行うことにより、任意の温度履歴に対する結晶化度を推定する(S107)。 In FIG. 3, first, measured data showing the temperature dependence of heat flow is obtained by using "DSC" (S101). Thereafter, for example, a researcher proposes a model for crystal nucleation and crystal growth, and based on this proposed model, a functional form of a temperature function indicating the temperature dependence of heat flow is assumed (S102). Then, by fitting and determining parameters included in the assumed temperature function to match the measured data (S103), a temperature function of heat flow is obtained (S104). Next, the specific temperature function of the obtained heat flow is incorporated into Avrami's equation (Equation 4 or Equation 5) (S105). Then, the environmental conditions (temporal changes in temperature) indicating the cooling history are input into Avrami's equation (S106), and a crystal growth simulation is performed to estimate the degree of crystallinity for an arbitrary temperature history (S107).
ところが、このような一般的なシミュレーション技術では、結晶核生成と結晶成長のモデルを研究者が人為的に提案して、ヒートフローの温度関数の関数形を仮定している。このため、ヒートフローの温度関数の関数形を実測データに適合するように決定するには、研究者のセンスや経験が要求される。さらに、温度関数の関数形を決定するために多大な時間を要する。すなわち、一般的なシミュレーション技術では、、ヒートフローの温度関数の関数形を決定するために高度な知識や経験とともに多大な時間が必要であり、高度な知識や経験を必要とせずに短時間で実測データに合う温度関数を決定できる技術が望まれている。そこで、本実施の形態では、高度な知識や経験に依存しなくても実測データに適合するヒートフローの温度関数を容易に取得できる工夫を施している。 However, in such general simulation techniques, researchers artificially propose models for crystal nucleation and crystal growth, and assume a functional form of the temperature function of heat flow. For this reason, researchers' sense and experience are required to determine the functional form of the temperature function of heat flow so as to match the measured data. Furthermore, it takes a lot of time to determine the functional form of the temperature function. In other words, with general simulation techniques, determining the functional form of the temperature function of heat flow requires advanced knowledge and experience, as well as a large amount of time. A technology that can determine a temperature function that matches actual measurement data is desired. Therefore, in this embodiment, a device is devised to easily obtain a heat flow temperature function that matches actual measurement data without relying on advanced knowledge or experience.
以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について説明する。 Below, the technical idea of this embodiment in which this device is applied will be explained.
<実施の形態における基本思想>
本実施の形態における基本思想は、人の手を介在させることなく、ニューラルネットワークによって実測データに適合するヒートフローの温度関数を取得する思想である。
<Basic idea of embodiment>
The basic idea of this embodiment is to obtain a heat flow temperature function that matches actual measurement data using a neural network without human intervention.
具体的に、本実施の形態における基本思想は、教師データとして実測データを使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させることにより、温度関数を取得する思想である。 Specifically, the basic idea of this embodiment is to acquire a temperature function by using actually measured data as training data and training a neural network that inputs temperature values and outputs heat flow values. It is a thought.
この基本思想によれば、ニューラルネットワークによって取得したヒートフローの温度関数をアブラミの式に代入することにより、材料の結晶化度を推定できる。 According to this basic idea, the degree of crystallinity of a material can be estimated by substituting the temperature function of heat flow obtained by a neural network into Avrami's equation.
この基本思想の根底には、ニューラルネットワークによって基本的にどのような複雑な関数形も近似することができるという普遍性定理が存在することに着目して、研究者のセンスや経験に頼ることなく、ニューラルネットワークで複雑なヒートフローの温度関数を取得できるという考え方が内在している。つまり、基本思想は、結晶核生成や結晶成長の詳細なメカニズムを解析しなくても、実測データに高精度に合う温度関数を取得できさえすれば、材料の結晶化度を高精度に推定できるという考え方に基づいている。 At the root of this basic idea is the universality theorem, which states that neural networks can basically approximate any complex functional form, without relying on the researchers' sense or experience. , the idea is that a neural network can obtain a complex heat flow temperature function. In other words, the basic idea is that the degree of crystallinity of a material can be estimated with high precision, even without analyzing the detailed mechanisms of crystal nucleation and crystal growth, as long as a temperature function that matches the measured data with high precision can be obtained. It is based on this idea.
このような基本思想によれば、高度な知識や経験を必要としなくても短時間で実測データに合うヒートフローの温度関数を取得できる。すなわち、基本思想は、人の手を介さずにヒートフローの温度関数を取得できることができる点で優れており、高度な知識や経験がなくても高精度に結晶化度を推定できる点で有用な技術的思想である。 According to this basic idea, it is possible to obtain a heat flow temperature function that matches actual measurement data in a short time without requiring advanced knowledge or experience. In other words, the basic idea is excellent in that it allows you to obtain the temperature function of heat flow without human intervention, and it is useful in that it allows you to estimate the degree of crystallinity with high accuracy even without advanced knowledge or experience. This is a technical idea.
図4は、基本思想に基づいて結晶化度を推定する手法を説明するフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of estimating the degree of crystallinity based on the basic idea.
図4において、まず、「DSC」を使用することにより、ヒートフローの温度依存性を示す実測データを取得する(S201)。その後、実測データを教師データに使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させる(S202)。そして、ニューラルネットワークの学習の結果、ヒートフローの温度関数が取得される(S203)。続いて、取得されたヒートフローの具体的な温度関数をアブラミの式(数式4や数式5)に取り入れる(S204)。そして、冷却履歴を示す環境条件(温度の時間変化)をアブラミの式に入力して(S205)、結晶成長のシミュレーションを行うことにより、任意の温度履歴に対する結晶化度を推定する(S206)。 In FIG. 4, first, measured data indicating the temperature dependence of heat flow is obtained by using "DSC" (S201). Thereafter, the actually measured data is used as teacher data to train a neural network that inputs temperature values and outputs heat flow values (S202). Then, as a result of learning by the neural network, a temperature function of heat flow is obtained (S203). Next, the specific temperature function of the obtained heat flow is incorporated into Avrami's equation (Equation 4 or Equation 5) (S204). Then, the environmental conditions (temporal change in temperature) indicating the cooling history are input into Avrami's equation (S205), and a crystal growth simulation is performed to estimate the degree of crystallinity for an arbitrary temperature history (S206).
以上のようにして、ニューラルネットワークを使用してヒートフローの温度関数を取得するという基本思想によって、材料の結晶化度を推定することができる。 As described above, the degree of crystallinity of a material can be estimated based on the basic idea of obtaining the temperature function of heat flow using a neural network.
<結晶化度推定装置の構成>
<<ハードウェア構成>>
以下では、まず、上述した基本思想を具現化する本実施の形態おける結晶化度推定装置のハードウェア構成について説明する。
<Configuration of crystallinity estimation device>
<<Hardware configuration>>
In the following, first, a hardware configuration of a crystallinity degree estimating device in this embodiment that embodies the above-mentioned basic idea will be described.
図5は、本実施の形態における結晶化度推定装置100のハードウェア構成の一例を示す図である。なお、図5に示す構成は、あくまでも結晶化度推定装置100のハードウェア構成の一例を示すものであり、結晶化度推定装置100のハードウェア構成は、図5に記載されている構成に限らず、他の構成であってもよい。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the hardware configuration of
図5において、結晶化度推定装置100は、プログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)101を備えている。このCPU101は、バス113を介して、例えば、ROM(Read Only Memory)102、RAM(Random Access Memory)103、および、ハードディスク装置112と電気的に接続されており、これらのハードウェアデバイスを制御するように構成されている。
In FIG. 5, a
また、CPU101は、バス113を介して入力装置や出力装置とも接続されている。入力装置の一例としては、キーボード105、マウス106、通信ボード107、および、スキャナ111などを挙げることができる。一方、出力装置の一例としては、ディスプレイ104、通信ボード107、および、プリンタ110などを挙げることができる。さらに、CPU101は、例えば、リムーバルディスク装置108やCD/DVD-ROM装置109と接続されていてもよい。
Further, the
結晶化度推定装置100は、例えば、ネットワークと接続されていてもよい。例えば、結晶化度推定装置100がネットワークを介して他の外部機器と接続されている場合、結晶化度推定装置100の一部を構成する通信ボード107は、LAN(ローカルエリアネットワーク)、WAN(ワイドエリアネットワーク)やインターネットに接続されている。
The
RAM103は、揮発性メモリの一例であり、ROM102、リムーバルディスク装置108、CD/DVD-ROM装置109、ハードディスク装置112の記録媒体は、不揮発性メモリの一例である。これらの揮発性メモリや不揮発性メモリによって、結晶化度推定装置100の記憶装置が構成される。
The
ハードディスク装置112には、例えば、オペレーティングシステム(OS)201、プログラム群202、および、ファイル群203が記憶されている。プログラム群202に含まれるプログラムは、CPU101がオペレーティングシステム201を利用しながら実行する。また、RAM103には、CPU101に実行させるオペレーティングシステム201のプログラムやアプリケーションプログラムの少なくとも一部が一次的に格納されるとともに、CPU101による処理に必要な各種データが格納される。
The
ROM102には、BIOS(Basic Input Output System)プログラムが記憶され、ハードディスク装置112には、ブートプログラムが記憶されている。結晶化度推定装置100の起動時には、ROM102に記憶されているBIOSプログラムおよびハードディスク装置112に記憶されているブートプログラムが実行され、BIOSプログラムおよびブートプログラムにより、オペレーティングシステム201が起動される。
The
プログラム群202には、結晶化度推定装置100の機能を実現するプログラムが記憶されており、このプログラムは、CPU101により読み出されて実行される。また、ファイル群203には、CPU101による処理の結果を示す情報、データ、信号値、変数値やパラメータがファイルの各項目として記憶されている。
ファイルは、ハードディスク装置112やメモリなどの記録媒体に記憶される。ハードディスク装置112やメモリなどの記録媒体に記憶された情報、データ、信号値、変数値やパラメータは、CPU101によりメインメモリやキャッシュメモリに読み出され、抽出・検索・参照・比較・演算・処理・編集・出力・印刷・表示に代表されるCPU101の動作に使用される。例えば、上述したCPU101の動作の間、情報、データ、信号値、変数値やパラメータは、メインメモリ、レジスタ、キャッシュメモリ、バッファメモリなどに一次的に記憶される。
The file is stored in a recording medium such as the
結晶化度推定装置100の機能は、ROM102に記憶されたファームウェアで実現されていてもよいし、あるいは、ソフトウェアのみ、素子・デバイス・基板・配線に代表されるハードウェアのみ、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせ、さらには、ファームウェアとの組み合わせで実現されていてもよい。ファームウェアとソフトウェアは、プログラムとして、ハードディスク装置112、リムーバルディスク、CD-ROM、DVD-ROMなどに代表される記録媒体に記憶される。プログラムは、CPU101により読み出されて実行される。すなわち、プログラムは、コンピュータを結晶化度推定装置100として機能させるものである。
The functions of the
このように、結晶化度推定装置100は、処理装置であるCPU101、記憶装置であるハードディスク装置112やメモリ、入力装置であるキーボード105、マウス106、通信ボード107、出力装置であるディスプレイ104、プリンタ110、通信ボード107を備えるコンピュータである。そして、結晶化度推定装置100の機能は、処理装置、記憶装置、入力装置、および、出力装置を利用して実現される。
In this way, the
<<機能ブロック構成>>
次に、結晶化度推定装置100の機能ブロック構成について説明する。
<<Functional block configuration>>
Next, the functional block configuration of the
図6は、結晶化度推定装置の機能を示す機能ブロック図である。 FIG. 6 is a functional block diagram showing the functions of the crystallinity estimation device.
図6に示すように、結晶化度推定装置100は、入力部301と、温度関数取得部302と、結晶化度推定部303と、出力部304と、データ記憶部305とを有している。
As shown in FIG. 6, the
この結晶化度推定装置100は、上述した構成要素を備えることにより、材料からの単位時間当たりの放熱量を示すヒートフローであって、温度依存性を有するヒートフローに基づいて、材料の結晶化度を推定するように構成されている。
This
入力部301は、例えば、「DSC」で測定されたヒートフローの実測データを入力するように構成されている。そして、入力部301に入力された実測データは、データ記憶部305に記憶される。例えば、図1に示す実測データが入力部301に入力される。
The
温度関数取得部302は、データ記憶部305に記憶されている実測データに基づいて、ヒートフローの温度関数を取得するように構成されている。
The temperature
例えば、温度関数取得部302は、教師データとして実測データを使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させることにより、温度関数を取得するように構成されている。
For example, the temperature
図7は、温度関数取得部302を構成するニューラルネットワークの一構成例を模式的に示す図である。図7に示すニューラルネットワークは、例えば、単層からなる中間層400を有し、この中間層400は、例えば、6つのノード401を含んでいる。このニューラルネットワークでは、関数を線形演算と非線形演算の組み合わせとして考える。すなわち、中間層400を構成する6つのノード401のそれぞれでは、入力データに対して重み(ウェイト)とバイアスを用いた線形演算を行った後、線形演算の結果を活性化関数に代入して非線形演算を行う。そして、中間層400では、6つのノード401のそれぞれでの非線形演算の結果を組み合わせることにより、出力データを出力する。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration example of a neural network that constitutes the temperature
このようにニューラルネットワークでは、入力データから出力データを得るための関数を線形演算と非線形演算の組み合わせとして考えている。そして、ニューラルネットワークの学習とは、ニューラルネットワークで与えられる関数を入力データと出力データとが関連づくように最適化することをいう。例えば、本実施の形態で使用されるニューラルネットワークの学習は、ニューラルネットワークで与えられる関数を、入力データである温度と出力データであるヒートフローとが関連づくように最適化することをいうことになる。これにより、ニューラルネットワークで与えられる関数が最適化されれば、この最適化された関数が実測データに即したヒートフローの温度関数となる。 In this way, in neural networks, the function for obtaining output data from input data is considered as a combination of linear and nonlinear operations. Learning of a neural network means optimizing a function provided by a neural network so that input data and output data are related. For example, the learning of the neural network used in this embodiment involves optimizing the function given by the neural network so that the input data, temperature, and the output data, heat flow, are related. Become. As a result, if the function given by the neural network is optimized, this optimized function becomes a heat flow temperature function that matches the actual measurement data.
ここで、ニューラルネットワークで与えられる関数の最適化は、例えば、以下に示すようにして行われる。すなわち、「DSC」で得られた実測データを教師データとしてデータセットを用意する。そして、このデータセットを使用して、ニューラルネットワークで与えられる関数として、データセットに含まれるすべてのデータに整合するような関数を見出すことができれば、ニューラルネットワークで与えられる関数の最適化が行われることになる。この点に関し、例えば、誤差関数として、教師データである実測データとニューラルネットワークからの出力値の差を導入し、この誤差関数が小さくなることを要求する。 Here, the optimization of the function provided by the neural network is performed, for example, as shown below. That is, a data set is prepared using actual measurement data obtained by "DSC" as training data. Using this data set, if a function given by the neural network can be found that matches all the data contained in the data set, then the function given by the neural network can be optimized. It turns out. In this regard, for example, the difference between actual measured data, which is teaching data, and the output value from the neural network is introduced as an error function, and this error function is required to be small.
この要求は、例えば、重みとバイアスを適当な初期値に設定し、それを勾配降下法(gradient descent method)で徐々に更新することにより実現でき、これによって、最終的に誤差関数を最小にすることできる。これが機械学習であり、これによって、ニューラルネットワークで与えられる関数の最適化が行われる。この結果、本実施の形態では、温度関数取得部302を構成するニューラルネットワークにより、実測データに整合するヒートフローの温度関数を取得することができる。
This requirement can be achieved, for example, by setting the weights and biases to appropriate initial values and gradually updating them using a gradient descent method, which ultimately minimizes the error function. I can do that. This is machine learning, which optimizes functions given by neural networks. As a result, in this embodiment, the neural network included in the temperature
なお、本実施の形態では、単層の中間層400を有するニューラルネットワークを使用する例について説明したが、これに限らず、例えば、複数の中間層を有するニューラルネットワークを使用することもできる。
Note that in this embodiment, an example in which a neural network having a single
ただし、計算の高速化の観点から、中間層は単層であることが望ましく、また、実測データからの誤差を考慮すると、単層では6ノード以上であることが望ましい。 However, from the viewpoint of speeding up calculation, it is desirable that the intermediate layer be a single layer, and in consideration of errors from actual measurement data, it is desirable that the single layer has six or more nodes.
続いて、結晶化度推定部303は、温度関数取得部302で取得された温度関数に基づいて、材料の結晶化度を推定するように構成されている。具体的に、結晶化度推定部303は、温度関数取得部302で取得された温度関数を(数式4)や(数式5)に代入して微分方程式を解くことにより、結晶化度「X」を推定するように構成されている。例えば、微分方程式は、ルンゲクッタ法を使用して解くことができる。
Subsequently, the
出力部304は、結晶化度推定部303で推定された結晶化度「X」を出力するように構成されている。
The
<結晶化度推定装置の動作>
結晶化度推定装置100は、上記のように構成されており、以下に、この結晶化度推定装置100の動作について、図面を参照しながら説明する。
<Operation of crystallinity estimation device>
The
図8は、結晶化度推定装置の動作を説明するフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart illustrating the operation of the crystallinity estimation device.
まず、(数式1)~(数式6)に示される関係式や、実測データなどは、予めデータ記憶部305に記憶されているものとする。
First, it is assumed that the relational expressions shown in (Formula 1) to (Formula 6), actual measurement data, etc. are stored in the
図8において、結晶化度推定装置100の入力部301は、例えば、「DSC」を使用することによって測定されたヒートフローの温度依存性を示す実測データを入力する(S301)。入力された実測データは、データ記憶部305に記憶される。
In FIG. 8, the
次に、温度関数取得部302は、データ記憶部305に記憶されている実測データを教師データに使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させる(S302)。これにより、温度関数取得部302は、ニューラルネットワークの学習の結果、ヒートフローの温度関数を取得する(S303)。
Next, the temperature
続いて、結晶化度推定部303は、温度関数取得部302で取得したヒートフローの具体的な温度関数をアブラミの式(数式4や数式5)に取り入れる(S304)。そして、冷却履歴を示す環境条件(温度の時間変化)をアブラミの式に入力して(S305)、結晶成長のシミュレーションを行う。これにより、結晶化度推定部303は、任意の温度履歴に対する結晶化度を推定する(S306)。そして、出力部304は、結晶化度推定部303で推定された結晶化度を出力する(S307)。
Next, the
以上のようにして、本実施の形態における結晶化度推定装置100によれば、ニューラルネットワークを使用して、材料の結晶化度を推定することができる。
As described above, according to the
<物理量推定プログラム>
上述した結晶化度推定装置100で実施される結晶化度推定方法は、結晶化度推定処理をコンピュータに実行させる結晶化度推定プログラムにより実現することができる。
<Physical quantity estimation program>
The crystallinity estimation method carried out by the
例えば、図5に示すコンピュータからなる結晶化度推定装置100において、ハードディスク装置112に記憶されているプログラム群202の1つとして、本実施の形態における結晶化度推定プログラムを導入することができる。そして、この結晶化度推定プログラムを結晶化度推定装置100であるコンピュータに実行させることにより、本実施の形態における結晶化度推定方法を実現することができる。
For example, in the
結晶化度推定処理に関するデータを作成するための各処理をコンピュータに実行させる結晶化度推定プログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して頒布することができる。記録媒体には、例えば、ハードディスクやフレキシブルディスクに代表される磁気記憶媒体、CD-ROMやDVD-ROMに代表される光学記憶媒体、ROMやEEPROMなどの不揮発性メモリに代表されるハードウェアデバイスが含まれる。 A crystallinity estimation program that causes a computer to execute each process for creating data related to crystallinity estimation processing can be recorded on a computer-readable recording medium and distributed. Examples of recording media include magnetic storage media such as hard disks and flexible disks, optical storage media such as CD-ROMs and DVD-ROMs, and hardware devices such as non-volatile memories such as ROMs and EEPROMs. included.
<効果の検証>
以下では、本実施の形態における効果の検証結果について説明する。
<Verification of effectiveness>
Below, the results of verifying the effects of this embodiment will be explained.
<<検証結果1>>
まず、ニューラルネットワークを学習させることにより取得されたヒートフローの温度関数が実測データによく一致しているか否かの検証結果について説明する。
<<
First, a description will be given of the verification results of whether the heat flow temperature function obtained by training the neural network closely matches the measured data.
図9は、「DSC」で測定したヒートフローの実測データを示すグラフである。ここでの実測データは、直鎖状低密度ポリエチレンを「DSC」で測定したデータである。 FIG. 9 is a graph showing actual heat flow data measured by "DSC". The actual measurement data here is data obtained by measuring linear low density polyethylene using "DSC".
図9において、横軸は温度(℃)を示しており、縦軸はヒートフロー(W/g)を示している。なお、図2と比較するとわかるように、図9においては、容器の熱の出入りに起因するヒートフローを取り除いている。 In FIG. 9, the horizontal axis indicates temperature (° C.), and the vertical axis indicates heat flow (W/g). Note that, as can be seen from a comparison with FIG. 2, in FIG. 9, the heat flow caused by heat going in and out of the container is removed.
図10は、図9に示す実測データを多項式で近似して取得されたヒートフローの温度関数を示すグラフである。図10において、実測データを10次多項式で近似して得られた温度関数を比較例1としている。また、実測データを100次多項式で近似して得られた温度関数を比較例2としている。図10に示すように、比較例1および比較例2においては、温度関数と実測データの不一致が顕著であることがわかる。 FIG. 10 is a graph showing a temperature function of heat flow obtained by approximating the measured data shown in FIG. 9 using a polynomial. In FIG. 10, Comparative Example 1 is a temperature function obtained by approximating measured data with a 10th-order polynomial. Further, Comparative Example 2 is a temperature function obtained by approximating the measured data using a 100th degree polynomial. As shown in FIG. 10, it can be seen that in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, there is a significant mismatch between the temperature function and the measured data.
次に、図11は、図9に示す実測データを教師データとしてニューラルネットワークを学習させることにより取得されたヒートフローの温度関数を示すグラフである。図11において、3ノードのニューラルネットワークを学習させることにより取得された温度関数を実施例1としている。また、6ノードのニューラルネットワークを学習させることにより取得された温度関数を実施例2としている。図11に示すように、実施例1および実施例2においては、温度関数と実測データとがよく一致していることがわかる。 Next, FIG. 11 is a graph showing a temperature function of heat flow obtained by learning a neural network using the actual measurement data shown in FIG. 9 as teacher data. In FIG. 11, Example 1 is a temperature function obtained by learning a three-node neural network. Further, Example 2 is a temperature function obtained by training a six-node neural network. As shown in FIG. 11, it can be seen that in Examples 1 and 2, the temperature function and the measured data match well.
以下では、定量的に比較例と実施例とを評価した結果について説明する。 Below, the results of quantitatively evaluating the comparative examples and examples will be explained.
評価項目の1つである「誤差」は、実測データと計算データとの差(絶対値)の平均値であり、以下の(数式7)で示される。 The "error", which is one of the evaluation items, is the average value of the difference (absolute value) between the measured data and the calculated data, and is expressed by the following (Formula 7).
ε:誤差
xi:計算データ
x´i:実測データ
N:データ数
ε: Error x i : Calculated data x' i : Actual data N: Number of data
また、図12は、その他の評価項目を示すグラフである。 Moreover, FIG. 12 is a graph showing other evaluation items.
図12には、実測データと計算データとの「ピーク位置の差」と「最大値の差」と「最小値の差」とが示されている。 FIG. 12 shows "difference in peak position", "difference in maximum value", and "difference in minimum value" between the measured data and the calculated data.
図13は、上述した評価項目に沿って比較例と実施例とを評価した結果を示す表である。 FIG. 13 is a table showing the results of evaluating the comparative example and the example according to the evaluation items described above.
図13において、比較例1および比較例2は、Mathlab(Mathworks社)の多項式フィッティング関数を使用し、データ数15500点により最小二乗法で多項式の係数を決定している。図13に示すように、比較例1および比較例2では、すべての評価項目で不合格になっていることがわかる。特に、図10に示すように、-50℃と200℃付近で振動形状の波形となる結果、誤差が増大して不適切であることがわかる。 In FIG. 13, Comparative Examples 1 and 2 use the polynomial fitting function of Mathlab (Mathworks), and determine the coefficients of the polynomial by the least squares method using 15,500 data points. As shown in FIG. 13, it can be seen that Comparative Example 1 and Comparative Example 2 failed in all evaluation items. In particular, as shown in FIG. 10, as a result of the oscillating waveform at around -50° C. and 200° C., the error increases and it is found that this is inappropriate.
図13において、実施例1および実施例2は、Mathlab(Mathworks社)のニューラルネットワークフィッティングツールを使用して学習させている。学習条件は、「Bayesian Regularization」でトレーニングして、「Mean Squared Error」で学習終了判定を実施している。図13に示すように、実施例1および実施例2の両方とも、すべての評価項目で合格となっていることがわかる。ただし、実施例1と実施例2とを比較するとわかるように、3ノードのニューラルネットワークの方が6ノードのニューラルネットワークよりも誤差が大きい。したがって、より高精度に実測データに合う温度関数を取得する観点からは、6ノード以上のニューラルネットワークを使用することが望ましいことがわかる。特に、実施例1および実施例2では、温度関数が振動形状の波形となっておらず、滑らかな形状であることから、誤差が増大せずに扱いやすい関数形となっていることがわかる。 In FIG. 13, Example 1 and Example 2 are trained using the neural network fitting tool of Mathlab (Mathworks). The learning conditions are "Bayesian Regularization" for training, and "Mean Squared Error" for determining the end of learning. As shown in FIG. 13, it can be seen that both Example 1 and Example 2 passed in all evaluation items. However, as can be seen by comparing Example 1 and Example 2, the error is larger in the 3-node neural network than in the 6-node neural network. Therefore, it can be seen that it is desirable to use a neural network with six or more nodes from the viewpoint of obtaining a temperature function that matches actual measurement data with higher accuracy. In particular, in Examples 1 and 2, the temperature function does not have an oscillatory waveform, but has a smooth shape, so it can be seen that the function form is easy to handle without increasing errors.
以上の評価結果から、ニューラルネットワークを学習させることにより取得されたヒートフローの温度関数が実測データによく一致していることが裏付けられている。 The above evaluation results confirm that the heat flow temperature function obtained by training the neural network closely matches the measured data.
<<検証結果2>>
続いて、ニューラルネットワークを学習させることにより取得されたヒートフローの温度関数に基づいて推定される結晶化度が、実測された結晶化度とよく一致しているか否かの検証結果について説明する。つまり、ここでは、本実施の形態における結晶化度の推定方法の有効性を検証する。検証は、ニューラルネットワークの学習から取得されたヒートフローの温度関数に基づいて推定された結晶化度と、実際に電線成形時の冷却条件を変えて作製されたサンプルの結晶化度を比較することによって行った。
<<Verification result 2>>
Next, a description will be given of the verification results of whether the degree of crystallinity estimated based on the temperature function of heat flow obtained by training a neural network closely matches the degree of crystallinity that was actually measured. That is, here, the effectiveness of the crystallinity estimation method in this embodiment will be verified. Verification involves comparing the degree of crystallinity estimated based on the heat flow temperature function obtained from neural network learning with the degree of crystallinity of samples actually made by changing the cooling conditions during wire forming. It was done by
1.実験系
図14は、実験系を示す模式図である。
1. Experimental System FIG. 14 is a schematic diagram showing the experimental system.
図14において、被覆材料の原料となる原料ペレット10を押出機11に投入して混練すると、クロスヘッド12を介してダイ13から溶融した樹脂材料が押し出される。押し出された樹脂材料は、走行ラインに沿って移動する導体14の表面に塗布される。そして、導体14の表面に塗布された樹脂材料は、ダイ13から押し出された直後から空冷された後、水槽15で水冷される。このようにして、ダイ13から押し出された樹脂材料は、空冷および水冷による冷却過程で結晶化する。以下では、この結晶化度を実測する。
In FIG. 14, when
導体14は、例えば、銅の撚線から構成される。また、原料ペレット(プラスチック材料)10は、例えば、鎖状低密度ポリエチレンである。この導体14と原料ペレット10を使用して外径2.63mmの電線を作製する。
The
押出機11は、シリンダ径が40mmであり、シリンダの温度は、100℃~180℃に設定されている。また、スクリューは、フルフライトである。クロスヘッド(金型)12の温度は、200℃に設定され、ダイ13は、穴径2.6mmのものを利用する。
The
走行ラインにおいて、空冷距離は380mmであり、線速は20m/minである。 In the running line, the air cooling distance is 380 mm and the linear speed is 20 m/min.
2.評価サンプルの作製
結晶化度を変化させるために、クロスヘッド12に挿入する導体14を加熱させて、図14に示す位置16で導体温度を25℃~200℃とすることにより、冷却履歴(温度履歴)の異なる複数の評価サンプルを作製した。
2. Preparation of evaluation sample In order to change the degree of crystallinity, the
3.樹脂温度の測定
結晶化度の計算に必要な樹脂温度は、空冷時の表面温度を非接触式のレーザ温度計17で計測することで取得し、樹脂材料の温度変化を求めた。
3. Measurement of Resin Temperature The resin temperature necessary for calculating the degree of crystallinity was obtained by measuring the surface temperature during air cooling with a
4.結晶化度の実測
結晶化度の実測は、「DSC」を使用して行った。評価サンプルは、被覆された電線を5mg程度採取した。「DSC」の温度変化の速度は10℃/minとして、昇温/降温させる。温度変化の範囲は、-50℃~200℃とした。
4. Actual measurement of crystallinity degree Actual measurement of crystallinity degree was performed using "DSC". Approximately 5 mg of the coated electric wire was collected as an evaluation sample. The temperature change rate of "DSC" is 10° C./min, and the temperature is raised/lowered. The temperature change range was -50°C to 200°C.
まず、ファーストランとして、-50℃から200℃まで昇温させた後、セカンドランとして、200℃から-50℃まで降温させた。さらに、サードランとして、-50℃から200℃まで昇温させて、ファーストランとセカンドランとサードランのそれぞれにおいて、ヒートフローを測定した。ヒートフロー値の積算値(積分値)が潜熱である。 First, as a first run, the temperature was raised from -50°C to 200°C, and then as a second run, the temperature was lowered from 200°C to -50°C. Furthermore, as a third run, the temperature was raised from -50°C to 200°C, and heat flow was measured in each of the first run, second run, and third run. The integrated value (integral value) of the heat flow value is latent heat.
ここで、評価サンプルに対してファーストランを実行することにより求められる潜熱は、温度履歴(作製時)の異なる評価サンプルごとの結晶化度を反映する。一方、評価サンプルに対してセカンドランを実行すると、すべての評価サンプルで温度履歴(セカンドラン)が同様であるため、すべての評価サンプルの結晶化度は同等となる。そして、評価サンプルに対してサードランを実行することにより求められる潜熱は、セカンドラン時の結晶化度を反映する。したがって、評価サンプルのそれぞれの結晶化度「X」は、例えば、以下に示す(数式8)で表すことができる。 Here, the latent heat obtained by performing a first run on the evaluation sample reflects the degree of crystallinity of each evaluation sample having a different temperature history (at the time of production). On the other hand, when a second run is performed on the evaluation samples, all the evaluation samples have the same temperature history (second run), so the crystallinity degrees of all the evaluation samples are the same. The latent heat obtained by performing the third run on the evaluation sample reflects the degree of crystallinity at the time of the second run. Therefore, the crystallinity "X" of each evaluation sample can be expressed, for example, by (Equation 8) shown below.
5.実験結果
図15は、実測した樹脂温度の変化の一例を示すグラフである。
5. Experimental Results FIG. 15 is a graph showing an example of actually measured changes in resin temperature.
図15において、横軸はダイの出口からの距離(mm)を示しており、縦軸は樹脂表面の温度(℃)を示している。この図15に示す樹脂温度の変化から温度履歴がわかる。そして、ニューラルネットワークを学習させることにより取得されたヒートフローの温度関数を代入した微分方程式(アブラミの式)に対して、実測した評価サンプルごとの異なる温度変化(温度履歴)を入力して解くことにより、評価サンプルごとの結晶化度を推定することが可能となる。具体的に、作製した温度履歴の異なる複数の評価サンプルのすべてについて結晶化度を計算した。 In FIG. 15, the horizontal axis indicates the distance (mm) from the exit of the die, and the vertical axis indicates the temperature (° C.) of the resin surface. The temperature history can be understood from the change in resin temperature shown in FIG. Then, the differential equation (Abrami's equation) in which the temperature function of the heat flow obtained by training the neural network is substituted, is solved by inputting the different temperature changes (temperature history) for each actually measured evaluation sample. This makes it possible to estimate the degree of crystallinity for each evaluation sample. Specifically, the degree of crystallinity was calculated for all of the prepared evaluation samples having different temperature histories.
一方、作製した温度履歴の異なる複数の評価サンプルのすべてについて、「DSC」でヒートフローを実測した後、(数式8)に基づいて結晶化度を実測した。 On the other hand, for all of the prepared evaluation samples having different temperature histories, the heat flow was actually measured using "DSC", and then the crystallinity degree was actually measured based on (Equation 8).
図16は、計算値と実測値との比較結果を示すグラフである。 FIG. 16 is a graph showing the comparison results between calculated values and actually measured values.
図16において、横軸は導体温度(℃)を示しており、縦軸は結晶化度(%)を示している。図16に示すように、ニューラルネットワークを学習させることにより取得されたヒートフローの温度関数に基づいて推定される結晶化度(計算値)が、実測された結晶化度(実測値)とよく一致していることが裏付けられている。 In FIG. 16, the horizontal axis indicates conductor temperature (° C.), and the vertical axis indicates crystallinity (%). As shown in Figure 16, the crystallinity degree (calculated value) estimated based on the heat flow temperature function obtained by training the neural network is in good agreement with the measured crystallinity degree (actual value). It is proven that this is the case.
<応用例>
例えば、上述した「<<検証結果1>>」に示したように、ニューラルネットワークを学習させることにより取得されたヒートフローの温度関数は、実測データによく一致している。このことに基づいて、以下に示す応用例を考えることができる。
<Application example>
For example, as shown in "<<
例えば、「DSC」で測定した実測データは、10000~20000点のデータ列に及ぶ。さらに、ファーストランとセカンドランとサードランを実施するには、実測データのデータ数は、数万点にも及ぶことから、実測データを保存するためには大容量の記憶容量が必要になることが考えられる。 For example, actual measurement data measured by "DSC" covers a data string of 10,000 to 20,000 points. Furthermore, in order to carry out the first run, second run, and third run, the number of actual measurement data points reaches tens of thousands of points, so a large amount of storage capacity is required to save the actual measurement data. Conceivable.
この点に関し、ニューラルネットワークを学習させることにより取得されたヒートフローの温度関数は、実測データによく一致している。このことから、実測データの替わりに温度関数を記憶させておき、例えば、温度値を入力すると、温度関数に基づいてヒートフロー値を出力するように構成することができる。これにより、実質的に実測データを再現することができる。この場合、温度関数自体だけを記憶しておけばよいので、記憶するデータ量の軽量化を図ることができる。 In this regard, the heat flow temperature function obtained by training the neural network closely matches the measured data. For this reason, it is possible to store a temperature function instead of actual measurement data and, for example, to output a heat flow value based on the temperature function when a temperature value is input. Thereby, it is possible to substantially reproduce the measured data. In this case, since it is only necessary to store the temperature function itself, it is possible to reduce the amount of data to be stored.
具体的には、図17に示すように、結晶化度推定装置100に実測データを再現するデータ再現部310を有するように構成する。
Specifically, as shown in FIG. 17, the
ここで、データ再現部310は、温度関数記憶部311と、温度値入力部312と、ヒートフロー値取得部313と、ヒートフロー値出力部314とを含むように構成される。
Here, the
温度関数記憶部311は、実測データの替わりに温度関数取得部302で取得された温度関数を記憶するように構成されており、温度値入力部312は、温度値を入力するように構成されている。また、ヒートフロー値取得部313は、温度値入力部312に入力された温度値を温度関数に代入することによりヒートフロー値を取得するように構成されている。さらに、ヒートフロー値出力部314は、ヒートフロー値取得部313で取得されたヒートフロー値を出力するように構成されている。
The temperature
例えば、結晶化度推定装置100が、実測データを記憶するように構成された実測データ記憶部の替わりにデータ再現部310を有することにより、実測データを記憶するよりも記憶するデータ量を低減することができる。なぜなら、実測データ自体を記憶するためには、数万点にも及ぶデータを記憶する必要があるのに対し、データ再現部310を実現するためには、温度関数自体だけを記憶すればよいからである。
For example, by having the
さらには、実測データは、離散データである一方、データ再現部310で再現されるデータは、連続データである。このことから、データ再現部310を設けることにより、実測データには存在しないデータも再現することができる。つまり、実測データ記憶部の替わりにデータ再現部310を設けることにより、記憶するデータ量の軽量化を図ることができるだけでなく、データ再現部310で再現されるデータのデータ密度を実測データのデータ密度よりも大きくすることができる利点が得られる。
Furthermore, while the actual measurement data is discrete data, the data reproduced by the
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。 The invention made by the present inventor has been specifically explained based on the embodiments thereof, but the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be modified in various ways without departing from the gist thereof. Needless to say.
前記実施の形態では、直鎖状低密度ポリエチレンを例に挙げて説明したが、前記実施の形態における技術的思想は、これに限らず、「DSC」でヒートフローを測定できる材料であれば、プラスチック材料や金属材料を問わず適用することができる。 In the embodiment described above, linear low-density polyethylene was used as an example, but the technical idea in the embodiment is not limited to this, and any material whose heat flow can be measured by "DSC" may be used. It can be applied to both plastic and metal materials.
また、前記実施の形態における技術的思想は、結晶化度を推定する微分方程式への応用に限らず、関数形が滑らかであることから、他の微分や積分の計算や別の用途にも柔軟に対応することができる。 Furthermore, the technical concept of the embodiment described above is not limited to application to differential equations for estimating the degree of crystallinity, but since the functional form is smooth, it is flexible for calculation of other differentials and integrals, and for other uses. can correspond to
さらに、データストレージの観点からも、実測データの替わりにニューラルネットワークを学習させることにより取得された関数を保存することによって、データ容量を低減できることから、測定器などの低記憶容量のエッジデバイスへの適用も容易となる。 Furthermore, from the perspective of data storage, the data capacity can be reduced by storing functions acquired by training a neural network instead of actual measurement data, so it is possible to reduce the data capacity by storing functions acquired by training a neural network instead of actual measurement data. It is also easy to apply.
10 原料ペレット
11 押出機
12 クロスヘッド
13 ダイ
14 導体
15 水槽
16 位置
17 レーザ温度計
100 結晶化度推定装置
101 CPU
102 ROM
103 RAM
104 ディスプレイ
105 キーボード
106 マウス
107 通信ボード
108 リムーバルディスク装置
109 CD/DVD-ROM装置
110 プリンタ
111 スキャナ
112 ハードディスク装置
113 バス
201 オペレーティングシステム
202 プログラム群
203 ファイル群
301 入力部
302 温度関数取得部
303 結晶化度推定部
304 出力部
305 データ記憶部
310 データ再現部
311 温度関数記憶部
312 温度値入力部
313 ヒートフロー値取得部
314 ヒートフロー値出力部
400 中間層
401 ノード
10
102 ROM
103 RAM
Claims (12)
温度値に対応するヒートフロー値を測定することにより得られた実測データに基づいて、前記ヒートフローの温度関数を取得するように構成された温度関数取得部と、
前記温度関数取得部で取得された前記温度関数に基づいて、前記材料の結晶化度を推定するように構成された結晶化度推定部と、
を備え、
前記温度関数取得部は、教師データとして前記実測データを使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させることにより、前記温度関数を取得するように構成されている、結晶化度推定装置。 A crystallinity estimation device configured to estimate the crystallinity of the material based on the heat flow, which indicates the amount of heat dissipated from the material per unit time and has temperature dependence,
a temperature function acquisition unit configured to acquire a temperature function of the heat flow based on actual measurement data obtained by measuring a heat flow value corresponding to a temperature value;
a crystallinity estimator configured to estimate the crystallinity of the material based on the temperature function obtained by the temperature function obtainer;
Equipped with
The temperature function acquisition unit is configured to acquire the temperature function by using the measured data as training data and training a neural network that inputs temperature values and outputs heat flow values. crystallinity estimation device.
前記ニューラルネットワークの中間層は、単層から構成され、
前記中間層のノードは、6ノード以上である、結晶化度推定装置。 The crystallinity estimation device according to claim 1,
The middle layer of the neural network is composed of a single layer,
The crystallinity estimation device, wherein the intermediate layer has six or more nodes.
前記ヒートフローは、以下の数式1で表される、結晶化度推定装置。
J(T):ヒートフロー
Q:熱量
T:温度
t:時間 The crystallinity estimation device according to claim 1 or 2,
In the crystallinity estimation device, the heat flow is expressed by Equation 1 below.
J(T): Heat flow Q: Amount of heat T: Temperature t: Time
前記結晶化度推定部は、以下の数式4で示される結晶化速度の関係式に対して、前記温度関数取得部で取得されたヒートフローの温度関数を取り入れて前記数式4を解くことにより、前記材料の結晶化度を推定するように構成されている、結晶化度推定装置。
X:結晶化度
t:時間
J(T):ヒートフロー
T:温度
C:係数 The crystallinity estimation device according to any one of claims 1 to 3,
The crystallinity estimating unit solves the equation 4 by incorporating the temperature function of the heat flow obtained by the temperature function obtaining unit into the relational expression of the crystallization rate shown by the following equation 4, A crystallinity estimation device configured to estimate a crystallinity of the material.
X: Crystallinity t: Time J(T): Heat flow T: Temperature C: Coefficient
前記数式4に含まれる結晶化速度は、以下の数式5で表される、結晶化度推定装置。
X:結晶化度
t:時間
J(T):ヒートフロー
T:温度
X∞:飽和結晶化度 The crystallinity estimation device according to claim 4,
The crystallization rate included in Equation 4 is expressed by Equation 5 below.
X: Crystallinity t: Time J(T): Heat flow T: Temperature X ∞ : Saturated crystallinity
前記結晶化度推定装置は、前記実測データを再現するデータ再現部を有し、
前記データ再現部は、
前記実測データの替わりに前記温度関数取得部で取得された前記温度関数を記憶するように構成された温度関数記憶部と、
温度値を入力するように構成された温度値入力部と、
前記温度値入力部に入力された前記温度値を前記温度関数記憶部に記憶されている前記温度関数に代入することによりヒートフロー値を取得するように構成されたヒートフロー値取得部と、
前記ヒートフロー値取得部で取得された前記ヒートフロー値を出力するように構成されたヒートフロー値出力部と、
を含む、結晶化度推定装置。 The crystallinity estimation device according to any one of claims 1 to 5,
The crystallinity estimation device includes a data reproduction unit that reproduces the measured data,
The data reproduction unit is
a temperature function storage unit configured to store the temperature function acquired by the temperature function acquisition unit instead of the actual measurement data;
a temperature value input portion configured to input a temperature value;
a heat flow value acquisition unit configured to acquire a heat flow value by substituting the temperature value input into the temperature value input unit into the temperature function stored in the temperature function storage unit;
a heat flow value output unit configured to output the heat flow value acquired by the heat flow value acquisition unit;
A crystallinity estimation device including:
前記結晶化度推定装置は、前記実測データを記憶するように構成された実測データ記憶部の替わりに前記データ再現部を有することにより、前記実測データを記憶するよりも記憶するデータ量を低減可能に構成されている、結晶化度推定装置。 The crystallinity estimation device according to claim 6,
The crystallinity estimation device has the data reproducing unit instead of the measured data storage unit configured to store the measured data, so that the amount of data to be stored can be reduced compared to when storing the measured data. A crystallinity estimation device consisting of:
前記データ再現部で再現されるデータのデータ密度は、前記実測データのデータ密度よりも大きい、結晶化度推定装置。 The crystallinity estimation device according to claim 6 or 7,
The crystallinity estimation device, wherein the data density of the data reproduced by the data reproduction section is higher than the data density of the actually measured data.
前記実測データは、離散データであり、
前記データ再現部で再現されるデータは、連続データである、結晶化度推定装置。 The crystallinity estimation device according to any one of claims 6 to 8,
The measured data is discrete data,
The crystallinity estimation device, wherein the data reproduced by the data reproduction unit is continuous data.
温度値に対応するヒートフロー値を測定することにより得られた実測データに基づいて、前記ヒートフローの温度関数を取得する温度関数取得工程と、
前記温度関数取得工程で取得された前記温度関数に基づいて、前記材料の結晶化度を推定する結晶化度推定工程と、
を備え、
前記温度関数取得工程は、教師データとして前記実測データを使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させることにより、前記温度関数を取得する、結晶化度推定方法。 In a crystallinity estimation method for estimating the crystallinity of the material based on the heat flow that indicates the amount of heat dissipated from the material per unit time and has temperature dependence,
a temperature function acquisition step of acquiring a temperature function of the heat flow based on actual measurement data obtained by measuring a heat flow value corresponding to the temperature value;
a crystallinity estimation step of estimating the crystallinity of the material based on the temperature function obtained in the temperature function obtaining step;
Equipped with
In the temperature function acquisition step, the temperature function is acquired by using the measured data as training data and training a neural network that inputs temperature values and outputs heat flow values. Estimation method.
温度値に対応するヒートフロー値を測定することにより得られた実測データに基づいて、前記ヒートフローの温度関数を取得する温度関数取得処理と、
前記温度関数取得処理で取得された前記温度関数に基づいて、前記材料の結晶化度を推定する結晶化度推定処理と、
を備え、
前記温度関数取得処理は、教師データとして前記実測データを使用して、温度値を入力とするとともにヒートフロー値を出力とするニューラルネットワークを学習させることにより、前記温度関数を取得する処理である、結晶化度推定プログラム。 A method for causing a computer to execute a crystallinity estimation process of estimating the crystallinity of the material based on the heat flow, which indicates the amount of heat dissipated from the material per unit time and has temperature dependence. In the crystallinity estimation program,
a temperature function acquisition process of acquiring a temperature function of the heat flow based on actual measurement data obtained by measuring a heat flow value corresponding to the temperature value;
Crystallinity estimation processing that estimates the crystallinity of the material based on the temperature function obtained in the temperature function obtaining processing;
Equipped with
The temperature function acquisition process is a process of acquiring the temperature function by using the measured data as teacher data to learn a neural network that inputs temperature values and outputs heat flow values. Crystallinity estimation program.
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