JPH05126652A - 非接触張力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 物体の張力を非接触、しかも実時間に正確に
検知可能な非接触張力測定装置を提供する。 【構成】 物体（膜４）表面に圧縮空気を吹き付けて、
非接触に圧力を加え、表面を変形させる。この変位量を
非接触表面変位計６により、超音波もしくは光などの媒
体を介して非接触に測定し、測定された変位量から物体
の張力を検出する。これにより、物体の張力を非接触し
かも実時間で、また物体を損傷することなく検知でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体の張力を非接触で測
定する非接触張力測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来では、物体表面の張力を非接触ある
いは非破壊で計測する有効な手段が存在しなかった。従
来、物体表面の張力を求めるには、物体表面にひずみゲ
ージを貼る方法、ひずみ塗料を表面に塗る方法等があ
る。しかしこの方法は物体にセンサーを貼ったり塗った
りする必要がある。そのため、サンプルテストして使う
ことが出来るが、製造現場で物体の張力を検査すること
には使えないという問題がある。

【０００３】また、この方法は比較的張力の強い物体の
表面張力を検査することに向いているが、物体の表面張
力が弱い場合には向かない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、図１に示すよう
に、膜製造装置１で製造された膜（あるいはストライ
プ、テープ状の物体）４をドラム３などに巻きとる際、
膜の張力を一定に保ちたいという要望がある。このと
き、膜の張力を常にモニターする技術が必要とされる。

【０００５】しかも、張力の計測においては、膜は製品
であるため、膜を損傷する恐れがなく、計測の際に製造
工程に影響を与えないことが要求される。

【０００６】したがって、このような条件から考える
と、膜の張力を計測する手段として、非接触しかも実時
間計測という検査手段が望まれる。ところが、前記した
ように従来方法はサンプルテストであるため、図１のよ
うな生産現場における製品の計測には向かないという問
題がある。

【０００７】本発明の課題は、以上の問題を解決し、物
体の張力を非接触、しかも実時間に検知する装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明においては、物体表面に所定の圧力を非接
触で印加する手段と、前記圧力印加手段により所定の圧
力を印加した際の物体表面の変位を非接触で測定する手
段を有し、前記測定手段により測定された物体表面の変
位量に基づき物体の張力を測定する構成を採用した。

【０００９】物体表面の変位は、物体の弾力性を利用す
るのではなく、加圧によって物体が加圧点に引き込ま
れ、生じるものである。すなわち、物体が圧力によって
引き込まれる量は、物体にかかるもともとの張力に依存
するという原理に着眼したものである。

【００１０】

【作用】以上の構成によれば、物体表面に所定の圧力を
非接触で印加し、その際の物体表面の変位を非接触で測
定することにより物体の張力を非接触で測定できる。

【００１１】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を
詳細に説明する。ここでは、図１の膜の張力計測に実施
した例について述ベる。

【００１２】図２に本発明による非接触張力測定装置の
検出原理を示す。

【００１３】膜は、膜製造装置で製造された後、対にな
った支持ローラー２間を２つ通過して、ドラム３（図２
では不図示）に巻取られる。この時、支持ローラーを通
過する膜の張力が問題になる。なぜならば、膜の張力が
一定になってないと、ドラムに巻取られた後の巻取り厚
さが製品毎に変化してしまうためである。

【００１４】したがって、このような場合、製造工程中
の膜の張力をモニターし、張力が異常に変化しないか監
視する必要がでてくる。たとえば、図１においてドラム
３の巻取り径は、巻取り量に応じて変化するため、もし
張力を一定にしたいのであれば、膜の張力を検出してド
ラム３、あるいは支持ローラー２の駆動を制御しなけれ
ばならない。

【００１５】本発明では、支持ローラー２間の領域にお
いて、所定の圧力で圧縮空気を膜４に噴射し、非接触表
面変位計６により膜４の変位量を検出することにより膜
４の張力を測定する。非接触表面変位計６は、光または
音波を用いて膜４との間の距離を測定し、変位量を検出
する。

【００１６】膜の張力を検出する基本原理を図１３、１
４に詳細に示す。図１では、膜４は製造装置から繰り出
されるようになっているが、図１３、１４では膜の右側
端部は、右側の壁に固定されている。

【００１７】支持ローラー２、２は、膜を支えるため
に、膜の２カ所に取り付けられている。膜４の左端部と
左壁の間にはバネ８が張架されている。バネ８の長さは
Ｌとし、バネ８が膜を引っ張る力を、Ｆ0とする。

【００１８】次に図１４に示すように、この膜の中間点
を圧力Ｐで加圧したとき、膜４は角度θだけ傾いた結
果、膜４の加圧された場所はｄだけ下に凹み静止したと
する。膜４が下にｄだけ凹んだことにより、バネはΔＬ
だけ伸びたとする。圧力Ｐは膜の面積ａに加えられてい
るので、その加圧力はＰ・ａとなる。ここで、ａは圧力
の加わる面積であり、その大きさは横からみた場合、長
さＬに対してかなり小さいと仮定する。

【００１９】図１４に示すように、べクトルＰａは、膜
の張力べクトルＦ2とＦ3に分けられる。Ｆ2とＦ3は、そ
れぞれ右の壁を引っ張る力と、バネを引っ張る力であ
る。

【００２０】今、圧力は、２箇所のローラーの中間点を
加圧しているため、Ｆ2とＦ3の値は等しくなる。一方、
膜が凹むことによって膜の左端が右方向にΔＬだけ移動
するため、バネが膜を引っ張る力はＦ0＋ｋΔＬとな
る。ここで、ｋはバネ定数である。バネが膜を引っ張る
力は、圧力Ｐによって生じた力Ｆ3と等しくなる。よっ
て、次式が成り立つ。

【００２１】 Ｆ0＋ｋΔＬ＝Ｆ3 …（１） 圧力Ｐと引張力Ｆ3の関係は図１４より、次式になる。

【００２２】 Ｆ3＝Ｐａ／２ｓｉｎθ …（２） 一方、θとｄの関係は、（３）式で表せる。

【００２３】 ｓｉｎθ＝２ｄ／（ｈ＋ΔＬ） …（３） ここで、（３）式を（２）式に代入すると、（４）式に
なる。

【００２４】 Ｆ3＝Ｐａ（ｈ＋ΔＬ）／４ｄ …（４） 次に、（４）式を（１）式に代入し、ΔＬをｈとｄで表
すと、

【００２５】

【数１】

【００２６】となるため、初期の膜の張力Ｆ0は、
（５）式で表される。

【００２７】

【数２】

【００２８】ここで計測の際、ｈ>>ｄであるから、ｈの
２乗＋４ｄの２乗がｈの２乗と等しくなる。よって、
（５）式は（６）式に近似できる。

【００２９】 Ｆ0＝Ｐａｈ／４ｄ …（６） （６）式からわかることは、圧力Ｐを仮に一定にしてお
いた時、膜の初期引張力Ｆ0が大きくなるほど膜の凹み
（変位量）ｄは小さくなる。よって、この凹み量を計測
することで、膜の張力Ｆ0が検知できる。いいかえれ
ば、図３（ａ）、（ｂ）に示すように物体の張力が強い
とき、この変位量は小さく、逆に、物体の張力が弱いと
き、変位量は大きい。

【００３０】この発明では、膜の加圧Ｐを非接触的に行
うために圧縮空気を膜に噴射する構成にした。一方、膜
の凹み量を非接触的に計測するために光もしくは音波を
用いた非接触式変位計を構成した。

【００３１】装置の詳しい内容を以下述べる。本発明で
は、この変形量ｄを非接触的に実時間計測する。

【００３２】よって、本装置は、図４に示すように、圧
縮空気１２を物体表面に吹き付けるための空気噴射部１
１、物体表面の変位を非接触的に検知するための光学変
位計１３、更に光学変位計１３の出力電気信号から膜４
の変位量を求めるための信号処理部１４からなる。膜の
張力が常に一定値になっている事が、製造工程上理想条
件である。しかし、何らかの要因により、膜４の張力が
変動した場合、それを作業監視者に警告を発する必要が
ある。このため、信号処理部１４には警告灯１５を接続
してある。ただし、信号処理部１４の出力により、支持
ローラー２、２その他の駆動量を制御する構成も考えら
れる。

【００３３】膜４の張力が正常値から変動したことを、
加圧による膜４の変位量の変動から検知し、警告灯１５
を点ける。以下、各構造部の具体例について述べる。ま
ず、空気噴射部１１について述べる。

【００３４】例えば、これには２つのタイプが考えられ
る。一つは、図５に示すように、シリンダー２１内のピ
ストン２２が移動することにより圧縮空気を作りだし裏
シリンダーの噴射口２３から圧縮空気を放出するもので
ある。ピストン２２は、クランク２５を介して駆動板２
４により往復駆動される。

【００３５】もう一つは、図６に示すように、ピストン
の代わりにスピーカー２７の様な振動板を設け、圧縮空
気を作り出すものである。

【００３６】次に表面変位計について述ベる。膜が加圧
された時に生じる物体表面の凹み量すなわち変位量の検
出手段は、光を使った変位計として次の２つが考えられ
る。

【００３７】すなわち、図７に示すように、レーザー光
源３１から出射したビーム光を膜４の表面に照射し、膜
４の表面で反射した光の出射方向を光位置検出素子３２
で検出する。膜４の表面が変位すると、表面によるレー
ザー光の反射方向が変化し、光位置検出素子３２上の受
光位置が変化するので、ＣＣＤなどからなる光位置検出
素子３２によりこの受光位置変化を検出することにより
膜４の変位を測定できる。

【００３８】また、もう一つの方法は、図８に示すよう
にレーザー光源３１から出射したビーム光をレンズ３３
で膜４の表面に絞り込み、物体反射光をレンズ３３で集
光し、光量検出素子３６で受光する構成をとる。光量検
出素子３６の光軸は、ハーフミラー３４によりレーザー
光源３１の光軸から分離してある。

【００３９】反射光の集光点には、スポットサイズ以下
の大きさを持つピンホール３５を配置する。このピンホ
ール３５は、膜４が変形する前の状態において、膜４の
表面と共役な位置に配置されている。このピンホール３
５を通過した物体反射光を光量検出素子３６で測定す
る。

【００４０】光量検出素子３６の出力は、物体の表面変
位に対して、図９に示す様に変化する。そのため、圧縮
空気を図１０に示すように出射したり、出射するのを停
止したりすると、それにしたがって膜が変位したり、元
に戻ったりする。

【００４１】図１０では、膜の変位が加圧されたとき常
に一定値を示しているが、例えば図１１に示すように、
膜の変位量が突如時間ｔｌから小さく変化する場合があ
る。膜が加圧された際、膜の変位量が大きくなるという
ことは、膜の張力が突然強くなったからである。

【００４２】よって、この異常事態を、警告ランプ１５
（図４）の点灯等によって監視者に知らせる必要があ
る。表面変位量を図８の光学系を使って求めるための情
報処理過程を図１２に示す。

【００４３】図１２のステップＳ１では、圧縮空気噴射
部１１で圧縮空気の噴射を開始し、ステップＳ２では膜
４の変位を表面変位計１３で測定する。ステップＳ３で
は、表面変位計１３の出力の最大／最小値を周期ごとに
記憶し（サンプリング）、ステップＳ４で圧縮空気の噴
射を停止する。ステップＳ５ではサンプリングした表面
変位計１３の出力の最大／最小値の差を検出量とし、ス
テップＳ７においては図１１に示した膜の張力の変動量
がある許容範囲を超えた時、ステップＳ８で警告灯を点
灯させる。また、ステップＳ６では、ステップＳ７にお
ける上限／下限値を入力、設定する。この入力、設定
は、不図示のスイッチやキーボードを介して行なう。

【００４４】上記実施例によれば、物体の張力を非接
触、しかも実時間に検知する装置を提供することが可能
である。これにより例えば膜製造の際、膜の張力の変動
を正確にチェックできるという有効性がある。あるい
は、膜の張力変動を本発明を用いて計測し、その結果を
膜製造過程にフィードバックし、膜の張力の変動分を補
正する制御、たとえば、ドラムや支持ローラーの駆動制
御を行なう機能をつけることも可能である。そうすれ
ば、常に膜の張力を一定に保つことが可能になる。

【００４５】また、従来計測が難しかった張力の弱い物
体に対して、張力計測が可能になる。また、非接触の計
測が出来るため、物体がセンサーとある一定の距離を保
って移動している場合、または物体が製品現物でありセ
ンサーの接触により損傷するのを防止できる。

【００４６】上記実施例では、表面変位計１３として光
学的な手段を用いたが、音響的な手段、すなわち、超音
波を物体表面に照射し、反射波をマイクロホンなどで検
出し、反射波の位相変化から、物体の変位を計測する方
式も考えられる。

【００４７】また、上記実施例では、膜の製造工程を例
示したが、他の物体の張力の測定あるいは制御に本発明
を利用できるのはいうまでもない。

【００４８】

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明によれ
ば、物体表面に所定の圧力を非接触で印加する手段と、
前記圧力印加手段により所定の圧力を印加した際の物体
表面の変位を非接触で測定する手段を有し、前記測定手
段により測定された物体表面の変位量に基づき物体の張
力を測定する構成を採用しているので、測定対象の物体
を損傷することなく物体の張力を非接触で測定でき、微
弱な張力の変動をも正確に実時間で測定でき、測定対象
の物体の製造工程などにおいて極めて有効な非接触張力
測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】膜状の物体の製造工程を示した説明図である。

【図２】本発明の非接触張力測定装置の概略構成を示し
た説明図である。

【図３】張力に応じた膜の変位を示した説明図である。

【図４】本発明の非接触張力測定装置の構成をより詳細
に示した説明図である。

【図５】図４の圧縮空気噴射部の構成を示した説明図で
ある。

【図６】図４の圧縮空気噴射部の異なる構成を示した説
明図である。

【図７】図４の表面変位計の構成を示した説明図であ
る。

【図８】図４の表面変位計の異なる構成を示した説明図
である。

【図９】膜変位量と光量変化の関係を示した線図であ
る。

【図１０】膜変位量と圧縮空気噴射の変化を示したタイ
ミング図である。

【図１１】測定時の膜変位量を示した線図である。

【図１２】張力測定制御を説明するフローチャート図で
ある。

【図１３】膜の張力と圧力の関係を示した説明図であ
る。

【図１４】膜の張力と圧力の関係を示した説明図であ
る。

【符号の説明】

２ 支持ローラー ３ ドラム ４ 膜 ６ 非接触表面変位計 ８ バネ １１ 圧縮空気噴射部 １３ 表面変位計 １４ 信号処理部 １５ 警告灯 ２１ シリンダー ２２ ピストン ２５ クランク ２７ スピーカー ３１ レーザー光源 ３２ 光位置検出素子 ３３ レンズ ３５ ピンホール ３６ 光量検出素子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体表面に所定の圧力を非接触で印加す
   る手段と、 前記圧力印加手段により所定の圧力を印加した際の物体
   表面の変位を非接触で測定する手段を有し、 前記測定手段により測定された物体表面の変位量に基づ
   き物体の張力を測定することを特徴とする非接触張力測
   定装置。
2. 【請求項２】 測定を受ける物体の製造手段中の所定位
   置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の非接
   触張力測定装置。
3. 【請求項３】 測定された物体の張力に応じて物体の製
   造手段中の所定部材が制御されることを特徴とする請求
   項２に記載の非接触張力測定装置。
4. 【請求項４】 測定された物体の張力が正常値から変動
   した場合、警告を行なう手段を有することを特徴とする
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の非接
   触張力測定装置。