JP2017146133A

JP2017146133A - 中空糸膜内径測定方法および装置

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Publication number: JP2017146133A
Application number: JP2016026563A
Authority: JP
Inventors: 原田　信洋; Nobuhiro Harada; 信洋原田; 井上　繁; Shigeru Inoue; 繁井上
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: JP6701782B2

Abstract

【課題】中空糸膜の内径を測定することを可能とする中空糸膜内径測定方法を提供する。【解決手段】中空糸膜１０１の外径を測定する外径測定ステップと、中空糸膜を空洞共振器１０５に貫通させない状態における空洞共振器の第１の共振周波数を測定する第１の共振周波数測定ステップと、中空糸膜を空洞共振器に貫通させた状態における空洞共振器の第２の共振周波数を測定する第２の共振周波数測定ステップと、第１の共振周波数と、第２の共振周波数と、中空糸膜の外径と、中空糸膜の内径との間の所定の関係を用いて、中空糸膜の内径を算出する算出ステップと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、製糸工程等における中空糸の内径を測定する方法および装置に関し、特に、糸条が走行される場合に適用して好適な測定方法および装置に関する。

中空糸膜に代表される糸状製品などは、過去より色々な分野や用途において利用活用されてきた。

近年、これら糸状製品にはコストダウンが求められる一方で、品質に対する要求も強くなっている。より具体的には、例えば中空糸膜は、一般的に高分子材料を原料として製造されるが、製造の過程で膜が薄くなったり、逆に厚くなったりする場合がある。そのような場合、中空糸膜の性能にバラツキが生じるため、製造の過程で中空糸膜の糸径を検査する必要がある。

特許文献１では、レーザー外径測定機を使用し、その変化を検知することで中空糸膜欠陥を検出する方法が開示されている。

特許文献２では、ライン型ファイバー照明装置で光を照射し、中空糸膜の内空部に導かれた光像をカメラで撮像し中空糸膜欠陥を検出する方法が開示されている。

特許第３２６２８５５号公報特開２００７−１１４１８７号公報

しかしながら特許文献１の方法では、外径を測定することはできても内径を測定することはできない。従って、膜の厚みを評価することができず、品質管理上限界があった。また、特許文献２の方法では、外径を測定することもできない。

そこで、本発明は、中空糸膜の内径を測定することを可能とする中空糸膜内径測定方法及び中空糸膜内径測定装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
中空糸膜の外径を測定する外径測定ステップと、
前記中空糸膜を空洞共振器に貫通させない状態における前記空洞共振器の第１の共振周波数を測定する第１の共振周波数測定ステップと、
前記中空糸膜を前記空洞共振器に貫通させた状態における前記空洞共振器の第２の共振周波数を測定する第２の共振周波数測定ステップと、
前記第１の共振周波数と、前記第２の共振周波数と、前記中空糸膜の外径と、前記中空糸膜の内径との間の所定の関係を用いて、前記中空糸膜の内径を算出する算出ステップと、
を有することを特徴とする中空糸膜内径測定方法が提供される。

また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
中空糸膜の前記外径を測定する外径測定手段と、
前記中空糸膜を空洞共振器に貫通させない状態における前記空洞共振器の第１の共振周波数を測定する第１の共振周波数測定手段と、
前記中空糸膜を前記空洞共振器に貫通させた状態における前記空洞共振器の第２の共振周波数を測定する第２の共振周波数測定手段と、
前記第１の共振周波数と、前記第２の共振周波数と、前記外径と、前記中空糸膜の内径との間の所定の関係を用いて、前記中空糸膜の内径を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする中空糸膜内径測定装置が提供される。

本発明によれば、中空糸膜の内径が測定できることで、膜厚を評価することができ、より高度な品質管理が可能となる。

本発明による中空糸膜内径測定装置の第１の実施の形態を示す概略図である。本発明による中空糸膜内径測定装置の第２の実施の形態を示す概略図である。図１に示す空洞共振器の構成を示す模式的斜視図である。図１に示す空洞共振器の断面図である。中空糸膜の断面図である。図１に示す空洞共振器の内部の電磁界を示す模式的斜視図である。本発明による中空糸膜内径測定装置の第３の実施の形態を示す断面図である。本発明の第２の実施の形態で測定される周波数変動を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態で測定される中空糸膜の内径と外径を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態を説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明による中空糸膜内径測定装置の第１の実施の形態を示す概略図である。図３は、空洞共振器の模式的斜視図である。図４は、側壁部に設けられた２つの貫通孔を分割する面の断面図である。

図１によれば、中空糸膜１０１は外径検出器１０３と空洞共振器１０５を通過するように連続走行している。外径検出器１０３はコントローラ１０７に接続されており、外径検出器１０３およびコントローラ１０７としては例えば透過型のグリーンＬＥＤ寸法測定機（（株）キーエンス製、ＬＳシリーズ）を使用している。これは、中空糸膜１０１の外径を光学的に測定する。具体的には、これは、測定手段としてＬＥＤ光源又はレーザー光源を持ち、中空糸膜１０１が光源を遮った長さから外径を測定する透過型外径測定装置である。外径検出器１０３は、他の方法によって、中空糸膜１０１の外径を測定するものであってもよい。空洞共振器１０５は円筒状の主体部１０５−１に１対の同軸型コネクタ１０５−３、１０５−５が取り付けてあり、それぞれが同軸ケーブル（図示せず）でネットワークアナライザ１０９に接続されている。ネットワークアナライザ１０９とは、高周波特性が測定可能な測定器であり、本実施形態では、空洞共振器１０５の内部に励起された共振モードの共振周波数を測定することを目的として利用されている。コントローラ１０７とネットワークアナライザ１０９は演算処理装置１１１に接続されており、演算処理装置１１１では外径寸法データと周波数変動率から内径を解析的に算出している。演算処理装置１１１は表示部１１３に接続されており、表示部１１３により周波数変動と走行している中空糸膜１０１の形状（特に内径と外径）をリアルタイムで確認することができる。

ここで空洞共振器１０５の構造について詳しく説明する。本実施の形態において、空洞共振器１０５は、円筒状の金属内壁面を有する主体部１０５−１と、前記主体部１０５−１の軸方向の両端をとじる一対の金属内壁面を有する側壁部１０５−７、１０５−９とを有し、前記一対の側壁部１０５−７、１０５−９は対向する略中央部分に貫通孔１０５−１１、１０５−１３を有している。主体部１０５−１、側壁部１０５−７、１０５−９で利用される金属の種類は、例えば銅であり、これらの内壁面には例えば銀メッキが施してある。図４を参照すると、円筒状の主体部１０５−１の内壁寸法Ｄは例えば４６．４ｍｍであり、長さＬは例えば２３．２ｍｍである。貫通孔１０５−１１、１０５−１３の直径は例えば５ｍｍである。空洞共振器１０５の円筒状の主体部１０５−１又は一方の側壁部１０５−７又は１０５−９には入力および出力のコネクタ１０５−３、１０５−５が取り付けてある。図４においては、一例として、円筒状の主体部１０５−１にコネクタ１０５−３、１０５−５が取り付けてある場合を図示している。入出力コネクタ１０５−３、１０５−５は、同軸タイプであり、芯線の先端部付近が空洞共振器１０５の内部に露出している。入力コネクタ１０５−３、１０５−５の芯線の他端は、ネットワークアナライザ１０９に電気的に接続されている。また、空洞共振器１０５の主体部１０５−１と側壁部１０５−７、１０５−９は、同軸ケーブルのグランド側の網線によりネットワークアナライザ１０９のグランドに接続されている。そして、ネットワークアナライザ１０９から空洞共振器１０５に入力コネクタ１０５−３の芯線を介して入力される高周波電流により空洞共振器１０５の内部に構成されている空洞内に所定のモードの電磁界が形成されるようになっている。出力コネクタ１０５−５の芯線はネットワークアナライザ１０９に電気的に接続されており、ネットワークアナライザ１０９は空洞内に発生している電磁界と結合し、空洞共振器１０５の内部の各モードに対応する共振ピークの位置すなわち共振周波数を検出する。図４に示すように、貫通孔１０５−１１、１０５−１３には、中空糸膜１０１が挿入されている。また、図４に矢印２０１で示すように、中空糸膜１０１は、上から下に向かう方向に走行している。但し、逆方向に走行してもよい。

本実施の形態において空洞内に形成させる電磁界モードは円形ＴＭ０１ｎモードであり、本実施形態では、最も共振周波数が低い円形ＴＭ０１０モードの共振周波数を利用している。円形ＴＭ０１０モードは、図６に示すように、電界が円筒の軸方向の向きとなり、磁界が円筒内壁面に平行の向きとなる。電界強度は、貫通孔１０５−１１、１０５−１３の付近で最大となるため、中空糸膜１０１を挿入したときの周波数変動が大きくなり、従って、測定精度が向上する利点がある。

中空糸膜１０１を空洞共振器１０５の内部に挿入し、変動した共振周波数を測定することで内径を算出する解析的な手法について説明する。空洞共振器１０５の内部に誘電率を持つ試料を挿入した場合、摂動理論を適応できる。ＴＭ０１０モードの円筒空洞共振器１０５の内部に、断面が円形の棒状試料を挿入した場合、試料挿入前と挿入後の共振周波数をそれぞれｆ１、ｆ２とすると、共振周波数の変化δｆは、マクスウェルの方程式からつぎのようになる。

ここでεは中空糸膜１０１の比誘電率、Ｖは空洞共振器１０５の空洞の体積、ΔＶは試料の体積である。αεは共振モードに依存する定数で、円形ＴＭ０１０モードの場合、αε＝１．８５５１７である。

なお、上記の式（１）、式（２）は、ＴＭ０１０モード以外のＴＭ０１ｎモードでも成立する。但し、ｎの値によりαεの値が異なる。

中空糸膜の断面形状を図５に示すようなものとすると、

ここで、Ｄは主体部１０５−１の内壁寸法、ｄ１は中空糸膜１０１の外径、ｄ２は中空糸膜１０１の内径となる。式（１）、（２）、（３）より、

となり、試料挿入前の共振周波数ｆ１と比誘電率εをあらかじめ測定しておけば、中空糸膜の外径ｄ１に対応して内径ｄ２が以下のように求められる。

「参考文献」小口文一、他マイクロ波・ミリ波測定コロナ社
つまり、既知の定数αε、予め測定しておいた共振周波数ｆ１と比誘電率ε、それに、現在同時に測定されている共振周波数ｆ２と外径ｄ２を式（５）に代入することにより、内径ｄ１を求められる。つまり、刻々と変化する可能性がある外径ｄ１を外径検出機１０７でリアルタイムに測定することができるばかりではなく、刻々と変化する可能性がある内径ｄ２もリアルタイムに測定することができる。

［第２の実施の形態］
図２は、本発明による中空糸膜内径測定装置の第２の実施の形態を示す概略図である。主な第１の実施の形態との相違は、比較用共振器１１５を追加しているところである。本実施形態においてネットワークアナライザ１０９は、中空糸膜１０１が挿入された空洞共振器１０５の共振周波数と中空糸膜が挿入されていない比較用空洞共振器１１５の共振周波数が同時に測定できるように４ポートのタイプ（キーサイト・テクノロジー製、Ｅ５０７１Ｃ）を用いている。本実施形態において、比較用空洞共振器１１５により中空糸膜１０１を挿入しない状態における共振周波数ｆ１を常時測定することができる。従って、温度等の環境変化で基準となる共振周波数ｆ１が変動しても、この変動は、共振器１０５と比較用共振器１１５で共通であるため、この変動を随時補正できる機能を有している。

つまり、第２の実施の形態では、既知の定数αε、予め測定しておいた比誘電率ε、それに、現在同時に測定されている共振周波数ｆ１、共振周波数ｆ２と外径ｄ２を式（５）に代入することにより、内径ｄ１を求められる。

図８は、本実施形態における、周波数変動を測定した結果を示したものである。横軸に時間を縦軸に周波数変動、δｆ＝ｆ２−ｆ１を示している。このときの中空糸膜の走行速度は５０ｍ毎分である。図８によれば、中空糸膜を挿入すると、共振周波数は約０．６ＭＨｚ低くなることが確認できる。

図９は、本実施形態における、中空糸膜の外径および内径の測定結果である。外径は、外径検出器１０３より測定された数値であり、内径は、図８で測定された周波数変動と外径寸法値から、演算式（５）より求めている。このときの中空糸膜１０１の比誘電率は、３．０である。図９からもわかるように、リアルタイムで外径および内径を確認することができるので、製造の過程で中空糸膜の膜厚を管理することができ品質の向上に格別な効果を奏する。

［第３の実施の形態］
図７は、本発明による中空糸膜内径測定装置の第３の実施形態を示す空洞共振器の断面図である。本実施形態によれば、対向する貫通孔を繋げるようにパイプ状のガイド１０５−１５が挿入してある。ガイド１０５−１５の寸法は、貫通孔１０５−１１、１０５−１３に隙間無く挿入するため、貫通孔１０５−１１、１０５−１３の穴径より僅かに小さく、長さは空洞共振器１０５の長さより長い。本実施形態では、貫通孔穴径１０５−１１、１０５−１３が５ｍｍに対し、ガイド１０５−１５の外径が４．９ｍｍであり、長さはＬが２３．２ｍｍに対し３０ｍｍである。またガイド１０５−１５の肉厚は、０．５ｍｍである。材質は、共振周波数の変動に与える影響が少なくなるように比誘電率の低い（つまり、比誘電率が出来る限り１に近い）樹脂が好適であり、たとえばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。ＰＴＦＥの比誘電率は、２．１である。このように空洞共振器の貫通孔１０５−１１、１０５−１３にガイド１０５−１５を設けることで、中空糸膜１０１の空洞共振器１０５への挿入がよりスムーズになり且つ空洞共振器１０５の内部にごみ等が混入するのを防止することができる。

［その他追記事項］
本実施形態における周波数測定方法は、ネットワークアナライザ１０９を利用したものに限るものではなく、例えば、スイーパーと周波数カウンターの組み合わせでも良い。

空洞共振器１０５、比較用空洞共振器１１５の材質は導電性の材料であればよく、銅に限るものではない。

ガイド１０５−１５の材質は低誘電率であれば、ＰＴＦＥに限るものではない。

本実施形態における周波数測定方法は、中空糸膜が連続走行している状態において、中空糸膜の内径の測定を可能とするものであるが、外径検出器１０３で外径を測定した中空糸膜の長手方向の位置と、空洞共振器１０５で共振周波数を測定した中空糸膜の長手方向の位置との対応関係が取れる限り、中空糸膜が連続走行している状態でない状態においても中空糸膜の内径の測定をすることができる。

Claims

中空糸膜の外径を測定する外径測定ステップと、
前記中空糸膜を空洞共振器に貫通させない状態における前記空洞共振器の第１の共振周波数を測定する第１の共振周波数測定ステップと、
前記中空糸膜を前記空洞共振器に貫通させた状態における前記空洞共振器の第２の共振周波数を測定する第２の共振周波数測定ステップと、
前記第１の共振周波数と、前記第２の共振周波数と、前記中空糸膜の外径と、前記中空糸膜の内径との間の所定の関係を用いて、前記中空糸膜の内径を算出する算出ステップと、
を有することを特徴とする中空糸膜内径測定方法。
請求項１に記載の中空糸膜内径測定方法であって、
前記中空糸膜は、連続走行するものであって、
前記外径測定ステップでは、連続走行する前記中空糸膜の外径を光学的に測定し、
前記第２の共振周波数測定ステップでは、連続走行する前記中空糸膜を前記空洞共振器に貫通させた状態において、前記空洞共振器の第２の共振周波数を測定することを特徴とする中空糸膜内径測定方法。
請求項２に記載の中空糸膜内径測定方法であって、
前記第１の共振周波数ステップでは、前記中空糸膜を前記空洞共振器に貫通させない状態において、前記空洞共振器の第１の共振周波数を測定することを特徴とする中空糸膜内径測定方法。
請求項２に記載の中空糸膜内径測定方法であって、
前記第１の共振周波数ステップでは、前記中空糸膜を比較用空洞共振器に貫通させない状態において、前記比較用空洞共振器の共振周波数を前記空洞共振器の第１の共振周波数として測定し、
前記第１の共振周波数測定ステップと、前記第２の共振周波数測定ステップは同時に行われることを特徴とする中空糸膜内径測定方法。
請求項１乃至４の何れか１項に記載の中空糸膜内径測定方法であって、
前記所定の関係は、前記第１の共振周波数と、前記第２の共振周波数と、前記中空糸膜の外径と、前記中空糸膜の内径に加えて、前記中空糸膜の比誘電率と、前記空洞共振器における共振モードに対応した定数も用いて表されることを特徴とする中空糸膜内径測定方法。
請求項５に記載の中空糸膜内径測定方法であって、
前記中空糸膜の比誘電率は、一定の値を持つことを特徴とする中空糸膜内径測定方法。
請求項１乃至６の何れか１項に記載の中空糸膜内径測定方法であって、
測定手段としてＬＥＤ光源又はレーザー光源を持ち、前記中空糸膜が前記光源を遮った長さから外径を測定する透過型外径測定手段を用いて外径測定ステップが行われることを特徴とする中空糸膜内径測定方法。
請求項１乃至７の何れか１項に記載の中空糸膜内径測定方法であって、
前記空洞共振器の共振周波数は、円形ＴＭ０１ｎモードの共振モードにおける共振周波数であることを特徴とする中空糸膜内径測定方法。
請求項８に記載の中空糸膜内径測定方法であって、
前記空洞共振器の前記一対の貫通孔には、これらを貫通し、内部に前記中空糸膜を通すためのガイドが設けられていることを特徴とする中空糸膜内径測定方法。
中空糸膜の外径を測定する外径測定手段と、
前記中空糸膜を空洞共振器に貫通させない状態における前記空洞共振器の第１の共振周波数を測定する第１の共振周波数測定手段と、
前記中空糸膜を前記空洞共振器に貫通させた状態における前記空洞共振器の第２の共振周波数を測定する第２の共振周波数測定手段と、
前記第１の共振周波数と、前記第２の共振周波数と、前記外径と、前記中空糸膜の内径との間の所定の関係を用いて、前記中空糸膜の内径を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする中空糸膜内径測定装置。
請求項１０に記載の中空糸膜内径測定装置であって、
前記空洞共振器は、円筒状の金属内壁面を有する主体部と、前記主体部の軸方向の両端を閉じる金属内壁面を有する一対の側壁部とを備え、前記一対の側壁部は相互に対向する部分にそれぞれ貫通孔を有し、前記中空糸膜は、前記一対の貫通孔を貫通し、前記空洞共振器の共振周波数は、円形ＴＭ０１ｎモードの共振モードにおける共振周波数であることを特徴とする中空糸膜内径測定装置。
請求項１１に記載の中空糸膜内径測定装置であって、
前記空洞共振器の前記一対の貫通孔には、これらを貫通し、内部に前記中空糸膜を通すためのガイドが設けられていることを特徴とする中空糸膜内径測定装置。