JP2006030042A - 配向測定方法及び配向測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シート状のフィルム等の被測定対象物に対して斜め方向から光線を照射し、その反射光を複数の受光素子で受光して配向測定するようにすることで、信号を処理するＡ／Ｄ変換器等を少なくした構成の配向測定方法及び配向測定装置を提供する。
【解決手段】 配向測定装置は、被測定対象物に対して、該被測定対象物と鉛直方向を外した所定角度を持った位置に設けた発光素子から光線を照射する発光手段と、前記発光手段から照射された光線が前記被測定対象物で反射され、該反射された光線を受光する弧状に沿った位置に設けた受光手段と、を備え、前記受光手段は、前記被測定対象物で反射された光線を受光する複数の受光素子を備えたことである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、配向測定方法及び配向測定装置に関するもので、詳しくは繊維、フィルム等のシート部材の配向を光の導波効果を用いて測定する配向測定方法及び配向測定装置に関する。

従来技術における繊維配向計は、図７に示すように、光源１１１は被測定対象物１１２となる紙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から発射される光を紙（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個の複数個設けられた受光ダイオードで、紙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４０〜６５度、好ましくは５５度に選定すると、配向方向が精度良く測定できる。
受光素子保持部１１５は、センサ筐体の保護ガラスの装着位置と係合するリング形状の鍔部１１６と、各受光素子１１４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を有する。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８は、受光素子保持部１１５の平面図である。ここでは、鍔部１１６の一部を切り欠いて位置決め部１２０を形成して、センサ筐体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。
固定穴１２１は、鍔部１１６に設けられたもので、ネジ等によって受光素子保持部１１５をセンサ筐体に固定する。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。受光素子固定穴１２２は、例えば、受光素子１１４を搭載するプリント基板を受光素子保持部１１５に螺着するのに用いる。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(図７参照)が固定される。
受光素子保持部１１５は、樹脂成型や金属鋳造等によって一体にモジュール化される。このように樹脂成型や金属鋳造等によって一体にモジュール化すると、受光素子装着穴１１７が正確に成型されるので、各受光素子１１４の光軸に対する配置角度が設計通り正確に装着できる。

このような構成の配向計において、光源１１１から被測定対象物１１２の紙面に光を鉛直方向に照射し、紙面での反射光を光源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。
反射光の分布は、各受光素子１１４から得られた信号をＡ／Ｄ変換して演算に用いる。
精度を確保するために受光素子は８個以上が良いとされ、実際には１２個の受光素子を備えている
図９はその構成を示したもので、１２個の受光素子１１４で電気信号に変換された信号は素子信号１２４としてそれぞれの受光素子毎のＡ／Ｄ変換器１２５に入力され、分布測定手段１２６により光の分布測定が行われた後、配向演算手段１２７により配向方向が演算されて測定値が出力される。
特開平３−２１４２０２号公報（第７頁 第１図）

しかし、従来技術で説明した配向計の構成においては、精度を保つためには受光素子の数が多数必要とされたため、Ａ／Ｄ変換器を素子の個数分用意する必要があった。
この場合、Ａ／Ｄ変換器のコストが高く、又、部品体積も大きくなることから小型化の要求を満たし難かった。

従って、フィルムの分子配向やプラスチック中のフィラー配向等を速やかに測定すること、Ａ／Ｄ変換器を含む部品コストの削減、部品体積の削減を図ることができることに解決しなければならない課題を有する。

上記課題を解決するために、本願発明の配向測定方法及び配向測定装置は、次に示す構成にしたことである。

（１）配向測定方法は、被測定対象物に対して、該被測定対象物との鉛直方向を外した位置に設けた発光素子から光線を照射し、前記被測定対象物に照射された光線が反射した反射光を、前記発光素子と対向して且つ反射する位置に配置してある複数の受光素子で捕捉し、該複数の受光素子で捕捉した反射光の強度から被測定対象物の配向特性を算出するようにしたことである。
（２）前記複数の受光素子は、弧状に沿った位置に設けたことを特徴とする（１）に記載の配向測定方法。
（３）前記複数の受光素子が配置してある反射する位置は、前記発光素子から照射されて前記被測定対象物で正反射される方向に位置することを特徴とする（１）又は（２）に記載の配向測定方法。
（４）前記複数の受光素子は、半円弧状の位置に５個の受光素子を配置したことを特徴とする（１）、（２）又は（３）に記載の配向測定方法。
（５）前記被測定対象物はシート状のフィルムであることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の配向測定方法。

（６）配向測定装置は、被測定対象物に対して、該被測定対象物と鉛直方向を外した所定角度を持った位置に設けた発光素子から光線を照射する発光手段と、前記発光手段から照射された光線が前記被測定対象物で反射され、該反射された光線を受光する受光手段と、を備え、前記受光手段は、前記発光素子と対向する位置に配置され、前記被測定対象物で反射された光線を受光する複数の受光素子を備えたことである。
（７）前記複数の受光素子は、弧状に沿った位置に設けたことを特徴とする（６）に記載の配向測定装置。
（８）前記複数の受光素子が配置してある位置は、前記発光素子から照射されて前記被測定対象物で正反射される方向に位置することを特徴とする（６）又は（７）に記載の配向測定装置。
（９）前記複数の受光素子は、半円弧状の位置に５個の受光素子を配置したことを特徴とする（６）、（７）又は（８）に記載の配向測定装置。
（１０）前記被測定対象物はシート状のフィルムであることを特徴とする（６）〜（９）のいずれかに記載の配向測定装置。

本発明の配向測定方法及び配向測定装置は、被測定対象物に対して、斜め方向から発光させ、その反射した反射光を対向する斜め方向に配置した複数の受光素子で受光するようにしたことで、少なくとも、受光素子の数を従来のごとく発光素子の周囲に配置する必要がなくなるため、絶対的な数を少なくすることができ、その分Ａ／Ｄ変換器等の部品を少なくして小型化等を図ることができる。

以下、本発明の配向測定方法及び配向測定装置の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本発明の配向測定方法を具現化することができる配向測定装置は、図１に示すように、被測定対象物１４に対して鉛直方向を外した所定角度を持った位置から光線を照射する発光素子１１を有する発光手段と、この発光手段から照射された光線が被測定対象物１４で反射され、この反射された光線を受光する受光手段と、を備え、この受光手段は、発光素子１１と対向する位置に配置され、被測定対象物１４で反射された光線が略正反射する位置に複数の受光素子、実施例において５個の受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅを備えた構成になっている。
発光素子１１は、円盤状の基板１３に傾斜を持って取付けられ、その基板１３の対向する位置に５個の受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅを弧状に等間隔に取付けて形成されている。この取付け状態は、発光素子１１が基板１３の下部位置に配置する被測定対象物１４の所定位置に光線を照射するように傾けた状態で取付けられ、この照射された光線が反射する位置に受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅが取付けられ、それぞれの受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅが反射する位置方向に向けた状態で取付けられている。

ここで、発光素子１１からの照射光は、被測定対象物１４の試料面の吸光度の特性に応じてｐ偏光やｓ偏光を用いても良い。例えば、反射面ではｓ偏光の吸光度が大きいことからＳ／Ｎ比を高めるのに役立つ場合がある。又、ｐ偏光やｓ偏光の作成方法は、発光素子に偏向板を付加してもよいし、レーザー等のコヒーレントな光源を用いても構わない。
又、発光源の光強度分布を平均化したり、発光強度を高めるためには、発光素子を受光素子に概ね対向する方向に複数配置したり、適宜拡散板等を適用しても構わない。また、受光素子の並びは、実施例では弧に沿っているが、直線的に配置しても構わない。
また、受光素子はアレイ状のものであっても構わない。受光素子の並びの位置範囲は、配向の度合いや受発光素子の照射／反射角度に応じて適宜変更してもよい。

このように、光を照射する際に、被測定対象物１４に光線を照射するのに、被測定対象物１４に対して傾斜した位置から光線を照射するようにしたことについて、被測定対象物１４がフィルムである場合にその分子配向による反射光の概念について、図２を参照して説明する。
先ず、フィルムの分子配向が光導波路の効果を持つことにより、分子の配列方向に反射光の強度分布がシフトする。
これは、分子配列が、一定の間隔で、平行に分子が鎖状に連結されているために、この平行に形成された分子の鎖に沿った状態で光線を照射すれば、その照射された光線が分子の鎖で導波され、少なくとも所定範囲内に拡散された導波光になる。この所定範囲内に拡散された導波光のうち何れかの複数の反射光を測定すれば、被測定対象物の配向特性を測定することができるのである。

更に、この反射光の強度シフトについて述べると、図３に示すように、分子の鎖からなる分子配向に対して、略同一方向で所定の角度を持った位置から光線を照射すると、その照射された光線は所定範囲内に拡散して導波する。その拡散された導波光のうち、一番強度の強い反射光は、図３に示すように、入射光に比べて、分子配向により導波されたぶん外れた位置になるから、反射光強度は入射光強度と比べてずれた位置にシフトするはずである。このずれた位置に受光手段を備えておけば、配向特性を測定することができる。

さて、図１に戻って、発光手段から発射された光線の反射光により配向を測定するわけであるが、必要により、予め基準板を反射面に置いて発光素子１１から得た各受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅの感度を測定しておき、この感度差を取り除くように測定値を正規化する。個体差を取り除くための測定には反射面に無配向な基準板を用意するのが良い。
正規化した測定値をもとに、例えば、次に示す式（１）に示すような正規分布による近似を行い、図４に示す反射光の強度分布の位置ｘと分布の高さ又は半値幅を求める。

被測定対象物がフィルムである場合に、その分子配向がＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅＧｕｉｄｅ（光導波路）の効果を持つことにより、上述した図３に示すように、分子の配向方向に反射光の強度分布がシフトする。又、強度分布の高さ又は半値幅は配向の強さ、即ち、配向指数を反映する。
配向の強度は、半値幅が小さいときに大きく、半値幅が大きいときに小さくなる。従って、配向指数は半値幅の逆数として捉えるとわかりやすい。又、配向指数を強度分布の高さの関数として求める場合には強度に対して適切な係数を持った比例関数として捉えると分かり易い。

このように、配向強度及び角度の算出は反射光の強度分布から得ることができるが、その方法はガウス曲線による正規化分布近似の他、ローレンツ曲線による近似やその他の方法によるものでも構わない。

上記の発光手段及び受光手段を備えた装置についての動作について、図１を参考にして、図５に示すフローチャートに基づいて、以下説明する。

先ず、各受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅの個体差を算出するために、校正をする必要がある。この校正は無配向の基準板を利用し、この基準板に発光素子１１から光線を発光させ、照射する（ステップＳＴ１１、ＳＴ１２）。

次に、夫々の受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅで反射光を受光し、測定する。このときの各受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅの個体差を記憶手段に記憶しておく（ステップＳＴ１３、ＳＴ１４）。これで校正は終了する。

さて、実際の測定に入るが、先ず、シート状のフィルム等である被測定対象物１４に対して、発光素子１１を発光させ、この被測定対象物１４に照射する（ステップＳＴ２１、ＳＴ２２）。

この被測定対象物１４に照射された光線の反射光を受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅで受光して測定する（ステップＳＴ２３）。
受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅは、校正のときに個体差を記憶してあるため、この記憶されている校正値で正規化する（ステップＳＴ２４）。

正規化されたデータに基づいて、反射光分布の計算をする（ステップＳＴ２５）。
そして、反射光の強度分布から分布位置の変化と強度分布の分散の大きさとを計算することで配向測定する（ステップＳＴ２６）。

次に、上記構成の配向測定手法を備えた装置について説明する。その装置は、例えば、図６に示すような装置の構成を考える。

発光回路１５により発光素子１１はパルス点灯を繰り返す。実施例においては、発光素子１１のパルス発光出力制御は、発光回路１５を持つ基板で行っているが、これに限定されることなく、例えば、ＣＰＵモジュール１８側で行ってもよい。

この発光素子１１から照射された光線の反射光を複数の受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅで捉え、発光回路１５ではパルス受光のＯＮ／ＯＦＦ差分から外来光成分を除いてこれをアナログ信号としてＡ／Ｄ変換器１７に取り込む。
ここで、発光素子１１と受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅを向ける方向は厳密に一致していなくとも良い。被測定対象物１４である試料の光導波特性によっては導波経路を増やすために照射される光の照射位置と受光素子が向く反射位置との間に光が導波される程度の距離があっても構わない。

そして、Ａ／Ｄ変換した値は、各受光素子毎のデータとして記憶する。
予め校正したときの無配向の基準板を用いて取り込んだデータを元にＣＰＵモジュール１８においてＡ／Ｄ変換した値を正規化し、各素子信号の正規化値を元に、ＣＰＵモジュール１８で反射板の分布演算を行う。

各受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅの測定値を例えば正規分布に近似し、分布強度の位置シフトから配向角を強度分布の半値幅から配向指数を求める。
得られた配向角と配向指数は必要な機器にデジタルデータやアナログデータ若しくは画面出力等の方法で出力する。

このようにして、被測定対象物１４の配向測定を行うことができるのであるが、これは従来のフィルムの配向測定のようにオフラインで測定することに対して、本願発明によればオンラインでも測定することができる。これにより、工数や歩留まりとの改善に役立つことになる。

又、発光素子１１と受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅが正反射方向に取付けることで、Ｓ／Ｎ比が改善される。
更に、傾斜した位置から発光された光線の反射光を受光するようにしたことで受光素子自体の数が減少させることが可能で、具体的には従来においては８個或は１２個必要であった受光素子が、本願発明の受光素子は５個ですむことになり、その分Ａ／Ｄ変換回路が少なくすることができ、又、Ｉ／Ｏ点数を抑えたことでコストパフォーマンスに優れた製品の製造が可能になる。
被測定対象物１４として液晶フィルムの場合には、分子配向が直接その特性を左右するため、配向測定を行うことが必要で、その配向測定に使用することができる。
又、近年電池電極素材に多く用いられる炭素負極へのリチウムの挿入反応等では、不活性皮膜や高配向性熱分解グラファイト等の配向特性を明らかにすることが負極特性の改善に有効と考えられている。この配向特性の測定に役立つ。
また、分子ビームを利用して作成する多層膜等でも基板面に発生する分子の配向の特性を調べることが薄膜そのものの特性を調べることに通じ、この配向測定にも役立つ。
プラスチックの強度を高めるためにプラスチック中に繊維質をはじめとする各種のフィラーを混入させた場合には、このフィラーの絡み具合や方向及び混合具合は強度特性に大きく影響する。絡み具合や方向及び混合具合は配向として測定可能でこの種の特性値を測定する手助けとなる。

被測定対象物に対して、斜め方向から発光させ、その反射した反射光を対向する斜め方向に配置した複数の受光素子で受光するようにしたことで、少なくとも、受光素子の数を従来のごとく発光素子の周囲に配置する必要がなくなるため、絶対的な数を少なくすることができ、その分Ａ／Ｄ変換器等の部品を少なくして小型化等を図った配向測定方法及び配向測定装置を提供する。

本願発明の配向測定装置の測定部分を示した説明図である。 同、分子配向による反射光の概念を示した説明図である。 同、分子配向による反射光シフトの概念を示した説明図である。 同、正規化分布による近似を行うためのグラフである。 同、装置の動作を示したフローチャートである。 同、装置の構成例を示した説明図である。 従来技術における配向計の測定部分の断面図である。 従来技術における配向計の測定部分の平面図である。 従来技術における装置の構成を示した説明図である。

符号の説明

１１ 発光素子
１２ａ 受光素子
１２ｂ 受光素子
１２ｃ 受光素子
１２ｄ 受光素子
１２ｅ 受光素子
１３ 基板
１４ 被測定対象物
１５ 発光回路
１６ 受光回路
１７ Ａ／Ｄ変換器
１８ ＣＰＵモジュール。

Claims (10)

1. 被測定対象物に対して、該被測定対象物との鉛直方向を外した位置に設けた発光素子から光線を照射し、
   前記被測定対象物に照射された光線が反射した反射光を、前記発光素子と対向して且つ反射する位置に配置してある複数の受光素子で捕捉し、
   該複数の受光素子で捕捉した反射光の強度から被測定対象物の配向特性を算出するようにしたことを特徴とする配向測定方法。
2. 前記複数の受光素子は、弧状に沿った位置に設けたことを特徴とする請求項１に記載の配向測定方法。
3. 前記複数の受光素子が配置してある反射する位置は、前記発光素子から照射されて前記被測定対象物で正反射される方向に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の配向測定方法。
4. 前記複数の受光素子は、半円弧状の位置に５個の受光素子を配置したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の配向測定方法。
5. 前記被測定対象物はシート状のフィルムであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の配向測定方法。
6. 被測定対象物に対して、該被測定対象物と鉛直方向を外した所定角度を持った位置に設けた発光素子から光線を照射する発光手段と、
   前記発光手段から照射された光線が前記被測定対象物で反射され、該反射された光線を受光する受光手段と、を備え、
   前記受光手段は、前記発光素子と対向する位置に配置され、前記被測定対象物で反射された光線を受光する複数の受光素子を備えたことを特徴とする配向測定装置。
7. 前記複数の受光素子は、弧状に沿った位置に設けたことを特徴とする請求項６に記載の配向測定装置。
8. 前記複数の受光素子が配置してある位置は、前記発光素子から照射されて前記被測定対象物で正反射される方向に位置することを特徴とする請求項６又は７に記載の配向測定装置。
9. 前記複数の受光素子は、半円弧状の位置に５個の受光素子を配置したことを特徴とする請求項６、７又は８に記載の配向測定装置。
10. 前記被測定対象物はシート状のフィルムであることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の配向測定装置。
    

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