JP6820385B2 - マスターバッチをプラスチック加工機に供給するためのスペクトル特性に基づいたシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチック産業において、添加物質をプラスチック加工機に投入することに関する。特に、本発明は、成形品のスペクトル特性をインライン測定して、成形品のスペクトル特性を基準物質と比較して、スペクトル特性の比較及び処理から得られた信号を用いることで分配システムの供給デバイスを制御することによって、供給される着色添加物質（着色マスターバッチ）の量を最適化するための方法及びシステムを開示する。

現代社会において、プラスチックは、あらゆる製品の製造において選択肢となる物質である。そうした製品は、多様な産業プロセス、例えば、射出成形、ブロー成形、押し出し成形、３Ｄプリンタ等によって製造される。最終製品を製造するのに用いられる機械に供給される原料は、小型ビーズ状のポリマー（当該分野において樹脂やバージンとも称される）、着色剤、そして他の添加剤（例えば、ＵＶ抑制剤）から成る混合物である。着色剤及び他の添加剤はマスターバッチとして供給され、マスターバッチとは、加熱プロセス中にキャリア樹脂内に封入されて冷却され粒状に切断される顔料及び／又は添加剤の濃縮された混合物である。

本願において、“マスターバッチ”との用語は、顔料を含有するマスターバッチ、つまり、着色マスターバッチのことを称するのに用いられ、“母材（ベースマテリアル）”との用語は、ポリマー、又はポリマーの混合物のことを称するのに用いられる。

本願において、“スクリュー”との用語は、分配システムのスクリュー、投入機構、オーガ（らせん状の刃先を有する工具）、ベルトコンベア、又は、振動機構のことを称するのに用いられる。

母材と混合される必要量の添加物質（主に着色マスターバッチ）を分配するため、容量測定又は重量測定が一般的に利用されている。一つ以上のフィーダー（供給器）が、プラスチック加工機のスロートに設置される。

容量測定システムは、所定の容量（体積）の添加剤／マスターバッチを混合機内に放出する。このシステムの利点は、供給スクリューを用いることによる実施の単純性であり、放出される容量は、スクリューの回転速度で較正される。この方法は、その単純性のために精度を妥協していて、放出されるマスターバッチ物質の正確な重量（体積かける密度として計算される）は、同じ回転速度に対して、マスターバッチの密度、粒径、他のパラメータで異なる。

特許文献１、特許文献２及び特許文献３には、重量測定方法が記載されている。その重量測定方法では、制御システムを備えた計量（重量測定）機構を供給スクリューに追加して、放出される物質の正確な重量が周期的に測定される。実際の重量と設定点との差は、制御電子機器用の誤差信号として用いられる。重量測定方法は、容量測定方法と比較してはるかに高い精度を有し、マスターバッチ物質を節約することができる。重量測定システムは、設定点によって定められる量（通常は、質量／時間の単位、又は母材のパーセントで定められる）で物質を正確に放出することができる。従来技術の重量測定システムが図１に概略的に示されている。

容量測定及び重量測定のいずれの場合においても、マスターバッチ物質の設定点は経験的に定められていて、混合物を確認／調整するための混合物の特性の実際の測定はインラインでは行われない。

光学スペクトルに基づいた正確な色測定は非常に困難なプロセスである。何故ならば、人間の目の色分解能よりも優れた色精度を得るためには、僅かなパーセントでの較正精度が必要とされるからである。

米国特許第５１０３４０１号明細書 米国特許第６６８８４９３号明細書 米国特許第６９６６４５６号明細書

Ｇｅｏｒｇ Ａ．Ｋｌｅｉｎ、"Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏｌｏｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ"、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２０１０年，ｐ．３２６−３３７

従って、本発明の一課題は、所定の基準サンプルの所定のスペクトル特性に一致するように、製品のスペクトル特性のインライン測定に従ってマスターバッチの放出率を調整及び制御するための方法及びシステムを提供することである。

第一態様において、本発明は、プラスチック製品製造機によって製造されるインライン部品の色と基準部品の色との間の整合性を、プラスチック製品製造機に供給される原料の混合物中におけるマスターバッチの濃度を調整することによって、最適化するための方法である。本方法は以下のステップを備える：
ａ．分光計を用いてインライン部品のスペクトルを測定するステップａ；
ｂ．分光計を用いて基準部品のスペクトルを測定するステップｂ；
ｃ．ステップａ及びステップｂで測定されたスペクトルから、インライン部品の色座標及び基準部品の色座標を決定するステップｃ；
ｄ．インライン部品の色を基準部品の色から人間の目には区別することができないようにするのに必要なマスターバッチの最低濃度に対応する設定点の色座標を決定するステップｄ；
ｅ．インライン部品の色座標とステップｄで決定された設定点の色座標との間の距離ΔＥを決定するステップｅ；
ｆ．プラスチック製品製造機に供給される原料の混合物にマスターバッチを加える機構の供給速度を制御するための信号を決定するステップｆ；
ｇ．ステップｆで決定された信号を用いて、プラスチック製品製造機に供給される原料の混合物にマスターバッチを加える機構の供給速度を制御するステップｇ。

ステップａ及びステップｂが、同じ分光計を用いて短期間内に行われることによって、高精度の分光計の較正の必要性を無くし、プラスチック製品製造機がインライン部品を製造するように動作しながら、本方法のステップａからステップｇを製造現場において実時間で行うことを可能にする。

本発明の方法の実施形態では、設定点は、基準物質サンプル色の周りのマクアダム楕円上の最低飽和点である。設定点を、以下の方法のうち一つにおいて求めることができる：
ａ．色度図の境界からの距離を最大化することによって；
ｂ．インライン部品の色座標から白色中心点２２３までの距離を最少にすることによって；
ｃ．ｘｙＹ色空間からＨＳＶ色空間への変換による飽和（Ｓ）値の数学的定義によって。

本発明の方法の実施形態では、設定点は、反復プロセスを用いて決定される。

本発明の方法の実施形態では、色度図上におけるインライン部分の色と設定点との間の距離ΔＥは、ＣＩＥＤＥ２０００の式を用いて決定される。

本発明の方法の実施形態では、プラスチック製品製造機に供給される原料の混合物にマスターバッチを加える機構の供給速度を制御するための信号は、以下のように定められる：
Ｅｒｒ＝ΔＥ×ｆ（Ｓ_０−Ｓ）
ここで、Ｓ_０は基準サンプルの色の飽和値であり、Ｓはインライン部品の色の飽和値であり、ｆ（Ｓ_０−Ｓ）＝ｆ（ｘ）は重み付け関数である。

本発明の方法の実施形態では、インライン部品の色は、三種類のベースマスターバッチの組み合わせによって決定され、色度図上におけるベースマスターバッチの位置を接続するベクトルによって定められる軸上にΔＥのベクトルを投影することによって、プラスチック製品製造機に供給される原料の混合物にマスターバッチを加える機構の供給速度を制御するための信号が決定される。

第二態様において、本発明は、プラスチック製品製造機に供給される原料の混合物中における少なくとも一種類のベースマスターバッチの濃度を制御して、基準部品の色に対するプラスチック製品製造機によって製造されるインライン部品の色の整合性を最適化するためのシステムである。本システムは以下のものを備える：
ａ．少なくとも一つの白色光源；
ｂ．インライン部品のスペクトルを測定するように構成された少なくとも一つの測定ヘッド；
ｃ．基準部品のスペクトル測定するように構成された少なくとも一つの測定ヘッド；
ｄ．分光計；
ｅ．少なくとも一つの光源から各測定ヘッドに照射光を提供するように構成されたネットワーク；
ｆ．インライン部品及び基準部品の表面で反射又は透過されたいずれかの戻り光を各測定ヘッドから分光計に誘導する光学ネットワーク；
ｇ．インライン部品及び基準部品のスペクトルを表す電気信号を分光計から受信して、信号を処理して、下記の少なくとも一つの供給コントローラーに送信される誤差信号を決定するように構成されたスペクトル処理及び制御ユニット；
ｈ．各ベースマスターバッチ用の少なくとも一つの供給コントローラー（各供給コントローラーは、スペクトル処理及び制御ユニットから誤差信号を受信して、それを下記のマスターバッチ供給コントローラーに送信するように構成される）；
ｉ．各ベースマスターバッチ用の少なくとも一つのマスターバッチ供給コントローラー（各マスターバッチ供給コントローラーは、マスターバッチを原料に加える添加率を最適化することによって、プラスチック製品製造機に供給される原料の混合物中におけるベースマスターバッチの濃度を調整するように構成される）。

本システムは、同じ分光計を用いて、インライン部品及び基準部品のスペクトルを短期間内に測定することによって、高精度の分光計の較正の必要性を無くし、プラスチック製品製造機がインライン部品を製造するように動作しながら、ベースマスターバッチを原料に加える添加率を製造現場において実時間で調整することを可能にするように構成される。

本発明のシステムの実施形態では、測定ヘッドは、鏡面反射及び迷光の影響を低減する光バッフル及び偏光子を備える。

本発明のシステムの実施形態では、少なくとも一つの光源が各測定ヘッドに配置され、戻り光用の光学ネットワークは、以下のもののうち少なくとも一つを各々少なくとも一つ備える複数の光学素子で構成される：レンズ、ミラー、ビームスプリッター、コサイン補正器（コサインコレクター）、ホモジナイザー。

本発明のシステムの実施形態では、少なくとも一つの光源が各測定ヘッドに配置され、各測定ヘッドからの戻り光用の光学ネットワークは光ファイバーで構成されて、Ｎ×１光ファイバー結合器を用いて、各測定ヘッドからの個別の光ファイバーを、分光器の入力部に接続された単一の光ファイバーに結合させる。

本発明のシステムの実施形態は、一つの測定ヘッドのみを備え、また、光を分光計に戻すための光学ネットワークの開始部の下に基準部品とインライン部品のうち一方を交互に移動させるための機構とを備える。

本発明のシステムの実施形態は、単一の光源と、その光源から各測定ヘッドに光を分配するように構成された光ファイバーのネットワークとを備え、本実施形態のネットワークは、以下のうち一方を備える：
ａ．光源に光学的に結合されている単一のファイバーからの光を、光ファイバースプリッターから測定ヘッドに光を伝える一つ以上のファイバーに分割する１×Ｎ光ファイバースプリッター；
ｂ．光源の前方に位置し、且つ、モーターと、少なくとも一つの孔又はスリットを備える回転可能なディスクとを備える装置（その装置は、モーターを作動させてディスクを回転させる際に、光が各測定ヘッドに繋がる複数の光ファイバーのうち一度に一つの光ファイバーのみに入射することができるように構成される）。

本発明のシステムの実施形態は、複数の基準サンプルを備え、それら基準サンプルは、複数の基準サンプルのうち一度に一つを測定ヘッドに対向して配置するように構成された機構上に配置される。

本発明のシステムの実施形態では、分光計は、測定ヘッドからの戻り光を回折する格子と、回折光をその出力部において検出する線形センサーアレイと、光学素子の収差を補償する一つ以上の補正素子とを備えるツェルニー・ターナー単色光分光計である。

本発明のシステムの実施形態は、焦点距離ｆを有するレンズの前面から距離ｈに位置するサンプルからの反射測定用の測定ヘッドを備え、光照射ファイバーの端部及び光戻り（光収集）ファイバーの端部がどちらも、レンズの背面側の焦点近くに位置し、ここでｈ≦ｆである。

本発明のシステムの実施形態は、焦点距離ｆ_１を有する第一レンズの前面から距離ｈ_１に位置する前面を有するサンプルからの透過測定用の測定ヘッドを備え、光照射ファイバーと光戻り（光収集）ファイバーのうち一方のファイバーの端部が第一レンズの背面側の焦点近くに位置し、ここで、ｈ_１≦ｆ_１／２であり、サンプルの背面が、焦点距離ｆ_２を有する第二レンズの前面から距離ｈ_２に位置し、光照射ファイバーと光戻り（光収集）ファイバーのうち他方のファイバーの端部が第二レンズの背面側の焦点近くに位置し、ここで、ｈ_２≦ｆ_２／２である。

本発明の上記全ての特徴及び他の特徴は、添付図面を参照して、本発明の実施形態の以下の例示的で非限定的な説明から更に理解されるものである。

従来技術に係る射出成形機用の重量測定添加剤フィーダーシステムを概略的に示す。 本発明の一実施形態に係るスペクトルデータから基準色座標及び部品の色座標を計算する方法を概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る区別不可能な色のマクアダム楕円内に存在している最小飽和条件（着色マスターバッチの最小消費量に対応する）に基づいた、色度図上におけるスクリュー制御ループ用の最適な誤差信号の導出を概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る区別不可能な色のマクアダム楕円内に存在している最小飽和条件（着色マスターバッチの最小消費量に対応する）に基づいた、色度図上におけるスクリュー制御ループ用の最適な誤差信号の導出を概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る区別不可能な色のマクアダム楕円内に存在している着色マスターバッチの最小消費量に直接基づいた、色度図上におけるスクリュー制御ループ用の最適な誤差信号の導出の追加アルゴリズムを概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る比較可能スペクトル測定に基づいたマスターバッチ供給スクリュー制御システムのコンセプトの概略構成を示す。 本発明の一実施形態に係る比較可能スペクトル測定マスターバッチ供給スクリュー制御システムの外部光照射光ファイバーに基づいた例を概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る比較可能スペクトル測定マスターバッチ供給スクリュー制御システム代替例を概略的に示し、基準サンプルが、インラインで製造される部品と同じ分光計で周期的に測定される。 本発明の一実施形態に係る複数の測定ヘッドを備える比較可能スペクトル測定システムの外部光照射光ファイバーに基づいた例を概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る比較可能スペクトル測定マスターバッチ供給スクリュー制御システムのファイバー伝達光照射光ファイバーに基づいた例を概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る複数種の着色マスターバッチを混合するための本発明のシステムを概略的に示す。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るマスターバッチの混合量を制御する本発明の方法の例を概略的に示す。 比較可能スペクトル測定に基づいたマスターバッチ供給スクリュー制御システムの測定ヘッドに用いられる本発明の鏡面反射の影響を低減させた光照射モジュールの構成を概略的に示す。 本発明の一実施形態に係る本発明のシステムの構成を概略的に示し、基準部品が、分光計システムの自動絶対較正に用いられる既知のスペクトル特性を有する相互可換な複数の基準サンプルのアレイに置き換えられている。 本発明を実施するのに使用可能な分光計３６の一実施形態を概略的に示す。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、図５に示されるような二つの測定ヘッドを備える光学プローブアセンブリの一例の詳細を概略的に示す。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、図４ｃに示されるような複数の測定ヘッドを備える光学プローブアセンブリの一例の詳細を概略的に示す。 単一の光源を複数の光ファイバーに導入して、一度にひとつのファイバーのみに光照射される設定の一実施形態を概略的に示す。 反射測定用の測定ヘッドの光学的構成の一実施形態を概略的に示す。 透過測定用の測定ヘッドの光学的構成の一実施形態を概略的に示す。 測定ヘッドのレンズからサンプル部品表面までの距離に対する基準部品とサンプル部品との間の色差依存性の一例を示す。

本発明は、製品及び基準品のスペクトル特性をインライン測定して、製品及び基準品のスペクトル特性を処理して、処理されたスペクトル特性を比較して、それから得られた信号を用いて供給スクリューを制御することによって、プラスチック製品製造ラインにおいて供給される着色マスターバッチの量を最適化するための方法及びシステムである。分光計に基づいたシステムを用いて、製造部品と基準部品とのロバストで較正不要の示差測定で本発明の方法を実施することについても開示する。

図１は、従来技術の重量測定添加剤混合システムを概略的に示す。供給スクリュー１１は、物質のメインフロー内に向かうマスターバッチ又は他の添加剤を計測する。マスターバッチは、供給容器１２からホッパー１３内に送られ、ホッパー１３において、マスターバッチは、減量秤で重量測定されて、ホッパー１４の母材のフローへと分配される。マスターバッチの計測は、成形機の供給スクリュー１５と同期される。

大抵の場合、サイクル期間中に供給される添加剤の個別部分を重量測定することは、その僅かな重量と、製造エリアの騒音及び振動が多い環境とのために不可能であるので、システムは、閉ループフィードバック操作を用い、ホッパーの減量を利用して複数の分配部分を重量測定して、部分の数で重量を割り、スクリューフィーダーモーターの速度を制御することによって、部分の重量を制御して、所定の時間内に、各部分を、所定の時間間隔に対する所定の重量で分配することによって、部分の重量を制御する。

図２ａは、本発明の一実施形態に係る供給スクリューの速度の最適制御のための方法を概略的に示す。第一ステップ２０１では、基準物質部品とインライン部品とについて光学スペクトルを測定する。図２ｂは、基準部品２１０及びインライン部品２２０の光学スペクトル並びに色応答関数を示す。第二ステップ２０２では、インライン部品の色座標（ｘ，ｙ，Ｙ）と、基準物質の色座標（ｘ_０，ｙ_０，Ｙ_０）とを、ｘｙＹ色空間において以下のように決定する：

ここで、Ｉ（λ）は、測定サンプルのスペクトルパワー密度である。得られた座標を、周知の線形変換によって、図２ｃに見て取れるようなＣＩＥ ｘｙＹ色空間に変換する。ここで、

は、標準観測者等色関数であり、ＸＹＺからｘｙＹへの変換は以下のとおりである：
ｘ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）
ｙ＝Ｙ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）
Ｙ＝Ｙ

図２ｃは色度図を示す。“星”印の点２２８は、マスターバッチ物質の色座標である。点２２５と点２２６はそれぞれステップ２０２で得られたインライン部品と基準部品の色座標である。色度図の中心の星２２３は、最低飽和値の点である白色である。一次近似として、マスターバッチ濃度が変化すると、インライン部分の色座標が破線に沿って移動する。最大飽和値の色は境界上に位置する。より高い飽和値を得るためには、より多くの着色マスターバッチを母材に加えることになる。

人間の目は、色度図の或る点を取り囲むマクアダム楕円と呼ばれる特定の領域２２４内の色を区別することができない。楕円のサイズは、色度図上の点の位置で異なる。区別不可能な色領域の境界は、ＣＩＥＤＥ２０００規格によって定められる。

ステップ２０３では、設定点２２７を決定する。設定点２２７は、基準物質サンプルの色２２６（ｘ_０，ｙ_０，Ｙ_０）の周りの区別不可能な色境界、つまりマクアダム楕円上の最低飽和点である。飽和点は、インライン部品の色を基準部品の色から人間の目では区別することができないようにするのに必要なマスターバッチの最低濃度に対応する。最低飽和点は、色度図の境界からの距離を最大にすることによって、又は、インライン部品の色座標から白色中心点２２３までの距離を最少にすることによって、又は、ｘｙＹ色空間からＨＳＶ色空間への変換による飽和（Ｓ）値の数学的定義によって、求められる。

ステップ２０４では、ＣＩＥＤＥ２０００の式を用いて、インライン部品の色２２５と上記設定点２２７との間の距離ΔＥを決定する。ステップ２０５では、供給スクリューの回転速度を制御するのに用いられる信号を計算する。この信号は以下のように定義される：
Ｅｒｒ＝ΔＥ×ｆ（Ｓ_０−Ｓ）
ここで、Ｓ_０とＳはそれぞれ基準サンプルの色の飽和値とインライン部品の色の飽和値であり、ｆ（Ｓ_０−Ｓ）＝ｆ（ｘ）は重み付け関数であり、例えば、以下の値をとることができる：ｘ＜−１であればｆ（ｘ）＝−１、ｘ＞１であればｆ（ｘ）＝１、その他の場合にｆ（ｘ）＝ｘ。

最終ステップ２０６では、誤差信号を用いて、供給スクリューの回転速度を制御する。

図２ｄは、多様な顔料（マスターバッチ）の濃度に起因する色が直線に従わず、図２ｄに示されるような湾曲した経路２３８に従うという点に基づいて、最適な供給スクリューの誤差入力を決定するための改良方法を与える。周知のクベルカ・ムンクモデル（例えば、非特許文献１を参照）によって、より正確な振る舞いが記述される。この場合、初期誤差は、インライン部品の色座標２２５と基準部品の色座標２２６との間の直線に従い、図２ｃに示されると同じような補正ΔＥ_１をもたらすと評価される。ΔＥ_１を用いて調整されるマスターバッチ濃度に起因するインライン部品の色は、マクアダム楕円２２４上にのらず、座標２２９を有する。この点から、点２２９と点２２４との間の直線を用いて誤差を再び評価して、インライン部品の色座標が低飽和側からマクアダム楕円２２４を横切るまで（又は或る一定のΔＥの値（典型的には略２．５）によるその近似）、プロセスが反復される。この方法の実際の最終的な結果は、インライン部品の色座標が、図２ｃのより単純なモデルから予想されるような２２７ではなくて、２１０にあるというものである。

図３は、本発明の一実施形態に係るシステムを示す。比較可能スペクトル測定に基づいたマスターバッチ供給スクリュー制御システムに概略図が示されている。光学スペクトルに基づいた正確な色測定は、僅かなパーセントでの較正精度が必要とされるので、非常に困難なプロセスである。そのため、分光計は、高精度の較正を維持することが製造現場では現実的ではないので、製造現場で使用されることは稀であり、分析及び品質管理研究所で使用されるものとなっている。図２について上述した本発明の方法は、基準サンプル及びインライン部品のスペクトルを同じ分光計を用いて同時に測定することによって行われる。この場合、公称の分光計の較正からのずれは、測定及び基準の両方について同じであるので、高精度の分光計の較正は必要とされない。供給スクリューの制御に用いられる制御フィードバックループのため、分光計の較正のずれに起因する色差誤差の不正確性は、顕著でなくなる。

図３は、インライン部品と基準部品との測定を行い、それらの色座標を比較する示差分光計の概略的構成を示す。基準物質部品３１用測定ヘッド及びインラインサンプル３２用測定ヘッドから反射されて戻る光学信号は、５０％／５０％のビームスプリッター３５によって結合されて、分光計３６に送られる。各測定ヘッドは、白色光源３３（ＬＥＤ、ハロゲンランプ、蛍光ランプ、白熱光源、スーパーコンティニウムレーザー、又は他の広帯域光源によって実現される）を用いる。コサイン補正器又はホモジナイザー３４を光収集光学系の入口で用いて、測定座標に対するスペクトル依存性を最少にする。基準測定ヘッド及びインライン測定ヘッド用の光源３３を断続的に作動させて、基準サンプル及びインライン部品のスペクトルの測定を交互に行う。スペクトル処理及び光照射制御ユニット３７において、両方のスペクトルを、上記本発明の方法に従って分析して、“誤差信号”３９の結果値を、供給スクリュー回転速度コントローラー３８に送る。

図４ａは、本発明の一実施形態に係る本発明のシステムの他の例を概略的に示し、光は、両サンプル３１及び３２用の二つの測定ヘッドから光ファイバー４１及び４２を用いて収集されて、２×１ファイバー結合器４３によって結合されて、光ファイバー４４を介して分光計３６に送られる。

図４ｂは、基準部品３１及びインライン部品３２の両方用の単一のスペクトル測定ヘッドを用いたシステムの代替例を概略的に示す。両矢印４５のシンボルで示される機構が、インライン部品３２を周期的に横に移動させて、基準部品３１を測定ヘッドの下に移動させて、その色スペクトルを測定する。基準部品の色のパラメータはメモリーに記憶されて、図２に示されるような方法で供給スクリューの制御誤差を較正するのに用いられる。

図４ｃは、本発明の一実施形態に係るシステムの一例を示す。本発明のこの実施形態によると、システムは、品質保証のための色の均一性を評価するために、異なる箇所においてインライン部品サンプル３２_１、３２_２…３２_ｎ−１を測定するための複数（２個よりも多い）の測定ヘッドを用いる。この実施形態では、供給スクリューコントローラー３８は、全ての測定ヘッドの平均信号、散乱、及び、基準部品３１からの色のずれを用いる。Ｎ×１ファイバー結合器４３を用いて、複数（ｎ−１個）の測定ヘッドを、分光計３６に取り付けられた単一のファイバーに結合させる。

図５は、本発明の他の実施形態に係るシステムの一例を示し、単一の光源３３が用いられている。光源３３からの光は、ファイバーブランチ５７を通過して、２×２光ファイバースプリッター／結合器によって二つの等しい部分に分割され、そこから、光はそれぞれファイバーブランチ５８及び５９を通って両方の測定ヘッドに送られる。両方の測定ヘッドからの戻り信号は、同じファイバーブランチ５８及び５９を通って、同じ２×２スプリッター／結合器５５によって結合されて、ファイバーブランチ５６を通って分光計に送られる。代わりに、光源３３は、スペクトル強度分布及びパワー等の特性が同じ又は異なる複数の個別光源を備え得て、それら全てがビーム結合器によって単一のファイバー５７に結合され得る。このようにすると、必要とされる特定のスペクトル分布を得ることができ、例えば、短波長の強度を有さないハロゲンランプを、青色又は白色発光ダイオードと組み合わせることによって、よりバランスのとれた強度分布のスペクトルを得ることができる。

図５に示される実施形態では、以下の方法によって、基準部品とインライン部品との別々の測定が行われる。光源は連続的に作動する。基準サンプル３１は常に適所に存在していて、そのスペクトルは、測定ヘッドの近くにインライン部品が存在していない分光計３６によって測定される。インライン部品の測定ヘッドからの個別信号５０が、製造ライン（矢印５１のシンボルによって示される）上を移動しているインライン部品が測定ヘッドの下の適所に存在していることを示すと、インライン部品及び基準部品からの結合信号を測定する。結合信号から基準部品のスペクトルを引くことによって、インライン部品のスペクトルを得る。個別の断続的な光照射と比較して、本発明の方法のこの実施形態の固有の利点は、正確に同じ光照射を用いて、基準部品とインライン部品の両方の測定を行い、結果の精度を改善することである。しかしながら、この実施形態は、図４に示される実施形態と比較して、スペクトル信号の５０％の損失をもたらす。

図６は、複数の着色マスターバッチ（“ベース”マスターバッチと称される）を混合して、マスターバッチを加工機に加えた後のインライン部品の色を基準部品の色と一致させる混合物を得るための本発明のシステムの構成を概略的に示す。システムは、各ベースマスターバッチについて容量測定、重量測定、又は他の定量方法（重量測定の例は図１に示されている）に基づいた個別供給モジュール６１_１、６１_２、…６１_ｎを備える。これらモジュールの供給機構は示差分光計システム６２によって制御されて、その示差分光計システム６２は、図３〜図５に関して上述したような基準部品用の測定ヘッド６３とインライン部品用の測定ヘッド６４からの信号を処理し、また、各モジュールは、以下の図７ａ〜図７ｂに関して説明される方法を用いて複数のコントローラー３８_１、３８_２、…３８_ｎによって制御される。

図７ａ〜図７ｂは、マスターバッチの混合量を制御するのに用いられる本発明の一実施形態に係る方法の一例を示す。本方法の目標は、基準部品の座標２２６を取り囲む区別不可能な色のマクアダム楕円２２５内に位置する設定点２２７を、最低の色飽和点に定めることである。これは、インライン部品の色を基準サンプルから区別不可能なものにして、製造プロセスが最小量のマスターバッチ物質を消費するようにする。アルゴリズムの出力は、マスターバッチの混合物中における特定の各ベースマスターバッチのパーセントの増加／減少量である。

まず、図７ａに見て取れるように、マクアダム楕円２２４及び相対的誤差ΔＥ ７２を、図２で上述したのと同じ方法で計算する。星７３、７４及び７５はそれぞれ各ベースマスターバッチの色座標である。白丸２２５と黒丸２２６はそれぞれインライン部品と基準部品との色座標である。図７ｂにおいて、ΔＥのベクトル７２は、ベースマスターバッチに接続されたベクトルによって定められた軸上に投影されている。その投影を、供給スクリューを制御するループの誤差補正３９_１、３９_２…３９_ｎとして用いて（あらゆる産業制御システムにおいて一般的に行われているように、標準的なＰＩ又はＰＩＤ制御ループを用いる）、基準部品の色とインライン部品の色との間の差を最少にする。

実際には、三種類のベースマスターバッチで十分に、これらを接続する三角形内に存在する大抵の色をカバーすることができる。代わりに、より多種類のベースマスターバッチを用いて、各マスターバッチに対する誤差ベクトルΔＥの成分を決定するのに一つよりも多くの可能性が存在するようにすることができる。この場合、所定のメリット関数（例えば、添加物質のコストや量）を用いて、基準サンプルと製造部品との間の誤差を最少にする最適なマスターバッチの組み合わせを選択する。

図８は、光照射及び光収集モジュール、つまり測定ヘッドの一実施形態の概略的な構成を示す。典型的には、光照射条件は、測定サンプルの結果としての色座標に大きく影響する。測定におけるランダムな光の影響を最少にするため、本発明の実施形態では、光バッフル及び光学素子を用いて、光照射条件を正確に制御して、光照射及び光収集手段の正確な光学設計によって鏡面反射の影響を最少にする。

図８に示される実施形態では、光源３３からの光は偏光子８１を通過する。部品３２からの反射光は、光ファイバー８２によって収集される。偏光子８１の向きに垂直な向きを有する他の偏光子８３を、ファイバー８２の前方に導入する。拡散反射が大抵無偏光である一方で、鏡面反射は大抵入射光の偏光を維持しているので、偏光子８３は、鏡面反射の大部分を遮断して、拡散散乱光のみが収集ファイバーに入射するようにする。更に迷光を排除するため、バッフル８４を、ファイバーの周りに導入して、迷光８５を遮断する。

他の実施形態では、光が反射されて戻されることを防止するものとして知られている直線偏光子と円偏光子を備えた半波長板等の偏光子の他の組み合わせによって、鏡面反射光を排除することができる。

図９は、示差分光計の自動絶対較正用の方法の一実施形態の構成を概略的に示す。基準サンプルが利用可能ではなく、部品の色が色座標（例えば、ｘｙＹ、Ｌａｂ、Ｌｕｖ、ＨＳＶ、ｓＲＧＢ、ＸＹＺ等）によって定められている場合には一般的に、図２ｃの基準点２２６を数値的に定める必要がある。そのため、製造部品の色の測定を、絶対色座標に対して較正しなければならない。しかしながら、本発明のシステムでは、絶対色座標は、本願で開示されるような示差測定を用いるのに必要とされるパラメータではない。本発明は、オペレータを介在させないシステムの自動オンライン較正用の方法を開示し、熟練者を必要としたり、環境条件の変化に敏感であったり、時間と共に変化するもの等であったりする正確な周期的較正の必要性を無くす。

図９に見て取れるように、単一の基準サンプルを、異なる既知のスペクトル特性を有する複数の基準サンプル９１を含むアレイ９０に置き換える。この基準サンプル９１のアレイ９０は、基準サンプル９１を移動させることができる作動手段９２に取り付けられ、複数の基準サンプルのうちの一つのみのスペクトルが一度に測定されるようにする。基準サンプルは、図９に示されるように光源３３からの光を反射することができ、又は、入射光を透過させることもでき、後者の場合、基準サンプルは、光照射手段３３と測定ファイバー４１との間に位置する。

各基準サンプルを測定することによって、較正プロセスは周期的に行われる。本発明のシステムのスペクトル応答計算は、測定スペクトルを各サンプルの既知のスペクトルと比較することで行われる。このような計算の一例は、得られたスペクトルを各サンプルの既知のスペクトルで割って、複数の基準サンプルについての結果を平均化することである。複数の既知の基準サンプルの測定からシステム応答を計算するための他の洗練された正確な方法も知られている。

図１０は、本発明を実施するのに使用可能な分光計３６の一実施形態を概略的に示す。この実施形態の分光計３６の光学的構成は、周知のツェルニー・ターナー単色光分光計に基づいていて、光学素子の収差を補償するために、線形センサーアレイの前方に補正素子が追加されている。この補正素子の使用は、小さな物理的寸法内での低Ｆ値設計を可能にする。

図１０では、収集された光が、光ファイバー１０２によって分光計３６に送られる。必要とされる分解能に応じて１０〜５００マイクロメートルの幅を有する垂直スリット１０４によって、入力ファイバー光は、水平方向内に制限される。スリット１０４を通過する光は、ファイバー１０２からの光をコリメートするため、スリット１０４からの焦点距離に等しい距離に位置する第一凹ミラー１０６から反射される。コリメートされたビームは、例えば３００本の溝／ｍｍを有する回折格子１０８によって回折されて、補正素子１１４を通過した後に、第二凹ミラー１１２によってセンサーアレイ上に集束される。最も単純な場合、補正素子１１４は、傾斜したミラーからの強い非点収差を補償するシリンドリカルレンズである。この構成は、開口数０．５の１ｍｍ入力光ファイバーで、１０ｎｍ未満の光学分解能を可能にする。より高い分解能を可能にするより複雑な設定では、より複雑な補正素子、例えば、位相マスク、回折素子、多数の光学素子が使用され得る。

図１１ａ及び図１１ｂは、図５に示されるような二つの測定ヘッドを備える光学プローブアセンブリの一例の詳細を概略的に示す。図１１ａは、アセンブリの全体図であり、図１１ｂは、図１１ａの部分Ａの拡大図であり、ブランチの内部特徴を示す。光源からの光は、光照射ブランチ５７内の二つの光ファイバー５７ａ及び５７ｂ内に導入される。２×２光ファイバースプリッター／結合器５５を通過した後、各ファイバー５７ａと５７ｂは、それぞれ個別のブランチ５８と５９によって、インライン部品用の測定ヘッド１１０と基準部品用の測定ヘッド１１１に誘導される。ブランチ５８及び５９内のファイバー１１２ａ及び１１２ｂは、それぞれ測定ヘッド１１０及び１１１によって収集された光を戻し、光ファイバースプリッター／結合器５５を介して個別の信号ブランチ５６ａ及び５６ｂに通すか、又は、光ファイバースプリッター／結合器５５によって図５に示されるような単一の信号ブランチ５６に光学的に結合される。

図１２ａ及び図１２ｂは、図４ｃに示されるような複数の測定ヘッドを備える光学プローブアセンブリの一例の詳細を概略的に示す。図１２ａは、測定ヘッド１１０ａ〜１１０ｎ−１、１１１に対する導光及び光収集を行う多様なブランチの概略図である。図１２ｂは、光学プローブアセンブリ内の光照射ファイバー１１５及び光収集ファイバー１１６の配線を概略的に示し、複数の光収集ファイバー１１６が、ｎ×１光ファイバー結合器１１７を用いて単一のファイバーに結合される。

図１３は、単一の光源を複数の光ファイバー内に導入して、一度に一つのファイバーのみを光照射するための設定の一実施形態を概略的に示す。光源１３０には、任意で、光ファイバーの端部（ファセット）１３２の平面１３１に均一な光分布を生じさせる光学システムが続き、光学フィルター１３３によってフィルタリングが行われ、不必要な放射を全て除去して、ファイバー端部に対する熱負荷を低減する。色測定の応用については、フィルターは、赤外線を反射して、可視光を透過させる。複数の孔を備える不透明ディスク１３４をサーボモーター１３５に取り付ける。孔の位置は、ディスクが回転するにつれて、異なる一つのファイバー端部が光照射される一方で他の全てのファイバー端部への光がブロックされるように決定される。代わりに、一定回転のＤＣモーターを、孔ではなくて接線スリットを有するディスクと共に用いて、所定の期間にわたって各ファイバーを逐次的に露出させることができる。

図１４ａは、反射測定用の測定ヘッドの光学的構成の一実施形態を概略的に示す。この実施形態では、測定ヘッド１４０は、サンプル１４１の前面から距離ｈに位置する。この設計は、光収集システムに入射する鏡面反射の量の変動に起因する表面角度に対する依存性と、サンプルまでの距離に対する依存性という二つの問題に、遠隔色測定で対処する。その光学設計は、両方の影響を最少にすることができる。光照射ファイバー１４２及び光収集ファイバー１４３は両方とも非球面又は球面レンズ１４４の焦点近くに位置する。光照射用の直径０．２５〜３ｍｍの光ファイバーと、収差を最少にしたレンズとを用いると、サンプル表面上の光分布は、光収集ファイバーによって収集された反射光がレンズの焦点距離の少なくとも半分以内においてサンプル表面までの距離に依存しなくなるようなものになる。その影響が、測定ヘッドのレンズからサンプル部品表面までの距離に対する基準部品とサンプル部品との間の色差の依存性を示すグラフである図１４ｃに示されている。表面角度依存性の影響は、二つの交差した偏光子（例えば、図１４ａの断面図に矢印で示されるように一方が垂直に向いていて、他方が水平に向いている二つの直線偏光子）を導入することによって最小にされる。偏光子は、レンズ表面から散乱された光と、サンプル表面からの鏡面反射との両方を遮断する。

図１４ｂは、透過色測定用の測定ヘッドの光学構成の一実施形態を概略的に示し、光照射ファイバー及び光収集ファイバーがサンプルの両側に位置する。

本発明の実施形態について例示的に説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲を超えずに、多様な変更、修正及び適応を用いて実現され得ることを理解されたい。

３１ 基準部品
３２ インライン部品
３３ 光源
３４ コサイン補正器又はホモジナイザー
３５ ビームスプリッター／結合器
３６ 分光計
３７ スペクトル処理及び光照射制御ユニット
３８ 供給スクリュー回転速度コントローラー
３９ 誤差信号

Claims (14)

1. 製品製造機によって製造されるインライン部品（３２）の色と基準部品（３１）の色との間の整合性を、前記製品製造機に供給される原料の混合物におけるマスターバッチの濃度を調整することによって、最適化するためのシステムであって、前記システムは、
   （ａ）少なくとも一つの白色光源（３３）と、
   （ｂ）前記少なくとも一つの白色光源（３３）のうちの少なくとも一つから受けた光をインライン部品（３２）に投影することと、前記インライン部品（３２）から反射された光または前記インライン部品（３２）を透過した光を収集することと、収集された光を分光計（３６）に送ることとを行うように構成された少なくとも一つの測定ヘッドと、
   （ｃ）前記少なくとも一つの白色光源（３３）のうちの少なくとも一つから受けた光を基準部品（３１）に投影することと、前記基準部品（３１）から反射された光または前記基準部品（３１）を透過した光を収集することと、収集された光を分光計（３６）に送ることとを行うように構成された少なくとも一つの測定ヘッドと、
   （ｄ）分光計（３６）と、
   （ｅ）前記少なくとも一つの白色光源（３３）からの照射光を前記測定ヘッドのそれぞれに提供するように構成された第一の光学ネットワークと、
   （ｆ）前記インライン部品（３２）および前記基準部品（３１）の表面から反射されるか前記インライン部品（３２）および前記基準部品（３１）を透過したかのいずれかである戻り光を前記測定ヘッドのそれぞれから前記分光計（３６）まで誘導する第二の光学ネットワークと、
   （ｇ）スペクトル処理および光照射制御ユニット（３７）と、
   （ｈ）前記製品製造機に供給される原料の混合物にマスターバッチが加えられる速度を制御するように構成された各着色剤用の少なくとも一つの供給スクリュー回転速度コントローラー（３８）と
   を備え、
   前記スペクトル処理および光照射制御ユニット（３７）は、
   （ｉ）前記分光計（３６）を作動させることと、
   （ｉｉ）前記少なくとも一つの白色光源（３３）および前記二つの測定ヘッドを作動させることと、
   （ｉｉｉ）前記分光計（３６）から受けた前記インライン部品（３２）のスペクトルを測定することと、
   （ｉｖ）前記分光計（３６）から受けた前記基準部品（３１）のスペクトルを測定することと、
   （ｖ）測定されたスペクトルから前記インライン部品の色座標（２２５）および前記基準部品の色座標（２２６）を決定することと、
   （ｖｉ）前記インライン部品（３２）の色を前記基準部品の色から人間の目では区別することができないようにするために必要とされるマスターバッチの最低濃度に対応する設定点（２２７）の色座標を決定することと、
   （ｖｉｉ）前記インライン部品の色座標（２２５）と前記設定点（２２７）の色座標との間の距離ΔＥを決定することと、
   （ｖｉｉｉ）前記供給スクリュー回転速度コントローラー（３８）の供給速度を制御するための信号（３９）を決定することと、
   （ｉｘ）前記信号（３９）を用いて前記供給スクリュー回転速度コントローラー（３８）の供給速度を制御することと
   を行うように構成されており、
   前記システムは、
   （Ａ）前記スペクトル処理および光照射制御ユニット（３７）が、前記少なくとも一つの白色光源（３３）および前記二つの測定ヘッドを断続的に作動させることにより、前記基準部品のスペクトルおよび前記インライン部品のスペクトルの測定を交互に行うことを可能にするように構成されていることと、
   （Ｂ）前記システムが、同一の分光計（３６）を用いて前記基準部品のスペクトルおよび前記インライン部品のスペクトルの測定を交互に行うことによって、インライン部品を製造するように前記製品製造機を作動させながら、前記スペクトル処理および光照射制御ユニット（３７）が、各着色剤用の前記供給スクリュー回転速度コントローラー（３８）の供給速度を制御するための前記信号（３９）を実時間で決定することを可能にすることと
   を特徴とする、システム。
2. 前記測定ヘッド（１４０）のそれぞれは、（ｉ）インライン部品（３２）および基準部品（３１）のうちの一方であるサンプル（１４１）に前記第一の光学ネットワークを介して一つの白色光源（３３）からの光を伝えるように構成された光照射ファイバー（１４２）の第一の端部と、（ｉｉ）前記分光計（３６）に前記第二の光学ネットワークを介して前記サンプル（１４１）から反射された光または前記サンプル（１４１）を透過した光を伝えるように構成された光収集ファイバー（１４３）の第一の端部とを備え、
   前記測定ヘッド（１４０）は、
   前記測定ヘッド（１４０）が、二つの交差した偏光子（１４５）を備えることであって、前記交差した偏光子（１４５）のうちの第一の偏光子は、前記光照射ファイバー（１４２）の前記第一の端部に位置し、前記交差した偏光子（１４５）のうちの第二の偏光子は、前記光収集ファイバー（１４３）の前記第一の端部に位置する、ことと、
   前記光収集ファイバー（１４３）が前記サンプル（１４１）から反射された光を伝える場合には、前記第一の偏光子および前記第二の偏光子（１４５）のそれぞれが、一つ以上の非球面または球面のレンズ（１４４）の焦点近くに位置すること、または、前記光収集ファイバー（１４３）が前記サンプル（１４１）を透過した光を伝える場合には、前記第一の偏光子および前記第二の偏光子（１４５）のそれぞれが、一つまたは二つの非球面または球面のレンズ（１４４）の焦点近くに位置することと、
   前記一つのレンズ（１４４）または二つのレンズ（１４４）が、前記光照射ファイバー（１４２）の前記第一の端部から放出された光をコリメートすることと、コリメートされた光を前記サンプル（１４１）に向けることと、前記サンプル（１４１）から反射された光または前記サンプル（１４１）を透過した光を収集することと、収集された光を前記光収集ファイバー（１４３）の前記第一の端部に向けることとを行うように構成されていることと
   を特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記偏光子（１４５）と前記レンズ（１４４）の焦点との間の距離は、プローブと前記サンプルとの間の距離で測定される信号の変化が最小になるように選択されている、請求項２に記載のシステム。
4. 前記測定ヘッドは、鏡面反射および迷光の影響を低減するように前記偏光子（１４５）に加えて光バッフル（８４）を備える、請求項２に記載のシステム。
5. 単一の測定ヘッドと、前記測定ヘッドの下に前記基準部品（３１）および前記インライン部品（３２）の一方を交互に移動させるための機構（４５）とを備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第一の光学ネットワークは、一つの白色光源（３３）を備え、
   前記第一の光学ネットワークは、
   （ａ）１×Ｎ光ファイバースプリッター（５５）であって、前記光源（３３）に光学的に結合された単一のファイバー（５７）からの光を前記光ファイバースプリッターから前記測定ヘッドまで光を伝える一つ以上のファイバー（５８、５９）に分割する１×Ｎ光ファイバースプリッター（５５）、および
   （ｂ）前記光源（３３）の前方に位置する装置であって、前記装置は、モーター（１３５）と、少なくとも一つの孔またはスリットを有する回転可能なディスク（１３４）とを備え、前記装置は、前記ディスク（１３４）を回転させるように前記モーター（１３５）が作動させられる場合に、測定ヘッドにそれぞれが繋がる複数の光ファイバーのうち一度に前記端部（１３２）のうちの一つのみに光が入射することができるように構成されている、装置と
   のうちの一つを備える、請求項１に記載のシステム。
7. 基準サンプル（９１）のアレイ（９０）を備え、前記アレイ（９０）は、一度に前記基準サンプル（９１）のうちの一つを測定ヘッドに対向して配置するように構成された機構（９２）の上に配置されている、請求項１に記載のシステム。
8. 前記分光計（３６）は、ツェルニー・ターナー単色光分光計であり、前記ツェルニー・ターナー単色光分光計は、前記測定ヘッドからの前記戻り光を回折する格子（１０８）と、回折された光を出力部で検出する線形センサーアレイ（１１６）と、光学素子の収差を補償する一つ以上の補正素子（１１４）とを備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記スペクトル処理および光照射制御ユニット（３７）によって決定される前記設定点（２２７）は、基準物質サンプル色（２２６）の周りのマクアダム楕円上の最低飽和点（２２７）である、請求項１に記載のシステム。
10. 前記スペクトル処理および光照射制御ユニット（３７）は、
    （ａ）色度図の境界からの距離を最大化すること、
    （ｂ）前記インライン部品の色座標（２２５）から白色中心点（２２３）までの距離を最小化すること、
    （ｃ）ｘｙＹ色空間からＨＳＶ色空間への変換による飽和（Ｓ）値の数学的定義
    のうち一つによって、前記設定点（２２７）を決定する、請求項１に記載のシステム。
11. 前記スペクトル処理および光照射制御ユニット（３７）は、反復プロセスを用いて前記設定点（２２７）を決定する、請求項１に記載のシステム。
12. 前記スペクトル処理および光照射制御ユニット（３７）は、ＣＩＥＤＥ２０００の式を用いて色度図上で前記インライン部品の色座標（２２５）と前記設定点（２２７）との間の距離ΔＥを決定する、請求項１に記載のシステム。
13. 前記供給スクリュー回転速度コントローラー（３８）の供給速度を制御するための前記信号（３９）は、
    Ｅｒｒ＝ΔＥ×ｆ（Ｓ_０−Ｓ）
    として定義され、Ｓ_０ は、基準サンプルの色の飽和値であり、Ｓは、前記インライン部品の色の飽和値であり、ｆ（Ｓ_０−Ｓ）＝ｆ（ｘ）は、重み付け関数である、請求項１に記載のシステム。
14. 前記スペクトル処理および光照射制御ユニット（３７）は、三種類のベースマスターバッチの組み合わせから前記インライン部品（３２）の色を決定し、色度図上の前記ベースマスターバッチの位置を接続するベクトルによって定義される軸上にΔＥのベクトルを投影することによって、前記供給スクリュー回転速度コントローラー（３８）の供給速度を制御するための前記信号（３９）を決定する、請求項１に記載のシステム。