(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属を急速冷却するロールの外周面と溶融金属を注出するノズル先端部との隙間であるギャップにギャップ幅以上の幅を有する平行光束を照射し、ギャップを通過した光を検出し、検出されたデータにノイズ除去処理を施し、データ平均化処理を行ってギャップ寸法を計測し、データ平均化処理が行なわれたデータをもとにギャップ寸法制御を行う薄板の製造方法であって、
時間経過とともに出力される前記データについて移動平均を算出するというデータ平均化処理をするとともに、ロールを回転させながらギャップ寸法計測を行いつつ高温になったノズルによりギャップに生じる空気の揺らぎを抑制する所定の速度に前記ロールの外周面の周速が達した後に前記ギャップ寸法制御を行うことを特徴とする薄板の製造方法。
【請求項２】
溶融した金属が抽出されるノズルを一端に有するとともに遮光性及び発光抑制性を有する金属を溶融する耐熱容器を備え、前記ノズルから抽出された溶融金属を回転するロールの外周面上に注出して急速冷却することによる薄板の製造装置において、
前記ノズルと前記ロールの外周面との間隙であるギャップの幅以上の幅を有する平行光束を前記ギャップを含むように照射する照射手段と、
前記ギャップを挟んで前記照射手段に対向し配設され前記照射手段から照射された光を検出素子に受光して前記ギャップの寸法を測長する測長手段と、
前記測長手段からの出力の高周波を除去して出力するフィルタ処理部と、時間経過とともに出力されるフィルタ処理部からの出力を移動平均して出力するデータ処理部と、データ処理部からの出力と予め設定した目標値とを比較して前記ギャップの寸法を一定に制御するためのフィードバック指令値を作成するフィードバック処理部を有する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記ロールの回転数が所定の回転数に達した後に前記フィードバック指令値に基づいて前記ギャップの寸法の制御を行うことを特徴とする薄板の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、数ミリ以下の薄板を製造するときの、板厚を規制する構造体例えばロールとロールの隙間又はロールと溶融物注出ノズルの隙間であるギャップ寸法の計測制御技術に係わり、特に数十ミクロン程度の金属リボンを製造するのに好適な方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄板製造に際し、板厚を薄くするにはロールを用いて圧延する方法が一般的であり、板厚が数十ミクロン程度の金属極薄長尺板であるいわゆる金属リボンの製造においては、回転するロール上に溶融金属を注出して急冷し、リボン化しながら別のロールで圧延する。このとき、板厚を決定する要因がロールとロールの隙間のギャップ寸法であり、所定精度の板厚を得るためにはギャップ寸法を制御する必要がある。
また、金属リボンの製造方法には一個の回転するロールに溶融金属を注出するだけの片ロール法と呼ばれる方法もある。片ロール法で金属リボンの厚さを決めるにはロール表面と溶融金属注出部であるノズル先端との隙間のギャップ寸法を制御する必要がある。
このようにして製造された金属リボンは、非晶質または微細結晶化構造となり、すぐれた磁気特性を有し種々の技術分野へ応用されているが、品質面から厚さバラツキが小さいものが要求されている。厚さバラツキを小さくするためには、ギャップを溶融金属注出中１０μｍ程度以内のバラツキ範囲内に保つことが好ましいが、従来は１００μｍ程度は変動していた。
【０００３】
ところで、現在金属リボンの製造には片ロール法が用いられることが多く、実願６２−０６２１６７に片ロール法によるギャップ寸法バラツキを少なくするための制御方法が開示されている。これはノズルの先端部と回転するロール表面との変位を個々に測定し、ギャップの変動を相対的に算出するものである。ノズルの変位測定は、ノズルの先端を顕微鏡を介してCCDカメラで撮像し、画像処理により測定する。またロールの表面変位については、ロール表面に近接して設けた変位センサで測定する。前記２つの測定値を用いてギャップ変動値として計算し、この変動値をなくすようにノズル位置制御手段を制御し、ギャップを設定値に保とうとするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前記従来技術においては次のような問題がある。
１）ＣＣＤカメラは光源をもたず、ノズル先端は母合金が溶解した後の溶融金属（以下溶湯とも言う）を注出中の赤熱状態になっている時しか鮮明に撮像することはできない。このため溶湯注出開始後でなければギャップ制御を行うことができず、制御に遅れを生じ、初期の金属リボンは厚さ等の品質が安定しない。
２）ギャップの絶対寸法を計測することができない。このため、母合金を入れた耐熱容器であるベッセルが冷間状態の時に別途隙間ゲージ等でギャップ設定をしなければならないが、ベッセルは昇温に伴いノズル先端変位を生ずる。このため注出直前のノズル位置をこの変位分修正する必要があるが、この変位測定は難しい。例えば、ダイヤルゲージ等接触式変位計により変位を計測する場合、計測器自身の熱伝達による膨張等により正確に変位を測定することはできない。
３）ロールの表面変位が正確に測定できない。即ち、ロール表面の温度上昇により変位センサ自体の温度が高くなるとともに、ロール表面の膨張でロール表面と変位センサの間隔が狭くなり、測定値が誤差を含むようになる。
従って、本発明はこれらの問題を解決すべく、薄板の厚さ寸法を規定するギャップ寸法又はギャップを通過した薄板厚さそのものを計測し、ギャップ寸法が目標値になるようにギャップ寸法を制御する方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的に対し、本発明は、溶融金属を急速冷却するロールの外周面と溶融金属を注出するノズル先端部との隙間であるギャップにギャップ幅以上の幅を有する平行光束を照射し、ギャップを通過した光を検出し、検出されたデータにノイズ除去処理を施し、データ平均化処理を行ってギャップ寸法を計測し、データ平均化処理が行なわれたデータをもとにギャップ寸法制御を行う薄板の製造方法であって、時間経過とともに出力される前記データについて移動平均を算出するというデータ平均化処理をするとともに、ロールを回転させながらギャップ寸法計測を行いつつ高温になったノズルによりギャップに生じる空気の揺らぎを抑制する所定の速度に前記ロールの外周面の周速が達した後に前記ギャップ寸法制御を行うことを特徴としている。
上記手段を、薄板製造方法によってさらに特徴付けると次のようになる。この方法において、遮光性及び発光抑制性を有するノズルを用いることも有効である。ギャップ寸法計測をノイズ除去をソフトウエアのローパスフィルタで行う技術的手段を組み合わせることもできる。
【０００６】
また装置手段としては、溶融した金属が抽出されるノズルを一端に有するとともに遮光性及び発光抑制性を有する金属を溶融する耐熱容器を備え、前記ノズルから抽出された溶融金属を回転するロールの外周面上に注出して急速冷却することによる薄板の製造装置において、前記ノズルと前記ロールの外周面との間隙であるギャップの幅以上の幅を有する平行光束を前記ギャップを含むように照射する照射手段と、前記ギャップを挟んで前記照射手段に対向し配設され前記照射手段から照射された光を検出素子に受光して前記ギャップの寸法を測長する測長手段と、前記測長手段からの出力の高周波を除去して出力するフィルタ処理部と、時間経過とともに出力されるフィルタ処理部からの出力を移動平均して出力するデータ処理部と、データ処理部からの出力と予め設定した目標値とを比較して前記ギャップの寸法を一定に制御するためのフィードバック指令値を作成するフィードバック処理部を有する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ロールの回転数が所定の回転数に達した後に前記フィードバック指令値に基づいて前記ギャップの寸法の制御を行うことを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態として、金属リボンを片ロール法で製造する場合について説明する。
図１に装置構成を示すが、ロール５と溶湯を保持し注出できる耐熱容器１は公知の配置である。コリメータ２と、特殊望遠レンズを介したラインセンサカメラ６をロール５の円周上接線方向で耐熱容器１を挟んで対向するようにほぼ水平に設置する。コリメータ２は特殊レンズ群を有しており、光ファイバにて導入されたハロゲン系光源からの光を指向性の優れた平行光束７として、耐熱容器１先端のノズル４とロール表面との隙間であるギャップ３に向けて照射し、ラインセンサカメラ６で受光する。
コリメータ２の平行光束７は直径数十ｍｍのエリアを照射することができるが、ラインセンサカメラ６は、測定位置にある数ｍｍの範囲を特殊望遠レンズにより内部ラインセンサに結像させて計測する。また、受光素子の入力は電圧に変換されてアナログ出力されるが、そのサンプリングスピードは最大で毎秒数百回程度である。
【０００８】
耐熱容器１は、少なくともその先端の溶湯注出部であるノズル４が例えば窒化珪素のような遮光性を有するとともに発光を抑制するような材質で製作する。これにより、ラインセンサカメラ６に受光される光は、垂直方向に数ｍｍの範囲でノズル４とロール５の両方に当たるように照射された平行光束７のうち、ギャップ３を通り抜けた光だけとなる。
耐熱容器１は、例えばパルスモータ、サーボモータのようなサーボ駆動手段８により位置制御可能な移動体に取り付けられており、ノズル４とロール５の表面の間隔を位置制御することができる。即ちギャップ３の寸法を所定の制御指令に合わせて制御することができる。
【０００９】
サーボ制御手段９は、ラインセンサカメラ６からの入力に対するＡ／Ｄ変換部、フィルタ処理部１０、データ処理部１１及びフィードバック処理部１２を有している。Ａ／Ｄ変換部はラインセンサカメラ６からのアナログ入力をデジタル化して出力する。フィルタ処理部１０はノイズを除去するフィルタであり、特に入力信号の高周波成分を除去する。データ処理部１１はフィルタ処理部１０からの出力信号を所定のサンプリング周期で平均化処理を行う。フィードバック処理部１２は、データ処理部１１を通過した信号と、ギャップ目標値とを比較してフィードバック指令値を作成してサーボ駆動手段８に出力する。またデータ処理部１１を通過した信号はモニター信号として外部にとりだすこともできる。
【００１０】
次に作用について説明する。
まず所定量の母合金１３を耐熱容器１に入れ、耐熱容器１周辺に配置した加熱手段１４で加熱する。母合金１３が溶解し始める頃から、溶湯がノズル４の開口部から重力で滴下しないよう耐熱容器１内を減圧制御する（減圧制御手段は図示せず）。この時、耐熱容器１はロール５に対し実際に金属リボンを製造する時の位置で、そのギャップ寸法だけが製造する時の設定ギャップ寸法より少し大きく、即ち耐熱容器１が膨張してもノズル４の先端がロール５の表面に当たらないようにしておく。この状態でコリメータ２から平行光束７を照射し、ギャップ３を通過した光をラインセンサカメラ６で受光し、ギャップ寸法の計測を開始する。図２に示すように、平行光束７は金属リボン製造時に溶湯や形成される金属リボンで遮蔽されない位置で、前述したようにノズル４の先端部とロール５の表面にも当たるように照射する。
【００１１】
母合金１３が全て溶解する頃からロール５を例えば矢印Ａ方向に回転させる。ロールの回転が金属リボンを製造する時の設定回転数に達し、かつ母合金１３が溶湯として耐熱容器１の中に準備された段階で、耐熱容器１をロール表面に近づけるように移動制御する。この間前記で説明したようにギャップ寸法は計測しており、予め決めた設定ギャップ値になった時移動を停止する。
この移動制御に当たり、最初からギャップ目標値と計測値をもとにフィードバック制御を行ってもよいが、ギャップ目標値近傍の予め決めた位置までは定速度で移動し、その後フィードバック制御を行うようにしてもよい。また、ギャップ寸法値をモニタしながら、別途設けた手動操作手段（図示せず）でサーボ駆動手段８を駆動させて行ってもよい。
【００１２】
ところで、耐熱容器１が加熱され内部の溶湯によりノズル４も高温になると、ギャップ３近傍の空気密度が不均一になる。これによっていわゆる空気の揺らぎが発生し、ギャップ３を通り抜ける光の直進が妨げられ、ラインセンサの検出値にバラツキが生じてしまう。しかしロール５を回転させることにより、空気がロール表面に引きずられて流れるためこの揺らぎを抑制することができる。
また、フィルタ処理部１０は、周辺の他装置から発生しラインセンサ出力信号にのったノイズを除去する。例えば、耐熱容器１内に入れた母合金１３を溶解するために用いられる高周波コイル１４用の電源ノイズに対しては、数Mhz程度のローパスフィルタが有効である。さらにデータ処理部１１では、ロール５の偏心による回転ブレや耐熱容器１の微小振動等によるギャップ通過光量の変動を平均化処理して、安定したギャップ計測値として取り出すものである。
これらの手段により、ラインセンサカメラ６からの出力を安定させることができ精度の良い信頼性の高い測定値を得ることが可能である。これにより加熱による耐熱容器１の熱膨張に影響されずに、溶湯注出直前のギャップ３を予め決めた目標寸法に位置決めすることができる。
【００１３】
その後溶湯を回転するロールの外周に注出することにより連続的に金属リボンを製造していく。ロールが矢印Ａ方向に回転しておれば、金属リボンはロール回転方向に従い矢印Ｂ方向に飛び出していく。溶湯が注出するに従い、耐熱容器側は重量が減少していくため耐熱容器を保持している部材の弾性撓みは復帰していく。また熱容量も減少していくため、温度低下により耐熱容器１は収縮し、ギャップ３は広がってゆく。一方、ロール側は内部を冷却しているとはいえ、外周部は高温になって熱膨張し、ギャップ３は狭くなる方向にいく。
これらの変位を、直接的に非常に短いサンプリング間隔でデジタル変換してフィルタ処理をした後平均化処理をし、所定間隔で目標値と比較して例えばＰＩＤ制御することにより、金属リボン製造の全期間にわたりギャップをほぼ目標値に維持することができる。
【００１４】
以上、耐熱容器１は母合金１３を溶解するときから、ロール５に対し実際に金属リボンを製造する時の位置にセットし、ギャップを計測する場合について説明した。しかし、万一ノズル４の開口部から溶湯が漏れると、ロールを損傷させてしまう。このような事態を避けるために、母合金１３の溶解が完了するまでは耐熱容器１はロール５上から退避した位置に置くようにすることもできる。
この場合はコリメータ２とラインセンサカメラ６は耐熱容器１の移動部に設け、耐熱容器１がロール５上で金属リボンを製造する時の位置に位置決めされたとき、コリメータ２、ラインセンサカメラ６、耐熱容器１及びロール５の相互位置関係は前述したと同様になるようにしておく。
耐熱容器１がロール５上から退避した位置にある時は、コリメータ２から照射された平行光束７はノズル４だけに当たり、ラインセンサカメラ６はノズル４のエッジ位置を計測することができる。このエッジ位置計測値をモニタすればノズル４の先端位置変動を知ることができ、耐熱容器１をロール５上に移動するとき、干渉させないようにすることができる。
【００１５】
次に第２の実施の形態として、ロールで圧延して板厚を規制する場合について説明する。
この場合はロールとロールの間のギャップ寸法を制御する必要があり、やはりギャップ寸法を計測する。このときは、前記ロール間ギャップにコリメータ２からの平行光束を照射するようにすれば、ラインセンサカメラ６ではロール間ギャップを計測することができる。即ち、第１の実施の形態においてノズル４が、別のロールに置き換わった形になるだけで、基本的な構成、作用は同様である。
また、数百μｍ以上の比較的厚いものについては、ギャップ寸法の代わりに実際に形成された板厚を測定することもでき、この測定値を用いてギャップ寸法を制御することもできる。この場合は、板厚方向に平行に、板厚より広い範囲で水平光束７を照射するようにコリメータ２とラインセンサカメラ６を配設すればよい。ラインセンサカメラ６に検出される光は、板で遮断されなかった光となるが、これから逆に板厚を計測することができる。この場合のギャップ寸法制御に用いるデータは、計測された板厚と予め設定した目標板厚となるが、基本的な考え方は第１の実施の形態と同様である。
【００１６】
【実施例】
以下、実際に本発明を用いて片ロール法により金属リボンを製造した実施例について説明する。
金属リボンとしてナノ結晶軟磁性材料のファインメット（日立金属登録商標）を製造した。金属リボンは幅５０ｍｍ、厚さ２０μｍの仕様で、厚さはバラツキは２μｍ以内を目標とした。
耐熱容器１は、ロール５外周直上の金属リボン製造のための所定位置において、ギャップ３を約１ｍｍになるようにプリセットし、母合金１３を高周波コイル１４で加熱溶解した。溶解開始時点からコリメータ２及びラインセンサカメラ６を用い、ギャップ寸法の計測をした。
コリメータ２は直径４０ｍｍのエリアを平行光束７で照射するものを用いた。ラインセンサカメラ６は、測定位置にある縦５ｍｍの範囲を特殊望遠レンズにより内部ラインセンサの５０００個のホトダイオードの受光素子アレー上に結像させるような、分解能が約１μｍのものを用いた。なお、５０００個の受光素子の入力は５ｍｓ毎にサンプリングされ、０〜１０Ｖの電圧に変換されてアナログ出力された。
【００１７】
耐熱容器１を加熱するとともに圧力制御を開始し、内部を予め設定した減圧状態とし、溶湯がノズル３の開口部から滴下しないようにした。母合金１３がほぼ溶解された頃に、ロール５の回転をスタートさせた。ロール５は外周周速が３０ｍ／ｓになるように回転数を設定しておき、別途設けた回転数計で所定回転数に達したことを確認するとともに、母合金１３が全て溶解されていることを確認し、ギャップ制御をスタートさせた。
【００１８】
冷間時にギャップ３を約１ｍｍにプリセットしていたが、この間の寸法変化は計測しており、この時には約７００μｍに狭まっていることが確認できた。
ギャップ制御は、予め設定したギャップ目標値と計測値の差分をＰＩ処理して制御出力としサーボモータ８に出力した。ラインセンサカメラ６からのアナログ測定値は５ｍｓ毎にデジタルデータ化され、フィルタ処理部１０に入力された。フィルタ処理部１０ではソフトウエア処理で５Ｍｈｚのローパスフィルタ処理を行った。平均値処理部では、３０個のデータの移動平均処理を行った。ギャップ寸法が目標値になった時点で、耐熱容器１内を加圧状態にし、溶湯をノズルから注出した。
この間のギャップ寸法の計測結果の一例を図３に示すが、バラツキは１０μｍ以内であった。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は以下の効果を有する。
１）遮光性及び発光抑制性を有する材質で形成されたギャップに平行光束を照射し、ギャップを通過した光のみを受光素子で検出するので、ギャップ寸法を直接計測することができる。
２）ギャップ寸法制御は、ロールを回転しギャップ部の空気の揺らぎを抑えた状態のギャップ通過光を検出して行うので、ギャップ周辺が高温状態になっても異常値のない測定値を得ることができる。
３）受光素子の検出出力を、フィールタ処理及び平均化処理をするので、ギャップ寸法のノイズ成分を除去することができ、信頼性の高い測定値を得ることができる。
４）ギャップの寸法を直接検出するので、加熱や溶湯注出による耐熱容器の伸縮、又はロール表面の膨張等、ノズルやロール個々の変位状況にかかわらずギャップ寸法を精度よく計測することができるので、ギャップ寸法を予め決めた目標値になるように制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す概要図
【図２】照射する平行光束とノズル及びロールの関係を示す図
【図３】ギャップ寸法の計測結果の一例を示す図
【符号の説明】
１…耐熱容器
２…コリメータ
３…ギャップ
４…ノズル
５…ロール、
６…ラインセンサカメラ
７…平行光束
８…サーボ駆動手段
９…サーボ制御手段
１０…フィルタ処理部
１１…データ処理部
１２…フィードバック処理部
１３…母合金
Ａ…ロール回転方向
Ｂ…金属リボン飛び出し方向
【図１】
0003638061.tif 000002
【図２】
0003638061.tif 000003
【図３】
0003638061.tif 000004