(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融樹脂からフィルムを成型するダイの全幅に亘って配設されたダイの所定幅毎の厚みを調整する複数の操作端と、フィルム幅方向における少なくとも該操作端の夫々に対応する各測定点でフィルムの厚みを測定する厚み計と、所定の周期で測定された各厚み測定値と予め設定された各目標値とから各操作端を制御する制御手段とを備え、製造されるフィルムの厚みを該目標値に制御するようにしたフィルムの厚み制御装置において、前記制御手段が、数式モデルからなるプロセスモデルに基いて設定した所定の制御動作の制御結果を前記厚み測定値と目標値からシミュレーションする制御シミュレーション手段を備え、この制御シミュレーション手段で得られる制御出力により前記操作端を制御し、フィルムの厚み制御状態を非定常制御状態から定常制御状態へ収束させることを特徴とするフィルムの厚み制御装置。
【請求項２】
制御シミュレーション手段は、演算した制御結果が収束したか否かを判定する収束判定手段を備え、入力された前記厚み測定値及び目標値に基いて求めた第１の制御結果が収束判定手段で収束と判定されない時は、該第１の制御結果を次の厚み測定値として第２の制御結果を求め、収束判定手段で判定する手順をその制御結果が収束判定手段で収束と判定されるまで繰り返し演算し、収束と判定された時の制御出力を前記操作端に出力するようになされている請求項１記載のフィルムの厚み制御装置。
【請求項３】
前記プロセスモデルが静的な一次線形モデルである請求項１又は２記載のフィルムの厚み制御装置。
【請求項４】
前記プロセスモデルが近隣の複数の操作端の相互干渉を干渉率を係数とした一次式で近似した線形干渉モデルである請求項３記載のフィルムの厚み制御装置。
【請求項５】
フィルムが２層以上の複層フィルムであり、前記プロセルモデルが他層の操作端からの当該層への影響をプロセスゲインを係数とした一次式で近似した線形多層モデルである請求項４記載のフィルムの厚み制御装置。
【請求項６】
制御手段が、前記各厚み測定値が定常状態にあるか否か判定する状態判定手段を備え、所定周期で入力される前記各厚み測定値が定常状態にあると判定された時は操作端への制御出力は現状のままとし、定常状態でないと判定された時は、該各厚み測定値から制御シミュレーション手段で得られた制御出力を操作端へ出力するようになされている請求項１〜５記載のいずれかのフィルムの厚み制御装置。
【請求項７】
収束判定手段が、状態判定手段を兼ねている請求項６記載のフィルムの厚み制御装置。
【請求項８】
収束判定手段は、厚み測定値又はシミュレーションの制御結果が設定した閾値内の時収束と判定する請求項７記載のフィルムの厚み制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフィルム（シートとも呼ばれる）の厚み制御装置に関し、さらに詳しくは、溶融樹脂からなるフィルムを成型するダイの厚み調整手段がダイの全幅に亘って配設されたダイの所定幅毎の吐出量を操作して厚みを調整する複数の操作端からなり、少なくとも該操作端に対応する各測定点で検出したフィルムの厚みに基づいて該操作端を操作して厚みを制御する複数の制御ループからなる制御手段によりフィルムの厚みプロフィールを制御するフィルムの厚み制御装置において、厚みプロフィールを効果的に、しかも短時間で安定した定常制御状態に収束できるフィルムの厚み制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シート状物、たとえばプラスチックフィルムの幅方向の厚みを所定のプロフィールたとえば均一に制御するフィルムの厚み制御は、特公平６−７５９０６号公報、特公平６−７５９０７号公報、特公平６−７５９０８号公報等の記載のとおり、これを形成する押し出し成形装置、流延成形装置の広幅のダイの全幅に亘って配置された所定幅の吐出量が制御して厚みを調整する複数の操作端、具体的にはヒーター、ギャップ調整具等の操作端ユニットからなる厚み調整手段のそれぞれをこれに対応する下流の各測定点で測定したフィルムの厚みに基づいて制御する多数の制御ループからなる多点の制御手段によるのが一般である。
【０００３】
そして、その多点制御手段としては、各制御ループは独立で、検出した厚みと目標値との偏差に周知の制御動作のP,PIあるいはPIDの演算を施して得られる制御出力を操作量として厚み調整手段に出力するPID制御が、構成の簡単な割には安定した効果が得られる点、チューニングが容易である点等の理由により広く利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の多点制御手段による制御方法は、通常の単層の場合は定常運転状態では実用上ほぼ問題のないプロフィール制御を与える。しかし、立ち上げ時、大きな条件変更時等には目的とする品質となる厚み斑に収束させるには無駄時間が多く、膨大な時間がかかっている問題があった。
【０００５】
また多層フィルムの各層のプロフィールを調整する場合、各層間で干渉を起こし収束するのに単層の場合に比べて非常に時間のかかる問題があった。
【０００６】
本発明はかかる問題を解消するもので、厚みプロフィールを効果的に、しかも短時間で安定した定常制御状態に収束できるフィルムの厚み制御装置を目的としたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる目的を達成するために鋭意研究した結果、実験等で求めた数式モデルからなるプロセスモデルに、測定した厚み測定値を入力し、制御シミュレーションを行い、目標の厚みプロファイルを収束させたときのシミュレーション結果の制御出力を実プロセスの操作端に操作量として出力する事で、短時間で厚みプロフィールを調整できる事を見出し、なされたものである。
【０００８】
すなわち、本発明は、溶融樹脂からフィルムを成型するダイの全幅に亘って配設されたダイの所定幅毎の厚みを調整する複数の操作端と、フィルム幅方向における少なくとも該操作端の夫々に対応する各測定点でフィルムの厚みを測定する厚み計と、所定の周期で測定された各厚み測定値と予め設定された各目標値とから各操作端を制御する制御手段とを備え、製造されるフィルムの厚みを該目標値に制御するようにしたフィルムの厚み制御装置において、前記制御手段が、数式モデルからなるプロセスモデルに基いて設定した所定の制御動作の制御結果を前記厚み測定値と目標値からシミュレーションする制御シミュレーション手段を備え、この制御シミュレーション手段で得られる制御出力により前記操作端を制御し、フィルムの厚み制御状態を非定常制御状態から定常制御状態へ収束させることを特徴とするフィルムの厚み制御装置である。
【０００９】
上記本発明において、制御シミュレーション手段は、演算した制御結果が収束したか否かを判定する収束判定手段を備え、入力された前記厚み測定値及び目標値に基いて求めた第１の制御結果が収束判定手段で収束と判定されない時は、該第１の制御結果を次の厚み測定値として第２の制御結果を求め、収束判定手段で判定する手順をその制御結果が収束判定手段で収束と判定されまで繰り返し演算し、収束と判定された時の制御出力を前記操作端に出力する構成がデータ処理、特にオンライン処理の面から好ましい。
【００１０】
このオンライン処理の面から、前記プロセスモデルは静的な一次線形モデルであることが、中でも近隣の複数の操作端の相互干渉を干渉率を係数とした一次式で近似した線形干渉モデルが、高速処理ができ、かつ制御結果も良好である点で好ましい。
【００１１】
なお、フィルムが２層以上の複層フィルムの場合は、前記プロセルモデルを拡張した、他層の操作端からの当該層への影響をプロセスゲインを係数とした一次式で近似した線形多層モデルが同様の理由から好ましい。
以下、本発明の詳細を説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に図を引用しながら本発明を３層構成の多層フィルムのダイを用いた製造プロセスに適用した実施例に基いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施例の基本構成の概略説明図である。図１に於いて、ダイ１は、特開平8-52782号公報、実開平7-15321号公報等で公知の、溶融樹脂を層状にする複数の流路を備え、これを合流して複数層のフィルム状にして連続的に押出す複層押出ダイ、各層に厚み調整手段２，３を設けた第１の表層／隣接層／第２の表層の３層の複層フィルムを製膜するようになっており、各層の原料樹脂は図示省略された表層樹脂用押し出し機と隣接層樹脂用押し出し機より溶融押し出され、ダイ１の各層のマニホールド（図示省略）に供給される。なお、各層の厚み調整手段２，３は公知の後述の構成で、所定幅を調整する調整ユニットをフィルム全幅に亙って並べて設けた構成となっている。
【００１４】
フィルムの層構成としては、本例では３層構成となっているが、単層であっても、２層以上からなる多層フィルムであってもよい。フィルム５の構成が２層であれば、各層の樹脂はダイに供給される上流で合流されダイスリットより押し出されても良いし、ダイ内で合流されても良い。３層以上であれば、各層の厚みを制御するためにダイ１内で合流させる方が、制御性がよい。
【００１５】
多層フィルムの層構成が３層以上であれば、本例のように表層用樹脂はダイ内で隣接層を挟み込むようにしてダイ１のスリットから押し出される。押し出された多層フィルム５は冷却ドラム４によって冷却固化され、延伸装置６によって延伸され、巻き取り装置９によって巻き取られる。
【００１６】
延伸されたフィルムの総厚は、放射線の透過を利用して厚さを測定する放射線透過型厚み計７によってフィルムの幅方向に走査しながら測定することによってフィルムの幅方向に測定することができる。延伸されたフィルムの表層厚みは、表層のみの厚みを測定する表層厚み計８によって放射線透過型厚み計７同様フィルムの幅方向に走査しながら測定されることによって測定される。このとき、放射線透過型厚み計７と表層厚み計８の位置は同期して走査することが隣接層の厚みを求める上で好ましい。
【００１７】
測定された各層の厚みデータはフィルムの幅方向の測定位置データと共にコンピュータからなるコントローラ１０に入力され、フィードバックされる。コントローラ１０は、複層フィルム５の表層と全層の厚み測定値とその測定位置データが入力される入力装置と、各層毎に各操作端に対応する各測定位置での厚み測定値と予め設定された各目標厚みと比較してその差がゼロになるように各制御出力を演算する演算装置と、処理手順、演算結果等の必要データを記憶するメモリと、演算装置からの各制御出力に従って厚みを調整する各操作端からなる厚み調整手段２，３と、モニタ、キーボード、マウスなどの入出力装置から構成される。
【００１８】
なお、隣接層の厚み測定値は、コントローラ１０で各測定位置での全層の厚み測定値から表層の厚み測定値を減ずることによって求めるようになっている。
【００１９】
また、厚み調整手段２，３の操作端は、ダイ幅方向に沿って所定幅の各層の厚みを制御可能なものならばいかような構成でも良く、従来技術で述べた各種の公知の方式が適用できる。。しかし、表層の厚み調整手段２は、操作性、保全性、ダイの構造の簡易化等の面から、ヒーターを用いてダイリップ温度を変化させることによって樹脂流量を変化させる温度調整方式が好ましい。一方、隣接層の厚み調整手段３は、操作性、保全性、ダイの構造の簡易化の面から、ヒートボルトを用いてダイ内流路の開度を変化させることによって樹脂流量を変化させるヒートボルト方式が好ましい。
【００２０】
ところで、複層フィルムが表層と隣接層とで屈折率が異なるものでは、両層の界面において反射があるため、その表層の厚みは、この界面の反射光と表層の表面での反射光の光干渉を用いて層厚みを測定する光干渉型膜厚計によって薄い場合にも安定して測定することができ、本例の表層厚み計にはこの膜厚計を適用した。
【００２１】
本発明の適用できる複層フィルムの表層の材は、光線を透過し、ダイで押出成型可能な全ての樹脂を包含する。またその隣接層の材は、ダイで押出成型可能な全ての樹脂を包含するが、表層と独立に制御する場合は表層膜厚の測定の面から表層と屈折率が異なるものが好ましい。これらの樹脂の代表的な例としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル、ポリエチレンなどが挙げられる。また、これらの共重合体、混合体であっても、さらに他の添加剤などが含有されたものであってもよい。
【００２２】
ところで、本例の演算装置は、以下の制御手段で構成されている。図２は厚み制御の基本構成のブロック図で、図３は図２の基本構成のコントローラ部を構成する制御手段の構成のフローチャート図である。
【００２３】
図３に示すように、制御手段は、各層の各操作端について厚み偏差が予め設定された製品品質目標である厚み斑などの管理値からそれぞれの層について定めた閾値内か否かで厚み制御が目標厚みに収束したかを判定する収束判定手段を備え、一定の周期で先ず厚み測定値と目標厚みとの厚み偏差入力を求め、これの収束判定を行うようになっている。そして、厚み偏差が閾値以内と収束していれば、現在の制御出力のままとし、同じ操作量を操作端に継続出力する。
【００２４】
厚み偏差が閾値を越えて収束していないと収束判定手段が判定すると、以下の制御シミュレーション手段により制御を行う。すなわち、図示のように、制御シミュレーション手段は、先ず、前記の厚み偏差入力に基いて各層厚み制御演算部で予め設定された制御動作の制御アルゴリズム（本例では周知のPID制御を用いた）により制御演算をして、各層の各操作端に対する第１回目の制御出力を得る。そしてこの第１回目の制御出力から実験或いは理論又はこの両者を併用して求めた図２のフィルムの厚み制御の実際のプロセスを数式モデルで近似表現したプロセスモデルに基いて制御結果を演算してシミュレーションによる第１回目の制御結果すなわち第１回目の制御出力で生ずる第１回目の各層厚みプロファイルのシミュレーションによる結果を得る。次いで、この制御シミュレーション手段の結果を収束判定手段で判定し、収束していないと判定された場合は、第１回目の制御結果を第２回目の厚み測定として第１回目と同じ演算をして第２回目の制御結果を求め、この第２回目目の制御結果を収束判定手段で判断する。そして、収束していないと判定されるとこの第２回目の制御結果を第３回目の厚み測定として、この手順をシミュレーションの制御結果が収束するまで繰り返す。そして、該制御結果が収束判定手段により収束と判定された際のシミュレーション手段の制御出力を各操作端に操作量として出力するようになっている。
【００２５】
このようにプロセスモデルを用いて制御シミュレーション手段により制御出力を求めることによって、厚みが収束するであろう制御出力を出力できることから、従来のPID制御に比べて、非常に短時間で厚みプロフィールを調整できる。なお、本例では制御動作にＰＩＤ制御を用いたものを示したが、その他Ｐ，ＰＩ制御、最短時間制御等種々の制御動作が適用できる。また、実プロセスの厚み制御の制御結果と制御シミュレーション手段での制御結果の判定を同一の収束判定手段で判定するものを例示したが、実プロセスの制御結果は変動幅が一定範囲内の定常状態を判定する状態判定手段として、両者に個別の判定手段を用いるようにしてもよい。この方式では、より広範なプロセスに対応できる利点がある。
【００２６】
上述の制御シミュレーション手段に用いるプロセスモデルは、本例では図４にフローチャートで示したものを用いた。このプロセスモデルは多層フィルムの製膜工程を簡単な数式モデルで近似表現したもので、以下の構成となっている。
【００２７】
まず、前述の制御動作の制御演算で得られた各層の各操作端に対する制御出力が入力されると、その変化分を求めて変化分に対し、プロセスゲインを乗ずることによって制御出力の変化分を厚み変化分に換算する。この換算において、各操作端ｎに対応する第１、第２の表層の厚み変化△Ｈ1(n)，△Ｈ2(n)および隣接層の厚み変化△Ｒ(n)はその層間干渉をプロセスゲインＡijで評価し、次の一次式の線形多層モデルで求めた。ここで、△OH1(n)、△OH2(n)、 △OR(n)は各層の各操作端ｎの制御出力の変化分である。
【００２８】
【数１】
△Ｈ1(n)＝Ａ11・△OH1(n)＋Ａ1r・△OR(n)＋Ａ12・△OH2(n)
△Ｒ(n)＝Ａr1・△OH1(n)＋Ａrr・△OR(n)＋Ａr2・△OH2(n)
△Ｈ2(n)＝Ａ21・△OH1(n)＋Ａ2r・△OR(n)＋Ａ22・△OH2(n)
【００２９】
そして、各層のフィルムに対する各操作端ｎに対応する厚み測定値としての厚み変化Ｈ1(n)、Ｈ2(n)、Ｒ(n)は、各層におけるフィルムの幅方向の操作端の間の干渉、および延伸倍率を考慮し、干渉率Ｂk,nを係数とした次式の一次式による線形干渉モデルで求めた。
【００３０】
【数２】
0003874943.tif 000002
【００３１】
なお、上式では、当該操作端ｎに対して左右の各側で近接する２個の操作端ｎ−２、ｎ−１及びｎ＋１、ｎ＋２まで干渉ありとし、それより遠い操作端の影響はないとした。なお、この個数はプロセスに応じて実験等により求めることが好ましい。
【００３２】
なお、実プロセスでは、通常操作端に出力を出してからその変化を測定するまで時定数と無駄時間を伴うので、プロセスモデルとしてはこの動的プロセスも近似した図４の〔〕内の時定数計算、無駄時間計算を含めた数式モデルが正確であるが、厚みプロファイルを求めるのが目的であるので、この動的プロセスを無視した静的モデルを用いた。これにより演算処理が大幅に簡略化し、オンライン処理に適したモデルが得られた。
【００３３】
制御シミュレーション手段は、以上のプロセスモデルで得られた厚み変化量を、実プロセスではダイより押し出される樹脂の量が時間当たりほぼ一定となるので、これを考慮してフィルムの幅方向の厚み変化量の総和が一定になるように均一化の補正をする。そして、この補正後の厚み変化分を前回の制御結果に加算することによって、新しいシミュレーション結果すなわち各層の厚み出力を得るようになっている。
以下、上述の実施例による製膜例を説明する。
【００３４】
【製膜例】
第１の表層／隣接層(芯層）／第２の表層の３層構成の複層フィルムを製膜した。両表層はそれぞれ同じ樹脂を用いた。表層用のポリエステル原料として、酢酸カリウムをジカルボン酸成分に対し１２ｍｍｏｌ％、平均粒子径０．９μｍのカオリンを０．３ｗｔ％添加した固有粘度が０．６０のポリエチレンテレフタレートのペレットを用い、これを１７０℃で３時間乾燥した後、押出機に供給し、２８０℃で溶融押出した。
【００３５】
一方、芯層用のポリオレフィン原料としてアナターゼ型チタンを１．０ｗｔ％と３，５−ジカルボキシベンゼンスルホン酸テトラ−ｎ−ブチルホスホニウムを０．０５ｗｔ％含有させたポリプロピレン（溶融温度Ｔｍ：１５２℃、メルトフローレイト：５ｇ／１０分、エチレン共重合ポリプロピレンであり、エチレン共重合量３mol％）のペレットを用い、１００℃で１時間乾燥した後、別の押出機に供給し、ポリエチレンテレフタレートと同様の温度２８０℃で溶融押出した。
【００３６】
各々の溶融ポリマーをダイ内部で合流させ、ポリエチレンテレフタレート／ポリプロピレン／ポリエチレンテレフタレートの３層多層構造とした後、口金から吐出させ、次いで２０℃に保たれた冷却ドラムに静電荷を印加しながら巻き付けることにより冷却固化させて３層の未延伸多層フィルムとした。この未延伸多層フィルムを加熱ロールに接触させて８０℃に加熱した後、長手方向に３．６倍延伸し、直ちに２０℃まで冷却した。続いて横方向にテンター式横延伸装置を用いて９０℃で３．９倍延伸した後、１２０℃で熱処理を施し、室温まで冷却した後巻き取った。
【００３７】
かくして得られた二軸延伸多層フィルムは、表層のポリエチレンテレフタレート層の平均厚みが１．５μｍ、芯層のポリプロピレン層の平均厚みが５μｍであった。
【００３８】
該フィルムを製造する際、全層を測定するための放射線透過型厚み計として、β線厚み計で全層の厚みを測定した。また、表層の厚みを測定するための光干渉型膜厚計として、ハロゲンランプの光を光ファイバーを通してフィルムに照射し、反射した光を同軸の光ファイバーで分光光度計（具体的には、大塚電子（株）製分光光度計ＭＣＰＤ−２０００）に導きそのときに発生する光干渉波形をフーリエ変換し厚みの成分に分解し、最大のピークをとる厚みをフィルム表面の厚みとする構成を用い、これを図示のようにフィルム５の両側に設け、両面の表層を夫々測定した。また、本測定はオンラインで行い、これらのデーターをもとに各層の厚みを調整した。また、β線のヘッドのフィルムの幅方向位置と光ファイバーのフィルムの幅方向位置は同期しており、幅方向に置いては同じ時刻に同じ場所で測定できるようにした。
【００３９】
各厚み計で測定されたフィルムの幅方向の厚みデータはコンピュータからなるコントローラに入力し、下式によって各測定位置での芯層厚みを計算した。
芯層厚み測定値＝全層厚み測定値−表層厚み測定値
以上の各層の厚み測定値をコントローラに入力することによって表層においてはヒーターからなる操作端に対して、また芯層においてはヒートボルトからなる操作端に対する出力が演算され、各操作量を操作端に出力することによって幅方向に各層の厚み斑が良好なフィルムを得ることができた。
【００４０】
この時コントローラ内の制御手段の制御シミュレーション手段に用いたプロセスモデルのプロセスゲインＡijの値を表１に示す。表で自層が制御対象の当該層である。
【００４１】
【表１】
0003874943.tif 000003
【００４２】
表１より、本例での前述の線形多層モデルは次式となる。
【００４３】
【数３】
△Ｈ1(n)＝０．５ △OH1(n)＋０．３△OR(n)＋０．１△OH2(n)
△Ｒ(n)＝０．２△OH1(n)＋０．４△OR(n)＋０．２△OH2(n)
△Ｈ2(n)＝０．１△OH1(n)＋０．３△OR(n)＋０．５△OH2(n)
また、干渉率Ｂk,nの値を表２に示す。
【００４４】
【表２】
0003874943.tif 000004
【００４５】
表２より、本例での線形干渉モデルは次式となる。
【００４６】
【数４】
0003874943.tif 000005
【００４７】
この時各層各操作端毎のプロセスゲイン、干渉率を入力すべきであるが、測定、入力が煩雑であること、同じ層であれば、ばらつきを無視しても制御性に大きな影響がなかったことから同層の各操作端で同一とした。
【００４８】
各層厚みプロファイルにおける厚み斑のばらつきが調整前に２０％であり、調整後５％以内に入るまでの時間が従来の方法では８時間費やした。これに対し本調整方法で製膜した結果、１時間で厚み斑のばらつきを５％以内に収束させることができた。
【００４９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明では従来の多点制御手段で多層フィルム各層の厚みプロファイルを調整するのに非常に多くの時間を費やしていたのに対し、短時間で目標品質である厚みに制御でき、歩留まりを飛躍的に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例の基本構成の説明図である。
【図２】図２は、厚み制御の基本構成のブロック図である。
【図３】図３は、実施例の制御手段のフローチャート図である。
【図４】図４は、実施例のプロセスモデルのフローチャート図である。
【符号の説明】
１  ダイ
２  表層厚みアクチュエータ
３  芯層厚みアクチュエータ
４  冷却ドラム
５  フィルム
６  延伸装置
７  全層厚み計
８  表層厚み計
９  巻き取り装置
１０  コントローラ
【図１】
0003874943.tif 000006
【図２】
0003874943.tif 000007
【図３】
0003874943.tif 000008
【図４】
0003874943.tif 000009