JP2002530664A - シリコン被覆厚さ測定および制御装置 - Google Patents

シリコン被覆厚さ測定および制御装置

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Abstract

(57)【要約】 基体上のシリコンを含有するコーティング材料のコーティング重量を求めるためのセンサおよび方法を記述する。求められるコーティング重量は、コーティングの下にある基体材料の量の変化の影響を受けない。センサからの信号をコーティング機構の制御において使用して、均一な重量を有するコーティングを提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の分野) 本発明は、ペーパー・シートまたは他の物体に塗布されたコーティングの量を
測定し制御するための装置および方法に関し、詳細には、移動ペーパー・シート
上のシリコン・コーティングの被覆重量を、シートに塗布しながら監視して調整
する装置および方法に関する。
【0002】 (発明の背景) 製紙のプロセスでは、耐熱性、非粘着性、疎水性、または低摩擦性など特別な
特性を紙に与えることができる材料でペーパー・シート(「ベース・シート」と
呼ぶ)を被覆することがしばしば望ましい。かねてから、これらのタイプのペー
パー特性を与えるためにシリコンが選択材料になっている。例えば、シリコン・
コーティングは、両面テープ、自己接着スタンプ、接着バック・ゴム・ガスケッ
ト、耐水紙などの材料として一般的に使用される。
【0003】 10種類程の異なる材料からなる場合がある多くの他のコーティングとは異な
り、シリコンは通常、事前塗布されたバリア/結合層に単独で塗布される。バリ
ア/結合層は、シリコンが、下にあるペーパーに吸収されるのを防止し、通常ペ
ーパーの表面にあるシリコン分子用の結合面となる。
【0004】 しかし、シリコン材料は、ペーパーに塗布されるたった1つの層ではない場合
がある。いくつかの事前コーティング材料が、シリコンを塗布する前にペーパー
にすでに塗布されている場合がある。これらの非シリコン・コーティング材料は
、広範には顔料、結合剤、添加剤として、ほとんど常に水成拡散成分として分類
することができるいくつかのコーティング成分からなる。いくつかの一般的な顔
料としては、粘土、炭酸カルシウム(CaCO3 )、硫酸バリウム、二酸化チタ
ン(TiO2 )が挙げられる。一般的に言うと、粘土が最も一般的な顔料であり
、しかしCaCO3 およびPCC(沈殿炭酸カルシウム)もより一般的になって
きている。顔料または添加剤粒子を一体に保持してそれらをペーパーに結合する
ために、結合剤として一般にラテックスの様々な配合物が使用される。典型的な
非シリコン・コーティング配合物は、80%〜90%顔料、3%〜10%ラテッ
クスを含み、残りは添加物または他の成分からなる。
【0005】 コーティング材料は、シリコン・ベースのものであれ、非シリコン・ベースの
ものであれ、製紙工場自体において塗布することができる。シリコンおよび他の
材料に関する製紙およびコーティング技法は当技術分野で周知であり、例えば、
R.MacDonald編「Pulp and Paper Manufact
ure,Vol.III(Papermaking & Paperboard
Making)」,1970,McGraw Hillや、G.A.Smoo
k著「Handbook for Pulp & Paper Technol
ogists」,2ndEd.,1992,Angus Wilde Publ
icationsに記述されている。あるいは、事前に製造されたペーパーを、
ペーパー・シートの大きなロールから「コータ」と呼ばれるコーティング機に供
給することができる。いずれの場合でも、ペーパーは通常、「横方向」(すなわ
ち、製紙および/またはコーティング機に沿った紙の移動方向を横切る方向)に
沿って幅が10フィート(約3メートル)またはそれより大きい程度のシートの
形でコータに供給される。
【0006】 様々な理由から、コーティング「坪量」または被覆重量(すなわち、シートの
単位表面積上でのコーティング材料の質量)の均一性が必要である、または望ま
れる。特にシリコン・コーティングでは、この材料の費用が、効率的かつ浪費の
ないコーティングの使用を非常に重要なものにする。したがって、製造業者は、
コーティングを正確に監視し、コーティングの塗布を制御して、できるだけ均一
にコーティングを塗布することを望む。ある場合には、コーティングの均等性を
、gram/m2 の数分の1の範囲内で制御しなければならない。しかし、横方
向でのシートの横方向の広がり(10フィート以上)、およびそのようなシート
にコーティングを正確かつ均等に塗布する必要性のため、比較的複雑なコータが
設計され、製造されてきた。
【0007】 ブレード圧力およびペーパー厚さの局所ばらつき、および場合によっては他の
要因が、補償されない場合に不均等なコーティングを生成する傾向がある。した
がって、前述のことから、被覆シート上のコーティング材料の量を測定し、その
ような測定に基づくコーティング処理中に、複数の横方向スライス位置でシート
に対するブレードの圧力を制御できることが製紙業者には重要であることも理解
されたい。
【0008】 シートに塗布されるコーティングの量を測定し制御するためにいくつかのスキ
ームが企図されてきた。コーティング制御プロセスの最も困難な面の1つは、特
にコーティング量をgram/m2 の数分の1の精度で測定しなければならない
ときに、シートに塗布されるコーティングの量の正確な測定値を得ることである
【0009】 1つのそのようなスキームでは、シート坪量センサおよびシート水分センサが
、製紙プロセスにおいてコータの前の上流に配設される。坪量センサは、単位表
面積当たりの質量によって、シート中の材料の総量を測定する。したがって、測
定される坪量は、ペーパー繊維と、繊維によって吸収された水分との両方を含む
。知られている坪量センサは、シートを介するベータ線の透過を利用してそのよ
うなシートの坪量を求める。シートの水分含有量は、例えば、知られている赤外
水分センサによって求めることができ、このセンサは、同様にシートの単位表面
積当たりでのシート中の水の質量によってシートの水分含有量を求める。次いで
、コーティング・プロセス後に、追加の坪量および水分センサがコータの下流の
点に位置決めされる。
【0010】 非被覆シートの坪量から水分の量を引くことによって、シートを形成する繊維
の量を求めることができる。同様に、被覆シートの坪量から被覆シートの水分含
有量を引くことによって、コーティング材料とペーパー繊維との合計量を求める
ことができる。最後に、被覆シート中のコーティングと繊維との合計坪量の測定
値から非被覆シート中の繊維の量を引くことによって、シートに塗布されたコー
ティングの坪量が求められる。次いで、システム・プロセス制御コンピュータが
、シートの幅にわたる各スライスでの被覆重量のこれらの測定値に基づいて、そ
のような測定値を所定の所望の被覆重量値と比較し、コーティング機を制御する
ための信号を発生して、シートの幅全体にわたって所望の被覆重量を達成するこ
とができる。
【0011】 残念ながら、上述の方法は、コーティング材料の坪量を求めるために4つの比
較的高価なセンサ(すなわち、非被覆シートに隣接して配設される水分および坪
量センサ、ならびにシートの被覆部分に隣接して配設される追加の水分および坪
量センサ)を必要とするため、完全に満足の行くものではない。さらに、これら
4つのセンサそれぞれの測定に備わる誤差が、被覆重量を求めるのに必要な数学
的計算を通じて付加的に増大する場合があり、その結果、被覆重量の測定値が理
想的とは言えなくなる。
【0012】 シートに塗布されたコーティング材料の量を測定するための別のスキームは、
非常に高いエネルギーのX線を用いた被覆シートの照射を必要とする。そのよう
な高エネルギーX線は、被覆シート材料中の原子を励起し、それによりそのよう
な原子が蛍光発光する。蛍光原子は、コーティング中の要素に特有の波長を有す
るX線を発する。したがって、コーティング材料中の要素に固有の特徴を有する
1つまたは複数の波長にX線センサを同調することによって、製紙業者は、特徴
的な波長での蛍光発光強度によってコーティング材料の量を導出することができ
る。
【0013】 残念ながら、蛍光技法も多くの場合に完全に満足の行くものではない。例えば
、蛍光原子は低強度X線しか発せず、したがってこの技法は、比較的低い信号対
雑音比を生成する。したがって、統計的に重要な信号をX線検出器によって累積
することができるようになるまでには比較的長時間を経なければならない。さら
に、高エネルギー励起X線、および被覆シートの蛍光発光から生ずるX線は、製
紙工場の人員に危険である。上述したように、
【0014】 別の技法では、シートの一部分がX線で照射され、シートを透過するX線の強
度が検出される。しかし、X線は、ペーパー・シートで頻繁に使用される鉱物フ
ィラー材料、木材パルプ繊維、およびシート中の水分によって吸収される。した
がって、シートを介するX線の透過が単にコーティング材料だけに応答するので
はないので、センサをコータの前後に位置決めしなければならず、シートの被覆
部分と非被覆部分を介するX線の透過の差が求められ、シートに塗布されるコー
ティング材料の量に関係する。しかしここでも、この技法は、比較的高価なX線
源およびセンサが複数必要であるという欠点を有し、各センサによって行われる
測定に備わる誤差が、求められたコーティング量の誤差の付加的な原因になる場
合があり、かつX線の使用は当然、製紙工場人員に危険である。
【0015】 これらのシステム全てに関わる他のさらなる問題は、シリコン・コーティング
を測定するために使用する場合に、シリコン・コーティングが坪量よりも通常数
百倍小さい(CW単位である)ことである。そのため、坪量の最も小さな誤差で
さえ、大きさの点でシリコン被覆重量と同様になる場合があり、シリコン重量を
坪量信号のノイズから分離するのが難しくなる。
【0016】 いずれにせよ、コーティング特性を測定するための事前システムがいくつか開
発されている。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第5795394号は、電
磁スペクトルの少なくとも2つの個別波長領域で、基体から反射される放射線、
または基体を介する放射線の透過の測定を使用して、基体上のコーティング材料
の量を求めることができる装置および方法を記述する。この特許に記述されてい
るシステムは、CaCO3 測定に関して最適にされ、選択された波長領域はシリ
コン測定には最適でない。
【0017】 本発明の譲受人に譲渡された米国特許第4957770号は、上述した米国特
許第5795394号と同様の様式で、コーティング材料からの放射線を測定す
ることによってコーティング材料の坪量を求めるためのセンサおよび方法を開示
する。米国特許第5795394号に記述されたセンサは、コーティング材料中
のラテックス濃度を測定し、選択された波長領域はシリコンに適していない。
【0018】 実際、この出願人は、IR放射線を使用して任意の周波数領域でシリコン・コ
ーティング材料を測定する別のシステムを承知していない。
【0019】 (発明の概要) 本発明は、シリコンを含むコーティングのためのオンライン非接触ペーパー被
覆重量測定を対象とする。本発明は、約3.36〜3.38の赤外領域が、水、
CaCO3 、セルロース、粘土および他のコーティング顔料、ならびにペーパー
・フィラーからの干渉を実質的に受けず、ペーパー被覆重量測定の精度および信
頼性を高めるということの発見に一部基づいている。選択された測定波長でのラ
テックスからの干渉は、事後シリコン・コーティング測定を事前シリコン・コー
ティング測定と比べることによってなくすることができる。
【0020】 本発明は、電磁スペクトルの少なくとも2つの個別波長領域で、基体から反射
された放射線、または基体を介する放射線の透過の測定を使用して基体上のコー
ティング材料の量を求めることができる装置および方法を含む。装置および方法
は主に、赤外放射線を使用した移動ペーパー・シートのオンライン・コーティン
グ測定を意図し、しかしそれに限定されない。したがって、説明を簡単にするた
め、本発明を製紙の文脈で記述する。しかし、基体はプラスチックなどペーパー
以外のシート材料であってよく、さらにはシートの形でなくてもよいことを理解
されたい。
【0021】 製紙では、本発明の赤外線コーティング・センサを、移動被覆シートの横方向
で前後にスキャンさせることができ、それによりシートの長さおよび幅に沿って
様々な位置でべース・シート上のコーティングの坪量の測定値を実施する。セン
サは、シートを介する赤外透過またはシートからの反射に対するベース・シート
の坪量および水分含有量の変化の効果に関するコーティング測定を自動的に補償
するように設計されている。したがって、被覆重量測定値は、ベース・シートの
坪量またはその水分含有量がシートの幅および長さにわたって均一でない場合で
さえ、センサが移動シートにわたってスキャンされるときに高い精度を保つ。
【0022】 本発明の赤外線コーティング・センサは赤外放射線源を含む。赤外放射線ビー
ムは、この赤外線源から移動シートに向かって伝送される。ビームは、シートに
到達すると、まずコーティング材料を通過し、次いでベース・ペーパー・シート
に入る。この赤外線エネルギーの一部は、シートを介して透過される、またはシ
ートによって吸収される。また、ベース・シートに進入した後、赤外線エネルギ
ーのいくらかは、概して赤外線源の方向に反射し返される。赤外ビームは広範囲
の波長を含む。しかし、特定の波長での赤外放射線が、コーティングおよび/ま
たはベース・シート自体によって優先的に吸収される。
【0023】 コーティング・センサはまた、赤外受信機構セクションを含む。この受信機構
セクションは、シートの赤外線源とは反対側に位置決めされ、それにより透過さ
れた赤外ビームの強度を測定することができる。あるいは、センサの赤外受信機
構セクションをシートの赤外線源と同じ側に位置決めし、それによりビームの反
射部分の強度を測定することができる。どちらの場合にも、受信機構セクション
は、ビーム・スプリッタと、少なくとも2つの赤外検出器と、各検出器に関連す
る赤外帯域フィルタとを備える。ビーム・スプリッタは、赤外ビームの一部を2
つ以上の各検出器に向ける。個別赤外帯域フィルタは各検出器の前に位置決めさ
れる。このようにすると、赤外検出器がそれぞれ、関連フィルタの通過帯域内に
ある赤外ビーム・スペクトルの一部のみの強度を測定する。
【0024】 2つの赤外帯域フィルタの1つのみが、赤外スペクトルの選択領域内にある波
長を有する赤外放射線を通し、赤外ビームは、下にあるペーパーのベース・シー
トによって吸収され、散乱され、コーティング材料によってはごく弱くしか吸収
されない。スペクトルのこの第1の領域を「基準」領域と呼び、関連する検出器
を「基準」検出器と呼ぶ。したがって、基準検出器からの出力信号は主に、ベー
ス・シートによる吸収または散乱に基づいている。例えば、検出される赤外線エ
ネルギーが、シートの片側からもう一方の側へシートを透過されるとき、吸収の
量はベース・ペーパー・シートの坪量に依存する。さらに、受信機構セクション
および赤外線源がシートの同じ側に位置決めされ、それにより受信機構セクショ
ンが反射された赤外放射線しか検出しない場合でさえ、基準検出器の出力は依然
として、シートの坪量の変化に感受性がある。これは、赤外放射線がベース・シ
ートの表面で部分的にしか反射されないためである。赤外放射線の多くがシート
に浸透し、シートにより深く浸透する、かつ/またはより多くのシート材料に当
たるにつれて、総ビームの高い比率が反射される。したがって、全ての他の条件
を一定に保った状態で、より高い坪量のシートが、より低い坪量のシートよりも
多くの赤外線エネルギーを反射する。より低い坪量のシートでは、より多くの赤
外線エネルギーがシートを透過される。
【0025】 第2の帯域フィルタは、第2の赤外検出器に関連し、シリコンによって強く吸
収される赤外スペクトルの領域内にある波長のみを通す。「測定」範囲と呼ばれ
るスペクトルのこの第2の範囲はまた、ベース・シートによるこの領域での赤外
放射線の平均吸収が、基準領域での赤外放射線のベース・シートによる平均吸収
に等しくなるように選択される。したがって、測定および基準帯域フィルタは、
それらの通過帯域が、下にあるベース・ペーパー・シートによって同じ程度に吸
収される赤外スペクトルの領域に対応するように選択される。スペクトルの「測
定」領域に関連する検出器は「測定」検出器と呼ばれる。
【0026】 本発明によれば、基準検出器と測定検出器からの出力信号の比(または差)が
求められる。前述したように、測定帯域フィルタと基準帯域フィルタの両方の通
過帯域内の波長を有する放射線がベース・ペーパー・シートによって同様に吸収
されるので、測定検出器と基準検出器からの信号の比(または差)が、コーティ
ング中の選択された成分の量を示す。通常、選択された成分は、知られている固
定比率でコーティング配合物中に混合されているので、求められる選択成分量は
、それに対応するコーティング材料の量に相関する場合がある。さらに、シート
による測定波長と基準波長の吸収が等しい、または「バランスが取れている」の
で、測定検出器と基準検出器からの信号の比(またはそれらの間の差)は、ベー
ス・シートの坪量とは無関係である。
【0027】 コーティング・センサからの信号は、プロセス制御コンピュータに伝送するこ
とができ、コンピュータは、上述の数学的計算を行って、シート上のコーティン
グの量の測定値を提供する。コンピュータは、この測定値を、事前に入力されて
いる所望のコーティング量と比較する。次いで、コンピュータが制御信号を発生
し、その信号を使用してコーティング・ブレード制御アクチュエータ、および各
横方向位置でベース・シートに塗布されるコーティングの量を調整することがで
きる。塗布されるコーティングを予め選択された量で維持するために任意の横方
向位置でコータ・ブレードを調節することを必要とする条件がコーティング処理
中に生じた場合、そのような調節は、プロセス制御コンピュータから1つまたは
複数のブレード・アクチュエータに適当な信号を伝送することによって自動的に
行うことができる。
【0028】 本発明では、ペーパー・シートに塗布されるコーティングの厚さおよび/また
は坪量の高均一性を、単一の安全な高精度のコーティング・センサを用いて達成
することができる。
【0029】 (好ましい実施形態の詳細な説明) 図1aに、紙シート・コーティング・システム10を示す。図に示すように、
コートされていない紙12が、裏当てロール16とブレード18の間に備えられ
たコーティング材料14の供給部を通って引き出される。シート12用の出口ス
ロット20は、ロール16と、ブレードの隣接したエッジ22の間に形成されて
おり、したがって、スロット20を出た直後の紙12の上のコーティングの厚さ
が、ブレード・エッジ22とロール16との間の距離と圧力によって判定される
【0030】 アクチュエータ26は、一定間隔でブレード18に取り付けられ、各アクチュ
エータ26付近のブレード18の屈曲を制御し、アクチュエータ26がブレード
18をロール16の方向に近づけたり遠ざけたりするとき、シート12上のコー
ティング材料が、それぞれ、次第に薄くされたり次第に厚くされたりする。アク
チュエータ26は、ブレード18に沿って、3インチまたは6インチの間隔に隔
てられることが好ましい。前述のように、アクチュエータ26のそれぞれの周囲
の各3インチまたは6インチの間隔は、「スライス」と呼ばれる。
【0031】 シート12が、コーティング厚さ制御スロット20を出た後、コートされたシ
ート12は、コーティング24を乾燥するいくつかの加熱ドラムを通過する。乾
燥されたコートされたシート12は、次いで、以下で詳述する赤外線反射型コー
ティング重量センサ32の下を通過する。
【0032】 センサ32は、走査運動で、シート12の幅を横断して矢印28方向に、前後
に駆動され、移動中のシート12の幅および長さにわたる様々なスライス位置で
、シート12から反射された赤外線の量を測定することができる。
【0033】 このセンサ32からの信号は、次いで、信号処理回路35を介して、システム
・プロセス制御コンピュータ34に送られ、そこでそれらのセンサ信号が、シー
ト12の幅にわたる特定スライス位置に関係付けられるように、信号が時間方向
にデマルチプレクスされる。以下でも説明するように、コンピュータ34は、次
いで、それらの信号に基づいて様々な計算を実行し、各スライスでコーティング
24の基本重量を判定する。コンピュータ34は、各スライスについて測定され
たコートの基本重量と所定の所望値とを比較し、アクチュエータ・コントローラ
36に命令して制御信号を発生させ、その信号によって、アクチュエータ26は
、必要に応じて各スライス位置でブレード18をフレックスさせ、各スライスに
対する所望のコーティング重量を与える。通常、均一のコート重量が目標として
要求される。
【0034】 図2に、図1aの赤外線コーティング重量センサ32を詳細に示す。このセン
サ32は、ベース紙シート12に塗布されたコーティング材料24の量を測定す
るために使用され、シート12の基本重量と含水量の変化から生ずるシート12
による赤外線吸収の影響に関して、この測定値を自動的に補正する。
【0035】 センサ32は、可視領域および赤外領域における連続波光線タングステン・ハ
ロゲン源50と、温度制御式エンクロージャに格納された6つの赤外線検出器の
検出組立体とを備える検出組立体88の一部である。広帯域赤外線源エネルギー
50が、シートの動揺および表面特性に対する感度を最小限に抑える角度で、シ
ート12に向けられる。拡散放射方式が好ましい。その角度は、通常、垂直に対
して約10°から約25°の範囲である。検出組立体は、シリコン・センサ、ク
レー・センサ、および水分センサを備える。シリコン・センサは、シリコン計測
フィルタ/検出器32Aとシリコン基準フィルタ/検出器32Bを含む。クレー
・センサは、クレー計測フィルタ/検出器51Aとクレー基準フィルタ/検出器
51Bを含む。水分センサは、水分計測フィルタ/検出器52Aと水分基準フィ
ルタ/検出器52Bを含む。シートから反射されたエネルギーは、ビームスプリ
ッター55、56および57ならびに適切なフィルタを介して光線を個々の検出
器に通過させることによって波長分析される。ビームスプリッター、フィルタ、
および検出器を備える光学分析器のこの構成は、すべての検出器信号がシート上
の同じ位置を起源とすることを保証し、その結果、あらゆる所与の時間に、精密
な測定に必要なすべての情報が利用可能になる。
【0036】 シリコン・センサによる正確かつ精密な測定は、一部が、シリコン濃度と約3
.36μm領域におけるシリコンの吸収強度の相関関係に基づく。シリコンに関
する他の明白な吸収ピークと比較して、このピークは弱いが、有意な実験の後で
は、吸収ピークが小さいほど(しかし弱くない)、計測中のコーティング材料に
関して、優れたデータを提供することが分かった。これは、選択された線源レベ
ルに関して、過度に強いピークは、コーティングへのあらゆる有意な透過を妨げ
、放射検出器に戻る鏡面反射率を減少させるからである。しかし、コーティング
本体を精密に反射するためには、表層だけではなく、ある程度のコーティング透
過が必要である。さらに、強い吸収ピークは、放射線検出器が受け取る鏡面反射
信号を黙示的に減少させる。
【0037】 当然、吸収が弱すぎれば、大部分の信号はコーティングを完全に通過し、また
、基材も通過する恐れがあるので、コーティングの重量データを信号雑音から分
離することは困難である。したがって、弱いピークも回避された。シリコンに対
する3.36吸収ピークは、前記2つの競合する要因の間に優れたバランスを実
現する。
【0038】 シリコンを計測するため、計測通過帯域フィルタおよび基準通過帯域フィルタ
の通過帯域の好ましい中心波長は、それぞれ約3.36μmから3.38μmお
よび約3.60μmから3.80μmである。このフィルタのそれぞれに対する
帯域幅は、好適には約0.15μmであるが、検出器における所望の信号強度と
バランスを得るために、必要に応じて広くしても、また狭くしてもよい。計測チ
ャネルと基準チャネルの検出器の出力信号の比は紙コート重量値に比例する。
【0039】 シリコン・センサは、4チャネル・センサ又は6チャネル・センサとして構成
することが好ましい。図2に示すように、さらに好ましい構成は、CaCO3
シリコン、クレー、および水分を測定する6チャネル・センサである。好ましい
4チャネル・バージョンは、シリコンとクレーを測定する。検出組立体は、たと
えば170Hzで動作し、たとえば高レベルの赤外線エネルギー変調を実現する
回転光線チョッパを備える従来型赤外線エネルギー変調器60をさらに含む。光
チョッパは、2つの反対側から開かれた中空のスクエア・プリズムとして構成さ
れることが好ましい。光チョッパが回転すると、光チョッパは、光源のパラボラ
反射板からの、直径25mmの光線の全幅を遮る。これにより、低ワット数タン
グステン・ハロゲン光源を使用することができ、長く安定したランプ寿命を確保
する。小さいフィラメントサイズは、スポットの大きさ(シート上で計測される
エリア)が、小さく直径約20mmであるようにする。シリコン・センサは、完
全にそれ自体が内蔵されるタイプの内部光学(反射)標準器を用いることが望ま
しく、したがってセンサがシートと干渉せず、標準化を行うためにシート外に移
動する必要はない。
【0040】 赤外線エネルギー変調器60は、赤外線源50からシート12に送られる赤外
線放射量を、周知の周波数で変調する。したがって、各赤外線検出器の出力も、
入射赤外光線62と同様の周知の周波数で変調される。さらに、検出器出力は、
変調された入射光線62の反射された部分63に直接的に依存するので、検出器
出力の位相は、変調された光線62の位相に依存する。しかし、ベース紙シート
12、シートのコーティング24、および他の外部光源(図示せず)から生ずる
赤外線エネルギーも、すべての検出器に達する。したがって、各検出器信号は、
AC成分とDC成分の両方を含む。
【0041】 検出器のそれぞれの出力(計測および基準の両方)は、信号処理回路35(図
1a)に送られる。この回路は、検出器信号のDC成分をフィルタで除去するよ
うに設計される。フィルタを通過したAC検出器信号は、次いで、信号処理回路
35内に含まれる位相同期復調回路に渡される。位相同期復調器の目的は、ベー
ス・シート12またはベース・シート12に塗布されたコーティング材料24の
変化する赤外線吸収に起因しない検出器信号の変化をフィルタで除去することで
ある。
【0042】 シリコン・センサに関して、各検出器32Aおよび32Bからの変調された信
号の平均化された振幅は、それぞれに、各検出器に関連付けられたフィルタの通
過帯域内でコートされたシートの様々な部分から反射された、赤外線放射量を示
す。変調され、振幅を平均化した検出器信号は、次いで、信号処理回路によって
計測され、デジタル化され、プロセス制御コンピュータ34に供給される。コン
ピュータ34は、以下で詳述する数式および技術を使用して、ベース・シート1
2のコーティング材料24の基本重量を計算する。
【0043】 図3に、シリコンに対する赤外線吸収スペクトルと、シリコン・センサのため
の基準赤外線検出器と計測赤外線検出器にそれぞれ関連付けられた基準フィルタ
6および測定フィルタ7の通過帯域を示す。それぞれの通過帯域におけるベース
紙シート12による赤外線の平均吸収が等しくなるように、または実質的にほぼ
等しくなるように、基準フィルタおよび計測フィルタが選択される。この方法で
、基準検出器と計測検出器によって生成される信号は、コートされていないシー
ト13に対して等しく(または非常にほぼ等しく)なる。計測検出フィルタの通
過帯域は、シリコンに対する強い吸収のピーク(または伝導の最小値)が入るよ
うに選択される。したがって、コートされたシートによると、計測検出器からの
出力は、ベース紙シートとコーティング材料のシリコン成分の両方によって生じ
る赤外線吸収を示す。
【0044】 しかし、通常の濃度のシリコンはその吸収ピークにおいてさえも、赤外線を非
常に僅かしか吸収しない。したがって、計測検出器32Aからの、シリコン・コ
ーティング成分に起因する信号の量は非常に小さいので、計測検出器自体が、反
射した赤外線63によって遭遇されるシリコンの量を判定するために使用するこ
とが実質的に不可能である。それは、シートの他の成分の変動によって生じる信
号の変化と見分けがつかない。しかし、本発明によると、計測検出器32Aと基
準検出器32Bは、下にあるベース紙シート12に対して等しい感度を持つので
、計測信号の絶対値に対する基準信号の絶対値の比は、コーティング材料のシリ
コン含有量に対する優れた感度を持つ信号を生じる。同様に、基準信号と計測信
号の絶対値の差異は、コーティング材料のシリコン含有量の示度も提供する。さ
らに、基準信号と計測信号は、同じ主要な誤差源(たとえば、シートの基本重量
、含水量、および光の路中のダストのバックグラウンド変化)の対象となるので
、たとえ上記の位相同期復調フィルタリング技術が使用されなくても、計測信号
と基準信号の間の比または差異は、ベース紙シートを覆うシリコン量の高度に精
密な示度を提供する。
【0045】 コート重量センサ32をセットアップするとき、計測通過帯域と基準通過帯域
におけるベース・シート12による赤外線吸収を「バランス」させ、または等し
くさせることが重要である。基板に一連の誘電性コーティングをコーティングす
ることによって、周知の赤外線帯域通過フィルタが作られる。誘電コーティング
の厚さは、フィルタに対する通過帯域の中心を決定する。したがって、誘電性フ
ィルムの厚さを変更することによって、フィルタは、赤外線スペクトルのあらゆ
る所望の領域で通過帯域を有するように作られることができる。
【0046】 基準検出器と計測検出器からの信号は、次の数式に従って、基本重量を数学的
に計算するために使用することができる。 BWC=A(IMES−IREF) (1) 上式で、 BWC=ベース・シート上のコーティング材料の基本重量 IMES=計測検出器からの出力信号の値 IREF=基準検出器からの出力信号の値、および
【0047】 Aは、定数であり、経験的に判定され、コート重量の様々な検出器出力に関係
する。定数値は、周知の曲線適合技術によって判定することができる。IMES
REFの値は、それぞれ計測通過帯域と基準通過帯域のコートされたシートによ
る赤外線の反射に比例する。
【0048】 数式(1)は、基準検出器と計測検出器からの出力信号の間の差異を基にして
、コーティング材料の基本重量を判定する。しかし、これら2つの信号の比を使
用してコート重量を判定することも可能である。 BWC=C((IMES/IREF)−1)
【0049】 Cは、様々な検出器出力をコート重量に関係付ける、経験的に判定された定数
である。
【0050】 コンピュータ(図示せず)は、コート重量センサ32に関連付けられ、単独で
各スライスに関する基本重量計算の実行専用にすることができる。しかし、多く
の現代的な製紙工場は高度に自動化されており、プロセス制御コンピュータを含
む(図1a)。これらの工場では、本発明の赤外線コーティング・センサ32に
よって生成される信号は、各横断方向のスライス位置で、シート12に塗布され
ているコーティング材料24の量を計算するために、信号処理回路35を介して
、工場の中央プロセス制御コンピュータ34に供給されることが好ましい。次い
で、これらの計算に基づいて、プロセス制御コンピュータ34は、各横断方向の
位置でベース・シート12に塗布されたコーティング材料14の量を選択的に変
更するために、ブレード18に沿って各スライスに取り付けられたコーティング
制御ブレード・アクチュエータ26を選択的に活動化する信号を発生させるよう
に、アクチュエータ・コントローラ36に命令することができる。
【0051】 一方、シリコンがベース・シートに混入している場合もある。この状態では、
上記の一次赤外線センサ32に類似または同一の2次赤外線センサ23が、ペー
パー・コーティング・プロセスにおいてベース・シートにコーティング材料14
を塗布する前の位置に配置される。この2次センサは、コートされていないベー
ス・シートに隣接して配置され、上記で1次センサについて説明したのとまった
く同様の方法で、ベース・シートにおけるシリコンの量を計測するために使用さ
れる。この状態では、プロセス制御コンピュータ34は、2次センサから信号を
受け取り、ベース・シートに混入したシリコンの量を計算し、1次コーティング
・センサ32によってコンピュータ34に供給された信号から生じるシリコンの
計測値から、このシリコン計測値を減算する。この減算によって生じる差異は、
再生ベース紙シートに塗布されたコーティング材料におけるシリコンの量を示す
。コーティング制御は、次いで、上記で説明したのと同一の方法で実行される。
【0052】 ラテックスがシリコン計測値に干渉するので、ベース・シートまたは上記のコ
ーティング・ステップがシートにラテックスを塗布する場合、同様の手順が必要
となる。この場合、コーティング前のラテックス信号がコーティング後に取られ
たシリコン信号から減算される。
【0053】 最後に、上述のように、シリコンが、CaCO3 、ダイ、充填剤などいくつか
の他の化学成分を有するコーティング材料の成分である場合、それらの材料の量
は、シリコンのデータから推理して判定することができる。非シリコン成分は、
正確な周知の所定比率で、コーティング材料のシリコン成分と混合される。した
がって、システムのプロセス制御コンピュータは、シートを覆うシリコン成分の
量を判定することによって、シリコン成分に対するコーティング材料の他の成分
の周知の比率から、シート上の全コーティング材料混合物の全体量を判定するこ
ともできる。
【0054】 水分センサとクレー・センサは、シリコン・センサと実質的に同様の方法で動
作する。水分センサに関して、計測帯域通過フィルタと基準帯域通過フィルタの
通過帯域に対する好ましい中心波長は、それぞれ、約1.89μmから1.95
μmと1.70μmから1.86μmの範囲になる。クレー・センサに関して、
計測帯域通過フィルタと基準帯域通過フィルタの通過帯域に対する好ましい中心
波長は、それぞれ、約2.20μmから2.25μmと2.08μmから2.3
0μmの範囲になる。
【0055】 (実験) 図2に示すシリコン・センサが、板紙工場でテストされた。3.36μmのフ
ィルタを計測チャネルに使用され、3.80μmのフィルタを基準チャネルに使
用された。設置の前に、水性シリコンのサンプルが用意され、実験室において較
正のためにそのサンプルのコート重量がセンサで測定された。センサのデータが
実験室のデータと相関され、図4のグラフに再現された。グラフに示される点を
通過する線の線形関係は、センサの較正の基礎になる。
【0056】 本発明の好ましい実施形態だけを、上記で特に開示し、かつ説明したが、上記
の教示に照らして、また添付の特許請求の範囲に定義される本発明の趣旨および
範囲を逸脱することなく、本発明の多くの修正形態および変更形態が可能である
ことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるスキャニング赤外線反射型コーティング重量センサを使用したペ
ーパー・コーティング操作の簡略化した透視図(A)、図1Aのシートのコート
されていない部分の拡大図(B)、図1Aのシートのコートされた部分の拡大図
(C)である。
【図2】 図1Aの反射型赤外線コーティング・センサを含む検出組立体の、簡略化した
横断面図である。
【図3】 紙に塗布された典型的なシリコン・コーティングに対する赤外線吸収スペクト
ルを示す図である。
【図4】 実験室のコート重量対シリコン・センサの較正曲線を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // B05C 1/08 B05C 1/08 Fターム(参考) 2F065 AA30 BB15 CC02 CC31 FF44 FF46 GG21 HH15 JJ05 LL22 MM02 MM07 NN20 PP16 QQ25 4D075 AC21 BB92Z CA06 CA18 CA36 DA04 DB18 DB31 DC27 DC38 EA06 EA10 EB10 EC01 EC03 EC11 EC13 4F040 AA22 AB04 AC01 BA12 CB27 CB33 DA05 DA12 DB30 4F042 AA22 AB00 BA25 DD07 DF23 DH09

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ベース・シートを備える移動非被覆シートの表面に、シリコ
    ンを含有するコーティング材料を塗布するためのシート・コーティング装置であ
    って、移動非被覆シートが計量要素を通り過ぎた後に被覆シート上に残るコーテ
    ィング材料の量を調整するための計量要素を含むコーティング装置と、 被覆シートに隣接して配設された第1のコーティング・センサであって、被覆
    シート内に第1の放射線ビームを向けるように配設された第1の放射線源、およ
    び被覆シートから発する第1のビームの少なくとも一部を検出するように位置決
    めされた第1の放射線受信機構を含み、前記第1の受信機構が、赤外電磁スペク
    トルの第1および第2の個別波長領域での放射線の量を検出し、かつそれぞれ前
    記第1および第2の領域での検出放射線の量を示す第1および第2の信号をそこ
    から生成するように構成され、第1の領域が、ベース・シートの坪量に対して感
    受性がある放射線に関して選択され、第2の領域が、ベース・シートの坪量に対
    して第1の領域での放射線とほぼ同じ感受性があり、コーティング材料のシリコ
    ンに対しても感受性がある放射線に関して選択され、第1の領域での放射線のシ
    リコンに対する感度が第2の領域での放射線のシリコンに対する感度と異なり、
    第1の領域が約3.60〜3.80μmの範囲であり、第2の領域が約3.36
    〜3.38μmの範囲である第1のコーティング・センサと、 第1の受信機構に動作可能に結合された、第1および第2の信号からシート上
    のコーティング材料の量を計算するためのコンピュータであって、コーティング
    材料中のシリコンの計算量を示す第3の信号を生成するコンピュータと、 コンピュータおよび計量要素に動作可能に結合された、べース・シート上のコ
    ーティング材料の量を調整するために第3の信号に応答して計量要素を調節する
    少なくとも1つのアクチュエータと を備えるコーティング・システム。
  2. 【請求項2】 放射線が赤外放射線である請求項1に記載のコーティング・
    システム。
  3. 【請求項3】 移動被覆シートが、ベース・シートまたはベース・シートの
    事前塗布コーティング中に取り入れられたシリコンを有し、前記システムがさら
    に、 非被覆シートに隣接して配設された第2のコーティング・センサであって、非
    被覆シート内に第2の放射線ビームを向けるように配設された第2の放射線源、
    および非被覆シートから発する第2のビームの少なくとも一部を検出するように
    位置決めされた第2の放射線受信機構を含み、第2の受信機構が、電磁スペクト
    ルの第3および第4の個別波長領域での放射線の量を検出し、かつそれぞれ前記
    第3および第4の領域での検出放射線の量を示す第4および第5の信号をそこか
    ら生成するように構成され、第3の領域が、非被覆シートの坪量に対して感受性
    がある放射線に関して選択され、第4の領域が、非被覆シートの坪量に対して第
    3の領域での放射線とほぼ同じ感受性があり、しかし非被覆シートのベース・シ
    ート中に取り入れられたシリコンに対しても感受性がある放射線に関して選択さ
    れたコーティング・センサを備え、コンピュータが第2の受信機構に動作可能に
    結合されて、ベース・シート中のシリコンの量を示す第4および第5の信号に基
    づいて第6の信号を計算し、前記コンピュータが、第3および第6の信号からシ
    ート上のコーティング材料中のシリコンの量を計算する請求項2に記載のコーテ
    ィング・システム。
  4. 【請求項4】 第1の領域が第3の領域と同じであり、第2の領域が第4の
    領域と同じである請求項3に記載のコーティング・システム。
  5. 【請求項5】 非被覆シートがペーパーであり、第1の領域が3.8μm付
    近にほぼ中心を合わされ、第2の領域が3.6μm付近にほぼ中心を合わされた
    請求項1に記載の被覆システム。
  6. 【請求項6】 さらに、第1のセンサが取り付けられ、ラインに沿って前後
    して第1のセンサをスキャンさせるためのスキャン機構を備え、コンピュータが
    、第1および第2の信号に基づいてスキャンする第1のセンサによって横切られ
    るシートの様々な横方向位置で、シート上のコーティング材料中のシリコンの量
    を求めるようにプログラムされている請求項1に記載の被覆システム。
  7. 【請求項7】 コーティング材料が、CaCO3 、色素、フィラー、シリコ
    ン、および粘土からなる群から選択される化学成分を含む請求項1に記載のコー
    ティング・システム。
  8. 【請求項8】 第1の放射線受信機構が、被覆シートを透過される第1のビ
    ームの少なくとも一部の強度を検出するように位置決めされている請求項1に記
    載のコーティング・システム。
  9. 【請求項9】 第1の放射線受信機構が、被覆シートから反射される第1の
    ビームの少なくとも一部の強度を検出するように位置決めされている請求項1に
    記載のコーティング・システム。
  10. 【請求項10】 第2の放射線受信機構が、非被覆シートを透過する第2の
    ビームの少なくとも一部の強度を検出するように位置決めされている請求項3に
    記載のコーティング・システム。
  11. 【請求項11】 第2の放射線受信機構が、非被覆シートから反射される第
    2のビームの少なくとも一部の強度を検出するように位置決めされている請求項
    3に記載のコーティング・システム。
  12. 【請求項12】 さらに、第2のセンサが取り付けられ、ラインに沿って前
    後して第2のセンサをスキャンさせるためのスキャン機構を備え、コンピュータ
    が、第3および第4の信号に基づいてスキャンする第2のセンサによって横切ら
    れるシートの様々な横方向位置で、ベース・シートまたはベース・シートの事前
    塗布コーティング中のシリコンの量を求めるようにプログラムされている請求項
    3に記載のコーティング・システム。
  13. 【請求項13】 さらに、第2のセンサが取り付けられ、ラインに沿って前
    後して第2のセンサをスキャンさせるための第2のスキャン機構を備え、コンピ
    ュータが、第3および第4の信号に基づいてスキャンする第2のセンサによって
    横切られるシートの様々な横方向位置で、ベース・シート中のシリコンの量を求
    めるようにプログラムされている請求項6に記載のコーティング・システム。
  14. 【請求項14】 移動被覆シートが、ベース・シートまたはベース・シート
    の事前塗布コーティング中に取り入れられたラテックスを有し、前記システムが
    さらに、 非被覆シートに隣接して配設された第2のコーティング・センサであって、非
    被覆シート内に第2の放射線ビームを向けるように配設された第2の放射線源、
    および非被覆シートから発する第2のビームの少なくとも一部を検出するように
    位置決めされた第2の放射線受信機構を含み、第2の受信機構が、電磁スペクト
    ルの第3および第4の個別波長領域での放射線の量を検出し、かつそれぞれ前記
    第3および第4の領域での検出放射線の量を示す第4および第5の信号をそこか
    ら生成するように構成され、第3の領域が、非被覆シートの坪量に対して感受性
    がある放射線に関して選択され、第4の領域が、非被覆シートの坪量に対して第
    3の領域での放射線とほぼ同じ感受性があり、非被覆シートのベース・シート中
    に取り入れられたシリコンに対しても感受性がある放射線に関して選択されたコ
    ーティング・センサを備え、コンピュータが第2の受信機構に動作可能に結合さ
    れて、ベース・シート中のシリコンの量を示す第4および第5の信号に基づいて
    第6の信号を計算し、前記コンピュータが、第3および第6の信号からシート上
    のコーティング材料中のシリコンの量を計算する請求項2に記載のコーティング
    ・システム。
  15. 【請求項15】 第1の領域が第3の領域と同じであり、第2の領域が第4
    の領域と同じである請求項14に記載のコーティング・システム。
  16. 【請求項16】 第2の放射線受信機構が、非被覆シートから反射される第
    2のビームの少なくとも一部の強度を検出するように位置決めされている請求項
    14に記載のコーティング・システム。
  17. 【請求項17】 さらに、第2のセンサが取り付けられ、ラインに沿って前
    後して第2のセンサをスキャンするためのスキャン機構を備え、コンピュータが
    、第3および第4の信号に基づいてスキャンする第2のセンサによって横切られ
    るシートの様々な横方向位置で、ベース・シートまたはベース・シートの事前塗
    布コーティング中のシリコンの量を求めるようにプログラムされている請求項1
    4に記載のコーティング・システム。
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