JP2003527588A - リファイナ力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、パルプおよび紙産業で用いられるリファイナのためのリファイナ力センサ、精砕装置、およびリファイナのリファイナ・バーに作用する力を測定する方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は、パルプおよび紙産業で用いられるリファイナのためのリファイナ力
センサ、精砕装置、およびリファイナのリファイナ・バーに作用する力を測定す
る方法に関する。

【０００２】 （背景技術） リファイナは、互いに対して動く２つの対向面上に取り付けたバーによって、
加工する材料に繰り返し力を加えることで、木材チップからパルプを生成するた
め、または木繊維の機械的特性を変更するために用いられる。

【０００３】 リファイナは、一般に、パルプおよび紙産業において用いられ、木繊維または
木材チップに繰り返し応力およびひずみを加える。木材チップを加工する場合、
その目的は、通常、木繊維を互いに分離させてパルプを生成することであり、こ
のパルプは後で、紙またはハードボード等の複合木材製品を製造するために用い
ることができる。このプロセスは、一般に、蒸気環境において高温および高圧で
行われる。なぜなら、リファイナにおいて、材料を加工する間に放散される熱か
ら、大量の蒸気が生成されるからである。このようにして生成された粗いパルプ
を、同様の方法で更に加工して、繊維の特性の一部を改善することも可能である
。これの例は、パルプに第２段階の精砕を行うこと、または選別した後に精砕不
合格とするという一般的に用いられている手法である。また、低濃度または流動
リファイナを用いて、約５％までの濃度でパルプ・スラリを加工する。この場合
、目的は、一般に、木繊維の特性の一部を改善するために木繊維に応力およびひ
ずみを加えることである。

【０００４】 工業用精砕システムにおいては、数多くの動作条件が用いられるが、あらゆる
リファイナには共通した多数の設計機構がある。リファイナ・ディスクには、バ
ーおよび溝が交互になったパターンを有するプレートが備えられている。対向す
るプレートのバーは、調整可能な小さい間隙で隔てられており、ディスクの少な
くとも１つは回転する。パルプは、繊維かたまりの形態でリファイナを通過し、
対向するプレートのバーが互いを通り過ぎるように進むと、それらのバー間で繰
り返し圧縮およびせん断される。従って、あらゆるリファイナは、繊維のかたま
りに作用する圧縮力およびせん断力を繰り返し加えることで、繊維に対してエネ
ルギを使う。

【０００５】 これらの力が個々のパルプ繊維に及ぼす影響を定量化するために、精砕の程度
の何らかの尺度を取らなければならない。従来、比エネルギを測定しており、こ
の比エネルギは乾燥繊維質量当たりのパルプに加えられる合計エネルギである。
しかしながら、このパラメータは、精砕動作の特徴を完全に表すためには十分で
ないことは広く知られている。なぜなら、異なる精砕条件のもとでは、同一レベ
ルの特定のエネルギで、大きく異なるパルプ特性が得られる可能性があるからで
ある。追加のパラメータを用いてリファイナの動作の特徴を表すために、いくつ
かの方法が提案されている。追加のパラメータは、通常、バーの衝撃の程度を定
量化することを目的としている。これは、各方法によって様々に達成されるが、
バーの衝撃の程度は、一般に、衝撃当たりのある比エネルギとして表される。し
かしながら、精砕を行う機構を類別するとなると、エネルギに基づく特徴付けに
は欠点がある。エネルギは、パルプ繊維において様々に消費される可能性があり
、エネルギすなわち力を加える方法が、最終的なパルプ特性に大きな影響を与え
得る。Ｇｉｅｒｔｚ，Ｈ．Ｗ．（「Ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｔｏ ｌｏｏｋ ａｔ
ｔｈｅ ｂｅａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ（叩解プロセスを見るための新しい
方法）」、Ｎｏｒｓｋｅ Ｓｋｏｇｉｎｄｕｓｔｒｉ １８（７）、２３９〜２
４８、１９６４年）は、加える力の相対的な大きさによって、異なる精砕効果を
説明することができると示した。同様に、Ｐａｇｅ，Ｄ．Ｈ．（「Ｔｈｅ ｂｅ
ａｔｉｎｇ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｕｌｐｓ−Ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ａ
ｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ（化学パルプの叩解−作用および効果）」、Ｆｕ
ｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇ、ケンブリッジにて開催
されたＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｒ
ｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ｆ．Ｂｏｌａｍ編、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔ
ａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ、Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｐａｐｅｒ
ａｎｄ Ｂｏａｒｄ Ｍａｋｅｒｓ’ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、第１巻、１〜
３８ページ、１９８９年）は、精砕プロセスを完全に理解するには、個々の繊維
の平均的な応力−ひずみ履歴の知識が必要であることを示した。

【０００６】 力に関する以前の研究は、リファイナ・バー表面の圧力の測定を中心としてい
た。これらの研究のうち２つが、低濃度の用途のものであり（Ｇｏｎｃｈａｒｏ
ｖ，Ｖ．Ｎ．「Ｆｏｒｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ａ ｄｉｓｋ ｒｅｆｉｎ
ｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｂｅａｔｉｎｇ ｐ
ｒｏｃｅｓｓ（ディスク・リファイナにおける力のファクタおよびその叩解プロ
セスに対する影響）」、英語翻訳、Ｂｕｍ．Ｐｒｏｍｓｔ、１２（５）、１２〜
１４、１９７１年、およびＮｏｒｄｍａｎ，Ｌ．、Ｌｅｖｌｉｎ、Ｊ．−Ｅ．、
Ｍａｋｋｏｎｅｎ，Ｔ．およびＪｏｋｉｓａｌｏ，Ｈ．「Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ｉｎ ａｎ ＬＣ−ｒｅｆｉｎｅｒ ａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｐｈｙ
ｓｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（物理的測定によって観察したＬＣ−リフ
ァイナにおける条件）」、Ｐａｐｅｒｉｊａ Ｐｕｕ６３（４）、１６９〜１８
０、１９８１年）、１つが高濃度でのものである（Ａｔａｃｋ，Ｄ．「Ｔｏｗａ
ｒｄｓ ａ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｒｅｆｉｎｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐ
ｕｌｐｉｎｇ（リファイナ機械式パルピングの理論に向けて）」、Ａｐｐｉｔａ
Ｊｏｕｒｎａｌ ３４（３）、２２３〜２２７、１９８０年）。商用リファイ
ナの精砕ゾーン内に存在する厳しい条件は、標準的な圧力センサには厳格すぎる
ことがわかっている。これらは、一般に、これらの条件では動作して数分内に機
能しなくなってしまう。

【０００７】 標準的な圧力センサの欠点にもかかわらず、Ｋａｒｌｓｔｒｏｍによって提案
された方法（国際特許公報ＷＯ９７／３８７９２号）は、温度センサと組み合わ
せてそれらを用いて、高濃度チップ・リファイナの動作を調節する。提案された
制御方式では、チップの質量流量およびリファイナに対する希釈水流量のみなら
ず、精砕ディスク間の間隙を調節するために加える圧力を、精砕ゾーンにおける
圧力および温度の測定値に応じて調整する。この方法の目的は、精砕ゾーン中の
温度および圧力プロファイルを制御して、これらのパラメータの所望の値を維持
することである。また、ＷＯ９７／３８７９２号は、精砕ゾーンの温度を上昇ま
たは下降させることによって具体的なパルプ特性を制御する方法も主張する。国
際特許公報ＷＯ９８／４８９３６号では、Ｋａｒｌｓｔｒｏｍは、かかる温度お
よび圧力センサをリファイナに設置するための機構を提案する。ＷＯ９７／３８
７９２号およびＷＯ９８／４８９３６号は、チップ精砕プロセスにのみ関連する
。

【０００８】 上述の方法によって規定された方法で測定した圧力は、精砕ゾーンにおいてパ
ルプに加えられる機械的な力によって直接生じたものではない。むしろ、これは
、リファイナにおいて費やされる大量の機械的エネルギの結果として生成され熱
として放散する蒸気の圧力によるものである。蒸気圧は、精砕ゾーン内で局所的
に放散するエネルギ量に依存するが、これは、また、蒸気がどれだけ容易に半径
方向に沿ってリファイナから逃げることができるかにも、大きく依存する。

【０００９】 ＪｏｈａｎｓｓｏｎおよびＫｊｅｌｌｑｖｉｓｔの米国特許第５，７４７，７
０７号は、リファイナにおいて１つ以上のセンサ・バーを用いることを提案した
。センサ・バーには、ひずみゲージを備えて、それらの長さに沿った多数の点で
負荷を測定する。各点にいくつかのひずみゲージを取り付けることで、著者は、
１本のバー上の応力を、異なる方向に作用する負荷成分に分割可能であることを
示唆した。また、この装置は、温度計も含むことができ、これを用いて、バーの
熱膨張に対して測定応力を補償することができる。別の実施形態では、この装置
は、センサが求めた負荷に応じて精砕を制御するための手段を含む。

【００１０】 上述の米国特許に述べられたものと同様の設計を有するセンサ・バーが、Ｇｒ
ａｄｉｎ等によって用いられ（Ｇｒａｄｉｎ，Ｐ．Ａ．、Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ，
Ｏ．、Ｂｅｒｇ，Ｊ．−Ｅ．、およびＮｙｓｔｒｏｍ，Ｓ、「Ｍｅａｓｕｒｅｍ
ｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｓ
ｉｎｇｌｅ−ｄｉｓｃ ｒｅｆｉｎｅｒ（単一ディスク・リファイナにおけるパ
ワー分布の測定）」、Ｊ．Ｐｕｌｐ Ｐａｐｅｒ Ｓｃｉ．２５（１１）、３８
４〜３８７、１９９９年）、単一ディスク・リファイナの精砕ゾーンで消費され
たパワーの分布を測定した。著者らは、単位面積当たりの消費パワーは、精砕ゾ
ーンの半径にわたってほぼ一定であることを見出した。これは、Ａｔａｃｋ，Ｄ
．およびＭａｙ，Ｗ．Ｄ．（「Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏ
ｆ ｃｈｉｐｓ ｂｙ ｄｏｕｂｌｅ−ｄｉｓｃ ｒｅｆｉｎｉｎｇ（２ディス
ク精砕によるチップの機械的圧延）」、Ｐｕｌｐ Ｐａｐｅｒ Ｍａｇ．Ｃａｎ
．６４（Ｃｏｎｖ．ｉｓｓｕｅ）、Ｔ７５〜Ｔ８３、Ｔ１１５、１９６３）によ
る以前の発見を裏付けるものであった。センサ・バーの感度を改善するために、
後者はアルミニウムから製造された。この材料の選択は、工業用リファイナにお
ける長期間の動作には不適切である。なぜなら、センサ・バーは、強化された材
料から作られた他のリファイナ・バーよりもはるかに速く摩耗するからである。

【００１１】 （発明の開示） 本発明の広い態様によれば、木材パルプを生成または加工するためのリファイ
ナのリファイナ・バーに作用する力を測定するための力センサが提供される。前
記力センサは、センサ・ヘッドを有するセンサ本体と、センサ本体と力伝達接触
の状態にある少なくとも１つのセンサ素子と、を備え、前記少なくとも１つのセ
ンサ素子は、木材パルプを生成または加工するためのリファイナのリファイナ・
バー上に作用する力の大きさを示す信号を生成する。

【００１２】 いくつかの実施形態では、リファイナ・バーはリファイナ・プレート上にある
。リファイナ・プレートは、リファイナ・バーを有する精砕面と、精砕面に対向
する非精砕面とを備える。しかしながら、本発明は、リファイナ・バーがリファ
イナ・プレート上にないリファイナにも適用可能である。

【００１３】 いくつかの実施形態では、センサ・ヘッドは、リファイナ・バーの一部を置換
する。他の実施形態では、センサ・ヘッドは、リファイナ・バーの全てを置換す
る。かかる実施形態では、センサ本体は、リファイナ・バーと同じ材料のもので
あり、センサ・ヘッドは、リファイナ・バーのものと合致する輪郭を有する。

【００１４】 本発明によれば、センサ本体を、リファイナ・プレートの精砕面に取り付ける
ことができる。いくつかの実施形態では、センサ本体は、リファイナ・プレート
の精砕面のくぼみ内に嵌合するように構成されている。他の実施形態では、セン
サ本体を、精砕プレートの非精砕面に取り付けることができる。更に別の実施形
態では、センサ本体を、精砕プレートの非精砕面のくぼみ内に嵌合するように構
成することができる。

【００１５】 好適な実施形態では、２つ以上のセンサ素子が設けられ、センサ本体はセンサ
素子上で浮遊する。いくつかの実施形態では、２つ以上のセンサ素子が設けられ
、センサ本体はセンサ素子上で浮遊して、センサ本体とリファイナ・プレートと
の間の結合のみがセンサ素子を通るようになっている、更に別の実施形態では、
力センサは、更にホルダを備え、２つ以上のセンサ素子が設けられ、センサ本体
はセンサ素子上で浮遊して、センサ本体と、リファイナ・プレートおよびホルダ
の少なくとも１つとの間の結合のみがセンサ素子を通るようになっている。

【００１６】 いくつかの実施形態では、少なくとも１つのセンサ素子は圧電性または圧電セ
ラミック製である。

【００１７】 本発明の別の態様によれば、木材パルプを生成または加工するためのリファイ
ナのリファイナ・バー上に作用する力を測定する方法が提供される。この方法は
、センサ・ヘッドを有するセンサ本体を設けるステップであって、センサ・ヘッ
ドはリファイナ・バーの全てまたは一部を置換するように構成されている、ステ
ップと、センサ本体と力伝達接触の状態に少なくとも１つのセンサ素子を配置す
るステップと、前記リファイナにおいて木材粒子または木材パルプを精砕して木
材パルプまたは精砕した木材パルプを生成するステップであって、センサ・ヘッ
ドに力を加えて、前記少なくとも１つのセンサ素子においてこの力を示す信号を
生成するようにする、ステップと、センサ本体に加えられた力の尺度として信号
を評価するステップと、を備える。

【００１８】 本発明の好適な実施形態によれば、リファイナ・バーはリファイナ・プレート
上にあり、リファイナ・プレートは、リファイナ・バーを有する精砕面と、精砕
面に対向する非精砕面とを備える。かかる実施形態では、センサ本体を、リファ
イナ・プレートの精砕面に取り付けることができ、他の実施形態では、センサ本
体を、リファイナ・プレートの非精砕面に取り付けることができる。

【００１９】 いくつかの実施形態では、２つ以上のセンサ素子が設けられ、センサ本体はセ
ンサ素子上で浮遊する。他の実施形態では、２つ以上のセンサ素子が設けられ、
センサ本体はセンサ素子上で浮遊して、センサ本体とリファイナ・プレートとの
間の結合のみがセンサ素子を通るようになっている。

【００２０】 更に別の実施形態では、この方法は、センサ本体およびセンサ素子のためのホ
ルダを設けるステップを更に備え、２つ以上のセンサ素子が設けられ、センサ本
体はセンサ素子上で浮遊して、センサ本体と、リファイナ・プレートおよびホル
ダの少なくとも１つとの間の結合のみがセンサ素子を通るようになっている。

【００２１】 いくつかの実施形態では、少なくとも１つのセンサ素子は圧電性または圧電セ
ラミック製である。好ましくは、前記測定される力は、せん断力および垂直力か
ら選択した少なくとも１つの力である。

【００２２】 本発明の方法の更に別の実施形態では、せん断力および垂直力を測定し、前記
測定した力を用いて、材料の送り速度、パルプの濃度、リファイナ・モータ負荷
、入口圧力、出口圧力、プレート間隙、および回転速度から選択した１つ以上の
変数を操作することで、リファイナの動作を調整し、測定した垂直力およびせん
断力の比率が一定にまたは所定範囲内に維持されるようにする。

【００２３】 更に別の実施形態では、前記測定した力を用いて、リファイナにおいて対向す
るディスク間の接触を検出する。前記リファイナの軸方向に移動可能なプレート
を後退させることで、対向するディスク間の接触を補正する。

【００２４】 上述の実施形態では、単一の力センサまたは複数の力センサの配列を用いるこ
とができる。

【００２５】 別の特定の実施形態では、パラメータを求めるための検知手段を有する木材パ
ルプのための精砕装置において、検知手段が、少なくとも１つの圧電センサ素子
を備える力センサを備え、この少なくとも１つの圧電センサ素子が圧電セラミッ
ク・センサ素子であると適切である改良が提供される。

【００２６】 更に別の特定の実施形態では、少なくとも１つの精砕ディスクと、前記精砕デ
ィスク上の精砕バーと、前記精砕バーの少なくとも１つにおける少なくとも１つ
のセンサ部材とを備える精砕装置が提供される。少なくとも１つのセンサ部材は
、少なくとも１つの圧電セサ素子と力伝達接触の状態にある。特定の実施形態で
は、センサ部材は、これを取り付ける精砕バーと同じ材料のものであり、少なく
とも１つのセンサ素子は、圧電セラミック・センサ素子である。センサ部材がセ
ンサ本体およびセンサ・ヘッドを有することが適切であり、センサ・ヘッドが、
少なくとも１つの精砕バーの輪郭に合致する輪郭を有することができ、そのよう
な少なくとも１つの精砕バーは、センサ・ヘッドによって中断される細長い長さ
を有する。特定の実施形態では、精砕バーは、精砕ディスクの第１の精砕面から
突出し、精砕ディスクは、精砕面に対向する第２の非精砕面を有し、精砕ディス
クは、第２の面の内部に延在するキャビティを有し、センサ本体は、キャビティ
内に取り付けられている。

【００２７】 更に別の実施形態または特定の実施形態では、木材パルプを生成または加工す
るためのリファイナのリファイナ・バーの表面上にかかる力を測定する方法は、
リファイナの少なくとも１つのリファイナ・バーに少なくとも１つのセンサ部材
を設けるステップであって、少なくとも１つのセンサ部材が少なくとも１つの圧
電センサ素子と力伝達接触の状態にある、ステップと、リファイナにおいて木材
粒子または木材パルプを精砕して木材パルプまたは精砕した木材パルプを生成す
るステップであって、少なくとも１つのセンサ部材に力を加えて、少なくとも１
つの圧電センサ素子において反力が生じ、少なくとも１つの圧電センサ素子が反
力に比例した電荷を生成する、ステップと、少なくとも１つのセンサ部材に加え
られた前記力の尺度として電荷を評価するステップと、を備える。少なくとも１
つのセンサ素子は、圧電セラミック・センサ素子であると適切であり、センサ部
材はセンサ本体およびセンサ・ヘッドを有し、センサ・ヘッドは少なくとも１つ
の精砕バーの輪郭と合致する輪郭を有することができ、少なくとも１つの精砕バ
ーはセンサ・ヘッドによって中断される細長い長さを有する。

【００２８】 （図面を参照した発明の詳細な説明および好適な実施形態の説明） 本発明の実施形態を、一例として、図面を参照して説明する。

【００２９】 本発明は、動作中のリファイナにおいてリファイナ・バーに作用する力を測定
する力センサに関する。本発明によるリファイナ力センサは、木材パルプまたは
木材チップに力を加えるために用いられる機械的リファイナのいかなるタイプに
おいても使用可能である。かかるリファイナの例は、チップ・リファイナおよび
低濃度パルプ・リファイナである。これらは、例えば、単一ディスク、２ディス
ク、または円錐ディスク・リファイナとすることができる。単一の力センサまた
は複数の力センサの配列を、様々な用途に用いて、精砕プロセスの異なる点を制
御または監視することができる。用途の例は本明細書中に記載する。

【００３０】 本発明について、主に単一または２ディスク・リファイナに関連付けて説明す
る。かかるリファイナの一般的な構造は周知である。例えば、典型的なリファイ
ナは、Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ等に対する米国特許第５，７４７，７０７号に記載さ
れており、これは、一対の相対的に回転可能な精砕ディスクから成り、このディ
スク間の精砕間隙の少なくとも一部に沿って延在する放射状のリファイナ・バー
を有する。言及した全ての特許および公報を引用し、本発明の説明を補足するも
のとする。

【００３１】 本発明の設計は、従来の装置および方法に対するいくつかの改良を含む。例え
ば、圧電センサ素子（例えば圧電セラミック・センサ素子）を使用した結果、セ
ンサ素子としてひずみゲージを採用した米国特許第５，７４７，７０７号のＪｏ
ｈａｎｓｓｏｎ等のもの等の以前の設計に比べ、高出力電圧を有し、電気雑音に
対する感度が低く、ダイナミック・レンジが広い力センサが得られる。更に、米
国特許第５，７４７，７０７号に提案された設計は、いくつかの理由で実用的で
ない。例えば、センサ素子から信頼性の高い信号を得るために、センサ素子に関
連したリファイナ・バーは十分に変形しなければならない。同時に、センサ素子
に関連したリファイナ・バーは、リファイナ・プレート上の他のリファイナ・バ
ーと極めて類似した機械的特性を有しなければならない。かかる変形は、リファ
イナ・バーに適切な材料および設計を用いることで達成される。リファイナ・バ
ーが硬すぎると、これに生じる変形が小さすぎるので、センサ素子としてひずみ
ゲージを用いた場合、信頼性高く測定することができない。本発明者らの何人か
によって行われた分析では、ひずみゲージに基づいた、リファイナ・バーの材料
としてスチールを用いたセンサ設計は、この観点から全く実用的でないことが示
された。

【００３２】 米国特許第５，７４７，７０７号に提案された設計の問題点を克服するため、
Ｇｒａｄｉｎ等（上述）によって行われたように弾性率の低い材料を用いること
で、または、リファイナ・バーのいくつかの構成要素の形状または寸法を変更す
ることで、リファイナ・バーのコンプライアンスを増大することができる。しか
しながら、リファイナ・バーの先端における変形は、対向するリファイナ・プレ
ート上のバー間の距離に比べて小さいままでなければならない。さもなければ、
センサ・バーで測定される力は、リファイナ・バー間の真の力を表さない。また
、リファイナ・バーに異なる材料を用いると、誤差を招く。なぜなら、かかる異
なる材料は、リファイナ・プレート上の他のリファイナ・バーに用いた材料に対
して異なる物理特性（例えば、硬度、摩耗耐性、熱膨張係数）を有するからであ
る。更に、リファイナ・バーのコンプライアンスが増大すると、力センサの第１
の共振周波数を低下させるという負の副作用がある。以下で論じるように、この
共振周波数は、リファイナにおけるバー通過周波数よりもはるかに高くなければ
ならない。さもなければ、リファイナ・バーの振動によって、測定する力が影響
を受けてしまう。また、本発明者らは、検知素子としてのひずみゲージに基づい
た設計によってこれら全ての要求を満足させることは実際には不可能であること
を示した。

【００３３】 センサの説明 本発明の広い態様によれば、木材パルプを生成および／または加工するために
用いるリファイナ等のリファイナのリファイナ・バーにかかる力を測定する力セ
ンサが提供される。本発明による力センサは、センサ・ヘッドを有するセンサ本
体と、このセンサ本体と力伝達接触の状態にある１つ以上のセンサ素子とを備え
る。以下で詳細に論じるように、センサ本体および１つ以上のセンサ素子は、リ
ファイナ・プレートに取り付けられて、センサ・ヘッドがリファイナ・プレート
の精砕面上のリファイナ・バーの全てまたは一部を置換するようになっている。

【００３４】 ここで用いる場合、「力伝達接触」という語は、センサ本体が受けたあらゆる
力がセンサ素子に容易に伝達されるようなセンサ本体とセンサ素子との接触を意
味することを意図する。好ましくは、力伝達接触は、力の特性（例えば振幅、周
波数、および位相）を全く減衰させたりひずませたりすることなく、センサ素子
に力を伝達する。しかしながら、ほとんどの場合、多少の減衰またはひずみは避
けられない。

【００３５】 ここで用いる場合、「センサ素子」という語は、負荷がかかったこと（例えば
圧縮）に応答して、信号（例えば電荷または電圧や電流等の電気信号）を生成可
能な、いずれかの変換器を意味することを意図する。センサ素子の一例は、圧電
セラミック素子等の圧電素子である。以下では、本発明を主に圧電素子に関連付
けて説明するが、本発明はこれに限定されないことは理解されよう。適切な圧電
素子は、ＢＭ Ｈｉ−Ｔｅｃｈ／Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ
．（Ｃｏｌｌｉｎｇｗｏｏｄ、Ｏｎｔａｒｉｏ）から入手可能である。比較的キ
ュリー温度が高く（３６０℃）、ジルコン酸チタン酸鉛（セラミック、例えばＢ
Ｍ５００）から作られ、約１ミリメートルｘ１ミリメートルｘ７ミリメートルの
寸法に選択された圧電素子が好ましい。ポーリング方向は、長軸と短軸の１つと
に垂直である。ポーリング方向に直角な対向面上に電極を配置する。一般に、圧
電素子の２つの電極の各々に、細いワイヤを（例えばはんだ付けによって）取り
付け、これらのワイヤを、以下で論じるように、電荷増幅器に接続する。圧電素
子の代替的な供給元は、Ｐｉｅｚｏ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔ
ｅｄ（Ｂｅｌｌｅｆｏｎｔｅ、ＰＡ）である。キュリー温度が３５０℃であるＰ
ＫＩ＃５０２から作られた圧電素子が適切である。少なくとも２つのセンサ素子
を用いることで、せん断力および垂直力の双方を分解することができる。しかし
ながら、ある状況のもとでは、一つのみのセンサ素子によって双方の力を分解す
ることができる。

【００３６】 センサ素子のリファイナ力センサへの設置は、センサ素子の２つの対向面間を
横切って測定する力が加わるように行う。圧電素子の電極も同じ対向面上にある
場合、対向面およびこの対向面に接触するセンサ構成要素間に、絶縁層（すなわ
ち、マイカ、セロハンテープ、マイラー（Ｍｙｌａｒ。ポリエステル・フィルム
の商標）、紙等の誘電物質）を配置しなければならない。あるいは、センサ本体
およびホルダおよび／またはリファイナ・プレートの表面を、蒸着したアルミナ
等の薄い絶縁層で被覆することも可能である。好ましくは、センサ素子のポーリ
ング方向に垂直に力が加わるように、圧電素子を力センサに設置する。ここで述
べる実施形態における圧電素子のポーリング方向は、力センサ構成要素に接触す
る２つの対向面に垂直である。しかしながら、センサ本体およびホルダおよび／
またはリファイナ・プレートに接触する面に対して、他の向きのポーリング方向
および電極を用いることも考えられる。

【００３７】 リファイナ・プレートのリファイナ・バーに与えられる力は、センサ・ヘッド
を介してセンサ本体によって受けられて、センサ素子（複数の素子）に伝達され
る。上述のように、センサ・ヘッドがリファイナ・バーの全てまたは一部を置換
するように、センサ本体をリファイナ・プレートに取り付ける。従って、センサ
・ヘッドは、リファイナ・バーのものにほぼ対応する形状または輪郭を有する。
更に、センサ・ヘッドおよび／または本体は、リファイナ・バーのものと同一ま
たは同様の材料で作成して、リファイナ・バーおよびセンサ・ヘッドを横切る機
械的特性（例えば硬度、摩耗耐性、熱膨張係数等）の一貫性を保証する。

【００３８】 いくつかの実施形態では、センサ・アセンブリは、センサ本体および１つ以上
のセンサ素子を備える。かかる実施形態では、センサ・アセンブリは、ねじ等の
いずれかの適切な留め具によってリファイナ・プレートに留められている。特に
、センサ素子は、センサ本体とリファイナ・プレートとの間に留められている。
かかる固定は、例えば、センサ本体を直接貫通するねじによって達成可能である
。

【００３９】 他の実施形態では、センサ・アセンブリは、センサ本体、１つ以上のセンサ素
子、およびホルダを備える。センサ・アセンブリは、いずれかの適切な留め具を
用いて、ホルダを介してリファイナ・プレートに取り付けられている。センサ素
子と力伝達接触の状態にあるセンサ本体の固定は、例えば、センサ本体をホルダ
にねじで留めて、センサ本体とホルダとの間でセンサ素子を締め付けるようにす
ることで達成される。しかしながら、センサ本体をホルダに直接ねじで留めるこ
となくセンサ本体をホルダに留めることが好ましい。例えば、ホルダは２つ以上
の部分から成り、その間にセンサ本体およびセンサ素子を締め付けて、ホルダの
これらの部分をねじ等の留め具で締め付けることができる。かかる実施形態では
、センサ本体とリファイナ・プレートおよび／またはホルダ間の物理的／機械的
な結合のみが、センサ素子を通り、センサ本体はセンサ素子上で「浮く」ように
なっている（例えば、以下の図２、４、１１、１４、１５、および１６に示す実
施形態を参照のこと）。

【００４０】 センサ本体とリファイナ・プレートおよび／またはホルダとの間でセンサ素子
を締め付けると、センサ素子を圧縮し、センサ素子に予圧を与えるという利点が
ある。予圧は、力センサの動作中にセンサ素子からの安定した信号を保証する（
例えばノイズを低減させる）のに役立つ。更に、締め付けによって、センサ・ア
センブリの構造的な完全性が与えられ、負荷が変化（例えば増大または低減）し
ても、センサ本体とセンサ素子（複数の素子）との間の接触が失われないことを
保証する。

【００４１】 リファイナにおける最適な動作のため、力センサ・アセンブリ（すなわち、セ
ンサ本体、センサ素子、もしあればホルダ、およびねじ等の金具を備えたアセン
ブリ）は、振動性の動作（周波数応答）を有し、リファイナにおけるバーのバー
通過周波数（すなわち、リファイナ・プレートの１つにおけるバーが他のプレー
ト上のバーを通過する周波数）よりもはるかに高い第１の共振周波数を有するよ
うになっている。ここで用いる場合、「最適な動作」という語は、各バー通過の
間にリファイナで生成される力を分析するために使用可能な力データを生成する
動作を意味するよう意図している。リファイナの設計、精砕プレートの設計、お
よびプレートの位置等のファクタに応じて、通常の商用リファイナにおけるバー
通過周波数は、約２０ｋＨｚと約５０ｋＨｚとの間で変動する。理論的には、力
センサ・アセンブリの第１の共振周波数は、バー通過周波数に対してできる限り
高くしなければならないが、第１の共振周波数をどれだけ高くすることができる
かは、物理的な制約によって制限される。バー通過周波数の約１０倍（１０ｘ）
である第１の共振周波数は、ほとんどの力センサ設計の上限であると予想され、
かかる第１の共振周波数は十分に良好に機能すると予想される。一方、バー通過
周波数の約１．５倍（１．５ｘ）である第１の共振周波数は、使用可能なデータ
を生成するが、センサ本体の振動のために多少の雑音も生成する。一般に、第１
の共振周波数を上昇させることができる４つの設計理論がある。

【００４２】 １．センサ本体の質量の低減。 ２．センサ素子からセンサ本体の質量中心までの距離の縮小。 ３．弾性率（剛性）の密度に対する比率が高い、センサ本体を製造する材料の選
択（例えば、炭素繊維／エポキシの複合物は、スチールよりも、弾性率の密度に
対する比率がはるかに高い）。 ４．製造および組み立て上の制約によって許される最低値まで厚さを小さくする
ことによる、センサ素子（例えば圧電）のコンプライアンスの低減。

【００４３】 有限要素解析等の理論的手順を用いて、力センサ・アセンブリの共振周波数を
決定することができる。理論値は、実験的に測定および確認することができる。

【００４４】 以下に、本発明による力センサの様々な実施形態について説明する。図１ない
し１６を通して、共通の参照番号は、説明する実施形態の同一または類似の構成
要素を指す。

【００４５】 図１および２の実施形態を参照すると、力センサ・アセンブリ１４を備えたリ
ファイナ・プレート１０が断面図で示されている。リファイナ・プレート１０は
、精砕面１６、この精砕面１６と反対側の非精砕面１８、および面１８の内部に
延在するキャビティまたはくぼみ２０を有する。リファイナ面１６は、複数のリ
ファイナ・バー２２を有する。

【００４６】 センサ・センブリ１４は、センサ本体３０および、センサ・ホルダ２８内に配
置された４つの圧電センサ素子２６を備えている。センサ・アセンブリ１４は、
くぼみ２０内に配置されている。

【００４７】 センサ本体３０は、センサ・ヘッド３２を有する。センサ・ヘッド３２は、こ
れを挿入するリファイナ・バーの一部の輪郭に合致する輪郭を有する。すなわち
、センサ・ヘッド３２の上面および側面は、これを挿入するリファイナ・バーの
隣接する上面および側面とほぼ揃っている。このため、センサ・ヘッド３２は、
これを挿入するリファイナ・バーの短い長さ（例えば５ミリメートル）を置換し
、好ましくは同じ材料で作られ、このため、これは同じ機械的特性を有する。

【００４８】 接着性充填剤５２（例えばシリコーン接着剤）が、センサ本体３０、リファイ
ナ・プレート１０、およびセンサ・ホルダ２８間の間隙を埋めて、水、蒸気、お
よび／またはパルプによるセンサ素子２６の汚染を防ぐ。

【００４９】 圧電センサ素子２６は、センサ本体３０とセンサ・ホルダ２８との間に配置さ
れている。組み立てを容易にするため、圧電センサを、例えばエポキシ等の接着
剤を用いてセンサ本体に接合することができるが、さもなければ、センサ・アセ
ンブリを締め付けることでセンサ素子は所定の位置に保持されるので、センサ本
体に対するセンサの接合は不必要である。図１に示す実施形態では４つの圧電素
子２６を用いるが、いかなる数のセンサ素子２６を組み込んだ設計も本発明の一
部となるように理解される。

【００５０】 図２に更に詳細に示すように、センサ・ホルダ２８は、留め具６５によって共
に保持された２つの部分２８ａ、２８ｂから形成されている。留め具を締め付け
ることによって、圧電センサ素子２６に予圧を加えて、動作の間、圧電素子２６
は確実に常に圧縮状態となる。更に、これによって、センサ素子２６がホルダ２
８内で力伝達接触状態にあることが確実となる。センサ・ホルダ２８は、ねじ６
０を用いて、精砕プレート１０の非精砕面１８のくぼみ２０内に留められる。

【００５１】 有限要素解析を用いて、図２に示す実施形態の第１の固有振動数は、３０ｋＨ
ｚであることがわかった。

【００５２】 図３Ａおよび３Ｂは、図２に示す実施形態等の力センサ・アセンブリの分解図
である。図示のように、例えばマイカ等の絶縁物質の薄い層７２が、圧電素子２
６の２つの対向面、および、それらが接触しているホルダ２８ａ、２８ｂの面の
各々の間に配置されている。必要な場合には、適切な接着剤を用いて、絶縁層を
圧電素子２６および／またはセンサ本体３０の表面および／またはホルダ２８ａ
、２８ｂに接合することができる。絶縁層７２は、圧電素子２６の表面上の電極
、センサ本体３０、およびホルダ２８間の電気的接触を防ぐ。センサ本体３０お
よび圧電素子２６は、ねじ６５によって、ホルダ２８の２つの部分２８ａ、２８
ｂ間に留められている。圧電素子２６の各々からのワイヤ（図示せず）が、ホル
ダ２８ａのオリフィス７６を通過する。

【００５３】 力センサ・アセンブリは、ねじ６０を用いて、リファイナ・プレート１０の非
精砕面１８のくぼみ２０に固定されている。リファイナ・プレート１０のくぼみ
２０は、リファイナ・プレートの熱処理後に加工する場合、放電加工（ＥＤＭ）
等のいずれかの適切なプロセスを用いて加工することができる。熱処理されてい
ない挿入物７８を、ＥＤＭによって加工した孔内に押し入れて、次いで、これら
の挿入物にタップをつけて、ねじ６０を止めるようにする。

【００５４】 図３Ｂに示すように、リファイナ・バー２２ａの開口８０がセンサ・ヘッド３
２を受けて、センサ・ヘッド３２がリファイナ・バー２２ａの一部を形成、セン
サ・ヘッド３２の露出面がリファイナ・バー２２ａの隣接面と同じ高さになるよ
うになっている。

【００５５】 以下に述べるリファイナ力センサの代替的な実施形態は、上述の設計原理の第
１および第２のものを利用し、この結果、図２の実施形態よりも第１の共振周波
数が高くなっている。これらの実施形態のいずれかの第１の共振周波数を更に上
昇させることは、上述の第３および第４の設計原理を適用することで達成可能で
ある。

【００５６】 図４に示す実施形態では、図１ないし３Ｂの実施形態におけるように、センサ
本体３０がＴ字形である。しかしながら、それらの実施形態とは異なり、センサ
・ホルダ２８は、センサ本体３０の一部を包含せず、単純な板に変更されている
。上述のように、センサ・ヘッド３２に加えられるせん断力および垂直力を分解
するために、圧電素子は２つだけ必要である。従って、これおよび以前の実施形
態では、４つのセンサ素子のうち２つを、任意選択として、イナクティブな素子
（すなわち、センサ素子のものとほぼ同じ有効コンプライアンスを有する、セン
サ素子と同じまたは異なる材料の素子）で置換することができる。例えば、本実
施形態では、２つの素子４６は、かかるイナクティブ素子である。ねじ６４によ
って、圧電素子２６に予圧が加えられる。また、ねじ６４は、リファイナ・プレ
ート１０のくぼみ２０にセンサ・ホルダ２８を固定する。イナクティブ素子４６
は、十分なコンプライアンスを有し、センサ・ヘッド３２に垂直力およびせん断
力がかかった場合、これらの力は主に圧電素子２６によって支えられる。センサ
・ホルダ２８の簡略化によって、センサ本体３０の長さおよび大きさを小さくす
ることが容易となり、このため、圧電素子２６からセンサ本体３０の質量中心ま
での距離の縮小化も容易となる。これらの変更は、全て、力センサ・アセンブリ
の第１の共振周波数の低下に貢献するものである。

【００５７】 図５に示す実施形態は、図４のものと類似しているが、イナクティブ構成要素
４６を除去し、センサ本体３０がねじ６２によって固定されている点が異なる。
ねじ６２を介して、圧電素子２６に予圧が加えられる。ねじは、センサ本体３０
の長手方向の軸上に位置している（すなわち、リファイナ・バー２２の長軸と整
合している）。ねじ６０は、リファイナ・プレート１０のくぼみ２０に力センサ
・アセンブリを取り付けるが、センサ素子２６に予圧を加えることはない。セン
サ・ヘッド３２が受けるせん断力および垂直力の一部は、圧電素子２６ではなく
ねじ６２を介してセンサ・ホルダ２８に伝達される。従って、ねじ６２は、圧電
素子２６よりもコンプライアンスが大きい（すなわち剛性が低い）ことが不可欠
であり、これによって圧電素子２６を介して十分な負荷が伝達されて、確実に測
定可能な信号を発生する。

【００５８】 図６に示す実施形態は、図５に示すものと類似しているが、センサ本体３０の
肩３４が、リファイナ・バー２２間の溝の基部２４でリファイナ・プレートの表
面と同じ高さである点が異なる。これによって、センサ本体３０の長さおよび大
きさが更に小さくなり、このため、圧電素子２６からセンサ本体３０の質量中心
までの距離が短くなり、結果として、第１の共振周波数が高くなる。しかしなが
ら、この実施形態は、ねじ６２が破損すると、センサ本体３０がリファイナ・プ
レート間の精砕ゾーンに落ち、リファイナに大きな損傷を与えるという欠点を有
する。先の実施形態では、センサ本体３０をリファイナ・プレート１０内で固定
して、破損の際にセンサ本体３０が精砕ゾーン内に移動してしまうことが防止さ
れる。

【００５９】 図６を参照すると、この実施形態は、ホルダ２８およびリファイナ・プレート
１０の非精砕面１８のくぼみ２０を除去することによって変更可能である。代わ
りに、精砕面１６に小さいくぼみを設けて、センサ本体３０および圧電素子２６
を受容する。リファイナ・プレート１０を貫通するオリフィスを設けて、精砕面
１６のくぼみ内にリファイナ本体３０を固定するためのねじ６２を受容する。か
かる変更した実施形態では、ホルダ２８を必要とすることなく、リファイナ・プ
レート１０の精砕面１６において、センサ本体３０を所定の位置に保持する。し
かしながら、かかる実施形態は、図６の実施形態に関して上述したものと同じ欠
点を有する。

【００６０】 図７は、圧電素子２６を有するセンサ本体３０の一実施形態を示し、先の実施
形態のいずれかに示したものと同様の力センサにおいて用いるのに適している。
図７に見られるように、センサ本体３０は、リファイナ・プレート１０の面に対
してある角度でセンサ素子２６を収容するように変更されている。従って、先の
実施形態のホルダ２８および／またはリファイナ・プレート１０をこれに従って
変更するには、本センサ本体に対応するようにすることが必要である。

【００６１】 上述のように、圧電素子は、ポーリング方向に垂直に発生する負荷に対してい
っそう敏感である。圧電素子２７のポーリング方向は、センサ構成要素に接触す
る２つの対向面に垂直であるので、この実施形態の圧電素子２７の傾斜のついた
向きは、センサ・ヘッド３２に加えられるせん断力を良好に分析できる。

【００６２】 図８に示す実施形態では、先の実施形態のものに対して、センサ本体３０の質
量を小さくしている。センサ本体３０は、リファイナ・プレート１０の表面に対
してある角度に位置付けた２つの圧電素子２６上に取り付けられている。先の実
施形態におけるように、この圧電素子２６の向きは、センサ・ヘッド３２に加え
られるせん断力を良好に分析できることを保証する。センサ本体３０は固定され
ており、圧電素子２６に予圧が加えられ、ねじ６２は、センサ本体３０およびホ
ルダ２８の中央に配置されている。また、センサ本体３０は、リファイナ・プレ
ート１０の精砕面下に延在するタブ４０を包含する。タブ４０は、ねじ６２の破
損の際にセンサ本体３０が精砕ゾーン内に落ちることを防ぐ。

【００６３】 図９に示す実施形態では、リファイナ・バーの一部を置換するホルダ２８を設
けることで、先の実施形態に対して、センサ本体３０の質量を更に小さくする。
センサ本体３０は、２つの圧電素子２６上に取り付けられており、これらは、先
の実施形態とは異なり、リファイナ・プレート１０のリファイナ・バー２２間の
溝の基部上に配置されている。センサ本体３０は固定されており、センサ本体３
０の中央に配置したねじ６２によって、圧電素子２６に予圧が加えられる。また
、センサ本体３０は、リファイナ・プレート１０の上面下に延在するタブ４０を
包含する。タブ４０は、ねじ６２の破損の際にセンサ本体３０が精砕ゾーンに落
ちることを防ぐ。

【００６４】 図１０に示す実施形態では、センサ本体３０は、４つの圧電素子２６上に横方
向に支持され、１つの圧電素子２９上に縦方向に支持されている。ホルダ２８は
、垂直延長部５４および保持プレート５６を備えている。センサ本体３０および
圧電素子２６は、１つ以上のねじ６５によって垂直延長部５４と保持プレート５
６との間で留められており、ねじ６５がセンサ素子に予圧を加える。

【００６５】 図１１の実施形態は、図１０に示すものと類似しているが、センサ本体３０が
４つの圧電素子２６ではなく２つの素子上に横方向に支持されている点が異なる
。

【００６６】 図１２の実施形態は、図１０に示すものと類似しているが、４つの圧電素子２
６がセンサ本体３０の中心軸に対してある角度で位置付けられており、センサ本
体３０の基部の圧電素子２９が除去されている点が異なる。センサ・ホルダ２８
の垂直延長部５４および保持プレート５６は、対向するくさびのような輪郭を有
する。ねじ６５が、垂直延長部５４と保持プレート５６との間にセンサ本体３０
を留め、センサ素子２６に予圧を加える。また、留めねじ６５を締め付けると、
くさび形の輪郭によって、センサ本体３０および圧電素子２６を垂直方向および
水平方向の双方で適切に配置することが保証される。

【００６７】 図１３の実施形態は、図１２に示すものと類似しているが、圧電素子２６のう
ち２つを除去し、センサ本体３０の中央の領域が細いウエブに変わっている点が
異なる。また、センサ・ホルダは、２つの部分２８ａ、２８ｂを備えている。セ
ンサ本体３０および圧電素子２６をホルダ部分２８ａ、２８ｂ間で留めると、こ
のウエブが、センサ本体３０の上部、従ってセンサ素子２６に予圧を伝達するが
、センサ・ヘッド３２に加えられた力を圧電素子２６に伝達するのに十分な可撓
性を有する。

【００６８】 リファイナ力センサ・アセンブリのみを示す図１４の実施形態では、センサ本
体３０は基部が三角形である。センサ本体３０は、３つの圧電素子２６上に支持
されている。センサ本体３０および圧電素子２６は、ホルダ２８の垂直延長部５
４と保持プレート５６との間に存在するホルダ２８内の三角形のくぼみ内に固定
されている。１つ以上のねじ６５によって、センサ素子２６に横方向に予圧を加
える。

【００６９】 図１５に示す実施形態では、センサ本体３０は、図１４に示すものと同様の三
角形のベース部分を有する。センサ・ホルダ２８は、センサ本体２８および３つ
の圧電素子２６を受容するための対応するスロット付きのくぼみを有する。図１
４の実施形態とは異なり、この実施形態のセンサ・ホルダ３０は、垂直延長部５
４も保持プレート５６も備えていない。代わりに、止めねじ７０およびプレート
５８を用いて、センサ・ホルダ２８内にセンサ本体３０を留めて、センサ素子２
６に予圧を加える。すなわち、止めねじ７０を締め付けると、プレート５８はセ
ンサ素子２６およびセンサ本体３０側へと強制的に動かされる。プレート５８に
はタブを付けて、止めねじ７０を回した場合に回転することを防ぐ。ホルダ２８
は、ねじ６４によって、リファイナ・プレート１０のくぼみ２０内に留める。

【００７０】 図１４および１５の実施形態では、センサ本体３０の基部の下の圧電素子２６
を、上述のようにイナクティブ素子によって置換することができる。イナクティ
ブ構成要素は、十分なコンプライアンスを有し、センサ・ヘッド３２に垂直力お
よびせん断力がかかった場合に、これらの力を主に残りの２つの圧電素子２６に
よって支えるようにしなければならない。

【００７１】 上述のように、いくつかの実施形態（例えば、図２、４、１１、１４、１５、
および１６に示したもの）では、センサ本体およびリファイナ・プレートおよび
／またはホルダ間の物理的／機械的な結合のみが、センサ素子を通り、センサ本
体がセンサ素子上で「浮く」ようになっている。図１０および１２の実施形態で
は、かかるセンサ本体３０の浮遊は、ねじ（複数のねじ）６５がセンサ本体３０
と接触しないならば達成可能であることを注記しておく。すなわち、センサ本体
３０の浮遊を達成するためには、センサ本体３０のオリフィスは、ねじ６５がセ
ンサ本体３０に接触しないように十分な距離でなければならない。

【００７２】 センサ動作 図１ないし１６の実施形態を参照すると、センサ・ヘッド３２に垂直力および
せん断力が加わった場合、圧電素子の各位置において反力が発生する。圧電素子
２６によって、反力の大きさに比例した電荷が発生する。適切な信号処理機器お
よびデータ解析を用いて、圧電素子２６の各々からの電気信号を測定および処理
することで、加わった垂直力およびせん断力を求めることができる。

【００７３】 動作例 図２の実施形態による力センサを、実験室のリファイナに設置した。リファイ
ナは、寸法が３０センチメートルで、大気圧で動作した。リファイナに、約２０
％の濃度のケミサーモメカニカル・パルプを供給した。図１７ＡおよびＢは、圧
電素子２６の２つからの信号を用いて算出した垂直力およびせん断力を示す。図
１７Ａでは、リファイナは、約２７０μｓというバー通過間の周期（約３．７０
ｋＨｚのバー通過周波数）に対応して、１２６０ｒｐｍで動作していた。図１７
Ｂでは、リファイナは、１３１μｓのバー通過周期（約７．６３ｋＨｚのバー通
過周波数）に対応して、もっと速い２５９４ｒｐｍで動作していた。これらの結
果から、本発明による力センサによって、個々のバー通過に関連した垂直力およ
びせん断力を測定可能であることがわかる。

【００７４】 上述の初期試験において用いた圧電素子は、寸法制御が良好でないことがわか
った。このため、良好な寸法制御を有する圧電素子（Ｐｉｅｚｏ Ｋｉｎｅｔｉ
ｃｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ、Ｂｅｌｌｅｆｏｎｔｅ、ＰＡ、ＰＫＩ＃５０
２、キュリー温度３５０℃）を、図２の力センサに組み込んだ。これによって、
組み立て中の許容誤差が改善され、センサ素子への負荷の配分がいっそう均一に
なった。更に、上述の初期試験で用いた電荷増幅器は、自社で開発したものであ
ったが、これを産業用の高品質電荷増幅器で置換した（Ｋｉｓｔｌｅｒ Ｔｙｐ
ｅ ５０１０）。これらの２つの要因によって、図１８ＡおよびＢに示すように
、センサから得られる信号の品質が向上した。

【００７５】 図１８Ａでは、リファイナは、約２．０６ｋＨｚのバー通過周波数に対応して
、７００ｒｐｍで動作していた。図１８Ｂでは、リファイナは、約７．６４ｋＨ
ｚのバー通過周波数に対応して、もっと速い２６００ｒｐｍで動作していた。こ
れらの結果から、力センサの最適化によって、個々のバー通過に関する垂直力お
よびせん断力の分解が良好になることがわかる。

【００７６】 測定システム 図１９を参照すると、精砕システム２００は、単一ディスク・リファイナ２０
２、電荷増幅器２０４、データ収集部２０６、およびコンピュータまたはコント
ローラ２０８を備えている。

【００７７】 単一ディスク・リファイナ２０２は、図１ないし１５に示した実施形態等の、
本発明に従った、リファイナ・プレートを備えた回転ディスク２１０および、リ
ファイナ・プレートを備えた固定ディスク２１２および、力センサ２１４を有す
る。各力センサ２１４は、上述の実施形態に示したような１つ以上の圧電センサ
素子を備えている。

【００７８】 リファイナ２０２は、ディスク２１０を回転させるための軸２１６および、木
材チップまたは木材パルプのための供給口２１８を有する。

【００７９】 従って、図１９は、リファイナ内の力を測定するために用いるシステムの様々
な構成要素を示す。図１９に示すリファイナは、単一回転ディスク・リファイナ
であり、一般に単一ディスク・リファイナと呼ばれている。図１９には４つの力
センサを示すが、用途に応じて、いかなる数を用いることも可能である。各力セ
ンサの各圧電素子は、電荷増幅器に接続されている。電荷増幅器はデータ収集部
に接続されている。図示の実施形態では、後者は、デジタル・オシロスコープ、
アナログ−デジタル変換器、または、電荷増幅器からの信号をサンプリングおよ
びデジタル化する他のいずれかの手段とすることができる。しかしながら、力セ
ンサ信号（複数の信号）を処理するために、アナログ技法も採用することができ
る。データ収集部は、デジタル・インタフェースを介してコンピュータに接続さ
れているので、測定データを転送して、固定ディスクのリファイナ・バーにかか
る力の大きさを求めるために処理することができる。

【００８０】 図２０は、精砕システム３００を示し、これは、一対の回転ディスク３１０お
よび３１２を有するリファイナ３０２、電荷増幅器３０４、データ収集部３０６
、およびコンピュータまたはコントローラ３０８を備えている。

【００８１】 リファイナ・ディスク３１２は、上述の実施形態に示したもののようなリファ
イナ・プレートおよび複数のセンサ３１４を備えている。リファイナ３０２は、
ディスク３１０および３１２を回転させるための軸３１６および、木材チップま
たは木材パルプのための供給口３１８を備えている。

【００８２】 スリップリング部３１９は、センサ３１４と電荷増幅器３０４との間の接続を
提供する。

【００８３】 従って、図２０は、双方のディスクが回転しているリファイナ（例えば２ディ
スク・リファイナ）の場合のように、回転ディスク上でリファイナ・バーにかか
る力を測定する場合の構成を例示する。この場合、力センサからのワイヤを、ス
リップリング部までリファイナの軸を通過させる。このスリップリング部は、電
気信号を回転部から非回転部まで、またはその逆に転送することを可能とする。
測定システムの残りの部分は、図１９において説明したものと同様である。図２
０に示したシステムの変形例では、電荷増幅器をリファイナの回転軸上に取り付
け、増幅した信号を、スリップリング部を介してデータ収集部に供給する。後者
の場合、非接触送信−受信システムを用いて増幅した信号を転送することで、ス
リップリング部を除去することも可能である。

【００８４】 応用 本発明には、多数の応用が認められており、以下で簡単に説明する。これらの
応用のいずれも、リファイナの精砕ゾーン内の複数の位置で、単一の力センサま
たは多数の力センサの配列を必要とする場合がある。特に明示した場合を除いて
、これらの応用は、機械的手段を用いてパルプを製造するために木材チップまた
は木材破片を精砕すること、または、木繊維またはパルプの何らかの特性を変更
するためにリファイナを用いることの双方を指す。

【００８５】 ａ）単一の力センサ、または複数の力センサの配列を用いて、リファイナ・バー
表面の面に垂直に作用する垂直力および、リファイナ・バー表面の面に作用する
せん断力の大きさを測定することができる。垂直力およびせん断力の相対的な大
きさは、加工される材料に対するリファイナの作用に影響を与え、リファイナへ
の材料の送り速度、供給する材料の固形分、リファイナにおけるプレートの間隙
、またはリファイナの回転速度を変更することで調整可能である。リファイナ動
作条件を操作して、プロセスの乱れによって生じる変化に応じて、せん断力およ
び垂直力間で一定の比率を維持するようにすることで、より均一な精砕作用を維
持することができる。 ｂ）単一の力センサ、または複数の力センサの配列を用いて、２つの対向するリ
ファイナ・プレート間の接触（プレート衝突）を検出することができる。力信号
の特定の特徴を監視して、かかる接触を検出することができ、例えばリファイナ
の軸方向に移動可能なプレートを後退させること等、補正のための対策を講じて
、リファイナ・プレートの完全性を保持し、早すぎる摩耗を防ぐことができる。
ｃ）リファイナにおいて測定される力の大きさは、とりわけ、リファイナ・バー
間に存在する物質量と、交差するバーの面間の距離（プレート間隙）とに依存す
る。例えばプロセスの乱れまたは供給材料の品質が均一でないために、リファイ
ナに供給される材料の質量流量が変化すると、リファイナ・バー間に存在する物
質量も変化する可能性がある。単一の力センサ、または複数の力センサの配列を
、リファイナにおけるプレート間隙を測定するための適切な手段と組み合わせて
用いて、かかる変化を検出し、補正のための対策を講じることができる。 ｄ）例えばツイン・リファイナ、円錐ディスク・リファイナ、マルチディスク・
リファイナ、Ｄｕｏｆｌｏリファイナ等の、多数の同軸精砕ゾーンを有するリフ
ァイナでは、複数のセンサ構成を用いて、異なる精砕ゾーン間の相対的な力の大
きさを測定することができる。制御システムの一部としてセンサを用いて、各精
砕ゾーンにおける材料流またはプレート・ギャップを調整して、所定の最適な動
作条件を維持することができる。

【００８６】 均等物 当業者は、本明細書中に記載した実施形態の変形を認識するであろう。かかる
変形は、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって包含される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態によるリファイナ力センサの断面を示す。

【図２】 図１の実施形態を更に詳細に示す。

【図３Ａ】 図２に示した実施形態の拡大図である。

【図３Ｂ】 図２に示した実施形態の拡大図である。

【図４】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図５】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図６】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図７】 本発明の別の実施形態によるセンサ本体および圧電素子を示す。

【図８】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図９】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図１０】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図１１】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図１２】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図１３】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図１４】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図１５】 本発明によるリファイナ力センサの代替的な実施形態の断面を示す。

【図１６】 図１５に示した実施形態の拡大図である。

【図１７Ａ】 図２の実施形態による力センサを用いてリファイナにおいて測定した垂直力お
よびせん断力を示すグラフである。

【図１７Ｂ】 図２の実施形態による力センサを用いてリファイナにおいて測定した垂直力お
よびせん断力を示すグラフである。

【図１８Ａ】 図２の実施形態による力センサを用いてリファイナにおいて測定した垂直力お
よびせん断力を示すグラフである。

【図１８Ｂ】 図２の実施形態による力センサを用いてリファイナにおいて測定した垂直力お
よびせん断力を示すグラフである。

【図１９】 単一ディスク・リファイナ内の力を測定するために用いるシステムのブロック
図である。

【図２０】 ２ディスク・リファイナ内の力を測定するために用いるシステムのブロック図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ウェレ、ダニエル カナダ国 ブリティッシュ コロンビア、 ヴァンクーヴァー、 ケベック ストリー ト 3345 Ｆターム(参考） 2F051 AA00 AB08 BA07 4L055 BA14 BB03 CA17 CA21 CA40 CB14 CB19 CB60 DA09 DA17 DA19 DA23 DA30 FA04

Claims (34)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 木材パルプを生成または加工するためのリファイナのリファ
   イナ・バー上に作用する力を測定するための力センサであって、 センサ・ヘッドを有するセンサ本体と、 前記センサ本体と力伝達接触の状態にある少なくとも１つのセンサ素子と、 を備え、前記少なくとも１つのセンサ素子は、木材パルプを生成または加工する
   ためのリファイナのリファイナ・バー上に作用する力の大きさを示す信号を生成
   する、力センサ。
2. 【請求項２】 前記リファイナ・バーはリファイナ・プレート上にある、請
   求項１の力センサ。
3. 【請求項３】 前記リファイナ・プレートは、リファイナ・バーを有する精
   砕面と、前記精砕面に対向する非精砕面とを備える、請求項２の力センサ。
4. 【請求項４】 前記センサ・ヘッドは、前記リファイナ・バーの一部を置換
   するように構成されている、請求項１、２、または３の力センサ。
5. 【請求項５】 前記センサ・ヘッドは、前記リファイナ・バーの全てを置換
   するように構成されている、請求項１、２、または３の力センサ。
6. 【請求項６】 前記センサ本体は、前記リファイナ・バーと同じ材料のもの
   である、請求項４または５の力センサ。
7. 【請求項７】 前記センサ・ヘッドは、前記リファイナ・バーのものと合致
   する輪郭を有する、請求項４または５の力センサ。
8. 【請求項８】 前記センサ本体は、前記リファイナ・プレートの前記精砕面
   に取り付けられている、請求項３の力センサ。
9. 【請求項９】 前記センサ本体は、前記リファイナ・プレートの前記精砕面
   のくぼみ内に嵌合するように構成されている、請求項３の力センサ。
10. 【請求項１０】 前記センサ本体は、前記精砕プレートの前記非精砕面に取
    り付けられている、請求項３の力センサ。
11. 【請求項１１】 前記センサ本体は、前記精砕プレートの前記非精砕面のく
    ぼみ内に嵌合するように構成されている、請求項３の力センサ。
12. 【請求項１２】 ２つ以上のセンサ素子が設けられ、前記センサ本体は前記
    センサ素子上で浮遊する、請求項１、２、または３の力センサ。
13. 【請求項１３】 ２つ以上のセンサ素子が設けられ、前記センサ本体は前記
    センサ素子上で浮遊して、前記センサ本体と前記リファイナ・プレートとの間の
    結合のみが前記センサ素子を通るようになっている、請求項２または３の力セン
    サ。
14. 【請求項１４】 ホルダを更に備え、２つ以上のセンサ素子が設けられ、前
    記センサ本体は前記センサ素子上で浮遊して、前記センサ本体と、前記リファイ
    ナ・プレートおよび前記ホルダの少なくとも１つとの間の結合のみが前記センサ
    素子を通るようになっている、請求項２または３の力センサ。
15. 【請求項１５】 前記少なくとも１つのセンサ素子は圧電性である、請求項
    １ないし４のいずれか１項の力センサ。
16. 【請求項１６】 前記少なくとも１つのセンサ素子は圧電セラミック製であ
    る、請求項１ないし１４のいずれか１項の力センサ。
17. 【請求項１７】 前記測定される力は、せん断力および垂直力から選択した
    少なくとも１つの力である、請求項１ないし１６のいずれか１項の力センサ。
18. 【請求項１８】 前記少なくとも１つのセンサ素子は、信号処理機器と接続
    するように構成されている、請求項１ないし１７のいずれか１項の力センサ。
19. 【請求項１９】 前記力センサは、前記リファイナのバー通過周波数の少な
    くとも約１．５倍である第１の共振周波数を有する、請求項１ないし１８のいず
    れか１項の力センサ。
20. 【請求項２０】 木材パルプを生成または加工するためのリファイナのリフ
    ァイナ・バー上に作用する力を測定する方法であって、 センサ・ヘッドを有するセンサ本体を設けるステップであって、前記センサ・
    ヘッドは前記リファイナ・バーの全てまたは一部を置換するように構成されてい
    る、ステップと、 前記センサ本体と力伝達接触の状態に少なくとも１つのセンサ素子を配置する
    ステップと、 前記リファイナにおいて木材粒子または木材パルプを精砕して木材パルプまた
    は精砕した木材パルプを生成するステップであって、前記センサ・ヘッドに力を
    加えて、前記少なくとも１つのセンサ素子において前記力を示す信号を生成する
    ようにする、ステップと、 前記センサ本体に加えられた前記力の尺度として前記信号を評価するステップ
    と、 を備える方法。
21. 【請求項２１】 前記リファイナ・バーはリファイナ・プレート上にあり、
    前記リファイナ・プレートは、リファイナ・バーを有する精砕面と、前記精砕面
    に対向する非精砕面とを備える、請求項２１の方法。
22. 【請求項２２】 前記センサ本体は、前記リファイナ・プレートの前記精砕
    面に取り付けられている、請求項２１の方法。
23. 【請求項２３】 前記センサ本体は、前記リファイナ・プレートの前記非精
    砕面に取り付けられている、請求項２１の方法。
24. 【請求項２４】 ２つ以上のセンサ素子が設けられ、前記センサ本体は前記
    センサ素子上で浮遊する、請求項２０または２１の方法。
25. 【請求項２５】 ２つ以上のセンサ素子が設けられ、前記センサ本体は前記
    センサ素子上で浮遊して、前記センサ本体と前記リファイナ・プレートとの間の
    結合のみが前記センサ素子を通るようになっている、請求項２１の方法。
26. 【請求項２６】 前記センサ本体および前記センサ素子のためのホルダを設
    けるステップを更に備え、２つ以上のセンサ素子が設けられ、前記センサ本体は
    前記センサ素子上で浮遊して、前記センサ本体と、前記リファイナ・プレートお
    よび前記ホルダの少なくとも１つとの間の結合のみが前記センサ素子を通るよう
    になっている、請求項２１の方法。
27. 【請求項２７】 前記少なくとも１つのセンサ素子は圧電性である、請求項
    ２０ないし２６のいずれか１項の方法。
28. 【請求項２８】 前記少なくとも１つのセンサ素子は圧電セラミック製であ
    る、請求項２０ないし２６のいずれか１項の方法。
29. 【請求項２９】 前記測定される力は、せん断力および垂直力から選択した
    少なくとも１つの力である、請求項２０ないし２８のいずれか１項の方法。
30. 【請求項３０】 せん断力および垂直力を測定し、前記測定した力を用いて
    、材料の送り速度、パルプの濃度、リファイナ・モータ負荷、入口圧力、出口圧
    力、プレート間隙、および回転速度から選択した１つ以上の変数を操作すること
    で、リファイナの動作を調整し、前記測定した垂直力およびせん断力の比率が一
    定にまたは所定範囲内に維持されるようにする、請求項２０ないし２９のいずれ
    か１項の方法。
31. 【請求項３１】 前記測定した力を用いて、リファイナにおいて対向するデ
    ィスク間の接触を検出する、請求項２０ないし２９のいずれか１項の方法。
32. 【請求項３２】 前記リファイナの軸方向に移動可能なプレートを後退させ
    ることで、対向するディスク間の接触を補正する、請求項３１の方法。
33. 【請求項３３】 多数の力センサを用いる、請求項３０または３１の方法。
34. 【請求項３４】 パラメータを求めるための検知手段を有する木材パルプの
    ための精砕装置において、前記検知手段が請求項１ないし１９のいずれか１項の
    前記力センサを備えた、改良。