JP2010535325A

JP2010535325A - 繊維性材料の特性を検出するための装置

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Publication number: JP2010535325A
Application number: JP2009522361A
Authority: JP
Inventors: ディオニージ，マルコ
Original assignee: GD SpA
Current assignee: GD SpA
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2010-11-18

Abstract

【課題】タバコの密度又は湿度、又は異物の有無を検出するためのマイクロ波装置を提供する。
【解決手段】装置（４）は同軸状のリエントリー共振器（５）を有し、それは軸方向貫通孔（１３）を備えた実質的に円筒状の金属本体（１０）と、この本体（１０）の内側のＬ字型形状チャンバ（１１）とを有する。共振器のキャビティは真空か、或いは誘電材料や高分子材料によって満たされている。
【選択図】図３

Description

本発明は繊維性材料（fibrous material）の少なくとも１つの特性を検出するための装置、該装置の共振器、及びそのような装置を有し、特にタバコのようなタバコ産業の円筒状物品を生産するための機械に関する。

より具体的には、本発明は、繊維性材料の少なくとも１つの特性を検出する装置であって、使用中に、特定の方向に繊維性材料が送り込まれる通路とマイクロ波共振器を有する装置に関する。その共振器は、導電性材料からなる少なくとも１つの本体、該本体によって画定される少なくとも１つのチャンバ、マイクロ波信号を発する発信手段、及びマイクロ波を受信する受信手段を有する。そして、チャンバは少なくとも第１の誘電材料を含んでいる。

ここでは“繊維性材料”は、繊維を含有する材料を意味するよう意図されており、望ましくは、タバコとセルロース・アセテートからなるグループから選択される。

ここで、“繊維性材料の特性”とは、密度、湿度、および、異物からなるグループから選択された特性を意味するものとする。

特許文献１は、タバコの湿度を測定する装置であって、貫通軸穴を備えた略円筒状のマイクロ波共振器を有する装置を記述している。

上述したタイプの検出装置は、特に、共振器が比較的低い周波数での使用された場合、かなり嵩張り巨大化してしまうという欠点を持っている。そのような場合、公知の共振器は、特定方向に対し実質的に垂直な方向にかなり巨大化する。

比較的小さな間隔を隔てて平行に移動する２本のタバコロッドの湿度又は密度を測定する際に、公知の比較的大きな共振器にとっては位置取りが極端に難しい。

米国特許ＵＳ６４５２４０４号明細書独国特許ＤＥ２０２００５０１０３７５号明細書欧州特許ＥＰ７９１８２３号明細書欧州特許ＥＰ９０２２７７号明細書

本発明の目的は、繊維性材料の少なくとも１つの特性を検出するための装置、該装置の共振器、及び上記装置を有してたばこ産業の円筒状物品を生産する機械であって、これらは全て安価かつ容易に製造できる一方で上述した欠点の少なくとも一部を解消できるような各装置、機械を提供することにある。

本発明によれば、繊維性材料の少なくとも１つの特性を検出するための装置、該装置の共振器、及び上記装置を有してたばこ産業の円筒状物品を生産する機械であって、添付した独立請求項、又は独立項に直接又は間接的に従属する請求項に記載された上記装置、上記共振器及び上記機械が提供される。

例証として、本発明による数多くの非限定的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。
本発明によるタバコ製造機械の一部であって、明瞭化のために部品を取り除いた状態での概略的前方図である。本発明による湿度又は密度検出装置の、明瞭化のために部品を取り除いた状態での概略的斜視図である。図２に示す装置の縦断面図である。図３に示す装置の更なる実施形態を示す縦断面図である。試験データのグラフであって、ｘ軸が周波数（ＧＨｚ）、ｙ軸が出力測定値を示すグラフである。試験データのグラフであって、ｘ軸が周波数偏差（ＧＨｚ）、ｙ軸が出力測定値偏差を示すグラフである。既知密度と湿度のタバコを測定して得られた試験データを線形補間することでプロットされた線を示し、ｘ軸はＡ_Δ/Ａ_i比を、ｙ軸は密度を示す図である。図１の装置によって生成されたマイクロ波場の電気成分の試験検出強度の概略図である。図１の装置によって生成された更なるマイクロ波場の電気成分の試験検出強度の概略図である。

図１はタバコを生産するための機械１の一部を示している。機械１は、タバコロッド３（即ち、タバコの紙で包装された１つなぎのタバコ）を経路Ｐに沿って所定方向Ａに沿って給送し、かつタバコロッド３におけるタバコの密度又は湿度を検出する検出装置４（図１では概略的に示す）を通して給送するコンベア２を有する。

特に図２及び図３を参照するに、装置４はタバコの密度又は湿度を測定するマイクロ波共振器５を有し、この共振器５は所定の幾何学形状のマイクロ波場を生成すると共に検出信号を発信する。より詳しくは、共振器５は発電機７に接続された発信アンテナ６と、プロセッサ９に接続された受信アンテナ８とを有する。

発信アンテナ６と受信アンテナ８は、マイクロ波場における最適な発信と受信を達成するために、方向Ａを横切るように、好ましくは方向Ａに垂直に配置される。

共振器５は、少なくとも1つの導電材料であって、特にスチールのような金属からなる本体１０と、この本体１０によって画成されたチャンバ１１とを有する。チャンバ１１は、少なくとも１つの誘電材料であって、不十分な伝導性にもかかわらず、比較的効果的に電場を維持できる材料を含む。誘電材料の例としては、以下に限定されるものではないが、空気；液体、固体、泡又はゲル状の高分子材料（例えば、固体やゲルや泡の形態のどれでも良いポリエチレンかポリウレタン）；有機液体（即ち、炭素化合物を含む液体）；及び真空などがある。

図２及び図３に示すように、本体１０は実質的に円筒のリング形状であり、本体１０に実質的に同軸をなす貫通孔１２（lumen12）を形成し、この貫通孔１２は使用時においてタバコロッド３が給送される通路１３を少なくとも部分的に形成する。

チャンバ１１は、方向Ａに平行なＬ字断面を有しており、方向Ａに実質的に平行な部分１４と、方向Ａを横切る、特に、方向Ａに対し実質的に垂直な部分１５とからなる。この部分１５の一端は部分１４に接続している。また部分１５の開口端１７、即ち導電性材料によって境界付けられていない端部１６とは反対側の端部は通路１３に面している。より詳しくは、端部１７は通路１３によって境界付けられている。好ましい実施形態において、端部１７は、方向Ａに平行な測定方向で、０．５〜３ミリ、より好ましくは１ミリの長さを持つ。

部分１４、１５はそれぞれ、互いに対し、かつ本体１０に対し実質的に同軸の環状の形状をなす。より具体的には、部分１４、１５はそれぞれの実質的に円形の管状の形状である。

本体１０は、結合された状態でチャンバ１１を形成する２個のハーフシェル１８、１９（half-shells 18,19）を有する。ハーフシェル１８、１９は、環状の形状をなし、締め付け手段、特に２つのネジ（図示せず）によって結合される。

共振器５は、その部分１４が短絡した伝送回線として作用し、ハーフシェル１８、１９が部分１５において静電容量を形成する、実質的に同軸の共振器である。

本体１０は、部分１４と通路１３を隔てる壁２４と、部分１４を挟んで壁２４と反対側に位置する壁２７とを有する。壁２４は、端面２５と、この端面２５を横切る外面２６を有し、少なくとも通路１３を画成する。壁２７は内面２８を有する。端面２５は部分的に部分１５を形成し、所定方向Ａに実質的に垂直な方向で測定された端面２５の幅の寸法は、この幅と平行な測定された状態での、部分１５における内面２８と外面２６との間の間隔の半分より大きいか又は等しくなっている（好ましくは、大きい）。より具体的には、外面２６は、内面２８に実質的に平行であってかつ端面２５に対し実質的に垂直をなし、上記幅と間隔は共に、貫通孔１２に沿って延びる本体１０の長手軸に対し半径方向の測定値である。

また、共振器５は誘電材料からなるセパレータ２０を有する。このセパレータ２０は、実質的に円筒環状の形状をなし、本体１０、部分１４及び部分１５と実質的に同軸を成す。より具体的には、セパレータ２０は、端部１７の位置で部分１５の内側に収容され、タバコ粒子がチャンバ１１に入るのを実質的に防ぐように形成される。セパレータ２０を成す誘電材料の誘電率は、チャンバ１１の部分１４の内側にある誘電材料のそれとは異なることが望ましい。好ましい実施形態では、チャンバ１１は空気を含み、セパレータ２０はポリエチレンから形成される。

図示されない他の実施形態では、チャンバ１１は方向Ａに平行なＴ字型形状の断面を有する。

また別の実施形態においてチャンバ１１は、低圧、即ち大気圧未満の空気又は真空を含んでいる。

図８は、共振器５によって生成されたマイクロ波場の、方向Ａに垂直な電気成分の強度を概略的に示し、図９は共振器５によって生成されたマイクロ波場の、方向Ａに平行な電気成分の強度を概略的に示し、より暗い部分はそれだけ強度が大きいことを示している。図８及び図９に示されるように、マイクロ波場はチャンバ１１の部分１５、及び部分１５の位置での通路１３において特に強い。部分１５におけるマイクロ波場の濃度は、チャンバ１１内の誘電材料の種類よりも、主としてチャンバ１１の特別な形状に起因する。

共振器５、特にチャンバ１１のある幾何学的な要素により、本体１０の半径方向寸法を変更することなくマイクロ波場周波数を変えることができる。これに関連し留意すべき重要点は、部分１４の長さを増加するとマイクロ波場周波数を減少できることであり、結果として比較的小さい共振器５を得ることが可能となり、この共振器を使用することで２つ以上のタバコロッド３が平行に並んで前進するタバコ製造機械に利点をもたらすことができる。

マイクロ波場周波数の変動に関しては、端面２５の幅と内面２８／外面２６の間隔との間に上述したような寸法関係が成立することが特に有利である。

実際の使用では、タバコロッド３が装置４を通って移動するのに伴い、共振器５はマイクロ波場を発生させて、このマイクロ波場はタバコロッド３中のタバコによって擾乱されて、擾乱依存型の検出信号を発信する。この時点で、プロセッサ９は参照データ項目と検出信号を比較する。より明確には、プロセッサ９は、検出信号に応じて検出データ項目を決定して、参照データ項目と検出データ項目を比較する。検出信号と参照データ項目の差が所定の閾値を超えた時、タバコロッド３の欠陥部分を示すエラー信号が出力され、この場合、装置４の下流側でプロセッサ９に接続された廃棄ユニット（図示せず）がタバコロッド３の欠陥部分を除去することになる。

共振器５とプロセッサ９の動作を図５及び図６を参照しながらより明確に説明する。定期的に共振器５は、マイクロ波場のマイクロ波の周波数を1ＧＨｚと300ＧＨｚの間で変動させる掃引動作を行う。マイクロ波場のタバコ又は生体組織への加熱を回避する観点からマイクロ波周波数は２〜３ＧＨｚの間で変化することが好ましい。

図５はマイクロ波場内に実質的に物を置かない状態での基準信号の基準曲線Ｃ_Ｒを示しており、ｘ軸はマイクロ波の周波数、ｙ軸は電力測定値を示している。基準曲線Ｃ_Ｒは所定の基準周波数Ａ_Ｒでピークとなり、中間のピーク高さにおいて基準振幅Ｂ_Ｒを持つ。

また、図５には各検出信号のレスポンス曲線Ｃ_i、Ｃ_ii、Ｃ_iiiも示されている。各レスポンス曲線はピーク周波数の検出値がＡ_i、中間ピーク高さにおける振幅の検出値がＢ_iとなり、その双方がタバコロッド３の部分の湿度と密度に依存することになる。

実際の使用では、プロセッサ９は、検出信号を受信し、ピーク検出された周波数Ａ_iと検出された振幅Ｂ_iとを決定し、これらは検出信号と参照データ項目との比較のために処理される。

好ましくはプロセッサ９は、検出されたピーク周波数Ａ_iと基準周波数Ａ_Ｒの間の第１の偏差Ａ_Δと、検出された振幅Ｂ_iと基準振幅Ｂ_ＲのBiの間の第２の偏差Ｂ_Δとを決定する。そのポイントで、以下の式によりタバコロッド３の検出された湿度が計算される：

ここでφは検出された湿度に正比例する。これに関して注目すべき点は、（図６に示したように）ｘ軸に沿った第１偏差Ａ_Δと、ｙ軸に沿った第２の偏差Ｂ_Δを示した試験グラフにおいて、実質的に同じ湿度のタバコロッド３の連続した部分の検出信号に関するポイントは実質的に同じラインに沿っていることである。

検出された湿度を計算し、プロセッサ９は、検出湿度、及び、第１偏差Ａ_Δ又は第２偏差Ｂ_Δの関数としての検出タバコ密度を決定することが好ましい。より具体的には、その各曲線が与えられた一定湿度（したがって、所定の一定値φ）での比率Ａ_Δ／Ａ_iの関数として（図７にρで示された）密度パターンを決定する、予め実験的に決定された曲線（特に、直線）Ｔ（図７）を使用して、密度は計算される。

この時点で、検出された密度はレファレンス密度と比較され、検出密度・基準密度間の差が閾値を超えた時、エラー信号が発信される。

或いは又、共振器５とプロセッサ９は、以下の特許文献２、特許文献３、及び、特許文献４のいずれかに記載されたように作動することができる。

図４に示された更なる実施形態において、共振器５は、分離した２つの実質的に平行六面体形状のサブユニット２１、２２を有し、サブユニット２１、２２の夫々は、導電性材料からなる２個のハーフシェル１８、１９を有する本体１０と、ハーフシェル１８、１９によって画成されるチャンバ１１とを有する。

各チャンバ１１は、実質的に非対称的なＴ字型の形状をなし、固体誘電材料（特に、ポリエチレンかポリウレタン）の要素２３を含む。

更なる実施形態においては、図示しないが各チャンバ１１はＬ字型形状である。

各チャンバ１１は部分１４、１５を有し、本体１０は、部分１４と通路１３を隔てる壁２４と、部分１４に対して壁２４と反対側に位置する壁２７とを有する。壁２４は、端面２５と、この端面２５を横切る外面２６を有し、少なくとも通路１３を画定する。壁２７は内面２８を有する。端面２５は部分的に部分１５を画定し、所定方向Ａに実質的に垂直方向に測定された端面２５の幅の寸法は、この幅と平行に測定された、部分１５における内面２８と外面２６との間の間隔の半分より大きいか又は等しくなっている（好ましくは、大きい）。より具体的には、外面２６は、内面２８に実質的に平行であってかつ端面２５に対し実質的に垂直をなし、上記幅と間隔は共に、貫通孔１２に沿って延びる本体１０の長手軸に対し半径方向の測定値である。

この場合においても又、単純に部分１４の長さを変えることによって、マイクロ波場周波数を変えることができる。

図示しない別実施形態においては、チャンバ１１は空気を含むだけである。

図示しない更なる別実施形態において、本体１０は、２個のハーフシェルからならずに一体形成される。

図示されない別実施形態において、チャンバ１１を形成する本体１０は、スチールなどの第１導電性材料と、アルミニウムかインバー合金などの第２導電性材料とを有する。例えば、本体１０は、第１導電性材料からなるハーフシェル１８と第２導電性材料からなるハーフシェル１９とを備えても良く、或いは第１導電性材料からなるハーフシェル１８の一部と、第２導電性材料からなるハーフシェル１９の一部とを備えても良い。

第１及び第２導電性材料を適当に選択すること、又は第１又は第２導電性材料からなるハーフシェル部分を適当に選択することにより、本体１０を成す金属材料の熱膨張を最小にでき、本体１０によるチャンバ１１の形状変化を回避することができる。

以上の記述は、タバコの密度又は湿度を検出・測定するための装置４の使用に関するものであるが、指摘すべきは、他のタイプの繊維性材料の少なくとも１つの特性の決定する際に本発明の教示を生かしても良いことがある。例えば、装置４をタバコフィルタ製造機又は葉巻製造機械に搭載しても良い。

検出信号を適当に処理することにより、本発明の教示を、繊維性材料内にある異物（プラスチック又は金属粒子)の有無又は異物量を決定するのに使用しても良い。

Claims

繊維性材料の少なくとも1つの特性を検出するための装置であって、使用時、前記繊維性材料を所定の第１の方向（Ａ）に給送する通路（１３）とマイクロ波共振器（５）を有し、前記マイクロ波共振器（５）は、少なくとも第１の導電性材料からなる少なくとも１つの本体（１０）と、該本体（１０）によって画定された少なくとも１つのチャンバ（１１）と、マイクロ波信号を発信する発信手段（６）と、マイクロ波信号を受信する受信手段（８）とを有し、前記チャンバ（１１）は少なくとも第１の誘電材料を内部に有し、前記共振器（５）は前記通路（１３）を少なくとも部分的に画定する、前記装置（４）において、
前記チャンバ（１１）は、前記所定方向（Ａ）に実質的に平行をなし長手方向に延びる第１の部分（１４）と、前記第１の部分（１４）から延びて前記所定方向（Ａ）を横切る第２の部分（１５）とを有し、該第２の部分（１５）は、前記第１の部分（１４）に接続される第１端部（１６）と、該第１端部（１６）と反対側に位置して前記通路（１３）に面する開口した第２端部（１７）とを有することを特徴とする装置。
前記第２の部分（１５）は前記所定方向（Ａ）に実質的に垂直に延びることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記第２の部分（１５）は前記通路（１３）によって画定されることを特徴とする請求項１、２のいずれか１つに記載の装置。
前記チャンバ（１１）は前記所定方向（Ａ）に平行なＬ字型状断面を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の装置。
前記チャンバ（１１）は前記所定方向（Ａ）に平行なＴ字型状断面を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の装置。
前記第１の誘電材料は空気であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の装置。
前記チャンバ（１１）内の空気は１気圧未満の圧力であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
前記第１の誘電材料は実質的な真空であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の装置。
前記第１の誘電材料は実質的にポリエチレンであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の装置。
第２の誘電材料からなるセパレータ（２０）を有し、該セパレータ（２０）は、前記第２端部（１７）において前記第２の部分（１５）の内側に収納されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の装置。
前記セパレータ（２０）は、繊維性材料の粒子が前記チャンバ（１１）に流入するのを実質的に防止するように製造されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
前記第２の誘電材料は前記第１の誘電材料とは異なる誘電率を持つことを特徴とする請求項１０、１１のいずれか１つに記載の装置。
前記本体（１０）は、第１の導電材料からなる第１の部分と、第２の導電材料からなる第２の部分とを有することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の装置。
前記共振器（５）は同軸共振器であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１つに記載の装置。
前記共振器（５）は、短絡した伝送回線と、静電容量とを有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１つに記載の装置。
前記本体（１０）は、
前記第１の部分（１４）と前記通路（１３）とを分離する第１の壁（２４）であって、端面（２５）と、少なくとも部分的に前記通路（１３）を画定して前記端面（２５）を横切る外面（２６）とを有する第１の壁（２４）、及び
前記第１の壁（２４）に対して前記第１の部分（１４）と反対側に位置し内面（２８）を有する第２の壁（２７）、を有し、
前記端面（２５）は、前記第２の部分（１５）を部分的に画定すると共に、前記端面の前記所定方向（Ａ）に実質的に垂直な方向で測定された幅の寸法は、当該幅と平行に測定された、前記第２の部分（１５）での前記内面（２８）と前記外面（２６）との間の間隔の半分より大きいか又は等しいことを特徴とすることを請求項１から１５のいずれか１つに記載の装置。
前記外面（２６）は前記内面（２８）に対し実質的に平行であり、前記端面（２５）に対し実質的に垂直であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
前記本体（１０）は円形筒状の環状の形状をなし、前記通路（１３）を少なくとも部分的に画定する貫通孔（１２）を成し、前記幅と前記間隔は、前記貫通孔（１２）に沿って延びる本体（１０）の長手軸に対し半径方向に測定されたものであることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
前記本体（１０）は環状の形状をなし、前記通路（１３）を少なくとも部分的に形成する貫通孔（１２）を成すことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１つに記載の装置。
前記本体（１０）は実質的に円形の筒状の形状であることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
前記チャンバ（１１）の前記第１及び第２の部分（１４，１５）は、夫々環状の形状をなすことを特徴とする請求項１９、２０のいずれか1つに記載の装置。
誘電材料からなるセパレータ（２０）を有し、該セパレータ（２０）は前記第２端部（１７）において前記第２の部分（１５）の内側に収納され、繊維性材料の粒子がチャンバ（１１）に進入するのを防止すると共に、前記セパレータは環状の形状であることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
前記第１及び第２の部分（１４，１５）及び前記セパレータ（２０）は、夫々円形の筒状の形状をなすことを特徴とする請求項２１、２２のいずれか1つに記載の装置。
前記本体（１０）は、結合時に前記チャンバを画定する２つの環状形状をなすハーフシェル（１８，１９）を有することを特徴とする請求項１９から２３のいずれか１つに記載の装置。
前記共振器（５）は、互いに分離した第１及び第２のサブユニット（２１，２２）を有し、該第１のサブユニット（２１）は、少なくとも１つの導電性材料からなる第１の本体（１０）と、該第１の本体（１０）によって画定される第１のチャンバ（１１）と、前記発信手段（６）とを有し、前記第２のサブユニット（２２）は、少なくとも１つの導電性材料からなる第２の本体（１０）と、該第２の本体（１０）によって画定される第２のチャンバ（１１）と、前記受信手段（８）とを有することを特徴とする請求項１から１７のいずれか１つに記載の装置。
前記第１及び第２の本体（１０）は、それぞれ実質的に平行六面体の形状であることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
前記第１及び第２のチャンバ（１１）は、それぞれＴ字型形状であることを特徴とする請求項２５、２６のいずいれか1つに記載の装置。
前記第１及び第２のチャンバ（１１）は、それぞれＬ字型形状であることを特徴とする請求項２５、２６のいずれか1つに記載の装置。
繊維状材料、特にタバコの密度又は湿度を検出するための請求項１から２８のいずれか１つに記載の装置。
繊維性材料の少なくとも1つの特性を検出するための装置であって、使用時、前記繊維性材料を所定の第１の方向（Ａ）に給送する通路（１３）とマイクロ波共振器（５）を有し、前記共振器（５）は導電性材料からなる少なくとも１つの本体（１０）と、該本体（１０）によって画定された少なくとも１つのチャンバ（１１）と、マイクロ波信号を発信する発信手段（６）と、マイクロ波信号を受信する受信手段（８）とを有し、前記チャンバ（１１）は少なくとも１つの誘電材料を含有し、前記共振器（５）は前記通路（１３）を少なくとも部分的に形成する、以上の前記装置（４）において、
前記誘電材料は、空気と真空からなるグループから選択されることを特徴とする装置。
請求項１から２９のいずれか１つで定義された、請求項３０に記載の装置。
前記発信手段（６）は、前記所定方向（Ａ）を横切るように向けられた発信アンテナ（６）を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３１のいずれか１つに記載の装置。
前記受信手段（８）は、前記所定方向（Ａ）に対し横向きの受信アンテナ（８）を有することを特徴とする請求項１から３２のいずれか１つに記載の装置。
請求項１乃至請求項３３のいずれか１つで定義されたマイクロ波共振器。
タバコ産業での筒状物品を生産する機械であって、請求項１から３３のいずれか１つに記載の装置（４）を有することを特徴とする機械。