JP2533580B2 - 基礎重量センサおよびシ―ト状物質の組成を特徴づける方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シート紙の品質を特徴づける装置および方
法に関するものであり、更に詳しくいえば、シート紙が
細い光ビームを垂直に横切って動く時にそのシート紙を
透過するその光ビームの強さの変化を監視することによ
り、そのシート紙中のセルローズ繊維の分布を測定する
装置および方法に関するものである。

〔従来の技術〕

紙は懸濁された繊維から製造される。紙は、主として
木材およびぼろから製造されたセルローズで通常製造さ
れる。シート紙の光学的性質、機械的性質および印刷性
の面にとっては、シート紙中にそれらの繊維が一様に分
布していることが極めて重要である。したがって、製紙
業における主な目標の１つは製紙法を開発し、製造され
たシート紙中でのそれらの繊維の「基礎重量」すなわち
分布をできるだけ一様にするために製紙法のパラメータ
を調整することである。従来の製紙技術においては、
「基礎重量」という用語はシート表面の単位面積当りの
紙を構成している繊維の重量を指していた。繊維が一様
に分布され、紙が一様な基礎重量を有している時は、シ
ート紙の強度は最大で、平滑な見かけおよび手ざわりを
有し、印刷が鮮明に行われる。それとは逆に、基礎重量
が部分的に異なるシート紙の場合には強度が低い。その
理由は、繊維数が少ないシート部分に応力が集中して、
それらのシート部分が最初に裂けるためである。更に、
基礎重量が不均一であるシートは見かけおよび手ざわり
が粗く、印刷が不鮮明である。

シート紙の品質を特徴づけるために、製紙業者はシー
トの「組成」を参照する。その「組成」の標準的な定義
はないことが明らかである。しかし、本発明の目的のた
めに、ここでは「組成」を紙シートを構成している繊維
がシート中で分布され、配置され、かつ相互に混合され
る態様を示すものであると定義することにする。あらゆ
る紙シートにおいて、紙を構成している繊維は、少なく
ともある範囲までは、「フロック」と呼ばれている束に
不均一に分布される。しかし、全体として一様に分布さ
れて、相互にからみ合っている繊維は良い組成を持って
いるといわれる。それとは逆に、シートを構成している
繊維が許容できないほど不均一にフロックで分布されて
いる場合には、紙シートは平滑ではなくて粗く、組成が
悪いといわれる。

紙シートの組成の種々の特性を測定するために各種の
装置が存在する。それらの装置の１つ、基礎重量センサ
（または微小濃度計）と呼ばれるものにおいては、光ビ
ームを垂直に横切ってシートが動く時にその光ビームが
シートを透過させられる。そのシートを透過した光ビー
ムの強さが光検出器により測定される。その光検出器は
シートを中心として光源の反対側に設けられる。光検出
器は透過した光ビームの強度を示す電気信号を発生す
る。光ビームが透過するシート部分の基礎重量が増加す
ると、シートを透過した光ビームの強度が低下する。し
たがって、光検出器からの電気信号はそのシートの基礎
重量を示す。

先に述べたように、紙シートを構成する繊維はフロッ
ク状に集まる傾向がある。任意の１枚のシートにおいて
は、それらのフロックの寸法はまちまちである。したが
って、紙シートが光ビームを垂直に横切って動くにつれ
て、光検出器により発生される電気信号は、フロック寸
法の分布および紙シートが光ビーム中を動く速さに対応
する複数の周波数で変調される。シートが動く速さが増
すと、フロックが電気的基礎重量信号を変調する周波数
が高くなる。同様に、小さいフロックは大きいフロック
よりも高い周波数で信号を変調する。それらの変調の振
幅は基礎重量の部分的な変化に対応し、またはフロック
を構成している繊維の分布の部分的な変化に同程度に対
応する。

１つの技術においては、組成を特徴づける装置は、基
礎重量センサにより発生された電気信号の平均ピークピ
ーク値を指示する。電気信号の平均ピークピーク値はシ
ートの基礎重量の変化の大きさを示すものといわれる。
しかし、後で述べる理由から、この技術はシートの組成
について誤った指示を行うことがある。

多くの場合に、製紙業者はできるだけ一様な繊維分布
を有するシート、すなわち、良い組成を有するシートを
製造したいと望んでいる。これを行うために、製紙業者
は、基礎重量の変化の大きさばかりでなく、フロックの
寸法分布も知ろうとする。また、製紙業者はシートの最
適基礎重量部分の強度を知ることも望んでいる。しか
し、基礎重量信号の平均ピークピーク値だけを生ずる前
記技術は、基礎重量信号のそれらの変化を生ずるフロッ
クの寸法、またはシートの最も弱い部分の強度は指示し
ない。したがって、この技術はシートのフロックを完全
に特徴づけることができない。

シートのフロックを特徴づける別の技術においては、
ベータ放射線写真が紙シートの標本にされる。それか
ら、光がその放射線写真を透過させられ、またはその放
射線写真から反射される。その放射線写真がその光の細
いビームに対して垂直に一様な速さで動くにつれて、そ
のビームの強度の変化が電気信号に変換される。その電
気信号の変調の振幅がその信号を構成している波長の関
数としてグラフ表示される。その表示は波長パワースペ
クトラムと呼ばれる。第１図は上、中、下の各組成を有
する紙のいくつかの等級についてのそのような表示の一
例を示すものである。この技術は、ノーマン（Norman）
およびウォーレン（Wahren）のシンポジウムにおける論
文「マス・ディストリビューション・アンド・シート・
プロパーティース・オブ・ペーパー（Mass Distributio
n and Sheet Properties of Paper）」を含めたいくつ
かの論文において論じられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ある種の商業的な製紙状況においてはノーマンとウォ
ーレンの技術は適切ではないことがある。第１図に示さ
れているように、約1mm以下の波長においては、良く製
造されたシートと、粗雑に製造されたシートの波長パワ
ースペクトルの間には差がほとんどない。しかし、約１
〜32mmの波長においては大きい差が存在する。しかし、
ノーマンおよびウォーレンの技術は、製紙業者がシート
の組成を決定するために必要なものより多くの情報を生
ずる。この技術の別の起り得る欠点は、専門家でない者
にとっては解釈が困難であるような非常に多くの情報を
生ずることである。多くの商業的製造状況においては、
全てのスペクトル表示よりも、シートの組成を完全に特
徴づけるほんの僅かな情報を与える装置および技術を好
む。更に、基礎重量信号の平均ピークピーク値を測定す
る前記技術と同様に、この技術はシートの最も弱い部分
の強度を製紙業者へ与えることができない。したがっ
て、それら両方の技術が同時に用いられたとしても、シ
ートの組成を完全に特徴づけるために必要な全ての情報
を製紙業者は依然として与えられない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、次のようなシート組成・パラメータ（１）
所定の最小寸法または最小寸法範囲のフロックによりひ
き起されたシートの基礎重量の変化の大きさ、（２）シ
ートの最も弱い部分の強度、（３）シートを構成してい
るフロックの寸法、を示す１組の電気的出力信号を与え
る方法および装置を提供するものである。それらの出力
信号を数値に変えて、製紙機械のオペレータに対して表
示できる。オペレータはそれらの数値を用いて、製造さ
れたシートの組成を監視し、希望の特性を持った紙シー
トを製造するために製紙法のパラメータを調整する。あ
るいはそれらの電気信号をコンピュータまたはその他の
装置へ与えることができる。そうすると、コンピュータ
またはその他の装置はそれらの与えられた電気信号を用
いて、希望の特性を有する紙を得るために製紙法を自動
的に調整する。

本発明の装置は、紙シートの基礎重量の部分的な変化
を正確に測定する基礎重量センサを含む。そのセンサ
は、シートの一方の側に配置された光ビーム源と、シー
トの光ビーム源とは反対の側に配置された「受光器」と
を含む。この受光器は細いサファイヤ棒のような光パイ
プを含む。その棒の一端がシートの光ビーム源とは反対
の側でシートに接触する。このシートがセンサの中を光
ビームに対して動くと、シートを透過した光だけが棒に
入射できるように、そのシートは棒の端部に対して保持
される。その棒は光ビームの少なくとも一部を光ダイオ
ードのような光検出器へ向ける。そうすると光ダイオー
ドは、光ビームがシートを透過した後のその光ビームの
強度に比例する電気出力を発生する。

紙シートが基礎重量センサの中を動くにつれて、その
紙シートの基礎重量の部分的な変化によって、シートを
透過した光ビームの強度を変化させる。センサの受光器
部分における光検出器が、透過したビームの強度に比例
する、したがってビームの検出された部分が通るシート
部分の基礎重量に逆比例する電気信号を発生する。紙は
各種の寸法のフロックで構成されているから、紙シート
が光源とセンサの受光器半分の間を動くにつれて、セン
サからの電気信号はいくつかの周波数で変調される。そ
れらの周波数は、紙がセンサの中を動く速さと、シート
を構成している種々のフロックの寸法とに依存する。し
かし、本発明の信号処理回路は、紙がセンサの中を動く
速さの変化を考慮に入れる。したがって、組成を特徴づ
ける出力信号の紙の動く速さとは独立している。

本発明の信号処理回路は複数の電気的チャネルを有す
る。各チャネルは、種々の所定の最小フロック寸法と、
その最小寸法より大きいフロック寸法に対応する基礎重
量センサからの基礎重量信号を処理する。この処理は、
各チャネルの入力端部に低域フィルタを置くことにより
行われる。基礎重量センサからの信号はそれらの各低域
フィルタへ与えられる。しかし、引続く各チャネルの低
域フィルタの遮断周波数は先行するチャネルの低域フィ
ルタの遮断周波数より低い。また、それらの各低域フィ
ルタの遮断周波数は可変であり、紙がセンサの中を動く
速さに比例するように制御される。したがって、各チャ
ネルの低域フィルタの遮断周波数は特定の所定最小寸法
のフロックに対応し、センサの中を紙が動く速さが変化
してもその所定最小寸法のフロックに対応し続ける。

各低域フィルタの出力信号は別々の交流−直流変換器
へ与えられる。その交流−直流変換器は関連する低域フ
ィルタからの濾波された信号を、その信号の実効値（RM
S値）に比例する直流出力する。したがって、各直流−
直流変換器の出力は、ある最小寸法のフロック（すなわ
ち、遮断周波数のすぐ下の周波数で基礎重量信号を変調
するフロック）と、その最小寸法より大きい全てのフロ
ックにより製造されたシートの基礎重量の変化の大きさ
を示す。

また、第１のチャネルの低域フィルタ（第１のチャネ
ルの低域フィルタは最高の遮断周波数を有する）からの
信号はピーク検出器回路へ与えることができる。その回
路は、基礎重量センサの中を通った紙の所定の長さにわ
たる基礎重量信号の最大強度、またはいくつかの信号ピ
ークの平均値を指示するように製作できる。より強い送
られる光ビームはより軽い基礎重量に対応する。したが
って、ピーク検出器が基礎重量信号の最大強度を指示す
るように製作されると、ピーク検出器回路の出力の大き
さがシートの最も弱い点の強度を特徴づける。あるい
は、いくつかの信号ピークの平均値を指示するようにピ
ーク検出器回路が製作されると、そのピーク検出器回路
の出力はシートのいくつかの最も弱い点の強度の平均値
を特徴づける。

更に、第１のチャネルの低域フィルタからの信号をフ
ロック寸法測定回路へ与えることができる。フロック寸
法測定回路は比較回路を含む。この比較回路はその低域
フィルタの出力信号の値をシートの平均基礎重量を示す
値と比較する。比較回路の出力は、第１のチャネルの低
域フィルタの信号がシートの平均基礎重量に対応する値
を得るシートを示す。第１のチャネルの低域フィルタの
出力信号が平均基礎重量に対応する線を比較的まれに横
切るものとすると、シートは比較的大きい寸法のフロッ
クで構成されている。あるいは、基礎重量信号が平均基
礎重量線を頻繁に横切ると、シートは比較的小さいフロ
ックで構成されている。したがって、紙シートが基礎重
量センサを通る速さは既知であるから、フロック寸法測
定回路は、シートの動く速さと比較回路の出力から、そ
のシートを構成されているフロックの寸法を計算でき
る。

以上述べた３つの各パラメータ、すなわち、基礎重量
の変化の大きさ、シートの最も弱い部分の強度、および
フロック寸法、は組成すなわち紙シートを構成している
繊維の分布の一様さに関連する。先に述べたように、紙
シートの組成はそれの光学的特性、機械的特性および印
刷性にとって極めて重要であるから、繊維を一様に分布
させて、良く構成された紙シートを製造する助けとする
ために、製紙業者は本発明の装置の３種類の出力電気信
号を使用できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。

A.基礎重量センサ 第２図は本発明の基礎重量センサ10の好適な実施例を
示す。この基礎重量センサ10は「光源」半分12と「受光
器」半分14の２つの半分で構成されているものと考える
ことができる。紙シート16の一方の側に配置されている
光源半分12は、組成を決定するべき紙シート16に光ビー
ムを透過させる。受光器半分14は紙シート16の光源半分
12とは反対側に配置され、紙シート16を透過した光の強
度に比例する電気信号を発生する。光源半分12は、高輝
度白熱灯20のような光源18と、白熱灯20からの光のビー
ムをシート16へ送る反射器22とを含む。シート16へ向っ
て進む光は拡散器24を通る。この拡散器はそれを通った
光の向きをでたらめにする。拡散光源を使用することが
重要である。非拡散光源を使用したとすると、センサ10
の受光器半分14が、シート16の基礎重量の部分的な変化
によりひき起される送られた光の強度の変化ではなく、
１つの特定の方向から来る光に対するシート表面の反射
率の変化によりひき起される送られたビームの強度の変
化を測定できる。

センサ10の受光器半分14は、レンズ系28へ向ってシー
ト16を透過して送られた拡散光ビームの小さい光点を送
る直径1mmのサファイヤ光パイプ26を含む。そのレンズ
系28は光パイプ26からの光を光検出シリコン光ダイオー
ド30上に集束する。その光ダイオード30は、送られた光
の点の強度に比例する電気的出力信号を発生する。

光パイプの端部36に入射した光がシート16を透過した
ものであるようにするように、シート16がセンサ10の所
を動く間はシート16を光パイプの端部36に強く保持する
ことが重要である。そのために、組成センサ10の光源半
分12には光パイプ26の両側に「スキッド板」と呼ばれる
突出部32が形成される。また、光パイプの端部36はシー
ト16へ向って延び、光源とセンサ10の受光器半分の間を
矢印38の向きに動いているシート16が光パイプの端部36
に対して保持されるように、光パイプ26を囲む別のスキ
ッド板34により検出される。

紙シート16がスキッド板32,34と光パイプ36の端部の
間を通って、それらのスキッド板と光パイプの端部に接
触すると、それらのスキッド板と光パイプの端部が摩耗
される。したがって、スキッド板32,34は合金鋼のよう
な耐摩耗材料で製作され、光パイプ26はサファイヤその
他それに類似の透明な耐摩耗材料で製作される。

B.信号処理回路 前記したように、基礎重量センサ10は、シート16のう
ち、検出された光ビームの点が透過した部分の基礎重量
に逆比例する大きさを有する電気信号を発生する。シー
ト16はフロックで構成されているから、シート16がセン
サ10の中を通ると、そのシート16を透過した光の強度、
したがってセンサの信号は変化する。そのセンサ信号は
増幅されてから信号処理回路へ与えられる。その信号処
理回路は、（１）所定の最小寸法または最小寸法範囲の
フロックによりひき起されたシートの基礎重量の変化の
大きさ、（２）シートの最も弱い部分の強度、（３）シ
ートを構成しているフロックの寸法、を示す電気的出力
信号を発生するためにセンサ信号を処理するために構成
されている。

信号処理回路50の好適な実施例が第４図にブロック図
で示されている。この信号処理回路50は複数の低域フィ
ルタ52〜62を有する。各低域フィルタ52〜62は特定の電
気チャネルに組合わされる。各チャネルはそれらの低域
フィルタ52〜62を１つと、RMS−交流−直流変換器78〜8
8の１つとを含む。本発明の装置は任意の数のチャネル
を持つことができる（図示を簡単にするためにチャネル
4,5は省略してある）。第４図に示されている実施例に
おいては、本発明の装置はチャネルを６個有する。６個
の各低域フィルタ52〜62は２個の入力信号を受ける。各
低域フィルタ52〜62へ与えられる第１の入力信号は前記
基礎重量センサ10から与えられる。その第１の入力信号
は各低域フィルタ52〜62の第１の入力端子へ与えられ
る。

各低域フィルタ52〜62の遮断周波数は第２の入力信号
の周波数に比例する。第２の入力信号の周波数は各低域
フィルタ52〜62ごとに同じではない。その代りに、各低
域フィルタ52〜62への第２の入力信号の周波数は、先行
するチャネルの低域フィルタの第２の入力端子へ与えら
れる信号の周波数の２分の１である。したがって、第１
のチャネルの低域フィルタの遮断周波数は最高であり、
６番目のチャネルの低域フィルタの遮断周波数は他の任
意の低域フィルタ52〜62の遮断周波数より低い。いいか
えると、第１のチャネルの低域フィルタ52は基礎重量セ
ンサ10からの信号を通す。その信号の最高周波数成分は
ある最小フロック寸法に対応する。基礎重量センサ10の
光パイプ26（第２図）の直径が1mmであるから、基礎重
量センサ10は1mm以下で起る基礎重量の変化を検出でき
ない。したがって、低域フィルタへ与えられた最高周波
数の基礎重量信号は1mmのフロックに対応する。したが
って、この実施例においては、第１のチャネルの低域フ
ィルタ52の遮断周波数は1mmのフロックによりひき起さ
れた基礎重量の変化に対応するように、その低域フィル
タ52の第２の入力端子へ与えられた信号の周波数が調整
される。チャネル２〜６の低域フィルタ54〜62の遮断周
波数がフロック寸法2mm,4mm,8mm,16mm,32mmにそれぞれ
対応するように、それらの低域フィルタの第２の入力端
子へ与えられる信号の周波数が調整される。各低域フィ
ルタ52〜62の遮断周波数はシートが基礎重量センサ10を
通る速さにも比例する。したがって、シートが基礎重量
センサ10を通る速さが変化しても、各低域フィルタ52〜
62の遮断周波数は上記寸法のフロックの基礎重量信号の
周波数特性に対応し続ける。

ここで説明している実施例においては、各低域フィル
タ52〜62への第２の入力信号は、シートがセンサ10を通
る速さをまず測定することにより得られる。シートの動
く速さを測定する装置はこの分野において良く知られて
いる。多くの最近の製紙機械は高度に自動化されてお
り、製紙法の種々のパラメータを監視および制御するコ
ンピュータを含む。したがって、ここで説明している実
施例においては、製紙機械のコンピュータからの紙の動
く速さを示すデジタル信号を用いて、各チャネルの低域
フィルタ52〜62の遮断周波数を制御する。そのデジタル
速さ信号はデジタル−アナログ（Ｄ−Ａ）変換器64へ与
えられる。このＤ−Ａ変換器はそのデジタル速さ信号を
それに比例した電圧に変換する。その電圧は電圧−周波
数変換器（VFC）66へ与えられる。そのVFC66はＤ−Ａ変
換器64の出力電圧に比例し、したがってセンサ10を通る
紙シートの速さに比例する周波数を有する信号を出力す
る。第１のチャネルを除く各チャネルは分周器68〜76を
含む。VFC66の出力信号は第１のチャネルの低域フィル
タ52の第２の入力端子と第２のチャネルの分周器68へ与
えられる。その分周器68はVFC66から与えられた信号の
周波数を分周し、それにより得られた低い周波数の信号
が第２のチャネルの低域フィルタ54の第２の入力端子と
第３のチャネルの分周器70へ与えられる。したがって、
第１のチャネルの低域フィルタ52への第２の入力の周波
数はＸである。その周波数Ｘは紙シートがセンサ10を通
る速さに対応する。ここで説明している実施例において
は２分の１分周器が用いられているから、第２のチャネ
ルの低域フィルタ54への入力信号の周波数はX/2であ
る。第２のチャネルの分周器68の信号出力は第３のチャ
ネルの分周器70の入力端子へも与えられる。引続く各チ
ャネル4,5,6も分周器、たとえば分周器76、を有する。
それらの分周器は先行するチャネルの分周器からの信号
を受け、受けた信号の周波数の２分の１の周波数を有す
る信号を出力する。したがって、第３のチャネルの低域
フィルタ56の第２の入力端子へ与えられる信号の周波数
はX/4であり、第４のチャネルの低域フィルタ（図示せ
ず）の第２の入力端子へ与えられる信号の周波数はX/8
である、等である。このようにして、第１のチャネルの
低域フィルタ52の出力は、最小寸法すなわち1mmより大
きい、またはそれに等しいフロック寸法に対応する周波
数を含む。各引続くチャネルの低域フィルタの出力信号
の最高周波数は、しだいに大きくなるフロックの最小寸
法、すなわち、2mm,4mm,8mm,16mm,30mm、に対応する。
各チャネルの低域フィルタ52〜62の出力は処理されて、
特定のチャネルの最小フロック寸法である、またはその
最小フロック寸法より大きいフロック寸法に対して検出
されたシートの種々の組成パラメータを指示する。

シートの基礎重量の変化の大きさを示す出力信号を得
るために、各低域フィルタ52〜62の出力信号は関連する
交流−直流変換器78〜88へ与えられる。各交流−直流変
換器78〜88は関連する低域フィルタ52〜62からの交流信
号出力の実効値に等しい直流電圧を発生する。各交流−
直流変換器78〜88により発生された直流電圧の実効値
は、特定の最小寸法のフロックによりひき起されたシー
トの基礎重量の変化の大きさに比例する。各引続くチャ
ネルの低域フィルタ52〜62の遮断周波数はしだいに低く
なる周波数にセットされているから、各引続くチャネル
の直流出力電圧の実効値の大きさは、しだいに大きくな
る最小フロック寸法によりひき起されるシートの基礎重
量の変化の大きさに対応する。

ある状況においては、ある特定の寸法範囲のフロック
によりひき起されたシートの基礎重量の変化の大きさを
製紙機械のオペレータが知りたいことがある。本発明の
装置は、あるチャネルの交流−直流変換器の直流出力の
実効値から別のチャネルの交流−直流変換器の直流出力
の実効値を差引くだけでその情報を得ることができる。
それらの値の差は、２つのチャネルの低域フィルタの遮
断周波数の間の寸法範囲のフロックによりひき起された
基礎重量の変化の大きさに対応する。

任意の２つの選択された交流−直流変換器の出力を入
力端子1,2に受けるために減算回路122を設けることがで
きる。この減算回路は、選択された２つの交流−直流変
換器の出力の差に対応する出力電圧を発生する。あるい
は、種々の交流−直流変換器の出力を数値で表示するも
のとすると、製紙機械のオペレータは減算により任意の
２つのそのような出力の差を得ることができる。たとえ
ば、４〜8mmのフロックによりひき起された基礎重量の
変化の大きさを決定するために、製紙機械のオペレータ
は第３のチャネルの交流−直流変換器の出力の値から第
４のチャネルの交流−直流変換器の出力の値を単に差引
く。

多くの標準的な「RMS」交流−直流変換器は入来信号
のピークピーク電圧を実際に測定し、それから、入来信
号が正弦波であるならば、入力信号の真の実効値に対応
する出力直流信号を与える。しかし、基礎重量信号の波
形は一般に正弦波ではない。したがって、本発明の交流
−直流変換器78〜88は基準重量信号の真の実効値に対応
する直流電圧を出力することが重要である。さもない
と、それらの交流−直流変換器78〜88の出力信号は基礎
重量の変化の不正確な測定値を与えることがある。

１つのチャネルの交流−直流変換器の出力が別のチャ
ネルの交流−直流変換器の出力から差引かれて、特定の
寸法範囲のフロックによりひき起された基礎重量の変化
への寄与を決定する場合には、真のRMS−交流−直流変
換器を使用することがとくに重要である。基礎重量信号
の実効値への種々の寸法のフロックの寄与が異なるとし
ても、種々の寸法のフロックは基礎重量信号に同じピー
クピーク変化を行なわせることがある。したがって、た
とえば、最小フロック寸法8mmに対応する周波数を含ん
でいる基礎重量信号から得た交流−直流変換器の出力
を、最小フロック寸法4mmに対応する周波数を含んでい
る基礎重量信号から得た交流−直流変換器の出力から差
引くと、真のRMS−交流−直流変換器が使用されている
ならば、４〜8mmの寸法範囲のフロックによりひき起さ
れた基礎重量の変化への寄与を示す信号を必ず生じ、か
つ生ずるであろう。しかし、ピークピーク信号値の測定
から「RMS」信号が実際に得られ、種々の寸法のフロッ
クが基礎重量信号に同じピークピーク変化を行わせるも
のとすると、２つの交流−直流変換器の出力の差は零で
ある。しかし、これは、４〜8mmの範囲のフロックによ
りひき起される基礎重量の変化への寄与の正しい指示で
はない。したがって、標準的なピークピーク交流−直流
変換器を本発明の装置を使用すると誤った指示が行なわ
れることがある。

第１のチャネルの低域フィルタ52の出力をピーク検出
回路90の入力端子へ与えることにより、シートの最も弱
い部分の強度を示す第２のパラメータが得られる。先に
述べたように、送られたビームの強度の大きさはシート
の基礎重量に逆比例するから、この低域フィルタ52の出
力端子における交流信号の大きさも、その時にセンサ10
により検出されているシート部分の部分的な基礎重量に
逆比例する。ピーク検出回路90は、所定の時間中すなわ
ちセンサ10を通る所定の長さのシートの間に第１のチャ
ネルの低域フィルタ52を通る最大の電圧ピークに比例す
る直流出力を与えるように設計できる。あるいは、ある
設定された時間すなわちセンサ10を通るある設定された
長さのシートに対するいくつかの信号ピークの平均に比
例する出力を発生するように構成される。後の場合に
は、ピーク検出回路90の出力はシート中の平均の弱い点
を特徴づける。

本発明の信号処理回路50は紙シートの別の特徴、すな
わち、平均フロック寸法、を示す更に第３の出力信号を
製紙業者へ与える。このパラメータを得るために、第１
のチャネルの低域フィルタ52の出力がフロック寸法測定
回路92へ与えられる。このフロック寸法測定回路は、所
定の時間中に、第１のチャネルの低域フィルタ52の出力
信号がシートの平均基礎重量に対応する値を得る回数を
カウントする。この信号がこの平均基礎重量値を横切る
頻度を、センサを通るシートの速さで除したものは、シ
ートを構成しているフロックの平均寸法を示す。フロッ
ク寸法測定回路92はこの除算を電子的に行い、平均フロ
ック寸法に対応する信号を出力する。たとえば、紙シー
トが1000m/分の速さで動いており、第１のチャネルの低
域フィルタの出力が１秒間に平均基礎重量の3333倍に対
応する値を得たとすると、シートの平均フロック寸法は
10mm（1000m/分・１分/60秒・１秒/3333交差・２交差／
フロック）である。したがって、シートの表面に沿う直
線または曲線（まとめて「線」と呼ぶ）に沿う紙シート
の基礎重量を検出することにより、本発明の装置および
方法は、シートを構成しているフロックの寸法を示す出
力信号を製紙業者へ与えることができる。

C.装置の使用および較正 製紙機械においては、紙は約7.6m（約25フィート）の
幅のシートで製造されるのが普通である。シート全体を
特徴づけるために、シートが「機械方向」（すなわち、
長手方向）に沿って動く時にシートの「交差方向」（す
なわち、シートの幅を横切る方向）に１つの基礎重量組
成センサを前後に動かす、すなわち「走査」できる。あ
るいは、複数のセンサを、シートの幅の一部だけを横切
って交差方向に前後に走査できる。たとえば、約7.6m
（25フィート）幅のシートに50個の基礎重量センサを用
いられたとすると、各センサは約15.2cm（６インチ）幅
のシート条を横切って前後に走査させられる。典型的に
は、製紙機械はそのようなシートを１分間に約305m（10
00フィート）より長く製造し、ここで説明している実施
例においては、センサが前後に走査する速さは１分間当
り約18.3m（60フィート）に設定できる。したがって、
低域フィルタの遮断周波数は、出力指示に大きな誤差を
導入することなしに、シートが機械方向に動く速さのみ
に比例させることができる。センサの交差方向の動きに
よりひき起される、センサの紙シートが動く速さへの付
加寄与は最小であり、通常は無視できる。

基礎重量センサ10の受光器半分14（第２図）を正しく
動作させるためにはセンサの光源半分12からの光をシー
トの受光部側とは反対側で受光器半分に直接整列させね
ばならない。しかし、受光器半分14と光源半分12の間を
紙シート16が動くから、受光器半分と光源半分を一緒に
直接接続させることはできない。受光器半分と光源半分
が紙シート16を横切って前後に走査している間に、それ
らを直接向き合わせておくために、何種類かの機構を使
用できる。そのような機構の１つが、たとえば、紙シー
ト16の両側に配置された２つのトラック（図示せず）で
構成される。センサの光源半分12は一方のトラックの上
にのり、受光器半分14が他方のトラックの上にのる。歯
車機構またはプーリ機構が光源半分と受光器半分を向き
合わせつつ、紙シート16の幅を横切って連動して前後に
動かす。このようにして、光源半分12と受光器半分14
は、連結部材を紙シートに貫通させる必要なしに、向き
合わせたままとされる。

本発明の装置の較正は「紙シートを離れて」、すなわ
ち、センサの光源半分と受光器半分の間に紙シートを存
在させることなしに行うことができる。低域フィルタの
出力を較正するために、センサの光源18と光ダイオード
の間にチョッパ輪100（第２図，第３図）が設けられ
る。ここで説明している実施例においては、チョッパ輪
100は光パイプ26の下端部に位置させられる。チョッパ
輪100は不透明な材料の円板102で作られ、その円板の周
囲に複数の半径方向スロット104が設けられる。光ダイ
オード30がパルス状の光を受けるように、チョッパ輪10
0は既知の回転速度で駆動される。パルス率は円板100の
所定の回転速度により決定される。それから、全てのチ
ャネルの低域フィルタ52〜62（４図）が信号を関連する
RMS−交流−直流変換器（78〜88）へ送るように紙シー
ト速さ信号をセットできる。次に、より低い紙シート送
り速さを順次入力することにより、低域フィルタの遮断
周波数を較正できる。たとえば、第３図に示されている
半径方向スロットのように４個の半径方向スロット104
が設けられているチョッパ輪100が１秒間当り142.5回転
の速さで回転させられたとすると、チョッパ輪100は光
検出器に入射した光を570Hzで変調する。VFC66からの紙
シート速さ信号が1094m/分より高いとすると、全てのチ
ャネルはその信号を見る。しかし、紙シートの速さが10
94m/分より低くなると、チャネル１〜５だけが出力を与
える。紙シートの送り速さを更に低くすると、更に多く
の低域フィルタが基礎重量センサ10からの信号を遮断さ
せられる。

光検出器に到達する光の強さを変調できるものであれ
ばどのような装置でもチョッパ輪100の代りに使用でき
る。たとえば、音叉をチョッパ輪100の代りに使用でき
る。この場合には、音叉のアームが既知の振動数で振動
して光ビームの光路に入ったり、光路から出たりする。

紙は種類によってある振動数の光をとくに吸収した
り、反射したりする。したがって、基礎重量の変化に対
する基礎重量センサの感度を最適にするために、光ビー
ムの光路中に光帯域フィルタ110（第２図）を置くこと
ができる。この光帯域フィルタ110はとくにある振動数
の光を光ダイオード30まで透過させる。

紙シートの基礎重量の変化を正しく測定するために
は、増幅器120（第４図）により増幅された基礎重量信
号が紙シートの基礎重量に逆比例させることが重要であ
る。低域フィルタ52〜62へ与えられた基礎重量信号の振
幅を基礎重量の変化に対して直線的に応答させるため
に、光ビームの光路中に置かれたニュートラル密度フィ
ルタ130（第２図）を用いて、または用いることなし
に、増幅された検出器信号を測定できる。そのニュート
ラル密度フィルタ130は光ビームの強さを既知の割合だ
け減衰させる。増幅された基礎重量信号の振幅は、ピボ
ット132がニュートラル密度フィルタ130を光ビームの光
路から外している間に最初に測定すべきである。ニュー
トラル密度フィルタ130が光ビームの光路中にある間
に、増幅された基礎重量信号を再び測定すべきである。
それから、光ビームの光路中にニュートラル密度フィル
タ130を置くことによりひき起された増幅された基礎重
量信号の振幅の変化が、光ビームの光路中にニュートラ
ル密度フィルタ130を置くことによりひき起された光ビ
ームの強さの既知の変化に直線的に対応するように、増
幅器120（第４図）を調整することによりセンサの出力
の非直線性を補償できる。

本発明の装置のここで説明している実施例において
は、製紙における次の３つの重要なパラメータ、すなわ
ち、（１）所定の最小寸法または最小寸法範囲のフロッ
クによりひき起された紙シートの基礎重量の変化の大き
さ、（２）紙シートの最も弱い部分の強度、（３）紙シ
ートを構成しているフロックの寸法、に対応する出力信
号が製紙業者へ与えられるそれらのパラメータを監視す
ることにより、繊維が一様に分布した紙シートを製造す
るために製紙業者は製紙プロセスを調整できる。このよ
うにして良く製造された紙シートは強く、光学的性質、
地質および印刷性が良い。

以上、基礎重量センサおよび信号処理回路の１つの好
適な実施例について説明した。しかし、ここで説明した
基礎重量センサまたは信号処理回路を、本発明の要旨を
逸脱することなしに種々変更できることがわかるであろ
う。たとえば、基礎重量センサの光パイプの直径が、製
紙業者が調べることを希望している最小フロック寸法に
一致する場合には、基礎重量センサからの信号の最高周
波数成分は、光パイプの直径に等しい最小寸法フロック
に対応する。したがって、光パイプの直径に等しい最小
寸法を有するフロックに対応する第１のチャネルからの
信号を調べることだけを希望するものとすると、第１の
チャネル中の低域フィルタは不要である。その代りに、
増幅された基礎重量センサ信号を第１のチャネルのRMS
−交流−直流変換器へ直接与えることができる。更に、
希望によっては、第１のチャネルの以外のチャネルの低
域フィルタの出力信号がピーク検出回路またはフロック
寸法測定回路へ送られるように信号処理回路を変更でき
る。あるいは、ピーク検出回路およびフロック寸法測定
回路への入力を希望する任意のチャネル中の低域フィル
タから選択できるように信号処理回路を構成できる。こ
れが第４図にオプションとして示されている。更に、紙
シート以外のシート物質をセンサの中を通し、本発明の
装置により特徴づけることができる。したがって、本発
明はここで説明した好適な実施例に限定されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は等級の異なる何種類かの紙についての波長パワ
ースペクトルを示すグラフ、第２図は本発明の基礎重量
センサの一実施例の概略線図、第３図は本発明の装置を
較正するチョッパ輪の平面図、第４図は第２図に示され
ている基礎重量センサからの信号を処理するために用い
られる本発明の回路の一実施例のブロック図である。 10……基礎重量センサ、12……光源半分、14……受光器
半分、18……光源、26……光パイプ、30……光ダイオー
ド、50……信号処理回路、52〜62……低域フィルタ、6
8,70,76……分周器、78〜88……RMS−交流−直流変換
器、90……ピーク検出回路、92……フロック寸法測定回
路、122……減算回路。

フロントページの続き (72)発明者 ケント、マイケル、ノートン アメリカ合衆国カリフォルニア州、サラ トガ、アスペシ、コート、18646 (56)参考文献 特公 昭46−33825（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ） シート状物質を通して光を透過さ
   せる光源手段と、 （ｂ） シート状物質を透過した光を検出し、その検出
   した光の強さを示す信号を発生する光検出器手段と、 （ｃ） 光源手段と光検出器手段の間に配置され、光源
   手段からの光を光検出器手段へ導くように、光を受ける
   ために前記光源手段に向けられた第１の端部と、この第
   １の端部とは反対側で、前記光検出器手段へ向けられた
   第２の端部とを有する光パイプと、 （ｄ） 動いているシート状物質を光パイプの前記第１
   の端部に対して保持する保持手段と、 をそなえた基礎重量センサ。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の基礎重量セン
   サにおいて、 光検出器手段により検出された光の強さを、所定の周波
   数で変調する変調手段を更にそなえる基礎重量センサ。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載の基礎重量セン
   サにおいて、 前記変調手段は、少なくとも１つの貫通開口部を有する
   回転可能な不透明円板で構成されたチョッパ輪を含み、
   前記開口部は前記円板の中心から隔てられる基礎重量セ
   ンサ。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の基礎重量セン
   サにおいて、 前記光パイプは、サファイアで製作される基礎重量セン
   サ。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項記載の基礎重量セン
   サにおいて、 前記光源手段は、拡散光源である基礎重量センサ。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項記載の基礎重量セン
   サにおいて、 前記検出された光の強さを示す信号は基礎重量信号であ
   り、 前記基礎重量センサは、前記基礎重量信号を受けて前記
   基礎重量信号の実効値を示す出力信号を生じる第１の交
   流／直流変換器を含んだ第１チャネルを、更にそなえた
   基礎重量センサ。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項記載の基礎重量セン
   サにおいて、 少なくとも１つの付加チャネルを更にそなえ、 各付加チャネルは低域フィルタを含み、 この低域フィルタは、基礎重量信号を受ける入力端子と
   出力端子を有し、この低域フィルタは、基礎重量信号の
   成分のうち、所定の遮断周波数より高い周波数成分を除
   去し、濾波された基礎重量信号を出力端子へ送り、 各付加チャネルは、低域フィルタの出力端子へ作動的に
   接続された第２の交流−直流変換器を更に含み、 この第２の交流−直流変換器は、濾波された基礎重量信
   号の実効値を示す出力信号を発生する基礎重量センサ。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第７項記載の基礎重量セン
   サにおいて、 各付加チャネルの低域フィルタの遮断周波数を、薄板が
   基礎重量センサの近くを動く速さに関して直接変える手
   段を、 更にそなえることを特徴とする基礎重量センサ。
9. 【請求項９】特許請求の範囲第７項または第８項記載の
   基礎重量センサにおいて、複数の付加チャネルを有し、 各付加チャネルの低域フィルタの遮断周波数は、各他の
   付加チャネルの低域フィルタの遮断周波数とは異なるこ
   とを特徴とする基礎重量センサ。
10. 【請求項１０】特許請求の範囲第９項記載の基礎重量セ
    ンサにおいて、 ２つの交流−直流変換器からの出力信号を選択して、選
    択された交流−直流変換器の出力の差を示す信号を発生
    する手段を、 更にそなえることを特徴とする基礎重量センサ。