JP2890699B2 - 非接触式配向計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、非接触式配向計に係るものであり、詳しく
は抄紙工程中における移動する紙の繊維の方向（配向）
を非接触にオンライン測定することができる非接触式配
向計に関するものである。

＜従来の技術＞ 従来、この種の非接触式配向計としては、第５図の従
来のレーザ光を使用したファイバー・オリエンテーショ
ン（Fibre Orientation、以下「FO」と略称する）測定
システムの技術の概要構成図（第６図は第５図の説明に
供する図）に示すものが知られている（例えば、紙パル
プ技術タイムス,1989年10月号「光学的レーザ利用のフ
ァイバー・オリエンテーション測定システム,P73〜77参
照）。

第５図乃至第６図において、Ａは被測定物である紙Ｃ
の上部に設けられたレーザー光発生手段（半導体レーザ
ー）A₁,レーザ光学手段A₂及びミラーA₃等を具備する上
側検出センサ、Ｂは紙Ｃの下部に設けられたイメージ光
学手段B₁,ミラーB₂,第６図に示すようにFO比を測定する
４つのダイオードD₁〜D₄及び紙の繊維測定の演算に係わ
るその他の値を検出するダイオードD₅〜D₆から成るダイ
オードアレーB₃及び演算回路B₄等を具備する下側検出セ
ンサである。

このような両側センサー方式をとる構成において、半
導体レーザーで平行な光束を発生させて紙面に集中させ
る（投射ビームは100〜200μの径を持つ）。この投射ビ
ームは紙のファイバー内部に結束し、今度はその光を拡
散した上で当該ファイバーに沿って伝播する。このと
き、FOの主軸に並んだ繊維に沿って進む光は、直交する
繊維にぶつかる確率が低いから減衰率は小さい。従っ
て、紙ウェブでの最終スポットは径が約1mmであるが、
これは多かれ少なかれ楕円状になり（繊維がウェブ上で
いかなる偏位方向を持たないならばパルプの手漉きの場
合のように光のスポットは円状になる）、楕円の主軸は
FOの手方向と重なっている。

以上の結果、最終の光スポットは拡大された後、ダイ
オードアレイ−B₃上に投影される（第６図のL_iで表され
る）。これによって楕円の全ての要素を数学的に計算す
ることが可能になる。つまり、ここで得られた信号は演
算回路B₄に送られてFO比とFO角（FOの主方向がどの程度
ずれているかの角度）の計算がされる。

＜発明が解決しようとする課題＞ ところでこのような従来の装置にあっては、紙厚の影
響を受けたり、測定のために比較的広い面積を必要とす
るということから、抄紙工程における非常な速度で移動
する紙については使用することは困難である（つまりオ
ンライン測定は困難）という問題点があった。

本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的とするところは、片
側センサー構成で且つ測定面積が小さく、更に測定時間
は短くて、入射角の変化を受けること無く非接触で紙の
繊維の向き（配向）を測定することができる非接触式配
向計を提供するものである。

＜課題を解決するための手段＞ 上記目的を達成するために、本発明は、光源部からの
光を被測定物に当て当該被測定物の繊維の配向を非接触
状態で測定する非接触式配向計において、前記光源部の
光をコリメートする光学手段と、コリメートされた前記
光を回転する細長い線状の帯光とする絞り機構と、ハー
フミラーを通過した前記帯光を略中央部にて分割・配向
し当該分割・配向後の光を前記被測定物上に左右から同
角度で入射させる対物光学手段と、前記被測定物で反射
した光が前記対物光学手段を経て戻り、前記ハーフミラ
ーで反射した光を受光する光検出手段と、この光検出手
段からの信号に基づき前記被測定物の繊維の配向を演算
する演算回路とを具備したことを特徴とするものであ
る。

＜作用＞ 光源から出射した光はコリメートされた後に、回転す
る細長いスリットを持った絞りを通過して細長い線状の
光（以下「帯光」という）となってハーフミラーに向か
う。ハーフミラーを通過したこの帯光は、円錐プリズム
上面から入射した後に、この上面部分で反射した最初の
傘状の内部反射ミラー又はコーンプリズムに向かう。こ
の最初の傘状の内部反射ミラー又はコーンプリズム内部
反射面で反射した帯光は、更にもう１つの傘状の内部反
射ミラー又はコーンプリズムに向かい、その傘状の内部
反射ミラー又はコーンプリズムを反射した帯光が被測定
物である紙表面に所定の角度で入射するようになってい
る。この時、帯光は同光路に対して左右から光束が来る
ようになる。この結果、紙によって反射された帯光（以
下「反射帯光」という）は上記と逆の光路を経て円錐プ
リズムでこの円錐プリズム上側にあるハーフミラーに向
かう。そしてこのハーフミラーで反射された後にこの反
射帯光の反射率の差を測定する検出器に入る。

ここで、紙による反射の際、繊維の方向と光軸の方向
が平行になった時が最も反射率が高く、この逆の時が最
も反射率が低くなる。

このように、紙の配向は、この反射率の差によって測
定できることとなる。つまり、このような光学系に基づ
いて形成される紙の表面における帯光は、高速で回転し
たうえで、この回転結果を同経路を介して伝播した後、
ハーフミラーから検出器に入射する光量について、その
最大値を示す方向が繊維の向きとなることを測定する。
一般に、抄紙工程で移動する紙の表面には揺れが生じて
おり、紙を照射する光の入射角は常に変化している。そ
の場合、光の反射率も入射角に応じて変化する。本発明
の光学系は、紙の表面に対して帯光が左・右から入射す
る。従って紙の揺れにより紙への入射角が変化して一方
の反射率が低くなっても他方の反射率は高くなる。その
結果、紙への入射角の変化による反射率の変化が相殺さ
れるという特徴を有している。

＜実施例＞ 実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の非接触式配向計の具体的実施例を示
す概要構成図である。又、第２図乃至第３図は第１図の
説明に供する図である。

第１図乃至第３図において、１は光源部である。この
光源部はレーザ装置を主体として構成されるものであっ
てもよいし、或いは例えば図示するように、通常に用い
られる光源1aを用いて、この光源からの光を光学手段1b
により広げた上で絞り（ピンホール）1cを通して反射ミ
ラー1dで反射させた後の光を出射するように構成したも
のであってもよい。この光源部１についてはその構造等
については特に限定されない。

２は光源部１から出射した光をコリメート（平行光
化）する光学手段（以下「コリメートレンズ」という）
である。

３は第２図に示すようにその中央部分に細長いスリッ
ト3aを有してコリメートされた光を細長い線状の光、い
わゆる帯光とする絞り機構である。この絞り機構３は、
帯光についてその中央部を回転中心軸として所定方向に
回転するように構成されており、そのために例えば、図
示するように、その外周に歯車機構が施され（勿論他の
回転伝達機構であってもよいが）、この歯車機構に噛合
う他の歯車機構４をモータ５で回転させるように構成す
ることができる。そして第３図に示すように回転する場
合における絞り機構のスリット3aのその回転位置は、例
えば歯車４の他方（又は絞り機構３の反対側であっても
よいが）においてエンコーダ６を配置することで、その
位置を検出・計測することができる。

８はハーフミラー７を通過した回転する細長い帯光を
その中央を中心として分割して後述する一連の光学系に
配光（分光）し、且つ、この一連の光学系から戻ってき
た光（測定光）を集光し統合するために、上面に入射し
た帯光について帯光の中央部付近で分割・配光するよう
に円錐形からなり、この円錐形の上面ミラー部分で反射
して後述する一連の光学系に向け、同時にこの一連の光
学系からの戻り光をこの上面ミラー部分で反射して前記
ハーフミラー７に向ける例えば円錐プリズム又は円錐ミ
ラー等から成る光路制御手段（以下「円錐ミラー」とし
て表す）である。

Ｋは円錐ミラー８で分割された後の帯光について、配
光される半帯光を被測定物である紙11の上に集光し、且
つこの集光した光（測定光）を再び円錐ミラー８に集め
る（戻す）前記一連の光学系から成る対物光学手段であ
る。この対物光学手段Ｋは、例えば、一対の傘状の内部
反射ミラー又はコーンプリズム等により構成することが
できる。そして、これ等はいずれか一方を内部反射ミラ
ーとし他方をコーンプリズムとしてもよいし、この逆で
あってもよいし、両方共に同じとしてもよいことはいう
までもない。従ってここではコーンプリズムを一対用い
るものとして以下の説明を行う。そしてここで重要なの
は、その反射面が互いに傘状に相対していることである
（従ってその設置構成は第１図の破線のようにしてもよ
い）。そしてこのとき上部のコーンプリズム（以下「第
１コーンプリズム」という）９の反射面9aの傘状の傾斜
角度は、第１図のように、その反射する回転移動する半
帯光の光路（光跡）が、絞り機構３で形成される帯光の
回転中心軸O_Lに対して、平行に進む場合には、円錐ミラ
ー８の反射面の角度の関係によって決まる。又、下部の
コーンプリズム（以下「第２コーンプリズム」という）
10の反射面10aの逆傘状の傾斜角度は、第１コーンプリ
ズム９からの回転移動する半帯光をその半斜面10aで反
射して紙11表面の回転中心軸O_L上に所定の角度θで投射
可能に設定される。このことは投射により紙上では帯光
となるように同光路に対して左右から光束が来るように
なる。このように配置されれば、投射された光の紙の繊
維（ファイバー）の向きに基づく強度を有する反射帯光
は、今までとは逆の光路を経て円錐ミラー８に導かれ
る。

13は円錐ミラー８に集められて再び帯状となった光の
ハーフミラー７で反射された光（反射帯光）について、
集光レンズ12で集光された後の、この集光レンズ12の焦
点位置に設置された反射率の差を測定する検出手段であ
る。この検出手段13によって測定光の強度がO/E変換
（光／電気変換）されたその信号は、演算回路14に導か
れる。

従って、演算回路14にあっては、エンコーダ６によっ
て検出されるスリットの位置つまり紙面上の帯光の位置
に基づいて、測定光の強度との相関関係から、紙による
反射の際の繊維方向と光軸方向が平行になった時が最も
発射率が高く、この逆の時が最も反射率が低くなる事に
基づいて、紙の配向を演算することとなる。

以下、このような構成の動作について説明する。

光源部１から出射した光はコリメートレンズ２でコリ
メートされ回転する絞り機構３のスリット3aで回転する
帯光となってハーフミラー７に向かう。ハーフミラーを
通過した回転する帯光は、円錐プリズム８に向かう。円
錐プリズム８において、回転する帯光はその中央で分割
されて半帯光として第１コーンプリズム９に回転配光さ
れる。第１コーンプリズム９はこの回転配光され半帯光
を更に第２コーンプリズムに導く。従って、第２コーン
プリズム10は、回転配光された半帯光を角度θで紙表面
の回転中心軸O_L上に帯光となるように同光路に対して左
右から集光する。そしてこの集光される紙表面における
帯光はスリット3aに合せて回転する。この時、帯光は左
・右から入射するようになるため、紙への入射角の変化
による反射率の変化が相殺される。

そして、このこの回転・集光した光は紙の繊維の配向
に基づく輝度に応じた反射帯光として、今度は今までと
は逆の光路を経て伝播し、円錐ミラー８に集められる
（戻す）。円錐ミラー８で集光し統合された反射帯光
は、ハーフミラー７に向き、ハーフミラー７で反射され
た反射帯光は、集光レンズ12で集光されて測定光として
検出手段13で入射する光量についてその最大値を示す方
向が繊維の向きとなることが測定される。つまり、検出
手段で測定される測定光は、電気信号に変換された状態
で演算回路14に導かれ、この演算回路によりエンコーダ
６からの信号に基づいて演算されて、結果として紙11の
配向が測定される。

＜その他の実施例＞ 本発明は以上説明した内容に限定されるものではな
い。例えば以下のように構成してもよい。

：例えば、第４図のその他の実施例に伴する説明の為
の図に示すように、紙11の表面にコート材（ラミネー
ト）等11aが施されている場合は、第１図の構成のまま
では第４図の破線αのようにその表面で反射してしまう
ので、このことを回避するように、スリット3aに、紙へ
の入射面に対してＰ偏光（Ｐ偏光はブリュースターの角
度で入射させると第４図の破線αのようには反射しない
でコート材の内部に全ての光が入射し、コート材の内側
にある繊維11bの表面により反射される）となる方向
に、偏光板（図省略）を取付ける等の手段をとる。この
ような手段を講じることで、第４図に示すように、その
入射（コート材の屈折率によるブリュースター角度で入
射）する光はコート材11aを実線で示すように透過し、
内部の繊維の方向を前記したように測定することが可能
となる。

：第１図においてO/E変換をするように構成される検
出手段13の代りに、ITV等のカメラを検出手段として用
いるようにしてもよく、この場合にはスリットの位置は
そのまま影像検出ができるので、エンコーダ６は不要と
なる。つまり、この場合も、前記に比較すると感度は鈍
いが繊維の向き（配向）を測定することも可能である。
そしてこの時は紙表面の構造（凹凸）を検出することも
できる。尚、このときは当然演算回路についてもこれに
対応する構成（例えば画像解析等が可能な機能を具備す
る等）と機能を有するようにすることはいうまでもな
い。

：光源にレーザーを用いれば、紙表面の構造をスペッ
クルとしても観測ができる。

：例えば、光路制御手段についても、例えば分割につ
いて見た時、ハーフミラー通過した回転帯光をその中央
を中心として分割できればよいので、第１図のようにハ
ーフミラーに対面する頂点部分が多少フラットの形状で
あっても良く、要はその前後の回転する光について分割
・配向・集光・統合できるような構造となっていればよ
い。

＜発明の効果＞ 本発明は、以上説明したように構成されているので、
次に記載するような効果を奏する。

：紙内部の繊維の向きを非接触で測定できる。

：光路を片側通行としないため、つまり同一光路を左
右に光が走るために、紙の揺れにより紙への入射が変化
して一方の反射率が低くなっても他方の反射率は高くな
る。その結果、紙への入射角の変化による反射率の変化
が相殺される。

：回転対象の光学系のため小形化できる。又、片側セ
ンサーとできるので、この面からも装置全体について見
て小形化できる。

：測定時間は短いので、オンライン測定が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の非接触式配向計の具体的実施例を示す
概要構成図、第２図乃至第３図は第１図の説明供する
図、第４図はその他の実施例に供する説明の為の図、第
５図は従来のレーザ光を使用したファイバー・オリエン
テーション測定システムの技術の概要構成図、第６図は
第５図の説明に供する図である。 １……光源部、２……光学手段（コリメートレンズ）、
３……絞り機構、７……ハーフミラー、８……光路制御
手段（円錐ミラー）、Ｋ……対物光学手段、11……紙、
12……集光レンズ、13……検出器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源部からの光を被測定物に当て当該被測
   定物の繊維の配向を非接触状態で測定する非接触式配向
   計において、前記光源部の光をコリメートする光学手段
   と、コリメートされた前記光を回転する細長い線状の帯
   光とする絞り機構と、ハーフミラーを通過した前記帯光
   を略中央部にて分割・配向し当該分割・配向後の光を前
   記被測定物上に左右から同角度で入射させる対物光学手
   段と、前記被測定物で反射した光が前記対物光学手段を
   経て戻り、前記ハーフミラーで反射した光を受光する光
   検出手段と、この光検出手段からの信号に基づき前記被
   測定物の繊維の配向を演算する演算回路とを具備したこ
   とを特徴とする非接触式配向計。