JP3096304B2 - フォイル材料の特性を測定するための構造 - Google Patents

フォイル材料の特性を測定するための構造

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フォイル材料例えばペーパーの局部的な強
度および重さ等の機械的特性を、レーザーを含む材料励
起ユニットに助成され、また励起された材料を感知する
検出ユニットに助成されて、測定するための構造であっ
て、前記ユニットが演算論理ユニットに電気的に接続さ
れ、この演算論理ユニットが最初に挙げた２つのユニッ
トから伝えられた測定手順に於ける初期値を表す電気信
号を記録且つ変換して、測定すべき材料特性の値を確定
するようになされているような、フォイル材料の機械的
特性を測定する構造に関する。
製紙工程に於いては、ペーパーの機械的特性を絶えず
決定すること、および特に異なる方向に関するペーパー
強度すなわちペーパー強度の異方性を決定することが非
常に重要である。ペーパーのこの強度異方性は異なる方
向に関するペーパーの弾性定数が知られると決定でき
る。これらの定数はペーパーに静的な力や超音波を作用
させることで決定できることは知られている。
弾性定数が超音波、すなわち例えば20kHzを超える非
常に高い機械的な振動、の助成によって測定される場
合、材料の中を異なる方向へ向けて音が伝搬する速度は
その材料の弾性定数に関係されるという事実が利用され
る。
上述した機械的特性は、オフライン測定、すなわち研
究施設にてペーパーサンプルに関して測定されることが
できるが、オンライン測定、すなわち製紙工程に於ける
ペーパーウェブに対してそのウェブが連続して送られて
いる間に直接に測定されるのが好ましい。オンライン測
定が採用できるようになる以前は、多くの複雑な技術的
問題を解決することが必要であった。このような問題は
測定される材料の特別な特性に関連し、また主たる測定
および製造条件に関係する。これに関して、比較的速い
ペーパーウェブ速度−毎秒20mまで−を考慮しなければ
ならず、また、例えばペーパーウェブの製造の間にその
ペーパーウェブにさまざまな運動が生じがちである−ウ
ェブフラッター−という事実、および強い音響ノイズが
発生するという事実、を考慮することが必要である。こ
のように、かなり高いエネルギーレベルの超音波で材料
を励起することに係わる困難さと合わさってこのノイズ
レベルの高いことが、ペーパーの機械的特性のオンライ
ン測定を既知の技術の助成によって遂行することを極め
て困難にしているのである。
米国特許第4,291,577号明細書は、接触測定装置が超
音波測定目的のために使用された構造を記載している。
この測定装置は圧電部材とされたトランスミッターを含
み、この圧電部材が20kHzの周波数の機械的振動を発生
する。縦高周波がこのようにして接触圧電部材によって
励起されたペーパーに発生され、この波は材料ウェブの
平面内でその材料の内部を異なる方向へ伝搬される。こ
れも接触圧電部材で作られているレシーバーがトランス
ミッターから予め定めた距離に配置され、これにより超
音波の位相速度が演算できるようになされており、この
速度がペーパーの弾性率に関係するのである。しかしな
がらこの構造は、外的の影響、例えば上述したノイズ
や、ウェブが移動する距離の制御できない変化などに著
しく敏感である。また、この分野に熟知したすべての者
には、米国特許第4,291,577号明細書に示されている構
造のように直接に接触する可動部材を使用した構造はそ
の他の重大な欠点をもまた有しているということが明白
となろう。例えばこの既知の構造はその構成のために比
較的複雑であり、このために機能不全が非常に起こり易
いのである。更に、トランスミッター／レシーバーが速
いウェブ速度で移動するペーパーウェブと、且つまた、
表面粗さが大きなペーパーウェブと物理的な接触状態を
維持できるかが疑問である。この構造に於けるウェブ接
触部品はまたペーパーを損傷させ易い。
静止或いは移動する材料の機械的強度を測定する目的
で超音波伝搬を非接触によって記録する原理を応用する
ことも知られている。このような１つの方法は例えばス
ウェーデン国特許第8017/70（公開番号第359 962号）
に記載されている。この方法を実行した場合には、測定
したパラメーターとペーパーの弾性定数との間の関係が
主として複雑であること、およびこの方法が材料ウェブ
付近の空気流の制御不能な変化に敏感であることも、こ
の方法をオンライン測定方法として実際に応用すること
を困難にしている。
シート状すなわちフォイル材料の厚さおよびその欠陥
を示すためにラム波と称される曲波（bending wave）を
使用することも知られている。この形式の構造は、例え
ば米国特許第2,563,128号明細書および米国特許第3,21
0,120号明細書に記載されている。このような構造によ
れば放射源からのエネルギーは、接合液体の助成を得て
所要の入射角でシート状すなわちフォイル材料の内部へ
送られ、これにより曲波の位相速度が測定可能となる。
接合液体を使用することに基づく方法は、例えばペーパ
ーの特性を測定し決定する場合には、さまざまな理由に
よって適当でない。
米国特許第4,180,324号明細書は励起位置から発振さ
れた超音波の波動を調べることで材料特性を測定するよ
うな他の方法を教示している。この方法は基本的には断
続（punctiform）形式でフォイル材料の強度を測定する
のに使用できるのであるが、そのｚ方向、すなわちその
表面に対して直角に材料を横断する方向、に於ける材料
強度を決定するのに使用できるだけである。この新規な
特許性のある構造を使用する場合の識別できる他の特徴
は、超音波の伝搬を調べないことに加えて、この新規な
構造が材料の平面に於いて異なる方向の材料強度を局部
的に測定できるようにしていることである。これは、使
用される励起領域の幾何学形状および配向を通じて、材
料に生じた視認できる（macroscopic）弾性伸びすなわ
ち引張りと、その材料の異なる方向に於ける強度と、の
間に発見された変化できる関係を使用することで、達成
される。
米国特許第4,674,332号明細書に記載された他の知ら
れている方法は、基本的には非接触オンライン測定方法
として構成されることができる。この場合、超音波はレ
ーザー光に助成されて熱的に発生される。しかしながら
この測定技術は米国特許第4,291,577号明細書による方
法と同様に、材料の内部に発生され伝搬された超音波の
位相速度を確定するために、明確な移動距離にわたる走
行時間もしくは位相変化の正確な決定を必要とする。こ
のような測定は特にオンラインに於いて正確に行うこと
が困難であり、得られた結果もまた、特にペーパーの特
性測定の場合には、製紙に重要とされる強度特性に直接
に関係されることは難しい。その１つの理由は、得られ
た測定値が比較的長い、すなわちペーパー平面で測定し
た場合に通常は数十センチメートルとされる、移動距離
にわたって測定された平均値とされるからである。局部
的な最小値の発生は、超音波で測定されたペーパー強度
と、従来のペーパー試験手順を使用したときの研究施設
で得られたペーパー試験結果との間の関係に決定的な重
要性を有する。
本発明の１つの目的は、既知の技術に於ける欠点を排
除し且つ意図した測定を確立することのできる冒頭に記
載した形式の構造を新規に提供することである。このよ
うにしてこの構造は、保守を必要とし且つまた容易に機
能不全を起こしたり信号ノイズを生じるようなペーパー
ウェブに接触される可動部品のないように構成される。
ウェブの速度および表面粗さに拘りなくペーパーに対す
る接触問題が発生することもない。本発明は材料の中を
異なる方向に伝搬する発生超音波の位相速度の測定に基
づくものではない。何故ならば、その形式の測定方法は
十分高い精度でオンライン化するのは困難だからであ
る。本発明はまた、非常に小さな表面要素すなわち面積
部分、例えば数ミリメートルの大きさの面積部分、に於
いて材料特性を局部的に記録できるようになす。このこ
とは、静止局部強度およびパルプの分散、並びに発生し
得る局部的な極値、既知の技術による測定技術の助成で
はしばしばオンライン化することができなかった何れか
の事項、を確定できるようになす。最後に、この測定の
間に、例えばペーパーを測定する場合にはセルロース繊
維の角度配向に関連する機械的強度の異方性を記録する
ことも可能になる。
序説の段落に記載した形式の前述の要求事項を満たす
本発明による構造は、励起ユニットが、材料を励起ユニ
ットに接触させることなく、レーザーにより発せられる
電磁放射に助成され、且つレーザー光を照射された表面
領域の幾何学的な伸長によって決定される材料上の幾何
学的に明確に限定された少なくとも１つの表面領域内で
の局部的なプラズマの発生を経て、材料を取りまいてい
る気体雰囲気、通常は大気空気、の中に局部的な瞬間的
なガス圧力パルスを発生させるように、そして意図する
測定方法に必要とされる領域の制限境界内に於いて材料
に局部的な瞬間的な伸長を引き起こすように、機能する
こと、および、検出ユニットが、前記材料に接触される
ことなく、材料の前記領域に於ける変化を直接的もしく
は間接的に検出することによって、材料の局部的な伸長
を検出するように機能すること、を主たる特徴としてい
る。本発明の更に他の特徴は添付された請求の範囲の欄
に記載されている。
本発明は、フォイル材料の強度および質量分散に於け
る局部的な変化を頻繁にオンライン測定することのでき
る特に新規且つ独特な測定方法を提供する。例えば、本
発明は数ミリメートル四方よりも小さい寸法の面積部分
にて１秒間あたり千回もフォイル材料の強度および／ま
たは重さを測定することができる。
干渉性のパルス化された短波放射をなす、レーザーに
より発せられる電磁放射は、局部的にプラズマを発生さ
せて、フォイル材料の表面のすぐ近くに位置された小さ
な幾何学的に明確に限定されたガス領域の中に、瞬間的
な非常に高い過大圧力を発生させるようになされる。こ
のようにして発生された圧力パルスは非常に速い発展時
間、例えばマイクロ秒のような発展時間、を有する。材
料を励起させるのに使用されるこの圧力パルスは、本質
的に励起領域内に位置された材料表面のその部分だけが
利用可能な時間内に移動できるように、極めて短い立ち
上がり時間を有しなければならない。本発明の測定方法
の基本、すなわち材料の瞬間的な局部的な伸長、を形成
する意図された作用は、こうでなければ達成されない。
レーザーパルスが100nsよりも短いときには実際の圧力
パルスの持続時間はレーザーパルスの持続時間によって
決定されはしないが、これはその代わりに励起領域に幾
何学的伸長および発生されるプラズマの特性によって決
定される、ということが注目される。例えば、１ミリメ
ートル（1mm）の半径を有する円形の励起領域は発生さ
れた圧力パルスにマイクロ秒の程度の持続時間を与え
る。これは、レーザーパルスの持続時間がナノ秒程度で
あるという事実にも拘らずにである。概略的に言って、
我々が実施した実際のペーパー測定試験では、前述の方
法を実施した場合に十分に短い立ち上がり時間を有する
圧力パルスを発生させることが可能であると示されたこ
とが、注目できる。励起領域に106W/cm2のパワー密度を
付与する場合、静止したペーパーウェブの同一点が繰り
返し励起されたとしてもそのペーパー材料を認識できる
ほどに加熱させないで必要な圧力パルスの発生を達成で
きることが見いだされている。
試験によれば、励起で生じた伸長の大きさはペーパー
平面に於ける異なる方向への励起領域の幾何学的伸長に
左右され、また前記異なる方向へのペーパーの引張り強
さに左右されることが示された。ペーパーの重さ、すな
わち表面重量もまた励起領域内で加速された材料の慣性
質量に接続された伸長の進展に影響するのである。励起
領域の全面積および瞬間的な励起圧力の大きさもまた、
これらのパラメーターが所要の測定形状に関して選択可
能で且つ測定可能なパラメーターと考えられているので
あるが、勿論ながら伸長すなわち引張り伸長の程度に影
響するのである。励起領域の幾何学的形状および／また
は方向を変化させることで、結果的に記録される伸長に
対しての測定されるべき材料特性の影響を変化させるこ
と、そしてこのようにして強度異方性に関する情報を提
供すること、が可能であると見いだされた。実際にはこ
れは、例えば四角い励起領域を次々と励起し回転させる
ことで、或いは幾つかの点で同時に励起し、異なる形状
および方向の複数の励起領域を使用することによって、
行われる。この点に関しては多くの異なる可能性が上述
した基本的な原理によって与えられ得る。
フォイル材料が小さな引張り剛性を示す方向、すなわ
ちｘ方向、に長軸を配向するような細長い四角い励起領
域の配向は、小さな度合いの伸長を生じる。従って、ｙ
方向に於ける材料の大きな引張り強さによって与えられ
る影響は比較的大きい。反対に、励起領域がその長軸を
ｙ方向に配向したときには大きな度合いの伸長が得られ
る、すなわちｘ方向に於ける材料の小さな引張り強さに
よって与えられる影響は比較的大きい。注目すべきこと
は、ペーパー試験片を測定するときは、３つの要素を含
む前記２方向に於ける引張り剛性の相違がしばしば得ら
れるということである。
材料の伸長に及ぼすその影響は励起領域の全面積に応
じて決まるが、基本的には、励起領域の方向とは無関係
である材料の重さは、瞬間的な伸長の過程から読み取る
ことができる。この重さの影響は、伸長の過程の初期位
相に於いて特に強調される。これは、検出ユニットから
の信号に於ける高周波成分に対応する。
この重さと対照的に材料の機械的強度は主として検出
ユニットからの信号に於ける低周波成分に影響する。こ
れは、時間的な面（time plan）に於いては励起領域内
にある材料が遅らされる時間間隔に対応する。
上述した低周波および高周波の範囲の間の周波数帯
は、材料の局部的な伸長に関連して発生する一般的なエ
ネルギー損失に関する補完情報を与える。
上述した関係、すなわち、励起領域の幾何学的形状お
よび方向に関連する。異なる周波数帯／時間間隔の中で
の、材料の異なる機械的特性に対する感度の度合いを変
化させる事が、問題とする材料特性の値を演算する目的
のためのこの特許性のある測定構造に関して利用できる
のである。
本発明はここでその好ましい実施例を参照し、また添
付図面を参照して、更に詳細に説明される。添付図面に
於いては、 第１図に、本発明の原理によって構成され、移動可能
なペーパーウェブに隣接配置された測定構造の一方の側
から見た平面図、 第２図は、変化する幾何学的形状の励起領域によって
材料がその１つの点で実質的に励起され、瞬間的な伸長
過程の検出が圧力応答センサーに助成されて行われるよ
うな、測定状況を示しており、そして 第３図は、異なる幾何学的形状の励起領域によって材
料がその２つの点で同時に励起され、瞬間的な伸長過程
の検出が光学センサーに助成されて行われるような、状
況を示している。
第１図は概略ブロック図であり、矢印の方向へ連続的
に送られるペーパーウェブ10に隣接配置されたこの新規
な測定構造の１つの実施例を示しており、また、本発明
の主たる原理を示している。励起および検出の両方とも
ペーパーウェブ10に対して非接触法にてウェブの上方に
配置された励起ユニット12および前記ウェブの下方に配
置された検出ユニット14によって行われる。検出ユニッ
ト14は信号導線16によって演算論理ユニット18に接続さ
れている。演算論理ユニット18は出力19を有している。
この演算論理ユニットはコンピューターもしくはマイク
ロプロセッサーを含んでいる。このコンピューターもし
くはマイクロプロセッサーはアダプター手段（図示せ
ず）を備えている。また、時間的な面もしくは周波数の
面で見られるように一般的な瞬間的伸長過程に基づいた
測定にてその材料の決定可能な局部的強度および質量を
演算できるように適当に構成されている。そしてまた、
望まれるならば補正手段20に助成されて既知の方法でこ
れらの演算値を温度、湿度および厚さ変化に関して補正
できるように構成されている。これは、関係する材料特
性に対応した数値を標準測定状態の基に確定できるよう
になす。演算論理ユニット18はまた励起ユニット12が発
した放射の強さを示す基準信号を別の信号ライン22で受
け入れている。
第１図はまた励起ユニット12によって発せられたレー
ザービーム26がペーパーウェブ上に当たる領域付近の拡
大した部分24を別に示している。第１図にこの拡大部分
は、プラズマ領域28および材料ウェブの局部的な伸長30
を示している。この局部的な伸長は、材料表面とプラズ
マ領域28の境界領域に局部的な瞬間的な過大圧力が発生
することで引き起こされる。
実際の励起領域32および34の他の形状がそれぞれ第１
図に拡大図で示されている。この図面に示されるよう
に、これらの励起領域は例えば円形または四角形の形状
を有することができる。
図示した構造は、エクサイマー（EXCIMER）レーザー
と称される励起ユニット12を含んでいる。このレーザー
は、局部的なプラズマ発生を行えるように十分に高いエ
ネルギーの短波光の短いパルス放射を発生することがで
きる。先に説明したように、これは意図した圧力パルス
を発生して測定手順を遂行するために必須である。プラ
ズマ発生は非常に高いパワー密度を必要とし、普通は10
4W/cm2を超えるパワー密度が必要である。
第２図に示した実施例の場合には、励起ユニット12′
は１本のレーザービーム26′でもって作動する。このビ
ームはレーザー36によって、開口の形成されたダイヤフ
ラム38およびレンズ40を通して発生される。第２図の実
施例は２つの異なる形式のダイヤフラム38aおよび38bを
含んでいる。これらのダイヤフラムは材料に異なる方向
の励起領域を形成するのに使用できる。上側のダイヤフ
ラム38は、矢印の方向に沿って移動されるときにレーザ
ービーム26′を絞る２つの開口を有している。同様なビ
ームに対する絞りは下側の回転可能な代替ダイヤフラム
38bでも達成できる。
第２図の実施例に於ける検出ユニット14′は圧力感応
センサーを含んでいる。このセンサーは、励起領域のの
中の材料部分が伸長の発生に際して加速され、これとと
もに周囲空気に圧力波を引き起こすときの材料の瞬間的
な伸長あるいは弾性的な伸びに関する必須情報を受け止
める。このようにして発生された圧力波の進展は、確定
されるべき機械的特性の演算に必要な瞬間的な伸長過程
に係わる情報を提供する。
第３図は本発明の構造の他の実施例を示しており、ま
た、レーザー36′で発生されたビームが分岐されて励起
ユニット12′から２本の同時に作動するレーザービーム
E1およびE2として放射されて作動する新規な測定構造に
於ける方法を示している。レーザービームは励起ユニッ
ト12″に於いて反射ミラー39,41、開口の形成されたダ
イヤフラム42,44、および円筒形のレンズとされるのが
好ましいレンズ46,48に助成されて前記２本のレーザー
ビームE1およびE2に分けられる。これらのビームはペー
パーウェブ10上に導かれ、２つの異なる方向の励起領域
にて圧力波を同時に発生させる。この場合、検出はペー
パーウェブ10の反対両側でそれぞれの励起領域から適当
な距離を隔てた位置にて行われる。また、検出は光学的
に位置を感知する検出ユニット14″で助成されて行われ
る。
前述の実施例では、それぞれの演算論理ユニットから
ペーパーウェブ10の局部的強度および質量に係わる情報
を与える出力信号が得られる。
この技術分野に熟知した者には、この新規の特許性の
ある前述の測定構造の基本原理が後述する請求の範囲に
記載した範囲内に於いて詳細設計に関してさまざまに変
更できるということが、明白となろう。また、ファイバ
ー光学装置の助成により使用されたレーザービームを分
配することも本発明の範囲内に含まれ、この測定構造を
対象とするペーパーウェブから所望される距離にて容易
に手の届く位置に配置することができることも、本発明
の範囲内に含まれる。更に、この新規な測定構造はいわ
ゆる横方向移動するように容易に配置することができ
る。これは、この構造が運転中であっても製紙機械の給
送方向に対して横方向へ移動できることを暗示する。第
１図に示した検出ユニットの代替として、例えば材料の
伸びすなわち伸長によって生じる局部的な変化を記録で
きる既知の検出構造を使用することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−65687（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−309845（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−90257（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−197760（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−51042（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 3/00 - 3/62 G01N 33/34 G01L 1/00 - 1/26 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フォイル材料（10）の機械的特性を測定す
    る装置であり、装置は、前記材料に影響を与え且つレー
    ザー（36）を含む励起ユニット（12）と、検出ユニット
    （14）とを有し、前記励起ユニット（12）と検出ユニッ
    ト（14）とが演算論理ユニット（18）に電気的に接続さ
    れ、演算論理ユニット（18）が励起ユニット（12）と検
    出ユニット（14）とから伝えられた測定過程に於ける出
    力値を表す電気信号を記録且つ変換して、測定すべき機
    械的特性を表す最終的な信号の値を確定する、フォイル
    材料の機械的特性を測定する装置であって、励起ユニッ
    ト（12）がレンズ（40,46,48）と共に、フォイル材料が
    励起ユニット（11）に接触することなく、レーザー（3
    6）により発せられる電磁放射により、レーザー光が照
    射された表面部分の幾何学的な伸長により決定されるフ
    ォイル材料（10）の幾何学的に明確に限定された少なく
    とも１つの表面領域内に局部的なプラズマを発生させ、
    フォイル材料を取りまいている気体雰囲気に局部的な瞬
    間的な気体圧力パルスを発生させて、これにより表面領
    域の境界領域において意図されている測定手順に必要な
    局部的な瞬間的なフォイル材料（10）の伸長を発生さ
    せ、検出ユニット（14）がフォイル材料（10）に接触す
    ることなく、フォイル材料の表面領域に於ける変化を直
    接的もしくは間接的に検出してフォイル材料の局部的な
    伸長を検出すること、を特徴としたフォイル材料の機械
    的特性を測定する装置。
  2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載された装置であっ
    て、検出ユニット（12）が瞬間的な位置または位置の変
    化を検出することを特徴とするフォイル材料の機械的特
    性を測定する装置。
  3. 【請求項３】請求の範囲第１項または第２項に記載され
    た構造であって、励起ユニット（12）のレーザー（36）
    がパルスガスレーザーであることを特徴とするフォイル
    材料の機械的特性を測定する装置。
  4. 【請求項４】請求の範囲第３項に記載された構造であっ
    て、励起ユニット（12）が異なる幾何学的形状および／
    または異なる方向の励起領域内でフォイル材料を励起す
    ることを特徴とするフォイル材料の機械的特性を測定す
    る装置。
  5. 【請求項５】請求の範囲第１項から第４項までの何れか
    １項に記載された装置であって、検出ユニット（14）が
    １つもしくはそれ以上のセンサーを含み、このセンサー
    は空気圧に応答するセンサーであり、また、このセンサ
    ーは、演算論理ユニット（18）に於いて局部的瞬間的な
    フォイル材料伸長過程に係わるフォイル材料の局部的な
    機械的な特性を算出するために、開始時の値を記録する
    ことを特徴とするフォイル材料の機械的特性を測定する
    装置。
  6. 【請求項６】請求の範囲第１項から第５項までの何れか
    １項に記載された装置であって、検出ユニット（14）が
    １つもしくはそれ以上の位置検出光学センサーを含み、
    このセンサーが開始時の値を記録し、この開始時の値に
    基づき瞬間的局部的なフォイル材料伸長過程に係わるフ
    ォイル材料の局部的な機械的特性が演算論理ユニット
    （18）に於いて演算されることを特徴とするフォイル材
    料の機械的特性を測定する装置。
  7. 【請求項７】紙の機械的特性を測定する、請求項１から
    請求項６の何れか１項に記載された装置。
  8. 【請求項８】フォイル材料の強度および重さを測定す
    る、請求項１から請求項７の何れか１項に記載された装
    置。
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