JP3908222B2 - ダート蓄積補償機構を有する光沢センサ装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、紙シートの表面特性を測定するための光沢センサに関し、より詳細には、ダート蓄積を補償する単一の装置を使用した光沢の測定に関する。

表面の品質を判定する際に使用するパラメータの１つが、表面艶または表面の光沢である。例えば、紙の生産では、様々な適用分野に適合するように、表面光沢が異なる様々な等級の紙が製造されている。紙の生産中、紙表面が所望の光沢を有すように保証するために、紙の表面の光沢を周期的または連続的に測定することが望ましい。

通常、紙の表面光沢は、完成した紙をロールとして梱包して出荷する前の紙製造の最終段階中に光沢計を使用して測定される。次いで紙のロールが紙製品製造業者に出荷され、紙製品製造業者は、所期の用途に従って紙シートを処理する。

紙表面の光沢を判定する装置は、紙表面から反射された光ビームの強度を測定する光学系を利用する。通常、紙表面の光沢は、その反射率を、既知の光沢を有する磨き面を有するガラスタイルなどの既知の光沢標準の反射率と比較することによって判定される。

具体的には、紙表面の反射率を測定する際に、光を表面に投射し、光の強度に応答するセンサを配置して、紙表面から反射された光の強度を測定する。光沢計は、紙表面の代わりにタイル表面を使用することによって同様にタイル表面の反射率を測定する。紙表面の反射率をタイル表面の反射率と関係付け、それによって紙表面の光沢の測定値が得られる。実際には、タイル表面の反射率の測定は、光沢計が紙表面をスキャンするときに、オフシート時および各スキャンの間に周期的に実施される。光沢計は、そのような各測定中にタイル表面の既知の反射率で較正される。

この技法の下で、２つの光沢センサ規格が業界で開発された。ＤＩＮ ５４５０２の下で略述される、通常の光沢測定用の第１の規格は、入射光ビームに関して、測定面に対して垂直な直線からの角度７５°を用いて測定を行うべきことを指定する。高光沢測定では、測定は、入射光ビームに関して、測定する面に対して垂直な直線からの角度４５°を用いて行われる。両方の測定を行うべき場合、一般には２つの別々のセンサが使用される。ＴＡＰＰＩ Ｔ４８０の下で略述される第２の規格は、入射光ビームに関して、測定する面に対して垂直な直線からの角度７５°だけを用いて測定を行うべきことを指定する。

入手可能な光沢センサに関連する１つの問題は、センサ窓が汚れた場合に適切に機能することができないことである。例えば、製造中に細かい紙塵が生成される。この細かい紙塵は、基準タイルまたはセンサ窓を被覆する。したがって、基準タイルをスキャンすることによってセンサがリセットされたとき、または光ビームが汚れたセンサ窓を通過した場合、読取り値が不正確となる。したがって、紙の光沢が適切に検出されなくなる。

したがって、製造中のダート蓄積（dirt buildup)とは無関係に、正確な光沢測定結果を生成することのできる光沢センサが求められている。
現在入手可能なセンサよりもコンパクトで、使用する部品が少なく、保守の必要が少ない光沢センサも求められている。

本発明の一態様によれば、表面の光沢を光学的に測定するための光沢センサが提供される。この光沢センサは、光源と、光源から光を受けるための、平行光ビームを形成するように構成された第１コリメータとを含み、平行光ビームはコリメータの第１端部から放射される。この光沢センサは、基準信号を発生させるための、コリメータ内の第１検出器と、コリメータの第１端部に隣接して配設され、第１ビーム、および反射装置で受けられる第２ビームに平行ビームを分割するためのビームスプリッタと、第１窓に隣接して配置され、測定する表面に第１ビームを反射するように適合され、反射装置から反射された第２ビームを受けるようにさらに適合された第１ミラーとをさらに含む。第２ミラーは第２窓に隣接して配置される。第２ミラーは、測定する表面から反射された第１ビームと、第１ミラーによって反射された第２ビームとを第１窓および第２窓を通じて受ける。第２ミラーは、第２ビームを反射装置に戻すような角度に配置される。第２コリメータが、第１コリメータに隣接して配設され、第２ミラーから反射された第１ビームを受けるように配置される。第２検出器が、第２コリメータ内に位置し、第１ビームを受けるように適合される。反射装置に隣接して配設された第３検出器が、第２ビームを受けるように適合される。

本発明の一態様によれば、表面の光沢を測定するための光沢センサが、照明源と、少なくとも２つのコリメータとを含み、照明源は、２つのコリメータの一方の中に配設される。第１検出器が第１コリメータ内に配設され、照明源から放射されたビームを受けるように適合される。光沢センサは、照明源から放射されたビームを２つの別々のビームに分割するビームスプリッタと、この２つの別々のビームを反射するための手段とをさらに含む。第２コリメータ内に配設された第２検出器が、ビームスプリッタからのこの２つのビームの一方を受け、第３検出器が、他方の第２ビームを受けるように配置される。

本発明の別の態様によれば、サンプル表面の光沢を光学的に測定するための光沢センサが提供される。この光沢センサは、光源と、光源から光を受けて平行光ビームを形成し、第１コリメータの第１端部から放射する第１コリメータと、基準信号を発生させるための、コリメータ内に位置する第１検出器と、コリメータの第１端部に隣接して配設され、第１ビーム、および反射装置で受けられる第２ビームに平行ビームを分割するビームスプリッタとを含む。第１ミラーが、第１窓に隣接して配置され、測定する表面上に第１ビームを反射し、さらに、反射装置から反射された第２ビームを受けるように適合される。第２窓に隣接して配置された第２ミラーが、測定する表面から反射された第１ビームと、第１ミラーによって反射された第２ビームとを第１窓および第２窓を通じて受け、第２ミラーは、第２ビームを反射装置に戻すような角度に配置される。第１コリメータに隣接して配置された第２コリメータが、第２ミラーから反射された第１ビームを受けるように配置される。第２コリメータ内に配設された第２検出器が、第１ビームを受け、測定信号を生成する。反射装置に隣接して配設された第３検出器が、第２ビームを受け、ダート補償ビームを生成する。基準信号およびダート蓄積信号で測定信号を補正することによって光沢値を生成するための信号補正手段。

次に、添付の図面に示す好ましい実施形態を参照しながら本発明をより詳細に説明する。添付の図面では、同様の要素は同様の参照番号を有する。

図１に示す概略図は、ＤＩＮ光沢測定を行うように配置された光沢感知システムの図である。
ここで図１を参照すると、本発明の光沢センサ１００の図が示されている。この光沢センサ１００は、第１コリメータ１０２、ビームスプリッタ１６０、第１ミラー１６５、複数の窓１６２および１６２’、第２ミラー１６５’、プリズム反射器１５０、第２コリメータ１０４、ならびに空気渦クランプ１７０を含む。加えて、気密ケース９０を有する光沢センサ１００を提供することができ、それによって光沢センサ１００全体が汚染から遮蔽される。

第１コリメータ１０２は、照明源１１０、基準検出器１２０、ディフューザ(diffuser)１３０、および絞り１４０を含む。第２コリメータ１０４は、フィルタ１３５および検出器１２７を含む。第１コリメータ１０２および第２コリメータ１０４は、ＤＩＮ ５４５０２規格に従って構築される。

光源１１０には、白熱電球、メタルハライド光源、キセノン光源、またはより好ましくは超高輝度（ｅｘｔｒａ ｂｒｉｇｈｔ）発光ダイオード（ＬＥＤ）を含めることができる。光源１１０は、可視（４５０〜６５０ｎｍ）領域で強い放射を生成し、ピーク強度が約５４０〜５５０ｎｍとなるように電気的に調節される。光源をさらに、第１周波数および第２周波数を有する光エネルギーを供給するように調節することができる。以下で詳細に説明するが、第１周波数の光エネルギーは、ビームスプリッタ１６０を通過するように適合され、第２周波数の光エネルギーは、ビームスプリッタ１６０によって第２の方向に反射される。単一光源とビームスプリッタ１６０を使用することにより、光沢センサ１００をよりコンパクトにすることが可能となる。加えて、本発明の光沢センサのより単純な設計により、光沢センサ１００の全コストを、現在周知の同等の光沢センサよりも低く抑えることができる。

ＤＩＮ ５４５０２規格に従うＤＩＮ光沢（７５°）測定を実現するために、光源１１０によって生成される光エネルギーが第１コリメータ１０２によって平行にされ、平行ビーム１１５となる。上述のように、光源によって生成される光エネルギーは、第１周波数および第２周波数の光エネルギーを含む。第１コリメータ１０２内に配設された基準検出器１２０は、光源１１０によって生成された光エネルギーの特性に関する情報を含む信号１２５を送る。基準信号１２５は、図３に示し、以下でより詳細に説明する蓄積補償装置を用いて、紙表面の反射率を光源１１０で生成された光エネルギーの強度と比較するのに使用される。

図１に示すように、平行ビーム１１５はビームスプリッタ１６０を通過し、そこで第２周波数の光エネルギーが、ビーム１１７として平行ビーム１１５から分離され、平行ビーム１１５に対して約９０°の角度の方向に向けられる。ビームスプリッタ１６０を通過した後の平行ビーム１１５は、第１周波数の光エネルギーを含み、ミラー１６５により、窓１６２を通じて紙１０５に向かって反射される。ミラー１６５は、測定する表面に垂直な直線に対して約３７．５°の角度に設定され、それによって平行ビーム１１５が紙１０５の方向に向けられる。次いで平行ビーム１１５は、紙１０５によって反射される。紙表面から反射される光エネルギーの強さが紙表面の光沢を表す。

紙１０５によって反射された平行ビーム１１５は、窓１６２’を通じて第２ミラー１６５’で受けられる。第２ミラー１６５’は、約３７．５°の角度に配置され、それによってビーム１１５を第２コリメータ１０４に向けるように適合される。第２コリメータ１０４は、平行ビーム１１５がフィルタ１３５を通過した後に、平行ビーム１１５の光エネルギーを検出器１２７上に凝縮する。図１に示すように、平行ビーム１１５は紙１０５のところで、紙の平面に垂直な直線に対して約７５°の角度をなす。紙表面１０５からの反射係数は、紙光沢に比例する。

本発明の光沢センサ１００は、ダート蓄積補償装置（dirt buildup compensation device)をさらに含む。ダート蓄積補償装置は、プリズム反射器１５０、窓検出器１２４、および複数のコンバイニング装置３１０、３２０、および３３０を備える（コンバイニング装置３１０、３２０、および３３０は図３に示す）。図１に示すように、ビームスプリッタ１６０は、平行ビーム１１５内に含まれる第２周波数の光エネルギーを、平行ビーム１１５に対して約９０°の角度のビーム部分１１７として分離する。ビーム１１７はプリズム反射器１５０によってミラー１６５に反射される。次いでビーム１１７は、ミラー１６５により、２つの窓１６２、１６２’を通じて反射される。次いでビーム１１７は、ミラー１６５’によって反射され、それによってビーム１１７がプリズム反射器１５０によって受けられ、窓検出器１２４に反射される。窓検出器１２４は、以下で詳細に示すように使用するためにダート蓄積補償信号１２６を発生させる。プリズム反射器１５０は光沢センサ１００内で調節可能であり、したがって第２ビーム１１７の反射角を、それに応じて調節することができる。

図１に示すように、本発明の光沢センサ１００により、２つの基準信号と１つの測定信号を含む３つの別個の信号が発生する。第１基準信号１２５は、第１コリメータ１０２内で発生する。第２基準信号は、窓検出器１２４によってダート蓄積補償信号１２６として発生する。図１に示すように、信号１２６はビーム１１７から発生し、窓１６２、１６２’上のダート蓄積量を測定するのに使用される。第３信号１２９は、検出器１２７によって第２コリメータ１０４内で発生する測定信号である。

次に図２を参照すると、本発明のダート蓄積補正機構３００の代替実施形態が示されている。図２に示されているように、光沢センサ１００のプリズム反射器１５０がミラー２５０および２５２で置き換えられている。ミラー２５０および２５２は調節可能であり、それによってビーム１１７の適切な反射角を、それに応じて調節することができる。

次に図３を参照すると、本発明のダート蓄積補正装置３００の機能を示す機能図が示されている。補正装置３００は、第１コンバイニング装置３１０、第２コンバイニング装置３２０、および第３コンバイニング装置３３０を含む。コンバイニング装置３１０、３２０、および３３０はそれぞれ、光沢センサ１００の検出器で生成された信号を受け取るように適合される。図３に示すように、第１コンバイニング装置３１０は、得られた測定信号１２９および第１基準信号１２５を受け取る。信号１２９と１２５はコンバイニング装置３１０によって結合され、信号３４０として出力される。出力信号３４０は、紙１０５の未補正光沢測定値を表す。第２コンバイニング装置３２０は、窓１６２および１６２’上のダート蓄積を示すダート蓄積補償信号１２６と、第１基準信号１２５とを受け取るように適合される。信号１２６と１２５は、第２コンバイニング装置３２０によって結合され、ダート補正信号３６０として出力される。次いで、未補正光沢信号３４０およびダート補正信号３６０はコンバイニング装置３３０で受け取られ、補正済み光沢信号３７０として出力される。

窓１６２および１６２’を通過したダート蓄積補償信号１２６は、窓上のダートの蓄積に関する情報を含む。例えば、紙作成工程中に、塵が窓１６２および１６２’上に蓄積する可能性があり、したがって、この塵蓄積について光沢測定信号を補正しない場合、測定信号１２９は光沢測定値を正確に表さないことになる。信号１２６はまた、信号１２９の測定値を変える可能性のある空気中の塵も補償する。

ダート補償装置３００の結果として、本発明の光沢センサ１００では、以下で詳細に説明する標準化手順が不要である。さらに、光沢センサ１００では、標準化機械ユニットが不要である。したがって、現在周知の光沢センサに通常見られる可動部を少なくして、光沢センサ１００を既存のセンサよりもコンパクトに作成することができる。

通常、標準化ユニット（図示せず）は、既知の光沢のある表面からなり、それによって、光沢センサが既知の光沢のある表面の読取りを行うように、光沢センサまたは既知の光沢のある表面を移動する。例えば、既知の光沢のある表面はタイルを含むことができ、それによって光沢センサが、紙表面上に配置された位置から光沢のある表面上に配置された位置まで移動し、そこで光沢センサが、既知の光沢のある表面に従って較正される。あるいは、標準化ユニットは第２光源、または第１光源に源を発するライトパイプを備えることもでき、光源が既知の光沢のある表面に向く角度に向けられ、その反射が検出器で受けられる。次いでこの信号を使用して、それに応じて光沢センサが較正される。

代替実施形態（図示せず）では、光沢測定とダート蓄積測定を分離するために、平行ビーム１１５およびビーム１１７を２つの相異なる周波数ｆ₁およびｆ₂で変調することができる。

本発明の光沢センサ１００はまた、紙表面の平滑度を正確に測定するのに利用することもできる。当業者は理解するであろうが、紙表面の平滑度も、紙の光沢と相関させることができる。

さらに、高光沢測定（紙の平面に垂直な直線に対して７５°）を行うセンサとして本発明を説明したが、本発明の装置および方法はまた、標準光沢測定を行うのにも効果的に利用することができる。標準光沢測定は、ミラー１６５、１６５’を位置変更および／または再配置することにより、紙平面に垂直な直線に対して４５°の角度で行われ、それによって平行ビーム１１５が、紙１０５の平面に垂直な直線に対して４５°の角度に向けられて収集される。加えて、本発明の光沢センサ１００の要素を二重にして、それによって光沢（４５°）測定と高光沢（７５°）測定を同時またはある循環速度でどちらも行うことができる光沢センサを作成することができる。

ＩＳＯ ２．８１３規格に従って２０°、６０°、および８０°で光沢測定を実現し、またはＴＡＰＰＩ Ｔ４８０規格に従ってＴＡＰＰＩ ７５°測定を実現するように本発明の光沢センサ１００をさらに変更できることを当業者は理解されよう。

特定の実施形態に関して本発明を説明したが、本発明から逸脱することなく、様々な変更および修正を行えること、および均等物を利用できることが当業者には明らかであろう。

本発明の光沢センサの概略図である。 本発明の光沢センサのための蓄積補正システムの代替実施形態の概略図である。 本発明のダート蓄積補正機構の機能図である。

Claims (12)

1. サンプル表面の光沢を光学的に測定するための光沢センサであって、
   照明源と、
   前記照明源から光を受け、第１コリメータの第１端部から放射される平行光ビームを形成するように構成された第１コリメータと、
   基準信号を発生させるための、前記第１コリメータ内の第１検出器と、
   前記第１コリメータの前記第１端部に隣接して配設され、第１ビームと第２ビームに前記平行ビームを分割するビームスプリッタと、
   前記第２ビームを受けるための反射装置と、
   第１窓に隣接して配置され、測定する表面上に前記第１ビームを反射する第１ミラーであって、さらに、前記反射装置から反射された前記第２ビームを受けるように配置された第１ミラーと、
   第２窓に隣接して配置され、測定する前記表面から反射された前記第１ビームと、前記第１ミラーによって反射された前記第２ビームとを前記第１窓および前記第２窓を通じて受ける第２ミラーであって、前記第２ビームを前記反射装置に戻すような角度に配置される第２ミラーと、
   前記第２ミラーから反射された前記第１ビームを受けるように配置された第２コリメータと、
   前記第２コリメータ内に配設され、前記第１ビームを受けるように適合された第２検出器と、
   前記反射装置に隣接して配設され、前記第２ビームを受けるように適合された第３検出器とを備える光沢センサ。
2. 前記照明源が、超高輝度発光ダイオードを含む請求項１に記載の光沢センサ。
3. 前記照明源が、約５４０ｎｍから５５０ｎｍの間にピーク強度を有する強い放射を生成するように電気的に変調される請求項２に記載の光沢センサ。
4. 前記強い放射が、約４５０ｎｍから約６５０ｎｍの間の可視領域で生成される請求項３に記載の光沢センサ。
5. 前記照明源がメタルハライドバルブを含む請求項１に記載の光沢センサ。
6. 前記照明源がキセノンガス封入光源を含む請求項１に記載の光沢センサ。
7. 前記照明源が、第１周波数および第２周波数を生成するように変調され、前記第１周波数が前記第１ビームであり、前記第２周波数が前記第２ビームである請求項２に記載の光沢センサ。
8. 前記反射装置がプリズム反射器である請求項１に記載の光沢センサ。
9. 前記プリズム反射器が調節可能である請求項８に記載の光沢センサ。
10. 前記反射装置が複数の調節可能ミラーである請求項１に記載の光沢センサ。
11. サンプル表面の光沢を光学的に測定するための光沢センサであって、
    照明源と、
    前記照明源から光を受け、第１コリメータの第１端部から放射される平行光ビームを形成するように構成された第１コリメータと、
    基準信号を発生させるための、前記第１コリメータ内の第１検出器と、
    前記第１コリメータの前記第１端部に隣接して配設され、第１ビームと第２ビームに前記平行ビームを分割するビームスプリッタと、
    前記第２ビームを受けるための反射装置と、
    第１窓に隣接して配置され、測定する表面上に前記第１ビームを反射する第１ミラーであって、さらに、前記反射装置から反射された前記第２ビームを受けるように配置された第１ミラーと、
    第２窓に隣接して配置され、測定する前記表面から反射された前記第１ビームと、前記第１ミラーによって反射された前記第２ビームとを前記第１窓および前記第２窓を通じて受ける第２ミラーであって、前記第２ビームを前記反射装置に戻すような角度に配置される第２ミラーと、
    前記第２ミラーから反射された前記第１ビームを受けるように配置された第２コリメータと、
    前記第２コリメータ内に配設され、前記第１ビームを受け、測定信号を生成するように適合された第２検出器と、
    前記反射装置に隣接して配設され、前記第２ビームを受け、ダート補償信号を生成するように適合された第３検出器と、
    前記基準信号および前記ダート補償信号で前記測定信号を補正することによって光沢読取り値を生成するための信号補正手段とを備える光沢センサ。
12. 前記第２コリメータが、前記第１コリメータに隣接して配設される請求項１に記載の光沢センサ。

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