JP4342378B2 - 水分測定装置のセンサ - Google Patents

Description

本発明は、印刷機で使用する水−インク懸濁水溶液の水分濃度を監視するための水分測定装置に使用される静電容量センサに関する。

平版印刷機(Lithographic printing press)で使用されるインクは、通常、インクと加湿溶液の２つの成分で構成されている。加湿溶液は、印刷板の非印刷部分の加湿を促進する少量の添加物を含む水である。これまでインクと加湿溶液は別個の経路で供給されている。

しかし印刷機を簡略化しコストを低減するために、予め混合されたインクと水（即ち加湿溶液）の懸濁液を単一経路で印刷機に供給することがある。懸濁液の単位時間内の使用量が僅かであるため、経済運転の面から、水−インク懸濁水溶液は、インクトレーンを擦るだけでシステム内に循環される。擦り落とされた懸濁液は、当初のものに比べて、水分が10〜20％減少している。最適の印刷結果を得るには、懸濁液が適切な水分濃度を維持しなければならない。この水分濃度は、インク組成にもよるが、通常30〜50％である。印刷開始時に新たなインクと水とを適切な比率で混合することもできる。しかし印刷が進行するに従い、循環される懸濁液のインクと水の比率が変化する。印刷の過程で、連続して新しい懸濁液を補充する場合には、連続して懸濁液中の水分濃度をリアルタイムで測定しなければならないことが多い。

懸濁液の絶縁常数によって、懸濁液の濃度を測定する測定器が知られている。これらの内のある測定器では絶縁常数を測定するホイートストン・ブリッジを使用している（例えば米国特許第4,048,844号）。他の測定器では、ピーク検知装置を備えた発振器（例えば米国特許第4,130,796号）又は論理回路（例えば米国特許第4,399,404号）を使用している。米国特許第4,559,493号には、水−インク懸濁液の水分濃度測定器が開示されている。しかし'493号特許明細書に記載された測定器の論理増幅器は水分濃度０〜20％の領域が除外されているが、大部分の印刷で水分濃度20〜50％の懸濁液が使用されるため、この'493号特許明細書には、望ましい実施形態として、センサの出力を直線化するための対数増幅器が記載されている。

さらに、上記測定器では、対数増幅器の適用範囲の拡大以外にも問題がある。例えば、ある測定器では、静電容量センサに使用する極板が圧力によって変形又は変位する。極板に変形又は変位が生じると、流量によって出力に変動が生じ、対象変量、即ち水分濃度に測定誤差が生じる。

従来の静電容量センサの出力は、測定対象懸濁液中の成分分布によって影響を受ける。例えば、水−インク懸濁液が全く同一組成の懸濁液であっても、成分の分布によって異なる絶縁常数を持つことがある。極端な例として、水とインクが層をなす場合、同一組成の水−インク懸濁液であっても深さによって絶縁常数が異なることになる。この問題については、モーニュ(Mougne)に付与された米国特許第4,916,490号で水と油の混合物を例として説明されている。

さらに、従来の測定器では、精密な測定を行う場合に漏洩電磁界の影響が問題となる。

本発明の目的は、従来の水分測定器の上記の問題を解消し、均一混合された水−インク懸濁液の水分を、広い水分濃度範囲において、対数増幅器を使用することなく、直線的出力が得られるセンサを使用した水分測定器を提供することである。

本発明に係る静電容量センサは、静電容量センサであって、第１空間を形成するハウジング、第１空間内で第２空間を形成する２つの側面絶縁材、及び第２空間内で一定の間隔を隔て側面絶縁材に固定された、対向する２枚の円板として形成された極板で構成され、前記ハウジングには、対向する２枚の極板の間に連通する対向した２つの開口が設けられ、これら２つの開口を通じて極板の間を水−インク懸濁液が通過し、その対向する２枚の極板の静電容量が、その２枚の極板の間に存在する水−インク懸濁液に関係して決まるように構成し、前記対向する２枚の極板のそれぞれの直径が、前記対向する２つの開口の直径よりも大きいことを特徴とするものである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

本発明の水分測定器10を図１に示す。この測定器は、特に印刷機に使用する水−インク懸濁液の水分濃度の測定に適している。しかし、この測定器10は、印刷機又は特定の懸濁液の測定に限定されるものではない。又、測定器10の用途は平版印刷機に適しているが、特定の印刷機に用途が限定されるものでもない。むしろ、その性質により、本発明の範囲内で各種用途に適用できる。

水分測定器10は、従来装置の上記の問題を回避するため、均一に混合された懸濁液に用いるのが望ましい。懸濁液の均一混合する機構については後に述べる。ここで云う均一混合された懸濁液とは、液の全体にわたって各成分が均一に混合された懸濁液を意味する。

被測定懸濁液中の水分濃度を検知するため、水分測定装置10には水分センサ20が設けられている。図１に示すように、水分センサ20は静電容量型で、混合機から送られる被測定懸濁液の流れを通過させるものが望ましい。混合機から印刷機に送られる懸濁液の全てをセンサに通す必要はない。むしろ、システム内の懸濁液の一部をサンプルとしてセンサに通せばよい。また、センサ20は印刷機の上流側に設置するのが望ましいが、他の場所に設置してもよい。例えば、懸濁液を循環させる場合には、センサ20を印刷機の下流側に設置することができる。

いずれにせよ、静電容量センサ20を形成する２枚の極板22の間に懸濁液を通過させる。静電容量が極板22の間にある物質の誘電率によって直接決まるため、極板22の間の誘電物質が変わるとセンサ20の静電容量が変わる。懸濁液は、水分濃度によって誘電率が変わるため、２枚の極板22の間で懸濁液の水分濃度をセンサ20の静電容量によって測定することができる。

このようなセンサ20の静電容量の変化を監視するため、水分測定器10には周波数発振器40が設けられている。周波数発振器40の周波数はセンサ20の静電容量に応じて変化し、発振器40はセンサの静電容量に反比例した周波数信号を発信する。

図１に示すように、発振器40が出力する周波数信号は、RS-422ドライバ46を介して偏差信号としてコード化するのが望ましい。この偏差信号は、標準的な２本撚り線型のケーブル50を介してRS-422レシーバ47に伝送する。レシーバ47は偏差信号を非コード化し、非コード化信号を周波数−電圧変換器60に伝送する。周波数−電圧変換器60は、その名が示すとおり、発振器40からの周波数信号の周波数に比例した出力電圧を発生する。好ましい形態としては、周波数−電圧変換器60の入出力比は20KHz/voltである。

いずれにせよ、図１に示すように、変換器60の出力電圧は通常のローパス・フィルタ70を通して、センサ20又は伝送ライン50で発生した高周波数ノイズを除去する。ノイズを除去した信号は通常のアナログ−デジタル変換器80でデジタル化して水分濃度変換器82で水分濃度に変換し、この出力によって混合機を制御する。即ち、水分センサ20、発振器40、RS-422ドライバ46、ケーブル50、RS-422レシーバ47、周波数−電圧変換器60、フィルタ70、アナログ−デジタル変換器80、及び水分濃度変換器82を混合機に接続してフィードバック・ループを形成し、被測定懸濁液中の水分濃度を調整することができる。

このようなフィードバック・ループを使用して混合機で懸濁液の水分濃度を調整することは、本発明の範囲外であるため、その説明を省略する。ただ、本発明の範囲内で、あらゆる従来の混合機が使用可能である。例えば、混合機から全プロセスの懸濁液に水又はインクを添加することができるし、混合機によって懸濁液のいずれかの成分、又は全ての成分の供給量を制御することもできる。

図２及び図３にセンサ20の詳細を示す。各図に示すように、センサ20は２枚の金属板22を有している。金属板の形状や寸法は任意であるが、金属板22は間隔を隔てて平行に配置された円板であることが望ましい。円板22の直径と間隔の比は12:1〜20：１であることが望ましい。円板としては、ステンレス鋼板等の金属板の対向面に４フッ化エチレン等の合成樹脂を被覆したものが望ましい。合成樹脂被覆は円板22と懸濁液との間を絶縁して円板の腐食を防止ためのものである。また、懸濁液には加湿剤として導電性物質が添加されているため、この絶縁は円板22の間の漏洩電流を防止するためにも必要である。

円板22を所定位置に固定して使用中に動かないように、各円板22は側面絶縁材24に埋め込んで固定するのがよい。図３に示すように、絶縁材24により各円板22の間に上記の所定間隔を持つ空間が形成される。各円板22は、ロサイト(Locite)社から販売されているエポキシ・セメントのような絶縁性セメント23で所定位置に固定し、側面絶縁材24はデルリン(Delrin)のような非導電性材料が望ましい。

円板22は、漏洩電磁界の影響を受けないよう金属製ハウジング26内に設置するのが望ましい。ハウジング26内には側面絶縁材24を所定位置で保持するための空間が形成されている。ハウジング26にはセンサ20を適切な位置に固定するためのボルト等の固定部材27が設けられている。ハウジング26からの液漏れを防止するためのガスケット28を使用することが望ましい。図３に示すように、ハウジング26は、対向する２つの側面部材、頂部部材、及び底部部材がボルト（図示省略）によって通常の方法で組み立てられる。

円板22の間の静電容量の変化を監視するため、ハウジング26には対向する２つの孔が設けられている。対向する２つの孔には絶縁性スリーブ32に囲まれた金属棒30が挿入固定されている。各金属棒30は一端が各円板22に接続され、他端に接続用ワイヤ34が接続されている。接続用ワイヤ34（図１のフロー参照）は、発振器40とRS-422ドライバ46を収容した発振器ボックス36に接続されている。図３に示すように、発振器ボックス36は、有害な静電容量を少なくするためにワイヤ34を短縮し、ハウジング26に載置されている。

図２に示すように、ハウジング26には、円板22の間の間隙に連通する対向した２つの開口38が設けることが望ましい。この開口38を通じて円板22の間の間隙に水−インク懸濁液がポンプで供給される。前記のように、懸濁液の誘電率に比例してセンサ20の静電容量が変化する。その結果、周波数−電圧変換器60の出力周波数は、水分濃度が０〜50％の範囲で、均一混合された水−インク懸濁液の水分濃度に直線的に比例する。この比例関係が直線的であるため、従来の測定器の対数増幅器が不要となる。図６に示すように、希望する範囲内での直線的関係が得られる。

発振器40、RS-422ドライバ46、接続ケーブル50、RS-422レシーバ47、周波数−電圧変換器60、及びローパス・フィルタ70の回路が図４及び図５に例示されている。これらの回路は一例であり発明の範囲内で各種の変更が可能である。

図４に示すように、発振器40には電圧分割回路網44の形の適当なバイアス回路を持つ通常の'555タイマ42を備えていることが望ましい。タイマ42は、分割回路網44とセンサ20を有するマルチバイブレータとして作用し、時間常数を決めるRC回路を形成する。詳しくは、図４に示すように、タイマ42、分割回路網44、及び静電容量センサ20が５ボルト電源に接続されている。電圧が供給されると、周知のとおり、静電容量センサ20が充電され、センサ20に所定の電荷が充電されるとタイマー42がパルスを出力してセンサ20が放電される。こうしてセンサ20の充電と放電のサイクルが繰り返され、タイマ42が、RC回路の時間常数によって決められた周波数信号を出力する。分割回路網44の抵抗が一定であるため、RC回路の時間常数はセンサ20の静電容量に応じて変化する。従って、円板22の間の懸濁液の誘電率に応じて変化するセンサ20の静電容量によってRC回路の時間常数が変化し、タイマ42の出力周波数が変化する。望ましい形態では、タイマ42の出力周波数が次の式で表すことができる。

Ｆ＝１．４４／（Ｒ_１＋２Ｒ_２）Ｃ
但し、Ｆは出力周波数(Hz)、Ｒ_１及びＲ_２は分割回路網44の抵抗、Ｃはセンサ20の静電容量(f)である。

タイマ42の出力周波数の範囲は０〜100KHzであることが望ましい。そのためセンサ20は、均一混合された水−インク懸濁液に対する静電容量が150-350pfとなるように設計されていることが望ましい。そのため分割回路網44の各抵抗を47.6〜100KΩに選定するのが望ましい。このように設定されたセンサ20と分割回路網44によると、想定される水分濃度の全てに対して０〜100KHzのタイマ42出力が得られるRC回路の時間常数が設定される。

タイマ42の出力を、障害やロスの少ない方法で周波数−電圧変換器60に接続するために、図４、図５に示すように、サポート回路としてRS-422ドライバ46とRS-422レシーバ47を備えた通常の２本撚り線ケーブル50が使用される。望ましい形態としては、RS-422ドライバ46はタイマ42の信号を受信してタイマの出力と同一周波数の２つの同じ信号に変換する。図４に示すように、２つの信号の位相が１８０゜ずれている。RS-422ドライバ46で形成された２つの信号はケーブル50を介してRS-422レシーバ47に伝送される。RS-422レシーバ47は２つの信号から、タイマ42の信号とほぼ同一の１つの信号を再形成する。望ましい形態として、ドライバ46及びレシーバ47として、それぞれテキサスインストルメント社が販売しているSN75172及びSN75173チップを使用しているが、それ以外のチップも使用できる。

図５に示すように、再形成されたタイマ42の信号は、通常の周波数−電圧変換器60で、タイマの出力周波数に比例した電圧信号に変換される。上記のように、タイマの出力範囲は０〜100KHzが望ましい。また周波数−電圧変換器60の入出力比は20KHz/voltであることが望ましい。この周波数範囲と入出力比により、変換器60の出力電圧が０〜５ボルトの範囲となり、下流側のアナログ−デジタル変換器80での処理が容易となる。変換器60として、アナログデバイス社が部品として販売しているADVFC32を使用できるが、それ以外の部品も使用可能である。

周波数−電圧変換器60は、図５に示すように、従来のバイアス回路を使用して適当な運転範囲に調節することができる。図５に示すように、バイアス回路に変更可能な抵抗62が変換機60の校正手段として組み込まれていることが望ましい。

上記のように、図１と関連して、変換器60の出力は、アナログ−デジタル変換器80及び水分濃度変換器82に伝送する前にローパス・フィルタ70を通すことが望ましい。図５に示すように、ローパス・フィルタ70は、抵抗72とコンデンサ74を有する通常のものが使用できる。

望ましい形態として、水分濃度変換器82は、図６に示すような直線的マッピング機能を持つように、通常の方法でプログラムされたマイクロプロセッサを備えている。均一混合された懸濁液の水分濃度が０〜50％の範囲でマッピング機能は直線的である。マッピング機能は次の式で表される。

水分濃度＝Ｘ−Ｙ＊Ｖ
但し、Ｘ及びＹは常数であり、Ｖは周波数−電圧変換機60の出力電圧である。常数Ｘ及びＹは懸濁液中の添加物とインクの組成、及びその比率に関係する。常数Ｘ及びＹは経験的分析手法によって決定することができる。１例として図６に示すように、Ｘ＝６０．９４及びＹ＝１５．１２はU.S.インク社で販売されている均一混合された黒色インクのものである。

図６に示すように、マッピング機能は、通常、水分濃度の増加に応じて周波数−電圧変換機60の出力電圧が低下する下り勾配となる。

本実施形態では、水分濃度変換機82にプログラムされたマイクロプロセッサを使用しているが、本発明の範囲内で他のものを使用することもできる。例えば、電圧分割回路網その他、電気配線による加算回路も使用可能である。同様に、本実施形態では、変換器60の出力をデジタル化するのにアナログ−デジタル変換器80を使用しているが、アナログ−デジタル変換器80を省略して、水分濃度変換器82をアナログで処理することもできる。

上記のように、均一混合されたインク−水懸濁液を使用することが望ましい。このような均一混合された懸濁液を得るための、新しい改良された混合機について以下に述べる。この混合機は米国特許出願第08/922,004号に記載されている。

図７及び図９に示すように、混合分散器156には、第１円形水平壁164と、高さが21.0cm、内径が約17.8cmの円筒形上部垂直壁166とで円筒形上部室168を形成した容器163を有している。

第１水平壁164には直径が約6.4cmの孔170が設けられている。また容器163の第１水平壁164の下方には、直径が約18.3cmの円筒形下部垂直壁172が設けられている。第１水平壁164、円筒形下部垂直壁172、及び第２円形水平壁174が、円筒形下部室176を形成している。第２円形水平壁174に設けられた約8cm四方の正方形の開口178ギヤポンプ180が装着され、モータ（図示省略）に駆動されて下部室176から水−インク懸濁液が排出される。

第１水平壁164には、カップ形の外部ステータ（静止体）182が取り付けられ、その円筒壁186は厚みが約4.8mmで24個の縦穴184が等間隔に形成されている。外部ステータ182にはカップ形の内部ステータ188が固定されており、その円筒壁192は厚みが約4mmで16個の縦孔190が等間隔に形成されている。縦孔184及び190は、高さが約15.9mm、幅が約3.4mmである。

上部室168の上部に高速モータ194が設けられ、矢印198で示すように、モータ軸196を上から見て時計方向に回転駆動する。モータ軸196にはプロペラ100が取り付けられ、１２０゜の等角度間隔に設けられた３枚の各プロペラ翼102は、前縁104が後縁106の上方にあるように水平方向に対して約２０゜のピッチが付けられている。プロペラ100は、翼径が約12.7cmであり、上部室168内において、第１水平壁164の上方に翼径の半分から翼径に等しい高さでモータ軸196に取り付けられている。

モータ軸196の下端にロータ108（特に図８及び図１０参照）が取り付けられている。ロータ108は１２０゜の等角度間隔に設けられた３枚の水平翼110を有している。各翼110には下方に延びる内歯112と外歯114が設けられている。各内歯112は、内部ステータの壁192の内側にあり、外歯114は、内部ステータの壁192と外部ステータの壁186の間にある。各歯112、114とステータの壁186、192の間は、約0.4mmの比較的狭い間隔となっている。

運転時には、モータが毎分約500〜4000回転で回転し、モータ軸196、ロータ108、及びプロペラ100がモータ194と同速度で回転する。プロペラ翼102にピッチが付いているために、プロペラ100の回転により、上部室168内のインクと原料溶液が混合され、同時にロータ108に向かって下方に押し流される。ロータ108の回転により、ロータの歯112、114と内部及び外部ステータの壁192、186の間で、インクと溶液の剪断が行われる。この剪断によって液が内部及び外部ステータ192、186の縦孔190、184で分散され、細かく分散された水−インク懸濁液となって下部室176に流入する。そして水−インク懸濁液はギヤポンプ180によって印刷機への供給管に送出される。

プロペラ100はインクと原料溶液を予備混合して、上部室164に添加された原料溶液がインクの上面に停滞して、所定水分濃度の水−インク懸濁液の形成を妨げることがないようにする。またプロペラ100は、ロータ108の上部での空隙の形成を防止してインクと液の下部室176への流入を妨げないようにする。

要するに、上記のように、本発明の測定装置によると、均一混合された水−インク懸濁液中の水分濃度が０〜50％の範囲で、直線的な出力が得られ対数増幅器が不要となることがわかる。特に、この水分測定器では均一混合された水−インク懸濁液中の水分濃度０〜50％、即ち大半の水−インク懸濁液の通常の使用範囲において直線的な出力が得られる。さらに、上記形式の水分濃度測定器に用いるセンサも開示されていることがわかる。

さらに、本発明が上記の特定の実施形態により説明されているが、それに限定されるものではない。むしろ、各請求項に記載された事項の文言、及びその均等範囲にある改良及び形態は全て本発明の範囲内にある。

本発明の水分測定器のフローシートである。 本発明の水分測定器に用いるセンサの平面図である。 図２の３−３線に沿ったセンサの断面図である。 図１に示す水分測定器のドライバ回路の回路図である。 図１に示す水分測定器のレシーバ回路の回路図である。 図２、図３に示すセンサの出力例である。 混合分散器の一部破断側面図である。 図７に示す混合分散器のロータ、内側ステータ、及び外側ステータの平面図である。 図８の９−９線に沿ったロータ、内側ステータ、及び外側ステータの部分側面図である。 図７に示す混合分散器のロータの底面図である。

符号の説明

１０ 水分測定器
２０ 水分センサ
２２ 極板（円板）
２４ 側面絶縁材
２６ ハウジング
３６ 発振器ボックス
３８ 開口
４０ 周波数発振器
４６ ドライバ
４７ レシーバ
５０ ケーブル
６０ 周波数−電圧変換器
７０ ローパス・フィルタ
８０ アナログ−デジタル変換器
８２ 水分濃度変換器
１００ プロペラ
１０８ ロータ
１５６ 混合分散器
１８０ ギヤポンプ

Claims (8)

1. 静電容量センサであって、
   第１空間を形成するハウジング；
   第１空間内で第２空間を形成する２つの側面絶縁材；及び
   第２空間内で一定の間隔を隔て側面絶縁材に固定された、対向する２枚の円板として形成された極板で構成され、
   前記ハウジングには、対向する２枚の極板の間に連通する対向した２つの開口が設けられ、これら２つの開口を通じて極板の間を水−インク懸濁液が通過し、その対向する２枚の極板の静電容量が、その２枚の極板の間に存在する水−インク懸濁液に関係して決まるように構成し、
   前記対向する２枚の極板のそれぞれの直径が、前記対向する２つの開口の直径よりも大きいことを特徴とする静電容量センサ。
2. 前記ハウジングが、２枚の極板を外部の電磁界から遮蔽する金属である請求項１記載のセンサ。
3. 前記２枚の極板が金属製で、相互の間隔を決める対向面を有しており、各対向面が、腐食防止と電流の漏洩防止のために合成樹脂被覆されている請求項１記載のセンサ。
4. 対向する前記２枚の極板がマルチバイブレータに接続されている請求項１記載のセンサ。
5. 対向する前記２枚の極板が、R-C回路内でマルチバイブレータの出力周波数を決めるコンデンサを形成している請求項４記載のセンサ。
6. 前記マルチバイブレータが前記ハウジングに搭載されている請求項４記載のセンサ。
7. 被測定物質が水を含む均一な懸濁液であり、水分濃度０〜50％の範囲でマルチバイブレータの出力周波数が直線的に変化する請求項５記載のセンサ。
8. 対向する前記２枚の極板が、平行に配置された同一直径の円板であり、円板の直径と極板の間隔との比が12:1〜20:1である請求項１記載のセンサ。

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