JP4895175B2 - ギャップ計および水分測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ギャップ測定装置および測定の際に正確なギャップを把握する必要がある水分測定装置に関するものである。

紙は湿度変化に敏感で、水分を吸収すると伸び、水分を放出すると縮む。そのため、紙の水分バランスが悪いと、紙が伸びたり、縮んだりとさまざまな不具合やトラブルの原因となり、水分量の管理は紙の品質において重要な要素となっている。

また、紙の重さは坪量（つぼりょう）と呼ばれる単位面積あたりの質量（ｇ／ｍ^２）で表される。坪量は紙の基本品質のひとつであり、紙の製造管理および商取引において重要な項目である。

このため、一般に、抄紙工場ではＢＭ（Ｂａｓｉｓ ｗｅｉｇｈｔ／Ｍｏｉｓｔｕｒｅ）計と呼ばれる坪量・水分計が導入されている。ＢＭ計は紙のマシン流れ方向・幅方向の坪量および水分率の変動を一定範囲内に制御する装置であり、紙の品質維持管理になくてはならない装置である。

そこで、従来より、下記に示すように紙に限らず数多くの水分計が提案されている。

特開平６−２８８９０５号公報 特開平１０−３２５８１３号公報 特開昭６１−１６９７４６号公報

図４はＢＭ計で使用している同軸型水分計（以下ＤＭ計という。）を構成する一部分の従来例を示す図である。図５は図４に示したＤＭ計のＭＩＸ信号Ｓ２の波形を示す図である。
ＤＭ計は光源や光学フィルタを有する第１ヘッド１０と、その光を受けて電気信号に変換する第２ヘッド２０で構成される。第１ヘッド１０と第２ヘッド２０は、第１ヘッド面１１と第２ヘッド面２１が数ミリ程度のギャップで平行に向かい合うようにフレーム（図示せず）に取り付けられている。フレームは紙の幅方向に設けられ、紙はこの第１ヘッド１０と第２ヘッド２０の間を通過する。紙の通過とともに第１ヘッド・第２ヘッドはフレームに沿って並走し、紙を幅方向にスキャンする。

第１ヘッド１０は水分に吸収特性のある複数の波長の光を時分割に投光し、紙に照射する。また、それらの光の投光に同期したパルス信号Ｓ１を第２ヘッド２０へ出力する。
第２ヘッド２０は、各波長の光を受光して電圧信号に変換するとともに、ＣＰＵカード２３においてパルス信号Ｓ１を利用してそれぞれの波長信号を分離し、水分率を算出し出力する。

第１ヘッド１０から第２ヘッド２０へのパルス信号Ｓ１の伝達は、光源や光学フィルタ等とは別に設けられたマイクロ波送受信モジュールを使用して行われる。パルス信号Ｓ１は第１ヘッドに設けられた送信モジュール１２からマイクロ波信号で出力され、第２ヘッドに設けられた受信モジュール２２で受信される。受信されたパルス信号Ｓ１は電圧信号に変換され、図５に示すようなＭＩＸ信号Ｓ２（アナログ信号）としてＣＰＵカード２３に入力され、各波長の信号分離の同期信号として利用される。

ここで、水分量の測定は、第１ヘッド１０から照射された光の吸収量や減衰量、位相の変化等を利用するため、第１・第２ヘッド間のギャップが測定中常に一定に保たれることが、測定を高精度に行うために重要である。

しかしながら、実際には、フレームの環境温度変化による歪みなどで、並走する第１・第２ヘッド間のギャップが変化してしまい、ヘッドに搭載されているセンサの感度に影響を与えてしまう。そのため、センサの感度変化を補正するために専用のギャップ計を設ける必要が生じてしまう。

本発明は、上記のような従来の問題をなくし、新たに専用のギャップ計を設けることなく既存の機器構成を利用してギャップ計を構成するとともに、そのギャップ計を利用して測定を高精度化した水分計その他測定装置を提供することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、異なる２点間のギャップを測定するギャップ計において、
前記２点の一方の側に取り付けられ、一定出力の電波信号を送信する送信モジュールと、前記２点の他方の側において前記送信モジュールと対向するように設けられ、前記送信モジュールから送信された電波信号を受信して電圧信号に変換し出力する受信モジュールとからなる送受信モジュールと、
前記受信モジュールから出力される電圧信号のピーク電圧を検出するピーク電圧検出部と、
前記ピーク電圧の電圧値を前記２点間のギャップ値に変換する変換部と、
を有し、
前記電波送受信モジュールは、希望するギャップ測定範囲において、ギャップ値と前記ピーク電圧の関係がほぼリニアとなるような周波数の電波を使用することを特徴とする。

請求項２では、請求項１に記載のギャップ計において、前記電波送受信モジュールはマイクロ波を使用することを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２に記載のギャップ計において、前記電波送受信モジュールは、希望するギャップ測定範囲に応じて電波の周波数を任意に設定可能とすることを特徴とする。

請求項４では、請求項１乃至３のいずれかに記載のギャップ計において、前記電波送受信モジュールは、複数の周波数の電波を組み合わせて使用することを特徴とする。

請求項５では、請求項１乃至４のいずれかに記載のギャップ計において、前記送信モジュールと受信モジュールは、前記ピーク電圧との関係がリニアとなるギャップ範囲の中央付近に相当する間隔で設置されることを特徴とする。

請求項６では、
異なる２点間のギャップを測定するギャップ計において、
前記２点の一方の側に取り付けられ、一定出力の電波信号を送信する送信モジュールと、前記２点の他方の側において前記送信モジュールと対向するように設けられ、前記送信モジュールから送信された電波信号を受信して電圧信号に変換し出力する受信モジュールと、
前記受信モジュールから出力される電圧信号のピーク電圧を検出するピーク電圧検出部と、
前記ピーク電圧の電圧値を前記２点間のギャップ値に変換する変換部と、
を有し、
前記送信モジュールと受信モジュールは、前記ピーク電圧との関係がリニアとなるギャップ範囲の中央付近に相当する間隔で設置されることを特徴とする。

請求項７では、シート状物体を挟んで対向配置された第１ヘッドおよび第２ヘッドを有し、前記シート状物体の水分量を測定する水分測定装置において、
前記第1ヘッドおよび第２ヘッドの同期信号を前記電波信号として、前記第1ヘッドおよび第２ヘッド間のギャップ値を検出する請求項１〜６のいずれかに記載のギャップ計と、
検出したギャップ値と、前記第１ヘッドと第２ヘッド間のギャップの所定値とを比較し、その比較結果を利用して前記シート状物体の水分の測定結果を補正する補正部と、
を有することを特徴とする。

請求項８では、請求項７に記載の水分測定装置において、前記比較部の出力に応じて前記第１ヘッドと第２ヘッドの間の間隔を調整する駆動部を有することを特徴とする。

このように、電波のピーク電圧が伝播距離によって変化するという性質を利用し、電波送受信モジュールで使用する電波のピーク電圧を検出して距離への換算を行うことによって、信号伝達と同時にギャップ検出機能を持たせることができ、新たに専用のギャップ計を設けることなく既存の機器構成を利用してギャップ計を構成することができる。
また、前記電波送受信モジュールは、希望するギャップ測定範囲において、ギャップ値と前記ピーク電圧の関係がほぼリニアとなるような周波数の電波を使用することにより、希望のギャップ測定範囲においてピーク電圧とギャップ値との関係がリニアになるため、ピーク電圧からギャップ値への変換が容易となる。

また、請求項１に記載の電波送受信モジュールは、請求項２のように、信号伝達に一般的に用いられるマイクロ波を使用した送受信モジュールであってもよい。

また、電波の周波数を変化させるとピーク電圧とギャップ値との関係は変化する。請求項３の発明によれば、電波送受信モジュールの電波の周波数を任意に設定可能であるため、希望のギャップ測定範囲に合わせて最適な周波数を選択することができる。さらに、周波数の選択により希望のギャップ測定範囲を任意に変化させることができる。

請求項４の発明によれば、複数の周波数の電波を組み合わせて使用することにより、より広い測定範囲に対しても複数の電圧信号からギャップ値の特定が可能となる。

請求項６の発明によれば、送信モジュールと受信モジュールが、ピーク電圧とギャップ値の関係がリニアとなるギャップ範囲の中央付近に相当する間隔で設置されているため、ギャップが大きくなる方に変化しても、小さくなる方に変化しても、いずれの方向のギャップ変化でも同じ程度に容易に検出することができる。

請求項７の発明によれば、第1ヘッドおよび第２ヘッドの同期信号を電波信号として、第1ヘッドおよび第２ヘッド間のギャップ値を検出する請求項１〜６のいずれかに記載のギャップ計を有することにより、測定を高精度化した水分計を提供することができる。また、このように構成したギャップ計を利用すれば、水分計に限らず測定を高精度化した測定装置を提供することができる。

請求項８の発明によれば、前記第１ヘッドと第２ヘッドの間の間隔を調整する駆動部を有することによって、検出したギャップ値を利用して第１ヘッドと第２ヘッド間のギャップを定常値に調整することができ、測定の精度向上を図ることができる。

以下、図面を用いて本発明のギャップ計および水分測定装置を説明する。

図１は本発明によるギャップ計および水分測定装置の一実施例を示す図である。図１は、図４に示す従来例に、ピーク電圧検出部２４１と変換部２４２からなるサンプルホールド回路２４および補正部２５を追加した構成となっている。図４と同じ構成要素には同一符号を付している。

第１ヘッド１０は水分に吸収特性のある複数の波長の光を時分割に投光し、紙に照射する。また、それらの光の投光に同期したパルス信号Ｓ１を第２ヘッド２０へ出力する。第２ヘッド２０は、各波長の光を受光して電圧信号に変換するとともに、ＣＰＵカード２３においてパルス信号Ｓ１を利用してそれぞれの波長信号を分離し、水分率データＳ３を算出し出力する。

パルス信号Ｓ１はマイクロ波送受信モジュールを使用して伝達される。パルス信号Ｓ１は第１ヘッドに設けられた送信モジュール１２からマイクロ波信号で出力され、第２ヘッドに設けられた受信モジュール２２で受信される。受信されたパルス信号Ｓ１は電圧信号に変換され、ＭＩＸ信号Ｓ２としてＣＰＵカード２３およびサンプルホールド回路２４に入力される。

ＣＰＵカード２３に入力されたＭＩＸ信号Ｓ２は、ＣＰＵカード２３内部で整形され、デジタル信号のように扱われる。ＣＰＵカード２３は入力されたＭＩＸ信号Ｓ２を各波長の信号分離の同期信号として利用するとともに、ＭＩＸ信号Ｓ２の立ち上がりを検出してタイミング信号Ｓ４を生成し、サンプルホールド回路２４のピーク電圧検出部２４１に出力する。

図２はＭＩＸ信号Ｓ２のピーク電圧の検出を示す図である。ＭＩＸ信号Ｓ２はパルス状のアナログ信号であり、パルスの立ち上がりに併せてタイミング信号Ｓ４がＣＰＵカード２３からピーク電圧検出部２４１に入力される。ピーク電圧検出部２４１は、タイミング信号Ｓ４を合図にＣＰＵカード２３が立ち上がりを検出したパルスの電圧測定を開始し、そのパルス期間の電圧の最大値をピーク電圧として検出する。ピーク電圧のデータ（信号Ｓ５）は変換部２４２に入力される。
なお、ピーク電圧の検出は任意の間隔でも良く、適宜ピーク電圧値の平均化を行っても良い。

図３はヘッド間ギャップ値とピーク電圧の関係を示す図である。図３に示すように、マイクロ波のピーク電圧はギャップ値に応じて変化する性質があり、この性質を利用してピーク電圧からギャップ値を逆算するのが本発明におけるギャップ検出の原理である。
測定はギャップ値とピーク電圧がほぼリニアに変化する範囲（たとえば図中Ｌ１とＬ２で挟まれた範囲）をギャップの測定範囲とする。このようにリニアに変化する範囲で測定を行うことにより、ピーク電圧とギャップ値が一対一に対応付けられ、ギャップ値の誤測定を防止することが可能となる。

なお、第１ヘッドと第２ヘッドは、ギャップ測定範囲の中央付近に相当する間隔をギャップ定常値として設置されることが望ましい。そのように設置すれば、第１・第２ヘッド間のギャップが大きくなる方に変化しても、小さくなる方に変化しても、どちらにずれても測定範囲に同程度のゆとりを確保することができる。

変換部２４２には、使用するマイクロ波送受信モジュールにおけるギャップ値とピーク電圧の関係を近似式またはマトリクス化してあらかじめ格納しておく。変換部２４２はピーク電圧検出部２４１から入力されたピーク電圧データＳ５を第１・第２ヘッド間のギャップ値に変換し、そのギャップデータＳ６を補正部２５へ出力する。

補正部２５はＣＰＵカード２３から水分率データＳ３が入力されとともに、変換部２４２からギャップデータＳ６が入力される。補正部２５は入力されたギャップデータＳ６と第１・第２ヘッド間のギャップ定常値とを比較し、その差分に応じて水分率データＳ３の補正を行い、補正後の水分率データＳ７を生成する。

このように、既存のマイクロ波送受信モジュールにサンプルホールド回路２４のような電気回路を追加するのみで、新たに専用のギャップ計を設けることなく既存の機器構成を利用してギャップ計を構成することができる。さらに、このギャップ計の出力を利用して水分率の測定結果を補正することにより、測定精度の高い水分計測装置を実現することができる。

なお、本実施例では、検出したヘッド間ギャップ値を水分測定結果の補正信号として利用しているが、いずれかのヘッドに同時に搭載された他のセンサ類の補正信号として利用することも可能である。また、マイクロ波送受信モジュールを利用してギャップ計を構成する点は、本実施例のような水分測定装置に限らず、同様な電波を利用した通信モジュールを有する多くの測定装置に応用可能である。

また、本実施例では、検出したヘッド間ギャップ値を水分率の測定結果の補正に利用したが、第１・第２ヘッドまたはマイクロ波送受信モジュールにギャップ調整機構を用意し、ギャップの検出結果に応じていつでもヘッド間ギャップを定常値へ調整できるようにしてもよい。

さらに、設計上第１・第２ヘッド間のギャップ定常値を測定範囲の中央付近とすることができないような場合には、マイクロ波送受信モジュールで使用するマイクロ波の周波数を調整する。マイクロ波の周波数を変化させると、ギャップ値とピーク電圧の関係が変化するため、ギャップ値とピーク電圧がほぼリニアに変化するギャップ範囲を調整することができる。これにより、ギャップ計の測定範囲を任意に調整することができる。
また、複数の周波数のマイクロ波を組み合わせて使用することにより、測定範囲を広げたり、複数の電圧信号から位置の特定をすることができる。

図１は本発明によるギャップ計および水分測定装置の一実施例を示す図。 図２はＭＩＸ信号Ｓ２のピーク電圧の検出を示す図。 図３はヘッド間ギャップ値とピーク電圧の関係を示す図。 図４はＤＭ計を構成する一部分の従来例を示す図。 図５は図４に示したＤＭ計のＭＩＸ信号Ｓ２の波形を示す図。

符号の説明

１０ 第１ヘッド
１１ 第１ヘッド面
１２ マイクロ波送信モジュール
２０ 第２ヘッド
２１ 第２ヘッド面
２２ マイクロ波受信モジュール
２３ ＣＰＵカード
２４ サンプルホールド回路
２４１ ピーク電圧検出部
２４２ 変換部
２５ 補正部
Ｓ１ パルス信号
Ｓ２ ＭＩＸ信号
Ｓ３ 水分率データ
Ｓ４ タイミング信号
Ｓ５ ピーク電圧データ
Ｓ６ ギャップデータ
Ｓ７ 補正後の水分率データ

Claims (8)

1. 異なる２点間のギャップを測定するギャップ計において、
   前記２点の一方の側に取り付けられ、一定出力の電波信号を送信する送信モジュールと、前記２点の他方の側において前記送信モジュールと対向するように設けられ、前記送信モジュールから送信された電波信号を受信して電圧信号に変換し出力する受信モジュールとからなる送受信モジュールと、
   前記受信モジュールから出力される電圧信号のピーク電圧を検出するピーク電圧検出部と、
   前記ピーク電圧の電圧値を前記２点間のギャップ値に変換する変換部と、
   を有し、
   前記電波送受信モジュールは、希望するギャップ測定範囲において、ギャップ値と前記ピーク電圧の関係がほぼリニアとなるような周波数の電波を使用することを特徴とするギャップ計。
2. 前記電波送受信モジュールはマイクロ波を使用することを特徴とする請求項１に記載のギャップ計。
3. 前記電波送受信モジュールは、希望するギャップ測定範囲に応じて電波の周波数を任意に設定可能とすることを特徴とする請求項１または２に記載のギャップ計。
4. 前記電波送受信モジュールは、複数の周波数の電波を組み合わせて使用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のギャップ計。
5. 前記送信モジュールと受信モジュールは、前記ピーク電圧との関係がリニアとなるギャップ範囲の中央付近に相当する間隔で設置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のギャップ計。
6. 異なる２点間のギャップを測定するギャップ計において、
   前記２点の一方の側に取り付けられ、一定出力の電波信号を送信する送信モジュールと、前記２点の他方の側において前記送信モジュールと対向するように設けられ、前記送信モジュールから送信された電波信号を受信して電圧信号に変換し出力する受信モジュールと、
   前記受信モジュールから出力される電圧信号のピーク電圧を検出するピーク電圧検出部と、
   前記ピーク電圧の電圧値を前記２点間のギャップ値に変換する変換部と、
   を有し、
   前記送信モジュールと受信モジュールは、前記ピーク電圧との関係がリニアとなるギャップ範囲の中央付近に相当する間隔で設置されることを特徴とするギャップ計。
7. シート状物体を挟んで対向配置された第１ヘッドおよび第２ヘッドを有し、前記シート状物体の水分量を測定する水分測定装置において、
   前記第1ヘッドおよび第２ヘッドの同期信号を前記電波信号として、前記第1ヘッドおよび第２ヘッド間のギャップ値を検出する請求項１〜６のいずれかに記載のギャップ計と、
   検出したギャップ値と、前記第１ヘッドと第２ヘッド間のギャップの所定値とを比較し、その比較結果を利用して前記シート状物体の水分の測定結果を補正する補正部と、
   を有することを特徴とする水分測定装置。
8. 前記比較部の出力に応じて前記第１ヘッドと第２ヘッドの間の間隔を調整する駆動部を有することを特徴とする請求項７に記載の水分測定装置。

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