JP5804065B2 - シート状基材の塗工層の水分量及び／又は塗工量の測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、紙、不織布、フィルムをはじめとするシート状物質の基材に塗料溶液を塗布して塗工層を設けた試料の水分量及び塗工量を、マイクロ波の共振により測定する装置に関するものである。

水分量測定と塗工量測定は、いずれも製紙業界のみならず、各製造業において極めて重要であり、その測定精度を品質管理の観点から高いものにしたいというニーズは非常に強いものである。

シート状物質の水分量や塗工量を測定する一手段として、マイクロ波共振器を利用した方法が知られている。共振器に入射するマイクロ波の周波数を連続的に変化させ、そのときの透過マイクロ波強度を検出すると図１２（Ａ）に示したような共振カーブが得られる。この共振器内部又は共振器近傍に試料を置くと、共振カーブは図１２（Ｂ）に示したように変化する。この現象は図１３に示したインダクタンスＬ、キャパシタンスＣ、抵抗ＲからなるＬＣＲ共振回路理論によって電気回路的に説明することができる。たとえば、マイクロ波空洞共振器では、アイリスがリアクタンス成分及びキャパシタンス成分を作り、これに導波管壁の抵抗分が加わって、ＬＣＲ共振回路を形成している。試料の誘電率は容量Ｃに、誘電損失率は抵抗Ｒに関係し、これらが電磁結合により、共振器のＬ、Ｃ、Ｒと結合しているのと等価である。したがって、試料が存在すると容量Ｃは増加し、共振周波数ｆ（ｆ＝１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝が小さくなる。同時に試料の誘電損失率によって抵抗Ｒも増加し、ピークレベルが減少するとともに、Ｑ値、すなわち共振の鋭さも小さくなる。同じ現象を摂動理論によって説明することもできるが、説明は省略する。

特許文献１には、マイクロ波空洞共振器内に試料を挿入し、試料挿入前後の共振ピークレベルの変化量から試料の水分量を測定する方法及び装置が記載されている。これは、水が他の物質に比して大きな誘電損失率を有しているので、共振ピークレベルの変化量は水の誘電損失率と水の量の積のみに依存するという考えによるものである。

また、特許文献２には、誘電体共振器に一定条件で試料を配置し、試料がある場合とない場合との共振周波数の差から試料の坪量を、共振ピークレベルの差から試料の水分量を測定する方法及び装置が記載されている。ここでは、共振周波数のシフト量（試料がない場合の共振周波数とある場合の共振周波数との差）は、試料の誘電率を含む定数と試料の坪量（又は厚さ）の積で表されるとし、坪量既知の試料を用いて作成した検量線を基に、試料の坪量を測定している。

特許文献２では多層の塗工層を設けた場合のその塗工層の水分量に着目し、その影響を考慮した水分量測定方法に言及していた。しかしながら、実際には塗工層中の塗料固形分も誘電損失率を有しているため、共振ピークレベルの変化量は塗料固形分の誘電損失率とその絶対量にも影響を受けることがわかった。また、塗工層に含まれる水についても誘電損失率だけではなく誘電率も大きな値を有しているため、共振周波数シフト量についても、その値は水の誘電率とその絶対量に影響を受けることになる。つまり、より正確に水分量や塗工量を測定するためには、塗工層に含まれる水と塗料固形分のそれぞれの誘電率、誘電損失率の影響を考慮した測定を行うことが重要である。

特許文献３では、水分量と塗工量が既知である基準試料の、共振周波数と共振ピークレベルを実測し、塗工により増えた水の量ΔＶ_w及び塗工層中の塗料固形分の量ΔＶｃと、塗工層の有無による共振周波数変化Δｆ及び共振ピークレベル変化ΔＷとの間での後述の（１），（２）式で表わされる特性方程式において、それらの式中の係数Ｋ₁、Ｋ₂を決定した後、水分量と塗工量が未知の測定対象試料の共振周波数と共振ピークレベルを測定し、その特性方程式を連立させて測定対象試料のΔＶ_w及びΔＶ_cを算出することにより、測定対象試料の水分量及び塗工量を求める測定方法が提案されている。

また、特許文献３では、係数Ｋ₁、Ｋ₂を決定する方法に替えて、それらの特性方程式に従って検量線を作成し、検量線を用いて測定対象試料の水分量及び塗工量を求める測定方法も提案している。

ＷＯ２００５／０１２８８７号公報 特開２００６−３４９４２５号公報 特開２００９−５８３７９号公報 特開平５−８０００３号公報

それらの特性方程式における係数Ｋ₁、Ｋ₂も、それに代わる検量線も装置定数であるから、同じ測定装置を使用する限りある基準試料についての係数Ｋ₁、Ｋ₂も検量線も変化しない筈である。しかし、実際には、測定装置の設置場所を移動することにより測定装置に作用する外部の電磁波の影響が変化したり、マイクロ波空洞共振器とデータ処理装置の距離が変化したために両者を接続するケーブルを長さの異なるものに交換したりするというように、測定環境が変化したときには測定結果の再現性が悪くなり、同じ基準試料についての係数Ｋ₁、Ｋ₂又は検量線を決定しなおさなければならない現象がみられた。

本発明は、そのような測定環境の変化によっても測定結果の再現性が低下しないようにする構成をもった測定装置を提供することを目的とするものである。

測定環境が変化した場合にも測定結果の再現性が低下しないようにするための方策を種々検討した結果、マイクロ波空洞共振器とデータ処理装置を接続するケーブルが測定結果の再現性低下の原因になっていることを突き止めた。通常、測定装置を設置するとその状態で基準試料と未知試料の測定を行うので、測定装置を移動させたり大きな環境変化があったりしない限り、ケーブルにより測定結果の再現性が低下することは考えられない。そのため、これまでこのような問題は意識されていなかった。

本発明では、ケーブルに起因することが判明したこの問題の解決策として、マイクロ波空洞共振器とケーブルの間にアイソレータを挿入して、ケーブルからマイクロ波空洞共振器へのマイクロ波の反射を防止することにより、この問題を解決できることを見出した。

本発明者等の見解によれば、この問題の詳細は以下のようであると考えられる。ケーブルからマイクロ波空洞共振器に達したマイクロ波は空洞共振器内で共振するが、その一部は元のケーブルに戻り、ケーブルの反対方向に向かって伝わりケーブルの反対側の端でさらに反射して、再びマイクロ波空洞共振器に向う。この反射したマイクロ波は空洞共振器に再度進入する。この反射波によってマイクロ波空洞共振器内の共振状態が影響を受け、本来の共振状態とは異なる、すなわち反射波が干渉した共振状態が検出される。反射波の位相は、最初にマイクロ波共振器に達したマイクロ波に対してケーブルの長さに依存してずれるため、ケーブルの長さが微小な変化をするだけで、測定値が変化する問題が生じていたのである。

アイソレータ自体はよく知られたものであるが、マイクロ波空洞共振器を用いて水分量や塗工量又は坪量を測定する場合に測定結果の再現性を向上させることを目的としてアイソレータを使用することは行われていない。これは、上記したような問題が認識されていなかったことが主な理由であり、そのような問題があるとは思われていないところに、コスト高を招くことの明らかな素子をあえて追加することは行わないからである。さらに、今回その問題の所在が認識されたが、その問題の解決にアイソレータが有効であることを見出すのに種々の検討が必要であったからである。

マイクロ波空洞共振器を用いて紙の水分量や坪量を測定する装置で、測定結果の再現性を向上させるためではなく、反射マイクロ波により発振器が破壊されるのを防止するためにアイソレータを使用する提案はなされている（特許文献４参照。）。そこでは、アイソレータは、発振器と、発振器からのマイクロ波を複数のマイクロ波空洞共振器に分配する分配器との間に配置されている。そのため、アイソレータとマイクロ波空洞共振器との間には分配器が介在しているため、アイソレータと分配器の間のケーブルと、分配器とマイクロ波空洞共振器との間のケーブルが介在することになる。その構成は後で比較例として示すような構成に対応したものであり、測定結果の再現性を向上させる効果はない。また、その提案の装置は発振器が破壊されるのを防止するためのものであるので、発振器が設けられない受信器側にはアイソレータは設けられることはない。

このようにして成し遂げられた本発明を、図４を参照して概略的に示す。マイクロ波空洞共振器１は、導波管の途中に管軸に垂直に、穴の開いた２つのアイリスプレートを備えている。それらのアイリスプレート間が共振器部分となり、アイリスプレートの外側の導波管部分がそれぞれアンテナを備えた第1と第２の進行波部分となっており、共振器部分には導波管を横切るようにシート状試料を配置するスリットが設けられている。第1の進行波部分側には所定の範囲の周波数で発振させるマイクロ波掃引発振器２０が接続され、第２の進行波部分側にはマイクロ波強度受信器２２，２４が接続されている。第1の進行波部分とマイクロ波掃引発振器２０の間には、マイクロ波掃引発振器２０から第1の進行波部分のアンテナ１４ａ方向にのみ信号を伝送する方向に配置され、第1の進行波部分のアンテナ１４ａのコネクタ部にケーブルを介さないで直接に接続された第1のアイソレータ１５ａが設けられ、第２の進行波部分とマイクロ波強度受信器２２，２４の間に、第２の進行波部分のアンテナ１４ｂからマイクロ波強度受信器２２，２４方向にのみ信号を伝送する方向に配置され、第２の進行波部分のアンテナ１４ｂのコネクタ部にケーブルを介さないで直接に接続された第２のアイソレータ１５ｂが設けられている。

データ処理装置３７は、マイクロ波強度受信器２２，２４からの信号を受けて共振周波数でのピークレベルを検出するピークレベル検出部３０、マイクロ波強度受信器２２，２４からの信号を受けて共振周波数を検出する共振周波数検出部３２、シート状基材の表面に塗工層を設けた試料と塗工層を設けていない試料との間でのピークレベル検出部３０によるピークレベル差及び共振周波数検出部３２による共振周波数差に基づいて塗工層の水分量及び塗工量を求める演算部３５を備えている。

好ましい形態として、データ処理装置３７は装置定数保持部３５を備えている。第１の形態では、装置定数保持部３５は塗工層の水分量及び塗工量を求める際の係数を装置定数として保持している。そして、演算部３５は未知試料を測定したときのピークレベル検出部３０によるピークレベル検出値及び共振周波数検出部３２による共振周波数に装置定数保持部３５に保持されている係数を用いて塗工層の水分量及び塗工量を算出する。

ここで、塗工層の水分量及び塗工量を求める際の装置定数としての係数は、以下に示されるＫ₁、Ｋ₂である。すなわち、水分量と塗工量が既知である基準試料の、共振周波数と共振ピークレベルを実測し、ΔＶ_w（塗工により増えた水の量）及びΔＶｃ（塗工層中の塗料固形分の量）について下記（１）、（２）式よりなる特性方程式が成立する。
Δｆ＝Ｋ₁〔（ε'_w−１）ΔＶ_w＋（ε'_c−１）ΔＶ_c〕・・・（１）
ΔＷ＝Ｋ₂（ε''_w×ΔＶ_w＋ε''_c×ΔＶ_c〕・・・（２）

ここで、
Δｆ＝ｆ_b−ｆ_s、
ｆ_b ： シート状基材の共振周波数、
ｆ_s ： 塗工層を設けた試料の共振周波数、
ΔＷ＝Ｐ_b−Ｐ_s、
Ｐ_b ： シート状基材の共振ピークレベル、
Ｐ_s ： 塗工層を設けた試料の共振ピークレベル、
ε'_w、ε'_c ： 水及び塗料固形分の誘電率、
ε''_w、ε''_c ： 水及び塗料固形分の誘電損失率
である。

係数Ｋ₁、Ｋ₂を基準試料について決定して、それをデータ処理装置３７の装置定数保持部３５に記憶させる。本発明では測定環境が変化した場合でも係数Ｋ₁、Ｋ₂が変化しないので、その後は水分量と塗工量が未知の測定対象試料の共振周波数と共振ピークレベルを測定し、特性方程式を連立させて測定対象試料のΔＶ_w及びΔＶ_cを算出することにより、測定対象試料の水分量及び塗工量を求めることができる。

第２の形態は、第1の形態における装置定数としての係数Ｋ₁、Ｋ₂に替えて、検量線データを装置定数としてデータ処理装置の装置定数保持部３５に記憶させたものである。第２の形態においても、第1の形態と同様に、水分量と塗工量が既知である基準試料の共振周波数と共振ピークレベルを実測し、ΔＶ_w及びΔＶｃについて（１）、（２）式よりなる特性方程式に従って検量線を作成し、その検量線データを装置定数として装置定数保持部３５に記憶させる。その後は、第1の形態と同様に、水分量と塗工量が未知の測定対象試料の共振周波数と共振ピークレベルを測定し、装置定数保持部３５に記憶されている検量線データから測定対象試料のΔＶ_w及びΔＶ_cを算出することにより、測定対象試料の水分量及び塗工量を求めることができる。

本発明の測定装置は、第1の進行波部分のアンテナのコネクタ部と第２の進行波部分のアンテナのコネクタ部に、それぞれケーブルを介さないで直接にアイソレータを設け、それらのアイソレータを介してデータ処理装置につながるケーブルを接続したので、マイクロ波共振器を用い、シート状基材とその基材に塗工層を設けた試料との、共振周波数の差と共振ピークレベルの差とに基づいて、試料の水分量と塗工量を測定する際の測定結果の再現性を向上させることができるようになった。

一実施例の水分量及び塗工量の測定装置を示す概略構成図である。 本発明で用いるマイクロ波空洞共振器の第１の例を示す概略構成図である。 本発明で用いるマイクロ波空洞共振器の第２の例を示す概略構成図である。 一実施例の水分量及び塗工量の測定装置を示すブロック図である。 図４に示したブロック図の構成を実施する測定装置の一例を示す構成図である。 図４に示したブロック図の実施例の動作を示すタイムチャート図である。 マイクロ波空洞共振器によって３種の状態において試料を測定した際に得られるそれぞれの共振カーブを示す図である。 基材に塗工層を設けた場合の層構成を仮想的に示した断面図である。 誘電率と共振周波数シフト量の関係の一例を示すグラフである。 誘電損失率と共振ピークレベル変化の関係の一例を示すグラフである。 一実施例における測定と演算の各ステップからなるフローチャートである。 （Ａ）はマイクロ波空洞共振器の共振により得られる共振カーブを示す図、（Ｂ）は試料の有無による同共振カーブの変化を示す図である。 マイクロ波空洞共振器の共振の原理を説明する等価回路図である。 マイクロ波空洞共振器の導波管部分のアンテナにアイソレータを直接接続した状態を示す断面図である。 図１４Ａに示した接続部分の分解図である。

一実施例の水分量及び塗工量の測定装置の概要を図１に示す。マイクロ波空洞共振器１に試料１０を接触又は近づけて走行させ、リアルタイムで共振ピークレベルを測定する。
マイクロ波空洞共振器１は図２又は図３に示されたものである。図２のマイクロ波空洞共振器は、導波管２Ａが導波管部分４ａ，４ｂ，６ａ及び６ｂからなり、その導波管２Ａの途中に管軸に垂直に、穴の開いた２つのアイリスプレート８ａ，８ｂを備え、アイリスプレート８ａ，８ｂ間が共振器部分４ａ，４ｂとなり、アイリスプレート８ａ，８ｂの外側が進行波部分６ａ，６ｂとなっており、共振器部分４ａ，４ｂを横切るように試料１０を配置するスリット１２を設けたものである。一方の進行波部分６ａには１〜２５ＧＨｚの間での所定の範囲の周波数で発振させるマイクロ波掃引発振器がアイソレータを介して接続され、他方の進行波部分６ｂはアイソレータを介してマイクロ波強度受信器が接続されている。１４ａ，１４ｂはそれぞれ進行波部分６ａ，６ｂに設けられたアンテナであり、アンテナ１４ａはアイソレータを介してマイクロ波掃引発振器に接続され、アンテナ１４ｂはアイソレータを介してマイクロ波強度受信器に接続されている。

図３のマイクロ波空洞共振器は、導波管２Ｂが導波管部分４ａ，４ｂ，４ａ，４ｂ，１６ａ及び１６ｂからなる。一対の進行波部分の一方が一方のアイリスプレート８ａに隣接する導波管部分１６ａとこの導波管部分１６ａにつながりマイクロ波掃引発振器にアイソレータを介して接続されている導波管部分６ａとからなる。一対の進行波部分の他方が他方のアイリスプレート８ｂに隣接する導波管部分１６ｂとこの導波管部分１６ｂにつながりアイソレータを介してマイクロ波強度受信器に接続されている導波管部分６ｂとからなっているものである。

図３のマイクロ波空洞共振器は、マイクロ波掃引発振器に接続された進行波部分の導波管部分６ａとアイリスプレート８ａとの間にさらに導波管部分１６ａを配置し、マイクロ波強度受信器に接続された進行波部分の導波管部分６ｂとアイリスプレート８ｂとの間にさらに導波管部分１６ｂを配置した点において図２のマイクロ波空洞共振器と異なる。導波管部分１６ａ，１６ｂはともに進行波部分である。

図１にも概略的に示されているように、導波管の途中に管軸に垂直に設けられた穴の開いた２つのアイリスプレート８ａ，８ｂは、導波管の管軸上に１つずつの穴が開けられている。アイリスプレート８ａ，８ｂ間が共振器部分４ａ，４ｂとなり、共振器部分４ａ，４ｂを横切るように試料１０を配置するスリット１２が設けられている。

スリット１２は共振器部分４ａ，４ｂの電界ベクトルが最大にとなる位置に配置されている。スリット１２は試料１０が通過するので、その際の支障にならない範囲で狭い方がよい。

アイリスプレート８ａ，８ｂの外側６ａ，６ｂ（図３の場合は１６ａ，１６ｂも含む。）が進行波部分となっている。一方の進行波部分６ａには励磁用アンテナ１４ａが設けられ、そのアンテナ１４ａにはアイソレータ１５ａを介して１〜２５ＧＨｚの間での所定の範囲の周波数で発振させるマイクロ波掃引発振器２０が接続されている。他方の進行波部分６ｂにはアンテナ１４ｂが設けられ、そのアンテナ１４ｂにはアイソレータ１５ｂを介して検波器２２と増幅器及びＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器２４からなるマイクロ波強度受信器が接続されている。

アイソレータ１５ａは、マイクロ波掃引発振器２０からアンテナ１４ａ方向にのみ信号を伝送する方向に配置され、アンテナ１４ａのコネクタ部にケーブルを介さないで直接に接続されている。アイソレータ１５ｂは、アンテナ１４ｂからマイクロ波強度受信器方向にのみ信号を伝送する方向に配置され、アンテナ１４ｂのコネクタ部にケーブルを介さないで直接に接続されている。

アンテナのコネクタ部にアイソレータを直接接続した部分の例を図１４Ａに示す。図１４Ｂはその分解図である。いずれも断面図で示されている。図１４Ａは発振器側のアイソレータ１５ａの接続部分を示しているが、受信器側のアイソレータ１５ｂの接続部分も全く同じ構造であるので、受信器側の図示とその説明は省略する。

アンテナ１４Ａはコネクタ部５０に保持されている。コネクタ部５０は金属製であり、円筒状の本体をもち、導波管部分６ａに取りつけられる先端側にフランジ５２を備えている。アンテナ１４Ａは絶縁性の樹脂からなる円筒状のスリーブ５４に保持され、そのスリーブ５４がコネクタ部５０の円筒の穴に挿入されることにより、アンテナ１４Ａはスリーブ５４によってコネクタ部５０の穴に固定されて保持されている。

スリーブ５４の先端はフランジ５２から突出し、アンテナ１４Ａの先端はスリーブ５４の先端よりもさらに突出している。フランジ５２から突出したスリーブ５４の外径は導波管部分６ａのアンテナ取りつけ用の穴５８の大きさに対応している。アンテナ１４Ａの先端を導波管部分６ａの穴５８に挿入するとスリーブ５４がその穴５８に嵌めこまれ、フランジ５２が導波管部分６ａの外面と接触する。導波管部分６ａもコネクタ部５０も金属製であるので、両者は電気的に導通する。

スリーブ５４はコネクタ部５０の基端まで挿入されている。アンテナ１４ａの基端はスリーブ５４の基端側の途中の位置まで挿入され、スリーブ５４内でアイソレータ１５ａの接続端子５６と接触して電気的に接続されるようになっている。

アイソレータ１５ａの接続端子５６はアイソレータ１５ａから突出して設けられている。接続端子５６をアンテナ１４ａと接続するために、アイソレータ１５ａには接続端子５６の側方を取り囲む金属製の円筒状コネクタ部５９が設けられている。接続端子５６とコネクタ部５９は樹脂からなる絶縁部材６０によって電気的に絶縁されている。接続端子５６の先端はコネクタ部５９の先端よりも低い位置に設定されている。

アイソレータ１５ａのコネクタ部５９をアンテナ１４ａのコネクタ部５０に接続するために、コネクタ部５０の外周面には雄ネジ６２が設けられ、コネクタ部５９の内周面には雌ネジ６４が設けられている。ネジ６２と６４を螺合させることによりコネクタ部５０とコネクタ部５９が接続され、スリーブ５４内でアンテナ１４ａの基端とアイソレータ１５ａの接続端子５６が接触して電気的に接続される。

コネクタ部５０と５９は、特に特に限定されるものではないが、例えばＭＩＬ／ＩＥＣ規格ＳＭＣ型コネクタを挙げることができる。

アイソレータ１５ａ，１５ｂは、特に限定されるものではないが、例えばＹサーキュレータ形アイソレータ、ファラデー回転型アイソレータ、共鳴形アイソレータなどを使用することができる。

マイクロ波強度受信器の増幅器及びＡ／Ｄ変換器２４はデータ処理装置３７に接続されている。データ処理装置３７は、図４に示されるように、マイクロ波強度受信器からの信号を受けて共振周波数でのピークレベルを検出するピークレベル検出部３０、マイクロ波強度受信器からの信号を受けて共振周波数を検出する共振周波数検出部３２、塗工層の水分量及び塗工量を算出する演算部３４、及び演算部３４が塗工層の水分量及び塗工量を算出する際の装置定数を保持している装置定数保持部３５を含んでいる。

第１の形態では、装置定数保持部３５は、シート状基材の表面に塗工層を設けた試料と塗工層を設けていない試料との間でのピークレベル検出部３０によるピークレベル差及び共振周波数検出部３２による共振周波数差に基づいて塗工層の水分量及び塗工量を求める際の係数Ｋ１、Ｋ２を装置定数として保持している。そして、この形態では、演算部３４は、未知試料を測定したときのピークレベル検出部３０によるピークレベル検出値及び共振周波数検出部３２による共振周波数に装置定数保持部３５に保持されている係数Ｋ１、Ｋ２を用いて（１）、（２）式により塗工層の水分量及び塗工量を算出する。

第２の形態では、装置定数保持部３５は、シート状基材の表面に塗工層を設けた試料と塗工層を設けていない試料との間でのピークレベル検出部３０によるピークレベル差及び共振周波数検出部３２による共振周波数差に基づいて塗工層の水分量及び塗工量を求める際の検量線データを装置定数として保持している。そして、この形態では、演算部３４は、未知試料を測定したときのピークレベル検出部３０によるピークレベル検出値及び共振周波数検出部３２による共振周波数検出値に装置定数保持部３５に保持されている検量線データを用いて塗工層の水分量及び塗工量を算出する。

マイクロ波掃引発振器２０から出たマイクロ波は、アイソレータ１５ａによりアンテナ１４ａ方向にのみ伝送されて空洞共振器１に入る。空洞共振器１に入ったマイクロ波は、アイリスプレート８ａの穴を通って共振器部分４ａ，４ｂに導かれ、共振器部分４ａ，４ｂで共振が起こる。共振器部分４ａ，４ｂで共振を起こしたマイクロ波の一部がアイリスプレート８ｂの穴を通って他方のアンテナ１４ｂにより検知される。アンテナ１４ｂにより検知されたマイクロ波は、アイソレータ１５ｂによりアンテナ１４ｂからダイオード２２方向にのみ伝送され、増幅及びＡ／Ｄ変換器２４でその共振レベルが検知される。共振器部分４ａ，４ｂのスリット１２に試料１０を置くか、又は近づけると、試料１０の誘電率に応じて共振周波数が変化し、誘電損失率に応じてピークレベルが変化する。

図４の構成を実現する一例として、図５に示されるように、空洞共振器１とベクトルネットワークアナライザ４０をケーブル４４ａ、４４ｂで接続する。空洞共振器１側にはアイソレータ１５ａ、１５ｂが設けられており、ケーブル４４ａ、４４ｂはそれぞれアイソレータ１５ａ、１５ｂを介して空洞共振器１に接続される。ベクトルネットワークアナライザ４０は、その「ＯＵＴ」側にマイクロ波掃引発振器２０を内蔵しており、「ＩＮ」側にマイクロ波強度受信器２２，２４を内蔵している。マイクロ波掃引発振器２０からのマイクロ波はその「ＯＵＴ」端子からケーブル４４ａ及びアイソレータ１５ａを経て空洞共振器１のアンテナ１４ａ（図１参照）に供給される。空洞共振器１のアンテナ１４ｂ（図１参照）で検知されたマイクロ波は、アイソレータ１５ｂ及びケーブル４４ｂを経て「ＩＮ」端子からベクトルネットワークアナライザ４０内のマイクロ波強度受信器２２，２４に送られる。

ここでは、ベクトルネットワークアナライザ４０はデータ処理装置３７の機能を実現している。しかし、データ処理装置３７はパーソナルコンピュータ４２により実現することができ、又は他のコンピュータにより実現することもできる。

ベクトルネットワークアナライザ４０はＳ₂₁モードにおける共振カーブのピークレベルをＧＰ−ＩＢインターフェースを用いてパーソナルコンピュータ４２にデータを送り、パーソナルコンピュータ４２ではリアルタイムで水分量と塗工量を算出することができる。またシート状の試料が搬送系により搬送されているときに搬送中の試料に対して共振器１がある一定の条件で設置されるように構成することによって、共振器１の内部又は近傍を連続して試料を搬送しつつ測定することにより、オンライン測定装置とすることもできる。ここでＳ₂₁モードとはネットワークアナライザの４端子定数のＳパラメータの方向を表し、１と２からなる２ポートで１→２の方向への透過測定を行うという意味である。

アンテナ１４ｂにより検知された共振レベルは、ベクトルネットワークアナライザ４０内で検波ダイオード２２によって電圧に変換される。その後、図６に示されるように、増幅及びＡ／Ｄ変換器２４での増幅とＡ／Ｄ変換処理を経て、データ処理装置３７に導かれる。データ処理装置３７では、掃引中に１０００００個のデータを取り込むと同時にピークレベル検出部３０で最大値（ピークレベル）を検出し、共振周波数検出部３２で共振周波数を検出する。これを、約５０ミリ秒毎に繰り返す。実際の測定では、種々のノイズのためにピークレベルが変動する場合があるので、平均化処理を行うことにより、安定した測定を行うことができる。

この実施例では、図７に示したような共振カーブを用いて塗工層に含まれる水と塗料固形分とを分離してその量を測定する。図７はマイクロ波空洞共振器によって３種の状態において試料を測定した際に得られるそれぞれの共振カーブを示す図である。共振カーブＡは試料の無いブランク時に得られる共振カーブ、共振カーブＢは基材のみを測定するときに得られる共振カーブ、共振カーブＣは基材に塗工層があるときに得られる共振カーブを示す図である。これらの共振カーブの関係から、塗工層に含まれる水と塗料固形分の寄与分を分離し、それぞれの量と誘電率、誘電損失率が共振周波数シフト量や共振ピークレベル変化量に与える影響を正確に求める。

以下本発明における水分量と塗工量の測定原理を説明する。マイクロ波共振器の内部又は近傍に、塗工層を設けていないシート状基材を置いたとき、図７において共振カーブＡから共振カーブＢのように変化したとする。共振カーブＡは基材がない場合の共振カーブである。このときの共振周波数シフト量Δｆ_b及び共振ピークレベル変化量ΔＷ_bは次のように表すことができる。
Δｆ_b＝ｆ₀−ｆ_b＝Ｋ₁×（ε'_b−１）ΔＶ_b・・・（１ａ）
ΔＷ_b＝Ｐ₀−Ｐ_b＝Ｋ₂×ε''_bΔＶ_b・・・（２ａ）
ε'_b： 基材の誘電率
ε''_b： 基材の誘電損失率
ΔＶ_b ： 基材の量（測定面積当たり）
ｆ_o ： 基材がない場合（ブランク）の共振周波数
ｆ_b ： 基材がある場合の共振周波数
Ｐ_o ： 基材がない場合（ブランク）の共振ピークレベル
Ｐ_b ： 基材がある場合の共振ピークレベル
Δｆ_b ： 基材とブランクとの共振周波数シフト量
ΔＷ_b ： 基材とブランクとの共振ピークレベル変化量
Ｋ₁、Ｋ₂ ： 比例定数

次に、同じ基材に塗工層を設けた試料を共振器内部又は近傍に置いたとき、図７中の共振カーブＣのように変化したとする。このとき、塗工層を設けた試料は仮想的に図８に表すように、基材と、塗工により増えた水の層と、塗工により増えた塗料固形分からなる層の多層状構造をとると仮定すると、このときの共振周波数シフト量Δｆ_s及び共振ピークレベル変化ΔＷ_s量は次のように表すことができる。図８は基材に塗工層を設けた場合の層構成を仮想的に示した断面図である。

Δｆ_s＝ｆ₀−ｆ_s＝Ｋ₁｛（ε'_b−１）ΔＶ_b＋（ε'_w−１）ΔＶ_w＋（ε'_c−１）ΔＶ_c｝・・・（３）
ΔＷ_s＝Ｐ₀−Ｐ_s＝Ｋ₂×（ε''_bΔＶ_b＋ε''_wΔＶ_w＋ε''_cΔＶ_c）・・・（４）
ε'_w： 水の誘電率
ε''_w： 水の誘電損失率
ε'_c： 塗料固形分の誘電率
ε''_c： 塗料固形分の誘電損失率
ΔＶ_w ： 塗工により増えた水の量
ΔＶ_c ： 塗工により増えた塗工層中の塗料固形分の量
ｆ_s ： 試料がある場合の共振周波数
Ｐ_s ： 試料がある場合の共振ピークレベル
Δｆ_s ： 試料がある場合とブランクとの共振周波数シフト量
ΔＷ_s ： 試料がある場合とブランクとの共振ピークレベル変化量

（１ａ）式及び（３）式より次の（５）式をえる。
Δｆ＝Δｆ_s−Δｆ_b＝Ｋ₁｛（ε'_w−１）ΔＶ_w＋（ε'_c−１）ΔＶ_c｝・・・（５）
Δｆ：試料と基材との共振周波数の差

（２ａ）式及び（４）式より次の（６）式をえる。
ΔＷ＝ΔＷ_s−ΔＷ_b＝Ｋ₂×（ε''_wΔＶ_w＋ε''_cΔＶ_c）・・・（６）
ΔＷ：試料と基材との共振ピークレベルの差

（５）式及び（６）式における定数Ｋ₁、Ｋ₂は共振器などの装置により決まる装置定数である。よってあらかじめこの装置定数を求めておけば、Δｆ及びΔＷを測定することにより塗工により増えた水の量ΔＶｗと塗工層中の塗料固形分の量ΔＶｃを算出することができ、それらの値から試料の水分量と塗工量を得ることができる。ここで塗工により増えた水の量ΔＶｗと塗工層中の塗料固形分の量ΔＶｃはそれぞれ水の体積、塗料固形分の体積を正確には意図しているがそれぞれ既知の比重で補正すれば質量に換算できる。すなわち、この（５）、（６）式がΔＶｗ（塗工により増えた水の量）及びΔＶｃ（塗工層中の塗料固形分の量）についての特性方程式となる。

次に具体的にＫ₁、Ｋ₂を求める手順を説明する。
まず、塗工層を設けていない基材の共振カーブを測定する。次に、同じ基材に塗料溶液をその量を変えて塗工、乾燥した基準試料数点を用意し、それぞれの共振カーブを測定する。各基準試料の水分量及び塗工量を求める方法を説明する。まず塗工する前の基材を一定の面積に切断して重量を測定し、塗工後の各基準試料の重量も測定する。さらに塗工後の基準試料は１２０℃の乾燥機内で２時間以上乾燥させ、重量を測定する。乾燥により減少した重量は水分によるものであるため、すなわち乾燥前後の重量の差は水分の重量となる。同様に乾燥後の重量と基材のみの重量の差は塗工層のみの重量となる。あらかじめ求めておいた基材の面積を基に、各々の重量から水分量及び塗工量へと換算する。得られた水分量と塗工量から、既知の比重を用いて塗工により増えた水の量ΔＶ_w及び塗料固形分の量ΔＶ_cを求めた。

基材の共振周波数と基準試料の共振周波数との差Δｆを縦軸に、〔（水の誘電率ε'_w−１）×ΔＶ_w＋（塗料固形分の誘電率ε_c'−１）×ΔＶ_c〕を横軸にしてプロットしていくと、図９に示す１次の相関を示すグラフが得られた。このグラフの傾きが（５）式の定数Ｋ₁を表す。図９は誘電率と共振周波数のシフト量の関係を示す検量線の図でもある。

また、基材の共振ピークレベルと各基準試料の共振ピークレベルとの差Δ_Wを縦軸に、（水の誘電損率ε''_w×ΔＶ_w＋塗料固形分の誘電損率ε''_c×ΔＶ_c）を横軸にしてプロットしていくと、図１０に示す１次の相関を示すグラフが得られた。このグラフの傾きが（６）式の定数Ｋ₂を表す。図１０は誘電損率と共振ピークレベルの変化量の関係を示す検量線の図でもある。

本発明は、これらの相関関係を検量線として保持しておく形態と、これらの相関関係から求められる定数Ｋ₁及びＫ₂を保持しておく形態の２形態をとることができる。検量線を用いる形態では水分量と塗工量が未知の測定対象試料について測定して得られるΔｆ及びΔＷを検量線に当てはめてΔＶ_w及びΔＶ_cを求め、その値から水分量と塗工量を算出する。定数Ｋ₁及びＫ₂を用いる形態では測定対象試料について測定して得られたΔｆを（５）式に、ΔＷを（６）式に適用して、計算によりΔＶ_w及びΔＶ_cを求め、その値から水分量と塗工量を算出する。このようにして、水分量と塗工量が未知の試料をオンライン測定すると、測定して得られるΔｆとΔＷから、あらかじめ求めておいた検量線又は定数Ｋ₁及びＫ₂を用いて、その未知試料の水分量と塗工量を直ちに得ることができる。

本発明における水分量と塗工量の測定について、図１１に示すフローチャートを用いて説明する。図１１は一実施例における測定、演算の各ステップからなるフローチャートを示す。

ステップ１で塗工層を設けていない基材について共振周波数ｆｂと共振ピークレベルＰｂを測定しておく。

つぎに、ステップ２で塗工層を設けた測定対象試料の共振周波数ｆｓと共振ピークレベルＰｓを測定する。

ステップ３では共振周波数シフト量Δｆ（＝ｆ_b−ｆ_s）と共振ピークレベル変化量ΔＷ（＝Ｐ_b−Ｐ_s）を計算する。このΔｆ及びΔＷは、試料の誘電率ε'、誘電損失率ε''、及び試料の量ΔＶを用いて先に説明した特性方程式をもって、以下のようにすでに述べた（１）、（２）式で表すことができる。

Δｆ＝ｆ_b−ｆ_s＝Ｋ₁｛（（ε'_w−１）ΔＶ_w＋（ε'_c−１）ΔＶ_c）・・・（１）
ΔＷ＝Ｐ_b−Ｐ_s＝Ｋ₂×（ε''_wΔＶ_w＋ε''_cΔＶ_c）・・・（２）
ε'_w：水の誘電率
ε''_w：水の誘電損失率
ε'_c：塗料固形分の誘電率
ε''_c：塗料固形分の誘電損失率
ΔＶ_w：塗工により増えた水の量
ΔＶ_c：塗工層中の塗料固形分の量

そこで、（１）式、（２）式で表されるΔＶ_w及びΔＶ_cと、Δｆ及びΔＷとの関係を検量線として求めておくか、あるいは比例定数Ｋ₁，Ｋ₂を算出しておけば、ステップ３で求められるΔｆとΔＷの値から、水分量と塗工量が得られることになる。そこで、同じ基材に量を変えて塗料溶液を塗工した基準試料数点のΔＶｗとΔＶｃをあらかじめ求めておいた上で、Δｆ及びΔＷの値を測定することで、両者の関係を表わす検量線を作っておくか、もしくは、比例定数Ｋ₁、Ｋ₂を決定し、特性方程式を作っておく。

ステップ４では、ステップ３で求めたΔｆとΔＷの値を前述の検量線あるいは特性方程式に当てはめてΔＶ_cとΔＶ_wを算出し、それらの値から測定対象試料の水分量と塗工量を求めるものである。オンライン測定の場合は、一定時間ごとにステップ２〜４を繰り返せばよい。

次にアイソレータの効果について説明する。
図５の実施例では、空洞共振器１とベクトルネットワークアナライザ４０の間はアイソレータ１５ａ、１５ｂを介してケーブル４４ａ、４４ｂで接続されている。

まず、アイソレータ１５ａ、１５ｂを設けないで空洞共振器１とベクトルネットワークアナライザ４０をケーブル４４ａ、４４ｂで接続して試料のΔＷを測定した。その結果を表1に示す。

ここで、ケーブル４４ｂは同じものを使用し、ケーブル４４ａとして種類の異なる４つのケーブル（１）〜(４)のいずれかを使用して測定を行った。ケーブル（１）〜(４)は次のものである。
ケーブル（１）：長さ１ｍ
ケーブル（２）：長さ１ｍ
ケーブル（３）：長さ１ｍ
ケーブル（４）：長さ１．５ｍ

ケーブル（１）〜（４）は全て同じ種類（グレード）のケーブルである。ケーブル（１）〜（３）は同じ長さのものとして市販されている製品であるが、ロット番号の異なるものである。これらのケーブル（１）〜（３）には製造上のばらつきによる違いがあると考えられる。ケーブル（４）は大きく長さが異なるものである。

Ｌ型アダプタ「なし」はケーブル４４ａ，４４ｂを空洞共振器１のアンテナにアダプタを使用しないで直接接続した場合、Ｌ型アダプタ「あり」はケーブル４４ａ，４４ｂを空洞共振器１のアンテナにＬ型アダプタを使用して接続した場合を表わしている。Ｌ型アダプタとはケーブルの向きを９０°変えるために汎用的に用いられるものであり、通常１０〜３０ｍｍ程度であって、ケーブルと比較して短いものの、反射波の位相を十分に変えることが可能である。

測定した試料の塗工試料１」は塗工層を１層のみ塗工した試料であり、「塗工試料２」は塗工層を２層塗工した試料である。

表1の結果によれば、アイソレータ１５ａと１５ｂのいずれも設けなかった場合は、ケーブルを変更するだけでもΔＷが変動し、最大で０．１程度変動する。ケーブル長さが大きく異なればΔＷが大きく変動し、同じ長さで売られている製品でさえもロット番号が異なる程度の製造上のばらつきに相当するような微小な長さの変化によってもΔＷの値が変わることがわかる。Ｌ型アダプタを設けるとΔＷの変動幅がさらに増大することがわかる。

次に、マイクロ波共振器の導波管の入力側のアンテナにアイソレータ１５ａを直接取り付け、出力側のアイソレータ１５ｂを設けないで同様の測定を行った結果を表２に示す。なおアイソレータとして、ファラデー回転形アイソレーター（ＭＴＣ社の製品、型式：Ｆ１６９Ｖ）を用いた。

この場合も、ケーブル４４ｂは同じものを使用し、ケーブル４４ａとして種類の異なる上記の４つのケーブル（１）〜(４)のそれぞれを使用して測定を行った。

Ｌ型アダプタ「なし」はケーブル４４ａと４４ｂをアイソレータ１５ａと空洞共振器１の出力側のアンテナにそれぞれアダプタを使用しないで直接接続した場合、Ｌ型アダプタ「あり」はケーブル４４ａと４４ｂをアイソレータ１５ａと空洞共振器１の出力側のアンテナにそれぞれＬ型アダプタを使用して接続した場合を表わしている。

表２の結果によれば、アイソレータ１５ａに接続される側のケーブルを変えてもΔＷはほとんど変動しない。また。Ｌ型アダプタの有無によってもΔＷはほとんど変動しない。

次に、マイクロ波共振器の導波管の入力側のアンテナにアイソレータ１５ａを直接取り付け、出力側のアンテナにアイソレータ１５ｂを設けない場合と直接取り付けた場合とで同様の測定を行った結果を表３に示す。

ケーブル４４ａと４４ｂアイソレータ又は空洞共振器の導波管のアンテナとの接続はＬ型アダプタを用いて行った。この測定では、導波管の出力側のケーブル４４ｂとして種類の異なる上記の４つのケーブル（１）〜(４)のいずれかを使用して測定を行った。

表３の結果によれば、導波管の入口側にアイソレータを設けても、導波管の出口側にもアイソレータを設けない場合は、ケーブルを変えることによってΔＷが変動する。それに対し、本発明のように、導波管の入口側にも出口側にもアイソレータを設けることにより、ケーブルを変えてもΔＷがほとんど変動しないことがわかる。

以上のことから、導波管の入口側と出口側の両方にアイソレータを設けることによりケーブルが変わったような環境変化に対しても再現性のよい測定を行うことができることが確かめられた。

（比較例）
比較例として、アイソレータをベクトルネットワークアナライザ４０側に直接設けた例を示す。したがって、アイソレータと空洞共振器１との間にはケーブルが存在する。アイソレータは実施例と同じファラデー回転形アイソレータを使用した。測定した試料は塗工層を１層のみ塗工した試料である。その結果を表４に示す。

ここで、ケーブル（１）〜(３)は次のものである。
ケーブル（１）：長さ１.０ｍ
ケーブル（２）：長さ１.５ｍ
ケーブル（３）：長さ２.５ｍ
一方の固定ケーブルは長さ１．０ｍのものを使用した。

表４の結果によれば、アイソレータを空洞共振器１側ではなく、ベクトルネットワークアナライザ４０側に設けてアイソレータと空洞共振器１との間にケーブルが存在する状態にするとΔＷが大きく変動し、再現性を得る上ではアイソレータは役に立っていないことが分かる。

本発明は、紙、不織布、フィルムをはじめとするシート状物質の基材に塗料溶液を塗布して塗工層を設けた試料の水分量及び塗工量を測定するのに利用することができる。

１ マイクロ波空洞共振器
２Ａ，２Ｂ 導波管
４ａ，４ｂ 導波管の共振器部分
６ａ，６ｂ，１６ａ，１６ｂ 導波管部分の進行波部分
８ａ、８ｂ アイリスプレート
１０ 試料
１２ スリット
１４ａ、１４ｂ アンテナ
１５ａ，１５ｂ アイソレータ
２０ マイクロ波掃引発振器
２２ 検波ダイオード
２４ 増幅器・Ａ／Ｄ変換器
３０ ピークレベル検出部
３２ 共振周波数検出部
３４ 演算部
３５ 装置定数保持部
３７ データ処理装置
４０ ベクトルネットワークアナライザ
４２ パーソナルコンピュータ

Claims (3)

1. 導波管の途中に管軸に垂直に、穴の開いた２つのアイリスプレートを備え、アイリスプレート間が共振器部分となり、アイリスプレートの外側の導波管部分がそれぞれアンテナを備えた第1と第２の進行波部分となっているとともに、前記共振器部分には導波管を横切るようにシート状試料を配置するスリットが設けられたマイクロ波空洞共振器と、
   前記第1の進行波部分側に接続されて所定の範囲の周波数で発振させるマイクロ波掃引発振器と、
   前記第２の進行波部分側に接続されたマイクロ波強度受信器と、
   前記第1の進行波部分と前記マイクロ波掃引発振器の間に、前記マイクロ波掃引発振器から前記第1の進行波部分のアンテナ方向にのみ信号を伝送する方向に配置され、前記第1の進行波部分のアンテナのコネクタ部にケーブルを介さないで直接に接続された第1のアイソレータであって、前記コネクタ部との接続部分が金属で取り囲まれている第1のアイソレータと、
   前記第２の進行波部分と前記マイクロ波強度受信器の間に、前記第２の進行波部分のアンテナから前記マイクロ波強度受信器方向にのみ信号を伝送する方向に配置され、前記第２の進行波部分のアンテナのコネクタ部にケーブルを介さないで直接に接続された第２のアイソレータであって、前記第２の進行波部分のアンテナの前記コネクタ部との接続部分が金属で取り囲まれている第２のアイソレータと、
   前記マイクロ波強度受信器からの信号を受けて共振周波数でのピークレベルを検出するピークレベル検出部、前記マイクロ波強度受信器からの信号を受けて共振周波数を検出する共振周波数検出部、シート状基材の表面に塗工層を設けた試料と塗工層を設けていない試料との間での前記ピークレベル検出部によるピークレベル差及び前記共振周波数検出部による共振周波数差に基づいて塗工層の水分量及び塗工量を求める演算部を含むデータ処理装置と
   を備えたシート状試料の測定装置。
2. 前記データ処理装置は塗工層の水分量及び塗工量を求める際の係数を装置定数として保持している装置定数保持部をさらに備え、
   前記演算部は未知試料を測定したときの前記ピークレベル検出部によるピークレベル検出値及び前記共振周波数検出部による共振周波数に前記装置定数保持部に保持されている係数を用いて塗工層の水分量及び塗工量を算出するものである請求項１に記載の測定装置。
3. 前記データ処理装置は塗工層の水分量及び塗工量を求める際の検量線データを装置定数として保持している装置定数保持部をさらに備え、
   前記演算部は未知試料を測定したときの前記ピークレベル検出部によるピークレベル検出値及び前記共振周波数検出部による共振周波数に前記装置定数保持部に保持されている検量線データを用いて塗工層の水分量及び塗工量を算出するものである請求項１に記載の測定装置。

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