JPH05500862A - 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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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 フォイル材料の特性を測定するための構造本発明は、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、レーサ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か、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。オンライン測定か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 運動か生じがちであるーウェブフラッターーという事実、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 ミツターを含み、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−かトランスミツ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。
しかしなからこの構造は、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 だすへての者には、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か明白となろう。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、 トランスミツター/レシーバ−か速いウェブ速度で移動するペーパーウェブと、 且つまた、表面粗さか大きなペーパーウェブと物理的な接触状態を維持てきるか 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願第8017/70(公開番号第359962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 ブ付近の空気流の割部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 れる白波(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 ,210.120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、これにより白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(macr oscopic)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 パ一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存する。
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 的な瞬間的な伸長番引き起こすように、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、を存する。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、極めて短い立ち上かり 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。
レーザーパルスか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か、これはその代わりに励 起領域の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、我々か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10 ” W/c m”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か見いだされている。
試験によれば、励起て生じた伸長の大きさはペーパ一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。
フォイル材料か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 、X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X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して決まるが、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図は、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かその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かその2つの点て同時に 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 lO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l O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1 4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−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−はアダプタ一手段(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)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て受け入れている。
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かペーパ 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図のこ 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かできる。
図示した構造は、エフサイマー(EXC[MER)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かできる。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lO’  W / cm”を超えるパワー密度か必要である。
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 されたビームか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El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 れるのか好ましいレンズ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lO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lO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lO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、この新規な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かできる。
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。
要 約 書 ペーパーであるのか好ましいフォイル材料(10)の機械的特性を測定する構造 である。この構造は、材料励起ユニット(12)および材料検出ユニット(14 )を含む。これらの2つのユニットは共通の演算論理ユニッ)(18)に電気的 に接続される。このユニットは最初に挙げた2つのユニット(12,14)から 導かれた電気信号を記録し、そして測定すべき材料特性を表す最終的な信号を形 成するように変換する。励起ユニット(12)はレーザーを含む。このレーザー は、励起ユニットを材料に接触させることなく、幾何学的に明確とされている可 変の面積領域内に於いて、電磁放射によって材料を取りまくガス雰囲気内に局部 的な瞬間的なガス圧パルスを発生させるように意図されている。このガス圧パル スは前記面積領域の境界領域に於いて材料(lO)にその測定手順に必要とされ る局部的な伸長を引き起こす。検出ユニット(14)は、それらの材料の領域に 於ける瞬間的な変化を検出して、材料のこの伸長を材料に接触されずに検出する 。
(第1図) 国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.ペーパーのようなフォイル材料(10)の強度や質量のような機械的特性を 、前記材料に影響を与える且つまたレーザー(36)を含む励起ユニット(12 )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(14)に助成され て測定するための構造で、前記ユニット(12,14)が演算論理ユニット(1 8)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 (12,14)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、測定すべき材料特性を表す最終的な信号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であって、励起ユニット (12)が、材料が励起ユニット(11)に接触することなく、レーザー(36 )により発せられる電磁放射に助成され、レーザー光を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、材料を取りまいている 気体雰囲気、通常は大気空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傾城において意図されている測定手順に必要な局部的 な瞬間的な材料(10)の伸長を発生させるように機能すること、および、検出 ユニット(14)が前記材料(10)に接触することなく、前記の材料領域に於 ける変化を直接的もしくは間接的に検出するように機能すること、を特徴とした フォイル材料の機械的特性を測定する構造。 2.請求の範囲第1項に記載された構造であって、検出ユニット(12)が瞬間 的な位置または密度の変化を検出するように機能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構造。 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、好ましくはエクサイマー形式 の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構造。 4.請求の範囲第1項から第3項までの何れか1項に記載された構造であって、 励起ユニット(12)が1つもしくはそれ以上の点で同時におよび/または順次 に材料を励起するように機能することを特徴とするフォイル材料の機械的特性を 測定する構造。 5.請求の範囲第4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材料を励起するように 機能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構造。 6.請求の範囲第1項から第5項までの何れか1項に記載された構造であって、 検出ユニット(14)が1つもしくはそれ以上の点で同時におよび/または順次 に材料の変化を検出するように機能することを特徴とするフォイル材料の機械的 特性を測定する構造。 7.請求の範囲第1項から第6項までの何れか1項に記載された構造であって、 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、一般的な局部的瞬間的な材料伸長過程に係わる材料の局部的な 機械的な特性を算出するために開始時の値を記録するように意図されていること を特徴とするフォイル材料の機械的特性を測定する構造。 8.請求の範囲第1項から第7項までの何れか1項に記載された構造であって、 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するように機能し、この開始時の値に基づき一 般的な瞬間的局部的な材料伸長過程に係わる局部的な機械的な材料特性が演算論 理ユニット(18)に於いて演算されるようになされた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構造。 9.請求の範囲第1項から第8項までの何れか1項に記載された構造であって、 演算論理ユニット(18)が、測定されるべき機械的特性と、測定過程中の温度 と湿度とおよび材料(10)の厚さの変化の結果として得られる測定される局部 的な瞬間的な材料伸長過程との間の関係に対する一般的な混乱の影響を補正する ように構成されてい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構 造。
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