JPH0663986B2 - 平面状材料の物性量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マイクロ波を利用して被測定物の化学的また
は物理的性質を点在固定された測定センサーのデータを
電子的に測定する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

マイクロ波を利用した計測装置は、マイクロエレクトロ
ニクス分野におけるデータ処理技術及びデバイス技術の
進歩を反映して、近年著しい改良が加えられつつある。
特に、製紙工程における紙の水分量、あるいは坪量（単
位面積当たりの重量）等をオンラインで計測する装置は
注目されている応用分野である。製紙工程においては、
これらのファクターをパルプ原材料の調整、乾燥制御等
の工程へオンラインでフィードバックすることにより、
紙の最終品質を一定に保つ工夫がなされている。また、
製紙工場における紙の値段は、出荷時の製品の単位当た
りの重量で決められるために、とりわけ水分量の正確な
オンライン計測は製紙工程の最重要課題のひとつとなっ
ている。

マイクロ波を用いて水分量あるいは坪量等を計測する代
表的な技術は、第３図Ａに示されるように、１個のマイ
クロ波測定センサー２をフレーム３上に搭載し、機械的
に往復させながら計測する方法である。この場合、紙の
流れ方向と紙の巾方向の相対関係から、実際には第３図
Ｂのように紙に対して斜め方向にジグザグ状に計測が行
われている。製紙工程における抄紙機は高速化が進み、
毎分1000mの抄紙スピートも実用化されている。これに
対して第３図Ａのマイクロ波測定センサーのフレーム上
の移動速度は、駆動系の限界から高々毎秒10cm程度が一
般的である。巾6m、抄紙スピード1000mの場合、フレー
ム上をマイクロ波測定センサーが往復するまでに約２分
かかり、この間約2000m紙を斜め方向に一往復計測する
ことになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のマイクロ波を用いた製紙工程における水分量ある
いは坪量の計測には、次のような問題点がある。

第１の問題点は、測定部位が紙に対して斜め方向にジグ
ザグ状となっており、紙の品質を一定に制御するために
必要不可欠な巾方向の任意の指定位置あるいは一定領域
の計測が事実上できない点にある。製紙工程において
は、紙のすべての面領域上の水分量あるいは坪量等に関
するオンライン計測情報が必要とされているが、従来の
技術ではきわめて困難である。

第２の問題点は、従来の方法ではマイクロ波測定センサ
ーを精密に移動ないし走行させるためのフレームが不可
欠であるが、このフレームの構成が精度上極めて複雑で
あり、従ってコストが著しくかかり、保守点検上も手間
がかかり過ぎる欠点がある。マイクロ波測定センサーは
非接触かつ透過方式が一般的であるので、上下一対のマ
イクロ波測定センサーの相対距離ないし相対位置を常時
一定に保つ必要がある。このため、マイクロ波測定セン
サーの搭載フレームは、設計製作時点から精度を出すた
めに多くの工夫がなされており、極めて高価となってい
る。据付後も、精度を維持し、走行ベルト、走行ケーブ
ル等の機械的摩耗、あるいは劣化等の点検、保守は膨大
な作業となっているのが実情である。

第３の問題点は、被測定物に加えられる電界強度が充分
でないため、精度の高い測定結果が得られず、測定時に
上下の空洞共振器構成部間に厳密な位置合わせを必要と
する点である。つまり、従来のマイクロ波空洞共振器
は、その測定感度が低いという問題点を有していた。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は、被測定物の平面状材料の両側に配置され、マ
イクロ波の送信部、受信部が設けられた、一対の共振器
構成部からなるマイクロ波空洞共振器を有し、前記平面
状材料によるマイクロ波の共振状態の変化から前記平面
状材料の物性量を測定する物性量測定装置において、少
なくとも一方の共振器構成部が円筒状であって、その共
振器構成部内の中心部に凸部が設けられていて、かつこ
れら一対の共振器構造が少なくとも２箇所以上の測定部
所に配置されている事を特徴とする平面状材料の物性量
測定装置を提供することにより、上記問題点を解決する
ものである。具体的な構成の一例は第１図で示される様
に、抄紙機の紙の流れ方向に対向した紙の巾方向に、マ
イクロ波空洞共振器をアレイ状に一列に並べて固定した
計測装置である。各マイクロ波空洞共振器を用いて、紙
の巾方向の任意の指定位置あるいは一定領域の水分量あ
るいは坪量等の計測をオンラインで電子的にスキャン制
御して行う。

〔作用〕

本発明による測定装置は、少なくとも２個所以上のあら
かじめ必要とする被測定部位に対して、一対のマイクロ
波測定センサーをそれぞれ設けて固定したことを特徴と
しているため、マイクロ波測定センサーの機械的な可動
部がなくなり、オンライン計測上の精度も著しく高めら
れると同時に測定装置全体のコストも著しく低くおさえ
られる。

従来の製紙工程における水分量あるいは坪量等のオンラ
イン計測においては、フレーム上に搭載した一対のマイ
クロ波測定センサーで、紙面に対して第３図Ｂの斜め方
向のジグザグ状に計測する方式が一般的であった。マイ
クロ波測定センサーを２個以上設置し、固定式で計測す
る方法は、理論上可能であったが、一個のマイクロ波測
定センサーが高価でかつ著しく容積が大きいために、実
用化が遅れていた。本発明による測定装置は、本出願人
が発明した第４図Ａに示された直径5cm、高さ4cmの従来
技術のそれに比較して著しく小型で軽量かつ簡易なマイ
クロ波測定センサー〔特願昭60年−263874号〕を使用す
ることによりはじめて実用化が可能となった。少なくと
も一方の空洞共振器構成部の空洞内部に凸部を設けるこ
とにより、マイクロ波のＱ値が著しく高くなり、かつ局
所的に電界密度が高くなり、安定かつ小型で精度の高い
計測装置が得られる。上下一対の空洞共振器構成部から
構成されるこの小型のマイクロ波測定センサーを、製紙
工程における紙の巾方向にアレイ状に並べて、電子的に
各マイクロ波測定センサーを制御することにより、オン
ラインで紙の任意の位置の任意の時刻における水分量あ
るいは坪量等の計測が可能となる。

一例として、マイクロ波測定センサーを紙の巾方向全体
に必要個数だけ設けて、電子スキャンすることにより、
一瞬にして紙の巾方向の全データがオンラインで得られ
る。従来のフレーム移動式機械的作動によるデータ収集
では計測不可能であったデータが得られる。電子スキャ
ンの具体的な一方法としては、各マイクロ波空洞共振器
に取り付けられた各送信部に対して、１個の共振のマイ
クロ波発振部から送られたマイクロ波を、各送信部のア
ッテネータの電圧制御により、順次第１の共振器から最
後の共振器まで、スキャン送受信する。あらかじめ被測
定物がない場合の各共振器の特性を、マイクロコンピュ
ータにより電圧制御等の方法で記憶調整しておけば、各
共振器による個別の諸特性を極めて容易に均一化でき
る。

本発明による測定装置は、マイクロ波空洞共振器を複数
個固定して、あらかじめ計測すべき被測定物の測定部位
に設定する方式を採用した装置に関するもので、特に、
製紙工程における紙の水分量あるいは坪量等のオンライ
ン計測において、オンラインで連続的に紙の面情報が得
られる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を図面によって説明する。第１図は、
本発明による代表的な平面状材料の固定式物性量測定装
置の一実施例である。抄紙機上の紙１は矢印方向手前に
毎分1000m程度のスピードで移動する。抄紙スピードは
特に限定されず、充分遅くても、静止していても、また
より充分遅くても計測には影響を与えない。一対のリエ
ントラント型マイクロ波空洞共振器構成部２は紙１の上
下に固定されている。一対のリエントラント型マイクロ
波空洞共振器構成部２の具体的な形状は第４図Ａに示し
てある。第４図Ａにおいて、１は被測定物１の一例とし
て紙１を示してある。また、ひとつのマイクロ波空洞共
振器構成部２は上下一対で構成されており、第４図Ａの
下部には円筒状の凸部を設けた円筒型空洞共振器構成が
配置されている。その上部は、下部空洞に対置して紙１
を挿入する形で覆う板を示している。具体的な形状の一
例としてアルミニウムを材料として、空洞円筒半径を2.
54cm、空洞円筒深さを2.99cm、凸部円筒半径を0.90cm、
凸部先端と上部板との距離を1.35cmとした。この場合、
マイクロ波共振周波数が2.7GHz、Ｑ値は7097となり、Ｑ
値の半値巾が2.7GHzをピークとして380KHzと従来の１／
３の以上の著しく鋭いＱ値を持つ。従って、水分量ある
いは坪量等の計測精度が著しく向上している。

第１図の実施例においては、上記のリエントラント型マ
イクロ波空洞共振器２は約1m長のブロック内に六個アレ
イ状に配置されている。第１図においてマイクロ波空洞
共振器の空洞部は1mの長さのアルミ板に共通に６個の円
筒状空洞が形成されかつそれぞれの内部に円筒状凸部を
持つように構成されている。一方、空洞部に対置する上
部板は、各マイクロ波空洞共振器に対して共通の長さ1m
のアルミ板で構成されている。この様に、６個程度にマ
イクロ波空洞共振器を同一線上に配置させた長さ1mのブ
ロックを複数個紙幅方向に配置させる事により、紙幅方
向の複数の部位についての紙の物性量を同時に測定する
事を可能とする。

ここにあげた形状の大きさ、空洞の個数等の数値は特に
制約はなく、計測対象に依存して自由に選択して設計す
る事が出来る。また第１図の実施例においては、マイク
ロ波の発信部は明記していないが、一例として、上記の
各1m長のブロックごとに一個のマイクロ波発信器を設け
て各マイクロ測定空洞共振器に共通にマイクロ波を供給
する方式を用いることにより、コストは著しく低くなっ
ている。各ブロックごとの各マイクロ波空洞共振器の個
別の計測上のオンライン電子スキャン制御、あるいはキ
ャリブレーション等は、すでに存在する多くのエレクト
ロニクス技術を利用して、測定の目的に応じて自由に構
成される。本発明による第１図の実施例は、被測定物に
対して、マイクロ波空洞共振器を必要個数だけアレイ上
に配置して固定した装置の物理的配置構成を示してい
る。被測定物に対して、各マイクロ波空洞共振器を配置
する方法は、第１図のように直線状に並べるだけでな
く、千鳥状に並べてもよいし、特定領域の計測を重点的
に行う場合には、数個を一個所周辺に点在させる方式の
いずれでもよい。いずれにしても、本発明の特徴は、マ
イクロ波空洞共振器を２個所以上に設けて固定し、計測
に関する機械的な可動をなくしたことにある。この種の
方式は、理論上極めて自然で容易に想定されるものであ
るが、従来の技術では個別のマイクロ波空洞共振器が、
前述のように小型軽量かつ安価にできないために、実用
上設計不可能であった。つまり、個別のマイクロ波空洞
共振器の共振器構成部の中心部に凸部を設けると言う構
成を採用することにより初めて小型、軽量かつ安価な物
性量測定装置を得ることに成功した。

本発明の第２の実施例を第２図に示してある。第２図
は、各マイクロ波測定センサーが第４図Ｂに示した様
に、凸部を持った空洞が被測定物をはさんで他方に対置
した構造を持つもので構成されており、全体として、被
測定物としての紙の巾方向にアレイ上に配置してある。
第２図に示された測定装置が第１図に示されたそれと相
違する点は、個別のマイクロ波空洞共振器を第４図Ａに
示された型のもの第４図Ｂに示された型のものに変更し
た点のみである。

〔発明の効果〕

本発明による平面材料の固定式物性測定装置の効果は次
の３項目に要約される。

（１）固定式トータルスキャン 被測定物は平面状材料、特に製紙工程における高速で動
く紙を対象としているので、すべての紙面の水分量ある
いは坪量等が、固定式で計測できるようになった。被測
定物の所定の領域にあらかじめマイクロ波想定センサー
を配置することにより、必要な領域の全情報がオンライ
ンで提供さえる。

（２）測定精度の向上 少なくとも一方の共振器構成部を円筒状としかつその中
心部に凸部を設けて、一対のマイクロ波空洞共振器を構
成しているので、本願発明の物性量測定装置の測定精度
は従来技術のそれに比較して格段に向上する。

（３）装置の設計及び製作費の低減 固定式であるため、機械的な可動部がなくなり、位置決
め等の精度を要求する手間が少なくなり、部品点数も減
らすことができる。従って、装置全体の設計も容易とな
り、さらには製造コスト並びに保守・点検費用も著しく
削減された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の平面状材料の固定式物性測定装置を示
す図である。 第２図は本発明の実施例２を示す図である。 第３図Ａは従来例を示す図である。 第３図Ｂは第３図Ａの測定装置で計測される測定部位を
示す図である。 第４図Ａは本発明で用いられているマイクロ波測定セン
サーの一対を示す図である。 第４図Ｂは第４図Ａと同様に、他のマイクロ測定センサ
ーの一対を示す図である。 1.……紙、2.……マイクロ波空洞共振器構成部 3.……フレーム 4.……測定部位 5.……マイクロ波送受信部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の平面状材料の両側に配置され、
   マイクロ波の送信部、受信部が設けられた、一対の共振
   器構成部からなるマイクロ波空洞共振器を有し、前記平
   面状材料によるマイクロ波の共振状態の変化から前記平
   面状材料の物性量を測定する物性量測定装置において、
   少なくとも一方の共振器構成部が円筒状であって、その
   共振器構成部内の中心部に凸部が設けられていて、かつ
   これら一対の共振器構造が少なくとも２箇所以上の測定
   部所に配置されている事を特徴とする平面状材料の物性
   量測定装置。
2. 【請求項２】他方の前記共振器構成部が金属板である事
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の物性量測
   定装置。
3. 【請求項３】前記円筒状共振器構成部が金属ブロック内
   に形成されている事を特徴とする特許請求の範囲第
   （１）又は（２）項記載の物性量測定装置。
4. 【請求項４】両方の前記共振器構成部が、同一形状を有
   する事を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の物
   性量測定装置。