JP2011226801A - 赤外線分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象物に照射される赤外光の広がりを防止して高精度な分析を行うことができる赤外線分析装置を提供する。
【解決手段】赤外線分析装置の一種である水分計は、検査対象物である紙Ｐの上方に配置され、紙Ｐ上に設定された焦点Ｆ１に向けて集束した赤外光を照射する光源（赤外線ＬＥＤ２１及び集光レンズ２２）と、紙Ｐを介した赤外光を検出する検出器２３とを有する上ヘッド１１と、紙Ｐの下方に配置され、紙Ｐを透過した赤外光を紙Ｐに向けて再帰性反射する反射部材３１を備える下ヘッド１２とを備えており、光源から射出される赤外光を用いて紙Ｐに含まれる水分を測定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外光を用いて検査対象物の特性を分析する赤外線分析装置に関する。

一般的に、製品は、製造工程の途中又は製造工程を終えた後で、様々な検査が行われてから出荷される。製紙工場等においては、製品である紙に含まれる水分を測定する水分計や、紙の厚みを測定する紙厚計が設けられており、製造効率を高めつつ一定の品質を保持するために、抄紙機で製造された紙の水分や厚みが水分計や紙厚計によってオンラインで検査されながら製造される。

上記の水分計及び紙厚計は、赤外線分析装置の一種であり、検査対象物である紙に赤外光を照射し、紙によって反射・散乱された赤外光、或いは紙を透過した赤外光を受光して分析することにより紙の水分や厚みを測定する。具体的には、検査対象である紙に照射した赤外光の吸収率を求め、予め測定されている赤外光の吸収率と紙の水分や厚みとの関係等を参照して検査対象物である紙の水分や厚みを測定する。

以下の特許文献１には、紙のようなシート状材料の特性（水分含有量等）を測定する従来の測定装置の一例が開示されている。具体的に、この測定装置は、半円球形状のキャビティを有するハウジングを、各々のキャビティがシートを挟んで対向するようシートの上下にそれぞれ配置した構成であって、シートの下方に配置されたハウジングのキャビティに設けられた光管からシートに向けて赤外光を照射し、シートを透過した赤外光をシートの上方に配置されたハウジングのキャビティに設けられた検出器によって検出するものである。

特公昭６１−１０７７３号公報

ところで、上述した特許文献１において、シートに照射された赤外光は、シートを透過した後にキャビティによって反射され、この反射された赤外光線が再びシートに入射して透過するといった透過及び反射が繰り返されて最終的に検出器で検出される。ここで、対向するように配置された上下のキャビティの中心点がシート上に位置し、この中心点に赤外光が入射すれば上述した透過及び反射が繰り返されてもシートに入射する赤外光の大きさ（スポット径）は大きくならない。

しかしながら、実際にシートに入射する赤外光はある大きさのスポット径を有しており、必ずしもキャビティの中心点に入射される訳ではない。しかもシートに入射した赤外光はシートの表面で反射及び散乱される。このため、上述した透過及び反射が繰り返される度に、シートに入射する赤外光のスポット径が徐々に大きくなり、最終的にはキャビティの開口部の面積と同程度の大きさのスポット径になってしまう。すると、面積がキャビティの開口部と同程度である領域における水分の平均値が測定されてしまい、測定精度が悪化するという問題がある。ここで、水分の測定精度が悪化すると、この測定結果に基づいて紙を乾燥する際に問題が生ずる虞が考えられる。この問題は、紙厚計によって紙の厚みを測定する際にも生ずる問題である。

また、水分計や紙厚計は、紙の幅方向における水分や紙厚の分布を測定可能とするために、紙の幅方向に移動可能に構成されている。上述した特許文献１に開示された測定装置において、紙の上下各々に配置されるハウジングが相対的な位置ずれを生ずることなく同期して移動可能であれば問題は生じない。しかしながら、これらハウジングに相対的な位置ずれが生ずると、シートに入射する赤外光のスポット径が大きくなり易くなるため、上述した問題点がより顕在化してしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、検査対象物に照射される赤外光の広がりを防止して高精度な分析を行うことができる赤外線分析装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の赤外線分析装置は、赤外光を用いて検査対象物（Ｐ）の特性を分析する赤外線分析装置（１）において、前記検査対象物の一方側に配置され、前記検査対象物上に設定された焦点（Ｆ１）に向けて集束した赤外光を照射する光源（２１、２１ａ〜２１ｃ、２２、２２ａ〜２２ｃ）と、前記検査対象物を介した赤外光を検出する検出器（２３）とを有する第１ヘッド（１１）と、前記検査対象物の他方側に配置され、前記検査対象物を透過した赤外光を前記検査対象物に向けて再帰性反射する第１反射部材（３１）を備える第２ヘッド（１２）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、検査対象物の一方側に配置された第１ヘッドに設けられた光源から検査対象物上に設定された焦点に向けて集束した赤外光が照射され、検査対象物を透過した赤外光が検査対象物の他方側に配置された第２ヘッドに設けられた第１反射部材によって検査対象物に向けて再帰性反射され、裏面側から検査対象物を透過した赤外光が第１ヘッドに設けられた検出器によって検出される。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記検出器が、前記焦点に検出面を向けた状態で前記検査対象物の一方側に配置され、前記第１反射部材が、前記焦点に反射面を近接させた状態で前記検査対象物の他方側に配置されることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記第１ヘッドが、前記検査対象物を介した赤外光のうちの前記検出器の検出面に向かう赤外光以外の赤外光を、前記検査対象物に向けて再帰性反射する第２反射部材（４１）を備えることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記第２反射部材が、前記光源から前記焦点に向けて照射される赤外光、及び前記検査対象物から前記検出器の検出面に至る赤外光を透過させる開口部を備えており、前記焦点に反射面を近接させた状態で前記検査対象物の一方側に配置されることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記光源が一面に取り付けられるとともに、前記検出器が他面に取り付けられ、前記一面側に取り付けられた前記光源から射出される赤外光を前記他面側に透過させる切欠部（２５ａ）が形成された固定基板（２５）を備えることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記第１ヘッドと前記第２ヘッドとを同期させて前記検査対象物に沿って往復運動させる往復運動機構（１０）を備えることを特徴としている。

本発明によれば、検査対象物上に設定された焦点に向けて集束した赤外光が照射されるとともに、検査対象物を透過した赤外光が第１反射部材によって検査対象物に向けて再帰性反射されるため、検査対象物に照射される赤外光の広がりが防止されて高精度な分析を行うことができるという効果がある。

本発明の第１実施形態による赤外線分析装置としての水分計の概略構成を示す斜視図である。 水分計が備える上ヘッド及び下ヘッドの構成を示す側断面図である。 水分計が備える上ヘッドに設けられる赤外線ＬＥＤ及び集光レンズの位置関係を示す平面図である。 水分計が備える下ヘッドに設けられる反射部材の一部を拡大した平面図である。 本発明の第２実施形態による水分計が備える上ヘッド及び下ヘッドの構成を示す側断面図である。 本発明の第２実施形態による水分計の動作を説明するための図である。 赤外線を射出する赤外線ＬＥＤの配置例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による赤外線分析装置について詳細に説明する。尚、以下では、理解を容易にするために、赤外線分析装置の一種である水分計を例に挙げて説明するが、紙厚計等の他の赤外線分析装置についても水分計と同様に構成することができる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による赤外線分析装置としての水分計の概略構成を示す斜視図である。図１に示す通り、水分計１は、フレーム１０（往復運動機構）、上ヘッド１１（第１ヘッド）、及び下ヘッド１２（第２ヘッド）を備えており、例えば製紙工場に設置された抄紙機に取り付けられ、赤外光を用いて抄紙機で製造された紙Ｐ（検査対象物）に含まれる水分の測定を行う。

尚、以下の説明においては、図中に設定されたＸＹＺ直交座標系を必要に応じて参照しつつ各部材の位置関係について説明する。但し、説明の便宜のため、各図に示すＸＹＺ直交座標系の原点は固定せずに、各図毎にその位置を適宜変更するものとする。図１に示すＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸が紙Ｐの搬送方向Ｄ１に沿う方向、Ｙ軸が紙Ｐの幅方向に沿う方向、Ｚ軸が鉛直方向に沿う方向にそれぞれ設定されている。

フレーム１０は、外径形状が長手方向と短手方向とを有する略四角環形状の部材であって、その開口部ＯＰ内において上ヘッド１１及び下ヘッド１２を長手方向に往復運動可能に支持する。具体的に、フレーム１０は、長手方向が紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に沿う方向に設定されるとともに短手方向が鉛直方向（Ｚ方向）に沿う方向に設定され、紙Ｐが開口部ＯＰの略中央を通過するように配置される。

つまり、フレーム１０は、搬送される紙Ｐの上方に上ヘッド１１が配置されるとともに、搬送される紙Ｐの下方に下ヘッド１２が配置されるように、紙Ｐに対する位置決めがなされている。尚、図１においては図示を省略しているが、フレーム１０は、上ヘッド１１を紙Ｐの上面に沿って長手方向に往復運動させる機構と、下ヘッド１２を紙Ｐの裏面に沿って長手方向に往復運動させる機構とを備える。これらの機構を同じように駆動すれば上ヘッド１１としたヘッド１２とを同期させて往復運動させることができ、これらの機構を別々に駆動すれば上ヘッド１１と下ヘッド１２とを個別に移動させることができる。

上ヘッド１１は、上述の通り、紙Ｐの上面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持されており、紙Ｐの上面に設定された焦点Ｆ１に向けて集束した赤外光を照射するとともに紙Ｐを介した赤外光を検出し、その検出結果に基づいて紙Ｐに含まれる水分を測定する。ここで、紙Ｐを介した赤外光には、紙Ｐの上面で反射・散乱された赤外光、及び紙Ｐの裏面から上面に向けて透過した赤外光が含まれる。尚、搬送方向Ｄ１（Ｘ方向）に搬送される紙Ｐの上面を上ヘッド１１が紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に往復運動することにより、図１に示すジグザグ状の測定ラインＬ１に沿って紙Ｐに含まれる水分が測定されることになる。

下ヘッド１１は、上述の通り、紙Ｐの裏面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持されており、紙Ｐを透過した赤外光を紙Ｐに向けて再帰性反射する反射部材３１（図２参照）を備える。ここで、再帰性反射とは、入射する光をその入射方向とは反対方向に反射すること（換言すると、反射角が入射角と等しくなるように、入射する光を反射すること）をいう。このような再帰性反射する反射部材を下ヘッド１１に設けるのは、裏面からに紙Ｐに入射する赤外光の広がりを防止するため（スポット径が大きくなるのを防止するため）である。

次に、上ヘッド１１及び下ヘッド１２について詳細に説明する。図２は、水分計が備える上ヘッド及び下ヘッドの構成を示す側断面図である。図２に示す通り、上ヘッド１１は、筐体２０、赤外線ＬＥＤ（Light Emitting Diode）２１（光源）、集光レンズ２２（光源）、検出器２３、保治具２４、固定基板２５、及びカバーガラス２６を備える。筐体２０は外径形状が略長方形形状である中空の部材であって、その内部に赤外線ＬＥＤ２１〜固定基板２５を収容する。筐体２０は、その底面に例えば平面視形状が矩形形状である透光窓２０ａが形成されており、水分計１の感度を向上させるために透光窓２０ａが形成された底面を紙Ｐに近接させた状態に配置される。

赤外線ＬＥＤ２１は、紙Ｐの上面に設定された焦点Ｆ１に向けて照射すべき赤外光を射出する。この赤外線ＬＥＤ２１は、紙Ｐの上面に対して斜め方向から赤外光が照射されるように保治具２４によって固定基板２５の上面側に配設されている。具体的に、赤外線ＬＥＤ２１は、その光軸と紙Ｐが搬送される方向であるＸ方向とが角度αをなすよう保治具２４に保持されている。

この角度αは、例えば紙Ｐの上面で反射・散乱される赤外光の強度と紙Ｐの裏面から上面に向けて透過する赤外光の強度との比率や水分計１の感度等を考慮して設定される。例えば、角度αが６０度である場合には角度αが９０度である場合に比べて赤外光が紙Ｐの内部を透過する距離を１．１５倍程度に伸ばすことができ、角度αが４５度である場合には１．４倍程度に伸ばすことができる。このため、角度αを小さくすれば、紙Ｐに含まれる水分による吸収量が多くなって、水分計１の感度を向上させることができる。

ここで、赤外線ＬＥＤ２１及び集光レンズ２２をそれぞれ１つずつ備えていれば紙Ｐに含まれる水分を測定することは可能であるが、本実施形態では、水分の測定を容易にするとともに測定精度を向上させるべく、互いに波長が異なる赤外光を射出する複数の赤外線ＬＥＤと、これら赤外線ＬＥＤの各々に対応する複数の集光レンズとを備えている。図３は、水分計が備える上ヘッドに設けられる赤外線ＬＥＤ及び集光レンズの位置関係を示す平面図である。

図３に示す通り、本実施形態では３つの赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｃと、これら赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｃの各々に対応する３つの集光レンズ２２ａ〜２２ｃとを備える。これら赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｃは、１つが水分による吸収が少ない波長λ１の赤外光を射出し、他の１つが水分による吸収が大きな波長λ２の赤外光を射出し、残りの１つが紙Ｐの成分であるセルロースによる吸収が大きな波長λ３の赤外光を射出する。

例えば、赤外線ＬＥＤ２１ａが波長λ１（１．３２μｍ又は１．８μｍ）の赤外光を射出し、赤外線ＬＥＤ２１ｂが波長λ２（１．４３μｍ又は１．９４μｍ）の赤外光を射出し、赤外線ＬＥＤ２１ｃが波長λ３（２．１μｍ）の赤外光を射出する。赤外線ＬＥＤ２１ａ，２１ｂから射出される赤外光は、紙Ｐに含まれる水分を測定する際の参照光及び測定光としてそれぞれ用いられる。また、赤外線ＬＥＤ２１ｃから射出される赤外光は、紙Ｐに含まれる水分を測定する際の比較光として用いられる。

赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｃは、図３に示す通り、各々の光軸が紙Ｐの上面に設定された焦点Ｆ１で交わるように保治具２４にそれぞれ保持されている。また、集光レンズ２２ａ〜２２ｃは、赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｃの光軸上にそれぞれ配置されており、赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｃの各々から射出される赤外光をそれぞれ焦点Ｆ１に集光させるように保治具２４に保持されている。

検出器２３は、図２，図３に示す通り、紙Ｐの上面に設定された焦点Ｆ１の上方（＋Ｚ方向）に配置され、その検出面を焦点Ｆ１に向けた状態で固定基板２５の裏面側に取り付けられており、紙Ｐを介した赤外光（紙Ｐの上面で反射・散乱された赤外光、及び紙Ｐの裏面から上面に向けて透過した赤外光）を検出する。尚、検出器２３は、その検出面が極力焦点Ｆ１に近接するように、紙Ｐの上方に配設される。この検出器２３としては、例えばＰｂＳ素子、Ｇｅ素子、又はＩｎＧａＡｓ素子を用いることが可能である。

ここで、上記のＰｂＳ素子は、硫化鉛を主成分とする光導電素子であって、約０．６〜３．０μｍの波長域の光の検出が可能であり、波長２．０μｍ付近において検出感度が最大となる素子である。上記のＧｅ素子は、ゲルマニウムを主成分とする光導電素子であって、約０．６〜１．８μｍの波長域の光の検出が可能な素子である。上記のＩｎＧａＡｓ素子は、インジウム、ガリウム、及び砒素を主成分とする三元混晶半導体素子であって、約０．９〜２．３μｍの波長域の光の検出が可能であり、波長１．５〜１．８μｍ付近において検出感度が最大となる素子である。

保治具２４は、固定基板２５の上面側に取り付けられ、赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）及び集光レンズ２２（２２ａ〜２２ｃ）を上述した位置関係に保持する治具である。この保持具２４は、温度変化に伴う赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）及び集光レンズ２２（２２ａ〜２２ｃ）の位置誤差を極力防止すべく、例えば伝熱性の高い金属又は樹脂によって形成されている。

固定基板２５は、赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）、集光レンズ２２（２２ａ〜２２ｃ）、及び検出器２３の相対的な位置関係を固定するために設けられる金属製又は樹脂製の基板である。この固定基板２５は、例えば平面視の形状が略矩形形状であって、その上面に赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）及び集光レンズ２２（２２ａ〜２２ｃ）を保持する保治具２４が取り付けられ、その裏面に検出器２３が取り付けられる。

この固定基板２５の略中央部には、赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）から射出されて集光レンズ２２（２２ａ〜２２ｃ）で集光された赤外光を、固定基板２５の裏面側に透過させる切欠部２５ａが形成されている。固定基板２５によって赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）、集光レンズ２２（２２ａ〜２２ｃ）、及び検出器２３の相対的な位置関係が固定されることにより、赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）から射出された赤外光を、紙Ｐ上に設定された焦点Ｆ１に精確に集光することができる。

カバーガラス２６は、紙粉等の汚れから検出器２３を保護すべく、筐体２０の底面に形成された透光窓２０ａを塞ぐように取り付けられたガラスである。このカバーガラス２６は、水分計１の感度の低下を防止するために、赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）から射出される赤外光に対する吸収が少ない材質によって形成されている。尚、水分計１の感度を向上させるために、検出器２３はその検出面をカバーガラス２６に極力近接させた状に配設される。

図２に示す通り、下ヘッド１２は、筐体３０、反射部材３１（第１反射部材）、及びカバーガラス３２を備える。筐体３０は、その上面に例えば平面視形状が矩形形状である透光窓３０ａが形成されており、透光窓３０ａが形成された上面を紙Ｐに近接させた状態に配置される。反射部材３１は、筐体３０の透光窓３０ａ内に配設されており、紙Ｐを透過した赤外光を紙Ｐに向けて再帰性反射する。具体的に、反射部材３１は、紙Ｐの上面に設定された焦点Ｆ１の下方（−Ｚ方向）に配置され、その反射面が焦点Ｆ１に近接し、且つその反射面が紙Ｐの裏面に並行になるように配設される。

図４は、水分計が備える下ヘッドに設けられる反射部材の一部を拡大した平面図である。図４に示す通り、反射部材３１は、平面視の形状が六角形状であって互いに直交する３枚の平面ミラーｍ１，ｍ２，ｍ３からなる単位ミラーＭが、隙間が生じないように平面状に配列された平板状の部材（所謂、コーナーキューブアレイ）である。尚、反射部材３１は、例えばアクリル等の樹脂によって形成される。反射部材３１をなす単位ミラーＭの各々は、コーナーキューブとして機能し、入射する光をその入射方向とは反対方向に反射する。

反射部材３１をなす単位ミラーＭの大きさは数ｍｍ程度である。但し、水分計１の測定精度を向上させるためには、単位ミラーＭの大きさを１ｍｍ以下にするのが望ましい。これは、単位ミラーＭで反射されて裏面からに紙Ｐに入射する赤外光の広がりを防止するため（スポット径が大きくなるのを防止するため）である。つまり、単位ミラーＭの性質上、単位ミラーＭで反射された光の光路は、単位ミラーＭに入射する光の光路からシフトしてしまう。このシフト量が大きいとスポット径が大きくなるため、単位ミラーＭを小型化することによってシフト量を極力小さくし、スポット径が大きくなるのを防止しようとするものである。

カバーガラス３２は、紙粉等の汚れから反射部材３１を保護すべく、筐体３０の上面に形成された透光窓３０ａを塞ぐように取り付けられたガラスである。このカバーガラス３２は、上ヘッド１１に設けられるカバーガラス２６と同様に、赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）から射出される赤外光に対する吸収が少ない材質によって形成されている。カバーガラス３２は、接着等によって反射部材３１と密着させるのが望ましい。これは、反射部材３１とカバーガラス３２との間の多重反射を防止して、測定精度の低下を防止するためである。尚、反射部材３１の硬度が高い場合、或いは紙粉等の汚れの影響が無視できる場合には、カバーガラス３２を省略することが可能である。

次に、上記構成の水分計１の動作について説明する。水分計１の動作が開始されると、フレーム１０に設けられた不図示の機構によって上ヘッド１１と下ヘッド１２とが駆動され、上ヘッド１１及び下ヘッド１２は、紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に同期して往復運動する。上ヘッド１１及び下ヘッド１２の駆動が開始されると同時に、上ヘッド１１に設けられた赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）の駆動も開始される。これにより、赤外線ＬＥＤ２１ａからは波長λ１（１．３２μｍ又は１．８μｍ）の赤外光、赤外線ＬＥＤ２１ｂからは波長λ２（１．４３μｍ又は１．９４μｍ）の赤外光、赤外線ＬＥＤ２１ｃからは波長λ３（２．１μｍ）の赤外光がそれぞれ射出される。

赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｃから射出された赤外光は、集光レンズ２２ａ〜２２ｃを通過することによってそれぞれ集光され、固定基板２５に形成された切欠部２５ａ及びカバーガラス２６を順次介した後に、紙Ｐの上面に設定された焦点Ｆ１に照射される。焦点Ｆ１に照射された赤外光は、その一部が紙Ｐの上面で反射・散乱され、残りが紙Ｐを透過する。紙Ｐの表面で反射・散乱された赤外光は、上ヘッド１１に設けられたカバーガラス２６を介して検出器２３の検出面に入射して検出器２３で検出される。

これに対し、紙Ｐを透過した赤外光は下ヘッド１２に設けられたカバーガラス３２を介して反射部材３１に入射し、反射部材３１によって再帰性反射される。これにより、反射部材３１に入射した赤外光は、その入射方向と反対方向に反射され、裏面からに再び紙Ｐに入射する。ここで、紙Ｐを透過した赤外光は紙Ｐの裏面においても散乱されるが、この散乱された赤外光も反射部材３１によって再帰性反射されるため、反射部材３１で反射された赤外光は焦点Ｆ１に集束される。このようにして赤外光の広がりが防止される。

裏面から紙Ｐに入射した赤外光のうち、紙Ｐを透過した赤外光は上ヘッド１１に設けられたカバーガラス２６を介して検出器２３の検出面に入射して検出器２３で検出される。ここで、波長λ１の赤外光は紙Ｐを透過しても吸収が少ない。これに対し、波長λ１の赤外光は紙Ｐを透過する際に紙Ｐに含まれる水分によって吸収され、波長λ３の赤外光は紙Ｐを透過する際に紙Ｐの成分であるセルロースによって吸収される。しかも、本実施形態では、赤外光は紙Ｐを往復するため、波長λ２，λ３の赤外光の強度は、波長λ１の赤外光の強度に比べて小さくなる。

赤外光が検出器２３で検出されると、その検出信号は増幅された後に信号分離されて、波長λ１，λ２，λ３の赤外光に応じた測定信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３がそれぞれ求められる。すると、これらの測定信号の比に基づく多変量解析によって赤外光の吸収率が求められる。赤外光の吸収率が求められると、予め測定されている赤外光の吸収率と紙Ｐの水分との関係を示すテーブル等を参照して紙Ｐに含まれる水分が測定される。尚、水分の測定は、テーブルを用いる方法以外に、予め設定された関数等を用いて行っても良い。

以上の測定は、図１，図２中に示す搬送方向Ｄ１（Ｘ方向）に紙Ｐが搬送されている状態で、上ヘッド１１及び下ヘッド１２が同期して紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に往復運動している間は継続して行われる。従って、図１に示すジグザグ状の測定ラインＬ１に沿って紙Ｐに含まれる水分が測定されることになる。

以上の通り、本実施形態では、紙Ｐ上に設定された焦点Ｆ１に向けて集束した赤外光を照射する赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）及び集光レンズ２２（２２ａ〜２２ｃ）と、紙Ｐを介した赤外光を検出する検出器２３を紙Ｐの上方に配置された上ヘッド１１に設け、紙Ｐを透過した赤外光を紙Ｐに向けて再帰性反射する反射部材３１を紙Ｐの下方に配置された下ヘッド１２に設けている。これにより、上面側から紙Ｐに照射される赤外光及び裏面側から紙Ｐに照射される赤外光の広がりが防止されるため、紙Ｐに含まれる水分を高精度に測定することができる。

また、本実施形態では、従来の測定装置のように、キャビティを有するハウジングを備える必要がないため、小型化が可能であるとともにコスト低減を図ることができる。また、下ヘッド１２に設けられた反射部材３１は、入射する光を再帰性反射するものであるため、紙Ｐに対する下ヘッド１２の位置ずれが生じても測定精度が悪化することはない。更に、従来に比べて赤外光の光路長（光源から射出されて検出器で検出されるまでの赤外光の光路長）を短くできるため、大気中の水分による悪影響を小さくして測定精度を高めることができる。

〔第２実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態による水分計が備える上ヘッド及び下ヘッドの構成を示す側断面図である。図５に示す通り、本実施形態の水分計は、第１実施形態の水分計１と同様に、上ヘッド１１及び下ヘッド１２を備えるが、上ヘッド１１の構成が若干相違する。尚、下ヘッド１２は、第１実施形態の水分計１が備える下ヘッド１２と同様の構成である。

本実施形態の水分計が備える上ヘッド１１は、反射部材４１（第２反射部材）を新たに設け、固定基板２５に代えて固定基板４２を設けた構成である。反射部材４１は、筐体２０の透光窓２０ａに取り付けられたカバーガラス２６の上方に配設されており、紙Ｐを介した赤外光（紙Ｐの上面で反射・散乱された赤外光、及び紙Ｐの裏面から上面に向けて透過した赤外光）のうち、検出器２３に向かう赤外光以外の赤外光を紙Ｐに向けて再帰性反射する。尚、反射部材４１は、多重反射を防止すべく、カバーガラス２６に密着させるのが望ましい。

この反射部材４１は、下ヘッド１２に設けられる反射部材３１と同様に、図４に示す単位ミラーＭが隙間が生じないように平面状に配列された平板状の部材である。尚、反射部材４１には、赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）から紙Ｐ上に設定された焦点Ｆ１に向けて照射される赤外光を透過させる開口部と、紙Ｐから検出器２３の検出面に至る赤外光を透過させる開口部とが形成されている。この反射部材４１は、後者の開口部に検出器２３の検出面が配置されて、その反射面を焦点Ｆ１に近接させた状態で上ヘッド１１内に配設されている。

固定基板４２は、検出器２３を固定するために設けられる金属製又は樹脂製の基板である。尚、本実施形態では、赤外線ＬＥＤ２１及び集光レンズ２２を保持する保持具２４は筐体２０に固定されている。但し、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、赤外線ＬＥＤ２１及び集光レンズ２２を保持する保持具２４と検出器２３とが１つの固定基板に取り付けられている構成であっても良い。

本実施形態の水分計の動作は、基本的には前述した第１実施形態の水分計１の動作と同様である。但し、本実施形態では、下ヘッド１２に設けられた反射部材３１に加えて、上ヘッド１１にも反射部材４１が設けられているため、若干動作が相違する。図６は、本発明の第２実施形態による水分計の動作を説明するための図である。

図６に示す通り、本実施形態では、紙Ｐの裏面側に反射部材３１が、紙Ｐの上面側に反射部材４１がそれぞれ設けられており、反射部材３１，４１の間に紙Ｐが配置された状態で紙Ｐに含まれる水分が測定される。尚、図６において符号Ａ１を付した矢印は、赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｃから射出されて集光レンズ２２ａ〜２２ｃによってそれぞれ集光された赤外光を示している。

この赤外光Ａ１が紙Ｐの上面に設定された焦点Ｆ１に照射されると、紙Ｐを透過した赤外光は、図６中の符号Ａ２を付した矢印で示す通り、紙Ｐの下方に配置された反射部材３１で再帰性反射されて裏面側から紙Ｐに入射する。そして、裏面側から上面側に紙Ｐを透過する。この紙Ｐを透過した赤外光のうち、検出器２３の検出面に向かう赤外光以外の赤外光は、図６中の符号Ａ３を付した矢印で示す通り、紙Ｐの上方に配置された反射部材４１で再帰性反射されて紙Ｐの上面側から紙Ｐに入射する。そして、上面側から裏面側に紙Ｐを透過する。このように、本実施形態では、紙Ｐの上面側及び裏面側に反射部材４１，３１がそれぞれ設けられているため、赤外線が紙Ｐを透過する回数が３回以上になる。

これにより、波長λ２の赤外光が紙Ｐに含まれる水分によってより多くの吸収を受けるとともに、波長λ３の赤外光が紙Ｐの成分であるセルロースによってより多くの吸収を受け、波長λ２，λ３の赤外光の強度を、波長λ１の赤外光の強度に比べてより小さくすることができる。この結果、赤外線の吸収率がより精確に求められ、紙Ｐに含まれる水分をより高い精度で測定することができる。尚、本実形態の水分計は、赤外線が紙Ｐを透過する回数を多くすることができるため、生産ラインの都合や紙Ｐの表面状態によって上ヘッド１１及び下ヘッド１２を紙Ｐに近づけることができない場合にも効果的である。

以上の通り、本実施形態においても、赤外線ＬＥＤ２１（２１ａ〜２１ｃ）及び集光レンズ２２（２２ａ〜２２ｃ）と検出器２３とを上ヘッド１１に設け、反射部材３１を下ヘッド１２に設けている。このため、第１実施形態と同様に、上面側から紙Ｐに照射される赤外光及び裏面側から紙Ｐに照射される赤外光の広がりが防止されて、紙Ｐに含まれる水分を高精度に測定することができる。

加えて、本実施形態では、紙Ｐを介した赤外光のうちの検出器２３の検出面に向かう赤外光以外の赤外光を紙Ｐに向けて再帰性反射する反射部材４１を上ヘッド１２に設けている。これにより、紙Ｐに照射される赤外光の広がりを防止しつつ赤外光が紙Ｐを透過する回数を増やすことができるため、紙Ｐに含まれる水分をより高い精度で測定することができる。

以上、本発明の実施形態による赤外線分析装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限される訳ではなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、紙Ｐ上に設定された焦点Ｆ１に赤外光を集束できるのであれば、赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｂ及び集光レンズ２２ａ〜２２ｂの配置は任意の配置にすることができる。図７は、赤外線を射出する赤外線ＬＥＤの配置例を示す図である。

図７（ａ）に示す配置例は、赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｂ及び集光レンズ２２ａ〜２２ｂを紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に沿って配置したものである。尚、図７において、符号５１を付した部材は赤外線ＬＥＤ２１ａ及び集光レンズ２２ａを示しており、符号５２を付した部材は赤外線ＬＥＤ２１ｂ及び集光レンズ２２ｂを示しており、符号５３を付した部材は赤外線ＬＥＤ２１ｃ及び集光レンズ２２ｃを示している。図７（ｂ）に示す配置例は、赤外線ＬＥＤ２１ａ〜２１ｂ及び集光レンズ２２ａ〜２２ｂを立体的に積み上げ配置したもの（いわば、俵を積み上げた状態にしたもの）である。尚、図７に示す配置例はあくまでも一例であって、他の配置にすることも可能である。

また、上記実施形態では、紙Ｐに対して赤外光を斜め方向から入射させる例について説明したが、紙Ｐに対して赤外光を垂直方向から入射させても良い。赤外光を紙Ｐに垂直方向から入射させる場合には、光軸が紙Ｐの上面に対して垂直に設定された赤外線ＬＥＤと、赤外線ＬＥＤから射出される赤外光の光路の周囲に配置された検出器とを上ヘッドに設ければ良い。

また、前述した第１実施形態では保治具２４及び検出器２３を共に固定基板２５に取り付け、前述した第２実施形態では検出器２３のみを固定基板４２に取り付ける例について説明したがら、保持部２４及び検出器２３の取り付け方法は任意でよい。例えば、保持具２４及び検出器２３をそれぞれ別の固定基板に取り付けても良い。但し、各々の固定基板を離間して配置する等して、赤外線ＬＥＤから射出される光が固定基板に遮られないようにする必要がある。

また、上記実施形態では、赤外光を射出する赤外線ＬＥＤを備える例について説明したが、赤外光を射出するレーザダイオードを備えていても良い。また、上記実施形態では、反射部材３１，４１が所謂コーナーキューブアレイである場合を例に挙げて説明したが、再帰性反射をするものであれば、コーナーキューブアレイ以外の反射光学素子を用いることも可能である。

１ 水分計
１０ フレーム
１１ 上ヘッド
１２ 下ヘッド
２１ 赤外線ＬＥＤ
２１ａ〜２１ｃ 赤外線ＬＥＤ
２２ 集光レンズ
２２ａ〜２２ｃ 集光レンズ
２３ 検出器
２５ 固定基板
３１ 反射部材
４１ 反射部材
２５ａ 切欠部
Ｐ 紙
Ｆ１ 焦点

Claims (6)

1. 赤外光を用いて検査対象物の特性を分析する赤外線分析装置において、
   前記検査対象物の一方側に配置され、前記検査対象物上に設定された焦点に向けて集束した赤外光を照射する光源と、前記検査対象物を介した赤外光を検出する検出器とを有する第１ヘッドと、
   前記検査対象物の他方側に配置され、前記検査対象物を透過した赤外光を前記検査対象物に向けて再帰性反射する第１反射部材を備える第２ヘッドと
   を備えることを特徴とする赤外線分析装置。
2. 前記検出器は、前記焦点に検出面を向けた状態で前記検査対象物の一方側に配置され、
   前記第１反射部材は、前記焦点に反射面を近接させた状態で前記検査対象物の他方側に配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の赤外線分析装置。
3. 前記第１ヘッドは、前記検査対象物を介した赤外光のうちの前記検出器の検出面に向かう赤外光以外の赤外光を、前記検査対象物に向けて再帰性反射する第２反射部材を備えることを特徴とする請求項２記載の赤外線分析装置。
4. 前記第２反射部材は、前記光源から前記焦点に向けて照射される赤外光、及び前記検査対象物から前記検出器の検出面に至る赤外光を透過させる開口部を備えており、前記焦点に反射面を近接させた状態で前記検査対象物の一方側に配置されることを特徴とする請求項３記載の赤外線分析装置。
5. 前記光源が一面に取り付けられるとともに、前記検出器が他面に取り付けられ、前記一面側に取り付けられた前記光源から射出される赤外光を前記他面側に透過させる切欠部が形成された固定基板を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の赤外線分析装置。
6. 前記第１ヘッドと前記第２ヘッドとを同期させて前記検査対象物に沿って往復運動させる往復運動機構を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の赤外線分析装置。

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