JP2014504366A - 反射層を含む生成物の厚さおよび重量の測定のための片面型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

層状生成物、特に光反射性基材を含む層状生成物の厚さまたは重量を測定するための非接触光センサは、光源からの入射光を受光部で検出される前に層状生成物内に複数回もたらす反射面を含む。拡散素子は、拡散照明源として組み込むことができる。拡散素子により生成されるランバート型散乱光は、入射光を層状生成物と複数回、相互作用させ、その結果、層状生成物内の選択された成分に対するセンサ感度は改善し、反射性基材からの光の鏡面反射により誘発される測定誤差は、最小化される。
【選択図】図１Ａ

Description

[0001]本発明は、一般に、シート材料、特に反射性基材上に形成される材料層の特性を測定するためのシステムに関し、より詳細には、センサ光源からの入射光をセンサ受光部で検出される前に材料生成物の層内で複数回、反射させるために、機能表面（ｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｓｕｒｆａｃｅ）上に反射部材を含む光センサに関する。このセンサは、光が材料層内の成分と相互作用する回数を増加させ、したがってセンサの感度を増大させるのに、反射光を拡散または散乱させるための光拡散素子を含むことができる。

[0002]シート材料の製造において、「稼働中」、すなわちシート製造機械が動作している間、様々なシート特性を検出することができることがよく知られている。稼働中測定装置は、厚さ、坪量、含水量、化学組成などのシート特性を測定する。通常、そうした稼働中装置は、移動するシートをシートが進行する縦方向（ＭＤ）と垂直な横方向（ＣＤ）に周期的に横断または走査するセンサを使用する。特定のシート製造機械に応じて、横方向距離は、約１０〜１２メートルの範囲であるか、それより長い可能性がある。

[0003]Ｈｏｗａｒｔｈへの米国特許第４，９５７，７７０号は、赤外線の２つ以上の別個の波長領域において、基材から反射される放射光または基材を透過する透過放射光の測定値を使用して、基材上の被覆材料の量を特定するための赤外線センサについて説明する。赤外線センサは、移動する紙シートなどの被覆された基材に向かって放射光ビームを送出する赤外線源を含む。ビームがシートに到達する際、ビームは最初に被覆材料を透過し、次にベースの紙シートに入る。赤外線エネルギーの一部分は、シートを透過するが、赤外線エネルギーのいくらかは、ほぼ赤外線源の方向に再び反射される。赤外線源も受光部も移動する紙シートの同じ側に配置されるようにセンサが構成される場合には、受光部は、ビームの反射部分の強度を測定する。

[0004]層状生成物上の被覆部重量および他の特性を測定するための、これらの標準的な片面型センサは、信号を検出および分析することができるように、測定される生成物に要求する、ほぼ直角な拡散散乱構造部が光を大いに散乱させるように構成されることが明らかである。これらの片面型センサは、反射性基材上に形成される被覆部の厚さおよび重量を測定するのに特に適しているわけでない。

[0005]本発明は、層状材料、特に光反射性基材上に形成される層状生成物の厚さ、重量、および他の物理的特性を測定するための非接触光センサに関する。本発明は、プラスチック被覆金属箔の場合などの、被覆部が反射性基材上に形成される際、先行技術の片面型赤外線センサの光学的構造が被覆部重量測定値の精度を制約するという認識に部分的に基づいている。特に、先行技術のセンサ構造を用いれば、センサの光源からの入射光は、大部分が反射方向に反射する。その結果、先行技術の測定値は、反射性基材の表面仕上げ、センサに対する層状生成物の方向、および層状生成物とセンサとの間の距離の影響を極めて受けやすい。

[0006]本発明のセンサは、センサの本体とセンサ光源とセンサ受光部との間に反射ミラーなどの反射部材を配置することにより、これらの制約を解消し、その結果、光源からの入射光は、監視される材料層を通って伝播する。特に好ましい実施形態では、反射部材と材料層との間に拡散素子が配置される。拡散素子は、光が縦方向に検出器に向かって進行するとき、光源と共に、拡散照明源として機能する。拡散素子により生成されるランバート型散乱光は、多くの利点をもたらす。光が、材料層（複数可）と複数回、相互作用するので、層内の選択された成分に対するセンサの感度が改善される。最終的に、ランバート型散乱光は、角度情報を確実に失わせ、それが、材料層に関連する、反射性基材からの鏡面反射のセンサ精度における負の影響を最小化する。

[0007]したがって、１つの態様では、本発明は、以下のものを含む材料層を検知するための装置に関する。
[0008]機能表面を有するハウジング、
[0009]入射光ビームを機能表面から材料層内に導く、ハウジング内に配置された光源、
[0010]材料層を通って伝播する反射ビームの少なくとも一部分を検出する、ハウジング内に配置された受光部、および
[0011]放射光を受光部により検出される前に材料層を通して複数回反射させるための手段。

[0012]別の態様では、本発明は、以下のものを含む、縦方向に移動するシート生成物の厚さまたは重量を測定するための片面型赤外線センサに関する。
[0013]入射赤外線ビームをシート生成物内に導く光源、および受光部を支持するハウジング、および
[0014]放射光をシート生成物に向かって反射させ、その結果、放射光が放射光検出器に到達する前に複数回、シート生成物を通して反射され、放射光がシート生成物を通って縦方向に伝播するようにする、光源と受光部との間に配置された反射手段。

[0015]さらに別の態様では、本発明は、以下のステップを含むパスに沿って移動する材料層の特性を測定する方法に関する。
[0016]（ａ）パスの第１の側に配置された光源からの放射光を材料層に導くステップ、および
[0017]（ｂ）放射光を、同様にパスの第１の側に配置された受光部により検出される前に材料層内で複数回、反射させるステップ。

[0018]図１Ａは、本発明の片面型センサの実施形態を示す図である。 図１Ｂは、本発明の片面型センサの実施形態を示す図である。 [0019]図２Ａは、片面型センサに組み込むことができる、拡散素子を含む反射組立体の例示的な構成を示す図である。 図２Ｂは、片面型センサに組み込むことができる、拡散素子を含む反射組立体の例示的な構成を示す図である。 図２Ｃは、片面型センサに組み込むことができる、拡散素子を含む反射組立体の例示的な構成を示す図である。 [0020]受光部を示す図である。 受光部を示す図である。 [0021]デュアル走査機内にセンサを実装する、シート製造システムを示す図である。

[0022]図１Ａは、移動するウェブ６の品質、特性、または特徴を測定するためのセンサ要素を収容する包囲体４（「走査機ヘッド」または「ヘッド」とも呼ばれる）を含む非接触光センサ２を示す。監視することができる層状物質には、限定されないが、単一組成物および多層組成物、被覆部、フィルム、ウェブ、またはシートが含まれる。センサが紙およびプラスチックの特性を測定するように示されるが、センサは、例えば被覆された材料、織物などを含む、いくつかの異なる材料内の様々な成分を検出するために使用することができることが理解される。センサ２は、特に、反射性ラミネート基材１２上に被覆された材料層１０の厚さまたは重量を測定するのに適している。センサ２は、ヘッド４内に配置された、光源８および受光部すなわち検出器１８を含む。ヘッド４の下部機能表面２２に固定された反射組立体２０は、反射ミラーなどの反射部材１６を含む。反射組立体２０は、透明または半透明のガラスまたはプラスチックなどの適当な任意の材料から作成される、透明な保護層２６により覆われるのが好ましい。

[0023]開口部３６および５６は、それぞれ、光源８および検出器１８へのアクセスを提供する。レンズ１４は、開口部３６を通して、移動するウェブ６に向かって入射光ビーム３０を絞るように配置され、レンズ２４は、開口部５６を通して移動するウェブ６の反射性ラミネート基材１２から反射される放射光３４を集めるように配置される。光源８および検出器１８が移動するウェブ６の同じ側に配置されるので、片面型センサ２は、反射モードで動作する。光源８は、例えば、本明細書にさらに説明する基準波長バンドおよび測定波長バンドと呼ばれる電磁スペクトルの少なくとも第１および第２の別個の波長領域内の波長を有する放射光を被覆された基材に照射するために、白熱ランプを含むことができる。図１Ａに示すように、センサ２は、移動するウェブ６の縦方向（ＭＤ）に沿って並ぶのが好ましい軸を光源８および受光部１８が画定するように配置される。

[0024]片面型センサのこの構成を用いれば、光源８からの入射光３０は、受光部１８が光を検出する前に、反射性ラミネート基材１２および上部反射部材１６により複数回、反射される。反射光３２がＭＤと平行な方向に進行するように移動するウェブ６に対してセンサ２を配置することにより、センサ２の横方向（ＣＤ）分解能は維持される。図１Ａに示す反射光３２が、ウェブ６と同じ縦方向の「上流」に進行するように示されるが、この特徴は、センサの機能にとって重大ではない。言い換えれば、センサ２は、ウェブ６が反対方向に移動し、その結果、反射光がウェブに対して「下流」に移動しても、動作する。重大な特徴は、反射光３２が検出器１８に向かって進行するとき、光源８から放射される入射光３０が、移動するウェブ６のパスと平行なパスに沿って進行することである。

[0025]図１Ａに示すように、非接触光センサ２は、反射性ラミネート基材１２上に被覆された材料層１０の特性を測定する。同センサ２は、反射性ラミネート基材１２上に被覆される前に材料層１０を測定するように機能することができることは明らかである。言い換えれば、反射性ラミネート基材１２が、放射光を反射するために材料層１０の真下にある限り、センサ２は機能する。

[0026]本発明の片面型赤外線センサは、反射性ラミネート基材上には形成されない材料層を分析するように構成することもできる。これは、材料層の下部表面に隣接して配置される外部反射部材を使用することにより容易に達成される。それに加えて、好ましい実施形態では、センサは、光源９が拡散する照明源になるように拡散素子を含むこともできる。これらの特徴は、光源９と、放射光に対して透過的である材料層１１を含む移動するウェブ７の特性を測定する検出器１９とを収容する包囲体すなわち走査機ヘッド５を含む、図１Ｂに示す光センサ３に示される。ヘッド５の下部表面２３に固定された反射組立体２１は、ミラー１７と、バルク型ディフューザ（ｂｕｌｋ ｄｉｆｆｕｓｅｒ）を含む可能性がある拡散素子２７とを含む。

[0027]センサ３は、材料層１１の下部表面に隣接して配置される、反射ミラーなどの反射面１３を有する下部走査機ヘッド５９をさらに含む。上部走査機ヘッド５および下部走査機ヘッド５９は、上部走査機ヘッド５のミラー１７が反射面１３と平行に面するように並ぶ。それに加えて、上部走査機ヘッド５および下部走査機ヘッド５９の横方向の移動は、放射光３３が材料層１１を通って伝播するとき、ミラー１７と反射面１３との間で光が反射されるように調整される。好ましい実施形態では、下部ヘッド５９が必要とされず、反射面は、シート製造機械の一部分または走査機の一部分である。走査機ヘッド５は、ロールなどの、シート製造機械の要素から光が反射するように配置することができる。あるいは、材料層の横方向幅全体に及ぶ箔または金属板などの反射素子は、走査機に取り付けられるか、または走査機の一部分であり、材料層の下部表面に隣接して配置される。開口部３７および５７は、それぞれ、光源９および検出器１９へのアクセスを提供する。レンズ１５は、開口部３７を通して、移動するウェブ７に向かって入射光ビーム３１を絞るように配置され、レンズ２５は、開口部５７を通して、反射面１３から反射される放射光３５を集めるように配置される。具体的には、光源９からの入射光３１は、光が受光部１９に入る前に、下部反射面１３および上部ミラー１７により複数回、反射される。

[0028]光を散乱または拡散させる光拡散素子は、一般に、２つの方法、すなわち（ａ）光をいくつかの方向に散乱させるために表面粗さを使用する表面光拡散素子、または（ｂ）外側平坦面および埋込式光散乱素子を含むバルク式光拡散素子のうちの１つとして機能する。バルク式ディフューザは、光を材料内に拡散させる。拡散は、光が屈折率を変化させながら材料を通過するとき、光散乱により達成される。用語「ディフューザ」または「ディフューザ部材」は、反射光（主方向を有する光）を拡散光（ランダムな方向を有する光）にすることができる任意の材料を意味する。用語「光」は、本発明のセンサにより層状材料の特性を測定するのに適した領域の波長を有する電磁放射線を意味する。赤外線および／または近赤外線は、特に、紙およびプラスチック生成物の物理的特性を測定するのに適している。

[0029]図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、ディフューザ素子を含む反射組立体の代替的な構造を示す。図２Ａでは、反射組立体６０は、透明な保護層６４により保護された粗面を有する反射性材料を含む表面光拡散素子６２を含む。表面光拡散素子６２は、アルミニウム、金、または他の金属板などの適当な任意の光反射性材料から形成することができる。光源からの光は、開口部または光パイプ６６を介して表面光拡散素子６２を通して導かれ、光は、対応する開口部または光パイプ６８を通して受光部に入る。あるいは、表面光拡散素子６２は、滑らかな基材および粗面赤外線ウィンドウ材料の層の上に堆積される金属板または金属被覆部などの反射素子を堆積させることにより作成することができる。この実施形態では、赤外線ウィンドウは、透明な層６４により保護される必要がない。１つの実施形態は、粗面を有する石英またはフッ化カルシウムＣａＦ_２ウィンドウに隣接するポリイミド（ＫＡＰＴＯＮ）フィルム上のアルミニウム被覆部からなる。

[0030]図２Ｂは、ディフューザ素子７３が下部表面に積層され外側に透明な保護層７４を有するミラー７２を含む、反射組立体７０を示す。ディフューザ素子７３は、適当な任意のバルク式ディフューザ材料から作成することができる。赤外線が材料層の特性を測定するのに使用される場合、好ましい拡散材料には、例えば、ＴＥＦＬＯＮとして利用可能なポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などの赤外線透過材料を含まれる。開口部または光パイプ７６、７８は、光源および受光部と連通する。しかし、これらの光チャネルは、ディフューザ素子７３を通して透明な保護層７４まで延長できるが、そうする必要はない。透明な保護層７４は、石英、サファイア、またはＣａＦ_２から作成される赤外線透過ウィンドウとすることができる。

[0031]図２Ｃは、表面光拡散素子８２、バルク式ディフューザ材料の層８３、および透明な保護層８４を含む反射組立体８０を示す。開口部または光パイプ８６、８８は、光源および受光部と連通する。

[0032]図３は、材料層の３つの特性を測定するための６チャネルセンサを収容する検出器組立体１００を含む、適当な受光部を示す。本構成では、３つの測定フィルタ／検出器１０４Ａ、１０６Ａ、および１０８Ａと、３つの対応する基準フィルタ／検出器１０４Ｂ、１０６Ｂ、および１０８Ｂとが存在する。別個の赤外線バンドパスフィルタは、各検出器の前に配置され、この方式で、赤外線検出器のそれぞれは、関連のフィルタのバンドパス内にある赤外線ビームスペクトルの一部分のみの強度を測定する。ブロードバンド赤外線エネルギー源（図示せず）は、分析するために入射光を材料層上に導き、反射光１０２は、ビームスプリッタ１１０、１１２、１１４および適当なフィルタを通してビームを個々の検出器に通すことにより波長分析される。測定用および基準用の検出器／フィルタの追加の対を必要に応じて組み込むことができることは明らかである。適当な光源および関連の検出器構成は、例えば、参照により本明細書に組み込まれている、Ｈｏｗａｒｔｈへの米国特許第４，９５７，７７０号、Ｈａｒａｎらへの米国特許第７，２９１，８５６号、およびＴｉｘｉｅｒらへの米国特許第７，３８２，４５６号に記載されている。あるいは、図４に示すように、受光部は、反射光１２２を分析する分析計１２４を使用する検出器組立体１２０を含む。

[0033]図５は、図１Ｂに示すセンサの１つの特定の実装形態を示し、センサは、連続するプラスチック製造プロセスにおいて透明な基材上に堆積されるフィルム内のポリマー濃度を測定するために使用される走査機システム４０のデュアルヘッド走査機５８に組み込まれる。片面型センサを収容する上部走査機ヘッド５０は、ＭＤ方向に移動する移動シート４６の幅全体にわたってＣＤ方向に繰り返し往復し、その結果、シート全体の特性を測定することができる。走査機５８は、上部および下部の走査機ヘッド５０、５２が取り付けられた２つの横方向ビーム４２、４４により支持される。上部および下部の走査機ヘッド５０、５２の機能表面は、シート４６を収容する測定ギャップを画定する。下部走査機ヘッド５２は、エアベアリングスタビライザ（図示せず）などのシート安定化システムを含み、シートが測定ギャップを通過するとき、シートを一定の平面上に維持することができる。デュアル走査機ヘッド５０、５２の移動は、速度および方向に同期され、その結果、これらのヘッドは互いに並ぶ。本発明のセンサは、透明なプラスチックフィルム、または金属箔層上に積層されるプラスチックフィルムの連続生産用の適当な任意の装置と共に使用することができる。代表的なプラスチック製造装置は、例えば、参照により本明細書に組み込まれている、Ｋｉｒｊａｖａｉｎｅｎへの米国特許第６，７９３，８５４号、Ｋｒｙｃｋｉへの米国特許第６，５６５，３４３号、Ｈｉｒｏｋａｗａらへの米国特許第５，２３０，９２３号、Ｒｅｉｎｋｅらへの米国特許第４，７９７，２４６号、およびＮｉｃｏｌｌへの米国特許第４，３１１，６５８号にさらに記載されている。

[0034]プラスチックフィルムの厚さを監視する１つの技法は、フィルムを形成する特定のポリマーの濃度（通常、１平方メートル当りのグラム数、ｇｓｍで測定される、単位面積当りの重量）を測定する。多層フィルムは、通常、互いに積層された複数の層を含む。多層構造では、隣接する層は、様々なポリマー材料から形成されるのが好ましい。様々な物理的特性を有する様々なポリマーを使用することにより、多層フィルムは、単一層フィルムに存在しない物理的属性の組合せを有する可能性がある。例えば、多層フィルムは、防湿性、耐摩耗性を有し、さらに柔軟性を維持することができる。本発明のセンサは、とりわけ、多層フィルムの製造を制御するときに効果的であり、多層フィルムが特性の正しい組合せを有するように、フィルム内の各層が適当な厚さまたは重量（ｇｓｍ）を有することを確実にする。

[0035]多層フィルム内の特定のポリマー成分の密度が既知の場合、フィルム成分の厚さを特定することができる。この厚さは、コンピュータにより計算することができる。一般に、フィルム厚さは計算されず、成分の重量（ｇｓｍ）が、品質管理においてユーザより求められるすべてである。

[0036]プラスチック被覆された生成物を測定することに加えて、新規の拡散プレートを含む、本発明のセンサは、適当な基準用および測定用の波長バンドを選択することにより被覆された生成物内の他の物質を監視するように容易に構成することができる。例えば、シリコーン、ラテックス、ＣａＣＯ_３、および他の材料を検出するために赤外線を使用する技法は、参照により本明細書に組み込まれている、Ｂｅｌｏｔｓｅｒｋｏｖｓｋｙへの米国特許第６，１７９，９１８号、Ｂｅｌｏｔｓｅｒｋｏｖｓｋｙへの米国特許第６，１８３，５６１号、およびＢｅｌｏｔｓｅｒｋｏｖｓｋｙらへの米国特許第５，７９５，３９４号に記載されている。本発明のセンサに同じ基準用および測定用の波長バンドを使用することができることが予想される。

[0037]以上に、本発明の原理、好ましい実施形態、および好ましい動作モードについて説明してきた。しかし、本発明は、説明した特定の実施形態に限定されるものとみなすべきでない。したがって、以上に説明した実施形態は、限定的なものでなく例示的なものとみなすべきであり、当業者は以下の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施形態の変形を行うことができることを理解されたい。

Claims (10)

1. 機能表面（２２）を有するハウジング（４）と、
   入射光ビーム（３０）を前記機能表面（２２）から材料層（１０）内に導く、前記ハウジング（４）内に配置された光源（８）と、
   前記材料層（１０）を通って伝播する反射ビーム（３２、３４）の少なくとも一部分を検出する、前記ハウジング（４）内に配置された受光部（１８）と、
   放射光を前記受光部（１８）により検出される前に前記材料層（１０）を通して複数回反射させるための手段（１２、１６）と
   を含む、材料層を検知するための装置。
2. 前記材料層（１０）に向かって放射光を反射する前記機能表面（２２）に固定されたミラー（１６）を含む、請求項１に記載の装置。
3. ディフューザ素子（６２、７３）、または前記ミラー（１６）の表面上の透明な保護層（６４、７４）を有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記材料層（１０）を透過する反射光が前記光源（８）から前記受光部（１８）に導かれるように、前記反射光ビームを拡散するための手段（６２、７３）をさらに含む、請求項１に記載の装置。
5. 反射面（１３）を含み、放射光に対して透過性がある前記材料層は、前記機能表面（２３）と前記反射面（１３）との間に配置され、その結果、前記材料層（１１）を透過する放射光は、反射され前記材料層（１１）に戻り、また前記機能表面（２３）へと向かう、請求項１に記載の装置。
6. 入射赤外線ビーム（３０）をシート生成物（６）内に導く光源（８）、および受光部（１８）を支持するハウジング（４）と、
   放射光を前記シート前記生成物（６）に向かって反射させ、その結果、放射光が前記放射光検出器（１８）に到達する前に複数回、前記シート生成物を通して反射され、前記放射光が前記シート生成物（６）を通って縦方向に伝播するようにする、前記光源（８）と前記受光部（１８）との間に配置された反射手段（１６）と
   を含む、縦方向に移動する前記シート生成物の厚さまたは重量を測定するための片面型赤外線センサ。
7. 前記シート生成物（７）は、放射光に対して透過性がある材料層（１１）を含み、前記センサ（３）は、反射面（１３）を含み、前記材料層（１１）は、前記ハウジング（５）と前記反射面（１３）との間に配置され、その結果、前記材料層（１１）を透過した放射光は、反射され前記材料層（１１）内に戻る、請求項６に記載の片面型赤外線センサ。
8. 前記ハウジングは、第１の走査機ヘッド（５）を含み、前記反射面（１３）は、（ｉ）第２の走査機ヘッド（５９）上に配置され、前記第１および第２の走査機ヘッド（５、５９）は、同期しながら横方向に沿って移動し、または（ｉｉ）ロールまたは金属箔またはプレートは、２つのエンドサポート間に搭載され、前記シート生成物の横方向幅全体に及ぶ、請求項７に記載の片面型赤外線センサ。
9. 前記シート生成物（６）は、反射性材料のシート（１２）上に形成された材料層（１０）を含む、請求項６に記載の片面型赤外線センサ。
10. パスに沿って移動する材料層の特性を測定する方法であって、
    （ａ）前記パスの第１の側に配置された光源からの放射光を前記材料層に導くステップと、
    （ｂ）放射光を、同様に前記パスの前記第１の側に配置された受光部により検出される前に前記材料層内で複数回、反射させるステップと
    を含む、方法。

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