JP5702298B2 - 原子力またはｘ線ゲージの手段による、改良された差分コート重量測定 - Google Patents

Description

[0001]本願は、２００８年１２月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／１３９３８６号の利益を主張する。
[0002]本願は、全体として、紙、プラスチック、または金属のシートに適用されるコーティングの量を測定および制御する装置および方法に関し、特に、シートに適用される時に、移動するシート上のコーティングの連量が監視され、規制される装置および方法に関する。

[0003]紙、プラスチック、または金属のシート（「ベースシート」とよばれる）を、様々な材料でコートすることが望まれることがよくある。実際、紙に関して、世界の紙生産の増加している部分は、コートされた紙またはコートされた厚紙に向けられている。コーティングの「連量」（すなわち、シートの単位表面積辺りのコーティング材料の質量）の均一性は、しばしば、様々な理由により必要であるかまたは望ましい。たとえば、光沢紙（glossy paper）の印刷性は、グロスコーティングの均一な付与により改良することができる。また、グロスコーティングは、ラテックスおよび／またはＴｉＯ_２のような比較的高価な材料を含むことがある。したがって、製造者は、コーティングを正確に監視することを望み、また、そのようなコーティングをできるだけ均一に付与するように制御することを望むであろう。いくつかの場合、コーティングの均一さは、gram/m²より小さい範囲で制御されなければならない。横断方向におけるシートの側方の広がりにより（１０フィートまたはそれ以上）、また、そのようなシートへのコーティングの正確且つ均一な付与への要求により、複雑なコート装置が設計され製造されてきた。

[0004]シートへ付与されるコーティングの量を測定および制御するために、多数のスキームが行われてきた。コーティング制御プロセスの最も困難な側面の一つは、シートへ付与されたコーティングの量の正確な測定を行うことであり、特に、コーティング量がgram/m²以下の正確さで測定されなければならないときである。

[0005]差分コート重量は、伝統的に２つの原子力またはＸ線センサを用いて測定され、これは、２つのセンサは、ベースシートを測定する上流センサと、コートされた製品を測定する下流センサである。２つのセンサは、典型的には、「同一スポット」モードにおいて実行され、これは、プロセス速度に基づいてスキャン速度が調整され、コーティングプロセスの前後で２つのセンサがシート上の同一スポットを測定するようにする。２つのセンサは、ポリエステルのような非常に均一のプラスチック上で較正される。較正は、ポリエステルと製品（すなわち、ベースシートまたはコートされた材料）との間のセンサ応答の差を考慮に入れた補正ファクタを含む。コート重量は、２つのセンサの測定値の間の差分として計算される。

[0006]この方法は、ベースシートおよびコーティング材料が類似の原子量を備える物質から形成される場合は十分に機能する。しかし、ベースシートおよびコーティング材料が、大きく異なる原子量を備える物質から形成される場合は、単一の較正は、十分には機能しない。たとえば、本技術は、サンドペーパー、アルミニウムコート厚紙、および樹脂を備えるガラスマットの製造のような、金属と組み合わされた有機材料を含む用途では正確なコート重量測定を与えない。動作において、第２（または下流）ゲージの補正ファクタは、有機材料に対する正確な金属の割合に強く依存し、典型的には、異なる割合になれば、新しい補正ファクタすなわち、新しい較正が必要である。品質の変化は、それらが徐々に起こるなら問題であり、プロセスは材料の異なる品質の運転を必要とする場合、較正は大きな挑戦になる。

[0007]本発明は、部分的に、第２のまたは下流のセンサはコートされてないシート基板にさらされることがないが、第２センサがコートされていない基板を測定したときに生じるであろう予測結果を与え、コーティングの連量を第１の（上流の）センサおよび第２の（下流の）センサからの測定から直接的に確かめるという手法から コート重量較正プロトコルの改良を導く、という認識に基づいている。測定結果の引き算は必要とされない。さらに、２つのセンサは、コーティングとベース基板の相対的な比率が変化しても再較正する必要がない。第２センサの測定予測を行う能力は、第１センサと第２センサとのいわゆる「クリーン」較正カーブの間の変換カーブを構築することにより達成される。最後に、第１センサおよび第２センサからの測定値に基づいて、シート基板上のコーティングの連量を直接的に与える較正カーブが形成され実行される。

[0008]本発明は、個々の品質または有機材料に対する金属の異なる割合のための異なる補正ファクタの必要を除去する。有機材料に対する金属の比率に大きな変動があるときでも、単一の較正を基板上に堆積されるコート材料の連量を測定するのに使用することができる。改良された差分コート重量センサにより、較正定数の管理が問題にならず、センサは品質の変化を通じて正確であり且つ信頼できる。さらに、現存する差分コート重量センサは、新規なプロトコルを実行するように容易にプログラムでき、新しいハードウェアを必要としない。

デュアル連量センサを採用するコーティング装置の概略図である。

[0010]図１に示されるように、連続する移動するシートまたはウェブ２２上にコーティング材料を付与するために、コーティング装置２０は、堆積装置またはコート機１０を採用する。ウェブ２２は、機械方向（ＭＤ）に移動しており、コートされる移動するウェブ３２が形成される。コーティング装置２０は、コート機１０の上流に位置決めされる第１センサ２と、コート機１０の下流に位置決めされる第２センサ１２とを含む。センサ２、１２は、それぞれ、各センサを移動するウェブの横断方向にスキャンする、オンライデュアルヘッドスキャニングシステム内に統合することができ、これはDahlquistによる米国特許第４８７９４７１号明細書、Dahlquistらによる米国特許第５０９４５３５号明細書、Dahlquistによる米国特許第５１６６７４８号明細書に開示されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる。デュアルヘッド設計は、ウェブの上に位置決めされる上ヘッド、およびウェブの下に位置決めされる下ヘッドを備える。センサ２に関して、上ヘッドは放射検出器を収容し、下ヘッドは放射源を収容する。デュアルヘッドは、センサ２がコートされていないウェブ２２を測定するときに、同期して横断方向に往復移動する。この方向は機械方向に直交する方向である。第２デュアルヘッドスキャニングシステムは、コートされたウェブ３２をスキャンするセンサ１２に用いられる。このようにして、差分コート重量測定値が横断方向に関して得られる。

[0011]センサ２は、放射源８を収容するゲージングヘッド４２を備え、放射源８は、ウェブ２２に向かう放射経路に沿って導かれる放射を発する。放射は、ベータ線またはＸ線とすることができる。コートされていないウェブ２２は、ゲージングヘッド４２、４６の間のギャップ４８を通って移動する。換言すれば、放射検出器は、ウェブ材料により吸収された放射の量を検出し、これは、ウェブ材料の連量の直接的な指標を与える。これは、実質的にはベールの法則に基づいており、以下のように表現される。すなわち、Ｉ＝Ｉ_０ｅ^−μＸと表現され、ここで、ｅは自然対数の底、μは質量吸収係数で、ソースからの放射エネルギーおよび測定される材料のタイプの関数であり、Ｘは、測定される材料の単位ユニット当たりの重量であり、ミリグラム毎平方センチメートルで与えられ、Ｉ_０は吸収材料がない場合に放射検出器に到達する放射の強度であり、Ｉは、吸収材料がある場合に放射検出器に到達する放射の強度である。

[0012] 予め決定され且つ安定した連量を備える標準手段４（standard means 4）が提供され、放射源８と検出器６との間の放射経路内に選択的に挿入することができる。この標準手段４は、予め決定され且つ安定した連量を備えるポリエステル（ＤｕＰｏｎｔ社のＭＹＬＡＲ（登録商標））ディスクを含むことができ、これは、回転ソレノイドユニットによりユニバーサルジョイントを通じて駆動されるシャフト上に回転枢動するフレームに固定される。

[0013]同様に、センサ１２は、放射源１８を収容するゲージヘッド５２を備え、放射源１８は、コートされたウェブ３２に向かう放射経路に沿って導かれる放射を発する。ゲージヘッド５６内に収容される放射検出器１６は、コートされたウェブ３２を通過した放射の強度を検出する。コートされたウェブ３２は、ゲージングヘッド５２、５６の間のギャップ５８を通って移動する。標準手段１４が提供され、これは、放射源１８と検出器１６との間の放射経路内に選択的に挿入することができる。センサ１２への放射は、ベータ線またはＸ線とすることができ、両方のセンサ２、１２は同一のタイプの放射線である必要がある。すなわち、これらは両方ともベータ線装置であるか両方ともＸ線装置である。好適なＸ線センサは、ハネウェルインターナショナル社の４２１７モデルシリーズを含み、好適なベータセンサは、ハネウェルインターナショナル社の４２０３モデルシリーズを含む。

[0014]コートされたウェブ３２上のコートされた材料の連量を計算するために、プロセスコントローラ２４は、センサ２、１２からの信号を受け取る。所望のレベルから連量がずれると、ウェブ２上で計量されるコーティング材料の量を調整するために、適切な信号がコート機１０へ送られる。

[0015]
センサ２、１２は、シート材料の単位面積当たりの連量を測定するために、Heglandらによる米国特許第４６９２６１６号明細書に説明される手順により個別的に標準化される。米国特許第４６９２６１６号明細書は参照により本明細書に組み込まれる。センサ２に関し、本手順は、２つの較正カーブの第１構築を必要とし、これらは各々、第２軸上での透過割合の関数に対する、第１軸の連量を示す。透過割合は、ギャップ４８内の異なる材料に関する受け取られた放射の２つの強度の比である。第１または「クリーン」較正カーブは、擬態の汚れなしで構築され、第２または「汚れた」較正カーブは、擬態の汚れありで構築される。汚れは、材料を放射経路に配置することにより、または代替的に、経路の空気カラムの温度を変化させることにより、または幾何配置を変更することにより擬態することができる。

[0016]次に、一方の較正カーブの変位を他方に対してプロットすることにより標準化カーブが構築される。センサ２は、測定された透過割合を決定することにより、シート材料の単位面積当たりの重量を測定するように動作する。最後に、センサ２は、動作中に標準化され、このステップは、測定された透過割合に対応するポイントにおいて、標準化カーブの値に基づく補正ファクタを決定する工程を含む。補正ファクタは、標準４または１４のポリエステル材料と製品、つまりベースシートまたはコートされた材料との間のセンサ応答の差を考慮している。

[0017]センサ１２は、センサ２と同様の方法で標準化され、その後、センサ２、１２は、コートされていない連量およびコートされたシートの連量を測定するのに採用することができる。このようにして、コート重量の差を容易に決定することができる。この技術は、ベースシートおよびコーティング材料が類似の原子量を備える時にだけ十分な結果をもたらすことが実証された。ベースシートおよびコーティング材料が、大きく異なる原子量を備える物質からなる場合、較正は十分には機能しない。その理由は、コートされたシートを測定する第２センサの補正ファクタは、金属の有機材料に対する正確な比率に強く依存するからである。これは、それぞれ異なる割合のために新しい補正ファクタ、すなわち較正が必要になることを意味している。

[0018]本発明は、第１のセンサおよび第２のセンサの測定から直接的にコートされた材料の連量を計算できるようにするアルゴリズムを開発することによりこの問題を解決する。これは、第１センサおよび第２センサの「クリーン」な較正カーブに基づいて変換カーブを第１構築することにより達成され、ここで変換カーブは、第２センサがコートされていないシート基板を測定したときに生じるであろう連量測定値を予測する。変換カーブを生成する好ましい方法は、コートされた製品およびコートされていない製品の重量範囲にわたってサンプルのセットに対するセンサ応答を測定することである。（サンプルのセットは、各ゲージに対して同一である。）変換カーブは、第１（または上流）センサの応答を、第２（下流）センサの応答に対してフィッティングすることにより決定される。その後、第１センサおよび第２センサからの測定に基づく、直接的にコーティングの連量を導出するコート重量較正カーブが構築される。一例として、２つのｘ線センサ（第１または上流のセンサ、および第２または下流のセンサ）を備える差分コート重量測定装置を使用することで、各ｘ線センサの動作は、吸収式に基づいて解析することができる。吸収式は、Ｒ_ｃ＝ｅｘｐ（−μＷ_ｃ）であり、ここで、センサ電圧応答はＲ_ｃであり、コートされたサンプルの連量はＷ_ｃであり、（平均）ｘ線吸収係数はμである。
コートされた材料に関して、Ｗ_ｃ＝Ｗ_０＋Ｗ_１であり、
Ｒ_ｃ＝ｅｘｐ（−μ_０Ｗ_０−μ_１Ｗ_１）
Ｒ_ｃ＝ｅｘｐ（−μ_０Ｗ_０）ｅｘｐ（−μ_１Ｗ_１）
Ｒ_ｃ／Ｒ_０＝ｅｘｐ（−μ_１Ｗ_１）である。
ここで、コートされていない材料で得られた測定値Ｒ_０＝ｅｘｐ（−μＷ_０）を差し引いた。この測定は、第１センサで実行されるであろう。変換カーブを用いて、第２ゲージのこのスポットでの測定を予測する。その後、第２ゲージからの測定値Ｒ_ｃを使用し（コートされた材料）、およびコート重量Ｗ_１を算出し、−μ_１ｌｎＲ_ｃ／Ｒ_０を得る。標準的な方法は、この式を多項式に展開することにより、コート重量をフィットすることである。

[0019]Ｗ_１＝定数＋Ａ×ｌｎ（Ｒ_ｃ／Ｒ_０）＋Ｂ×ｌｎ（Ｒ_ｃ／Ｒ_０）^２＋Ｃ×ｌｎ（Ｒ_ｃ／Ｒ_０）^３＋・・・ ［１］
[0020]式［１］は、第１センサおよび第２センサの測定値から直接的にコートされた材料の重量を測定するのに適用することができる。本発明は、特に、ベースシートおよびコーティング材料が大きく異なる原子量を備える物質から形成される場合に、コート重量を測定するのに好適である。たとえば、サンドペーパー、アルミニウムまたは他の金属コートボード、樹脂付きのガラスマット、プラスチックコート金属等のような金属と混合される有機材料を含む用途においてである。

[0021]上述は、本発明の原理、好ましい実施形態および動作モードを説明したものである。しかし、本発明は、議論される特定の実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態は、限定的なものではなく説明的なものである。添付の特許請求の範囲により画定される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者は以上の実施形態において様々な変更が可能であることを理解されたい。

Claims (5)

1. コートされたシート基板のコーティング材料の量を測定するためのコーティングセンサ装置を較正する方法であって、前記コーティングセンサ装置は、
   （ｉ）第１放射源および第１放射検出器を含む第１連量ゲージを有し、前記第１放射源と前記第１放射検出器との間に第１ギャップがあり、前記第１連量ゲージは、第１放射を第１経路に沿ってシート基板に向かって導き、前記シート基板を透過した第１放射の量を検出し、透過した第１放射は、前記シート基板の連量の測定値であり、（ｉｉ）前記コーティングセンサ装置は、第２放射源および第２放射検出器を含む第２連量ゲージを有し、前記第２放射源と前記第２放射検出器との間に第２ギャップがあり、前記第２連量ゲージは、前記シート基板がコートされた後に、第２放射を第２経路に沿って、コートされたシート基板に向かって導き、前記コートされたシート基板を透過した第２放射の量を検出し、透過した第２放射は、前記コートされたシート基板の連量の測定値であり、前記コートされたシート基板上のコーティング材料の量は、前記第１連量ゲージおよび前記第２連量ゲージからの測定値により決定され、前記方法は、
   （ａ）前記第１連量ゲージのための、連量対透過率の関数を示す第１較正カーブを構築するステップを有し、前記第１較正カーブは、擬態された汚れなしで構築され、
   （ｂ）前記方法はさらに、前記第１連量ゲージのための、連量対透過率の関数を示す第２較正カーブを構築するステップを有し、前記第２較正カーブは、擬態された汚れ付きで構築され、
   （ｃ）前記方法はさらに、前記第２連量ゲージのための、連量対透過率の関数を示す第３較正カーブを構築するステップを有し、前記第３較正カーブは、擬態された汚れなしで構築され、
   （ｄ）前記方法はさらに、前記第２連量ゲージのための、連量対透過率の関数を示す第４較正カーブを構築するステップを有し、前記第４較正カーブは、擬態された汚れ付きで構築され、
   （ｅ）前記方法はさらに、前記第１較正カーブおよび前記第３較正カーブに基づいて変換カーブを構築するステップを有し、前記変換カーブは、コートされていないシートの実際の測定を実行した場合に、前記第２連量ゲージにより生じるであろう、コートされていないシートの連量測定値を予測し、
   （ｆ）前記方法はさらに、前記第１ゲージおよび前記第２ゲージからの測定値に基づいて前記シート基板上の前記コートされた材料の連量を与えるコート重量較正カーブを構築するステップを有し、前記コート重量較正カーブは、前記変換カーブを使用して構築される、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記第１連量ゲージおよび前記第２連量ゲージは、両方とも、ｘ線ベースのセンサであるか、または両方とも原子力ベースのセンサである、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記コーティング材料は金属を有し、前記基板は紙またはプラスチックを有する、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、前記ステップ（ｆ）の前記較正カーブは、前記第１連量ゲージおよび前記第２連量ゲージからの測定結果を引き算する必要なく、前記コートされた材料の連量を与える、方法。
5. コーティング装置上にコーティング材料を堆積させることにより準備される、コートされるシート基板の形成を制御する方法であって、前記コーティング装置は、経路に沿って機械方向下流（ＭＤ）に移動する連続する基板のシートを含み、コーティング材料は、基板の連続するシート上にコーティング材料の量を付与する計量装置により堆積され、前記方法は、
   （ａ）第１連量ゲージを前記計量装置の上流である位置に位置決めするステップを有し、前記第１連量ゲージは、第１放射源および第１放射検出器を有し、前記第１放射源と前記第１放射検出器との間に第１ギャップがあり、前記第１連量ゲージは、第１放射を第１経路に沿って前記シート基板に向かって導き、前記シート基板を透過した第１放射の量を検出し、透過した第１放射に対応する第１信号を生成し、透過した第１放射は前記シート基板の連量の尺度であり、
   （ｂ）前記方法はさらに、第２連量ゲージを、前記計量装置の下流である位置に位置決めするステップを有し、前記第２連量ゲージは、第２放射源および第２放射検出器を含み、前記第２放射源と前記第２放射検出器との間に第２ギャップがあり、前記第２連量ゲージは、前記シート基板がコートされた後、第２放射を第２経路に沿って前記コートされたシート基板に向けて導き、前記コートされたシート基板を透過した第２放射の量を検出し、透過した第２放射に対応する第２信号を生成し、透過した第２放射は、前記コートされたシート基板の連量の尺度であり、
   （ｃ）前記方法はさらに、前記第１連量ゲージのための、連量対透過率の関数を示す第１較正カーブを構築するステップを有し、前記第１較正カーブは擬態された汚れなしで構築され、
   （ｄ）前記方法はさらに、前記第１連量ゲージのための、連量対透過率の関数を示す第２較正カーブを構築するステップを有し、前記第２較正カーブは、擬態された汚れ付きで構築され、
   （ｅ）前記方法はさらに、前記第２連量ゲージのための、連量対透過率の関数を示す第３較正カーブを構築するステップを有し、前記第３較正カーブは擬態された汚れなしで構築され、
   （ｆ）前記方法はさらに、前記第２連量ゲージのための、連量対透過率の関数を示す第４較正カーブを構築するステップを有し、前記第４較正カーブは、擬態された汚れ付きで構築され、
   （ｇ）前記方法はさらに、前記第１較正カーブおよび前記第３較正カーブに基づき変換カーブを構築するステップを有し、前記変換カーブは、コートされていないシートの実際の測定を実行した場合に、前記第２連量ゲージにより生じるであろう、コートされていないシートの連量測定値を予測し、
   （ｈ）前記方法はさらに、前記第１ゲージおよび前記第２ゲージからの測定値に基づいて前記シート基板上のコートされた材料の連量を与えるコート重量較正カーブを構築するステップを有し、前記コート重量較正カーブは、前記変換カーブを使用して構築され、
   （ｉ）前記方法はさらに、前記コーティング装置を動作させ、コートされたシート基板上のコーティング材料の量を測定するステップと、
   （ｊ）シート基板上に堆積されるコーティング材料の量を規制するために前記計量装置を調整するステップと、を有する方法。

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