(57)【要約】動くウェブ又はシートの非接触型の厚さ測定又はカリパス測定を行う技法はセンサ・デバイスを用い、センサ・デバイスは、動くウェブが進行する経路を画定するように離隔された第１のセンサ・ヘッド及び第２のセンサ・ヘッドを含む。センサ・デバイスは、レーザ生成された複数ポイント・パターンを、動くウェブの上部面に投射する。そのパターンのパターン認識アルゴリズム分析は、動くウェブの向き、例えば、傾きを特定する。このデバイスは、更に、薄膜の傾き、第１のセンサ・ヘッドとウェブの第１の表面との間の距離、第２のセンサ・ヘッドとウェブの第２の表面との間の距離、及び２つのセンサ・ヘッド間の距離を測定して、動くウェブの非常に正確なオンラインの厚さ測定を行う。
2008524631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面（26）及び第２の表面（28）を有するウェブの厚さを測定するシステムであって、
（ａ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）に隣接して配置され、（ｉ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）にパターンを投射する手段（13）と、（ｉｉ）投射された前記パターンの像（14）を検出して、前記像（14）を、電子像に対応する電気信号に変換する手段（16）とを含む第１のセンサ・ヘッド（10）と、
（ｂ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）と前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）上の選択された位置との間の距離を決定するために前記電子像を分析する手段（50）と、
（ｃ）前記ウェブ（18）の前記第２の表面（28）に隣接して配置される第２のセンサ・ヘッド（20）であって、該第２のセンサ・ヘッド（20）から前記第２の表面（28）上の選択された位置までの距離を測定する手段（32C）を含む第２のセンサ・ヘッド（20）と、
（ｄ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）から前記第２のセンサ・ヘッド（20）までの距離を測定する手段（30）と、
（ｅ）前記ウェブ（18）の傾斜角を測定する手段（50）と、
（ｆ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）と前記第２のセンサ・ヘッド（20）との相対的なミスアラインメントを測定する手段（16、32C）と、
（ｇ）前記ウェブ（18）の厚さを計算する手段（50）と
を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記像（14）を検出して、前記像（14）を、電子像に対応する電気信号に変換する前記手段（16）が、前記ウェブ（16）の前記第１の表面（26）へ投射される前記像（14）を受け取るように前記第１の表面（24）に隣接して配置される検出器（16）を備え、
前記電子像を分析する手段（50）がコンピュータ・システム（50）を備え、該コンピュータ・システム（50）は、前記検出器（16）と電気的に接続され、前記電子像を処理するため及び前記ウェブの向きを決定するためのパターン認識プログラムを含む、
システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、
前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）に投射される前記像（14）が、画定されたプロファイルを有し、前記第１のセンサ・ヘッド（10）が、
（ｉ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）上の第１の位置から、第１の垂直軸に沿って垂直に位置する前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）上の位置までの垂直距離を測定する手段（12、16、50）と、
（ｉｉ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）上の基準ポイントから、前記第１の垂直軸までの水平距離を測定する手段（32Ｃ、16）と
を備える、
システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記第１のセンサ・ヘッド（10）が上部センサ・ヘッドであり、前記第２のセンサ・ヘッド（20）が下部センサ・ヘッドであり、
前記相対的なミスアラインメントを測定する前記手段（16、32C）が、前記上部センサ・ヘッド（10）のセンサと前記下部センサ・ヘッド（20）のセンサとの平面において上部投射軸と下部投射軸との間のオフセット距離を、磁気抵抗変位センサを用いて測定する、
システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、
前記第１のセンサ・ヘッド（10）が上部センサ・ヘッドであり、前記第２のセンサ・ヘッド（20）が下部センサ・ヘッドであり、
前記相対的なミスアラインメントを測定する前記手段（16、32C）が、前記上部センサ・ヘッド（10）のセンサと前記下部センサ・ヘッド（20）のセンサとの平面において上部投射軸と下部投射軸との間のオフセット距離を、前記シート（18）を通して送られる下部レーザ・スポットの像を取り込んでそれを像センサ（16）で検出することにより測定する、システム。
【請求項６】
第１の表面（26）及び第２の表面（28）を有するウェブ（18）の厚さを測定する非接触型の方法であって、
（ａ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）に隣接して第１のセンサ・ヘッド（10）を配置するステップと、
（ｂ）前記ウェブ（18）の前記第２の表面（28）に隣接して第２のセンサ・ヘッド（20）を配置するステップと、
（ｃ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）から前記第２のセンサ・ヘッド（20）までの距離を測定するステップと、
（ｄ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）へ、パターンを含む像（14）を投射するステップと、
（ｅ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）、前記第２のセンサ・ヘッド（20）、又はそれらの両方に相対的な前記ウェブ（18）の向きを決定するために前記像（14）を検出および分析するステップと、
（ｆ）前記第２のセンサ・ヘッド（20）から、前記ウェブ（18）の前記第２の表面（28）上の位置までの距離を、測定するステップと、
（ｇ）前記ウェブ（18）の厚さを計算するステップと
を備える方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記ステップ（ｅ）が、前記ウェブ（18）の前記向きを決定するために、検出された前記像を基準の像と比較するステップを備える、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、前記ステップ（ｅ）が、前記像を検出するために電荷結合素子カメラ又はＣＭＯＳカメラ・デバイス（16）を使用し、前記像（14）を、電子像に対応する電気信号へと変換する、方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法であって、前記ステップ（ｅ）が、前記ウェブ（18）の傾斜角を決定するために、検出された前記像を基準の像と比較するパターン認識プログラムを使用するステップを備える、方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法であって、
前記ステップ（ｄ）において、前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）に投射される前記像（14）が、画定されたプロファイルを有するものであり、
（ｉ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）上の第１の位置から、第１の垂直軸に沿って垂直に位置する前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）上の位置までの垂直距離を測定するステップと、（ｉｉ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）上の基準ポイントから前記第１の垂直軸までの水平距離を測定するステップと
を更に備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に非接触での厚さの測定又はカリパス測定の技法に関し、より詳細には、垂直に離隔される２つのセンサ・ヘッド間の経路に沿って動く薄膜の上部面に、レーザで生成された複数ポイント・パターンを投射するデバイスに関する。デバイスは、動くウェブの厚さを決定するために、薄膜の傾き、上部センサ・ヘッドと上部薄膜面との間の距離、下部センサ・ヘッドと下部薄膜面との間の距離、及び２つのセンサ・ヘッド間の距離を測定する。
【背景技術】
【０００２】
例えば紙などのような、動くウェブやシートの厚さを測定するための多数の方法がある。最も一般的な技法の２つには、ウェブの２つの表面に沿って滑らせるように構成した接触するグライド（glide、すべり部）又はシュー（shoe）を使用する直接的厚さ測定と、ウェブによる放射吸収を用いてウェブの単位面積当りの重量を決定し、材料の密度が十分な精度で分かっているという条件で、その後に厚さを推量する非接触の間接的方法とが含まれる。これらの方法に対する多くの変形及び改良が存在するが、それらの技法の各々は根本的な欠点を有する。
【０００３】
接触型の方法では、３つの基本的なタイプの問題が起こりやすい。第１に、この方法は測定される材料の強度により制限されることがある。例えば、ティッシュ（薄い紙）などのような壊れやすいシートでは、接触するシューがシート表面の片寄りを引っかけてシートに傷を生じさせたり、シートを引き裂くことさえあり得る。第２に、シート自体が、接触するエレメント上の摩耗やシート破損のときに生じる物理的損傷により、接触するカリパス・センサを破損することがある。シートを横切るカリパス・センサでは、センサがシート端部を横切るときに損傷が生じることもある。第３に、接触するセンサの精度は、接触するエレメント上の汚染物質の蓄積により悪影響を受ける可能性があり、これは、被覆されたシートや、リサイクル材料を含む充填されたシートに関して生じ得る。
【０００４】
非接触の間接的な厚さ測定方法は、接触型の方法の問題の多くを回避するが、新たな一群の問題が起こりやすい。例えば、製品の密度が分かっているときの厚さ測定において一般的である放射線源は、幾つかのウェブ市場では許容されない。更に、放射性測定は間接的であり、これは、ウェブ（薄いシート）の密度が予測した通りでない場合には、計算される厚さ値の誤差がかなり大きいことがある、ということを意味する。
【０００５】
幾つかの特許は、動くウェブの厚さを測定するのにレーザを使用することが、利用可能な他の方法と比較して有望な選択であることを示唆している。１つのそのようなシステムがクレーマ（Ｋｒａｍｅｒ）の米国特許第５２１０５９３号に説明され、別のそのようなシステムがワトソン（Ｗａｔｓｏｎ）の米国特許第４２７６４８０号に説明されている。これらの両方のシステムでは、レーザ・カリパス装置はレーザ源をウェブの両側に備え、その光がウェブ表面に向けら、それが受信器へ反射される。その後、受信されたレーザ信号の特性を使用して、それぞれの受信器からウェブ表面までの距離が決定される。これらの距離が加算され、その加算結果が、２つのレーザ受信器間の距離の既知の値から減算される。その結果がウェブの厚さを示す。
【０００６】
厚さ測定の前述の非接触の手法は、接触する方法及び非接触の間接的な方法の欠点の多くを解消する望ましい特徴を有する。しかし、従来の非接触型の技法は、非接触型の技法を比較的精度の低い状況で使用することに制限し得る難点がある。
【０００７】
その問題の１つは、ウェブは弾んだり断続的な波状の動きを起こす傾向があり、ウェブは入射光線に対して常に垂直とは限らない可能性があることである。ウェブが入射光線に対して垂直ではなく、２つの対向する光源からの光ビームがシート上の同じスポットに正確に向けられない場合、測定にかなりの誤差が生じ得る。これは幾つかの要因により引き起こされる。第１に、第１のレーザの測定スポットから第２のレーザの測定スポットまでの実際のウェブの厚さの変化が、厚さ測定を不正確にし得る。第２に、ウェブが入射光線に対して垂直ではない場合、この測定技法は、ウェブの角度に比例し、また、２つの測定スポット間のシート表面上の変位に比例する厚さ値に、誤差を引き起し得う。ウェブの弾みや振動がこの誤差を更に悪化させ得る。
【０００８】
紙又は薄膜へのレーザ光の投射に伴う別の問題は、表面が通常明確でないこと、および紙や薄膜が半透明であることである。ラテラル・エフェクト検出器（lateral effect detector）（ＬＥＰ）、カッドセル（quad-cell）検出器、バイセル（bi-cell）検出器などのような位置感知検出器を使用する現在のレーザ三角測量センサは、表面の「真」の表面位置を抽出するのに必要な情報を十分に含まない。
【０００９】
測定装置の物理的寸法に対しての熱の影響や、デバイスの較正により部分的に起こされるシステムの幾何形状の様々なわずかな変化も、測定精度を低下させ得る。これらの影響を、例えば、装置の様々なポイントの温度を測定して適切な修正手段（corrector）を適用することにより直接的に定量化することは、難しい。これらの悪影響は、測定デバイスの精度レベルが、新聞用紙や他の薄い製品などの製品の測定及び制御のために必要とされるレベルに近付くにつれて、かなり重要になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、部分的に、薄薄膜の厚さ、特に厚さ１ミリメートル未満の動く薄膜の厚さを測定する非接触型の技法の開発に基づく。本発明は、薄膜が配置される経路を画定するように離隔される２つのセンサ・ヘッドを有する光センサ装置を使用する。既知の幾何形状のパターンが薄膜の表面に映され、その像がパターン認識アルゴリズムで解析されて、センサ・ヘッドから薄膜までの距離及び薄膜の傾きが決定される。従来技術と異なり、本発明では、Ｚ距離とともに紙シートの両側で単一ポイント・レーザ距離測定を使用する現在の手法で必要とされる、紙の傾きを補正するための極度の検出ビーム重なりを、必要としない。また、本手法は、測定されるシートの両側のレーザ・ビームのアラインメントに関しての厳しい許容度を必要としない。像を形成する好ましい方法は、一方の表面のみへレーザ・ビーム・パターンを投射し、他方では単一スポット・レーザを使用する。代替例として、別の方法はそれぞれの表面に別個のレーザ・ビーム・パターンを投射する。当業者に知られている幾つかの代替の方法を、レーザ・パターン、例えば、線、スポットのアレイ、円などを生成して投射するのに使用することができ、これらは、例えば、（ａ）回折光学エレメント（ＤＯＥ）、（ｂ）音響光学ビーム偏向器、（ｃ）ガルバノメータ駆動走査ミラー（ガルボミラー（ｇａｌｖｏｍｉｒｒｏｒ））、（ｄ）ビーム・スプリッタ、ミラー、プリズムなどのバルク光学エレメントを含む。
【００１１】
一実施形態では、本発明は、第１の表面及び第２の表面を有するウェブの厚さを測定するシステムを対象とし、
（ａ）ウェブの第１の表面に隣接して配置され、（ｉ）ウェブの第１の表面へ、像を生成して投射する手段と、（ｉｉ）像を検出し、その像を、電子像に対応する電気信号へと変換する手段とを含む第１のセンサ・ヘッドと、
（ｂ）第１のセンサ・ヘッドと、ウェブの第１の表面上の選択された場所との間の距離を決定するために、電子像を分析する手段と、
（ｃ）ウェブの第２の表面に隣接して配置され、第２のセンサ・ヘッドから第２の表面上の選択された場所までの距離を測定する手段を含む第２のセンサ・ヘッドと、
（ｄ）第１のセンサ・ヘッドから第２のセンサ・ヘッドまでの距離を測定する手段と、
（ｅ）ウェブの厚さを計算する手段と
を含む。
【００１２】
別の実施形態では、本発明は、第１及び第２の表面を有するウェブの厚さを測定する非接触型の方法を対象とし、
（ａ）ウェブの第１の表面に隣接する第１のセンサ・ヘッドを配置するステップと、
（ｂ）ウェブの第２の表面に隣接する第２のセンサ・ヘッドを配置するステップと、
（ｃ）第１のセンサ・ヘッドから第２のセンサ・ヘッドまでの距離を測定するステップと、
（ｄ）ウェブの第１の表面に、パターンを含む像を投射するステップと、
（ｅ）第１のセンサ・ヘッド、第２のセンサ・ヘッド、又はこれらの両方に対するウェブ表面の向きを決定するために、像を画定する局所強度最大を用いて像を検出して分析するステップと、
（ｆ）ウェブ表面と第１のセンサ・ヘッドとの間の距離を決定するために、局所強度最大を使用して像を検出して分析するステップと、
（ｇ）第２のセンサ・ヘッドからウェブの第２の表面上の位置までの距離を測定するステップと、
（ｈ）第１（上部）のセンサ・ヘッドと第２（下部）のセンサ・ヘッドとの間の距離を画定する線に垂直な方向におけるオフセットされた距離を測定するステップと、
（ｉ）ウェブの厚さを計算するステップと
を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に示されるように、本発明の非接触型のウェブ又はシート厚さ測定デバイスは、垂直に離隔される第１及び第２のエンクロージャ、即ち、ヘッド１０及び２０を備える。（ヘッドは、機械的に平面の表面を必ずしも有さなくてもよい。好適には平行なセンサの面である。）表面２４及び表面４４は好ましくは互いに平行であり、Ｚで表される距離だけ互いに隔たっている。各センサ・ヘッドは、本明細書で更に説明されるように、選択された寸法を測定する様々な光センサを含む。センサ・ヘッド間に位置するウェブ１８は、ｙ軸方向に直線的に移動する。動くウェブを機械的に拘束することが難しいため、ウェブ１８は、必ずしも平坦な表面２４、４４と平行な直線に沿って移動するものではない。この例では、ウェブ１８は傾いており、ウェブ１８の上部、即ち、第１の表面２６とｘ軸との間の角度がθで表される。一般に、ウェブの上部及び下部の平坦な表面は互いに平行であるので、上部表面となす角度θは下部表面となす角度φと同じである。
【００１４】
ウェブ１８の第１の表面２６上に位置する第１のヘッド１０は、レーザ源１２、及びウェブ１８の第１の表面２６へ像１４を投射するパターン形成用光学系１３を含む。像１４は、例えば、幾何図形、線、十字形、点の集まりなどを含む任意のパターンとすることができる。幾つかの既知の代替の方法を、レーザ・パターン、例えば、線、スポットのアレイ、円などを生成して投射するために、パターン形成用光学系で使用することができ、これには
（ａ）ＭＥＭＳ  Ｏｐｔｉｃａｌ（アラバマ州ハンツビル）やＳｔｏｋｅｒ  Ｙａｌｅ（ニュー・ハンプシャー州セーレム）から入手することができるものなどのような、通過するレーザ・ビームを所定の角度に回折することよってパターンが生成される回折光学エレメント（ＤＯＥ）、
（ｂ）Ｉｓｏｍｅｔ（ヴァージニア州スプリングフィールド）からのものなどのような、通過するレーザ・ビームの回折によりパターンが生成され、かつ、回折される角度を適切な駆動電子回路を用いて動的に調節できる音響光学ビーム偏向器、
（ｃ）Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（マサチューセッツ州ケンブリッジ）やＮｕｔｆｉｅｌｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ニュー・ハンプシャー州ナットフィールド）から得られるものなどのような、適切な制御電子回路により駆動されるガルバノメータにより作動されるミラーにより、レーザ・ビームを所定の角度に反射することによりパターンが生成されるガルバノメータ駆動走査ミラー（ガルボミラー）、
（ｄ）例えば、ビーム・スプリッタ、ミラー、プリズムを含むバルク光学エレメント
が含まれるが、これらに限定されるものではない。
【００１５】
一般に、第１のセンサ平面２４に対してのウェブの第１の表面２６の空間上の向き及び距離を決定するために必要なのは、３つの別個のポイント（点）のみを測定して解析することである。例えば、生成して投射することができる１つのパターンは、投射された光円錐と円錐の軸に垂直な表面との交差により形成される円である。円の直径は光源から表面の距離に直接比例し、その円は傾いた表面に投射されたとき又は軸から外れた位置から見たときには、楕円に変わる。楕円の数学方程式は単純であり、曲線あてはめアルゴリズムで比較的容易に実施することができる。ソリッドステート・ビデオカメラなどのような像検出器１６は、像１４を検出し、その像を、電子像に対応する電気信号に変換する。適切な像検出器は、シリコン電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラや相補形金属酸化薄膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラである。検出器１６と電気的に接続されるコンピュータ・システム５０は、本明細書で更に説明されるように、電子像を処理するパターン認識ソフトウェアを含む。
【００１６】
ウェブ１８の下部、即ち、第２の表面２８の下に位置する第２のヘッド２０は、ヘッド４４からウェブ１８の表面２８までの距離を測定するレーザ距離センサを有する。表面２６上のポイント「Ｃ」である投射されたドットは、検出器１６の視野に入っているはずであり、それにより、センサの平面内の上部投射軸と下部投射軸との間のオフセット距離（ｄｘ）を計算することができる。（オフセット距離は、上部ヘッドと下部ヘッドとのミスアラインメントと呼ばれることもある。）このオフセット距離は、本明細書で説明されるように、ウェブ厚の計算で使用される。ＸＹヘッド・ミスアラインメントを得るための代替の方法は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（ニュー・ジャージー州モリスタウン）からＨｏｎｅｙｗｅｌｌ  ＸＹセンサ、部品番号０８６９６７００として入手可能な磁気抵抗ブリッジ回路を使用することである。このデバイスは、特に、板や金属などのような厚い製品や不透明な製品の測定に適している。この例では、図１に示されるように、垂直距離センサ３２Ｃは、ウェブ１８の下部表面２８上のポイント「Ｂ」までの垂直距離（ｄ１）を測定する。垂直距離センサは、例えば、レーザ・ビームを下部表面２８上のポイントへ放射できるソリッドステート・レーザ源と、傾斜した角度で配置され、そのポイントからのレーザ・スポットを映してその反射角度を測定する検出器とを有する従来のレーザ三角測量センサとすることができる。そのようなセンサは日本の大阪の株式会社キーエンスから入手することができる。センサ３２Ａから３２Ｎは、検出器１６の視野内にある可能な代替のセンサ位置を表す。下部ヘッド２０には単一のセンサがあることが好ましい。第１のヘッド１０のレーザにより投射されたパターンと第２のヘッド２０のレーザによるものとを区別するために、パターン認識能力を分析ソフトウェア内に設計することができる。代替例として、レーザが２つの別個の波長で動作するように選択することができ、更なる代替例として、レーザは、像の取得及び分析を制御する電子回路及びソフトウェアにより、交互にオンとオフを繰り返すようにすることができる。
【００１７】
ウェブの向きと共に変化する角度θを決定するために、コンピュータ・システム５０は、像センサにより検出される投射パターン１４を連続的に分析するパターン認識ソフトウェアを含む。投射されたパターン１４の検出された像は、一般に半透明のウェブ材料へ侵入して、その後に、検出器１６の方向で表面から出るまで後方散乱及び再散乱する光を含むので、検出された像の何れの線やスポットの寸法も、ウェブ１８の上部表面２６へ実際に投射されたものよりも大きくなるであろう。この測定誤差の原因は、パターン要素の強度プロファイルの全域での最大強度の位置を画定するように、即ち、線に垂直な方向又はスポットの円板にわたっての強度分布の最大を画定するように、数学的曲線あてはめアルゴリズムを使用することよって、低減することができる。これらの位置は、複数の散乱事象が生じていない位置を表すので、ウェブ１８の表面２６における投射されたパターンの位置を形成する。ソフトウェアは、数学的曲線あてはめアルゴリズムを使用するか、又は、像を、角度θを決定するためにライブラリに記憶されているパターンと比較することができる。具体的には、ソフトウェアは相関関数を使用して、実際に得られた像１４を、像及び像に対応する傾斜角を表す基準データと比較する。ライブラリは、レーザ生成パターンを薄膜に投射し、向きが変化するように薄膜を操作することにより、実験的に生成することができる。具体的には、薄膜は広範囲の傾斜角に関して操作され、対応するパターンが検出される。角度及び対応するパターンの両方が記録される。代替例として、ライブラリは数学的モデル技法で生成することができ、例えば、様々な傾斜角におけるパターンの幾何形状を表す１組のパターンを生成するために、例えば、所与の傾斜角に対しての投射されたパターンを計算する。
【００１８】
図１から明らかなように、表面２６へ投射される像１４のサイズは、パターン形成用光学系１３とウェブ１８との間の距離に依存する。従って、ウェブ１８が第２のセンサ・ヘッド２０の方に近付くならば、表面２６へ投射される像１４の断面積は増加することになる。パターン認識プログラムがアクセスできるライブラリは、特定のパターン像を、第１のセンサ・ヘッドとウェブ１８の上部表面２６との間の距離、例えばパターン形成用光学系１３と上部表面２６との間の垂直距離ｄ２などのような距離と関連させるデータを含むこともできる。このライブラリ用のデータは、実験的に収集することも、数学的モデルによりも生成することもできる。
【００１９】
図１から明らかなように、第１のセンサ・ヘッドの表面２４及び第２のセンサ・ヘッドの表面４４が平行であるとすれば、傾斜角は何れかの表面を基準にして測定することができる。便宜上、「傾斜角」という用語は、像が投射されるウェブの表面により画定された平面と、その表面に隣接して配置されたセンサ・ヘッドにより画定される平面との間の角度を測定するものとする。図１の厚さ測定デバイスの場合、傾斜角は、第１のセンサ・ヘッド１０の表面２４に対して及びウェブ１８の上部表面２６に対して、測定される。傾斜角は、第１のセンサ・ヘッドの表面２４がウェブ１８の上部表面２６と平行な場合には、０である。
【００２０】
図３は、図１のパターン形成用光学系１３によりウェブ１８の上部表面２６へ投射される円形パターンについての、ウェブ上部表面２６の平面図を示す。角度θが０である場合、即ち、ウェブ１８の上部表面２６がセンサ表面２４と平行である場合に、パターン４が生成される。明らかなように、円形パターンは対称であり、ポイント「Ａ」は幾何学的中心に対応する。パターン４と相対して歪められているパターン１４は、上部表面が傾いている場合に生成される。言い換えると、表面２６が傾いている場合、円形パターン４はパターン１４へと変形される。図１から明らかなように、上部表面２６に投射される像１４のサイズは、パターン形成用光学系１３と、直ぐ下のウェブ１８の上部表面上のポイントＡとの間の距離（ｄ２で示される）にも比例する。投射される像１４のサイズは、ｄ２の減少と共に減少し、ｄ２の増加と共に増加する。従って、コンピュータ５０が、投射された像をライブラリのものとを比較したときに、その比較により、角度θ及びｄ２が提供される。明らかなように、見る軸（viewing axis）がウェブ上部表面２６に対して垂直以外である場合、図３の円形パターン４は楕円であるように見え、幾何学的中心は、楕円の主軸と短軸との交差点にあることになる。距離と向きとの分析は、センサの見る角度（sensor viewing angle）についての像データの簡単な変換の後に行うことができ、或いは、見る角度が垂直ではないことにより生じた歪みを、ライブラリに含めることができる。
【００２１】
図１は、センサ・ヘッド１０のパターン形成用光学系１３と、センサ・ヘッド２０のレーザ３２Ｃとの投射軸（光が進行するライン）が一致しない幾何学的配置を示す。図１では、それらが一致からずれている水平距離がｄｘで示される。ヘッド２０のレーザ三角測量センサ３２Ｃにより、ウェブ１８の下部表面２８上のポイント「Ｂ」に投射されたレーザ・スポットは、例えば、微塗工（ＬＷＣ）紙や新聞用紙などの場合のようにウェブが十分に光学的に薄い場合には、ウェブ１８の上部表面２６で見ることができるであろう。次に、像中の、上部表面２６上のセンサ３２Ｃから投射されたレーザ・スポットの強度最大の位置をつきとめ、投射されたレーザ・スポットと、第１のセンサ・ヘッド１０のパターン形成用光学系１３の投射軸との間の離隔距離を計算することにより、距離ｄｘが像センサで測定される。パターン認識能力は、上部ヘッド１０から投射されたパターンと下部ヘッド２０から投射されたパターンとの間での区別を行うために分析ソフトウェア内に設計することができる。代替例として、レーザ源は、色感応型のセンサと共に、２つの異なる波長で動作するように選択することができる。更なる代替例として、レーザ源は、像取得用の制御電子回路及びソフトウェアにより選択的にオン及びオフに切り替えることができる。第１のセンサ・ヘッド１０のパターン形成用光学系１３の投射軸の位置は、前述のように、ウェブ１８の上部表面２６の像の、計算されたポイント「Ａ」により示される。上部と下部とのレーザ・ヘッドのＸＹオフセットを得る代替の方法は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ型式番号０８６９６７００などの磁気抵抗センサを使用することである。この方法によると、用途が光学的に薄い材料の測定に限定されない。
【００２２】
図１に更に示されるように、第１のセンサ・ヘッド１０と第２のセンサ・ヘッド２０との間の垂直距離はＺで示され、これは、非接触型厚さ測定装置の動作の開始前に正確に測定することができる。Ｚが動作の全体にわたって一定のままである場合、更なる測定は必要ではない。しかし、２つのセンサ・ヘッド間の距離は、熱膨張、振動、及び他の要因のために僅かに変化することがあり、従って、正確な測定のためにはセンサ・ヘッド間の間隔の動的な測定が好ましい。例えば、ＲＦ源及び受信器コイル、ホール素子、並びに磁気抵抗デバイスを含めての様々な技法を、動的な測定に使用することができる。電磁誘導を使用するセンサが、ホルムグレン（Ｈｏｌｍｇｒｅｎ）その他に対しての米国特許第４１６０２０４号に説明されており、それを、参照により本明細書に組み込むものとする。別の好ましいＺセンサは、センサ１０上のＲＦコイル・システムであり、距離Ｚの示度を得るために、向かい合っているセンサ・ヘッド２０へゲエディ電流を誘導し、システムのインピーダンスを測定する。動的垂直距離センサ３０が、第２のヘッド２０に組み込まれているように示されているが、センサ３０は、他の所に配置することもでき、また、センサは、両方のヘッド１０、２０又は他の所に配置される複数の構成要素を含むことができることが、理解される。
【００２３】
本発明の実施に必要ではないが、動くウェブがシート厚さ測定デバイスに近付くときにそれを安定させるために、測定デバイスの上流でウェブ安定装置を使用することが好ましいことがある。適切な非接触の安定装置は、モエラ（Ｍｏｅｌｌｅｒ）その他に対しての米国特許出願第２００３／００７５２９３号に説明されている連続的なウェブ材料用の空気クランプ・スタビライザを含み、この文献を、参照により本明細書に組み込むものとする。スタビライザ（安定装置）は、ウェブの傾きの大きな変動を防ぎ、動くウェブが測定デバイスのセンサ・ヘッドのどちらにも衝突しないことを確実にする。本発明は、これらのタイプのデバイスに関しての許容範囲要件を緩和するであろう。
【００２４】
動作中、図１に示されるように、ウェブ１８がセンサ・ヘッド１０と２０との間を横切るとき、像１４はウェブ１８の上部表面２６に投射される。その後、Ｚ、ｄ１、ｄ２、θ、及びｄｘが前述の方法により測定される。ウェブ１８の厚さは下記の式から計算することができる。
【００２５】
厚さ＝（Ｚ−（ｄ１＋ｄ２））×ｃｏｓθ＋ｄｘ×ｓｉｎθ
【００２６】
図１には、ウェブ１８の厚さを測定する別の実施形態も示されており、その例ではｄｘの距離が必要ではなく、垂直距離測定が同じ軸に沿って行われるときに生じる。例えば、ｄ１及びｄ３が測定されるとき、ウェブ１８の厚さは単に（Ｚ−（ｄ２＋ｄ３））×ｃｏｓθに等しい。これは、パターン形成用光学系１３の投射軸の閉ループ制御及び像検出器からの情報により達成することができる。ビーム・ステアリングは、２次元ガルバノメータ駆動型走査ミラー・アセンブリ及び補助光学部品や、２−Ｄ音響光学走査アセンブリ及び補助光学部品などのような容易に入手可能なビーム・ステアリング・デバイスにより、また、単にヘッドを物理的に動かすことにより、達成することができる。
【００２７】
図２は、ウェブ１８が別の方向に傾いている状況を示す。図に示すように、センサ・ヘッド１０と２０との間に位置するウェブ１８は、ｙ軸の方向へ動く。ウェブ１８の上部表面２６とｘ軸との間の角度はβで表される。しかし、この実施形態では、デバイスは前述と同様に変数Ｚ、ｄ１、ｄ２、θ、及びｄｘを測定するが、ポイント「Ｇ」及び「Ｆ」を使用することが好ましい。具体的には、ｄ１は垂直距離センサ３２Ｎで測定される。
【００２８】
薄膜厚測定デバイスの利点が、紙の製造に関連して示されたが、動く素材のウェブの厚さを決定しなければならないどのような環境でも、本デバイスを使用できることが理解される。例えば、厚さ測定デバイスは、プラスチックや織物の製造において容易に実装することができる。本デバイスは、厚さが１０から１０００μｍの範囲にわたる薄膜を測定するのに特に適する。薄膜は、一般に、約８００ｍ／分から２１００ｍ／分以上の範囲にわたる高速度で移動することができる。
【００２９】
前述の事項では本発明の原理、好ましい実施形態、及び動作モードが説明された。しかし、本発明は説明された特定の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきでない。従って、前述の実施形態は限定的なものではなく例示的であるとみなすべきであり、当業者であれば特許請求の範囲により定義される本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態に変更を行うことができることが理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１および図２は、非接触型の厚さ測定装置の断面図である。
【図２】図１および図２は、非接触型の厚さ測定装置の断面図である。
【図３】図３は、動くシートの上部面に投射されるパターンの平面図を示す。
【図１】
2008524631.tif 000003
【図２】
2008524631.tif 000004
【図３】
2008524631.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月22日(2007.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面（26）及び第２の表面（28）を有するウェブの厚さを測定するシステムであって、
（ａ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）に隣接して配置され、（ｉ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）にパターンを投射する手段（13）と、（ｉｉ）投射された前記パターンの像（14）を検出して、前記像（14）を、電子像に対応する電気信号に変換する手段（16）とを含む第１のセンサ・ヘッド（10）と、
（ｂ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）と前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）上の選択された位置との間の距離を決定するために前記電子像を分析する手段（50）と、
（ｃ）前記ウェブ（18）の前記第２の表面（28）に隣接して配置される第２のセンサ・ヘッド（20）であって、該第２のセンサ・ヘッド（20）から前記第２の表面（28）上の選択された位置までの距離を測定する手段（32C）を含む第２のセンサ・ヘッド（20）と、
（ｄ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）から前記第２のセンサ・ヘッド（20）までの距離を測定する手段（30）と、
（ｅ）前記ウェブ（18）の傾斜角を測定する手段（50）と、
（ｆ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）と前記第２のセンサ・ヘッド（20）との相対的なミスアラインメントを測定する手段（16、32C）と、
（ｇ）前記ウェブ（18）の厚さを計算する手段（50）と
を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記像（14）を検出して、前記像（14）を、電子像に対応する電気信号に変換する前記手段（16）が、前記ウェブ（16）の前記第１の表面（26）へ投射される前記像（14）を受け取るように前記第１の表面（24）に隣接して配置される検出器（16）を備え、
前記電子像を分析する手段（50）がコンピュータ・システム（50）を備え、該コンピュータ・システム（50）は、前記検出器（16）と電気的に接続され、前記電子像を処理するため及び前記ウェブの向きを決定するためのパターン認識プログラムを含む、
システム。
【請求項３】
第１の表面（26）及び第２の表面（28）を有するウェブ（18）の厚さを測定する非接触型の方法であって、
（ａ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）に隣接して第１のセンサ・ヘッド（10）を配置するステップと、
（ｂ）前記ウェブ（18）の前記第２の表面（28）に隣接して第２のセンサ・ヘッド（20）を配置するステップと、
（ｃ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）から前記第２のセンサ・ヘッド（20）までの距離を測定するステップと、
（ｄ）前記ウェブ（18）の前記第１の表面（26）へ、パターンを含む像（14）を投射するステップと、
（ｅ）前記第１のセンサ・ヘッド（10）、前記第２のセンサ・ヘッド（20）、又はそれらの両方に相対的な前記ウェブ（18）の向きを決定するために前記像（14）を検出および分析するステップと、
（ｆ）前記第２のセンサ・ヘッド（20）から、前記ウェブ（18）の前記第２の表面（28）上の位置までの距離を、測定するステップと、
（ｇ）前記ウェブ（18）の厚さを計算するステップと
を備える方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記ステップ（ｅ）が、前記ウェブ（18）の前記向きを決定するために、検出された前記像を基準の像と比較するステップを備える、方法。
【国際調査報告】
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