(57)【要約】効率がよく汎用性のある分光センサは、音響光学調節可能フィルタを用いて構成することができる。多スペクトルフィルタでは、フィルタの中心波長および帯域幅は、素早く所望の波長に調節することができる。構成物中の少なくとも選ばれた成分を測定するためのセンサは、（ａ）広帯域光源と、（ｂ）音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）と、（ｃ）光源から光ビームを生成し、この光ビームをＡＯＴＦに導く手段であって、ＡＯＴＦが、構成物中の少なくとも１つの成分の存在を検出するために望ましい波長範囲を有する検出光を通過させるように調節される手段と、（ｄ）知られた波長の検出光を構成物に導く手段と、（ｅ）構成物から放出される光を受け取る検出手段と、（ｆ）ＡＯＴＦに結合されたプログラム構造体と、を含むことができ、このプログラム構造体は、構成物中の前記少なくとも１つの成分の特徴を示す少なくとも１つの望ましい波長範囲をＡＯＴＦに提供することができる。その上、本デバイスは、ＡＯＴＦがセンサの検出側にあるように構成されてもよい。本センサは、光学的に透明な膜の厚さを測定するために使用されてもよい。【選択図】図１Ａ
2008524628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成物中の少なくとも１つの選ばれた成分を測定するためのセンサであって、
（ａ）広帯域光源（１２）と、
（ｂ）音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）（１６、１８）と、
（ｃ）前記光源（１２）から光ビーム（１０、１４）を生成し、前記光ビームを前記ＡＯＴＦ（１６、１８）に導く手段であって、前記ＡＯＴＦ（１６、１８）が、前記構成物中の前記少なくとも１つの成分の濃度を検出するために望ましい波長範囲を有する検出光を通過させるように調節される、手段と、
（ｄ）既知の波長の前記検出光を前記構成物に導く手段（３４、３６）と、
（ｅ）前記構成物から放出される光を受け取る検出手段（３２、３４）と、
（ｆ）前記ＡＯＴＦ（１６、１８）に結合されたプログラム構造体（２５）と、を備え、前記プログラム構造体（２５）が、前記構成物中の前記少なくとも１つの成分の特徴を示す少なくとも１つの望ましい波長範囲を前記ＡＯＴＦ（１６、１８）に提供することができることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサであって、
前記プログラム構造体（２５）に結合された永続的な記憶装置（２５）をさらに備え、前記永続的な記憶装置（２５）が、前記構成物の１つまたは複数の前記成分に基づいた前記少なくとも１つの望ましい波長範囲を前記プログラム構造体（２５）に提供することができることを特徴とするセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のセンサであって、
前記構成物の温度を測定し、前記構成物の温度を示す温度信号を生成する温度センサ（２７）と、
測定される前記少なくとも１つの成分に対する感度を最適化するために前記少なくとも１つの望ましい波長範囲を調節する、前記温度信号に応答する手段（２５）と、をさらに備えることを特徴とするセンサ。
【請求項４】
請求項１に記載のセンサであって、前記調節されたＡＯＴＦ（１６、１８）が、掃引される波長を有する光ビームを生成し、前記センサが、前記望ましい波長を有する光が前記構成物の方へ通過する開口（２６）を備えることを特徴とするセンサ。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサであって、前記ＡＯＴＦ（１６、１８）が、可変周波数ＲＦ発生器（６）で制御されることを特徴とするセンサ。
【請求項６】
構成物の少なくとも１つの選ばれた成分の量を測定する方法であって、
（ａ）広帯域光を音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）（１６、１８）に導くステップと、
（ｂ）前記構成物中の第１の成分の濃度を検出するのに望ましい波長を有する第１の検出光（２２）を通過させるように前記ＡＯＴＦ（１６、１８）を調節するステップと、
（ｃ）前記第１の検出光（２２）を前記構成物に導くステップと、
（ｄ）前記構成物から放出される前記第１の検出光（２２）の強度を検出するステップと、
（ｅ）前記検出光の波長を変えて前記構成物中の第２の成分を測定するための第２の検出光を生成するように前記ＡＯＴＦ（１６、１８）を調節するステップと、
（ｆ）前記第２の検出光を前記構成物に導くステップと、
（ｇ）前記構成物から放出される前記第２の検出光の強度を検出するステップと、
（ｈ）前記第１および第２の成分以外の１つまたは複数の成分を測定するために、異なる波長を用いてステップ（ｆ）および（ｇ）を随意に繰り返すステップと、
（ｉ）前記構成物の温度を随意に測定し、測定される前記検出光の強度を最適化するように前記第１または第２の検出光の波長を随意に変えるステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記構成物の温度を測定するステップと、
測定される前記少なくとも１つの成分に対する感度を最適化するために、少なくとも１つの望ましい波長範囲を調節するステップと、をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、前記ＡＯＴＦ（１６、１８）を調節する前記ステップが、掃引される波長を有する光ビーム、および前記構成物に向かって開口（２６）を通過する前記望ましい波長を有する光を生成することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法であって、前記ＡＯＴＦ（１６、１８）が、可変周波数ＲＦ発生器（６）で制御されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法であって、前記構成物が、紙またはプラスチックを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、連続シート製造システムを制御するシステムに関し、より詳細には、紙、プラスチック、および同様なものの特定の成分の濃度を測定するセンサおよび方法に関する。本技術は、特定の波長帯域内の赤外放射を材料のシートに導き、その材料から出る放射を検出するデバイスを使用する。
【背景技術】
【０００２】
現代の高速抄紙技術では、完成製品の品質を監視するために紙材料の特定の特性を連続的に測定することがよく知られている。これらのオンライン測定には、しばしば、連量、含水率、およびシートカリパー、すなわち厚さがある。測定値は、出力品質を維持し、製造プロセスの変動のために廃棄しなければならない製品の量を最小限にする目的で、プロセス変数を制御するために使用することができる。
【０００３】
同様に、プラスチック製品の生産では、特定の波長を有する放射にさらされたときの特有の吸収ピークによって特定の重合体を識別できることが知られている。実際は、そのようなオンライン測定は、プラスチック製品の生産、処分、または再利用で特定の重合体の存在および濃度を検出するために使用することができる。
【０００４】
オンラインシート特性測定は、シート材料を端から端まで周期的に横切る走査センサによって達成されることが多い。例えば、高速走査センサは２０秒程度の短い周期で走査を終えることがあり、測定値が約５０ミリ秒間隔でセンサから読み取られている。また、同様なオンライン測定を行うために、一連の静止センサを使用することもできる。
【０００５】
連続抄紙機械による紙の製造では、紙のウェブが、繊維（紙料）の水性懸濁液から紙の移動する網目状抄紙布の上に形成され、水が重力および吸引によってその布を通過して流れ出る。次に、このウェブは、圧搾部分に移され、そこで、圧力と真空によってより多くの水が除去される。次に、このウェブは、乾燥機部分に入り、そこで、蒸気加熱乾燥機および熱風が乾燥プロセスを完成させる。抄紙機は、本質的には、水除去システムである。抄紙機械の一般的な成形部分は、終わりのない移動する抄紙布またはワイヤを含み、この抄紙布は、テーブルロール、フォイル、真空フォイル、およびサクションボックスのような一連の水除去エレメントを移動する。紙料は、抄紙布の上面に運ばれ、連続した脱水エレメントを移動するときに脱水されて、紙のシートを形成する。最後に、湿ったシートは、抄紙機械の圧搾部分に移され、そこで、紙のシートを形成するように十分な水が除去される。当技術分野でよく知られている抄紙デバイスは、例えば、著者Ｇ．Ａ．Ｓｍｏｏｋによる  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｆｏｒ  Ｐｕｌｐ＆Ｐａｐｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓ  第２版、Ａｎｇｕｓ  Ｗｉｌｄｅ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ社より１９９２年に発行；およびＰｕｌｐ  ａｎｄ  Ｐａｐｅｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ  第３巻（Ｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇ  ａｎｄ  Ｐａｐｅｒｂｏａｒｄ  Ｍａｋｉｎｇ）、Ｒ．ＭａｃＤｏｎａｌｄ編，ＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌ社、１９７０年発行、に記載されている。さらに、シート製造システムは、例えば、Ｈｅの米国特許第５，５３９，６３４号、Ｈｕの米国特許第５，０２２，９６６号、Ｂａｌａｋｒｉｓｈｎａｎの米国特許第４，９８２，３３４号、Ｂｏｉｓｓｅｖａｉｎ他の米国特許第４，７８６，８１７号、およびＡｎｄｅｒｓｏｎ他の米国特許第４，７６７，９３５号に記載されている。多くの要素が、生産される紙の品質に最終的に影響を及ぼす、水が除去される割合に影響する。明らかなように、生産される紙の乾燥紙料重量を特に予測し、かつ制御するように最終紙製品を監視することが有利であろう。
【０００６】
主乾燥機部分を出るとき、または巻取りリールのところで、走査センサを使用してシート材料の含水率を測定することは一般に行われている。そのような測定は、所望のパラメータを実現するために機械動作を調整するように使用されることがある。含水率を測定する１つの技術は、赤外領域での水の吸収スペクトルを利用することである。この目的のために、監視装置または測定装置が一般に使用されている。そのような装置は、従来、個々の機械によって要求されるように、固定測定器か、走査ヘッドに取り付けられた測定器かのどちらかを使用し、この走査測定器は、乾燥機部分からの出口で、および／または巻取りリールに入るとき、ウェブを横方向に横切って繰り返し走査される。測定器は、一般に、広帯域赤外光源および１つまたは複数の検出器を使用し、関心のある波長は狭帯域フィルタ、例えば干渉型フィルタで選ばれている。使用される測定器は、２つの主な型に分類される。すなわち、光源と検出器とがウェブの両側にあり、走査測定器の中で、ウェブを横切って同期して走査される透過型、および、光源と検出器がウェブの一方の側で単一ヘッドの中にあり、検出器がウェブから散乱された光源放射の量に応答する散乱型（「反射」型と呼ばれることもある）である。
【０００７】
ＩＲ水分測定器をより良好なドライエンド環境に位置決めすることが最も一般的であるが、同様な測定器は、抄紙機のウェットエンドでも使用される。ウェットエンドの水分測定器は、一般に、圧搾部分の最後または乾燥機部分の最初に位置している。これらの位置の測定器は、抄紙機の圧搾部分および成形部分の診断のために、または乾燥機部分に入るウェブを「セットアップ」するために有用である。
【０００８】
プラスチック膜は、様々な方法で製造することができる。一般に、熱可塑性物質のような原材料は、ゴム状の塊に溶かされ、次に、いくつかの加熱協働ローラによって形成された一連のニップを通過して、指定された厚さの膜、シート、またはウェブを形成する。その上、異なる型の重合体膜が、多層膜を形成するように互いに積層されてもよい。生産される膜の厚さを監視することが、プロセス制御のために望ましい。
【特許文献１】米国特許第５５３９６３４号明細書
【特許文献２】米国特許第５０２２９６６号明細書
【特許文献３】米国特許第４９８２３３４号明細書
【特許文献４】米国特許第４７８６８１７号明細書
【特許文献５】米国特許第４７６７９３５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現在の分光器型センサの多くは、汎用性がなく一般的でない技術に依拠して、紙および重合体製品の様々な特性または構成物質を検出している。これらの従来技術は、一般に、ビームスプリッタ（振幅か二色性かのどちらか）および個々の固定フィルタのような受動バルク光学部品を使用している。明らかなように、１つの不利点は、これらのセンサは異なる構成物質を検出するように容易に構成し直すことができないことである。その上、分光材料の特徴の温度により誘起された波長シフトを補償するように最適フィルタ帯域幅を使用すること、すなわちフィルタの中心波長を動かすことは、困難である。また、従来技術のセンサは、分光技術を使用して様々な構成物質の重さが検出される第１の動作モードから、干渉技術を使用して例えばコーティング厚さが測定される第２の動作モードへの切換えを可能にする汎用性を提供しない。具体的には、干渉技術では、関心のある特定のコーティングに関して、屈折率と物理的な厚さとの積である光学的厚さに依存する特定のスペクトル分解能で、特定の波長範囲にわたって調節能力を有する多波長方法を使用することが特に有用である。そのような汎用性は、固定した幅および位置のフィルタを使用する従来技術のセンサで達成することができない。最後に、従来技術の個別フィルタを用いて平らなシートの数多くの構成物質を測定することは、対応する多数の検出器およびフィルタを必要とする。信号が何度も分割されなければならないことからして、付随する信号対雑音比の減少で、信号強度は悪影響を受ける。
【００１０】
従来技術の測定器は、一般に、特定の用途のために構成されたハードウェアであった。このハードウェアは、それぞれそれ自体の固有の中心波長およびスペクトル幅を有する固有のフィルタを持つ、一般に２から１２の範囲のいくつかのチャネル、またはもっと多くの波長チャネルを画定することを必要とした。このプロセスは作業が大変で、コストが高く、非効率的で、さらに測定器には余分な部品が多く含まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、効率がよく汎用性のある分光センサを、音響光学調節可能フィルタで構成することができるという認識に部分的に基づいている。この多スペクトルフィルタでは、フィルタの中心波長および帯域幅を、所望の波長に素早く調節することができる。
【００１２】
一実施形態では、本発明は、構成物中の少なくとも１つの選ばれた成分の連量を測定するためのセンサに向けられ、このセンサは、
（ａ）広帯域光源と、
（ｂ）音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）と、
（ｃ）光源から光ビームを生成し、この光ビームをＡＯＴＦに導く手段であって、このＡＯＴＦが、構成物中の少なくとも１つの成分の存在を検出するために望ましい波長範囲を有する検出光を通過させるように調節される手段と、
（ｄ）既知の波長の検出光を構成物に導く手段と、
（ｅ）構成物から放出される光を受け取る検出手段と、
（ｆ）ＡＯＴＦに結合されたプログラム構造体と、を備え、このプログラム構造体は、構成物中の少なくとも１つの成分の特徴を示す少なくとも１つの望ましい波長範囲をＡＯＴＦに提供することができる。
【００１３】
他の実施形態では、本発明は、光学的に透明な膜の厚さを測定するためのセンサに向けられ、このセンサは、
（ａ）広帯域光源と、
（ｂ）音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）と、
（ｃ）光源から光ビームを生成し、この光ビームをＡＯＴＦに導く手段であって、このＡＯＴＦが、透明膜に干渉を引き起こすことができる波長範囲にわたって動的に調節される手段と、
（ｄ）既知の波長の平行検出光をその膜に導く手段と、
（ｅ）膜から放出される光を受け取る検出手段と、
（ｆ）ＡＯＴＦに結合されたプログラム構造体と、を含み、このプログラム構造体は、透明膜に干渉を引き起こすことができる少なくとも１つの望ましい波長範囲をＡＯＴＦに提供することができる。
【００１４】
他の実施形態では、本発明は、構成物中の少なくとも１つの選ばれた成分の連量を測定するためのセンサに向けられ、このセンサは、
（ａ）構成物に導かれる光を生成する広帯域光源と、
（ｂ）構成物から放出される光を受け取るように位置決めされた音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）であって、構成物中の少なくとも１つの成分の存在を検出するために望ましい波長範囲を有する検出光を通過させるように調節されるＡＯＴＦと、
（ｃ）検出光を受け取る検出手段と、
（ｄ）ＡＯＴＦに結合されたプログラム構造体と、を含み、このプログラム構造体は、構成物中の少なくとも１つの成分の特徴を示す少なくとも１つの望ましい波長範囲をＡＯＴＦに提供することができる。
【００１５】
さらに他の実施形態では、本発明は、光学的に透明な膜の厚さを測定するためのセンサに向けられ、このセンサは、
（ａ）膜に導かれる光を生成する広帯域光源と、
（ｂ）その膜から放出される光を受け取るように位置決めされた音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）であって、透明膜に干渉を引き起こすことができる波長範囲にわたって動的に調節されるＡＯＴＦと、
（ｃ）平行検出光を受け取る検出手段と、
（ｄ）ＡＯＴＦに結合されたプログラム構造体と、を含み、このプログラム構造体は、透明膜に干渉を引き起こすことができる少なくとも１つの望ましい波長範囲をＡＯＴＦに提供することができる。
【００１６】
さらに他の実施形態では、本発明は、構成物の少なくとも１つの選ばれた成分の量を測定する方法に向けられ、この方法は、
（ａ）広帯域光を音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）に導くステップと、
（ｂ）構成物中の第１の成分の存在を検出するために望ましい波長を有する第１の検出光を通過させるようにＡＯＴＦを調節するステップと、
（ｃ）第１の検出光を構成物に導くステップと、
（ｄ）構成物から放出される第１の検出光の強度を検出するステップと、
（ｅ）検出光の波長を変えて構成物中の第２の成分を測定するための第２の検出光を生成するようにＡＯＴＦを調節するステップと、
（ｆ）第２の検出光を構成物に導くステップと、
（ｇ）構成物から放出される第２の検出光の強度を検出するステップと、
（ｈ）第１および第２の成分以外の１つまたは複数の成分を測定するために、異なる波長を用いてステップ（ｆ）および（ｇ）を随意に繰り返すステップと、
（ｉ）構成物の温度を随意に測定し、検出する対象の特定の成分に対する感度を最適化するために第１または第２の検出光の波長を随意に変えるステップと、を含む。
【００１７】
さらに他の実施形態では、本発明は、光学的に透明な膜の厚さを測定する方法に向けられ、この方法は、
（ａ）広帯域光を音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）に導くステップと、
（ｂ）光学的に透明な膜に干渉を引き起こすために望ましい掃引波長帯域を有する第１の検出光を通過させるようにＡＯＴＦを動的に調節するステップと、
（ｃ）第１の検出光を膜に導くステップと、
（ｄ）膜から放出される第１の検出光の強度を検出するステップと、
（ｅ）光学的に透明な膜の厚さの干渉条件が達成されたときに第１の検出光の強度の変化を検出するステップと、
（ｆ）干渉条件を生じさせた波長を使用して膜厚を計算するステップと、を含む。
【００１８】
さらに他の実施形態では、本発明は、構成物の少なくとも１つの選ばれた成分の連量を測定する方法に向けられ、この方法は、
（ａ）広帯域光を構成物に導くステップと、
（ｂ）構成物から放出される光を音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）に導くステップと、
（ｃ）構成物中の第１の成分の存在を検出するために望ましい波長を有する第１の検出光を通過させるようにＡＯＴＦを調節するステップと、
（ｄ）構成物から放出される第１の検出光の強度を検出するステップと、
（ｅ）検出光の波長を変えて、構成物中の第２の成分を測定するための第２の検出光を生成するようにＡＯＴＦを調節するステップと、
（ｆ）構成物から放出される第２の検出光の強度を検出するステップと、
（ｇ）第１および第２の成分以外の１つまたは複数の成分を測定するために、異なる波長を用いてステップ（ｅ）および（ｆ）を随意に繰り返すステップと、
（ｈ）構成物の温度を随意に測定し、測定される検出光の強度を最適化するために第１または第２の検出光の波長を随意に変えるステップと、を含む。
【００１９】
最後に、他の実施形態では、本発明は、光学的に透明な膜の厚さを測定する方法に向けられ、この方法は、
（ａ）広帯域光をこの膜に導くステップと、
（ｂ）膜から放出される光を音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）に導くステップと、
（ｃ）光学的に透明な膜に干渉を引き起こすために望ましい掃引波長帯域を有する第１の検出光を通過させるようにＡＯＴＦを動的に調節するステップと、
（ｄ）膜から放出される第１の検出光の強度を検出するステップと、
（ｅ）光学的に透明な膜の厚さの干渉条件が達成されたときに第１の検出光の強度の変化を検出するステップと、
（ｆ）干渉条件を生じさせた波長を使用して膜厚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】
【００２０】
本発明は、構成物、特に、膜、ウェブまたはシートの形をした材料の特性を検出するためのセンサ装置に関する。このセンサは、紙およびプラスチック製品の測定に関して例示されるが、例えばコーティングされた材料および布および同様なものを含んだ他の材料の特性を検出するためにセンサが使用されてもよいことは理解されよう。また、本センサ装置は、光学的に透明な膜および同様なものの厚さを測定することができる。
【００２１】
図１Ａに示されるように、本センサは、紙またはプラスチックのウェブ３０の物理特性を測定するために使用される。広帯域光源１２、例えば白色光源からの光は、レンズ１４および／または放物面反射器１０を使用して平行にされる。適切な光源には、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）および石英タングステンハロゲン（ＱＴＨ）ランプがある。この光は、要求される場合には、従来の音叉またはチョッパホイールを使用する直接振幅変調によって変調されてもよい。ＬＥＤ光源が使用される場合には、変調は、その駆動電流を介して直接達成されてもよい。
【００２２】
平行にされた広帯域光８は、音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）に導かれる。赤外放射スペクトル、例えば１から＞４μｍの範囲の波長の光を濾波するために、ＡＯＴＦは、好ましくは、二酸化テルル（ＴｅＯ２）またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のような音響光学結晶１６を含み、この音響光学結晶１６には、この結晶の１つの面にジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）１８などの圧電変換器が付着されている。可変無線周波数（ＲＦ）発生器６は、ＰＺＴにＲＦ信号を加えて、音響光学結晶内に屈折率変調、例えば回折格子が生成されるようにする。その結果として、変調された結晶を通過する広帯域光８は分散されて、光のスペクトル２２、すなわち掃引される波長を有する光ビームを形成する。分散の程度は、印加ＲＦ信号の適切な周波数を選ぶことによって調節することができる。ＲＦ信号は、光８に対して横方向に加えられてもよい。また、光信号とＲＦ信号が同一線上を伝播する音響光学調節可能フィルタが、本センサで使用されてもよい。好ましくは、ＡＯＴＦは、ＲＦ信号の不要な後方反射を防止する音響吸収体４を含む。適切なＡＯＴＦは、Ｂｒｉｍｒｏｓｅ社（ボルティモア、メリーランド州）、Ｉｓｏｍｅｔ社（スプリングフィールド、ヴァージニア州）およびＧｏｏｃｈ＆Ｈｏｕｓｅｇｏ社（英国）を含んだいくつかの製造業者から入手可能である。
【００２３】
光２２に対して透明でない材料からできた遮蔽板２４は、遮蔽板２４の開口またはスリット２６を通過する特定の選ばれた光２２の部分を除いて、光２２を吸収するか、または反射する。開口２６を通過する光は、シート３０の１つまたは複数の成分を解析するために望ましい帯域幅を有している。明らかなように、結晶１６に加えられるＲＦ信号の周波数を変えることで、開口２６を通過する放射の波長がシフトする。１μｍから＞４μｍの波長範囲内の赤外放射は、一般に、数１０マイクロ秒内に１つの波長から別の波長に調節することができると予想される。もしくは、ＲＦ信号の周波数を変える代わりに、所望の帯域幅の放射を通過させるように開口２６を移動させるために遮蔽板２５が動かされる。シートの温度を測定するために、シートに近接して非接触温度センサ２７が位置決めされ、センサからの温度信号が、マイクロプロセッサなどのコントローラ２５に伝えられる。シートの温度が変化したとき、検出を最適化するように所望の帯域幅の中心波長を調節することが必要である可能性がある。この場合、コントローラ２５は、ＲＦ発生器６からのＲＦ信号の周波数を変える。
【００２４】
その上、本明細書でさらに説明するように、コントローラ２５は、検出することができる種々の成分、例えば重合体、およびそれらの関連した検出放射帯域幅に関する情報を格納するデータベースを有してもよい。したがって、コントローラ２５は、種々の成分を検出するために発生器６からのＲＦ信号を自動的に変えることができる。
【００２５】
好ましくは、適切な条件付け光学部品、例えば集束レンズ２８は、光ビーム２０をウェブ３０に導くように位置決めされている。光は、散乱光または透過光としてウェブ３０から出てくる。１つの実施形態では、センサは、集束レンズ３４および検出器３８を使用して、ウェブ３０から散乱された光の強度を測定する。もしくは、ウェブ３０を透過した光の強度を測定するために、レンズ３４および検出器３８と共に、またはレンズ３４および検出器３８の代わりに、集束レンズ３６および検出器３２が使用される。
【００２６】
図１Ｂは、監視される材料から出てくる光が次にＡＯＴＦに導かれるように構成されたセンサ装置の他の実施形態を示す。広帯域光源１２Ａからの光は、レンズ１４Ａおよび／または放物面反射器１０Ａを使用して、平行にされる。平行にされた広帯域光８Ａは、シート３０Ａの方に導かれる。シート３０を通過した光は、レンズ３８Ａによって平行にされて、音響光学結晶１６Ａを含むＡＯＴＦの中に入る光ビーム９Ａを形成し、この結晶の１つの面に圧電変換器（ＰＺＴ）１８Ａが付着されている。ＲＦ発生器６Ａが、ＲＦ信号をＰＺＴに加えて、屈折率変調、例えば回折格子が音響光学結晶の中に生成されるようにする。その結果として、変調結晶を通過した広帯域光９Ａは分散されて、光のスペクトル２２Ａすなわち掃引される波長を有する光ビームを形成する。好ましくは、ＡＯＴＦは、ＲＦ信号の不要な後方反射を防止する音響吸収体４Ａを含む。
【００２７】
遮蔽板２４Ａは、遮蔽板２４Ａの開口またはスリット２６Ａを通過する特定の選ばれた光２２Ａの部分を除いて、光２２Ａを吸収するか、反射する。開口２６Ａを通過する光は、シート３０Ａの１つまたは複数の成分を解析するために望ましい帯域幅および中心波長を有している。明らかなように、結晶１６Ａに加えられるＲＦ信号の周波数を変えることで、開口２６Ａを通過する放射の波長はシフトする。もしくは、ＲＦ信号の周波数を変える代わりに、所望の帯域幅の放射を通過させるように開口２６Ａを移動させるために遮蔽板２４Ａが動かされる。本装置は、さらに、非接触温度センサ２７Ａおよびコントローラ２５Ａを含む。
【００２８】
図１Ｂに示されるような装置は、透過光を測定する。もしくは、この装置は、図１Ａに示されるように、シート３０Ａからの散乱光を測定するように構成されてもよい。
図１Ａおよび１Ｂに示されたセンサ装置は、干渉モードで動作して光学的に透明な膜の厚さを測定するように容易に構成することができる。具体的には、ＡＯＴＦは、膜に干渉を生じさせることができる波長範囲にわたって動的に調節される。波長範囲にわたって波長が連続的に調節されるとき、波長の関数として周期的な強度パターンが生成される。生成された干渉パターンの周期性から膜の厚さを計算するために、適切なデータベースがアクセスされてもよく、またはソフトウェアが実現されてもよい。
【００２９】
１つの実施形態では、本発明のセンサは、シート製造システムの水性混合物（湿り紙料と呼ばれる）の物理特性を測定するために使用されてもよい。図２は、紙材料５４の連続したシートを生成するための一般的なシート製造システムを示し、このシステムは、ヘッドボックス４０、スチームボックス４２、カレンダ加工スタック５０、巻取りリール５２および、センサを含む走査システム６０を備えている。ヘッドボックス４０では、支持ワイヤすなわちウェブ４６の上への湿り紙料の吐出を制御するように、横方向（ＣＤ）に沿ってアクチュエータが配列されている。ワイヤ４６の上面に生じる繊維材料のシートは、ローラ４４と４８の間で機械方向（ＭＤ）に進むように操作され、カレンダ加工スタック５０を通過する。カレンダ加工スタック５０は、紙ウェブに加えられる圧縮圧力を制御するアクチュエータを含む。本システムは、圧搾部分（図示されない）を含み、ここで、シートから水が機械的に除去され、さらにウェブが圧密化される。その後で、乾燥機部分（図示されない）で蒸発によって水が除去される。完成したシート製品５４は、リール５２に集められる。実際には、ヘッドボックスの近くの抄紙プロセスの部分は、「ウェットエンド」と呼ばれ、一方で、巻取りリールの近くのプロセスの部分は「ドライエンド」と呼ばれる。抄紙機械は、当技術分野で知られており、例えば、米国特許第６，７８０，２８４号に記載されており、この特許は本明細書に組み込まれる。
【００３０】
スキャナシステム６０は、一般に、紙製品５４の幅に広がる水平に延びた案内トラック６４の対を含む。これらの案内トラックは、その両端を真っ直ぐに立った支柱６２で支持され、紙製品５４がトラック間を進む隙間を可能にするだけの十分な距離の間隔を垂直方向に開けて配置されている。センサは、測定が行われるときに紙製品５４に対して上を前後に動くキャリッジ６６に固定されている。抄紙製造用のオンライン走査センサシステムは、Ｄａｈｌｑｕｉｓｔの米国特許第４，８７９，４７１号、Ｄａｈｌｑｕｉｓｔ他の米国特許第５，０９４，５３５号、およびＤａｈｌｑｕｉｓｔの米国特許第５，１６６，７４８号に開示されており、これらの特許の全ては参照して完全に本明細書に組み込まれる。
【００３１】
赤外（ＩＲ）分光法は、含水率測定の技術である。１つの方法は、関心のある吸収および基準ＩＲ波長を予め決定し、さらに、適切な水重量測定を可能にするために必要な波長の範囲内で一定で確実なエネルギーの流れを供給するように本発明のセンサを使用することである。具体的には、水は、赤外スペクトルにわたって波長の関数として放射を吸収する。シートの含水率が高ければ高いほど、シートを通過するか、またはシートから反射される水吸収ピークまたはその近くの放射は小さくなる。
【００３２】
センサは、最初に、吸収ＩＲ帯域の波長を使用して紙のシートから出てくる放射の強度を測定してもよい。その後で、ＡＯＴＦに加えられるＲＦ信号を変えて、基準帯域波長のＩＲ放射が紙のシートに導かれ、その強度が測定される。実際上、第１の測定は、主としてシート中の水の量に対して敏感であり、シートが乾燥しているとき、より多くの赤外放射が測定され、シートが湿っているとき、より少ない赤外放射が測定される。逆に、第２の測定では、放射は、水分吸収が比較的少ないＩＲ帯域波長にある。この帯域での光損失は、シートの非水依存損失によっている。この損失は、シートの非水依存減衰要素だけでなく、主にシートの散乱によっている。したがって、シート繊維の連量、すなわち単位面積当りの重量が増すとき、第２の測定は赤外放射をあまり検出しない。第２の測定は、シートの非水依存損失を補正する。
【００３３】
本発明のセンサは、これが動作する環境の変化するダイナミックスに適合するように容易に最適化することができる。例えば、知られていることであるが、紙の中の水分の吸収すなわち感知中心波長は、一般に１．９３μｍであり、基準波長は、一般に、一般的な周囲条件で１．８４μｍであるが、吸収波長は温度に依存する。言い換えると、最適吸収波長は温度と共に変化する。紙の温度変動にもかかわらず正確で精密な測定を維持する１つの技術は、最適帯域幅を保ちながら中心波長をシフトさせることである。したがって、紙の温度が変化するときに、吸収ＩＲが依然としてスペクトル吸収の最も敏感な領域の中心に置かれているように放射の波長を適切にシフトさせるために、ＲＦ信号の周波数が調節される。これによって、温度変化を補償しながら、センサの水分感度が維持される。個別フィルタを使用する従来技術の分光センサでは、センサの温度感度を下げるために、フィルタ帯域幅を増大させることが必要であった。都合の悪いことに、これは水分に対するセンサの感度も犠牲にする。
【００３４】
含水率の測定のほかに、シート材料の他の物理特性が監視されてもよい。その成分には、セルロースなどの繊維、ラテックス、鉱物、例えばＣａＣＯ３および粘土、および同様なものがある。各場合に、適切な放射領域、例えばＩＲ帯域幅を選ぶことが必要である。紙および紙コーティング製品の中の種々の成分によるＩＲ吸収は、Ｃｈａｓｅの米国特許第５，０１３，４０３号、Ｃｈａｓｅ他の米国特許第５，２３５，１９２号、およびＢｅｌｏｔｓｅｒｋｏｖｓｋｙ他の米国特許第５，７９５，３９４号にさらに記載されており、これらの特許は参照して完全に本明細書に組み込まれる。
【００３５】
本発明の１つまたは複数のセンサが、抄紙機械を最適化するために使用されてもよい。抄紙機械のプロセス制御技術は、例えば、Ｈｕ他の米国特許第６，１４９，７７０号、Ｈａｇａｒｔ−Ａｌｅｘａｎｄｅｒ他の米国特許第６，０９２，００３号、Ｈｅａｖｅｎ他の米国特許第６，０８０，２７８号、Ｈｕ他の米国特許第６，０５９，９３１号、Ｈｕ他の米国特許第６，８５３，５４３号、およびＨｅの米国特許第５，８９２，６７９号にさらに記載されており、これらの特許は、全て、参照して完全に本明細書に組み込まれる。
【００３６】
明らかなように、図２に示されるような抄紙機械のウェットエンドおよびドライエンドのいくつかのパラメータは、調節することができる。例えば、スキャナシステム６０では、紙の連続した水分プロファイルが生成され、特定のグレードの紙を作るための「理想的な」プロファイルと比較されてもよい。理想からのずれの程度に応じて、ウェットエンドおよび／またはドライエンドのパラメータがそれ相当に調節されてもよい。例えば、本明細書に組み込まれたＨａｇａｒｔ−Ａｌｅｘａｎｄｅｒの米国特許第６，０９２，００３号を参照されたい。水分プロファイルのようなドライエンドおよびウェットエンドのパラメータは、スチームボックスまたは再ウェットシャワーのようなアクチュエータを使用して制御されてもよい。
【００３７】
他の実施形態では、本発明のセンサ１４０は、連続プラスチック生産プロセスで形成された膜の中の重合体の濃度を測定するように使用されることがある。図３は、プラスチック膜を作る装置を示し、この装置は、円錐状回転子１０２、外側固定子１０３、および内側固定子１０４を含む円錐形押し出し装置１０１を備える。回転子１０２が回転するとき、回転子１０２は、回転子１０２と固定子１０３および１０４との間にある材料を押し出し装置１０１から押し出す。内側固定子１０４の端部分は、プラスチック１０５が押し出される比較的平らで幅の広いギャップをノズル１０６と共に形成するように、幅が広く、かつ垂直方向で先細りになっている。ノズル１０６の後に、ギャップの高さを調節するために使用されるナットを有する較正部品１０７があり、このギャップは、押し出し装置１０１から得られるプラスチック膜１５０の厚さを画定することを可能にする。
【００３８】
押し出し装置１０１から出た後で、プラスチック膜１５０は、冷却ロール１０９を備えることがある冷却デバイス１０８によって冷却され、この冷却ロール１０９は、水を含む冷却タンク１１０の中に配列されている。プラスチック膜１５０は、冷却ロール１０９に押し付けられるように配列されている。この装置は、プラスチック膜１５０を導くための補助ロール１１１をいくつかの点に有している。
【００３９】
冷却された後で、プラスチック膜１５０は機械方向延伸デバイス１１２に導かれ、このデバイス１１２は、プラスチック膜１５０を引き伸ばすために使用されるように調節された速度を有する延伸ロール１１３と、プラスチック膜１５０を加熱するための放射ヒータなどの加熱手段１１４とを含む。その後、プラスチック膜１５０は、ポンプ１１６によって送られる加圧空気を含む吐出チャンバ１１５の中に入る。吐出チャンバ１１５の最前部および最後部に封止チャンバ１２７が設けられている。吐出チャンバ１１５の圧力がポンプ１１６で高められるとき、ガスが圧縮されるので、温度も上昇する。この熱は、プラスチック膜１５０を加熱するために利用されてもよい。吐出チャンバ１１５は、また、プラスチック膜１５０を加熱するように配列された加熱抵抗器を備えることがある。したがって、吐出チャンバ１１５は、プラスチック膜にガスを送り込むためと、横方向の延伸のためにプラスチック膜１５０を加熱するためとの両方に使用されることがある。
【００４０】
材料がプラスチックに加えられたとき、キャビテーション気泡が形成されることがある。プラスチック膜１５０が延伸後に加圧ガスの圧力にさらされたとき、ガスはキャビテーション気泡の中に拡散し、泡の中に過度の圧力を生じさせる。吐出チャンバ１１５で、加圧ガスはプラスチック膜１５０の両側に作用することができるので、プラスチック膜１５０の中に一様に気泡が形成される。
【００４１】
次に、プラスチック膜１５０は、横方向延伸デバイス１１７に入り、ここでプラスチック膜１５０は、機械方向デバイス１１２に行われた延伸の方向に対して横である横方向に引き伸ばされる。横方向延伸デバイス１１７は、２つの延伸ホイール１１８を備え、１つの延伸バンド１１９が両方のホイールに対して配列されている。延伸バンド１１９は、バンド案内ロール１２０によって導かれる終わりのないバンドである。延伸バンド１１９は、実質的に横方向延伸デバイス１１７での全行程に沿って延伸ホイール１１８と延伸バンド１１９の間のプラスチック膜１５０の端をしっかりと一様に押し、この場合に膜は変化する圧力応力または引っ張り歪を受けることはなく、その結果、プラスチック膜は、裂けることなしに横へ伸びる。横方向延伸デバイス１１７は、ケーシング１２６の中に位置決めされてもよい。最後に、プラスチック膜１５０は、弛緩ユニット１２２に導かれ、ここでプラスチック膜１５０は緩められ、リール１２３に巻かれる。
【００４２】
図３に示されるように、本発明のセンサ１４０は、リール１２３に巻かれる前のプラスチック膜を監視するように位置決めされている。理解されることであるが、センサ１４０は、望み通りに生産ラインのどこに位置決めされてもよい。本発明のセンサは、当技術分野で知られているプラスチック膜の連続生産のために、任意の適切な装置と共に使用されてもよい。代表的な機械は、例えば、Ｋｉｒｊａｖａｉｎｅｎの米国特許第６，７９３，８５４号、Ｋｒｙｃｋｉの米国特許第６，５６５，３４３号、Ｈｉｒｏｋａｗａ他の米国特許第５，２３０，９２３号、Ｒｅｉｎｋｅ他の米国特許第４，７９７，２４６号、および４，３１１，６５８号にさらに記載されており、これらの特許は参照して本明細書に組み込まれる。
【００４３】
センサ１４０の好ましい用途は、膜を形成する特定の重合体の濃度（一般にグラム／平方メートルの単位で測定された単位面積当りの重さ、ｇｓｍ）を測定することによって膜の厚さを監視することである。膜が１つの重合体の単層から成る場合には、センサ１４０は、重合体を測定するために適切な帯域幅の放射、例えばＩＲ放射を導くように設定される。プラスチックが２つ以上の異なる重合体の混合物を含む単層であるか、またはプラスチックが多層膜である場合には、センサのＡＯＴＦは、存在する異なる重合体を測定するために帯域幅を連続的に変えるようにプログラムされてもよい。もしくは、ＡＯＴＦ（ＲＦ発生器を介して）は、プラスチック膜の中の関心のある特定の成分のために関心のある特定の波長帯域を通して連続的に１ステップずつ実行するようにプログラムされてもよい。多層膜は、一般に、互いに積層された複数の層を含む。好ましくは、多層構造において、隣接する層は異なる重合体材料で形成されている。異なる物理特性を有する異なる重合体を使用することによって、多層膜は、単層膜に存在しない物理特性の組合せを有することがある。例えば、多層膜は、耐湿性、耐磨耗性であるが、依然として曲げやすいことがある。本発明のセンサは、特に、多層膜が特性の適正な組合せを有するように膜の各層が適切な厚さまたは重さ（ｇｓｍ）を有することを保証するように多層膜の生産を制御するのに効果的である。データを並列に処理するために、上で説明されたようないくつかのＡＯＦＴセンサが使用されてもよい。
【００４４】
各重合体は、特定の波長に吸収ピークを持つ。データベースを作ることによって、またはそうではなくセンサのコントローラをプログラムすることによって、関心のある重合体を測定するために、センサからの放射の帯域幅は、波長の各々の間で次々に連続的に切り換えられる。多層膜中の特定の重合体成分の密度が知られている場合、その膜成分の厚さを求めることができる。この厚さは、コンピュータで計算されてもよい。一般に、膜の厚さは、計算されず、成分の重さ（ｇｓｍ）が、品質制御のために使用者により要求される全てである。
【００４５】
上記では、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。しかし、本発明は、述べられた特定の実施形態に限定されるように解釈されるべきでない。それよりむしろ、上述の実施形態は、限定ではなく例示と見なされるべきであり、さらに理解されるべきことであるが、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の範囲から逸脱することなしに、当業者によってそれらの実施形態の変形物が作られる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】本発明のセンサ装置の実施形態を示す模式図である。
【図１Ｂ】本発明のセンサ装置の実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明のセンサを含むシート製造システムを示す図である。
【図３】プラスチック膜製造装置を示す側面図である。
【図１Ａ】
2008524628.tif 000003
【図１Ｂ】
2008524628.tif 000004
【図２】
2008524628.tif 000005
【図３】
2008524628.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月21日(2007.8.21)
【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】
構成物中の少なくとも１つの選ばれた成分を測定するためのセンサであって、
（ａ）広帯域光源（１２）と、
（ｂ）音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）（１６、１８）と、
（ｃ）前記光源（１２）から光ビーム（１０、１４）を生成し、前記光ビームを前記ＡＯＴＦ（１６、１８）に導く手段であって、前記ＡＯＴＦ（１６、１８）が、前記構成物中の前記少なくとも１つの成分の濃度を検出するために望ましい波長範囲を有する検出光を通過させるように調節される、手段と、
（ｄ）既知の波長の前記検出光を前記構成物に導く手段（３４、３６）と、
（ｅ）前記構成物から放出される光を受け取る検出手段（３２、３４）と、
（ｆ）前記ＡＯＴＦ（１６、１８）に結合されたプログラム構造体（２５）と、を備え、前記プログラム構造体（２５）が、前記構成物中の前記少なくとも１つの成分の特徴を示す少なくとも１つの望ましい波長範囲を前記ＡＯＴＦ（１６、１８）に提供することができることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサであって、
前記構成物の温度を測定し、前記構成物の温度を示す温度信号を生成する温度センサ（２７）と、
測定される前記少なくとも１つの成分に対する感度を最適化するために前記少なくとも１つの望ましい波長範囲を調節する、前記温度信号に応答する手段（２５）と、をさらに備えることを特徴とするセンサ。
【請求項３】
構成物の少なくとも１つの選ばれた成分の量を測定する方法であって、
（ａ）広帯域光を音響光学調節可能フィルタ（ＡＯＴＦ）（１６、１８）に導くステップと、
（ｂ）前記構成物中の第１の成分の濃度を検出するのに望ましい波長を有する第１の検出光（２２）を通過させるように前記ＡＯＴＦ（１６、１８）を調節するステップと、
（ｃ）前記第１の検出光（２２）を前記構成物に導くステップと、
（ｄ）前記構成物から放出される前記第１の検出光（２２）の強度を検出するステップと、
（ｅ）前記検出光の波長を変えて前記構成物中の第２の成分を測定するための第２の検出光を生成するように前記ＡＯＴＦ（１６、１８）を調節するステップと、
（ｆ）前記第２の検出光を前記構成物に導くステップと、
（ｇ）前記構成物から放出される前記第２の検出光の強度を検出するステップと、
（ｈ）前記第１および第２の成分以外の１つまたは複数の成分を測定するために、異なる波長を用いてステップ（ｆ）および（ｇ）を随意に繰り返すステップと、
（ｉ）前記構成物の温度を随意に測定し、測定される前記検出光の強度を最適化するように前記第１または第２の検出光の波長を随意に変えるステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記ＡＯＴＦ（１６、１８）を調節する前記ステップが、掃引される波長を有する光ビーム、および前記構成物に向かって開口（２６）を通過する前記望ましい波長を有する光を生成することを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2008524628.tif 000007
2008524628.tif 000008
2008524628.tif 000009