(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースシートを有し、コーティングされていない移動中のシートの表面に、１つの成分を含有するコーティング材料を塗布するためのシートコーティング装置を有し、該装置はコーティングされていない移動中のシートが計量装置近くを通った後、コートシートの上に残るコーティング材料の量を調整するための計測装置を含み、
コートシートに隣接して配置され、コートシートに第１放射光線を向けるように配置された第１の放射源と、コートシートから発生する第１の光線の少なくとも一部を検出するように配置された第１放射受光器とを含む第１コーティングセンサーを備え、
第１の受光器が放射スペクトルの第１と第２の別々の波長領域における赤外線量を検出し、かつ第１と第２領域における検出された放射量を夫々表わす第１信号及び第２信号を生じさせるように構成され、第１の領域はベースシートの基本重量に敏感である放射のために選択され、第２の領域はベースシートの基本重量に、第１の領域の放射とほぼ同じ位敏感である放射のために選択されるが、コーティングの１つの成分にも敏感であり、この１つの成分に対する第１領域の放射の感度は１つの成分に対する第２の領域の放射の感度と異なるコーティングセンサーと、
第１と第２の信号からシート上のコーティング材料の量を計算するための、第１の受光器と作動的に接続され、コーティング材料中の１つの成分の計算された量を表す第３の信号を発生するコンピューターと、
ベースシート上のコーティング材料の量を調整するために第３の信号に応答して計量要素を調整するためのコンピューター及び計量装置と作動的に接続された少なくとも一つのアクチュエーターとを包含するコーティングシステムにおいて、
前記１つの成分は、ＣａＣＯ3であり、前記第１領域が約３．６〜３．９μｍの範囲であり前記第２領域が約３．９〜４．１μｍの範囲であることを特徴とするするコーティングシステム。
【請求項２】
前記光線が赤外線である請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項３】
移動しているコートシートがそのベースシートの中にＣａＣＯ3を含み、
前記コーティングシステムは、さらに、
コートされていないシートに隣接して配置され、コートされていないベースシートに第２放射光線を向けるように配置された第２の放射源と、コートされていないシートから発生する第２の光線の少なくとも一部を検出するように配置された第２放射受光器とを含む第２コーティングセンサーを備え、
第２の受光器は放射スペクトルの第３と第４の別々の波長領域における電磁波量を検出し、かつ第３と第４領域における検出された放射量を夫々表わす第４信号及び第５信号を生じさせるように構成され、第３の領域はコートされていないベースシートの基本重量に敏感である放射のために選択され、第４の領域はコートされていないベースシートの基本重量に、第３の領域の放射とほぼ同じ位敏感である放射のために選択されるが、コートされていないシートのベースシートのＣａＣＯ3にも敏感であり、
コンピューターはベースシートのＣａＣＯ3の量を表す第４と第５の信号に基づく第６の信号を計算するために第２の受光器と作動するように接続され、第３と第６の信号からシート上のコート材料の中のＣａＣＯ3の量を計算する請求項２に記載のコーティングシステム。
【請求項４】
前記第１領域が前記第３領域と同じであり、前記第２領域が前記第４領域と同じである請求項３に記載のコーティングシステム。
【請求項５】
前記コートされていないシートが紙であり、前記第１領域が約３．８μｍを中心とし、前記第２領域が約４．０μｍを中心とする請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項６】
前記第１センサーをラインに沿って前後方向に走査するための、前記第１センサーを取り付けた走査機構を更に包含し、前記コンピューターが前記第１信号と第２信号に基づいて、走査する前記第１センサーによって横断されるシートの様々な横断方向の位置におけるシート上のコーティング材料中のＣａＣＯ3の量を決定するようにプログラムされている請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項７】
前記コーティング材料が、ラテックス、ダイ、充填剤、及びクレーからなるグループから選択された化学成分を有する請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項８】
前記第１の受光器は、コートシートを透過した第１放射光線の少なくとも一部の強度を検出するように配置されている請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項９】
前記第１の受光器は、コートシートから反射された第１放射光線の少なくとも一部の強度を検出するように配置されている請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項１０】
前記第２の受光器は、コーティングされていないシートを透過した第２放射光線の少なくとも一部の強度を検出するように配置されている請求項３に記載のコーティングシステム。
【請求項１１】
前記第２の受光器は、コーティングされていないシートから反射された第１放射光線の少なくとも一部の強度を検出するように配置されている請求項３に記載のコーティングシステム。
【請求項１２】
前記第２センサーをラインに沿って前後方向に走査するための、前記第２センサーを取り付けた走査機構を更に包含し、前記コンピューターが前記第３信号と第４信号に基づいて、走査する前記第２センサーによって横断されるシートの様々な横断方向の位置におけるベースシート中のＣａＣＯ3の量を決定するようにプログラムされている請求項３に記載のコーティングシステム。
【請求項１３】
前記第２センサーをラインに沿って前後方向に走査するための、前記第２センサーを取り付けた走査機構を更に包含し、前記コンピューターが前記第３信号と第４信号に基づいて、走査する前記第２センサーによって横断されるシートの様々な横断方向の位置におけるベースシート中のＣａＣＯ3の量を決定するようにプログラムされている請求項６に記載のコーティングシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本発明の分野】
本発明は紙シートや他の物に塗布されるコーティングの量を計測しかつ制御する装置と方法、特に移動している紙シート上のコーティングの基本重量を、シートに塗布されている最中に監視しかつ調整する装置と方法に関する。
【０００２】
【本発明の背景】
紙の生産過程において、しばしば紙シート（”ベースシート”と呼ばれる）に多種類の材料をコートすることが望まれる。実際、世界の紙生産の増加の割合はコート紙とコートされた板紙に向けられている。コーティングは通常、雑誌のページや、贈答品の包装、靴箱用に光沢のある白い表面を与えるために施される。その他に、或いはそれに加えてコーティングは紙シートを防水性にすることもある。コーティング材料の他の例としで、マイクロカプセルインクがノーカーボン複写紙のシートの片側にコーティングとして塗布されることもある。
沢山の種類のコーティング配合物があり、それらの多くは１０又はそれ以上の数の成分からなる。これらの成分はほとんど通常水性分散体として顔料、結合剤及び添加物と分類される。一般の顔料は、クレー、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、硫酸バリウム及び二酸化チタニウム（ＴｉＯ２）を含む。硫酸バリウム、二酸化チタニウムはそれぞれ、印画紙及び特殊用紙にのみ使用される。一般的に言えば、クレーは最も一般的な顔料であるが、ＣａＣＯ３とＰＣＣ（炭酸カルシウム沈殿物）も一般的になっている。ラテックスの様々な配合物が顔料の粒子を共に保持しそれらを紙に固定する結合剤として一般に使用される。典型的なコーティング配合分は、８０〜９０％の顔料、３〜１０％のラテックスを含み、残部が添加物又は他の成分からなる。
【０００３】
上に述べたようなコーティングは製紙工場の製紙工程の一部として紙に塗布される。製紙技術とコーティング技術は当該技術分野でよく知られ、例えば、Ｒマクドナルド編１９７０マグロウヒル、パルプと紙技術者のためのハンドブック、Ｇ．Ａスムーク第２版１９９２アングスワイルド出版のパルプと製紙Ｖｏ１３（製紙と板紙製造）に記載されている。この他、前もって生産された紙を紙シートの大きなロールから”コーター”と呼ばれるコーティング機械に供給しても良い。どちらの場合も、コートされていない紙は、通常は、”横断方向”（すなわち、製紙機械及び／又はコーティング機に沿う紙の移動方向と直交する方向）に沿って測って巾が１０フィート又はそれ以上の程度であるシートでコーターに供給される。
【０００４】
コーティングの均一性”基本重量”（即ちシートの単位表面積上のコーティング材料の質量）は様々な理由でしばしば必要とされかつ要求される。例えば、光沢紙の印刷性は光沢コートティングの均一な塗布によって改善される。しかも、光沢コーティングはラテックス及び又はＴｉＯ２のような比較的高価な材料を含有する。従って生産者は、コーティングをできるだけ均一に塗布するためにコーティングを正確に監視し、そのようなコーティングの塗布を制御したいであろう。ある場合には、コーティングの均等性がグラム平方メートルの何分の１の範囲内で制御されなければならない。しかしながら、横断方向（１０フィート又はそれ以上）のシートの横方向の広がりとコーティングをそのようなシートに正確かつ均等に塗布することの要求のために、より複雑なコーターが設計され生産されてきた。
【０００５】
コーターは種々の構成になる。”ブレードコーター”と呼ばれるコーターの一つの型式は、移動している紙シートの片側に隣接して配置された回転裏当てドラムとシートの反対側に配置された柔軟なブレードを有する。ドラムとブレードエッジはシートを横断する方向に延びて、紙シートが通る狭いスロットを形成する。コーティング材料のプールが裏当てドラムとブレードの間に保持され、シートがその間を通ることによってシートにコートする。ブレードは紙に押し付けられ、シートがスロットを通って出る時にコーティングが塗布され、それによって余分なコーティングを取り除く。
ブレードエッジとドラムの間の隔たりはそのようなコーティングの塗布において重要な要素であることが理解される。ドラムは高い公差に製作されかつ、設置される。シートに塗布されたコーティングの厚さを制御するために、コーターはコートされたシートに対するブレードエッジの圧力及び又はドラムに対するブレードエッジの位置を調整するためのアクチュエーターを備える。ブレードは通常、僅かに曲げられ、或いは撓わむ薄いスチール部材で作られる。かくして、アクチュエーターは、各アクチュエーターがアクチュエーター付近でブレードによって加えられる圧力、従ってベースシート上のコーティングの量を制御するように、ブレードの長さに沿って間隔をあけて設置される。各アクチュエーター付近のブレードの横断方向の長さは”スライス”として知られている。共通に譲渡されたアメリカ特許第４，７３２，７７６号は、このようなコーティングブレードアクチュエーターを有するコーターを開示する。この特許を援用する。
【０００６】
圧力と紙の厚さの局部的な変化やおそらくは、他の要因は、もし補償されなければ、不均一なコーティングを生じさせる傾向がある。したがって、先の記述から、コートシート上のコーティング材料の量を測定する能力、及びそのような計測に基づいてコーティングの最中に複数の横断方向のスライス位置でのシートに対するブレードの圧力を制御する能力も製紙会社にとって重要であることが認識される。
シートに塗布されたコーティングの量を計測しかつこれを制御する種々のスキームが試みられてきた。コーティング制御法の最も難しい点の一つは、特にグラム平方メートルの何分の１の精度に測定しなければならないときにシートに塗布されたコーティングの量の、正確な計測を得ることである。
【０００７】
そのようなあるスキームでは、製紙工程中の上流でコーターの前にシート基本重量センサーとシート水分センサーが配置される。基本重量センサーは、単位表面積当たりの質量でシートの材料の全体の量を計測する。このため、計測された基本重量は紙の繊維と繊維によって吸収されている水分の両方を含む。既知の基本重量センサーはそのようなシートの基本重量を決定するためにシートを通るベーター線の透過を利用する。シートの中の含水量は、例えば、シートの単位表面積当たりの水の質量でシートの中の含水量を同様に決定する既知の赤外線水分センサーによって決定される。追加される基本重量及び水分センサーが、コーティング工程後でコーターの下流の個所に設置される。
シートを形成する繊維の量はコートされていないシートの基本重量から水分の量を差し引くことによって決定することができる。同様に、コートシートの基本重量からコートシートの中の水分を差し引くことによって、コーティング材料と紙繊維の合計量を決定することができる。最後に、コートシートのコーティングと繊維の合計基本重量の測定値からコートされていないシートの繊維の量を差し引くことによって、シートに塗布されたコーティングの基本重量が決定される。シートの幅を横断する各スライスにおけるコーティング基本重量の測定値に基づいて、システム工程制御コンピューターは、それらの測定値を所定の所望なコーティング基本重量値と比較し、各スライスにおけるコーティングブレードアクチュエーターを制御する信号を発生させてシートの全幅に渡って所望のコーティング基本重量を達成することができる。
【０００８】
残念ながら、上に記述した方法は、コーティング材料の基本重量を決定するための４つの比較的高価なセンサー（すなわち、コートされていないシートに隣接して配置された水分及び基本重量センサー及びシートのコート部分に隣接して配置された水分及び基本重量センサー）を必要とするため完全に満足できるものではない。更に、これら４つのセンサーの各々の測定値に含まれる誤差は、コーティング重量を決定するのに必要な数学的計算中に加算的に広がり、それにより、コーティング重量の計測の理想とは言えない結果をもたらす。
シートに塗布されたコーティング材料の量を測定する別の方法は、非常に高いエネギーのＸ線をコートシートに照射することを必要とする。その様な高エネルギーＸ線は、原子が蛍光を発するように、コートシート材料中の原子を励起する。蛍光発光する原子は、コーティングの中の元素に対して固有の波長を持つＸ線を放出する。かくして、Ｘ線センサーをコーティング材料の中の元素に特有の一つかそれ以上の固有の波長に同調させることによって、製紙会社は特有の波長での蛍光の強さからコーティング材料の量を推定することができる。
【０００９】
残念ながら、蛍光技術は多くの場合において完全に満足であるわけではない。例えば、蛍光発光原子は弱い強度のＸ線しか放出しない、かくしてこの技術は比較的低い信号ノイズ比を生じさせる。従って、Ｘ線検出器によって安定した有意な信号を得るまでに比較的長い時間を要する。更に、高エネルギー励起Ｘ線やコートシートの蛍光発光から生ずるＸ線は、製紙工場作業者に対して危険である。また他の技術においても、シートの一部にＸ線を照射し、シートを透過したＸ線の強度が検出される。しかしながら、Ｘ線は紙シートによく使用される無機充填剤、木パルプ繊維、及びシート中の水分によって吸収される。従って、シートのＸ線透過はもっぱらコーティング材料に応答しないため、センサーはコーターの前と後に配置されなければならず、シートのコート部分とコートされていない部分のＸ線透過の差がシートに塗布されたコーティング材料の量を決定し、かつそれに関係付けられる。しかしながら、この技術は、複数の比較的高価なＸ線源とセンサーを必要とし、各センサーのによってなされる測定に固有の誤差がコーティングの決定された量の誤差に加算的に寄与する計測固有の誤差、そしてＸ線の使用はもちろん製紙工場作業者に対する潜在的な危険であるという欠点に悩まされる。
【００１０】
共通に譲渡されたアメリカ特許第４，９５７，７７０号は、コーティング材料から放射線を測定することによってコーティング材料の基本重量を決定するためのセンサーと方法を開示する。そのセンサーはコーティング材料中のラテックス濃度を測定する。
【００１１】
【発明の概要】
本発明はＣａＣＯ３を含有するコーティングのオンライン、非接触紙コート重量測定に関する。本発明は、一部が約３．６〜４．２ミクロンの赤外線領域が水、ラテックス、クレー及び他のコーティング顔料、並びに紙充填剤からの干渉が実質的にないということ、それによって紙コート重量測定の高い精度と信頼性をもたらすという発見にもとづかれる。
本発明は、基材から反射される放射線の測定、又は電磁スペクトルの少なくとも２つの別々の波長領域で、基材の放射線透過を使用して基材上のコーティング材料の量を決定することができる装置と方法を含む。装置と方法は、限るわけではないが、主として赤外線を使用した移動している紙シートのオンラインコーティング計測を意図している。従って、簡単のため、本発明は製紙工程の中で記述される。しかしながら、基材がプラスチックのような紙以外のシート材料でも良く、又基材がシートの形態でなくても良いことを理解すべきである。
【００１２】
製紙では本発明の赤外コーティングセンサーは、移動しているシートの長さと幅に沿う様々な位置でベースシート上のコーティングの基本重量を計測するために移動しているコートシートの横断方向に前後に走査される。センサーは、赤外線の透過やシートからの反射に及ぼすベースシートの基本重量や含水量の変化をコーティングの測定に自動的に補償するように設計されている。従って、移動しているシートに渡ってセンサーが走査されるとき、ベースシートの基本重量やその含水量がシートの幅と長さに渡って一様でないとしても、コーティング基本重量測定は高い精度に保たれる。
本発明の赤外コーテイングセンサーは赤外線源を含む。赤外線の光線はこの赤外線源から移動しているシートに透過される。光線がシートに達した時、初めにコーティング材料を通過し、次にベース紙に入る。この赤外線エネルギーの一部はシートを透過し、或いはシートによって吸収される。赤外線エネルギーのいくらかは、ベースシートに入った後に、おおよそ赤外線源の方向に反射して戻る。この赤外線の光線は広い領域の波長を含む。しかしながら、ある領域における波長の赤外線は、コーティング及び又はベースシート自体によって優先的に吸収される。
【００１３】
コーティングセンサーは赤外線受光部分も含む。この受光部分は、赤外線源と反対のシートの側に設置され、それによって通過する赤外線の強度を測定する。別の例として、センサーの赤外線受光部分は、赤外線源と同じシートの側に配置され、それによって光の反射する部分の強度を測定する。どちらの場合も、受光部分は、光線スプリッターと、少なくとも２つの赤外線検出器と、各検出器と関連した赤外線帯域通過フィルターとを含む。光線スプリッターは赤外線の一部を２又はそれ以上の検出器の各々に向ける。別の赤外線帯域通過フィルターは各検出器の前に配置される。このようにして、各赤外線検出器は関連したフィルターの通過帯域中の赤外線スペクトルの一部の強度だけを測定する。
２つの赤外線帯域通過フィルターの１つは、赤外線が紙のベースシートによっては吸収され又は散乱されるが、コーティング材料によっては非常に僅かしか吸収されない赤外線スペクトルの選択された領域の波長を有する赤外線のみを通過させる。この第１のスペクトル領域は”標準”領域と呼ばれ、関連した検出器は”標準”検出器と呼ばれる。従って、標準検出器からの出力信号は、主としてベースシートによる吸収又は散乱に依存する。例えば、検出された赤外線エネルギーがシートの一方の側から他方の側までシートを透過した時、吸収の量はベース紙シートの基本重量に依存する。更に、受光部分と赤外線源がシートの同じ側に置かれた場合においても、受光部分が反射した赤外線だけを検出し、標準検出器の出力は依然としてシートの基本重量の変化に敏感である。これは、赤外線がベースシートの表面で部分的にだけ反射されるためである。赤外線の多くはシートに侵入し、シート材料の中へより深く侵入し及び又はシート材料に遭遇すると反射する全ての光の割合を増加させる。かくして、その他の全ては一定に停まり、高い基本重量のシートは低い基本重量のシートより多くの赤外線エネルギーを反射させる。低い基本重量のシートでは、より多くの赤外線エネルギーがシートを透過する。
【００１４】
第２の帯域通過フィルターは第２の赤外線検出器と関連され、コーティング材料中のＣａＣＯ３によって強く吸収される赤外線スペクトルの領域の波長のみを通す。”計測”領域と呼ばれるこの第２のスペクトルの領域は又、ベースシートによるこの領域における平均的赤外線吸収が標準領域における赤外線のベースシートによる平均吸収と等しくなるように選択されている。従って、計測及び標準帯域通過フィルターは、それらの通過帯域が下地のベース紙シートによって同程度に吸収される赤外線スペクトルの領域に相当するように選択される。スペクトルの”計測”領域と関連した検出器は”計測”検出器と呼ばれる。
本発明において、標準及び計測検出器からの出力信号の比（又は差）が測定される。前に記述したように、標準及び計測帯域通過フィルター両方の通過帯域の波長の光線はベース紙シートによって等しく吸収されるため、標準及び計測検出器からの信号の比（又は差）はコーティング中の選択された成分の量の指標になる。通常の場合、選択された成分はコーティングの配合物に既知の一定の割合で混合されるため、選択された成分の求められた量はコーティング材料の対応した量と相関関係にある。更に、ベースシートによる計測及び標準波長の吸収は、等しい又は”均衡”しているため、計測及び標準検出器からの信号の比（又はそれらの間の差）はベースシートの基本重量に依存しない。
【００１５】
コーティングセンサーからの信号は工程制御コンピューターに送られ、該コンピューターは上に記述した数学的計算を行ってシート上のコーティングの量の測定値を得る。コンピューターは、この測定値と前もって入力された所望のコーティングの量とを比較する。コンピューターは次に、コーティングブレード制御アクチュエーター、そして各横断する方向の位置でベースシートに塗布されたコーティングの量を調整するのに使用される制御信号を発生する。コーティングの過程で、コーティングの塗布を予め選択された量に維持するために任意の横断方向の位置でコーターブレードの調整を必要とする状態が起こった場合、そのような調整は適切な信号を工程制御コンピューターから一又はそれ以上のブレードアクチュエーターへ送ることによって自動的に行われる。
【００１６】
本発明により、厚さ及び又は紙シートに塗布されたコーティングの基本重量の高度な均一性が、単一の安全で高精度のコーティングセンサーを使用し達成できる。
【００１７】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図１Ａは紙シートコーティング装置１０を表す。この図に示すように、コートされていない紙シート１２は裏当てロール１６とブレード１８の間に収容されたコーティング材料１４の供給部を通って引き出される。シート１２の出口スロット２０がロール１６とブレードの隣接したエッジ２２との間に形成され従って、紙がスロット２０を出た直後の紙１２の上のコーティングの厚さがブレードエッジ２２とロール１６との間の距離と圧力によって決定される。
アクチュエーター２６が一定間隔でブレード１８に装着され、各アクチュエーター２６の付近のブレード１８の撓みを制御し、アクチュエーター２６がブレード１８をロール１６の方へ近づけたり遠ざけたりするとき、シート２４上のコーティング材料がそれぞれ連続的に薄くされたり厚くされたりする。アクチュエーター２６はブレード１８に沿って３又は６インチの間隔に隔てられることが望ましい。前に記述したように、各アクチュエーター２６を取り囲む３又は６インチの間隔は”スライス”と呼ばれる。
【００１８】
シート１２がコーティング厚さ制御スロット２０を出た後、コートシート１２は、コーティング２４を乾燥する多数の加熱ドラム３０を通過する。乾燥したコートシート１２はその後、以下に詳細に述べる赤外線反射型コーティング重量センサー３２を通る。
センサー３２は、走査運動で、シート１２の幅を横断して矢印２８の方向に前後に駆動され、移動しているシート１２の幅と長さに渡る様々のスライス位置でシート１２から反射した赤外線の量を測定することができる。
このセンサー３２からの信号は、次いで信号処理回路３５を通って、システム処理制御コンピューター３４へ送られ、そこでこれらのセンサー信号がシート１２の幅に渡る特定スライス位置に関連させられるように信号は時間方向にデマルチプレクスされる。以下にも記述するように、コンピューター３４は、これらの信号に基づいて様々な計算を行ってスライスにおけるコーティング２４の基本重量を決定する。コンピューター３４は、各スライスについて測定されたコーティング基本重量と所定の所望な値とを比較し、アクチュエーターコントローラー３６に命令を出して制御信号を発生させ、該信号により各スライスについてアクチュエーター２６が必要に応じてブレード１８を撓ませコーティング基本重量保つ。通常、一定のコーティング基準重量が目標として要求される。
【００１９】
図１の赤外線コーティング重量センサー３２は、図２により詳細に示されている。このセンサー３２は、ベース紙シート１２に塗布されたコート材料２４の量を計測するのに使用され、シート１２の基本重量と含水量の変化から生ずるシート１２による赤外線吸収の影響を計測して自動的に補償する。
センサー３２は可視及び赤外領域の連続波光線タングステンハロゲン源５０を含む検出器組立体８８の一部と、温度制御式エンクロージャーに格納された６つの赤外線検出器の検出組立体とを有する。広帯域赤外線源エネルギー５０はシートの動揺と表面特性に対する感度を最小にする角度でシート１２に向けられる。拡散放射方式が望ましい。その角度は代表的には直角に対して約１０から２５゜の範囲である。検出装置はＣａＣＯ３センサー、クレーセンサー、水分センサーを包含する。ＣａＣＯ３センサーは、ＣａＣＯ３計測フィルター／検出器３２ＡとＣａＣＯ３標準フィルター／検出器３２Ｂを含む。クレーセンサーは、クレー計測フィルター／検出器５１Ａとクレー標準フィルター／検出器５１Ｂからなる。水分センサーは、水分計測フィルター／検出器５２Ａと水分標準フィルター／検出器５２Ｂからなる。シートから反射されたエネルギーは、光線を分光器５５、５６、５７及び適当なフィルターを通して個々の検出器に通すことによって波長分析される。光スプリッター、フィルター、及び検出器からなる光分析器の本体はすべての検出器信号がシートの同じ場所からの起源になることを確保し、その結果いつでも正確な測定に必要とされるすべての情報が得られる。
【００２０】
ＣａＣＯ３センサーによる厳密かつ正確な測定は、一部がＣａＣＯ３濃度と約４μｍ領域におけるＣａＣＯ３の吸収強度との相関関係に基づかれる。ＣａＣＯ３を計測するため、計測及び標準帯域通過フィルターの通過帯域の好ましい中心波長は、それぞれ３．９〜４．１μｍ、３．６〜３．８５μｍの範囲であるのが好ましい。これらフィルターの各々に対する帯域幅は約０．１５μｍであるのが好ましいが、検出器における所望な信号強度とバランスを得るために必要に応じて広くしたり狭くしたりすることができる。検出器の出力信号と標準チャンネルの比は紙コート重量値に比例する。
ＣａＣＯ３センサーは４チャンネル又は６チャンネルセンサーとして構成されるのが望ましい。更に好ましい構成は、図２に示すようにＣａＣＯ３、クレー、水分を測定する６チャンネルセンサーである。好ましい４チャンネルバージョンはＣａＣＯ３とクレーを計測する。検出組立体は更に、従来型の赤外線エネルギー変調器６０を含み、これは、例えば１７０Ｈｚで動作し、例えばそれは高エネルギー変調をする回転光線チョッパーからなる。光チョッパーは２つの反対側から開かれた中空矩形チョッパープリズムとして構成されることが好ましい。光チョッパーが回転すると、光チョッパーは光源のパラボラ反射板から直径２５ｍｍの全幅を遮る。これは低ワット数タングステンハロゲン光源の使用を可能にし、長く安定したランプ寿命を確保する。小さなフィラメントサイズは、スポットの大きさ（シート上で計測された領域）が小さく直径約２０ｍｍであるようにする。ＣａＣＯ３センサーは完全にそれ自身収容される内部光学（反射）標準器を用いることが望ましく、従って、センサーはシートと干渉せず、標準化を行うのにシートの外へ移動する必要もない。
【００２１】
赤外線エネルギー変調器６０は、赤外線源５０からシート１２に当る赤外線放射量を既知の周波数として変調する。かくして、各赤外線検出器の出力は、入射赤外光線６２と同じ既知の周波数で変調される。その上、検出器出力は変節された入射光線６２の反射部分６３に直接依存するため、検出器出力の位相は変調された光線６２の位相に依存する。しかしながら、ベース紙シート１２、シート上のコーティング２４、他の外部光源（図示せず）から生ずる赤外線エネルギーも全ての検出器に達する。かくして、各検出器出力信号はＡＣ成分とＤＣ成分の両方を含む。
各検出器の出力（計測と標準の両方）は、信号処理回路３５（図１Ａ）に送られる。この回路は、検出器信号のＤＣ成分をフィルターで除去するように設計されている。次いで、フィルターを通ったＡＣ検出器信号は、信号処理回路３５内に含まれている位相同期復調回路に通される。位相同期復調の目的は、ベースシート１２やベースシートに塗布されたコーティング材料２４の赤外線吸収の変化によって引き起こされない検出器信号の変化をフィルターで除去する。
ＣａＣＯ３センサーについて、各検出器からの復調信号の平均振幅３２Ａと３２Ｂは、各検出器と関連したフィルターの通過帯域内でコートシートの様々な部分から反射された赤外線の放射量の指標である。次いで復調と振幅平均検出器信号は、信号処理回路によって計測され、デジタル化されて処理制御コンピューター３４に送られる。コンピューター３４は、更に以下により完全に説明する数式と技術を利用してベースシート１２上のコーティング材料２４の基本重量を計算する。
【００２２】
図３は、ＣａＣＯ３に対する赤外線吸収スペクトルと、ＣａＣＯ３センサーのための標準及び計測赤外線検出器と夫々関連した標準６と計測７フィルターの通過帯域を表す。標準及び計測フィルターは、それらの相当する通過帯域におけるベース紙シート１２による赤外線放射の平均吸収が等しくなる又は実際にはほぼ等しくなるように選択される。この方法により、標準及び計測から生ずる信号がコートされていないシート１２に対して等しく（あるいは極めて近く）なる。計測検出フィルターの通過帯域は、ＣａＣＯ３に対する強い吸収のピーク（又は伝導の最小値）が入るように選択される。コートシートによると、計測検出器からの出力は、ベース紙シートとコーティング材のＣａＣＯ３部分の両方によって引き起こされる赤外線の吸収を示している。
【００２３】
しかしながら、代表的な濃度のＣａＣＯ３はその吸収ピークでさえも赤外線を非常に僅かしか吸収しない。従って、計測検出器３２Ａからの、ＣａＣＯ３コーティング成分に起因する信号の量は大変小さいので、計測検出器それ自体は、反射した赤外線６３によって遭遇されるＣａＣＯ３の量を決定するのには実際上使用できない。従って、シートの他の様々な成分の変動によっで引き起こされる信号の変化から区別できないかもしれない。それにも係わらず、本発明においては、計測３２Ａと標準３２Ｂ検出器が下層のベース紙シート１２に対して等しい感度を持つため、標準信号の大きさと計測信号の大きさの比がコーティング材料中のＣａＣＯ３成分に対して良い感度で信号を与える。このようにして、標準と計測の信号の差はコーティング中のＣａＣＯ３の指標を与える。更に、標準と計測信号は、同じ誤差源（例えば、背景的なシートの基準重量、含水量及び光の路中の埃の変化）を受けるので、標準信号と計測信号との比又は差は、上に述べた位相同期復調フィルター技術を利用しないとしても、ベース紙シート上のＣａＣＯ３の量の高精度な指標を与える。
【００２４】
コーティング重量センサー３２をセットする時は、計測及び標準通過帯域におけるベースシート１２による赤外線吸収を”バランス”させ、或いは等化させることが重要である。既知の赤外線帯域通過フィルターは基材に一連の誘電性コーティングをコーティングすることによって作られる。従って、誘電性フィルムの厚さを変えることによって赤外線スペクトルの任意所望な通過帯域を持ったフィルターも作ることができる。
標準及び計測検出器からの信号は以下の式によっで基本重量の数学的な計算に使用することができる。
【００２５】
ＢＷＣ＝Ａ（ＩＭＥＳ−ＩＲＥＦ）          （１）
ここに
ＢＷＣ−ベースシート上のコーティング材料の基本重量。
ＩＭＥＳ＝計測検出器からの出力信号の値
ＩＲＥＦ＝標準検出器からの出力信号の値
Ａは定数で、経験的に決定され、コーティング基本重量の様々な検出器出力に関係する。定数の値はよく知られた曲線適合技術によって決定される。ＩＭＥＳとＩＲＥＦの値は、それぞれ計測及び標準通過帯域におけるコートシートによる赤外線の反射に比例する。
式（１）は、標準検出器と計測検出器からの出力信号の差によってコーティング材料の基本重量を決定する。しかしながら、二つの信号の比を使ってコーティング基本重量を決定することもできる。
【００２６】
ＢＷＣ＝Ｃ（（ＩＭＥＳ／ＩＲＥＦ）−１）
Ｃは様々な検出器出力をコーティング基本重量に関係づける経験的に決定された定数である。
コンピューター（図示せず）はコーティング重量センサー３２と関連し、単独で各スライスにおける基本重量計算を行うのに供される。しかしながら、現在の多くの製紙工場は高度に自動化され、プロセス制御コンピューター３４を含む（図１ａ）。これらの工場においで、本発明の赤外線コーティングセンサー３２によって発生した信号は、各横断方向のスライス位置においてシート１２に塗布されるコーティング材料２４の量の計算のために信号処理回路３５を経て工場の中央プロセス制御コンピューターへ送られることが望ましい。その後、これらの計算に基づいてプロセス制御コンピューター３４は、各横断方向位置ベースシート１２に塗布されたコーティング材料１４の量を選択的に変えるためにブレード１８に沿う各スライスに取り付けられたコーティング制御ブレードアクチュエーター２６に選択的に作動する信号を発するようにアクチュエーター制御器３６を指令することができる。
【００２７】
一方、ＣａＣＯ３のベースシートへの混入も起こっている。この状態において、上に述べた第１の赤外線センサー３２と同様の或いは同じ第２の赤外線センサー（図示せず）は、コーティング材料１４をベースシートに塗布するに先立って紙コート過程における位置に配置される。この第２のセンサーは、コートされていないベースシートに隣接しで配置され、上に述べた第１のセンサーと全く同じ方法でベースシート中のＣａＣＯ３の量の測定に利用される。この状態において、処理制御コンピューター３４は第２のセンサーからの信号を受け、ベースシート中に混入したＣａＣＯ３の量を計算し、第１のコーティングセンサー３２によってコンピューター３４へ送られた信号から生ずるＣａＣＯ３量からこのＣａＣＯ３量を差し引く。この差引から生じた差はリサイクルされたベース紙シートに塗布されたコーティング材料中のＣａＣＯ３量の指標になる。コーティングの制御はその後、前に記述したものと同様の手段で行われる。
【００２８】
最後に前に説明した通り、ＣａＣＯ３は、ラテックス、ダイ、充填剤等のような多くの他の化学成分を含むコーティング材料に通常、顔料として利用される。これらの成分はコーティング材料のＣａＣＯ３成分と正確な既知の所定割合で混ぜられる。従って、シート上のＣａＣＯ３成分の量を決定することにより、処理制御コンピューターシステムは、コーティング材料の他の成分とＣａＣＯ３成分との既知の比率からシート上の全コーティング材料混合物の全体量を決定することもできる。
水分センサー及びクレーセンサーは本質的にＣａＣＯ３センサーと同様の方法で作動する。水分センサーについては、計測及び標準帯域通過フィルターの好ましい通過帯域の中心波長は、それぞれ１．８９〜１．９５μｍ及び１．７０〜１．８６μｍの範囲である。クレーセンサーについては、計測及び標準帯域通過フィルターの好ましい通過帯域の中心波長は、それぞれ２．２０〜２．２５μｍ及び２．０８〜２．３０μｍの範囲である。
【００２９】
【実験】
図２に示したＣａＣＯ３センサーは、板紙製造工場でテストされた。３．９７７μｍフィルターが計測チャンネルに対して、３．８００或いは３．７００μｍフィルターが標準チャンネルに対して使用された。設置の前にＣａＣＯ３水溶液サンプルが用意され、実験室において較正のためにサンプルのコーティング重量がセンサーで測定された。図６は、高いパーセント（８５〜９０重量％）のＣａＣＯ３を含有し、クレーを含有しないサンプルについでのコート重量とセンサー信号の関係を示している。図４は、約１７％のＣａＣＯ３で、残部が固体クレーであるサンプルに対する結果を表す。図５は、約３３％のＣａＣＯ３で、残部がクレーであるサンプルに対する結果を表す。グラフ上に示された点を通る線の線形関係は、センサーの較正の基礎になる。図３に、一ケ月近く離れて取った高いパーセントのＣａＣＯ３サンプルの２つの測定を示す。２組の点の非常に近い表示は、良好な長期間の安定性を表している。
【００３０】
本発明の好ましい実施例のみを上で特に開示し、かつ説明したが、上記の教示に照らしてまた請求項の知識の範囲内で本発明の精神と意図する範囲から離れることなく本発明の多くの修正及び変更が可能であることが推察される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】図１Ａは本発明による反射型赤外線コーティングセンサーの単純化した概念的斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは図１Ａのシートのコートされていない部分の拡大図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは図１Ａのシートのコートされた部分の拡大図である。
【図２】図２は単純化し、模式化された図１Ａの反射型赤外線コーティングセンサーを有する検出器の断面図である。
【図３】図３は典型的なシートコーティング材料のＣａＣＯ３部分に対する赤外線吸収スペクトルを表す。
【図４】図４はコーティング重量対ＣａＣＯ３センサーの較正曲線である。
【図５】図５はコーティング重量対ＣａＣＯ３センサーの較正曲線である。
【図６】図６はコーティング重量対ＣａＣＯ３センサーの較正曲線である。
【図７】図７は実験室とオンライン測定の比較のグラフである。
【符号の説明】
１０                紙シートコーティング装置
１４                材料
１６                裏当てロール
１８                ブレード
２０                出口スロット
２２                ブレードエッジ
２６                アクチュエーター
３０                ドラム
３２                赤外線反射型コーティング重量センサー
３２Λ              計測フィルター／検出器
３２Ｂ              標準フィルター／検出器
３４                コンピューター
３５                信号処理回路
３６                アクチュエーターコントローラー
５０                赤外領域光線源
５１Ａ              クレー計測フィルター／検出器
５１Ｂ              クレー標準フィルター／検出器
５２Ａ              水分計測フィルター／検出器
５２Ｂ              水分標準フィルター／検出器
５５、５６、５７    分光器
８８                検出器
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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