(57)【要約】  光ファイバセンサは、光ファイバスーパーコンティニウム源、多重スーパールミネッセント発光ダイオード、または広帯域チューナブルレーザーダイオードのような高輝度光源を採用する。光ファイバおよびセンサ光学系を介して測定位置に伝達される光は、赤外放射を監視される、湿気環境に配置される材料上に導く。波長を分離し、スペクトル解析を実行するために、分散要素が検出ビーム経路内に位置決めされる。シートから出る放射のスペクトル分析は、材料の複数のパラメータに関する情報を与える。製紙用途の場合、紙の水分レベル、温度、セルロース含有量が得られる。【選択図】図４
2012532324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成物（１０）における複数のパラメータを測定するために、検出ビーム経路に沿う検出放射を生成するように、構成物上に照射光を導くように構成されるセンサシステムであって、前記センサシステムは、
高輝度光源（１２）と、
前記高輝度光源（１２）から検出放射（４、６）を生成する手段と、を有し、前記検出放射は、前記構成物（１０）における複数のパラメータを検出するために予め決定される波長範囲を備え、
前記センサシステムはさらに、前記検出放射を光学ヘッド（１４、１２８）へ伝達する光ファイバ放射伝達システム（１８）を有し、前記光学ヘッドは、検出放射を前記構成物（１０）に導くように機能する第１光学系（１３６）と、前記構成物（１０）から出る検出光を光ファイバ放射回収システム（２０）へ導くように機能する第２光学系（１３０）とを有し、
前記センサシステムはさらに、前記光ファイバ放射回収システム（２０）からの光を受け取り且つ測定するように作動する検出器（１６）と、
前記検出ビーム経路内に配置される分散要素（１３）と、
前記構成物（１０）の前記複数のパラメータを計算するために、前記光ファイバ放射回収システム（２０）からの光（１５）を分析する手段と、を有する、センサシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサシステムであって、高輝度光源（１２）は、ファイバースーパーコンティニウム源を有する、センサシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のセンサシステムであって、前記分散要素（１３）は、チューナブルバンドパスフィルタまたは回折分光器である、センサシステム。
【請求項４】
請求項２に記載のセンサシステムであって、前記検出器（１６）は、検出器アレイ（５２）を有し、前記分散要素（１３）は、回折分光器または線形可変フィルタを有する、センサシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサシステムであって、前記高輝度光源（１２）は、複数のスーパールミネッセント発光ダイオード（２）および光学マルチプレクサを有し、前記マルチプレクサは、（ｉ）前記複数のスーパールミネッセント発光ダイオード（２）からの光を受け取るように構成される入力部と、（ｉｉ）前記光ファイバ放射伝達システム（１８）へ光を伝達するように構成される複数の出力部と、を有する、センサシステム。
【請求項６】
構成物（１０）の複数のパラメータを検出するセンサで測定を実行する方法であって、前記方法は、
前記構成物（１０）から離間して配置される高輝度光源（１２）を提供するステップと、
前記構成物（１０）へ放射を導く第１光学系（１３６）および前記構成物（１０）から出る放射を集める第２光学系（１３０）を備える光学ヘッド（１４、１２８）を提供するステップと、
前記高輝度光源（１２）からの放射を前記第１光学系（１３６）へ導くための光ファイバ放射伝達システム（１８）を提供するステップと、
前記第２光学系（１３０）から導かれる放射を受け取り、放射検出器（１６）へ放射を伝達する、光ファイバ放射回収システム（２０）を提供するステップと、を有し、前記高輝度光源（１２）は、前記放射検出器（１６）への検出ビーム経路に沿う検出放射を生成するのに十分な光学パワー密度の照射放射を生成し、
前記方法はさらに、分散要素（１３）を前記検出ビーム経路内に位置決めするステップと、
前記構成物（１０）の前記複数のパラメータを計算するために、前記光ファイバ放射回収システム（２０）からの光を分析するステップと、を有する、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記高輝度光源（１２）は、ファイバースーパーコンティニウム源を有する、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記分散要素（１３）は、チューナブルバンドパスフィルタまたは回折分光器を有する、方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法であって、前記検出器（１６）は検出器アレイ（５２）を有し、前記分散要素（１３）は、回折分光器または線形可変フィルタを有する、方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法であって、前記高輝度光源（１２）は、複数のスーパールミネッセント発光ダイオード（２）および光学マルチプレクサ（６）を有し、前記光学マルチプレクサは、（ｉ）前記複数のスーパールミネッセント発光ダイオード（２）からの光を受け取るように構成される入力部と、（ｉｉ）前記光ファイバ放射伝達システム（１８）に光を伝達するように構成される複数の出力部とを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、概ね、連続シート製造システムを制御するシステムに関し、より具体的には、湿気レベル、温度、および紙のセルロース含有量、プラスチック内の特定のポリマーの濃度のような複数のパラメータを同時に測定するためのセンサおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術は、光ファイバスーパーコンティニウム光源、複合スーパールミネッセント発光ダイオード（multiplexed superluminescent light emitting diodes, SLEDs）、または高帯域チューナブルレーザーダイオードのような、監視される材料の上をスキャンする光学センサに連結される高輝度光源を採用する。
【０００３】
[0002]連続製紙機での紙の製造において、紙のウェブは、移動するメッシュ製紙ファブリック上のファイバの水性懸濁液（ストック）から形成され、水が重力およびファブリックに吸い込みにより排出される。ウェブは、その後、圧縮セクションに移動され、ここでより多くの水が圧力および真空により除去される。ウェブは、次に、ドライヤセクションに入り、ここで、蒸気がドライヤにより加熱され、熱空気が乾燥プロセスを完了させる。製紙機は、本質的に水除去システムである。典型的な製紙機形成セクションは、終端のない移動する製紙ファブリックまたはワイヤを含み、これは、テーブルロール、フォイル、真空フォイル、および吸引ボックスのような水除去要素の系列上を移動する。ストックは、製紙ファブリックの頂部表面上に保持され、ストックが連続する脱水要素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、濡れたシートは、製紙機の圧縮セクションに移動され、ここで十分な水が除去されて紙のシートを形成する。多くのファクタが水の除去の速度に影響を与え、これは最終的に製造される紙の品質に影響を与える。
【０００４】
[0003]最終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は知られている。これらのオンライン測定は、連量、水分含有量、シートカリパス、すなわち厚さを含む。測定は、出力品質を維持し、製造プロセス内で外乱により拒絶されるべき製品の品質を最小化する目的のために、プロセス変数を制御するのに用いることができる。オンラインシート特性測定は、しばしば、端から端までシート材料を周期的に移動するスキャニングセンサにより行うことができる。
【０００５】
[0004]メインドライヤセクションを出るときに、または巻き上げリールのところで、シート材料の水分含有力を測定するのは慣習的であり、スキャニングセンサを採用する。そのような測定は、望まれるパラメータを達成するために機械動作を調整するのに用いることができる。水分含有量を測定する１つの技術は、赤外（ＩＲ）領域における水の吸収スペクトルを用いることである。この目的の監視装置または測定装置が一般に採用される。そのような装置は、個別の装置の要求により、従来、固定ゲージまたはスキャニングヘッドに取り付けられるゲージを用い、スキャニングヘッドは、個別の機械により必要に応じてドライヤセクションの出口および／または巻き上げリールの入り口で、ウェブを横断して繰り返しスキャンする。ゲージは典型的には、クオーツタングステンハロゲンランプのような広帯域赤外光源、および、たとえば干渉タイプフィルタのような狭いバンドフィルタにより選択される関心波長を備える１つ以上の検出器を用いる。使用されるゲージは主に２つのタイプに分けられる。１つは透過タイプであり、光源および検出器はウェブの反対側に位置し、スキャニングゲージの場合、ウェブ上を同期してスキャンする。もう１つは、散乱タイプ（典型的には「反射」タイプと呼ばれる）であり、光源および検出器はウェブの一方の側部に単一のヘッド内にあり、検出器は、ウェブから散乱された光源放射の量に応答する。より良好なドライエンド環境にＩＲ水分ゲージを位置決めすることが最も一般的であり、また、類似のゲージは、反対の製紙機のウェットエンドに採用される。ウェットエンド水分ゲージは、典型的には、圧縮セクションの終わりに配置され、またはドライヤセクションの始めに配置される。これらの位置のゲージは、製紙機の圧縮セクションおよび形成セクションの診断に有効であり、または、ドライヤセクションへの導入のための「セッティングアップ」に有効である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
[0005] Ｈａｒaｎらの米国特許７２９１８５６号明細書は、不良環境および空間に制限された環境において、小さくコンパクトな水分測定を達成するために、光ファイバ送達とともに、高輝度スーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤｓ）を使用する水分センサを開示している。具体的には、紙内の水の非分散分光測定を生成する水分センサは、感度のある光電子機器および光機械コンポーネントが、不良環境から離れて位置決めされる。同時に、センサは、測定位置に十分なレベルの光パワーを伝達することができ、これによりセンサが測定スピードおよび再現性を維持できるようにする。この技術の１つの欠点は、粗いスペクトル分解能、および制限された波長範囲であり、これは最終的に水分測定の用途を制限する。さらに、紙内の水分監視の場合、光源の制限されたスペクトルは、品質に特定のデータを生じさせる。この品質依存の結果として、広範囲の重量品質であり、また紙の添加剤のような異なる要素を備える紙を製造する製紙機に対応するために、精巧な較正手順が必要になる。
【０００７】
[0006]当業界は、製紙プロセスの初期に、水分、温度、およびセルロースファイバ含有量などを含む多数の異なるパラメータを測定することができる、用途の広いセンサを必要としている。そのようなセンサは、プロセスのよりより制御を可能にし、規格外製品を最小化し、紙の破損を最小化することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
[0007]本発明は、湿気製紙環境における材料の複数のパラメータを同時に測定する技術に関する。本発明は、小型の光学センサは、高輝度光源を採用することによりロバスト性のある同時測定を達成するように構成できる、という認識に部分的に基づいており、高いスペクトル強度の光を、光ファイバを通じてシート位置に伝達でき、また、そこから光を受け取ることができる。
【０００９】
[0008]一側面によれば、本発明は、構成物中の複数のパラメータを測定するために、検出ビーム経路に沿って検出放射を生成するように、照射光を構成物上に導くように構成されるセンサシステムに関し、センサシステムは、
[0009]高輝度光源と、
[0010]高輝度光源からの検出放射を生成する手段と、を備え、検出放射は、構成物内の複数のパラメータを検出するための予め決定される波長範囲を備える。
[0011]このセンサシステムはさらに、検出放射を光学ヘッドに伝達する光ファイバ放射伝達システムを有し、光学ヘッドは、検出放射を構成物に導くように機能する第１光学系と、構成物から出る光を光ファイバ放射回収システムに導くように機能する第２光学系とを有する。
[0012]このセンサシステムはさらに、第２光ファイバ放射伝達システムからの光を受け取り且つ測定するように動作する検出器と、
[0013]検出ビーム経路内に配置される分散要素と、
[0014]構成物の複数のパラメータを計算するための、光ファイバ放射回収システムからの光を分析する手段と、を有する。
【００１０】
[0015]他の側面において、本発明は、構成物内の複数のパラメータを検出するセンサで測定を実行する方法に関し、本法は、
[0016]組成物から離れて配置される高輝度光源を提供するステップと、
[0017]構成物へ放射を導く第１光学系および構成物から出る放射を集める第２光学系を有する光学ヘッドを提供するステップと、
[0018]高輝度光源から放射を第１光学系に導くための光ファイバ放射伝達システムを提供するステップと、
[0019]第２光学系から導かれる放射を受けとるための、また、放射検出器へ放射を伝達するための光ファイバ放射収集システムを提供するステップと、を有し、高輝度光源は、検出ビーム経路から放射検出器に沿って検出放射を生成するのに十分な光学パワー密度の照射光を生成し、
[0020]この方法はさらに、検出ビーム経路内に分散要素を位置決めするステップと、
[0021]光ファイバ収集システムからの光を分析し、構成物の複数のパラメータを計算するステップと、を有する。
【００１１】
[0022]好ましい高輝度光源は広いスペクトルバンド幅を示し、またこれらは、たとえば、光ファイバスーパーコンティニウム光源、複合ＳＬＥＤｓ、および広帯域チューナブルレーザーダイオードを含む。紙の特性を測定するために、高輝度光源は、典型的には近赤外光を発生させる。本発明の特徴は、分散要素が波長を分離し、スペクトル解析を実行するために、検出ビーム経路に沿って位置決めされるということである。たとえば、単一の検出器上で全てのソース波長を通して迅速に調整するチューナブルバンドパスフィルタ、または検出器のアレイ上にソース波長を空間的に分散させる回折格子を採用することができる。分散要素により、たとえば紙またはプラスチックのサンプルと相互作用した後に出てくる光の全スペクトルが得られ、これを参照スペクトルと比較することができる。さらに、紙の場合、赤外スペクトルの多変量キャリブレーション解析から、サンプル内の水成分の温度、および水分量およびセルロース含有量が得られる。紙の複数のパラメータの情報をもたらす革新的な技術により、データから引き出される水分キャリブレーションがより強力になり、紙の異なる品質にキャリブレーションを容易に適用できる。同じ技術は、プラスチックシートのような他の多成分材料の特性を測定するのに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】光ファイバセンサシステムの概略図である。
【図２】光パワー密度と異なる広帯域光源の波長との関係を示すグラフである。
【図３】出力パワーとチューナブル光源の波長との関係を示すグラフである。
【図４】複合ＳＬＥＤｓからなる広帯域放射源の概略図である。
【図５】単一要素のフォトダイオードを備えるチューナブル放射検出器を示す図である。
【図６】フォトダイオードアレイ分光器からなる検出器の図である。
【図７】光学ヘッドの図である。
【図８Ａ】反射構成で動作するスキャニング光ファイバセンサシステムを示す図である。
【図８Ｂ】反射構成で動作するスキャニング光ファイバセンサシステムを示す図である。
【図８Ｃ】透過構成で動作するスキャニング光ファイバセンサシステムを示す図である。
【図９Ａ】光ファイバケーブル巻き上げ機構の概略側面図である。
【図９Ｂ】光ファイバケーブル巻き上げ機構の概略側面図である。
【図１０】光ファイバケーブル巻き上げ機構の頂部平面図である。
【図１１】光ファイバセンサシステムを含む製紙システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[0035]本発明は、構成物、特にフィルム、ウェブ、またはシート形状の材料の特性を検出するための光ファイバセンサシステムに関する。センサシステムは紙の特性を測定するものとして説明されるが、多数の異なる材料の、様々な分光測定可能な成分の存在または量を測定するのに採用することができ、たとえば、コートされた材料、プラスチック、ファブリック等を含む。
【００１４】
[0036]図１は、本発明のセンサシステムを示し、これは、特に紙のような材料１０のシートのパラメータを測定するのに好適である。このセンサシステムは、高輝度放射源１２、センサまたは光学ヘッド１４、放射検出器１６、たとえばコンピュータ１５である信号処理装置、を含む。高輝度放射源１２からの検出光は、センサヘッド１４へ伝達され、これは好ましくは可動式であり、光ファイバ放射伝達システム１８を通る。センサヘッド１４は、放射２２をシート１０に集光し、シート１０から反射されまたそこを通って出る放射２４を収集するように構成される。センサヘッド１４からの放射は、放射検出器１６に伝達され、光ファイバ放射回収システム２０を通って放射検出器１６に伝達される。分散要素１３は、光源１２と光ファイバ伝達システム１８との間に位置決めされて示されているが、分散要素は、高輝度放射源１２と放射検出器１６との間で検出ビーム経路に沿う任意の場所に位置決めすることができる。放射検出器１６からの電気信号は、プロセッサ１５へ伝達され、ここで電気信号は、数学モデルにより処理され、シート１０の複数のパラメータの有効な測定値を提供する。高輝度放射源１２、放射検出器１６、信号プロセッサ１５、およびそれらの関連するコンポーネントは、好ましくは、センサヘッド１４が動作する不良環境から離れて配置される。これらの配置は、センサヘッド１４から１メートルから１００メートルあるいはそれ以上とすることができる。好適な高輝度放射源は、非常に小さな放射領域発散製品を備え、すなわち高輝度であり、これは、効果的に、光ファイバ内に放射することを可能にする。好ましい高輝度放射源は、広帯域光源であり、（ｉ）ファイバースーパーコンティニウム光源、または（ｉｉ）比較的に高いパワーで動作し、相対的に広いスペクトル幅を備える、スーパルミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤｓ）として知られる発光ダイオードであり、これは、たとえばDenseLight Semiconductors Pte. Ltd.（シンガポール）から入手できる。ファイバースーパーコンティニウム光源は、たとえば、Kuksenkovらの米国特許第７１３０５１２号明細書、Brownらの米国特許第７１１６８７４号明細書、Nicholsonらの米国特許第６７７５４４７号明細書に説明されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる。スーパーコンティニウム生成は、相対的に高いパワーの光パルスを光ファイバまたは微細構造に発射することで達成され、ここで、パルス光は、ファイバ内の非線形相互作用により優位にスペクトルが広がる。高輝度光源は、連続波（ＣＷ）光源、または変調光源とすることができ、後者は、ロックイン検出（lockin detection）のような従来の技術による信号対ノイズ比を改良するのに用いることができる。
【００１５】
[0037]図２は、３つの異なる広帯域光源の光学スペクトル特性を示しており、白熱ランプ、KOHERAS A/S (Birkerod, Denmark)からのモデルSuperK（商標）であるファイバースーパーコンティニウム光源からの白色光、および複合ＳＬＥＤｓである。（これらの光源からの光学スペクトルは、１７５０ｎｍの波長を超えて広がるが、グラフを作成するのに用いた分光器の制限により切られている。）この比較において、ファイバーコンティニウム光源は、広帯域の放射を生成し、非常に大きな光学パワー密度を備え、一方、白熱ランプは広帯域の放射を生成し、光ファイバセンサシステムに用いるには不十分なパワー密度である。DenseLightからのもののようなＳＬＥＤｓは利用可能であることは注目すべきで、これは、この例において採用されたSuperK（商標）により生成されるよりも大きなスペクトルパワー密度を備える。
【００１６】
[0038]代替的に、高輝度放射源は、チューナブル放射源を有し、たとえば、微小電気機械システム（micro-electro-mechanical-system, MEMS）スキャニングレーザーダイオード源であり、これは、たとえば、New Focus, Inc. (San Jose, CA.)から入手できる。図３は、例示的なスキャニングレーザーダイオード光源からの１５２０ｎｍから１８２０ｎｍのチューニング範囲にわたる波長との関係におけるパワー出力を示している。光ファイバセンサシステムに用いられる高輝度光源に関係なく、生成される検出放射は、シート１０（図１）における複数のパラメータを測定するのに必要な波長を備える放射を含むように選択される。紙の特性を測定する場合、検出放射は、１ミクロンから２．６ミクロンの範囲の波長の近赤外放射を含む。明らかなように、３つの波長の全てが含まれなければならないわけではなく、すなわち、この窓内のサブ範囲を採用することができる。
【００１７】
[0039]ＳＬＥＤｓが採用される場合、それぞれ異なるバンド幅で放射を生成する複数のＳＬＥＤｓからの検出光は、好ましくは、多重伝達することで光ファイバ放射伝達システム１８（図１）を通して管理および伝達される。図４は、広帯域放射源の構成を示し、これは、２（１）から２（ｎ）の複数のＳＬＥＤｓを含み、これらは単一モード光ファイバ指向性カプラ４によりマルチプレクサ６に連結され、マルチプレクサ６は、対応する１からｍの出力を備え、これらは個別に単一モード光ファイバに連結される。代替的に、マルチプレクサからの出力は、多モード光ファイバに連結することができる。
【００１８】
[0040]高輝度光源１２（図１）が広帯域光源である場合、放射検出器１６（図１）は、好ましくはチューナブル検出器を有し、これは（ｉ）ＭＥＭＳチューナブルバンドパスフィルタを備える単一エレメントのフォトダイオード、または、（ｉｉ）検出器アレイなどである。代替的に、高輝度光源１２がチューナブル光源である場合、放射検出器１６は、好ましくは、単一エレメントフォトダイオードのような広帯域検出器である。
【００１９】
[0041]図５は、チューナブル放射検出器８を示し、これは、光ファイバ放射回収システム２０（図１）の光ファイバ３０の遠位端から出る広帯域光３２から選択される光を測定する。チューナブル放射検出器は、光３２をチューナブルバンドパスフィルタ９内に集光して導くレンズ２６を含み、選択される周波数の光３４が、レンズ２８により単一エレメントフォトダイオード３６に導かれる。好適なチューナブルバンドパスフィルタは、ＭＥＭＳチューナブルバンドパスフィルタを含む。明らかなように、チューナブルバンドパスフィルタ９は、高輝度光源１２とシート１０と（図１）の間のように、任意の位置に位置決めすることができる。
【００２０】
[0042]図６は、チューナブル放射検出器を示し、これは回折格子４６、４８およびミラー５０を含む。光ファイバ放射回収システム２０（図１）の光ファイバの遠位端部から出る広帯域光４０は、レンズ４２により回折格子４６に向けて平行化される。分散素子４６、４８の動作は、広帯域放射を周波数スペクトルに分離し、これは、フォトダイオードのアレイ５２により測定される。検出器アレイが採用される場合、分散素子は好ましくは、線形可変フィルタまたは回折格子を有する。
【００２１】
[0043]分散エレメントがチューナブルフィルタである場合、高輝度光源１２と放射検出器１６（図１）との間の検出ビーム経路に沿って任意の場所に位置決めすることができる。好ましくは、チューナブルは、高輝度光源１２と光ファイバ放射伝達システム１８との間、または光ファイバ放射伝達システムと材料１０のシートとの間に位置決めされる。
【００２２】
[0044]図７は、センサまたは光学ヘッド１２８を示し、これはカプラ１３４、１３２を備える本体１４６を有し、検出放射を伝達する光ファイバ１３８と反射放射を伝達する光ファイバ１４０とをそれぞれ接続するための好適なレンズを含む。光学ヘッドは、随意選択で、光学ヘッドを環境から保護するハウジングを備えることができる。光ファイバ１３８から伝達される光１４４は、ミラー１３６からスキャンされる材料１０のシート上に反射される。カプラ１３２、１３４内に組み込まれる適切なレンズを採用することができる。シートからの散乱光１４２は、ミラー１３０から反射放射光ファイバ１４０に反射される。ミラー１３６、１３０の形状は、光がスキャンされる移動シートに対して適切に入射し、適切な向きから捕獲されるように構成することができる。この場合、集光レンズ（図示せず）は省略できる。ミラーの反射表面は、金、銀、アルミニウム、誘電体、または他の好適な反射材料の層を有することができる。光学ヘッド１２８の構成は、反射モードで動作する光ファイバセンサのためのものである。光ファイバセンサが透過モードで動作する場合に、以下でさらに説明されるデュアル光学ヘッドを採用することができる。
【００２３】
[0045]図１を参照すると、光ファイバ伝達システム１８は、随意選択で、静止高輝度放射源１２を可動センサヘッド１４に接続する。光ファイバ伝達システム１８は、１つ以上の光ファイバを含む光ファイバケーブルを含む。光ファイバは、必要なカップリング効率を備え、高輝度放射源からの大きな光学パワー出力は有意には減少しない。さらに、光ファイバ伝達システム１８は、光ファイバケーブル巻き上げ機構を含み、これは、光ファイバケーブルを、画定された経路を通って配分し、可動センサヘッド１４がシート１０上を往復スキャンするときのケーブルの曲げを制御する。同様に、光ファイバ回収システム２０は、センサヘッド１４を放射検出器１６に光学的に接続し、巻き上げ機構を通して配分される光ファイバケーブルを採用する。図１を参照すると、光ファイバ放射伝達システム１８は、随意選択で静止高輝度放射源１２を可動センサヘッド１４に接続し、１つ以上の光ファイバを含む光ファイバケーブルを含む。光ファイバは、必要なカップリング効率を備え、高輝度放射源からなお大きな光学パワー出力を有意には減衰させない。さらに、本明細書で説明されるように、光ファイバ伝達システム１８は、光ファイバケーブル巻き上げ機構を含み、これは光ファイバケーブルを画定された経路を通って配分し、可動センサヘッド１４がシート１０上を往復にスキャンするときに、ケーブルの曲がりを制御する。同様に、光ファイバ放射回収システム２０は、センサヘッド１４を光学的に放射検出器１６に接続し、巻き上げ機構を通して配分される１つ以上の光ファイバを含む光ファイバ−ブルを採用する。
【００２４】
[0046]図８Ａ、８Ｂは、反射構成で動作するスキャニング光ファイバセンサの要素に対する、取り上げ機構１８６を示し、センサヘッド１７０は、製紙機内の紙のような移動シート１３２に主スキャン方向に沿うように横断方向に沿って往復移動するように設計される。この幅は、１メートルから１２メートルあるいはそれ以上とすることができる。図８Ａにおける実施形態において、高輝度放射源１２、放射検出器１６、および信号処理装置１５（図１）は、静止区画１６０内に収容され、これは、スキャニングセンサヘッド１７０から離れて配置されている。光ファイバケーブル１０６、１１６は、単一ケーブル内に束ねることができ、巻き上げ機構１８６を通じて配分し、区画１６０内の要素とセンサヘッド１７０との間の光学連絡を提供することができる。好適な巻き上げ機構は、Ｂｅｓｅｌｔらの米国特許出願第２００６／０１０９５１９号明細書に説明されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。センサヘッド１７０がシート１３２の一方の縁から他方の縁へ移動するとき、巻き上げ機構は、光ファイバケーブルの曲がりを制御する。
【００２５】
[0047]同一のケーブル構造内に伝達光ファイバケーブル６、１６を備えることの利点は、両方のケーブルが同一の温度環境にさらされることであり、これは、スキャニングセンサシステム内に温度変動が存在する場合に重要となり得る。代替的に、２つのケーブルを１つの構造内に備えるようにする代わりに、２つのケーブルは隣り合わせに配置することができ、この場合、巻き上げ機構のプーリーは、本明細書でさらに説明するように二重溝を備える。
【００２６】
[0048]図８Ｂは、代替実施形態を示し、単一のセンサヘッド１７０を備える光ファイバセンサシステムは反射モードで動作するように構成されている。高輝度放射源１２、放射検出器１６、および信号処理装置１５（図１）は、区画１６０内に収容され、光ファイバケーブル１０６、１１６は、本明細書でさらに説明する同一の巻き上げ機構１８６を通して別個に配分される。この構成は、光ファイバケーブルが有意な温度変化にさらされない場合に特に好適である。区画１６０とセンサヘッド１７０との間の光学連絡は維持される。
【００２７】
[0049]透過モードで動作する場合、光ファイバセンサシステムは、デュアルセンサヘッドを備え、これは、監視される材料の反対側の側部上に位置決めされる。一方のセンサヘッドは、高輝度光源と連絡し、検出放射を材料上に導くように機能し、第２のセンサヘッドは、検出器に連絡し、材料を透過した放射を受け取るように機能する。図８Ｃは、透過構成で動作するスキャニング光ファイバセンサシステムの要素に関する、巻き上げ機構１６２、１６４を示し、ここで、デュアルセンサヘッド１８２、１８４は、移動シート１３２の主スキャニング方向に沿うように横断方向に沿って往復移動するように設計されている。高輝度放射源１２、放射検出器１６、および信号処理装置１５（図１）は、静止区画１６０内に収容される。センサヘッド１８２がシート１３２の一方の縁から他方へ移動するとき、巻き上げ機構は、光ファイバケーブルの曲がりを制御する。同様に、センサヘッド１８２に関し、これは、移動シート１３２の横断方向に沿って移動するように設計され、センサヘッド１８２は光ファイバケーブル１１６と光学的に連絡し、光ファイバケーブル１１６は巻き上げ機構１６２を通じて配分される。
【００２８】
[0050]動作において、デュアルスキャナセンサ１８２、１８４の運動は、互いに整合するようにスピードおよび方向に関して同期する。スキャニングシステムは、分析されるシートの両側にセンサ要素を備えるスキャニングシステムは、たとえば、Sheadの米国特許第５７７３７１４号明細書およびDahlquistの米国特許第５１１６７４８号明細書に説明されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
【００２９】
[0051]図９Ａ、９Ｂケーブル巻き上げ機構２１０の実施形態を示し、これは、移動シートまたはウェブ２４０の横断方向に沿うスキャナヘッド２３０の運動を容易にする。フレーム２１２の一方の側部上に配置されるのは第１固定回転プーリー２１４であり、これは、ピン２１６によりフレームに固定される。フレームの他方の側部に位置決めされるのは、第２固定回転プーリー２１８であり、これはピン２２０により固定される。ピン２１６、２２０間の距離は、好ましくは１メートルから１２メートルの範囲である。２つの固定回転プーリー２１４、２１８の直径は、好ましくは同一である。各プーリーは、好ましくは、外側周辺に溝を備え、これは、可撓性ケーブルを収容できる寸法である。
【００３０】
[0052]フレーム２１２内に位置し、２つの固定プーリー２１４、２１８の間に位置決めされているのは、可動または並進プーリー２２１、２２４のペアであり、これらは剛体部材２２８により互いに連結される。可動プーリー２２１、２２４のペアは、それぞれピン２２、２２６によりレール２４２固定され、これは、可動プーリー２２１、２２４が固定回転プーリー２１４、２１８の間の直線経路に沿って前後に移動することを可能にする。好ましくは、可動プーリー２２１、２２４の直径は同一であるが、好ましくは、固定回転プーリー２１４、２１８の直径よりも小さい。４つのプーリー２１４、２１８、２２１、２２４は、好ましくは水平軸に沿って整列される。
【００３１】
[0053]光ファイバセンサシステムが反射モードで動作する場合、単一の巻き上げ機構だけが必要とされ、光ファイバケーブル１０６（図８Ａ）を表す光ファイバケーブル２３６は、部分的にプーリー２２１、２１８の周りに巻かれる。ケーブル２３６は、センサヘッド２３０のところで終端し、位置２３２におけるケーブルは、フレーム２１２または他の静止構造に固定される。光ファイバケーブル１１６（図８Ａ）を表す他の光ファイバケーブル２３７は、部分的にプーリー２２４、２１４の周りで巻かれる。また、ケーブル２３７はセンサヘッド２３０のところで終端し、位置２３４におけるケーブルは、フレーム２１２または他の静止構造に固定される。ケーブル２３６、２３７の両方は、過度な緩みを避けるために十分な張力を備えるように固定されるべきである。２つの端部を固定するのにバネまたは他の張力装置は必要ではない。
【００３２】
[0054]スキャナヘッド２３０は、ケーブル２３６、２３７に作動的に接続され、移動シート２４０の側部の間で横断方向に沿って前後にスキャンする。リンクされた並進プーリー２２１、２２４は、スキャナヘッド２３０の移動方向の反対方向に移動し、半分のスピードで移動する。このようにして、ケーブル２３６、２３７は、スキャナヘッド２３０が移動中であっても、一方の端部２３２から他方の端部２３４を通じて緊張した状態を維持する。他の実施形態において、巻き上げ機構が長時間動作すると、ケーブルの多少の変形（creep）が形成されうることが考えられる。したがって、巻き上げ機構が、端部２３２、２３４の一方または両方にバネまたは他の張力装置を備えるようにすることができる。これは、ケーブルの過度の緩みを防止し得る。代替的に、バネを、可動プーリー２２１、２２４のペアの間のような巻き上げ機構の他の部分に位置決めすることができる。この場合、剛体部材２２８により接続される代わりに、バネ装置を備える部材を２つの可動プーリー２２１、２２４を接続するのに採用することができる。
【００３３】
[0055]明らかなように、図９Ａ、９Ｂに示されるケーブル巻き上げ機構において、光ファイバケーブルは、プーリーの列に周りに案内され、プーリーは各光ファイバケーブルの曲げ直径を決定する。ケーブルは画定されたルートを通して操作される。並進プーリー２２１、２２４のセットは、バネまたは負荷装置を必要とせずにケーブルが張力状態に維持されることを可能にする。同期して移動する並進プーリーは、各ケーブルの長さにわたってケーブルの張力が実質的に一定に維持されることを確保するスキャニングヘッド２３０と逆方向の並進プーリーの運動は、各ケーブルを所定方向に配分するように機能し、これは、スキャナヘッド２３０を移動させる力に応じて必要とされる。図９Ａ、９Ｂに示されるように、スキャナヘッド２３０が一方の側部からケーブル巻き上げ機構の中間に向かって移動するとき、固定回転プーリー２１４および並進プーリー２２４の間の１つのケーブルの長さの減少は、固定回転プーリー２１８と並進プーリー２２１との間の他のケーブルの対応する長さの増加により相殺または埋め合わされる。
【００３４】
[0056]スキャナヘッド２３０は、多数の機構により横断方向に往復移動することができる。一実施形態において、図１０に示されるように、ケーブル巻き上げ機構２６０は、レール２６２、２６４、固定回転プーリー２６６、２６８、およびロッド２９４によりリンクされる可動プーリー２８０、２８２のペアを含む。キャリッジ２７２は、レール２６２、２６４の頂部上に静置され、これは、前後に移動するときにキャリッジ２７２のための低摩擦ガイドとして機能する。キャリッジ２７２は、ローラー付きの台とすることができ、スキャナヘッド２７４を支持する。本構成において、スキャナヘッド２７４は、分析されるウェブの下に位置決めされる。しかし、ウェブの頂部表面の特性を測定するためにスキャナヘッド２７４がウェブの真上になるように、またはウェブに対して傾斜するスキャナヘッド２７４となるケーブル巻き上げ機構２６０を採用することができる。
【００３５】
[0057]反射モードにおいて、スキャナヘッド２７４は、図７に示される構成を備えることができる。したがって、検出信号は、スキャナヘッド２７４からケーブル２７０を通って区画２７８まで伝達される。キャリッジ２７２は、ベルト２８４に接続され、ベルト２８４は、モーター２９０に作動的に接続される駆動プーリー２７６および駆動プーリー２８８の周りに巻かれる。動作において、モーター２９０の制御は、キャリッジ２７２の運動のスピードおよび方向を調整する。代替的に、ベルト２８４は、可動プーリー２８０、２８２のペアをリンクするロッド２９４に直接的に固定される。この様式において、モーター２９０の駆動は、ケーブル２７０も移動させる。他の代替形態として、モーター２９０は、スキャナヘッド２７４を駆動するために固定回転プーリー２６６に作動的に接続することができる。
【００３６】
[0058]光ファイバスキャナセンサが、図８Ｃに示されるような、測定される物の両側上の別個の巻き上げ機構を備える透過モードで動作する場合、図９Ａ、９Ｂに示されるようなケーブル巻き上げ機構２１０は、実質的に前述したのと同じように動作し、ただし、ケーブル２３６、２３７の一方だけが、伝達光ファイバケーブル１０６または１１６（図８Ｃ）である。他のケーブルは、対称性を維持する非駆動ケーブルを有する。
【００３７】
[0059]光ファイバスキャニングセンサが、単一の巻き上げ機構とともに図８Ａに示されるような反射モードで動作する場合、図９Ａ、９Ｂに示されるようにケーブル巻き上げ機構２１０、ケーブル２３６またはケーブル２３７は、ファイバケーブル１０６、１１６（図８Ｃ）の両方の伝達を含む単一のケーブル構造を構成する。この様式において、２つの光ファイバケーブルは、巻き上げ機構を通して同一の広がりを持つ経路に沿って配分される。他のケーブルは、対称性を維持するための非活動のケーブルを備えることができる。代替的に、２つの伝達光ファイバケーブルは、別々に、しかし隣り合わせに配備され、巻き上げ機構のプーリーは、これらに適合するために二重溝を備える。非活動のケーブルのペアは、対称性を維持するために隣り合って配備される。
【００３８】
[0060]ケーブル巻き上げ機構により、光学ヘッドがスキャニング中に前後に移動するときの全体の曲げ損失は実質的に保護される。これは、２つ以上の異なる波長幅における相対的なパワーを測定する分光センサを使用するスキャナーに重要である。光ファイバ内の曲げ損失は、曲げ半径および全曲げ長に依存する。可動光学ヘッドがスキャンするときに曲げ長または曲げ半径が変化する場合、測定誤差が導入されるであろう。ケーブル巻き上げ機構は、光学ヘッドが移動するときでも角度のついた曲げ長および曲げ半径を一定に維持し、これは、センサ誤差を最小化する。（しかし曲げ位置は変化することに注意されたい。）光ファイバの曲げ長さは、円の一部であるアークの長さに類似している。アークの曲げ長さは、直径とラジアンで測定する２つの半径の間の角度との積に等しい。９０°にわたるアークは、４５°にわたる同じ半径のアークの２倍の曲げ長さを備える。ケーブル巻き上げ機構は、スキャニング中に、実質的に同一の全曲げ長さを維持する。曲げ長さおよび２つの伝達光ファイバ１０６、１１６の間の張力を制御することは、電源と検出光ファイバケーブルの間の光学経路差を保護するのを助ける。
【００３９】
[0061]光ファイバセンサは、製紙システム内の水性混合物の物理的特性を測定するのに用いることができ、また、ウェットエンドのセルロース、温度、および水分の測定を得るのに特に好適である。光ファイバセンサは、本明細書においては、スキャニングシステムの一部として示されるが、光ファイバセンサは、標準的な複合技術を用いて複数の固定位置において採用することができる。図１１は、紙材料７４を含む連続シートを製造するための典型的な製紙システムを示し、これは、ヘッドボックス６０、スチームボックス６２、カレンダリングスタック７０、巻き上げリール７２、および発明的な光ファイバセンサシステムを含むスキャナシステム８０を備える。ヘッドボックス６０において、アクチュエータは、横断方向（cross direction,ＣＤ）に沿って支持ワイヤまたはウェブ６６上へのウェブストックの放出を制御するために構成される。ワイヤ６６の頂部を形成する繊維材料のシートは、ローラ６４、６８の間で機械方向（machine direction,  ＭＤ）に移動するように導かれ、カレンダリングスタック６０を通り、カレンダリングスタック６０は紙のウェブに付与される圧縮圧力を制御するアクチュエータを含む。製紙システムは、スチームボックス６２に先行する圧縮区域を含み、ここでシートから水が機械的に除去され、ウェブが固められる。その後、水はドライヤセクションにおいて蒸発により除去される。仕上げられたシート製品７４は、リール７２上に集められる。
【００４０】
[0062]スキャナシステム８０は、全体として、水平に延びるガイドトラック８４のペアを含み、これは、紙製品７４の幅に及ぶ。ガイドトラックは、直立する柱８２により対向する端部において支持され、紙製品７４がトラックの間を移動することができるようにするための十分な垂直距離が空けられる。センサは、測定が行われるときに紙製品７４上を往復移動するキャリッジ８６に固定される。紙製造におけるオンラインスキャニングセンサシステムは、Dahlquistの米国特許４８７９４７１号明細書、Dahlquistらの米国特許台５０９４５３５号明細書、Dahlquistの米国特許台５１６６７４８号明細書に開示されており、これらは参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【００４１】
[0063]光ファイバセンサシステムで、ワイヤ６６から形成セクションを紙が出た直後に製紙プロセスの早い段階で測定できることが期待できる。さらに、広帯域光源を使用することで、センサは全スペクトル解析を行うことができ、制限された環境の不良空間において測定スピードおよび再現性を維持することができる。監視される製品の複数のパラメータを含む測定値はよりロバスト性があると期待できる。紙の場合、水分含有量の他に、セルロースの量、シート温度を確認することができる。これらの追加的な測定は、スペクトル分解能およびセンサの範囲を増加させ、赤外スペクトル付近の迅速で正確な分解能を生成することで可能になる。小さな、ロバスト性のあるセンサにおけるこれらの追加の測定の存在により、製紙機におけるより厳しい制御ループのために、温度およびファイバ（セルロース）重量のパラメータを制御することが可能になる。
【００４２】
[0064]紙の望ましい特性は、標準的な化学測定技術により決定される。たとえば、赤外スペクトル（独立変数）のような多変量解析測定を成分の濃度および物理的特性（従属変数）に関連付けるために多変量モデルが用いられる。これらのモデルの較正において、データ（スペクトルおよび濃度／特性）は、較正サンプルのセットのために測定され、従属変数を独立変数に関連付けるために回帰モデルが展開される。多変量の数学技術は、典型的には、市販のソフトウェアプログラムを実行するのに好適な汎用目的のコンピュータにおいて実行される。現在、多数のソフトウェアパッケージが利用可能である。利用可能なソフトウェアパッケージは、限定するわけではないが、カリフォルニアのOrbital Sciences of Pomonaからの「AnaGrams」、マサチューセッツ、ネーティックのThe Math Works, IncからのＭＡＴＬＡＢ（登録商標）、ワシントン、WoodinvilleのInformetrix, Incから入手できるPirouette（商標）、およびニューハンプシャー州、セーレムのThermo Galacticから入手できるSpectral ID（商標）を含む。
【００４３】
[0065]上記のように、本発明の原理、実施形態、および動作モードが説明された。しかし、本発明は、議論された具体的な実施形態に限定されるべきものではない。上述の説明された実施形態は、限定的なものではなく例示的なものであると解釈されるべきであり、当業者により、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、これらの実施形態の様々な変更が可能であることを理解されたい。
【図１】
2012532324.tif 000003
【図２】
2012532324.tif 000004
【図３】
2012532324.tif 000005
【図４】
2012532324.tif 000006
【図５】
2012532324.tif 000007
【図６】
2012532324.tif 000008
【図７】
2012532324.tif 000009
【図８Ａ】
2012532324.tif 000010
【図８Ｂ】
2012532324.tif 000011
【図８Ｃ】
2012532324.tif 000012
【図９Ａ】
2012532324.tif 000013
【図９Ｂ】
2012532324.tif 000014
【図１０】
2012532324.tif 000015
【図１１】
2012532324.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月13日(2012.3.13)
【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（１０）における複数のパラメータを測定するために、検出ビーム経路に沿う検出放射を生成するように、構成物上に照射光を導くように構成されるセンサシステムであって、前記センサシステムは、
高輝度光源（１２）と、
前記高輝度光源（１２）から検出放射（４、６）を生成する手段と、を有し、前記検出放射は、前記構成物（１０）における複数のパラメータを検出するために予め決定される波長範囲を備え、
前記センサシステムはさらに、前記検出放射を光学ヘッド（１４、１２８）へ伝達する光ファイバ放射伝達システム（１８）を有し、前記光学ヘッドは、検出放射を前記構成物（１０）に導くように機能する第１光学系（１３６）と、前記構成物（１０）から出る検出光を光ファイバ放射回収システム（２０）へ導くように機能する第２光学系（１３０）とを有し、
前記センサシステムはさらに、前記光ファイバ放射回収システム（２０）からの光を受け取り且つ測定するように作動する検出器（１６）と、
前記検出ビーム経路内に配置される分散要素（１３）と、
前記構成物（１０）の前記複数のパラメータを計算するために、前記光ファイバ放射回収システム（２０）からの光（１５）を分析する手段と、を有する、センサシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサシステムであって、高輝度光源（１２）は、ファイバースーパーコンティニウム源を有する、センサシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のセンサシステムであって、前記分散要素（１３）は、チューナブルバンドパスフィルタまたは回折分光器である、センサシステム。
【請求項４】
請求項２に記載のセンサシステムであって、前記検出器（１６）は、検出器アレイ（５２）を有し、前記分散要素（１３）は、回折分光器または線形可変フィルタを有する、センサシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサシステムであって、前記高輝度光源（１２）は、複数のスーパールミネッセント発光ダイオード（２）および光学マルチプレクサを有し、前記マルチプレクサは、（ｉ）前記複数のスーパールミネッセント発光ダイオード（２）からの光を受け取るように構成される入力部と、（ｉｉ）前記光ファイバ放射伝達システム（１８）へ光を伝達するように構成される複数の出力部と、を有する、センサシステム。
【国際調査報告】
2012532324.tif 000017
2012532324.tif 000018