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JP2019015604A - 測定装置 - Google Patents

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JP2019015604A JP2017132960A JP2017132960A JP2019015604A JP 2019015604 A JP2019015604 A JP 2019015604A JP 2017132960 A JP2017132960 A JP 2017132960A JP 2017132960 A JP2017132960 A JP 2017132960A JP 2019015604 A JP2019015604 A JP 2019015604A
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Kazuki SETSUDA
和紀 節田
千田　直道
Naomichi Senda
直道 千田
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

【課題】測定対象物の測定可能とする厚みの範囲を広げる。【解決手段】検査対象物を透過した電磁波の検出結果に基づいて、検査対象物の特性を測定する測定装置であって、照射部と、集光部と、検出部と、を備える。照射部は、検査対象物に電磁波を照射する。集光部は、検査対象物を透過した電磁波のうち、検査対象物に対向する入射端への入射角が所定の入射角以内である電磁波を特定の集光面に導く反射面を有する。検出部は、集光面に導かれた電磁波を検出する。【選択図】図３

Description

本発明は、測定装置、例えば、紙などのシート状の測定対象物の特性を測定する測定装置に関する。
紙の製造工程では、水分量の測定・制御は極めて重要である。紙は重量で取引されるが、水分量によって重量が変化するため、重量測定時の水分量は厳しく管理されている。そのため、抄紙工程では紙の水分率をモニタする水分測定センサが必要とされている。水分量の測定方法として一般的な手法には、例えば、近赤外線により測定された吸光度について多変数量解析を行って水分量を算出する手法と、マイクロ波の共振周波数に基づいて水分量を測定する手法とがある。
近赤外線により測定された吸光度に基づいて水分量を算出する測定装置として、従来から赤外線吸収型水分計が提案されている。赤外線吸収型水分計は、図１に示すようにフレーム１０（Ｏ型フレーム）、上部センサヘッド１１及び下部センサヘッド１２を備える。上部センサヘッド１１及び下部センサヘッド１２は、フレーム１０に係合し、Ｙ方向に上部センサヘッド１１と下部センサヘッド１２がＹ方向の同じ位置になるように同期して往復駆動される。上部センサヘッド１１と下部センサヘッド１２との間には、測定対象物である紙Ｐが非接触の状態で搬送機構により、図面に対して奥から手前の方向に向けて搬送される。
赤外線吸収型水分計では、図５に示すように紙Ｐを挟んで上方の構成物が上部センサヘッド１１に、下方の構成物が下部センサヘッド１２に設置されている。例えば、上方の構成物として、光源部と内面反射鏡２２（ライトパイプ）を備え、下方の構成物として、受光部として検出器３３が設置される。
光源部には、水に大きく吸収される１．９４μｍの波長λ１、紙の原料の大部分であるセルロースに大きく吸収される２．１μｍの波長λ２、水、セルロースのいずれにも吸収されない１．７μｍの波長λ３のそれぞれの波長を放射する発光素子２１ａ〜２１ｃを配置した基板ＳＢを設置する。基板ＳＢとして、例えば、プリント基板、セラミックス基材が用いられる。内面反射鏡の入射端２２ａには、発光素子を極力接近させる。
内面反射鏡２２は、角錐型の形状を有し、光源部から放射される赤外線を紙の方向に反射する。従って、光源部から放射された赤外線は紙Ｐを透過し、検出器３３は紙を透過した赤外線を受光する。水分率を算出するために、検出器３３は、次の波長λ１〜λ３を有する赤外線の吸光度を測定する。
内面反射鏡２２の下部から数ｍｍの隙間を空けて測定対象物である紙Ｐが配置される。紙Ｐの下部には、さらに数ｍｍの隙間を空けて内面反射鏡のほぼ光軸ＡＸ上に検出器３３が配置される。検出器３３は、内面反射鏡２２の出射端２２ｂから出射される光束を受光し、検出回路（図示せず）と演算処理部（図示せず）を用いて各波長の透過減衰率を求める。演算処理部は、例えば、波長λ１の強度と波長λ３の強度から水の透過減衰率を定め、定めた透過減衰率に基づいて水分量を測定する。波長λ１、λ２、λ３の光源はそれぞれ異なる周波数で変調の上点灯して、検出器３３で検出した信号を周波数によって各波長の強度を弁別する。また、演算処理部は、波長λ２の強度と波長λ３の強度からセルロースの透過減衰率を定め、定めた透過減衰率に基づいて紙の組成の大部分を示すセルロース量を測定する。演算処理部は、水分量をセルロース量で除算して水分率を算出する。このように、赤外線吸収型水分計は、単一のセンサによりセルロース量と水分量の比率から水分量を測定することができる。また、赤外線吸収型水分計は、測定分解能が高いため、紙用の水分計としては最も普及している。
図６は、測定装置の他の例を示す概略ブロック図である。図６に示す測定装置は、マイクロ波の共振周波数に基づいて水分量を測定するマイクロ波水分計である。測定対象物である紙Ｐよりも上部の構成物が上部センサヘッドに設置され、紙Ｐよりも下部の構成物が下部センサヘッドに設置される。マイクロ波水分計は、紙を挟んで上下に分割された空洞からなる空洞共振器を有する。マイクロ波水分計は、この空洞の中でマイクロ波を共振させる発振器（ＯＳＣ：Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を有する。発振器は、発振するマイクロ波の周波数をコントローラにより走査し、信号変換部は、空洞共振器のインピーダンスが最大となる周波数を電圧に変換して出力する。共振周波数は、空洞共振器内に挟まれる誘電体（紙に含まれる水分量）により変化する。演算処理部は、既知の共振周波数と水分量との関係を参照して、測定された共振周波数に対応する水分量を定めることができる。そして、図示しない坪量センサからの坪量信号を用いて水分率を演算により求めていた。
特開２０１２−１７３２４９号公報
従来の赤外線吸収型水分計では、紙の繊維による拡散の影響や、カーボンなどの添加物が含まれる場合にはその影響により、繊維やカーボンなどが多量に含まれる厚い（高坪量）紙では、受光器への到達光の強度が著しく低下する。坪量とは、紙の厚さの単位であり、１ｍ２当たりの紙の重量を意味する。そのため、従来の赤外線吸収型水分計では、透過減衰率、ひいては水分量や水分率を測定できないことがあった。そのような厚い紙を測定対象とするには、マイクロ波水分計を用いることになるが、マイクロ波水分計は水分量しか測定できないので、水分率を測定するには坪量計を別途要する。また、マイクロ波水分計は、共振周波数に基づいて水分率を定めるため測定誤差が大きくなりがちである。その他、マイクロ波水分計は、紙温による影響を低減するための温度補償を要する点、紙Ｐが通過する共振器の断面が大きいため局所的な水分量の変化を測定できない点、装置構成が複雑なため高価になりがちな点、などの課題を有する。そのため、水分量や水分率の測定において、赤外線吸収型水分計を極力利用することが期待されていた。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、測定対象物の測定可能とする厚みの範囲を広げることができる測定装置を提供する。
（１）本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、検査対象物を透過した電磁波の検出結果に基づいて、前記検査対象物の特性を測定する測定装置であって、前記検査対象物に電磁波を照射する照射部と、前記検査対象物を透過した電磁波のうち、前記検査対象物に対向する入射端への入射角が所定の入射角以内である電磁波を特定の集光面に導く反射面を有する集光部と、前記集光面に導かれた電磁波を検出する検出部と、を備える測定装置である。
（２）本発明の他の態様は、上述した測定装置であって、前記特定の集光面は、前記検出部に対向する出射端における開口面である。
（３）本発明の他の態様は、上述した測定装置であって、前記反射面の形状は、複合放物面である。
（４）本発明の他の態様は、上述した測定装置であって、前記集光部の入射端の開口面積は、前記検査対象物に電磁波が照射される照射面積よりも大である。
（５）本発明の他の態様は、上述した測定装置であって、前記検査対象物の形状は、シート状である。
（６）本発明の他の態様は、上述した測定装置であって、前記電磁波は、複数の波長の成分を含む赤外線、可視光線または紫外線であり、前記特性は、前記検査対象物に含まれる液体の量又は率である。
（７）本発明の他の態様は、上述した測定装置であって、前記電磁波は、前記検査対象物の主成分による吸収率よりも前記検査対象物に含まれる前記液体による吸収率が高い第１波長成分と、前記液体による吸収率よりも前記主成分による吸収率が高い第２波長成分と、前記液体による吸収率が前記第１波長成分よりも低く、かつ前記主成分による吸収率が前記第２波長成分よりも低い第３波長成分と、を含む。
本発明によれば、測定対象物の測定可能とする厚みの範囲を広げることができる。
本発明の一実施形態に係る測定装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る測定装置が備える上部センサヘッド及び下部センサヘッドの内部構成を示す正面透視図である。 本発明の一実施形態に係る測定装置が備える下部センサヘッドの内部構成を示す正面透視図である。 本発明の一実施形態に係る測定装置が備える上部センサヘッド及び下部センサヘッドの内部構成の他の例を示す正面透視図である。 従来の測定装置が備える上部センサヘッド及び下部センサヘッドの内部構成を示す正面透視図である。 従来の空洞共振型水分計の構成を示す概略ブロック図である。
以下、図面を参照し、本発明に係る測定装置の実施形態について説明する。以下の説明では、理解を容易にするために、主に本実施形態に係る測定装置を赤外線分析装置の一種である赤外線吸収型水分計に適用した例に挙げる。その他、本実施形態は、坪量計（紙厚計）等、異なる測定対象についても応用することができる。
図１は、本発明の一実施形態による測定装置１の概略構成を示す斜視図である。図１に示す通り、測定装置１は、フレーム１０（Ｏ型フレーム）、上部センサヘッド１１（第１ヘッド）、及び下部センサヘッド１２（第２ヘッド）を備えており、例えば製紙工場に設置された抄紙機に取り付けられ、抄紙機で製造された紙Ｐ（検査対象物）に含まれる水分率の測定を行う。
各部材の位置関係を説明する際、図中に設定したＸＹＺ直交座標系を参照することがある。但し、説明の便宜のため、各図に示すＸＹＺ直交座標系の原点は共通とせず、各図毎にその位置が異なりうるものとする。図１に示すＸＹＺ直交座標系において、Ｘ軸が紙Ｐの搬送方向Ｄ１に沿う方向、Ｙ軸が紙Ｐの幅方向に沿う方向、Ｚ軸が鉛直方向に沿う方向にそれぞれ設定されている。
フレーム１０は、外部形状として長手方向と短手方向を有する略四角環形状の部材である。フレーム１０は、その開口部ＯＰ内において上部センサヘッド１１及び下部センサヘッド１２を長手方向に往復運動可能に支持する。具体的に、フレーム１０は、長手方向が紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に沿う方向に設定されるとともに短手方向が鉛直方向（Ｚ方向）に沿う方向に設定され、紙Ｐが開口部ＯＰのほぼ中央を通過するように配置される。
つまり、フレーム１０は、搬送される紙Ｐの上方に上部センサヘッド１１が配置されるとともに、搬送される紙Ｐの下方に下部センサヘッド１２が配置されるように、紙Ｐに対して位置決めがなされている。図１においては図示を省略しているが、フレーム１０は、上部センサヘッド１１を紙Ｐの表面に沿って長手方向に往復運動させる機構と、下部センサヘッド１２を紙Ｐの裏面に沿って長手方向に往復運動させる機構とを備える。これらの機構を同じように駆動すれば上部センサヘッド１１と下部センサヘッド１２とを同期させて往復運動させることができる。
上部センサヘッド１１は、上述の通り、紙Ｐの表面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持されている。上部センサヘッド１１は、紙Ｐの表面に向けて波長の異なる複数の赤外光（近赤外光）を照射する。具体的には、水による吸収率がセルロースによる吸収率よりも高い波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光、紙の大部分を占める成分であるセルロースによる吸収率が水による吸収量よりも高い波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光、及び水ならびにセルロースによる吸収率がそれぞれ波長λ１、λ２における吸収率よりも低い波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光が紙Ｐの表面に照射される。
下部センサヘッド１２は、上述のように、紙Ｐの裏面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持され、紙Ｐを透過した近赤外光を受光する。下部センサヘッド１２によって受光された近赤外光の検出結果に基づいて紙Ｐに含まれる水分が測定される。下部センサヘッド１２は、搬送方向Ｄ１（Ｘ方向）に搬送される紙Ｐを挟んで上部センサヘッド１１とを同期させて紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に往復運動するので、図１に示すジグザグ状の測定ラインＬ１に沿って紙Ｐに含まれる水分量が測定されることになる。
次に、上部センサヘッド１１及び下部センサヘッド１２の内部構成について説明する。図２は、測定装置１が備える上部センサヘッド１１及び下部センサヘッド１２の内部構成を示す正面透視図である。図２では、上部センサヘッド１１及び下部センサヘッド１２の筐体の図示が省略されている。上部センサヘッド１１については一部断面図を織り交ぜて図示している。図２に示すように、上部センサヘッド１１は、電磁波を照射する照射部をなす光源として発光素子２１ａ〜２１ｃと内面反射鏡２２（ライトパイプ）とを備える。
発光素子２１ａ〜２１ｃは、紙Ｐの表面に照射する近赤外光を出射する。発光素子２１ａ〜２１ｃは、例えば、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ；レーザダイオード）又はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；発光ダイオード）などの半導体発光素子である。具体的には、発光素子２１ａは、水による吸収率がセルロースによる吸収率よりも十分に高い波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光を出射する。発光素子２１ｂは、セルロースによる吸収率が水による吸収率よりも十分に高い波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光を出射する。発光素子２１ｃは、水及びセルロースによる吸収率が、それぞれ波長λ１、λ２よりも十分に低い波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光を出射する。これら発光素子２１ａ〜２１ｃは、プリント基板やセラミックス基板等の平板状の基板ＳＢ上に一定の間隔をもって直線状又は平面状に配列される。
内面反射鏡２２は、発光素子２１ａ〜２１ｃと紙Ｐとの間に配設されており、発光素子２１ａ〜２１ｃから出射される近赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化する多角形状の光学素子である。具体的に、内面反射鏡２２は、ＸＹ平面内における形状が四角形状であって発光素子２１ａ〜２１ｃからの近赤外光が入射される入射端２２ａと、ＸＹ平面内における形状が入射端２２ａと相似形状であって多重反射した近赤外光が出射される出射端２２ｂとを有する。また、内面反射鏡２２は、出射端２２ｂが入射端２２ａよりも大に形成されたテーパー状の形状を有する。
具体的に、内面反射鏡２２は、例えば、入射端２２ａの一辺の長さが数ｍｍ程度に設定され、出射端２２ｂの一辺の長さが十数ｍｍ〜数十ｍｍ程度に設定される。ここで、内面反射鏡２２から出射される近赤外光のスポット径は紙Ｐ上に設定される測定領域と同程度の大きさに設定され、内面反射鏡２２から出射される近赤外光のスポット径は出射端２２ｂの大きさに応じて規定される。そのため、出射端２２ｂの大きさは紙Ｐ上に設定される測定領域の大きさと同程度になるように設定される。なお、内面反射鏡２２は、基板ＳＢ上に搭載された発光素子２１ａ〜２１ｃが入射端２２ａに極力近接し、かつ、紙Ｐの表面との間の間隔が数ｍｍ程度となるように、発光素子２１ａ〜２１ｃと紙Ｐとの間に配設される。
ここで、内面反射鏡２２の中心軸に沿う光軸ＡＸから外れた位置に配置されている発光素子２１ａから出射されて経路Ｐ１，Ｐ２を通過する近赤外光について考える。経路Ｐ１を通過する近赤外光は、光軸ＡＸに対して、発光素子２１ａからθ１の角度をもって出射されて入射端２２ａから内面反射鏡２２内に入射する。そして、経路Ｐ１を通過する近赤外光は、内面反射鏡２２の内面で２回反射される度に光軸ＡＸとのなす角度が徐々に小さくなり、最終的には光軸ＡＸに対してなす角度がθ２（θ１＞θ２）になって出射端２２ｂから出射される。経路Ｐ２を通過する近赤外光も同様に、内面反射鏡２２の内面で１回反射されることにより光軸ＡＸに対してなす角度が小さくなって出射端２２ｂから出射される。
このように、入射端２２ａから内面反射鏡２２内に入射した近赤外光は、内面反射鏡２２の内部で反射（多重反射）されることにより光軸ＡＸとのなす角度が徐々に小さくされて出射端２２ｂから出射される。このため、近赤外光が入射端２２ａに入射する際の光軸ＡＸに対する角度（発光素子２１ａ〜２１ｃから出射される近赤外光の角度）が異っていても、内面反射鏡２２からは光軸ＡＸに対して略平行にされた近赤外光が出射される。このため、スポット径が必要以上に広がることなく均一な強度分布を有する近赤外光が、紙Ｐの表面に照射される。
他方、図２に示すように、下部センサヘッド１２は、保護窓３１と、集光器３２と、検出器３３と、を備える。
保護窓３１は、集光器３２への紙Ｐその他の物体の付着を回避し、発光素子２１ａ〜２１ｃから出射される近赤外光を透過する物質からなる。かかる物質は、例えば、珪酸塩（ガラス）である。
集光器３２は、開口部を有し、紙Ｐの裏面から保護窓３１を透過した近赤外光が入射端３２ｂとして開口部の表面に入射される。開口部の表面、裏面とは、それぞれ開口部の主面のうち紙Ｐに対向する面、検出器３３に対向する面を指す。集光器３２は、入射した近赤外光を集光し、入射角が所定の入射角以内となる近赤外光を出射端３２ｃとして開口部の裏面に導き、出射端３２ｃに導かれた近赤外光を検出器３３に出射する。集光器３２は、金属、ガラスなど機械的に安定な物質からなり、その内側面に反射面３２ａが形成される。反射面３２ａは、金、など入射される近赤外光に対する反射率が十分に高い物質でコーティングされている。集光器３２のより詳細な構成については、後述する。
検出器３３は、その受光面が光軸ＡＸの延長線上に位置し、受光面とこれに対向する集光器３２の出射端３２ｃとの間隔が数ｍｍ以下となるように、紙Ｐの下方に配置される。従って、検出器３３は、紙Ｐと集光器３２を介して得られる近赤外光（紙Ｐの表面に入射され、紙Ｐの裏面から透過した近赤外光）を検出する。検出器３３は、受光素子として、例えば、ＰｂＳ素子、Ｇｅ素子、又はＩｎＧａＡｓ素子を用いることが可能である。
ここで、ＰｂＳ素子は、硫化鉛を主成分とする光導電素子であって、約０．６〜３．０μｍの波長域の光の検出を可能とする。ＰｂＳ素子の検出感度は、波長２．０μｍ付近において最大となる。Ｇｅ素子は、ゲルマニウムを主成分とする光導電素子である。Ｇｅ素子によれば、約０．６〜１．８μｍの波長域の光の検出を可能とする。ＩｎＧａＡｓ素子は、インジウム、ガリウム、及び砒素を主成分とする三元混晶半導体素子である。ＩｎＧａＡｓ素子は、約０．９〜２．３μｍの波長域の光の検出を可能とし、波長１．５〜１．８μｍ付近において検出感度が最大となる。
次に、下部センサヘッド１２の内部構成についてより詳細に説明する。図３は、下部センサヘッド１２の内部構成を示す正面透視図である。
図３に示す例では、集光器３２は、表面から裏面まで通貫した開口部を有する複合放物面型集光器（ＣＰＣ：Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）である。開口部の内側面に形成された反射面３２ａの形状は、複合放物面である。反射面３２ａは、Ｚ軸を回転軸として回転対称性を有する。反射面３２ａとＺ軸を通る断面とが交差する曲線は、放物線となる。反射面３２ａと、その回転軸を通りＸ軸に平行な断面とが交差する放物線上のＸ座標とＺ座標との関係は、式（１）で表される。
Figure 2019015604
破線Ｃは、放物線の軸を示し、角度θは、軸ＣとＺ軸とのなす角を示す。開口部の表面に形成される入射端３２ｂ、開口部の裏面に形成される出射端３２ｃは、Ｚ軸を中心とする同心円となり、入射端３２ｂの半径ｄ２は、出射端３２ｃの半径ｄ１よりも大きい。出射端３２ｃの周縁部には、反射面３２ａの焦点Ｆが形成される。このような構成により、集光器３２の表面に配置された保護窓３１を介して入射端３２ｂに入射する光のうち、入射角が角度θよりも小さい成分の反射面３２ａによる反射光が出射端３２ｃから出射する。即ち、角度θは、反射光が出射端３２ｃから出射可能とする角度となる。この角度θを許容受光角と呼ぶ。従って、集光器３２の厚みＬは、（ｄ１＋ｄ２）ｃｏｔθとなる。式（１）のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅがそれぞれ、−６．８、８．６、１．９、０．２５、−０．３２であるとき、θは、４５度となる。
検出器３３は、窓材３４と、受光素子３５と、リード線３６と、を備える。
窓材３４は、受光素子３５の周囲を覆い、出射端３２ｃから出射される近赤外光を透過する物質からなる。これにより、受光素子３５に他の物体が接触することが回避される。
受光素子３５は、出射端３２ｃから出射され、窓材３４を透過した近赤外光を受光する。受光素子３５は、その表面（受光面）が光軸ＡＸに垂直、かつその中心を光軸ＡＸの延長線上とする位置に設置される。入射端３２ｂの開口面積は、出射端３２ｃの開口面積よりも大きいため、受光素子３５に近赤外光が照射される照射面積よりも大きい。そのため、集光器３２を介さずに受光される場合よりも、照射される近赤外光の強度が高くなる。受光素子３５は、受光した光の強度に応じた電圧を発生し、発生した電圧を有する検出信号を取り出すためのリード線３６が取り付けられている。取り出された電気信号の電流、電圧または抵抗変化により、その受光素子３５に到来した光の強度が検出される。
次に、上記構成の測定装置１の動作について説明する。測定装置１の動作が開始されると、フレーム１０に設けられた駆動機構（図示せず）によって上部センサヘッド１１と下部センサヘッド１２とが駆動される。上部センサヘッド１１及び下部センサヘッド１２は、紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に同期して往復運動する。上部センサヘッド１１及び下部センサヘッド１２の駆動が開始されると同時に、上部センサヘッド１１に設けられた発光素子２１ａ〜２１ｃの駆動も開始される。これにより、発光素子２１ａからは波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光、発光素子２１ｂからは波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光、発光素子２１ｃからは波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光がそれぞれ出射される。それぞれの光源は、互いに異なる周波数で強度を変調して点灯する。
発光素子２１ａ〜２１ｃから出射された近赤外光は、入射端２２ａから内面反射鏡２２内に入射し、内面反射鏡２２の内部で多重反射されることにより光軸ＡＸと入射方向とのなす角度が徐々に小さくされる。そのため、近赤外光は、内面反射鏡２２の内部において強度分布が均一化されて出射端２２ｂから紙Ｐの表面に照射される。紙Ｐの表面に照射された近赤外光は、その一部の成分が紙Ｐの表面で反射もしくは散乱され、残りの成分が紙Ｐを透過する。
紙Ｐを透過した近赤外光は、保護窓３１を介して集光器３２の入射端３２ｂに入射する。入射端３２ｂに入射した近赤外光のうち、最大入射角よりも入射角θが小さい成分は、反射面３２ａで集光され出射端３２ｃから出射する。出射端３２ｃから出射した近赤外光は、窓材３４を介して受光素子３５に照射される。よって、照射された近赤外光の強度が、観測可能となる。出射端３２ｃと受光素子３５との間には、間隙があるため、出射端３２ｃから出射される近赤外光の一部は受光素子３５に照射されないが、その割合は無視できる程度である。
測定装置１は、さらに検出回路（図示せず）と演算処理部（図示せず）とを備える。
検出回路は、受光素子３５から入力された検出信号を増幅された後で近赤外光の波長成分毎に分離して、波長λ１、λ２、λ３の近赤外光に対応した測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を生成し、それぞれの強度を検出する。検出回路は、検出した測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の強度を演算処理部に通知する。発光素子２１ａ〜２１ｃはそれぞれ異なる周波数で変調した強度をもって点灯しているので、検出回路は、受光素子３５で検出した信号の周波数で弁別して、それぞれの波長の信号成分を検出することができる。
演算処理部は、測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の強度比と、各波長成分の吸収率について多変量解析を行って紙Ｐによる近赤外光の吸収率を算出する。
上述したように、波長λ１の近赤外光の大部分は、紙Ｐを透過する際に紙Ｐに含まれる水により吸収され、波長λ２の近赤外光の大部分は、紙Ｐを透過する際に紙Ｐの成分であるセルロースにより吸収される。これに対し、波長λ３の近赤外光は、紙Ｐならびに紙Ｐに含まれる水とも吸収量が少ない。このため、紙Ｐを透過した波長λ１，λ２の近赤外光の強度は、波長λ３の近赤外光の強度に比べて小さくなる。
かかる特性を利用して、演算処理部は、例えば、波長λ１の近赤外光の強度と波長λ３の近赤外光の強度から波長λ１の透過減衰率を算出し、波長λ２の近赤外光の強度と波長λ３の近赤外光の強度から波長λ２の透過減衰率を算出する。波長λ１、λ２の透過減衰率は、それぞれ水分量、セルロース量が多いほど低くなる関係を有する。演算処理部には、波長λ１、λ２の透過減衰率と水分量、セルロース量のそれぞれとの関係を示すテーブルを予め設定しておき、テーブルを参照して算出した波長λ１、λ２の透過減衰率に対応する水分量、セルロース量を求める。演算処理部は、求めた水分量をセルロース量で除算して水分率を算出する。演算処理部は、水分量、セルロース量を算出する際、テーブルを用いる方法以外に、予め設定された関数等を用いてもよい。
以上の測定は、図１に示す搬送方向Ｄ１（Ｘ方向）に紙Ｐが搬送されている状態で、上部センサヘッド１１及び下部センサヘッド１２が同期して紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に往復運動が継続する。従って、図１に示すジグザグ状の測定ラインＬ１に沿って紙Ｐに含まれる水分率が測定されることになる。本実施形態では、紙Ｐを透過した近赤外光は、集光器３２により受光素子３５に集光されるので、従来の赤外線吸収型水分計よりも集光される光の強度を高くすることができる。
例えば、図４に示す従来の赤外線吸収型水分計では、検出器３３には紙Ｐを透過した近赤外光が拡散光として照射される。検出器３３が有する受光素子の紙Ｐに対する２次元平面上の見込み角θは、式（２）で表される。
Figure 2019015604
式（２）において、Ｌ、Ｒは、それぞれ紙Ｐの裏面から受光素子の表面までの距離、受光素子の半径を示す。Ｌ、Ｒがそれぞれ１０ｍｍ、１．５ｍｍであると仮定すると、θは８．５度となる。
これに対して、本実施形態に係る集光器３２は、入射角、即ち紙Ｐからの見込み角θとして許容受光角以内となる近赤外光を集光することができる。他方、立体角は、２次元平面上の見込み角θのほぼ二乗に比例する。集光器３２の許容受光角を４５度と仮定すると、従来の赤外線吸収型水分計の受光素子の立体角に対する本実施形態に係る集光器３２の立体角の比率は、２８（≒（４５／８．５）２）倍となる。集光器３２により受光素子３５が取り込まれる光の強度はほぼ立体角に比例するので、本実施形態における検出器３３の感度が従来の２８倍に増加したことに相当する。従って、従来の赤外線吸収型水分計では測定できなかった高坪量（例えば、１０００ｇ／ｍ２以上）の紙Ｐであっても、本実施形態に係る測定装置１単独で、坪量計等を用いずに水分率を測定することができる。また、マイクロ波水分計と比較して測定径が小径であるため、測定分解能が高く空間的に詳細な測定が可能となる。このことは、水分量の測定ひいては紙の製造工程における生産性の向上に貢献する。
以上に説明したように、本実施形態に係る測定装置１は、検査対象物を透過した電磁波の検出結果に基づいて、検査対象物の特性を測定する測定装置であって、照射部（例えば、発光素子２１ａ〜２１ｃ）と、集光部（例えば、集光器３２）と、検出部（例えば、検出器３３）と、を備える。照射部は、検査対象物に電磁波を照射する。集光部は、検査対象物を透過した電磁波のうち、検査対象物に対向する入射端への入射角が所定の入射角以内である電磁波を特定の集光面に導く反射面を有する。検出部は、集光面に導かれた電磁波を検出する。
ここで、特定の集光面とは、検出部（例えば、検出器３３）に対向する出射端（例えば、出射端３２ｃ）における開口面である。また、反射面の形状は、複合放物面である。また、さらに集光部の入射端の開口面積は、前記検査対象物に電磁波が照射される照射面積よりも大きい。また、検査対象物の形状は、厚みが幅ならびに長さよりも十分に小さいシート状である。
この構成により、入射端への入射角が所定の入射角以内である電磁波が集光面に導かれるため、検査対象物を透過して減衰した電磁波の強度を集光面において入射端における強度よりも高くすることができる。そのため、従来の測定装置では、透過した電磁波の減衰により特性を測定できなかった厚い検査対象物であっても測定でき、測定可能とする厚みの範囲を広げることができる。
また、照射部が照射する電磁波は、検査対象物の主成分（例えば、セルロース）による吸収率よりも検査対象物に含まれる液体（例えば、水）による吸収率が高い第１波長成分と、その液体による吸収率よりも主成分による吸収率が高い第２波長成分と、液体による吸収率が第１波長成分よりも低く、かつ主成分による吸収率が第２波長成分よりも低い第３波長成分を含む。
この構成により、第１波長成分の強度と第３波長成分の強度から検査対象物中の液体の量が、第２波長成分の強度と第３波長成分の強度から検査対象物の主成分の量を定めることができる。従って、これらの液体や主成分の量もしくは率を測定するために、複雑な演算や装置構成を要しない。
以上、図面を参照してこの発明の実施形態について説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
上述の実施形態では３波長の光源として半導体光源を用いる場合を例にして説明したが、光源は半導体光源に限るものではなく、例えば、ハロゲンランプなどの広い波長域の光を放射する光源に必要な波長を透過させる光学帯域透過フィルターを用いてもよい。
光源の点灯方法もそれぞれ異なる周波数で変調して点灯する方法に替えて、光源が互いに異なる時刻にそれぞれの波長の光を照射し、検出器３３は、その波長毎の点灯時刻に同期して各波長の信号成分を検出するようにしてもよい。
また、検査対象物は、必ずしも紙でなくてもよい。例えば、布、プラスチックその他の樹脂のシート、金属箔などのシート状の物体であってもよい。検査対象物の特性は、水分量又は水分率に限られず、検査対象物に混合もしくは浸潤した副成分の量又は率であってもよい。副成分として、例えば、油脂、アルコールなどの液体の量又は率であってもよい。その場合には、照射部が照射する電磁波には、検査対象物の主成分、検査対象物に含まれる副成分のそれぞれに固有の吸収率のピークを与える第１、第２波長成分と、主成分、副成分ともに吸収率が低い第３波長成分が含まれればよい。例えば、６．９μｍの波長に吸収率のピークを有する油脂の量又は率を測定する場合には、照射する電磁波に少なくとも６．９μｍの第１波長成分と、主成分の吸収率のピークを与える第２波長成分と、主成分と副成分それぞれの吸収率がより低い第３波長成分とが含まれればよい。吸収率の波長特性は、検査対象物の主成分やそれに含まれる副成分によって異なる。そのため、照射部が照射する電磁波は近赤外線に限られず、遠赤外線、可視光線、もしくは紫外線となりうる。
受光素子３５に照射される電磁波の強度をより高くするために、図４に例示されるように光軸ＡＸ方向に垂直な紙Ｐ上に設定される測定領域が、集光器３２の入射端３２ｂの領域に含まれるように集光器３２が配置されればよい。そのために、内面反射鏡２２の出射端２２ｂの対角線の長さが集光器３２の入射端３２ｂの直径２・ｄ２以下とすることもできる。これにより、内面反射鏡２２の出射端２２ｂから放射される電磁波が、検査対象物と保護窓３１を介して集光器３２の入射端３２ｂに入射されずに漏洩する割合を少なくすることができる。
さらに、集光器３２の出射端３２ｃと受光素子３５の表面との間隔を極力狭くし、光軸ＡＸ方向の垂直な出射端３２ｃの領域が受光素子３５の領域に含まれるように受光素子３５を配置してもよい。ここで、集光器３２の出射端３２ｃの半径ｄ１を受光素子３５の表面の半径以下とすればよい。また、窓材３４は省略されてもよい。これにより、集光器３２の出射端３２ｃから出射される電磁波が、受光素子３５に照射されずに漏洩する割合を抑制することができる。
また、集光器３２の出射端３２ｃと受光素子３５の表面の間であって、その光軸が光軸ＡＸの延長線上となる位置に凸レンズが配置されてもよい。この位置に配置された凸レンズは、集光器３２の出射端３２ｃから出射される電磁波を受光素子３５の表面の領域内に収束する。このような構成によっても、集光器３２の出射端３２ｃから出射される電磁波が、受光素子３５に照射されずに漏洩する割合を少なくすることができる。凸レンズは、窓材３４の一部として構成されてもよい。これにより、部品点数の増加を避けることができる。
集光器３２の反射面３２ａの形状は、必ずしも複合放物面には限られず、例えば、通常の回転放物面であってもよい。その場合には、受光素子３５が、その表面上に反射面３２ａの焦点が配置される位置に設置されればよい。集光器３２の出射端３２ｃは、反射面３２ａの焦点が出射端３２ｃの開口面内となる位置、もしくは反射面３２ａの焦点よりも入射端３２ｂに近い位置（つまり、上方）に設けられてもよい。そのような配置によっても、入射端３２ｂに入射する電磁波が受光素子３５の表面上に導かれ、受光素子３５に照射される電磁波の強度を入射端３２ｂに入射される電磁波の強度よりも高くすることができる。
反射面３２ａの形状が通常の回転放物面である場合には、集光器３２の裏面が開口されずに出射端３２ｃが設けられなくてもよい。この形状のもとで受光素子３５の表面に反射面３２ａの焦点が配置されるように、受光素子３５を支持する支持材が反射面３２ａに囲まれる空間内に設けられてもよい。
１…測定装置、１０…フレーム、１１…上部センサヘッド、１２…下部センサヘッド、２１ａ〜２１ｃ…発光素子、２２…内面反射鏡、２２ａ…入射端、２２ｂ…出射端、３１…保護窓、３２…集光器、３２ａ…反射面、３２ｂ…入射端、３２ｃ…出射端、３３…検出器、３４…窓材、３５…受光素子、３６…リード線

Claims (7)

  1. 検査対象物を透過した電磁波の検出結果に基づいて、前記検査対象物の特性を測定する測定装置であって、
    前記検査対象物に電磁波を照射する照射部と、
    前記検査対象物を透過した電磁波のうち、前記検査対象物に対向する入射端への入射角が所定の入射角以内である電磁波を特定の集光面に導く反射面を有する集光部と、
    前記集光面に導かれた電磁波を検出する検出部と、
    を備える測定装置。
  2. 前記特定の集光面は、前記検出部に対向する出射端における開口面である、
    請求項１に記載の測定装置。
  3. 前記反射面の形状は、複合放物面である
    請求項１または請求項２に記載の測定装置。
  4. 前記集光部の入射端の開口面積は、前記検査対象物に電磁波が照射される照射面積よりも大である
    請求項１から請求稿３のいずれか一項に記載の測定装置。
  5. 前記検査対象物の形状は、シート状である
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の測定装置。
  6. 前記電磁波は、複数の波長の成分を含む赤外線、可視光線または紫外線であり、
    前記特性は、前記検査対象物に含まれる液体の量又は率である
    請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の測定装置。
  7. 前記電磁波は、前記検査対象物の主成分による吸収率よりも前記検査対象物に含まれる前記液体による吸収率が高い第１波長成分と、
    前記液体による吸収率よりも前記主成分による吸収率が高い第２波長成分と、
    前記液体による吸収率が前記第１波長成分よりも低く、かつ前記主成分による吸収率が前記第２波長成分よりも低い第３波長成分と、
    を含む請求項６に記載の測定装置。
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