JPH0580605B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はシート状物質、例えば紙の単位面積当
りの局部重量を動的に求める装置で、シート状物
質が音発信器からの音波にさらされ、発信音及
び／又はシート状物質からの反射音の一部が受信
器によつて測定され、単位面積当りの重量が測定
信号から求められる装置に関する。

（従来の技術） 独国特許公開第1548170号公報は、シート状物
質の単位面積当り重量を測定する装置を開示して
いる。測定すべき物質が超音波にさらされ、発信
又は反射超音波エネルギーが測定される。超音波
発信器は連続又はパルスモードで動作する。定常
波とエコーの両方を形成する音波の重畳による妨
害を避けるため、発信器と受信器を収納したハウ
ジングが音吸収材で内張りされている。このよう
にすれば、ハウジング壁での反射が抑制される
が、１回又は複数回の反射が発信器、受信器及び
測定すべき物質で生じ得るという欠点がある。測
定すべき物質での反射は、特に紙の厚みを測定す
る場合、測定値に顕著な虚偽をもたらす恐れがあ
る。何故なら、紙の場合には発信音波の極めて小
部分が紙を透過する一方、その大部分は反射さ
れ、発信器の音波に重畳する。

（発明が解決しようとする問題点） 単位面積当りの重量を求める際、発信器、受信
器及び測定すべき物質での反射によつて生じるエ
ラーを避けるため、独国特許公開第3048710号公
報に、発信器をパルスモードで制御し、受信器を
短い時間間隔だけ付勢することが提案されてい
る。この時間間隔は、発信器からの一次音が到着
したときだけ受信器がスイツチオンし、最初の系
統妨害（反射）が生じるや否やスイツチオフする
ように設定される。短い電気パルスによつてトリ
ガーされる発信器はその電気パルスのバンド巾に
応じ、消勢されて再びトリガーされる前に一定時
間を必要とする。この時間は一般に受信器の時間
間隔より長いので、デツド時間が存在し、この間
測定に使える時間間隔中でも測定信号が存在しな
い。例えば、測定すべき物質として紙シートが発
信器−受信器配置を通つて移動される場合、周知
装置の局部的分解能はデツド時間つまりパルス反
復周波数に依存する。従つて、測定すべき物質の
速度が増加すると、単位面積当り重量の小さい局
部的偏差は制限された範囲でしか分解できないと
いう問題点がある。

そこで、本発明は上記従来の問題点を解決する
ためになされたもので、その目的とするところ
は、シート状物質の単位面積当り重量を求める装
置で、音波の重畳による測定信号の妨害を避けら
れ、特に測定すべき物質が発信器−受信器配置に
対して素速く移動される場合に高い局部的分解能
が得られるような装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するため本発明によれば、シ
ート状物質の単位面積当りの局部重量を動的に求
める装置で、シート状物質が音発信器からの音波
にさらされ、発信音及び／又はシート状物質から
の反射音の一部が受信器によつて測定され、単位
面積当りの重量が測定信号から求められるものに
おいて、発信器、測定すべき物質及び場合によつ
ては受信器が相互に傾斜する面上に配置され、こ
れら各要素から反射した音部分が発信器と受信器
の間の音波路から消失せしめられ、更に消失音部
分が発信器と受信器の間の音波路へ戻るのを防止
する手段を付設するように構成した。

（発明の効果） 本発明の基本理念は、発信器、受信器及び測定
すべき物質等測定に使われる全ての要素を、これ
ら各要素から反射した音部分が発信器と受信器の
間の音波路から消失されると同時に、消失音部分
が最初の音波路へ戻り発信器及び／又は受信器へ
戻るのを防止されるように配置することにある。
この基本理念は例えば、測定すべき物質を発信器
及び受信器に対して平行でなく角度を成して配置
し、測定すべき物質から反射した音を音吸収材で
取除くことによつて実現できる。

ヨーロツパ特許公開第0098115号公報は、発信
器と受信器が測定すべき物質に対する傾斜面上に
配置された装置を開示しているが、この装置は本
発明の基く問題を解決するのに適してない。

本発明の構成によれば、発信器と受信器の間の
音波路でいかなる時点においても音波の妨害重畳
が生じないので、測定を行う時点及び受信器の任
意な時間間隔つまりパルス反復周波数は測定信号
に何の影響も及ぼさない。これらの値は、実施時
の特定条件に対して任意に適応させられる。

又特に、連続波すなわち発信器から連続的に反
射される音波によつて動作可能である。連続波の
使用は、デツド時間がなく、従つて連続測定が可
能という利点をもたらす。この結果、測定すべき
物質の移動方向において、この物質が発信器−受
信器機構を通つて素速く移動される場合にも、高
い局部的分解能が得られる。

本発明による各要素の配置がもたらす更なる利
点は、測定すべき物質の発信器及び受信器に対す
る位置が測定信号に何らの影響も及ぼさないこと
である。測定すべき物質が発信器及び受信器と平
行に配置された周知装置の場合、測定すべき物質
が発信器と受信器間を結ぶ軸の方向に移動すると
き、一般の透過度に変化が生じる。この望ましく
ない影響は反射音波の干渉現象に原因しており、
透過度は干渉音波の位相関係に従つて変動する。
この欠点は、例えば測定すべき物質が素速く移動
されるときにバタつく場合等、特に測定すべき物
質の発信器及び受信器に対する位置が一定に保持
できないときに、確実な効果を生ずる本発明の解
決策によつて解消される。

本発明の更なる利点及び結果は、特許請求の範
囲第２項以下と添付図面を参照した本発明の実施
例の以下の説明から明らかになろう。

（実施例） 第１図は、本発明による装置の第一実施例の概
略図を示している。測定すべき物質１０、例えば
一枚の紙が図中駆動ローラとして示したガイド要
素１３により、発信器１１と受信器１２の間を通
つて移動される。発信器１１と受信器１２はガイ
ド要素１３に対し、発信器１１から矢印１４の方
向に発せられた音が測定すべき物質に、音波１４
の衝突点で垂直線１８に対して０以外の角度１７
で当たるように配置されている。

矢印１６で示した音の反射部分の方向は、反射
条件（入射角１７が反射角１９に等しい）によつ
て決まる。本発明によれば、入射角１７が０でな
いつまり垂直露出でないため、測定すべき物質か
ら反射した音波１６は発信器１１を通らない方向
へ向かう。例えば音吸収効果を持つた装置２０
（サウンドトラツプ）等の適当な手段により、音
波１６が発信器と受信器の間の最初の音波路へ戻
らないことが保証される。サウンドトラツプ２０
は例えば、開口を有し内部に音吸収材２８が内張
りされた中空体で構成できる。開口から入つた音
は音吸収材２８によつて大部分吸収される。非吸
収音は反射されるが、空洞内に留まり最終的には
これも吸収される。実施上、「音吸収空洞」の代
りに発泡材等の音吸収材を用いるだけでも、良好
な結果を得られることが認められている。

又サウンドトラツプ等の音吸収手段２０を省
き、測定すべき物質から反射した音１６を各要素
の適切な配置又は音ミラー等追加の装置によつ
て、音１６が発信器を通らないで自由空間へ反射
され、最終的に完全消失するようにしてもよい。
例えばハウジング壁の孔も、理想的な吸収材を同
一場所に配置したのと同様に作用する。

測定すべき物質１０を透過した音部分１５は受
信器１２に入射し、これによつて部分的に吸収さ
れ、電気測定信号に変換される。音の非吸収反射
部分は、矢印２１で第１図に示してある。受信器
１２は一般に入射音波１５の方向に対向して、受
信器から反射した音波２１が入射波１５から異る
方向をとるように配置されている。これによつ
て、発信器から発せられた波１４又は１５と反射
波２１の間の定常波を生じる重畳が防がれる。又
これによつて、音波２１が発信器へ戻り、そこで
反射されて受信器に入ることが防止される。上記
いずれの場合も、測定信号従つて単位面積当り重
量の測定に虚偽が含まれる恐れがある。

発信器と受信器の間の音波路から外れて反射し
た音波２１は、直接、つまり測定すべき物質に入
射する前にサウンドトラツプによつて吸収される
か、又は第１図に示すように測定すべき物質に再
び当てられる。上記の実施例と同じく、音波２１
の一部２２は測定すべき物質を透過し、残部２３
は反射され、この際の反射音波２３の方向も反射
の法則（入射角２４は反射角２５に等しい）によ
つて決まる。サウンドトラツプ２６，２７は、測
定にとつて重要でなく、干渉信号をもたらすだけ
の音波２２，２３を吸収する。

受信器が入射音波１５に対して傾斜配置されて
いるので両角度１７，２４は異り、角度２４は受
信器の傾斜に依存して角度１７より大きいか又は
小さくなる。

測定すべき物質が小さい透過度（例えば紙の透
過度は数％の範囲）を生ずる場合には、発信器及
び受信器は測定結果にエラーを生じることなく平
行に配置できる。低い透過度のため、発信器と受
信器が平行に配置されている場合に、発信器へ戻
りそれによつて反射され２回目に受信器へ達する
受信器からの反射音波２１の影響は全く無視し得
る（透過度２％で１０^-5以下）。

発信器／受信器配置が相互に傾斜していない場
合、受信器からの反射音波２１は最初の音波路内
に反射して戻されるが、音波２３は測定すべき物
質での反射により受信器へ達しないように反らさ
れるので測定信号に何らの影響も及ぼさない。こ
の場合、両角度１７と２４は相互に等しい。入射
波１５と受信器からの反射波２１の重畳は、受信
器と測定すべき物質の間に定常波を生ずる。定常
波によつて生じる空気の密度変動に基く屈折が入
射波１５に加わらない限り、入射波と反射波は相
互に影響を及ぼすことなく重畳する。しかし、こ
こで使用する音圧に基く自己屈折は極めてわずか
である。

両角度１７，２４の大きさは、広い制限の範囲
内で自由に選択可能で、例えばハウジングの幾何
学的寸法等実施時の特定条件に対して適応させら
れる。但し、発信器から発せられる音束の直径が
一定の場合、測定すべき物質の露出面は垂直露出
より斜め露出のときの方が大きくなることに注意
しなければならない。従つて大きな局部的分解能
を得るには、一般に角度１７を小さく選ぶ必要が
ある。実施したところ、22.5°の角度１７で良好
な測定結果が得られる。

第２図は、第１図に概略的に示した単位面積当
り重量測定法を実際の紙の場合の測定にいかに適
用可能かを示している。紙の透過度は極めて小さ
い値なので、発信器と受信器は前記の理由から相
互に平行に配置できる。発信器１１と受信器１２
はそれらを保護し固定するため、一般に測定すべ
き物質の両側でハウジング３１，３２内に配設さ
れる。２つのハウジングはベースプレートに接合
してもよい。ハウジングの形状及び／又は構成
は、測定信号にエラーが加わらないように、測定
すべき物質からの反射音波がハウジングでの繰返
し反射のため最初の音波路、特に受信器へ戻らな
いように選択する。この点は例えば、音波が反射
される地点に音吸収トラツプを設けることによつ
て達成できる。第２図では、発信器と受信器から
の音波の測定物質反射部分の方向に２つのチヤン
ネル３５，３６が設けてあり、これらの音が反射
して入る。チヤンネル３５，３６の断面は、発信
器から受信器へ直接音を導くチヤンネル３３，３
４の断面より幾分大きくするのが好ましい。これ
により、発信器から円錐形状に発せられる音及び
測定すべき物質で反射される音は全て確実に特定
のチヤンネル内に入る。チヤンネル３５，３６の
端部には、音吸収材３０が設けてある。

実施上、開放空洞形のポリウレタン発泡プラス
チツクが特に有効な音吸収材であることが解つ
た。この発泡体の各空洞は約１mmなので、使用超
音波の波長つまり200KHzで約1.5mmに匹敵する。
特別の場合、サウンドトラツプの端部は、周知の
ように例えば低反射（非エコー）室とするため、
ピラミツド状の音吸収器で形成してもよい。

音伝導チヤンネル３３〜３６は（アルミをフラ
イス削りしたり、孔を開ける等）ハウジングの素
材自体でも形成できるが、音伝導チヤンネルには
音吸収材を設ける方が好ましい。このことは、狭
い円錐状に発せられた直接的な音波だけが受信器
に達する一方、音伝導チヤンネルの壁での反射は
抑制されることを意味する。

ガイド要素１３は発信器と受信器の外側に配置
され、ハウジング３１，３２を測定すべき物質に
近接配置して、狭いギヤツプを形成できるように
する。これは、一方において測定装置外部からの
妨害（一般ノイズ等）が測定に全く又はほとんど
影響を及ぼさないことを意味し、他方において測
定装置の音が外部に洩れ、外乱を生じないことを
意味する。更に、狭いギヤツプにより装置の汚染
も減じられる。

第３図は、例えば紙幣の単位面積当り重量を求
めるのに使える別の実施例を示している。発信
器、受信器及び測定すべき物質の基本配置は前出
の両図からすでに周知なので、こゝでは詳述しな
い。図中、同一要素には同一の符号が付してあ
る。発信器ハウジングは適切な形状の安定した、
例えばアルミ製のハウジング壁４０から成る。音
発信器１１は、ハウジング壁４０に結合された支
持体４２に取付けられている。ハウジング壁４０
は適切な個所に、発信器を射出するための開口を
有する。発信器ハウジングの内部は部分的に、又
は第３図に示すように全面的に、音吸収材で内張
りされる。発信器から延びた音チヤンネル３３
は、音吸収材４４で形成されるが、又は音吸収材
によつて内張りされる。

実施上、第３図に示すように音の反射部分が当
たる外側個所に充分な厚さの音吸収材を発信器ハ
ウジングが備えていれば、測定すべき物質で反射
した音部分のために（第２図の３５のような）別
個のチヤンネルを必ずしも設けなくともよい。

発信器側と基本的に同じ設計のハウジング、つ
まりハウジング壁４１、受信音変換器用の支持体
４３及び音吸収材４４が、受信器側にも設けられ
る。第３図には、発信器から発せられる音コーン
の直径より小さい開口４６を有するプレート４５
も示してある。プレート４５の目的は、局部的な
分解能に関与する測定すべき物質近傍における発
信器からの音束断面積を減じることにある。この
点は特に、発信器又は受信器をその構造上任意に
小さくできないときに必要である。超音波変換器
の直径と波長は、一定の制限内で相互に比例する
ことが知られている。従つて、プレート４５を用
い、音発信器の直径に関係なくプレート開口４６
を減じることによつて、装置の局部的分解能を高
められる。図示例において、プレート４５は例え
ばアルミニウムから成る。但しこの場合、プレー
トにぶつかる音を吸収するか、又はその音を発信
器と受信器の間の音波路から反らせて消失させる
手段を設けねばならない。プレートに音吸収材を
被覆する他、音の入射部分が測定チヤンネルから
外れて反射されるようにプレートを形成してもよ
い。このようなプレートの機能様式は、第４図を
参照して詳しく説明する。

又、受信音変換器の発信器を向いた側には音吸
収層４７が設けられている。この層は、受信器に
よつて反射される音部分を減じる目的を持つ。こ
れは一方においては、できるだけ小さい音エネル
ギーが受信器で反射されハウジングの内部を向い
たプレート４５の面へ戻ることを意味し、プレー
ト４５の開口が受信音変換器の直径より小さいと
き特徴に好ましい。他方、空気の音抵抗及び受信
器変換器の音抵抗をより良好に適応させられる。

受信音受信器に層４７を設けけることの更なる
利点は、透過度の高い物質を測定するとき明らか
になる。測定すべき物質が高い透過値を持つ場
合、発信器と受信器の動作面が平行に配置されて
いると（第２，３図等）、受信器で反射された音
波と発信器から発射された音波との重畳が生じ
る。そして、周波数と発信器−受信器間距離の間
に適切な関係つまり受信器に対する入・反射波に
適切な位相関係が存在すると、発信器と受信器の
間に定常波が形成される。測定すべき物質の透過
度は、その物質が定常波の振動の波節又は波腹の
どちらに位置するかに応じ、最大値と最小値の間
で変化する。２つの極値の差は、各関連要素（発
信器、受信器及び測定すべき物質）の反射係数に
強く依存する。反射係数が小さいと、最大値と最
小値の間も差も小さくなる。従つて、測定すべき
物質の発信器と受信器間を結ぶ線からの変位に対
する感度を取除くためには、各関連要素の反射値
をできるだけ小さくなるように選択するのが有効
である。測定すべき物質の反射係数は一定なの
で、発信器と受信器の反射係数だけを変えられ
る。しかし発信器側では、発信器から発射される
音エネルギー、従つて信号／ノイズ比を減少させ
るので、受信音変換器に音吸収材を付設すること
はできない。一方受信器側では、測定音波とノイ
ズの両方が共に同じだけ減じられ、信号／ノイズ
比は変わらないで、音吸収材の追加は信号／ノイ
ズ比に何の影響も及ぼさない。

受信器の動作面上に音吸収材４７を施すことは
更に、発信器／受信器配置の100％位置合せ、つ
まり両者間に測定すべき物質が存在しない場合の
位置合せにより、発信器と受信器の間での干渉を
完全に回避できるか、又はその影響が減じられる
という利点をもたらす。つまり音吸収材４７が存
在しないと、発信器と受信器の間の距離が音の半
波長の倍数に等しいとき、定常波が両者間に形成
され得る。定常波は測定信号を妨害するので、回
避しなければならない。

前記した開放空洞形ポリウレタン発泡体が、音
受信器上に設けるべき音吸収材４７として有用な
ことが認められている。針状フエルト被覆の薄層
も適切である。

第３図の装置において、受信器で反射した音波
のプレート４５における反射は、プレートのハウ
ジング内部の方を向いた向いた面に音吸収材を被
覆することによつて更に減じられる。受信器変換
器の直径と比べ小さい開口を持つプレート４５を
用いるときは、第３図に示すように、プレート４
５の開口４６と受信器の間の音チヤンネルは円錐
形にするのが好ましい。

第３図に示すように、受信器側においてハウジ
ングで形成された空洞を音吸収材で完全に満たす
代わりに、必要な領域つまり特に音チヤンネル３
４と開口４６域のプレート４５下面だけを音吸収
材３０で被覆してもよい。

第４図はプレート４５の断面を示している。こ
の断面は第３図の投影面に直角な面上に沿つたも
ので、測定すべき物質の移動方向５０に沿つてプ
レートを見たとき第４図がられる。発信器からの
入射音は、受信音発信器により実質上与えられる
直径を有する。プレート４５は、音束の断面を制
限する開口４６を有する。音束はプレート後方で
小径となり、より高い局部的分解能を可能とす
る。

入射音の方を向いたプレートの上面は、開口４
６を通過しない音が垂直線１８と発信音１４で形
成される（第４図の投影面に対し直角な）測定面
から反れて反射されるように形成されている。こ
れは、最も簡単な例では、プレートの傾斜面によ
つて達成される。１つの傾斜面（円錐状又は切妻
屋根と似た形状等）だけとする場合の欠点は、実
施上許容可能な大きい反射角が必要な場合には、
プレートが開口域で比較的厚くなり、エツジ部で
比較的薄くなることにある。第４図に示すよう
に、プレートを幾つかの領域に分割する方がより
好ましい。つまり、多様な小さい傾斜領域４８で
反射されるようにすれば、音は入射方向から反れ
て反射される。

音波の波長が隣接領域４８間の距離４９とほぼ
同じ大きさだと、回折現象も生ずる。

プレート４５上の各点が独立の音発信器と見な
せるので、点状発信器相互の位相関係により、音
波が確実に干渉する好ましい方向、いわゆる“回
折パターン”が生じる。回折波の方向が反射方向
と一致すると、入射波から反れて回折する音エネ
ルギーの効率が増大する。このような高い効率
は、距離４９を領域４８の傾斜状態に適応させる
か又はその逆を行うことによつて得られる。

発信器と受信器の間の音波路へ音の反射部分が
戻るのを防ぐ追加手段と、本発明による各要素の
傾斜配置との組合せは、反射測定で用いるのにも
有利である。このような装置の概略図を第５図に
示す。図中、同一要素は前出の図面と同一符号で
示してある。

反射測定において、発信器１１から発した音１
４は、角度１７で測定すべき物質１０に当たる。
発信音の一部１５ず測定すべき物質を通過し、測
定すべき物質で吸収されない残部は、反射法則に
基き角度１９で方向１６に反射され受信器１２に
入る。受信器１２の動作面は反射音波１６の方向
に対して傾斜し、受信器で反射される音波２１の
方向は反射音波１６の方向から反れる。サウンド
トラツプ２９が、受信器で反射した音部分を吸収
する。

受信器で反射した音部分２１は、音波１４，１
６の方向で与えられる測定用の音波路へ戻らない
ので、この音波路内で妨害干渉は生じない。従つ
て、発信器、受信器及び反射体としても機能する
測定すべき物質の間での定常波は、測定信号に重
畳しそれにエラーを加える多重反射と同様に避け
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシート状物質の単位面積当り重量を求
める装置の概略図、第２図はハウジング内に収納
した本発明の装置の配置を示す側面図、第３図は
音束の開口を追加制限する別の実施例を示す側面
図、第４図は音束の断面を制限するプレートを示
す側面図、及び第５図は反射配置の装置の概略図
である。 符号の説明、１０……測定すべきシート状物
質、１１……発信器、１２……受信器、１４……
発信音、１５……透過音、１６……反射音、２
０，２６，２７，３０，４４……防止手段、４５
……音反射器（プレート）、４７……受信器動作
面上の音吸収材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シート状物質の単位面積当りの局部重量を動
   的に求める装置で、シート状物質が音発信器から
   の音波にさらされ、シート状物質を透過した透過
   音の部分が受信器によつて測定され、単位面積当
   りの重量が測定信号から求められるものにおい
   て、 発信器から放射される音波の方向のシート状物
   質表面の法線方向との間に角度が設けられると共
   に、前記シート状物質に放射された音波のうち発
   信器と受信器の間の音波路の外に向けて該音波路
   から遠ざかるように反射した部分が、前記音波路
   に戻るのを防止するための防止手段が設けられ、
   該防止手段は音を緩衝する機能あるいは反射する
   機能を有することを特徴とするシート状物質の単
   位面積当り局部重量動的測定装置。 ２ 受信器で反射される音波がシート状物質と受
   信器の間の音波路に戻らないように、音波を受信
   する受信器の法線方向とシート状物質から受信さ
   れるべく受信面に至る音波の方向との間に角度を
   設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のシート状物質の単位面積当り局部重量動的
   測定装置。 ３ シート状物質の単位面積当りの局部重量を動
   的に求める装置で、シート状物質が音発信器から
   の音波にさらされ、シート状物質からの反射音の
   部分が受信器によつて測定され、単位面積当りの
   重量が測定信号から求められるものにおいて、 シート状物質で反射された反射音の部分が発信
   器に戻らないように、発信器から放射される音波
   の方向とシート状物質の法線方向との間に角度が
   形成され、 さらに、受信器の受信面の法線方向と前記シー
   ト状物質で反射されて受信面に至る反射音の方向
   との間に角度が形成され、 受信器での反射によつて発信器と受信器の間の
   音波路から離れていく音部分が該音波路に戻るを
   防止する防止手段が設けられ、該防止手段は音を
   緩衝する機能あるいは反射する機能を有すること
   を特徴とするシート状物質の単位面積当り局部重
   量動的測定装置。