JPS61286721A - 超音波速度を測定する装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、１枚の締のような移動する巻取紙における超
音波振動速度を測定する装置（ｄｅｖｉｃｅ　）に関す
る。

発明の概要 １枚の紙のような巻取紙の振動速度を測定する装置が提
供さｎている。この装置は波を送るために紙に結合され
た送信機および波を受信するための受信機を含む。速度
を決定するには信号処理装置が用いられる。

先行技術の説明 紙を製造する場合には紙の強度を知ることが直装なこと
がしばしばある。紙の強度は破裂強さ。

引ｆＭｊｅＯ強さおよびせん孔強さを含む種々の方法で
試験できる。通常はこれらの強度パラメータは実験室に
おけるいろいろな破壊試験で測定される。

しかし１紙の製造中の紙の強度のオンライン測定は特定
の強度要件を満たすことができる紙を製造する上の助け
になる。

紙化学研究所（Ｉｎａｔｉｔｕｔａ　ｏｆ　ｐａｐｅｒ
　Ｃｈｅｍｉｓｔｒ）ｒ　）に譲渡されている米国特許
第４，２９１，５７７勺は、製造中の紙の強度を測定す
る装置を教示している。この特許は移動しＣいる紙を通
る超音波の速度の測定法を提供している。その速度に基
づいて紙の強度を測定できる。

この特許は、互に間隔をおいて配置され移動する巻取紙
に沿つ′〔回転する２つの車輪を有する装置（ｄｅｖｉ
ｃｅ　）を教示し〔いる。第１の単輪は車輪の周辺部に
取り付けられた矩形のボタンの形をしたトランスジュー
サを含むので、車輪が回転するとボタンが周期的に紙に
接触する。車輪の各回転ごとにトランスジューサが紙に
接触すると、トランスジューサは信号発生器から電気信
号を受信し。

紙に機械的信号を与える。第２の車輪は送信トランスジ
ューサと殆んど同じ琲受信トランスジューサを含み、こ
の受信トランスジューサもまた車輪の周辺部に取り付け
られていて車輪の全外周のごく一部を占めている。受信
トランスジューサは車輪の各回転ごとに１回紙に接触し
９紙から超音波信号を拾いそれを電気信号に変換するこ
とによって送信機から信号を受信する。この装置（ｓｙ
ｓｔｅｍ　）はまた位置検出器を含み、第１車輪の位置
を監視し、車輪が所定の位置におると送信機による超音
波パルスの発信をトリガする。受信車輪の回転は送信車
輪と調整されているので、受信トランスジューサは適当
な時間に紙と接触し゛Ｃ送信された信号を受信する。受
信トランスジューサからの信号は超音波の速度を測定す
る計測・記録装置へ送信される。

この特許に記述されている装置は多数の短所を有する。

送信トランスジューサおよび受信トランスジューサはそ
れぞれ車輪の全回転のうちのごく一部分の期間中だけ紙
に接触するので、送信機が紙に接触しＣいる時にパルス
が受信機によって受信されるようにするためには車輪の
回転は慎重に同期されなければならず、パルスの送信は
慎重に計時されなければならない。更に、送信機および
受信機は車輪の全回転のうちのごく一部の間だけ紙と接
触するので１紙の大部分については速度測定ができない
。

発明の目的 本発明の目的は移動しＣいる巻取紙における超音波振動
の速度を連続的に測定する装置および方法を提供するこ
とである。もう１つの目的は互に正確に同期しなくても
満足に動作しうるトランスジューサを有するそのような
装置および方法を提供することである。

本発明のその他の目的お工び利点はこ＼に述ぺておる明
細書および図面を参照することによって確かめることが
できるが、これらの明細書および図面は例として提供さ
れているのにすぎないのであって１％許請求の範囲およ
びその相当物によって定められる本発明を限定するもの
ではない。

好ましい実施例の詳細な説明 本発明の実施例は互にはＣ同じものでおる６つの送受ｉ
機部材を含む。第１図は送受信機の１つを示す。各送受
信機は中空ではゾ円筒形の軸１６の上に取り付けられて
いる。軸１６はその上に送受信機が取り付けられている
中央部分、および回転させるために軸受（図示されてい
ない）に結合されている端末部材を含む。各送受信機は
中央ボートを有するディスク形部品２０を有する支持部
材を含む。ディスク形部品２０はディスク形部品２０ヨ
り外径が小さい円筒形部品２４に結合されており２円筒
部品２４は中央ボート２６を有する。ゴム製ブッシング
３０が支持部材の中央ボートの内側に取り付けられてお
り、ブッシング６０は軸１６上に取り付けられている。

従り゛Ｃ支持部材は軸に固定され、軸とともに回転する
。

圧電変換器３６は円筒形であり、２つの面４０および４
２を有する。圧電変換器３６は所望する形の圧電変換器
を作るために圧縮された圧電セラミック材料から作られ
ている。圧電変換器３６の第１面４０は而４０とほず同
じ形の銅スクリーン４４に結合されている。銅スクリー
ン４４はま九支持部材のディスク形部品２０に結合され
ている。圧電変換器３６の開いている内部は支持部材の
円筒形部品２４の外径より著しく大きい直径を有する。

従って、圧電変換器３６の内側と円筒形部品２４との形
に空間が作られる。ワイヤ４８が銅スクリーン４４に結
合されており、このワイヤは空間４４を通って２またデ
ィスク形部品２０に形成されたボート２３を通って延ひ
ている。このワイヤは軸１６に作られたボート５０およ
び軸内部を通っ゛〔延びている。次にワイヤ４８は回転
カップリング（図示されていない）に結合し゛〔おり、
このカップリングは電気値−Ｉ８−をカップリングへ送
っている間に軸とワイヤ４８を回転できるようにする。

銅スクリーン４４と殆んど同じの第２の鋼スクリーン５
２が圧電変換器３６の而４２に結合され°〔いる。ワイ
ヤ５４が銅スクリーン５２に結合され゛〔おり、このワ
イヤ５４はワイヤ４８と殆んど同じ経路をたどつＣ延び
Ｃいる。銅スクリーン５２は車輪６０に接続されている
。車輪６０はディスク形をしており１円筒形部品２４の
外径と同じ大きさの中　　′央關口部を有する。車輪６
０は半径方向に圧′＠変換器３６をや＼先まで延びてお
り、車輪の外側は平滑で丸くなっており損傷をつけずに
紙に接触できるようにたつ”でいる◇ 第２図をみると、１枚の紙６４と協彷し°Ｃ動作するよ
うに取り付けられた３つの送受信機が示されている。２
つの送受信機は上方の軸６６に取り付けられ、１つの送
受信機は下方の軸に取り付けられている。２つの上方の
送受信機は車輪を右側にして取り付けられており、下方
の１つの送受信機１０は車輪を左にして取り付けられて
いる。各送受信機の車輪６０は紙と接触して車輪は紙の
上を滑らずに紙が移動するのにつれて回転するように上
方および下方の軸６６および６８は位置している。軸６
６および６８は車輪６０とともに回転する。

各送受信機１０からのワイヤ４８おＬび５４は回転カッ
プリング（図示され′Ｃいない）に結合さ五ており、こ
の回転カップリングは軸６６および６８の端に取り付け
られており、ワイヤからの電気信号が定置ワイヤ７０お
工び７２に送ることができるようになっている。上方の
軸６６からのワイヤ７ｏおＬび７２は信号処理・計算手
段８ｏに接続されＣおり、この手段はワイヤから電気信
号を受信し、受信した情報に基づいて超音波の速度を計
算する。

下方の軸６８からのワイヤ７０および７２は信号発生手
段８２に接続されており、この手段は所定の制御可能な
超音波周波数を有する電気信号を発生させる。

動作すると、送受信機のうちの２つは受信機に指定され
、１つは送信機に指定される。′ｓ２図に示されている
実施例では、下方の送受信機が送信機に指定され、上方
の２つの送受信機が受信機に指定されている。従って、
所定の周波数を有する正弦波電気信号が信号発生器８２
によって下方の送受信機・＼送られる。信号は銅スクリ
ーンによつ・Ｃ受信され２次に銅スクリーンは圧電変換
器３６両端に電圧バイアスを印加する。このため圧電変
換器は膨張し収縮するが、この膨張および収縮は信号発
生器８２によって印加された電気信号の振幅および周波
数に対応する振幅および周波数を有する。今度は圧電変
換器５６の機械的振動が車輪６０を振動させ、超音波振
動信号を紙に与える。

超音波振動は紙を通って移行し、軸６６に結合した２つ
の送受信機の車輪６０に振動を与える。

次に車輪６Ｇの振動が２つの受信機の圧電変換器３６を
振動させ・圧電変換ｉ３６はワイヤ７０および７２に電
気信号を発生させるが、この電気信号は車輪６０の振動
に対応する振幅と周波数を有する。信号処理装置および
コンピュータ８０はワイヤ７０および７２から信号を受
信し、２つの送受信機間の位相差Ｐを決定する。コンピ
ュータ８ｏには２つの車輪６０間の正確な所定距離りが
プログラムされ′Ｃおり、従ってコンピュータは所定距
離りおよび受信された超音波間の位相差Ｐに基づいて紙
の超音波振動速度を決定する。

第３図は３つの圧電変換器８４　、８６および８８が各
送受信機に含まれている代わりの実施例を示も各圧電変
換器８４　、８６および８８は上述した銅スクリーン４
２お工び４４とほとんど同じ２つの銅スクリーン９０に
結合している。ワイヤ９４は車輪６゜に最も近い銅スク
リーン９ｏに結合されており。

ワイヤ９２は次に下の銅スクリーンに結合されており、
ワイヤ９８は次に下の銅スクリーンに結合されており、
グ→−−同一は砿−（ｆ→ｌ峨ザ→−←舖−合４広く一
村一ワイヤ９６は一番下の圧電結晶８８とディスク形部
品２０との間にある銅スクリーンに結合されている。ワ
イヤ９２および９６はワイヤ１００に結合されＣおυ、
ワイヤ９４お工び９８はワイヤ１０２に結合されＣいる
。ワイヤ１００および１０２はボート２５および５０を
通シ抜けている。

圧電結晶および関連した銅スクリーンおよび配線を別に
すると、第３図の送受信機は第１図の送受信機と殆んど
同じでおる。送受信機が送信機とし°Ｃ動作すると、同
じ振幅９周波数および位相をもった電気信号が各銅スク
リーン９０に印加される。

同様に、送受信機が受信機として動作すると、各銅スク
リーンは殆んど同じ振幅１位相および周波数をもった電
気信号を受信する。

′ｓ４図は送（Ｎｒ機と両受信機が同一軸に取り付けら
れ′Ｃいる本発明の代わシの実施例を示す。

実施した場合には２０．０００〜ｓｏ、ｏｏｏ出の範囲
。

通常は２０．０００〜２乞００〇七の範囲の圧電変換器
の動作が好ましいことが発見され′Ｃいる。約２０Ｋ）
ｌｘの周波数が通常は超音波と考えられる。一部の応用
例では、圧電変換器を２０　Ｋｌ−Ｌｘ以下で動作させ
ることが望ましく、そのような動作は本発明の範囲内で
ある。私はまた圧電変換器３６の発振周波数を車輪の機
械的特性に関連し″ＣＣ電電制御しうろことが重要であ
ることを発見している。その理由は圧電変換器の振動は
車輪６０における定在波を作るべきであるからである。

定在波は車輪６０の大きさ、形および機械的特性に依存
する一定の周波数においてのみ作られる。定在波が作ら
れないと、受信機から有用な情報を得ることができない
。

更に、車輪６０における定在波は、車輪がいわゆる′半
径方向モード（ｒａｄｌａＬｍｏｄｅ　）’ではなく′
厚さモード（ｔｈｉｅｋｎ＠ｍｓ　ｍｏｄｅ　）’で動
作しつつあるようにすべきである。厚さモードの振動で
は、定在波節は殆んど円形でｌ）車輪６ｏの円周に平行
している。他方、半径方向モードでは複数の節が車輪の
円周に作られる。従っ・Ｃ車輪が半径方向モードで動作
しつつある場合には、車輪が回転し′Ｃ紙に接触すると
１紙に与えられる信号の振幅は節が紙に接触した時に零
になシ、２つの節の間の車輪上の点が紙に接触した時に
最大となる。従ってこの場合には１紙を通じて送られる
信号は最大と零の間で発振し、受信機に１つ°Ｃ受信さ
れた情報の評語な不可能とまではいわないにしＣも非常
に困難セする。他方、車輪が厚さモードで振動しつつお
ると１紙へ送られる信号は紙に対する車輪の回転位置に
よって変化しない。

本発明の代わ９の実施例は２つの送受信機のみを含み、
１つは送信セードで動作し、１つは受信モードで動作す
る。これは第５図に示されＣいる。

この実施例は２つの方法で動作することができる。

１つの動作モードでは、送信車輪と受信車輪との間の距
離が前もって慎重に定められ′Ｃいる。次に超音波周波
数のパルスが送信車輪によって紙に印加され、受信車輪
にＬっ゛で受信される。パルスが移動する時間が決定さ
れ９紙の超音波速度が２つの車輪の間の距離とパルス移
動時間に基づい′Ｃ決定される。もう１つの動作モード
では、信号発生および計算手段１０は軸６８に結合され
た送信機と軸６６に結合された受信機の両方に結合され
Ｃいる。信号発生および計算手段１１０は連続的に送信
され連続的に受信される信号間の位相差の測定を可能に
する７工−ズロツク増幅器を含む。２つの車輪間の距離
は判つ′Ｃいるので１紙における超音波速度は位相差か
ら決定できる。

成る場合には送信機からの信−号が空気中を通って移動
し受信機に達するのを防ぐ゛ために注意を払うべきこと
を私は発見した。そのような注意が払われないと、送信
機は空気中を通って移動し受信機によつ゛Ｃ受信される
電磁波又は音波を発生させる可能性があり、空気中を伝
わる波の速度は紙を伝わる速度と異なる。従つ”Ｃ空気
中を伝わる波は誤った速度読取値を生じさせる＝Ｉ能性
がある。空気中を通る音波が受信機に達するのを防ぐに
は。

送信機と受信機を枚の反対側に置くだけで通常は十分で
あることを私は発見した。送ｙｉ機からの電磁波を防ぐ
には１紙に接触しなければならない車輪な除いて送信機
および受信機をファラデーケージに入れ、１１＆磁波な
発生させないガラスのような誘電材料の車輪を作るだけ
で連通は十分である。

以下本発明の実施の態様を列記する。

１、送信機は回転することができ巻取紙と接触し゛Ｃ取
シ付けることができる車輪を含み、ｖＪ記単車輪少なく
とも全円周が振動を送ることができる特許請求の範囲第
１項による装置。

２　前記送信機は更に前記車輪に結合した少なくとも１
つの圧電ディスクを含み、少なくとも前記車輪の全円周
にわたって前記車輪を振動させる前記第１項による装置
。

＆　受信機は回転することができ巻取紙と接触して取シ
付けることができる車輪を含み、前記車輪の少なくとも
全円周が振動を受信および送信できる特許請求の範囲第
１項による装置。

４、　　ＩｖｉＩ記受信機は前記第２車輪に結合した少
なくとも１つの圧電ディスクを含み、前記車輪の少なく
とも全円周で振動する前記第６項による装置。

＆前記受信機は回転することができ前記第２車輪から離
れた位置において巻取紙と接触して取９付けることがで
きる＄３の車輪を含み、前記第３車輪の少なくとも全円
周が振動を受信および送信できる前記第３項による装置
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の一部の切取図である。 第２図は、本発明の１実施例を図解したものでおる。 第３図は、代わりの実施例の一部の切断図である。 第４図は、本発明の代わ夛の実施例を図解したものであ
る。 第５図は、更に別の代わシの実施例を図解しｔものであ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ａ）巻取紙と接触させて取り付け巻取紙に連続的振
   動を起こさせることができる送信機とｂ）巻取紙と接触
   させて取り付け、前記送信機が発生させた連続的振動を
   連続的に受信し、その振動を電気信号に変換することが
   できる受信機と、ｃ）受信機から電気信号を受信し、そ
   の信号を速度測定値に変換する信号処理手段とを含む。 移動する巻取紙の振動速度を測定する装置。 ２、ａ）巻取紙と接触していて互に所定の距離Ｄだけ離
   して置かれている送信機と受信機を取り付け、 ｂ）送信機を用いてパルスを発生させ、 ｃ）受信機でそのパルスを受信し、 ｄ）パルスの発生と受信機によるパルスの受信との間の
   時間Ｔを決定することを含む、 送信機と巻取紙から連続的に振動を受信しその振動を電
   気信号に変換できる受信機とを用いて移動する巻取紙の
   振動速度を測定する方法。 ３、ａ）送信機と２つの受信機を巻取紙に接触させて取
   り付けるが、その送信機は両方の受信機から間隔を置い
   て取り付け、２つの受信機は所定の距離Ｄだけ互に離し
   て取り付け、 ｂ）送信機で巻取紙に連続的振動を発生させ、ｅ）その
   振動を両方の受信機で受信し、 ｄ）２つの受信機で受信した振動間の位相差Ｐを決定し
   、 ｅ）所定の距離Ｄと位相差Ｐに基づいて振動速度を決定
   することを含む、 振動を巻取紙に連続的に送ることができる送信機を用い
   、また巻取紙から振動を連続的に受信できる２つの受信
   機を用いて移動する巻取紙の振動速度を測定する方法。