JP2006064621A - 粒子径分布測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる波長帯域に属する検査光の透過率を同時且つ的確にモニターして、素早く正確に試料調整できるようにした粒子径分布測定装置を提供する。
【解決手段】少なくとも濃度検知時に、レーザ光２ａの散乱光がＬＥＤ光２ｚの受光器２３ｚに入光することを防止すべく、フローセル１２と受光器２３ｚとの間に、レーザ光２ａの波長帯域に対する透過率よりもＬＥＤ光２ｚの波長帯域に対する透過率の高い光学フィルタＦを設けることとした。
【選択図】図４

Description

本発明は、粉粒体試料などの粒子の粒子径分布を測定する粒子径分布測定装置に関するものである。

粒子による光の回折現象または散乱現象を利用した粒度分布測定装置では、粒子を分散媒中に分散させた試料液をセルに導入して検査光を照射し、その回折光または散乱光の強度分布、つまり回折角または散乱角と光強度との関係を測定し、これにフラウンホーファ回折理論またはミー散乱理論に基づく演算処理を施すことによって、試料粒子の粒度分布が算出される。

近年、より微小な粒子の径を測定する要求が高まり、単一の装置で比較的大きな粒子から微小粒子まで測定できる装置の開発が望まれている。

そこで、例えば特許文献１に示すものは、粒子径が小さくなるほど散乱が側方や後方にまで大きく広がることを利用して、検査光を照射した際に比較的径の大きい粒子によって光軸近傍に散乱する散乱光をリングディテクタ等の狭角散乱光検出器によって捕獲するとともに、比較的径の小さい粒子によって光軸から離れた位置に散乱する散乱光を周辺に配置した複数のフォトセンサからなる広角散乱光検出器によって捕獲することで、単一の装置で大粒子から微小粒子まで幅広いレンジの測定を可能にしている。

なお、粒子径の分布測定を高い精度で再現性良く行うためには、試料の濃度を常に一定にしておく必要がある。このため、試料濃度を反映している透過光を狭角散乱光検出器において捕獲し、その透過光量と光源光量との比率である透過率に基づいて試料液の濃度をモニターし、必要に応じて試料を追加し、或いは分散媒で希釈しながら、測定ごとに濃度その他の試料調整を行なうことが一般に行なわれている。
特開２０００−１２１５４０号公報

ところで、測定レンジの一層の拡幅を図るために、近年、比較的長波長帯域に属する光源と比較的短波長帯域に属する光源の２つの光源を併用し、これらを選択的に使用することで測定レンジを広げる試みもなされている。この場合、何れの光源が選択されてもすぐに的確な測定を開始できるように、２種類の光源から光軸を異ならせて共通のセルに対し同時に検査光を照射し、何れか若しくは双方の透過率に基づいて上記の試料調整を行なうようにしている。

しかしながら、このような構成を採用すると、一方の検査光の散乱光が他方の検査光の透過光を受光する受光部に入光して、他方の検査光の透過光のみを正確に測定することが困難となる場合がある。すなわち、試料調整時に同時に各々の検査光の透過率を測定しても、一方の検査光をＯＦＦにして他方の検査光のみによって実際の粒子径の分布測定を開始する段階になると一方の検査光の散乱光が入光しない分だけ透過率がずれた値をとるので、真に的確な濃度調整が行われているとは言い難い。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、異なる波長帯域に属する検査光の透過率を同時且つ的確にモニターして、素早く正確に試料調整できるようにした粒子径分布測定装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記の目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明は、この種の粒子径分布測定装置としての一般的構成を備えてなるものにおいて、少なくとも波長帯域の異なる２種類の検査光を照射すべく、共通のセルの周囲に光軸を異ならせて各々光学式測定系を構成するとともに、濃度検知時に一方の検査光の散乱光が他方の検査光の透過光を受光する受光部に入光することを防止すべく、当該一方の検査光の波長帯域に対する透過率よりも他方の検査光の波長帯域に対する透過率の高い光学フィルタを設けたことを特徴とする。

このような構成により、相対的に相手方の散乱光による影響を受け易い方の受光部を「他方の検査光の透過光を受光する受光部」に設定すると、この受光部に一方の検査光の散乱光が入光する手前で光学フィルタがこれをカット、減衰等させ、当該受光部に極力入光させないようにすることができる。このため、本来受光すべき透過光のみをより正確に測定することが可能になる。

好ましい実施の一態様としては、一方の検査光がレーザ光であり、他方の検査光がＬＥＤ光であるものが挙げられる。

装置全般に亘って散乱による不具合の発生を防止するためには、他方の検査光の散乱光が一方の検査光の透過光を受光する受光部に入光することをも防止すべく、当該他方の検査光の波長帯域に対する透過率よりも一方の検査光の波長帯域に対する透過率の高い光学フィルタを併設していることがより好ましい。

本発明は、以上のような構成であるから、循環バスとフローセルとを循環流路を介して接続してなる試料液循環系に試料液を循環させるようにした装置に適用して極めて有用なものとなる。

本発明は、以上のような構成であるから、異なる波長帯域の検査光を複数種類採用してワイドレンジの測定を可能にするとともに、各検査光に対する透過率を同時にモニターして、素早く正確に試料調整を行なうことを可能にする新規有用な粒子径分布測定装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係る光散乱式粒子径分布測定装置の構成を概略的に示す図である。この種の装置は、湿式又は乾式、フローセル式又はバッチ式等に類別されるが、図示のものは、所謂湿式フローセルタイプと称されるものである。この粒子径分布測定装置は、循環バス１１とフローセル１２の間を循環流路１３を介し接続して粉粒体試料ｘの粒子を分散媒３ａ中に分散させた試料液１ａを循環させるようにした試料液循環系１と、前記フローセル１２内を流れる試料液１ａに検査光であるレーザ光２ａを照射しその回折及び／又は散乱光に基づいて前記試料液１ａにおける粉粒体試料ｘの粒子径分布を測定する光学式測定系２と、前記試料液循環系１に分散媒３ａを供給する分散媒供給系３と、前記循環流路１の一部に設けた排水口１４から試料液１ａを排水する試料液排水系４とにより構成される。

前記試料液循環系１において、循環バス１１は、投入される粉粒体試料ｘ（あるいはスラリー）とこれを分散させる分散媒３ａ（例えば純水やアルコールなど）とを混合して試料液１ａとするもので、上液槽部１１ａと下液槽部１１ｂの間の中間液槽部１１ｃに攪拌用モータ１５ａによって駆動可能な攪拌羽根１５を浸漬するとともに、排水ポンプとしての役割を兼ねる遠心型の循環ポンプ１６を循環バス１１の底部に液密に取り付けて循環用モータ１６ａによって駆動可能としている。循環バス１１内には、試料液１ａの水位を検出するためのフロート式の水位センサ１０（図２参照）が設けてある。そして、この循環バス１１に付帯する前記循環ポンプ１６の出口を循環流路１３の一部をなす往路配管１３ａを介してフローセル１２に接続し、フローセル１２の出口を循環流路１３の一部をなす復路配管１３ｂを介して前記循環バス１１に接続している。なお、水位センサとしては超音波式のものを用いてもよい。

フローセル１２は、試料室Ａ内に配置され、外部から導入される試料液１ａを一対の透光性のある透明板の間に液密に流通させて外部に導出し得るようにしたもので、透明板にレーザ光２ａが照射される。

往路配管１３ａは、途中に超音波を発生させる超音波振動子１８を有しており、フローセル１２に向かう試料液１ａに粉粒体の凝集が起こることを防止している。

復路配管１３ｂは、循環バス１１内の中間液槽部１１ｃに接続され、循環後の試料液１ａを循環バス１１に還流させるようにしている。

一方、前記光学式測定系２は、図１に示すように、フローセル１２を収容した試料室Ａを包囲するようにレーザ光源２１、集光レンズ２２、狭角散乱光検出器２３並びに広角散乱光検出器２４を配置するとともに、狭角散乱光検出器２３及び広角散乱光検出器２４から出力される信号を処理する信号処理部２５及び演算処理装置２６から構成される。

レーザ光源２１は、フローセル１２の対面位置に設けられ、平行なレーザ光２ａを発光する。集光レンズ２２はレーザ光源２１とフローセル１２との間に設けられ、レーザ光源２１から出たレーザ光２ａを狭角散乱光検出器２３の透過光検出器２３ｂ上に適宜集光してフローセル１２内の試料液１ａに照射させる。

狭角散乱光検出器２３は、フローセル１２と直接対面しない位置、すなわちフローセル１２を通過し可動ミラー２３ａで反射させたレーザ光２ａが集光して焦点を結ぶ位置に配置される。この狭角散乱光検出器２３は、集光レンズ２２の光軸を中心として互いに半径の異なるリング状または半リング状の受光面をもつフォトセンサを複数個同心状に配列したもので、フローセル１２内の粒子によって回折または散乱した集光レーザ光のうち比較的小さい角度で散乱／回折した光を各散乱角ごとにそれぞれ受光して、それらの光強度を測定するものである。すなわち、相対的に外周側に配置されるフォトセンサが散乱角のより大きい光を受光し、内周側に配置されるフォトセンサが散乱角のより小さい光を受光する。一般に粒子径が小さいほど散乱は大きくなるので、これにより外周側のフォトセンサの検出する光強度は粒子径のより小さい粒子の量を反映し、内周側のフォトセンサの検出する光強度は粒子径のより大きい試料粒子の量を反映していることになる。狭角散乱光検出器の前記同心円の中心であって集光レンズ２２の光軸の中心上の焦点には、フローセル１２中の試料液１ａを透過した光を検出する透過光検出器（一方の透過光検出器）２３ｂが配されている。

広角散乱光検出器２４は、フローセル１２の周囲に構成され、フローセル１２内のより粒子径の小さい粒子によって回折または散乱した集光レーザ光のうち比較的大きい角度で散乱／回折した光を、各散乱角ごとに個別に検出する。具体的にこの広角散乱光検出器２４は、狭角散乱光検出器２３へ入光する集光レーザ光と異なる角度（大きな角度）で散乱するレーザ光２ａを受光し得る位置に設けられる複数のフォトセンサ２４ａ〜２４ｈからなり、それぞれの配設角度に応じて、フローセル１２内の粒子による散乱光を散乱角度ごとに検出する。フォトセンサ２４ａ〜２４ｅが前方散乱光及び側方散乱光を検出する。

信号処理部２５は、上記狭角散乱光検出器２３やフォトセンサ２４ａ〜２４ｈから出力される信号を順次取り込み、ＡＤ変換して、演算処理装置２６に入力する。

演算処理装置２６は、この実施形態においては汎用のコンピュータの機能を利用したもので、図３に示すように、ＣＰＵ２６ａ、メモリ２６ｂ、入出力インターフェース２６ｃ及びユーザーインターフェース２６ｄを具備し、メモリ２６ｂには、ディジタル信号に変換された狭角散乱光検出器２３及びフォトセンサ２４ａ〜２４ｈの出力（光強度に関するディジタルデータ）を、フラウンホーファ回折理論やＭＩＥ散乱理論に基づいて処理し、粒子群における粒径分布を求めるためのプログラムや、透過光量及び照射光量に基づいて行う後述の濃度チェックのためのプログラム等が格納してある。そして、ＣＰＵ２６ａは適宜これらのプログラムを読み出して所定の演算、加工を施し、その演算結果をメモリ２６ｂに記憶し、或いはユーザーインターフェース２６ｄの一部を構成するディスプレイ等に表示する。本実施形態はこのようにワイドレンジで回折光や散乱光を検出することにより、粒子群における粒径分布を、粒径の比較的大きなものから粒径の微小なものまで広い範囲にわたって一挙に求めることを可能にする。

なお、大粒子から微小粒子までのより幅広い測定レンジを確保するために、本実施形態は上記レーザ光２ａのみならず、図１に示すような異なる波長帯域のＬＥＤ光２ｚを併用することもできる。この装置には、そのために前記レーザ光源２１、集光レンズ２２、狭角散乱光検出器２３に対応するＬＥＤ光源２１ｚ、集光レンズ２２ｚ、受光器２３ｚが設けてあり、これらも上記信号処理部２５，２６と協働して光学式測定系２を構成している。上記フォトセンサ２４ｄ、２４ｅ等はこのＬＥＤ光２ｚの散乱光を受光するためにも用いられる。

他方、前記分散媒供給系３は、分散媒貯留槽３１と、一端をこの分散媒貯留槽３１に浸漬させ他端を前記試料液循環系１に接続した分散媒供給配管３２と、この分散媒供給配管３２中に介在された注入ポンプ３３とを具備するもので、注入ポンプ３３を駆動することにより、分散媒貯留槽３１から分散媒３ａを吸い上げて試料液循環系１に供給するようにしている。

試料液排水系４は、前記試料液循環系１を構成する循環流路１３に電磁式の切換弁１７を介して接続されたもので、閉止位置で試料液排水系４を循環流路１３から切り離し、開成位置で試料液排水系４の一端を循環流路１３に接続して循環流路１３内の試料液１ａを他端側に位置するドレンに排出する。この切換弁１７はソレノイドによって切換え駆動される。

次に、この粒子径分布測定装置の動作について説明する。先ず、分散媒供給系３の注入ポンプ３３を作動させて循環バス１１内への分散媒３ａの供給（注入）を開始する。このとき、切換弁１７は循環モードにしておく。次に、循環バス１１内へ粉粒体試料ｘを多めに投入する。

循環バス１１内及び循環流路１３にわたって所定量の分散媒３ａが供給されると、水位センサ１０の出力信号に基づいて分散媒供給系３の供給ポンプ３３が停止し、分散媒３ａの供給が停止する。

この後に、分散処理の動作を開始する操作により、循環用モータ１６ａが起動して循環ポンプ１６が作動すると共に、超音波振動子１８が作動する。これにより、粉粒体試料ｘの混入した試料液１ａが、循環バス１１内から循環流路１３を流れ、その間にフローセル１２を通過して再び循環バス１１に戻るといった循環を繰り返す。

得られた試料液１ａの濃度のチェックは、循環流路１３内を循環する状態のもとで、光学式測定系２のレーザ光源２１からレーザ光２ａをフローセル１２に向けて照射することにより、そのときの光源光量と狭角散乱光検出器２３の透過光検出器２３ｂ検出する透過光量との割合に基づいて行われる。濃度チェックのためのプログラムは前述したようにメモリ２６ｂ内に格納してあり、ＣＰＵ２６ａは分散処理の動作の開始に伴いそのプログラムを読み出して実行し、オペレータがモニターできるようにディスプレイ等に表示する。試料液１ａの濃度が適正濃度でない場合は、分散媒３ａの供給による希釈化や粉粒体試料ｘの投入による濃密化を経て再度濃度チェックに供され、フローセル１２を流れる試料液１ａが測定に適した濃度となったところで、粒子径分布測定が行われる。試料液１ａが既に満水であるか或いは供給によって満水になる可能性がある場合には、先行して試料液排水系４を通じた試料液１ａの排水が行われる。

以上の構成において、本実施形態は特に、上記レーザ光源２１に波長帯域６５０ｎｍの赤色レーザ光２ａを発光する発光特性を有するものを使用し、上記ＬＥＤ光源２１ｚに波長帯域４０５ｎｍの青色ＬＥＤ光２ｚを発光する発光特性を有するものを使用している。この実施形態においてＬＥＤ光２ｚはレーザ光２ａに対し光軸を所定角度（４５°）異ならせてある。そして、レーザ光２ａを用いて粒子径分布を測定する際には、フローセル１２による散乱光を狭角散乱光検出器２３やフォトセンサ２４ａ〜２４ｄ等で捕獲し、ＬＥＤ光２ｚを用いて粒子径分布を測定する際はフローセル１２による散乱光をフォトセンサ２４ａ、２４ｂ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ〜２４ｈ等で捕獲するようにしている。また、試料調整のための濃度検知時には、フローセル１２に対してレーザ光２ａ及びＬＥＤ光２ｚを同時に照射して、それらの透過光を狭角散乱光検出器２３の透過光検出器２３ｂや受光器２３ｚにて捕獲するようにしている。そして、レーザ光２ａを用いた場合の後方散乱光に相当する情報については、ＬＥＤ光２ｚを用いた場合の２４ａ、２４ｂの検出値により取得するようにし、外径粒子についてまで測定感度を向上させるようにしている。

そして、少なくとも濃度検知時に、レーザ光２ａの散乱光がＬＥＤ光２ｚの受光器２３ｚに入光することを防止すべく、図４に示すようにフローセル１２と受光器２３ｚとの間に、レーザ光２ａの波長帯域（６５０ｎｍ）に対する透過率よりもＬＥＤ光２ｚの波長帯域（４０５ｎｍ）に対する透過率の高い光学フィルタＦを設けている。この光学フィルタＦは、具体的には一定波長帯域より短い波長帯域の光を優先的に通すローパスフィルタでも良いし、ＬＥＤ光２ｚの波長帯域付近のみを優先的に透過させる干渉フィルタでも良いし、逆にレーザ光２ａの波長帯域のみをカットするフィルタでも良い。これによりＬＥＤ光２ｚの透過光とレーザ光２ａの散乱光とが同時にこの光学フィルタＦに入光しても、透過率の高いＬＥＤ光２ｚの透過光のみを主として光学フィルタＦを通過させて受光器２３ｚに受光させ、透過率の低いレーザ光２ａの散乱光がこの光学フィルタＦから導出することを抑止することができる。

以上により、試料濃度調整時には、レーザ光２ａは集光レンズ２２を通った後、フローセル１２に対してほぼ垂直に入射し、フローセル１２を通過後、可動ミラー２３ａ（図４では省略）で反射され、狭角散乱光検出器２３の中心部を構成するレーザ透過光用の透過光検出器２３ｂ（詳細は図示せず）で透過光量が測定される。

また、ＬＥＤ光２ｚは、集光レンズ２２ｚを通った後、フローセル１２に対して約斜め４５°で入射し、集光レンズ２２ｚの焦点にあり、フローセル１２に対してＬＥＤ光源２１ｚの反対側にあるＬＥＤ透過光用の受光器２３ｚで透過光量が測定される。

その際、フローセル１２とＬＥＤ透過光用の受光器２３ｚの間に光学フィルタＦを設けておくことで、レーザ光源２１およびＬＥＤ光源２１ｚを同時に点弧しても、レーザ光２ａの散乱光がＬＥＤ透過光用の受光器２３ｚに殆ど入光しない状態が得られ、これによりレーザ光２ａ及びＬＥＤ光２ｚの透過率が同時に正確にモニターでき、かかる試料濃度調整時にレーザ透過率を基準に濃度調整をすることも、ＬＥＤ透過率を基準に濃度調整をすることも可能となる。

しかも、このような構成によれば、光源２１、２１ｚを切換えて順次測定を行うといった必要もないので、効率良い濃度調整を通じて準備時間の大幅な短縮が図れ、特に立ち上がりから安定するまでに時間を要するレーザ光源２１の影響を極力受けないようにしておくことができる。

特にこの実施形態は、ＬＥＤ光２ｚの透過光を受光する受光器２３ｚ側にのみ光学フィルタＦを設けているが、その理由として、レーザ光２ａはＬＥＤ光２ｚよりも光強度が強く、その散乱光がＬＥＤ光２ｚの透過光を受光すべき受光部２３ｚに入光すると、これが支配的となってＬＥＤ透過光２ｚのみの光強度を検知することが困難になるからであり、逆の意味でレーザ光２ａの透過光を受光すべき透過光検出器２３ｂについては光学フィルタを省略しているものであり、最小限の構成で両透過光の的確な検出状態を有効に両立させることが可能となる。

勿論、図５に示すように、フローセル１２と受光器２３との間にも、ＬＥＤ光２ｚの波長帯域（４０５ｎｍ）に対する透過率よりもレーザ光２ａの波長帯域（６５０ｎｍ）に対する透過率の高い光学フィルタＦ´を併設するようにしても構わない。この光学フィルタＦ´は、具体的には一定波長帯域より長い波長帯域の光を優先的に通すハイパスフィルタでも良いし、レーザ光２ａの波長帯域付近のみを優先的に透過させる干渉フィルタでも良いし、逆にＬＥＤ光２ｚの波長帯域のみをカットするフィルタでも良い。これによりレーザ光２ａの透過光とＬＥＤ光２ｚの散乱光とが同時にこの光学フィルタＦ´に入光しても、透過率の高いレーザ光２ａの透過光のみを主として光学フィルタＦ´を通過させて透過光検出器２３ｂに受光させ、透過率の低いＬＥＤ光２ｚの散乱光がこの光学フィルタＦ´から導出することを抑止することができる。

よって、双方の検査光に対して散乱光入光による透過光の測定誤差が生じることを解消して高い測定精度を実現することが可能となる。

とりわけ、本実施形態のようなフローセル式のものは試料液１ａが循環しており、測定状況が刻々変化するので、濃度調整時に同じ状況の下に検査光であるレーザ光２ａ及びＬＥＤ光２ｚを同時照射することは、時間短縮のみならず、濃度測定条件を揃えるという意味においても有用なものとなり得る。

また、光軸切換や、シャッタによって光を遮ったりする機構が不要となり、装置がシンプルになって、コストが安く、故障も少ないものにすることができる。

なお、各部の具体的構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。例えば、本発明は波長帯域の異なる２種以上の検査光であれば、レーザ光同士、ＬＥＤ光同士、或いは１又は２以上のレーザ光と１又は２以上のＬＥＤ光との組み合わせによる測定にも適用可能である。また、レーザ光やＬＥＤ光以外の光による測定にも本発明を有効に利用することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る粒子径分布測定装置の概要を示すシステム図。 同実施形態の構成説明を捕捉する図。 同実施形態で用いる演算処理装置の機能説明図。 同実施形態で用いる光学フィルタ及びその周辺の光学系を示す模式図。 本発明の他の実施形態を示す図４に対応した模式図。

符号の説明

ｘ…粉粒体
１ａ…試料液
２…光学式側定系
２ａ…一方の検査光（レーザ光）
２ｚ…他方の検査光（ＬＥＤ光）
３ａ…分散媒
４…試料液排水系
１１…循環バス
１２…フローセル
Ｆ、Ｆ´…光学フィルタ

Claims (4)

1. 粒子を分散媒中に分散させた試料液をセルに導入して検査光を照射し、その回折及び／又は散乱光に基づいて前記試料液における試料の粒子径分布を測定するように構成するとともに、その透過光に基づいて試料液の濃度検知を行ない得るようにしたものにおいて、
   少なくとも波長帯域の異なる２種類の検査光を照射すべく、共通のセルの周囲に光軸を異ならせて各々光学式測定系を構成するとともに、濃度検知時に一方の検査光の散乱光が他方の検査光の透過光を受光する受光部に入光することを防止すべく、当該一方の検査光の波長帯域に対する透過率よりも他方の検査光の波長帯域に対する透過率の高い光学フィルタを設けたことを特徴とする粒子径分布測定装置。
2. 一方の検査光がレーザ光であり、他方の検査光がＬＥＤ光である請求項１記載の粒子径分布測定装置。
3. 他方の検査光の散乱光が一方の検査光の透過光を受光する受光部に入光することをも防止すべく、当該他方の検査光の波長帯域に対する透過率よりも一方の検査光の波長帯域に対する透過率の高い光学フィルタを併設している請求項１又は２記載の粒子径分布測定装置。
4. 循環バスとフローセルとを循環流路を介して接続してなる試料液循環系に試料液を循環させるようにしている請求項１〜３記載の粒子径分布測定装置。