JP2006071384A - 粒径分布測定装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源から光検出器に至るまでの測定系機器の位置合わせを、誰でもが正確で容易にかつ短時間で行えるようにする。
【解決手段】粒子群に光を照射する光源４ａと、その光の照射によって発生する回折又は／及び散乱光の強度を検出する光検出器とを備え、前記光検出器５ａからの出力値に基づいて前記粒子群の粒径分布を測定するものにおいて、一体品であるベース構造体７と、光源４ａ及びその光源の前方に配置される投光レンズ４ｂを一体的に保持して光源ユニット４を形成する保持体４ｃと、光源ユニット４に設けられ、当該光源ユニット４から射出される光の軌道を調整するための光軌道調整機構５ｅと、光源ユニット４及び光検出器５ａを、前記ベース構造体７の所定位置に位置決めして取り付けるための位置決め構造とを設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、分散媒中に分散させた粒子群に光を照射して生じる回折及び／又は散乱光（以下、回折散乱光という）の強度に基づいて粒径分布を測定する粒径分布測定装置に関するものである。

この種の粒径分布測定装置として、透明なセルに収容した粒子群にレーザ等の光源から光を照射し、その際生じる回折散乱光の角度についての強度分布を、セルの周囲に離散配置した多数の光検出器により検出し、その検出結果に基づいて粒子群の粒径分布を測定するようにしたものが知られている。その一例としては、特許文献１に示すように、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の光源から射出された光をミラーを介してビームエクスパンダに導入して径を広げ、その光をセル内の粒子群に照射した後、そこで発生する回折散乱光をレンズを介して、離散配置した光検出器で受光するようにしたものを挙げることができる。

このような装置では、大径粒子に至るまで精度良く粒径分布を測定しようとした場合、光軸からの角度が極めて小さい回折散乱光をも検出しなければならず、そのために、光軸近傍での検出器を非常に密に配置して角度分解能を大きくしている。そしてこのような構造であることから、光源からの光と、検出器との正確な位置合わせが必要になる。
特開２０００−２１４０６８号公報

ところが、従来、製造過程において上述した位置合わせを行うには、装置の光学ベンチ上で、ミラーを調整しつつ光源とビームエクスパンダとの光軸合わせを行い、その後、レンズや検出器の位置合わせを個々に行うといったように、部品毎に光学ベンチ上への固定と調整とを同時に行わなければならず、非常に手間である。

さらに、その位置合わせには、光源から射出された光と他の光学部品との間での干渉光を利用しているため、作業に手間や時間がかかるだけでなく、熟練が必要で作業者によってばらつきが生じる恐れも高い。

また、光源を交換するなどのメンテナンス時においても、交換前の光源と交換後の光源とでは光軸等が微妙に食い違って機差が生じていることが十分に考えられるため、交換とともに光学系全体の再調整が必要であり、それに多大な時間と労力とがかかるという不具合がある。

そこで本発明は、この種の粒径分布測定装置において、光源から光検出器に至るまでの測定系機器の位置合わせを、誰でもが正確で容易にかつ短時間で行えるようにすることをその所期課題としたものである。

かかる課題に対応してなされた本発明に係る粒径分布測定装置は、粒子群に光を照射する光源と、その光の照射によって発生する回折又は／及び散乱光の強度を検出する光検出器とを備え、前記光検出器からの出力値に基づいて前記粒子群の粒径分布を測定するものにおいて、一体品であるベース構造体と、前記光源及びその光源の前方に配置される投光レンズを一体的に保持して光源ユニットを形成する保持体と、前記光源ユニットに設けられ、当該光源ユニットから射出される光の軌道を調整するための光軌道調整機構と、前記光源ユニット及び光検出器を、前記ベース構造体の所定位置に位置決めして取り付けるための位置決め構造とを備えていることを特徴とする。

このようなものであれば、光源と投光レンズとがユニット化されるとともに、その光源ユニットに光軌道調整機構が設けられているので、光源ユニット単体で別途光軸調整をすることができる。この光軸調整は、例えば専用の治具（後述する光軌道確認治具）を設けておけば、誰でもが容易にできる。また、このように光軌道の調整さえしてしまえば、あとは位置決め構造を利用して、誰でもが簡単かつ正確に、しかも短時間で光源ユニット及び光検出器をベース構造体に対し正確に取り付けることができるため、従来に比べ装置製造時の作業性や装置品質を大幅に向上させることができる。

さらに、光源ユニット毎に光軌道の調整が施されて互換性が保たれる、すなわち品質的に揃うこととなるため、例えば光源ユニットの交換にあたって、いちいち光学調整を行う必要もなくなり、メンテナンス時での作業性等にも大きく寄与し得る。

また、本発明に係る粒径分布測定装置は、粒子群に検査光を照射する光源と、その検査光の照射によって発生する回折又は／及び散乱光の強度を検出する光検出器とを備え、前記光検出器からの出力値に基づいて前記粒子群の粒径分布を測定するものにおいて、一体品であるベース構造体と、前記光源及びその光源の前方に配置される投光レンズを一体的に保持して光源ユニットを形成する保持体と、前記光源ユニットに設けられ、当該光源ユニットから射出される光の軌道を調整するための光軌道調整機構と、前記光検出器を保持して検出器ユニットを形成する第２保持体と、前記検出器ユニットに設けられ、前記第２保持体に対する光検出器の位置を調整するための検出器位置調整機構と、前記光源ユニット及び検出器ユニットを、前記ベース構造体に位置決めして取り付けるための位置決め構造とを備えていることを特徴とする。

このようなものであれば、光検出器をも位置調整可能にユニット化されており、測定光学系機器におけるユニット化をさらに推し進めたものと言えるので、前述した効果がより顕著なものとなる。

一方、このような構成の粒径分布測定装置の好適な製造方法としては、光源ユニットからでる光の軌道が規定内であるか否かを確認できる光軌道確認治具を設けておき、この光軌道確認治具を利用することによって、光源ユニット単体での光軌道が規格内となるように、前記光軌道調整機構を操作して調整し、その調整後の光源ユニットを前記ベース構造体に取り付ける方法を挙げることができる。

さらに、前記第２保持体に対する光検出器の位置が、規格内であるか否かを確認できる検出器位置確認治具を設けておき、この検出器位置確認治具を利用することによって、前記検出器ユニットにおける検出器の位置が規格内となるように、前記検出器位置調整機構を操作して調整し、その調整後の検出器ユニットを、前記ベース構造体に取り付ける方法を、前記方法に追加乃至組み合わせることにより、本発明の効果はより一層顕著なものとなる。

このように構成した本発明によれば、従来のように光学系部品を１つ１つベンチ上に載置しながら、しかも干渉光といった取り扱いの難しい現象を利用して位置決めするのではなく、予め調整済みのユニットを位置決め構造を有するベース構造体に単純に取り付ければよいだけであるため、誰でもが簡単で正確かつ短時間に測定系機器を組み立てることができる。さらに各ユニットは、付属する調整機構により予め調整をして互換性を担保できるので、例えばメンテナンスにおいて、ユニットを交換するだけでよく、従来のように部品交換の後、再度光学調整等をするといった負担の多い作業を低減できる。

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る粒径分布測定装置１００は、全体外観を図１に示すように、測定対象となる粒子群に光を照射した際に生じる回折散乱光の回折散乱パターン（回折散乱光強度の角度分布）を検出し、その回折散乱パターンからＭＩＥ散乱理論に基づいて逆フーリエ変換演算を施し、粒径分布を測定するようにしたものであり、図２に内部の演算装置等を除く主構成模式図を示すように、ベース構造体７と、このベース構造体に支持させた光源４、セル２、光検出器５等の測定系機器類とを少なくとも備えている。

ベース構造体７は、例えば、図２に示すように、左右に延びる矩形ブロック状（厚肉板状）の中間体７１と、その中間体７１の左右両端部から一体に起立する互いに離間した一対の起立支持体７２、７３とからなる概略凹形状をなすものである。そして一方の起立支持体７２には第１収容空間Ｓ１を設けて、光源側の測定系機器を主として支持収容させるとともに、他方の起立支持体７３には第２収容空間Ｓ２を設け、光検出器側の測定系機器を主として支持収容させている。さらに、起立支持体７２、７３間に形成された空間をセル収容空間Ｓとして、ここにセル２を収容させている。なお、符号７２ｃ、７３ｃは、光源からの光や回折散乱光を透過させるための透過窓である。このベース構造体７は、例えばその表面の必要箇所につや消しの黒塗装を施した厚肉金属製の鋳型一体成型品であるが、もちろん、強度、取付位置精度等に問題がなければ複数に分離して組み立てにより一体的に接続して構成しても構わない。

測定系機器類としては、同じく図２に示すように、分散媒中に分散させた粒子群を収容する透明セル２と、その透明セル２中の粒子群に光を照射する光源４ａと、前記光の照射によって発生する回折散乱光の強度を検出する離散配置した複数の光検出器５と、その他の光学機器やスリット等を設けている。

各部を説明する。

セル２は、例えば樹脂製のもので、図２では湿式バッチセルを示している。その他に、例えばタイプの異なる複数のセル（例えば湿式フローセル、湿式バッチセル、乾式バッチセル）を図示しないセル保持機構により移動可能に保持させ、測定によってどのセル２を使用するかを切り替えられるように構成しても構わない。

光源４ａは、例えば赤色光を発する半導体レーザであるが、その他にＬＥＤ等の他の光源でも構わないし、波長の異なる複数種類の光源を用いてもよい。例えば波長の異なる複数の光源を用いることで、粒径の測定可能レンジを精度を落とすことなく広げることができる。

光源４ａの光射出側には投光レンズ４ｂを配置している。そして、光源４ａから拡がりながら出た光が、前記投光レンズ４ｂにより屈折し、収斂する向きの光となってセル２に照射されるように構成している。

しかしてこの実施形態においては、特に図３に示すように、光源４ａと投光レンズ４ｂとを保持体４ｃにより一体的に保持し、光源ユニット４を形成している。

保持体４ｃは、例えば投光レンズ４ｂを保持する鏡筒４１ｃと、その鏡筒４１ｃの底部に覆うように取り付けたベース部材４２ｃとを備えたもので、鏡筒４１ｃ又はベース部材４２ｃのいずれかが、ベース構造体７に、例えばピンとこれを嵌合させる嵌合孔との嵌合位置決め構造により、ガタなく（正確には機械精度上の公差分だけのずれで）取り付けられるようにしてある。そして、ベース部材４２ｃにおける鏡筒４１ｃ側の面に、半導体レーザ４ａを搭載した基板４ｄを取り付けている。

ベース部材４２ｃは鏡筒４１ｃに対し、ｘｙｚの３軸方向に沿って進退して位置調整可能に取り付けてあり、基板４ｄはベース部材４２ｃに対し、ｒθの２方向に傾動調整可能に取り付けられている。それら進退機構及び傾動機構は、ねじ送り機構や、可動ねじによる３点支持機構等を利用して実現しており、光軌道調整機構４ｅとしての役割を果たす。そしてこの光軌道調整機構４ｅにより、半導体レーザ４ａと投光レンズ４ｂとの相対位置関係をｘｙｚｒθの５自由度で調整することができ、その結果、半導体レーザ４ａから投光レンズ４ｂを経て外部に射出される光の軌道を調整することができる。

光検出器５ａは、フォトダイオード等を利用したもので、受光した光の強度に応じた強さの電気信号（光強度信号）を出力する。これら光検出器５の総数は、例えば９０〜１００個であり、セル２の周囲であって当該セル２を含む鉛直面上に離散配置してある。特にこの実施形態では、図２に示すように、これら光検出器５ａを、一定角度以下の小さい角度で回折散乱した光を角度について精度よく検出するための狭角散乱光検出器５ａ（Ａ）と、それよりも広い角度で、前方から側方、後方にかけて回折散乱した光を検出するための広角散乱光検出器５ａ（Ｂ）とに分類している。

そして本実施形態では、図２、図４に示すように、多数の狭角散乱光検出器５ａ（Ａ）を、基板５ｂ上に非常に細い幅で同心円状に密に配列してリングディテクタアレイとし、その基板５ｂと、該基板５ｂを保持する第２保持体５ｃと、この第２保持体５ｃに対する基板５ｃ（光検出器５ａ（Ａ））の位置を調整するための検出器位置調整機構（図示しない）とを一体化して光検出器ユニット５としている。

この検出器位置調整機構は、詳細は図示しないが、第２保持体５ｃに対する狭角散乱光検出器５ａ（Ａ）のｘｙｚの３方向に係る位置を調整するためのもので、ねじ送り機構等を利用して実現している。そしてこの第２保持体５ｃを、ベース構造体７に、例えばピンとこれを嵌合させる嵌合孔との嵌合位置決め構造により、ガタなく（正確には機械公差分だけのずれで）取り付けられるようにしてある。

さらに本実施形態では、図２に示すように、光源４ａから狭角散乱光検出器５ａ（Ａ）までの光路長を延ばしつつも、省スペースを保てるように、ミラー６ａを介して狭角散乱光検出器５ａ（Ａ）に回折散乱光が導かれるようにしている。

そしてこのミラー６ａと、ミラー６ａを保持する第３保持体（図示しない）と、第３保持体に対するミラー６ａの姿勢を調整するためのミラー姿勢調整機構６ｂとを一体化してミラーユニット６を形成し、このミラーユニット６を前記ベース構造体７に支持させている。

ミラー姿勢調整機構６ｂは、詳細は図示しないが、第３保持体に対するミラーの姿勢を調整するためのもので、この実施形態では、ミラー駆動機構６ｄにより、このミラー姿勢調整機構６ｂを自動で動作させることができるようにしてある。また、第３保持体は、ベース構造体７に、例えばピンとこれを嵌合させる嵌合孔との嵌合位置決め構造により、ガタなく（正確には機械公差分だけのずれで）取り付けられるようにしてある。

次に、このような構成の本実施形態に係る測定系機器類の組み立て方法について述べる。

まず、光源ユニット４から射出される光軌道の、鏡筒４１ｃに対するずれが許容範囲内となるように調整する。このときは光軌道確認治具Ｅ１を用いる。この光軌道確認治具Ｅ１は、図４に示すように、例えば、基台Ｅ１１と、その基台Ｅ１１上の一端部に設けた光源ユニット取付部Ｅ１２と、基台Ｅ１１上の他端部に位置決めされて取り付けられたＣＣＤ等の面状の基準光検出器Ｅ１３とを備えている。

前記光源ユニット取付部Ｅ１２には、光源ユニット４（具体的には鏡筒４１ｃ又はベース部材４２ｃ）をピン嵌合等によって正確に位置決めして取り付けることができる。このようにして基台Ｅ１１上に取り付けた光源ユニット４から光を射出すると、その光は前記基準光検出器Ｅ１３に導かれ、その出力から光がどの範囲でどの位置に照射されているか、すなわち光の軌道が正確にわかる。そしてこれが所定の範囲内におさまるように、前記光軌道調整機構４ｅを操作して調整する。そしてこのことにより、光源ユニット４から射出される光の軌道（より具体的には鏡筒４１ｃ又はベース部材４２ｃに対する軌道）が、ある規格内に一定に揃えられる。

その一方で、光検出器５ａ（Ａ）の、第２保持体５ｃに対する位置を調整する。このときは検出器位置確認治具Ｅ２を用いる。この検出器位置確認治具Ｅ２は、図５に示すように、基台Ｅ２１と、その基台Ｅ２１上の一端部に位置決めされて取り付けられた基準光源Ｅ２２と、基台Ｅ２１上の他端部に設けた検出器ユニット取付部Ｅ２３とを備えている。

前記検出器ユニット取付部Ｅ２３には、検出器ユニット５（より具体的には第２保持体５ｂ）をピン嵌合等によって正確に位置決めして取り付けることができる。このようにして基台Ｅ２１上に取り付けた検出器ユニット５に、前記基準光源Ｅ２２から基準光を照射すると、光検出器５ａ（Ａ）の出力から、基準光がどの光検出器５ａ（Ａ）に当たっているか、あるいは当たっていないかなどがわかるので、その基準光の当たる範囲が所定の範囲内におさまるように（具体的には円弧の中心の透過光検出器にあたるように）、前記検出器位置調整機構を操作して調整する。そしてこのことにより、検出器ユニット５における光検出器の位置が、ある規格内に一定に揃えられる。

ミラーユニット６に関しても同様である。図示しないが、第３保持体に対するミラー６ａの姿勢をミラー姿勢確認治具を用いて調整し、そのことによりミラーユニット６におけるミラー６ａの姿勢がある規格内に一定に揃えられる。

最後に、このように調整して規格化した光源ユニット４、検出器ユニット５及びミラーユニット６を、前記ベース構造体７に位置決め構造を利用して所定位置にそれぞれ取り付ける。なお、その他に図示しないスリットや他の光検出器（広角散乱光検出器５（Ｂ）なども、このベース構造体７の所定位置に位置決めして取り付ける。

このことにより、ベース構造体７に対し、直接的には、光源ユニット４の保持体４ｃ（具体的には鏡筒４１ｃ又はベース部材４２ｃ）、検出器ユニット５の第２保持体５ｂ及びミラーユニット６の第３保持体が、ピン嵌合等により位置決めされる。しかして、光源ユニット４において保持体４ｃ（具体的には鏡筒４１ｃ又はベース部材４２ｃ）と光軌道とは、既に調整治具Ｅ１を用いて調整がなされており、また、検出器ユニット５においても、第２保持体５ｂと光検出器５ａ（Ａ）とは、やはり同様に調整がなされており、さらにミラーユニット６においても、第３保持体とミラー６ａとの調整は既になされているため、結局、この光源ユニット４、検出器ユニット５及びミラーユニット６を前記ベース構造体７に取り付けることにより、光軌道と光検出器位置とが、機械精度の限度内において、確実に所望の対応関係になる。

また、最終的には光検出器５ａ（Ａ）の中央に光軸が位置するように、光検出器５ａ（Ａ）の出力値をモニタしながら、ミラー６ａの姿勢をミラー駆動機構６ｄが自動で操作するが、最初の取り付け時点で精度良く位置決めがなされており、ミラー６ａは、その機械精度誤差を補正する程度しか動かす必要がないため、このときの制御を確実かつ容易に行うことができる。

このように、本実施形態によれば、従来のように光学系部品を１つ１つベンチ上に載置しながら、しかも干渉光といった取り扱いの難しい現象を利用して位置決めするのではなく、予め調整済みの光源ユニット４、検出器ユニット５、ミラーユニット６を、位置決め構造を有するベース構造体７に単純に取り付ければよいだけであるため、誰でもが簡単で正確かつ短時間に測定系機器を組み立てることができる。
さらに、従来であれば、光源と検出器との位置や姿勢のずれを許容していたため、光源や検出器をメンテナンス等で交換すると、ミラーの自動調整機構だけ吸収できないほどの位置や姿勢の違いが生じ、光学系全体の調整を再度行う必要があったが、この実施形態によれば、各ユニット４〜６が、付属する調整機構により予め調整されて所定規格内に担保され、しかもそれら各ユニット４〜６が一体品であるベース構造体７に位置決めして取り付けられるため、ミラーユニット６による自動調整可能な範囲に確実にすることができ、例えばメンテナンスにおいて、ユニット４〜６を交換するだけでよく、従来のように部品交換の後、再度光学調整等をするといった負担の多い作業を低減できる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではない。

例えば、検出器側にｘｙｚｒθの調整機構を設け、光源側の調整機構を簡略化してもよい。また検出器側の調整機構を省略してミラーのみで調整可能にしてもよい。

さらに、ミラーは必ずしも必要ないし、組み立て後はミラーユニットのみならず、光源ユニットや検出器ユニットが連携して自動駆動されるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、光検出器のうち、狭角散乱光検出器にのみ位置調整機構を設けていたが、広角散乱光検出器にも位置調整機構を設けて構わない。

もちろんその他の各部、例えばベース構造体の形状や構成、光源の種類など、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態における粒径分布測定装置の本体を示す全体斜視図。 同実施形態におけるベース構造体、収容空間等を示す模式的内部構造図。 同実施形態における光源ユニットを示す模式的縦断面図。 同実施形態における光軌道確認治具を示す模式的斜視図。 同実施形態における検出器位置確認治具を示す模式的斜視図。

符号の説明

２・・・セル
４ａ・・・光源（半導体レーザ）
４ｂ・・・投光レンズ
４・・・光源ユニット
４ｃ・・・保持体
４ｅ・・・光軌道調整機構
５・・・検出器ユニット
５ａ・・・光検出器
５ｃ・・・第２保持体
７・・・ベース構造体
Ｅ１・・・光軌道確認治具
Ｅ２・・・検出器位置確認治具

Claims (4)

1. 粒子群に光を照射する光源と、その光の照射によって発生する回折又は／及び散乱光の強度を検出する光検出器とを備え、前記光検出器からの出力値に基づいて前記粒子群の粒径分布を測定するものにおいて、
   一体品であるベース構造体と、
   前記光源及びその光源の前方に配置される投光レンズを一体的に保持して光源ユニットを形成する保持体と、
   前記光源ユニットに設けられ、当該光源ユニットから射出される光の軌道を調整するための光軌道調整機構と、
   前記光源ユニット及び光検出器を、前記ベース構造体の所定位置に位置決めして取り付けるための位置決め構造とを備えていることを特徴とする粒径分布測定装置。
2. 粒子群に検査光を照射する光源と、その検査光の照射によって発生する回折又は／及び散乱光の強度を検出する光検出器とを備え、前記光検出器からの出力値に基づいて前記粒子群の粒径分布を測定するものにおいて、
   一体品であるベース構造体と、
   前記光源及びその光源の前方に配置される投光レンズを一体的に保持して光源ユニットを形成する保持体と、
   前記光源ユニットに設けられ、当該光源ユニットから射出される光の軌道を調整するための光軌道調整機構と、
   前記光検出器を保持して検出器ユニットを形成する第２保持体と、
   前記検出器ユニットに設けられ、前記第２保持体に対する光検出器の位置を調整するための検出器位置調整機構と、
   前記光源ユニット及び検出器ユニットを、前記ベース構造体の所定位置に位置決めして取り付けるための位置決め構造とを備えていることを特徴とする粒径分布測定装置。
3. 光源ユニットからでる光の軌道が規定内であるか否かを確認できる光軌道確認治具を設けておき、この光軌道確認治具を利用することによって、光源ユニット単体での光軌道が規格内となるように、前記光軌道調整機構を操作して調整し、その調整後の光源ユニットを前記ベース構造体に取り付けるようにしている請求項１又は２記載の粒径分布測定装置の製造方法。
4. 前記第２保持体に対する光検出器の位置が、規格内であるか否かを確認できる検出器位置確認治具を設けておき、この検出器位置確認治具を利用することによって、前記検出器ユニットにおける検出器の位置が規格内となるように、前記検出器位置調整機構を操作して調整し、その調整後の検出器ユニットを、前記ベース構造体に取り付けるようにしている請求項２記載の粒径分布測定装置の製造方法。