JP2017096663A - 画像解析型の粒度分布測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像解析型の粒度分布測定装置において、湿式分散タイプであっても比較的幅広い粒度分布の粒子を測定可能な粒度分布測定装置を提供すること。【解決手段】液体中の複数の粒子の粒子画像に基づいて粒度分布を測定する装置であって、平坦な傾斜面１２を有する透光性の流路部材１０と、傾斜面１２上を流れる液体中の複数の粒子に向けて傾斜面１２越しに光を照射する照明装置２０と、傾斜面１２から見て照明装置２０とは反対側の位置から傾斜面１２上の液体中の複数の粒子を撮像する撮像装置３０と、撮像装置３０から得た粒子画像に基づいて個々の粒子の大きさを表す値を求めて粒度分布を算出する画像解析装置とを備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、画像解析型の粒度分布測定装置に関し、特に、測定対象の粒子の流れを液中に形成して粒子画像を取得し、画像解析に基づく粒度分布を得る測定装置に関する。

従来、湿式フローセルを用いた画像解析型の粒度分布計として、ジャスコインタナショナル製の粒度分布計ＩＦ‐２００ｎａｎｏがある。この粒度分布計では、図６に示すように、粒子を含む液体がフローセル２に送られ、一方の窓板２ａを介して照明装置４によって照射され、他方の窓板２ｂを介してカメラ６により粒子画像が取得される。フローセル２は組立式であり、窓板間のスペーサ２ｃの厚さを変更することで内部空間の厚さを変更できるようになっている。もちろんセル内の流路は出入り口を除いて密閉である。また、液中への粒子の注入にはシリンジ８および三方弁８ａを用いる。このような粒度分布計を用いれば、粒子径２００ｎｍから１ｍｍまでの粒子を測定できる（非特許文献１）。
しかし、非特許文献１の粒度分布計では、粒子注入用のシリンジ８や組立式フローセル２を用いるので、測定対象の粒子径には上限があり、測定できる粒子径の分布範囲が狭いという課題があった。

一方、特許文献１には、比較的大きな粒子径まで測定対象にできる画像解析型の粒度分布計が開示されている。この粒度分布計は、乾式分散タイプと呼ばれ、振動篩などで粒子を乾式で分散した後、自由落下させて粒子画像を取得する。粒子が移動する経路は、開放型と言える。このような粒度分布計を用いれば、粒子径で約０．１ｍｍから約３ｍｍまでという比較的幅広い粒度分布の粒子を測定できることが示されている（特許文献１）。

特開２００９‐１５６５９５号公報

"画像解析粒度分布計"、注入型画像解析粒度分布計IF-200nano［online］、平成27年7月29日、ジャスコインタナショナル(株)、［平成27年7月29日検索］、インターネット〈URL：http://www.jascoint.co.jp/products/particle/wet.html.〉

しかし、特許文献１のような乾式分散タイプの粒度分布計では、粒子が振動篩などと直に接触し、自由落下後の衝撃も大きく、粒子の変形や損傷の心配がある。また、ゴム状の粒子など液体中での保管に適する粒子の場合、乾式分散タイプよりも湿式分散タイプの粒度分布計の方がふさわしい。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、画像解析型の粒度分布測定装置において、湿式分散タイプであっても比較的幅広い粒度分布の粒子を測定可能な粒度分布測定装置を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明に係る粒度分布測定装置は、
液体中の複数の粒子の粒子画像に基づいて粒度分布を測定する装置であって、
平坦な傾斜面を有する透光性の流路部材と、
前記傾斜面上を流れる液体中の複数の粒子に向けて該傾斜面越しに光を照射する照射手段と、
前記傾斜面から見て前記照射手段とは反対側の位置から前記傾斜面上の液体中の複数の粒子を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段から得た粒子画像に基づいて個々の粒子の大きさを表す値を求めて粒度分布を算出する画像解析手段と、を備えることを特徴とする。
なお、前記撮像手段は、前記傾斜面から見て前記照射手段とは反対側の位置から該傾斜面越しに液体中の複数の粒子を撮像するように配置され、前記照射手段は、前記傾斜面上を流れる液体中の複数の粒子に向けて光を直接照射するように配置されていてもよい。

従来の組立式フローセルの流路は、出入口を除くと密閉された空間であり、大きな流量を流せなかった。
これに対して、本発明の測定装置の構成であれば、粒子を含む液体は、開放された空間を傾斜面に沿って流れ落ちるようになる。開放型の流路では、流量を大きくすることが容易で、比較的大きな流量でも安定した流れが得られ、水面の乱れも少なくなる。そして、撮像手段がこのような流れを撮像することで、鮮明な粒子画像が得られ、個々の粒子がはっきりと認識される。また、飛沫や気泡による誤認も少なくなる。さらに、比較的大きな粒子が混ざっていてもスムーズな流れを維持することができる。例えば、粒子径で１ｍｍから１０ｃｍの粒度分布を示すような粒子の測定に適する。
粒子を含む液体を自由落下させる場合と比較すると、本発明のように傾斜面を流す方が、水面の散乱光を小さく抑えられる。また、自由落下に比べて、飛沫または気泡の発生が少なくなるから、これらを粒子と誤認する可能性も小さい。
以上の説明のように、本発明の測定装置であれば、湿式分散タイプであっても、数ｍｍから数ｃｍまでの比較的幅広い粒度分布の粒子を測定可能で、その測定結果に対する信頼性も高い画像解析型の粒度分布測定装置を提供することができる。
また、傾斜面を有する流路部材と照明手段と撮像手段を設置するスペースさえ確保できれば、測定対象である粒子の製造ライン、検査ライン、その他の粒子を扱うラインに容易に組み込めるため、オンラインでの粒度分布測定に適する。

また、本発明に係る粒度分布測定装置は、更に前記流路部材の前記傾斜面の傾きを可変にする可変手段を備えることが好ましい。このような構成であれば、液体の粘性が大きい場合に、傾斜角を大きくして安定した流れを維持できる。また、粒子径が大きい場合にも傾斜角を大きくすることで、同様の効果が得られる。

一実施形態に係る画像解析型の粒度分布計の主要構成を示す写真である。 前記粒度分布計の概略構成を示す正面図である。 前記粒度分布計の概略構成および流体の様子を示す正面断面図である。 前記粒度分布計による粒子画像を模式的に示した図である。 前記粒度分布計の変形例の概略構成を示す正面図である。 従来の湿式フローセルを用いた画像解析型の粒度分布計の概略構成図。

以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の画像解析型の粒度分布計は、平坦な傾斜面を有する透光性材料製の流路部材１０に、測定対象である粒子を含んだ透明液体（以降、粒子含有液体と呼ぶ。）を流して、平坦な傾斜面越しに粒子に対して光を照射し、傾斜面の上方から粒子画像を撮像するということに特徴がある。このような流路をここでは開放型流路と呼び、従来にない流路を用いた湿式分散タイプの粒度分布計を構成する。

図２に基づいて粒度分布計の概略構成を説明する。粒度分布計は、透光性材料製の流路部材１０と、流路部材１０上を流れる粒子を照射する照明装置２０と、粒子画像を撮像する撮像装置３０と、流路部材１０から排出される粒子含有液体を受け入れる貯留槽４０と、粒子含有液体を流路部材１０に案内する導入部材５０とを備える。また、制御・データ処理システムとして、照明装置２０および撮像装置３０の動作を制御する制御装置６０と、撮像された粒子画像を解析して粒子に関する分布データを作成する画像解析装置７０とを備える。

流路部材１０は、粒子含有液体を安定して流すことができる平坦な傾斜面１２上を有するものであればよい。例えば、図２のように、３枚のアクリル板を断面コの字状に接合して形成された流路部材を用いてもよい。
照明装置２０は、傾斜面１２上を流れる液体中の複数の粒子に向けて傾斜面１２越しに光を照射する。例えば、図２のような平面発光型の照明器具を用いて、傾斜面１２の裏側の面に向けて、光を均一に照射するように配置してもよい。

撮像装置３０は、傾斜面１２から見て照明装置２０とは反対側の位置から傾斜面１２上の液体中の複数の粒子を撮像する。本実施形態では、照明装置２０からの光による粒子の陰が撮像される。撮像装置３０は最終的に粒子画像を取得できればよい。静止画像を断続的に取得するようにしてもよいし、動画を撮像して、適宜、動画データから静止画像を取得するようにしてもよい。なお、撮像装置３０が静止画像を断続的に取得する場合、照明装置２０は粒子を連続的に照射してもよいし、あるいは、撮像のタイミングで閃光を断続的に照射するようにストロボ光源で構成されていてもよい。
なお、傾斜面１２上に流す粒子含有液体の流量は、撮像装置３０のカメラ深度（被写界深度とも呼ぶ）の範囲になるように調整するのがよい。

貯留槽４０は、単に粒子含有液体を溜めるだけではなく、次の工程にその液体を搬送するように構成された貯留槽にしてもよい。このようにすれば、本実施形態の粒度分布計を粒子の製造ライン等に組み込む際に有効である。貯留槽４０の代わりに、次工程に粒子含有液体を連続して供給するための排出流路を設けてもよい。

導入部材５０は、上流から送られてくる粒子含有液体の水流の乱れを流路部材１０に入る前段で低減させて、一定流速にして流路部材１０に供給するために、設けられている。そのため、導入部材５０の流路断面形状は、流路部材１０の流路断面と同じにするとよい。この導入部材５０を設けなくても本発明の粒度分布計は成り立つが、導入部材５０を設けることで液体中に粒子をより確実に分散させることができる。また、このような導入部材５０を設ければ、例えば上流からは液体のみを流して安定流を保っておき、導入部材５０の流路にて粒子を投入することで、流路部材１０に粒子含有液体の安定流を形成することもできる。このように流路部材１０における撮像エリアの上流に導入部材５０による安定流化エリアを形成することで、測定精度がさらに向上する。

解析装置７０は、撮像装置３０によって得られた粒子画像に基づいて個々の粒子の大きさ（面積など）を表す値を求めて粒度分布を算出する。解析装置７０に、粒子画像に基づいて個々の粒子の形状を表す値を求めてその形状分布を算出するようにしてもよい。ここで、粒子の大きさを、様々なサイズパラメータ（平均径、円面積相当径、最大内接円径など）を用いて数値化処理するとよい。また、粒子の形状も、様々な形状パラメータ（伸び率、円形度など）を用いて数値化処理してもよい。このような画像解析によって、それぞれのパラメータによる粒度分布データや形状分布データを算出することができる。

本実施形態のおける測定対象の粒子とは、大きさと形状の異なる複数の粒子のうちの個々の粒子を指す。測定対象の粒子は、さまざまな素材のものを使用できる。粒度分布が粒子径で１ｍｍから１０ｃｍという比較的大きな粒子を含む、幅広い粒度分布の粒子に対する測定に、本実施形態の粒度分布計が適する。また、ゴム状で互いに付きやすい特性の粒子は、液体中に保管されるものが多い。また、物性等の制約があって液中で管理される粒子もある。そのような粒子の製造ライン等で、上流側で液体に入った状態の粒子を、そのままオンライン上で粒度分布計に供給するようにすれば、製造工程や検査工程など粒子を扱うライン上でその粒度分布を確認することができる。

また、液体は、粒子が溶けない種類のものを選択するとよい。液体は光を透す性質を有すればよく、水や油、有機溶媒などを利用できる。また、液体の種類に応じて流路部材の材質を選定するとよい。有機溶媒の場合は、例えばガラス製の流路部材を用いるとよい。液体中で粒子が極力ばらついた状態を維持するように、傾斜面の角度や流速を調整できるようにするとよい。また、液体の比重により沈み易さが変わるので、粒子に応じて溶媒の種類を変更してもよい。

以上のような粒度分布計による測定方法の一例を図３に基づいて説明する。
まず、上流から粒子含有液体を導入部材５０に供給する。供給直後の粒子含有液体は水流に乱れがあるが、導入部材５０から透光性の流路部材１０に移る段階では水流が安定して一定速度になる。傾斜面１２上を流れる液体中の粒子に向けて、照明装置２０を用いて光を傾斜面１２越しに照射する。また、傾斜面１２上を流れる液体中の粒子の粒子画像を撮像装置３０によって断続的に取得する。取得した粒子画像を解析装置７０で画像解析する。図４に粒子画像の一例を模式的に示す。所望のサイズパラメータまたは形状パラメータに基づいて、粒度分布データまたは形状分布データを算出する。
粒度分布計を粒子の製造ライン等に組み込んだ場合は、算出した分布データをモニター等に表示させて、粒子の大きさまたは形状をオンラインで確認できるようにしてもよい。また、分布データを外部の監視機器に伝送して、遠隔で分布データを自動監視できるようにしてもよい。
なお、撮像装置３０によって取得する粒子画像の一枚から必要な分布データを算出してもよいし、断続的に取得される個々の粒子画像の解析結果を積算して、複数の粒子画像に基づく分布データを算出するようにしてもよい。

本実施形態の粒度分布計であれば、粒子含有液体は、開放空間である傾斜面１２に沿って流れ落ちるので、流量を大きくすることが容易になり、比較的大きな流量でも安定した流れが得られ、水面の乱れも抑えられる。照射光が水流をきれいに抜けて、個々の粒子像をくっきりと映し出すことができる。傾斜面１２が平らであるから、平坦な水面となり、水面による散乱光も低減できる。粒子を含む液体を自由落下させる場合は、水流の表面による散乱光が多く、鮮明な粒子画像を得られない。また、自由落下に比べて、飛沫または気泡の発生が少なくなるから、これらを粒子と誤認する可能性も小さくなる。飛沫のような水滴は黒く映ってしまい、粒子と誤認されるからである。
また、比較的大きな粒子が混ざっていても流量を調整することでスムーズな流れを維持することができる。

さらに、傾斜面１２を有する流路部材１０と照明装置２０と撮像装置３０を設置するスペースさえ確保できれば、測定対象である粒子の製造ライン、検査ライン、その他の粒子を扱うラインに容易に組み込めるため、オンラインでの粒子の大きさや形状の測定に非常に有効である。

図５に本実施形態の粒度分布計の変形例を示す。この粒度分布計では、流路部材１１０に対する照明装置１２０および撮像装置１３０の配置が逆になっている。照明装置１２０は、平坦な傾斜面１１２上の液体中の粒子に対して光を直接照射する。また、撮像装置１３０は、傾斜面１１２から見て照明装置１２０とは反対側の位置から傾斜面１１２越しに液体中の複数の粒子を撮像する。流路部材１１０から排出される粒子含有液体は、後段に設けられた送液部材１４０を流れて次工程に送られる。
また、図５の粒度分布計には、流路部材１１０の傾斜角を調整する角度調整機構１１４が設けられている。角度調整機構１１４は、流路部材の平坦面１１２の上端部に設けられた回転支持軸を有する。平坦面１１２がこの軸を中心にスイングするように構成されている。より好ましくは、流路部材１１０とともに撮像装置１３０および照明装置１２０が一体で、軸を中心に回転支持されているとよい。また、前段の導入部材１５０も一体で回転支持されるようにしてもよい。

このような変形例の構成であれば、液体の粘性に応じて、傾斜面１１２の傾斜角を調整することで、安定した流れを維持できる。また、粒子径に応じて傾斜角を調整することで、同様の効果が得られる。
なお、図５に示すように、粒度分布計を覆う屋根部材２３０を設けて、屋根部材２３０から暗幕２１０，２２０を垂らし、流路部材１１０と照明装置１２０と撮像装置１３０が暗室に配置されるようにしてもよい。暗室での画像を取得すれば、天井照明など不要な光が粒子を照射しないので、より鮮明な粒子画像が得られる。

１０，１１０ 流路部材
２０，１２０ 照明装置（照射手段）
３０，１３０ 撮像装置（撮像手段）
４０ 貯留槽
５０，１５０ 導入部材
６０ 制御装置
７０ 解析装置（画像解析手段）
１１４ 角度調整機構（可変手段）
１４０ 送液部材

Claims (3)

1. 液体中の複数の粒子の粒子画像に基づいて粒度分布を測定する装置であって、
   平坦な傾斜面を有する透光性の流路部材と、
   前記傾斜面上を流れる液体中の複数の粒子に向けて該傾斜面越しに光を照射する照射手段と、
   前記傾斜面から見て前記照射手段とは反対側の位置から前記傾斜面上の液体中の複数の粒子を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段から得た粒子画像に基づいて個々の粒子の大きさを表す値を求めて粒度分布を算出する画像解析手段と、
   を備えることを特徴とする画像解析型の粒度分布測定装置。
2. 液体中の複数の粒子の粒子画像に基づいて粒度分布を測定する装置であって、
   平坦な傾斜面を有する透光性の流路部材と、
   前記傾斜面上を流れる液体中の複数の粒子に向けて光を照射する照射手段と、
   前記傾斜面から見て前記照射手段とは反対側の位置から該傾斜面越しに液体中の複数の粒子を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段から得た粒子画像に基づいて個々の粒子の大きさを表す値を求めて粒度分布を算出する画像解析手段と、
   を備えることを特徴とする画像解析型の粒度分布測定装置。
3. 請求項１または２記載の装置において、前記流路部材の前記傾斜面の傾きを可変にする可変手段を備えることを特徴とする画像解析型の粒度分布測定装置。