JP3011836B2 - 粒子測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、浮遊する微粒
子等からなる粒子の等価直径、形状等の外観形態（以下
粒子全体の大きさと称す）を非接触に測定する粒子測定
装置に関し、特に、ＬＤＶ（レーザードップラー流速
計）を利用したものに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、金属粉、セラミック粉、薬品
粉、燃料用の微粉炭等のように工業的に使用される粉体
材料、あるいは空気中の塵あるいは液滴等のように浮遊
する微粒子の大きさを測定する手段としては、従来か
ら、ホログラフィ法、前方微小角散乱法等が用いられて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ホログラフィ
法は、測定装置が比較的大型化し、測定に長時間かかる
という不具合があり、前方微小角散乱法は、形状に関す
る情報が一切得られず、粒子形状が球形と大きく異なる
ときに誤差が非常に大きくなるという欠点があることか
らあまり実用的なものではない。

【０００４】また、粒子径の測定には、散乱光強度法、
位相法等の方法もあるが、これらの方法は、粒子を球形
と仮定し、統計的な仮定の下に疑似的に測定するにすぎ
ず、このような手法では精度的にも問題があり、測定で
きる粒径範囲も狭く、また、後者の方法の場合、粒子の
屈折率が既知でなければならず、工業的に実施しようと
すれば、特定の系に応じた、大量の統計データを事前に
取得する必要があり、また誤差が数百パーセントに至る
可能性が高いため、機器設計や数値予測等において大き
な妨げとなる虞れが有る。

【０００５】特に、前述した粉体材料などの種々の粒子
は、ほとんどが非球形であり、また剪断流中の液滴は、
形状が歪んでいるので、このような非球形の粒子は実験
的にはともかく工業的に連続して簡単に測定できる装置
はないというのが実情である。

【０００６】本発明は、上述した従来技術に伴う課題を
解決するためになされたもので、非球形の粒子であって
も簡単にかつ高精度で測定することができる粒子測定装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、非接触で測定でき、高空間分解能を
有する等の特徴を備えたレーザードップラ流速計を応用
すれば、従来の散乱光強度法と異なり、粒子の影を受光
するときの受光素子のダイナミックレンジを考慮するこ
とがなく、粒径のほぼ二乗に比例する散乱光の強度から
独立した測定が可能となる等の利便性があることに着目
し、鋭意検討した結果、このレーザードップラ流速計か
ら測定した粒子速度と、ライン状に配列されたセンサー
から求めた粒子の時系列的な投影形状というデータを再
構成すれば、前記粒子全体の大きさを簡単に測定できる
ことを見出し、この知見に基づき本発明を完成するに至
ったのである。

【０００８】つまり、本発明に係る粒子測定装置は、複
数本のレーザー光の光軸を所定の角度でクロスすること
により形成した交差部に、一方向的に粒子を通過させる
ことにより生じる散乱光のドップラー周波数から粒子の
速度を測定する粒子速度検出手段と、ライン状に配列さ
れた複数個のセンサーを備え、前記交差部を通過する粒
子自体が前記複数本のレーザー光を遮ることによって生
じる影が投影され、当該投影された粒子の影が前記セン
サー群を時々刻々横切る位置の情報と、粒子の影の幅の
情報を時分割された瞬時データとして得るための光電変
換手段と、前記粒子速度検出手段により測定された粒子
速度に基づいて前記光電変換手段による粒子の影の瞬時
データを粒子形状として再構成するためのサンプリング
間隔を決定すると共に、時分割した時間間隔に対応する
瞬時々々の前記粒子の影の幅と前記粒子速度とから、前
記粒子全体の大きさを演算し再構成する演算手段とを有
する粒子測定装置である。

【０００９】また、光電変換手段は、前記粒子の影をレ
ンズにより拡大して投影するように構成することが好ま
しい。

【００１０】

【作用】すなわち、本発明にあっては、複数本のレーザ
ー光がクロスした交差部に粒子を通過させて測定するの
で、粒子形状に依存しない非接触の測定ができ、粒子径
の測定、特にその形状がもたらす粒子挙動への影響の解
析、等価直径の測定、粒子径分布、挙動及びその空間的
分布の解明などにより混相流を作動媒体とするあらゆる
装置に利用でき、粒子形状と流動特性をオンラインによ
り把握し得る。また、粒子の影をレンズにより拡大して
投影すれば、粒子の速度、粒子の体積混合比等の測定も
高い精度で瞬時に測定ができ、この結果、複雑な形状の
非球形粒子を含む機器内の流れを詳細に把握できる。ま
た、透過光ではなく、影を測定するので、粒子の屈折
率、減衰率などの光学的特性が不明の粒子であっても正
確に測定できる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図１は本発明の一実施例に係る粒子測定装置の
概略説明図、図２は光電変換手段の一例を示す説明図、
図３は前記粒子測定装置の制御系のブロック図、図４は
前記粒子測定装置の作用を示すフローチャート、図５は
粒子が交差部を通過する位置と、この位置に対応する投
影形状を示す説明図、図６は前記粒子が交差部を通過す
る位置に対応してフォトダイオードアレイが出力する信
号レベルを示す説明図、図７は前記粒子測定装置により
測定した結果と実際の粒子系との関係を示すグラフであ
る。

【００１２】本実施例に係る粒子測定装置は、図１に示
すように、２本のレーザー光の光軸が所定の角度でクロ
スされることにより形成された交差部１７を一方向的に
通過する粒子の速度を測定するレーザードップラ流速計
からなる粒子速度検出手段１０と、前記交差部１７を通
過する粒子Ｐ自体が遮ることによって生じる影が投影さ
れる光電変換手段２０と、前記粒子速度検出手段１０か
らの粒子速度および前記光電変換手段２０からの粒子Ｐ
の時系列的な投影形状から前記粒子全体の大きさを演算
し再構成する演算手段３０とから構成されている。

【００１３】前記粒子速度検出手段１０は、レーザー発
信器１１の前方に偏光板１２が設けられ、この偏光板１
２により偏光されたレーザー光がビームスプリッタ１３
により２つのレーザー光に分岐されるようになってい
る。

【００１４】各レーザー光は、周波数シフタ１４ａ，１
４ｂ、ビーム方向調節用プリズム１５ａ，１５ｂ及び集
光レンズ１６を通って２本のレーザー光がクロスするラ
グビーボール状の交差部１７を形成し、この交差部１７
に粒子Ｐを一方向的に通過させるようにしている。

【００１５】なお、光学系の配置上、一般的な１光束の
レーザー光からの散乱光は、多重散乱や焦点深度の影響
を非常に大きく受けるために実用化が難しいが、前述の
ように２光束によるＬＤＶ光学系を用いれば、これらの
影響が排除でき、実際の流動場に適用しやすいものとな
るのである。

【００１６】この粒子により反射された散乱光は、ドッ
プラー効果により速度に比例した周波数変化が生じる
が、このドップラー周波数は、例えば、アバランシュェ
フォトダイオードをドップラー信号検出用センサー１８
として用いることにより検知し、この信号を前記演算手
段３０に入力するようにしている。つまり、この反射さ
れた散乱光のドップラー周波数を、散乱光の光ビート信
号として測定すれば、粒子Ｐの速度を検知することがで
きるのである。

【００１７】一方、前記光電変換手段２０は、図１，２
に示すように、前記交差部１７を一方向的に通過する粒
子Ｐの回折光が後述のラインセンサー２１上に生成する
写影から粒子Ｐの投影形状を検出するものである。つま
り、交差部１７を一方向的に通過する粒子Ｐがレーザー
光を遮ることにより生じる影の大きさを測定し、粒子Ｐ
の大きさを感知するものである。したがって、粒子Ｐに
より遮ぎられた部分を除き、粒子Ｐの周辺部分より発せ
られる回折光をレンズ群Ｌ（レンズＬ1 ，Ｌ2，Ｌ3 の
総称）よりＣＣＤエリアセンサーあるいはフォトダイオ
ードアレイ等からなるいわゆるラインセンサー２１上に
導くようにし、このラインセンサー２１により粒子Ｐの
大きさを感知するようにしている。

【００１８】このラインセンサー２１は、個々独立の複
数の素子が直線的に配置されたもので、各素子は感知し
た光に応じて光電変換し、この変換された電気量をアナ
ログマルチプレクサ２２（ＣＣＤセンサーの場合には不
要）及びＡ／Ｄコンバータ２３等を介して前記演算手段
３０に入力するようにしている。

【００１９】前記演算手段３０は、前記粒子速度検出手
段１０からの粒子速度および前記光電変換手段２０から
の粒子Ｐの時系列的な投影Ｓの形状から前記粒子全体の
大きさを演算し再構成するものである。例えば、粒子速
度検出手段１０からの粒子の速度に基づいて測定間隔を
決定し、各測定間隔毎に粒子の大きさを時系列的に特定
し、粒子全体の大きさを演算するようにしている。

【００２０】この演算手段３０は、図３に示すような制
御系を有している。前記ラインセンサー２１が感知した
光は、各素子が光電変換し、その電気量がバッファ増幅
器３１に入力され、アナログマルチプレクサ２２により
その取りだし順が整理されてＡ／Ｄコンバータ２３に入
力され、アドレスコントローラ３２により指定されたス
タティックメモリ３３内の所定の場所に記憶される。ス
タックメモリ３３内のデータは、トリガー回路３４から
の指令によりデータバス３５を通ってバッファ３６を介
してホストコンピュータ３７に入力されるようになって
いる。

【００２１】なお、図３中において、符号「３８」はＩ
／Ｏコントローラである。

【００２２】次に、前記実施例の作用を説明する。

【００２３】レーザー発信器１１から発せられたレーザ
ー光は、偏光板１２により偏光された後、ビームスプリ
ッタ１３により２つのレーザー光に分岐され、２本のレ
ーザー光は、それぞれ周波数シフタ１４ａ，１４ｂ、ビ
ーム方向調節用プリズム１５ａ，１５ｂ及び集光レンズ
１６を通ってクロスし、交差部１７が形成される。

【００２４】そして、この交差部１７内を粒子Ｐが上方
から下方あるいは下方から上方に向かって一方向的に通
過すると、この粒子Ｐにより反射された散乱光の周波数
がドップラー効果により速度に比例して周波数が変化す
るので、このドップラー周波数を散乱光の光ビート信号
としてセンサー１８により検知し（Ｓ１）、これを図４
に示すように、演算手段３０のホストコンピュータ３７
のメモリに入力する（Ｓ２）。このホストコンピュータ
３１には、予め周波数データが入力されているので、こ
の周波数データと前記センサー１８が検知したドップラ
ー信号が比較することにより粒子Ｐの速度を算出する
（Ｓ３）。この粒子Ｐの速度データはホストコンピュー
タ３７に記憶される。

【００２５】一方、前記交差部１７を一方向的に通過す
る粒子Ｐは、その回折光がレンズ群Ｌにより拡大され、
ラインセンサー２１上に写影を生成する。したがって、
粒子Ｐの挙動は全て拡大して表示されることになるの
で、粒子の速度、粒子の体積混合比等の測定も高い精度
で測定でき、例えば、複雑な形状の非球形粒子を含む機
器内の流れであっても、これを詳細に把握できることに
なる。

【００２６】特に、ラインセンサー２１は、例えば光電
素子等が直状に配置されたものであるので、ラインセン
サー２１自体は粒子Ｐの影の一部のみを検知することに
なるが、粒子Ｐは、交差部１７内を一方向的に通過する
ので、ラインセンサー２１上の影は刻々と変化し、時系
列的に粒子Ｐの影を詳細に検知することになる。

【００２７】ラインセンサー２１の各素子は、感知した
光に応じてそれぞれ独立に光電変換し、変換された電気
量がバッファ増幅器３１に所定時間ごとに時系列的に入
力される（Ｓ４）。

【００２８】このようにして光電変換された電気量がバ
ッファ増幅器３１に入力されると、図３に示すように、
アナログマルチプレクサ２２により順番が整理されて取
り出され、各素子の電気量がＡ／Ｄコンバータ２３を介
してアドレスコントローラ３２により指定されたスタテ
ィックメモリ３３内の所定の場所に記憶される。このス
タックメモリ３３内のデータは、トリガー回路３４から
の指令によりデータバス３５を通ってバッファ３８を介
してホストコンピュータ３７に出力されることになる。

【００２９】ホストコンピュータ３７では、Ｓ３のステ
ップにおいて算出された粒子Ｐの速度と、Ｓ４のステッ
プにおいて入力された所定時間ごとの光電変換後の電気
量とに基づいて、粒子Ｐの形状を再構成する処理を行
う。具体的には、ラインセンサー２１を構成する各素子
の内、光電変換後の電気量が少なかった素子（写影が生
成された素子）が何個あるかが時系列的に入力されたす
べての電気量に対して算出され、時系列に入力された粒
子の水平方向（通過方向に対して直角な方向）の切断径
を算出する。

【００３０】次に、この時系列ごとに算出された切断径
を算出された速度を参照しながら繋ぎ合わせる処理が行
なわれる。以上の処理によって写影された粒子のおおよ
その形状が再構成されることになる（Ｓ５）。

【００３１】この処理において、粒子Ｐの正確な大きさ
を算出するに当り問題となるのは、粒子Ｐが交差部１７
に対してどの位置を通過するかである。つまり、粒子Ｐ
が交差部１７の中心位置を通過すれば、後述する図５か
らも明らかなように、Ｓ５のステップにおいて算出され
た形状の補正の必要は生じないが、この位置から外れた
場合には、写影の形態が異なることによる補正を行なう
必要が生じてくるからである。

【００３２】ここに、粒子Ｐがレーザー光を遮ることに
より生じる影の状態とラインセンサー２１が感知した光
に応じて出力される電気量との関係を略示すれば、図５
及び図６のようになっている。

【００３３】例えば、図５（ａ）に示すように、球形の
粒子Ｐが交差部１７の中心部分を通過したときには、影
Ｓの状態は真円になり明確にその大きさが分かる。この
場合、ラインセンサー２１が感知した光に応じて出力さ
れる電気量は、図６（ａ）に示すように中央部分のセン
サーのみが低いレベルの電気量を出力することになる。

【００３４】図５（ｂ）に示すように、前記球形の粒子
Ｐが交差部１７の中心部分より多少ずれた位置を通過し
たときには、影Ｓの状態は薄い丸い影が２つと、そのオ
ーバーラップした濃い影とが生じる。したがって、図６
（ｂ）に示すように、中央の僅かな部分のセンサーのみ
が低いレベルの電気量を出力し、その両側のセンサーは
中間レベルの電気量を出力することになる。

【００３５】図５（ｃ）に示すように、前記球形の粒子
Ｐが交差部１７よりかなりずれた位置を通過したときに
は、影Ｓの状態は２つの独立した薄い影が生じる。した
がって、図６（ｃ）に示すように、中央から多少離間し
た位置にあるセンサーが中間レベルの電気量を出力す
る。

【００３６】ホストコンピュータ３７は、上記のような
粒子Ｐの通過位置の相違に伴う影Ｓの状態の相違をＳ５
のステップにおいて再構成された形状から認識する。ホ
ストコンピュータ３７には、図２に示した光学系の焦点
深度に関するデータが予め入力されているので、再構成
された形状とこの焦点深度とに基づいて粒子Ｐの通過位
置が算出される（Ｓ６）。

【００３７】次に、Ｓ５のステップにおいて算出された
粒子Ｐの写影の大きさ、形状、およびＳ６のステップに
おいて算出された粒子Ｐの通過位置並びに、予め入力さ
れている焦点深度とに基づいて、最終的に粒子Ｐの等価
直径、粒子形状を演算する。以上の処理によって粒子Ｐ
全体の形状、大きさが分かることになる（Ｓ７）。

【００３８】このようにして測定された粒子Ｐ全体の大
きさと、実際にこの粒子Ｐを顕微鏡等を用いて測定した
結果とを比較すれば、図７に示すようになる。図７は横
軸が顕微鏡等を用いて測定した粒子Ｐの大きさであり、
縦軸が本発明に係る粒子測定装置により測定した粒子Ｐ
の大きさである。この図７より明らかなように、両測定
値の結果はほぼ１：１の関係となっており、精度的にも
極めて好ましい測定結果が得られていることが分かる。

【００３９】前述のごとく、粒子Ｐの大きさが測定でき
るということは、例えば、粒子Ｐの等価直径を知る場
合、あるいは粒子が存在する空間分布を知る場合も容易
となる。等価直径を知る場合には、算出された粒子の投
影形状の面積に等しい円の直径を計算により求めればよ
く、空間分布を知る場合には、投影された粒子の影の位
置と、焦点深度の情報から粒子の通過位置を三次元的に
求めればよく、この通過位置の情報から粒子濃度、体積
混合率も算出できる。

【００４０】さらに、本実施例では、レーザー光からの
直接入射されるときの入射光の強度を、光電変換装置へ
の入射光の最大強度としているので、粒子の影を受光す
るときの受光素子のダイナミックレンジを考慮すること
がなく、素子数さえ増やせば、測定対象の粒子の大きさ
の範囲を任意に設定できるというメリットに加えて、粒
径のほぼ二乗に比例する散乱光の強度から独立した測定
が可能となるというメリットもある。

【００４１】なお、前記ラインセンサー２１上に集光さ
れる光が、ラインセンサー２１の範囲を逸脱するような
ことがあれば、前記レンズ群Ｌの拡大率を適宜調整し、
当接する光の範囲を調節すればよい。

【００４２】上述したものは、本発明の好ましい実施例
であるが、本発明は、この実施例のみに限定されるもの
ではなく、特許請求の範囲内で種々の変更が可能であ
る。例えば、本発明は、２本のレーザー交線により交差
部を形成するのみでなく、さらに多数のレーザー交線に
より交差部を形成しても良い。また、前記実施例では、
レンズ群Ｌを使用しているが、粒子Ｐの大きさによって
は、レンズ群Ｌは必ずしもなくても良い。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、下
記のような優れた効果を奏する。

【００４４】ａ）粒子形状に依存しない非接触の測定が
可能となる。

【００４５】ｂ）他の光学測定法に比し、数倍から数１
０倍高い精度で測定ができる。

【００４６】ｃ）粒子の屈折率、減衰率などの光学的特
性が不明の粒子であっても正確に測定できる。

【００４７】ｄ）空気分解能が数μｍ以下での非常に精
密な粒子濃度測定も時系列的に行なうことができる。

【００４８】ｅ）従来写真撮影などが用いられてきた浮
遊微粒子の速度、体積混合比等の測定を瞬時に行なうこ
とができ、複雑な形状の非球形粒子を含む機器内の流れ
を詳細に把握できることなる。

【００４９】ｆ）粉体製造過程などにおいて実施されて
いる品質管理を行なう場合にも、高い信頼性をもってオ
ンライン化でき、工業的に極めて利便の高いものとな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る粒子測定装置の概略
説明図である。

【図２】 光電変換手段の一例を示す説明図である。

【図３】 同実施例の粒子測定装置の制御系のブロック
図である。

【図４】 同実施例の粒子測定装置の作用を示すフロー
チャートである。

【図５】 粒子が交差部を通過する位置と、この位置に
対応する投影形状を示す説明図である。

【図６】 粒子が交差部を通過する位置に対応してフォ
トダイオードアレイが出力する信号レベルを示す説明図
である。

【図７】 同実施例の粒子測定装置により測定した結果
と実際の粒子系との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…粒子速度検出手段、 １７…交差部、
２０…光電変換手段、 ２１…ラインセ
ンサー、３０…演算手段、 Ｌ…
レンズ、Ｐ…粒子、 Ｓ…
影。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−147607（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−47965（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−153107（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−254740（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−133878（ＪＰ，Ａ) 森北博巳、外３名、”ＬＤＶ光学系を 用いた非球形粒子の形状測定に関する基 礎研究”、日本機械学会論文集、第58 巻、第545号、ｐ．259−263 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 15/00 - 15/14 G01P 3/36 G01P 5/00 G01F 1/66 103 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数本のレーザー光の光軸を所定の角度
   でクロスすることにより形成した交差部に、一方向的に
   粒子を通過させることにより生じる散乱光のドップラー
   周波数から粒子の速度を測定する粒子速度検出手段と、ライン状に配列された複数個のセンサーを備え、 前記交
   差部を通過する粒子自体が前記複数本のレーザー光を遮
   ることによって生じる影が投影され、当該投影された粒
   子の影が前記センサー群を時々刻々横切る位置の情報
   と、粒子の影の幅の情報を時分割された瞬時データとし
   て得るための光電変換手段と、 前記粒子速度検出手段により測定された粒子速度に基づ
   いて前記光電変換手段による粒子の影の瞬時データを粒
   子形状として再構成するためのサンプリング間隔を決定
   すると共に、時分割した時間間隔に対応する瞬時々々の
   前記粒子の影の幅と前記粒子速度とから、前記粒子全体
   の大きさを演算し再構成する演算手段とを有する粒子測
   定装置。
2. 【請求項２】 前記光電変換手段は、前記粒子の影をレ
   ンズにより拡大して投影するようにした請求項１に記載
   の粒子測定装置。