JP3528359B2

JP3528359B2 - レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置

Info

Publication number: JP3528359B2
Application number: JP25595795A
Authority: JP
Inventors: 治夫島岡
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1995-10-03
Filing date: 1995-10-03
Publication date: 2004-05-17
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: JPH09101252A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ回折／散乱式
の粒度分布測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ回折／散乱式の粒度分布測定装置
においては、一般に、被測定粒子群を媒液中に分散させ
た試料懸濁液を透光性材料からなるフローセル中に流し
た状態で、あるいは、被測定粒子群をエアロゾルにした
状態で、その被測定粒子群にレーザ光を照射することに
よって得られる回折／散乱光を、リングデテクタ等の光
センサアレイで受光してその空間強度分布を測定し、そ
の測定結果をミーの散乱理論ないしはフラウンホーファ
回折理論を用いて被測定粒子群の粒度分布に換算する。

【０００３】すなわち、粒子に平行レーザ光を照射する
と、レーザ光をその粒子によって回折または散乱する。
その回折／散乱光の強度分布パターンは、粒子の大きさ
によって変化する。レーザ回折／散乱式の粒度分布測定
装置はこのような原理を利用したもので、分散飛翔状態
の粒子群にレーザ光を照射することによって得られる回
折／散乱光の空間強度分布を測定することによって、粒
子群の粒度分布を算出する。実際の粒子群は、大きさの
異なる粒子が混在しているため、粒子群による回折／散
乱光の強度分布パターンは、それぞれの粒子からの回折
／散乱光の重ね合わせとなる。

【０００４】実際の装置においては、図１にその基本的
構成例を模式的に示すように、レーザ光源１１からの出
力光をコリメータ１２によって平行光束にして分散状態
の粒子群Ｐに照射し、粒子群Ｐによる回折／散乱光のう
ち、前方への回折／散乱光はレンズ１３によって集光し
てその焦点距離の位置にリング状の回折／散乱像を結ば
せるとともに、その位置には、互いに異なる半径を持つ
同心のリング状または半リング状の複数の受光面を持つ
光センサの集合体であるリングデテタク１４を配置し
て、前方所定角度範囲における回折／散乱角度ごとの光
強度を測定する。また、側方および後方への散乱光は、
それぞれ独立した側方散乱光センサ１５および後方散乱
光センサ１６によって測定する。

【０００５】このようにして得られた回折／散乱光の空
間強度分布は、前記したように大きさの異なる多数の粒
子からのそれぞれの回折／散乱光を重ね合わせたもので
あって、これをマトリクス（行列）で表現すると、

【０００６】

【数１】

【０００７】となる。ベクトルｓは光強度分布ベクトル
であり、その各要素ｓ_i（ｉ＝１，２，・・・・ｍ）は、前
方、側方等に置かれた回折／散乱光強度測定用の各光セ
ンサ素子への入射光量である。また、ベクトルｑは粒度
分布（頻度分布％）ベクトルであり、その各要素ｑ
_j（ｊ＝１，２，・・・・ｎ）は次の通り定義づけられる。
すなわち、粒度分布範囲を有限とし、この範囲内をｎ分
割して、最大値をｄ₁，最小値をｄ _n+1とする。それぞ
れの分割区間［ｄ_j，ｄ_j+1］を一つの粒子径ｘ_jで代
表させる。ベクトルｑの各要素は、粒子径ｘ_jに対応す
る粒子量であり、通常は、

【０００８】

【数２】

【０００９】となるように正規化（ノルマライズ）を行
っている。係数行列（マトリクス）Ａは、粒度分布（ベ
クトル）ｑを、光強度分布（ベクトル）ｓに変換する係
数行列であり、その各要素ａ_i,j（ｉ＝１，２，・・・・
ｍ，ｊ＝１，２，・・・・ｎ）の物理的意味は、粒子径ｘ_j
の単位粒子量の粒子群によって回折／散乱した光のｉ番
目の素子に対する入射光量である。

【００１０】ａ_i,jの数値は、理論的に計算することが
できる。これには、光源となるレーザ光の波長に比べて
粒子径が充分に大きい場合にはフラウンホーファ回折理
論を用いる。しかし、粒子径がレーザ光の波長と同等か
それより小さいサブミクロンの領域では、ミー散乱理論
を用いる必要がある。フラウンホーファ回折理論は、前
方微小角散乱において、粒子径が波長に比べて充分大き
な場合に有効なミー散乱理論の優れた近似であると考え
ることができる。ただし、ミー散乱理論を用いて係数行
列（マトリクス）Ａの要素を計算するためには、粒子お
よびそれを分散させている媒体の屈折率を設定する必要
がある。

【００１１】さて、（１）式に基づいて粒度分布（ベク
トル）ｑの最小自乗解を求める式を算出すると、

【００１２】

【数３】

【００１３】が得られる。この（５）式の右辺におい
て、光強度分布（ベクトル）ｓの各要素はリング図１に
おけるリングデテクタ１４の各光センサ素子や側方散乱
光センサ１５，後方散乱光センサ１６で実測される光量
であり、また、係数行列（マトリクス）Ａは前記したよ
うにフラウンホーファ回折理論あるいはミー散乱理論を
用いてあらかじめ計算しておくことができ、従って
（５）式の計算を実行すれば、粒度分布（ベクトル）ｑ
が求まることは明らかである。

【００１４】以上がレーザ回折／散乱法による基本的な
粒度分布測定原理であるが、ここで示したのは、粒度分
布の計算方法の一例であり、この他にも様々なバリエー
ションが存在し、また、センサやデテクタの配置にも様
々なバリエーションがある。

【００１５】そして、この種の装置においては、回折／
散乱光の空間強度分布は一定時間にわたって複数回採取
され、その複数の光強度分布データの積算値もしくは平
均値を上述の光強度分布（ベクトル）ｓとして用い、粒
度分布（ベクトル）ｑの算出に供している。すなわち、
光強度分布（ベクトル）ｓの各要素ｓ_iは、各回の光強
度分布を積算する場合には、

【００１６】

【数４】

【００１７】となり、同じく平均する場合には、

【００１８】

【数５】

【００１９】となる。なお、これらの式においてｓ_i,k
は、ｉ番目のセンサ素子にｋ回目に入射した光強度を意
味し、Ｌはデータの採取回数である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、実際の回折
／散乱光の強度分布測定においては、被測定粒子群以外
にも、様々な誤差要因となる粒子、例えば泡、ゴミ、あ
るいは粒子の凝集体等、が照射レーザ光の光軸を通過
し、それに伴う回折／散乱光が発生している。これら
は、回折／散乱光を測定している一定時間内において常
に光軸を通過するものではなく、特定の瞬間のみに光軸
を通過する。しかし、仮に１個の粗粒子が一瞬だけ光軸
を通過したとしても、体積としては微小粒子に比べれば
非常に大きく、そこから発せられる回折／散乱光も多
い。従って、粗粒子の一瞬の通過であってもこれによる
測定誤差は大きなものとなる。

【００２１】以上のような誤差要因の影響を小さくする
ためには、多数個の回折／散乱光強度分布データを採取
して、その積算値または平均値を用いて粒度分布の換算
に供すればいいが、そのためには回折／散乱光の測定時
間を長く設定する必要があって、被測定粒子群の量が少
ない場合にはこのような設定は不可能であり、また、サ
ンプル粒子群の瞬間的な状態を測定したいという要求に
は対応できない。

【００２２】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、被測定粒子の凝集体や泡がレーザ光の光軸を瞬
間的に通過しても、短い測定時間で正確な粒度分布測定
結果を得ることのできるレーザ回折／散乱式粒度分布測
定装置の提供を目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、その実施の形態を表す図２を参照しつつ説
明すると、本発明のレーザ回折／散乱式粒度分布測定装
置は、分散状態の被測定粒子群Ｐにレーザ光Ｌを照射し
て得られる回折／散乱光を光センサ群３ｂ，３ｃ，３ｄ
で受光して、その空間強度分布データを刻々と採取する
とともに、その複数個の強度分布データの積算結果また
は平均結果を、演算手段９によって被測定粒子群の粒度
分布に換算する粒度分布測定装置において、採取された
全ての回折／散乱光の強度分布データのなかから、粒度
分布への換算に供すべく積算化または平均化演算に採用
するデータと採用しないデータとを判別する判別手段７
を備えており、その判別手段７にて行う判別手法とし
て、（１）採取された強度分布データそのものの内容か
ら、その強度分布データにおいて大径の粒子が存在する
場合には小さい回折／散乱角における光強度が相対的に
増大することを利用して、他に比してあらかじめ設定さ
れた限度を越えて大径の粒子の存在を表す情報が含まれ
ているデータを不採用と判別する手法、または、（２）
積算または平均化する前の個々の回折／散乱光の強度分
布データを用いて換算した瞬間的な粒度分布データの平
均径を利用して、他に比してあらかじめ設定された限度
を越えて大径の粒子の存在を表す情報が含まれているデ
ータを不採用と判別する手法を採用することによって特
徴づけられる。

【００２４】ここで、本発明において、大径の粒子の存
在を表す情報が含まれる、とは、回折／散乱光の強度分
布データにあっては、回折／散乱角の小さい部分の光強
度が他の部分との比較において大きい状態を、また、個
々の光強度分布を用いて換算した粒度分布データにあっ
ては、文字通り大径の粒子の分布が大きい状態を言う。

【００２５】

【作用】被測定粒子群Ｐによる回折／散乱光の空間強度
分布の複数回にわたる測定データは、その全てが粒度分
布への換算に供すべく積算またはは平均化されるのでは
なく、判別手段により不採用と判断された光強度分布
データは捨てられる。

【００２６】誤差要因となる泡やゴミ、被測定粒子の凝
集体は、前記したように定常的にレーザ光Ｌの光軸を通
過するのではなく瞬間的に通過する本発明はこの点を利
用して、複数回にわたって採取した回折／散乱光の強度
分布データのうち、定常的なデータに比して異常と認め
られるデータを不採用として、粒度分布の換算に供する
ためのデータの積算または平均化演算に採用しないこと
によって、上述の各種誤差要因に影響を避けつつ、比較
的少ないデータによって正確な粒度分布測定結果を得よ
うとするものである。

【００２７】

【００２８】

【発明の実施の形態】図２は本発明の実施の形態の全体
構成を示す模式図である。レーザ光照射光学系１は、半
導体レーザ等のレーザ光源１ａとその出力光を平行光束
にするコリメータ１ｂによって構成され、分散状態の被
測定粒子群Ｐに対して平行なレーザ光Ｌを照射すること
ができる。なお、被測定粒子群Ｐを分散状態とするため
の分散媒を液体とする場合には、被測定粒子群Ｐを媒液
中に分散させた懸濁液をフローセル中に流せばよく、分
散媒を気体とする場合には、被測定粒子群Ｐをエアロゾ
ルの状態とすればよい。これは被測定試料群Ｐの性質や
測定目的等によって適宜に選択することができる。

【００２９】分散状態の被測定粒子群Ｐを挟んでレーザ
光照射光学系１と反対側には、測定光学系３が配置され
ている。測定光学系３は、照射レーザ光Ｌの光軸上に配
置された集光レンズ３ａと、その集光レンズ３ａの焦点
位置に置かれて被測定粒子群Ｐによる前方への回折／散
乱光の強度分布を測定するための従来と同等のリングデ
テクタ３ｂ、および同じく被測定粒子群Ｐによる側方お
よび後方への散乱光をそれぞれ測定するための側方散乱
光センサ３ｃおよび後方散乱光センサ３ｄによって構成
されている。

【００３０】リングデテクタ３ｂの各センサ素子と側方
および後方散乱光センサ３ｃ，３ｄの各出力は、それぞ
れ個別にアンプ４で増幅された後、一定の微小インター
バルごとにＡ−Ｄ変換器５によって刻々とデジタル化さ
れ、刻々の回折／散乱光強度分布データとして、順次メ
モリ６内に格納されていく。この回折／散乱光強度分布
データの採取は、あらかじめ設定された時間だけ継続さ
れる。

【００３１】メモリ６内に格納された全ての各回折／散
乱光強度分布データは、回折／散乱光強度分布データの
採取期間の終了後に判別部７に読みだされ、後述する手
法によって採用／不採用が判別される。そして、採用と
判別されたデータのみが、積算または平均化演算部８に
供給され、前記した（６）式または（７）式に基づいて
積算または平均化される。

【００３２】積算または平均化演算部８によって積算ま
たは平均化された回折／散乱光強度分布データは、粒度
分布換算部９に導かれて、前記した（５）式によって粒
度分布データに換算される。

【００３３】さて、この例において判別部７は、メモリ
６内に格納された個々の光強度分布データそのものか
ら、採用／不採用の判別を行うが、測定光学系３によっ
て測定される個々の光強度分布データは、グラフで表す
と図３（Ａ）および（Ｂ）に例示するようなデータであ
る。この各グラフにおいてセンサ素子の番号は小さいほ
ど回折／散乱角度が小さい位置に置かれていることを意
味している。これらのグラフのうち（Ａ）は正常なデー
タ、つまり誤差要因が含まれない定常的に得られるデー
タであり、（Ｂ）は測定対象とは認められない粗粒子を
含んだ状態でのデータである。この（Ａ），（Ｂ）比較
すれば、回折／散乱角度の小さい部分における光強度に
おいて明確な差異が認められる。判別部７では、メモリ
６内の個々の光強度分布データを他と比較することによ
って、図３（Ｂ）に示すようなパターンを持つデータを
不採用と判別する。

【００３４】ここで、以上のような光強度分布パターン
の差異を定量化し、図３（Ｂ）のようなパターンのデー
タについて不採用と判別することは比較的容易である。
例えば、回折／散乱角度の小さい領域を表すグラフ中の
左端から一定の範囲の光強度の値が、他のデータとの比
較においてあらかじめ設定された限度を越えて大きいも
のを不採用と判別することができる。

【００３５】このような判別により、レーザ光Ｌの光軸
を泡やゴミ、あるいは粒子の凝集体が瞬間的に通過した
ときに得られた回折／散乱光強度分布データ等は、積算
または平均化演算の前に捨てられ、粒度分布の換算には
供されず、従って得られた粒度分布データは、このよう
な誤差要因の影響を受けない正確なデータとなる。

【００３６】ここで、判定部７による判定の他の手法と
して、以下の手法を採用することができる。すなわち、
メモリ６内に格納された個々の回折／散乱光強度分布デ
ータを、粒度分布換算部９によって（５）式を用いて粒
度分布に換算すると、図４（Ａ），（Ｂ）に例示するよ
うな粒度分布データが得られる。この図４において、
（Ａ）は図３（Ａ）の光強度分布データを粒度分布に換
算したデータであり、（Ｂ）は同じく図３（Ｂ）の光強
度分布データを粒度分布に換算したデータである。つま
り、図４（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ瞬間的な粒度分布デ
ータを示している。この図４から明らかなように、粗粒
子のレーザ光Ｌの光軸を通過した瞬間には、定常的な刻
々の粒度分布データに比して粗粒子の存在が明確に現れ
る。このような瞬間的な個々の粒度分布データから、積
算または平均化への採用／不採用の判別は容易である。

【００３７】すなわち、例えば個々の瞬間的な粒度分布
データの平均径を求めるとともに、その平均径が極端に
大きいものを不採用と判別すればよい。この場合、平均
径は次のように定義される。

【００３８】

【数６】

【００３９】以上のように、本発明において回折／散乱
光強度分布データの採用／不採用の判別は、回折／散乱
光強度分布データそのものから行ってもよいし、これら
を一旦瞬間的な粒度分布データに換算して行ってもよい
が、瞬間的な粒度分布データに換算して判別を行う場合
には、図４から明らかなように判別基準が明確となり、
正確な判別ができる反面、個々のデータの粒度分布への
換算が必要であるが故にデータ処理量が大幅に増大す
る。一方、光強度分布データそのものから判別する場合
には、データ処理量は少なく高速の処理が可能である反
面、判別基準がやや不明瞭なものとなる。これらのいず
れの判別手法を採用するかは、測定対象と測定目的を考
慮にして判断すべきである。

【００４０】ここで、主として乾式測定においては、粒
子の分散状態を良好とすることが困難であり、レーザ光
Ｌの光軸上での粒子濃度が瞬間的に高くなる場合があ
る。このような場合、多重散乱によって、実際の粒度分
布よりも小径の粒子があたかも存在しているような回折
／散乱光強度分布データが得られる。

【００４１】本発明はこのような瞬間的な多重散乱によ
る誤差を無くすることにも応用することができる。すな
わち、この場合、判別部７において、メモリ６内の個々
の回折／散乱光強度分布データを用いた瞬間的な粒度分
布データの平均径を算出し、その値が極端に小さいもの
を不採用と判別して、積算または平均化演算に用いない
ようにすればよい。

【００４２】従って、本発明の実施の態様として、判別
手段が、採取された強度分布データ、または、その個々
の強度分布データを用いて換算した粒度分布データのな
かから、他に比してあらかじめ設定された限度を越えて
大径の粒子の存在を表す情報が含まれているデータ、お
よび／または、他に比してあらかじめ設定された限度を
越えて小径の粒子の存在を表す情報が含まれているデー
タを、不採用と判別することを特徴とする構成を採用す
ることができ、この場合、瞬間的に粗粒子がレーザ光Ｌ
の光軸を通過することによる誤差のほか、レーザ光Ｌの
光軸近傍の粒子濃度が瞬間的に上昇することによる多重
散乱に起因する誤差をも無くすることが可能となる。

【００４３】なお、以上の各例において、判別部７にお
ける、回折／散乱光強度分布データそのものからの採用
／不採用の具体的な判別の仕方、あるいは個々の回折／
散乱光強度分布データを瞬間的な粒度分布データに換算
した後の採用／不採用の具体的な判別の仕方は、あくま
でもその一例であり、他にも種々の基準を設けて判別し
得ることは勿論であり、要は定常的なデータに対して異
常が認められるデータを、積算または平均化に採用しな
いように判別すればよい。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定粒子群による刻々の回折／散乱光の強度分布デー
タの全てを積算または平均化して粒度分布の換算に供す
るのではなく、判別手段によって他との比較において異
常が認められる回折／散乱光強度分布を不採用として粒
度分布の換算に供さないように構成しているから、比較
的短い時間に測定された少ない回折／散乱光強度分布デ
ータを用いて、刻々の回折／散乱光の強度分布データに
含まれる誤差要因の影響を受けない、正確な粒度分布測
定結果を得ることができる。特に、被測定粒子群の分散
状態を良好とすることが困難な乾式測定においては、従
来の装置において湿式測定に比して安定した粒度分布測
定結果が得られなかったが、本発明の適用によって測定
結果の安定性が大幅に改善された。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置の基本的
構成を示す模式図

【図２】本発明の実施の形態の全体構成を示す模式図

【図３】刻々の回折／散乱光強度分布データの例を表す
グラフで、（Ａ）は定常的な正常なデータ、（Ｂ）は粗
粒子の影響を受けたデータ

【図４】（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図３（Ａ），
（Ｂ）の光強度分布データを用いて換算した瞬間的な粒
度分布データを表すグラフ

【符号の説明】

１照射光学系３測定光学系６メモリ７判定部８積算または平均化演算部９粒度分布換算部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】分散状態の被測定粒子群にレーザ光を照
射して得られる回折／散乱光を光センサ群で受光して、
その空間強度分布データを刻々と採取するとともに、そ
の複数個の強度分布データの積算結果または平均結果
を、演算手段によって被測定粒子群の粒度分布に換算す
る粒度分布測定装置において、採取された全ての回折／
散乱光の強度分布データのなかから、上記換算に供すべ
く積算または平均化演算に採用するデータと不採用のデ
ータとを判別する判別手段を有し、その判別手段は、採
取された強度分布データそのものの内容から、その強度
分布データにおいて大径の粒子が存在する場合には小さ
い回折／散乱角における光強度が相対的に増大すること
を利用して、他に比してあらかじめ設定された限度を越
えて大径の粒子の存在を表す情報が含まれているデータ
を不採用と判別するように構成されていることを特徴と
するレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置。
【請求項２】分散状態の被測定粒子群にレーザ光を照
射して得られる回折／散乱光を光センサ群で受光して、
その空間強度分布データを刻々と採取するとともに、そ
の複数個の強度分布データの積算結果または平均結果
を、演算手段によって被測定粒子群の粒度分布に換算す
る粒度分布測定装置において、採取された全ての回折／
散乱光の強度分布データのなかから、上記換算に供すべ
く積算または平均化演算に採用するデータと不採用のデ
ータとを判別する判別手段を有し、その判別手段は、積
算または平均化する前の個々の回折／散乱光の強度分布
データを用いて換算した瞬間的な粒度分布データの平均
径を利用して、他に比してあらかじめ設定された限度を
越えて大径の粒子の存在を表す情報が含まれているデー
タを不採用と判別するように構成されていることを特徴
とするレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置。