JP4909288B2 - 浮遊粒子状物質測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、流体中に浮遊する微小粒子を光学的に検出し、その粒子の形状が球形状か繊維形状かを、特に繊維状粒子を円柱状粒子により近似することで、識別する浮遊粒子状物質測定装置に関するものである。
従来の浮遊粒子状物質測定装置は、円筒状のフロー管と称するガラス管に流体吸気口および流体排気口を設けて、繊維状粒子などの被検出対象粒子を分散させた試料流体をフロー管内に導入すると共に、フロー管の長さ方向あるいは側面方向から光ビームを照射し、フロー管の壁側に配置した検出器によって、フロー管内で生じた散乱光を測定することによって、試料流体単位体積当りの浮遊微小粒子の個数あるいは繊維状粒子の本数を実時間で検出していた。
このようなフロー管内の微小粒子による散乱光測定によって、微小粒子の形状を識別する装置としては、大別して二つの方式の装置、すなわち、四重電極による回転電場中で散乱光を変調させる第１の方式の装置（例えば、非特許文献１参照）と、対向電極による静電場中で後方散乱光の偏光度を測る第２の方式の装置（例えば、非特許文献２、特許文献１参照）が近年開発されている。
第１の方式の装置では、図１１に示すように、フロー管２０Ａの長さ方向にそって光源３からレーザビーム３２を照射すると共に、フロー管２０Ａ内に吸入された被検出対象粒子１がフロー管壁側の検出器４０ａに設けられた四重電極内に導入される。四重電極２３Ｅ（２３Ｅａ，２３Ｅａ’，２３Ｅｂ，２３Ｅｂ’）は、図１２に示すように、フロー管の回転対称軸（円筒軸）方向に対向電極が管壁に沿って設けられ、二対の対向電極は円筒軸に対して互いに直交するように構成されている。この対向電極間に９０度の位相差をもって同一周波数の交流の高電圧を印加することによって回転電場ベクトル４１を形成する。回転電場ベクトル４１の中に導入された繊維状の被検出対象粒子１は、対向する電極、例えば２３Ｅｂと２３Ｅｂ’間に形成された強い電場に引かれて誘電分極して繊維が引き伸ばされ、円柱状粒子として近似可能な形状に変形すると共に、交流の周波数に同期して円柱状粒子の主軸１ａが回転電場ベクトル４１に追従して回転する。この円柱状粒子に変形した被検出対象粒子１に、その回転面と垂直な方向からレーザビーム３２を照射し、９０度側方散乱光を検出する。
この側方散乱光の強度は、高電圧電場の回転（すなわち、印加交流電圧の周波数）に同期して変化し、長い繊維状の被検出対象粒子１ほど電場印加方向に引き伸ばされて長い円柱状粒子に変形するので散乱光強度の変動幅が大きくなる。この現象は、回転している円筒を、その回転軸に対して垂直方向から見たとき、見込み断面積が円筒の回転に伴い、大きくなったり小さくなったりすることと同等である。
これに対して、被検出対象粒子１が球状粒子の場合には、高電圧電場の回転に同期して粒子は誘電分極して回転するものの、回転面内で見た散乱断面積は球形のままなので同一であり、散乱光強度が回転電場によって強く変調を受けることはない。何故ならば、球状の被検出対象粒子１は回転に対して対称であるためである。以上のことから、電場の回転角θに伴う９０度側方散乱光強度の変動の有無を計測することによって、円柱状粒子として近似された繊維状粒子と球状粒子との判別が可能となる。
図１３（Ａ）は第２の方式の装置の平面図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）の装置の側面図である。なお、図１３（Ａ）ではフロー管および枝管の内部を透視しているものとする。第２の方式の装置では、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）に示すように、被検出対象粒子１を分散させた試料流体はフロー管２０Ｂ内を流れる。フロー管２０Ｂには、その内壁の断面よりも小さい断面の大きさを有する二つの枝管２０Ｃがフロー管２０Ｂに直交するように接続され、さらに、円弧状粒子配向用電極２３Ｆがフロー管２０Ｂの軸に沿って取り付けられている。これにより、フロー管２０Ｂ内に導入した繊維状の被検出対象粒子１を高電圧静電場によって誘電分極させて電場印加方向に引き伸ばして、円柱状粒子として近似可能な形状に変形させると共に、電場印加方向へ向かせる。その上で、外部の光源３から特定方向に偏光させたレーザビーム３２を、枝管２０Ｃの端面よりフロー管２０Ｂ内に照射して、被検出対象粒子１に入射させる。枝管２０Ｃの光源３に検出器４０ｂを隣接して配置することによって、フロー管２０Ｂ内で生じた後方散乱光が測定できる。
この第２の方式では、第１の方式のように回転電場ベクトル４１によって繊維状の被検出対象粒子１を観測視野内で回転させる代わりに、フロー管２０Ｂに取り付けた円弧状粒子配向用電極２３Ｆによって形成される静電場中を通過させる。こうして、円柱状粒子として近似された被検出対象粒子１の主軸を静電場印加方向に向かせた上で、直線偏光ビーム３２を円柱状に変形した被検出対象粒子１に入射させ、粒子１による後方散乱光の偏光状態を検出器４０ｂによって計測する。
ところで、非特許文献２に記載されているように、後方散乱光の偏光状態は、球状粒子と円柱状粒子とでは大きく異なる。具体的には、円柱状に変形した被検出対象粒子１の場合、散乱平面の法線方向に向いた粒子１の長軸方向に平行な偏光成分（すなわち、散乱平面に垂直な偏光成分）が強くなる。一方、球状の被検出対象粒子１の場合、逆に散乱平面に平行な偏光成分が強くなる。このような後方散乱光の偏光特性を利用して、繊維状粒子と球状粒子との判別が可能となる。
特許第２８８１７３１号公報 Pedro Lilienfeld，"Light Scattering from Oscillating Fibers at Normal Incidence"，J.Aeroso1.Sci，Vo1.18，No.4，p.389-400，1987 N.Hiromoto，K.Hashiguchi，S.Ito，and T.Itabe，"Asbestos Real-Time Monitor in an Atmospheric Environment"，Applied Optics，vol.36，No.36，p.9475-9480，1997
上記の浮遊粒子状物質測定装置では、第１および第２のいずれの方式でも、繊維状の被検出対象粒子１の計数において、四重電極による回転電場中あるいは対向電極による不均一静電場中での粒子分布の非一様性に起因した統計的揺らぎ、特に、極めて小さく絞った観測視野内から配向粒子が散逸することによって、１個、２個の数え落としが、計数値に対して大きな統計的揺らぎを与えてしまうという問題点があった。以下、この統計的揺らぎについて詳しく説明する。
浮遊粒子状物質測定装置において、フロー管に導入された被検出対象粒子１についての計数量は、(1)観測視野内の粒子数、もしくは(2)単位計数時間内の観測視野内の粒子数である。粒子を所望の方向に向かせるための電場印加を必要としない通常の光散乱式微小粒子計測装置においては、観測視野部分の空間の一様性、等方性が成り立っていると仮定できる。この場合、断面積Ａ［ｃｍ2］のフロー管に流速ｖ［ｃｍ／ｓ］でΔｔ［ｓ］間に導入された試料流体は、体積Ｖ＝Ａ・ｖ・Δｔ［ｃｍ3］を占有する。その体積Ｖ内にＮ個の微小な被検出対象粒子１があるとすると、空間が一様、等方的であれば、被検出対象粒子１は、濃度Ｃ＝Ｎ／Ｖ［個／ｃｍ3］で一様分布していると考えてよい。
今、光源３からのレーザビーム３２が、ビーム径ＤR［ｃｍ］で流れ方向に照射領域長さξ［ｃｍ］で試料流体を照らしているとすれば、その観測視野の体積νはπを円周率として、ν＝π（ＤR）2ξ／４である。この観測視野の体積νは、被検出対象粒子１の体積に比較すれば充分に大きく、観測視野の中で、被検出対象粒子１は独立に運動していると近似してよい。この場合、Ｎ個の被検出対象粒子１の中で任意の１個に着目したとき、その粒子が観測視野内に存在する確率はｐ＝ν／Ｖで与えられるので、この観測視野の中にｎ個の被検出対象粒子１が存在している確率Ｐ（ｎ）を考えると、ｎ個はこの観測視野の中に存在し、同時に残りのＮ−ｎ個はその外の体積Ｖ−νの領域内に存在するので、その確率分布は式（１）で与えられるベルヌーイ分布で与えられる。
Ｐ（ｎ）＝Ｎ！／［ｎ！（Ｎ−ｎ）！］・（ν／Ｖ）n（１−ν／Ｖ）N-n
・・・（１）
したがって、観測視野の中に見出される被検出対象粒子１の個数の平均値＜ｎ＞とその分散σ2は、以下のように与えられる。
＜ｎ＞＝（ν／Ｖ）・Ｎ＝ｐ・Ｎ＝Ｃ・ν ・・・（２ａ）
σ2＝＜（ｎ−＜ｎ＞）2＞＝（１−ν／Ｖ）・（ν／Ｖ）・Ｎ
＝（１−ｐ）＜ｎ＞ ・・・（２ｂ）
平均値からのずれの大きさσと平均値＜ｎ＞との比を求めると、以下のようになる。
σ／＜ｎ＞＝［（Ｖ−ν）／（ν・Ｎ）］1/2
＝［（１−ｐ）／＜ｎ＞］1/2 ・・・（２ｃ）
実際の浮遊粒子の計数過程においては、サンプリングした試料流体をフロー管内に導入し、細いレーザビーム３２により照らされた観測視野中を通過させ、その際の散乱光を受光部によって光電変換することで電気的パルスとして数える。光源３としてレーザを用いる場合には、ビーム径ＤRはかなり絞られていて０．１［ｍｍ］以下になる。一方、フロー管の断面積Ａは、ある程度の試料流体をサンプリングするために、流量との関連であまり細くできない。このため、観測視野の体積νと試料流体の体積Ｖとの比で決まる確率ｐ＝ν／Ｖは極めて小さくなり（ｐ＜＜１）、平均値＜ｎ＞＝Ｎ・ｐ＝Ｃ・νが一定値を保つような極限では、式（１）のベルヌーイ分布を次式（３）で与えられるポアソン分布により近似できる。
Ｐ（ｎ）＝ｅｘｐ（−Ｃ・ν）（Ｃ・ν）n／ｎ！ ・・・（３）
この場合、平均値＜ｎ＞と分散σ2は共に次式により与えられる。
＜ｎ＞＝σ2＝Ｎ・ｐ＝Ｃ・ν ・・・（４ａ）
平均値からのずれの大きさσと平均値＜ｎ＞との比は、以下のようになる。
σ／＜ｎ＞＝＜ｎ＞-1/2＝（Ｃ・ν）-1/2 ・・・（４ｂ）
例えば、フロー管内の全粒子数Ｎが１０4個程度で、体積比ｐ＝ν／Ｖが１／１００とすると、平均値＜ｎ＞は１００となり、式（４ｂ）で与えられる計数値の統計的揺らぎは１０％に達する。
一方、観測視野中に同時に２個以上の被検出対象粒子１が入ってしまうと、１個のパルスとして計数されてしまう同時計数損失（Coincidence loss）を生ずる。具体的には、観測視野の体積ν内に２個以上の被検出対象粒子１が見出される確率の総和を求めることで、同時計数損失の起きる確率Ｑは、次式（５）により与えられる。
Ｑ＝Σn=2 ∞Ｐ（ｎ）＝１−ｅｘｐ（−Ｃ・ν）（１＋Ｃ・ν） ・・・（５）
すなわち、同時計数損失は、観測視野の体積νと試料流体中の被検出対象粒子１の濃度Ｃにより決まる。そこで、同時計数損失率Ｑを低く抑え（例えば１０％以下）、かつ可測濃度ＣMaxを大きく設計するという観点からは、できる限り観測視野の体積νを小さくするか、フロー管への導入粒子濃度Ｃを低くする（希釈測定）ことによって同時計数損失率Ｑを低くする必要がある。観測視野の体積νを小さくすることは構造的なものであり、フロー管への導入粒子濃度Ｃを低くすることは計測技術的なものと言える。
しかし、式（４ｂ）が示すように、観測視野の体積νが小さく、かつ試料流体中の被検出対象粒子１の濃度Ｃも低い場合には、観測視野内の粒子を１個、２個数え落とすと、その統計的揺らぎに対する影響は極めて大きい。
上述したように、四重電極で形成した回転電場や不均一電場内では、空間は非等方的であり、その内部での粒子分布の一様性も担保されない。被検出対象粒子１の形状を識別するために、電場を印加するので、等方性が破られる点はやむを得ない。しかし、極めて細く絞った観測視野から被検出対象粒子１が散逸してしまうような回転電場や不均一電場では、１個２個の数え落としが計数値に対して大きな統計的揺らぎを与えるので、以上述べたように問題である。
次に、数え落としの原因となる従来構成の不均一電場について述べる。
第１および第２のいずれの方式でも、円筒状のフロー管２０Ａ，２０Ｂ中に繊維状の被検出対象粒子１を導入して円柱状粒子に変形させ、さらに回転させたり特定方向に向かせたりするために、断面円型のガラス管壁に円弧形状の電極２３Ｅ，２３Ｆを取り付けて高電圧を印加する。試料流体導流路に沿って、粒子配向用対向電極が設けられて高電圧電場を形成しているが、断面円型のフロー管では、電極形状が円弧形状となり、フロー管内の電極形成部内部の形成される電場は必ずしも一様ではない。隣接する電極端子間には不均一電場が発生し、誘電分極して電気双極子となった円柱状の被検出対象粒子１に対しては発散的に作用する、つまり、光ビームを照射している中心部領域からフロー管周辺部へと電気双極子を引き寄せてしまうため、被検出対象粒子１が観測視野から散逸して、統計的揺らぎを著しく増大させるという問題点があった。
このことを図１４（Ａ）〜図１４（Ｅ）および図１５に基づいて説明する。図１４（Ａ）は一様電場による粒子の伸張作用を示す図、図１４（Ｂ）は電場トルクによる電気双極子の回転を示す図、図１４（Ｃ）は電場方向への電気双極子の配向を示す図、図１４（Ｄ）は不均一電場による電気双極子へ作用する力を示す図、図１４（Ｅ）は観測視野領域（光ビーム照射領域）からの粒子の逸脱の様子を示す断面図である。
一般に、一様な電場Ｅ中に置かれた電気双極子には、その双極子モーメントをｐとすると、次式（６）で与えられるトルクτが作用して電場の印加方向へ回転して電場と平行な方向を向く。
τ＝ｐ×Ｅ ・・・（６）
一方、不均一電場中に侵入した電気双極子には、さらに双極子モーメントｐと不均一電場の勾配で決まるベクトル力Ｆも作用して、電場強度の大きい方向へ向かって移動することになる。すなわち、電気双極子には、次式（７）で与えられる力が作用する。
Ｆ＝（ｐ・∇）Ｅ ・・・（７）
式（６）、式（７）において、・はベクトルの内積、×はベクトルの外積、∇は勾配演算子をそれぞれ示す。
図１４（Ａ）に示すように、正極から負極へ向かう外部一様電場Ｅ内に導かれた湾曲した繊維状の被検出対象粒子１は瞬時に誘電分極を生じ、粒子１の両端のうち、電場Ｅを形している正電極に近い粒子１の一端は負極に帯電し、同時に電場Ｅの負極に近い粒子１の他端は正極に帯電する。このような一様電場中で、分極した湾曲繊維状の被検出対象粒子１は電場方向へ引伸ばされて直線状に変形すると共に、図１４（Ｂ）に示すように円柱状に変形した粒子１には回転のトルクが作用して、粒子１は図１４（Ｃ）に示すように電場Ｅと平行な方向を向く。
ここで、不均一電場中に円柱状粒子が導かれると、誘電分極により両端に生じた電荷が等しいのに、電場の電気力線の粗密に応じて双極子の両誘起電荷に作用する力が異なる。このため、図１４（Ｄ）に示すように、不均一電場中の電気双極子には、電場が強くなる方向へ正味の力が働くことになる。
図１５（Ａ）は円筒状のフロー管２０Ａの周りに形成された円弧状四重電極２３Ｅによる電場ベクトル分布を円筒の断面に沿って示した図、図１５（Ｂ）は誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を円筒の断面に沿って示した図である。
第１の方式の装置では、繊維状の被検出対象粒子１を回転させるために、四重電極２３Ｅを設けているが、その隣接する電極間に生ずる不均一電場が、対向電極間の高電圧電場により誘電分極した電気双極子に作用して、図１５（Ｂ）に示すように、フロー管２０Ａの中心部（特定偏光の光源３の照射領域）から電気双極子が散逸するような電気力が作用する。このため、図１４（Ｅ）に示すように、円柱状に変形した被検出対象粒子１は入射レーザビーム３２の照射領域外へと輸送されてしまう。このため、観測視野内にある被検出対象粒子１の計数値は、一様分布している場合に比較して少なくなり、その統計的揺らぎも増大する。
さらに、試料流体中に分散している繊維状の被検出対象粒子１は通常湾曲しているので、強い電場中において引き伸ばして直線性を向上させ、円柱状粒子として精度良く近似しようとするが、粒子を回転させるために四重電極２３Ｅ間に交流電圧を印加することから、その伸張が充分でないことも推測される。すなわち、アモサイト、クロシドライトなど青石綿を構成する棒状粒子に比較して、クリソタイル（白石綿）などの湾曲した粒子は、四重電極２３Ｅによる回転電場中では充分に伸張できないため、円柱状粒子としての近似が充分でなく、円柱状粒子としての計数から数え落とされてしまう。
図１６（Ａ）は円筒状のフロー管２０Ｂの周りに形成された円弧状粒子配向用電極２３Ｆによる電場ベクトル分布を円筒の断面に沿って示した図、図１６（Ｂ）は誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を円筒の断面に沿って示した図である。
図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）に示すように、第２の方式の装置では、繊維状の被検出対象粒子１を高電圧電場印加方向に向かせるために、対向電極２３Ｆ間に高電圧を印加して静電場を形成している。したがって、フロー管２０Ｂ中に導入された繊維状の被検出対象粒子１は長時間にわたり分極状態に保持され、湾曲した被検出対象粒子１も一直線状に伸張されることから、円柱状粒子としての近似不良に起因する数え落としは少ない。
しかし、第２の方式の装置でも、第１の方式の装置に比較すれば少量であるが、数え落としが報告されている（非特許文献２参照）。その理由として、対向電極の端部領域への電気力線の集中が考えられる。つまり、繊維状の被検出対象粒子１を高電圧電場印加方向に向かせるために、対向電極２３Ｆ間に高電圧を印加するものの、対向電極の端部に電気力線の集中が起こり、端部領域の電場強度がその他の部分に比較して著しく強くなる。このような不均一電場中では、上記の四重電極２３Ｅの場合と同様に、誘電分極した繊維状の被検出対象粒子１に対して、図１６（Ｂ）に示すように、フロー管２０Ｂの中心部（特定偏光の光源３の照射領域）から粒子１を散逸させる電気力が作用すると考えられる。このため、観測視野内の被検出対象粒子１の計数値は、一様分布している場合に比較して若干少なくなり、統計的揺らぎを増大させる数え落としとなる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、被検出対象粒子を検出器の観測視野へ導入する際に、静電場印加によって誘電分極した被検出対象粒子が観測視野内に集中するような浮遊粒子状物質測定装置を提供することを目的とする。
本発明の浮遊粒子状物質測定装置は、偏光ビームを射出する光源と、流体中に浮遊している被検出対象粒子を試料流体導流路により層流状態で観測視野内に導入する導入手段と、前記観測視野内に導入された粒子に前記光源からの偏光ビームが入射したことによる散乱光のうち、前記光源から前記粒子に向かう方向に対して前記粒子を中心とする散乱角が略１０度の散乱光を、偏光方向が互いに直交する２本の光ビームに分割する偏光型ビームスプリッタプリズムと、前記光ビームが前記粒子に入射する前に、前記光源と前記粒子と前記偏光型ビームスプリッタプリズムとを含む散乱平面に対して、前記粒子を前記散乱平面の法線方向に向ける粒子配向手段と、前記偏光型ビームスプリッタプリズムによって分割された２本の光ビームをそれぞれ電気信号に変換する第１、第２の受光手段と、前記第１、第２の受光手段から出力された信号に基づいて粒子形状を識別する粒子識別手段とを有し、前記粒子配向手段は、前記試料流体導流路に沿って配置された二つの電極ブロックからなり、この電極ブロック間に前記散乱平面の法線方向を向いた静電場を形成するものであり、前記二つの電極ブロックは、導流路側表面が平面で互いに平行な平板状か、もしくは導流路側表面が曲面で対向する電極ブロックに向かって互いに凸の形状であり、前記導入手段は、絶縁材料からなる二本のガイドブロックと、その上下から前記二本のガイドブロックを挟む絶縁材料からなる二つの厚板ブロックとからなり、前記二本のガイドブロックには、試料流体導入口となる端面から前記流体が層流状態に発達するのに必要な距離だけ離れた位置に、前記偏光ビームの導入用開口部と前記散乱光の観測用の開口部とがそれぞれ設けられ、各々の開口部には光学ガラス板が嵌め込まれ、上側の前記厚板ブロックと前記二本のガイドブロックとの間および下側の前記厚板ブロックと前記二本のガイドブロックとの間に、それぞれ前記電極ブロックを配置して、この二つの電極ブロックと前記二本のガイドブロックで挟まれる領域を前記試料流体導流路とすることを特徴とするものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記二つの電極ブロックは、前記試料流体導流路と直交する方向の幅が前記試料流体導流路の幅よりも広い平行平板状であり、この二つの電極ブロック間への電圧印加により前記観測視野を覆う試料流体導流路内に一様な静電場を形成するものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記二つの電極ブロックは、前記試料流体導流路に沿った縦断面が矩形であり、前記試料流体導流路と直交する横断面の端部形状がロゴウスキー型端部形状であり、この二つの電極ブロック間への電圧印加により前記観測視野を覆う試料流体導流路内に電場強度が中心部に向かって漸増する静電場を形成するものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記二つの電極ブロックは、前記試料流体導流路に沿った縦断面が矩形であり、前記試料流体導流路と直交する平面で切ったときの導流路側表面曲線が双曲線であり、この二つの電極ブロック間への電圧印加により前記観測視野を覆う試料流体導流路内に電場強度が中心部に向かって漸増する静電場を形成するものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記二つの電極ブロックは、前記試料流体導流路に沿った縦断面が矩形であり、前記試料流体導流路と直交する平面で切ったときの導流路側表面曲線がＶ字型曲線と逆Ｖ字型曲線であり、この二つの電極ブロック間への電圧印加により前記観測視野を覆う試料流体導流路内に電場強度が中心部に向かって漸増する静電場を形成するものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記電極ブロックは、銅、金、白金、銀、あるいはアルミのうち少なくとも１つを含む金属材料、プラスティック、マシナブル・セラミックス、あるいはエンジニアリング・セラミックスの何れかからなり、前記プラスティックを用いる場合は、導流路側表面に金属鍍金あるいは金属蒸着して前記電極ブロックとすることを特徴とするものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記電極ブロックの導流路側表面には、絶縁膜が形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記ガイドブロックおよび厚板ブロックは、プラスティック、マシナブル・セラミックス、あるいはエンジニアリング・セラミックスの何れかからなり、前記観測視野の壁面および前記開口部の壁面は、前記光源の波長の光を吸収する材料で被覆されるものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記光学ガラス板は、前記偏光ビームの光の波長において無反射である材料からなるものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記光源は、非偏光の光ビームを射出するか、あるいは直線偏光の偏光面を前記散乱平面の法線方向に対して４５度傾けた直線偏光ビームとして射出するか、あるいは直線偏光を１／４波長板を通過させて円偏光ビームとして射出するかの何れかにより光ビームを射出し、かつこの光ビームの波長の最小値は、識別対象とする球状微小粒子の半径よりも長く、かつ円柱状微小粒子の長さよりも短いことを特徴とするものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記粒子識別手段は、前記第１の受光手段で検出された垂直偏光成分と前記第２の受光手段で検出された水平偏光成分との強度差から、前記強度差が略等しい場合は前記粒子が球状粒子であると識別し、前記強度差が垂直偏光成分の優位を示した場合は前記粒子が円柱状粒子であると識別するものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の１構成例において、前記粒子識別手段は、前記第１、第２の受光手段により同時に検出された各偏光成分の和で与えられる電圧パルスの波高を、予め定められた複数の閾値電圧と比較することで、前記電圧パルスをその波高値により分別し、分別したパルス毎に計数すると共に、前記粒子の識別結果に基づき、前記粒子が球状粒子であると識別した場合は前記パルス波高値に基づいて粒子半径を求め、前記粒子が円柱状粒子であると識別した場合は前記パルス波高値に基づいて粒子の長さを求めるものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置は、偏光ビームを射出する光源と、流体中に浮遊している被検出対象粒子を試料流体導流路により層流状態で観測視野内に導入する導入手段と、前記観測視野内に導入された粒子に前記光源からの偏光ビームが入射したことによる散乱光のうち、前記光源から前記粒子に向かう方向に対して前記粒子を中心とする散乱角が略１０度の散乱光を、偏光方向が互いに直交する２本の光ビームに分割する偏光型ビームスプリッタプリズムと、前記光ビームが前記粒子に入射する前に、前記光源と前記粒子と前記偏光型ビームスプリッタプリズムとを含む散乱平面に対して、前記粒子を前記散乱平面の法線方向に向ける粒子配向手段と、前記偏光型ビームスプリッタプリズムによって分割された２本の光ビームをそれぞれ電気信号に変換する第１、第２の受光手段と、前記第１、第２の受光手段から出力された信号に基づいて粒子形状を識別する粒子識別手段とを有し、前記粒子配向手段は、前記試料流体導流路に沿って配置された二つの電極ブロックからなり、この電極ブロック間に前記散乱平面の法線方向を向いた静電場を形成するものであり、前記二つの電極ブロックは、導流路側表面が平面で互いに平行な平板状か、もしくは導流路側表面が曲面で対向する電極ブロックに向かって互いに凸の形状であり、前記粒子識別手段は、前記第１の受光手段で検出された垂直偏光成分と前記第２の受光手段で検出された水平偏光成分との強度差から、前記強度差が略等しい場合は前記粒子が球状粒子であると識別し、前記強度差が垂直偏光成分の優位を示した場合は前記粒子が円柱状粒子であると識別し、前記第１、第２の受光手段により同時に検出された各偏光成分の和で与えられる電圧パルスの波高を、予め定められた複数の閾値電圧と比較することで、前記電圧パルスをその波高値により分別し、分別したパルス毎に計数すると共に、前記粒子の識別結果に基づき、前記粒子が球状粒子であると識別した場合は前記パルス波高値に基づいて粒子半径を求め、前記粒子が円柱状粒子であると識別した場合は前記パルス波高値に基づいて粒子の長さを求めることを特徴とするものである。
本発明では、円筒状フロー管周りに形成した円弧状四重電極の代わりに試料流体導流路の幅より広い電極ブロックによる静電場を用いることで、電極極性のスイッチングの際に隣接する電極端部間に生ずる電場の不均一性を回避することができる。したがって、不均一電場に起因する浮遊粒子の観測視野内からの散逸を回避できる。あるいは円弧状対向電極による静電場の代わりに試料流体導流路の幅より広い電極ブロックによる一様静電場を用いることで、電極端部に生ずる不均一電場が電気双極子に作用することで起こる粒子の観測視野からの散逸を回避できる。いずれにせよ、本発明では、観測領域内からの被検出対象粒子の散逸を回避することで、従来の浮遊粒子状物質測定装置で著しかった観測視野内からの被検出対象粒子の１個、２個の数え落としに起因する計数値に対する統計的揺らぎを抑制できる。さらに、本発明の断面形状の電極ブロックを用いることで、静電場により分極した被検出対象粒子を特定方向（静電場印加方向）へ向かせつつ、観測視野内へ被検出対象粒子を定常的に集中・収束させることができ、さらには一様分布している場合に比較して若干多く計数することで、計数値に対する統計的揺らぎを低減させる。なお、ここで特定方向とは、光源、被検出対象粒子および受光手段の三者で定義される散乱平面に対して、鉛直方向が望ましい。また、従来の電極端部への電気力線の集中による不均一電場を、電極ブロックの断面形状を工夫することで回避し、試料流体の絶縁破壊電圧に近接する高電圧を、対向電極ブロック間に印加できるようになる。このため、アモサイト、クロシドライト等青石綿を構成する直線状粒子に比較して、湾曲した粒子であるクリソタイル（白石綿）についても、湾曲部を引き伸ばして円柱状粒子へと変形させるべくより高い電圧を印加できるので、従来の円弧状電極を用いた場合に比較して、繊維状の被検出対象粒子の円柱状粒子としての近似精度が向上する。結果的に、観測視野への被検出対象粒子の円柱状粒子としての検出率を向上でき、計数値に対する１個、２個の数え落としに起因する統計的揺らぎも低減できる。本発明は、統計的揺らぎを抑制することを優先し、被検出対象粒子を過大計数することの系統的な誤差は、検量線を求めることにより補正するという技術思想に基づく。
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の導入手段および粒子配向手段となるフローチャネル部２０の斜視図、図２はフローチャネル部２０の分解斜視図である。
図２に示すように、フローチャネル部２０は、絶縁材料からなる二本のガイドブロック２４０と、その上下から２本のガイドブロック２４０を挟む絶縁材料からなる二枚の厚板ブロック２５０ａ，２５０ｂとから構成される。二本のガイドブロック２４０および電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより挟まれた領域が、試料流体の導流路２１０ｅを形成する。また、図１に示すように、この導流路２１０ｅに直交するように特定偏光ビームの導入用開口部２２０ａおよび散乱光観測用開口部２２０ｂが設けられている。
より具体的には、図２に示すように、一本のガイドブロック２４０には、流体吸気口２１ａ側の端面から導入された試料流体が層流状態に発達するまでの助走距離Ｌ（Starting Length、詳細については後述する）だけ離れた位置に特定偏光ビーム導入用開口部２２０ａが設けられ、もう一本のガイドブロック２４０には、特定偏光ビーム導入用開口部２２０ａと向かい合う位置に散乱光観測用開口部２２０ｂが設けられている。そして、それぞれの開口部には導流路密閉用ガラス窓２２０ｃを嵌め込むための座繰りが形成されている。これらの開口部に導流路密閉用ガラス窓２２０ｃを嵌め込むことで、密閉性の高い導流路２１０ｅが形成される。
導流路密閉用ガラス窓２２０ｃの材料としては、特定偏光ビームの光の波長において無反射であるものを用いる。具体的には、導流路２１０ｅの内部から試料流体が外部へ漏れないようにし、かつ特定偏光ビームの入出射および散乱光検出がフローチャネル部２０の外部から行えるようにするために無反射膜付き光学ガラスなどを用いる。導流路密閉用ガラス窓２２０ｃは、特定偏光ビームの損失を防ぐと共に、フローチャネル部２０の内部の乱反射を減少させるために必要である。
上下の厚板ブロック２５０ａ，２５０ｂには、粒子配向手段となる特定の断面形状をもつ電極ブロック２３０ａ，２３０ｂを埋め込むための座繰りが形成され、上部厚板ブロック２５０ａと二本のガイドブロック２４０との間、および下部厚板ブロック２５０ｂと二本のガイドブロック２４０との間に、それぞれ電極ブロック２３０ａ，２３０ｂが配置される。上側の電極ブロック２３０ａとの電気的接続は、上部厚板ブロック２５０ａを貫通して電極ブロック２３０ａに達する接触電極端子２６０ａによって行われ、下側の電極ブロック２３０ｂとの電気的接続は、下部厚板ブロック２５０ｂを貫通して電極ブロック２３０ｂに達する接触電極端子２６０ｂによって行われる。後述するバイポーラ型直流高圧安定化電源と電極ブロック２３０ａ，２３０ｂとの間の電気的な接続は、圧着端子などを利用した配線により行われる。
さらに、二本のガイドブロック２４０を上下の厚板ブロック２５０ａ，２５０ｂで挟んだ構造の両端部には、フローチャネル部２０の流体吸気口２１ａおよび流体排気口２１ｂとして機能させるために、採気管および排気管を接続するための吸気用継手２１０ｃおよび排気用継手２１０ｄがそれぞれ固定される。
このようにして形成されたフローチャネル部２０は、被検出対象粒子１を試料流体中に分散させた状態で観測視野内に試料流体を導入するための導流路２１０ｅを形成し、かつ被検出対象粒子１の回転対称軸を、二枚の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより形成される静電場の方向へと向かせる粒子配向手段を構成している。このフローチャネル部２０には、試料流体中に分散した被検出対象粒子１を静電場印加方向へと向かせた状態で、特定の偏光状態にある照射光により照射された観測視野を形成するために、特定偏光ビームの導入用開口部２２０ａならびに散乱光観測用開口部２２０ｂが形成されている。
そして、導流路２１０ｅに直交した方向から導入用開口部２２０ａを通して外部の光源より特定偏光を照射することで、試料流体中を分散している被測定対象粒子１による前方散乱光を、散乱光観測用開口部２２０ｂを通して観測する。
フローチャネル部２０内の導流路２１０ｅの断面形状は、一般的には矩形であるが、望ましくは正方形である。正方形にすることで、静電場を印加するための電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの構造を簡単にできるのみならず、後述する助走距離Ｌを算出する際にも、解析モデルが簡単になって設計が容易になる。
ガイドブロック２４０の厚さは、繊維状の被検出対象粒子１の向きを揃えるのに必要な静電場の強度により決定される。例えば、ガイドブロック２４０の厚さを１ｃｍとすると、電場強度１ｋＶ／ｃｍの静電場を観測視野内に形成するためには、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにそれぞれ５００Ｖずつ印加することになる。
また、特定偏光ビーム導入用開口部２２０ａは、ガイドブロック２４０の流体吸気口２１ａ側の端面から助走距離Ｌだけ離れた位置に形成される。
流体吸気口２１ａよりフローチャネル部２０内に導入された試料流体は、通常、吸気管や吸気用継手とフローチャネル部２０の断面との不整合に起因して、乱流状態となる。
一般に、ある臨界値以下のレイノルズ数を持つ粘性流体の流れに対しては、フローチャネル部２０内に一様乱流状態で導入された試料流体であっても層流状態への遷移が起こり、助走距離Ｌの間に完全な層流に発展する。
したがって、フローチャネル部２０に設けた電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより特定方向に向けた被検出対象粒子１を観測する際には、この試料流体の入口部分での乱流状態が粒子１の方向を擾乱しない状態で散乱光を観測する必要がある。すなわち、助走距離Ｌだけ離れた位置で散乱光を観測すれば、乱流という擾乱が粒子計数に与える影響を低減できると期待できる。乱流が粒子計数に与える影響としては、被検出対象粒子１の方向をふらつかせたり、導流路２１０ｅ中を流れる被検出対象粒子１が電場の空間的不均一性により観測視野から散逸することを助長したりする。そこで、特定偏光ビーム導入用開口部２２０ａを吸気側端部から助走距離Ｌだけ離れた位置に設けることで、観測視野領域の流れが乱流の影響を受けないようにする。
レイノルズ数Ｒｅは、助走距離Ｌと試料流体の流速Ｕと試料流体の動粘性計数ν（＝μ／ρ、ここで、μは試料流体の静的摩擦係数、ρは試料流体の密度である）により、以下の式（８）により与えられる。
Ｒｅ＝Ｕ・Ｌ／ν ・・・（８）
そして、円筒管に対しては、乱流から層流への遷移が起こる遷移レイノルズ数は２３００程度であることが知られており、この遷移レイノルズ数以下であれば、円筒管入口部で強い乱流であっても、助走距離Ｌ以降の位置では、流れが発展して層流状態であることが期待できる。なお、遷移レイノルズ数の２３００という値は円筒管に対する値であり、本実施の形態の正方形断面の角柱状の導流路２１０ｅに対しては、遷移レイノルズ数の値は、管内の壁面の粗さと導入される試料流体の微小な乱れの大きさに影響されることも考慮して、１０００程度としている。すなわち、乱流が層流に発展する遷移条件として、遷移レイノルズ数（Ｒｅ）transが次式（９）を満たすものとして、各種パラメータを適宜設計した。
（Ｒｅ）trans＜１０００ ・・・（９）
本実施の形態のフローチャネル部２０の導流路２１０ｅの断面形状並びに特定偏光ビーム導入用開口部２２０ａを設ける助走距離Ｌの値は、上記印加電場強度の条件と、試料流体のレイノルズ数が遷移レイノルズ数の値以下に保たれる式（９）の条件を満たすように適宜設計した。同時に、試料流体の流速Ｕについても式（９）で定まる遷移レイノルズ数の値以内に留まるように流量（＝流速×導流路２１０ｅの断面積）を設定した。
特定断面の形状を持つ電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの材料としては、銅などの可塑性の高い金属板材をそのまま、特定断面形状に削り出して用いることも可能であるが、より成形の容易なプラスティックなどの材料の電極側表面に金属を鍍金したり、あるいは金属を直接蒸着するなどしたりして、金属電極としての機能を持たせても良い。必要とする加工精度で所望の断面形状の電極を実現可能な材料であれば、その材質については金属等に限られるものではない。というのは、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂには、その間の導流路２１０ｅに導入された被検出対象粒子１の向きを揃えるために静電場を形成すべく試料流体の耐圧限界近傍の高電圧が印加できればよく、試料流体の耐圧以上の高電圧を印加して直流大電流などを流す必要はないからである。
また、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの導流路側の表面（電極ブロック２３０ａの場合は下面、電極ブロック２３０ｂの場合は上面）には、金属層の保護膜として絶縁材が塗布されて、絶縁膜が形成されている。あるいは、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの表面に絶縁性の金属酸化物を形成してもよい。こうして、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの導流路側の表面に絶縁膜を形成することで、電極表面に付着した微粒子が電極と同極性に帯電してクーロン反発して再飛散し、対向電極ブロック側へ突入し対向電極ブロックの表面に付着することを回避することができる。
次に、上下の厚板ブロック２５０ａ，２５０ｂ並びにガイドブロック２４０の材料としては、絶縁耐圧が試料流体（例えば大気）の絶縁破壊電場強度１０ｋＶ／ｃｍに耐え得るものであれば、成形の容易なプラスティックを利用することも可能である。一般的には、マシナブル・セラミックス（研削可能なセラミック材料）を用いることが望ましい。搾孔、研削などの加工の後に焼結するエンジニアリング・セラミックスを利用することも可能である。
何れの材料を用いる場合も、導流路２１０ｅを形成するガイドブロック２４０の内壁部と特定偏光ビーム導入用開口部２２０ａおよび散乱光観測用開口部２２０ｂの内壁面には、黒色を焼き付け塗装するか、光吸収率の高い塗料などを塗布する等して、観測視野内部と偏光ビームおよび散乱光の通過する部分の乱反射光を減少させる必要がある。あるいは、ガイドブロック２４０および厚板ブロック２５０ａ，２５０ｂの材料として、元々黒色のエンジニアリング・セラミックスを利用してもよい。これにより、本実施の形態では、観測視野部分の乱反射を低くすることができるので、微弱な散乱光まで検出可能となり、粒径の小さな粒子など散乱光強度の弱い微小粒子の検出および形状識別が可能となる。
図３は、特定の散乱角で散乱光を検出することにより、形状の異なる粒子の識別を可能にする本実施の形態の原理を説明するための図であり、球状粒子および無限に長い円柱状粒子による散乱光のうち前方散乱に近い散乱角１０度での散乱光の偏光度（偏光の大きさ）と粒子半径との関係を示す図である。図３において、Ｓは球状粒子の特性、Ｃは円柱状粒子の特性である。
この図３は、屈折率１．５５の物質の球状粒子および無限に長い円柱状粒子による散乱光の偏光度を、種々の粒子半径について散乱角１０度で散乱理論に基づき導出したものである。偏光度を導出した光の波長は、識別対象粒子の半径よりも長い１．５５μｍである。図３では、偏光度の数値が正の方向にいくほど散乱平面に対して垂直偏光の度合いが強くなり、＋１で完全に垂直偏光のみとなる。他方、偏光度の数値が負の方向にいくほど散乱平面に対して水平偏光の度合いが強くなり、−１で完全に水平偏光のみとなる。
図４は、ｚ軸方向に無限に長い円柱に単一波長の直線偏光をｘ軸方向より照射した時の光散乱現象を説明するための図であり、図３を導出する際に用いた配置図である。ここでは、直線偏光の偏光面が散乱平面の法線に対する角をφとする。図４は、直線偏光の入射光により照射される無限に長い円柱１００を座標系の原点に置いた場合の、円柱に対する入射電場Ｅ(i)および散乱電場Ｅ(s)を含む三次元座標系を示している。また、図４は、入射光と散乱光とを含む散乱平面５（ｘｙ平面）に対する入射電場の垂直成分Ｅver (i)および散乱電場の垂直成分Ｅver (s)と入射電場の平行（水平）成分Ｅpar (i)および散乱電場の平行成分Ｅpar (s)、並びに散乱角θを示している。単一波長の直線偏光は、ｘ軸に沿って原点にある円柱１００の方向へ直進し、円柱１００において散乱するが、散乱平面５上においてその散乱光のｘ軸からの角度を散乱角θと定義する。散乱光は、この散乱角θの方向の延長線上に配置された検出器により検出される。
θを散乱角、φを散乱平面５の鉛直方向を基準とした入射光の偏光面の回転角とすると、散乱平面５の鉛直方向を向いた円柱１００の軸に平行な電場成分Ｅver (i)，Ｅver (s)に対する振幅散乱行列の対角成分Ｔver（θ，φ）と円柱１００の軸に垂直な電場成分Ｅpar (i)，Ｅpar (s)に対する振幅散乱行列の対角成分Ｔpar（θ，φ）により、円柱状粒子による散乱光の偏光度Ｐは次式のように定義される物理量である。
Ｐ＝（｜Ｔver｜2−｜Ｔpar｜2）／（｜Ｔver｜2＋｜Ｔpar｜2）
＝（Ｉver−Ｉpar）／（Ｉver＋Ｉpar） ・・・（１０）
球状粒子による散乱に対しては、式（１０）の偏光度Ｐの計算式において、Ｔver（θ，φ）とＴpar（θ，φ）を、それぞれ球に対する振幅散乱行列の対角成分Ｓver（θ，φ）とＳpar（θ，φ）に置き換えればよい。
式（１０）において、Ｉver＝｜Ｅver (s)｜2は散乱平面５に垂直な散乱電場の強度（垂直偏光散乱光の強度）、Ｉpar＝｜Ｅpar (s)｜2は散乱平面５に平行な散乱電場の強度（水平偏光散乱光の強度）である。（Ｉver＋Ｉpar）は散乱光の垂直偏光成分と水平偏光成分の和であるから、全散乱光強度である。（Ｉver−Ｉpar）は散乱光を垂直偏光成分と水平偏光成分に分離した際に、垂直偏光成分と水平偏光成分の差分を表す量となっている。
光の散乱理論によれば、球状の散乱粒子に対する振幅散乱行列の対角成分Ｓver（θ，φ）とＳpar（θ，φ）により、散乱光強度Ｉver，Ｉparは、入射光の垂直偏光成分の強度をＩV0＝｜Ｅver (i)｜2、入射光の水平偏光成分の強度をＩP0＝｜Ｅpar (i)｜2とすると、次式により表すことができる。
Ｉver＝ＩV0［Ｓver（θ，φ）］2／（ｋｒ）2 ・・・（１１ａ）
Ｉpar＝ＩP0［Ｓpar（θ，φ）］2／（ｋｒ）2 ・・・（１１ｂ）
ここで、λを入射光の波長とするとき、ｋはｋ＝２π／λで定義される波数、ｒは散乱体である球あるいは円柱と検出器との間の距離である。振幅散乱行列の各成分ＳやＴの具本的な数式については、電磁波散乱の文献「M.Born and E.Wolf，“Principles of Optics”，2nd edition，1964,Pergamon，Oxford，Capter XIII，p.635-664」、「“光学の原理３”，2006,東海大学出版会，第１４章 金属光学，§１４．５ 伝導球による回折：Ｍｉｅの理論」、「H.C.van de Hulst，“Light Scattering by Small Particles”，1957，John Wiley ＆ Sons，New York，Chapter 9，p.114-130」、あるいは「J.D.ジャクソン，原書第３版，“電磁気学（下）”，西田稔訳，2003，吉岡書店，第１０章 散乱と回折，§１０．４ 球による電磁波の散乱，p.700-707」などに詳細に記載されている。
ところで、有限長さｄの円柱状粒子に対しては、その散乱光を充分に遠方にある検出器により観測する場合、円柱状粒子から検出器までの距離ｒがｒ＞＞ｄ2／λの条件を満たすので、上記の振幅散乱行列の対角成分の間を互いに以下の関係で結びつけることができる。
Ｓver（θ，φ）＝（ｋｄ／π）Ｅ（ｋｄφ／２）Ｔver（θ，φ） ・・・（１２）
ここで、Ｅ（ｚ）は球ベッセル関数ｊ0（ｚ）＝ｓｉｎ（ｚ）／ｚである。式（１２）は、無限に長い円柱による散乱光を、有限長さ単スリットからのフラウンホーファ回折パターンを表す関数で強度変調していることに相当している。
球による散乱光の水平偏光成分Ｓpar（θ，φ）と円柱による散乱光の水平偏光成分Ｔpar（θ，φ）との間にも同様の関係が成立する。
そこで、有限長さの円柱状粒子による散乱強度の、例えば垂直偏光成分は、式（１２）を式（１１）に代入することにより、次式のように与えられる。
Ｉver＝ＩV0（ｄ／πｒ）2・［Ｅ（ｋｄφ／２）・Ｔver（θ，φ）］2
・・・（１３）
水平偏光成分についても同様である。ここで重要なことは、円柱状粒子による散乱強度の最終的な式（１３）の中に、円柱状粒子の長さがｄ2、すなわち二乗の形で含まれていることである。これは、散乱光の強度が、円柱状粒子の長さの二乗と共に強くなることを意味している。
ところで、大きい半径の球状粒子や軸方向長さｄの長い円柱状粒子は重力沈降により空気中に浮遊できないため、浮遊している粒子の粒子半径は１０μｍ以下のものが多い。そのうち、特に個数濃度で多数分布しているのは球状粒子では半径１μｍ以下の粒子である。他方、アスベストのような繊維状粒子の場合、特に人体に有害とされるのは直径が３μｍ以下（長さｄは５μｍ以上）のものとされている。
図３において、このような半径１μｍ以下の粒子について見ると、散乱角１０度という散乱角での散乱光の偏光状態は、球状粒子の場合はほぼ無偏光状態に近く、他方、円柱状粒子の場合は垂直偏光成分が多くなる。つまり、円柱状粒子による散乱光は、円柱軸方向に電気ベクトルが振動する垂直偏光成分を多く含む。このような散乱光の偏光度の違いから、形状の異なる球状粒子と円柱状粒子の識別が可能となる。また、散乱光の強度から、円柱状粒子であればその長さを求めることができ、球状粒子であれば半径を求めることができる。
なお、図３では、入射光の波長として１．５５μｍのものを利用したため、球状粒子と円柱状粒子の識別可能な粒子半径が略１μｍ以下のものに制限されたが、波長のより長い光源を利用することにより、識別可能な粒子の半径をより大きくできることは言うまでもない。この図３に示す特性は、発明者が光の散乱理論に基づき見い出した事実である。
図５は、本実施の形態の浮遊粒子状物質測定装置の検出器４０の概略構成を示す図である。図５は、被検出対象粒子１に特定偏光ビームを照射した状態を示している。被検出対象粒子１の導入手段と粒子配向手段２とを構成するフローチャネル部は、図１、図２の構成に基づくものである。
被検出対象粒子１は、粒子配向手段２によって、すでにその主軸が散乱平面５の法線ＶＥＲの方向に揃えられている。粒子配向手段２は、被検出対象粒子１の主軸を、光源３と被検出対象粒子１と偏光型ビームスプリッタプリズム６とによって定義される散乱平面５の法線ＶＥＲ方向に揃える手段であり、本実施の形態では、図１、図２に示したフローチャネル部２０の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂと後述するバイポーラ型直流高圧安定化電源とからなるものを想定している。
本実施の形態では、光源３からの射出光を、散乱平面５に対してその偏光面が４５度傾いた直線偏光としている。その理由は、光源３から射出された直線偏光が被検出対象粒子１に対して入射する際に、垂直偏光成分と水平偏光成分とが等しい強度となるようにするためである。
垂直偏光成分と水平偏光成分とが等しい強度となる光源としては、レーザに代表される直線偏光射出光源の他に、白熱ランプや発光ダイオード（Light Emitting Diode）等の非偏光状態の光源も利用可能である。非偏光状態の光源を利用する場合には、被検出対象粒子１に光ビームを照射する前に、光源からの光を波長フィルタに通して、入射光の最小波長を確定する必要がある。
また、直線偏光や非偏光の光源の代わりに、円偏光を射出する光源３を用いることもできる。円偏光を射出するには、直線偏光を射出するガスレーザや半導体レーザダイオード等の直線偏光射出手段と１／４波長板とコリメート光学系とが光源３の構成要素となる。直線偏光射出手段からの直線偏光の偏光面を散乱平面５に対して４５度に傾け、この直線偏光を１／４波長板に通し、さらにコリメート光学系を透過させることによって、円偏光を被検出対象粒子１に照射する。
なお、図３に例示したように、波長１．５５μｍの通信波長帯域のレーザだけに限定されるものではなく、他の波長のレーザやインコヒーレントな光源を用いた場合にも、本実施の形態と同様の効果が得られることは明らかであることはいうまでもない。
光源３からの射出光は、被検出対象粒子１の主軸に対して直角な方向から被検出対象粒子１に入射する。この入射光は被検出対象粒子１が円柱状粒子である場合、円柱軸に平行な成分（散乱平面５に対しては垂直偏光成分）と円柱軸に垂直な成分（散乱平面５に対しては水平偏光成分）がそれぞれ違ってくる。なお、以後は、散乱平面５を基準に「垂直」、「水平」を特定する。ここで、一定の角度、特に浅角前方散乱に近い散乱角θ＝略１０度での散乱光に着目する。
その散乱光は、図５に示すように、偏光型ビームスプリッタプリズム６に導かれ、垂直偏光成分と水平偏光成分とに１：１の割合で分割される。受光部４ａは分割された垂直偏光成分の強度を検出し、受光部４ｂは水平偏光成分の強度を検出する。
受光部４ａ，４ｂは、入射した散乱光を電気信号に変換する素子であり、光電子倍増管、アバランシェフォトダイオード、固体接合光ダイオード、半導体フォトダイオードの何れか一つが考えられる。
図３に示すように、円柱状粒子による散乱光には垂直偏光成分が多く、これに対して球状粒子による散乱光は無偏光状態である。したがって、非偏光、あるいは偏光面が散乱平面５に対して４５度傾いた直線偏光ないしは円偏光が被検出対象粒子１に入射すると、被検出対象粒子１が円柱状粒子の場合、受光部４ａで検出される垂直偏光成分の強度が、受光部４ｂで検出される水平偏光成分の強度よりも大きくなる。一方、被検出対象粒子１が球状粒子である場合は、受光部４ａで検出される垂直偏光成分の強度も受光部４ｂで検出される水平偏光成分の強度もほぼ等しい強度で検出される。
こうして、偏光面が散乱平面５に対して４５度傾いた直線偏光の光や非偏光、あるいは円偏光を被検出対象粒子１に照射し、その散乱光の垂直偏光成分の強度と水平偏光成分の強度とを同時に計測すると、垂直偏光成分と水平偏光成分との強度比から球状粒子か円柱状粒子かの識別が可能である。以上が、本実施の形態の浮遊粒子状物質測定装置による粒子形状識別の原理である。
なお、入射光ビームの波長は、識別したい球状粒子の半径よりも長くてもよいが、円柱状粒子の軸方向の長さに比較して短くしておく。入射光の波長が円柱状粒子の軸方向の長さｄよりも長いと、円柱状粒子も球状粒子と同様なレイリー（Rayleigh）散乱をするようになるため、本実施の形態の基本となる粒子形状識別原理が適用できなくなる。
すなわち、形状の識別における光源波長λへの制約について述べると、波長λ（あるいは、波長に中心値λ0から有限の幅±Δ／２がある際にはその最小波長λmin＝λ0−Δ／２）は、識別対象とする球状粒子あるいは円柱状粒子の半径よりも長い必要がある。さらに、有限長さｄの円柱状粒子に対して、式（１２）を導く際に仮定したｒ＞＞ｄ2／λの条件を満足させるためには、波長λ（あるいは、その最大波長λmax＝λ0＋Δ／２）は、同時に、円柱状粒子の長さｄよりも短く設定しておく必要がある。
［第２の実施の形態］
図６（Ａ）、図６（Ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置のフローチャネル部２０において電極ブロック２３０ａ，２３０ｂを平行平板形状とした場合の電場ベクトル分布および力ベクトル分布を示す図である。すなわち、図６（Ａ）は平行な二枚の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより生成される電場ベクトル分布を示す図、図６（Ｂ）は電場ベクトル内で誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を示す図である。なお、図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、試料流体が流れる方向と垂直な断面のうち導流路２１０ｅの中心から右側半分のみを示している。
図６（Ａ）より、上下の電極ブロック２３０ａと２３０ｂ間には、電極端部を除けば、一様な静電場が形成されており、誘電分極して電気双極子となった繊維状の被検出対象粒子１をこの一様電場中で上下方向に向けるように作用することが分かる。一方、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの端部では、電気力線の回り込み並びに集中が起きている。
図６（Ｂ）は、電極ブロック２３０ａと２３０ｂ間の静電場中に導入された粒子に作用する力ベクトルを示している。ただし、この静電場中に電気的に中性な粒子が導入されても、強い静電場によって直ちに誘電分極が起こり、静電場中の粒子は電気双極子となる。そして、粒子は前記式（６）で記載されたトルクを受けて、静電場内で回転して、電場印加方向を向く。
一般に、不均一電場中に導入された電気双極子には、双極子全体を移動させるようにも電気力が作用する。図６（Ｂ）から分かるように、電極ブロック２３０ａと２３０ｂとの間の中心部近傍では完全に一様な静電場が形成されているので、不均一電場に起因する電気双極子への力はない。一方、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの端部では電気力線の回り込み並びに集中が起きていて、電場強度が不均一となっており、そのような場所では、電気双極子には電極端部へ引き寄せる力が強く作用する。
このような電場が集中する電極端部を回避して、一様な静電場中を被検出対象粒子１を観測視野まで導く導流路２１０ｅを形成するためには、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの幅を導流路２１０ｅの幅よりも略３倍程度広くする必要がある。そして、上下の厚板ブロック２５０ａ，２５０ｂに設けた座繰りに、それぞれ電極ブロック２３０ａ，２３０ｂを埋め込み、この厚板ブロック２５０ａ，２５０ｂによってガイドブロック２４０を挟み込むことで、導流路２１０ｅを形成する。
電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの導流路側の表面（電極ブロック２３０ａの場合は下面、電極ブロック２３０ｂの場合は上面）には、絶縁材が塗布されて、絶縁膜が形成されている。あるいは、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの表面に絶縁性の金属酸化物を形成してもよい。こうして、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの導流路側の表面に絶縁膜を形成することで、電極表面に付着した微粒子が電極と同極性に帯電してクーロン反発して再飛散し、対向電極側へ突入し対向電極面に付着することを回避することができる。
対向する二枚の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂには、後述するパイポーラ型直流高電圧電源より正負の電圧をそれぞれ印加することによって、電場強度として１ｋＶ／ｃｍから５ｋＶ／ｃｍ程度の静電場を発生させる。このような電場中に被検出対象粒子１を導入すると、電気的に中性であった被検出対象粒子１は、高圧電場によって直ちに誘電分極する。被検出対象粒子１が球状粒子の場合には、誘電分極によってもその粒子の軸が回転することはない。
一方、被検出対象粒子１が繊維状の場合には、誘電分極によって発生した正電荷と負電荷がそれぞれ負側電極と正側電極へと引き付けられる結果、被検出対象粒子１は円柱状粒子に変形し、その回転対称軸が電気力線方向へ向くように回転モーメント力（式（６）参照）が作用する。この結果、繊維状の被検出対象粒子１は引伸ばされて円柱状粒子に変形し、その軸は印加されている静電場方向に向きが揃う。
平行平板形状の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより、フローチャネル部２０の導流路２１０ｅを電極端から離して構成すれぱ、電極端部の電気力線集中に起因する不均一電場による影響は僅かになり、導入された被検出対象粒子１をチャネル中央から引き離して散逸させるようなカは作用しない。すなわち、この構成では、導流路２１０ｅの観測領域にある被検出対象粒子１は、電場印加方向に向いた状態で、試料流体中にほぼ一様に分布していると言える。したがって、式（３）を導く際の計数の前提となっている空間の一様性が担保されている。
［第３の実施の形態］
図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は本発明の第３の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置のフローチャネル部２０において電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの端部断面形状をロゴウスキー（Rogowski）端部形状とした場合の等電位線、電気力線、電場ベクトル分布および力ベクトル分布を示す図である。すなわち、図７（Ａ）は平行平板キャパシタ端部の等電位線および電気力線を示す図、図７（Ｂ）は電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより生成される電場ベクトル分布を示す図、図７（Ｂ）は電場ベクトル内で誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を示す図である。なお、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は、試料流体が流れる方向と垂直な断面のうち導流路２１０ｅの中心から右側半分のみを示している。
第２の実施の形態に示したように、平行平板形状の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂは、均一な電場を形成するのに最も適した電極形状である。しかし、平行平板形状の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂは有限の大きさであるために端部で電気力線の集中（端部効果）が生ずる。すなわち、有限幅の平行平板形状の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより形成される粒子配向用静電場は、その電極端部に最大の電場ストレスが生ずるので、高電圧を印加すると、常に電極端部において放電が生ずる危険性がある。
したがって、端部領域の電場強度を緩和し、有限幅の電極面全体に平等な強い電場を形成できる電極面構造が必要となる。すなわち、すべての電極端部領域にわたり電場ストレスが、端部より充分離れて平等電場強度となっている中央部分での電場ストレス程度かそれ以下に緩和される電極表面形状を求める必要がある。この端部効果を防ぐため、電極端を丸めた電極形状が開発されており、この形状をした電極をロゴウスキー電極と称する。
図７（Ａ）は、有限幅の平行平板キャパシタについて、その端部を含めた場合の等電位線２３１（実線）および電気力線２３２（点線）を示した図である。図７（Ａ）において、太線２３３は、平行平板キャパシタの間隔をａとするとき、ｎを整数とすると、その間隔がａ／ｎとなる等電位線を示している（図７（Ａ）ではｎ＝３としてある）。
電磁気学によれば、等電位線と電気力線とは互いに直交し、等電位線に沿っては、その接線方向に作用する電気力は発生しない。したがって、電極形状として、この等電位面の曲面を採用すれば、原理的に、平行平板電極の端部に生じた電場ストレスは回避でき、さらに、端部より中央部が僅かに電場ストレスが強くなるように設計すれば、端部から中央部へ向けて極めて緩やかに電場強度が強まる不均一電場を形成することができる。
こうした思想の下に設計されたのがロゴウスキー端部形状電極である。そして、ロゴウスキー端部形状の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂは、二次元の電場から導いたものであり、奥行き方向に延ばした蒲鉾状の電極ブロックとなる。
試料流体中に分散した被検出対象粒子１は、流体吸気口２１ａよりフローチャネル部２０内に導入され、導流路２１０ｅの中を流れて、断面がロゴウスキー端部形状の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂによって形成される電場へと導かれる。図７（Ｂ）に示すように、この電場内に導かれた微小な中性繊維状の被検出対象粒子１は、瞬時に誘電分極して、粒子１の両端のうち、外部静電場の正極に近い一端は負極に帯電し、外部静電場の負極に近い他端は正極に帯電する。そして、被検出対象粒子１は、円柱状粒子に変形しつつ電場方向を向く。
そして、こうして誘電分極した電気双極子に対して、ロゴウスキー端部形状の電極ブロック２３０ａと２３０ｂとの間では、図７（Ｃ）に示すように、電極端部から中央部へむけて緩やかに集中させる電気力が作用する。図７（Ｃ）では、力ベクトルの向きを示すために、矢印を強調して記載しているが、その強さは極めて微弱である。とは言うものの、中央部へ集中させるような力ベクトル場が形成されている。
このようなロゴウスキー端部形状の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂは、第１の実施の形態においても記載したように、銅などの可塑性の高い金属塊を削り出して構成してもよいし、板金を当該形状に成形して構成してもよいし、あるいは成形の容易なプラスティックなどの材料の導流路側表面に金属を鍍金あるいは直接蒸着するなどして、金属電極としての機能を付与させて構成してもよい。必要とする加工精度で所望の断面形状の電極を実現可能な材料であれば、その材質については金属等に限られるものではない。というのは、この電極ブロック２３０ａ，２３０ｂには、被検出対象粒子１の向きを揃えるための高電圧が印加できればよく、試料流体の耐圧以上の高電圧を印加して電極ブロック間に直流大電流などを流すことはないからである。
第１の実施の形態と同様に、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの導流路側の表面には、金属層の保護膜として絶縁膜が形成されている。あるいは、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの表面に絶縁性の金属酸化物を形成してもよい。これにより、電極表面に付着した微粒子が電極と同極性に帯電してクーロン反発して再飛散し、対向電極ブロック側へ突入し対向電極ブロックの表面に付着することを回避できることは言うまでもない。
ところで、ロゴウスキー端部形状については、数値制御工作機械等を用いて座標数値を計算させながら、材料がプラスティックの場合は金型を成形し、材料が金属塊であれば削り出して成形することになる。
具体的には、ｉを虚数単位として、複素平面ｚ＝ｘ＋ｉｙから、ガウス平面ω＝ｕ＋ｉｖへの等角写像法を応用して、平板の間隔ａ＝πとおき、端部がｖ＝π／２（この場合、上記の整数ｎは、ｎ＝２）の等電位面で区切られるとして、次式（１４）で与えられるマクスウェル（Maxwell）の式を実部と虚部に分離し、ｕをパラメタとして、ｘおよびｙの値を求めれば、必要とする等電位線（＝ロゴウスキーの端部形状）を求めることができる。
ｚ＝（ａ／π）（ω＋１＋ｅｘｐ（ω）） ・・・（１４）
ｘ＝ｕ＋１ ・・・（１５ａ）
ｙ＝π／２＋ｅｘｐ（ｕ） ・・・（１５ｂ）
これより、表１のような計算値を得る。なお、表１のｙの値は、小数点以下２桁で丸めてある。
Figure 0004909288
平板間の距離がａの場合、計算をｕ＝１の座標で打ち切るとすれば約２ａの幅の端部が必要となる。このような端部電極形状に対しては、高電圧を印加した場合、放電は常に平等電場部分（すなわち、電極中央部）で起こることが期待され、端部から中央部へ向けて緩やかに電場強度が増加するような静電場が実現する。したがって、誘電分極した電気双極子を中央部分へ収束させるような静電場が実現できることになる。
［第４の実施の形態］
図８（Ａ）、図８（Ｂ）は本発明の第４の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置のフローチャネル部２０において電極ブロック２３０ａ，２３０ｂを導流路２１０ｅと直交する平面で切ったときの導流路側表面曲線が双曲線である場合の電場ベクトル分布および力ベクトル分布を示す図である。すなわち、図８（Ａ）は電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより生成される電場ベクトル分布を示す図、図８（Ｂ）は電場ベクトル内で誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を示す図である。なお、図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、試料流体が流れる方向と垂直な断面を示している。
試料流体中に分散した被検出対象粒子１は、流体吸気口２１ａよりフローチャネル部２０内に導入され、導流路２１０ｅの中を流れて、導流路側表面曲線が双曲線の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂによって形成される電場へと導かれる。図８（Ａ）に示すように、この不均一電場内に導かれた微小な中性繊維状の被検出対象粒子１は、瞬時に誘電分極して、粒子１の両端のうち、外部静電場の正極に近い一端は負極に帯電し、外部静電場の負極に近い他端は正極に帯電する。
なお、導流路側表面曲線が双曲線の電極ブロック２３０ａと２３０ｂ間に形成される静電場は、中心部から左右の外壁部に向かって次第に電場強度が弱くなっており、この不均一静電場内に導入された電気双極子には、図８（Ｂ）に示すように、水平方向については、電場強度の強い中心位置へ収斂するような力が作用する。この結果、電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより形成された静電場中に導入された被検出対象粒子１は、左右に移動することなく、電場強度の強い中心位置において特定方向、すなわち静電場印加方向を向いて安定する。誘電分極により生じた誘起電荷が両端部で等しいのに対して、電極に近い側の粒子端部に作用する静電気力が若干大きくなることから、電気双極子の電極方向への移動、すなわち垂直方向への移動については、電極方向への引力が発生する。しかし、被検出対象粒子１は、比較的安定した向きを保ちつつ、観測視野領域内を中心位置近傍に沿って流体排気口２１ｂ方向へ輸送されてゆく。
ところで、導流路２１０ｅに導かれた電気双極子は、層流状態にある試料流体の僅かな乱れ（例えば、乱流の影響）に起因して観測視野の中心部を一度外れてしまうと、定常的には、上下の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの何れかへと吸引されていく。
この場合は、円筒面平凹レンズを用いることで、偏光ビームの断面形状を上下方向に伸ばした線状拡大ビームに成形することで、観測視野領域を上下方向に拡張し、レーザ照射領域に被検出対象粒子１が存在するようにすることは比較的容易である。ただし、レンズについては、光のコヒーレンスに影響しないように材質（不純物、歪、均質性）を吟味する必要がある。
本実施の形態では、静電場により分極した被検出対象粒子１を静電場印加方向へ向けつつ、観測視野内へ粒子１を定常的に集中・収束させ、さらには一様分布している場合に比較して若干多く計数することで、計数値に対する統計的揺らぎを低減させることができる。
［第５の実施の形態］
図９（Ａ）、図９（Ｂ）は本発明の第５の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置のフローチャネル部２０において電極ブロック２３０ａ，２３０ｂを導流路２１０ｅと直交する平面で切ったときの導流路側表面曲線がＶ字型曲線と逆Ｖ字型曲線である場合の電場ベクトル分布および力ベクトル分布を示す図である。すなわち、図９（Ａ）は電極ブロック２３０ａ，２３０ｂにより生成される電場ベクトル分布を示す図、図９（Ｂ）は電場ベクトル内で誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を示す図である。なお、図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、試料流体が流れる方向と垂直な断面を示している。
第１〜第４の実施の形態と同様に、試料流体中に分散した被検出対象粒子１は、流体吸気口２１ａよりフローチャネル部２０内に導入され、導流路２１０ｅの中を流れて、導流路側表面曲線がＶ字型曲線と逆Ｖ字型曲線の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂによって形成される電場へと導かれる。しかし、これまでの実施の形態と異なり、本実施の形態では、電極表面が滑らかな曲面ではなく一定の角度で折れ曲がった尾根部分（Ｖ字の頂点）を持つ。図９（Ａ）、図９（Ｂ）の紙面の手前側から奥側に向かって、こうした尾根線に沿って強電場が発生する。電極ブロック２３０ａ，２３０ｂの対向尾根間では、比較的低電圧でも試料流体の絶縁破壊を生じやすいという問題がある。そこで、Ｖ字型および逆Ｖ字型の頂点を円形に丸くする必要がある。本実施の形態では、Ｖ字型と逆Ｖ字型のそれぞれの頂点を丸めた形状をＶ字型曲線、逆Ｖ字型曲線と呼ぶ。
図９（Ａ）に示すように、この尾根線を中心に不均一電場が形成され、その中に導入された電気双極子に対しては、図９（Ｂ）に示すように、水平方向については、特定偏光ビーム照射領域である中心位置へと収斂するように力ベクトルが作用する。すなわち、導流路側表面曲線がＶ字型曲線と逆Ｖ字型曲線の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂで生成された静電場では、電極の尾根線に沿って電場が集中して強くなり、誘起された電気双極子は尾根線部へと収斂される力を受ける。
このＶ字型断面の電極ブロック２３０ａ，２３０ｂを利用する場合、試料流体の絶縁破壊を回避するために全体的に印加する電圧を下げる必要があるものの、被検出対象粒子１をレーザ照射領域であるフローチャネル部２０の中央部へ集中させるという効果を有する。逆に、試料流体の絶縁破壊電圧に比較して低い電圧により、フローチャネル部２０の中央部へ誘電分極した被検出対象粒子１を集中させる効果を有する電極を実現できるとも言える。
ただし、電極方向、すなわち垂直方向については、第４の実施の形態に比較して、さらに強い不均一電場が形成されているので、電気双極子への強い引力が作用する。このため、垂直方向については被検出対象粒子１は、擾乱により上下方向に分裂する傾向がある。
この場合も、第４の実施の形態と同様に、円筒面平凹レンズを用いることで、偏光ビームの断面形状を上下方向に伸ばした線状拡大ビームに形成することで、観測視野領域を上下方向に拡張し、レーザ照射領域に被検出対象粒子１が存在するように構成できる。
［第６の実施の形態］
図１０は本発明の第６の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の信号処理系の構成を示すブロック図である。この図１０は、第１〜第５の実施の形態に適用する信号処理系を説明するための図である。
粒子形状識別を行う本実施の形態の信号処理系は、信号増幅部７ａ，７ｂと、差動増幅部８と、粒子形状識別部９と、波高分析部１０と、演算制御部１１と、通信部１３と、加算部１４とを有する。この信号処理系は、粒子識別手段を構成している。
差動増幅部８と粒子形状識別部９とは、粒子形状識別の機能を実現し、演算制御部１１は、粒子の形状毎に計数を行う。これにより、観測視野内の粒子数もしくは単位計数時間内の粒子数を求めることができる。同時に、波高分析部１０は、検出パルス信号の波高分析結果に基づき被検出対象粒子１の粒径あるいは長さを算出し、演算制御部１１は、波高閾値以上の信号パルスを数えることで、検出粒子の粒径毎あるいは長さ毎の個数を数える。
図１０に基づいて、粒子検知、形状識別、粒径算出および計数の流れを説明する。まず、演算制御部１１は、バイポーラ型直流高圧安定化電源１２を駆動し、第１〜第５の実施の形態で説明した検知器４０の粒子配向手段２に粒子配向用の静電場を発生させて、被検出対象粒子１の向きを散乱平面５に対して鉛直方向に揃える。
図５に示すように、フローチャネル部２０の粒子配向手段２により被検出対象粒子１の向きを散乱平面５の法線ＶＥＲの方向に揃え、光源３からの直線偏光ビームを被検出対象粒子１に照射する。
被検出対象粒子１が観測視野を横切る際に、散乱角θ＝略１０度の浅角前方散乱光は、偏光型ビームスプリッタプリズム６に入射して、偏光面が散乱平面５に対して垂直な垂直偏光成分と散乱平面５に対して水平な水平偏光成分とに分割される。受光部４ａ，４ｂは、散乱角θ＝略１０度の散乱光の分割された垂直偏光成分、水平偏光成分を検出して微弱電流パルスに変換する。そして、受光部４ａ，４ｂに接続された信号増幅部７ａ，７ｂは、それぞれ受光部４ａ，４ｂから出力された微弱電流パルスを電圧パルスに変換して増幅する。
また、差動増幅部８は、二つの受光部４ａ，４ｂにより検出された垂直偏光成分と水平偏光成分の微弱電流パルスの差を増幅すると同時に電圧パルスに変換して粒子形状識別部９に出力する。
粒子形状識別部９は、垂直偏光成分と水平偏光成分の電圧パルス強度が略等しい場合（差動増幅部８の出力が略０の場合）には、被検出対象粒子１が球状粒子であると識別し、水平偏光成分よりも垂直偏光成分の電圧パルス強度が大きい場合には、被検出対象粒子１が円柱状粒子であると識別する。
また、加算部１４は、二つの受光部４ａ，４ｂにより同時に検出された垂直偏光成分と水平偏光成分の和をとることで、散乱光の電圧パルスを求める。
波高分析部１０は、この散乱光の電圧パルスの波高値を予め定められた幾つかの閾値電圧と比較することで、電圧パルスをその波高値により分別する。そして、演算制御部１１は、分別したパルスの種類毎にパルスを数える。こうして、分別したパルスの波高値によって、被検出対象粒子１の球状粒子相当径あるいは円柱状粒子相当の長さを求めることができ、また被検出対象粒子１の個数をパルスの波高値の範囲毎（すなわち、粒子径毎あるいは円柱状粒子の長さ毎）に数えることができる。
このようにして、粒子形状識別部９による判別結果と、波高分析部１０による波高別の計数結果とを組合わせることにより、球状相当粒子に対してはその粒子径が算出され、また円柱状相当粒子に対してはその長さが算出され、かつ各粒子の計数値が算出される。
粒子形状識別部９による判別結果と、波高分析部１０による粒径あるいは長さによる分別結果と、演算制御部１１による各パルスの計数結果とは、演算制御部１１の図示しない内蔵メモリ（不図示）に蓄積される。そして、内蔵メモリに蓄積された情報は、通信部１３を介して装置外部へ伝送され、また装置に搭載された表示部（不図示）へ伝送され表示される。
なお、本実施の形態の粒子形状識別部９と波高分析部１０と演算制御部１１とは、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）、メモリ及びインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を管理・制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納された信号処理プログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
本発明は、空気等の流体中に浮遊する微小粒子の形状を識別する技術に適用することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置のフローチャネル部の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置のフローチャネル部の構成を示す分解斜視図である。 波長１．５５μｍの入射光に対する球状粒子及び円柱状粒子による散乱光のうち散乱角１０度での散乱光の偏光度と粒子半径との関係を示す図である。 入射電場および散乱電場の散乱平面に対する垂直成分と平行成分の定義、並びに法線方向より照射される無限円柱に対する散乱角および偏光面の回転角の定義を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の検出器の概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置において平行な二枚の電極ブロックによる電場ベクトル分布および誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を示す図である。 平行平板キャパシタ端部の等電位線および電気力線を示す図、並びに本発明の第３の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置において電極ブロックの端部断面形状をロゴウスキー端部形状とした場合の電場ベクトル分布および力ベクトル分布を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置において導流路側表面曲線が双曲線の電極ブロックによる電場ベクトル分布および誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置において導流路側表面曲線がＶ字型曲線と逆Ｖ字型曲線の電極ブロックによる電場ベクトル分布および誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の信号処理系の構成を示すブロック図である。 従来の回転電場方式の浮遊粒子状物質測定装置の概略図である。 従来の回転電場方式の浮遊粒子状物質測定装置における回転電場と散乱光の光学測定系配置図である。 従来の静電場方式の浮遊粒子状物質測定装置の平面図および側面図である。 一様電場による粒子の伸張作用、電場トルクによる電気双極子の回転、電場方向への電気双極子の配向、不均一電場による電気双極子へ作用する力、および観測視野領域からの粒子の逸脱の様子を示す図である。 円筒状フロー管周りに形成された四重電極による電場ベクトル分布および誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を表す図である。 円筒状フロー管周りに形成された対向電極による電場ベクトル分布および誘電分極した電気双極子に作用する力ベクトル分布を表す図である。
符号の説明
１…被検出対象粒子、２…粒子配向手段、３…光源、４ａ，４ｂ…受光部、５…散乱平面、６…偏光型ビームスプリッタプリズム、７ａ，７ｂ…信号増幅部、８…差動増幅部、９…粒子形状識別部、１０…波高分析部、１１…演算制御部、１２…高圧安定化電源、１３…通信部、１４…加算部、２０…フローチャネル部、２１ａ…流体吸気口、２１ｂ…流体排気口、２１０ｃ…吸気用継手、２１０ｄ…排気用継手、２１０ｅ…導流路、２２０ａ…特定偏光ビーム導入用開口部、２２０ｂ…散乱光観測用開口部、２２０ｃ…導流路密閉用ガラス窓、２３０ａ，２３０ｂ…電極ブロック、２４０…ガイドブロック、２５０ａ…上部厚板ブロック、２５０ｂ…下部厚板ブロック、２６０ａ，２６０ｂ…接触電極端子、２７０…固定用ビス孔、２８０…固定用ブロック、４０…検出器。

Claims (13)

  1. 偏光ビームを射出する光源と、
    流体中に浮遊している被検出対象粒子を試料流体導流路により層流状態で観測視野内に導入する導入手段と、
    前記観測視野内に導入された粒子に前記光源からの偏光ビームが入射したことによる散乱光のうち、前記光源から前記粒子に向かう方向に対して前記粒子を中心とする散乱角が略１０度の散乱光を、偏光方向が互いに直交する２本の光ビームに分割する偏光型ビームスプリッタプリズムと、
    前記光ビームが前記粒子に入射する前に、前記光源と前記粒子と前記偏光型ビームスプリッタプリズムとを含む散乱平面に対して、前記粒子を前記散乱平面の法線方向に向ける粒子配向手段と、
    前記偏光型ビームスプリッタプリズムによって分割された２本の光ビームをそれぞれ電気信号に変換する第１、第２の受光手段と、
    前記第１、第２の受光手段から出力された信号に基づいて粒子形状を識別する粒子識別手段とを有し、
    前記粒子配向手段は、前記試料流体導流路に沿って配置された二つの電極ブロックからなり、この電極ブロック間に前記散乱平面の法線方向を向いた静電場を形成するものであり、
    前記二つの電極ブロックは、導流路側表面が平面で互いに平行な平板状か、もしくは導流路側表面が曲面で対向する電極ブロックに向かって互いに凸の形状であり、
    前記導入手段は、
    絶縁材料からなる二本のガイドブロックと、その上下から前記二本のガイドブロックを挟む絶縁材料からなる二つの厚板ブロックとからなり、
    前記二本のガイドブロックには、試料流体導入口となる端面から前記流体が層流状態に発達するのに必要な距離だけ離れた位置に、前記偏光ビームの導入用開口部と前記散乱光の観測用の開口部とがそれぞれ設けられ、各々の開口部には光学ガラス板が嵌め込まれ、
    上側の前記厚板ブロックと前記二本のガイドブロックとの間および下側の前記厚板ブロックと前記二本のガイドブロックとの間に、それぞれ前記電極ブロックを配置して、この二つの電極ブロックと前記二本のガイドブロックで挟まれる領域を前記試料流体導流路とすることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  2. 請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記二つの電極ブロックは、前記試料流体導流路と直交する方向の幅が前記試料流体導流路の幅よりも広い平行平板状であり、この二つの電極ブロック間への電圧印加により前記観測視野を覆う試料流体導流路内に一様な静電場を形成することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  3. 請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記二つの電極ブロックは、前記試料流体導流路に沿った縦断面が矩形であり、前記試料流体導流路と直交する横断面の端部形状がロゴウスキー型端部形状であり、この二つの電極ブロック間への電圧印加により前記観測視野を覆う試料流体導流路内に電場強度が中心部に向かって漸増する静電場を形成することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  4. 請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記二つの電極ブロックは、前記試料流体導流路に沿った縦断面が矩形であり、前記試料流体導流路と直交する平面で切ったときの導流路側表面曲線が双曲線であり、この二つの電極ブロック間への電圧印加により前記観測視野を覆う試料流体導流路内に電場強度が中心部に向かって漸増する静電場を形成することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  5. 請求項１記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記二つの電極ブロックは、前記試料流体導流路に沿った縦断面が矩形であり、前記試料流体導流路と直交する平面で切ったときの導流路側表面曲線がＶ字型曲線と逆Ｖ字型曲線であり、この二つの電極ブロック間への電圧印加により前記観測視野を覆う試料流体導流路内に電場強度が中心部に向かって漸増する静電場を形成することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  6. 請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記電極ブロックは、銅、金、白金、銀、あるいはアルミのうち少なくとも１つを含む金属材料、プラスティック、マシナブル・セラミックス、あるいはエンジニアリング・セラミックスの何れかからなり、
    前記プラスティックを用いる場合は、導流路側表面に金属鍍金あるいは金属蒸着して前記電極ブロックとすることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  7. 請求項６に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記電極ブロックの導流路側表面には、絶縁膜が形成されていることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  8. 請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記ガイドブロックおよび厚板ブロックは、プラスティック、マシナブル・セラミックス、あるいはエンジニアリング・セラミックスの何れかからなり、
    前記観測視野の壁面および前記開口部の壁面は、前記光源の波長の光を吸収する材料で被覆されることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  9. 請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記光学ガラス板は、前記偏光ビームの光の波長において無反射である材料からなることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  10. 請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記光源は、非偏光の光ビームを射出するか、あるいは直線偏光の偏光面を前記散乱平面の法線方向に対して４５度傾けた直線偏光ビームとして射出するか、あるいは直線偏光を１／４波長板を通過させて円偏光ビームとして射出するかの何れかにより光ビームを射出し、かつこの光ビームの波長の最小値は、識別対象とする球状微小粒子の半径よりも長く、かつ円柱状微小粒子の長さよりも短いことを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  11. 請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記粒子識別手段は、前記第１の受光手段で検出された垂直偏光成分と前記第２の受光手段で検出された水平偏光成分との強度差から、前記強度差が略等しい場合は前記粒子が球状粒子であると識別し、前記強度差が垂直偏光成分の優位を示した場合は前記粒子が円柱状粒子であると識別することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  12. 請求項１１に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
    前記粒子識別手段は、前記第１、第２の受光手段により同時に検出された各偏光成分の和で与えられる電圧パルスの波高を、予め定められた複数の閾値電圧と比較することで、前記電圧パルスをその波高値により分別し、分別したパルス毎に計数すると共に、前記粒子の識別結果に基づき、前記粒子が球状粒子であると識別した場合は前記パルス波高値に基づいて粒子半径を求め、前記粒子が円柱状粒子であると識別した場合は前記パルス波高値に基づいて粒子の長さを求めることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
  13. 偏光ビームを射出する光源と、
    流体中に浮遊している被検出対象粒子を試料流体導流路により層流状態で観測視野内に導入する導入手段と、
    前記観測視野内に導入された粒子に前記光源からの偏光ビームが入射したことによる散乱光のうち、前記光源から前記粒子に向かう方向に対して前記粒子を中心とする散乱角が略１０度の散乱光を、偏光方向が互いに直交する２本の光ビームに分割する偏光型ビームスプリッタプリズムと、
    前記光ビームが前記粒子に入射する前に、前記光源と前記粒子と前記偏光型ビームスプリッタプリズムとを含む散乱平面に対して、前記粒子を前記散乱平面の法線方向に向ける粒子配向手段と、
    前記偏光型ビームスプリッタプリズムによって分割された２本の光ビームをそれぞれ電気信号に変換する第１、第２の受光手段と、
    前記第１、第２の受光手段から出力された信号に基づいて粒子形状を識別する粒子識別手段とを有し、
    前記粒子配向手段は、前記試料流体導流路に沿って配置された二つの電極ブロックからなり、この電極ブロック間に前記散乱平面の法線方向を向いた静電場を形成するものであり、
    前記二つの電極ブロックは、導流路側表面が平面で互いに平行な平板状か、もしくは導流路側表面が曲面で対向する電極ブロックに向かって互いに凸の形状であり、
    前記粒子識別手段は、前記第１の受光手段で検出された垂直偏光成分と前記第２の受光手段で検出された水平偏光成分との強度差から、前記強度差が略等しい場合は前記粒子が球状粒子であると識別し、前記強度差が垂直偏光成分の優位を示した場合は前記粒子が円柱状粒子であると識別し、前記第１、第２の受光手段により同時に検出された各偏光成分の和で与えられる電圧パルスの波高を、予め定められた複数の閾値電圧と比較することで、前記電圧パルスをその波高値により分別し、分別したパルス毎に計数すると共に、前記粒子の識別結果に基づき、前記粒子が球状粒子であると識別した場合は前記パルス波高値に基づいて粒子半径を求め、前記粒子が円柱状粒子であると識別した場合は前記パルス波高値に基づいて粒子の長さを求めることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
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