JP4981569B2

JP4981569B2 - 粒子計数装置

Info

Publication number: JP4981569B2
Application number: JP2007192052A
Authority: JP
Inventors: 朋信松田
Original assignee: Rion Co Ltd
Current assignee: Rion Co Ltd
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-07-24
Also published as: JP2009030988A

Description

本発明は、粒子に光を照射することにより生じる散乱光を検出して粒径区分毎に粒子数を計数する粒子計数装置に関する。

従来の粒子計数装置としては、光を照射して形成する照射領域の光強度分布が、一様でなくても、正確に粒径を弁別して粒子を計数するために、光の照射領域を通過する粒子の通過位置を検出する粒子位置検出手段と、粒子が発する散乱光の強度を検出する散乱光検出手段と、粒子位置検出手段の出力信号が照射領域の所定範囲内であるか否かを判断すると共に、散乱光検出手段の出力信号が所定値以上であるか否かを判断し、所定範囲内で且つ所定値以上の場合にパルス信号を出力する判別手段と、この判別手段が出力するパルス信号をカウントする計数手段を備えた装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３５２１３８１号公報

しかし、従来の粒子計数装置においては、構成が複雑でコストが高くなってしまうという問題がある。

本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光が照射される照射領域の光強度分布が、一様でなくても、正確に粒径を弁別して粒子を計数できる粒子計数装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、光の照射領域を通過する粒子の散乱光を検出する散乱光検出手段と、この散乱光検出手段の出力信号が、照射領域の所定範囲内から発せられた信号であるか否かを判断すると共に、前記散乱光検出手段の出力信号の電圧値が所定値以上であるか否かを判断し、前記出力信号が所定範囲内で且つ所定値以上の場合に計数信号を出力する信号処理手段と、この信号処理手段が発する計数信号をカウントする計数手段を備え、前記信号処理手段は、前記散乱光検出手段の出力信号の波形のパルス幅により、前記出力信号が照射領域の所定範囲内から発せられた信号であるか否かを判断するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の粒子計数装置において、前記パルス幅の間の最大値のピーク出力信号により粒子数がカウントされるものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の粒子計数装置において、前記散乱光検出手段は、粒子を導く透明部材で屈曲形状に形成したフローセルと、このフローセルの流路に光を照射して照射領域を形成する光源と、前記流路の中心軸と一致する光軸を有して前記照射領域で発生する粒子の散乱光を集光する集光手段を備える。

請求項４に係る発明は、請求項１、２又は３記載の粒子計数装置において、前記信号処理手段は、前記所定範囲内から発せられた信号と判断した場合、散乱光を発したと推定される位置により前記散乱光検出手段の出力信号の電圧値を補正した計数信号を出力する。

請求項５に係る発明は、請求項１、２、３又は４記載の粒子計数装置において、前記散乱光検出手段は、多分割された光電変換素子を有する。

本発明によれば、粒子による散乱光が、光を照射して形成される照射領域の所定範囲からの信号であることを判断することにより、光の強度による電圧値の違いを補正することができるので、測定精度を向上させることができる。また、散乱光検出手段を構成する光電変換素子として、多分割の光電変換素子を使用すれば、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る粒子計数装置の構成図、図２はレーザ光断面の強度分布を示す図、図３乃至図６は粒子計数装置の動作説明図である。

本発明に係る粒子計数装置は、図１に示すように、レーザ光Ｌａを用いて液体試料中の粒子を検出する粒子検出部１と、粒子検出部１の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２と、Ａ／Ｄ変換器２の出力信号について照射領域１０の所定範囲（検出領域）内から発せられた信号であるか否かを判断すると共にその電圧値が所定値以上であるか否かを判断し、Ａ／Ｄ変換器２の出力信号が所定範囲内で且つ所定値以上の場合に計数信号を出力する信号処理部３と、信号処理部３の出力信号を受け、粒径区分毎に粒子数をカウントする計数部４と、計数部４の処理結果を出力する出力部５からなる。

粒子検出部１は、粒子を導く透明部材で形成したフローセル１１と、フローセル１１の流路１２にレーザ光Ｌａを照射して照射領域１０を形成する光源１３と、流路１２の中心軸と直交する光軸を有して照射領域１０で発生する粒子の散乱光Ｌｓを集光する集光レンズ１４と、集光レンズ１４が集光した光を光の強さに応じた電圧に変換する光電変換器１５などを備えている。

レーザ光Ｌａが照射される照射領域１０は、図２に示すように、中心部で強度が強いレーザ光Ｌａが照射される検出領域１０ａと、検出領域１０ａの周囲で強度が弱いレーザ光Ｌａが照射される周辺領域１０ｂからなる。検出領域１０ａは、流路１２に対して１／１０〜１／１００程度の幅を有する。また、検出領域１０ａと周辺領域１０ｂにおける流速は、ほぼ同じと見做せる。

信号処理部３は、Ａ／Ｄ変換器２の出力信号についてピーク検出とパルス幅検出などを行う波形分析部３１と、波形分析部３１が検出したパルス幅から粒子が通過した領域を推定して波形分析部３１が検出したピークの電圧値を補正する補正部３２と、検出領域１０ａの最小測定粒径閾値などを記憶する閾値記憶部３３からなる。なお、信号処理部３と計数部４は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）６により構成してもよいし、ＦＰＧＡ等デジタル信号処理が可能なデバイスで構成してもよい。

波形分析部３１では、Ａ／Ｄ変換器２の出力信号についてピーク検出とパルス幅検出を行い、閾値記憶部３３に記憶された検出領域１０ａにおける最小測定粒径閾値より光電変換器１５の出力電圧（Ａ／Ｄ変換器２の出力信号）が大きくなった時から小さくなった時までの時間をパルス幅として検出する。そして、このパルス幅の間の最大値のピークをピーク（Ｅａ）とする。補正部３２では、パルス幅から粒子が通過した領域を推定し、この粒子が検出領域１０ａを通過したと判定した場合には、ピークを粒子が検出領域１０ａを通過する場合の最小測定粒径閾値に相当する電圧値に補正する。計数部４では、補正部３２で補正された電圧値に対して、閾値記憶部３３に記憶されている粒径区分ごとの閾値を参照して、この電圧値以下の閾値をもつ粒径区分に対して粒子数をカウントする。

以上のように構成した本発明に係る粒子計数装置の動作について説明する。先ず、粒子が検出領域１０ａを通過する場合である。図３（ａ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａを通過する直前で周辺領域１０ｂにある時（時刻ｔ１）は、集光レンズ１４により集光された散乱光Ｌｓは光電変換器１５に入射しない。そして、図３（ｂ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａを通過する時（時刻ｔ２）は、集光レンズ１４により集光された散乱光Ｌｓは全て光電変換器１５に入射する。更に、図３（ｃ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａを通過した直後で周辺領域１０ｂにある時（時刻ｔ３）は、集光レンズ１４により集光された散乱光Ｌｓは光電変換器１５に入射しない。

このように、最小測定粒径より大きい粒子８が検出領域１０ａを通過する場合には、散乱光Ｌｓによる光電変換器１５の出力波形は、図３（ｄ）に示すように、時刻ｔ１を過ぎても光電変換器１５の電圧値は最小測定粒径閾値より大きくならず、粒子８が検出領域１０ａの中心に存在する時刻ｔ２の直前で最小測定粒径閾値より大きくなり、時刻ｔ２でピーク（Ｅａ）となり、時刻ｔ３を過ぎると最小測定粒径閾値より小さくなる。この場合には、波形分析部３１でピーク検出とパルス幅検出が行われ、補正部３２で補正することなく、信号処理部３の出力信号を受けて、計数部４で粒径区分毎に粒子数がカウントされる。

次は、粒子が検出領域１０ａを通過せずに周辺領域１０ｂのみを通過する場合である。図４（ａ）に示すように、粒子８が光電変換器１５に対して検出領域１０ａよりも遠い側の周辺領域１０ｂに入った時（時刻ｔ１）は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは光電変換器１５の手前で集光し、集光された散乱光Ｌｓの一部が光電変換器１５に入射する。そして、図４（ｂ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａの傍を通過する時（時刻ｔ２）は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは光電変換器１５の手前で集光するため、集光された散乱光Ｌｓの全ては光電変換器１５に入射しないが、時刻ｔ１の場合よりも多く入射する。更に、図４（ｃ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａの傍を通過した直後で周辺領域１０ｂにある時（時刻ｔ３）は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは光電変換器１５の手前で集光し、時刻ｔ１の場合と同様に集光された散乱光Ｌｓの一部が光電変換器１５に入射する。

このように、最小測定粒径より大きい粒子８が検出領域１０ａを通過せずに周辺領域１０ｂのみを通過する場合には、散乱光Ｌｓによる光電変換器１５の出力電圧値は、図４（ｄ）に示すように、時刻ｔ１を過ぎる前から上昇し、時刻ｔ２でピーク（Ｅａ）となり、時刻ｔ３を過ぎても低下する。粒子が大きい場合には、光電変換器１５から出力される電圧値は、検出領域１０ａを通過する場合の最小測定粒径閾値を超える。パルス幅が、図４（ｄ）に示すような形であると波形分析部３１が判定した場合には、光電変換器１５の出力電圧値を補正部３２で検出領域１０ａを通過した場合の電圧値に補正する。そして、信号処理部３の出力信号を受けて、計数部４で粒径区分毎に粒子数がカウントされる。

また、粒子８が光電変換器１５に対して検出領域１０ａよりも近い側を通過する場合は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは光電変換器１５の後ろで集光し、集光された散乱光Ｌｓの一部しか光電変換器１５に入射しないのは、粒子８が光電変換器１５に対して検出領域１０ａよりも遠い側を通過する場合と同様である。いずれの場合も、粒子８が周辺領域１０ｂに存在する間は、集光レンズ１４により集光された散乱光Ｌｓの一部が光電変換器１５に入射することになるが、光電変換器１５の出力電圧値は検出領域１０ａを通過する場合のような大きな値にはならない。

次は、屈曲部を有するフローセル２１を用いて、流路１２を光電変換器１５に対して垂直にした場合で、粒子８が検出領域１０ａを通過する場合である。図５（ａ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａを通過する直前で周辺領域１０ｂにある時（時刻ｔ１）は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは光電変換器１５の手前で集光し、集光された散乱光Ｌｓの一部が光電変換器１５に入射する。そして、図５（ｂ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａを通過する時（時刻ｔ２）は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは集光され、全て光電変換器１５に入射する。更に、図５（ｃ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａを通過した直後で周辺領域１０ｂにある時（時刻ｔ３）は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは光電変換器１５の後ろで集光し、散乱光Ｌｓの一部が光電変換器１５に入射する。

このように、最小測定粒径より大きい粒子８が検出領域１０ａを通過する場合には、散乱光Ｌｓによる光電変換器１５の出力波形は、図５（ｄ）に示すように、時刻ｔ１を過ぎても光電変換器１５の電圧値は最小測定粒径閾値より大きくならず、粒子８が検出領域１０ａの中心に存在する時刻ｔ２の直前で最小測定粒径閾値より大きくなり、時刻ｔ２でピーク（Ｅａ）となり、時刻ｔ３を過ぎると最小測定粒径閾値より小さくなる。この場合には、波形分析部３１でピーク検出とパルス幅検出が行われ、補正部３２で補正することなく、信号処理部３の出力信号を受けて、計数部４で粒径区分毎に粒子数がカウントされる。

次は、屈曲部を有するフローセル２１を用いて、流路１２を光電変換器１５に対して垂直にした場合で、粒子８が検出領域１０ａを通過せずに周辺領域１０ｂのみを通過する場合である。図６（ａ）に示すように、粒子８が光電変換器１５から向かって右側の周辺領域１０ｂに入った時（時刻ｔ１）は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは光電変換器１５の手前で集光し、集光された散乱光Ｌｓの一部が光電変換器１５に入射する。そして、図６（ｂ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａの傍を通過する時（時刻ｔ２）は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは集光するものの光電変換器１５に入射しない。更に、図６（ｃ）に示すように、粒子８が検出領域１０ａの傍を通過した直後で周辺領域１０ｂにある時（時刻ｔ３）は、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓは光電変換器１５の後ろで集光し、時刻ｔ１の場合と同様に集光された散乱光Ｌｓの一部が光電変換器１５に入射する。

このように、流路１２を光電変換器１５に対して垂直にした場合で、最小測定粒径より大きい粒子８が検出領域１０ａを通過せずに周辺領域１０ｂのみを通過する場合には、散乱光Ｌｓによる光電変換器１５の出力電圧値は、図６（ｄ）に示すように、時刻ｔ１を過ぎる前から上昇し、時刻ｔ１でピーク（Ｅａ）となり、時刻ｔ２になるまで低下し、時刻ｔ２を過ぎると再び上昇し、時刻ｔ３で再度ピーク（Ｅａ）となり、時刻ｔ３を過ぎると再び低下する。

粒子が大きい場合には、光電変換器１５から出力される電圧値は、検出領域１０ａを通過する場合の最小測定粒径閾値を超える。そして、パルスが、図６（ｄ）に示すような２つのピークを有する形であると波形分析部３１が判定した場合には、光電変換器１５の出力電圧値を補正部３２で検出領域１０ａを通過した場合の電圧値に補正する。そして、信号処理部３の出力信号を受けて、計数部４で粒径区分毎に粒子数がカウントされる。よって、ダブルカウントを防止することができる。

また、粒子８が光電変換器１５から向かって左側の周辺領域１０ｂを通過する場合も、集光レンズ１４により散乱光Ｌｓが光電変換器１５に集光しないのは、粒子８が光電変換器１５から向かって右側の周辺領域１０ｂを通過する場合と同様である。いずれの場合も、粒子８が検出領域１０ａの真横にいる場合には、散乱光Ｌｓは光電変換器１５に入射することはないが、粒子８が検出領域１０ａの真横以外の周辺領域１０ｂに存在する間は、集光レンズ１４により集光された散乱光Ｌｓの一部が光電変換器１５に入射することになる。

また、光電変換器１５に多分割の光電変換素子を使用すれば、背景光の影響を除去することができるので、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。更に、本発明の実施の形態では計数対象を液中の粒子としたが、本発明は気中や超臨界など浮遊粒子を含む流体全般の粒子の計数に適用することが可能である。

本発明によれば、照射領域における光強度分布が、一様でなくても、正確に粒径を弁別して粒子の個数を計数することができる。また、１つの粒子を複数の粒子として計数することがなくなるので、測定精度が向上し、流体中の粒子の計数作業に寄与する。

本発明に係る粒子計数装置の構成図レーザ光断面の強度分布を示す図粒子が検出領域を通過する場合の粒子計数装置の動作説明図で、（ａ），（ｂ），（ｃ）は粒子の通過位置と散乱光の集光状態を示し、（ｄ）は光電変換器の出力波形図粒子が周辺領域のみを通過する場合の粒子計数装置の動作説明図で、（ａ），（ｂ），（ｃ）は粒子の通過位置と散乱光の集光状態を示し、（ｄ）は光電変換器の出力波形図流路を光電変換器に対して垂直にした場合で、粒子が検出領域を通過する場合の粒子計数装置の動作説明図で、（ａ），（ｂ），（ｃ）は粒子の通過位置と散乱光の集光状態を示し、（ｄ）は光電変換器の出力波形図流路を光電変換器に対して垂直にした場合で、粒子が周辺領域のみを通過する場合の粒子計数装置の動作説明図で、（ａ），（ｂ），（ｃ）は粒子の通過位置と散乱光の集光状態を示し、（ｄ）は光電変換器の出力波形図

符号の説明

１…粒子検出部（散乱光検出手段）、２…Ａ／Ｄ変換器、３…信号処理部（信号処理手段）、４…計数部（計数手段）、５…出力部、８…粒子、１０…照射領域、１０ａ…検出領域、１０ｂ…周辺領域、１１…フローセル、１２…流路、１３…光源、１４…集光レンズ（集光手段）、１５…光電変換器（光電変換素子）、３１…波形分析部、３２…補正部、３３…閾値記憶部、Ｌａ…レーザ光、Ｌｓ…散乱光。

Claims

光の照射領域を通過する粒子の散乱光を検出する散乱光検出手段と、この散乱光検出手段の出力信号が、照射領域の所定範囲内から発せられた信号であるか否かを判断すると共に、前記散乱光検出手段の出力信号の電圧値が所定値以上であるか否かを判断し、前記出力信号が所定範囲内で且つ所定値以上の場合に計数信号を出力する信号処理手段と、この信号処理手段が発する計数信号をカウントする計数手段を備え、前記信号処理手段は、前記散乱光検出手段の出力信号の波形のパルス幅により、前記出力信号が照射領域の所定範囲内から発せられた信号であるか否かを判断することを特徴とする粒子計数装置。
前記パルス幅の間の最大値のピーク出力信号により粒子数がカウントされる請求項１記載の粒子計数装置。
前記散乱光検出手段は、粒子を導く透明部材で屈曲形状に形成したフローセルと、このフローセルの流路に光を照射して照射領域を形成する光源と、前記流路の中心軸と一致する光軸を有して前記照射領域で発生する粒子の散乱光を集光する集光手段を備える請求項１又は２記載の粒子計数装置。
前記信号処理手段は、前記所定範囲内から発せられた信号と判断した場合、散乱光を発したと推定される位置により前記散乱光検出手段の出力信号の電圧値を補正した計数信号を出力する請求項１、２又は３記載の粒子計数装置。
前記散乱光検出手段は、多分割された光電変換素子を有する請求項１、２、３又は４記載の粒子計数装置。