JP4998482B2 - 噴霧分布の測定方法および噴霧分布測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、圧縮気体を用いてノズルなどから液体を噴霧して付着対象物に噴霧が付着したときの、噴霧分布を測定する装置およびその方法に関するものである。

従来、ノズルの噴射方向に開口部を対向させ計量升を配置し、この計量升に数十〜数千回噴射して、各升に溜まった液体量を計量することにより噴霧分布を測定していた。このとき計量升として、数ｍｍ角の格子状あるいは数ｍｍ間隔の同心円状の隔離隔壁により分離された計量升を用いていた。また、別の測定方法として、試料液体に蛍光剤を添加し、紫外光を照射して得られる蛍光強度を測定することにより、試料の量を測定する原理を利用した測定方法がある。例えば、感圧複写紙に塗布する減感インキ量を測定するために、減感インキ自体に蛍光物質を添加して、この減感インキを感圧複写紙に噴霧する。次にこの減感インキが噴霧された感圧複写紙を試料台に載せ、紫外光源からの紫外光を集光レンズで集光して試料台上の感圧複写紙の測定点に照射し、この測定点から発光される蛍光を受光部に取り込み、発光強度とインキ塗布量との相関関係から感圧複写紙に噴霧された減感インキ量を求めることにより感圧複写紙に噴霧された減感インキの噴霧分布を測定していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１０３８９６号公報（２頁、図１）

従来の計量升を用いた噴霧分布の測定方法では、各計量升にある程度の液体量を溜める必要があるため、一回の噴霧で噴射する液体量が少ない場合、千回程度噴射する必要がある。そのため、噴霧分布を測定するために非常に時間を要するとともに、１回の噴射の噴霧分布を測定することができなかった。さらに、計量升に溜まった液体量を計量するまでの間に液体が蒸発したり隔壁に液体が付着したりする場合は、正確な噴霧分布を測定することができなかった。

また、従来の試料液体に蛍光剤を添加し、測定点に紫外光を集光してその測定点からの蛍光の発光強度を測定する方法では、１回の測定が点計測となるため、感圧複写紙の測定すべき全領域に順次測定点を移動させる必要がある。そのため、測定点の移動と蛍光強度の測定とを全測定点において行なう必要があり、多大な時間を要するという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、１回の噴射の噴霧分布を短時間で正確に測定できる噴霧分布の測定方法および噴霧分布測定装置を得るものである。

この発明に係る噴霧分布の測定方法においては、蛍光剤が添加された被検査液体の噴霧を付着部材に付着させるステップと、付着部材に付着した被検査液体に励起光源からの紫外光を照射するステップと、付着部材に付着した被検査液体から発せられる蛍光の二次元強度分布を二次元撮影素子で測定するステップと、励起光源から照射される紫外光の三次元強度分布である紫外光データベース、被検査液体が付着する付着部材の表面の三次元位置情報である付着部材データベースおよび二次元撮影素子で得られた蛍光の二次元強度分布を用いて付着部材に付着した被検査液体の噴霧分布を算出するステップとを備えたものである。

また、この発明に係る噴霧分布測定装置においては、蛍光剤が添加された被検査液体の噴霧が付着する付着部材と、この付着部材に付着した被検査液体に紫外光を照射する励起光源と、付着部材に付着した被検査液体から発せられる蛍光の二次元強度分布を測定する二次元撮影素子と、この二次元撮影素子で得られた蛍光の二次元強度分布を用いて付着部材に付着した被検査液体の噴霧分布を算出するデータ処理部とを備えた噴霧分布測定装置であって、データ処理部において、励起光源から照射される紫外光の三次元強度分布である紫外光データベースと、被検査液体が付着する付着部材の表面の三次元位置情報である付着部材データベースと、二次元撮影素子で得られた蛍光の二次元強度分布とを用いて付着部材に付着した被検査液体の噴霧分布を算出するものである。

この発明に係る噴霧分布の測定方法は、励起光源から照射される紫外光の三次元強度分布である紫外光データベース、被検査液体が付着する付着部材の表面の三次元位置情報である付着部材データベースおよび二次元撮影素子で得られた蛍光の二次元強度分布を用いて付着部材に付着した被検査液体の噴霧分布を算出するステップを備えているので、１回の噴射の噴霧分布を短時間で正確に測定できる。

また、この発明に係る噴霧分布測定装置は、励起光源から照射される紫外光の三次元強度分布である紫外光データベースと、被検査液体が付着する付着部材の表面の三次元位置情報である付着部材データベースと、二次元撮影素子で得られた蛍光の二次元強度分布とを用いて付着部材に付着した被検査液体の噴霧分布を算出するデータ処理部を備えているので、１回の噴射の噴霧分布を短時間で正確に測定できる。

実施の形態１における噴霧分布測定装置の模式図である。 実施の形態１における付着部材の模式図である。 実施の形態１における噴霧分布の測定方法の工程図である。 実施の形態２における噴霧分布測定装置の模式図である。 実施の形態３における噴霧分布測定装置の模式図である。 実施の形態４における噴霧分布測定装置の模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における噴霧分布測定装置の模式図である。ノズル１から付着部材である平板２に向けて蛍光剤が添加された液体が噴霧され、平板２の表面に付着液体３が形成される。蛍光剤は、紫外光で励起されて可視光を発光する蛍光染料などを使用することができる。励起光源である紫外光源４から平板２の表面の付着液体３に紫外光が照射される。この紫外光を受けた付着液体３から発せられる蛍光は二次元撮影素子５を用いて検出される。紫外光源４には紫外光ランプなどを用いることができ、二次元撮影素子５にはＣＣＤカメラを用いることができる。紫外光源２の出射口には可視光カットフィルタ６が、二次元撮影素子５の入射口には紫外光カットフィルタ７がそれぞれ設けられている。二次元撮影素子５には、二次元撮影素子５からの受光信号を処理する画像処理部８が接続さている。噴霧分布を算出するデータ処理部９には、画像処理部８と紫外光強度演算部１０とが接続されている。紫外強度演算部１０には、紫外光ランプから照射される紫外光強度の三次元強度分布の紫外光データベースを保持する三次元分布データベース部１１と付着部材の表面の三次元位置情報である付着部材データベースを保持する測定点位置情報データベース部１２とが接続されている。

本実施の形態においては、画像処理部８は、例えば通常二次元撮影素子５の制御装置に組み込まれている。また、データ処理部９、紫外強度演算部１０、三次元分布データベース部１１および測定点位置情報データベース部１２は、例えば記憶装置や演算プログラムとしてパーソナルコンピュータに組み込まれている。

次に、このように構成された噴霧分布測定装置における、噴霧分布の測定方法について述べる。なお、ここでいう噴霧分布とは噴霧局所における噴霧液体流束分布であり、本発明は、液体の噴霧によって付着部材の表面に付着した液体の体積分布を測定することにより噴霧分布を得るものである。

ノズル１から平板２に向け、蛍光剤を添加した液体が噴霧される。平板２は、噴霧分布を測定したい位置に配置されている。噴霧が平板２に衝突すると、噴霧分布に応じた二次元の付着分布を有する付着液体３が平板２の表面に形成される。形成された付着液体３に紫外光源４から紫外光が照射されると、蛍光剤から可視光が発光され、その発光強度は付着液体３の付着厚さに応じたものとなる。この付着液体３からの二次元の蛍光強度分布が二次元撮影素子５により検出される。紫外光源２には可視光カットフィルタ６が設けられているので、照射される紫外光からは可視光波長成分が除去されており、二次元撮影素子５には紫外光カットフィルタ７が設けられている。そのため、二次元撮影素子５では付着液体３からの可視光の蛍光のみが受光される。

二次元撮影素子５により検出された二次元蛍光強度分布は画像データ処理部８に送られ、静止画や動画の画像データとして保存されて二次元撮影素子５の分解能に応じた二次元蛍光強度分布データが得られる。

三次元分布データベース部１１に保持されている紫外光ランプから照射される紫外光強度の三次元強度分布は、紫外光源４からの距離や紫外光の照射光軸からの距離に応じて三次元的に変化する三次元分布である。本実施の形態における紫外光強度の三次元分布は、紫外光源４から紫外光を照射する空間内の複数の位置、例えば１ｍｍ角の三次元格子節点位置における紫外光強度で構成されている。このような紫外光強度の三次元分布は、例えばあらかじめ紫外光を照射する空間内の複数の位置における紫外光強度を紫外光強度計などを用いて測定することで得ることができる。

また、測定点位置情報データベース部１２に保持されている付着部材の表面の三次元位置情報は、あらかじめ二次元撮影素子５と付着部材の表面の複数位置との距離を測定することで得ることができる。

付着液体３の厚みと蛍光剤からの蛍光強度との間には、ランベルト・ベールの法則に従い、次式で示される関係式が成立することが知られている。

Ｆ＝ｋＩ｛１−ｅｘｐ（−εＣｈ）） （１）

ここで、Ｆは蛍光強度（単位：ｍＷ／（ｍ^２・ｓ））、ｋは装置に依存する定数、Ｉは照射される紫外光強度（単位：ｍＷ／（ｍ^２・ｓ））、εは蛍光剤のモル吸光係数（単位：ｍ^３／（ｍｏｌ・ｍ））、Ｃは蛍光剤の濃度（単位：ｍｏｌ／ｍ^３）、ｈは付着液体の厚さ（単位：ｍ）である。

紫外光強度演算部１０およびデータ処理部９において、三次元分布データベース部１１および測定点位置情報データベース部１２に保持されたデータと上述の（１）式の関係とを用いて測定した二次元蛍光強度分布データから噴霧分布が計算される。

図３は、本実施の形態における噴霧分布の計算手順を示す工程図である。まず始めに、事前の検定により（１）式に必要な定数ｋを決定しておく。次に、画像データとして保存した二次元蛍光強度分布データの画素毎に、以下に示す手順を繰り返す。まず、各画素の階調値で表される蛍光強度を、画像データから取得する。次に、各画素に対応する付着液体３の位置を、測定点位置情報データベース部１２から取得する。次に、取得した位置における紫外光強度を紫外光強度演算部１０で計算する。ここで紫外光強度演算部１０では、三次元分布データベース部１１に保持されている紫外光強度三次元データを参照し、データベース内に各画素に対応する付着液体３の位置での紫外光強度の測定値があればそのままその値を紫外光強度とし、測定値が無ければ近傍の画素の紫外光強度データから補間して各画素に対応する付着液体３の位置での紫外光強度として計算する。このようにして得られた各画素における蛍光強度および紫外光強度を、それぞれ（１）式のＦおよびＩとして計算することで、各画素における付着液体厚さｈを算出する。最後に、各画素に対応する付着液体３の領域面積と（１）式を用いて計算した付着液体厚さｈとの積を計算し、各画素に対応する付着液体３の体積を計算する。以上の手順を測定した画素全てで実行することで、付着液体３の二次元付着分布を求めることにより、噴霧分布データが得られる。

このような測定方法を用いることにより、紫外光ランプと二次元撮影素子との簡単な構成で、一回の噴射で噴霧分布を測定することができる。また、測定点を移動させる必要がないため、測定に要する時間を大幅に短縮できる。さらには、従来測定が困難であった１回の噴射毎の噴霧分布のバラツキを測定することができる。

また、本実施の形態のような測定方法においては、噴霧分布の測定分解能は二次元撮影素子の分解能に依存する。そのため、二次元撮影素子での検出範囲を小さくする、または総画素数の多い二次元撮影素子を使用すれば、限りなく測定分解能を高くすることが可能である。

なお、本実施の形態においては、付着部材として平板を用いたが、測定点位置情報データベース部に付着部材の表面の三次元位置情報を保持しているので、必ずしも平板である必要はなく、任意の表面形状のものを用いることができる。図２は、本実施の形態で用いることのできる付着部材として、表面が複雑な三次元的形状を有している壁面１３を示した模式図である。このように付着部材の表面が複雑な三次元的形状であっても、その表面形状が測定点位置情報データベース部１１に保持されており、かつ三次元分布データベース部１１に紫外光強度三次元データが保持されているため、壁面１３に付着する液体の分布を測定することができる。

上述のように、このような噴霧分布の測定方法を用いれば、例えば自動車用のエンジン内で燃料噴射弁から噴射した燃料がエンジン内部の壁面に付着した際の燃料付着量分布も測定することが可能である。

実施の形態２．
実施の形態１においては、ノズル、紫外光源および二次元撮影素子は付着部材である平板の同じ付着面の側に対向して配置されていたが、実施の形態２においては付着部材としてガラス板などの可視光に対して透明なものを用いて、二次元撮影素子とノズルおよび紫外光源とを付着部材を介して対向配置させたものである。

図４は、本実施の形態における噴霧分布測定装置の模式図である。本実施の形態における噴霧分布測定装置は、ガラス板で構成された平板２に対して、ノズル１および紫外光源４は上側に配置され、二次元撮影素子５は下側に配置されたものである。これ以外の構成は実施の形態１と同様である。また、噴霧分布の計算方法も実施の形態１と同様である。

このように構成された噴霧分布測定装置においては、実施の形態１と同様に、１回の噴射の噴霧分布を短時間で正確に測定できる。また、二次元撮影素子が、ノズルや紫外光源と平板を介して反対側に配置されているので、ノズルや紫外光源で蛍光が遮蔽されないようにその配置が制限されることもなく、さらに噴霧される液体が付着することもない。

実施の形態３．
実施の形態２においては付着部材としてガラス板などの可視光に対して透明な平板を用いて、二次元撮影素子を平板の下側に配置されていたが、実施の形態３においては、付着部材として紫外光を透過するガラス板などを用いて、紫外光源を平板の下側に配置したものである。

図５は、本実施の形態における噴霧分布測定装置の模式図である。本実施の形態における噴霧分布測定装置は、紫外光を透過するガラス板で構成された平板２に対して、ノズル１および二次元撮影素子５は上側に配置され、紫外光源４は下側に配置されたものである。これ以外の構成は実施の形態１と同様である。また、噴霧分布の計算方法も実施の形態１と同様である。

このように構成された噴霧分布測定装置においては、実施の形態１と同様に、１回の噴射の噴霧分布を短時間で正確に測定できる。また、紫外光源が、ノズルや二次元撮影素子と平板を介して反対側に配置されているので、紫外光源で蛍光が遮蔽されないように二次元撮影素子の配置が制限されることもなく、さらに噴霧される液体が紫外光源に付着することもない。

実施の形態４．
実施の形態３においては付着部材として紫外光を透過するガラス板などを用いて、紫外光源のみを平板の下側に配置されていたが、実施の形態４においては、付着部材として紫外光を透過するガラス板などを用いて、紫外光源と二次元撮影素子とを平板の下側に配置したものである。

図６は、本実施の形態における噴霧分布測定装置の模式図である。本実施の形態における噴霧分布測定装置は、紫外光を透過するガラス板で構成された平板２に対して、ノズル１のみ上側に配置され、二次元撮影素子５および紫外光源４は下側に配置されたものである。これ以外の構成は実施の形態１と同様である。また、噴霧分布の計算方法も実施の形態１と同様である。

このように構成された噴霧分布測定装置においては、実施の形態１と同様に、１回の噴射の噴霧分布を短時間で正確に測定できる。また、紫外光源および二次元撮影素子が、ノズルと平板を介して反対側に配置されているので、ノズルで蛍光が遮蔽されないように二次元撮影素子の配置が制限されることもなく、さらに噴霧される液体が紫外光源や二次元撮影素子に付着することもない。

１ ノズル
２ 平板
３ 付着液体
４ 紫外光源
５ 二次元撮影素子
６ 可視光カットフィルタ
７ 紫外光カットフィルタ
８ 画像処理部
９ データ処理部
１０ 紫外強度演算部
１１ 三次元分布データベース部
１２ 測定点位置情報データベース部
１３ 壁面

Claims (5)

1. 蛍光剤が添加された被検査液体の噴霧を付着部材に付着させるステップと、
   前記付着部材に付着した前記被検査液体に励起光源からの紫外光を照射するステップと、
   前記付着部材に付着した前記被検査液体から発せられる蛍光の二次元強度分布を二次元撮影素子で測定するステップと、
   前記励起光源から照射される紫外光の三次元強度分布である紫外光データベース、
   前記被検査液体が付着する前記付着部材の表面の三次元位置情報である付着部材データベースおよび
   前記二次元撮影素子で得られた前記蛍光の二次元強度分布を用いて前記付着部材に付着した前記被検査液体の噴霧分布を算出するステップと
   を備える噴霧分布の測定方法。
2. 蛍光剤が添加された被検査液体の噴霧が付着する付着部材と、
   この付着部材に付着した前記被検査液体に紫外光を照射する励起光源と、
   前記付着部材に付着した前記被検査液体から発せられる蛍光の二次元強度分布を測定する二次元撮影素子と、
   この二次元撮影素子で得られた前記蛍光の二次元強度分布を用いて前記付着部材に付着した前記被検査液体の噴霧分布を算出するデータ処理部と
   を備えた噴霧分布測定装置であって、
   前記データ処理部において、
   前記励起光源から照射される紫外光の三次元強度分布である紫外光データベースと、
   前記被検査液体が付着する前記付着部材の表面の三次元位置情報である付着部材データベースと、
   前記二次元撮影素子で得られた前記蛍光の二次元強度分布とを用いて前記付着部材に付着した前記被検査液体の噴霧分布が算出されることを特徴する噴霧分布測定装置。
3. 励起光源および二次元撮影素子が、付着部材の被検査液体の噴霧が付着する付着面に対向して配置されていることを特徴とする請求項２記載の噴霧分布測定装置。
4. 付着部材が可視光を透過する材料で構成されており、励起光源が付着部材の被検査液体の噴霧が付着する付着面に対向して配置され、二次元撮影素子が前記付着部材を介して前記励起光源に対向して配置されていることを特徴とする請求項２記載の噴霧分布測定装置。
5. 付着部材が紫外光を透過する材料で構成されており、二次元撮影素子が付着部材の被検査液体の噴霧が付着する付着面に対向して配置され、励起光源が前記付着部材を介して前記二次元撮影素子に対向して配置されていることを特徴とする請求項２記載の噴霧分布測定装置。

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