JP6593668B2 - Fine particle dispersibility evaluation equipment - Google Patents

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Description

本発明は、一次粒子或いは一次粒子が凝集した凝集微粒子からなる微粒子を含有する溶液における微粒子分散性評価装置に関するものである。 The present invention relates to a fine particle dispersion evaluation equipment in a solution containing fine particles composed of aggregated fine primary particles or primary particles are aggregated.

現在広く普及しているインクジェットプリンター記録装置による印刷は、ノズルよりインクを噴射しメディアとなる被記録材に付着せしめる方式である。この印刷方式は、従来のグラビア印刷などの印刷方式と異なり版を使用しない印刷方式であることから、少量多品種に対応できるオンデマンド印刷方式として広範囲にわたる利用分野が期待されている。特に近年では、被記録材として従来の紙等の吸収基材を用いる印刷から、プラスチック等の非吸収基材を用いる印刷の検討が数多くなされている。   Printing by an ink jet printer recording apparatus that is widely used at present is a system in which ink is ejected from nozzles and adhered to a recording material as a medium. Since this printing method is a printing method that does not use a plate unlike a conventional printing method such as gravure printing, a wide range of fields of use is expected as an on-demand printing method that can cope with a small variety of products. In particular, in recent years, many studies have been made on printing using a non-absorbing substrate such as plastic from printing using a conventional absorbing substrate such as paper as a recording material.

プラスチックを被記録材とする印刷の場合、視認性を高める目的から白色インキが使用される場合が多い。例えば食品や飲料等の包装等に使用される包装材料は、内容物を確認できるように透明のプラスチックフィルムが使用されており、印刷物の発色をよくするために下地を隠蔽する目的で白色インキが使用されている。このようなプラスチックフィルム用の印刷インキとしては、顔料として隠蔽性の高い無機顔料、例えば金属酸化物である酸化チタンよりなる微粒子がよく使用されている。   In printing using plastic as a recording material, white ink is often used for the purpose of improving visibility. For example, transparent plastic films are used for packaging materials used for food and beverage packaging, etc. so that the contents can be confirmed, and white ink is used for the purpose of concealing the base to improve the color of printed matter. in use. As such a printing ink for a plastic film, an inorganic pigment having high concealability as a pigment, for example, fine particles made of titanium oxide which is a metal oxide is often used.

従来、溶液中に含まれる微粒子の分散状態を評価する一般的な方法として、溶液中の微粒子の粒度分布を測定、粒子径で分散性を示す方法などが用いられている。分散度が小さくなることは、即ち微粒子の粒度分布が狭いこと、粒子の大きさがより均一であることを示していることを利用している。粒子径の測定法としては、公知慣用の遠心沈降方式、レーザー回折・散乱方式、動的光散乱方式、電気音響効果(ESA)方式、キャピラリー方式、走査型電子顕微鏡(SEM)などの電子顕微鏡方式などが用いられている。特に汎用性が高いのは、動的光散乱方式を利用したレーザー粒度分布計(マイクロトラックUPA)による測定となっている。   Conventionally, as a general method for evaluating the dispersion state of the fine particles contained in the solution, a method of measuring the particle size distribution of the fine particles in the solution and showing dispersibility by the particle size is used. The fact that the degree of dispersion is small means that the particle size distribution of the fine particles is narrow and the size of the particles is more uniform. Methods for measuring the particle size include known and commonly used centrifugal sedimentation methods, laser diffraction / scattering methods, dynamic light scattering methods, electroacoustic effect (ESA) methods, capillary methods, scanning electron microscopes (SEM), and other electron microscope methods. Etc. are used. Particularly versatile is measurement by a laser particle size distribution meter (Microtrac UPA) using a dynamic light scattering method.

一方、近年、樹脂膜などの光透過性の固体サンプル中に含まれるフィラー微粒子の分散状態を評価する方法として、共焦点レーザー顕微鏡装置を用いる方法が注目されている(例えば、特許文献1参照)。共焦点レーザー顕微鏡装置は、多断面作製を必要としないデバイス状態で、簡便・迅速な試料の深さ方向へのサブミクロン単位での構造解析が可能な方法である。   On the other hand, in recent years, as a method for evaluating the dispersion state of filler fine particles contained in a light-transmitting solid sample such as a resin film, a method using a confocal laser microscope apparatus has attracted attention (for example, see Patent Document 1). . The confocal laser microscope apparatus is a method that enables simple and quick structural analysis in the submicron unit in the depth direction of a sample in a device state that does not require multi-section fabrication.

溶液中の微粒子の分散状態を評価する方法として、上述した走査型電子顕微鏡(SEM)などの電子顕微鏡を用いる方法では、観察した一断面情報しか知ることができない。そのため、微粒子が不均一分散している溶液の場合は、時間と工数を掛けて観測点を多数確保しなければならないといった問題がある。上述した従来の粒度分布を測定する方法においても、局所的な分散状態しか把握できないといった問題がある。また、動的光散乱法を利用したレーザー粒度分布計による測定では、微粒子が分散された溶液を十分に蒸留水等で希釈した状態で測定する必要があり、高濃度な状態で溶液を測定することが出来ないなどの課題を抱えている。   As a method for evaluating the dispersion state of the fine particles in the solution, the method using an electron microscope such as the scanning electron microscope (SEM) described above can know only one cross-section information observed. Therefore, in the case of a solution in which fine particles are dispersed non-uniformly, there is a problem that a large number of observation points must be secured by multiplying time and man-hours. The conventional method for measuring the particle size distribution also has a problem that only a local dispersion state can be grasped. In addition, when measuring with a laser particle size distribution meter using the dynamic light scattering method, it is necessary to measure a solution in which fine particles are dispersed in a sufficiently diluted state with distilled water or the like, and measure the solution in a high concentration state. I have problems such as being unable to do so.

さらに、低粘度であるインクジェット記録用インクなどの溶液に、酸化チタンなどの比重の高い無機顔料を分散させる場合、沈降の抑制が課題となる。微粒子の分散状態如何によっては、インクの発色特性(隠蔽性)が著しく変化してくるため、添加・分散した微粒子の状態を正確にサブミクロン単位で評価する必要性が生じている。微粒子の沈降性を評価する一般的な方法としては、ガラス瓶に微粒子の入った溶液を入れ、決められた時間経過後に、その底部への沈降状況を目視評価する可視的評価方法などが実施されているが、正確であるとはいい難いものである。なお、酸化チタンよりなる微粒子自体の分散性を改良する方法があるが汎用的ではない。   Furthermore, when an inorganic pigment having a high specific gravity such as titanium oxide is dispersed in a solution such as an inkjet recording ink having a low viscosity, suppression of sedimentation becomes a problem. Depending on the dispersion state of the fine particles, the color development characteristic (hiding property) of the ink changes remarkably, so that it is necessary to accurately evaluate the state of the added and dispersed fine particles in submicron units. As a general method for evaluating the sedimentation property of fine particles, a visual evaluation method for putting a solution containing fine particles into a glass bottle and visually evaluating the sedimentation state at the bottom after a predetermined time has been implemented. It is hard to be accurate. Although there is a method for improving the dispersibility of the fine particles themselves made of titanium oxide, it is not versatile.

そこで、本発明者は、上記共焦点レーザー顕微鏡装置を用いることにより、溶液中の微粒子の分散性や沈降性の評価を、高濃度溶液状態のままで、簡便・迅速に行える可能性を見出した。   Therefore, the present inventor has found that by using the confocal laser microscope device, the evaluation of the dispersibility and sedimentation of fine particles in a solution can be easily and quickly performed in a high concentration solution state. .

共焦点レーザー顕微鏡装置では、微粒子を分散した溶液に単色光であるレーザー光を照射する。この時、微粒子が分散された溶液の入った溶液容器底面或いは溶液中の微小領域を顕微光学系の焦点面とする。溶液中の微粒子で入射光波長と相互作用する粒径のもの(波長の凡そ1/10以下の粒径)があると、レイリー散乱のメカニズムに従って入射光が粒子の前後に散乱して、その入射光と同じ波長の微弱ないわゆる後方散乱光を観測することができる。なお、レーザー光を照射した際に観測される入射光と同じ波長の光は、レイリー光と呼ばれている。   In the confocal laser microscope apparatus, laser light, which is monochromatic light, is applied to a solution in which fine particles are dispersed. At this time, the bottom surface of the solution container containing the solution in which the fine particles are dispersed or a minute region in the solution is used as a focal plane of the microscopic optical system. If there are fine particles in the solution that have a particle size that interacts with the incident light wavelength (particle size approximately 1/10 or less of the wavelength), the incident light is scattered before and after the particle according to the Rayleigh scattering mechanism. Weak so-called backscattered light having the same wavelength as the light can be observed. Note that light having the same wavelength as the incident light observed when the laser beam is irradiated is called Rayleigh light.

上記後方散乱光となるレイリー光を抽出し、その強度を検出して解析すると、溶液中の微小領域における微粒子の分散状態の情報が取得できる。溶液の深さ方向(Z方向)に溶液容器底面からサブミクロンオーダーでレーザー焦点面を移動させながら、XスキャナとYスキャナをX軸方向及びY軸方向に振ることにより、3次元的に後方散乱光となるレイリー光を解析することができる。微粒子の分散状態の深さ位置情報を取得することで、溶液中の深さ方向の微粒子のX−Y及びZ方向の分散状態はサブミクロン単位で評価可能と考えられる。   When the Rayleigh light as the backscattered light is extracted, and its intensity is detected and analyzed, information on the dispersion state of the fine particles in a minute region in the solution can be acquired. Backscattering three-dimensionally by shaking the X and Y scanners in the X-axis and Y-axis directions while moving the laser focal plane in the submicron order from the bottom of the solution container in the solution depth direction (Z direction). Rayleigh light that becomes light can be analyzed. By obtaining the depth position information of the dispersed state of the fine particles, it is considered that the dispersed state in the XY and Z directions of the fine particles in the depth direction in the solution can be evaluated in submicron units.

ここで、一般的な共焦点レーザー顕微鏡装置は、前述したように深さ方向を含むX−Y−Z方向へ走査する走査機構を備えており、溶液試料を深さ方向並びに平面方向に走査しながら、上記情報を取得することにより、溶液試料でも3次元的な評価が可能な構成となっている。   Here, as described above, a general confocal laser microscope apparatus includes a scanning mechanism that scans in the XYZ direction including the depth direction, and scans the solution sample in the depth direction and the planar direction. However, by obtaining the above information, the solution sample can be evaluated three-dimensionally.

しかしながら、溶液中の微粒子が高濃度である場合は、微粒子(顔料)や溶液での吸収による光の減衰(ランバート・ベール則に準拠)及び微粒子での散乱(散乱も広義では吸収と一緒ととらえることができる)によって測定光が深さ方向に指数関数的に弱まってしまう。よって、これまで分散性の評価は溶液の希釈を行って評価を行うことがセオリーとなっていた。また、比重の大きな金属酸化物などの無機顔料からなる微粒子は、直ぐに溶液中で沈降が始まってしまう。そのため、1フレーム領域(X−Y画像)の測定に時間がかかる装置や溶液試料のセッティングに時間がかかる装置では、分散性や沈降性の評価を正確に行うことが難しかった。   However, when the concentration of fine particles in the solution is high, light attenuation due to absorption in fine particles (pigments) and solutions (conforms to Lambert-Beer law) and scattering in fine particles (scattering is also considered together with absorption in a broad sense). The measurement light is exponentially weakened in the depth direction. Therefore, until now, it has been the theory to evaluate the dispersibility by diluting the solution. In addition, fine particles made of an inorganic pigment such as a metal oxide having a large specific gravity immediately start to settle in the solution. For this reason, it is difficult to accurately evaluate dispersibility and sedimentation in an apparatus that takes time to measure one frame region (XY image) and an apparatus that takes time to set a solution sample.

本発明は以上の問題点に鑑みなされたものである。その目的は、溶液中の比重が大きく沈降性の高い微粒子であっても、正確な分散状態や沈降性を高濃度の溶液状態のまま3次元的にサブミクロン単位で、簡便・迅速に得ることができる微粒子分散性評価装置を提供することである。
The present invention has been made in view of the above problems. The purpose is to obtain accurate dispersion and sedimentation in a three-dimensional sub-micron unit easily and rapidly even in the case of fine particles having a large specific gravity and high sedimentation in a solution. to provide a fine particle dispersion evaluation equipment that can.

上記課題を解決するため、請求項1の発明は、溶液中に微粒子が分散してなる溶液試料の入る溶液容器を把持する把持部材と、レーザー光源と、該溶液試料にレーザー光を照射すると共に、該溶液試料からの微弱な微粒子散乱光を含むレイリー光を受光する分離光学素子、水浸対物レンズ、及び焦点面と共役な関係にあるピンホールを備える共焦点顕微光学系と、該分離光学素子を経由した光におけるレイリー光を透過するフィルター光学素子と、該フィルター光学素子を透過した光を分光する分光手段と、該分光手段により分光された光の強度を検出する光検出手段と、該レーザー光を該溶液試料に対して溶液試料の深さ方向及び平面方向に相対的に走査可能な走査機構とを備え、該溶液試料における微粒子の分散性を評価する微粒子分散性評価装置において、上記把持部材に把持される溶液容器を振とうさせる振とう機構と、上記光検出手段により検出された光の強度に基づき深さ方向及び平面方向に関する2次元画像データを構築し、該データから微粒子分散性の定量評価のための画像処理をおこなう画像処理部とを備え、前記溶液試料に直線偏光のレーザー 光を照射することを特徴とするものである。In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is characterized in that a gripping member for gripping a solution container containing a solution sample in which fine particles are dispersed in a solution, a laser light source, and irradiating the solution sample with laser light. , A separation optical element that receives Rayleigh light including weak fine particle scattered light from the solution sample, a water immersion objective lens, and a confocal microscopic optical system including a pinhole conjugate with a focal plane, and the separation optical A filter optical element that transmits Rayleigh light in the light that has passed through the element, a spectroscopic means that splits light transmitted through the filter optical element, a light detection means that detects the intensity of light dispersed by the spectroscopic means, and A fine particle dispersion comprising a scanning mechanism capable of scanning laser light relative to the solution sample in the depth direction and the plane direction of the solution sample, and evaluating the dispersibility of the fine particles in the solution sample In the evaluation apparatus, a two-dimensional image data relating to the depth direction and the plane direction is constructed based on the shaking mechanism for shaking the solution container held by the holding member, and the intensity of the light detected by the light detection unit, An image processing unit that performs image processing for quantitative evaluation of fine particle dispersibility from the data , and irradiates the solution sample with linearly polarized laser light .

本発明は、溶液中の比重が大きく沈降性の高い微粒子であっても、正確な分散状態や沈降性を高濃溶液状態のまま3次元的にサブミクロン単位で、簡便・迅速に得ることができるという優れた効果がある。   According to the present invention, even in the case of fine particles having a large specific gravity and high sedimentation in a solution, an accurate dispersion state and sedimentation property can be obtained easily and rapidly in a three-dimensional submicron unit in a highly concentrated solution state. There is an excellent effect of being able to.

本実施形態に係る微粒子分散性評価装置の構成を示す構成図。The block diagram which shows the structure of the fine particle dispersibility evaluation apparatus which concerns on this embodiment. 同微粒子分散性評価装置に用いる溶液容器の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the solution container used for the fine particle dispersibility evaluation apparatus. 同微粒子分散性評価装置の要部構成を示す構成図。The block diagram which shows the principal part structure of the fine particle dispersibility evaluation apparatus. 同微粒子分散性評価装置の画像処理部の定量化手法の一例を示すフローチャート。The flowchart which shows an example of the quantification method of the image process part of the same fine particle dispersibility evaluation apparatus. 実施例1で取得した微粒子散乱画像(X―Y断面)の一例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an example of a fine particle scattering image (XY cross section) acquired in Example 1. 図5で取得された微粒子散乱画像のうち、任意の画素領域を特定した一例を示す図。The figure which shows an example which specified arbitrary pixel areas among the fine particle scattering images acquired in FIG. 画像処理部により分散状態の定量的評価のために作成したヒストグラムの例であり、(a)は分散性良の状態、(b)は分散性不良の状態を示す。It is an example of the histogram produced for the quantitative evaluation of a dispersion state by the image processing part, (a) shows a state with good dispersibility and (b) shows a state with poor dispersibility. 実施例2で取得した微粒子散乱画像(X―Y断面)の一例を示す図。FIG. 6 is a diagram showing an example of a fine particle scattering image (XY cross section) acquired in Example 2. 比較例1で取得した微粒子散乱画像(X―Y断面)の一例を示す図。The figure which shows an example of the fine particle scattering image (XY cross section) acquired in the comparative example 1. FIG.

以下、図面を参照して、本発明の微粒子分散性評価装置及び微粒子分散性評価方法を実施形態により詳細に説明する。
まず、本発明での評価対象は、特に限定されないが、例えば、微粒子として無機白色顔料が分散された水性インクジェット記録用白色インクなどの溶液試料が挙げられる。一般に、白色インクは、無機白色顔料、顔料分散剤、バインダー及び分散剤としての水を含有する。
Hereinafter, a fine particle dispersibility evaluation apparatus and a fine particle dispersibility evaluation method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the evaluation object in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a solution sample such as a white ink for aqueous inkjet recording in which an inorganic white pigment is dispersed as fine particles. Generally, a white ink contains an inorganic white pigment, a pigment dispersant, a binder, and water as a dispersant.

上記無機白色顔料としては、例えば、アルカリ土類金属の硫酸塩、炭酸塩、微粉ケイ酸、合成珪酸塩、等のシリカ類、ケイ酸カルシウム、アルミナ、アルミナ水和物、酸化チタン、酸化亜鉛、タルク、クレイ等があげられる。また、上記無機白色顔料が各種表面処理方法で表面処理されていてもよい。   Examples of the inorganic white pigment include silicas such as alkaline earth metal sulfates, carbonates, finely divided silicic acid, and synthetic silicates, calcium silicate, alumina, alumina hydrate, titanium oxide, zinc oxide, Examples include talc and clay. The inorganic white pigment may be surface-treated by various surface treatment methods.

中でも、表面処理された酸化チタンが、水性媒体中において比較的良好な分散性を示すことから好ましい。例えば光触媒性による影響を避けるために、無機物で表面処理された酸化チタンが好ましく、シリカとアルミナで表面処理された酸化チタンがより好ましい。更に、該シリカとアルミナで表面処理後、更にシランカップリング剤によって表面処理した酸化チタンを使用することもできなお好ましい。シリカとアルミナで表面処理された酸化チタンとしては、公知のルチル型・アナターゼ型の二酸化チタンが使用でき、より好ましくはルチル型二酸化チタンである。   Among these, surface-treated titanium oxide is preferable because it exhibits relatively good dispersibility in an aqueous medium. For example, in order to avoid the influence of photocatalytic properties, titanium oxide surface-treated with an inorganic substance is preferable, and titanium oxide surface-treated with silica and alumina is more preferable. Furthermore, it is still possible to use titanium oxide that has been surface-treated with the silica and alumina and then surface-treated with a silane coupling agent. As the titanium oxide surface-treated with silica and alumina, known rutile type / anatase type titanium dioxide can be used, and rutile type titanium dioxide is more preferable.

また、上記酸化チタンの平均粒径としては、100〜500nmのものを使用することが好ましく、150〜400nmのものを使用することがより好ましい。平均粒径が100nm以下であると水性媒体中の非沈降性や分散安定性はより実現し易くなるものの、白色度や隠蔽性が劣ってしまい本来の白色インキとしての実用性が低下するおそれがある。一方、平均粒径が500nm以上になると白色度や隠蔽性の点では問題ないが、吐出安定性が不十分となる傾向にある。粒径について実用的には200〜300nmが更により好ましい。なお原料としての酸化チタンの平均粒径は電子顕微鏡写真により20個の粒径測定を行って平均をとったものを用いる。   Moreover, as an average particle diameter of the said titanium oxide, it is preferable to use a 100-500 nm thing, and it is more preferable to use a 150-400 nm thing. When the average particle size is 100 nm or less, non-sedimentation and dispersion stability in an aqueous medium are more easily realized, but the whiteness and hiding properties are inferior, and the practicality as an original white ink may be reduced. is there. On the other hand, when the average particle size is 500 nm or more, there is no problem in terms of whiteness and concealment, but the discharge stability tends to be insufficient. A practically preferable particle diameter is 200 to 300 nm. In addition, the average particle diameter of the titanium oxide as a raw material uses what measured the particle size of 20 pieces with the electron micrograph, and took the average.

使用する白色インク向けバインダーは、水と混合して均一な状態で存在しうる樹脂であれば特に問題なく使用できる。例えばプラスチックフィルムに対する密着性や接着性の観点から、水性ウレタン樹脂やオレフィン系樹脂を使用することが好ましい。   The binder for white ink to be used can be used without any problem as long as it is a resin that can be mixed with water and exist in a uniform state. For example, it is preferable to use a water-based urethane resin or an olefin resin from the viewpoint of adhesion to a plastic film and adhesiveness.

溶液でバインダーとして使用される水性ウレタン樹脂は、具体的には、水溶性あるいは水分散性の水性ウレタン樹脂を使用することができる。本実施形態で使用する水性ウレタン樹脂は、水性ポリウレタン樹脂、水性ウレタン樹脂、あるいは水性ウレタン樹脂のインク全量中に対する固形分の含有量は1〜20質量%が好ましく、2〜10質量%が特に好ましい。   Specifically, a water-soluble or water-dispersible water-based urethane resin can be used as the water-based urethane resin used as a binder in the solution. The aqueous urethane resin used in the present embodiment is preferably an aqueous polyurethane resin, an aqueous urethane resin, or a solid content with respect to the total amount of the aqueous urethane resin ink, preferably 1 to 20 mass%, particularly preferably 2 to 10 mass%. .

溶液でバインダーとして使用されるオレフィン系樹脂は、水と混合して均一な状態で存在しうるオレフィン系樹脂であれば特に限定なく使用することができる。水と混合して均一な状態で存在しうる樹脂とは、水中に微粒子の状態で散在している(これは分散粒子が極めて小さく単分子で散在している状態も含む)、いわゆる水分散性の樹脂であってもよいし、いわゆる水溶性、水可溶性と称される状態の樹脂も含む。具体的には、例えば、エチレン、プロピレン、イソブチレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン等のオレフィンモノマー類の共重合体又は単独重合体からなるオレフィン系樹脂やゴム状物を界面活性剤等でエマルジョン化したものや、ポリオレフィン成分と酸等の親水性成分より構成される水分散性樹脂等があげられる。バインダーとして使用するオレフィン系樹脂の、インク全量に対する固形分の含有量は、0.5質量%〜30質量%の範囲で使用することが一般的である。中でも1質量%〜10質量%が好ましい。   The olefin resin used as a binder in the solution can be used without particular limitation as long as it is an olefin resin that can be mixed with water and exist in a uniform state. A resin that can exist in a uniform state when mixed with water is dispersed in the form of fine particles in water (this includes a state in which dispersed particles are extremely small and dispersed in a single molecule), so-called water dispersibility. These resins may be used, and so-called water-soluble and water-soluble resins are also included. Specifically, for example, an olefin resin or a rubber-like material made of a copolymer or a homopolymer of olefin monomers such as ethylene, propylene, isobutylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene and the like is used as a surfactant. And water-dispersible resins composed of a polyolefin component and a hydrophilic component such as an acid. The content of the solid content of the olefin resin used as the binder with respect to the total amount of the ink is generally used in the range of 0.5% by mass to 30% by mass. Among these, 1% by mass to 10% by mass is preferable.

溶液で使用される水は、水単独で使用するほか、水と水との相溶性を有する水溶性有機溶剤からなる混合溶媒でもよい。水溶性有機溶剤としては、例えば、アセトン、2−ブタノン、メチルブチルケトン、メチルイソブチルケトン、等のケトン類;メタノール、エタノール、2−プロパノール、2−メチル−1−プロパノール、1−ブタノール、2−メトキシエタノール、等のアルコール類;テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、等のエーテル類;ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、等のアミド類が挙げられ、とりわけ炭素数が3〜6のケトン及び炭素数が1〜5のアルコールからなる群から選ばれる化合物を用いるのが好ましい。   The water used in the solution may be water alone or a mixed solvent composed of a water-soluble organic solvent having compatibility between water and water. Examples of the water-soluble organic solvent include ketones such as acetone, 2-butanone, methyl butyl ketone, and methyl isobutyl ketone; methanol, ethanol, 2-propanol, 2-methyl-1-propanol, 1-butanol, 2- Alcohols such as methoxyethanol; ethers such as tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane; amides such as dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, etc. It is preferable to use a compound selected from the group consisting of 6 ketones and alcohols having 1 to 5 carbon atoms.

次に、本実施形態に係る微粒子分散性評価装置の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る微粒子分散性評価装置の構成を示す構成図である。図2は、溶液容器の構成を示す断面図である。図3は、微粒子分散性評価装置の要部構成を示す構成図である。   Next, the configuration of the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to this embodiment will be described. FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the solution container. FIG. 3 is a configuration diagram showing a main configuration of the fine particle dispersibility evaluation apparatus.

微粒子分散性評価装置は、図1に示すように、溶液試料1にレーザー光源10からレーザー光を照射したときに観測される、微粒子散乱光を含むレイリー光を検出部6に導くことが可能な構成となっている。すなわち、微粒子分散性評価装置は、溶液試料1の入る溶液容器が載置される載置台、レーザー光源10、共焦点顕微光学系、フィルター光学素子7、分光手段と光検出手段とからなる検出部6、画像処理部8などを備えている。レーザー光源10の出射口側には、レーザー光源10より発せられたレーザー光束を集光する集光レンズ11と、この集光レンズ11による焦点上に配置される第1のピンホール12とが設けられている。共焦点顕微光学系は、後述するように、分離光学素子たるビームスプリッター3、水浸対物レンズ4、焦点面と共役な関係にある第二のピンホール5を有する。なお、図1は、倒立型顕微鏡を示しているが、正立型顕微鏡でもかまわない。   As shown in FIG. 1, the fine particle dispersibility evaluation apparatus can guide Rayleigh light including fine particle scattered light, which is observed when a solution sample 1 is irradiated with laser light from a laser light source 10, to the detection unit 6. It has a configuration. That is, the fine particle dispersibility evaluation apparatus is a detection unit including a mounting table on which a solution container in which the solution sample 1 is placed, a laser light source 10, a confocal microscopic optical system, a filter optical element 7, a spectroscopic unit, and a light detecting unit. 6. An image processing unit 8 is provided. A condensing lens 11 that condenses the laser beam emitted from the laser light source 10 and a first pinhole 12 disposed on the focal point of the condensing lens 11 are provided on the exit side of the laser light source 10. It has been. As will be described later, the confocal microscopic optical system includes a beam splitter 3 that is a separation optical element, a water immersion objective lens 4, and a second pinhole 5 that is conjugated with the focal plane. Although FIG. 1 shows an inverted microscope, an upright microscope may be used.

上記溶液試料1は、一般にガラスボトムディッシュと呼ばれる溶液容器2に収容される。この溶液容器2は、図2に示すように、直径35mmのディッシュ部2aの底部に直径14mmのホール部(カバーガラス2b)を有したもので、溶液試料1をディッシュ部2aに満たせるようになっている。図中のカバーガラス2bの厚さは160〜190μm程であり、カバーガラス補正された液浸レンズで収差が補正されるようになっている。   The solution sample 1 is accommodated in a solution container 2 generally called a glass bottom dish. As shown in FIG. 2, the solution container 2 has a hole portion (cover glass 2b) having a diameter of 14 mm at the bottom of a dish portion 2a having a diameter of 35 mm, so that the solution sample 1 can be filled in the dish portion 2a. ing. The thickness of the cover glass 2b in the figure is about 160 to 190 μm, and the aberration is corrected by the immersion lens whose cover glass is corrected.

測定に必要な溶液試料1の容量は、溶液容器2になみなみ注ぐ必要は無く一般的に50〜500mlの範囲であるが、より好ましくは50〜250mlの範囲である。溶液試料1が50mlより少ない場合には、溶液容器2の底部(カバーガラス2b上)に充分な溶液の深さが得られなくなる。また、溶液試料1が250mlを超えると溶液容器2内の溶液の深さがミリ単位となるためランバート・ベール則に従い光が透過しなくなるため微粒子散乱光の取得が出来なくなる。   The volume of the solution sample 1 required for measurement does not need to be poured into the solution container 2 and is generally in the range of 50 to 500 ml, more preferably in the range of 50 to 250 ml. When the solution sample 1 is less than 50 ml, a sufficient solution depth cannot be obtained at the bottom of the solution container 2 (on the cover glass 2b). If the solution sample 1 exceeds 250 ml, the depth of the solution in the solution container 2 is in millimeters, and light cannot be transmitted according to the Lambert-Beer rule, so that it becomes impossible to acquire fine particle scattered light.

図3に示すように、上記載置台13には、走査機構として、載置台13を平面方向となるX−Y軸方向へ走査移動させる駆動部が付帯されており、溶液容器2のX−Y軸方向への移動が可能である。さらに、水浸対物レンズ4を把持する対物レンズホルダー14には、走査機構として、深さ方向となるZ軸方向へ走査移動させる駆動部が付帯されている。X−Y走査系でX−Y断面情報を取得しながらZ方向に移動させたい場合、水浸対物レンズ4の対物レンズホルダー14側に付与されるZ軸方向駆動部を駆動する。そして、Z軸方向に対物レンズホルダー14を移動させながら水浸対物レンズ4で微弱な微粒子散乱光を含むレイリー光を集光することで微粒子の三次元的な分布マップを作り出す。載置台13のX−Y軸方向及び対物レンズホルダー14のZ軸方向駆動部としては、一般にはピエゾ素子或いはステッピングモータ移動機構を用いた走査機構が用いられる。X−Y軸方向駆動部に関してはガルバノスキャナー等の光学的な走査機構を用いた方が精度と測定時間の観点で好適である。   As shown in FIG. 3, the mounting table 13 is accompanied by a drive unit that scans and moves the mounting table 13 in the XY axis direction as a plane direction as a scanning mechanism. Axial movement is possible. Furthermore, the objective lens holder 14 that holds the water immersion objective lens 4 is accompanied by a drive unit that scans and moves in the Z-axis direction, which is the depth direction, as a scanning mechanism. When it is desired to move in the Z direction while acquiring XY cross-section information by the XY scanning system, the Z-axis direction driving unit provided on the objective lens holder 14 side of the water immersion objective lens 4 is driven. Then, a three-dimensional distribution map of fine particles is created by condensing Rayleigh light including weak fine particle scattered light with the water immersion objective lens 4 while moving the objective lens holder 14 in the Z-axis direction. A scanning mechanism using a piezo element or a stepping motor moving mechanism is generally used as the XY axis direction drive unit 13 and the Z axis direction drive unit of the objective lens holder 14. For the XY axis direction drive unit, it is preferable to use an optical scanning mechanism such as a galvano scanner from the viewpoint of accuracy and measurement time.

以上の状態で、微粒子分散性評価装置は、レーザー光源10からのレーザー光の焦点位置を溶液容器の深さ(Z)方向を含むX−Y方向に走査することによって、微粒子を含んだ溶液試料1から明瞭な正確なレイリー光プロファイルが得られる。なお、深さ(Z)方向の空間分解能は、後述するように、水浸対物レンズ4のNAに大きく依存している。   In the above-described state, the fine particle dispersibility evaluation apparatus scans the focal position of the laser beam from the laser light source 10 in the XY direction including the depth (Z) direction of the solution container, thereby including a solution sample containing fine particles. A clear and accurate Rayleigh light profile can be obtained from 1. The spatial resolution in the depth (Z) direction greatly depends on the NA of the water immersion objective lens 4 as will be described later.

さらに上記微粒子分散性評価装置の載置台13は、図3に示すように、溶液容器2を把持する把持部材たるホルダー15を備えている。このホルダー15には、ホルダー15を振動させる振とう機構と、溶液容器2の傾きを調整するチルト調整機構とが備えられている。振とう機構は、ホルダー15にピエゾ機構を内蔵させることにより実現できる。チルト調整機構は、溶液容器2の底面(カバーガラス2b)がレーザー光軸(図中一点鎖線で示す)に対して垂直になるように、すなわち、レーザー光のX−Y走査面と溶液容器2の底面とが平行を保つように、溶液容器2の傾きを調整する。   Furthermore, the mounting table 13 of the fine particle dispersibility evaluation apparatus includes a holder 15 as a gripping member for gripping the solution container 2 as shown in FIG. The holder 15 is provided with a shaking mechanism for vibrating the holder 15 and a tilt adjusting mechanism for adjusting the tilt of the solution container 2. The shaking mechanism can be realized by incorporating a piezo mechanism in the holder 15. The tilt adjustment mechanism is such that the bottom surface (cover glass 2b) of the solution container 2 is perpendicular to the laser optical axis (indicated by the alternate long and short dash line in the figure), that is, the XY scanning plane of the laser light and the solution container 2 The inclination of the solution container 2 is adjusted so that the bottom surface of the solution container is kept parallel.

上記レーザー光源10から出射されるレーザー光は、検出対象となる溶液試料1及び微粒子に強い吸収が無く、レイリー散乱のメカニズムにより溶液試料1中の微粒子によって散乱させられる波長が選択される。また、レーザー光は、数枚のNDフィルター(不図示)の組み合わせを用いて一般には減光された状態である。   The laser light emitted from the laser light source 10 is not strongly absorbed by the solution sample 1 and the fine particles to be detected, and the wavelength that is scattered by the fine particles in the solution sample 1 is selected by the Rayleigh scattering mechanism. In addition, the laser beam is generally in a dimmed state using a combination of several ND filters (not shown).

レイリー散乱という後方散乱の(装置の受光側に散乱光が戻ってくる)メカニズムが起こる条件は、公知技術において、レイリー散乱を満たす粒径パラメータ:Α=πD/λ(D:粒径、λ:波長)の範囲が、Α<0.4とされる。後方散乱を満たすレーザー光源10の波長条件は、粒子径の何倍かで記述することができる。本実施形態において、レーザー光源の波長と微粒子の粒径の関係がこのような条件を満たしていない場合は、好適な信号取得ができないが、粒形が完全球体でないばあいはこの限りではない。   The conditions under which Rayleigh scattering causes a backscattering mechanism (scattered light returns to the light receiving side of the apparatus) are, in a known technique, a particle size parameter satisfying Rayleigh scattering: Α = πD / λ (D: particle size, λ: The range of (wavelength) is Α <0.4. The wavelength condition of the laser light source 10 satisfying the backscattering can be described by several times the particle diameter. In the present embodiment, when the relationship between the wavelength of the laser light source and the particle size of the fine particles does not satisfy such a condition, a suitable signal cannot be obtained. However, this is not necessary if the particle shape is not a perfect sphere.

また、レイリー散乱(後方散乱含む)の最も効率的な発生メカニズムは、以下のものである。直線偏光の電場を有した光が粒子(分子)と相互作用を起こす際、直線偏光の電場とそれを打ち消す様な丁度位相が180度ずれた電場を有する(振動数は同じ)光を球面上に放出して、それが入射光や他の粒子の球面波と干渉して散乱光の波として現れる場合である。直線偏光でない一般の光を用いた場合(例えば自然光)もレイリー散乱は発生するが、その散乱効率は直線偏光を用いた場合よりも低下することを確認している。この場合、理論的に対象となる微粒子は誘電体であることが好ましいが、本実施形態で対象とする微粒子、例えば酸化チタンは誘電体である。   The most efficient generation mechanism of Rayleigh scattering (including back scattering) is as follows. When light with a linearly polarized electric field interacts with particles (molecules), the linearly polarized electric field and an electric field with exactly 180 degrees out of phase (same frequency) that cancels it are placed on a spherical surface. In the case where it appears as a wave of scattered light by interfering with the spherical wave of incident light or other particles. Rayleigh scattering occurs even when general light that is not linearly polarized light is used (for example, natural light), but it has been confirmed that the scattering efficiency is lower than when linearly polarized light is used. In this case, it is preferable that the target particle is theoretically a dielectric, but the target particle in the present embodiment, such as titanium oxide, is a dielectric.

本実施形態においては、レーザー光源10に消光比の高いガスレーザーを用いることによって、このメカニズムが特に有効であることは確認済みである。但し、微粒子径の大小、波長の長短、偏光特性に拘らず、微粒子と水溶液(N≒1.33)との屈折率差が小さければ光学的には透明となり散乱は起こらない。   In the present embodiment, it has been confirmed that this mechanism is particularly effective by using a gas laser having a high extinction ratio as the laser light source 10. However, regardless of the size of the fine particles, the length of the wavelength, and the polarization characteristics, if the difference in refractive index between the fine particles and the aqueous solution (N≈1.33) is small, it is optically transparent and no scattering occurs.

更に、一般には、レーザー光源10のレーザー光強度が高いほど、検出される微粒子散乱光強度も強くなりS/N比は向上するが、レーザー光強度は溶液試料1の破壊(水分蒸発)や強光への応答(発光)などを考慮して決める必要もある。また、レーザー光の波長が短ければ、レイリー散乱領域の場合、波長の4乗に反比例して微粒子散乱強度が強くなる。   Furthermore, in general, the higher the laser light intensity of the laser light source 10 is, the stronger the detected intensity of the fine particle scattered light is and the S / N ratio is improved. It is also necessary to decide in consideration of response to light (light emission). Further, if the wavelength of the laser beam is short, in the Rayleigh scattering region, the fine particle scattering intensity increases in inverse proportion to the fourth power of the wavelength.

上記共焦点顕微光学系は、上述したように、ビームスプリッター3、水浸対物レンズ4、ピンホール5を備える。ビームスプリッター3は、誘電体多層膜により光束を二つに分離するミラーである。このビームスプリッター3は、レーザー光源10より発せられたレーザー光の発信波長域を反射して、載置台13上の溶液試料1にレーザー光を照射し、溶液試料1からの微弱な微粒子散乱光を含むレイリー光を透過する特性を有する。   The confocal microscopic optical system includes the beam splitter 3, the water immersion objective lens 4, and the pinhole 5 as described above. The beam splitter 3 is a mirror that separates a light beam into two by a dielectric multilayer film. The beam splitter 3 reflects the transmission wavelength range of the laser light emitted from the laser light source 10, irradiates the solution sample 1 on the mounting table 13 with the laser light, and emits fine particle scattered light from the solution sample 1. It has the property of transmitting Rayleigh light including it.

上記水浸対物レンズ4は、集光レンズ11に次ぐ第2の集光レンズである。すなわち、水浸対物レンズ4は、レーザー光の焦点を水浸対物レンズ4の焦点と一致させ、レーザー光が溶液試料1内の一点になるように照射されるようになっている。なお、水浸対物レンズ4の後焦点に第2のピンホール5を置き、焦点以外の微粒子散乱光を効率よくカットしている。高い光学系スループットと小さな集光ビームスポットを両立させるため、水浸対物レンズ4への照射レーザー径は、水浸対物レンズ4の入射径と等しい直径に設定される。   The water immersion objective lens 4 is a second condenser lens after the condenser lens 11. That is, the water immersion objective lens 4 is configured such that the focus of the laser light coincides with the focus of the water immersion objective lens 4 so that the laser light becomes one point in the solution sample 1. The second pinhole 5 is placed at the back focal point of the water immersion objective lens 4 to efficiently cut off the fine particle scattered light other than the focal point. In order to achieve both high optical system throughput and a small focused beam spot, the irradiation laser diameter to the water immersion objective lens 4 is set to a diameter equal to the incident diameter of the water immersion objective lens 4.

また、顕微光学系における空間分解能は、水浸対物レンズ4のNAとコンフォーカルピンホール径に大きく依存している。本実施形態では高空間分解能を達成するために、NA1.2以上の水浸対物レンズ4を用いる。また、水浸対物レンズ4と溶液容器2のカバーガラス2bと間は、エマルジョンウォーター(不図示)が充填されており、水浸対物レンズ4+エマルジョンウォーターの構成となっている。   The spatial resolution in the microscopic optical system greatly depends on the NA of the water immersion objective lens 4 and the confocal pinhole diameter. In the present embodiment, a water immersion objective lens 4 with NA of 1.2 or more is used to achieve high spatial resolution. Further, between the water immersion objective lens 4 and the cover glass 2b of the solution container 2, the emulsion water (not shown) is filled, and the structure is the water immersion objective lens 4 + emulsion water.

図1に示すような倒立型顕微鏡を用いる微粒子分散性評価装置では、レーザー照射と検出を同一の水浸対物レンズ4で行うことになる。焦点以外の溶液試料1中の深さ方向からの微粒子散乱光は、第2のピンホール5の位置で焦点を結ばないため、効率良く妨害光がカットされる。図1に示すように、非焦点からの反射光(散乱光)の行路を示す破線部分のほとんどの反射光が第2のピンホール5により遮蔽される。但し、水溶液中では収差の影響でビーム径が拡がりを見せるため、これらを水浸対物レンズ4やエマルジョンウォーターを用いて拡がりを押さえることが測定上必要となる。   In the fine particle dispersibility evaluation apparatus using an inverted microscope as shown in FIG. 1, laser irradiation and detection are performed by the same water immersion objective lens 4. Since the fine particle scattered light from the depth direction in the solution sample 1 other than the focal point is not focused at the position of the second pinhole 5, the interference light is efficiently cut. As shown in FIG. 1, most of the reflected light in the broken line portion indicating the path of reflected light (scattered light) from the non-focus is shielded by the second pinhole 5. However, since the beam diameter expands in the aqueous solution due to the influence of aberration, it is necessary for measurement to suppress the expansion using the water immersion objective lens 4 or emulsion water.

水浸対物レンズ+エマルジョンウォーターの構成は、一般には純水程度の屈折率を持つ蒸留水を水浸対物レンズ4と溶液容器2との間に満たして、空気とレンズの屈折の影響を排除する工夫がなされている。すなわち、乾燥系のレンズでは、レンズから空気、更に溶液容器2(カバーガラス2b)、そして溶液試料1と三箇所で光が通る媒質が変化し屈折が生じる。これに対して、水浸対物レンズ4と合わせて使用するエマルジョンウォーター用いると、光の屈折の影響(収差)を排除できるようになる。このことは、NAの大きな水浸対物レンズ4を用いた場合、溶液試料1内の空間分解能を高めるために有効な手立てとなる。   The structure of the immersion objective lens + emulsion water is generally filled with distilled water having a refractive index comparable to that of pure water between the immersion objective lens 4 and the solution container 2 to eliminate the influence of air and lens refraction. Ingenuity has been made. In other words, in a dry lens, the medium through which light passes from the lens to the air, the solution container 2 (cover glass 2b), and the solution sample 1 changes, and refraction occurs. On the other hand, when the emulsion water used in combination with the water immersion objective lens 4 is used, the influence (aberration) of light refraction can be eliminated. This is an effective means for increasing the spatial resolution in the solution sample 1 when the immersion objective lens 4 having a large NA is used.

また、本実施形態では、NA(開口数)が1.2以上となる水浸対物レンズ4とエマルジョンウォーターの組み合わせとなっている。水浸対物レンズ4のNAが1.2以上でなければ、深さ方向解析時の空間分解能を確保できず、特に溶液中の粒子径が0.5μm以下の場合は、明瞭な微粒子分散性評価が不可能になる。   In the present embodiment, a combination of the immersion objective lens 4 having an NA (numerical aperture) of 1.2 or more and emulsion water is used. If the NA of the water immersion objective lens 4 is not 1.2 or more, the spatial resolution at the time of depth direction analysis cannot be secured. Especially when the particle diameter in the solution is 0.5 μm or less, the fine particle dispersibility evaluation is clear. Becomes impossible.

NAは水浸対物レンズの性能を決める重要な値であり、焦点深度(空間分解能)、明るさに関係する値となる。NAが大きく成る程、空間分解能は向上する。NA(=Numerical Aperture)とも呼び、以下の式で表されるものである。但し、通常、市販の対物レンズであれば、単体のNAが記載されている。
NA=n・sinθ
(ここで、nは溶液試料1と対物レンズ4の間の媒質(ここではエマルジョンウォーター)の屈折率、θは光軸と水浸対物レンズの最も外側に入る光線とがなす角を示す。)なお、エマルジョンウィーターの屈折率に関しては、大凡、1.33を用いることができる。
NA is an important value that determines the performance of the water immersion objective lens, and is a value related to the depth of focus (spatial resolution) and brightness. As NA increases, spatial resolution improves. It is also called NA (= Numerical Aperture) and is represented by the following equation. However, in general, a single objective NA is described for a commercially available objective lens.
NA = n · sinθ
(Here, n is the refractive index of the medium (here, emulsion water) between the solution sample 1 and the objective lens 4, and θ is the angle formed by the optical axis and the light beam entering the outermost side of the immersion objective lens.) In addition, about 1.33 can be used about the refractive index of an emulsion eater.

また、図1に示すように、上記共焦点顕微光学系は、溶液試料1の焦点面と共役な関係にあるピンホール(第1のピンホール12,第2のピンホール5)を備えた共焦点顕微光学系である。すなわち、第1のピンホール12が集光レンズ11とビームスプリッター3との間に設けられ、第2のピンホール5がビームスプリッター3と検出部6との前に設けられて、2つのピンホールはそれぞれ焦点を有する共焦点の位置に有る。これにより、共焦点顕微光学系において、合焦点以外からの微粒子散乱光はピンホール12,5によってブロックされる。その結果、焦点以外の溶液試料1内からの不要光や微粒子散乱光をほぼ完全に取り除くことが可能となり、深さ方向に優れた空間分解能を達成することができる。   Further, as shown in FIG. 1, the confocal microscopic optical system includes a common pinhole (first pinhole 12 and second pinhole 5) having a conjugate relationship with the focal plane of the solution sample 1. It is a focus microscope optical system. That is, the first pinhole 12 is provided between the condenser lens 11 and the beam splitter 3, and the second pinhole 5 is provided in front of the beam splitter 3 and the detection unit 6, so that two pinholes are provided. Are in confocal positions, each having a focal point. As a result, in the confocal microscopic optical system, fine particle scattered light from other than the focal point is blocked by the pinholes 12 and 5. As a result, unnecessary light and fine particle scattered light from the solution sample 1 other than the focal point can be almost completely removed, and excellent spatial resolution in the depth direction can be achieved.

本実施形態の微粒子分散性評価装置では、溶液試料1にレーザー光軸を合わせた状態で、NDフィルター機能(図示していない)により、レーザー光強度を溶液試料1からのレイリー光成分を検出部6で検出可能な程度に弱めている。次いで、レイリー光成分を検出部6で検出して、後述するように、溶液試料1の深さ(Z)方向を含めたX−Y方向の微粒子散乱画像情報を取得可能にするものである。   In the fine particle dispersibility evaluation apparatus of the present embodiment, the laser light intensity is detected from the Rayleigh light component from the solution sample 1 by the ND filter function (not shown) while the laser optical axis is aligned with the solution sample 1. 6 is weak enough to be detected. Next, the Rayleigh light component is detected by the detection unit 6 so that fine particle scattering image information in the XY direction including the depth (Z) direction of the solution sample 1 can be acquired as will be described later.

上記検出部6は、分光手段と光検出手段とから構成される。このうち、分光手段としては、プリズムや回折格子により微粒子散乱光を分光する分光器が挙げられる。主な機能は、溶液試料1や微粒子からの微弱な蛍光やラマン光などの成分を波長成分で取り除く。分光器に入る直前光路上に焦点面と共役な点(エリア)がある場合には、その部分のX−Y平面内に2つの直行するスリット(クロススリット)を置く。これにより、スリットの組に共焦点光学系でいう共焦点ピンホール(第2のピンホール5)の役割を担わせることが可能であり、X−Y−Z軸方向の空間分解能が生じる。   The detection unit 6 includes a spectroscopic unit and a light detection unit. Among these, as the spectroscopic means, a spectroscope that separates fine particle scattered light by a prism or a diffraction grating can be cited. The main function is to remove components such as weak fluorescence and Raman light from the solution sample 1 and fine particles as wavelength components. When there is a point (area) conjugate with the focal plane on the optical path immediately before entering the spectroscope, two orthogonal slits (cross slits) are placed in the XY plane of that portion. Thereby, it is possible to make the set of slits play the role of a confocal pinhole (second pinhole 5) in the confocal optical system, and spatial resolution in the X, Y, and Z axis directions is generated.

また、上記光検出手段としては、シングルチャネル検出器(たとえば、フォトマル若しくはAPD:Avalanche Photodiode)が挙げられる。溶液試料1中に分散された微粒子の、分散性を評価するための微粒子散乱光は非常に微弱である。このため、レーザー波長域を含む検出波長域を有して量子効率の高い光電面を有するフォトマル若しくはAPDの様な高感度検出器を用いることが特に好適である。これにより、溶液試料1中の微弱な微粒子散乱光を検出することが可能となり、溶液試料1の深部にある微粒子の分散性を評価することも可能となる。第2のピンホール5を透過した微粒子散乱光は、検出部6に構成された分光器に入射し分散された後、この光検出手段で検出されるようになる。   Examples of the light detection means include a single channel detector (for example, photomultiplier or APD: Avalanche Photodiode). The fine particle scattered light for evaluating the dispersibility of the fine particles dispersed in the solution sample 1 is very weak. For this reason, it is particularly preferable to use a high-sensitivity detector such as a photomultiplier or APD having a photocathode with high quantum efficiency and having a detection wavelength range including a laser wavelength range. As a result, it is possible to detect weak fine particle scattered light in the solution sample 1 and to evaluate the dispersibility of the fine particles in the deep part of the solution sample 1. The fine particle scattered light that has passed through the second pinhole 5 enters the spectroscope configured in the detection unit 6 and is dispersed, and then is detected by this light detection means.

次に、上記構成の微粒子分散性評価装置による、溶液容器2内の溶液試料1における微粒子分散性に関する測定を詳細に説明する。   Next, the measurement regarding the fine particle dispersibility in the solution sample 1 in the solution container 2 by the fine particle dispersibility evaluation apparatus having the above configuration will be described in detail.

1.溶液試料の設置
溶液容器2として用いるΦ35mmのガラスボトムディッシュを設置し、ディッシュ部2a内に微粒子が分散された溶液試料1を滴下し、これを載置台13のホルダー15に設置する。そして、図3に示すように、溶液容器2のカバーガラス2b面が図中一点鎖線で示すレーザー光軸に対して垂直になるように、X−Y断面の取得画像を見ながら、ホルダー15内のチルト調整機構で傾きの微調整を行う。
1. Installation of Solution Sample A φ35 mm glass bottom dish used as the solution container 2 is installed, the solution sample 1 in which fine particles are dispersed in the dish portion 2 a is dropped, and this is installed in the holder 15 of the mounting table 13. Then, as shown in FIG. 3, while looking at the acquired image of the XY cross section so that the cover glass 2b surface of the solution container 2 is perpendicular to the laser optical axis indicated by the alternate long and short dash line in the figure, The tilt adjustment mechanism is used to finely adjust the tilt.

レーザー光軸に対して溶液容器2のカバーガラス2b面に僅かな傾きがあると、溶液試料1の微粒子の沈降性評価の為にX−Y断面の微粒子散乱画像を取得しようとしても、適切な微粒子散乱画像の取得が不可能になる場合がある。微粒子共焦点光学系の焦点位置がX−Y走査時にカバーガラス2b面からずれてしまい、カバーガラス2b面上に沈降した微粒子の微粒子散乱画像を取得できないためである。   If the surface of the cover glass 2b of the solution container 2 is slightly inclined with respect to the laser optical axis, it is appropriate to obtain a fine particle scattering image of the XY cross section for evaluating sedimentation of the fine particles of the solution sample 1. It may be impossible to acquire a particle scattering image. This is because the focal position of the fine particle confocal optical system is shifted from the cover glass 2b surface during XY scanning, and a fine particle scattering image of the fine particles settled on the cover glass 2b surface cannot be acquired.

2.溶液試料中の微粒子散乱画像情報取得
次に、水浸対物レンズ4と溶液容器2のカバーガラス2bとの間にエマルジョンンウォーターとなる純水(不図示)を満たす。レーザー光源10より出射され、集光レンズ11、第1のピンホール12を経た拡散するレーザー光束を、ビームスプリッター3を介して水浸対物レンズ4に導く。水浸対物レンズ4に導かれたレーザー光束は、エマルジョンウォーターを透過して、溶液容器2内の溶液試料1内に集光される。
2. Acquisition of Fine Particle Scattering Image Information in Solution Sample Next, pure water (not shown) serving as emulsion water is filled between the water immersion objective lens 4 and the cover glass 2b of the solution container 2. A laser beam emitted from the laser light source 10 and diffused through the condenser lens 11 and the first pinhole 12 is guided to the water immersion objective lens 4 through the beam splitter 3. The laser beam guided to the water immersion objective lens 4 passes through the emulsion water and is condensed in the solution sample 1 in the solution container 2.

溶液試料1内に集光された光束は、溶液試料1から微粒子散乱光情報を含んだ光として反射され、ガラスカバー2b、エマルジョンウォーター、水浸対物レンズ4を経て集束しつつビームスプリッター3に戻る。ビームスプリッター3に戻った光は、ビームスプリッター3の特性により、微粒子散乱光を含んだレイリー光の一部が検出部6側に向かうようになる。   The light beam condensed in the solution sample 1 is reflected from the solution sample 1 as light containing fine particle scattered light information, and returns to the beam splitter 3 while being focused through the glass cover 2b, the emulsion water, and the water immersion objective lens 4. . Due to the characteristics of the beam splitter 3, a part of the Rayleigh light including the fine particle scattered light is directed toward the detection unit 6 in the light returned to the beam splitter 3.

ビームスプリッター3から検出部6に導かれるレイリー光は、フィルター光学素子7を透過する。フィルター光学素子7を透過したレイリー光は、さらに集光位置に配置された第2のピンホール5を透過して、検出部6に導かれる。そして、検出部6に構成された分光器に入射し分散された後、検出部6で微粒子散乱光の強度が検出される。   Rayleigh light guided from the beam splitter 3 to the detection unit 6 passes through the filter optical element 7. The Rayleigh light that has passed through the filter optical element 7 further passes through the second pinhole 5 disposed at the condensing position and is guided to the detection unit 6. Then, after entering and dispersing in the spectroscope configured in the detection unit 6, the intensity of the fine particle scattered light is detected by the detection unit 6.

このような状態で、先ずはホルダー15内の振とう機構(ピエゾ機構)で溶液容器2を振動させ、溶液試料1中の微粒子を十分に振とうさせる。その後、ガルバノスキャナー等の光学的なX−Y走査系で溶液試料1内をレーザー光走査する。並行して、溶液試料1の入った溶液容器2を把持するホルダー15に対して、対物レンズホルダー14を必要に応じてZ軸方向にピエゾ駆動或いはステッピングモータ移動機構により走査させる。これによって、溶液試料1の所定位置でのX−Y方向のレイリー光の検出を行う。すなわち、レーザー光と同一波長の散乱光強度プロファイルを検出部6の検出器で測定して溶液試料1における微粒子の散乱画像情報を取り出す。この場合、測定中はホルダー15の振とう機能は停止させる。   In such a state, first, the solution container 2 is vibrated by the shaking mechanism (piezo mechanism) in the holder 15 to sufficiently shake the fine particles in the solution sample 1. Thereafter, the inside of the solution sample 1 is scanned with a laser beam by an optical XY scanning system such as a galvano scanner. In parallel, the objective lens holder 14 is scanned in the Z-axis direction by a piezo drive or a stepping motor moving mechanism with respect to the holder 15 holding the solution container 2 containing the solution sample 1 as necessary. As a result, Rayleigh light in the XY directions at a predetermined position of the solution sample 1 is detected. That is, the scattered light intensity profile having the same wavelength as that of the laser light is measured by the detector of the detection unit 6 to extract the scattered image information of the fine particles in the solution sample 1. In this case, the shaking function of the holder 15 is stopped during the measurement.

この時、微粒子散乱画像となるレイリー光を取得できるようにする為には、水溶液と微粒子(酸化チタン)との複素屈折率差が重要となり、次式
反射率R=((N−N1)+κ)/(N+N1)+κ
N:微粒子(酸化チタン)の屈折率
N1:水溶液の屈折率
κ:微粒子(酸化チタン)の消光係数
より、粒子界面での反射率Rを見出すことが可能となる。一般に、屈折率差が大きくなれば散乱光を確保しやすくなるが、その場合は、散乱の影響(広義の吸収:ランバート・ベールの法則)で、光の透過性の低下を誘発することとなる。
At this time, in order to be able to acquire Rayleigh light that becomes a fine particle scattering image, the complex refractive index difference between the aqueous solution and the fine particles (titanium oxide) is important, and the following formula: reflectance R = ((N−N1) 2 + Κ 2 ) / (N + N1) 2 + κ 2 )
N: Refractive index of fine particles (titanium oxide)
N1: Refractive index of aqueous solution
κ: The reflectance R at the particle interface can be found from the extinction coefficient of the fine particles (titanium oxide). In general, the larger the difference in refractive index, the easier it is to secure scattered light, but in that case, the effect of scattering (absorption in a broad sense: Lambert-Beer's law) will induce a decrease in light transmission. .

そして、検出された微粒子散乱光を用いて、微粒子散乱画像を、深さ方向を含むX−Y−Zの位置ごとにプロットして、例えばX−Y断面の深さ(Z)方向の位置毎の微粒子分散状態プロファイルを得る。以上の処理により、微粒子を含んだ溶液試料1から高い空間分解能条件下での微粒子分散性画像取得が可能となる。観察結果としては、X−Y断面における微粒子マッピングデータ及びX−Z断面における微粒子マッピングデータ或いは3Dでの微粒子マッピングデータが得られれば、溶液試料1中の定性的な微粒子の分散状態を評価することが可能である。   Then, using the detected fine particle scattered light, the fine particle scattered image is plotted for each position in the XYZ including the depth direction, for example, for each position in the depth (Z) direction of the XY cross section. To obtain a fine particle dispersion state profile. With the above processing, it is possible to acquire a fine particle dispersive image under a high spatial resolution condition from the solution sample 1 containing fine particles. As an observation result, if fine particle mapping data in the XY cross section, fine particle mapping data in the XZ cross section, or 3D fine particle mapping data is obtained, the qualitative fine particle dispersion state in the solution sample 1 is evaluated. Is possible.

さらに、画像処理部8により、得られた微粒子散乱画像に画像解析のような手法、例えば任意の画像範囲毎における輝度の分散値を求める等の定量化手法を施すことができる。これにより、定量的に溶液中の微粒子の分散状態を評価することができる。   Further, the image processing unit 8 can apply a technique such as image analysis to the obtained particle scattering image, for example, a quantification technique such as obtaining a luminance dispersion value for each arbitrary image range. Thereby, the dispersion state of the fine particles in the solution can be evaluated quantitatively.

定量化手法の一例を、図4のフローチャートに示す。
(Step1)
X−Y断面における微粒子散乱画像を取得する。
(Step2)
取得した微粒子散乱画像に対して、任意の画素長さを持つ矩形型の任意の画素領域を決定する。
(Step3)
画素領域内の微粒子散乱画像の各画素の光の強度にあたる輝度の特徴量(輝度の分散値や平均輝度値など)を算出する。
(Step4)
(Step2)(Step3)を繰り返し、微粒子散乱画像に対して、例えば図5に示すように任意の多数の画素領域内で輝度の分散値を算出する。なお、図6では、画素領域を大きくすることで、一つの画素領域内での輝度の分散値を得ている。
(Step5)
各画素領域内で各画素の輝度の分散値或いは標準偏差値を分散状態の特徴量として算出し、該複数の画素領域の特徴量でヒストグラム化する。
(Step6)
ヒストグラムと微粒子が分散された溶液試料の特性との対応をとり、必要な閾値を設定して良・不良の判定を行う。
An example of the quantification method is shown in the flowchart of FIG.
(Step 1)
A fine particle scattering image in the XY cross section is acquired.
(Step 2)
An arbitrary rectangular pixel area having an arbitrary pixel length is determined for the acquired particle scattering image.
(Step 3)
A luminance feature amount (luminance dispersion value, average luminance value, etc.) corresponding to the light intensity of each pixel of the particle scattering image in the pixel region is calculated.
(Step 4)
(Step 2) (Step 3) are repeated, and the dispersion value of the luminance is calculated for a fine particle scattering image within an arbitrary number of pixel regions as shown in FIG. 5, for example. In FIG. 6, the luminance dispersion value in one pixel area is obtained by enlarging the pixel area.
(Step 5)
In each pixel area, the luminance dispersion value or standard deviation value of each pixel is calculated as a feature value in a dispersed state, and a histogram is formed using the feature values in the plurality of pixel areas.
(Step 6)
Correspondence between the histogram and the characteristics of the solution sample in which fine particles are dispersed is taken, and a necessary threshold value is set to determine whether the sample is good or bad.

この際、区画された各画素領域内を一つの度数として度数分布図を作成し、縦軸が領域度数、横軸が特徴量のデータ区間となるヒストグラム(例えば、図7(a)、(b))とする。これにより、例えば分散性が良い「分散性:良」サンプルに対する「分散性:不良」サンプルの判定を、閾値を設定することで定量的に行うことが可能となってくる。また縦軸が特徴量、横軸がラベリングされた各画素領域となるヒストグラムを作成することで、そのサンプル内のどの辺り(エリア)の分散状態が悪いのかを定量的に判定することも可能となる。   At this time, a frequency distribution chart is created with each divided pixel area as one frequency, and a histogram (for example, FIGS. 7A and 7B, in which the vertical axis is the area frequency and the horizontal axis is the feature data section. )). This makes it possible to quantitatively determine the “dispersibility: bad” sample with respect to the “dispersibility: good” sample having good dispersibility, for example, by setting a threshold value. It is also possible to quantitatively determine which area (area) in the sample is poorly distributed by creating a histogram in which the vertical axis is a feature amount and the horizontal axis is a labeled pixel area. Become.

上記定量化手法において、任意の画素領域は、微粒子の粒径・含有率によって凝集状態の注目すべき範囲が変わるため可変可能でありその範囲は矩形型であることが好ましい。これは、人が目視で画像上の画素&輝度の粗密を評価しているアルゴリズムに従っており、人が細かい領域を評価する時は狭い領域の輝度のバラツキを、大きな輝度ムラのドメインを見るときは広い領域の輝度のバラツキを見ていることに準拠している。また分散状態の特徴量としては、画素領域毎の輝度の分散値、或いは輝度の標準偏差を求めることが好適である。これにより溶液中の微粒子の分散性評価を良好に行うことができる。   In the quantification method described above, an arbitrary pixel region can be changed because a remarkable range of the aggregation state varies depending on the particle size and content ratio of the fine particles, and the range is preferably rectangular. This is based on an algorithm in which humans visually evaluate the pixel & luminance density of an image, and when a human evaluates a fine area, the luminance variation of a narrow area is observed, and when a domain of large luminance unevenness is viewed. This is based on viewing the luminance variation in a wide area. Further, as the feature value in the dispersed state, it is preferable to obtain a luminance dispersion value or a luminance standard deviation for each pixel region. Thereby, dispersibility evaluation of the fine particles in the solution can be performed satisfactorily.

以下、本実施形態に係る微粒子分散性評価装置及び微粒子分散性評価方法を実施例及び比較例に基づき説明する。
[実施例1]
以下の条件で、微粒子が分散された溶液試料(白色インク)の酸化チタン微粒子分散性評価を行った。
(1)溶液試料(白色インク)
溶液試料1として顔料分散剤、バインダー及び水を含有する液に一次粒子径0.25μmの酸化チタン微粒子が分散された白色インクを準備した。
Hereinafter, the fine particle dispersibility evaluation apparatus and the fine particle dispersibility evaluation method according to the present embodiment will be described based on examples and comparative examples.
[Example 1]
Under the following conditions, the titanium oxide fine particle dispersibility evaluation of the solution sample (white ink) in which the fine particles are dispersed was performed.
(1) Solution sample (white ink)
As a solution sample 1, a white ink in which titanium oxide fine particles having a primary particle diameter of 0.25 μm were dispersed in a liquid containing a pigment dispersant, a binder, and water was prepared.

(2)微粒子分散性評価装置
図1に示す構成
・レーザー光源10;レーザー光波長 488nm
・水浸対物レンズ4;水浸対物レンズ(Nikon CFI Plan Apo 60× NA=1.25(屈折率1.33のエマルジョンウォーターをカバーガラス2bと対物レンズ4の間に充填)
なお、エマルジョンウォーターの屈折率は、一般的な純水の複素屈折率(N=1.333、κ=0)をそのまま用いた。
(2) Fine particle dispersibility evaluation apparatus Configuration shown in FIG. 1; laser light source 10; laser light wavelength 488 nm
Water immersion objective lens 4; water immersion objective lens (Nikon CFI Plan Apo 60 × NA = 1.25 (filled between the cover glass 2b and the objective lens 4 with emulsion water having a refractive index of 1.33)
In addition, the refractive index of emulsion water used the complex refractive index (N = 1.333, (kappa = 0)) of general pure water as it was.

(3)測定手順
まず、酸化チタン微粒子が分散された溶液試料1(白色インク)を、マイクロピペットで適量溶液容器2に滴下し、振とう機能を有するホルダー15で溶液容器2を把持して載置台13上に載置する。この際、測定直前まで振とう機能(ピエゾ振動機構)により溶液試料1を振とうし、溶液試料1中の酸化チタン微粒子を均一分散させておく。次に、図1に示す装置構成とし、水浸対物レンズ4を準備し、酸化チタン微粒子を含んだ溶液試料1との間にエマルジョンウォーター(不図示)を充填する。エマルジョンウォーターを充填してからは、振とう機能は停止させた方が好適である。測定はこの後、迅速に行うことが可能なので、微粒子の沈降などは殆ど心配する必要が無い。
(3) Measurement procedure First, an appropriate amount of solution sample 1 (white ink) in which titanium oxide fine particles are dispersed is dropped onto the solution container 2 with a micropipette, and the solution container 2 is held and mounted by a holder 15 having a shaking function. Place on the table 13. At this time, the solution sample 1 is shaken by a shaking function (piezo vibration mechanism) until immediately before the measurement, and the titanium oxide fine particles in the solution sample 1 are uniformly dispersed. Next, with the apparatus configuration shown in FIG. 1, a water immersion objective lens 4 is prepared, and emulsion water (not shown) is filled between the solution sample 1 containing fine titanium oxide particles. It is preferable to stop the shaking function after the emulsion water is filled. Since the measurement can be performed quickly thereafter, there is almost no need to worry about sedimentation of fine particles.

そして、レーザー光源10からのレーザー励起光の光束を水浸対物レンズ4で集光し、溶液試料1が滴下された溶液容器2のカバーガラス2b面から深さ方向(Z方向)数μmの位置に照射する。溶液容器2内の溶液試料1をガルバノスキャナーでX−Y方向に走査して、溶液試料1から微弱な酸化チタン微粒子の散乱画像を検出部6の検出器(光電面がGaAsPのAPD)に導いて微粒子散乱画像を取得した。   Then, the light beam of the laser excitation light from the laser light source 10 is condensed by the water immersion objective lens 4, and the position in the depth direction (Z direction) several μm from the cover glass 2b surface of the solution container 2 on which the solution sample 1 is dropped. Irradiate. The solution sample 1 in the solution container 2 is scanned in the XY direction by a galvano scanner, and a scattered image of weak titanium oxide fine particles from the solution sample 1 is guided to the detector of the detection unit 6 (photoelectric surface is GaAsP APD). A fine particle scattering image was obtained.

図5は、酸化チタン微粒子が分散された溶液試料1から取得された微粒子散乱画像(X−Y断面)の一例で、155×155μm領域を512×512画素、256階調で示した図である。また、図5は、取得された微粒子散乱画像のうち、40×40画素の任意の画素領域を特定した一例を示す図である。図5に示す結果からわかるように、溶液試料中に一次粒子径0.25μmの酸化チタン微粒子が均一に分散している状態が確認された。   FIG. 5 is an example of a fine particle scattering image (XY cross section) acquired from the solution sample 1 in which titanium oxide fine particles are dispersed, and is a diagram showing a 155 × 155 μm region with 512 × 512 pixels and 256 gradations. . FIG. 5 is a diagram showing an example in which an arbitrary pixel region of 40 × 40 pixels is specified in the acquired particle scattering image. As can be seen from the results shown in FIG. 5, it was confirmed that titanium oxide fine particles having a primary particle diameter of 0.25 μm were uniformly dispersed in the solution sample.

さらに、画像処理部8内において、図4に示すフローに従って、定量化手法による処理を施した。ここで、図5に示す取得画像に対して、横方向40画素、縦方向40画素の任意の画素領域を決定し(図5は結果の一例)、各画素領域内の輝度の特徴量として輝度の分散値を算出した。これを繰り返して、任意の多数の画素領域内で輝度の分散値を計算し、ヒストグラム(図7は結果の一例)を作成した。多数の水溶液中の酸化チタン微粒子の分散性の良好サンプルと不良サンプルを測定することで、良・不良評価の為の閾値をヒストグラム上で選択した。これにより、溶液試料1における酸化チタン微粒子の分散性を定量的に評価した。   Further, in the image processing unit 8, processing by a quantification method was performed according to the flow shown in FIG. Here, an arbitrary pixel area of 40 pixels in the horizontal direction and 40 pixels in the vertical direction is determined with respect to the acquired image shown in FIG. The variance value of was calculated. By repeating this, the variance value of the luminance was calculated in an arbitrary number of pixel regions, and a histogram (FIG. 7 shows an example of the result) was created. By measuring samples with good dispersibility and bad samples of titanium oxide fine particles in a large number of aqueous solutions, threshold values for good / bad evaluation were selected on the histogram. Thereby, the dispersibility of the titanium oxide fine particles in the solution sample 1 was quantitatively evaluated.

[実施例2]
実施例1と同様に、そして、レーザー光源10からのレーザー励起光の光束を水浸対物レンズ4で集光し、溶液試料1が滴下された溶液容器2のカバーガラス2b面から深さ方向(Z方向)数μmの位置に照射する。溶液容器2内の溶液試料1をガルバノスキャナーでX−Y方向に走査して、溶液試料1から微弱な酸化チタン微粒子の散乱画像を検出部6の検出器(光電面がGaAsPのAPD)に導いて微粒子散乱画像を取得した。図8は、酸化チタン微粒子が分散された溶液試料1から取得された微粒子散乱画像(X−Y断面)の一例である。その後、画像処理部8内において、図4に示すフローに従って、定量化手法による処理を施し、微粒子分散性を定量的に評価した。
[Example 2]
As in the first embodiment, the luminous flux of the laser excitation light from the laser light source 10 is condensed by the water immersion objective lens 4, and the depth direction (from the cover glass 2b surface of the solution container 2 onto which the solution sample 1 is dropped) Irradiate a position of several μm in the Z direction). The solution sample 1 in the solution container 2 is scanned in the XY direction by a galvano scanner, and a scattered image of weak titanium oxide fine particles from the solution sample 1 is guided to the detector of the detection unit 6 (photoelectric surface is GaAsP APD). A fine particle scattering image was obtained. FIG. 8 is an example of a fine particle scattering image (XY cross section) acquired from the solution sample 1 in which titanium oxide fine particles are dispersed. Thereafter, in the image processing unit 8, processing by a quantification method was performed according to the flow shown in FIG. 4 to quantitatively evaluate the fine particle dispersibility.

またこの際、ピンホールサイズを小さくして光学的な空間分解能が浅くなっている条件で、載置台13上のホルダー15に担持された溶液容器2のカバーガラス2b面に傾きがあった。そのため、沈降性の評価のためにホルダー15に内蔵されるチルト調整機構を用いて、溶液容器2のカバーガラス2b面の傾き補正を事前に行った。これにより、溶液容器2のカバーガラス2b面に沈降された酸化チタン微粒子を適正な微粒子散乱画像を取得することができ、経時での酸化チタン微粒子の沈降状態を知ることができる。   At this time, the surface of the cover glass 2b of the solution container 2 carried on the holder 15 on the mounting table 13 was inclined under the condition that the pin hole size was reduced and the optical spatial resolution was shallow. Therefore, the tilt correction of the cover glass 2b surface of the solution container 2 was performed in advance using a tilt adjustment mechanism built in the holder 15 for the evaluation of sedimentation. Thereby, an appropriate fine particle scattering image can be acquired for the titanium oxide fine particles settled on the cover glass 2b surface of the solution container 2, and the sedimentation state of the titanium oxide fine particles over time can be known.

[比較例1]
溶液容器2を把持するホルダー15として、振とう機能を有しないホルダーを用いて、実施例1と同様に微粒子散乱画像を取得した。溶液試料1を滴下した溶液容器2をセットした直後から、比重の重い金属酸化物となる酸化チタン微粒子が沈降し始めてしまい、図9に示すように、溶液試料1中の分散された酸化チタン微粒子の好適な微粒子散乱画像を取得することができなかった。
[Comparative Example 1]
A fine particle scattering image was acquired in the same manner as in Example 1 by using a holder that does not have a shaking function as the holder 15 that holds the solution container 2. Immediately after setting the solution container 2 to which the solution sample 1 is dropped, titanium oxide fine particles that become a metal oxide having a high specific gravity begin to settle, and as shown in FIG. 9, dispersed titanium oxide fine particles in the solution sample 1 No suitable fine particle scattering image could be obtained.

[比較例2]
従来の、光検出手段により検出された光の強度に基づき微粒子分散性の定量評価のための画像処理を行う画像処理部8を備えていない構成の溶液試料1中の微粒子分散性評価装置を用いた。しかし、市販装置標準装備の画像計測を主とした解析ソフトウェアでは取得した多画素・多値画像の輝度の分散値計算を任意の画素サイズで行うことが不可能であった。そのため、得られた酸化チタン微粒子の存在を表す取得画像中の輝度情報を用いた定量化を行うことが出来なかった。
[Comparative Example 2]
A conventional apparatus for evaluating fine particle dispersibility in a solution sample 1 having a configuration that does not include an image processing section 8 that performs image processing for quantitative evaluation of fine particle dispersibility based on the intensity of light detected by a light detection means is used. It was. However, it is impossible to calculate the dispersion value of the luminance of the acquired multi-pixel / multi-value image with an arbitrary pixel size by using the analysis software mainly for image measurement equipped as a standard equipment on the market. Therefore, it was not possible to perform quantification using luminance information in the acquired image representing the presence of the obtained titanium oxide fine particles.

[比較例3]
実施例1と同様に、レーザー励起光の光束を水浸対物レンズ4で集光して微粒子を分散させた溶液試料1が滴下された溶液容器2のカバーガラス2bの底面の1点に照射し、ガルバノスキャナーによってX−Y方向に走査する。沈降状態にある溶液試料1から微弱な酸化チタン微粒子の散乱画像を検出部6の検出器(光電面がGaAsPのAPD)に導いて、微粒子散乱画像を取得した。
[Comparative Example 3]
As in the first embodiment, the laser excitation light beam is condensed by the water immersion objective lens 4 and irradiated to one point on the bottom surface of the cover glass 2b of the solution container 2 onto which the solution sample 1 in which the fine particles are dispersed is dropped. Scan in the XY direction by a galvano scanner. A scattering image of weak titanium oxide fine particles from the solution sample 1 in a settling state was guided to a detector (APD having a photocathode of GaAsP on the photocathode) of the detection unit 6 to obtain a fine particle scattering image.

この際、ホルダー15にチルト調整機構を設けず溶液容器2のチルト(傾き)調整を行わなかったが、載置台13上のホルダー15に把持された溶液容器の底面(カバーガラス2b)に傾きがあった。そのため、溶液容器2の底面(カバーガラス2b)に接した面のX−Y方向の微粒子散乱画像では、走査した際の測定ポイントの一部がカバーガラス2b面から離れてしまった。その結果、微粒子散乱X−Y二次元画像が途中で途切れるなど、適正な微粒子散乱画像を取得することが出来なかった。   At this time, the tilt adjustment mechanism of the solution container 2 was not provided without providing the tilt adjustment mechanism in the holder 15, but the inclination of the bottom surface (cover glass 2 b) of the solution container held by the holder 15 on the mounting table 13 was not achieved. there were. Therefore, in the fine particle scattering image in the XY direction on the surface in contact with the bottom surface of the solution container 2 (the cover glass 2b), a part of the measurement point at the time of scanning has moved away from the cover glass 2b surface. As a result, an appropriate fine particle scattering image could not be acquired, for example, the fine particle scattering XY two-dimensional image was interrupted.

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
(態様A)
溶液中に微粒子が分散してなる溶液試料1などの溶液試料の入る溶液容器2などの溶液容器を把持するホルダー15などの把持部材と、レーザー光源10などのレーザー光源と、溶液試料にレーザー光を照射すると共に、溶液試料からの微弱な微粒子散乱光を含むレイリー光を受光するビームスプリッター3などの分離光学素子、水浸対物レンズ4などの水浸対物レンズ、及び焦点面と共役な関係にあるピンホール5,12などのピンホールを備える共焦点顕微光学系と、分離光学素子を経由した光におけるレイリー光を透過するフィルター光学素子7などのフィルター光学素子と、フィルター光学素子を透過した光を分光する分光手段と、分光手段により分光された光の強度を検出する検出部6などの光検出手段と、レーザー光を溶液試料に対して溶液試料の深さ方向及び平面方向に相対的に走査可能な走査機構とを備え、溶液試料における微粒子の分散性を評価する微粒子分散性評価装置において、上記把持部材に把持される溶液容器を振とうさせる振とう機構と、上記光検出手段により検出された光の強度に基づき深さ方向及び平面方向に関する2次元画像データを構築し、該データから微粒子分散性の定量評価のための画像処理をおこなう画像処理部8などの画像処理部とを備える。
これによれば、上記実施形態で説明したように、溶液容器内の溶液試料が振とう機構によって振とうされるので、溶液試料中の微粒子が沈降することが抑制され、微粒子の分散状態を適正に評価することが可能となる。また、上記実験結果からもわかるように、画像処理部によって微粒子の存在を示す画像データから微粒子の分散状態を定量的に評価することが可能となる。これにより、溶液中に分散した微粒子の正確な分散状態を、希釈溶液を作製することなく高濃度の状態のまま簡便・迅速に得ることができる。
What has been described above is merely an example, and the present invention has a specific effect for each of the following modes.
(Aspect A)
A holding member such as a holder 15 for holding a solution container such as a solution container 2 in which a solution sample such as a solution sample 1 in which fine particles are dispersed in a solution, a laser light source such as a laser light source 10, and a laser beam on the solution sample. In a conjugate relationship with a separation optical element such as a beam splitter 3 that receives Rayleigh light including weak fine particle scattered light from a solution sample, a water immersion objective lens such as a water immersion objective lens 4, and a focal plane. A confocal microscopic optical system having pinholes such as certain pinholes 5 and 12, a filter optical element such as a filter optical element 7 that transmits Rayleigh light in light that has passed through the separation optical element, and light that has passed through the filter optical element A spectroscopic means for splitting the light, a light detecting means such as a detecting section 6 for detecting the intensity of the light split by the spectroscopic means, and a laser beam as a solution sample In contrast, in the fine particle dispersibility evaluation apparatus, which includes a scanning mechanism capable of relatively scanning in the depth direction and the plane direction of the solution sample, and evaluates the dispersibility of the fine particles in the solution sample, the solution container held by the holding member A two-dimensional image data in the depth direction and the plane direction is constructed based on the shaking mechanism for shaking the light and the intensity of the light detected by the light detection means, and an image for quantitative evaluation of the fine particle dispersibility from the data And an image processing unit such as an image processing unit 8 that performs processing.
According to this, as described in the above embodiment, the solution sample in the solution container is shaken by the shaking mechanism, so that the settling of the fine particles in the solution sample is suppressed, and the dispersion state of the fine particles is set appropriately. It becomes possible to evaluate. As can be seen from the experimental results, the image processing unit can quantitatively evaluate the dispersion state of the fine particles from the image data indicating the presence of the fine particles. As a result, an accurate dispersion state of the fine particles dispersed in the solution can be obtained easily and quickly in a high concentration state without preparing a diluted solution.

(態様B)
(態様A)の微粒子分散性評価装置において、上記把持部材は、上記溶液容器の底面を水平ならしめるチルト調整機構を有する。
これによれば、上記実施形態で説明したように、チルト調整機構で予め溶液容器の傾き微調整を行い、レーザー光の平面方向(X−Y)走査面と微粒子を含んだ溶液容器底面の平行を保つことができる。これにより、溶液容器底面に沈降している微粒子の適正な微粒子散乱画像を取得できるようになる。特に、経時での微粒子の沈降状態を適正に評価することが可能となる。
(Aspect B)
In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to (Aspect A), the gripping member has a tilt adjustment mechanism for leveling the bottom surface of the solution container.
According to this, as described in the above embodiment, the tilt adjustment mechanism performs fine adjustment of the tilt of the solution container in advance, and the parallel (X-Y) scanning plane of the laser beam and the bottom of the solution container containing fine particles are parallel. Can keep. This makes it possible to acquire an appropriate fine particle scattering image of the fine particles that have settled on the bottom surface of the solution container. In particular, it is possible to appropriately evaluate the sedimentation state of the fine particles over time.

(態様C)
(態様A)又は(態様B)の微粒子分散性評価装置において、上記画像処理部は、上記溶液試料の深さ方向又は平面方向におけるレーリー光の強度の分布から微粒子散乱光による深さ位置毎の微粒子散乱画像を取得し、該微粒子散乱画像の任意の画素領域を複数定め、各画素領域内で各画素の輝度の分散値或いは標準偏差値を分散状態の特徴量として算出し、該複数の画素領域の特徴量をヒストグラム化する。
これによれば、上記実施形態について説明したように、溶液中に分散した微粒子の分散状態を定量的に評価することが可能となるので、微粒子の分散状態を、希釈溶液を作製することなく高濃度の状態のまま簡便・迅速に得ることができる。
(Aspect C)
In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to (Aspect A) or (Aspect B), the image processing unit may determine the depth distribution of the Rayleigh light in the depth direction or the planar direction of the solution sample for each depth position by the fine particle scattered light. A fine particle scattering image is acquired, a plurality of arbitrary pixel regions of the fine particle scattering image are determined, a luminance dispersion value or a standard deviation value of each pixel is calculated as a feature value of the dispersion state in each pixel region, and the plurality of pixels Histogram of region feature values.
According to this, as described in the above embodiment, since it is possible to quantitatively evaluate the dispersion state of the fine particles dispersed in the solution, the dispersion state of the fine particles can be increased without preparing a diluted solution. It can be obtained easily and quickly in the concentration state.

(態様D)
(態様C)の微粒子分散性評価装置において、上記画素領域の画素範囲は、矩形型であり、縦・横の画素数を自由に可変できる。
これによれば、上記実施形態について説明したように、微粒子の粒径・含有率によって凝集状態の注目すべき範囲がかわることに対応でき、溶液中に分散した微粒子の分散状態を適正に評価することができる。
(Aspect D)
In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to (Aspect C), the pixel range of the pixel region is rectangular, and the number of vertical and horizontal pixels can be freely changed.
According to this, as described in the above embodiment, it is possible to cope with the remarkable range of the aggregation state depending on the particle size / content ratio of the fine particles, and appropriately evaluate the dispersion state of the fine particles dispersed in the solution. be able to.

(態様E)
(態様C)において、上記画像処理部は、順次ラベリングされた各画素領域内の分散状態の特徴量をヒストグラム化し、該特徴量の数値閾値を設定することにより画素領域毎の良否を判定する。
これによれば、上記実施形態について説明したように、その溶液試料内のどの場所の分散状態が悪いのかを定量的に評価することが可能となる。
(Aspect E)
In (Aspect C), the image processing unit histograms the feature quantities in the dispersed state in each pixel area that is sequentially labeled, and determines pass / fail for each pixel area by setting a numerical threshold value of the feature quantities.
According to this, as described in the above embodiment, it is possible to quantitatively evaluate which place in the solution sample is poorly dispersed.

(態様F)
(態様C)において、上記画像処理部は、各画素領域内の分散状態の特徴量で定めた数値幅に、各領域を一つの度数としてプロットした度数分布図を作成してヒストグラム化し、該特徴量の数値範囲に閾値を設定することにより分散状態の良否を判定する。
これによれば、上記実施形態について説明したように、例えば分散性が良い「分散性良サンプル」に対する「分散性不良サンプル」の判定を定量的に行うことが可能となる。
(Aspect F)
In (Aspect C), the image processing section creates a histogram by creating a frequency distribution diagram in which each area is plotted as one frequency within a numerical value range determined by the feature value of the dispersion state in each pixel area, The quality of the distributed state is determined by setting a threshold value in the numerical value range.
According to this, as described in the above embodiment, for example, it is possible to quantitatively determine “a sample with poor dispersibility” for a “sample with good dispersibility” with good dispersibility.

(態様G)
分離光学素子、水浸対物レンズ、及び焦点面と共役な関係にあるピンホールを有する共焦点顕微光学系により、溶液中に微粒子が分散された溶液試料にレーザー光を照射すると共に、該溶液試料からの微粒子散乱光を含む光を受光して、微粒子散乱光に含まれるレイリー光の強度を検出して微粒子分散状態を評価する微粒子分散性評価方法において、上記溶液試料が収容される溶液容器を振とうさせた後、レーザー光を該溶液試料の深さ方向及び平面方向に照射して、上記レイリー光の強度に基づき深さ方向及び平面方向に関する2次元画像データを構築し、該データから微粒子分散性の定量評価をおこなう。
これによれば、上記実施形態で説明したように、溶液容器内の溶液試料が振とう機構によって振とうされるので、溶液試料中の微粒子が沈降することが抑制され、微粒子の分散状態を適正に評価することが可能となる。また、上記実験結果からもわかるように、画像処理部によって微粒子の存在を示す画像データから微粒子の分散状態を定量的に評価することが可能となる。これにより、溶液中に分散した微粒子の正確な分散状態を、希釈溶液を作製することなく高濃度の状態のまま簡便・迅速に得ることができる。
(Aspect G)
A confocal microscopic optical system having a separation optical element, a water immersion objective lens, and a pinhole conjugated with a focal plane irradiates a solution sample in which fine particles are dispersed in the solution with laser light. In a fine particle dispersibility evaluation method that receives light including fine particle scattered light from a particle, detects the intensity of Rayleigh light contained in the fine particle scattered light, and evaluates the fine particle dispersion state, a solution container in which the solution sample is accommodated After shaking, the laser beam is irradiated in the depth direction and the plane direction of the solution sample, and two-dimensional image data relating to the depth direction and the plane direction is constructed based on the intensity of the Rayleigh light. Perform quantitative evaluation of dispersibility.
According to this, as described in the above embodiment, the solution sample in the solution container is shaken by the shaking mechanism, so that the settling of the fine particles in the solution sample is suppressed, and the dispersion state of the fine particles is set appropriately. It becomes possible to evaluate. As can be seen from the experimental results, the image processing unit can quantitatively evaluate the dispersion state of the fine particles from the image data indicating the presence of the fine particles. As a result, an accurate dispersion state of the fine particles dispersed in the solution can be obtained easily and quickly in a high concentration state without preparing a diluted solution.

1 溶液試料
2 溶液容器
3 ビームスプリッター
4 水浸対物レンズ
5 第二のピンホール
6 検出部
7 フィルダー光学素子
8 画像処理部
10 レーザー光源
11 集光レンズ
12 第一のピンホール
13 載置台
14 レンズホルダー
15 ホルダー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solution sample 2 Solution container 3 Beam splitter 4 Water immersion objective lens 5 Second pinhole 6 Detection part 7 Filter optical element 8 Image processing part 10 Laser light source 11 Condensing lens 12 First pinhole 13 Mounting base 14 Lens holder 15 holder

特開2014−13228号公報JP 2014-13228 A

Claims (13)

溶液中に微粒子が分散してなる溶液試料の入る溶液容器を把持する把持部材と、レーザー光源と、該溶液試料にレーザー光を照射すると共に、該溶液試料からの微弱な微粒子散乱光を含むレイリー光を受光する分離光学素子、水浸対物レンズ、及び焦点面と共役な関係にあるピンホールを備える共焦点顕微光学系と、該分離光学素子を経由した光におけるレイリー光を透過するフィルター光学素子と、該フィルター光学素子を透過した光を分光する分光手段と、該分光手段により分光された光の強度を検出する光検出手段と、該レーザー光を該溶液試料に対して溶液試料の深さ方向及び平面方向に相対的に走査可能な走査機構とを備え、該溶液試料における微粒子の分散性を評価する微粒子分散性評価装置において、
上記把持部材に把持される溶液容器を振とうさせる振とう機構と、
上記光検出手段により検出された光の強度に基づき深さ方向及び平面方向に関する2次元画像データを構築し、該データから微粒子分散性の定量評価のための画像処理をおこなう画像処理部とを備え
前記溶液試料に直線偏光のレーザー光を照射することを特徴とする微粒子分散性評価装置。
Rayleigh including a gripping member for holding a solution container containing a solution sample in which fine particles are dispersed in a solution, a laser light source, laser light to the solution sample, and weak fine particle scattered light from the solution sample Separation optical element for receiving light, water immersion objective lens, and confocal microscopic optical system having pinholes conjugate to the focal plane, and filter optical element for transmitting Rayleigh light in the light passing through the separation optical element A spectroscopic unit that splits the light transmitted through the filter optical element, a photodetection unit that detects the intensity of the light split by the spectroscopic unit, and the depth of the solution sample with respect to the solution sample. A fine particle dispersibility evaluation apparatus for evaluating dispersibility of fine particles in a solution sample, comprising a scanning mechanism capable of scanning relatively in a direction and a plane direction,
A shaking mechanism for shaking the solution container held by the holding member;
An image processing unit that constructs two-dimensional image data in the depth direction and the plane direction based on the intensity of light detected by the light detection means, and performs image processing for quantitative evaluation of fine particle dispersibility from the data; ,
A fine particle dispersibility evaluation apparatus, wherein the solution sample is irradiated with linearly polarized laser light .
請求項1に記載の微粒子分散性評価装置において、  In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 1,
前記レーザー光源として、ガスレーザーを用いたことを特徴とする微粒子分散性評価装置A fine particle dispersibility evaluation apparatus using a gas laser as the laser light source .
請求項1または2に記載の微粒子分散性評価装置において、  In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 1 or 2,
前記溶液試料が、無機白色顔料、水を含有する溶液であることを特徴とする微粒子分散性Fine particle dispersibility, wherein the solution sample is a solution containing an inorganic white pigment and water 評価装置。Evaluation device.
請求項3に記載の微粒子分散性評価装置において、  In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 3,
前記無機白色顔料が酸化チタンであることを特徴とする微粒子分散性評価装置。The fine particle dispersibility evaluation apparatus, wherein the inorganic white pigment is titanium oxide.
請求項4に記載の微粒子分散性評価装置において、  In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 4,
前記酸化チタンが、平均粒径100〜500nmの酸化チタンであることを特徴とする微The titanium oxide is titanium oxide having an average particle size of 100 to 500 nm. 粒子分散性評価装置。Particle dispersibility evaluation device.
請求項3乃至5いずれか一項に記載の微粒子分散性評価装置において、  In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to any one of claims 3 to 5,
前記溶液試料は、バインダーを含有することを特徴とする微粒子分散性評価装置。The solution sample contains a binder, and the fine particle dispersibility evaluation apparatus.
請求項6に記載の微粒子分散性評価装置において、  In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 6,
前記バインダーが、ウレタン樹脂であることを特徴とする微粒子分散性評価装置。  The fine particle dispersibility evaluation apparatus, wherein the binder is a urethane resin.
請求項7に記載の微粒子分散性評価装置において、  In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 7,
前記溶液試料がインクであり、The solution sample is ink;
インク全量に対するウレタン樹脂の含有量が1〜20質量%であることを特徴とする微粒Fine particles characterized in that the content of the urethane resin with respect to the total amount of the ink is 1 to 20% by mass 子分散性評価装置。Child dispersibility evaluation device.
請求項1乃至8いずれか一項に記載の微粒子分散性評価装置において、
上記把持部材は、上記溶液容器の底面を水平ならしめるチルト調整機構を有することを特徴とする微粒子分散性評価装置。
In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 8 ,
The fine particle dispersibility evaluation apparatus, wherein the gripping member has a tilt adjustment mechanism for leveling a bottom surface of the solution container.
請求項1乃至9いずれか一項に記載の微粒子分散性評価装置において、
上記画像処理部は、上記溶液試料の深さ方向又は平面方向におけるレイリー光の強度の分布から微粒子散乱光による深さ位置毎の微粒子散乱画像を取得し、該微粒子散乱画像の任意の画素領域を複数定め、各画素領域内で各画素の輝度の分散値或いは標準偏差値を分散状態の特徴量として算出し、該複数の画素領域の特徴量をヒストグラム化することを特徴とする微粒子分散性評価装置。
In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 9 ,
The image processing unit obtains a fine particle scattered image at each depth position by the fine particle scattered light from the distribution of Rayleigh light intensity in the depth direction or the planar direction of the solution sample, and selects an arbitrary pixel region of the fine particle scattered image. Fine particle dispersibility evaluation, characterized by calculating a plurality of pixel dispersion values or standard deviation values as feature values in a dispersed state in each pixel region, and generating a histogram of the feature values in the plurality of pixel regions apparatus.
請求項10に記載の微粒子分散性評価装置において、
上記画素領域の画素範囲は、矩形型であり、縦・横の画素数を自由に可変できることを特徴とする微粒子分散性評価装置。
In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 10 ,
The fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 1, wherein the pixel range of the pixel region is rectangular, and the number of vertical and horizontal pixels can be freely changed.
請求項10に記載の微粒子分散性評価装置において、
上記画像処理部は、順次ラベリングされた各画素領域内の分散状態の特徴量をヒストグラム化し、該特徴量の数値閾値を設定することにより画素領域毎の良否を判定することを特徴とする微粒子分散性評価装置。
In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 10 ,
The image processing unit generates a histogram of the feature values of the dispersion state in each of the sequentially labeled pixel regions, and determines the quality of each pixel region by setting a numerical threshold value of the feature amount. Sex evaluation device.
請求項10に記載の微粒子分散性評価装置において、
上記画像処理部は、各画素領域内の分散状態の特徴量で定めた数値幅に、各領域を一つの度数としてプロットした度数分布図を作成してヒストグラム化し、該特徴量の数値範囲に閾値を設定することにより分散状態の良否を判定することを特徴とする微粒子分散性評価装置。
In the fine particle dispersibility evaluation apparatus according to claim 10 ,
The image processing unit creates a histogram by creating a frequency distribution chart in which each area is plotted as one frequency within a numerical value range determined by the feature value of the dispersion state in each pixel area, and sets a threshold value in the numerical range of the feature value. A fine particle dispersibility evaluation apparatus characterized by determining whether the dispersion state is good or not by setting.
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