JPH03102240A

JPH03102240A - 粒径測定装置

Info

Publication number: JPH03102240A
Application number: JP1239193A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Tatsuno; 恭市辰野; Toshiya Umeda; 梅田　利也
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-14
Filing date: 1989-09-14
Publication date: 1991-04-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、微小な粒子の径や数密度をｉｆｌｌ定すると
きに用いられる粒径測定装置に関する。

（従来の技術）従来、たとえば大気中の浮遊粒子の粒径分缶や粒子密度
などを測定する手段として幾つかの方法が考えられてい
る。それらの中に、光を利用した前方微小角散乱法と呼
ばれる方法がある。

この方法を実施するために考えられた従来の装置は、第
２図に示すように構成されている。すなわち、Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザ光源１から放射された単色でコヒーレントな光
２を被測定粒子群３に照射し、この被測定粒子群３によ
る散乱光強度分布Ｉ（θ）（散乱角θと散乱光強度との
関係）を受光レンズ４とシリコンフォトダイオード５，
５，・・・を同心円状に配置してなる光電変換器６とを
用いて測定し、各フォトダイオード５，５，・・・の出
力をそれぞれＡ／Ｄ変換器７，７，・・・を介してミニ
コンピュータあるいはパーソナルコンピュータによって
構成された処理装置８に人力するようにしている。そし
て、処理装置８において、予め計算しておいた種々の粉
径Ｄの１個の粒子による散乱光強度分布ｉ　　（Ｄ，　
　θ）を用い、■（θ）−／ｉ（Ｄ，θ）　ｎ　（Ｄ）
　ｄＤ　　　　−（１）なる関係、すなわち測定された
多数の粒子による散乱光強度分布Ｉ　（θ）が１個の粒
子による散乱光強度分布ｉ　（Ｄ，　　θ）の重ね合わ
せであるいう関係を利用して粉径分布ｎ　（Ｄ）を求め
るようにしている。

しかし、この装置ではＦｒａｕｎｈｏｆｅｒの回折理論
に基き、コヒーレント光の散乱を利用して粒径分布ｎ　
（Ｄ）を求めているため、受光レンズ４の焦点？に光電
変換器６を設置する必要があり、実際に測定系を構成す
るときに制約条件が多いと言う問題があった。

そこで、このような不具合を解消するために、本発明者
等は、先に特開昭５８−３３１０７号公報に示されてい
るように、旧ｅ散乱理論に基き、インコヒーレント光の
散乱を利用して粒径を求めることができるようにした粒
径測定装置を提案した。

この堤案された粒径測定装置は、第３図に示すように、
Ａｒ＋レーザ光源等の単色光源１０から放射された光ビ
ームを図示しない多モードファイバを介して測定領域の
近くまで導き、この多モードファイバからの出射光を図
示しないコリメータレンズで平行ビームに形成し、この
平行ビーム１１を測定領域に存在する被測定粒子群１２
に照射する。そして、被測定粒子群１２によって散乱し
た光を被測定粒子群１２の前方にそれぞれの一端側を位
置させた光ファイバ１３１．１３■，１３３，・・・１
３ｎに入射させる。光ファイバ？３■は透過光をモニタ
するためのもので、平行ビーム１１の軸心線上に一端側
が位置するように配置されている。光ファイバ１３■，
１３３，・・・１３ｎは、散乱光強度分布Ｉ＼（θ）を
モニタするためのもので、それぞれの一端側と被測定頭
域の中心とを結ぶ線が平行ビーム１１の軸心線に対して
、たとえば２゜，４’，６°，・・・と順に２度ずつ増
加する関係に配置されている。そして、各光ファイバ１
３１，１３２，１３ｉ．・・・１３ｎの他端側から出射
した光を図示しない干渉フィルタを介してフォトダイオ
ード等で構成された光電変換器１４１，１４■，１４３
，・・・１４ｎで電気信号に変換し、これらの信号をそ
れぞれ増幅器１５１，１５２，・・・１５ｎおよび入力
装置（Ａ／Ｄ変換器）１６を介してミニコンピュータや
パーソナルコンピュータで構或された処理装置１７に導
入している。この処理装置１７内には、たとえば散乱角
θが２゜　４゜　６゜，・・・で、粒径Ｄが０．０１μ
ｍから０．０１μｍ毎に５μｍまでの範囲に亘って旧ｅ
散乱理論に基いて計算した散乱光強度分布ｉ　　（Ｄ，
θ）が格納されている。処理装置１７は、入力装置１６
を介して散乱光強度分布Ｉ　（θ）が導入されると、格
納してあるｉ　　（Ｄ，　　θ）を用いて（１）式の積
分方程式を解き、粒径分布ｎ　（Ｄ）を求めるように構
成されている。なお、求められた粒径分布ｎ　（Ｄ）は
、表示器１８に表示されるとともにプリンタ１９によっ
てプリントアウトされる。

しかしながら、上記のように構成された装置にあっても
次のような問題があった。すなわち、上述の装置では応
答の早い光電変換器を用い、これら光電変換器の出力を
順次、入力装置１６を介して処理装置１７へ取り込むよ
うにしているため、被測定粒子の粒径分布・粒子密度が
時間的に変化する場合、たとえばノズルから噴霧される
液滴のような場合には、最後の光電変換器の出力を取り
込むまでの間に被測定粒子の粒径分布・粒子密度が変化
してしまうことになり、正しい散乱光強度分市を取り込
むことができない問題があった。また、比較的大きな粒
子の散乱光強度分布は、第４図に示すように散乱角の僅
かな変化に対して極めて大きい変化を示す。したがって
、比較的大きな粒子を測定する場合には、散乱角範囲に
亘って、細かく、しかも高い位置分解能で散乱光強度分
布Ｉ（θ）を測定する必要があるが、上記装置では光フ
ァイバを用いているため、必要な位置分解能を得ること
ができない。このため、大きい粒子の場合には粒径を正
確に測定できないと言う問題点もあった。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、従来の装置にあっては、粒径分布や粒子密
度が時間的に変化する場合や大きい粒子の場合には正確
に測定できない問題があった。

そこで本発明は、構或の複雑化を招くことなく、上述し
た不具合を解消できる粒径ｒｌＰＪ定装置を提供するこ
とを目的としている。

［発明の横成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明は、小色光源から放
射された光ビームを被測定粒子群に照射し、この被測定
粒子群による散乱光の散乱角と強度との関係を散乱光強
度分布検出系で検出し、この検出系の出力を処理装置に
導いて少なくとも前記被測定粒子群の粒径分布データを
得るようにした粒径測定装置において、前記散乱光強度
分布検出系として、光情報を電荷に変換して蓄積する複
数の素子を一次元的もしくは二次元的に配列したフォト
エレメント部を有する蓄積効果形センサと、この蓄積効
果形センサヘ実質的に任意の時間だけ散乱光を入射させ
るシャッタ手段と、前記蓄積効果形センサの各素子によ
って変換された電荷を読出す手段とを備えたものを用い
ている。

（作　用）上記構成の蓄積効果形センサは、シャッタが開いている
間に取り込んだ散乱光強度分布信号を一時＃積する。そ
して、シャッタが閉じている間に蓄積効果形センサに蓄
積されていた電荷が読み出されて処理装置へ人力される
。したがって、シャッタが開いている期間にＣＩ定領域
に存７［シていた粒子による散乱光強度分布を正確に測
定できることになる。

また、蓄積効果形センサの分野では、ＣＣＤ（電荷結合
デバイス）イメージセンサに代表されるように、フォト
エレメント部を構成する各素子を１０μｍ程度の十分に
細かいピッチで、しかも精度よく配列する技術が既に確
立している。したがって、大きな粒子を測定する場合に
必要な散乱光強度分（Ｉｉの位置分解能を容易に得るこ
とができる。

（実施例）以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る粒径測定装置の概略
構成が示されている。

同図において、２１はＡｒ＋レーザ光源などの単色光源
を示している。この単色光源２１から放射された光は平
行ビーム２２に変換されて７ｉｌｌＪ定領域２３に存在
する被３−１定粒子群２４に照射される。

したがって、照射ビームは被測定粒子群２４によって散
乱される。測定領域２３の前方には、上記散乱光の散乱
光強度分布Ｉ　（θ）を検出するための散乱光強度分布
検出系２５が配置されている。

散乱光強度分布検出系２５は、受光面を測定領域２３側
に向けて配置された蓄積効果形センサ、この例ではＣＣ
Ｄイメージセンサ２６と、このＣＣＤイメージセンサ２
６の前面に設けられたシャッタ２７と、後述する処理装
置３１がらの指令に基いてシャッタ２７を一定期間開い
て散乱光をＣＣＤイメージセンサ２６に入射させ、シャ
ッタ２７を閉じた時点からＣＯＤイメージセンサ２６に
蓄積されている電荷を電圧信号に変．換して時系列的に
読出すドライバ回路２８と、順次読み出された電圧信号
を増幅する増幅器２９とで構成されている。

ＣＣＤイメージセンサ２６は、この例では光情報を電荷
に変換して蓄積する素子を数１０μｍピッチで一次元的
に複数配置してなるフォトエレメント部と、このフォト
エレメント部に対応して設けられフォトエレメント部の
各素子に蓄積された電荷を同時に記憶保持し得るレジス
タ部と、このレジスタ部とフォトエレメント部との間に
設けられたゲート部とで構成されている。そして、ドラ
イバ回路２８からゲート部にゲート信号が与えられると
フォトエレメント部の各素子に蓄積されている電荷が同
時にレジスタ部に移され、またドライバ回路２８からシ
フトレジスタ部に転送パルスが与えられると、シフトレ
ジスタ部の各ビットの電荷が時系列的に電圧信号として
読み出されるようになっている。

このように構成されたＣＣＤイメージセンサ２６は、フ
ォトエレメント部を構成している各素子の配列方向が平
行ビーム２２の軸心線に対して直交し、かつ特定の素子
が平行ビーム２２の軸心線上に位置するように配置され
ている。つまり、上記特定の素子は散乱角が０゜の場所
に位置している。各素子のピッチは予め判明しているの
で、各素子が散乱角（θ）に換算して何度の場所に位置
しているか知ることは容易である。このように各素子の
位置と散乱角との対応関係が明確になるように配置され
ている。

ＣＣＤイメージセンサ２６から読出され、増幅器２つに
よって増幅された時系列信号は入力装置３０によってデ
ィジタル信号に変換された後、処理装置３ｌに導入され
る。処理装置３１はドライバ回路２８および人力装置３
０を前記関係に制御するとともに次のような処理を行う
。すなわち、ＣＯＤイメージセンサ２６のフォトエレメ
ント部を構成している各素子の位置と散乱角（θ）との
対応関係は前述の如く判明している。処理装置３１は上
記対応関係から散乱光強度分布Ｉ　（θ）のデータを作
或する。そして、特開昭６０−４２６４０号公報に開示
されている手法と同様な手法で、予め格納してある種々
の粒径の１個の粒子による散乱光強度分布ｉ　　（Ｄ，
　　θ）を用いて粒径分布ｎ　（Ｄ）および粒子密度を
求めるようにしている。なお、求められた粒径分布ｎ　
（Ｄ）および粒子密度は、表示器３２に表示されるとと
もにプリンタ３３によってプリントアウトされる。

このように、散乱光強度分布を直接検出するセンサとし
て、先情報を電荷に変換して蓄積する複数の素子を一次
元的に配列したフォトエレメント部を有するＣＣＤイメ
ージセンサ２６を用い、このＣＣＤイメージセンサ２６
ヘシャッタ２７を用いて任意の時間だけ散乱光を入射さ
せ、シャッタ２７が開いている期間に入射した情報をＣ
ＣＤイメージセンサ２６から読出すようにしている。し
たがって、被測定粒子群２４の粒径分布や粒子密度が変
化するような場合であっても、シャッタ２７が開いてい
る期間に測定領域２３に存在していた粒子による散乱光
強度分布については正確に測定できることになる。また
、ＣｃＤイメージセンサ２６のフォトエレメント部を構
成する各素子をｌＯμｍ程度の細かいピッチで、しかも
精度よく配列することは一般に容易である。したがって
、大きな粒子を測定する場合に必要な散乱光強度分布の
位置分解能も容易に得ることができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。すなわち、上述した実施例では、ラインセンサタイ
プのＣＣＤイメージセンサを用いているが、フォトエレ
メント部を構成している各素子の位置と散乱角（θ）と
の対応関係さえ明確化できればエリアセンサタイプ、つ
まり素子を二次元的に配列したＣＣＤイメージセンサを
用いることもできる。また、ラインセンサタイブのＣＣ
Ｄイメージセンサを用いる場合にはゲート部およびシフ
トレジスタ部を省略することもできる。

さらに、ＣＣＤイメージセンサの代わりにＢＢＤ（バケ
ツリレー・デバイス）イメージセンサや、フォトエレメ
ント部をフォトダイオードアレイとコンデンサとの組み
合わせによって構成されたセンサなと他の蓄積効果形セ
ンサを用いてもよい。

さらにまた、シャッタは機械的なシャッタに限らず、電
気的な制御でシャッタ機能を発揮させてもよい。たとえ
ば、フォトエレメント部と、ゲート部と、シフトレジス
タ部とを備えたＣＯＤイメージセンサを使用した場合を
例にとると、散乱光強度分市情報を検出するとき、まず
フォトエレメント部に蓄積されている情報をゲート部を
介してシフトレジスタ部に移す（シャッタ開）。そして
、シフトレジスタ部に移された情報は捨てる。次に、所
定時間経過した時点でフォトエレメント部に蓄積されて
いる情報をゲート部を介してシフトレジスタ部に移す（
シャッタ閉）。このシフトレジスタ部に移された情報を
真の情報として読出す。このようにしても機械的なシャ
ッタを開閉した場合と同様な効果が得られる。その他、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形できる。

［発明の効果］以上のように、本発明によれば、散乱光強度分布検出系
のセンサとして蓄積効果形センサを用い、この蓄積効果
形センサヘ任意の時間だけ散乱光を入射させ、この入射
した情報を読出すようにしているので、被測定粒子の粒
径分布・粒子密度が時間的に変動する場合でも、粒径分
布・粒子密度を測定することができ、しかも大きな粒子
の粒径も測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る粒径測定装置の概略構
成図、第２図および第３図は従来の拉径測定装置の概略
構成図、第４図は粒径の違いによる散乱光強度分布の違
いを示す図である。２１・・・単色光原、２２・・・平行ビーム、２３・・
・測定領域、２４・・・被測定粒子群、２５・・・散乱
光強度分布検出系、２６・・・ＣＣＤイメージセンサ、
２７・・・シャッタ、２８・・・ドライバ回路、３１・
・・処理装置。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）単色光源から放射された光ビームを被測定粒子群
に照射し、この被測定粒子群による散乱光の散乱角と強
度との関係を散乱光強度分布検出系で検出し、この検出
系の出力を処理装置に導いて少なくとも前記被測定粒子
群の粒径分布データを得るようにした粒径測定装置にお
いて、前記散乱光強度分布検出系は、光情報を電荷に変
換して蓄積する複数の素子を一次元的もしくは二次元的
に配列したフォトエレメント部を有する蓄積効果形セン
サと、この蓄積効果形センサへ実質的に任意の時間だけ
散乱光を入射させるシャッタ手段と、前記蓄積効果形セ
ンサの各素子によって変換された電荷を読出す手段とを
具備してなることを特徴とする粒径測定装置。
（２）前記蓄積効果形センサは、ＣＣＤイメージセンサ
またはＢＢＤイメージセンサによって構成されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の粒径測定装置。
（３）前記蓄積効果形センサのフォトエレメント部は、
フォトダイオードアレイとコンデンサとの組み合わせで
構成されていることを特徴とする請求項１に記載の粒径
測定装置。