JPS63118634A - エ−ロゾル粒子の電荷、粒度分析方法および装置 - Google Patents

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】 本発明は一般に空気中の粒子の空気力学的サイズ（空力
粒度）および電荷を測定する装置に関し、特にエーロゾ
ル（煙霧質）を音場および電場に入れた後、レーザー・
ドツプラー速度計（ベロシメータ）を用いて個々の空中
粒子の運動を検知する装置に関する。

種々の異なる装置を用いて空中粒子の電荷およびサイズ
の測定がなされてきた。２４レビユー・オブ・サイエン
ティフィック・インスツルメント（Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ
　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）　
５８６　（１９５３年８月）の、ジョゼフ・アイ・マス
ターズ（Ｊｏｓｅｐｈｌ、　Ｍａｓｔｅｒｓ）による、
［エーロゾル・アナライザー（Ａｎ　Ａｅｒｏｓｏｌ　
Ａｎａｌｙｓｅｒ）Ｊと題する論文は荷電したエーロゾ
ル粒子を濾紙上に集めた後、集めた粒子の平均電荷を測
定する装置を記載している。しかし粒子の電荷分布は決
定されないし、また２極電荷の存在も決定されない。

２１９ネイチ＋　−（Ｎａｔｕｒｅ）２’５９　（１９
６８年７月２０日）のダブリュー・リュー・メゴー（Ｗ
、　Ｊ　、　Ｍｅｇａｗ）他による「ミクロン未満粒子
の電気的移動性（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｏｂｉｌｉｔ
ｙ　ｏｆ　Ｓｕｂ−ｍｉｃｒｏｎ　Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ
）Ｊと題する論文は試料の電気的移動性を決定し得るよ
うに放射性エーロゾルを通過させる、銅箔で裏打ちされ
た箱に沈着物を集める装置を記載している。エーロゾル
の人口の回りに濾過された空気を通して、流れの厚みを
調整することが可能にされる。

ルイス（Ｌｅｗｉｓ）他の米国特許第４，３７５，６７
３号は荷電スペクトルグラフを開示し、そこでは一連の
矩形電極によって均質の電場を荷電したトーナー粒子に
かけ、濾紙上に粒子を集めて、その粒子のずれから平均
のサイズと電荷を見出すことができるようにする。

準弾性光散乱による浮遊粒子の測定 （Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　５ｕｓｐｅｎｄｅｄ
　Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｂｙＱｕａｓｉ−Ｅｌａｓｔｉ
ｃ　Ｌｉｇｈｔ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　３２７）（１
９８３年ビー・ダーネケ（Ｂ、　Ｄａｈｎｅｋｅ）刊）
のマズムデル（Ｍａｚｕｍｄｅｒ）他による［単独粒子
に基づく空力直径および静電荷の同時測定　（Ｓｉｍｕ
ｌｔａｎｅｏｕｓｌＪｐｌｑｌｌｒｐｍｐｌｌｌｑ　　
＾ｒ　Ａｐｒｎｄｖｎ＊ｍｉｒ　　Ｉ’ｌｉａｍｐ會ｐ
ｒ　　＊ｎｒｌＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　　Ｃｈａ
ｒｇｅ　　ｏｎ　　ａ　　Ｓｉｎｇｌｅ　　Ｐａｒｔｉ
ｃｌｅＢａｓｉｓ）Ｊは、振動する電界を粒子にかけて
、電界に対する粒子の位相遅れからそのサイズと電荷を
決定する、エアロゾル粒子の分析法を開示する。

装置は粒子の運動を検知するのにレーザー・ドツプラー
速度計を用いる。しかしこの装置によって非荷電粒子は
検知し得ない。

その他の従来技術には次のものが含まれる。マニトバ（
Ｍａｎｉｔｏｂａ）ウィンベグ（ｌｌｉｎｎｅｐｅｇ）
における英国先端科学協会（Ｂｒ、Ａｓ５ｏｃ、＾ｄｖ
、ｓｃｉ、）の第７９回集会のアー・ニー・ミリカン（
Ｒ，Ａ、Ｍｉｌｌｉｋａｎ（１９０９）、３０カナダ化
学技報（ｃａｎａｄｉａｎ　Ｊｏｕｒ、ｏｆＣｈｅｍｉ
ｓｔｒｙ）１０５６（１９５２年１２月）のチー・ジレ
スピ−（Ｔ、Ｇ１１ｌｅｓｐｉｅ）他による「エーロゾ
ルの電荷分布を決定するための計測器　（Ａｎ　　Ｉｎ
ｓＬｒｕｍｅｎｔ　　ｆｏｒＤｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　
ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｈａｒｇｅ　Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｉｏｎｉｎ　Ａｅｒｏｓｏｌｓ）、ハンソン（
Ｈａｎｓｏｎ）他による米国特許第２，５３７，６２８
号、コムリン・シニャ（Ｋｏｍｌｉｎｅ、Ｓｒ、）池に
よる米国特許第３，７２３，７１２号、クールター（ｃ
ｏｕｌｔｅｒ）他による米国特許第３，９４４，７９７
号がある。

種々のサイズ範囲の粒子に対応する必要がある場合でも
、エーロゾルの中の個々の粒子の空力サイズおよび電荷
を実時間で迅速に同時測定しエーロゾル試料中の粒子の
サイズおよび電荷の分布を求めるために、粒子を音場お
よび電場に同時にかけて２本ビームのレーザー・ドップ
ラー・ベロシメータ（ＬＤＶ）が粒子の運動を検知する
ようにしたエーロゾル粒子の電荷およびサイズのアナラ
イザ（分析器）ならびに同方法が与えられる。エーロゾ
ルの個々の粒子は音場による振動運動、さらには粒子が
荷電している場合には、重ね合せた電場に平行な水平ド
リフト（偏流）を伴ってＬＤＶの交差ビームを通過して
動く。音場に対する粒子の運動の位相遅れおよび／また
は振幅が測定されて粒子の空力的直径が求められる。つ
いで、電場に対するドリフトの速度および方向の測定値
を用いて粒子の電荷の大きさと極性を求めることができ
る。

本発明の装置は流れをなして移動するエーロゾル粒子を
測定し、電／音場を粒子にかけることによって、迅速か
つ正確な分析を与えるので、実時間で現場測定を行うこ
とができる。

音響トランスジューサによって発生される音場を用いれ
ば荷電粒子と非荷電粒子の双方の測定が可能であり、望
ましい実施例において交流パルス状に反転される高電圧
パルス電気信号を用いて粒子の沈殿を少なくする。電場
を発生するのに種々の電極形状を用いることができるが
、音場に整合する均質の電場を与えるには、音響トラン
スジューサに取付けられたディスク形電極が望ましい。

種々のサイズの粒子に対応するために本発明の装置の幾
つかの運用パラメータは可変であり、それには広範囲の
粒子サイズの測定を可能にするためにはＬＤＶの２本の
レーザー・ビームの交差角を変えることか含まれる。清
浄な空気流の空間電荷が精度向上のためにＬＤＶの交差
ビーム内の粒子の滞留時間を制御する。

本発明の装置はまた音響励起による粒子運動を導き出し
て音響励起に対する粒子運動の位相遅れおよび／または
振幅差を求めることができるように、ＬＤｖ信号を復調
する、プログラム制御されたマイクロプロセッサと共に
使用する信号処理回路を含む。この電気回路はまた音響
励起による粒子運動の成分を、かけられた電界による成
分から区別することもできる。

データ処理回路はソフトウェア・プログラムと連合して
、エーロゾル試料の空力的サイズ分布および電荷分布を
記憶し、ディスプレーして、分布を作図することができ
る。本発明の装置はまたエーロゾル試料の濃度と共に個
々の粒子の電気的可動性の分布を求めて作図することら
できる。

本発明の装置は、エーロゾル発生工程の品質管理、静電
式布フィルタおよび静電式沈殿器の評価、粉末、殊に電
子写真術に用いるトーナー粒子の電荷対質量比の測定、
および飛散ごみ管理に用いる静荷電霧の特性付けに用い
られろことができる。

吸入したエーロゾル粒子の静電荷は肺の中の粒子の維持
に影響し得る。よってエーロゾルによる治療において、
医療用エーロゾル粒子の静電荷の分析を、肺への沈着を
高めるのに用いる可能性もある。他の用途も同様に考え
られる。

以下に添付図面を参照しつつ、本発明の詳細を記載する
。

第１図にエーロゾル粒子の電荷／サイズ・アナライザの
全体（１０）が示される。本装置はレーザー（１２）、
音響−光学モジュレータ（１４）、ビーム集中装置（１
６）、リラクセーション（緩和）チャンバ（１８）、散
乱光集中装置（２０）および光検出装置（２２）を含む
。

より具体的には、レーザー（１２）は偏光されているこ
とが望ましい単色光ビーム（２４）を発生する。レーザ
ー・ビーム（２４）は音響−光学モジュレータ、つまり
ブラッグ・セル（Ｂｒａｇｇ　ｃｅｌｌ）　（１４）を
通過する。モジュレータ（１４）は他のビームに対し夫
々コヒーレント（干渉性）であるが光学的周波数が異な
る幾つかの発散性光ビームを生ずる。鏡面付きプリズム
（３０）を用いて分散性光ビームの２本（２６゜２８）
が分離される。他の分散性光ビームは使用されないので
、窓またはビーム・ストップ（図示せず）などによって
除去される。２つの光ビーム（２６゜２８）はほぼ等し
い光度を有することが望ましい。

鏡（３２，３４）をレンズ（３６）と共に用いて、２つ
のビーム（２６，２８）がリラクセーンヨン・チャンバ
（１８）の中で交差するように集結される。ビーム（２
６，２８）が交差すると、粒子が測定のために通過する
測定体積（３８）を形成する。測定体積（３８）は第１
および第２の音響トランスジユーザ（４０，４２）の間
にあり、各トランスジューサ（４０，４２）の面の上に
それぞれ電極（４４，４６）が取付けられる。

粒子が測定体積（３８）を通過する時、ビーム（２６゜
２８）からの光を散乱させる。散乱光（４０）はレンズ
（５０，５２）により集中されて光検出装置（２２）の
窓（５４）を通る、散乱光（４８）を検知するのにフォ
トマルチプライヤ（光学乗算器）（５６）が用いられる
。

測定容積（３８）を通過した後のビーム（２６，２８）
からの未散乱光はもう不必要であるからそれぞれビーム
・ストップ（５８，６０）により阻止される。

本発明の装置に使用されているレーザー（１２）は波長
０．５１４μの単一周波数モードで動作するように調整
された、スペクトラ・フィジックス（Ｓｐｅｃｔｒａ　
Ｐｈｙｓｉｃｓ）社のアルゴンイオン・レーザー、モデ
ル１６４−０６である。ビームはレーザー・ハウジング
を離れる時に垂直方向に偏光される。ヘリウム−ネオン
・レーザーはより安価で可搬性が高いのでアルゴンイオ
ン・レーザーの代りに使用することができる。

光ビーム（２４）は４０ＭＨｚだけ周波数をずらされた
光ビームを発生するクリスタル・テクノロジー（ｃｒｙ
ｓｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）社の音響−光学モジ
ュレータ、モデル３１１０に送られる。

リラクセーション・チャンバ 第２図はりラクセーション・チャンバ（１８）の詳細図
である。リラクセーション・チャンバ（１８）は、エー
ロゾル粒子（６４）を引き込む入口管（６２）と、チャ
ンバ（１８）の内部（７０）の中に僅かの負圧を生ずる
調整真空系（６８）に接続される出口管（６６）を含む
。

負圧はエーロゾル粒子（６４）をチャンバ内部（７０）
に引き込む。

粒子フィルタ（７４）によって濾過された後の清浄空気
の空間電荷が供給される空気管（７２）の中に同心状に
取付けられる入口管（６２）によってエーロゾル流が確
立される。測定体積（３８）内の個々の粒子（７６）の
滞留時間を制御するために正圧空気流源（図示せず）に
より空間電荷空気流量を制御する。

測定体積（３８）を形成する光ビーム（２６，２８）は
窓（図示せず）を通してリラクセーンヨン・チャンバ（
１８）に入れられる。

音響トランスジューサ（４０）はチャンバ（１８）内に
試料エーロゾル（６４）の流れの方向に直角な定常波の
音場を発生する。チャンバ（１８）の内壁（８０）に吸
音材（７８）が取付けられ、金属であることが望ましい
壁（８０）からの反射を減する。中にエーロゾル粒子（
６４）が浮遊する気体は音場によってチャンバ（１８）
の中で正弦波状に動く。音場を監視するのに、第２の受
動型音響トランスジユーザ（４２）が用いられる。音場
を知るために能動型・トランスジユーザ（４０）の駆動
信号を監視することも予想される。これは気体の運動を
知るのに精度の劣る方法ではある。

粘性力によってエーロゾル（６４）の粒子は気体の運動
に追従しようとする。粒子の慣性のため、その運動は気
体の運動よりも遅れ、振幅は小さくなる。気体に対する
粒子運動の位相遅れおよび相対振幅低減は音場の種々の
周波数における粒子の空力的直径の関数である。周囲の
気体の運動に対する粒子の運動の位相または振幅（移動
量または速度）の測定を用いて粒子の空力的直径を直接
に計算することができる。この計算の公式は下記の通り
である。

ただし、 ｖｐは粒子のピーク速度、 Ｕ、は気体のピーク速度、 ωは音響角周波数 φは粒子の運動と気体の運動の相対位相差。

τ２は粒子の［リラクセーション・タイム」として知ら
れ、次式で与えられる： ただし、ρａ＝　１９／ａｙ、’、ηは気体の粘性、そ
してＣｃはカニンガム（ｃｕｎｎ　ｉｎｇｈａｍ）スリ
ップ修正係数で、気体分子の平均自由行路よりも粒子サ
イズがあまり大きくない場合に必要な半経験値である。

エーロゾルにはまた電極（４４，４６）が発生する高圧
電場のパルスがかけられる。電極（４４，４６）の少な
くとも１つは、数千Ｖ（ボルト）にも達することのある
高電圧によって生ずるコロナ放電を避けるために球形に
することができる。電極（４４，４６）はトランスジュ
ーサ（４０，４２）の面の上に置いた薄箔または細いワ
イヤ網の何れかである。コロナ放電はディスク形の電極
の縁に絶縁リムを設けることによって避けられ、リムは
測定体積（３８）内に、より均質な電場を生ずる。

強さＥ、の電場内で電荷ｑを有する粒子が到達する最大
速度は次式で与えられる； ただし、Ｃ，、、η、ｄ居よ前記の定義と同じである。

流れの方向に垂直な粒子の運動はパルス持続中にかかる
電場による一方向ドリフトと音場による振動運動との合
成である。よって電場強さＥ、が既知であれば、電場に
よるドリフト速度ｖ６の測定値を用いて粒子の電荷ｑを
計算することができ、また粒子の空力的直径ｄ６は音場
による粒子の運動から求められる。

電場を発生するために電極（４４，４６）にＤＣパルス
がかけられる。後続の各パルスは先行するパルスと同じ
極性にすることができる。しかし、これは粒子の沈殿を
生ずることが判っているので、望ましい実施例では後続
の各パルスの極性が反転される。

レーザー・ドップラー・ベロシメータ 測定体積（３８）は、第３図に見られるように、２本の
ビーム（２６，２８）の交差領域によって画成される。

２本のビーム（２６，２８）の電磁波の干渉が測定体積
（３８）の中に平行な明暗の平面（８２）の紋様を生ず
る。粒子が測定体積（３８）を通過するに際し、粒子か
ら散乱する光の光度は明暗の平面（８２）に対する粒子
の位置に左右される。平面（８２）は光ビーム（２６，
２８）の交差角を２等分するので、チャンバ（１８）を
通るエーロゾルの流れの方向に平行で電場お上び音場に
垂直に整合する。よって、これらの場によって生ずる粒
子の運動は粒子によって散乱させられる光の光度の変化
を生ずるが、流れの方向の粒子の運動は光度の変化を生
じない。ビーム（２６゜２８）相互間の正しい整合が大
切である。整合が正しくないと、流れの運動の一部分が
荷電による運動の成分として現われることになるであろ
う。

音響−光学モシュレータ（１４）からの回折されたビー
ム（２８）は回折されないビーム（２６）から周波数が
ずれている。これはモンユレータ（変調装置）（１４）
の変調周波数ｆｏにおいて明暗平面（８２）の単方向運
動を生ずる。よって粒子から散乱された光によるフォト
マルチプライヤ（５６）における光学信号は次式で表わ
される周波数ハを有する。

ｆｓ・ｆｏ　＋　ｆＥ＋　ｆａｏ　ｓｉｎ　（２πｆ’
ａｔ）　　・・・・（５）ただし、ｆＥ＝ｖＥ／ｄ、は
電場によるドリフト周波数、ｆ６゜・ｖｐ／ｄｒは音響
駆動による最大信号周波数変化、 ｆ６−音響駆動周波数。

ｄｒは測定体積（３８）の中のレーザービーム干渉バタ
ーンの明るいラインの間隔であり、次式で与えられる。

ただし、φは測定体積（３８）におけるレーザー・ビー
ム（２６，２８）の交差角であり、λはレーザー光の光
学波長である。レーザー・ビーム（２６，２８）の光度
は均質でなくてガウス形状を有するので、測定体積内の
光度もガウス形状を有する。

この信号の正弦波部分は電子的周波数復調技法によって
搬送波周波数（ｆｏ＋ｂ）から分離される。正弦波部分
の位相または振幅はマイクロプロセッサの中でサイズ較
正粒子のそれと比較され、つぎに計算済みのルックアッ
プ（探索）表と比較されて、その粒子の空力的直径を決
めることができる。

荷電粒子に作用する電場による周波数ｆＥは音響サイク
ルの整数時点にて生ずるドツプラー信号のサイクルの平
均周期Ｔ、を測定し、この値を搬送波の周期１／ｆ、と
比較して求められる。よってｆ６は次式によって与えら
れる。

ｂ＝　（１／Ｔ、）−「。

ドリフト速度はｖＥ＝ｄｒｒｅによって与えられ、粒子
の電荷ｑはここで式（４）から求められる。かけられる
電場が準定常値に達し、粒子が準定常の移動、つまりド
リフト速度に達した時にのみ測定を行う。

望ましい実施例において、各後続パルスの電場の極性を
反転させるので、沈殿損失は少なくされる。

信号処理 測定体積（３８）を横切り、音場および電場によって駆
動される単独の荷電エーロゾル粒子はフォトマルチプラ
イヤ（５６）の出力にてＦＭ信号バーストを生ずる。Ｆ
Ｍ搬送周波数はＬＤＶバイアス周波数十粒子の電気可動
性に関連する周波数であり、変調側波帯は正弦波粒子運
動によって生ずる。第５図に示すように、フォトマルチ
プライヤ（５６）の出力に生ずる電流はミキサー（８４
）に導かれ、ヘテロゲイン化、つまりミキシングされて
、以後の処理のための２つのＭＨｚのＦＭ信号バースト
を発生する。

ＦＭ信号は位相固定ループ・ベースの信号プロセッサ（
８６）により復調される。エーロゾル粒子の瞬間的速度
を表わす信号プロセッサ（８６）の出力は帯域３波器に
通され、つぎに高速コンパレータ（第７図）によってパ
ルス列に変換される。つぎにその信号はサイズ・カウン
タ（８８）および電荷カウンタ（９０）にかけられる。

サイズカウンタ（８８）および電荷カウンタ（９０）か
らの出力信号はマイクロプロセッサ（９２）に送られて
、各粒子のサイズと電荷の双方を計算される。各粒子の
サイズと電荷の情報はマイクロプロセッサ（９２）に記
憶される。いったん所要量のデータが収集されると、試
験されるエーロゾルのサイズおよび／または電荷の分布
が、マイクロプロセッサ（９２）を卓上マイクロコンピ
ュータのようなマイクロコンピュータ（９６）に接続す
るインターフェース（９４）を用いて作図される。マイ
クロコンピュータは任意にプリンタ（９８）、プロッタ
（１００）およびディスク・ドライブ（１０２）を含む
ことができる。本発明の装置と共に使用するフォトマル
チプライヤ（５６）の実例はハママツ（Ｈａｍａｍａｔ
ｓｕ）のサイドオン・タイプのフォトマルチプライヤ・
デユープ、モデルＲ５２８である。

第６図はフォトマルチプライヤ（５６）から復調された
４　１　Ｍ　［１ｚのレーザー・ドツプラー・バースト
を２　ＭＨｚのＩＦ周波数に変換するミキサー（８４）
を示す。ミキサー（８４）は３段の整調された増幅器部
分（１０４）、３９ＭＨｚのローカル・オツシレータ（
１０６）、ミキサー段（ｉｏｇ）およびバッファ（１１
０）から成る。

増幅器（１０４）の各段は、ミキサー段（ｔｏｇ）およ
びバッファ（１１０）と同様に２重ゲートの絶縁ゲート
電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）（＋１２）、モデ
ル３Ｎ１８７およびそのバイアス回路から成る。

第７図はミキサー（８４）からの２つのＭｌｌｚの信号
を受けて復調して２　ＭＨｚ搬送波を除去する信号プロ
セッサ（８６）を示す。信号プロセッサ回路は３段の整
調された増幅器（１１４，１１６，１１８）、リミッタ
（１２０）、および位相固定ループ（１２２）を含む。

位相固定ループの出力は粒子の瞬間速度を表わし、増幅
器（１２４）、帯域フィルタ（１２６）を通してアナロ
グ・ゲート（１２８）に送られる。

１？Ｆ限界レベル検出ｉ　（１３０）は増幅段（１１８
）の出力信号が既定の限界レベルを超えているか決定し
、もしも超えていれば、リード（１３２）を介してアナ
ログ・ゲート（１２ｇ）をトリガーして、アナログ・ゲ
ート（１２４）にも給電するループ（１２２）の中で信
号処理順序（シーケンス）を継続する。増幅器（１１８
’）からのＲＦ倍信号振幅が選択レベルよりも大きけれ
ば、粒子速度の、つまり復調された信号はアナログ・ゲ
ート（１２８）を通されて増幅器（１３４）および帯域
フィルタ（１３６）に送られる。このようにして、低レ
ベルの望ましくない信号が排除される。

第２の増幅器（１３４）および帯域フィルタ（１３６）
の後に第２のアナログゲート（１３８）および復調信号
検出器（１４０）がある。速度信号、つまり復調された
信号の振幅が充分に大きい場合は、アナログゲート（１
３８）を通されてバッファ（１４４）およびゼロ交叉検
出器（１４６）に送られ、そこで正弦波信号は５Ｖの方
形波のパルス列に変えられる。音響トランスジューサ（
４２）からの入力（１４８）にて受信される基準信号は
増幅器（１５０）により増幅されて２段の移相回路（１
５２，１５４）を通される。ゼロ交叉検出器（１５６）
は基準信号を、復調信号と同様に、５Ｖの方形波のパル
ス列に変換する。ついで基準パルス列および復調パルス
列は排他的論理和ゲートの形をとる位相デテクタ（１５
８）に送られる。生ずる出力は基準信号または復調信号
の２倍の周波数を持つ方形波である。この方形波のパル
ス幅は復調信号と基準信号の位相差である。この位相差
信号はコントロール・タイミング論理ユニット（１６２
）によりゲート（１６４）を通されて、リード（１６０
）にあるサイズ・カウンタ（８８）に送られる。

信号プロセッサ（８６）の回路は第８Ａ図および第８Ｂ
図に、より詳細に示される。

サイズ・カウンタ（８８）は第９図に示され、信号プロ
セッサ（８６）からの入力（１４２，１６０）を含み、
その−トに位相差信号および復調速度信号が給電される
。

サイズカウンタ（８８）はパルス幅を粒子サイズの測定
値に変換する。サイズカウンタ（８８）は信号処理回路
の他の部分と協働して音場による粒子運動を電場による
運動から区別する。

位相差パルスの長さく時間）の測定は、通常は休止状態
に保たれリード（１４２）のＲＦ倍信号検知して始動さ
れる１６ビツト・２進リツプル・カウンタ（１６６）に
よってなされる。１２，４１６ＭＨｚオシレータのよう
な発振器（１６８）の信号はＮＡＮＤゲート（１７０）
およびＮＯＲゲート（１７２）を通されてカウンタ（１
６６）のクロック人力（１７４）に送られ、そこで位相
差パルスの長さに比例するカウントを発生する。位相遅
れのカウントは３態バツフア（１７６）に送られ、つい
でデータ母線（１７ｇ）を経てマイクロプロセッサ（９
２）に送られる。望ましい実施例において、そのような
位相遅れの４つのカウントを蓄積しその平均を求めて精
度を上げる。リード（１８０）はサイズ・カウンタ（８
８）を電荷カウンタ（９０）に接続する。

測定体積（３８）内を動く荷電粒子は電場により牽引ま
たは反発されて、フォトマルチプライヤ（５６）が受信
するＲＦ倍信号周波数ずれを生ずる。第１０図に示す電
荷カウンタ（９０）は２　ＭＨｚの中心周波数からのこ
の周波数ずれを測定して、一つの粒子上の電荷の数を求
めることができる。

信号プロセッサ（８６）からの２　ＭＨｚのＲＦ副搬送
波信号はリード（１８４）を経て受信され、いっぽうリ
ード（１８０）およびリード（１８２）はサイズ・カウ
ンタ（８８）からの信号を伝える。２　　ＭＨｚの信号
は比較回路（１８６）によって方形波に整形される。信
号がリード（１８０）で受信されて、１個の粒子が測定
体積内にあることを示す時、４０　ＭＨｚ　ＴＴＬ発振
器（１８８）の出力はゲート（１９２）を通されて４段
のりプル・カウンタ（１９０）に送られる。同時に、Ｒ
Ｆ倍信号ゲート（１９６）を通されて３段カウンタ（１
９４）に送られる。−２ＭＨｚ搬送波の１０２４回のゼ
ロ交叉の後で、ゲート（１９２）が閉じられる。カウン
タ（１９０）に生ずる数字は２Ｍ［ＩｚのＩ？Ｆ副搬送
波の周期を表わす。カウンタ（１９０）に生ずる数字か
らずれを受けない搬送波の値を減じて正味周波数ずれを
求めるが、これは粒子の直径が既知であれば、粒子の電
気的可動性、つまり電荷を表わす。３態バツフア（１９
８）はデータ母線（２００）を介してマイクロプロセッ
サ（９２）に接がる。データ・アクセスを同期させるた
めに制御論理が設けられる。

ソフトウェア構造 本発明の装置の動作を制御するために同装置と共に使用
されるソフトウェア・プログラム−覧表を後述する。プ
ログラムの部分は使用者が本発明の装置の動作を制御す
ることを可能にして、データを取り、データを表示し、
データを印刷し、またはデータをディスク駆動系に転送
するのみならず、エーロゾル・サイズおよび電荷の分布
を作図し、試料エーロゾルの電荷およびサイズの分布の
３次元表示を生ずる。

本発明の望ましい実施例において、複数のチャンネルを
粒子サイズ検知回路に割当てることによって装置が動作
し、一つの粒子のサイズが決定された後、そのサイズ情
報が粒子の概略サイズに対応するチャンネルの一つに入
れられる。よって各粒子についてサイズ計算式の再計算
を避けて分析過程を早めることができる。

本発明の装置は１００粒子粒子型での粒子を実時間に検
知し分析するのに使うことができる。電圧パルスの極性
を一つのパルスから次のパルスへ交替させることなく一
定に保つことによってもつと粒子検知早さを高めること
さえ可能である。しかし検知早さを高めると、測定体積
（３８）内に２個以上の粒子が存在することによる共存
誤差の可能性が強まる。

本発明の装置は計数した粒子の全数を動作時間および単
位流量中の有効サンプル頻度で除すことによって、エー
ロゾル内の粒子濃度を求めるのに用いることもできる。

種々のサイズの粒子への対応 本発明の装置は数多くのパラメータによって決められる
既定サイズ範囲の粒子を分析することができる。これら
のパラメータを変えることによって、本アナライザが動
作するサイズ範囲も変えることができる。例えば２つの
光ビーム（２６，２８）の特定の交差角において測定体
積（３８）内の干渉面（８２）の間隔が決まる。２つの
光ビーム（２６，２８）の交差角を変えることによって
干渉面（８２）の間隔も変えることができる。異なるサ
イズの粒子に対応するために変えることのできる他のパ
ラメータには、音響駆動の周波数、電場のパルス長さ、
空間荷電空気とエーロゾル標本空気との流速によって制
御される粒子の滞留時間が含まれる。

複範囲、複チャンバ・アナライザ 本発明の装置の一実例は複範囲の粒子サイズの同時分析
特性を含む。本発明の第１の、つまり大形粒子部分（２
０２）は第１１図に示され、小形粒子部分（２０４）は
第１２図に示される。第１の部分（２０２）は４８８ナ
ノメータ（ｎｍ）の波長と　１００〜８００ミリワツト
（ｍＷ）の可変出力を有する単色光レーザー（１２）を
含む。光ビーム（２４）は１対の鏡板（２０６，２０８
）によって音響−光学モジュレータ（１４）に反射され
、該モジュレータは周波数を４０ＭＨｚだけずらせた第
２のビームを与える。つぎに２つのビームは鏡板（２１
０）によってダブプリズム（ｄｏｖｅ　ｐｒｉｓｍ）ビ
ーム・スプリッタ（２１２）に反射され、該スプリッタ
は各粒子サイズ範囲について１対ずつの、２対のビーム
を発生する。標準キューブ（正六面体）又は誘電ビーム
・スプリッタのような他の型式のビーム・スプリッタら
本発明に使用することが考えられている。

本実施例の第１の、つまり大形粒子部分（２０２）の第
１の対のビーム（２１６，２１７）は、頂点がビーム対
（２１６，２１７）の中心に配置された２重鏡面プリズ
ム（２１４）に入射される。２つのビーム（２１６，２
１８）は反射されて別れて反対方向にそれぞれ鏡板（２
２０，２２２）に向って進む。つぎにビームは第２の対
の鏡板（２２４，２２６）から第２の２重鏡面プリズム
（２２ｇ）に反射される。第２の２重鏡面プリズム（２
２８）から反射されたビーム（２１６，２１８）は集結
されて第１のりラクセーション・チャンバ（２３０）の
中で交差する。

大形粒子の測定では、ビーム（２１６，２１８）の交差
角は小さくて、この場合、約３°である。２つのビーム
（２１６，２１８）の交差角が小さいと、２つのビーム
の間の散乱光を測定することが困難となり、従ってビー
ム（２１６，２１８）の進路にビーム・ストップが置か
れて、より大きな角度にて測定される散乱光はレンズの
対（２３４、２３６）により集結され窓（２３８）を通
して第１のフォトマルチプライヤ（２４０）に送られる
。

第１２図はこの複範囲実施例の第２部分、つまり小形粒
子部分（２０４）を示す。第２のビームの対（２４２，
２４４）をダブ・プリズム・ビームスプリッタ（２１２
）から受けて、前記と同様に鏡板（２４６）で反射して
２重鏡面プリズム（２４８）に当てる。１対の鏡板（２
５０，２５２）が第２の対のビーム（２４２，２４４）
を比較的大きな角度、例えば４０°にて集結して第２の
りラクセーシジン・チャンバ（２５４）に送る。

測定体積の中の粒子によって生ずる散乱光は第２の対の
レンズ（２５６，２５８）によって集結されて顕微鏡的
対物レンズ（２６０）により集中されて窓（２６２）を
通して第２のフォトマルチプライヤ（２６４）に送られ
る。よって、単一の光源で、２つの異なるサイズ範囲の
粒子を分析する２個のチャンバから成るアナライザを駆
動することができる。

異なる粒子サイズに対して光ビームの交差角を変えなけ
ればならないだけでなく、リラクセーション・チャンバ
（２３０，２５４）の中の音響トランスジューサ（図示
せず）の周波数も異なる粒子サイズを処理しなければな
らない。よって複範囲、複チャンバの実施例はりラクセ
ーションチャンバ（２３０゜２５４）内の音響トランス
ジューサを駆動するための２つの周波数音響ドライバを
も含む。

第１３図はＩｋｌｌｚの周波数にて音響トランスジユー
ザを駆動するのに用いられる音響ドライバを示す。１ｋ
ｌｌｚドライブは１対の１０分の１回路（２６８，２７
０）に給電する１　００　ｋＨｚ発′発器振器６６）を
含む。信号は形式回路（２７２）、バッファ（２７４）
および帯域フィルタ（２７６）を通した後で大形粒子部
分（２０２）の第１の能動トランスジューサに送られる
。

このようにして、第１の音響トランスジューサによって
正弦波形１　ｋＨｚ音場が発生される。

第１４図は第１３図の回路のＩ　ｋＨｚ部分の回路図で
ある。図示のように発振器（２６６）は１０分の１回路
（２６８，２７０）に給電する。演算増幅器の形をとる
波形形成回路（２７２）はバッファ（２７４）に給電し
、ここから３段帯域フィルタ（２７６）に給電する。

第１５図に示す第２の音響ドライバは１０分の１回路（
２８０）、波形形成回路（２ｇ２）、そして増幅器（２
８４）に給電する２　４０　ｋＨｚ発振器（２７ｇ）を
含む。

この音響ドライバは小形サイズの粒子のための第２のり
ラクセーション・チャンバ（２５４）内の第２の能動音
響トランスシュ４すを駆動する２４ｋＨｚ信号を発生す
る。２４ｋＨｚドライバ回路の回路図は第１６図に示さ
れる。

上記の複粒子サイズ範囲アナライザは直径０．２〜２０
μの粒子サイズについて動作する。第１Ｉ図に示す大形
粒子測定部分（２０２）は間隔的１２．０μの干渉縞を
生じ、２．０〜２０．０μのサイズ範囲の粒子を分析す
ることができる。本実施例の第２の部分（２０４）は間
隔的１μの干渉縞を発生し、直径０．２〜６．０μの範
囲の粒子を分析することができる。このようにして２つ
のりラクセーション・チャンバおよび単一レーザー光源
を有する装置により広範囲の粒子サイズを分析すること
ができる。レーザー光ビームは大形粒子のために第１の
感知ビーム対に分離され、小形粒子のための第２の感知
ビーム対に分離される。各感知ビームの対は集結されて
それぞれの周波数の音響場を有するそれぞれのりラクセ
ーション・チャンバの中に測定体積を形成する。追加の
チャンバを形成するなどして本装置が分析し得る粒子サ
イズの範囲を拡げるためにこの概念を応用することが予
測される。特定粒子サイズの感度を上げるため、または
本発明が動作するサイズ範囲を増すために、本装置の感
知パラメータを変えることも予測される。

複範囲、単一チャンバ・アラナイザ 第１７図はビーム集中装置（２８６）の望ましい実施例
を示す。音響−光学モシュレータ（１４）によって発生
された複数の分散光ビーム（２８８）が示される。ビー
ム（２９０，２９２）以外の全てのビームは基板（２９
６）の縁に取付けられた窓（２９４）によって阻止され
る。基板（２９６）上に鏡板（３００，３０２）と共に
鏡面プリズム（２９８）が取付けられる。レンズ（３０
４）は光ビーム（２９０，２９２）を集結して測定体積
（３０６）において交差させる。補足の鏡面ブリ、ズム
（３０８）が穴（３１０，３１２）および軸受用Ｖ形み
ぞと共に基板（２９６）′に設けられる。それらの意義
は第１８図により明らかにされる。

第１８図は取外し自在の光学マウント　（３１６）を含
むビーム集中袋”１（２８６）を示す。取外し自在の光
学マウント（３１６）発生は２つのビーム（２９０，２
９２）の交差角を変えるように配置される２つの補足の
鏡板（３１８，３２０）を含む。測定体積（３０６）の
位置を変えることなく、干渉縞の間隔を変えるように、
取外し自在の光学マウント（３１６）を取外して配置変
えすることができる。

取外し自在の光学マウント（３１６）の正確な配置変え
は３点可動支持系によって行われる。３本のねじ（３２
２，３２４，３２６）がマウント（３１６）を貫通し、
各ねじの端に鋼製玉軸受（図示せず）が取付けられる。

第１の軸受は基板（２９１３）にある軸受穴（３１０）
に入り、第２の軸受は回転方向の位置度えのため同じ基
板（２９６）にあるＶ形みぞ（３１４）に入り、第３の
軸受は基板（２９６）の上面に直接に載る。取外し自在
の光学マウント（３１６）は基板（２９６）のねじ穴（
３１２）に、ばね負荷取付はボルト（３２ｇ）によって
ばね取付けされる。鏡板（３１８，３２０）を最初に整
合させる府に、取外し自在マウント（３１６）を基板（
２９６）に平行に設定するのに３本のねじ（３２２，３
２４，３２６）が使用される。つぎに、この最初の整合
の後で移動を防ぐためにロックナツト（３３０，３３２
，３３４）をそれぞれ締める。

よって、２つの光ビーム（２９０，２９２）の交差角を
変えることにより、本装置によって分析することのでき
る粒子サイズが変えられる。

当業者により改造および変更が提案されるであろうが、
当業への寄与の範囲に適正かつ合理的に入るすべての変
更および改造を本特許に含めることが本発明者の意図で
ある。

以下前述のプログラム−覧表を記載する。

プログラム一覧表

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理によるエーロゾル粒子電荷・サイ
ズ・アナライザの説明図、 第２図は第１図に示すアナライザのりラクセーンヨン・
チャンバの断面図、 第３図は測定体積を形成する、２つの光ビームの交差を
示す第１図の部分の斜視図、 第４図は第３図の測定体積の部分切断された拡大斜視図
、 第５図は第１図のアナライザと共に使用する、本発明の
原理による信号処理回路の機能ブロック図、 第６図は第５図のミキサーを示す電気回路図、第７図は
第５図の信号プロセッサを示す機能ブロック図、 第８Ａ図および第８Ｂ図は第７図の信号プロセッサを示
す電気回路図、 第９図は第５図のサイズ・カウンタの電気回路図、 第１０図は第５図の電荷カウンタの電気回路図、第１１
図は本発明の実施例の大形粒子測定部分の説明図、 第１２図は第１１図に示す実施例の小形粒子測定部分の
説明図、 第１３図は第１１図に示す実施例に使用する音響トラン
スノユーサ駆動回路の機能ブロック図、第１４図は第１
３図に示す音響ドライブの電気回路図、 第１５図は第１２図に示す実施例と共に使用する音響ト
ランスジューサ・ドライブの機能ブロック図、 第１６図は第１５図に示す音響ドライブの電気回路図、 第１７図は本発明の可変範囲型の実施例の光学系の平面
図、 第１８図は取外し自在の光学マウントを含む、第１７図
の光学系の平面図。 １０・・・・装置（アナライザ）、１２・・・・レーザ
ー、１４・・・・・音響−光学モシュレータ（レーザー
・ドツプラー・ヘロンメータ）、１６・・・・ビーム集
中装置、１８・・・・リラクセーション・チャンバ、２
０・・・・散乱光集中装置、２２・履・光検出器、２６
．２８・・・・ビーム対、３８・・・・測定体積、４０
．４２・・・・音響トランスジューサ、４４．４６・・
・・電極素子、５６・・・・フすトマルチプライヤ、８
４・・・・ミキサー、８６・・・・信号プロセッサ、８
８・・・・サイズ・カウンタ、９０・・・・電荷カウン
タ、９２・・・・マイクロプロセッサ、９６・・・・マ
イクロコンピュータ、１８６・・・・コンパレータ、２
３０・・・・リラクセーション・チャンバ、２４０・・
・・フォトマルチプライヤ、２５４・・・・リラクセー
ション・チャンバ、２６４・・・・フォトマルチプライ
ヤ、２８６・・・・ビーム集中装置、３０６・・・・測
定体積。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. （１）粒子の電荷および空力粒度を決定する方法であっ
   て、 （ａ）与えられた位置において方向付けされた第１の軸
   線上に音場を伝播し、 （ｂ）中間的な粒度および電荷の粒子を運ぶ搬送気体流
   を駆動し、 （ｃ）前記粒子の運動と前記搬送気体流の運動との間に
   差異を生じさせるために、前記第１の軸線に直角に方向
   付けられた第２の軸線に そって、前記音場内に前記粒子を運ぶ搬送気体流を指向
   させ、 （ｄ）前記粒子の電荷および極性の関数である単方向ド
   リフト速度を前記粒子上に発生させるために前記音響場
   と同じ位置に指向性電場を伝播し、 （ｅ）前記粒子の電荷と空力粒度の尺度として前記差異
   および前記単方向ドリフト速度の量を求めるために、前
   記粒子を監視すること を含む決定方法。
2. （２）前記段階（ｃ）において位相差を生じ、前記段階
   （ｅ）で位相差の量を求めることを含む、特許請求の範
   囲第（１）項に記載の方法。
3. （３）前記段階（ｃ）で振幅差を生じ、前記段階（ｅ）
   で前記振幅差の量を求めることを含む、特許請求の範囲
   第（１）項に記載の方法。
4. （４）前記音場が正弦波形である、特許請求の範囲第（
   １）項に記載の方法。
5. （５）前記電場が交番する極性の電気パルスにより伝播
   される、特許請求の範囲第（１）項に記載の方法。
6. （６）前記段階（ｅ）でさらに、 電磁波の干渉パターンを発生し、 前記音場および前記電場の位置に前記干渉パターンを集
   結させて、前記干渉パターン内を動く粒子が周波数変調
   電磁波を散乱するようにし、前記粒子により散乱される
   前記周波数変調電磁波を感知させ、 前記感知した周波数変調電磁波を復調し、 前記復調された電磁波を、前記音響場を表わす基準信号
   と比較し、 前記粒子の運動と前記搬送気体流の運動の前記差異を定
   量化し、 前記粒子の前記単方向ドリフト速度を定量化すること を含む、特許請求の範囲第（１）項に記載の方法。
7. （７）前記干渉パターン内の各粒子について前記定量化
   された運動差異と前記定量化されたドリフト速度を記憶
   し、 エーロゾルの一試料につき前記運動差異の量と前記ドリ
   フト速度の量を作図すること をさらに含む特許請求の範囲第（６）項に記載の方法。
8. （８）流体中に浮遊する粒子の粒度と電荷を求める装置
   であって、 チャンバを形成する装置であって、該チャンバにレーザ
   ビームを導入し、前記粒子により散乱される光を該チャ
   ンバから出すための窓を有する形成装置と、 測定対象粒子を前記チャンバ内に移動させる流体流を方
   向付ける装置と、 前記チャンバ内に音場を発生する音響トランスジューサ
   と、 前記チャンバ内に電場を発生する、相互に対向する第１
   および第２の電極素子と、 前記窓を通してレーザー・ビームを投射し、粒子のサイ
   ズと電荷の関数である前記散乱光の放射線を検知するた
   めの、レーザー作動検知装置と を含む装置。
9. （９）前記音響トランスジューサを前記流体流に対して
   取付け調整するための装置をさらに含む、特許請求の範
   囲第（８）項に記載の装置。
10. （１０）前記トランスジューサに正弦波形の音場を発生
    させるために前記音響トランスジューサに接続される装
    置をさらに含む、特許請求の範囲第（８）項に記載の装
    置。
11. （１１）前記第１および第２の電極素子にパルス型電場
    を発生させるために前記第１および第２の電極素子に接
    続される装置をさらに含む、特許請求の範囲第（８）項
    に記載の装置。
12. （１２）前記第１および第２の電極素子に接続される前
    記装置は前記第１および第２の電極素子にパルス型交番
    電場を発生させる、特許請求の範囲第（１１）項に記載
    の装置。
13. （１３）前記チャンバ内の前記音場を監視するように取
    付けられた第２の音響トランスジューサをさらに含む、
    特許請求の範囲第（８）項に記載の装置。
14. （１４）前記第１および第２の電極素子が前記第１およ
    び第２の音響トランスジューサのそれぞれの面を横切っ
    て取付けられている、特許請求の範囲第（１３）項に記
    載の装置。
15. （１５）前記検知された散乱光の放射線から前記粒子の
    サイズを求める装置と、 前記検知された散乱光の放射線から前記粒子の電荷を求
    める装置と をさらに含む、特許請求の範囲第（８）項に記載の装置
    。
16. （１６）流体中に浮遊する複数の粒子の粒度と電荷の分
    布をプロットする装置をさらに含む、特許請求の範囲第
    （１５）項に記載の装置。
17. （１７）前記散乱光の放射線を検知する装置はフォトマ
    ルチプライヤ・チューブを含み、 前記粒子のサイズを決定する装置および前記粒子の電荷
    を決定する装置が、 前記フォトマルチプライヤ・チューブの出力に接続され
    るミキサーと、 前記ミキサーからの信号を処理するように接続されるデ
    モジュレータと、 前記処理された信号を基準信号と比較するために前記デ
    モジュレータの出力に接続されるコンパレータと を含む特許請求の範囲第（１５）項に記載の装置。
18. （１８）エーロゾル試料中の複数の粒子の粒度と電荷を
    決定するための装置であって、 分散する１対のビームを生ずるように接続された音響−
    光学モジュレータを含むレーザー・ドップラー・ベロシ
    メータ（ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ）と、前記分散するビ
    ームの対を集結して干渉面の測定体積を形成するように
    取付けられたビーム集中装置と、 前記分散するビームの対が中で集結されるリラクセーシ
    ョン・チャンバと、 前記リラクセーション・チャンバを通して、前記干渉面
    にほぼ平行な前記エーロゾル試料の空気流を確立する装
    置と、 前記リラクセーション・チャンバ内で前記空気流を横切
    る音場を発生するように接続された能動音響トランスジ
    ューサと、 前記リラクセーション・チャンバ内の前記音場を監視し
    て基準信号を発生するように取付けられた受動音響トラ
    ンスジューサと、 前記能動および受動音響トランスジューサのそれぞれを
    横切って取付けられ、前記リラクセーション・チャンバ
    内に前記音場と同時にパルス型電場を発生し、それによ
    り前記測定体積内の前記エーロゾル試料中の粒子が前記
    音響場および前記電場によって動かされて前記干渉面か
    ら光を散乱させるように、接続される第１および第２の
    電極素子と、 前記粒子の運動からの前記散乱光を集結する装置と、 前記集結された散乱光を感知して電気信号を発生するよ
    うに取付けられた光検出器と、 前記光検出器から前記電気信号を受けるように接続され
    、前記基準信号を受けるように前記受動音響トランスジ
    ューサに接続される信号プロセッサと、 粒子粒度のデータを発生するように前記信号プロセッサ
    に接続される粒度カウンタと、 粒子電荷のデータを発生するように前記信号プロセッサ
    に接続される電荷カウンタと、 前記粒子粒度のデータおよび前記粒子電荷のデータを蓄
    積するためのプログラム制御装置とを含む決定装置。