JP3903473B2

JP3903473B2 - 粒径分布測定装置

Info

Publication number: JP3903473B2
Application number: JP2003060673A
Authority: JP
Inventors: 山口哲司; 梅澤誠; 右近寿一郎
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2023-03-06
Also published as: JP2004271287A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分散させた粒子群に基本光を照射して生じる散乱光の測定情報に基づいて当該粒子群の粒径分布を算出する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小径粒子群の粒径分布を測定する方法の一つとして、動的散乱式粒径分布測定方法と言われるものが知られている。この方法は、特許文献１に示すように、分散させた粒子群に基本光を照射するとそれら粒子のブラウン運動に起因して、散乱光の強度が経時的に揺らぐことを利用するもので、その揺らぎ信号を解析することにより粒径分布を算出するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２２１４７９公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、所定粒子群に微量の別径粒子群が混在している場合に、その微量な別径粒子群からの光の揺らぎ信号は、大多数の所定粒子群から散乱された光の揺らぎ信号の中に埋もれて無視されてしまう。また、粒径分布を算出する段階でノイズなどから現れるゴースト分布を排除するため、分布算出時にある閾値レベルを設定しているところ、別径粒子群の分布がその閾値レベル以下であれば分布なしとして変換してしまうこともある。さらに粒径分布を全体で１００％の比率分布に置き換えるため、分布的に０％に近い分布形状として表示され、オペレータに認識されない場合もある。
【０００５】
しかしてかかる不具合は、動的散乱式の粒径分布測定方法のみならず、散乱光強度の角度分布により粒子経分布を測定するいわゆる散乱／回折式粒径分布測定方法等、他の粒径分布測定方法においても共通する。
【０００６】
そこで本発明は、この種の粒径分布測定方法において、多数を占める所定粒子群に微量の別径粒子群が混在している場合であっても、その別径粒子群の粒径分布を確実に算出できるようにすることをその主たる課題としたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明に係る粒径分布測定方法は、サンプルに基本光を照射して生じた散乱光から得られる散乱光情報に基づいて当該サンプルに含まれる粒子群の粒径分布を算出する方法であって、所定粒子群のみを含むリファレンスサンプルに前記基本光を照射して生じたリファレンス散乱光からリファレンス散乱光情報を得るとともに、前記所定粒子群を大多数含み、その他に微量の別径をなす測定対象粒子群を含んでなる測定サンプルに基本光を照射して生じた測定サンプル散乱光から測定サンプル散乱光情報を得る散乱光情報取得ステップと、前記散乱光情報取得ステップで得られた各散乱光情報の差分をとり差分情報を生成する差分情報生成ステップと、前記差分情報生成ステップで生成した差分情報に基づいて、前記測定サンプルに含まれる測定対象粒子群の粒径分布を算出する粒径分布算出ステップとを有することを特徴とする。
【０００８】
このようなものであれば、多量にある粒子群中に含まれる別径微量粒子の粒径分布測定が可能となる。そして例えば製品の品質管理において、正規品をリファレンスサンプルとし、生産された製品を測定サンプルとして、この方法を用いて差分測定することにより、製品の合否判定が可能となり、より精密な品質管理に寄与できる。具体的には不良品が混入した場合に、その不良品の粒径分布を知ることができる。
【０００９】
いわゆる動的散乱式粒径分布測定方法における具体的な散乱光情報としては、散乱光強度の揺らぎを示す揺らぎ情報や、散乱光強度の揺らぎを示す揺らぎ情報から算出されるパワースペクトル情報を挙げることができる。その他に、前記揺らぎ情報から得られる種々の演算結果情報を散乱光情報としてもよい。
【００１０】
一方、散乱／回折式粒径分布測定方法における具体的な散乱光情報としては、散乱光強度の角度分布に関する情報を挙げることができる。ここで「Ｘに関する情報」とは、Ｘそのものを示す情報の他に、そのＸに基づいて算出された関連情報も含む意味である。
また、本発明に係る粒径分布測定装置は、サンプルに基本光を照射して生じた散乱光から得られる散乱光情報に基づいて当該サンプルに含まれる粒子群の粒径分布を測定するものであって、大多数の所定粒子群のみを含むリファレンスサンプルを収容するリファレンスセルと前記大多数の所定粒子群の他に微量の別径をなす測定対象粒子群を含んでなる測定サンプルを収容する測定セルと、単一の光源から射出された基本光を分割し、前記リファレンスサンプル及び測定サンプルにそれぞれ導く基本光案内機構と、前記各サンプルに基本光が照射されて生じた散乱光を、光の強度を検出する光強度検出部に導く散乱光案内機構と、前記光強度検出部で検出された各散乱光情報の差分に基づいて、前記測定サンプルに含まれる測定対象粒子群の粒径分布を算出する情報処理部と、を備えていることを特徴とする。
このようなものであれば、多量にある粒子群中に含まれる別径微量粒子の粒径分布測定が可能となる。そして例えば製品の品質管理において、正規品をリファレンスサンプルとし、生産された製品を測定サンプルとして、この方法を用いて差分測定することにより、製品の合否判定が可能となり、より精密な品質管理に寄与できる。具体的には不良品が混入した場合に、その不良品の粒径分布を知ることができる。
【００１１】
図１は、本発明に係る測定方法を具現化する粒径分布測定装置１の一態様を示した模式図である。この粒径分布測定装置１は動的散乱式のもので、測定サンプルＯＳを収容する透明の測定セル２ａと、リファレンスサンプルＲＳを収容する透明のリファレンスセル２ｂと、これらセル２ａ、２ｂを保持収容するセルユニット部３と、単一の光源（半導体レーザ）４と、前記半導体レーザ４から射出された基本光たるレーザ光Ｌを２分割し、前記リファレンスサンプルＲＳ及び測定サンプルＯＳにセル２ａ、２ｂの外側からそれぞれ導く基本光案内機構５と、光の強度を検出する光強度検出部（フォトディテクタ）６と、前記各サンプルＯＳ、ＲＳからの散乱光ＬＮａ、ＬＮｂをフォトディテクタ６ａ、６ｂに導く散乱光案内機構７と、前記フォトディテクタ６ａ、６ｂで検出された各散乱光ＬＮａ、ＬＮｂの強度の揺らぎの差分に基づいて、前記測定サンプルＯＳに含まれる測定対象粒子Ｃ群の粒径分布を算出する情報処理部８とを備えている。
【００１２】
各部を説明すると、測定セル２ａ及びリファレンスセル２ｂは、中空透明ガラス製の互いに同一のもので、前記セルユニット部３に収容してある。リファレンスセルに２ｂに収容したリファレンスサンプルＲＳは、溶媒に所定粒子群を分散させたもので、本実施形態では、単一粒子群からなる単分散サンプルであるが、もちろん、複数の粒子群からなるものであってもよい。一方、測定セル２ａに収容した測定サンプルＯＳは、前記リファレンスサンプルＲＳに更に微量の別径粒子が混ざり込んだものである。なお、これら粒子は温度の変化によってそのブラウン運動が敏感に変化し、測定に影響を及ぼすおそれのあるところ、本実施形態では、セルユニット部３内の温度制御を行う温度制御機構（図示しない）を設けて測定中の試料温度を安定化させ、高精度な測定が行えるようにしてある。
【００１３】
基本光案内機構５は、前記半導体レーザ４から射出された拡散レーザ光Ｌを所定径の平行レーザ光Ｌにするコリメートレンズ５１と、前記平行レーザ光Ｌを、透過するものＬａと反射するものＬｂとに空間的に分割する光分割要素たるハーフミラー５２と、前記ハーフミラー５２を透過した第１のレーザ光Ｌａを前記測定セル２ａの内壁面やや内側に集光させる測定サンプル用集光レンズ５３ａと、前記ハーフミラー５２で反射した第２のレーザ光Ｌｂを前記リファレンスセル２ｂの内壁面やや内側に集光させるリファレンスセル用集光レンズ５３ｂとを備えたものである。
【００１４】
フォトディテクタ６ａ、６ｂは、周知のごとく、所定波長帯域の光を受光し、その光の強度に応じた強さの電気信号である光強度信号を出力するもので、本実施形態では測定サンプル用のもの６ａとリファレンスサンプル用のもの６ｂとの２つを設けている。
【００１５】
散乱光案内機構７は、例えば後方散乱光を測定するためのもので、前記各サンプルＯＳ、ＲＳにレーザ光Ｌａ、Ｌｂをそれぞれ照射することにより生じた散乱光ＬＮａ、ＬＮｂを、前記各フォトディテクタ６ａ、６ｂにそれぞれ導く各一対の構成要素からなる。構成要素とは、入射レーザ光Ｌａ、Ｌｂの進行方向と逆向きに散乱する散乱光ＬＮａ、ＬＮｂを、前記平行レーザ光Ｌａ、Ｌｂより大径の平行光とする平行化レンズ７１ａ、７１ｂ、平行化された散乱光ＬＮａ、ＬＮｂのうちから多重散乱光等のノイズ要因となる光をカットするためのノイズ光カット部７２ａ、７２ｂ、このノイズ光カット部７２ａ、７２ｂからでた散乱光ＬＮａ、ＬＮｂを反射して光路を変える反射ミラー７３ａ、７３ｂ、その散乱光ＬＮａ、ＬＮｂを前記フォトディテクタ６ａ、６ｂの受光面に集光照射する集光レンズ７４ａ、７４ｂ等である。前記平行化レンズ７１ａ、７１ｂは、前記基本光案内機構５における集光レンズ５３ａ、５３ｂを兼ねるもので、散乱光ＬＮａ、ＬＮｂの光路が入射レーザ光Ｌａ、Ｌｂの光路と途中まで合致するようにしてある。前記ノイズ光カット部７２ａ、７２ｂは、ピンホールＰＨを有した遮蔽板Ｂの前後に一対の凸レンズＲ１、Ｒ２を配してなるものである。反射ミラー７３ａ、７３ｂは、前記平行レーザ光Ｌａ、Ｌｂの光路上に設置されるため、その平行レーザ光Ｌａ、Ｌｂの光量を変えることなくこれを通過させるべく中央部に略同径のレーザ貫通孔ＬＨが設けてある。なお、本実施形態において前記半導体レーザ４、セル２ａ、２ｂ、セルユニット部３、基本光案内機構５、散乱光案内機構７、フォトディテクタ６ａ、６ｂ等は同一筐体内に収容してある。
【００１６】
情報処理部８は、記憶装置に記憶させたプログラムに基づくＣＰＵ及び周辺ハードウェアの動作や、専用ディスクリート回路の動作によって、その機能を発揮するもので、各フォトディテクタ６ａ、６ｂから出力される散乱光強度信号の時間的揺らぎを、それぞれ揺らぎ情報として受け付け、それらの差分をとる差分部８１と、その差分部で生成された差分情報に加え、溶媒や粒子の屈折率、温度、粘度等に係るデータをパラメータとして粒径分布を算出する算出部８２と、その結果をディスプレイやプリンタ等に所定の態様で出力する出力部８３等としての役割を担う。なお、本実施形態ではホモダイン検出法を用いており、前記各パラメータに基づく粒径分布算出に係るアルゴリズム等の詳細内容に関しては本発明者が特開２０００−１７１３８３等で明らかにしているため、ここでの説明は省略する。もちろんヘテロダイン検出法でも適用可能なのはいうまでもない。また、本実施形態では、図３に示すように、前記差分部８１において、各散乱光強度信号をアナログ信号のままディスクリート差分回路を用いて差分し、その結果をデジタル変換して算出部８２に伝達するようにしているが、各散乱光強度信号をデジタル信号に変換した後、差分をとるようにしても構わない。
【００１７】
次にこのように構成した本装置１の作動例について図２を参照しつつ説明する。
【００１８】
半導体レーザ４からレーザ光Ｌが照射されると、ハーフミラー５２で等強度の２つのレーザ光Ｌａ、Ｌｂに分割され、測定セル２ａ中の測定サンプルＯＳ及びリファレンスセル２ｂ中のリファレンスサンプルＲＳにそれぞれ照射される。次に各セル２ａ、２ｂで生じた散乱光ＬＮａ、ＬＮｂが、散乱光案内機構７に導かれてそれぞれフォトディテクタ６ａ、６ｂで受光され、アナログ散乱光強度信号としてそれぞれ出力される。
【００１９】
そして情報処理部８が、前記各アナログ散乱光強度信号を受け付け、その時間的揺らぎであるリファレンス散乱光揺らぎ情報及び測定サンプル散乱光揺らぎ情報を得る（散乱光情報取得ステップＳ１）。
【００２０】
次に情報処理部８は、前記散乱光情報取得ステップで得られた各散乱光揺らぎ情報の差分をとり差分情報を生成する（差分情報生成ステップＳ２）。
【００２１】
そして、前記差分情報生成ステップで生成した差分情報を、フーリエ変換処理してパワースペクトル情報に変換するなどの演算処理を行った後、前記測定サンプルに含まれる測定対象粒子群の粒径分布を算出し（粒径分布算出ステップＳ３）、その結果をディスプレイやプリンタ等に所定の態様で出力する（ステップＳ４）。
【００２２】
したがってこのようなものであれば、前記差分により、多量にある粒子群からの散乱光情報がキャンセルされるため、測定サンプルＯＳ中に含まれる別径微量粒子の粒径分布測定が可能となる。そして例えば製品の品質管理において、正規品をリファレンスサンプルとし、生産された製品を測定サンプルとして、この方法を用いて差分測定することにより、製品の合否判定が可能となり、より精密な品質管理に寄与できる。具体的には不良品が混入した場合に、その不良品の粒径分布を知ることができる。
【００２３】
さらに本実施形態では、各セル２ａ、２ｂが同一セルユニット部３内に保持されて周辺環境がほぼ等しく保たれているうえ、それらセル２ａ、２ｂからの散乱光ＬＮａ、ＬＮｂの測定を完全同時に行っているため、地場の振動影響、界面での屈折率差による散乱影響等の外乱に起因するノイズが、各揺らぎ情報に等しく重畳することとなる一方、上述したように同一ノイズが重畳した各揺らぎ情報の差分をとっているため、ノイズが有効にキャンセルされ、測定対象粒子が微量であっても、ノイズに阻害されることなく、その分布を正確に求めることができる。
【００２４】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００２５】
例えば、前記差分部が、各揺らぎ情報から演算される途中演算情報の差分をとるようにしても構わない。そのような途中演算情報の一例としては、揺らぎ情報の周波数強度分布情報、すなわちパワースペクトル情報を挙げることができる。具体的には、図４に示すように、差分部８１にＡＤ変換部、ＦＦＴ処理部、差分処理部等を設けておき、各揺らぎ情報をデジタル化するとともにフーリエ変換処理してパワースペクトル情報とした後、差分をとるようにすればよい。
【００２６】
このように時間をパラメータとしない途中演算情報に変換した後、差分をとるようにすれば、前記実施形態のように、各サンプルからの散乱光の揺らぎの完全同時測定及び同時差分を必要としないため、機器構成や散乱光測定方法に更に多くのバリエーションを与えることができる。例えば、各サンプルからの散乱光を選択的に測定するようにしたり、サンプルを入れ替えて別々に測定することも可能である。
【００２７】
さらに本発明は、上述した動的散乱式の粒径分布測定装置のみならず、散乱光強度の角度分布から粒径分布を測定するいわゆる散乱／回折式粒径分布測定装置にも適用して前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
加えて、リファレンスサンプルが水等の溶媒のみ（ただしゴミや不純物粒子を含む）ものであってもよい。従来のように純粋な溶媒ではなくこのように不純物等が混入していても、これらを差し引き、真のサンプル粒径分布を求めることができる。
【００２９】
もちろん、ノイズカット部は必ずしも必要ないし、前方散乱、側方散乱を利用してもよい。
【００３０】
その他、本発明は前記図示例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、前記差分により、多量にある粒子群からの散乱光情報がキャンセルされるため、その中に含まれる別径微量粒子の粒径分布測定が可能となる。そして例えば製品の品質管理において、正規品をリファレンスサンプルとし、生産された製品を測定サンプルとして、この方法を用いて差分測定することにより、製品の合否判定が可能となり、より精密な品質管理に寄与できる。具体的には不良品が混入した場合に、その不良品の粒径分布を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における粒径分布測定装置の模式的全体図。
【図２】同実施形態における動的散乱式粒径分布測定装置の作動ステップを示すフローチャート。
【図３】同実施形態における差分部の詳細機能を示す機能ブロック図。
【図４】本発明の他の実施形態における差分部の詳細機能を示す機能ブロック図。
【符号の説明】
ＲＳ・・・リファレンスサンプル
Ｌ、Ｌａ、Ｌｂ・・・基本光（レーザ光）
ＬＮｂ・・・リファレンス散乱光
ＯＳ・・・測定サンプル
ＬＮａ・・・測定サンプル散乱光
Ｓ１・・・散乱光情報取得ステップ
Ｓ２・・・差分情報生成ステップ
Ｓ３・・・粒径分布算出ステップ

Claims

サンプルに基本光を照射して生じた散乱光から得られる散乱光情報に基づいて当該サンプルに含まれる粒子群の粒径分布を測定するものであって、
所定粒子群のみを含むリファレンスサンプルを収容するリファレンスセルと、
前記所定粒子群を大多数含み、その他に微量の別径をなす測定対象粒子群を含んでなる測定サンプルを収容する測定セルと、
単一の光源から射出された基本光を分割し、前記リファレンスサンプル及び測定サンプルにそれぞれ導く基本光案内機構と、
前記各サンプルに基本光が照射されて生じた散乱光を、光の強度を検出する光強度検出部に導く散乱光案内機構と、
前記光強度検出部で検出された各散乱光情報の差分に基づいて、前記測定サンプルに含まれる測定対象粒子群の粒径分布を算出する情報処理部と、を備えている粒径分布測定装置。
前記散乱光情報が、散乱光強度の揺らぎを示す揺らぎ情報である請求項１記載の粒径分布測定装置。
前記散乱光情報が、散乱光強度の揺らぎを示す揺らぎ情報から算出されるパワースペクトル情報である請求項１記載の粒径分布測定装置。
前記散乱光情報が、散乱光強度の角度分布に関する情報である請求項１記載の粒径分布測定装置。