JPH07209169A - 浮遊粒子群の濃度と粒度の空間分布の測定方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的大きい空間中において、浮遊粒子群に
レーザービームを照射して得られる前方微小角散乱光
を、その集光面に配置した環状光ディテクタで検出し、
得られた散乱光のパターンから浮遊粒子の濃度および粒
径のみならず、その空間分布を測定できる実用的な方法
と装置とを得ようとする。 【構成】 レーザー光等の細い平行光を、被測定粒子群
の分布域にわたって該光束と垂直方向に走査し、得られ
る前方微小角散乱光を、その集光面に配置した環状光デ
ィテクタで検出し、時系列的に得られた散乱光のパター
ンから浮遊粒子の濃度、粒径およびその空間分布を測定
する。測定装置は、既知の速度で回転する反射鏡４と、
測定対象の粒子群の寸法と同程度の大きさの口径の入射
レンズ６を使用し、測定空間８において平行光束が粒子
群を高速で走査する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、浮遊する微粒子群の
濃度とその粒度の空間分布を測定する方法とその装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】液体を微粒化する装置はさまざまな産業
分野で利用されている。形成される噴霧の粒度分布は、
製品の品質や性能、あるいは歩留まりに直接影響を与え
るので、それらの特性を迅速に、再現性よく測定できる
測定法が常に求められてきた。提案された各種の測定法
の中、現在、粒子群を平行なレーザー光束によって照射
し、その散乱強度パターンから粒度分布を決定する粒度
分布測定法とその装置が広く使用されている。この方法
と装置においては、粒子から散乱される光を前方に置い
たレンズで受光し、そのレンズの焦点に配置した多重光
電変換センサーによって散乱強度パターンが検出され、
粒径による散乱強度パターンの特徴的な変化が、粒径の
決定に利用されている。この方法は、非接触かつきわめ
て短時間に、再現性よく精度の高い測定結果を得ること
ができるという優れた特徴を持っており、噴霧だけでな
く粉体の粒度測定にも活用されている。

【０００３】この方法においては、散乱強度パターンが
検出される瞬間にレーザー光束の中に存在するすべての
粒子が測定の対象となるが、レーザー光束方向あるいは
それに垂直な面内で、粒度分布や濃度がどのように変化
しているかはわからない。粒子形成後の粒径およびその
分布のみを知れば良い場合にはこの方法および装置も有
力である。しかし、液体燃料を燃焼室内に噴霧する場合
等、粒子の空間分布が問題となる場合も多く、とくに噴
霧装置の改良を図る場合には、その知見は不可欠とな
る。

【０００４】噴霧の中で、粒子の濃度や粒度分布は一様
ではなく、噴射方向に垂直な断面においても、図５に示
すように、中心部と周辺部ではかなり異なる。そのた
め、従来装置によって粒子群全体の粒度分布を求めるた
めには、前記の粒度測定装置、あるいは噴霧ノズルを移
動装置に取付け、平行移動させて複数の位置において散
乱強度の測定を行い、それらから全体の粒度分布を決定
することが必要になる。ある断面における場所ごとの噴
霧の特性の違いを知るためには、さらに回転により角度
をかえて散乱強度の測定を行う必要がある。それぞれの
測定位置におけるレーザー光束の中の粒子群の濃度と粒
度分布から、噴霧全体の粒度分布や測定断面における粒
度や濃度の分布が決定される。

【０００５】しかしながら、コンピュータ制御による自
動移動装置は高価で、一方、手動の移動装置では時間が
かかるという問題があった。そのため、噴霧全体の粒度
分布の測定においても、ある一方向、たとえば軸対称噴
霧では直径方向の測定で間に合わせることがほとんどで
あった。噴霧特性の相対的な比較や異常の検知のために
はそれでも良かった。しかし近年、より厳密な比較が求
められるようになった。たとえば、口から吸引する薬品
を微粒化するためのネプライザーなどでは噴霧粒子群全
体の粒度分布の測定が必須になっている。粒子群全体の
粒度分布の測定のために、粒子群全体を一度に照射でき
る太いレーザー光束を使用することが考えられるが、こ
れは、瞬時測定は可能なものの、強度の一様なレーザー
光束を必要とするために、装置が非常に高価になるか、
きわめて小さい噴霧にしか適用できないために、実用に
はなっていない。しかも、このような装置では、粒度の
空間分布を測定することは出来ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、先にレ
ーザービームを照射して得られる前方微小角散乱光を、
その集光面に配置した環状光ディテクタで検出し、得ら
れた散乱光のパターンから浮遊粒子の濃度および粒径を
測定する方法と装置を提案した（特公平３−５５７８０
号）。この発明は、上記の方法および装置をさらに発展
させ、比較的大きい空間中において、粒子群の濃度と粒
度分布、およびその空間分布を測定できる実用的な方法
と装置とを得ようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、レー
ザー光等の細い平行光を、被測定粒子群の分布域にわた
って該光束と垂直方向に走査し、得られる前方微小角散
乱光を、その集光面に配置した環状光ディテクタで検出
し、時系列的に得られた散乱光のパターンから浮遊粒子
の濃度、粒径およびその空間分布を測定するものであ
る。

【０００８】測定装置は、既知の速度で回転する反射鏡
と、測定対象の粒子群の寸法と同程度の大きさの口径の
入射レンズを使用し、測定空間において平行光束が粒子
群を高速で走査するようにレンズ系を配置する。光源は
単色で、実質的に点光源にできるものであればよい。

【０００９】

【作用】測定すべき粒子群に、その粒子群を総て含む太
さの平行光束を照射し、その前方微小角散乱光を集光す
れば、光束中の粒子の位置に関係なく、同一角度で散乱
した光は総て集光面上の同一位置に集光する。従って、
集光面上に配置された環状ディテクタによって散乱光の
散乱角パターンが得られ、このパターンから粒子群の濃
度および粒径が求められることを先に提案した（上記特
公平３−５５７８０号参照）。この平行光束を細いもの
とし、測定すべき粒子群が分布する領域にわたって走査
すれば、走査範囲の粒子の濃度および粒径の分布が、照
射位置の移動に伴い時系列的にえられることは明らかで
ある。しかし、例えばレーザープリンタのように、偏向
角の変化による走査とすれば、照射位置によって集光位
置が異なることとなり、散乱角の検出に困難を伴う。本
発明においては、照射する平行光束を、照射角度を変え
ないようにその光束に垂直方向に走査することにより、
ただ１組のディテクタにより、照射位置の如何にかかわ
らず、その照射部分の粒子の濃度および粒径の分布を測
定し、照射部分を連続的に移動させることにより、粒子
群全体の濃度および粒径の分布を測定し得るようにした
ものである。

【００１０】このような走査を実現するには、図１に見
るように、回転する反射鏡と、この反射鏡への光束の入
射位置を焦点とするように配置された、測定対象の粒子
群の寸法と同程度の大きさの口径の射出レンズを使用
し、レンズを射出した光束が常に測定空間において平行
を保つようにし、平行光束が粒子群を高速で走査するよ
うにレンズ系を配置する。

【００１１】

【実施例】平行な細い平行光束を射出するレーザーを単
色光源として使用する場合について図１により説明す
る。レーザー１からの光束２を集光レンズ３により集
め、回転反射鏡４に入射させる。反射された光束５は、
反射鏡の回転によって振られるが、入射レンズ６の焦点
がこの反射面近傍にあれば、出射光束の軸は常に入射レ
ンズ６の光軸と平行に保たれる。さらに、この入射レン
ズ６を集光レンズ３による集光点７までの距離がその焦
点距離に等しい位置に配置すると、測定空間８には平行
な光束９が形成され、回転反射鏡の回転に応じて測定空
間を平行に走査する。この光束の太さは、粒子の大きさ
より十分太く、必要な空間分解能を持つように決めれば
よい。測定粒子は、数ミクロンから数百ミクロン程度で
あるので、一般には、数ミリ程度である。回転反射鏡
は、一面のものでも多面のものでも良く、また、ポリゴ
ンミラーのように一定方向に回転するものでも、ガルバ
ノミラーのようにある角度範囲で振れるものでも、測定
時の走査光束の測定空間における位置が計算等によって
決定されればよい。

【００１２】回折光及び直進光は、受光レンズ１４によ
って集光され、その集光面に配置された多重光電変換セ
ンサー１２によって検出される。このように集光点７が
反射鏡面４の近傍にあれば、集光レンズ６及び受光レン
ズ１４からなる光学系に対して反射鏡面４と集光点１３
とが共役の関係となり、反射鏡面４の倒れによって入射
光が図の走査面に対して垂直方向にずれたとしても、集
光点がずれることを防止できることは良く知られてい
る。そして、光源により、照射光がインコヒーレント光
であれば、集光点７は反射鏡面４に一致する。

【００１３】測定空間における走査光束の位置は、走査
端に配設された光検出器１０が光を検出した瞬間からの
時間と反射鏡の回転速度とから計算によって求めること
ができる。この光検出器は走査光束の到着を検出した瞬
間に信号を送り、信号処理器１１の時計を始動させ、そ
れを起点としてあらかじめ定めた一定の時間間隔、ある
いは任意の時刻列で散乱強度の分布を光電変換素子を多
数配列した多重光電変換センサー１２で検出する。これ
らの散乱強度のデータを解析することによって、それぞ
れの位置での粒子群の粒径分布と濃度が測定される。光
検出器１０は、走査光束が被測定空間に入った瞬間に多
重光電変換の中心の光電変換素子１３に出力が生じるこ
とを利用し、この中心の光電変換素子１３で代用するこ
ともできる。回転反射鏡の一種であるモータ駆動ポリゴ
ンミラーには毎分１万回転を越えるものもあるので、そ
れを用いるときわめて高速の走査ができ、同時性のある
データの取得も可能になる。

【００１４】軸対称の近似が成り立つような噴霧では、
平行走査により測定された散乱強度のデータ、あるいは
それを解析して得られた濃度と粒度分布のデータは、半
径方向の濃度および粒度分布の変化に変換される。ま
た、噴霧ノズルを回転させて複数の角度で平行走査測定
を行って得たデータからは、コンピュータ断層撮影の手
法により、走査測定断面における濃度と粒度分布の二次
元分布が決定される。

【００１５】図２に他の実施例の光学配置を示す。半導
体レーザー２１からの光を集光レンズ系２２で集めて、
集光点においたピンホール２３を通した後、回転多面鏡
２４に照射し、反射する光束２５を入射レンズ２６によ
り平行にする。この入射レンズからピンホールまでの距
離をその焦点距離に一致させるように配置すれば、測定
空間２８に平行な走査光束２７が形成される。多面鏡の
回転により、この走査光束は測定空間を横切って平行に
走査する。多面鏡の回転軸を、入射光とレンズ光学系の
軸のなす角度の二等分線上に置くことによってより平行
度の高い走査光束を形成できる。また、レンズ２６をｆ
θレンズとし、多面鏡２４の回転数を一定にすれば、走
査光束の走査速度を一定にできる。

【００１６】この走査光束の中の個々の粒子２９からの
散乱光３０は、受光レンズ３１により散乱角に応じて集
光され、そのレンズの焦点面においた光電変換素子３２
を多数配列した多重光電変換センサー３３に入射する。
各光電変換素子の出力信号を走査に同期させて読みと
り、記憶させる。多重光電変換の中心の光検出素子３４
によって平行なビームが測定空間の端にかかった瞬間を
検知し、データ処理器３５の時計を始動させ、その時点
から所定の時間間隔でデータを取得する。データ処理器
には、多重光電変換センサーの各素子の出力から粒度分
布と濃度を決定するための装置、すなわち複数の走査位
置での粒度分布と濃度のデータ、あるいはその基になる
散乱強度のデータを解析し、粒子群全体の濃度と粒度分
布、あるいは粒子群の中のそれらの分布を算出する過程
を実行する演算部、散乱強度データと結果を格納する記
憶部、それらを出力する表示部が備えられている。

【００１７】図２の入射光学系において、ピンホール２
３と回転多面鏡２４の間に折り返し反射鏡を図３（ａ）
のように設ければ、光軸調整が容易になる。また図３
（ｂ）のように平行光を入射レンズ側から入れ、回転多
面鏡を入射レンズの焦点に配置する方式でも平行な走査
光束を形成できる。

【００１８】図４には、複数の断面において平行走査を
行うための入射側光学系の実施例を示す。複数の光源あ
るいは単一光源から分割して得た、光束とその走査方向
を含む面に対して互いに直角方向に分離された複数の平
行光束４１を、それぞれ集光レンズ４２により共通のピ
ンホール４３に集光し、通過光４４を鏡４５で折り返
し、回転多面鏡４６に入射させる。この回転多面鏡は、
一面ごとに、入射する複数の光束のうちの一本だけを選
択して入射レンズ４７に向けて反射し、他の光束は脇に
そらせて反射するように面が形成されている。３本の走
査光束の場合を例にとれば、図４のように側面を鏡面と
する同一の直方体を６０度ずつずらせて３個重ねた形状
である。正六角形の辺に相当する鏡面が入射レンズに向
かい合ったときに、その鏡面に入射している光束だけが
入射レンズにむけて反射され、回転に伴って３本の入射
光束が順次選択されて、それぞれの高さで水平方向の走
査が行われる。この実施例では１つの多重光電変換セン
サにより、３本の光束による走査結果が時系列的に順次
得られるが、集光レンズおよび多重光電変換センサを各
光束ごとに設ければ、回転多面鏡は通常のポリゴン１個
で良い。この場合、受光レンズおよび多重光電変換セン
サは、各走査面に沿った細長い形状となっても良い。

【００１９】

【発明の効果】本発明は上記のように、細い平行光束
を、該光束に対して垂直方向に走査することにより、粒
子群全体の粒度分布、濃度のみならず、その空間分布ま
でも容易に測定することが可能となった。しかも、その
ための装置も、容易に入手できるものですみ、極めて実
用性の高いものとなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の浮遊粒子群の濃度と粒度の空間分布の
測定装置の１実施例の光学配置図である。

【図２】本発明の浮遊粒子群の濃度と粒度の空間分布の
測定装置の他の実施例の光学配置図である。

【図３】図２の実施例の、ポリゴンへの入射光学系の変
形例を示す光学配置図である。

【図４】本発明の浮遊粒子群の濃度と粒度の空間分布の
測定装置で複数平面において平行走査を行う実施例の光
学配置図である。

【図５】噴霧中の粒子の濃度や粒度分布を示す概念図で
ある。

【符号の説明】

１ レーザー ２ レーザー光束 ３，４
２ 集光レンズ ４ 回転反射鏡 ５，２５ 反射光束 ６，２
６，４７ 入射レンズ ７ 集光点 ８，２８ 測定空間 ９，２
７ 平行走査光束 １０ 光検出器 １１ 信号処理器 １２，３３ 多重光電変換センサー １３，３４
中心の光電変換素子 １４，３１ 受光レンズ ２１ 半導
体レーザー ２２ 集光レンズ系 ２３，４３
ピンホール ２４，４６ 回転多面鏡 ２９ 個々
の粒子 ３０ 散乱光 ３２ 光電変換素子 ３５
データ処理器 ４１ 複数の平行光束 ４５
平面鏡

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 細い単色平行光を、被測定粒子群の分布
   域にわたって該平行光束と垂直方向に走査し、得られる
   前方微小角散乱光を、その集光面に配置した環状光ディ
   テクタで検出し、時系列的に得られた散乱光のパターン
   から浮遊粒子の濃度、粒径およびその空間分布を測定す
   ることを特徴とする浮遊粒子群の濃度と粒度の空間分布
   の測定方法
2. 【請求項２】 単色の光源と、その光を一点に集める集
   光レンズと、その集光点からの光束を反射させる回転数
   既知の回転反射鏡と、その反射光を受け、測定空間に平
   行な光束を形成する入射レンズと、測定空間にある被測
   定粒子群から散乱される光を集める受光レンズと、この
   レンズの焦点面におかれ、その面における散乱光強度の
   半径方向の変化、すなわち散乱光強度パターンを検出す
   るための、光電変換素子を多数配列した多重光電変換セ
   ンサーと、測定空間の走査光束の位置の情報を与えるた
   めの光検出器と、多重光電変換センサーの各素子が受け
   る散乱光エネルギーに対応した出力を記録し、それから
   平行光束内の粒子の濃度と粒度分布を解析する装置とか
   らなることを特徴とする浮遊粒子群の濃度と粒度の空間
   分布を測定する装置
3. 【請求項３】 複数の断面における粒子の濃度と粒径の
   分布を測定するために、一面ごとに、入射する複数の光
   束のうちの一本だけを選択して入射レンズに向けて反射
   し、他の光束は脇にそらせて反射するように面が形成さ
   れている多面回転鏡を用いたことを特徴とする請求項２
   記載の浮遊粒子群の濃度と粒度の空間分布を測定する装
   置
4. 【請求項４】 光源からの光を一点に集め、そこにおか
   れた微小な孔を通過させることによって、測定空間によ
   り平行度の高い光束を形成できるようにした請求項２記
   載の浮遊粒子群の濃度と粒度の空間分布を測定する装置
5. 【請求項５】 走査光束の位置の情報を得るために、走
   査光束が測定空間に入った瞬間を検出するための光検出
   器を多重光電変換センサーの中心に設けたことを特徴と
   する請求項２記載の浮遊粒子群の濃度と粒度の空間分布
   を測定する装置
6. 【請求項６】 走査光束の位置の情報を得るために、回
   転反射鏡からの反射光を検出する光検出器を入射レンズ
   の開口部の外側に配置したことを特徴とする請求項２記
   載の浮遊粒子群の濃度と粒度の空間分布を測定する装置