(57)【要約】【課題】粒子の粒径を小型の装置によって早く測定する。【解決手段】内部に粒子が沈降する気相空間を形成する沈降容器と、上記気相空間において上記粒子が沈降を開始した位置から所定の基準距離だけ離れ、かつ、沈降する上記粒子が通過する位置に波長が一様な測定光を照射する照射手段と、上記気相空間を沈降する粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光する受光手段と、上記変調光の周波数に基づいて上記粒子の沈降速度を取得する沈降速度取得手段と、上記沈降速度と上記基準距離とに基づいて上記粒子の粒径を特定する粒径特定手段とを具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に粒子が沈降する気相空間を形成する沈降容器と、
上記気相空間において上記粒子が沈降を開始した位置から所定の基準距離だけ離れ、かつ、沈降する上記粒子が通過する位置に波長が一様な測定光を照射する照射手段と、
上記気相空間を沈降する粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光する受光手段と、
上記変調光の周波数に基づいて上記粒子の沈降速度を取得する沈降速度取得手段と、
上記沈降速度と上記基準距離とに基づいて上記粒子の粒径を特定する粒径特定手段とを具備することを特徴とする粒径測定装置。
【請求項２】
上記沈降速度取得手段は、加速中の上記粒子の沈降速度を取得することを特徴とする請求項１に記載の粒径測定装置。
【請求項３】
上記粒径特定手段は、
気相を落下する球形粒子の運動方程式に上記沈降速度と上記基準距離を代入するとともに、当該運動方程式を満足する上記粒子の粒径を特定することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の粒径測定装置。
【請求項４】
上記照射手段は、透光性を有する上記沈降容器の外部に配置され、
上記受光手段は、上記沈降容器にて上記測定光が反射した参照光と、上記沈降容器を透過しつつ上記粒子にて変調された上記変調光との混合光を受光するとともに、
上記沈降速度取得手段は、上記混合光のビート周波数に基づいて上記沈降速度を取得することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の粒径測定装置。
【請求項５】
上記測定光は上記粒子の沈降方向に直交するシートビームであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の粒径測定装置。
【請求項６】
上記受光手段は、複数の粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光するとともに、
上記変調光の光量を前記沈降速度ごとに解析することにより、各粒径を有する上記粒子の個数を特定する個数特定手段をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の粒径測定装置。
【請求項７】
上記個数特定手段は、
上記変調光の光量が上記粒子の粒径の２乗に比例することに基づいて、上記粒子の個数を特定することを特徴とする請求項６に記載の粒径測定装置。
【請求項８】
沈降容器の内部に粒子が沈降する気相空間を形成し、
上記気相空間において上記粒子が沈降を開始した位置から所定の基準距離だけ離れ、かつ、沈降する上記粒子が通過する位置に波長が一様な測定光を照射し、
上記気相空間を沈降する粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光し、
上記変調光の周波数に基づいて上記粒子の沈降速度を取得し、
上記沈降速度と上記基準距離とに基づいて上記粒子の粒径を特定することを特徴とする粒径測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒径測定装置および粒径測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子の粒径を測定する装置として沈降速度計が知られている。この沈降速度計においては、液相または気相を沈降する粒子の終端速度を計測し、当該終端速度に基づいて粒径を算出する。ところが、液相において沈降する粒子が終端速度に達するまでに要する時間が長く、測定時間が長くなるという問題があった。これに対して、気相沈降では媒体の密度を小さくすることができ、終端速度に達する時間を短縮することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、気相沈降によって終端速度に達する時間を短縮できても、沈降速度が大きくなるため、当該時間における粒子の沈降距離が長くなるという問題があった。そのため、粒子を沈降させるための沈降容器が大型化するという問題があった。
本発明は上記課題にかんがみてなされたもので、粒子の粒径を小型の装置によって早く測定することが可能な粒径測定装置および粒径測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、内部に粒子が沈降する気相空間を形成する沈降容器と、上記気相空間において上記粒子が沈降を開始した位置から所定の基準距離だけ離れ、かつ、沈降する上記粒子が通過する位置に波長が一様な測定光を照射する照射手段と、上記気相空間を沈降する粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光する受光手段と、上記変調光の周波数に基づいて上記粒子の沈降速度を取得する沈降速度取得手段と、上記沈降速度と上記基準距離とに基づいて上記粒子の粒径を特定する粒径特定手段とを具備する粒径測定装置を開示する。
【０００５】
さらに、本発明の技術的思想は、具体的な粒径測定装置にて具現化されるのみならず、当該粒径測定装置によって行われる工程を備える方法においても具現化することもできる。むろん、上述した粒径測定装置がプログラムを読み込んで上述した各手段を実現する場合には、当該各手段に対応する機能を実行させるプログラムや当該プログラムを記録した各種記録媒体においても本発明の技術的思想が具現化できることは言うまでもない。なお、本発明の粒径測定装置は、単一の装置のみならず、複数の装置によって分散して存在可能であることはいうまでもない。さらに、本発明の粒径測定装置が他の機能を有する装置に組み込まれてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、下記の順序に従って本発明の実施形態を説明する。
１．装置構成：
２．測定処理：
３．まとめおよび変形例：
【０００７】
１．装置構成
図１は、本実施形態にかかる粒径測定装置のハードウェア構成を示している。同図に示すように、粒径測定装置１０は大きく速度測定部２０とデータ処理部３０とから構成されている。速度測定部２０は、沈降容器２１と光源（照射手段）２２と非球面レンズ２３とピンホール２４と光電子増倍管（受光手段）２５と高圧電源２６とから構成されている。データ処理部３０は、信号処理回路３１とＣＰＵ３２（沈降速度取得手段、粒径特定手段、個数特定部）とＲＯＭ３３とＲＡＭ３４とハードディスクドライブ（ＨＤＤ）３５とバス３６とディスプレイ３７と入力部３８から構成されている。本実施形態では、速度測定部２０とデータ処理部３０とを単一の装置の一部として表記するが、速度測定部２０とデータ処理部３０とが例えばＵＳＢインターフェイス等によって接続された別の装置であってもよい。
【０００８】
図２は、沈降容器２１と光源２２と非球面レンズ２３とピンホール２４と光電子増倍管２５と高圧電源２６の位置関係を略水平方向から見て示している。同図において、沈降容器２１は、ガラスや透明樹脂によって円筒状に形成されている。沈降容器２１の内部には空気が存在しており、沈降容器２１の内部に円柱状の気相空間が形成される。沈降容器２１の長さ方向が、鉛直方向となるように速度測定部２０が設置される。沈降容器２１の円環状水平断面の中央を鉛直に貫く直線を中央軸ＣＡと表記するものとする。沈降容器２１の上部には円形の水平開口２１ａが設けられており、この開口２１ａの高さ（Ｊ＝０）から粒子を落下（沈降）させることができる。沈降開始高さから下方に所定の基準距離Ｓだけ低い位置（Ｊ＝Ｓ）において水平の測定面ＯＰが設けられている。なお、本実施形態では、基準距離Ｓが１００ｍｍとされている。
【０００９】
測定面ＯＰに沿うように照射手段としての光源２２が測定光としてのシートビームを照射する。光源２２が照射するシートビームはレーザ光であり、波長は一様となっている。非球面レンズ２３の中央光軸が中央軸ＣＡに６０°の角度をなすように、非球面レンズ２３が配置されている。非球面レンズ２３は、有効領域ＥＲ内に入射した光を円形の孔であるピンホール２４に集光するものである。すなわち、有効領域ＥＲに対して垂直（中央軸ＣＡに対して６０°）に入射した光のみがピンホール２４に集光されることとなる。有効領域ＥＲの下端から測定面ＯＰに向けて垂線を引くと、沈降容器２１の外表面（図において沈降容器２１の右端面。）のわずか外側で測定面ＯＰと交差する。一方、有効領域ＥＲの上端から測定面ＯＰに向けて垂線を引くと、沈降容器２１の内表面のわずか外側で測定面ＯＰと交差する。ピンホール２４に集光された光は、高圧電源２６から電源が供給された光電子増倍管２５にて電気信号に変換される。次に、測定面ＯＰに粒子が存在する場合と、そうでない場合における速度測定部２０の状態について説明する。
【００１０】
図３Ａ，３Ｂは、粒径Ｄ（模式的に大きく図示。）を有する略球形の粒子Ｐが沈降容器２１を沈降するある瞬間の様子を模式的に示している。なお、沈降容器２１において、粒子Ｐは鉛直方向の重力により鉛直下方、すなわち中央軸ＣＡに平行な方向に加速していく。また、沈降容器２１内において空気の流れはなく、粒子Ｐは鉛直下方に直進すると考えることができる。ここで図３Ａのように、粒子Ｐの中心Ｇにおいて水平面から１５°をなす直線と球面との交点に測定光が入射する期間に、当該測定光が鏡面反射することにより、中央軸ＣＡに対して６０°をなす変調光ＬＭが生じることとなる。なお、図示するように測定光は鉛直方向にわずかな厚みｈを有している。この変調光ＬＭは、中央軸ＣＡに対して６０°をなすため、非球面レンズ２３の有効領域ＥＲに入射し、ピンホール２４に集光されることとなる。粒子Ｐが沈降速度Ｖによって沈降しているとすると、図３Ｂに示すように別の瞬間では粒子Ｐに対する測定光の入射角が変わり、ピンホール２４に集光可能な変調光ＬＭが生じなくなる。
【００１１】
ところで、図３Ａ，３Ｂのいずれの状態においても、測定光が沈降容器２１の外表面にて拡散反射した反射光のうち中央軸ＣＡに対して６０°をなす成分（参照光ＬＲ）が非球面レンズ２３の有効領域ＥＲに入射し、ピンホール２４に集光されることとなる。そのため、図３Ａの状態においては、変調光ＬＭと参照光ＬＲがともに有効領域ＥＲに入射し、これらの混合光がピンホール２４に集光されることとなる。一方、図３Ｂの状態においては、参照光ＬＲのみが有効領域ＥＲに入射し、ピンホール２４に集光されることとなる。ここで、変調光ＬＭは沈降速度Ｖで進行する粒子Ｐにて反射した光であり、ドップラー効果によって周波数がわずかに変調されることとなる。一方、参照光ＬＲは静止した沈降容器２１の外表面にて反射した光であり、周波数は光源２２が照射したものと変わらない。すなわち、図３Ａの状態では、わずかに周波数の異なる変調光ＬＭと参照光ＬＲの混合光がピンホール２４に集光され、光電子増倍管２５にて電気信号に変換されることとなる。
【００１２】
次に、データ処理部３０について説明する。データ処理部３０は、まず信号処理回路３１が光電子増倍管２５から混合光の受信に応じた電気信号を入力し、当該電気信号に対してアナログ−デジタル変換処理や検波処理や増幅処理や帯域フィルタ処理等を実行する。光電子増倍管２５が受光する変調光ＬＭと参照光ＬＲの混合光の光強度は下記の（１）式によって表すことができる。
【数１】
2010060373.tif 000003
【００１３】
なお、上記の（１）式において、Ｌ1は参照光ＬＲの振幅を示し、Ｌ2は変調光ＬＭの振幅を示し、ｆ1は参照光ＬＲの周波数を示し、ｆ2は変調光ＬＭの周波数を示している。上記の（１）式の左辺に示すように混合光の光強度は、参照光ＬＲと変調光ＬＭとの光強度を乗算したものであり、右辺のように展開することができる。右辺の第１項では参照光ＬＲと変調光ＬＭとの周波数の差（ｆ1−ｆ2）を意味するビート周波数δｆを有するビート信号が表れ、右辺の第２項では参照光ＬＲと変調光ＬＭとの周波数の和（ｆ1＋ｆ2）を有する成分が表れる。すなわち、混合光の光強度の変動には低周波成分と高周波成分が含まれるということができる。
【００１４】
信号処理回路３１は、光電子増倍管２５から入力された電気信号のうち、ビート周波数δｆに対応する周波数帯成分を抽出・増幅して得られたビート信号のデジタルデータを順次バス３６を介してＲＡＭ３４に転送・記憶させる。そして、ＣＰＵ３２がＲＯＭ３３やＨＤＤ３５に記憶されたプログラムデータ（コード）をＲＡＭ３４に展開しつつ、当該プログラムデータに基づいて上記デジタルデータの測定処理を実行する。以下、測定処理について説明する。
【００１５】
２．測定処理
図４は、ＣＰＵ３２が実行する測定処理の流れを示している。ステップＳ１００においては、測定対象の粒子Ｐの密度ρpの指定を入力部３８を介して受け付ける。入力部３８は、例えばキーボードやマウスや操作パネルであり、使用者から密度ρpの数値入力を受け付ける。むろん、使用者から粒子Ｐの物質名を受け付け、当該物質に対応する密度ρpをＲＯＭ３３やＨＤＤ３５に記憶されたデータベースから取得するようにしてもよい。なお、密度ρpが一様な多数の粒子Ｐが本発明における粒径の測定対象となる。
【００１６】
ステップＳ１１０においては、開口２１ａから解析対象の粒子Ｐを沈降させる。このとき、粒子Ｐの落下を開始させる高さが開口２１ａと同じ高さとなるようにし、粒子Ｐに初速を与えないようにする。粒子Ｐは単一でなく、例えば、さじ等で適量採取した粉末試料（粒子群）を開口２１ａから沈降させる。粒子Ｐの沈降の開始とともに、光電子増倍管２５による合成波の監視を開始し、ビート周波数δｆに対応するデジタルデータがＲＡＭ３４に順次記憶される。ステップＳ１２０においては、図示しないタイマによりサンプリング周期の経過を待ち、当該サンプリング周期が経過すると次のステップＳ１３０を実行させる。ステップＳ１３０においては、サンプリング周期の間にＲＡＭ３４に記憶されたデジタルデータに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行することにより、スペクトルデータを得る。ステップＳ１４０においては、得られたスペクトルデータをＲＡＭ３４に蓄積（記憶）する。
【００１７】
ステップＳ１５０において、ステップＳ１１０の実行から所定の測定時間が経過したかを判定し、経過していない場合にはステップＳ１２０に戻り、次のサンプリング周期の経過を待つ。このようにすることにより、測定時間が経過するまでの間は、サンプリング周期が経過するごとに、当該サンプリング周期において取得されたデジタルデータについてＦＦＴを実行し、スペクトルデータを得ることができる。このスペクトルデータは、ステップＳ１４０において蓄積されるため、最終的にはステップＳ１１０の実行から所定の測定時間を経過するまでのスペクトルデータを得ることができる。なお、測定時間は、沈降する粒子Ｐが測定面ＯＰを通過するのに要する時間よりも十分に長い時間に設定されている。次に、スペクトルデータについて説明する。
【００１８】
図５はスペクトルデータを模式的に示すグラフである。図５において、横軸は周波数ｆ（周波数ｆは離散的であり、以下、各周波数区分ｉの中央値を周波数ｆiと表記する。）を示し、縦軸は各周波数区分ｉの振幅Ａiを示している。同図において、一度のＦＦＴ（ステップＳ１３０）によって各サンプリング周期についてのスペクトルデータを得ることができる。ステップＳ１４０では、各スペクトルデータを順次蓄積（加算）していくため、ステップＳ１１０の実行から測定時間が経過するまでのスペクトルデータを最終的に得ることができる。振幅Ａiは、上記の（１）式の右辺第１項のビート信号の振幅Ｌ1Ｌ2に比例した値であると考えることができる。また、参照光ＬＲの光強度Ｌ1は定数であると考えることができ、振幅Ａiは変調光ＬＭの光強度Ｌ2に比例する値であると考えることができる。なお、各サンプリング周期において測定面ＯＰを通過する粒子Ｐは単数でなく、各粒子Ｐについて対応するスペクトルデータが得られることとなる。また、単一の周波数区分ｉに属する粒子Ｐが複数ある場合には、単一の粒子Ｐに起因するビート信号の振幅Ｌ1Ｌ2を個数分乗算した値として振幅Ａiが得られることとなる。
【００１９】
以上のようにして全測定時間についてのスペクトルデータが得られると、ステップＳ１６０において、各周波数ｆiに対応する粒子Ｐの沈降速度Ｖiを算出する。ここで、変調光ＬＭは沈降中の粒子Ｐにおける反射によってドップラー変調されたドップラー波であると考えることができる。一方、参照光ＬＲは静止している沈降容器２１において反射されており、参照光ＬＲの周波数ｆ1はもとの測定光の周波数と同じである。従って、参照光ＬＲの周波数ｆ1と変調光ＬＭの周波数ｆ2との間に下記の（２）式の関係が成り立つということができる。
【数２】
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上記の（２）式において、Ｖは測定面ＯＰにおける粒子Ｐの沈降速度を示し、Ｃは光速を示し、θは粒子Ｐの進行方向と変調光ＬＭの光軸とがなす角（本実施形態では６０°）を示している。ここで、Ｃ＞＞Ｕであるため、上記の（２）式を下記の（３）式で表すことができる。
【数３】
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上記の（３）式によれば、参照光ＬＲと変調光ＬＭとの混合光におけるビート周波数δｆと測定面ＯＰにおける粒子Ｐの沈降速度Ｖとの関係を得ることができる。従って、ビート周波数δｆに対応する各周波数ｆiを上記の（３）式のビート周波数δｆに代入し、沈降速度Ｖについて解くことにより、各周波数ｆiに対応する沈降速度Ｖiを算出することができる。これにより、各周波数ｆiについての振幅Ａｉのスペクトルデータが各沈降速度Ｖiについての振幅Ａｉのスペクトルデータに変換できたこととなる。
【００２０】
次に、ステップＳ１７０においては、ＣＰＵ３２が沈降速度Ｖiに基づいて粒径Ｄを算出する。以下、粒径Ｄを算出する理論を説明する。沈降容器２１内の気相にて沈降する粒子Ｐを支配する運動方程式は、下記の（４）式のように表すことができる。
【数４】
2010060373.tif 000006
上記の（４）式において、ρfは沈降容器２１内に存在する空気の密度を示し、ρpは粒子Ｐの密度を示し、ＣDは空気抵抗の抗力係数を示し、ｔは沈降を開始指定からの時間を示し、ｖは任意の時間・位置における粒子Ｐの沈降速度を示し、ｇは重力加速度を示している。空気の密度ρfは既知の値であり、粒子Ｐの密度ρpはステップＳ１００において得られている。レイノルズ数Ｒｅが１０以下となる低速域においては、抗力係数ＣDは下記の（５）式で表すことができる。
【数５】
2010060373.tif 000007
【００２１】
なお、上記の（５）式においてμは空気の粘度を示している。上記の（５）式を上記の（４）式に代入し、両辺をπＤ3ρpで割ると、下記の（６）式の微分方程式を得ることができる。
【数６】
2010060373.tif 000008
ここで、ｇ（１−ρp／ρf）＝Ａとし、１８μｖ／ρpＤ2＝Ｂとし、上記の（６）式を解くと、下記の（７）式を得ることができる。
【数７】
2010060373.tif 000009
【００２２】
上記の（７）式においてＣ１は積分定数を示している。沈降開始（ｔ＝０：ステップＳ１１０）における粒子Ｐの沈降速度ｖは０であり、これらを上記の（７）式に代入するとはＣ１＝−Ａ／Ｂが求められる。これを上記の（７）式に代入すると、上記の（７）式を下記の（８）式のように表すことができる。
【数８】
2010060373.tif 000010
ここで、任意の沈降距離Ｊは沈降速度ｖを使用して下記の（９）式によって表すことができる。
【数９】
2010060373.tif 000011
【００２３】
上記の（９）式においてＣ２は積分定数を示している。沈降開始（ｔ＝０：ステップＳ１１０）における粒子Ｐの沈降距離Ｊは０であり、これらを上記の（９）式に代入するとＣ２＝０が求められる。Ｃ２＝０とし、上記の（９）式を展開すると、下記の（１０）式を得ることができる。
【数１０】
2010060373.tif 000012
上記の（１０）式の右辺第２項の一部（｛｝の内側）を上記の（８）式の関係によりＶに置き換えて、ｔに関して解くと、下記の（１１）式を得ることができる。
【数１１】
2010060373.tif 000013
【００２４】
さらに、上記の（１１）式を上記の（８）式に代入することにより、下記の（１２）式を得ることができる。
【数１２】
2010060373.tif 000014
ここで、測定面ＯＰにおける粒子Ｐの沈降距離ＪはＪ＝Ｓ（基準距離）であり、粒子Ｐの沈降速度ｖはｖ＝ＶiであることがステップＳ１６０にて特定されている。これらを上記の（１２）式に代入し、さらに変形すると下記の（１３）式を得ることができる。
【数１３】
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【００２５】
Ｂには粒径Ｄが含まれるため、上記の（１３）式を粒径Ｄに関して解くことができれば、基準距離Ｓにおける沈降速度Ｖiに基づいて粒径Ｄを算出することができる。ところが、粒径Ｄについて上記の（１３）式を解くのは容易ではないため、本実施形態では下記の（１４）式のように、上記の（１３）式を、それぞれ粒径Ｄの関数である左辺関数Ｌ（Ｄ）と右辺関数Ｒ（Ｄ）に分離し、これらの値が最も近くなる粒径Ｄを探索することにより、粒径Ｄを算出する。
【数１４】
2010060373.tif 000016
【００２６】
以上においては粒径Ｄを算出するための理論について説明したが、ここからはステップＳ１７０にて実質的に行われる処理を説明する。ステップＳ１７０では、ステップＳ１６０において算出した粒子Ｐの沈降速度Ｖiを上記の（１４）式の左辺関数Ｌ（Ｄ）と右辺関数Ｒ（Ｄ）にそれぞれ代入する。その他の既知の係数Ｓ，ρp，ρf，μ，ｇも上記の（１４）式の左辺関数Ｌ（Ｄ）と右辺関数Ｒ（Ｄ）にそれぞれ代入する。そして、粒径Ｄを所定の範囲でシフトさせながら、左辺関数Ｌ（Ｄ）と右辺関数Ｒ（Ｄ）の値を順次算出していく。そして、最も左辺関数Ｌ（Ｄ）と右辺関数Ｒ（Ｄ）の値が近くなる粒径Ｄを解とする。
【００２７】
図６は、ステップＳ１７０における探索の様子をグラフで示している。同図において、縦軸がある沈降速度Ｖiにおける左辺関数Ｌ（Ｄ）と右辺関数Ｒ（Ｄ）の値を示し、横軸が粒径Ｄを示している。同図において、左辺関数Ｌ（Ｄ）と右辺関数Ｒ（Ｄ）は粒径Ｄのシフトにともなって値を変動させ、ある粒径Ｄにおいて最も近い値（もしくは等しい値）となる。図６の例では、粒径Ｄを１〜２００μｍの範囲でシフトさせており、１００μｍにおいて左辺関数Ｌ（Ｄ）と右辺関数Ｒ（Ｄ）の値が最も近くなっている。左辺関数Ｌ（Ｄ）と右辺関数Ｒ（Ｄ）の値が最も近くなる粒径Ｄが、上記の（４）式の運動方程式を満足すると言うことができる。以上の処理を、各沈降速度Ｖiについて実行することにより、各沈降速度Ｖiについて対応する粒径Ｄiを算出することができる。これにより、各周波数ｆiについての振幅Ａｉのスペクトルデータが各粒径Ｄiについての振幅Ａｉのスペクトルデータに変換できたこととなる。
【００２８】
ステップＳ１８０においては、各粒径Ｄiに属する粒子Ｐの個数ｎiを算出する。ここでは、下記の（１５）式の関係によって振幅Ａｉを個数ｎiに変換する。
【数１５】
2010060373.tif 000017
上記の（１５）式のｋは比例定数を示している。上記の（１５）式では、粒子Ｐにて反射した変調光ＬＭの光強度が粒径Ｄiの２乗に比例し、かつ、沈降速度Ｖiに反比例する性質を利用している。粒子Ｐ上のある点が厚みｈを通過する時間は沈降速度Ｖiに反比例し、変調光ＬＭが光電子増倍管２５にて受光される時間も沈降速度Ｖiに反比例すると考えられるからである。また、粒径Ｄiが大きいほど変調光ＬＭの光強度が大きく、粒径Ｄiの２乗に比例すると考えることができる。単一の粒子Ｐに起因する変調光ＬＭの光強度に個数ｎiを乗算した値が振幅Ａｉとなる。なお、沈降容器２１内では空気の流れはないため、単一の粒子Ｐに起因するビート信号は一度だけ光電子増倍管２５にて測定される。これにより、各粒径Ｄiについての個数ｎiのスペクトルデータが得られたこととなる。ステップＳ１９０においては、以上の測定結果をディスプレイ３７に出力する。
【００２９】
図７は、ディスプレイ３７に表示される測定結果の一例を示している。同図においては、横軸に粒径Ｄiを示し、縦軸に個数ｎiを示すグラフ（最終的に変換されたスペクトルデータ）が表示されている。このようにすることにより、粒径分布を容易に把握することができる。むろん、個数ｎiを全個数Σｎiで除算することにより構成割合を算出し、縦軸に表示するようにしてもよい。
【００３０】
３．まとめおよび変形例
本発明においては、上記の（３）式の運動方程式を満足する粒径Ｄを粒子Ｐの沈降速度Ｖに基づいて算出する。この運動方程式は、沈降している粒子Ｐが加速中であっても成立するため、加速中であるか終端速度に達しているかに拘わらず、粒子Ｐの沈降速度Ｖを測定すればよいこととなる。すなわち、粒径Ｄの測定にあたり、粒子Ｐの沈降速度Ｖが終端速度となるまで待つ必要がなく、素早い粒径測定が可能となる。特に気相での沈降を利用するため、迅速な粒径測定が可能となる。また、粒子Ｐの加速中に沈降速度Ｖを測定すればよいため、沈降速度Ｖが終端速度となるために必要な沈降距離を確保しておく必要もない。むろん、粒子Ｐの沈降速度Ｖが終端速度となっていた場合であっても、上記の（４）式は成立するため、同様の手法によって粒径Ｄを特定することができる。上述した実施形態では、基準距離Ｓを１００ｍｍとすることにより、加速中の粒子Ｐの沈降速度Ｖを測定している。そのため、上述した実施形態では、最低限、沈降容器２１の長さを１００ｍｍより若干大きくしておけばよく、粒径測定装置１０を小型とすることができる。
【００３１】
上述した実施形態では、混合光をそのまま非球面レンズ２３に入射させるようにしたが、非球面レンズ２３の手前に補正フィルタを設置してもよい。図２に示すように、沈降容器２１の図中右側と左側とでは、粒子Ｐにて反射した変調光ＬＭの光路が異なることとなる。図中右側の粒子Ｐは、図中左側の粒子Ｐよりも光源２２および光電子増倍管２５に近い。そのため、図中右側の粒子Ｐに起因するビート信号の振幅Ｌ1Ｌ2は、図中左側の粒子Ｐに起因するビート信号の振幅Ｌ1Ｌ2よりも大きい傾向を有することとなる。このような傾向を逆補正するような透過率分布を有する補正フィルタを非球面レンズ２３の手前に設置することにより、個数ｎiの算出精度を向上させることができる。また、上述した実施形態ではθ＝６０°のものを例示したが、他の角度であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】粒径測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】速度測定部の側面図である。
【図３】測定光と参照光と変調光を説明する図である。
【図４】測定処理を示すフローチャートである。
【図５】スペクトルデータを示すグラフである。
【図６】粒径を算出する様子を説明する図である。
【図７】測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０…粒径測定装置、２０…速度測定部、２１…沈降容器、２２…光源、２３…非球面レンズ、２４…ピンホール、２５…光電子増倍管、２６…高圧電源、３０…データ処理部、３１…信号処理回路、３２…ＣＰＵ、３３…ＲＯＭ、３４…ＲＡＭ、３５…ＨＤＤ、３６…バス、３７…ディスプレイ、３８…入力部。
【図１】
2010060373.tif 000018
【図２】
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【図３】
2010060373.tif 000020
【図４】
2010060373.tif 000021
【図５】
2010060373.tif 000022
【図６】
2010060373.tif 000023
【図７】
2010060373.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月9日(2009.1.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に粒子が沈降する気相空間を形成する沈降容器と、
上記気相空間において上記粒子が沈降を開始した位置から所定の基準距離だけ離れ、かつ、沈降する上記粒子が通過する位置に波長が一様な測定光を照射する照射手段と、
上記気相空間を沈降する粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光する受光手段と、
上記変調光の周波数に基づいて上記粒子の沈降速度を取得する沈降速度取得手段と、
気相を落下する球形粒子の運動方程式に上記沈降速度と上記基準距離を代入するとともに、当該運動方程式を満足する上記粒子の粒径を特定する粒径特定手段とを具備することを特徴とする粒径測定装置。
【請求項２】
上記運動方程式は、重力加速度と、上記粒子の粒径と、上記粒子の密度と、空気の密度と、空気の粘度と、上記基準距離と、上記沈降速度との関係を特定するものであることを特徴とする請求項１に記載の粒径測定装置。
【請求項３】
上記運動方程式は、重力加速度をｇとし、上記粒子の粒径をＤとし、上記粒子の密度をρpとし、空気の密度をρfとし、空気の粘度をμとし、上記基準距離をＳとし、上記沈降速度をＶiとしたときに、
2010060373.tif 000025
で表されることを特徴とする請求項２に記載の粒径測定装置。
【請求項４】
上記照射手段は、透光性を有する上記沈降容器の外部に配置され、
上記受光手段は、上記沈降容器にて上記測定光が反射した参照光と、上記沈降容器を透過しつつ上記粒子にて変調された上記変調光との混合光を受光するとともに、
上記沈降速度取得手段は、上記混合光のビート周波数に基づいて上記沈降速度を取得することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の粒径測定装置。
【請求項５】
上記測定光は上記粒子の沈降方向に直交するシートビームであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の粒径測定装置。
【請求項６】
上記受光手段は、複数の粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光するとともに、
上記変調光の光量を前記沈降速度ごとに解析することにより、各粒径を有する上記粒子の個数を特定する個数特定手段をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の粒径測定装置。
【請求項７】
上記個数特定手段は、
上記変調光の光量が上記粒子の粒径の２乗に比例することに基づいて、上記粒子の個数を特定することを特徴とする請求項６に記載の粒径測定装置。
【請求項８】
沈降容器の内部に粒子が沈降する気相空間を形成し、
上記気相空間において上記粒子が沈降を開始した位置から所定の基準距離だけ離れ、かつ、沈降する上記粒子が通過する位置に波長が一様な測定光を照射し、
上記気相空間を沈降する粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光し、
上記変調光の周波数に基づいて上記粒子の沈降速度を取得し、
上記沈降速度と上記基準距離とに基づいて上記粒子の粒径を特定することを特徴とする粒径測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
本発明は、内部に粒子が沈降する気相空間を形成する沈降容器と、上記気相空間において上記粒子が沈降を開始した位置から所定の基準距離だけ離れ、かつ、沈降する上記粒子が通過する位置に波長が一様な測定光を照射する照射手段と、上記気相空間を沈降する粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光する受光手段と、上記変調光の周波数に基づいて上記粒子の沈降速度を取得する沈降速度取得手段と、気相を落下する球形粒子の運動方程式に上記沈降速度と上記基準距離を代入するとともに、当該運動方程式を満足する上記粒子の粒径を特定する粒径特定手段とを具備する粒径測定装置を開示する。
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月23日(2009.4.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
上記運動方程式は、重力加速度をｇとし、上記粒子の粒径をＤとし、上記粒子の密度をρpとし、空気の密度をρfとし、空気の粘度をμとし、上記基準距離をＳとし、上記沈降速度をＶiとしたときに、
2010060373.tif 000026
で表されることを特徴とする請求項２に記載の粒径測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
沈降容器の内部に粒子が沈降する気相空間を形成し、
上記気相空間において上記粒子が沈降を開始した位置から所定の基準距離だけ離れ、かつ、沈降する上記粒子が通過する位置に波長が一様な測定光を照射し、
上記気相空間を沈降する粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光し、
上記変調光の周波数に基づいて上記粒子の沈降速度を取得し、
気相を落下する球形粒子の運動方程式に上記沈降速度と上記基準距離を代入するとともに、当該運動方程式を満足する上記粒子の粒径を特定することを特徴とする粒径測定方法。
【手続補正書】
【提出日】平成21年5月27日(2009.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
上記運動方程式は、重力加速度をｇとし、上記粒子の粒径をＤとし、上記粒子の密度をρpとし、空気の密度をρfとし、空気の粘度をμとし、上記基準距離をＳとし、上記沈降速度をＶiとしたときに、
2010060373.tif 000027
で表されることを特徴とする請求項２に記載の粒径測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
沈降容器の内部に粒子が沈降する気相空間を形成し、
上記気相空間において上記粒子が沈降を開始した位置から所定の基準距離だけ離れ、かつ、沈降する上記粒子が通過する位置に波長が一様な測定光を照射し、
上記気相空間を沈降する粒子にて上記測定光線が変調した変調光を受光し、
上記変調光の周波数に基づいて上記粒子の沈降速度を取得し、
気相を落下する球形粒子の運動方程式に上記沈降速度と上記基準距離を代入するとともに、当該運動方程式を満足する上記粒子の粒径を特定することを特徴とする粒径測定方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
なお、上記の（５）式においてμは空気の粘度を示している。上記の（５）式を上記の（４）式に代入し、両辺をπＤ3ρpで割ると、下記の（６）式の微分方程式を得ることができる。
【数６】
2010060373.tif 000028
ここで、ｇ（１−ρf／ρ p）＝Ａとし、１８μｖ／ρpＤ2＝Ｂとし、上記の（６）式を解くと、下記の（７）式を得ることができる。
【数７】
2010060373.tif 000029