(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料にレーザ光を照射するためのレーザ光源と、試料を入れた試料用セルを載置するためのセル取付台と、試料からの散乱光を検出する検出器を備えた粒度分布測定装置において、
前記セル取付台を駆動機構により移動可能とすると共に、前記試料用セルにレーザ光を照射しつつ散乱光を前記検出器によって測定する際に前記駆動機構によって試料用セル内の測定箇所を移動させ、この間の回折／散乱光データを積算して平均化することを特徴とする粒度分布測定装置。
【請求項２】
前記セル取付台にゼロ点設定用の媒液を入れるゼロ点設定用セルと単数若しくは複数の試料用セルとを並べて設置すると共に、前記駆動機構により前記ゼロ点設定用セルと前記試料用セルとを前記レーザ光の照射位置にそれぞれ移動可能としたことを特徴とする請求項１に記載の粒度分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種粉粒体の粒度分布測定装置、特に光学系の配置としては縦型であって、バッチ式セルを移動可能として測定誤差が小さくなるように構成した粒度分布測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粒度分布測定法のうち湿式測定法では、測定容器に入れた試料懸濁液をよく攪拌してレ−ザ−光を照射して粒子によって回折・散乱する光を検出し、その粒度分布を測定する。このようなレ−ザ回折／散乱法による粒度分布測定装置には、光学系の配置として大別すると横型と縦型がある。また、粒度分布測定装置には、粉粒体試料を混合し、よく攪拌した懸濁液をポンプによって還流させつつ測定する還流式と、所定容量の容器を測定位置にセットして測定するバッチセル式とがある。
【０００３】
バッチセル方式による粒度分布測定装置の場合、横型は、図５に示すように、縦方向に水深を深くした試料容器２０に懸濁液を入れ、攪拌装置２１によりよく攪拌した後、横方向からレ−ザ光を照射してその回折／散乱光を測定する。
また、同じく縦型のバッチセル方式の粒度分布測定装置では、図６に示すように、横方向に長く且つ水深の浅い試料容器２３に懸濁液を入れ、縦方向からレ−ザ光を照射してその回折／散乱光を測定する。従って、横型では粒子の沈降速度の影響が大きいため懸濁液の攪拌が不可欠であるのに対して、縦型では粒子の沈降速度の影響を殆ど受けないため必ずしも攪拌する必要はない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記するバッチセル式粒度分布測定装置のうち縦型は、通常、攪拌装置により攪拌しないため粒子の偏り、即ち、粒子径分布が均等でなく粒子径の大きいものが一部に多く存在した場合、この粒子径分布の比較的大きい位置にレ−ザビ−ムを照射するとサンプリング誤差が大きくなる。例えば、図７においてレ−ザビ−ムを照射する位置が、たまたま粒子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，・・・等の径の大きいものが集まっていると測定誤差が大きくなることになる。バッチセル式には連続測定を自動的に行うものもあるが、このような場合、サンプリング誤差の大きいものが多数出る可能性もある。特に、攪拌機能を持たない縦型のバッチセル式粒度分布測定装置では粒子径が大きい試料の場合サンプリング誤差を無視できない。
【０００５】
この発明は上記する課題に着目してなされたものであり、少量の懸濁液を使用したバッチセル式粒度分布測定装置であって分布する試料の粒子径にある程度の偏りがあってもサンプリング誤差を軽減し、また多数のバッチ式セルであっても精度のよい連続測定が可能な粒度分布測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、この発明は上記する課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、試料にレーザ光を照射するためのレーザ光源と、試料を入れた試料用セルを載置するためのセル取付台と、試料からの散乱光を検出する検出器を備えた粒度分布測定装置において、
前記セル取付台を駆動機構により移動可能とすると共に、前記試料用セルにレーザ光を照射しつつ散乱光を前記検出器によって測定する際に前記駆動機構によって試料用セル内の測定箇所を移動させ、この間の回折／散乱光データを積算して平均化することを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、前記セル取付台にゼロ点設定用の媒液を入れるゼロ点設定用セルと単数若しくは複数の試料用セルとを並べて設置すると共に、前記駆動機構により前記ゼロ点設定用セルと前記試料用セルとを前記レーザ光の照射位置にそれぞれ移動可能としたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
先ず、レ−ザ回折／散乱法の原理について説明する。
図４は、レ−ザ回折／散乱法を用いた粒度分布測定装置の基本的な構成を示す図である。この図に示すように、レ−ザ光源１より測定対象となる粒子群３０にレ−ザ光を照射すると、空間的に回折／散乱光の光強度分布パタ−ンが生ずる。このうち前方散乱光の光強度分布パタ−ンは、回折レンズ４によって集光され、焦点距離の位置にある検出面にリング状の回折／散乱像を結ぶ。これをリング状フォトダイオ−ドアレイ５で検出する。また、側方散乱光や後方散乱光は、側方散乱センサ３１や後方散乱センサ３２で検出する。
【０００９】
この光強度分布パタ−ンは、粒子の大きさによって変化する。実際のサンプルには、大きさの異なる粒子が混在しているため、粒子群から生ずる光強度分布パタ−ンはそれぞれの粒子からの回折／散乱光の重ね合わせとなる。
これをマトリクス（行列）で表現すると、
【数１】
0003697564.tif 000002
となる。ただし、
【数２】
0003697564.tif 000003
【数３】
0003697564.tif 000004
ｓは光強度分布ベクトルである。その要素ｓi （ｉ＝１，２，・・・ｍ）は、リングディテクタの各素子及び側方散乱光センサによって検出される入射光量である。
ｑは粒度分布（頻度分布％）ベクトルである。粒度分布範囲を有限とし、この範囲内をｎ分割して、最大値をｄ1 、最小値をｄn+1 とする。それぞれの分割区間〔ｄj ，ｄj+1 〕を一つの粒子径ｘj （ｊ＝１，２，・・ｎ）で代表させる。ｑの要素ｑj （ｊ＝１，２，・・ｎ）は、粒子径ｘj に対応する粒子量である。  通常は、
【数４】
0003697564.tif 000005
となるように正規化（ノルマライズ）を行っている。
Ａは、粒度分布（ベクトル）ｑを、光強度分布（ベクトル）ｓに、返還する係数行列である。Ａの要素ａi,j （ｉ＝１，２，・・・ｍ，ｊ＝１，２，・・・ｎ）の物理的意味は、粒子径ｘj の単位粒子量の粒子群によって回折／散乱した光のｉ番目の素子に対する入射光量である。                                    ａi,j の数値は、理論的に計算することができる。これには、粒子径が光源となるレ−ザ光の波長に比べて十分に大きい場合には、Fraunhofer回折理論を用いる。しかし、粒子径がレ−ザ光の波長と同程度か、それより小さいサブミクロン野領域ではMie 散乱理論を用いる必要がある。Fraunhofer回折理論は、前方微小角散乱において、粒子径が波長に比べて充分大きな場合に有効なMie 散乱理論の優れた近似であると考えることができる。
【００１０】
Mie 散乱理論を用いて、係数行列Ａの要素を計算するためには、粒子及びそれを分散させる媒液の屈折率を設定する必要がある。
さて、数１の式に基づいて粒度分布（ベクトル）ｑの最小自乗解を求める式を導出すると、
【数５】
0003697564.tif 000006
が得られる。ただし、ＡT はＡの転置行列であり、（  ）- は逆行列を表す。  数４の右辺において、光強度分布（ベクトル）ｓの各要素は、リングディテクタおよび側方散乱光センサで検出される数値である。また、係数行列Ａは、Fraunhofer回折理論或いはMie 散乱理論を用いて予め計算しておくことができる。  従って、それらの既知のデ−タを用いて数５の計算を実行すれば、粒度分布（ベクトル）ｑが求まることは明らかである。
【００１１】
以上が、レ−ザ回折／散乱法の基本的な測定原理であるが、ここで示したのは、粒度分布の計算方法の一例であり、この他にも様々なバリエ−ションが存在する。また、センサ、ディテクタの種類、配置にかかわらずサブミクロン粒子の粒度分布を測定するためには、測定対象となる粒子及びそれを分散させる媒液の屈折率を設定する必要がある。
【００１２】
以上のレ−ザ回折／散乱法の原理に基づくこの発明の具体的実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明の粒度分布測定装置の要部の斜視図である。この粒度分布測定装置では、下方向から上方向にかけて、レ−ザ光源１，コリメ−タレンズ２，セル取付台３，回折レンズ（集光レンズ）４，検出器となる前方回折／散乱光センサのリング状フォトダイオ−ドアレイ５（下側は検出面），等がこの順に配置されている。
【００１３】
前記セル取付台３には、ゼロ点設定用の媒液を入れたセル６と、試料懸濁液を入れたセル７とを並べて設置することができるようにしてある。該セル取付台３に配置するゼロ点設定用の媒液を入れたセル６及び試料懸濁液を入れたセル７の下側は透明カバ−或いはレ−ザ光透過穴が設けられている。更に、該セル取付台３は端部には側面にラック８を形成したバ−９が接続してある。そして該ラック８にはモ−タ１０で駆動するピニオン１１が噛合させてある。また、該ラック８を設けたバ−９の下側にはシャッタ１２，１３，１４が取り付けてあり、これらのシャッタがフォトセンサ１５の位置に来て光を遮蔽するとこのセル取付台３を停止させるようになっている。
【００１４】
上記構成とした粒度分布測定装置は、レ−ザ光源１から照射されたレ−ザ光をコリメ−タレンズ２で平行光線としてセル取付台３に設置されたゼロ点設定用の媒液を入れたセル６及び試料懸濁液を入れたセル７を透過させ、回折レンズ（集光レンズ）４を透過させてリング状フォトダイオ−ドアレイ５にリング状の回折／散乱像を結ぶ。この回折／散乱像を検出器（図示省略）で検出し、上記したレ−ザ回折／散乱法の原理により粒度分布を測定する。
【００１５】
次に、この粒度分布測定装置による具体的測定方法について説明する。
上記するように、前記セル取付台３は同じ形のバッチセルとしたゼロ点設定用の媒液を入れたセル６及び試料懸濁液を入れたセル７を２個セットできるようにしてラック８とピニオン１１により光軸と垂直な面で往復運動できるように構成されている。このバッチ式セルの停止位置は、ゼロ点設定用のセル６が光軸にセットされる点（図１の（１）のシャッタ１２がフォトセンサ１５を遮蔽する位置）、実測用の懸濁液を入れたセル７がスキャンされる開始点（図１の（２）のシャッタ１３がフォトセンサ１５を遮蔽する位置）、同スキャン終了点（図１の（３）のシャッタ１４がフォトセンサ１５を遮蔽する位置）、である。
【００１６】
実測時には、ゼロ点設定用セル６に媒液のみ満たし、実測用セル７には測定試料懸濁液を満たす。
この状態で、先ず、停止位置の図１の（１）でゼロ点測定を行う。続いて、実測に移ると、ラック８とピニオン１１が測定試料懸濁液を入れたセル７を図１の（２）の位置まで移動させ、回折／散乱光のデ−タ収集を開始する。次に、ラック８とピニオン１１が図１の（２）から（３）までセル７を移動させる。図２及び図３はこのときのセル７の測定箇所の移動状態を示す図である。このように、セル７を移動させつつ数カ所の粒度分布を測定する。そしてこの間の回折／散乱光デ−タは積算され平均化される。
【００１７】
この発明の粒度分布測定装置の構成は以上のようであるが、上記実施例において、セル取付台３の移動機構はラック８とピニオン１１の代わりに他の移動機構、例えばエアシリンダ或いはベルトやチェ−ン駆動機構等によってもよい。また、停止位置の制御はシャッタとフォトインタラプタによる制御としたが、パルスモ−タによる制御でもよい。なお、セル取付台３は直線運動する場合で説明したが、回転運動による場合でも同様に実施することができる。
更に、前記セル取付台３には、実施の形態ではゼロ点設定用の媒液を入れたセル６と試料懸濁液を入れたセル７とを並べて設置する実施例で説明したが、該セル取付台３には多数の測定用セルを設置するように改造することも可能であり、従ってこの場合マルチサンプラ測定も実施することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明の粒度分布測定装置によれば、縦型で生じやすいサンプリング誤差を軽減することができるため測定精度を向上させることができる。また、同時に媒液によるゼロ点も測定するためその設定が簡単となる。更に、バッチセルタイプのマルチサンプラ（多数サンプル連続自動測定）へ拡張することも容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の粒度分布測定装置の要部の斜視図である。
【図２】  この発明の粒度分布測定装置のセル取付台に載せたゼロ点設定用の媒液を入れたバッチセルと試料懸濁液を入れたバッチセルの一部正面図である。
【図３】  この発明の粒度分布測定装置のセル取付台を移動させつつ粒度分布を測定するときの試料懸濁液を入れたバッチセルの底面図である。
【図４】  レ−ザ回折／散乱法による粒度分布測定装置の基本的な構成を示す斜視図である。
【図５】  従来の粒度分布測定装置で使用される横型のバッチセルで粒度分布を測定する状態を示す図である。
【図６】  従来の粒度分布測定装置で使用される縦型のバッチセルで粒度分布を測定する状態を示す図である。
【図７】  従来の粒度分布測定装置で使用される縦型のバッチセルで粒度分布を測定する状態を示すバッチセルの底面図である。
【符号の説明】
１  レ−ザ光源
２  コリメ−タレンズ
３  セル取付台
４  回折レンズ
５  フォトダイオ−ドアレイ
６  ゼロ点設定用セル
７  試料用セル
８  ラック
９  バ−
１０  モ−タ
１１  ピニオン
１２，１３，１４  シャッタ
１５  フォトセンサ
【図１】
0003697564.tif 000007
【図２】
0003697564.tif 000008
【図３】
0003697564.tif 000009
【図４】
0003697564.tif 000010
【図５】
0003697564.tif 000011
【図６】
0003697564.tif 000012
【図７】
0003697564.tif 000013