(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象試料にレーザ光を照射して、生じる散乱光を電気的な検出信号に変換し、この検出信号を逆演算して試料に含まれる粒子の粒径分布を算出する粒径分布測定装置において、測定対象試料の温度を測定するために測定対象試料を保持するホルダに取り付けられて間接的にその温度を測定する外部温度センサと、直接的に測定対象試料の温度を測定する内部温度センサとを有し、測定対象試料に応じて使用する温度センサを選択可能とし、選ばれた温度センサによって測定された測定対象試料の温度をストークスアインスタインの式に代入して応答関数を求めることにより粒径分布の逆演算を行なう演算処理部を有することを特徴とする粒径分布測定装置。
【請求項２】
前記レーザ光を測定対象試料まで導いて照射し、かつ粒子による散乱光を検出器まで導く光ファイバーを有し、前記内部温度センサが光ファイバーのレーザ光出射端側に取り付けられて測定対象試料の温度を直接的に測定するものである請求項１に記載の粒径分布測定装置。
【請求項３】
測定対象試料にレーザ光を照射して、生じる散乱光を電気的な検出信号に変換し、この検出信号を逆演算して試料に含まれる粒子の粒径分布を算出する粒径分布測定方法において、測定対象試料に応じてその温度を直接的に測定する内部温度センサまたは間接的に測定する外部温度センサの何れを用いて測定するかを選択した後に、測定時に測定対象試料の温度を選ばれた温度センサによって測定し、測定された温度をストークスアインスタインの式に代入して応答関数を求めることにより粒径分布の逆演算を行なうことを特徴とする粒径分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動的光散乱を利用した粒径分布測定装置および粒径分布測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、測定対象試料の分散媒中に分散する粒子の粒径分布を測定する粒径分布測定装置が提案されている。すなわち、この粒径分布測定装置は、測定対象試料に対して特定波長のレーザ光を照射し、粒子に当たって散乱した散乱光を検出器に入射させる。このとき、ブラウン運動する粒子に照射したレーザ光のドップラーシフトにより生じる散乱光の干渉光を検出して、この拡散光の検出信号をフーリエ変換して周波数解析することにより、測定した光強度の周波数特性を求めることができる。ついで、この光強度の周波数特性から粒径分布の測定を行うことが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、周波数特性から粒径分布を求めるためには、複雑な演算処理を行う必要があり、それだけ、高性能のコンピュータを必要としていた。また、演算結果が発散して、粒径分布を求められなくなることもあった。このため、周波数特性から粒径分布を求めるために、周波数特性をコンボリューション積分の形に変換してこれをデコンボリューションすることや、シフトバリアントな応答関数を用いて粒径分布をもとめることが考えられているが、この方法では分析精度が低下することは避けられなかった。
【０００４】
そこで、本出願人は１９９８年１０月３０日付けで、「粒子径分布解析方法」（特願平１０−３１００６３号）を出願している。この粒径分布解析方法を用いることにより、簡単な繰り返し演算を行うことにより、第１種フレドホルム積分方程式から粒径分布を逆演算することにより求めることができる。さらに、逆演算の過程で用いる応答関数を測定時の各種条件に合わせることにより、より正確な粒径分布を測定することができる。
【０００５】
ここで、逆演算によって求まる粒径分布をより正確なものとするためには、使用者が測定前に、測定時の試料の温度、粘性係数などの各種条件を正確なパラメータとして数値入力することが重要であるが、この入力作業が煩わしいという課題もあった。なお、粘性係数は測定対象試料の分散媒（溶媒）の種類によって温度に対する所定の関係を有する変化をするものであり、正確な粒径分布の測定を行うためには正確な温度の測定を行うことが重要であった。
【０００６】
前記測定対象試料の温度測定方法としては一般的に、測定対象試料を収容したセルを保持する金属あるいは液浸バス型のホルダ（セルホルダ）に取り付けられて間接的にその温度を測定することが行われていた。しかしながら、この方法では、セルホルダの温度と測定対象試料の液温に差が生じることが往々にしてあり、これが測定誤差を生じさせる原因となることもあった。とりわけ、セルに高温または冷温の測定対象試料を入れて直ぐに測定を開始した場合などでは差が激しくなり、大きな誤差を生じさせることがあった。
【０００７】
本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたものであって、その目的とするところは、粒径分布の演算に不可欠な測定時の温度データを直接的に正確に測定する場合と、測定の簡便のためにホルダの温度など間接的に測定された温度を代用する場合とを切り換えて、その温度データを粒径分布の演算に用いることができる粒径分布測定装置および粒径分布測定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の粒径分布測定装置は、測定対象試料にレーザ光を照射して、生じる散乱光を電気的な検出信号に変換し、この検出信号を逆演算して試料に含まれる粒子の粒径分布を算出する粒径分布測定装置において、測定対象試料の温度を測定するために測定対象試料を保持するホルダに取り付けられて間接的にその温度を測定する外部温度センサと、直接的に測定対象試料の温度を測定する内部温度センサとを有し、測定対象試料に応じて使用する温度センサを選択可能とし、選ばれた温度センサによって測定された測定対象試料の温度をストークスアインスタインの式に代入して応答関数を求めることにより粒径分布の逆演算を行なう演算処理部を有することを特徴としている（請求項１）。
【０００９】
したがって、本発明によれば使用者は測定対象試料に合わせて精度の要求度などを考慮して、温度測定を直接的に行うか、間接的に行うかを切り換えることができる。つまり、精度を必要とする場合には、直接的に測定対象試料の液温を実測する内部温度センサを用いることで、温度誤差の発生を防ぎ、精度の高い粒径分布を得ることができる。また、温度による影響が少ない測定対象試料やさほどの精度が要求されていない測定対象試料については外部温度センサを用いることで測定を簡単にすることができる。すなわち、可及的に正確な粒径分布を得て、計算誤差や間違いによる分布の不良を防止できる機能と、より簡単な測定を行う機能を兼ね備えることができる。
【００１０】
なお、本出願人は１９９８年１０月３０日付けで、「粒度分布解析方法」（特願平１０−３０９９７８号：以下、先願の発明という）を出願しており、測定時の諸条件に合わせた演算パラメータの入力により、理論式を用いて粒径分布を解析する新たな解析方法を提案している。つまり、本発明によって測定された温度データは演算パラメータとして正確に入力されるので、前記先願の発明において提案した粒径分布の解析をより精度良く行うことができるのである。
【００１１】
また、前記粒径分布測定装置は、レーザ光を測定対象試料まで導いて照射し、かつ粒子による散乱光を検出器まで導く光ファイバーを有し、前記内部温度センサが光ファイバーのレーザ光出射端側に取り付けられて測定対象試料の温度を直接的に測定するものであってもよい（請求項２）。
【００１２】
請求項２のように構成することにより、任意の容器に収容された測定対象試料に対して光ファイバーの先端を浸漬するだけで、測定対象試料を容器から取り出すことなく粒径分布を測定できるので、取扱いが容易である。さらに、内部温度センサが光ファイバーのレーザ光出射端側に取り付けられているので、より測定点に近い部分の実測温度を測定でき、それだけ正確な粒径分布を算出することができる。
【００１３】
また、本発明の粒径分布測定方法は、測定対象試料にレーザ光を照射して、生じる散乱光を電気的な検出信号に変換し、この検出信号を逆演算して試料に含まれる粒子の粒径分布を算出する粒径分布測定方法において、測定対象試料に応じてその温度を直接的に測定する内部温度センサまたは間接的に測定する外部温度センサの何れを用いて測定するかを選択した後に、測定時に測定対象試料の温度を選ばれた温度センサによって測定し、測定された温度をストークスアインスタインの式に代入して応答関数を求めることにより粒径分布の逆演算を行なうことを特徴としている（請求項３）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の粒径分布測定装置である動的光拡散式粒径分布測定装置の構成を概略的に示す図である。図１において、１は測定部であり、例えば次のように構成されている。すなわち、２は溶媒３と測定対象の粒子（試料）４を収容するセル、５は粒子４にレーザ光６を照射する光源、７はレーザ光６をセル２内に集光させるレンズである。
【００１５】
８は粒子４による散乱光によって生じた干渉光９を反射するビームスプリッタ（またはレーザ光６の透過孔を設けた反射鏡）、１０は干渉光９を集光するレンズ、１１は干渉光９を電気的な検出信号に変換する検出器である。また、１２は前記検出信号を増幅するアンプ、１３はフィルタ、１４は検出信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器である。
【００１６】
加えて、１５はセル２に収容される試料３，４の温度を測定する温度計測部であり、試料３，４の温度を直接的に測定する内部温度センサ１５ａと、試料３，４の温度を間接的に外部温度センサ１５ｂと、これらの温度センサ１５ａ，１５ｂに接続されて温度データＴを出力する温度計回路１５ｃとからなっており、この温度センサ１５による温度データもＡＤ変換器１４によってデジタル信号に変換される。
【００１７】
図２は前記温度計測部１５の配置を明らかにする水平断面図である。図１，２に示すように、本例における内部温度センサ１５ａは、セル２の蓋２ａに取り付けられることで、セル２内の試料３，４に浸漬した状態で、その温度を測定する。なお、この内部温度センサ１５ａはセル２内を透過するレーザ光６の光路を妨げないようにセル２の隅の位置に配置されているが、本発明はこの内部温度センサ１５ａの配置位置や取付け方法を限定するものではない。
【００１８】
また、本例では内部温度センサ１５ａを熱伝対のような接触型の温度センサとすることにより、より精度の高い温度測定を可能としているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、内部温度センサ１５ｂを、放射する赤外線によって温度を測定する非接触の放射温度計によって形成してもよい。この場合、内部温度センサ１５ａを測定の毎に洗浄する必要がないので、より簡単な粒径分布の測定を行うことができる。
【００１９】
さらに、放射温度計を接触型の温度センサ１５ａと別途に設けることで、放射温度計による試料３，４の温度の測定を用いて、外部温度センサ１５ｂによる測定温度と試料３，４の実際の温度に差が生じていることを検出できるようにしてもよい。つまり、内部温度センサ１５ａを用いる必要があるかどうかを判断する基準として放射温度計による試料３，４の温度の測定を用いるなど、種々の変形が考えられる。
【００２０】
また、外部温度センサ１５ｂは、セル２の外側においてセルを保持する金属製のセルホルダ２ｂに埋設して取り付けており、このセルホルダ２ｂの温度によって間接的に試料３，４の温度を測定する。しかしながら、本発明はセルホルダ２ｂの形状を限定するものではなく、セル２を液体に浸漬した状態でこの液体を介して試料３，４の温度調節を行うものであってもよい。また、この場合は外部温度センサ１５ｂをセル２と共に液体に浸漬するようにセルホルダ２ｂに取り付けることができる。
【００２１】
なお、本例においてセルホルダ２ｂはセル２内の試料３，４の温度調節を行うものであり、図外のヒータや電子冷却器を備えている。つまり、外部温度センサ１５ｂは常にホルダ２ｂの温度を測定しており、この外部温度センサ１５ｂが測定する温度を一定にするように温度調節される。そして、温調されたホルダ２ｂ内にセル２が挿入される。
【００２２】
このような場合、セル２内の測定対象試料３，４の温度にしたがって、一時的に外部温度センサ１５ｂによる検出温度データＴが変動することが考えられる。したがって、この温度変動が激しいときは、セル２内の測定対象試料３，４の温度とホルダ２ｂの温度との間に差が生じていることを示しているので、粒径分布測定装置１が使用者に内部温度センサ１５ａを使用することを促すようにしてもよい。あるいは、温度変化が落ちつくまで、干渉光９の測定を待つように促してもよい。
【００２３】
１６は前記測定部１を始めとする装置全体を制御すると共に、各種の演算を行なう測定制御部で、例えばパソコンよりなる。そして、パソコン１６は演算処理を行なうＣＰＵ１７（演算処理部）に加えてメモリ１８やハードディスク１９などの記憶部や表示部２０やキーボード２１などの入出力部を有している。
【００２４】
また、前記メモリ１８やハードディスク１９には前記検出信号から粒径分布を求めるための解析プログラムや、溶媒の種類に対応する粘性係数や屈折率に関するデータを収納している。なお、この解析プログラムによる粒径分布の解析方法は前記先願の発明に示した方法を用いるので、その詳細は省略する。
【００２５】
上記構成の動的光散乱式粒径分布測定装置において、光源５を出たレーザ光６はビームスプリッタ８およびレンズ７を通過してセル２内に集光する。このとき、レーザ光６は溶媒３に分散されたブラウン運動する粒子３に当たり、粒子３のブラウン運動によってドップラーシフトした光を散乱する。そして、このドップラーシフトした散乱光によって干渉光９が生じ、この干渉光９が検出器１１によって検出される。なお、干渉光９は散乱光同士の干渉によって生じることも、散乱光と非散乱光によって生じることもある。
【００２６】
前記干渉光９の測定中は同時に前記温度計測部１５による温度データＴの取り込みも行われる。そして、検出器１１によって検出された干渉光９の検出信号および温度計測部１５によって測定された試料３，４の温度データＴがＡＤ変換器１４によってデジタル信号に変換されてパソコン１６に入力される。そして、パソコン１６は前記干渉光９の検出信号をパワースペクトルに変換し、一定の測定時間の間に測定した干渉光９の検出信号から前記パワースペクトルの平均値を算出することにより、ノイズによる影響の少ない分析を行なう。
【００２７】
また、前記測定時間中に取り込んだ温度データＴはその平均値Ｔａ、最大値Ｔmx、最小値Ｔmnが求められる。そして、温度の平均値Ｔａ（平均温度）を用いてパソコン１６側では、測定時における試料３，４の平均温度Ｔａと、溶媒３の種類などの情報がメモリ１８やハードディスク１９に収められているデータを用いて処理されることにより、測定時の溶媒３の粘性係数や温度などの各種パラメータη，Ｔを算出する。
【００２８】
すなわち、パソコン１６は溶媒３の種類に従って各溶媒３の温度に対する粘性係数を表わす温度−粘性近似式Ｆｘをメモリ１８やハードディスク１９にデータとして有しており、パソコン１６は前記温度センサ１５によって測定された試料３，４の平均温度Ｔａから測定時の粘性係数ηを求めることができる。
【００２９】
次いで、パソコン１６は求められた粘性係数ηと前記測定温度Ｔａを、以下の式（１）に示すストークスアインスタインの関係式に代入してローレンツ関数から応答関数を求める。そして、求められた応答関数と前記干渉光９の検出信号から求められるパワースペクトルとから粒径分布Ｆ（Ｄ）が算出される。
Ｄ＝（ＫＴ）／（３πηＤｐ）                                …  式（１）
但し、ηは粘性係数，Ｔは測定温度の平均値Ｔａ，Ｄｐは粒子径であり、それぞれ、単位は、〔ｍＰａＳｅｃ〕，〔Ｋ〕，〔ｍ〕である。
【００３０】
上述のように、測定時の試料３，４の温度Ｔや粘性係数ηなどの正確な条件が応答関数の作成に反映されるので、より正確な粒径分布Ｆ（Ｄ）の測定が可能となる。とりわけ、本発明では測定時に使用する温度センサ１５ａ，１５ｂを適宜選択可能であるから、測定対象試料３，４に合わせた精度の粒径分布の測定を行うことができる。
【００３１】
すなわち、可及的に高精度の測定を行いたいときは内部温度センサ１５ａを選択することにより、試料３，４の温度Ｔを直接測定できるので、温度の測定誤差による粒径分布の測定誤差を最小限に抑えることができる。一方、さほどの測定精度を必要としない場合は、外部温度センサ１５ｂを選択することにより、内部温度センサ１５ａを使う必要がなく、内部温度センサ１５ａを洗浄する手間がなくなり、測定を簡単に行うことができる。
【００３２】
図３は本発明の別の例を開示する図である。図３において、２２は測定対象となる溶媒３や粒子４を収容する液タンクであり、２３は一端側２３ａがこの液タンク２２内に挿入されて他端側２３ｂが前記レンズ７の集光点に配置される光ファイバーである。この光ファイバー２３の一端側２３ａには前述した接触型の温度センサ１５ａを沿わせるように配置する。
【００３３】
前記構成によれば、レンズ７に入射するレーザ光６が光ファイバー２３の他端側２３ｂから光ファイバー２３を通って一端側２３ａ（レーザ光出射端側）から出射し、粒子４に当たって散乱光を生じさせ、この散乱光によって干渉光９が生じる。そして、この干渉光９は一端側２３ａに入射し、他端側２３ｂから出射することにより、図１に示したような検出器１１によって検出される。
【００３４】
同時に、本例では光ファイバー２３の一端側２３ａに液温を実測する内部温度センサ１５ａを取り付けているので、粒径分布を測定するための光を検知する部分における温度を正確に測定することができ、それだけ粒径分布の測定結果の精度を向上することができる。その他の点は図１，２において説明したものと同じであるので、その詳細な説明を省略する。
【００３５】
また、本例のように構成することにより、測定対象試料３，４を任意の容器２２に収容した状態で、その粒径分布を測定できる。したがって、測定対象試料３，４が取り出すことができないような所に収容されているとしても、光ファイバー２３の一端側２３ａを挿入できるような開口部さえあれば試料３，４の粒径分布を測定することが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、使用者は測定対象試料の液温を実測する温度センサを用いることによって、より正確な測定時の温度やこの温度条件に合わせた粘性係数を演算パラメータとして用いて粒径分布を算出することができる。従って、最終目的として可及的に正確な粒径分布を得ることができる。また、測定対象試料の温度を間接的に測定する外部温度センサも取り付けた場合には、この外部温度センサを選択して用いることにより、高精度を要求しない試料の粒径分布の測定をより簡素に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の粒径分布測定装置の全体的な構成を示す図である。
【図２】  前記粒径分布測定装置による溶媒の選択方法を示す図である。
【図３】  前記粒径分布測定方法の処理の流れを示す図である。
【符号の説明】
１…粒径分布測定装置、２ｂ…ホルダ、３，４…測定対象試料、６…レーザ光、９…散乱光、１５…温度計測部、１５ａ…内部温度センサ、１５ｂ…外部温度センサ、１７…演算処理部、Ｆ（Ｄ）…粒径分布。
【図１】
0003689276.tif 000002
【図２】
0003689276.tif 000003
【図３】
0003689276.tif 000004