(57)【要約】【課題】【解決手段】固液分散系スラリーを容器内へ注入し、該容器内底部のスラリー液圧を測定することによって、スラリー中の粒子特性を評価する装置において、容器の沿って発光素子と受光素子をスキャニングし、スラリーの堆積層の界面を簡易かつ正確に測定できるようにした。【選択図】        図４
2004163170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラリー用の容器と、該容器の底部のスラリー液圧を測定する第１の測定手段と、前記スラリーの堆積層の高さを測定する第２の測定手段とを備えてなる固液分散系スラリーの特性測定装置であって、
前記容器は光を透過させる側壁を有し、
前記第２の測定手段は、前記容器の側壁に沿って移動する発光素子及び受光素子を備え、前記発光素子から放出された光は前記容器を透過して前記受光素子に受光され、該受光素子が受光した光に基づいて前記容器内のスラリーの堆積層の高さを測定する、
ことを特徴とする固液分散系スラリーの特性測定装置。
【請求項２】
前記発光素子と前記受光素子は前記容器を挟むように配置され、前記発光素子と前記受光素子は同期して前記容器の上下方向へ移動する、ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
支柱と、該支柱から突設されて前記発光素子及び受光素子を支持する素子座と、前記素子座を支柱に沿って上下させる素子座移動装置とを備える、ことを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
スラリー用の容器と、該容器の底部のスラリー液圧を測定する第１の測定部と、前記スラリーの堆積層の高さを測定する第２の測定部とを備えてなる固液分散系スラリーの特性測定装置であって、
前記容器は光を透過させる側壁を有し、
前記第２の測定部は、前記容器の側壁に沿って移動する発光部及び受光部を備え、前記発光部から放出された光は前記容器を透過して前記受光部に受光され、該受光部が受光した光に基づいて前記容器内のスラリーの堆積層の高さを測定する、
ことを特徴とする固液分散系スラリーの特性測定装置。
【請求項５】
スラリー用の容器と、該容器の底部のスラリー液圧を測定する第１の測定手段と、前記スラリーの堆積層の高さを測定する第２の測定手段とを備えてなる固液分散系スラリーの特性測定装置であって、
前記容器は光を透過させる側壁を有し、
前記第２の測定手段は、前記容器の側壁に沿ってスキャニングする光学装置を備え、該光学装置のスキャニングの結果に基づいて前記容器内のスラリーの堆積層の高さを測定する、
ことを特徴とする固液分散系スラリーの特性測定装置。
【請求項６】
光を透過させる側壁を有する容器中のスラリーの堆積層の高さを測定する装置であって、
前記容器の側壁に沿って移動する発光素子及び受光素子を備え、前記発光素子から放出された光は前記容器を透過して前記受光素子に受光され、該受光素子が受光した光に基づいて前記容器内のスラリーの堆積層の高さを測定する、
ことを特徴とするスラリーの堆積層の高さを測定する装置。
【請求項７】
圧力媒体を封入可能な菅体と、
該菅体の下端に形成された微細孔と、
該菅体内において前記微細孔の近傍に配置されたフィルタと、
前記菅体の上端に取り付けられるセンサ本体と、を備えてなるスラリー底部の液圧測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載の液圧測定装置を第１の測定手段として備える、請求項１〜５のいずれかに記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固液分散系スラリーの特性評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固液分散系スラリー測定装置として、スラリー用の容器と、該容器の底部のスラリー液圧を測定する第１の測定手段と、前記スラリーの堆積層の高さを測定する第２の測定手段とを備えてなるものが知られている（特許文献１参照）。
この従来技術の装置では、容器の底部のスラリー液圧を測定する第１の測定手段として下端にフィルタを取り付け、内部にスラリーの媒液を充填させた細菅や液圧センサが用いられている。また、スラリーの堆積層の高さを測定する第２の測定手段として容器に沿って配設されたライン状の発光装置と受光装置とが用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１６８７５０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは上記特許文献１に記載の測定装置を改良すべく検討を重ねてきたところ、次の解決すべき課題を見出した。
容器内のスラリーの堆積層の高さを精度良くかつ正確に測定するには、ライン状の発光装置及び受光装置へ高密度に発光素子及び受光素子を組み込む必要があり、装置の製造コストが嵩むこととなる。
また、組み込まれた各発光素子及び受光素子には特性の均一性が求められるので、この点からも装置のコストが高くなる。また、一つの素子が劣化しても全体の測定結果に悪影響がでるので、信頼性及び寿命の点に不安定要素があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明はかかる課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。
スラリー用の容器と、該容器の底部のスラリー液圧を測定する第１の測定手段と、前記スラリーの堆積層の高さを測定する第２の測定手段とを備えてなる固液分散系スラリーの特性測定装置であって、
前記容器は光を透過させる側壁を有し、
前記第２の測定手段は、前記容器の側壁に沿って移動する発光素子及び受光素子を備え、前記発光素子から放出された光は前記容器を透過して前記受光素子に受光され、該受光素子が受光した光に基づいて前記容器内のスラリーの堆積層の高さを測定する、
ことを特徴とする固液分散系スラリーの特性測定装置。
【０００６】
以下、容器内のスラリー底部の液圧とスラリーの堆積層の高さを測定することの有用性を明らかにするため、この発明の動作原理及び作用を説明する。
特許文献１に示されるとおり、スラリー界面高さと圧力管の水面高さ（即ち、スラリー底部の圧力）は、図１のように変化する。
容器底部の液圧と圧力管の水面高さは平衡になっている。スラリーの見かけ密度は圧力管内の媒液密度より大きいため、圧力管の水面がスラリー初期高さより高い位置で平衡となる。粒子が沈降するに従ってスラリーの見かけ密度が低下するため、沈降管底部にかかる液圧は低下し、圧力管の水面も低下する。
粒子が完全に分散している場合には、底部へかかる液圧は全粒子の質量と媒液の質量の合計になる。このときの液圧がＰｍａｘである。粒子が全て沈降した場合に、底部へかかる液圧は、媒質の質量のみになる。このときの液圧がＰｍｉｎである。また、任意の時間の液圧をＰとする。
従って、任意の時間における粒子の相対堆積量は下記で表される。
粒子の相対堆積量＝（Ｐｍａｘ−Ｐ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）
なお、この液圧がコロイド粒子が示すような粒子濃度差による浸透圧に由来するものであるなら、沈降初期の液圧に比べて沈降終了時の液圧は高いはずである。なぜならスラリーの底部は、沈降初期の粒子濃度はスラリー初期濃度に等しいが、沈降終了時にはケークとなりスラリーより粒子濃度が高いためである。実験の結果を見ると、時間とともに液圧は低下しているため、浸透圧に依存した現象ではないといえる。
液圧測定の経時変化を図２に示す。沈降が終了したときに、圧力管の水面高さがスラリーの初期高さより７．３ｍｍ高いのは、毛細管現象による。
分散剤添加量が異なる全ての系で、沈降初期のスラリー界面の低下速度はほぼ同じだが、圧力管の水面高さは全て異なった速度で低下している。液圧低下は、凝集系が速く、ついで分散系、分散剤過剰系の順となっている。界面高さの測定だけでは分からないが、分散剤添加量によって内部で起きている現象は大きく異なることが推定できる。従って、液圧を測定することによって、スラリー界面高さの測定だけでは分からない情報を得られる。
粒子の相対堆積量とスラリー界面高さの関係を図３に示す。
凝集系、分散系では、堆積量は沈降初期に大幅に増大し、その後直線的に増加している。これは、沈降初期に底部までつながった連続体を形成し、その後連続体が歪んでいくためと考えられる。なお、沈降初期に増加する堆積量は、分散系よりも凝集系の方が多いことから、凝集系の形成する連続体の粒子接触点における摩擦係数が大きいと考えられる。
それに対し、分散剤過剰系では、堆積量が緩やかに増加している。この原因としては、凝集体が降り積もり徐々に連続体を形成していくため、沈降初期には底部までつながった連続体を形成していないと考えられる。
以上から、スラリー中で連続体を形成する場合が存在することが確認できた。また、液圧測定によって、沈降初期に連続体を形成する場合と形成しない場合とを判別できることが分かる。
さらに、２種類の沈降様式が存在していることが分かった。沈降初期に底部までつながった連続体を形成してその後は連続体が変形していく沈降様式と、凝集体が降り積もり連続体を形成していくが沈降初期には連続体を形成していない沈降様式である。
以上の考察より、スラリーを容器に注入した直後の当該底部液圧からスラリー中における粒子の分散状態を推定することが可能になる。即ち、スラリーの原料（粒子、媒液、分散剤、その他）から完全分散状態（分散剤過剰系）におけるスラリーの密度Ｄｃａｌが計算できる。そして、当該密度と液圧を測定する深さ（スラリー液面から液圧測定手段（図１の例では圧力管下端）までの距離）とから、完全分散状態における液圧Ｐｃａｌも計算することができる。このように計算された液圧Ｐｃａｌと測定した液圧Ｐｄｅｔとを比較することにより、試料スラリーの分散状態を簡易、迅速に知ることができる。
ファインセラミックス成形品の製造プロセスにおいては、仕様書に基づきスラリーを調製したとき、粘度やｐＨの測定と併せてこの発明の評価方法を実行する。即ち、計算されたスラリー液圧Ｐｃａｌと測定したスラリー液圧Ｐｄｅｔとの比の好ましい範囲を予め定めておき、顆粒を形成するためのスラリーが常に当該範囲に収まるようにする。これにより、均一性の高い顆粒を得られることとなる。
他方、試料スラリーの底部液圧を測定することにより推定される粒子の分散状態は粒子間の相互作用に依存している。粒子間相互作用が小さいもの（分散状態が高いもの）はこれが大きいものに比べて流動性が高いので（粘度一定の条件）、鋳込みに際し型枠の隅々細部まで確実に粒子を流入させることができる。よって、顆粒成形の場合と同様にしてスラリーの分散状態を調整することにより、成形後の製品の収縮を最小限にとどめ、成形製品の寸法精度を向上することが可能になる。
上の説明では、スラリー底部の液圧を測定するものであるが、測定位置としては容器のより底部での測定で正確な特性評価ができ、上部位置での測定になる程精度が劣るので、容器内スラリーの底から上部へ１／３の範囲内で液圧測定することによって、正確な特性の評価ができる。この範囲において、容器の側壁に液圧測定装置を配設することができる。更に好ましくは１／５の範囲内である。水平方向における液圧の測定位置は底壁の重心位置とすることが好ましい。従って、液圧測定装置が当該重心位置に配置されるようにそこに受け座若しくは目印等（液圧センサ取付け許容手段）を設けることが好ましい。
また、上の説明では、容器をスラリーに注入した直後の底部液圧を測定することにより分散状態の推定を行っているが、容器内のスラリーを一旦撹拌し、撹拌を停止した後の底部液圧を測定してもよい。
底部液圧は時間と共に低下するが、その低下に一定の規則性が認められれば容器にスラリーを注入して若しくは撹拌を停止して、所定時間経過後の底部液圧から分散状態を推定することも可能である。
上の説明では、測定したスラリー液圧Ｐｄｅｔをスラリーの組成と測定位置（深さ）に基づき計算した参照液圧Ｐｃａｌに比較させた。この参照液圧Ｐｃａｌは変形が可能である。例えば、実際のプロセスにおいてスラリーのｐＨ調整のためにｐＨ調整剤の添加量のみが大きく変化し、他の組成の配合量が固定されているとき、基準となるＰｃａｌ．ｓｔａｎを準備しておいて、これをｐＨ調整剤添加量に対応して補正して使用する。
上の説明は重力場に容器をおいたときの説明である。この容器を遠心場におくこともできる。この場合、容器において遠心機の回転軸から最も遠い部分がその底部となる。
この発明はセラミックス用のスラリーの評価の他、顔料粒子懸濁液、デイップコーティング粒子懸濁液等の固液分散系スラリーの特性評価に用いることができる。その他、汚水処理、食品製造におけるスラリーの評価に用いることが出来る。
【０００７】
この発明においては、発光素子と受光素子を容器の側壁に沿って移動させるので、可及的に少ない数の素子で容器の全域に渡り光の透過を測定することができる。よって、部品点数が削減され、安価な装置を提供できることとなる。また、容器に沿って素子を移動させることにより、連続して光を照射及び受光できるので高精度の測定も可能となる。
発光素子及び受光素子には汎用品を用いることができる。容器を透過する効率を高くする見地から、発光素子から放出される光は長波長のものが好ましい。実施例では赤色ＬＥＤを発光素子として使用した。受光素子にも波長選択性のあるＬＥＤの他、全波長帯域の受光が可能な光センサを用いることもできる。
受光素子は、必ずしも容器及びスラリーの透過光を検出するものである必要はなく、反射光若しくは分散光によって界面の位置を特定することが可能である。
【０００８】
この発明は、容器に沿って所定のタイミングで可及的に少ない数の光学部品をスキャニングさせ、もってスラリーの界面高さを特定しようとするものである。従って、ＣＣＤ等の受光素子のみをもってスラリー全体を撮像し、画像処理によりスラリーの堆積層の界面を特定することも可能である。
【０００９】
発光素子及び受光素子は容器に沿って同期して移動する。これらの素子を移動させるための素子座移動装置は特に限定されるものではない。実施例では１つの素子座に発光素子と受光素子を配置したが、発光素子と受光素子にそれぞれ個別の素子座を設け、これらを個別に移動させることも可能である。
実施例では発光素子と受光素子とをそれぞれ容器に対峙させているが、発光素子及び／又は受光素子にファイバの連結し、このファイバの光放出面及び／又は光導入面を容器に対峙させる構成でもよい。
【００１０】
発光素子から放出された光は容器を透過して受光素子で受光される。ここに、光がスラリーの上澄液を透過するときの光の減衰率は小さく、他方スラリーの堆積層を透過するときの光の減衰率が大きい。従って、光の減衰率が大きく変化する位置が堆積層の界面となる。
【００１１】
以下、この発明の実施例について説明する。
図４は実施例の測定装置１０の概略構成図である。符号１２はスラリー１３の容器であり、容器１２へ液圧センサ１５が挿入される。スラリー界面高さ測定装置３１は発光素子３２（赤色系のＬＥＤ）と受光素子３３とからなり、発光素子３２と受光素子３３は同期して上下方向に移動し、発光素子３２から放出されスラリー１３を透過した光を受光素子３３で受光し、受光した光の強さ分布からスラリー界面高さを特定する。このスラリー界面高さはスラリー中の粒子が沈降して出来た堆積層の高さを指す。
【００１２】
発光素子３２と受光素子３３は所定のタイミングで容器１２の側面上下方向へスキャニングをしている。発光素子３２と受光素子３３は、発光素子３３から放出された光のパスが最長になるように容器１２に対して配置することが好ましい。容器１２が円筒形の場合には容器１２の中心軸を当該光のパスが通過するように発光素子３２と受光素子３３とを配置する。
【００１３】
スラリー１３では粒子が沈降して堆積層を形成する。当該体積層とその上の上澄み液とでは光透過率（減衰率）が著しく異なる。従って、発光素子３２から放出され、スラリー１３を透過して受光素子３３で受光された光の減衰率分布を受光量処理装置３５でモニタし、減衰率が著しく変化するところを堆積層界面（スラリー界面）とする。ここに、減衰率は受光した光の強さ／受光した参照光の強さから求められる。
【００１４】
図５には、実施例の測定装置の正面図を示した。図４で説明した要素と同一の要素には同一の符号が付してある。
図５において、符号４１は基台、４２は容器座、４３は支柱、４５は素子座である。また、符号４７はセンサ１５のリテーナである。
図６は測定装置の平面図である（但し、センサ１５は省略してある）。素子座４５は容器１２を挟むようにアーム５１、５２を展開しており、アーム５１及び５２に発光素子３２及び受光素子３３がそれぞれ保持されている。素子座４５の基端部は支柱４３内に配置され、当該支柱内を上下に移動するリフター５５に固定されている。このリフター５５は基台４１内に配置されたモータ５７の回転に伴い上下動する。
【００１５】
図７には実施例で使用する液圧センサ１５の構造を示した。
この液圧センサ１５は、菅体１５１、フィルタ１６０、センサ本体１７０を備えてなる。菅体１５１は上端側が大径（大径部１５３）に形成されておりそこにセンサ本体１７０が取り付けられる。またこの大径部１５３においてリテーナ４７へ固定される。大径部１５３には菅体１５１内へシリコーンオイル等の圧力媒体を注入するための注入口１５５が形成されている。菅体１５１の下端は分割されており、分割された先端側はキャップ部１５７として基端部１５８へ螺合される。キャップ部１５７と基端部１５８との間にフィルタ１６０が配置される。キャップ１５７の下端底部には微細孔１５９が穿設されている。この微細孔１５９の径は充分に小さくスラリーが菅体１５１内へ浸入してこない。スラリーの浸入を確実に防止できる場合は、フィルタ１６０を省略することができる。
【００１６】
かかる構成の液圧センサ１５はリテーナ４７で固定される。菅体１５１を容器１２のスラリー中へ挿入し、その下端のキャップ部１５７が容器１２の底からわずかに上の位置となるようにする。これにより、スラリー底部の液圧が微細孔１５９を介して菅体１５１内に充填されたシリコーンオイル等の圧力媒体を介してセンサ本体１７０まで伝達され、これにより検出される。
【００１７】
次に、実施例の測定装置の動作について図８を参照して説明する。
スラリー１３を構成する全ての材料の配合量と比重がパラメータ入力装置１６より入力されると（ステップ１）、Ｐｃａｌ演算装置１７がスラリー１３の比重を計算し、更に当該比重に基づき完全分散状態において液圧センサ１５にかかる圧力Ｐｃａｌを演算する（ステップ３）。
他方、容器１２にスラリー１３を注入すると液圧センサ１５が液圧のモニタを開始する。この実施例では、液圧が上昇から下降に変化したときの変極点（若しくはその近傍）における液圧Ｐｄｅｔを取りこむ（ステップ５）。そしてＰｄｅｔ・Ｐｃａｌ比較装置１８で計算により得られた液圧Ｐｃａｌと取りこまれた当該液圧Ｐｄｅｔとを比較する（ステップ７）。
【００１８】
他方、容器１２に沿って素子座４５を一定のタイミングで上下動させる。この実施例では、素子座４５が下方移動するときに発光素子３２をオンとし、容器１２内のスラリーによる受光量の変化を調べる。既述のように、受光量が大きく変化する位置がスラリーの堆積層と上澄み液層との界面になるので、その高さを受光量処理装置３５により求める（ステップ９）。なお、界面の高さは素子座４５が下方移動を開始した時点と素子座の移動速度に基づき演算により求めることができる。また、モータ５７の回転量から求めることもできる。
【００１９】
このようにして得られたスラリー界面高さと液圧センサ１５で得られたスラリー底部液圧とを対比させ、図３のグラフを作成する。なお、図３において、横軸がスラリー界面高さ、縦軸がスラリー底部液圧に対応する。作成されたグラフは出力装置１９を介して出力される（ステップ１１）。図３のグラフを作成することにより例えば次の知見が得られる。分散剤過剰系ではスラリー沈降距離（スラリー界面高さ）が１８ｍｍ程度で飽和している。即ち、粒子の反発力が強くスラリーを放置しておいても上澄み中に２０％程度の粒子が浮遊していることを意味する。このようなスラリーは粒子を均等に分散させる必要がある塗料などに好適であると考えられる。
スラリー底部圧力に基づき、図３の縦軸に対応した相対堆積量を演算することが可能であり、当該相対堆積量とスラリー界面高さとの関係を出力し、これをグラフ化することができる。
【００２０】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は圧力菅の水面（スラリーの底部液圧）変化と粒子の状態との関係を示す図である。
【図２】図２はスラリー界面と圧力菅の水面（スラリーの底部液圧）との経時変化を示すグラフ図である。
【図３】図３は粒子の相対堆積量とスラリーの沈降距離との関係を示すグラフ図である。
【図４】図４は実施例の測定装置の構成を示す模式図である。
【図５】図５は実施例の測定装置の正面図である。
【図６】図６は実施例の測定装置の平面図である。
【図７】図７は実施例の液圧センサの構造を示す断面図である。
【図８】図８は実施例の測定装置の演算方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１３    固液分散系スラリー
２、１２    容器
１５  液圧センサ
３２  発光素子
３３  受光素子
【図１】
2004163170.tif 000003
【図２】
2004163170.tif 000004
【図３】
2004163170.tif 000005
【図４】
2004163170.tif 000006
【図５】
2004163170.tif 000007
【図６】
2004163170.tif 000008
【図７】
2004163170.tif 000009
【図８】
2004163170.tif 000010