JP4354121B2

JP4354121B2 - 動的光散乱式粒径分布測定装置

Info

Publication number: JP4354121B2
Application number: JP2001016083A
Authority: JP
Inventors: 誠梅沢; 哲司山口
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2021-01-24
Also published as: JP2002221479A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、動的光散乱式粒径分布測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粒径分布測定方法の一つに、動的光散乱式粒径分布測定装置を用いるものがある。この動的光散乱式粒径分布測定装置は、試料セル内に、分散媒中に粒子を分散させた測定試料を収容し、この測定試料に対してレーザ光を照射し、前記粒子により散乱された光の周波数強度分布に基づいて粒径分布を求めるもので、従来の有機顔料やセラミックスなどに加えて、近時においては、半導体ウェハやハードディスクの研磨剤や、インクジェットプリンタなど先端材料の研究開発の現場におけるニーズが高まっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記動的光散乱式粒径分布測定装置は、従来においては、測定の都度、試料セルに対して測定試料を供給する所謂バッチ処理が主流であるとともに、測定装置の測定可能濃度が非常に低く、測定試料として低濃度のものまたは高濃度のものを希釈して用いる必要があったため、試料を測定可能な範囲の濃度にまで自動的に希釈する手法が採用されることもあった。これは、従来においては、この種の装置を用いるユーザにおいて、希釈によって測定するノウハウやデータベースを多く持っていたことにもその原因があると思われる。
【０００４】
そして、前記試料を希釈するに際しては、従来、試料を定量的に採取し、この試料に対して１００倍あるいは１０００倍と言うように希釈液を定量的に注入する方法が採用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記手法は、測定装置の測定可能濃度に測定試料を希釈調整することが目的であり、凝集しやすい試料（粒子）においては、希釈による凝集の影響を受けたまま測定されることになり、粒子の実際の現場における使用状態と異なった状態における測定になる場合もあった。そして、前記凝集が生じた状態で粒径分布測定を行うと、散乱光強度に大きな変化を生じたり、希釈しても散乱光強度が微弱となり、所定の測定を行えないことが生ずる。
【０００６】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、粒径分布測定前に測定に供される試料濃度を測定し、所望の測定濃度に達するまで自動的に試料を希釈するようにして、所定の粒径分布測定を効率よく行うことができるようにした動的光散乱式粒径分布測定装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、試料セル内に、分散媒中に粒子を分散させた測定試料を収容し、この測定試料に対してレーザ光を照射し、前記粒子により散乱された光の周波数強度分布に基づいて粒径分布を求めるようにした動的光散乱式粒径分布測定装置において、前記分散媒と粒子が供給され、分散媒中に粒子を分散させるための分散バスと前記試料セルとを循環流路で接続するとともに、粒径分布測定に先立って、前記分散バスから試料セルに対して測定試料を供給し、この測定試料に対してレーザ光を照射し、そのとき得られる散乱光強度に基づいて前記測定試料の濃度を測定し、この測定された濃度を予め設定されている目標濃度と比較し、この比較結果に基づいて前記測定試料の濃度調整を行えるようにしている。
【０００８】
上記動的光散乱式粒径分布測定装置においては、測定に供される試料を、希釈したい濃度（または濃度範囲）まで自動的に希釈することができる。そして、希釈による試料の状態変化を防止しながら濃度の確認を行うことができるので、希釈しすぎになったり希釈不足を生ずることがない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１〜図５は、この発明の一つの実施例を示す。まず、図１は、この発明の動的光散乱式粒径分布測定装置の一例を概略的に示すもので、この図において、１は分散バス、２は試料セルで、両者１，２は循環流路３で接続されている。
【００１０】
前記分散バス１は、例えば円筒状の液槽よりなり、測定対象試料である粒子４ａとこれを分散させる分散媒４ｂとを混合して測定試料４とするもので、その底部外部には、発振器によって振動する超音波振動子５が設けられており、分散バス１内で粒子４ａが凝集するのを防止するようにされている。
【００１１】
前記試料セル２は、所謂フローセルよりなり、その一端に試料入口２ａが形成され、他端に試料出口２ｂが形成されている。
【００１２】
前記循環流路３は、一端が分散バス１の底部に接続され、他端が試料セル２の試料入口２ａに接続された往路管３ａと、一端が試料セル２の試料出口２ｂに接続され、他端が分散バス１の上部において分散バス１内に開口する復路管３ｂとから構成されている。
【００１３】
前記分散バス１側の構成を説明すると、復路管３ｂの下流側には、三方電磁弁６と循環用ポンプ７が設けられており、より上流側に位置する三方電磁弁６は、その第１、第２のポート６ａ，６ｂが復路管３ｂにそれぞれ接続され、第３のポート６ｃには管８を介して分散媒貯留槽９が接続されている。そして、三方電磁弁６は、例えば、電源オフ時にはポート６ｂ，６ｃが連通し、電源オン時にはポート６ａ，６ｂが連通するよう構成されている。また、分散バス１の上部には、別途秤量された粒子４ａを分散バス１内に供給する粒子供給ホッパー１０と、分散剤を分散バス１内に供給する分散剤供給管１１が設けられている。さらに、往路管３ａの分散バス１の底部に近い部分には、開閉弁１２を備えた排水管１３が分岐接続されている。
【００１４】
なお、前記分散媒４ｂとしては、例えば水（純水）、エタノール、油などの液体が用いられるが、測定対象である粒子４ａの種類によって適宜使い分けられる。また、前記分散剤は、粒子４ａが分散媒４ｂ中において分散しやすくするもので、例えば界面活性剤など粒子どうしを反発させるもので、必要により供給される。
【００１５】
そして、前記試料セル２側の構成を説明すると、１４は試料セル２の一側に設けられるレーザ光源で、このレーザ光源１４と試料セル２との間の光路には、レーザ光源１４からのレーザ光１５をコリメートするレンズ１６、ビームスプリッタ１７、集光レンズ１８がこの順で設けられている。前記ビームスプリッタ１７は、例えば中央にレーザ光１５を通過させる孔が設けられ、その反射面が試料セル２方向に形成されたミラーよりなり、レーザ光源１４を発したレーザ光１５の光軸と例えば４５°の角度をなすように設けられており、前記孔を通過したレーザ光１５が試料セル２内の粒子４ｂによる散乱光のドップラーシフトによって生じた干渉光１９を９０°以下の適宜の角度曲げて反射するように構成されている。そして、ミラー１７で反射された干渉光１９の光路にはこれを集光するレンズ２０と、前記干渉光１９を電気的な検出信号Ｄ（ｔ）に変換する光検出器２１が設けられている。
【００１６】
また、２２は信号処理部で、前記光検出器２１の出力Ｄ（ｔ）を必要により増幅しディジタル信号に変換処理する信号処理部２３、この信号処理部２３から出力される検出信号Ｄ（ｔ）をデータ処理して粒径分布を求めるＣＰＵ２４、装置の各部を制御したり、前記ＣＰＵ２４における処理結果を表示するための画像処理など種々の処理を行うパソコン２５などよりなり、パソコン２５には、粒径分布など処理結果を表示したり、各種の制御画面を表示するための表示装置２６が付設されている。
【００１７】
次に、上記構成の動的光散乱式粒径分布測定装置の作動について、図２〜図５をも参照しながら説明する。この実施例の動的光散乱式粒径分布測定装置は、以下の作動を、パソコン２５に内蔵されているプログラムにしたがって自動的に行う。
【００１８】
（１）まず、開閉弁１２を閉状態にして、秤量された粒子４ａおよび分散媒４ｂを分散バス１内に投入する（図２のステップＳ１）。分散媒４ｂの投入は、三方電磁弁６がオフの状態（ポート６ｂ，６ｃが連通している状態）でポンプ７を適宜時間オンすることにより適宜量の分散媒４ｂが分散バス１内に供給される。このとき、必要に応じて分散剤を適量投入してもよい。
【００１９】
（２）三方電磁弁６をオンにして、ポート６ａ，６ｂを連通させることにより循環流路３が開成され、ポンプ７をオンすることにより、分散バス１内の粒子４ａおよび分散媒４ｂは、往路管３ａ、試料セル２、復路管３ｂ、三方電磁弁６およびポンプ７を経て分散バス１に戻るようにして循環流路３内を循環し、これによって、粒子４ａが分散媒４ｂ内に分散して十分に攪拌混合された測定試料４になる（図２のステップＳ２）。この場合、超音波振動子５を動作させ、分散バス１内で粒子４ａが凝集するのを防止するようにしてもよい。
【００２０】
（３）前記測定試料４の循環を適宜行い、これを十分に攪拌混合した後、ポンプ７をオフにした状態で、レーザ光源１４をオンにしてレーザ光１５を試料セル２内の測定試料４に照射する。すなわち、レーザ光源１４から出たレーザ光１５は、コリメートレンズ１６、ビームスプリッタ１７および集光レンズ１８を経て試料セル２内に集光する。このとき、一部のレーザ光はセル壁面を通過して、分散媒４ｂ中に分散し、ブラウン運動する粒子４ａに当たり、前記ブラウン運動によってドップラーシフトしたレーザ光（散乱光）が散乱する。一方、一部のレーザ光はセル壁面で散乱（非散乱光）して、もとの周波数のレーザ光が逆方向に進む。前記散乱光と非散乱光は互いに干渉し合って干渉光となり、集光レンズ１８、ビームスプリッタ１７、レンズ２０を経て光検出器２１上に集光する。
【００２１】
前記干渉光は、光検出器２１において電気的な検出信号Ｄ（ｔ）に変換され、信号処理部２３において適宜処理され、ディジタル化された光散乱データがＣＰＵ２４に取り込まれる。前記光散乱データは、図３に示すように、測定試料４の濃度に応じた振幅Ａｍを有しており、この振幅Ａｍに基づいて測定試料４の濃度（測定濃度）を得ることができる（図２のステップＳ３）。なお、前記光散乱データをＣＰＵ２４において高速フーリエ変換してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルに基づいて粒子４ａの粒径分布状態を求めるようにしてもよい。
【００２２】
そして、パソコン２５において、測定担当者が、図４に示す画面を用いて目標濃度（電圧値）を設定する。図４は、自動濃度調整を行うときの表示装置２６における画面の一例を示し、この例では、目標濃度を表す電圧値は１２．５０Ｖである。そして、前記測定濃度を目標濃度と比較する（図２のステップＳ４）。ここで、図５に示すように、測定濃度（測定濃度電圧）が目標濃度（目標濃度電圧）と一致しているときは、測定試料濃度の調整が終了したことになり（図２のステップＳ５）、粒径分布測定に移行する。この粒径分布測定は、前記（３）で説明したように、レーザ光源１４をオンにしてレーザ光１５を試料セル２内の測定試料４に照射し、そのとき得られる、粒子４ａ粒子により散乱された光の周波数強度分布に基づいて粒径分布を求めるようにすればよい。
【００２３】
これに対して、前記測定濃度が目標濃度と一致していないときは、図２に示すように、ステップＳ２に戻り、測定試料４の濃度調整をさらに行う必要がある。すなわち、前記測定濃度（測定濃度電圧）が、例えば図６の画面例に示すように、１２．５０Ｖというように、目標濃度（目標濃度電圧）１０．５０Ｖより大きいときは、希釈倍率を設定し、測定試料４の調整を行うのである。
【００２４】
具体的には、開閉弁１２を１〜２秒程度開いて分散バス１内の測定試料４の一部を排出した後、この排出量に等しい分散媒４ｂを分散媒貯留槽９から分散バス１に供給して希釈するのである。このとき、分散剤を適宜量供給してもよい。その後、前記（２）に記載した手法により、粒子４ａおよび分散媒４ｂよりなる測定試料４を循環流路３を循環させることにより、十分に攪拌混合された測定試料４とする。
【００２５】
そして、ステップＳ３に示すように、測定試料４の濃度を再度測定するのである。
【００２６】
以下、測定試料４の濃度が目標濃度になるまで、上記作業を繰り返す。なお、測定試料４の濃度が目標濃度よりも小さい場合、粒子４ａを分散バス１に加えるようにすればよい。また、目標濃度として、±の多少の許容範囲を設けておき、測定濃度がこの目標濃度の許容範囲内に入った場合に、粒径分布測定に移行するようにしてもよい。
【００２７】
上述のように、この発明の動的光散乱式粒径分布測定装置においては、粒径分布測定に先立って、測定試料４の濃度を散乱光強度に基づいて確認し、試料濃度が測定可能範囲内にあるか否かを確認しながら希釈しているので、希釈しすぎになったり希釈不足を生ずることがない。そして、測定試料４が所定の濃度になった状態で粒径分布測定を行うことができるので、精度の高い測定結果を得ることができ、所定の粒径分布測定を効率よく行うことができる。
【００２８】
特に、分散バス１と試料セル２とを循環流路３によって接続し、測定試料４を循環流路３内を繰り返し循環させることができるので、粒子４ａと分散媒４ｂの混合攪拌が確実に行われるとともに、凝集による粒径の変化やそれに伴う散乱光強度の急激な変化を抑制することができる。
【００２９】
なお、測定試料４の希釈方法として、濃度を定量的に２の倍数ずつ希釈するようにしてもよい。すなわち、分散バス１内の測定試料４の量を分散バス１に設けたセンサ（図示していない）によってモニターして、半量排水し、この排出量と同量の分散媒４ｂを供給して、２倍希釈し、この２倍希釈を回数から希釈倍率を簡単に求めるようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の動的光散乱式粒径分布測定装置においては、分散バスと試料セルとを循環流路で接続するとともに、粒径分布測定に先立って、記分散バスから試料セルに対して測定試料を供給し、この測定試料に対してレーザ光を照射し、そのとき得られる散乱光強度に基づいて前記測定試料の濃度を測定し、この測定された濃度を予め設定されている目標濃度と比較し、この比較結果に基づいて前記測定試料の濃度調整を行えるようにしているので、測定試料を希釈したい濃度にまで効率よく、自動的に（無人で）希釈することができる。そして、希釈による状態変化を防止しながら濃度の確認を行うことができ、したがって、最適な濃度状態で所望の粒径分布測定を行うことができ、精度の高い測定を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の動的光散乱式粒径分布測定装置の一例を概略的に示す図である。
【図２】前記測定装置による粒径分布測定に先立って行われる測定試料の調整手順の一例を示すフローチャートである。
【図３】検出信号（光散乱データ）の一例を示す図である。
【図４】自動濃度調整を行うための画面の一例を示す図である。
【図５】自動濃度調整を行うための画面の一例を示す図である。
【図６】自動濃度調整を行うための画面の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…分散バス、２…試料セル、３…循環流路、４…測定試料、４ａ…粒子、４ｂ…分散媒、１５…レーザ光。

Claims

試料セル内に、分散媒中に粒子を分散させた測定試料を収容し、この測定試料に対してレーザ光を照射し、前記粒子により散乱された光の周波数強度分布に基づいて粒径分布を求めるようにした動的光散乱式粒径分布測定装置において、前記分散媒と粒子が供給され、分散媒中に粒子を分散させるための分散バスと前記試料セルとを循環流路で接続するとともに、粒径分布測定に先立って、前記分散バスから試料セルに対して測定試料を供給し、この測定試料に対してレーザ光を照射し、そのとき得られる散乱光強度に基づいて前記測定試料の濃度を測定し、この測定された濃度を予め設定されている目標濃度と比較し、この比較結果に基づいて前記測定試料の濃度調整を行えるようにしたことを特徴とする動的光散乱式粒径分布測定装置。