粒子導電性判別装置及び粒子導電性判別方法
【課題】浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する方法及び装置を提供する。
【解決手段】
浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する方法であって、
レーザー光発生装置から出射したレーザー光を判別対象の前記浮遊粒子に照射し、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器によって検出し、
前記前方散乱光強度と前記後方散乱光強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別する。
【解決手段】
浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する方法であって、
レーザー光発生装置から出射したレーザー光を判別対象の前記浮遊粒子に照射し、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器によって検出し、
前記前方散乱光強度と前記後方散乱光強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子導電性判別装置及び粒子導電性判別方法に関し、より詳細には、光学的手法を用いて粒子が導電性を有するか否かを判別する装置及びその判別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコン用リチウムイオン蓄電池が発火する事故が発生している。この原因は、蓄電池の製造過程において、電池セルの内部に金属粒子などの導電性粒子が混入し、混入した導電性粒子が正極と負極を隔てるセパレータを貫通して内部短絡を引き起こし、発煙、発火事故に繋がるものと考えられている。
【０００３】
したがって、電池セル内部に導電性粒子が混入しないようにするために、製造工程において導電性粒子をモニタリングする技術が望まれる。
【０００４】
一般に、浮遊する粒子を計測する方法には、光散乱方式のパーティクルカウンタが用いられることが多い。これは、レーザー光を測定対象のエアロゾルに照射し、当該エアロゾルに内在する粒子からの散乱光を検出し、内在する粒子数及び粒径を求めるものである（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１０８３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記の方法により浮遊粒子数や粒径を求めることはできるものの、当該粒子が導電性を有するか否かを判別することはできなかった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、空間を浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
空間に浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する方法であって、
レーザー光発生装置から出射したレーザー光を判別対象の前記浮遊粒子に照射し、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器によって検出し、
前記前方散乱光強度と前記後方散乱光強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別することを特徴とする粒子導電性判別方法。
【０００９】
（作用効果）
本発明者は、レーザー光を判別対象の浮遊粒子に照射し、その照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器によって検出し、前記前方散乱光の強度と前記後方散乱光の強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別できることを知見した。その結果、装置的に特別なものを用意する必要はなく、装置構成は簡素なもので足り、また、判別を高い精度で実行できる。
【００１０】
＜請求項２記載の発明＞
前記レーザー光発生装置はレーザービームを発生させる装置であり、
前記前方散乱光検出器はフォトダイオードまたは光電子増倍管であり、
前記後方散乱光検出器はフォトダイオードまたは光電子増倍管である請求項１に記載の粒子導電性判別方法。
【００１１】
（作用効果）
個別粒子を捉える場合に有効である。
【００１２】
＜請求項３記載の発明＞
前記レーザー光発生装置はレーザーライトシートを発生させる装置であり、前記前方散乱光検出器及び前記後方散乱光検出器は撮像素子である請求項１に記載の粒子導電性判別方法。
【００１３】
（作用効果）
粒子を群で捉える場合や、分散分布などを把握するのに有効である。
【００１４】
＜請求項４記載の発明＞
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に偏光フィルタを設け、観測面に対して平行な偏光を検出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【００１５】
（作用効果）
観測面に対して垂直な偏光を検出する場合よりも、散乱光の強度比率を明確に捉えることができ、粒子の導電性の有無を高い精度で判別することができる。
【００１６】
＜請求項５記載の発明＞
前記レーザー光発生装置の前面に偏光フィルタまたは偏光プリズムのいずれか一方と、λ／２波長板とから選択される少なくともいずれか一つを設け、観測面に対して平行な偏光を照射する請求項１〜４に記載の粒子導電性判別方法。
【００１７】
（作用効果）
観測面に対して垂直な偏光を照射する場合よりも、散乱光の強度比率を明確に捉えることができ、粒子の導電性の有無を高い精度で判別することができる。
【００１８】
＜請求項６記載の発明＞
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に受光角調整装置を設け、レーザー光の入射線に対する粒子の散乱角が３０度〜６０度および３００度〜３３０度の少なくとも一方の前方散乱光と、１２０度〜１５０度および２１０〜２４０度の少なくとも一方の後方散乱光を検出する請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【００１９】
（作用効果）
上記の散乱角の範囲内であると、散乱光の強度比率を明確に捉えることができ、粒子の導電性の有無を高い精度で判別することができる。
【００２０】
＜請求項７記載の発明＞
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に受光角調整装置を設け、レーザー光の入射線に対する粒子の散乱角が、４０〜５０度および３１０〜３２０度の少なくとも一方の前方散乱光と、１３０〜１４０度および２２０〜２３０度の少なくとも一方の後方散乱光を検出する請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【００２１】
（作用効果）
請求項６記載の発明の場合よりも、散乱光の強度比率を明確に捉えることができ、粒子の導電性の有無を高い精度で判別することができる。
【００２２】
＜請求項８記載の発明＞
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に干渉フィルタを設ける請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【００２３】
（作用効果）
蛍光等の非弾性散乱光を除去できるため、干渉フィルタを設けない場合と比べて、粒子の導電性の有無の判別が容易になる。
【００２４】
＜請求項９記載の発明＞
空間に浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する装置であって、
判別対象の前記浮遊粒子にレーザー光を照射するレーザー光発生装置と、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を検出する前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器と、
前記前方散乱光の強度と前記後方散乱光の強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別する手段と、を有することを特徴とする粒子導電性判別装置。
【００２５】
（作用効果）
請求項１の場合と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の粒子導電性判別装置及び粒子導電性判別方法によれば、浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る粒子導電性判別装置の平面図である。
【図２】本発明に係る粒子導電性判別装置の変形例である。
【図３】導電性を有さない浮遊粒子に光を照射した場合の散乱光を示した図である。
【図４】導電性を有する浮遊粒子に光を照射した場合の散乱光を示した図である。
【図５】導電性を有する浮遊粒子に光を照射した場合の散乱光を示した図である。
【図６】前方散乱光強度と後方散乱光強度の強度比について表した図である。
【図７】浮遊粒子がガラスビーズの場合の実験結果を表した図である。
【図８】浮遊粒子がＮｉの場合の実験結果を表した図である。
【図９】照射光としてレーザーライトシートを、散乱光検出器として撮像素子を用いた場合の図である。
【図１０】前方散乱光強度と後方散乱光強度の強度比について他の例について表した図である。
【図１１】前方散乱光強度と後方散乱光強度の強度比について別の例について表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の粒子導電性判別装置及び粒子導電性判別方法の好ましい実施形態について、図１〜図１１を参照しながら説明する。
【００２９】
図１は、本発明にかかる粒子導電性判別装置の平面図である。
【００３０】
粒子導電性判別装置は、レーザー光発生装置１と前方散乱光検出器３と後方散乱光検出器４とを含んでいる。
前記レーザー光発生装置１から、対象となる浮遊粒子２に対してレーザー光を照射すると、レーザー光が前記浮遊粒子２に当たり光が散乱する。
この光の散乱が観測面Ｌ上でどのように発生するかを、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４によって検出する。より詳しくは、前記散乱光のうち前方へ散乱したものを前方散乱光検出器３によって検出する。後方へ散乱したものを後方散乱光検出器４によって検出する。
そして、前方散乱光の強度と後方散乱光の強度の比率に基づき浮遊粒子の導電性の有無を判別するものである。
【００３１】
ここで、観測面Ｌとは、(1)レーザー光発生装置１の出射口と浮遊粒子２を結んだ直線、(2)前方散乱光検出器３の受光口と浮遊粒子２を結んだ直線、(3)後方散乱光検出器４の受光口と浮遊粒子２を結んだ直線、の全てを含む面をいう。
また、前記レーザー光発生装置１のレーザー光出射口と前記浮遊粒子２を結んだ直線およびその延長線を縦方向基準線Ｙという。また、浮遊粒子２を通り、縦方向基準線Ｙに直角に交わる線を横方向基準線Ｘという。更に、前記横方向基準線Ｘを境として、Ｙプラス方向を前方といい、Ｙマイナス方向を後方という。なお、縦方向基準線Ｙと横方向基準線Ｘは、観測面Ｌ上にある。
また、浮遊粒子２と前方散乱光検出器３を結ぶ方向線、並びに後方散乱光検出器４を結ぶ方向線が、縦方向基準線Ｙとの間でなす角度を前方散乱角θ１及び後方散乱角θ２とする。
前方散乱光検出器は、フォトダイオードまたは光電子増倍管等からなり、フォトダイオードには、アバランシェフォトダイオードも含む。また、後方散乱光検出器も同様に、フォトダイオードまたは光電子増倍管等からなり、フォトダイオードには、アバランシェフォトダイオードも含む。
図１においては、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４をＸプラス方向に設けた例を示したが、本発明はこの例に限られない。具体的には、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４をＸマイナス方向に設けても良いし、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４をそれぞれ複数設けても良い。
【００３２】
図２は、本発明にかかる粒子導電性判別装置の変形例である。
【００３３】
前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前面に、偏光フィルタ５を設けた。偏光フィルタ５を設けることで、観測面Ｌに対して垂直な偏光のみ、または、観測面Ｌに対して平行な偏光のみを検出することができる。
本発明における粒子導電性判別方法においては、後述のように、観測面Ｌに対して平行な偏光を用いると、粒子の導電性の有無の判別が容易になるため、観測面Ｌに対して平行な偏光のみを検出する偏光フィルタ５を用いるのが好ましい。
しかし、本発明はこれに限定されず、観測面Ｌに対して垂直な偏光のみを検出する偏光フィルタ５を用いてもよい。
さらに、本発明における粒子導電性判別方法においては、後述のように、前方散乱角θ１が特定の範囲内にある前方散乱光、及び後方散乱角θ２が特定の範囲内にある後方散乱光を用いると、粒子の導電性の有無を高い精度で判別できるため、当該範囲の散乱光を検出するように、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前面に受光角調整装置７を設けた。この受光角調整装置７としては、例えばアイリスが挙げられる。
その他、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前面に、蛍光等の非弾性散乱光を除去するための干渉フィルタ８を設けても良い。
本発明においては、前記偏光フィルタ５、受光角調整装置７、干渉フィルタ８の全て備えるようにしても良いし、いずれかを選択して備えるようにしても良い。
さらに、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前方に、コリメート用レンズ９を設けても良い。
また、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前方に、集光用レンズ１０を設けて、集光するようにしても良い。
偏光フィルタ５、受光角調整装置７、干渉フィルタ８、コリメート用レンズ９、集光用レンズ１０の配置例については、後述の実験の説明で詳述する。
【００３４】
一方、レーザー光発生装置１から出射するレーザー光は偏光した状態であることが望ましい。
しかし、一部のレーザー光発生装置１から出射されるレーザー光は、様々な偏光成分を含むものや、偏光比が５０：１程度の望ましくないものがある。そのため、そのようなレーザー光を望ましい偏光比のレーザー光にするために、図２に示したように、レーザー光発生装置の前面に偏光フィルタ５を用いるのが好ましい。また、図２には示していないが、偏光フィルタ５の代わりに偏光プリズムを用いてよい。なお、ここでいう望ましい偏光比とは、例えば１００００：１等の、偏光の垂直成分または水平成分のどちらか一方の偏光成分を強く含み、その他の偏光成分が極めて弱い状態をいう。
また、レーザー光の偏光を観測面Ｌに対して平行または垂直にするために、図２に示すようにレーザー光発生装置１の前面にλ／２波長板６を設けるのが好ましい。
本発明においては、前記偏光フィルタ５または偏光プリズムのいずれかと、λ／２波長板６を設けるようにしても良いし、いずれかを選択して備えるようにしても良い。
【００３５】
ここで、レーザー光が浮遊粒子に当たり、散乱した光の強度である光散乱光強度Ｉjは、下式（１）〜（３）のように、レーザー光の波長λ、浮遊粒子から散乱光検出器までの距離Ｒ、散乱角θ、粒径パラメータα、粒子屈折率ｍの関数で表される。
【数１】
【数２】
【数３】
【００３６】
ここで、ｄは前記浮遊粒子の粒経を表す。また、ｊ＝１の場合は観測面Ｌに対して垂直な偏光を照射する場合を指し、ｊ＝２の場合は観測面Ｌに対して平行な偏光を照射する場合を指す。
【００３７】
前記粒子屈折率ｍは、光散乱のパラメータの１つであり、上記の式（２）のように複素数で表される。粒子が非導電性の場合、屈折率の虚部ｎ’はｎ’＝０となり、導電性の場合、屈折率の虚部ｎ’はｎ’＝０とならない。
複素数の屈折率の虚部ｎ’の前記特性を利用して、ｎ’を変化させた場合の散乱光強度分布の変化を計算し、その結果を図３〜図５に表した。したがって以下に説明するように、逆に、本発明に従って、前方散乱光の強度と後方散乱光の強度の比率に基づき浮遊粒子の導電性の有無を判別することができるのである。
【００３８】
図３は、粒子の屈折率ｍ＝１．５−０ｉの場合、つまり粒子に導電性がない場合において、粒径パラメータαを２０とし、波長λを５３２ｎｍとし、粒径ｄを３．４μｍとして、散乱光強度の角度分布を算出した結果を示したものである。
また、図４は、粒子の屈折率ｍ＝１．５−１ｉの場合、つまり粒子に導電性がある場合において、粒径パラメータαを２０とし、波長λを５３２ｎｍとし、粒径ｄを３．４μｍとして、散乱光強度の角度分布を算出した結果を示したものである。
また、図５は、粒子の屈折率ｍ＝１．５−０．１ｉの場合、つまり粒子に導電性がある場合において、粒径パラメータαを２０とし、波長λを５３２ｎｍとし、粒径ｄを３．４μｍとして、散乱光強度の角度分布を算出した結果を示したものである。
散乱光強度としては上記の数１で示したｉj（ｊ＝１，２）を算出したものを示した。
図３〜図５においては、図１および図２に示した縦方向基準線Ｙが、図３〜図５の０度と１８０度を結んだ線に該当し、図１および図２に示した横方向基準線Ｘが、図３〜図５の９０度と２７０度を結んだ線に該当する。また、レーザー光発生装置１は、図３〜図５の１８０度の位置にあり、そこから図３〜図５のグラフの中心に位置する浮遊粒子にレーザー光を照射し、発生した散乱光の強度の分布を示している。さらに、０〜９０度及び２７０〜３６０度の散乱光の強度を前方散乱光強度といい、９０〜２７０度の散乱光の強度を後方散乱光強度という。
なお、粒径パラメータαは照射光の波長に対する粒子の相対的な大きさを示しており、例えば、粒径パラメータα＝１０は、照射光の波長λがλ＝５３２ｎｍの場合に、約１．７μｍの粒径を表す。また、図中の実線は観測面Ｌに対し平行な偏光を、破線は観測面Ｌに対し垂直な偏光を１８０度の方向から中央の浮遊粒子２に照射した場合に、照射光が浮遊粒子に当たって発生した散乱光が各方向にどのような強度で散乱されるかについて、散乱光の強度の分布を表したものである。
【００３９】
図３においては、前方散乱光強度のうち３０度〜６０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１２０度〜１５０度の後方散乱光強度よりも非常に強いことがわかる。また、前方散乱光強度のうち３００度〜３３０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２１０度〜２４０度の後方散乱光強度よりも非常に強いことがわかる。
特に、前方散乱光強度のうち４０度〜５０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１３０度〜１４０度の後方散乱光強度よりも顕著に強いことがわかる。また、前方散乱光強度のうち３１０度〜３２０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２２０度〜２３０度の後方散乱光強度よりも顕著に強いことがわかる。
【００４０】
また、図４においては、前方散乱光強度のうち３０度〜６０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１２０度〜１５０度の後方散乱光強度よりも弱いことがわかる。また、前方散乱光強度のうち３００度〜３３０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２１０度〜２４０度の後方散乱光強度よりも弱いことがわかる。
特に、前方散乱光強度のうち４０度〜５０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１３０度〜１４０度の後方散乱光強度よりも顕著に弱いことがわかる。また、前方散乱光強度のうち３１０度〜３２０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２２０度〜２３０度の後方散乱光強度よりも顕著に弱いことがわかる。
【００４１】
また、図５において、前方散乱光強度のうち３０度〜６０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１２０度〜１５０度の後方散乱光強度と同程度であることがわかる。また、前方散乱光強度のうち３００度〜３３０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２１０度〜２４０度の後方散乱光強度と同程度であることがわかる。
さらに、前方散乱光強度のうち４０度〜５０度の前方散乱光強度も、後方散乱光強度のうち１３０度〜１４０度の後方散乱光強度と同程度であることがわかる。また、前方散乱光強度のうち３１０度〜３２０度の前方散乱光強度も、後方散乱光強度のうち２２０度〜２３０度の後方散乱光強度と同程度であることがわかる。
【００４２】
なお、図３のｍ＝１．５−０ｉの３０度〜６０度の前方散乱光強度は、図４のｍ＝１．５−０．１ｉや図５のｍ＝１．５−１ｉの３０度〜６０度の前方散乱光強度よりも強いこともわかる。また、図３のｍ＝１．５−０ｉの３００度〜３３０度の前方散乱光強度は、図４のｍ＝１．５−０．１ｉや図５のｍ＝１．５−１ｉの３００度〜３３０度の前方散乱光強度よりも強いこともわかる。
【００４３】
なお、本発明において、前方散乱光または後方散乱光の好適な検出角度範囲例を上述のように説明したが、その角度範囲内における一部の散乱光を強度比較基準として取り込む場合と、その角度範囲内における全部の散乱光を強度比較基準として取り込む場合との両形態を包含するものであることを付言しておく。
【００４４】
ここに、本発明者による他の多くの試行によれば、粒径パラメータαが１のときは、導電性粒子の散乱光強度および非導電性粒子の散乱光強度に顕著な違いが見られなかった。しかし、粒径パラメータαが１０以上の場合は、観測面に対し平行な偏光を非導電性粒子に照射した際の強度分布に関し、０度〜９０度及び２７０度〜３６０度の前方散乱光強度が、９０度〜２７０度の後方散乱光強度よりも強い傾向がある。また、粒径パラメータαが１０以上の場合は、観測面に対し平行な偏光を導電性粒子に照射した際の強度分布に関し、０度〜９０度及び２７０度〜３６０度の前方散乱光強度が、９０度〜２７０度の後方散乱光強度に対し同程度か弱い傾向にある。
【００４５】
前記の図３〜図５においては、４０度〜５０度の散乱光と１３０度〜１４０度の散乱光に特に違いが見られるため、下式（４）に示す前方散乱光強度Ｉfと、下式（５）に示す後方散乱光強度Ｉbの比（Ｉf／Ｉb）を図６に示す。
【数４】
【数５】
【００４６】
図６によると、前記浮遊粒子２の粒経パラメータαが約２０より大きい場合は、前記比（Ｉf／Ｉb）に違いが生じている。つまり、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−０ｉであり、当該浮遊粒子２が非導電性粒子である場合、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約７以上になっている。また、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−１ｉや１．５−０．１ｉであって、当該浮遊粒子２が導電性粒子である場合は、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約２以下になっている。
従って、前記浮遊粒子２の粒径パラメータαが約２０よりも大きい粒子について、前記比（Ｉf／Ｉb）が約２〜７の間にある値を閾値として用いて、浮遊粒子の導電性の有無を判別できるか否かについて実験により検証した。
【００４７】
当該実験は、図２に示したような粒子導電性判別装置を用いた。
具体的には、レーザー光発生装置１からレーザー光を浮遊粒子２に照射し、レーザー光が当該浮遊粒子２に当たって生じる前方散乱光および後方散乱光を前記前方散乱光検出器３および前記後方散乱光検出器４の前面に設置したコリメート用レンズ９で平行光とし、さらに前記前方散乱光検出器３および前記後方散乱光検出器４と前記コリメート用レンズ９の間に設置した集光用レンズ１０で集光した上で、前記前方散乱光検出器３および前記後方散乱光検出器４であるフォトダイオードで検出した。
図３〜図５によると、観測面Ｌに対し平行な偏光を用いた場合、前方散乱光強度と後方散乱光強度に違いが見られたため、前記レーザー光発生装置１の前面に偏光プリズム及びλ／２波長板６を設け、観測面に対し平行な偏光のみを照射するようにした。
また、図３〜図５によると、観測面Ｌに対し平行な偏光を用いた場合、前方散乱光強度と後方散乱光強度に違いが見られたため、前記コリメート用レンズ９と前記集光用レンズ１０の間に偏光フィルタ５を設け、観測面に対し平行な偏光のみを検出するようにした。
さらに、図３〜図５によると、前方散乱光および後方散乱光のうち、４０度〜５０度の範囲及び１３０度〜１４０度の範囲に顕著な違いが見られたため、当該範囲の散乱光を検出するように、前記各コリメート用レンズ９の前面に受光角調整装置７としてアイリスを設けた。
その他、前記コリメート用レンズ９と前記集光用レンズ１０の間に、蛍光等の非弾性散乱光を除去するための干渉フィルタ８を設けた。
【００４８】
前記実験の詳細について、以下に説明する。レーザーには波長５３２ｎｍ、出力２ＷのＮｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波を用いた。そして、レーザー光は計測ポイントにおいて観測面に対し平行な偏光となるように照射した。導電性の有無を測定する浮遊粒子２は、乾燥粉末状のものを空気搬送により計測ポイントに供給した。測定粒子としては、非導電性粒子として約３０μｍのガラスビーズＧＢＬ−３０（日本粉体工業協会）を用いた。また、導電性粒子として約２〜１０μｍのＮｉ（Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）を用いた。
【００４９】
実験結果を図７および図８に示す。各々のグラフは横軸を前方散乱光強度Ｉf、縦軸を後方散乱光強度Ｉbとしたものである。また、図中の実線は粒子の導電性の有無を判別するためにＩf／Ｉbの閾値としてＩf／Ｉb＝２とした場合を示している。当該実線より右側にあれば浮遊粒子２は非導電性であり、左側にあれば浮遊粒子２は導電性であることを示している。図７のガラスビーズの場合は、概ねＩf／Ｉb＝２の線の右側に分布しており、非導電性であることを示している。また、図８のＮｉの場合は、概ねＩf／Ｉb＝２の線の左側に分布しており、導電性であることを示している。
この結果、各々の粒子の前方散乱光強度Ｉf、後方散乱光強度Ｉbを計測し、その比Ｉf／Ｉbに適切な閾値を設けることで、各々の浮遊粒子２が導電性を有するか否かを判別することができることが示された。
【００５０】
上述例では、レーザー光発生装置１から発生する照射光としてレーザービームを、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４としてフォトダイオードを用いて、点で計測を行う例を記載した。点で計測を行う当該例においては、フォトダイオード等の光センサーの他に、レンズを用いた集光光学系、検出器の前方に、特定の偏光のみ透過する偏光フィルタ、蛍光等の非弾性散乱光を除去するための干渉フィルタ、受光角を調整するための開口を設けても良い。
【００５１】
その他の例としては、図９に示したように、レーザー光発生装置１から発生する照射光として２次元のレーザーライトシートを、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４として二次元の撮像素子を用いて、二次元で計測を行っても良い。この例においても、撮像管、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子を用いたカメラとカメラ用レンズの他に、特定の偏光のみを透過する偏光フィルタ、蛍光等の非弾性散乱光を除去するための干渉フィルタ、受光角を調整するための開口を設けても良い。
また、レーザー光発生装置１の前方に偏光フィルタ５もしくは偏光プリズムのいずれかを設け、λ／２波長板６を設けるようにしてもよい。
さらに、カメラの設置方法がレーザーライトシートに対して直角ではなく、カメラのレーザーライトシートに対する角度やカメラレンズのＦ値によっては撮影領域の全てにピントが合わなくなることがある。そのため、カメラ用レンズにはチルト機構を有するものを用いても良い。
【００５２】
前記実験では、４０度〜５０度の範囲の前方散乱光と、１３０度〜１４０度の範囲の後方散乱光を検出して、その結果を分析した。
しかし、本発明は、当該範囲以外の散乱光を用いても、粒子の導電性を判別することができる。
【００５３】
例えば、前記図３〜図５において、３０度〜４０度の前方散乱光と１４０度〜１５０度の後方散乱光にも違いが見られる。そのため、前記式（４）においてθf1＝３０[deg]、θf2＝４０[deg]とした前方散乱光強度Ｉfと、前記式（５）においてθb1＝１４０[deg]、θb2＝１５０[deg]とした後方散乱光強度Ｉbの比（Ｉf／Ｉb）を図１０に示した。
【００５４】
図１０によると、前記浮遊粒子２の粒経パラメータαが約２０より大きい場合は、前記比（Ｉf／Ｉb）に違いが生じている。つまり、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−０ｉであり、当該浮遊粒子２が非導電性粒子である場合、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約７以上になっている。また、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−１ｉや１．５−０．１ｉであって、当該浮遊粒子２が導電性粒子である場合は、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約６以下になっている。
【００５５】
また、前記図３〜図５において、５０度〜６０度の前方散乱光と１２０度〜１３０度の後方散乱光にも顕著な違いが見られる。そのため、前記式（４）においてθf1＝５０[deg]、θf2＝６０[deg]とした前方散乱光強度Ｉfと、前記式（５）においてθb1＝１２０[deg]、θb2＝１３０[deg]とした後方散乱光強度Ｉbの比（Ｉf／Ｉb）を図１１に示した。
【００５６】
図１１によると、前記浮遊粒子２の粒経パラメータαが約２０より大きい場合は、前記比（Ｉf／Ｉb）に違いが生じている。つまり、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−０ｉであり、当該浮遊粒子２が非導電性粒子である場合、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約４以上になっている。また、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−１ｉや１．５−０．１ｉであって、当該浮遊粒子２が導電性粒子である場合は、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約１以下になっている。
【００５７】
従って、上記の範囲の散乱光を用いた場合も、前記比（Ｉf／Ｉb）に明確な違いが表れている。
従って、上記の範囲の前方散乱光強度Ｉf、後方散乱光強度Ｉbを計測し、その比Ｉf／Ｉbに適切な閾値を設けることで、各々の浮遊粒子２が導電性を有するか否かを判別することができる。
この場合の閾値としては、図６、図１０、図１１のようなグラフを用いて、導電性粒子と非導電性粒子で明確な違いが現れる前記比（Ｉf／Ｉb）の値を用いるのが好ましい。
【符号の説明】
【００５８】
１：レーザー光発生装置、２：浮遊粒子、３：前方散乱光検出器、４：後方散乱光検出器、５：偏光フィルタ、６：λ／２波長板、７：受光角調整装置、８：干渉フィルタ、９：コリメート用レンズ、１０：集光用レンズ。
Ｌ：観測面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子導電性判別装置及び粒子導電性判別方法に関し、より詳細には、光学的手法を用いて粒子が導電性を有するか否かを判別する装置及びその判別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコン用リチウムイオン蓄電池が発火する事故が発生している。この原因は、蓄電池の製造過程において、電池セルの内部に金属粒子などの導電性粒子が混入し、混入した導電性粒子が正極と負極を隔てるセパレータを貫通して内部短絡を引き起こし、発煙、発火事故に繋がるものと考えられている。
【０００３】
したがって、電池セル内部に導電性粒子が混入しないようにするために、製造工程において導電性粒子をモニタリングする技術が望まれる。
【０００４】
一般に、浮遊する粒子を計測する方法には、光散乱方式のパーティクルカウンタが用いられることが多い。これは、レーザー光を測定対象のエアロゾルに照射し、当該エアロゾルに内在する粒子からの散乱光を検出し、内在する粒子数及び粒径を求めるものである（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１０８３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記の方法により浮遊粒子数や粒径を求めることはできるものの、当該粒子が導電性を有するか否かを判別することはできなかった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、空間を浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
空間に浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する方法であって、
レーザー光発生装置から出射したレーザー光を判別対象の前記浮遊粒子に照射し、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器によって検出し、
前記前方散乱光強度と前記後方散乱光強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別することを特徴とする粒子導電性判別方法。
【０００９】
（作用効果）
本発明者は、レーザー光を判別対象の浮遊粒子に照射し、その照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器によって検出し、前記前方散乱光の強度と前記後方散乱光の強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別できることを知見した。その結果、装置的に特別なものを用意する必要はなく、装置構成は簡素なもので足り、また、判別を高い精度で実行できる。
【００１０】
＜請求項２記載の発明＞
前記レーザー光発生装置はレーザービームを発生させる装置であり、
前記前方散乱光検出器はフォトダイオードまたは光電子増倍管であり、
前記後方散乱光検出器はフォトダイオードまたは光電子増倍管である請求項１に記載の粒子導電性判別方法。
【００１１】
（作用効果）
個別粒子を捉える場合に有効である。
【００１２】
＜請求項３記載の発明＞
前記レーザー光発生装置はレーザーライトシートを発生させる装置であり、前記前方散乱光検出器及び前記後方散乱光検出器は撮像素子である請求項１に記載の粒子導電性判別方法。
【００１３】
（作用効果）
粒子を群で捉える場合や、分散分布などを把握するのに有効である。
【００１４】
＜請求項４記載の発明＞
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に偏光フィルタを設け、観測面に対して平行な偏光を検出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【００１５】
（作用効果）
観測面に対して垂直な偏光を検出する場合よりも、散乱光の強度比率を明確に捉えることができ、粒子の導電性の有無を高い精度で判別することができる。
【００１６】
＜請求項５記載の発明＞
前記レーザー光発生装置の前面に偏光フィルタまたは偏光プリズムのいずれか一方と、λ／２波長板とから選択される少なくともいずれか一つを設け、観測面に対して平行な偏光を照射する請求項１〜４に記載の粒子導電性判別方法。
【００１７】
（作用効果）
観測面に対して垂直な偏光を照射する場合よりも、散乱光の強度比率を明確に捉えることができ、粒子の導電性の有無を高い精度で判別することができる。
【００１８】
＜請求項６記載の発明＞
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に受光角調整装置を設け、レーザー光の入射線に対する粒子の散乱角が３０度〜６０度および３００度〜３３０度の少なくとも一方の前方散乱光と、１２０度〜１５０度および２１０〜２４０度の少なくとも一方の後方散乱光を検出する請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【００１９】
（作用効果）
上記の散乱角の範囲内であると、散乱光の強度比率を明確に捉えることができ、粒子の導電性の有無を高い精度で判別することができる。
【００２０】
＜請求項７記載の発明＞
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に受光角調整装置を設け、レーザー光の入射線に対する粒子の散乱角が、４０〜５０度および３１０〜３２０度の少なくとも一方の前方散乱光と、１３０〜１４０度および２２０〜２３０度の少なくとも一方の後方散乱光を検出する請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【００２１】
（作用効果）
請求項６記載の発明の場合よりも、散乱光の強度比率を明確に捉えることができ、粒子の導電性の有無を高い精度で判別することができる。
【００２２】
＜請求項８記載の発明＞
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に干渉フィルタを設ける請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【００２３】
（作用効果）
蛍光等の非弾性散乱光を除去できるため、干渉フィルタを設けない場合と比べて、粒子の導電性の有無の判別が容易になる。
【００２４】
＜請求項９記載の発明＞
空間に浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する装置であって、
判別対象の前記浮遊粒子にレーザー光を照射するレーザー光発生装置と、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を検出する前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器と、
前記前方散乱光の強度と前記後方散乱光の強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別する手段と、を有することを特徴とする粒子導電性判別装置。
【００２５】
（作用効果）
請求項１の場合と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の粒子導電性判別装置及び粒子導電性判別方法によれば、浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る粒子導電性判別装置の平面図である。
【図２】本発明に係る粒子導電性判別装置の変形例である。
【図３】導電性を有さない浮遊粒子に光を照射した場合の散乱光を示した図である。
【図４】導電性を有する浮遊粒子に光を照射した場合の散乱光を示した図である。
【図５】導電性を有する浮遊粒子に光を照射した場合の散乱光を示した図である。
【図６】前方散乱光強度と後方散乱光強度の強度比について表した図である。
【図７】浮遊粒子がガラスビーズの場合の実験結果を表した図である。
【図８】浮遊粒子がＮｉの場合の実験結果を表した図である。
【図９】照射光としてレーザーライトシートを、散乱光検出器として撮像素子を用いた場合の図である。
【図１０】前方散乱光強度と後方散乱光強度の強度比について他の例について表した図である。
【図１１】前方散乱光強度と後方散乱光強度の強度比について別の例について表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の粒子導電性判別装置及び粒子導電性判別方法の好ましい実施形態について、図１〜図１１を参照しながら説明する。
【００２９】
図１は、本発明にかかる粒子導電性判別装置の平面図である。
【００３０】
粒子導電性判別装置は、レーザー光発生装置１と前方散乱光検出器３と後方散乱光検出器４とを含んでいる。
前記レーザー光発生装置１から、対象となる浮遊粒子２に対してレーザー光を照射すると、レーザー光が前記浮遊粒子２に当たり光が散乱する。
この光の散乱が観測面Ｌ上でどのように発生するかを、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４によって検出する。より詳しくは、前記散乱光のうち前方へ散乱したものを前方散乱光検出器３によって検出する。後方へ散乱したものを後方散乱光検出器４によって検出する。
そして、前方散乱光の強度と後方散乱光の強度の比率に基づき浮遊粒子の導電性の有無を判別するものである。
【００３１】
ここで、観測面Ｌとは、(1)レーザー光発生装置１の出射口と浮遊粒子２を結んだ直線、(2)前方散乱光検出器３の受光口と浮遊粒子２を結んだ直線、(3)後方散乱光検出器４の受光口と浮遊粒子２を結んだ直線、の全てを含む面をいう。
また、前記レーザー光発生装置１のレーザー光出射口と前記浮遊粒子２を結んだ直線およびその延長線を縦方向基準線Ｙという。また、浮遊粒子２を通り、縦方向基準線Ｙに直角に交わる線を横方向基準線Ｘという。更に、前記横方向基準線Ｘを境として、Ｙプラス方向を前方といい、Ｙマイナス方向を後方という。なお、縦方向基準線Ｙと横方向基準線Ｘは、観測面Ｌ上にある。
また、浮遊粒子２と前方散乱光検出器３を結ぶ方向線、並びに後方散乱光検出器４を結ぶ方向線が、縦方向基準線Ｙとの間でなす角度を前方散乱角θ１及び後方散乱角θ２とする。
前方散乱光検出器は、フォトダイオードまたは光電子増倍管等からなり、フォトダイオードには、アバランシェフォトダイオードも含む。また、後方散乱光検出器も同様に、フォトダイオードまたは光電子増倍管等からなり、フォトダイオードには、アバランシェフォトダイオードも含む。
図１においては、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４をＸプラス方向に設けた例を示したが、本発明はこの例に限られない。具体的には、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４をＸマイナス方向に設けても良いし、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４をそれぞれ複数設けても良い。
【００３２】
図２は、本発明にかかる粒子導電性判別装置の変形例である。
【００３３】
前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前面に、偏光フィルタ５を設けた。偏光フィルタ５を設けることで、観測面Ｌに対して垂直な偏光のみ、または、観測面Ｌに対して平行な偏光のみを検出することができる。
本発明における粒子導電性判別方法においては、後述のように、観測面Ｌに対して平行な偏光を用いると、粒子の導電性の有無の判別が容易になるため、観測面Ｌに対して平行な偏光のみを検出する偏光フィルタ５を用いるのが好ましい。
しかし、本発明はこれに限定されず、観測面Ｌに対して垂直な偏光のみを検出する偏光フィルタ５を用いてもよい。
さらに、本発明における粒子導電性判別方法においては、後述のように、前方散乱角θ１が特定の範囲内にある前方散乱光、及び後方散乱角θ２が特定の範囲内にある後方散乱光を用いると、粒子の導電性の有無を高い精度で判別できるため、当該範囲の散乱光を検出するように、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前面に受光角調整装置７を設けた。この受光角調整装置７としては、例えばアイリスが挙げられる。
その他、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前面に、蛍光等の非弾性散乱光を除去するための干渉フィルタ８を設けても良い。
本発明においては、前記偏光フィルタ５、受光角調整装置７、干渉フィルタ８の全て備えるようにしても良いし、いずれかを選択して備えるようにしても良い。
さらに、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前方に、コリメート用レンズ９を設けても良い。
また、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４の少なくとも一方の検出器の前方に、集光用レンズ１０を設けて、集光するようにしても良い。
偏光フィルタ５、受光角調整装置７、干渉フィルタ８、コリメート用レンズ９、集光用レンズ１０の配置例については、後述の実験の説明で詳述する。
【００３４】
一方、レーザー光発生装置１から出射するレーザー光は偏光した状態であることが望ましい。
しかし、一部のレーザー光発生装置１から出射されるレーザー光は、様々な偏光成分を含むものや、偏光比が５０：１程度の望ましくないものがある。そのため、そのようなレーザー光を望ましい偏光比のレーザー光にするために、図２に示したように、レーザー光発生装置の前面に偏光フィルタ５を用いるのが好ましい。また、図２には示していないが、偏光フィルタ５の代わりに偏光プリズムを用いてよい。なお、ここでいう望ましい偏光比とは、例えば１００００：１等の、偏光の垂直成分または水平成分のどちらか一方の偏光成分を強く含み、その他の偏光成分が極めて弱い状態をいう。
また、レーザー光の偏光を観測面Ｌに対して平行または垂直にするために、図２に示すようにレーザー光発生装置１の前面にλ／２波長板６を設けるのが好ましい。
本発明においては、前記偏光フィルタ５または偏光プリズムのいずれかと、λ／２波長板６を設けるようにしても良いし、いずれかを選択して備えるようにしても良い。
【００３５】
ここで、レーザー光が浮遊粒子に当たり、散乱した光の強度である光散乱光強度Ｉjは、下式（１）〜（３）のように、レーザー光の波長λ、浮遊粒子から散乱光検出器までの距離Ｒ、散乱角θ、粒径パラメータα、粒子屈折率ｍの関数で表される。
【数１】
【数２】
【数３】
【００３６】
ここで、ｄは前記浮遊粒子の粒経を表す。また、ｊ＝１の場合は観測面Ｌに対して垂直な偏光を照射する場合を指し、ｊ＝２の場合は観測面Ｌに対して平行な偏光を照射する場合を指す。
【００３７】
前記粒子屈折率ｍは、光散乱のパラメータの１つであり、上記の式（２）のように複素数で表される。粒子が非導電性の場合、屈折率の虚部ｎ’はｎ’＝０となり、導電性の場合、屈折率の虚部ｎ’はｎ’＝０とならない。
複素数の屈折率の虚部ｎ’の前記特性を利用して、ｎ’を変化させた場合の散乱光強度分布の変化を計算し、その結果を図３〜図５に表した。したがって以下に説明するように、逆に、本発明に従って、前方散乱光の強度と後方散乱光の強度の比率に基づき浮遊粒子の導電性の有無を判別することができるのである。
【００３８】
図３は、粒子の屈折率ｍ＝１．５−０ｉの場合、つまり粒子に導電性がない場合において、粒径パラメータαを２０とし、波長λを５３２ｎｍとし、粒径ｄを３．４μｍとして、散乱光強度の角度分布を算出した結果を示したものである。
また、図４は、粒子の屈折率ｍ＝１．５−１ｉの場合、つまり粒子に導電性がある場合において、粒径パラメータαを２０とし、波長λを５３２ｎｍとし、粒径ｄを３．４μｍとして、散乱光強度の角度分布を算出した結果を示したものである。
また、図５は、粒子の屈折率ｍ＝１．５−０．１ｉの場合、つまり粒子に導電性がある場合において、粒径パラメータαを２０とし、波長λを５３２ｎｍとし、粒径ｄを３．４μｍとして、散乱光強度の角度分布を算出した結果を示したものである。
散乱光強度としては上記の数１で示したｉj（ｊ＝１，２）を算出したものを示した。
図３〜図５においては、図１および図２に示した縦方向基準線Ｙが、図３〜図５の０度と１８０度を結んだ線に該当し、図１および図２に示した横方向基準線Ｘが、図３〜図５の９０度と２７０度を結んだ線に該当する。また、レーザー光発生装置１は、図３〜図５の１８０度の位置にあり、そこから図３〜図５のグラフの中心に位置する浮遊粒子にレーザー光を照射し、発生した散乱光の強度の分布を示している。さらに、０〜９０度及び２７０〜３６０度の散乱光の強度を前方散乱光強度といい、９０〜２７０度の散乱光の強度を後方散乱光強度という。
なお、粒径パラメータαは照射光の波長に対する粒子の相対的な大きさを示しており、例えば、粒径パラメータα＝１０は、照射光の波長λがλ＝５３２ｎｍの場合に、約１．７μｍの粒径を表す。また、図中の実線は観測面Ｌに対し平行な偏光を、破線は観測面Ｌに対し垂直な偏光を１８０度の方向から中央の浮遊粒子２に照射した場合に、照射光が浮遊粒子に当たって発生した散乱光が各方向にどのような強度で散乱されるかについて、散乱光の強度の分布を表したものである。
【００３９】
図３においては、前方散乱光強度のうち３０度〜６０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１２０度〜１５０度の後方散乱光強度よりも非常に強いことがわかる。また、前方散乱光強度のうち３００度〜３３０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２１０度〜２４０度の後方散乱光強度よりも非常に強いことがわかる。
特に、前方散乱光強度のうち４０度〜５０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１３０度〜１４０度の後方散乱光強度よりも顕著に強いことがわかる。また、前方散乱光強度のうち３１０度〜３２０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２２０度〜２３０度の後方散乱光強度よりも顕著に強いことがわかる。
【００４０】
また、図４においては、前方散乱光強度のうち３０度〜６０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１２０度〜１５０度の後方散乱光強度よりも弱いことがわかる。また、前方散乱光強度のうち３００度〜３３０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２１０度〜２４０度の後方散乱光強度よりも弱いことがわかる。
特に、前方散乱光強度のうち４０度〜５０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１３０度〜１４０度の後方散乱光強度よりも顕著に弱いことがわかる。また、前方散乱光強度のうち３１０度〜３２０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２２０度〜２３０度の後方散乱光強度よりも顕著に弱いことがわかる。
【００４１】
また、図５において、前方散乱光強度のうち３０度〜６０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち１２０度〜１５０度の後方散乱光強度と同程度であることがわかる。また、前方散乱光強度のうち３００度〜３３０度の前方散乱光強度が、後方散乱光強度のうち２１０度〜２４０度の後方散乱光強度と同程度であることがわかる。
さらに、前方散乱光強度のうち４０度〜５０度の前方散乱光強度も、後方散乱光強度のうち１３０度〜１４０度の後方散乱光強度と同程度であることがわかる。また、前方散乱光強度のうち３１０度〜３２０度の前方散乱光強度も、後方散乱光強度のうち２２０度〜２３０度の後方散乱光強度と同程度であることがわかる。
【００４２】
なお、図３のｍ＝１．５−０ｉの３０度〜６０度の前方散乱光強度は、図４のｍ＝１．５−０．１ｉや図５のｍ＝１．５−１ｉの３０度〜６０度の前方散乱光強度よりも強いこともわかる。また、図３のｍ＝１．５−０ｉの３００度〜３３０度の前方散乱光強度は、図４のｍ＝１．５−０．１ｉや図５のｍ＝１．５−１ｉの３００度〜３３０度の前方散乱光強度よりも強いこともわかる。
【００４３】
なお、本発明において、前方散乱光または後方散乱光の好適な検出角度範囲例を上述のように説明したが、その角度範囲内における一部の散乱光を強度比較基準として取り込む場合と、その角度範囲内における全部の散乱光を強度比較基準として取り込む場合との両形態を包含するものであることを付言しておく。
【００４４】
ここに、本発明者による他の多くの試行によれば、粒径パラメータαが１のときは、導電性粒子の散乱光強度および非導電性粒子の散乱光強度に顕著な違いが見られなかった。しかし、粒径パラメータαが１０以上の場合は、観測面に対し平行な偏光を非導電性粒子に照射した際の強度分布に関し、０度〜９０度及び２７０度〜３６０度の前方散乱光強度が、９０度〜２７０度の後方散乱光強度よりも強い傾向がある。また、粒径パラメータαが１０以上の場合は、観測面に対し平行な偏光を導電性粒子に照射した際の強度分布に関し、０度〜９０度及び２７０度〜３６０度の前方散乱光強度が、９０度〜２７０度の後方散乱光強度に対し同程度か弱い傾向にある。
【００４５】
前記の図３〜図５においては、４０度〜５０度の散乱光と１３０度〜１４０度の散乱光に特に違いが見られるため、下式（４）に示す前方散乱光強度Ｉfと、下式（５）に示す後方散乱光強度Ｉbの比（Ｉf／Ｉb）を図６に示す。
【数４】
【数５】
【００４６】
図６によると、前記浮遊粒子２の粒経パラメータαが約２０より大きい場合は、前記比（Ｉf／Ｉb）に違いが生じている。つまり、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−０ｉであり、当該浮遊粒子２が非導電性粒子である場合、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約７以上になっている。また、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−１ｉや１．５−０．１ｉであって、当該浮遊粒子２が導電性粒子である場合は、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約２以下になっている。
従って、前記浮遊粒子２の粒径パラメータαが約２０よりも大きい粒子について、前記比（Ｉf／Ｉb）が約２〜７の間にある値を閾値として用いて、浮遊粒子の導電性の有無を判別できるか否かについて実験により検証した。
【００４７】
当該実験は、図２に示したような粒子導電性判別装置を用いた。
具体的には、レーザー光発生装置１からレーザー光を浮遊粒子２に照射し、レーザー光が当該浮遊粒子２に当たって生じる前方散乱光および後方散乱光を前記前方散乱光検出器３および前記後方散乱光検出器４の前面に設置したコリメート用レンズ９で平行光とし、さらに前記前方散乱光検出器３および前記後方散乱光検出器４と前記コリメート用レンズ９の間に設置した集光用レンズ１０で集光した上で、前記前方散乱光検出器３および前記後方散乱光検出器４であるフォトダイオードで検出した。
図３〜図５によると、観測面Ｌに対し平行な偏光を用いた場合、前方散乱光強度と後方散乱光強度に違いが見られたため、前記レーザー光発生装置１の前面に偏光プリズム及びλ／２波長板６を設け、観測面に対し平行な偏光のみを照射するようにした。
また、図３〜図５によると、観測面Ｌに対し平行な偏光を用いた場合、前方散乱光強度と後方散乱光強度に違いが見られたため、前記コリメート用レンズ９と前記集光用レンズ１０の間に偏光フィルタ５を設け、観測面に対し平行な偏光のみを検出するようにした。
さらに、図３〜図５によると、前方散乱光および後方散乱光のうち、４０度〜５０度の範囲及び１３０度〜１４０度の範囲に顕著な違いが見られたため、当該範囲の散乱光を検出するように、前記各コリメート用レンズ９の前面に受光角調整装置７としてアイリスを設けた。
その他、前記コリメート用レンズ９と前記集光用レンズ１０の間に、蛍光等の非弾性散乱光を除去するための干渉フィルタ８を設けた。
【００４８】
前記実験の詳細について、以下に説明する。レーザーには波長５３２ｎｍ、出力２ＷのＮｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波を用いた。そして、レーザー光は計測ポイントにおいて観測面に対し平行な偏光となるように照射した。導電性の有無を測定する浮遊粒子２は、乾燥粉末状のものを空気搬送により計測ポイントに供給した。測定粒子としては、非導電性粒子として約３０μｍのガラスビーズＧＢＬ−３０（日本粉体工業協会）を用いた。また、導電性粒子として約２〜１０μｍのＮｉ（Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）を用いた。
【００４９】
実験結果を図７および図８に示す。各々のグラフは横軸を前方散乱光強度Ｉf、縦軸を後方散乱光強度Ｉbとしたものである。また、図中の実線は粒子の導電性の有無を判別するためにＩf／Ｉbの閾値としてＩf／Ｉb＝２とした場合を示している。当該実線より右側にあれば浮遊粒子２は非導電性であり、左側にあれば浮遊粒子２は導電性であることを示している。図７のガラスビーズの場合は、概ねＩf／Ｉb＝２の線の右側に分布しており、非導電性であることを示している。また、図８のＮｉの場合は、概ねＩf／Ｉb＝２の線の左側に分布しており、導電性であることを示している。
この結果、各々の粒子の前方散乱光強度Ｉf、後方散乱光強度Ｉbを計測し、その比Ｉf／Ｉbに適切な閾値を設けることで、各々の浮遊粒子２が導電性を有するか否かを判別することができることが示された。
【００５０】
上述例では、レーザー光発生装置１から発生する照射光としてレーザービームを、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４としてフォトダイオードを用いて、点で計測を行う例を記載した。点で計測を行う当該例においては、フォトダイオード等の光センサーの他に、レンズを用いた集光光学系、検出器の前方に、特定の偏光のみ透過する偏光フィルタ、蛍光等の非弾性散乱光を除去するための干渉フィルタ、受光角を調整するための開口を設けても良い。
【００５１】
その他の例としては、図９に示したように、レーザー光発生装置１から発生する照射光として２次元のレーザーライトシートを、前方散乱光検出器３および後方散乱光検出器４として二次元の撮像素子を用いて、二次元で計測を行っても良い。この例においても、撮像管、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子を用いたカメラとカメラ用レンズの他に、特定の偏光のみを透過する偏光フィルタ、蛍光等の非弾性散乱光を除去するための干渉フィルタ、受光角を調整するための開口を設けても良い。
また、レーザー光発生装置１の前方に偏光フィルタ５もしくは偏光プリズムのいずれかを設け、λ／２波長板６を設けるようにしてもよい。
さらに、カメラの設置方法がレーザーライトシートに対して直角ではなく、カメラのレーザーライトシートに対する角度やカメラレンズのＦ値によっては撮影領域の全てにピントが合わなくなることがある。そのため、カメラ用レンズにはチルト機構を有するものを用いても良い。
【００５２】
前記実験では、４０度〜５０度の範囲の前方散乱光と、１３０度〜１４０度の範囲の後方散乱光を検出して、その結果を分析した。
しかし、本発明は、当該範囲以外の散乱光を用いても、粒子の導電性を判別することができる。
【００５３】
例えば、前記図３〜図５において、３０度〜４０度の前方散乱光と１４０度〜１５０度の後方散乱光にも違いが見られる。そのため、前記式（４）においてθf1＝３０[deg]、θf2＝４０[deg]とした前方散乱光強度Ｉfと、前記式（５）においてθb1＝１４０[deg]、θb2＝１５０[deg]とした後方散乱光強度Ｉbの比（Ｉf／Ｉb）を図１０に示した。
【００５４】
図１０によると、前記浮遊粒子２の粒経パラメータαが約２０より大きい場合は、前記比（Ｉf／Ｉb）に違いが生じている。つまり、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−０ｉであり、当該浮遊粒子２が非導電性粒子である場合、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約７以上になっている。また、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−１ｉや１．５−０．１ｉであって、当該浮遊粒子２が導電性粒子である場合は、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約６以下になっている。
【００５５】
また、前記図３〜図５において、５０度〜６０度の前方散乱光と１２０度〜１３０度の後方散乱光にも顕著な違いが見られる。そのため、前記式（４）においてθf1＝５０[deg]、θf2＝６０[deg]とした前方散乱光強度Ｉfと、前記式（５）においてθb1＝１２０[deg]、θb2＝１３０[deg]とした後方散乱光強度Ｉbの比（Ｉf／Ｉb）を図１１に示した。
【００５６】
図１１によると、前記浮遊粒子２の粒経パラメータαが約２０より大きい場合は、前記比（Ｉf／Ｉb）に違いが生じている。つまり、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−０ｉであり、当該浮遊粒子２が非導電性粒子である場合、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約４以上になっている。また、浮遊粒子２の粒子屈折率ｍが１．５−１ｉや１．５−０．１ｉであって、当該浮遊粒子２が導電性粒子である場合は、粒径パラメータαが２０以上では、前記比（Ｉf／Ｉb）が約１以下になっている。
【００５７】
従って、上記の範囲の散乱光を用いた場合も、前記比（Ｉf／Ｉb）に明確な違いが表れている。
従って、上記の範囲の前方散乱光強度Ｉf、後方散乱光強度Ｉbを計測し、その比Ｉf／Ｉbに適切な閾値を設けることで、各々の浮遊粒子２が導電性を有するか否かを判別することができる。
この場合の閾値としては、図６、図１０、図１１のようなグラフを用いて、導電性粒子と非導電性粒子で明確な違いが現れる前記比（Ｉf／Ｉb）の値を用いるのが好ましい。
【符号の説明】
【００５８】
１：レーザー光発生装置、２：浮遊粒子、３：前方散乱光検出器、４：後方散乱光検出器、５：偏光フィルタ、６：λ／２波長板、７：受光角調整装置、８：干渉フィルタ、９：コリメート用レンズ、１０：集光用レンズ。
Ｌ：観測面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間に浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する方法であって、
レーザー光発生装置から出射したレーザー光を判別対象の前記浮遊粒子に照射し、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器によって検出し、
前記前方散乱光の強度と前記後方散乱光の強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別することを特徴とする粒子導電性判別方法。
【請求項２】
前記レーザー光発生装置はレーザービームを発生させる装置であり、
前記前方散乱光検出器はフォトダイオードまたは光電子増倍管であり、
前記後方散乱光検出器はフォトダイオードまたは光電子増倍管である請求項１に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項３】
前記レーザー光発生装置はレーザーライトシートを発生させる装置であり、前記前方散乱光検出器及び前記後方散乱光検出器は撮像素子である請求項１に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項４】
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に偏光フィルタを設け、観測面に対して平行な偏光を検出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項５】
前記レーザー光発生装置の前面に偏光フィルタまたは偏光プリズムのいずれか一方と、λ／２波長板とから選択される少なくともいずれか一つを設け、観測面に対して平行な偏光を照射する請求項１〜４に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項６】
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に受光角調整装置を設け、レーザー光の入射線に対する粒子の散乱角が３０度〜６０度および３００度〜３３０度の少なくとも一方の前方散乱光と、１２０度〜１５０度および２１０〜２４０度の少なくとも一方の後方散乱光を検出する請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項７】
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に受光角調整装置を設け、レーザー光の入射線に対する粒子の散乱角が、４０〜５０度および３１０〜３２０度の少なくとも一方の前方散乱光と、１３０〜１４０度および２２０〜２３０度の少なくとも一方の後方散乱光を検出する請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項８】
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に干渉フィルタを設ける請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項９】
空間に浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する装置であって、
判別対象の前記浮遊粒子にレーザー光を照射するレーザー光発生装置と、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を検出する前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器と、
前記前方散乱光の強度と前記後方散乱光の強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別する手段と、を有することを特徴とする粒子導電性判別装置。
【請求項１】
空間に浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する方法であって、
レーザー光発生装置から出射したレーザー光を判別対象の前記浮遊粒子に照射し、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器によって検出し、
前記前方散乱光の強度と前記後方散乱光の強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別することを特徴とする粒子導電性判別方法。
【請求項２】
前記レーザー光発生装置はレーザービームを発生させる装置であり、
前記前方散乱光検出器はフォトダイオードまたは光電子増倍管であり、
前記後方散乱光検出器はフォトダイオードまたは光電子増倍管である請求項１に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項３】
前記レーザー光発生装置はレーザーライトシートを発生させる装置であり、前記前方散乱光検出器及び前記後方散乱光検出器は撮像素子である請求項１に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項４】
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に偏光フィルタを設け、観測面に対して平行な偏光を検出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項５】
前記レーザー光発生装置の前面に偏光フィルタまたは偏光プリズムのいずれか一方と、λ／２波長板とから選択される少なくともいずれか一つを設け、観測面に対して平行な偏光を照射する請求項１〜４に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項６】
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に受光角調整装置を設け、レーザー光の入射線に対する粒子の散乱角が３０度〜６０度および３００度〜３３０度の少なくとも一方の前方散乱光と、１２０度〜１５０度および２１０〜２４０度の少なくとも一方の後方散乱光を検出する請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項７】
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に受光角調整装置を設け、レーザー光の入射線に対する粒子の散乱角が、４０〜５０度および３１０〜３２０度の少なくとも一方の前方散乱光と、１３０〜１４０度および２２０〜２３０度の少なくとも一方の後方散乱光を検出する請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項８】
前記前方散乱光検出器および後方散乱光検出器の前面に干渉フィルタを設ける請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子導電性判別方法。
【請求項９】
空間に浮遊する粒子が導電性を有するか否かを判別する装置であって、
判別対象の前記浮遊粒子にレーザー光を照射するレーザー光発生装置と、
前記照射によって生じる前方散乱光及び後方散乱光を検出する前方散乱光検出器及び後方散乱光検出器と、
前記前方散乱光の強度と前記後方散乱光の強度の比率に基づき前記浮遊粒子の導電性の有無を判別する手段と、を有することを特徴とする粒子導電性判別装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１６８０５７（Ｐ２０１２−１６８０５７Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３０１３９（Ｐ２０１１−３０１３９）
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（３９００１８４７４）新日本空調株式会社 (88)
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（３９００１８４７４）新日本空調株式会社 (88)
[ Back to top ]