(57)【要約】  【課題】精密な集光レンズが不要となり、パーティクルの粒径の認識精度が増大し、小型化及び設計自由度が向上するパーティクルセンサを安価に供給する。  【解決手段】レーザ光１６が通る一対の光導波路１７，１８と、該光導波路１７，１８に対して交差するように設けた被検粒子用流体通路１９とを備える。前記光導波路１７，１８は、光硬化性ポリマー系材料を用いてＹ型に分岐して形成される。流体通路１９を通過する試料空気中のパーティクル１５には、レーザ光１６が照射され、その散乱光の出力波力によりパーティクル１５の粒径や個数が測定される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料流体中のパーティクルから反射される散乱光を検出する測定部を有し、該散乱光に基づき前記パーティクルの粒径等を計測するパーティクルセンサにおいて、光源から発せられる光線が通る光路と、前記試料流体を通過させる流体通路とが互いに交差して設けられ、前記光路が光導波路により形成されていることを特徴とするパーティクルセンサ。
【請求項２】
上記光導波路が光硬化性を有するポリマー系材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載のパーティクルセンサ。
【請求項３】
上記光導波路がＹ型に分岐して形成されていると共に、該分岐部に上記流体通路が交差して設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のパーティクルセンサ。
【請求項４】
上記光源から発せられる光線がレーザ光又は短波長光であることを特徴とする請求項１，２又は３記載のパーティクルセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパーティクルセンサに関するものであり、特に、パーティクル（被検粒子）に光を照射して、パーティクルからの散乱光を検出することによって、パーティクルの粒径や個数などを計測するパーティクルセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パーティクルセンサとしては、空気中に存在する小さな塵埃や花粉等のパーティクルから散乱される光を検出し、この検出データを利用・解析して計測するものがある。図４は、パーティクルカウンタに内蔵されている、此種パーティクルセンサ１の測定原理を示す説明図である。図において、２は、パーティクル３を含む試料空気４を下方へ通過させる空気通路である。また、５は、図示せぬ光源から光線６をパーティクル３に照射するための光路である。
【０００３】
前記光路５は、空気通路２に対して直交する方向に設けられている。また、光路５の側方には、パーティクル３からの散乱光を集光するレンズ７が配設され、レンズ７で集められた散乱光８は、図示せぬ光検出部（受光素子）により計測されるようになっている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
このパーティクルセンサ１は、光線６が進行する光路５と、パーティクル３を含む試料空気４が通過する空気通路２とが、互いに直交して配置されている。前記パーティクルセンサ１において、パーティクル３が通過する途中で、該パーティクル３に光線６が当たると、パーティクル３から散乱光８が放射される。この散乱光８をレンズ７で集光して、光検出部で散乱光強度を光電気的に測定することにより、パーティクル３の粒径や数が決定される。
【特許文献１】特開昭６２−２９３１４３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載のパーティクルセンサ１は、光路５と被検粒子用空気通路２と集光用レンズ７とを互いに３次元的に直交させて配置しているので、センサ全体として小型化が困難になっている。しかも、前記直交地点の一箇所のみで、パーティクル３の散乱光出力データを得て、１つのデータのみに基づいてパーティクル３の粒径等を決定しているので、計測精度の誤差が大きくなる欠点があった。
【０００６】
ここで、測定精度を高めため、光路５と空気通路２とレンズ７の立体的配置を厳密に構成し、且つ、高価な高精度のレンズ７を使用することがあるが、この場合は、光学素子の加工や組付けの面で多くの手間と時間がかかり、パーティクルセンサ１を安価に量産化し難いという問題があった。
【０００７】
特に、光学センサによる計測では、パーティクル３の表面の粗さや形状によって、散乱光強度が大きく変化するが、従来型のパーティクルセンサ１は、１つの測定結果データだけでパーティクル３の粒径を決定しているので、粒径の認識精度を低下させるという問題があった。
【０００８】
そこで、前記通路と光路に対し直交配置される集光用レンズを不要とし、且つ、パーティクルの粒径の計測精度を向上させるために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は該課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、試料流体中のパーティクルから反射される散乱光を検出する測定部を有し、該散乱光に基づき前記パーティクルの粒径等を計測するパーティクルセンサにおいて、光源から発せられる光線が通る光路と、前記試料流体を通過させる流体通路とが互いに交差して設けられ、前記光路が光導波路により形成されているパーティクルセンサを提供する。
【００１０】
この構成によれば、光源（発光素子）から光線を発すると、該光線は光導波路を通って、流体通路に入射する。すると、流体通路に入射した光線は、流体通路内を通過する試料流体中のパーティクルに当たって散乱光が反射される。この散乱光出力を測定部（受光素子）で検出することにより、該散乱光出力に基づきパーティクルの粒径や大きさが計測され決定される。
【００１１】
請求項２記載の発明は、上記光導波路が、光硬化性を有するポリマー系材料から形成されている請求項１記載のパーティクルセンサを提供する。
【００１２】
この構成によれば、前記光導波路は、光硬化性を有するポリマー系材料により形成されるので、所望の寸法形状の光導波路は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により正確に作製される。この場合、スリット溝から成る流体通路も、反応性イオンエッチングとフォトリソグラフィにより、同一平面基板上に光導波路形成と同時に作製される。
【００１３】
請求項３記載の発明は、上記光導波路がＹ型に分岐して形成されていると共に、該分岐部に上記流体通路が交差して設けられている請求項１又は２記載のパーティクルセンサを提供する。
【００１４】
この構成によれば、光導波路のＹ型に分岐した２本の光路に流体通路が交差しているので、流体通路内を通過する試料流体中の１個のパーティクルは、２つの交差箇所にて光線が当たって光が散乱される。従って、散乱光出力が２回検出されることにより、２つの散乱光出力データが得られる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、上記光源から発せられる光線がレーザ光又は短波長光である請求項１，２又は３記載のパーティクルセンサを提供する。
【００１６】
この構成によれば、前記光源からのレーザ光又は短波長光（波長領域０．５乃至２．０μｍ程度）は、光導波路を通ってパーティクルに照射され、パーティクルから散乱されるレーザ光又は短波長光の強度が検出される。この場合、光導波路を通るレーザ光又は短波長光は、エネルギー密度が高く、従来方式の第２高調波発生（ＳＨＧ）測定を行う必要がない。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の発明は、パーティクルからの散乱光は、光導波路を通過して測定部に集められるので、精密な集光用レンズを用いなくとも、高い散乱光出力を得て、パーティクルの粒径や個数を正確に計測し決定することができる。又、光導波路と流体通路は共に同一平面上に形成できるので、従来の３次元立体構造タイプのセンサに比べて、小型・コンパクト化を容易に図ることができる。更に、光導波路の寸法形状は、要求設計条件に応じて任意に設定でき、設計の自由度を高めることができる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、所望の寸法形状の光導波路は、反応性イオンエッチングにより正確に作製されるので、請求項１記載の効果に加えて、光導波路の作製が容易になるだけ
でなく、光導波路の寸法形状の加工精度を高めることができる。また、光導波路と流体通路の双方を同一基板上に同時にパターン形成できる。例えば、光導波路と流体通路がパッケージ化された構造のパーティクルセンサを安価に量産化しうる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、１回の計測において、２つの散乱光出力データが検出されるので、請求項１又は２記載の効果に加えて、２つの散乱光出力データを平均化して計測値を算出することにより、計測精度を一層高めることができるという格別の効果を有する。
【００２０】
因みに、従来型センサにおいては、１つの散乱光出力データのみに基づいて計測していたために、計測結果の精度が低下する欠点があった。即ち、流体通路内を流れる試料流体中の多数のパーティクルは、不定形であるうえに個々のパーティクルの向きも互いに異なり、加えて、表面の粗さや形状によっては散乱光出力の強度も変わり易いので、パーティクルの粒径決定の際に、計測の誤認が起こりやすい。従って、パーティクルの粒径の決定では、複数の散乱光出力データを平均化して計測した方が、計測の誤認を確実に未然防止できる。
【００２１】
請求項４記載の発明は、光導波路を通る光線として、レーザ光又は短波長光を用い、第２高調波発生（ＳＨＧ）測定が不要であるので、請求項１，２又は３記載の効果に加えて、エネルギー密度の高い散乱効果が得られ、その分だけ計測精度が一層アップするというメリットを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、半導体レーザ光（又は短波長光）による側方散乱光方式のパーティクルセンサであって、前記レーザ光が通る光路と、前記光路に交差して設けられた流体通路とを備え、前記光路は、光硬化型ポリマー系材料から成る一対のＹ分岐型光導波路の分岐部同士を一体に結合して成り、且つ、該２本の分岐部光路に、被検粒子用空気通路（流体通路）が交差して配置され、空気通路と光導波路が基板平面上にパッケージ化されていることにより、集光用レンズが不要となり、パーティクルセンサが小形薄型化し、パーティクルの粒径の計測精度が向上するという目的を達成した。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の一実施の形態を図１に従って説明する。本実施の形態では、空気中に存在するパーティクル１５を計測するタイプのものに適用したが、本発明は、空気以外の流体中に存在するパーティクル１５を計測するセンサに広く適用できる。また、レーザ光又は短波長光などが通る光路に、流体通路１９を交差して設けた構造のセンサであれば、全て本発明を適用しうる。
【００２４】
本実施例は、光硬化性のポリマー系材料から成る光導波路１７，１８を用いて、パーティクル１５の計測を高精度で簡単に行えるパーティクルセンサ１０を安価に量産化しうるようにしたものである。即ち、レーザ光１６又は短波長光が進行する光路を、光硬化型のポリイミド、ポリメチルメタクリレート、シリコン樹脂等のポリマー系材料からなる光導波路１７，１８により形成し、かつ、該光導波路１７，１８と被検粒子用流体通路１９とを反応性イオンエッチング又はフォトリソグラフィによりSi基板２４上にモジュール化したものである。
【００２５】
これにより、精密な集光用レンズを設けなくとも、パーティクル１５から散乱される光出力が高くなり、パーティクル１５の粒径の認識精度が向上し、しかも、光導波路１７，１８の寸法形状の設計自由度及び加工精度が増大すると共に、光導波路１７，１８及び被検粒子用流体通路１９の設計自由度が上がり、高精度の光導波路１７，１８を容易に作製できる。
【００２６】
図１は、本実施例に係るパーティクルセンサ１０の光導波路型１１の構造を示す説明図である。図示の如く、この光導波路型１１は、光入射側Ｌから光出射側Ｒに向かって細長い段付き板状に形成され、光導波路型１１の材料としては、ポリマー系材料、例えば光硬化型ポリイミドが用いられている。又、光導波路型１１の長さ方向ＬＲの中央部１２を挟む両側には、方形の入射側段部１３、方形の出射側段部１４が互いに対向配置して設けられている。
【００２７】
光導波路型１１の光入射側Ｌ、光出射側Ｒにはそれぞれ、図示しない発光素子（半導体光源）、受光素子が設けられ、発光素子からはレーザ光１６が、光ファイバとパイレックス（登録商標）ガラスからなるファイバアレイ２２を介して、光導波路型１１に向かって発生される。この場合、レーザ光１６に代えて、高い散乱作用を呈する波長領域０．５μ乃至２．０μ範囲の短波長光を発生させてもよい。又、入射側中央部１２の中には、レーザ光１６を通過させる入射側（照射光側）光導波路１７が設けられている。尚、受光素子は光電変換検出部として機能するものであり、例えばフォトダイオードから構成される。
【００２８】
一方、光導波路型１１の出射側中央部１２の中には、出射側（散乱光２６側）光導波路１８が設けられている。出射側光導波路１８の形状は、光導波路１７の形状と対称的に形成され、入射側光導波路１７と出射側光導波路１８とは、光導波路型１１の中央部１２において光学的に結合されている。光導波路１８と光導波路１７は、非分岐形状に構成することもあるが、複数本に分岐した形状に形成することが好ましい。例えば、図示の如く、光導波路１７及び光導波路１８をＹ分岐型に形成でき、この場合、Ｙ型分岐部の形状は、高い散乱光出力が得られるように設計するものとする。
【００２９】
光導波路型１１の長さ方向中央部１２には、試料空気２０を通過させるためのスリット状の被検粒子用流体通路１９が設けられている。この流体通路１９は、光導波路型１１の長さ方向ＬＲに対し直交する方向に延びている。このため、パーティクル１５を含む試料空気２０は、レーザ光１６の進行方向と交差する方向に通過する。この流体通路１９の溝幅は、光導波路１７，１８のコア径との関係に応じて、最適な寸法値に調整設定することにより、高い散乱光出力が得られるように設計する。この場合、流体通路１９の径(例えば２０〜３０μm）は、光導波路１７，１８のコア径（例えば5〜10μm）よりも大に設定するものとする。
【００３０】
ここで、光導波路１７，１８は、ポリマー系材料の光硬化性を利用して、フォトリソグラフィによりコアリッジを３〜４時間で高精度に作製できる。例えば、Si基板24に下部クラッド層とコア層を塗布堆積し、次に、フォトレジストを塗布した後に、フォトリソグラフィにより露光して現像する。このあと、反応性イオンエッチングにより所望の光導波路パターンを形成して、上部クラッド層を形成する。
【００３１】
上記構成のパーティクルセンサ１０は、左右対称なＹ分岐型光導波路１７，１８の分岐部同士を結合し、且つ、該分岐部分の中央部に、試料空気２０が通過する流体通路１９を設けている。これにより、発光素子から発せられたレーザ光１６は、ファイバアレイ２３を介して、光導波路１７に入射して２本の分岐部に進む一方、パーティクル１５を含む試料空気２０は、レーザ光１６の進む光路と交差するように、流体通路１９を通過する。
【００３２】
而して、試料空気２０が、流体通路１９の所定位置（交差位置Ａ，Ｃ）を通過する途中で、試料空気２０中のパーティクル１５にレーザ光１６が当たり、パーティクル１５の表面から散乱光２６が反射し、この反射光は受光素子側に放射される。前記散乱光２６は、光導波路１８の分岐部を通過した後、ファイバアレイ２３を介して受光素子に向かって出射されて、その光学強度が電気的に測定される。
【００３３】
本発明によれば、パーティクル１５からの散乱光２６は、光導波路１７の外側に漏れずに、出射側光導波路１７を経由して、受光素子（光電変換検出部）側に向かって直進して測定される。従って、従来のように、精密な集光用レンズを用いなくとも、高い散乱光出力が得られ、パーティクル１５の粒径の認識精度が向上する。
【００３４】
また、光導波路１７，１８及び流体通路１９は、光導波路型１１上にて平面的なパッケージ構造に同時加工して形成できる。これにより、パーティクルセンサ１０の小型化が図られ、この場合、センサ信号を光ファイバで離れた位置に取り出して検出できる。
【００３５】
図３は、本発明の測定による散乱光の出力波形の一例を示すものである。この光学的出力波形からも明らかなように、光導波路１７，１８と被検粒子用流体通路１９とが交差するＡ位置、Ｃ位置において、散乱光出力のピーク値が２回検出され、これに基づいてパーティクル１５の粒径や数が測定される。
【００３６】
したがって、一回の計測により２つの測定結果データが得られるために、２つの測定結果データを平均化して粒径を計測でき、これにより、パーティクル１５の粒径の計測精度が一層向上すると共に、計測作業時間も従来に比べて実質的に短縮される。
【００３７】
また、光導波路１７，１８の材料として、光硬化性を有するポリマー系材料が使用されているので、所望の分岐形状及び分岐角度を有する光導波路１７，１８の加工精度が向上し、加えて、光導波路１７，１８及び流体通路１９を同時に効率良くパターン形成することができる。
【００３８】
さらに、パーティクル１５に照射される光線として、レーザ光１６又は短波長光を用いた場合、レーザ光１６又は短波長光は、ＳＨＧ測定方式のように、反射により半波長の光を発生して測定する必要がなく、高い散乱光強度を確保して、計測精度がより一層高められる。
【００３９】
以上説明したように、本発明は、パーティクル１５の散乱光出力が高くなるように、Ｙ分岐型光導波路１７，１８が簡便に形成され、且つ、半導体加工プロセスによる光導波路１７，１８の平面基板上のパターン形成が容易になる。斯くして、高精度の光学系ディバイスを平面パッケージ構造にして、コンパクト・小型化が図れる。
【００４０】
特に、２分岐レーザの照射型の構造により、散乱光出力を２回計測する事ができ、この出力値を平均化してパーティクル１５の粒径を決定できる。従って、粒径の認識精度が従来に比べて著しく向上する。
【００４１】
上記実施例における図示例では、２本の分岐数を有するＹ分岐型の光導波路を設けたが、光導波路の分岐数は特に限定されず、３本以上に増加させることもできる。また、出射側光導波路の検出側部分についても、複数本たとえば２本に分岐させ、且つ、該２分岐形状部において、２分割型受光素子により散乱光出力を検出し、出力時間応答によってもパーティクルの粒径を認識できるように構成することができる。
【００４２】
さらに、散乱光出力を検出するための光路系を複数設けると共に、該複数の光路系を光スイッチで選択的に切り換えることにより、１台の測定機本体で複数個のパーティクルのセンサ情報が得られるように構成することも可能である。
【００４３】
尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施の形態を示し、パーティクルセンサの光導波路型構造の斜視図。
【図２】一実施の形態に係るＹ型光導波路を用いたパーティクルセンサの測定原理を示す説明図。
【図３】図２のパーティクルセンサによる散乱光の出力波形図。
【図４】従来のパーティクルセンサの斜視図。
【符号の説明】
【００４５】
１    パーティクルセンサ
２    空気通路
３    パーティクル
４    試料空気
５    光路
６    光線
７    レンズ
８    散乱光
１０  パーティクルセンサ
１１  光導波路型
１２  中央部
１３  入射側段部
１４  出射側段部
１６  レーザ光
１７  入射側光導波路
１８  出射側光導波路
１９  被検粒子用流体通路
２０  試料空気
【図１】
2006275815.tif 000003
【図２】
2006275815.tif 000004
【図３】
2006275815.tif 000005
【図４】
2006275815.tif 000006