(57)【要約】【課題】  被測定領域内の微粒子を高精度に迅速に測定することができ、また、当該微粒子測定装置を低コストで実現すること。【解決手段】  互いに異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザ１１，２１と、これら半導体レーザ１１，２１からの出射光が気体中の微粒子に反射した散乱光を受光する受光素子とを円筒形部材内に配設し、受光素子で波長毎の光を受光する。そして、各受光素子での受光に応じて各受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさを演算して求める。【選択図】      図１
2006010353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体内に外部から流体を吸引して外部へ排出し、この際その筐体内に流路状に流れる流体に光源からの出射光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子から散乱された散乱光を受光素子で受光し、この受光に応じて受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさを演算して求める微粒子測定装置において、
前記光源として前記筐体内に配設され、互いに異なる波長の光を出射する複数の光源と、
前記複数の光源からの出射光により前記微粒子で発生した散乱光を受光する受光素子として前記筐体内に配設され、波長毎の光を受光する複数の受光素子と、
前記複数の受光素子での受光に応じて各受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさを演算して求める演算手段と
を備えたことを特徴とする微粒子測定装置。
【請求項２】
前記演算手段は、異なる波長の光により微粒子で発生した散乱光の光量の比である散乱光量比と前記微粒子の粒径との関係情報が予め記憶されており、前記複数の受光素子から入力される各電気信号をもとに散乱光量比を求め、この散乱光量比に対応する粒径を前記関係情報から導くことにより前記微粒子の粒径を求める
ことを特徴とする請求項１に記載の微粒子測定装置。
【請求項３】
前記複数の光源は、当該複数の光源からの各出射光が、前記筐体内に流路状に流れる流体の中で互いに交差するように配置されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の微粒子測定装置。
【請求項４】
前記複数の光源からの出射光の波長は、少なくとも１つが１０００ｎｍ以下であり、他が１０００ｎｍを越える
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の微粒子測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリーンルームなどの粉塵を管理する領域において、粉塵などの微粒子の数と大きさを計測する微粒子測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の微粒子測定装置として例えば図５に示す構成のものがある。図５は、従来の微粒子測定装置の構成を示し、（ａ）は微粒子測定装置の縦断面の平面図、（ｂ）は微粒子測定装置の縦断面の側面図である。
この微粒子測定装置１０は、細長い円筒形部材の中に、レーザ光を出射する半導体レーザ１と、この半導体レーザ１からの出射光を平行ビーム光に変換するコリメートレンズ２と、このコリメートレンズ２からの平行ビーム光を扁平ビーム光に変換するシリンドリカルレンズ３と、微粒子測定装置１０が設置される領域の気体（サンプルエア）をレーザ照射領域に導くノズル６と、フォトダイオード等の受光素子５と、レーザ光が気体に含まれる微粒子に反射して発生する散乱光を受光素子５に集光させる集光レンズ４と、レーザ光を吸収する反射防止板９とを備えて構成されている。
【０００３】
このような構成の微粒子測定装置１０によって、クリーンルーム等の粉塵を管理する領域における微粒子の測定を行う場合の動作を説明する。
まず、図示せぬポンプが起動されるとノズル１６によって領域の気体が吸引され、この吸引された気体が微粒子測定装置１０の内部を横切って外部へ排出されるように導かれる。この後、半導体レーザ１からレーザ光が出射されると、このレーザ光がコリメートレンズ２によって平行ビーム光とされ、この平行ビーム光がシリンドリカルレンズ３によって扁平ビーム光とされ、上記のように導かれた気体を切断状態に透過する。この透過時に、気体中の微粒子に光が反射して散乱され、この散乱光が集光レンズ４で集光され、受光素子５に入射（受光）される。
【０００４】
そして、その受光に応じて受光素子５から出力される電気信号から微粒子の数と大きさ（粒径）が求められる。
この受光素子での受光に応じた電気信号から微粒子の数と大きさを求める従来技術として、例えば特許文献１及び２に記載のものが知られている。
特許文献１では、１波長の光源に対して発生する散乱光のアナログ信号に対して、出力信号の大きさで粒径を区別する方法が採用されている。即ち、区分すべき粒径に応じて複数のスレッショルドレベルを設定して２値化することにより計数処理する方法である。
【０００５】
特許文献２では、１波長の光源に対して発生する粒子の画像を撮像素子に取り込み、画像処理によって、粒子の大きさと数を検知する方法が採用されている。
【特許文献１】特開平４−２９０９４６号公報
【特許文献２】公表特許第ＷＯ００−１４５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した受光素子での受光に応じた電気信号から微粒子の数と大きさを求める特許文献１の技術においては、検出すべき微粒子の材質や表面の状態などによって散乱光の光量が変化するため、測定精度が悪いという問題がある。
また、特許文献２の技術においては、画像処理に時間がかかるため気体を高速に流せないので、被測定領域内の微粒子を迅速に測定することができず、また、撮像素子を用いるので、微粒子測定装置が高コストになるという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、被測定領域内の微粒子を高精度に迅速に測定することができ、また、当該微粒子測定装置を低コストで実現することができる微粒子測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１による微粒子測定装置は、筐体内に外部から流体を吸引して外部へ排出し、この際その筐体内に流路状に流れる流体に光源からの出射光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子から散乱された散乱光を受光素子で受光し、この受光に応じて受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさを演算して求める微粒子測定装置において、前記光源として前記筐体内に配設され、互いに異なる波長の光を出射する複数の光源と、前記複数の光源からの出射光により前記微粒子で発生した散乱光を受光する受光素子として前記筐体内に配設され、波長毎の光を受光する複数の受光素子と、前記複数の受光素子での受光に応じて各受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさを演算して求める演算手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、同じ流体の微粒子に対して異なる複数の波長の光を照射することによって、波長に応じた散乱光量が発生するので、これら散乱光量に応じた信号を用いれば、微粒子の大きさ（粒径）をより詳細に特定することが可能となる。また、従来のように時間がかかる画像処理や高コストとなる撮像素子を用いず、光源と受光素子を少なくとも１つ増やすと共に演算処理内容を変更するだけでよいので、被測定領域内の微粒子を迅速に測定することができ、当該微粒子測定装置を低コストで実現することができる。
【０００９】
また、本発明の請求項２による微粒子測定装置は、請求項１において、前記演算手段は、異なる波長の光により微粒子で発生した散乱光の光量の比である散乱光量比と前記微粒子の粒径との関係情報が予め記憶されており、前記複数の受光素子から入力される各電気信号をもとに散乱光量比を求め、この散乱光量比に対応する粒径を前記関係情報から導くことにより前記微粒子の粒径を求めることを特徴とする。
この構成によれば、異なる波長の光が微粒子で反射された散乱光の光量の比である散乱光量比と前記微粒子の粒径との関係情報に、実際の検出により求めた散乱光量比を照らし合わせて粒径を求めるので、流体中の微粒子の粒径をより精度良く求めることができる。
【００１０】
また、本発明の請求項３による微粒子測定装置は、請求項１または２において、前記複数の光源は、当該複数の光源からの各出射光が、前記筐体内に流路状に流れる流体の中で互いに交差するように配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、互いに波長が異なる出射光が気体中で交差するので、その交点に微粒子が位置した際に、同一微粒子に反射した複数波長の散乱光が受光素子で受光されることになる。このことから、複数の異なる波長の散乱光量の情報から１つの微粒子の粒径を求めるので、１つの散乱光量の情報から求めるよりも、より精度良く粒径を求めることができる。
【００１１】
また、本発明の請求項４による微粒子測定装置は、請求項１から３の何れか１項において、前記複数の光源からの出射光の波長は、少なくとも１つが１０００ｎｍ以下であり、他が１０００ｎｍを越えることを特徴とする。
この構成によれば、１０００ｎｍ以下と、１０００ｎｍを越える波長の光を微粒子に反射させ、これら散乱光の光量の情報から１つの微粒子の粒径を求めるので、１つの散乱光量の情報から求めるよりも、より精度良く粒径を求めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明によれば、被測定領域内の微粒子を高精度に迅速に測定することができ、また、当該微粒子測定装置を低コストで実現することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る微粒子測定装置の光源側の構成を示す図である。図２は、同微粒子測定装置の受光素子側の構成並びに信号処理部のブロック構成を示す図である。
これら図１及び２に示す微粒子測定装置２０は、光源の光波長がλ１，λ２と互いに異なる２系統の光処理手段を備えており、第１の光処理手段は、円筒形部材の内部に、波長λ１のレーザ光を出射する半導体レーザ１１と、この半導体レーザ１１からの出射光を平行ビーム光に変換するコリメートレンズ１２と、このコリメートレンズ１２からの平行ビーム光を扁平ビーム光に変換するシリンドリカルレンズ１３と、レーザ光を吸収する反射防止板１９と、フォトダイオード等の受光素子１５と、レーザ光が気体に含まれる微粒子１８に反射して発生する散乱光を受光素子１５に集光させる集光レンズ１４とを備え、更に円筒形部材の外部に、受光素子１５から受光に応じて出力される電気信号を増幅する増幅器３１と、増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器３２とを備えて構成されている。
【００１４】
第２の光処理手段も同様に、その円筒形部材の内部に、波長λ２のレーザ光を出射する半導体レーザ２１と、コリメートレンズ２２と、シリンドリカルレンズ２３と、反射防止板２９と、受光素子２５と、集光レンズ２４とを備え、更に円筒形部材の外部に、増幅器４１と、ＡＤ変換器４２とを備えて構成されている。
また、微粒子測定装置２０は、円筒形部材の中空空間（光路空間）を形成する壁面を貫通して配設され、当該微粒子測定装置２０が設置される領域の気体（サンプルエア）をレーザ照射領域（気流断面１７の部分に該当）に導くノズル１６ａと、このノズル１６ａの気体噴出口に対向する位置に壁面を貫通して配設されると共に気体吸気用のチューブ（又はノズル）１６ｂに接続されたファンモータ３０とを備えて構成されている。
【００１５】
更に、微粒子測定装置２０は、各ＡＤ変換器３２，４２から入力されるディジタル信号を次に説明するように演算処理して、気体に含まれる微粒子の数と大きさを求める演算装置５１を備えている。
ここで、シリンドリカルレンズ３０からのレーザ光がレーザ照射領域の気体を通過する際に、微粒子１８が含まれていると、ミー散乱理論に従ってレーザ光が微粒子１８に反射して散乱光が発生する。
【００１６】
なお、光が粒子に当たると散乱するが、この散乱する光の方向や大きさは、光の波長や粒子の大きさによって変わる。ミー散乱は、粒子の大きさが波長と同程度の場合（大きさが波長の１／１０より大きい）の散乱をいう。ミー散乱理論は、均質球形の粒子に太陽放射が入射し、その粒子１個あたりの消散係数（消散効率因子：消散断面積と粒子の幾何学的な断面積との比）を求める理論である。
【００１７】
上記のような微粒子１８による散乱光の強度は、例えば図３のような特性を示す。この図に示すように、同じ大きさの粒子でも波長が異なると散乱光の光量（散乱光量）が異なる。例えばλ１＝７８０ｎｍの光を照射した時の散乱光量をＰ１、λ２＝１５５０ｎｍの光を照射した時の散乱光量をＰ２とすると、０．３〜０．７μｍの範囲の粒径（粒子の直径）に対するＰ１／Ｐ２の比の値は、図４に示すように粒径に応じて大きく変化する。
【００１８】
つまり、演算装置５１では、各ＡＤ変換器３２，４２からの受光光量に応じたディジタル信号からＰ１／Ｐ２の比を求め、この比から微粒子１８の粒径を詳細に区分して求めると共に、微粒子１８の数を求める演算を行うようになっている。
表示装置５２は、演算装置５１で求められた微粒子１８の数と粒径を数値やグラフで表示するものである。
【００１９】
通信装置５３は、演算装置５１で求められた微粒子１８の数と粒径のデータを、有線又は無線によって図示せぬ相手先の通信装置へ送信するものである。
このような構成の微粒子測定装置２０は、クリーンルーム等の粉塵を管理する領域に配置されて、次のような微粒子の測定動作を行う。
まず、ファンモータ３０が起動されると、チューブ１６ｂを介して微粒子測定装置２０の内部の空気が吸引されるので、ノズル１６ａから外部領域の気体が内部に吸引される。この吸引された気体が内部を横切ってチューブ１６ｂを介してファンモータ３０で吸引され、外部へ排出される。つまり、微粒子測定装置２０の内部においては、外部領域の気体が気流状に流れている。
【００２０】
この際に、各半導体レーザ１１，２１から互いに異なる波長λ１，λ２のレーザ光が出射される。但し、λ１＝７８０ｎｍ、λ２＝１５５０ｎｍであるとする。
波長λ１のレーザ光は、コリメートレンズ１２によって平行ビーム光とされ、この平行ビーム光がシリンドリカルレンズ１３によって扁平ビーム光とされ、上記のように流れる気体を交差して透過する。この透過時に、気体中の微粒子１８に波長λ１の光が反射して散乱され、この散乱光が集光レンズ１４で集光され、受光素子１５に入射（受光）される。受光素子１５からは、その受光光量に応じた電気信号が出力されて増幅器３１で増幅され、このアナログ増幅信号がＡＤ変換器３２でディジタル信号に変換され、演算装置５１へ出力される。
【００２１】
波長λ２のレーザ光も同様に、コリメートレンズ２２によって平行ビーム光とされ、この平行ビーム光がシリンドリカルレンズ２３によって扁平ビーム光とされ、上記のように流れる気体を交差して透過する。この透過時に、気体中の微粒子１８に波長λ２の光が反射して散乱され、この散乱光が集光レンズ２４で集光され、受光素子２５に入射（受光）される。受光素子１５からは、その受光光量に応じた電気信号が出力されて増幅器３１で増幅され、このアナログ増幅信号がＡＤ変換器３２でディジタル信号に変換され、演算装置５１へ出力される。
【００２２】
演算装置５１では、各ＡＤ変換器３２，４２から入力された受光光量に応じた各ディジタル信号からＰ１，Ｐ２が求められる。即ち、一方の波長λ１（＝７８０ｎｍ）の光を微粒子１８に照射した時の散乱光量であるＰ１が求められ、他方の波長λ２（＝１５５０ｎｍ）の光を照射した時の散乱光量であるＰ２が求められる。
更に、Ｐ１／Ｐ２の比（散乱光量比）が求められ、この比から微粒子１８の粒径が詳細に区分して求められると共に、微粒子１８の数が求められる。例えば図４に示すように、Ｐ１／Ｐ２の比が１２であれば、気体中に含まれる微粒子１８の粒径が０．３μｍであり、比が７であれば粒径が０．４μｍ、比が４であれば粒径が０．５μｍ、比が２であれば粒径が０．６μｍ、比がほぼ１であれば粒径が０．７μｍ以上であることが求められる。
【００２３】
このように演算装置５１で求められた微粒子１８の数と粒径は、表示装置５２によって、数値やグラフで表示される。更に、必要に応じて通信装置５３によって、その微粒子１８の数と粒径のデータが有線又は無線によって図示せぬ相手先の通信装置へ送信される。
このような本実施の形態の微粒子測定装置２０によれば、互いに異なる波長λ１，λ２の光を出射する複数の半導体レーザ１１，２１と、これら半導体レーザ１１，２１からの出射光が微粒子１８に反射した散乱光を受光する受光素子１５，２５とを円筒形部材内に配設し、受光素子１５，２５で波長毎の光を受光する。そして、各受光素子１５，２５での受光に応じて演算装置５１で、各受光素子１５，２５から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさを演算して求めるようにした。
【００２４】
これによって、同じ流体の微粒子１８に対して異なる複数の波長λ１，λ２の光を照射することによって、波長λ１，λ２に応じた散乱光量が発生するので、これら散乱光量に応じた信号を用いれば、微粒子の大きさ（粒径）をより詳細に特定することが可能となる。
また、従来のように時間がかかる画像処理や高コストとなる撮像素子を用いず、半導体レーザ１１，２１と受光素子１５，２５を少なくとも１つ増やすと共に、演算装置５１の演算処理内容を変更するだけでよいので、被測定領域内の微粒子を迅速に測定することができ、当該微粒子測定装置を低コストで実現することができる。
【００２５】
また、演算装置５１には、異なる波長λ１，λ２の光が微粒子１８で反射された散乱光の光量の比である散乱光量比と微粒子１８の粒径との関係情報を予め記憶しておき、複数の受光素子１５，２５から入力される各電気信号をもとに散乱光量比を求め、この散乱光量比に対応する粒径を、予め記憶された関係情報から導くことにより微粒子１８の粒径を求めるようにした。
つまり、異なる波長λ１，λ２の光が微粒子１８で反射された散乱光の光量の比である散乱光量比と、微粒子１８の粒径との関係情報に、実際の検出により求めた散乱光量比を照らし合わせて粒径を求めるので、流体中の微粒子１８の粒径をより精度良く求めることができる。
【００２６】
また、各半導体レーザ１１，２１を、これらの出射光が、円筒形部材内に流路状に流れる流体の中で互いに交差するように配置した。これによって、互いに波長λ１，λ２が異なる出射光が気体中で交差するので、その交点に微粒子１８が位置した際に、同一微粒子１８に反射した複数波長の散乱光が受光素子１５，２５で受光されることになる。このことから、複数の異なる波長λ１，λ２の散乱光量の情報から１つの微粒子１８の粒径を求めるので、１つの散乱光量の情報から求めるよりも、より精度良く粒径を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る微粒子測定装置の光源側の構成を示す図である。
【図２】上記実施の形態に係る微粒子測定装置の受光素子側の構成並びに信号処理部のブロック構成を示す図である。
【図３】上記実施の形態に係る微粒子測定装置の各半導体レーザからの各レーザ光の波長λ１，λ２を微粒子に照射した際の散乱光量と粒子の直径との関係を示す図である。
【図４】上記λ１の光照射時の散乱光量をＰ１、λ２の光照射時の散乱光量をＰ２とした場合のＰ１／Ｐ２の比と、粒子の直径との対応関係を示す図である。
【図５】従来の微粒子測定装置の構成を示し、（ａ）は微粒子測定装置の縦断面の平面図、（ｂ）は微粒子測定装置の縦断面の側面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１１，２１  半導体レーザ
１２，２２  コリメートレンズ
１３，２３  シリンドリカルレンズ
１４，２４  集光レンズ
１５，２５  受光素子
１６ａ  ノズル
１６ｂ  チューブ
１７  気流断面
１８  微粒子
１９，２９  反射防止板
２０  微粒子測定装置
３０  ファンモータ
３１，４１  増幅器
３２，４２  ＡＤ変換器
５１  演算装置
５２  表示装置
５３  通信装置
【図１】
2006010353.tif 000003
【図２】
2006010353.tif 000004
【図３】
2006010353.tif 000005
【図４】
2006010353.tif 000006
【図５】
2006010353.tif 000007