(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子センサを通って流れる粒子をサイズ範囲別に計数するための方法であって、以下の工程：
センサ内の検知キャビティを通じて光の定常ビームを投射し、
複数の粒子サイズ範囲を、粒子サイズと対応する電圧との電算化テーブルに設定しておき、
粒子を含む流体を定常光ビームを通過して流し、
定常光ビームを通過して流れる粒子によって散乱された光を光検知回路へ向けて再指向して粒子のサイズを表す電圧パルスを発生させ、
ある不定の時間にわたって１つの電圧パルスに沿って複数の電圧値をサンプリングし、
サンプリングした最新の電圧値とそれに先行する電圧値とを比較し、
最新の電圧値が先行する電圧値より小さいと判定された時に、当該粒子に対応するサイズ範囲を電算化テーブル中に見つけ出し、および
見つけ出したサイズ範囲に対応するカウントビンをインクレメントする、各工程を包含してなり、
電算化テーブルに粒子サイズ範囲を設定する工程はベースライン電圧を確定することを含み、粒子に対応するサイズ範囲を電算化テーブル中に見つけ出す工程およびカウントビンをインクレメントする工程を繰り返し、この繰り返しはサンプリングされた最新の電圧値がベースライン電圧を下回った後に実行され、これによって浮浪粒子によって生じる偽カウントを減少させることを特徴とする方法。
【請求項２】
電算化テーブルに粒子サイズ範囲を設定する工程はノイズレベル電圧を確定することを含み、粒子に対応するサイズ範囲を電算化テーブル中に見つけ出す工程はサンプリングされた最新の電圧値がノイズレベル電圧を超過した場合に実行される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
複数の電圧値をサンプリングする工程は複数の電圧値のいずれかがノイズレベル電圧を超過した時にタイマをスタートさせることを含み、粒子に対応するサイズ範囲を電算化テーブル中に見つけ出す工程は当該電圧パルスの持続時間が予め定められた最大時間を超過しない場合に実行される、請求項２記載の方法。
【請求項４】
該最新の電圧値がサンプリングしたｎ個の電圧値のうちのｎ番目の電圧値であり、比較される該先行する電圧値がｎ−１番目の電圧値であり、このｎ−１番目の電圧値を該１つの電圧パルスのピーク値であるとして当該粒子に対するサイズ範囲を電算化テーブル中に見つけ出す、請求項１記載の方法。
【請求項５】
環境から粒子センサに吸引される流体中に捕捉されている粒子の個数をサイズ範囲別に計数するための散乱光を使用する粒子センサにおいて、センサは下記構成要素：
それを通って粒子を含む流体が環境から吸引される入口、
定常光ビームと入口から流入する流体の流れとの交差により画定される検知容積、
検知容積を通過後該流体がそれを通ってセンサから出ていく排出口、
検知容積内の粒子によって散乱された光を粒子のサイズを表す電圧パルスを発生する光検知回路へ向けて再指向する光学的集光系、
光検知回路に接続されておりおよび電圧パルスを少なくとも２回サンプリングするアナログ−デジタル変換器、
アナログ−デジタル変換器に連結されたデジタル信号プロセッサ、および
デジタル信号プロセッサに連結されたマイクロコントローラ、を包含し、
上記デジタル信号プロセッサおよびマイクロコントローラは粒子センサを通って流れる粒子の個数をサイズ範囲別にカウントするための方法を実行するようにプログラムされており、そのカウントを実行するための方法は下記工程：
センサ内の検知キャビティを通じて定常光ビームを投射し、
複数の粒子サイズ範囲を、粒子サイズと対応する電圧との電算化テーブルに設定し、
粒子を含む流体を定常光ビームを通過して流し、
定常光ビームを通過して流れる粒子によって散乱された光を光検知回路へ向けて再指向して粒子のサイズを表す電圧パルスを発生させ、
ある不定の時間にわたって１つの電圧パルスに沿って複数の電圧値をサンプリングし、
サンプリングした最新の電圧値とそれに先行する電圧値とを比較し、
最新の電圧値が先行する電圧値より小さいと判定された時に、その粒子に対応するサイズ範囲を電算化テーブル中に見つけ出し、および
見つけ出したサイズ範囲に対応するカウントビンをインクレメントする、各工程を包含してなり、
電算化テーブルに粒子サイズ範囲を設定する工程はベースライン電圧を確定することを含み、粒子に対応するサイズ範囲を電算化テーブル中に見つけ出す工程およびカウントビンをインクレメントする工程を繰り返し、この繰り返しはサンプリングされた最新の電圧値がベースライン電圧を下回った後に実行され、これによって浮浪粒子によって生じる偽カウントを減少させることを特徴とするセンサ。
【請求項６】
電算化テーブルに粒子サイズ範囲を設定する工程はノイズレベル電圧を確定することを含み、粒子に対応するサイズ範囲を電算化テーブル中に見つけ出す工程はサンプリングされた最新の電圧値が該ノイズレベル電圧を超過した場合に実行される、請求項５記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は一般には光学測定および検査に関し、より具体的には光の散乱を利用してサイズ判別して粒子をカウントする技術に関する。
【０００２】
流体流たとえば空気流の中に捕捉されている粒子によって散乱された光を検出するタイプのカウンターおよびセンサーが現在実用されている。通常、このタイプのカウンターおよびセンサーは直径の非常に小さい高濃度のレーザー光ビームを使用する。空気流およびその中に捕捉されている粒子はこの光ビームを通過して吸引される。この技術分野の業界用語では、この空気流とレーザービームとの交差によって形成される小さい空間領域を“検知容積”または“監視容積”と呼んでいる。
【０００３】
光が粒子に衝突すると、光は散乱される。反射鏡がこの散乱光を光検知器の方向に導く。検知器はこれに応答して電流パルスを発生する。この電流パルスの振幅は一般に検知器に入射した光の強度に比例する。そして、当然のことながら、光の強度は粒子のサイズの１つの尺度となる。
【０００４】
いくつかのタイプのセンサーでは空気は閉じられた透明な管に沿って流され、別のタイプのもでは空気とそれに同伴する粒子は特定の流速（多くの場合立方フィ−ト／分の単位で測定される）で、１つの管から開放空間を横切って別の管に向けて“投射”される。後者のタイプのセンサーの場合、光の散乱と捕集を妨害するような管壁（たとえ壁が透明であっても）は存在しない。換言すれば、粒子はそれが開放空間を“飛んでいる”時に、光ビームによって単に照明されるだけである。
【０００５】
他の用途の中には、粒子センサーを組入れた粒子カウンターを特定体積の空気中、たとえば空気１立方メートル中に存在する粒子の数とサイズに関する情報を集めて空気の品質の１つの評価を求めるために使用するものがある。人間が見たところではクリーンと見える仕事場−ビジネスオフィス、製造工場など−でもかなりの数の空気で運ばれる粒子が存在することがある。このような粒子は普通はその場所にいる人達にとって問題ではないが、ある種の製造作業ではかなりの問題を生じる可能性がある。
【０００６】
たとえば、半導体および集積チップなどは“クリーンルーム”として公知となっている、きわめて厳格に空気が濾過された場所で製造がなされている。実際には、クリーンルームは通常非常にクリーンな空気を使用してきわめてわずかな加圧がなされており、周囲環境から粒子を含有する空気が侵入しないようになっている。他方、半導体および集積チップ製造工業ではますます製品が小型化する傾向にある。
【０００７】
このような製品の製造中に微細なゴミの粒子が製品に入ると早期の製造失敗を招くかあるいは需要者に出荷する前においても不良品として排除されてしまう。ますます進行する“小型化”は、空気によって運ばれる粒子の数およびサイズをあらかじめ設定された許容レベル以下に確実におさえるためにクリーンルームの環境（ならびに関連する測定器）の一層の改良を求めている。
【０００８】
半導体および集積チップの製造工場だけが粒子センサーが使用される唯一の場所ではない。薬品メーカーも製品および薬品から異物を排除するためにこのようなセンサーを使用している。
【０００９】
クリーンルームおよび製薬にかかわる仕事場で問題となる粒子のサイズ範囲は数ミクロンからいわゆる“サブミクロン”すなわち０．１ミクロンまたはそれ以下までの範囲である。（比較の参考までに言うと、人間が裸眼で見ることのできる粒子のサイズはおよそ１０ミクロンまでである）。
【００１０】
上記のような作業環境で粒子センサーを作動させる場合、単位時間あたりセンサーを通過する数種の異なるサイズ範囲の粒子について、各サイズ範囲のそれぞれの粒子の数を測定するのが好ましい。粒子センサーの電算化部分は“複数のビン（bins）”をもって構成されている。すなわち、いくつかの粒子サイズのそれぞれについてデータに基づき１カウントを加える計数レジスターが組み込まれている。たとえば、その複数の電算化ビンは０．１乃至０．２ミクロンのサイズの粒子、０．２乃至０．３ミクロンのサイズの粒子、０．３乃至０．４ミクロンのサイズの粒子、等々をそれぞれサイズ別にカウントするように構成されうる。
【００１１】
公知の粒子センサーは通過粒子のいくつかの特定アスペクトを判定するためにアナログおよびデジタルの両方の技術を使用している。たとえば、米国特許第５０４７９６３（Kosaka）は血球分析のために構成された装置を開示している。細胞の核（クリーンルーム分析の対象となる粒子に比較してまったく大きい細胞全体ではない）に関するデータがデジタル信号プロセッサーを使用して処理される。
【００１２】
米国特許第４９８４８８９号明細書（Sommer）は光検知器からのアナログパルスを使用する粒子サイズ測定システムを開示している。粒子がこの装置を通過するとパルスが発生する。アナログ入力パルスのピーク振幅のみがデジタル化されそしてコンピュータ等にサイズ別の粒子の“カウント”をインクレメントすべく登録される。
【００１３】
米国特許第４６２３２５２号明細書（Hollenbeck）はアナログ出力をデジタル化する粒子カウンターを開示している。コンパレータがその信号を電圧しきい値と比較しそしてしきい値を超過している時（これは１つの粒子の検出を表すものとみなされる）、サンプラーがＡ／Ｄコンバーター出力の２００以上のサンプルの採取を行う。この中からただ１つの最大サンプルが選択されそれ以下のサンプルは捨てられる。
【００１４】
また、米国特許第５４２４５５８号明細書（Borden等）は粒子分析を実行するためにデジタル信号処理を利用することに言及している。しかしどのようにしてそれを行うかについては情報の記載が不足している。Borden等の装置はダイナミックチューニング、すなわち、異なるタイプの信号パルスに適応するためにバンド幅と利得を調整できるタイプのものである。
【００１５】
これらならびに他の公知粒子センサーは一般に意図する目的のために満足すべきものではあるが、しかし不都合な点がないとはいえない。たとえば、粒子センサーが、サイズ判定され、カウントされるべき粒子をある種の“浮浪粒子（フローター：floater ”すなわち光ビームを通過する単なる物質の浮動微小片から区別できることが大いに望ましい。このような微小片は単に管壁またはハウジング壁の剥落片に過ぎないかも知れない。いくつかのカウンターでは、Hollenbeck特許のカウンターと同様、あるしきい値電圧を超過する光ダイオード出力電圧の信号ピークまたはクロッシングをカウントする。このタイプのカウンターでは、１つの浮浪粒子が数個の偽カウントを生む可能性がある。
【００１６】
公知システムの別の欠点はBorden等の装置において明らかである。すなわち、それらの装置は粒子サイズビンを定めるしきい値の数値と数を変更すべく弾力的に再構成（動作中の再構成）ができるようにはなっていない。作動の最大の融通性を得るためには、これは望ましい特性であるはずである。
【００１７】
公知センサーのこれら不都合を処理する新規な粒子センサーが開発されればこの技術分野での大きな進歩となるであろう。
【００１８】
したがって、本発明の１つの目的は従来技術の問題および短所のいくつかを処理する新規な粒子センサーおよび関連する方法を提供することである。
【００１９】
本発明のいま１つの目的はより正確に粒子を数え、サイズ判定する新規な粒子センサーおよび関連する方法を提供することである。
【００２０】
本発明のさらにいま１つの目的は有意な粒子と浮浪する無意味な粒子すなわち計数およびサイズ判定が実行されるべきでない物質微細片とをより良く弁別する新規な粒子センサーならびに関連する方法を提供することである。
【００２１】
本発明のさらにいま１つの目的は粒子サイズビンを画定するパルス電圧しきい値の数値および数を弾力的に変更できる新規な粒子センサーを提供することである。
【００２２】
本発明のさらにいま１つの目的はバックグラウンドノイズによって生じる偽ピークをカウントしてしまうことを回避するのに役立つ新規な粒子センサーを提供することである。これらおよびその他の目的がいかに達成されかは以下の記載ならびに添付図面から明らかとなろう。
【００２３】
粒子センサーは環境から粒子センサーへ吸引された流体中に捕捉されている粒子の数を、サイズ範囲ごとにカウントするために散乱光を使用する。１つの実施例においては、センサーは製造プラント内の監視されている環境領域、たとえば“クリーンルーム”からそれを通って吸引される入口を含む。センサーは光ビームと該入口から流入する流体との交差によって画定される検知容積を有する。さらにセンサーは検知容積を通過した後、流体がそれを通ってセンサーから出て行く出口を有する。
【００２４】
光学的集光系が検知容積中の粒子によって散乱された光を光検知器回路の方向に再指向し、その光検知回路は粒子のサイズを表す電気パルスを発する。１つの特定実施例においては、そのパルスは光検知器からの電流パルスに基づいた整形された電圧パルスである。その回路にはアナログ−デジタルコンバータが接続されておりそして上記パルスを少なくとも２回サンプリングする。ここで、パルスの“サンプリング”とはそのパルスに沿った複数の異なる電圧値を“読み取る”ことである。
【００２５】
そのコンバーターにはデジタル信号プロセッサーが接続されておりそして該プロセッサーにはマイクロコントローラが接続されている。このプロセッサーおよびマイクロコントローラは本粒子センサーを通って流れる粒子を、サイズ範囲別に、カウントするための本方法を実施すべくプログラムされている。自明のごとく、センサー内にプログラムされる方法は以下に記載されているいくつかのバリエーションの任意の１つまたはそれ以上を包含することができる。
【００２６】
本方法を実施することによって粒子センサーを通って流れる粒子はサイズ範囲別にカウントされる。本方法はしきい値電圧の電算化されたテーブルに粒子サイズ範囲を設定する工程を含む。１つの特定例では、表は逓増する粒子サイズと、各電圧が１つの粒子サイズに対応する逓増する漸増電圧とを包含する。
【００２７】
時々粒子がセンサーを通過して流れそしてその粒子によって散乱された光から生ずる１つのパルス、たとえば、電流パルスが発生される。１つの特定の方法においては、その電流パルスは反転され、電圧パルスに再整形される。このパルスは元のパルスの振幅／電荷関係を保っている。
【００２８】
ある期間にわたって、その電圧パルスに沿って多数の電圧値がサンプリングされる。それら多数のサンプルには１つの最新の数値と１つの先行の数値とが含まれる。最新値が順ぐりに先行値と比較されそして最新値が先行値を下回った時に、センサーはテーブルの中でその粒子のサイズ範囲を見つけ出す（探索）。そのサイズ範囲が判定されると、そのサイズ範囲に対応するカウント“ビン”がインクレメントされる。
【００２９】
この方法のある特定のバリエーションでは、ノイズレベル電圧および／またはベースライン電圧が１つまたは複数のパラメーターとして使用される。（ノイズレベル電圧とは所望されない、しかしほとんど不可避である外乱、すなわち、検知キャビティー内の“ノイズ”から生じるＡ／Ｄコンバーターによって“読み取られた”電圧である。ベースライン電圧はセンサーに粒子が存在しない時にＡ／Ｄコンバーターによって読み取られるノミナル電圧である。
【００３０】
より特定的には、設定工程は同じくノイズ−レベル電圧を確認する工程を含みそして探索工程は最新値がノイズレベル電圧を超えた時にのみ実行される。設定工程は、また、ベースライン電圧を確認する工程および最新値がベースライン電圧以下であった時にのみ実行される探索工程とインクレメント工程とを包含しうる。この技術は浮浪粒子に起因する偽カウントを減少させるのに役立つはずである。
【００３１】
１つの粒子によって発生される電圧パルスは検知キャビティー内を浮遊する浮浪粒子から生じる電圧パルスよりも実質的に持続時間が短いことが観察されている。本発明の別の実施態様においては、サンプリング工程は正当な（カウントされるべき）粒子であれ、浮浪粒子であれ、１つの粒子によって発生された多数の電圧値のいずれかがノイズレベル電圧を超した時にタイマーをスタートさせる工程を含む。探索工程はそのパルスの持続時間がある予め定めた最大時間を超過しない時にのみ実行される。この技術は浮浪粒子に起因する偽カウントを相当に減少させる。
【００３２】
本発明の別の実施態様においては、サンプリングされるべき１つの粒子によって生じたパルスは１つのピーク値を持つ。サンプリングされた多数の電圧値は等差数列をなす１から“ｎ”までのサンプルを包含する。最新値はサンプル“ｎ”であり、そして先行値はサンプル（ｎ−１）であり、そしてピーク値である。サンプリング速度の遅いセンサーとそのコンバーターの場合には本方法のこの実施態様が適用されうるであろう。
【００３３】
しかし、コンバーターが比較的速いサンプリング速度を有する場合は、最新値はサンプル“ｎ”そして先行値はピーク値でありそしてサンプル（ｎ−ａ）である。ここで、“ａ”は整数である。この整数は比較的大きい数、たとえば２０、５０またはそれ以上の大きい数でありうる。（サンプリング速度は高速であることが所望されるであろう。なぜならば、コンバーターの速度および関連する“チップ”の速度が増加し、それらのコストが下がるからである）。
【００３４】
本発明のさらに詳細な構成は以下の記載と添付図面によりさらに詳細に説明される。
【００３５】
本発明は新規な粒子センサー１０およびそれに関連した新規な方法を包含するものである。発明の詳細な説明では最初に本新規センサー１０の構成を説明する。
【００３６】
粒子センサーの構成
図１Ａ、１Ｂおよび２を参照すると、粒子センサー１０はレーザーダイオード光源のごとき光源１１を含む。この光源は１つまたはそれ以上の集光レンズ（図示なし）と共に非常に直径の小さい光ビーム１３を発射する。光ビーム１３は検知キャビティー１５を通過して光キリングトラップ１７に投射される。一対の流体流し管１９、２１は粒子のサイズと個数が監視されている部屋または環境から吸引された流体のための導入口２３および排出口２５をそれぞれ提供している。
【００３７】
流路２７と光ビーム１３とは交差して検知容積２９、これはしばしば監視容積とも呼ばれる、を画定する。サンプルが吸引されている環境、たとえば、１つの部屋からの粒子３１がサイズによりカウントされるべき時、または。浮浪粒子３３たとえばセンサー自体から生じたキャビティーのまわりを浮遊している微小な物質片が光ビーム１３を通過した時、粒子３１、３３のいずれであれ、それは光を反射する。粒子３１または３３によって反射された光は図に矢印３５で示されており、これらは直接または光学的集光系たとえば楕円ミラー３９によって反射されたあと、光ダイオード３７に入射する。その光ダイオード３７は１つの電流パルスを発生する。このパルスは“平滑化”された電圧パルスに変換された後、図１Ｂに示した電子システムによって分析されて粒子３１のサイズが判定されそして該当するサイズカテゴリーの中にその粒子がカウントされる。後記により明らかとなるように、本発明の特定の実施態様は、浮浪粒子３３を、監視されている環境から吸引された真の粒子３１としてカウントしてしまうのを回避するために役立つ。
【００３８】
電子システムは前置増幅器４１（好ましくは電荷感応型のもの）、パルス整形増幅器４３、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ４５（たとえば１２ビット装置、XRD8794 型）、データバッファー４７、デジタル信号プロセッサー４９すなわち“ＤＳＰ”（たとえば、TMS320C50 型のもの）、コントロールロジックセクション５１、マイクロコントローラ５３（たとえば、PIC16C74型）およびホストコンピュータ５５を包含する。
【００３９】
マイクロコントローラ５３はプロセッサー４９をホストコンピュータ５５にインターフェース接続するために使用される。この構成によりプロセッサー４９はマイクロコントローラ５３が比較的遅いコンピュータ５５と通信している時に自由にデータの流れを処理できるようなる。マイクロコントローラ５３はフレキシブルなインターフェースポート５６（並列または直列）を有しており、これを通じてコマンド（たとえばサンプリング開始、サンプリング停止、しきい値設定などのコマンド）を受信しそして粒子カウントを送り返す。マイクロコントローラのプロセッサー４９へのインターフェースポート５７は主としてコントロールコマンドを送り出しそして蓄積されたカウントを受け取る役目をする。
【００４０】
コンピュータ５５はオペレーターの命令を受けそして表示のためのカウントを受信する。このコンピュータ５５は外部コンピュータたとえばデスクトップ型パーソナルコンピュータとして具体化することもできるし、また、センサー１０の一部分として内蔵されたコンピュータとして具体化することもできる。後者の場合はそのセンサー１０はまったく外部コンピュータに接続する必要のない“スタンドアロン”型のセンサーとなる。
【００４１】
粒子センサーの動作
この項では粒子センサー１０の１つの実施例の動作を説明する。記載は粒子サイズによる粒子のカウントがどのようにして実行されるかの説明を含む。
【００４２】
粒子３１または３３が検知容積２９を通過する時、上記のごとくその粒子は光を散乱する。その光は光に感応する光ダイオード３７に入射される。光ダイオードはその入射光に応答して電気信号を出力する。すなわち、光ダイオード３７は１つの小さな電流パルスを出す。そのパルスの大きさは一般に光ダイオード３７に入射した光エネルギー（フォトンとしての）の大きさに比例する。そして、もちろん、その光エネルギーは粒子のサイズを示す。この電流パルスは次に前置増幅器４１によって増幅され、この増幅器からは光ダイオード３７によって発生された全電荷に比例する電圧パルス５９が出る。（このパルス５９は図１Ｂに“負の向き”で示されている）。
【００４３】
増幅器４３がさらにこの電圧パルス５９の反転と平滑化を行う。これによりパルス５９の振幅／電荷関係を保持した正の方向のアナログ電圧パルス６１が生じる。（前置増幅器からのパルス５９は並列接続された２つまたはそれ以上のパルス整形増幅器４３に導入されうるものであることを理解されたい。説明の簡単化のために、図には１つの増幅器４３のみが図示されている）。
【００４４】
図３を参照すると、パルス６１はＡ／Ｄコンバータ４５に送られ、このコンバータは、ある非常に短い時間期間にわたって、パルス６１上の複数の点、たとえば、点６３、６５、６７、６９において、アナログ電圧値をそれらの点で等価なデジタル値に順次変換することによって“サンプリング”を行う。変換（すなわち、サンプリング）は連続的にある一定の速度で実施される。すなわち、コンバータ４５はパルス６１上の１つの点を一定の持続時間の１単位時間ごとに１回等価のデジタル値に変換する。
【００４５】
１２ビットコンバータが使用された場合、各サンプリングと変換の結果は一続きの１２ビットデジタル数であり、これがバッファー４７を経由して送られてプロセッサー４９によって１回に１つ読み取られる。コントロールロジックセクション５１ガ正しいクロックタイミングと制御信号の発生を保証する。
【００４６】
パルス６１上の各点は次の表１に示したように測定の電圧単位でアナログで表わされる。（実際には、コンバータ４５が各点のアナログ値を等価デジタル値に変換しそしてプロセッサー４９はこれらの等価デジタル値を“読み取る”）。等価デジタル値では、パルス６１上の各点は０と１の１２ケタの一続きの数からなる二進数字によって表される。１つの１２ビット二進数字の任意の例を示せば００１０１１００１０１０である。
【００４７】
（本明細書では実際にはデジタル化された値を使用される場合でも、あたかもコンバータ４５とプロセッサー４９がアナログ値を使用しているように記載されている。たとえば、“ノイズ”および“ベースライン”電圧値はアナログ表現で記載されているが、しかしプロセッサー４９はこれらをデジタル化された数値として“読む”のである。ほとんどすべての最近のコンピュータシステムは二進またはデジタル化された数を使用するよう構成されているが、アナログ表現で記載がなされている）。
【００４８】
0004545839.tif 000002
【００４９】
図３および表１において、点６３は第１番目のサンプルに対応し、点６５、６７、６９、７１、７３、７５、７７、７９、８０、８１および８３は第２番目から第１２番目のサンプルにそれぞれ対応する。第１番目のサンプリングで点６３が１０の値を持つと“読み取る”。第２番目のサンプリングで点６５が１６の値を持つと読み取る。以下、同様である。プロセッサー４９は表１の右側欄の数値を使用して増幅器出力のピーク値を決定する。図３および表１の例では、そのピーク値は９７である。後述するように、このピーク値は光を散乱した粒子３１のサイズに関係している。表の右側欄の数の正確な使用の仕方を以下に説明する。
【００５０】
図４を同時に参照しながら説明すると、１つの実施例では、プロセッサー４９は図表化したアルゴリズム８５をもってプログラムされている。簡単に説明すると、図４のアルゴリズム８５でプログラムされたプロセッサー４９は逐次発生されるパルスのそれぞれ（たとえばパルス６１）からそのピーク値（たとえば点７７の数値９７）を抽出しそしてそれぞれの“しきい値”の間にはいる粒子３１のカウントをキープする。
【００５１】
各種しきい値のテーブルが公知方法によって電子システムに設定可能である。
しきい値のテーブルの一例を次表に示す。
【００５２】
0004545839.tif 000003
【００５３】
表１を見ると、図３に例示したパルスのピーク値は９７であり、その測定の単位はmVである。表２を見ると、９７はしきい値９０．９mVより大きいが、しきい値１２９mVよりも小さい。なお、これらのしきい値は粒子サイズに対応させて選択されているものである。したがって、プロセッサー４９は粒子３１が０．６０００μ乃至０．７０００μのサイズを有する粒子と判定してそのパルスを発生した粒子をカウントするのである。
【００５４】
サイズによるカウントはアルゴリズム８５が１つのパルス６１のサンプリングを始めた後で実行される。図４の各“泡”８７、８９、９１はそれぞれアルゴリズム８５の独特な状態に対応しており、矢印９３はその状態の間中このアルゴリズム８５が再循環するものであることを示している。その再循環は次の状態へ移行させる条件が検出されるまで続く。
【００５５】
図４のアリゴリズムによるセンサーの動作
本明細書中、別途記載のない限り、“最新”、“最新値”という言葉またはこれに類似する表現は、たとえばパルス６１に沿った時間的に最も近時に生じた電圧値を指す。また、“先行”、“先行値”という言葉またはこれに類似する表現は最新値の直前の電圧値を指す。
【００５６】
また、図５を見ると、これは“ベースライン”という言葉を理解するのに役立つであろう。すなわち、ベースラインとは、粒子がセンサー１０内に存在しない時に増幅器４３がそこに復帰するであろう電圧値９５を指す。“ノイズ”という言葉は増幅器４３がノイズのみに基づいて出力することが期待される最大電圧値９７を指す。（センサー１０内のノイズは気体分子によって散乱された光によって、光ビーム１３の濃度の変化によってあるいは他の原因によって生じうる）。
【００５７】
１つの例として、そして図３、４および５を参照して説明すると、アルゴリズム８５はパルス６１のごときパルスの最新サンプル電圧値がノイズレベル９７を超すまで状態８９の中を再循環する。ノイズレベルを超過することは１つの粒子３１が検知容積２９を通過中であり、光を散乱していることを意味する。
【００５８】
ピーク値を探知する方法は以下のとおりである。図３をさらに見ると、アルゴリズム８５は状態９１へ進みそして最新サンプル値が先行サンプル値より小さいことが検出されるまで状態９１を循環または再循環する。最新サンプル値が先行サンプル値より小さくなったということはパルスまたは波形のピークが丁度発生し終わったことを意味する。表１の値を使用すると、８番目のサンプリングは９７の数値を与えておりそして９番目のサンプリングは８１の数値を与えている。９番目のサンプリングが先行値９７より小さい最初の最新値であるので、この数値９７がたとえば表２からそのパルスを生じた粒子３１のサイズを知るために使用される。別の言い方をすれば、プロセッサー４９が先行値よりも小さい最新値をひとたび検出すると、プロセッサー４９は“後ろをふりかえり”１つのサンプル値をピーク値として取る。
【００５９】
数学的用語で説明すると、サンプリングされる多数の電圧値は１つの数列をつくる１から“ｎ”までのサンプルを含む。最新値はサンプル“ｎ”でありそしてその先行値がこのパルスのピーク値であり、それはサンプル（ｎ−１）、すなわち、最新値の直前の電圧値である。これらの数学用語を表１および図３に適用して見れば、アルゴリズム８５は点７９でサンプリングした（サンプル“ｎ”）直後に粒子サイズを探索することになろう。なぜならば最新値が先行値よりも小さくなったサンプルは点７７（ｎ−１）の後の最初のサンプルであるからである。
【００６０】
多くの型のパルスに対して、図３で説明したサンプリングはサイズ別に粒子をカウントするために有効である。しかし、パルスは図３に示したパルス６１よりもはるかに不規則である場合がある。より頻繁にサンプル採取しないかぎり、カウントされた粒子３１のサイズは正確には決まらないであろう。
【００６１】
図６をさらに参照すると、サンプリングされる多数の電圧値は同じく１つの数列をつくる１から“ｎ”までのサンプルを含む。最新値はサンプル“ｎ”でありそしてその先行値がこのパルスのピーク値であり、それはサンプル（ｎ−ａ）である、ここで“ａ”は、たとえば、１乃至２０または１乃至１０の整数である。特定の方法例においては、サンプル（ｎ−ａ）がサンプル１乃至ｎの中の最大電圧値を有する。
【００６２】
きわめて特定の例を示している図６では１つのパルス９９は４９個のサンプルを包含している。したがって、サンプル“ｎ”が最後の、すなわち４９番目サンプルである。このパルスのピークはサンプル３３の点に存在する。したがって、式中の“ａ”は１６（４９−１６＝３３）である。この方法の好ましい実施態様においては、設定工程はノイズレベル電圧９７を確認することを含みそしてサイズ探索工程は最新値がノイズレベル電圧を下回った時に実行される。すなわち、プロセッサー４９は最新値が、粒子３１が確かに検知容積２９を通過したことを保証するレベルになるまでは、ピーク値を求めるために“後ろをふりかえる”ことはない。
【００６３】
粒子のカウント
次の仕事はパルスたとえばパルス６１を生じた粒子、たとえば粒子３１をそのサイズによりカウントすることである。アルゴリズムは先行値（ピーク値として選択されたもの）を表２のごときしきい値テーブルの中の値と比較することによって正しいカウント“ビン”を見つけ出す。先行値がそれを超した最大しきい値がその粒子のサイズビンであり、そのビンに対してカウントがインクレメントされる。すなわち、１のカウントがそのビンに加算される。なぜならば、１つの粒子がその特定サイズの粒子であることがいま突き止められたからである。上記した例に着目すると、プロセッサー４９はその例の数値９７と８１をもたらしたパルスを発生した粒子３１を０．６０００μから０．７０００μまでの間のサイズを有する粒子としてカウントしそしてその時までの当該サイズの粒子カウント数に１を加える。
【００６４】
１つの粒子３１をカウントし終わったら、アルゴリズム８５は丁度いまカウントした粒子にかかわるパルス６１の終了を待機する状態８７に入る。この状態８７においては、アルゴリズム８５は最新値がベースライン値９５を下回るまで増幅器出力のサンプリングを続ける。ベースライン値９５に到達したら、アルゴリズム８５は再びノイズレベル９７を上回る次のパルスを待つ待機状態８９に入る。アルゴリズム８５はプロセッサーがマイクロコントローラ５３からのＳＴＯＰコマンドを受信するまで繰り返しを行う。
【００６５】
ここで注目されたいことは、先行サンプル値よりも小さい最新サンプル値が最初に出現した時に粒子３１をカウントすることは浮浪粒子などに起因する偽カウントを回避するためにも役立つということである、特に図５を参照すると、新規粒子センサー１０はカウントされるべき有意な粒子３１を無意味な浮浪粒子３３またはその他の無意味な浮遊物から識別することができる。図５は、１つの例としての、粒子センサー１０の浮浪粒子３３から結果する電圧パルス１０１ならびに流体中に存在している、粒子センサー１０を通過する粒子３１から結果する電圧パルス１０３を示す。
【００６６】
明らかなように、浮浪粒子３３によって生じた電圧パルス１０１は通常粒子によって生じたパルス１０３のようには迅速にベースライン値９５に戻らない。パルス１０１は最終的にベースライン９５に戻るまでいくつかのピークを持つ可能性がある。図４に示したアルゴリズム８５はこのような付加的ピークを、先行値より小さい最新値が最初に検出された後別の粒子３１をカウントする前に、増幅器４３の出力がベースラインに戻るよう強制することによって排除してしまう。
【００６７】
図７のアルゴリズムによるセンサーの動作
さらに図７を見ると、センサー１０の別の実施例が示されている。この実施例の粒子センサー１０は浮浪粒子または他の無意味な浮遊物を排除する向上された性能を有するアリゴリズム１０５を含有する。その浮浪粒子の排除は、増幅器からのパルスがある特定限度時間内の持続時間を有していることを必要条件とし、その条件が満足された後で初めて、先行値より小さい最新値の出現がカウントされるべき１つの粒子３１を表すものと解釈することによって達成される。前記パルス１０１の持続時間から明らかなように、浮浪粒子３３は一般にその持続時間が流体流内を移動するカウントされるべき粒子３１によって発生されるパルス１０３の持続時間よりもはるかに長い。
【００６８】
図７に示したアルゴリズム１０５では、パルス１０１または１０３についてサンプリングされた１つの電圧値がノイズレベルを上回ると直ちにパルス幅タイマーがスタートされる。上記の方法で１つの明白なパルスピークが同定された後、そのパルスの持続時間が予め設定されたノミナルな最大持続時間と比較される。もし、そのパルス持続時間が予め設定された最大時間を超過していた場合には、そのパルスは無視される。すなわち、そのようなパルスはカウントされるべき粒子を表すものとは解釈されないのである。
【００６９】
図８のアルゴリズムによるセンサーの動作
さらに図８および９を見ると、センサー１０のさらに別の実施例が示されている。この実施例の粒子センサー１０はノイズを排除することによって電圧パルスのピーク値をより正確に確認する向上された性能を示すアリゴリズム１０９を含む。１つの電圧パルス１１１の立上がりエッジ１１３上のノイズは一時的な反転すなわち１１５の点の傾斜の変化を引き起こす可能性がある。これによる生じるピーク１１７は、１１９の点のパルス１１１の下降によって生じる“偽”ピークではないけれども、図４のアルゴリズム８５によってピークとして誤って読み取られる可能性がある。
【００７０】
この可能性の問題は、図８のアリゴリズム１０９の場合では、“ピーク確認”状態１２１を追加することによって解決される。ピーク１１７が最初に検出された後、その次にサンプリングされる値は、当該ピーク値がカウントされるべき粒子を表すものと解釈されるためには、そのピーク値１１７より小さくなければならない。もしそうでなかった場合には、アルゴリズムはピーク検出状態へ逆行する。
【００７１】
たとえば、Ｔ６の時点のパルス値のサンプリングは一見適正なピーク１１７のサンプリングと思われる。しかし、Ｔ７の時点でのパルス値をサンプリングした時、その値がピーク１１７の値よりも大きいことが明らかになる。したがって、Ｔ６の時点でサンプリングされた値は見捨てられる。すなわち、カウントされるべき粒子３１によって生じたピークとは解釈されない。ノイズがはげしい場合には、反転は１サンプル期間よりも長く持続するであろう。この場合、アルゴリズム１０９はさらの多くの確認ステップを加えることによってさらに変更される。このようにすれば、数サンプル期間持続する（あるいはどんなに多くの確認ステップがあっても存在する）ノイズのスパイクは排除することができる。上記の記載に関して、図４、７、８に示したアルゴリズム８５、１０５、１０９は組み合わせることができるものであることに留意されたい。すなわち、１つのアルゴリズムがノイズ排除の特徴とパルス幅識別の特徴との両方を併せ持つことができるのである。
【００７２】
本明細書に記載したセンサー１０は粒子サイズビンを定めるしきい値の数値と個数を変更することによって粒子カウンターを弾力的に再構成することも可能にする。換言すれば、表２のデータは変更可能である。
【００７３】
すなわち、ホストコンピュータ５５がマイクロコントローラ５３へ粒子サイズビンの個数とそれらのしきい値の数とを含む目盛りコマンドを送る。マイクロコントローラ５３はその情報を次にプロセッサー４９に知らせ、これによりプロセッサー４９はそのしきい値テーブルの値を更新する。これらの更新されたしきい値がその後上記した計数アルゴリズによって使用されそしてカウントされるべき粒子のカウントはそれら新規なサイズビンに仕分けされることになる。このような弾力的再構成はそのタイプが前記したBorden等の '５５８特許明細書に記載されているものとは異なる。すなわち、後者では外部サンプリング条件に基づいて単に増幅器アナログ利得／帯域幅を変更するだけである。
【００７４】
以上、本発明の原理をいくつかの好ましい実施例について図面を参照しながら説明したが、それらの実施例は単に例示のためのものであり、本発明を限定するものではないことを十分に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明による新規センサーのハードウエアの面と電子システムの面とを説明する図面である。
【図１Ｂ】本発明による新規センサーのハードウエアの面と電子システムの面とを説明する図面である。
【図２】図１Ａに示した検知容積の拡大斜視図である。
【図３】１つの電圧パルスに沿ってサンプリングがなされる多数のサンプリング点を示すグラフである。
【図４】本新規センサーがそれによってプログラムされうる複数のアルゴリズムのうちの１つをダイアグラムの形で示す。
【図５】浮浪粒子によって表される電圧パルスとカウントされるべき粒子によって表される電圧パルスを示し、かつ同時にノイズレベル電圧とベースライン電圧を示しているグラフである。
【図６】図３とほぼ同様なグラフであるが、図３の場合よりもはるかに迅速に１つの電圧パルスに沿ってサンプリングがなされる多数のサンプリング点を示す。
【図７】本新規センサーがそれによってプログラムされうる複数のアルゴリズムのうちの他の１つをダイアグラムの形で示す。
【図８】本新規センサーがそれによってプログラムされうる複数のアルゴリズムのうちのさらに他の１つをダイアグラムの形で示す。
【図９】ノイズが１つの粒子のパルス波形にいかに影響を及ぼしうるかを示すグラフである。
【符号の説明】
１０  粒子センサー
１１  光源
１３  光ビーム
１５  検知キャビティー
１７  光キリング−トラップ
１９  流体流し管
２１  流体流し管
２３  導入口
２５  排出口
２７  流路
２９  検知容積
３１  粒子
３３  浮浪粒子
３５  散乱光
３７  光ダイオード
３９  楕円ミラー
【図１Ａ】
0004545839.tif 000004
【図１Ｂ】
0004545839.tif 000005
【図２】
0004545839.tif 000006
【図３】
0004545839.tif 000007
【図４】
0004545839.tif 000008
【図５】
0004545839.tif 000009
【図６】
0004545839.tif 000010
【図７】
0004545839.tif 000011
【図８】
0004545839.tif 000012
【図９】
0004545839.tif 000013