JP2000500867A - 光ファイバケーブルを備えた粒子センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 新規な粒子センサ（１０）は、粒子（５９）を検定するために使用され、単数又は複数の発光レーザダイオード（１５）を含む光源（１１）を備えている。各々のダイオード（１５）からの光線（２９）は、別個の光ファイバ素線（２７ａ）であるのが好ましい可撓性のコンジット（２３）又は「光導管」（２７）に沿って伝達される。粒子センサ（１０）は、低電圧電源（１９）を備えていて、ダイオード（１５）を１−５ボルトのＤＣ電圧で駆動する。単一の又は束になった光ファイバ素線（２７ａ）からの光線（２９）は、収束レンズ（３１）によって収束されて、小さな粒子を検知するための強い光ビーム（４５）を発生する。設計上の柔軟性を改善するために、光源（１１）は、光ビームの長手方向軸線（４３）とは独立して設けることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 光ファイバケーブルを備えた粒子センサ発明の分野 本発明は、概略的に言えば、空気の品質に関し、より詳細に言えば、空気中浮 遊微粒子を検定するための機器に関する。発明の背景 流体流（例えば、空気流）の中に混入している粒子によって散乱される光線を 検知するために、粒子カウンタが使用されている。そのようなカウンタは、例え ば、部屋から空気（その中に混入された粒子を含んでいる）を吸引し、この空気 を管に沿って流して照射されたセンサ「観察体積」を通して、上記粒子の数及び サイズに関する情報を得る。そのような情報は、上記粒子が上記観察体積を通っ て移動する際に上記粒子によって反射されて「散乱」される極く微量の光線を分 析することにより、得られる。 上記カウンタは、上記空気及びこれに伴う粒子を、一方の管（入口チューブ） から開放空間（観察体積）を横断させて他方の管（出口チューブ）まで、特定の 流量（「立方フィート／分」として測定されることが多い）で上記観察体積を通 す。このタイプのカウンタにおいては、光線の散乱及び捕集を阻害する管壁は存 在していない（しかしながら、そのような管壁は透明にされる）。換言すれば、 粒子は、開放空間を通って「飛行」する際に、直径が極めて小さい光ビームによ って瞬間的に照明される。 他の用途もあるが、粒子カウンタは、特に、空気品質の目安を得るために使用 されて、ある特定の体積（例えば、立方メートル）の中に存在する粒子の数及び サイズに関する情報を提供する。人間が観察した場合には清浄に見える作業環境 （事務用の職場、製造設備等）であっても、かなりの数の顕微鏡的な空気中浮遊 粒子を含んでいる可能性がある。通常、そのような粒子は、そこに居る人間にと っては問題にならないが、ある種の製造作業においては大きな問題を生ずること がある。 例えば、半導体及び集積チップは、その中の空気が極めて良好に濾過される、 いわゆる「クリーンルーム」の中で製造される。実際に、クリーンルームは、通 常、極めて清浄な空気を用いて極く僅か加圧されていて、これにより、周囲環境 から粒子を含む空気がその中に侵入しないようになっている。また、半導体及び 集積チップの製造産業は、より小さい製品を製造する傾向に向かいつつある。 周知の粒子カウンタ及び粒子センサの欠点は、非常に小さい粒子（例えば、０ ．１ミクロンあるいはそれ以下）を検知しようとする場合に、及び／又は、比較 的大流量（例えば、１立方フィート／分）の空気流の中に存在する粒子を検知し ようとする場合に、明白になってきている。そのような粒子は非常に小さいので 、及び／又は、そのような粒子は比較的高速で移動する（従って、上記照明され た観察体積を迅速に通過する）ので、非常にわずかの光しか反射及び散乱を行わ ない。 明らかな解決策は、光ビームの強度を増大させ、これにより、極めて小さい及 び／又は高速で移動する粒子によって反射され且つ散乱される光の量を増大させ ることである。そのような努力は、逆効果であることが多いことが証明されてお り、その理由は、より強い光源が、より高いレベルの無秩序な電子ノイズ又は「 散弾」雑音を発生するからである。また、光ビームがより強くなるに従って、気 体分子によって散乱される光量は、観察体積の中に粒子が存在するか否かに関係 無く、増大する傾向がある。散弾雑音、並びに、気体分子によって散乱される光 量の増大により、粒子により散乱される光の効果が部分的に又は全体的に低下す る傾向がある。 プラズマ型の光源は、ほんの僅かであっても、作動の間にその出力の変動を 生ずる傾向があるということが、問題を更に複雑にする。その結果、気体分子に よって散乱される光量は、出力の変動に伴って変化する。プラズマ型の光源は、 粒子センサに広く使用されており、例えば、米国特許第４，２７３，４４３号（ Hogg）、米国特許第４，７２８，１９０号（Knollenberg）、及び、米国特許第 ４，７９８，４６５号（Knollenberg）に示される装置の一部を構成している。 流量の大きな極めて小さい粒子を検知するために使用される高出力プラズマ源 に関しては、上述の変動は、電子検知器に固有の散弾雑音又はノイズに比較して 、より大きな影響を与えることになる。そのような現象は、達成可能な感度を大 幅に制限する。そのような感度を改善するための一つの手法は、「減算回路」を 用いて、ノイズ、及び、粒子によって散乱された光の両方を表す信号からノイズ だけを表す電気信号を減ずることである。 また、プラズマ型の光源には、本発明の観点からは不必要な他の設計上の考慮 事項が存在する。例えば、そのような光源は、高電圧の電源を必要とし、「衝突 」を起こすために数千ボルト程度を必要とし、また、作動を継続するために数百 ボルト程度を必要とすることは、プラズマ源にとっては普通のことである。 他の設計上の考慮事項は、プラズマ光源のアラインメントを得てこれを維持す るために、注意深く設計された調節／取り付け装置を必要とすることである。そ のようなアラインメントは、観察体積におけるエネルギを最大限にするために重 要である。 プラズマ光源の使用に伴う他の設計上の考慮事項は、光ビーム軸の軌跡が、そ のような光源の一部を構成する比較的長い管体の位置によって決定されることで ある。光源と光ビームの軸線との間の相対的な位置に関して、エンジニアには、 設計上の柔軟性が殆ど与えられない。また、上述の管体又は管は、比較的嵩高で 、かなり容易にミスアラインメントを生ずる。 プラズマ型の光源の更に別の事実は、そのような光源は、鏡、及びいわゆるブ ルースターの窓を用いることである。そのような鏡及びブルースターの窓は共に 、 容易に汚染され、クリーニング作業を頻繁に必要とする可能性がある。 プラズマ型の光源は、通常の作動において、２乃至３年間の寿命を有するもの と予測される。そのような寿命は、機器のユーザにとって合理的に許容されるも のであったが、光源の寿命の改善は歓迎される事柄であろう。 周知の粒子センサの問題点及び欠点の幾つかを解消する改善された粒子センサ を提供することは、当業界に重要な進歩をもたらすことになろう。発明の目的 本発明の目的は、従来技術の問題点及び欠点の幾つかを解消する改善された粒 子センサを提供することである。 本発明の別の目的は、極めて小さな空気中浮遊粒子を検知する機能が改善され た粒子センサを提供することである。 本発明の更に別の目的は、（ある実施例において）一旦反射された光を用いて 粒子の検知を助け、これにより、信号強度を改善するように改善された粒子セン サを提供することである。 本発明の別の目的は、小さな空気中浮遊粒子を検知する範囲が広くなるように 改善された粒子センサを提供することである。 本発明の別の目的は、ノイズ減算回路を必要としないように改善された粒子セ ンサを提供することである。 本発明の別の目的は、実質的に定常状態の出力を示すように改善された粒子セ ンサを提供することである。 本発明の他の目的は、その光源を比較的低い電圧で駆動するように改善された 粒子センサを提供することである。 本発明の別の目的は、寿命が増大するように改善された粒子センサを提供する ことである。 本発明の更に別の目的は、小型で軽量になるように改善された粒子センサを提 供することである。 本発明の別の目的は、定期的なクリーニング作業を実質的に必要としないよう な複雑ではない光学系を有するように改善された粒子センサを提供することであ る。 本発明の更に別の目的は、良好なアラインメントを維持する構成部品を有する ように改善された粒子センサを提供することである。上述の及び他の目的がどの ように達成されるかは、以下の記載及び図面から明らかとなろう。発明の概要 本明細書で使用する「粒子カウンタ」という用語は、ハウジング、取り付け機 材、配線等の構成要素に加えて、センサを備えていて、小さな空気中浮遊粒子を カウントすなわち計数すると共に粒子径を決定するために使用される装置を意味 する。「センサ」という用語は、光源、並びに、粒子に反射された光を集めてそ のような反射光を電子パルスに「変換」するために使用される「機械部品（例え ば、鏡、レンズ、光検知器）」を意味する。 本発明は、空気中浮遊粒子を検定又は評価するための粒子カウンタを包含し、 そのような粒子を照明するための光源を備えている。一実施例においては、上記 光源は、複数の発光レーザダイオードを備えており、これら発光レーザダイオー ドは、平坦な形態とすることのできるダイオード支持基板に取り付けられるのが 好ましい。各々のレーザダイオードによって放出される光は、別個の光ファイバ 素線に沿って伝達されて、粒子を照明する。より詳細に言えば、上記光ファイバ 素線に沿って伝達される光は、収束レンズに導かれ、これにより、センサを通っ て粒子が移動する際に、粒子が通過する観察体積に光を収束させる。 この新規なカウンタは、プラズマ光源を全く備えておらず、また、そのような 光源のための高電圧電源も備えていない。この新規なカウンタは、バックグラウ ンドの「ノイズ」を表す一つの電気信号をバックグラウンド・ノイズ及び粒子に よって散乱された光の両方を表す他の電気信号から減じるためのノイズ減算回路 を備えていないので、極めて好ましい。 この新規なカウンタは、粒子によって散乱された光を反射する少なくとも１つ の鏡を含む集光装置を有するセンサも備えている。いずれの実施例も、所望の結 果をもたらす（すなわち、極めて小さい粒子の検知を行う）。一実施例において は、上記鏡は、主焦点（Major focal point）を有する楕円面鏡であり、上記セ ンサは、上記焦点に設けられていて粒子によって散乱された光を表す電気信号を 発生する光電検出器を備えている。（当業者は、光電検出器とは、ある形態のエ ネルギ（例えば、光）を他の形態のエネルギ（例えば、電気）に変換する装置で あるということを認識できよう。）。別の実施例においては、上記鏡は、非球面 レンズ構造に光を反射する球面鏡である。更に別の実施例は、複数の鏡を備えて おり、これら鏡は、少なくとも１つのマンジン鏡（Mangin mirror）と、該マン ジン鏡に光を反射する概ね平坦な鏡とを含んでいる。 本発明は、また、更に別の方法で考えることができる。この新規なセンサは、 光を各々放出する複数の装置を備える。電源が、１２０ボルトを超えない電圧、 より好ましくは、１５乃至２０ボルトを越えないＤＣ電圧の電力を上記各々の装 置に供給する。上記電源は、上記装置を約５ボルトのＤＣ電圧で駆動するのが最 も好ましい。（換言すれば、この新規なセンサは、プラズマ装置を光源として使 用する周知のセンサとは異なり、高電圧電源を必要としない。）。 複数の光導管が、束を形成し、上記各々の光導管は、別個の装置と束の終端部 との間に伸長している。各々の光導管に沿って伝達される光は、上記終端部付近 の収束レンズに導かれ、この収束レンズは、そのような光をセンサの観察体積に 収束させる。このセンサは、また、粒子によって散乱された光を集めるための集 光装置を備えており、上述のいずれか一つのタイプの装置は満足に使用すること ができる。 極めて好ましい実施例においては、各々の光導管は、光ファイバ素線を備えて いる。ある変形例においては、上記束は、粒子を照明する光ビームが伸長する軸 線に対して実質的に平行である。別の変形例においては、上記束は、湾曲した経 路を形成する。本センサは、プラズマ光源を全く備えておらず、また、１２０ボ ルトを超える電圧で光源を駆動する電線も備えていない。 本発明の別の特徴は、粒子センサ、並びに、そのようなセンサを使用するカウ ンタに使用される光源を包含する。そのような光源は、単一のダイオードの如き 電気的に駆動される装置と、該装置から終端部まで光を導く単一の光ファイバ素 線の如き可撓性の光導管とを備えている。より特定の特徴においては、上記光導 管は、入側端を有しており、上記装置からの光は、上記入側端に入って、上記終 端部から出る。上記光源は、ブルースターの窓（プラズマ型の光源で使用される ような）を備えておらず、１２０ボルトよりも十分に低い電圧で作動する。 本発明のこれ以上の細部は、以下の詳細な説明及び図面に示されている。図面の簡単な説明 図１は、レーザダイオードのアレイを含む一実施例の光源を大きく拡大して示 す平面図である。 図２は、単一のレーザダイオードを含む別の実施例の光源を大きく拡大して示 す平面図である。 図３は、新規な粒子センサの一実施例を単純化して示す斜視図である。図面を 明瞭にするために、幾つかの部品（例えば、センサハウジング）が省略されてお り、また、光線の経路が分離されている。 図４は、新規な粒子センサの別の実施例を単純化して示す斜視図である。図面 を明瞭にするために、幾つかの部品が省略され、また、光線の経路が分離されて いる。 図５は、新規な粒子センサの更に別の実施例を単純化して示す平面図である。 図面を明瞭にするために、幾つかの部品が省略されていると共に、他の部品が破 断されており、また、光線の経路が分離されている。 図６は、新規なセンサの更に別の実施例を単純化して示す平面図である。図面 を明瞭にするために、幾つかの部品が省略されていると共に、他の部品が破断さ れており、また、光線の経路が分離されている。 図７は、粒子センサ及び別個に取り付けられた光源を収容する機器キャビネッ トの概略図である。好ましい実施例の詳細な説明 新規なセンサ１０を説明する前に、このセンサ１０に使用される新規な光源１ １の幾つかの特徴を理解することは有用であろう。最初に図１を参照すると、光 源１１は、電気的に駆動されて光を放出する装置１３である。好ましい実施例に おいては、装置１３は、概ね平坦な支持基板１７の上に「線状」に取り付けられ た複数のレーザダイオード１５から成るアレイ１４を備えている。（線状のアレ イ１４が示されているが、他の構造（例えば、マトリックス配列）を用いること もできる。）。ダイオード１５は、低電圧電源（例えば、１−５ボルトのＤＣ電 源）１９に並列に接続されている。 図２の実施例においては、装置１３は、基板１７に支持された単一のレーザダ イオード１５を備えている。導線２１が、上記ダイオード１５を電源１９に接続 している。（所要（例えば、２０−３０ワット程度）の出力を有する単一のレー ザダイオード１５が現時点において入手可能かどうかは分からないが、そのよう なダイオードの開発は可能であるように思われる。本発明は、そのような開発を 予期している。）。 光源１１は、装置１３から終端部２５まで光を導く可撓性のコンジット２３も 備えている。好ましい実施例においては、コンジット２３は、別個の光導管２７ を備えており、この光導管は、例えば、各々のダイオード１５から終端部２５ま で光を導く光ファイバ素線２７ａとすることができる。光源１１は、また、終端 部２５に設けられるレンズ３１を備えるのが好ましく、このレンズは、各々の光 導管からの光線２９を粒子センサ１０の「観察体積」３５の共通の焦点３３に収 束させる。（当業者は、粒子センサ１０に関連して使用される観察体積という用 語は、光ビームとセンサ１０を通って移動する粒子の経路とが交差する点に位置 する空間的な領域を意味していることを理解することができよう。）。 ここで図３も同時に参照して、新規なセンサ１０の好ましい実施例を説明する 。図１のアレイ型の光源ＩＬ又は、図２の単一のダイオードから成る光源１１は 、囲壁３７の中に設けられており、この囲壁は、粒子カウンタ４１のハウジング ３９の中に容易に取り付けられるように構成されている。（ハウジング３９及び カウンタ４１は、図３の光源とは若干異なる光源１１を含んでいる図７に示され ている。）。束になった複数の光ファイバ素線２７ａから成る短いコンジット２ ３が、上記囲壁３７から終端部２５まで伸長しており、各々の素線２７ａの光は 、上記終端部から出て、レンズ３１の如き集光系に入る。（本明細書で使用され る「レンズ」という用語は、光を収束させるための１又はそれ以上の光学装置を 意味している。）。この実施例においては、コンジット２３及び素線２７ａは、 ビーム軸線４３に対して実質的に平行である。 レンズ３１は、光線２９を収束させて、直径が極めて小さく非常に強い光ビー ム４５を形成する。このビーム４５は、少なくとも１つの鏡４９を有する集光装 置４７に導かれる。図３の集光装置４７は、楕円面鏡４９を備えており、上記ビ ーム４５は、上記鏡４９の入側開口５１から、センサの観察体積３５（上記鏡４ ９の従焦点（Minor focal point）に位置している）を通って、鏡４９の出側開 口５３から出る。粒子から鏡４９に反射されない光（後に説明する）は、光トラ ップ５５によって「消滅」される。 空気清浄度が監視されている部屋の空気が、管５７の中に吸引されて観察体積 ３５を通って流れ、ある流量（約１立方フィート／分又はそれ以上）で管５８か ら出る。上記空気流中に混入している粒子５９は、上記観察体積３５を通って飛 行して光ビーム４５を横断する。各々の粒子５９は、光線を鏡４９に反射させ、 光線はその後、鏡４９の主焦点（Major focal point）に位置する光電検出器６ １に到達する。その結果センサ１０から生ずる電気的な出力信号を分析して、粒 子のサイズ及び数に関する情報を出力する。 図４の実施例においては、長いコンジット２３、及び、該コンジット２３を形 成する１又はそれ以上の光ファイバ素線２７ａが、矢印６３で示す湾曲した経路 を形成している。勿論、素線２７ａは、図３の実施例の場合とは異なり、その全 長にわたってビーム軸線４３に対して平行ではない。 図５及び図６は、新規な光源１１と共に使用することのできる集光センサ１０ の他の構造を示している。図５の構成においては、観察体積３５の中の粒子５９ によって下方（図５で見て）に反射された光線２９は、非球面収束レンズ６５に よって収束される。この収束された光は、光検知器６１によって感知され、該光 検知器の電気的な出力信号は、上述のように分析される。観察体積３５の中の粒 子によって上方に反射された光線２９は、球面鏡６７に衝突する。この球面鏡は 、上記光線２９を非球面収束レンズ６５に再指向する。 図６の集光装置４７は、一組のマンジン鏡６９を備えており、これらマンジン 鏡は、観察体積３５の中の粒子５９によって上方（図面で見て）に反射された光 線を集める。そのような光線２９は、反射されて光検知器６１に導かれる。粒子 ５９によって下方に反射された光線２９は、第２の組のマンジン鏡６９ａと協働 する平面鏡７１によって反射される。上記第２の組のマンジン鏡は、上記光線２ ９を反射して、上記第１の組のマンジン鏡６９に再指向し、そのような光線はそ の後、検知器６１に到達する。 設計上の柔軟性も図７に示されている。図７においては、カウンタ４１の機器 キャビネット７３が、粒子センサ１０を収容しており、光源１１は収容していな い。別個に取り付けられた光源１１は、上記キャビネット７３から離れて設けら れている囲壁３７を有している。これにより、囲壁３７から放射される熱は、セ ンサ１０から絶縁される。光は、囲壁３７から光導体２３に沿ってセンサ１０へ 導かれる。 本明細書で使用する「アレイ」という用語は、各々電気的に駆動されて光を放 出する２又はそれ以上の「発光体（例えば、ダイオード１５）」がグループとし て設けられている状態を意味している。 本発明の原理をほんの数例の実施例に関して図示し且つ説明したが、そのよう な実施例は例示的なものであって限定的なものではないことを明確に理解する必 要がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クライケバウム，ゲルハード アメリカ合衆国．92404 カリフォルニア, サンバーナーディノ，ブロードムーア ブ ールヴァード 3408

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．粒子を照射するための光源を備えていてそのような粒子を検定するため の粒子センサであって、 前記光源は、複数の発光レーザダイオードを含んでおり、 前記各々のレーザダイオードから放出される光が、別個の光ファイバ素線に沿 って伝達されて前記粒子を照射する、ように構成されたことを特徴とする粒子セ ンサ。 ２．請求項１に記載の粒子センサにおいて、 前記光源は、軸線に沿って光ビームを供給し、 前記光ファイバ素線は、前記軸線に対して実質的に平行である、ように構成さ れたことを特徴とする粒子センサ。 ３．請求項１に記載の粒子センサにおいて、 前記光ファイバ素線が湾曲した経路を形成する、ように構成されたことを特徴 とする粒子センサ。 ４．請求項１に記載の粒子センサにおいて、 前記光ファイバ素線が直線的な経路を形成する、ように構成されたことを特徴 とする粒子センサ。 ５．請求項１に記載の粒子センサにおいて、 前記光ファイバ素線に沿って伝達される光は、少なくとも１つのレンズに導か れ、これにより、前記光は観察体積に収束される、ように構成されたことを特徴 とする粒子センサ。 ６．請求項１に記載の粒子センサにおいて、 前記レーザダイオードは、１０ボルトよりも低い電圧を有する低電圧電源によ って駆動される、ように構成されたことを特徴とする粒子センサ。 ７．請求項１に記載の粒子センサにおいて、 更に、前記粒子によって散乱された光を反射する少なくとも１つの鏡を有する 集光装置を備えることを特徴とする粒子センサ。 ８．請求項７に記載の粒子センサにおいて、 前記鏡は、主焦点（Major focal point）を有する楕円面鏡であり、当該粒子 センサは、前記焦点に設けられている光電検出器を備えており、該光電検出器は 前記粒子によって散乱された光を表す電気信号を発生する、ように構成されたこ とを特徴とする粒子センサ。 ９．請求項７に記載の粒子センサにおいて、 前記鏡は、少なくとも１つの非球面レンズに光を反射させる球面鏡であること を特徴とする粒子センサ。 １０．請求項７に記載の粒子センサにおいて、複数の鏡を備えており、 これら複数の鏡は、 少なくとも１つのマンジン鏡と、 該マンジン鏡に光を反射させる概ね平坦な鏡とを含むことを特徴とする粒子セ ンサ。