JP2006153709A - 浮遊粒子分析装置および浮遊粒子分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 浮遊粒子の比重が特定可能な浮遊粒子分析装置および浮遊粒子分析方法の提供を課題とする。
【解決手段】 本発明において、分級管１３によって浮遊粒子を質量ごとに分散させ、撮影することにより、浮遊粒子の径ｄと位置ｘとを取得することができる。そして、径ｄと位置ｘと比重ρとの対応関係を予め用意しておくことにより、径ｄと位置ｘとから比重ρを推定することができる。このようにすることにより、物質固有の比重ρを得ることができるため、浮遊粒子の素材や発生源を容易に特定することができる。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、流体中に浮遊する浮遊粒子についての分析を行う浮遊粒子分析装置および浮遊粒子分析方法に関する。

従来、この種の浮遊粒子分析装置として、気流に静電界を印加することにより浮遊粒子の粒径に依存した軌道をとらせ、その軌道毎に浮遊粒子の数量を計測することで同浮遊粒子の粒径分布を特定するものが知られている。（例えば、特許文献１、図１、参照。）。
かかる構成によれば、浮遊粒子の粒径分布を得ることができるため、浮遊粒子の特性や出所をある程度特定することができた。
特開２００３−１９４７００号公報

しかしながら、上述したような従来の浮遊粒子分析装置において、浮遊粒子の粒径分布は特定できるものの、浮遊粒子の比重を特定することができないという課題があった。クリーンルームやクリーンマシーン等における浮遊粒子の分析において、その比重を特定することは浮遊粒子の発生源や発生原因を調査する上で重要な手がかりとなる。浮遊粒子の比重が分かれば、ほぼ一義的に浮遊粒子の成分が特定できるからである。浮遊粒子の成分が判別できれば、その成分を使用している部位を絞り込み、不具合箇所を特定することができる。

これに対して、浮遊粒子の粒径のみが特定できても、浮遊粒子の大きさが分かるのみで、浮遊粒子の成分を特定することができない。なお、クリーンルームやクリーンマシーン等における浮遊粒子の発生源や発生原因の調査においては、浮遊粒子を採取し、同浮遊粒子の成分をＦＴ−ＩＲ等といった成分分析手法を用いて特定しなければならず、非常に煩雑であった。
本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、浮遊粒子の比重が特定可能な浮遊粒子分析装置および浮遊粒子分析方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明では、流体中に浮遊する浮遊粒子についての分析を行う浮遊粒子分析装置において、
上記流体をコーナーに沿って湾曲させることにより、上記浮遊粒子を質量に応じて同コーナーの下流に設けられた検出エリア上の異なる位置に分散させる分級手段と、上記検出エリアを撮像する撮像手段と、この撮像手段にて撮像されたイメージから上記浮遊粒子の径と、同浮遊粒子の上記検出エリア上における位置とを特定する浮遊粒子検出手段と、上記浮遊粒子の径と上記検出エリア上における位置とから上記浮遊粒子の比重を推定する比重推定手段とを具備する構成としてある。

上記のように構成した請求項１の発明において、分級手段は浮遊粒子が混在する流体を所定のコーナーに沿って湾曲させる。上記コーナーにおいて上記流体は同コーナーに沿って湾曲しようとするが、上記浮遊粒子には湾曲以前の進行方向の慣性力がその質量に応じて作用しているため、同浮遊粒子は質量毎に異なる軌道をとることとなる。従って、上記浮遊粒子は、上記コーナーの下流に設けられた検出エリアにおける異なる位置に到達し、質量毎に分散することとなる。撮像手段は、上記検出エリアを撮像する。浮遊粒子検出手段は、この撮像手段にて撮像されたイメージから上記浮遊粒子の径と、同浮遊粒子の上記検出エリア上における位置とを特定する。

上記分級手段によって上記浮遊粒子は質量毎に異なる軌道をとるため、上記浮遊粒子の上記検出エリア上における位置と上記浮遊粒子の質量とは相関するといえる。また、上記浮遊粒子の径と同浮遊粒子の体積も相関するといえるため、上記浮遊粒子の径と上記検出エリア上における位置とから単位体積あたりの質量を意味する上記浮遊粒子の比重を推定することができる。比重は物質固有の値であるため上記浮遊粒子の比重から、同浮遊粒子の成分を特定することができる。

また、請求項２にかかる発明は、上記分級手段は、上記浮遊粒子が上記コーナーを通過する際の同コーナーに対する同浮遊粒子の距離を一定化させる初期化手段を備える構成としてある。
上記のように構成した請求項２の発明において、初期化手段は上記浮遊粒子が上記コーナーを通過する際の同コーナーに対する同浮遊粒子の距離を一定化させる。このようにすることにより、上記コーナーが上記浮遊粒子の軌道に与える影響を均一化させることができる。

さらに、請求項３にかかる発明は、上記初期化手段は、上記流体が旋回する際の上記浮遊粒子に作用する遠心力により上記浮遊粒子を一定位置に幅寄せする構成としてある。このようにすることにより、上記浮遊粒子のみを幅寄せすることができ、上記流体の圧力損失等を軽減することができる。
上記のように構成した請求項３の発明において、上記初期化手段が上記流体を旋回させることにより、上記流体に浮遊する上記浮遊粒子を遠心方向に幅寄せすることができる。上記浮遊粒子を幅寄せすることにより、上記コーナーを通過する際の同コーナーに対する同浮遊粒子の距離を一定化させることができる。

さらに、請求項４にかかる発明は、上記初期化手段は、上記コーナーに対する噴出位置が一定である細孔ノズルに上記流体を通過させる構成としてある。
上記のように構成した請求項４の発明において、上記流体が上記コーナーを通過するにあたり、予め同コーナーに対する噴出位置が一定である細孔ノズルに上記流体を通過させておく。これにより、上記浮遊粒子と上記流体が上記コーナーに対して一定位置を通過するようにすることができる。また、上記細孔ノズルにて上記流体を噴出させることにより、同流体を乱流とすることができる。

また、請求項５にかかる発明は、上記分級手段は、上記検出エリアにおける上記流体の速度差を緩和する同流体の補助流域を具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項５の発明において、上記流体の流路に補助領域を設けることにより、上記検出エリアにおける上記流体の速度差を緩和することができる。

さらに、請求項６にかかる発明は、上記流体の流量を検出する流量検出手段と、上記流量と上記浮遊粒子検出手段にて特定された上記浮遊粒子の個数とから同流体単位体積当たりの同浮遊粒子数を特定するパーティクルカウント手段を具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項６の発明において、上記流体の流量と、上記浮遊粒子の個数をそれぞれ検出すれば、こられから上記流体単位面積当たりの同浮遊粒子数を特定することができる。すなわち、上記浮遊粒子装置をパーティクルカウンタとしても機能させることができる。

さらに、請求項７にかかる発明は、上記撮像手段は、進行する上記流体を横切るように照射された平行光を受光する複数の撮像素子を具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項７の発明において、進行する上記流体を横切るように平行光を照射し、この平行光を受光することにより上記検出エリアを撮像することができる。すなわち、上記平行光が通過する領域が上記検出エリアとなる。そして、上記平行光が上記流体を横切る間に上記浮遊粒子に行きあたった場合には、同浮遊粒子によって平行光が遮断され、対応する撮像素子においては受光されない。従って、受光されない上記撮像素子が存在することをもって上記浮遊粒子の存在、および、その位置を検出することができるし、受光されない同撮像素子の数によって同浮遊粒子の径を特定することができる。

さらに、請求項８にかかる発明は、上記撮像素子は上記検出エリアにおける上記流体の進行方向に直交し、かつ、上記コーナーにおける上記流体の侵入方向と平行となる線状に配列する構成としてある。
上記のように構成した請求項８の発明において、上記撮像素子を線状に配列させたラインセンサを使用しても良い。上記撮像素子を上記検出エリアにおける上記流体の進行方向に直交する線状に配列させることにより、同流体の流れに直交する面状の上記検出エリアを形成することができる。さらに、上記撮像素子を上記コーナーにおける上記流体の侵入方向と平行となる線状に配列することにより、同侵入方向に作用する上記浮遊粒子の慣性力によって同浮遊粒子が分散される方向に複数の同撮像素子を配列することができる。

また、上述した浮遊粒子分析の手法は、方法としても適用可能であり、請求項９にかかる発明においても、基本的には同様の作用となる。むろん、請求項２〜請求項８に記載された構成を請求項９の方法に対応させることも可能である。

以上説明したように、請求項１および請求項９にかかる発明によれば、浮遊粒子の比重が特定可能な浮遊粒子分析装置および浮遊粒子分析方法を提供することができる。
また、請求項２にかかる発明によれば、正確な分級を実現することができる。
さらに、請求項３にかかる発明によれば、流体の圧力損失を低減できる。
また、請求項４にかかる発明によれば、細孔ノズルにて乱流を起こし、コーナーにおけるコアンダ効果を効果的に発揮させることができる。

また、請求項５にかかる発明によれば、検出エリアの部位毎の検出結果に時間的なずれが発生することが防止できる。
さらに、請求項６にかかる発明によれば、パーティクルカウンタとしても機能させることができる。
また、請求項７にかかる発明によれば、遮光状態から浮遊粒子の通過を検出できる。
さらに、請求項８にかかる発明によれば、ラインセンサによって浮遊粒子を検出できる。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
（１）浮遊粒子分析装置の構成：
（２）浮遊粒子分析装置の動作：
（３）変形例：
（４）まとめ：

（１）浮遊粒子分析装置の構成：
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる浮遊粒子分析装置の概略構成を示している。同図において、浮遊粒子分析装置１００は、測定ユニット１０と分析用コンピュータ（ＰＣ）５０とから構成されている。浮遊粒子分析装置１００は、略密閉空間であるクリーンルーム２０の内部に浮遊する粒子を分析するために備えられている。クリーンルーム２０の内部にはファン２０ａが備えられており、内部と外部とを連通させる吸気口４０が設けられている。そして、ファン２０ａが駆動することによりクリーンルーム２０の内部に負圧を生じさせ、吸気口４０から内部に空気を吹き込ませることが可能となっている。さらに、吸気口４０にＨＥＰＡフィルター等を備えることにより、流入空気を清浄化し、クリーンルーム２０内にゴミや塵等の粒子が混入しないようになっている。

ファン２０ａが駆動することにより排気ダクト３０にクリーンルーム２０の内部の空気が送出される。排気ダクト３０は略筒状に形成されており、先端から外部に空気を排出することが可能となっている。測定ユニット１０は排気ダクト３０に併設されている。なお、クリーンルーム２０の内部においては半導体部品の製造や塗装等の不純物を嫌う作業が行われている。むろん、浮遊粒子分析装置１００を半導体部品の製造装置や塗装装置等のクリーンマシーンに設置してもよいし、これらの装置に組み込んでもよい。また、クリーンルーム２０は排気ダクト３０にて排気を行うことができればよく、上述したものと異なる空気循環システムを採用してもよい。

図２は、浮遊粒子分析装置１００の外部構成を斜めから見て示している。同図において、測定ユニット１０は、吸気管１１から始まり、排気管１５にて終端する一続きの管路を構成しており、排気ダクト３０に取り付けられている。測定ユニット１０の両端に設けられた吸気管１１と排気管１５とが排気ダクト３０の内部と連通している。排気管１５には調整ファン１６が備えられている。調整ファン１６が駆動することにより、吸気管１１と排気管１５との圧力差が排気ダクト３０における吸気管１１と排気管１５との接続部位の圧力差と同等とされている。従って、排気ダクト３０と同様に測定ユニット１０にクリーンルーム２０の排気を流通させることが可能となっている。

吸気管１１の一端は排気ダクト３０に接続しており、もう一端は略円筒状に形成されたサイクロン容器１２に接続している。図３は、サイクロン容器１２を斜めから見て示している。同図において、本発明の初期化手段を構成するサイクロン容器１２の下端に吸気管１１の一端が接続し、同サイクロン容器１２の上端には分級管１３の一端が接続している。吸気管１１はサイクロン容器１２に対して反時計回りに空気を吹き込んでおり、分級管１３はサイクロン容器１２の接線方向に空気を導出することが可能となっている。

サイクロン容器１２の内部には、断面ドーナツ状の中空空間１２ａが形成されており、吸気管１１から同中空空間１２ａに吹き込まれた空気は反時計回りに旋回させられる。さらに、サイクロン容器１２の中空空間１２ａには螺旋状の案内壁面１２ｂが備えられている。従って、吸気管１１から中空空間１２ａに吹き込まれた空気が案内壁面１２ｂに沿うように旋回しつつ、分級管１３が接続されたサイクロン容器１２の上端に到達する。この上端においても空気が反時計回りに旋回するため、その接線方向に接続された分級管１３に対してまっすぐ空気を導出することができる。

このように、サイクロン容器１２には空気を旋回させることにより、空気中の浮遊粒子に遠心力を付与することができるため、同浮遊粒子をサイクロン容器１２の外径付近に幅寄せしておくことができる。なお、サイクロン容器１２に所定の高さを設け、螺旋状の案内壁面１２ｂを形成することにより、旋回流路を長くすることができ、確実に浮遊粒子を幅寄せすることができる。また、サイクロン容器１２によれば一様な流路断面を確保することができるため、測定ユニット１０全体の圧力損失を軽減することができる。従って、調整ファン１６を小型化することができる。

本発明の分級手段を構成する分級管１３では、サイクロン容器１２の外径壁面と接続する側の初期壁面１３ａに浮遊粒子が集中させることができる。図２において、分級管１３は、浮遊粒子が集中される初期壁面１３ａを内側にして略Ｌ字状に屈曲させられている。図４は、分級管１３の水平断面を見て示している。同図において、初期壁面１３ａ側を内側としてコーナー１３ｃにて、空気の流路が略直角に屈曲されている。分級管１３の屈曲前後において空気の流路面積は一定となるように形成ているが、コーナー１３ｃと対抗する部位については幅を広く形成することにより、流路面積が拡大された補助流域１３ｄが設けらている。

図２において、分級管１３が屈曲した後には直線筒状の分級部１３ｂが設けられており、分級部１３ｂは略箱状の測定部１４の内部に導入されている。測定部１４の筐体は遮光素材によって形成されている。分級部１３ｂにおける測定部１４の内部に導入された部位には、分級部１３ｂに対して直交する平面状の検出エリアＲが設けられている。図５は検出エリアＲを斜めから見て示し、図６はエリアＲ付近の分級部１３ｂの鉛直断面を見て示している。両図において、分級管１３の壁面は遮光性を有する素材で形成されており、同壁面における検出エリアＲの両端部位にはそれぞれ線状のスリット１３ｂ１，１３ｂ２が形成されており、同スリット１３ｂ１，１３ｂ２が形成された部位においてのみ外部から光の授受を行うことが可能となっている。

図６において、分級管１３のスリット１３ｂ１が形成された壁面に沿うように光源ユニット１４ｂが備えられている。光源ユニット１４ｂはスリット１３ｂ１に線状の平行光を供給するために備えられており、所定の電源を得て発光するレーザー光源等の光源部１４ｂ１と、ノンガウスレンズ１４ｂ２と、三角プリズム１４ｂ３とから構成されている。光源部１４ｂ１は点光源であるものの発光された光がノンガウスレンズ１４ｂ２と三角プリズム１４ｂ３とを経ることにより平行光に変換されるとともに、検出エリアＲに沿う方向に屈曲される。なお、図５は検出エリアＲに沿って進行する平行光を破線によって示している。むろん、平行光を発生させるための光学系は、上述したものに限られず、他の光学系を利用してもよい。例えば、球面平凸レンズや長尺プリズムロッド等を利用して平行光を生成してもよい。

スリット１３ｂ１を通過して分級部１３ｂの内部に入射した平行光は検出エリアＲに沿って鉛直に進行し、もう一方のスリット１３ｂ２に入射する。すなわち、線状スリット１３ｂ１とスリット１３ｂ２との間を平行光が通過することにより、分級部１３ｂに直交する光路面が形成される。なお、この光路面を検出エリアＲというものとする。一方、スリット１３ｂ２から分級部１３ｂの外部に導出される平行光を待ち受ける部位に複数の撮像素子１４ａ１を線状に配列させたＣＣＤラインセンサ１４ａが備えられている。複数のＣＣＤ撮像素子１４ａ１はスリット１３ｂ２に沿う方向に例えば７μｍピッチで配列されており、それぞれが平行光を入射し、それに応じてそれぞれ電荷を生成させることが可能となっている。この電荷は、順次、分析用ＰＣ５０に送り出される。

図２において、分級部１３ｂにおける検出エリアＲの下流部位は再び測定部１４の外側に導出されており、当該部位には流量計１７が備えられている。流量計１７は当該部位を通過する空気の流量を測定することが可能であり、例えば質量流量計や容積流量計や渦流量計や超音波流量計等を適用することができる。なお、測定ユニット１０は一続きの管路であり空気が大きな状態変化をすることもないため、流量計１７における測定流量が測定ユニット１０全体の流量を示すと考えてよい。流量計１７が取り付けられた部位のさらに下流には上述した調整ファン１６が備えられており、調整ファン１６の下流には排気管１５が接続されている。

図７は、分析用ＰＣ５０の概略構成を模式的に示している。分析用ＰＣ５０は汎用的なコンピュータであり、主要な構成としてＣＰＵ５１とＲＡＭ５２とＲＯＭ５３とハードディスク（ＨＤＤ）５４を備えている。ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５３やＨＤＤ５４に記憶されたプログラムを読み出して、ＲＡＭ５２をワークエリアとして利用しつつ同プログラムにしたがった演算処理を実行させる。なお、ＲＡＭ５２にはＣＣＤラインセンサ１４ａによって撮影された画像データを一時的に記憶するデータエリアも割り当てられている。そして、ＣＰＵ５１が演算処理をして得られた分析結果等のデータがＨＤＤ５４に記憶される。

ＣＰＵ５１には、各種インターフェイス（Ｉ／Ｆ）５５，５６，５７を介して測定ユニット１０の流量計１７と光源ユニット１４ｂとＣＣＤラインセンサ１４ａとが接続されている。また、ビデオＩ／Ｆ５８を介してディスプレイ５９も接続されており、分析結果等を映像によって使用者に伝達することが可能となっている。むろん、ディスプレイ５９以外の出力装置としてプリンタ等を接続し、印刷媒体によって分析結果等を記録してもよい。

（２）浮遊粒子分析装置の動作：
クリーンルーム２０のファン２０ａは断続的に駆動しており、測定ユニット１０には断続的に排気が流入する。このとき、調整ファン１６が駆動され測定ユニット１０の負圧が制御される。分析用ＰＣ５０においては浮遊粒子分析用のプログラムが実行されており、同プログラムを実行するＣＰＵ５１の指令によって流量計１７と光源ユニット１４ｂとＣＣＤラインセンサ１４ａが常時動作させられている。ＣＣＤラインセンサ１４ａは、複数のＣＣＤ撮像素子１４ａ１における撮影と、電荷の送出とを繰り返し行っている。各ＣＣＤ撮像素子１４ａ１から送出された電荷はＩ／Ｆ５７を介して増幅やＡ／Ｄ変換され、各ＣＣＤ撮像素子１４ａ１に対応した複数の画素データからなるデジタル画像データが生成される。すなわち、各ＣＣＤ撮像素子１４ａ１が受光した光量に対応する階調を各画素が有する画像データが生成される。なお、ＣＣＤラインセンサ１４ａにおける撮影と画像データの生成との繰り返し周波数を意味するスキャン周波数は、例えば１．０ＭＨｚとされている。

図４において、コーナー１３ｃに到達した空気は分級管１３の形状に沿って湾曲気流となる。初期壁面１３ａに沿って進行する浮遊粒子も気流の湾曲とともに進行方向を転換しようとする。しかしながら、浮遊粒子は空気よりも質量が大きく作用する慣性力が大きいため、湾曲気流との摩擦力に抗して直進しようとする。特に、質量が大きい浮遊粒子においてはコーナー１３ｃ到達直前の初速が維持され、初期壁面１３ａに沿った方向の飛翔距離が長くなる。一方、質量が小さい浮遊粒子においてはコーナー１３ｃ到達直前の初速が空気との摩擦によって打ち消され、初期壁面１３ａに沿った方向の飛翔距離が短くなり、分級部１３ｂの内側壁面に沿った位置を進行することとなる。なお、浮遊粒子の形状等も飛翔距離に影響するが、慣性力の寄与が大きいため、質量に応じて浮遊粒子が分散されると考えてよい。

このように、分級管１３における屈曲後の分級部１３ｂにおいては幅方向に質量の異なる浮遊粒子を分散させることができる。そして、分級部１３ｂにおいて幅方向に質量の異なる浮遊粒子が分散する気流は、分級部１３ｂに沿って整流され、そのまま検出エリアＲに直交する。なお、気流の湾曲箇所に補助流域１３ｄを形成することにより、空気の密度の偏りが緩和されるため、検出エリアＲに流れ込む気流の速度を均一化することができる。一方、検出エリアＲにおいて平行光は鉛直に走査するため、図８に示すように水平方向に分散された浮遊粒子を垂直に投影した画像をＣＣＤラインセンサ１４ａにて撮像することが可能となっている。言い換えれば、ＣＣＤラインセンサ１４ａの各ＣＣＤ撮像素子１４ａ１は分級管１３による浮遊粒子の分散方向に分布しており、ＣＣＤラインセンサ１４ａによる画像データから浮遊粒子の分散状態を取得することが可能となっている。

同図において、検出エリアＲにおけるコーナー１３ｃ側に軽い浮遊粒子が分布し、コーナー１３ｃの反対側に重い浮遊粒子が分布する。また、浮遊粒子が位置する部位については平行光が遮光されるため、対応する位置の各ＣＣＤ撮像素子１４ａ１においては平行光が受光されない。従って、画像データにおいて受光されなかった画素を特定することにより、浮遊粒子が通過したことと、同浮遊粒子の重さを特定することができる。なお、サイクロン容器１２によってコーナー１３ｃに対する浮遊粒子の位置が揃えられているため、浮遊粒子ごとに分散前の初期位置が分散後の位置に影響を与えることはない。また、サイクロン容器１２のような長い経路を流通する間に浮遊粒子が気流に追従して進行するため、各浮遊粒子がコーナー１３ｃに到達する際の初期速度も一定であると考えることができる。

図９は、ＣＣＤラインセンサ１４ａによって撮影された画像データを模式的に示している。例えば、同図下段に示すような形状の浮遊粒子が検出エリアＲを通過したとする。図８に示したように浮遊粒子によって平行光が遮光されるため、浮遊粒子が検出エリアＲを通過する際には浮遊粒子が投影されるＣＣＤ撮像素子１４ａ１においては光が受光されない。従って、画像データにおいては受光されないＣＣＤ撮像素子１４ａ１に対応する画素が低階調となる。同図上段では、所定の閾値よりも低階調となる画素を黒く示し、同閾値よりも低階調となる画素を白く示している。

ＣＣＤ撮像素子１４ａ１の配列方向に対して垂直に平行光が入射するため、受光されないＣＣＤ撮像素子１４ａ１の幅方向位置を浮遊粒子が通過したと考えることができる。従って、画像データにおける黒画素の位置から浮遊粒子の通過位置を特定することができる。画像データにおける黒画素の連続数によって浮遊粒子の径を特定することができる。例えば、７μｍピッチでＣＣＤ撮像素子１４ａ１が配列し、黒画素が５画素連続した場合には、３５μｍの径を有する浮遊粒子が検出エリアＲを通過したと考えることができる。一方、ＣＣＤラインセンサ１４ａにおけるスキャン周期は１．０ＭＨｚであるため、時間的に不連続な画像データが生成されることとなる。

例えば、図９下段に示す浮遊粒子が０．１ｍ／ｓｅｃで検出エリアＲを通過したとすると、浮遊粒子が０．１μｍ進行するごとにＣＣＤラインセンサ１４ａにて撮影が行われ、それぞれのタイミングで画像データが生成されることとなる。図９上段では１００フレームごとの画像データを模式的に示している。１００フレームごとに撮影される画像は、同図下段に示すように浮遊粒子を１０ｕｍずつずらして撮影した画像と同様となる。従って、浮遊粒子の全体にわたって径を検出することができる。

図１０は、順次生成される画像データから浮遊粒子の径を特定するための処理の流れを示している。同図において、ステップＳ１００にて画像データが取得される。上述したとおりＣＣＤラインセンサ１４ａのスキャン周波数は１．０ＭＨｚであり、これに追従するようにＣＰＵ５１が画像データを生成し、ＲＡＭ５２に同画像データを更新させる。ステップＳ１１０においては画像データにおいて所定の階調を満たさない黒画素があるかどうかが判断され、ない場合には再びステップＳ１００にて次のフレームデータを取得する。一方、黒画素が検出された場合にはステップＳ１２０にて、同黒画素の位置と径を検出する。図９上段の例のように複数の黒画素が連続する場合には、これらをひとまとまりとして以降の処理を行う。すなわち、ＣＣＤ撮像素子１４ａ１のピッチに黒画素群の連続数を乗算することにより径を算出するとともに、連続する黒画素群の中心の画素に対応するＣＣＤ撮像素子１４ａ１の位置を特定する。

図９上段では、１００フレーム目から２００フレーム目の間のいずれかの画像データにおいて初めて黒画素（群）が検出され、ステップＳ１２０が実行される。それ以前においては、ステップＳ１００とステップＳ１１０とが繰り返される。ステップＳ１３０においては、今回検出された黒画素（群）が前フレームで検出された黒画素（群）と同じ位置であるかどうかが判断される。今フレームまたは前フレームにおいて連続する黒画素群が検出された場合には、黒画素群に含まれるいずれかの黒画素の位置が一致する場合に同じ位置であると判断する。図９上段の例では、２００フレーム目から５００フレーム目まで、いずれかの黒画素が同じ位置に存在している。ステップＳ１３０において、前フレームの黒画素（群）の位置が同じでないと判断された場合には、ステップＳ１４０にて新たな浮遊粒子を投影した黒画素（群）であるとして、新たな浮遊粒子データを作成する。

図１１は、浮遊粒子データが格納される浮遊粒子テーブルを示している。浮遊粒子テーブルＴ１はＨＤＤ５４に作成されており、逐次、更新記憶される。同図において、浮遊粒子テーブルＴ１において、各浮遊粒子データにＩＤが付与されており、それぞれ径と位置と検出タイミング（フレーム番号）が記憶されている。ステップＳ１４０においては、新たなＩＤを作成し、ステップＳ１２０にて検出した径と位置とが当該ＩＤと対応づけられた浮遊粒子データを浮遊粒子テーブルＴ１１に格納する。ステップＳ１４０を実行すると、再びステップＳ１００を実行し、次フレームデータを取得する。なお、ステップＳ１３０の判定を行う際には、浮遊粒子テーブルＴ１を参照し、直前のフレームで検出された浮遊粒子についての浮遊粒子データを取得することにより、黒画素（群）の位置の比較を行っている。

一方、ステップＳ１３０において、前フレームの黒画素（群）の位置が同じあると判断された場合には、すでに検出された浮遊粒子と同一の浮遊粒子が再度投影された黒画素（群）であるとして、新たな浮遊粒子データは作成しない。そして、ステップＳ１５０にて、直前のフレームにおいて同一の浮遊粒子について記憶された径と、今回、ステップＳ１２０で検出した径との比較を行い、これらのうち大きいもの浮遊粒子データに更新記録する。図９上段の例において３００フレーム目と４００フレーム目とを比較した場合に、４００フレーム目の９１μｍが浮遊粒子の径として更新記録される。ステップＳ１５０にて径を更新記録すると同時に、今回のフレーム番号も浮遊粒子データに更新する。

以上説明した処理を繰り返し行うことにより、検出された浮遊粒子についての径と位置と検出タイミング（フレーム番号）とが記憶された浮遊粒子テーブルＴ１を作成することができる。なお、いずれのステップを経由してもステップＳ１００は１．０ＭＨｚで繰り返される。また、気流の湾曲箇所に補助流域１３ｄを形成することにより、検出エリアＲに流れ込む気流の速度を均一化されているため、検出エリアＲにおいて時間的なずれが発生することが防止されている。

例えば、ステップＳ１００〜Ｓ１６０を数分間繰り返すことにより、この数分間において検出された浮遊粒子についての径と位置とフレーム番号とを得ることができる。むろん、検出された浮遊粒子の個数も特定することができる。一方、流量計１７は測定ユニット１０を流れる空気の量を常時測定しているため、ステップＳ１００〜Ｓ１６０の繰り返し時間と流量計１７の測定結果とから、積算流量を算出し、同積算数量で検出された浮遊粒子の個数を除算することにより、単位体積当たりの浮遊粒子の個数を算出することができる。すなわち、このような演算をＣＰＵ５１が行うことにより、本浮遊粒子分析装置１００をパーティクルカウンタとして機能させることができる。かかる構成によれば、レーザー回折等を使用することのない、簡易なパーティクルカウンタを提供することができる。

さらに、浮遊粒子テーブルＴ１に記録された径と位置とから比重を推定する。ＨＤＤ５４には浮遊粒子の径と位置と比重との対応関係が規定された対応テーブルＴ２が記憶されており、ＣＰＵ５１はＲＯＭ５３またはＨＤＤ５４に記憶された所定のプログラムにしたがって同対応テーブルＴ２を参照し、径と位置とから比重を推定する。図１２は、径と位置と比重との対応関係をグラフにして示している。同図において、縦軸が径ｄを示し、横軸が位置ｘを示している。そして、同グラフにおいて比重ρがρ＜sub＞1＜/sub＞とρ＜sub＞2＜/sub＞とρ＜sub＞3＜/sub＞（ρ＜sub＞1＜/sub＞＜ρ＜sub＞2＜/sub＞＜ρ＜sub＞3＜/sub＞）であるときの径ｄと位置ｘとの推移を示している。

なお、検出エリアＲにおけるｘ＝０とｘ＝Ｌの位置については、図８に示すとおりである。すなわち、コーナー１３ｃに近い側がｘ＝０とされ、コーナー１３ｃに遠い側がｘ＝Ｌとされている。図１２において、同一の径ｄの浮遊粒子において比重が大きいものほどコーナー１３ｃから遠い位置（ｘ＝Ｌ）に飛翔することがわかる。また、同一の位置で検出された浮遊粒子において比重が小さい浮遊粒子ほど径が大きいことがわかる。このような相関関係は、シミュレーションによって推定することもできるし、実際に浮遊粒子を分級した実験結果から得ることもできる。いずれにしても、浮遊粒子の径ｄと位置ｘと比重ρとの対応関係が規定された対応テーブルＴ２が用意されていれば、径ｄと位置ｘとから比重ρを推定することができる。各浮遊粒子についての比重ρが推定できると、検出結果としてディスプレイ５８に浮遊粒子の個数と比重ρと径ｄとを表示させる。

また、浮遊粒子の径ｄと位置ｘと比重ρとの対応関係が規定された対応テーブルＴ２の代わりに径ｄと位置ｘと比重ρとの関係式を用意し、この関数に径ｄと位置ｘとを代入することによって比重ρを算出してもよい。さらに、径ｄと位置ｘの全組合せについて対応関係を規定すると対応テーブルＴ２のデータ量や用意する関数が膨大となるため、代表的な組合せのみを規定した対応テーブルＴ２や関数を用意し、補間演算を行って中間の値を推定するようにしてもよい。

（３）変形例：
図１３は、変形例にかかる分級管１１３の水平断面を示している。同図において、分級管１１３の上流にはサイクロン容器は接続されておらず、その代わりに細孔ノズル１１２が設置されている。細孔ノズル１１２は分級管１１３のコーナー１１３ｃに沿った略線状の細孔を有しており、同細孔から空気を噴出させる。このようにすることにより、浮遊粒子を空気とともにコーナー１１３ｃの近傍に揃えることができるため、コーナー１１３ｃにおける分級の初期条件を揃えることができる。さらに、細孔ノズル１１２によれば気流を乱流とすることができるため、コーナー１１３ｃの壁面に沿って気流を進行させるコアンダ効果を顕著とすることができる。従って、分級管１１３における分級を促進することができる。

（４）まとめ：
以上説明したように、本発明において、分級管１３によって浮遊粒子を質量ごとに分散させ、撮影することにより、浮遊粒子の径ｄと位置ｘとを取得することができる。そして、径ｄと位置ｘと比重ρとの対応関係を予め用意しておくことにより、径ｄと位置ｘとから比重ρを推定することができる。このようにすることにより、物質固有の比重ρを得ることができるため、浮遊粒子の素材や発生源を容易に特定することができる。

浮遊粒子分析装置の全体図である。 浮遊粒子分析装置の斜視図である。 サイクロン容器の斜視図である。 分級管の水平断面図である。 検出エリアＲの斜視図である。 分級部の鉛直断面図である。 浮遊粒子分析装置の構成ブロック図である。 検出エリアの正面図である。 画像データと浮遊粒子を示す図である。 浮遊粒子の径を検出する処理を示すフローチャートである。 浮遊粒子テーブルを示す表である。 浮遊粒子の径と位置と比重との対応関係を示すグラフである。 変形例にかかる分級管の水平断面図である。

符号の説明

１０…測定ユニット
１１…吸気管
１２…サイクロン容器
１２ａ…中空空間
１２ｂ…案内壁面
１３，１１３…分級管
１３ａ…初期壁面
１３ｂ…分級部
１３ｂ１，１３ｂ２…スリット
１３ｃ，１１３ｃ…コーナー
１３ｄ…補助流域
１４…測定部
１４ａ…ラインセンサ
１４ａ１…撮像素子
１４ｂ…光源ユニット
１４ｂ１…光源部
１４ｂ２…ノンガウスレンズ
１４ｂ３…三角プリズム
１５…排気管
１６…調整ファン
１７…流量計
２０…クリーンルーム
２０ａ…ファン
３０…排気ダクト
４０…吸気口
５０…分析用コンピュータ
５１…ＣＰＵ
５２…ＲＡＭ
５３…ＲＯＭ
５４…ＨＤＤ
１００…浮遊粒子分析装置
１１２…細孔ノズル
Ｒ…検出エリア
Ｔ１…浮遊粒子テーブル
Ｔ２…対応テーブル

Claims (9)

1. 流体中に浮遊する浮遊粒子についての分析を行う浮遊粒子分析装置において、
   上記流体をコーナーに沿って湾曲させることにより、上記浮遊粒子を質量に応じて同コーナーの下流に設けられた検出エリア上の異なる位置に分散させる分級手段と、
   上記検出エリアを撮像する撮像手段と、
   この撮像手段にて撮像されたイメージから上記浮遊粒子の径と、同浮遊粒子の上記検出エリア上における位置とを特定する浮遊粒子検出手段と、
   上記浮遊粒子の径と上記検出エリア上における位置とから上記浮遊粒子の比重を推定する比重推定手段とを具備することを特徴とする浮遊粒子分析装置。
2. 上記分級手段は、上記浮遊粒子が上記コーナーを通過する際の同コーナーに対する同浮遊粒子の距離を一定化させる初期化手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の浮遊粒子分析装置。
3. 上記初期化手段は、上記流体が旋回する際の上記浮遊粒子に作用する遠心力により上記浮遊粒子を一定位置に幅寄せすることを特徴とする請求項２に記載の浮遊粒子分析装置。
4. 上記初期化手段は、上記コーナーに対する噴出位置が一定である細孔ノズルに上記流体を通過させることを特徴とする請求項２に記載の浮遊粒子分析装置。
5. 上記分級手段は、上記検出エリアにおける上記流体の速度差を緩和する同流体の補助流域を具備することを特量とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の浮遊粒子分析装置。
6. 上記流体の流量を検出する流量検出手段と、
   上記流量と上記浮遊粒子検出手段にて特定された上記浮遊粒子の個数とから同流体単位体積当たりの同浮遊粒子数を特定するパーティクルカウント手段を具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の浮遊粒子分析装置。
7. 上記撮像手段は、進行する上記流体を横切るように照射された平行光を受光する複数の撮像素子を具備することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の浮遊粒子分析装置。
8. 上記撮像素子は上記流体の進行方向に直交する線状に配列することを特徴とする請求項７に記載の浮遊粒子分析装置。
9. 流体中に浮遊する浮遊粒子についての分析を行う浮遊粒子分析方法において、
   上記流体をコーナーに沿って湾曲させることにより、上記浮遊粒子を質量に応じて同コーナーの下流に設けられた検出エリア上の異なる位置に分散させる分級工程と、
   上記検出エリアを撮像する撮像工程と、
   この撮像工程にて撮像されたイメージから上記浮遊粒子の径と、同浮遊粒子の上記検出エリア上における位置とを特定する浮遊粒子検出工程と、
   上記浮遊粒子の径と上記検出エリア上における位置とから上記浮遊粒子の比重を推定する比重推定工程とを具備することを特徴とする浮遊粒子分析方法。

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