JP2009539084A - 高速スループット粒子計測器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】粒子計測器(1)は、測少なくとも１分あたり５０リットルの最大流量で定室 (6)を通る気体流を生成するようなされたポンプ (2)を備える。前記気体流によって運ばれた粒子負荷から散乱する光 (10)は、光学システム(11)によって集められる。最小限の開口部及び倍率の最も小さい径の製品は少なくとも２mmとなる。特に好ましいのは、少なくとも２．５mmの最も小さい径を持つ最小限の開口部、および少なくとも１．５倍の倍率である。光学システム(11)は気体流と光線(8)の交差により生成された測定分量の投影像をセンサモジュール(13)のアクティブ領域(12)上に写像する。センサモジュール(13)は光電子増倍管（ＰＭＴ）を含む。粒子計測器の感度と精度の双方は、光電子増倍管の使用により可能となるところのより広い開口部及びより大きい倍率を用いることにより、向上する。
【選択図】図１

Description

この発明は、粒子計測器に関し、特に、該粒子計測器を通る気体流を生成するためのポンプ、計測すべき粒子負荷を運ぶ前記気体流、前記気体流を導入する入口と該気体流を排出する出口とを有する測定室、光源と、前記光源から放たれた光線を、該光線が前記気体流を横切るように前記測定室内に導くための手段、前記粒子負荷によって散乱した光を検出するためのセンサ手段、および、前記センサ手段のアクティブエリア上に散乱した光を写像するための光学システムとを含む粒子計測器に関する。

このタイプの粒子計測器は、例えばＵＳ４，５７１，０７９により周知であって、クリーンルーム環境の周囲空気中の粒子濃度を決定するために頻繁に使用される。

どこであれ、例えば半導体製造、調剤の生産、マイクロ若しくはナノ加工、科学的なクリーンルーム研究所などのような、高価なプロセウスの製造物を無駄にするかもしれない粒子汚染を避けるためには、極低密度の浮遊微小粒子は極めて重要であり、継続的に又は少なくとも定期的に、実際の粒子密度をモニターすることが要請される。

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周囲空気にとって評価されるべき粒子密度を代表する結果となる測定を達成するためには、ある最小限の空気量を抽出することが必要である。例えば、製造管理規則に関する欧州委員会の指針（the European Commission Guide to Good Manufacturing Practice）は、クラスＡ及びクラスＢのクリーンルームについて１立方メートルの空気の最小限のサンプル量を要求しており、また、クラスＣのクリーンルームについて同じサンプル量をクラスＣのクリーンルームに推奨している。

粒子計測器がその測定分量として通過することを許容するサンプル空気の最大流量が、測定を終了するために必要な時間を決定することは、明快である。その測定分量は、サンプル空気の流れと測定室内に導かれた光線とが交差することにより形成される。もし、粒子密度が継続的にモニターされるならば、より多い流量は、粒子密度における変化がよりはやく発見されることを可能とするだろう。

したがって、より多い流量が空気のサンプリングにとっては望ましい。しかしながら、流量が多いほど、非常に細かい粒子、特に、数百ナノメータから１マイクロメータ(サブミクロン粒子)にわたる直径の粒子の検出の検出がより難しくなる。測定分量中に位置している間に付与サイズの粒子が散乱させる光量は、反対に、粒子の速度(そして、その結果、流量)に比例していおり、また、粒子のサイズに比例している。２倍することにより（流量を倍にすることにより）粒子の速度を増加させると、粒子が測定分量を通って移動するタイム・スパンを半分にする結果となり、これにより、粒子によって散乱した光を検出することに必要なタイム・スパンを減少させてしまう。

今日一般に、粒子計測器のセンサとして使用される半導体のフォトダイオードは、ＵＳ４，５７１，０７９に開示されているように、より広いアクティブ領域を有する増量されたキャパシタンスを示している。広いアクティブ領域はセンサの感度を増す。他方では、キャパシタンスを増加させると、応答速度の低下がもたらされる。粒子が測定分量を横切る間の粒子間の相互作用時間をより短くするために、より速い粒子速度について、光検出器からの応答速度を増すことが必要となる。さらに、センサの実際のサイズにかかわらず、完全な測定分量をセンサのアクティブ領域に写像することが必要である。キャオアシタンスを下げ、且つ、応答速度を上げておくには、倍率１未満の光学的検出が要請されるので、フォトダイオードの検出器のアクティブ領域を小さくしておく。すなわち、検出器のアクティブ領域上の像は、実際に検出された散光の量の減少を引き起こすものであるところの、測定分量の投影の領域よりも小さい。その結果、合理的に信頼できるサブミクロン粒子の検出を可能とする最大の流量は制限される。典型的には、商業的に利用可能な粒子計測器は、１分あたり２８．３リットル（１立方フィート）の流量で操業している。

上記制限を克服するために、ＵＳ５，０８４，６２９には、サンプル気体流を複数の部分的気体流への分配手段を有する粒子計測であって、部分的気体流毎に測定分量を分離して、それぞれが光源、光学及びセンサを備えるものが提案されている。この並行化のアプローチにより、各部分的気体流の流量は減少し、信頼できるサブミクロン粒子の検出を可能とするが、一方で、複雑さが際立って増加し、また、装置全体のコストが増加するという損失がある。

光学的構成要素の制限により、粒子計測器内の気体流の流路は、多い流量に合うように自由な寸法に形成できない。そのため、流路を通るサンプル気体流をポンプで送るときに、より多い流量になるほどますます重大となるところの更なる問題が生じる。従来の粒子カウンタにしばしば使用される容積式真空ポンプは、携帯用のデザイン、又は、多流量粒子計測器のバッテリー駆動を可能とするほどには能率的でなかった。

より能率的な遠心ブロワを粒子計測器に使用することがＵＳ５，５１５，１６４に提案されており、これは種々の利用用途に適しているであろう。しかし、遠心ブロワを用いた能率的なデザインは、特定の測定室への流量が増加することにより生じる圧力降下の増大のため、より多い流量で実装するのがますます難しくなるものと予想される。

ローブポンプを粒子計測器に使用することがＵＳ６，０３１，６１０に提案されており、これもまた種々の利用用途に適しているであろう。しかし、ポンプが通常は測定室の出口よりも下流に位置していることから、ポンプ入力における圧力変動による測定室内の気体流の不安定さという危険がある。

商業的に利用可能なサブミクロン粒子を検出できる粒子計測器における最大流量は、１分あたり５０リットルをほとんど越えない。

上記に鑑みて、本発明は、粒子計測器の信頼性、感度、および精度を危険にさらすことなく、より多い流量のための粒子計測器を提供することを目的としている。更に、小型で携帯用のデザインの多流量粒子計測器を可能とするのが望ましい。

本発明の１つの観点によれば、この目的は、最初に言及されたタイプの粒子計測器を提供することにより達成されるもので、該粒子計測器において、ポンプが、該粒子計測器を通じて少なくとも１分あたり５０リットルの最大気体流を生成するものであり、光学システムの最小限の開口部および倍率の最も小さい径の製品は少なくとも２mmになり、そして、センサ手段が光電子増倍管を含む。好ましくは、光学的検出は少なくとも２mmの最も小さい径を持つ最小限の開口部および１又は１以上の倍率を有する。特に好ましいのは、少なくとも２．５mmの最も小さい径を持つ最小限の開口部、及び少なくとも１．５倍の倍率である。光電子増培管を実装すると、８mm径の開口部も可能であり（そして、好ましい）。本明細書では、「倍率」とは倍率の絶対値をさしており、すなわち、測定分量（光線と気体噴射の交差）の像を反転する光学システムは正の倍率を持っているものといえる。１以上の倍率は、したがって、像のオリエンテーションに関わらず（光学的縮減とは逆に）実際の倍率を意味する。

好ましくは、前記ポンプは、１分あたり５６．６リットル（２立方フィート）を越える最大気体流を生成するよう、なされており、その最大気体流とは、サブマイクロ粒子の従来技術の限界、又は１分あたり１００リットルでさえあるとみなすことができるものである。

いくぶん大きい開口部及び／又は倍率は、光学システム（検出側）において収差があるかもしれないが、散乱光の十分な収集を可能とする。同時に、フォトダイオードの代わりに光電子増培管を使用することで、センサ手段の反応速度を速い速度に維持できる。光電子増培管の実装は、ＳＮ比を許容しうる限界内に保ちつつ、検出用エレクトロニクスの速度を上げて、１ワットあたり５０メガボルト以上のオーバーオールゲインで３マイクロ秒未満の立上り時間を実現することを可能とすることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態は、請求項２乃至１４のいずれかに従って構成される。

本発明の別の観点によれば、粒子計測器を通じて少なくとも１分あたり５０リットルの最大気体流を生成するスクロールポンプを用いて基礎をなす物が達成されるものであり、該粒子計測器が光電子増培管を有しており、前記気体流が前記粒子計測器によって計測すべき粒子負荷を運ぶのが好ましい。

粒子計測器を通る気体流を生成するためのスクロールポンプであって、従来は実装も示唆もされていなかったものであるところのスクロールポンプの使用は、様々な利益をもたらす。
スクロールポンプの動作原理は、２つの組み合わせたスクロールに基づいており、２つのスクロールの一方が他方に対して相対的に軌道に沿って周回するよう動き、ポンプ効率を顕著に改良する非常に低摩擦なデザインを可能とする。更に、スクロールポンプの入力気体流は、測定室内での流れの不安定さを防ぐのに役立つよう、非常にスムースである。

これらの有利な点は、一般的には、少流量や異なるセンサタイプの粒子計測器におけるスクロールポンプの使用においてもまた適用されるが、光電子増培管（また、あるいは、いわゆるアバランシェフォトダイオード）を用いた測定により可能となる多流量での操業にとって、効率的なポンプデザインが特に重要であることにことに留意されたい。

一般に、ここで記載された実施形態、又は、言及されたオプションのいずれも、実際の利用状況に応じて特に有利になる。更に、１つの実施形態の特徴は、別の実施形態の特徴を組み合わせても良く、技術的に可能で且つその他の点で明示されていない場合には従来技術から知られている特徴も同様である。

特に、本発明に従う粒子計測器は、例えば、多チャンネル検出、デジタル測定評価、ネットワークとの電子的リンク、あるいは、周辺機器など、従来技術の特徴を備えていてよい。

以下の図は、概略的な説明図であって、縮尺で製図されたものではなく、本発明の特徴をよりよく理解するために供されている。

図１は、この発明の特に好ましい実施形態に係る粒子計測器の全体的構成を示す。

粒子計測器１は、１分あたり１００リットルの最大流量で、該粒子計測器１を通じて気体流を生成できるようにしたスクロールポンプ２を備える。スクロールポンプ２は、固定スクロール４に関連するロータースクロール３が軌道に沿って周回する動きによって作動する。スクロールポンプ２は、粒子計測器１を通って装置の入口５に集められた粒子を含む空気を効率的に動かす。信頼性とメンテナンスの容易さを改善するために、スクロールポンプ２は、ブラシレスモータ２２により駆動される。

ローブポンプや回転翼型ポンプなど他のポンプタイプが、許容できる電力消費量で多流量を実現することに適しているのに対して、スクロールポンプの使用はポンプ入口での圧力変動が非常に低い点で好ましい。

粒子を含む空気流は、入口ノズル７を通じて測定室６に入り、レーザダイオード９により精しえされた光線８を横切る。レーザダイオード９の代わりに、他のタイプのレーザ、例えばガスレーザや固体レーザなど、さらには、例えばコンデンサ放電ランプなどのインコヒーレント光を放つ装置さえも使用しうる。しかしながら、レーザダイオード９の使用は、利用可能なレーザダイオードの低コスト、低消費電力、及び小サイズのために好ましい。

気体流に引き込まれた粒子から散乱された光１０は、２．５mm×５mm（長方形）の最小限の開口部と１．７倍の倍率を有する光学システム１１によって集められる。その結果、最小限の開口部及び倍率をもつ最も小さい径の製品は４．２５mmとなる。より小さい開口部、例えば２mm×２mmで、より小さい倍率、例えば１倍の倍率のものもまた、本発明の範囲中ではある。しかし、粒子計測器の感度と精度の双方は、光電子増倍管の使用により可能となるところのより広い開口部及びより大きい倍率を用いることにより、向上する。

図１の概略図は、光線８と光学（検出）システム１１とを描画面に示しているが、光線８の光軸と、光学システム１１の光軸とは、実際には角度を形成するものであることに留意されたい。典型的には、光学システム１１の光軸は、光線８の光軸に対して、約３０〜１２０度の間の角度を指向しており、光線８を横切る気体流の流れの向きに対して垂直を指向する。

光学システム１１は、気体流と光線８の交差により生成された測定分量の投影像を、センサモジュール１３のアクティブ領域１２上に写像する。センサモジュール１３は、高電圧源とともにシール（封止）した光電子増倍管（ＰＭＴ）を含み、該高電圧源とはすなわち粒子計測器１の電源電圧を、光電子増培管を駆動するためのより高い電圧に変換するための回路である。そのため、粒子計測器１は、携帯作業を可能とするために、バッテリー駆動されることが好ましい。

ＰＭＴを含む検出用エレクトロニクスは、１ワットあたり５０メガボルト以上のオーバーオールゲインで３マイクロ秒未満の立上り時間を実現するものである。

高電圧源を含むセンサモジュール１３に代えて、個別に分かれたコンポーネントを使用してもよい。しかしながら、ＰＭＴを自身に登載したモジュール１３を使用することで、粒子計測器１のデザインをシンプルにできる。更に、センサモジュール１３は、損傷した場合に簡単に交換することができる。光電子増倍管の実装のために、センサモジュール１３の感度及び応答速度は、シリコン又はゲルマニウムフォトダイオードが成し遂げる感度と応答速度よりも高い。

センサモジュール１３は、測定室６において散乱光を引き起こす粒子をカウントするためにセンサモジュール１３の出力信号の値を求める電子カウンタ回路１４に接続されている。所定期間にわたり実行された粒子カウントの結果は、例えはディスプレイ及び／又はプリンタのような適宜の出力装置を用いて出力されてよい。

出口１５を通って測定室６を離れた気体流は、ポンプ２を通過して、排出口１６から排出される。スクロールポンプ２の上流又は下流に配置された粒子フィルターは、図１には示されていない。

粒子計測器１を通る気体流の流量を制御するために、測定室６の上流の第１位置１７と、同下流の第２位置１８との間の圧力差が測定される。これは、差圧センサ１９を用いるか、又は、二つの別々の圧力センサを用いるかして実現することができる。測定室６の上流と同下流とで圧力差を測定することの代わりに、気体流の流量を特定するために、粒子計測器１の気体流路における、何らかの定められた穴の２つの側の間の圧力差が測定されてもよい。実際の流量は、制御ユニット２１において、キャリブレーション関数、又はキャリブレーション値のテーブルを用いて、測定された圧力差から計算される。

好ましくはないが、気体流量を測定するための他の方法を適用することも可能である。

制御ユニット２１は、継続的に所望の流量を実現するためにポンプモータ２２を制御する。制御ユニットは、操作パネル、又はユーザに多数の流量のうちから１を選択させるための手段を含んで構成される。

好ましくは、制御ユニット２１とカウンタ回路１４が互いに接続され、それらのパラメータ設定が共通のユーザインターフェースを用いて行われるとよい。粒子密度の高い環境においては、制御ユニット２１は、１つずつの粒子をカウントすることができるように、自動的に流量を減少させるとよい。

この発明の特に好ましい実施形態に係る粒子計測器の全体的構成を示す。

符号の説明

１ 粒子計測器、２ スクロールポンプ、３ ロータースクロール、４ 固定スクロール、５ 入口、６ 測定室、７ 入口ノズル、８ 光線、９ レーザダイオード、１０ 光、１１ 光学システム、１２ アクティブ領域、１３ センサモジュール、１４ 電子カウンタ回路、１５ 出口、１６ 排出口、１７ 第１位置、１８ 第２位置、１９ 差圧センサ、２１ 制御ユニット、２２ ブラシレスモータ

Claims (15)

1. 前記粒子計測器を通る気体流であって、計測すべき粒子負荷を運ぶ該気体流を生成するためのポンプ(2)と、
   前記気体流を導入するための入口(7)と該気体流を排出するための出口(15)とを有する測定室(6)と、
   光源(9)と、
   前記光源(9)から放たれた光線(8)を、該光線(8)が前記気体流を横切るように前記測定室(6)に導くための手段と、
   前記粒子負荷により散乱した光(10)を検出するためのセンサ手段(13)と、
   前記センサ手段(13)のアクティブ領域(12)上に前記散乱された光(10)を写像するための光学システム(11)と
   を備えており、
   前記ポンプ(2)が、該粒子計測器を通じて少なくとも１分あたり５０リットルの最大流量の気体流を生成するものであり、前記光学システム(11)の最小限の開口部及び倍率の最も小さい径の製品は少なくとも２mmとなり、そして、前記センサ手段(13)が光電子増倍管を含むことを特徴とする粒子計測器。
2. 前記光学システム(11)の最小限の開口部及び倍率の最も小さい径の製品は４mmになる請求項１に記載の粒子計測器。
3. 前記センサ手段(13)が、３マイクロ秒未満の立上り時間、及び、少なくとも１ワットあたり５０メガボルト以上のオーバーオールゲインが可能である請求項１又は２のいずれかに記載の粒子計測器。
4. 前記ポンプ(2)がスクロールポンプ(2)である請求項１乃至３のいずれかに記載の粒子計測器。
5. 前記スクロールポンプ(2)がブラシレスモータ(22)により駆動される請求項４に記載の粒子計測器。
6. 前記スクロールポンプ(2)がバッテリー駆動される請求項４又は５に記載の粒子計測器。
7. 更に、前記気体流の流量を測定する手段を含み、前記流量を測定する手段が前記粒子計測器内の前記気体流の流路の第１位置(17)と第２位置(18)の間の圧力差を測定するための手段(19)を含む請求項１乃至６の何れかに記載の粒子計測器。
8. 前記第１位置(17)が前記入口(7)の上流であり、前記第２位置(18)が前記出口(15)の下流である請求項７に記載の粒子計測器。
9. 前記光電子増倍管が高電圧源を含むモジュールに統合されている請求項１乃至８の何れかに記載の粒子計測器。
10. 前記ポンプ(2)が該粒子計測器(1)を通じて少なくとも１分あたり１００リットルの最大流量の気体流を生成できるようにした請求項１乃至９の何れかに記載の粒子計測器。
11. 前記測定室(6)がレンズチューブである請求項１乃至１０の何れかに記載の粒子計測器。
12. 前記光源(9)がレーザ光源(9)である請求項１乃至１１の何れかに記載の粒子計測器。
13. 前記光源(9)がレーザダイオードを含むレーザ光源(9)である請求項１乃至１２の何れかに記載の粒子計測器。
14. 前記粒子計測器が携帯用である請求項１乃至１３の何れかに記載の粒子計測器。
15. 粒子計測器を通じて少なくとも１分あたり１００リットルの気体流であって、前記粒子計測器によって計測すべき粒子負荷を運ぶ気体流を生成するためのスクロールポンプ(2)の使用。

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