JP2022017606A - 濃度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】据え付けを容易にし、測定対象となる流体を汚染する可能性を低減しながら、濃度の測定精度を向上させることができる濃度センサを提供する。【解決手段】透光性を有する材料で形成されたパイプＰ内を流れる流体Ｆの濃度を測定する濃度センサ１００であって、測定光を射出する光源２と、光源から射出された測定光を平行化する視準用レンズ３と、パイプを通過した測定光を集光する集光用レンズ８と、集光用レンズで集光された測定光を検出する光検出機構９と、視準用レンズとパイプとの間、又は、パイプと集光用レンズとの間に設けられた１又は複数の凹レンズ５、６と、を備え、第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６が、パイプの外側面に対してそれぞれ空隙が形成されるように配置した。【選択図】図１

Description

本発明は、透光性を有するパイプ内を流れる流体の濃度を非接触で測定するために用いられる濃度センサに関するものである。

例えば半導体製造プロセスでは使用される薬液等の流体に対してコンタミネーションを防ぐために、透光性を有するパイプ内に流れる流体に対して測定光を照射し、その吸光度に基づいて流体の濃度を測定する非接触式の濃度センサが用いられることがある。

このような濃度センサは、特許文献１に示されるように流体が流れる透光性を有する樹脂製のパイプに対して筐体を後付できるように構成されている。また、筐体内には光源から射出された光を平行化する視準用レンズや、パイプ内の流体を通過した測定光を集光して光検出器へと導く集光用レンズ等の光学機器が設けられている。

しかしながら、上記のような濃度センサでは視準用レンズにより平行化された測定光をパイプに照射しても、流体が流れるパイプ自体が円筒両凸レンズとして作用してしまい、発散されてしまう。このため、光検出器で検出される流体を通過した測定光が十分な光量とならず、電極を用いた濃度測定方法に対して測定精度が劣ってしまうという問題がある。

特開２０００－０８８７４０号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、据え付けを容易にし、測定対象となる流体を汚染する可能性を低減しながら、濃度の測定精度を向上させることができる濃度センサを提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る濃度センサは、透光性を有する材料で形成されたパイプ内を流れる流体の濃度を測定する濃度センサであって、測定光を射出する光源と、前記光源から射出された測定光を平行化する視準用レンズと、前記パイプを通過した測定光を集光する集光用レンズと、前記集光用レンズで集光された測定光を検出する光検出機構と、前記視準用レンズと前記パイプとの間、又は、前記パイプと前記集光用レンズとの間に設けられた１又は複数の凹レンズと、前記光検出機構で検出された測定光の強度に基づいて前記パイプ内を流れる流体の濃度を算出する濃度算出部と、を備え、１又は複数の前記凹レンズが、前記パイプの外側面に対して空隙が形成されるように配置されていることを特徴とする。

このようなものであれば、１又は複数の前記凹レンズによって前記パイプ及び流体からなる円筒凸レンズの集光作用を打ち消すことができる。

したがって、従来、前記パイプと流体からなる円筒凸レンズの作用で散逸していた測定光を前記光検出機構まで到達させることができ、検出される光量を大きくして濃度の測定精度を向上させることができる。

さらに、前記凹レンズは前記パイプの外側面に対してそれぞれ空隙が形成されるように配置されており、密着していないので、例えば前記凹レンズと前記パイプとが密着している状態から微小な隙間が形成されて光干渉が生じるのを防ぐことができる。このため、光干渉によって濃度測定に対して影響が発生するのを防ぐことができる。この場合の微小な隙間とは数１０mm程度以下の小さな距離を指すものである。

流体の屈折率が前記凹レンズの屈折率よりも小さい場合には、前記凹レンズの凹面の曲率半径が、前記パイプの曲率半径よりも大きいものであればよい。逆に流体の屈折率が前記凹レンズよりも大きい場合には、前記凹レンズの凹面の曲率半径が、前記パイプの曲率半径よりも小さいものであればよい。

前記パイプ及び流体からなる円筒両凸レンズにおいて集光作用の発揮される半径方向のみ前記凹レンズでその集光作用を打ち消せるようにするには、前記視準用レンズ及び前記集光用レンズが、球面レンズであり、前記第１凹レンズ及び前記第２凹レンズが、シリンドリカルレンズであればよい。

前記光源から射出された測定光が前記光検出機構に到達する量をできる限り大きくするのに適した具体的な構成例としては、複数の前記凹レンズが、前記視準用レンズと前記パイプとの間に設けられた第１凹レンズと、前記パイプと前記集光用レンズとの間に設けられた第２凹レンズと、からなり、前記第１凹レンズの凹面が、前記パイプの測定光の入射側に形成されており、前記第２凹レンズの凹面が、前記パイプの外表面に対向する測定光の入射側に形成されているものが挙げられる。

濃度の測定精度を向上させるための別の構成例としては、複数の前記凹レンズが、前記視準用レンズと前記パイプとの間に設けられた第１凹レンズと、前記パイプと前記集光用レンズとの間に設けられた第２凹レンズと、からなり、前記第１凹レンズの凹面が、前記パイプの外表面に対向する測定光の射出側に形成されており、前記第２凹レンズの凹面が、前記パイプの外表面に対向する測定光の入射側に形成されているものが挙げられる。

さらに前記光検出機構において検出される光量を大きくできるようにするには、前記第１凹レンズが、測定光の入射側に凸面が形成されており、前記第２凹レンズが、測定光の射出側に凸面が形成されていればよい。

必要となるレンズの枚数を最小化しながら、前記パイプと流体からなる両凸レンズの集光作用を十分に打ち消せるようにするには、前記凹レンズが、前記視準用レンズと前記パイプとの間、又は、前記パイプと前記集光用レンズとの間のいずれか一方にのみ設けられており、前記凹レンズの測定光の入射側と反射側の双方に凹面が形成されていればよい。

既存の透光性を有する材料で形成されたパイプに対して簡単に後付で据え付けすることができるようにするには、前記光源、前記視準用レンズ、１又は複数の凹レンズ、前記集光用レンズ、及び、前記光検出機構を所定の位置に保持する筐体をさらに備え、前記筐体が、前記パイプに対して着脱可能であるとともに、当該パイプに対して取り付けられた状態において前記第１凹レンズ及び前記第２凹レンズと前記パイプの外表面との間に空隙が形成されるように構成されていればよい。

このように本発明に係る濃度センサは、前記パイプの近傍に設けられた１又は複数の前記凹レンズによって、前記パイプと流体からなる円筒両凸レンズとしての集光作用を打ち消し、前記光検出機構で検出される測定光の光量を向上させることができる。また、前記凹レンズは前記パイプに対して空隙が形成されるように配置されているので、光干渉が生じにくくすることができる。また、流体を透過する測定光に基づいて流体の濃度が測定できるので、濃度センサ自体をパイプに対して据え付けしやすく、また流体に対してコンタミネーションが発生する可能性を低減できる。

本発明の第１実施形態に係る濃度センサを示す模式的プロック図。 第１実施形態の第１凹レンズ及び第２凹レンズのパイプに対する取付状態を示す模式的斜視図。 第１実施形態の濃度センサの模式的光路図。 本発明の第２実施形態に係る濃度センサの模式的光路図。 本発明の第３実施形態に係る濃度センサの模式的光路図。 本発明の第４実施形態に係る濃度センサの模式的光路図。 本発明の第５実施形態に係る濃度センサの模式的光路図。

本発明の第１実施形態に係る濃度センサ１００について図１乃至図３を参照しながら説明する。なお、図３は図１に記載されている各種ミラーについては省略して表示している。また、分かりやすさのため、パイプＰの横断面をＸＹ平面、パイプＰの軸方向をＺ軸として定義する。

図１に示される濃度センサ１００は、例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバ等に供給される薬液等の液体の濃度を測定するために用いられるものである。この濃度センサ１００は、測定対象となる流体Ｆが流れる透光性を有する材料で形成されたパイプＰに対して後付で取り付けられる。すなわち、濃度センサ１００は、パイプＰを光学系の一部として使用しながら、パイプＰ内を流れる流体Ｆの濃度を吸光度に基づいて測定するように構成されている。

具体的には濃度センサ１００は、パイプＰに対して取り付けられる筐体１内に複数の光学機器が配置、収容されたものであり、筐体１をパイプＰに対して着脱可能に構成されている。

この筐体１には、図１に示すように概略コの字状に形成される測定用の光路上には、光源２、視準用レンズ３、入射側ミラー４、複数の凹レンズである第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６、射出側ミラー７、集光用レンズ８、光検出機構９が配置されている。測定用の光路上では図１及び図２に示すように第１凹レンズ５と第２凹レンズ６の間に測定対象の流体Ｆが流れるパイプＰが配置される。

また、図１に示すように入射側ミラー４、及び、射出側ミラー７の位置は測定用の光路が形成されるサンプル位置Ｓと、リファレンス用の光路が形成されるリファレンス位置Ｒとの間で変更可能に構成されている。リファレンス位置Ｒに入射側ミラー４及び射出側ミラー７が配置されている場合には、光源２から射出される測定光は、パイプＰの代わりにリファレンスＲＦを通って光検出機構９に入射する。

この筐体１は、パイプＰに取り付けられることによって光源２、視準用レンズ３、第１凹レンズ５、第２凹レンズ６、集光用レンズ８、光検出機構９はパイプＰに対する位置が予め定められた所定位置に固定される。

各部について詳述する。

光源２は例えばＬＥＤであり、所定の波長域の光からなる測定光を射出するものである。また、ＬＥＤが収容されたランプボックスは筐体１に対して固定されている。

視準用レンズ３は、両凸の球面レンズであり、図３に示すように光源２から射出された光を平行化するものである。

第１凹レンズ５は、視準用レンズ３から射出される平行化された測定光が入射し、パイプＰに対して測定光を射出するものである。この第１凹レンズ５は、測定光の入射側の面が部分円筒状の凹面として形成され、測定光の射出される側であるパイプＰに対して対向する面が平面として形成されている。図２に示すように、第１凹レンズ５は片面に凹面が形成されたシリンドリカルレンズである。凹面はＸＹ平面においてパイプＰの周方向に対して曲率を有するように形成されており、パイプＰの軸方向であるＺ軸方向に対して等断面形状となるように配置されている。第１凹レンズ５は、例えば視準用レンズ３によって平行化された測定光の光束がすべて入るように配置されている。

第２凹レンズ６は、第１凹レンズ５とともにパイプＰを半径方向に挟み込むように配置される。この第２凹レンズ６には、パイプＰの内部から外部へと射出される測定光が入射する。第２凹レンズ６は、測定光の入射側の面であるパイプＰに対して対向する面に部分円筒状の凹面が形成され、測定光の射出側の面は平面として形成されている。図２に示すように、第２凹レンズ６は片面に凹面が形成されたシリンドリカルレンズである。凹面はＸＹ平面においてパイプＰの周方向に対して曲率を有するように形成されており、パイプＰの軸方向であるＺ軸方向に対して等断面形状となるように配置されている。

図２及び図３に示すように第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６のそれぞれとパイプＰの外表面と間には空隙が形成されており、パイプＰに対して第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６は接触しないように構成されている。また、パイプＰ内を流れる流体である薬液の屈折率が第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６を形成する材料の屈折率よりも小さい場合には、第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６の凹面の曲率半径は、パイプＰの外表面の曲率半径よりも大きく形成される。逆にパイプＰ内を流れる流体である薬液の屈折率が第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６を形成する材料の屈折率よりも大きい場合には、第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６の凹面の曲率半径は、パイプＰの外表面の曲率半径よりも小さく形成される。ここで、空隙とは所定の隙間であるとともに、接着剤等の他の物質が介在しないことを意味する。例えば空隙には空気、気体、又は、真空のみが存在することを含む概念である。

第１凹レンズ５に入射する平行化された測定光は、若干外側へ発散されてパイプＰに対して入射する。パイプＰ及び流体Ｆからなる両凸円筒レンズによる集光作用によってパイプＰ内において測定光はほぼ平行化された状態で進行する。パイプＰ内から外側へと測定光が射出される際にパイプＰによる集光作用によって測定光は若干内側へと集光されるが、第２凹レンズ６によって再び外側へと発散されてほぼ平行化された測定光として第２凹レンズ６から射出される。

集光用レンズ８は、両凸の球面レンズであり、第２凹レンズ６から射出される平行化された測定光が入射し、例えば光検出機構９に形成されたスリットに集光する。

光検出機構９は、スリットから入射した測定光を分光する分光器（図示しない）と分光された測定光のうち、測定対象となる流体Ｆの吸収波長帯の光が照射される位置に設けられた光検出器（図示しない）とを備えたものである。光検出器は入射する光の強度に応じた電圧を出力する。この光検出機構９も筐体１に対して固定されている。

筐体１の外側には、光検出機構９の出力に基づいて流体Ｆの濃度を算出する濃度算出部１０が設けられる。この濃度算出部１０は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ等の入出力機器を備えたいわゆるコンピュータによってその機能が実現される。すなわちメモリに格納されているプログラムが実行され、各種機器が協業することにより濃度算出部１０としての機能が実現される。濃度算出部１０で算出された濃度値は、濃度センサ１００以外の例えば濃度制御装置等の他機器に送信され使用される。

濃度算出部１０は、測定用の光路を通過した測定光の強度と、リファレンスＲＦ用の光路を通過した光の強度の比に基づいて、吸光度を算出し、吸光度の対数を算出することで測定対象となる流体Ｆの濃度を算出する。

このように構成された第１実施形態の濃度センサ１００によれば、パイプＰ及び測定対象である流体Ｆが両凸円筒レンズとして集光作用を発揮して、パイプＰの近傍に設けられる第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６によって、その作用を打ち消すことができる。したがって、光源２から射出された測定光の大部分を光検出機構９で検出することができる。より具体的には、流体Ｆの入射面での集光作用を打ち消して流体Ｆ内での光が平行になるよう第１凹レンズ５で光を拡散して流体Ｆに入射させ、流体Ｆの射出面での集光作用により流体Ｆから集光されて射出される光を第２凹レンズ６で平行にする。

このため、光検出機構９において検出される光の強度を大きくすることができるので、わずかな濃度変化であっても検出することが可能となり、濃度測定精度を向上させることができる。

さらに、第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６はパイプＰに対して接触しておらず、空隙が形成されているので、第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６のそれぞれとパイプＰとの間で光干渉が生じ、濃度測定に対して影響が発生するのも防ぐことができる。

加えて、第１実施形態の濃度センサ１００は既存のパイプＰに対して後付することができ、測定対象である流体Ｆに対して非接触で濃度を測定することができる。このため、据え付けが容易であるとともに、濃度測定によってパイプＰ内を流れる流体Ｆにコンタミネーションが発生する可能性を排除することが可能となる。

次に本発明の第２実施形態に係る濃度センサ１００について図４を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

第２実施形態の濃度センサ１００では、第１凹レンズ５の向きが第１実施形態とは逆向きになっている。すなわち、第１凹レンズ５において測定光が入射する側の面が平面に形成されており、測定光が射出される側の面が凹面に形成されている。

このような第３実施形態の濃度センサ１００であっても、前述した実施形態と同等の効果を奏し得る。

本発明の第３実施形態について図５を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。

第３実施形態の濃度センサ１００は、第１実施形態と比較して第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６が凹面だけでなく凸面も形成されたメニスカス凹レンズである点で異なっている。

具体的には、第１凹レンズ５は測定光の入射側の面に凸面が形成されており、測定光の射出側の面に凹面が形成されている。

一方、第２凹レンズ６は測定光の入射側の面に凹面が形成されており、測定光の射出側の面に凸面が形成されている。

このような第２実施形態の濃度センサ１００であれば、第１凹レンズ５及び第２凹レンズ６のそれぞれの面で測定光の屈折作用を生じさせることができ、パイプＰ及び流体Ｆにおいて生じる集光作用をより精密に打ち消すことができる。このため、光検出機構９において検出される測定光の光量を増加させることができ、濃度の測定精度を高めることが可能となる。

本発明の第４実施形態について図６を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。

第４実施形態の濃度センサ１００は、第１実施形態と比較して、凹レンズとして視準用レンズ３とパイプＰとの間に第１凹レンズ５のみが設けられている点で異なっている。また、第１凹レンズ５は測定光が入射する側の面と、測定光が射出される側の面の両方が凹面に形成されている。

このような第４実施形態の濃度センサ１００によれば、配置されるレンズの枚数を必要最小限としながら、流体とパイプＰからなる両凸円筒レンズの集光作用を打ち消して濃度の測定精度を高める事が可能となる。より具体的には、流体Ｆの入射面と射出面での集光作用を打ち消して、流体Ｆから射出される光が平行になるように第１レンズ５で光を拡散して流体Ｆに入射させる。

本発明の第５実施形態について図７を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。

第５実施形態の濃度センサ１００は、第１実施形態と比較して、凹レンズとしてパイプＰと集光用レンズ８との間に第２凹レンズ６のみが設けられている点で異なっている。また、第２凹レンズ６の測定光が入射する側の面と測定光が射出される側の面が凹面として形成されている。

このような第５実施形態の濃度センサ１００であれば、第４実施形態の濃度センサ１００と同様の効果を奏し得る。より具体的には、流体Ｆの入射面と射出面での集光作用により流体Ｆから集光されて射出される光を第２凹レンズ６で平行にできる。

その他の実施形態について説明する。

各光学素子の配列については図１に示したように光路が概略コの字状になるようにしたものに限られず、例えば各光学素子が一直線上に並ぶように配置しても構わない。ただし、各実施形態において記載したようにコの字状に配置したほうが筐体自体をコンパクト化して濃度センサ自体を小さく構成することができる。

第１凹レンズ及び第２凹レンズの凹面が形成される面や凸面が形成される面は各実施形態に示したものに限られない。第１凹レンズ及び第２凹レンズを両凹レンズとして形成してもよいし、凸面がパイプに対して対向するように配置しても構わない。

光検出機構については分光器と光検出器を備えたものに限られない。例えば光検出機構が光検出器のみを備えたものであっても構わない。この場合には光源から射出される光の波長がほぼ測定対象の流体の吸収波長帯のみを含むものであることが好ましい。

濃度センサが取り付けられるパイプは直管に限られず、曲管であっても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて実施形態の一部を変形したり、各実施形態同士の一部を組み合わせたりしても構わない。

１００・・・濃度センサ
１ ・・・筐体
２ ・・・光源
３ ・・・視準用レンズ
５ ・・・第１凹レンズ
６ ・・・第２凹レンズ
８ ・・・集光用レンズ
９ ・・・光検出機構
１０ ・・・濃度算出部
Ｐ ・・・パイプ
Ｆ ・・・流体

Claims (8)

1. 透光性を有する材料で形成されたパイプ内を流れる流体の濃度を測定する濃度センサであって、
   測定光を射出する光源と、
   前記光源から射出された測定光を平行化する視準用レンズと、
   前記パイプを通過した測定光を集光する集光用レンズと、
   前記集光用レンズで集光された測定光を検出する光検出機構と、
   前記視準用レンズと前記パイプとの間、又は、前記パイプと前記集光用レンズとの間に設けられた１又は複数の凹レンズと、
   前記光検出機構で検出された測定光の強度に基づいて前記パイプ内を流れる流体の濃度を算出する濃度算出部と、を備え、
   １又は複数の前記凹レンズが、前記パイプの外側面に対して空隙が形成されるように配置されていることを特徴とする濃度センサ。
2. 前記凹レンズの凹面の曲率半径が、前記パイプの曲率半径よりも大きい請求項１記載の濃度センサ。
3. 前記視準用レンズ及び前記集光用レンズが、球面レンズであり、
   前記凹レンズが、シリンドリカルレンズである請求項１又は２記載の濃度センサ。
4. 複数の前記凹レンズが、
   前記視準用レンズと前記パイプとの間に設けられた第１凹レンズと、
   前記パイプと前記集光用レンズとの間に設けられた第２凹レンズと、からなり、
   前記第１凹レンズの凹面が、測定光の入射側に形成されており、
   前記第２凹レンズの凹面が、前記パイプの外表面に対向する測定光の入射側に形成されている請求項１乃至３いずれかに記載の濃度センサ。
5. 複数の前記凹レンズが、
   前記視準用レンズと前記パイプとの間に設けられた第１凹レンズと、
   前記パイプと前記集光用レンズとの間に設けられた第２凹レンズと、からなり、
   前記第１凹レンズの凹面が、前記パイプの外表面に対向する測定光の射出側に形成されており、
   前記第２凹レンズの凹面が、前記パイプの外表面に対向する測定光の入射側に形成されている請求項１乃至３いずれかに記載の濃度センサ。
6. 前記第１凹レンズが、測定光の入射側に凸面が形成されており、
   前記第２凹レンズが、測定光の射出側に凸面が形成されている請求項５記載の濃度センサ。
7. 前記凹レンズが、前記視準用レンズと前記パイプとの間、又は、前記パイプと前記集光用レンズとの間のいずれか一方にのみ設けられており、
   前記凹レンズの測定光の入射側と反射側の双方に凹面が形成されている請求項１乃至３いずれかに記載の濃度センサ。
8. 前記光源、前記視準用レンズ、１又は複数の前記凹レンズ、前記集光用レンズ、及び、前記光検出機構を所定の位置に保持する筐体をさらに備え、
   前記筐体が、前記パイプに対して着脱可能であるとともに、当該パイプに対して取り付けられた状態において前記凹レンズと前記パイプの外表面との間に空隙が形成されるように構成されている請求項１乃至７いずれかに記載の濃度センサ。

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