JP5366728B2

JP5366728B2 - 液体中の粒子のサイズの検出方法および装置

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Publication number: JP5366728B2
Application number: JP2009211533A
Authority: JP
Inventors: 浩一中野; 泰寛林
Original assignee: Hokuto Electronics Inc
Current assignee: Hokuto Electronics Inc
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: JP2011059048A

Description

本発明は、液体中の粒子のサイズの検出方法および装置に関する。

近年において、半導体の生産プロセスにおいてウェハーの洗浄に超純水は欠かせないものとなっている。水には、不純物であるイオンやコロイド粒子、マイクロバブルや溶融空気、さらにパーティクル（ごみ）としてのシリカ、酢酸セルロース、テフロン（登録商標）ポリマーなどが含まれることがある。

水中における微粒子の検出に関して種々の方法が知られている。例えば、透光性を有する管路を流れる液体の流れ方向に対して横断するようにコヒーレントな光を照射し、液体に含まれる粒子により生じる回折縞ＡＭを光検出手段ＳＥにより検出することにより粒子のサイズを検出することが提案されている（特許文献１）。

特許文献１によると、第１および第２の光検出手段を所定の距離だけ離間して設け、それらで検出される回折縞について、検出レベルがそれぞれ最大となる時間の差分であるピーク時間差Ｔ２、および、第１の光検出手段の検出開始から第２の光検出手段による検出終了までの時間である通過時間Ｔ１を計測し、計測されたピーク時間差Ｔ２および通過時間Ｔ１に基づいて液体に含まれる粒子のサイズを検出する。

特開２００９−８６０２

特許文献１の方法によると、液体中に含まれる不純物としての微粒子が少なくても正確に粒子のサイズを検出することが可能である。

特許文献１の方法による場合に、光検出手段から出力される２つの検出信号は、差動増幅器によって差動増幅され、電圧信号となる。差動増幅器において、２つの検出信号のいずれか一方が反転され、反転されない他の検出信号と合成される。これにより、光検出手段が回折縞を検出していないときの光によるバックグランド電圧は打ち消され、そのときの検出信号の加算値はゼロ出力となる。光検出手段が回折縞を検出したときに、回折縞による光の強さの変化分が検出信号として得られる。

しかし、検出信号のレベルは、粒子のサイズによって大きく変化する。例えば、光検出手段の受光量は、粒子の直径の３乗ないし４乗に比例するといわれる。

したがって、従来のようにして得られた検出信号に基づいて粒子のサイズの検出を行う場合には、粒子のサイズによる信号レベルの格差が大きく、回路設計が容易でなかったり、Ｓ／Ｎ比が悪かったりする。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、粒子のサイズによる信号レベルの格差を小さくし、粒子のサイズの検出のための演算を行うに際してＳ／Ｎ比を向上させることを目的とする。

本発明に係る方法は、管路を流れる液体の流れ方向に対して横断するようにコヒーレントな光を照射し、液体に含まれる粒子により生じる回折縞を光検出手段により検出することにより前記粒子のサイズを検出する粒子サイズ検出方法であって、前記光検出手段として、第１の光検出手段および第２の光検出手段を設けるとともに、前記第２の光検出手段を前記第１の光検出手段よりも前記液体の流れ方向に沿った下流側に所定の距離だけ離間した位置を検出するように設けておき、前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段による検出信号を差分演算し、差分演算された信号を、中心周波数よりも低域側に前記サイズに応じた光量の格差を打ち消すような減衰特性を持つフィルタを通過させ、前記フィルタを通過後の信号に基づいて前記粒子のサイズを検出する。

前記フィルタの前記中心周波数は、例えば、検出される前記粒子の直径の最小値に応じた周波数とする。

前記フィルタに、前記中心周波数の低域側において、１８ｄｂ／ｏｃｔないし２４ｄｂ／ｏｃｔの減衰特性を持たせるとができる。また、前記フィルタは、前記中心周波数の高域側も減衰させるようになっていてもよい。

本発明によると、粒子のサイズによる信号レベルの格差を小さくし、粒子のサイズの検出のための演算を行うに際してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

本発明に係る第１の実施形態の検出装置を説明する図である。図１の検出装置を光学的に等価な状態で示した図である。図１のＡ−Ａ矢視断面図である。管路の構造の他の例を示す斜視図である。管路の接続部の構造の例を示す断面図である。管路の構造の他の例を示す正面断面図である。図６の管路の蓋を外した状態の右側面図である。図６の管路の上面図である。光検出手段の例を示す斜視図である。管路の構造の他の例を示す正面断面図である。検出回路の構成の例を示すブロック図である。フィルタの周波数特性の例を示す図である。回折縞による検出信号の状態を示す図である。検出信号の波形による面積を求める方法を説明する図である。フィルタの回路構成の例を示すブロック図である。図１５のフィルタにおける信号波形の状態を示す図である。検出装置における個数濃度の検出動作を示すフローチャートである。本発明に係る第２の実施形態の検出装置を説明する図である。

図１〜図２において、検出装置１では、透光性を有する管路（フローセル）ＫＲを流れる液体ＥＴの流れ方向Ｍ１に対して直交して横断するように、コヒーレントな光（レーザ光）ＨＫを照射する。液体ＥＴに含まれる粒子（パーティクル）が光ＨＫの中を通過したときに、その粒子により生じる回折縞を光検出手段ＳＥ１，２により検出することにより、粒子のサイズ（粒径）を検出する。

コヒーレントな光ＨＫを生成するために、光学装置５として、レーザ光源１１およびレンズ１３が用いられる。レーザ光源１１として種々のものを用いることができるが、できるだけ高出力で短波長の方が回折縞が発生しやすい。レンズ１３として、種類の異なる種々のレンズを組み合わせて用いてもよい。

なお、レーザ光源１１として、例えば、レーザ波長４０５ｎｍ、レーザ出力３５ｍＷの半導体レーザ、その他の光源を用いることが可能である。

管路ＫＲの途中には、管路ＫＲよりも小さい内径を有する整流ノズル１５を設け、管路ＫＲを流れる液体ＥＴが整流ノズル１５に流れ込むことによって整流ノズル１５内において液体ＥＴの流速が速くなるようにする。また、整流ノズル１５によって、その出口の近辺において液体ＥＴが例えば層流となるように整流を行う。

そして、整流ノズル１５の出口側の開口部１５１の近辺の液体ＥＴの流速が速くなった位置において、焦点ＳＴを結ぶように光ＨＫを照射する。焦点ＳＴの近傍は光ＨＫのエネルギー密度が高いので、微小な粒子であっても焦点ＳＴの近傍を通過したときには回折縞ＡＭが発生し、これを検出することが可能である。整流ノズル１５によって、液体ＥＴが焦点ＳＴの近傍を通過するように液体ＥＴの流れを絞り、微少な粒子の検出を可能にする。なお、開口部１５１から焦点ＳＴまでの距離Ｌ１は、例えば、２ｍｍ程度である。

このように、レーザ光の焦点ＳＴの近傍を液体ＥＴが通過するようにし、しかも液体ＥＴの流れを整流することにより、粒子の移動を安定化し検出の能力を向上させることができる。また、整流ノズル１５によって断面積を減少させることにより、液体ＥＴの流速を大きくし、検出可能な粒子の出現確率を向上させることができる。

次に、管路ＫＲについて具体的に説明する。管路ＫＲは、管路本体１４および整流ノズル１５を有する。

管路本体１４は、透光性を有した材料、例えば石英ガラスまたは透明プラスチックなどを用いて製作される。管路本体１４は、その内周面１４ｂは断面矩形であり（図３参照）、その外周面１４ａも断面矩形である。例えば、管路本体１４の内周面１４ｂの断面形状は、一辺の長さが例えば８ｍｍ程度の正方形である。

整流ノズル１５は、その外周面１５ａが、管路本体１４の内周面１４ｂと同じ形状の断面矩形である。つまり、整流ノズル１５の外周面１５ａは、管路本体１４の内周面１４ｂに挿入されて丁度嵌まりこむ程度の外形寸法を有する。

整流ノズル１５の内周面１５ｂは、断面円形である。内周面１５ｂの直径は、例えば４ｍｍ程度である。

また、整流ノズル１５は、出口側の開口部１５１の外周面が円錐面１５ｃとなっており、入口側の開口部１５２の内周面が円錐面１５ｄとなっている。これら、円錐面１５ｃ，１５ｄは、内周面１５ｂに対して例えば３０°程度の角度を有している。つまり、円錐面１５ｃ，１５ｄの頂角は例えば６０°程度である。

整流ノズル１５は、管路本体１４の内部において、例えば接着剤などを用いて固定される。また溶着を行ってもよい。または、管路本体１４の内周面１４ｂに適当な係合部を設けておき、整流ノズル１５がその係合部に対して軸方向に係合するようにしてもよい。また、ネジを設けておき、互いにネジによって結合するようにしてもよい。また、別の固定部材を用いて固定してもよい。また、Ｏリングなどの適当なシール部材を用いて液体ＥＴが漏れないようにしておいてもよい。

さて、図１および図４に示されるように、管路ＫＲのレーザ光源１１とは反対側に、プリズム１６が配置されている。プリズム１６は、側面形状が三角形の三角プリズムであり、その１つの稜線（頂点）が管路ＫＲに対向するようかつ管路ＫＲに対して直角方向に延びるように配置され、その稜線の両側の２つの面によって光ＨＫを分割して反射させる。

また、光ＨＫは、管路ＫＲ内の液体ＥＴの中で焦点ＳＴを結ぶように照射され、プリズム１６は、焦点ＳＴの後で放射状となった光ＨＫを分割して異なる方向に反射させる。

つまり、プリズム１６の頂点（稜線上の点）ＰＴは光ＨＫの光軸（中心線）上に位置し、光軸よりも図の上側の光ＨＫは第１面１６ａにより、下側の光ＨＫは第２面１６ｂにより、それぞれ分かれて反射する。光検出手段ＳＥ１は、プリズム１６の第１面１６ａによって反射した光ＨＫを受光するように配置され、光検出手段ＳＥ２は、プリズム１６の第２面１６ｂによって反射した光ＨＫを受光するように配置されている。つまり、２つの光検出手段ＳＥ１，２は互いに離れて互いに向き合うように配置されているにも係わらず、等価的には液体ＥＴの流れ方向Ｍ１に沿って平行に配置されたことになる。なお、第１面１６ａおよび第２面１６ｂは、いずれもプリズム１６の外面である。

このように、プリズム１６を用いて光ＨＫを分光することにより、光検出手段ＳＥ１，２を焦点ＳＴの位置に近づけることができる。つまり、回折縞の検出感度を向上させるためには、光検出手段ＳＥ１，２を焦点ＳＴに近づけた方がよい。例えば、焦点ＳＴから光検出手段ＳＥ１，２までの距離が２分の１になると、検出感度は４倍になる。

しかし、光検出手段ＳＥ１，２が焦点ＳＴに近づくほど、光検出手段ＳＥ１，２が受光する光ＨＫの幅が狭くなり、２つの光検出手段ＳＥ１，２の間のピッチ（光検出ピッチ）が小さくなって取り付けが困難になる。プリズム１６を用いて光ＨＫを分光することにより、２つの光検出手段ＳＥ１，２を互いに離して取り付けることが可能になり、実質的に光検出ピッチを小さくすることができる。

なお、プリズム１６の形状は種々のものを用いてもよい。複数のプリズム１６を組み合わせて用いてもよい。プリズム１６に代えて、またはプリズム１６とともに、ミラーを用いてもよい。その場合に、複数のミラーを組み合わせることが可能である。

ところで、光ＨＫの中を粒子が通過したときに、それによる回折縞が光検出手段ＳＥ１，２により検出される。その場合の粒子の位置は、光ＨＫの中であればよく、焦点ＳＴに対して光源の側（光源側）または光検出手段ＳＥ１，２の側（検出側）のいずれであってもよい。粒子が光源側または検出側のいずれを通過するかによって、光検出手段ＳＥ１，２によって検出される回折縞の移動方向が逆になるが、これに対しては信号処理によって対処するようになっている。

すなわち、粒子が光源側または検出側のいずれを通過するかによって、プラスの検出信号またはマイナスの検出信号のいずれかが先に出力される。したがって、先に出力された検出信号の極性を検出することによって、粒子が光源側または検出側のいずれを通過したかが判断される。いずれの場合も、後で説明するように面積ＳＱおよびピーク時間差Ｔ２などを求めることができる。

なお、図２において、焦点ＳＴの位置は、整流ノズル１５の中心軸ＴＪ上にあることが好ましいが、中心軸ＴＪよりも光源側にあってもよく、また中心軸ＴＪよりも検出側にあってもよい。

また、その場合に、焦点ＳＴの位置は、整流ノズル１５の内周面１５ｂの延長面１５ｅの内側にあることが好ましい。しかし、焦点ＳＴの位置が延長面１５ｅの内側になくても検出可能である。

図４には他の形態の管路ＫＲＢが示されている。

図４において、管路ＫＲＢは、管路本体３１および整流ノズル３２を有する。

管路本体３１は、透光性を有した材料からなっており、その内周面３１ｃは断面円形である。その外周面は、軸方向の中央部が断面矩形の矩形外周面３１ａとなっており、その両側が断面円形の円形外周面３１ｂとなっている。

整流ノズル３２は、管路本体３１の内周面３１ｃと同じ形状の断面円形の外周面３２ａを有する。外側の端部には、外周面３２ａよりも径大の断面円形の外周面３２ｂが設けられている。整流ノズル３２の内周面３２ｃは、断面が円形である。また、整流ノズル３２は、液体ＥＴの出口側の開口部３２１の外周面が円錐面３２ｄとなっている。

整流ノズル３２は、管路本体３１の一方の端部から内周面３１ｃに挿入されている。管路本体３１と整流ノズル３２とは、接着剤、溶着、またはネジなどによって固定することが可能である。また、Ｏリングなどの適当なシール部材を用いて、管路本体３１と整流ノズル３２との間で液体ＥＴが漏れないようにシールすることができる。

このような管路ＫＲＢを用いた場合に、光ＨＫの焦点ＳＴが、整流ノズル３２の出口側の開口部３２１の近辺の液体ＥＴの流速が速くなった位置にくるようにする。

つまり、管路本体３１において、その外周面は、少なくとも整流ノズル３２の出口側の開口部３２１が位置する部分に対応する部分が断面矩形となっており、それ以外の部分が断面円形である。

なお、管路本体３１および整流ノズル３２の外側の端部に、配管接続のための適当なネジを設けておいてもよい。また、チューブを接続するための接続部を設けておいてもよい。また、図５に示すような接続部ＳＢを用いてもよい。

すなわち、図５において、接続部（フィッティング部材）ＳＢは、接続部材（第１フィッティング部材）３３および固定部材３４（第２フィッティング部材）を有する。これらは、例えば金属材料または合成樹脂によって製作される。

接続部材３３は、管路ＫＲＢの管路本体３１の円形外周面３１ｂを挿入するための穴部３３ａ、外部とのネジ接続のためのネジ部３３ｂ、および、固定部材３４とのネジ接続のためのネジ部３３ｃを有する。

固定部材３４は、シール部材を押さえるためのつば部３４ａ、ネジ部３３ｃとのネジ接続のためのネジ部３４ｂ、および、外部とのネジ接続のためのネジ部３４ｃを有する。

管路本体３１の一方の円形外周面３１ｂが、固定部材３４のつば部３４ａを貫通して接続部材３３の穴部３３ａに挿入されている。円形外周面３１ｂには、接続部材３３と固定部材３４との間に、２つのＯリング３５およびバックアップリング３６が装着されている。固定部材３４を接続部材３３に対してネジ込んでいくことにより、Ｏリング３５が加圧されてそれぞれの表面に密着し、それらの間のシールが確実に行われる。

このような接続部ＳＢが、管路本体３１の他方の円形外周面３１ｂにも設けられている。２つの接続部ＳＢを用いることにより、管路ＫＲＢを外部の配管部材またはチューブなどに容易に確実に接続することができる。Ｏリング３５およびバックアップリング３６が確実なシールを行うため、液体ＥＴが漏れることがない。

なお、このような接続部ＳＢを、先に述べた管路ＫＲの接続に用いてもよい。

図６〜図８にはさらに他の形態の管路ＫＲＣが示されている。

図６〜図８において、管路ＫＲＣは、本体ブロック４１の中央に設けられた穴に円筒状のチューブ４２が挿入され、チューブ４２の一端側から整流ノズル４３が挿入されている。チューブ４２は、透光性を有した材料、例えばガラスなどからなっている。

チューブ４２の内径は例えば６ｍｍ程度、整流ノズル４３の内径は例えば２ｍｍ程度である。

本体ブロック４１の両側の端面には、配管ブロック４４，４５がネジ４６，４６…で取り付けられている。

整流ノズル４３は、チューブ４２の内周面と同じ径の外周面４３ａを有する。外側の端部には、外周面４３ａよりも径大の断面円形のつば部４３ｂが設けられている。整流ノズル４３の内周面は断面円形である。整流ノズル４３の先端部である出口側の開口部４３１の外周面が円錐面４３ｄとなっている。

整流ノズル４３は、つば部４３ｂの外端面が配管ブロック４４によって押さえられ、これによって固定されている。また、Ｏリング４５によって、本体ブロック４１とチューブ４２と整流ノズル４３との間で液体ＥＴが漏れないようにシールされている。

配管ブロック４４，４５には、本体ブロック４１の凹穴に嵌まりこんで位置決めを行うとともにＯリング６０を押さえるためのボス部４４ａ，４５ａ、および、外部の配管部材などとのネジ接続のためのネジ部４４ｂ，４５ｂが、それぞれ設けられている。

本体ブロック４１には、円柱状の穴４６ａ，４６ｂが設けられており、穴４６ａ，４６ｂの中に光学装置５Ｃが設けられている。

すなわち、本体ブロック４１の一方の穴４６ａには、光学ブロック４７が嵌まり込み、光軸方向の位置調整が行われた後、セットネジ４８によって固定されている。光学ブロック４７には、レーザダイオードからなるレーザ光源１１Ｃ、およびレンズ１３Ｃａ，１３Ｃｂ，１３Ｃｃが取り付けられている。レンズ１３Ｃａ，１３Ｃｂ，１３Ｃｃとして、凸レンズ、シリンドリカルレンズ、その他のレンズを用いることができる。

また、光学ブロック４７の外側面には、プレート４９がネジ５０によって取り付けられており、プレート４９によってレーザ光源１１Ｃが押さえられて固定されている。プレート４９は、レーザ光源１１Ｃの発する熱を放熱する役目も果たす。

光学ブロック４７は、レーザ光源１１Ｃからの光ＨＫを焦点ＳＴに収束させる。焦点ＳＴにおいて、ビームウエスト（ビームの幅）が極めて細くなっており、その近傍は光ＨＫのエネルギー密度が高い。その焦点ＳＴは、整流ノズル４３の開口部４３１の近辺位置にくるように調整されている。焦点ＳＴの後は、所定の角度をもって拡がる放射状の光ビームとなる。なお、ビームウエストは、本実施形態において例えば２３μｍ程度まで絞ることができる。

本体ブロック４１の他方の穴４６ｂには、プリズム１６Ｃおよび光検出手段ＳＥ１，ＳＥ２が取り付けられている。

すなわち、本体ブロック４１の側面には、蓋５１がネジ５２によって取り付けられ、蓋５１には受光ブロック５３がネジ５４によって取り付けられている。受光ブロック５３には、プリズム１６Ｃが取り付けられ、また、取付け板５５を介して光検出手段ＳＥ１，ＳＥ２がそれぞれ取り付けられている。

プリズム１６Ｃは、受光ブロック５３に設けられた溝にスライド可能に嵌まり込み、その両端面が受光ブロック５３の両側の側面にネジ５７で取り付けられた押さえ板５６，５６によって押さえられ、これによって抜け止めがなされている。

プリズム１６Ｃは、直角三角プリズムであり、頂点ＰＴは光ＨＫの光軸（レーザ光源１１Ｃと焦点ＳＴとを結ぶ線）上に位置する。光軸を境界にして、光ＨＫはプリズム１６Ｃの２つの面で分かれて反射し、光検出手段ＳＥ１またはＳＥ２により受光される。

図９に示すように、光検出手段ＳＥは、円筒状のケース６１の上面６１ａの中央に、フォトダイオード（ＰｉｎＰＤ）６２が取り付けられてなっている。ケース６１の底面には円形の底板６３が設けられている。フォトダイオード６２に光が入射すると、その光量に応じた大きさの信号が出力される。したがって、回折縞による光ＨＫの強弱が信号の大きさの変化として出力される。

なお、フォトダイオード６２の直径は例えば０．８ｍｍ程度、ケース６１の直径は例えば５〜１０ｍｍ程度である。つまり、光検出手段ＳＥにおいて、回折縞による光ＨＫの受光領域は狭いのであるが、それに比べてケース６１の外形は大きい。そのため、従来のように２つの光検出手段ＳＥ１，２を並べて配置した場合には、光検出ピッチが大きくなり、管路ＫＲＣまたは焦点ＳＴに十分に近づけることができない。しかし、図６のように、光ＨＫをプリズム１６Ｃで反射させて左右に分けた場合には、プリズム１６Ｃを配置するスペースができ、光検出手段ＳＥ１，２を管路ＫＲＣまたは焦点ＳＴに近づけることができる。そのため、光検出手段ＳＥ１，２に入射する光量が増大し、検出感度を高めることができる。

図６に示す管路ＫＲＣでは整流ノズル４３を用いたが、整流ノズル４３を用いない例を次に説明する。

図１０には、直径の小さいサファイアからなるチューブ４２Ｄを用いた管路ＫＲＤが示されている。なお、図１０において、図６に示す管路ＫＲＣと同じ要素には同じ符号を付して説明を省略する。

図１０において、管路ＫＲＤは、本体ブロック４１の中央に設けられた穴に、略円筒状の保持部材６５が装着され、保持部材６５に、上に述べたサファイアからなる透明のチューブ４２Ｄが装着されている。チューブ４２Ｄの内径は例えば２ｍｍ程度である。

チューブ４２Ｄの端面は、保持部材６５に嵌入する配管ブロック４４，４５のボス部４４ａ，４５ａによって押さえられ、これによって固定されている。チューブ４２Ｄと保持部材６５とボス部４４ａ，４５ａとの間は、Ｏリング６６によってシールされている。

配管ブロック４４，４５の中央に設けられた穴４４ｃ，４５ｃは、チューブ４２Ｄの内径と同じ内径である。したがって、ネジ部４４ｂに接続された配管部材からの液体ＥＴは、穴４４ｃを通り、そのまま真っ直ぐにチューブ４２Ｄに入り、チューブ４２Ｄを通過して穴４５ｃを通り、ネジ部４５ｂに接続された配管部材から排出されることとなる。したがって、管路ＫＲＤによると、液体ＥＴの流通が円滑であり、流れの乱れが少ない。

次に、検出回路２０について説明する。

図１１において、光検出手段ＳＥ１，２から出力される検出信号Ｓ１，２は、Ｓ／Ｎ比を上げるために、差動増幅器２１によって差動増幅され、電圧信号である信号Ｓ３となる。差動増幅器２１において、検出信号Ｓ２またはＳ１のいずれか一方が反転され、反転されない他の検出信号Ｓ１またはＳ２と合成される。これにより、光検出手段ＳＥ１，２が回折縞を検出していないときの光ＨＫによるバックグランド電圧は打ち消され、そのときの検出信号Ｓ１，２の加算値はゼロ出力となる。光検出手段ＳＥ１，２が回折縞を検出したときに、回折縞ＡＭによる光ＨＫの強さの変化分が検出信号Ｓ１，２として得られる。なお、差動増幅器２１において、２つの検出信号Ｓ１，Ｓ２を加算したときのバックグランド電圧を０にするための調整回路を設けておくことができる。

差動増幅器２１から出力される信号Ｓ３は、フィルタ２９によってフィルタリングされる。フィルタ２９は、帯域通過フィルタであり、図１２に示す周波数特性を有する。

さて、粒子による回折縞の強さは、粒子の直径に大きく依存する。つまり、回折縞は、粒子の体積およびサイズなどに依存するので、粒子の直径の３乗または４乗程度に比例するものと考えられる。

そこで、帯域通過フィルタであるフィルタ２９の中心周波数を、検出する粒子の直径の最小値に見合う周波数となるように調整する。そして、中心周波数よりも低域側を、１８ｄｂ／ｏｃｔないし２４ｄｂ／ｏｃｔ程度の減衰特性とする。中心周波数よりも高域側は、低域側と同様に１８ｄｂ／ｏｃｔないし２４ｄｂ／ｏｃｔ程度の減衰特性とするか、またはフラットにする。

すなわち、例えば、検出する最小の粒子を５０ｎｍとし、その粒子の光検出手段ＳＥ１，２における通過時間を「ｔ」とする。通過時間「ｔ」は、図１４において検出信号Ｓ１，Ｓ２の波形を近似する三角形の底辺に相当する。

そうすると、１００ｎｍの粒子の場合には、通過時間は「２ｔ」となる。つまり、１００ｎｍの粒子では、５０ｎｍの粒子に比べて、焦点ＳＴから２倍離れた位置を通過する検出信号を同一の感度で検出することができる。そして、１００ｎｍの粒子は５０ｎｍの粒子に比べて表面積が４倍であるから、受光量は４倍となる。したがって、この考え方によると、１００ｎｍの粒子は５０ｎｍの粒子に比べて合計８倍の感度で検出されることとなる。

ここで、粒子の通過時間が２倍になるということは、光検出手段ＳＥ１，２で検出される検出信号の周波数ｆが２分の１になるということである。

したがって、フィルタ２９を、最小の直径Ｄの粒子に対応する周波数ｆ１の利得を例えば０ｄＢとした場合に、その２倍の直径２Ｄの粒子に対応する周波数ｆ２の利得が−１８ｄＢ（１／８倍）となるような周波数特性とする。つまり、−１８ｄＢ／ｏｃｔの周波数特性とする。４倍の直径４Ｄの粒子に対応する周波数ｆ４の利得は−３６ｄＢ（１／６４倍）となる。

このような周波数特性が図１２に示されている。図１２には、周波数ｆ１を中心周波数とする−１８ｄＢ／ｏｃｔの帯域通過特性が示されている。図１２において、粒子の直径４Ｄが例えば１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍの場合に、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ４は、例えば７０ｋＨＺ、３５ｋＨＺ、１７．５ｋＨＺである。

このような周波数特性のフィルタ２９を通すことによって、粒子の直径の相違による検出信号の周波数の変化および光量によるレベルの変化が打ち消され、均一化されることとなる。

例えば図１２に破線で示すように、周波数ｆ１よりもかなり低い周波数ｆｊから上の周波数に対して通過帯域幅を持たせた場合には、通過帯域幅に入る周波数の検出信号を通過させることになるが、その間において雑音も通過させることになる。これに対して、図１２に実線で示すように周波数ｆ１を中心周波数とする−１８ｄＢ／ｏｃｔの帯域通過特性とした場合には、粒子の直径の相違による検出信号の変化が打ち消されるとともに、通過帯域幅が狭くなるため、雑音が減衰し、Ｓ／Ｎ比が向上する。

また、次のように考えることもできる。

すなわち、通過時間「ｔ」は、粒子の直径Ｄに比例し、液体ＥＴの速度に反比例する。この通過時間「ｔ」は、図１４に示す波形を近似した三角形の底辺に相当する。また、三角形の高さ、つまり検出信号Ｓ１，Ｓ２のピーク値ＶＰは、粒子の直径Ｄの３乗に比例する。

光検出手段ＳＥ１，２によって検出される１つの検出信号Ｓ１，Ｓ２の長さ時間、つまり通過時間「ｔ」は、実際のところ１〜１０μｓｅｃ程度である。なお、整流ノズル４３を通過する液体ＥＴの量は１００ｍｌ／ｍｉｎ程度であり、整流ノズル４３の有効断面積を３ｍｍ²とすると、流速は５５０ｍｍ／ｓｅｃ（＝１０×１０⁵÷３÷６０）程度である。通過時間「ｔ」が１０μｓｅｃであったとすると、この場合に１０μｓｅｃ程度の幅を有した検出信号Ｓが出力されるが、これは１波形の半分であるので、その２倍の２０μｓｅｃ程度が１波長の長さとなる。したがってこの場合に、周波数は、５０ｋＨｚ〔＝１／（２０×１０^-6）〕程度となる。

図１５にはフィルタ２９の回路の例が示されており、図１６には図１５のフィルタ２９による信号Ｓ３の状態の変化の例が示されている。

図１５および図１６において、信号Ｓ３は、帯域通過フィルタ２９１により、周波数によることなくほぼ一定の信号レベルに揃えられる。なお、このとき、微分されるので、信号Ｓ３の立ち上がりと立ち下がりにおいて正または負の波形が表れる。また、信号Ｓ３には、ノイズＮＺが含まれている。ピーク整流回路２９２によって、波形は整流されかつピーク値が保存される。低域通過フィルタ２９３によって、高周波成分、例えば１０ｋＨｚ以上の周波数成分がカットされる。また、ＤＣカット部２９４によって、直流成分がカットされる。その結果、信号Ｓ３ａは、なだらかな山形の波形となり、ノイズＮＺはほぼキャンセルされる。

フィルタ２９から出力される信号Ｓ３ａは、ＡＤコンバータ２２によって量子化され、デジタル信号Ｓ４となって演算部２３に入力される。演算部２３において、デジタル信号Ｓ４に対し、種々の演算または計測が行われ、液体ＥＴに含まれる粒子のサイズと個数濃度ＮＫが出力される。

すなわち、例えば、信号処理部２４において、図１３に示すＶＰｐ、ＶＰｍ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３などが求められ、これらに基づいて面積ＳＱおよびピーク時間差Ｔ２が求められ、これらが測定データＤＳとしてメモリに記憶される。さらに、データベースＤＢ１に記録された基準データＤＫが参照され、液体ＥＴに含まれる粒子のサイズと個数濃度ＮＫが求められる。

なお、演算部２３において、種々のパラメータ値がユーザによって設定可能であり、ユーザにより設定されたそれらのパラメータ値に基づいて、測定データＤＳが取得される。

また、面積ＳＱおよびピーク時間差Ｔ２のデータは、それぞれＴ１出力端子２７およびＴ２出力端子２８にも出力される。

算出されたサイズＫＳおよび個数濃度ＮＫは、表示部２６の表示面に表示される。サイズＫＳおよび個数濃度ＮＫを示す信号Ｓ７は、外部の機器などに出力される。また、各サイズの領域ＨＲ１〜３に振り分けられら個数のデータを外部の機器に出力することも可能となっている。

外部の機器への出力は、例えばＲＳ−２３２Ｃなどのシリアルデータとして出力することが可能である。その場合に、例えば、測定日時、領域ＨＲ１の個数、領域ＨＲ２の個数、領域ＨＲ３の個数、エラーメッセージの各データをシリアルで出力すればよい。

次に、検出装置１による検出動作の例について説明する。

まず、上に述べた光検出手段ＳＥ１，２として、フォトダイオードまたはフォトトランジスタなどの受光素子、またはＣＣＤなどの撮像素子などを用いる。光検出手段ＳＥ１，２は、放射状の光が投影される範囲のうち液体ＥＴの流れ方向に対して直角方向についての全範囲を受光するように配置される。光検出手段ＳＥ１，２を、それぞれ第１の光検出手段ＳＥ１、第２の光検出手段ＳＥ２とする。

図１３および図１４を参照して、第１および第２の光検出手段ＳＥ１，２で検出される回折縞ＡＭについて、第１の光検出手段ＳＥ１および第２の光検出手段ＳＥ２による検出信号（出力信号）Ｓ１，Ｓ２を取得する。

そして、検出信号Ｓ１，Ｓ２のそれぞれのピーク値が現れる時間の差分であるピーク時間差Ｔ２、および、検出信号Ｓ１，Ｓ２の波形による面積ＳＱを計測する。計測されたピーク時間差Ｔ２および記面積ＳＱに基づいて、液体ＥＴに含まれる粒子のサイズを検出する。

また、粒子についての複数のサイズについて、それぞれのサイズとそれぞれのサイズに対応するピーク時間差Ｔ２および面積ＳＱとの関係を示す基準データを、試液を用いた実測により予め求めてデータベースＤＢ１に記録しておき、データベースＤＢ１を参照して、液体ＥＴに含まれる粒子のサイズを検出する。粒子のサイズを検出する処理として、例えば上に述べた特許文献１の方法を採用することができる。

また、次の方法によることもできる。

すなわち、ピーク時間差Ｔ２をｘ軸とし面積ＳＱをｙ軸とする座標平面において、粒子のサイズに応じて回折縞を振り分けるための複数の領域を予め定義しておき、粒子についての複数のサイズについて、それぞれのサイズとそれぞれの領域に含まれる回折縞の個数または割合との関係を示す基準データを、試液を用いた実測により予め求めてデータベースに記録しておき、計測されたピーク時間差Ｔ２および面積ＳＱに基づいてそれぞれの領域に振り分けられた回折縞の個数を示す実測データを取得し、基準データおよび実測データを用い、液体ＥＴに含まれる粒子のそれぞれのサイズに対応する個数または割合を検出する。

また、実測データによる回折縞の個数を、基準データを参照し、シミュレーションを行って、それぞれのサイズごとの領域に振り分け、これによって液体ＥＴに含まれる粒子のそれぞれのサイズに対応する個数を検出する。

なお、面積ＳＱは、検出信号Ｓ１，Ｓ２の波形の持続時間を底辺とし波形の波高値を高さとする三角形で近似して求める。

なお、図１３および図１４は、ピーク時間差Ｔ２および記面積ＳＱの計算方法を示すものであり、実際の処理は、フィルタ２９を通過して量子化されたデジタル信号Ｓ４に対して行われる。

次に、検出装置の検出動作の概略を、図１７に示すフローチャートを参照して説明する。

図１７において、試薬を用いて測定を行い（＃１１）、基準データＤＫを得る（＃１２）。未知の液体ＥＴについて測定を行い（＃１３）、各回折縞ＡＭについてのピーク時間差Ｔ２および面積ＳＱを得る（＃１４）。領域ＨＲ１〜３への振り分けなどを行い（＃１５）、これに基づいてサイズごとの個数濃度ＮＫを算出する（＃１６）。検出処理が終わるまで（＃１７）、ステップ＃１３以降を繰り返す。

なお、測定中の未知の液体ＥＴの状態を時系列的かつ相対的に知ることを目的とするのであれば、個数濃度ＮＫを求めることなしに、測定データＤＳの各領域の個数カウントを任意の時間で集計した値を表示値としてもよい。

上に述べた実施形態においては、管路本体１４，３１の断面矩形の外周面の部分から光ＨＫが入射しかつ射出する構成とした。これに関して、液体ＥＴが純水または超純水である場合は、管路ＫＲ，ＫＲＢ〜Ｄに用いる材料は石英ガラスなどで十分対応できる。しかし、液体ＥＴがフッ酸などのように石英ガラスでは耐えられない場合は、サファイヤなどを用いる必要がある。サファイヤなどを用いる場合には、加工が困難で高価になるので、管路本体１４，３１の外周面を全て断面円形とすることになる。

断面円形の管路本体１４，３１またはチューブ４２，４２Ｄを使用した場合には、レーザ光の焦点ＳＴについて、軸方向と周方向とで互いに位置ずれが生じる。周方向については、レンズの焦点位置を管路ＫＲ，ＫＲＢ〜Ｄの中心に合わせればよいが、軸方向については、中心位置に合わせるために、例えばシリンドリカルレンズを用いる。これによって、光ＨＫは、管路ＫＲ，ＫＲＢ〜Ｄの中心位置に焦点ＳＴを結ぶことになる。

すなわち、図１８において、管路ＫＲＥは、管路本体１４Ｅおよび整流ノズル１５Ｅを有する。管路本体１４Ｅは、透光性を有した材料からなり、その外周面１４Ｅａおよび内周面１４ｃはいずれも断面円形である。整流ノズル１５Ｅは、その外周面１５Ｅａおよび内周面１５Ｅｂのいずれもが断面円形である。

光源からの光ＨＫは、シリンドリカルレンズ１３Ｂａ，１３Ｂｂによって補正され、管路ＫＲＥの外周面から内部に入射し、整流ノズル１５Ｅの出口側の開口部１５１の近辺の液体ＥＴの流速が速くなった位置において焦点ＳＴを結ぶ。なお、シリンドリカルレンズ１３Ｂａ，１３Ｂｂとともに、他のレンズを用いることが可能である。

上に述べた実施形態において、整流ノズル１５，１５Ｅ，３２，４３およびチューブ４２Ｄは、整流管路の例である。また、管路本体１４および本体ブロック４１は管路の例である。整流管路の形状または構造として、ノズル状のもの、オリフィス状のもの、テーパ状のもの、その他種々のものを採用することができる。管路本体１４，１４Ｅ，３２またはチューブ４２と、整流ノズル１５，１５Ｅ，３２，４３とを、一体的に製作することも可能である。

上に述べた実施形態において、管路ＫＲ，ＫＲＢ〜Ｅ、接続部ＳＢ、光検出手段ＳＥ、フィルタ２９、検出回路２０、および検出装置１の全体または各部の構成、構造、形状、寸法、個数、材質、面積ＳＱの算出方法、面積ＳＱおよびピーク値ＶＰから各サイズの個数濃度ＮＫを算出する方法、処理の内容または順序などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

１検出装置
１１レーザ光源（光源）
１３レンズ
１６プリズム（反射部材）
１６ａ第１面（面）
１６ｂ第２面（面）
ＫＲ，ＫＲＢ，ＫＲＣ，ＫＲＤ，ＫＲＥ管路（液体管路）
ＨＫ光（レーザ光）
ＥＴ液体
ＳＴ焦点
ＳＥ１，２光検出手段
ＡＭ回折縞

Claims

管路を流れる液体の流れ方向に対して横断するようにコヒーレントな光を照射し、液体に含まれる粒子により生じる回折縞を光検出手段により検出することにより前記粒子のサイズを検出する粒子サイズ検出方法であって、
前記光検出手段として、第１の光検出手段および第２の光検出手段を設けるとともに、前記第２の光検出手段を前記第１の光検出手段よりも前記液体の流れ方向に沿った下流側に所定の距離だけ離間した位置を検出するように設けておき、
前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段による検出信号を差分演算し、差分演算された信号を、中心周波数よりも低域側に前記サイズに応じた光量の格差を打ち消すような減衰特性を持つフィルタを通過させ、前記フィルタを通過後の信号に基づいて前記粒子のサイズを検出する、
ことを特徴とする液体中の粒子のサイズの検出方法。
前記フィルタの前記中心周波数は、検出される前記粒子の直径の最小値に応じた周波数である、
請求項１記載の液体中の粒子のサイズの検出方法。
前記フィルタを通過後の信号に基づいて、前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段による検出信号のピーク値が現れる時間の差分であるピーク時間差Ｔ２、および、前記検出信号の波形による面積ＳＱを計測し、
計測された前記ピーク時間差Ｔ２および前記面積ＳＱに基づいて、前記液体に含まれる粒子のサイズを検出する、
請求項１または２記載の液体中の粒子のサイズの検出方法。
管路を流れる液体の流れ方向に対して横断するようにコヒーレントな光を照射し、液体に含まれる粒子により生じる回折縞を光検出手段により検出することにより前記粒子のサイズを検出する粒子サイズ検出装置であって、
前記光検出手段である第１の光検出手段および第２の光検出手段と、
前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段による検出信号を差分演算する差分演算手段と、
前記差分演算手段から出力される信号に対して中心周波数よりも低域側を前記サイズに応じた光量の格差を打ち消すように減衰させるフィルタと、
前記フィルタを通過後の信号に基づいて前記粒子のサイズを検出する演算手段と、
を有することを特徴とする液体中の粒子のサイズの検出装置。
前記フィルタは、前記中心周波数の低域側において、１８ｄｂ／ｏｃｔないし２４ｄｂ／ｏｃｔの減衰特性を持っている、
請求項４記載の液体中の粒子のサイズの検出装置。
前記フィルタは、前記中心周波数が、検出される前記粒子の直径の最小値に応じた周波数であり、前記中心周波数の高域側も減衰させるようになっている、
請求項４または５記載の液体中の粒子のサイズの検出装置。