JP5681825B2 - パーティクル濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、パーティクル濃度測定装置に関し、特にクリーンルームにおける一様な一方向の流れが確保されている部位などにおいて、粒子濃度を高い精度をもって測定することができるパーティクル濃度測定装置に関する。

クリーンルームなどにおいて、空気中に浮遊した塵埃等の粒子の濃度（単位容積中の粒子の個数）を測定又は管理することは重要な事項である。
従来、この種の粒子濃度（パーティクル濃度）を測定する装置として、サンプリングチューブにより空気を吸引ポンプの作動により吸引し、その空気の粒子個数を光散乱法によって求めるサンプリング吸引方式のものが、最も一般的に知られている。しかし、この装置では、サンプリングチューブを被測定位置に設置する必要があるため、吸引によって流れが変わってしまう空間での測定はできず、測定場所の自由度が低かった。

また、この装置での測定に際しては、気流速度と吸引速度が一致することが望ましいが、これらを一致させるように吸引ポンプの動作を調整するのは実際的に困難であり、さらに、サンプル空気のボリュームを十分に得るために吸引時間を長くした場合には、そのポイントにおける粒子濃度だけでなく、そのポイントよりかなり風上の空間における粒子濃度も検知してしまう結果となり、検知精度を低下させる原因となっていた。

他方、レーザレーダ方式により遠隔から粒子濃度を測定する装置も提案されている。この装置では、レーザパルスとカメラのシャッタを同期させて、レーザパルス幅とシャッタ速度で定義されるボリューム内の粒子の散乱光を計数して粒子濃度を測定するようになっている。

しかし、前述のレーザレーダ方式により遠隔から濃度を測定する装置は、大気中などにおける大きなボリュームの粒子濃度の遠距離からの測定には適しているものの、室内などでは小さなサンプリングボリュームとなるのに伴い、レーザパルス幅とシャッタ時間を極端に短くなり、計数に十分な光量を得ることが困難であり、１μｍ以下の小さな粒子を測定することは実際的にできないものであった。

さらに、クリーンルーム内の雰囲気中における不純物濃度を、自動的、迅速かつ連続して測定可能で、取り扱いが簡便で低コストの気中不純物監視装置とされるもの（特許文献１）や、クリーンルーム内で用いられ、塵埃を集塵板に受け止めさせる構造の塵埃の測定装置（特許文献２）も知られている。

特許文献１の装置は、密閉可能な不純物捕捉容器に不純物を吸引し超純水中へ供給するもので、前述のサンプリングチューブにより空気を吸引する装置と同様な欠点を有するほか、装置構成が複雑である。また、特許文献２の装置は、塵埃を集塵板に受け止めさせる構造であることから、粒子の濃度（単位容積中の粒子の個数）を測定するには適していない。

特開平９−１４５６１６号公報 特開２００３−４２９３４号公報

したがって、本発明の主たる課題は、クリーンルームにおける一様な一方向の流れが確保されている部位などにおいて、粒子濃度を高い精度をもって測定することができるパーティクル濃度測定装置を提供することにある。

本発明のパーティクル濃度測定装置は、実質的に環状の仕切りを有し、この仕切りにより区画された開口内部を直交して気体が相対的に流れるようにした測定領域形成部と、
前記開口内部に面状の光膜を形成する光膜形成手段と、
前記光膜を通過する粒子の散乱光を受光して粒子を検出する粒子検出手段と、
前記光膜を単位時間に通過する気流の容積に対する、前記粒子検出手段により検出された粒子の総数に基づき、粒子濃度を算出する演算手段と、
を有し、
さらに、前記粒子検出手段は、前記光膜形成手段に対して気体の流れの上流側の前記開口内部を通る直交線に交差しない外れた位置に配置され、前記粒子検出手段の受光軸が前記光膜に対して傾斜しており、
前記光膜形成手段に対して気体の流れの下流側に、前記気体の流れに対する傾斜角度を可変とする可動羽根が複数設けられており、かつ、これら可動羽根は光の難透過性又は非透過性である、
ことを特徴とするものである。

たとえば気流が室内を一様に一方向に流れる一方向流型（又は整流型）クリーンルームにおいて、あるいは層流（ラミナーフロー）を供給する流れの部位において、本発明に係るパーティクル濃度測定装置が設置される。この場合、測定領域を物理的に区画するために、実質的に環状の仕切りによって区画し、その開口内部を直交して気体が相対的に流れるようにしてある。
光膜形成手段によって、前記開口内部全体又は一部に面状の光膜を形成し、粒子検出手段によって前記光膜を通過する粒子の散乱光を受光して粒子を検出することができる。その結果、前記光膜を単位時間に通過する気流の容積を適宜の手段によって算出しておき（たとえば気流の速度と測定対象の面積と受光時間とにより気流の容積を算出することができる。）、その容積に対する、前記粒子検出手段により検出された粒子の総数に基づき、粒子濃度を演算手段によって算出することができる。
本発明においては、空間を実質的に環状の仕切りによって区画することにより、光膜を単位時間に通過する気流の容積を容易に求めることができ、さらに、その区画領域全体又は一部に面状の光膜を形成し前記光膜を通過する粒子の散乱光を受光して粒子を検出することにより、光膜を単位時間に通過する気流の容積に対する粒子の総数に基づき、粒子濃度を算出することができるのである。
したがって、クリーンルームにおける一様な一方向の流れが確保されている部位あるいは層流（ラミナーフロー）を供給する流れの部位などにおいて粒子を検出する場合、従来例のように気流を乱すことがないし、受光時間を長くすることも可能であり、後述のように粒子濃度を高い精度をもって測定することができるとともに、１μｍ以下の微粒子についても検出可能である。

前記開口内部全体の面積に対し、前記開口内部の測定対象とする面積が小さくて足りる場合がある。この場合、流れを与える必要のない領域又は流れを一様とする必要のない領域に対応する可動羽根について、その可動羽根の角度を、気体の流れに対し傾斜させる、あるいは直交させるなどの調整を行なうことにより、気流の流れを調整できる。

前記粒子検出手段によって、粒子の散乱光を受光することにより粒子を検出する場合、測定（受光）領域の背景が暗色系でないと、散乱光と区別でき難くなる。そこで、無反射背景を測定領域形成部の後方に設けることが考えられるが、気流が開口内部に流れるのを阻害する要因となる。
しかし、特に前記粒子検出手段の受光軸が前記光膜に対して傾斜している形態においては、前記気体の流れの下流側に、背景として、光の難透過性又は非透過性の可動羽根を複数設け、気体の流れに対して傾斜させておけば、気流の流れを阻害しないものとなり、しかも、可動羽根に無反射背景と同様の機能を持たせることができる。

なお、本発明に関する具体例として、次の態様を挙げることができる。

＜態様１＞
パーティクル濃度測定装置は、気流が一様に前記開口内部を流れる部位に設けられ、前記測定領域形成部、前記光膜形成手段、及び前記粒子検出撮像カメラ手段は位置固定であるものである。

気流が一様に前記開口内部を流れる部位においては、前記測定領域形成部、前記光膜形成手段、及び前記粒子検出手段は位置固定でよい。たとえば気流の速度と前記開口内部の面積と受光時間とにより気流の容積を算出することができるからである。

＜態様２＞
前記測定領域形成部、前記光膜形成手段、及び前記粒子検出手段が一体となって直線移動するように構成されたものである。

たとえば、気流が室内を一様に一方向に流れる一方向流型（又は整流型）でない、非整 流型のクリーンルームや、気流が生成されておらず、単に粒子が浮遊している場合などにおいては、気体の容積を的確に把握できないあるいは不明となる。
そこで、前記測定領域形成部を直線移動させることにより、たとえ気流が生成されていなくとも、「相対的」には仕切りにより区画された開口内部を直交して気体が流れることになるから、光膜を単位時間に通過する気流の容積を把握できるのである。

＜態様３＞
態様２の下で、前記粒子検出手段は、前記開口内部を通る直交線に交差しない外れた位置に配置され、前記粒子検出手段の受光軸が前記光膜に対して傾斜している構成のものである。

前記粒子検出手段が、前記開口内部を通る直交線上にあると、前記粒子検出手段の存在により気流が乱れる。その結果、測定誤差を招く。そこで、前記粒子検出手段は、前記開口内部を通る直交線に交差しない外れた位置に配置し、前記粒子検出手段の受光軸が前記光膜に対して傾斜している形態を採ると、気流を乱すことなく粒子の検出が可能である。

以上のとおり本発明のパーティクル濃度測定装置によれば、クリーンルームにおける一様な一方向の流れが確保されている部位などにおいて、粒子濃度を高い精度をもって測定することができるなどの優れた効果を奏するようになる。

パーティクル濃度測定装置の配設状態説明図である。 パーティクル濃度測定装置の第１の実施の形態を示す一部断面概要正面図である。 パーティクル濃度測定装置の第１の実施の形態を示す概要平面図である。 光膜形成手段の他の例の概要平面図である。 光膜形成手段の他の例の概要正面図である。 光膜形成手段のさらに異なる例の平面図である。 本発明に係るパーティクル濃度測定装置の実施の形態を示す一部断面概要正面図である。 パーティクル濃度測定装置の他の実施の形態を示す一部断面概要正面図である。 カメラ撮像手段の撮影映像からカウントした微粒子の値とパーティクルカウンタの０．５μｍレンジ以上の値の合計値との比較を行った結果を表わすグラフを示す図である。

以下、パーティクル濃度測定装置の図１〜図３に示した第１の実施の形態を説明する。
本実施の形態に係る図１に示すパーティクル濃度測定装置は、たとえば一様に一方向に流れる一方向流型（又は整流型）クリーンルームの天井フィルタ（ＨＥＰＡフィルタ）１の直下の領域内に水平配置して、塵埃等の粒子濃度を測定するために使用される。

このパーティクル濃度測定装置は、実質的に環状、たとえば図２及び図３に示すように方形に枠組みされた仕切り１０を有し、この仕切り１０により区画された開口内部を直交して、すなわち垂直に下方に清浄空気が流れるようになっており、これによって測定領域形成部が形成されている。
前記仕切り１０に隣接してケーシング１１が設けられ、このケーシング１１内にレーザ光走査手段１２Ａ、及び走査レーザ光を面状の光膜ＦＬとして、仕切り１０の開口内部に与える面状の光膜を形成する平行化手段１２Ｂとを含む光膜形成手段が設けられている。

ケーシング１１と反対側の仕切り１０と一体となった支持体１３上に、撮像手段１５が支持ブラケット１４によって支持されて配置されている。
この撮像手段１５は、光膜ＦＬを通過する粒子の散乱光を受光して粒子を検出する粒子検出手段を構成している。

撮像手段１５からの粒子の散乱光検出信号は、画像信号処理装置２０に取り込まれ、ある場所での受光信号が粒子であるか否かを判断し、その粒子の信号が粒子濃度演算手段２２に与えられる。粒子濃度演算手段２２には、適宜の位置に設けられる気流速度検出器２１からの気流速度が与えられ、光膜ＦＬを単位時間に通過する気流の容積に対する、粒子検出手段により検出された粒子の総数に基づき、粒子濃度を算出するようにしてある。算出された粒子濃度は、ＣＲＴなどの表示装置２３に表示されるほか、クリーンルームの気流制御装置（図示せず）に与えられ、気流制御に利用される。

次に、粒子濃度ｃは、ｃ＝ｎ／（ｒ×Ｖ×Ｔ）の式により算出される。ここで式内の各変数の定義は以下のようなものである。
ｃ：粒子濃度
ｎ：粒子数
ｒ：計測領域面積
ｖ：気流速度
Ｔ：計測時間
なお、本発明に係るパーティクル濃度測定装置の第３の実施の形態（装置全体が一体となって直線移動するように構成された形態：図８の例）では、「ｖ」として「気流速度」ではなく、装置の「移動速度」として粒子濃度ｃを求めることができるものである。

さらに、表示装置２３には、計測領域面積ｒ内の各単位面積とその単位面積における粒子数と相関を行なわせ、体積当たりの粒子の３次元断層分布を表示するようにすることもできる。

前記仕切り１０は環状とされているが、完全に閉じた環状ではなく、部分的に外方に開いていてもよい。また仕切り１０は、実質的に環状であれば良く、長方形以外の正方形等の四角形やその他の多角形、更には円形等に形成されたものでも良い。そして、仕切り１０の断面形状は、気流が乱れることを防止するために図２に示すように流線形に形成されているのが望ましい。

光膜形成手段の例は、単純には、図６に示すように、レーザ光Ｌを受けて所定の角度範囲を走査するガルバノミラー（レーザ光走査手段）１２Ａ及び半凸レンズ（平行化手段）１２Ｂを使用する例である。

他の例として、図４及び図５に示すものを挙げることができる。この例において、レーザ光発生器２、ガルバノミラーなどの走査手段１２Ａ、第１ミラー４、第２ミラー５、フレネルレンズ６を備えている。この例においては、第１ミラー４、第２ミラー５、フレネルレンズ６は、平行化手段１２Ｂを構成している。
レーザ光発生器２から前方に出射したレーザ光Ｌ０は、詳細の図示を省略した角度変換ミラー７、８により角度変換した上で、走査手段１２Ａに入り、この走査手段１２Ａは直線的レーザ光を受けて扇形に拡げるべくスキャニングする。

走査手段１２Ａからのレーザ光は、前後方向に平行に対向する第１ミラー４と第２ミラー５との間で反射し、より幅広に拡げた扇状の走査光とする。すなわち、第１ミラー４での反射光が第２ミラー５に入射され、第２ミラー５において前方に出射する。出射光は、平行化手段１２Ｂを通ることにより、平行スキャナビーム光として空気中に出射される。平行化手段１２Ｂとしてプラスチックレンズのものを使用すれば、コスト的に有利である。

これによって、走査手段１２Ａによる振れ角がθであるしても、仮想的に走査手段３を後方位置Ｐに設置した場合と同じく、幅広の平行スキャナビーム光ＦＬとして出射できるものである。
走査手段として、ガルバノミラー、レゾナンドミラー、ポリゴンミラーなどを使用できる。走査手段１２Ａによる振れ角θは適宜選定または調整できる。その結果、平行スキャナビーム光の幅の調整が可能となる。

粒子検出手段を構成する撮像手段１５は、開口内部を通る直交線（図示例では鉛直線）に交差しない外れた位置に配置されている。これによって、撮像手段１５の存在により気流が乱れることを防止しながら粒子の検出が可能である。また、撮像手段１５の受光部１５ａの受光軸ＯＸは、光膜ＦＬに対して傾斜している。
光膜ＦＬは、仕切り１０の開口内部全体に形成できるほか、図３のように狭い幅に形成することもできる。さらに、図２に示すように、前後方向の受光（撮像）領域は、仕切り１０の開口内部の前後方向の全体でなく一部であってもよい。
撮像手段１５は、仕切り１０及び光膜ＦＬとの位置関係が既知として予め把握できるので、撮像画像の処理範囲が、仕切り１０の開口内部全体でなくとも「計測領域面積ｒ」を定めるのになんら問題はない。
他方、上記例では、仕切り１０又は光膜ＦＬの、気流の流れの上流側に撮像手段１５を設けたが、下流側に設けてもよい。

以上の形態によれば、クリーンルームにおける一様な一方向の流れが確保されている部位あるいは層流（ラミナーフロー）を供給する流れの部位などにおいて粒子を検出する場合、従来例のように気流を乱すことがないし、受光時間を長くすることも可能であり、後述のように粒子濃度を高い精度をもって測定することができるとともに、１μｍ以下の微粒子についても検出可能である。

ちなみに、図１〜図３の装置によって、クリーンルームの天井フィルタ１から、パーティクルカウンタの校正に使用されるＰＳＬ標準粒子（粒径０．５μｍ）を含む気流を吹き出させた。このとき、仕切り１０の下方にパーティクルカウンタのプローブを設置し、ＰＳＬ標準粒子の全量を捕捉した。
カメラ撮像手段１５の撮影映像からカウントした微粒子の値とパーティクルカウンタの０．５μｍレンジ以上の値の合計値との比較を行った結果を図９に示す。プロット点が測定値であり、ｙ＝１．４６０１ｘが本発明による測定値の近似式、ｙ＝ｘがパーティクルカウンタ０．５μｍレンジ以上の個数合計値とカメラ個数値の値が同じ値の場合の線であり、本発明の近似式ｙ＝１．４６０１ｘが、ｙ＝ｘより点が上部にあることから、確実に０．５μｍ以上の粒子がカウントできていることが確認できる。

図７は、本発明に係るパーティクル濃度測定装置の第２の実施の形態を示す一部断面概要正面図である。
前記気体の流れの上流側の光膜ＦＬより下流側に、気体の流れに対する傾斜角度を、支持中心３０ａを中心にして可変とする可動羽根３０、３０…が複数設けられており、かつ、これら可動羽根３０、３０…は光の難透過性又は非透過性である構成のものである。すなわち、無反射背景と同様な暗色系の材料又は表面処理したものを使用する。

撮像手段１５（粒子検出手段）によって、粒子の散乱光を受光することにより粒子を検出する場合、測定（受光）領域の背景が暗色系でないと、散乱光と区別でき難くなる。そこで、無反射背景を測定領域形成部の後方に設けることが考えられるが、気流が開口内部に流れるのを阻害する要因となる。
しかるに、本形態に従って、気体の流れの下流側に、背景として、光の難透過性又は非透過性の可動羽根３０、３０…を複数設け、気体の流れに対して傾斜させておけば、気流の流れを阻害しないものとなり、しかも、可動羽根に無反射背景と同様の機能を持たせることができる。

この場合、可動羽根３０、３０…相互の間隔は、適宜選定することができる。たとえば、一部の可動羽根３０、３０間の間隔を狭くする、あるいは気流に対して傾斜角度を大きくすることにより、その領域に気流を流さないようにすることができる。
なお、可動羽根３０、３０…群は仕切り１０に設けるほか、その仕切り１０より下流側に別の支持部材に支持させて配置することもできる。

次に、本発明に係るパーティクル濃度測定装置の第３の実施の形態を詳細に説明する。
たとえば、気流が室内を一様に一方向に流れる一方向流型（又は整流型）でない、非整 流型のクリーンルームや、気流が生成されておらず、単に粒子が浮遊している場合などにおいては、気体の容積を的確に把握できないあるいは不明となる。
そこで、本発明に係るパーティクル濃度測定装置の第３の実施の形態に従って、測定領域形成部を直線移動させれば、たとえ気流が生成されていなくとも、「相対的」には仕切り１０により区画された開口内部を直交して気体が流れることになるから、光膜ＦＬを単位時間に通過する気流の容積を把握できるのである。

第３の実施形態に係る図３に示すパーティクル濃度測定装置４０は、図８に示すように、前記測定領域形成部、前記光膜形成手段、及び前記粒子検出手段が一体となって直線移動するように構成されたものである。

具体的には、基台４０にポスト４１，４１が立設され、ポスト４１のガイド溝（図示せず）にスライド部４１ａが係合している。スライド部４１ａには駆動モータ４３によって回転されるボールネジ軸４２が螺合しており、駆動モータ４３によってボールネジ軸４２を回転させ、スライド部４１ａをポスト４１のガイド溝に沿って上下動させるようになっている。スライド部４１ａはケーシング１１と一体とされ、その結果、仕切り１０及び撮像手段１５を含む装置の主要部が上下動する。この場合、支持体１３にポスト４１に固定された案内軸４４が遊嵌している構造とされ、上下動の安定化を図っている。

本発明の撮像手段１５（粒子検出手段）としては、撮像管カメラが、特にアバランシェ撮像管を用いた撮像管カメラであるのは好ましい。また、撮像管カメラによる撮影画像信号をアナログ微分処理するアナログ微分処理装置を備え、このアナログ微分装置による微分処理画像に基づいてエアロゾルを検出するように構成するのも好ましい。さらに、前記撮像管カメラのレンズに、前記検出対象領域以外の領域を撮影しないように遮るレンズフードを取り付けてなるのも好ましい。これらの構成により、検出能力の向上を図ることができる。また、近年高精細化が進むＣＣＤカメラや写真機などを用いることもできる。

本発明の光膜形成手段としては、レーザ光のほか、ＬＥＤ光を利用したものであってもよい。
また、必要ならば、光膜ＦＬを受ける仕切り１０部分に、光トラップ（図示せず）を設け、光膜ＦＬの受光した光を反射しないように構成することができる。

本発明は、クリーンルーム内だけでなく、ラミナーフローが確保されている工場設備においての塵埃等の粒子の測定に利用できるものであり、更に半導体、液晶、医薬品、食品、医療等の清浄空間を必要とする全ての分野に適用可能なものである。

１ 天井フィルタ
１０ 仕切り
１１ ケーシング
１２Ａ レーザ光走査手段
１２Ｂ 平行化手段
１５ 撮像手段
２０ 画像信号処理装置
２１ 気流速度検出器
２２ 粒子濃度演算手段
３０ 可動羽根
４２ ボールネジ軸
４３ 駆動モータ
ＦＬ 光膜

Claims (1)

1. 実質的に環状の仕切りを有し、この仕切りにより区画された開口内部を直交して気体が相対的に流れるようにした測定領域形成部と、
   前記開口内部に面状の光膜を形成する光膜形成手段と、
   前記光膜を通過する粒子の散乱光を受光して粒子を検出する粒子検出手段と、
   前記光膜を単位時間に通過する気流の容積に対する、前記粒子検出手段により検出された粒子の総数に基づき、粒子濃度を算出する演算手段と、
   を有し、
   さらに、前記粒子検出手段は、前記光膜形成手段に対して気体の流れの上流側の前記開口内部を通る直交線に交差しない外れた位置に配置され、前記粒子検出手段の受光軸が前記光膜に対して傾斜しており、
   前記光膜形成手段に対して気体の流れの下流側に、前記気体の流れに対する傾斜角度を可変とする可動羽根が複数設けられており、かつ、これら可動羽根は光の難透過性又は非透過性である、
   ことを特徴とするパーティクル濃度測定装置。

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