JPH0137689B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明は大気中に含まれる塵埃などの微粒子
を光学的に検出する微粒子検出器の改良に関する
ものである。

〔発明の背景〕

従来から環境衛生管理、医療機関あるいは半導
体などの精密部品製造工場等においては、空気清
浄化の必要性から大気中の塵埃などの微粒子の測
定が必要とされている。最近においては、測定す
べき塵埃などの対象物はますます微小となつて、
0.1μｍもしくはそれ以下の範囲に及んでいること
が注目される。

微粒子の測定方式としては従来から光学方式が
用いられているが、その測定方法は、“検出セル”
と称するキヤビテイ内で微粒子を含む被測定空気
（以下、エアロゾルという）を噴射させ、この噴
射光に光を照射して、微粒子による散乱光を受光
するものである（特開昭50−117489号）。この場
合、使用する光源としては従来からハロゲンラン
プによる可視光が用いられていたが、上述のよう
に被測定物の大きさが0.1μｍ程度の範囲では、強
度が著しく大きい光スポツトが必要であるため、
レーザー光源が代りに発場している。

さて、微粒子検出器における光学系の構成につ
いてみると、エアロゾルの噴流に対してレーザー
光の照射方向および散乱光の受光方向乃至は受光
角度などにより種々の形成に分れる。

レーザー光の照射方向は直交式と同軸式に大別
されているが、直交式はエアロゾルの噴流方向に
対して直角方向にレーザー光を照射するものであ
り、また同軸式は該噴流とレーザー光の光軸とが
同一方向をなすものである。いずれの場合におい
ても、レーザー光が噴射された部分に存在する微
粒子からはすべて散乱光を生ずるが、受光側では
同時に受光される散乱光を一定の範囲に制限する
ことが必要とされている。これを第１図ａにより
説明する。第１図ａは同軸式の検出器で、エアロ
ゾルの噴流１と、レーザービーム２とが軸３を共
有（同軸）しており、円形２′（レーザービーム
２の光軸に対して直角の断面上の有効な強度の範
囲を示すもの）内にある微粒子はすべて散乱光を
生ずる。これに対して、受光レンズ４を側面、す
なわち直角方向に設けて受光する。この場合、受
光レンズ４の視野が広いときは、同時に発生した
すべての散乱光が同時に受光されることは明らか
である。

光学式の微粒子検出装置においては、受光レン
ズを含む受光系の視野内に、複数個の微粒子によ
る散乱光が同時に存在した場合、出力信号として
複数個の個々に対応する信号を分離してとり出す
ことは不可能で、これらは１個のパルス信号に合
成される。そして、この合成信号により、個々の
微粒子よりも大きい等価的な１個の微粒子と判断
される。これを微粒子の個数の点からみると、測
定数は実在数より減少しており、これを同時計測
損失と呼んでいる。このような誤差ないしは損失
を避ける方法として、散乱光の生ずる範囲（体
積）を制限して、この範囲内では同時に２個以上
の微粒子の存在する確率を小さく押える方法が行
なわれており、実現手段として、従来から、第１
図ａに示すように受光レンズ４の焦点位置にスリ
ツト（または、ウインド）５を設け、スリツト５
の透過部分P′Q′間に対応するPQ間の領域７の散
乱光のみを受光素子６で受光する。領域７はすな
わち検出領域である。

次に、従来のレーザービームを使用した微粒子
検出器における受光系について考察する。

第１図ｂは従来より行なわれている同軸式によ
る検出セル８の断面構造を示す。導入口９よりエ
アロゾル１が圧入されて、ノズル１２より噴射さ
れるが、この噴流を層流とするために導入口１０
よりクリーンエア１１が圧入され、２重構造のノ
ズル１２によりエアロゾル１の噴流の外周にエア
スクリーンを形成する。レーザービーム２は該噴
流と同軸に照射され、前記した検出領域７を形成
する。なお、トラツプホーン１３，１３は検出セ
ル８内に生ずる迷光の防止に役立つとされてい
る。

検出領域７を通過したエアロゾル１およびクリ
ーンエア１１は排出口１４，１４′から排出され
る。さて、当初述べたように最近における超微小
粒子の検出方式についてみると、粒径が微小とな
るほど散乱光の強度は極めて急激に低下する。一
方、諸々の雑音にはある程度の限界があり、その
限界以下に低減することはむずかしい。そこで、
超微小粒径の粒子を検出するには、信号、すなわ
ち散乱光をできる限り有効に集光することが是非
共必要となるわけである。この点、第１図ａ，ｂ
に示した如き単純な受光レンズ４による受光系は
はなはだ不十分である。

ここで、光散乱の理論によると、粒径が照射光
の波長以下になると、散乱光強度の方向特性の特
徴が失なわれて、全方向に一様性が増すことが証
明されており、したがつて、受光立体角θを増す
ことが、超微小粒径の粒子に対して検出感度の向
上に有利である。受光立体角θについてみると、
第１図ｂの受光レンズ４は全立体角4πsrの高々10
数分の１に過ぎない。なお、受光立体角θを大き
くとる場合、検出セル８の内部における迷光、雑
音の発生を防止することは勿論、検出領域７の正
確な限定に配慮を要することはいうまでもない。

以上述べこ受光立体角θを大きくするものとし
て、第２図ａ，ｂに示す受光系などが提案（昭和
55年２月29日出願、実願昭55−25060号、微粒子
検出器）されている。これらはいずれも直交式に
よるもので、エアロゾル１の噴流に対して、紙面
に対して直角方向からレーザービームが照射され
て、検出領域７が形成されている。これに対し
て、受光系の光軸は、該噴流および該レーザービ
ームの両者に対して直角方向に受光レンズ４が設
けられている。

第２図ａにおいては、散乱光は受光レンズ４で
直接集光される直接光のほか、受光レンズ４と対
称的に設けられた球面鏡１６により反射されて、
上記直接光と同じ経路を経て受光レンズ４に入射
する間接光があり、集光又は受光立体角度は従来
の２倍以上に強化されている。

第２図ｂでは、第１図ａの構成にさらに放物鏡
１７を加えて、受光立体角度を倍増することが目
論まれている。ただし、この場合は検出領域７が
放物鏡１７の焦点にあるように配置するものと
し、散乱光のうち放物鏡１７で反射された間接光
は平行光線として受光レンズ４に入射するに対
し、受光レンズ４に直接入射する直接光、および
球面鏡１６で反射された間接光は受光レンズ４に
斜方向に入射するので、検出領域７の明確な結像
がえられない。そこで１８で示す特殊な非球面レ
ンズを導入して問題を解決せんとするものである
が、複雑な構成となることは避けられない。

〔発明の目的〕

本発明は以上述べたレーザービームを使用する
従来の微粒子検出器の検出性能をさらに向上する
ために、ほぼ全立体角4πsrにまで受光角度を拡大
するとともに検出領域を明確に限定することを可
能とし、さらに、迷光排除にも意を用いた高性能
の微粒子検出器を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

この発明の第１の要点は、受光光学系として、
通常の光学レンズを一切使用せず、回転楕円鏡お
よび球面鏡を用いて全立体角を包囲するもので、
受光角度の飛躍的拡大が計られる。

まず、原理説明を行なう。第３図ａに示す回転
楕円鏡１９を考えると、点Ｓ，Ｒに２個の焦点が
あり、いずれか一方の焦点Ｓ，Ｒより発した光線
は他方の焦点Ｒ，Ｓに集まることは周知のとおり
である。いま、焦点Ｓに微粒子検出用の検出領域
が位置するようにエアロゾルの噴流およびレーザ
ービームを配設し、焦点Ｓよりの散乱光を焦点Ｒ
におかれた受光素子で受光すれば、ただちに全立
体角受光が完成する筈である。しかし、現実の問
題としては、完全な回転楕円鏡は空論であつて、
第３図ｂに示したような部分的な楕円鏡１９でも
開口径Ｄに比べて深さｌが大きいものは製作がむ
ずかしい。通常では、楕円鏡１９の開口径Ｄの70
〜80％程度の深さのものが製作されている。そこ
で、この発明においては、球面鏡２０を併用す
る。球面鏡２０の半径ｒは、楕円鏡１９の２つの
焦点Ｓ，Ｒの間隔に等しくとり、かつ、球面鏡２
０の中心が焦点Ｓ、すなわち検出領域に一致する
ように配設する。第３図ｂにおいて、楕円鏡１９
の任意の点ｍで反射された散乱光は焦点Ｒに集中
する。また、球面鏡２０の任意の点ｎで反射され
た散乱光は、再び焦点Ｓを経由して楕円鏡１９の
点ｋで反射され、焦点Ｒに集まる。楕円鏡１９と
球面鏡２０との接続部分の間隙をなくすれば、す
なわち、全立体角4πsrを受光立体角度とすること
ができるわけである。

以上の原理に対して、実際上は楕円鏡１９、球
面鏡２０の曲面および配置などには寸法公差が避
けられず、ために焦点Ｒにおける検出領域の像と
して、ピントの良好な結像を期待することに無理
がある。しかし、検出領域の限定方法として従来
行なわれているスリツトまたはウインドを焦点Ｒ
の位置におく方法は有害無益で採用できない。そ
こで、この発明においては、エアロゾル１の噴射
ノズルの先端と排気管の先端とを接近させ、その
間に生じている散乱光のみが受光系に捕捉される
ようにし、他の部分の散乱光は噴射ノズルおよび
排気管の壁で遮断される構造とする。これは同時
に迷光の発生についても非常に有効であり、これ
がこの発明の第２の要点である。ただし、この発
明における検出領域の限定方法は、レーザービー
ムを噴射ノズルおよび排気管中をいわば隠蔽状態
で通過させる同軸式に対して有効適切な方式であ
つて、直交式に対しては迷光除去の点で不利であ
る。

〔発明の実施例〕

第４図ａはこの発明による微粒子検出器（同軸
式）の実施例における構造断面を示す。楕円鏡１
９としては、開口直径に比べて70〜80％程度の深
さを有するものを用いる。該楕円鏡１９には鏡面
両側より焦点に対向し、かつ一直線上に噴射ノズ
ル２２および排気管２３が対称的に配置されてい
る。

第４図ｂは噴射ノズル２２と排気管２３との取
付詳細および検出領域７を説明するもので、２重
構造の噴射ノズル２２の外側先端２２′と排気管
２３の先端２３′との間に間隙PQを設けてある。

噴射ノズル２２において、従来と同様にエアロ
ゾル１の外周はクリーンエア１１によるエアクリ
ーンで保護されているが、ここでは噴流とレーザ
ービームとによる検出領域７の形成を説明する。
２重構造のノズル２２においては、外周のクリー
ンエア１１は、内側ノズルの先端２２″以後、中
心方向（内方向）に向う速度を有するため、内層
を流れるエアロゾル１の噴流は内方に圧縮され、
一重矢印の曲線１′となるが、ある程度の距離を
進んだ後は平行な層流１″となり、さらほ進んで、
やがては乱流１になる。ここで、層流１″の部
分を検出領域７の軸方向の間隙PQとすることが
大切である。また、このときレーザービーム２の
直効直径２′は、該層流１″の直径に一致させるこ
とが必要で、これらにより検出領域７を明確に限
定することができる。ただし、検出領域７の体積
については、別途、既知の同時計測損失の考え方
により、測定対象エアロゾルの濃度との関連で定
められるべきことは勿論であり、上記間隙PQお
よび層流１″の直径による体積と符合しなければ
ならない。

次に、排気管２３の先端２３′の開口直径につ
いて考える。いまもし、先端２３′の開口直径が
不当に小さいときは、２重矢印で示すエアスクリ
ーン１１′がこれに衝突して検出領域７の付近で
不要の乱流を生ずる結果、前記層流１″の範囲が
狭くなり不都合である。さらにまた、迷光の点か
らは、先端２３′にレーザービーム２が直接照射
されるため強い反射光が生ずるおそれが多分にあ
る。これらの弊害を防止するため先端２３′の開
口直径は先端２２′の開口直径よりやや大きくと
ることが必要であり、このようにすれば、乱流お
よび迷光が生じないことは実験により確かめられ
ている。

次に、球面鏡２０について述べると、既述のよ
うに球面鏡２０の曲率半径ｒは、前記楕円鏡１９
の２つの焦点の間隔寸法に等しくとり、該曲率中
心の該楕円鏡１９の一方の焦点に一致させる。ま
た、球面鏡２０の鏡面中心を該楕円鏡の他方の焦
点に一致させるとともに、該中心に孔６′を設け
て受光素子６に散乱光が入射できるようにする。

上述した楕円鏡１９、球面鏡２０、噴射ノズル
２２および排気管２３などは適宜な可塑剤または
接着剤によりモールド成形することにより安定強
固なハウジング２１が完成し、従来必要とされて
いた複雑な構造のキヤビテイを全く不要とするも
のである。

〔発明の効果〕

以上詳述したところにより明らかなように、こ
の発明による微粒子検出器によれば、従来の欠点
である受光立体角が狭小である点に関しては、全
立体角4πsr近くまで拡大され、一挙に従来の10数
倍に達し、超微小粒子の発する散乱光を有効に集
光することができ、検出能力を飛躍的に向上する
ことができる。またこの発明においては検出領域
の限定方法として従来の受光焦点にスリツトを設
ける方式に代つて、噴射ノズルと排気管の先端間
の間隙を利用して、検出領域の限定を行なう方法
をとることにより、従来方式より遥かに簡易にし
て明確な領域の限定に成功しているばかりでな
く、これを同軸式検出器に応用する場合には、領
域の限定と同時に、ほぼ完全な迷光遮断を達成し
ており、確度の高い超微小粒子の検出に寄与して
いる。さらに、検出セルのハウジングにおいて
は、使用する楕円鏡、球面鏡などを可塑剤にて成
形することにより、直ちに検出セルを構成できる
もので、従来の如く複雑な金属キヤビテイなどを
全く不要とする点など全体に新機軸による効果が
大きく、この方面に貢献するところが極めて大き
いものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは同軸式による微粒子検出器の原理
図、第１図ｂは従来の同軸式微粒子検出器の検出
セルおよび受光系の断面図、第２図ａ，ｂは第１
図ｂによる微粒子検出器を改良したもので、第２
図ａは球面鏡で補強したものの断面図、第２図ｂ
は球面鏡および放物鏡を補強したものの断面図、
第３図ａ，ｂはこの発明による微粒子検出器の原
理説明図、第４図ａはこの発明による微粒子検出
器の実施例における断面図、第４図ｂは第４図ａ
の部分拡大である。 １……エアロゾル、２……レーザービーム、
２′……有効レーザービーム、３……軸、４……
受光レンズ、５……スリツト、またはウインド、
６……受光素子、７……検出領域、８……検出セ
ル、９……エアロゾル用導入口、１０……クリー
ンエア用導入口、１１……クリーンエア、１２…
…２重ノズル、１３……トラツプホーン、１４，
１４′……排出口、１５……排気、１６，２０…
…球面鏡、１７……放物鏡、１８……非球面レン
ズ、１９……楕円鏡、２１……ハウジング、２２
……噴射ノズル、２３……排気管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 微粒子を含む気体からなる被測定媒体の層流
   にレーザービームを照射し、検出領域における上
   記微粒子からの散乱光を集光・検出して上記微粒
   子の存在を検出する微粒子検出器において、上記
   散乱光の集光・検出手段が上記検出領域に第１の
   焦点を有するように配置された回転楕円鏡と、上
   記回転楕円鏡の焦点間距離に等しい曲率半径を有
   し、上記回転楕円鏡の上記第１の焦点に曲率中心
   を有し、かつ、上記回転楕円鏡の第２の焦点に鏡
   面中心を一致させるように配置された球面鏡と、
   上記球面鏡の鏡面中心に設けられた検出素子とか
   ら構成されていることを特徴とする微粒子検出
   器。