JPH11258145A - 粒子センサーおよびそれに関連する改良された粒子識別方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】正確に粒子を数え、サイズを判定する新規な粒
子センサーを提供する。 【解決手段】粒子センサー１０は入口２３、検知容積、
排出口２５およびミラー３９のごとき集光系を有する。
本センサー１０は集光系に接続された電子システムをも
有する。本電子システムはいくつかのユニークな方法の
いずれかでサイズによって粒子をカウントするようプロ
グラムされている。各実施例に対応して、本方法および
センサー１０は浮浪粒子、偽ピークなどをカウントして
しまうのを回避するのに役立つ向上された識別を可能に
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は一般には光学測定および検査に関
し、より具体的には光の散乱を利用してサイズ判別して
粒子をカウントする技術に関する。

【０００２】流体流たとえば空気流の中に捕捉されてい
る粒子によって散乱された光を検出するタイプのカウン
ターおよびセンサーが現在実用されている。通常、この
タイプのカウンターおよびセンサーは直径の非常に小さ
い高濃度のレーザー光ビームを使用する。空気流および
その中に捕捉されている粒子はこの光ビームを通過して
吸引される。この技術分野の業界用語では、この空気流
とレーザービームとの交差によって形成される小さい空
間領域を“検知容積”または“監視容積”と呼んでい
る。

【０００３】光が粒子に衝突すると、光は散乱される。
反射鏡がこの散乱光を光検知器の方向に導く。検知器は
これに応答して電流パルスを発生する。この電流パルス
の振幅は一般に検知器に入射した光の強度に比例する。
そして、当然のことながら、光の強度は粒子のサイズの
１つの尺度となる。

【０００４】いくつかのタイプのセンサーでは空気は閉
じられた透明な管に沿って流され、別のタイプのもでは
空気とそれに同伴する粒子は特定の流速（多くの場合立
方フィ−ト／分の単位で測定される）で、１つの管から
開放空間を横切って別の管に向けて“投射”される。後
者のタイプのセンサーの場合、光の散乱と捕集を妨害す
るような管壁（たとえ壁が透明であっても）は存在しな
い。換言すれば、粒子はそれが開放空間を“飛んでい
る”時に、光ビームによって単に照明されるだけであ
る。

【０００５】他の用途の中には、粒子センサーを組入れ
た粒子カウンターを特定体積の空気中、たとえば空気１
立方メートル中に存在する粒子の数とサイズに関する情
報を集めて空気の品質の１つの評価を求めるために使用
するものがある。人間が見たところではクリーンと見え
る仕事場−ビジネスオフィス、製造工場など−でもかな
りの数の空気で運ばれる粒子が存在することがある。こ
のような粒子は普通はその場所にいる人達にとって問題
ではないが、ある種の製造作業ではかなりの問題を生じ
る可能性がある。

【０００６】たとえば、半導体および集積チップなどは
“クリーンルーム”として公知となっている、きわめて
厳格に空気が濾過された場所で製造がなされている。実
際には、クリーンルームは通常非常にクリーンな空気を
使用してきわめてわずかな加圧がなされており、周囲環
境から粒子を含有する空気が侵入しないようになってい
る。他方、半導体および集積チップ製造工業ではますま
す製品が小型化する傾向にある。

【０００７】このような製品の製造中に微細なゴミの粒
子が製品に入ると早期の製造失敗を招くかあるいは需要
者に出荷する前においても不良品として排除されてしま
う。ますます進行する“小型化”は、空気によって運ば
れる粒子の数およびサイズをあらかじめ設定された許容
レベル以下に確実におさえるためにクリーンルームの環
境（ならびに関連する測定器）の一層の改良を求めてい
る。

【０００８】半導体および集積チップの製造工場だけが
粒子センサーが使用される唯一の場所ではない。薬品メ
ーカーも製品および薬品から異物を排除するためにこの
ようなセンサーを使用している。

【０００９】クリーンルームおよび製薬にかかわる仕事
場で問題となる粒子のサイズ範囲は数ミクロンからいわ
ゆる“サブミクロン”すなわち０．１ミクロンまたはそ
れ以下までの範囲である。（比較の参考までに言うと、
人間が裸眼で見ることのできる粒子のサイズはおよそ１
０ミクロンまでである）。

【００１０】上記のような作業環境で粒子センサーを作
動させる場合、単位時間あたりセンサーを通過する数種
の異なるサイズ範囲の粒子について、各サイズ範囲のそ
れぞれの粒子の数を測定するのが好ましい。粒子センサ
ーの電算化部分は“複数のビン（bins）”をもって構成
されている。すなわち、いくつかの粒子サイズのそれぞ
れについてデータに基づき１カウントを加える計数レジ
スターが組み込まれている。たとえば、その複数の電算
化ビンは０．１乃至０．２ミクロンのサイズの粒子、
０．２乃至０．３ミクロンのサイズの粒子、０．３乃至
０．４ミクロンのサイズの粒子、等々をそれぞれサイズ
別にカウントするように構成されうる。

【００１１】公知の粒子センサーは通過粒子のいくつか
の特定アスペクトを判定するためにアナログおよびデジ
タルの両方の技術を使用している。たとえば、米国特許
第５０４７９６３（Kosaka）は血球分析のために構成さ
れた装置を開示している。細胞の核（クリーンルーム分
析の対象となる粒子に比較してまったく大きい細胞全体
ではない）に関するデータがデジタル信号プロセッサー
を使用して処理される。

【００１２】米国特許第４９８４８８９号明細書（Somm
er）は光検知器からのアナログパルスを使用する粒子サ
イズ測定システムを開示している。粒子がこの装置を通
過するとパルスが発生する。アナログ入力パルスのピー
ク振幅のみがデジタル化されそしてコンピュータ等にサ
イズ別の粒子の“カウント”をインクレメントすべく登
録される。

【００１３】米国特許第４６２３２５２号明細書（Holl
enbeck）はアナログ出力をデジタル化する粒子カウンタ
ーを開示している。コンパレータがその信号を電圧しき
い値と比較しそしてしきい値を超過している時（これは
１つの粒子の検出を表すものとみなされる）、サンプラ
ーがＡ／Ｄコンバーター出力の２００以上のサンプルの
採取を行う。この中からただ１つの最大サンプルが選択
されそれ以下のサンプルは捨てられる。

【００１４】また、米国特許第５４２４５５８号明細書
（Borden等）は粒子分析を実行するためにデジタル信号
処理を利用することに言及している。しかしどのように
してそれを行うかについては情報の記載が不足してい
る。Borden等の装置はダイナミックチューニング、すな
わち、異なるタイプの信号パルスに適応するためにバン
ド幅と利得を調整できるタイプのものである。

【００１５】これらならびに他の公知粒子センサーは一
般に意図する目的のために満足すべきものではあるが、
しかし不都合な点がないとはいえない。たとえば、粒子
センサーが、サイズ判定され、カウントされるべき粒子
をある種の“浮浪粒子（フローター：floater ”すなわ
ち光ビームを通過する単なる物質の浮動微小片から区別
できることが大いに望ましい。このような微小片は単に
管壁またはハウジング壁の剥落片に過ぎないかも知れな
い。いくつかのカウンターでは、Hollenbeck特許のカウ
ンターと同様、あるしきい値電圧を超過する光ダイオー
ド出力電圧の信号ピークまたはクロッシングをカウント
する。このタイプのカウンターでは、１つの浮浪粒子が
数個の偽カウントを生む可能性がある。

【００１６】公知システムの別の欠点はBorden等の装置
において明らかである。すなわち、それらの装置は粒子
サイズビンを定めるしきい値の数値と数を変更すべく弾
力的に再構成（動作中の再構成）ができるようにはなっ
ていない。作動の最大の融通性を得るためには、これは
望ましい特性であるはずである。

【００１７】公知センサーのこれら不都合を処理する新
規な粒子センサーが開発されればこの技術分野での大き
な進歩となるであろう。

【００１８】したがって、本発明の１つの目的は従来技
術の問題および短所のいくつかを処理する新規な粒子セ
ンサーおよび関連する方法を提供することである。

【００１９】本発明のいま１つの目的はより正確に粒子
を数え、サイズ判定する新規な粒子センサーおよび関連
する方法を提供することである。

【００２０】本発明のさらにいま１つの目的は有意な粒
子と浮浪する無意味な粒子すなわち計数およびサイズ判
定が実行されるべきでない物質微細片とをより良く弁別
する新規な粒子センサーならびに関連する方法を提供す
ることである。

【００２１】本発明のさらにいま１つの目的は粒子サイ
ズビンを画定するパルス電圧しきい値の数値および数を
弾力的に変更できる新規な粒子センサーを提供すること
である。

【００２２】本発明のさらにいま１つの目的はバックグ
ラウンドノイズによって生じる偽ピークをカウントして
しまうことを回避するのに役立つ新規な粒子センサーを
提供することである。これらおよびその他の目的がいか
に達成されかは以下の記載ならびに添付図面から明らか
となろう。

【００２３】粒子センサーは環境から粒子センサーへ吸
引された流体中に捕捉されている粒子の数を、サイズ範
囲ごとにカウントするために散乱光を使用する。１つの
実施例においては、センサーは製造プラント内の監視さ
れている環境領域、たとえば“クリーンルーム”からそ
れを通って吸引される入口を含む。センサーは光ビーム
と該入口から流入する流体との交差によって画定される
検知容積を有する。さらにセンサーは検知容積を通過し
た後、流体がそれを通ってセンサーから出て行く出口を
有する。

【００２４】光学的集光系が検知容積中の粒子によって
散乱された光を光検知器回路の方向に再指向し、その光
検知回路は粒子のサイズを表す電気パルスを発する。１
つの特定実施例においては、そのパルスは光検知器から
の電流パルスに基づいた整形された電圧パルスである。
その回路にはアナログ−デジタルコンバータが接続され
ておりそして上記パルスを少なくとも２回サンプリング
する。ここで、パルスの“サンプリング”とはそのパル
スに沿った複数の異なる電圧値を“読み取る”ことであ
る。

【００２５】そのコンバーターにはデジタル信号プロセ
ッサーが接続されておりそして該プロセッサーにはマイ
クロコントローラが接続されている。このプロセッサー
およびマイクロコントローラは本粒子センサーを通って
流れる粒子を、サイズ範囲別に、カウントするための本
方法を実施すべくプログラムされている。自明のごと
く、センサー内にプログラムされる方法は以下に記載さ
れているいくつかのバリエーションの任意の１つまたは
それ以上を包含することができる。

【００２６】本方法を実施することによって粒子センサ
ーを通って流れる粒子はサイズ範囲別にカウントされ
る。本方法はしきい値電圧の電算化されたテーブルに粒
子サイズ範囲を設定する工程を含む。１つの特定例で
は、表は逓増する粒子サイズと、各電圧が１つの粒子サ
イズに対応する逓増する漸増電圧とを包含する。

【００２７】時々粒子がセンサーを通過して流れそして
その粒子によって散乱された光から生ずる１つのパル
ス、たとえば、電流パルスが発生される。１つの特定の
方法においては、その電流パルスは反転され、電圧パル
スに再整形される。このパルスは元のパルスの振幅／電
荷関係を保っている。

【００２８】ある期間にわたって、その電圧パルスに沿
って多数の電圧値がサンプリングされる。それら多数の
サンプルには１つの最新の数値と１つの先行の数値とが
含まれる。最新値が順ぐりに先行値と比較されそして最
新値が先行値を下回った時に、センサーはテーブルの中
でその粒子のサイズ範囲を見つけ出す（探索）。そのサ
イズ範囲が判定されると、そのサイズ範囲に対応するカ
ウント“ビン”がインクレメントされる。

【００２９】この方法のある特定のバリエーションで
は、ノイズレベル電圧および／またはベースライン電圧
が１つまたは複数のパラメーターとして使用される。
（ノイズレベル電圧とは所望されない、しかしほとんど
不可避である外乱、すなわち、検知キャビティー内の
“ノイズ”から生じるＡ／Ｄコンバーターによって“読
み取られた”電圧である。ベースライン電圧はセンサー
に粒子が存在しない時にＡ／Ｄコンバーターによって読
み取られるノミナル電圧である。

【００３０】より特定的には、設定工程は同じくノイズ
−レベル電圧を確認する工程を含みそして探索工程は最
新値がノイズレベル電圧を超えた時にのみ実行される。
設定工程は、また、ベースライン電圧を確認する工程お
よび最新値がベースライン電圧以下であった時にのみ実
行される探索工程とインクレメント工程とを包含しう
る。この技術は浮浪粒子に起因する偽カウントを減少さ
せるのに役立つはずである。

【００３１】１つの粒子によって発生される電圧パルス
は検知キャビティー内を浮遊する浮浪粒子から生じる電
圧パルスよりも実質的に持続時間が短いことが観察され
ている。本発明の別の実施態様においては、サンプリン
グ工程は正当な（カウントされるべき）粒子であれ、浮
浪粒子であれ、１つの粒子によって発生された多数の電
圧値のいずれかがノイズレベル電圧を超した時にタイマ
ーをスタートさせる工程を含む。探索工程はそのパルス
の持続時間がある予め定めた最大時間を超過しない時に
のみ実行される。この技術は浮浪粒子に起因する偽カウ
ントを相当に減少させる。

【００３２】本発明の別の実施態様においては、サンプ
リングされるべき１つの粒子によって生じたパルスは１
つのピーク値を持つ。サンプリングされた多数の電圧値
は等差数列をなす１から“ｎ”までのサンプルを包含す
る。最新値はサンプル“ｎ”であり、そして先行値はサ
ンプル（ｎ−１）であり、そしてピーク値である。サン
プリング速度の遅いセンサーとそのコンバーターの場合
には本方法のこの実施態様が適用されうるであろう。

【００３３】しかし、コンバーターが比較的速いサンプ
リング速度を有する場合は、最新値はサンプル“ｎ”そ
して先行値はピーク値でありそしてサンプル（ｎ−ａ）
である。ここで、“ａ”は整数である。この整数は比較
的大きい数、たとえば２０、５０またはそれ以上の大き
い数でありうる。（サンプリング速度は高速であること
が所望されるであろう。なぜならば、コンバーターの速
度および関連する“チップ”の速度が増加し、それらの
コストが下がるからである）。

【００３４】本発明のさらに詳細な構成は以下の記載と
添付図面によりさらに詳細に説明される。

【００３５】本発明は新規な粒子センサー１０およびそ
れに関連した新規な方法を包含するものである。発明の
詳細な説明では最初に本新規センサー１０の構成を説明
する。

【００３６】粒子センサーの構成 図１Ａ、１Ｂおよび２を参照すると、粒子センサー１０
はレーザーダイオード光源のごとき光源１１を含む。こ
の光源は１つまたはそれ以上の集光レンズ（図示なし）
と共に非常に直径の小さい光ビーム１３を発射する。光
ビーム１３は検知キャビティー１５を通過して光キリン
グトラップ１７に投射される。一対の流体流し管１９、
２１は粒子のサイズと個数が監視されている部屋または
環境から吸引された流体のための導入口２３および排出
口２５をそれぞれ提供している。

【００３７】流路２７と光ビーム１３とは交差して検知
容積２９、これはしばしば監視容積とも呼ばれる、を画
定する。サンプルが吸引されている環境、たとえば、１
つの部屋からの粒子３１がサイズによりカウントされる
べき時、または。浮浪粒子３３たとえばセンサー自体か
ら生じたキャビティーのまわりを浮遊している微小な物
質片が光ビーム１３を通過した時、粒子３１、３３のい
ずれであれ、それは光を反射する。粒子３１または３３
によって反射された光は図に矢印３５で示されており、
これらは直接または光学的集光系たとえば楕円ミラー３
９によって反射されたあと、光ダイオード３７に入射す
る。その光ダイオード３７は１つの電流パルスを発生す
る。このパルスは“平滑化”された電圧パルスに変換さ
れた後、図１Ｂに示した電子システムによって分析され
て粒子３１のサイズが判定されそして該当するサイズカ
テゴリーの中にその粒子がカウントされる。後記により
明らかとなるように、本発明の特定の実施態様は、浮浪
粒子３３を、監視されている環境から吸引された真の粒
子３１としてカウントしてしまうのを回避するために役
立つ。

【００３８】電子システムは前置増幅器４１（好ましく
は電荷感応型のもの）、パルス整形増幅器４３、アナロ
グ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ４５（たとえば１２
ビット装置、XRD8794 型）、データバッファー４７、デ
ジタル信号プロセッサー４９すなわち“ＤＳＰ”（たと
えば、TMS320C50 型のもの）、コントロールロジックセ
クション５１、マイクロコントローラ５３（たとえば、
PIC16C74型）およびホストコンピュータ５５を包含す
る。

【００３９】マイクロコントローラ５３はプロセッサー
４９をホストコンピュータ５５にインターフェース接続
するために使用される。この構成によりプロセッサー４
９はマイクロコントローラ５３が比較的遅いコンピュー
タ５５と通信している時に自由にデータの流れを処理で
きるようなる。マイクロコントローラ５３はフレキシブ
ルなインターフェースポート５６（並列または直列）を
有しており、これを通じてコマンド（たとえばサンプリ
ング開始、サンプリング停止、しきい値設定などのコマ
ンド）を受信しそして粒子カウントを送り返す。マイク
ロコントローラのプロセッサー４９へのインターフェー
スポート５７は主としてコントロールコマンドを送り出
しそして蓄積されたカウントを受け取る役目をする。

【００４０】コンピュータ５５はオペレーターの命令を
受けそして表示のためのカウントを受信する。このコン
ピュータ５５は外部コンピュータたとえばデスクトップ
型パーソナルコンピュータとして具体化することもでき
るし、また、センサー１０の一部分として内蔵されたコ
ンピュータとして具体化することもできる。後者の場合
はそのセンサー１０はまったく外部コンピュータに接続
する必要のない“スタンドアロン”型のセンサーとな
る。

【００４１】粒子センサーの動作 この項では粒子センサー１０の１つの実施例の動作を説
明する。記載は粒子サイズによる粒子のカウントがどの
ようにして実行されるかの説明を含む。

【００４２】粒子３１または３３が検知容積２９を通過
する時、上記のごとくその粒子は光を散乱する。その光
は光に感応する光ダイオード３７に入射される。光ダイ
オードはその入射光に応答して電気信号を出力する。す
なわち、光ダイオード３７は１つの小さな電流パルスを
出す。そのパルスの大きさは一般に光ダイオード３７に
入射した光エネルギー（フォトンとしての）の大きさに
比例する。そして、もちろん、その光エネルギーは粒子
のサイズを示す。この電流パルスは次に前置増幅器４１
によって増幅され、この増幅器からは光ダイオード３７
によって発生された全電荷に比例する電圧パルス５９が
出る。（このパルス５９は図１Ｂに“負の向き”で示さ
れている）。

【００４３】増幅器４３がさらにこの電圧パルス５９の
反転と平滑化を行う。これによりパルス５９の振幅／電
荷関係を保持した正の方向のアナログ電圧パルス６１が
生じる。（前置増幅器からのパルス５９は並列接続され
た２つまたはそれ以上のパルス整形増幅器４３に導入さ
れうるものであることを理解されたい。説明の簡単化の
ために、図には１つの増幅器４３のみが図示されてい
る）。

【００４４】図３を参照すると、パルス６１はＡ／Ｄコ
ンバータ４５に送られ、このコンバータは、ある非常に
短い時間期間にわたって、パルス６１上の複数の点、た
とえば、点６３、６５、６７、６９において、アナログ
電圧値をそれらの点で等価なデジタル値に順次変換する
ことによって“サンプリング”を行う。変換（すなわ
ち、サンプリング）は連続的にある一定の速度で実施さ
れる。すなわち、コンバータ４５はパルス６１上の１つ
の点を一定の持続時間の１単位時間ごとに１回等価のデ
ジタル値に変換する。

【００４５】１２ビットコンバータが使用された場合、
各サンプリングと変換の結果は一続きの１２ビットデジ
タル数であり、これがバッファー４７を経由して送られ
てプロセッサー４９によって１回に１つ読み取られる。
コントロールロジックセクション５１ガ正しいクロック
タイミングと制御信号の発生を保証する。

【００４６】パルス６１上の各点は次の表１に示したよ
うに測定の電圧単位でアナログで表わされる。（実際に
は、コンバータ４５が各点のアナログ値を等価デジタル
値に変換しそしてプロセッサー４９はこれらの等価デジ
タル値を“読み取る”）。等価デジタル値では、パルス
６１上の各点は０と１の１２ケタの一続きの数からなる
二進数字によって表される。１つの１２ビット二進数字
の任意の例を示せば００１０１１００１０１０である。

【００４７】（本明細書では実際にはデジタル化された
値を使用される場合でも、あたかもコンバータ４５とプ
ロセッサー４９がアナログ値を使用しているように記載
されている。たとえば、“ノイズ”および“ベースライ
ン”電圧値はアナログ表現で記載されているが、しかし
プロセッサー４９はこれらをデジタル化された数値とし
て“読む”のである。ほとんどすべての最近のコンピュ
ータシステムは二進またはデジタル化された数を使用す
るよう構成されているが、アナログ表現で記載がなされ
ている）。

【００４８】 表 １ 図３のパルスに沿ってサンプルリングされた点の電圧値 サンプル番号 電圧数値、mV １ １０ ２ １６ ３ ６ ４ ２５ ５ ２５ ６ ６４ ７ ９０ ８ ９７ ９ ８１ １０ ７３ １１ ３４ １２ ９

【００４９】図３および表１において、点６３は第１番
目のサンプルに対応し、点６５、６７、６９、７１、７
３、７５、７７、７９、８０、８１および８３は第２番
目から第１２番目のサンプルにそれぞれ対応する。第１
番目のサンプリングで点６３が１０の値を持つと“読み
取る”。第２番目のサンプリングで点６５が１６の値を
持つと読み取る。以下、同様である。プロセッサー４９
は表１の右側欄の数値を使用して増幅器出力のピーク値
を決定する。図３および表１の例では、そのピーク値は
９７である。後述するように、このピーク値は光を散乱
した粒子３１のサイズに関係している。表の右側欄の数
の正確な使用の仕方を以下に説明する。

【００５０】図４を同時に参照しながら説明すると、１
つの実施例では、プロセッサー４９は図表化したアルゴ
リズム８５をもってプログラムされている。簡単に説明
すると、図４のアルゴリズム８５でプログラムされたプ
ロセッサー４９は逐次発生されるパルスのそれぞれ（た
とえばパルス６１）からそのピーク値（たとえば点７７
の数値９７）を抽出しそしてそれぞれの“しきい値”の
間にはいる粒子３１のカウントをキープする。

【００５１】各種しきい値のテーブルが公知方法によっ
て電子システムに設定可能である。しきい値のテーブル
の一例を次表に示す。

【００５２】 表 ２ ０.３０００μ・・・・・１８.９mV １.３００μ・・・・・２５２mV ０.４０００μ・・・・・３６.２mV １.４００μ・・・・・２６４mV ０.５０００μ・・・・・６０.１mV １.５００μ・・・・・２７０mV ０.６０００μ・・・・・９０.９mV １.６００μ・・・・・２７７mV ０.７０００μ・・・・・ １２９mV １.７００μ・・・・・２８５mV ０.８０００μ・・・・・ １４９mV １.８００μ・・・・・２９３mV ０.９０００μ・・・・・ １６７mV １.９００μ・・・・・３０１mV １.０００μ・・・・・ １９５mV ２.０００μ・・・・・３０９mV 1.１００μ・・・・・ ２１０mV ２.１００μ・・・・・３２０mV １.２００μ・・・・・ ２３０mV ２.２００μ・・・・・３３０mV

【００５３】表１を見ると、図３に例示したパルスのピ
ーク値は９７であり、その測定の単位はmVである。表２
を見ると、９７はしきい値９０．９mVより大きいが、し
きい値１２９mVよりも小さい。なお、これらのしきい値
は粒子サイズに対応させて選択されているものである。
したがって、プロセッサー４９は粒子３１が０．６００
０μ乃至０．７０００μのサイズを有する粒子と判定し
てそのパルスを発生した粒子をカウントするのである。

【００５４】サイズによるカウントはアルゴリズム８５
が１つのパルス６１のサンプリングを始めた後で実行さ
れる。図４の各“泡”８７、８９、９１はそれぞれアル
ゴリズム８５の独特な状態に対応しており、矢印９３は
その状態の間中このアルゴリズム８５が再循環するもの
であることを示している。その再循環は次の状態へ移行
させる条件が検出されるまで続く。

【００５５】図４のアリゴリズムによるセンサーの動作 本明細書中、別途記載のない限り、“最新”、“最新
値”という言葉またはこれに類似する表現は、たとえば
パルス６１に沿った時間的に最も近時に生じた電圧値を
指す。また、“先行”、“先行値”という言葉またはこ
れに類似する表現は最新値の直前の電圧値を指す。

【００５６】また、図５を見ると、これは“ベースライ
ン”という言葉を理解するのに役立つであろう。すなわ
ち、ベースラインとは、粒子がセンサー１０内に存在し
ない時に増幅器４３がそこに復帰するであろう電圧値９
５を指す。“ノイズ”という言葉は増幅器４３がノイズ
のみに基づいて出力することが期待される最大電圧値９
７を指す。（センサー１０内のノイズは気体分子によっ
て散乱された光によって、光ビーム１３の濃度の変化に
よってあるいは他の原因によって生じうる）。

【００５７】１つの例として、そして図３、４および５
を参照して説明すると、アルゴリズム８５はパルス６１
のごときパルスの最新サンプル電圧値がノイズレベル９
７を超すまで状態８９の中を再循環する。ノイズレベル
を超過することは１つの粒子３１が検知容積２９を通過
中であり、光を散乱していることを意味する。

【００５８】ピーク値を探知する方法は以下のとおりで
ある。図３をさらに見ると、アルゴリズム８５は状態９
１へ進みそして最新サンプル値が先行サンプル値より小
さいことが検出されるまで状態９１を循環または再循環
する。最新サンプル値が先行サンプル値より小さくなっ
たということはパルスまたは波形のピークが丁度発生し
終わったことを意味する。表１の値を使用すると、８番
目のサンプリングは９７の数値を与えておりそして９番
目のサンプリングは８１の数値を与えている。９番目の
サンプリングが先行値９７より小さい最初の最新値であ
るので、この数値９７がたとえば表２からそのパルスを
生じた粒子３１のサイズを知るために使用される。別の
言い方をすれば、プロセッサー４９が先行値よりも小さ
い最新値をひとたび検出すると、プロセッサー４９は
“後ろをふりかえり”１つのサンプル値をピーク値とし
て取る。

【００５９】数学的用語で説明すると、サンプリングさ
れる多数の電圧値は１つの数列をつくる１から“ｎ”ま
でのサンプルを含む。最新値はサンプル“ｎ”でありそ
してその先行値がこのパルスのピーク値であり、それは
サンプル（ｎ−１）、すなわち、最新値の直前の電圧値
である。これらの数学用語を表１および図３に適用して
見れば、アルゴリズム８５は点７９でサンプリングした
（サンプル“ｎ”）直後に粒子サイズを探索することに
なろう。なぜならば最新値が先行値よりも小さくなった
サンプルは点７７（ｎ−１）の後の最初のサンプルであ
るからである。

【００６０】多くの型のパルスに対して、図３で説明し
たサンプリングはサイズ別に粒子をカウントするために
有効である。しかし、パルスは図３に示したパルス６１
よりもはるかに不規則である場合がある。より頻繁にサ
ンプル採取しないかぎり、カウントされた粒子３１のサ
イズは正確には決まらないであろう。

【００６１】図６をさらに参照すると、サンプリングさ
れる多数の電圧値は同じく１つの数列をつくる１から
“ｎ”までのサンプルを含む。最新値はサンプル“ｎ”
でありそしてその先行値がこのパルスのピーク値であ
り、それはサンプル（ｎ−ａ）である、ここで“ａ”
は、たとえば、１乃至２０または１乃至１０の整数であ
る。特定の方法例においては、サンプル（ｎ−ａ）がサ
ンプル１乃至ｎの中の最大電圧値を有する。

【００６２】きわめて特定の例を示している図６では１
つのパルス９９は４９個のサンプルを包含している。し
たがって、サンプル“ｎ”が最後の、すなわち４９番目
サンプルである。このパルスのピークはサンプル３３の
点に存在する。したがって、式中の“ａ”は１６（４９
−１６＝３３）である。この方法の好ましい実施態様に
おいては、設定工程はノイズレベル電圧９７を確認する
ことを含みそしてサイズ探索工程は最新値がノイズレベ
ル電圧を下回った時に実行される。すなわち、プロセッ
サー４９は最新値が、粒子３１が確かに検知容積２９を
通過したことを保証するレベルになるまでは、ピーク値
を求めるために“後ろをふりかえる”ことはない。

【００６３】粒子のカウント 次の仕事はパルスたとえばパルス６１を生じた粒子、た
とえば粒子３１をそのサイズによりカウントすることで
ある。アルゴリズムは先行値（ピーク値として選択され
たもの）を表２のごときしきい値テーブルの中の値と比
較することによって正しいカウント“ビン”を見つけ出
す。先行値がそれを超した最大しきい値がその粒子のサ
イズビンであり、そのビンに対してカウントがインクレ
メントされる。すなわち、１のカウントがそのビンに加
算される。なぜならば、１つの粒子がその特定サイズの
粒子であることがいま突き止められたからである。上記
した例に着目すると、プロセッサー４９はその例の数値
９７と８１をもたらしたパルスを発生した粒子３１を
０．６０００μから０．７０００μまでの間のサイズを
有する粒子としてカウントしそしてその時までの当該サ
イズの粒子カウント数に１を加える。

【００６４】１つの粒子３１をカウントし終わったら、
アルゴリズム８５は丁度いまカウントした粒子にかかわ
るパルス６１の終了を待機する状態８７に入る。この状
態８７においては、アルゴリズム８５は最新値がベース
ライン値９５を下回るまで増幅器出力のサンプリングを
続ける。ベースライン値９５に到達したら、アルゴリズ
ム８５は再びノイズレベル９７を上回る次のパルスを待
つ待機状態８９に入る。アルゴリズム８５はプロセッサ
ーがマイクロコントローラ５３からのＳＴＯＰコマンド
を受信するまで繰り返しを行う。

【００６５】ここで注目されたいことは、先行サンプル
値よりも小さい最新サンプル値が最初に出現した時に粒
子３１をカウントすることは浮浪粒子などに起因する偽
カウントを回避するためにも役立つということである、
特に図５を参照すると、新規粒子センサー１０はカウン
トされるべき有意な粒子３１を無意味な浮浪粒子３３ま
たはその他の無意味な浮遊物から識別することができ
る。図５は、１つの例としての、粒子センサー１０の浮
浪粒子３３から結果する電圧パルス１０１ならびに流体
中に存在している、粒子センサー１０を通過する粒子３
１から結果する電圧パルス１０３を示す。

【００６６】明らかなように、浮浪粒子３３によって生
じた電圧パルス１０１は通常粒子によって生じたパルス
１０３のようには迅速にベースライン値９５に戻らな
い。パルス１０１は最終的にベースライン９５に戻るま
でいくつかのピークを持つ可能性がある。図４に示した
アルゴリズム８５はこのような付加的ピークを、先行値
より小さい最新値が最初に検出された後別の粒子３１を
カウントする前に、増幅器４３の出力がベースラインに
戻るよう強制することによって排除してしまう。

【００６７】図７のアルゴリズムによるセンサーの動作 さらに図７を見ると、センサー１０の別の実施例が示さ
れている。この実施例の粒子センサー１０は浮浪粒子ま
たは他の無意味な浮遊物を排除する向上された性能を有
するアリゴリズム１０５を含有する。その浮浪粒子の排
除は、増幅器からのパルスがある特定限度時間内の持続
時間を有していることを必要条件とし、その条件が満足
された後で初めて、先行値より小さい最新値の出現がカ
ウントされるべき１つの粒子３１を表すものと解釈する
ことによって達成される。前記パルス１０１の持続時間
から明らかなように、浮浪粒子３３は一般にその持続時
間が流体流内を移動するカウントされるべき粒子３１に
よって発生されるパルス１０３の持続時間よりもはるか
に長い。

【００６８】図７に示したアルゴリズム１０５では、パ
ルス１０１または１０３についてサンプリングされた１
つの電圧値がノイズレベルを上回ると直ちにパルス幅タ
イマーがスタートされる。上記の方法で１つの明白なパ
ルスピークが同定された後、そのパルスの持続時間が予
め設定されたノミナルな最大持続時間と比較される。も
し、そのパルス持続時間が予め設定された最大時間を超
過していた場合には、そのパルスは無視される。すなわ
ち、そのようなパルスはカウントされるべき粒子を表す
ものとは解釈されないのである。

【００６９】図８のアルゴリズムによるセンサーの動作 さらに図８および９を見ると、センサー１０のさらに別
の実施例が示されている。この実施例の粒子センサー１
０はノイズを排除することによって電圧パルスのピーク
値をより正確に確認する向上された性能を示すアリゴリ
ズム１０９を含む。１つの電圧パルス１１１の立上がり
エッジ１１３上のノイズは一時的な反転すなわち１１５
の点の傾斜の変化を引き起こす可能性がある。これによ
る生じるピーク１１７は、１１９の点のパルス１１１の
下降によって生じる“偽”ピークではないけれども、図
４のアルゴリズム８５によってピークとして誤って読み
取られる可能性がある。

【００７０】この可能性の問題は、図８のアリゴリズム
１０９の場合では、“ピーク確認”状態１２１を追加す
ることによって解決される。ピーク１１７が最初に検出
された後、その次にサンプリングされる値は、当該ピー
ク値がカウントされるべき粒子を表すものと解釈される
ためには、そのピーク値１１７より小さくなければなら
ない。もしそうでなかった場合には、アルゴリズムはピ
ーク検出状態へ逆行する。

【００７１】たとえば、Ｔ６の時点のパルス値のサンプ
リングは一見適正なピーク１１７のサンプリングと思わ
れる。しかし、Ｔ７の時点でのパルス値をサンプリング
した時、その値がピーク１１７の値よりも大きいことが
明らかになる。したがって、Ｔ６の時点でサンプリング
された値は見捨てられる。すなわち、カウントされるべ
き粒子３１によって生じたピークとは解釈されない。ノ
イズがはげしい場合には、反転は１サンプル期間よりも
長く持続するであろう。この場合、アルゴリズム１０９
はさらの多くの確認ステップを加えることによってさら
に変更される。このようにすれば、数サンプル期間持続
する（あるいはどんなに多くの確認ステップがあっても
存在する）ノイズのスパイクは排除することができる。
上記の記載に関して、図４、７、８に示したアルゴリズ
ム８５、１０５、１０９は組み合わせることができるも
のであることに留意されたい。すなわち、１つのアルゴ
リズムがノイズ排除の特徴とパルス幅識別の特徴との両
方を併せ持つことができるのである。

【００７２】本明細書に記載したセンサー１０は粒子サ
イズビンを定めるしきい値の数値と個数を変更すること
によって粒子カウンターを弾力的に再構成することも可
能にする。換言すれば、表２のデータは変更可能であ
る。

【００７３】すなわち、ホストコンピュータ５５がマイ
クロコントローラ５３へ粒子サイズビンの個数とそれら
のしきい値の数とを含む目盛りコマンドを送る。マイク
ロコントローラ５３はその情報を次にプロセッサー４９
に知らせ、これによりプロセッサー４９はそのしきい値
テーブルの値を更新する。これらの更新されたしきい値
がその後上記した計数アルゴリズによって使用されそし
てカウントされるべき粒子のカウントはそれら新規なサ
イズビンに仕分けされることになる。このような弾力的
再構成はそのタイプが前記したBorden等の '５５８特許
明細書に記載されているものとは異なる。すなわち、後
者では外部サンプリング条件に基づいて単に増幅器アナ
ログ利得／帯域幅を変更するだけである。

【００７４】以上、本発明の原理をいくつかの好ましい
実施例について図面を参照しながら説明したが、それら
の実施例は単に例示のためのものであり、本発明を限定
するものではないことを十分に理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明による新規センサーのハードウエアの
面と電子システムの面とを説明する図面である。

【図１Ｂ】本発明による新規センサーのハードウエアの
面と電子システムの面とを説明する図面である。

【図２】図１Ａに示した検知容積の拡大斜視図である。

【図３】１つの電圧パルスに沿ってサンプリングがなさ
れる多数のサンプリング点を示すグラフである。

【図４】本新規センサーがそれによってプログラムされ
うる複数のアルゴリズムのうちの１つをダイアグラムの
形で示す。

【図５】浮浪粒子によって表される電圧パルスとカウン
トされるべき粒子によって表される電圧パルスを示し、
かつ同時にノイズレベル電圧とベースライン電圧を示し
ているグラフである。

【図６】図３とほぼ同様なグラフであるが、図３の場合
よりもはるかに迅速に１つの電圧パルスに沿ってサンプ
リングがなされる多数のサンプリング点を示す。

【図７】本新規センサーがそれによってプログラムされ
うる複数のアルゴリズムのうちの他の１つをダイアグラ
ムの形で示す。

【図８】本新規センサーがそれによってプログラムされ
うる複数のアルゴリズムのうちのさらに他の１つをダイ
アグラムの形で示す。

【図９】ノイズが１つの粒子のパルス波形にいかに影響
を及ぼしうるかを示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 粒子センサー １１ 光源 １３ 光ビーム １５ 検知キャビティー １７ 光キリング−トラップ １９ 流体流し管 ２１ 流体流し管 ２３ 導入口 ２５ 排出口 ２７ 流路 ２９ 検知容積 ３１ 粒子 ３３ 浮浪粒子 ３５ 散乱光 ３７ 光ダイオード ３９ 楕円ミラー

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記工程を包含する、粒子センサーを通
   って流れる粒子をサイズ範囲別に計数するための方法：
   センサー内の検知キャビティーを通じて光の定常ビーム
   を投射し；複数の粒子サイズ範囲を、粒子サイズと対応
   する電圧との電算化テーブルの中に設定しておき；粒子
   を該光ビームを通過して流し；ある不定の時間期間にわ
   たって１つの電圧パルスに沿った複数の電圧値をサンプ
   リングし、その複数の電圧値は最新の電圧値と該最新の
   電圧値に先行する電圧値を含むものであり；該最新値と
   該先行値とを比較し；サンプリングされた最新値がサン
   プリングされた先行値より小さいと判定された時に、上
   記表の中で、その粒子に対するサイズ範囲を見つけ出
   し；および該粒子のサイズ範囲に対応するカウントビン
   をインクレメントする。
2. 【請求項２】 該設定工程はノイズレベル電圧を確定す
   ることを含み；および該サイズ探索工程は該最新値がそ
   のノイズレベル電圧を超過した場合にのみ実行される、
   請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 該設定工程はベースライン電圧を確定す
   ることを含み；および該サイズ探索工程およびインクレ
   メントする工程を繰り返し、この繰り返しは該最新値が
   そのベースライン電圧を下回った後においてのみ実行さ
   れ、これによって浮浪粒子によって生じる偽カウントを
   実質的に減少させる、請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 該設定工程はベースライン電圧を確定す
   ることを含み；および該サイズ探索工程およびインクレ
   メントする工程を繰り返し、この繰り返しは該最新値が
   そのベースライン電圧を下回った後においてのみ実行さ
   れ、これによって浮浪粒子によって生じる偽カウントを
   実質的に減少させる、請求項２記載の方法。
5. 【請求項５】 該電圧パルスはある持続時間を有してお
   り、および該設定工程はノイズレベル電圧を確定するこ
   とを含み；該サンプリング工程は該複数の電圧値のいず
   れかが該ノイズレベル電圧を超過した時にタイマーをス
   タートさせることを含み；および該サイズ探索工程はそ
   のパルス持続時間がある予め定められた最大時間を超過
   しない場合にのみ実行され、これによって浮浪粒子によ
   って生じる偽カウントを実質的に減少させる、請求項１
   記載の方法。
6. 【請求項６】 該電圧パルスはある持続時間を有してお
   り、および該サンプリング工程は該複数の電圧値のいず
   れかが該ノイズレベル電圧を超過した時にタイマーをス
   タートさせることを含み；および該サイズ探索工程はそ
   のパルス持続時間がある予め定められた最大時間を超過
   しない場合にのみ実行され、これによって浮浪粒子によ
   って生じる偽カウントを実質的に減少させる、請求項２
   記載の方法。
7. 【請求項７】 該電圧パルスはある持続時間を有してお
   り、および該サンプリング工程は該複数の電圧値のいず
   れかが該ノイズレベル電圧を超過した時にタイマーをス
   タートさせることを含み；および該サイズ探索工程はそ
   のパルス持続時間がある予め定められた最大時間を超過
   しない場合にのみ実行され、これによって浮浪粒子によ
   って生じる偽カウントを実質的に減少させる、請求項４
   記載の方法。
8. 【請求項８】 該パルスは１つのピーク値を有し；サン
   プルされる該複数の電圧値は１つの等差数列をなす１か
   ら“ｎ”までのサンプルを含み；および該最新値はサン
   プル“ｎ”そして該先行値はサンプル（ｎ−１）であり
   そしてピーク値である、請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】 環境から粒子センサーに吸引される流体
   中に捕捉されている粒子の個数をサイズ範囲別に計数す
   るための散乱光を使用する粒子センサーにおいて、該セ
   ンサーは下記構成要素を包含する：それを通って粒子が
   環境から吸引される入口；定常光ビームと該入口から流
   入する流体流との交差により画定される検知のための容
   積；該検知容積を通過後該流体がそれを通ってセンサー
   から出ていく排出口；該検知容積内の粒子によって散乱
   された光を光検知回路へ向けて再指向する光学的集光
   系、該光検知回路は該粒子のサイズを表す電気パルスを
   発生する；該回路に接続されておりおよび該パルスを少
   なくとも２回サンプリングするアナログ−デジタル変換
   器；該変換器に連結されたデジタル信号プロセッサー；
   および該プロセッサーに連結されたマイクロコントロー
   ラ−；該プロセッサーおよびマイクロコントローラーは
   該粒子センサーを通って流れる粒子の個数をサイズ範囲
   別にカウントするための方法を実行するようにプログラ
   ムされており、そのカウントを実行するための方法は下
   記工程を包含する：複数の粒子サイズ範囲を、粒子サイ
   ズと対応する電圧との電算化テーブルの中に設定し；粒
   子を定常光ビームを通過して流動させ；ある不定の時間
   期間にわたって１つの電圧パルスに沿った複数の電圧値
   をサンプリングし；最新値と該最新値より前の先行値と
   を比較し；サンプリングされた最新値がサンプリングさ
   れた先行値より小さいと判定された時に、上記テーブル
   の中で、その粒子に対するサイズ範囲を見つけ出し；お
   よび該粒子のサイズ範囲に対応するカウントビンをイン
   クレメントする。
10. 【請求項１０】 該プロセッサーおよびマイクロコント
    ローラーがさらに、該設定工程はノイズレベル電圧を確
    定することを含み；および該探索工程は最新値がそのノ
    イズレベル電圧を超過した場合にのみ実行される方法を
    実行するようプログラムされている請求項９記載のセン
    サー。