JPS60190835A - 微粒子検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明のオリ用分野〕 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力Ｓ必要とされてい
る。最近においては、測定す注目される。

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”と称するキャ
ビティ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（Ｉ＃開昭５０−
１１７４８９号）０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犬ささが０．１μｍ程度の範
囲では、強度が者しく大きい光スポットが必要であるた
め、レーザー光源が代りに登場している。

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同乃主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″Ｃ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、レーザー光が照射された部
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）は同和１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１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
個のパルス信金に合成される。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制約な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
位置にスリット（または、ウィンド）５を設け、スリッ
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ｌＯ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、トラップホーン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、自初
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　早（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
って、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効である。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４
πＳ【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才でもない。

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５
５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ｎｌこ対しで、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が設けらイ１ている。

第２図ｆａ）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、上記面接光と同じ
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図体）の構成にさらに放物鏡１
７を加えて、集光立体角度を倍増することが口論まれで
いる。たたし、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の明確な結像かえ
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、はぼ全
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。琳３図（ａ）に示す回転楕円
鏡１９を考えると、点Ｓ、Ｈ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）に集まることは聞知のとおりである。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におかれた受光累子で受光すれは、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
ｔ・ 問題としては、完走な回転楕円鏡は空輸であって、第３
図（ｂ）に示したような部分的な楕円鏡１９でも開口径
りに比べて深さｌが大きいものは製作かむすかしい。通
常では、楕円鏡」９の開口径りの７０〜８０％程度の深
さのものが製作されている０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２０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１
９の任意の点ｍで反射された散乱光は焦点Ｒ２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を経由して楕円鏡さ １９の点にで反射ｋｎ、焦点Ｒに集まる０楕円鏡１９と
球面鏡２０との接続部分の間隙をなくすれは、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
に焦点几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性なわれているスリットまたはウィ
ンドを焦点凡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でも非
′帛に有効であり、これがこの発明の第２の要点である
。たたし、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っ
て、直交式に対しては迷光除去の点で不利である０ 〔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照面を示す。楕円鏡１９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−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を設けである。

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によるエアスクリーンで保映さ
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０２重構造のノズル２２にお
いては、外局のり＋７−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、−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、さらは進んで、やがて
は乱流１″′になる０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
、このときレーザビーム２の直効直径２１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ＦＡＰＱおよび層
流１″の直径による体積と符遅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牛する結果、前
記層流１″の範囲が狭くなり不都合であるＣ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′の開口面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、該曲率中心を該楕円鏡１９の一
方の焦点に一致させる。また、球面鏡２０の鋭部中心を
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０上述した楕円鏡１９、球面鏡２０、噴射ノズル２
２および排気管２３などは適宜な可塑剤また１才＠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
ャビティ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ｎ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、−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
ては検出領域の駆足方法として従来の受光焦点にスリッ
トを設ける方式に代って、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、従来方式より是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、はぼ完全
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、
従来の如く複雑な全極キャビティなどを全く不要とする
点など全体Ｉこ！Ｉｒ機軸による効果が大きく、この方
面に貢献するところカ′Ｊ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ｆｂ）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（
ｂｌ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
）　、　（ｂｌｌまこの発明による微粒子検出器の原理
説明図、第４図（ａｌ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（１〕）は第４図ｆａ）
の部分拡大である。 １・・・エアロゾル、２・・・レーザービーム、２′・
・・有効し〜ザービーム、３・・・軸、４・・・受光レ
ンズ、５・・・スリットまたはウィンド、６・・・受光
素子、７・・・検出頭載、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、１
３・・・トラップホーン、１４，１４’・・・排出口、
工５・・・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・・・噴矛　３　目 （ａｌ　（６） 牙　４　問

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。