JPH0979967A - 流体中の浮遊粒子計測方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体中に浮遊する粒子の存在位置や流れ・数
量を、流体中の意中の領域において、流体の本来の流れ
を乱さずに、実流動状態で計測する方法とその装置を提
供すること。 【解決手段】 空気中などの流体中に光走査照射手段１
（レーザ光を走査照射すること）により立体的な照射領
域１８を形成し、浮遊粒子４から発生する粒子の大きさ
・反射率等に従った強度の散乱光により、浮遊粒子４の
存在を認識する。光電変換手段２の光センサが受光領域
１９内の光を受光して、浮遊粒子の存在を検出し、浮遊
粒子存在情報７として出力する。レーザ光の走査照射に
よって得られる走査位置情報６と、光センサの受光出力
による浮遊粒子４の存在位置情報７から、計測対象領域
５の浮遊粒子４の分布情報である浮遊粒子存在位置情報
を位置検出手段３により得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気等の気体や水
等の液体からなる流体中に浮遊する粒子の存在位置や流
れ・数量を計測する方法、及びその装置に関するもの
で、例えばクリーンルーム内の大気中や、洗浄装置の洗
浄液中に含まれる微粒子の分布や動きを把握するのに好
適な計測方法、及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流体中に浮遊する粒子を計測する従来方
法及び装置として、例えばＪＩＳ−Ｂ−９９２１の「光
散乱式自動粒子計数器」あるいは特開平３−３９６３５
号公報のように、吸引した空気中の浮遊微粒子の粒子径
及び個数を測定し、空気中の粒子濃度を求める方法及び
装置が知られている。

【０００３】図７は、従来の浮遊粒子計測装置の構成図
である。浮遊粒子を含む試料空気を空気吸引部５３で吸
引して、空気導入路５５を通し、光源部５１が光を照射
する計測対象領域５６を通過させ、浮遊粒子に散乱光を
発生させる。浮遊粒子による散乱光は、光電変換部５２
内の光電子増倍管等の光電変換素子により散乱光量に比
例した波高値を持つパルス状の電気信号５７に変換され
る。処理部５４はパルス状の電気信号５７の分析により
浮遊粒子の粒径と個数を求め、単位時間あたりの流量に
比例した信号５８をもとにして粒子濃度を求める。

【０００４】計測対象領域５６は、浮遊粒子からの散乱
光量を極力大きくして計測粒子の検出能力を高めるた
め、かつ複数の粒子を同時に検出することによる計測ミ
スを少なくするために、光源からの出射光を集光させた
小さな領域にしている。そのため、光源として、レーザ
光や集光光学系を用いたハロゲンランプを使用してい
る。

【０００５】また、特開平６−２１３７９５号公報のよ
うに、共振光路内のレーザ光をシリンドリカルレンズ等
でシート状にし、その共振光路内に試料空気を導入し、
試料空気内の浮遊粒子から発生する散乱光を光電変換部
がマトリックス状に並んでいる二次元光検出器で検出す
ることで、粒子の検出感度を損なうことなく大きな面積
の計測対象領域で測定できる浮遊粒子計測装置が知られ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】例えばクリーンルーム
内においては、製造製品の不良を引き起こす微粒子の発
生は好ましくないので、微粒子の計測を行ってクリーン
度をチェックすることは重要である。しかし、従来技術
においては、このような微粒子の発生源や微粒子が集ま
る場所を特定し、浮遊微粒子の流体中での分布や流れを
把握する際にあたっては、計測対象としている浮遊粒子
が存在する計測対象流体を吸引して採取するため、計測
対象流体の本来の流れを乱してしまい、吸引される前
（実流動状態）の流体中における浮遊粒子の存在位置や
流れなどの情報が得られないという大きな課題を有して
いた。

【０００７】さらに、粒子径や個数を計測する場合に
も、計測対象の浮遊粒子が一般的に０．１μｍ〜１０μ
ｍであるので、目視認識できないことから、吸引採取す
る流体の吸引部分がわからず、つまり計測対象の部分を
確認することが極めて困難であるという課題も有してい
る。

【０００８】そこで本発明はこのような課題を解決する
もので、その目的とするところは、流体中の意中の領域
において、流体中に浮遊する粒子の存在位置・流れ・数
量・などの情報を、計測対象流体の本来の流れを乱さず
に、実流動状態で計測する方法およびその装置を提供す
るところにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するためのものであり、請求項１記載の流体中の浮
遊粒子計測方法（あるいは請求項４記載の流体中の浮遊
粒子計測装置）は、流体中にレーザ光を走査照射するこ
とによって得られる走査位置情報と、走査照射されたレ
ーザ光によって流体中に浮遊する粒子から発生されるレ
ーザ散乱光を光センサで受光することによって得られる
存在情報により、浮遊粒子の存在位置を検出することを
特徴とする。

【００１０】なお、請求項１記載のレーザ光に代えて流
体中に赤外光を走査照射し、この赤外光によって加熱さ
れた流体中に浮遊する粒子から発生される熱線を赤外セ
ンサで受光するようにしてもよい。

【００１１】本発明の上記の構成によれば、流体中にレ
ーザ光や赤外光を走査照射して、計測対象となる浮遊粒
子が存在する領域内に走査線による分割領域をつくり、
各々の走査分割領域ごとに照射するレーザ光や赤外光に
より浮遊粒子から発生する散乱光や熱線を、光センサや
赤外センサにより順に受光して、光走査位置情報に関連
づけられた浮遊粒子の有無や大きさからなる存在情報を
検出して、浮遊粒子の存在位置を計測することができる
ようになる。この場合、存在情報としては、浮遊粒子の
有無や大きさであることが好ましい。

【００１２】さらに、浮遊粒子の存在位置の検出を、流
体中の各々の位置で繰り返し行うことで、各々の浮遊粒
子の時間的な存在位置変化を把握し、計測対象領域内を
移動する浮遊粒子の流れの方向や速度を検出することが
できる。

【００１３】また、光電変換手段の光センサとしては、
撮像管や個体撮像素子を使用したテレビカメラ等の二次
元配列状に配置した光電変換素子や、ラインセンサ等の
一次元配列状に配置した光電変換素子を使用することが
望ましい。

【００１４】二次元配列状または一次元配列状に配置し
た光電変換素子からなる光電変換手段の光センサは、一
度に多数の浮遊粒子存在情報を収集することができるの
で、装置の構成を簡単にすることが可能になる。

【００１５】あるいは、光電変換手段の光センサとし
て、例えば光電子増倍管あるいはフォトダイオードから
なる光電変換素子を使用し、散乱光を導入する光センサ
の穴の内部表面をミラー状に形成したピンホールと、反
射方向が可変で、浮遊粒子から発生する散乱光を反射さ
せピンホールに導入するミラーとを具備することが望ま
しい。

【００１６】この場合、浮遊粒子から発生する散乱光
は、ポリゴンミラー等からなる反射方向が可変できるミ
ラーで反射され、穴の内部表面がミラー状に形成された
ピンホールに届き、さらにピンホール内部を反射を繰り
返しながら進み、光電変換素子からなる光電変換手段の
光センサに届く。これらピンホールとミラーにより、光
センサの散乱光の検出感度をあげることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面に基づ
いて詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明に係る一実施形態を示す浮
遊粒子計測装置の構成図である。図において、光走査照
射手段１は、レーザ光を二次元的に走査しながら照射す
ることで、空気等の気体や水等の液体からなる流体中に
立体的な照射領域１８を形成する。光電変換手段２の受
光領域１９と照射領域１８が交差する領域は、浮遊粒子
４を含む計測対象領域５で、この領域５内の浮遊粒子４
が計測対象となる。照射領域１８にレーザ光が照射され
ると、照射領域１８内の浮遊粒子４から粒子の大きさや
反射率等の材料特性に従った強度の散乱光が発生し、浮
遊粒子４の存在が認識可能となる。光電変換手段２の光
センサは受光領域１９内の光を受光して、受光した光の
強度を電気信号に変換するもので、浮遊粒子４からの散
乱光の一部を受光し、受光の有無から浮遊粒子４の存在
の有無や数量を、受光強度から浮遊粒子の大きさ等を検
出して、それらを浮遊粒子存在情報７として出力する。

【００１９】位置検出手段３は、光走査照射手段１から
どの位置を走査しているのかを知らせる走査位置情報６
と、光電変換手段２から浮遊粒子４の存在情報を知らせ
る浮遊粒子存在情報７から、各々の時刻において走査し
ている位置に存在する浮遊粒子４を検出する。従って、
位置検出手段３は、レーザ光の走査が計測対象領域５の
全域に一巡することで、計測対象領域５の全域にわたる
浮遊粒子４の分布情報である浮遊粒子存在位置情報を得
ることができる。

【００２０】光センサが光を受光できる範囲である光電
変換手段２の受光領域１９は、散乱光を集光する光学系
やスリット、ピンホール等を光電変換手段２に用いるこ
とでその領域範囲が決定される。

【００２１】また、光センサには、撮像管や個体撮像素
子を使用したテレビカメラ等のように複数の光電変換素
子が所定の間隔で平面状に二次元配置したものや、ライ
ンセンサ等のように複数の光電変換素子が所定の間隔で
直線状に一次元配置したものを使用することで、受光領
域１９をレーザ光の光軸と平行な方向に広げ、かつ光軸
と平行な方向に対する複数の浮遊粒子４間の並びに対す
る分離認識、つまり分解能を持たせることができる。さ
らに、光電変換素子を二次元配置したものでは、レーザ
光の光軸と平行な方向に加えてさらに光軸と垂直な方向
も光センサのみで受光できる機能があるため、光電変換
素子を一次元配置したものよりも受光のための集光光学
系が単純に構成でき、受光光量も多くできる。

【００２２】計測対象領域５は、空気中等の気体中や水
中等の液体中の任意の領域を指し示すものであり、図７
にある従来装置のように計測対象流体を計測装置の内部
に吸引導入した導入路に生じる領域ではない。そのた
め、流体が本来持つ流れや浮遊粒子の分布特性を実流動
状態で計測することができる。

【００２３】光走査照射手段１から発せられるレーザ光
は走査して照射するため、レーザ光のビーム径は計測対
象領域５を照射するまで小さなスポット状である。これ
は、光学系等を用いてレーザ光のビーム径を拡大させ、
広い範囲に一度に照射する方法に比較して、レーザ光の
光強度は格段に強くなる。レーザ光の光強度が強いほど
浮遊粒子４がレーザ光に照射されたときに発生する散乱
光の強度も強くなり、結果としてより小さな浮遊粒子ま
で検出が可能で、図７の従来装置で検出が可能な粒子径
と同等な、最小０．１μｍ以下の粒子検出ができる。

【００２４】また、計測対象領域５内や受光領域１９内
において、照射するレーザ光の波長や光センサの感度波
長域に該当する外乱光が計測に影響を与えないように、
本計測は、外光や照明等の光を遮蔽した暗闇で計測する
のが望ましい。

【００２５】本発明の一実施形態の具体的な計測適用例
として、クリーンルーム内の雰囲気空間を計測対象領域
５として、クリーンルーム内で製造する製品に対して悪
影響を及ぼす、人間の皮膚・衣類・金属・製品原料など
の微粒子（パーティクルあるいはダスト）を浮遊粒子４
とした場合を説明する。クリーンルーム内で加工・処理
される製造製品は、対象製品にもよるが０．１μｍ〜１
０μｍ程度のパーティクルが付着すると不良製品になる
ことが多い。そのため、パーティクルの発生源の特定や
パーティクルの流れの把握を通して、これらのパーティ
クルが製品に付着することのないように監視あるいは排
除する必要がある。しかし、一般に０．１μｍ〜１０μ
ｍの微粒子は目視が困難であり、特に浮遊している微粒
子は流れの把握を含めてさらに困難を極める。そこで、
前記図１においての計測対象領域５をクリーンルーム内
の空間に配置することで、パーティクルの有無や空間分
布を把握することができる。

【００２６】また、洗浄装置の洗浄液を計測対象領域５
として、洗浄液中の不純微粒子を浮遊粒子４とした計測
適用例では、意図的に微粒子（トレーサー）を洗浄液に
混入させ、トレーサーの動きを観察することで、槽内の
流れの状況を把握することができる。

【００２７】上記のいずれの計測適用例においても、従
来は、レーザ光のビーム形状をシート状等に拡大して、
広い範囲に一度に照射する方法を取っていたため、レー
ザ光の強度が弱く、レーザの発振強度をさらに強くした
り、光電変換素子の感度を上げるなどしても、例えばク
リーンルーム内での計測においては０．５μｍ前後のパ
ーティクルを検出するのは困難であった。本発明ではレ
ーザ光のビーム径を広げることがないので、検出可能最
小粒子径をより小さく改善できる。

【００２８】図２は、図１に示す一実施形態の変形例を
示す浮遊粒子計測装置の構成図である。本例は、レーザ
光の走査による計測対象領域５の照射を、計測対象領域
５全域にわたって何度も繰り返して行うものである。

【００２９】図において、光走査照射手段１、光電変換
手段２、位置検出手段３の構成とその動作については、
上述した図１の例と同様である。そして、位置検出手段
３によって、レーザ光の走査が計測対象領域５の全域に
一巡することで、計測対象領域５の全域にわたる浮遊粒
子４の分布情報である浮遊粒子存在位置情報９を得るこ
とができる。さらに、レーザ光の走査を計測対象領域５
の全域に何巡も繰り返すことで、同一領域内における各
時刻毎の浮遊粒子存在位置情報９を多数得ることができ
る。

【００３０】浮遊粒子流れ検出手段８は、位置検出手段
３から得られる各時刻毎の浮遊粒子存在位置情報９、つ
まり浮遊粒子４の時間的な位置変化の情報をもとに、各
浮遊粒子の流れの方向や速度を検出するものである。す
なわち、位置情報だけではなく時間情報も得ることがで
きる。この一例として、浮遊粒子の流れを計測する方法
例について図４を用いて説明する。

【００３１】図４は、浮遊粒子の流れを計測方法の一例
を示す説明図である。

【００３２】図において、時刻Ｔにおける浮遊粒子存在
位置情報（図２に示す浮遊粒子存在位置情報９に相当す
る）２１において浮遊粒子２５の存在位置を特定した場
合、時刻Ｔ＋１における浮遊粒子存在位置情報２２にお
ける浮遊粒子２５の存在位置や、時刻Ｔ＋２における浮
遊粒子存在位置情報２３における浮遊粒子２５の存在位
置から、時刻ＴからＴ＋２の間の浮遊粒子２５の流れる
方向や速度を示す浮遊粒子流れ情報２４を得る。この場
合、浮遊粒子存在位置情報を例えばＣＲＴ上といった画
像で表示する手段により観測する場合には、各時刻毎の
浮遊粒子存在位置情報画像を単純に重ね合わせること
で、簡単に浮遊粒子の流れを把握できる。

【００３３】また、より多くの浮遊粒子存在情報を利用
し、かつ複数の浮遊粒子を追跡することにより、浮遊粒
子２５の流れを媒体にした流体そのものの流れを長時間
にわたって把握することもできる。

【００３４】次に、図１または図２を用いて説明した上
記例において、浮遊粒子４の存在を検出する方法とし
て、浮遊粒子４に光を照射して散乱光を検出する代わり
に、浮遊粒子４を赤外光により加熱して熱線を検出する
方法について説明する。

【００３５】図１または図２において、光走査照射手段
１は、赤外域で発光するレーザ光を走査しながら照射す
ることで、空気等の気体や水等の液体からなる流体中に
立体的な照射領域１８を形成する。照射領域１８に赤外
域で発光するレーザ光が照射されると、照射領域１８内
の浮遊粒子４が加熱され、浮遊粒子４の大きさや比熱等
の材料特性に従った強度の熱線が発生し、浮遊粒子４の
存在が認識可能となる。光電変換手段２の赤外センサ
は、受けた熱線の強度を電気信号に変換するもので、計
測対象領域５内の浮遊粒子４による熱線の一部を受け、
受ける熱線の有無から浮遊粒子４の存在の有無や数量
を、熱線強度から浮遊粒子の大きさ等を検出して、それ
らを浮遊粒子存在情報７として電気信号に変換して出力
する。

【００３６】このように赤外光を使用することで、可視
光域の外光や照明等の計測に対する影響を気にする必要
がなくなる。

【００３７】位置検出手段３は、光走査照射手段１から
どの位置を走査しているのかを知らせる走査位置情報６
と、光電変換手段２から浮遊粒子４の存在情報を知らせ
る浮遊粒子存在情報７から、各々の時刻において走査し
ている位置に存在する浮遊粒子４を検出する。従って、
位置検出手段３は、赤外領域で発光するレーザ光の走査
が計測対象領域５の全域に一巡することで、計測対象領
域５の全域にわたる浮遊粒子４の分布情報である浮遊粒
子存在位置情報９を得ることができる。また赤外領域で
発光するレーザ光の走査を計測対象領域５の全域に何巡
も繰り返すことで、同一領域内における各時刻毎の浮遊
粒子存在位置情報９を多数得ることができる。

【００３８】図３は、図１または図２を用いて説明した
浮遊粒子計測装置の構成の中で、レーザ光の走査照射方
法から、光センサによる散乱光の受光方法までを示す主
要構成図であって、以下この図に従って構成を詳しく説
明する。

【００３９】レーザ１１から出射する光は、多面で構成
し回転するポリゴンミラーＡ１２で反射し、ポリゴンミ
ラーＡ１２の反射面を要にした扇状に広がり、さらにコ
リメーターレンズ１４によりそれぞれの光軸が平行とな
る面状の走査光となる。面状の走査光は、平行光の光軸
と直交する回転軸を持つように配置した多面で構成し回
転するポリゴンミラーＢ１３で反射して立体扇状に走査
し、さらにポリゴンミラーＢ１３で走査して広げた方向
にレンズ効果を持つように配置した平凸シリンドリカル
レンズ１５で、それぞれの光軸が平行となる立体状の走
査光になり、照射領域１８を形成する。座標軸２０でみ
ると、Ｘ方向のレーザ照射に対し、ポリゴンミラーＡ１
２は座標軸２０のＺ方向に走査する役割を、ポリゴンミ
ラーＢ１３は座標軸２０のＹ方向に走査する役割を持っ
ていることになる。

【００４０】レーザ光の照射により発生する浮遊粒子４
の散乱光は、凸レンズ等で構成される集光光学系１７に
より光センサ１６に集められ、浮遊粒子４の有無や大き
さを検出する。光センサ１６は、座標軸２０のＸＺ平面
に平行な面状に二次元配置した複数の光電変換素子、あ
るいは、座標軸２０のＸ方向に平行な直線状に一次元配
置した複数の光電変換素子で構成する。

【００４１】集光光学系１７の構成は、光センサ１６に
平面状に二次元配置した複数の光電変換素子を使用する
際には、平凸レンズ等で構成する。また、光センサ１６
に直線状に一次元配置した複数の光電変換素子を使用す
る際には、平凸レンズと、光電変換素子の並ぶ方向にレ
ンズ作用を持たせないように配置した平凸シリンドリカ
ルレンズ等で構成して、座標軸２０のＺ方向に対するレ
ーザ光照射位置の違いによって光センサ１６の受光位置
が異ならないようにする。

【００４２】浮遊粒子４を計測できる範囲である計測対
象領域５は、照射領域１８と、集光光学系１７により光
センサ１６に集光することができる範囲である受光領域
１９が交差する領域となる。

【００４３】計測対象領域５は、光センサ１６から見て
座標軸２０のＹ方向に奥行きのある領域になるので、集
光光学系１７により散乱光を集光する際には、集光光学
系１７や光センサ１６によって形成される受光側の焦点
位置を調整することが望ましい。この焦点位置の調整に
より、計測対象領域５内のどの位置を対象とする計測に
おいても、各時刻において光センサ１６に集光対象とな
る計測対象領域５内の体積が一定となり、計測の位置に
よる均一性を保つことができる。焦点位置の調整の方法
は、例えば、焦点距離を変える方法として、集光光学系
１７の焦点位置を可変する光学機構を追加する方法等
が、また、焦点位置を変える方法として、光センサ１６
と集光光学系１７の両方を座標軸２０のＹ方向に移動可
能な駆動機構に乗せる方法等があり、レーザ光が照射し
ている領域の位置が変わるに従って、焦点距離の変更や
駆動機構の移動を行う。

【００４４】各時刻において、レーザ光が計測対象領域
５のどの位置を照射しているかは、ポリゴンミラーＡ１
２とポリゴンミラーＢ１３の回転角情報から知ることが
でき、逆にポリゴンミラーＡ１２とポリゴンミラーＢ１
３の回転角を制御することで、計測対象領域５内の任意
の位置を自由に照射できる。計測対象領域５をあますと
ころなく順に走査するには、ポリゴンミラーＡ１２とポ
リゴンミラーＢ１３の回転速度や回転角の同期をとれば
よい。

【００４５】両ポリゴンミラー１２・１３の同期走査の
方法として、例えば、両ポリゴンミラー１２・１３に八
面体ミラーを使用した場合で説明する。ポリゴンミラー
Ｂ１３はパルス信号で回転を制御するパルスモーター等
を使用して回転させ、ポリゴンミラーＡ１２の一つの反
射面とその次の反射面が同じ反射方向を持つ位置にくる
毎に、つまりポリゴンミラーＡ１２が４５度回転する毎
に、ポリゴンミラーＢ１３にパルス信号を与えて一定角
回転させる。そして、ポリゴンミラーＢ１３の一つの反
射面とその次の反射面が同じ反射方向を持つ位置にく
る、つまりポリゴンミラーＢ１３が４５度回転すると、
計測対象領域５の全領域を一巡して照射したことにな
る。この動作を連続的に行うことで、計測対象領域５内
を何度も順序よく照射できる。各時刻における計測対象
領域５内の照射位置は、ポリゴンミラーＡ１２とポリゴ
ンミラーＢ１３の回転角を、ミラーを回転させるモータ
ーへの回転指令信号やモーターに取り付けることができ
るエンコーダー等の回転角検出器等により検出した情報
から、簡単に割り出すことができる。

【００４６】図１における光走査照射手段１は、前記レ
ーザ１１・ポリゴンミラーＡ１２・コリメーターレンズ
１４・ポリゴンミラーＢ１３・平凸シリンドリカルレン
ズ１５を主な構成要素とし、光電変換手段２は、光セン
サ１６・集光光学系１７を主な構成要素として上記のよ
うに一例表現できる。

【００４７】次に、図３で示した計測対象領域５の領域
分解能について図６を用いて説明する。

【００４８】図において、座標軸４１は、図３における
座標軸２０と同一定義のもの、つまり、図中のＸ方向が
レーザ照射光軸方向である。計測対象領域４４は、レー
ザ光のスポット径やポリゴンミラーの回転分解能、さら
に光センサの素子数により決まる計測単位４２で分割さ
れる。浮遊粒子を検出する際の最小計測単位となる計測
単位４２は内に複数の浮遊粒子が存在する場合には、各
浮遊粒子の分離認識ができない。そのため、計測対象と
する浮遊粒子径よりも、計測単位４２を小さくとること
が望ましい。計測単位４２は、図６では簡易的に、各軸
について４分割した計６４個の直方体で表現している。
実際には、分割数はさらに多数分割が可能であり、また
レーザスポット断面は一般には円または楕円形であるこ
とから、各計測単位４２は重なりあったり、計測対象領
域内に計測出来ない領域が生じる。

【００４９】ＹＺ平面４３上に見える１６個の計測単位
４２は、レーザ光をポリゴンミラー等で走査することで
できる照射単位で、Ｘ方向に伸びた筒上の形状をなし、
例えばａから順にｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ・・・とレーザ光
が照射していく。この照射単位のＹＺ平面上に占める面
積は、レーザスポット径やポリゴンミラーの回転分解能
によって左右される。

【００５０】Ｘ方向の４個の計測単位４２は、光センサ
の素子数による分解能で決まる受光単位で、例えばライ
ンセンサ等のように複数の光電変換素子を直線状に一次
元配置したものを光センサとした場合をこの図にあては
めると、センサの画素数が４つあることになり、レーザ
照射軸に沿って一度に複数のデータを無駄なく検出する
ことができる。また、撮像管や個体撮像素子を使用した
テレビカメラ等のように複数の光電変換素子を平面状に
二次元配置したものを光センサとして使用する場合は、
Ｚ方向の分割数も光センサの画素数に影響される。

【００５１】光センサとして二次元配置した光電変換素
子を使用すると、図３のポリゴンミラーＡ１２が一走査
する間、ＹＺ平面４３上でいえば例えばレーザ光がａか
らｄまで走査する間のデータをそれぞれ個別の光電変換
素子で検出することができ、ＸＺ平面４５を一単位とし
たデータ収集となる。

【００５２】図３の光電変換手段２における光センサ
の、浮遊粒子を検出する感度を向上させたい場合には、
光センサとして、直線状に一次元配置あるいは平面状に
二次元配置した複数の光電変換素子を使用するよりも、
光電子増倍管やフォトダイオード等からなる単体の光電
変換素子を使用する方が、感度の高い素子を使用できる
ので有利である。その場合、図６における座標軸４１の
Ｘ方向の分解能を得るための構成が必要になる。

【００５３】図５（ａ）は本発明に係る一実施形態にお
けるひとつの光電変換素子を使用した場合の散乱光受光
部の構成図である。

【００５４】光センサとして光電子増倍管やフォトダイ
オードからなる光電変換素子３１を使用し、光センサの
前にピンホール３２を形成した筒を配置する。ピンホー
ル３２は光センサが受光する散乱光を導入するためのも
ので、ピンホール３１の穴の内部表面は光を反射するた
めにミラー状に形成する。さらに、ピンホール３２に浮
遊粒子から発生する散乱光を導入するための、図３にお
ける座標軸２０のＺ方向に回転軸を持つポリゴンミラー
Ｃ３３を設ける。ポリゴンミラーＣ３３には、図３の集
光光学系１７により散乱光を導入する。この集光光学系
１７の構成は、図３の集光光学系１７で説明したものの
うち、光センサ１６として直線状に一次元配置した複数
の光電変換素子を使用する際と同じ構成で、平凸レンズ
と、光電変換素子の並ぶ方向にレンズ作用を持たせない
ように配置した平凸シリンドリカルレンズ等で構成し
て、座標軸２０のＺ方向に対するレーザ光照射位置の違
いによって光センサ１６の受光位置が異ならないように
する。

【００５５】図３における集光光学系１７により座標軸
Ｘ方向の線状に集光した散乱光３４は、回転するポリゴ
ンミラーＣ３３によって反射し、ポリゴンミラーＣ３３
の回転角とピンホール３２の穴径に対応した範囲である
一部分の散乱光のみがピンホール３２に導入される。ピ
ンホール３２に導入された散乱光は、ピンホール３２の
穴方向に対して一定の傾きを持って導入されることにな
るが、ピンホール３２の穴内部表面がミラー状に形成し
てあるため、内部壁で反射しながら導入された穴の反対
側へ進む。ピンホール３２を通った散乱光は、ピンホー
ル３２の断面積よりも大きな受光面積を持つ光電変換素
子３１の受光面にすべて照射され、浮遊粒子の有無や大
きさの情報として検出される。

【００５６】ポリゴンミラーＣ３３の回転角は、図３の
ポリゴンミラーＡ１２とポリゴンミラーＢ１３の回転角
と同期をとることで、各時刻において計測対象領域内の
どの領域を計測しているのか知ることができる。ポリゴ
ンミラーＣ３３の同期走査の方法として、例えば、ポリ
ゴンミラーＣ３３に八面体ミラーを使用した場合で説明
する。ポリゴンミラーＣ３３はパルス信号で回転を制御
するパルスモーター等を使用して回転させ、図３のポリ
ゴンミラーＡ１２がある回転角度を指し示している状態
で、ポリゴンミラーＣ３３にパルス信号を与えて、ポリ
ゴンミラーＣ３３の一つの反射面とその次の反射面が同
じ反射方向を持つ位置にくる、つまりポリゴンミラーＣ
３３が４５度回転するまで回転させる。そして、ポリゴ
ンミラーＣ３３が４５度回転する間の各時刻毎に、光電
変換素子３１により受光レベルを検出する。ポリゴンミ
ラーＣ３３が４５度回転終了したところで、図３のポリ
ゴンミラーＡ１２を次の回転角度を指し示すまで回転さ
せる。ポリゴンミラーＡ１２は前記のように、ポリゴン
ミラーＢ１３と同期回転をしているので、この動作を連
続的に行うことで、計測対象領域５内を何度も順序よく
照射できる。

【００５７】ポリゴンミラーＣ３３とピンホール３２を
使用して、光電変換素子３１に散乱光を導入する上記の
方法によれば、光電変換素子３１とピンホール３２を構
成する構造物自体を図３における座標軸２０のＸ方向に
移動させて散乱光をひろう方法等に比べて、移動を必要
とする要素がないだけに、高速検出が可能となる。

【００５８】図５（ａ）の計測において、図３における
座標軸２０のＸ方向の計測分解能は、パルスモーター等
で回転させた場合のポリゴンミラーＣ３３の回転分解能
と、ピンホール３２の穴径により決まり、特にピンホー
ル穴径が支配的となる。

【００５９】次に、図５（ａ）の構成で、光電変換素子
３１が検出する浮遊粒子の有無や大きさの情報について
説明する。

【００６０】図５（ｂ）は実際に計測される信号の一例
を示す図である。図５（ｂ）では、ある時刻にレーザ光
が照射している領域を対象にしているが、簡易的に、図
６における座標軸４１のＸ方向一列分の４個の計測単位
４２を対象にする。

【００６１】ある時刻にレーザ光が照射している計測対
象領域３６に浮遊粒子３５が存在していると、光電変換
素子３１では浮遊粒子３５の散乱光から、横軸をポリゴ
ンミラーＣ３３の回転角あるいは時間、縦軸を電圧とし
て、計測信号３７を出力する。計測信号３７から、計測
対象の浮遊粒子３５の材質が一定であるとした場合に、
各浮遊粒子３５の大きさを表す波高値３８と、浮遊粒子
３５の材質によらないで、各浮遊粒子３５の大きさを表
す出現時間幅３９を知ることができる。また、波高値３
８がある設定したしきい値４０以上あるかないかで判断
することで、浮遊粒子３５の有無や数量がわかる。

【００６２】

【発明の効果】以上記載したように本発明により、以下
に記載されるような効果を得ることができる。

【００６３】レーザ光が照射する走査位置と、光センサ
が受光する浮遊粒子の散乱光から、浮遊粒子の存在を知
ることで、流体中に浮遊する粒子の存在位置や数量を、
しかも流体中の意中の領域の実分布状態を、流体の流れ
を計測行為自体によって乱すことなく計測できる利点が
ある。

【００６４】また、レーザ光を赤外光にして、浮遊粒子
からの熱線を検出することで、周囲の外光や照明等の可
視光を気にする必要がなくなり、暗闇でなくても計測が
できる利点がある。

【００６５】また、浮遊粒子の存在位置の検出を繰り返
し行うことで、意中の領域の実分布状態において、浮遊
粒子の流れの方向や速度を、計測対象流体の本来の流れ
を乱すことなく計測できる利点がある。

【００６６】さらに、光センサに二次元配列状に配置し
た光電変換素子や、一次元配列状に配置した光電変換素
子を使用することで、受光系や信号処理系を簡単な構成
にできる上に、ＣＲＴモニター等への視覚的な計測結果
表示等の計測結果出力や計測にかかる時間を短縮でき、
計測の時間的な繰り返し速度を向上させる利点がある。

【００６７】また、光センサにひとつの光電変換素子を
使用し、ピンホールとミラーにより浮遊粒子の散乱光を
導入する事で、散乱光の検出感度を上げることができ、
最小検出可能浮遊粒子径を小さくする利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施形態を示す浮遊粒子計測装
置の構成図である。

【図２】図１に示す浮遊粒子計測装置の一変形例を示す
構成図である。

【図３】図１または図２に示す浮遊粒子計測装置の主要
構成図（レーザ光の走査照射方法から、光センサによる
散乱光の受光方法までを示す図）である。

【図４】浮遊粒子の流れを計測する方法の一例を説明す
るための図である。

【図５】（ａ）は、本発明に係る一実施形態におけるひ
とつの光電変換素子を使用した場合の散乱光受光部の構
成図である。（ｂ）は、計測される信号の一例を示す図
である。

【図６】本発明に係る一実施形態における計測対象領域
を説明するための図である。

【図７】従来の浮遊粒子計測装置の構成図である。

【符号の説明】

１ 光走査照射手段 ２ 光電変換手段 ３ 位置検出手段 ４、２５、３５ 浮遊粒子 ５、４４ 計測対象領域 ６ 走査位置情報 ７ 浮遊粒子存在情報 ８ 浮遊粒子流れ検出手段 ９ 浮遊粒子存在位置情報 １１ レーザ １２ ポリゴンミラーＡ １３ ポリゴンミラーＢ １４ コリメータレンズ １５ 平凸シリンドリカルレンズ １６ 光センサ １７ 集光光学系 １８ 照射領域 １９ 受光領域 ２０、４１ 座標軸 ２１ 時刻Ｔにおける浮遊粒子存在位置情報 ２２ 時刻Ｔ＋１における浮遊粒子存在位置
情報 ２３ 時刻Ｔ＋２における浮遊粒子存在位置
情報 ２４ 浮遊粒子流れ情報 ３１ 光電変換素子 ３２ ピンホール ３３ ポリゴンミラーＣ ３４ 線状に集光した散乱光 ３６、４２ 計測単位 ３７ 計測信号 ３８ 波高値 ３９ 出現時間幅 ４０ しきい値 ４３ ＹＺ平面 ４５ ＸＺ平面 ５１ 光源部 ５２ 光電変換部 ５３ 空気吸引部 ５４ 処理部 ５５ 空気導入路 ５６ 計測対象領域 ５７ パルス状の電気信号 ５８ 単位時間あたりの流量に比例した信号

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体中にレーザ光を走査照射することに
   よって得られる走査位置情報と、走査照射されたレーザ
   光によって流体中に浮遊する粒子から発生されるレーザ
   散乱光を光センサで受光することによって得られる存在
   情報により、浮遊粒子の存在位置を検出することを特徴
   とする流体中の浮遊粒子計測方法。
2. 【請求項２】 流体中に赤外光を走査照射することによ
   って得られる走査位置情報と、走査照射された赤外光に
   よって加熱された流体中に浮遊する粒子から発生される
   熱線を赤外センサで受光することによって得られる存在
   情報により、浮遊粒子の存在位置を検出することを特徴
   とする流体中の浮遊粒子計測方法。
3. 【請求項３】 前記浮遊粒子の存在位置の検出を流体中
   の各々の位置で繰り返し行い、浮遊粒子の流れの方向ま
   たは速度を検出することを特徴とする請求項１または２
   記載の流体中の浮遊粒子計測方法。
4. 【請求項４】 流体中にレーザ光を走査照射して走査位
   置情報を得る光走査照射手段と、走査照射されたレーザ
   光によって流体中に浮遊する粒子から発生される散乱光
   を、光センサで受光して得られる存在情報を電気信号に
   変換して出力する光電変換手段と、定められた時刻にお
   いて前記走査位置情報と前記存在情報を収集して浮遊粒
   子の存在位置を検出する位置検出手段を具備することを
   特徴とする流体中の浮遊粒子計測装置。
5. 【請求項５】 流体中に赤外光を走査照射して走査位置
   情報を得る光走査照射手段と、走査照射された赤外光に
   よって加熱された流体中に浮遊する粒子から発生される
   熱線を、赤外センサで受光して得られる存在情報を電気
   信号に変換して出力する光電変換手段と、定められた時
   刻において走査位置情報と存在情報を収集して浮遊粒子
   の存在位置を検出する位置検出手段を具備することを特
   徴とする流体中の浮遊粒子計測装置。
6. 【請求項６】 前記存在情報は、浮遊粒子の有無と大き
   さからなることを特徴とする請求項４または５記載の流
   体中の浮遊粒子計測装置。
7. 【請求項７】 前記位置検出手段から得られる浮遊粒子
   の存在位置を、流体中の各々の位置で繰り返し計測し、
   浮遊粒子の流れの方向または速度を検出する浮遊粒子流
   れ検出手段を具備することを特徴とする請求項４または
   ５または６記載の流体中の浮遊粒子計測装置。
8. 【請求項８】 前記光電変換手段のセンサに、二次元あ
   るいは一次元配列状に配置した光電変換素子を使用する
   ことを特徴とする請求項４または５または６記載の流体
   中の浮遊粒子計測装置。
9. 【請求項９】 前記光電変換手段のセンサに光電変換素
   子を使用し、前記散乱光を導入する光センサの穴の内部
   表面をミラー状に形成したピンホールと、反射方向が可
   変で、浮遊粒子から発生する散乱光を反射させピンホー
   ルに導入するミラーとを具備することを特徴とする請求
   項４から７のいずれかに記載の流体中の浮遊粒子計測装
   置。