JP2012181124A - 液体中の粒子のサイズの検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体中の粒子のサイズをリアルタイムで正確に検出すること。
【解決手段】第２の光検出手段を第１の光検出手段よりも液体の流れ方向に沿った下流側に所定の距離だけ離間するように設けておき、第１の光検出手段および第２の光検出手段による検出信号のピーク値が現れる時間の差分であるピーク時間差Ｔ２、および、検出信号の所定の高さ位置Ｖｈにおける時間幅Ｔｗを計測し、複数の既知サイズＬｂについて、それぞれのサイズとピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗとの関係を示す基準データＤＫを、試液を用いた計測により予め求めてメモリに格納しておき、サイズが未知の粒子について計測されたピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗを含む実測データＤＪと、基準データＤＫとを用いて、当該粒子のサイズを検出する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、液体中の粒子のサイズの検出方法および装置に関する。本発明は、例えば、半導体製造に用いられる超純水に代表されるような、粒子（パーティクル）などが不純物として混入すると不都合が生じる液体を監視するために利用される。

従来より、液体中における微粒子の検出に関して種々の方法が知られている。例えば、レーザー光のようなコヒーレントな光を液体の流れ方向に対して横断するように照射し、液体に含まれる粒子により生じる回折縞を光センサで受光して粒子のサイズを検出する方法が提案され、実用化されている。この方法において、照射した光を液体の中で収束させ、収束した部分（焦点）の近傍を通過する粒子を検出することが知られている。

例えば特許文献１による方法では、光検出手段として、第１の光検出センサおよび第２の光検出センサを所定の距離だけ離間して設け、これらのセンサによって検出される回折縞について、それぞれの検出信号のピーク値が現れる時間の差分であるピーク時間差Ｔ２、および、検出信号の波形による面積ＳＱを計測する。

そして、ピーク時間差Ｔ２をｘ軸とし面積ＳＱをｙ軸とする座標平面において、粒子のサイズに応じて回折縞を振り分けるための複数の領域を予め定義しておき、粒子についての複数のサイズについて、それぞれのサイズとそれぞれの領域に含まれる回折縞の個数または割合との関係を示す基準データを、試液を用いた実測により予め求めてデータベースに記録しておき、計測されたピーク時間差Ｔ２および面積ＳＱに基づいてそれぞれの領域に振り分けられた回折縞の個数を示す実測データを取得し、基準データおよび実測データを用い、液体に含まれる粒子のそれぞれのサイズに対応する個数を検出する。

特許文献１の方法によると、液体中に含まれる不純物としての微粒子が少ない状態であっても正確にかつ低コストで粒子のサイズを検出することが可能である。

特許第４４２５３４７号

しかし、近年において微細化する半導体製造現場においては、液体中の粒子のサイズを正確に検出することに加え、サイズの検出に要する時間の短縮、つまりリアルタイム性が要求されてきている。

すなわち、半導体をウエハー上に形成される電子回路は年々微小化されており、これにともなって除去の必要な粒子のサイズも小さくなっている。半導体製品の歩留まりを低下させる要因の一つが洗浄液中に含まれる微細な塵（粒子）の存在であり、この様な微細な塵をリアルタイムで検出する方法が望まれている。

上に述べた特許文献１の方法では、干渉縞の面積ＳＱおよびピーク時間差Ｔ２を含む基準データから統計学的に粒子のサイズを演算しているので、基準データ、実測データ、および粒子のサイズの間において十分な相関を得るために多数の粒子を用いて大量のデータを得る必要があり、リアルタイム性において問題があった。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、液体中の粒子のサイズをリアルタイムで正確に検出することのできる方法および装置を提供することを目的とする。

本発明に係る方法は、透光性を有する管路を流れる液体の流れ方向に対して横断するようにコヒーレントな光を照射し、液体に含まれる粒子により生じる回折縞を光検出手段により検出することにより前記粒子のサイズを検出する粒子サイズ検出方法であって、前記光検出手段として、第１の光検出手段および第２の光検出手段を設けるとともに、前記第２の光検出手段を前記第１の光検出手段よりも前記液体の流れ方向に沿った下流側に所定の距離だけ離間するように設けておき、前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段によって検出されるそれぞれの回折縞について、前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段による検出信号のピーク値が現れる時間の差分であるピーク時間差Ｔ２、および、前記検出信号の所定の高さ位置における時間幅Ｔｗを計測し、サイズが既知である粒子の複数の既知サイズＬｂについて、それぞれのサイズと前記ピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗとの関係を示す基準データを、試液を用いた計測により予め求めてメモリに格納しておき、サイズが未知の粒子について計測された前記ピーク時間差Ｔ２および前記時間幅Ｔｗを含む実測データと、前記基準データとを用いて、当該粒子のサイズを検出する。

好ましくは、複数の既知サイズＬｂについて多数の粒子を用いて前記基準データを求め、各既知サイズＬｂにおいて、次の（１）式、
Ｌｃ＝Ｔ２×Ｔｗ×ｋ ……（１）
で示される演算サイズＬｃの分布度数の最も多い階級を既知サイズＬｂの階級とするような係数ｋを選定し、選定した係数ｋを適用した（１）式に基づいて、サイズが未知の粒子についての前記実測データである前記ピーク時間差Ｔ２および前記時間幅Ｔｗから前記演算サイズＬｃを求め、求めた演算サイズＬｃを当該粒子のサイズとして検出する。

本発明によると、液体中の粒子のサイズをリアルタイムで正確に検出することのできる方法および装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による検出装置を示す斜視図である。 検出装置の要部を平面的に見て示す図である。 図２の一部を拡大して示す図である。 検出装置における検出回路の構成の例を示すブロック図である。 光検出手段の配置の他の例を示す図である。 光検出手段による回折縞の検出の様子を示す図である。 検出信号の包絡線による波形の例を示す図である。 検出信号の波形による時間幅Ｔｗを求める方法を説明する図である。 試液を用いた計測に基づく度数分布の例を示す図である。 粒子のサイズについての検量線の例を示す図である。 粒子の形状の例を示す図である。 試液を用いた計測による度数分布の具体例を示す図である。 検出装置における検出動作を示すフローチャートである。

〔検出装置１の構成の概要〕
図１〜図４において、検出装置１では、断面が矩形であって透光性を有する管路ＫＲを流れる液体ＥＴの流れ方向Ｍ１に対し、直交して横断するようにコヒーレントな光ＨＫを照射する。照射された光ＨＫは、液体ＥＴの中で焦点ＳＴを結んで収束する。焦点ＳＴの近傍であって焦点ＳＴと光検出手段ＳＥとの間を通過する粒子により生じる回折縞ＡＭが、光検出手段ＳＥにより検出され、得られた実測データに基づいて演算が行われ、粒子のサイズ（粒径）が検出される。

コヒーレントな光ＨＫを生成するために、レーザー光源１１およびレンズ１３が用いられる。レーザー光源１１として種々のものを用いることができるが、できるだけ高出力で短波長の方が回折縞が発生しやすい。レンズ１３として、種類の異なる種々のレンズを組み合わせて用いてもよい。

なお、レーザー光源１１として、例えば、レーザー波長４０５ｎｍ、レーザー出力３５ｍＷのもの、その他の光源を用いることが可能である。管路ＫＲを構成するフローセルとして、ここでは断面が矩形であって断面の内側の１辺の長さが２ｍｍのものを用いた。この場合に、管路ＫＲの断面積は、２×２＝４ｍｍ² である。しかし、これ以外の形状寸法のものを採用することが可能である。

図１、図２、および図４を参照して、光検出手段ＳＥとして、第１の光検出手段ＳＥ１および第２の光検出手段ＳＥ２を設ける。第２の光検出手段ＳＥ２を、第１の光検出手段ＳＥ１よりも液体ＥＴの流れ方向Ｍ１に沿った下流側に所定の距離Ｌ１だけ離間するように設ける。

また、これら第１の光検出手段ＳＥ１および第２の光検出手段ＳＥ２は、焦点ＳＴから距離Ｌ３だけ離れた位置に設けておく。これによって、焦点ＳＴを通過して放射状になった光のうちの中心角αの範囲の近辺を通過する粒子の回折縞ＡＭが、光検出手段ＳＥ１，２によって検出される。

距離Ｌ１，Ｌ３の具体的な一例をあげると、例えば、距離Ｌ１が１ｍｍ程度、距離Ｌ３が７ｍｍ程度である。また、距離Ｌ１が数ｍｍ程度、距離Ｌ３が数十ｍｍ程度である。しかし、これら以外の距離および範囲であってもよい。

また、第１の光検出手段ＳＥ１および第２の光検出手段ＳＥ２は、放射状の光が投影される範囲のうち、液体ＥＴの流れ方向に対して直角方向についてのそれぞれの光検出手段ＳＥ１，２の位置における全範囲を受光するように配置される。

このような光検出手段ＳＥとして、フォトダイオードまたはフォトトランジスタなどの受光素子、またはＣＣＤなどの撮像素子などを用いることが可能である。撮像素子を用いる場合には、１つの撮像素子における適当な距離だけ離れた画素または画素群からなる２つの領域を、第１および第２の光検出手段ＳＥ１，２とすることが可能である。

また、図５に示すように、光検出手段ＳＥ１，２の前方に、スリットＳＬ１，２を有した遮光板ＳＢを配置し、レーザー光源１１からの放射光がスリットＳＬ１，２を介して各光検出手段ＳＥ１，２に入射するようにしてもよい。この場合のスリットＳＬ１，２の幅ｄ１，ｄ１は、例えば、いずれも０．１ｍｍ程度としてよい。この場合に、各光検出手段ＳＥ１，２として、例えば１×６ｍｍ程度の長方形の受光面を持つＰｉｎフォトダイオードアレイなどを用いることが可能である。

第１の光検出手段ＳＥ１および第２の光検出手段ＳＥ２によって、回折縞ＡＭに対応した検出信号（出力信号）Ｓ１，Ｓ２が得られる。

すなわち、図３に示すように、焦点ＳＴの近傍であって焦点ＳＴから例えば距離Ｌ４だけ離れた位置を粒子ＲＳが通過すると、中心角αの範囲の近辺を通過する間に、それによる回折縞ＡＭが光検出手段ＳＥ１，２により検出される。

検出信号Ｓ１，Ｓ２は、図６に示すように、直接的には回折縞ＡＭによって複数のピークを持った波形であるが、図７および図８に示すように、その包絡線ＨＳ１，２で示される波形が、粒子のサイズの検出のために用いられる。したがって、本明細書においては、「検出信号Ｓ１，Ｓ２」と記載した場合に、特に断りのない限り、個々のピークを持った波形ではなく、包絡線ＨＳ１，２で示される波形を指すものとする。

そして、検出信号Ｓ１，Ｓ２から、各検出信号Ｓ１，Ｓ２のピーク値が現れる時間の差分であるピーク時間差Ｔ２、および、各検出信号Ｓ１，Ｓ２の所定の高さ位置Ｖｈにおける時間幅Ｔｗを計測する。

サイズが未知の粒子についての計測を行う前に、そのサイズを演算で求めるための基準データＤＫを先に取得しておく。

すなわち、サイズが既知である粒子の複数の既知サイズＬｂについて、それぞれのサイズとピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗとの関係を示す基準データＤＫを、試液を用いた計測により予め求めてメモリ（またはデータベース）に格納しておく。

基準データＤＫを求めるに当たり、複数の既知サイズＬｂについて多数の粒子を用いる。複数の既知サイズＬｂの試液として、例えば、１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍ、８００ｎｍなどのサイズＬｂの粒子を含んだ試液を用いる。

これら複数の既知サイズＬｂの試液を用い、１つ１つの粒子ＲＳについて、まず、ピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗを計測する。計測したピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗは、その粒子ＲＳの既知サイズＬｂと対応付けてメモリに格納しておく。

そして、各既知サイズＬｂにおいて、次の（２）式、
Ｌｃ＝Ｔ２×Ｔｗ×ｋ……（２）
で示される演算サイズＬｃの分布度数の最も多い階級を既知サイズＬｂの階級とするような係数ｋを選定する。

そして、選定した係数ｋを（２）式に適用し、その（２）式に基づいて、サイズが未知の粒子についての実測データＤＪであるピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗから、演算サイズＬｃを求める。

つまり、管路ＫＲ内を液体ＥＴとともに流れてくるサイズが未知の粒子ＲＳについて、ピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗを計測し、これらを実測データＤＪとしてメモリに格納する。メモリに格納された実測データＤＪについて、係数ｋが選定された（２）式に基づいて演算サイズＬｃを求める。求めた演算サイズＬｃを、当該粒子のサイズＬａとして検出する。

ここで、係数ｋが選定されるとは、係数ｋが何らかの形で表現されるように定義されることである。係数ｋを特定の値に決定したり、係数ｋを演算式で表したり、また、係数ｋを特定の関数により定義してもよい。また、ピーク時間差Ｔ２と時間幅Ｔｗとに基づいて演算サイズＬｃが求まるようなテーブル、グラフ、データベースなどを作成することでもよい。

例えば、グラフを用いるとすると、粒子ＲＳのサイズを横軸にとり、粒子ＲＳの出現度数を縦軸にとってグラフで表す。そうすると、図９に示すような度数分布になることが予想される。つまり、各既知サイズＬｂについての粒子ＲＳは、既知サイズＬｂの呼び値（公称値）を中心とした正規分布になると予想される。

そこで、基準データＤＫのピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗを用い、（２）式を用いて演算サイズＬｃを求める。そして、演算サイズＬｃが、各既知サイズＬｂにおける分布の中心に一致するように係数ｋを選定する。このように選定した係数ｋが、目的とする係数ｋである。しかし、係数ｋを具体的に定めなくても、グラフにおける目盛りを打つことができれば、そのようなグラフに基づいてサイズＬａを決定することが可能である。

上の（２）式において、液体ＥＴの流速が一定であるとすると、ピーク時間差Ｔ２は、粒子ＲＳの焦点ＳＴからの距離（通過位置）Ｌ４に比例した値であり、距離Ｌ４の程度を示すことになる。つまり、
Ｔ２ ∝ Ｌ４
また、時間幅Ｔｗ、Ｔｗ１、Ｔｗ２は、粒子ＲＳのサイズＬａを焦点ＳＴからの距離Ｌ４で除したものに比例する。つまり、粒子ＲＳのサイズＬａが大きいほど時間幅Ｔｗ、Ｔｗ１、Ｔｗ２は大きくなり、焦点ＳＴからの距離Ｌ４が大きくなるほど時間幅Ｔｗ、Ｔｗ１、Ｔｗ２は小さくなる。

したがって、ピーク時間差Ｔ２と時間幅Ｔｗとを掛け合わせると、距離Ｌ４の項が消えて粒子ＲＳのサイズＬａの項が残る。これに係数ｋを掛けたものが、粒子ＲＳのサイズＬａということになる。

ここで、係数ｋは、例えば、サイズＬａのｎ乗の関数になるものと考えられる。つまり、
ｋ＝ｆ（Ｌａⁿ ） ……（３）
と表すことが可能であると考えられる。

なお、基準データＤＫは、サイズとピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗとの関係を示すデータであるので、係数ｋが選定された場合には、選定された係数ｋそれ自体が基準データＤＫということになってもよい。係数ｋが選定される前においては、係数ｋを選定するために必要なデータである、サイズ（既知サイズＬｂ）、ピーク時間差Ｔ２、および時間幅Ｔｗが、基準データＤＫということになる。

また、基準データＤＫは、係数ｋ以外の形態とすることが可能である。例えば、サイズ、ピーク時間差Ｔ２、および時間幅Ｔｗから係数ｋを導く途中のデータ、サイズ、ピーク時間差Ｔ２、および時間幅Ｔｗに基づいて上の（２）式の関係に沿って演算サイズＬｃを求めることのできる演算式、テーブル、グラフなども、基準データＤＫに含めることが可能である。

このように、実測データＤＪと基準データＤＫとを用いて、液体ＥＴに含まれた粒子のサイズＬａをリアルタイムで検出する。

なお、本実施形態においては、（２）式における時間幅Ｔｗとして、第１の光検出手段ＳＥ１による検出信号Ｓ１の所定の高さ位置Ｖｈにおける時間幅Ｔｗ１と、第２の光検出手段ＳＥ２による検出信号Ｓ２の所定の高さ位置Ｖｈにおける時間幅Ｔｗ２との和（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）を用いることができる。

その場合に、時間幅Ｔｗとして、それらの和の２分の１の値、つまり、
Ｔｗ＝（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２
＝（Ｔｗ１／２＋Ｔｗ２／２） ……（４）
とすることができる（図８参照）。

また、検出信号Ｓ１，Ｓ２の時間幅Ｔｗ１，Ｔｗ２が互いに同じであるとみなせる場合には、一方の時間幅Ｔｗ１またはＴｗ２を時間幅Ｔｗとして用いるようにすることも可能である。

ここで、高さ位置Ｖｈは、例えば、検出信号Ｓ１，Ｓ２のピーク高さの７０パーセントの高さの位置、検出信号Ｓ１，Ｓ２のピーク高さの５０パーセントの高さの位置などとしてよい。

つまり、上の（２）式に示すように、時間幅Ｔｗは、粒子ＲＳのサイズＬａを焦点ＳＴからの距離Ｌ４で除したものに比例するものであり、比例するという性質を演算サイズＬｃ（サイズＬａ）の算出に利用するものであるから、数値それ自体が重要なのではない。したがって、（４）式のように、特定の高さ位置Ｖｈにおける時間幅の和（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）の数値の２分の１であってもよく、３分の１、４分の１、また１分の１であってもよい。

以下さらに詳しく説明する。
〔回折縞ＡＭの検出〕
検出装置１において、上に述べたように、光ＨＫとして、液体ＥＴ中に焦点ＳＴを有する放射状の光（放射状光）ＨＫＳを用いる。

図１および図２において、レーザー光源１１からレンズ１３を通って液体ＥＴを照射する光（レーザー光）は、液体ＥＴ中に焦点を有する放射状光ＨＫＳである。したがって、焦点ＳＴから離れるにしたがって、粒子が放射状光ＨＫＳ中を横切る距離は長くなる。ここでは、粒子は一定の流速で流れる液体ＥＴ中に均一に分散されているので、粒子の通過速度も一定となり、その結果、放射状光ＨＫＳを粒子が横切る時間は、焦点ＳＴからの距離に比例して長くなる。

このことを粒子により発生した回折縞ＡＭから見れば、焦点ＳＴの近辺を通過した粒子によって発生した回折縞ＡＭは、その発生、移動、消滅といった、回折縞ＡＭが光検出手段ＳＥの受光面を横切って行くプロセスに要する時間が短くなるため、その移動速度は速くなり、光検出手段ＳＥからの出力信号Ｓ１，２の幅（時間幅）は短くなる。逆に、焦点ＳＴから遠い粒子により発生した回折縞ＡＭは、長い時間をかけて受光面を横切るので、その移動速度は遅くなり、光検出手段ＳＥからの出力信号Ｓ１，２の幅は長くなる。

一方、液体ＥＴ中に焦点ＳＴを有する放射状光ＨＫＳでは、通過位置が焦点ＳＴに近いほど、サイズのより小さな粒子でも回折縞を発生させるという特徴を有している。

回折縞ＡＭは、コヒーレント性の高い放射状光ＨＫＳが微粒子により攪乱され、微粒子そのものを特異点として発生するものであり、同心円状の縞模様となる。回折縞ＡＭの中央部はレンズで光を集めたようになり、最も強い光強度を持っている。したがって、光検出手段ＳＥで回折縞ＡＭを測定した場合に、明らかなピーク値を観測することができる。このピーク値を観測した瞬間において、回折縞ＡＭの中心部が光検出手段ＳＥの中央に重なったこととなる。

２つの光検出手段ＳＥ１，２を用いることにより、回折縞ＡＭの中心点が２つの光検出手段ＳＥ１，２の間の距離Ｌ２を通り過ぎていく時間を、ピーク・ツー・ピークで簡単に知ることができる。このピーク・ツー・ピークの通過時間は、回折縞ＡＭの中心点から中心点までの時間であるので、回折縞ＡＭの中心部から周辺部までの距離つまり回折縞ＡＭの大きさには関係なく、この時間は、微粒子が放射状光ＨＫＳを横切った位置と焦点ＳＴまでの距離とによって一義的に決定される。別の言い方をすれば、異なる２つの信号が観測され、その時間Ｔ２が同一であった場合は、その信号の元となった微粒子が通過した位置は、焦点ＳＴから同じ距離であったことになる。

一方、微粒子が焦点ＳＴから同じ距離の位置を通過した場合に、その位置での光密度は同じとなるので、光検出手段ＳＥの受光面で観測される回折縞ＡＭそのものの大きさ（直径）を決める要素は、通過した微粒子の大きさそのものとなる。同一距離であるから、微粒子が受ける光密度は同じであり、微粒子からの散乱光は微粒子の表面積に比例し、その結果、大きな粒子からは直径の大きな回折縞ＡＭが発生することとなる。回折縞ＡＭが放射状光ＨＫＳの光路内に発生し、光検出手段ＳＥ１に差しかかったときから光検出手段ＳＥ２を完全に抜けるまでの時間をＴ１とする。時間Ｔ１は、回折縞ＡＭの直径に相当する距離を時間に換算した量を含む。

なお、図６〜図８に示された各パラメータは次のとおりである。

ＶＳ：計時のスタートおよびストップを決定するしきい値
ＣＳ：しきい値ＶＳを越える波形が続くカウント値（ストップ決定用）
ＣＡ：波形がしきい値ＶＳを越えてから越えなくなるまでのカウント値
ＶＰｐ：波形のプラスのピーク値（１５ｂｉｔ）
ＶＰｍ：波形のマイナスのピーク値（１５ｂｉｔ）
Ｃ１ ：スタートからピーク値ＶＰｍまでのカウント値
Ｃ２ ：スタートからピーク値ＶＰｐまでのカウント値
Ｃ３ ：波形の全体の長さによるカウント値（ＣＡ−ＣＳ）
〔検出回路の説明〕
次に、検出回路２０について説明する。

図４において、検出回路２０は、差動増幅器２１、ＡＤコンバータ２２、演算部２３、表示部２６、出力端子２７，２８などを備える。演算部２３は、信号処理部２４、データ演算部２５、データベースＤＢ１などを備える。演算部２３には、データを格納するための種々のメモリが設けられる。

図４において、液体ＥＴの流れ方向Ｍ１に平行に配置された光検出手段ＳＥ１，２からの出力信号Ｓ１，２は、Ｓ／Ｎ比を上げるために、差動増幅器２１によって差動増幅され、電圧信号である信号Ｓ３となる。このとき、出力信号Ｓ２または出力信号Ｓ１のいずれかが反転され、他の出力信号Ｓ１，２と合成される。これにより、光検出手段ＳＥ１，２が回折縞ＡＭを検出していないときには、出力信号Ｓ１，２の加算値は相殺されてゼロ出力となり、回折縞ＡＭを検出したときに出力信号Ｓ１，２が立ち上がる。

差動増幅器２１から出力される信号Ｓ３は、ＡＤコンバータ２２によって量子化され、デジタル信号Ｓ４となって演算部２３に入力される。演算部２３において、デジタル信号Ｓ４に対し、種々の演算または計測が行われ、液体ＥＴに含まれる粒子ＲＳのサイズＬａが出力される。

すなわち、信号処理部２４において、ＶＰｐ、ＶＰｍ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３などが求められ、これらに基づいてピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗが求められ、これらが測定データＤＳとしてメモリに記憶される。さらに、データ演算部２５において、データベースＤＢ１に記録された基準データＤＫが参照され、上に述べたような手法によって、液体ＥＴに含まれる粒子ＲＳのサイズＬａが求められる。

データ演算部２５などにおいて、対数増幅器（ログアンプ）を用いてもよい。つまり、例えば、上の（３）式において係数ｋがサイズＬａの２乗に比例するものとすると、サイズＬａについて対数をとったものが直線的に対応することになるので、対数増幅器を用いることによって演算が容易となる。

なお、演算部２３において、上に述べたＶＳ、ＣＳ、ＣＡなどがユーザによって設定可能であり、ユーザにより設定されたそれらの値に基づいて、測定データＤＳが取得される。

また、時間幅Ｔｗ、ピーク時間差Ｔ２のデータは、それぞれＴ１出力端子２７およびＴ２出力端子２８にも出力される。

算出されたサイズＬａは、表示部２６の表示面に表示される。サイズＬａを示す信号Ｓ７は、外部の機器などに出力される。

外部の機器への出力は、例えばＲＳ−２３２Ｃなどのシリアルデータとして出力することが可能である。

このような検出回路２０は、ＣＰＵまたはＭＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、その他の周辺回路素子、その他のハードウエア回路および記憶装置などを用いて実現することができる。特に、演算部２３は、ＣＰＵまたはＭＰＵがＲＯＭなどに記憶されたプログラムを実行することによって実現することができる。

また、特に演算部２３は、パーソナルコンピュータを用いて実現することが可能である。その場合に、入力されたデジタル信号Ｓ４または信号Ｓ３を、コンピュータプログラムによって処理することにより、上に述べたような演算を行って信号Ｓ７を出力することが可能である。

また、検出装置１から出力される信号に基づいて、パーソナルコンピュータを用い、係数ｋを選定し、サイズＬａを算出し、かつその結果を表示してもよい。
〔本実施形態の検出装置１による効果〕
このように、本実施形態によると、観測された信号単体から元の粒子ＲＳのサイズＬａが直接的にリアルタイムで検出できる。

上に述べたように、本実施形態において、光検出手段（受光素子）ＳＥは、液体（試料水）ＥＴの流れ方向Ｍ１に対し水平に２個１組で配置されている。しかし、これは測定の方法および原理を示すためであり、実際の装置においてはフォトダイオードアレイなどを用いて組数を増やし、有効な受光面積を増やすことが好ましい。また、ＣＣＤなどの画像処理が可能な受光素子を配置することでもよい。

上に述べた検出装置１は、インライン接続を行って常時監視することが可能であり、取り扱いも容易でメンテナンス性も高く、低コストで提供可能である。
〔粒子ＲＳの具体例〕
次に、ピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗに基づいて粒子のサイズを検出する具体例について説明する。

液体ＥＴの流量Ｆｑを、０．１Ｌ／ｍｉｎとすると、
Ｆｑ＝０．１×１０⁶ ／６０
＝１６６６〔ｍｍ³ ／ｓｅｃ〕
となる。管路ＫＲの断面積を４ｍｍ² とすると、そのときの流速Ｆｓは、
Ｆｓ＝１６６６／４
＝４１６〔ｍｍ／ｓｅｃ〕
第１の光検出手段ＳＥ１と第２の光検出手段ＳＥ２との距離Ｌ１を１ｍｍとし、焦点ＳＴからの距離Ｌ３を７ｍｍとすると、粒子ＲＳが焦点ＳＴから０．０１ｍｍの位置を通過するときの通過距離Ｌ５（図３参照）は、
Ｌ５＝０．０１／７
＝０．００１４２８〔ｍｍ〕
＝１．４２８〔μｍ〕
このときの通過時間（ピーク時間差Ｔ２）は、
Ｔ２＝１．４２８／４１６
＝３．４３〔μｓｅｃ〕
となる。

また、粒子ＲＳのサイズが１００ｎｍであった場合に、その粒子ＲＳが各光検出手段ＳＥ１、２を通過する間において検出信号Ｓ１，Ｓ２が得られるとすると、時間幅Ｔｗ１，２の最大値、つまり高さ位置Ｖｈが最大高さの０パーセント（底辺）のときの時間幅Ｔｗ１MAX ，Ｔｗ２MAX は、
Ｔｗ１MAX ＝Ｔｗ２MAX
＝（０．１／１．４２８）×３．４３
＝０．２４〔μｓｅｃ〕
となる。したがって、例えば高さ位置Ｖｈが最大高さの５０パーセントのときの時間幅（半値全幅）Ｔｗ１₅₀，Ｔｗ２₅₀は、Ｔｗ１MAX 、Ｔｗ２MAX の７０パーセントであったとすると、
Ｔｗ１₅₀＝Ｔｗ２₅₀
＝０．２４×０．７０
＝０．１６８〔μｓｅｃ〕
となる。検出信号Ｓ１，Ｓ２がピークとなった後で半値になる時間（半値半幅）は、
Ｔｗ１₅₀／２＝Ｔｗ２₅₀／２
＝０．１６８／２
＝０．０８４〔μｓｅｃ〕
となる。

また、粒子ＲＳのサイズが４００ｎｍであった場合に、高さ位置Ｖｈが最大高さの５０パーセントのときの時間幅（半値全幅）Ｔｗ１₅₀，Ｔｗ２₅₀は、粒子ＲＳのサイズが１００ｎｍであった場合の４倍である、
Ｔｗ１₅₀＝Ｔｗ２₅₀
＝０．１６８×４
＝０．６７２〔μｓｅｃ〕
となる。

また、この場合に検出信号Ｓ１，Ｓ２がピークとなった後で半値になる時間（半値半幅）は、
Ｔｗ１₅₀／２＝Ｔｗ２₅₀／２
＝０．６７２／２（＝０．０８４×４）
＝０．３３６〔μｓｅｃ〕
となる。

図１０には、上の（２）式を用いた場合に求められる演算サイズＬｃと実際の粒子ＲＳのサイズＬａとの関係の例が示されている。

図１０によると、直線で示される検量線ＣＶ２は理想状態の粒子ＲＳに対するものである。しかし、実際には、サイズＬａが小さい部分および大きい部分において、検量線ＣＶ２から遊離した検量線ＣＶ１となる。

つまり、サイズＬａが小さい部分において、検量線（校正曲線）ＣＶ１は検量線ＣＶ２よりも上方へ変位している。これは、レーザー光源１１からの放射状光ＨＫＳが焦点ＳＴにおいて１点に絞り切れないことによるビームウエストの影響によるものと考えられる。

また、サイズＬａが大きい部分において、検量線ＣＶ１は検量線ＣＶ２よりも上方へ変位している。これは、回折縞ＡＭの拡がりがあることによるものと考えられる。

また、これらの遊離は、粒子ＲＳの形状が理想的な球状ではなく、図１１に示すように、縦、横、輪郭の長さが、粒子ＲＳｂ，ｃによってバラついていることの影響もあると考えられる。

図１２には、１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍの既知サイズＬｂの粒子ＲＳを含んだ試液を用いて実験を行ったときの分布が示されている。

図１２において、各既知サイズＬｂについて、粒子ＲＳの出現度数を縦軸とした度数分布がグラフで表されている。なお、横軸はサイズ（演算サイズＬｃ）の対数によって示されており、この場合に、分布は正規分布となる。つまり、横軸は、次の（５）式、
（Ｔ２×Ｔｗ）^1/2 ×ｋ ……（５）
によって目盛られている。

そして、横軸において、各既知サイズＬｂの中心が演算サイズＬｃと一致するように係数ｋが選定され、目盛りが打たれている。

なお、縦軸は、各既知サイズＬｂについての分布の面積が１となるように正規化されている。

したがって、図１２のグラフを用いることにより、サイズＬａが未知の粒子ＲＳについての実測データＤＪであるピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗから、演算サイズＬｃを求めることができる。

なお、具体例の説明では、検出信号Ｓ１，Ｓ２についての半値全幅Ｔｗ１₅₀，Ｔｗ２₅₀および半値半幅（Ｔｗ１₅₀／２），（Ｔｗ２₅₀／２）がそれぞれ互いに同じであるとしたが、厳密には異なる。したがって、検出信号Ｓ１，Ｓ２のそれぞれの半値全幅Ｔｗ１₅₀，Ｔｗ２₅₀および半値半幅（Ｔｗ１₅₀／２），（Ｔｗ２₅₀／２）を計測し、それらを加算したものを時間幅Ｔｗとして用いるのがよい。
〔フローチャートによる説明〕
図１３は検出装置１における未知の粒子ＲＳのサイズＬａの検出動作を示すフローチャートである。

図１３において、試薬を用いて測定を行い（＃１１）、基準データＤＫを得る（＃１２）。未知の液体ＥＴについて測定を行い（＃１３）、各回折縞ＡＭについてのピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗを含む実測データＤＪを得る（＃１４）。実測データＤＪと基準データＤＫとを用いて、当該粒子ＲＳのサイズＬａを検出する（＃１５）。検出処理が終わるまで（＃１６）、ステップ＃１３以降を繰り返す。
〔他の実施形態〕
上に述べた実施形態において、特定の高さ位置Ｖｈとして、種々の位置を選定することが可能である。検出する粒子ＲＳのサイズとして、上に述べた以外の種々のサイズとしてもよい。

上に述べた実施形態において、レーザ光源１１、レンズ１３、管路ＫＲ、光検出手段ＳＥ、検出回路２０、データベースＤＢ１、および検出装置１の全体または各部の構成、構造、形状、寸法、個数、材質、時間幅Ｔｗの算出方法、係数ｋを算出する方法、処理の内容または順序などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

１ 検出装置
１１ レーザ光源
２０ 検出回路
２３ 演算部
２４ 信号処理部（時間差計測手段、時間幅計測手段、実測データ取得手段）
２５ データ演算部（サイズ検出手段）
ＳＥ１ 第１の光検出手段
ＳＥ２ 第２の光検出手段
Ｓ１，Ｓ２ 検出信号
ＤＢ１ データベース（メモリ）
ＡＭ 回折縞
ＲＳ 粒子
ＤＫ 基準データ
ＤＪ 実測データ
Ｔ２ ピーク時間差
Ｔｗ 時間幅
Ｖｈ 高さ位置
Ｌａ サイズ
Ｌｂ 既知サイズ
Ｌｃ 演算サイズ
ｋ 係数

Claims (8)

1. 透光性を有する管路を流れる液体の流れ方向に対して横断するようにコヒーレントな光を照射し、液体に含まれる粒子により生じる回折縞を光検出手段により検出することにより前記粒子のサイズを検出する粒子サイズ検出方法であって、
   前記光検出手段として、第１の光検出手段および第２の光検出手段を設けるとともに、前記第２の光検出手段を前記第１の光検出手段よりも前記液体の流れ方向に沿った下流側に所定の距離だけ離間するように設けておき、
   前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段によって検出されるそれぞれの回折縞について、前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段による検出信号のピーク値が現れる時間の差分であるピーク時間差Ｔ２、および、前記検出信号の所定の高さ位置における時間幅Ｔｗを計測し、
   サイズが既知である粒子の複数の既知サイズＬｂについて、それぞれのサイズと前記ピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗとの関係を示す基準データを、試液を用いた計測により予め求めてメモリに格納しておき、
   サイズが未知の粒子について計測された前記ピーク時間差Ｔ２および前記時間幅Ｔｗを含む実測データと、前記基準データとを用いて、当該粒子のサイズを検出する、
   ことを特徴とする液体中の粒子のサイズの検出方法。
2. 複数の既知サイズＬｂについて多数の粒子を用いて前記基準データを求め、
   各既知サイズＬｂにおいて、次の（１）式、
   Ｌｃ＝Ｔ２×Ｔｗ×ｋ ……（１）
   で示される演算サイズＬｃの分布度数の最も多い階級を既知サイズＬｂの階級とするような係数ｋを選定し、
   選定した係数ｋを適用した（１）式に基づいて、サイズが未知の粒子についての前記実測データである前記ピーク時間差Ｔ２および前記時間幅Ｔｗから前記演算サイズＬｃを求め、
   求めた演算サイズＬｃを当該粒子のサイズとして検出する、
   請求項１記載の液体中の粒子のサイズの検出方法。
3. 前記（１）式における時間幅Ｔｗとして、第１の光検出手段による検出信号の所定の高さ位置Ｖｈにおける時間幅Ｔｗ１と、第２の光検出手段による検出信号の所定の高さ位置Ｖｈにおける時間幅Ｔｗ２との和（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）を用いる、
   請求項２記載の液体中の粒子のサイズの検出方法。
4. 前記光として、前記液体中に焦点を有する放射状の光を用いる、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の液体中の粒子のサイズの検出方法。
5. 前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段は、前記放射状の光が投影される範囲のうち前記液体の流れ方向に対して直角方向についてのそれぞれの光検出手段の位置における全範囲を受光するように配置されている、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の液体中の粒子のサイズの検出方法。
6. 透光性を有する管路を流れる液体の流れ方向に対して横断するようにコヒーレントな光を照射し、液体に含まれる粒子により生じる回折縞を光検出手段により検出することにより前記粒子のサイズを検出する粒子サイズ検出装置であって、
   前記回折縞を検出するための第１の光検出手段と、
   前記第１の光検出手段よりも前記液体の流れ方向に沿った下流側に所定の距離だけ離間するように設けられた第２の光検出手段と、
   前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段により検出されるそれぞれの回折縞について、前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段による検出信号のピーク値が現れる時間の差分であるピーク時間差Ｔ２を計測する時間差計測手段と、
   前記回折縞について、前記検出信号の所定の高さ位置における時間幅Ｔｗを計測する時間幅計測手段と、
   サイズが既知である粒子の複数の既知サイズＬｂについて、それぞれのサイズと前記ピーク時間差Ｔ２および時間幅Ｔｗとの関係を試液を用いた計測により予め求めた基準データを格納するメモリと、
   サイズが未知の粒子について、前記ピーク時間差Ｔ２および前記時間幅Ｔｗを含む実測データを取得する実測データ取得手段と、
   前記基準データおよび前記実測データを用い、当該実測データの粒子のサイズを検出するサイズ検出手段と、
   を有することを特徴とする液体中の粒子のサイズの検出装置。
7. 前記サイズ検出手段は、
   各既知サイズＬｂにおいて、次の（１）式、
   Ｌｃ＝Ｔ２×Ｔｗ×ｋ ……（１）
   で示される演算サイズＬｃの分布度数の最も多い階級を既知サイズＬｂの階級とするような係数ｋを選定し、
   選定した係数ｋを適用した（１）式に基づいて、サイズが未知の粒子についての前記実測データである前記ピーク時間差Ｔ２および前記時間幅Ｔｗから前記演算サイズＬｃを求め、
   求めた演算サイズＬｃを当該粒子のサイズとして検出する、
   請求項５記載の液体中の粒子のサイズの検出装置。
8. 前記（１）式における時間幅Ｔｗとして、第１の光検出手段による検出信号の所定の高さ位置Ｖｈにおける時間幅Ｔｗ１と、第２の光検出手段による検出信号の所定の高さ位置Ｖｈにおける時間幅Ｔｗ２との和（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）を用いる、
   請求項７記載の液体中の粒子のサイズの検出装置。

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