帯電粒子の帯電量特定装置
【課題】帯電粒子を撮影する際に要する時間を短縮でき、帯電粒子捕捉効率の高い帯電粒子の帯電量特定装置を提供する。
【解決手段】帯電量特定装置１００は、吸引部４０と、吸引部４０を作動させて浮遊する帯電粒子ｐを含む気体Ａを取り込むとともに帯電粒子ｐをセンシングする検知部１０と、検知部１０と管路Ｌで繋がれて検知部１０を通過した気体Ａが導入される撮影部５０と、管路Ｌに設けられた開閉バルブ３０と、検知部１０から帯電粒子ｐのセンシングデータが送信された際に開閉バルブ３０を閉制御する制御部２０を備え、検知部１０で帯電粒子ｐがセンシングされ、このセンシングデータが制御部２０に送信されて開閉バルブ３０を閉制御し、帯電粒子ｐを管路Ｌにおける開閉バルブ３０よりも下流側で捕捉するものであり、撮影部５０では帯電粒子ｐにレーザ光を照射した際の散乱光の受光データから帯電粒子ｐの帯電量を特定する。
【解決手段】帯電量特定装置１００は、吸引部４０と、吸引部４０を作動させて浮遊する帯電粒子ｐを含む気体Ａを取り込むとともに帯電粒子ｐをセンシングする検知部１０と、検知部１０と管路Ｌで繋がれて検知部１０を通過した気体Ａが導入される撮影部５０と、管路Ｌに設けられた開閉バルブ３０と、検知部１０から帯電粒子ｐのセンシングデータが送信された際に開閉バルブ３０を閉制御する制御部２０を備え、検知部１０で帯電粒子ｐがセンシングされ、このセンシングデータが制御部２０に送信されて開閉バルブ３０を閉制御し、帯電粒子ｐを管路Ｌにおける開閉バルブ３０よりも下流側で捕捉するものであり、撮影部５０では帯電粒子ｐにレーザ光を照射した際の散乱光の受光データから帯電粒子ｐの帯電量を特定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中に浮遊する帯電粒子を取り込んでその帯電量を特定する、帯電粒子の帯電量特定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電界内においては、粒子が帯電してなる帯電粒子にクーロン力が作用し、電界発生源にこの帯電粒子が付着し易くなることは知られるところである。この電界発生源として静電気帯電した種々の部材が挙げられるが、特に、この静電気帯電にともなう粒子の付着は、以下の生産施設、すなわち、ＦＰＤ素材（フラットパネルディスプレイ）として透明電極を製造するプロセス、生産装置を組立・製造する施設、次世代二次電池を製造する施設、などの生産施設において、粒子汚染として問題となっている。
【０００３】
上記施設で製造される製品（ワーク）は、低いクリーン度（クリーン度：１０００〜１００００程度）での製造を許容するが、上記する各種生産施設空間においては、摩擦や剥離、洗浄、乾燥などの製造過程で生じ得る数μｍサイズの大きな粒子も存在しており、その製品への付着が製品歩留まり低下の主要因の一つとなっている。
【０００４】
また、クリーンルームの内装部材には導電性材料が一般に適用されているが、これには±１００Ｖ程度の電位が帯電しており、これがルーム内空間に帯電粒子を生ぜしめて製品に付着する結果、製品のクリーン度が低下することとなる。
【０００５】
ところで、粒子の挙動には、重力による終末沈降、気流、クーロン力が影響し、ワークや内装部材への帯電粒子の吸着は、このうちのクーロン力が主として関係し、帯電粒子の有する帯電量（電荷量）とワークの表面電位によって生じる電界強度で吸着力が決定される。このため、静電気対策として、イオナイザや軟Ｘ線によるワーク表面の除電がおこなわれている。
【０００６】
しかし、現在のクリーンルーム等においては、その空間内の静電気分布や摩擦、剥離等によって生じ得る粒子の帯電量が把握できていないことから、実際には、上記する電位除去対策が十分に功を奏しているとは言い難い。中でも、帯電粒子の発生機構やその性状、帯電量は除電対策にとって重要な要素であるにも関わらず、数μｍサイズの粒子を実環境下において測定もしくは特定する方法が未だ確立されていない。
【０００７】
なお、上記する帯電粒子の帯電量の測定や特定に際し、微分型静電分級器（DMA: Differential Mobility Analyzer）を使用する方法が現在用いられている。
【０００８】
このDMAを使用する方法は、常温常圧下での粒子分級に有効な測定方法であり、その装置構成は、二重同心円筒形で、その内筒に電圧を印加し、外筒を接地した姿勢でこれら円筒間に電位差を持たせるものであり、内外筒間の距離や電位は一定に保たれ、電界が均一となるように設計されている。そして、内外筒間には清浄空気を層流状態（シース気流）で導入する一方、帯電粒子を含んだサンプル空気は外筒の壁に沿って流入させるようにしている。このDMA内においては、電位差に依存する電界と帯電粒子の帯電量（荷電量）の間で生じるクーロン力が帯電粒子に作用し、電位差に応じた電気移動度を有する移動速度で中心電極に引き寄せられることとなる。
【０００９】
ここで、電気移動度の大きな粒子ほど移動速度が大きく、結果として中心電極の上部に沈着し易い一方で、電気移動度の小さな粒子は中心電極に捕集されずにシース気流とともにDMAから流出し易い。なお、この中心電極の下部にはスリットが設けてあり、一定の電気移動度よりも小さな帯電粒子のみが取り出されることとなる。また、凝縮核計数器（CNC: Condensation Nucleus Counter）等を使用してその濃度を測定することにより、電気移動度の分布を得ることもできる。
【００１０】
上記するように、DMAは、粒子の粒径と電気移動度（すなわち荷電数）が設定された気流およびクーロン力と一致した場合に、分級粒子としてスリットから取り出せる仕組みとなっている。したがって、粒子の径が大きくなるにつれて下方に作用する重力と気流による移動速度が大きくなり、自ずとDMAの長さも長くならざるを得ない。また、下方への移動速度が速く、荷電数が少ない場合は、スリットで粒子を分級するにあたって強い電界を付与する必要があるが、さらに電極（内筒）と接地（外筒）の間の距離が小さい場合には、放電の危険性を回避するべく、DMAの断面寸法も大きくせざるを得なくなる。
【００１１】
なお、本発明者等の検証によれば、外筒径が１０ｃｍ、長さが３０ｃｍのDMAによる実験において、粒径０．５μｍ、荷電数±６個が測定可能な最大の大きさであり、それよりも大きな粒径の粒子の測定はほぼ不可能である。
【００１２】
一方、既述した種々の生産施設における粒子汚染においては、粒径が数μｍ以上の粒子（もしくは微粒子）の付着が問題となるケースが多い現状に鑑みれば、これに対応したDMAによる測定や特定をプロセスエリアで実施するには、極めて大掛かりな装置を要することとなり、このように大規模な測定装置の適用は現実的とは言えない。
【００１３】
なお、上記するDMAを構造改良した技術が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示の微粒子分級装置は、その特徴構成として、複数の粒径別の中心電極部を有するものであり、この粒径別の中心電極部のそれぞれに微粒子導出スリットが個別に形成されていることで、複数種類の粒径の微粒子を同時に分級（粒径選別）することを可能としたものである。
【００１４】
しかし、この改良型の微粒子分級装置をもってしても、依然として上記する課題、すなわち、装置規模を大型化することなく、粒径が数μｍ以上の帯電粒子（もしくは微粒子）の付着が問題となるクリーンルーム等の実環境下において、該帯電粒子の帯電量を精緻に測定もしくは特定する、という課題を解決するには至らない。
【００１５】
そこで、本発明者等は、図５で示すように、クリーンルーム等のルーム内で浮遊する帯電粒子ｐ、…を含むエアＡを取り込むとともに、導入された帯電粒子ｐの粒径等をセンシングする不図示の粒子センサを備えた導入部Ｐと、この導入部Ｐを通過するエアＡの流速を調整する流速調整部Ｒと、図６で示す電界生成機構を備えた撮影セルＶ、レーザ光ＬＺ１を照射するレーザ発振器Ｚ、送光系ユニットＷ、受光系ユニットＹ、からなる撮影部Ｑａと、粒子センサから送信された帯電粒子に関するデータを受信して流速調整部Ｒの作動を制御する制御部Ｓと、から大略構成された帯電量特定装置Ｔの開発に至っている。
【００１６】
従来構造の上記するDMAが、帯電粒子（この粒子は、エアロゾルと称することもできる）の気流や重力、クーロン力をパラメータとして、スリット内に移動した粒子を測定することでその帯電量を特定するものであるのに対して、帯電量特定装置Ｔは、帯電粒子ｐを含む気体である、たとえばエアＡの流れを静止状態とすることにより、重力とクーロン力のみをパラメータとして帯電粒子ｐの移動速度を光学系の撮影部Ｑａにて測定し、その帯電量もしくは荷電数を特定するものである。
【００１７】
導入部Ｐと流速調整部Ｒと撮影部Ｑａは、エアＡが流通する管路Ｌを介して直列に繋がれており、導入部Ｐに取り込まれた帯電粒子ｐ、…を含むエアＡは、管路Ｌを介して流通し、流速調整部Ｒを経る過程でその流速が減じられ、さらに管路Ｌを介して撮影部Ｑａ内に導入された際には、その流速がゼロ、もしくはそれに近似した速度となるように流速調整部Ｒによる流速制御が実行される。
【００１８】
流速調整部Ｒは、アクチュエータバルブＲ１のほかに、エアＡに対して高圧流体等を提供してエアＡの速度を低下させるコンプレッサや、バルブの開閉制御を実行する制御装置からなる流体提供機構Ｒ２などから構成されており、導入部ＰへのエアＡの取り込み前の状態において、アクチュエータバルブＲ１は閉じている。エアＡの取り込みに際し、アクチュエータバルブＲ１は不図示のコンピュータ内に内蔵された制御部Ｓによって開制御され、アクチュエータバルブＲ１が開くことで導入部ＰへのエアＡの取り込みが開始される。導入部Ｐでは、内蔵された粒子センサにより、エアＡに混入される帯電粒子ｐの粒径や粒数等、さらには、エアＡの流速などがセンシングされ、これらの帯電粒子データや流速データが制御部Ｓに送信される。制御部Ｓでは、流速調整部ＲにてエアＡの流速が減じられ、少なくとも下流側の撮影部Ｑａ内に該エアＡが導入された際にその速度がゼロ、もしくはそれに近似した速度となるように、流速調整部ＲのアクチュエータバルブＲ１の開度の調整、流体提供機構Ｒ２からの圧力流体の流量や流体圧の調整等がおこなわれる。
【００１９】
図６より、撮影部Ｑａは、帯電粒子ｐを導入するとともに、その内部に内部電極等の電界生成機構を備えた検出セルＶと、レーザ光ＬＺ１を照射するレーザ発振器Ｚと、送光系ユニットＷと、受光系ユニットＹとから大略構成されている。
【００２０】
この送光系ユニットＷは、照射されたレーザ光ＬＺ１を集光する集光レンズＷａと、集光レンズＷａを通過したレーザ光ＬＺ１を帯電粒子ｐに合焦させる合焦レンズＷｂとから構成されており、それらがフレームＷｃにて一体とされている。一方、受光系ユニットＹは、帯電粒子ｐで発せられる散乱光ＬＺ２を集光する集光レンズＹａと、集光レンズＹａを通過した散乱光ＬＺ２を合焦する合焦レンズＹｂとから構成されており、それらがフレームＹｃにて一体とされている。
【００２１】
受光系ユニットＹの合焦レンズＹｂでは、その前方に配設されたＣＣＤカメラ等の撮像部Ｕで帯電粒子ｐの画像焦点が合焦されるように、その焦点合わせが実行され、焦点合わせされた帯電粒子ｐに関する画像が、制御部Ｓを内蔵するコンピュータ、もしくは別体のコンピュータへ送信され、コンピュータ画面上で管理者が画像の確認や、画像を用いた帯電粒子ｐの帯電量の算定を実行できるようになっている。
【００２２】
図示する帯電量特定装置Ｔによれば、帯電粒子の移動速度の測定に際し、まず、この帯電粒子ｐを含むエアＡの流れが静止していることから、さらにクーロン力を考慮しない（無視した）場合には、帯電粒子ｐの移動速度は重力に起因する終末沈降速度のみとなり、重力と気流、およびクーロン力から移動速度が決定される場合に比して帯電粒子ｐの移動速度は相対的に低速となる。このために、計測に要する帯電粒子の移動路は短くてよく、装置自体の小型化が実現される。
【００２３】
さらに、従来構造の上記するDMAでは、電極（内筒）に電圧を印加し、帯電粒子との間にクーロン力を作用させることでスリットに帯電粒子を導く装置であることから、帯電量が未知の条件下では、電圧をパラメータとして種々変化させ、粒子の帯電量（荷電数）とマッチングさせる必要がある。そのために、クリーンルームのように浮遊する粒子が少ない環境下では、帯電粒子の測定に加えて電圧を仮に決定し、結果的に分級できた場合の荷電数をもって荷電数が特定されたとする測定フローとなり、分級できなかった場合には、電圧を変化させて仮に決定し、再度分級できるまで同様の操作を繰り返す必要があり、帯電量の特定に多大な時間を要することは理解に易い。これに対して帯電量特定装置Ｔでは、測定した帯電粒子の移動状況を確認しながらその帯電量を計測、特定することが可能であり、帯電粒子の帯電量の特定に要する時間を大幅に短縮できるものである。
【００２４】
ところで、撮影部となる図示する検出セルＶの大きさは１４×７×６ｍｍ程度であり、その容量は０．６ｍｌ程度である。そのため、図示する帯電量特定装置Ｔを用いてＣｌａｓｓ１０００（０．５μｍの粒子が３５個／ｌ）のクリーンルームの空気を導入部Ｐで吸引した場合、撮影セルＶ内には０．０２１個の粒子が存在することになる。これは、１００回の測定で２個の粒子が捕捉できることと等価である。また、この装置では、エアの吸引、バルブの閉鎖（およそ１０秒）、撮影（およそ５秒）の一連の動作に１５秒程度を要する。このため、７５０秒に１個の撮影が可能となっている。
【００２５】
ここで、帯電粒子の荷電数は荷電数分布として評価することが重要であるが、この荷電数分布評価においては５０個程度の帯電粒子を撮影して荷電数を計測することが必要となることから、７５０秒／個×５０個＝３７５００秒＝１０時間２５分の撮影時間を要することになる。すなわち、図示する帯電量特定装置Ｔを適用することで従来の帯電量特定装置よりも帯電量の特定に要する時間は短縮できるものの、さらに時間短縮することが当該技術分野で切望されている。
【００２６】
さらに、本発明者等によれば、実際にＣｌａｓｓ１０００のクリーンルームで実験をおこなった結果、２００回の測定中に帯電粒子を捕捉できなかったという事実もあり、その要因として大きく２つの要因が挙げられる。
【００２７】
まず、一つ目の要因は、撮影セルＶ内におけるエアは粒子の捕捉に関わり無く、最低１０秒間隔で閉鎖と撮影を繰り返しているために、バルブ（アクチュエータバルブＲ１）が閉まった際に必ずしも帯電粒子を捕捉できるとは限らないことである。
【００２８】
さらに２つ目の要因は、捕捉した帯電粒子を撮影するには撮影セルＶ内でも一定強度のレーザ散乱光を得られる箇所を通過した場合に限られることである。
【００２９】
上記するように、帯電量特定装置Ｔは装置自体の小型化を図ることができ、従来装置に比して帯電粒子の帯電量の特定に要する時間を大幅に短縮できるという効果を奏するものの、構成部材であるバルブを時間制御するものであることから、たとえば大気中の帯電粒子濃度が低い場合は撮影セルを帯電粒子が通過してしまうことが往々にしてあり、結果として帯電粒子捕捉効率が低くなるという課題を有するものである。また、帯電粒子の荷電数を荷電数分布として評価するに当たり、５０個程度の帯電粒子を撮影する際に要する時間のさらなる短縮が課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特開２００７−３１５８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、帯電粒子を撮影する際に要する時間をより一層短縮でき、帯電粒子捕捉効率の高い帯電粒子の帯電量特定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
前記目的を達成すべく、本発明による帯電粒子の帯電量特定装置は、吸引部と、前記吸引部を作動させて浮遊する帯電粒子を含む気体を取り込むとともに、帯電粒子をセンシングする検知部と、前記検知部と管路で繋がれ、前記検知部を通過した前記気体が導入されて帯電粒子を撮影する撮影部と、前記管路に設けられた開閉バルブと、前記検知部から帯電粒子のセンシングデータが送信された際に前記開閉バルブを閉制御する制御部と、を備え、前記検知部で帯電粒子がセンシングされ、このセンシングデータが制御部に送信されて前記開閉バルブを閉制御し、取り込まれた帯電粒子を前記管路における該開閉バルブよりも下流側で捕捉するようになっており、前記撮影部はレーザ光を照射する照射機構を具備し、帯電粒子にレーザ光を照射した際に帯電粒子から発せられる散乱光の受光データから帯電粒子の帯電量を特定するものである。
【００３３】
本発明の帯電量特定装置は、装置内に帯電粒子（この粒子は、エアロゾルと称することもできる）が取り込まれたことを精緻に検知するべく、実際に帯電粒子を撮影してその帯電量を特定する撮影部よりも帯電粒子を含む気体が流れる上流側にまず検知部を設け、この検知部と撮影部を管路で繋ぐとともにこの管路の途中に開閉バルブを備えたものである。
【００３４】
装置内への気体の取り込みはポンプ等の吸引部を作動しておこなうものであり、吸引部を作動させて装置内へ取り込まれた気体は、まず検知部を通過するようになっている。
【００３５】
この検知部で帯電粒子がセンシングされると、そのセンシングデータが制御部へ送信され、開閉バルブが閉制御されるようになっている。管路途中にある開閉バルブが閉制御されることにより、装置内に取り込まれた、より具体的には開閉バルブよりも下流側に移動した帯電粒子が装置外へ放出されるのが抑止され、検知部でセンシングされた帯電粒子を開閉バルブよりも下流にある撮影部へ確実に導入することができる。なお、吸引部の作動もこの制御部が実行することができ、装置をＯＮ制御した際に制御部からの動作指令信号に基づいて吸引部が作動して気体吸引を実行し、これと同時に検知部へも動作指令信号が送信されて導入された気体内における帯電粒子の検知を実行できる形態であってもよい。
【００３６】
撮影部では、導入された帯電粒子にレーザ光が照射され、このレーザ光照射によって帯電粒子で反射してできた散乱光の受光データに基づいて帯電粒子の帯電量が特定されるものである。この帯電量の特定は、たとえば撮影部を構成するＣＣＤカメラ等で受光データを取得し、この受光データを画像読み取り機器等で読み取って帯電粒子の粒径と移動速度が特定され、これらの特定結果に基づいて帯電量の特定（測定）がおこなわれる。
【００３７】
上記する本発明の帯電量特定装置によれば、たとえば大気中の帯電粒子濃度が低い場合であっても、検知部で帯電粒子がセンシングされ、開閉バルブが閉制御されて装置内に捕捉された帯電粒子は確実に撮影部に導入されることから、撮影部を帯電粒子が通り過ぎて撮影がおこなわれないといった問題は生じ得ず、帯電粒子捕捉効率（もしくは帯電粒子撮影効率）の極めて高い装置となる。したがって、帯電粒子の荷電数を荷電数分布として評価するに当たり、５０個程度の帯電粒子を撮影する際に要する時間も上記する従来装置に比して格段に短縮することができる。
【００３８】
ここで、前記検知部は、前記気体が通過する検出セルと、該気体にレーザ光を照射する照射機構と、帯電粒子から発せられる散乱光を受光する受光機構と、から構成され、前記制御部には散乱光に関する電圧強度閾値が記憶され、受光機構から送信されたセンシングデータが該電圧強度閾値以上の場合に前記開閉バルブを閉制御するようになっている実施の形態が好ましい。
【００３９】
本実施の形態の装置は、検知部においても撮影部と同様にレーザ光を照射してその散乱光を受光し、受光データを制御部に送信するものであり、さらに、検知部における帯電粒子の誤検知を抑制するべく、帯電粒子から発せられる散乱光に関する電圧強度閾値を予め設定しておいて制御部にそのデータを記憶させておき、検知部から送信されてくる散乱光受光データが電圧強度閾値以上の場合に帯電粒子が捕捉されたとしてその装置外への流出を防止するために開閉バルブの閉制御を実行するものである。
【００４０】
照射機構は、レーザ発振器と、該レーザ発振器から照射されたレーザ光を集光する集光レンズと、集光レンズを通過したレーザ光を帯電粒子に合焦させる合焦レンズと、からなり、受光機構は、帯電粒子で発せられる散乱光を集光する集光レンズと、集光レンズを通過した散乱光を合焦する合焦レンズと、からなる形態を適用できる。
【００４１】
本実施の形態の装置によれば、検知部における帯電粒子の誤検知が抑制され、より一層高い検知精度で帯電粒子を捕捉してその撮影を実行し、帯電粒子の粒径や帯電量の特定をおこなうことができる。
【００４２】
さらに、前記制御部では、前記気体が検知部から前記管路を介して前記撮影部に通じるまでの所定の時間データが記憶されており、前記センシングデータを受信し、該所定の時間経過後に前記開閉バルブを閉制御するようになっている実施の形態が望ましい。
【００４３】
開閉バルブの閉制御にあたり、検知部で検知された帯電粒子が管路を通過し、その途中の開閉バルブを通過し、さらにその下流に位置する撮影部に導入された際に開閉バルブを閉制御することで、たとえば開閉バルブの上流側に帯電粒子が移動している際に開閉バルブが閉じられ、撮影部への導入が阻止されるのを抑制することができる。
【００４４】
そのために、本実施の形態の装置では、気体が検知部から管路を介して撮影部に通じるまでの所定の時間データを制御部に予め記憶しておき、制御部がセンシングデータを受信して所定の時間経過後に開閉バルブを閉制御するようになっている。
【００４５】
この「所定の時間」とは、帯電粒子もしくは気体の流速や管路の管径や管長さ等によって変化することから、吸引部による吸引によって装置内に取り込まれた気体の速度経験則と装置を構成する管路の管径や管長さから当該所定の時間を算定しておいてこれを制御部に記憶しておいてもよいし、検知部で帯電粒子の速度を検知し、この速度を維持して、もしくは一定の減速を加味して撮影部までの「所定の時間」を制御部で割り出す形態であってもよい。
【発明の効果】
【００４６】
以上の説明から理解できるように、本発明の帯電粒子の帯電量特定装置によれば、帯電粒子を撮影してその帯電量を特定する撮影部よりも帯電粒子を含む気体が流れる上流側に検知部を設け、この検知部と撮影部を管路で繋ぐとともにこの管路の途中に開閉バルブを備えた構成とし、装置内に帯電粒子が取り込まれたことを精緻に検知しながら取り込まれた帯電粒子を確実に捕捉して撮影することにより、帯電粒子捕捉効率もしくは帯電粒子撮影効率の極めて高い装置となる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の帯電量特定装置の装置構成を説明した説明図である。
【図２】制御部を説明したブロック図である。
【図３】装置を作動してからの検知部における散乱光に関する電圧強度の時系列グラフの一例を示した図である。
【図４】粒径ごとの帯電粒子の帯電数分布の一例を示した図である。
【図５】従来の帯電量特定装置の装置構成を説明した説明図である。
【図６】図５で示す帯電量特定装置を構成する撮影部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の帯電量特定装置は、その特徴構成以外の構成として、本発明者等によって開発された図４，５で示す従来装置の構成の一部もしくは全部を装置構成に適用することもできる。
【００４９】
図１は、本発明の帯電量特定装置の装置構成を説明する説明図である。
図示する帯電量特定装置１００は、クリーンルーム等のルーム内で浮遊する帯電粒子ｐ、…を含むエアＡを取り込む吸引源となる吸引部４０（吸引ポンプ）と、この吸引されたエアＡとともに帯電粒子ｐが装置内に取り込まれたか否かを検知する検知部１０と、この検知部１０を通過して装置に下流側にエアＡを流す管路Ｌと、管路Ｌの途中位置にあって吸引部４０の吸引力を閉鎖可能でかつ管路Ｌ内におけるエアＡの流れを遮蔽する開閉バルブ３０と、下流側に位置してエアＡとともに取り込まれた帯電粒子ｐが導入される撮影部５０と、検知部１０における帯電粒子を検知した旨のセンシングデータに基づいて開閉バルブ３０に対して閉制御を実行させる制御部２０と、から大略構成されている。
【００５０】
検知部１０は、帯電粒子ｐを含むエアＡが導入される検知セル１１と、照射機構を構成するレーザ光を照射するレーザ発振器１２および送光系ユニット１３と、受光系ユニット１４（受光機構）と、から構成されている。この送光系ユニット１３は、照射されたレーザ光を集光する不図示の集光レンズと、集光レンズを通過したレーザ光を帯電粒子ｐに合焦させる不図示の合焦レンズと、から構成されており、それらが不図示のフレームにて一体とされている。一方、受光系ユニット１４は、帯電粒子ｐで発せられる散乱光を集光する不図示の集光レンズと、集光レンズを通過した散乱光を合焦する不図示の合焦レンズと、から構成されており、それらが不図示のフレームにて一体とされている。
【００５１】
検知部１０で取り込まれた帯電粒子ｐは、管径φ、管長さｔ（その途中位置に開閉バルブ３０がある）の管路Ｌを介して撮影部５０に導入される。
【００５２】
撮影部５０は、帯電粒子ｐが導入される撮影セル５１と、レーザ光を照射するレーザ発振器５２と、送光系ユニット５３と、ＣＣＤカメラ５４と、から構成されている。この送光系ユニット５３は、照射されたレーザ光を集光する不図示の集光レンズと、集光レンズを通過したレーザ光を帯電粒子ｐに合焦させる不図示の合焦レンズと、から構成されており、それらが不図示のフレームにて一体とされている。
【００５３】
撮影部５０では、撮影セル５１内を移動する帯電粒子の発する散乱光をＣＣＤカメラ５４で受光データとして取得し、この受光データを画像読み取り機器（パーソナルコンピュータ６０）で読み取って帯電粒子の粒径と移動速度が特定され、これらの特定結果に基づいて帯電量の特定がおこなわれる。
【００５４】
ここで、粒径と移動速度から帯電量を特定する際のアルゴリズムを概説する。
帯電粒子を電界強度Ｅ(V/m)の電場内に導入すると、粒子の帯電量ｎｐｅ(C)は、以下の式１で示される。
【００５５】
ここで、Dpは粒径(m)、vetは粒子の移動速度(m/s)、Ccはカニンガムの補正係数、e＝1.60217733×10-19(C)であり、その導出式を以下の式２で示す。また、μはエアの粘度で、0.018110-3(Pa・s)である。
【００５６】
ここで、Knはクヌーセン数で、エアの平均自由行程をλとすると、以下の式３で表すことができる。
【００５７】
【００５８】
上式１〜３より、帯電粒子の帯電量は、その粒径と電界中の粒子の移動速度に依存することが分かり、これらの計測データから帯電粒子の帯電量を特定することができる。
【００５９】
図示する帯電量特定装置１００は、当該装置内に帯電粒子ｐが取り込まれたことを精緻に検知するべく、実際に帯電粒子ｐを撮影してその帯電量を特定する撮影部５０よりも帯電粒子ｐを含むエアＡが流れる上流側にまず検知部１０が設けられており、検知部１０から帯電粒子ｐを検知した旨のセンシングデータが制御部２０に送信されると、制御部２０から管路Ｌの途中位置にある開閉バルブ３０に対してこれを閉制御する指令信号が送信されるようになっている。
【００６０】
ここで、図２のブロック図を参照して制御部２０の内部構造を概説する。
図示する制御部２０は、検知部１０から帯電粒子ｐを検知した旨のセンシングデータ（散乱光受光データ）が送信されてくるセンシングデータ入力部と、電圧強度閾値が記憶された電圧強度閾値記憶部を備えている。これは、検知部１０における帯電粒子ｐの誤検知を抑制するための手段であり、帯電粒子ｐから発せられる散乱光に関する電圧強度閾値をこの電圧強度閾値記憶部に予め入力しておき、検知部１０から送信されてくる散乱光受光データと記憶された電圧強度閾値を比較演算部で比較し、散乱光受光データが電圧強度閾値以上の場合に帯電粒子ｐが検知部１０に捕捉されたとして帯電粒子ｐが装置外へ流出するのを防止するべく、閉制御指令部を介して開閉バルブ３０に閉制御指令信号を送信するものである。
【００６１】
なお、図３には、装置１００を作動してからの検知部１０における散乱光に関する電圧強度の時系列グラフの一例を示している。電圧が低い場合はノイズの可能性が高いことから、ある程度の大きさの電圧（図３では０．０５Ｖ）を電圧強度閾値に設定するのが好ましい。
【００６２】
この開閉バルブ３０の閉制御に当たり、検知部１０で検知された帯電粒子ｐが管路Ｌを通過し、その途中の開閉バルブ３０を通過し、さらにその下流に位置する撮影部５０の撮影セル５１に導入された際に開閉バルブ３０を閉制御するのが好ましく、このような制御によって、たとえば開閉バルブ３０の上流側に帯電粒子ｐが移動している際に開閉バルブ３０が閉じられ、撮影部５０への導入が阻止されるのを抑制することができる。
【００６３】
そのために、制御部２０には、気体Ａが検知部１０から管路Ｌを介して撮影部５０に通じるまでの時間データを所定時間記憶部に記憶しておき、制御部１０がセンシングデータを受信して所定の時間経過後に開閉バルブ３０を閉制御するようになっている。
【００６４】
所定時間記憶部への所定時間の入力においては、帯電粒子ｐもしくは気体Ａの流速や管路Ｌの管径φや管長さｔ等によってこの所定時間が変化することから、吸引部４０による吸引によって装置１００内に取り込まれた気体の速度経験則と装置を構成する管路Ｌの管径φや管長さｔから当該所定時間を算定しておいてこれを入力してもよいし、検知部１０で帯電粒子ｐの速度を検知し、この速度を維持して、もしくは一定の減速を加味して撮影部５０までの所定時間を制御部２０で割り出し、割り出された所定時間後に閉制御指令信号を送信する形態であってもよい。
【００６５】
図示する帯電量特定装置１００によれば、帯電粒子ｐを撮影してその帯電量を特定する撮影部５０よりも帯電粒子ｐを含む気体Ａが流れる上流側に検知部１０を設け、この検知部１０と撮影部５０を管路Ｌで繋ぐとともにこの管路Ｌの途中に開閉バルブ３０を備えた構成とし、装置１００内に帯電粒子ｐが取り込まれたことを精緻に検知しながら取り込まれた帯電粒子ｐを確実に捕捉して撮影することができ、もって帯電粒子捕捉効率もしくは帯電粒子撮影効率の極めて高い装置となる。
【００６６】
また、帯電量特定装置１００によれば、検知部１０で粒子の散乱光をセンシングするまで気体Ａの吸引が継続される。したがって、Ｃｌａｓｓ１０００（０．５μｍの粒子が３５個／ｌ）のクリーンルームで吸引した場合は、６０／３５秒≒１．７秒に１個の粒子が検知部１０を通過し、自動でバルブの閉鎖（およそ１０秒）、撮影（およそ５秒）の一連の動作に１５秒程度を要するため、１６．７秒に１個の撮影が可能となっている。
【００６７】
帯電粒子の荷電数は、図４で示すように荷電数分布として評価することが重要であり、既述するように、この荷電数分布評価においては５０個程度の帯電粒子を撮影して荷電数を計測することが必要となるが、既述する従来装置の場合に要する時間：７５０秒／個の１／４４に時間を短縮することが可能となり、５０個の帯電粒子の撮影とその荷電数の計測に要する時間は、１０時間２５分から１４分へ格段に時間短縮することが可能となる。
【００６８】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６９】
１０…検知部、１１…検知セル、１２…レーザ発振器、１３…送光系ユニット、１４…受光系ユニット、２０…制御部、３０…開閉バルブ、４０…吸引部（吸引ポンプ）、５０…撮影部、５１…撮影セル、５２…レーザ発振器、５３…送光系ユニット、５４…ＣＣＤカメラ、６０…パーソナルコンピュータ、１００…帯電量特定装置、Ｌ…管路、Ａ…エア（気体）、ｐ…帯電粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中に浮遊する帯電粒子を取り込んでその帯電量を特定する、帯電粒子の帯電量特定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電界内においては、粒子が帯電してなる帯電粒子にクーロン力が作用し、電界発生源にこの帯電粒子が付着し易くなることは知られるところである。この電界発生源として静電気帯電した種々の部材が挙げられるが、特に、この静電気帯電にともなう粒子の付着は、以下の生産施設、すなわち、ＦＰＤ素材（フラットパネルディスプレイ）として透明電極を製造するプロセス、生産装置を組立・製造する施設、次世代二次電池を製造する施設、などの生産施設において、粒子汚染として問題となっている。
【０００３】
上記施設で製造される製品（ワーク）は、低いクリーン度（クリーン度：１０００〜１００００程度）での製造を許容するが、上記する各種生産施設空間においては、摩擦や剥離、洗浄、乾燥などの製造過程で生じ得る数μｍサイズの大きな粒子も存在しており、その製品への付着が製品歩留まり低下の主要因の一つとなっている。
【０００４】
また、クリーンルームの内装部材には導電性材料が一般に適用されているが、これには±１００Ｖ程度の電位が帯電しており、これがルーム内空間に帯電粒子を生ぜしめて製品に付着する結果、製品のクリーン度が低下することとなる。
【０００５】
ところで、粒子の挙動には、重力による終末沈降、気流、クーロン力が影響し、ワークや内装部材への帯電粒子の吸着は、このうちのクーロン力が主として関係し、帯電粒子の有する帯電量（電荷量）とワークの表面電位によって生じる電界強度で吸着力が決定される。このため、静電気対策として、イオナイザや軟Ｘ線によるワーク表面の除電がおこなわれている。
【０００６】
しかし、現在のクリーンルーム等においては、その空間内の静電気分布や摩擦、剥離等によって生じ得る粒子の帯電量が把握できていないことから、実際には、上記する電位除去対策が十分に功を奏しているとは言い難い。中でも、帯電粒子の発生機構やその性状、帯電量は除電対策にとって重要な要素であるにも関わらず、数μｍサイズの粒子を実環境下において測定もしくは特定する方法が未だ確立されていない。
【０００７】
なお、上記する帯電粒子の帯電量の測定や特定に際し、微分型静電分級器（DMA: Differential Mobility Analyzer）を使用する方法が現在用いられている。
【０００８】
このDMAを使用する方法は、常温常圧下での粒子分級に有効な測定方法であり、その装置構成は、二重同心円筒形で、その内筒に電圧を印加し、外筒を接地した姿勢でこれら円筒間に電位差を持たせるものであり、内外筒間の距離や電位は一定に保たれ、電界が均一となるように設計されている。そして、内外筒間には清浄空気を層流状態（シース気流）で導入する一方、帯電粒子を含んだサンプル空気は外筒の壁に沿って流入させるようにしている。このDMA内においては、電位差に依存する電界と帯電粒子の帯電量（荷電量）の間で生じるクーロン力が帯電粒子に作用し、電位差に応じた電気移動度を有する移動速度で中心電極に引き寄せられることとなる。
【０００９】
ここで、電気移動度の大きな粒子ほど移動速度が大きく、結果として中心電極の上部に沈着し易い一方で、電気移動度の小さな粒子は中心電極に捕集されずにシース気流とともにDMAから流出し易い。なお、この中心電極の下部にはスリットが設けてあり、一定の電気移動度よりも小さな帯電粒子のみが取り出されることとなる。また、凝縮核計数器（CNC: Condensation Nucleus Counter）等を使用してその濃度を測定することにより、電気移動度の分布を得ることもできる。
【００１０】
上記するように、DMAは、粒子の粒径と電気移動度（すなわち荷電数）が設定された気流およびクーロン力と一致した場合に、分級粒子としてスリットから取り出せる仕組みとなっている。したがって、粒子の径が大きくなるにつれて下方に作用する重力と気流による移動速度が大きくなり、自ずとDMAの長さも長くならざるを得ない。また、下方への移動速度が速く、荷電数が少ない場合は、スリットで粒子を分級するにあたって強い電界を付与する必要があるが、さらに電極（内筒）と接地（外筒）の間の距離が小さい場合には、放電の危険性を回避するべく、DMAの断面寸法も大きくせざるを得なくなる。
【００１１】
なお、本発明者等の検証によれば、外筒径が１０ｃｍ、長さが３０ｃｍのDMAによる実験において、粒径０．５μｍ、荷電数±６個が測定可能な最大の大きさであり、それよりも大きな粒径の粒子の測定はほぼ不可能である。
【００１２】
一方、既述した種々の生産施設における粒子汚染においては、粒径が数μｍ以上の粒子（もしくは微粒子）の付着が問題となるケースが多い現状に鑑みれば、これに対応したDMAによる測定や特定をプロセスエリアで実施するには、極めて大掛かりな装置を要することとなり、このように大規模な測定装置の適用は現実的とは言えない。
【００１３】
なお、上記するDMAを構造改良した技術が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示の微粒子分級装置は、その特徴構成として、複数の粒径別の中心電極部を有するものであり、この粒径別の中心電極部のそれぞれに微粒子導出スリットが個別に形成されていることで、複数種類の粒径の微粒子を同時に分級（粒径選別）することを可能としたものである。
【００１４】
しかし、この改良型の微粒子分級装置をもってしても、依然として上記する課題、すなわち、装置規模を大型化することなく、粒径が数μｍ以上の帯電粒子（もしくは微粒子）の付着が問題となるクリーンルーム等の実環境下において、該帯電粒子の帯電量を精緻に測定もしくは特定する、という課題を解決するには至らない。
【００１５】
そこで、本発明者等は、図５で示すように、クリーンルーム等のルーム内で浮遊する帯電粒子ｐ、…を含むエアＡを取り込むとともに、導入された帯電粒子ｐの粒径等をセンシングする不図示の粒子センサを備えた導入部Ｐと、この導入部Ｐを通過するエアＡの流速を調整する流速調整部Ｒと、図６で示す電界生成機構を備えた撮影セルＶ、レーザ光ＬＺ１を照射するレーザ発振器Ｚ、送光系ユニットＷ、受光系ユニットＹ、からなる撮影部Ｑａと、粒子センサから送信された帯電粒子に関するデータを受信して流速調整部Ｒの作動を制御する制御部Ｓと、から大略構成された帯電量特定装置Ｔの開発に至っている。
【００１６】
従来構造の上記するDMAが、帯電粒子（この粒子は、エアロゾルと称することもできる）の気流や重力、クーロン力をパラメータとして、スリット内に移動した粒子を測定することでその帯電量を特定するものであるのに対して、帯電量特定装置Ｔは、帯電粒子ｐを含む気体である、たとえばエアＡの流れを静止状態とすることにより、重力とクーロン力のみをパラメータとして帯電粒子ｐの移動速度を光学系の撮影部Ｑａにて測定し、その帯電量もしくは荷電数を特定するものである。
【００１７】
導入部Ｐと流速調整部Ｒと撮影部Ｑａは、エアＡが流通する管路Ｌを介して直列に繋がれており、導入部Ｐに取り込まれた帯電粒子ｐ、…を含むエアＡは、管路Ｌを介して流通し、流速調整部Ｒを経る過程でその流速が減じられ、さらに管路Ｌを介して撮影部Ｑａ内に導入された際には、その流速がゼロ、もしくはそれに近似した速度となるように流速調整部Ｒによる流速制御が実行される。
【００１８】
流速調整部Ｒは、アクチュエータバルブＲ１のほかに、エアＡに対して高圧流体等を提供してエアＡの速度を低下させるコンプレッサや、バルブの開閉制御を実行する制御装置からなる流体提供機構Ｒ２などから構成されており、導入部ＰへのエアＡの取り込み前の状態において、アクチュエータバルブＲ１は閉じている。エアＡの取り込みに際し、アクチュエータバルブＲ１は不図示のコンピュータ内に内蔵された制御部Ｓによって開制御され、アクチュエータバルブＲ１が開くことで導入部ＰへのエアＡの取り込みが開始される。導入部Ｐでは、内蔵された粒子センサにより、エアＡに混入される帯電粒子ｐの粒径や粒数等、さらには、エアＡの流速などがセンシングされ、これらの帯電粒子データや流速データが制御部Ｓに送信される。制御部Ｓでは、流速調整部ＲにてエアＡの流速が減じられ、少なくとも下流側の撮影部Ｑａ内に該エアＡが導入された際にその速度がゼロ、もしくはそれに近似した速度となるように、流速調整部ＲのアクチュエータバルブＲ１の開度の調整、流体提供機構Ｒ２からの圧力流体の流量や流体圧の調整等がおこなわれる。
【００１９】
図６より、撮影部Ｑａは、帯電粒子ｐを導入するとともに、その内部に内部電極等の電界生成機構を備えた検出セルＶと、レーザ光ＬＺ１を照射するレーザ発振器Ｚと、送光系ユニットＷと、受光系ユニットＹとから大略構成されている。
【００２０】
この送光系ユニットＷは、照射されたレーザ光ＬＺ１を集光する集光レンズＷａと、集光レンズＷａを通過したレーザ光ＬＺ１を帯電粒子ｐに合焦させる合焦レンズＷｂとから構成されており、それらがフレームＷｃにて一体とされている。一方、受光系ユニットＹは、帯電粒子ｐで発せられる散乱光ＬＺ２を集光する集光レンズＹａと、集光レンズＹａを通過した散乱光ＬＺ２を合焦する合焦レンズＹｂとから構成されており、それらがフレームＹｃにて一体とされている。
【００２１】
受光系ユニットＹの合焦レンズＹｂでは、その前方に配設されたＣＣＤカメラ等の撮像部Ｕで帯電粒子ｐの画像焦点が合焦されるように、その焦点合わせが実行され、焦点合わせされた帯電粒子ｐに関する画像が、制御部Ｓを内蔵するコンピュータ、もしくは別体のコンピュータへ送信され、コンピュータ画面上で管理者が画像の確認や、画像を用いた帯電粒子ｐの帯電量の算定を実行できるようになっている。
【００２２】
図示する帯電量特定装置Ｔによれば、帯電粒子の移動速度の測定に際し、まず、この帯電粒子ｐを含むエアＡの流れが静止していることから、さらにクーロン力を考慮しない（無視した）場合には、帯電粒子ｐの移動速度は重力に起因する終末沈降速度のみとなり、重力と気流、およびクーロン力から移動速度が決定される場合に比して帯電粒子ｐの移動速度は相対的に低速となる。このために、計測に要する帯電粒子の移動路は短くてよく、装置自体の小型化が実現される。
【００２３】
さらに、従来構造の上記するDMAでは、電極（内筒）に電圧を印加し、帯電粒子との間にクーロン力を作用させることでスリットに帯電粒子を導く装置であることから、帯電量が未知の条件下では、電圧をパラメータとして種々変化させ、粒子の帯電量（荷電数）とマッチングさせる必要がある。そのために、クリーンルームのように浮遊する粒子が少ない環境下では、帯電粒子の測定に加えて電圧を仮に決定し、結果的に分級できた場合の荷電数をもって荷電数が特定されたとする測定フローとなり、分級できなかった場合には、電圧を変化させて仮に決定し、再度分級できるまで同様の操作を繰り返す必要があり、帯電量の特定に多大な時間を要することは理解に易い。これに対して帯電量特定装置Ｔでは、測定した帯電粒子の移動状況を確認しながらその帯電量を計測、特定することが可能であり、帯電粒子の帯電量の特定に要する時間を大幅に短縮できるものである。
【００２４】
ところで、撮影部となる図示する検出セルＶの大きさは１４×７×６ｍｍ程度であり、その容量は０．６ｍｌ程度である。そのため、図示する帯電量特定装置Ｔを用いてＣｌａｓｓ１０００（０．５μｍの粒子が３５個／ｌ）のクリーンルームの空気を導入部Ｐで吸引した場合、撮影セルＶ内には０．０２１個の粒子が存在することになる。これは、１００回の測定で２個の粒子が捕捉できることと等価である。また、この装置では、エアの吸引、バルブの閉鎖（およそ１０秒）、撮影（およそ５秒）の一連の動作に１５秒程度を要する。このため、７５０秒に１個の撮影が可能となっている。
【００２５】
ここで、帯電粒子の荷電数は荷電数分布として評価することが重要であるが、この荷電数分布評価においては５０個程度の帯電粒子を撮影して荷電数を計測することが必要となることから、７５０秒／個×５０個＝３７５００秒＝１０時間２５分の撮影時間を要することになる。すなわち、図示する帯電量特定装置Ｔを適用することで従来の帯電量特定装置よりも帯電量の特定に要する時間は短縮できるものの、さらに時間短縮することが当該技術分野で切望されている。
【００２６】
さらに、本発明者等によれば、実際にＣｌａｓｓ１０００のクリーンルームで実験をおこなった結果、２００回の測定中に帯電粒子を捕捉できなかったという事実もあり、その要因として大きく２つの要因が挙げられる。
【００２７】
まず、一つ目の要因は、撮影セルＶ内におけるエアは粒子の捕捉に関わり無く、最低１０秒間隔で閉鎖と撮影を繰り返しているために、バルブ（アクチュエータバルブＲ１）が閉まった際に必ずしも帯電粒子を捕捉できるとは限らないことである。
【００２８】
さらに２つ目の要因は、捕捉した帯電粒子を撮影するには撮影セルＶ内でも一定強度のレーザ散乱光を得られる箇所を通過した場合に限られることである。
【００２９】
上記するように、帯電量特定装置Ｔは装置自体の小型化を図ることができ、従来装置に比して帯電粒子の帯電量の特定に要する時間を大幅に短縮できるという効果を奏するものの、構成部材であるバルブを時間制御するものであることから、たとえば大気中の帯電粒子濃度が低い場合は撮影セルを帯電粒子が通過してしまうことが往々にしてあり、結果として帯電粒子捕捉効率が低くなるという課題を有するものである。また、帯電粒子の荷電数を荷電数分布として評価するに当たり、５０個程度の帯電粒子を撮影する際に要する時間のさらなる短縮が課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特開２００７−３１５８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、帯電粒子を撮影する際に要する時間をより一層短縮でき、帯電粒子捕捉効率の高い帯電粒子の帯電量特定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
前記目的を達成すべく、本発明による帯電粒子の帯電量特定装置は、吸引部と、前記吸引部を作動させて浮遊する帯電粒子を含む気体を取り込むとともに、帯電粒子をセンシングする検知部と、前記検知部と管路で繋がれ、前記検知部を通過した前記気体が導入されて帯電粒子を撮影する撮影部と、前記管路に設けられた開閉バルブと、前記検知部から帯電粒子のセンシングデータが送信された際に前記開閉バルブを閉制御する制御部と、を備え、前記検知部で帯電粒子がセンシングされ、このセンシングデータが制御部に送信されて前記開閉バルブを閉制御し、取り込まれた帯電粒子を前記管路における該開閉バルブよりも下流側で捕捉するようになっており、前記撮影部はレーザ光を照射する照射機構を具備し、帯電粒子にレーザ光を照射した際に帯電粒子から発せられる散乱光の受光データから帯電粒子の帯電量を特定するものである。
【００３３】
本発明の帯電量特定装置は、装置内に帯電粒子（この粒子は、エアロゾルと称することもできる）が取り込まれたことを精緻に検知するべく、実際に帯電粒子を撮影してその帯電量を特定する撮影部よりも帯電粒子を含む気体が流れる上流側にまず検知部を設け、この検知部と撮影部を管路で繋ぐとともにこの管路の途中に開閉バルブを備えたものである。
【００３４】
装置内への気体の取り込みはポンプ等の吸引部を作動しておこなうものであり、吸引部を作動させて装置内へ取り込まれた気体は、まず検知部を通過するようになっている。
【００３５】
この検知部で帯電粒子がセンシングされると、そのセンシングデータが制御部へ送信され、開閉バルブが閉制御されるようになっている。管路途中にある開閉バルブが閉制御されることにより、装置内に取り込まれた、より具体的には開閉バルブよりも下流側に移動した帯電粒子が装置外へ放出されるのが抑止され、検知部でセンシングされた帯電粒子を開閉バルブよりも下流にある撮影部へ確実に導入することができる。なお、吸引部の作動もこの制御部が実行することができ、装置をＯＮ制御した際に制御部からの動作指令信号に基づいて吸引部が作動して気体吸引を実行し、これと同時に検知部へも動作指令信号が送信されて導入された気体内における帯電粒子の検知を実行できる形態であってもよい。
【００３６】
撮影部では、導入された帯電粒子にレーザ光が照射され、このレーザ光照射によって帯電粒子で反射してできた散乱光の受光データに基づいて帯電粒子の帯電量が特定されるものである。この帯電量の特定は、たとえば撮影部を構成するＣＣＤカメラ等で受光データを取得し、この受光データを画像読み取り機器等で読み取って帯電粒子の粒径と移動速度が特定され、これらの特定結果に基づいて帯電量の特定（測定）がおこなわれる。
【００３７】
上記する本発明の帯電量特定装置によれば、たとえば大気中の帯電粒子濃度が低い場合であっても、検知部で帯電粒子がセンシングされ、開閉バルブが閉制御されて装置内に捕捉された帯電粒子は確実に撮影部に導入されることから、撮影部を帯電粒子が通り過ぎて撮影がおこなわれないといった問題は生じ得ず、帯電粒子捕捉効率（もしくは帯電粒子撮影効率）の極めて高い装置となる。したがって、帯電粒子の荷電数を荷電数分布として評価するに当たり、５０個程度の帯電粒子を撮影する際に要する時間も上記する従来装置に比して格段に短縮することができる。
【００３８】
ここで、前記検知部は、前記気体が通過する検出セルと、該気体にレーザ光を照射する照射機構と、帯電粒子から発せられる散乱光を受光する受光機構と、から構成され、前記制御部には散乱光に関する電圧強度閾値が記憶され、受光機構から送信されたセンシングデータが該電圧強度閾値以上の場合に前記開閉バルブを閉制御するようになっている実施の形態が好ましい。
【００３９】
本実施の形態の装置は、検知部においても撮影部と同様にレーザ光を照射してその散乱光を受光し、受光データを制御部に送信するものであり、さらに、検知部における帯電粒子の誤検知を抑制するべく、帯電粒子から発せられる散乱光に関する電圧強度閾値を予め設定しておいて制御部にそのデータを記憶させておき、検知部から送信されてくる散乱光受光データが電圧強度閾値以上の場合に帯電粒子が捕捉されたとしてその装置外への流出を防止するために開閉バルブの閉制御を実行するものである。
【００４０】
照射機構は、レーザ発振器と、該レーザ発振器から照射されたレーザ光を集光する集光レンズと、集光レンズを通過したレーザ光を帯電粒子に合焦させる合焦レンズと、からなり、受光機構は、帯電粒子で発せられる散乱光を集光する集光レンズと、集光レンズを通過した散乱光を合焦する合焦レンズと、からなる形態を適用できる。
【００４１】
本実施の形態の装置によれば、検知部における帯電粒子の誤検知が抑制され、より一層高い検知精度で帯電粒子を捕捉してその撮影を実行し、帯電粒子の粒径や帯電量の特定をおこなうことができる。
【００４２】
さらに、前記制御部では、前記気体が検知部から前記管路を介して前記撮影部に通じるまでの所定の時間データが記憶されており、前記センシングデータを受信し、該所定の時間経過後に前記開閉バルブを閉制御するようになっている実施の形態が望ましい。
【００４３】
開閉バルブの閉制御にあたり、検知部で検知された帯電粒子が管路を通過し、その途中の開閉バルブを通過し、さらにその下流に位置する撮影部に導入された際に開閉バルブを閉制御することで、たとえば開閉バルブの上流側に帯電粒子が移動している際に開閉バルブが閉じられ、撮影部への導入が阻止されるのを抑制することができる。
【００４４】
そのために、本実施の形態の装置では、気体が検知部から管路を介して撮影部に通じるまでの所定の時間データを制御部に予め記憶しておき、制御部がセンシングデータを受信して所定の時間経過後に開閉バルブを閉制御するようになっている。
【００４５】
この「所定の時間」とは、帯電粒子もしくは気体の流速や管路の管径や管長さ等によって変化することから、吸引部による吸引によって装置内に取り込まれた気体の速度経験則と装置を構成する管路の管径や管長さから当該所定の時間を算定しておいてこれを制御部に記憶しておいてもよいし、検知部で帯電粒子の速度を検知し、この速度を維持して、もしくは一定の減速を加味して撮影部までの「所定の時間」を制御部で割り出す形態であってもよい。
【発明の効果】
【００４６】
以上の説明から理解できるように、本発明の帯電粒子の帯電量特定装置によれば、帯電粒子を撮影してその帯電量を特定する撮影部よりも帯電粒子を含む気体が流れる上流側に検知部を設け、この検知部と撮影部を管路で繋ぐとともにこの管路の途中に開閉バルブを備えた構成とし、装置内に帯電粒子が取り込まれたことを精緻に検知しながら取り込まれた帯電粒子を確実に捕捉して撮影することにより、帯電粒子捕捉効率もしくは帯電粒子撮影効率の極めて高い装置となる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の帯電量特定装置の装置構成を説明した説明図である。
【図２】制御部を説明したブロック図である。
【図３】装置を作動してからの検知部における散乱光に関する電圧強度の時系列グラフの一例を示した図である。
【図４】粒径ごとの帯電粒子の帯電数分布の一例を示した図である。
【図５】従来の帯電量特定装置の装置構成を説明した説明図である。
【図６】図５で示す帯電量特定装置を構成する撮影部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の帯電量特定装置は、その特徴構成以外の構成として、本発明者等によって開発された図４，５で示す従来装置の構成の一部もしくは全部を装置構成に適用することもできる。
【００４９】
図１は、本発明の帯電量特定装置の装置構成を説明する説明図である。
図示する帯電量特定装置１００は、クリーンルーム等のルーム内で浮遊する帯電粒子ｐ、…を含むエアＡを取り込む吸引源となる吸引部４０（吸引ポンプ）と、この吸引されたエアＡとともに帯電粒子ｐが装置内に取り込まれたか否かを検知する検知部１０と、この検知部１０を通過して装置に下流側にエアＡを流す管路Ｌと、管路Ｌの途中位置にあって吸引部４０の吸引力を閉鎖可能でかつ管路Ｌ内におけるエアＡの流れを遮蔽する開閉バルブ３０と、下流側に位置してエアＡとともに取り込まれた帯電粒子ｐが導入される撮影部５０と、検知部１０における帯電粒子を検知した旨のセンシングデータに基づいて開閉バルブ３０に対して閉制御を実行させる制御部２０と、から大略構成されている。
【００５０】
検知部１０は、帯電粒子ｐを含むエアＡが導入される検知セル１１と、照射機構を構成するレーザ光を照射するレーザ発振器１２および送光系ユニット１３と、受光系ユニット１４（受光機構）と、から構成されている。この送光系ユニット１３は、照射されたレーザ光を集光する不図示の集光レンズと、集光レンズを通過したレーザ光を帯電粒子ｐに合焦させる不図示の合焦レンズと、から構成されており、それらが不図示のフレームにて一体とされている。一方、受光系ユニット１４は、帯電粒子ｐで発せられる散乱光を集光する不図示の集光レンズと、集光レンズを通過した散乱光を合焦する不図示の合焦レンズと、から構成されており、それらが不図示のフレームにて一体とされている。
【００５１】
検知部１０で取り込まれた帯電粒子ｐは、管径φ、管長さｔ（その途中位置に開閉バルブ３０がある）の管路Ｌを介して撮影部５０に導入される。
【００５２】
撮影部５０は、帯電粒子ｐが導入される撮影セル５１と、レーザ光を照射するレーザ発振器５２と、送光系ユニット５３と、ＣＣＤカメラ５４と、から構成されている。この送光系ユニット５３は、照射されたレーザ光を集光する不図示の集光レンズと、集光レンズを通過したレーザ光を帯電粒子ｐに合焦させる不図示の合焦レンズと、から構成されており、それらが不図示のフレームにて一体とされている。
【００５３】
撮影部５０では、撮影セル５１内を移動する帯電粒子の発する散乱光をＣＣＤカメラ５４で受光データとして取得し、この受光データを画像読み取り機器（パーソナルコンピュータ６０）で読み取って帯電粒子の粒径と移動速度が特定され、これらの特定結果に基づいて帯電量の特定がおこなわれる。
【００５４】
ここで、粒径と移動速度から帯電量を特定する際のアルゴリズムを概説する。
帯電粒子を電界強度Ｅ(V/m)の電場内に導入すると、粒子の帯電量ｎｐｅ(C)は、以下の式１で示される。
【００５５】
ここで、Dpは粒径(m)、vetは粒子の移動速度(m/s)、Ccはカニンガムの補正係数、e＝1.60217733×10-19(C)であり、その導出式を以下の式２で示す。また、μはエアの粘度で、0.018110-3(Pa・s)である。
【００５６】
ここで、Knはクヌーセン数で、エアの平均自由行程をλとすると、以下の式３で表すことができる。
【００５７】
【００５８】
上式１〜３より、帯電粒子の帯電量は、その粒径と電界中の粒子の移動速度に依存することが分かり、これらの計測データから帯電粒子の帯電量を特定することができる。
【００５９】
図示する帯電量特定装置１００は、当該装置内に帯電粒子ｐが取り込まれたことを精緻に検知するべく、実際に帯電粒子ｐを撮影してその帯電量を特定する撮影部５０よりも帯電粒子ｐを含むエアＡが流れる上流側にまず検知部１０が設けられており、検知部１０から帯電粒子ｐを検知した旨のセンシングデータが制御部２０に送信されると、制御部２０から管路Ｌの途中位置にある開閉バルブ３０に対してこれを閉制御する指令信号が送信されるようになっている。
【００６０】
ここで、図２のブロック図を参照して制御部２０の内部構造を概説する。
図示する制御部２０は、検知部１０から帯電粒子ｐを検知した旨のセンシングデータ（散乱光受光データ）が送信されてくるセンシングデータ入力部と、電圧強度閾値が記憶された電圧強度閾値記憶部を備えている。これは、検知部１０における帯電粒子ｐの誤検知を抑制するための手段であり、帯電粒子ｐから発せられる散乱光に関する電圧強度閾値をこの電圧強度閾値記憶部に予め入力しておき、検知部１０から送信されてくる散乱光受光データと記憶された電圧強度閾値を比較演算部で比較し、散乱光受光データが電圧強度閾値以上の場合に帯電粒子ｐが検知部１０に捕捉されたとして帯電粒子ｐが装置外へ流出するのを防止するべく、閉制御指令部を介して開閉バルブ３０に閉制御指令信号を送信するものである。
【００６１】
なお、図３には、装置１００を作動してからの検知部１０における散乱光に関する電圧強度の時系列グラフの一例を示している。電圧が低い場合はノイズの可能性が高いことから、ある程度の大きさの電圧（図３では０．０５Ｖ）を電圧強度閾値に設定するのが好ましい。
【００６２】
この開閉バルブ３０の閉制御に当たり、検知部１０で検知された帯電粒子ｐが管路Ｌを通過し、その途中の開閉バルブ３０を通過し、さらにその下流に位置する撮影部５０の撮影セル５１に導入された際に開閉バルブ３０を閉制御するのが好ましく、このような制御によって、たとえば開閉バルブ３０の上流側に帯電粒子ｐが移動している際に開閉バルブ３０が閉じられ、撮影部５０への導入が阻止されるのを抑制することができる。
【００６３】
そのために、制御部２０には、気体Ａが検知部１０から管路Ｌを介して撮影部５０に通じるまでの時間データを所定時間記憶部に記憶しておき、制御部１０がセンシングデータを受信して所定の時間経過後に開閉バルブ３０を閉制御するようになっている。
【００６４】
所定時間記憶部への所定時間の入力においては、帯電粒子ｐもしくは気体Ａの流速や管路Ｌの管径φや管長さｔ等によってこの所定時間が変化することから、吸引部４０による吸引によって装置１００内に取り込まれた気体の速度経験則と装置を構成する管路Ｌの管径φや管長さｔから当該所定時間を算定しておいてこれを入力してもよいし、検知部１０で帯電粒子ｐの速度を検知し、この速度を維持して、もしくは一定の減速を加味して撮影部５０までの所定時間を制御部２０で割り出し、割り出された所定時間後に閉制御指令信号を送信する形態であってもよい。
【００６５】
図示する帯電量特定装置１００によれば、帯電粒子ｐを撮影してその帯電量を特定する撮影部５０よりも帯電粒子ｐを含む気体Ａが流れる上流側に検知部１０を設け、この検知部１０と撮影部５０を管路Ｌで繋ぐとともにこの管路Ｌの途中に開閉バルブ３０を備えた構成とし、装置１００内に帯電粒子ｐが取り込まれたことを精緻に検知しながら取り込まれた帯電粒子ｐを確実に捕捉して撮影することができ、もって帯電粒子捕捉効率もしくは帯電粒子撮影効率の極めて高い装置となる。
【００６６】
また、帯電量特定装置１００によれば、検知部１０で粒子の散乱光をセンシングするまで気体Ａの吸引が継続される。したがって、Ｃｌａｓｓ１０００（０．５μｍの粒子が３５個／ｌ）のクリーンルームで吸引した場合は、６０／３５秒≒１．７秒に１個の粒子が検知部１０を通過し、自動でバルブの閉鎖（およそ１０秒）、撮影（およそ５秒）の一連の動作に１５秒程度を要するため、１６．７秒に１個の撮影が可能となっている。
【００６７】
帯電粒子の荷電数は、図４で示すように荷電数分布として評価することが重要であり、既述するように、この荷電数分布評価においては５０個程度の帯電粒子を撮影して荷電数を計測することが必要となるが、既述する従来装置の場合に要する時間：７５０秒／個の１／４４に時間を短縮することが可能となり、５０個の帯電粒子の撮影とその荷電数の計測に要する時間は、１０時間２５分から１４分へ格段に時間短縮することが可能となる。
【００６８】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６９】
１０…検知部、１１…検知セル、１２…レーザ発振器、１３…送光系ユニット、１４…受光系ユニット、２０…制御部、３０…開閉バルブ、４０…吸引部（吸引ポンプ）、５０…撮影部、５１…撮影セル、５２…レーザ発振器、５３…送光系ユニット、５４…ＣＣＤカメラ、６０…パーソナルコンピュータ、１００…帯電量特定装置、Ｌ…管路、Ａ…エア（気体）、ｐ…帯電粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸引部と、
前記吸引部を作動させて浮遊する帯電粒子を含む気体を取り込むとともに、帯電粒子をセンシングする検知部と、
前記検知部と管路で繋がれ、前記検知部を通過した前記気体が導入されて帯電粒子を撮影する撮影部と、
前記管路に設けられた開閉バルブと、
前記検知部から帯電粒子のセンシングデータが送信された際に前記開閉バルブを閉制御する制御部と、を備え、
前記検知部で帯電粒子がセンシングされ、このセンシングデータが前記制御部に送信されて前記開閉バルブを閉制御し、取り込まれた帯電粒子を前記管路における該開閉バルブよりも下流側で捕捉するようになっており、
前記撮影部はレーザ光を照射する照射機構を具備し、帯電粒子にレーザ光を照射した際に帯電粒子から発せられる散乱光の受光データから帯電粒子の帯電量を特定する、帯電粒子の帯電量特定装置。
【請求項２】
前記検知部は、前記気体が通過する検出セルと、該気体にレーザ光を照射する照射機構と、帯電粒子から発せられる散乱光を受光する受光機構と、から構成され、
前記制御部には散乱光に関する電圧強度閾値が記憶され、受光機構から送信されたセンシングデータが該電圧強度閾値以上の場合に前記開閉バルブを閉制御するようになっている請求項１に記載の帯電粒子の帯電量特定装置。
【請求項３】
前記制御部では、前記気体が検知部から前記管路を介して前記撮影部に通じるまでの所定の時間データが記憶されており、前記センシングデータを受信し、該所定の時間経過後に前記開閉バルブを閉制御するようになっている請求項１または２に記載の帯電粒子の帯電量特定装置。
【請求項１】
吸引部と、
前記吸引部を作動させて浮遊する帯電粒子を含む気体を取り込むとともに、帯電粒子をセンシングする検知部と、
前記検知部と管路で繋がれ、前記検知部を通過した前記気体が導入されて帯電粒子を撮影する撮影部と、
前記管路に設けられた開閉バルブと、
前記検知部から帯電粒子のセンシングデータが送信された際に前記開閉バルブを閉制御する制御部と、を備え、
前記検知部で帯電粒子がセンシングされ、このセンシングデータが前記制御部に送信されて前記開閉バルブを閉制御し、取り込まれた帯電粒子を前記管路における該開閉バルブよりも下流側で捕捉するようになっており、
前記撮影部はレーザ光を照射する照射機構を具備し、帯電粒子にレーザ光を照射した際に帯電粒子から発せられる散乱光の受光データから帯電粒子の帯電量を特定する、帯電粒子の帯電量特定装置。
【請求項２】
前記検知部は、前記気体が通過する検出セルと、該気体にレーザ光を照射する照射機構と、帯電粒子から発せられる散乱光を受光する受光機構と、から構成され、
前記制御部には散乱光に関する電圧強度閾値が記憶され、受光機構から送信されたセンシングデータが該電圧強度閾値以上の場合に前記開閉バルブを閉制御するようになっている請求項１に記載の帯電粒子の帯電量特定装置。
【請求項３】
前記制御部では、前記気体が検知部から前記管路を介して前記撮影部に通じるまでの所定の時間データが記憶されており、前記センシングデータを受信し、該所定の時間経過後に前記開閉バルブを閉制御するようになっている請求項１または２に記載の帯電粒子の帯電量特定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４０８４５（Ｐ２０１３−４０８４５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７７６９３（Ｐ２０１１−１７７６９３）
【出願日】平成２３年８月１５日（２０１１．８．１５）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１５日（２０１１．８．１５）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
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