DE102016113492A1

DE102016113492A1 - Teilchensensor

Info

Publication number: DE102016113492A1
Application number: DE102016113492.9A
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Matsunami; Yoshiyuki Nakano
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2017-02-02
Also published as: CN106404618A; US20170030822A1; US9739701B2; JP6688966B2; JP2017026545A

Abstract

Ein Teilchensensor (1) beinhaltet: eine Detektionszone, in die ein Teilchen beinhaltendes Gas eingeleitet wird; ein Lichtprojektionselement (10); ein Lichtempfangselement (20), das gestreutes Licht von dem Licht mit Reflektion durch die Teilchen in dem Gas in der Detektionszone empfängt; einen Erwärmer (30), der das Gas erwärmt; und einen Reflektor (40), der das gestreute Licht zu dem Lichtempfangselement (20) leitet, wobei der Reflektor (40) beinhaltet: einen ersten ellipsoidförmigen Abschnitt (41e), der eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt einer Umlaufoberfläche eines Sphäroids definiert; und einen ersten sphärischen Abschnitt (41c), der eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt einer sphärischen Oberfläche einer Sphäre definiert, wobei der erste ellipsoidförmige Abschnitt (41e) einen Brennpunkt des Sphäroids mit Lage in der Detektionszone und einen weiteren Brennpunkt des Sphäroids mit Lage an oder nahe an dem Lichtempfangselement (20) aufweist und der erste sphärische Abschnitt (41c) ein Zentrum der Sphäre mit Lage in der Detektionszone aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Teilchensensor.
Hintergrund
Allgemein sind Licht streuende Teilchensensoren bekannt, die in der Luft schwebende Teilchen (Aerosol) unter Verwendung von Licht, das durch die Teilchen gestreut wird, erfassen.
Ein Licht streuender Teilchensensor dieser Art beinhaltet ein Lichtprojektionselement und ein Lichtempfangselement, bezieht ein zu messendes Gas und detektiert das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Teilchen in dem Gas unter Verwendung von gestreutem Licht, das von den Teilchen erzeugt wird, wenn das Gas mit Licht aus dem Lichtprojektionselement bestrahlt wird (Patentdruckschrift 1). Ein derartiger Licht streuender Teilchensensor detektiert Teilchen, so beispielsweise in der Luft schwebenden Staub, Pollen, Rauch, PM 2,5 (Partikel).
Zitierstellenliste
Patentliteratur

Patentdruckschrift 1: Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. H11-248629

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In den letzten Jahren entstand Bedarf an einer weiteren Steigerung der Effizienz von Teilchensensoren zum Detektieren von kleiner bemessenen Feinteilchen. Angedacht sind hierbei beispielsweise die Erzeugung einer Luftströmung unter Verwendung eines Ventilators bzw. Gebläses und die Erfassung der Menge von Teilchen in den Teilchensensor hinein, um die Effizienz zu steigern.
Das Einbauen eines Ventilators bzw. Gebläses erhöht jedoch beispielsweise die Gesamtkosten des Teilchensensors und erhöht zudem die Größe des Teilchensensors. Vorgeschlagen worden ist daher ein Teilchensensor mit einem einen Erwärmer einsetzenden Erwärmungsmechanismus, so beispielsweise mit einem Erwärmerwiderstand (Widerstandserwärmung), um eine Größen- und Kostenverringerung zu realisieren. Der Teilchensensor mit dem Erwärmungsmechanismus verwendet den Erwärmer jedoch dazu, einen Aufwärtssog (updraft) zu erzeugen, um Luft effizient in den Teilchensensor einzuleiten, und detektiert das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein oder die Größen von Teilchen in der Luft.
Insbesondere wenn Luft durch eine Zone (Detektionszone), die mit Licht aus einem Lichtprojektionselement bestrahlt wird, gelangt, wird das Licht aus dem Lichtprojektionselement von Teilchen in der Luft reflektiert, und es wird gestreutes Licht erzeugt. Ein Lichtempfangselement empfängt das gestreute Licht und detektiert hierdurch die Teilchen. In diesem Fall wird Teilchen enthaltende Luft beispielsweise in die Detektionszone durch einen Strömungskanal eingeleitet. Vom Standpunkt der Detektionseffizienz der Teilchen aus weist der Strömungskanal, durch den die Luft gelangt, vorzugsweise einen äußerst geringen Druckabfall auf. Erwünscht ist hierbei, wenn der Druckabfall in dem Strömungskanal insbesondere an oder nahe an dem Detektionsbereich (Lichtstreuungssektion) möglichst klein ist. In diesem Fall kann der Druckabfall in dem Kanal beispielsweise durch Erhöhen der Querschnittszone bzw. Querschnittsfläche (Bohrung) des Kanals vergrößert werden. Die Querschnittszone bzw. Querschnittsfläche des Kanals bedingt jedoch eine Erhöhung der Größe des Teilchensensors.
Alternativ ist angedacht, die Detektionseffizienz der Teilchen dadurch zu erhöhen, dass ein Reflektor (Spiegel), der Licht mit Streuung durch die Teilchen weg von dem Reflektor reflektiert, angeordnet und das gestreute Licht in einem Lichtempfangselement gesammelt wird. Der Kanal, durch den die Luft gelangt, der optische Weg des von dem Lichtprojektionselement emittierten Lichtes und dergleichen müssen jedoch berücksichtigt werden, und es ist schwierig, in der Umgebung der Detektionszone (Lichtstreuungssektion) einen Reflektor anzuordnen, der eine gewünschte Form zu dem Zweck aufweist, das Licht mit Streuung durch die Teilchen zu dem Lichtempfangselement zu leiten. Aus diesen Gründen ermöglicht sogar die Verwendung eines Reflektors bei herkömmlichen Teilchendetektoren keine ausreichende Erhöhung der Detektionseffizienz.
Als solches erschwert es der Einsatz eines einen Erwärmer einsetzenden Erwärmungsmechanismus bei herkömmlichen Teilchendetektoren, sowohl eine Größenverringerung wie auch eine verbesserte Effizienz zu realisieren.
Die vorliegende Erfindung wurde eingedenk des vorbeschriebenen Problems gemacht, wobei eine Aufgabe derselben darin besteht, einen Teilchensensor bereitzustellen, der auch dann sowohl eine Größenverringerung wie auch eine verbesserte Effizienz realisiert, wenn ein einen Erwärmer einsetzender Erwärmungsmechanismus Verwendung findet.
Lösung des Problems
Zur Lösung der vorbeschriebenen Aufgabe beinhaltet ein Aspekt eines Teilchensensors entsprechend der vorliegenden Erfindung: eine Detektionszone, in die ein Teilchen beinhaltendes Gas eingeleitet wird; ein Lichtprojektionselement, das Licht zu dem Gas in der Detektionszone emittiert; ein Lichtempfangselement, das gestreutes Licht von dem Licht mit Reflektion durch die Teilchen in dem Gas in der Detektionszone empfängt; einen Erwärmer, der das Gas erwärmt; einen Reflektor, der das gestreute Licht reflektiert und zu dem Lichtempfangselement leitet, wobei: der Reflektor beinhaltet: einen ersten ellipsoidförmigen Abschnitt, von dem wenigstens ein Abschnitt in einer Zone zwischen der Detektionszone und dem Lichtempfangselement ist, wobei der erste ellipsoidförmige Abschnitt eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt einer Umlaufoberfläche eines Sphäroids definiert; und einen ersten sphärischen Abschnitt in einer Zone an einer Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu einer dem Lichtempfangselement zu eigenen Seite relativ zu der Detektionszone, wobei der erste sphärische Abschnitt eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt einer sphärischen Oberfläche einer Sphäre definiert, wobei der erste ellipsoidförmige Abschnitt einen ersten Brennpunkt, der einer von zwei Brennpunkten einer Ellipse des Sphäroids des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes mit Lage in der Detektionszone ist, und einen zweiten Brennpunkt, der der andere der zwei Brennpunkte mit Lage an oder nahe an dem Lichtempfangselement ist, aufweist, und der erste sphärische Abschnitt ein Zentrum eines Kreises der Sphäre mit Lage in der Detektionszone aufweist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden sowohl eine Größenverringerung wie auch eine verbesserte Effizienz ohne Weiteres auch dann realisiert, wenn ein Teilchensensor einen einen Erwärmer einsetzenden Erwärmungsmechanismus verwendet.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine Querschnittsansicht zur schematischen Darstellung einer Gesamtausgestaltung eines Teilchensensors entsprechend Ausführungsform 1.
2 ist ein Diagramm zur Darstellung von optischen Elementen des Teilchensensors entsprechend Ausführungsform 1 in der XZ-Ebene.
3 ist ein Diagramm zur Darstellung von optischen Elementen des Teilchensensors entsprechend Ausführungsform 1 in der XY-Ebene.
4 ist ein Diagramm zur Darstellung von Wirkungen eines Reflektors, der in dem Teilchensensor entsprechend Ausführungsform 1 beinhaltet ist.
5 ist ein Diagramm zur Darstellung von optischen Elementen eines Teilchensensors entsprechend Ausführungsform 2 in der XZ-Ebene.
6 ist ein Diagramm zur Darstellung von optischen Elementen des Teilchensensors entsprechend Ausführungsform 2 in der XY-Ebene.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen entsprechend der vorliegenden Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben. Die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen sind jeweils lediglich ein spezifisches Beispiel für die vorliegende Erfindung. Damit sind Werte, Formen, Materialien, Komponenten sowie die Anordnung und Verbindung zwischen den Komponenten so, wie sie bei den nachfolgenden Ausführungsformen dargestellt sind, lediglich beispielhalber angeführt und sollen die vorliegende Erfindung nicht beschränken. Daher sind von den Komponenten bei den nachfolgenden Ausführungsformen diejenigen Komponenten, die in keinem der unabhängigen Ansprüche, die das abstrakteste Konzept der vorliegenden Erfindung angeben, aufgeführt sind, als beliebige Komponenten beschrieben.
Die Figuren sind schematische Ansichten und zeigen die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise genau. In den Figuren werden dieselben Bezugszeichen zur Bezeichnung der im Wesentlichen selben Ausgestaltungen verwendet, wobei eine doppelte Beschreibung unterbleibt oder vereinfacht wird.
Die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse sind im Sinne der vorliegenden Beschreibung und der Figuren eine Darstellung der drei Achsen eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems, wobei die Z-Achsen-Richtung die vertikale Richtung ist, während die Richtung senkrecht zur Z-Achse (Richtung parallel zur XY-Ebene) die horizontale Richtung ist.
Ausführungsform 1
Zunächst wird ein Teilchensensor 1 entsprechend Ausführungsform 1 anhand 1 beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht zur schematischen Darstellung einer Gesamtausgestaltung des Teilchensensors 1 entsprechend Ausführungsform 1.
Wie in 1 gezeigt ist, ist der Teilchensensor 1 ein optisch-elektronischer Sensor, der ein Lichtprojektionselement 10 und ein Lichtempfangselement 20 beinhaltet. Der Teilchensensor 1 detektiert Teilchen in der Luft durch Empfangen von gestreutem Licht unter Verwendung des Lichtempfangselementes 20. Das gestreute Licht ist Licht, das von dem Lichtprojektionselement 10 zu einem Gas in einer Detektionszone DA emittiert und von Teilchen in dem Gas in der Detektionszone DA reflektiert wird.
Der Teilchensensor 1 beinhaltet entsprechend der vorliegenden Ausführungsform des Weiteren einen Erwärmer 30, einen Reflektor 40 und ein Gehäuse 50 zusätzlich zu dem Lichtprojektionselement 10 und dem Lichtempfangselement 20. Das Lichtprojektionselement 10, das Lichtempfangselement 20, der Erwärmer 30 und der Reflektor 40 sind innerhalb des Gehäuses 50 angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind das Lichtprojektionselement 10 und das Lichtempfangselement 20 in dem Gehäuse 50 derart angeordnet, dass die optische Achse des Lichtprojektionselementes 10 und die optische Achse des Lichtempfangselementes 20 einander in der Detektionszone DA schneiden.
Die Detektionszone DA ist eine Aerosoldetektionszone (Aerosolmesssektion), die eine Zone zum Erfassen von Teilchen (Aerosol) in einem Gas, das den Messgegenstand darstellt, ist. Die Detektionszone DA ist eine Lichtstreuungssektion, in der Licht von Teilchen in der Luft gestreut wird. Mit anderen Worten, in der Detektionszone DA wird das Licht, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, von Teilchen in der Luft reflektiert, und es wird gestreutes Licht erzeugt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Detektionszone DA in einem Strömungskanal 51 in dem Gehäuse 50 vorgesehen und beinhaltet einen Schnittpunkt zwischen der optischen Achse des Lichtprojektionselementes 10 und der optischen Achse des Lichtempfangselementes 20. In der Detektionszone DA ist φ beispielsweise gleich 2 mm.
Der Strömungskanal 51 ist ein Gasdurchgang, der Gas (beispielsweise Luft), das in das Gehäuse 50 eingeleitet wird, um Teilchen in dem Gas zu messen, hindurchleitet. Der Strömungskanal 51 dient auch als Teilchenströmungskanal, der die in dem Gas (beispielsweise Luft) enthaltenen Teilchen zusammen mit dem Gas hindurchleitet.
Der Strömungskanal 51 ist beispielsweise eine im Allgemeinen zylinderförmige Zone oder eine im Allgemeinen quadratisch-rohrförmige Zone, die von der Innenoberfläche (Innenwand) des Gehäuses 50 umgeben ist und die Detektionszone DA enthält. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Strömungskanal 51 ein geradliniger bzw. linearer Strömungskanal, der sich von einem Lufteinlass 52 zu einem Luftauslass 53 erstreckt. Ein zu messendes Gas wird von dem Lufteinlass 52 her in den Strömungskanal 51 eingeleitet, gelangt durch die Detektionszone DA und wird an dem Luftauslass 53 abgegeben.
Das Lichtprojektionselement 10 ist eine Lichtquelle (Lichtemitter), die Licht emittiert, das eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist. Das Lichtprojektionselement 10 ist beispielsweise ein Licht emittierendes Element, das infrarotes Licht, blaues Licht, grünes Licht, rotes Licht oder UV-Licht emittiert. Das Lichtprojektionselement 10 ist unter anderem ein Licht emittierendes Festkörperelement, so beispielsweise eine LED oder ein Halbleiterlaser. Alternativ kann das Lichtprojektionselement 10 auch dafür ausgelegt sein, Licht zu emittieren, das ein Gemisch aus zwei oder mehr Wellenlängen aufweist. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist das Lichtprojektionselement 10 eine optische Achse auf, die beispielsweise durch die Detektionszone DA verläuft.
Man beachte, dass eine kürzere Emissionswellenlänge des Lichtprojektionselementes 10 die Detektion von klein bemessenen Teilchen erleichtert. Darüber hinaus unterliegt das Schema der Steuerung bzw. Regelung der Lichtemission des Lichtprojektionselementes 10 keiner speziellen Beschränkung. Alternativ kann das Licht, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, als kontinuierliches Licht oder gepulstes Licht beispielsweise mittels Gleichstrom erzeugt werden. Alternativ kann sich die Größe der Ausgabe des Lichtprojektionselementes 10 mit der Zeit ändern.
Das Lichtempfangselement 20 ist eine Lichtempfangssektion, die gestreutes Licht empfängt, das dasjenige Licht ist, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert und von den Teilchen in dem Gas in der Detektionszone DA gestreut wird. Das Lichtempfangselement 20 ist beispielsweise ein Element, das Licht empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Beispiele für das Lichtempfangselement 20 beinhalten eine Fotodiode, eine Foto-IC-Diode, einen Fototransistor und einen Fotomultiplier.
Der Erwärmer 30 erwärmt das Gas (Luft). Der Erwärmer 30 wirkt als Luftströmungsgenerator, der eine Luftströmung zur Erleichterung der Strömung der Luft in dem Strömungskanal 51 erzeugt. Mit anderen Worten, das Erwärmen des Gases durch den Erwärmer 30 erleichtert das Einleiten des Teilchen enthaltenden Gases in die Detektionszone DA. Der Erwärmer 30 ist beispielsweise ein Erwärmerwiderstand, der kostengünstig verfügbar ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Erwärmer 30 innerhalb des Strömungskanals 51 angeordnet. Mit anderen Worten, der Erwärmer 30 erwärmt die Luft in dem Strömungskanal 51. Insbesondere ist der Erwärmer 30 vertikal unter der Detektionszone DA angeordnet. Entsprechend erzeugt in dem Fall, in dem der Erwärmer 30 ein Erwärmerwiderstand ist, der Erwärmerwiderstand Wärme, wenn Spannung an dem Erwärmerwiderstand anliegt, es wird die Luft um den Erwärmerwiderstand herum erwärmt, es nimmt die Luftdichte ab, und es bewegt sich die Luft vertikal nach oben, also entgegen der Schwerkraft. Mit anderen Worten, wenn die Luft in dem Strömungskanal 51 von dem Erwärmer 30 erwärmt wird, wird eine Luftstömung vertikal nach oben (Aufwärtssog bzw. updraft) erzeugt.
Das zu messende Gas (Luft) kann auf vorbeschriebene Weise einfach in das Gehäuse 50 (Strömungskanal 51) durch den Erwärmer 30, der die Luft in dem Strömungskanal 51 erwärmt, gesogen werden, wodurch ermöglicht wird, dass im Vergleich zu dem Fall, in dem kein Erwärmer 30 verwendet wird, mehr Teilchen in dem Teilchensensor 1 erfasst werden. Damit nimmt die Menge der Teilchen pro Einheitsvolumen in der Detektionszone DA, die in dem Strömungskanal 51 beinhaltet ist, zu, wodurch die Empfindlichkeit der Detektionszone DA zunimmt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Erwärmer 30 an oder nahe an dem Lufteinlass 52 angeordnet. Der Lufteinlass 52, der Erwärmer 30, die Detektionszone DA und der Luftauslass 53 sind kollinear entlang des Strömungskanals 51 angeordnet.
Man beachte, dass ermöglicht wird, dass die Luft durch den Strömungskanal 51 sogar dann strömt, wenn der Erwärmer 30 nicht in Betrieb ist. Mit anderen Worten, der Teilchensensor 1 ist dazu in der Lage, Teilchen in der Luft auch dann zu detektieren, wenn der Erwärmer 30 nicht in Betrieb ist.
Der Reflektor 40 ist ein reflexionsfähiges Element, das das gestreute Licht reflektiert, das dasjenige Licht ist, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert und von Teilchen in der Detektionszone DA gestreut wird. Der Reflektor 40 leitet das gestreute Licht zu dem Lichtempfangselement 20. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Reflektor 40 ein Sammelspiegel, der das Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA reflektiert und an dem Lichtempfangselement 20 sammelt.
Der Reflektor 40 beinhaltet einen ersten ellipsoidförmigen Abschnitt (erste ellipsoidförmige Zone) 41e und einen ersten sphärischen Abschnitt (erste sphärische Zone) 41c. Der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e ist ein primäres reflexionsfähiges Element (erstes reflexionsfähiges Element) des Reflektors 40. Der erste sphärische Abschnitt 41c ist ein reflexionsfähiges Hilfselement (zweites reflexionsfähiges Element) des Reflektors 40.
Der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e ist in einer Zone zwischen der Detektionszone DA und dem Lichtempfangselement 20 angeordnet. Insbesondere ist der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e zwischen dem Strömungskanal 51 und einer Lichtempfangsoberfläche des Lichtempfangselementes 20 angeordnet.
Des Weiteren weist der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e eine Innenoberflächenform auf, die einen Abschnitt einer Umlaufoberfläche eines Sphäroids definiert. Mit anderen Worten, der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e ist ein ellipsoidförmiger Spiegel, von dem eine Innenoberfläche (reflexionsfähige Oberfläche) eine Form aufweist, die eine Form des Abschnittes des Sphäroids definiert, wobei eine Querschnittsform der Innenoberfläche des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e einen Abschnitt einer Ellipse definiert.
Der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e weist eine Öffnung auf, die sich hin zu dem Strömungskanal 51 derart öffnet, dass das gestreute Licht von der Detektionszone DA auf den Reflektor 40 einfallen kann. Insbesondere öffnet sich die Öffnung des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e hin zu der Detektionszone DA. Man beachte, dass der Strömungskanal 51 eine erste Öffnung entsprechend der Öffnung des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e aufweist. Die erste Öffnung des Strömungskanals 51 weist eine Größe auf, die im Wesentlichen gleich der Größe der Öffnung des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e ist.
Wenigstens ein Abschnitt des ersten sphärischen Abschnittes 41c ist in einer Zone an einer Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite relativ zu der Detektionszone DA angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der erste sphärische Abschnitt 41c insgesamt in der Zone an der Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite relativ zu der Detektionszone DA angeordnet. Anders gesagt, unter Verwendung der Detektionszone DA (Lichtstreuungssektion) als Ursprungspunkt des Koordinatensystems ist der erste sphärische Abschnitt 41c teilweise oder gänzlich um 90° oder mehr im Gegenuhrzeigersinn um den Ursprung herum von dem Lichtempfangselement 20 entfernt.
Insbesondere ist der erste sphärische Abschnitt 41c derart angeordnet, dass der Strömungskanal 51 zwischen dem ersten sphärischen Abschnitt 41c und dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e befindlich ist. Der erste sphärische Abschnitt 41c ist derart angeordnet, dass die Innenoberfläche hiervon zu der Lichtempfangsoberfläche des Lichtempfangselementes 20 orientiert ist.
Des Weiteren weist der erste sphärische Abschnitt 41c eine Innenoberflächenform auf, die einen Abschnitt einer sphärischen Oberfläche einer Sphäre definiert. Mit anderen Worten, der erste sphärische Abschnitt 41c ist ein sphärischer Spiegel, von dem eine Innenoberfläche (reflexionsfähige Oberfläche) eine Form aufweist, die eine Form des Abschnittes der sphärischen Oberfläche definiert, wobei eine Querschnittsform der Innenoberfläche des ersten sphärischen Abschnittes 41c einen Abschnitt eines Kreises definiert.
Der erste sphärische Abschnitt 41c weist eine Öffnung auf, die sich hin zu dem Strömungskanal 51 derart öffnet, dass das gestreute Licht aus der Detektionszone DA auf den Reflektor 40 einfallen kann. Insbesondere öffnet sich die Öffnung des ersten sphärischen Abschnittes 41c hin zu der Detektionszone DA. Man beachte, dass der Strömungskanal 51 eine zweite Öffnung entsprechend der Öffnung des ersten sphärischen Abschnittes 41c aufweist. Die zweite Öffnung des Strömungskanals 51 soll ermöglichen, dass das Licht, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, hindurchgelangt. Damit weist die zweite Öffnung des Strömungskanals 51 eine Größe auf, die größer als die Größe der Öffnung des ersten sphärischen Abschnittes 41c ist.
Die Innenoberfläche des Reflektors 40 (erster ellipsoidförmiger Abschnitt 41e, erster sphärischer Abschnitt 41c) ist eine reflexionsfähige Oberfläche. Die Innenoberfläche des Reflektors 40 kann beispielsweise eine Oberfläche sein, bei der weniger wahrscheinlich ist, dass sie gestreutes Licht erzeugt, und ist eine Oberfläche (beispielsweise eine verspiegelte Oberfläche), die eine niedrige Absorption und eine hohe Reflexionsfähigkeit aufweist. Sie kann eine große Menge von Licht, das auf den Reflektor 40 einfällt, zu dem Lichtempfangselement 20 leiten. Der Reflektor 40 kann ein Basiselement beinhalten, das aus Metall oder dergleichen besteht, damit die Innenoberfläche selbst eine reflexionsfähige Oberfläche sein kann. Alternativ kann der Reflektor 40 ein Harz- oder Metallbasiselement beinhalten, dessen Innenoberfläche einen reflexionsfähigen Film aufweist, der darauf ausgebildet ist und als reflexionsfähige Oberfläche wirkt. Beispiele für den reflexionsfähigen Film beinhalten reflexionsfähige Metallfilme, die aus Aluminium, Gold, Silber, Kupfer und dergleichen bestehen, einen spiegelnden reflexionsfähigen Film und eine dielektrische Multischicht.
Das Gehäuse 50 ist ein Kasten, der das Lichtprojektionselement 10, das Lichtempfangselement 20, den Erwärmer 30 und den Reflektor 40 aufnimmt. Insbesondere ist das Gehäuse 50 derart ausgestaltet, dass es das Lichtprojektionselement 10, das Lichtempfangselement 20, den Erwärmer 30 und den Reflektor 40 halten kann. Das Gehäuse 50 ist beispielsweise ein flacher, rechteckiger, parallelepipedförmiger, kastenförmiger Harzkasten.
Das Gehäuse 50 weist den Lufteinlass 52 zum Einleiten der Luft in den Strömungskanal 51 und den Luftauslass 53 zum Abgeben der Luft aus dem Strömungskanal 51 auf.
Der Lufteinlass 52 ist eine Luftzuleitung (Lufteingang) zum Zuleiten eines Gases, so beispielsweise von Luft, die außerhalb des Teilchensensors 1 vorhanden ist, ins Innere (Strömungskanal 51) des Teilchensensors 1. Der Lufteinlass 52 ist der Lufteingang in das Gehäuse 50.
Der Luftauslass 53 ist demgegenüber eine Luftauslass (Luftausgang) zum Abgeben der Luft im Inneren (Strömungskanal 51) des Teilchensensors 1 aus dem Teilchensensor 1. Der Luftauslass 53 ist ein Luftausgang aus dem Gehäuse 50.
Der Lufteinlass 52 steht in Verbindung mit einem Ende des Strömungskanals 51, während der Luftauslass 53 in Verbindung mit dem anderen Ende des Strömungskanals 51 steht. Es wird Teilchen enthaltende Luft (zu messendes Gas) in das Gehäuse 50 von dem Lufteinlass 52 her eingeleitet, es wird der Luft das Strömen in die Detektionszone DA durch den Strömungskanal 51 ermöglicht, und es wird die Luft aus dem Gehäuse 50 über den Luftauslass 53 abgegeben. Man beachte, dass eine Ausgestaltung derart, dass die offene Zone des Lufteinlasses 52 größer als die offene Zone des Luftauslasses 53 ist, ermöglicht, dass die Luft effizienter in das Gehäuse 50 eingeleitet und aus diesem abgegeben wird.
Als Nächstes werden anhand 1 die Positionsbeziehung zwischen dem Lichtprojektionselement 10, dem Lichtempfangselement 20, dem Reflektor 40 und der Detektionszone DA in dem Teilchensensor 1 und die optischen Wirkungen hiervon entsprechend der vorliegenden Ausführungsform detailliert anhand 2 und 3 beschrieben. 2 ist ein Diagramm zur Darstellung von optischen Elementen des Teilchensensors 1 entsprechend der Ausführungsform 1 in der XZ-Ebene. 3 ist ein Diagramm zur Darstellung von optischen Elementen des Teilchensensors 1 in der XY-Ebene. Insbesondere zeigen 2 und 3 das Lichtprojektionselement 10, das Lichtempfangselement 20, den Reflektor 40 und die Detektionszone DA als optische Elemente des Teilchensensors 1.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, ist der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e des Reflektors 40 ein ellipsoidförmiger Spiegel und als Sphäroid ausgestaltet. Der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e verfügt über einen Brennpunkt F₁₁ (erster Brennpunkt), der einer der beiden Brennpunkte F₁₁ und F₁₂ einer Ellipse des Sphäroids mit Lage in der Detektionszone DA ist, und einen Brennpunkt F₁₂ (zweiter Brennpunkt), der der andere der beiden Brennpunkte F₁₁ und F₁₂ mit Lage an oder nahe an dem Lichtempfangselement 20 ist. Mit anderen Worten, die Detektionszone DA ist derart ausgestaltet, dass sie den Brennpunkt F₁₁ der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e beinhaltet, wobei das Lichtempfangselement 20 an oder nahe an dem Brennpunkt F₁₂ der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e angeordnet ist.
Das Platzieren des Brennpunktes F₁₁ der Ellipse der Innenoberfläche des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e in Bezug auf die Detektionszone DA und das Platzieren des Brennpunktes F₁₂ der Ellipse in Bezug auf das Lichtempfangselement 20 als solches ermöglichen, dass Licht zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite (das Licht wandert zu der Zone auf der rechten Seite relativ zu der Detektionszone DA in 2 und 3) von dem Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA wandert, von dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e weg reflektiert wird und auf das Lichtempfangselement 20 einfällt.
Darüber hinaus ist, wie in 2 und 3 gezeigt ist, der erste sphärische Abschnitt 41c des Reflektors 40 ein sphärischer Spiegel, der aus einer Sphäre gebildet ist. Der erste sphärische Abschnitt 41c verfügt über ein Zentrum O₁ (Zentrum der Sphäre) eines Kreises der Sphäre mit Lage in der Detektionszone DA. Bei der vorliegenden Ausführungsform fallen das Zentrum O₁ des Kreises in dem ersten sphärischen Abschnitt 41c und der Brennpunkt F₁₁ (erster Brennpunkt) der Ellipse in dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e zusammen. Das Zentrum O₁ des Kreises in dem ersten sphärischen Abschnitt 41c fällt zudem mit dem Zentrum der Detektionszone DA zusammen.
Das Platzieren des Zentrums O₁ des ersten sphärischen Abschnittes 41c in Bezug auf die Detektionszone DA als solche ermöglicht, dass Licht, das zu einer Seite (das Licht wandert zu einer Zone auf der linken Seite relativ zu der Detektionszone DA in 2 und 3) entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite wandert, von dem ersten sphärischen Abschnitt 41c zurück zu der Detektionszone DA mit Bereitstellung in Bezug auf den Brennpunkt F₁₁ der Ellipse in dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e von dem Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA reflektiert wird. Da die Detektionszone DA den Brennpunkt F₁₁ der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e beinhaltet, gelangt das Licht, das zu der Detektionszone DA zurückkehrt, durch die Detektionszone DA, wird von dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e reflektiert und fällt auf das Lichtempfangselement 20, das in Bezug auf den Brennpunkt F₁₂ angeordnet ist, ein.
Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Kreis des ersten sphärischen Abschnittes 41c die Detektionszone DA. Mit anderen Worten, der Durchmesser des Kreises des ersten sphärischen Abschnittes 41c ist größer als der Durchmesser der Detektionszone DA. Darüber hinaus ist der Durchmesser des Kreises des ersten sphärischen Abschnittes 41c vorzugsweise größer als die Länge der Hauptachse der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e, vermindert um einen Brennpunkt-zu-Brennpunkt-Abstand (Abstand zwischen dem Brennpunkt F₁₁ und dem Brennpunkt F₁₂).
Wie in 1 gezeigt ist, wird das Licht, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, an der Detektionszone DA fokussiert. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Licht, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, an dem Brennpunkt F₁₁ fokussiert. Beispielsweise durch Anordnen eines optischen Elementes (beispielsweise einer Projektionslinse) vor dem Lichtprojektionselement 10 wird ermöglicht, dass das Licht (Projektionsstrahl), das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, an der Detektionszone DA (Brennpunkt F₁₁) fokussiert wird. Eine Sammellinse, die beispielsweise aus einer transparenten Harzlinse oder Glaslinse besteht, kann beispielsweise vor dem Lichtprojektionselement 10 angeordnet sein. In diesem Fall fällt der Brennpunkt des Lichtes, das aus der Sammellinse austritt, mit dem Brennpunkt F₁₁ zusammen. Alternativ kann anstelle einer Sammellinse auch eine Kollimationslinse vor dem Lichtprojektionselement 10 angeordnet werden. In diesem Fall kann Licht, das aus der Kollimationslinse austritt, an dem Brennpunkt F₁₁ unter Verwendung einer Apertur fokussiert werden.
Indem man den Brennpunkt des Lichtes, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, mit dem Brennpunkt F₁₁ der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e als solches zusammenfallen lässt, wird eine große Lichtdichte ermöglicht, wodurch die Menge des Lichtes, das durch die Teilchen in der Detektionszone DA gestreut wird, erhöht wird. Die Detektionseffizienz von Teilchen wird so weiter vergrößert.
Der Teilchensensor 1 mit vorbeschriebenem Aufbau detektiert Teilchen beispielsweise folgendermaßen.
Wird Luft von dem Lufteinlass 52 in den Teilchensensor 1 (Gehäuse 50) gesogen, so wird die Luft zu der Detektionszone D1 über den Strömungskanal 51 in dem Gehäuse 50 geleitet.
Wenn in diesem Fall die Luft Teilchen beinhaltet (Aerosol), so wird das Licht, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, durch die Teilchen in der Detektionszone DA gestreut. Ein Teil des Lichtes mit Streuung durch die Teilchen wird von dem Reflektor 40 reflektiert und zu dem Lichtempfangselement 20 geleitet. Fällt das Licht auf das Lichtempfangselement 20 ein, so wird ein vorbestimmtes Signal von dem Lichtempfangselement 20 ausgegeben, wodurch das Vorhandensein von Teilchen in der Luft, die in den Teilchensensor 1 eingeleitet wird, zu erkennen ist.
Darüber hinaus können die Größen der Teilchen (Teilchengrößen) aus der Stärke des Signals bestimmt werden, das von dem Lichtempfangselement 20 ausgegeben wird, das heißt aus der Stärke der Lichtintensität des durch die Teilchen gestreuten Lichtes. Damit kann bestimmt werden, ob die Teilchen in der Luft Staub, Pollen, Rauch oder PM 2,5 (Partikel) sind.
Da des Weiteren jede der Signalausgaben durch das Lichtempfangselement 20, das heißt jeder der Peaks der Lichtintensität des durch die Teilchen gestreuten Lichtes jedem der Teilchen entspricht, kann die Anzahl (Menge) der Teilchen in der Luft, die in den Teilchensensor 1 eingeleitet werden, ebenfalls berechnet werden.
Wenn demgegenüber die Luft, die in den Teilchensensor 1 eingeleitet wird, kein Teilchen beinhaltet, strömt kein Teilchen in die Detektionszone DA. Im Ergebnis gelangt das Licht, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, geradewegs durch die Detektionszone DA, und es wird kein gestreutes Licht erzeugt. Infolgedessen zeigt das Lichtempfangselement 20 in diesem Fall im Wesentlichen keine Reaktion, und es ist zu erkennen, dass kein Teilchen in der in den Teilchensensor 1 eingeleiteten Luft vorhanden ist.
Als Nächstes werden Wirkungen des Reflektors 40, der in dem Teilchensensor 1 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet ist, anhand 4 beschrieben. 4 ist ein Diagramm zur Darstellung von Wirkungen des Reflektors 40, der in dem Teilchensensor 1 entsprechend Ausführungsform 1 beinhaltet ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Reflektor 40 in der Zone zwischen der Detektionszone DA und dem Lichtempfangselement 20 angeordnet und beinhaltet den ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e, der eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt einer Umlaufoberfläche eines Sphäroids definiert. Hierdurch wird, wie vorstehend beschrieben worden ist, ermöglicht, dass Licht, das zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite von dem Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA wandert, von dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e reflektiert wird und auf das Lichtempfangselement 20 einfällt. Mit anderen Worten, die Verwendung des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e, dessen reflexionsfähige Oberfläche eine ellipsoidförmige Oberfläche ist, ermöglicht es zu bewirken, dass Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA eine geringe Anzahl von Malen (ein Mal oder einige wenige Male) reflektiert wird und auf das Lichtempfangselement 20 einfällt. Dies kann verhindern, dass das Licht mehrere Male reflektiert und gedämpft wird, wodurch die Lichtempfangseffizienz in dem Lichtempfangselement 20 vergrößert wird. Im Ergebnis nimmt die Detektionseffizienz von Teilchen zu.
Angedacht ist zudem, einen Reflektor, so beispielsweise einen ellipsoidförmigen Spiegel, in herkömmliche Teilchensensoren aufzunehmen, um zu bewirken, dass der Reflektor das Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA (Lichtstreuungssektion) reflektiert und das Lichtempfangselement das reflektierte Licht empfängt. In diesem Fall ist der herkömmliche Reflektor 400, wie durch die gepunktete Linie in 4 angedeutet ist, ein ellipsoidförmiger Spiegel, in dem der Reflektor 400 eine insgesamt ellipsoidförmige Form aufweist.
Wenn daher das Lichtempfangselement 20 nahe an der Detektionszone DA zu Zwecken der Größenverringerung, wie in 4 gezeigt ist, angeordnet ist, ergibt sich die Zone A₀ (Nullzone), in der das Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA nicht auf das Lichtempfangselement 20 einfällt. Infolgedessen nimmt die Detektionseffizienz der Teilchen ab. Man beachte, dass die Nullzone durch die geraden Linien zwischen dem Zentrum der Detektionszone DA und dem offenen Ende des Reflektors 400 auf der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite definiert ist. Der Bereich der Nullzone ist durch den Nullwinkel θ dargestellt.
Im Gegensatz hierzu ist in dem Teilchensensor 1 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform der Umriss der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e des Reflektors 40 kleiner als der Umriss der Ellipse des Reflektors 400, wie durch die gepunktete Linie angedeutet ist. Dies ermöglicht eine Verschmälerung der Zone A₁ (Nullzone), in der das Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA nicht auf das Lichtempfangselement 20 einfällt, im Vergleich zu dem Fall, in dem der Reflektor 400 verwendet wird. Mit anderen Worten, es wird der Nullwinkel θ verringert.
In diesem Fall führt das einfache analoge Verringern des Gesamtumrisses der gesamten Ellipse des Reflektors 400 zu einer Verringerung der Querschnittszone bzw. Querschnittsfläche (Bohrung) des Strömungskanals 51 in der Detektionszone DA in dem Ausmaß, in dem der Umriss verringert wird. Dies schließt die Möglichkeit der Anordnung des Reflektors 400 mit verringertem Umriss in der Umgebung der Detektionszone DA aus oder vergrößert sogar dann, wenn der Reflektor 400 angeordnet werden kann, den Druckabfall in dem Strömungskanal 51, was zu einer Abnahme der Detektionseffizienz führt.
Im Gegensatz hierzu ist bei dem Teilchensensor 1 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform der Reflektor 40 in einer Zone an der Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite relativ zu der Detektionszone DA angeordnet und beinhaltet den ersten sphärischen Abschnitt 41c, der eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt der sphärischen Oberfläche der Sphäre definiert.
Dementsprechend kann auch dann, wenn der Reflektor 40 (erster sphärischer Abschnitt 41c) in der Umgebung der Detektionszone DA angeordnet ist, die Querschnittszone bzw. Querschnittsfläche (Bohrung) des Strömungskanals 51 in der Umgebung der Detektionszone DA im Vergleich zur Anordnung des Reflektors 400 mit insgesamt ellipsoidförmiger Form vergrößert werden. Damit wird der Druckabfall in dem Strömungskanal 51 gehemmt, wodurch die Detektionseffizienz von Teilchen zunimmt.
Darüber hinaus weist der erste sphärische Abschnitt 41c ein Zentrum O₁ des Kreises der Sphäre mit Lage in der Detektionszone DA auf.
Dies ermöglicht, dass Licht, das zu der Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite wandert, durch den ersten sphärischen Abschnitt 41c zurück zu der Detektionszone DA von dem Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA reflektiert wird. Sodann werden das Licht, das durch den ersten sphärischen Abschnitt 41c zurück zu der Detektionszone DA (Brennpunkt F₁₁) reflektiert wird, und das Licht, das zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite wandert, von dem Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA von dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e reflektiert und fallen auf das Lichtempfangselement 20 ein, das in Bezug auf den Brennpunkt F₁₂ angeordnet ist.
Das Bereitstellen nicht nur des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e, sondern auch des ersten sphärischen Abschnittes 41c als solches ermöglicht, dass das Licht zu der Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite von dem Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA zur effektiven Erfassung in dem Lichtempfangselement 20 wandert. Damit nimmt die Lichtempfangseffizienz in dem Lichtempfangselement 20 weiter zu, wodurch die Detektionseffizienz von Teilchen weiter zunimmt.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, beinhaltet entsprechend dem Teilchensensor 1 der vorliegenden Ausführungsform der Reflektor 40 den ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e und den ersten sphärischen Abschnitt 41c. Hierdurch wird die Detektionseffizienz von Teilchen vergrößert, während die Nullzone A₁ mit Lage an oder nahe an dem Lichtempfangselement 20 auch dann verschmälert wird, wenn ein Erwärmungsmechanismus, in dem die Luft in die Detektionszone DA durch den Erwärmer 30 eingeleitet wird, eingesetzt wird, wobei die Gesamtgröße des Sensors verringert wird. Mit anderen Worten, sowohl die Größenverringerung wie auch die verbesserte Effizienz werden ohne Weiteres auch dann erreicht, wenn ein Teilchensensor einen einen Erwärmer 30 einsetzenden Erwärmungsmechanismus verwendet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Durchmesser des Kreises in dem ersten sphärischen Abschnitt 41c größer als der lange Durchmesser der Ellipse in dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41a, vermindert um den Brennpunkt-zu-Brennpunkt-Abstand sein.
Dies ermöglicht eine Größenverringerung des Reflektors 40 als Ganzes, ohne die Größe des Reflektors 40 in der Umgebung der Detektionszone DA zu ändern (Lichtempfangssektion).
Bei der vorliegenden Ausführungsform fallen das Zentrum O₁ des Kreises in dem ersten sphärischen Abschnitt 41c und der Brennpunkt F₁₁ (erster Brennpunkt) der Ellipse in dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e zusammen.
Dies ermöglicht, dass Licht, das von dem ersten sphärischen Abschnitt 41c zurück zu der Detektionszone DA reflektiert worden ist (Brennpunkt F₁₁), von dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e reflektiert wird und auf das Lichtempfangselement 20 einfällt (Brennpunkt F₁₂), indem man das Zentrum der Detektionszone DA mit dem Brennpunkt F₁₂ (zweiter Brennpunkt) der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e zusammenfallen lässt. Mit anderen Worten, hierdurch wird ermöglicht, dass das Licht, das von dem ersten sphärischen Abschnitt 41c reflektiert wird, effizient auf das Lichtempfangselement 20 einfällt. Damit nimmt die Lichtempfangseffizienz in dem Lichtempfangselement 20 zu, wodurch die Detektionseffizienz von Teilchen weiter vergrößert wird.
Ausführungsform 2
Als Nächstes wird ein Teilchensensor 2 entsprechend Ausführungsform 2 anhand 5 und 6 beschrieben. 5 ist ein Diagramm zur Darstellung von optischen Elementen des Teilchensensors 2 entsprechend Ausführungsform 2 in der XZ-Ebene. 6 ist ein Diagramm zur Darstellung von optischen Elementen des Teilchensensors 2 in der XY-Ebene.
Wie in 5 und 6 gezeigt ist, weist der Teilchensensor 2 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform dieselbe Ausgestaltung wie der Teilchensensor 1 entsprechend Ausführungsform 1 auf, jedoch mit der Ausnahme, dass der Reflektor 40, der in dem Teilchensensor 2 beinhaltet ist, zudem einen zweiten sphärischen Abschnitt (zweite sphärische Zone) 42c und einen zweiten ellipsoidförmigen Abschnitt (zweite ellipsoidförmige Zone) 42e beinhaltet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind der zweite sphärische Abschnitt 42c und der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e reflexionsfähige Hilfselemente, die in dem Reflektor 40 beinhaltet sind.
Wenigstens ein Abschnitt des zweiten sphärischen Abschnittes 42c ist in einer Zone an einer Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der der Detektionszone DA zu eigenen Seite relativ zu dem Brennpunkt F₁₂ (zweiter Brennpunkt) einer Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der zweite sphärische Abschnitt 42c gänzlich in einer Zone an der Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der der Detektionszone DA zu eigenen Seite relativ zu dem Brennpunkt F₁₂ angeordnet. Mit anderen Worten, in 5 und 6 ist der zweite sphärische Abschnitt 42c in einer Zone auf der rechten Seite relativ zu dem Brennpunkt F₁₂ (zweiter Brennpunkt) angeordnet. Anders gesagt, unter Verwendung des Lichtempfangselementes 20 als Ursprungspunkt des Koordinatensystems ist der zweite sphärische Abschnitt 42c teilweise oder gänzlich um 90° oder mehr im Gegenuhrzeigersinn um den Ursprung herum von der Detektionszone DA entfernt.
Insbesondere ist der zweite sphärische Abschnitt 42c zwischen dem Lichtempfangselement 20 und der Kante des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e auf der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite angeordnet und mit dem Lichtempfangselement 20 und der Kante des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e an der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite verbunden. Mit anderen Worten, der zweite sphärische Abschnitt 42c ist, wie in 4 gezeigt ist, in der Nullzone A₁ angeordnet.
Der zweite sphärische Abschnitt 42c ist mit Orientierung zu dem ersten sphärischen Abschnitt 41c über die Detektionszone DA angeordnet und weist eine Innenoberfläche mit Orientierung zu einer Innenoberfläche des ersten sphärischen Abschnittes 41c auf.
Der zweite sphärische Abschnitt 42c weist eine Innenoberflächenform auf, die einen Abschnitt einer sphärischen Oberfläche einer Sphäre definiert. Der zweite sphärische Abschnitt 42c weist ein Zentrum O₂ (Zentrum der Sphäre) eines Kreises der Sphäre mit Lage in der Detektionszone DA auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform fällt das Zentrum O₂ des Kreises des zweiten sphärischen Abschnittes 42c mit dem Zentrum der Detektionszone DA zusammen. Dies bedeutet, dass das Zentrum O₂ des Kreises des zweiten sphärischen Abschnittes 42c auch mit dem Zentrum O₁ des Kreises des ersten sphärischen Abschnittes 41c zusammenfällt. Damit sind der Kreis des zweiten sphärischen Abschnittes 42c und der Kreis des ersten sphärischen Abschnittes 41c konzentrisch. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Durchmesser des Kreises des zweiten sphärischen Abschnittes 42c größer als der Durchmesser des Kreises des ersten sphärischen Abschnittes 41c. Man beachte, dass das Zentrum O₂ des Kreises des zweiten sphärischen Abschnittes 42c zudem mit dem Brennpunkt F₁₁ der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e zusammenfällt.
Der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e ist in einer Zone an einer Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite relativ zu der Detektionszone DA angeordnet. Mit anderen Worten, in 5 und 6 ist der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e in einer Zone auf der linken Seite relativ zu der Detektionszone DA angeordnet.
Der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e ist derart vorgesehen, dass er an den ersten sphärischen Abschnitt 41c an einem Abschnitt des ersten sphärischen Abschnittes 41c anschließt. Insbesondere ist der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e in dem Bereich des Nullwinkels θ in dem ersten sphärischen Abschnitt 41c vorgesehen.
Der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e weist eine Innenoberflächenform auf, die einen Abschnitt der Umlaufoberfläche eines Sphäroids definiert. Der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e verfügt über einen Brennpunkt F₂₁ (erster Brennpunkt), der einer von zwei Brennpunkten F₂₁ und F₂₂ einer Ellipse des Sphäroids des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes 42e mit Lage in der Detektionszone DA ist, und einen Brennpunkt F₂₂ (zweiter Brennpunkt), der der andere der beiden Brennpunkte F₂₁ und F₂₂ mit Lage an oder nahe an dem Lichtempfangselement 20 ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform fallen die beiden Brennpunkte (Brennpunkt F₂₁ und Brennpunkt F₂₂) der Ellipse des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes 42e mit den beiden Brennpunkten (Brennpunkt F₁₁ und Brennpunkt F₁₂) der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e zusammen. Insbesondere fallen der Brennpunkt F₂₁ (erster Brennpunkt) der Ellipse des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes 42e und der Brennpunkt F₁₁ (erster Brennpunkt) der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e zusammen, und es fallen der Brennpunkt F₂₂ (zweiter Brennpunkt) der Ellipse des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes 42e und der Brennpunkt F₁₂ (zweiter Brennpunkt) des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e zusammen. Mit anderen Worten, der Brennpunkt F₂₁ der Ellipse des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes 42e ist in Bezug auf die Detektionszone DA, und der Brennpunkt F₂₂ der Ellipse des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes 42e ist in Bezug auf das Lichtempfangselement 20. Damit sind die Ellipse des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes 42e und die Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e analog zueinander. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Länge der Hauptachse (Nebenachse) der Ellipse des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes 42e größer als die Länge der Hauptachse (Nebenachse) der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes 41e.
Als Nächstes werden Wirkungen des Reflektors 40, der in dem Teilchensensor 2 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet ist, beschrieben.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, sind bei der vorliegenden Ausführungsform der zweite sphärische Abschnitt 42c, der das Zentrum O₂ in Bezug auf die Detektionszone DA aufweist, und der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e, der die beiden Brennpunkte F₂₁ und F₂₂ jeweils in Bezug auf die Detektionszone DA und das Lichtempfangselement 20 aufweist, auf diese Weise angeordnet. Hierdurch wird es möglich, dass Licht mit Streuung durch die Teilchen und Einfall auf die Nullzone A₁, siehe 4, auch in dem Lichtempfangselement 20 erfasst wird.
Mit anderen Worten, das Licht, das auf den zweiten sphärischen Abschnitt 42c von dem Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA einfällt, wird von dem zweiten sphärischen Abschnitt 42c zurück zu der Detektionszone DA reflektiert. Das Licht, das zu der Detektionszone DA von dem zweiten sphärischen Abschnitt 42c zurückgekehrt ist, gelangt durch die Detektionszone DA und fällt auf den zweiten ellipsoidförmigen Abschnitt 42e. Das Licht, das auf den zweiten ellipsoidförmigen Abschnitt 42e von dem zweiten sphärischen Abschnitt 42c einfällt, wird von dem zweiten ellipsoidförmigen Abschnitt 42e reflektiert und fällt direkt auf das Lichtempfangselement 20 ein, das in Bezug auf den Brennpunkt F₂₂ angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch das Licht, das durch die Teilchen gestreut wird und auf die Nullzone A₁, siehe 4, einfällt, in dem Lichtempfangselement 20 dadurch erfasst werden, dass zusätzlich der zweite sphärische Abschnitt 42c und der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e vorgesehen werden. Dies erhöht die Lichtempfangseffizienz in dem Lichtempfangselement 20 weiter, wodurch die Detektionseffizienz von Teilchen weiter vergrößert wird.
Von dem Licht mit Streuung durch die Teilchen in der Detektionszone DA wird das Licht, das zu der Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite wandert, von dem ersten sphärischen Abschnitt 41c reflektiert, weiter von dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e reflektiert und fällt sodann auf das Lichtempfangselement 20, siehe Ausführungsform 1, ein. Im Gegensatz hierzu fällt bei der vorliegenden Ausführungsform von dem Licht, das zu der Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement 20 zu eigenen Seite wandert, Licht, das auf den zweiten ellipsoidförmigen Abschnitt 42e einfällt und von diesem reflektiert wird, direkt auf das Lichtempfangselement 20 ein, ohne von dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e reflektiert zu werden. Dies hemmt eine Dämpfung des Lichtes infolge von Reflexionen, wodurch die Lichtempfangseffizienz in dem Lichtempfangselement 20 weiter vergrößert wird und auch die Detektionseffizienz von Teilchen weiter vergrößert wird.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, beinhaltet entsprechend dem Teilchensensor 2 der vorliegenden Ausführungsform der Reflektor 40 den zweiten sphärischen Abschnitt 42c und den zweiten ellipsoidförmigen Abschnitt 42e zusätzlich zu dem ersten ellipsoidförmigen Abschnitt 41e und dem ersten sphärischen Abschnitt 41c. Hierdurch wird eine weitere Steigerung der Detektionseffizienz von Teilchen im Vergleich zu dem Teilchensensor 1 entsprechend Ausführungsform 1 erreicht. Damit wird ein Teilchensensor, der sowohl eine Größenverringerung wie auch eine verbesserte Effizienz realisiert, noch einfacher implementiert.
Abwandlung
Obwohl der Teilchensensor entsprechend der vorliegenden Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 können beispielsweise der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e und der erste sphärische Abschnitt 41c in einem Stück oder auch als separate Komponenten ausgebildet sein. Obwohl der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e und der erste sphärische Abschnitt 41c, wie in 3 und 6 gezeigt ist, kontinuierlich ausgebildet sind, können der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e und der erste sphärische Abschnitt 41c auch getrennt voneinander angeordnet werden.
Alternativ kann bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 eine Lichtfalle (Labyrinth) vorgesehen sein, um Streulicht in dem Gehäuse 50 zu absorbieren. Die Lichtfalle ermöglicht eine weitere Steigerung der Erfassungseffizienz von Teilchen. Die Lichtfalle kann beispielsweise mit Orientierung zu dem Lichtprojektionselement 10 vorgesehen werden, um zu verhindern, dass von dem Licht, das von dem Lichtprojektionselement 10 emittiert wird, Licht, das durch die Detektionszone DA gelangt ist, ohne auf Teilchen in der Detektionszone DA zu treffen, reflektiert, in dem Gehäuse 50 gestreut und von dem Lichtempfangselement 20 empfangen wird. Bei anderen Gegebenheiten kann eine Lichtfalle in dem Gehäuse 50 nach Bedarf vorgesehen werden. Die Lichtfalle ist beispielsweise ein geschlossener Raum, der durch eine Struktur (Keilstruktur und dergleichen) definiert ist, bei der Licht, das in die Lichtfalle eintritt, mehrmals reflektiert und gedämpft wird.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 sind der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e und der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e wünschenswerterweise Sphäroide und insbesondere flachplattenartige Sphäroide. Unter Berücksichtigung der Formbarkeit können der erste ellipsoidförmige Abschnitt 41e und der zweite ellipsoidförmige Abschnitt 42e indes auch eine bestimmte Querschnittsform aufweisen, die eine Ellipse ist.
Der Teilchensensor entsprechend den vorbeschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 kann in einen Staubsensor eingebaut sein. Wenn der in einen Staubsensor eingebaute Teilchensensor beispielsweise Staubteilchen erfasst, signalisiert der Staubsensor die Detektion des Staubes durch Ton oder Licht oder Anzeige.
Der Teilchensensor entsprechend den vorbeschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 kann in einen Rauchdetektor eingebaut sein. Wenn der in einen Rauchdetektor eingebaute Teilchensensor beispielsweise Rauchteilchen erfasst, signalisiert der Rauchdetektor die Detektion des Rauches durch Ton oder Licht oder Anzeige.
Der Teilchensensor entsprechend den vorbeschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 oder der Staubsensor können beispielsweise in einen Luftreiniger, ein Ventilationsgebläse oder eine Klimaanlage eingebaut sein. Wenn in diesem Fall der in einen Luftreiniger, ein Ventilationsgebläse oder eine Klimaanlage eingebaute Teilchensensor beispielsweise Staubteilchen erfasst, können der Luftreiniger, das Ventilationsgebläse oder die Klimaanlage einfach die Detektion des Staubes an einer Anzeige anzeigen oder können einen Ventilator bzw. ein Gebläse im Sinne einer Aktivierung des Ventilators bzw. Gebläses oder einer Änderung der Geschwindigkeit des Ventilators bzw. Gebläses steuern bzw. regeln.
Bei anderen Gegebenheiten sind an den Ausführungsformen entsprechend der vorbeschriebenen vorliegenden Erfindung vorgenommene verschiedene Abwandlungen, die sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet erschließen, und Ausführungsformen, die durch eine beliebige Kombination von Komponenten und Funktionen, die bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen aufgeführt sind, implementiert werden, ebenfalls im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten, ohne vom Wesen der vorliegenden Erfindung abzugehen.
Bezugszeichenliste

1, 2: Teilchensensor
10: Lichtprojektionselement
20: Lichtempfangselement
30: Erwärmer
40: Reflektor
41e: erster ellipsoidförmiger Abschnitt
42e: zweiter ellipsoidförmiger Abschnitt
41c: erster sphärischer Abschnitt
42c: zweiter sphärischer Abschnitt
DA: Detektionszone

Claims

Teilchensensor, umfassend: eine Detektionszone, in die ein Teilchen beinhaltendes Gas eingeleitet wird; ein Lichtprojektionselement, das Licht zu dem Gas in der Detektionszone emittiert; ein Lichtempfangselement, das gestreutes Licht von dem Licht mit Reflektion durch die Teilchen in dem Gas in der Detektionszone empfängt; einen Erwärmer, der das Gas erwärmt; einen Reflektor, der das gestreute Licht reflektiert und zu dem Lichtempfangselement leitet, wobei: der Reflektor beinhaltet: einen ersten ellipsoidförmigen Abschnitt, von dem wenigstens ein Abschnitt in einer Zone zwischen der Detektionszone und dem Lichtempfangselement ist, wobei der erste ellipsoidförmige Abschnitt eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt einer Umlaufoberfläche eines Sphäroids definiert; und einen ersten sphärischen Abschnitt in einer Zone an einer Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu einer dem Lichtempfangselement zu eigenen Seite relativ zu der Detektionszone, wobei der erste sphärische Abschnitt eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt einer sphärischen Oberfläche einer Sphäre definiert, wobei der erste ellipsoidförmige Abschnitt einen ersten Brennpunkt, der einer von zwei Brennpunkten einer Ellipse des Sphäroids des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes mit Lage in der Detektionszone ist, und einen zweiten Brennpunkt, der der andere der zwei Brennpunkte mit Lage an oder nahe an dem Lichtempfangselement ist, aufweist, und der erste sphärische Abschnitt ein Zentrum eines Kreises der Sphäre mit Lage in der Detektionszone aufweist.
Teilchensensor nach Anspruch 1, wobei: ein Durchmesser des Kreises größer als ein Hauptdurchmesser der Ellipse, vermindert um einen Brennpunkt-zu-Brennpunkt-Abstand ist.
Teilchensensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei: das Zentrum des Kreises des ersten sphärischen Abschnittes und der erste Brennpunkt der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes zusammenfallen.
Teilchensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Reflektor des Weiteren beinhaltet: einen zweiten sphärischen Abschnitt, von dem wenigstens ein Abschnitt in einer Zone an einer Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu einer der Detektionszone zu eigenen Seite relativ zu dem zweiten Brennpunkt ist, wobei der zweite sphärische Abschnitt eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt einer sphärischen Oberfläche einer Sphäre definiert; einen zweiten ellipsoidförmigen Abschnitt in einer Zone an der Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der dem Lichtempfangselement zu eigenen Seite relativ zu der Detektionszone, wobei der zweite ellipsoidförmige Abschnitt eine Innenoberflächenform aufweist, die einen Abschnitt einer Umlaufoberfläche eines Sphäroids definiert, wobei der zweite sphärische Abschnitt ein Zentrum eines Kreises der Sphäre des zweiten sphärischen Abschnittes mit Lage in der Detektionszone aufweist, und der zweite ellipsoidförmige Abschnitt einen ersten Brennpunkt, der einer von zwei Brennpunkten einer Ellipse des Sphäroids des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes mit Lage in der Detektionszone ist, und einen zweiten Brennpunkt, der der andere der zwei Brennpunkte des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes mit Lage an oder nahe an dem Lichtempfangselement ist, aufweist.
Teilchensensor nach Anspruch 4, wobei: der erste Brennpunkt der Ellipse des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes und der erste Brennpunkt der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes zusammenfallen, und der zweite Brennpunkt der Ellipse des zweiten ellipsoidförmigen Abschnittes und der zweite Brennpunkt der Ellipse des ersten ellipsoidförmigen Abschnittes zusammenfallen.