JP2016008933A

JP2016008933A - 微粒子検知装置

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Publication number: JP2016008933A
Application number: JP2014131126A
Authority: JP
Inventors: 正芳宮原; Masayoshi Miyahara
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2016-01-18

Abstract

【課題】粒子径の異なるホコリ量の識別を構成コストの上昇を抑制し実現することで広く一般的な家電商品で、より活用しやすくすることを目的とする。
【解決手段】反射光の強度に基づき空間に存在する微細なホコリの大きさに応じたパルス状の検知信号を出力する微粒子検知手段１と、前記検知信号の単位時間当りの発生量から空気中のホコリ量を判定する判定手段２を備え、前記判定手段２にて検知信号の幅が規定した規定時間幅以上であれば対応した粒子径のホコリを検知したと判定するという構成にしたことにより、判定手段２において単位時間当りの判定した検知信号の発生量や頻度から対応する粒子径の各ホコリ量を判定できる。従って、単純な構成により粒子径の異なるホコリ量の識別が可能となってコストの上昇を抑制できることから一般的な家電商品にてより活用しやすくなる微粒子検知装置を得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気の微細なホコリによる汚染状態を判定するために使用される空気中に含まれるホコリの種類を識別し、ホコリ量を測定するための微粒子検知装置に関するものである。

近年、花粉やアレルギー性ハウスダスト、およびＰＭ２．５を代表とする空気中の微細なホコリに纏わる健康問題が社会的に拡大している。このような課題に対処するためには空気中のホコリを捕集することで清浄な空気質を保つ空気清浄機の活用が有効である。

しかしながら空気清浄機においては、省エネルギーや利便性の観点からホコリの発生に応じて自動的に運転を行うことが望ましく、空気中のホコリ量に合わせてより最適に自動運転を行う空気清浄機が求められている。

この空気清浄機の最適な自動運転のためには空気中にあるホコリの種類と発生量に応じて送風風量や風向を制御することが必要となることから、ホコリの種類を見分けることができる検知方式に対する要求が高まってきている。

このようなホコリの種類を見分ける方式としては、検知したホコリを構成する微粒子の粒子径の違いを識別し、判定する方法が広く一般的に用いられている。この方法は、精度の点では劣るが、比較的単純な構成で低コストで実現が可能である。

従来、この種の微粒子検知装置は、照射した光のホコリによる散乱反射光の強度の違いに基づいてホコリの粒子径の違いを識別する方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その微粒子検知装置について図８を参照しながら説明する。

図８に示すように、従来の微粒子検知装置は、空気中を浮遊しているホコリ１００に光を照射するＬＥＤ発光回路１０１と、空気中のホコリを検知しパルス信号を出力するダスト検知器１０２と、前記パルス信号を読み取ることでその数量の違いから空気の汚染状態を判定するマイコン１０３とから構成される。

ダスト検知器１０２は、受光回路１０４と増幅回路１０５と粒子径判定回路１０６と出力回路１０７から構成されている。受光回路１０４は、ホコリ１００の粒子径が大きいほど高強度となる反射光を受光し、受光強度に応じた電圧信号を出力する。増幅回路１０５は、前記電圧信号を増幅する。粒子径判定回路１０６は、コンパレータにて構成され、前記増幅された電圧信号を規定する判定基準値となる電圧閾値と比較することでパルス信号に変換して出力する。出力回路１０７は、前記出力されたパルス信号をマイコン１０３で読み取れる規定する電圧値の変化に増幅する。

また、前記マイコン１０３により粒子径判定回路１０６の電圧閾値を切り替えるためのレベル切替回路１０８を備えている。レベル切替回路１０８は、粒子径判定回路１０６の電圧閾値を２段階設けてマイコン１０３により電圧閾値を交互に切り替える。このようにして、粒子径の異なる複数のホコリ量を１つのダスト検知器１０２で識別できるようにしている。

また、特定の事例は示さないが、この種の微粒子検知装置には、前記ダスト検知器１０２において異なる電圧閾値をあらかじめ設定した粒子径判定回路１０６とおよび出力回路１０７を１組以上備えて、各対応して出力されるパルス信号をマイコン１０３により読み取ることにより粒子径の異なる複数のホコリ量を識別できるようにしているものもある。

特許第３８４９７５２号公報

このような従来の微粒子検知装置においては、粒子径判定回路１０６の電圧閾値を２段階設けてマイコン１０３によりレベル切替回路１０８を介して電圧閾値を交互に切り替えることで、粒子径の異なる複数のホコリ量を１つのダスト検知器１０２で識別する構成となっていた。

また、ダスト検知器１０２において異なる電圧閾値をあらかじめ設定した粒子径判定回路１０６とおよび出力回路１０７を１組以上備えて、各対応して出力されるパルス信号をマイコン１０３により読み取ることにより粒子径の異なる複数のホコリ量を識別する構成となっていた。

よって、粒子径の異なる複数のホコリ量を識別するためには粒子径判定回路１０６の電圧閾値を切り替えるレベル切替回路１０８や、あるいは１組以上の粒子径判定回路１０６と出力回路１０７を備えることが不可欠であった。

このことから、構成要素が複雑化することで要するコストが上昇する結果となり、広く一般的な空気清浄機等の家電商品において搭載し、活用することが難しいという課題を有していた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、１つ以上の粒子径の異なるホコリ量の識別をより単純な構成にて実現することで要されるコストの上昇を抑制することにより、広く一般的な空気清浄機等の家電商品において活用し易い微粒子検知装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、空間に存在するホコリの大きさに応じた時間幅を備えたパルス状の電圧信号を出力する微粒子検知手段と、前記電圧信号を読み取り単位時間当りの信号の発生量から空気中のホコリ量を判定する判定手段を備えた微粒子検知装置において、前記判定手段は、ホコリの粒子径の大きさに対応して規定した規定時間幅を有し、読み取った前記電圧信号の時間幅が前記規定時間幅以上であれば対応した粒子径以上のホコリを検知したものと判定するように構成したものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、空間に存在する微細なホコリの大きさに応じた時間幅を備えたパルス状の電圧信号を出力する微粒子検知手段と、前記電圧信号を読み取り単位時間当りの信号の発生量から空気中のホコリ量を判定する判定手段を備えた微粒子検知装置において、前記判定手段は、ホコリの粒子径の大きさに対応して規定した規定時間幅を有し、読み取った前記電圧信号の時間幅が前記規定時間幅以上であれば対応した粒子径以上のホコリを検知したものと判定するという構成にしたことにより、判定手段において読み取った前記検
知信号の時間幅と前記規定時間幅とを比較した結果、前記規定時間幅以上であれば対応した粒子径以上のホコリを検知したものと判定して単位時間当りの信号の発生量の違いから空気中の対応した粒子径以上のホコリ量を判定できる。

本発明の実施の形態１の微粒子検知装置の概略の回路構成を示すブロック図同ホコリ検知部分の概略の構造を示す構成図同微粒子検知装置の概略の回路構成の他の一例を示すブロック図同微粒子検知装置の概略の回路構成のもう一つの一例を示すブロック図同ホコリ粒子径識別の判定方法を時間変化で示したチャート図同ホコリ粒子径識別の判定方法の他の一例を時間変化で示したチャート図同ホコリ粒子径識別の判定方法のもう一つの一例を時間変化で示したチャート図従来の微粒子検知装置の概略の回路構成を示すブロック図

本願の請求項１に係る発明は、空間に存在するホコリの大きさに応じた時間幅のパルス状の電圧信号を出力する微粒子検知手段と、前記電圧信号を読み取り単位時間当りの信号の発生量から空気中のホコリ量を判定する判定手段を備えた微粒子検知装置において、前記判定手段は、ホコリの粒子径の大きさに対応して規定した規定時間幅を有し、読み取った前記電圧信号の時間幅が前記規定時間幅以上であれば対応した粒子径以上のホコリを検知したものと判定するという構成を有する。これにより、判定手段において読み取った前記検知信号の時間幅と前記規定時間幅とを比較した結果、前記規定時間幅以上であれば対応した粒子径以上のホコリを検知したものと判定して単位時間当りの信号の発生量の違いから空気中の対応した粒子径以上のホコリ量を判定できる。

また、複数のホコリの粒子径の大きさに対応して複数の規定時間幅を設けることによって、複数の粒子径の異なるホコリ量の識別が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態における微粒子検知装置は、照射した光の散乱による反射光の強度に基づき、空間に存在するホコリの大きさに応じたパルス状となる電圧信号を出力する微粒子検知手段１と、前記電圧信号を読み取り、単位時間当りの信号の発生量から空気中のホコリ量を判定する判定手段２から構成している。

微粒子検知手段１は、光放射手段４と、受光手段５と、増幅手段６とを備えている。光放射手段４は、空気中にただよう微細なホコリを構成する微粒子３に対し光を照射する。受光手段５は、微粒子３の表面で散乱して反射される光放射手段４から照射した光を受光し、受光強度に応じた電圧信号を出力する。増幅手段６は、前記電圧信号を扱いやすい電圧レベルに増幅する。

また、微粒子検知手段１は、比較手段７と電圧変換手段８から構成している。比較手段７は、増幅手段６で増幅された電圧信号を規定する判定基準値となる電圧閾値と比較することでパルス状の矩形波形の信号に変換して出力する。電圧変換手段８は、前記出力される信号を判定手段２にて読み取ることができる電圧値に変化に変換することでパルス状の電圧信号となる検知信号を出力する。

また、判定手段２には入力端子９を備えており、微粒子検知手段１から出力される検知信号を内部に読み込んでいる。

また、微粒子検知手段１と判定手段２は、電源手段１０から供給される電力により動作するものである。

ここで、判定手段２は、例えば１チップのマイクロコンピューターを用いるものである。このマイクロコンピューターは、演算や判定処理を行う中央演算装置、入出力端子、Ａ／Ｄ入力端子、リードオンリーメモリーやランダムアクセスメモリー等を一体としたものである。入出力端子は、外部の電圧変化の信号を取り込み、出力を行う。Ａ／Ｄ入力端子は、アナログ電圧信号をデジタル値に変換して取り込む。リードオンリーメモリーは、動作手順をソフトウェアーとして記憶している。ランダムアクセスメモリーは、演算や判定状態を一時的に保存するものである。

このようなマイクロコンピューターを主要構成とする判定手段２においては、入力端子９にＨｉ電位や、Ｌｏ電位、あるいはアナログ電圧値の変化からなる電気信号をデジタル値としてマイクロコンピューターの内部へ読み込みを行う。Ｈｉ電位は、許容される電圧の電気信号の仕様で規定される駆動電源の電圧電位である。Ｌｏ電位は、基準電位（ＧＮＤ）である。

また、ソフトウェアー記述のプログラムとしてリードオンリーメモリー上に一連の制御処理の手順として記憶させ、この手順を規定のタイミングに合わせて、あるいは、この内部に読み込んだ電気信号のデジタル値の変化に基づいて実行することにより要求される制御動作を実行させることができる。

ここで、光放射手段４は、一定の直流電流を流せば高効率に光を放射する発光ダイオードを主要とした回路で構成している。なお、光放射手段４は、ホコリ量の正確な値の識別の妨げとなる外来可視光の入射による影響を抑制するために、可視光以外の、例えば赤外線発光の発光ダイオードを用いた構成が望ましい。

また、光放射手段４から照射される光は、微粒子３の表面で散乱して微小な反射光となる。そのため、受光手段５は、微小な反射光を受光し、受光強度に応じた電圧信号に効率的に変換し、出力できるものである。例えば、フォトダイオードを主要とした回路で構成する。さらに、赤外線発光の光放射手段４を用いたときには赤外線光以外の透過性を抑制した光学フィルターを備えた赤外線光受光のフォトダイオードを用いた構成が望ましい。

また、受光手段５は、フォトダイオード以外の受光素子であるところのフォトトランジスターを主要構成として用いることもできる。

なお、図２に、光放射手段４と受光手段５の周辺の概略の構造図を示す。光放射手段４と受光手段５は、その配置位置を固定し、外郭部材１１の内部に収められる。外郭部材１１は、周囲からのホコリの微粒子３を内部に取り込めるように空気の流れを確保しながら周囲の光の入射を防ぐ構造となっている。

また、図２に示しているように、光放射手段４からの放射光が受光手段５に対して直接的に入射することを避けるために、光の放射方向と入射方向の光軸中心が交わらないように光軸が８０°から１４０°程度で交わるように配置し、固定する。この光軸が交差するポイントがホコリの検知点１２となる。

なお、この検知点１２に対して光放射手段４からの放射光を集光することで増強させるためのレンズ１３ａを配置することも一般的である。これにより、より微細な粒子からの反射輝度を増加させることにより、より微細となるホコリが検知できるようにしている。さらには、同様に検知点１２からの反射光のみが選択的に受光手段５に入射するように、
レンズ１３ｂを配置する場合もある。

ここで、増幅手段６は特定の仕様を求めるものでは無く微小な電圧信号を必要とする電圧に増幅するための一般的な直流型の演算増幅器（オペアンプ）を主要とした回路で構成したものである。

また、比較手段７も特定の仕様を求めるものでは無く、入力される電圧信号を規定する判定基準値となる電圧閾値と比較することでパルス状の電圧信号に変換して出力する一般的な比較器（コンパレーター）を主要とした回路で構成したものである。

電圧変換手段８は、入力されるパルス状の電圧信号を判定手段２を構成するマイクロコンピューターの入力端子９に許容される電圧値の信号に変換するものであって、例えば単純なトランジスター素子を用いたスイッチ回路にて構成したものである。

このような構成によれば、検出対象となるホコリの粒子径が大きいほど検知点１２を横切る時間が長くなり、反射光も増大する。そのため、微粒子検知手段１から出力されるパルス状となる検知信号の幅は、ホコリの粒子径に対応して変化することとなる。すなわち、ホコリの粒子径が大きいほど、微粒子検知手段１から出力される検知信号の幅は広くなる。ホコリの粒子径が小さくなると、微粒子検知手段１から出力される検知信号の幅は狭くなる。

なお、比較手段７と電圧変換手段８は絶対的に必要となる構成ではない。例えば、比較手段７から出力されるパルス状の電圧信号が、判定手段２を構成するマイクロコンピューターの入力端子９に許容される電圧値以下であり、マイクロコンピューターが検知信号として識別可能なＨｉ電位とＬｏ電位の間の電圧値の変化やアナログ電圧値の変化の範囲以内であれば図３に示すように電圧変換手段８は省くことができる。

同様に、増幅手段６から出力される増幅した電圧信号が判定手段２を構成するマイクロコンピューターの入力端子９に許容される電圧値以下であり、マイクロコンピューターが検知信号として識別可能なアナログ電圧値の変化の範囲以内であれば図４に示すように比較手段７も省くことができる。

ここで、電源手段１０は安定化した直流の電力を供給するものである。例えば、交流高圧の商用電源を電力供給源として交流電圧を整流後にトランスの１次側に断続電流を導通させることでトランスの２次側に降圧した電圧を生じ発生させた後、整流化し直流電圧を得て、同直流電圧の値を帰還し基準電圧と比較して断続電流の周期や間隔を変化させることで規定値の電圧に安定化し出力する、いわゆるスイッチングレギュレーター回路の構成を用いることができる。

また、電荷を蓄えることにより規定値の電圧にて負荷側に対して一定時間の電力を供給するバッテリー等の蓄電池を用いても良い。

なお、これまで微粒子検知手段１と判定手段２は１つの電源手段１０の安定電圧の供給により動作をするものと説明してきたが、異なる安定電圧で動作するものであっても構わず、構成を規定するものでは無い。

このように、電源手段１０は安定化した直流の電力を供給できるものであれば特定するものではなく無く、その構成は本実施の形態の要旨には関係しないことから詳細の説明は省く。

なお、前述した通り微粒子検知手段１から出力される検知信号の幅は対象となるホコリの粒子径が大きいほど広くなり、ホコリの粒子径に基本的に対応することなる。

しかしながら、前記にて説明した検知点１２を移動するホコリの速度が早くなれば同一粒子径のホコリであっても光の反射時間が短くなることで、結果的に得られる電圧信号の幅も細くなる。従って、再現性のある検知のためにはホコリが一定速度で検知点１２を移動するように制御する必要がある。

よって、外郭部材１１の周囲から検知点１２において一定方向で一定速度の空気の流れを生じさせる送風機構を設けるとよい。この送風機構としては、例えば一定風速の風の流れを生じさせる送風装置や、または微粒子３を垂直方向に移動させるものとして電熱素子に基づく熱対流を用いることが一般的であるが、本考案の要旨には関係しないことから詳細の説明は省くものとする。

次に、図５から図６に示すチャート図を用いて判定手段２におけるあらかじめ規定した比較時間値に基づいて検知したホコリの粒子径を識別するソフトウェアーにて実現する制御処理における判定方法について説明する。

図５は、微粒子検知手段１にて検知され、判定手段２にて読み取った検知信号と、識別する対象の粒子径の判定結果の関係を時間軸方向に変化する矩形波振幅の幅の変化にて示したチャート図である。図５の検知信号において、Ｖ_Ｌを出力している状態が、微粒子検知手段１がホコリを検知した状態である。そして、図５の判定結果のチャートは、後述する判定手順の結果によって、所定の粒子径以上のホコリの検知信号を抜き出したものである。

以下において詳細に説明する。

判定手段２は、所定の粒子径ｄ１に対応する規定時間幅としてＴｓ１を記憶している。微粒子検知手段１は、ホコリを検出したときに粒子径に対応したパルス幅で検知信号（Ｖ_Ｌ）を出力する。判定手段２は、この信号のパルス幅と規定時間幅Ｔｓ１とを比較する。

比較の結果、対象の検知信号が規定時間幅Ｔｓ１以上の幅であれば識別対象となる粒子径ｄ１以上の微粒子３が検知されたと判定する。

また、対象の検知信号が規定時間幅Ｔｓ１未満の幅であれば識別対象となる粒子径以下のホコリが検知されたと判定できることとなる。（例えば図上Ｐｓ１で示した検知信号を読み取ったとき）
よって、ある単位時間を規定し、この単位時間当りにおける規定時間幅Ｔｓ１以上の幅となる検知信号の総数や占める時間比率を求めれば、周囲の空間に存在する検知信号の幅が規定時間幅Ｔｓ１以上となるホコリに含まれる微粒子３の量（すなわち、粒子径ｄ１以上のホコリの量）を判定することができることとなる。

なお、規定時間幅Ｔｓ１は実験的に求めるものであって、例えば活用対象とする微粒子検知手段１を概知となる一定の粒子径の試験粒子を分散させた空間に配置したとき得られる検知信号の幅の平均値を求めて規定するものである。すなわち、このときの試験粒子の粒子径が判定対象となるホコリの粒子径ｄ１に対応することとなる。

また、同様に単位時間に対するホコリの総量の関係も実験的に求めるものでる。例えば、検討の対象となる微粒子検知手段１を概知となる一定の粒子径の試験粒子を分散させた空間に配置したとき、規定した単位時間（例えば数秒から数分の任意の時間）当りに得ら
れる検知信号の発生量や頻度と粉塵の計測機等を用いて求めた空間に存在するホコリ量（カウント数や単位体積当りの重量換算値）との関係を分散させる試験粒子量を変えて求めるものである。

また、図６に示しているように、あらかじめ複数の規定時間幅（図上では粒子径ｄ１に対応するＴｓ１とより大きな粒子径ｄ２に対応するＴｓ２の２種）を設けることでホコリに含まれる複数の粒子径の量を判定することもできる。

このときは、検知信号の幅が規定時間幅Ｔｓ１以上であってＴｓ２未満であれば検知したホコリは粒子径ｄ１と粒子径ｄ２の間の大きさであったことも判定できる。

また、図７は、微粒子検知手段１が、図４にて示した増幅手段６から電圧信号を出力するものにおける判定手段２の判定方法について示したものである。図４では、比較手段７とおよび電圧変換手段８を省いた増幅手段６から受光手段５にて受光した光の強度に応じた増幅された電圧信号が出力される。このとき、微粒子検知手段１の検知信号は図７に示すような連続的に変化するパルス状の電圧信号となる。

微粒子検知手段１が、図４の構成であるときには判定手段２を構成するマイクロコンピューターの入力端子９としてＡ／Ｄ入力端子を選定する。判定手段２は、検知信号をアナログ電圧値の変化として読み込むことでマイクロコンピューターにおいて認識することとなる。

このように検知信号をアナログ電圧値の変化として認識するときにあっては図７上にＶｔで示した一定電圧（デジタル値）となる電圧閾値を定める。この電圧閾値Ｖｔを超えた検知信号に対して規定時間幅Ｔｓ１以上の持続を判定することで識別対象となる粒子径ｄ１以上のホコリの検知が判定できることとなる。

このように、微粒子検知手段１は、照射した光の散乱による反射光の強度に基づき空間に存在する微細なホコリの大きさに応じたパルス状の電圧信号となる検知信号を出力する。判定手段２は、前記検知信号を読み取り単位時間当りの信号の発生量から空気中のホコリ量を判定する。さらに、判定手段２において検知信号の幅があらかじめ規定した１組以上の規定時間幅（Ｔｓ１，Ｔｓ２，・・・Ｔｓｎ）値と比較した結果、各規定時間幅以上であれば対応した大きさ以上の微細なホコリを検知したものと判定する。

このような構成によれば、判定手段２において読み取った検知信号の時間幅と規定時間幅とを比較した結果、前記規定時間幅以上であれば対応した大きさ以上の粒子径となるホコリを検知したものと判定する。そして、単位時間当りの信号の発生量や頻度から空気中の対応する粒子径の各ホコリ量を判定できる。このように、単純な構成において１つ以上の粒子径の異なるホコリ量の識別が可能となり、コストの上昇を抑制できることとなるので、広く一般的な空気清浄機等の家電商品においてより活用しやすくすることができる。

本発明にかかる微粒子検知装置は、構成全体のコスト上昇の抑制しながら空気中に漂う粒子径の異なるホコリ量の識別を可能とするものであるので、広く一般的な空気清浄機等の家電商品や空調機器に搭載し、より活用し易い微粒子検知装置等として有用である。

１微粒子検知手段
２判定手段

Claims

空間に存在するホコリの大きさに応じた時間幅のパルス状の電圧信号を出力する微粒子検知手段と、
前記電圧信号を読み取り単位時間当りの信号の発生量から空気中のホコリ量を判定する判定手段を備えた微粒子検知装置において、
前記判定手段は、ホコリの粒子径の大きさに対応して規定した規定時間幅を有し、
読み取った前記電圧信号の時間幅が前記規定時間幅以上であれば対応した粒子径以上のホコリを検知したものと判定するように構成した微粒子検知装置。
前記判定手段は、ホコリの粒子径の大きさに対応して規定した規定時間幅を複数有し、
読み取った前記電圧信号の時間幅が前記規定時間幅以上であれば対応した粒子径以上のホコリを検知したものと判定するように構成した請求項１記載の微粒子検知装置。