JP2017026545A - 粒子検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】加熱方式であっても小型化と高効率化との両立を容易に図ることができる粒子検出センサを提供する。【解決手段】投光素子１０と、検知領域における気体中の粒子による投光素子１０からの光の散乱光を受光する受光素子２０と、加熱装置３０と、散乱光を受光素子２０に導く反射体４０とを備え、反射体４０は、少なくとも一部が、検知領域と受光素子２０との間の領域に配置され、かつ、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなす第１楕円形部４１ｅと、検知領域を基準として受光素子２０側とは反対側の領域に配置され、かつ、内面形状が球体の球面の一部をなす第１円形部４１ｃとを有し、第１楕円形部４１ｅは、回転楕円体の焦点Ｆ１１が検知領域内に位置し、かつ、回転楕円体の焦点Ｆ１２が受光素子２０の近傍に位置するように形成されており、第１円形部４１ｃは、球体の中心が検知領域内に位置するように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、粒子検出センサに関する。

従来、粒子検出センサとして、大気中に浮遊する粒子（エアロゾル）を当該粒子の散乱光によって検知する光散乱式粒子検出センサが知られている。

この種の光散乱式粒子検出センサは、投光素子と受光素子とを備えており、取り込んだ測定対象の気体に投光素子の光を照射することで生じる粒子の散乱光によって気体に含まれる粒子の有無を検出する（特許文献１）。このような光散乱式粒子検出センサによって、例えば、大気中に浮遊するホコリ・花粉・煙・ＰＭ２．５（微小粒子状物質）等の粒子を検出することができる。

特開平１１−２４８６２９号公報

近年、より粒径の小さい微粒子を検出するために粒子検出センサのさらなる高効率化が要望されており、例えば、ファンによって気流を発生させて粒子検出センサ内に沢山の粒子を取り込むことで高効率化することが考えられている。

しかしながら、ファンを設置すると、粒子検出センサ全体のコストが高くなったり粒子検出センサが大型化したりする。そこで、小型化及び低コスト化のために、ヒータ抵抗（抵抗加熱）等の加熱装置を用いた加熱方式の粒子検出センサが提案されている。加熱方式の粒子検出センサでは、加熱装置で上昇気流を発生させて大気を効率よく導入することで、大気に含まれる粒子の有無や大きさを検出する。

具体的には、投光素子の光が照射される領域（検知領域）に大気が通過することで投光素子の光が粒子で反射して散乱光が発生し、この散乱光を受光素子で受光することで粒子を検出する。この場合、例えば、粒子を含む大気は、流路を通じて検知領域に導入されるが、粒子の検出効率の観点では、大気が通る流路の圧力損失は極力小さい方がよい。特に、検知領域（光散乱部）近傍では、流路の圧力損失は小さい方がよいと考えられる。この場合、例えば、流路の断面積（内径）を大きくすることによって流路の圧力損失を小さくすることができる。しかしながら、流路の断面積を大きくすると、粒子検出センサが大型化してしまう。

また、反射体（ミラー）を設置して、粒子の散乱光をこの反射体で反射させて受光素子に集光することで検出効率を向上させることも考えられている。しかしながら、大気が通る流路及び投光素子から出射する光の光路等を考慮する必要があり、検知領域（光散乱部）付近では、粒子の散乱光を受光素子に導くための所望の形状の反射体を設置することが難しい。このため、これまでの粒子検出センサでは、反射体を用いても検出効率を十分に向上させることができない。

このように、これまでの粒子検出センサでは、加熱装置を用いた加熱方式を採用した場合に、小型化と高効率化との両立を図ることが難しかった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、加熱装置を用いた加熱方式であっても小型化と高効率化との両立を容易に図ることができる粒子検出センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る粒子検出センサの一態様は、投光素子と、検知領域における気体中の粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、前記気体を加熱する加熱装置と、前記散乱光を反射して当該散乱光を前記受光素子に導く反射体とを備え、前記反射体は、少なくとも一部が、前記検知領域と前記受光素子との間の領域に配置され、かつ、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなす第１楕円形部と、前記検知領域を基準として前記受光素子側とは反対側の領域に配置され、かつ、内面形状が球体の球面の一部をなす第１円形部とを有し、前記第１楕円形部は、前記回転楕円体を構成する楕円の２つの焦点のうちの一方の焦点である第１焦点が前記検知領域内に位置し、かつ、前記２つの焦点うちの他方の焦点である第２焦点が前記受光素子の近傍に位置するように形成されており、前記第１円形部は、前記球体を構成する円の中心が前記検知領域内に位置するように形成されている。

本発明によれば、加熱装置を用いた加熱方式の粒子検出センサであっても、小型化と高効率化との両立を容易に図ることができる。

実施の形態１に係る粒子検出センサの概略構成を模式的に示す断面図である。 ＸＺ平面における実施の形態１に係る粒子検出センサの光学系を説明するための図である。 ＸＹ平面における実施の形態１に係る粒子検出センサの光学系を説明するための図である。 実施の形態１に係る粒子検出センサにおける反射体の効果を説明するための図である。 ＸＺ平面における実施の形態２に係る粒子検出センサの光学系を説明するための図である。 ＸＹ平面における実施の形態２に係る粒子検出センサの光学系を説明するための図である。

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。以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表しており、Ｚ軸方向を鉛直方向とし、Ｚ軸に垂直な方向（ＸＹ平面に平行な方向）を水平方向としている。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る粒子検出センサ１について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る粒子検出センサ１の概略構成を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、粒子検出センサ１は、投光素子１０と受光素子２０とを備える光電式センサであって、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１０からの光の散乱光を受光素子２０で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出する。

本実施の形態における粒子検出センサ１は、投光素子１０及び受光素子２０以外に、さらに、加熱装置３０と、反射体４０と、筐体５０とを備える。投光素子１０、受光素子２０、加熱装置３０及び反射体４０は、筐体５０内に配置される。本実施の形態において、投光素子１０及び受光素子２０は、それぞれの光軸が検知領域ＤＡで交差するように筐体５０内に配置されている。

検知領域ＤＡは、測定対象の気体に含まれる粒子（エアロゾル）を検知するための領域であるエアロゾル検知領域（エアロゾル測定部）である。検知領域ＤＡは、大気に含まれる粒子による散乱光が発生する光散乱部である。つまり、検知領域ＤＡにおいて、大気に含まれる粒子に投光素子１０から出射した光が反射して散乱光が発生する。本実施の形態において、検知領域ＤＡは、投光素子１０の光軸と受光素子２０の軸とが交差する交点を含む領域となっており、筐体５０に設けられた流路５１内に設定されている。検知領域ＤＡは、例えばφ２ｍｍである。

流路５１は、気体（大気等）中の粒子を測定するために筐体５０内に導入した気体を通過させる気体通過領域である。また、流路５１は、気体（大気等）とともに気体に含まれる粒子を通過させる粒子流路である。

流路５１は、例えば、周囲が筐体５０の内面（内壁）で囲まれた略円筒状又は略角筒状の筒状空間領域であって、検知領域ＤＡを含む空間領域である。本実施の形態において、流路５１は、大気導入孔５２から大気排出孔５３に向かって真っ直ぐな直線状の流路となっている。測定対象の気体は、大気導入孔５２から流路５１に導入され、検知領域ＤＡを通って大気排出孔５３から排出される。

投光素子１０は、所定の波長の光を発する光源（発光部）であり、例えば、赤外光、青色光、緑色光、赤色光又は紫外光を発する発光素子である。投光素子１０としては、例えば、ＬＥＤ又は半導体レーザ等の固体発光素子を用いることができるが、これに限るものではない。また、投光素子１０は、２波長以上の混合波を発するように構成されていてもよい。本実施の形態において、投光素子１０の光軸は、例えば検知領域ＤＡを通るように設定されている。

なお、投光素子１０の発光波長が短いほど、粒径の小さな粒子が検出しやすくなる。また、投光素子１０の発光制御方式は特に限定されるものではなく、投光素子１０から出射する光は、ＤＣ駆動による連続光又はパルス光等とすることができる。また、投光素子１０の出力の大きさは、時間的に変化していてもよい。

受光素子２０は、検知領域ＤＡにおける気体中の粒子による投光素子１０からの光の散乱光を受光する受光部である。受光素子２０は、例えば受光した光を電気信号に変換する素子であり、例えば、フォトダイオード、フォトＩＣダイオード、フォトトランジスタ、又は、高電子倍増管等である。

加熱装置３０は、気体（大気）を加熱するヒータである。加熱装置３０は、流路５１内に流れる気体の流れを促進させるための気流を発生させる気流発生装置として機能する。つまり、加熱装置３０によって気体を加熱することで、粒子を含む気体を検知領域ＤＡに導入しやすくできる。加熱装置３０は、例えば、低コストで入手できるヒータ抵抗である。

本実施の形態において、加熱装置３０は、流路５１内に配置されている。つまり、加熱装置３０は、流路５１内の大気を加熱する。また、加熱装置３０は、検知領域ＤＡの鉛直下方に配置されている。これにより、加熱装置３０がヒータ抵抗である場合、ヒータ抵抗に電圧を印加するとヒータ抵抗が発熱してヒータ抵抗の周囲の大気が加熱されて密度が小さくなり、重力とは逆方向の鉛直上方に移動する。つまり、加熱装置３０によって流路５１内の大気が加熱されると、鉛直上方の気流（上昇気流）が発生する。

このように、加熱装置３０によって流路５１内の大気を加熱することで、筐体５０（流路５１）内に測定対象の気体（大気）を容易に引き込むことができるので、加熱装置３０を設けない場合と比べて、粒子検出センサ１内に多くの粒子を取り込むことができる。したがって、流路５１に含まれる検知領域ＤＡにおける単位体積あたりの粒子の量を大きくすることができるので、感度を高くすることができる。

また、本実施の形態において、加熱装置３０は、大気導入孔５２の近傍に配置されている。また、大気導入孔５２と、加熱装置３０と、検知領域ＤＡと、大気排出孔５３とは、流路５１に沿って同一直線上に存在するように配置されている。

なお、加熱装置３０が動作していない状態でも、大気は流路５１内を通過することができる。つまり、加熱装置３０が動作していない場合でも、大気中に含まれる粒子を検出することは可能である。

反射体４０は、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１０の光の散乱光を反射して当該散乱光を受光素子２０に導く反射部材である。本実施の形態において、反射体４０は、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光を反射して受光素子２０に集光させる集光ミラーである。

反射体４０は、第１楕円形部（第１楕円領域）４１ｅと、第１円形部（第１円形領域）４１ｃとを有する。第１楕円形部４１ｅは、反射体４０の主反射部材（第１反射部材）であり、第１円形部４１ｃは、反射体４０の補助反射部材（第２反射部材）である。

第１楕円形部４１ｅは、検知領域ＤＡと受光素子２０との間の領域に配置されている。具体的には、第１楕円形部４１ｅは、流路５１と受光素子２０の受光面との間に配置されている。

さらに、第１楕円形部４１ｅは、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなしている。つまり、第１楕円形部４１ｅは、内面（反射面）の形状が回転楕円面の一部の形状をなす楕円ミラーであり、第１楕円形部４１ｅの内面の断面形状は楕円の一部となっている。

第１楕円形部４１ｅは、検知領域ＤＡからの散乱光が入射できるように流路５１に向かって開口する開口部を有する。具体的には、第１楕円形部４１ｅの開口部は、検知領域ＤＡに向かって開口している。なお、流路５１には、第１楕円形部４１ｅの開口部に対応する第１開口部が設けられている。この流路５１の第１開口部の大きさは、第１楕円形部４１ｅの開口部の大きさとほぼ同じである。

第１円形部４１ｃの少なくとも一部は、検知領域ＤＡを基準として受光素子２０側とは反対側の領域に配置されている。本実施の形態では、第１円形部４１ｃの全部が、検知領域ＤＡを基準として受光素子２０側とは反対側の領域に配置されている。言い換えると、第１円形部４１ｃの一部又は全部は、検知領域ＤＡ（光散乱部）を原点としたときに受光素子２０と９０度以上離れた方向に存在する。

具体的には、第１円形部４１ｃは、第１円形部４１ｃと第１楕円形部４１ｅとで流路５１を挟むように配置されている。また、第１円形部４１ｃは、内面が受光素子２０の受光面と対向するように配置されている。

さらに、第１円形部４１ｃは、内面形状が球体の球面の一部をなしている。つまり、第１円形部４１ｃは、内面（反射面）の形状が球面の一部の形状をなす球ミラーであり、第１円形部４１ｃの内面の断面形状は円の一部となっている。

第１円形部４１ｃは、検知領域ＤＡからの散乱光が入射できるように流路５１に向かって開口する開口部を有する。具体的には、第１円形部４１ｃの開口部は、検知領域ＤＡに向かって開口している。なお、流路５１には、第１円形部４１ｃの開口部に対応する第２開口部が設けられている。この流路５１の第２開口部には投光素子１０から出射する光を通過させる必要があるので、流路５１の第２開口部の大きさは、第１円形部４１ｃの開口部の大きさよりも大きくなっている。

反射体４０（第１楕円形部４１ｅ、第１円形部４１ｃ）の内面は、反射面である。反射体４０の内面は、例えば、散乱光が発生しにくい面であって、かつ、吸収率が小さくて反射率が高い面（鏡面等）であるとよい。これにより、反射体４０に入射する光の多くを受光素子２０に導くことができる。反射体４０としては、内面そのものが反射面となるようにベース部材そのものを金属等で構成してもよいし、樹脂や金属のベース部材の内面に反射面となる反射膜を形成してもよい。反射膜としては、アルミニウム、金、銀又は銅等の金属反射膜、鏡面反射膜、又は、誘電体多層膜等を用いることができる。

筐体５０は、投光素子１０、受光素子２０、加熱装置３０及び反射体４０を収容するケースである。具体的には、投光素子１０、受光素子２０、加熱装置３０及び反射体４０を保持するように構成されている。筐体５０は、例えば扁平直方体の箱状の樹脂ケースである。

筐体５０には、流路５１に大気を導入するための大気導入孔５２と、流路５１から大気を排出するための大気排出孔５３とが設けられている。

大気導入孔５２は、粒子検出センサ１の外部に存在する大気等の気体を粒子検出センサ１の内部（流路５１）に供給するための大気供給口（大気流入口）であり、筐体５０における大気の入口である。

一方、大気排出孔５３は、粒子検出センサ１の内部（流路５１）の大気を粒子検出センサ１の外部に排出するための大気排気口（大気流出口）であり、筐体５０における大気の出口である。

大気導入孔５２は、流路５１の一方に繋がっており、大気排出孔５３は、流路５１の他方に繋がっている。これにより、粒子を含む大気（測定対象の気体）は、大気導入孔５２から筐体５０内に導入されて流路５１を通って検知領域ＤＡに流入され、大気排出孔５３から筐体５０外に排出される。なお、大気導入孔５２の開口面積を大気排出孔５３の開口面積よりも大きくすることによって、効率良く筐体５０内に大気を導入して排気することができる。

次に、本実施の形態における粒子検出センサ１において、投光素子１０と受光素子２０と反射体４０と検知領域ＤＡとの位置関係及びその光学作用について、図１を参照しながら、図２及び図３を用いて詳細に説明する。図２は、ＸＺ平面における実施の形態１に係る粒子検出センサ１の光学系を説明するための図であり、図３は、ＸＹ平面における同粒子検出センサ１の光学系を説明するための図である。具体的には、図２及び図３は、同粒子検出センサ１における光学系として、投光素子１０と受光素子２０と反射体４０と検知領域ＤＡを示している。

図２及び図３に示すように、反射体４０の第１楕円形部４１ｅは、楕円ミラーとなっており、回転楕円体によって構成されている。第１楕円形部４１ｅは、当該回転楕円体を構成する楕円における２つの焦点Ｆ_１１及びＦ_１２のうちの一方の焦点Ｆ_１１（第１焦点）が検知領域ＤＡ内に位置し、かつ、２つの焦点Ｆ_１１及びＦ_１２のうちの他方の焦点Ｆ_１２（第２焦点）が受光素子２０の近傍に存在するように配置されている。つまり、知領域ＤＡは、第１楕円形部４１ｅを構成する楕円の焦点Ｆ_１１を含むように設定されており、また、受光素子２０は、第１楕円形部４１ｅを構成する楕円の焦点Ｆ_１２の近傍に位置するように配置されている。

このように、第１楕円形部４１ｅの内面を構成する楕円の焦点Ｆ_１１を検知領域ＤＡに対応させるとともに当該楕円の焦点Ｆ_１２を受光素子２０に対応させることによって、検知領域ＤＡの粒子によって発生する散乱光のうち受光素子２０側に進む光（図２及び図３において検知領域ＤＡよりも右側の領域に進む光）を、第１楕円形部４１ｅで反射させて受光素子２０に入射させることができる。

また、図２及び図３に示すように、反射体４０の第１円形部４１ｃは、球ミラーとなっており、球体によって構成されている。第１円形部４１ｃは、当該球体を構成する円の中心Ｏ_１（球の中心）検知領域ＤＡ内に位置するように形成されている。本実施の形態において、第１円形部４１ｃにおける円の中心Ｏ_１と第１楕円形部４１ｅにおける楕円の焦点Ｆ_１１（第１焦点）とは一致している。また、第１円形部４１ｃにおける円の中心Ｏ_１は、検知領域ＤＡの中心とも一致している。

このように、第１円形部４１ｃの中心Ｏ_１を検知領域ＤＡに対応させることによって、検知領域ＤＡの粒子によって発生する散乱光のうち受光素子２０側とは反対側に進む光（図２及び図３において検知領域ＤＡよりも左側の領域に進む光）を、第１円形部４１ｃで反射させて、第１楕円形部４１ｅにおける楕円の焦点Ｆ_１１に対応する検知領域ＤＡに戻すことができる。検知領域ＤＡは第１楕円形部４１ｅを構成する楕円の焦点Ｆ_１１を含むので、検知領域ＤＡに戻った光は、検知領域ＤＡを通過して第１楕円形部４１ｅで反射して、焦点Ｆ_１２に対応して配置された受光素子２０に入射することになる。

本実施の形態において、第１円形部４１ｃを構成する円は、検知領域ＤＡを含んでいる。つまり、第１円形部４１ｃを構成する円の直径は、検知領域ＤＡの直径よりも大きい。さらに、第１円形部４１ｃを構成する円の直径は、第１楕円形部４１ｅを構成する楕円の長軸の長さから焦点間距離（焦点Ｆ_１１と焦点Ｆ_１２との距離）を引いた値よりも大きくなっているとよい。

また、図１に示すように、投光素子１０からの光は、検知領域ＤＡに集光するように設定されている。本実施の形態において、投光素子１０からの光は、焦点Ｆ_１１に集光するように設定されている。例えば、投光素子１０の前に光学部材（投光レンズ等）を配置することによって投光素子１０から出射する光（投光ビーム）を検知領域ＤＡ（焦点Ｆ_１１）に集光させることができる。例えば、投光素子１０の前に、例えば透明樹脂レンズ又はガラスレンズで構成された集光レンズを配置すればよい。この場合、集光レンズから出射する光の集光点は、焦点Ｆ_１１に一致している。また、集光レンズではなく、投光素子１０の前にコリメートレンズを配置してもよい。この場合、絞りを用いてコリメートレンズから出射する光を焦点Ｆ_１１に集光させればよい。

このように、投光素子１０から出射する光の集光点を第１楕円形部４１ｅの楕円の焦点Ｆ_１１に一致させることによって光の密度を大きくとることができるので、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光を大きくすることができる。したがって、粒子の検出効率を一層向上させることができる。

以上のように構成される粒子検出センサ１では、例えば次のようにして粒子を検出することができる。

大気導入孔５２から粒子検出センサ１（筐体５０）内に大気が引き込まれると、大気は筐体５０の流路５１を経由して検知領域ＤＡに導かれる。

この場合、大気に粒子（エアロゾル）が含まれていると、投光素子１０からの光によって検知領域ＤＡにおいて粒子の散乱光が発生する。発生した粒子の散乱光の一部は、反射体４０で反射されて受光素子２０に導かれる。受光素子２０に光が入射すると所定の信号の出力があるので、粒子検出センサ１内に導入された大気中に粒子が存在することが分かる。

また、受光素子２０で受光した信号の大きさ、つまり、粒子による散乱光の光強度の大きさによって、粒子の大きさ（粒径）を判別することができる。したがって、大気中に含まれる粒子が、ホコリであるか、花粉であるか、煙であるか、ＰＭ２．５（微小粒子状物質）であるかを判別することができる。

さらに、受光素子２０で検出される信号の出力の１つ１つ、つまり、粒子による散乱光の光強度のピーク１つ１つは、粒子の１つ１つに対応するので、粒子検出センサ１内に導入された大気の中の粒子の個数（量）も算出することができる。

一方、粒子検出センサ１内に導入された大気に粒子が含まれていないと、検知領域ＤＡには粒子が流入されないので、投光素子１０から出射した光は検知領域ＤＡを通過してそのまま直進するので、粒子による散乱光が発生しない。したがって、この場合、基本的には受光素子２０の反応がないので、粒子検出センサ１内に導入された大気中に粒子が存在しないことが分かる。

次に、本実施の形態に係る粒子検出センサ１における反射体４０の効果について、図４を用いて説明する。図４は、実施の形態１に係る粒子検出センサ１の反射体４０の効果を説明するための図である。

本実施の形態において、反射体４０は、検知領域ＤＡと受光素子２０との間の領域に配置され、かつ、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなす第１楕円形部４１ｅを有する。これにより、上述のように、検知領域ＤＡの粒子によって発生する散乱光のうち受光素子２０側に進む光を、第１楕円形部４１ｅで反射させて受光素子２０に入射させることができる。つまり、反射面が楕円面である第１楕円形部４１ｅを用いることによって、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光を少ない反射回数（１回又は数回）で受光素子２０に入射させることができる。これにより、多重反射による光の減衰を回避できるので、受光素子２０における受光効率を高めることができるので、粒子の検出効率を向上させることができる。

また、これまでの粒子検出センサでも、楕円ミラー等の反射体を設置することで、検知領域ＤＡ（光散乱部）における粒子の散乱光をこの反射体で反射させて受光素子に受光させることが考えられていた。この場合、これまでの反射体４００は、図４の破線で示すように、反射体４００の全体が楕円形状となった楕円ミラーである。

このため、小型化のために受光素子２０を検知領域ＤＡに近づけて配置すると、図４に示すように、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光が受光素子２０に入射しない領域（無効領域）Ａ_０が生じることになり、粒子の検出効率が低下する。なお、この無効領域は、検知領域ＤＡの中心と反射体４００の受光素子２０側の開口端部とを結ぶ直線で囲まれる領域であり、無効領域の範囲は、無効角度θで表されている。

これに対して、本実施の形態における粒子検出センサ１では、反射体４０の第１楕円形部４１ｅの楕円の外形が、破線で示される反射体４００の楕円の外形よりも小さくなっている。これにより、反射体４００を用いる場合と比べて、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光が受光素子２０に入射しない領域（無効領域）Ａ_１を狭くすることができる。つまり、無効角度θを小さくすることができる。

この場合、反射体４００の楕円全体の外形を相似状に単純に小さくすると、外形を小さくした分、検知領域ＤＡにおける流路５１の断面積（内径）も小さくなってしまう。このため、検知領域ＤＡ付近では、外形を小さくした反射体４００の一部を設置することができなくなったり、反射体４００を設置できたとして流路５１の圧力損失が大きくなって検出効率が低下したりしてしまう。

これに対して、本実施の形態における粒子検出センサ１では、反射体４０は、検知領域ＤＡを基準として受光素子２０側とは反対側の領域に配置され、かつ、内面形状が球体の球面の一部をなす第１円形部４１ｃを有している。

これにより、検知領域ＤＡ付近に反射体４０（第１円形部４１ｃ）を配置したとしても、全体が楕円形状の反射体４００を配置する場合と比べて、検知領域ＤＡ付近の流路５１の断面積（内径）を大きくすることができる。したがって、流路５１の圧力損失を抑制することができるので、粒子の検出効率を向上させることができる。

しかも、第１円形部４１ｃは、球体を構成する円の中心Ｏ_１が検知領域ＤＡ内に位置するように形成されている。

これにより、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光のうち受光素子２０側とは反対側に進む光を、第１円形部４１ｃで反射させて検知領域ＤＡに戻すことができる。そして、第１円形部４１ｃで反射して検知領域ＤＡ（焦点Ｆ_１１）に戻った光は、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光のうち受光素子２０側に進む光とともに、第１楕円形部４１ｅで反射して焦点Ｆ_１２に対応させて配置された受光素子２０に入射する。

このように、第１楕円形部４１ｅだけではなく第１円形部４１ｃをも設けることで、検知領域ＤＡの粒子によって発生する散乱光のうち受光素子２０側とは反対側に進む光を、効率よく受光素子２０に取り込むことができる。したがって、受光素子２０における受光効率をさらに高めることができるので、粒子の検出効率を一層向上させることができる。

以上、本実施の形態における粒子検出センサ１によれば、反射体４０は、第１楕円形部４１ｅ及び第１円形部４１ｃを有する。これにより、加熱装置３０により大気を導入する加熱方式を採用してセンサ全体を小型化したとしても、受光素子２０近傍の無効領域Ａ_１を狭くしつつ、粒子の検出効率を向上させることができる。つまり、加熱装置３０を用いた加熱方式の粒子検出センサであっても、小型化と高効率化との両立を容易に図ることができる。

また、本実施の形態において、第１円形部４１ｃにおける円の直径は、第１楕円形部４１ｅにおける楕円の長径から焦点間距離を引いた値よりも大きくなっているとよい。

これにより、検知領域ＤＡ（光散乱部）付近のサイズを変えることなく、反射体４０全体の小型化を図ることができる。

また、本実施の形態では、第１円形部４１ｃにおける円の中心Ｏ_１と、第１楕円形部４１ｅにおける楕円の焦点Ｆ_１１（第１焦点）とは一致している。

これにより、検知領域ＤＡの中心を第１楕円形部４１ｅの楕円の焦点Ｆ_１２（第２焦点）に一致させることで、第１円形部４１ｃで反射して検知領域ＤＡ（焦点Ｆ_１１）に戻った光を、第１楕円形部４１ｅで反射させて受光素子２０（焦点Ｆ_１２）に入射させることができる。つまり、第１円形部４１ｃで反射する光を受光素子２０に効率良く入射させることができる。したがって、受光素子２０における受光効率を高めることができるので、粒子の検出効率を一層向上させることができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る粒子検出センサ２について、図５及び図６を用いて説明する。図５は、ＸＺ平面における実施の形態２に係る粒子検出センサ２の光学系を説明するための図であり、図６は、ＸＹ平面における同粒子検出センサ２の光学系を説明するための図である。

図５及び図６に示すように、本実施の形態における粒子検出センサ２は、反射体４０が、さらに、第２円形部（第２円形領域）４２ｃと第２楕円形部（第２楕円領域）４２ｅとを有する点で、上記実施の形態１における粒子検出センサ１と異なる。この点以外については、本実施の形態における粒子検出センサ２は、実施の形態１における粒子検出センサ１と同様の構成である。

本実施の形態において、第２円形部４２ｃ及び第２楕円形部４２ｅは、反射体４０の補助反射部材である。

第２円形部４２ｃの少なくとも一部は、第１楕円形部４１ｅの楕円を構成する焦点Ｆ_１２（第２焦点）を基準として検知領域ＤＡ側とは反対側の領域に配置されている。本実施の形態では、第２円形部４２ｃの全部が、焦点Ｆ_１２を基準として検知領域ＤＡ側とは反対側の領域に配置されている。つまり、図５及び図６において、第２円形部４２ｃは、焦点Ｆ_１２（第２焦点）よりも右側の領域に配置されている。言い換えると、第２円形部４２ｃの一部又は全部は、受光素子２０を原点としたときに検知領域ＤＡと９０度以上離れた方向に存在する。

具体的には、第２円形部４２ｃは、第１楕円形部４１ｅの受光素子２０側の端部と受光素子２０との間であって、第１楕円形部４１ｅの受光素子２０側の端部と受光素子２０とに接続されるように配置されている。つまり、第２円形部４２ｃは、図４における無効領域Ａ_１に配置されている。

また、第２円形部４２ｃは、検知領域ＤＡを挟んで第１円形部４１ｃと対向する位置に配置されており、第２円形部４２ｃの内面は第１円形部４１ｃの内面と対面している。

第２円形部４２ｃは、内面形状が球体の球面の一部をなしている。また、第２円形部４２ｃは、球体を構成する円の中心Ｏ_２（球の中心）検知領域ＤＡ内に位置するように形成されている。本実施の形態において、第２円形部４２ｃにおける円の中心Ｏ_２は、検知領域ＤＡの中心と一致している。つまり、第２円形部４２ｃにおける円の中心Ｏ_２は、第１円形部４１ｃにおける円の中心Ｏ_１とも一致している。したがって、第２円形部４２ｃを構成する円と、第１円形部４１ｃを構成する円とは同心円状である。本実施の形態において、第２円形部４２ｃを構成する円の直径は、第１円形部４１ｃを構成する円の直径よりも大きい。なお、第２円形部４２ｃにおける円の中心Ｏ_２は、第１楕円形部４１ｅにおける楕円の焦点Ｆ_１１とも一致している。

第２楕円形部４２ｅは、検知領域ＤＡを基準として受光素子２０側とは反対側の領域に配置されている。つまり、図５及び図６において、第２楕円形部４２ｅは、検知領域ＤＡよりも左側の領域に配置されている。

また、第２楕円形部４２ｅは、第１円形部４１ｃの一部において第１円形部４１ｃと連続するように設けられている。具体的には、第２楕円形部４２ｅは、第１円形部４１ｃにおける無効角度θの範囲に設けられている。

第２楕円形部４２ｅは、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなしている。また、第２楕円形部４２ｅは、当該第２楕円形部４２ｅの回転楕円体を構成する楕円の２つの焦点Ｆ_２１及びＦ_２２のうちの一方の焦点Ｆ_２１（第１焦点）が検知領域ＤＡ内に位置し、かつ、この２つの焦点Ｆ_２１及びＦ_２２のうちの他方の焦点Ｆ_２２（第２焦点）が受光素子２０の近傍に存在するように配置されている。

本実施の形態において、第２楕円形部４２ｅを構成する楕円の２つの焦点（焦点Ｆ_２１、焦点Ｆ_２２）は、第１楕円形部４１ｅを構成する楕円の２つの焦点（焦点Ｆ_１１、焦点Ｆ_１２）に一致している。具体的には、第２楕円形部４２ｅを構成する楕円の焦点_２１（第１焦点）と第１楕円形部４１ｅを構成する楕円の焦点_１１（第１焦点）とが一致し、第２楕円形部４２ｅを構成する楕円の焦点Ｆ_２２（第２焦点）と第１楕円形部４１ｅを構成する焦点Ｆ_１２（第２焦点）とが一致している。つまり、第２楕円形部４２ｅを構成する楕円の焦点Ｆ_２１は検知領域ＤＡに対応しており、第２楕円形部４２ｅを構成する楕円の焦点Ｆ_２２は受光素子２０に対応している。したがって、第２楕円形部４２ｅを構成する楕円と、第１楕円形部４１ｅを構成する楕円とは相似状である。本実施の形態において、第２楕円形部４２ｅを構成する楕円の長軸（短軸）の長さは、第１楕円形部４１ｅを構成する楕円の長軸（短軸）の長さよりも大きい。

次に、本実施の形態に係る粒子検出センサ２の反射体４０の効果について説明する。

上記のように、本実施の形態では、このように、中心Ｏ_２を検知領域ＤＡに対応させた第２円形部４２ｃと、２つの焦点Ｆ２１及びＦ２２を検知領域ＤＡ及び受光素子２０に対応させた第２楕円形部４２ｅとを配置している。これにより、図４における無効領域Ａ_１に入射する粒子の散乱光も受光素子２０に取り込むことができる。

つまり、検知領域ＤＡの粒子によって発生する散乱光のうち第２円形部４２ｃに入射する光は、第２円形部４２ｃで反射して検知領域ＤＡに戻ることになる。検知領域ＤＡに戻った第２円形部４２ｃからの光は、検知領域ＤＡを通過して第２楕円形部４２ｅに入射する。第２楕円形部４２ｅに入射した第２円形部４２ｃからの光は、第２楕円形部４２ｅで反射して、焦点Ｆ_２２に対応して配置された受光素子２０に直接入射することになる。このように、第２円形部４２ｃ及び第２楕円形部４２ｅをさらに設けることによって、図４における無効領域Ａ_１に入射する粒子の散乱光も受光素子２０に取り込むことができる。これにより、受光素子２０における受光効率をさらに高めることができるので、粒子の検出効率を一層向上させることができる。

また、検知領域ＤＡの粒子によって発生する散乱光のうち受光素子２０側とは反対側に進む光については、実施の形態１では、第１円形部４１ｃで反射して、さらに、第１楕円形部４１ｅで反射してから受光素子２０に入射する。これに対して、本実施の形態では、受光素子２０側とは反対側に進む光のうち第２楕円形部４２ｅに入射して反射する光については、第１楕円形部４１ｅで再反射することなく、受光素子２０に直接入射することになる。これにより、反射による光の減衰を抑制できるので、受光素子２０における受光効率をさらに高めることができ、粒子の検出効率を一層向上させることができる。

以上、本実施の形態における粒子検出センサ２によれば、反射体４０は、第１楕円形部４１ｅ及び第１円形部４１ｃに加えて、第２円形部４２ｃ及び第２楕円形部４２ｅを有する。これにより、実施の形態１における粒子検出センサ１に比べて、粒子の検出効率を一層向上させることができる。したがって、小型化と高効率化とを両立できる粒子検出センサを一層容易に実現することができる。

（変形例）
以上、本発明に係る粒子検出センサについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態１、２において、第１楕円形部４１ｅ及び第１円形部４１ｃは、一体形成されていてもよし、別体であってもよい。また、図３及び図６に示すように、第１楕円形部４１ｅと第１円形部４１ｃとを連続するように形成したが、第１楕円形部４１ｅと第１円形部４１ｃとを離して配置してもよい。

また、上記実施の形態１、２において、筐体５０内の迷光を吸収するために光トラップ（ラビリンス部）を設けてもよい。光トラップを設けることによって、粒子の検知効率をさらに向上させることができる。例えば、投光素子１０から出射する光のうち検知領域ＤＡで粒子に当たらずに検知領域ＤＡを通過した光が筐体５０内で反射及び散乱して受光素子２０で受光されてしまうことを防止するために、投光素子１０と対向する位置に光トラップを設けてもよい。その他、筐体５０内に適宜光トラップを設けてもよい。光トラップは、例えば閉空間内であり、光トラップに進入した光を多重反射によって減衰することで光を吸収する構造（くさび構造等）を有する。

また、上記実施の形態１、２において、第１楕円形部４１ｅ及び第２楕円形部４２ｅは、回転楕円体、特に扁平状の回転楕円体であることが望ましいが、成型性を考慮すれば、ある断面形状が楕円形状となるように構成されていればよい。

また、上記実施の形態１〜３における粒子検出センサは、ダストセンサに搭載することができる。例えば、当該ダストセンサは、内蔵する粒子検出センサによってホコリの粒子を検知した場合、ホコリを検知したことを音や光によって報知したり表示部に表示したりする。

また、上記実施の形態１、２における粒子検出センサは、煙感知器に搭載することができる。例えば、煙感知器は、内蔵する粒子検出センサによって煙の粒子を検知した場合、煙を検知したことを音や光によって報知したり表示部に表示したりする。

また、上記実施の形態１、２における粒子検出センサ又は上記ダストセンサは、空気清浄機、換気扇又はエアコン等に搭載することができる。この場合、例えば、当該空気清浄機、換気扇又はエアコンは、内蔵する粒子検出センサによってホコリの粒子を検知した場合、単にホコリを検知したことを表示部に表示してもよいし、ファンを起動したりファンの回転速度を変更したり等のファンの制御を行ったりしてもよい。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１、２ 粒子検出センサ
１０ 投光素子
２０ 受光素子
３０ 加熱装置
４０ 反射体
４１ｅ 第１楕円形部
４２ｅ 第２楕円形部
４１ｃ 第１円形部
４２ｃ 第２円形部
ＤＡ 検知領域

Claims (5)

1. 投光素子と、
   検知領域における気体中の粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、
   前記気体を加熱する加熱装置と、
   前記散乱光を反射して当該散乱光を前記受光素子に導く反射体とを備え、
   前記反射体は、
   少なくとも一部が、前記検知領域と前記受光素子との間の領域に配置され、かつ、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなす第１楕円形部と、
   前記検知領域を基準として前記受光素子側とは反対側の領域に配置され、かつ、内面形状が球体の球面の一部をなす第１円形部とを有し、
   前記第１楕円形部は、前記回転楕円体を構成する楕円の２つの焦点のうちの一方の焦点である第１焦点が前記検知領域内に位置し、かつ、前記２つの焦点うちの他方の焦点である第２焦点が前記受光素子の近傍に位置するように形成されており、
   前記第１円形部は、前記球体を構成する円の中心が前記検知領域内に位置するように形成されている
   粒子検出センサ。
2. 前記円の直径は、前記楕円の長径から焦点間距離を引いた値よりも大きい
   請求項１に記載の粒子検出センサ。
3. 前記第１円形部における前記円の前記中心と、前記第１楕円形部における前記楕円の前記第１焦点とは一致している
   請求項１又は２に記載の粒子検出センサ。
4. 前記反射体は、さらに、
   少なくとも一部が、前記第２焦点を基準として前記検知領域側とは反対側の領域に配置され、かつ、内面形状が球体の球面の一部をなす第２円形部と有し、
   前記検知領域を基準として前記受光素子側とは反対側の領域に配置され、かつ、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなす第２楕円形部とを有し、
   前記第２円形部は、前記球体を構成する円の中心が前記検知領域内に位置するように形成されており、
   前記第２楕円形部は、当該第２楕円形部の前記回転楕円体を構成する楕円の２つの焦点のうちの一方の焦点である第１焦点が前記検知領域内に位置し、かつ、当該第２楕円形部における前記２つの焦点のうちの他方の焦点である第２焦点が前記受光素子の近傍に位置するように形成されている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
5. 前記第２楕円形部を構成する前記楕円の前記第１焦点と前記第１楕円形部を構成する前記楕円の前記第１焦点とが一致し、
   前記第２楕円形部を構成する前記楕円の前記第２焦点と前記第１楕円形部を構成する前記楕円の前記第２焦点とが一致している
   請求項４に記載の粒子検出センサ。

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