JP2017072428A

JP2017072428A - 光電式粒子検出センサ

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Publication number: JP2017072428A
Application number: JP2015198145A
Authority: JP
Inventors: 吉祥永谷; Yoshitada Nagatani; 渡部　祥文; Yoshifumi Watabe; 祥文渡部; 貴司中川; Takashi Nakagawa; 桐原　昌男; Masao Kirihara; 昌男桐原
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-13

Abstract

【課題】光電式粒子センサの検知領域への粗大粒子流入を抑制する。【解決手段】本発明に係る光電式粒子センサ１は、筐体１０内部に発光素子２１２と、受光素子２２２と、粒子２を検出する検知領域ＤＡとを備え、筐体１０には外気流入口１０１と外気流出口１０２とを備え、加熱装置６０による上昇気流により外気流入口１０１から筐体１０内に外気を取込んで検知領域ＤＡへと導く光電式粒子センサ１において、外気流入口１０１から筐体１０の内部に入る気流の進行方向を分岐部３０において任意の角度θａ°で分岐して流す第１流路４１と、気流の進行方向を分岐部３０において角度θａ°より大きな角度θｂ°で分岐して検知領域ＤＡへと導く第２流路４２とを備え、第１流路４１は、気流が流入する第１流入口４１１と、気流が流出する第１流出口４１２とを備え、第２流路４２は、気流が流入する第２流入口４２１と、気流が流出する第２流出口４２２とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、光電式粒子検出センサに関する。

従来、大気中に浮遊した粒子によって散乱された光を検知することによって、粒子を検出する光電式粒子検出センサが知られている。光電式粒子検出センサは、検出した粒子の個数をカウントすることができる。さらに、検出した粒子の個数をもとに大気中に含まれる粒子の質量濃度を換算することができる（特許文献１）。

光電式粒子検出センサは、センサ内部に投光素子と、投光素子からの光を検出する受光素子を備え、光の通過位置において大気中に浮遊した粒子を検出する。粒子を検出する検知領域に粒子を誘導するための気流発生機構として様々な手法が知られている。

例えば、熱線（ヒータ）による上昇気流を用いた気流発生機構が知られている（特許文献２）。

特開平８−１５９９４９号公報特開２００７−５７３６０号公報

しかしながら、上昇気流により粗大粒子と微小粒子とが混在した気流が検知領域に通過するため、粗大粒子と微小粒子とが同時に通過した場合、微小粒子が粗大粒子の影に隠れるなどの状況が発生して微小粒子の検出漏れが発生するという課題がある。さらに、微小粒子の検出漏れにより、粒子の個数検出に誤差が生じると、検出された粒子の個数をもとに算出された粒子の質量濃度は、さらに大きな誤差が生じるという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためにされたものであり、検知領域への粗大粒子流入を抑制し、微小粒子の検出誤差を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光電式粒子検出センサの一態様は、筐体内部に発光素子と、受光素子と、粒子を検出する検知領域とを備え、前記筐体には外気流入口と外気流出口とを備え、加熱装置による上昇気流により前記外気流入口から前記筐体内に外気を取込んで前記検知領域へと導く光電式粒子センサにおいて、前記外気流入口から前記筐体の内部に入る気流の進行方向を分岐部において任意の角度θａ°で分岐して流す第１流路と、前記気流の進行方向を前記分岐部において前記角度θａ°より大きな角度θｂ°で分岐して前記検知領域へと導く第２流路とを備え、前記第１流路は、前記気流が流入する第１流入口と、前記気流が流出する第１流出口とを備え、前記第２流路は、前記気流が流入する第２流入口と、前記気流が流出する第２流出口とを備え前記第１流入口と前記第２流入口とは、前記分岐部に接続し、前記第１流出口と前記第２流出口とは、前記外気流出口に接続しており、前記加熱装置は、前記分岐部に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、検知領域へ粗大粒子が流入することを抑制し、微小粒子の検出誤差を低減できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る光電式粒子検出センサの斜視図である。図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る光電式粒子検出センサの構成を示す概略図である。図２（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る光電式粒子検出センサの気流が分岐する部分についての概略図である。図３は、本発明の変形例に係る光電式粒子検出センサの構成を示す概略図である。

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。なお、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、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序などは、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。

（実施の形態）
まず、本発明の実施の形態に係る光電式粒子検出センサ１の構成について、図１、２を用いて説明する。

本実施の形態に係る光電式粒子検出センサ１は、外気流入口１０１が下方、外気流出口１０２が上方になるように配置される。具体的には、図１に示すＹ軸の矢印方向が鉛直上向きになるように配置される。光電式粒子検出センサ１は、扁平な略直方体形状をしており、互いに直行する２つの辺に沿った方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。また、光電式粒子検出センサ１の厚み方向をＺ軸とする。本実施の形態では、光電式粒子検出センサ１は、例えば、Ｘ軸方向の長さ６２ｍｍ、Ｙ軸方向の長さ５５ｍｍ、Ｚ軸方向の厚み２２ｍｍに収まる範囲の大きさである。

光電式粒子検出センサ１は、図１及び図２が示すように、回路基板７０と、コネクタ８０と、シールドカバー９０と、シールドカバー９１と、筐体１０と、筐体１０の内部に配置された光学系２０と、第１流路４１と、第２流路４２とを備える。

回路基板７０は、光電式粒子検出センサ１の制御回路が形成されたプリント基板である。制御回路は、例えば、光学系２０における発光素子２１２の出力制御や、光学系２０における受光素子２２２が受光したことにより発生した電気信号の処理、筐体１０内に設置された加熱装置６０の制御を行う。

コネクタ８０は、光電式粒子検出センサ１の回路基板７０と、外部の制御回路又は電源回路と接続するためのコネクタである。

シールドカバー９０は、外部ノイズから制御回路を保護するために設けられた金属製のカバーである。シールドカバー９０は、回路基板７０の裏面に設置されている。

シールドカバー９１は、外部ノイズから受光素子２２２を保護するために設けられた金属製のカバーである。シールドカバー９１は、筐体１０の前面、側面、上面の一部で、かつ、内部に受光素子２２２が配置された部分を覆っている。

本実施の形態では、光電式粒子検出センサ１の光学系２０は、投光系２１と受光系２２から構成されている。つまり、投光系２１は、発光素子２１２から照射された光を、第１レンズ２１１によって検知領域ＤＡに集光させる。受光系２２は、検知領域ＤＡを通過する粒子２により発生する散乱光を第２レンズ２２１により受光素子２２２で受光することにより粒子２の有無を検出する。また、光電式粒子検出センサ１は、粒子２の有無に関わらず、粒子２の個数、大きさ及び種類などを検出してもよい。なお、光電式粒子検出センサ１が検出の対象とする粒子２は、例えば、ホコリ、花粉、煙、黄砂、ＰＭ２．５等の微粒子である。

発光素子２１２は、所定の波長の光を発する光源である。例えば、ＬＥＤや半導体レーザ等の固体発光素子である。

受光素子２２２は、光を検出する電子部品であり、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、光電子増倍管等、光を受けて電気信号に変換する素子（光検出器）である。

第１レンズ２１１は、発光素子２１２と検知領域ＤＡの間に配置されており、例えば、発光素子２１２から出射する光を検知領域ＤＡに集光させるように構成されている集光レンズである。例えば、第１レンズ２１１の焦点は、検知領域ＤＡに存在する
第２レンズ２２１は、受光素子２２２と検知領域ＤＡとの間に配置されており、検知領域ＤＡ側から入射する光を受光素子２２２に集光するように構成されている集光レンズである。例えば、第２レンズ２２１の焦点は、検知領域ＤＡ及び受光素子２２２の表面近傍に存在する。

第１レンズ２１１及び第２レンズ２２１は、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）などの透明樹脂レンズ又はガラスレンズである。

筐体１０は、光電式粒子検出センサ１の本体部であり、内部には、光学系２０、検知領域ＤＡ、取込流路４０、第１流路４１、第２流路４２及び加熱装置６０が設けられている。また、筐体１０は、前面カバー１００と、後面カバー１１０との二つの部材によって構成されている。例えば、筐体１０は、ＡＢＳ樹脂などの樹脂材料を用いた射出成形により形成される。

筐体１０の前面には、外気流入口１０１と、外気流出口１０２とが設けられている。

外気流入口１０１は、所定形状の開口であり、当該開口を介して、粒子２を含む大気が筐体１０内部の取込流路４０に流入する。外気流入口１０１は、例えば、５．５ｍｍ×１２ｍｍの略矩形の開口であるが、外気流入口１０１の形状はこれに限らない。例えば、外気流入口１０１は、円形又は略楕円形などの形状を有する開口でもよい。

外気流出口１０２は、所定形状の開口であり、当該開口を介して、筐体１０内部に取り込まれた粒子２を含む大気が、第１流路４１及び第２流路４２から流出する。外気流出口１０２の大きさ及び形状は、例えば外気流入口１０１と略同じである。

筐体１０の前面カバー１００には、中央部に台形状の貫通孔である掃除窓１０８が設け
られている。掃除窓１０８は、第１レンズ２１１、第２レンズ２２１及び筐体１０の内部に付着した汚れ又はホコリを取り除くために設けられている。

筐体１０は内部壁１０３を有し、内部壁１０３は、光学系２０の周りを囲むように配置されている。

取込流路４０は、外気流入口１０１と分岐部３０の間に構成されている。取込流路４０の一端は外気流入口１０１に繋がっており、取込流路４０の他端は第１流路４１と第２流路４２との分岐部３０に繋がっている。本実施の形態では、取込流路４０は、内部壁１０３と、前面カバー１００と、後面カバー１１０とによって囲まれた閉空間であり、粒子２を含む大気が流れる。

第１流路４１は、分岐部３０と外気流出口１０２の間で、かつ、光学系２０の外側に構成されている。本実施の形態では、第１流路４１の一端である第１流入口４１１は分岐部３０に繋がっており、第１流路４１の他端である第１流出口４１２は外気流出口１０２に繋がっている。本実施の形態では、第１流路４１は、内部壁１０３と、前面カバー１００と、後面カバー１１０とによって囲まれた閉空間であり、粒子２を含む大気が流れる。

第２流路４２は、分岐部３０と外気流出口１０２の間で、かつ、検知領域ＤＡが第２流路４２内部に存在位置するように構成されている。本実施の形態では、第２流路４２の一端である第２流入口４２１は分岐部３０に繋がっており、第２流路４２の他端である第２流出口４２２は外気流出口１０２に繋がっている。本実施の形態では、第２流路４２は粒子２を含む大気が流れる空間であり、第２流路４２と光学系２０との間を区切る壁は存在しないが、これに限らない。例えば第２流路４２と光学系２０との間に透明板を設置することにより、透明板と、前面カバー１００と、後面カバー１１０とによって囲まれた閉空間としてもよい。

取込流路４０、第１流路４１及び第２流路４２の詳しい構成については後述する。

加熱装置６０は、本実施の形態では検知領域ＤＡの鉛直下方かつ、分岐部３０の下部に配置されている、大気を加熱するヒータである。ヒータに電圧を印加すると、ヒータが発熱しヒータ周辺の大気が過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６０によって、分岐部３０の大気を過熱すると、鉛直上方向に流れる気流である上昇気流が発生する。また、上昇気流の発生により外気流入口１０１から外部の粒子２を含む大気が分岐部３０に向かって流入するような気流の流れが生成される。

本実施の形態においては、粒子２は、様々な大きさの粒子が含まれている。例えば、粒子２は、５μｍ〜３０μｍサイズの粗大粒子２−１と、０．１５μｍ〜０．５μｍサイズの微小粒子２−２が主に含まれている。

図２（ｂ）に示すように、取込流路４０において気流の流れの向きは、外気流入口１０１から分岐部３０に向かう気流の進行方向５１である。気流の流れは、分岐部３０において第１流路４１と第２流路４２によって分岐される。取込流路４０の気流の一部は、分岐部３０において進行方向５２の向きに分岐されて第１流路４１へ流入し、第１流路４１を通って外気流出口１０２から外部へ流出する。さらに残りの取込流路４０の気流の少なくとも一部は、分岐部３０において進行方向５３の向きに分岐されて第２流路４２に流入し、検知領域ＤＡを含む第２流路４２を通って外気流出口１０２から外部に流出する。

第１流路４１によって分岐された気流は、進行方向５１で流れていた気流が、θａ°進
行方向が変化して進行方向５２となる。加熱装置６０により発生した上昇気流と第２流路４２よって分岐された気流は、進行方向５１で流れていた気流が、θｂ°進行方向が変化して進行方向５３となる。本実施の形態においては、第１流路４１による気流の進行方向変化θａ°は、第２流路４２による気流の進行方向変化θｂ°よりも小さくなるように構成されている。このような構成にすることによって、比較的質量の大きな粗大粒子２−１は慣性力が大きく進行方向変化のより少ない第１流路４１に分岐された気流にのって流れやすい。また、粗大粒子２−１は重力の影響を受けやすいため上昇気流によって検知領域ＤＡに到達する粗大粒子２−１は少ない。一方、微小粒子２−２は進行方向の変化の大きいが気流の流れがより強い第２流路４２に分岐された上昇気流にのって流れ、多くの微小粒子２−２は検知領域ＤＡを通過する。これは、微小粒子２−２は比較的質量が小さいために慣性力が小さく、かつ重力の影響を受けにくいためである。

また、本実施の形態において、第１流路４１と分岐部３０とが接続する第１流入口４１１の開口面積は、第２流路４２と分岐部３０とが接続する第２流入口４２１の開口面積よりも小さくしてもよい。このような構成にすることにより、粗大粒子２−１を第１流路４１に、微小粒子２−２を第２流路４２により確実に分ける効果が得られる。

さらに、本実施の形態において、第１流路４１の流路長は、第２流路４２の流路長よりも長くしてもよい。このような構成にすることにより、粗大粒子を第１流路に、微小粒子を第２流路により確実に分ける効果が得られる。

このように、本実施の形態の構成によって、検知領域ＤＡへの粗大粒子流入を抑制することができる。検知領域ＤＡへの粗大粒子２−１の流入が減ることによって、微小粒子２−２が粗大粒子２−１の影に隠れるなどの状況が発生して微小粒子の検出漏れが発生しにくくなる。そのため、検出された粒子の検出個数の誤差を減らすことができる。さらに、検出された粒子の検出個数の誤差を減ることで、検出された粒子の個数をもとに算出された粒子の質量濃度の誤差を低減することができる。

（変形例）
次に、本発明の変形例に係る光電式粒子検出センサ１’の構成について図３を用いて説明する。なお、以下に説明では、光電式粒子検出センサ１’の特徴となる構成で、上記実施の形態における光電式粒子検出センサ１と異なる点を説明し、その他の構成については、光電式粒子検出センサ１と同様である。

本変形例における光電式粒子検出センサ１’は、実施の形態１における光電式粒子検出センサ１の第１流路４１と第２流路４２が図３に示すようにそれぞれ独立に外気流出口を有している。

具体的には、光電式粒子検出センサ１’は、第１外気流出口１０２’と第２外気流出口１０２’’とを有している。第１外気流出口１０２’と第２外気流出口１０２’’とは、筐体１０の前面に貫通孔として構成されている。

第１流路４１’の一端である第１流出口４１２’は第１外気流出口１０２’に繋がっており、第１流路４１’の他端である第１流入口４１１’は分岐部３０に繋がっている。また、第２流路４２’の一端である第２流出口４２２’は、第２外気流出口１０２’’に繋がっており、第２流路４２の他端である第２流入口４２１’は、分岐部３０に繋がっている。第１流路４１’と第２流路４２’とは、分岐部３０を介してのみ接続している。このような構成にすることにより、第２流路４２’の流出部側から、第１流路４１’内へ気流が巻き戻りすることを防ぐことができる。そのため、より効率的に粗大粒子を第１流路４１’側へ導くことができる。

また、第１外気流出口１０２’の開口面積は、第２外気流出口１０２’’の開口面積よりも小さいことが好ましい。例えば、第１外気流出口１０２’は５ｍｍ×１０ｍｍの略矩形の開口であり、第２外気流出口１０２’’は５．５ｍｍ×１２ｍｍの略矩形の開口である。
このような構成にすることにより、第１流路４１’と比較して、第２流路４２’の圧力損失が小さくなり、より効率的に粗大粒子を第１流路４１’側に導くことができる。なお、第１外気流出口１０２’と第２外気流出口１０２’’との形状はこれに限らない。例えば、第１外気流出口１０２’と第２外気流出口１０２’’とは、円形又は略楕円形などの形状を有する開口でもよい。

さらに、第１外気流出口１０２’の鉛直方向における高さは、第２外気流出口１０２’’の鉛直方向における高さよりも低い構成にすることが好ましい。粗大粒子２−１を第１流路４１に、微小粒子２−２を第２流路４２により確実に分ける効果が得られる。

（その他）
以上、本発明に係る光電式粒子検出センサについて、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態では、筐体１０が前面カバーと背面カバー１１０とに分割可能な例について示したがこれに限らない。筐体１０は、樹脂材料と金型を用いた射出形成などによって、一体形成されていてもよい。

また、例えば、上記実施の形態では光学系２０は、検知領域ＤＡを挟んで投光系２１と受光系２２とが水平方向に配置されているが、上下方向に配置されてもよい。

また、例えば、上記実施の形態では発光素子２１２からの光を集光する部材および、受光素子２２２へ光を集光する部材として、第１レンズ２１１及び第２レンズ２２１を示したが、集光ミラーなどの反射部材を使用してもよい。

その他、各実施の形態及び変形例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、１’ 光電式粒子検出センサ
１０筐体
１０１外気流入口
１０２外気流出口
１０２’ 第１外気流出口
１０２’’ 第２外気流出口
２粒子
２１２発光素子
２２２受光素子
ＤＡ検知領域
３０分岐部
４１、４１’ 第１流路
４１１、４１１’ 第１流入口
４１２、４１２’ 第１流出口
４２、４２’ 第２流路
４２１、４２１’ 第２流入口
４２２、４２２’ 第２流出口
６０加熱装置

Claims

筐体内部に発光素子と、受光素子と、粒子を検出する検知領域とを備え、
前記筐体には外気流入口と外気流出口とを備え、
加熱装置による上昇気流により前記外気流入口から前記筐体内に外気を取込んで前記検知領域へと導く光電式粒子センサにおいて、
前記外気流入口から前記筐体の内部に入る気流の進行方向を分岐部において任意の角度θａ°で分岐して流す第１流路と、
前記気流の進行方向を前記分岐部において前記角度θａ°より大きな角度θｂ°で分岐して前記検知領域へと導く第２流路とを備え、
前記第１流路は、前記気流が流入する第１流入口と、前記気流が流出する第１流出口とを備え、
前記第２流路は、前記気流が流入する第２流入口と、前記気流が流出する第２流出口とを備え
前記第１流入口と前記第２流入口とは、前記分岐部に接続し、
前記第１流出口と前記第２流出口とは、前記外気流出口に接続しており、
前記加熱装置は、前記分岐部に配置されている
ことを特徴とする光電式粒子センサ。
前記第１流入口の開口面積は、前記第２流入口の開口面積よりも小さい
ことを特徴とする請求項１記載の光電式粒子センサ。
前記第２流路の流路長は、前記第１流路の流路長よりも短い
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電式粒子センサ。
前記外気流出口として、第１外気流出口と第２外気流出口とを有し、
前記第１流出口が前記第１外気流出口と接続され、前記第２流出口が前記第２外気流出口に接続されて、
前記第１流出口と、前記第２流出口とは、別の位置に構成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光電式粒子センサ。
前記第２流出口の開口面積は、前記第１流出口の開口面積よりも大きい
ことを特徴とする請求項４記載の光電式粒子センサ。
前記第１流出口の鉛直方向における高さは、前記第２流出口の鉛直方向における高さよりも低い
ことを特徴とする請求項４又は５記載の光電式粒子センサ。