JP2019109050A - 微小体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる粒径の微小粒子を、増幅器で飽和することなく検出する事が出来る微小体検出装置を提供する。【解決手段】微小体検出装置１０は、発光素子１、受光素子６、ミラー３、増幅器Ａｎおよび演算部７を備える。発光素子１は、微小体ＭＰに照射される照射光を発する。受光素子６は、照射光が微小体ＭＰに当たって発せられる散乱光を受光する。ミラー３は、散乱光を受光素子６に導く。増幅器Ａｎは、受光素子６の出力する信号Ｓｎを増幅する。演算部７は、増幅器Ａｎの出力する信号Ｓｎを受けて演算を行う。増幅器Ａｎは複数備えられている。演算部７は、複数の増幅器Ａｎの信号Ｓｎを同時に演算する。【選択図】図１

Description

本発明は、空調装置または空気清浄機などに用いられる微小体を検出するセンサ、および単体としての微小体を検出するセンサに関するものであり、特に、空気中に浮遊する様々な粒径の微粒子を分別して検出する微小体検出装置に関する。

近年、花粉またはハウスダスト等によってアレルギー等を発症するケースが増加している。そして、空調装置または空気清浄機によってそれらの除去への関心が高まっている。さらに、それに加え、中国本土の大気汚染によるPM２．５の問題、また、それらの日本への飛散が問題となっている。それらの問題を受けて、高性能な微小体を検出するセンサが必要とされている。

現在、空調装置または空気清浄機に搭載されている空気清浄機能に付随する微小体の検出は、単に微小粒子が存在するか否かを表示している。例えば、特許文献１において、花粉センサの構造が開示されている。微小粒子（花粉）に光を照射し散乱光の強さによって微小粒子を検出している。

また、特許文献２は、浮遊粒子の散乱光の偏光方向を検出して、花粉粒子と土埃との識別を行う花粉センサを開示している。

また、特許文献３は、気体中に含まれる粒子の質量濃度を算出する処理部を備え、検知信号の波形から抽出された複数の波高値と１以上の閾値との相対関係を補正して、判定処理を実行する粒子検出センサを開示している。

特開平８−１２２５２号公報 特開２００５−２８３１５２号公報 国際公開ＷＯ２０１６／６７４８４号公報

しかしながら、特許文献１の花粉センサは、空気中にどのような種類の微小粒子が存在し、また、どの種類の微小粒子を除去出来ているかまでは分からない。

このような手法を用いると、同じ程度の粒径の花粉と埃とを判別する事が可能である。しかし、例えば、花粉とＰＭ２．５とを判別することは難しい。一般に、花粉および埃の粒径は３０μｍ程度である。一方、ＰＭ２．５と呼ばれる微粒子の粒径は２．５μｍである。粒径が大きいほど散乱光は強くなるので、素子の受光感度を花粉の散乱光に合わせると、ＰＭ２．５の散乱光は弱すぎて検出出来ない。従って、花粉とＰＭ２．５とを判別する事は難しい。同様に、埃とＰＭ２．５とを判別する事は難しい。

特許文献１に示されたように、空気中の微小粒子を検出する場合には、微小粒子に発光素子で光を照射し、その散乱光を受光素子によって観測する事で検出を行う。しかし、微小粒子の粒径によって散乱光は変化する。粒径が大きい場合には、散乱光の強度は強くなる。粒径が小さい場合には、散乱光の強度は弱くなる。従って粒径の大きな微小粒子に受光素子のダイナミックレンジを合わせると、粒径の小さな微小粒子が検出されないと言う問題が発生する。また逆に、粒径の小さな微小粒子に受光素子のダイナミックレンジを合わせると、粒径の大きな微小粒子は受光素子で飽和してしまうと言う問題が発生する。

また、特許文献２においては、微粒子の濃度を測定する事は出来るが、微粒子の粒径までは判別する事は出来ない。

また、特許文献３では、増幅器が複数のゲインを持つよう記載されている。しかし、複数のゲインをスイッチで切替えるように構成されているため、ある時刻ではゲインは1種類であり、大きな粒子から小さな粒子までの広範囲の検出が出来ない。

本発明は、このような点に鑑みて提供されるものであり、様々な粒径の微粒子を分別して検出する微小体検出装置に関し、粒径の異なる微粒子を粒径ごとに判別するための微小体検出装置に関する。粒径は、例えば、数μｍから数十μｍ程度である。

微小体検出装置は、微小体に照射される照射光を発する発光素子と、前記照射光が前記微小体に当たって発せられる散乱光を受光する受光素子と、前記散乱光を前記受光素子に導くミラーと、前記受光素子の出力する信号を増幅する増幅器と、前記増幅器の出力する信号を受けて演算を行う演算部とを備え、前記増幅器は複数備えられ、前記演算部は、複数の前記増幅器の信号を同時に演算する。

本発明の微小体検出装置は、異なる粒径の微小粒子を、増幅器で飽和することなく検出する事が出来る。

本発明の実施の形態１に係る微小体検出装置１０の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る微小体検出装置１０の増幅器Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の出力信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３と閾値ＴＨとを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る微小体検出装置１０の増幅器Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の出力信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３と閾値ＴＨとを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る微小体検出装置１０の増幅器Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の出力信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３と閾値ＴＨとを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る微小体検出装置１１の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態２に係る微小体検出装置１１の増幅器Ａ_１〜Ａ_ｎの出力信号Ｓ_１〜Ｓ_ｎと閾値ＴＨとを示す図である。 本発明の実施の形態３に係る微小体検出装置の増幅器Ａ_１〜Ａ_ｎの出力信号Ｓ_１〜Ｓ_ｎと閾値ＴＨ_１〜ＴＨ_ｎとを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、本発明を適用した微小体検出装置について説明をする。

本発明の微小体検出装置は、複数の増幅器を持ち各増幅器の出力信号を全て同時に処理している。これによって、例えば、ＰＭ２．５よりも小さな微粒子から３０μｍ程度の大きな微粒子までを、いずれかの増幅器で飽和することなく検出する事が出来る。

また、本発明の微小体検出装置は、増幅器の数を増やせば増やすほど、同時に検出できる微粒子の粒径の幅を広げる事が出来る。

また、本発明の微小体検出装置は、複数の増幅器のゲインをそれぞれ設定できる。そして、本発明の微小体検出装置は、増幅器の次に信号を演算処理する信号処理回路において信号レベルを判別する閾値を自由に設定することが出来る。このため、本発明の微小体検出装置は、主に検出する微小粒子の粒径を自由に選ぶことが出来る。

本発明の微小体検出装置によれば、複数の増幅器を持ち各増幅器の出力信号を全て同時に処理ことにより、PM2.5より小さな微粒子から30μm程の大きな微粒子までを、いずれかの増幅器で飽和することなく検出する事が出来ると言う効果が得られる。

本発明の微小体検出装置によれば、増幅器の数を増やせば増やすほど同時に検出できる微粒子の粒径の幅を広げる事が出来ると言う効果が得られる。

本発明の微小体検出装置によれば、複数の増幅器のゲインをそれぞれ設定でき、次に信号を演算処理する信号処理回路にて信号レベルを判別する閾値を自由に設定することが出来るため、主に検出する微小体の粒径を自由に選ぶことが出来ると言う効果が得られる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る微小体検出装置１０の構成を示す構成図である。

微小体検出装置１０は、発光素子１、第１のミラー３、受光素子６、演算部７および増幅器Ａ_ｎを備える。また、微小体検出装置１０は、レンズ２、第２のミラー４または流量制御部５を備えることができる。

次に微小体検出装置１０の動作について説明する。

図１において、微小粒子ＭＰを含んだ空気は、図１の上部から微小体検出装置１０の微小粒子ＰＭを検出する領域（以下、検出領域という）に入る。空気は流量制御器５によって設定された流量で検出領域の内部に流れ込む。

発光素子１の発する光は、レンズ２によって集光される。発光素子１の発する光が微小粒子ＭＰに当たる事で散乱光が発生する。散乱光は、ミラー３およびミラー４によって反射されて、受光素子６に入射し、電気信号に変換される。

ミラー３で反射された散乱光は、受光素子６に到達する。一方、ミラー４で反射された散乱光は、ミラー３で反射された後に受光素子６に到達する。

図２、図３および図４は、増幅器Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の出力信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３と閾値ＴＨとを示す図である。

発光素子１の出力する電気信号Ｓ_０は、増幅器Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３によって同時に増幅される。増幅された信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３は、演算部７に送られる。演算部７は、図２に示したように、あるレベル（設定可能な閾値ＴＨ）を超えたパルス信号をカウントする事によって微小粒子ＭＰの個数を得る。演算部７は、閾値ＴＨを超えた時点から次に閾値ＴＨを下回る信号Ｓ_２，Ｓ_３が検出されれば、微小粒子ＭＰが１個であるとカウントする。通常、閾値ＴＨは、ノイズレベルの２倍程度に設定する。

まず、図２について説明する。図２では、増幅器Ａ_１の信号Ｓ_１は、閾値ＴＨを超えていない。増幅器Ａ_２の信号Ｓ_２は、飽和することはなく、閾値ＴＨを超えている。増幅器Ａ_３の信号Ｓ_３は、飽和している。このことから、この場合には、検出された微小粒子ＭＰは、中程度の大きさと判別される。

次に、図３について説明する。図３では、増幅器Ａ_１の信号Ｓ_１は、飽和することはなく、閾値ＴＨを超えている。増幅器Ａ_２の信号Ｓ_２と増幅器Ａ_３の信号Ｓ_３とは飽和している。このことから、この場合には、検出された微小粒子は、大きなものだと判別される。

次に、図４について説明する。図４では、増幅器Ａ_１の信号Ｓ_１は、観測されない。増幅器Ａ_２の信号Ｓ_２は検出されているが、閾値ＴＨを超えていない。増幅器Ａ_３の信号Ｓ_３は、閾値ＴＨを超えている。このことから、この場合には、検出された微小粒子は、ＰＭ２．５クラスの小さいものであることが分かる。

微小体検出装置１０において、事前に既知の大きさの微小粒子ＭＰを検出する事によって、各増幅器Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の出力信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３に対する閾値ＴＨを決めておけば、各増幅器Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の出力信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３のレベルを全て同時に観測することができる。そして、微小粒子ＭＰの個数とともに、検出した微小粒子ＭＰの大きさを判別することが出来る。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２に係る微小体検出装置１１の構成を示す構成図である。

微小体検出装置１１は、発光素子１、第１のミラー３、受光素子６、演算部７および増幅器Ａ_ｎを備える。また、微小体検出装置１１は、レンズ２、第２のミラー４または流量制御部５を備えることができる。実施の形態１の微小体検出装置１０と同様の構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。

微小体検出装置１１は、増幅器Ａ_ｎをｎ個備える点で微小体検出装置１０と相違する。

次に微小体検出装置１１の動作について説明する。

図５において、微小体検出装置１１は増幅器Ａ_ｎをＮ個えている。Ｎ個は、例えば、４個以上である。それぞれの出力信号Ｓ_ｎは、全て同時に演算部７に入力される。

図６および図７は、増幅器Ａ_１〜Ａ_ｎの出力信号Ｓ_１〜Ｓ_ｎと閾値ＴＨとを示す図である。

実施の形態１で例として最後に挙げた微小粒子ＭＰよりも小さい微小粒子ＭＰが、微小体検出装置１１に入力される。この場合には、実施の形態１の微小体検出装置１０では微小粒子ＭＰを検出することは出来ない。

しかし、さらに大きなゲインを持った増幅器Ａ_ｎがあれば、その閾値ＴＨを超え微小粒子ＭＰを検出することが出来る。このことよって、ゲインの大きな増幅器Ａ_ｎの個数が多ければ多いほど、小さい微小粒子ＭＰを、その大きさとともに検出する事ができる。また、大きな微小粒子ＭＰも、その大きさとともに検出する事が出来る。

実施の形態３．
実施の形態３では、閾値ＴＨ_ｎを増幅器Ａ_ｎによって変更する点で実施の形態１、２と相違する。

図７は、増幅器Ａ_１〜Ａ_ｎの出力信号Ｓ_１〜Ｓ_ｎと閾値ＴＨ_１〜ＴＨ_ｎとを示す図である。

図７のように、実施の形態３では、各増幅器Ａ_１〜Ａ_ｎのゲインと閾値ＴＨ_１〜ＴＨ_ｎとを変えている。これによって、観測したい任意の粒径の微小粒子ＭＰの大きさを、より細かく検出する事が出来る。

図７では、例えば、閾値ＴＨ_ｎを増幅器Ａ_１から増幅器Ａ_ｎまで徐々に大きくしている。増幅器Ａ_１から増幅器Ａ_ｎまでの出力信号Ｓ_１〜Ｓ_ｎを、全て同時に観測することによって、検出された微小粒子ＭＰがどの閾値ＴＨ_ｎの間に存在するかを検出する事ができる。そして、その微小粒子ＭＰの大きさを検出する事が出来る。

また、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。

１ 発光素子、 ２ レンズ、 ３ 第１のミラー、 ４ 第２のミラー、 ５ 流量制御部、 ６ 受光素子、 ７ 演算部、 １０，１１ 微小体検出装置、 Ａ１ 第１の増幅器、 Ａ２ 第２の増幅器、 Ａ３ 第３の増幅器、Ａｎ−１ 第ｎ−１番目の増幅器、 Ａｎ 第ｎ番目の増幅器、 ＭＰ 微小粒子。

Claims (4)

1. 微小体に照射される照射光を発する発光素子と、
   前記照射光が前記微小体に当たって発せられる散乱光を受光する受光素子と、
   前記散乱光を前記受光素子に導くミラーと、
   前記受光素子の出力する信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器の出力する信号を受けて演算を行う演算部と
   を備え、
   前記増幅器は複数備えられ、
   前記演算部は、複数の前記増幅器の信号を同時に演算する微小体検出装置。
2. 前記微小体の大きさを区分する数よりも前記増幅器の数を多く備える請求項１に記載の微小体検出装置。
3. 前記増幅器のゲインの値は、各々異なる値であり、前記演算部の前記増幅器に対する閾値は、前記増幅器によって異なる値である請求項１または２に記載の微小体検出装置。
4. 前記ゲインと前記閾値とは可変である請求項３に記載の微小体検出装置。

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