JP2019197022A - 粒子検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の粒子検出装置は、ファンモータなどの流体を吸引して排出する吸引手段を用いる必要があり、構成部品が多くなるという課題があった。【解決手段】 粒子検出装置は、粒子を検出する検出領域に照射される光を出射する光源と、前記検出領域内の前記粒子に前記光を照射することで発生する散乱光を受光する受光部とを備え、暖められた空気が上昇する方向と反対の方向を下側とすると、前記光源は前記検出領域より下側に配置され、前記光源の熱による上昇気流によって、前記粒子を含む空気を上昇させて前記粒子を前記検出領域へ導くことができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、大気中に浮遊する粒子を検出する粒子検出装置に関する。

従来の微粒子測定装置は、気体等の流体を微粒子測定装置の内部に吸引して外部に排気し、この際、内部に流れる流体に光源からのレーザー光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光を受光素子で受光するように構成されている。そして、その受光に応じて受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさ（粒径）を演算して求めるようになっている。微粒子測定装置は、ノズルと、吸引ノズルと、チャンバーと、光源と、真空ポンプなどを備えて構成されている（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の微粒子測定装置は、流体を吸引して排出する吸引手段によって流体を流路に流し、この流れる流体に光源からの出射光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光を受光素子で受光し、この受光に応じて受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさを演算して求めている。その際、吸引手段としてファンモータを用いている。

特開２００６−１３８８３３号公報（第３頁０００２、図８）

このように、従来の粒子検出装置は、ファンモータなどの流体を吸引して排出する吸引手段を用いる必要があり、構成部品が多くなるという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、構成部品を減らすことを目的とする。

本発明に係る粒子検出装置は、粒子を検出する検出領域に照射される光を出射する光源と、前記検出領域内の前記粒子に前記光を照射することで発生する散乱光を受光する受光部とを備え、暖められた空気が上昇する方向と反対の方向を下側とすると、前記光源は前記検出領域より下側に配置され、前記光源の熱による上昇気流によって、前記粒子を含む空気を上昇させて前記粒子を前記検出領域へ導くことを特徴とする。

本発明は、構成部品を低減した粒子検出装置を提供することができる。

実施の形態１に係る粒子検出装置１の構成図である。 実施の形態１の変形例１に係る粒子検出装置２の構成図である。 実施の形態１の変形例２に係る粒子検出装置３の構成図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る粒子検出装置１について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態１は、本発明の一具体例を示すものである。したがって、各構成要素の形状、配置および材料などは一例であり、本発明を限定する趣旨はない。また、各図は模式図であり、厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成要素については同じ符号を付している。

実施の形態１に係る粒子検出装置１は、粒子４０を含む空気を粒子検出装置１内に取り込む。粒子検出装置１は、取り込まれた粒子４０に光を照射する。粒子４０に照射された光は散乱して散乱光となる。そして、粒子検出装置１は、散乱光に基づいて粒子４０を検出する。粒子検出装置１は、例えば、粒子４０の個数、粒子４０の大きさ又は粒子４０の種類などを判別する。以下において、粒子４０を含む空気を「試料空気」とも呼ぶ。

＜粒子検出装置１の構成＞
図１は、実施の形態１に係る粒子検出装置１の構成図である。粒子検出装置１は、光源２１および受光部３０を備える。粒子検出装置１は、筐体１０、レンズ２２または保持部材２３，２４を備えることができる。

≪筐体１０≫
筐体１０は、例えば、粒子検出装置１の本体部の外装の箱である。筐体１０の内部には、光源２１および受光部３０が備えられている。筐体１０には、吸気口１１および排気口１２が形成されている。筐体１０は、例えば、遮光性を有する。筐体１０は、迷光を吸収するために黒色であることが望ましい。

粒子検出装置１は、例えば、筐体１０の下部に吸気口１１を備える。粒子検出装置１は、例えば、筐体１０の上部に排気口１２を備える。ここで、暖められた空気が上昇する方向を上側とし、反対の方向を下側とする。筐体１０の上側の部分は上部である。筐体１０の下側の部分は下部である。

≪吸気口１１≫
吸気口１１は、例えば、開口である。吸気口１１は、粒子４０を含む空気を筐体１０の内部に吸い込む。吸気口１１は、粒子４０を含む空気を粒子検出装置１の内部に吸い込む。粒子４０を含む空気は、吸気口１１から筐体１０の内部に吸い込まれる。粒子４０を含む空気は、吸気口１１から粒子検出装置１の内部に吸い込まれる。

なお、図１では、吸気口１１を筐体１０の右側面の下部に設けた例を示している。しかし、粒子検出装置１はこの構成に限らない。吸気口１１は、例えば、筐体１０下部であれば、前面、背面、下面および左側面のいずれに設けてもよい。

≪排気口１２≫
排気口１２は、例えば、開口である。排気口１２は、粒子４０を含む空気を筐体１０の外部に排出する。排気口１２は、粒子４０を含む空気を粒子検出装置１の外部に排出する。粒子４０を含む空気は、排気口１２から筐体１０の外部に排出される。粒子４０を含む空気は、排気口１２から粒子検出装置１の外部に排出される。

なお、図１では、排気口１２を筐体１０の上面に設けた例を示している。しかし、粒子検出装置１はこの構成に限らない。排気口１２は、例えば、筐体１０上部であれば、前面、背面、右側面および左側面のいずれに設けてもよい。

≪光源２１≫
光源２１は、光を出射する。光源２１は、例えば、レーザー光源またはＬＥＤなどである。光源２１は、熱を発する。

≪レンズ２２≫
レンズ２２は、光を集光する。レンズ２２は、例えば、集光機能を備えている。レンズ２２は、光源２１から出射された光を集光する。レンズ２２は、光源２１から出射された光を検出領域５０に集光する。レンズ２２は、光源２１から出射された光を検出領域５０内に集光する。レンズ２２は、光源２１から出射された光を照射光２５として集光する。または、レンズ２２は、例えば、光源２１から出射された光を照射光２５としての平行光に変換する。レンズ２２は、光源２１から出射された光の発散角を変更する。レンズ２２は、光源２１から出射された光を照射光２５に変換する。光源２１から出射された光の発散角は、照射光２５の発散角よりも小さい。

レンズ２２は、例えば、シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズである。なお、トロイダルレンズは、シリンドリカルレンズを含む。照射光２５の強度が粒子４０の検出にとって十分に大きく設定できる場合などでは、レンズ２２を省略することが可能である。

≪保持部材２３，２４≫
保持部材２３は、例えば、光源２１を保持している。保持部材２４は、例えば、レンズ２２を保持している。保持部材２３，２４は、光源２１およびレンズ２２を設計位置に保持するための部材である。照射光２５が検出領域５０に導かれるように、保持部材２３，２４は光源２１およびレンズ２２を保持する。保持部材２３と保持部材２４とは、一体で形成されてもよい。

保持部材２３は、例えば、放熱部材を含んでいる。保持部材２３には、例えば、熱伝導率の高い材料が用いられる。保持部材２３は、光源２１から発せられる熱を放熱する機能を備えている。放熱部材には、例えば、アルミニウム、鉄または銅等の金属が用いられる。または、放熱部材には、熱伝導率の高い樹脂等が用いられる。保持部材２３に用いる材料はコスト、加工精度または部材重量などから選定されるものであり、前述した材料以外のものでもよい。

保持部材２３，２４には、それぞれ熱伝導率の異なる部材が選択されてもよい。保持部材２３の放熱効果を高めるために、保持部材２３には熱伝導率の高い材料が用いられてもよい。レンズ２２の熱による変形などを避けるために、保持部材２４には熱伝導率の低い材料が用いられてもよい。例えば、保持部材２４の熱伝導率は、保持部材２３の熱伝導率よりも低い。

保持部材２３，２４は、ヒートシンクの機能を備えてもよい。ヒートシンクは、放熱または吸熱を目的として機械の構造の一部をなす部品である。ヒートシンクには、主に、伝熱特性の良い金属材料が用いられる。ヒートシンクは、放熱の性能または吸熱の性能を上げるために表面積の広い形状をしている。一般的には、ヒートシンクはフィンを備えている。フィンは表面積を広くするための板または棒である。

≪照射光２５≫
照射光２５は、粒子４０に照射される。照射光２５は、検出領域５０に照射される。検出領域５０内には、粒子４０が存在する。照射光２５は、例えば、レンズ２２から出射される。照射光２５は、レンズ２２によって集光される。照射光２５は、例えば、集光された光である。または、照射光２５は、例えば、平行化された光である。検出領域５０に照射される照射光２５は、例えば、レーザー光またはＬＥＤ光などである。また、照射光２５は、単色光であっても良く、または白色光であっても良い。

≪受光部３０≫
受光部３０は、光を検知する。受光部３０は、光検知器である。受光部３０は、散乱光の強度を検知する。受光部３０は、受光素子３１を備える。受光部３０は、レンズ３２または遮光部材３３を備えることができる。

≪受光素子３１≫
受光素子３１は、光を検出する素子である。受光素子３１は、光検出素子である。受光素子３１は、例えば、フォトダイオード、焦電素子またはフォトンカウンターである。フォトンカウンターは、光電子増倍管などを含む。

≪レンズ３２≫
レンズ３２は、光を集光する。レンズ３２は、散乱光を集光する。レンズ３２は、粒子４０からの散乱光を受光素子３１の受光面３１ａ上に集光する。レンズ３２は、粒子４０からの散乱光を受光素子３１の受光面３１ａ上に導く。レンズ３２は、検出領域５０内からの散乱光を受光素子３１へ集光する。レンズ３２は、検出領域５０内からの散乱光を受光素子３１に導く。

≪遮光部材３３≫
遮光部材３３は、光を遮光する。遮光部材３３は、粒子４０からの散乱光以外の光を遮光する。遮光部材３３は、レンズ３２によって集光された光以外の光を遮光する。粒子４０からの散乱光以外の光は、例えば、迷光である。遮光部材３３は、例えば、迷光を遮る。遮光部材３３は、例えば、遮光板である。遮光部材３３によって、散乱光の検知能力を向上することができる。

≪粒子４０≫
粒子４０は、粒子検出装置１の検出対象である。粒子４０は、例えば、大気中に浮遊する微小な粒子状の物質である。粒子４０は、花粉、埃またはタバコの煙などを含む。埃は、ハウスダストとも呼ばれる。また、粒子４０は、ダニなどの微小生物の死骸、その破片又は糞などを含む。また、粒子４０は、いわゆるＰＭ２．５またはＰＭ１０などを含む。粒子４０は、照射光２５が照射されたときに散乱光を発生させる微小物質であれば、特に限定されない。

ＰＭ２．５は、大気中に浮遊する小さな粒子のうち、粒子の大きさが２．５μｍ以下の小さな粒子のことである。ＰＭ２．５の成分は、炭素、硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、ケイ素、ナトリウム又はアルミニウム等の無機元素などが含まれている。ＰＭ１０は、大気中に浮遊する小さな粒子のうち、粒子の大きさが１０μｍ以下の小さな粒子のことである。ＰＭ２．５およびＰＭ１０は、微小粒子状物質ともよばれる。「粒子状物質」とは、マイクロメートルの大きさの固体または液体の微粒子のことをいう。

≪検出領域５０≫
検出領域５０は、粒子４０を検出する領域である。検出領域５０は、粒子検出装置１の外部から取り込まれた空気の通過領域に含まれている。検出領域５０は、照射光２５が照射される領域に含まれている。図１における検出領域５０は一例を示したものであり、検出領域５０の大きさおよび形状はこの例に制限されない。

＜粒子検出装置１の動作＞
次に、粒子検出装置１の動作について説明する。

粒子検出装置１は、例えば、吸気口１１が下側になるように配置される。粒子検出装置１は、例えば、排気口１２が上側になるように配置される。大気中の粒子４０を含む空気が吸気口１１から粒子検出装置１内に流入する。粒子検出装置１内の粒子４０を含む空気が排気口１２から粒子検出装置１外に流出する。上側は、暖められた空気が上昇する方向側である。下側は、暖められた空気が上昇する方向と反対の方向側である。

光源２１の熱が保持部材２３に伝わる。保持部材２３から光源２１の熱が放熱される。この放熱の際に、上昇気流が発生する。ここで上昇気流とは、一部の空気が熱せられ膨張することで、比重がまわりの空気より小さくなり、一部の空気が上昇することを示す。つまり、保持部材２３付近の空気は熱せされて上昇する。

上昇気流が発生することで、粒子検出装置１内で試料空気の流れが生まれる。これによって、新たな試料空気が吸気口１１から粒子検出装置１内に取り込まれる。そして、粒子検出装置１内の試料空気は、排気口１２より排気される。試料空気は、吸気口１１から粒子検出装置１内に流入した大気中の空気である。試料空気は、粒子４０を含む空気である。

試料空気は、粒子検出装置１内の検出領域５０を通過する。試料空気は、ある速度で検出領域５０を通過する。光源２１は、検出領域５０に照射光２５を照射する。照射光２５は、検出領域５０内の粒子４０に照射される。

このとき、粒子４０から散乱光が生じる。「散乱光」とは、粒子４０に当たった照射光２５が、その伝播状態を変化させて発生する光である。「伝播」とは、波動が媒質の中を広がっていくことである。ここでは、「伝播」とは、光が空間の中を進行していくことである。空間は、上述のように、空気中または液体中などである。ただし、「散乱光」は、照射光２５の波長によって発生する粒子４０の蛍光やラマン散乱光等の種々の散乱光も含む。

受光部３０は、散乱光の強度を検知する。受光部３０が散乱光を検知することで、検出領域５０内に粒子４０が存在することを認識できる。レンズ３２および遮光部材３３によって、受光素子３１に到達する散乱光以外の光の量は低減される。検出領域５０を通過した試料空気の体積と散乱光の検出回数とから、粒子濃度を算出することができる。また、検出領域５０を通過した試料空気の体積と散乱光強度とから、粒子の重量濃度を算出することができる。試料空気が流れることで、粒子検出装置１外の大気と粒子検出装置１内の空気とを入れ替えることができる。そして、周囲の大気中の粒子４０の数または重量濃度の変化を検知することができる。

以上のように、検出領域５０の下側に光源２１を配置する。そして、光源２１の熱によって上昇気流が発生する。つまり、光源２１および保持部材２３の付近の空気が上昇する。光源２１および保持部材２３の付近の空気は、例えば、試料空気である。

試料空気は粒子検出装置１内を上昇する。そして、試料空気は検出領域５０を通過する。そのため検出領域５０には常に新しい試料空気が流入する。粒子検出装置１は、周囲の大気に含まれる粒子４０を検出できる。

粒子検出装置１は、光源２１の熱を用いて試料空気を循環させる。このため、粒子検出装置１は、従来の粒子検出装置よりも構成部品を少なくすることができる。つまり、粒子検出装置１は、吸引手段を省くことができる。

例えば、吸気口１１側に放熱効果のある保持部材２３を配置する。これによって、上昇気流を吸気口１１の近くで生じさせることができる。また、検出領域５０の下側に放熱部材を配置する。これによって、試料空気を効率よく検出領域５０に導くことができる。そして、粒子検出装置１外の大気を粒子検出装置１内に効率良く取り込むことが可能になる。

さらに、保持部材２３は、保持部材２４よりも熱伝導率の高い部材を採用する方が良い。保持部材２３は、粒子検出装置１の下側に配置されている。保持部材２３は、吸気口１１の近くに配置される。保持部材２３に伝達される熱量の割合が高いほど、保持部材２３は、光源２１の熱を効率よく吸気口１１へ伝達することができる。そして、上昇気流を効率よく生じさせることができる。

また、保持部材２４の熱伝導率は、保持部材２３の熱伝導率よりも低い方が良い。保持部材２４の熱伝導率が低いと、光源２１の熱は保持部材２４に伝わりにくくなる。そのため、光源２１の熱が保持部材２４で放熱されずに、保持部材２３で放熱されやすくなる。

吸気口１１付近での放熱効果を高めるために、保持部材２３の吸気口１１から離れている部分を断熱材で覆ってもよい。保持部材２３を放熱部材として用いる例を示したが、別途放熱部材を備えてもよい。保持機能のない放熱部材と放熱機能のない保持部材２３との組合せでもよい。放熱部材を吸気口１１付近に備えることで、試料空気を効率よく粒子検出装置１内に取り込むことができる。

以上のように、光源２１に放熱効果のある部材を装着することで、上昇気流を効率よく発生させることができる。そして、粒子検出装置１は周囲の空気を効率よく粒子検出装置１内に取り込むことができる。

＜変形例１＞
次に、実施の形態１の変形例１について説明する。粒子検出装置１は、検出領域５０の真下に光源２１を配置している。また、粒子検出装置１の吸気口１１は、筐体１０の側面に形成されている。変形例１に係る粒子検出装置２は、吸気口１１を排気口１２の真下に配置している。また、粒子検出装置２の２１は、吸気口１１から排気口１２への試料空気の流路を外れた位置に配置されている。

図２は、実施の形態１の変形例１に係る粒子検出装置２の構成図である。粒子検出装置２において、粒子検出装置１と共通する構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図２は、光源２１を検出領域５０の右下側に配置した例を示している。光源２１の配置位置は、検出領域５０の真下以外の下側であれば、どの位置でもよい。保持部材２３は、検出領域５０の下側に設置されている。保持部材２３は、例えば、検出領域５０の真下に設置されている。

図２において、保持部材２３は、吸気口１１の上側に設置されている。しかし、保持部材２３は吸気口１１を塞いでいない。保持部材２３には、例えば、図の上下方向に穴またはスリットなどが設けられている。これによって、吸気口１１から流入した試料空気は、保持部材２３を通過して検出領域５０へ導かれる。

また、吸気口１１を検出領域５０の真下に設ける。これによって、試料空気は吸気口１１から垂直に上昇して検出領域５０に到達する。試料空気の上昇気流は垂直に上昇する。このため、試料空気を効率的に検出領域５０へ運ぶことができる。

さらに、放熱効果のある保持部材２３を検出領域５０の真下に設ける。これによって、上昇気流を検出領域５０の真下から効率よく発生させることができる。光源２１の周辺の保持部材２３の部分を断熱材で覆うことで、吸気口１１付近の保持部材２３の放熱量を上げることができる。

試料空気の流路を吸気口１１から排気口１２に向かって垂直に設定できる。そして、試料空気の流路は直線的である。そのため、試料空気の循環が良くなる。

また、光源２１およびレンズ２２は、試料空気の流路から外れた位置に配置されている。そのため、試料空気による光源２１の汚れおよびレンズ２２の汚れを低減することができる。また光源２１の出射面およびレンズ２２面が重力方向に対して傾いているため、粒子４０の堆積を抑えることができる。

照射光２５は、暖められた空気が上昇する方向に対して傾斜して検出領域５０に入射する。照射光２５の光軸は、粒子検出装置２内の試料空気の流れに対して斜めになる。照射光２５の光束と試料空気の流れが交差する範囲が検出領域５０となる。照射光２５は、例えば、試料空気の流れに対して、検出領域５０にのみ照射される。このため、検出領域５０以外で散乱光の発生を防ぐことができる。

また照射光２５の光軸を垂直方向に対して大きく傾斜させることで、検出領域５０を吸気口１１に近づけることができる。そして、試料空気の流路を短くすることができる。こうすることで、粒子検出装置２の高さを抑えることができる。

以上のように、変形例１に係る粒子検出装置２は、光源２１の熱を用いて試料空気を循環させる。このため、粒子検出装置２は、従来の粒子検出装置よりも構成部品を少なくすることができる。また、照射光２５は試料空気の流路に対して傾斜した方向から検出領域５０に入射する。そのため、光源２１およびレンズ２２面の汚れを抑えることができる。

＜変形例２＞
次に、実施の形態１の変形例２について説明する。変形例２に係る粒子検出装置３は、試料空気を検出領域５０に導くための誘導壁１３を備えている。

図３は、実施の形態１の変形例２に係る粒子検出装置３の構成図である。粒子検出装置３において、粒子検出装置１，２と共通する構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。

≪誘導壁１３≫
誘導壁１３は、誘導路を形成する仕切りである。誘導壁１３は、粒子検出装置３内の試料空気の流れを制限する。誘導壁１３は、試料空気を吸気口１１から検出領域５０まで導く。

図３に示すように、誘導壁１３は、例えば、筒形状である。また、誘導壁１３の筒形状の直径は、検出領域５０に向けて小さくなっている。こうすることで、検出領域５０以外へ向かう試料空気の量を低減することができる。そして、検出領域５０へ向かう試料空気の量を増やすことができる。

また、検出領域５０側の誘導壁１３の開口を小さくすることで、光源２１からもれた光が誘導壁１３の内壁面で反射し、検出領域５０以外に向かうのを防ぐことができる。同時に、誘導壁１３は、粒子検出装置３の外部から粒子検出装置３内部に入射する外光を低減させることができる。

排気口１２から排出されなかった粒子４０は、例えば、空気の対流および重力によって、粒子検出装置３の下部に落ちてくる。誘導壁１３は、排気口１２から排気されなかった粒子４０がレンズ２０または光源２１上に堆積することを低減することができる。粒子検出装置３の下部に落ちてきた粒子４０は、誘導壁１３によって、誘導壁１３の外側に落下する。つまり、レンズ２０の汚れまたは光源２１の汚れを低減することができる。そして、粒子検出装置３の信頼性を向上することができる。

また、光源２１は、誘導壁１３の内部に配置されている。そして、照射光２５は誘導壁１３の排気口１３ａを通して検出領域５０に照射される。

これによって、光源２１から発せられる熱を誘導壁１３内に留めることができる。そして、光源２１の熱によって発生する上昇気流に伴う空気（試料空気）の上昇の力を大きくすることができる。

また、筐体１０内から光源２１に向けて進行する光を遮ることができる。これによって、光源２１の内部に入射する光を低減できる。そして、光源２１の信頼性を向上できる。

以上のように、変形例２に係る粒子検出装置３は、光源２１の熱を用いて試料空気を循環させる。そのため、従来の粒子検出装置よりも構成部品を少なくすることができる。粒子検出装置３は、誘導壁１３を備える。これによって、試料空気を効率的に検出領域５０へ導くことができる。

なお、上述の各実施の形態においては、「平行」または「垂直」などの部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す用語を用いている場合がある。これらは、製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを表している。このため、請求の範囲に部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す記載をした場合には、製造上の公差又は組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。

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。

１，２，３ 粒子検出装置、１１ 吸気口、１２ 排気口、１３ 誘導壁、１３ａ 排気口、２１ 光源、２２，３２ レンズ、２３，２４ 保持部材、２５ 照射光、３０ 受光部、３１ 受光素子、３１ａ 受光面、３３ 遮光部材、４０ 粒子、５０ 検出領域。

Claims (4)

1. 粒子を検出する検出領域に照射される光を出射する光源と、
   前記検出領域内の前記粒子に前記光を照射することで発生する散乱光を受光する受光部と
   を備え、
   暖められた空気が上昇する方向と反対の方向を下側とすると、
   前記光源は前記検出領域より下側に配置され、
   前記光源の熱による上昇気流によって、前記粒子を含む空気を上昇させて前記粒子を前記検出領域へ導くことを特徴とする粒子検出装置。
2. 前記光源が発する熱を放熱する放熱部材を前記検出領域よりも下側に備えることを特徴とする請求項１記載の粒子検出装置。
3. 前記光は前記上昇する方向に対して傾斜して前記検出領域に入射することを特徴とする請求項２記載の粒子検出装置。
4. 前記空気を前記検出領域へ導く誘導壁をさらに備え、
   前記光源は前記誘導壁の内部に配置されることを特徴とする請求項１記載の粒子検出装置。

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