JP2020126046A - 微粒子検出センサ、ほこりセンサ、空調機器、および微粒子検出センサの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微粒子濃度を高精度に検出可能であり、周囲温度の変化や、外乱光ノイズ・電磁ノイズ、製造ばらつき等による計測精度の低下を抑制し、微粒子検出センサを構成する部品点数の削減により当該センサのコスト上昇を抑制する。【解決手段】流体中に含まれる微粒子の濃度を検出する微粒子検出センサ（１）は、発光素子（１０）と、ＳＰＡＤアレイ受光部（３０）と、信号処理部（５０）と、を備え、前記信号処理部（５０）は、点灯期間における第１パルスカウント値、および消灯期間における第２パルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、流体中に含まれる微粒子の濃度を検出する微粒子検出センサと、それを利用した、ほこりセンサ、および、空調機器に関する。

科学技術の進展に伴い、空気の汚れが問題にされるようになってきている。これに伴い、例えば、特許文献１では、煤塵などの微粒子、たばこ煙粒子、大気汚染物質、あるいは、ハウスダスト等の微粒子の濃度を検出し、空気の汚染状況を検出するほこりセンサが提案されている。なお、以下において、上述した気体中に浮遊する煤塵などの微粒子、たばこ煙粒子、大気汚染物質、あるいはハウスダスト等の微粒子を総称して「ほこり」と表記する。

特に、近年ではＰＭ２.５（粒子径が２.５μｍ以下）に代表される微小粒子状物質が、健康被害を引き起こす危険性が指摘されている。そのため、粒子径が２.５μｍ以下の微粒子の濃度に対しても、高精度に検出することが可能となる微粒子検出センサや、ほこりセンサが求められている。

ここで、微粒子の濃度とは、気体や液体である流体中に含まれる微粒子の質量濃度や個数濃度等のことである。質量濃度とは、単位体積の流体中に含まれる微粒子の質量を合計した量を表し、その単位は[μｇ／ｍ^３]等で表記される。また、個数濃度とは、単位体積の流体中に含まれる微粒子の個数を表し、その単位は[１／ｍ^３]等で表記される。なお、本明細書で取り扱う微粒子は、粒子径がおよそ０.１μｍ〜数１０μｍの範囲の微粒子を対象とする。

このような微粒子検出センサや、ほこりセンサは、例えば、自動運転する空気清浄器や空気清浄機能付きエアーコンディショナ等の空調機器に搭載されており、上記センサにより空気の汚れを検出し、その汚れ度合いに応じて、空調機器の風量調整や動作制御が行われる。

図１７に、従来のほこりセンサ５００の回路構成の一例を示す。図１７に示すように、ほこりセンサ５００は、検出領域５０３に光を投射する発光素子５０１（例えば、ＬＥＤ等）と、検出領域５０３に存在するほこり粒子により散乱される散乱光５０４を受光する受光素子５０５（例えば、フォトダイオード）を備えている。さらに、ほこりセンサ５００は、発光素子５０１を駆動する駆動回路５１０と、受光素子５０５における受光電流を電圧信号に変換するＩＶ変換回路５０６と、その電圧信号を増幅する複数段の増幅回路５０８と、低周波ノイズを除去するための、抵抗とコンデンサで構成されるハイパスフィルタＨＰＦ５０７と、増幅回路の増幅率を調整する可変抵抗Ｒ５０９とで構成されている。

図１８に、ほこりセンサ５００の動作波形の一例を示す。図１８の横軸は時間変化を表している。図１８の（ａ）は、発光素子５０１の駆動信号波形（パルス信号）を示しており、Ｈレベル時に発光素子５０１が点灯、Ｌレベル時に発光素子５０１が消灯することを表している。図１８の（ｂ）は、出力信号波形を示しており、発光素子５０１が点灯すると、ほこり粒子からの散乱光５０４が受光素子５０５に入射するため、出力信号には発光素子５０１が点灯するタイミングに同期したパルス信号が得られる。

散乱光５０４の強度（光量）は、ほこり粒子の濃度に依存して増減するため、上記パルス信号の振幅は、ほこりの濃度に依存して増減することになる。この様子を図１８の（ｂ）における（ｂ１）、（ｂ２）、および（ｂ３）に示す。例えば、ほこり粒子が高濃度になるにしたがって散乱光の受光量は増加するため、パルス信号の振幅も高濃度になるほど上昇することになる。したがって、上記パルス信号のピーク電圧値を計測することにより、ほこり粒子濃度を検出することが可能となる。

しかしながら、図１８の（ｂ）で示す出力信号には、散乱光５０４によるパルス信号の他に、受光素子５０５や増幅回路５０８が発生するショット雑音や熱雑音等のノイズ成分や、外乱光ノイズ、電磁ノイズ等によるノイズ成分が重畳される。そのため、上記パルス信号のピーク電圧の計測値には、これらのノイズ成分が含まれることになる。

図１９は、上記パルス信号のピーク電圧の計測値のほこり濃度に対する依存性を示している。計測されるピーク電圧値は、ほこり濃度に依存して変動することから、ピーク電圧の計測値からほこり濃度を検出することが可能となる。ここで、ほこり粒子濃度がゼロ（ほこり無し）の場合の計測値は、上記ノイズ成分によるものである。

ほこり濃度が低くなると、ほこり粒子からの散乱光量が低下するため、散乱光５０４による信号成分（ピーク電圧）が小さくなり、結果として、この散乱光成分はノイズ成分に埋もれてしまう。そのため、ほこり粒子の濃度が低濃度になるにつれて、ほこり濃度の計測精度の低下や、低濃度領域において計測不可となる濃度範囲が発生してしまう。また、例えば、周囲温度の変化等のセンサの動作条件の変化によりノイズ成分が変動する場合も、ほこり濃度の計測精度に影響を及ぼすことになる。

さらに、一般的に、微粒子からの散乱光強度は粒子径の６乗に比例することが知られており、ほこり粒子の粒子径が小さくなるほど、ほこりセンサ５００で計測されるピーク電圧計測値は低くなり、図１９における低濃度時の計測と同様に、散乱光成分のピーク電圧値がノイズ成分に埋もれてしまうことになるため、ほこり粒子の粒子径が小さくなるほど、ほこり濃度の計測精度は低下することになる。

一方、従来から、光通信や測距センサ等の分野において、微弱光を検出するための受光素子として、フォトダイオードの雪崩増幅（アバランシェ）効果を利用したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられている。アバランシェフォトダイオードは、降伏電圧（ブレークダウン電圧）未満の逆バイアス電圧を印加するとリニアモードとして動作し、受光量に対して正の相関を有するように出力電流が変動する。アバランシェフォトダイオードは、降伏電圧以上の逆バイアス電圧を印加するとガイガーモードとして動作する。ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードは、単一フォトンの入射であってもアバランシェ増倍（雪崩増幅）を起こすので、大きな出力電流が得られる。このため、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードは、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Single Photon Avalanche Diode）と呼ばれる。

また、複数のＳＰＡＤをアレイ状に行列配置することで、さらに光検出効率を高めることが可能となる。ＳＰＡＤアレイの光検出効率は、開口率（ＳＰＡＤアレイ受光部全体に占める光検出可能領域の割合）、量子効率（ＳＰＡＤに入射した光がキャリアを生成する確率）、アバランシェ増倍率（発生したキャリアがアバランシェ増倍を起こす確率）の積で定義される。

また、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードに対し、アクティブクエンチング抵抗を直列に加えることで、フォトン入射に対して同期したパルス信号出力（デジタル信号）を得ることができる。図２０の（ａ）は、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードに対し、アクティブクエンチング抵抗を直列に加える回路構成の一例を示す図である。図２０の（ａ）に示す回路は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ６００と、アクティブクエンチング抵抗Ｒ６００（ＮＭＯＳトランジスタ（ｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の抵抗成分）と、バッファーＢＵＦ６００とで構成されている。

アバランシェフォトダイオードＡＰＤ６００（以降、ＡＰＤ６００と称する）はガイガーモードのアバランシェフォトダイオードであり、降伏電圧以上の逆バイアス電圧ＶＨＶ６００を印加されることで、光入射に対してアバランシェ増倍を起こし電流が流れる。ＡＰＤ６００に直列で接続されているアクティブクエンチング抵抗Ｒ６００（以降、抵抗Ｒ６００と称する）に電流が流れることで、抵抗Ｒ６００の端子間電圧が増加する。それに伴いＡＰＤ６００の逆バイアス電圧ＶＨＶ６００が降下し、アバランシェ増倍は停止する。

アバランシェ増倍による電流が無くなると抵抗Ｒ６００の端子間電圧低下し、ＡＰＤ６００には再び降伏電圧以上の逆バイアス電圧ＶＨＶ６００が印加される状態に戻る。ＡＰＤ６００と抵抗Ｒ６００の間のノードＡ６００の電圧変化は、バッファーＢＵＦ６００を介して出力される。これにより、バッファーＢＵＦ６００から、フォトン入射に対して同期する、デジタル化されたパルス信号が出力される。なお、上記出力されるパルス信号は２値のパルス信号でもよい。図２０の（ａ）の回路の動作波形を図２０の（ｂ）に示す。図２０の（ｂ）に示す図は特許文献２に開示されている。

また、特許文献３には、微小粒子からの微弱な散乱光を検出するため、受光素子にガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを用いている微粒子検出回路が開示されている。特許文献３に開示されている微粒子検出回路は、微小粒子からの散乱光を計測するための電流電圧変換回路と、粒子径の大きな粒子からの散乱光を計測するための電流電圧変換回路とを２つ備えている。これにより、アバランシェフォトダイオードで受光する散乱光に対する入力ダイナミックレンジを大きく採り、微粒子から比較的大きな粒子に至るまで１つの受光回路で検出することを可能としている。

特開２０００−３５６５８３号公報（２０００年１２月２６日公開） 特開２０１２−６００１２号公報（２０１２年３月２２日公開） 特開平７−９２０７５号公報（１９９５年４月７日公開）

しかしながら、上述のような従来技術は下記の問題がある。すなわち、特許文献１で開示されている回路構成の場合、上述のとおり、出力信号には、ほこり粒子からの散乱光成分とノイズ成分が混在するため、ピーク電圧値を計測する方式では、散乱光成分とノイズ成分を区別することができない。そのため、ほこり濃度が低濃度になるにしたがって、または、ほこり粒子径が小さくなるにしたがって、計測精度の低下や、計測不可能となる濃度範囲が発生する可能性が高くなる。

特に、周囲温度が高温になるほど、受光素子のショット雑音や回路素子の熱雑音が増加し、出力信号に現れるノイズ成分が大きくなる。そのため、周囲温度が高温の場合には、ほこり濃度の検出精度の大幅な低下や、ノイズ成分の増大によりほこり濃度の計測が不可能となる可能性が高くなる。

また、特許文献１で開示されている回路構成では、ほこり粒子からの微弱な散乱光を検出するために、複数の増幅回路を用いて高ゲインのアンプを形成しているため、電磁ノイズや外乱光ノイズに対する耐性が悪くなる懸念がある。回路素子間を接続する金属配線がアンテナとなり、その配線に電磁ノイズがカップリングすることにより、信号配線にノイズが重畳し、そのノイズが増幅器で増幅されるためである。

特に、電磁ノイズによる耐性悪化の対策として、電磁ノイズによる影響を抑制する対策が必要となる。上記対策として、ほこりセンサ全体を金属製のシールドケースで覆う、あるいは、センサ筐体ケースに導電性樹脂を使用して、その導電性樹脂を接地することにより電磁ノイズをシールドする、等がある。また、回路上でもハイパスフィルタによりノイズ除去を行う等の対策が必要になるため、上記複数の増幅回路を含めて、センサを構成する部品点数の増大に伴うセンサのコスト増大の懸念がある。

また、特許文献３に開示されている微粒子検出回路においては、複数の電源電圧が必要となることや、１００Ｖ以上のバイアス電圧をアバランシェフォトダイオードに印加する必要があるため、空気清浄機等の家庭用空調機器に搭載するには不向きである。また、各電流電圧変換回路の動作電圧が異なるため、フォトカプラ等で構成される絶縁アンプが必須であり、部品点数の増大によるコストＵＰが懸念される。

さらに、特許文献３においては、ＩＶ変換回路のフィードバック抵抗Ｒｆの値を最適値に設定することで、熱雑音等のノイズ成分を抑制しＳ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）を向上する手段が説明されているが、散乱光成分とノイズ成分を区別して除去するような具体的な方法は提示されていない。そのため、低濃度での計測や、微小な粒子の計測においては、計測精度の低下が懸念される。

本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、微粒子濃度を高精度に検出可能であり、周囲温度の変化や、外乱光ノイズ・電磁ノイズ、製造ばらつき等による計測精度の低下を抑制し、当該センサを構成する部品点数の削減により当該センサのコスト上昇を抑制することが可能な、微粒子検出センサを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、（１）本発明の一実施形態は、流体中に含まれる微粒子の濃度を検出する微粒子検出センサであり、前記微粒子に光を投射する発光素子と、アレイ状に配置され、ガイガーモードで動作する複数のＳＰＡＤを有し、前記発光素子からの投射された光による前記微粒子からの散乱光を受光してパルス信号を出力するＳＰＡＤアレイ受光部と、前記パルス信号をカウントした値であるパルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出する信号処理部と、を備え、前記信号処理部は、前記発光素子が前記光を投射する点灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第１パルスカウント値、および前記発光素子が前記光を投射しない消灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第２パルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出する、微粒子検出センサ。

（２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、前記点灯期間において前記第１パルスカウント値をカウントする期間の長さと、前記消灯期間において前記第２パルスカウント値をカウントする期間の長さとが同一である、微粒子検出センサ。

（３）また、本発明のある実施形態は、上記（１）または、上記（２）の構成に加え、前記信号処理部は、前記第１パルスカウント値から前記第２パルスカウント値を減算した第３パルスカウント値を算出し、前記第３パルスカウント値に基づいて前記微粒子の濃度を算出する、微粒子検出センサ。

（４）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）または、上記（３）の構成に加え、上記パルス信号を計数するパルスカウンタを備え、前記パルスカウンタは、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタで構成され、前記点灯期間における前記パルス信号をＵＰカウントし、前記消灯期間における前記パルス信号をＤＯＷＮカウントする、微粒子検出センサ。

（５）また、本発明のある実施形態は、上記（１）から上記（４）のいずれかの構成に加え、前記ＳＰＡＤアレイ受光部の周囲温度を計測する温度検出部と、前記周囲温度の計測結果に応じて決定された逆バイアス電圧を前記ＳＰＡＤアレイ受光部に供給する電圧設定部を備え、前記温度検出部による前記周囲温度の計測は、温度検出期間において計測され、前記電圧設定部により前記逆バイアス電圧は、電圧設定期間において前記周囲温度の計測結果に応じて更新され、前記温度検出期間および前記電圧設定期間は、前記点灯期間において前記第１パルスカウント値をカウントする期間、および前記消灯期間において前記第２パルスカウント値をカウントする期間からなる計測期間に同期して設定される、微粒子検出センサ。

（６）また、本発明のある実施形態は、上記（５）の構成に加え、前記信号処理部は、前記微粒子の濃度を算出するために用いられる予め設定された第１演算係数に対して、予め設定された温度補正係数と、前記温度検出部で計測される前記周囲温度の計測結果とを用いて温度補正を行うことで第２演算係数を算出し、前記第２演算係数、および、前記第１パルスカウント値から前記第２パルスカウント値を減算した第３パルスカウント値を用いて前記微粒子の濃度を算出する、微粒子検出センサ。

（７）また、本発明のある実施形態は、上記（６）の構成に加え、前記温度補正係数は、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程において、少なくとも２つ以上の任意の温度における前記微粒子の濃度の計測結果に基づき算出する、微粒子検出センサ。

（８）また、本発明のある実施形態は、上記（５）の構成に加え、前記発光素子を駆動する駆動部、前記ＳＰＡＤアレイ受光部、および前記電圧設定部を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記駆動部、前記ＳＰＡＤアレイ受光部、および前記電圧設定部のそれぞれの動作条件を調整するための、第１調整信号、第２調整信号、および第３調整信号を出力する機能を有し、前記駆動部は、前記第１調整信号により、前記発光素子の発光光量を調整する機能を有し、前記ＳＰＡＤアレイ受光部は、前記第２調整信号により、前記ＳＰＡＤアレイ受光部を構成する各ＳＰＡＤセルの有効と無効とを設定する機能を有し、前記電圧設定部は、前記第３調整信号により、前記逆バイアス電圧を調整する機能を有し、前記第１調整信号、前記第２調整信号、および前記第３調整信号は、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程における検査結果に基づいて決定される、微粒子検出センサ。

（９）また、本発明のある実施形態は、上記（１）から上記（８）のいずれかの構成に加え、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程において、前記微粒子がない状態での迷光成分のパルスカウント値である第４パルスカウント値を計測し、前記信号処理部において、微粒子の濃度を演算する際に、前記第１パルスカウント値から前記第２パルスカウント値を減算した第３パルスカウント値から、前記第４パルスカウント値を減算する、微粒子検出センサ。

（１０）また、本発明のある実施形態は、上記（９）の構成に加え、前記第４パルスカウント値は、前記ＳＰＡＤアレイ受光部の周囲温度を計測する温度検出部による計測結果により温度補正される、微粒子検出センサ。

（１１）また、本発明のある実施形態は、上記（８）の構成に加え、前記ＳＰＡＤアレイ受光部は、前記複数のＳＰＡＤがアレイ状に配置されている領域であるＳＰＡＤアレイ領域を、少なくとも２つ以上の基準領域に分割し、前記基準領域のうち少なくとも１つ以上を計測領域として選択する機能を有し、前記第２調整信号は、前記第１パルスカウント値から前記第２パルスカウント値を減算した第３パルスカウント値を、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程において、前記微粒子がない状態での前記点灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第４パルスカウント値で除算した値が最大となるように前記計測領域が選択されるように設定される、微粒子検出センサ。

（１２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）から上記（１１）のいずれかの構成に加え、前記ＳＰＡＤアレイ受光部は、前記散乱光の入射方向に対して、前記発光素子の発光波長近傍の光のみを透過する、光学バンドパスフィルタを備えている、微粒子検出センサ。

（１３）また、本発明のある実施形態は、上記（１）から上記（１２）のいずれかの構成に加え、前記発光素子を除く構成要素の少なくとも２つ以上を、同一の半導体基板上に集積化している、微粒子検出センサ。

（１４）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、前記点灯期間、前記消灯期間、前記点灯期間において前記第１パルスカウント値をカウントする期間である第１パルスカウント期間、および前記消灯期間において前記第２パルスカウント値をカウントする期間である第２パルスカウント期間は、予め定められた期間として制御され、前記第１パルスカウント期間は、前記点灯期間に同期して制御され、前記第２パルスカウント期間は、前記消灯期間に同期して制御され、前記点灯期間と前記消灯期間から成る計測を、少なくとも１回以上繰り返し行う、微粒子検出センサ。

（１５）また、本発明のある実施形態は、上記（１）から上記（１２）のいずれかの構成の微粒子検出センサを備え、気体中を浮遊するほこり微粒子を検出するための検出領域を有し、前記ほこり微粒子の濃度を検出する、ほこりセンサ。

（１６）また、本発明のある実施形態は、上記（１５）の構成のほこりセンサを搭載する、空調機器。

（１７）本発明の一実施形態は、流体中に含まれる微粒子の濃度を検出する微粒子検出センサの制御方法であって、発光素子により、前記微粒子に光を投射するステップと、アレイ状に配置され、ガイガーモードで動作する複数のＳＰＡＤを有するＳＰＡＤアレイ受光部により、前記発光素子からの投射された光による前記微粒子からの散乱光を受光してパルス信号を出力するステップと、信号処理部により、前記パルス信号をカウントした値であるパルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出するステップと、を含み、前記微粒子の濃度を算出するステップにおいて、前記発光素子が前記光を投射する点灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第１パルスカウント値、および前記発光素子が前記光を投射しない消灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第２パルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出する、微粒子検出センサの制御方法。

本発明の一態様によれば、粒子濃度を高精度に検出可能であり、周囲温度の変化や、外乱光ノイズ・電磁ノイズ、製造ばらつき等による計測精度の低下を抑制し、当該センサを構成する部品点数の削減により当該センサのコスト上昇を抑制することが可能な、微粒子検出センサを実現できる。

本発明の実施形態１に係る微粒子検出センサの概略構成の一例を示すブロック図である。 （ａ）は上記微粒子検出センサのＳＰＡＤアレイ受光部を構成するＳＰＡＤセルの概略的な回路構成の一例を示す図である。（ｂ）は上記ＳＰＡＤセルの動作波形の一例を示す図である。（ｃ）は前記ＳＰＡＤアレイ受光部の構成の一例を示す図である。（ｄ）はＳＰＡＤ＿ＯＵＴの出力を説明する図である。 ＳＰＡＤアレイ受光部の構成の一例を示す図である。 前記微粒子検出センサの動作波形の一例を示す図である。 （ａ）は各パルスカウント値の微粒子濃度に対する依存性の一例を示すグラフである。（ｂ）は第３パルスカウント値の微粒子濃度に対する依存性の一例を示すグラフである。（ｃ）は第３パルスカウント値の微粒子濃度依存性の波形例を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る微粒子検出センサの概略構成の一例を示すブロック図である。 前記微粒子検出センサの動作波形の一例を示す図である。 周囲温度に対する最適な逆バイアス電圧の設定例を示すグラフである。 （ａ）は任意の温度における、第１パルスカウント値の微粒子濃度に対する依存性の一例を示すグラフである。（ｂ）は微粒子濃度に対する第３パルスカウント値の温度依存性の一例を示すグラフである。 第３パルスカウント値の傾きα（Ｔ）の温度依存性の一例を示すグラフである。 （ａ）は第１パルスカウント値と第２パルスカウント値のＳＰＡＤセル数に対する依存性の一例を示すグラフである。（ｂ）は第１パルスカウント値と第２パルスカウント値の発光光量に対する依存性の一例を示すグラフである。（ｃ）は第１パルスカウント値と第２パルスカウント値の逆バイアス電圧に対する依存性の一例を示すグラフである。 （ａ）はＳＰＡＤアレイ受光部に迷光が入射する場合の、第３パルスカウント値の微粒子濃度に対する依存性の一例を示すグラフである。（ｂ）は迷光成分の温度依存性が大きい場合の、微粒子濃度に対する第３パルスカウント値の温度依存性の一例を示すグラフである。（ｃ）第４パルスカウント値の温度依存性の一例を示すグラフである。 本発明の実施形態３に係る微粒子検出センサのＳＰＡＤアレイ受光部の計測領域選択手段の一例を示す図である。 （ａ）はＳ／Ｎ比が比較的大きくなる場合の第１パルスカウント値と微粒子濃度の関係の一例を示す図である。（ｂ）はＳ／Ｎ比が比較的小さくなる場合の第１パルスカウント値と微粒子濃度の関係の一例を示す図である。 本発明の実施形態４に係るほこりセンサの概略構成の一例を示す模式図である。（ａ）は上記ほこりセンサを上面から見た図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’の断面図である。 本発明の空調機器の概略構成の一例を示す模式図である。 従来のほこりセンサの概略的な回路構成の一例を示す図である。 上記ほこりセンサの動作波形の一例を示す図である。（ａ）は発光素子の駆動信号波形（パルス信号）を示す。（ｂ）は出力信号波形を示す。 上記パルス信号のピーク電圧値のほこり濃度に対する依存性を示すグラフである。 （ａ）は、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードに対し、アクティブクエンチング抵抗を直列に加える回路構成の一例を示す図である。（ｂ）は、（ａ）の回路の動作波形を示す図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付記し、適宜その説明を省略する。また、本発明は、気体や液体等の流体中に含まれる微粒子の濃度を検出する微粒子検出センサに関するものであり、粒子径がおよそ０.１μｍ〜数１０μｍの微粒子をその検出対象とする。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１に係る微粒子検出センサ１の概略構成の一例を示すブロック図である。微粒子検出センサ１は、発光素子１０、駆動部２０、ＳＰＡＤアレイ受光部３０、パルスカウンタ４０、信号処理部５０、および制御部６０で構成されている。

発光素子１０は、検出対象の微粒子に投射光Ｅ１を投射する。発光素子１０については、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または、レーザーダイオード（ＬＤ）等の使用を想定しているが、本実施形態はこれらに限定するものではない。発光素子１０としては、他に有機ＥＬ（有機エレクトロルミネセンス）素子や、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等を使用してもよい。

駆動部２０は、発光素子１０を駆動する。ＳＰＡＤアレイ受光部３０は、微粒子からの散乱光Ｅ２を受光するための、ガイガーモードで動作する複数のＳＰＡＤをアレイ状に配置したＳＰＡＤアレイから構成される。パルスカウンタ４０は、ＳＰＡＤアレイ受光部３０から出力されるデジタル化された２値のパルス信号をカウントする。信号処理部５０は、パルスカウントの計数値（以下、パルスカウント値と称する）のデータ保持や演算を行う。制御部６０は、信号処理部５０と、発光素子１０の駆動期間、および、パルスカウンタ４０のパルスカウント期間を制御する。

図２にＳＰＡＤアレイ受光部３０の構成例と、その動作波形の例を示す。図２の（ａ）は微粒子検出センサ１のＳＰＡＤアレイ受光部３０を構成するＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１（ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ）の概略的な回路構成の一例を示す図である。ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ１（以降、ＡＰＤ１と称する）のアノード側（ノードＡ１側）には、アクティブクエンチング抵抗Ｒ１（ＮＭＯＳ、ＯＮ抵抗）（以降、抵抗Ｒ１と称する）が接続されている。ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１は、ＡＮＤ回路ＡＮＤ１を介して、ＡＰＤ１に入射する光に対してデジタル化されたパルス信号を出力する構成となっている。

ＡＮＤ回路ＡＮＤ１のもう一方の入力には、選択信号Ｓ＿１が入力されており、選択信号Ｓ＿１のＨ／Ｌレベルに応じて、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１の有効・無効を選択可能としている。ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１の選択が不要な場合は、選択信号Ｓ＿１をＨレベル固定にしておけばよい。また、ＡＰＤ１のカソード側には、ＡＰＤ１の降伏電圧以上の逆バイアス電圧ＶＨＶ１が印加されており、ＡＰＤ１はガイガーモードで動作している。

図２の（ｂ）はＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１の動作波形の一例を示す図である。上記〔背景技術〕で説明したように、ガイガーモードで動作するＡＰＤ１に投射光Ｅ１が入射すると、光入射により発生したキャリアがアバランシェ増倍を起こし電流がながれ、ＡＰＤ１に直列で接続されている抵抗Ｒ１に電流が流れる。これにより、抵抗Ｒ１の端子間電圧が増加し、それに伴いＡＰＤ１の逆バイアス電圧ＶＨＶ１が降下し、アバランシェ増倍は停止する。

アバランシェ増倍による電流が無くなると、抵抗Ｒ１の端子間電圧が低下し、ＡＰＤ１には再び降伏電圧以上の逆バイアス電圧ＶＨＶ１が印加される状態に戻る。この様子を示す波形が、図２の（ｂ）に示すノードＡ１の波形である。アバランシェ増倍による大電流が発生すると、ノードＡ１の電圧値は急峻に立ち上がり、アバランシェ増倍が停止後は緩やかに立ち下がる。ノードＡ１の立ち上がりから立ち下がりまでに要する時間は、不感時間と呼ばれる。この期間中に、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１に新たな投射光Ｅ１の入射があったとしてもアバランシェ増倍は発生しない。

なお、この不感時間（デッドタイム）は、回路パラメータに依存するが、およそ１００ｎｓ以下に設定することが可能である。さらに、ＡＮＤ回路ＡＮＤ１に入力される選択信号Ｓ＿１をＨとして、ＡＮＤ回路ＡＮＤ１を介してノードＡ１の波形を出力することで、図２の（ｂ）のＯＵＴ１に示すようなパルス信号が得られる。これにより、信号処理において、増幅回路やハイパスフィルタ等の回路を必要とすることなく、投射光Ｅ１の入射によりＡＰＤ１で発生するアナログの電流パルス信号を、デジタル化された２値のパルス信号に変換することができる。その結果、信号処理において、増幅回路やハイパスフィルタ等の回路は不要となり、部品点数が少なく、かつ、光検出効率およびＳ／Ｎ比が高い受光部を形成することができる。

図２の（ｃ）はＳＰＡＤアレイ受光部３０の構成の一例を示す図である。ＳＰＡＤアレイ受光部３０は、複数（Ｎ個）のＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１〜ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿Ｎの各出力を論理ＯＲ回路に接続する構成である。ＳＰＡＤアレイ受光部３０の出力信号ＳＰＡＤ＿ＯＵＴには、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１〜ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿Ｎの出力信号である出力信号ＯＵＴ１〜出力信号ＯＵＴＮの論理ＯＲの結果が出力される。図２の（ｄ）は出力信号ＳＰＡＤ＿ＯＵＴの出力を説明する図である。このように、ＳＰＡＤアレイ受光部３０を、複数のＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１〜ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿Ｎの出力の論理ＯＲを取る構成にすることで、１個のＳＰＡＤセルｃｅｌｌで受光素子を形成する場合に比べて、複数のＳＰＡＤセルｃｅｌｌをアレイ状（マトリクス状）に配置したＳＰＡＤアレイでは光検出効率をさらに向上することが可能となる。

図３はＳＰＡＤアレイ受光部３０の構成の一例を示す図である。図３において、番号のついた各領域は、図２の（ａ）に示すＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿１〜ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ＿Ｎを示しており、複数のＳＰＡＤセルｃｅｌｌがアレイ状に配置される。このように、複数のＳＰＡＤセルｃｅｌｌをアレイ状に配置することで、１個のＳＰＡＤセルｃｅｌｌで受光素子を形成する場合に比べて、受光素子の受光面積が広くなり、結果として受光素子の視野角が広くなるため、光検出効率は向上する。なお、図３では、１０セル×１０セルの合計１００セルからなるＳＰＡＤアレイを図示しているが、本発明で扱うＳＰＡＤアレイ受光部３０は、上記個数に限定するものではない。

また、ＳＰＡＤアレイ受光部３０の出力は、構成される各ＳＰＡＤセルｃｅｌｌの出力の論理ＯＲをとる構成のため、例えば、２つのＳＰＡＤセルｃｅｌｌから同時にパルス信号が出力されている場合でも、ＳＰＡＤアレイ受光部３０の出力には１つのパルス信号しか出力されないことになる。

ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数が多い場合や、ＳＰＡＤアレイ受光部３０で受光する光量が多い場合には、上記ように、各ＳＰＡＤセルｃｅｌｌが同時にパルス信号を出力する頻度が高くなる。そのため、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数が多いほど、あるいは、ＳＰＡＤアレイ受光部３０の受光光量が多いほど、ＳＰＡＤアレイ受光部３０の出力パルス数の入射光量に対するリニアリティは低下することになる。このように、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数を多くすることで光検出効率は高く設定可能であるが、ＳＰＡＤアレイ受光部３０で受光する光量に対する出力パルス数のリニアリティは低下することになる。そのため、ＳＰＡＤアレイ受光部３０は微粒子検出センサ１に要求される性能や使用用途に応じて、最適なＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数に設定することが重要である。

（微粒子検出センサの動作）
図４は微粒子検出センサ１の動作波形の一例を示す図である。第１制御信号ＴＳ１は、発光素子１０の駆動を制御する駆動信号であり、第１制御信号ＴＳ１は図１の制御部６０から出力される。図４では、駆動部２０により第１制御信号ＴＳ１がＨレベル時に発光素子１０を点灯、Ｌレベル時に発光素子１０を消灯することを表している。図４では、一例として、測定周期の５０％（Ｄｕｔｙ比５０％）で発光素子１０の点灯と消灯を繰り返す場合の動作波形を示す。なお、Ｄｕｔｙ比については、５０％に限定されない。

第２制御信号ＴＳ２は、パルスカウンタ４０がパルスカウントを行う期間を制御する信号である。第２制御信号ＴＳ２は、ＳＰＡＤアレイ受光部３０の出力パルス信号をパルスカウントする期間を表しており、制御部６０から出力される。第２制御信号ＴＳ２は、発光素子１０の点灯期間ＯＮＴ、および、消灯期間ＯＦＦＴのそれぞれに同期するように設定される。パルスカウンタ４０は、第２制御信号ＴＳ２がＨレベルの期間中にＳＰＡＤアレイ受光部３０の出力信号ＳＰＡＤ＿ＯＵＴをパルスカウントする。

ここで、点灯期間ＯＮＴに同期するパルスカウント期間を第１パルスカウント期間ＰＴ１とし、消灯期間ＯＦＦＴに同期するパルスカウント期間を第２パルスカウント期間ＰＴ２とする。また、第１パルスカウント期間ＰＴ１、および第２パルスカウント期間ＰＴ２で計数されるパルスカウント値を、それぞれ、第１パルスカウント値ＰＣ１、および第２パルスカウント値ＰＣ２とする。図４のように連続する点灯期間ＯＮＴと消灯期間ＯＦＦＴを合わせて計測期間ＭＴ（１回の計測）とし、この計測（１回の点灯期間ＯＮＴと１回の消灯期間ＯＦＦとの１セット）を連続して繰り返し行う。

なお、図４の動作波形例では、各パルスカウント期間は、発光素子１０の駆動期間（点灯期間ＯＮＴまたは消灯期間ＯＦＦＴ）よりも短い時間で図示しているが、各パルスカウント期間は駆動期間と全く同じ時間で設定されていても問題はない。また、各パルスカウント期間が駆動期間に比べてさらに短く設定されていても問題はない。各パルスカウント期間と駆動期間の設定条件としては、「駆動期間≧パルスカウント期間」が満たされていれば問題はないが、駆動期間＜パルスカウント期間となる設定や、１個のパルスカウント期間が点灯期間ＯＮＴと消灯期間ＯＦＦＴを跨いで設定されないように注意する必要がある。

図４の（ａ）〜図４の（ｃ）における出力信号ＳＰＡＤ＿ＯＵＴの波形は、それぞれ異なる微粒子濃度でのＳＰＡＤアレイ受光部３０の出力信号ＳＰＡＤ＿ＯＵＴの波形（出力波形）を表している。具体的には、図４の（ａ）は微粒子無し、図４の（ｂ）は低濃度、図４の（ｃ）は高濃度、の場合の出力信号ＳＰＡＤ＿ＯＵＴの波形を表している。

出力信号ＳＰＡＤ＿ＯＵＴの波形に図示されている実線のパルス信号は、発光素子１０から投射された投射光Ｅ１が微粒子で散乱され、その散乱光Ｅ２をＳＰＡＤアレイ受光部３０で受光することにより生じる散乱光成分のパルス信号を表している。微粒子により散乱される光量（散乱光量）は、微粒子の濃度（または個数）に依存して変動することから、結果として、上記散乱光成分のパルス信号の数は、微粒子濃度に依存して変動することになる。言い換えると、微粒子濃度が増加すると、散乱光成分のパルス信号数も増加する。

また、出力信号ＳＰＡＤ＿ＯＵＴの波形に図示されている破線のパルス信号は、ノイズ成分のパルス信号を表している。ノイズ成分のパルス信号としては、例えば、下記の（１）および（２）が含まれる。（１）ガイガーモードで動作するＡＰＤ（ＳＰＡＤ）で熱的に発生するキャリアが、アバランシェ増倍を起こすことで発生するパルス信号（ダークパルスと呼ばれる）。（２）太陽光や蛍光灯等の外乱光が入射することにより発生するパルス信号。なお、上記（１）に記載のキャリアは、光入射がなくても熱的に発生する電子、または正孔を示す。

これらのノイズ成分は、上記散乱光の受光量には依存しないことから、発光素子１０の点灯期間ＯＮＴ中にも消灯期間ＯＦＦＴ中にも、同様に発生することになる。したがって、点灯期間ＯＮＴ中の第１パルスカウント値ＰＣ１には、散乱光成分のパルス数とノイズ成分のパルス数の両方が計数され、消灯期間ＯＦＦＴ中の第２パルスカウント値ＰＣ２には、ノイズ成分のみのパルス数が計数されることになる。

（微粒子濃度の算出）
図５の（ａ）は各パルスカウント値の微粒子濃度に対する依存性の一例を示すグラフである。図５の（ａ）の実線波形のうち、（５−１）は点灯期間ＯＮＴ中の第１パルスカウント値ＰＣ１であり、（５−２）は消灯期間ＯＦＦＴ中の第２パルスカウント値ＰＣ２を表している。（５−２）の第２パルスカウント値ＰＣ２はノイズ成分のみのため、微粒子濃度に依存せず一定の値をとる。それに対して、（５−１）の第１パルスカウント値ＰＣ１は、散乱光成分とノイズ成分の両方を含むことから、微粒子濃度に依存して変動する散乱光成分と、微粒子濃度に依存しないノイズ成分の重ね合わせ（和）となっている。図５の（ａ）において、切片はノイズ成分のパルスカウント値となる。

ここで、図５の（ａ）の実線はノイズ成分が変動しない場合を示し、破線部はノイズ成分の変動や揺らぎを示している。破線部で示すノイズ成分の変動は、例えば、ＳＰＡＤアレイ受光部３０周辺の周囲温度Ｔが変化した場合や、外乱光ノイズの入射光量が変化した場合、等に発生する。なお、ノイズ成分は、図５の（ａ）の破線部で示すような波形の変動になるとは限らない。図５の（ａ）の破線部は、測定毎に、周囲温度Ｔ等の測定環境が変化すると、ノイズ成分のカウント値が上下してしまうということを意味している。

上記ノイズ成分の変動が比較的緩やかであり、１回の計測期間ＭＴ中（点灯１回＋消灯１回）には殆ど変化しない場合は、ある１回の計測における第１パルスカウント値ＰＣ１に含まれるノイズ成分の値と第２パルスカウント値ＰＣ２に含まれるノイズ成分の値とは、殆ど同じになる。その場合、第１パルスカウント値ＰＣ１から第２パルスカウント値ＰＣ２を減算した第３パルスカウント値ＰＣ３には、散乱光成分のパルスカウント値しか残らない。そのため、上記減算処理により、ノイズ成分の変動の影響を受けない、散乱光成分のみの第３パルスカウント値ＰＣ３が得られる。

図５の（ｂ）は第３パルスカウント値ＰＣ３の微粒子濃度に対する依存性の一例を示すグラフである。（５−３）の第３パルスカウント値ＰＣ３には、ノイズ成分の変動の影響は現れない。そのため、ある微粒子濃度において計測される第３パルスカウント値ＰＣ３と、微粒子濃度を演算するために予め設定された後述する第１演算係数ｘ１を用いて、信号処理部５０での演算することにより、微粒子濃度を検出することが可能となる。

ここで、第１パルスカウント値ＰＣ１をＰＣ１、第２パルスカウント値ＰＣ２をＰＣ２、第３パルスカウント値ＰＣ３をＰＣ３、微粒子濃度をＤ、微粒子濃度に対する傾きをα、第１パルスカウント値ＰＣ１および第２パルスカウント値ＰＣ２におけるノイズ成分のカウント値をそれぞれＮ１、Ｎ２とする。上述のとおりＮ１＝Ｎ２となることから、上記演算処理は、以下の式で表すことができる。下記（式１−ｄ）のとおり、微粒子濃度Ｄは、第１パルスカウント値ＰＣ１および第２パルスカウント値ＰＣ２、または、第３パルスカウント値ＰＣ３を、傾きαで除算することで算出することが可能である。この場合、上記第１演算係数ｘ１は、上記傾きαとなる。

（１）ＰＣ１＝α×Ｄ＋Ｎ１ （式１−ａ）
（２）ＰＣ２＝Ｎ２ （式１−ｂ）
（３）ＰＣ３＝ＰＣ１−ＰＣ２＝α×Ｄ （式１−ｃ）
Ｄ＝（ＰＣ１−ＰＣ２）／α＝ＰＣ３／α （式１−ｄ）
なお、厳密にはＮ１≒Ｎ２であるため、Ｄ≒ＰＣ３／αとなるが、上記式では簡略化のためＮ１＝Ｎ２と記載している。

また、上記ように、Ｎ１＝Ｎ２が成立するのは、第１パルスカウント期間ＰＴ１と第２パルスカウント期間ＰＴ２の長さが同一の場合のみである。そのため、第１パルスカウント期間ＰＴ１をＰＴ１、第２パルスカウント期間ＰＴ２をＰＴ２とした場合、各パルスカウント期間は、ＰＴ１＝ＰＴ２となるよう、同一の長さに設定する必要がある。例えば、第１パルスカウント期間ＰＴ１、および第２パルスカウント期間ＰＴ２は、同一のクロック信号を用いて生成されることが望ましい。

また、各パルスカウント期間がＰＴ１≠ＰＴ２と設定される場合は、Ｎ１≠Ｎ２となるため、（式１−ｃ）の演算式をそのまま使用することはできない。しかしながら、各パルスカウント値のノイズ成分のパルスカウント値であるＮ１、およびＮ２は、それぞれ、第１パルスカウント期間ＰＴ１、および第２パルスカウント期間ＰＴ２に比例する。これにより、減算処理時に第２パルスカウント値ＰＣ２を第１パルスカウント期間ＰＴ１と第２パルスカウント期間ＰＴ２との比で補正してから減算することにより、上記と同様の結果が得られる。このことは、以下の式で表すことができる。

Ｎ２＝Ｎ１×ＰＴ２／ＰＴ１ （式２−ａ）
（１）ＰＣ１＝α×Ｄ＋Ｎ１ （式２−ｂ）
（２）ＰＣ２＝Ｎ２ （式２−ｃ）
（３）ＰＣ３’＝ＰＣ１−ＰＣ２×ＰＴ１／ＰＴ２＝α×Ｄ （式２−ｄ）
Ｄ＝（ＰＣ１−ＰＣ２×ＰＴ１／ＰＴ２）／α （式２−ｅ）
ここで、ＰＣ３≠ＰＣ３’である。上記式は、第１パルスカウント期間ＰＴ１と第２パルスカウント期間ＰＴ２の時間の長さが異なる場合でも、ＰＴ１、ＰＴ２、α、および、計測される第１パルスカウント値ＰＣ１、第２パルスカウント値ＰＣ２とを用いて、微粒子濃度を演算により検出可能なことを示している。

この場合、第１演算係数ｘ１は、第１パルスカウント期間ＰＴ１、第２パルスカウント期間ＰＴ２、および、傾きαの３つとなる。例えば、ＰＴ１＞ＰＴ２となるように各パルスカウント期間を設定する場合、第２パルスカウント期間ＰＴ２が比較的長く設定されていれば、散乱光成分の検出精度を低下させることなく計測時間を短くすることができる。その結果、微粒子検出センサ１の応答時間を早く設定することが可能となる。なお、第２パルスカウント期間ＰＴ２は、例えば２０ｍｓ以上に設定することができる。詳しくは後述する。

（パルスカウント期間と計測精度との関係）
以下では、パルスカウント期間と計測精度（計測誤差）との関係について説明する。

図５の（ｃ）は、第３パルスカウント値ＰＣ３の微粒子濃度依存性の波形例を示すグラフである。それぞれ、（５−４）は各パルスカウント期間を比較的長く設定する場合の第３パルスカウント値ＰＣ３であり、（５−５）は各パルスカウント期間を比較的短く設定した場合の第３パルスカウント値ＰＣ３である。ここで、波形の実線部分は減算後の第３パルスカウント値ＰＣ３の平均値を表しており、破線で示した幅は第３パルスカウント値ＰＣ３の計測誤差の幅を表している。任意の微粒子濃度での計測誤差幅を、微粒子検出センサ１で検出される微粒子濃度の平均値で除算した値が、その微粒子濃度における「計測精度」に対応する。図５の（ｃ）の波形例の場合、（５−４）の各パルスカウント期間を比較的長く設定する方が、（５−５）の各パルスカウント期間を短く設定する場合に比べて、「計測精度」が高い設定になっている。

また、一般的には、パルスカウンタ４０で計測できるパルスカウント値には上限がある。パルスカウンタ４０での計測において、微粒子濃度が高濃度になるにつれてパルスカウント値は上昇し、ある微粒子濃度以上では上限に達するため、上限に達する微粒子濃度以上の高濃度での計測は不可能になる。パルスカウント値が上限に達するまでの微粒子濃度を「計測可能範囲」とすると、結果的に、（５−４）の各パルスカウント期間を比較的長く設定している方が「計測可能範囲」が狭く設定されていることになる。また、（５−５）の各パルスカウント期間を比較的短く設定している方が「計測可能範囲」が広く設定されていることになる。

温度揺らぎ等によりノイズ成分があまり変動しないような安定した動作条件においては、一般的に、各パルスカウント期間を長く設定することで、計測誤差を抑制することが可能になり、微粒子検出センサの「計測精度」を高く設定することが可能となる。しかしながら、上述したように、各パルスカウント期間が長く設定されるほど、「計測可能範囲（ダイナミックレンジ）」は狭く設定されることになる。

（最適なパルスカウント期間の設定）
上記計測誤差が発生する要因としては、例えば（１）ＳＰＡＤアレイの本質的な計測誤差、（２）温度の揺らぎや外乱光ノイズの揺らぎ、（３）商用電源周波数（５０Ｈｚ等）の影響、（４）微粒子の存在確率のばらつき、等の様々な要因が考えられる。各パルスカウント値の計測誤差が最小となる各パルスカウント期間の最適値は、計測誤差の発生要因毎にそれぞれ異なる。そのため、微粒子検出センサ１の各パルスカウント期間は、発生要因毎の最適値（最適範囲）を考慮して、トータルの計測誤差が最小となるように設定されることが望ましい。以下に、各パルスカウント期間の最適値を設定するための一例を示す。

まず、計測誤差要因が、温度揺らぎや、外乱光の揺らぎ、商用電源周波数（５０Ｈｚ等）等のノイズ成分の変動である場合、各パルスカウント値に影響がでるのはノイズ成分のパルスカウント値のみとなる。ここで、１回の計測期間ＭＴ中（点灯１回＋消灯１回）にノイズ成分が変動してしまうと、点灯期間ＯＮＴ中の第１パルスカウント値ＰＣ１と、消灯期間中の第２パルスカウント値ＰＣ２のそれぞれのノイズ成分のカウント値にずれが生じてしまう。その結果、減算後の第３パルスカウント値ＰＣ３は測定毎にばらつくことになり、そのばらつきが計測誤差となる。

この計測誤差を抑制するためには、各パルスカウント期間の時間は、できるだけ短く設定されることが理想である。ただし、必要以上に各パルスカウント期間を短く設定してしまうと、１回の計測期間ＭＴ中に計測できる、散乱光成分やノイズ成分のパルス数が少なくなってしまうため、結果として計測毎の第３パルスカウント値ＰＣ３にずれが生じることになり、計測誤差が増加してしまう。

また、周囲温度Ｔが時間的に変化するような場合は、各パルスカウント期間が短いほど、変動の影響を抑制できるが、各パルスカウント期間を短くしすぎると、パルス信号を多くカウントできず、サンプリング数が低下するため、本質的な計測精度（サンプリング精度）が低下してしまう。

さらに、商用電源周波数による計測誤差が最小になるように、パルスカウント期間を設定することが望ましい。周囲温度Ｔや外乱光ノイズ等の周囲環境が、極端に短い周期（１μｓ以下、等）で常に揺らぐという状況は稀であり、さらに、蛍光灯や白熱灯など照明機器からの外乱光の揺らぎは、商用電源周波数（５０Ｈｚ等）で揺らぐ場合が多いからである。ここで、商用電源周波数が起因の揺らぎによる計測誤差を抑制するためには、各パルスカウント期間（または、発光素子１０の駆動期間）を２０ｍｓ程度（５０Ｈｚ）に設定するか、または、２０ｍｓの整数倍程度に設定されることが望ましい。これにより、第１パルスカウント期間ＰＴ１と第２パルスカウント期間ＰＴ２でそれぞれ計数される第１パルスカウント値ＰＣ１、および第２パルスカウント値ＰＣ２の揺らぎは時間的に平均化される。その結果、商用電源周波数による減算後の第３パルスカウント値ＰＣ３の計測誤差を抑制することが可能となる。

一方で、誤差要因が、微粒子濃度等に起因する散乱光成分の変動や揺らぎを考慮する場合、各パルスカウント期間は長く設定するほうが理想的である。例えば、微粒子の濃度が低い（微粒子の数が少ない）場合に、検出領域を１個の微粒子が通過する時間周期に対して、点灯期間ＯＮＴに同期する第１パルスカウント期間ＰＴ１が、１個の粒子の通過時間（周期）の１／１０程度に短く設定されている場合を考える。上記パルスカウント（計測）を１０回実施するうち、第１パルスカウント期間ＰＴ１において微粒子からの散乱光を受光できる頻度は１〜２回程度であり、残りの８〜９回の第１パルスカウント期間ＰＴ１では微粒子からの散乱光が全く受光できない。そのため、計測毎の計測誤差が大きくなってしまう。この計測誤差を抑えるためには、少なくとも、１個の微粒子が検出領域を通過する時間周期よりも、第１パルスカウント期間ＰＴ１の時間を長く設定することが必要となる。

誤差要因が、微粒子濃度等に起因する散乱光成分の変動や揺らぎを考慮する場合、最適な各パルスカウント期間の設定は、微粒子検出センサ１に要求されるターゲット性能によって変わる。例えば、微粒子濃度が低濃度の場合の計測において、微粒子検出センサ１の計測精度を高く設定する必要がある場合、第１パルスカウント期間ＰＴ１も、それに併せて長く設定する必要がある。ターゲットとする微粒子濃度が低濃度になるほど、１個の微粒子が検出領域を通過する時間周期は長くなるためである。それに対して、低濃度における計測精度を高く設定する必要がない場合は、第１パルスカウント期間ＰＴ１を必要以上に長く設定する必要はなく、各パルスカウント値の計測精度が極端に低下しないレベル、例えば、２０ｍｓ等に設定すればよい。

一例として、微粒子検出センサ１に要求されるターゲット性能として、微粒子の個数濃度が０.０１個／ｍｍ^３の低濃度でも高い計測精度を確保するための、各パルスカウント期間の最適設定範囲を設定する場合について説明する。ここで、微粒子の検出領域の大きさを２ｍｍ×２ｍｍ×２ｍｍの立方体の領域とし、微粒子が一方向に速度：１ｍ／ｓで移動しているとする。上記の場合、１個の微粒子が検出領域を通過する時間周期は約２５ｍｓとなることから、各パルスカウント期間としては、少なくとも２５ｍｓ以上に設定されることが望ましい。また、商用電源周波数（５０Ｈｚ）による計測誤差を抑制するためには、２０ｍｓの整数倍に設定されることが望ましいことから、両者の最大公約数をとって、各パルスカウント期間は１００ｍｓ程度に設定されることが望ましい。

なお、上記各パルスカウント期間の設定結果は、あくまでも一例であり、各パルスカウント期間は上記設定に限定するものではない。上述したように、各パルスカウント期間の最適値は、微粒子検出センサ１に要求されるターゲット性能（要求仕様）毎に異なるため、計測精度や計測可能範囲、周囲温度Ｔ等の動作条件の変動に対する耐性等のターゲット性能に応じて、各パルスカウント期間が設定されることが望ましい。

また、図５の（ｃ）の波形は、１回の計測期間ＭＴ中における第３パルスカウント値ＰＣ３を示しており、計測誤差をさらに低減（抑制）する必要がある場合は、複数回の計測を実施し、計測毎の第３パルスカウント値ＰＣ３の平均化処理を行えばよい。例えば、第１パルスカウント期間ＰＴ１＝点灯期間ＯＮＴ、第２パルスカウント期間ＰＴ２＝消灯期間ＯＦＦＴの場合、各パルスカウント期間が１００ｍｓで設定されているとすると、１回の計測周期は２００ｍｓとなる。この場合、１秒間隔で５回の計測結果の平均値を出力する微粒子検出センサ１が実現できる。

一般的に、Ｎ回の平均化により、計測誤差は１／√Ｎ倍にまで低減できるので、この場合、平均化により計測誤差を１／√５倍まで低減することが可能となる。計測誤差をさらに低減する必要がある場合は、平均化回数をさらに増やすことにより、計測誤差を低減することが可能となる。ただし、平均化回数を増やす場合、微粒子検出センサ１の出力レート（出力時間の間隔）が長くなり応答時間が遅くなるため、上記平均化回数は、微粒子検出センサ１に要求されるターゲット性能（計測精度、応答時間）に応じて、最適な平均化回数に設定されることが望ましい。

また、任意の１回の計測に対する計測結果に対して、さらに移動平均処理を行って、その移動平均値を微粒子検出センサ１の出力値とすることにより、計測誤差をさらに抑制し、かつ、計測結果を平滑化することが可能な微粒子検出センサ１が実現可能となる。

移動平均処理について説明する。例えば、Ｍ回の移動平均処理とは、任意の１回の計測（または出力）における１個の計測結果（または出力結果）に加え、直近の（過去の）Ｍ−１個の計測結果（または出力結果）も含めた平均値をその計測（または出力）における出力結果とする処理である。さらに、移動平均処理は上記平均値を出力結果とする処理を計測（出力）毎に連続して繰り返す。

微粒子検出センサ１の出力を移動平均処理に基づく平均値である移動平均値とすることにより、出力レート（出力間隔）を長く設定することなく、平均化回数を増加することが可能となる。さらに、移動平均値は直近の計測結果（Ｍ−１個分）により平滑化される。そのため、例えば、突発的なノイズや瞬間的な外乱光ノイズの入射によって、直近（過去）の計測結果に比べて、計測結果が突発的に大きく変動するような場合でも、移動平均化処理を行うことで、突発的な計測結果の変動の影響は抑制される。その結果、微粒子検出センサ１を搭載する機器の誤動作を抑制することが可能となる。

ただし、移動平均値出力は直近の計測結果（Ｍ−１個）により平滑化されるため、微粒子検出センサ１の応答時間としては遅くなる。微粒子検出センサ１に要求される性能（計測精度、応答時間）により、最適な平均化処理や出力方法が選択されることが望ましい。

具体的に説明する。例えば、１秒間隔で出力される出力値（計測５回の平均値）に対して、さらに１０回の移動平均処理を行う場合、任意の１回の出力値と過去９回分の出力値の平均を出力結果とし、その処理を１秒間隔で繰り返す。これにより、出力は１秒間隔のままで、１０回平均値（合計５０計測分の平均値）が出力される。任意の時点から、計測値が大きく変動する場合、過去の９回分の出力値により平滑化されるので、すぐには変動せず、移動平均出力値は緩やかに変動する。これにより、ノイズ等による瞬発的な計測値の変動に対する影響（誤動作等）は抑制されるが、計測値の変動に対する応答時間は遅くなる。

（実施形態１の効果）
以上のとおり、実施形態１では、微粒子検出センサ１は、ＳＰＡＤアレイ受光部３０で受光した微弱な散乱光を、デジタル信号化されたパルス信号として出力し、そのパルス信号をパルスカウントする構成となっている。これにより、高ゲインの増幅回路が不要で、かつ、微弱な散乱光を受光可能となる高精度の微粒子検出センサ１が実現可能となる。

また、アナログ信号を高ゲインの増幅回路で増幅する回路構成ではないため、電磁ノイズ耐性に強い微粒子検出センサ１が実現可能となり、シールドケースやフィルタ等の電磁ノイズ対策部品（材料）の部品点数を削減することが可能となる。その結果、微粒子検出センサ１のコストを削減することが可能となる。

さらに、発光素子１０の点灯期間ＯＮＴの第１パルスカウント値ＰＣ１から消灯期間ＯＦＦＴの第２パルスカウント値ＰＣ２を減算することにより、ノイズ成分の変動や揺らぎの影響を抑制した微粒子濃度の検出が可能となる。

また、各パルスカウント期間（または駆動期間）を最適値に設定することにより、微粒子検出センサ１の計測精度や計測可能範囲、応答時間等の、様々なターゲット性能（要求仕様）に対応可能な微粒子検出センサ１を実現することが可能となる。

また、実施形態１における各パルスカウント値の減算処理の方法の一つとしては、図１の信号処理部５０において実施する方法が考えられる。信号処理部５０では、減算処理の他に、各パルスカウント値から微粒子濃度の演算や、平均化処理についても併せて実施する。そのため、上述した演算方法に限らず、減算処理を含めた演算方法がフレキシブルに設定可能となるため、演算回数の削減等による回路規模の縮小や応答速度の向上を実現可能となる。

具体的には、上述の実施形態１で記した、１回の計測毎にパルスカウント値の減算と濃度演算とを実施し、それを数回繰り返し、最後に平均化を実施して出力する、という方法以外に、例えば、複数の計測値に対して平均化を実施する方法も可能である。上記方法は、具体的には、第１パルスカウント値ＰＣ１および第２パルスカウント値ＰＣ２のそれぞれに対して移動平均処理や累計処理を行い、計測毎に各パルスカウント値（計測結果）を更新する。そして、最後に、それぞれ平均化（累計）した各パルスカウント値の減算と濃度演算を１回だけ実行して、濃度検出結果を出力する。

前者の方法は、計測毎に出力される複数の計測値をデータ保持する必要があり、そのためのＳＲＡＭ等のデータ保持回路が計測回数分だけ必要になる。それに対して後者の方法であれば、計測毎に平均化（または累計）されたパルスカウント値を更新するだけなので、データ保持回路は各１個あればいいことになり、回路削減が可能になる。

（変形例）
実施形態１の変形例を以下に説明する。本変形例では、図１のパルスカウンタ４０を、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタで構成する。つまり、パルスカウント値の減算をＵＰ／ＤＯＷＮカウンタを用いて行う。

本変形例では、点灯期間ＯＮＴ中の第１パルスカウント期間ＰＴ１は、ＵＰカウント期間（パルス信号を計数するとカウント値が増加）とし、消灯期間ＯＦＦＴ中の第２パルスカウント期間ＰＴ２をＤＯＷＮカウント期間（パルス信号を計数するとカウント値が減少）とする。言い換えると、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタは、点灯期間ＯＮＴにおけるパルス信号をＵＰカウントし、消灯期間ＯＦＦＴにおけるパルス信号をＤＯＷＮカウントする。

これにより、１回の計測後のパルスカウント値は、上記で説明してきた第１パルスカウント値ＰＣ１から第２パルスカウント値ＰＣ２を減算した第３パルスカウント値ＰＣ３と同じになる。この場合、信号処理部５０で減算する方法と比較すると、パルスカウンタ４０から信号処理部５０に出力されるデータ数が２個から１個に削減できるため、信号処理部５０でのデータ保持回路等の回路素子を削減できる効果がある。ただし、実施形態１と比較してパルスカウンタ４０の回路規模は増加する。

以上のとおり、実施形態１の減算方法、または実施形態１の変形例の減算方法のどちらを使用しても、最終的な結果自体に違いはないが、回路規模や応答速度、微粒子検出センサ１のコスト面やサイズ等を考慮して、最適な減算方法を選択することが望ましい。

〔実施形態２〕
実施形態２では、周囲温度変化に対する温度補正方法や、製造ばらつきよる特性ずれに対する補正方法、および、迷光成分による計測誤差を抑制する方法について説明する。

図６は、本発明の実施形態２に係る微粒子検出センサ１Ａの概略構成の一例を示すブロック図である。実施形態２では、図１の微粒子検出センサ１の構成要素に加えて、温度検出部７０、電圧設定部８０、および記憶部９０を備えている。温度検出部７０はＳＰＡＤアレイ受光部３０の周囲温度Ｔを検出する。電圧設定部８０は、ＳＰＡＤアレイに供給する逆バイアス電圧ＶＨＶを設定する。

記憶部９０は、微粒子検出センサ１Ａ個々の初期設定値や演算係数等を記憶する。記憶部９０は不揮発性メモリ等を用いた記憶部であり、不揮発性メモリとしては、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）やｆｕｓｅトリミング等の構成が考えられるが、本実施形態はこれらの構成に限定されるものではない。微粒子検出センサ１Ａの基本的な濃度検出方法については、実施形態１と同じとする。具体的には、微粒子検出センサ１Ａは、微粒子検出センサ１と同様に、発光素子１０の点灯と消灯に同期して計数される各パルスカウント値を減算し、微粒子濃度を演算する。

（周囲温度の変化による逆バイアス電圧の調整）
まず、周囲温度Ｔが変化した際に、ＳＰＡＤアレイに供給される逆バイアス電圧ＶＨＶ（図２の（ａ）参照）を調整する方法について説明する。ＳＰＡＤアレイの周囲温度Ｔが変化する場合、ＳＰＡＤアレイ受光部３０を構成しているアバランシェフォトダイオードＡＰＤ１（ＳＰＡＤ）（図２の（ａ）参照）の降伏電圧が周囲温度Ｔに依存して変動する。そのため、ＳＰＡＤアレイに供給する逆バイアス電圧ＶＨＶが一定に設定されている場合は、周囲温度Ｔの変動により、ＳＰＡＤのアバランシェ増倍率が変動してしまい、結果としてＳＰＡＤアレイ受光部３０の出力パルス数が大幅に変動してしまう。特に、周囲温度Ｔが高温になる場合、計測される各パルスカウント値が大幅に増大してしまう可能性があるため、微粒子濃度を正常に検出できなくなる懸念がある。このため、周囲温度Ｔの変化に合わせて、ＳＰＡＤアレイに供給する逆バイアス電圧ＶＨＶを調整する手段が必要となる。

ここで、図６の第３制御信号ＴＳ３は、電圧設定部８０が逆バイアス電圧ＶＨＶを設定する電圧設定期間ＶＴを制御する信号である。第３制御信号ＴＳ３は、上記電圧設定期間ＶＴを表す。第４制御信号ＴＳ４は温度検出部７０が温度検出を行う温度検出期間ＴＴを制御する信号である。第４制御信号ＴＳ４は上記温度検出期間ＴＴを表している。また、図６の温度検出部７０の構成としては、例えば、ＰＮ接合ダイオードの順方向電圧値の温度変化を計測する構成（サーマルダイオード）や、サーミスタ等の抵抗の温度変化を計測する構成が考えられる。なお、温度センサの構成／種類については限定されない。

図６の実施形態２における逆バイアス電圧ＶＨＶの調整手段について説明する。まず、温度検出部７０において、第４制御信号ＴＳ４（温度検出期間）のタイミングで周囲温度Ｔを検出し、信号処理部５０において、周囲温度Ｔの検出結果から最適な逆バイアス電圧ＶＨＶ設定値を決定する。そして、第３制御信号ＴＳ３（電圧設定期間）のタイミングで、電圧設定部８０において逆バイアス電圧ＶＨＶが最適値に更新／設定され、電圧設定部８０によりＳＰＡＤアレイ受光部３０に最適な逆バイアス電圧ＶＨＶが供給される。

また、以下の（１）および（２）を行うことにより、１回の計測期間ＭＴ中のパルスカウント値は安定して計測可能となる。（１）第４制御信号ＴＳ４により制御される温度検出期間ＴＴと、第３制御信号ＴＳ３により制御される電圧設定期間ＶＴとを、計測期間ＭＴに同期して設定する。（２）さらに、第３制御信号ＴＳ３により制御される電圧設定期間ＶＴ更新タイミングは、計測期間ＭＴの最初か最後に設定し、かつ、各パルスカウント期間中に設定しない。これにより、少なくとも、１回の計測期間ＭＴ中に逆バイアス電圧ＶＨＶが突然変更されることがなくなるからである。

また、発光素子１０からの投射光Ｅ１が温度検出部７０（ダイオード等）に照射されることにより、温度計測値の計測誤差が発生する可能性があるため、温度検出期間ＴＴは、少なくとも、発光素子１０の消灯期間ＯＦＦＴ中に設定される方が望ましい。

図７は、微粒子検出センサ１Ａの動作波形の一例を示す図である。図７では、第１制御信号ＴＳ１および第２制御信号ＴＳ２は、図４と同様の設定であり、Ｄｕｔｙ５０％で点灯と消灯を繰り返し、点灯時と消灯時のそれぞれで各パルスカウント期間を設定している。第３制御信号ＴＳ３は、点灯期間ＯＮＴの第１パルスカウント期間ＰＴ１の直前にＨレベルとなるよう設定されている。第３制御信号ＴＳ３がＨレベルとなっている期間中に最適な逆バイアス電圧ＶＨＶが更新／設定される。

また、第４制御信号ＴＳ４は、消灯期間ＯＦＦＴの第２パルスカウント期間ＰＴ２の終了後にＨレベルになるよう設定されている。第４制御信号ＴＳ４がＨレベルとなる期間に温度検出部７０により周囲温度Ｔが検出される。さらに、上述のとおり、温度検出期間ＴＴ中に計測された周囲温度Ｔの検出結果を用いて、信号処理部５０において最適な逆バイアス電圧ＶＨＶ設定値が決定される。そして、次の計測において、第３制御信号ＴＳ３がＨレベルとなる電圧設定期間ＶＴに、逆バイアス電圧ＶＨＶ値の設定が更新される。

これにより、１回の計測期間ＭＴ中に逆バイアス電圧ＶＨＶが変動することなく、計測期間ＭＴ中（各パルスカウント期間中）は一定の逆バイアス電圧ＶＨＶ値がＳＰＡＤアレイに供給される。また、１回の計測期間ＭＴ毎に逆バイアス電圧ＶＨＶを最適値に更新することが可能となり、広い温度範囲で動作可能な微粒子検出センサ１Ａが実現可能となる。

図８は、周囲温度Ｔに対する最適な逆バイアス電圧ＶＨＶの設定例を示すグラフである。図８で示す設定例の場合、あらかじめ決められたテーブルを決めておき、周囲温度Ｔの検出結果に応じて逆バイアス電圧ＶＨＶの最適値を決定するという方法をとっている。具体的には、周囲温度ＴがＴ１〜Ｔ２の範囲であれば逆バイアス電圧ＶＨＶの電圧設定値はＶ１となる。もちろん、図８のようなテーブルに限定する必要性はなく、逆バイアス電圧ＶＨＶの最適値を決めるテーブルや関数は、使用するＳＰＡＤアレイを構成するアバランシェフォトダイオードＡＰＤの特性に応じて決定されることが望ましい。

（周囲温度の変化による第３パルスカウント値の調整）
次に、周囲温度Ｔが変化した場合の、微粒子濃度に対する第３パルスカウント値ＰＣ３の傾きを補正する方法を説明する。図９の（ａ）は任意の温度における、第１パルスカウント値ＰＣ１の微粒子濃度に対する依存性の一例を示すグラフである。図５では、微粒子濃度に対する第１パルスカウント値ＰＣ１の依存性が、リニア特性（比例）になるような形で図示されている。しかし、前述のとおり、実際には、微粒子濃度が増加してパルスカウント値が増加すると、ＳＰＡＤアレイを構成している各ＳＰＡＤセルが同時にアバランシェ増倍を起こす頻度が高くなるため、微粒子濃度に対する第１パルスカウント値ＰＣ１のリニアリティは低下する。そのため、図９の（ａ）で示すように、微粒子濃度が増加するにしたがって、第１パルスカウント値ＰＣ１が飽和する特性を示す。言い換えると、微粒子濃度に対する第１パルスカウント値ＰＣ１の依存性が比例しなくなる。

周囲温度Ｔが変化しても、前述のとおり、周囲温度Ｔ（の検出結果）によりＳＰＡＤアレイの逆バイアス電圧ＶＨＶは自動調整され、ＳＰＡＤアレイのアバランシェ増倍率は最適化される。そのため、第１パルスカウント値ＰＣ１の微粒子濃度依存性としては、図９の（ａ）と同等の特性に最適化することできる。しかしながら、周囲温度Ｔが高温になるにしたがって、結果的に、微粒子濃度に対するパルスカウント値の依存性（傾き）は周囲温度Ｔにより変動してしまう。熱的に発生するキャリアは増加するため、これに起因するノイズパルス数（ダークパルス数）が増加することから、微粒子濃度がゼロの時のカウント値（切片）、つまり、ノイズ成分のカウント値が増加することになるからである。

このことを、図９の（ａ）の丸印と実線／破線部分を用いて等価的に説明する。最も左側の丸印の箇所は、ある温度でのノイズ成分のパルスカウント値、その右側（真ん中）の丸印はそれより高い温度でのノイズ成分のパルスカウント値、最も右側の丸印はさらに高い温度でのノイズ成分のパルスカウント値とする。それぞれの丸印の箇所での傾きが、それぞれの温度での微粒子濃度に対するパルスカウント値の傾きを等価的に表していることになる。このことから、周囲温度Ｔが高くなるにしたがって傾きが低下することがわかる。

図９の（ｂ）は、微粒子濃度に対する第３パルスカウント値ＰＣ３の温度依存性の一例を示すグラフである。図９の（ｂ）では、（９−１）は高温、（９−２）は常温（２５℃等）、（９−３）は低温の場合の上記温度依存性を表す。説明の簡略化のため、ここでは、比較的、低濃度領域の上記温度依存性のみを表示しており、第３パルスカウント値ＰＣ３の濃度依存性（傾き）はリニア特性として表示している。

第１パルスカウント値ＰＣ１から第２パルスカウント値ＰＣ２を減算することによりノイズ成分のカウント値は除去されるため、第３パルスカウント値ＰＣ３にはノイズ成分（切片）は現れない。しかし、上述とおり、その傾き（図９の（ａ）参照）は、周囲温度Ｔにより異なる結果となる。そのため、周囲温度Ｔが変化すると、第３パルスカウント値ＰＣ３の計測値（図９の（ｂ）のＰＣ）から演算される微粒子濃度は、それぞれ異なる結果（Ｄ１〜Ｄ３）となり、この検出結果の差（Ｄ１〜Ｄ３）が周囲温度Ｔに対する計測誤差となる。したがって、周囲温度Ｔの変化に対する微粒子濃度の計測精度を向上するためには、計測結果に対して周囲温度Ｔの変化に対する温度補正を実施する必要がある。以下に、その計測結果の温度補正方法を示す。

（温度補正）
微粒子検出センサ１Ａは、微粒子の濃度を算出するために用いられる予め設定された第１演算係数ｘ１に対して、予め設定された温度補正係数ｙ１と、温度検出部７０で計測される周囲温度Ｔの計測結果とを用いて温度補正を行うことで第２演算係数ｘ２を算出し、第２演算係数ｘ２、および、第１パルスカウント値ＰＣ１から第２パルスカウント値ＰＣ２を減算した第３パルスカウント値ＰＣ３を用いて微粒子の濃度を算出する。

図１０は、第３パルスカウント値ＰＣ３の傾きα（Ｔ）の温度依存性の一例を示すグラフである。説明の簡略化のため、傾きα（Ｔ）は温度Ｔの１次関数（リニア特性）としている。ここで、温度Ｔに対する傾きα（Ｔ）の傾きをβ（定数）とし、基準温度Ｔｏでの傾きをα（Ｔｏ）とすると、傾きα（Ｔ）とＴとβの関係は以下の式で表すことができる。

α（Ｔ）＝α（Ｔｏ）＋（Ｔ−Ｔｏ）×β （式３−ａ）
ここで、微粒子濃度をＤとして、計測温度Ｔにおける、微粒子濃度Ｄと第３パルスカウント値ＰＣ３（ＰＣ３（Ｔ））との関係は以下の（式３−ｂ）となり、（式３−ｂ）に（式３−ａ）を代入すると、微粒子濃度Ｄは以下の（式３−ｃ）となる。

ＰＣ３（Ｔ）＝α（Ｔ）×Ｄ （式３−ｂ）
Ｄ＝ＰＣ３（Ｔ）／α（Ｔ）＝ＰＣ３（Ｔ）／（α（Ｔｏ）＋（Ｔ−Ｔｏ）×β） （式３−ｃ）
この（式３−ｃ）により、計測温度Ｔでの第３パルスカウント値ＰＣ３（ＰＣ（Ｔ））、温度検出部７０で計測される温度検出結果Ｔ（温度Ｔ）、基準温度Ｔｏ、基準温度Ｔｏでの傾きα（Ｔｏ）、傾きα（Ｔ）の傾きβを用いて、温度補正された微粒子濃度Ｄを検出することが可能となる。つまり、計測される第３パルスカウント値ＰＣ３と、温度補正された演算係数（傾きα（Ｔ）（第２演算係数ｘ２））により、周囲温度Ｔに依存しない正確な微粒子濃度Ｄの検出が可能となる。

ここで、Ｔｏ、α（Ｔｏ）、および、βは、演算に使用するための演算係数を温度補正するための温度補正係数ｙ１であり、例えば、図６に記載の記憶部９０に記憶され、信号処理部５０での演算時に温度補正係数ｙ１として使用される。なお、上述では説明簡略化のため、α（Ｔ）はＴの１次関数としたが、２次関数以上の高次関数となった場合でも、同様の補正は可能である。

さらに、温度補正係数ｙ１が、製造時のばらつき等により微粒子検出センサ１Ａ毎に異なる場合は、製造時の検査工程において、少なくとも２点以上の周囲温度Ｔ（基準温度Ｔｏを含む）にて計測を行う。そして、それぞれの計測温度での、微粒子濃度に対する傾きα（Ｔ）の計測結果からβを算出し、計測される各係数を微粒子検出センサ１Ａ毎に記憶部９０に初期設定値として記憶する。これにより、製造ばらつきによる周囲温度Ｔ依存性のずれを補正することが可能となり、結果として、微粒子濃度の周囲温度Ｔ変化に対する計測誤差をさらに抑制することが可能となる。

ただし、上記製造ばらつきに対する補正を実施することにより、周囲温度変化に対する計測誤差を抑制することは可能となるが、検査工程において２点以上の温度条件での検査が必要となり、微粒子検出センサ１Ａの製造コストが増加してしまう可能性がある。そのため、微粒子検出センサ１Ａに要求されるターゲット（計測精度、コスト）に応じて、上記製造ばらつき補正方法を実施するか否かが選択されることが望ましい。なお、製造ばらつき等により、微粒子検出センサ１Ａ毎に温度補正係数ｙ１が殆ど変化しない場合は、信号処理部５０の演算式に固定値として組み込んでもいいし、微粒子検出センサ１Ａ外部のマイコン等で演算処理を行う場合は、マイコン等のメモリに記憶してもよい。

以上のとおり、実施形態２の構成では、広い温度範囲で動作可能で、かつ、周囲温度Ｔの変動に対して、正確な微粒子濃度を計測可能な微粒子検出センサ１Ａが実現できる。

（製造ばらつきに対する調整）
次に、微粒子検出センサ１Ａの製造ばらつきに対する補正方法について示す。一般的に、ＳＰＡＤアレイ受光部３０は半導体基板上に形成される。そのため、半導体の結晶欠陥や不純物濃度のばらつき等の製造ばらつきにより、構成されるＳＰＡＤ毎のアバランシェ増倍率やノイズ成分（ダークパルス等）にばらつきが発生する場合があり、微粒子濃度の計測精度の低下を招く可能性がある。

また、発光素子１０についても、製造ばらつきにより発光光量や指向性等の光学特性にばらつきが発生する可能性があり、同様に計測精度の低下を招く可能性がある。さらに、ＳＰＡＤアレイ受光部３０の降伏電圧のばらつきや、逆バイアス電圧ＶＨＶの電圧設定部８０の製造ばらつきにより、ＳＰＡＤアレイ受光部３０に供給される逆バイアス電圧ＶＨＶが最適化されておらず、同様に計測精度の低下や計測不能を招く可能性がある。

したがって、微粒子濃度の計測精度を向上するためには、上記製造ばらつきによる計測誤差や動作条件のずれを、製造時に調整可能とする構成が望ましい。このことを実現するための方法の一例を以下に示す。

（パルスカウント値の最適化）
ノイズ成分のパルスカウント値を最適化する方法について説明する。図１１の（ａ）は、第１パルスカウント値ＰＣ１と第２パルスカウント値ＰＣ２のＳＰＡＤセル数に対する依存性の一例を示すグラフである。図１１の（ａ）において、（１１−１）は、点灯期間中の第１パルスカウント値ＰＣ１のＳＰＡＤセル数に対する依存性の一例を表しており、（１１−２）は、消灯期間中の第２パルスカウント値ＰＣ２のＳＰＡＤセル数に対する依存性の一例を表している。図１１の（ａ）では、微粒子濃度、発光光量、各パルスカウント期間はある値に固定されているものとする。

図１１の（ａ）の（１１−２）に示すとおり、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数の増減によりノイズ成分のパルスカウント値が増減することを利用して、製造時の検査工程において、ノイズ成分のパルスカウント値が最適値となるようなＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数が選択される。ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数の選択は、図６に示す制御部６０から出力される第２調整信号Ｓ２により行われる。このＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数の最適化結果（第２調整信号Ｓ２）は、記憶部９０に初期設定値として記憶される。

なお、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数の選択方法としては特に限定されず、ＳＰＡＤアレイ全体から一律増減するような選択調整でもよく、あらかじめ規定された領域の有効／無効を選択するような調整方法でもよい。言い換えると、第２調整信号Ｓ２はＳＰＡＤアレイ受光部３０の動作条件を調整するための信号であり、ＳＰＡＤアレイ受光部３０は、第２調整信号Ｓ２により、ＳＰＡＤアレイ受光部３０を構成する各ＳＰＡＤセルｃｅｌｌの有効と無効とを設定する機能を有するものであってもよい。また、ノイズ成分を最適値に補正する意味は、前述のとおり、ノイズ成分のカウント値の大小により、傾きαが変動してしまうためである。

（傾きαの最適化）
パルスカウント値の傾きαを最適化する方法について説明する。図１１の（ｂ）は、第１パルスカウント値ＰＣ１と第２パルスカウント値ＰＣ２の発光光量に対する依存性の一例を示すグラフである。図１１の（ｂ）において、（１１-１）は点灯期間中の第１パルスカウント値ＰＣ１の発光光量に対する依存性の一例を表しており、（１１−２）は消灯期間中の第２パルスカウント値ＰＣ２の発光光量に対する依存性の一例を表している。

図１１の（ｂ）では、微粒子濃度、パルスカウント期間はある値に固定されており、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数は上述した方法で最適化された値に設定されているものとする。ここで、（１１−１）は微粒子からの散乱光成分のパルスカウント値を含むため、発光光量の増加に対してパルスカウント値が増加するのに対して、（１１−２）はノイズ成分のみのパルスカウント値であるため一定の値となる。この依存性を利用して、製造時の検査工程において、パルスカウント値の傾きαが最適値となる発光光量が選択される。図６に示す制御部６０から出力される第１調整信号Ｓ１により、発光素子１０の駆動部２０において発光光量が調整される。言い換えると、第１調整信号Ｓ１は駆動部２０の動作条件を調整するための信号であり、駆動部２０は、第１調整信号Ｓ１により、発光素子１０の発光光量を調整する機能を有する。第１調整信号Ｓ１は記憶部９０に初期設定値として記憶される。

（逆バイアス電圧の最適化）
ＳＰＡＤアレイ受光部３０に供給する逆バイアス電圧ＶＨＶの最適化方法について説明する。図１１の（ｃ）は、第１パルスカウント値ＰＣ１と第２パルスカウント値ＰＣ２の逆バイアス電圧に対する依存性の一例を示すグラフである。図１１の（ｃ）において、（１１−１）は点灯期間中の第１パルスカウント値ＰＣ１の逆バイアス電圧ＶＨＶに対する依存性の一例を表しており、（１１−２）は消灯期間中の第２パルスカウント値ＰＣ２の逆バイアス電圧ＶＨＶに対する依存性の一例を表している。

逆バイアス電圧ＶＨＶが最適範囲よりも大きくなりすぎると、アバランシェ増倍率が大きくなりすぎて、各パルスカウント値が極端に増加してしまい、正常な計測が不可能となる。また、逆バイアス電圧ＶＨＶが最適範囲よりも小さくなりすぎると、逆バイアス電圧ＶＨＶがＳＰＡＤの降伏電圧を下回ってしまい、ガイガーモードではなくリニアモードでの動作になる。そのため、各パルスカウント値が極端に減少してしまい、正常な計測が不可能となる。

逆バイアス電圧ＶＨＶが最適範囲からずれるのは、上記とおり、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌや電圧設定部８０の製造ばらつきが原因であり、逆バイアス電圧ＶＨＶを最適範囲に設定することにより正常な計測が可能となる。具体的な方法としては、製造時の検査工程において、各パルスカウント値の逆バイアス電圧ＶＨＶ依存性を計測し、各パルスカウント値が最適値となる逆バイアス電圧ＶＨＶを選択する。例えば、図１１の（ｃ）に示すように、検査工程において、各パルスカウント値の計測結果から逆バイアス電圧ＶＨＶの正常動作範囲を粗く検出し、その中間値を逆バイアス電圧ＶＨＶとして選択してもいい。ここでは、パルスカウント値が極端に増減しないような逆バイアス電圧ＶＨＶの設定が目的なので、粗い設定でよい。

逆バイアス電圧ＶＨＶの調整は、図６に示す制御部６０から出力される第３調整信号Ｓ３によって、電圧設定部８０で逆バイアス電圧ＶＨＶ（初期値）が設定され、ＳＰＡＤアレイ受光部３０に逆バイアス電圧ＶＨＶが供給されることにより行われる。言い換えると、第３調整信号Ｓ３は電圧設定部８０の動作条件を調整するための信号であり、電圧設定部８０は、第３調整信号Ｓ３により、逆バイアス電圧ＶＨＶを調整する機能を有する。検査時に決定した第３調整信号Ｓ３は、記憶部９０に初期設定値として記憶される。初期設定値として記憶される逆バイアス電圧ＶＨＶ値は、基準温度Ｔｏで最適となる逆バイアス電圧ＶＨＶであり、図８で説明した周囲温度Ｔに対する逆バイアス電圧ＶＨＶのテーブルは、基準温度Ｔｏでの補正結果に合わせて調整されることが望ましい。

以上のように、検査工程における検査結果から、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数、発光光量、逆バイアス電圧ＶＨＶの設定値を調整し、それらを調整するための第１調整信号Ｓ１〜第３調整信号Ｓ３を記憶部９０に初期設定値として記憶しておく。これにより、製造ばらつきによる計測誤差や微粒子検出センサ１Ａ毎の計測値ずれを抑制することが可能となり、微粒子濃度の計測精度の高い微粒子検出センサ１Ａが実現できる。

（温度補正係数の製造ばらつきに対する調整）
次に、製造ばらつきの調整に加えて、周囲温度Ｔに対する傾きの温度補正係数の製造ばらつきを調整する場合の、具体的な計測と調整の順序の一例を示す。

まずは、製造時の検査工程において、検査温度Ｔｏ（基準温度Ｔｏ）、微粒子無しの状態での、消灯時の第２パルスカウント値ＰＣ２の逆バイアス電圧ＶＨＶ依存性を計測する。なお、ここでは微粒子が有りの状態での計測としてもよい。この計測結果から、第２パルスカウント値ＰＣ２が極端に増減しないような逆バイアス電圧ＶＨＶの正常動作範囲を検出して、その中間値を逆バイアス電圧の設定値ＶＨＶｏとし、その値を第３調整信号Ｓ３として記憶部９０に記憶する。

次に、検査温度Ｔｏ（基準温度Ｔｏ）、逆バイアス電圧ＶＨＶｏ、微粒子無しの状態において、第２パルスカウント値ＰＣ２のＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数の依存性を計測する。なお、ここでは微粒子が有りの状態での計測としてもよい。この計測結果から、第２パルスカウント値ＰＣ２（ノイズ成分）が最適値となるＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数Ｃｏを決定し、その値を第２調整信号Ｓ２として記憶部９０に記憶する。

次に、検査温度Ｔｏ（基準温度Ｔｏ）、逆バイアス電圧ＶＨＶｏ、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数Ｃｏにおいて、微粒子無しの状態（微粒子濃度＝０）と微粒子有りの状態（基準となる微粒子濃度Ｄｏ）の２回の計測を行う。上記２回の計測値から、第１パルスカウント値ＰＣ１、または、第３パルスカウント値ＰＣ３の傾きα（Ｔｏ）を計測し、その傾きα（Ｔｏ）の発光光量に対する依存性を計測する。その計測結果から、傾きα（Ｔｏ）が最適値となる発光光量Ｌｏを決定し、その値を第１調整信号Ｓ１として記憶部９０に記憶する。

次に、傾きα（Ｔ）の温度補正係数の製造ばらつきを調整する。基準温度Ｔｏにおける傾きα（Ｔｏ）は、上記傾き補正時に計測しているので、別の検査温度Ｔ１で、上記設定条件（逆バイアス電圧ＶＨＶｏ（Ｔ１）、ＳＰＡＤセルｃｅｌｌ数Ｃｏ、発光光量Ｌｏ）における傾きα（Ｔ１）を計測する。ここで、逆バイアス電圧ＶＨＶｏ（Ｔ１）とは、基準温度Ｔｏでの初期設定値である逆バイアス電圧ＶＨＶｏに対して、図８に基づき、検査温度Ｔ１における測定において自動調整された逆バイアス電圧の値である。図１０のようにα（Ｔ）の温度依存性がリニア特性であれば、傾きα（Ｔｏ）と傾きα（Ｔ１）との計測値から傾きα（Ｔ）の温度に対する傾きβを算出することが可能である。この傾きβ、基準温度Ｔｏ、および基準温度の傾きα（Ｔｏ）を、後述する演算係数α（Ｔ）（第３演算係数ｘ３）の温度補正係数として記憶部９０に記憶する。上記調整方法により、製造時の検査工程において、上記製造ばらつきによる計測誤差を抑制することが可能となる。

ここで、記憶部９０に記憶する基準温度Ｔｏは、検査温度Ｔｏ（基準温度Ｔｏ）での温度検出結果Ｔｏ＿１である。検査温度Ｔｏでの温度検出結果Ｔｏ＿１を記憶する必要があるのは、以下の理由による。すなわち、計測値Ｔｏ（検査温度Ｔｏ）はあくまでも温度検出部７０での計測結果であり、この計測値Ｔｏ（検査温度Ｔｏ）は微粒子検出センサ１Ａ毎にばらつくため、微粒子検出センサ１Ａ毎に検査温度Ｔｏでの温度検出結果Ｔｏ＿１を記憶しておく必要があるためである。言い換えると、絶対的な温度出力を求める必要は無い。このような方法により、温度検出部７０の製造ばらつきも含めての補正が可能となる。

（迷光成分による計測誤差の抑制）
次に、減算後の第３パルスカウント値ＰＣ３に現れる、迷光成分のパルスカウント値による計測誤差を抑制する手段を示す。ここで、迷光とは、発光素子１０から投射された光が、微粒子に散乱してＳＰＡＤアレイ受光部３０に入射する散乱光成分とは別に、ＳＰＡＤアレイ受光部３０に入射する不要な光を示す。迷光成分は、例えば、（１）発光素子１０からの投射光Ｅ１が微粒子検出センサ１Ａの筐体やカバー等に反射してＳＰＡＤアレイ受光部３０に入射する、または（２）発光素子１０から投射された光が、ＳＰＡＤアレイ受光部３０に直接入射する、ことによりパルスカウントされる。理想的には、このような迷光成分を０（ゼロ）、または、極力小さくなるように、ＳＰＡＤアレイ受光部３０、発光素子１０、検出領域を配置構成することが望ましい。しかしながら、現実的には困難なため、上記迷光成分のパルスカウント値による計測誤差を補正または抑制するための手段が必要となる。

図１２の（ａ）は、ＳＰＡＤアレイ受光部３０に迷光が入射する場合の、第３パルスカウント値ＰＣ３の微粒子濃度に対する依存性の一例を示すグラフである。迷光成分は、図５等で説明したノイズ成分のパルスカウント値に類似しており、微粒子濃度には依存することはなく、微粒子濃度に対しては一定の値をとる。また、上述したように、迷光成分は微粒子検出センサ１Ａの筐体やセンサカバーからの反射光や、発光素子１０からの直接光がＳＰＡＤアレイ受光部３０に入射することによって発生する。そのため、製造時の構成要素の実装位置のばらつき等により、微粒子検出センサ１Ａ毎に迷光成分のパルスカウント値がばらつく可能性がある。

この迷光成分のパルスカウントによる計測誤差を抑制するための手段としては、例えば、製造時の検査工程において、微粒子無し状態での計測を実施することにより（少なくとも１回以上の計測）、迷光成分のみの第４パルスカウント値ＰＣ４を計測する。微粒子濃度の計測時には、計測される第３パルスカウント値ＰＣ３から、第４パルスカウント値ＰＣ４をさらに減算した上で、信号処理部５０において微粒子濃度を演算して検出すればよい。第３パルスカウント値ＰＣ３の傾きαを演算係数（第３演算係数ｘ３）として、微粒子濃度Ｄは、以下の式で表すことができる。

ＰＣ３＝α×Ｄ＋ＰＣ４ （式４−ａ）
Ｄ＝（ＰＣ３−ＰＣ４）／α （式４−ｂ）
また、検査工程で計測される第４パルスカウント値ＰＣ４は、図６の記憶部９０に初期設定値として記憶し、信号処理部５０における演算時に第４演算係数ｘ４として使用される。この手段により、迷光成分の第４パルスカウント値ＰＣ４による計測誤差を、製造ばらつきを含めて抑制することが可能となり、迷光成分が完全に除去できないような微粒子検出センサ１Ａ構造においても、計測精度の低下を抑制することが可能となる。

また、上記手段が有効となるのは、迷光成分による第４パルスカウント値ＰＣ４が比較的小さい場合や、周囲温度Ｔにより大きく変動しない場合に限られる。図１２の（ｂ）は、迷光成分の温度依存性が大きい場合の、微粒子濃度に対する第３パルスカウント値ＰＣ３の温度依存性の一例を示すグラフである。図１２の（ｂ）では、（１２−１）は高温、（１２−３）は低温、（１２−２）は（１２−１）および（１２−３）の中間の温度（常温等）の場合の上記温度依存性を表す。

迷光成分と散乱光成分との違いは、粒子濃度に依存するかしないかである。散乱光成分は粒子濃度に依存するが、迷光成分は粒子濃度に依存しない。つまり、迷光成分のパルスカウント値の温度依存性は、散乱光成分のパルスカウント値の温度依存性と同じとなる。そのため、傾きα（Ｔ）の温度依存性が図１０となる場合は、迷光成分の温度依存性が大きい場合の、微粒子濃度に対する第３パルスカウント値ＰＣ３の温度依存性は、図１２の（ｂ）に示すようになる。このような場合も、上記手段（検査時の迷光成分の第４パルスカウント値ＰＣ４を第３パルスカウント値ＰＣ３から減算）により、迷光による計測誤差をある程度は抑制することが可能である。

しかし、あらゆる周囲温度Ｔに対して、微粒子濃度の計測精度を高く設定する必要がある場合は、上記手段だけでは不十分である。このような場合は、以下に示すように、迷光成分の第４パルスカウント値ＰＣ４を温度補正してから、微粒子濃度の演算処理を行う手段が望ましい。

まず、計測温度Ｔにおける、第３パルスカウント値ＰＣ３をＰＣ３（Ｔ）、迷光成分の第４パルスカウント値ＰＣ４をＰＣ４（Ｔ）、第３パルスカウント値ＰＣ３の傾きをα（Ｔ）とする。ＰＣ３（Ｔ）、ＰＣ４（Ｔ）、およびα（Ｔ）を演算係数とし、微粒子濃度をＤとすると、上記関係は以下の式で表すことができる。

ＰＣ３（Ｔ）＝α（Ｔ）×Ｄ＋ＰＣ４（Ｔ） （式４−ｃ）
ここで、ＰＣ４（Ｔ）の周囲温度依存性が、図１２の（ｃ）のように周囲温度Ｔに対して１次関数（リニア特性）となる場合、ＰＣ４（Ｔ）の温度に対する傾きをγとし、基準温度Ｔｏでの第４パルスカウント値ＰＣ４をＰＣ４（Ｔｏ）とすると、ＰＣ４（Ｔ）は以下の式で表すことができる。

ＰＣ４（Ｔ）＝ＰＣ４（Ｔｏ）＋（Ｔ−Ｔｏ）×γ （式４−ｄ）
ここで、ＰＣ３（Ｔ）の微粒子濃度に対する傾きα（Ｔ）は、上記（式３−ａ）で表すことができるため、（式３−ａ）、（式４−ｃ）、および（式４−ｄ）から、微粒子濃度Ｄは、以下の式を用いて算出することが可能となる。

Ｄ＝｛ＰＣ３（Ｔ）−ＰＣ４（Ｔ）}／α（Ｔ）
＝｛ＰＣ３（Ｔ）−ＰＣ４（Ｔｏ）−（Ｔ−Ｔｏ）×γ｝／（α（Ｔｏ）＋（Ｔ−Ｔｏ）×β） （式４−ｅ）
上式（式４−ｅ）では、ＰＣ３（Ｔ）の傾きα（Ｔ）を演算係数（第３演算係数ｘ３）とする。上式（式４−ｅ）では、周囲温度Ｔにおける温度検出結果Ｔ、周囲温度Ｔにおける第３パルスカウント値ＰＣ３の計測結果であるＰＣ３（Ｔ）、および記憶部９０に記憶されたＰＣ４（Ｔｏ）、傾きα（Ｔｏ）、Ｔｏ、β、γの温度補正係数（定数）を用いて演算する。上式（式４−ｅ）により、迷光成分の入射が無視できない微粒子検出センサ１Ａにおいても、迷光成分の温度依存性も含めた温度補正が可能となる。

また、上記温度補正係数が、製造時のばらつき等により微粒子検出センサ１Ａ毎に異なる（ばらつく）場合は、下記を行うことにより製造ばらつきによる周囲温度Ｔ依存性のずれを補正することが可能となる。すなわち、製造時の検査工程において、少なくとも２点以上の周囲温度Ｔ（基準温度を含む）にて計測を行う。そして、それぞれの計測温度での傾きαと第４パルスカウント値ＰＣ４の計測結果から傾きβと傾きγを算出し、計測された各定数を微粒子検出センサ１Ａ毎に記憶部９０に記憶する。これにより、製造ばらつきによる周囲温度Ｔ依存性のずれを補正することが可能となり、結果として、微粒子濃度の計測精度をさらに向上することが可能となる。

しかしながら、製造ばらつきに対する補正を実施することにより、計測精度をさらに向上させることは可能となるが、検査工程において２点以上の温度条件での検査が必要となり、センサの製造コストが増加してしまう可能性がある。そのため、微粒子検出センサ１Ａに要求されるターゲット仕様（計測精度、コスト）に応じて、上記製造ばらつき補正方法を実施するか否かが選択されることが望ましい。

〔実施形態３〕
実施形態２では、迷光がＳＰＡＤアレイ受光部３０に入射する場合の補正手段を説明した。しかしながら、ＳＰＡＤアレイ受光部３０に入射する迷光成分が、散乱光成分よりも極端に大きくなるような場合は、パルスカウント値が全体的に上昇してしまい、微粒子濃度に対するリニアリティが低下する。その結果、上記抑制方法を用いても、微粒子検出センサ１Ａに必要な計測精度が得られない可能性がある。このことから、微粒子検出センサ１ＡのＳＰＡＤアレイ受光部３０は、上記迷光成分が極力入射しないよう、あるいは、迷光成分の影響が極力少なくなるように、調整可能とする構成にすることが望ましい。このような構成を実現するための例を実施形態３として以下に示す。

微粒子検出センサ１Ｂの構成としては図６に示すように、ＳＰＡＤアレイ受光部３０に代えてＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂを備えている。ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂは、少なくとも２つ以上の領域に分割して選択可能とする。ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂに入射する迷光成分は、ＳＰＡＤアレイの全体に一様な強度で入射する場合は少なく、ある特定の領域では迷光成分が強く、別の領域では迷光成分が弱く入射するような場合が多い。また、製造ばらつきによる各構成素子の実装位置ずれ等により、ＳＰＡＤアレイ領域毎の迷光の入射強度の分布は変動することが多い。このことから、微粒子検出センサ１Ｂ毎に、迷光成分の入射が少なく、かつ、散乱光成分の入射が多いようなＳＰＡＤアレイの特定領域を選択して計測を行うことで、迷光成分の影響を極力小さくすることが可能な微粒子検出センサ１Ｂを実現することができる。具体的には、迷光成分をＮ、散乱光成分をＳとすると、そのＳ／Ｎ比が最も高くなるＳＰＡＤアレイの領域を選択して計測を行うことで、迷光成分の影響を極力小さくすることが可能な微粒子検出センサ１Ｂを実現することができる。

上記手段について、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明の実施形態３に係る微粒子検出センサ１ＢのＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂの計測領域選択手段の一例を示す図である。図１３に示すＳＰＡＤアレイは、１２×１２（１４４セル）のＳＰＡＤセルｃｅｌｌで構成されている。ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂは、まず、そのうちの３×３（９セル）の領域を基準領域ＢＡ０〜基準領域ＢＡ１５（１６領域）として分割する。そして、微粒子濃度の計測時は、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂは、破線囲みで示すように、基準領域ＢＡの２×２の領域（計４領域）を選択した６×６（３６セル）の領域を使用して計測を行う。この計測を行う領域を計測領域ＭＡとする。

製造時の検査工程においては、上記基準領域ＢＡの２×２の４領域で構成される計測領域を順次選択して計測を行う。具体的には、まずは、基準領域ＢＡ０、基準領域ＢＡ１、基準領域ＢＡ４、および基準領域ＢＡ５で構成される計測領域ＭＡ１の計測を行う。次に、基準領域ＢＡ１、基準領域ＢＡ２、基準領域ＢＡ５、および基準領域ＢＡ６で構成される計測領域での計測を行い、これを繰り返す。最終的に基準領域ＢＡ１０、基準領域ＢＡ１１、基準領域ＢＡ１４、および基準領域ＢＡ１５で構成される計測領域ＭＡ２の計測を行う。

計測は、図１４の（ａ）、および図１４の（ｂ）に示すように、それぞれの計測領域ＭＡにおいて、微粒子濃度が０（ゼロ）の場合と、ある基準濃度Ｄｏでの場合にそれぞれ実施し、散乱光成分Ｓと迷光成分Ｎの比を計算し、このＳ／Ｎ比が最も大きくなる計測領域ＭＡを決定する。ここで、図１４の（ａ）はＳ／Ｎ比が比較的大きくなる場合の第１パルスカウント値ＰＣ１と微粒子濃度の関係の一例を示す図である。図１４の（ｂ）はＳ／Ｎ比が比較的小さくなる場合の第１パルスカウント値ＰＣ１と微粒子濃度の関係の一例を示す図である。また、迷光成分Ｎは粒子濃度が０（ゼロ）での計測結果そのものであり、散乱光成分Ｓは、基準濃度Ｄｏでの計測結果から、迷光成分Ｎを減算した値になる。

上記計測により決定されたＳＰＡＤアレイの計測領域ＭＡは、図６に示す制御部６０から出力される第２調整信号Ｓ２により設定される。この第２調整信号Ｓ２は、記憶部９０に初期設定値として記憶される。これにより、最も迷光成分の影響が少ないＳＰＡＤ領域での散乱光Ｅ２の計測が可能となり、迷光成分の影響を極力抑制した微粒子検出センサ１Ｂが実現可能となる。なお、Ｓ／Ｎ比の演算は、微粒子濃度が０（ゼロ）の場合の第３パルスカウント値ＰＣ３をＰＣ３（０）、基準濃度Ｄｏでのパルスカウント値をＰＣ３（Ｄｏ）とおくと、以下の演算式（式５−ａ）により簡単に算出可能である。また、上記は、Ｓ／Ｎ比の大小を判定することが目的のため、さらに簡略化した（式５−ｂ）を判定式として用いてもいい。

Ｓ／Ｎ＝ＰＣ３（Ｄｏ）／ＰＣ３（０）−１ （式５−ａ）
Ｓ／Ｎ＝ＰＣ３（Ｄｏ）／ＰＣ３（０） （式５−ｂ）
また、上記ＳＰＡＤ領域の設定に加えて、上記に示した製造ばらつきの調整や温度補正を含めた検査工程における調整の順序としては、以下に示す（１）〜（５）の順序で実施されることが望ましい。（１）逆バイアス電圧ＶＨＶの調整、（２）ＳＰＡＤアレイの計測領域ＭＡの選択（迷光調整）、（３）ＳＰＡＤセル数の調整（ノイズカウント値の調整）、（４）発光光量の調整（傾きの調整）、（５）温度補正（傾きと迷光の温度補正係数の調整と、迷光初期値の記憶）。このような順序での調整を行うことで、微粒子検出センサ１Ｂの特性を一意的に決定することができるため、検査工程における検査時間を極力低減することが可能である。例えば、（２）を最後に実施する場合、それまでに調整した設定値がずれてしまうことから、（３）〜（５）の設定をもう一度設定する必要が出てしまうため、検査時間が長くなってしまい、結果的にコスト増大につながる。

なお、図１３では１２×１２のＳＰＡＤセルｃｅｌｌで構成されているＳＰＡＤアレイを示したが、もちろん、上記ＳＰＡＤアレイ設定に限定する必要はない。また、計測領域ＭＡも２×２の基準領域ＢＡからなる正方形領域としたが、このような選択方法に限定する必要はない。例えば、計測領域ＭＡを、縦１列の基準領域ＢＡ０〜基準領域ＢＡ３からなる領域としてもよく、横一列の基準領域ＢＡ０、基準領域ＢＡ４、基準領域ＢＡ８、および基準領域ＢＡ１２からなる領域、または円形領域としても問題ない。計測領域ＭＡは、微粒子検出センサ１Ｂ毎に適した調整方法により設定することが重要である。

（光学フィルタ）
実施形態１および実施形態２では、点灯期間中の第１パルスカウント値ＰＣ１から、消灯期間中の第２パルスカウント値ＰＣ２を減算することで、熱的キャリアによるダークパルス、および外乱光によるノイズ成分のパルスカウント値の除去方法について説明した。外乱光入射に対するノイズ除去としては、実施形態１および実施形態２で示した方法だけでは不十分な場合がある。上記方法は、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂに入射する外乱光が比較的弱い場合には有効であるが、外乱光が強く入射する場合には、正確に微粒子濃度を計測できない問題がある。外乱光が強く入射する場合には、ノイズ成分のパルスカウント値が大きくなるため、前述のとおり、散乱光成分のカウント値の微粒子濃度に対する傾きが変動してしまう（リニアリティ低下）からである。

この問題を回避するために、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂの上面方向（散乱光が入射する方向、受光面に垂直な方向）に対して、外乱光の入射を抑制するような光学フィルタ（図示無）を設けることが望ましい。具体的には、散乱光成分の波長近傍の光（発光素子１０の発光波長近傍）のみを透過し、それ以外の波長の光を指数関数的に減衰させるような、光学的バンドパスフィルタを設けることが望ましい。光学バンドパスフィルタの設置方法としては、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂの受光面方向（光入射方向）に、市販（既成）の光学ガラスフィルタを設置するような構成にしてもよい。あるいは、ＳＰＡＤアレイ受光面に蒸着等により光学フィルタを直接形成してもよい。このように、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂの上面方向に光学バンドパスフィルタを設けることにより、散乱光の波長以外の光（つまり、外乱光ノイズ）を指数関数的に減衰させることができる。その結果、外乱光入射によるノイズ成分カウント値の増大によるリニアリティの低下を抑制することが可能となり、外乱光が強く入射する状況においても、微粒子濃度の計測精度が高い微粒子検出センサ１Ｂが実現可能となる。

（構成要素の集積）
また、実施形態１〜実施形態３において、発光素子１０以外のＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂ、および各構成要素は、同一の半導体基板上に集積化して形成されることが望ましい。これにより、各回路間の配線を短く形成することが可能となる。これにより、例えば、電磁ノイズ等が各構成要素間の配線にカップリングすることによって発生するノイズ成分を抑制することが可能となり、微粒子濃度の計測精度をさらに向上させることができる。また、上記構成要素を同一基板上に集積化して形成することで、微粒子検出センサ１Ｂを構成する部品点数の削減が可能となり、微粒子検出センサの小型化や低コスト化が実現可能となる。

〔実施形態４〕
実施形態４では、微粒子検出センサ１〜微粒子検出センサ１Ｂを用いた、空気中（または気体中）を浮遊するほこり微粒子濃度の検出を目的としたほこりセンサ１００の構成例を示す。図１５は、本発明の実施形態４ほこりセンサ１００の概略構成の一例を示す模式図である。図１５（ａ）はほこりセンサ１００を上面から見た図である。図１５の（ｂ）は図１５の（ａ）のＡ−Ａ’の断面図である。

図１５に示すほこりセンサ１００は、実装基板１６０上に集積回路ＩＣが実装されている。集積回路ＩＣには、少なくとも、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂ、パルスカウンタ４０、発光素子１０の駆動部２０、制御部６０、および信号処理部５０を含む回路要素が含まれている（上述の実施形態の構成）。さらに、実装基板１６０上には、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂへの外乱光や迷光の入射を抑制するためのセンサカバー１５０（遮光カバー）が集積回路ＩＣを覆うように取り付けられている。ＳＰＡＤアレイ１７０直上のセンサカバー１５０上面部分には、ほこり微粒子ＳＰからの散乱光Ｅ２をＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂに取り込むための受光窓１３０（散乱光Ｅ２を透過する部分であり、穴等）が設けられている。

さらに、この受光窓１３０の部分には光学バンドパスフィルタが併せて設置されており、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂへの外乱光の入射を抑制している。センサカバー１５０の上面には、発光ビーム１２０を投射するための発光素子モジュール１１０が取り付けられている。発光素子モジュール１１０は、少なくとも、発光素子１０と、レンズ１４０等の光学素子で構成されている。この発光素子モジュール１１０と集積回路ＩＣ（の駆動部）とは、電気的に接続されている。発光ビーム１２０は、発光素子モジュール１１０から受光窓１３０（ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂ）の方向に、センサカバー１５０上面に対して平行に投射されている。ここで、発光ビーム１２０と、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂの視野角が重なる部分を、ほこりセンサ１００の検出領域Ａとする。なお、ＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂの視野角は、ＳＰＡＤアレイ１７０の視野角、光学バンドパスフィルタの視野角、および受光窓１３０の配置等により決まる。

また、ほこりセンサ１００の側面には、受光窓１３０の上面付近に空気（気体）を送風するための送風手段Ｆが設置されており、この空気（気体）の流れにより、ほこり微粒子ＳＰが検出領域Ａに一定速度で送り込まれる（図１５の（ａ）の矢印）。送風手段Ｆにより送り込まれるほこり微粒子ＳＰが、検出領域Ａを通過する際に、発光ビーム１２０がほこり微粒子ＳＰにより散乱され、この散乱光Ｅ２がＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂに入射する。上述の実施形態で説明したとおり、この散乱光Ｅ２の光量に応じたパルス信号をパルスカウンタ４０で計数し、演算係数を用いて演算することにより、ほこり微粒子ＳＰの濃度検出することが可能となる。送風手段Ｆとしては、ファン等の送風機に加えて、ヒーター等による温度差や圧力差を利用した送風手段を用いることができる。

また、図１５において、下記の（１）および（２）の位置ずれが考えられる。（１）実装基板１６０上にＳＰＡＤアレイ１７０（ＩＣ）を実装する際の実装位置のずれ。（２）発光ビーム１２０位置のずれ等の製造ばらつきによる、ＳＰＡＤアレイ受光部３０に入射する迷光成分の入射位置のずれ。これらのずれが生じる場合であっても、受光窓１３０の面積を検出領域Ａ（発光ビーム径）に対して広く設定することで、迷光成分の影響を抑制することが可能となる。図１３および図１４で説明した迷光成分の影響を最小にするＳＰＡＤアレイ受光部３０Ｂの計測領域ＭＡの調整（最適化）が可能となるからである。

図１５の構成とすることにより、空気中（気体中）を浮遊するほこり微粒子の微粒子濃度を検出可能となり、センササイズが小さく、外乱光ノイズの入射に強く、ほこり微粒子濃度の計測精度が高く、周囲温度変化の影響が少なく、かつ、迷光成分の影響を抑制可能な、ほこりセンサ１００が実現できる。

なお、ほこりセンサ１００の構成は、図１５に示す構成に限定されるものではない。図１５では、主に、発光ビーム１２０が投射される方向である発光ビーム方向に対して９０°方向近傍の散乱光Ｅ２を受光するほこりセンサ１００の構成としている。しかし、ＳＰＡＤアレイ１７０、受光窓１３０、微粒子取り込み位置（流れ）の配置を調整することにより、発光ビーム方向に対して９０°以上の散乱光や、発光ビーム方向に対して９０°以下の散乱光を主に受光するほこりセンサ１００を実現することも可能である。また、送風手段Ｆを設置しなくても微粒子が検出領域Ａに効率よく取り込めるような環境で使用される場合は、送風手段Ｆの設置が不要となる。これにより、部品点数が削減され、ほこりセンサ１００のコスト上昇を抑制することも可能となる。

また、空調機器に、ほこりセンサ１００を搭載することにより、ＰＭ２.５等の微粒子の濃度を正確に検出することが可能で、かつ、外乱光入射や周囲温度変動に対する計測誤差の少ない、ほこり濃度検出部を備えた空調機器２００が実現できる。

図１６は、本発明の空調機器２００の概略構成の一例を示す模式図である。空調機器２００は、空気清浄機、エアコン、または換気扇等で実現することができる。空調機器２００は、電源部２０１、空調手段２０２、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）２０３、およびほこりセンサ１００で構成されている。電源部２０１は、空調手段２０２、ＭＰＵ２０３、およびほこりセンサ１００に電源電圧を供給する。空調手段２０２は、エアコントロールや換気等の空調を行う手段である。ＭＰＵ２０３は、空調機器２００とほこりセンサ１００の動作を制御し、さらに、ほこりセンサ１００から出力されるほこり濃度情報に応じて、空調機器２００の風量や動作ＯＮ／ＯＦＦを制御する機能を有する。また、ＭＰＵ２０３において、ほこりセンサ１００（ほこりセンサ１００内の微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂ）の出力結果（パルスカウント値等）を用いて、微粒子濃度の演算や、微粒子濃度の平均化処理、等を実施する構成にしてもいい。

なお、図１６に示すほこりセンサ１００は、上述の実施形態に記載した微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂと、検出領域Ａ、微粒子の取り込み手段２５０、および、光学的手段２６０で構成されている。ここで、検出領域Ａは浮遊する微粒子を検出するための領域である。微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂから投射された投射光Ｅ１は、検出領域Ａに浮遊する微粒子ＳＰにより散乱され、その散乱光Ｅ２を微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂで受光することにより、微粒子濃度の検出を行う。

微粒子の取り込み手段２５０は、ほこりセンサ１００の外部から微粒子ＳＰ（ほこり粒子）を取り込み、検出領域Ａへ微粒子を送り込み、検出領域Ａから微粒子ＳＰを排出し、さらに、ほこりセンサ１００の外部へ微粒子ＳＰを排出するための手段である。微粒子の取り込み手段２５０は、ほこりセンサ１００の外部から微粒子（空気）を取り込み、さらに排出するための送風手段Ｆと、微粒子ＳＰを検出領域Ａに送り込み、排出するための微粒子ＳＰの経路と、ほこりセンサ１００外部から微粒子ＳＰを取り込むための取り込み口（Ｉｎｌｅｔ）と、微粒子ＳＰを外部に排出するための排出口（Ｏｕｔｌｅｔ）、等から成る。

また、光学的手段２６０は、下記の（１）〜（５）等により構成される。（１）微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂから投射された投射光Ｅ１を検出領域Ａに集光するためのレンズ等の光学部品、（２）その投射光Ｅ１の光路、（３）検出領域Ａからの散乱光Ｅ２を受光するための光路、（４）微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂ内の受光部２１０に散乱光Ｅ２を取り込むための受光窓、（５）微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂに不要な光（迷光や外乱光）の入射を抑制するための遮光カバー（センサカバー）、および（６）迷光が微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂに入射することを抑制するための光学トラップ構造。

〔ソフトウェアによる実現例〕
微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂの制御ブロック（特に信号処理部５０）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂは、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば少なくとも１つのプロセッサ（制御装置）を備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な少なくとも１つの記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る微粒子検出センサ（１・１Ａ・１Ｂ）は、流体中に含まれる微粒子の濃度を検出する微粒子検出センサであり、前記微粒子に光を投射する発光素子（１０）と、アレイ状に配置され、ガイガーモードで動作する複数のＳＰＡＤを有し、前記発光素子からの投射された光による前記微粒子からの散乱光を受光してパルス信号を出力するＳＰＡＤアレイ受光部（３０・３０Ｂ）と、前記パルス信号をカウントした値であるパルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出する信号処理部（５０）と、を備え、前記信号処理部は、前記発光素子が前記光を投射する点灯期間（ＯＮＴ）における前記パルス信号のパルスカウント値である第１パルスカウント値（ＰＣ１）、および前記発光素子が前記光を投射しない消灯期間（ＯＦＦＴ）における前記パルス信号のパルスカウント値である第２パルスカウント値（ＰＣ２）に基づき、前記微粒子の濃度を算出する。

上記構成によれば、ＳＰＡＤアレイ受光部で受光する微弱な散乱光を、デジタル化されたパルス信号として出力し、そのパルス信号をパルスカウントする構成にすることで、微弱な散乱光を受光可能、かつ、計測精度の高い微粒子検出センサが実現できる。

さらに、アナログ信号を高ゲインの増幅回路で増幅する構成が不要となるため、電磁ノイズ耐性が強くなり、従来のほこりセンサに必要不可欠であったシールドケースやフィルタ等の電磁ノイズ対策部品の部品点数の削減が可能となり、微粒子検出センサの小型化、および、低コスト化が実現可能となる。

本発明の態様２に係る微粒子検出センサ（１・１Ａ・１Ｂ）は、上記態様１において、前記点灯期間（ＯＮＴ）において前記第１パルスカウント値（ＰＣ１）をカウントする期間（第１パルスカウント期間ＰＴ１）の長さと、前記消灯期間（ＯＦＦＴ）において前記第２パルスカウント値（ＰＣ２）をカウントする期間（第２パルスカウント期間ＰＴ２）の長さとが同一であってもよい。

上記構成によれば、発光素子の点灯期間と消灯期間のそれぞれでパルスカウント期間を同一の時間にすることにより、上記ノイズ成分の除去をより高精度に実施することが可能となり、周囲温度や外乱光入射に対する耐性をさらに高めた微粒子検出センサが実現可能となる。

本発明の態様３に係る微粒子検出センサ（１・１Ａ・１Ｂ）は、上記態様１または２において、前記信号処理部（５０）は、前記第１パルスカウント値（ＰＣ１）から前記第２パルスカウント値（ＰＣ２）を減算した第３パルスカウント値（ＰＣ３）を算出し、前記第３パルスカウント値に基づいて前記微粒子の濃度を算出してもよい。

上記構成によれば、点灯期間中の第１パルスカウント値から消灯期間中の第２パルスカウント値を減算することにより、熱的に発生するノイズ成分と外乱光入射により発生するノイズ成分を除去することが可能となり、周囲温度変化や外乱光入射に対する耐性の高い微粒子検出センサが実現可能となる。

また、微粒子濃度を演算するための信号処理部において、パルスカウント値の減算処理も併せて実施する構成とすることで、微粒子濃度の演算方法をフレキシブルに設定可能となり、演算回数の削減による応答速度の向上や、信号処理部の回路規模の縮小によるコスト低減の効果がある。

本発明の態様４に係る微粒子検出センサ（１・１Ａ・１Ｂ）は、上記態様１から３のいずれかにおいて、上記パルス信号を計数するパルスカウンタ（４０）を備え、前記パルスカウンタは、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタで構成され、前記点灯期間（ＯＮＴ）における前記パルス信号をＵＰカウントし、前記消灯期間（ＯＦＦＴ）における前記パルス信号をＤＯＷＮカウントしてもよい。

上記構成によれば、パルスカウンタをＵＰ／ＤＯＷＮカウンタとすることにより、信号処理部におけるパルスカウント値の減算処理が不要となるため、信号処理部の回路規模の縮小による、さらなるコスト低減の効果がある。

本発明の態様５に係る微粒子検出センサ（１Ａ）は、上記態様１から４のいずれかにおいて、前記ＳＰＡＤアレイ受光部（３０）の周囲温度を計測する温度検出部（７０）と、前記周囲温度（Ｔ）の計測結果に応じて決定された逆バイアス電圧（ＶＨＶ）を前記ＳＰＡＤアレイ受光部に供給する電圧設定部（８０）を備え、前記温度検出部による前記周囲温度の計測は、温度検出期間（ＴＴ）において計測され、前記電圧設定部により前記逆バイアス電圧は、電圧設定期間（ＶＴ）において前記周囲温度の計測結果に応じて更新され、前記温度検出期間および前記電圧設定期間は、前記点灯期間（ＯＮＴ）において前記第１パルスカウント値（ＰＣ１）をカウントする期間（第１パルスカウント期間ＰＴ１）、および前記消灯期間（ＯＦＦＴ）において前記第２パルスカウント値（ＰＣ２）をカウントする期間（第２パルスカウント期間ＰＴ２）からなる計測期間（ＭＴ）に同期して設定されてもよい。

上記構成によれば、周囲温度の変化に対して、ＳＰＡＤアレイ受光部に供給される逆バイアス電圧を最適値に自動調整することが可能となり、動作可能温度範囲が広い微粒子検出センサが実現可能となる。また、温度検出部での温度計測期間と、逆バイアス電圧の調整期間を、発光素子の点灯期間と消灯期間で構成される計測期間に同期して設定することにより、計測期間中に逆バイアス電圧が変動しない構成とすることが可能となる。その結果、より安定した計測が実現可能となる。

本発明の態様６に係る微粒子検出センサ（１Ａ）は、上記態様５において、前記信号処理部（５０）は、前記微粒子の濃度を算出するために用いられる予め設定された第１演算係数（ｘ１）に対して、予め設定された温度補正係数（ｙ１）と、前記温度検出部で計測される前記周囲温度の計測結果とを用いて温度補正を行うことで第２演算係数（ｘ２）を算出し、前記第２演算係数、および、前記第１パルスカウント値（ＰＣ１）から前記第２パルスカウント値（ＰＣ２）を減算した第３パルスカウント値（ＰＣ３）を用いて前記微粒子の濃度を算出してもよい。

上記構成によれば、周囲温度の検出結果を用いて、微粒子濃度の演算係数を温度補正することにより、周囲温度の変化による微粒子濃度の計測誤差を抑制した微粒子検出センサが実現可能となる。

本発明の態様７に係る微粒子検出センサ（１Ａ）は、上記態様６において、前記温度補正係数（ｙ１）は、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程において、少なくとも２つ以上の任意の温度における前記微粒子の濃度の計測結果に基づき算出してもよい。

上記構成によれば、上記温度補正を行うための温度補正係数を、製造時の検査工程で検出し、記憶部に初期設定値として記憶することにより、製造ばらつきに対する温度依存性のばらつきの影響を抑制した、微粒子検出センサが実現可能となる。

本発明の態様８に係る微粒子検出センサ（１Ａ）は、上記態様５において、前記発光素子（１０）を駆動する駆動部（２０）、前記ＳＰＡＤアレイ受光部（３０）、および前記電圧設定部（８０）を制御する制御部（８０）を備え、前記制御部は、前記駆動部、前記ＳＰＡＤアレイ受光部、および前記電圧設定部のそれぞれの動作条件を調整するための、第１調整信号（Ｓ１）、第２調整信号（Ｓ２）、および第３調整信号（Ｓ３）を出力する機能を有し、前記駆動部は、前記第１調整信号により、前記発光素子の発光光量を調整する機能を有し、前記ＳＰＡＤアレイ受光部は、前記第２調整信号により、前記ＳＰＡＤアレイ受光部を構成する各ＳＰＡＤセルの有効と無効とを設定する機能を有し、前記電圧設定部は、前記第３調整信号により、前記逆バイアス電圧を調整する機能を有し、前記第１調整信号、前記第２調整信号、および前記第３調整信号は、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程における検査結果に基づいて決定されていてもよい。

上記構成によれば、逆バイアス電圧の最適値、ノイズ成分によるパルスカウント値、および、微粒子濃度に対するパルスカウント値の傾きのずれを、微粒子検出センサ毎に調整（製造ばらつきの補正）することが可能となる。また、微粒子検出センサ毎の特性の製造ばらつきを抑制することが可能となり、かつ、微粒子検出センサに要求されるターゲット性能（計測精度、等）を満足する微粒子検出センサが実現可能となる。

本発明の態様９に係る微粒子検出センサ（１Ａ）は、上記態様１から８のいずれかにおいて、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程において、前記微粒子がない状態での迷光成分のパルスカウント値である第４パルスカウント値（ＰＣ４）を計測し、前記信号処理部（５０）において、微粒子の濃度を演算する際に、前記第１パルスカウント値（ＰＣ１）から前記第２パルスカウント値（ＰＣ２）を減算した第３パルスカウント値（ＰＣ３）から、前記第４パルスカウント値を減算してもよい。

上記構成によれば、迷光成分の入射により計測誤差を抑制することが可能な、微粒子検出センサが実現可能となる。

本発明の態様１０に係る微粒子検出センサ（１Ａ）は、上記態様９において、前記第４パルスカウント値（ＰＣ４）は、前記ＳＰＡＤアレイ受光部（３０）の周囲温度を計測する温度検出部（７０）による計測結果により温度補正されてもよい。

上記構成によれば、周囲温度変化に対する迷光成分の影響の変動を補正することが可能となり、迷光成分の入射が無視できないセンサにおいても、周囲温度変化に対する計測誤差を抑制することが可能な、微粒子検出センサが実現可能となる。

本発明の態様１１に係る微粒子検出センサ（１Ｂ）は、上記態様８において、前記ＳＰＡＤアレイ受光部（３０Ｂ）は、前記複数のＳＰＡＤがアレイ状に配置されている領域であるＳＰＡＤアレイ領域を、少なくとも２つ以上の基準領域（ＢＡ）に分割し、前記基準領域のうち少なくとも１つ以上を計測領域（ＭＡ）として選択する機能を有し、前記第２調整信号（Ｓ２）は、前記第１パルスカウント値（ＰＣ１）から前記第２パルスカウント値（ＰＣ２）を減算した第３パルスカウント値（ＰＣ３）を、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程において、前記微粒子がない状態での前記点灯期間（ＯＮＴ）における前記パルス信号のパルスカウント値である第４パルスカウント値（ＰＣ４）で除算した値が最大となるように前記計測領域が選択されるように設定されてもよい。

上記構成によれば、ＳＰＡＤアレイ受光部に入射する散乱光成分と迷光成分の比が最も大きくなるように、ＳＰＡＤアレイ領域の計測領域を選択可能となる。そのため、製造ばらつきに対する迷光成分の入射位置のずれによる影響を抑制することが可能な、微粒子検出センサが実現できる。また、上記構成とすることにより、迷光成分の入射量が多いことによる不良品の発生率を抑制することも可能であり、微粒子検出センサの良品率の向上によるコスト低減の効果もある。

本発明の態様１２に係る微粒子検出センサ（１・１Ａ・１Ｂ）は、上記態様１から１１のいずれかにおいて、前記ＳＰＡＤアレイ受光部（３０・３０Ｂ）は、前記散乱光の入射方向に対して、前記発光素子（１０）の発光波長近傍の光のみを透過する、光学バンドパスフィルタを備えていてもよい。

上記構成によれば、ＳＰＡＤアレイ受光部に外乱光が強く入射する場合にも、外乱光成分によるパルスカウント値の増大を抑制することが可能となり、外乱光ノイズの入射に対する耐性が高い微粒子検出センサの実現が可能となる。

本発明の態様１３に係る微粒子検出センサ（１・１Ａ・１Ｂ）は、上記態様１から１２のいずれかにおいて、前記発光素子を除く構成要素の少なくとも２つ以上を、同一の半導体基板上に集積化していてもよい。

上記構成によれば、発光素子を除く、少なくとも２個以上の回路構成要素を同一の半導体基板上で形成することにより、微粒子検出センサを構成する部品点数を削減することが可能となり、微粒子検出センサの小型化と低コスト化が実現可能となる。さらに、構成要素を同一基板上に形成することにより、構成要素間の配線を短くすることが可能となるため、配線への電磁ノイズのカップリングによるノイズが低減されることから、電磁ノイズ耐性の高い微粒子検出センサが実現可能となる。

本発明の態様１４に係る微粒子検出センサ（１・１Ａ・１Ｂ）は、上記態様１において、前記点灯期間（ＯＮＴ）、前記消灯期間（ＯＦＦＴ）、前記点灯期間において前記第１パルスカウント値（ＰＣ１）をカウントする期間である第１パルスカウント期間（ＰＴ１）、および前記消灯期間（ＯＦＦＴ）において前記第２パルスカウント値（ＰＣ２）をカウントする期間である第２パルスカウント期間（ＰＴ２）は、予め定められた期間として制御され、前記第１パルスカウント期間は、前記点灯期間に同期して制御され、前記第２パルスカウント期間は、前記消灯期間に同期して制御され、前記点灯期間と前記消灯期間から成る計測を、少なくとも１回以上繰り返し行ってもよい。

上記構成によれば、計測を繰り返し実施し、累計のパルスカウント値を用いて微粒子濃度を演算による検出することにより、計測誤差を低減することが可能となる。具体的には、計測回数Ｎすると、計測誤差を１回の計測における計測誤差の１／√Ｎ倍に低減することが可能となる。そのため、より計測精度の高い微粒子検出センサが実現可能となる。

本発明の態様１５に係るほこりセンサ（１００）は、上記態様１から１４のいずれかの、微粒子検出センサ（１・１Ａ・１Ｂ）を備え、気体中を浮遊するほこり微粒子を検出するための検出領域（Ａ）を有し、前記ほこり微粒子の濃度を検出してもよい。

上記構成によれば、発光ビームとＳＰＡＤアレイ受光部の視野角の重なる領域（検出領域）に、空気中のほこり微粒子を取り込む構成とすることで、以下のようなほこりセンサが実現可能となる。すなわち、空気中に浮遊するほこり微粒子の濃度を検出することが可能な、計測精度が高く、かつ、周囲温度変動や外乱光入射に対する耐性が高く、かつ、製造ばらつきによる計測誤差の少ない、ほこりセンサが実現可能となる。

本発明の態様１６に係る空調機器（２００）は、上記態様１５のほこりセンサ（１００）を搭載していてもよい。

上記構成によれば、計測精度が高く、かつ、周囲温度変動や外乱光入射に対する耐性が高く、かつ、製造ばらつきによる計測誤差の少ない、ほこり濃度検出部を備えた空調機器が実現可能となる。

本発明の態様１７に係る微粒子検出センサ（１・１Ａ・１Ｂ）の制御方法は、流体中に含まれる微粒子の濃度を検出する微粒子検出センサの制御方法であって、発光素子により、前記微粒子に光を投射するステップと、アレイ状に配置され、ガイガーモードで動作する複数のＳＰＡＤを有するＳＰＡＤアレイ受光部により、前記発光素子からの投射された光による前記微粒子からの散乱光を受光してパルス信号を出力するステップと、信号処理部により、前記パルス信号をカウントした値であるパルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出するステップと、を含み、前記微粒子の濃度を算出するステップにおいて、前記発光素子が前記光を投射する点灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第１パルスカウント値、および前記発光素子が前記光を投射しない消灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第２パルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出する。上記構成によれば、態様１と同様の効果を奏する。

本発明の各態様に係る微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂは、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂが備える各部（ソフトウェア要素）として動作させることにより上記微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂをコンピュータにて実現させる微粒子検出センサ１・１Ａ・１Ｂの制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１・１Ａ・１Ｂ 微粒子検出センサ
１０ 発光素子
３０・３０Ｂ ＳＰＡＤアレイ受光部
４０ パルスカウンタ
５０ 信号処理部
６０ 制御部
７０ 温度検出部
８０ 電圧設定部
１００ ほこりセンサ
２００ 空調機器
ＡＰＤ・ＡＰＤ１ アバランシェフォトダイオード
ＢＡ・ＢＡ１〜ＢＡ１５ 基準領域
ＭＡ・ＭＡ１・ＭＡ２ 計測領域
ＭＴ 計測期間
ＯＮＴ 点灯期間
ＯＦＦ 消灯期間
ＰＣ１〜ＰＣ４ 第１パルスカウント値〜第４パルスカウント値
ＰＴ１〜ＰＴ２ 第１パルスカウント期間〜第２パルスカウント期間
Ｓ１〜Ｓ３ 第１調整信号〜第３調整信号
Ｔ 周囲温度
ＴＴ 温度検出期間
ＴＳ１〜ＴＳ４ 第１制御信号〜第４制御信号
ＶＨＶ１・ＶＨＶｏ 逆バイアス電圧
ＶＴ 電圧設定期間
ｘ１〜ｘ３ 第１演算係数〜第３演算係数
ｙ１ 温度補正係数

Claims (17)

1. 流体中に含まれる微粒子の濃度を検出する微粒子検出センサであり、
   前記微粒子に光を投射する発光素子と、
   アレイ状に配置され、ガイガーモードで動作する複数のＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）を有し、前記発光素子からの投射された光による前記微粒子からの散乱光を受光してパルス信号を出力するＳＰＡＤアレイ受光部と、
   前記パルス信号をカウントした値であるパルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出する信号処理部と、を備え、
   前記信号処理部は、
   前記発光素子が前記光を投射する点灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第１パルスカウント値、および前記発光素子が前記光を投射しない消灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第２パルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出することを特徴とする微粒子検出センサ。
2. 前記点灯期間において前記第１パルスカウント値をカウントする期間の長さと、前記消灯期間において前記第２パルスカウント値をカウントする期間の長さとが同一であることを特徴とする請求項１に記載の微粒子検出センサ。
3. 前記信号処理部は、
   前記第１パルスカウント値から前記第２パルスカウント値を減算した第３パルスカウント値を算出し、前記第３パルスカウント値に基づいて前記微粒子の濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載の微粒子検出センサ。
4. 前記パルス信号を計数するパルスカウンタを備え、
   前記パルスカウンタは、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタで構成され、
   前記点灯期間における前記パルス信号をＵＰカウントし、前記消灯期間における前記パルス信号をＤＯＷＮカウントすることを特徴とする請求項１に記載の微粒子検出センサ。
5. 前記ＳＰＡＤアレイ受光部の周囲温度を計測する温度検出部と、
   前記周囲温度の計測結果に応じて決定された逆バイアス電圧を前記ＳＰＡＤアレイ受光部に供給する電圧設定部を備え、
   前記温度検出部による前記周囲温度の計測は、温度検出期間において計測され、
   前記電圧設定部により前記逆バイアス電圧は、電圧設定期間において前記周囲温度の計測結果に応じて更新され、
   前記温度検出期間および前記電圧設定期間は、前記点灯期間において前記第１パルスカウント値をカウントする期間、および前記消灯期間において前記第２パルスカウント値をカウントする期間からなる計測期間に同期して設定されることを特徴とする請求項１に記載の微粒子検出センサ。
6. 前記信号処理部は、
   前記微粒子の濃度を算出するために用いられる予め設定された第１演算係数に対して、予め設定された温度補正係数と、前記温度検出部で計測される前記周囲温度の計測結果とを用いて温度補正を行うことで第２演算係数を算出し、
   前記第２演算係数、および、前記第１パルスカウント値から前記第２パルスカウント値を減算した第３パルスカウント値を用いて前記微粒子の濃度を算出することを特徴とする請求項５に記載の微粒子検出センサ。
7. 前記温度補正係数は、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程において、少なくとも２つ以上の任意の温度における前記微粒子の濃度の計測結果に基づき算出されることを特徴とする請求項６に記載の微粒子検出センサ。
8. 前記発光素子を駆動する駆動部、前記ＳＰＡＤアレイ受光部、および前記電圧設定部を制御する制御部、を備え、
   前記制御部は、前記駆動部、前記ＳＰＡＤアレイ受光部、および前記電圧設定部のそれぞれの動作条件を調整するための、第１調整信号、第２調整信号、および第３調整信号を出力する機能を有し、
   前記駆動部は、前記第１調整信号により、前記発光素子の発光光量を調整する機能を有し、
   前記ＳＰＡＤアレイ受光部は、前記第２調整信号により、前記ＳＰＡＤアレイ受光部を構成する各ＳＰＡＤセルの有効と無効とを設定する機能を有し、
   前記電圧設定部は、前記第３調整信号により、前記逆バイアス電圧を調整する機能を有し、
   前記第１調整信号、前記第２調整信号、および前記第３調整信号は、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程における検査結果に基づいて決定されることを特徴とする、請求項５に記載の微粒子検出センサ。
9. 前記微粒子検出センサの製造時の検査工程において、前記微粒子がない状態での迷光成分のパルスカウント値である第４パルスカウント値を計測し、
   前記信号処理部において、微粒子の濃度を演算する際に、前記第１パルスカウント値から前記第２パルスカウント値を減算した第３パルスカウント値から、前記第４パルスカウント値を減算することを特徴とする請求項１に記載の微粒子検出センサ。
10. 前記第４パルスカウント値は、前記ＳＰＡＤアレイ受光部の周囲温度を計測する温度検出部による計測結果により温度補正されることを特徴とする請求項９に記載の微粒子検出センサ。
11. 前記ＳＰＡＤアレイ受光部は、前記複数のＳＰＡＤがアレイ状に配置されている領域であるＳＰＡＤアレイ領域を、少なくとも２つ以上の基準領域に分割し、前記基準領域のうち少なくとも１つ以上を計測領域として選択する機能を有し、
    前記第２調整信号は、前記第１パルスカウント値から前記第２パルスカウント値を減算した第３パルスカウント値を、前記微粒子検出センサの製造時の検査工程において、前記微粒子がない状態での前記点灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第４パルスカウント値で除算した値が最大となるように前記計測領域が選択されるように設定されていることを特徴とする請求項８に記載の微粒子検出センサ。
12. 前記ＳＰＡＤアレイ受光部は、前記散乱光の入射方向に対して、前記発光素子の発光波長近傍の光のみを透過する、光学バンドパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項１に記載の微粒子検出センサ。
13. 前記発光素子を除く構成要素の少なくとも２つ以上を、同一の半導体基板上に集積化することを特徴とする請求項１に記載の微粒子検出センサ。
14. 前記点灯期間、前記消灯期間、前記点灯期間において前記第１パルスカウント値をカウントする期間である第１パルスカウント期間、および前記消灯期間において前記第２パルスカウント値をカウントする期間である第２パルスカウント期間は、予め定められた期間として制御され、
    前記第１パルスカウント期間は、前記点灯期間に同期して制御され、
    前記第２パルスカウント期間は、前記消灯期間に同期して制御され、
    前記点灯期間と前記消灯期間から成る計測を、少なくとも１回以上繰り返し行うことを特徴とする請求項１に記載の微粒子検出センサ。
15. 請求項１に記載の微粒子検出センサを備え、
    気体中を浮遊するほこり微粒子を検出するための検出領域を有し、
    前記ほこり微粒子の濃度を検出することを特徴とするほこりセンサ。
16. 請求項１５に記載のほこりセンサを備えることを特徴とする空調機器。
17. 流体中に含まれる微粒子の濃度を検出する微粒子検出センサの制御方法であって、
    発光素子により、前記微粒子に光を投射するステップと、
    アレイ状に配置され、ガイガーモードで動作する複数のＳＰＡＤを有するＳＰＡＤアレイ受光部により、前記発光素子からの投射された光による前記微粒子からの散乱光を受光してパルス信号を出力するステップと、
    信号処理部により、前記パルス信号をカウントした値であるパルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出するステップと、を含み、
    前記微粒子の濃度を算出するステップにおいて、前記発光素子が前記光を投射する点灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第１パルスカウント値、および前記発光素子が前記光を投射しない消灯期間における前記パルス信号のパルスカウント値である第２パルスカウント値に基づき、前記微粒子の濃度を算出することを特徴とする微粒子検出センサの制御方法。

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