JP2020523601A - 粒子センサ及び粒子感知方法 - Google Patents

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Abstract

粒子感知システムは、流体における粒子を感知するためのものである。該システムは、流体が沿って通過させられるべき長手方向を持つ流路と、流体を加熱し、それにより該流路の長手方向に垂直な方向に流体に対して熱泳動力をかけるための加熱構成と、該加熱構成による加熱の後に該流体における粒子を感知するための第１のセンサと、を有する。該熱泳動力は、該第１のセンサにおける粒子の濃度を増大させる。

Description

本発明は、流体の流れにおける粒子を検出するためのセンサ、及び斯かるセンサを用いて粒子を検出するための方法に関する。
空気中の粒子による汚染、特に２．５μｍよりも小さな直径を持つ粒子物質（「ＰＭ２．５」と呼ばれる）は、工業化の速度が空気品質に関する規制要件の境界に達している中国のような国々にとって大きな関心事である。
増大する消費者の権限の結果として、生活空間の空気品質に関する情報に対する要求が、増大している。特に中国においては、過度のＰＭ２．５による汚染が、ここ十年で一般的な問題となっている。この問題は、種々の中国の都市における継続的な測定によっても確認されている。データは公的に利用可能であり、携帯電話のアプリによって又はウェブを通して同時に監視されることができる。
このデータの利用可能性、並びに継続的な国内の及び国際的なメディアによる注意が、該問題についての強い消費者の関心をもたらした。
公的な屋外空気品質標準は、粒子物質の濃度を、単位体積当たりの質量濃度（例えばμｇ／ｍ３）として定義する。中国本土における平均のＰＭ２．５汚染濃度は、衛星データに基づいて算出されており、国内の大部分が世界保健機関の制限である１０μｇ／ｍ３を超過しており、幾つかの地域は１００μｇ／ｍ３ものＰＭ２．５濃度に達しているか又は超過さえしていることが見出されている。
安価な粒子センサは、例えば検出空間を通る空気の流れに伴われる粒子により散乱させられる光の測定に基づく。該光はＬＥＤ又はレーザにより生成され、感知されるべき粒子により妨害される、合焦させられたビームを生成する。空気の流れは例えば、生成される空気の流れのためのファン、又は対流する空気の流れのための加熱器によって、引き起こされる。光学的粒子センサは一般にセンサ出力として粒子数を提供し、当該情報が次いで質量濃度に変換される。粒子センサはまた、自己混合干渉法を用いて開発されており、これによれば、検出された粒子からの散乱させられた光がレーザに入り、レザーパワーの変調を引き起こす。
ＬＥＤ又はレーザからの散乱に基づくこれらのタイプの粒子センサは、安定した計測値を提供するためには、低濃度においては時間がかかる。しかしながら、空気中の粒子の特定のタイプは、非常に低い濃度で見出される。例えば、４０個／ｍ３よりも多い粒子が存在する場合には、汚染レベルが高いと考えられる。更に、これらの光学的センサは、空気の特定の空間における粒子のみを検出するものであり、比較的低い計測値が得られる。
安定した値に到達するまでの長い時間は、安定した信頼性の高い測定値が得られるまでにユーザが長時間待つ必要があることを意味する。低濃度でより多くの粒子を検出するため、流量（単位時間当たりのサンプリングされる空気の体積）が増大させられる必要がある。このことは、大きな空気ポンプを必要とし、センサのサイズを増大させ得る。
汚染物質のような特定の粒子を選択的に感知できるセンサは、空気中の低密度レベルのために、実際には問題に直面する見込みが高い。
米国特許出願US2003/0159932は、低密度の粒子を感知するためのセンサシステムを開示している。粒子濃度が増大させられるよう、通路狭小化を実装するためアクチュエータが用いられる。しかしながら、このことは付加的な流量の制限をもたらし、センサを通る全体的な流体の流れに影響を及ぼす。
特開昭57-131036は、小さな光検出領域が用いられ得るよう、軸方向に粒子を集中させるために熱泳動が用いられる、光散乱に基づく粒子計数システムを開示している。
それ故、低濃度で粒子を検出する場合に、センサを通る流れに悪影響を与えることなく、より迅速に安定した読み取り値を提供することができる、粒子センサに対するニーズが依然として存在する。
本発明は、請求項により定義される。
本発明の第１の態様によれば、
流体における粒子を感知するための粒子感知システムであって、
流路内に位置する検出空間であって、前記流路を通って流体が長手方向に通過させられる、検出空間と、
前記流体の流れ方向に垂直な熱勾配を生成し、それにより前記流体のなかの粒子に正の熱泳動力を印加するための、加熱構成と、
前記検出空間における前記流体における粒子を感知するためのセンサと、
を有し、
前記流れ内の粒子により占有される空間を制約し、それにより前記粒子を前記検出空間内に集中させるために、熱泳動力が用いられ、
前記加熱構成は、前記流体に対する熱泳動力の種々のレベルを提供するよう調節可能であり、
前記システムは、
加熱せずに初期粒子濃度測定値を取得し、
前記初期粒子濃度測定値に依存して前記加熱構成を制御する
よう構成されたコントローラを更に有する、システムが提供される。
粒子濃度の増大は、流体の流れに対する流路の抵抗を増大させることなく生じることが可能である。該検出空間は、該流路内の熱勾配の端部にあるか又は端に直接にある。
該検出空間は、流路のサブ領域であり、そのため粒子濃度は、該検出空間において増大するが、流路の残りの部分においては減少する。粒子は、熱泳動力により制限され、即ち、即ち２つの反対の側から力がかけられ、漏斗効果を生成する。斯くして、粒子は単に全体的な流れとして移動させられるのではなく、少なくとも１つの２つの反対の側から狭められる流れをもたらすよう、粒子の流れの形状が制御される。検出空間は例えば、流路の残りの部分により囲まれ、そのため該制限が、流路内の好適には径方向内側に向けられる。特に、検出空間と、流路を定義する導管の内壁と、の間に、完全に開いた空間が存在する。
前記センサは好適にはリモートであり、即ち該センサのハードウェアが流路の外にあり、それによりセンサ自体は流れに対していずれの抵抗をももたらさないようにされる。該センサは例えば光学的なものであり、検出空間は光解析領域である。
熱泳動力は、温度勾配の力に対して異なる粒子タイプが異なる応答を呈する、移動する粒子の混合物に観察される現象である。熱泳動は、粒子状の汚染物質及び花粉についての粒子検出に適用可能である。加熱された粒子は、粒子によって獲得された力学的エネルギーに基づいて、熱源から温度勾配へと下って離れて行く高速な流れを生成する。本発明は、対象の粒子が熱い領域から冷たい領域へと移動する、いわゆる正の熱泳動を利用する。流体のなかの、より軽い又は小さい種は、対象の粒子によってあけられた空間を埋めるよう、負の挙動を呈し得る。このようにして、全体の流れ断面は変わらず、それ故長手方向に沿った全体の流量は同じままとなるが、対象の粒子は空間的に集中させられる。このようにして、センサにより検出される粒子の濃度が増大させられる。
低濃度の粒子を検出する場合、センサが安定した読み取り値を提供するまでの時間が短縮させられる。粒子を集中させるための熱泳動の使用は、必要とされる温度勾配を生成するための加熱が容易に制御され、実装のコストが低いため、特に有利である。
該加熱構成は、流体に対する種々の熱泳動力のレベルを提供するよう調節可能である。
該調節可能な加熱構成は、該力が変化させられることを可能とし、それ故検出空間における粒子の増大させられた濃度の程度が変化させられることを可能とする。熱の適切なレベルは、例えば優勢な粒子の濃度に依存する。粒子の濃度が低い場合、高いレベルの熱が好適となる。しかしながら、粒子の濃度が高い場合、引くレベルの熱、ことによると熱がないことが好適となる。特定の流体に応じて、センサにより初期の測定が試みられた後に、熱のレベルは使用時に変動させられても良い。必要とされるときにのみ熱を用いることにより電力の節減が得られ、高い濃度の場合において、センサが飽和させられないことが確実ともされ得る。
前記加熱構成は、複数の独立して制御可能な加熱要素を有しても良い。複数の独立して制御可能加熱要素の使用は、加熱構成の調節を行うための簡便な方法を提供する。
前記検出空間は好適には、前記流路よりも小さな断面積を持つ。流体の流れは、該流路に沿ったものである。流体は該流路に入り、該流体を加熱する加熱要素を通過して流れ、それにより温度勾配が該流体のなかの粒子の分布を変化させ、検出空間において増大させられた粒子濃度をもたらす。
該流路を通る流体の流速を制御するため、流れ制御部が備えられても良い。
前記加熱構成は、前記流路を囲むコイル又はコイルのセットを有しても良い。流路を囲むコイルを備えることにより、流体は全ての方向から等しく加熱され、検出空間が位置する流路の中央に流体を集中させる。
前記長手方向は垂直であっても良く（又は例えば１０度未満だけのような、機能を変化させず垂直から僅かにオフセットしていても良い）、前記加熱構成は前記流路を通る流れを生成するよう構成される。このようにして、該加熱構成は、（担体気体即ち空気のなかの粒子の）流路を通る対流する熱流（上昇気流としての）と、粒子の分布を制御するための熱泳動熱勾配と、の両方を生成する。
前記センサは、光学的センサを有しても良い。該光学的センサは、例えば流路の透明な壁を通して、粒子の濃度を評価するために光の散乱又は光の反射を用いても良い。
前記システムは、前記加熱構成による加熱の前に、前記流体における粒子を感知するための第２のセンサを有しても良い。それ故、粒子の分布を集中させるために熱泳動力がかけられる前及びかけられた後に、粒子濃度が決定されることができる。
前記システムは、空気である流体における粒子を感知するための粒子感知システムであっても良い。前記システムは、花粉を感知するための粒子感知システムであっても良い。
花粉はしばしば、低密度で空気中に存在する。それ故、低密度での粒子の検出に関連する問題を克服するよう構成された本システムは、空気中の花粉のレベルを検出するのに特に有用である。しかしながら、該システムはまた、細菌及びウィルスのような他の粒子のレベルを決定するのにも有用である。
第２の態様においては、本発明は、流体における粒子を感知するための粒子感知方法であって、
流路の長手方向に沿って粒子を含む流体を通過させるステップと、
前記流路の検出空間において初期の粒子濃度測定値を得るステップと、
前記初期の粒子濃度測定値に依存する量だけ前記流体を加熱し、それにより前記流路の前記長手方向に垂直な方向に成分を含む前記流体における正の熱泳動力をかけるステップと、
前記流路の検出空間における前記粒子を感知するステップであって、前記熱泳動力が、流れ内の前記粒子により占有される制約された空間を提供し、それにより前記検出空間における前記粒子の濃度を増大させるステップと、
を有する方法を提供する。
システムに関連して議論されたように、流体を加熱することにより、検出空間における粒子の濃度が増大させられ、安定した読み取り値を得るための時間が短縮させられ得る。
該方法は、安定した感知結果を得るため前記加熱を調節するステップを有しても良い。
粒子の濃度に応じて、異なるレベルの熱、及びそれ故熱泳動力が、適切となり得る。粒子濃度が特に低い場合には、安定した読み取り値を提供するためには、加熱が増大させられる必要があり得る。代替として、粒子濃度が高い場合には、適切な読み取り値を提供するためには、センサが飽和させられ得、加熱が低減されるか又はスイッチオフさえされる必要があり得る。
該方法は、前記粒子を加熱する前に、第２のセンサを用いて前記粒子を感知するステップを有しても良い。それ故、流体を集中させるために熱泳動力がかけられる前に、粒子濃度が決定されることができる。
該方法は、空気である流体のなかの粒子を感知するためのものであっても良い。該方法は、花粉である粒子を感知するためのものであっても良い。
花粉はしばしば、低密度で空気中に存在する。それ故、低密度での粒子の検出に関連する問題を克服するよう構成された本システムは、空気中の花粉のレベルを検出するのに特に有用である。
本発明の例が、添付図面を参照しながら、以下に詳細に説明される。
既知の粒子感知システムを示す。 図１のシステムに対する改良としての粒子感知システムの第１の例を示す。 粒子分布に対する加熱構成の効果を示す。 とり得る１つの加熱構成を示す。 図１のシステムに対する改良としての粒子感知システムの第２の例を示す。 独立して制御可能な加熱要素のセットを備えた、とり得る他の加熱構成を示す。 本発明のシステムの特定の使用を例示するフロー図を示す。
本発明は、流体のなかの粒子を感知するための粒子感知システムを提供する。該システムは、長手方向を持つ流路であって、前記方向に沿って流体が通過させられる流路と、該流体を加熱し、それにより該流路の長手方向に垂直な方向に該流体に対して正の熱泳動力をかける加熱構成と、該加熱構成による加熱の後に該流体における粒子を感知するためのセンサと、を有する。該センサは検出空間を持ち、熱泳動の効果は該検出空間における粒子濃度を増大させるために用いられる。
熱泳動の使用は、空気中の粒子を質量センサの表面に堆積させるために知られている。例えば、I.Paprotny、F.Doering、P.A.Solomon、R.M.White及びL.A.Gundelによる「Microfabricated air-microfluidic sensor for personal monitoring of airborne particulate matter」（Design, fabrication, and experimental results, Sensors and Actuators、A201、506-516頁、2013年）を参照されたい。
本発明は、光学的な散乱に基づくセンサのような、センサの検出空間における粒子濃度を制御するための熱泳動の使用に基づく。
図１は、本発明が適用される光学的センサの一例を示す。流路１４の入口１１から流路１４の出口１２への流体（気体）の流れ１０がある。該流路は、入口１１と出口１２との間に長手方向に沿った長さを持つ導管により形成される。全体的な流路内に検出空間１３がある。検出空間は、全体的な流路よりも小さな断面（流体の流れ１０に沿った方向で見た断面）を持つ。このことは、該流路のなかの幾つかの粒子が、該検出空間を通過し粒子センサにより検出され、他の粒子は検出されないことを意味する。３次元の空間として示されるが、該検出空間は実際には、概して平坦な領域を有し、粒子が該平面を通るときに該粒子が検出される。
一例においては、散乱の光学的な測定に基づいて、流体のなかの粒子の光学的な検出を可能とするよう、該流体の流れを照明するために赤外ＬＥＤ１４（λ＝８９０ｎｍ）が用いられる。該ＬＥＤは検出空間１３の一方側にあり、感知は他方の側で実行される。代替の設計は、光の反射を利用しても良い。
光学的センサ１６は、光ダイオードセンサ１８と、散乱させられた光が集められるフォーカスレンズ２０と、を有する。
図１に模式的に示される流れ制御装置２２は、センサ装置を通る流れを引き起こすために用いられる。該装置はファンを有しても良いし、又は代わりに対流的な熱の流れを生成するために加熱器が用いられても良い。加熱を用いるシステムにおいては、その結果の浮力が空気の検出器の上部に向けて流れさせ、粒子を流路に沿って担持する。斯かる場合においては、長手方向は垂直に上向きであっても良い。
コントローラ２４は、センサ信号の処理、並びに流れ制御装置及び光源の動作を制御する。
検出空間１３は、光が該導管を通過することを可能とする、流路１４を定義する導管の透明部分に形成される。該導管は、粒子により信号を計数に変換するための電子回路を備えた印刷回路基板上に配置された筐体の一部であっても良い。背景信号をもたらし得る光ダイオードセンサに直接に向かうＬＥＤ光の漏れは最小化され、いずれのＤＣ信号の電子的なフィルタリングがパルス状の粒子信号を生成するために用いられても良い。
該センサは、特定のサイズの粒子についての粒子数を提供するために用いられても良い。例えば、パルス状の粒子信号が増幅され、閾値電圧と比較される。特定の粒子サイズを超えると、パルスの高さは、閾値を超えるのに十分となる。該閾値は斯くして、帯域通過フィルタリング機能を実装する。該パルスは計数され、パルス長が測定され、低パルス占有時間（ＬＰＯ％）に帰着する。
このタイプのセンサは斯くして、単純な粒子数（即ち閾値セットを超える検出ピークの数の計数）と、粒子サイズ情報が得られることを可能とする低パルス占有測定と、を提供し得る。該閾値は例えば、センサシステムの粒子サイズ感度を制御する比較器に印加される閾値電圧として実装される。閾値を調節することにより、粒子サイズ分布情報が得られることを可能とする、粒子サイズのビンが定義されることができる。
斯くして、該センサは基本的に、入口と出口とを持つ流れの通路を有し、該入口と出口との間を気体が流れ、該センサは更に、光源と、該通路に沿った検出空間内の光散乱測定を為すための光検出器と、を有し、検出信号が粒子サイズと相関付けられる。調節可能な閾値が用いられる場合、粒子サイズ情報が得られ得る。
このタイプの光学的粒子センサの設計及び動作の更なる詳細は、当業者には良く知られているであろう。
低濃度の粒子が感知されるべき場合、センサが安定した出力を提供するためには長い時間が必要とされ得る。
本発明は、熱泳動効果を用いることにより、増大させられた粒子濃度を提供する。該効果は、永続的に用いられても良いし、選択的に用いられても良い。例えば、低濃度の粒子を検出する場合には、より多くの粒子がセンサにより検出されるため、該システムは、センサが安定した読み取り値を提供するために必要とされる時間が短縮されることを可能とする。斯くして、該効果は、初期の安定化の間のみ用いられても良いし、又は低い粒子濃度の場合にのみ継続して用いられるか、若しくは永続的に用いられても良い。
「増大させられた粒子濃度」なる語句は、検出空間における０個の粒子（検出空間１３において粒子が無い）から１個の粒子への増大を含むことは、理解されるべきである。実際に、ｍ３当たり少ない数の粒子しか無い場合の粒子の検出のため、いずれの時点においても検出空間において０個の粒子又は１個の粒子しかない見込みが高い。従って、熱泳動加熱の効果は、特に、図１に示されるように、検出空間が全体的な流路（即ち流れの通路）の断面積の一部のみを占有する場合に、検出空間１３を所与の粒子が通過する可能性を向上させる方法としてみなされ得る。
本発明は、低濃度の場合に特に有用なものである。この状況は、特定の粒子タイプが、例えば選択的なフィルタリングにより分離されている場合に生じ得る。
花粉を分離するため、例えば、（花粉によって）ルミネセンスを励起するため、ＵＶのＬＥＤが用いられても良い。その結果のルミネセンスは一般に、花粉のような生体物質を示唆する。斯くして、特定の波長の信号のみを検出することにより（波長選択フィルタを用いて）、特定の生体物質タイプについての信号が識別され得る。
花粉の粒子は例えば３０μｍよりも大きなサイズを持ち、それ故ＰＭ２．５又はＰＭ１０装置において計数される粒子よりも大きい。それ故、分散された加熱が実行される場合、特定の長さに亘って、花粉は小さな粒子よりも長い距離を通って集中することとなる。
該センサは、既知の粒子の濃度を含む流体を用いて較正されても良く、従って特定のレベルの加熱の実行に後続する該センサにおける読み取り値が、特定の粒子濃度に変換されることができる。代替としては、特定の条件下で計算的流体力学方法を用いて、濃度因子が算出されても良い。
粒子を集中させるための熱泳動の使用は、加熱が容易に制御され、実装が低コストであるため、特に有利である。
図２は、図１のシステムに対する改良としての、該システムの一実施例を示す。同じ構成要素については図１におけるものと同じ参照番号が用いられ、説明は繰り返されない。
流路１４の内側空間内に熱勾配を生成するため、加熱要素３０が備えられる。最も単純な実装においては、流路１４を定義する導管の外壁又は内壁における或る位置に加熱要素があり、当該位置から離れて温度勾配が生成されても良い。好適には、該加熱要素は、流路１４を定義する導管のまわりにあっても良い（図２において図示された流路の断面の反対側における加熱要素部分により表される）。斯くして、該流路の外周部から中央に向けて温度勾配がある。流体は、該流体を加熱する加熱要素３０を通過して該流路の長手方向に沿って流れ、その結果の熱泳動力が、対象のサイズの粒子を、検出空間１３が位置する導管の中央部に駆動する。例として、検出空間に向けられる集中される粒子の流れの半径は、元の流路の半径の半分であっても良く、４のファクタの面積の低減、及び対応する濃度の増大をもたらす。
検出空間は、中央部にあっても良いし、又は図示された水平な導管については、重力の効果を考慮に入れるため中心より下に設定されても良い。
加熱要素３０は検出空間１３の上流にあり、そのため、粒子が検出空間１３に到達するときには、これら粒子は移動している。該加熱要素は、検出空間１３の前までしか存在しなくても良いし、又は検出空間１３と重なっていても良い。
熱泳動力は温度勾配に追従し、従って流路の長手方向及び流体の流れの方向に対して全体的に垂直であることに留意されたい。しかしながら実際には、加熱要素３０の位置における流路の温かい領域から、周囲の温度である流路の端部に向かう、温度勾配も存在する。従って、該力は実際には、流路の垂直方向に対して傾く（典型的には鋭角だけ）こととなる。「垂直」及び「流路の長手方向」なる語は、それに応じて理解されるべきである。特に、熱泳動力は少なくとも、流路の長手方向及び流体の流れの方向に垂直な成分を持つこととなる。
一般的に、混合物のなかの大きな粒子は、熱い領域から冷たい領域へと移動する（小さな粒子は、その逆の態様で移動する）。従って本方法は、花粉のような大きな粒子に非常に適している。
典型的には、流路の断面積は僅か数ｍｍ２のオーダーであり、検出空間は対応して小さい。
図３は、熱泳動力の効果を示す。該力は、参照番号４０として示されている。模式的に示されているように、対象の粒子についての粒子濃度は、検出空間１３内で増大し、流路から径方向に離れるほど減少する。重要なことは、粒子を減少した断面積を持つ流れへと押して、粒子を集中させるよう、流体に力をかけることである。
物理的に流路／検出空間サイズを狭くする既知の代替方法では、全体的な流体の流量を低減させ、全体的な流れ抵抗が増大させられてしまうため、同じ効果を得られない。熱泳動を用いることにより、全体的な流量を低下させることなく、対象の粒子が含まれる空間が狭い流路に圧縮される。
図４は、検出空間の上流における、流路を囲むコイル５０としての加熱要素のとり得る実装を示す。該コイルは流路を囲んでいるため、流体は全ての方向から同等に加熱され、それにより検出空間１３の中央部に流体を集中させる。
図５は、該システムの更なる例を示す。本例においては、該システムは、加熱要素３０による加熱の前に、流体における粒子を感知するための、検出空間１３Ｂを持つ第２のセンサ１４Ｂ、１６Ｂを有する。２つのセンサの読み取り値を用いることは、流体を集めるための熱泳動力がかけられる前及びかけられた後に測定が為されることを可能とする。
本方法を用いると、全体的な粒子濃度のファクタが得られることができる。濃度増大領域の前の粒子濃度が大き過ぎる場合、第２のセンサの読み取り値が破棄されても良く（飽和のため）、次いで加熱電流が低減される。初期の粒子濃度が非常に小さい場合には、粒子数を増大させるため加熱電流が増大させられても良い。それ故、センサの精度及び／又は感知速度が増大させられ得る。
該加熱要素は、可変の加熱が提供されることを可能とするよう、可変の出力パワーを持っても良い。
図６は、その代わりに、３つの別個のコイル５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃとして示された、加熱要素が複数の部分に分割され得ることを示す。斯くして、該システムの本例は、流路の長手方向に沿った一連の加熱要素を有する。これら加熱要素は、僅かに異なる位置において加熱を提供するよう、（図６に模式的に示されるように）流路に沿って連続して配置されても良いし、又は流路の同じ長手方向領域に加熱パワーを提供するよう、互いに対して交互配置されても良い。
これらの別個のコイルは、独立してスイッチオン及びオフされても良い。この場合、アナログ制御の必要性がなくなり得る。調節可能な加熱（アナログの場合であっても離散的な加熱要素を用いる場合であっても）は、粒子の流れの圧縮の度合いが制御されることを可能とする。該度合いは、センサの読み取り値に依存して、動的に制御されても良い。高いセンサ読み取り値がある場合、電力を節約し、センサの飽和を避けるため、少しの熱しか用いられない（又は熱が用いられない）。低いセンサ読み取り値の場合、更なる熱が用いられる。センサ出力は、最終的なセンサ出力を導出するため、加えられる熱に依存して較正される。
上述したように、必要とされる流路を通る流れを生成するために加熱が用いられることは知られている。熱泳動効果を生成するために用いられる加熱要素は、流路に沿った流れを提供するためにも用いられ得る。この目的のため、該流路は垂直に構成され、流路の長手方向が垂直に配置されて、垂直方向上向きの流れ１０を生成うる。粒子は、検出空間の位置において流路の中央部に集中させられる。
該長手方向は、機能を変更することなく、少量だけ垂直からずらされていても良い。
このとき、加熱は２つの効果を持つ。一方は、流路を通る空気の流れを引き起こすことであり、他方は、センサの検出空間に粒子を集中させることである。非常に高い濃度においては、センサをオーバーロードさせ得（多過ぎる粒子は正確な結果が得られないことを意味する）、低過ぎるレベルにおいては、センサが安定した読み取り値をもたらさない（少な過ぎる粒子しか感知領域を通過しない）。
加熱要素は、単一の機構を用いて、いずれの要因ともが制御されることを可能とする。より多くの熱は、空気の流れを速くし粒子濃度を高くし（低レベルの汚染物質に適している）、より少ない熱は、空気の流れを遅くし粒子濃度を低くする（高レベルの汚染物質に適している）。それ故、センサによって見られる粒子の量が最適範囲内となることを確実にし、制御信号に基づいてセンサ出力を調節することにより、実際の値を算出することが可能となる。
図７は、該システム及び方法のとり得る使用を説明するフロー図を示す。
ステップ７０において、第１の粒子濃度測定値が得られる（Ｓ１）。
ステップ７２において、信号が弱い（閾値Ｔｈを下回る）か否かが決定される。十分に強い信号がある場合には、該方法は次の測定のためステップ７０に戻る。
弱い信号がある場合には、ステップ７４において熱泳動加熱が適用され、ステップ７６において第２の粒子濃度測定値（Ｓ２）が得られる。
ステップ７８において、信号が今や強くなった（閾値Ｔｈ又は他の閾値を上回る）か否かが決定される。十分に強い信号がある場合には、ステップ８０において加熱器がスイッチオフされ、該方法は次の測定のためステップ７０に戻る。
弱い信号がある場合には、該処理は、熱泳動加熱が依然として適用される次の測定のためステップ７６に戻る。
該方法は、加熱のオンとオフを提供するが、測定される粒子濃度に応じて加熱の種々のレベルを提供することに拡張され得る。
このようにして、測定される粒子の濃度に依存して、種々のレベルの熱及びそれ故熱泳動力が適切となり得る。
該力は、例えばオン／オフのような２つのレベルのうち１つ、又はゼロから最大までのアナログ範囲内の１つの値を持つよう、制御されても良い。加熱は時間に対してパルス状とされても良く、この場合センサは、熱泳動による集中を伴う場合と伴わない場合の粒子濃度を、１つのセンサのみで測定することが可能となる。複数の部分を持つ加熱構成については、これら部分は独立してスイッチオン又はオフされても良いし、又は連続的な調節の範囲を提供するよう電力範囲内で制御されても良い。
流体はファンによって流路を通って駆動されても良いが、既に上述したように、イオン風又は熱ドラフトのような他の気体伝搬手段が用いられても良い。
該システムにおいては、センサは好適には、以上に議論したような光学的センサを有する。該光学的センサは、例えば流路上の透明な壁を通して、粒子の濃度を評価するため、光の散乱又は光の反射を用いても良い。
該システムは、いずれの流体における粒子を感知するための粒子感知システムであっても良い。一実施例においては、該粒子感知システムは、空気である流体における粒子を感知するためのものである。該システムは、例えば花粉、細菌及びウィルスのような、いずれのタイプの粒子のための粒子感知システムであっても良い。花粉は、人間の健康に重大な影響を与え得る重要なアレルゲンである。また、花粉は喘息の誘因である。人間への曝露を防止又は最小化するため、人間がさらされ得る花粉を検出することが重要である。得られた情報は、例えば影響を受け易い人間が居る空間を電気掃除機がけすること、又は斯かる空間における床を洗浄することのような、他の動作を促すために用いられても良い。該動作は自動的に実行されても良いし、又は洗浄動作を手動で行うようユーザに警告が提供されても良い。花粉はしばしば、低濃度で存在する。それ故、低濃度の粒子を検出することに関連する問題を克服するよう構成された該システムは、空気中の花粉のレベルを検出するのに特に有用である。
該センサは、空気清浄機のなかに内蔵されていても良いし、又は外部要素として備えられても良い。本発明は、家庭及びオフィス内で主に有益なものであるが、一般的に、特定の粒子の濃度を知ることが望ましいいずれの場所においても有益なものである。
以上の例においては、加熱要素は流路の外部に示され、通路の外壁を通して加熱を行うものとして示されている。勿論、該加熱要素は、以上に説明された本発明の機能を変更することなく、流路の内部にあるものであっても良い。
センサ構成の一例が、以上に示された。しかしながら本発明は、センサ空間がより大きな流れの通路内に定義されるいずれのセンサにも適用可能である。本発明は、例えば機械的なアクチュエータを用いて流路の物理的なサイズを制御する必要を回避し、斯くして集中させられた粒子の空間を生成する低コストの方法を提供する。
本発明は、光散乱センサの使用に限定されるものではない。センサは、カメラ及び画像認識に基づくものであっても良いし、粒子の蛍光検出に基づくものであっても良いし、又は光減衰に基づくものであっても良い。蛍光は、細菌及び花粉のような生物学的な粒子の検出に特に重要なものとなり得る。また、偏光の度合いが、他の粒子から花粉を「分離」するために用いられ得る。
図面、説明及び添付される請求項を読むことにより、請求される本発明を実施化する当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され実行され得る。請求項において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。請求項におけるいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (14)

  1. 流体における粒子を感知するための粒子感知システムであって、
    流路内に位置する検出空間であって、前記流路を通って流体が長手方向に通過させられる、検出空間と、
    前記流体の流れ方向に垂直な熱勾配を生成し、それにより前記流体のなかの粒子に正の熱泳動力を印加するための、加熱構成と、
    前記検出空間における前記流体における粒子を感知するためのセンサと、
    を有し、
    前記流れ内の粒子により占有される空間を制約し、それにより前記粒子を前記検出空間内に集中させるために、熱泳動力が用いられ、
    前記加熱構成は、前記流体に対する熱泳動力の種々のレベルを提供するよう調節可能であり、
    前記システムは、
    加熱せずに初期粒子濃度測定値を取得し、
    前記初期粒子濃度測定値に依存して前記加熱構成を制御する
    よう構成されたコントローラを更に有する、システム。
  2. 前記加熱構成は、複数の独立して制御可能な加熱要素を有する、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記検出空間は、前記流路よりも小さな断面積を持つ、請求項１又は２に記載のシステム。
  4. 前記加熱構成は、前記流路を囲むコイル又はコイルのセットを有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
  5. 前記長手方向は垂直又は略垂直であり、前記加熱構成は前記流路を通る流れを生成するよう構成された、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 前記センサは、光学的センサを有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 前記システムは、前記加熱構成による加熱の前に、前記流体における粒子を感知するための第２のセンサを有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
  8. 前記システムは、空気である流体における粒子を感知するための粒子感知システムである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のシステム。
  9. 前記システムは、花粉を感知するための粒子感知システムである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のシステム。
  10. 流体における粒子を感知するための粒子感知方法であって、
    流路の長手方向に沿って粒子を含む流体を通過させるステップと、
    前記流路の検出空間において初期の粒子濃度測定値を得るステップと、
    前記初期の粒子濃度測定値に依存する量だけ前記流体を加熱し、それにより前記流路の前記長手方向に垂直な方向に成分を含む前記流体における正の熱泳動力をかけるステップと、
    前記流路の検出空間における前記粒子を感知するステップであって、前記熱泳動力が、流れ内の前記粒子により占有される制約された空間を提供し、それにより前記検出空間における前記粒子の濃度を増大させるステップと、
    を有する方法。
  11. 安定した感知結果を得るため前記加熱を調節するステップを有する、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記粒子を加熱する前に、第２のセンサを用いて前記粒子を感知するステップを有する、請求項１０又は１１に記載の方法。
  13. 前記流体は空気である、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記粒子は花粉である、請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
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