JP3850418B2 - 花粉センサ - Google Patents

Description

本発明は、花粉センサに関し、さらに詳しくは、花粉症の原因となる空気中に浮遊する花粉粒子の検出に用いられる花粉センサに関する。

従来より、大気中に浮遊する花粉粒子の計数は、ワセリン等の粘着剤を塗布したスライドガラスを大気中に２４時間放置し、自然落下してくる花粉粒子を粘着剤で捕集し、染色処理した後、熟練者が顕微鏡を用いて目視で計数する顕微鏡法によって行われてきた。

しかしながら、上記顕微鏡法では、染色という手間のかかる前処理に多くの時間を要するうえに、目視計数を行う者には高度の熟練が要求される。また、スライドガラスを一定時間大気中に放置しなければならないため、リアルタイムで花粉粒子を検出することができないという問題点がある。さらに、測定すべき場所で測定結果を得ることができないという問題点がある。

そこで、偏光を用いた花粉検出器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この花粉検出器を使用すれば、顕微鏡法のような手間と熟練は必要なく、リアルタイムで測定すべき場所で測定結果を得ることができる。しかし、花粉粒子と土埃（屋外大気中では浮遊粒子の大部分を占める）との区別が不充分となり、土埃を花粉粒子であると判定する誤計数があるという問題点がある。
特許第３１１３７２０号公報

本発明はこのような問題点を解決するものであり、本発明の目的は、特別な熟練を要することなく、測定すべき場所でリアルタイムで花粉粒子の計数を行うことができ、しかも、花粉粒子と土埃とを高い精度で識別を行うことができる花粉センサを提供することである。

本発明は、花粉粒子と土埃とにおいて、粒子径の大きさと粒子の異方性とが異なることに基づいて完成されたものである。

ここで、照射光（電磁波）に浮遊粒子が照射されると、浮遊粒子は電界の振動方向に分極し、電気双極子が形成される。この分極方向は粒子の異方性に大きく影響される。等方質的な粒子の分極方向は、照射された照射光の偏光方向（以下、照射偏向方向という）に等しくなるため、散乱される散乱光の偏光方向は照射偏光方向に等しくなる。

一方、異方性を有する粒子や、照射光の波長に比べてその粒子径が大きな粒子では、分極方向は粒子に特有の分極テンソルによって決定される。土埃は花粉粒子に比べて異方性が大きいため、照射偏光方向の照射光が土埃によって散乱されると、照射偏光方向に直交する偏光方向の散乱光が強く含まれることになる。

すなわち、花粉粒子の異方性が土埃の異方性と異なっているため、花粉粒子による散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとの関係が、土埃による散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとの関係と異なっている。

しかしながら、一般に、粒子径の大きさが変化すると、散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとの関係も変化する。

そこで、粒子径の大きさが大きいほど、散乱光の強度Ｉが大きくなるので、散乱光の強度Ｉの測定によって粒子径の大きさを知ることができる。

したがって、散乱光の強度Ｉによる粒子径の大きさと、散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとの関係による粒子の異方性とを測定することにより、花粉粒子と土埃との識別を行うことが可能となる。

ここで、本発明に係る散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとを用いて説明する。なお、図４において、実線の矢印は光の偏光方向を、破線の矢印は偏光素子の偏光軸の方向をそれぞれ表している。

発光手段は半導体レーザ５１とレンズ５２とを有している。半導体レーザ５１から出射した光は所定の偏光方向に偏光しており、この光はレンズ５２によって所定位置に集光され、所定位置を通過する浮遊粒子６０に照射される。

第１受光手段はレンズ５３とフォトダイオード５４とを有し、浮遊粒子６０による散乱光はレンズ５３を介してフォトダイオード５４に達する。したがって、フォトダイオード５４より、散乱光の強度Ｉを得ることができる。

一方、第２受光手段はレンズ５５と偏光フィルタ５６とフォトダイオード５７とを有し、浮遊粒子６０による散乱光は、レンズ５５及び偏光フィルタ５６を介してフォトダイオード５７に達する。なお、偏光フィルタ５６の偏光軸は所定の偏光方向と直交する偏光方向に設定されている。したがって、フォトダイオード５７より、直交散乱光の強度Ｉｓを得ることができる。

すなわち、散乱光の強度Ｉの測定によって粒子径の大きさを知り、かつ、散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとの関係の測定によって粒子の異方性を知ることにより、花粉粒子と土埃との識別を行うことが可能となる。

さらに、得られた散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとによって、偏光度Ｄを得ることができる。このような花粉粒子と土埃との偏光度Ｄを比較すると、花粉粒子の偏光度Ｄは土埃の偏光度Ｄと著しく異なるため、花粉粒子と土埃との識別をより高い精度で行うことが可能となる。

また、偏光度Ｄと散乱光の強度Ｉとからなるマトリックスを使用して、所定領域内にあるものを花粉粒子として識別を行うと、花粉粒子と土埃との識別を特に高い精度で行うことが可能となる。

すなわち、本発明の花粉センサは、浮遊粒子を含有する空気中に所定の偏向方向の照射光を照射する発光手段と、前記浮遊粒子による散乱光を検出し、散乱光の強度Ｉを測定する第１受光手段と、前記浮遊粒子による散乱光のうちの照射光の偏光方向に直交する偏光方向の散乱光を検出し、直交散乱光の強度Ｉｓを測定する第２受光手段と、前記散乱光の強度Ｉと前記直交散乱光の強度Ｉｓとに基づいて、花粉粒子と土埃との識別を行う識別手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の花粉センサは、前記識別手段は、前記散乱光の強度Ｉと前記直交散乱光の強度Ｉｓとが用いられる下記偏光度Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のいずれか一つと、散乱光の強度Ｉとに基づいて、識別を行うことが好ましい。

偏光度Ｄ１＝（Ｉ−Ｉｓ）／（Ｉ＋Ｉｓ）
偏光度Ｄ２＝（Ｉ−Ｉｓ）／Ｉ
偏光度Ｄ３＝Ｉｓ／Ｉ
さらに、本発明の花粉センサは、前記識別手段は、偏光度Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のいずれか一つと、前記散乱光の強度Ｉとが、予め定められている偏光度Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のいずれか一つと、前記散乱光の強度Ｉとからなるマトリックス内にあるものを花粉粒子として識別を行うことが好ましい。

本発明の花粉センサを用いれば、従来のように染色等の前処理が不要となるので、多くの時間を要することもなく、しかも、顕微鏡の観察も必要ないので、熟練を要することもなく誰でも容易に花粉粒子の測定を行うことができる。また、測定すべき場所でしかもリアルタイムで花粉粒子と土埃との識別ができ、花粉粒子を計数することができるので、花粉情報をいち早く得ることが可能となる。特に、散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとに基づいて識別を行うので、花粉粒子と土埃との識別を高い精度で行うことが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態の花粉センサの側面図（一部、断面図とする）を示している。実施形態の花粉センサ２０は、遮光ハウジング１９内に発光手段１と、第１受光手段２と、第２受光手段３とを備え、さらに識別手段（図示せず）を備えている。

発光手段１、第１受光手段２及び第２受光手段３は、同一の垂直面に配置されている。さらに、発光手段１は、検出域Ｆに向かって、照射光を水平に照射する。また、第１受光手段２は、検出域Ｆの中心から上方に向かって６０°の角度で配置されており、一方、第２受光手段３は、検出域Ｆの中心から下方に向かって６０°の角度で配置されている。

遮光ハウジング１９は、検出域Ｆの下方に空気吸引口４を備えるとともに、検出域Ｆの上方に吸引ファン５を備えている。したがって、サンプルエアーは、一定の流速で、空気吸引口４から遮光ハウジング１９内に入り、検出域Ｆを通って、吸引ファン５から遮光ハウジング１９外に排出される。

発光手段１は、半導体レーザ６とレンズ７とによって構成されている。半導体レーザ６は所定の偏光方向の光を出射し、レンズ７は半導体レーザ６から出射された光を検出域Ｆに向かって平行光として照射する。
第１受光手段２は、レンズ８と、フォトダイオード９によって構成されている。レンズ８は、浮遊粒子による散乱光を集光し、フォトダイオード９は、第１電流を出力する。これにより、フォトダイオード９から散乱光の強度Ｉを測定する。

第２受光手段３は、レンズ１０と、偏光フィルタ１１と、フォトダイオード１２とによって構成されている。レンズ１０は、浮遊粒子による散乱光を集光し、偏光フィルタ１１は、集光された散乱光のうちの照射偏光方向に直交する偏光方向の散乱光のみを透過させ、フォトダイオード１２は、第２電流を出力する。これにより、フォトダイオード１２から直交散乱光の強度Ｉｓを測定する。

上記検出域の大きさは、１ｃｍ³程度とすることが好ましい。

したがって、実施形態の花粉センサ２０においては、半導体レーザ６から出射された光は、レンズ７により平行光として検出域Ｆに照射される。検出域Ｆには空気吸引口４よりサンプルエアーが供給されている。

上記サンプルエアー中に浮遊粒子が含まれていない場合には、レンズ７からの照射光は直進し、第１受光手段２及び第２受光手段３には達することはない。一方、サンプルエアー中に浮遊粒子が含まれている場合、その浮遊粒子が検出域Ｆを通過すると、照射光が散乱され、散乱光は第１受光手段２及び第２受光手段３に達する。このとき、土埃は花粉粒子と比較すれば、直交散乱光の強度Ｉｓが強くなっている。その後、散乱光が達した第１受光手段２及び第２受光手段３は、上述したように第１電流及び第２電流が出力される。

図２は、第１電流及び第２電流の処理方法の一例を示すブロック図である。

フォトダイオード９から出力された第１電流とフォトダイオード１２から出力された第２電流とは、それぞれ電流電圧変換回路１３と電流電圧変換回路１４とに入力され、第１電圧と第２電圧とに変換される。

第１電圧と第２電圧とはそれぞれ増幅回路１５と増幅回路１６に入力され、散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとを出力する。

さらに、散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとは、識別手段１７に入力される。

識別手段１７において、制御部の中央処理装置（以下、ＣＰＵという）には、ＲＯＭ及びＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）が接続されている。

ＲＯＭは、偏光度Ｄ’のデータ、散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとを用いて偏光度Ｄを演算により求めるプログラム、偏光度Ｄ’と散乱光の強度Ｉ’とからなるマトリックスのデータ等を記憶する。さらに、得られた偏光度Ｄと散乱光の強度Ｉとに基づいて、マトリックスを使用しながら花粉粒子と土埃との識別を行うプログラム等を記憶する。

上述したマトリックスのデータは、偏光度Ｄ’と散乱光の強度Ｉ’とからなるデータであり、例えば、偏光度Ｄ’を縦に「−１．０以上−０．９未満」「−０．９以上−０．８未満」・・「０．９以上１．０以下」の２０段階に分類し、散乱光の強度Ｉ’を横に「０．０Ｖ以上０．５Ｖ未満」「０．５Ｖ以上１．０Ｖ未満」・・「７．５Ｖ以上８．０Ｖ以下」で１６段階に分類したマトリックスのデータである。したがって、マトリックス中の３２０種類のマスとマトリックス外のものとして３２１種類に分類されている。

さらに、マトリックスのデータにおいて、３２０種類のマスのうちの所定のマスは、「花粉粒子である確率が９０％以上であるマス」と、「花粉粒子である確率が７０％以上であるマス」と、「花粉粒子でないマス」とに分類もされている（図３参照）。なお、所定のマスは、花粉センサ２０で花粉粒子や土埃等を予め測定して、統計的処理を行い決定されたものである。

上記偏光度Ｄ’のデータは、例えば、偏光度Ｄ＝（Ｉ−Ｉｓ）／（Ｉ＋Ｉｓ）とするデータである。

また、ＲＡＭは、上述したプログラムで使用した変数の値を記憶する。例えば、ＣＰＵによる演算処理の結果を記憶する。

そして、ＣＰＵは、所定のプログラムを呼び出して実行することにより演算処理を行い、この演算処理の結果に基づいて、電子データとして伝送を行うのである。

したがって、ＣＰＵは、散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとを受信した場合には、ＲＯＭに記憶されたプログラム等に基づいて、散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとを用いて偏光度Ｄを演算により求める。なお、花粉センサ２０は起動しており、上述したＣＰＵにおいて用いられる変数は所定の値（例えば、０等）に初期化され、定常動作しているものとする。

次に、得られた偏光度Ｄと散乱光の強度Ｉとに基づいて、マトリックスを使用して、マトリックスのどのマスに該当するか判断する。

例えば、偏光度Ｄを「０．４以上０．５未満」であり、散乱光の強度Ｉを「２．５Ｖ以上３．０Ｖ未満」であると判断した場合、偏光度Ｄを「０．４以上０．５未満」とし、散乱光の強度Ｉを「２．５Ｖ以上３．０Ｖ未満」とするマスに＋１とするデータをＲＡＭに記憶する。このとき、花粉粒子である確率が９０％以上であるとする。

一方、偏光度Ｄを「０．０以上０．１未満」であり、散乱光の強度Ｉを「１．０Ｖ以上１．５Ｖ未満」であると判断した場合、偏光度Ｄを「０．０以上０．１未満」とし、散乱光の強度Ｉを「１．０Ｖ以上１．５Ｖ未満」とするマスに＋１とするデータをＲＡＭに記憶する。このとき、花粉粒子でないとする。

さらに、偏光度Ｄを「０．０以上０．１未満」であり、散乱光の強度Ｉを「９．０Ｖ」であると判断した場合、データをＲＡＭに記憶しない。

なお、偏光度Ｄ’のデータ、ＲＯＭに散乱光の強度Ｉと直交散乱光の強度Ｉｓとを用いて偏光度Ｄを演算により求めるプログラム、偏光度Ｄ’と散乱光の強度Ｉ’とからなるマトリックスのデータ、得られた偏光度Ｄと散乱光の強度Ｉとに基づいて、マトリックスを使用しながら花粉粒子と土埃との識別を行うプログラム等を複数の種類を記憶させておき、必要に応じて異なるものに設定することとしてもよい。このようにすると、任意の場所や時間で変更させることができる。

さらに、本発明の花粉センサは、バックアップ電源が不要なフラッシュメモリ等の書き換え可能な不揮発性のメモリが設けられ、当該メモリにデータが記憶されることとしてもよい。例えば、或る測定日に、一の花粉センサにおいてデータが記憶されており、当該測定日が終了し、上記一の花粉センサへの電力の供給が停止されても、データが記憶されることになるため、上記測定日の翌日に、上記記憶されたデータに基づく花粉情報を獲得することが可能になるからである。

なお、本明細書では、制御部に含まれるＣＰＵが１つであるとして説明しているが、本発明の花粉センサでは、制御部に含まれるＣＰＵは１つである必要はない。また、上記制御部に含まれるＲＯＭ及びＲＡＭも、必ずしも１つである必要はない。

次に、本実施形態の花粉センサを用いて、スギ花粉と関東ローム（ＪＩＳ試験用粉体１．７種）とについて測定を行った結果をそれぞれ表１、２に示す。

表１から、「花粉粒子である確率が９０％以上であるマス」の領域内に全浮遊粒子数の６１％があり、「花粉粒子である確率が７０％以上であるマス」の領域内に全浮遊粒子数の８８％があり、スギ花粉を花粉として識別していることが実証できている。

また、表２から、「花粉粒子である確率が９０％以上であるマス」の領域内に全浮遊粒子数の１％があり、「花粉粒子である確率が７０％以上であるマス」の領域内に全浮遊粒子数の３．３％があり、関東ロームを花粉として識別していないことが実証できている。

なお、スギ花粉以外の花粉としてヒノキ花粉についても同様に測定を行った結果、スギ花粉と同等の測定結果であった。さらに、関東ローム以外の土埃として、アリゾナテストダスト（ＩＳＯ １２１０３−１、Ａ３）についても同様に測定を行った結果、関東ロームと同等の測定結果であった。

一方、特許文献１のような花粉検出器を用いて、スギ花粉と関東ロームについて測定を行った。その結果、スギ花粉を「花粉粒子である」と判定したものは全浮遊粒子数の６１％であり、関東ロームを「花粉粒子である」と判定したものは全粒子数の３５％があり、花粉と土埃との区別が不充分であった。

なお、花粉センサ２０は、第１受光手段２は、検出域Ｆの中心から上方に向かって６０°の角度で配置されており、一方、第２受光手段３は、検出域Ｆの中心から下方に向かって６０°の角度で配置されているように設定したが、他の任意の角度に配置されてもよく、上下を反対に配置されてもよく、好ましくは検出域Ｆの中心から４５〜９０°の角度で配置される。

さらに、花粉センサ２０は、発光手段１、第１受光手段２及び第２受光手段３は、同一の垂直面に配置されているように設定したが、同一水平面に配置されてもよい。

また、発光手段１の光源として半導体レーザ６を使用したが、必ずしも半導体レーザ６を使用する必要はなく、ＬＥＤ、タングステンランプ等を使用してもよい。しかしながら、半導体レーザは所定の偏光方向の光を出射するが、ＬＥＤ、タングステンランプ等はランダムな偏光方向の光を出射するため、それらを使用する場合は、偏光フィルタに透過させて所定の偏光方向の光に変える必要がある。

また、上述したマトリックスのデータは、偏光度Ｄ’を縦に「−１．０以上−０．９未満」「−０．９以上−０．８未満」・・「０．９以上１．０以下」の２０段階に分類し、散乱光の強度Ｉ’を横に「０．０Ｖ以上０．５Ｖ未満」「０．５Ｖ以上１．０Ｖ未満」・・「７．５Ｖ以上８．０Ｖ以下」で１６段階に分類したマトリックスのデータであるが、このように分類したもの以外のマトリックスのデータを用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る花粉センサの側面図である。 図１の花粉センサに使用される処理方法の一例を示すブロック図である。 図１の花粉センサに使用されるマトリックスの一例を示す図である。 本発明の花粉センサの原理を示す図である。

符号の説明

１ 発光手段
２ 第１受光手段
３ 第２受光手段
４ 空気吸引口
５ 吸引ファン
６、５１ 半導体レーザ
７、８、１０、５２、５３、５５ レンズ
９、１２、５４、５７ フォトダイオード
１１、５６ 偏光フィルタ
１３、１４ 電流電圧変換回路
１５、１６ 増幅回路
１７ 識別手段
１９ 遮光ハウジング
２０ 花粉センサ
６０ 浮遊粒子

Claims (2)

1. 浮遊粒子を含有する空気中に所定の偏光方向の照射光を照射する発光手段と、
   前記浮遊粒子による散乱光を検出し、散乱光の強度Ｉを測定する第１受光手段と、
   前記浮遊粒子による散乱光のうちの照射光の偏光方向に直交する偏光方向の散乱光を検出し、直交散乱光の強度Ｉｓを測定する第２受光手段と、
   前記散乱光の強度Ｉと前記直交散乱光の強度Ｉｓとに基づいて、花粉粒子と土埃との識別を行う識別手段と、
   を備え、
   前記識別手段は、前記散乱光の強度Ｉと前記直交散乱光の強度Ｉｓとが用いられる下記偏光度Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のいずれか一つと、散乱光の強度Ｉとに基づいて、識別を行う花粉センサ。
   偏光度Ｄ１＝（Ｉ−Ｉｓ）／（Ｉ＋Ｉｓ）
   偏光度Ｄ２＝（Ｉ−Ｉｓ）／Ｉ
   偏光度Ｄ３＝Ｉｓ／Ｉ
2. 前記識別手段は、偏光度Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のいずれか一つと、前記散乱光の強度Ｉとが、予め定められている偏光度Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のいずれか一つと、前記散乱光の強度Ｉとからなるマトリックス内にあるものを花粉粒子として識別を行う請求項１に記載の花粉センサ。

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