JP3979253B2 - 粒子検知センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、煙などの粒子の検知や粒子径の計測に用いられる粒子検知センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図５に示すように、監視領域に光ビームを照射する発光手段１を備え、監視領域に浮遊する粒子Ｐに散乱された光を受光手段２で検出することにより粒子を検知する粒子検知センサが提供されており、空気清浄機、煙感知機、空調制御機器、ＯＡ機器などに用いられている。
【０００３】
図５に示した粒子検知センサについて以下に詳しく説明する。監視領域は、周囲の光を遮断して煙や埃など検知対象となる粒子Ｐだけが侵入できるように構成されている。発光手段１は、発光ダイオードのような光源１１と、後述する発振回路３の出力の強度に応じた出力で光源１１を発光させる発光回路１３と、光源１１が放射した光から監視領域に照射される光ビームを形成する投光レンズ１２とを有する。受光手段２は、受光面への入射光量に応じた出力を発生するフォトダイオード２１と、監視領域に浮遊する粒子Ｐに散乱された光をフォトダイオード２１の受光面に集光する受光レンズ２２と、フォトダイオード２１の出力を増幅する増幅回路２３とを有する。
【０００４】
発光手段１による消費電力を低減するため、あるいは光源１１として発光ダイオードを用いる場合に発光ダイオードの劣化を防止しつつ高い光量を得るために、図６（ａ）に示すパルス信号を発振する発振回路３を用いて光源１１をパルス状に発光させている（例えば、特許文献１参照）。必要な光量を得つつ、発光ダイオードの寿命を維持するために、パルス幅ｔ２とパルス間隔ｔ１との比（いわゆるデュ−ティ比）は１／１００程度とされている。例えば、パルス間隔ｔ１は２０ｍｓ、パルス幅ｔ２は１００μｓである。
【０００５】
受光手段２の出力は、バンドパスフィルタ４でノイズを除去されて発振回路３に同期してピーク値を保存するピークホールド回路５や、予め設定された閾値Ｓ１に受光手段２の出力が達したときからパルス間隔程度の期間に出力を発生するコンパレータ回路６に入力される。
【０００６】
具体的に説明すると、ピークホールド回路５は、例えば図６（ｂ）に示すような入力に対して図６（ｃ）に示すようなアナログ信号を出力する。ピークホールド回路５の出力の強度から、例えば監視領域における粒子Ｐの濃度を得ることができる。
【０００７】
また、コンパレータ回路６は、例えば図６（ｂ）に示すような入力に対して図６（ｄ）に示すような出力を発生する。光ビームの大きさを粒子Ｐの大きさに対して十分に小さくしておき、コンパレータ回路６が出力を発生する期間の長さｔ３を計時すれば、ｔ３を粒子の流速ｖとともに用いて、粒子径ｄを式ｄ＝ｖ×ｔ３から求めることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３５６５８３号公報（第３頁、第３図）
【非特許文献１】
粉体工学会編「粒子径計測技術」日刊工業新聞社発行、１９９４年、ｐ．１８１−１９７
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の粒子検知センサにおいては、光源１１が発光していない期間に粒子Ｐが通過した場合に粒子Ｐを検知することができないという問題があった。検知漏れを減らすためにデューティ比を高くすると、消費電力が増加するうえに、発光ダイオードのような光源１１の寿命が短くなってしまう。
【００１０】
また、通常のバンドパスフィルタ４のＱは１００程度までしか大きくすることができないから、例えばパルス幅が１００μｓの場合、バンドパスフィルタ４の帯域幅は１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ程度までしか狭くすることができず、太陽光や白熱灯などの広い周波数帯を含んだ外乱光がフォトダイオード２１に入射した場合にノイズの影響を受けやすかった。また、コンパレータ６においては、上記のような外乱光による定常ノイズの他、携帯電話などの輻射ノイズの影響を減らすために閾値Ｓ１を非常に高い値に設定する必要があり、粒子径の計測の精度が低くなっていた。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、粒子の検知漏れを防止するとともにノイズの影響を低減することのできる粒子検知センサを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、強度が正弦波状に時間変化する出力を生成する正弦波生成手段と、前記正弦波生成手段の出力に応じた強度の光ビームを監視領域に連続的に照射する発光手段と、前記発光手段から照射され前記監視領域に浮遊する粒子によって散乱された光を受光し入射光量に応じた出力を生じる受光手段と、前記受光手段の出力を前記正弦波生成手段の出力に同期させて検波する同期検波手段と、予め設定された閾値よりも前記同期検波手段の出力が高い期間に出力を発生する比較手段と、前記比較手段が出力を発生する時間を計時する計時手段とを備えることを特徴とする。ここで、出力の強度とは、例えば出力の電圧である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
本実施形態の基本構成は従来例と同様であるので、共通の部分については共通の符号を付して説明を省略し、異なる部分について詳細に説明する。
【００１６】
本実施形態は、図１に示すように、パルス状の出力を発生する発振回路３（図５参照）の代わりに、強度が正弦波状に連続的に時間変化する出力を発生する正弦波生成手段としての発振回路８を備える。また、バンドパスフィルタ４（図５参照）の代わりに、発振回路８の出力に同期させて受光手段２の出力を回路内でヘテロダイン検波する同期検波手段としての同期検波回路７を備える。例えば、図２（ａ）に示す発振回路８の出力と増幅回路２３で増幅された図２（ｂ）に示すフォトダイオード２１の出力とが入力された同期検波回路７の出力は、図２（ｃ）のようになる。
【００１７】
同期検波回路７の構成および動作について詳しく説明する。図３に示すように、同期検波回路７は、２つの入力信号を乗算する乗算回路７１と、乗算回路７１の出力から交流成分を除去するローパスフィルタ７２とを備える。例えば、増幅回路２３の出力Ｉ１＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）＋Ａと、発振回路８の出力Ｉ２＝Ｂｓｉｎ（ωｔ＋β）＋Ｂが同期検波回路７に入力された場合、乗算回路７１の出力Ｉ３はＩ３＝（ＡＢ／２）｛ｃｏｓ（β−α）−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）｝となる。次に、乗算回路７１の出力Ｉ３から交流成分（ＡＢ／２）ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）がローパスフィルタ７２において除去され、同期検波回路７の出力Ｉ４はＩ４＝（ＡＢ／２）ｃｏｓ（β−α）となる。増幅回路２３の出力と発振回路８の出力との位相差（β−α）を一定とすると、同期検波回路７の出力Ｉ４は増幅回路２３の出力の振幅Ａに比例する直流信号となる。
【００１８】
上記構成によれば、発振回路８の正弦波状の出力によって光源１１を連続的に発光させているから、光源１１をパルス状に発光させる場合に比べて粒子Ｐの検知漏れが減少する。また、同期検波することによってＱ値が１０７程度のフィルタリングが可能であるため、バンドパスフィルタ４（図５参照）を用いてノイズを除去する場合に比べてノイズに強くなる。また、受光手段２の出力が微弱であっても粒子Ｐの検知が容易になる。
【００１９】
なお、光源１１として半導体レーザ装置を用いてもよい。半導体レーザ装置は数１００Ｈｚで光の強度を変化させることができるから、光の強度が高い瞬間に粒子Ｐを検知する確率が高くなり、測定の精度が向上する。また、発光ダイオードよりも強度の高い光ビームを得ることができるから、ＳＮ比を向上することができる。
【００２０】
また、予め設定された閾値Ｓ２よりも図２（ｃ）に示す同期検波回路７の出力が大きいときに図２（ｄ）に示すような出力を発生する比較手段としてのコンパレータ６（図４参照）と、コンパレータ６が出力を発生する期間ｔ４を測定する図示しない計時手段とを設けてもよい。上記構成によれば、粒子Ｐの流速ｖが判明している場合に粒子径ｄを式ｄ＝ｖ×ｔ４によって得ることができる。さらに、同期検波回路７によってノイズが除去されるので、バンドパスフィルタ４（図５参照）によってノイズを除去する場合に比べ、太陽光などの外乱光によるノイズや携帯電話などの輻射ノイズの影響が少ないから、閾値Ｓ２を低く設定して粒子径ｄの計測の精度を高めることができる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、強度が正弦波状に時間変化する出力を生成する正弦波生成手段と、前記正弦波生成手段の出力に応じた強度の光ビームを監視領域に連続的に照射する発光手段と、前記発光手段から照射され前記監視領域に浮遊する粒子によって散乱された光を受光し入射光量に応じた出力を生じる受光手段と、前記受光手段の出力を前記正弦波生成手段の出力に同期させて検波する同期検波手段とを備えるので、バンドパスフィルタによってノイズを除去する場合に比べてノイズに強く、受光手段の出力が微弱であっても検知が可能となる。また、発光手段は光ビームを連続的に監視領域に照射するので、発光手段が発光していない期間に粒子が監視領域を通過することによる粒子の検知漏れを防ぐことができる。さらに、予め設定された閾値よりも前記同期検波手段の出力が高い期間に出力を発生する比較手段と、前記比較手段が出力を発生する時間を計時する計時手段とを備えるので、計時手段によって測定された時間を粒子径の計測に用いることができる。また、同期検波手段によってノイズが除去されるので、バンドパスフィルタによってノイズを除去する場合に比べてノイズの影響が少ないから、閾値を低く設定して粒子径を精度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同上を示す動作説明図であり、（ａ）は発振回路の出力の波形を示し、（ｂ）は受光手段の出力の波形を示し、（ｃ）は同期検波回路の出力の波形を示し、（ｄ）はコンパレータ回路の出力の波形を示す。
【図３】同上における同期検波回路を示す概略構成図である。
【図４】同上の別の形態を示す概略構成図である。
【図５】従来例を示す概略構成図である。
【図６】同上を示す動作説明図であり、（ａ）は発振回路の出力の波形を示し、（ｂ）は受光手段の出力の波形を示し、（ｃ）はピークホールド回路の出力の波形を示し、（ｄ）はコンパレータ回路の出力の波形を示す。
【符号の説明】
１ 発光手段
２ 受光手段
７ 同期検波回路
８ 発振回路
Ｐ 粒子
Ｓ２ 閾値
Claims (1)
- 強度が正弦波状に時間変化する出力を生成する正弦波生成手段と、前記正弦波生成手段の出力に応じた強度の光ビームを監視領域に連続的に照射する発光手段と、前記発光手段から照射され前記監視領域に浮遊する粒子によって散乱された光を受光し入射光量に応じた出力を生じる受光手段と、前記受光手段の出力を前記正弦波生成手段の出力に同期させて検波する同期検波手段と、予め設定された閾値よりも前記同期検波手段の出力が高い期間に出力を発生する比較手段と、前記比較手段が出力を発生する時間を計時する計時手段とを備えることを特徴とする粒子検知センサ。
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