JP6252908B2 - 粒子検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、粒子検出センサに関し、より具体的には、大気中に浮遊する粒子（エアロゾル）を当該粒子の散乱光によって検知する光散乱式粒子検出センサに関する。

光散乱式粒子検出センサは、筐体（光学室）内に投光素子と受光素子とを備える光電式センサであり、測定対象の気体を取り込んで投光素子の光を当該気体に照射し、その散乱光によって気体に含まれる粒子の有無を検出するものである。例えば、大気中に浮遊するホコリ・花粉・煙・ＰＭ２．５（微小粒子状物質）等の粒子を検出することができる。

光散乱式粒子検出センサにおいては、投光素子から出射する光が筐体の内壁によって反射し、その光が迷光となって受光素子に達して光学的なＳ／Ｎ比が悪化するという問題がある。

そこで、迷光が受光素子に到達することを抑制するために、投光素子又は受光素子と対向する位置に光トラップを設ける技術が知られている。また、特許文献１には、一旦光トラップに入った迷光が外に出ていくことを防止する光散乱式粒子検出センサが開示されている。特許文献１に開示された光散乱式粒子検知センサは、投光素子又は受光素子と対向する位置に設けられた遮光板と、当該遮光板の開口を通して入射した光を反射して検知領域から遠ざけるように形成された光トラップとを有する。

特開２０００−２３５０００号公報

しかしながら、特許文献１に開示された光散乱式粒子検出センサでは、光トラップ付近に投光素子の光を集束させる光学系の場合には光トラップは有効に機能するが、検知領域の照射強度を高めるために検知領域付近に投光素子の光を集束させる光学系の場合には、検知領域からの光が再度広がるために、広い範囲をカバーできるような光トラップが必要となる。

また、投光素子の光を検知領域に集束する光学系の場合でなくても、実際の投光素子の光の強度分布は裾野を持って広がっており、そのように広がった光の成分に関しては特許文献１に開示された光散乱式粒子検出センサの方式では、満足にＳ／Ｎを向上することができない。

さらに、光トラップで補足しきれない光に対しては、複雑な迷路（ラビリンス）構造を配設することによって低減することが考えられる。しかしながら、光に対するラビリンス設計は難しく、ある光を低減するためにある場所にラビリンスを配設すると、その新たに配設されたラビリンスの端面等によって新たな拡散反射が生じて却って迷光が増大する場合もある。このため、新たに生じた迷光を低減するためのラビリンスを配設する必要が生じ、筐体が大きくなってしまう等の問題もある。

このように、光散乱式粒子検出センサにおいては、検知領域（光散乱部）に進入する迷光を効果的に抑制することによって粒子の検出精度のさらなる向上が要望されている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、検知領域に進入する迷光を効果的に抑制することによって粒子の検出精度を向上させることができる粒子検出センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る粒子検出センサの一態様は、投光素子と、検知領域における粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、前記検知領域を介して前記投光素子と対向する位置に設けられた光トラップとを有し、前記光トラップは、当該光トラップに入射する光を所定の集光点に集光させてからトラップすることを特徴とする。

本発明によれば、検知領域に進入する迷光を効果的に抑制することができるので、粒子の検出精度を向上させることができる。

実施の形態１に係る粒子検出センサの原理を説明するための図 実施の形態１に係る粒子検出センサにおける投光系と受光系と光トラップと検知領域との位置関係を示す図 実施の形態１の変形例１に係る粒子検出センサの原理を説明するための図 実施の形態１の変形例２に係る粒子検出センサの原理を説明するための図 実施の形態２に係る粒子検出センサの原理を説明するための図 実施の形態２の変形例１に係る粒子検出センサの原理を説明するための図 実施の形態２の変形例２に係る粒子検出センサの原理を説明するための図 実施の形態２に係る粒子検出センサにおける振り分け部の作用を説明するための図 実施の形態２の変形例２に係る粒子検出センサにおける振り分け部の作用を説明するための図 実施例に係る粒子検出センサの構成を示す断面図 変形例に係る粒子検出センサの原理を説明するための図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る粒子検出センサ１について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る粒子検出センサの原理を説明するための図である。

図１に示すように、粒子検出センサ１は、投光素子１１と受光素子２１とを備える光電式センサであって、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１１からの光の散乱光を受光素子２１で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出するものである。

粒子検出センサ１は、さらに、投光レンズ１２と、受光用ミラー２２と、光学室３０と、光トラップ４０とを有する。本実施の形態では、投光素子１１と投光レンズ１２とによって投光系１０が構成されている。また、受光素子２１と受光用ミラー２２とによって受光系２０が構成されている。

検知領域（光散乱部）ＤＡは、測定対象の気体に含まれる粒子（エアロゾル）を検知するための領域であるエアロゾル検知領域（エアロゾル測定部）である。本実施の形態において、検知領域ＤＡは、投光素子１１の光軸と受光素子２１の光軸とが交差する交点を含む領域となっている。検知領域ＤＡは、例えばφ２ｍｍである。測定対象の気体は、光学室３０に設けられた大気導入孔（不図示）から導入されて検知領域ＤＡに導かれて、大気排出孔（不図示）から排出される。大気導入孔及び大気排出孔は、例えば光学室３０の所定の箇所に設けられている。

投光素子１１は、所定の波長の光を発する光源であり、例えば、赤外光、青色光、緑色光、赤色光又は紫外光を発する発光素子である。投光素子１１としては、例えば、ＬＥＤや半導体レーザ等の固体発光素子であるが、これに限るものではない。また、投光素子１１は、２波長以上の混合波を発するように構成されていてもよい。なお、投光素子１１の光軸は、例えば検知領域ＤＡを通るように設定されている。

投光レンズ１２は、投光素子１１の前方に配置されており、投光素子１１から出射する光（投光ビーム）を検知領域ＤＡに向けて進行させるように構成されている。つまり、投光素子１１から出射する光は投光レンズ１２を介して検知領域ＤＡに到達する。投光レンズ１２は、例えば投光素子１１ら出射する光を検知領域ＤＡに集束（集光）させる集束レンズであり、例えば透明樹脂レンズ又はガラスレンズである。つまり、投光レンズ（集束レンズ）１２の集光点は、検知領域ＤＡ内に存在する。なお、投光レンズ１２は、設けなくてもよい。

受光素子２１は、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１１の光の散乱光の少なくとも一部を受光する受光部である。受光素子２１は、例えば受光した光を電気信号に変換する素子であり、例えば、フォトダイオード、フォトＩＣダイオード、フォトトランジスタ、又は、高電子倍増管等である。

受光用ミラー２２は、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１１の光の散乱光を反射して当該散乱光を受光素子２１に導く反射部材であり、検知領域ＤＡからの散乱光が入射できるように検知領域ＤＡに向かって開口する開口部を有する。本実施の形態において、受光用ミラー２２は、検知領域ＤＡからの粒子の散乱光を反射して受光素子２１に集光させる集光ミラーである。具体的には、受光用ミラー２２は、内面（反射面）の形状が回転楕円面の一部の形状をなす楕円ミラーであり、受光用ミラー２２の内面の断面形状は楕円の一部となっている。

受光用ミラー２２の内面（反射面）は、例えば、散乱光が発生しにくい面であり、かつ、吸収率が小さくて反射率が高い面（鏡面等）であるとよい。これにより、受光用ミラー２２によって受光素子２１に多くの光を導くことができる。受光用ミラー２２としては、内面そのものが反射面となるようにベース部材そのものを金属等で構成してもよいし、樹脂や金属のベース部材の内面に反射面となる反射膜を形成してもよい。反射膜としては、アルミニウム、金、銀又は銅等の金属反射膜、鏡面反射膜、又は、誘電体多層膜等を用いることができる。

光学室３０は、例えば筐体であり、投光系１０（投光素子１１、投光レンズ１２）、受光系２０（受光素子２１、受光用ミラー２２）及び光トラップ４０を保持するように構成されている。本実施の形態において、投光素子１１及び受光素子２１は、それぞれの光軸が検知領域ＤＡで交差するように光学室３０内に配置されている。

光トラップ４０は、光学室３０内の迷光又は迷光の原因となる光が受光素子２１に到達することを抑制する機構を有しており、これらの光をトラップする。本実施の形態において、光トラップ４０は、投光用の光トラップであり、検知領域ＤＡを介して投光素子１１と対向する位置に設けられている。光トラップ４０は、例えば、投光素子１１から出射した光のうち検知領域ＤＡで粒子に当たらずに検知領域ＤＡを通過した光、又は、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光のうち投光系１０（投光素子１１、投光レンズ１２）とは反対側に進む光をトラップする。

また、光トラップ４０は、当該光トラップ４０に入射する光を所定の集光点に集光させてからトラップする。本実施の形態において、光トラップ４０は、入射する光を反射させて所定の集光点に集光する形状を有する光トラップ用ミラー４１を含んでいる。

光トラップ用ミラー４１は、検知領域ＤＡから光トラップ４０に向かう光を入射できるように検知領域ＤＡに向かって開口する第１開口部４１ａと、第１開口部４１ａを挟んで検知領域ＤＡと対向する位置に開口する第２開口部４１ｂとを有する。また、本実施の形態における光トラップ用ミラー４１は、内面（反射面）の形状が回転楕円面の一部の形状をなす楕円ミラーであり、光トラップ用ミラー４１の内面の断面形状は楕円の一部となっている。なお、本実施の形態において、投光素子１１（投光系１０）の光軸と光トラップ用ミラー４１（光トラップ４０）の光軸とは一致している。

光トラップ用ミラー４１によって所定の集光点に集光された光は第２開口部４１ｂから光トラップ用ミラー４１の外に出射してトラップされる。本実施の形態において、光トラップ４０はであり、所定の集光点に集光されて第２開口部４１ｂから出射する光は、閉空間内で吸収されることでトラップされる。例えば、光トラップ４０の閉空間内に進入した光は多重反射によって減衰することで吸収される。

また、光トラップ４０における閉空間は、例えば、第２開口部４１ｂを除いて、光学室３０の内壁や光トラップ用ミラー４１によって周囲が囲まれた空間である。また、閉空間の内壁は、光が吸収されるように構成されているとよい。例えば、閉空間の内壁面を黒色表面としたり、閉空間の内壁面にシボ加工等の表面処理を行ったりすることで、光を吸収させることができる。

光トラップ用ミラー４１の内面（反射面）は、例えば、受光用ミラー２２と同様に散乱光が発生しにくい面であるとよいが、受光用ミラー２２とは逆に反射率が低い面であるとよい。光トラップ用ミラー４１の内面を散乱光が発生しにくい面とすることによって、光トラップ用ミラー４１に入射した光を効率良く所定の集光点に導くことができる。また、光トラップ用ミラー４１の内面を反射率が低い面にすることによって、光トラップ用ミラー４１によって光を減衰させることができる。

本実施の形態において、光トラップ用ミラー４１の内面の反射率は、受光用ミラー２２の内面の反射率よりも低くなっている。これにより、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光のうち粒子の検出に必要な光については受光素子２１に効率良く導くことができるとともに、粒子の検出に不要な光については効率良く減衰させることができる。

ここで、本実施の形態における粒子検出センサ１について、投光系１０と受光系２０と光トラップ４０と検知領域ＤＡとの位置関係及びその光学作用について、図２を用いて詳細に説明する。図２は、実施の形態１に係る粒子検出センサにおける投光系と受光系と光トラップと検知領域との位置関係を示す図である。

図２に示すように、本実施の形態における光トラップ用ミラー４１は、楕円ミラーとなっており、回転楕円体によって構成されている。さらに、光トラップ用ミラー４１は、当該回転楕円体を構成する楕円における２つの焦点Ｆ１及びＦ２のうちの一方の焦点Ｆ１（第１の焦点）が検知領域ＤＡ内に存在するように、かつ、他方の焦点Ｆ２（第２の焦点）が光トラップ４０の所定の集光点と一致するように配置されている。

このように、焦点Ｆ１を検知領域ＤＡに対応させるとともに焦点Ｆ２を光トラップ４０の所定の集光点に対応させることによって、光トラップ用ミラー４１に入射する光を所定の集光点（Ｆ２）に集光させることができる。特に、投光素子１１から出射した光のうち検知領域ＤＡで粒子に当たらずに検知領域ＤＡを通過した光、及び、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光のうち投光系１０（投光素子１１、投光レンズ１２）とは反対側に進む光を、所定の集光点（Ｆ２）に集光させることができる。

これにより、集光点に集光させた光を第２開口部４１ｂから光トラップ４０の閉空間に向けて効率良く出射させて減衰させることができ、光トラップ４０（光トラップ用ミラー４１）の内部に一旦進入した光が光トラップ４０から出て行くことを抑制することができる。したがって、検知領域ＤＡに進入する迷光を効果的に抑制することができるので、粒子の検出精度を大幅に向上させることができる。

また、図２に示すように、本実施の形態では、受光用ミラー２２も楕円ミラーとなっており、回転楕円体によって構成されている。さらに、受光用ミラー２２は、当該回転楕円体を構成する楕円における２つの焦点Ｆ３及びＦ４のうちの一方の焦点Ｆ３（第１の焦点）が検知領域ＤＡ内に存在するように、かつ、他方の焦点Ｆ４（第２の焦点）が受光素子２１の近傍に存在するように配置されている。つまり、受光素子２１は、当該楕円における焦点Ｆ４の近傍に配置されている。

このように、焦点Ｆ３を検知領域ＤＡに対応させるとともに焦点Ｆ４を受光素子２１に対応させることによって、検知領域ＤＡの粒子によって発生する散乱光を、少ない反射回数（１回又は数回）で受光素子２１に入射させることができる。つまり、多重反射による光の減衰を回避できる。これにより、受光素子２１における受光効率を高めることができるので、粒子の検出精度を一層向上させることができる。

また、投光素子１１からの光が投光レンズ１２によって焦点Ｆ１（Ｆ３）に集光するように設定されている。つまり、投光レンズ１２から出射する光の集光点は、焦点Ｆ１（Ｆ３）に一致している。

このように、投光レンズ１２から出射する光の集光点を焦点Ｆ１（Ｆ３）に一致させることによって光の密度を大きくとることができるので、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光を大きくすることができる。したがって、粒子の検出精度を一層向上させることができる。

以上のように構成される粒子検出センサ１は、例えば次のようにして粒子を検出する。

大気導入孔から粒子検出センサ１（光学室３０）内に大気が引き込まれると、大気は光学室３０内の流路を経由して検知領域ＤＡに導かれる。

この場合、大気に粒子（エアロゾル）が含まれていると、投光素子１１からの光によって検知領域ＤＡにおいて粒子の散乱光が発生する。発生した粒子の散乱光の一部は、受光用ミラー２２によって受光素子２１に導かれる。受光素子２１に光が入射すると所定の信号の出力があるので、粒子検出センサ１内に導入された大気中に粒子が存在することが分かる。

また、受光素子２１で受光した信号の大きさ、つまり、粒子による散乱光の光強度の大きさによって、粒子の大きさ（粒径）を判別することができる。したがって、大気中に含まれる粒子が、ホコリであるか、花粉であるか、煙であるか、ＰＭ２．５（微小粒子状物質）であるかを判別することができる。

さらに、受光素子２１で検出される信号の出力の１つ１つ、つまり、粒子による散乱光の光強度のピーク１つ１つは、粒子の１つ１つに対応するので、粒子検出センサ１内に導入された大気の中の粒子の個数（量）も算出することができる。

一方、粒子検出センサ１内に導入された大気に粒子が含まれていないと、検知領域ＤＡには粒子が流入されないので、投光素子１１から出射した光は検知領域ＤＡを通過してそのまま直進するので、粒子による散乱光が発生しない。したがって、この場合、基本的には受光素子２１の反応がないので、粒子検出センサ１内に導入された大気中に粒子が存在しないことが分かる。

このとき、投光素子１１から出射する光は検知領域ＤＡを通過するので、光トラップ４０が設けられていなければ、検知領域ＤＡを通過する投光素子１１の光によって迷光が発生する可能性がある。

本実施の形態では、検知領域ＤＡを介して投光素子１１と対向する位置に光トラップ４０が設けられているので、検知領域ＤＡを通過した投光素子１１からの光は、光トラップ４０でトラップされる。この場合、光トラップ４０は、当該光トラップ４０に入射する光を所定の集光点（Ｆ２）に集光させてからトラップするので、光トラップ４０に入射した光を効率良く減衰させることができる。これにより、検知領域ＤＡを通過する投光素子１１の光によって迷光が発生することを抑制できる。したがって、粒子の検出精度を向上させることができる。

特に、本実施の形態では、検知領域ＤＡにおける照射強度を高めるために投光レンズ１２が設けられている。このため、投光素子１１から広がって出射する光は投光レンズ１２によって集束されて検知領域ＤＡにおいて一旦集束された後、再度発散して光学室３０内を広がるように進行することになるので、投光素子１１の光によって迷光が発生しやすくなっている。

この点、本実施の形態における粒子検出センサ１では、光トラップ４０の光トラップ用ミラー４１は、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなす楕円ミラーであり、第１開口部４１ａと第２開口部４１ｂとを有する。さらに、光トラップ用ミラー４１は、図２に示すように、回転楕円体を構成する楕円の一方の焦点Ｆ１が検知領域ＤＡ内に存在し、かつ、他方の焦点Ｆ２が所定の集光点と一致するように構成されている。

これにより、検知領域ＤＡ（焦点Ｆ１）で集光された投光素子１１からの光を所定の集光点（焦点Ｆ２）に集光させることができるので、当該集光点に集光させた光を第２開口部４１ｂから光トラップ４０の閉空間に向けて効率良く出射させて減衰させることができる。

つまり、本実施の形態では、楕円ミラーである光トラップ用ミラー４１によって投光素子１１からの光を一旦微小領域に集めて、その微小領域からの光に対して更に光トラップ構造を設けて迷光を減衰させている。したがって、迷光を減衰させる能力を低下させることなく、また、ラビリンス設計を容易にしつつ、一層の小型化を図ることができる。

このように、本実施の形態における粒子検出センサ１のように投光レンズ１２を用いた場合であっても、投光素子１１の光によって迷光が発生することを効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態において、光トラップ４０は、さらに、光トラップ用ミラー４１によって所定の集光点に集光して第２開口部４１ｂから出射する光を多重反射させることで減衰させる光減衰部を有していてもよい。

例えば、図３に示すように、光トラップ４０の閉空間内に、第２開口部４１ｂに向かって突出する複数の楔形突出部４２ａからなる光減衰部４２を設けてもよい。具体的に、光減衰部４２（楔形突出部４２ａ）は、光トラップ用ミラー４１の第２開口部４１ｂの出口付近に設けることができる。

これにより、集光点に集光した光を第２開口部４１ｂから出射した直後に多重反射させて減衰させることができる。また、このように光トラップ用ミラー４１が所定の集光点に迷光要因となる光を集めているので、光減衰部４２の配設箇所を小領域で済ませることができるので、小型化を図ることができる。

なお、複数の楔形突出部４２ａの各々の表面は、散乱光が発生しやすい面（光散乱させる面）であり、かつ、吸収率が高くて反射率が低い面であるとよい。また、複数の楔形突出部４２ａの配列の底及び端点は開口していてもよい。

さらに、図４に示すように、複数の楔形突出部４２ａの各々が所定の集光点に向かって突出するように配置されていてもよい。具体的には、複数の楔形突出部４２ａの各々が集光点を中心として同心円状に配設することができる。

これにより、集光点に集光して広がる光を複数の楔形突出部４２ａの全てに対して同様に入射させることができるので、集光点に集光した光を、より効果的に多重反射させて減衰させることができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る粒子検出センサ２について、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態２に係る粒子検出センサの原理を説明するための図である。

図５に示すように、本実施の形態における粒子検出センサ２では、光トラップ４０は、所定の集光点に集光させた光を複数の方向に振り分ける光学系である振り分け部４３を有する。

本実施の形態における振り分け部４３は、所定の集光点（焦点Ｆ２）に向かって突出する凸形状の反射体であり、例えば、頂点を中心に３６０°方向に裾が広がる略山形状の反射体である。これにより、所定の集光点（焦点Ｆ２）に集光して光トラップ用ミラー４１の第２開口部４１ｂから出射する光は振り分け部４３の頂点（山頂）を中心として３６０°の任意の方向に振り分けられる。なお、振り分け部４３の表面（反射面）の形状は、例えば、頂点を中心とする回転対称である。

このように振り分け部４３を設けることによって、集光点に集光させた光を光トラップ４０の閉空間の奥に向けて反射させることができる。これにより、光トラップ４０に入射した光を容易に多重反射させて減衰させることができる。したがって、実施の形態１の粒子検出センサ１に比べて、投光素子１１の光によって迷光が発生することをさらに効果的に抑制することができる。

また、図６に示すように、光トラップ４０は、さらに、集光点に集光して第２開口部４１ｂから出射する光を閉空間の奥に反射させる反射体４４を有していてもよい。

これにより、集光点に集光させた光を光トラップ４０の閉空間の奥に容易に反射させることができるので、光トラップ４０に入射した光をさらに容易に減衰させることができる。

また、図７に示すように、振り分け部４３（反射体）は、凸形状の頂点が投光素子１１の光軸からオフセットするように配置されていてもよい。つまり、振り分け部４３の中心（光軸）を投光素子１１（投光系１０）の光軸からずらしてもよい。

振り分け部４３を略山形状に形成した場合、振り分け部４３の現実の加工品の頂点は、波長サイズからみれば線や点ではなく、波長の数十倍の曲率を持った形状となる。したがって、図８Ａに示すように、振り分け部４３の中心が投光素子１１の光軸と一致している場合（図５参照）、投光素子１１から光トラップ４０に向かう光のうち光軸に沿って直進する光（つまり最も光強度が大きい光）が振り分け部４３の頂部に到達することとなり、その到達した光はそのまま逆方向に反射して再び検知領域ＤＡに到達する。この結果、迷光が発生する可能性がある。一方、図８Ｂに示すように、振り分け部４３の中心を投光素子１１の光軸からずらした場合、投光素子１１から光軸に沿って直進する光は振り分け部４３によって振り分けられることになるので、上記のような迷光が発生することを抑制できる。なお、振り分け部４３のオフセット量（ずらし量）を振り分け部４３の頂点の加工の曲率半計以上にすることによって、上記のような迷光を効果的に抑制できる。

（実施例）
次に、粒子検出センサのより具体的な構造の一例について、図９を用いて説明する。図９は、実施例に係る粒子検出センサの構成を示す断面図である。なお、図９では、大気排出孔３２から大気導入孔３１に向かう方向を鉛直下方（重力方向）としている。

図９に示す粒子検出センサ２Ａは、実施の形態２における粒子検出センサ２の具体例であり、実施の形態２における粒子検出センサ２に対して、さらに、加熱装置５０、第１遮光体６１、第２遮光体６２、投光絞り部７１、受光反対絞り部７２、第１保護板８１及び第２保護板８２と、受光用の光トラップ９０とを備える。なお、本実施例において、検知領域ＤＡは、例えばφ２ｍｍである。

本実施例において、光学室３０（筐体）の外形は、一例として扁平直方体である。また、光学室３０には、大気を導入するための大気導入孔３１と、大気を排出するための大気排出孔３２とが設けられている。

大気導入孔３１は、粒子検出センサ２Ａの外部に存在する大気等の気体を粒子検出センサ２Ａの内部に供給するための大気供給口（大気流入口）であり、光学室３０における大気の入口である。

一方、大気排出孔３２は、粒子検出センサ２Ａの内部の大気を粒子検出センサ２Ａの外部に排出するための大気排気口（大気流出口）であり、光学室３０における大気の出口である。

加熱装置５０は、大気を加熱するヒータである。加熱装置５０は、光学室３０内の粒子流路に流れる気体の流れを促進させるための気流を発生させる気流発生装置として機能する。つまり、加熱装置５０によって大気を加熱することで、粒子を含む大気を検知領域ＤＡに導入しやすくできる。加熱装置５０は、例えば、低コストのヒータ抵抗である。

本実施の形態において、加熱装置５０は、検知領域ＤＡの鉛直下方に配置されている。これにより、加熱装置５０がヒータ抵抗である場合、ヒータ抵抗に電圧を印加するとヒータ抵抗が発熱してヒータ抵抗の周囲の大気が加熱されて密度が小さくなり、重力とは逆方向の鉛直上方に移動する。つまり、加熱装置５０によって粒子流路３３内の大気を加熱すると、上方向の気流（上昇気流）を発生させることができる。

このように、加熱装置５０によって粒子流路３３内の大気を加熱することによって、光学室３０内に測定対象の気体（大気）を容易に引き込むことができるので、加熱装置５０を設けない場合と比べて、粒子検出センサ２Ａ内に多くの粒子を取り込むことができる。

また、本実施の形態において、加熱装置５０は、大気導入孔３１の近傍に配置されている。具体的には、加熱装置５０は、第１遮光体６１と大気導入孔３１との間に配置されており、かつ、大気導入孔３１を覆うように配置されている。

なお、加熱装置５０が動作していない状態でも、大気導入孔３１と大気排出孔３２との間において大気は検知領域ＤＡを通過することができる。つまり、加熱装置５０が動作していない場合でも、大気中に含まれる粒子を検出することは可能である。

第１遮光体６１及び第２遮光体６２は、加熱装置５０から放出される光（ヒータ光）及び当該粒子検出センサ２Ａの外部から内部に進入する光（外光）の少なくとも一方を遮光する。加熱装置５０から放出される光ヒータ光には、可視光及び赤外光が含まれる。第１遮光体６１及び第２遮光体６２は、光学室３０と同一材料によって光学室３０と一体成型されているが、光学室３０と別体でもよい。

第１遮光体６１は、ヒータ光を遮蔽するヒータ光遮蔽体であり、加熱装置５０と検知領域ＤＡとの間に配置されている。本実施の形態における第１遮光体６１は、さらに、大気導入孔３１を介して当該粒子検出センサ２Ａの外部から内部に進入する光（外光）も遮蔽する。

本実施の形態において、第１遮光体６１は、第１遮光壁６１ａと第２遮光壁６１ｂとによって構成されている。第１遮光壁６１ａと第２遮光壁６１ｂは、加熱装置５０から検知領域ＤＡに向かう方向に並んで配置されている。

第１遮光壁６１ａは、加熱装置５０に対向するように配置されている。第２遮光壁６１ｂは、第１遮光壁６１ａ及び加熱装置５０の側部を囲むように、かつ、第１遮光壁６１ａの検知領域ＤＡ側の面の一部を覆うように略箱状に形成されている。また、第２遮光壁６１ｂは、検知領域ＤＡに対向する位置に設けられた開口を有する。第１遮光壁６１ａは、第２遮光壁６１ｂの開口を覆うように設けられている。

第１遮光体６１をこのように構成することにより、大気導入孔３１から光学室３０に導入された粒子は、加熱装置５０及び第１遮光壁６１ａの各々の両側部と第２遮光壁６１ｂの内側面との２つの間を通って第２遮光壁６１ｂの開口を介して検知領域ＤＡに進むことになる。

また、第２遮光体６２は、大気排出孔３２を介して当該粒子検出センサ２Ａの外部から内部に進入する光（外光）を遮光する。

第２遮光体６２は、検知領域ＤＡから大気排出孔３２に向かう方向に並んで配置された複数の遮蔽壁を有する。この複数の遮蔽体は、粒子検出センサ２Ａの内部の大気を大気排出孔３２から排出できるように構成されている。

本実施の形態における第２遮光体６２は、第１遮光壁６２ａと第２遮光壁６２ｂと第３遮光壁６２ｃとによって構成されている。第１遮光壁６２ａは、大気排出孔３２に対向するように、かつ、大気排出孔３２を覆うように配置されている。第２遮光壁６２ｂは、第１遮光壁６２ａの側部を囲むように形成されている。本実施の形態において、第３遮光壁６２ｃは、受光用ミラー２２の側壁である。

このように、第１遮光体６１及び第２遮光体６２を設けることによって、ヒータ光及び外光を遮光しつつ、検知領域ＤＡに不要な散乱光（迷光）が進入することを抑制できるので、粒子の検出精度を向上させることができる。

投光絞り部７１は、投光系１０（投光領域）に設けられている。投光絞り部７１は、投光レンズ１２を通過した後の光を絞って不要な光を遮蔽して集光径を小さくする。投光絞り部７１を設けることによって迷光を抑制することができ、粒子の検出精度を向上させることができる。投光絞り部７１は、各々が開口を有する複数の光学絞りからなる。

受光反対絞り部７２は、光トラップ９０に設けられている。受光反対絞り部７２は、投光絞り部７１と同様に、各々が開口を有する複数の光学絞りからなる。

第１保護板８１は、粒子が投光系１０に入り込まないようにするための保護部材である。また、第２保護板８２は、粒子が受光系２０に入り込まないようにするための保護部材である。第１保護板８１及び第２保護板８２の各々は、大気中に浮遊する粒子（ホコリ・花粉・煙・ＰＭ２．５等）が粒子検出センサ２Ａの動作中及び非動作中に光学室３０内に入ってきた場合に、当該粒子が投光系１０及び受光系２０の各々に入り込まないようにする。第１保護板８１及び第２保護板８２は、例えば厚みが一様の平板状の透明板であり、一例として、ガラス、又は、ポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂によって構成されている。

受光用の光トラップ９０は、検知領域ＤＡを挟んで受光系２０（受光素子２１）と対向する位置に設けられている。光トラップ９０は、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光のうち受光素子２１とは反対側に進行する光が光学室３０内で反射及び散乱して受光素子２１で受光されてしまうことを防止する構造を有する。例えば、光トラップ９０は、光トラップ９０の内部に一旦進入した光が光トラップ９０から出て行かないような光吸収構造を有する。本実施例において、光トラップ９０は、光トラップ９０の内部に進入した光を多重反射させて吸収する。光トラップ９０を設けることによって、光学室３０内の迷光を吸収することができる。これにより、粒子の検出精度を向上させることができる。

（その他変形例等）
以上、本発明に係る粒子検出センサについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態１、２では、光トラップ用ミラー４１によって光トラップ４０に入射する光を所定の集光点に集光させたが、図１０に示すように、レンズ４１Ａによって光トラップ４０に入射する光を所定の集光点に集光させてもよい。また、レンズ４１Ａ以外の手段によって光トラップ４０に入射する光を所定の集光点に集光させてもよい。

また、上記実施の形態１、２において、受光系２０には受光用ミラー２２を配置したが、受光用ミラー２２に代えて集光レンズ等のレンズを配置してもよい。つまり、レンズ（受光用レンズ）によって検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光を集光して受光素子２１に導いてもよい。

また、上記実施の形態１、２において、受光用ミラー２２及び光トラップ用ミラー４１は、回転楕円体、特に扁平状の回転楕円体であることが望ましいが、成型性を考慮すれば、ある断面形状が楕円形状となるように構成されていればよい。

また、上記実施の形態１、２において、光トラップ４０は閉空間となるように構成したが、これに限らない。例えば、光トラップ４０の空間は、閉空間でなくても、多重反射によって光を減衰させることができる構成であればよい。

また、上記実施の形態１、２における粒子検出センサは、ダストセンサに搭載することができる。例えば、当該ダストセンサは、内蔵する粒子検出センサによってホコリの粒子を検知した場合、ホコリを検知したことを音や光によって報知したり表示部に表示したりする。

また、上記実施の形態１、２における粒子検出センサは、煙感知器に搭載することができる。例えば、煙感知器は、内蔵する粒子検出センサによって煙の粒子を検知した場合、煙を検知したことを音や光によって報知したり表示部に表示したりする。

また、上記実施の形態１、２における粒子検出センサ又は上記ダストセンサは、空気清浄機、換気扇又はエアコン等に搭載することができる。この場合、例えば、当該空気清浄機、換気扇又はエアコンは、内蔵する粒子検出センサによってホコリの粒子を検知した場合、単にホコリを検知したことを表示部に表示してもよいし、ファンを起動したりファンの回転速度を変更したり等のファンの制御を行ったりしてもよい。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１、２、２Ａ 粒子検出センサ
１１ 投光素子
２１ 受光素子
２２ 受光用ミラー
４０ 光トラップ
４１ 光トラップ用ミラー
４１ａ 第１開口部
４１ｂ 第２開口部
４２ 光減衰部
４２ａ 楔形突出部
４３ 振り分け部
ＤＡ 検知領域

Claims (12)

1. 投光素子と、
   検知領域における粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、
   前記検知領域を介して前記投光素子と対向する位置に設けられた光トラップとを有し、
   前記光トラップは、当該光トラップに入射する光を所定の集光点に集光させてからトラップし、
   前記光トラップは、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなす楕円ミラーからなる光トラップ用ミラーを有し、
   前記光トラップ用ミラーは、前記検知領域に向かって開口する第１開口部と、前記第１開口部を挟んで前記検知領域と対向する位置に開口する第２開口部とを有し、
   前記光トラップ用ミラーは、前記回転楕円体を構成する楕円の一方の焦点が前記検知領域内に存在し、かつ、前記回転楕円体を構成する楕円の他方の焦点が前記所定の集光点と一致するように配置される
   粒子検出センサ。
2. 前記散乱光を反射して前記受光素子に導く受光用ミラー、又は、前記散乱光を集光して前記受光素子に導くレンズを有する
   請求項１に記載の粒子検出センサ。
3. 前記受光用ミラーは、内面形状が回転楕円体の回転面の一部をなす楕円ミラーであって、当該回転楕円体を構成する楕円の一方の焦点が前記検知領域内に存在し、かつ、当該回転楕円体を構成する楕円の他方の焦点が前記受光素子の近傍の位置するように配置される
   請求項２に記載の粒子検出センサ。
4. 前記光トラップ用ミラーの内面の反射率は、前記受光用ミラーの内面の反射率よりも低い
   請求項３に記載の粒子検出センサ。
5. 前記光トラップは、さらに、前記所定の集光点に集光して前記第２開口部から出射する光を多重反射させることで減衰させる光減衰部を有する
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
6. 前記光減衰部は、前記第２開口部に向かって突出する複数の楔形突出部からなる
   請求項５に記載の粒子検出センサ。
7. 前記複数の楔形突出部の各々は、前記所定の集光点に向かって突出している
   請求項６に記載の粒子検出センサ。
8. 前記光トラップは、前記所定の集光点に集光させた光を複数の方向に振り分ける振り分け部を有する
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
9. 前記振り分け部は、前記所定の集光点に向かって突出する凸形状の反射体である
   請求項８に記載の粒子検出センサ。
10. 前記振り分け部は、前記凸形状の頂点が前記投光素子の光軸からオフセットするように配置されている
    請求項９に記載の粒子検出センサ。
11. 前記光トラップは、閉空間である
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
12. 前記光トラップは、さらに、前記集光点に集光して前記第２開口部から出射する光を前記閉空間の奥に反射させる反射体を有する
    請求項１１に記載の粒子検出センサ。

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