JP6270700B2 - 浮遊粒子検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体中に浮遊する微粒子（微小体）である浮遊粒子を検出する浮遊粒子検出装置に関し、特に、粒径が小さい浮遊粒子と粒径が大きい浮遊粒子とを区別して検出するための技術に関する。

近年、花粉及びハウスダスト等のような浮遊粒子を吸引することによる健康への悪影響（例えば、アレルギー症状等）が注目されており、エアコン及び空気清浄機等における浮遊粒子の除去性能への関心が高まっている。また、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子状物質（ＰＭ２．５）による大気汚染が近隣国を含む広い地域で発生していることから、高性能な空気清浄機能を持つ装置が必要とされている。一般に、空気清浄機能を持つ装置は、空気中に浮遊する微粒子の濃度及び種類を検出するための浮遊粒子検出装置（例えば、ダストセンサ及び花粉センサ等）を備えている。空気清浄機能を持つ装置は、浮遊粒子検出装置による浮遊粒子の検出信号に基づいて、動作モードを切り替えたり、空気中の浮遊粒子の種類を表示したりする。

特許文献１は、発光素子で発生した光を空気中の浮遊粒子に照射し、そのときに浮遊粒子で発生する散乱光の強さに基づいて、花粉粒子と土埃との識別を行う装置を開示している。この装置は、浮遊粒子を含有する空気に所定の偏光方向の照射光を照射し、浮遊粒子によって発生する散乱光の強度を第１の受光素子で測定し、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直交散乱光の強度を第２の受光素子で測定し、測定された散乱光の強度と直交散乱光の強度とに基づいて、浮遊粒子の種類（花粉粒子又は土埃）を識別する。

特許文献２は、発光素子で間欠的に発生する光を気体中の浮遊粒子に照射し、そのときの受光素子の受光量に基づいて、浮遊粒子としてのダストの濃度を測定する装置を開示している。この装置では、ダストの濃度が増加すると、間欠的に発光する発光素子の発光期間を短縮している。

特許第３８５０４１８号公報（例えば、請求項１、図１） 特許第３４８４７８１号公報（例えば、段落００１８、図１２）

しかしながら、特許文献１に記載の装置は、粒径が大きく異なる２種類の浮遊粒子を識別することはできない。例えば、この装置において、検出感度を下げて、粒径が比較的大きい浮遊粒子（例えば、粒径３０μｍ程度の花粉及び埃）を検出する場合には、粒径が比較的小さい浮遊粒子（例えば、ＰＭ２．５）で発生する弱い散乱光を検出することができない。また、この装置において、検出感度を上げて、粒径が比較的小さい浮遊粒子を検出する場合には、粒径が比較的大きい浮遊粒子で発生する強い散乱光で受光素子が飽和し、散乱光の強度を検出できない。

また、特許文献２に記載の装置は、浮遊粒子の濃度を測定することはできるが、浮遊粒子の種類を識別することはできない。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、浮遊粒子の濃度及び種類を、粒径が異なる複数種類の浮遊粒子について検出することができる浮遊粒子検出装置を提供することにある。

本発明の浮遊粒子検出装置は、流体を供給して、前記流体を予め決められた流速で検出領域を通過させる流体供給部と、光源駆動電圧に応じた光強度を持ち、予め決められた光束径を持つ照射光を、前記検出領域を通過する前記流体の中に存在する浮遊粒子に照射する光照射部と、前記検出領域を通過する前記流体の中に存在する前記浮遊粒子に照射された前記照射光の散乱によって発生する散乱光の内の、予め決められた第１方向に進む第１の散乱光を受光し、前記第１の散乱光の強度に応じた第１の検出信号を出力する第１の受光部と、前記散乱光の内の、予め決められた第２方向に進む第２の散乱光から予め決められた偏光方向を持つ偏光成分の光を分離し、前記分離された偏光成分の光を受光して、前記分離された偏光成分の光の強度に応じた第２の検出信号を出力する第２の受光部と、前記浮遊粒子が前記照射光の前記光束径内に入ってから出るまでの浮遊粒子通過時間の間で予め決められた波形を持つ制御信号を生成する制御信号生成部と、前記制御信号の前記波形に応じた前記光源駆動電圧を前記光照射部に供給する光源駆動部と、前記制御信号の前記波形に基づく第１のゲインで前記第１の検出信号を増幅する第１の可変増幅部と、前記制御信号の前記波形に基づく第２のゲインで前記第２の検出信号を増幅する第２の可変増幅部と、前記増幅された第１の検出信号と前記増幅された第２の検出信号とに基づいて前記浮遊粒子の粒径及び種類を判別する信号処理部と、を備え、前記制御信号に応じた前記光源駆動電圧の増加によって前記照射光の光強度が増加したときに、前記第１の可変増幅部は、前記制御信号に応じて前記第１のゲインを減少させ、前記第２の可変増幅部は、前記制御信号に応じて前記第２のゲインを減少させ、前記制御信号に応じた前記光源駆動電圧の減少によって前記照射光の光強度が減少したときに、前記第１の可変増幅部は、前記制御信号に応じて前記第１のゲインを増加させ、前記第２の可変増幅部は、前記制御信号に応じて前記第２のゲインを増加させることを特徴とする。

本発明に係る浮遊粒子検出装置においては、光源駆動電圧の増加によって光照射部から照射される照射光の光強度が増加したときに、第１の可変増幅部は制御信号に応じて第１のゲインを減少させ、第２の可変増幅部は制御信号に応じて第２のゲインを減少させ、また、光源駆動電圧の減少によって光照射部から照射される照射光の光強度が減少したときに、第１の可変増幅部は制御信号に応じて第１のゲインを増加させ、第２の可変増幅部は制御信号に応じて第２のゲインを増加させる。光照射部から照射される照射光の光強度を弱くした期間には、粒径の小さな浮遊粒子は検出されないが、粒径の大きな浮遊粒子を、粒径の小さな浮遊粒子と区別して、検出することができる。光照射部から照射される照射光の光強度を強くした期間では、粒径の大きな浮遊粒子の検出信号は飽和するので除外可能であり、粒径の小さな浮遊粒子を、粒径の大きな浮遊粒子と区別して検出することができる。

本発明の実施の形態１に係る浮遊粒子検出装置の構成を概略的に示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、照射光が照射された浮遊粒子における散乱光の発生を説明する図である。 （ａ）から（ｆ）は、実施の形態１に係る浮遊粒子検出装置の動作を示す波形図である。 比較例の浮遊粒子検出装置の構成を概略的に示す図である。 （ａ）から（ｅ）は、比較例の浮遊粒子検出装置の動作を示す波形図である。 （ａ）から（ｅ）は、比較例の浮遊粒子検出装置の動作を示す波形図である。 本発明の実施の形態２に係る浮遊粒子検出装置の構成を概略的に示す図である。 （ａ）から（ｆ）は、実施の形態２に係る浮遊粒子検出装置の動作を示す波形図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る浮遊粒子検出装置を説明する。本出願において、浮遊粒子とは、流体中に浮遊する微小な粒子（「微粒子」又は「微小体」ともいう。）である。流体は、光を透過させることができる流体であればよく、通常は気体であるが、液体であってもよい。流体は、一般には、空気である。実施の形態に係る浮遊粒子検出装置は、流体中に存在する浮遊粒子の濃度の検出及び浮遊粒子の種類の判別を行うことができるだけでなく、浮遊粒子に光を照射する光照射部に供給される光源駆動電圧（光源駆動電力）の変更と浮遊粒子において発生する散乱光の受光部における検出信号の増幅率としてのゲインの変更とによって、粒径が比較的小さい浮遊粒子（例えば、ＰＭ２．５）と粒径が比較的大きい浮遊粒子（例えば、花粉及びハウスダスト等）を互いに区別して検出することができる装置である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る浮遊粒子検出装置１の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、浮遊粒子検出装置１は、流体としての空気５０が流入口１０ａから流入し流出口１０ｂから排出される容器（流路）を構成する筐体１０と、流体供給部として空気供給部１１と、光照射部１２と、第１の受光部１３と、第２の受光部１４と、制御信号生成部１５と、光源駆動部１６と、第１の可変増幅部１７と、第２の可変増幅部１８と、信号処理部１９とを有している。制御信号生成部１５と、光源駆動部１６と、第１の可変増幅部１７と、第２の可変増幅部１８と、信号処理部１９とは、回路として構成することが可能である。

空気供給部１１は、浮遊粒子が存在（浮遊又は混在）する空気５０を筐体１０内に供給して、空気５０を予め決められた流速（Ｆ［ｍ／ｓｅｃ］）で、筐体１０内の検出領域４０を、白色の太い矢印で示す方向（図１において下向き方向）に、通過させる手段である。空気供給部１１は、例えば、空気５０を流入させる空気流入用のファン機構と、筐体１０内に流入する空気５０の流量（単位時間当たりの流量又は流速）を調節する手段とを有する。流量又は流速を調整する手段としては、例えば、ファン機構の動作（例えば、ファンの回転速度）を調節する回路又は流入口１０ａの開口の大きさを調整する機構等がある。なお、本出願においては、粒径が比較的大きい浮遊粒子（例えば、花粉及びハウスダスト等のように、３０μｍ程度の粒径を持つ浮遊粒子）を、符号５１で示し、浮遊粒子５１よりも粒径が小さい浮遊粒子（例えば、ＰＭ２．５のように、２．５μｍ以下の粒径を持つ浮遊粒子）を、符号５２で示す。ただし、浮遊粒子検出装置１が検出可能な浮遊粒子のサイズは、これらの例に限定されない。

光照射部１２は、光源駆動電圧Ｄ１に応じた光強度を持ち、且つ、予め決められた光束径（例えば、Ｗ［ｍｍ］）を持つ照射光Ｌ０を、検出領域４０を通過する空気５０中に存在する浮遊粒子５１，５２に照射する。図１の検出領域４０（照射光Ｌ０の光束幅Ｗの範囲）内には、便宜上、１個の浮遊粒子５１と、１個の浮遊粒子５２とが描かれているが、実際には、検出領域４０には、複数の浮遊粒子５１と複数の浮遊粒子５２が浮遊して移動している。光照射部１２は、例えば、発光素子１２１と、発光素子１２１から出射された照射光Ｌ０を集光する集光レンズ１２２とを有する。発光素子１２１としては、例えば、レーザ発光素子を用いることができる。

第１の受光部１３は、検出領域４０を通過する空気５０中に存在する浮遊粒子５１，５２に照射された照射光Ｌ０の散乱によって発生する散乱光の内の、予め決められた第１方向に進む第１の散乱光Ｌ１を受光し、第１の散乱光Ｌ１の強度に応じた第１の検出信号Ｉ１を出力する。第１の受光部１３は、例えば、集光レンズ１３２と、集光レンズ１３２で集光された第１の散乱光Ｌ１を検出するフォトダイオード等の第１の受光素子１３１とを有する。なお、第１方向とは、検出領域４０から集光レンズ１３２を介して第１の受光素子１３１の受光面に向かう方向である。第１の方向は、集光レンズ１３２の中心から第１の受光素子１３１の受光面の中心に向かう中心線方向又は中心線方向を含む略中心線の方向である。

第２の受光部１４は、検出領域４０を通過する空気５０中に存在する浮遊粒子５１，５２に照射された照射光Ｌ０の散乱によって発生する散乱光の内の、予め決められた第２方向に進む第２の散乱光Ｌ２から予め決められた偏光方向を持つ偏光成分の光Ｌ２ａを受光して、分離された偏光成分の光Ｌ２ａの強度に応じた第２の検出信号Ｉ２を出力する。第２の受光部１４は、例えば、集光レンズ１４３と、集光レンズ１４３で集光された第２の散乱光Ｌ２から予め決められた偏光方向を持つ偏光成分の光Ｌ２ａを分離する偏光フィルタ１４２と、偏光フィルタ１４２を通過した光Ｌ２ａを検出するフォトダイオード等の第２の受光素子１４１とを有する。第２方向は、集光レンズ１４３の中心から第２の受光素子１４１の受光面の中心に向かう中心線方向又は中心線方向を含む略中心線の方向である。

制御信号生成部１５は、流速Ｆ［ｍ／ｓｅｃ］で移動する浮遊粒子５１，５２が照射光Ｌ０の光束径内に入ってから出るまでの浮遊粒子通過時間の間で、予め決められた波形を持つ制御信号Ｃ１を生成する。制御信号Ｃ１は、例えば、浮遊粒子通過時間の間で、第１電位レベル（低電位レベル）と第１電位レベルよりも高い第２電位レベル（高電位レベル）とを持つ２値信号である。浮遊粒子通過時間は、空気５０が流速Ｆ［ｍ／ｓｅｃ］で検出領域４０（照射光Ｌ０の光束径）を通過するのに要する時間である。検出領域４０の長さ（すなわち、光束Ｌ０の径）をＷ［ｍｍ］とし、制御信号Ｃ１の１周期の時間（１波長の長さ）をＰ［ｓｅｃ］とすると、
Ｐ［ｓｅｃ］＝１０００×Ｗ［ｍｍ］／Ｆ［ｍ／ｓｅｃ］ 式（１）
となる。１／Ｐは周波数を示し、１０００×Ｗは波長を示し、Ｆは速度を示すので、式（１）は、「（速度）＝（周波数）×（波長）」の式として表すこともできる。空気５０の流速Ｆ［ｍ／ｓｅｃ］が早いほど、１周期の期間Ｐ［ｓｅｃ］は短く（すなわち、周波数は高く）なる。空気５０の流速Ｆ［ｍ／ｓｅｃ］が速いほど、検出領域４０において、より多い個数の浮遊粒子５１，５２を通過させることができるので、検出精度は向上する。また、空気５０の流速Ｆ［ｍ／ｓｅｃ］が速いほど、浮遊粒子間の間隔も広がり、浮遊粒子同士が互いに密着することに起因する読み飛ばしの発生回数が減少する。したがって、制御信号Ｃ１の周波数が高いほど（すなわち、１周期の期間Ｐ［ｓｅｃ］が短いほど）、検出精度は向上する。ただし、制御信号Ｃ１の周波数の上限は、光照射部１２の構成要素である発光素子１２１並びに第１及び第２の受光素子１３１，１４１の周波数応答性能により制限される。

光源駆動部１６は、制御信号Ｃ１の波形に応じた光源駆動電圧Ｄ１を光照射部１２の発光素子１２１に供給する。光源駆動電圧Ｄ１の波形は、制御信号Ｃ１の波形と同様の波形を持つ。

第１の可変増幅部（第１のゲイン可変アンプ）１７は、制御信号Ｃ１の波形に基づく第１のゲインＧ１１で第１の受光部１３からの第１の検出信号を増幅する。第２の可変増幅部（第２のゲイン可変アンプ）１８は、制御信号Ｃ１の波形に基づく第２のゲインＧ１２で、第２の受光部１４からの第２の検出信号を増幅する。第１のゲインＧ１１の波形及び第２のゲインＧ１２の波形は、制御信号Ｃ１を反転させた波形と同様の波形である。

信号処理部１９は、第１の可変増幅部１７で増幅された第１の検出信号と第２の可変増幅部１８で増幅された第２の検出信号とに基づいて、浮遊粒子５１，５２の粒径及び種類を判別する。

浮遊粒子検出装置１においては、制御信号Ｃ１に応じた光源駆動電圧Ｄ１の減少によって光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が減少したとき（第１強度値になったとき）に、第１の可変増幅部１７は制御信号Ｃ１に基づいて第１のゲインＧ１１を第１の値に増加させ、第２の可変増幅部１８は制御信号Ｃ１に基づいて第２のゲインＧ１２を第２の値に増加させる。また、浮遊粒子検出装置１においては、制御信号Ｃ１に応じた光源駆動電圧Ｄ１の増加によって光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が増加したとき（第１強度値よりも高い第２強度値になったとき）に、第１の可変増幅部１７は制御信号Ｃ１に基づいて第１のゲインＧ１１を第１の値から第３の値に減少させ、第２の可変増幅部１８は制御信号Ｃ１に基づいて第２のゲインＧ１２を第２の値から第４の値に減少させる。光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度を弱くした期間には、粒径の小さな浮遊粒子５２は検出されないが、粒径の大きな浮遊粒子５１を、粒径の小さな浮遊粒子５２と区別して、検出することができる。光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度を強くした期間では、粒径の大きな浮遊粒子５１の検出信号は飽和するので除外可能であり、粒径の小さな浮遊粒子５２を、粒径の大きな浮遊粒子５１と区別して、検出することができる。なお、「飽和」は、第１及び第２の受光部１３，１４の第１及び第２の受光素子１３１，１４１で処理可能な強度を超える強度の光が入射したときに発生する状態であり、出力信号が入射した光の強度を反映しない一定値になる状態である。

図２（ａ）及び（ｂ）は、粒径が比較的大きい浮遊粒子５１及び粒径が比較的小さい浮遊粒子５２に照射光Ｌ０（例えば、所定方向に偏光するレーザ光）を照射したときに発生する主要な散乱光を模式的に示す図である。浮遊粒子５１，５２の粒径（サイズ）に比較的近い長さの波長を有する照射光が照射されると、一般に散乱光が発生する。散乱光には、照射光Ｌ０の伝播方向に発生する前方散乱光と、それ以外の方向に発生する散乱光とがある。浮遊粒子５１，５２の形状及びサイズによって、散乱光の強度が変化し、浮遊粒子５１，５２から各方位へ向かう散乱光の分布が変化する。一般に、散乱光の強度は、照射光Ｌ０の強度に比べて非常に小さい。

実施の形態１に係る浮遊粒子検出装置１においては、第１の受光部１３と第２の受光部１４は、照射光Ｌ０の伝播方向（図２（ａ）及び（ｂ）における横方向）上ではなく、照射光Ｌ０の中心光線（伝播方向）を中心軸として互いに反対側に配置している。また、実施の形態１に係る浮遊粒子検出装置１においては、第１の受光部１３と第２の受光部１４を照射光Ｌ０の中心光線（伝播方向）を中心軸として、互いに反対側の同じ角度の位置に配置している。

浮遊粒子検出装置１では、浮遊粒子５１，５２の形状の判別にレーザ光の偏光特性を利用することができる。花粉は、表面が比較的滑らかで球形に近い形状を持つ浮遊粒子（球形に近い形状を有するので「球形粒子」とも言う）である。また、ダニの死骸、ハウスダスト、及び埃など（以下、これらを総称して「ダスト」ともいう。）は、表面の起伏が大きく非対称な形状をした浮遊粒子（球形とは異なる形状を持つので「異形粒子」とも言う）が多く含まれている。このような異形粒子に直線偏光の光が照射されると、散乱により照射した光の偏光成分と直交した偏光成分の光が散乱光として発生する。照射光Ｌ０が異形粒子に照射された場合、その散乱光は、照射光Ｌ０の直線偏光の成分と直交した偏光成分の光を含む。浮遊粒子検出装置１では、散乱光において、この照射光Ｌ０の偏光方向と異なる偏光方向の偏光成分を検出し、浮遊粒子の形状の判別に利用する。

以下に、信号処理部１９における浮遊粒子形状の判別方法について説明する。実施の形態１においては、例えば、偏光フィルタ１４２は、照射光Ｌ０の偏光方向と直交した偏光方向を持つ偏光成分のみを透過するように設定されている。浮遊粒子５１，５２が球形粒子の場合は、散乱光の偏光方向は、照射光Ｌ０の偏光方向と同じであるため、散乱光は偏光フィルタ１４２を通過できず、第２の受光部１４の出力は略０（すなわち、０に近い値）になる。一方、浮遊粒子５１，５２が異形粒子の場合は、散乱光は、照射光Ｌ０の偏光方向と異なる偏光方向の偏光成分を含むようになるため、第２の受光部１４の出力は、浮遊粒子５１，５２の異形の程度（球形からどの程度異なるかの程度）に応じた検出値となる。このようにして、信号処理部１９は、浮遊粒子形状を判別し、浮遊粒子の種類を識別することができる。

図３（ａ）から（ｆ）は、浮遊粒子検出装置１の動作を示す波形図である。光照射部１２の発光素子１２１は、光源駆動部１６により光源駆動電圧（駆動電力）Ｄ１が供給される。光源駆動部１６は、例えば、駆動電力を供給するゲイン可変アンプを有する。光源駆動部１６は、図３（ａ）に示される制御信号Ｃ１によって制御され、図３（ｂ）に示されるように、制御信号Ｃ１と同様の波形の光源駆動電圧Ｄ１が予め決められた周期で繰り返される。光照射部１２の発光素子１２１は、照射光Ｌ０の出力強度が強レベルと弱レベルとを交互に切り替えるように発光する。光照射部１２から出射された照射光（光束）Ｌ０中を、浮遊粒子５１，５２が所定速度で通過すると、照射光Ｌ０は浮遊粒子５１，５２に当たり、散乱光が発生する。

このとき、照射光Ｌ０の光束径（幅）Ｗを浮遊粒子が通過する期間で、発光素子１２１の発光の強弱が１周期分になるように流速Ｆ［ｍ／ｓｅｃ］を制御すると、各浮遊粒子に対し２種類の強さの光を照射することができる。

照射光Ｌ０の照射によって発生する第１の散乱光Ｌ１は、集光レンズ１３２を通過して第１の受光素子１３１に入力し電気信号（第１の検出信号Ｉ１）に変換される。また、照射光Ｌ０の照射によって発生する第２の散乱光Ｌ２は、集光レンズ１４３にて集光し偏光フィルタ１４２を通過し第２の受光素子１４１に入力し電気信号（第２の検出信号Ｉ２）に変換される。第１の受光素子１３１の第１の検出信号Ｉ１は、第１の可変増幅部１７に入力され、図３（ｃ）に示される第１のゲインＧ１１を用いて、増幅される。第２の受光素子１４１の第２の検出信号Ｉ２は、第２の可変増幅部１８に入力され、図３（ｄ）に示される第２のゲインＧ１２を用いて、増幅される。

第１の可変増幅部１７の出力信号と第２の可変増幅部１８の出力信号とに基づく演算によって、信号処理部１９は、浮遊粒子の種類を判別する。図３（ｅ）には、第１の可変増幅部１７の出力信号の一例を示す。図３（ｅ）には、第１の可変増幅部１７の出力信号として、花粉からの散乱光の検出信号として１つのピークを示し、ＰＭ２．５の粒子からの散乱光の検出信号として２つのピークを示しているが、実際には、より多くの散乱光のピークが存在する。また、図３（ｆ）には、第２の可変増幅部１８の出力信号として、花粉からの散乱光の検出信号として１つのピークを示し、ＰＭ２．５の粒子からの散乱光の検出信号として２つのピークを示しているが、実際には、より多くの散乱光のピークが存在する。

図３（ａ）、（ｃ）、（ｄ）に示されるように、実施の形態１では、制御信号Ｃ１により、第１の可変増幅部１７の第１のゲインＧ１１と第２の可変増幅部１８の第２のゲインＧ１２とが、１周期の中間点で切り替えられ、光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が弱いときは、第１の可変増幅部１７の第１のゲインＧ１１と第２の可変増幅部１８の第２のゲインＧ１２を上げ、光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が強いときは、第１の可変増幅部１７の第１のゲインＧ１１と第２の可変増幅部１８の第２のゲインＧ１２を上げる。このように制御すれば、信号処理部１９に入力する信号の強さを正規化でき、また、ダイナミックレンジも拡大することができるので、浮遊粒子の大きさを正確に判別することができる。

粒径の大きな浮遊粒子５２に強い照射光Ｌ０を照射すると、第１及び第２の受光素子１３１，１４１の出力が飽和する。飽和すると浮遊粒子の正しい粒径や種類を求めることができないので、飽和した信号は、処理対象から除外する。信号処理部１９の後段には、Ａ／Ｄコンバータ及びマイコン等が接続され、信号はデジタル化される。デジタル信号に変換されることによって、飽和信号は、ストレートバイナリの場合は、信号の全てのビットが“１”になり、２の補数の場合は、最上位ビットが“０”でそれ以外のビットが全て“１”になる。したがって、このような飽和信号を示す条件に一致した場合は、受光素子における検出信号が飽和状態の信号であると見なすことができ、その信号のビットを全て“０”に置き換えることで、処理から除外することができる。

実施の形態１に係る浮遊粒子検出装置１によれば、光照射部１２の発光素子の発光強度が強く、照射光Ｌ０の強度が強いときは、第１及び第２の可変増幅部１７，１８の第１及び第２のゲインＧ１１，Ｇ１２を下げ、発光強度が弱く、照射光Ｌ０の強度が弱いときは、第１及び第２の可変増幅部１７，１８の第１及び第２のゲインＧ１１，Ｇ１２を上げて、増幅回路のゲインを上げることにより、検出器のダイナミックレンジを拡大することができ、数μｍの小さな浮遊粒子から数十μｍの大きな浮遊粒子までその粒径を検出することができる。

図４は、比較例の浮遊粒子検出装置３の構成を概略的に示す図である。図５（ａ）から（ｅ）及び図６（ａ）から（ｅ）は、比較例の浮遊粒子検出装置３の動作を示す波形図である。比較例の浮遊粒子検出装置３において、筐体３０と、空気供給部３１と、光照射部３２と、第１の受光部３３と、第２の受光部３４と、光源駆動部３６と、信号処理部３９とは、図１における、筐体１０と、空気供給部１１と、光照射部１２と、第１の受光部１３と、第２の受光部１４と、光源駆動部３６と同様である。しかし、比較例の浮遊粒子検出装置３には、図１のような制御信号を発生する回路は必ずしも必要では無く、第１の増幅部３７と、第２の増幅部３８と、浮遊粒子通過期間の１周期内でゲインを変化させない。

図５（ａ）に示されるように、光照射部３２の光源駆動信号Ｄ３が比較的低い値に設定され、図５（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、第１の増幅部３７の第１のゲインＧ３１が一定であり、第２の増幅部３８の第２のゲインＧ３２が一定である場合には、図５（ｄ）及び（ｅ）に示されるように、粒径が比較的大きい浮遊粒子（例えば、粒径３０μｍ程度の花粉及び埃）を検出することができるが、粒径が比較的小さい浮遊粒子（例えば、ＰＭ２．５）で発生する弱い散乱光を検出することができない。また、図６（ａ）に示されるように、光照射部３２の光源駆動信号Ｄ３が比較的高い値に設定され、図６（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、第１の増幅部３７の第１のゲインＧ３１が一定であり、第２の増幅部３８の第２のゲインＧ３２が一定である場合には、図６（ｄ）及び（ｅ）に示されるように、粒径が比較的小さい浮遊粒子（例えば、ＰＭ２．５）を検出する場合には、粒径が比較的大きい浮遊粒子（例えば、粒径３０μｍ程度の花粉及び埃）で発生する強い散乱光の検出信号が飽和した信号となる。

これに対し、実施の形態１に係る浮遊粒子検出装置１においては、浮遊粒子通過時間の１周期内において、照射光Ｌ０の強度を変化させるとともに、光源駆動電圧Ｄ１の増加によって光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が増加したときに、第１の可変増幅部１７は制御信号Ｃ１に応じて第１のゲインＧ１１を減少させ、第２の可変増幅部１８は制御信号Ｃ１に応じて第２のゲインＧ１２を減少させ、また、光源駆動電圧Ｄ１の減少によって光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が減少したときに、第１の可変増幅部１７は制御信号Ｃ１に応じて第１のゲインＧ１１を増加させ、第２の可変増幅部１８は制御信号Ｃ１に応じて第２のゲインＧ１２を増加させる。光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度を弱くした期間（１周期の前半）には、粒径の小さな浮遊粒子５２は検出されないが、粒径の大きな浮遊粒子５１を、粒径の小さな浮遊粒子５２と区別して、検出することができる。光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度を強くした期間（１周期の後半）では、粒径の大きな浮遊粒子５１の検出信号は飽和するので除外可能であり、粒径の小さな浮遊粒子５２を、粒径の大きな浮遊粒子５１と区別して検出することができる。

なお、上記説明では、浮遊粒子通過時間の１周期内において、照射光Ｌ０の強度を２段階に切り替え、それに同期させて第１及び第２のゲインＧ１１，Ｇ１２を２段階に切り替える場合を説明したが、本発明はこれには限定されず、照射光Ｌ０の強度を３段階以上に切り替え、それに同期させて第１及び第２のゲインＧ１１，Ｇ１２を３段階に切り替える構成としてもよい。

なお、上記説明では、浮遊粒子通過時間の１周期内の前半の照射光Ｌ０の光量を低くし、１周期内の後半の照射光Ｌ０の光量を高くする場合を説明したが、本発明はこれには限定されず、照射光Ｌ０の切り替え順は、高い光量を先にし、低い光量を後にするなどのように、他の順番であってもよい。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る浮遊粒子検出装置２の構成を概略的に示す図である。図７において、図１に示される構成要素と同一又は対応する構成要素には、図１に示される符号と同じ符号を付す。また、図８（ａ）から（ｆ）は、実施の形態２に係る浮遊粒子検出装置２の動作を示す波形図である。図８（ａ）から（ｆ）は、図３（ａ）から（ｆ）に対応する波形図である。図７及び図８（ａ）から（ｆ）からわかるように、実施の形態２に係る浮遊粒子検出装置２は、制御信号Ｃ２の波形が線形に値が増加する三角波状である点において、制御信号Ｃ１が２値の波形である実施の形態１のものと相違する。

図７に示されるように、浮遊粒子検出装置２は、空気５０が流入する容器を構成する筐体１０と、空気供給部１１と、光照射部１２と、第１の受光部１３と、第２の受光部１４と、制御信号生成部２５と、光源駆動部１６と、第１の可変増幅部１７と、第２の可変増幅部１８と、信号処理部１９とを有している。

制御信号生成部２５は、浮遊粒子５１，５２が照射光Ｌ０の光束径内に入ってから出るまでの浮遊粒子通過時間の間で予め決められた波形を持つ制御信号Ｃ２を生成する。制御信号Ｃ２は、浮遊粒子通過時間（１周期）の間で、連続的に増加又は減少する電位の波形を持つ。図８（ａ）には、制御信号Ｃ２は、浮遊粒子通過時間（１周期）の間で、線形に増加する電位の波形を持つ。ただし、制御信号Ｃ２は線形に増加又は線形に減少する場合に限定されず、徐々に増加又は徐々に減少する変化であれば、階段状に増加又は階段状に減少してもよい。図７及び図８（ａ）から（ｆ）は、制御信号Ｃ２が浮遊粒子通過時間の間で線形に増加する場合を示す。制御信号Ｃ２が浮遊粒子通過時間の間で線形に増加する期間では、図８（ｂ）に示されるように、光源駆動電圧Ｄ２に対応する照射光Ｌ０の光強度は、制御信号Ｃ２に応じて線形に増加し、図８（ｃ）に示されるように、第１のゲインＧ２１は、図８（ｄ）に示されるように、制御信号Ｃ２に応じて線形に減少し、第２のゲインＧ２２は、制御信号Ｃ２に応じて線形に減少する。なお、制御信号Ｃ２が浮遊粒子通過時間の間で線形に減少する期間では、照射光Ｌ０の光強度は、制御信号Ｃ２に応じて線形に減少し、第１のゲインＧ２１は、制御信号Ｃ２に応じて連続的に増加し、第２のゲインＧ２２は、制御信号Ｃ２に応じて線形に増加する。なお、実施の形態１の式（１）と同様に、制御信号Ｃ２の１周期の時間（１波長の長さ）をＰ［ｓｅｃ］とすると、
Ｐ［ｓｅｃ］＝１０００×Ｗ［ｍｍ］／Ｆ［ｍ／ｓｅｃ］となる。

浮遊粒子検出装置２においては、制御信号Ｃ２に応じた光源駆動電圧Ｄ２の増加によって光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が線形に増加したときに、第１の可変増幅部１７は制御信号Ｃ２に応じて第１のゲインＧ２１を線形に減少させ、第２の可変増幅部１８は制御信号Ｃ２に応じて第２のゲインＧ２２を線形に減少させる。また、浮遊粒子検出装置１においては、制御信号Ｃ２に応じた光源駆動電圧Ｄ２の減少によって光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が減少したときに（１周期の終わりの時点）、第１の可変増幅部１７は制御信号Ｃ１に応じて第１のゲインＧ２１を増加させ、第２の可変増幅部１８は制御信号Ｃ２に応じて第２のゲインＧ２２を増加させる。光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が弱い期間（１周期の前半）には、粒径の小さな浮遊粒子５２は検出されないが、粒径の大きな浮遊粒子５１を、粒径の小さな浮遊粒子５２と区別して、検出することができる。光照射部１２から照射される照射光Ｌ０の光強度が強い期間（１周期の後半）では、粒径の大きな浮遊粒子５１の検出信号は飽和するので除外可能であり、粒径の小さな浮遊粒子５２を、粒径の大きな浮遊粒子５１と区別して、検出することができる。

その散乱光を第２のレンズ５にて集光し、第１の受光素子１３１に入力し電気信号に変換する。また、散乱光を第３のレンズ６にて集光し偏光フィルタ１４２を通過し第２の受光素子１４１に入力し電気信号に変換する。第１の受光素子１３１の電気信号は、第１の可変増幅部１７に入力され増幅される。浮遊粒子が小さいと電圧は低くなり、浮遊粒子が大きいと電圧は高くなる。第２の受光素子１４１の電気信号は、第２の可変増幅部１８に入力され増幅される。

第１の可変増幅部１７の出力電圧と偏光フィルタ１４２を通過した信号を入力した第２の可変増幅部１８の出力電圧を信号処理部１９で演算することにより、物質によって異なる偏光度から浮遊粒子の種類を判別することができる。また、このとき図８（ａ）に示した制御信号Ｃ２により第１の可変増幅部１７と第２の可変増幅部１８の第１及び第２のゲインＧ２１，Ｇ２２が変化し、発光素子の発光強度が強いときは、第１及び第２のゲインＧ２１，Ｇ２２を下げ、発光強度が弱いときは、第１及び第２のゲインＧ２１，Ｇ２２を上げれば、散乱光の強さを正規化でき、また、ダイナミックレンジを拡大することもできる。さらに、発光素子１２１の発光強度が線形（リニア）に変化するので、散乱光の強さを平均する効果があり、浮遊粒子の大きさをより正確に判別することができる。

本発明が適用された浮遊粒子検出装置は、空気中に浮遊する微粒子を検出するための装置に利用可能であり、特に、エアコン及び空気清浄機等に用いられるダストセンサ及び花粉センサ等として利用可能である。

１０ 匡体、 １１ 流体供給部（流量制御部）、 １２ 光照射部、 １３ 第１の受光部、 １４ 第２の受光部、 １５，２５ 制御信号発生部、 １６ 光源駆動部、 １７ 第１の可変増幅部、 １８ 第２の可変増幅部、 １９ 信号処理部、 ４０ 検出領域、 ５０ 空気（流体）、 ５１ 浮遊粒子（花粉、ダスト）、 ５２ 浮遊粒子（ＰＭ２．５）、 １２１ 発光素子（光源）、 １２２ 集光レンズ、 １３１ 第１の受光素子、 １３２ 集光レンズ、 １４１ 第２の受光素子、 １４２ 偏光フィルタ、 １４３ 集光レンズ、 Ｃ１，Ｃ２ 制御信号、 Ｄ１，Ｄ２ 光源駆動信号、 Ｗ 検出領域の幅、 Ｆ 空気（流体）の流速、 Ｌ０ 照射光、 Ｌ１ 第１の散乱光、 Ｌ２ 第２の散乱光、 Ｌ２ａ 第２の散乱光から分離された偏光成分の光、 Ｐ 制御信号の１周期（１波長）。

Claims (9)

1. 流体を供給して、前記流体を予め決められた流速で検出領域を通過させる流体供給部と、
   光源駆動電圧に応じた光強度を持ち、予め決められた光束径を持つ照射光を、前記検出領域を通過する前記流体の中に存在する浮遊粒子に照射する光照射部と、
   前記検出領域を通過する前記流体の中に存在する前記浮遊粒子に照射された前記照射光の散乱によって発生する散乱光の内の、予め決められた第１方向に進む第１の散乱光を受光し、前記第１の散乱光の強度に応じた第１の検出信号を出力する第１の受光部と、
   前記散乱光の内の、予め決められた第２方向に進む第２の散乱光から予め決められた偏光方向を持つ偏光成分の光を分離し、前記分離された偏光成分の光を受光して、前記分離された偏光成分の光の強度に応じた第２の検出信号を出力する第２の受光部と、
   前記浮遊粒子が前記照射光の前記光束径内に入ってから出るまでの浮遊粒子通過時間の間で予め決められた波形を持つ制御信号を生成する制御信号生成部と、
   前記制御信号の前記波形に応じた前記光源駆動電圧を前記光照射部に供給する光源駆動部と、
   前記制御信号の前記波形に基づく第１のゲインで前記第１の検出信号を増幅する第１の可変増幅部と、
   前記制御信号の前記波形に基づく第２のゲインで前記第２の検出信号を増幅する第２の可変増幅部と、
   前記増幅された第１の検出信号と前記増幅された第２の検出信号とに基づいて前記浮遊粒子の粒径及び種類を判別する信号処理部と、
   を備え、
   前記制御信号に応じた前記光源駆動電圧の増加によって前記照射光の光強度が増加したときに、前記第１の可変増幅部は、前記制御信号に応じて前記第１のゲインを減少させ、前記第２の可変増幅部は、前記制御信号に応じて前記第２のゲインを減少させ、
   前記制御信号に応じた前記光源駆動電圧の減少によって前記照射光の光強度が減少したときに、前記第１の可変増幅部は、前記制御信号に応じて前記第１のゲインを増加させ、前記第２の可変増幅部は、前記制御信号に応じて前記第２のゲインを増加させる
   ことを特徴とする浮遊粒子検出装置。
2. 前記制御信号は、前記浮遊粒子通過時間の間で第１電位レベルと前記第１電位レベルよりも高い第２電位レベルとを持つ２値信号であることを特徴とする請求項１に記載の浮遊粒子検出装置。
3. 前記制御信号が前記第１電位レベルである期間では、前記光照射部は前記照射光の光強度を第１強度値にし、前記第１の可変増幅部は前記第１のゲインを第１の値とし、前記第２の可変増幅部は前記第２のゲインを第２の値とし、
   前記制御信号が前記第２電位レベルである期間では、前記光照射部は前記照射光の光強度を前記第１強度値よりも強い第２強度値とし、前記第１の可変増幅部は前記第１のゲインを前記第１の値より小さい第３の値とし、前記第２の可変増幅部は前記第２のゲインを前記第２の値より小さい第４の値とする
   ことを特徴とする請求項２に記載の浮遊粒子検出装置。
4. 前記制御信号は、前記浮遊粒子通過時間の間で、徐々に増加又は徐々に減少する電位の波形を持つことを特徴とする請求項１に記載の浮遊粒子検出装置。
5. 前記制御信号は、前記浮遊粒子通過時間の間で、線形に増加又は線形に減少する電位の波形を持つことを特徴とする請求項４に記載の浮遊粒子検出装置。
6. 前記制御信号が前記浮遊粒子通過時間の間で徐々に増加する期間では、前記照射光の光強度は、前記制御信号に応じて徐々に増加し、前記第１のゲインは、前記制御信号に応じて徐々に減少し、前記第２のゲインは、前記制御信号に応じて徐々に減少することを特徴とする請求項４又は５に記載の浮遊粒子検出装置。
7. 前記制御信号が前記浮遊粒子通過時間の間で徐々に減少する期間では、前記照射光の光強度は、前記制御信号に応じて徐々に減少し、前記第１のゲインは、前記制御信号に応じて徐々に増加し、前記第２のゲインは、前記制御信号に応じて徐々に増加することを特徴とする請求項４又は５に記載の浮遊粒子検出装置。
8. 前記光照射部は、前記照射光としてレーザ光を出射するレーザ発光素子を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の浮遊粒子検出装置。
9. 前記第１の受光部は、前記第１の散乱光が入射する第１の受光素子を有し、
   前記第２の受光部は、前記予め決められた偏光方向を持つ偏光成分の光を分離する偏光フィルタと、前記分離された偏光成分の光が入射する第２の受光素子とを有する
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の浮遊粒子検出装置。

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