JP6830262B2 - Particle detection sensor, dust sensor, smoke detector, and air conditioner - Google Patents

Particle detection sensor, dust sensor, smoke detector, and air conditioner Download PDF

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Description

本発明は、粒子検出センサ、ダストセンサ、煙感知器、及び、空調装置に関する。 The present invention relates to a particle detection sensor, a dust sensor, a smoke detector, and an air conditioner.

光散乱式の粒子検出センサは、投光素子と受光素子とを備える光電式センサであり、測定対象の流体を取り込んで投光素子の光を当該流体に照射し、その散乱光によって流体に含まれる粒子の有無を検出する。このような粒子検出センサは、例えば、大気中に浮遊するホコリ、花粉、煙等の粒子を検出することができる(例えば、特許文献1〜4参照)。 The light scattering type particle detection sensor is a photoelectric sensor including a light emitting element and a light receiving element. It takes in a fluid to be measured, irradiates the fluid with the light of the light scattering element, and contains the scattered light in the fluid. Detects the presence or absence of particles. Such a particle detection sensor can detect particles such as dust, pollen, and smoke floating in the atmosphere (see, for example, Patent Documents 1 to 4).

特開2015−114176号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-114176 特開2006−138833号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-138833 特開2001−058114号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-058114 特開2002−116135号公報JP-A-2002-116135

このような粒子検出センサを用いてPM2.5相当の微小粒子から花粉相当の粗大粒子(例えば、最大粒子径50μm)までを検出するためには、散乱光強度に対応する電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを非常に大きく設計する必要がある。例えば、粒子径50μmの粗大粒子による散乱光強度は、粒子径0.3μmの微小粒子による散乱光強度のおよそ5万倍となる。このため、微小粒子から粗大粒子まで検出しようとすると、電気信号を処理する回路にも同程度のダイナミックレンジが要求される。しかしながら、これほど大きなダイナミックレンジを有する回路の実現は、回路特性等から非常に困難である。 In order to detect from fine particles equivalent to PM2.5 to coarse particles equivalent to pollen (for example, maximum particle diameter 50 μm) using such a particle detection sensor, a circuit that processes an electric signal corresponding to the scattered light intensity. It is necessary to design the dynamic range of the. For example, the scattered light intensity of coarse particles having a particle diameter of 50 μm is approximately 50,000 times the scattered light intensity of fine particles having a particle diameter of 0.3 μm. Therefore, when trying to detect from fine particles to coarse particles, a circuit that processes an electric signal is required to have a similar dynamic range. However, it is very difficult to realize a circuit having such a large dynamic range due to circuit characteristics and the like.

そこで、本発明は、電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化(広ダイナミックレンジ化)することができる粒子検出センサ等を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a particle detection sensor or the like capable of widening the dynamic range of the particle diameter that can be determined (widening the dynamic range) without increasing the dynamic range of the circuit that processes the electric signal. With the goal.

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る粒子検出センサは、検知領域に光を投光する投光素子と、粒子径に依存する速度で前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光して、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、前記受光素子から入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅する増幅回路と、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する演算部とを備える。 In order to achieve the above object, the particle detection sensor according to one aspect of the present invention includes a light projecting element that projects light into the detection region and the light projecting by particles passing through the detection region at a speed dependent on the particle size. The higher the frequency of the light receiving element that receives the scattered light of the light from the element and generates an electric signal including the pulsed waveform corresponding to the particle and the electric signal input from the light receiving element, the higher the electric signal. It is provided with an amplifier circuit that amplifies the light with a large amplification factor, and a calculation unit that calculates the particle size of the particles that have passed through the detection region based on the pulse width of the pulsed waveform included in the amplified electric signal.

また、本発明の他の一態様に係る粒子検出センサは、検知領域に光を投光する投光素子と、粒子径に依存する速度で前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光し、受光した散乱光の時間的な変化により得られる周波数が高いほど大きな変換効率で光電変換し、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、前記受光素子から入力される電気信号を増幅する増幅回路と、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する演算部とを備える。 Further, the particle detection sensor according to another aspect of the present invention is from a light projecting element that projects light into the detection region and the light projecting element that uses particles that pass through the detection region at a speed that depends on the particle size. A light receiving element that receives scattered light and performs photoelectric conversion with higher conversion efficiency as the frequency obtained by the temporal change of the received scattered light increases, and generates an electric signal including a pulsed waveform corresponding to the particle. And an amplifier circuit that amplifies the electric signal input from the light receiving element, and a calculation for calculating the particle size of the particles that have passed through the detection region based on the pulse width of the pulsed waveform included in the amplified electric signal. It has a part.

また、本発明の一態様に係るダストセンサ及び煙感知器の各々は、上記の粒子検出センサを備える。 Further, each of the dust sensor and the smoke detector according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned particle detection sensor.

また、本発明の一態様に係る空調装置は、上記の粒子検出センサと、前記検知領域に対して、前記粒子の自重による移動を妨げる向きに前記粒子を含む流体を通過させる流速発生部とを備える。 Further, in the air conditioner according to one aspect of the present invention, the particle detection sensor and a flow velocity generating unit that allows a fluid containing the particles to pass through the detection region in a direction that hinders the movement of the particles due to their own weight. Be prepared.

本発明に係る粒子検出センサ等によれば、電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化することができる。 According to the particle detection sensor or the like according to the present invention, it is possible to widen the dynamic range of the particle diameter that can be determined without increasing the dynamic range of the circuit that processes the electric signal.

図1は、実施の形態に係る粒子検出センサの構成の一例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the particle detection sensor according to the embodiment. 図2は、検知領域を通過する流体中の粒子の状態を模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing the state of particles in the fluid passing through the detection region. 図3は、増幅回路の増幅率の周波数特性の概要を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing an outline of the frequency characteristics of the amplification factor of the amplifier circuit. 図4は、増幅回路による増幅処理を概念的に示す図である。FIG. 4 is a diagram conceptually showing the amplification process by the amplifier circuit. 図5は、変形例2における増幅回路による増幅後の電気信号を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing an electric signal after amplification by an amplifier circuit in Modification 2. 図6は、変形例3における増幅回路による増幅後の電気信号を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing an electric signal after amplification by an amplifier circuit in Modification 3. 図7は、変形例4における検知領域を通過する流体中の粒子の状態を模式的に示す図である。FIG. 7 is a diagram schematically showing the state of particles in the fluid passing through the detection region in the modified example 4. 図8は、変形例5に係る粒子検出センサの構成の一例を示すブロック図である。FIG. 8 is a block diagram showing an example of the configuration of the particle detection sensor according to the modified example 5. 図9は、粒子検出センサを備える空気清浄機の外観図である。FIG. 9 is an external view of an air purifier including a particle detection sensor. 図10は、粒子検出センサを備える煙感知器の外観図である。FIG. 10 is an external view of a smoke detector including a particle detection sensor. 図11は、粒子検出センサを備える換気扇の外観図である。FIG. 11 is an external view of a ventilation fan including a particle detection sensor. 図12は、粒子検出センサを備えるエアコンの外観図である。FIG. 12 is an external view of an air conditioner including a particle detection sensor.

以下では、本発明の実施の形態に係る粒子検出センサ等について、図面を用いて詳細に説明する。なお、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、構成要素の配置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。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。 Hereinafter, the particle detection sensor and the like according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that all of the embodiments described below show a preferred specific example of the present invention. Therefore, the numerical values, shapes, materials, components, arrangement and connection forms of the components, steps and the order of steps shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present invention. Therefore, among the components in the following embodiments, the components not described in the independent claims indicating the highest level concept of the present invention will be described as arbitrary components.

また、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、同じ構成部材については同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する場合がある。 Further, each figure is a schematic view and is not necessarily exactly illustrated. Further, in each figure, the same constituent members may be designated by the same reference numerals, and duplicate description may be omitted or simplified.

(実施の形態)
[1.構成]
まず、本発明の実施の形態に係る粒子検出センサの全体構成について説明する。
(Embodiment)
[1. Constitution]
First, the overall configuration of the particle detection sensor according to the embodiment of the present invention will be described.

図1は、本実施の形態に係る粒子検出センサ1の構成の一例を示すブロック図である。なお、同図では、センサ部10の内部構成が模式的に示されている。 FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the particle detection sensor 1 according to the present embodiment. In the figure, the internal configuration of the sensor unit 10 is schematically shown.

粒子検出センサ1は、当該粒子検出センサ1の周辺に漂う空気(以下、周辺空気と称する)に含まれる粒子を検出する。 The particle detection sensor 1 detects particles contained in the air floating around the particle detection sensor 1 (hereinafter, referred to as ambient air).

同図に示すように、粒子検出センサ1は、センサ部10と信号処理部20とを備え、センサ部10の検知領域DAに位置する粒子2からの散乱光に基づいて、粒子検出センサ1に取り込んだ周辺空気に含まれる粒子を検出する。また、粒子検出センサ1は、さらに、粒子検出センサ1が備える各構成に対して電源を供給する電源部30を備える。この電源部30は、例えば、粒子検出センサ1の外部から供給された電圧を所望の電圧に変換するレギュレータ等により構成される。 As shown in the figure, the particle detection sensor 1 includes a sensor unit 10 and a signal processing unit 20, and is attached to the particle detection sensor 1 based on scattered light from the particles 2 located in the detection region DA of the sensor unit 10. Detects particles contained in the captured ambient air. Further, the particle detection sensor 1 further includes a power supply unit 30 that supplies power to each configuration included in the particle detection sensor 1. The power supply unit 30 is composed of, for example, a regulator that converts a voltage supplied from the outside of the particle detection sensor 1 into a desired voltage.

以下、粒子検出センサ1の各構成について、具体的に説明する。 Hereinafter, each configuration of the particle detection sensor 1 will be specifically described.

[1−1.センサ部]
センサ部10は、粒子検出センサ1の測定対象である周辺空気を取り込んで、取り込んだ周辺空気に光を照射し、その散乱光の光強度を示す電気信号(ここでは電流信号)を出力する、光電式センサ(光散乱式の粒子検出センサ)である。つまり、センサ部10は、取り込んだ周辺空気に含まれる粒子2に応じた時系列の電気信号を出力する。
[1-1. Sensor part]
The sensor unit 10 takes in the ambient air to be measured by the particle detection sensor 1, irradiates the captured ambient air with light, and outputs an electric signal (here, a current signal) indicating the light intensity of the scattered light. It is a photoelectric sensor (light scattering type particle detection sensor). That is, the sensor unit 10 outputs a time-series electric signal corresponding to the particles 2 contained in the captured ambient air.

具体的には、本実施の形態では、センサ部10は、投光系11と受光系12と筐体13とヒーター15とを備え、筐体13の流入口18から流出口19までの粒子流路に設けられた検知領域DAを通過する(検知領域DAに位置する)粒子2からの散乱光に応じた電気信号を出力する。投光系11、受光系12及び検知領域DAは、外光が照射されないように、筐体13に収容されている。 Specifically, in the present embodiment, the sensor unit 10 includes a light emitting system 11, a light receiving system 12, a housing 13, and a heater 15, and a particle flow from the inlet 18 to the outlet 19 of the housing 13. An electric signal corresponding to the scattered light from the particles 2 passing through the detection region DA provided on the path (located in the detection region DA) is output. The light projecting system 11, the light receiving system 12, and the detection area DA are housed in the housing 13 so as not to be irradiated with external light.

検知領域DAは、測定対象の気体に含まれる粒子2(エアロゾル)を検知するためのエアロゾル検知領域(エアロゾル測定部)であり、投光系11の光軸Pと受光系12の光軸Qとが交差する交点を含む、例えばφ2mm程度の領域である。つまり、検知領域DAは、投光系11の光が投光される空間領域と投光系11の光が粒子2に当たって発生した散乱光を受光系12に導くための空間領域とが重なる空間領域である。 The detection region DA is an aerosol detection region (aerosol measurement unit) for detecting particles 2 (aerosol) contained in the gas to be measured, and includes the optical axis P of the light projecting system 11 and the optical axis Q of the light receiving system 12. It is a region of, for example, about φ2 mm, which includes an intersection where That is, the detection region DA is a spatial region in which the spatial region in which the light of the projection system 11 is projected and the spatial region for guiding the scattered light generated by the light of the projection system 11 hitting the particles 2 to the light receiving system 12 overlap. Is.

投光系11は、検知領域DAに光を投光する光学素子からなり、本実施の形態では、投光素子111と、投光素子111の前方(光投光側)に配置された投光レンズ112とを有する。 The light projecting system 11 includes an optical element that projects light into the detection region DA, and in the present embodiment, the light projecting element 111 and the light projecting arranged in front of the light projecting element 111 (light projecting side). It has a lens 112.

投光素子111は、検知領域DAに光を投光する、例えばLED(Light Emitting Diode)や半導体レーザ等の固体発光素子である。投光素子111は、例えば、赤外光、青色光、緑色光、赤色光または紫外光等の所定の波長の光を投光し、2波長以上の混合波を投光してもよい。本実施の形態では、粒子2によって散乱された光の強度(散乱光強度)に鑑みて、投光素子111として、例えば、400nm〜1000nmの波長の光を投光する砲弾型のLEDが用いられる。 The light projecting element 111 is a solid-state light emitting element such as an LED (Light Emitting Diode) or a semiconductor laser that projects light into the detection region DA. The light projecting element 111 may project light having a predetermined wavelength such as infrared light, blue light, green light, red light, or ultraviolet light, and project a mixed wave having two or more wavelengths. In the present embodiment, in view of the intensity of the light scattered by the particles 2 (scattered light intensity), as the light projecting element 111, for example, a bullet-shaped LED that emits light having a wavelength of 400 nm to 1000 nm is used. ..

なお、投光素子111から投光された光の波長が短いほど、粒子径の小さな粒子2を検出しやすくなる。また、投光素子111の投光制御方式は特に限定されるものではなく、投光素子111から投光される光は、DC駆動による連続光またはパルス光等とすることができる。 The shorter the wavelength of the light projected from the light projecting element 111, the easier it is to detect the particles 2 having a small particle diameter. Further, the light projection control method of the light projecting element 111 is not particularly limited, and the light projected from the light projecting element 111 can be continuous light or pulsed light driven by DC.

投光レンズ112は、投光素子111の前方かつ投光系11の光軸P上に配置され、投光素子111から投光された光を検知領域DAに向けて進行させるように構成されている。例えば、投光レンズ112は、投光素子111から投光された光を検知領域DAに集光する集光レンズであり、PC(polycarbonate)等の透明樹脂またはガラスによって形成される。つまり、投光素子111から投光された光は、投光レンズ112を介して検知領域DAに到達する。この際、検知領域DAに粒子2が位置していると、当該粒子2によって投光素子111からの光が散乱される。 The light projecting lens 112 is arranged in front of the light projecting element 111 and on the optical axis P of the light projecting system 11, and is configured to allow the light projected from the light projecting element 111 to travel toward the detection region DA. There is. For example, the light projecting lens 112 is a light condensing lens that collects the light projected from the light projecting element 111 into the detection region DA, and is formed of a transparent resin such as PC (polycarbonate) or glass. That is, the light projected from the light projecting element 111 reaches the detection region DA via the light projecting lens 112. At this time, if the particles 2 are located in the detection region DA, the light from the light projecting element 111 is scattered by the particles 2.

受光系12は、検知領域DAからの光を受光する光学素子からなり、本実施の形態では、受光素子121と、受光素子121の前方(光入射側)に配置された受光レンズ122とを有する。検知領域DAに粒子2が位置する場合、当該粒子2によって散乱された光(散乱光)は、受光系12によって受光される。 The light receiving system 12 includes an optical element that receives light from the detection region DA, and in the present embodiment, the light receiving system 12 has a light receiving element 121 and a light receiving lens 122 arranged in front of the light receiving element 121 (light incident side). .. When the particles 2 are located in the detection region DA, the light (scattered light) scattered by the particles 2 is received by the light receiving system 12.

受光素子121は、粒子径に依存する速度で検知領域DAを通過する粒子2による投光素子111からの光の散乱光を受光して、当該粒子2に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する。つまり、受光素子121は、受光した散乱光の時間的な光強度の変化を示す電気信号を生成する。 The light receiving element 121 receives scattered light from the light projecting element 111 by the particles 2 passing through the detection region DA at a speed dependent on the particle size, and an electric signal including a pulsed waveform corresponding to the particles 2. To generate. That is, the light receiving element 121 generates an electric signal indicating a change in light intensity of the received scattered light over time.

受光素子121は、受光した散乱光を電気信号に変換する光電変換素子であり、本実施の形態では、投光素子111が投光する光に感度を有するフォトダイオード及びフォトトランジスタの少なくとも一方を含む。つまり、受光素子121は、受光した光強度に応じた電気信号(ここでは電流信号)を出力する。なお、受光素子121は、例えば、フォトICダイオードまたは光電子増倍管などを含んでもかまわない。 The light receiving element 121 is a photoelectric conversion element that converts the received scattered light into an electric signal, and in the present embodiment, includes at least one of a photodiode and a phototransistor having sensitivity to the light projected by the light projecting element 111. .. That is, the light receiving element 121 outputs an electric signal (here, a current signal) according to the received light intensity. The light receiving element 121 may include, for example, a photo IC diode or a photomultiplier tube.

受光レンズ122は、検知領域DAと受光素子121との間に配置され、検知領域DAに位置する粒子2による散乱光を受光素子121に集光するように構成されている。例えば、受光レンズ122は、検知領域DAに位置する粒子2によって散乱された光を受光素子121に集束させる集光レンズであり、投光レンズ112と同様の材質により形成される。 The light receiving lens 122 is arranged between the detection region DA and the light receiving element 121, and is configured to collect the scattered light by the particles 2 located in the detection region DA on the light receiving element 121. For example, the light receiving lens 122 is a condensing lens that focuses the light scattered by the particles 2 located in the detection region DA on the light receiving element 121, and is made of the same material as the light projecting lens 112.

筐体13は、遮光性を有し、粒子2を含む周辺空気が流れる筒状の空間領域である粒子流路が設けられた部材である。例えば、筐体13は、迷光を減衰させやすいように、少なくとも内面が黒色面である。 The housing 13 is a member having a light-shielding property and provided with a particle flow path which is a tubular space region through which ambient air including particles 2 flows. For example, the housing 13 has at least an inner surface black so as to easily attenuate stray light.

筐体13は、例えば、ABS樹脂などの樹脂材料を用いた射出成形により形成される。このとき、例えば、黒色の顔料または染料を添加した樹脂材料を用いて筐体13を形成することで、筐体13の内面を黒色面にして迷光の減衰を図ることができる。あるいは、射出成形後に筐体13の内面に黒色塗料を塗布することで、筐体13の内面を黒色面にして迷光の減衰を図ることができる。また、筐体13の内面にシボ加工などの表面処理を行うことにより、迷光の減衰を図ることができる。 The housing 13 is formed by injection molding using, for example, a resin material such as ABS resin. At this time, for example, by forming the housing 13 using a resin material to which a black pigment or dye is added, the inner surface of the housing 13 can be made a black surface to attenuate stray light. Alternatively, by applying a black paint to the inner surface of the housing 13 after injection molding, the inner surface of the housing 13 can be made a black surface to attenuate stray light. Further, the stray light can be attenuated by performing a surface treatment such as embossing on the inner surface of the housing 13.

筐体13には、上述したように流入口18及び流出口19が設けられている。このため、周辺空気は、流入口18から筐体13の内部に進入し、粒子流路を通って検知領域DAに導かれ、流出口19から筐体13の外部に流出する。 The housing 13 is provided with an inflow port 18 and an outflow port 19 as described above. Therefore, the ambient air enters the inside of the housing 13 from the inflow port 18, is guided to the detection region DA through the particle flow path, and flows out from the outflow port 19 to the outside of the housing 13.

ヒーター15は、検知領域DAに対して、粒子2の自重による移動を妨げる向きに流体(ここでは周辺空気)を通過させる流速発生部である。本実施の形態では、ヒーター15は、当該ヒーター15周囲の気体を加熱することにより、粒子流路の気体を流して気流を発生させる。つまり、ヒーター15は、検知領域DAの鉛直方向下側に設けられており、鉛直上向きに粒子を含む流体を通過させる。 The heater 15 is a flow velocity generating unit that allows a fluid (here, ambient air) to pass through the detection region DA in a direction that prevents the particles 2 from moving due to their own weight. In the present embodiment, the heater 15 heats the gas around the heater 15 to flow the gas in the particle flow path to generate an air flow. That is, the heater 15 is provided on the lower side in the vertical direction of the detection region DA, and allows the fluid containing the particles to pass vertically upward.

具体的には、ヒーター15によって周囲の気体が加熱されると、加熱された気体は、膨張して密度が小さくなることにより重力と逆方向の上方向に移動する。つまり、ヒーター15によって、上方向の気流(上昇気流)が発生する。この気流が粒子流路の気体を流すことにより、粒子流路に気流が生じる。その結果、粒子検出センサ1の周辺空気が流入口18から筐体13内部に引き込まれるため、ヒーター15を設けない場合に比べて、センサ部10内に多くの粒子2を取り込むことができる。 Specifically, when the surrounding gas is heated by the heater 15, the heated gas expands and becomes less dense, so that the heated gas moves upward in the direction opposite to gravity. That is, the heater 15 generates an upward airflow (updraft). When this air flow flows the gas in the particle flow path, an air flow is generated in the particle flow path. As a result, since the ambient air of the particle detection sensor 1 is drawn into the housing 13 from the inflow port 18, more particles 2 can be taken into the sensor unit 10 as compared with the case where the heater 15 is not provided.

[1−2.信号処理部]
信号処理部20は、受光素子121から出力された電気信号を信号処理することにより、流体中の粒子の粒子径を算出する。図1に示すように、信号処理部20は、アナログ信号処理を施すアナログ信号処理部21と、デジタル信号処理を施す汎用MPU22とを備える。
[1-2. Signal processing unit]
The signal processing unit 20 calculates the particle size of the particles in the fluid by signal processing the electric signal output from the light receiving element 121. As shown in FIG. 1, the signal processing unit 20 includes an analog signal processing unit 21 that performs analog signal processing and a general-purpose MPU 22 that performs digital signal processing.

アナログ信号処理部21は、アナログ回路により構成され、本実施の形態では、受光素子121から出力された電流信号に対して各種のアナログ信号処理を施すことにより、当該電流信号に基づく電圧信号を出力する。ここで、各種のアナログ信号処理とは、例えば、電流(I)を電圧(V)に変換するI/V変換、入力された信号の所望の周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタ処理、及び、入力された信号を増幅して出力する増幅処理である。アナログ信号処理部21は、I/V変換を行うIV変換回路211と、増幅処理を行う増幅回路212とを含む。 The analog signal processing unit 21 is composed of an analog circuit, and in the present embodiment, the current signal output from the light receiving element 121 is subjected to various analog signal processing to output a voltage signal based on the current signal. To do. Here, various analog signal processing includes, for example, I / V conversion for converting current (I) into voltage (V), bandpass filter processing for passing a desired frequency band of an input signal, and input. This is an amplification process that amplifies and outputs the generated signal. The analog signal processing unit 21 includes an IV conversion circuit 211 that performs I / V conversion and an amplifier circuit 212 that performs amplification processing.

IV変換回路211は、受光素子121から出力された電流信号をI/V変換することにより、当該電流信号に応じた電圧信号を生成する。このように電流信号を電圧信号に変換することにより、以降の信号処理の容易化が図られるとともに、IV変換回路211の後段に接続された増幅回路212の設計の容易化が図られる。 The IV conversion circuit 211 generates a voltage signal corresponding to the current signal by performing I / V conversion of the current signal output from the light receiving element 121. By converting the current signal into a voltage signal in this way, the subsequent signal processing can be facilitated, and the design of the amplifier circuit 212 connected to the subsequent stage of the IV conversion circuit 211 can be facilitated.

増幅回路212は、IV変換回路211から出力された電圧信号を、所定の周波数特性にしたがって増幅する。なお、増幅回路212の周波数特性については、後述する。 The amplifier circuit 212 amplifies the voltage signal output from the IV conversion circuit 211 according to a predetermined frequency characteristic. The frequency characteristics of the amplifier circuit 212 will be described later.

このように構成されたアナログ信号処理部21は、受光素子121からの出力を示し、かつ、検知領域DAに位置する粒子2に対応するパルス状の波形を含む電気信号である検知信号(センサ出力)を出力する。 The analog signal processing unit 21 configured in this way indicates a detection signal (sensor output) which is an electric signal indicating an output from the light receiving element 121 and including a pulsed waveform corresponding to the particle 2 located in the detection region DA. ) Is output.

汎用MPU22は、デジタル回路により構成され、アナログ信号処理部21から出力された検知信号を用いて、検知領域DAにおける流体に含まれる粒子を検出する。汎用MPU22は、図1に示すように、機能ブロックとして、AD変換部221と演算部222を有する。 The general-purpose MPU 22 is composed of a digital circuit, and detects particles contained in the fluid in the detection region DA by using the detection signal output from the analog signal processing unit 21. As shown in FIG. 1, the general-purpose MPU 22 has an AD conversion unit 221 and a calculation unit 222 as functional blocks.

AD変換部221は、増幅回路212で増幅された電圧信号をサンプリング(標本化)及び量子化する。言い換えると、当該AD変換部221は、アナログ信号処理部21から出力されたアナログの検知信号をAD(Analog to Digital)変換することにより、当該検知信号に対応する時系列のデジタルデータを生成する。つまり、AD変換部221は、受光素子121から出力された電流信号に基づく時系列のデジタルデータを生成する。 The AD conversion unit 221 samples (samples) and quantizes the voltage signal amplified by the amplifier circuit 212. In other words, the AD conversion unit 221 generates time-series digital data corresponding to the detection signal by AD (Analog to Digital) conversion of the analog detection signal output from the analog signal processing unit 21. That is, the AD conversion unit 221 generates time-series digital data based on the current signal output from the light receiving element 121.

本実施の形態では、AD変換部221は、汎用MPU22に予め組み込まれたAD変換モジュールであり、当該汎用MPU22のアナログ入力端子に入力された電圧信号をデジタルデータに変換する。例えば、AD変換部221は、汎用MPU22のアナログ入力端子に入力された0.0〜5.0Vの範囲の電圧信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングする。その後、AD変換部221は、サンプリングされた電圧信号の電圧を10ビットのデジタル値に変換することにより、上記の時系列のデジタルデータを生成する。 In the present embodiment, the AD conversion unit 221 is an AD conversion module previously incorporated in the general-purpose MPU 22, and converts a voltage signal input to the analog input terminal of the general-purpose MPU 22 into digital data. For example, the AD conversion unit 221 samples a voltage signal in the range of 0.0 to 5.0 V input to the analog input terminal of the general-purpose MPU 22 at a predetermined sampling cycle. After that, the AD conversion unit 221 generates the above-mentioned time-series digital data by converting the voltage of the sampled voltage signal into a 10-bit digital value.

演算部222は、AD変換部221で生成されたデジタルデータを用いて、検知領域DAにおける流体に含まれる粒子の粒子径及びその個数を算出する。具体的には、演算部222は、デジタルデータに含まれるパルスデータのパルス幅を用いて、検知領域DAにおける流体に含まれる粒子の粒子径を算出する。ここで、パルスデータとは、検知信号に含まれるパルス状の波形に対応する時系列のデジタルデータである。つまり、演算部222は、増幅回路212による増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を算出する。 The calculation unit 222 calculates the particle size and the number of particles contained in the fluid in the detection region DA by using the digital data generated by the AD conversion unit 221. Specifically, the calculation unit 222 calculates the particle size of the particles contained in the fluid in the detection region DA by using the pulse width of the pulse data included in the digital data. Here, the pulse data is time-series digital data corresponding to the pulse-shaped waveform included in the detection signal. That is, the calculation unit 222 calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection region DA based on the pulse width of the pulsed waveform included in the electric signal after amplification by the amplifier circuit 212.

例えば、演算部222は、予め定められた閾値におけるパルス幅に基づき、粒子径を算出する。また、演算部222は、さらに、所定期間(例えば1分間)において、当該閾値を超えたピークの個数をカウントすることにより、所定期間内に検知領域DAを通過した粒子の個数をカウントする。 For example, the calculation unit 222 calculates the particle diameter based on the pulse width at a predetermined threshold value. Further, the calculation unit 222 further counts the number of particles that have passed through the detection region DA within the predetermined period by counting the number of peaks that exceed the threshold value in the predetermined period (for example, 1 minute).

なお、粒子検出センサ1による粒子径を算出するメカニズムの詳細については、後述する。 The details of the mechanism for calculating the particle diameter by the particle detection sensor 1 will be described later.

このような汎用MPU22は、例えば、集積回路であるシステムLSIにより実現され、機能ブロック毎に個別に1チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように1チップ化されてもよい。また、汎用MPU22は、システムLSIに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。また、汎用MPU22は、LSI製造後にプログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)、またはLSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。 Such a general-purpose MPU 22 is realized by, for example, a system LSI which is an integrated circuit, and may be individually integrated into one chip for each functional block, or may be integrated into one chip so as to include a part or all of them. Further, the general-purpose MPU 22 is not limited to the system LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor. Further, the general-purpose MPU 22 may use an FPGA (Field Programmable Gate Array) that can be programmed after the LSI is manufactured, or a reconfigurable processor that can reconfigure the connection and settings of the circuit cells inside the LSI.

[2.粒子径算出のメカニズム]
次に、以上のように構成された粒子検出センサ1による粒子径を算出するメカニズムについて、説明する。
[2. Particle size calculation mechanism]
Next, the mechanism for calculating the particle diameter by the particle detection sensor 1 configured as described above will be described.

図2は、検知領域DAを通過する流体中の粒子2の状態を模式的に示す図である。なお、同図では、検知領域DAを通過する流体(本実施の形態ではヒーター15による上昇気流)についても太い矢印で模式的に示している。また、同図では、重力によって流体中の粒子2にはたらく抗力についても模式的に示し、抗力が大きいほど長い矢印で示している。 FIG. 2 is a diagram schematically showing the state of the particles 2 in the fluid passing through the detection region DA. In the figure, the fluid passing through the detection region DA (updraft by the heater 15 in the present embodiment) is also schematically shown by a thick arrow. Further, in the figure, the drag force acting on the particles 2 in the fluid due to gravity is also schematically shown, and the larger the drag force, the longer the arrow.

同図に示すように、ヒーター15による上昇気流によって、種々の大きさを有する粒子2が検知領域DAへと搬送される。このとき、粒子は、粒子径に依存する速度で検知領域DAを通過する。具体的には、粒子径が小さい微小粒子(例えば、粒子径が0.3μmの粒子)の速度は、粒子径が大きい粗大粒子(例えば、粒子径が30μmの粒子)の速度に比べて大きくなる。これは、粒子径の違いによる粒子の自重の違い、すなわち上昇気流に対する自重による抗力の違いによるものである。 As shown in the figure, particles 2 having various sizes are conveyed to the detection region DA by the updraft from the heater 15. At this time, the particles pass through the detection region DA at a speed that depends on the particle size. Specifically, the velocity of fine particles having a small particle diameter (for example, particles having a particle diameter of 0.3 μm) is higher than that of coarse particles having a large particle diameter (for example, particles having a particle diameter of 30 μm). .. This is due to the difference in the weight of the particles due to the difference in particle diameter, that is, the difference in the drag due to the weight against the updraft.

よって、検知領域DAの通過に要する時間は、粒子径が大きい粒子ほど長くなり、粒子径が小さい粒子ほど短くなる。また、検知領域DAに位置する粒子による散乱光の光強度は、粒子径が大きい粒子ほど大きくなり、粒子径が小さい粒子ほど小さくなる。よって、散乱光の光強度は、粒子径に応じて時間的にパルス状に変化することになる。 Therefore, the time required for passing through the detection region DA becomes longer for particles having a larger particle size and shorter for particles having a smaller particle size. Further, the light intensity of the scattered light by the particles located in the detection region DA increases as the particle size increases, and decreases as the particle size decreases. Therefore, the light intensity of the scattered light changes in a pulsed manner with time according to the particle size.

これにより、受光素子121から増幅回路212に入力される電気信号は、次のようなパルス状の波形を含むことになる。すなわち、電気信号は、粒子径が大きい粒子が検知領域DAを通過したとき、パルス幅及び波高値がいずれも大きなパルス状の波形を含む。つまり、このとき、増幅回路212に入力される電気信号の周波数は低くなる。一方、電気信号は、粒子径が小さい粒子が検知領域DAを通過したとき、パルス幅及び波高値がいずれも小さなパルス状の波形を含む。つまり、このとき、増幅回路212に入力される電気信号の周波数は高くなる。 As a result, the electric signal input from the light receiving element 121 to the amplifier circuit 212 includes the following pulse-shaped waveform. That is, the electric signal includes a pulse-like waveform in which both the pulse width and the crest value are large when the particles having a large particle diameter pass through the detection region DA. That is, at this time, the frequency of the electric signal input to the amplifier circuit 212 becomes low. On the other hand, the electric signal includes a pulse-like waveform in which both the pulse width and the crest value are small when the particles having a small particle diameter pass through the detection region DA. That is, at this time, the frequency of the electric signal input to the amplifier circuit 212 becomes high.

ここで、増幅回路212は、受光素子121から入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅する。具体的には、本実施の形態では、増幅回路212は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が所定の範囲内になるように増幅する。 Here, the amplifier circuit 212 amplifies the electric signal with a larger amplification factor as the frequency of the electric signal input from the light receiving element 121 is higher. Specifically, in the present embodiment, the amplifier circuit 212 amplifies so that the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electric signal is within a predetermined range.

例えば、増幅回路212は、図3に示すような周波数特性を有する。図3は、増幅回路212の増幅率(増幅回路ゲイン)の周波数特性の概要を示すグラフである。 For example, the amplifier circuit 212 has the frequency characteristics as shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing an outline of the frequency characteristics of the amplification factor (amplification circuit gain) of the amplifier circuit 212.

このような周波数特性により、増幅回路212は、粒子径30μmの粒子が検知領域DAを通過したことによる周波数faのパルス状の波形を含む電気信号を、増幅率Gaで増幅する。また、増幅回路212は、粒子径0.3μmの粒子が検知領域DAを通過したことによる周波数fb(ただしfa<fb)のパルス状の波形を含む電気信号を、増幅率Gb(ただし、Ga<Gb)で増幅する。 Due to such frequency characteristics, the amplifier circuit 212 amplifies an electric signal including a pulsed waveform of frequency fa caused by particles having a particle diameter of 30 μm passing through the detection region DA at an amplification factor Ga. Further, the amplifier circuit 212 transmits an electric signal including a pulsed waveform having a frequency fb (however, fa <fb) due to the passage of particles having a particle diameter of 0.3 μm through the detection region DA with an amplification factor Gb (however, Ga <. Amplify with Gb).

よって、増幅回路212による増幅後の電気信号は、波高値が所定の範囲内となる1以上のパルス状の波形を含むことになる。 Therefore, the electric signal after amplification by the amplifier circuit 212 includes one or more pulse-shaped waveforms whose peak value is within a predetermined range.

なお、増幅回路212は、少なくとも所定の周波数範囲内において、入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅すればよい。つまり、粒子が検知領域DAの通過に要する時間は、(i)検知領域DAの大きさ(光学焦点エリア径)、及び、(ii)検知領域DAを通過する粒子の移動速度、の2つの因子によって決定される。例えば、検知領域DAの大きさをrd[mm]、検知領域DAを通過し得る最小の粒子の移動速度をv1[mm/sec]、検知領域DAを通過し得る最大の粒子の移動速度をv2[mm/sec]とすると、所定の周波数範囲fw[Hz]は、v2/rd≦fw≦v1/rdとなる。ここで、上記(ii)検知領域DAを通過する粒子の移動速度は、粒子径に依存し、検知領域DAを通過する流体の流速、及び、流体に対する粒子の抗力等から求められる。 The amplifier circuit 212 may amplify the electric signal at a higher amplification factor as the frequency of the input electric signal is higher, at least within a predetermined frequency range. That is, the time required for a particle to pass through the detection region DA has two factors: (i) the size of the detection region DA (optical focal area diameter) and (ii) the moving speed of the particle passing through the detection region DA. Determined by. For example, the size of the detection region DA is rd [mm], the movement speed of the minimum particles that can pass through the detection region DA is v1 [mm / sec], and the movement speed of the maximum particles that can pass through the detection region DA is v2. When [mm / sec] is set, the predetermined frequency range fw [Hz] is v2 / rd ≦ fw ≦ v1 / rd. Here, the moving speed of the particles passing through the detection region DA (ii) depends on the particle diameter, and is obtained from the flow velocity of the fluid passing through the detection region DA, the drag force of the particles against the fluid, and the like.

図4は、増幅回路212による増幅処理を概念的に示す図である。具体的には、同図の(a)は、検知領域DAを通過した粒子による散乱光の強度を時系列に示すグラフである。同図の(b)は、同図の(a)に示す散乱光に対応する増幅後の電気信号(粒子検出信号)である。 FIG. 4 is a diagram conceptually showing the amplification process by the amplifier circuit 212. Specifically, (a) of the figure is a graph showing the intensity of scattered light by particles that have passed through the detection region DA in chronological order. (B) in the figure is an amplified electrical signal (particle detection signal) corresponding to the scattered light shown in (a) in the figure.

図4の(a)に示すように、粒子による散乱光強度のピークは、粒子径が大きくなるほど大きくなり、例えば、粒子径が30μmの場合には、粒子径が0.3μmの場合に対して、数万倍に達する。このため、光電変換効率が略一定の受光素子121から増幅回路212に入力される電気信号は、このような強度比と同等の波高値の差異を伴うことになる。ここで、略一定とは、完全に一定であることを意味するだけでなく、実質的に一定であることも意味する。すなわち、「略」とは、数%程度の誤差を含む。 As shown in FIG. 4A, the peak of the scattered light intensity by the particles increases as the particle size increases. For example, when the particle size is 30 μm, the peak is compared with the case where the particle size is 0.3 μm. , Reach tens of thousands of times. Therefore, the electric signal input from the light receiving element 121 having a substantially constant photoelectric conversion efficiency to the amplifier circuit 212 is accompanied by a difference in peak value equivalent to such an intensity ratio. Here, substantially constant means not only completely constant, but also substantially constant. That is, "omitted" includes an error of about several percent.

増幅回路212は、このような電気信号を、図3に示した周波数特性を有する増幅率で増幅することにより、図4の(b)に示すような波高値が所定の範囲内となるような電気信号に変換する。 The amplifier circuit 212 amplifies such an electric signal at an amplification factor having the frequency characteristics shown in FIG. 3, so that the peak value as shown in FIG. 4B is within a predetermined range. Convert to an electrical signal.

これにより、粒子径が30μmの粗大粒子及び粒子径が0.3μmの微小粒子のいずれについても、パルス状の波形の波高値(すなわち、増幅後の電気信号の高さ)を所定の範囲内に調整することができる。 As a result, the peak value of the pulsed waveform (that is, the height of the electrical signal after amplification) is kept within a predetermined range for both coarse particles having a particle diameter of 30 μm and fine particles having a particle diameter of 0.3 μm. Can be adjusted.

ここで、所定の範囲とは、例えば、後段の汎用MPU22の最大入力電圧、または、増幅回路212より後段のアナログ信号処理部21を構成するアナログ素子(不図示)の飽和電圧等によって決定される、飽和レベルVmax以下となる範囲である。 Here, the predetermined range is determined by, for example, the maximum input voltage of the general-purpose MPU 22 in the subsequent stage, the saturation voltage of the analog element (not shown) constituting the analog signal processing unit 21 in the subsequent stage from the amplifier circuit 212, or the like. , The range is below the saturation level Vmax.

図4の(b)に示すように、増幅後の電気信号に含まれる1以上のパルス状の波形は、波高値が所定の範囲内、かつ、パルス幅が粒子径に依存する波形となる。そこで、演算部222は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を算出する。 As shown in FIG. 4B, the one or more pulse-shaped waveforms included in the amplified electric signal are waveforms in which the peak value is within a predetermined range and the pulse width depends on the particle size. Therefore, the calculation unit 222 calculates the particle size of the particles that have passed through the detection region DA based on the pulse width of the pulsed waveform included in the amplified electric signal.

具体的には、演算部222は、各パルス状の波形について、閾値Vthにおけるパルス幅を取得する。例えば、演算部222は、汎用MPU22のカウンタ(不図示)及びコンパレータ(不図示)を用いて、増幅後の電気信号と閾値Vthとを比較し、増幅後の電気信号が閾値Vth以上となる時間を測定することにより、閾値Vthにおけるパルス幅を抽出する。 Specifically, the calculation unit 222 acquires the pulse width at the threshold value Vth for each pulse-shaped waveform. For example, the calculation unit 222 compares the amplified electric signal with the threshold value Vth using a counter (not shown) and a comparator (not shown) of the general-purpose MPU 22, and the time when the amplified electric signal becomes the threshold value Vth or more. The pulse width at the threshold value Vth is extracted by measuring.

次いで、演算部222は、例えば、パルス幅と粒子径との相関を示す予め定められたパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅から検知領域DAを通過した粒子の粒子径を算出する。ここで、パルス幅相関情報は、パルス幅と粒子径との相関関係を示し、例えば、汎用MPU22のメモリ(不図示)に記憶されている、または、汎用MPU22によって実行されるコードとして組み込まれている。 Next, the calculation unit 222 calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection region DA from the extracted pulse width, for example, with reference to the predetermined pulse width correlation information indicating the correlation between the pulse width and the particle diameter. .. Here, the pulse width correlation information indicates the correlation between the pulse width and the particle size, and is stored in the memory (not shown) of the general-purpose MPU 22 or incorporated as a code executed by the general-purpose MPU 22. There is.

これにより、演算部222は、抽出したパルス幅がT11、T12、T13(ただし、T11<T12<T13)となったパルス波形について、それぞれ、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を0.3μm、2.5μm、30μmと算出する。 As a result, the calculation unit 222 sets the particle diameter of the particles that have passed through the detection region DA to 0.3 μm for each of the pulse waveforms whose extracted pulse widths are T11, T12, and T13 (however, T11 <T12 <T13). , 2.5 μm, and 30 μm.

[3.まとめ]
以上説明したように、本実施の形態に係る粒子検出センサ1は、検知領域DAに光を投光する投光素子111と、粒子径に依存する速度で検知領域DAを通過する粒子2による投光素子111からの光の散乱光を受光して、当該粒子2に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子121とを備える。また、粒子検出センサ1は、受光素子121から入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅する増幅回路212を備える。また、粒子検出センサ1は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、検知領域DAを通過した粒子2の粒子径を算出する演算部222を備える。
[3. Summary]
As described above, the particle detection sensor 1 according to the present embodiment is projected by a light projecting element 111 that projects light onto the detection region DA and particles 2 that pass through the detection region DA at a speed that depends on the particle size. It includes a light receiving element 121 that receives scattered light from the light element 111 and generates an electric signal including a pulsed waveform corresponding to the particle 2. Further, the particle detection sensor 1 includes an amplifier circuit 212 that amplifies the electric signal with a larger amplification factor as the frequency of the electric signal input from the light receiving element 121 is higher. Further, the particle detection sensor 1 includes a calculation unit 222 that calculates the particle diameter of the particles 2 that have passed through the detection region DA based on the pulse width of the pulsed waveform included in the amplified electric signal.

このように、増幅回路212が入力される電気信号の周波数が高いほど大きな増幅率で増幅することにより、増幅後の電気信号の飽和を抑制することができる。つまり、電気信号を処理する回路(本実施の形態では信号処理部20)のダイナミックレンジを大きくする必要がなくなる。また、演算部222が増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき粒子径を算出することにより、微小粒子から粗大粒子まで幅広い粒子径を算出することができる。したがって、電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化することができる。 As described above, the higher the frequency of the input electric signal by the amplifier circuit 212, the larger the amplification factor, so that the saturation of the electric signal after amplification can be suppressed. That is, it is not necessary to increase the dynamic range of the circuit that processes the electric signal (the signal processing unit 20 in the present embodiment). Further, the calculation unit 222 can calculate a wide particle diameter from fine particles to coarse particles by calculating the particle diameter based on the pulse width of the pulsed waveform included in the amplified electric signal. Therefore, it is possible to widen the dynamic range of the particle size that can be determined without increasing the dynamic range of the circuit that processes the electric signal.

また、本実施の形態に係る粒子検出センサ1は、検知領域DAに対して、粒子2の自重による移動を妨げる向きに粒子を含む流体を通過させる流速発生部(本実施の形態ではヒーター15)を備える。 Further, the particle detection sensor 1 according to the present embodiment is a flow velocity generating unit (heater 15 in the present embodiment) that allows the fluid containing the particles to pass through the detection region DA in a direction that hinders the movement of the particles 2 due to their own weight. To be equipped.

これにより、例えば、検知領域DAを通過する粒子量(個数)の調整が可能となる。 As a result, for example, the amount (number) of particles passing through the detection region DA can be adjusted.

また、本実施の形態によれば、流速発生部は、鉛直上向きに流体を通過させる。 Further, according to the present embodiment, the flow velocity generating portion allows the fluid to pass vertically upward.

これにより、粒子の検知領域DAの通過に要する時間を、粒子径に依存させて大きく可変することができる。よって、粒子径に依存して、増幅後の電気信号に含まれるパルス波形のパルス幅が大きく変わることになる。したがって、パルス幅に基づく粒子径の算出精度を高めることができる。 As a result, the time required for passing through the particle detection region DA can be greatly varied depending on the particle diameter. Therefore, the pulse width of the pulse waveform included in the amplified electric signal changes greatly depending on the particle size. Therefore, the accuracy of calculating the particle size based on the pulse width can be improved.

また、本実施の形態によれば、流速発生部は、検知領域DAの鉛直方向下側に設けられたヒーター15である。 Further, according to the present embodiment, the flow velocity generating portion is a heater 15 provided on the lower side in the vertical direction of the detection region DA.

これにより、流速発生部の構成の簡素化が図られる。 As a result, the configuration of the flow velocity generating portion can be simplified.

(変形例1)
なお、粒子径の算出精度を高めるために、演算部222は、さらに波高値を用いて粒子径を算出してもかまわない。そこで、以下、実施の形態の変形例1として、このような演算部222を備える粒子検出センサについて説明する。なお、本変形例に係る粒子検出センサは、実施の形態に比べて、演算部222による粒子径を算出する処理が主に異なり、他の構成または処理等は同様である。このため、以下では、実施の形態と同様の構成または処理については、簡略化または省略して説明する。また、以降の変形例においても、既に説明した構成または処理については、簡略化または省略して説明する。
(Modification example 1)
In addition, in order to improve the calculation accuracy of the particle size, the calculation unit 222 may further calculate the particle size by using the crest value. Therefore, a particle detection sensor including such a calculation unit 222 will be described below as a modification 1 of the embodiment. The particle detection sensor according to the present modification is mainly different in the process of calculating the particle diameter by the calculation unit 222 as compared with the embodiment, and the other configurations or processes are the same. Therefore, in the following, the same configuration or processing as in the embodiment will be described in a simplified or omitted manner. Further, also in the following modification examples, the configurations or processes already described will be described in a simplified or omitted manner.

本変形例において、演算部222は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値に基づき、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を算出する。例えば、演算部222は、ピークホールド、または、電気信号の増加率がプラスからマイナスに転じた時点での値を抽出することにより、パルス状の波形の波高値を抽出する。 In this modification, the calculation unit 222 calculates the particle size of the particles that have passed through the detection region DA based on the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electric signal. For example, the calculation unit 222 extracts the peak value of the pulsed waveform by extracting the value at the time of peak hold or when the rate of increase of the electric signal changes from plus to minus.

次いで、演算部222は、例えば、波高値と粒子径との相関を示す予め定められた波高値相関情報を参照して、抽出した波高値から検知領域DAを通過した粒子の粒子径を算出する。ここで、波高値相関情報は、波高値と粒子径との相関関係を示し、例えば、パルス幅相関情報と同様に、汎用MPU22のメモリ(不図示)に記憶されている、または、汎用MPU22によって実行されるコードとして組み込まれている。 Next, the calculation unit 222 calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection region DA from the extracted crest value, for example, with reference to the predetermined crest value correlation information indicating the correlation between the crest value and the particle diameter. .. Here, the crest value correlation information shows the correlation between the crest value and the particle size, and is stored in the memory (not shown) of the general-purpose MPU 22 or by the general-purpose MPU 22 as well as the pulse width correlation information, for example. Built in as code to be executed.

これにより、演算部222は、抽出した波高値それぞれについて、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を算出する。 As a result, the calculation unit 222 calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection region DA for each of the extracted peak values.

次いで、演算部222は、パルス幅を用いて算出した粒子径(以下、第一粒子径)と、波高値を用いて算出した粒子径(以下、第二粒子径)とを併せて、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を算出する。例えば、演算部222は、第一粒子径と第二粒子径とで規定される粒子径範囲内のいずれかの値(平均値または中央値等)を、検知領域DAを通過した粒子の粒子径として算出する。 Next, the calculation unit 222 combines the particle diameter calculated using the pulse width (hereinafter, first particle diameter) and the particle diameter calculated using the peak value (hereinafter, second particle diameter) in the detection region. The particle size of the particles that have passed through DA is calculated. For example, the calculation unit 222 sets the particle diameter of the particles that have passed the detection region DA to any value (mean value, median value, etc.) within the particle diameter range defined by the first particle diameter and the second particle diameter. Calculate as.

以上のように、本変形例によれば、演算部222は、さらに、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値に基づき、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を算出する。 As described above, according to the present modification, the calculation unit 222 further calculates the particle size of the particles that have passed through the detection region DA based on the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electric signal. ..

このように、演算部222がパルス幅及び波高値に基づき粒子径を算出することにより、粒子径の算出精度を高めることができる。 In this way, the calculation unit 222 calculates the particle diameter based on the pulse width and the crest value, so that the calculation accuracy of the particle diameter can be improved.

また、パルス幅だけでなく波高値に基づいて粒子径を算出することにより、例えば、アナログ信号処理部21を構成するアナログ素子(不図示)の特性上の制約等により、増幅後の電気信号に含まれる複数のパルス状の波形の波高値を同等にできない場合であっても、粒子径の算出誤差を低減することができる。 Further, by calculating the particle diameter based not only on the pulse width but also on the peak value, for example, due to restrictions on the characteristics of the analog element (not shown) constituting the analog signal processing unit 21, the electric signal after amplification can be obtained. Even when the peak values of a plurality of included pulse-shaped waveforms cannot be equalized, it is possible to reduce the calculation error of the particle size.

具体的には、複数のパルス状の波形の波高値が互いに異なる場合、抽出したパルス幅と検知領域DAを通過した粒子の粒子径とが、パルス幅相関情報が示す相関関係とは異なってしまう場合がある。この場合、抽出したパルス幅のみを用いた粒子径の算出結果については、誤差が生じ得る。これに対して、パルス幅だけでなく波高値に基づいて粒子径を算出することにより、パルス幅のみを用いた粒子径の算出結果に比べて、粒子径の算出誤差を低減することができる。 Specifically, when the peak values of a plurality of pulse-shaped waveforms are different from each other, the extracted pulse width and the particle size of the particles that have passed through the detection region DA are different from the correlation indicated by the pulse width correlation information. In some cases. In this case, an error may occur in the calculation result of the particle size using only the extracted pulse width. On the other hand, by calculating the particle diameter based not only on the pulse width but also on the crest value, it is possible to reduce the calculation error of the particle diameter as compared with the calculation result of the particle diameter using only the pulse width.

(変形例2)
上記実施の形態及びその変形例1では、検知領域DAを1つの粒子のみが通過することを想定して説明したが、検知領域DAを複数の粒子が通過することもあり得る。そこで、以下、実施の形態の変形例2として、複数の粒子が同時に検知領域DAを通過した場合であっても、各粒子の粒子径を算出することができる粒子検出センサについて説明する。ここで、同時に検知領域DAを通過するとは、検知領域DAを通過する最初の時点から最後の時点までが同じであることに限らず、任意の時点で検知領域DAに共に位置することを意味する。
(Modification 2)
In the above-described embodiment and the first modification thereof, the description has been made on the assumption that only one particle passes through the detection region DA, but a plurality of particles may pass through the detection region DA. Therefore, as a second modification of the embodiment, a particle detection sensor capable of calculating the particle diameter of each particle even when a plurality of particles pass through the detection region DA at the same time will be described below. Here, passing through the detection area DA at the same time means that the time from the first time to the last time of passing through the detection area DA is not limited to the same, and the two are located together in the detection area DA at any time. ..

図5は、本変形例における増幅回路212による増幅後の電気信号を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing an electric signal after amplification by the amplifier circuit 212 in this modification.

同図に示す波形W20は、粒子径が30μmの粒子と粒子径が2.5μmの粒子とが検知領域DAを同時に通過したことによるパルス状の波形である。具体的には、波形W20は、粒子径が30μmの粒子に対応する波形W21と、粒子径が2.5μmの粒子に対応する波形W22との合成波形である。 The waveform W20 shown in the figure is a pulse-shaped waveform obtained by simultaneously passing a particle having a particle diameter of 30 μm and a particle having a particle diameter of 2.5 μm through the detection region DA. Specifically, the waveform W20 is a composite waveform of a waveform W21 corresponding to a particle having a particle diameter of 30 μm and a waveform W22 corresponding to a particle having a particle diameter of 2.5 μm.

このような波形W20は、波形W21のピークと波形W22のピークとが同じタイミングになる場合を除き、複数のピークを有することになる。つまり、波形W20は、複数の波高値をとることになる。 Such a waveform W20 will have a plurality of peaks unless the peak of the waveform W21 and the peak of the waveform W22 have the same timing. That is, the waveform W20 takes a plurality of peak values.

そこで、本変形例において、演算部222は、波高値の個数が2以上のm個となる1つのパルス状の波形について、同一の閾値におけるm個のパルス幅の各々に基づき、検知領域DAを通過したm個の粒子の各々の粒子径を算出する。 Therefore, in this modification, the calculation unit 222 sets the detection region DA based on each of the m pulse widths at the same threshold value for one pulse-shaped waveform in which the number of crest values is 2 or more and m. The particle size of each of the m particles that have passed is calculated.

具体的には、本変形例において、演算部222は、増幅後の電気信号に含まれる各パルス状の波形について、波高値の個数を取得する。次いで、波高値の個数が2以上となったパルス状の波形(図5では波形W20)については、複数の粒子が検知領域DAを同時に通過したと判断して、同一の閾値(図5では閾値Vth2)におけるパルス幅(図5ではパルス幅T21、T22)の各々に基づき粒子径を算出する。つまり、波高値の個数と同数のパルス幅を抽出可能な閾値におけるパルス幅に基づき、粒子径を算出する。 Specifically, in this modification, the calculation unit 222 acquires the number of peak values for each pulse-shaped waveform included in the amplified electric signal. Next, for the pulsed waveform (waveform W20 in FIG. 5) in which the number of peak values is 2 or more, it is determined that a plurality of particles have passed through the detection region DA at the same time, and the same threshold value (threshold value in FIG. 5) is determined. The particle diameter is calculated based on each of the pulse widths (pulse widths T21 and T22 in FIG. 5) in Vth2). That is, the particle diameter is calculated based on the pulse width at the threshold value at which the same number of pulse widths as the number of peak values can be extracted.

例えば、演算部222は、波形W20について、2つのパルス幅を抽出可能な閾値(ここでは閾値Vth2)おけるパルス幅T21、T22に基づき、2つの粒子径を算出する。これにより、演算部222は、波形W20のうち、抽出したパルス幅がT21となった波形W21について、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を30μmと算出する。また、演算部222は、波形W20のうち、抽出したパルス幅がT22となった波形W22について、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を2.5μmと算出する。 For example, the calculation unit 222 calculates two particle diameters of the waveform W20 based on the pulse widths T21 and T22 at the threshold value (here, the threshold value Vth2) at which two pulse widths can be extracted. As a result, the calculation unit 222 calculates that the particle diameter of the particles that have passed through the detection region DA is 30 μm for the waveform W21 whose extracted pulse width is T21 in the waveform W20. Further, the calculation unit 222 calculates that the particle diameter of the particles that have passed through the detection region DA is 2.5 μm for the waveform W22 in which the extracted pulse width is T22 in the waveform W20.

ここで、図5に示すように閾値は複数(ここでは4つ)設定されていてもよく、パルス幅相関情報は、複数の閾値それぞれに対応していてもよい。つまり、演算部222は、波高値の個数が1つのみとなるパルス状の波形については、複数の閾値のうち最も小さい閾値(図5では閾値Vth4)に対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅に基づき、粒子径を算出してもよい。 Here, as shown in FIG. 5, a plurality of threshold values (four in this case) may be set, and the pulse width correlation information may correspond to each of the plurality of threshold values. That is, the calculation unit 222 refers to the pulse width correlation information corresponding to the smallest threshold value (threshold value Vth4 in FIG. 5) among the plurality of threshold values for the pulse-shaped waveform in which the number of crest values is only one. , The particle size may be calculated based on the extracted pulse width.

以上のように、本変形例によれば、演算部222は、波高値の個数が2以上のm個となるパルス状の波形(図5では波形W20)について、同一の閾値におけるm個のパルス幅(図5では閾値Vth2における2つのパルス幅T21、T22)の各々に基づき、検知領域DAを通過したm個(図5では2個)の粒子の各々の粒子径を算出する。 As described above, according to this modification, the calculation unit 222 has m pulses at the same threshold value for a pulse-shaped waveform (waveform W20 in FIG. 5) in which the number of crest values is 2 or more and m. Based on each of the widths (two pulse widths T21 and T22 at the threshold value Vth2 in FIG. 5), the particle diameter of each of the m particles (two in FIG. 5) that have passed through the detection region DA is calculated.

これにより、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化しつつ、検知領域DAを同時に通過する複数の粒子の各々の粒子径を算出することができる。 Thereby, it is possible to calculate the particle diameter of each of the plurality of particles that simultaneously pass through the detection region DA while widening the dynamic range of the particle diameter that can be determined.

なお、本変形例では、2個の粒子が検知領域DAを同時に通過する場合について説明したが、3個以上の粒子が検知領域DAを同時に通過する場合であっても、同様の処理により、3個以上の粒子の各々の粒子径を算出することができる。 In this modification, the case where two particles pass through the detection region DA at the same time has been described, but even when three or more particles pass through the detection region DA at the same time, the same processing is performed to perform 3 The particle size of each of the two or more particles can be calculated.

(変形例3)
上記実施の形態ならびにその変形例1及び2では、増幅回路212は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が所定の範囲内になるように増幅するとした。しかし、増幅回路212の増幅率はこれに限らない。そこで、以下、実施の形態の変形例3に係る粒子検出センサについて説明する。
(Modification 3)
In the above-described embodiment and the modifications 1 and 2 thereof, the amplifier circuit 212 amplifies the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electric signal within a predetermined range. However, the amplification factor of the amplifier circuit 212 is not limited to this. Therefore, the particle detection sensor according to the third modification of the embodiment will be described below.

本変形例において、増幅回路212は、粒子の粒子径が大きいほど増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が小さくなるように増幅する。つまり、増幅回路212は、図3に示した周波数特性に比べて、周波数に対する増幅率の変化(すなわち傾き)がより大きな周波数特性を有する。 In this modification, the amplifier circuit 212 amplifies so that the larger the particle size of the particles, the smaller the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electric signal. That is, the amplifier circuit 212 has a frequency characteristic in which the change (that is, the slope) of the amplification factor with respect to the frequency is larger than the frequency characteristic shown in FIG.

これにより、増幅後の電気信号は、例えば、図6に示すような信号となる。図6は、本変形例における増幅回路212による増幅後の電気信号を示すグラフである。 As a result, the amplified electrical signal becomes, for example, a signal as shown in FIG. FIG. 6 is a graph showing an electric signal after amplification by the amplifier circuit 212 in this modification.

同図に示す波形W30は、粒子径が0.3μmの粒子と粒子径が30μmの粒子とが検知領域DAを同時に通過したことによるパルス状の波形である。具体的には、波形W30は、粒子径が0.3μmの粒子に対応する波形W31と、粒子径が30μmの粒子に対応する波形W32との合成波形である。 The waveform W30 shown in the figure is a pulse-shaped waveform obtained by simultaneously passing a particle having a particle diameter of 0.3 μm and a particle having a particle diameter of 30 μm through the detection region DA. Specifically, the waveform W30 is a composite waveform of a waveform W31 corresponding to a particle having a particle diameter of 0.3 μm and a waveform W32 corresponding to a particle having a particle diameter of 30 μm.

このような波形W30は、パルス幅が途中で急激に変化することになる。具体的には、1つの粒子が検知領域DAを通過した場合、パルス状の波形は、例えば検知領域DAにおける粒子の通過位置に対する散乱光の光強度の分布(感度)に基づいて滑らかに変化する所定の波形となる。これに対して、複数の粒子が検知領域DAを同時に通過した場合、パルス状の波形は、当該所定の波形とは異なり急激に変化する波形となる。 In such a waveform W30, the pulse width changes abruptly on the way. Specifically, when one particle passes through the detection region DA, the pulsed waveform changes smoothly, for example, based on the distribution (sensitivity) of the light intensity of the scattered light with respect to the passage position of the particle in the detection region DA. It becomes a predetermined waveform. On the other hand, when a plurality of particles pass through the detection region DA at the same time, the pulsed waveform becomes a waveform that changes rapidly unlike the predetermined waveform.

そこで、本変形例において、演算部222は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形について、第一閾値における第一パルス幅と当該第一閾値より小さい第二閾値における第二パルス幅との相対関係が所定の関係を満たさない場合、第一パルス幅及び第二パルス幅の各々に基づき、検知領域DAを通過した2以上の粒子の各々の粒子径を算出する。 Therefore, in the present modification, the calculation unit 222 sets the first pulse width at the first threshold value and the second pulse width at the second threshold value smaller than the first threshold value for the pulsed waveform included in the amplified electric signal. If the relative relationship of the above does not satisfy a predetermined relationship, the particle size of each of the two or more particles that have passed through the detection region DA is calculated based on each of the first pulse width and the second pulse width.

具体的には、本変形例において、演算部222は、増幅後の電気信号に含まれる各パルス状の波形について、複数の閾値(ここでは4つの閾値Vth1〜Vth4)の各々におけるパルス幅を抽出する。 Specifically, in this modification, the calculation unit 222 extracts the pulse width at each of a plurality of threshold values (here, four threshold values Vth1 to Vth4) for each pulse-shaped waveform included in the amplified electric signal. To do.

次いで、演算部222は、隣り合う2つの閾値それぞれにおけるパルス幅の相対関係(例えばパルス幅の比)が所定の関係(例えば所定値以下)を満たすか否かを判定する。 Next, the calculation unit 222 determines whether or not the relative relationship (for example, the ratio of the pulse widths) of the pulse widths at each of the two adjacent thresholds satisfies a predetermined relationship (for example, a predetermined value or less).

次いで、演算部222は、上記相対関係が上記所定の関係を満たす場合、複数の閾値のうち最も小さい閾値(図6では閾値Vth4)に対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅に基づき、粒子径を算出する。一方、演算部222は、上記相対関係が上記所定の関係を満たさない場合、当該2つの閾値それぞれに対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出した2つのパルス幅に基づき、粒子径を算出する。 Next, when the relative relationship satisfies the predetermined relationship, the calculation unit 222 refers to the pulse width correlation information corresponding to the smallest threshold value (threshold value Vth4 in FIG. 6) among the plurality of threshold values, and extracts the pulse width. The particle size is calculated based on. On the other hand, when the relative relationship does not satisfy the predetermined relationship, the calculation unit 222 calculates the particle size based on the extracted two pulse widths by referring to the pulse width correlation information corresponding to each of the two threshold values. To do.

例えば、演算部222は、閾値Vth2(第一閾値)におけるパルス幅T31(第一パルス幅)と閾値Vth3(第二閾値)におけるパルス幅T32(第二パルス幅)との相対関係(比T31/T32)が所定の関係(所定値α以下)を満たさない場合、次のように粒子径を算出する。具体的には、閾値Vth2に対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅がT31となった波形W31について、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を0.3μmと算出する。また、閾値Vth3に対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅がT32となった波形W32について、検知領域DAを通過した粒子の粒子径を30μmと算出する。 For example, the calculation unit 222 has a relative relationship (ratio T31 /) between the pulse width T31 (first pulse width) at the threshold value Vth2 (first threshold value) and the pulse width T32 (second pulse width) at the threshold value Vth3 (second threshold value). When T32) does not satisfy a predetermined relationship (predetermined value α or less), the particle size is calculated as follows. Specifically, with reference to the pulse width correlation information corresponding to the threshold value Vth2, the particle diameter of the particles that have passed through the detection region DA is calculated to be 0.3 μm for the waveform W31 in which the extracted pulse width is T31. Further, with reference to the pulse width correlation information corresponding to the threshold value Vth3, the particle diameter of the particles that have passed through the detection region DA is calculated to be 30 μm for the waveform W32 in which the extracted pulse width is T32.

以上のように、本変形例によれば、増幅回路212は、粒子の粒子径が大きいほど増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が小さくなるように増幅する。 As described above, according to the present modification, the amplifier circuit 212 amplifies so that the larger the particle size of the particles, the smaller the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electric signal.

これにより、粗大粒子と微小粒子とが検知領域DAを同時に通過した場合であっても、増幅後の電気信号には、粗大粒子及び微小粒子の各々に対応するパルス状の波形が含まれる。つまり、増幅後の電気信号では、粗大粒子に対応するパルス状の波形に隠されることなく、微小粒子に対応するパルス状の波形の一部が出現することになる。したがって、粗大粒子と微小粒子とが検知領域DAを同時に通過した場合であっても、粗大粒子及び微小粒子の各々の粒子径を算出することができる。 As a result, even when the coarse particles and the fine particles pass through the detection region DA at the same time, the amplified electric signal includes a pulse-shaped waveform corresponding to each of the coarse particles and the fine particles. That is, in the amplified electrical signal, a part of the pulsed waveform corresponding to the fine particles appears without being hidden by the pulsed waveform corresponding to the coarse particles. Therefore, even when the coarse particles and the fine particles pass through the detection region DA at the same time, the particle diameters of the coarse particles and the fine particles can be calculated.

また、本変形例によれば、演算部222は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形(図6では波形W30)について、第一閾値における第一パルス幅(図6では閾値Vth2におけるパルス幅T31)と当該第一閾値より小さい第二閾値における第二パルス幅(図6では閾値Vth3におけるパルス幅T32)との相対関係が所定の関係を満たさない場合、第一パルス幅及び第二パルス幅の各々に基づき、検知領域DAを通過した2以上の粒子の各々の粒子径を算出する。 Further, according to this modification, the calculation unit 222 has a pulse-like waveform (waveform W30 in FIG. 6) included in the amplified electric signal at the first pulse width at the first threshold (at the threshold Vth2 in FIG. 6). When the relative relationship between the pulse width T31) and the second pulse width at the second threshold smaller than the first threshold (pulse width T32 at the threshold Vth3 in FIG. 6) does not satisfy a predetermined relationship, the first pulse width and the second Based on each of the pulse widths, the particle size of each of the two or more particles that have passed through the detection region DA is calculated.

これにより、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化しつつ、検知領域DAを同時に通過する複数の粒子の各々の粒子径を算出することができる。 Thereby, it is possible to calculate the particle diameter of each of the plurality of particles that simultaneously pass through the detection region DA while widening the dynamic range of the particle diameter that can be determined.

(変形例4)
上記実施の形態において、検知領域DAは投光系11の光が投光される空間領域と投光系11の光が粒子2に当たって発生した散乱光を受光系12に導くための空間領域とが重なる空間領域であると説明した。この検知領域DAの形状は、特に限定されないが、粒子径の算出精度を高める観点から、扁平形状であることが好ましい。そこで、実施の形態の変形例4に係る粒子検出センサとして、扁平形状の検知領域DAを含む構成について説明する。
(Modification example 4)
In the above embodiment, the detection region DA has a spatial region in which the light of the light projecting system 11 is projected and a spatial region for guiding the scattered light generated by the light of the light projecting system 11 hitting the particles 2 to the light receiving system 12. It was explained that it is an overlapping spatial area. The shape of the detection region DA is not particularly limited, but is preferably a flat shape from the viewpoint of improving the calculation accuracy of the particle size. Therefore, as the particle detection sensor according to the modified example 4 of the embodiment, a configuration including a flat detection region DA will be described.

図7は、本変形例における検知領域DAを通過する流体中の粒子2の状態を模式的に示す図である。なお、同図では、図2と同様に、検知領域DAを通過する流体、及び、粒子2にはたらく抗力についても模式的に示している。 FIG. 7 is a diagram schematically showing the state of the particles 2 in the fluid passing through the detection region DA in this modification. In the same figure, similarly to FIG. 2, the fluid passing through the detection region DA and the drag force acting on the particles 2 are also schematically shown.

同図に示すように、本変形例における検知領域DAは、粒子の通過方向に垂直な一の方向に見て当該通過方向の厚みが略一定の扁平形状である。本変形例では、流体がヒーター15による上昇気流であるため、検知領域DAは、水平な一の方向に見て(ここでは紙面奥行き方向に見て)、上下方向の厚みが略一定となっている。例えば、紙面奥行き方向における検知領域DAの厚みは、端部から中央部に向かって次第に厚くなっている。また、検知領域DAを上下方向に見た形状は、特に限定されず、例えば略矩形状または略円形状である。 As shown in the figure, the detection region DA in this modification has a flat shape having a substantially constant thickness in the passing direction when viewed in one direction perpendicular to the passing direction of the particles. In this modification, since the fluid is an updraft due to the heater 15, the detection region DA is viewed in one horizontal direction (here, in the depth direction of the paper surface), and the thickness in the vertical direction is substantially constant. There is. For example, the thickness of the detection region DA in the depth direction of the paper surface gradually increases from the edge portion to the center portion. Further, the shape of the detection region DA viewed in the vertical direction is not particularly limited, and is, for example, a substantially rectangular shape or a substantially circular shape.

このような検知領域DAは、例えば、投光系11及び受光系12を構成する種々の光学素子を、適宜設計及び配置することにより実現される。 Such a detection region DA is realized, for example, by appropriately designing and arranging various optical elements constituting the light projecting system 11 and the light receiving system 12.

ここで、検知領域DAが球状の場合、粒子径が同一の粒子が検知領域DAを通過する場合であっても、検知領域DAの粒子の通過位置に依存して、パルス状の波形のパルス幅が異なってしまう。具体的には、球状の検知領域DAの中央部を粒子が通過した場合は、当該検知領域DAの端部を粒子が通過した場合に比べて、パルス幅が大きくなる。このことは、粒子径の算出精度を低下させる要因となり得る。 Here, when the detection region DA is spherical, even when particles having the same particle diameter pass through the detection region DA, the pulse width of the pulsed waveform depends on the passage position of the particles in the detection region DA. Will be different. Specifically, when the particles pass through the central portion of the spherical detection region DA, the pulse width becomes larger than when the particles pass through the end portion of the detection region DA. This can be a factor that lowers the accuracy of calculating the particle size.

これに対して、本変形例によれば、検知領域DAは、粒子の通過方向に垂直な一の方向に見て当該通過方向の厚みが略一定の扁平形状である。 On the other hand, according to the present modification, the detection region DA has a flat shape in which the thickness in the passing direction is substantially constant when viewed in one direction perpendicular to the passing direction of the particles.

これにより、検知領域DAの粒子の通過位置に対するパルス幅の依存度を抑制することができるため、粒子径の算出精度を高めることができる。特に、流体の通過方向に垂直な方向において検知領域DAの厚みが略一定の板状の場合、粒子径の算出精度の低下を高めることができる。 As a result, the dependence of the pulse width on the passing position of the particles in the detection region DA can be suppressed, so that the calculation accuracy of the particle diameter can be improved. In particular, when the thickness of the detection region DA is a plate shape that is substantially constant in the direction perpendicular to the passage direction of the fluid, it is possible to increase the decrease in the accuracy of calculating the particle size.

(変形例5)
上記実施の形態では、粒子検出センサ1は、検知領域DAにおける流体の流れを発生させる流速発生部として、ヒーター15を備えるとした。しかし、粒子検出センサはヒーター15等の流速発生部を備えなくてもよく、外部に設けられたファン(小型扇風機)等の流速発生部によって検知領域DAに流体の流れ(気流)が発生する構成であってもかまわない。そこで、以下、実施の形態の変形例5として、このように構成された粒子検出センサについて説明する。
(Modification 5)
In the above embodiment, the particle detection sensor 1 includes a heater 15 as a flow velocity generating unit for generating a fluid flow in the detection region DA. However, the particle detection sensor does not have to be provided with a flow velocity generating portion such as a heater 15, and a fluid flow (air flow) is generated in the detection region DA by a flow velocity generating portion such as a fan (small fan) provided outside. It doesn't matter. Therefore, the particle detection sensor configured in this way will be described below as a modification 5 of the embodiment.

図8は、実施の形態の変形例5に係る粒子検出センサ1Aの構成の一例を示すブロック図である。 FIG. 8 is a block diagram showing an example of the configuration of the particle detection sensor 1A according to the modified example 5 of the embodiment.

同図に示すように、本変形例に係る粒子検出センサ1Aでは、実施の形態に係る粒子検出センサ1に比べて、ヒーター15を備えずに、外部のファン15Aによって検知領域DAに気流が発生する。 As shown in the figure, in the particle detection sensor 1A according to the present modification, an air flow is generated in the detection region DA by the external fan 15A without the heater 15 as compared with the particle detection sensor 1 according to the embodiment. To do.

ファン15Aは、検知領域DAに対して、粒子の自重による移動を妨げる向きに流体を通過させる流速発生部であり、例えば、粒子検出センサ1Aが搭載される空調装置(例えば、空気清浄機またはエアコン等)に設けられる。ファン15Aにより発生された気流は、空調装置が空調を行うための気流である主流と、粒子検出センサ1Aに導入される支流とに分岐される。このように粒子検出センサ1Aに導入された気流によって、検知領域DAに気体の流れが発生する。 The fan 15A is a flow velocity generating unit that allows the fluid to pass through the detection region DA in a direction that hinders the movement of the particles due to their own weight. For example, an air conditioner (for example, an air purifier or an air conditioner) on which the particle detection sensor 1A is mounted. Etc.). The airflow generated by the fan 15A is branched into a mainstream, which is an airflow for the air conditioner to perform air conditioning, and a tributary introduced into the particle detection sensor 1A. The air flow introduced into the particle detection sensor 1A in this way generates a gas flow in the detection region DA.

このように構成された粒子検出センサ1Aであっても、上記実施の形態と同様に、電気信号を処理する回路(本変形例では信号処理部20)のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化(広ダイナミックレンジ化)することができる。 Even with the particle detection sensor 1A configured in this way, it is possible to make a determination without increasing the dynamic range of the circuit that processes the electric signal (signal processing unit 20 in this modification), as in the above embodiment. The dynamic range of various particle sizes can be widened (wide dynamic range).

(変形例6)
上記実施の形態及び変形例1〜5で説明した粒子検出センサは、空気清浄機またはエアコン等の空調装置、ダストセンサあるいは煙感知器といった種々の装置に適用することができる。そこで、以下、実施の形態の変形例6として、粒子検出センサの適用例について説明する。
(Modification 6)
The particle detection sensors described in the above embodiments and modifications 1 to 5 can be applied to various devices such as air conditioners such as air purifiers and air conditioners, dust sensors and smoke detectors. Therefore, an application example of the particle detection sensor will be described below as a modification 6 of the embodiment.

図9は、粒子検出センサを備える空気清浄機の外観図である。図10は、粒子検出センサを備える煙感知器の外観図である。図11は、粒子検出センサを備える換気扇の外観図である。図12は、粒子検出センサを備えるエアコンの外観図である。 FIG. 9 is an external view of an air purifier including a particle detection sensor. FIG. 10 is an external view of a smoke detector including a particle detection sensor. FIG. 11 is an external view of a ventilation fan including a particle detection sensor. FIG. 12 is an external view of an air conditioner including a particle detection sensor.

これらの装置によれば、判定可能な粒子径範囲が広ダイナミックレンジ化された粒子検出センサを備えることにより、例えば、微小粒子及び粗大粒子の検出結果に応じて動作を切り替えることができる。 According to these devices, by providing a particle detection sensor having a wide dynamic range of the particle diameter range that can be determined, the operation can be switched according to the detection result of, for example, fine particles and coarse particles.

(その他の変形例)
以上、本発明について実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
(Other variants)
Although the present invention has been described above based on the embodiments and modifications, the present invention is not limited to the above embodiments and modifications.

例えば、上記説明では、増幅回路212は、入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅するとした。しかし、本発明は、増幅回路212の増幅率(増幅回路ゲイン)及び受光素子121の変換効率(受光素子ゲイン)の少なくとも一方が、周波数が高いほどゲインが大きくなる周波数特性を有していればよい。つまり、粒子検出センサは、上記説明した受光素子121及び増幅回路212に代わり、次の受光素子及び増幅回路を備えてもよい。 For example, in the above description, the amplifier circuit 212 amplifies the electric signal with a larger amplification factor as the frequency of the input electric signal is higher. However, in the present invention, if at least one of the amplification factor (amplifier circuit gain) of the amplifier circuit 212 and the conversion efficiency (light receiving element gain) of the light receiving element 121 has a frequency characteristic that the gain increases as the frequency increases. Good. That is, the particle detection sensor may include the following light receiving element and amplifier circuit instead of the light receiving element 121 and amplifier circuit 212 described above.

具体的には、受光素子は、粒子径に依存する速度で検知領域DAを通過する粒子による投光素子111からの光の散乱光を受光する。そして、受光素子は、受光した散乱光の時間的な変化により得られる周波数が高いほど大きな変換効率で光電変換し、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する。また、増幅回路は、当該受光素子から入力される電気信号を、例えば略一定の増幅率で増幅する。 Specifically, the light receiving element receives the scattered light of the light from the light projecting element 111 by the particles passing through the detection region DA at a speed depending on the particle size. Then, the light receiving element performs photoelectric conversion with a higher conversion efficiency as the frequency obtained by the temporal change of the received scattered light increases, and generates an electric signal including a pulsed waveform corresponding to the particles. Further, the amplifier circuit amplifies the electric signal input from the light receiving element at, for example, a substantially constant amplification factor.

ここで、散乱光の時間的な変化は、検知領域DAを粒子が通過することによる。このため、散乱光の時間的な変化により得られる周波数は、検知領域DAを通過する粒子の速度に依存し、粒子の速度が大きいほど、当該周波数が高くなる。 Here, the temporal change of the scattered light is due to the particles passing through the detection region DA. Therefore, the frequency obtained by the temporal change of the scattered light depends on the velocity of the particles passing through the detection region DA, and the higher the velocity of the particles, the higher the frequency.

このように構成された粒子検出センサであっても、上記実施の形態に係る粒子検出センサ1と同様に、波高値の飽和を抑制しつつ、粒子径に応じたパルス幅となるパルス状の波形を含むことになる。このため、上記実施の形態と同様に、電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化することができる。 Even with the particle detection sensor configured in this way, as in the particle detection sensor 1 according to the above embodiment, a pulse-like waveform having a pulse width corresponding to the particle size while suppressing saturation of the peak value. Will be included. Therefore, as in the above embodiment, the dynamic range of the particle diameter that can be determined can be widened without increasing the dynamic range of the circuit that processes the electric signal.

また、演算部222は、粒子径を算出すればよく、粒子の個数は算出しなくてもかまわない。 Further, the calculation unit 222 may calculate the particle diameter, and may not calculate the number of particles.

また、流速発生部は、鉛直上向きに限らず、検知領域DAに対して、粒子2の自重による移動を妨げる向きに流体を通過させればよい。つまり、流速発生部は、重力に対抗する力を発生すればよく、水平方向より上向きに流体を通過させればよい。 Further, the flow velocity generating unit is not limited to the vertically upward direction, and the fluid may pass through the detection region DA in a direction that hinders the movement of the particles 2 due to their own weight. That is, the flow velocity generating unit may generate a force that opposes gravity, and may allow the fluid to pass upward from the horizontal direction.

また、例えば、汎用MPU22は、流速制御部を制御することにより、検知領域DAを通過する流体の流速を調整してもかまわない。これにより、例えば、増幅後の電気信号に含まれるパルス波形の波高値が所望の値となるように、検出対象の粒子径範囲に応じて流速を適切に調整することができる。よって、粒子径の算出精度の向上が見込まれる。 Further, for example, the general-purpose MPU 22 may adjust the flow velocity of the fluid passing through the detection region DA by controlling the flow velocity control unit. Thereby, for example, the flow velocity can be appropriately adjusted according to the particle size range of the detection target so that the peak value of the pulse waveform included in the amplified electric signal becomes a desired value. Therefore, it is expected that the calculation accuracy of the particle size will be improved.

また、上記説明において、粒子を含む媒体は、気体(空気)としたが、気体以外の媒体(水等の液体)であってもよい。つまり、粒子検出センサは、気体または液体である流体中に含まれる粒子を検出する。 Further, in the above description, the medium containing the particles is a gas (air), but a medium other than a gas (a liquid such as water) may be used. That is, the particle detection sensor detects particles contained in a fluid that is a gas or a liquid.

また、上記説明において、汎用MPU22内の各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、CPUまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたは半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。 Further, in the above description, each component in the general-purpose MPU 22 may be configured by dedicated hardware or may be realized by executing a software program suitable for each component. Each component may be realized by a program execution unit such as a CPU or a processor reading and executing a software program recorded on a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory.

また、汎用MPU22を構成する構成要素(機能)の一部または全ては、粒子検出センサを備える種々の装置(例えば空気清浄機)に搭載されたマイクロプロセッサ、ROM、RAM等の一部として実現されていてもかまわない。 In addition, some or all of the constituent elements (functions) constituting the general-purpose MPU 22 are realized as a part of a microprocessor, ROM, RAM, etc. mounted on various devices (for example, an air purifier) equipped with a particle detection sensor. It doesn't matter if you have it.

また、本発明は、このような粒子検出センサとして実現することができるだけでなく、粒子検出センサが行うステップ(処理)を含む方法として実現できる。 Further, the present invention can be realized not only as such a particle detection sensor but also as a method including a step (process) performed by the particle detection sensor.

例えば、それらのステップは、コンピュータ(コンピュータシステム)によって実行されてもよい。そして、本発明は、それらの方法に含まれるステップを、コンピュータに実行させるためのプログラムとして実現できる。さらに、本発明は、そのプログラムを記録したCD−ROM等である非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体として実現できる。 For example, those steps may be performed by a computer (computer system). Then, the present invention can be realized as a program for causing a computer to execute the steps included in those methods. Further, the present invention can be realized as a non-temporary computer-readable recording medium such as a CD-ROM on which the program is recorded.

例えば、本発明がプログラム(ソフトウェア)で実現される場合には、コンピュータのCPU、メモリおよび入出力回路等のハードウェア資源を利用してプログラムが実行されることによって、各ステップが実行される。つまり、CPUがデータをメモリまたは入出力回路等から取得して演算したり、演算結果をメモリまたは入出力回路等に出力したりすることによって、各ステップが実行される。 For example, when the present invention is realized by a program (software), each step is executed by executing the program using hardware resources such as a computer CPU, memory, and input / output circuits. That is, each step is executed by the CPU acquiring data from the memory or the input / output circuit or the like and performing an operation, or outputting the operation result to the memory or the input / output circuit or the like.

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、または、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およ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。 In addition, it is realized by applying various modifications to each embodiment that can be conceived by those skilled in the art, or by arbitrarily combining the components and functions of each embodiment within the range not deviating from the gist of the present invention. The form is also included in the present invention.

1、1A 粒子検出センサ
2 粒子
15 ヒーター(流速発生部)
15A ファン(流速発生部)
20 信号処理部
111 投光素子
121 受光素子
212 増幅回路
222 演算部
1, 1A particle detection sensor 2 particles 15 heater (flow velocity generator)
15A fan (flow velocity generator)
20 Signal processing unit 111 Floodlight element 121 Light receiving element 212 Amplifier circuit 222 Calculation unit

Claims (14)

検知領域に光を投光する投光素子と、
粒子径に依存する速度で前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光して、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、
前記受光素子から入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅する増幅回路と、
増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する演算部とを備える
粒子検出センサ。
A light projecting element that projects light into the detection area,
A light receiving element that receives scattered light from the light projecting element by particles passing through the detection region at a speed dependent on the particle size and generates an electric signal including a pulsed waveform corresponding to the particles.
An amplifier circuit that amplifies the electric signal with a larger amplification factor as the frequency of the electric signal input from the light receiving element is higher.
A particle detection sensor including a calculation unit that calculates the particle size of particles that have passed through the detection region based on the pulse width of the pulsed waveform included in the amplified electric signal.
検知領域に光を投光する投光素子と、
粒子径に依存する速度で前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光し、受光した散乱光の時間的な変化により得られる周波数が高いほど大きな変換効率で光電変換し、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、
前記受光素子から入力される電気信号を増幅する増幅回路と、
増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する演算部とを備える
粒子検出センサ。
A light projecting element that projects light into the detection area,
The scattered light of the light from the light projecting element by the particles passing through the detection region at a speed dependent on the particle size is received, and the higher the frequency obtained by the temporal change of the received scattered light, the higher the conversion efficiency. A light receiving element that is converted to generate an electrical signal containing a pulsed waveform corresponding to the particle.
An amplifier circuit that amplifies the electrical signal input from the light receiving element, and
A particle detection sensor including a calculation unit that calculates the particle size of particles that have passed through the detection region based on the pulse width of the pulsed waveform included in the amplified electric signal.
前記演算部は、さらに、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する
請求項1または2に記載の粒子検出センサ。
The particle detection sensor according to claim 1 or 2, wherein the calculation unit further calculates the particle size of the particles that have passed through the detection region based on the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electric signal.
前記増幅回路は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が所定の範囲内になるように増幅する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の粒子検出センサ。
The particle detection sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the amplifier circuit amplifies the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electric signal so as to be within a predetermined range.
前記演算部は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値の個数が2以上のm個となるパルス状の波形について、同一の閾値におけるm個のパルス幅の各々に基づき、前記検知領域を通過したm個の粒子の各々の粒子径を算出する
請求項1〜4のいずれか1項に記載の粒子検出センサ。
The calculation unit is based on each of the m pulse widths at the same threshold value for the pulsed waveform in which the number of peak values of the pulsed waveform included in the amplified electric signal is 2 or more and m. The particle detection sensor according to any one of claims 1 to 4, which calculates the particle size of each of the m particles that have passed through the detection region.
前記増幅回路は、粒子の粒子径が大きいほど増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が小さくなるように増幅する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の粒子検出センサ。
The particle detection sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the amplifier circuit amplifies so that the larger the particle size of the particles, the smaller the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electric signal. ..
前記演算部は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形について、第一閾値における第一パルス幅と当該第一閾値より小さい第二閾値における第二パルス幅との相対関係が所定の関係を満たさない場合、前記第一パルス幅及び前記第二パルス幅の各々に基づき、前記検知領域を通過した2以上の粒子の各々の粒子径を算出する
請求項6に記載の粒子検出センサ。
The calculation unit has a predetermined relationship between the first pulse width at the first threshold and the second pulse width at the second threshold smaller than the first threshold for the pulsed waveform included in the amplified electric signal. The particle detection sensor according to claim 6, wherein the particle size of each of the two or more particles that have passed through the detection region is calculated based on each of the first pulse width and the second pulse width.
前記検知領域は、前記粒子の通過方向に垂直な一の方向に見て当該通過方向の厚みが略一定の扁平形状である
請求項1〜7のいずれか1項に記載の粒子検出センサ。
The particle detection sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the detection region has a flat shape having a substantially constant thickness in the passing direction when viewed in one direction perpendicular to the passing direction of the particles.
さらに、前記検知領域に対して、前記粒子の自重による移動を妨げる向きに前記粒子を含む流体を通過させる流速発生部を備える
請求項1〜8のいずれか1項に記載の粒子検出センサ。
The particle detection sensor according to any one of claims 1 to 8, further comprising a flow velocity generating unit that allows a fluid containing the particles to pass through the detection region in a direction that prevents the particles from moving due to their own weight.
前記流速発生部は、鉛直上向きに前記流体を通過させる
請求項9に記載の粒子検出センサ。
The particle detection sensor according to claim 9, wherein the flow velocity generating unit allows the fluid to pass vertically upward.
前記流速発生部は、前記検知領域の鉛直方向下側に設けられたヒーターである
請求項10に記載の粒子検出センサ。
The particle detection sensor according to claim 10, wherein the flow velocity generating unit is a heater provided on the lower side in the vertical direction of the detection region.
請求項1〜11のいずれか1項に記載の粒子検出センサを備える
ダストセンサ。
A dust sensor comprising the particle detection sensor according to any one of claims 1 to 11.
請求項1〜11のいずれか1項に記載の粒子検出センサを備える
煙感知器。
A smoke detector comprising the particle detection sensor according to any one of claims 1 to 11.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の粒子検出センサと、
前記検知領域に対して、前記粒子の自重による移動を妨げる向きに前記粒子を含む流体を通過させる流速発生部とを備える
空調装置。
The particle detection sensor according to any one of claims 1 to 8.
An air conditioner including a flow velocity generating unit that allows a fluid containing the particles to pass through the detection region in a direction that prevents the particles from moving due to their own weight.
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