JP7008252B2 - 粒子検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、粒子検出センサに関する。

従来、投光素子と受光素子とを備え、計測対象に浮遊する粒子を検出し、計測対象に含まれる粒子の質量濃度を算出する光電式の粒子検出センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。光電式の粒子検出センサでは、投光素子から検知領域に向けて光を出射し、検知領域を粒子が通過した場合に、通過中の粒子による光の散乱光を受光素子が受光する。散乱光の受光強度に基づいて粒子の大きさが求められ、粒子の大きさと数とから、計測対象に含まれる粒子の質量濃度を算出する。

特開２０１５－２１０１８３号公報

しかしながら、上記従来技術では粒子検出センサの内部が汚れ、例えば、投光素子及び受光素子の少なくとも一方に粒子が付着した場合、検出領域に本来照射されるべき光、及び、受光素子に本来入射すべき散乱光が、付着した粒子により妨げられ、それぞれ減少する。また、付着した粒子によって散乱された光であって、受光素子に本来入射すべきでない光が受光素子に入射する場合もある。いずれの場合においても、粒子の大きさの誤検出の要因となり、検出確度が低下する。

そこで、本発明は、粒子の大きさを確度良く検出し、計測対象に含まれる粒子の質量濃度を確度良く算出することができる粒子検出センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る粒子検出センサは、計測対象に含まれる複数の粒子を検出する粒子検出センサであって、検出領域に向けて光を出射する投光部と、前記複数の粒子の少なくとも１つである対象粒子が前記検出領域を通過した場合に、当該対象粒子による前記光の散乱光を受光する受光部と、前記投光部及び前記受光部を収納し、内部に前記検出領域を有する筐体と、信号処理回路とを備え、前記信号処理回路は、前記受光部から出力される電気信号のピークの信号強度から、前記複数の粒子が前記検出領域を通過していない時に前記受光部によって受光される迷光の受光強度に相当する信号レベルであって、前記受光部から出力される電気信号のノイズレベルの経時変化量を減算した後、減算後のピークに対して、前記ノイズレベルの経時変化量が大きい程、大きな値になる補正係数を乗ずることで前記散乱光の受光強度を補正し、補正された前記散乱光の受光強度に基づいて、前記対象粒子を複数の粒子サイズのいずれかに分類し、かつ、検出された対象粒子の個数を特定することで、前記計測対象に含まれる粒子の質量濃度を算出する。

本発明に係る粒子検出センサによれば、経時により粒子検出センサの内部が汚れた状態でも、粒子の大きさを確度良く検出し、計測対象に含まれる粒子の質量濃度を確度良く算出することができる。

図１は、実施の形態に係る粒子検出センサの斜視図である。 図２は、実施の形態に係る粒子検出センサの蓋を開けた場合の斜視図である。 図３は、実施の形態に係る粒子検出センサの断面図である。 図４は、実施の形態に係る粒子検出センサの動作を説明するための拡大断面図である。 図５は、図４に示す動作中に受光素子から出力された電気信号を示す図である。 図６は、実施の形態に係る粒子検出センサによる粒子のサイズ毎の分類を説明するための図である。 図７は、実施の形態に係る粒子検出センサによって検出された粒子のヒストグラムである。 図８は、実施の形態に係る粒子検出センサの投光部及び受光部に粒子が付着した場合の動作を説明するための拡大断面図である。 図９は、図８に示す動作中に受光素子から出力された電気信号を示す図である。 図１０は、図８に示す電気信号の補正処理を示す図である。 図１１は、実施の形態に係る粒子検出センサが経時変化量の取得を行うタイミングの一例を示す図である。 図１２は、実施の形態に係る粒子検出センサが経時変化量の取得を行うタイミングの別の例を示す図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る粒子検出センサについて、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、ステップ、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。

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。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
本実施の形態に係る粒子検出センサは、検出領域を通過する粒子による光の散乱光の受光強度に基づいて、粒子の大きさを検出し、計測対象に含まれる粒子の質量濃度を算出する光電式の粒子検出センサである。粒子検出センサは、粒子が検出領域を通過していない時に受光される迷光の受光強度の経時変化量に基づいて、検出領域に本来照射されるべき光、及び、受光素子に本来入射すべき散乱光強度の変動を推定補正し、補正後の散乱光強度に基づいて粒子の大きさを確度良く検出し、計測対象に含まれる粒子の質量濃度を算出する。

［構成］
まず、本実施の形態に係る粒子検出センサ１について、図１～図４を用いて説明する。

図１は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の斜視図である。図２は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の蓋１３を開けた場合の斜視図である。蓋１３は、例えば、粒子検出センサ１を動作させない期間中に筐体１０の内部を清掃する目的で開けられる。

図３は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の断面図である。具体的には、図３は、粒子検出センサ１の筐体１０のＺ軸方向における略中央におけるＸＹ面に平行な断面を示している。

図４は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の動作を説明するための拡大断面図である。具体的には、図４は、図３に示す断面において、検出領域ＤＡを含む部分を拡大して示している。

なお、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、略扁平な直方体形状を有する筐体１０の２つの辺に沿った方向である。Ｚ軸方向は、筐体１０の厚み方向に相当する。

粒子検出センサ１は、計測対象に含まれる複数の粒子Ｐを検出する光電式の粒子検出センサである。本実施の形態では、計測対象は、空気（大気）などの気体である。粒子Ｐは、気体中を浮遊するマイクロメートルオーダーの微粒子、すなわち、粒子状物質（エアロゾル）である。具体的には、粒子Ｐは、ＰＭ２．５、浮遊粒子状物質（ＳＰＭ：Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）、ＰＭ１０などである。

図１～図３に示すように、粒子検出センサ１は、筐体１０と、投光部２０と、受光部３０と、送風機構４０と、信号処理回路５０と、制御回路６０とを備える。なお、図３に示す断面には、信号処理回路５０及び制御回路６０が表れていないので、図３では、信号処理回路５０及び制御回路６０を模式的に表している。信号処理回路５０及び制御回路６０は、例えば、筐体１０の外側面であって、蓋１３とは反対側の面などに取り付けられている。

筐体１０は、投光部２０及び受光部３０を収納し、内部に検出領域ＤＡを有する。筐体１０は、複数の粒子Ｐを含む気体の流路を形成している。検出領域ＤＡは、気体の流路上に位置している。

具体的には、筐体１０は、図１に示すように、内部に気体を流入させる流入口１１と、流入した気体を外部に流出させる流出口１２とを有する。図３の太破線の矢印で示すように、筐体１０の内部を、流入口１１から流出口１２まで至る経路が、気体の流路に相当する。図３には、気体の流路がＬ字状に形成されている例を示しているが、流入口１１と流出口１２とを結ぶ直線状に形成されていてもよい。

筐体１０は、例えば、遮光性を有し、受光部３０及び検出領域ＤＡに、ノイズの原因となる外光が入射するのを抑制する。筐体１０は、例えば黒色の樹脂材料を用いた射出成形により形成されている。具体的には、筐体１０は、射出成形により形成された複数の部品が組み合わされて構成されている。当該複数の部品によって、投光部２０及び受光部３０が挟まれて筐体１０内の所定位置に固定されている。

筐体１０の内部には、迷光を多重反射させることにより減衰させる光トラップ構造が設けられていてもよい。迷光は、投光部２０から出射された光Ｌ１（図４を参照）のうち、検出領域ＤＡを通過中の粒子Ｐによって散乱されなかった光、すなわち、散乱光Ｌ２（図４を参照）以外の光である。光トラップ構造は、流入口１１又は流出口１２から内部に入射した外光も減衰させることができる。

図１に示すように、筐体１０は、開閉自在な蓋１３を有する。蓋１３は、筐体１０に設けられた開口１４（図２を参照）を塞ぐように着脱自在に固定されている。ユーザなどは、必要に応じて蓋１３を開閉することができる。

開口１４は、蓋１３が開けられた場合に筐体１０の内部を外部に露出させ、筐体１０の内部に付着した粒子を取り除くための掃除窓である。例えば、ユーザは、開口１４に掃除用の棒などを挿入し、投光部２０のレンズ２２、受光部３０のレンズ３２及び検出領域ＤＡに付着している粒子を取り除く。蓋１３及び開口１４の大きさ及び形状は特に限定されない。蓋１３及び開口１４は、Ｚ軸方向から見た場合に、検出領域ＤＡに重複する位置に設けられているが、これに限らない。

投光部２０は、検出領域ＤＡに向けて光Ｌ１を出射する。図３及び図４に示すように、投光部２０は、投光素子２１と、レンズ２２とを備える。

投光素子２１は、例えば固体発光素子であり、具体的には半導体レーザなどのレーザ素子である。あるいは、投光素子２１は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又は有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｓｅ）素子などでもよい。

投光素子２１が出射する光Ｌ１は、赤外光、紫外光、青色光、緑色光又は赤色光などの所定の波長にピークを有する光である。光Ｌ１のピークにおける半値幅は、例えば５０ｎｍ以下などの狭帯域でもよい。また、光Ｌ１は、ＤＣ駆動による連続光又はパルス光であるが、これらに限られない。

レンズ２２は、投光素子２１と検出領域ＤＡとの間に配置されている。レンズ２２は、例えば集光レンズであり、投光素子２１から出射された光Ｌ１を効率良く検出領域ＤＡに集光させる。

受光部３０は、複数の粒子Ｐの少なくとも１つである対象粒子が検出領域ＤＡを通過した場合に、当該対象粒子による光Ｌ１の散乱光Ｌ２を受光する。図３及び図４に示すように、受光部３０は、受光素子３１と、レンズ３２とを備える。

受光素子３１は、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ、又は光電子増倍管などの、受光した光を電気信号に変換する光電変換素子である。受光素子３１は、受光した光の受光強度に応じた電流信号を出力する。受光素子３１は、投光素子２１が出射する光Ｌ１の波長帯域に感度を有する。

受光素子３１は、検出領域ＤＡを通過する粒子Ｐによる光Ｌ１の散乱光Ｌ２を受光する。さらに、受光素子３１は、迷光を受光する。迷光は、粒子Ｐが検出領域ＤＡを通過していないときに受光素子３１に入射する光である。具体的には、迷光は、検出領域ＤＡを通過中の粒子Ｐによる光の散乱光Ｌ２以外の光であり、ノイズ成分に相当する。つまり、迷光は、本来受光されるべきではない光である。迷光には、投光部２０に付着した粒子による散乱光Ｌ３（図８を参照）などが含まれる。

受光素子３１は、図３に示すように、投光素子２１が出射した光Ｌ１の直接光が入射しない位置に配置されている。具体的には、受光素子３１は、投光素子２１の光軸と重ならない位置に配置されている。なお、投光素子２１の光軸は、投光素子２１が出射する光Ｌ１のうち、強度が最も強い光の経路に相当する。具体的には、投光素子２１の光軸は、投光素子２１と検出領域ＤＡとを結ぶ直線に相当する。本実施の形態では、受光素子３１は、受光素子３１の光軸が検出領域ＤＡで投光素子２１の光軸と交差するように配置されている。

レンズ３２は、受光素子３１と検出領域ＤＡとの間に配置されている。レンズ３２は、検出領域ＤＡにおいて粒子Ｐによって散乱された散乱光Ｌ２を効率良く受光素子３１に集光させる。

送風機構４０は、検出領域ＤＡを通過する気流を生成する。送風機構４０は、例えば、ヒータなどの発熱素子であり、発熱による上昇気流を生成する。なお、上昇気流を効率良く利用するため、本実施の形態では、図１～図３に示すＹ軸の正方向が鉛直上方、Ｙ軸の負方向が鉛直下方になるように、粒子検出センサ１を立てて使用される。

送風機構４０は、小型のファンなどでもよい。送風機構４０は、筐体１０の内部に配置されているが、筐体１０の外側に配置されていてもよい。

信号処理回路５０は、複数の粒子Ｐが検出領域ＤＡを通過していない時に受光部３０によって受光される迷光の受光強度の経時変化量を取得する。信号処理回路５０は、取得した経時変化量に基づいて、散乱光Ｌ２の受光強度を補正する。信号処理回路５０は、補正された散乱光Ｌ２の受光強度に基づいて、対象粒子を複数の粒子サイズのいずれかに分類し、かつ、検出された対象粒子の個数を特定することで、気体に含まれる粒子Ｐの質量濃度を算出する。信号処理回路５０の具体的な処理については、後で説明する。信号処理回路５０は、算出した質量濃度をセンサ出力値として外部機器に出力する。

信号処理回路５０は、例えば１以上の電子部品で実現される。例えば、信号処理回路５０は、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などで実現される。

制御回路６０は、信号処理回路５０が経時変化量を取得する場合に、送風機構４０の動作を停止させる。具体的には、制御回路６０は、信号処理回路５０が経時変化量の取得を行うタイミングで、送風機構４０の動作を停止させる。信号処理回路５０は、送風機構４０の動作が停止してから、筐体１０内の気流が十分に小さくなるまで所定期間待機した後に受光部３０が受光した迷光の受光強度に基づいて、経時変化量を取得する。

制御回路６０は、例えば１以上の電子部品で実現される。例えば、制御回路６０は、ＭＰＵなどで実現される。制御回路６０は、信号処理回路５０と同じハードウェア構成で実現されていてもよい。

［動作］
続いて、粒子検出センサ１の動作について、図４及び図５を用いて説明する。

図４に示すように、粒子検出センサ１では、動作期間中には、投光素子２１が常に光Ｌ１を出射している。検出領域ＤＡを粒子Ｐが通過した場合に、通過中の粒子Ｐによる散乱光Ｌ２が受光素子３１に受光される。なお、通過中の粒子Ｐは、粒子検出センサ１の検出の対象となる対象粒子である。

図５は、図４に示す動作中に受光素子３１から出力された電気信号を示す図である。図５において、横軸は時間であり、縦軸は信号強度である。

図５に示すように、受光素子３１から出力される電気信号の信号強度は、粒子が検出されない場合には、略一定のノイズレベルである。ノイズレベルは、筐体１０内に発生し、受光素子３１に入射しうる迷光の光量（以下、単に「迷光量」と記載する）に相当する。受光素子３１に散乱光Ｌ２が入射した場合、電気信号には、散乱光Ｌ２の受光強度に応じたピークＳが現れる。

本実施の形態では、信号処理回路５０は、散乱光Ｌ２の受光強度に基づいて粒子Ｐのサイズの分類を行う。具体的には、信号処理回路５０は、散乱光Ｌ２の受光強度に応じたピークの大きさに基づいて、粒子Ｐのサイズの分類を行う。

図６は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１による粒子Ｐのサイズ毎の分類を説明するための図である。図６において、横軸は時間であり、縦軸は受光素子３１から出力される電気信号の信号強度、具体的には、受光した光の強度である。図６は、検出領域ＤＡの中心を粒子Ｐが通過した場合の粒子Ｐによる散乱光の受光強度と粒子のサイズとの関係を表している。

動作期間中に、検出領域ＤＡを粒子Ｐが通過した場合、通過中の粒子Ｐによる散乱光Ｌ２が受光素子３１に入射する。このため、受光素子３１から出力される電流信号は、その信号強度が大きくなる。例えば、図６に示すように、粒子Ｐが検出領域ＤＡを通過する度に、電流信号のピークＳ１～Ｓ３が検出される。

ピークの大きさは、検出領域ＤＡを通過中の粒子Ｐ、すなわち、散乱光Ｌ２を生成させた粒子Ｐのサイズに依存する。具体的には、粒子Ｐが大きい程、散乱光Ｌ２の受光強度が大きくなり、信号強度が大きくなる。粒子Ｐが小さい程、散乱光Ｌ２の受光強度が小さくなり、信号強度が小さくなる。

信号処理回路５０は、信号強度の大きさに基づいて、粒子Ｐをサイズ毎に分類する。例えば、信号処理回路５０は、図６に示すように、信号強度の大きさに基づいて、「大粒子」、「中粒子」、「小粒子」の３つのサイズに粒子Ｐを分類する。なお、粒子Ｐの分類数は、３つに限らず、２つでもよく、４つ以上でもよい。

本実施の形態に係る粒子検出センサ１では、実際には、検出領域ＤＡの中心以外の部分を通過する粒子も多数含まれる。例えば、検出領域ＤＡの端を大きな粒子が通過した場合、当該粒子による散乱光の受光素子３１による受光強度が小さくなる。このため、大きな粒子であるにも関わらず、当該粒子のサイズが「小粒子」であると誤判定されうる。

本実施の形態に係る信号処理回路５０は、当該誤判定を抑制するため、例えば、図７に示すような、信号強度と、粒子のサイズ毎の粒子の頻度とを対応付けたヒストグラムを保持している。図７は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１によって検出された粒子Ｐのヒストグラムである。図７において、横軸は信号強度、縦軸は粒子のサイズ毎の粒子の頻度である。

図７に示すように、信号強度が大きい場合には、そのほとんどが大粒子である。一方で、信号強度が小さい場合には、小粒子だけでなく、検出領域ＤＡの中心以外の部分を通過する大粒子及び中粒子も含まれる。信号処理回路５０は、電気信号のピーク強度に基づいて、図７に示すヒストグラムを参照することで、当該ピークに対応する粒子Ｐのサイズを推定する。

信号処理回路５０は、一定の動作期間中に検出された粒子Ｐの個数をサイズ毎にカウントする。信号処理回路５０は、サイズ毎に、予め定められた平均質量と、カウントした個数との積を算出し、算出したサイズ毎の積を加算することで、動作期間中の計測対象に含まれる粒子の質量濃度を算出する。

続いて、投光部２０及び受光部３０に粒子が付着した場合について説明する。

図８は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の投光部２０及び受光部３０に粒子が付着した場合の動作を説明するための拡大断面図である。図８は、図４と同様に、図３に示す断面において、検出領域ＤＡを含む部分を拡大して示している。

図８に示すように、粒子検出センサ１は、複数の粒子Ｐを含む気体を筐体１０の内部に取り込むことにより、気体中の粒子Ｐの質量濃度を算出する。筐体１０の内部に取り込まれた粒子Ｐは、全てが流出口１２から放出される訳ではなく、一部が筐体１０の内部に付着する。粒子検出センサ１の動作期間が長くなる程、筐体１０の内部に付着する粒子量が増加し、迷光量も増加する。

このとき、図８に示す粒子Ｐ１及びＰ２などのように、投光部２０のレンズ２２及び受光部３０のレンズ３２にも粒子は付着する。

投光部２０のレンズ２２に付着した粒子Ｐ１は、投光素子２１から出射された光の一部を遮る場合がある。このため、検出領域ＤＡに到達する光Ｌ１が減衰する。検出領域ＤＡに到達する光Ｌ１が減衰することにより、検出領域ＤＡを通過する粒子Ｐによる散乱光Ｌ２も減衰する。また、受光部３０のレンズ３２に付着した粒子Ｐ２は、粒子Ｐからの散乱光Ｌ２を遮る場合がある。このため、受光素子３１に到達する散乱光Ｌ２が減衰する。

したがって、図９に示すように、散乱光Ｌ２に対応する電気信号のピークは、本来のピークよりも、その信号強度が減少する。なお、本来のピークとは、投光部２０及び受光部３０に粒子が付着していない場合（具体的には、図４に示す場合）の散乱光Ｌ２によるピークである。

ここで、図９は、図８に示す動作中に受光素子３１から出力された電気信号を示す図である。図９において、横軸は時間であり、縦軸は信号強度である。図９では、破線で本来のピークの信号強度を表している。

また、粒子Ｐ１は、投光素子２１から出射された光の一部を散乱させる場合がある。粒子Ｐ１による散乱光Ｌ３は、その一部が受光素子３１に入射する場合がある。粒子Ｐ１は、清掃作業によって取り除かれない限り、通常、レンズ２２に付着したままである。このため、粒子Ｐ１による散乱光Ｌ３の一部は、常に受光素子３１に迷光として入射される。

したがって、図９に示すように、受光素子３１から出力される電気信号のノイズレベル、すなわち、迷光量が上昇する。なお、図９では、一点鎖線で本来のノイズレベルを示している。

以上のように、投光部２０及び受光部３０に粒子が付着した場合、検出されるべき散乱光Ｌ２の信号強度の低下と、ノイズレベル、すなわち、迷光量の増加との両方が起きる。なお、検出領域ＤＡに粒子が付着した場合も同様である。

そこで、本実施の形態に係る粒子検出センサ１では、信号処理回路５０は、迷光の受光強度の経時変化量を取得し、取得した経時変化量に基づいて、散乱光Ｌ２の受光強度を補正する。信号処理回路５０は、補正された散乱光Ｌ２の受光強度に基づいて、気体に含まれる粒子Ｐの質量濃度を算出する。

図１０は、図８に示す電気信号の補正処理を示す図である。図１０において、横軸は時間であり、縦軸は信号強度である。図１０に示すように、信号処理回路５０は、補正前のピークＳａの信号強度からノイズレベルの上昇量を減算した後、減算後のピークに補正係数を乗ずることにより、本来のピークＳｂを生成する。なお、図１０に示すノイズレベルの上昇量は、迷光の受光強度の経時変化量に相当する。

投光部２０又は受光部３０に付着した粒子が多い程、これらの粒子による散乱光Ｌ３が増加するので、経時変化量が大きくなる。また、投光部２０又は受光部３０に付着した粒子が多い程、本来検出領域ＤＡまで到達すべき光Ｌ１、及び、検出領域ＤＡを通過中の粒子Ｐによる散乱光Ｌ２が減少する。したがって、経時変化量が大きい程、本来の散乱光Ｌ２の信号強度の減少量が大きくなる。また、経時変化量が小さい程、本来の散乱光Ｌ２の信号強度の減少量が小さくなる。

したがって、信号処理回路５０は、迷光の受光強度の経時変化量が大きい程、補正係数を大きくすることで、信号強度の減少量が大きいピークＳａを本来のピークＳｂに補正する。また、信号処理回路５０は、迷光の受光強度の経時変化量が小さい程、補正係数を小さくすることで、信号強度の減少量が小さいピークＳａを本来のピークＳｂに補正する。

このように、本実施の形態に係る粒子検出センサ１では、迷光の受光強度の経時変化量を取得し、取得した経時変化量に基づいて散乱光Ｌ２の受光強度を補正する。これにより、粒子Ｐの質量濃度の算出確度を高めることができる。

なお、信号処理回路５０は、迷光の受光強度の経時変化量だけでなく、投光素子２１の劣化の程度に基づいて散乱光の受光強度を補正してもよい。例えば、経年劣化により投光素子２１から出力される光Ｌ１の強度が低下した場合、粒子Ｐによる散乱光Ｌ２の強度も低下する。

このため、信号処理回路５０は、投光素子２１からの光出力の強度の低下量を取得し、取得した低下量に基づいて散乱光Ｌ２の受光強度を補正してもよい。具体的には、信号処理回路５０は、投光素子２１からの光出力の強度の低下量が大きい程、補正係数を大きくすることで、信号強度の減少量が大きいピークを本来のピークに補正してもよい。信号処理回路５０は、投光素子２１からの光出力の強度の低下量が小さい程、補正係数を小さくすることで、信号強度の減少量が小さいピークを本来のピークに補正してもよい。

［経時変化量を取得するタイミング］
続いて、迷光の受光強度の経時変化量を取得するタイミングについて説明する。

図１１は、本実施の形態に粒子検出センサ１が経時変化量の取得を行うタイミングの一例を示す図である。図１１において、横軸は動作時間であり、縦軸は迷光の受光強度（すなわち、迷光量）である。

図１１に示すように、粒子検出センサ１の動作時間が長くなる程、筐体１０の内部に付着する粒子量が増加し、迷光量も増加する。動作時間と迷光量とは、例えば線形の関係を有する。

このため、本実施の形態では、信号処理回路５０は、予め定められた期間が経過する度に経時変化量を取得する。図１１では、経時変化量を取得するタイミングを破線で示している。信号処理回路５０は、図１１に示すタイミングで取得した経時変化量に基づいて、散乱光Ｌ２の受光強度を補正する。具体的には、信号処理回路５０は、第１のタイミングで経時変化量を取得した場合、次の取得タイミングである第２のタイミングに動作時間が達するまでの間、第１のタイミングで取得した経時変化量に基づいて、散乱光Ｌ２の受光強度を補正する。第１のタイミングから第２タイミングまでの時間を短く設定することで、補正の精度を高めることができる。

あるいは、信号処理回路５０は、動作時間ではなく、質量濃度の時間累積値に基づいて経時変化量を取得してもよい。図１２は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１が経時変化量の取得を行うタイミングの別の例を示す図である。図１２において、横軸は質量濃度の時間累積値であり、縦軸は迷光の受光強度である。

信号処理回路５０は、質量濃度の時間累積値を算出する。信号処理回路５０は、質量濃度を算出した場合に、算出した値を時間累積値としてメモリ（図示せず）に記憶する。信号処理回路５０は、例えば定期的に質量濃度の算出を繰り返し行うので、質量濃度の算出を行う度に、メモリから時間累積値を読み出し、読み出した時間累積値と新たに算出した値とを加算する。信号処理回路５０は、加算後の値を新たな時間累積値としてメモリに記憶する。

図１２に示すように、質量濃度の時間累積値が大きくなる程、筐体１０の内部に付着する粒子量が増加し、迷光量も増加する。時間累積値と迷光量とは、例えば線形の関係を有する。

このため、信号処理回路５０は、算出した時間累積値の増加量であって、直前の経時変化量の取得したときの時間累積値からの増加量が所定の閾値に達する度に経時変化量を取得してもよい。図１２では、経時変化量を取得するタイミングを破線で示している。信号処理回路５０は、図１２に示すタイミングで取得した経時変化量に基づいて、散乱光の受光強度を補正する。

なお、本実施の形態では、図１及び図２で示したように、筐体１０には、内部に付着した粒子を取り除くための蓋１３及び開口１４が設けられている。付着した粒子が取り除かれた場合、付着した粒子に起因する迷光量は十分に小さくなる。

このため、信号処理回路５０は、さらに、蓋１３が開けられた後、閉じられた場合に、経時変化量を初期化する。例えば、ユーザによって蓋１３が開けられて筐体１０の内部が清掃され、粒子が取り除かれた後、蓋１３が再び閉じられる。粒子が取り除かれることにより、迷光量は減少する。信号処理回路５０は、受光素子３１から出力される電気信号に基づいて迷光量（すなわち、ノイズレベル）が所定の閾値以下まで減少したとき、経時変化量を初期化する。

あるいは、粒子検出センサ１は、蓋１３の開閉を検知する開閉センサが設けられていてもよい。この場合、信号処理回路５０は、開閉センサから出力される出力信号に基づいて、蓋１３が閉じられた場合に経時変化量を初期化する。あるいは、粒子検出センサ１は、清掃の完了をユーザから受け付ける物理的なボタンなどのユーザインタフェースを備えていてもよい。

［効果など］
以上のように、本実施の形態に係る粒子検出センサ１は、計測対象に含まれる複数の粒子Ｐを検出する粒子検出センサであって、検出領域ＤＡに向けて光Ｌ１を出射する投光部２０と、複数の粒子Ｐの少なくとも１つである対象粒子が検出領域ＤＡを通過した場合に、当該対象粒子による光Ｌ１の散乱光Ｌ２を受光する受光部３０と、投光部２０及び受光部３０を収納し、内部に検出領域ＤＡを有する筐体１０と、信号処理回路５０とを備える。信号処理回路５０は、複数の粒子Ｐが検出領域ＤＡを通過していない時に受光部３０によって受光される迷光の受光強度の経時変化量を取得し、取得した経時変化量に基づいて、散乱光Ｌ２の受光強度を補正し、補正された散乱光Ｌ２の受光強度に基づいて、対象粒子を複数の粒子サイズのいずれかに分類し、かつ、検出された対象粒子の個数を特定することで、計測対象に含まれる粒子の質量濃度を算出する。

これにより、迷光の経時変化量を取得することで、筐体１０内に付着している粒子に起因する信号強度の増加量及び減少量を考慮に入れて、散乱光Ｌ２の受光強度を補正することができる。粒子検出センサ１では、補正された散乱光Ｌ２の受光強度に基づいて質量濃度を算出するので、粒子の質量濃度を確度良く算出することができる。

また、例えば、信号処理回路５０は、予め定められた期間が経過する度に経時変化量を取得する。

これにより、定期的に経時変化量を更新することができるので、質量濃度の算出の確度を常に高く維持することができる。

また、例えば、信号処理回路５０は、算出した質量濃度の時間累積値をさらに算出し、算出した時間累積値の増加量であって、直前の経時変化量を取得したときの時間累積値からの増加量が所定の閾値に達する度に経時変化量を取得してもよい。

これにより、質量濃度の時間累積値は、筐体１０内を通過した粒子の累積量に相当するので、筐体１０内に付着した粒子の量が多くなる度に、経時変化量を更新することができる。したがって、粒子検出センサ１は、質量濃度の算出の確度を常に高く維持することができる。

また、例えば、筐体１０は、開閉自在な蓋１３を有する。

これにより、蓋１３を開けて筐体１０の内部を清掃することができる。筐体１０の内部に付着した粒子を取り除くことができるので、粒子検出センサ１の長寿命化を実現することができる。

また、例えば、信号処理回路５０は、さらに、蓋１３が開けられた後、閉じられた場合に、経時変化量を初期化する。

これにより、経時変化量を初期化することで、経時変化量に基づく散乱光Ｌ２の受光強度の補正の確度を高めることができる。したがって、粒子検出センサ１は、粒子の質量濃度を確度良く算出することができる。

また、例えば、粒子検出センサ１は、さらに、検出領域ＤＡを通過する気流を生成する送風機構４０と、信号処理回路５０が経時変化量を取得する場合に、送風機構４０の動作を停止させる制御回路６０とを備える。

これにより、経時変化量を取得する場合、検出領域ＤＡを通過する粒子による散乱光Ｌ２ではなく、迷光を受光部３０に受光させる必要がある。このため、制御回路６０が送風機構４０の動作を停止させることで、外部から粒子Ｐが筐体１０の内部に取り入れられるのを抑制することができる。したがって、受光部３０は、迷光を精度良く受光しやすくなる。このため、粒子検出センサ１は、経時変化量を精度良く取得することができるので、質量濃度を確度良く算出することができる。

また、例えば、投光部２０は、レーザ素子を有する。

レーザ素子は、一般的に受光素子を備えており、出射する光Ｌ１の強度を検出することができる。このため、レーザ素子から出射される光Ｌ１の強度を検出することで、レーザ素子の劣化を精度良く検出することができる。したがって、投光部２０の劣化に基づく、散乱光Ｌ２の受光強度の低下を補正することができる。これにより、粒子検出センサ１によれば、粒子の質量濃度を更に確度良く算出することができる。

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

例えば、上記の実施の形態では、計測対象が気体である場合を説明したが、これに限らない。計測対象は、液体でもよい。粒子検出センサ１は、水などの液体中に含まれる粒子を検出し、質量濃度を算出する。このとき、粒子検出センサ１は、筐体１０の外側面に取り付けられた信号処理回路５０が液体に接触するのを防ぐ防水機構を有する。防水機構は、例えば、信号処理回路５０を覆うように設けられた金属製のシールド部材である。当該シールド部材は、例えば溶接などにより筐体１０に隙間なく固定される。

また、例えば、筐体１０は、蓋１３及び開口１４を備えなくてもよい。流入口１１又は流出口１２を清掃用の窓として利用してもよい。

また、例えば、粒子検出センサ１は、送風機構４０を備えなくてもよい。例えば、粒子検出センサ１は、一定方向に気流が流れている場所に、流入口１１が気流の上流側、流出口１２が下流側に位置するように配置されてもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、投光部２０及び受光部３０の各々がレンズを備える例について示したが、これに限らない。例えば、投光部２０及び受光部３０の少なくとも一方は、レンズの代わりに、ミラー（反射体）を備えてもよい。

なお、粒子検出センサ１は、例えば、エアコン、空気清浄機、換気扇などの各種家電機器などに搭載される。各種家電機器は、粒子検出センサ１によって検出された粒子の質量濃度に応じて、その動作を制御してもよい。例えば、空気清浄機は、粒子の質量濃度が所定の閾値より大きい場合に、運転強度（具体的には、空気の浄化力）を強くしてもよい。

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

１ 粒子検出センサ
１０ 筐体
１３ 蓋
２０ 投光部
２１ 投光素子（レーザ素子）
３０ 受光部
４０ 送風機構
５０ 信号処理回路
６０ 制御回路

Claims (7)

1. 計測対象に含まれる複数の粒子を検出する粒子検出センサであって、
   検出領域に向けて光を出射する投光部と、
   前記複数の粒子の少なくとも１つである対象粒子が前記検出領域を通過した場合に、当該対象粒子による前記光の散乱光を受光する受光部と、
   前記投光部及び前記受光部を収納し、内部に前記検出領域を有する筐体と、
   信号処理回路とを備え、
   前記信号処理回路は、
   前記受光部から出力される電気信号のピークの信号強度から、前記複数の粒子が前記検出領域を通過していない時に前記受光部によって受光される迷光の受光強度に相当する信号レベルであって、前記受光部から出力される電気信号のノイズレベルの経時変化量を減算した後、減算後のピークに対して、前記ノイズレベルの経時変化量が大きい程、大きな値になる補正係数を乗ずることで前記散乱光の受光強度を補正し、
   補正された前記散乱光の受光強度に基づいて、前記対象粒子を複数の粒子サイズのいずれかに分類し、かつ、検出された対象粒子の個数を特定することで、前記計測対象に含まれる粒子の質量濃度を算出する
   粒子検出センサ。
2. 前記信号処理回路は、予め定められた期間が経過する度に前記経時変化量を取得する
   請求項１に記載の粒子検出センサ。
3. 前記信号処理回路は、算出した質量濃度の時間累積値をさらに算出し、算出した時間累積値の増加量であって、直前の前記経時変化量を取得したときの時間累積値からの増加量が所定の閾値に達する度に前記経時変化量を取得する
   請求項１に記載の粒子検出センサ。
4. 前記筐体は、開閉自在な蓋を有する
   請求項１～３のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
5. 前記信号処理回路は、さらに、前記蓋が開けられた後、閉じられた場合に、前記経時変化量を初期化する
   請求項４に記載の粒子検出センサ。
6. さらに、前記検出領域を通過する気流を生成する送風機構と、
   前記信号処理回路が前記経時変化量を取得する場合に、前記送風機構の動作を停止させる制御回路とを備える
   請求項１～５のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
7. 前記投光部は、レーザ素子を有する
   請求項１～６のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。

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