JP7110852B2

JP7110852B2 - 粒子センサおよび電子機器

Info

Publication number: JP7110852B2
Application number: JP2018169525A
Authority: JP
Inventors: 聡山村; 勇司広瀬; 誠司宮下; 肇河合
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-09-11
Also published as: JP2020041906A; WO2020054690A1

Description

本発明は、粒子センサおよび電子機器に関する。

近年、微粒子等の粒子を検出する粒子センサとして、光センサが提案されている（例えば、特許文献１，２等を参照）。このような粒子センサは、発光素子と受光素子を備えており、測定対象の粒子を含む気体をセンサ内部に取り込む構成となっている。つまり、取り込んだ気体に対して発光素子からの光を照射し、その散乱光を受光素子に受光させ、散乱光によって気体に含まれる粒子の有無やその量を検出するようになっている。検出対象の粒子は、例えば、大気中に浮遊する埃、花粉、煙等である。

これらの従来技術では、検知領域に照射された発光素子からの照射光を良好に検出するため、照射光の波長と分光感度特性の波長が適合した受光素子を用いて散乱光を検出している。例えば、発光素子として赤外や赤色にピーク波長を有するものを用いた場合には、受光素子も赤外や赤色に分光感度特性のピークを有するものを用いている。

また、粒子センサでは粒子の検出に光の散乱を利用しており、よりサイズの小さな粒子を検出するためには、波長が短い光を用いることが有効であることも知られている。赤色よりも短い波長の光として、例えば緑色光を発光素子から照射した場合に、粒子によって散乱された光を検出するためには、受光素子の分光感度特性のピークが緑色の波長範囲にあるものを用いる必要がある。

特開２０１７－１６６９３５号公報特開２０１７－１４２１４２号公報

しかし、緑色のような短波長範囲に分光感度特性のピークを有する受光素子は高価であり、かつ作製の技術的難易度が高いという問題があった。

本発明はかかる問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、小さい粒子でも良好に粒子径を測定できる粒子センサおよび電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明の粒子センサは、粒径が１μｍ未満の粒子を検出する粒子センサであって、検知領域に向けて照射光を発する発光部と、前記照射光を前記検知領域に集光する投光レンズと、前記検知領域で前記粒子によって散乱された前記照射光の一部を集光する受光レンズと、前記受光レンズで集光された光を入射光として受光する受光部を備え、前記発光部と前記検知領域とを結ぶ照射軸と、前記受光部と前記検知領域とを結ぶ入射軸とが直交して配置されており、前記照射光の発光ピーク波長は、前記受光部の分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長であり、前記発光ピーク波長は、緑色の波長範囲であることを特徴とする。

これにより、短波長の照射光を用いて粒子径の小さな粒子で散乱される光の強度を高め、安価で受光感度の高い受光素子により光を受光することで、小さい粒子でも良好に粒子径を測定できる。

また、本発明の一実施態様では、前記発光ピーク波長は、前記分光感度特性における相対感度比が９０％以下である。

また、本発明の一実施態様では、前記発光部は、緑色を発光する発光ダイオードを備える。

また、上記課題を解決するため本発明の、電子機器は、上記何れか一つに記載の粒子センサを備え、前記受光部での検出結果を粒子濃度として出力する出力部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、小さい粒子でも良好に粒子径を測定できる粒子センサおよび電子機器を提供することができる。

実施形態１の粒子センサ１を模式的に示す外観斜視図である。粒子センサ１の概要を示す分解斜視図である。ケース部２０の内部における粒子の検出方法を模式的に示す平面図である。実施形態１の粒子センサ１の電気的構成を示すブロック図である。実施形態１における発光素子２１ａの発光ピーク波長と、受光素子２３ａの分光感度特性について示すグラフである。レイリー散乱で粒子に散乱されて受光素子２３ａに入射する光について、粒子径と受光強度の関係を示したグラフである。実施形態２における発光素子２１ａの発光ピーク波長と、受光素子２３ａの分光感度特性について示すグラフである。

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態１について、図面を参照して説明する。図面等の説明において上下や左右の表現を用いる場合、図中での上下や左右を示すものであり、粒子センサ１の使用時における上下や左右を限定するものではない。図１は、本実施形態の粒子センサ１を模式的に示す外観斜視図である。図２は、粒子センサ１の概要を示す分解斜視図である。

粒子センサ１は、上面蓋部１０と、ケース部２０と、下面蓋部３０と、送風ファン４０を備えている。図１に示すように、ケース部２０の上面と下面にはそれぞれ上面蓋部１０と下面蓋部３０が組み付けられており、送風ファン４０がケース部２０に収容されている。また、粒子センサ１は外部との電気的接続を行うコネクタ部を備え（図示省略）、コネクタ部にハーネスを接続することで外部から電力の供給や外部との電気信号の授受をすることができる。

上面蓋部１０は、粒子センサ１の上部外装を構成する部材であり、ケース部２０の上部を覆って取り付けられる。上面蓋部１０を構成する材料は特に限定されないが、軽量化と成形性の観点から樹脂を用いることが好ましい。また、上面蓋部１０の天面１１には、吸気口１２と排気口１３が形成されており、排気口１３から送風ファン４０の一部が露出している。また、上面蓋部１０のケース部２０と対向する面には、各エリアを区切る壁部や空間が形成されている。

天面１１は、粒子センサ１の最上面を構成する略平坦な面であり、図１では略矩形状のものを示している。天面１１の所定位置には吸気口１２と排気口１３が形成されている。吸気口１２は、粒子センサ１の内部に外気を取り入れるための開口であり、天面１１のうち、ケース内流路２５の直上に形成されている。排気口１３は、粒子センサ１の内部を通過した外気を排出する開口部であり、送風ファン４０の直上に形成されている。

ケース部２０は、粒子センサ１の各部を収容し保持する筐体部分である。ケース部２０を構成する材料は特に限定されないが、軽量化と成形性の観点から樹脂を用いることが好ましい。ケース部２０の内部には発光部２１と受光部２３が収容されるとともに、吸気口１２の直下にはケース内流路２５が構成されている。また、排気口１３の直下領域には送風ファン４０を収容するスペースが形成されている。また、ケース部２０の内部には隔壁等の構造物が設けられており、他の部材を収容して保持する空間や光トラップ構造、外気の流路などが樹脂で一体成形されている。ケース部２０の内部構造についての詳細は、後述する。

下面蓋部３０は、粒子センサ１の下部外装を構成する部材であり、ケース部２０の下部を覆って取り付けられる。下面蓋部３０を構成する材料は限定されないが、ケース部２０内に収容された電子部品や電子回路への電磁波を遮蔽するためには、金属製の板状部材を折り曲げたシールドケースを用いることが好ましい。

また、下面蓋部３０の内側には、反射防止部を形成しておくことが好ましい。反射防止部としては、発光部２１から出射される光を吸収する材料を下面蓋部３０の内側に設ければよく、例えば黒色の塗装を施すことや、黒色のテープを貼り付けるなどの手法を用いることができる。下面蓋部３０の内側に反射防止部を設けることで、発光部２１から照射さえた光が下面蓋部３０側に入り込んできても、反射防止部で良好に光を減衰させて迷光を防止することができる。

送風ファン４０は、電力の供給を受けて回転し送風する送風装置であり、制御信号に応じて回転制御されて送風量を調整する。図１，２に示した例では、送風ファン４０の気体を送り出す側は排気口１３に露出しており、気体を吸引する側はケース部２０および下面蓋部３０方向に向けて配置されている。

図２に示したように、ケース部２０の内部には発光部２１と受光部２３が収容されており、吸気口１２の直下にはケース内流路２５が形成されている。粒子センサ１では、発光部２１からケース内流路２５方向に光を照射し、ケース内流路２５内を通過する外気に含まれる粒子によって散乱した光の一部を受光部２３で検知することで、粒子を検知する。発光部２１と受光部２３による粒子の検出については詳細を後述する。

発光部２１は、電力と制御信号に応じて所定波長の光を検知領域に向けて発光する部材である。投光レンズ２２は、発光部２１が発光した光を照射光として検知領域に集光するために光学部材である受光部２３は、所定波長の光が入射することで電流値または電圧値を出力する部材である。受光レンズ２４は、検知領域方向からの光を集光して受光部２３に入射させる光学部材である。

図３は、ケース部２０の内部における粒子の検出方法を模式的に示す平面図である。ケース部２０内には、発光部２１に含まれる発光素子２１ａと、投光レンズ２２と、受光部２３に含まれる受光素子２３ａと、受光レンズ２４が配置されている。発光素子２１ａから投光レンズ２２を介して照射される照射光Ｌ１の光軸と、受光素子２３ａが受光レンズ２４を介して受光する入射光Ｌ２の光軸とは、互いに略直交するように配置されている。図３中では、ケース内流路２５周辺を部分的に拡大して示している。受光レンズ２４を介して受光素子２３ａまで入射光Ｌ２が到達できる領域と、照射光Ｌ１が照射される領域との重なっている領域が、粒子を検知できる検知領域ＤＡとなる。

発光素子２１ａは、電力に応じて所定波長の光を発光する光源であり、例えばＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）素子や半導体レーザが挙げられる。発光素子２１ａが発光する波長は受光素子２３ａの受光帯域範囲であり、例えば緑色光や青色光、近紫外光などが挙げられる。発光素子２１ａとして緑色ＬＥＤを用いると、赤外光や赤色光よりも照射光Ｌ１の波長が短いため、より小さい粒子を検知することが可能となる。発光素子２１ａに緑色半導体レーザや、ＳＨＧ（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子で赤外光を緑色光に変換するレーザを用いることもできるが、緑色ＬＥＤのほうが安価であり小型化も容易であるため好ましい。

受光素子２３ａは、所定波長の光を受光して光信号を電気信号に変換するものであり、例えば分光感度特性のピーク波長が赤外や赤色であるフォトダイオードやフォトトランジスタ等が挙げられる。発光素子２１ａおよび受光素子２３ａについては詳細を後述する。

図４は、本実施形態の粒子センサ１の電気的構成を示すブロック図である。本実施形態の粒子センサ１は、センサ部１００と、信号処理部２００を備え、センサ部１００の検知領域ＤＡに位置する粒子からの散乱光に基づいて、周辺空気粒子の粒子濃度を測定する。センサ部１００は、発光部２１の発光素子２１ａと、受光部２３の受光素子２３ａとを備え、投光レンズ２２および受光レンズ２４を備えている。信号処理部２００は、Ｉ／Ｖ変換部２０１、増幅部２０２、Ａ／Ｄ変換部２０３、演算部２０４、記憶部２０５、制御部２０６を備えている。

Ｉ／Ｖ変換部２０１は、受光部２３に電気的に接続され、受光素子２３ａで生じた電流信号を電圧値に変換する回路部である。増幅部２０２は、Ｉ／Ｖ変換部２０１に電気的に接続され、Ｉ／Ｖ変換部２０１で変換された電圧値を増幅する回路部である。Ａ／Ｄ変換部２０３は、増幅部２０２に電気的に接続され、増幅部２０２から出力されたアナログ信号である電圧値をデジタル信号に変換する回路部である。演算部２０４は、Ａ／Ｄ変換部２０３で変換されたデジタル信号を所定の演算手法によって演算する情報処理装置である。記憶部２０５は、演算部２０４が演算処理を行うためのプログラムや、演算部２０４の演算結果を記憶しておく装置である。制御部２０６は、演算部２０４の演算結果や外部からの制御信号に応じて発光部２１や送風ファン４０の駆動制御を行う。

粒子センサ１では送風ファン４０が動作すると、吸気口１２から外気がケース内流路２５に流入し、外気に含まれている粒子が検知領域ＤＡを通過する。センサ部１００の検知領域ＤＡには発光素子２１ａから照射光Ｌ１が照射されており、粒子によって照射光Ｌ１が散乱されて散乱光の一部が入射光Ｌ２として受光素子２３ａに入射する。受光素子２３ａでは、入射光Ｌ２の光量に応じて電気信号が生じる（例えば電流）。このとき、粒子の径が大きいほど、照射光Ｌ１が粒子によって散乱される面積が大きく、散乱光と入射光Ｌ２の光量も大きくなり、受光素子２３ａで生じる電流値も大きくなる。

Ｉ／Ｖ変換部２０１では、受光部２３から出力された電流信号を電圧信号に変換し、増幅部２０２が所定の帯域に増幅する。Ａ／Ｄ変換部２０３は、増幅部２０２で増幅されたアナログ信号である電圧信号をデジタル信号に変換することで、デジタルデータを生成する。具体的には、Ａ／Ｄ変換部２０３は、受光部２３からの出力信号である電圧信号をサンプリングおよび量子化し、時系列のデジタルデータを生成する。

演算部２０４は、Ａ／Ｄ変換部２０３が変換したデジタルデータを用いて粒子径と粒子濃度を算出する。具体的には、公知の積算処理法、移動平均法、メディアンフィルタ法等を用いて、デジタルデータを平滑化処理し、線形近似、多項式近似等、公知の近似処理を施して粒子径と粒子濃度のデジタルデータに変換する。演算部２０４での演算結果は粒子濃度として、コネクタ部に接続されたハーネスを介して粒子センサ１の外部に出力される。

図５は、実施形態１における発光素子２１ａの発光ピーク波長と、受光素子２３ａの分光感度特性について示すグラフである。グラフ中の横軸は波長を示し、グラフ中の縦軸は受光素子２３ａの受光感度が最大の受光ピーク波長を１００％としたときの相対感度比を示している。グラフ中に実線で示した曲線は、受光素子２３ａの分光感度特性を示しており、受光ピーク波長は約８５５ｎｍであり、波長４００ｎｍと１０００ｎｍで２０％の感度比となっている。また、グラフ中に破線で示したように、約６２５ｎｍの波長では約９０％の感度比であり、約５２５ｎｍの波長では約６５％の感度比である。

図５に示したように、発光素子２１ａからの照射光Ｌ１として緑色である波長約５２５ｎｍを用い、受光素子２３ａとして分光感度特性における受光ピーク波長が約８５５ｎｍの赤外であるものを用いても、粒子によって散乱された光を検出できることがわかる。一方で、緑色に受光ピーク波長を有するものを受光素子２３ａとして用いたとしても、受光ピーク波長における受光感度そのものが低くなってしまう。また受光素子２３ａとして、緑色に受光ピーク波長を有しながらも受光感度の高いものを用いると、製造コストの上昇を招いてしまう。

そこで本発明では、照射光Ｌ１の発光ピーク波長は、受光素子２３ａの分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長とする。具体的には、発光素子２１ａは緑色光よりも短波長にピーク波長を有するものを用い、受光素子２３ａは赤外または赤色に分光感度特性における受光ピーク波長を有するものを用いる。これにより、安価で高感度な赤外または赤色の受光素子２３ａを用い、良好に粒子からの散乱光を検出することができる。

より具体的には、発光素子２１ａの発光ピーク波長は、２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である。また、発光素子２１ａの発光ピーク波長は、受光素子２３ａの分光感度特性における相対感度比が９０％以下である。照射光Ｌ１の発光ピーク波長は、受光素子２３ａの分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長なので、粒子による散乱高強度が大きくなり、相対感度比が９０％以下であっても受光素子２３ａでの光検出においてＳ／Ｎ比が向上する。よって、発光素子２１ａの発光ピーク波長がこれらの範囲を満たしていると、受光素子２３ａとして赤外または赤色に分光感度特性における受光ピーク波長を有するものを用いても、良好に散乱された光を検出することができる。

次に、受光素子の受光ピーク波長よりも短波長の領域に発光ピーク波長を有する発光素子２１ａを用いても、良好に散乱光を検出できる理由について説明する。まず、光の散乱とは光と原子の作用で生じるものであり、原子内の電子が光の交流電場に同期して応答振動し、電気双極子放射によって同じ周波数の新たな光を放出するものである。

このような散乱としては、光の波長に比べて十分に小さい粒子によるレイリー散乱と、光の波長程度の粒子によるレイリー散乱が知られている。レイリー散乱では、粒子サイズが光の波長より十分に小さいため単一の散乱とみなせて、散乱された光の強度は波長の４乗に反比例することが知られている。またミー散乱では、粒子に含まれる多数の原子が散乱源となるため、散乱源の集合体として光を放出し、散乱された光の強度は波長の２乗に比例することが知られている。現実には、粒子サイズによって明確にレイリー散乱とミー散乱を切り分けることができるわけではなく、粒子サイズが１μｍ未満程度に小さい領域では、レイリー散乱とミー散乱が複合して現れるため、レイリー散乱とミー散乱の両方の波長依存性を考慮しなくてはいけない。

図６は、レイリー散乱で粒子に散乱されて受光素子２３ａに入射する光について、粒子径と受光強度の関係を示したグラフである。図６に示したグラフは、上述した本実施形態における粒子センサ１で発光素子２１ａと受光素子２３ａを用い、光学系として投光レンズ２２および受光レンズ２４を用いた場合での関係を示す一例である。グラフ中の横軸は粒子径（μｍ）を示しており、グラフ中の縦軸は受光素子２３ａに入射する光の受光強度（Ｗ／ｍｍ²）を示している。またグラフ中には波長の異なる光のレイリー散乱の計算結果を示しており、赤色光は二点鎖線で示し、緑色光は実線で示し、青色光は破線で示し、紫外光は一点鎖線で示している。図６に示したように、各波長の光において、粒子径が小さくなるほど受光感度は低下する。また、同じ粒子径の場合には、波長の短いほうが受光強度は大きく、紫外光、青色光、緑色光、赤色光の順に受光強度が低下する。

具体的には、例えば赤色光で０．３μｍの粒子を検出する場合と、緑色光で０．２３μｍの粒子を検出する場合とで、受光素子２３ａに到達する光の受光強度が同程度である。また、０．２２μｍの粒子を検出する場合、受光素子２３ａに到達する光の受光強度は、赤色光では１０^-12程度であり、緑色光では１０^-11程度である。受光素子２３ａに到達する光の受光強度が低いと、受光素子２３ａに光が入射しない状態で生じるノイズ成分の暗電流と、光が入射した状謡で生じる検出電流との差が小さくなり、受光素子２３ａのＳＮ比が悪化する。したがって、より波長の短い光を照射光Ｌ１として用いることで、赤色光と比較して粒子による散乱強度を高くし、受光素子２３ａのＳＮ比を改善することができる。

また、図５に示したように、赤外や赤色に受光ピーク波長を有する受光素子２３ａでは、短波長になるほど相対感度比が低下する。また、粒子による散乱は上述したようにレイリー散乱とミー散乱が混合した状態である。したがって、図６に示したレイリー散乱による散乱光の強度だけではなく、ミー散乱による散乱光の強度や受光素子２３ａの分光感度特性を考慮して発光素子２１ａの波長を決めることが好ましい。

また、受光素子２３ａでの相対感度比が９０％以下の範囲を用いるため、発光素子２１ａからの照射光Ｌ１の光度を大きくして、受光素子２３ａでの信号検出を補うことが好ましい。

＜実施形態２＞
以下、本発明の実施形態２について、図面を参照して説明する。図７は、実施形態２における発光素子２１ａの発光ピーク波長と、受光素子２３ａの分光感度特性について示すグラフである。本実施形態では、受光素子２３ａとして受光ピーク波長が赤色光のものを用いる点が実施形態１と異なっている。

図７中で横軸は波長を示し、縦軸は受光素子２３ａの受光感度が最大の受光ピーク波長を１．０としたときの相対感度比を示している。グラフ中に実線で示した曲線は、受光素子２３ａの分光感度特性を示しており、受光ピーク波長は約６５０ｎｍであり、波長４００ｎｍと９００ｎｍで０．３の感度比となっている。また、グラフ中に破線で示したように、約６２５ｎｍの波長では約０．９６の感度比であり、約５２５ｎｍの波長では約０．７３の感度比である。

本実施形態でも、図７に示したように、発光素子２１ａからの照射光Ｌ１として緑色である波長約５２５ｎｍを用い、受光素子２３ａとして分光感度特性における受光ピーク波長が約８５５ｎｍの赤外であるものを用いても、粒子によって散乱された光を検出できることがわかる。

したがって、本実施形態の粒子センサおよび電子機器でも、照射光Ｌ１の発光ピーク波長が受光素子２３ａの分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長であるため、受光素子２３ａの検出信号におけるＳＮ比を改善し、小さい粒子でも良好に粒子径を測定することができる。

なお、今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１…粒子センサ
Ｌ１…照射光
Ｌ２…入射光
１０…上面蓋部
１１…天面
１２…吸気口
１３…排気口
２０…ケース部
２１…発光部
２１ａ…発光素子
２２…投光レンズ
２３…受光部
２３ａ…受光素子
２４…受光レンズ
２５…ケース内流路
３０…下面蓋部
４０…送風ファン
１００…センサ部
２００…信号処理部
２０１…Ｉ／Ｖ変換部
２０２…増幅部
２０３…Ａ／Ｄ変換部
２０４…演算部
２０５…記憶部
２０６…制御部

Claims

粒径が１μｍ未満の粒子を検出する粒子センサであって、
検知領域に向けて照射光を発する発光部と、
前記照射光を前記検知領域に集光する投光レンズと、
前記検知領域で前記粒子によって散乱された前記照射光の一部を集光する受光レンズと、
前記受光レンズで集光された光を入射光として受光する受光部を備え、
前記発光部と前記検知領域とを結ぶ照射軸と、前記受光部と前記検知領域とを結ぶ入射軸とが直交して配置されており、
前記照射光の発光ピーク波長は、前記受光部の分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長であり、
前記発光ピーク波長は、緑色の波長範囲であることを特徴とする粒子センサ。
請求項１に記載の粒子センサであって、
前記発光ピーク波長は、前記分光感度特性における相対感度比が９０％以下であることを特徴とする粒子センサ。
請求項１または２に記載の粒子センサであって、
前記発光部は、緑色を発光する発光ダイオードを備えることを特徴とする粒子センサ。
請求項１から３の何れか一つに記載の粒子センサを備え、
前記受光部での検出結果を粒子濃度として出力する出力部を備えたことを特徴とする電子機器。