JP7389016B2 - 粒子検出装置および浮遊粒子検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒子検出装置および浮遊粒子検出方法に関する。本発明は、粒子検出システムおよび粒子検出装置において使用されるチャネル構造にも関する。

粒子検出装置は、流体中の粒子状物質または浮遊粒子を測定および／または検出するために広く使用される。そのような装置は、例えば、空気または他の流体ストリーム中の塵埃、汚染、汚染物質などを検出するために使用される場合がある。通常、空気中の粒子のそれぞれ異なる画分を正確に示すためには、より大型の装置が使用される。比較的小型の、すなわち小型化された装置は通常、低コストのセンサを利用しており、精度がかなり低い。その結果、装置が、例えば、粒子を検出できない、および／または粒子のサイズを正確に識別できない恐れがある。特により小型の、すなわち小型化された粒子検出／測定装置またはシステム用の粒子検出装置の精度を向上させる必要がある。

粒子検出装置は、空気がそこを通って案内される複数のマイクロチャネルを含んでもよい。空気は、ポンプまたはファンによって粒子検出装置内に引き込まれ得る。各マイクロチャネル内部で、粒子はそのサイズに応じてそれぞれ異なるチャネルに振り分けられてもよい。

粒子検出装置が小型化されている結果、ポンプの設計はコンパクトである必要がある。ただし、ポンプは通常、粒子検出装置内部の流れチャネルの設計において決定的な役割を果たし、全体的な設計自由度を規制する。更に、ポンプの動作に起因する各チャネル内の圧力変動は、粒子の検出に影響を及ぼす可能性があり、装置の精度に影響し兼ねない。

センサによる各チャネル内の粒子の検出には、各マイクロチャネル内の流れを少なくともある程度制御する能力が必要になる可能性がある。通常、粒子の正確な検出には、比較的正確な制御が必要である。ポンプは、粒子検出装置の各チャネル内部の流れを適切に制御できない可能性がある。更に、各マイクロチャネル内部の流れを正確に制御できるポンプは高価であり、および／または寸法が大きく、例えば、携帯型および／または小型化された装置での使用に適さない場合がある。低コストの粒子検出装置において使用されるより安価なポンプや携帯型の粒子検出装置において使用される小型化されたポンプは、各（マイクロ）チャネル内部の流れを制御する十分な能力を呈しないか、または逆に使用中に不安定になる恐れがある。

使用されるポンプまたはファンの仕様に比較的依存せず、追加的または代替的に、例えばそれぞれ異なる特性を有するそれぞれ異なる種類のポンプを使用して動作できる粒子検出装置が強く求められている。

本発明の目的は、上述の欠点のうちの少なくとも１つを未然に回避する装置および方法を提供することである。

代替的または追加的に、本発明の目的は、粒子検出精度が改善された小型化された粒子検出装置を提供することである。

代替的または追加的に、本発明の目的は、粒子検出装置を通過する流れの制御が改善された粒子検出装置および浮遊粒子検出方法を提供することである。

代替的または追加的に、本発明の目的は、流体／気体を粒子検出装置に通過させるために使用されるポンプまたはファンの仕様および／または特性に比較的依存しない、または依存しない粒子検出装置および浮遊粒子検出方法を提供することである。

それに加えて、本発明は、流体ストリーム中の浮遊粒子を分離によって検出するために配置されたチャネル構造を含む粒子検出装置を提供する。チャネル構造は、入口から出口まで延びる流体流路を形成する。流体流路は、入口に接続された入口流れチャネルと出口に接続された出口流れチャネルとの間に配置された複数の流れチャネルを含む。粒子検出装置は、チャネル構造の流体流路を通る流体ストリームを実現するためのポンプまたはファンを含む受容装置に接続可能である。入口流れチャネルは、入口から、入口流れチャネルを少なくとも１つの主流チャネルと少なくとも１つの副流チャネルに分岐させるために配置された第１の分離部まで延びる。第１の分離部は、流体ストリームを、少なくとも１つの主流チャネル内の小流と少なくとも１つの副流チャネル内の大流とに分離するように構成されている。少なくとも１つの主流チャネル内の小流は、第１の所定サイズを超える粒子の大部分を含み、少なくとも１つの副流チャネル内の大流は、第１の所定サイズを超える粒子の小部分を含む。少なくとも１つの主流チャネルまたは少なくとも１つの副流チャネルのうちの少なくとも１つは、粒子を検出するために配置された１つ以上の検出器を備える。複数の流れチャネルのうちの少なくとも１つは、使用中に、圧力条件に依存せず、流体流路内の一定の流れを実現するためにチョーク流れを供給するように構成されたチョーク流れ規制部を含む。

チャネル構造内のチョーク流れ規制部／レストリクタは、粒子検出装置のチャネル構造内にチョーク流れを引き起こすように構成され得る。（気体の）チョーク流れの利点は、質量流量が、下流圧力（例えばポンプまたはファンが配置されている）の圧力作動範囲にわたって比較的非依存であり、温度と圧力、ひいてはチョーク流れ規制部の上流側の気体の密度に僅かにしか依存しないことである。質量流量は、主に、チョーク流れ規制部の断面積または水力直径、およびチョーク流れ規制部の上流の圧力に依存し得る。質量流量は、下流圧力に全く依存しない。全ての他の影響パラメータは定数であり、流れ中の材料の組成にのみ依存する。

任意選択的に、質量流量は、例えば上流圧力が実質的に大気圧（１バール以下）であるとき、０から０．５バールの圧力作動範囲にわたって実質的に非依存である。

チョーク流れ規制部は、粒子検出装置の流体通路を通る流れを測定してもよい。有利なことに、チョーク流れ規制部は、粒子検出装置のチャネル構造の流体通路を通る実質的に一定の流れを実現する。このようにして、流体または気体を粒子検出装置を通って案内するために利用されるポンプまたはファンに依存せずに、粒子検出装置および／またはそのチャネル構造を設計することができる。更に、このことは、粒子検出装置がそれぞれ異なる特性を有するポンプと共に使用されてもよいことから、設計自由度の向上につながり得る。必要な精度を維持しながら、様々なポンプを使用することができる。検出装置の原価低下を図ることができる。また、粒子検出装置の検出精度およびロバスト性を向上させることができる。代替的または追加的に、より小型のポンプを使用できるため、粒子検出装置を含む測定システムの小型化を促進することができる。

チャネル構造の１つ以上のチャネル内部に組み込まれた、または埋め込まれた検出器により、オンラインおよびオンサイトで粒子を検出および／または測定することができる。このことは、粒子検出装置の小型化にも役立つ。有利な例において、粒子検出装置は小型化された携帯型装置である。

チャネル構造は、複数のチャネルを含んでもよく、これらのチャネルを通ってそれぞれ異なる特質および／または特徴を有する粒子を実質的に運ぶ流体が流れる。それぞれ異なる種類の粒子も、検出器によって検出／測定され得る。実質的に異なるサイズ、形態、質量、重量、形状、密度などを有する粒子を検出することも想定される。多くの種類の粒子の分類を採用することができる。例えば、実質的に円形状または球状の粒子は、実質的に細長い粒子と区別することができる。細長い粒子は、有効なより大きな直径を有する球状粒子として挙動し得る。そのような情報は、例えば、健康への粒子の影響を測定するために非常に重要である可能性がある。細長い粒子は、例えば、健康に非常に危険であることが立証されているアスベストの存在を示している可能性がある。

粒子は、粒子検出装置のチャネル構造のチャネル内部の流体ストリーム中で自己配向してもよい。これは、チョーク流れ規制部の水力直径を変更することによって流量を変化させることで達成できる。繊維状粒子は、球状粒子とは異なる挙動を示す可能性がある。チャネル構造内部の分離部は、細長い、または繊維状粒子（例えば、アスベストの検出用）が分離部の主流チャネル内に直進する傾向があり、球状粒子がほとんど分離部の副流チャネルに引き込まれるように配置されてもよい。繊維状粒子は、例えば球状粒子と比較して、有効表面に対して比較的大きな質量を有し得る。細長い粒子は、流れ中で自己配向してもよく、つまり、抗力を低減させることができる。従って、細長い粒子は、流体ストリーム中でより大きな質量を有する円形粒子として挙動し得る。

装置が使用される用途によっては、他の粒子の特徴も重要になる場合がある。検出器によっては、チャネル構造のチャネルを通って案内される粒子の他の特質を検出および／または測定することができる。また、検出器を用いて、チャネル内の粒子または流れの速度を測定してもよい。

空気は、ポンプまたはファンによって、流体通路を通って吸引またはポンプ吸入されてもよい。チョーク流れ規制部により、粒子検出装置のチャネル構造の流体通路を通る実質的に一定の流れを実現することができ、流れが、少なくともポンプまたはファンの特定の動作範囲における圧力条件に実質的に依存しなくなるため、多くの種類のポンプおよびファンを使用することができる。チョーク流れは、当技術分野において公知の圧縮性流れ効果である。流体速度は、チョーク状態または制限状態になり得る。チョーク流れは、小径オリフィスを通る音速での最大空気流を制限することによって生成することができる。例えば、単一の温度および圧力条件の場合、流量（Ｑ）の関数としての水力直径（Ｄ）の近似値は、
で与えられ得る。他の近似値も可能である。

空気／気体を能動的に粒子検出装置に通過させるために、他の質量移動手段も使用され得ることが理解される。代替的な例において、空気は受動的に粒子検出装置を通って案内されてもよい。例えば、粒子検出装置を保持する人または装置が移動する結果として、浮遊粒子の検出、測定、および／または分析のために空気を自動的に装置内に引き込んでもよい。

副流チャネルと主流チャネルに分岐させる分離部に入る粒子については、より小型の粒子はチャネル構造内の副流チャネルを流れる傾向があり、より大型の粒子はチャネル構造内の主流チャネルを流れる傾向があることが認められる。これは主に、より小型の粒子がより容易く湾曲して副流チャネルに向かい、より大型の粒子が直進する傾向がある可能性があるという事実によるものであり、このことは、従来、仮想インパクタとしても知られている。特定の特性または特質を有する粒子を実質的に含む、それぞれ異なる流れチャネルを得ることができる。その場合、各チャネル内部において、粒子の存在および／または特質を１つ以上の検出器によって測定することができる。粒子検出装置については、チャネル構造設計における多くのバリエーションが可能である。

小型化された粒子検出装置内部で粒子を２つ以上の画分に分離するために、各マイクロ流体チャネル、すなわち各マイクロチャネルをチャネル構造内に配置することができる。

仮想インパクタを利用して、チャネル内部の流れを分岐大流チャネルと分岐小流チャネルとに分離することができる。チャネルは、より多数の大流および／または小流チャネルに分岐させてもよい。仮想インパクタは、例えばポンプ、ファンなどを使用して空気を通過させることができる各（マイクロ）チャネルのネットワークを備えてもよい。一例において、チャネル構造は、複数の仮想インパクタを構成または備える。

粒子検出装置のチャネル構造または仮想インパクタは、マイクロ／ナノ製造を通じて製造できる。チャネル構造内部の気体の流量と組み合わせたチャネル構造の各チャネルの正確な寸法により、粒子の分離方法が決まる。

粒子検出装置を使用して、浮遊粒子のサイズの指標を検出したり、粒子状物質の特定の画分を検出したり、および／または粒子形態（球状、棒形状／細長い形状など）、化学的性質（光導波路による）を識別してもよい。有利なことに、１つ以上の検出器が粒子検出装置のチャネル構造内部に組み込まれ、および／または埋め込まれているため、検出をリアルタイムで実行することができる。

任意選択的に、一連の分離部または仮想インパクタがチャネル構造内に配置される。そのような一連の分離部または仮想インパクタは、チャネルの数を増やすために配置されてもよく、それぞれ異なる特質（サイズ、形状など）を実質的に有する粒子をこれらのチャネルに分離することができる。

任意選択的に、チョーク流れ規制部は、５から５００ｍｌ／分、より好ましくは２０から３００ｍｌ／分の範囲の実質的に一定の流れを供給するように寸法決めされる。有利なことに、流れ規制部によって、例えば、空気をチャネル構造の流体流路を通って案内する手段（例えばポンプまたはファン）の動作の結果として、圧力差に拘わらず、そのような（実質的に一定の）流れを得ることができる。粒子検出装置は、圧力条件に依存せず、流れを実質的に一定に保つことができる動作範囲を有してもよい。入口での大気圧（絶対圧１バール以下）と出口での負圧（絶対圧０から０．５バール）との間の圧力差は、０．５から１バールの範囲であってもよい。有利なことに、この範囲は、ポンプまたはファンを選択する際に十分な選択の自由を得るのに十分に大きい。このように、例えばより小型／より安価なポンプが利用可能である。

チャネル構造は、例えば水力直径が０．１から５ミリメートルの範囲であるような、比較的小さな寸法を有するチャネルのネットワークを有してもよい。チャネル構造内部において、粒子はサイズ（および／または形状）ごとに分離可能である。

好ましくは、チョーク流れ規制部は、出口流れチャネル内に配置される。チャネル構造の少なくとも１つの主流チャネルおよび少なくとも１つの副流チャネルは、出口に接続された出口流れチャネルと流体連通していてもよい。

任意選択的に、ポンプまたはファンは、出口流れチャネルと流体接続して配置される。ポンプまたはファンは、出口流れチャネルを通って空気を吸引するように構成されてもよい。

任意選択的に、「クリティカルオリフィス」としても知られているチョーク流れ規制部は、入口流れチャネル内に配置される。

任意選択的に、チョーク流れ規制部はクリティカルオリフィスである。

任意選択的に、チョーク流れ規制部は、水力直径が５０から３００マイクロメートルのチャネル狭窄部によって得られる。チョーク流れ規制部は、粒子検出装置のチャネル構造の入口と出口間の圧力降下に拘わらず、気体流を調節するために配置されたチャネル内の比較的薄いセクションであり得る。

任意選択的に、チャネル構造の全てのチャネルは、最終的に出口流れチャネルにおいて合流する。ただし、出口に接続された（例えば並列に配置された）複数の出口流れチャネルを設けることもできる可能性がある。

任意選択的に、チョーク流れ規制部は、収束－発散ノズルのスロートである。代替的な例において、チャネル内のバルブが、チョーク流れを得るためのチョーク流れ規制部として使用される。

任意選択的に、粒子検出装置は、チョーク流れ規制部の水力直径を調整するための手段を備える。別の粒子サイズ（または形状）を測定する場合、チョーク流れ規制部の水力直径を調整することができる。例えば、分離する必要がある粒子が５マイクロメートルから２マイクロメートルに変わる場合、流量を５０ｍｌ／分から１００ｍｌ／分に変更しなければならない可能性があり、流れ規制部の（水力）直径を１００マイクロメートルから１３０マイクロメートルまで大きくすることができる。このように、粒子検出装置は、分析対象としての広範囲の粒子に使用することができ、これは、チョーク流れ規制部の水力直径を変化させることによって達成できる。

任意選択的に、チョーク流れ規制部の水力直径は、例えばネジを調整することによって手動で調整される。

任意選択的に、電動アクチュエータが、チョーク流れ規制部の水力直径を調整するために配置される。電動アクチュエータは、圧電アクチュエータ、電気活性ポリマーアクチュエータ、ＭＥＭＳスイッチまたは熱アクチュエータを含む群のうちの少なくとも１つからなり得る。

任意選択的に、チョーク流れ規制部の水力直径は、第１の水力直径を有するチョーク流れ規制部を含むチャネル構造のチャネルダクトを、第２の水力直径を有する第２のチョーク流れ規制部を含む別のチャネルダクトに交換することによって調整される。

任意選択的に、複数の規制チャネルが並列に配置され、それぞれがチョーク流れ規制部を含み、流体が各規制チャネルのうちの少なくとも１つを通過して流体流路を形成する必要がある。チョーク流れ規制部の水力直径は、流体が通過する複数の規制チャネルのうちの１つ以上を選択することによって調整することができる。任意選択的に、複数の規制チャネルのうちの１つ以上は、バルブによって選択される。任意選択的に、複数の規制チャネルのそれぞれは、他の各規制チャネルの水力直径とは異なる水力直径を有するチョーク流れ規制部を含む。追加的または代替的に、流体がチョーク流れ規制部を含まないチャネルを通過できるようすることにより、各平行チャネルの「有効な」水力直径を大きくすることも想定される。このようにして、チャネル構造のチョーク流れ規制部の「有効な」水力直径を調整することができる。

任意選択的に、チャネル構造は複数の分離部を含む。

任意選択的に、チャネル構造は、第１の分離部の下流に少なくとも１つの別の分離部を含む。別の分離部は、第１の分離部の少なくとも１つの主流チャネルまたはそれに接続されたチャネルを、少なくとも１つの別の主流チャネルおよび少なくとも１つの別の副流チャネルに分岐させるために配置される。別の分離部は、流体ストリームを、少なくとも１つの別の主流チャネル内の小流と少なくとも１つの別の副流チャネル内の大流とに分離するように構成される。少なくとも１つの別の主流チャネル内の小流は、第２の所定サイズを超える粒子の大部分を含み、少なくとも１つの別の副流チャネル内の大流は、第２の所定サイズを超える粒子の小部分を含む。少なくとも１つの別の主流チャネルまたは少なくとも１つの別の副流チャネルのうちの少なくとも１つは、粒子を検出するために配置された１つ以上の検出器を備える。好ましくはそれぞれ異なる種類の複数のそれぞれ異なる検出器を使用することにより、測定からより多くの情報を得てもよい。一例において、粒子の検出を向上させるために、複数のそれぞれ異なる検出器が実質的に同じチャネル位置で使用される。

粒子検出装置の１つ以上の検出器は、ＣＭＯＳ技術によってコンパクトに（小型化）でき、プリンテッドエレクトロニクスで接続できる。一体型シリコン光学により、インライン式化学検出の可能性が開かれる。

任意選択的に、１つ以上の検出器は、静電容量センサ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ、フィルムバルク音響共振器（ＦＢＡＲ）センサ、Ｉ字型バルク音響共振器（ＩＢＡＲ）センサ、表面弾性波（ＳＡＷ）センサ、または光学センサからなる群のうちの少なくとも１つを含む。種々の検出方法を使用することができ、例えば、粒子は各画分および／またはそれぞれ異なる種類に分離される。粒子の種類には、例えばアスベスト、カーボンブラック、シリカなどが含まれる。用途によっては、粒子検出装置を他の検出方法で拡張することもできる可能性がある。

粒子検出装置は、複数の検出および／または測定パラメータを提供するために配置されてもよい。

レーザー／ＬＥＤセンサなどの他のセンサも粒子の検出に使用できる。例えば、粒子の化学分析のために、赤外線（ＩＲ）導波路センサを設けることができる。粒子の質量評価のために、フィルムバルク音響共振器センサまたは表面弾性波センサを設けることができる。

任意選択的に、１つ以上の検出器は、櫛歯型静電容量センサを含む。櫛歯型静電容量センサは、２つの金属製のコーム構造で構成されてもよく、これらコーム構造の個々の電線は他のコーム構造の２本の電線間に位置するが接触はしない。電線間の距離は０．５から２０マイクロメートルの範囲であり得るため、２つのコーム間に測定可能な静電容量が生じる。粒子が２つのコーム間を移動する、または各コームの表面上に固定されると、静電容量の変化が測定され、粒子の存在として解釈される。電線間の距離、または流れチャネル内の各コームの位置を変更することにより、結果として生じる静電容量信号から粒子サイズ、形状、および配向を導き出すことができる。櫛歯型静電容量センサは、ＣＭＯＳ技術（シリコンウェーハ上の金属製構造のエッチング）または非導電性基板上の金属製構造の直接印刷によって製造されてもよい。有利なことに、そのような櫛歯型静電容量センサは、例えばマイクロ流体システムを含む小型化された粒子検出装置内に容易に組み込むことができる。

任意選択的に、１つ以上の検出器は、複数のセンサを含む。

任意選択的に、１つ以上の検出器は、静電容量センサと光学センサとの組み合わせを含む。

任意選択的に、１つ以上の検出器は、非侵入型および／または非接触型検出器である。非接触型検出器を使用すると、検出器の位置でチャネルが詰まる危険性を低減することができる。例えば、粒子が静電容量センサを通過し、信号のパルス（静電容量変化）が検出されて、粒子の通過を示してもよい。

任意選択的に、粒子を検出器に向かって案内するために、案内要素が検出器位置で使用される。

任意選択的に、案内要素は、流れチャネル高さの０．１から０．７倍の高さを有する突起によって形成される。突起は、チャネル内の検出器の位置またはその付近、例えばチャネルの反対側に配置されることにより、粒子を強制的に検出器に向かわせることができる。突起は、例えば電気素子や熱泳動素子など、他の手段を用いる代わりに使用できる。このように、各チャネル内に追加的な電気接続部は必要とされない。これにより、装置のロバスト性を高めながら、よりシンプルな設計が可能になる。

突起は、例えば、畝を形成してもよい。代替的または追加的に、チャネル内の狭窄部が突起によって形成されてもよい。この狭窄部は、流量調節器として機能してもよい。一例において、チャネル構造のチョーク流れ規制部は、１つ以上の案内要素によって形成される。これらの案内要素は、チャネル構造の流体流路を通って流れる実質的に一定の流れを実現し得る。

任意選択的に、入口流れチャネルは、入口流れチャネルの水力直径の少なくとも１０倍の長さを有する。一例において、入口流れチャネルは少なくとも５ミリメートルの長さを有する。入口流れチャネルは、例えば、５から２０ミリメートルの長さを有してもよい。通常、入口流れチャネルの水力直径は約０．１から５ミリメートルである。そのような最小長さにより、粒子検出装置の外部の流れの影響を低減することができる。

有利なことに、これにより、流れを層流化および／または低乱流化することができる。チャネル内部で実質的な層流を得るには、最小長さが必要になる場合がある。実質的な層流を得るために、粒子検出装置の外部の流れの影響を低減するために配置される他の手段も使用され得る。入口流れチャネルの長さは、入口流れチャネルの水力直径と粒子検出装置を通る流量（レイノルズ数を参照）に依存し得る。

任意選択的に、チャネル構造は０．１から１ミリメートルの高さの各チャネルを有する。一例において、チャネル構造内部の各チャネルはそれぞれ異なる高さを有し得る。

任意選択的に、仮想インパクタ部および／または別の仮想インパクタ部の主流チャネルの幅と副流チャネルの幅の比は０．１から１の間である。

任意選択的に、粒子検出装置は、チャネル構造の流体流路を通る流体ストリームを実現するためのポンプまたはファンを含む受容装置に接続される。

任意選択的に、ポンプは膜ポンプ、すなわちダイアフラムポンプである。膜／ダイアフラムポンプは原価が低い場合がある。粒子検出装置を通る流体／気体流は膜ポンプによって得ることができ、粒子検出装置のチャネル構造の設計を通じて一定の流れが達成されるため、適切な精度が維持される。チャネル構造は、圧力条件に依存せず、粒子検出装置のチャネル構造の流体通路を通る一定の流れを実現するために配置されたチョーク流れ規制部を含む。

任意選択的に、チャネル構造は、受容装置に取り外し可能に接続される。受容装置は、それぞれ異なる（種類の）粒子検出装置を受容するのに好適であるために配置されてもよい。一例において、受容装置は、粒子検出装置のサイズおよび／または形状にカスタマイズ可能である。

受容装置は、１つ以上の検出器によって得られたデータを読み出すための手段を含む読み取り装置であってもよい。有利なことに、粒子検出装置は小型で低コストの使い捨て／交換可能な装置であり、膜ポンプおよびチョーク流れ規制部が配置されている粒子検出システムの読み取り装置、例えば電子リーダーなどに挿入されて使用可能である。このようにして、モジュール設計が得られ、粒子検出装置が、取り外し可能／使い捨て粒子センサカートリッジを構成する。代替的に、チャネル構造のみが取り外し可能であり、検出器は読み取り装置の一部である。

粒子検出システムの読み取り装置は、ポンプを操縦し、および／または粒子検出装置の１つ以上の検出器からデータを読み出して処理するために配置された電子機器を含む制御ユニットを更に備えてもよい。

任意選択的に、チャネル構造の少なくとも一部は、積層造形、すなわち３Ｄ印刷によって製造される。３Ｄ印刷されたチャネル構造または粒子検出装置により、比較的複雑なチャネル構造の設計が可能になる。

任意選択的に、検出器の少なくとも一部は、気体の濃度測定を可能にするために、気体の存在に反応するように構成された応答性コーティングでコーティングされる。このようにして、気体濃度を示す追加情報を得ることができる。有利なことに、粒子検出装置は、粒子と気体の両方の存在を検出するために配置され得る。

一態様によれば、本発明は、１つ以上の粒子検出装置と読み取り装置とを備える粒子検出システムを提供し、１つ以上の粒子検出装置は、読み取り装置に取り外し可能に接続される。粒子検出装置は、あらゆる種類のポンプと共に使用されるのに好適であり得、設計自由度が向上する。使用されているポンプに基づいて、チャネル構造の設計を変更する必要がなくなり得る。チャネル構造の再設計には、高価な計算流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションおよび流体力学実験が必要になる場合がある。

粒子検出システムの粒子検出装置を異なる粒子検出装置に変更することにより、粒子検出システムの同じ読み取り装置で他の種類の粒子を検出／測定することができる。粒子検出装置と読み取り装置との間に、１つ以上の流体接続部を配置することができる。流体接続部は、気密接続部であってもよい。また、チャネル構造内の少なくとも１つ以上の埋め込まれた、または組み込まれた検出器用に、１つ以上の電気接続部が配置されてもよい。交換可能／使い捨てである部品は、耐用年数および精度を向上させることができる。

一態様によれば、本発明は、粒子検出装置において使用されるチャネル構造を提供する。チャネル構造内にチョーク流れ規制部がある結果として、粒子検出装置のチャネル構造の（マイクロ）チャネルの設計により、空気が流体流路を通って流れることを可能にするための装置によって使用されるポンプへの依存を少なくすることができる。従って、粒子検出装置による粒子の検出に対するポンプの影響を大幅に低減することができる。

任意選択的に、粒子は少なくとも２つのそれぞれ異なるサイズ、好ましくは少なくとも４つ、より好ましくは少なくとも６つのサイズに分画される。任意選択的に、粒子は、０．１から５０マイクロメートル、より好ましくは０．５から２０マイクロメートルの範囲のサイズに分画される。好ましくは、１マイクロメートル未満、２．５マイクロメートル未満、４マイクロメートル未満、５マイクロメートル未満、および１０マイクロメートル未満の画分がヒト曝露研究に関連している。

測定対象の粒子は、シリカ、カーボンブラック、アスベスト、粒子状物質、細塵などからなっていてもよい。

空気入口は、より大きな粒子を除去するフィルタを備えてもよい。また、流体流路を通る実質的に一定の流れを調節および維持するために、チョーク流れ規制部は、追加的または代替的に入口流れチャネル内に配置されてもよい。

一態様によれば、本発明は、粒子検出装置を含むカートリッジを提供する。粒子検出装置は、粒子検出システムの読み取り／受容装置に対して取り外し可能、交換可能、または使い捨てであるカートリッジの形態であってもよい。粒子検出システムは、ポンプまたは送風機を収容する読み取り／受容装置と、各チャネルを有する使い捨てカートリッジを構成する粒子検出装置とを備えてもよい。好適な接続インターフェース（例えば、流体、電気など）が、粒子検出システムの粒子検出装置と読み取り装置との間に配置されてもよい。

一態様によれば、本発明は、入口から出口まで延びる流体流路を形成するチャネル構造を使用することによって達成される分離により、流体ストリーム中の浮遊粒子を検出する方法を提供する。流体流路は、入口に接続された入口流れチャネルと出口に接続された出口流れチャネルとの間に配置された複数の流れチャネルを含む。チャネル構造は、チャネル構造の流体流路を通る流体ストリームを実現するためのポンプまたはファンを含む受容装置に接続可能である。方法は、入口流れチャネルを少なくとも１つの主流チャネルと少なくとも１つの副流チャネルに分岐させるための第１の分離部を設けることにより、流体ストリームを少なくとも１つの主流チャネル内の小流と少なくとも１つの副流チャネル内の大流とに分離することを含む。少なくとも１つの主流チャネル内の小流は、第１の所定サイズを超える粒子の大部分を含み、少なくとも１つの副流チャネル内の大流は、第１の所定サイズを超える粒子の小部分を含む。この方法は、粒子を検出するために、少なくとも１つの主流チャネルまたは少なくとも１つの副流チャネルのうちの少なくとも１つ内に、１つ以上の検出器を設けることを更に含む。チョーク流れ規制部は、使用中にチョーク流れを供給するために複数の流れチャネルのうちの少なくとも１つ内に配置されることにより、圧力条件に依存しない一定の流れを実現する。

チャネル構造は、粒子のサイズ、重量および／または形状に応じて、それぞれ異なるチャネルに粒子を分離することができる。チャネル構造はまた、粒子の他の特徴／特質に基づいた分離を可能にするために配置されてもよい。有利なことに、チャネル構造は、流体を粒子検出装置に通過させるために使用されるポンプまたはファンに実質的に依存せずに動作し得る。チョーク流れ規制部は、粒子検出装置のチャネル構造の流体通路を通る実質的に一定の流れを実現する。更に、例えばダイアフラムポンプの使用による、チャネル構造の流体流路内の流体流における圧力変動の影響を大幅に低減することができる。

仮想インパクタは、チャネルを少なくとも１つの大流チャネルと少なくとも１つの小流チャネルに分岐させる１つ以上の仮想インパクタ部を含んでもよい。一例において、粒子検出装置のチャネル構造は仮想インパクタである。

有利なことに、ダイアフラムポンプ、または他のより安価および／または精度の劣るポンプ（またはファン）を粒子検出装置と併用することができる。

チョーク流れ規制部は、チャネル構造内の流れを実質的に一定に保つように寸法決めされる。従って、チョーク流れ規制部は、流量調節器として機能することができる。

通常、ファンは明確に定義されていない空気の流れを作り出し、そこから粒子の量を計算することが困難である可能性がある。有利なことに、チョーク流れ規制部によって、実質的に一定の流れが圧力条件に依存せずに得られるため、ファンの使用も可能になる。膜ポンプも使用でき、粒子検出装置の小型化が促進される。

入口流れチャネルなどのチャネル構造のチャネルは、分離部で１つ以上の分岐部（すなわち別の各チャネル）に分岐されてもよい。そして更に、これらの分岐部は、別の分離部で再び１つ以上の別の各分岐部に分岐され得る。一例において、チャネルは、分離部で複数の分岐部／チャネルに分岐される。このようにして、複数の分岐部／チャネルを流体ストリームから分離することにより、複数のそれぞれ異なる画分を得ることができる。一例において、２つから１０個のそれぞれ異なる画分が得られる。より多くの数の画分を得ることも可能である。一例において、それぞれの分岐チャネルは、前記チャネル内部の粒子を検出するために配置された検出器を備える。粒子が検出器上に付着し得、蓄積物を測定することができる。代替的または追加的に、例えば、追加的な検出器を使用して、通過する粒子を測定することができる。

一例において、各チャネル内のそれぞれ異なる位置で、それぞれ異なる検出器を使用して粒子が検出される。

任意選択的に、チョーク流れ規制部は、出口流れチャネル内に設けられる。

任意選択的に、クリティカルオリフィスが、チョーク流れ規制部として使用される。

任意選択的に、５０から３００マイクロメートルの水力直径を有するチャネル狭窄部が、チョーク流れ規制部として使用される。

任意選択的に、チョーク流れ規制部の水力直径は調整可能である。

任意選択的に、チョーク流れ規制部の水力直径は、検出されるべき粒子に基づいて選択される。

任意選択的に、チャネル構造の少なくとも一部は、積層造形、すなわち３Ｄ印刷によって製造される。

本発明のほとんどの実施形態の特定の各部材は、それぞれ異なるサイズおよび形状のモジュラーアセンブリ用に設計され、そしてアセンブリ全体を分解することなく、一部の部材または各部材の一部を容易に取り外す、および必要に応じて交換するために設計された複数の部品で作製され得る。粒子検出装置に隣接して、取り外し可能な各部品には、例えば、ポンプ、チャネル構造の各部品、チャネル構造、１つ以上のチャネル、１つ以上の検出器、およびチョーク流れ規制部が含まれ得る。他の部品も取り外し可能であり得る。

粒子検出装置は、リアルタイムで検出および／または測定データを提供してもよい。有利なことに、フィルタリング時間および長い検出／測定時間は不要である。

粒子検出装置は、建設業、鉱業、保健産業、ハイテク産業（例えばクリーンルーム）、機械建造業、建築業、林業、個人使用（例えば個人モニタリング）など多くの分野で利用できる。例えば、粒子検出装置はダストセンサとして使用されてもよい。粒子検出装置は、人が浮遊粒子、塵埃および／または汚染物質と接触するあらゆる種類の職業で使用できる。粒子検出装置はまた、例えば、都市、車両、電車、バスなどにおける特定の粒子への曝露を測定するための個人用センサとして使用されてもよい。

粒子検出装置は、ユーザが携帯するのに好適であり得る。例えば、潜在的に危険または有害な環境での操作時に、特定の曝露の危険性を低減する。

粒子検出装置が、例えばスマートフォンやタブレットなどの他の携帯型装置においても使用できるように、粒子検出装置の小型化を促進することができる。代替的または追加的に、粒子検出装置は、ラボオンチップ（ＬＯＣ）を構成するか、またはその一部であってもよい。

この説明では、「約」や「実質的に」のような文言は、それが指す所与の値の変動が所与の定義内で許容可能であることを意味すると理解されるべきであり、これらの変動は所定の値の少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％、およびより好ましくは少なくとも１５％であり得る。

チョーク流れは圧縮性流れ効果として見ることができ、流体速度または流れが制限状態またはチョーク状態になることが理解される。所与の圧力および温度で流れる流体がチョーク流れ規制部を通過して、より低い圧力環境に入ると、流体速度が増加する。ベンチュリ効果の結果として、静圧、およびひいては密度が、チョーク流れ規制部より下流で減少する。チョーク流れは、上流圧力が固定されている一方で下流圧力環境が更に減少しても質量流量が増加しない制限条件と見なすことができる。チョーク流れでは、上流およびチョークポイントで密度を増加させることによってのみ質量流量を増加させ得る。気体速度が最大に達し、チョーク状態になっても、質量流量はチョーク状態にならないことに留意されたい。それでも、上流圧力を増加させると、オリフィスに入る気体の密度が増加するため、質量流量を増加させることができる。

このように構想された本発明は、多数の変形およびバリエーションが可能であり、それらは全て本発明の概念の範囲内である。

装置に鑑みて説明される態様、特徴、およびオプションは何れも、方法並びに説明されたチャネル構造およびシステムに等しく適用されることが理解されるであろう。上記の態様、特徴、およびオプションの何れか１つ以上の組み合わせが可能であることも明らかとなるであろう。

本発明を、図面に示される例示的な各実施形態に基づいて更に説明する。例示的な各実施形態は、非限定的な例示として与えられる。なお、以下の各図面は本発明の各実施形態を模式的に示したものにすぎず、非限定的な例として与えられる。

粒子検出装置の一実施形態の模式図を示す。

粒子検出システムの一実施形態の模式図を示す。

粒子検出システムの一実施形態の模式図を示す。

チョーク流れ規制部の模式図を示す。

櫛歯型静電容量センサの模式図を示す。

櫛歯型静電容量センサの断面図を示す。

案内要素を備えるチャネル構造のチャネルの模式図を示す。

流体ストリーム中の浮遊粒子を検出する方法の模式図を示す。

図１は、粒子検出装置１の一実施形態の模式図を示す。粒子検出装置１は、分離によって流体ストリーム中の粒子を検出するために配置されたチャネル構造２を含む。チャネル構造２は、入口６から出口８まで延びる流体流路４を形成する。流体流路４は、入口６に接続された入口流れチャネル１０と出口８に接続された出口流れチャネル１２との間に配置された複数の流れチャネルを含む。入口流れチャネル１０は、入口６から、入口流れチャネル１０を少なくとも１つの主流チャネル１６と２つの副流チャネル１８ａ、１８ｂに分岐させるために配置された第１の分離部１４まで延びる。第１の分離部１４は、流体ストリームを、少なくとも１つの主流チャネル１６内の小流と２つの副流チャネル１８ａ、１８ｂ内の大流とに分離するように構成されている。少なくとも１つの主流チャネル１６内の小流は、第１の所定サイズを超える粒子の大部分を含み、２つの副流チャネル１８ａ、１８ｂ内の大流は、第１の所定サイズを超える粒子の小部分を含む。主流チャネル１６および副流チャネル１８ａ、１８ｂは、粒子を検出するために配置された検出器２０を備える。また、チャネル構造２は、圧力条件に依存しない一定の流れを実現するために配置されたチョーク流れ規制部２２を含む。

第１の分離部１４は、一定の流れ中で、所定サイズを超える粒子が主流チャネル１６を直進し、所定サイズ未満の粒子が副流チャネル１８ａ、１８ｂに偏向されるように配置される。

粒子検出装置１のチャネル構造２内の気体流は、クリティカルオリフィスまたはチャネル狭窄部を配置することによって調節することができる。これにより、チャネル構造の流体流路を通る一定の流れが確保される（とりわけ、チャネル構造２のチャネル（群）の直径に依存して）。この例において、チョーク流れ規制部２２は、チャネル構造２の出口、すなわちチャネル構造２の出口流れチャネル１２内に配置されている。ただし、チョーク流れ規制部２２はまた、チャネル構造２の他の位置に配置されてもよい。

チャネル構造２内に流れを誘導するために、ポンプ、送風機、またはファンを設けることができる。チャネル構造２は、サイズおよび／または形状に応じて粒子を分離するために配置される。チョーク流れ規制部２２は、低コストのダイアフラムポンプを使用する場合、大きな圧力変動または流体／気体速度の変化を効果的に防ぐことができる。チャネル構造２におけるそのような変動は、粒子検出装置１の各検出器２０による粒子の検出に不利益となり得る。有利なことに、流量は、チャネル構造２の流体通路４内に配置されたチョーク流れ規制部２２によって実質的に一定に保つことができる。有利なことに、チョーク流れ規制部２２は、チャネル構造２の製造中に直接製造することができる。従って、製造複雑性と関連コストを効果的に削減することができる。更に、摩耗の影響を受けにくいロバスト設計を実現することができる。

粒子検出装置１の動作は、粒子検出装置１の入口６と出口８との間の圧力差を達成できる限り、ポンプの動作に実質的に依存しない。任意選択的に、例えばポンプまたは送風機によって、入口６と出口８との間で０．５バールを超える負圧が達成される場合、実質的に一定の流れが得られる。

粒子検出装置１は、大気汚染または空気品質（粒子状物質、微粒子、二酸化窒素、オゾンなどを参照）を監視するために使用されてもよい。粒子検出装置１は、他の粒子形状（例えばアスベスト）を検出するためにも使用できる。浮遊粒子のリアルタイム検出により、大気汚染の原因または空気品質を診断することができる。

各検出器２０は、チャネルを通過する粒子をカウントするように構成されてもよい。代替的または追加的に、各検出器２０は、粒子のサイズに関する情報を提供するように構成される。形状、化学的特質など、他の特質／特徴も導き出されてもよい。

検出器２０は、種々の方法でチャネル１６、１８ａ、１８ｂに組み込むことができる。一例において、必要な電子機器を備えたシリコンウェーハがチャネル１６、１８ａ、１８ｂに取り付けられ、チャネル構造２の不可欠な部品となる。これにより、チャネル構造２のそれぞれ異なるチャネル１６、１８ａ、１８ｂ内に複数の検出器２０を一度に組み込むことが可能になる。更に、シリコン技術により、例えば、櫛歯型電極、表面弾性波、薄膜バルク音響共振器などに基づいた低コストの検出器２０を使用することが可能になる。また、シリコン上の集積光導波路を使用して化学組成を、例えば赤外線信号を介して測定することができる。

それぞれ異なるチャネルを通って案内される粒子は、１つのチャネル内のそれぞれ異なる位置、例えば、互いに対して下流または上流に配置されるか、または前記チャネルの反対側に配置される複数のセンサを有してもよい検出器２０を使用して検出され得る。

好ましくは、実質的に一定の流量は、５から５００ｍｌ／分の範囲にある。この例において、粒子検出装置に対して５０ｍｌ／分の実質的に一定の流量が得られる。

図２は、粒子検出システム１００の一実施形態の模式図を示す。粒子検出システム１００は、粒子検出装置１と読み取り／受容装置２４とを含む。粒子検出装置１は、読み取り装置２４に取り外し可能に接続される。粒子検出装置１のチャネル構造２は、この図には示されていない。

また、この例において、粒子検出装置１は、チャネル構造２内のそれぞれ異なるチャネルへの粒子の分離および分離された粒子の検出のために配置される。チャネル構造２は、１つ以上の分離部および／または仮想インパクタを備え、これにより、特定の特質（例えばサイズ、形状）に応じて粒子を分離するための大流チャネルおよび小流チャネルが設けられる。チャネル構造は、チャネル構造２の流体流路４を通る体積流量を制御するためのチョーク流れ規制部によって形成された第１の流量調節器２２を含む。好ましくは、第１の流量調節器２２は、出口流れチャネル１２および／または入口流れチャネル１０に配置される。ただし、第１の流量調節器２２はまた、チャネル構造２の他の複数であり得る位置に配置されてもよい。１つ以上の粒子検出器は、それらが配置されているチャネル内の流体ストリーム中の粒子の存在、蓄積、および／または通過を測定するように構成することができる。好ましくは、各検出器は、チャネルに埋め込まれるか、または組み込まれる。任意選択的に、チャネル構造２は、少なくとも１つの検出器位置またはその付近にあるチャネル内の狭窄部によって形成される少なくとも１つの第２の流量調節器を更に備え、狭窄部は粒子を検出器２０に向かって案内するために設けられる。このようにして、チャネル構造２内に配置された少なくとも１つの検出器２０の検出精度を更に改善しながら、チャネル構造２においてより良好な流れ制御が可能になる。

この例において、粒子検出システム１は、着脱可能、交換可能、使い捨ておよび／または取り外し可能である。粒子検出装置１は、読み取り装置２４内に配置されたスロット２６に挿入される（矢印Ａ）。スロット２６は、粒子検出装置１を受容および保持するために配置されてもよい。例えば、粒子検出装置は、粒子検出システム１００から取り外され、および／または別の粒子検出システム１００と交換されてもよい。交換は、例えば、チャネル構造５内部の各チャネルの汚染、チャネル構造２内部の各チャネルの詰まり、各検出器２０または粒子検出装置１の損傷または誤動作などの場合に必要になることがある。代替的な例において、粒子検出装置１の一部のみが、読み取り装置２４に挿入可能である。

粒子検出装置１は、粒子検出システム１００の分離した構成要素を構成してもよい。読み取り装置２４のスロット２６は、粒子検出装置１の一部の周囲にぴったりとフィットし、粒子検出装置１の前記一部に実質的に均一に分散された圧力を加えるような形状であってもよい。

読み取り装置２４は、粒子検出装置１が読み取り装置２４に挿入されたときに、粒子検出装置１の入口６および出口８にそれぞれ接続するように構成された入口ポート２８および出口ポート３０を備えてもよい。任意選択的に、入口ポート２８および出口ポート３０は、例えばシーリンググロメットを含む密封ポートである。

図３は、粒子検出システム１の一実施形態の模式図を示す。粒子検出装置１は、流体ストリーム中の浮遊粒子を分離によって検出するために構成されたチャネル構造２を含む。チャネル構造は、流れストリーム内部の粒子をそのサイズおよび／または重量に応じて分離するために配置された２つの分離部を含む。分離は更に、他の粒子特性、特徴、または特質に基づいてもよい。この目的のために、チャネル構造２の設計をその目的に適合させることができる。粒子検出装置１のチャネル構造２または仮想インパクタ（１または複数）は、例えば計算モデルを使用して設計することができる。実験的な検証または設計も可能である。計算モデル（例えば計算流体力学モデルまたは分析モデル）によって、チャネル構造のチャネルの形状、配向、および寸法を設計することができる。チョーク流れ規制部２２により、チャネル構造２を通る実質的に一定の流れが実現されるため、設計を容易にすることができる。有利なことに、チャネル構造２は、３Ｄ印刷または射出成形することができる。

流体流路４は、入口６から出口８まで延びるチャネル構造２によって形成される。流体流路４は、入口６に接続された入口流れチャネル１０と出口８に接続された出口流れチャネル１２との間に配置された複数の流れチャネルを含む。入口流れチャネル１０は、入口６から、入口流れチャネル１０を少なくとも１つの主流チャネル１６と２つの副流チャネル１８ａ、１８ｂに分岐させるために配置された第１の分離部１４まで延びる。チャネル構造２は、複数の分離部１４、３２を含む。この例において、チャネル構造２は、第１の分離部１４の下流に別の分離部分３２を含む。別の分離部３２は、第１の分離部１４の少なくとも１つの主流チャネル１６を別の主流チャネル３４と２つの別の副流チャネル３６ａ、３６ｂに分岐させるように配置される。第１の分離部１４と同様に、別の分離部３２は、流体ストリームを、別の主流チャネル３４内の小流と２つの別の副流チャネル３６ａ、３６ｂ内の大流とに分離するように構成されている。別の主流チャネル３４内の小流は、第２の所定サイズを超える粒子の大部分を含み、２つの別の副流チャネル内の大流は、第２の所定サイズを超える粒子の小部分を含む。

主流チャネル１６、別の主流チャネル３４、副流チャネル１８ａ、１８ｂ、別の副流チャネル３６ａ、３６ｂはそれぞれ、粒子を検出するために配置された検出器２０を備える。例えばチャネル構造２内の他の位置に、より多数の検出器２０を配置できることが理解される。粒子に接触する（例えば、表面上に粒子を付着させる）のではなく、空気中を流れる粒子を測定するように構成された非接触検出器２０を使用して、目詰まりを実質的に防ぐことができる。好ましくは、検出器２０は静電容量電極を含む。検出器２０は、チャネルに組み込まれてもよい。有利なことに、粒子検出装置の設計をより小型にすることができる。各検出器が、薄膜バルク音響共振器センサ、表面弾性波センサ、光導波路センサなどのうちの少なくとも１つを含む他の実施形態も想定される。他の微小電気機械システム検出器またはウェーハ検出器も使用できる。このようにして、各検出器を小型かつ安価に作製することができ、粒子検出装置１の設計の小型化が促進される。

検出器２０は、気体の存在に反応する反応性コーティングで被覆され、前記検出器２０による気体の濃度の測定を可能にしてもよい。このようにして、例えば、粒子または粒子状物質による大気汚染に関する情報だけでなく、空気中のＮＯ_x、Ｏ₃などの気体濃度を示す情報も取得することができる。

検出器２０は、粒子を検出するための櫛歯型静電容量センサを含んでもよい。粒子の分離は、サイズ、形状、および／または質量に基づき、チャネル構造内で行うことができる。細長い粒子を円形粒子から分離することができ、これによって、例えば塵埃とアスベストとを識別することができる。チャネル構造はまた、粒子の他の形状に基づいて分離を行うように構成されてもよい。形状が異なる結果として挙動が異なる流れストリーム中の粒子の検出は、静電容量センサ（櫛歯型静電容量センサを参照）内の電極間の距離および／または配向を変更することによって改善することができる。櫛歯型電極間の距離よりも小さい直径を有する粒子は、櫛歯型電極間の距離よりも大きい直径を有し、電極間を貫通できない粒子よりも高い信号を与える。また、各櫛歯型電極に揃えられた細長い粒子は、垂直に配置された細長い粒子よりも高い信号を与えることができる。従って、各流れチャネル内の各櫛歯型電極の配向（例えば平行、または垂直、または角度付き）も、粒子の形状および配向に関する追加情報をもたらし得る。

チャネル構造２は、圧力条件に依存しない一定の流れを実現するために配置されたチョーク流れ規制部２２を含む。この例において、チャネル構造２内の一定の流れは、チョーク流れ規制部２２となるクリティカルオリフィスによって供給される。クリティカルオリフィスは、チャネルの残りの部分に比べて水力直径が小さいチャネル狭窄部を形成してもよい。

ポンプ４０は、チャネル構造２の各チャネルを通って空気を吸引するために読み取り装置２４内に配置される。粒子検出装置１のチャネル構造２内の流量は、どのポンプ４０（またはファン）を利用するかに拘わらず、実質的に同じに維持されてもよい。このように、粒子検出装置１は、それぞれ異なる特性を有するポンプ４０を含む様々な読み取り装置２４に対応し得る。

粒子検出システム１００は、粒子検出装置１と読み取り装置２４とを備え、粒子検出装置１は、読み取り装置１に取り外し可能に接続される。粒子検出装置１は、あらゆる種類のポンプと共に使用されるのに好適であり得、設計自由度が向上する。空気を粒子検出装置１のチャネル構造２の流体流路を通って案内するために使用されているポンプ４０に基づいて、粒子検出装置１のチャネル構造２の設計を変更する必要がなくなり得る。例えば、粒子検出装置１を別の粒子検出装置と交換することにより、粒子検出システム１００の同じ読み取り装置２４を使用して他の種類の粒子を検出／測定することができる。

この例において、粒子検出装置１と読み取り装置２４との間に流体連通をもたらすために配置された各スロットに隣接して、粒子検出装置１と読み取り装置２４との間の電気的接続を可能にするための電気接続部３８が設けられる。電気接続部３８は、粒子検出装置１が読み取り装置２４から取り外されたときに分離され得るように配置されている。電気接続部３８により、チャネル構造内に組み込まれた各検出器から得られた信号を読み取り装置２４に転送することができる。代替的な例において、信号は無線で転送される。組み合わせも可能である。

有利なことに、チャネル構造はマイクロ流体チャネル構造である。マイクロ流体アプローチは、小型化された検出メカニズムに好適である（例えば、櫛型静電容量センサ、フィルムバルク音響共振器／表面弾性波センサ、集積光学赤外線吸収センサなど）。また、マイクロ流体アプローチは、粒子形状評価（例えばアスベスト）に好適であり、様々な粒子サイズ（画分を参照）への分離を可能にする。マイクロ流体アプローチにより、他のセンサ、携帯電話、車両、衣類、タブレットなどの小型（携帯型）装置に組み込むことができる小型化された粒子検出装置が得られる。追加的に、交換可能マイクロ流体アプローチにより、粒子検出システム１００の同じ読み取り装置２４内の各カートリッジの形態である、それぞれ異なる粒子検出装置の使用が可能になる。

一例において、チョーク流れ規制部は、チャネル構造の流体流路を通る約５０ｍｌ／分の実質的に一定の流量を引き起こすように構成される。

任意選択的に、読み取り装置２４は、各検出器２０によって提供されるデータに基づいて情報を表示するために配置されたディスプレイ４４を備えてもよい。

この水力直径は、アクチュエータによって調整することができる。一例において、水力直径は、圧電素子、電気活性ポリマー、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ、または熱アクチュエータによって電気的に調整される。

図４は、チョーク流れ規制部２２の模式図（断面図）を示す。粒子検出装置１のチャネル構造２内のチョーク流れ規制部２２は、チャネル構造２または流体流路４にチョーク流れを誘導するように構成され得る。チョーク流れ規制部２２は、粒子検出装置１のチャネル構造２の流体通路４を通る実質的に一定の流れを効果的に実現する。チョーク流れ規制部２２は、入口部４６と出口部４８とを含み、流体または気体は入口部４６を通ってチョーク流れ規制部２２に入り、出口部４８を通ってチョーク流れ規制部２２から出ることができる。狭窄部５０は、チョーク流れ規制部２２の入口部４６と出口部４８との間に配置されている。流れストリームの方向は、矢印Ｆで示されている。チョーク流れ規制部２２の入口部４６は、入口（水力）直径Ｈ１を有する。チョーク流れ規制部２２における（水力）直径は、狭窄部５０で規制（水力）直径Ｈ２まで小さくなる。（水力）直径は更に、出口部４８の方向に再び大きくなる。出口部４８での（水力）直径は、入口部４６の（水力）直径と実質的に一致してもよい。ただし、これらの直径は異なっていてもよい。狭窄部５０は、ベンチュリ効果をもたらすように構成されてもよい。

チョーク流れ規制部２２は、チャネル構造２のチャネルの２つの部分間を流体接続する中間部品として配置されてもよいことが理解される。

（気体の）チョーク流れの結果として、質量流量は、下流圧力の圧力作動範囲（通常、上流圧力が例えば大気圧の場合は０から０．５バールの間であってもよい）にわたって実質的に依存しなくなる。ポンプまたはファンは、例えば下流に配置されてもよい（すなわち、出口８に接続される）。そのため、チョーク流れは温度と圧力、およびひいてはチョーク流れ規制部の上流側の気体の密度に僅かにしか依存しない可能性がある。言い換えると、質量流量は、主に、チョーク流れ規制部２２の断面積または水力直径Ｈ２、およびチョーク流れ規制部２２の上流の圧力に依存し得る。質量流量は、チョーク流れ規制部２２によって得られる圧力作動範囲内の下流圧力に実質的に依存しなくてもよい。一例において、狭窄部５０における規制（水力）直径Ｈ２は、５０から３００マイクロメートルの範囲にある。追加的または代替的に、チョーク流れ規制部２２の入口部４６の入口（水力）直径は、０．１から５ミリメートルの範囲の直径を有する。

図５は、各櫛歯型電極５６を含む櫛歯型静電容量センサ５２の模式図を示す。各櫛歯型電極５６は、複数の導電線または導電ストリップ５８によって形成されるパターンを呈する。導電線５８間にギャップまたは間隔６０が配置される。一例において、導電線間のギャップ６０（すなわち距離）は０．５から２０マイクロメートルの範囲にある。このようにして、２本の導電線５８間の測定可能な静電容量を測定することができる。追加的または代替的に、各導電線５８の幅は０．５から２０マイクロメートルの範囲である。各櫛歯型電極５６は、櫛歯型静電容量センサ５２の各接合ギャップ６２に接続されている。任意選択的に、センサ５２は、各導電線５８の少なくとも一部を覆うフィルム５４を含む。櫛歯型静電容量センサ５２は異なる方法で配置されてもよいことが理解される。他の櫛歯型電極構成が可能であり、採用されてもよい。

各接合ギャップ６２は、測定ユニットに電気的に接続され得る。一例において、電圧が、ある周波数で各接合ギャップ６２を介して各櫛歯型電極５２に供給される。そして静電容量センサ５２の検知静電容量信号から、少なくとも静電容量項を測定することができる。得られた静電容量項は、導電線５８ａ、５８ｂに近接する、および／またはそれらの間にある粒子の指標を測定するために使用され得る。測定ユニットは、静電容量項を検出／測定するための手段を備えてもよい。

図６は、櫛歯型静電容量センサ５２の断面図を示す。一連の櫛歯型正極５８ａおよび負極５８ｂは、各櫛歯型電極５６の各導電線５８によって形成される。それぞれ異なる直径を有する粒子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の検出が示されている。粒子Ｐ１の直径が最大で、粒子Ｐ３の直径が最小である。粒子Ｐ１はギャップ６０よりも大きく、粒子Ｐ２はギャップ６０と一致する直径を有し、粒子Ｐ３はギャップ６０よりも小さい。粒子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が２つの隣り合う導電線５８間を移動するか、または各導電線５８の表面上に固定されると、静電容量の変化が測定される。これは、粒子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の存在を示す信号に変換され得る。各導電線間の距離、またはチャネル構造２のチャネル内の櫛歯型静電容量センサ５２の位置を変更することによって、結果として得られる静電容量信号から粒子サイズ、形状、および配向を導き出すことができる。

形状が異なる結果として挙動が異なる、チャネル構造２のチャネル内の流れストリーム中の粒子の検出は、櫛歯型静電容量センサ５２内の各櫛歯型電極５６間の距離および／または配向を変更することによって改善することができる。

示された例において、粒子Ｐ３は粒子Ｐ１よりも高い測定信号をもたらす。粒子Ｐ１は、各電極５８ａ、５８ｂの間を貫通することができない。また、各櫛歯型電極５６に揃えられた細長い粒子は、垂直に配置された細長い粒子よりも高い信号を与えることができる。従って、チャネル構造２のチャネル内の各櫛歯型電極５６の配向（例えば平行または垂直）も、検出された粒子の形状および配向に関する追加情報をもたらし得る。

示された例において、粒子Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３は円形状を有するが、粒子Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３はまた他の形状（例えば細長い）であってもよい。

静電容量近接センサ５２による検出または測定は、各導電線５８ａ、５８ｂ間の静電容量の変化に基づいている。そのような静電容量の変化は、電極間の距離、電極表面積、および／または各導電線５８ａ、５８ｂ間の媒介物の誘電率に依存し得る。静電容量センサは、静電容量センサ５２の各センサ導電線５８ａ、５８ｂの近傍にある粒子によって影響を受ける可能性がある磁力線を誘発し得る。静電容量（またはインピーダンス）センサは、非接触検出を実行できると同時に、気体中の粒子を測定するための高いロバスト性を呈し得る。

静電容量センサ５２は、粒子の通常の特質を考慮することにより粒子を検出するように構成されてもよい。このようにして、静電容量センサ５２は、特定の粒子を検出または測定するために調整され得る。

静電容量センサの代わりに他のインピーダンスセンサも使用し得ることが理解される。

図７は、案内要素６４を備えるチャネル構造２のチャネルの模式図（断面図）を示す。有利な方法において、案内要素６４は、流体ストリーム中の粒子を検出器に向かって案内するための検出器位置で使用されることによって、その粒子検出装置１による粒子検出を改善することができる。案内要素６４は突起６４を形成する。チャネル構造２のチャネルは高さＤ１を有する。一例において、突起６４は、チャネル直径Ｄ１の０．１から０．７倍の範囲の高さＤ２を有する。このようにして、突起により、チャネル構造２のチャネル内で、狭窄された直径Ｄ２を有する部分を得ることができる。突起６４は、チャネル内の検出器２０の位置またはその付近、例えばチャネルの反対側に配置されることによって、粒子を強制的に検出器２０に向かわせることができる。

図８は、粒子検出装置１を使用して、流体ストリーム中の浮遊粒子を検出する方法の模式図を示す。粒子の分離は、入口６から出口８まで延びる流体流路４を形成するチャネル構造２を使用することによって行われる。流体流路４は、入口６に接続された入口流れチャネル１０と出口８に接続された出口流れチャネル１２との間に配置された複数の流れチャネルを含む。第１のステップ１０００において、分離部１４によって、流れストリームをチャネル構造２内で分離して大流および小流を得る。第２のステップ２０００において、各検出器によって、大流および小流中の粒子を検出する。第３のステップ３０００において、チョーク流れ規制部によって、圧力条件に依存せず、実質的に一定の流れをチャネル構造２内で維持する。

この方法は、入口流れチャネルを少なくとも１つの主流チャネルと少なくとも１つの副流チャネルに分岐させるための第１の分離部１４を設けることにより、流体ストリームを、少なくとも１つの主流チャネル内の小流と少なくとも１つの副流チャネル内の大流とに分離することを含んでもよい。少なくとも１つの主流チャネル内の小流は、第１の所定サイズを超える粒子の大部分を含み、少なくとも１つの副流チャネル内の大流は、第１の所定サイズを超える粒子の小部分を含む。この方法は、粒子を検出するために、少なくとも１つの主流チャネルまたは少なくとも１つの副流チャネルのうちの少なくとも１つ内に、１つ以上の検出器を設けることを含んでもよい。圧力条件に依存しない一定の流れを実現するために、チョーク流れ規制部がチャネル構造内に配置される。

この方法は、材料のスラブ内に製造されたチャネル構造を使用して気体中の粒子を分離することを可能にし、気体は、スラブの外部に収容されたポンプによって各チャネルを通って吸引または案内される。気体流は、チャネル構造内に製造されたクリティカルオリフィスを形成するチョーク流れ規制部によって調節することができる。チョーク流れ規制部は、入口流れチャネルおよび／または出口流れチャネル内に配置され得る。粒子は各チャネルに埋め込まれた各検出器によって検出され、処理はスラブの外部の電子機器によって行われる。

チャネル構造は、３Ｄ印刷、エッチング、または射出成形によってプラスチックまたはガラスで製造することができる。他の好適な材料および製造技術も使用され得る。

粒子検出装置は、単一の集積回路、チップまたはシステム上に１つ以上の研究室機能を集積するラボオンチップ（ＬＯＣ）または微小化学物質分析システム装置（ｍｉｃｒｏ－ｔｏｔａｌ－ａｎａｌｙｓｉｓ－ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｉｃｅ）の一部であってもよい。ラボオンチップ装置は、更なる小型化を可能にするコンパクトな寸法を有してもよい。

集積電子機器を用いるマイクロ流体工学は、浮遊粒子の検出に有利に使用される。粒子検出装置は、人の粒子状物質および／または大気汚染への個人的曝露を測定することができ、好ましくは、空気中で検出された粒子の組成、特質、特徴および／または他の特性に関する情報を提供する能力も有する、安価で小型の携帯型装置を提供し得る。

粒子検出装置が比較的容易に製造でき（例えば３Ｄ印刷または射出成形を採用して）、更に本発明の実施に関連するコストもそれほど高くないことに留意すべきである。上述の本発明は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、いくつかの方法で変更および適合させ得る。実際、使用される材料は、特定の用途、並びに偶発的な形状および寸法に対応している限り、要件に応じてどのようなものであってもよい。また、全ての詳細事項は、他の技術的に同等な要素に置き換えられてもよい。

更に、本発明の全ての詳細事項は他の技術的に同等な要素で置換されてもよく、使用される材料、並びに様々な構成要素の形状および寸法は、要件に応じて異なり得る。

本明細書では、本発明の各実施形態の具体的な例を参照して本発明が説明されている。ただし、本発明において、本発明の本質から逸脱することなく、様々な変更、変形、代替、および改変を行うことができることは明白であろう。明確化および簡潔な説明のために、本明細書では同じまたは別々の実施形態の一部として特徴が説明されているが、これらの別々の実施形態において説明される特徴の全てまたは一部の組み合わせを有する代替的な実施形態も特許請求の範囲によって概説される本発明の枠組み内にあると想定および理解される。従って、各仕様、図面、および例は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で解釈されるべきである。本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内にある全ての代替、変更、および変形を包含することを意図している。また、説明される要素の多くは、個別の、もしくは分散された構成要素として、または他の構成要素と併用して、任意の好適な組み合わせおよび位置で実装され得る機能的エンティティである。

特許請求の範囲において、括弧内のいかなる参照符号も、請求項を限定するものとは解釈されないものとする。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、請求項に列挙されたもの以外の特徴または工程の存在を排除するものではない。また、単語「ａ」および「ａｎ」は、「１つだけ」に限定されるとは解釈されないものとし、「少なくとも１つ」を意味するために用いられ、複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。

Claims (14)

1. 流体ストリーム中の浮遊粒子を分離によって検出するために配置されたチャネル構造を備える粒子検出装置であって、前記チャネル構造が、入口から出口まで延びる流体流路を形成し、前記流体流路は複数の流れチャネルを含み、前記複数の流れチャネルの入口流れチャネルは前記入口に接続され、前記複数の流れチャネルの出口流れチャネルは前記出口に接続されており、
   前記粒子検出装置が、前記チャネル構造の前記流体流路を通る流体ストリームを実現するためのポンプまたはファンを含む受容装置に接続可能であり、
   前記入口流れチャネルが、前記入口から、前記入口流れチャネルを少なくとも１つの主流チャネルと少なくとも１つの副流チャネルに分岐させるために配置された第１の分離部まで延び、前記第１の分離部が、前記流体ストリームを、前記少なくとも１つの主流チャネル内の小流と前記少なくとも１つの副流チャネル内の大流とに分離するように構成され、前記少なくとも１つの主流チャネル内の前記小流が第１の所定サイズを超える粒子の大部分を含み、前記少なくとも１つの副流チャネル内の前記大流が前記第１の所定サイズを超える粒子の小部分を含み、
   前記少なくとも１つの主流チャネルまたは前記少なくとも１つの副流チャネルのうちの少なくとも１つが、粒子を検出するために配置された１つ以上の検出器を備え、
   前記チャネル構造の少なくとも一つの流れチャネルにおいて、チョーク流れ規制部が配され、該チョーク流れ規制部は、使用中に、圧力条件に依存せず、前記流体流路内の一定の流れを実現するためにチョーク流れを供給するように構成された、粒子検出装置。
2. 前記チョーク流れ規制部が、前記出口流れチャネル内に配置される、請求項１に記載の粒子検出装置。
3. 前記チョーク流れ規制部が、５０から３００マイクロメートルの水力直径を有するチャネル狭窄部によって得られる、請求項１または２に記載の粒子検出装置。
4. 前記チョーク流れ規制部の前記水力直径を調整するための手段を更に備える、請求項３に記載の粒子検出装置。
5. 前記チャネル構造が、前記第１の分離部の下流に少なくとも１つの別の分離部を含み、前記別の分離部が、前記第１の分離部の前記少なくとも１つの主流チャネルまたは前記少なくとも１つの主流チャネルに接続されたチャネルを、少なくとも１つの別の主流チャネルおよび少なくとも１つの別の副流チャネルに分岐させるために配置され、前記別の分離部が、前記流体ストリームを、前記少なくとも１つの別の主流チャネル内の小流と前記少なくとも１つの別の副流チャネル内の大流とに分離するように構成され、前記少なくとも１つの別の主流チャネル内の前記小流が、第２の所定サイズを超える粒子の大部分を含み、前記少なくとも１つの別の副流チャネル内の前記大流が、前記第２の所定サイズを超える粒子の小部分を含み、前記少なくとも１つの別の主流チャネルまたは前記少なくとも１つの別の副流チャネルのうちの少なくとも１つが、粒子を検出するために配置された１つ以上の検出器を備える、請求項１から４の何れか１つに記載の粒子検出装置。
6. 前記１つ以上の検出器が、櫛歯型静電容量センサを含む、請求項１から５の何れか１つに記載の粒子検出装置。
7. 粒子を前記検出器に向かって案内するために、案内要素が検出器位置で使用される、請求項１から６の何れか１つに記載の粒子検出装置。
8. 前記案内要素が、流れチャネル高さの０．１から０．７倍の高さを有する突起によって形成される、請求項７に記載の粒子検出装置。
9. 前記粒子検出装置が、前記チャネル構造の前記流体流路を通る流体ストリームを実現するためのポンプまたはファンを含む受容装置に接続される、請求項１から８の何れか１つに記載の粒子検出装置。
10. 前記チャネル構造が、前記受容装置に取り外し可能に接続される、請求項９に記載の粒子検出装置。
11. 前記１つ以上の検出器の少なくとも一部が、気体の濃度測定を可能にするために、気体の存在に反応するように構成された応答性コーティングを有する、請求項１から１０の何れか１つに記載の粒子検出装置。
12. 請求項１から１１の何れか１つに記載の粒子検出装置を１つ以上備え、さらに１つ以上の検出器によって得られたデータを読み出すための手段を含む読み取り装置を備える粒子検出システムであって、前記１つ以上の粒子検出装置が、前記読み取り装置に取り外し可能に接続される、粒子検出システム。
13. 入口から出口まで延びる流体流路を形成するチャネル構造を使用することによって達成される分離により、流体ストリーム中の浮遊粒子を検出する方法であって、前記流体流路は複数の流れチャネルを含み、前記複数の流れチャネルの入口流れチャネルは前記入口に接続され、前記複数の流れチャネルの出口流れチャネルは前記出口に接続されており、前記チャネル構造が、前記チャネル構造の前記流体流路を通る流体ストリームを実現するためのポンプまたはファンを含む受容装置に接続可能であり、前記方法が、
    前記入口流れチャネルを少なくとも１つの主流チャネルと少なくとも１つの副流チャネルに分岐させることによって、前記流体ストリームを、前記少なくとも１つの主流チャネル内の小流と前記少なくとも１つの副流チャネル内の大流とに分離するための第１の分離部を設ける工程であって、前記少なくとも１つの主流チャネル内の前記小流が第１の所定サイズを超える粒子の大部分を含み、前記少なくとも１つの副流チャネル内の前記大流が前記第１の所定サイズを超える粒子の小部分を含む、工程と、
    粒子を検出するために、前記少なくとも１つの主流チャネルまたは前記少なくとも１つの副流チャネルのうちの少なくとも１つ内に、１つ以上の検出器を設ける工程と、
    前記チャネル構造の少なくとも１つの流れチャネルに、使用中に、圧力条件に依存しない一定の流れを実現するためにチョーク流れを供給するように構成されたチョーク流れ規制部を配する工程と、を含む方法。
14. 前記チョーク流れ規制部の水力直径が、検出されるべき粒子に基づいて選択される、請求項１３の何れか１つに記載の方法。

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