JPWO2011016355A1 - 微生物を検出するための検出装置および検出方法 - Google Patents

微生物を検出するための検出装置および検出方法 Download PDF

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Abstract

受光素子(9)からの、所定速度で移動する浮遊粒子による散乱光の受光量に応じた電流信号は、フィルタ回路(31)を介してパルス幅測定回路(32)および電流−電圧変換回路(34)に入力される。パルス幅測定回路で電流信号から測定されたパルス幅は、パルス幅−電圧変換回路(33)で所定の関係に基づいて電圧値に変換され、電圧比較回路(36)に入力される。電流−電圧変換回路では電流信号のピーク値が電圧値に変換され、増幅回路(35)で所定の増幅率に増幅されて電圧比較回路に入力される。電圧比較回路では、パルス幅からの変換電圧値が境界値として用いられ、ピーク電圧値が境界値よりも小さい場合に、散乱光を生じた浮遊粒子が微生物と検出される。

Description

この発明は検出装置および検出方法に関し、特に、空気中の生物由来の浮遊粒子としての微生物を検出するための装置および検出方法に関する。
従来、空気中の微生物の検出においては、落下菌法、衝突法、スリット法、多孔板法、遠心衝突法、インピンジャ法、およびフィルタ法などの方法で空気中の微生物を採取した後、培養し、出現するコロニーを計数する。しかしながら、この方法では、培養に2日から3日が必要であり、リアルタイムでの検出は難しい。
近年、特開2003−38163号公報(以下、特許文献1)および特表2008−508527号公報(以下、特許文献2)のように、空気中の微生物に紫外光を照射して、微生物からの蛍光発光を検出して個数を計測する装置が提案されている。特許文献1を例に、図13を用いて詳しく説明する。当該装置では、吸引ポンプ111により外部空気が装置内に導入される。ノズル120付近の導入された空気に、赤外半導体レーザ112により赤外光ビームが、コリメートレンズ115およびシリンドリカルレンズ116を透過して、シート状の光として照射される。赤外光ビームは、空気中の浮遊粒子により散乱され、赤外透過フィルタ113を介して受光素子114で検出される。他方、紫外線LED117から紫外光が、コリメートレンズ118およびシリンドリカルレンズ119を透過して、シート状の光としてノズル120付近の空気に照射される。浮遊粒子が生物由来のものであれば、浮遊粒子から蛍光が発光され、この蛍光だけを透過させるバンドパスフィルタ121を介して受光素子122で検出される。受光素子114および受光素子122からの信号は図14に示す回路構成で処理される。両方の素子から信号が出てくる場合は、浮遊粒子は生物由来のものである。受光素子114からのみ信号が出てくる場合は、それ以外のものである。該装置では、これを利用して、生物由来の浮遊粒子、すなわち微生物の検出がリアルタイムで可能になる。
特開2003−38163号公報 特表2008−508527号公報
ところで、実際に空気中に浮遊する埃には、化学繊維のくずなどが多く含まれている。化学繊維は紫外光の照射により蛍光を発する。それ故、上述の特許文献1に開示された、浮遊粒子が生物由来のものか否かを判定する手段として紫外線の照射により蛍光を発光するか否かを用いる方法では、空気中に存在する生物由来の浮遊粒子に加えて、蛍光を発する埃も検出される。そのため、特許文献1の装置のような上の方法を採用している従来装置では、空気中に存在する生物由来の浮遊粒子だけを正確に評価できないという問題がある。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、空気中に存在する生物由来の浮遊粒子を精度よく検出することのできる検出装置および検出方法を提供することを目的の1つとしている。
上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うと、検出装置は空気中を浮遊する粒子から生物由来の粒子を検出するための検出装置であって、発光素子と、発光素子の照射方向に対して受光方向が所定角度である受光部と、受光部の受光量を検出信号として処理するための処理装置と、記憶装置とを備える。処理装置は、受光部の受光量を表わす検出信号の入力を受け付けると、検出信号を任意の条件と比較することで空気中を浮遊する粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定する処理を実行し、その判定結果を記憶装置に記憶させる。
好ましくは、処理装置は、判定する処理において、検出信号から得られる空気中を浮遊する粒子のサイズと空気中を浮遊する粒子による散乱光量とが、任意の条件を満たすか否かを判定することで空気中を浮遊する粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定する。
好ましくは、任意の条件は検出信号のパルス幅に対応した境界値であり、処理装置は、判定する処理において、検出信号のピーク値を、検出信号のパルス幅に対応した境界値と比較し、比較の結果に基づいて空気中を浮遊する粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定する。
より好ましくは、処理装置は、任意の条件としてパルス幅と境界値との対応関係を記憶して、検出信号のパルス幅を該対応関係に基づいて境界値に変換するための変換装置を含む。
より好ましくは、検出装置は上記対応関係の入力を受け付けるための入力装置をさらに備える。
より好ましくは、処理装置は、記憶された対応関係を更新する処理をさらに実行する。
好ましくは、処理装置は、入力された前記検出信号からパルス幅を測定するためのパルス幅測定回路と、パルス幅測定回路から出力されるパルス幅値を、予め規定されるパルス幅と電圧値との関係に基づいて電圧値に変換し、出力するためのパルス幅−電圧変換回路と、入力された検出信号のピーク値を電圧値に変換するための電流−電圧変換回路と、電流−電圧変換回路で変換された電圧値と、パルス幅−電圧変換回路で変換された電圧値とを比較して、その結果を出力するための電圧比較回路とを含む。
好ましくは、処理装置は、発光素子の照射領域での空気中を浮遊する粒子の流速に関する情報の入力をさらに受け付ける。
好ましくは、処理装置は、発光素子の照射領域での空気中を浮遊する粒子の流速を所定速度に制御する制御処理をさらに実行する。
好ましくは、処理装置は、判定する処理において生物由来の粒子と判定された粒子の数をカウントし、カウント値を記憶装置に記憶させる。
より好ましくは、処理装置は、記憶された所定の検出時間内のカウント値と、空気中を浮遊する粒子の流速とに基づいて、生物由来の粒子の濃度、または生物由来以外の粒子の濃度を得る算出処理をさらに実行する。
好ましくは、処理装置は、予め設定した出力値以下の信号を除去するためのフィルタ回路を含んで、フィルタ回路を介して検出信号の入力を受け付ける。
好ましくは、検出装置は、所定速度で、前記発光素子の照射領域であって、かつ前記受光部の受光領域である領域内に、粒子を含む空気を導入するための導入機構をさらに備え、該所定速度は、検出信号のパルス幅が空気中を浮遊する粒子のサイズを反映し得る速度である。
より好ましくは、上記所定速度は、毎分0.01リットルから毎分10リットルの範囲内にある。
好ましくは、検出装置は、他の装置と情報を送受信するための通信装置をさらに備える。
好ましくは、受光部は、発光素子の照射方向に対する受光方向が0度である第1の受光素子と、前記発光素子の照射方向に対する受光方向が0度よりも大なる角度である第2の受光素子とを含み、処理装置は、判定する処理において、第2の受光素子からの検出信号を、第1の受光素子からの検出信号に対応する条件と比較する。
本発明の他の局面に従うと、検出方法は、受光量に応じた、受光素子からの検出信号を処理することで、空気中の微生物を検出する方法であって、発光素子からの照射光を所定速度で移動する空気中の粒子が散乱させたことによる散乱光を受光素子が受光し、その受光量に応じた検出信号を入力するステップと、検出信号のピーク値を、検出信号のパルス幅に対応した境界値と比較するステップと、その比較の結果に基づいて空気中の粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定するステップと、生物由来の粒子と判定された粒子の数をカウントするステップと、カウントを記憶装置に記憶させるステップとを含む。
この発明によると、リアルタイムに、精度よく、空気中の粒子から、微生物を埃から分離して検出できる。
実施の形態にかかる、微生物を検出するための検出装置としての空気清浄機の外観の具体例を示す図である。 実施の形態にかかる空気清浄機の、検出装置部分の基本構成を示す図である。 サイズが同じ埃粒子と微生物粒子とについての、散乱角と散乱強度との相関のシミュレーションの結果を表わす図である。 検出装置部分の他の構成を示す図である。 図4の構成の、図4中の矢印方向の断面を示す図である。 検出装置としての機能構成の具体例を示すブロック図である。 検出信号の具体例を示す図である。 パルス幅と散乱強度との関係を表わす図である。 検出結果の表示例を示す図である。 検出結果の表示方法を示す図である。 検出装置での検出方法の具体例を示すフローチャートである。 検出装置の、他のシステム構成例を示す図である。 検出装置の、他のシステム構成例を示す図である。 実施例における、パルス幅と散乱強度に比例する電圧値との関係を表わす図である。 従来の、微生物検出装置の概略を示す斜視図である。 従来の、微生物検出装置の機能構成の概略を示すブロック図である。
以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。
実施の形態においては、図1に示される空気清浄機が微生物を検出するための装置(以下、検出装置と称する)100として機能するものとする。
図1を参照して、検出装置100としての空気清浄機は、操作指示を受け付けるためのスイッチ110と、検出結果などを表示するための表示パネル130とを含む。その他、図示されない、空気を導入するための吸引口、排気するための排気口、などを含む。さらに、検出装置100は、記録媒体を装着するための通信部150を含む。通信部150は、ケーブル400で外部装置としてのパーソナルコンピュータ(PC)300など接続するためのものであってもよい。または、通信部150は、インターネットを介して他の装置と通信するための通信回線を接続するためのものであってもよい。または、通信部150は、赤外線通信やインターネット通信などで他の装置と通信するためのものであってもよい。
図2を参照して、空気清浄機の検出装置部分である検出装置100は、吸引口からの空気を導入するための導入孔10および図2には図示されない排出孔38(図5参照)が設けられたケース5を有し、その内部に、センサ20、信号処理部30、および制御−表示部40を含む。
検出装置100には空気導入するための導入機構50が設けられる。導入機構50によって、吸引口からの空気が、所定の流速でケース5に導入される。導入機構50としては、たとえば、ケース5外に設置されたファンやポンプ、およびその駆動機構などであってよい。またたとえば、ケース5内に組み込まれた熱ヒータやマイクロポンプ、マイクロファン、およびその駆動機構などであってもよい。また、導入機構50は、空気清浄機の空気清浄装置部分の空気導入機構と共通とする構成であってもよい。好ましくは、導入機構50に含まれる駆動機構は、制御−表示部40によって制御され、導入する空気の流速が制御される。導入機構50で空気を導入する際の流速は所定の流速には限定されないが、検出装置100では以降に説明される方法で受光素子9からの電流信号から浮遊粒子のサイズを換算するため、それが可能となるように、流速が大きすぎない範囲に制御される必要がある。好ましくは、導入する空気の流速は0.01L(リットル)/minから10L/minである。
センサ20は、光源である発光部6と、発光部6の照射方向に備えられ、発光部6からの光を平行光にする、または所定幅とするためのコリメートレンズ7と、受光素子9と、受光素子9の受光方向に備えられ、平行光により空気中に存在する浮遊微粒子からの生じる散乱光を受光素子9に集光するための集光レンズ8とを含む。
発光部6は、半導体レーザまたはLED(Light Emitting Diode)素子を含む。波長は、紫外、可視、または近赤外のいずれの領域の波長でもよい。受光素子9は、従来用いられている、フォトダイオード、イメージセンサなどが用いられる。
コリメートレンズ7および集光レンズ8は、いずれも、プラスチック樹脂製またはガラス製でよい。コリメートレンズ7による平行光の幅は特定の幅に限定されないが、好ましくは、0.05mmから5mm程度である。
発光部6からの照射光が紫外領域の波長の光である場合は、生物由来の浮遊粒子からの蛍光が受光素子9に入らないように、集光レンズ8または受光素子9の前に、蛍光をカットするような光学フィルタが設置される。
ケース5は、各辺が3mmから500mmの長さの直方体である。本実施の形態ではケース5の形状を直方体としているが、直方体に限定されず、他の形状であってもよい。好ましくは、少なくとも内部に、黒色塗料の塗布または、黒色アルマイト処理等が施される。これにより、迷光の原因となる内部壁面での光の反射が抑えられる。ケース5の材質は特定の材質に限定されないが、好ましくは、プラスチック樹脂、アルミもしくはステンレスなどの金属、またはそれらの組み合わせが用いられる。ケース5に設けられる導入孔10および排出孔38は、直径が1mmから50mmの円形である。導入孔10および排出孔38の形状は円形に限定されず、楕円形、四角形など他の形状であってもよい。
発光部6およびコリメートレンズ7と、受光素子9および集光レンズ8とは、それぞれ、コリメートレンズ7によって平行光とされた発光部6の照射方向と、集光レンズ8で集光されることで受光素子9において受光可能な方向とが、所定の角度αとなる角度を保って設置される。さらに、これらは、それぞれ、導入孔10から排出孔38へと移動する空気が、コリメートレンズ7によって平行光とされた発光部6からの照射領域と、集光レンズ8で集光されることで受光素子9において受光可能な領域との重なる領域である、図2の領域11を通過するような角度を保って、設置される。図2では、角度αが約60度となる位置関係であり、かつ、領域11が導入孔10の正面となるように、これらが設置されている例が示されている。角度αは60度に限定されず、他の角度であってもよい。
受光素子9は信号処理部30に接続されて、受光量に比例した電流信号を信号処理部30に対して出力する。図2の構成により、発光部6から照射され、導入機構50によって領域11で導入孔10から排出孔38へと所定速度で移動する空気中に浮遊する粒子で散乱された光のうちの、発光部6の照射方向に対して角度α(=60度)方向の散乱光が、受光素子9において受光され、その受光量が検出される。
信号処理部30は制御−表示部40に接続されて、パルス状の電流信号を処理した結果を制御−表示部40に対して出力する。制御−表示部40は、信号処理部30からの処理結果に基づいて、測定結果を表示パネル130に表示させるための処理を行なう。
ここで、検出装置100における検出原理について説明する。
空気中の浮遊粒子からの散乱光の強度は、浮遊粒子のサイズと屈折率とに依存する。生物由来の浮遊粒子である微生物は、細胞内が水に近い液体で満たされていることから、屈折率が水に近い、透明な粒子と近似できる。検出装置100は、空気中の、生物由来の浮遊粒子の屈折率を水に近い屈折率であると仮定したときの、同サイズの埃粒子との、光を照射したときの特定の散乱角での散乱強度の差を利用して、生物由来の浮遊粒子をそうでない浮遊粒子から分別し、検出する。
図3は、直径1μmの球形の粒子であって、屈折率が水と同程度の1.3のものと、水とは異なる1.6のものとについて、各散乱角における散乱強度をプロットしたシミュレーション結果を示している。図3において、太線は屈折率1.3の粒子での散乱強度のシミュレーション結果を表わし、点線は屈折率1.6の粒子での散乱強度のシミュレーション結果を表わしている。
図3を参照して、たとえば、散乱角60度での散乱強度を比較すると、屈折率1.3の粒子、すなわち生物由来の粒子からの散乱強度X1と、屈折率1.6の粒子、すなわち埃の代表と仮定した粒子からの散乱強度X2との間に、判別可能な差が生じることがわかる。すなわち、予め、散乱強度X1と散乱強度X2と間の値を境界値として用いることで、直径が1μmの球形の粒子の散乱角60度での散乱強度について、該境界値よりも小なる場合に生物由来の粒子、大なる場合に埃粒子、と判別することができる。
検出装置100は、この原理を用いて、導入された空気中の浮遊粒子を生物由来の浮遊粒子とそれ以外とに判別する。そのため、検出装置100には、予め、粒子サイズごとの、生物由来の浮遊粒子とそれ以外の浮遊粒子とを判別するための境界値が設定される。検出装置100は、導入された空気中の浮遊粒子のサイズと散乱強度とを測定し、測定された散乱強度が、測定されたサイズに対して予め設定された境界値よりも小なる場合に生物由来の浮遊粒子、大なる場合に埃粒子と判別する。
検出装置100は、次の原理を用いて導入された空気中の浮遊粒子のサイズを検出できる。すなわち、ある流速で運ばれる空気中の浮遊粒子の速度は、空気の流速が大きくない場合、浮遊粒子のサイズが大きくなれば、遅くなることが知られている。この原理によると、浮遊粒子のサイズが大きくなると速度が遅くなるために、浮遊粒子が照射光を横切る時間が長くなる。検出装置100の受光素子9は、ある流速で運ばれる浮遊粒子が発光部6からの照射光を横切ることによって当該浮遊粒子が発生させた散乱光を受光する。そのため、受光素子9が出力する電流信号はパルス状になり、そのパルス幅は、当該浮遊粒子が照射光を横切る時間に関係する。したがって、出力される電流信号のパルス幅から浮遊粒子のサイズが換算される。この換算を可能とするため、制御−表示部40は、導入機構50で空気を導入する際の流速を、受光素子9からの電流信号のパルス幅は浮遊粒子のサイズを反映したものとなるような、大きすぎない速度となるように制御する。
上記以外の、粒子のサイズに対応した情報を得る方法としては、図4に示す構成が利用できる。図4の構成は、図2の構成に加えて、受光素子21および集光レンズ22と、2つのスリット23,24とを含む。2つのスリット23,24は、領域11を挟み、発光部6からの照射方向に沿って設けられる。受光素子21は発光部6に対向する位置に、間に集光レンズ22を挟んで設けられ、発光部6からの照射光を受光する。
図5は、図4中の矢印方向の断面であって、発光部6からの照射方向に直交する位置から見た図である。図5の下側に導入孔10、上側に排出孔38が位置している。
図5を参照して、スリット24には、3つの孔25,26,27が、排出孔38から導入孔10に向かう方向にこの順に形成される。スリット23には、2つの孔が、スリット24の孔25に対向する位置と、スリット24の孔27に対向する位置とに、形成される。発光部6からの照射光であるビーム37は、スリット24の孔25,26,27を通過することで、それぞれ3つのビーム28,29,39に分割される。ビーム28とビーム29とは、それぞれスリット23の孔を通って、集光レンズ22により受光素子21に集光される。ビーム28とビーム29とは、粒子のサイズに対応した情報を得るために用いられる。受光素子21での検出から、ビーム28とビーム29との間を粒子が通過する時間を計測することで、粒子のサイズに対応した情報が得られる。スリット23はビーム39を遮光する。これにより、ビーム28とビーム29との間のビーム39が受光素子21に入らない。ビーム39は、散乱光を測定するために用いられる。
次に、図4、図5の構成で粒子のサイズに対応した情報を得る方法を説明する。外部空気は、導入孔10からケース5内に導入され、排出孔38から排出される。たとえば、図5において、浮遊粒子pがケース5内に導入されると、粒子pは、図5中の矢印の方向に移動する。この移動に伴い、粒子pは、ビーム29を通過する。このとき、受光素子21に入る光量は、粒子pの通過により低下する。これにより、パルス状の信号であるパルス信号P1が、受光素子21の受光量から検出される。次に、粒子pがビーム39を通過する。このときに、散乱光が生じる。この散乱光は、受光素子9で受光され、スリット23で遮光されることで受光素子21では受光されない。次に、粒子pがビーム28を通過する。このとき、受光素子21に入る光量は、粒子pの通過により低下する。これにより、パルス状の信号であるパルス信号P2が、受光素子21の受光量から検出される。パルス信号P1とパルス信号P2との出現時間差である、粒子pの通過時間Tは、上述のように粒子のサイズに依存する。そこで、通過時間Tを図2の構成で得られるパルス幅の代わりに用いることができる。
図4,図5の構成の方が図2の構成よりも複雑であるため、図2で説明したパルス幅を用いる方法の方が、図4,図5で説明した通過時間Tを用いる方法よりも簡便ではある。しかしながら、同じ粒子のサイズであっても、粒子がビーム中央を通過する場合と、ビームの端を通過する場合とで、パルス幅に若干の違いが生じるという懸念がある。それに対し、図4,図5で説明した通過時間Tを用いる方法は、ビーム29とビーム28とで、粒子が通過する距離を決めているため、粒子のサイズに対応した通過時間Tに誤差が生じにくく、粒子のサイズを正確に反映できるという利点がある。
図2の構成を利用して空気中の微生物を検出するための検出装置100の機能構成を、図6を用いて説明する。図6では、信号処理部30の機能が主に電気回路であるハードウェア構成で実現される例が示されている。しかしながら、これら機能のうちの少なくとも一部は、信号処理部30が図示しないCPU(Central Processing Unit)を備え、該CPUが所定のプログラムを実行することによって実現される、ソフトウェア構成であってもよい。また、制御−表示部40の構成がソフトウェア構成である例が示されている。しかしながら、これら機能のうちの少なくとも一部は、電気回路などのハードウェア構成で実現されてもよい。
図6を参照して、信号処理部30は、受光素子9に接続されるパルス幅測定回路32と、パルス幅測定回路32に接続されるパルス幅−電圧変換回路33と、受光素子9に接続される電流−電圧変換回路34と、電流−電圧変換回路34に接続される増幅回路35と、パルス幅−電圧変換回路33および増幅回路35に接続される電圧比較回路36とを含む。好ましくは、図6に示されるように、受光素子9とパルス幅測定回路32および電流−電圧変換回路34との間に、予め設定した電流値以下の信号を除去するためのフィルタ回路31が設けられる。フィルタ回路31が設けられることにより、受光素子9の検出信号中の、迷光によるノイズ成分を低減できる。
制御−表示部40は、制御部41および記憶部42を含む。さらに、制御−表示部40は、スイッチ110の操作に伴ったスイッチ110からの入力信号を受け付けることで情報の入力を受け付けるための入力部43と、表示パネル130に測定結果等を表示させる処理を実行するための表示部44と、通信部150に接続された外部装置とのデータ等のやり取りに必要な処理を行なうための外部接続部45とを含む。
ケース5に導入された浮遊粒子に発光部6から照射されることで、図2の領域11にある当該浮遊粒子からの散乱光が、受光素子9に集光される。受光素子9から、受光量に応じた、図7に示される、パルス状の電流信号が信号処理部30に対して出力される。電流信号は、信号処理部30のパルス幅測定回路32および電流−電圧変換回路34に入力される。受光素子9からの電流信号のうちの、予め設定された電流値以下の信号は、フィルタ回路31を介することでカットされる。
電流−電圧変換回路34は、受光素子9から入力された電流信号より散乱強度を表わすピーク電流値Hを検出し、電圧値Ehに変換する。電圧値Ehは増幅回路35で予め設定した増幅率に増幅され、電圧比較回路36に対して出力される。
パルス幅測定回路32は、受光素子9から入力された電流信号のパルス幅Wを測定する。パルス幅測定回路32でのパルス幅またはそれに関連した値の測定方法は特定の方法に限定されず、従来よく知られた信号処理方法でよい。一例として、パルス幅測定回路32に図示しない微分回路が組み込まれている場合の測定方法について説明する。すなわち、パルス状の電流信号が入力されることで、微分回路では、最初のパルス信号に応じて決められた一定電圧が生じ、次のパルス信号に応じて、電圧が0に戻る。パルス幅測定回路32は、微分回路に生じた電圧信号の立ち上がりから立ち下がりまでの時間を測定して、それをパルス幅とすることができる。すなわち、パルス幅Wは、たとえば、図7において点線で表わされている、微分回路を通して得られる微分曲線のピーク間の幅でもよい。他の例としては、パルス波形のピーク電圧値の半分の値の間隔、すなわち半値幅でもよいし、パルス波形の立ち上がりから立下りの間隔でもよい。このような方法により、または他の方法により測定されたパルス幅Wを示す信号は、パルス幅−電圧変換回路33に対して出力される。
パルス幅−電圧変換回路33には、予め、各パルス幅Wに対して、生物由来の浮遊粒子であるか否かの判別を行なうための散乱強度の境界値として用いる電圧値Ewが設定されている。パルス幅−電圧変換回路33は、該設定に従って、入力されるパルス幅Wを電圧値Ewに変換する。パルス幅Wと電圧値Ewとの対応は、関数や係数として設定されてもよいし、テーブルで設定されてもよい。以下に説明するように、所定のパルス幅に対する電圧値Ewは、実験的に決められる。たとえば、センサ単独で用いる場合は、所定の流量に設定するため、その流量に対するパルス幅と電圧値Ewとの関係を用いればよい。しかしながら、空気導入機構として空気清浄機のファンを利用する場合、空気の清浄度に応じてファンのパワー、すなわち流量が変動する。流速が異なると、同じ粒子径でも、信号のパルス幅が異なる。そのため、予め所定の流速に対するパルス幅と電圧値Ewとの関係を決めておき、各流速でのパルス幅と電圧値Ewとの関係のテーブルとして記憶させてよい。この場合、空気清浄機の流速の情報を取得して、それに連動して、適切なパルス幅と電圧値Ewとの関係が選択される。電圧値Ewは電圧比較回路36に対して出力される。
パルス幅Wに対応する境界値である電圧値Ewは、予め実験的に決められる。たとえば、1m3の大きさの容器内に、大腸菌やバチルス菌やカビ菌などの微生物の一種を、ネブライザを利用して噴霧し、検出装置100を用いて、受光素子9からの電流信号よりパルス幅および散乱強度(ピーク電圧値)を測定する。同様に、サイズが揃ったポリスチレン粒子などを埃の代替とし、検出装置100を用いて、パルス幅および散乱強度(ピーク電圧値)を測定する。図8は、このようにして、検出装置100を用いて、微生物およびポリスチレン粒子のそれぞれから得られた、パルス幅に対する散乱強度(ピーク電圧値)をプロットしたときの模式図である。図8中の領域51には、主に、ポリスチレン粒子から得られたパルス幅に対する散乱強度がプロットされ、領域52には、主に、微生物から得られたパルス幅に対する散乱強度がプロットされる。実際には、これらのプロットの一部は両領域にまたがり、ある程度混ざり合う。その原因としては、空気のケース5内への導入流速のばらつき、浮遊粒子の照射光を横切るルートのばらつき、および照射光の強度分布、などが挙げられる。実験から領域51および領域52が得られることで、これらの境界が、たとえば直線53のように決定される。パルス幅−電圧変換回路33には一例としてこの直線53を表わす関数または係数が設定される。
直線53で表わされるパルス幅Wと電圧値Ewとの対応関係は、スイッチ110などの操作によって入力され、後述する制御−表示部40の入力部43が受け付けることで、制御−表示部40によって、電圧比較回路36に設定されてもよい。または、パルス幅Wと電圧値Ewとの対応関係を記録した記録媒体が通信部150に装着され、後述する制御−表示部40の外部接続部45が読み込むことで、制御−表示部40によって設定されてもよい。または、PC300によって入力および送信され、通信部150に接続されたケーブル400を介して外部接続部45が受け付けることで、制御−表示部40によって設定されてもよい。または、通信部150が赤外線通信やインターネット通信を行なう場合には、外部接続部45が通信部150でのそれらの通信によって他の装置から受け付けることで、制御−表示部40によって設定されてもよい。また、いったん電圧比較回路36に設定されたパルス幅Wと電圧値Ewとの対応関係が、制御−表示部40により更新されてもよい。
電圧比較回路36は、電流−電圧変換回路34から増幅回路35を介して入力された散乱強度を表わす電圧値Ehと、パルス幅−電圧変換回路33から入力されたパルス幅Wに対応した境界値としての電圧値Ewとを比較する。電圧比較回路36は、この比較に基づいて、受光素子9が受光した散乱光を生じた浮遊粒子が、生物由来のものか否か、つまり微生物であるか否かを判定する。
電圧比較回路36での判定方法の具体例を、図8を用いて説明する。たとえば、ある浮遊粒子P1について、パルス幅r1、散乱光強度、すなわちピーク電圧値Y1が検出された場合、パルス幅−電圧変換回路33は、設定されている直線53で表わされる対応関係に基づき、パルス幅r1を電圧値Y3に変換する。電圧比較回路36には、ピーク電圧値Y1と電圧値Y3とが入力され、これらが比較される。ピーク電圧値Y1は境界値である電圧値Y3より小さいので、粒子P1は生物由来のもの、すなわち微生物と判定される。
またたとえば、ある浮遊粒子P2について、パルス幅r2、散乱光強度、すなわちピーク電圧値Y4が検出された場合、パルス幅−電圧変換回路33は、設定されている直線53で表わされる対応関係に基づき、パルス幅r2を電圧値Y2に変換する。電圧比較回路36には、ピーク電圧値Y4と電圧値Y2とが入力され、これらが比較される。ピーク電圧値Y4は境界値である電圧値Y2より大きいので、粒子P2は生物由来のものではないと判定される。
電圧比較回路36での判定は、発光部6からの照射光を浮遊粒子が横切るたびにその粒子からの散乱光に基づいて行なわれ、判定結果を示す信号が、制御−表示部40に対して出力される。制御−表示部40の制御部41は電圧比較回路36からの判定結果の入力を受け付けて、順次、記憶部42に記憶させる。
制御部41は算出部411を含む。算出部411は、記憶部42に記憶された所定の検出時間分の判定結果について、測定対象の浮遊粒子が微生物であるとの判定結果を示す信号の入力回数、および/またはそれ以外の判定結果を示す信号の入力回数を集計する。
算出部411は、導入機構50から、導入される空気の流速を読出し、上記検出時間に乗じることで、上記検出時間にケース5に導入された空気量Vsを得る。算出部411は、測定結果として、上述の集計結果である微生物の個数Nsまたは埃粒子の個数Ndを空気量Vsで除して、微生物の濃度Ns/Vsまたは埃粒子の濃度Nd/Vsを得る。
表示部44は、測定結果である、当該検出時間内にカウントされた微生物の個数Ns、埃粒子の個数Ndや、算出された微生物の濃度Ns/Vs、埃粒子の濃度Nd/Vsを、表示パネル130に表示させるための処理を行なう。表示パネル130での表示の一例として、たとえば、図9Aに表わされるセンサ表示が挙げられる。詳しくは、表示パネル130には、濃度ごとのランプが備えられ、図9Bに示されるように、表示部44は、算出された濃度や個数に対応したランプを点灯するランプとして特定し、該ランプを点灯する。他の例として、測定された個数または算出された濃度ごとに、ランプを異なる色に点灯させてもよい。また、表示パネル130はランプ表示に限定されず、数字を表示したり、濃度や個数に対応して予め用意されているメッセージを表示したりしてもよい。また、測定結果は、外部接続部45によって、通信部150に装着された記録媒体に書き込まれてもよいし、通信部150に接続されたケーブル400を介してPC300に送信されてもよい。
入力部43はスイッチ110からの操作信号に従って、表示パネル130での表示方法の選択を受け付けてもよい。または、測定結果を、表示パネル130に表示するか、外部装置に出力するか、の選択を受け付けてもよい。その内容を示す信号は、制御部41に対して出力され、制御部41から表示部44および/または外部接続部45に対して必要な制御信号が出力される。
検出装置100での検出方法の具体例を、図10を用いて説明する。図10の検出方法は、検出装置100に含まれている図示しないCPUなどの演算装置からの制御信号が信号処理部30および制御−表示部40に入力され、該制御信号に従って図6に示された各回路および各機能が発揮されることにより実現される。
図10を参照して、移動する空気によって運ばれた浮遊粒子が発光部6からの照射光を横切ることによって、当該浮遊粒子が発生させた散乱光による電流信号が、ステップ(以下、Sと略する)01で、受光素子9からフィルタ回路31を介して信号処理部30に入力されると、S03でパルス幅測定回路32において、パルス状の当該電流信号のパルス幅Wが検出される。S05でパルス幅−電圧変換回路33において、予め設定されている対応関係に基づいて、S03で検出されたパルス幅Wが境界値である電圧値Ewに変換される。
一方、S07で電流−電圧変換回路34において、S01で受光素子9から入力されたパルス状の電流信号より、散乱強度を表わすピーク電流値Hが検出され、ピーク電圧値Ehに変換される。なお、S03〜S07の処理順は、この順には限定されない。
S07で得られた電圧値Ehは増幅回路35で予め設定した増幅率に増幅され、S09で、電圧比較回路36において、S05で得られた電圧値Ewと比較される。その結果、ピーク電圧値が境界値よりも小さい場合には(S11でYES)、電圧比較回路36において、当該電流信号として検出された散乱光を発生された浮遊粒子が、生物由来のものであると判断され、その結果を示す信号が制御−表示部40に対して出力される。一方、ピーク電圧値が境界値よりも大きい場合には(S11でNO)、電圧比較回路36において、当該浮遊粒子が生物由来のものではないと判断され、その結果を示す信号が制御−表示部40に対して出力される。
S13またはS15で電圧比較回路36から出力された検出結果は、S17で制御−表示部40の記憶部42に記憶される。そして、S19で算出部411において、記憶部42に記憶された所定の検出時間分の判定結果について、生物由来のものであるとの判定結果の入力回数、および/または生物由来のものではないとの判定結果の入力回数が集計され、前者が微生物の個数Ns、後者が埃粒子の個数Ndとの検出値とされる。さらに、算出部411では、上記検出時間に空気の流速を乗じることで上記検出時間にケース5に導入された空気量Vsが得られる。そのため、集計で得られた微生物の個数Nsまたは埃粒子の個数Ndを空気量Vsで除することで、検出値として、微生物の濃度Ns/Vsまたは埃粒子の濃度Nd/Vsが得られる。
検出装置100は、上述のように微生物と埃との判定を行なうことで、リアルタイムに、かつ精度よく、空気中の浮遊粒子から微生物を埃から分離して検出できる。検出装置100は、図1に表わされたように空気清浄機として用いることで、空気清浄機の設置された環境中の微生物および埃の量の管理や制御を可能とし、健康で安心な生活を提供することができる。さらに、上のように、検出装置100では測定結果をリアルタイムに表示することができるため、測定者は測定結果をリアルタイムに把握することができる。その結果、当該環境中の微生物および埃の量の管理や制御を効果的にすることができる。
なお、他の例として、検出装置100は、図11Aに表わされるように、空気清浄機200に組み込んで用いることもできる。空気清浄機の他、エアコンなどに組み込んで用いることもできる。または、図11Bに表わされるように、検出装置100単体で用いることもできる。
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、実施例により本発明が限定されるものではない。
実施例で用いた検出装置100の仕様は、ケース5は外寸100mm×50mm×50mmのアルミ製直方体、発光部6の光源は波長680nmの半導体レーザ、受光素子9はピンフォトダイオード、発光部6の照射方向と受光素子9において受光可能な方向とのなす角度αは60度、導入孔10および排出孔は直径3mmであり、風量は0.1L(リットル)/min(線速、約20mm/sec)であり、信号処理部30は図6の回路を含んでいる。
始めに、ネブライザを用いて、1m3の容器内に大腸菌を約10,000個/m3の濃度になるように噴霧し、検出装置100を用いて、受光素子9からの電流信号よりパルス幅およびピーク電圧値を測定した。図12の白抜き丸印に、大腸菌から測定された、パルス幅に対する散乱強度(ピーク電圧値)のプロットが示されている。図12のパルス幅はカウント数であり、単位は1カウント当たり0.5ミリ秒(msec)であり、ピーク電圧値の単位はミリボルト(mV)である。
次に、埃として、直径1μm、1.5μm、3μmのポリスチレン粒子を各々同様の濃度に噴霧し、検出装置100を用いて、受光素子9からの電流信号よりパルス幅およびピーク電圧値を測定した。図12の黒丸印に、直径1μm、1.5μm、3μmのポリスチレン粒子から測定された、パルス幅に対する散乱強度(ピーク電圧値)のプロットが示されている。
図12に表わされた測定結果より、図8と同様、直線54を境界として、直線54よりも下側に主に大腸菌のプロットが分布し、上側に主にポリスチレン、すなわち埃のプロットが分布していることが確認された。これにより、検出装置100で採用されている検出原理が有効であることがわかった。
図12の測定結果を用い、本実施例では、検出装置100のパルス幅−電圧変換回路33に、図12の直線54の関係であるパルス幅と電圧値との対応を設定し、次の測定を行なった。ネブライザを用いて、1m3の容器内にバチルス菌を約10,000個/m3の濃度になるように噴霧した。検出装置100を用いて、バチルス菌の検出を行なったところ、約70%以上の正解率で判別できた。このことから、検出装置100で微生物検出が可能であることがわかった。
5 ケース、6 発光部、7 コリメートレンズ、8,22 集光レンズ、9,21 受光素子、10 導入孔、11 領域、20 センサ、23,24 スリット、25,26,27 孔、28,29,37,39 ビーム、30 信号処理部、31 フィルタ回路、32 パルス幅測定回路、33 パルス幅−電圧変換回路、34 電流−電圧変換回路、35 増幅回路、36 電圧比較回路、38 排出孔、40 制御−表示部、41 制御部、42 記憶部、43 入力部、44 表示部、45 外部接続部、50 導入機構、51,52 領域、53,54 直線、100 検出装置、110 スイッチ、130 表示パネル、150 通信部、300 PC、400 ケーブル、p 粒子。
【0002】
からのみ信号が出てくる場合は、それ以外のものである。該装置では、これを利用して、生物由来の浮遊粒子、すなわち微生物の検出がリアルタイムで可能になる。
先行技術文献
[0004]
特許文献
特許文献1:特開2003−38163号公報
特許文献2:特表2008−508527号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0005]
ところで、実際に空気中に浮遊する埃には、化学繊維のくずなどが多く含まれている。化学繊維は紫外光の照射により蛍光を発する。それ故、上述の特許文献1に開示された、浮遊粒子が生物由来のものか否かを判定する手段として紫外線の照射により蛍光を発光するか否かを用いる方法では、空気中に存在する生物由来の浮遊粒子に加えて、蛍光を発する埃も検出される。そのため、特許文献1の装置のような上の方法を採用している従来装置では、空気中に存在する生物由来の浮遊粒子だけを正確に評価できないという問題がある。
[0006]
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、空気中に存在する生物由来の浮遊粒子を精度よく検出することのできる検出装置および検出方法を提供することを目的の1つとしている。
課題を解決するための手段
[0007]
上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うと、検出装置は空気中を浮遊する粒子から生物由来の粒子を検出するための検出装置であって、発光素子と、発光素子の照射方向に対して受光方向が所定角度である受光部と、受光部の受光量を検出信号として処理するための処理装置と、記憶装置とを備える。処理装置は、受光部の受光量を表わす検出信号の入力を受け付けると、検出信号を検出信号のパルス幅との対応関係に基づいて設定される境界値と比較することで空気中を浮遊する粒子が生
【0003】
物由来の粒子であるか否かを判定する処理を実行し、その判定結果を記憶装置に記憶させる。
[0008]
好ましくは、受光部は、発光素子からの照射光のうち、空気中を浮遊する粒子によって散乱された光を受光し、検出装置は、受光部に向かう蛍光波長の光をカットするためのフィルタをさらに備える。
[0009]
好ましくは、処理装置は、判定する処理において、検出信号のピーク値を、検出信号のパルス幅に対応した境界値と比較し、比較の結果に基づいて空気中を浮遊する粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定する。
[0010]
より好ましくは、処理装置は、パルス幅と境界値との対応関係を記憶して、検出信号のパルス幅を該対応関係に基づいて境界値に変換するための変換装置を含む。
[0011]
より好ましくは、検出装置は上記対応関係の入力を受け付けるための入力装置をさらに備える。
[0012]
より好ましくは、処理装置は、記憶された対応関係を更新する処理をさらに実行する。
好ましくは、処理装置は、入力された前記検出信号からパルス幅を測定するためのパルス幅測定回路と、パルス幅測定回路から出力されるパルス幅値を、予め規定されるパルス幅と電圧値との関係に基づいて電圧値に変換し、出力するためのパルス幅−電圧変換回路と、入力された検出信号のピーク値を電圧値に変換するための電流−電圧変換回路と、電流−電圧変換回路で変換された電圧値と、パルス幅−電圧変換回路で変換された電圧値とを比較して、その結果を出力するための電圧比較回路とを含む。
[0013]
好ましくは、処理装置は、発光素子の照射領域での空気中を浮遊する粒子の流速に関する情報の入力をさらに受け付ける。
[0014]
好ましくは、処理装置は、発光素子の照射領域での空気中を浮遊する粒子の流速を所定速度に制御する制御処理をさらに実行する。
【0004】
[0015]
好ましくは、処理装置は、判定する処理において生物由来の粒子と判定された粒子の数をカウントし、カウント値を記憶装置に記憶させる。
[0016]
より好ましくは、処理装置は、記憶された所定の検出時間内のカウント値と、空気中を浮遊する粒子の流速とに基づいて、生物由来の粒子の濃度、または生物由来以外の粒子の濃度を得る算出処理をさらに実行する。
[0017]
好ましくは、処理装置は、予め設定した出力値以下の信号を除去するためのフィルタ回路を含んで、フィルタ回路を介して検出信号の入力を受け付ける。
[0018]
好ましくは、検出装置は、所定速度で、前記発光素子の照射領域であって、かつ前記受光部の受光領域である領域内に、粒子を含む空気を導入するための導入機構をさらに備え、該所定速度は、検出信号のパルス幅が空気中を浮遊する粒子のサイズを反映し得る速度である。
[0019]
より好ましくは、上記所定速度は、毎分0.01リットルから毎分10リットルの範囲内にある。
[0020]
好ましくは、検出装置は、他の装置と情報を送受信するための通信装置をさらに備える。
[0021]
好ましくは、受光部は、発光素子の照射方向に対する受光方向が0度である第1の受光素子と、前記発光素子の照射方向に対する受光方向が0度よりも大なる角度である第2の受光素子とを含み、処理装置は、判定する処理において、第2の受光素子からの検出信号を、第1の受光素子からの検出信号に対応する条件と比較する。
[0022]
本発明の他の局面に従うと、検出方法は、受光量に応じた、受光素子からの検出信号を処理することで、空気中の微生物を検出する方法であって、発光素子からの照射光を所定速度で移動する空気中の粒子が散乱させたことによる散乱光を受光素子が受光し、その受光量に応じた検出信号を入力するステップと、検出信号のピーク値を、検出信号のパルス幅との対応関係に基づいて設定される境界値と比較するステップと、その比較の結果に基づいて空気中の粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定するステップと、生物由来の粒子と判定された粒子

Claims (17)

  1. 空気中を浮遊する粒子から生物由来の粒子を検出するための検出装置であって、
    発光素子(6)と、
    前記発光素子の照射方向に対して受光方向が所定角度である受光部(9)と、
    前記受光部の受光量を検出信号として処理するための処理装置(30、40)と、
    記憶装置(42)とを備え、
    前記処理装置は、前記受光部の受光量を表わす前記検出信号の入力を受け付けると、前記検出信号を任意の条件と比較することで前記空気中を浮遊する粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定する処理を実行し、その判定結果を前記記憶装置に記憶させる、検出装置。
  2. 前記処理装置は、前記判定する処理において、前記検出信号から得られる前記空気中を浮遊する粒子のサイズと前記空気中を浮遊する粒子による散乱光量とが、前記任意の条件を満たすか否かを判定することで前記空気中を浮遊する粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定する、請求の範囲第1項に記載の検出装置。
  3. 前記任意の条件は検出信号のパルス幅に対応した境界値であり、
    前記処理装置は、前記判定する処理において、前記検出信号のピーク値を、前記検出信号のパルス幅に対応した境界値と比較し、前記比較の結果に基づいて前記空気中を浮遊する粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定する、請求の範囲第1項に記載の検出装置。
  4. 前記処理装置は、前記任意の条件としてパルス幅と境界値との対応関係を記憶して、前記検出信号のパルス幅を前記対応関係に基づいて境界値に変換するための変換装置(33)を含む、請求の範囲第3項に記載の検出装置。
  5. 前記対応関係の入力を受け付けるための入力装置(110、150)をさらに備える、請求の範囲第4項に記載の検出装置。
  6. 前記処理装置は、前記記憶された対応関係を更新する処理をさらに実行する、請求の範囲第4項または第5項に記載の検出装置。
  7. 前記処理装置は、
    入力された前記検出信号からパルス幅を測定するためのパルス幅測定回路(32)と、
    前記パルス幅測定回路から出力されるパルス幅値を、予め規定されるパルス幅と電圧値との関係に基づいて電圧値に変換し、出力するためのパルス幅−電圧変換回路(33)と、
    入力された前記検出信号のピーク値を電圧値に変換するための電流−電圧変換回路(34)と、
    前記電流−電圧変換回路で変換された前記電圧値と、前記パルス幅−電圧変換回路で変換された電圧値とを比較して、その結果を出力するための電圧比較回路(36)とを含む、請求の範囲第3項に記載の検出装置。
  8. 前記処理装置は、前記発光素子の照射領域での前記空気中を浮遊する粒子の流速に関する情報の入力をさらに受け付ける、請求の範囲第1項に記載の検出装置。
  9. 前記処理装置は、前記発光素子の照射領域での前記空気中を浮遊する粒子の流速を所定速度に制御する制御処理をさらに実行する、請求の範囲第1項に記載の検出装置。
  10. 前記処理装置は、前記判定する処理において生物由来の粒子と判定された粒子の数をカウントし、前記カウント値を前記記憶装置に記憶させる、請求の範囲第8項または第9項に記載の検出装置。
  11. 前記処理装置は、前記記憶された所定の検出時間内の前記カウント値と、前記空気中を浮遊する粒子の流速とに基づいて、前記生物由来の粒子の濃度、または生物由来以外の粒子の濃度を得る算出処理をさらに実行する、請求の範囲第10項に記載の検出装置。
  12. 前記処理装置は、予め設定した出力値以下の信号を除去するためのフィルタ回路(31)を含んで、前記フィルタ回路を介して前記検出信号の入力を受け付ける、請求の範囲第1項に記載の検出装置。
  13. 所定速度で、前記発光素子の照射領域であって、かつ前記受光部の受光領域である領域内に、前記粒子を含む空気を導入するための導入機構(50)をさらに備え、
    前記所定速度は、前記検出信号のパルス幅が前記空気中を浮遊する粒子のサイズを反映し得る速度である、請求の範囲第1項に記載の検出装置。
  14. 前記所定速度は、毎分0.01リットルから毎分10リットルの範囲内にある、請求の範囲第13項に記載の検出装置。
  15. 他の装置と情報を送受信するための通信装置(150)をさらに備える、請求の範囲第1項に記載の検出装置。
  16. 前記受光部は、前記発光素子の照射方向に対する受光方向が0度である第1の受光素子(21)と、前記発光素子の照射方向に対する受光方向が0度よりも大なる角度である第2の受光素子(9)とを含み、
    前記処理装置は、前記判定する処理において、前記第2の受光素子からの検出信号を、前記第1の受光素子からの検出信号に対応する条件と比較する、請求の範囲第1項に記載の検出装置。
  17. 受光量に応じた、受光素子からの検出信号を処理することで、空気中の微生物を検出する方法であって、
    発光素子からの照射光を所定速度で移動する空気中の粒子が散乱させたことによる散乱光を前記受光素子が受光し、その受光量に応じた検出信号を入力するステップ(S01)と、
    前記検出信号のピーク値を、前記検出信号のパルス幅に対応した境界値と比較するステップ(S03〜S09)と、
    前記比較の結果に基づいて前記空気中の粒子が生物由来の粒子であるか否かを判定するステップ(S11〜S15)と、
    生物由来の粒子と判定された粒子の数をカウントするステップ(S13)と、
    前記カウントを記憶装置に記憶させるステップ(S17)とを含む、検出方法。
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