KR101913973B1 - 입자 검출 센서 - Google Patents

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오사무 아카사카
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파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
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Abstract

입자 검출 센서(1)는, 투광 소자(121)와 수광 소자(131)와 처리부(620)를 구비하고, 처리부(620)는, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치와 1개 이상의 제 1 임계치의 상대 관계를 보정하고, 보정 후의 상대 관계를 이용하여, 복수의 파고치의 각각에 대하여, 제 1 임계치에 의해 구분된 복수의 파고치 구분 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정하는 판정 처리를 실행하는 것에 의해, 기체 중의 입자의 질량 농도를 산출한다.

Description

입자 검출 센서{PARTICLE DETECTION SENSOR}
본 발명은, 입자 검출 센서에 관한 것이다.
종래, 대기 중(기체 중)에 부유하는 입자(에어로졸)에 의해 산란된 광(산란광)을 검지함으로써, 입자를 검출하는 광 산란식 입자 검출 센서가 알려져 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1에 기재된 광 산란식 입자 검출 센서는, 하우징(광학실) 내에 투광 소자와 수광 소자를 구비하는 광 산란식 입자 검출 센서이다. 해당 센서는, 측정 대상의 기체를 하우징 내에 넣고, 넣은 기체에 투광 소자로부터의 광을 조사하고, 그 산란광에 의해 기체에 포함되는 입자의 유무를 검출한다. 예컨대, 대기 중에 부유하는 먼지, 화분(花粉), 연기, PM 2.5(미소 입자 형상 물질) 등의 입자를 검출할 수 있다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 제 3731338호 공보
(특허 문헌 2) 일본 특허 공개 평 11-248629호 공보
그런데, 광 산란식 입자 검출 센서에서는, 기체의 단위 체적당 포함되는 입자의 질량인 질량 농도를 산출하기 위해, 해당 입자의 검출 정밀도를 더욱 향상시킬 것이 기대되고 있다.
그래서, 본 발명은, 입자의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있는 입자 검출 센서를 제공하는 것을 제 1 목적으로 한다.
또한, 광 산란식 입자 검출 센서로서, 미광의 발생을 저감하기 위해, 투광 소자 또는 수광 소자와 대향하는 위치에 광 트랩이 마련된 것이 알려져 있다(예컨대, 특허 문헌 2 참조).
그렇지만, 이와 같은 구성에서는, 개체마다 특성이 상이한 경우가 있다. 이와 같은 경우, 동일한 기체가 도입된 경우에도, 특성의 격차에 의해, 복수의 입자 검출 센서의 검출 결과에 격차가 생길 우려가 있다. 그래서, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 센서 개체의 특성 격차에 의한 검출 결과의 격차를 억제하고, 입자의 검출 정밀도를 향상시킨 입자 검출 센서를 제공하는 것을 제 2 목적으로 한다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 태양과 관련되는 제 1 입자 검출 센서는, 기체 중에 포함되는 입자를 검출하는 입자 검출 센서로서, 투광 소자와, 검지 영역에 있어서의 상기 입자에 의한 상기 투광 소자의 광의 산란광을 수광하는 수광 소자와, 상기 수광 소자로부터의 출력을 나타내는 검지 신호를 이용하여 상기 기체 중에 포함되는 상기 입자의 질량 농도를 산출하는 처리부를 구비하고, 상기 처리부는, 상기 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치와 1개 이상의 제 1 임계치의 상대 관계를 보정하고, 보정 후의 상대 관계를 이용하여, 상기 복수의 파고치의 각각에 대하여, 상기 제 1 임계치에 의해 구분된 복수의 파고치 구분 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정하는 판정 처리를 실행하는 것에 의해, 상기 질량 농도를 산출한다.
또한, 상기 제 1 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 태양과 관련되는 제 2 입자 검출 센서는, 기체 중에 포함되는 입자를 검출하는 입자 검출 센서로서, 투광 소자와, 검지 영역에 있어서의 상기 입자에 의한 상기 투광 소자의 광의 산란광을 수광하는 수광 소자와, 상기 수광 소자로부터의 출력을 나타내는 검지 신호를 이용하여 상기 기체 중에 포함되는 상기 입자의 질량 농도를 산출하는 처리부를 구비하고, 상기 처리부는, 상기 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치의 각각에 대하여, 1개 이상의 제 1 임계치에 의해 구분된 복수의 파고치 구분 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정하는 판정 처리와, 상기 복수의 파고치 구분의 각각에 대하여 판정된 상기 파고치의 개수, 및, 상기 복수의 파고치 구분의 각각에 있어서 1개 이상의 제 2 임계치에 의해 구분된 복수의 입경 구분의 각각이 포함되는 함유 비율을 이용하여, 상기 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수를 추정하는 추정 처리와, 상기 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수를 이용하여, 상기 질량 농도를 산출하는 산출 처리를 실행한다.
또한, 상기 제 2 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 태양과 관련되는 제 3 입자 검출 센서는, 투광 소자와 수광 소자를 구비하고, 검지 영역에 있어서의 입자에 의한 상기 투광 소자의 광의 산란광을 상기 수광 소자로 수광하는 것에 의해 기체 중에 포함되는 입자를 검출하는 입자 검출 센서를 포함하는 입자 검출 센서로서, 상기 수광 소자로부터 출력된 전류를 전압으로 변환하는 것에 의해 전압 신호를 생성하는 IV 변환부와, 상기 전압 신호를 소정의 대역에서 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭부에서 증폭된 전압 신호를 샘플링 및 양자화하는 AD 변환부를 구비한다.
또한, 해당 입자 검출 센서의 감도에 따른 보정 계수를 기억하고 있는 기억부와, 상기 수광 소자로부터 출력된 전류를 전압으로 변환하는 것에 의해 전압 신호를 생성하는 IV 변환부와, 상기 전압 신호를 소정의 대역에서 증폭하는 증폭부와, 증폭된 상기 전압 신호를 샘플링 및 양자화하는 AD 변환부와, 상기 AD 변환부에서 샘플링 및 양자화된 상기 전압 신호인 시계열의 디지털 데이터 및 상기 보정 계수를 이용하여, 상기 파고치 구분을 결정하는 임계치를 보정하는 보정 계수를 구비한다.
본 발명의 일 태양과 관련되는 입자 검출 센서에 의하면, 입자의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서를 구비하는 공기 청정기의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 2는 실시의 형태와 관련되는 센서부의 사시도이다.
도 3은 실시의 형태와 관련되는 센서부의 분해 사시도이다.
도 4는 실시의 형태와 관련되는 센서부의 하우징 내부를 나타내는 단면도이다.
도 5는 실시의 형태에 있어서의 신호 변환부 및 이것에 관련하는 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 실시의 형태와 관련되는 처리부의 동작을 나타내는 플로차트이다.
도 7은 실시의 형태와 관련되는 수광 소자로부터 출력되는 아날로그 신호의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 8(a)는 실시의 형태와 관련되는 검지 신호의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 8(b)는 실시의 형태와 관련되는 검지 신호의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 8(c)는 실시의 형태와 관련되는 검지 신호의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 9는 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 처리를 나타내는 플로차트이다.
도 10은 실시의 형태와 관련되는 입경마다의 파고치와 거리의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서의 제조 공정에 있어서의, 기억부로의 보정 계수의 초기 설정 처리에 대하여 설명하기 위한 블록도이다.
도 12는 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서의 제조 공정에 있어서의, 보정 계수의 초기 설정 처리를 나타내는 플로차트이다.
도 13은 실시의 형태와 관련되는 기입부에 의해 산출된 보정 계수에 대하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 14는 실시의 형태와 관련되는 파고치 계수 처리를 나타내는 플로차트이다.
도 15는 실시의 형태와 관련되는 파고치 구분 각각의 파고치 수의 일례를 나타내는 도면이다.
도 16은 실시의 형태와 관련되는 입경 구분 각각의 입자 수의 일례를 나타내는 도면이다.
도 17은 실시의 형태의 변형예 1과 관련되는 입자 검출 센서를 구비하는 공기 청정기의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 18은 실시의 형태의 변형예 2와 관련되는 입자 검출 센서를 구비하는 공기 청정기의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 19는 실시의 형태의 변형예 2와 관련되는 검지 신호의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 20은 실시의 형태의 변형예 2와 관련되는 입자 검출 처리를 나타내는 플로차트이다.
도 21은 실시의 형태의 변형예 2와 관련되는 질량 농도 산출 처리를 나타내는 플로차트이다.
도 22는 실시의 형태의 변형예 2와 관련되는 입경 분포의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 23은 실시의 형태의 변형예 2와 관련되는 입자의 규격화 질량의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 24는 실시의 형태의 변형예 3과 관련되는 입자 검출 센서에 있어서 PM 2.5의 질량 농도를 산출하기 위해 이용되는, 일반적인 PM 2.5 분립 장치의 통과율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 25는 실시의 형태의 변형예 4와 관련되는 입자 검출 센서의 일부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 26은 실시의 형태의 변형예 4에 있어서의 증폭기의 구성의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 27(a)는 실시의 형태의 변형예 4에 있어서의 증폭기의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 27(b)는 실시의 형태의 변형예 4에 있어서의 증폭기의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 28은 실시의 형태의 변형예 4에 있어서의 증폭기, 판정부 및 DA 변환부의 접속 관계를 모식적으로 나타내는 모식도이다.
도 29는 실시의 형태의 변형예 4에 있어서의 판정부의 출력, 및, DA 변환부의 출력을 나타내는 그래프이다.
도 30은 실시의 형태의 변형예 5와 관련되는 입자 검출 센서의 일부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 31은 실시의 형태의 변형예 5에 있어서의 IV 변환부의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 32는 실시의 형태의 변형예 5에 있어서의 증폭기의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 33은 실시의 형태의 변형예 5에 있어서, 미소 입자 및 조대(粗大) 입자의 각각에 대하여, 게인 제어부에 의한 AGC가 행해지지 않는 경우와 행해지는 경우의 디지털 데이터를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 34는 실시의 형태의 변형예 6과 관련되는 입자 검출 센서의 일부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 35는 실시의 형태의 변형예 6에 있어서, 증폭부의 입력 전압의 파형 및 출력 전압의 파형을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 36은 실시의 형태의 변형예 6과 관련되는 입자 검출 센서가 갖는 효과에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 37은 실시의 형태의 변형예 6과 관련되는 입자 검출 센서의 다른 일례가 갖는 효과에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 38은 실시의 형태의 변형예 6과 관련되는 입자 검출 센서의 일부의 구성의 다른 일례를 나타내는 블록도이다.
도 39는 도시 대기의 입경 분포를 나타내는 그래프이다.
도 40은 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서를 구비하는 공기 청정기의 외관도이다.
도 41은 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서를 구비하는 연기 감지기의 외관도이다.
도 42는 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서를 구비하는 환기팬의 외관도이다.
도 43은 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서를 구비하는 에어컨의 외관도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서 등에 대하여, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 또, 이하에 설명하는 실시의 형태는, 모두 본 발명의 바람직한 일 구체예를 나타내는 것이다. 따라서, 이하의 실시의 형태에서 나타내어지는 수치, 형상, 재료, 구성 요소, 구성 요소의 배치 및 접속 형태, 및, 스텝 및 스텝의 순서 등은 일례이고, 본 발명을 한정하는 취지가 아니다. 따라서, 이하의 실시의 형태에 있어서의 구성 요소 중, 본 발명의 최상위 개념을 나타내는 독립 청구항에 기재되어 있지 않은 구성 요소에 대해서는, 임의의 구성 요소로서 설명된다.
또한, 각 도면은 모식도이고, 반드시 엄밀하게 도시된 것은 아니다. 또한, 각 도면에 있어서, 동일한 구성 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략 또는 간략화하는 경우가 있다.
(실시의 형태)
실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서에 대하여, 도 1~도 16을 이용하여 설명한다. 본 실시의 형태에서는, 입자 검출 센서가, 공기 청정기에 구비되어 있는 경우에 대하여 설명한다.
[1. 공기 청정기의 구성]
우선, 실시의 형태와 관련되는 공기 청정기의 구성에 대하여 설명한다. 도 1은 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서(1)를 구비하는 공기 청정기(1000)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 공기 청정기(1000)는, 센서부(200)와, 신호 변환부(610)와, 처리부(620)를 갖는 입자 검출 센서(1)를 구비하고, 본 실시의 형태에서는, 조작부(630)와, 제어부(600)를 더 구비하고 있다. 또한, 본 실시의 형태에서는, 입자 검출 센서(1)는, 기억부(650)를 더 구비한다.
센서부(200)는, 본 실시의 형태에서는, 입자의 산란광의 강도를 나타내는 신호를 출력하는 센서이다. 센서부(200)의 구성에 대해서는, 뒤에서 상술한다.
신호 변환부(610)는, A/D 변환기(아날로그 디지털 변환기) 및 노이즈 필터를 갖는 회로를 이용하여 구성되어 있다. 신호 변환부(610)는, 센서부(200)로부터 출력되는 아날로그 신호로부터 노이즈를 제거한 신호를 디지털 신호로 변환하여, 처리부(620)에 대하여 출력한다. 또, 신호 변환부(610)는 필수 구성이 아니고, 처리부(620)측에서 A/D 변환 및 노이즈 제거 등의 처리를 행하더라도 상관없다.
처리부(620)는, CPU(Central Processing Unit) 혹은 마이크로프로세서, RAM(Random Access Memory) 및 ROM(Read Only Memory) 등의 메모리를 구비하는 컴퓨터 시스템인 경우를 예로 설명한다. 메모리에는, 입자의 질량 농도의 산출을 행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기억되어 있다. CPU 혹은 마이크로프로세서가, 컴퓨터 프로그램에 따라 동작하는 것에 의해, 입자의 질량 농도의 산출을 행할 수 있다. 처리부(620)는, 검지 신호를 이용하여 기체 중에 부유하는 입자의 질량 농도를 산출한다. 처리부(620)의 동작에 대해서는, 뒤에서 상술한다.
조작부(630)는, 유저가 공기 청정기(1000)의 설정, 예컨대, 풍량, 가습의 유무, 및, 타이머의 설정 등을 행하기 위한 래칫 기구를 이용한 버튼 등으로 구성된다.
제어부(600)는, 공기 청정기(1000)의 동작 제어를 행한다. 제어부(600)는, 예컨대, 공기 청정기(1000)가 자동 운전으로 설정되어 있는 경우에, 처리부(620)로부터 출력되는 질량 농도 등에 따라 풍량의 조절 등을 행한다. 또한, 제어부(600)는, 공기 청정기(1000)의 하우징에 마련된 표시부(도시하지 않음)에, 현재의 풍량, 입자(하우스 더스트)의 검출의 유무 등을 나타내는 표시를 행하게 하도록 구성하더라도 상관없다.
기억부(650)는, 보정 계수 fk1을 기억하고 있는, 예컨대 메모리이다. 예컨대, 기억부(650)는, 보정 계수 fk1로서, 해당 기억부(650)가 탑재된 입자 검출 센서(1)의 감도에 따른 값을 기억하고 있다.
여기서, 보정 계수 fk1은, 예컨대, 센서부(200)에 소정의 입경을 갖는 기준 입자가 도입된 경우에 센서부(200)로부터 출력된 아날로그 신호에 근거하여 산출된 값이고, 입자 검출 센서(1)의 제조 공정에 있어서 기입되는 것에 의해 생성되어 있다. 바꾸어 말하면, 보정 계수 fk1은, 입자 검출 센서(1)의 제조 공정에 있어서 초기 설정되어 있다. 또, 제조 공정에 있어서의 보정 계수의 초기 설정 처리에 대해서는, 후술한다.
[1-1. 센서부의 전체 구성]
다음으로, 실시의 형태와 관련되는 센서부(200)의 구성에 대하여, 도 2~도 4를 이용하여 설명한다. 도 2~도 4는 각각, 실시의 형태와 관련되는 센서부(200)의 일례를 나타내는 사시도, 분해 사시도, 및, 하우징 내부의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 4는, 보다 상세하게는, 본 실시의 형태와 관련되는 배면 커버(110) 및 전면 커버(100)의 내부 구조를 나타내는 개관 사시도이다.
센서부(200)는, 유입구(101)가 아래쪽, 유출구(102)가 위쪽이 되도록 배치된다. 구체적으로는, 센서부(200)는, 도 2에 나타내는 Y축 방향이 연직 위를 향하게 되도록 배치된다. 또, 센서부(200)는, 편평한 대략 직방체 형상이고, 서로 직교하는 2개의 변을 따른 방향을 각각 X축 방향 및 Y축 방향으로 한다. 또한, 센서부(200)의 두께 방향을 Z축 방향으로 한다. 본 실시의 형태에서는, 센서부(200)는, 예컨대, X : 52㎜×Y : 45㎜×Z : 22㎜에 들어가는 범위의 크기이다.
센서부(200)는, 도 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 하우징(10)과, 하우징(10)의 내부에 배치된 광학계(20)를 구비하는 광 산란식 입자 검출 센서이다. 본 실시의 형태에서는, 센서부(200)는, 광 산란식 입자 검출 센서이다. 구체적으로는, 센서부(200)는, 광학계(20)가 하우징(10) 내의 검지 영역 DA에 광을 조사하고, 검지 영역 DA를 통과하는 입자(2)(에어로졸)에 의한 광의 산란광을 수광함으로써, 입자(2)의 유무를 검출한다. 또한, 센서부(200)는, 입자(2)의 유무에 한하지 않고, 입자(2)의 개수 및 크기 등을 검출하더라도 좋다. 또, 센서부(200)가 검출의 대상으로 하는 입자(2)는, 예컨대, 5㎛ 이하의 미소한 먼지, 화분, 연기, PM 2.5 등의 미립자이다.
하우징(10)은, 광학계(20) 및 검지 영역 DA를 덮는 하우징(케이스)이다. 하우징(10)은, 광학계(20) 및 검지 영역 DA에 외광이 조사되지 않도록, 광학계(20) 및 검지 영역 DA를 덮고 있다.
하우징(10)은, 내부에 입자(2)가 유입되기 위한 유입구(101)와, 내부에 유입된 입자(2)가 외부로 유출되기 위한 유출구(102)를 갖는다. 본 실시의 형태에서는, 도 4의 굵은 점선의 화살표로 나타내는 바와 같이, 입자(2)를 포함하는 기체가 유입구(101)로부터 유입되고, 하우징(10)의 내부(예컨대, 검지 영역 DA)를 통과하여 유출구(102)로부터 유출된다. 하우징(10)의 상세한 구성에 대해서는, 뒤에서 설명한다.
광학계(20)는, 유입구(101)를 통해서 하우징(10) 내에 유입되고, 또한, 하우징(10)에 덮인 검지 영역 DA를 통과하는 입자(2)를 광학적으로 검출한다. 본 실시의 형태에서는, 광학계(20)는, 하우징(10)에 덮인 검지 영역 DA에 서로의 광축(광축 P 및 광축 Q)이 교차하도록 배치된 투광계(120) 및 수광계(130)를 갖고, 검지 영역 DA를 통과하는 입자(2)를, 투광계(120)가 출력하는 광을 이용하여 검출한다. 투광계(120)는, 투광 소자(121)와, 투광 렌즈(122)를 구비한다. 수광계(130)는, 수광 소자(131)와, 수광 렌즈(132)를 구비한다. 광학계(20)의 상세한 구성에 대해서는, 뒤에서 설명한다.
또, 검지 영역(광 산란부) DA는, 측정 대상의 기체에 포함되는 입자(2)를 검지하기 위한 영역인 에어로졸 검지 영역(에어로졸 측정부)이다. 본 실시의 형태에서는, 검지 영역 DA는, 투광계(120)의 광축 P와 수광계(130)의 광축 Q가 교차하는 교점을 포함하는 영역이다. 검지 영역 DA는, 예컨대, φ2㎜이다. 측정 대상의 기체는, 하우징(10)의 유입구(101)로부터 유입되고, 검지 영역 DA로 유도된 후, 유출구(102)로부터 유출된다.
센서부(200)는, 도 2~도 4에 나타내는 바와 같이, 먼지 억제벽(30)과, 제 1 광 트랩(40)과, 제 2 광 트랩(50)과, 가열 장치(60)와, 회로 기판(70)과, 커넥터(80)와, 제 1 실드 커버(90)와, 제 2 실드 커버(91)를 구비한다.
먼지 억제벽(30)은, 유입구(101)와 검지 영역 DA의 사이에 마련된 벽으로서, 입자(2)보다 큰 먼지가 검지 영역 DA에 진입하는 것을 억제한다. 여기서, 검지 영역 DA로의 진입을 억제해야 할 대상이 되는 먼지(진애)는, 예컨대, 2㎛ 이상의 입자이다.
또한, 먼지 억제벽(30)은, 유입구(101)와 제 1 광 트랩(40)의 사이에 마련된 벽으로서, 기체가 제 1 광 트랩(40)에 진입하지 않도록 기체를 유도하는 제 1 기체 유도벽이다. 먼지 억제벽(30)의 상세한 구성에 대해서는, 뒤에서 설명한다.
제 1 광 트랩(40)은, 투광계(120)로부터 출력되어 검지 영역 DA를 통과한 광을 트랩한다. 구체적으로는, 제 1 광 트랩(40)은, 내부에 일단 입사된 광이 외부로 출사되지 않도록 흡수한다. 본 실시의 형태에서는, 제 1 광 트랩(40)은, 쐐기형의 폐공간을 갖지만, 미로 구조이더라도 좋다.
본 실시의 형태에서는, 제 1 광 트랩(40)은, 검지 영역 DA를 사이에 두고 투광계(120)와 대향하는 위치에 마련되어 있다. 구체적으로는, 제 1 광 트랩(40)은, 입사된 광이 출사되는 것이 곤란한 제 1 폐공간(41, 43)을 갖고 있다. 제 1 폐공간(41, 43)의 각각에는, 제 1 개구부(42, 44)가 마련되어 있다. 제 1 광 트랩(40)은, 투광계(120)로부터 출력되어 검지 영역 DA를 통과한 광을, 복수의 제 1 개구부(42, 44)의 각각을 통과하도록 분할하고 나서 트랩한다.
제 2 광 트랩(50)은, 제 1 광 트랩(40)에 트랩되지 않는 광을 트랩한다. 제 2 광 트랩(50)은, 입사된 광이 출사되는 것이 곤란한 제 2 폐공간(51)을 갖고 있다. 제 2 폐공간에는, 제 2 개구부(52)가 마련되어 있다. 예컨대, 제 2 광 트랩(50)은, 투광계(120)로부터 출력되어 검지 영역 DA를 통과하지 않는 광(누설광), 및, 제 1 광 트랩(40)에 일단 입사되었지만 다시 제 1 광 트랩(40)으로부터 출사된 광 등을 트랩한다.
본 실시의 형태에서는, 제 2 광 트랩(50)은, 검지 영역 DA를 사이에 두고 수광계(130)와 대향하는 위치에 마련되어 있다. 제 2 광 트랩(50)은, 예컨대, 복수의 쐐기형 돌출부(115)가 마련된 미로 구조이다.
가열 장치(60)는, 유입구(101)로부터 유입된 입자(2)를 포함하는 기체를, 검지 영역 DA를 통과하도록 흘림으로써, 하우징(10) 내에 기류를 생성하는 기류 생성부의 일례이다. 본 실시의 형태에서는, 가열 장치(60)는, 하우징(10)의 하부에 배치되어, 기체를 가열하는 히터이다. 구체적으로는, 가열 장치(60)는, 입자(2)를 포함하는 기체를 가열함으로써, 도 4에 나타내는 바와 같이, 하우징(10) 내에 상승 기류(Y축 정방향으로의 기체의 흐름)를 생성하고, 검지 영역 DA에 입자(2)를 포함하는 기체를 유도한다. 가열 장치(60)는, 예컨대, 저비용의 히터 저항이다. 또, 도 4에서는, 굵은 점선의 화살표로 기류의 일례를 나타내고 있다.
회로 기판(70)은, 센서부(200)의 제어 회로가 형성된 프린트 배선 기판이다. 제어 회로는, 예컨대, 투광계(120)에 의한 광의 출력, 수광계(130)에 의해 수광한 광 신호에 근거하는 전기 신호의 처리, 가열 장치(60)에 의한 기체의 가열 등의 처리를 제어한다. 예컨대, 제어 회로는, 입자(2)의 유무, 크기 및 개수 등을 검출하고, 커넥터(80)를 통해서 외부에 검출 결과를 출력한다.
회로 기판(70)은, 예컨대, 직사각형의 평판이고, 한쪽의 주면(표면)에 하우징(10)이 고정되어 있다. 다른 쪽의 주면(이면)에는, 제어 회로를 구성하는 1개 또는 복수의 회로 소자(회로 부품)가 실장되어 있다. 또, 투광 소자(121), 수광 소자(131) 및 가열 장치(60)(히터 저항)의 각각의 전극 단자는, 하우징(10)의 배면 커버(110) 및 회로 기판(70)을 관통하고, 회로 기판(70)의 이면에 납땜되어 있다. 이것에 의해, 투광 소자(121), 수광 소자(131) 및 가열 장치(60)(히터 저항)의 각각은, 제어 회로에 전기적으로 접속되어, 제어 회로에 의해 동작이 제어된다.
복수의 회로 소자는, 예컨대, 저항, 콘덴서, 코일, 다이오드 또는 트랜지스터 등을 포함한다. 복수의 회로 소자의 하나인 전해 콘덴서(71)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 회로 기판(70)의 표면에 마련되어, 하우징(10) 내에 배치되어 있다.
이와 같이, 하우징(10) 내의 공간을 유효하게 이용함으로써, 회로 기판(70)의 이면측에 배치하는 회로 소자를 적게 할 수 있다. 이것에 의해, 회로 기판(70)의 이면측의 회로 소자용의 공간을 작게 할 수 있고, 제 1 실드 커버(90)를 작게 할 수 있다. 따라서, 센서부(200)를 소형화할 수 있다.
커넥터(80)는, 센서부(200)의 제어 회로(회로 기판(70))와, 외부의 제어 회로 또는 전원 회로를 접속하기 위한 커넥터이다. 커넥터(80)는, 회로 기판(70)의 이면에 실장되어 있다. 예컨대, 센서부(200)는, 커넥터(80)를 통해서 외부로부터 전력이 공급되어 동작한다.
제 1 실드 커버(90)는, 외부 노이즈로부터 제어 회로를 보호하기 위해 마련된 금속제의 커버이다. 제 1 실드 커버(90)는, 회로 기판(70)의 이면측에 설치되어 있다.
제 2 실드 커버(91)는, 외부 노이즈로부터 수광계(130)의 수광 소자(131)를 보호하기 위해 마련된 금속제의 커버이다. 제 2 실드 커버(91)는, 하우징(10)의 전면, 상면 및 좌측면의 일부로서, 내부에 수광 소자(131)가 배치된 부분을 덮고 있다.
또, 제 1 실드 커버(90) 및 제 2 실드 커버(91)는, 예컨대, 블리키(blik) 등으로 구성된다.
이하에서는, 센서부(200)가 구비하는 각 구성 요소에 대하여, 상세하게 설명한다.
[1-2. 센서부의 하우징의 구성]
하우징(10)은, 센서부(200)의 본체부이고, 내부에는, 검지 영역 DA, 광학계(20), 먼지 억제벽(30), 제 1 광 트랩(40), 제 2 광 트랩(50) 및 가열 장치(60)가 마련되어 있다. 본 실시의 형태에서는, 하우징(10)은, 전면 커버(100)와, 배면 커버(110)의 2개의 부재에 의해 구성된다.
하우징(10)은, 차광성을 갖는다. 예컨대, 하우징(10)은, 미광을 흡수시키도록, 적어도 내면이 흑색이다. 구체적으로는, 하우징(10)의 내면은, 광의 흡수율이 높고, 또한, 광을 경면 반사한다. 또, 하우징(10)의 내면에 있어서의 반사는, 경면 반사가 아니더라도 좋고, 광의 일부가 산란 반사되더라도 좋다.
여기서, 미광은, 입자(2)에 의한 산란광 이외의 광이고, 구체적으로는, 투광계(120)가 출력하는 광 중 검지 영역 DA에 있어서 입자(2)에 산란되는 일 없이, 하우징(10) 내를 진행하는 광이다. 또한, 미광은, 하우징(10)의 외부로부터 유입구(101) 또는 유출구(102)를 통해서 하우징(10)의 내부로 진입한 외광도 포함한다.
하우징(10)은, 예컨대, ABS 수지 등의 수지 재료를 이용한 사출 성형에 의해 형성된다. 구체적으로는, 전면 커버(100) 및 배면 커버(110)의 각각이, 수지 재료를 이용한 사출 성형에 의해 형성된 후, 서로 합쳐짐으로써 하우징(10)을 구성한다. 이때, 예컨대, 흑색의 안료 또는 염료를 첨가한 수지 재료를 이용함으로써, 하우징(10)의 내면을 흑색면으로 할 수 있다. 혹은, 사출 성형 후에 내면에 흑색 도료를 도포함으로써, 하우징(10)의 내면을 흑색면으로 할 수 있다. 또한, 하우징(10)의 내면에 엠보싱 가공 등의 표면 처리를 행하는 것에 의해, 미광을 흡수시키더라도 좋다.
하우징(10)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 편평한 다면체이고, 전면부(10a)와, 배면부(10b)와, 하면부(10c)와, 상면부(10d)와, 좌측면부(10e)와, 우측면부(10f)를 갖는다. 구체적으로는, 하우징(10)은, 직사각형의 4개의 모서리 중 우상 및 좌상의 모서리가 비스듬하게 된 대략 칠각형을 저면으로 하는 각기둥 형상이다.
전면부(10a), 배면부(10b), 하면부(10c), 상면부(10d), 좌측면부(10e) 및 우측면부(10f)는 각각, 하우징(10)의 전면(정면), 배면, 하면, 상면, 좌측면 및 우측면을 형성한다. 전면부(10a)는, 전면 커버(100)의 저부이고, 배면부(10b)는, 배면 커버(110)의 저부이다. 하면부(10c), 상면부(10d), 좌측면부(10e) 및 우측면부(10f)는, 전면 커버(100)의 측주부와 배면 커버(110)의 측주부가 합쳐져 형성된다.
전면부(10a) 및 배면부(10b)는, 서로 대략 동일한 형상이고, 구체적으로는, 대략 칠각형의 평판부이다. 하면부(10c)는, 전면부(10a) 및 배면부(10b)에 수직으로 마련된 대략 직사각형의 평판부이다. 상면부(10d), 좌측면부(10e) 및 우측면부(10f)는, 전면부(10a) 및 배면부(10b)에 수직으로 마련되어, 평면에서 볼 때(平面視)에 있어서 안쪽을 향해 굴곡한 판 형상부이다.
또, 하우징(10)의 형상은 일례이고, 이것에 한하지 않는다. 예컨대, 하우징(10)은, 저면(전면부(10a) 및 배면부(10b))이 직사각형인 직방체이더라도 좋고, 혹은, 저면이 원형인 원기둥이더라도 좋다.
하우징(10)의 측면에는, 도 2~도 4에 나타내는 바와 같이, 유입구(101)와, 유출구(102)가 마련되어 있다. 구체적으로는, 하우징(10)의 전면부(10a)에, 유입구(101)와, 유출구(102)가 마련되어 있다.
유입구(101)는, 하우징(10)의 측면(전면부(10a))에 마련된 소정 형상의 개구이고, 해당 개구를 통해서, 입자(2)를 포함하는 기체가 하우징(10)의 내부로 유입된다. 유입구(101)는, 예컨대, 12㎜×5.5㎜의 대략 직사각형의 개구이지만, 유입구(101)의 형상은 이것에 한하지 않는다. 예컨대, 유입구(101)는, 원형 또는 타원형 등의 개구이더라도 좋다.
본 실시의 형태에서는, 유입구(101)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 검지 영역 DA의 직하 방향에는 마련되어 있지 않고, 전면 커버(100)의 하부의 구석에 마련되어 있다. 이것에 의해, 유입구(101)로부터 진입하는 외광이 검지 영역 DA에 조사되기 어렵게 할 수 있다.
유출구(102)는, 하우징(10)의 측면에 마련된 소정 형상의 개구이고, 해당 개구를 통해서, 입자(2)를 포함하는 기체가 하우징(10)의 외부로 유출된다. 유출구(102)는, 예컨대, 12㎜×5㎜의 대략 직사각형의 개구이지만, 유출구(102)의 형상은 이것에 한하지 않는다. 예컨대, 유출구(102)는, 원형 또는 타원형 등의 개구이더라도 좋다. 유출구(102)의 크기는, 예컨대, 유입구(101)와 동일하다.
본 실시의 형태에서는, 유출구(102)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 검지 영역 DA의 직상 방향으로서, 전면 커버(100)의 상부의 중앙에 마련되어 있다. 이것에 의해, 가열 장치(60)에 의해 생성된 기류를 순조롭게 유출구(102)로부터 외부로 방출할 수 있다.
또, 유입구(101) 및 유출구(102)는, 하우징(10)의 전면부(10a)에 마련했지만, 이것에 한하지 않는다. 예컨대, 유입구(101)는, 하우징(10)의 배면부(10b), 하면부(10c), 좌측면부(10e) 또는 우측면부(10f)에 마련하더라도 좋다. 또한, 유출구(102)는, 하우징(10)의 배면부(10b), 상면부(10d), 좌측면부(10e) 또는 우측면부(10f)에 마련하더라도 좋다.
하우징(10)에는, 먼지 억제벽(30), 제 1 광 트랩(40) 및 제 2 광 트랩(50)의 각각을 구성하기 위한 내부 구조(예컨대, 소정 형상의 리브 등)가 마련되어 있다. 구체적으로는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 전면 커버(100)는, 내면으로부터 세워진 제 1 벽(103)을 갖는다. 또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 배면 커버(110)는, 내면으로부터 세워진 제 2 벽(111)을 갖는다. 제 1 벽(103)과 제 2 벽(111)은, 먼지가 하우징의 내부로 침입하는 것을 저감하는 먼지 억제벽(30)을 형성한다.
배면 커버(110)는, 내면으로부터 세워진 제 1 광 반사벽(112), 제 2 광 반사벽(113), 제 3 광 반사벽(114) 및 복수의 쐐기형 돌출부(115)를 갖는다. 제 1 광 반사벽(112)은, 제 2 벽(111)과 함께 제 1 광 트랩(40)을 형성한다. 제 2 광 반사벽(113), 제 3 광 반사벽(114) 및 복수의 쐐기형 돌출부(115)는, 제 2 광 트랩(50)을 형성한다.
제 1 광 반사벽(112)은, 굴곡한 벽이다. 구체적으로는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 1 광 반사벽(112)은, 평판 형상의 제 1 반사부(112a)와, 평판 형상의 제 2 반사부(112b)를 갖는다. 제 3 광 반사벽(114)은, 평판 형상의 제 1 반사부(114a)와, 평판 형상의 제 2 반사부(114b)를 갖는다.
전면 커버(100)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 계지부(係止部)(106) 및 계지부(107)를 갖는다. 또한, 배면 커버(110)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 피계지부(118) 및 피계지부(119)를 갖는다. 전면 커버(100)와 배면 커버(110)를 합침으로써, 계지부(106)가 피계지부(118)에 계지되고, 계지부(107)가 피계지부(119)에 계지된다. 이것에 의해, 전면 커버(100)와 배면 커버(110)는 고정된다. 또, 계지부(106) 및 계지부(107) 및 피계지부(118) 및 피계지부(119)를 마련하는 위치, 개수 및 형상 등은, 어떠한 것이더라도 좋다.
하우징(10)의 전면부(10a)에는, 청소창(108)이 더 마련되어 있다. 구체적으로는, 청소창(108)은, 전면 커버(100)의 중앙부에 마련된 사다리꼴 형상의 관통 구멍이다. 청소창(108)은, 투광 렌즈(122), 수광 렌즈(132) 및 하우징(10)의 내부에 부착된 오염물 또는 먼지를 제거하기 위해 마련되어 있다. 예컨대, 청소창(108)으로부터 면봉 등을 하우징(10)의 내부에 삽입함으로써, 내부의 청소를 행할 수 있다. 청소창(108)은, 센서부(200)를 동작시킬 때에는, 청소창(108)을 통해서 외광이 검지 영역 DA에 조사되지 않도록, 도시하지 않는 커버 부재에 의해 덮인다.
본 실시의 형태에서는, 제 1 벽(103), 계지부(106) 및 계지부(107)는, 전면 커버(100)와 일체로 형성되어 있다. 또한, 제 2 벽(111), 제 1 광 반사벽(112), 제 2 광 반사벽(113), 제 3 광 반사벽(114), 복수의 쐐기형 돌출부(115), 피계지부(118) 및 피계지부(119)는, 배면 커버(110)와 일체로 형성되어 있다.
[1-3. 센서부를 구성하는 광학계의 구성]
광학계(20)는, 도 2~도 4에 나타내는 바와 같이, 하우징(10)의 배면 커버(110)에 배치되어, 전면 커버(100)에 의해 끼임으로써, 하우징(10)의 내부에 수납되어 있다. 투광계(120)와 수광계(130)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 각각의 광축(광축 P 및 광축 Q)이 교차하도록 배치되어 있다.
투광계(120)는, 검지 영역 DA에 집광하도록 광을 출력한다. 투광계(120)는, 투광 소자(121)와, 투광 렌즈(122)를 구비한다.
투광 소자(121)는, 소정의 파장의 광을 발하는 광원(발광부)이고, 예컨대, LED(Light Emitting Diode) 또는 반도체 레이저 등의 고체 발광 소자이다. 투광 소자(121)의 광축은, 투광계(120)의 광축 P에 일치하고, 예컨대, 검지 영역 DA를 통과한다.
투광 소자(121)로서는, 자외광, 청색광, 녹색광, 적색광 또는 적외광을 발하는 발광 소자를 이용할 수 있다. 이 경우, 투광 소자(121)는, 2파장 이상의 혼합파를 발하도록 구성되더라도 좋다. 본 실시의 형태에서는, 입자(2)에 의한 광의 산란 강도를 감안하여, 투광 소자(121)로서, 500㎚ 이상 또한 700㎚ 이하에 피크 파장을 갖는 광(적색광)을 투광하는, 예컨대 포탄형의 LED를 이용한다.
또, 투광 소자(121)의 발광 파장이 짧을수록, 입경이 작은 입자를 검출하기 쉬워진다. 또한, 투광 소자(121)의 발광 제어 방식은 특별히 한정되는 것이 아니고, 투광 소자(121)로부터 출사되는 광은, DC 구동에 의한 연속광 또는 펄스광 등이더라도 좋다. 또한, 투광 소자(121)의 출력의 크기(광의 강도)는, 시간적으로 변화시키더라도 좋다.
투광 렌즈(122)는, 투광 소자(121)의 전방에 배치되어 있고, 투광 소자(121)로부터 출사되는 광(투광 빔)을 검지 영역 DA를 향해 진행시키도록 구성되어 있다. 다시 말해, 투광 소자(121)로부터 출사되는 광은, 투광 렌즈(122)를 거쳐서 검지 영역 DA를 통과한다. 검지 영역 DA를 통과하는 입자(2)가 투광 소자(121)로부터의 광을 산란시킨다.
투광 렌즈(122)는, 예컨대, 투광 소자(121)로부터 출사되는 광을 검지 영역 DA에 집속(집광)시키는 집광 렌즈이고, 예컨대, 폴리카보네이트(PC) 등의 투명 수지 렌즈 또는 유리 렌즈이다. 예컨대, 투광 렌즈(122)의 초점은, 검지 영역 DA에 존재한다.
수광계(130)는, 검지 영역 DA에 있어서의 입자(2)에 의한 투광계(120)로부터의 광의 산란광을 수광한다. 또, 도 4에서는, 굵은 실선의 화살표로 광의 경로의 일례를 나타내고 있다. 수광계(130)는, 수광 소자(131)와, 수광 렌즈(132)를 구비한다.
수광 소자(131)는, 검지 영역 DA에 있어서의 입자(2)에 의한 투광 소자(121)로부터의 광의 산란광의 적어도 일부를 수광한다. 수광 소자(131)는, 구체적으로는, 수광한 광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 소자이고, 본 실시의 형태에서는, 투광 소자(121)가 투광하는 광에 감도를 갖는, 포토다이오드 및 포토트랜지스터 중 적어도 한쪽을 갖는다. 또, 수광 소자(131)는, 예컨대, 포토 IC 다이오드 또는 광전자 증배관 등을 갖더라도 좋다. 수광 소자(131)의 광축은, 수광계(130)의 광축 Q에 일치하고, 예컨대, 검지 영역 DA를 통과한다.
수광 렌즈(132)는, 수광 소자(131)와 검지 영역 DA의 사이에 배치되어 있고, 검지 영역 DA측으로부터 입사되는 광을 수광 소자(131)에 집광하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 수광 렌즈(132)는, 검지 영역 DA에 있어서 입자(2)에 의한 산란광을, 수광 소자(131)에 집속시키는 집광 렌즈이고, 예컨대, PC 등의 투명 수지 렌즈 또는 유리 렌즈이다. 예컨대, 수광 렌즈(132)의 초점은, 검지 영역 DA 및 수광 소자(131)의 표면에 존재한다.
[2. 입자 검출 센서의 동작]
다음으로, 본 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서(1)의 동작에 대하여 설명한다.
[2-1. 입자 검출의 메커니즘]
우선, 입자 검출 센서(1)가 입자를 검출하는 메커니즘에 대하여 설명한다.
제어부(600)는, 검지 신호의 취득에 앞서, 가열 장치(60)를 이용하여 하우징(10) 내의 공기를 가열한다. 가열 장치(60)에 의해 공기가 가열되면, 하우징(10) 내에 상승 기류가 생기고, 유입구(101)로부터 공기가 받아들여져, 유출구(102)로부터 공기가 하우징(10)의 외부로 유출된다. 이것에 수반하여, 기체 중의 미립자는, 유입구(101)로부터 하우징(10)의 내부로 진입하고, 입자의 검지 영역 DA를 통과하여, 유출구(102)로부터 하우징(10)의 외부로 유출된다.
투광 소자(121)는, 검지 영역 DA를 향해 광을 출력한다. 투광 소자(121)로부터 출력된 광은, 검지 영역 DA를 통과하는 입자에 닿아서 산란된다.
수광계(130)를 향해 산란된 산란광(산란광의 일부)은, 수광 렌즈(132)를 거쳐서 수광 소자(131)에 의해 수광된다. 수광 소자(131)는, 수광된 광의 강도에 따른 신호를 신호 변환부(610)에 대하여 출력한다.
제 1 광 트랩(40)을 향해 산란된 산란광(산란광의 다른 일부)은, 제 1 광 트랩(40)에 의해 트랩되어, 수광계(130)에는 입사되지 않도록 구성되어 있다.
이와 같은 구성에 의해, 입자 검출 센서(1)는, 기체에 포함되는 입자를 검출할 수 있다.
[2-2. 신호 변환부의 동작]
[2-2-1. 아날로그 신호 처리]
신호 변환부(610)는, 센서부(200)로부터 출력된 전류 신호에 대하여 각종 신호 처리를 실시하는 것에 의해, 해당 전류 신호에 근거하는 아날로그 전압 신호를 출력하는 아날로그 신호 처리를 행한다. 여기서, 각종 신호 처리란, 예컨대, 전류(I)를 전압(V)으로 변환하는 I/V 변환, 입력된 신호의 소망하는 주파수 대역을 통과시키는 밴드 패스 필터 처리, 및, 입력된 신호를 증폭하여 출력하는 증폭 처리이다.
또, 신호 변환부(610)는, 아날로그 신호 처리로서, 여기에 예시한 각 처리에 한하지 않고, 다른 신호 처리(예컨대, 하이 패스 필터 처리, 로우 패스 필터 처리, 및, 감쇠 처리 등)를 행하는 것이더라도 좋다.
여기서, 신호 변환부(610)의 구성에 대하여, 도 5를 이용하여 설명한다. 도 5는 본 실시의 형태에 있어서의 신호 변환부(610) 및 이것에 관련되는 구성을 나타내는 블록도이다. 구체적으로는, 동 도면에는, 신호 변환부(610) 및 처리부(620)의 구성이 나타내어지고 있다.
이 신호 변환부(610)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, IV 변환부(241)와, 증폭부(242)를 포함하고, 상술한 아날로그 신호 처리를 행하는 아날로그 신호 처리부(240)를 갖는다. 또한, 신호 변환부(610)는, 아날로그 신호 처리부(240)로부터 출력된 아날로그 전압 신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD 변환부(261)를 더 포함한다.
[2-2-2. IV 변환부]
IV 변환부(241)는, 수광 소자(131)로부터 출력된 전류를 전압으로 변환(IV 변환)한다. 다시 말해, IV 변환부(241)는, 센서부(200)로부터 출력된 전류 신호를 전압 신호로 변환한다. 이와 같이 전압 신호로 변환하는 것에 의해, IV 변환부(241)의 후단에 접속된 증폭부(242)의 설계가 용이하게 된다.
[2-2-3. 증폭부]
증폭부(242)는, IV 변환부(241)에서 변환된 전압 신호의 소정의 대역을 증폭한다. 구체적으로는, 해당 전압 신호에 포함되는 주파수 성분 중 소정의 대역의 주파수 성분을, 다른 대역의 주파수 성분보다 높은 증폭률로 증폭한다. 여기서, 소정의 대역이란, 예컨대, 중심 주파수를 센서부(200)의 입자 유로 내에 흐르는 기체의 유속 v1에 대응하는 주파수 f1로 하고, 대역폭을 fbw로 하는 대역이다. 또, fbw는 소정의 주파수이더라도 좋고, 전압 신호의 노이즈 플로어에 따라 적절하게 설정되는 주파수이더라도 좋다. 바꾸어 말하면, 증폭부(242)는, IV 변환부(241)에서 변환된 전압 신호를 증폭하고, 입자에 대응한 펄스 파형을 포함하는 전압 신호로 변환한다.
이 증폭부(242)는, 예컨대, 도 5에 나타내는 바와 같이, IV 변환부(241)로부터 출력된 전압 신호에 포함되는 주파수 성분 중 소정의 대역의 주파수 성분을 통과하는 밴드 패스 필터(242a)와, 밴드 패스 필터(242a)를 통과한 주파수 성분으로 이루어지는 신호를 증폭하는 증폭기(242b)를 포함한다. 또, 밴드 패스 필터(242a) 및 증폭기(242b)의 접속 순서는 이것에 한하지 않고, 증폭기(242b)가 밴드 패스 필터(242a)보다 전단에 마련되어 있더라도 좋다.
이와 같은 구성에 의해, 아날로그 신호 처리부(240)는, 센서부(200)로부터 출력된 전류 신호에 근거하는 전압 신호를 출력한다.
[2-2-4. AD 변환부]
AD 변환부(261)는, 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호를 샘플링(표본화) 및 양자화한다. 바꾸어 말하면, 해당 AD 변환부(261)는, 아날로그 신호 처리부(240)로부터 출력된 아날로그의 전압 신호를 AD(Analog to Digital) 변환하는 것에 의해, 해당 전압 신호에 대응하는 시계열의 디지털 데이터를 생성한다. 다시 말해, AD 변환부(261)는, 센서부(200)로부터 출력된 전류 신호에 근거하는 시계열의 디지털 데이터를 생성한다.
구체적으로는, 이 AD 변환부(261)는, 범용 MPU에 미리 포함된 AD 변환 모듈이고, 해당 범용 MPU의 아날로그 입력 단자에 입력된 전압 신호를 디지털 데이터로 변환한다. 예컨대, AD 변환부(261)는, 범용 MPU에 있어서 아날로그 입력용으로 설정된 단자에 입력된 0.0~5.0V의 범위의 전압 신호를, 소정의 샘플링 주기로 샘플링하고, 샘플링된 전압 신호의 전압을 10비트의 디지털 값으로 변환하는 것에 의해, 디지털 데이터를 생성한다.
또, 범용 MPU의 아날로그 입력 단자에 입력되는 전압의 범위는, 상기 예에 한하지 않고, 예컨대, 해당 입력되는 전압의 최대치는, 범용 MPU의 외부로부터 지정되는 전압(예컨대 3.3V)이더라도 좋다. 또한, AD 변환부(261)에서 생성되는 디지털 데이터의 비트수는, 상기 예에 한하지 않고, 예컨대 8비트이더라도 12비트이더라도 좋다.
[2-2-5. 범용 MPU의 구성]
범용 MPU는, 처리부(620)를 더 갖고, 아날로그 신호 처리부(240)로부터 출력된 아날로그 전압 신호를 이용하여, 센서부(200)의 입자 유로 내에 흐르는 기체에 포함되는 입자의 입경을 산출한다. 이 범용 MPU는, 예컨대, 집적 회로인 시스템 LSI에 의해 실현되고, 이하에서 설명하는 구성마다 개별적으로 1칩화되더라도 좋고, 일부 또는 전부를 포함하도록 1칩화되더라도 좋다.
또한, 범용 MPU는, 시스템 LSI에 한하는 것이 아니고, 전용 회로 또는 범용 프로세서로 실현하더라도 좋다. LSI 제조 후에 프로그램하는 것이 가능한 FPGA(Field Programmable Gate Array), 또는 LSI 내부의 회로 셀의 접속이나 설정을 재구성 가능한 리컨피규러블 프로세서를 이용하더라도 좋다.
이와 같은 범용 MPU는, AD 변환부(261)에서 생성된 디지털 데이터를 이용하여, 센서부(200)의 입자 유로 내에 흐르는 기체에 포함되는 입자에 대한 다양한 분석을 행할 수 있다. 이 다양한 분석이란, 예컨대, 해당 입자의 입경의 산출, 또는, 해당 입자의 분류 등이다.
[2-2-6. 전원부]
또, 특별히 도시하고 있지 않지만, 입자 검출 센서(1)는, 각 구성(센서부(200), 및, 신호 변환부(610) 등)에 대하여, 전원을 공급하는 전원부를 구비한다. 이 전원부는, 예컨대, 입자 검출 센서(1)의 외부로부터 공급된 전압을 소망하는 전압으로 변환하는 레귤레이터 등에 의해 구성된다.
[2-3. 처리부의 동작]
처리부(620)는, 시계열의 디지털 데이터의 피크를 검출하고(이하, 이것을 「피크 서치」라고 칭한다), 검출한 피크의 값은, 검출 입자에 대응한 파고치이다.
또한, 처리부(620)는, 상술한 디지털 데이터의 피크를 검출하는 연산(피크 서치)을, 항상 행하고 있더라도 좋고, 소정의 조건을 만족시키고 있는 경우에만 행하고 있더라도 좋다.
다음으로, 본 실시의 형태와 관련되는 처리부(620)의 동작에 대하여 설명한다.
도 6은 실시의 형태와 관련되는 처리부(620)의 동작을 나타내는 플로차트이다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 우선, 처리부(620)는, 신호 변환부(610)로부터 검지 신호를 취득한다(S10). 신호 변환부(610)는, 상술한 바와 같이, 수광 소자(131)로부터 출력되는 아날로그 신호를, 디지털 신호인 검지 신호로 변환한다.
여기서, 도 7은 수광 소자(131)로부터 출력되는 아날로그 신호의 일례를 나타내는 파형도이다. 도 7에 나타내는 파형에는, 4개의 입자의 산란광의 강도를 나타내는 파형이 포함되어 있다. 보다 구체적으로는, 해당 파형에는, 파고치 VS1을 갖는 파형 W1과, 파고치 VS2를 갖는 파형 W2와, 파고치 VS3을 갖는 파형 W3과, 파고치 VS4를 갖는 파형 W4가 포함된다. 또한, 해당 파형에는, 노이즈 플로어 VN의 노이즈 파형 WN이 더 포함된다.
이와 같은 아날로그 신호는, 신호 변환부(610)에 의해 노이즈 파형 WN의 제거 등의 필터 처리 및 아날로그 디지털 변환 등이 실시되는 것에 의해, 도 8(a)~도 8(c)에 나타내는 바와 같은 검지 신호로 변환되어, 처리부(620)에 의해 취득된다. 도 8(a)~도 8(c)는 각각, 검지 신호의 일례를 나타내는 파형도이고, 도 8(b)는 도 8(a)보다 입자 검출 센서(1)의 감도가 높은 경우를 나타내고, 도 8(c)는 도 8(a)보다 입자 검출 센서(1)의 감도가 낮은 경우를 나타낸다.
동 도면에 나타내는 검지 신호는, 상기 아날로그 신호가 샘플링(표본화) 및 양자화된 신호이고, 예컨대, 10비트의 시계열의 디지털 데이터이다. 또, 검지 신호는 스텝 형상의 파형이지만, 도 8(a)~도 8(c)에서는, 해당 스텝의 폭이 매우 작은 것으로서 도시하고 있다(외형상 곡선으로 보인다). 이와 같이 하여 변환된 검지 신호에는, 수광 소자(131)에 있어서 수광된 입자로부터의 산란광의 강도를 나타내는 파형이 포함된다.
다음으로, 처리부(620)는, 검지 신호의 파형으로부터 복수의 파고치를 추출한다(S20).
여기서 파고치의 추출 방법은 임의이다. 상술한 바와 같이, 여기서의 검지 신호는 디지털 신호이기 때문에, 판정 대상의 디지털 값을 전후의 디지털 값과 비교하고, 판정 대상의 디지털 값이 전후의 디지털 값보다 큰 경우에, 판정 대상의 디지털 값을 파고치로서 추출하더라도 상관없다. 또, 검지 신호가 아날로그 신호인 경우는, 예컨대, 일정 시간마다 샘플링하고, 판정 대상의 샘플링 값이 전후의 샘플링 값보다 큰 경우에, 판정 대상의 샘플링 값을 파고치로서 추출하더라도 상관없다. 도 7 및 도 8(a)~도 8(c)에 나타내는 예에서는, 4개의 파고치 VS1~VS4를 추출할 수 있다.
다음으로, 처리부(620)는, 추출된 파고치를 이용하여, 기체 중의 입자를 검출한다(S30). 구체적으로는, 기체 중의 입자를 검출하는 것에 의해, 해당 기체 중의 입자의 질량 농도를 산출한다. 또, 이하에서는, 「기체 중의 입자의 질량 농도」를, 간단히 「질량 농도」라고 기재하는 경우가 있다.
[2-4. 입자 검출 처리(입자 검출 방법)]
이하, 입자 검출 처리(S30)에 있어서의 상세한 처리에 대하여 설명한다. 도 9는 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 처리를 나타내는 플로차트이다.
우선, 처리부(620)는, 기억부(650)로부터 보정 계수 fk1을 읽어낸다(S31).
그 후, 처리부(620)는, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치와, 복수의 파고치 구분(후술한다)을 구분하는 1개 이상의 임계치(제 1 임계치)의 상대 관계를 보정한다(S32). 본 실시의 형태에 있어서, 처리부(620)는, 기억부(650)로부터 보정 계수 fk1을 읽어내는 것에 의해 해당 상대 관계를 보정한다. 이 처리부(620)에 의한 보정 처리의 상세에 대해서는 후술한다.
다음으로, 처리부(620)는, 보정 후의 상대 관계를 이용하여, 후술하는 파고치 구분 각각에 대하여, 추출된 파고치의 개수를 계수한다(S33). 다시 말해, 보정 후의 상대 관계를 이용하여, 복수의 파고치의 각각에 대하여, 1개 이상(본 실시의 형태에서는 4개)의 임계치에 의해 구분된 복수의 파고치 구분 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정하는 것에 의해, 파고치 구분 각각에 대하여 파고치의 개수를 계수한다.
예컨대, 처리부(620)는, 파고치가 추출될 때마다, 보정 후의 상대 관계를 이용하여, 추출된 파고치가 복수의 파고치 구분 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정한다. 그 후, 처리부(620)는, 파고치 구분 각각의 파고치 수를 계수한다.
[2-4-1. 파고치 구분의 설정]
여기서, 파고치 구분의 설정에 대하여 설명한다.
복수의 파고치 구분은, 1개 이상의 임계치(제 1 임계치)에 따라 정해져 있다. 본 실시의 형태에서는, 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 4개의 임계치 Vt1~Vt4에 의해 구분된 4개의 파고치 구분 BS1~BS4가 설정되어 있다. 다시 말해, 임계치 Vti(i=1~4)는, 이웃하는 파고치 구분의 경계를 규정하고 있다.
여기서, 검지 신호로부터 추출되는 파고치와 검지 영역 DA에 위치하는 입자의 입경은, 소정의 상관 관계를 갖는다.
도 10은 입경마다의 파고치와 거리의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 도 10에서는, 설명을 위해, 5.0㎛, 2.5㎛, 1.0㎛ 및 0.5㎛의 입자에 있어서의 파고치와 거리의 관계를 나타내고 있다. 파고치는, 산란광의 강도에 대응하고 있다. 거리는, 입자가 검지 영역 DA를 통과할 때에 검지 영역 DA의 중심, 다시 말해, 투광 소자(121)로부터 출력된 광이 집광되는 위치에 가장 가까워졌을 때의 거리이다. 거리가 0이 되는 것은, 입자가 검지 영역 DA의 중심을 통과하는 경우이다.
일반적으로, 도 10에 나타내는 바와 같이, 거리가 동일한 경우, 입경이 커질수록, 파고치는 커진다. 따라서, 입경이 커질수록, 파고치의 최대치는 커진다. 또한, 도 10에 나타내는 바와 같이, 입경이 동일한 경우, 검지 영역 DA의 중심으로부터의 거리가 작을수록, 수광 강도는 커진다.
그렇지만, 도 10에 나타내는 바와 같이, 예컨대, 검지 영역 DA의 중심으로부터 거리 r1의 위치를 통과하는 5.0㎛의 입경을 갖는 입자에 대응하는 파고치는, 검지 영역 DA의 중심을 통과하는 2.5㎛의 입경을 갖는 입자의 파고치보다 작다. 다시 말해, 신호 강도로부터, 직접적으로 입경마다의 입자 수를 도출하는 것은 곤란하다.
단, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서 1개 이상의 임계치(제 2 임계치)에 의해 구분된 복수의 입경 구분(후술한다)의 각각이 포함되는 함유 비율은, 도 10에 나타내는 감도 분포를 이용하여 미리 구할 수 있다.
그래서, 본 실시의 형태에 있어서, 처리부(620)는, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수, 및, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서 복수의 입경 구분 BPi의 각각이 포함되는 함유 비율을 이용하여, 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수를 추정한다. 또, 함유 비율의 상세에 대해서는 후술한다.
본 실시의 형태에서는, 임계치 Vti는, 파고치 구분 BSi에, 입경 구분 BPi에 대응하는 입경 이상의 입경을 갖는 입자가 포함되고, 입경 구분 BPi에 대응하는 입경보다 작은 입경을 갖는 입자가 포함되지 않도록 설정된다. 임계치 Vti는, 예컨대, 입경 구분 BPi에 속하는 입자 중, 가장 작은 입자에 대응하는 검지 신호의 파고치의 최대치로 설정된다.
구체적으로는, 본 실시의 형태에서는, 검출된 입자를, 5.0㎛ 이상, 2.5㎛~5.0㎛, 1.0~2.5㎛, 및, 0.5~1.0㎛의 4개의 입경 구분 BPi로 구분한다. 임계치 Vt1은, 파고치 구분 BS1에, 5.0㎛ 이상의 입경의 입자가 포함되고, 다른 입경의 입자가 포함되지 않도록 설정된다. 임계치 Vt1은, 예컨대, 입경이 5.0㎛인 입자에 있어서의 검지 신호의 최대치로 설정된다. 임계치 Vt2는, 파고치 구분 BS2에, 입경이 2.5㎛ 이상인 입자가 포함되고, 2.5㎛보다 작은 입자가 포함되지 않도록 설정된다. 임계치 Vt2는, 예컨대, 입경이 2.5㎛인 입자에 있어서의 검지 신호의 최대치로 설정된다. 임계치 Vt3은, 파고치 구분 BS3에, 입경이 1.0㎛ 이상인 입자가 포함되고, 1.0㎛보다 작은 입자가 포함되지 않도록 설정된다. 임계치 Vt3은, 예컨대, 입경이 1.0㎛인 입자에 있어서의 검지 신호의 최대치로 설정된다. 임계치 Vt4는, 파고치 구분 BS4에, 입경이 0.5㎛ 이상인 입자가 포함되도록 설정된다.
이와 같이 설정된 파고치 구분을 이용하여, 처리부(620)는, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치의 각각에 대하여, 1개 이상(본 실시의 형태에서는 4개)의 임계치 Vt1~Vt4에 의해 구분된 복수의 파고치 구분 BS1~BS4 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정한다.
[2-4-2. 보정]
여기서, 신호 변환부(610)에서 생성된 디지털 데이터인 검지 신호는, 입자 검출 센서(1)의 감도에 의존한 값이다.
다시 말해, 동일 입경의 입자가 도입된 경우에도, 입자 검출 센서(1)의 감도가 높은 경우에는, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, 검지 신호의 파형이 비교적 커진다. 한편, 입자 검출 센서(1)의 감도가 낮은 경우에는, 검지 신호의 파형이 비교적 작아진다. 다시 말해, 검지 신호의 파형의 크기는, 예컨대, 광학계(20)의 설계, 수광 소자(131)의 수광 감도, 및, 센서부(200) 및 신호 변환부(610)가 갖는 전자 부품의 감도 등에 따른 입자 검출 센서(1)의 감도에 의존한다.
따라서, 입자 검출 센서(1)의 감도에 의존하지 않고 동일한 임계치 Vt1~Vt4를 이용하여 입자의 입경을 산출한 경우, 다음과 같은 문제가 생길 우려가 있다.
구체적으로는, 입자 검출 센서(1)의 감도가 높은 경우, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치 VS1~VS4가, 본래의 파고치 구분보다 큰 파고치 구분에 속한다고 오판정될 우려가 있다. 한편, 입자 검출 센서(1)의 감도가 낮은 경우, 해당 파고치 VS1~VS4가, 본래의 파고치 구분보다 작은 파고치 구분에 속한다고 오판정될 우려가 있다.
이와 같은 오판정이 생긴 경우, 기체 중의 입자의 질량 농도를 정밀하게 산출하는 것이 곤란하게 된다.
그래서, 본 실시의 형태에서는, 상술한 바와 같이, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치와, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4를 구분하는 임계치의 상대 관계를 보정한다. 구체적으로는, 본 실시의 형태에서는, 기억부(650)로부터 보정 계수 fk1을 읽어내서 임계치를 보정하는 것에 의해, 상기 상대 관계를 보정한다.
[2-4-2-1. 보정 계수의 초기 설정]
우선, 기억부(650)로의 보정 계수 fk1의 초기 설정 처리에 대하여 설명한다. 이 보정 계수 fk1은, 예컨대, 입자 검출 센서(1)의 제조 공정에 있어서 기입되어 있다.
도 11은 본 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서(1)의 제조 공정에 있어서의, 기억부(650)로의 보정 계수의 초기 설정 처리에 대하여 설명하기 위한 블록도이다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 제조 공정에 있어서, 기억부(650)로의 보정 계수 fk1의 기입은, 신호 변환부(610) 및 기억부(650)에 접속된 기입부(700)에 의해 실행된다.
기입부(700)는, 검지 영역 DA에 소정의 입경을 갖는 기준 입자가 도입된 경우에 신호 변환부(610)로부터 출력된 검지 신호에 근거하여, 입자 검출 센서(1)의 감도에 따른 보정 계수 fk1을 산출하고, 산출한 보정 계수 fk1을 기억부(650)에 기입한다.
이하, 기입부(700)에 의한 보정 계수 fk1의 초기 설정 처리에 대하여, 도 12 및 도 13을 이용하여 설명한다. 도 12는 제조 공정에 있어서 기입부(700)에 의해 실행되는 보정 계수 fk1의 초기 설정 처리를 나타내는 플로차트이다. 도 13은 기입부(700)에 의해 산출된 보정 계수 fk1에 대하여 설명하기 위한 그래프이다.
우선, 기입부(700)는, 센서부(200)의 하우징(10) 내에, 소정의 입경을 갖는 기준 입자를 유입시킨다(S50). 다시 말해, 검지 영역 DA에, 해당 기준 입자를 도입한다. 또, 기준 입자의 도입은 기입부(700)에 의해 실행되지 않더라도 좋고, 예컨대, 기준 입자를 포함하는 기체로 채워진 챔버 내에 센서부(200)를 배치하는 것에 의해 실현되더라도 좋다.
다음으로, 기입부(700)는, 기준 입자가 도입된 상태에 있어서 신호 변환부(610)로부터 출력된 검지 신호를 취득하고(S10), 해당 검지 신호의 파형으로부터 파고치를 추출한다(S20). 그 후, 기입부(700)는, 추출한 파고치에 근거하여 보정 계수 fk1을 산출(S60)하고, 산출한 보정 계수 fk1을 기억부(650)에 기입한다(S70).
단일 입자 지름인 기준 입자로서, PSL(폴리스틸렌 라텍스)의 표준 입자를 사용하더라도 좋다. 또한, 입자 지름에 분포가 있는 기준 입자로서, 담배에 의한 발연 연소로 발생하는 연기 입자 또는 면 심지에 의한 발연 연소로 발생하는 연기 입자를 사용하더라도 좋다.
예컨대, 기입부(700)는, 추출한 파고치와 노이즈 플로어 VN의 차분을, 이상적인 파고치 PI와 노이즈 플로어 VN의 차분으로 나눈 값을 보정 계수 fk1로서 산출한다.
다시 말해, 기입부(700)는, 검지 신호가 도 13의 제 1 검지 파형인 경우, 즉, 파고치 추출 처리(상기의 S20)에서 취득된 파고치가 P1인 경우, (P1-VN)/(PI-VN)을 보정 계수 fk1로서 산출한다. 이것에 의해, 검지 신호가 비교적 작은 경우, 즉 감도가 낮은 경우에는, 보정 계수 fk1로서 1보다 작은 값이 산출된다.
마찬가지로, 예컨대, 기입부(700)는, 검지 신호가 도 13의 제 2 검지 파형인 경우, 즉, 파고치 추출 처리(상기의 S20)에서 취득된 피크값이 P2인 경우, (P2-VN)/(PI-VN)을 보정 계수 fk1로서 산출한다. 이것에 의해, 검지 신호가 비교적 큰 경우, 즉 감도가 높은 경우에는, 보정 계수 fk1로서 1보다 큰 값이 산출된다.
여기서, 검지 신호는 센서부(200)로부터 출력되는 전류에 대응하고, 해당 전류는 센서부(200)의 감도에 상당한다. 따라서, 이상적인 파고치 PI 및 실제의 파고치는, 해당 센서부(200)의 감도의 기준이 되는 기준 감도 및 해당 센서부(200)의 실제의 감도에 상당한다.
따라서, 기입부(700)는, 센서부(200)로부터 출력된 전류가 비교적 작은 경우, 다시 말해 감도가 낮은 경우에는, 1보다 작은 값을 보정 계수 fk1로서 산출한다. 한편, 센서부(200)로부터 출력된 전류가 비교적 큰 경우, 다시 말해 감도가 높은 경우에는, 1보다 큰 값을 보정 계수 fk1로서 산출한다.
이와 같이, 기입부(700)는, 기준 감도에 대한 센서부(200)의 감도에 따른 보정 계수 fk1을 기억부(650)에 기입한다.
또, 이상적인 파고치는, 하우징(10)에 기준 입자를 도입한 경우에 한하지 않고, 예컨대, 입자 검출 센서(1)의 설계치에 의해 정해지더라도 좋다.
또한, 보정 계수 fk1은, 복수 개의 센서부(200)의 각각에 있어서, 하우징(10)에 기준 입자를 도입한 경우에 추출된 파고치의 평균치 또는 중앙치 등이더라도 좋다.
이상 설명한 바와 같은 초기 설정 처리에 의해, 기억부(650)에는, 보정 계수 fk1이 기입된다. 따라서, 이와 같이 산출된 보정 계수 fk1을 이용하여 상술한 상관 관계를 보정하는 것에 의해, 기체 중의 입자의 질량 농도를 정밀하게 산출할 수 있다.
[2-4-2-2. 보정 계수를 이용한 보정 처리]
다음으로, 상술한 보정 처리(S32)에 대하여, 구체적으로 설명한다.
상술한 바와 같이, 처리부(620)는, 기억부(650)로부터 읽어낸 보정 계수 fk1을 이용하여, 임계치 Vt1~Vt4를 보정한다.
이것에 의해, 예컨대, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이 감도가 높은 입자 검출 센서(1)에서는, 보정 후의 임계치 Vt11~Vt14의 각각은, 대응하는 보정 전의 임계치 Vt1~Vt4보다 커진다. 따라서, 입자 검출 센서(1)의 감도가 높은 경우에, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치 VS1~VS4가 본래의 파고치 구분보다 큰 파고치 구분에 속한다고 오판정될 우려를 저감할 수 있다.
한편, 예컨대, 도 8(c)에 나타내는 바와 같이 감도가 낮은 입자 검출 센서(1)에서는, 보정 후의 임계치 Vt21~Vt24의 각각은, 대응하는 보정 전의 임계치 Vt1~Vt4보다 작아진다. 따라서, 입자 검출 센서(1)의 감도가 낮은 경우에, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치 VS1~VS4가 본래의 파고치 구분보다 작은 파고치 구분에 속한다고 오판정될 우려를 저감할 수 있다.
즉, 검출 신호로부터 추출된 파고치가 복수의 파고치 구분 BS1~BS4 중 어느 파고치 구분에 속하는지를, 입자 검출 센서(1)의 감도에 의존하지 않고 정밀하게 판정할 수 있다.
여기서, 처리부(620)는, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서의 상한과 하한의 차이의 비율이 해당 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 사이에서 유지되도록 임계치 Vt1~Vt4의 각각을 보정하는 것에 의해, 해당 임계치 Vt1~Vt4와 복수의 파고치 VS1~VS4의 상대 관계를 보정한다.
또한, 구체적으로는, 처리부(620)는, 검지 신호에 있어서의 임의의 레벨(본 실시의 형태에서는 노이즈 플로어 VN)을 기준으로 하여 임계치 Vt1~Vt4의 각각을 보정한다.
예컨대, 상술한 바와 같이, 검지 신호의 파고치와 노이즈 플로어 VN의 차분 VSα를 신호 변환부(610)로부터 출력된 이상적인 검지 신호의 파고치와 노이즈 플로어 VN의 차분 VSβ로 나눈 값 VSα／VSβ를 보정 계수 fk1로 하는 경우, 처리부(620)는, 임계치 Vt1~Vt4의 각각과 노이즈 플로어 VN의 차분에 대하여 fk1을 승산하고, 승산 결과에 대하여 노이즈 플로어 VN을 가산한다.
이것에 의해, 보정 후의 임계치 Vt11~Vt14의 각각은, 노이즈 플로어 VN을 기준 전위로 하여 보정 전의 임계치 Vt1~Vt4의 각각이 보정된 값이 된다. 또한, 보정의 전후에, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서의 상한과 하한의 차이의 비율이 해당 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 사이에서 유지된다.
또, 여기서는 감도가 큰 경우의 보정 후의 임계치 Vt11~Vt14의 각각을 산출하는 처리에 대하여 설명했지만, 감도가 작은 경우의 보정 후의 임계치 Vt21~Vt24의 각각의 산출도, 마찬가지이다.
이와 같이, 처리부(620)는, 검지 영역 DA에 소정의 입경을 갖는 기준 입자가 도입된 경우에 있어서의 수광 소자(131)로부터의 출력에 근거하여, 임계치 Vt1~Vt4와 복수의 파고치 VS1~VS4의 상대 관계를 보정한다.
[2-4-3. 파고치 계수 처리]
다음으로, 처리부(620)에 의한 파고치 구분의 판정 및 계수 처리에 대하여 설명한다. 처리부(620)는, 상술한 바와 같이 보정된 임계치 Vt1~Vt4에 의해 구분되는 파고치 구분을 이용하여, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치의 각각에 대하여, 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정한다.
파고치 구분의 판정은, 판정 대상의 파고치와, 인접하는 파고치 구분의 경계의 값으로서 설정된 보정 후의 복수의 임계치를 비교하는 것에 의해 행해진다.
도 14는 본 실시의 형태와 관련되는 파고치의 파고치 구분의 판정 및 파고치 구분마다의 파고치 수의 계수의 처리 순서의 일례를 나타내는 플로차트이다. 처리부(620)는, 우선, 각 변수의 초기화를 행한다(S301). 구체적으로는, 처리부(620)는, i를 1(임계치의 첨자의 최소치)로 설정한다. 또한, 처리부(620)는, 파고치 구분마다의 파고치 수를 나타내는 변수 NBSk(k=0~파고치 구분의 첨자의 최대 수, 도 14에서는 파고치 구분의 첨자의 최대 수=4)를 0으로 설정한다. 처리부(620)는, 파고치(극대치) WM과 보정 후의 임계치 Vti를 비교한다(S302).
처리부(620)는, 파고치 WM이 임계치 Vti보다 크다고 판정한 경우는(S302의 예), 파고치 WM이 파고치 구분 BS(i-1)에 속한다고 판정하고, NBS(i-1)을 인크리먼트한다(S303).
처리부(620)는, 파고치 WM이 보정 후의 임계치 Vti 이하라고 판정한 경우는(S302의 아니오), 파고치 WM과 모든 보정 후의 임계치 Vti의 비교가 종료되었는지 여부를 판정한다(S304). 여기서는, 처리부(620)는, i=4일 때에, 파고치 WM과 모든 보정 후의 임계치 Vti의 비교가 종료되었다고 판정한다. 처리부(620)는, 비교하고 있지 않은 임계치가 있는 경우는(S304의 아니오), i를 인크리먼트하고(S305), 스텝 S302로 이행한다.
처리부(620)는, 파고치 WM과 모든 보정 후의 임계치 Vti의 비교가 종료되었다고 판정한 경우는(S304의 예), 파고치 WM이 파고치 구분 BS4에 속한다고 판정하고, 파고치 구분 BS4의 파고치 수 NBS4를 인크리먼트한다(S306).
상술한 처리를 실행하는 것에 의해, 도 14에 있어서, 파고치 VS1은, 파고치 구분 BS1에 속한다고 판정된다. 파고치 VS2는, 파고치 구분 BS2에 속한다고 판정된다. 파고치 VS3은, 파고치 구분 BS3에 속한다고 판정된다. 파고치 VS4는, 파고치 구분 BSN에 속한다고 판정된다.
모든 파고치에 대하여, 스텝 S301~306을 실행한다. 해당 처리가 종료된 시점에 있어서의 NBS1~NBS4, NBSN의 값이, 파고치 구분 BS1~BS4, BSN에 있어서의 파고치 수가 된다.
파고치 계수 처리(S33)는, 질량 농도 환산을 하는 시간 간격으로 반복하여 행해진다. 또한, 임의의 시간 간격으로 처리된 파고치 수를 평균화 처리하더라도 좋다.
여기서, 검지 영역 DA를 통과하는 입자(2)의 입경 및 개수는, 경과 시간에 따라 변동하는 경우가 있다. 이 때문에, 질량 농도 환산을 하는 시간 간격에 따라, 각 파고치 구분 BS1~BS4, BSN에 있어서의 파고치 수가 변동할 우려가 있다. 특히, 해당 시간 간격이 짧은 경우, 각 파고치 구분 BS1~BS4, BSN에 있어서의 파고치 수가 불규칙해지기 쉽게 되기 때문에, 산출되는 질량 농도의 오차가 커질 우려가 있다.
그래서, 임의의 시간 간격으로 처리된 파고치 수를 평균화 처리하는 것에 의해, 질량 농도 환산을 하는 시간 간격이 짧은 경우에도, 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다.
[2-4-4. 입자 수 추정 처리]
처리부(620)는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 파고치 계수 처리(S33) 이후, 입경 구분 각각의 입자 수를 추정한다(S34). 구체적으로는, 처리부(620)는, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4, BSN의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수, 및, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4, BSN의 각각에 있어서 1개 이상(본 실시의 형태에서는 4개)의 임계치(제 2 임계치)에 의해 구분된 복수의 입경 구분 BPi가 포함되는 함유 비율을 이용하여, 해당 복수의 입경 구분 BPi의 각각에 있어서의 입자 수를 추정한다.
도 15는 파고치 구분 BS1~BS4 각각의 파고치 수의 일례를 나타내는 도면이다. 또, 동 도면에는, 각 파고치 구분 BS1~BS4에 포함되는, 각 입경 구분 BP1~BP4에 대응하는 파고치 수도 나타내어지고 있다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 예컨대, 파고치 구분 BS4에는, 입경 구분 BP4 이상의 입경을 갖는 입자의 파고치가 포함된다. 다시 말해, 파고치 구분 BSi에는, 입경 구분 BPi 이상의 입경을 갖는 입자의 파고치가 포함된다.
단, 예컨대, 입경 구분 BP2의 경우, 입자 수 NBP2의 파고치 구분 BS2~BS4의 사이에서의 비율, 다시 말해, 계수 a22, a23, a24의 비율은, 미리 구할 수 있다. 이것은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 입자가 통과하는 위치에 따라 신호 강도가 정해지는 것, 및, 충분한 수의 입자를 검출한 경우, 입자가 검지 영역 DA를 통과하는 위치는 균일하게 된다고 생각되기 때문이다.
마찬가지로, 입경 구분 BPi의 각각에 대하여, 계수 aii~ai(imax)를 일의적으로 구할 수 있다. imax는, 처리부(620)가 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수를 측정할 때에 이용하는 파고치 구분 수이고, 본 실시의 형태에서는 4이다.
이것에 의해, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각이 포함되는 함유 비율이 구해진다. 다시 말해, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4 중 1개의 파고치 구분(예컨대, 파고치 구분 BS3)에 있어서의 함유 비율은, 해당 1개의 파고치 구분에 대하여 판정된 파고치의 개수(여기서는, NBS3)와, 해당 1개의 파고치 구분보다 큰 다른 파고치 구분(여기서는, 파고치 구분 BS1, BS2)의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수(여기서는, NBS2), 및, 검지 영역 DA 내의 위치에 따른 신호 강도의 변화에 근거하는 값이다.
바꾸어 말하면, 1개의 파고치 구분 BSi에 속한다고 판정된 파고치 수 NBSi에는, 1개의 입경 구분 BPi에 대응하는 입경보다 큰 입경 구분에 대응하는 입경의 입자에 의해 출현하는 파고치가 포함된다.
그래서, 처리부(620)는, 복수의 파고치 구분 중 1개의 파고치 구분(예컨대, 파고치 구분 BS3)에 속한다고 판정된 파고치의 개수(여기서는, NBS3)와, 상술한 검지 영역 DA 내의 위치에 따른 신호 강도의 변화(도 10 참조)를 이용하여, 해당 개수 중, 복수의 입경 구분 중 1개의 입경 구분(여기서는, 입경 구분 BP3)의 입자에 대응하는 파고치의 개수(여기서는, a33×NBP3)와, 해당 1개의 입경 구분보다 큰 다른 입경 구분(여기서는, 입경 구분 BP2)의 입자에 대응하는 파고치의 개수(a23×NBP2)를 구한다.
처리부(620)는, 복수의 파고치 구분(BS1~BS4)의 각각에 대하여, 이와 같은 순서를 행하는 것에 의해, 복수의 입경 구분(BP1~BP4)의 각각에 있어서의 입자 수를, 도 16에 나타내는 바와 같이 추정한다.
도 16은 상술한 방법으로 추정된 입경 구분 BPi 각각의 입자 수 NBPi의 일례를 나타내는 도면이다.
이와 같이, 처리부(620)는, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수, 및, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서의 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각이 포함되는 함유 비율을 이용하여, 해당 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 입자 수를 추정한다.
또, 본 실시의 형태에서는, 파고치 구분의 수와 입경 구분의 수가 동일한 경우를 예로 설명했지만, 이것에 한하는 것은 아니다.
또한, 상기의 함유 비율에는, 임의의 입경의 비율이 0인 경우도 포함된다. 예컨대, 본 실시의 형태에서는, 파고치 구분 BS2에 있어서의 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각이 포함되는 함유 비율은, 입경 구분 BP2가 포함되는 비율을 1로 하고, 다른 입경 구분 BP1, BP3, BP4가 포함되는 비율을 0으로 하지만, 이와 같은 함유 비율도 상기의 함유 비율의 개념에 포함된다.
[2-4-5. 질량 농도 산출 처리]
다음으로, 처리부(620)는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 입자 수 추정 처리(S34)에서 추정된 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 입자 수를 이용하여, 기체 중의 입자의 질량 농도를 산출한다(S35).
기체 중의 입자의 질량 농도 M은, 입경 구분 BPi의 입자 수를 NBPi, 해당 입경 구분 BPi에 있어서의 입자 1개당 질량에 근거하는 계수를 di로 하면, 이하의 식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017016405637-pct00001
계수 di는, 예컨대, 입경 구분 BPi로 구분된 입자 1개당 질량 그 자체이더라도 좋고, 입경 구분 BPi에 속하는 입자의 질량의 평균치, 중앙치, 혹은, 평균치 및 중앙치에 입자 검출 센서(1)의 용도에 따른 가중치 부여를 행한 대표치 등이더라도 좋다.
[3. 효과 등]
여기서, 일반적으로, 동일 입경에 대한 입자 검출 센서 개체간의 검지 신호의 대소를 조정하는 방법으로서는, 예컨대, 볼륨 저항 등을 이용하여, 아날로그적으로 출력 게인을 조정하는 방법을 들 수 있다. 그렇지만, 이와 같은 아날로그적인 조정 방법은 매우 번잡하다고 말하는 문제가 있다.
이것에 비하여, 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서(1)에 의하면, 처리부(620)는, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치와 1개 이상의 임계치(본 실시의 형태에서는 4개의 임계치 Vt1~Vt4)의 상대 관계를 보정하고, 보정 후의 상대 관계를 이용하여, 복수의 파고치의 각각에 대하여, 임계치에 의해 구분된 복수의 파고치 구분(본 실시의 형태에서는 4개의 파고치 구분 BS1~BS4) 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정하는 판정 처리(본 실시의 형태에 있어서의 파고치 계수 처리(S33))를 실행하는 것에 의해, 기체 중에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출한다.
이것에 의해, 아날로그적인 조정을 하는 일 없이, 입자 검출 센서(1) 개체간의 감도 격차를 보정할 수 있다. 따라서, 예컨대 볼륨 저항 등을 이용하여 아날로그적으로 보정하는 경우와 비교하여, 부품 비용 및 조정 비용 등을 대폭으로 삭감할 수 있음과 아울러, 입자 검출 센서(1)의 감도를 디지털적으로 조정할 수 있기 때문에 정밀한 조정이 가능하다. 그 결과, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 각 파고치가 속하는 파고치 구분 BS1~BS4를 정밀하게 판별할 수 있으므로, 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다. 즉, 입자의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 예컨대, 처리부(620)는, 판정 처리에 의해 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수, 및, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서 1개 이상의 임계치(본 실시의 형태에서는 4개의 임계치 0.5㎛, 1.0㎛, 2.5㎛, 5.0㎛)에 의해 구분된 복수의 입경 구분(본 실시의 형태에서는 4개의 입경 구분 BP1~BP4)의 각각이 포함되는 함유 비율을 이용하여, 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수를 추정하는 추정 처리(S34)와, 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수를 이용하여, 질량 농도를 산출하는 산출 처리(S35)를 더 실행한다.
이와 같이, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각이 포함되는 함유 비율을 이용함으로써, 입경 구분 BP1~BP4의 각각의 개수 농도에 근거하여 질량 농도를 추정할 수 있다. 따라서, 분립 장치를 이용하는 일 없이 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다. 다시 말해, 소형화하여 또한 낮은 비용으로 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다. 또한, 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 대하여 질량 농도를 추정할 수 있으므로, 입경 분포가 변화한 경우에도, 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다. 즉, 입자의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 예컨대, 처리부(620)는, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서의 상한과 하한의 차이의 비율이 해당 복수의 파고치 구분 BS1~BS4의 사이에서 유지되도록 임계치(제 1 임계치)의 각각을 보정하는 것에 의해, 상기 상대 관계를 보정한다.
또한, 예컨대, 처리부(620)는, 판정 처리에 있어서, 검지 신호에 있어서의 임의의 레벨을 기준으로 하여 임계치(제 1 임계치)의 각각을 보정한다.
이것에 의해, 노이즈에 의한 영향을 억제하여, 보다 정밀하게 파고치와 임계치(제 1 임계치)의 상대 관계를 조정하는 것이 가능하게 된다. 예컨대, 입자(2)에 의한 파형이 검지 신호에 출현하지 않는 경우의 검지 신호의 레벨을 상기 기준의 레벨로 하면, 센서부(200) 및 신호 변환부(610) 등에 의해 발생하는 노이즈인 오프셋에 의한 영향을 저감하여, 상기 상대 관계를 조정할 수 있다. 다시 말해, 노이즈에 의한 영향을 억제하여, 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다.
또한, 예컨대, 처리부(620)는, 판정 처리에 있어서, 검지 영역 DA에 소정의 입경을 갖는 기준 입자가 도입된 경우에 있어서의 수광 소자(131)로부터의 출력에 근거하여, 상대 관계를 보정한다.
이것에 의해, 실측치에 근거하여 상기 상대 관계를 보정하므로, 입자 검출 센서(1) 개체간의 감도 격차를 정밀하게 보정할 수 있다.
또한, 예컨대, 입자 검출 센서(1)는, 보정 계수 fk1을 기억하고 있는 기억부(650)를 구비하고, 처리부(620)는, 판정 처리에 있어서, 기억부(650)로부터 보정 계수 fk1을 읽어내는 것에 의해 상대 관계를 보정한다.
이것에 의해, 상기 상대 관계를 보정하기 위한 보정 계수 fk1만을 기억부(650)에 기입하면 되기 때문에, 질량 농도를 산출하기 위한 프로그램을 수정하여, 마이크로컴퓨터 등으로 실현되는 처리부(620)에 기입할 필요가 없다. 그 때문에, 입자 검출 센서(1) 개체간의 감도 격차의 조정에 요하는 시간을 대폭으로 단축할 수 있다.
또한, 예컨대, 투광 소자(121)는, 500㎚ 이상 또한 700㎚ 이하에 피크 파장을 갖는 광을 투광하고, 1개 이상의 임계치(제 1 임계치)의 어느 1개는, 1.0㎛ 이하의 입경에 대응하는 값이다.
이와 같이, 투광 소자(121)로부터 투광되는 광의 피크 파장을 700㎚ 이하로 하는 것에 의해, 입경이 1.0㎛ 이하인 작은 입경의 입자(2)에 의한 산란을 크게 할 수 있다. 따라서, 임계치 간격을 작게 할 수 있기 때문에, 입자 검출 센서(1)를 구성하는 회로의 다이내믹 레인지를 작게 할 수 있다. 따라서, 디지털적인 분해능을 높게 할 수 있다. 또한, 밴드 갭을 이용한 수광 소자(131)의 감도는, 파장이 짧아지면 저하하기 때문에, 투광 소자(121)로부터 투광되는 광의 피크 파장을 500㎚ 이상으로 하는 것에 의해, 수광 소자(131)의 감도를 유지할 수 있다. 따라서, 감도를 유지하면서, 회로의 다이내믹 레인지를 작게 할 수 있음과 아울러, 복수의 파고치 구분을 높은 분해능으로 설정할 수 있다. 다시 말해, 입경이 1.0㎛ 이하인 작은 입경의 입자의 개수를 정밀하게 판별할 수 있기 때문에, 보다 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다.
또한, 수광 소자(131)는, 투광 소자(121)가 투광하는 광에 감도를 갖는, 포토다이오드 및 포토트랜지스터의 적어도 한쪽을 갖는다.
이것에 의해, 수광 소자(131)를 저비용화할 수 있기 때문에, 낮은 비용으로 입자 검출 센서(1)를 실현할 수 있다.
(변형예 1)
또, 상기 실시의 형태에서는, 입자 검출 센서(1)는, 보정 계수 fk1을 기억하고 있는 기억부(650)를 구비하고, 처리부(620)는, 판정 처리에 있어서, 기억부(650)로부터 보정 계수 fk1을 읽어내는 것에 의해 상대 관계를 보정하는 것으로 했다. 그러나, 처리부에 의한 상대 관계의 보정 방법은 이것에 한하지 않는다.
도 17은 실시의 형태의 변형예 1과 관련되는 입자 검출 센서(1A)를 구비하는 공기 청정기의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
동 도면에 나타내는 입자 검출 센서(1A)는, 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서(1)와 거의 동일하지만, 기억부(650)를 구비하지 않고, 처리부(620) 대신에 처리부(620A)를 구비하는 점이 상이하다.
동 도면에 나타내는 처리부(620A)에는, 보정 계수 fk1을 포함하는 코드(621)가 포함되어 있고, 처리부(620A)는, 판정 처리(실시의 형태에 있어서의 파고치 계수 처리(S33))에 있어서, 코드(621)를 실행하는 것에 의해 상기 상대 관계를 보정하더라도 좋다.
이와 같은 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서(1A)에 의해서도, 실시의 형태와 마찬가지의 효과가 나타난다. 다시 말해, 검지 신호로부터 추출된 파고치가 속하는 파고치 구분을 정밀하게 판별할 수 있으므로, 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다.
또한, 처리부(620A)에 보정 계수 fk1을 포함하는 코드(621)가 포함되어 있는 것에 의해, 처리부(620A)가 기억부 등의 외부로부터 보정 계수 fk1을 읽어 들일 필요가 없기 때문에, 연산 처리의 고속화를 도모할 수 있다.
(변형예 2)
다음으로, 실시의 형태의 변형예 2에 대하여 설명한다.
상기 실시의 형태 및 그 변형예 1에서는, 처리부가, 파고치와 제 1 임계치의 상대 관계를 보정하고, 보정 후의 상대 관계를 이용하여 질량 농도를 산출하는 것으로 했다. 그러나, 처리부는, 해당 상대 관계를 보정하지 않고 질량 농도를 산출하더라도 상관없다. 이하, 이와 같은 처리부를 구비하는 입자 검출 센서에 대하여 설명한다.
도 18은 실시의 형태의 변형예 2와 관련되는 입자 검출 센서(1B)를 구비하는 공기 청정기(1000)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
[입자 검출 센서의 동작]
다음으로, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서(1B)의 동작에 대하여, 상기 실시의 형태와 상이한 점을 중심으로 설명한다. 구체적으로는, 본 변형예에서는 상기 실시의 형태와 비교하여 처리부(620B)의 동작(처리)이 상이하다.
[처리부의 동작]
이하, 본 변형예와 관련되는 처리부(620B)의 동작에 대하여, 상기 실시의 형태와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
상술한 바와 같이, 수광 소자(131)로부터 출력되는 아날로그 신호의 파형에는, 파고치 VS1을 갖는 파형 W1과, 파고치 VS2를 갖는 파형 W2와, 파고치 VS3을 갖는 파형 W3과, 파고치 VS4를 갖는 파형 W4가 포함된다. 또한, 해당 파형에는, 노이즈 플로어 VN의 노이즈 파형 WN이 더 포함된다.
이와 같은 아날로그 신호는, 신호 변환부(610)에 의해 필터 처리 및 아날로그 디지털 변환 등이 실시되는 것에 의해, 도 19에 나타내는 바와 같은 검지 신호로 변환되어, 처리부(620B)에 의해 취득된다. 도 19는 검지 신호의 일례를 나타내는 파형도이다.
동 도면에 나타내는 검지 신호는, 상기 아날로그 신호가 샘플링(표본화) 및 양자화된 신호이고, 예컨대, 10비트의 시계열의 디지털 데이터이다. 또, 검지 신호는 스텝 형상의 파형이지만, 도 19에서는, 해당 스텝의 폭이 매우 작은 것으로서 도시하고 있다(외형상 곡선으로 보인다). 이와 같이 하여 변환된 검지 신호에는, 수광 소자(131)에 있어서 수광된 입자로부터의 산란광의 강도를 나타내는 파형이 포함된다.
[입자 검출 처리(입자 검출 방법)]
이하, 본 변형예의 입자 검출 처리에 있어서의 상세한 처리에 대하여 설명한다. 도 20은 본 변형예와 관련되는 입자 검출 처리(S30B)를 나타내는 플로차트이다.
동 도면에 나타내는 입자 검출 처리(S30B)는, 상기 실시의 형태에서 설명한 입자 검출 처리(S30)와 비교하여, 보정 계수 fk1의 읽기 처리(S31) 및 보정 처리(S32)를 행하지 않고서 파고치 계수 처리(S33)를 행한다.
구체적으로는, 입자 검출 처리에 있어서, 처리부(620B)는, 파고치 구분 각각에 대하여, 추출된 파고치의 개수를 계수한다(S31). 다시 말해, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치의 각각에 대하여, 1개 이상(본 실시의 형태에서는 4개)의 임계치(제 1 임계치)에 의해 구분된 복수의 파고치 구분 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정하는 것에 의해, 파고치 구분 각각에 대하여 파고치의 개수를 계수한다.
예컨대, 처리부(620B)는, 파고치가 추출될 때마다, 추출된 파고치가 복수의 파고치 구분 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정한다. 그 후, 처리부(620B)는, 파고치 구분 각각의 파고치 수를 계수한다.
[파고치 구분의 설정]
파고치 구분의 설정에 대해서는, 상기 실시의 형태와 거의 마찬가지이기 때문에, 간략화하여 설명한다.
여기서, 본 변형예에서는, 임계치 Vt4는, 검지 신호에 포함되는 노이즈의 파고치에 대응하도록 설정된다. 바꾸어 말하면, 1개 이상(본 실시의 형태에서는 4개)의 임계치(제 1 임계치)는, 검지 신호에 포함되는 노이즈의 파고치에 대응하는 임계치 Vt4(이후, 「노이즈 임계치 Vt4」라고 기재하는 경우 있음)를 포함한다. 다시 말해, 임계치 Vt4는, 파고치 구분 BS4에, 검지 신호의 노이즈에 의한 결과가 포함되지 않도록 설정된다.
이와 같이 설정된 파고치 구분을 이용하여, 처리부(620B)는, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치의 각각에 대하여, 1개 이상(본 변형예에서는 4개)의 임계치 Vt1~Vt4에 의해 구분된 복수의 파고치 구분 BS1~BS4, BSN 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정한다.
[입자 수 추정 처리]
입자 수 추정 처리에 대해서는, 상기 실시의 형태와 거의 마찬가지이기 때문에, 간략화하여 설명한다.
본 변형예에서는, 처리부(620B)는, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4, BSN 중 노이즈 임계치 Vt4를 상한으로 하여 구분된 파고치 구분 BSN 이외의 다른 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수, 및, 해당 다른 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서의 상기 함유 비율을 이용하여, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 입자 수를 추정한다.
[질량 농도 산출 처리]
처리부(620B)는, 도 20에 나타내는 바와 같이, 입자 수 추정 처리(S34)에서 추정된 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 입자 수를 이용하여, 기체 중의 입자의 질량 농도를 산출한다(S35).
도 21은 질량 농도 산출 처리(S35)에 있어서의 구체적인 처리를 나타내는 플로차트이다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 처리부(620B)는, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서, 입자 수와 해당 입경 구분에 있어서의 질량에 근거하는 계수를 곱한다(S311). 구체적으로는, 처리부(620B)는, 해당 계수로서, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 평균 질량에 근거하는 값을 곱한다.
여기서, 각 입경 구분 BP1~BP4에 있어서의 평균 질량에 대하여, 도 22 및 도 23을 이용하여 설명한다.
도 22는 본 변형예와 관련되는 입경마다의 존재 비율의 일례를 나타내는 그래프이고, 도 23은 실시의 형태와 관련되는 입자의 규격화 질량의 일례를 나타내는 그래프이다. 또, 도 22에는, 소망하는 입경 범위(본 실시의 형태에서는 0.5㎛~2.5㎛)에 있어서의 입자의 존재 비율이 일정한 경우가 나타내어지고 있다. 또한, 도 23에는, 입경 0.1㎛의 입자의 질량을 질량 1로 한 경우의 규격화 질량의 일례가 나타내어지고 있다.
도 22에 나타내는 바와 같이, 소망하는 입경 범위에 있어서의 입자의 존재 비율이 균일한 경우, 처리부(620B)는, 예컨대, 소망하는 입경 범위에 포함되는 입경 구분 각각에 있어서의 입자 수에 대하여, 해당 입경 구분에 있어서의 평균 질량에 근거하는 값을 상기 계수로서 곱한다.
구체적으로는, 소망하는 입경 범위가 0.5㎛~2.5㎛인 경우, 해당 입경 범위에는, 입경 범위가 1.0㎛~2.5㎛인 입경 구분 BP3과, 입경 범위가 0.5㎛~1.0㎛인 입경 구분 BP4가 포함된다. 그래서, 처리부(620B)는, 입경 구분 BP3에 대하여, 해당 입경 구분 BP3의 입자 수 NBP3(도 16 참조)과, 해당 입경 구분 BP3에 있어서의 평균 질량에 근거하는 계수를 승산한다. 또한, 처리부(620B)는, 입경 구분 BP4에 대해서도, 마찬가지로, 해당 입경 구분 BP4의 입자 수 NBP4(도 16 참조)와, 해당 입경 구분에 있어서의 평균 질량에 근거하는 계수를 승산한다.
여기서, 각 입경 구분에 있어서의 평균 질량은, 예컨대, 도 23에 나타내는 규격화 질량을 이용하여 구할 수 있다. 구체적으로는, 미리 취득된 입경 0.1㎛의 입자의 질량에 대하여, 각 입경 구분에 있어서의 입경의 중앙치에 대응하는 규격화 질량을 곱하는 것에 의해, 각 입경 구분에 있어서의 평균 질량을 구할 수 있다.
이와 같이, 처리부(620B)는, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서, 입자 수와 해당 입경 구분에 있어서의 평균 질량에 근거하는 값인 계수를 곱하는 것에 의해, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 대한 질량 농도를 산출한다.
그 후, 처리부(620B)는, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 대하여 산출된 질량 농도를 합산한다. 바꾸어 말하면, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의, 입자 수와 평균 질량에 근거하는 계수의 승산 결과를 합산한다(S312). 이것에 의해, 기체 중의 입자의 질량 농도가 산출된다.
다시 말해, 상기 계수를 di로 하면, 기체 중의 입자의 질량 농도 M은, 입경 구분 BPi의 입자 수 NBPi를 이용하여 상기 실시의 형태에 나타내는 식 1로 나타낼 수 있다.
여기서, 처리부(620B)는, 소망하는 입경 범위에 있어서의 기체 중의 입자의 질량 농도를 산출하는 경우, 해당 소망하는 입경 범위에 포함되는 입경 구분의 각각에 있어서 산출한 질량 농도를 합산하는 것에 의해, 해당 입경 범위에 있어서의 질량 농도를 산출할 수 있다.
또, 처리부(620B)는, 모든 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 상기 승산 결과를 합산하는 것에 의해, 해당 모든 입경 구분 BP1~BP4를 포함하는 입경 범위에 있어서의 기체 중의 입자의 질량 농도를 산출하더라도 좋다.
[효과 등]
이상과 같이, 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서(1B)에 의하면, 처리부(620B)는, 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치 VS1~VS4의 각각에 대하여, 1개 이상의 임계치에 의해 구분된 복수의 파고치 구분 BS1~BS4, BSN 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정하는 판정 처리(본 변형예에 있어서의 파고치 계수 처리(S33))와, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4 및 BSN의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수, 및, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4 및 BSN의 각각에 있어서 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각이 포함되는 함유 비율을 이용하여, 복수의 입경 구분 BPi의 각각에 있어서의 입자 수를 추정하는 추정 처리(S34)와, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 입자 수를 이용하여, 기체 중에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출하는 산출 처리(S35)를 실행한다.
이와 같이, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4 및 BSN의 각각에 있어서 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각이 포함되는 함유 비율을 이용함으로써, 입경 구분 BP1~BP4의 각각의 개수 농도에 근거하여 질량 농도를 추정할 수 있다. 따라서, 분립 장치를 이용하는 일 없이 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다. 다시 말해, 소형화하여 또한 낮은 비용으로 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다. 또한, 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 대하여 질량 농도를 추정할 수 있으므로, 입경 분포가 변화한 경우에도, 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다. 즉, 입자의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 예컨대, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4 중 1개의 파고치 구분(예컨대, 파고치 구분 BS3)에 있어서의 함유 비율은, 해당 1개의 파고치 구분에 대하여 판정된 파고치의 개수(여기서는, NBS3)와, 해당 1개의 파고치 구분보다 큰 다른 파고치 구분(여기서는, 파고치 구분 BS1, BS2)의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수(여기서는, NBS2), 및, 검지 영역 DA 내의 위치에 따른 신호 강도의 변화에 근거하는 값이다.
이것에 의해, 함유 비율을, 예컨대 역연산(디콘볼루션) 등의 복잡한 처리를 행하는 일 없이 구할 수 있다. 따라서, 간이한 연산 처리로 정밀하게 질량 농도를 산출할 수 있다.
또한, 예컨대, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4, BSN을 구분하는 임계치 Vt1~Vt4는, 검지 신호에 포함되는 노이즈의 파고치에 대응하는 노이즈 임계치 Vt4를 포함하고, 처리부(620B)는, 추정 처리에 있어서, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4, BSN 중 노이즈 임계치 Vt4를 상한으로 하여 구분된 파고치 구분 BSN 이외의 다른 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수, 및, 해당 다른 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 있어서의 상기 함유 비율을 이용하여, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 입자 수를 추정한다.
여기서, 검지 신호의 파형에는, 노이즈에 기인하는 노이즈 파형과, 검지 영역 DA에 있어서의 입자에 기인하는 신호 파형이 포함된다. 이때, 작은 입경의 입자에 기인하는 신호나, 검지 영역 중 광학 감도가 작은 영역을 통과하는 입자에 기인하는 신호는, 노이즈 파형에 묻히는 경우가 있다. 이 경우, 노이즈 파형에 의해, 질량 농도를 정밀하게 산출하는 것이 곤란하게 된다.
또한, 노이즈 파형은 광학적, 전기적인 성분을 포함하고, 온도 특성, 외란, 경년 열화에 의해 변화하기 때문에, 입자 검출 센서(1B)의 사용 용도에 따라서는, 이와 같은 노이즈 파형의 변화를 고려하여 노이즈 파형에 의한 영향을 억제할 필요가 있다.
그래서, 노이즈의 파고치에 대응하는 노이즈 임계치 Vt4를 상한으로 하여 구분된 파고치 구분 BSN을 마련하고, 처리부(620B)는, 추정 처리에 있어서, 해당 파고치 구분 BSN 이외의 다른 파고치 구분 BS1~BS4의 각각에 대하여 판정된 파고치의 개수를 이용하여 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 입자 수를 추정하는 것에 의해, 검지 신호에 포함되는 노이즈에 의한 정밀도의 저하를 억제하여 질량 농도를 산출할 수 있다.
또한, 예컨대, 처리부(620B)는, 산출 처리에 있어서, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서의 입자 수에 대하여, 해당 입경 구분에 있어서의 평균 질량에 근거하는 계수를 곱하는 것에 의해, 질량 농도를 산출한다.
이것에 의해, 복수의 입경 구분 BP1~BP4의 각각에 있어서 입자의 존재 비율이 일정한 경우, 각 입경 구분에 있어서의 질량 농도를 산출할 수 있다. 여기서, 질량 농도를 추정하는 입경 범위는, 입자 검출 센서(1B)의 용도에 따라 크게 바뀐다. 그래서, 각 입경 구분 BP1~BP4에 있어서의 질량 농도를 산출하는 것에 의해, 소망하는 입경 범위에 있어서 질량 농도를 추정할 수 있기 때문에, 입자 검출 센서(1B)를 다양한 용도에 용이하게 전개할 수 있다.
또한, 예컨대, 처리부(620B)는, 산출 처리에 있어서, 소망하는 입경 범위(본 실시의 형태에서는 0.5㎛~2.5㎛)에 포함되는 입경 구분 BP3 및 BP4의 각각에 있어서의 질량 농도를 산출하고, 산출한 질량 농도를 합산하는 것에 의해 해당 소망하는 입경 범위에 있어서의 질량 농도를 산출한다.
상술한 바와 같이, 질량 농도를 추정하는 입경 범위는, 입자 검출 센서(1B)의 용도에 따라 크게 바뀐다. 그래서, 소망하는 입경 범위에 포함되는 입경 구분의 각각에 대하여 산출한 질량 농도를 합산하는 것에 의해, 입자 검출 센서(1B)가 이용되는 다양한 용도에 따른 입경 범위에 있어서의 질량 농도를 산출할 수 있다.
(변형예 3)
또, 상기 실시의 형태의 변형예 2에서는, 처리부(620B)는, 산출 처리에 있어서, 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수에 대하여, 해당 입경 구분에 있어서의 평균 질량에 근거하는 계수를 곱하는 것에 의해, 기체 중의 입자의 질량 농도를 산출하는 것으로 했다. 그러나, 처리부는, 산출 처리에 있어서, 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수에 대하여, 해당 입경 구분에 있어서의 입자의 존재 비율을 고려한 대표 질량에 근거하는 계수를 곱하는 것에 의해, 기체 중의 입자의 질량 농도를 산출하더라도 좋다.
여기서, 일반적으로 입자 형상 물질은 Particulate Matter(PM)로 불리고, 예컨대, PM 2.5란 공기역학적 직경이 2.5㎛ 이하인 입자이다.
도 24는 일반적인 PM 2.5 분립 장치의 통과율 특성을 나타내는 그래프이다. 구체적으로는, PM 2.5란, 도 24에 나타내는 바와 같은 「대기 중에 부유하는 입자 형상 물질로서 입경이 2.5㎛ 이하인 입자를 50%의 비율로 분리할 수 있는 분립 장치를 이용하여, 보다 입경이 큰 입자를 제거한 후에 채취되는 입자」라고 정의되어 있다.
따라서, 이와 같은 공기역학적 직경으로 정의되는 PM 10, PM 2.5, PM 0.5 등의 질량 농도를 추정하는 경우, 입경 구분의 각각에 대하여 곱하는 계수는, 상기의 정의에 근거하는 해당 입경 범위에서의 입경마다의 비율을 고려한 1개당 대표 질량에 근거하여 설정된다.
즉, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서가 PM 2.5의 질량 농도의 취득에 이용되는 경우, 처리부는, 산출 처리에 있어서, 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수에 대하여, 해당 입경 구분에 있어서의 입자의 존재 비율(본 변형예에서는 도 24에 나타내는 통과율 특성)을 고려한 대표 질량에 근거하는 계수를 곱하는 것에 의해, 기체의 PM 2.5에 대한 질량 농도를 산출한다.
여기서, 각 입경 구분에 있어서의 대표 질량은, 예컨대, 해당 입경 구분에 있어서의 입자의 존재 비율과 규격화 질량(도 23 참조)을 이용하여 구할 수 있다. 구체적으로는, 미리 취득된 입경 0.1㎛의 입자의 질량에 대하여, 각 입경 구분에 있어서의 입경마다의 존재 비율과 규격화 질량으로부터 구해지는 값을 곱하는 것에 의해, 각 입경 구분에 있어서의 대표 질량을 구할 수 있다.
이와 같은 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서에 의하면, 실시의 형태의 변형예 2와 관련되는 입자 검출 센서(1B)와 마찬가지로, 입자의 검출 정밀도가 향상되므로, 기체 중의 입자의 질량 농도를 정밀하게 추정할 수 있다.
(변형예 4)
다음으로, 실시의 형태의 변형예 4에 대하여 설명한다.
상기 실시의 형태에 있어서, 처리부(620)가 피크 서치를 행하는 것에 대하여 설명했다. 이때, 피크값의 오차를 저감하는 관점으로부터, 입자 검출 센서는 이하와 같이 구성되어 있는 것이 바람직하다.
도 25는 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서의 일부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 구체적으로는, 동 도면에는, 신호 변환부(610), 처리부(620), 판정부(263) 및 DA 변환부(264)의 구성이 나타내어지고 있다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서에서는, 상기 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서(1)와 비교하여, 판정부(263)와 DA 변환부(264)를 더 갖는다.
판정부(263)는, 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호와 미리 정해진 임계치의 대소 관계를 판정한다. 구체적으로는, 판정부(263)는, 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호의 크기와 해당 임계치의 크기를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 신호를 출력하는, 예컨대 비교기이다. 본 변형예에서는, 판정부(263)는, 증폭부(242)의 출력 전압(증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호)이 기준 전위(미리 정해진 임계치) 미만인 경우에 0을 출력하고, 증폭부(242)의 출력 전압이 기준 전위보다 큰 경우에 1을 출력한다.
DA 변환부(264)는, 판정부(263)의 판정 결과를 이용하여 생성한 전압을 증폭부(242)에 출력하는 전압 생성부이다. 구체적으로는, DA 변환부(264)는, 판정부(263)의 판정 결과가 전환될 때까지의 기간, 출력하는 전압을 단조 증가 또는 단조 감소시키고, 판정부(263)의 판정 결과가 전환된 이후의 기간, 출력하는 전압을 유지한다. 본 변형예에서는, DA 변환부(264)는, 판정부(263)의 출력이 0인 기간, 출력하는 전압을 예컨대 선형으로 증가시키고, 판정부(263)의 출력이 0에서 1로 전환된 이후의 기간, 출력하는 전압을 유지한다. 다시 말해, DA 변환부(264)는, 판정부(263)의 출력이 1인 기간, 출력하는 전압을 변화시키지 않는다.
이와 같은 판정부(263) 및 DA 변환부(264)의 기능은 모두, 범용 MPU에 미리 포함된 비교기, 카운터, DA 변환 모듈 등을 이용하여 실현할 수 있다.
다음으로, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서가 갖는 효과에 대하여, 본 변형예에 도달한 경위도 포함하여 설명한다.
일반적으로, 증폭 회로 등에 이용되는 OP 앰프에서는, 입력 전압이 0인 경우에도 출력 전압에 얼마간의 직류 전압이 나타난다. 이와 같은 직류 전압은, 증폭 회로 등의 특성에 영향을 미치는 경우가 있고, 입자 검출 센서에 의한 입경의 추정 정밀도가 저하한다고 하는 문제가 있다.
이하, 이 추정 정밀도의 저하에 대하여, 도 26, 도 27(a) 및 도 27(b)를 이용하여, 구체적으로 설명한다.
도 26은 증폭기(242b)의 구성의 일례를 나타내는 회로도이다. 도 27(a) 및 도 27(b)는 증폭기(242b)의 출력 전압 Vout를 나타내는 그래프이다. 구체적으로는, 도 27(a)는 증폭기(242b)의 입력 전압 Vin이 OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio 미만인 경우를 나타내고, 도 27(b)는 증폭기(242b)의 입력 전압 Vin이 OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio 이상인 경우를 나타낸다. 또, 도 26에서는, 설명의 편의상, OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio를, OP 앰프 OPamp 외부의 정전압원의 전압으로서 나타내고 있다.
도 26에 나타내는 바와 같이, 증폭기(242b)는, 예컨대, OP 앰프 OPamp와, 저항 소자 R1 및 R2를 갖는다. 여기서, 예컨대, 저항 소자 R1의 저항값이 1㏀, 저항 소자 R2의 저항값이 9㏀인 경우, OP 앰프 OPamp의 전압 증폭률(게인)은 10배가 된다. 이 때문에, 입력 오프셋 전압 Vio가 -10㎷인 경우, 도 27(a) 및 도 27(b)에 나타내는 출력 오프셋 전압 Eo는 -100㎷가 된다.
따라서, 증폭기(242b)의 출력 전압 Vout는, 입력 전압 Vin을 증폭한 전압에 대하여 출력 오프셋 전압 Eo만큼 오프셋된 전압이 된다.
구체적으로는, 도 27(a)에 나타내는 바와 같이, 입력 전압 Vin이 입력 오프셋 전압 Vio 미만인 경우, 증폭기(242b)의 출력 전압 Vout는, 출력 오프셋 전압 Eo만큼 오프셋되는 것에 의해, 기준 전위(예컨대 0V) 미만이 된다. 이 때문에, AD 변환부(261)에서 생성되는 디지털 데이터에서는, 이와 같은 신호가 소실되어 버리게 되고, 입경을 추정하는 것이 곤란하게 된다.
또한, 도 27(b)에 나타내는 바와 같이, 입력 전압 Vin이 입력 오프셋 전압 Vio 이상인 경우, 증폭기(242b)의 출력 전압 Vout는, 출력 오프셋 전압 Eo만큼 오프셋되는 것에 의해, 해당 오프셋 전압 Eo만큼 감소(저하)한 전압이 된다. 이 때문에, AD 변환부(261)에서 생성되는 디지털 데이터에서는, 신호의 피크값이 감소하여 버리게 되고, 입경을 정밀하게 추정하는 것이 곤란하게 된다.
따라서, 입경의 추정 정밀도의 저하를 억제하기 위해, OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio를 캔슬하는 것이 요구된다.
본 변형예에 의하면, 상기와 같은 구성에 의해, 입력 오프셋 전압 Vio를 캔슬할 수 있다. 이하, 입력 오프셋 전압 Vio의 캔슬 동작에 대하여, 도 28 및 도 29를 이용하여 설명한다.
도 28은 증폭기(242b), 판정부(263) 및 DA 변환부(264)의 접속 관계를 모식적으로 나타내는 모식도이다. 도 29는 판정부(263)의 출력, 및, DA 변환부(264)의 출력을 나타내는 그래프이다. 또, 도 28에서는, 증폭기(242b)를 구성하는 각 구성 요소 중 OP 앰프 OPamp만이 나타내어지고, 다른 구성 요소에 대해서는 도시를 생략하고 있다. 또한, 동 도면에서는, 도 26과 마찬가지로, 설명의 편의상, OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio를, OP 앰프 OPamp 외부의 정전압원의 전압으로서 나타내고 있다.
도 28에 나타내는 바와 같이, 판정부(263)는, 증폭기(242b)의 출력 전압 Vout(OP 앰프 OPamp의 출력 전압 Vout)가 입력되고, 입력된 출력 전압 Vout와 기준 전위의 비교 결과를 나타내는 신호를 DA 변환부(264)에 출력한다. 구체적으로는, 판정부(263)는, 출력 전압 Vout와 기준 전위를 비교하고, 도 29에 나타내는 바와 같이, 출력 전압 Vout가 기준 전위 미만인 경우에 0을 출력하고, 기준 전위 이상인 경우에 1을 출력한다.
DA 변환부(264)는, 판정부(263)의 판정 결과에 따른 전압을 증폭부(242)에 출력한다. 구체적으로는, 도 29에 나타내는 바와 같이, DA 변환부(264)는, 판정부(263)에 의해 출력 전압 Vout가 기준 전위 미만으로 판정되고 있는 동안, 다시 말해 판정부(263)의 출력이 0인 기간, 출력하는 전압을 상승시킨다. 한편, DA 변환부(264)는, 판정부(263)에 의해 출력 전압 Vout가 기준 전위 이상으로 판정되고 있는 동안, 다시 말해 판정부(263)의 출력이 1인 기간, 출력하는 전압을 유지(고정)한다. 따라서, DA 변환부(264)는, 판정부(263)의 출력이 1인 기간, 판정부(263)에 의한 판정 결과가 0에서 1로 전환되었을 때의 전압 Vfix를 유지하게 된다.
본 변형예에서는, DA 변환부(264)는, 판정부(263)의 판정 결과에 따른 전압을, OP 앰프 OPamp의 2개의 입력 단자(비 반전 입력 단자 및 반전 입력 단자) 중 입력 전압 Vin이 입력되는 입력 단자와 상이한 입력 단자(여기서는 반전 입력 단자)에 입력한다. 이것에 의해, OP 앰프 OPamp의 한쪽의 입력 단자에는, 입력 전압 Vin에 대하여 DA 변환부(264)의 출력 전압 Vda가 추가된 전압이 인가되게 된다. 이 때문에, 해당 DA 변환부(264)의 출력 전압 Vda와 입력 오프셋 전압 Vio가 캔슬(상쇄)된 경우에, 출력 오프셋 전압 Eo가 0이 된다.
따라서, 판정부(263)에 의한 판정 결과가 0에서 1로 전환될 때, 다시 말해, DA 변환부(264)의 출력 전압 Vda를 상승시키는 것에 의해 출력 전압 Vout가 기준 전위에 도달한 시점에 있어서, 출력 오프셋 전압 Eo가 0이 된다. 따라서, 이때의 DA 변환부(264)의 출력 전압 Vfix에 의해, OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio를 캔슬할 수 있다.
그래서, 이와 같은 출력 전압 Vfix를 증폭부(242)에 출력하는 것에 의해, OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio를 캔슬할 수 있다. 따라서, 입력 오프셋 전압 Vio의 캔슬 동작의 종료 후, 다시 말해, 판정부(263)에 의한 판정 결과가 0에서 1로 전환된 이후의 기간, DA 변환부(264)가 출력 전압 Vfix를 출력하는 것에 의해, 계속하여 입력 오프셋 전압 Vio를 캔슬할 수 있다.
이상과 같이, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서에 의하면, 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호(본 변형예에서는 OP 앰프 OPamp의 출력 전압 Vout)와 미리 정해진 임계치(본 변형예에서는 기준 전위)의 대소 관계를 이용하여 생성된 전압(본 변형예에서는 출력 전압 Vfix)을 증폭부(242)에 출력하는 것에 의해, OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio를 캔슬할 수 있다. 다시 말해, 본 변형예에 의하면, OP 앰프 OPamp의 출력 오프셋 전위 Eo를 기준 전위와 비교하여 피드백 제어를 행하는 것에 의해, 해당 OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio를 캔슬한다. 이것에 의해, OP 앰프 OPamp의 입력 오프셋 전압 Vio에 의한 입경의 추정 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.
또, 본 변형예에서는, DA 변환부(264)는 출력 전압 Vda를 리니어(선형)로 증가시키는 것으로 했지만, 비선형으로 단조 증가시키더라도 상관없고, 리니어 또는 비선형으로 단조 감소시키더라도 상관없다.
또한, 미리 정해진 임계치는 기준 전위에 한하지 않고, 전압 신호의 노이즈 플로어 등에 따라 적절히 설정되는 임의의 전압이더라도 상관없다.
또한, 본 변형예에서는, 증폭부(242)가 1개의 OP 앰프 OPamp를 갖는 경우를 예로 설명했지만, 증폭부(242)는 캐스케이드 접속된 복수의 OP 앰프를 갖더라도 상관없다. 이 경우, 적어도 1개의 OP 앰프에 대하여 입력 오프셋 전압을 캔슬하면 되고, 예컨대, 모든 OP 앰프의 입력 오프셋 전압을 캔슬하더라도 상관없고, 초단의 OP 앰프의 입력 오프셋 전압을 캔슬하더라도 상관없다.
단, 미소한 신호 성분이 입력되는 OP 앰프 등, 입력 오프셋 전압의 영향을 받기 쉬운 OP 앰프에 있어서 해당 입력 오프셋 전압을 캔슬하는 것에 의해, 증폭부(242) 전체에 있어서의 입력 오프셋 전압의 영향을 효과적으로 억제할 수 있다. 이 때문에, 초단의 OP 앰프, 다시 말해 가장 수광 소자(131)에 가까운 OP 앰프의 입력 오프셋 전압을 캔슬하는 것이 바람직하다.
또한, 입력 오프셋 전압에 의한 오차가 생기기 쉬운 OP 앰프에 있어서 해당 입력 오프셋 전압을 캔슬하는 것에 의해, 증폭부(242) 전체에 있어서의 입력 오프셋 전압의 영향을 효과적으로 억제할 수 있다. 이 때문에, 가장 게인이 높은 OP 앰프의 입력 오프셋 전압을 캔슬하는 것이 바람직하다.
또한, 입력 오프셋 전압 Vio의 캔슬 동작을 행하는 타이밍은 특별히 한정되지 않지만, 해당 입력 오프셋 전압 Vio를 정밀하게 캔슬하는 관점으로부터, 입자에 따른 신호 성분이 센서부(200)로부터 출력되는 전류 신호에 포함되지 않는 기간에 행하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 예컨대, 해당 캔슬 동작은, 입자 검출 센서의 전원 투입시의 초기화 기간, 투광 소자(121)의 소등 기간, 가열 장치(60)의 안정 온도 도달까지의 기간 등에 행하는 것이 바람직하다.
(변형예 5)
다음으로, 실시의 형태의 변형예 5에 대하여 설명한다.
상기 실시의 형태에 있어서, 처리부(620)가 피크 서치를 행하는 것에 대하여 설명했다. 이때, 기체 중에 포함되는 입자의 양이 많은 경우, 다시 말해 입자의 농도가 높은 경우에도 입경의 추정 정밀도를 확보하는 관점으로부터, 입자 검출 센서는 이하와 같이 구성되어 있는 것이 바람직하다.
도 30은 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서의 일부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 구체적으로는, 동 도면에는, 신호 변환부(610), 처리부(620D) 및 게인 제어부(265)의 구성이 나타내어지고 있다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서는, 상기 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서와 비교하여, 게인 제어부(265)를 더 갖고, 처리부(620) 대신에 처리부(620D)를 갖는다.
게인 제어부(265)는, AD 변환부(261)로부터 출력된 디지털 데이터를 이용하여, IV 변환부(241) 및 증폭부(242) 중 적어도 한쪽(본 변형예에서는 양쪽)의 게인을 제어한다. 구체적으로는, 게인 제어부(265)는, 디지털 데이터가 미리 정해진 임계치 전압(예컨대, 포화 전압 등)에 도달했는지 여부에 따라, 해당 게인을 제어한다. 보다 구체적으로는, 게인 제어부(265)는, 디지털 데이터가 임계치에 도달한 경우에, 해당 게인이 작아지는 제어 신호를 IV 변환부(241) 및 증폭부(242)에 출력한다. 또한, 게인 제어부(265)는, 상기 게인을 나타내는 정보를 처리부(620D)에 출력한다.
또, 게인 제어부(265)는, IV 변환부(241) 및 증폭부(242) 중 어느 한쪽의 게인만을 제어하더라도 상관없다.
예컨대, 게인 제어부(265)는, 제어 신호에 의해 IV 변환부(241)의 전류 전압 변환 계수를 조정하는 것에 의해, IV 변환부(241)의 게인을 제어한다. 또한, 게인 제어부(265)는, 제어 신호에 의해 증폭부(242)의 전압 증폭률을 조정하는 것에 의해, 증폭부(242)의 게인을 제어한다.
도 31은 본 변형예에 있어서의 IV 변환부(241)의 일례를 나타내는 회로도이다. 또, 동 도면에 나타내는 IV 변환부(241)는, 센서부(200)와 직렬 접속된 저항 소자, 및, 저항 소자 R11과 병렬 접속된 다른 저항 소자 등을 더 갖더라도 상관없지만, 이들에 대해서는 도시를 생략하고 있다.
도 31에 나타내는 바와 같이, IV 변환부(241)는, 병렬 접속된 복수의 저항 소자 R11(저항 소자 R11a~저항 소자 R11c 등)과, 해당 복수의 저항 소자 R11 중 적어도 일부의 저항 소자 R11(동 도면에서는, 저항 소자 R11b 및 저항 소자 R11c)과 직렬 접속된 스위치 SW11(스위치 SW11b 및 SW11c)을 갖는다. 이들 스위치 SW11은, 게인 제어부(265)로부터의 제어 신호에 의해, 서로 독립적으로 온 및 오프한다.
이와 같은 구성에 의해, IV 변환부(241)는, 게인 제어부(265)로부터의 제어 신호에 따라 스위치 SW11이 온 및 오프하는 것에 의해, 해당 IV 변환부(241)의 전류 전압 변환 계수가 조정된다. 구체적으로는, IV 변환부(241)는, 오프하고 있는 스위치 SW11의 수가 많을수록, 전류 전압 변환 계수가 작아진다.
도 32는 본 변형예에 있어서의 증폭기(242b)의 일례를 나타내는 회로도이다. 또, 동 도면에 나타내는 증폭기(242b)는, OP 앰프 OPamp의 입력 단자에 직렬 접속된 저항 소자, 및, 저항 소자 R22와 병렬 접속된 다른 저항 소자 등을 더 갖더라도 상관없지만, 이들에 대해서는 도시를 생략하고 있다.
도 32에 나타내는 바와 같이, 증폭기(242b)는, OP 앰프 OPamp와, 저항 소자 R21과, 복수의 저항 소자 R22(저항 소자 R22a~저항 소자 R22c 등)와, 적어도 1개의 스위치 SW22(스위치 SW22b 및 SW22c)를 갖는다. 구체적으로는, 저항 소자 R21은, OP 앰프 OPamp의 피드백 루프와 그라운드의 사이에 삽입되어 있다. 복수의 저항 소자 R22는, 서로 병렬 접속되고, OP 앰프 OPamp의 피드백 루프에 삽입되어 있다. 스위치 SW22는, 복수의 저항 소자 R22 중 적어도 일부의 저항 소자 R22(동 도면에서는, 저항 소자 R22b 및 저항 소자 R22c)와 직렬 접속되어 있고, 게인 제어부(265)로부터의 제어 신호에 의해, 서로 독립적으로 온 및 오프한다.
이와 같은 구성에 의해, 증폭기(242b)는, 게인 제어부(265)로부터의 제어 신호에 따라 스위치 SW22가 온 및 오프하는 것에 의해, 해당 증폭기(242b)의 전압 증폭률이 조정된다. 구체적으로는, 증폭기(242b)는, 오프하고 있는 스위치 SW22의 수가 많을수록, 전압 증폭률이 작아진다.
이와 같이, 게인 제어부(265)는, IV 변환부(241) 및 증폭부(242)의 게인을 조정할 수 있다. 또한, 이와 같은 게인 제어부(265)의 기능은, 범용 MPU에 미리 포함된 비교기, 카운터 등을 이용하여 실현할 수 있다.
처리부(620D)는, 상기 실시의 형태에 있어서의 처리부(620)와 비교하여, 입경의 산출 처리에 있어서, 게인 제어부(265)로부터 출력되는 게인을 나타내는 정보를 이용하여, 해당 입경을 산출한다. 구체적으로는, 센서부(200)로부터 출력된 전류 신호의 크기가 동일하더라도, 게인이 작을수록 해당 게인에 따라 디지털 데이터의 디지털 값도 작아진다. 그래서, 처리부(620D)는, 예컨대, 게인과 해당 게인에 따른 계수를 미리 유지하고, 입자의 입경을 산출하기 위한 복수의 임계치를 해당 계수에 의해 보정한다.
이것에 의해, 처리부(620D)는, 게인 제어부(265)에 의한 게인의 제어에 따라, 적절히 입자의 입경을 산출할 수 있다. 또, 처리부(620D)는, 게인에 따른 계수에 의해 디지털 데이터를 보정하는 것에 의해, 입경을 산출하더라도 좋다.
다음으로, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서가 갖는 효과에 대하여, 본 변형예에 도달한 경위도 포함하여 설명한다.
일반적으로, 입자 검출 센서에서는, 입경이 작은 입자(미소 입자)로부터 큰 입자(조대 입자)까지, 입경을 측정할 수 있는 것이 기대된다. 그렇지만, 입자 검출 센서를 미소 입자의 입경을 측정 가능하게 조정한 경우, 조대 입자에 대하여 입경을 측정할 수 없을 우려가 있다. 다시 말해, 조대 입자에 대해서는 센서부(200)로부터 출력되는 전류 신호가 커지기 때문에, 아날로그 신호 처리부(240)에 이용되는 OP 앰프 등의 아날로그 소자가 포화 상태가 되어 버리고, 디지털 데이터가 포화되는 경우가 있다.
또한, 입자의 농도가 높은 경우도, 복수의 입자가 연속하여 센서부(200)의 내부에 들어가는 것에 의해 전류 신호가 커지기 때문에, 조대 입자의 경우와 마찬가지로, 디지털 데이터가 포화되는 경우가 있다.
이와 같은 경우, 전류 신호의 피크에 따른 디지털 데이터의 피크값을 검출하는 것이 곤란하게 되기 때문에, 입경의 추정 정밀도가 저하한다고 하는 문제가 있다.
그래서, 본 변형예에서는, 게인 제어부(265)가 디지털 데이터를 이용하여 아날로그 신호 처리부(240)의 게인을 제어하는 것에 의해, 센서부(200)로부터 출력된 전류 신호가 큰 경우에도 디지털 데이터의 피크값을 검출할 수 있다. 다시 말해, 본 변형예에서는, 게인 제어부(265)에 의해 자동 이득 제어(Automatic Gain Control : AGC)가 행해지는 것에 의해, 미소 입자 및 조대 입자 중 어느 것에 대해서도 입경을 측정할 수 있다.
이하, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서가 갖는 효과에 대하여, 게인 제어부(265)에 의한 AGC가 행해지지 않는 경우와 대비하면서, 더 상세하게 설명한다.
도 33은 미소 입자 및 조대 입자의 각각에 대하여, 게인 제어부(265)에 의한 AGC가 행해지지 않는 경우(도면 중의 「AGC 없음」), 및, 행해지는 경우(도면 중의 「AGC 있음」)에 있어서의 디지털 데이터를 모식적으로 나타내는 도면이다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 미소 입자에 대해서는, 게인 제어부(265)에 의한 AGC의 유무에 의존하지 않고 피크값을 취득할 수 있다.
한편, 조대 입자에 대해서는, 게인 제어부(265)에 의한 AGC가 행해지지 않는 경우, 디지털 데이터가 포화되는 것에 의해 피크값의 취득이 곤란하게 된다. 이것에 비하여, 게인 제어부(265)에 의한 AGC가 행해지는 경우, 디지털 데이터가 임계치 전압(본 변형예에서는 포화 전압)에 도달했을 때(시간 Tsw11)에, 게인이 작아지도록 전환되는 것에 의해, AGC가 행해지지 않는 경우에 취득할 수 없었던 피크값을 취득할 수 있다.
이상과 같이, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서에 의하면, 게인 제어부(265)가 AD 변환부(261)로부터 출력된 디지털 데이터를 이용하여 게인을 제어하는 것에 의해, 미소 입자 및 조대 입자 중 어느 것에 대해서도 디지털 데이터의 피크값을 취득할 수 있다. 또한, 입자의 농도가 높은 경우에도 마찬가지로, 게인 제어부(265)가 게인을 제어하는 것에 의해, 디지털 데이터의 피크값을 취득할 수 있다. 따라서, 피크값을 이용하여 입경을 측정할 수 있기 때문에, 입경의 추정 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.
여기서, 게인 제어부(265)는, 어떠한 수법에 의해 디지털 데이터가 포화 전압에 도달했는지를 판단하더라도 상관없지만, 예컨대, 디지털 데이터의 피크값의 검출의 성공 여부에 의해 판단하더라도 좋다.
즉, 판정 대상의 샘플의 디지털 값과 비교하여, 이후의 소정 수의 샘플에 있어서 연속하여 디지털 값이 저하한 경우에 피크값의 검출에 성공했다고 판단하고, 디지털 데이터가 포화 전압에 도달하고 있지 않다고 판단한다. 한편, 해당 경우 이외에는, 피크값의 검출에 실패했다고 판단하고, 디지털 데이터가 포화 전압에 도달했다고 판단한다. 또, 판정 대상의 샘플의 디지털 값과 비교하여, 직후의 샘플의 디지털 값이 소정치 이상 저하한 경우에 피크값의 검출에 성공했다고 판단하고, 해당 경우 이외에는, 피크값의 검출에 실패했다고 판단하더라도 상관없다.
또, 본 변형예에서는, 게인 제어부(265)가 게인을 전환하는 임계치 전압으로서 포화 전압을 이용했지만, 해당 임계치 전압은 이것에 한하지 않고, 포화 전압 이하의 임의의 전압이면 된다.
또한, 게인 제어부(265)는 게인을 작게 할 뿐만 아니라, 게인을 크게 하더라도 좋다. 예컨대, 게인 제어부(265)는, 디지털 데이터가 임계치 전압에 도달하지 않는 기간이 비교적 장기간(예컨대, 10분간) 계속된 경우, 게인을 크게 하더라도 좋다. 이것에 의해, 미소 입자의 입경을 정밀하게 측정할 수 있다. 구체적으로는, 입자 검출 센서에 의한 입경 측정의 다이내믹 레인지와 분해능은 트레이드오프의 관계에 있기 때문에, 게인을 크게 하는 것에 의해 미소 입자의 입경을 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, 본 변형예에서는, 게인 제어부(265)는 디지털 데이터를 이용하여 게인을 제어하는 것으로 했다. 그러나, 게인 제어부(265)는 디지털 데이터를 이용하지 않고서 게인을 제어하더라도 좋고, 예컨대 미리 정해진 게인으로 제어하더라도 좋다. 바꾸어 말하면, 게인 제어부(265)는, 아날로그 신호 처리부(240)의 게인이 미리 설정된 게인이 되도록, 해당 아날로그 신호 처리부(240)를 제어하더라도 좋다. 예컨대, 게인 제어부(265)는, 입자 검출 센서의 공장 출하시에 출하 목적지의 지역의 대기 오염 등에 근거하여 설정된 게인이 되도록 아날로그 신호 처리부(240)를 제어하더라도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 게인 제어부(265)에 의해 게인을 제어하는 것에 의해, IV 변환부(241) 및 증폭부(242)의 구성을 공통화할 수 있기 때문에, 입자 검출 센서의 설계 및 제조 공정의 번잡화를 억제할 수 있다. 해당 게인으로서는, 예컨대, 입자 검출 센서의 출하 목적지가 대기 오염이 높은 지역인 경우에는 비교적 작은 값이 설정되고, 해당 출하 목적지가 대기 오염이 낮은 지역인 경우에는 비교적 큰 값이 설정된다.
또한, 게인 제어부(265)는, 유저의 지정에 따라 게인을 제어하더라도 상관없다.
(변형예 6)
다음으로, 실시의 형태의 변형예 6에 대하여 설명한다.
상기 실시의 형태의 변형예 5에서는, 입자의 농도가 높은 경우에 있어서의 디지털 데이터의 전압적인 포화에 대하여 설명했다. 그러나, 입자의 농도가 높은 경우에는, 아날로그 신호 처리부를 구성하는 필터 등의 아날로그 소자의 응답에 기인하여, 센서부(200)로부터 출력된 전류 신호의 변동과 디지털 데이터의 변동이 일치하지 않는 상태(시간적인 포화)가 생기는 경우가 있다. 이것은, 입경의 추정 정밀도의 저하의 요인이 될 수 있다.
그래서, 입자의 농도가 높은 경우에도 입경의 추정 정밀도의 저하를 억제하는 관점으로부터, 입자 검출 센서는 이하와 같이 구성되어 있는 것이 바람직하다.
도 34는 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서의 일부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 구체적으로는, 동 도면에는, 신호 변환부(610E), 처리부(620) 및 전환 제어부(267)의 구성이 나타내어지고 있다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서는, 상기 실시의 형태와 관련되는 입자 검출 센서(1)와 비교하여, 아날로그 신호 처리부(240) 대신에 복수의 증폭부(242)를 갖는 아날로그 신호 처리부(240E)를 구비하고, 전환 제어부(267)를 더 갖는다.
아날로그 신호 처리부(240E)는, 아날로그 신호 처리부(240)와 비교하여, 복수의 증폭부(242)(본 변형예에서는, 2개의 증폭부(242A, 242B))와, IV 변환부(241)와 복수의 증폭부(242) 중 1개의 증폭부(242)를 접속하는 스위치 SW31을 갖는다. 또한, 본 변형예에서는, 아날로그 신호 처리부(240E)는, 해당 1개의 증폭부(242)와 AD 변환부(261)를 접속하는 스위치 SW32를 구비한다.
스위치 SW31은, 전환 제어부(267)로부터의 제어 신호에 따라, IV 변환부(241)와 복수의 증폭부(242) 중 1개의 증폭부(242)를 접속한다. 스위치 SW32는, 전환 제어부(267)로부터의 제어 신호에 따라, 해당 1개의 증폭부(242)와 AD 변환부(261)를 접속한다.
전환 제어부(267)는, 복수의 증폭부(242) 중 1개의 증폭부(242)에 전압 신호를 증폭시키는 제 1 상태와, 복수의 증폭부(242) 중 다른 1개의 증폭부(242)에 전압 신호를 증폭시키는 제 2 상태를 전환한다. 구체적으로는, 전환 제어부(267)는, AD 변환부(261)에서 샘플링 및 양자화된 시계열의 디지털 데이터를 이용하여, 제 1 상태와 제 2 상태를 전환한다. 본 변형예에서는, 전환 제어부(267)는, 스위치 SW31 및 SW32의 접속을 제어하는 제어 신호를 전환하는 것에 의해, 제 1 상태와 제 2 상태를 전환한다. 이와 같은 전환 제어부(267)의 기능은, 범용 MPU에 미리 포함된 비교기 등의 기능 모듈을 이용하여 실현할 수 있다.
이와 같이, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서에서는, 전환 제어부(267)가, 복수의 증폭부(242) 중 전압 신호를 증폭하는 증폭부(242)를 전환한다.
다음으로, 전환 제어부(267)의 동작에 대하여, 본 변형예에 도달한 경위도 포함하여 설명한다. 도 35는 전환 제어부(267)에 의한 전환이 행해지지 않고 1개의 증폭부(242)가 전압 신호를 증폭한다고 가정하고, 검지 영역 DA에 1개의 입자가 도입된 경우(도면 중의 「단일 입자」), 및, 동일 입경의 복수(예컨대 2개)의 입자가 도입된 경우(도면 중의 「복수 입자」)에 있어서의, 해당 증폭부(242)의 입력 전압 Vamp_in의 파형 및 출력 전압 Vamp_out의 파형을 모식적으로 나타내는 도면이다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 검지 영역 DA에 1개의 입자가 도입된 경우에 대하여 주목하면, 출력 전압 Vamp_out의 파형에는, 입력 전압 Vamp_in의 파형에는 나타나지 않는 저전위측으로 돌출하는 파형의 흐트러짐, 이른바 언더슈트가 나타나고 있다. 언더슈트는, 증폭부(242)를 구성하는 필터 등의 아날로그 소자의 응답에 기인하기 때문에, 해당 언더슈트의 발생 그 자체를 억제하는 것은 어렵다.
이와 같은 언더슈트의 발생에 의해, 검지 영역 DA에 복수의 입자가 도입된 경우, 즉 기체 중의 입자의 농도가 높기 때문에 복수의 입자가 연속하여 검지 영역 DA에 도입된 경우에, 다음과 같은 문제가 생길 우려가 있다.
구체적으로는, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 검지 영역 DA에 동일 입경의 복수의 입자가 도입된 경우, 입력 전압 Vamp_in의 파형에는 동일한 피크값을 취하는 2개의 펄스 파형이 나타난다. 이것에 비하여, 출력 전압 Vamp_out의 파형에는 상이한 피크값을 취하는 2개의 펄스 파형이 나타나고 있다. 이것은, 최초의 펄스 파형과 다음의 펄스 파형의 시간 간격이 비교적 짧기 때문에, 다음의 펄스 파형에 대하여 최초의 펄스 파형에 의해 발생한 언더슈트가 합성되기 때문이다.
이 때문에, 연속하여 도입된 동일 입경의 2개의 입자 중, 뒤에 도입된 입자에 대해서는, 출력 전압 Vamp_out의 파형의 피크값이 본래의 피크값보다 저하하는 경우가 있다. 다시 말해, 출력 전압 Vamp_out에 오차가 발생하는 경우가 있다. 이 경우, AD 변환부(261)에서 AD 변환된 디지털 데이터에도, 출력 전압 Vamp_out의 오차에 상당한 오차가 발생하기 때문에, 입경의 추정 정밀도가 저하한다고 하는 문제가 있다.
그래서, 본 변형예에서는, 전환 제어부(267)가 전압 신호를 증폭하는 증폭부(242)를 전환하는 것에 의해, 입자의 농도가 높은 경우에도 입경의 추정 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.
이하, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서가 갖는 효과에 대하여, 전환 제어부(267)의 동작의 일례에 대해서도 아울러 말하면서, 도 36을 이용하여 설명한다.
도 36은 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서가 갖는 효과에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로는, 동 도면은, 검지 영역 DA에 동일 입경의 2개의 입자가 연속하여 도입된 경우의 도면이고, 동 도면의 (a)는 증폭부(242A)의 출력 전압을 나타내는 그래프이고, 동 도면의 (b)는 증폭부(242B)의 출력 전압을 나타내는 그래프이고, 동 도면의 (c)는 디지털 데이터를 나타내는 그래프이다. 또, 동 도면에서는, 입자에 대응한 펄스 파형만을 나타내고, 해당 펄스 파형 이외의 노이즈 등에 대해서는 도시를 생략하고 있다.
우선, 전환 제어부(267)는, 복수의 증폭부(242) 중 증폭부(242A)에 전압 신호를 증폭시킨다. 구체적으로는, 전환 제어부(267)는, 스위치 SW31에 IV 변환부(241)와 증폭부(242A)를 접속시키고, 스위치 SW32에 증폭부(242A)와 AD 변환부(261)를 접속시킨다.
이것에 의해, 동 도면의 (a)에 나타내는 바와 같이, 검지 영역 DA에 입자가 도입되면, 증폭부(242A)의 출력 전압의 파형으로서 해당 입자에 대응한 펄스 파형이 나타난다.
또한, 전환 제어부(267)는, 상기 실시의 형태에서 설명한 피크 서치를 행하는 것에 의해, 디지털 데이터의 피크를 검출한다.
그리고, 피크를 검출한 후에, 디지털 데이터가 기준치에 도달한 시점(시간 Tsw21), 다시 말해 증폭부(242A)의 출력 전압이 기준 전위에 도달한 시점에, 증폭부(242A) 대신에 증폭부(242B)에 전압 신호를 증폭시킨다. 즉, 디지털 데이터가 기준치에 도달한 시점에, 증폭부(242A)에 전압 신호를 증폭시키는 제 1 상태로부터 증폭부(242B)에 전압 신호를 증폭시키는 제 2 상태로 전환한다. 구체적으로는, 전환 제어부(267)는, 스위치 SW31에 IV 변환부(241)와 증폭부(242B)를 접속시키고, 스위치 SW32에 증폭부(242B)와 AD 변환부(261)를 접속시킨다.
이것에 의해, 동 도면의 (b)에 나타내는 바와 같이, 검지 영역 DA에 연속하여 도입된 동일 입경의 2개의 입자 중 뒤에 도입된 입자에 대하여, 증폭부(242B)의 출력 전압의 파형으로서 해당 입자에 대응한 펄스 파형이 나타난다.
따라서, 동 도면의 (c)에 나타내는 바와 같이, 디지털 데이터에는, 동일한 피크값을 갖는 2개의 펄스 파형이 나타나게 된다. 이것에 의해, 2개의 입자 중 뒤에 도입된 입자에 대하여, 추정 정밀도의 저하를 억제하면서 입경을 추정할 수 있다.
이상과 같이, 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서에 의하면, 전환 제어부(267)가, 복수의 증폭부(242) 중 1개의 증폭부(242)(본 변형예에서는 증폭부(242A))에 전압 신호를 증폭시키는 제 1 상태와, 복수의 증폭부(242) 중 다른 1개의 증폭부(242)(본 변형예에서는 증폭부(242B))에 전압 신호를 증폭시키는 제 2 상태를 전환한다.
이것에 의해, 1개의 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호와 다른 1개의 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호를, 서로 영향을 받지 않는 독립의 신호로 할 수 있다. 따라서, 1개의 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호에 언더슈트가 발생하고 있는 기간에도, 다른 1개의 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호는 해당 언더슈트의 영향을 받지 않게 된다. 이 때문에, 제 1 상태와 제 2 상태를 전환하는 것에 의해, 입자의 농도가 높기 때문에 펄스 파형의 시간 간격이 짧은 경우에도 펄스 파형의 피크 오차를 저감할 수 있다. 따라서, 입자의 농도가 높은 경우에도 입경의 추정 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.
또, 본 변형예에서는, 입자 검출 센서는, 2개의 증폭부(242)를 구비하고 있었지만, 증폭부(242)는 복수이면 되고, 3개 이상이더라도 좋다.
또한, 본 변형예에서는, 전환 제어부(267)는, 피크가 검출된 후에 디지털 데이터가 기준치에 도달한 시점(시간 Tsw21)에, 제 1 상태로부터 제 2 상태로 전환하는 것으로 했지만, 전환 제어부(267)의 전환 타이밍은 이것에 한하지 않고, 예컨대, 도 37에 나타내는 바와 같이, 기준치와 상이한 소정치가 된 타이밍에 전환하더라도 상관없다.
도 37은 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서의 다른 일례가 갖는 효과에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로는, 동 도면은, 도 36과 마찬가지로, 검지 영역 DA에 동일 입경의 2개의 입자가 연속하여 도입된 경우의 도면이고, 동 도면의 (a)는 증폭부(242A)의 출력 전압을 나타내는 그래프이고, 동 도면의 (b)는 증폭부(242B)의 출력 전압을 나타내는 그래프이고, 동 도면의 (c)는 디지털 데이터를 나타내는 그래프이다. 또, 동 도면의 (b) 및 (c)에서는, 입자에 대응한 펄스 파형만을 나타내고, 해당 펄스 파형 이외의 노이즈 등에 대해서는 도시를 생략하고 있다.
전환 제어부(267)는, 디지털 데이터가 소정치에 도달한 시점(시간 Tsw22), 다시 말해 증폭부(242A)의 출력 전압이 임계치 전위에 도달한 시점에, 증폭부(242A) 대신에 증폭부(242B)에 전압 신호를 증폭시킨다. 즉, 전환 제어부(267)는, 해당 시점에, 증폭부(242A)에 전압 신호를 증폭시키는 제 1 상태로부터 증폭부(242B)에 전압 신호를 증폭시키는 제 2 상태로 전환한다.
이와 같은 구성에 의해서도, 동 도면의 (c)에 나타내는 바와 같이, 디지털 데이터에는, 동일한 피크값을 갖는 2개의 펄스 파형이 나타나게 된다. 따라서, 본 변형예와 같은 효과를 가질 수 있다.
여기서, 소정치는, 전환 제어부(267)의 불필요한 전환을 억제하는 관점으로부터, 기준 전위로부터 노이즈의 진폭 이상 낮은 전압에 대응한 값인 것이 바람직하다. 이와 같은 값으로 함으로써, 노이즈 등의 영향에 의한 전환 제어부(267)의 불필요한 전환을 억제할 수 있다.
또한, 본 변형예에서는, 입자 검출 센서는, 2개의 증폭부(242)에 공통의 AD 변환부(261)를 구비하는 것으로 했지만, 예컨대, 도 38에 나타내는 바와 같이, 각 증폭부(242)에 1개씩 대응하는 AD 변환부(261)를 구비하고 있더라도 상관없다.
도 38은 본 변형예와 관련되는 입자 검출 센서의 일부의 구성의 다른 일례를 나타내는 블록도이다. 구체적으로는, 동 도면에는, 신호 변환부(610F), 처리부(620F) 및 전환 제어부(267F)의 구성이 나타내어지고 있다.
동 도면에 나타내는 입자 검출 센서는, 상술한 입자 검출 센서와 비교하여, 각 증폭부(242)(증폭부(242A, 242B))에 1개씩 대응하는 AD 변환부(261)(AD 변환부(261A, 261B))를 구비하고, 스위치 SW32를 갖지 않는다.
본 변형예에 있어서의 전환 제어부(267F)는, 각 AD 변환부(261)에서 샘플링 및 양자화된 시계열의 디지털 데이터를 이용하여, 제 1 상태와 제 2 상태를 전환한다. 또, 전환 제어부(267F)가 상기 스위치 SW32에 상당하는 스위치 기능을 갖고 있더라도 상관없다. 이와 같은 전환 제어부(267F)의 기능은, 상술한 전환 제어부(267)와 마찬가지로, 범용 MPU의 기능 모듈을 이용하여 실현할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해서도, 1개의 증폭부(242)(본 변형예에서는 증폭부(242A))에서 증폭된 전압 신호와 다른 1개의 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호를, 서로 영향을 받지 않는 독립의 신호로 할 수 있다. 따라서, 1개의 AD 변환부(261)(여기서는 AD 변환부(261A))에서 샘플링 및 양자화된 디지털 데이터에 언더슈트가 발생하고 있는 기간에도, 다른 1개의 AD 변환부(261)(여기서는 AD 변환부(261B))에서 샘플링 및 양자화된 디지털 데이터는 해당 언더슈트의 영향을 받지 않게 된다. 따라서, 이와 같은 구성에 의해서도, 상술한 입자 검출 센서와 마찬가지의 효과를 가질 수 있다.
또한, 각 증폭부(242)는 아날로그 소자로 구성되기 때문에, 해당 아날로그 소자의 특성의 격차에 의해, 처리부(620) 사이에서 증폭률 등의 특성이 상이한 경우가 있다. 이 경우, 동일 입경의 입자가 검지 영역 DA에 도입된 경우에도, 처리부(620)에 의해 산출되는 입경이 일치하지 않을 우려가 있다. 이 때문에, 입자의 농도가 높은 경우에도 입경의 추정 정밀도를 확보하는 관점으로부터, 처리부(620)가 복수의 증폭부(242)의 각각에 대응하는 보정 계수를 갖고, 해당 보정 계수를 이용하여 입경을 산출하는 것이 바람직하다. 예컨대, 처리부(620)는, 증폭률이 큰 증폭부(242)일수록 작아지는 보정 계수를 갖고, 해당 보정 계수를 이용하여 입자의 입경을 산출하기 위한 복수의 임계치를 보정하더라도 좋다.
(다른 실시의 형태 등)
이상, 본 발명에 대하여 실시의 형태 및 변형예에 근거하여 설명했지만, 본 발명은, 상기의 실시의 형태 및 변형예로 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 상기 실시의 형태 및 그 변형예에서는, 처리부는, 복수의 파고치 구분 BS1~BS4를 구분하는 임계치를 보정하는 것에 의해, 파고치와 임계치의 상대 관계를 보정하는 것으로 했다. 그러나, 처리부에 의한 상대 관계의 보정 방법은 이것에 한하지 않는다.
예컨대, 처리부는, 판정 처리에 있어서, 추출된 복수의 파고치의 각각을 보정하는 것에 의해, 상대 관계를 보정하더라도 좋다. 또한, 이때, 검지 신호에 있어서의 임의의 레벨(예컨대, 노이즈 플로어 VN)을 기준으로 하여 복수의 파고치의 각각을 보정하더라도 좋다.
이와 같은 입자 검출 센서에 의해서도, 실시의 형태와 마찬가지의 효과를 갖는다. 다시 말해, 검지 신호로부터 추출된 파고치가 속하는 파고치 구분을 정밀하게 판별할 수 있으므로, 정밀하게 질량 농도를 추정할 수 있다.
또한, 상기 실시의 형태 및 변형예에서는, 입자를 5.0㎛ 이상, 2.5㎛~5.0㎛, 1.0~2.5㎛, 및, 0.5~1.0㎛의 4개의 입경 구분 BPi로 구분했지만, 이것에 한하는 것은 아니다. 입경 구분의 수 및 범위는, 입자 검출 센서가 탑재되는 기기 등에 따라, 임의로 설정하더라도 상관없다.
마찬가지로, 파고치 구분에 대해서도, 입경 구분의 설정 혹은 입자 검출 센서의 정밀도 등에 따라 임의로 설정하더라도 상관없다.
도 39는 도시 대기의 입경 분포를 나타내는 그래프이다.
PM 2.5의 입경 분포는 동 도면에 나타내는 바와 같은 분포를 갖기 때문에, 예컨대, 입경의 검출 하한이 0.3㎛인 입자 검출 센서에 있어서 PM 2.5의 질량 농도를 산출하는 경우, 입경 구분을, 0.3~0.4㎛, 0.4~0.6㎛, 0.6~2.5㎛, 및, 2.5㎛ 이상으로 하더라도 좋다.
또한, 예컨대, 입경 구분의 수와 파고치 구분의 수는, 반드시 동일할 필요는 없다.
또한, 상기 설명에서는, 투광 소자(121)는, 500㎚ 이상 또한 700㎚ 이하에 피크 파장을 갖는 광을 투광하는 것으로 했지만, 투광 소자(121)가 투광하는 광의 피크 파장은 이것에 한하지 않고, 예컨대, 700㎚ 이상 또한 1000㎚ 이하이더라도 좋다.
또한, 상대 관계를 보정하는 타이밍은, 한정되지 않는다. 다시 말해, 처리부는, 파고치 계수 처리(S33) 전에 1회만 상대 관계를 보정하더라도 좋고, 검지 신호로부터 파고치를 추출할 때마다 상대 관계를 보정하더라도 좋다.
또한, 상기 실시의 형태 및 그 변형예에 있어서의 처리부, 또는, 상기 실시의 형태 및 그 변형예에 있어서의 범용 MPU 내의 각 구성 요소는, 전용 하드웨어로 구성되거나, 각 구성 요소에 적합한 소프트웨어 프로그램을 실행하는 것에 의해 실현되더라도 좋다. 각 구성 요소는, CPU 또는 프로세서 등의 프로그램 실행부가, 하드디스크 또는 반도체 메모리 등의 기록 매체에 기록된 소프트웨어 프로그램을 읽어내서 실행하는 것에 의해 실현되더라도 좋다.
또한, 상기 실시의 형태의 변형예 2에서는, 복수의 파고치 구분을 구분하는 1개 이상의 임계치(제 1 임계치)는, 측정 대상이 되는 입경 분포에 따라 임의의 개수 및 간격으로 설정되더라도 상관없다. 마찬가지로, 복수의 입경 구분을 구분하는 1개 이상의 임계치(제 2 임계치)도, 측정 대상이 되는 입경 분포에 따라 임의의 개수 및 간격으로 설정되더라도 상관없다.
이와 같이, 제 1 임계치 및 제 2 임계치를 측정 대상의 입경 분포(예컨대, PM 2.5의 입경 분포)에 따라 설정하는 것에 의해, 제 1 임계치 및 제 2 임계치를, 예컨대 역연산(디콘볼루션) 등을 행하는 일 없이 미리 설정할 수 있다. 따라서, 짧은 측정 시간으로, 또한, 보다 간이한 연산 처리로도 정밀하게 질량 농도를 산출할 수 있다.
또, 제 1 임계치 및 제 2 임계치는, 이들 양쪽이 측정 대상이 되는 입경 분포에 따라 임의의 개수 및 간격으로 설정되더라도 상관없고, 어느 한쪽만이 설정되더라도 상관없다.
또한, 상기 각 실시의 형태 및 그 변형예에 있어서, 입자를 포함하는 매체는, 기체(공기)로 했지만, 기체 이외의 매체(물 등의 액체)이더라도 좋다.
또한, 상기 각 실시의 형태 및 그 변형예에 있어서, 센서부의 구성은, 상기 설명에 나타내는 구성에 한하지 않고, 적어도, 투광 소자와 수광 소자를 구비하고, 검지 영역 DA에 있어서의 입자에 의한 투광 소자의 광의 산란광을 수광 소자로 수광하는 것에 의해 기체 중에 포함되는 입자를 검출하면 된다. 이와 같은 구성이더라도, 해당 입자 검출 센서를 구비하는 입자 검출 센서는, 기체에 포함되는 입자의 입경을 측정할 수 있다.
증폭부의 구성은, 상기 설명에 나타내는 구성에 한하지 않고, 적어도 IV 변환부(241)로부터 출력된 전압 신호를 소정의 대역에서 증폭하면 된다. 다시 말해, 증폭부는 밴드 패스 필터(242a)를 포함하지 않더라도 좋고, 하이 패스 필터 또는 로우 패스 필터 등을 포함하더라도 좋다. 또한, 증폭기(242b)는 1단이더라도 복수 단이더라도 좋다.
범용 MPU의 구성은, 상기 설명에 나타내는 구성에 한하지 않고, 적어도, 증폭부(242)에서 증폭된 전압 신호를 샘플링 및 양자화하는 AD 변환부(261)를 구비하고 있으면 된다. 이와 같은 구성이더라도, 해당 범용 MPU를 구비하는 입자 검출 센서는, AD 변환부(261)에서 생성된 디지털 데이터를 이용하여 파형 분석 등을 행하는 것이 가능하게 되고, 기체에 포함되는 입자에 대한 다양한 분석을 행할 수 있다. 따라서, 입자의 입경을 측정 가능하게 한다.
예컨대, 범용 MPU에서는, AD 변환부(261)에서 생성된 디지털 데이터를 FFT(고속 푸리에 변환)하는 것에 의해, 전압 신호에 포함되는 노이즈를 검출하고, 검출한 노이즈를 제거하더라도 좋다.
또한, 실시의 형태에 있어서, 처리부(620)는, 상기 설명에 한하지 않고, 적어도 디지털 데이터 및 보정 계수를 이용하여, 입자의 입경을 산출(연산)하면 된다. 예컨대, 처리부(620)는 디지털 데이터의 피크값을 구하고, 구한 피크값, 및, 기억부(650)에 기억되어 있는 보정 계수 fk1을 이용하여 피크값을 보정하고, 보정한 피크값을 이용하여 입자의 입경을 산출하더라도 좋다.
또한, 보정 계수는, 제조 공정에 있어서의 기입에 의해 생성된 것에 한하지 않고, 예컨대, 센서부(200)를 기동하고 나서 소정 시간 경과할 때마다 생성된 것이더라도 좋다. 이와 같이, 센서부(200)의 기동 후에 생성된 보정 계수를 이용하는 것에 의해, 입자 검출 센서(1)는, 해당 센서부(200)를 구성하는 부품의 열화 등에 의한 입경 산출의 정밀도의 열화를 억제할 수 있다.
또한, 상기 설명에서는, 기억부(650)에 기억되어 있는 보정 계수는, 검지 영역 DA에 기준 입자가 도입된 경우에 센서부(200)로부터 출력된 전류에 근거하여 산출된 값에 근거하는 것으로 했지만, 이것에 한하지 않는다. 해당 보정 계수는, 적어도 해당 기억부(650)가 탑재된 입자 검출 센서에 탑재되어 있는 센서부(200)의 감도에 따르고 있으면 되고, 예컨대, 복수의 입자 검출 센서의 평균 감도에 대한 해당 센서부(200)의 감도에 대응하고 있더라도 좋다.
예컨대, 상기 실시의 형태 및 변형예에서는, 입자 검출 센서가, 예컨대, 도 40에 나타내는 공기 청정기에 구비되어 있는 경우에 대하여 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 입자 검출 센서는, 예컨대, 더스트 센서, 도 41에 나타내는 연기 감지기, 도 42에 나타내는 환기팬 등 혹은 도 43에 나타내는 에어컨 등의 공기 조절 기기 등, 다른 임의의 기기에 탑재되어 있더라도 상관없다.
그 외, 각 실시의 형태 및 변형예에 대하여 당업자가 생각하는 각종 변형을 실시하여 얻어지는 형태나, 본 개시의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 각 실시의 형태에 있어서의 구성 요소 및 기능을 임의로 조합함으로써 실현되는 형태도 본 개시에 포함된다. 예컨대, 상기 실시의 형태의 변형예 6에 상기 실시의 형태의 변형예 5를 조합하여, 복수의 증폭부(242)의 각각에 대하여 게인을 제어하더라도 상관없다.
1, 1A, 1B : 입자 검출 센서
2 : 입자
121 : 투광 소자
131 : 수광 소자
241 : IV 변환부
242, 242A, 242B : 증폭부
261, 261A, 261B : AD 변환부
620, 620A, 620B, 620D, 620F : 처리부
650 : 기억부
DA : 검지 영역

Claims (16)

  1. 기체 중에 포함되는 입자를 검출하는 입자 검출 센서로서,
    투광 소자와,
    검지 영역에 있어서의 상기 입자에 의한 상기 투광 소자의 광의 산란광을 수광하는 수광 소자와,
    상기 수광 소자로부터의 출력을 나타내는 검지 신호를 이용하여 상기 기체 중에 포함되는 상기 입자의 질량 농도를 산출하는 처리부
    를 구비하고,
    상기 처리부는,
    상기 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치의 각각이, 1개 이상의 제 1 임계치에 의해 미리 구분된 복수의 파고치 구분 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정하는 판정 처리와,
    상기 판정 처리에 의해 상기 복수의 파고치 구분의 각각에 대하여 판정된 상기 파고치의 개수, 및, 상기 복수의 파고치 구분의 각각에 포함되는, 1개 이상의 제 2 임계치에 의해 미리 구분된 복수의 입경 구분의 각각에 대응하는 입자 수의 비율을 이용하여, 상기 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수를 추정하는 추정 처리와,
    상기 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수를 이용하여, 상기 질량 농도를 산출하는 산출 처리
    를 실행하고,
    상기 처리부는, 상기 판정 처리에 있어서, 상기 검지 신호의 파형으로부터 추출된 복수의 파고치와 1개 이상의 제 1 임계치의 상대 관계를 보정하고, 보정 후의 상대 관계를 이용하여, 상기 복수의 파고치의 각각에 대하여, 상기 제 1 임계치에 의해 구분된 복수의 파고치 구분 중 어느 파고치 구분에 속하는지를 판정하는 판정 처리를 실행하는 것에 의해, 상기 질량 농도를 산출하는
    입자 검출 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 파고치 구분 중 1개의 파고치 구분에 있어서의 상기 입자 수의 비율은, 해당 1개의 파고치 구분에 대하여 판정된 상기 파고치의 개수와, 해당 1개의 파고치 구분보다 큰 다른 파고치 구분의 각각에 대하여 판정된 상기 파고치의 개수, 및, 상기 검지 영역 내의 위치에 따른 신호 강도의 변화에 근거하는 값인 입자 검출 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 임계치 및 상기 제 2 임계치 중 적어도 한쪽은, 측정 대상이 되는 입경 분포에 따라 임의의 개수 및 간격으로 설정되는 입자 검출 센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 임계치는, 상기 검지 신호에 포함되는 노이즈의 파고치에 대응하는 노이즈 임계치를 포함하고,
    상기 처리부는, 상기 추정 처리에 있어서, 상기 복수의 파고치 구분 중 상기 노이즈 임계치를 상한으로 하여 구분된 파고치 구분 이외의 다른 파고치 구분의 각각에 대하여 판정된 상기 파고치의 개수, 및, 해당 다른 파고치 구분의 각각에 있어서의 상기 입자 수의 비율을 이용하여, 상기 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수를 추정하는
    입자 검출 센서.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 산출 처리에 있어서, 상기 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수에 대하여, 해당 입경 구분에 있어서의 평균 질량에 근거하는 계수를 곱하는 것에 의해, 상기 질량 농도를 산출하는 입자 검출 센서.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 산출 처리에 있어서, 상기 복수의 입경 구분의 각각에 있어서의 입자 수에 대하여, 해당 입경 구분에 있어서의 입자의 존재 비율을 고려한 대표 질량에 근거하는 계수를 곱하는 것에 의해, 상기 질량 농도를 산출하는 입자 검출 센서.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 산출 처리에 있어서, 소망하는 입경 범위에 포함되는 입경 구분의 각각에 있어서의 상기 질량 농도를 산출하고, 산출한 질량 농도를 합산하는 것에 의해 해당 소망하는 입경 범위에 있어서의 상기 질량 농도를 산출하는 입자 검출 센서.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 판정 처리에 있어서, 상기 복수의 파고치 구분의 각각에 있어서의 상한과 하한의 차이의 비율이 해당 복수의 파고치 구분 사이에서 유지되도록 상기 제 1 임계치의 각각을 보정하는 것에 의해, 상기 상대 관계를 보정하는 입자 검출 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 판정 처리에 있어서, 상기 검지 신호에 있어서의 임의의 레벨을 기준으로 하여 상기 제 1 임계치의 각각을 보정하는 입자 검출 센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 판정 처리에 있어서, 추출된 상기 복수의 파고치의 각각을 보정하는 것에 의해, 상기 상대 관계를 보정하는 입자 검출 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 판정 처리에 있어서, 상기 검지 신호에 있어서의 임의의 레벨을 기준으로 하여 상기 복수의 파고치의 각각을 보정하는 입자 검출 센서.
  13. 제 1, 9, 10, 11, 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 판정 처리에 있어서, 상기 검지 영역에 소정의 입경을 갖는 기준 입자가 도입된 경우에 있어서의 상기 수광 소자로부터의 출력에 근거하여, 상기 상대 관계를 보정하는 입자 검출 센서.
  14. 제 1, 2, 9, 10, 11, 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투광 소자는, 500㎚ 이상 또한 700㎚ 이하에 피크 파장을 갖는 광을 투광하고,
    1개 이상의 상기 제 1 임계치 중 어느 1개는, 1.0㎛ 이하의 입경에 대응하는 값인
    입자 검출 센서.
  15. 제 1, 2, 9, 10, 11, 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수광 소자로부터 출력된 전류를 전압으로 변환하는 것에 의해 전압 신호를 생성하는 IV 변환부와,
    상기 전압 신호를 소정의 대역에서 증폭하는 증폭부와,
    상기 증폭부에서 증폭된 전압 신호를 샘플링 및 양자화하는 AD 변환부
    를 더 구비하는 입자 검출 센서.
  16. 제 1, 9, 10, 11, 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자 검출 센서는, 해당 입자 검출 센서의 감도에 따른 보정 계수를 기억하고 있는 기억부를 더 구비하고,
    상기 보정 계수는, 상기 검지 영역에 소정의 입경을 갖는 표준 입자가 도입된 경우에 상기 수광 소자로부터 출력된 전류에 근거하여 산출된 값이고,
    상기 처리부는, 상기 보정 계수를 이용하여 상기 상대 관계를 보정하는
    입자 검출 센서.
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