KR20200027028A

KR20200027028A - 입자 검출 센서

Info

Publication number: KR20200027028A
Application number: KR1020207005101A
Authority: KR
Inventors: 요시하루 나가타니; 다카시 나카가와; 게이코 가와히토; 노리유키 야스이케
Original assignee: 파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-03-11
Also published as: WO2019044250A1; KR102327743B1; JP7008252B2; JPWO2019044250A1; CN111051851B; CN111051851A

Abstract

계측 대상에 포함되는 복수의 입자를 검출하는 입자 검출 센서(1)는, 검출 영역(DA)을 향해 광을 출사하는 투광부(20)와, 복수의 입자 중 적어도 1개인 대상 입자가 검출 영역(DA)을 통과한 경우에, 당해 대상 입자에 의한 광의 산란광을 수광하는 수광부(30)와, 투광부(20) 및 수광부(30)를 수납하고, 내부에 검출 영역(DA)을 갖는 하우징(10)과, 신호 처리 회로(50)를 구비하고 신호 처리 회로(50)는, 복수의 입자가 검출 영역(DA)을 통과하고 있지 않을 때에 수광부(30)에 의해서 수광되는 미광의 수광 강도의 경시 변화량을 취득하고, 취득한 경시 변화량에 기초해서, 산란광의 수광 강도를 보정하고, 보정된 산란광의 수광 강도에 기초해서, 대상 입자를 복수의 입자 사이즈 중 어느 하나로 분류하고, 또한, 검출된 대상 입자의 개수를 특정함으로써, 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출한다.

Description

입자 검출 센서

본 발명은, 입자 검출 센서에 관한 것이다.

종래, 투광 소자와 수광 소자를 구비하고, 계측 대상에 부유하는 입자를 검출하고, 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출하는 광전식의 입자 검출 센서가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조). 광전식의 입자 검출 센서에서는, 투광 소자로부터 검지 영역을 향해 광을 출사하고, 검지 영역을 입자가 통과한 경우에, 통과 중인 입자에 의한 광의 산란광을 수광 소자가 수광한다. 산란광의 수광 강도에 기초해서 입자의 크기가 구해지고, 입자의 크기와 수로부터, 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출한다.

일본 특허공개 2015-210183호 공보

그러나, 상기 종래 기술에서는 입자 검출 센서의 내부가 더러워지고, 예를 들면, 투광 소자 및 수광 소자 중 적어도 한쪽에 입자가 부착된 경우, 검출 영역에 본래 조사되어야 할 광, 및, 수광 소자에 본래 입사되어야 할 산란광이, 부착된 입자에 의해 방해받아, 각각 감소한다. 또한, 부착된 입자에 의해서 산란된 광으로서, 수광 소자에 본래 입사되어서는 안 될 광이 수광 소자에 입사되는 경우도 있다. 어느 경우에 있어서도, 입자의 크기의 오검출의 요인이 되어, 검출 정확도가 저하된다.

그래서, 본 발명은, 입자의 크기를 정확도 좋게 검출하고, 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 정확도 좋게 산출할 수 있는 입자 검출 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 태양에 따른 입자 검출 센서는, 계측 대상에 포함되는 복수의 입자를 검출하는 입자 검출 센서로서, 검출 영역을 향해 광을 출사하는 투광부와, 상기 복수의 입자 중 적어도 1개인 대상 입자가 상기 검출 영역을 통과한 경우에, 당해 대상 입자에 의한 상기 광의 산란광을 수광하는 수광부와, 상기 투광부 및 상기 수광부를 수납하고, 내부에 상기 검출 영역을 갖는 하우징과, 신호 처리 회로를 구비하고, 상기 신호 처리 회로는, 상기 복수의 입자가 상기 검출 영역을 통과하고 있지 않을 때에 상기 수광부에 의해서 수광되는 미광(迷光; stray light)의 수광 강도의 경시 변화량을 취득하고, 취득한 경시 변화량에 기초해서, 상기 산란광의 수광 강도를 보정하고, 보정된 상기 산란광의 수광 강도에 기초해서, 상기 대상 입자를 복수의 입자 사이즈 중 어느 하나로 분류하고, 또한, 검출된 대상 입자의 개수를 특정함으로써, 상기 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출한다.

본 발명에 따른 입자 검출 센서에 의하면, 시간 경과에 의해 입자 검출 센서의 내부가 더러워진 상태에서도, 입자의 크기를 정확도 좋게 검출하고, 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 정확도 좋게 산출할 수 있다.

도 1은, 실시형태에 따른 입자 검출 센서의 사시도이다.
도 2는, 실시형태에 따른 입자 검출 센서의 덮개를 연 경우의 사시도이다.
도 3은, 실시형태에 따른 입자 검출 센서의 단면도이다.
도 4는, 실시형태에 따른 입자 검출 센서의 동작을 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 5는, 도 4에 나타내는 동작 중에 수광 소자로부터 출력된 전기 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은, 실시형태에 따른 입자 검출 센서에 의한 입자의 사이즈마다의 분류를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 실시형태에 따른 입자 검출 센서에 의해서 검출된 입자의 히스토그램이다.
도 8은, 실시형태에 따른 입자 검출 센서의 투광부 및 수광부에 입자가 부착된 경우의 동작을 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 9는, 도 8에 나타내는 동작 중에 수광 소자로부터 출력된 전기 신호를 나타내는 도면이다.
도 10은, 도 8에 나타내는 전기 신호의 보정 처리를 나타내는 도면이다.
도 11은, 실시형태에 따른 입자 검출 센서가 경시 변화량의 취득을 행하는 타이밍의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는, 실시형태에 따른 입자 검출 센서가 경시 변화량의 취득을 행하는 타이밍의 다른 예를 나타내는 도면이다.

이하에서는, 본 발명의 실시형태에 따른 입자 검출 센서에 대해서, 도면을 이용해서 상세하게 설명한다. 한편, 이하에 설명하는 실시형태는, 모두 본 발명의 일 구체예를 나타내는 것이다. 따라서, 이하의 실시형태에서 나타나는 수치, 형상, 재료, 구성 요소, 구성 요소의 배치 및 접속 형태, 스텝, 스텝의 순서 등은, 일례이며, 본 발명을 한정하는 취지는 아니다. 따라서, 이하의 실시형태에 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. 따라서, 예를 들면, 각 도면에 있어서 축척 등은 반드시 일치하지 않는다. 또한, 각 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있고, 중복되는 설명은 생략 또는 간략화한다.

(실시형태)

본 실시형태에 따른 입자 검출 센서는, 검출 영역을 통과하는 입자에 의한 광의 산란광의 수광 강도에 기초해서, 입자의 크기를 검출하고, 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출하는 광전식의 입자 검출 센서이다. 입자 검출 센서는, 입자가 검출 영역을 통과하고 있지 않을 때에 수광되는 미광의 수광 강도의 경시 변화량에 기초해서, 검출 영역에 본래 조사되어야 할 광, 및, 수광 소자에 본래 입사되어야 할 산란광 강도의 변동을 추정 보정하고, 보정 후의 산란광 강도에 기초해서 입자의 크기를 정확도 좋게 검출하고, 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출한다.

[구성]

우선, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)에 대해서, 도 1∼도 4를 이용해서 설명한다.

도 1은, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)의 사시도이다. 도 2는, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)의 덮개(13)를 연 경우의 사시도이다. 덮개(13)는, 예를 들면, 입자 검출 센서(1)를 동작시키지 않는 기간 중에 하우징(10)의 내부를 청소하는 목적으로 열린다.

도 3은, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)의 단면도이다. 구체적으로는, 도 3은, 입자 검출 센서(1)의 하우징(10)의 Z축 방향에 있어서의 대략 중앙에 있어서의 XY면에 평행한 단면을 나타내고 있다.

도 4는, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)의 동작을 설명하기 위한 확대 단면도이다. 구체적으로는, 도 4는, 도 3에 나타내는 단면에 있어서, 검출 영역(DA)을 포함하는 부분을 확대해서 나타내고 있다.

한편, X축, Y축 및 Z축은, 삼차원 직교 좌표계의 3축을 나타내고 있다. X축 방향 및 Y축 방향은, 대략 편평한 직육면체 형상을 갖는 하우징(10)의 2개의 변을 따른 방향이다. Z축 방향은, 하우징(10)의 두께 방향에 상당한다.

입자 검출 센서(1)는, 계측 대상에 포함되는 복수의 입자(P)를 검출하는 광전식의 입자 검출 센서이다. 본 실시형태에서는, 계측 대상은, 공기(대기) 등의 기체이다. 입자(P)는, 기체 중을 부유하는 마이크로미터 오더(micrometer order)의 미립자, 즉, 입자상 물질(에어로졸)이다. 구체적으로는, 입자(P)는, PM 2.5, 부유 입자상 물질(SPM: Suspended Particulate Matter), PM 10 등이다.

도 1∼도 3에 나타내는 바와 같이, 입자 검출 센서(1)는, 하우징(10)과, 투광부(20)와, 수광부(30)와, 송풍 기구(40)와, 신호 처리 회로(50)와, 제어 회로(60)를 구비한다. 한편, 도 3에 나타내는 단면에는, 신호 처리 회로(50) 및 제어 회로(60)가 나타나 있지 않으므로, 도 3에서는, 신호 처리 회로(50) 및 제어 회로(60)를 모식적으로 나타내고 있다. 신호 처리 회로(50) 및 제어 회로(60)는, 예를 들면, 하우징(10)의 외측면으로서, 덮개(13)와는 반대측의 면 등에 장착되어 있다.

하우징(10)은, 투광부(20) 및 수광부(30)를 수납하고, 내부에 검출 영역(DA)을 갖는다. 하우징(10)은, 복수의 입자(P)를 포함하는 기체의 유로를 형성하고 있다. 검출 영역(DA)은, 기체의 유로 상에 위치하고 있다.

구체적으로는, 하우징(10)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 내부에 기체를 유입시키는 유입구(11)와, 유입된 기체를 외부에 유출시키는 유출구(12)를 갖는다. 도 3의 굵은 파선의 화살표로 나타내는 바와 같이, 하우징(10)의 내부를, 유입구(11)부터 유출구(12)까지 도달하는 경로가, 기체의 유로에 상당한다. 도 3에는, 기체의 유로가 L자 형상으로 형성되어 있는 예를 나타내고 있지만, 유입구(11)와 유출구(12)를 연결하는 직선 형상으로 형성되어 있어도 된다.

하우징(10)은, 예를 들면, 차광성을 갖고, 수광부(30) 및 검출 영역(DA)에, 노이즈의 원인이 되는 외광이 입사되는 것을 억제한다. 하우징(10)은, 예를 들면 흑색의 수지 재료를 이용한 사출 성형에 의해 형성되어 있다. 구체적으로는, 하우징(10)은, 사출 성형에 의해 형성된 복수의 부품이 조합되어서 구성되어 있다. 당해 복수의 부품에 의해서, 투광부(20) 및 수광부(30)가 끼워져서 하우징(10) 내의 소정 위치에 고정되어 있다.

하우징(10)의 내부에는, 미광을 다중 반사시키는 것에 의해 감쇠시키는 광 트랩 구조가 마련되어 있어도 된다. 미광은, 투광부(20)로부터 출사된 광(L1)(도 4를 참조) 중, 검출 영역(DA)을 통과 중인 입자(P)에 의해서 산란되지 않았던 광, 즉, 산란광(L2)(도 4를 참조) 이외의 광이다. 광 트랩 구조는, 유입구(11) 또는 유출구(12)로부터 내부로 입사된 외광도 감쇠시킬 수 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 하우징(10)은, 개폐 자재인 덮개(13)를 갖는다. 덮개(13)는, 하우징(10)에 마련된 개구(14)(도 2를 참조)를 막도록 착탈 자재로 고정되어 있다. 유저 등은, 필요에 따라서 덮개(13)를 개폐할 수 있다.

개구(14)는, 덮개(13)가 열린 경우에 하우징(10)의 내부를 외부에 노출시켜, 하우징(10)의 내부에 부착된 입자를 제거하기 위한 청소 창이다. 예를 들면, 유저는, 개구(14)에 청소용의 봉 등을 삽입하여, 투광부(20)의 렌즈(22), 수광부(30)의 렌즈(32) 및 검출 영역(DA)에 부착되어 있는 입자를 제거한다. 덮개(13) 및 개구(14)의 크기 및 형상은 특별히 한정되지 않는다. 덮개(13) 및 개구(14)는, Z축 방향에서 본 경우에, 검출 영역(DA)에 중복되는 위치에 마련되어 있지만, 이에 한정되지 않는다.

투광부(20)는, 검출 영역(DA)을 향해 광(L1)을 출사한다. 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 투광부(20)는, 투광 소자(21)와, 렌즈(22)를 구비한다.

투광 소자(21)는, 예를 들면 고체 발광 소자이고, 구체적으로는 반도체 레이저 등의 레이저 소자이다. 혹은, 투광 소자(21)는, 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode) 또는 유기 EL(Electroluminescense) 소자 등이어도 된다.

투광 소자(21)가 출사하는 광(L1)은, 적외광, 자외광, 청색광, 녹색광 또는 적색광 등의 소정의 파장에 피크를 갖는 광이다. 광(L1)의 피크에 있어서의 반치폭은, 예를 들면 50nm 이하 등의 협대역이어도 된다. 또한, 광(L1)은, DC 구동에 의한 연속광 또는 펄스광이지만, 이들에 한정되지 않는다.

렌즈(22)는, 투광 소자(21)와 검출 영역(DA) 사이에 배치되어 있다. 렌즈(22)는, 예를 들면 집광 렌즈이고, 투광 소자(21)로부터 출사된 광(L1)을 효율 좋게 검출 영역(DA)에 집광시킨다.

수광부(30)는, 복수의 입자(P) 중 적어도 1개인 대상 입자가 검출 영역(DA)을 통과한 경우에, 당해 대상 입자에 의한 광(L1)의 산란광(L2)을 수광한다. 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 수광부(30)는, 수광 소자(31)와, 렌즈(32)를 구비한다.

수광 소자(31)는, 예를 들면 포토다이오드, 포토트랜지스터, 또는 광전자 증배관 등의, 수광한 광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 소자이다. 수광 소자(31)는, 수광한 광의 수광 강도에 따른 전류 신호를 출력한다. 수광 소자(31)는, 투광 소자(21)가 출사하는 광(L1)의 파장 대역에 감도를 갖는다.

수광 소자(31)는, 검출 영역(DA)을 통과하는 입자(P)에 의한 광(L1)의 산란광(L2)을 수광한다. 또, 수광 소자(31)는, 미광을 수광한다. 미광은, 입자(P)가 검출 영역(DA)을 통과하고 있지 않을 때에 수광 소자(31)에 입사되는 광이다. 구체적으로는, 미광은, 검출 영역(DA)을 통과 중인 입자(P)에 의한 광의 산란광(L2) 이외의 광이고, 노이즈 성분에 상당한다. 즉, 미광은, 본래 수광되어서는 안 될 광이다. 미광에는, 투광부(20)에 부착된 입자에 의한 산란광(L3)(도 8을 참조) 등이 포함된다.

수광 소자(31)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 투광 소자(21)가 출사한 광(L1)의 직접광이 입사되지 않는 위치에 배치되어 있다. 구체적으로는, 수광 소자(31)는, 투광 소자(21)의 광축과 겹치지 않는 위치에 배치되어 있다. 한편, 투광 소자(21)의 광축은, 투광 소자(21)가 출사하는 광(L1) 중, 강도가 가장 강한 광의 경로에 상당한다. 구체적으로는, 투광 소자(21)의 광축은, 투광 소자(21)와 검출 영역(DA)을 연결하는 직선에 상당한다. 본 실시형태에서는, 수광 소자(31)는, 수광 소자(31)의 광축이 검출 영역(DA)에서 투광 소자(21)의 광축과 교차하도록 배치되어 있다.

렌즈(32)는, 수광 소자(31)와 검출 영역(DA) 사이에 배치되어 있다. 렌즈(32)는, 검출 영역(DA)에 있어서 입자(P)에 의해서 산란된 산란광(L2)을 효율 좋게 수광 소자(31)에 집광시킨다.

송풍 기구(40)는, 검출 영역(DA)을 통과하는 기류를 생성한다. 송풍 기구(40)는, 예를 들면, 히터 등의 발열 소자이고, 발열에 의한 상승 기류를 생성한다. 한편, 상승 기류를 효율 좋게 이용하기 위해, 본 실시형태에서는, 도 1∼도 3에 나타내는 Y축의 양방향이 연직 상방, Y축의 음방향이 연직 하방이 되도록, 입자 검출 센서(1)를 세워서 사용된다.

송풍 기구(40)는, 소형의 팬 등이어도 된다. 송풍 기구(40)는, 하우징(10)의 내부에 배치되어 있지만, 하우징(10)의 외측에 배치되어 있어도 된다.

신호 처리 회로(50)는, 복수의 입자(P)가 검출 영역(DA)을 통과하고 있지 않을 때에 수광부(30)에 의해서 수광되는 미광의 수광 강도의 경시 변화량을 취득한다. 신호 처리 회로(50)는, 취득한 경시 변화량에 기초해서, 산란광(L2)의 수광 강도를 보정한다. 신호 처리 회로(50)는, 보정된 산란광(L2)의 수광 강도에 기초해서, 대상 입자를 복수의 입자 사이즈 중 어느 하나로 분류하고, 또한, 검출된 대상 입자의 개수를 특정함으로써, 기체에 포함되는 입자(P)의 질량 농도를 산출한다. 신호 처리 회로(50)의 구체적인 처리에 대해서는, 후에 설명한다. 신호 처리 회로(50)는, 산출한 질량 농도를 센서 출력값으로서 외부 기기에 출력한다.

신호 처리 회로(50)는, 예를 들면 1 이상의 전자 부품으로 실현된다. 예를 들면, 신호 처리 회로(50)는, MPU(Micro Processing Unit) 등으로 실현된다.

제어 회로(60)는, 신호 처리 회로(50)가 경시 변화량을 취득하는 경우에, 송풍 기구(40)의 동작을 정지시킨다. 구체적으로는, 제어 회로(60)는, 신호 처리 회로(50)가 경시 변화량의 취득을 행하는 타이밍에, 송풍 기구(40)의 동작을 정지시킨다. 신호 처리 회로(50)는, 송풍 기구(40)의 동작이 정지하고 나서, 하우징(10) 내의 기류가 충분히 작아질 때까지 소정 기간 대기한 후에 수광부(30)가 수광한 미광의 수광 강도에 기초해서, 경시 변화량을 취득한다.

제어 회로(60)는, 예를 들면 1 이상의 전자 부품으로 실현된다. 예를 들면, 제어 회로(60)는, MPU 등으로 실현된다. 제어 회로(60)는, 신호 처리 회로(50)와 동일한 하드웨어 구성으로 실현되어 있어도 된다.

[동작]

계속해서, 입자 검출 센서(1)의 동작에 대해서, 도 4 및 도 5를 이용해서 설명한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 입자 검출 센서(1)에서는, 동작 기간 중에는, 투광 소자(21)가 항상 광(L1)을 출사하고 있다. 검출 영역(DA)을 입자(P)가 통과한 경우에, 통과 중인 입자(P)에 의한 산란광(L2)이 수광 소자(31)에 수광된다. 한편, 통과 중인 입자(P)는, 입자 검출 센서(1)의 검출의 대상이 되는 대상 입자이다.

도 5는, 도 4에 나타내는 동작 중에 수광 소자(31)로부터 출력된 전기 신호를 나타내는 도면이다. 도 5에 있어서, 가로축은 시간이고, 세로축은 신호 강도이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 수광 소자(31)로부터 출력되는 전기 신호의 신호 강도는, 입자가 검출되지 않는 경우에는, 대략 일정한 노이즈 레벨이다. 노이즈 레벨은, 하우징(10) 내에 발생하고, 수광 소자(31)에 입사될 수 있는 미광의 광량(이하, 간단히 「미광량」이라고 기재함)에 상당한다. 수광 소자(31)에 산란광(L2)이 입사된 경우, 전기 신호에는, 산란광(L2)의 수광 강도에 따른 피크(S)가 나타난다.

본 실시형태에서는, 신호 처리 회로(50)는, 산란광(L2)의 수광 강도에 기초해서 입자(P)의 사이즈의 분류를 행한다. 구체적으로는, 신호 처리 회로(50)는, 산란광(L2)의 수광 강도에 따른 피크의 크기에 기초해서, 입자(P)의 사이즈의 분류를 행한다.

도 6은, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)에 의한 입자(P)의 사이즈마다의 분류를 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 있어서, 가로축은 시간이고, 세로축은 수광 소자(31)로부터 출력되는 전기 신호의 신호 강도, 구체적으로는, 수광한 광의 강도이다. 도 6은, 검출 영역(DA)의 중심을 입자(P)가 통과한 경우의 입자(P)에 의한 산란광의 수광 강도와 입자의 사이즈의 관계를 나타내고 있다.

동작 기간 중에, 검출 영역(DA)을 입자(P)가 통과한 경우, 통과 중인 입자(P)에 의한 산란광(L2)이 수광 소자(31)에 입사된다. 이 때문에, 수광 소자(31)로부터 출력되는 전류 신호는, 그 신호 강도가 커진다. 예를 들면, 도 6에 나타내는 바와 같이, 입자(P)가 검출 영역(DA)을 통과할 때에, 전류 신호의 피크(S1∼S3)가 검출된다.

피크의 크기는, 검출 영역(DA)을 통과 중인 입자(P), 즉, 산란광(L2)을 생성시킨 입자(P)의 사이즈에 의존한다. 구체적으로는, 입자(P)가 클수록, 산란광(L2)의 수광 강도가 커지고, 신호 강도가 커진다. 입자(P)가 작을수록, 산란광(L2)의 수광 강도가 작아지고, 신호 강도가 작아진다.

신호 처리 회로(50)는, 신호 강도의 크기에 기초해서, 입자(P)를 사이즈마다 분류한다. 예를 들면, 신호 처리 회로(50)는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 신호 강도의 크기에 기초해서, 「대입자」, 「중입자」, 「소입자」의 3개의 사이즈로 입자(P)를 분류한다. 한편, 입자(P)의 분류수는, 3개에 한하지 않고, 2개여도 되고, 4개 이상이어도 된다.

본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)에서는, 실제로는, 검출 영역(DA)의 중심 이외의 부분을 통과하는 입자도 다수 포함된다. 예를 들면, 검출 영역(DA)의 끝을 큰 입자가 통과한 경우, 당해 입자에 의한 산란광의 수광 소자(31)에 의한 수광 강도가 작아진다. 이 때문에, 큰 입자임에도 불구하고, 당해 입자의 사이즈가 「소입자」라고 오판정될 수 있다.

본 실시형태에 따른 신호 처리 회로(50)는, 당해 오판정을 억제하기 위해, 예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같은, 신호 강도와, 입자의 사이즈마다의 입자의 빈도를 대응지은 히스토그램을 유지하고 있다. 도 7은, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)에 의해서 검출된 입자(P)의 히스토그램이다. 도 7에 있어서, 가로축은 신호 강도, 세로축은 입자의 사이즈마다의 입자의 빈도이다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 신호 강도가 큰 경우에는, 그 대부분이 대입자이다. 한편으로, 신호 강도가 작은 경우에는, 소입자뿐만이 아니라, 검출 영역(DA)의 중심 이외의 부분을 통과하는 대입자 및 중입자도 포함된다. 신호 처리 회로(50)는, 전기 신호의 피크 강도에 기초해서, 도 7에 나타내는 히스토그램을 참조함으로써, 당해 피크에 대응하는 입자(P)의 사이즈를 추정한다.

신호 처리 회로(50)는, 일정한 동작 기간 중에 검출된 입자(P)의 개수를 사이즈마다 카운트한다. 신호 처리 회로(50)는, 사이즈마다, 미리 정해진 평균 질량과, 카운트한 개수의 곱을 산출하고, 산출한 사이즈마다의 곱을 가산함으로써, 동작 기간 중의 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출한다.

계속해서, 투광부(20) 및 수광부(30)에 입자가 부착된 경우에 대해서 설명한다.

도 8은, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)의 투광부(20) 및 수광부(30)에 입자가 부착된 경우의 동작을 설명하기 위한 확대 단면도이다. 도 8은, 도 4와 마찬가지로, 도 3에 나타내는 단면에 있어서, 검출 영역(DA)을 포함하는 부분을 확대해서 나타내고 있다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 입자 검출 센서(1)는, 복수의 입자(P)를 포함하는 기체를 하우징(10)의 내부에 도입하는 것에 의해, 기체 중의 입자(P)의 질량 농도를 산출한다. 하우징(10)의 내부에 도입된 입자(P)는, 전부가 유출구(12)로부터 방출되는 것은 아니어서, 일부가 하우징(10)의 내부에 부착된다. 입자 검출 센서(1)의 동작 기간이 길어질수록, 하우징(10)의 내부에 부착되는 입자량이 증가하고, 미광량도 증가한다.

이 경우, 도 8에 나타내는 입자(P1, P2) 등과 같이, 투광부(20)의 렌즈(22) 및 수광부(30)의 렌즈(32)에도 입자는 부착된다.

투광부(20)의 렌즈(22)에 부착된 입자(P1)는, 투광 소자(21)로부터 출사된 광의 일부를 차단하는 경우가 있다. 이 때문에, 검출 영역(DA)에 도달하는 광(L1)이 감쇠한다. 검출 영역(DA)에 도달하는 광(L1)이 감쇠하는 것에 의해, 검출 영역(DA)을 통과하는 입자(P)에 의한 산란광(L2)도 감쇠한다. 또한, 수광부(30)의 렌즈(32)에 부착된 입자(P2)는, 입자(P)로부터의 산란광(L2)을 차단하는 경우가 있다. 이 때문에, 수광 소자(31)에 도달하는 산란광(L2)이 감쇠한다.

따라서, 도 9에 나타내는 바와 같이, 산란광(L2)에 대응하는 전기 신호의 피크는, 본래의 피크보다도, 그 신호 강도가 감소한다. 한편, 본래의 피크란, 투광부(20) 및 수광부(30)에 입자가 부착되어 있지 않는 경우(구체적으로는, 도 4에 나타내는 경우)의 산란광(L2)에 의한 피크이다.

여기에서, 도 9는, 도 8에 나타내는 동작 중에 수광 소자(31)로부터 출력된 전기 신호를 나타내는 도면이다. 도 9에 있어서, 가로축은 시간이고, 세로축은 신호 강도이다. 도 9에서는, 파선으로 본래의 피크의 신호 강도를 나타내고 있다.

또한, 입자(P1)는, 투광 소자(21)로부터 출사된 광의 일부를 산란시키는 경우가 있다. 입자(P1)에 의한 산란광(L3)은, 그 일부가 수광 소자(31)에 입사되는 경우가 있다. 입자(P1)는, 청소 작업에 의해서 제거되지 않는 한, 통상, 렌즈(22)에 부착된 그대로이다. 이 때문에, 입자(P1)에 의한 산란광(L3)의 일부는, 항상 수광 소자(31)에 미광으로서 입사된다.

따라서, 도 9에 나타내는 바와 같이, 수광 소자(31)로부터 출력되는 전기 신호의 노이즈 레벨, 즉, 미광량이 상승한다. 한편, 도 9에서는, 일점 쇄선으로 본래의 노이즈 레벨을 나타내고 있다.

이상과 같이, 투광부(20) 및 수광부(30)에 입자가 부착된 경우, 검출되어야 할 산란광(L2)의 신호 강도의 저하와, 노이즈 레벨, 즉, 미광량의 증가 양쪽이 일어난다. 한편, 검출 영역(DA)에 입자가 부착된 경우도 마찬가지이다.

그래서, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)에서는, 신호 처리 회로(50)는, 미광의 수광 강도의 경시 변화량을 취득하고, 취득한 경시 변화량에 기초해서, 산란광(L2)의 수광 강도를 보정한다. 신호 처리 회로(50)는, 보정된 산란광(L2)의 수광 강도에 기초해서, 기체에 포함되는 입자(P)의 질량 농도를 산출한다.

도 10은, 도 8에 나타내는 전기 신호의 보정 처리를 나타내는 도면이다. 도 10에 있어서, 가로축은 시간이고, 세로축은 신호 강도이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 신호 처리 회로(50)는, 보정 전의 피크(Sa)의 신호 강도로부터 노이즈 레벨의 상승량을 감산한 후, 감산 후의 피크에 보정 계수를 곱하는 것에 의해, 본래의 피크(Sb)를 생성한다. 한편, 도 10에 나타내는 노이즈 레벨의 상승량은, 미광의 수광 강도의 경시 변화량에 상당한다.

투광부(20) 또는 수광부(30)에 부착된 입자가 많을수록, 이들 입자에 의한 산란광(L3)이 증가하므로, 경시 변화량이 커진다. 또한, 투광부(20) 또는 수광부(30)에 부착된 입자가 많을수록, 본래 검출 영역(DA)까지 도달해야 할 광(L1), 및, 검출 영역(DA)을 통과 중인 입자(P)에 의한 산란광(L2)이 감소한다. 따라서, 경시 변화량이 클수록, 본래의 산란광(L2)의 신호 강도의 감소량이 커진다. 또한, 경시 변화량이 작을수록, 본래의 산란광(L2)의 신호 강도의 감소량이 작아진다.

따라서, 신호 처리 회로(50)는, 미광의 수광 강도의 경시 변화량이 클수록, 보정 계수를 크게 함으로써, 신호 강도의 감소량이 큰 피크(Sa)를 본래의 피크(Sb)로 보정한다. 또한, 신호 처리 회로(50)는, 미광의 수광 강도의 경시 변화량이 작을수록, 보정 계수를 작게 함으로써, 신호 강도의 감소량이 작은 피크(Sa)를 본래의 피크(Sb)로 보정한다.

이와 같이, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)에서는, 미광의 수광 강도의 경시 변화량을 취득하고, 취득한 경시 변화량에 기초해서 산란광(L2)의 수광 강도를 보정한다. 이에 의해, 입자(P)의 질량 농도의 산출 정확도를 높일 수 있다.

한편, 신호 처리 회로(50)는, 미광의 수광 강도의 경시 변화량뿐만이 아니라, 투광 소자(21)의 열화의 정도에 기초해서 산란광의 수광 강도를 보정해도 된다. 예를 들면, 경년 열화에 의해 투광 소자(21)로부터 출력되는 광(L1)의 강도가 저하된 경우, 입자(P)에 의한 산란광(L2)의 강도도 저하된다.

이 때문에, 신호 처리 회로(50)는, 투광 소자(21)로부터의 광 출력의 강도의 저하량을 취득하고, 취득한 저하량에 기초해서 산란광(L2)의 수광 강도를 보정해도 된다. 구체적으로는, 신호 처리 회로(50)는, 투광 소자(21)로부터의 광 출력의 강도의 저하량이 클수록, 보정 계수를 크게 함으로써, 신호 강도의 감소량이 큰 피크를 본래의 피크로 보정해도 된다. 신호 처리 회로(50)는, 투광 소자(21)로부터의 광 출력의 강도의 저하량이 작을수록, 보정 계수를 작게 함으로써, 신호 강도의 감소량이 작은 피크를 본래의 피크로 보정해도 된다.

[경시 변화량을 취득하는 타이밍]

계속해서, 미광의 수광 강도의 경시 변화량을 취득하는 타이밍에 대해서 설명한다.

도 11은, 본 실시형태에 입자 검출 센서(1)가 경시 변화량의 취득을 행하는 타이밍의 일례를 나타내는 도면이다. 도 11에 있어서, 가로축은 동작 시간이고, 세로축은 미광의 수광 강도(즉, 미광량)이다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 입자 검출 센서(1)의 동작 시간이 길어질수록, 하우징(10)의 내부에 부착되는 입자량이 증가하고, 미광량도 증가한다. 동작 시간과 미광량은, 예를 들면 선형의 관계를 갖는다.

이 때문에, 본 실시형태에서는, 신호 처리 회로(50)는, 미리 정해진 기간이 경과할 때마다 경시 변화량을 취득한다. 도 11에서는, 경시 변화량을 취득하는 타이밍을 파선으로 나타내고 있다. 신호 처리 회로(50)는, 도 11에 나타내는 타이밍에 취득한 경시 변화량에 기초해서, 산란광(L2)의 수광 강도를 보정한다. 구체적으로는, 신호 처리 회로(50)는, 제 1 타이밍에 경시 변화량을 취득한 경우, 다음 취득 타이밍인 제 2 타이밍에 동작 시간이 도달하기까지 사이, 제 1 타이밍에 취득한 경시 변화량에 기초해서, 산란광(L2)의 수광 강도를 보정한다. 제 1 타이밍부터 제 2 타이밍까지의 시간을 짧게 설정함으로써, 보정의 정밀도를 높일 수 있다.

또는, 신호 처리 회로(50)는, 동작 시간이 아니라, 질량 농도의 시간 누적값에 기초해서 경시 변화량을 취득해도 된다. 도 12는, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)가 경시 변화량의 취득을 행하는 타이밍의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 12에 있어서, 가로축은 질량 농도의 시간 누적값이고, 세로축은 미광의 수광 강도이다.

신호 처리 회로(50)는, 질량 농도의 시간 누적값을 산출한다. 신호 처리 회로(50)는, 질량 농도를 산출한 경우에, 산출한 값을 시간 누적값으로서 메모리(도시하지 않음)에 기억한다. 신호 처리 회로(50)는, 예를 들면 정기적으로 질량 농도의 산출을 반복하여 행하므로, 질량 농도의 산출을 행할 때마다, 메모리로부터 시간 누적값을 읽어내고, 읽어낸 시간 누적값과 새롭게 산출한 값을 가산한다. 신호 처리 회로(50)는, 가산 후의 값을 새로운 시간 누적값으로서 메모리에 기억한다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 질량 농도의 시간 누적값이 커질수록, 하우징(10)의 내부에 부착되는 입자량이 증가하고, 미광량도 증가한다. 시간 누적값과 미광량은, 예를 들면 선형의 관계를 갖는다.

이 때문에, 신호 처리 회로(50)는, 산출한 시간 누적값의 증가량으로서, 직전의 경시 변화량의 취득했을 때의 시간 누적값으로부터의 증가량이 소정의 임계값에 도달할 때마다 경시 변화량을 취득해도 된다. 도 12에서는, 경시 변화량을 취득하는 타이밍을 파선으로 나타내고 있다. 신호 처리 회로(50)는, 도 12에 나타내는 타이밍에 취득한 경시 변화량에 기초해서, 산란광의 수광 강도를 보정한다.

한편, 본 실시형태에서는, 도 1 및 도 2에서 나타낸 바와 같이, 하우징(10)에는, 내부에 부착된 입자를 제거하기 위한 덮개(13) 및 개구(14)가 마련되어 있다. 부착된 입자가 제거된 경우, 부착된 입자에 기인하는 미광량은 충분히 작아진다.

이 때문에, 신호 처리 회로(50)는, 또, 덮개(13)가 열린 후, 닫힌 경우에, 경시 변화량을 초기화한다. 예를 들면, 유저에 의해서 덮개(13)가 열려서 하우징(10)의 내부가 청소되고, 입자가 제거된 후, 덮개(13)가 다시 닫힌다. 입자가 제거되는 것에 의해, 미광량은 감소한다. 신호 처리 회로(50)는, 수광 소자(31)로부터 출력되는 전기 신호에 기초해서 미광량(즉, 노이즈 레벨)이 소정의 임계값 이하까지 감소했을 때, 경시 변화량을 초기화한다.

또는, 입자 검출 센서(1)는, 덮개(13)의 개폐를 검지하는 개폐 센서가 마련되어 있어도 된다. 이 경우, 신호 처리 회로(50)는, 개폐 센서로부터 출력되는 출력 신호에 기초해서, 덮개(13)가 닫힌 경우에 경시 변화량을 초기화한다. 또는, 입자 검출 센서(1)는, 청소의 완료를 유저로부터 접수하는 물리적인 버튼 등의 유저 인터페이스를 구비하고 있어도 된다.

[효과 등]

이상과 같이, 본 실시형태에 따른 입자 검출 센서(1)는, 계측 대상에 포함되는 복수의 입자(P)를 검출하는 입자 검출 센서로서, 검출 영역(DA)을 향해 광(L1)을 출사하는 투광부(20)와, 복수의 입자(P) 중 적어도 1개인 대상 입자가 검출 영역(DA)을 통과한 경우에, 당해 대상 입자에 의한 광(L1)의 산란광(L2)을 수광하는 수광부(30)와, 투광부(20) 및 수광부(30)를 수납하고, 내부에 검출 영역(DA)을 갖는 하우징(10)과, 신호 처리 회로(50)를 구비한다. 신호 처리 회로(50)는, 복수의 입자(P)가 검출 영역(DA)을 통과하고 있지 않을 때에 수광부(30)에 의해서 수광되는 미광의 수광 강도의 경시 변화량을 취득하고, 취득한 경시 변화량에 기초해서, 산란광(L2)의 수광 강도를 보정하고, 보정된 산란광(L2)의 수광 강도에 기초해서, 대상 입자를 복수의 입자 사이즈 중 어느 하나로 분류하고, 또한, 검출된 대상 입자의 개수를 특정함으로써, 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출한다.

이에 의해, 미광의 경시 변화량을 취득함으로써, 하우징(10) 내에 부착되어 있는 입자에 기인하는 신호 강도의 증가량 및 감소량을 고려하여, 산란광(L2)의 수광 강도를 보정할 수 있다. 입자 검출 센서(1)에서는, 보정된 산란광(L2)의 수광 강도에 기초해서 질량 농도를 산출하므로, 입자의 질량 농도를 정확도 좋게 산출할 수 있다.

또한, 예를 들면, 신호 처리 회로(50)는, 미리 정해진 기간이 경과할 때마다 경시 변화량을 취득한다.

이에 의해, 정기적으로 경시 변화량을 갱신할 수 있으므로, 질량 농도의 산출의 정확도를 항상 높게 유지할 수 있다.

또한, 예를 들면, 신호 처리 회로(50)는, 산출한 질량 농도의 시간 누적값을 더 산출하고, 산출한 시간 누적값의 증가량으로서, 직전의 경시 변화량을 취득했을 때의 시간 누적값으로부터의 증가량이 소정의 임계값에 도달할 때마다 경시 변화량을 취득해도 된다.

이에 의해, 질량 농도의 시간 누적값은, 하우징(10) 내를 통과한 입자의 누적량에 상당하므로, 하우징(10) 내에 부착된 입자의 양이 많아질 때마다, 경시 변화량을 갱신할 수 있다. 따라서, 입자 검출 센서(1)는, 질량 농도의 산출의 정확도를 항상 높게 유지할 수 있다.

또한, 예를 들면, 하우징(10)은, 개폐 자재인 덮개(13)를 갖는다.

이에 의해, 덮개(13)를 열어서 하우징(10)의 내부를 청소할 수 있다. 하우징(10)의 내부에 부착된 입자를 제거할 수 있으므로, 입자 검출 센서(1)의 장(長)수명화를 실현할 수 있다.

또한, 예를 들면, 신호 처리 회로(50)는, 또, 덮개(13)가 열린 후, 닫힌 경우에, 경시 변화량을 초기화한다.

이에 의해, 경시 변화량을 초기화함으로써, 경시 변화량에 기초하는 산란광(L2)의 수광 강도의 보정의 정확도를 높일 수 있다. 따라서, 입자 검출 센서(1)는, 입자의 질량 농도를 정확도 좋게 산출할 수 있다.

또한, 예를 들면, 입자 검출 센서(1)는, 검출 영역(DA)을 통과하는 기류를 생성하는 송풍 기구(40)와, 신호 처리 회로(50)가 경시 변화량을 취득하는 경우에, 송풍 기구(40)의 동작을 정지시키는 제어 회로(60)를 더 구비한다.

이에 의해, 경시 변화량을 취득하는 경우, 검출 영역(DA)을 통과하는 입자에 의한 산란광(L2)이 아니라, 미광을 수광부(30)에 수광시킬 필요가 있다. 이 때문에, 제어 회로(60)가 송풍 기구(40)의 동작을 정지시킴으로써, 외부로부터 입자(P)가 하우징(10)의 내부에 취입되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 수광부(30)는, 미광을 정밀도 좋게 수광하기 쉬워진다. 이 때문에, 입자 검출 센서(1)는, 경시 변화량을 정밀도 좋게 취득할 수 있으므로, 질량 농도를 정확도 좋게 산출할 수 있다.

또한, 예를 들면, 투광부(20)는, 레이저 소자를 갖는다.

레이저 소자는, 일반적으로 수광 소자를 구비하고 있고, 출사하는 광(L1)의 강도를 검출할 수 있다. 이 때문에, 레이저 소자로부터 출사되는 광(L1)의 강도를 검출함으로써, 레이저 소자의 열화를 정밀도 좋게 검출할 수 있다. 따라서, 투광부(20)의 열화에 기초하는, 산란광(L2)의 수광 강도의 저하를 보정할 수 있다. 이에 의해, 입자 검출 센서(1)에 의하면, 입자의 질량 농도를 더 정확도 좋게 산출할 수 있다.

(기타)

이상, 본 발명에 따른 입자 검출 센서에 대해서, 상기의 실시형태에 기초해서 설명했지만, 본 발명은, 상기의 실시형태로 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 상기의 실시형태에서는, 계측 대상이 기체인 경우를 설명했지만, 이에 한정되지 않는다. 계측 대상은, 액체여도 된다. 입자 검출 센서(1)는, 물 등의 액체 중에 포함되는 입자를 검출하고, 질량 농도를 산출한다. 이 경우, 입자 검출 센서(1)는, 하우징(10)의 외측면에 장착된 신호 처리 회로(50)가 액체에 접촉하는 것을 막는 방수 기구를 갖는다. 방수 기구는, 예를 들면, 신호 처리 회로(50)를 덮도록 마련된 금속제의 실드 부재이다. 당해 실드 부재는, 예를 들면 용접 등에 의해 하우징(10)에 간극 없이 고정된다.

또한, 예를 들면, 하우징(10)은, 덮개(13) 및 개구(14)를 구비하지 않아도 된다. 유입구(11) 또는 유출구(12)를 청소용의 창으로서 이용해도 된다.

또한, 예를 들면, 입자 검출 센서(1)는, 송풍 기구(40)를 구비하지 않아도 된다. 예를 들면, 입자 검출 센서(1)는, 일정 방향으로 기류가 흐르고 있는 장소에, 유입구(11)가 기류의 상류측, 유출구(12)가 하류 측에 위치하도록 배치되어도 된다.

또한, 예를 들면, 상기의 실시형태에서는, 투광부(20) 및 수광부(30)의 각각이 렌즈를 구비하는 예에 대해서 나타냈지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 투광부(20) 및 수광부(30) 중 적어도 한쪽은, 렌즈 대신에, 미러(반사체)를 구비해도 된다.

한편, 입자 검출 센서(1)는, 예를 들면, 에어컨, 공기 청정기, 환기팬 등의 각종 가전 기기 등에 탑재된다. 각종 가전 기기는, 입자 검출 센서(1)에 의해서 검출된 입자의 질량 농도에 따라서, 그 동작을 제어해도 된다. 예를 들면, 공기 청정기는, 입자의 질량 농도가 소정의 임계값보다 큰 경우에, 운전 강도(구체적으로는, 공기의 정화력)를 강하게 해도 된다.

기타, 각 실시형태에 대해서 당업자가 생각해 내는 각종 변형을 실시해서 얻어지는 형태나, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 각 실시형태에 있어서의 구성 요소 및 기능을 임의로 조합함으로써 실현되는 형태도 본 발명에 포함된다.

1: 입자 검출 센서
10: 하우징
13: 덮개
20: 투광부
21: 투광 소자(레이저 소자)
30: 수광부
40: 송풍 기구
50: 신호 처리 회로
60: 제어 회로

Claims

계측 대상에 포함되는 복수의 입자를 검출하는 입자 검출 센서로서,
검출 영역을 향해 광을 출사하는 투광부와,
상기 복수의 입자 중 적어도 1개인 대상 입자가 상기 검출 영역을 통과한 경우에, 당해 대상 입자에 의한 상기 광의 산란광을 수광하는 수광부와,
상기 투광부 및 상기 수광부를 수납하고, 내부에 상기 검출 영역을 갖는 하우징과,
신호 처리 회로를 구비하고,
상기 신호 처리 회로는,
상기 복수의 입자가 상기 검출 영역을 통과하고 있지 않을 때에 상기 수광부에 의해서 수광되는 미광(迷光; stray light)의 수광 강도의 경시 변화량을 취득하고,
취득한 경시 변화량에 기초해서, 상기 산란광의 수광 강도를 보정하고,
보정된 상기 산란광의 수광 강도에 기초해서, 상기 대상 입자를 복수의 입자 사이즈 중 어느 하나로 분류하고, 또한, 검출된 대상 입자의 개수를 특정함으로써, 상기 계측 대상에 포함되는 입자의 질량 농도를 산출하는
입자 검출 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 신호 처리 회로는, 미리 정해진 기간이 경과할 때마다 상기 경시 변화량을 취득하는
입자 검출 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 신호 처리 회로는, 산출한 질량 농도의 시간 누적값을 더 산출하고, 산출한 시간 누적값의 증가량으로서, 직전의 상기 경시 변화량을 취득했을 때의 시간 누적값으로부터의 증가량이 소정의 임계값에 도달할 때마다 상기 경시 변화량을 취득하는
입자 검출 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하우징은, 개폐 자재인 덮개를 갖는
입자 검출 센서.
제 4 항에 있어서,
상기 신호 처리 회로는, 또, 상기 덮개가 열린 후, 닫힌 경우에, 상기 경시 변화량을 초기화하는
입자 검출 센서.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출 영역을 통과하는 기류를 생성하는 송풍 기구와,
상기 신호 처리 회로가 상기 경시 변화량을 취득하는 경우에, 상기 송풍 기구의 동작을 정지시키는 제어 회로를 더 구비하는
입자 검출 센서.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 투광부는, 레이저 소자를 갖는
입자 검출 센서.