WO2017090134A1 - 粒子センサ - Google Patents

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light receiving
particle
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Inventor
由行 河上
和也 平尾
Original Assignee
神栄テクノロジー株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke

Definitions

  • the present invention relates to a particle sensor for detecting particles such as pollen, mist, dust, dust, fine particulate matter such as PM2.5, and suspended particles.
  • Patent Document 1 discloses a pollen sensor capable of counting pollen particles in real time at a place to be measured without requiring special skill and capable of identifying pollen particles and dust with high accuracy.
  • the pollen sensor includes a light emitting means for irradiating air containing suspended particles with irradiation light in a predetermined polarization direction, a first light receiving means for detecting scattered light from the suspended particles and measuring the intensity I of the scattered light.
  • the second light receiving means for detecting the scattered light in the polarization direction orthogonal to the polarization direction of the irradiation light of the scattered light by the suspended particles and measuring the intensity Is of the orthogonal scattered light, the intensity I of the scattered light and the Based on the intensity Is of orthogonal scattered light, an identification means for identifying pollen particles and dust is provided.
  • Patent Document 2 discloses a mist particle and a mist sensor that can be detected even when the mist particle concentration is low and can be detected at an early stage when the mist is generated.
  • the fog particles and fog sensor include a light emitting unit having a semiconductor laser that emits linearly polarized light perpendicular to the paper surface and a lens that collimates incident light in a light shielding housing, and a direction of 60 degrees with respect to the incident optical axis.
  • the first light receiving unit is composed of a condensing lens and a photodiode that measures the intensity I of scattered light
  • the second light receiving unit is only a condensing lens and polarized light orthogonal to the incident light.
  • the suspended particles are fog particles. Judge whether there is.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional dust sensor disclosed in Non-Patent Document 1.
  • a light emitting diode hereinafter referred to as LED (Light Emitting Diode)
  • LED Light Emitting Diode
  • a light receiving element 2 that is, for example, a photodiode
  • the optical axis is arranged to be 120 degrees, for example.
  • the air heated by the heater resistor 4 enters the detection chamber 3 in the introduction direction 101 from the introduction port 111, and then is discharged from the discharge port 102 in the discharge direction 112.
  • the irradiation light emitted by the LED 1 enters the detection chamber 3 through the lens 21 and is scattered by dust in the detection chamber 3 to become scattered light.
  • the scattered light is received by the light receiving element 2 through the lens 22.
  • the light receiving element 2 generates an electrical signal proportional to the intensity of the received scattered light and outputs it to the detection circuit 10.
  • the detection circuit 10 amplifies the received electrical signal, detects the intensity of the scattered light based on the amplified electrical signal, and displays it on a display device (not shown).
  • the dust sensor of the conventional example uses a bullet-type LED 1 as a light-emitting element, uses a part such as a bullet-type or side-face type photodiode as a light-receiving element 2, and mounts the lenses 21 and 22. There was a problem that could not.
  • An object of the present invention is to solve the above problems and provide a particle sensor that can be reduced in size as compared with the conventional example.
  • the particle sensor according to the first invention is: A light emitting means for irradiating irradiation light into air containing particles; In a particle sensor comprising light receiving means for detecting scattered light from the particles and detecting the intensity of the scattered light,
  • the light receiving means is a surface mount type light receiving element surface mounted on a substrate,
  • the particle sensor A prism provided between the detection position of the particles and the light receiving means, the first lens for condensing the scattered light and converting it into the condensed light; and reflecting the converted light And a second lens for focusing the reflected light on the light receiving means.
  • the prism is integrally formed.
  • the particle sensor according to the second invention is A light emitting means for irradiating irradiation light into air containing particles;
  • a particle sensor comprising light receiving means for detecting scattered light from the particles and detecting the intensity of the scattered light
  • the light emitting means is a surface mount type light emitting element surface mounted on a substrate
  • the particle sensor A prism provided between the particle detection position and the light emitting means, the first lens for condensing the irradiation light and converting it into the condensed light; and reflecting the converted light
  • the particle sensor according to the third invention is A light emitting means for irradiating irradiation light into air containing particles;
  • a particle sensor comprising light receiving means for detecting scattered light from the particles and detecting the intensity of the scattered light
  • the light emitting means is a surface mount type light emitting element surface mounted on a substrate
  • the light receiving means is a surface mount type light receiving element surface mounted on the substrate
  • the particle sensor A prism provided between the particle detection position and the light emitting means, the first lens for condensing the irradiation light and converting it into the condensed light; and reflecting the converted light
  • a prism provided between the detection position of the particles and the light receiving means, and a third lens for condensing the scattered light and converting it into the condensed light, and reflecting the converted light
  • the light emitting means is a light emitting diode.
  • the light emitting means is a semiconductor laser element.
  • the particle sensor further includes an aperture window that is provided between the light emitting means and the particle and irradiates the particle with the irradiation light through a predetermined window.
  • the particle sensor further comprises a moving means for moving the particles in a predetermined direction.
  • the light receiving means is a surface mount type light receiving element surface-mounted on a substrate
  • the particle sensor is a prism provided between the particles and the light receiving means.
  • a prism formed integrally with the second lens Therefore, the size can be greatly reduced as compared with the conventional example.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 1, illustrating a schematic configuration of the particle sensor in FIG. 1. It is a top view of the 2nd case 40 of the particle sensor of Drawing 1. It is a top view of the 1st case 50 of the particle sensor of Drawing 1. It is a perspective view which shows the external appearance of the particle
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a particle sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 1, and is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the particle sensor of FIG.
  • the wall portions 46 to 49 of the second case 40 and the wall portions 56 to 59 of the first case 50 are omitted mainly to illustrate the gist of the invention. For convenience of illustration, hatching of the cross section of each optical element component is omitted.
  • the particle sensor has an upper side in the vertical direction with respect to the ground and a lower side in the vertical direction with respect to the ground. Arranged to be parallel to the vertical direction.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view taken along the optical axes 1a and 16a of FIG. 2 (bent at a position 23).
  • the particle sensor according to the present embodiment detects particles.
  • the particles refer to particles such as pollen, mist, dust, dust, fine particulate matter such as PM2.5, and suspended particles.
  • the particle sensor detects light scattered by the LED 1 as a light emitting means for irradiating irradiation light into air containing particles, and particles at a position 23 in the detection chamber 3,
  • a particle sensor provided with a light receiving element 2A for detecting the intensity of the scattered light, the light receiving element 2A being a surface-mounted photodiode (or phototransistor) mounted on the surface of the substrate 11, and detecting particles
  • the prism 15 between the light receiving element 2A and the light receiving element 2A the size is reduced as compared with the conventional example of FIG.
  • the prism 15 is (1) a convex lens 16 formed on the incident surface 15a for condensing scattered light and converting it into condensed light (for example, parallel light); (2) a reflective surface 15b that reflects the converted light; (3) A convex lens 17 formed on the emission surface 15c and focusing the reflected light on the light receiving element 2 is integrally formed.
  • the prism 15 is formed such that the entrance surface 15a and the exit surface 15c are orthogonal to each other, and the reflection surface 15b forms an angle of 45 degrees with the entrance surface 15a and the exit surface 15c.
  • the prism 15 is formed of a material such as organic glass or transparent plastic.
  • the LED 1 and the prism 15 in order to detect the scattered light of particles, have an optical axis 1 a of irradiation light emitted by the LED 1 and an optical axis 16 a of the convex lens 16 of the prism 15, for example, 120. Arranged to be degrees. Further, as shown in FIG. 1, in order to receive light by the surface-mounted light receiving element 2A, the prism 15 and the light receiving element 2A are composed of an optical axis 16a of the convex lens 16 and an optical axis 17a of the convex lens 17 (this is the light receiving element 2A).
  • the prism 15 is provided on the light receiving surface of the light receiving element 2A so that the light emitted from the convex lens 17 is focused.
  • the convex lens 16 provided on the incident surface 15a of the prism 15 is formed so as to be embedded in the prism 15 so that the tip surface of the incident surface coincides with the incident surface 15a.
  • the convex lens 17 provided on the exit surface 15c of the prism 15 is formed such that the tip surface of the exit surface protrudes from the exit surface 15c. This will be described in detail later.
  • the irradiation light of the LED 1 has a larger beam diameter than the irradiation light from the semiconductor laser element, for example, so that the beam is narrowed, preferably between the LED 1 and the position 23.
  • a diaphragm window 12 having a through hole 12h coaxial with 1a is provided.
  • a diaphragm window 14 having a through hole 14h is provided.
  • Heating the air with the heater resistor 4 causes the air to move upward in the vicinity of the position 23 in the introduction direction 201 and to move in the discharge direction 202. Along with this, the particles contained in the air pass in the vicinity of the position 23 in the introduction direction 201 and move upward, and move in the discharge direction 202.
  • Irradiation light from the LED 1 is irradiated to the vicinity of the position 23 through the aperture window 12, and is scattered by particles passing near the position 23 to generate scattered light.
  • the scattered light is incident on the convex lens 16 of the prism 15 through the aperture windows 13 and 14.
  • the convex lens 16 collimates the incident scattered light into parallel light and emits it to the reflecting surface 15b.
  • the reflecting surface 15 b totally reflects incident parallel light and emits it toward the convex lens 17.
  • the convex lens 17 causes the light receiving element 2A to receive the incident parallel light of the scattered light so as to be focused by the light receiving element 2A.
  • the light receiving element 2A generates an electrical signal proportional to the intensity of the received scattered light and outputs it to the detection circuit 10 on the substrate 11.
  • the detection circuit 10 amplifies the received electrical signal, detects the intensity of the scattered light based on the amplified electrical signal, and displays it on a display device (not shown).
  • FIG. 3 is a plan view of the second case 40 of the particle sensor of FIG.
  • FIG. 4 is a plan view of the first case 50 of the particle sensor of FIG.
  • the second case 40 in FIG. 3 has an LED mounting portion 41, an aperture window mounting portion 42, an aperture window mounting portion 43, an aperture window mounting portion 44, and a prism mounting portion 45.
  • the LED mounting portion 41 and the diaphragm window mounting portion 42 are formed by the wall portion 46.
  • the diaphragm window mounting portion 43, the diaphragm window mounting portion 44, and the prism mounting portion 45 are formed by a wall portion 47.
  • the walls 48 and 49 are formed to guide the exhausted air to the exhaust port 62.
  • the LED mounting portion 51 and the diaphragm window mounting portion 52 are formed by the wall portion 56.
  • the diaphragm window mounting part 53, the diaphragm window mounting part 54, and the prism mounting part 55 are formed by a wall part 57.
  • the walls 58 and 59 are formed to guide the exhausted air to the exhaust port 62.
  • the wall portion 46 is fixed to face the wall portion 56
  • the wall portion 47 is fixed to face the wall portion 57
  • the wall portion 48 is fixed to face the wall portion 58
  • the wall portion 49 is fixed to face the wall portion 59.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the appearance of the particle sensor of FIG. FIG. 5 shows an external appearance when the second case 40 and the first case 50 are fitted so as to face each other.
  • the air inlet 61 is formed in the lower right part of the front surface of the first case 50
  • the air outlet 62 is formed in the upper right part of the front surface of the first case 50.
  • the signal level increases. This is because scattered light proportional to the light power of the light source can be obtained by the known Mie scattering theory.
  • the closer the incident surface 15a, which is the light receiving surface, is to the light source the wider the solid angle of the scattered light and the greater the amount of scattered light.
  • the light receiving surface is close to the light source, the direct light from the light source easily reaches the light receiving surface, which becomes a noise component.
  • the aperture windows 12, 13, and 14 are arranged on the light source side and the light receiving side, and even if an extinguishing chamber is formed so that unnecessary light does not reach the light receiving element 2 directly. Good. In order to realize these, it is necessary to arrange the position 23 where the scattered light from the particles is generated to be far away from the light source. Further, since it is necessary to send (ventilate) the particles to the position 23 where the scattered light is generated by the particles, a flow path of a certain size is required in the detection chamber 3.
  • the shapes of the cases 40 and 50 are devised, and the prism 15 is used for focusing in addition to the aperture windows 12 to 14 and the quenching room, so that unnecessary light is directly received by the light receiving element 2A. Measures are taken such as not reaching the light receiving surface.
  • the focal length of the convex lens 16 on the incident surface 15a side is longer than the focal length of the convex lens 17 on the outgoing surface 15c side in order to obtain a diaphragm necessary for stray light processing from the light source to the prism 15.
  • the focal length of the convex lens 17 is shortened.
  • the reason why the shape of the prism 15 is different depending on the surfaces 15a and 15c is as follows. Since the focal lengths of the prisms 15 are different as described above, the surface of the convex lens 17 is convex and the surface of the convex lens 16 is substantially coincident with the incident surface 15a so that the orientation can be understood with emphasis on the workability of assembly. A flat surface is formed.
  • the particle sensor according to this embodiment includes the surface-mounted surface-mounted light receiving element 2A and the prism 15 integrated with the two convex lenses 16 and 17, so that FIG.
  • the space of the light receiving element 2 in the conventional example can be eliminated, and the size can be greatly reduced as compared with the conventional example.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of the particle sensor according to the first modification.
  • the particle sensor of FIG. 6 differs from the particle sensor of FIG. 1 in the following points.
  • the LED 1 in FIG. 1 is composed of a surface-mounted LED 1A and is arranged at the position of the light receiving element 2A on the substrate 11.
  • the surface-mounted light-receiving element 2A in FIG. 1 is constituted by, for example, a bullet-type light-receiving element 2B that is not a surface-mounted type, and is disposed at the position of the LED 1 in FIG.
  • the optical path is opposite to that of the embodiment of FIG.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of the particle sensor according to the second modification.
  • the particle sensor of FIG. 7 differs from the particle sensor of FIG. 1 in the following points.
  • the LED 1 in FIG. 1 is composed of a surface-mounted LED 1A and disposed at a position on the substrate 11.
  • the aperture window 114 has a through hole 114h coaxial with the optical axis 116a
  • the aperture window 113 has a through hole 113h coaxial with the optical axis 116a.
  • the prism 115 is configured as follows similarly to the prism 15.
  • the prism 115 is (1) A convex lens 117 that is formed on the incident surface 115c and condenses the irradiation light from the surface-mounted LED 1A and converts it into condensed light (for example, parallel light); (2) a reflecting surface 115b that reflects the converted light; (3) A convex lens 116 that is formed on the emission surface 115a and focuses the reflected light on the position 23 of the detection chamber 3 is integrally formed.
  • the prism 115 is formed such that the entrance surface 115c and the exit surface 115a are orthogonal to each other, and the reflection surface 115b forms an angle of 45 degrees with the entrance surface 115c and the exit surface 115a.
  • the prism 115 is formed of a material such as organic glass or transparent plastic.
  • the prisms 15 and 115 include an optical axis 116a of the prism 115 after the irradiation light emitted by the LED 1A is reflected, and the convex lens 16 of the prism 15.
  • the optical axis 16a is disposed so as to be 120 degrees, for example.
  • the prism 115 is provided on the radiation surface of the surface mount LED 1A so that the light irradiated to the convex lens 117 is focused.
  • the irradiation light from the surface-mounted LED 1A is reflected by the prism 115 and then scattered by particles at the position 23 of the detection chamber 3 through the aperture windows 114 and 113.
  • the scattered light is reflected by the prism 15 through the aperture windows 13 and 14, and then received by the surface-mounted light receiving element 2A.
  • the LEDs 1 and 1A are used.
  • the present invention is not limited to this, and a semiconductor laser element may be used.
  • the diaphragm window 12 or the like may not be provided.
  • the diaphragm windows 13 and 14 may not be provided due to unnecessary light intensity.
  • the air containing the particles is moved by the heater resistor 4.
  • the present invention is not limited to this and may be moved by a fan instead of the heater resistor 4.
  • LED Light emitting diode
  • 1A Surface mount type light emitting diode (LED)
  • 2A Surface mount type light receiving element
  • 2B light receiving element
  • 3 detection chamber
  • 10 Detection circuit, 11 ... substrate 12, 13, 14, 113, 114 ... aperture window, 15, 115 ... Prism, 15a, 115c ... incidence surface, 15b, 115b ... reflective surface, 15c, 115a ... emitting surface, 16, 17, 116, 117 ... convex lens, 40 ... Second case, 50 ... the first case, 61 ... Introduction port, 62 ... discharge port, 201 ... introduction direction, 202 ... Discharge direction.

Abstract

　粒子を含有する空気中に照射光を照射する発光手段と、上記粒子による散乱光を検出し、当該散乱光の強度を検出する受光手段とを備えた粒子センサにおいて、上記受光手段は基板上に表面実装された表面実装型受光素子であり、上記粒子センサは、上記粒子と上記受光手段との間に設けられたプリズムであって、上記散乱光を集光して平行光に変換する第１のレンズと、上記変換された平行光を反射する反射面と、上記反射された平行光を上記受光手段に合焦させる第２のレンズとが一体的に形成されたプリズムを備える。

Description

粒子センサ
　本発明は、例えば花粉、霧、ホコリ、粉塵、ＰＭ２．５などの微小粒子状物質、浮遊粒子等の粒子を検出する粒子センサに関する。
　例えば、特別な熟練を要することなく、測定すべき場所でリアルタイムで花粉粒子の計数を行うことができ、しかも、花粉粒子と土埃とを高い精度で識別を行うことができる花粉センサが特許文献１において開示されている。当該花粉センサは、浮遊粒子を含有する空気中に所定の偏光方向の照射光を照射する発光手段と、前記浮遊粒子による散乱光を検出し、散乱光の強度Ｉを測定する第１受光手段と、前記浮遊粒子による散乱光のうちの照射光の偏光方向に直交する偏光方向の散乱光を検出し、直交散乱光の強度Ｉｓを測定する第２受光手段と、前記散乱光の強度Ｉと前記直交散乱光の強度Ｉｓとに基づいて、花粉粒子と土埃との識別を行う識別手段とを備えたことを特徴としている。
　また、例えば、霧粒子濃度が低くても検知でき、霧発生時の早い段階での検知を可能とする霧粒子及び霧センサが特許文献２において開示されている。当該霧粒子及び霧センサは、遮光ハウジング内に、紙面に直角方向の直線偏光を発する半導体レーザー及び入射光を平行光にするレンズを有する発光部と、入射光軸に対して６０度の方向に配置された第１の受光部と第２の受光部と、サンプルエアーを取り込む空気吸引口と、サンプルエアーを検出域に供給する吸引ファンとを設ける。第１の受光部は、集光用のレンズと、散乱光の強度Ｉを測定するフォトダイオードとによって構成し、第２の受光部は、集光用のレンズと、入射光に直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタと、偏光フィルタを透過した散乱光の強度ＩＳを測定するためのフォトダイオードとによって構成し、Ｉと、Ｉ及びＩＳから求めた偏光度とに基づき、浮遊粒子が霧粒子であるか否かの判断を行う。
　図８は、非特許文献１において開示された、従来例のホコリセンサの概略構成を示す横断面図である。図８において、発光素子である発光ダイオード（以下、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）という。）１と、例えばフォトダイオードである受光素子２は、ＬＥＤ１により発光される照射光の光軸と、受光素子２の光軸とが例えば１２０度となるように配置される。ここで、ヒーター抵抗４により熱せられた空気は、導入口１１１から導入方向１０１で検出室３に入った後、排出方向１１２で排出口１０２から排出される。このとき当該空気の流れでホコリがホコリセンサの下側から上側に向かって移動する。このとき、ＬＥＤ１により発光された照射光はレンズ２１を介して検出室３に入射し、検出室３内のホコリにより散乱して散乱光となる。当該散乱光はレンズ２２を介して受光素子２により受光される。受光素子２は受光した散乱光の強度に比例した電気信号を発生して検出回路１０に出力する。検出回路１０は受信した電気信号を増幅した後、増幅した電気信号に基づいて散乱光の強度を検出して表示装置（図示せず）に表示する。
特開２００５－２８３１５２号公報 特開２００７－２７８８５８号公報
神栄テクノロジー，「ホコリセンサ」，［平成２７年１１月１１日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｈｉｎｙｅｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｓｔｃ／ｏｐｔｉｃａｌ／ｍａｉｎ＿ｄｕｓｔ．ｈｔｍｌ＞
　しかしながら、従来例のホコリセンサでは、発光素子に砲弾型ＬＥＤ１を用い、受光素子２として砲弾型又は側面型のフォトダイオードなどの部品を用い、レンズ２１，２２を実装しているために、小型化ができないという問題点があった。
　本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来例に比較して小型化できる粒子センサを提供することにある。
　第１の発明にかかる粒子センサは、
　粒子を含有する空気中に照射光を照射する発光手段と、
　上記粒子による散乱光を検出し、当該散乱光の強度を検出する受光手段とを備えた粒子センサにおいて、
　上記受光手段は基板上に表面実装された表面実装型受光素子であり、
　上記粒子センサは、
　上記粒子の検出位置と上記受光手段との間に設けられたプリズムであって、上記散乱光を集光して集光された光に変換する第１のレンズと、上記変換された光を反射する反射面と、上記反射された光を上記受光手段に合焦させる第２のレンズとが一体的に形成されたプリズムを備えたことを特徴とする。
　第２の発明にかかる粒子センサは、
　粒子を含有する空気中に照射光を照射する発光手段と、
　上記粒子による散乱光を検出し、当該散乱光の強度を検出する受光手段とを備えた粒子センサにおいて、
　上記発光手段は基板上に表面実装された表面実装型発光素子であり、
　上記粒子センサは、
　上記粒子の検出位置と上記発光手段との間に設けられたプリズムであって、上記照射光を集光して集光された光に変換する第１のレンズと、上記変換された光を反射する反射面と、上記反射された光を上記粒子の検出位置に合焦させる第２のレンズとが一体的に形成されたプリズムを備えたことを特徴とする。
　第３の発明にかかる粒子センサは、
　粒子を含有する空気中に照射光を照射する発光手段と、
　上記粒子による散乱光を検出し、当該散乱光の強度を検出する受光手段とを備えた粒子センサにおいて、
　上記発光手段は基板上に表面実装された表面実装型発光素子であり、
　上記受光手段は上記基板上に表面実装された表面実装型受光素子であり、
　上記粒子センサは、
　上記粒子の検出位置と上記発光手段との間に設けられたプリズムであって、上記照射光を集光して集光された光に変換する第１のレンズと、上記変換された光を反射する反射面と、上記反射された光を上記粒子の検出位置に合焦させる第２のレンズとが一体的に形成された第１のプリズムと、
　上記粒子の検出位置と上記受光手段との間に設けられたプリズムであって、上記散乱光を集光して集光された光に変換する第３のレンズと、上記変換された光を反射する反射面と、上記反射された光を上記受光手段に合焦させる第４のレンズとが一体的に形成された第２のプリズムを備えたことを特徴とする。
　上記粒子センサにおいて、上記発光手段は発光ダイオードであることを特徴とする。
　また、上記粒子センサにおいて、上記発光手段は半導体レーザ素子であることを特徴とする。
　ここで、上記粒子センサにおいて、上記発光手段と上記粒子との間に設けられ、上記照射光を所定の窓を介して上記粒子に照射する絞り窓をさらに備えたことを特徴とする。
　さらに、上記粒子センサにおいて、上記粒子を所定の方向に移動させる移動手段をさらに備えたことを特徴とする。
　本発明に係る粒子センサによれば、上記受光手段は基板上に表面実装された表面実装型受光素子であり、上記粒子センサは、上記粒子と上記受光手段との間に設けられたプリズムであって、上記散乱光を集光して集光された光に変換する第１のレンズと、上記変換された光を反射する反射面と、上記反射された光を上記受光手段に合焦させる第２のレンズとが一体的に形成されたプリズムを備える。従って、従来例に比較して大幅に小型化できる。
本発明の一実施形態にかかる粒子センサの概略構成を示す縦断面図である。 図１のＡ－Ａ’線の断面図であって、図１の粒子センサの概略構成を示す横断面図である。 図１の粒子センサの第２のケース４０の平面図である。 図１の粒子センサの第１のケース５０の平面図である。 図１の粒子センサの外観を示す斜視図である。 変形例１にかかる粒子センサの概略構成を示す縦断面図である。 変形例２にかかる粒子センサの概略構成を示す縦断面図である。 従来例のホコリセンサの概略構成を示す横断面図である。
　図１は本発明の一実施形態にかかる粒子センサの概略構成を示す縦断面図である。また、図２は図１のＡ－Ａ’線の断面図であって、図１の粒子センサの概略構成を示す横断面図である。なお、図１及び図２において、主として発明の要旨を図示するために第２のケース４０の壁部４６～４９及び第１のケース５０の壁部５６～５９の図示を省略している。また、図示の便宜上、各光学素子部品の断面をハッチングすることを省略する。なお、図２において、粒子センサは図面上側が地面に対して垂直方向の上側に位置し、図面下側が地面に対して垂直方向の下側に位置するように、すなわち、図１の縦断面が垂直方向と平行となるように配置される。また、図１は図２の光軸１ａ及び１６ａに沿った（位置２３で折り曲げた）縦断面図である。
　本実施形態にかかる粒子センサは粒子を検出するものであり、ここで、粒子とは、花粉、霧、ホコリ、粉塵、ＰＭ２．５などの微小粒子状物質、浮遊粒子等の粒子をいう。図１及び図２に示すように、当該粒子センサは、粒子を含有する空気中に照射光を照射する発光手段であるＬＥＤ１と、検出室３内の位置２３における粒子による散乱光を検出し、当該散乱光の強度を検出する受光素子２Ａとを備えた粒子センサであって、受光素子２Ａは基板１１上に表面実装された表面実装型のフォトダイオード（又はフォトトランジスタ）であり、検出する粒子と受光素子２Ａとの間にプリズム１５を設けることで、図８の従来例に比較して小型化したことを特徴とする。
　ここで、プリズム１５は、
（１）入射面１５ａに形成され、散乱光を集光して集光された光（例えば平行光）に変換する凸レンズ１６と、
（２）変換された光を反射する反射面１５ｂと、
（３）出射面１５ｃに形成され、反射された光を受光素子２に合焦させる凸レンズ１７とが一体的に形成されて構成される。プリズム１５は、入射面１５ａと出射面１５ｃとが直交し、かつ、反射面１５ｂが入射面１５ａ及び出射面１５ｃとは４５度の角度をなすように形成される。プリズム１５は例えば有機ガラス、透明プラスチックなどの材料で形成される。
　図２に示すように、粒子の散乱光を検出するために、ＬＥＤ１とプリズム１５とは、ＬＥＤ１により発光される照射光の光軸１ａと、プリズム１５の凸レンズ１６の光軸１６ａとが例えば１２０度となるように配置される。また、図１に示すように、表面実装型受光素子２Ａで受光するために、プリズム１５と受光素子２Ａとは、凸レンズ１６の光軸１６ａと凸レンズ１７の光軸１７ａ（これは受光素子２Ａの光軸と一致する）とが直交するように、すなわち、粒子による散乱光が反射面１５ｂで直角で反射されるように配置される。さらに、プリズム１５は受光素子２Ａの受光表面において、凸レンズ１７からの出射光が合焦するように設けられる。
　なお、図１において、プリズム１５の入射面１５ａに設けられる凸レンズ１６は、その入射面の先端面が入射面１５ａに一致するように、プリズム１５内に埋め込むように形成される。一方、プリズム１５の出射面１５ｃに設けられる凸レンズ１７は、その出射面の先端面が出射面１５ｃから突出するように形成される。これについては詳細後述する。
　図１及び図２において、ＬＥＤ１の照射光は例えば半導体レーザ素子からの照射光に比較してビーム径が大きいのでそのビームを絞るために、好ましくは、ＬＥＤ１と位置２３との間に、光軸１ａと同軸の貫通孔１２ｈを有する絞り窓１２を設ける。また、粒子による散乱光を絞るために、好ましくは、位置２３とプリズム１５の入射面１５ａとの間に、光軸１６ａと同軸の貫通孔１３ｈを有する絞り窓１３、及び光軸１６ａと同軸の貫通孔１４ｈを有する絞り窓１４を設ける。
　以上のように構成された粒子センサの作用効果について以下説明する。
　ヒーター抵抗４により空気を熱することで、空気は、導入方向２０１で位置２３付近を通過して上方向で移動し、排出方向２０２で移動する。これに伴って、当該空気に含有する粒子が導入方向２０１で位置２３付近を通過して上方向で移動し、排出方向２０２で移動する。ＬＥＤ１からの照射光は絞り窓１２を介して位置２３付近に照射され、位置２３付近を通過する粒子により散乱して散乱光が発生する。当該散乱光は、絞り窓１３及び１４を介してプリズム１５の凸レンズ１６に入射する。凸レンズ１６は入射した散乱光を平行光にコリメート変換して反射面１５ｂに出射する。反射面１５ｂは入射する平行光を全反射して凸レンズ１７に向けて出射する。凸レンズ１７は入射する散乱光の平行光を、受光素子２Ａで合焦するように受光素子２Ａに受光させる。
　受光素子２Ａは受光した散乱光の強度に比例した電気信号を発生して基板１１上の検出回路１０に出力する。検出回路１０は受信した電気信号を増幅した後、増幅した電気信号に基づいて散乱光の強度を検出して表示装置（図示せず）に表示する。
　図３は図１の粒子センサの第２のケース４０の平面図である。また、図４は図１の粒子センサの第１のケース５０の平面図である。
　図３の第２のケース４０は、ＬＥＤ装着部４１と、絞り窓装着部４２と、絞り窓装着部４３と、絞り窓装着部４４と、プリズム装着部４５とを有する。ここで、ＬＥＤ装着部４１及び絞り窓装着部４２は壁部４６により形成される。また、絞り窓装着部４３と、絞り窓装着部４４と、プリズム装着部４５とは壁部４７により形成される。さらに、壁部４８，４９は、排出する空気を排出口６２に導くために形成される。
　図４の第１のケース５０は、ＬＥＤ装着部５１と、絞り窓装着部５２と、絞り窓装着部５３と、絞り窓装着部５４と、プリズム装着部５５とを有する。ここで、ＬＥＤ装着部５１及び絞り窓装着部５２は壁部５６により形成される。また、絞り窓装着部５３と、絞り窓装着部５４と、プリズム装着部５５とは壁部５７により形成される。さらに、壁部５８，５９は、排出する空気を排出口６２に導くために形成される。なお、第２のケース４０と第１のケース５０とを嵌合させたときに、壁部４６は壁部５６に対向して固着され、壁部４７は壁部５７に対向して固着され、壁部４８は壁部５８に対向して固着され、壁部４９は壁部５９に対向して固着される。
　図５は図１の粒子センサの外観を示す斜視図である。図５は第２のケース４０と第１のケース５０とを対向するように嵌合したときの外観を示す。図５において、空気の導入口６１は第１のケース５０の正面の右下部に形成され、空気の排出口６２は第１のケース５０の正面の右上部に形成される。
　以上のように構成された粒子センサにおいて、ＬＥＤ１からの照射光については、粒子による散乱の発生する位置２３がＬＥＤ１である光源が近いほど強い散乱光を得ることができ、受光素子２で受光する信号レベルが大きくなる。これは、公知のＭｉｅ散乱理論により、光源の光パワーに比例した散乱光が得られるためである。同様に、受光面である入射面１５ａが光源に近いほど、散乱光の立体角を広くとることになり、散乱光量が増える。しかし、受光面と光源が近くなると、光源からの直接光が受光面に到達しやすくなり、これはノイズ成分になる。直接光を防止するために、光源側や受光側に絞り窓１２，１３，１４を配置しており、また、不要な光が直接に受光素子２に到達しないような消光部屋を形成してもよい。これらを実現するため、ある程度、粒子による散乱光の発生する位置２３を光源から遠くにあるように配置する必要がある。また、粒子による散乱光の発生する位置２３へ粒子を送り込む（換気する）必要があるため、検出室３においてある程度の大きさの流路が必要となる。
　粒子センサの小型化を実現する上でＳ／Ｎ比を上げるためには、この不要な光の処理を行うことが非常に大変な作業となる。本実施形態では、ケース４０，５０の形状を工夫し、上記の絞り窓１２～１４、消光部屋等のほかに、プリズム１５を用いて合焦させることで、不要な光が直接に受光素子２Ａの受光面に到達しないといった対策も取っている。
　また、プリズムの焦点距離については、光源からプリズム１５までの迷光処理に必要な絞りを得るために入射面１５ａ側の凸レンズ１６の焦点距離を出射面１５ｃ側の凸レンズ１７の焦点距離よりも長くなるように設定しており、ケース４０，５０の厚みを薄くするために凸レンズ１７の焦点距離を短くしている。
　さらに、プリズム１５の形状が面１５ａ，１５ｃによって異なっている理由は以下の通りである。プリズム１５の焦点距離が上記のように異なっているため、組み立ての作業性を重視して向きが分かるように、凸レンズ１７の表面が凸面となり、凸レンズ１６の表面は入射面１５ａと一致させて実質的な平面を形成している。
　以上説明したように、本実施形態にかかる粒子センサによれば、表面実装された表面実装型受光素子２Ａと、２つの凸レンズ１６，１７と一体化されたプリズム１５とを備えたので、図８の従来例における受光素子２のスペースをなくすことができ、従来例に比較して大幅に小型化できる。
　図６は変形例１にかかる粒子センサの概略構成を示す縦断面図である。図６の粒子センサは、図１の粒子センサに比較して以下の点が異なる。
（１）図１のＬＥＤ１を表面実装型ＬＥＤ１Ａで構成して、基板１１上の受光素子２Ａの位置に配置した。
（２）図１の表面実装型受光素子２Ａを、表面実装型ではない例えば砲弾型受光素子２Ｂで構成して、図１のＬＥＤ１の位置に配置した。
　以上のように構成することで、図１の実施形態とは光路が逆になるが、同様の作用効果を奏する。
　図７は変形例２にかかる粒子センサの概略構成を示す縦断面図である。図７の粒子センサは、図１の粒子センサに比較して以下の点が異なる。
（１）図１のＬＥＤ１を表面実装型ＬＥＤ１Ａで構成して、基板１１上の位置に配置した。
（２）図１の絞り窓１２に代えて、表面実装型ＬＥＤ１Ａと検出室３の位置２３との間の光路上において、互いに直交する光軸１１６ａ，１１７ａを有するプリズム１１５、絞り窓１１４及び１１３を配置した。ここで、絞り窓１１４は光軸１１６ａと同軸の貫通孔１１４ｈを有し、絞り窓１１３は光軸１１６ａと同軸の貫通孔１１３ｈを有する。
　以下、相違点について詳述する。
　図７において、プリズム１１５はプリズム１５と同様に以下のように構成される。プリズム１１５は、
（１）入射面１１５ｃに形成され、表面実装型ＬＥＤ１Ａからの照射光を集光して集光された光（例えば平行光）に変換する凸レンズ１１７と、
（２）変換された光を反射する反射面１１５ｂと、
（３）出射面１１５ａに形成され、反射された光を検出室３の位置２３に合焦させる凸レンズ１１６とが一体的に形成されて構成される。プリズム１１５は、入射面１１５ｃと出射面１１５ａとが直交し、かつ、反射面１１５ｂが入射面１１５ｃ及び出射面１１５ａとは４５度の角度をなすように形成される。プリズム１１５は例えば有機ガラス、透明プラスチックなどの材料で形成される。
　図７に示すように、粒子の散乱光を検出するために、プリズム１５及び１１５は、ＬＥＤ１Ａにより発光される照射光が反射された後のプリズム１１５の光軸１１６ａと、プリズム１５の凸レンズ１６の光軸１６ａとが例えば１２０度となるように配置される。さらに、プリズム１１５は表面実装型ＬＥＤ１Ａの放射表面において、凸レンズ１１７への照射光が合焦するように設けられる。
　以上のように構成された図７の粒子センサにおいては、表面実装型ＬＥＤ１Ａからの照射光がプリズム１１５で反射された後、絞り窓１１４，１１３を経て検出室３の位置２３において粒子で散乱される。その散乱光は絞り窓１３，１４を経てプリズム１５で反射された後、表面実装型受光素子２Ａで受光される。以上のように構成することで、図１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
　以上の実施形態において、ＬＥＤ１，１Ａを用いているが、本発明はこれに限らず、半導体レーザ素子を用いてもよい。この場合、半導体レーザ素子を用いるときは、絞り窓１２等を備えてなくてもよい。また、絞り窓１３，１４についても不要な光の強度により備えなくてもよい。
　以上の実施形態において、粒子を含有する空気をヒーター抵抗４により移動させているが、本発明はこれに限らず、ヒーター抵抗４に代えてファンにより移動させてもよい。
１…発光ダイオード（ＬＥＤ）、
１Ａ…表面実装型発光ダイオード（ＬＥＤ）、
２Ａ…表面実装型受光素子、
２Ｂ…受光素子、
３…検出室、
４…ヒーター抵抗、
１０…検出回路、
１１…基板、
１２，１３，１４，１１３，１１４…絞り窓、
１５，１１５…プリズム、
１５ａ，１１５ｃ…入射面、
１５ｂ，１１５ｂ…反射面、
１５ｃ，１１５ａ…出射面、
１６，１７，１１６，１１７…凸レンズ、
４０…第２のケース、
５０…第１のケース、
６１…導入口、
６２…排出口、
２０１…導入方向、
２０２…排出方向。

Claims (7)

  1. 　粒子を含有する空気中に照射光を照射する発光手段と、
    　上記粒子による散乱光を検出し、当該散乱光の強度を検出する受光手段とを備えた粒子センサにおいて、
    　上記受光手段は基板上に表面実装された表面実装型受光素子であり、
    　上記粒子センサは、
    　上記粒子の検出位置と上記受光手段との間に設けられたプリズムであって、上記散乱光を集光して集光された光に変換する第１のレンズと、上記変換された光を反射する反射面と、上記反射された光を上記受光手段に合焦させる第２のレンズとが一体的に形成されたプリズムを備えたことを特徴とする粒子センサ。
  2. 　粒子を含有する空気中に照射光を照射する発光手段と、
    　上記粒子による散乱光を検出し、当該散乱光の強度を検出する受光手段とを備えた粒子センサにおいて、
    　上記発光手段は基板上に表面実装された表面実装型発光素子であり、
    　上記粒子センサは、
    　上記粒子の検出位置と上記発光手段との間に設けられたプリズムであって、上記照射光を集光して集光された光に変換する第１のレンズと、上記変換された光を反射する反射面と、上記反射された光を上記粒子の検出位置に合焦させる第２のレンズとが一体的に形成されたプリズムを備えたことを特徴とする粒子センサ。
  3. 　粒子を含有する空気中に照射光を照射する発光手段と、
    　上記粒子による散乱光を検出し、当該散乱光の強度を検出する受光手段とを備えた粒子センサにおいて、
    　上記発光手段は基板上に表面実装された表面実装型発光素子であり、
    　上記受光手段は上記基板上に表面実装された表面実装型受光素子であり、
    　上記粒子センサは、
    　上記粒子の検出位置と上記発光手段との間に設けられたプリズムであって、上記照射光を集光して集光された光に変換する第１のレンズと、上記変換された光を反射する反射面と、上記反射された光を上記粒子の検出位置に合焦させる第２のレンズとが一体的に形成された第１のプリズムと、
    　上記粒子の検出位置と上記受光手段との間に設けられたプリズムであって、上記散乱光を集光して集光された光に変換する第３のレンズと、上記変換された光を反射する反射面と、上記反射された光を上記受光手段に合焦させる第４のレンズとが一体的に形成された第２のプリズムを備えたことを特徴とする粒子センサ。
  4. 　上記発光手段は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか１つに記載の粒子センサ。
  5. 　上記発光手段は半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか１つに記載の粒子センサ。
  6. 　上記発光手段と上記粒子の検出位置との間に設けられ、上記照射光を所定の窓を介して上記粒子に照射する絞り窓をさらに備えたことを特徴とする請求項４又は５記載の粒子センサ。
  7. 　上記粒子を所定の方向に移動させる移動手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１～６のうちのいずれか１つに記載の粒子センサ。
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