WO2017187726A1 - 粒子検出センサ、ダストセンサ、煙感知器、及び、空調装置 - Google Patents

粒子検出センサ、ダストセンサ、煙感知器、及び、空調装置 Download PDF

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WO2017187726A1
WO2017187726A1 PCT/JP2017/005891 JP2017005891W WO2017187726A1 WO 2017187726 A1 WO2017187726 A1 WO 2017187726A1 JP 2017005891 W JP2017005891 W JP 2017005891W WO 2017187726 A1 WO2017187726 A1 WO 2017187726A1
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WO
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particle
particles
detection sensor
light
particle diameter
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Application number
PCT/JP2017/005891
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English (en)
French (fr)
Inventor
桐原　昌男
純矢 小川
貴司 中川
弘士 小原
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Publication date
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    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • G08B17/107—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device for detecting light-scattering due to smoke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/89—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution

Definitions

  • the present invention relates to a particle detection sensor, a dust sensor, a smoke detector, and an air conditioner.
  • the light scattering type particle detection sensor is a photoelectric sensor including a light projecting element and a light receiving element, takes in a fluid to be measured, irradiates the light of the light projecting element, and is contained in the fluid by the scattered light. Detect the presence or absence of particles.
  • a particle detection sensor can detect, for example, particles such as dust, pollen, and smoke floating in the atmosphere (see, for example, Patent Documents 1 to 4).
  • the present invention provides a particle detection sensor or the like that can widen the dynamic range of particle diameters that can be determined (wide dynamic range) without increasing the dynamic range of a circuit that processes electrical signals. With the goal.
  • a particle detection sensor includes a light projecting element that projects light onto a detection region, and the light projection using particles that pass through the detection region at a speed that depends on a particle diameter.
  • the light receiving element that receives the scattered light of the light from the element and generates an electric signal including a pulsed waveform corresponding to the particle, and the higher the frequency of the electric signal input from the light receiving element, the higher the electric signal
  • an arithmetic circuit that calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection region based on the pulse width of the pulse-like waveform included in the amplified electric signal.
  • a particle detection sensor includes a light projecting element that projects light on a detection area, and a light projecting element that includes particles passing through the detection area at a speed depending on a particle diameter.
  • a light receiving element that receives scattered light of light, photoelectrically converts with higher conversion efficiency as the frequency obtained by temporal change of the received scattered light, and generates an electric signal including a pulsed waveform corresponding to the particle
  • an amplifying circuit for amplifying the electric signal input from the light receiving element, and an operation for calculating the particle diameter of the particles that have passed through the detection region based on the pulse width of the pulse waveform included in the amplified electric signal A part.
  • each of the dust sensor and the smoke detector according to one embodiment of the present invention includes the particle detection sensor described above.
  • An air conditioner includes the particle detection sensor, and a flow velocity generation unit that allows the fluid containing the particles to pass through the detection region in a direction that prevents movement of the particles due to its own weight. Prepare.
  • the dynamic range of the particle diameter that can be determined can be widened without increasing the dynamic range of the circuit that processes the electrical signal.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a particle detection sensor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the state of particles in the fluid passing through the detection region.
  • FIG. 3 is a graph showing an outline of the frequency characteristic of the amplification factor of the amplifier circuit.
  • FIG. 4 is a diagram conceptually illustrating amplification processing by the amplifier circuit.
  • FIG. 5 is a graph showing an electrical signal after amplification by the amplifier circuit in Modification 2.
  • FIG. 6 is a graph showing an electrical signal after amplification by the amplifier circuit in Modification 3.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a state of particles in the fluid that passes through the detection region in the fourth modification.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a particle detection sensor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the state of particles in the fluid passing through the detection region.
  • FIG. 3 is a graph showing an outline of the frequency characteristic of
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the particle detection sensor according to the fifth modification.
  • FIG. 9 is an external view of an air cleaner provided with a particle detection sensor.
  • FIG. 10 is an external view of a smoke detector including a particle detection sensor.
  • FIG. 11 is an external view of a ventilation fan provided with a particle detection sensor.
  • FIG. 12 is an external view of an air conditioner provided with a particle detection sensor.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the particle detection sensor 1 according to the present embodiment.
  • the internal configuration of the sensor unit 10 is schematically shown.
  • the particle detection sensor 1 detects particles contained in the air floating around the particle detection sensor 1 (hereinafter referred to as ambient air).
  • the particle detection sensor 1 includes a sensor unit 10 and a signal processing unit 20, and the particle detection sensor 1 is based on scattered light from particles 2 located in the detection area DA of the sensor unit 10. Detect particles contained in the ambient air.
  • the particle detection sensor 1 further includes a power supply unit 30 that supplies power to each component included in the particle detection sensor 1.
  • the power supply unit 30 is configured by, for example, a regulator that converts a voltage supplied from the outside of the particle detection sensor 1 into a desired voltage.
  • the sensor unit 10 takes in the ambient air that is the measurement target of the particle detection sensor 1, irradiates the captured ambient air with light, and outputs an electrical signal (here, a current signal) indicating the light intensity of the scattered light.
  • an electrical signal here, a current signal
  • the sensor unit 10 includes a light projecting system 11, a light receiving system 12, a housing 13, and a heater 15, and the particle flow from the inlet 18 to the outlet 19 of the housing 13.
  • An electric signal corresponding to the scattered light from the particle 2 passing through the detection area DA provided on the path (located in the detection area DA) is output.
  • the light projecting system 11, the light receiving system 12, and the detection area DA are accommodated in the housing 13 so that external light is not irradiated.
  • the detection area DA is an aerosol detection area (aerosol measurement unit) for detecting particles 2 (aerosol) contained in the gas to be measured, and includes an optical axis P of the light projecting system 11 and an optical axis Q of the light receiving system 12. For example, it is a region of about ⁇ 2 mm including the intersection where the two intersect. That is, the detection area DA is a spatial area where a spatial area where the light of the light projecting system 11 is projected and a spatial area for guiding the scattered light generated when the light of the light projecting system 11 hits the particles 2 to the light receiving system 12 overlap. It is.
  • the light projecting system 11 includes an optical element that projects light onto the detection area DA.
  • the light projecting element 111 and a light projecting element disposed in front of the light projecting element 111 (light projecting side). And a lens 112.
  • the light projecting element 111 is a solid light emitting element such as an LED (Light Emitting Diode) or a semiconductor laser that projects light onto the detection area DA.
  • the light projecting element 111 may project light of a predetermined wavelength such as infrared light, blue light, green light, red light, or ultraviolet light, and may project a mixed wave of two or more wavelengths.
  • a bullet-type LED that projects light having a wavelength of 400 nm to 1000 nm is used as the light projecting element 111. .
  • the light projection control system of the light projecting element 111 is not particularly limited, and the light projected from the light projecting element 111 can be continuous light or pulsed light by DC driving.
  • the light projecting lens 112 is disposed in front of the light projecting element 111 and on the optical axis P of the light projecting system 11, and is configured to advance the light projected from the light projecting element 111 toward the detection area DA.
  • the light projecting lens 112 is a condensing lens that condenses light projected from the light projecting element 111 on the detection area DA, and is formed of a transparent resin such as PC (polycarbonate) or glass. That is, the light projected from the light projecting element 111 reaches the detection area DA via the light projecting lens 112. At this time, if the particle 2 is positioned in the detection area DA, the light from the light projecting element 111 is scattered by the particle 2.
  • the light receiving system 12 includes an optical element that receives light from the detection area DA.
  • the light receiving system 12 includes a light receiving element 121 and a light receiving lens 122 disposed in front of the light receiving element 121 (on the light incident side). .
  • the particle 2 is located in the detection area DA, the light scattered by the particle 2 (scattered light) is received by the light receiving system 12.
  • the light receiving element 121 receives light scattered from the light projecting element 111 by the particles 2 passing through the detection area DA at a speed depending on the particle diameter, and includes an electric signal including a pulse-like waveform corresponding to the particles 2. Is generated. That is, the light receiving element 121 generates an electrical signal indicating a change in temporal light intensity of the received scattered light.
  • the light receiving element 121 is a photoelectric conversion element that converts received scattered light into an electrical signal.
  • the light receiving element 121 includes at least one of a photodiode and a phototransistor that are sensitive to light projected by the light projecting element 111. . That is, the light receiving element 121 outputs an electrical signal (here, a current signal) corresponding to the received light intensity.
  • the light receiving element 121 may include, for example, a photo IC diode or a photomultiplier tube.
  • the light receiving lens 122 is disposed between the detection area DA and the light receiving element 121 and is configured to collect the scattered light from the particles 2 located in the detection area DA on the light receiving element 121.
  • the light receiving lens 122 is a condensing lens that focuses light scattered by the particles 2 located in the detection area DA onto the light receiving element 121, and is formed of the same material as the light projecting lens 112.
  • the housing 13 is a member that has a light shielding property and is provided with a particle flow path that is a cylindrical space region through which ambient air including the particles 2 flows.
  • the housing 13 has a black surface at least on the inner surface so that stray light can be easily attenuated.
  • the housing 13 is formed, for example, by injection molding using a resin material such as ABS resin. At this time, for example, by forming the housing 13 using a resin material to which a black pigment or dye is added, the inner surface of the housing 13 can be made a black surface and stray light can be attenuated. Alternatively, stray light can be attenuated by applying a black paint to the inner surface of the housing 13 after injection molding, thereby making the inner surface of the housing 13 a black surface. Further, stray light can be attenuated by subjecting the inner surface of the housing 13 to surface treatment such as embossing.
  • the casing 13 is provided with the inlet 18 and the outlet 19 as described above. For this reason, the ambient air enters the inside of the housing 13 from the inlet 18, is guided to the detection area DA through the particle flow path, and flows out of the housing 13 from the outlet 19.
  • the heater 15 is a flow velocity generation unit that allows fluid (here, ambient air) to pass through the detection area DA in a direction that prevents movement of the particles 2 due to its own weight.
  • the heater 15 heats the gas around the heater 15 to cause the gas in the particle channel to flow and generate an air flow. That is, the heater 15 is provided on the lower side in the vertical direction of the detection area DA, and allows the fluid containing particles to pass vertically upward.
  • the heated gas expands and decreases in density, and moves upward in the direction opposite to gravity. That is, the heater 15 generates an upward airflow (upward airflow).
  • This airflow causes the gas in the particle channel to flow, thereby generating an airflow in the particle channel.
  • the ambient air of the particle detection sensor 1 is drawn into the housing 13 from the inflow port 18, more particles 2 can be taken into the sensor unit 10 than when the heater 15 is not provided.
  • the signal processing unit 20 performs signal processing on the electrical signal output from the light receiving element 121 to calculate the particle diameter of the particles in the fluid. As shown in FIG. 1, the signal processing unit 20 includes an analog signal processing unit 21 that performs analog signal processing and a general-purpose MPU 22 that performs digital signal processing.
  • the analog signal processing unit 21 includes an analog circuit.
  • the analog signal processing unit 21 performs various analog signal processing on the current signal output from the light receiving element 121 to output a voltage signal based on the current signal.
  • various types of analog signal processing include, for example, I / V conversion for converting current (I) into voltage (V), bandpass filter processing for passing a desired frequency band of an input signal, and input Amplification processing for amplifying the output signal and outputting it.
  • the analog signal processing unit 21 includes an IV conversion circuit 211 that performs I / V conversion and an amplification circuit 212 that performs amplification processing.
  • the IV conversion circuit 211 generates a voltage signal corresponding to the current signal by performing I / V conversion on the current signal output from the light receiving element 121. By converting the current signal to the voltage signal in this way, the subsequent signal processing can be facilitated and the design of the amplifier circuit 212 connected to the subsequent stage of the IV conversion circuit 211 can be facilitated.
  • the amplification circuit 212 amplifies the voltage signal output from the IV conversion circuit 211 according to a predetermined frequency characteristic.
  • the frequency characteristics of the amplifier circuit 212 will be described later.
  • the analog signal processing unit 21 configured in this way indicates an output from the light receiving element 121 and a detection signal (sensor output) that is an electric signal including a pulsed waveform corresponding to the particle 2 located in the detection area DA. ) Is output.
  • the general-purpose MPU 22 is configured by a digital circuit, and detects particles contained in the fluid in the detection area DA using the detection signal output from the analog signal processing unit 21. As shown in FIG. 1, the general-purpose MPU 22 includes an AD conversion unit 221 and a calculation unit 222 as functional blocks.
  • the AD conversion unit 221 samples (samples) and quantizes the voltage signal amplified by the amplifier circuit 212. In other words, the AD conversion unit 221 generates time-series digital data corresponding to the detection signal by performing AD (Analog to Digital) conversion on the analog detection signal output from the analog signal processing unit 21. That is, the AD conversion unit 221 generates time-series digital data based on the current signal output from the light receiving element 121.
  • AD Analog to Digital
  • the AD conversion unit 221 is an AD conversion module that is built in the general-purpose MPU 22 in advance, and converts the voltage signal input to the analog input terminal of the general-purpose MPU 22 into digital data. For example, the AD conversion unit 221 samples a voltage signal in the range of 0.0 to 5.0 V input to the analog input terminal of the general-purpose MPU 22 at a predetermined sampling period. Thereafter, the AD conversion unit 221 generates the time-series digital data by converting the voltage of the sampled voltage signal into a 10-bit digital value.
  • the calculation unit 222 uses the digital data generated by the AD conversion unit 221 to calculate the particle diameter and the number of particles included in the fluid in the detection area DA. Specifically, the calculation unit 222 calculates the particle size of the particles included in the fluid in the detection area DA using the pulse width of the pulse data included in the digital data.
  • the pulse data is time-series digital data corresponding to a pulsed waveform included in the detection signal. That is, the calculation unit 222 calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA based on the pulse width of the pulse waveform included in the electric signal amplified by the amplifier circuit 212.
  • the calculation unit 222 calculates the particle diameter based on the pulse width at a predetermined threshold. In addition, the calculation unit 222 further counts the number of particles that have passed through the detection area DA within the predetermined period by counting the number of peaks that exceed the threshold in a predetermined period (for example, 1 minute).
  • Such a general-purpose MPU 22 is realized by, for example, a system LSI that is an integrated circuit, and may be individually made into one chip for each functional block, or may be made into one chip so as to include a part or all thereof.
  • the general-purpose MPU 22 is not limited to the system LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor.
  • the general-purpose MPU 22 may use an FPGA (Field Programmable Gate Array) that can be programmed after manufacturing the LSI, or a reconfigurable processor that can reconfigure the connection and setting of circuit cells inside the LSI.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the state of the particles 2 in the fluid passing through the detection area DA.
  • the fluid passing through the detection area DA in this embodiment, the rising air flow by the heater 15
  • the drag acting on the particles 2 in the fluid by gravity is also schematically shown, and the longer the drag, the longer the arrow.
  • the particles 2 having various sizes are conveyed to the detection area DA by the rising airflow by the heater 15. At this time, the particles pass through the detection area DA at a speed depending on the particle diameter.
  • the speed of small particles having a small particle diameter (for example, a particle having a particle diameter of 0.3 ⁇ m) is larger than the speed of coarse particles having a large particle diameter (for example, a particle having a particle diameter of 30 ⁇ m). . This is due to the difference in the weight of the particles due to the difference in particle diameter, that is, the difference in the drag due to the weight against the rising airflow.
  • the time required for passing through the detection area DA is longer as the particle size is larger and shorter as the particle size is smaller. Further, the light intensity of the scattered light by the particles located in the detection area DA increases as the particle diameter increases, and decreases as the particle diameter decreases. Therefore, the light intensity of the scattered light changes in a pulse shape with time according to the particle diameter.
  • the electrical signal input from the light receiving element 121 to the amplifier circuit 212 includes the following pulsed waveform.
  • the electrical signal includes a pulse-like waveform having a large pulse width and peak value when a particle having a large particle diameter passes through the detection area DA. That is, at this time, the frequency of the electric signal input to the amplifier circuit 212 is lowered.
  • the electrical signal includes a pulse-like waveform having both a small pulse width and a high peak value when a particle having a small particle diameter passes through the detection area DA. That is, at this time, the frequency of the electric signal input to the amplifier circuit 212 is increased.
  • the amplification circuit 212 amplifies the electric signal with a larger amplification factor as the frequency of the electric signal input from the light receiving element 121 is higher. Specifically, in the present embodiment, the amplifier circuit 212 amplifies the peak value of the pulse-like waveform included in the amplified electric signal so as to be within a predetermined range.
  • the amplifier circuit 212 has frequency characteristics as shown in FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing an outline of the frequency characteristic of the amplification factor (amplifier circuit gain) of the amplifier circuit 212.
  • the amplification circuit 212 amplifies an electrical signal including a pulse-like waveform having a frequency fa when particles having a particle diameter of 30 ⁇ m have passed through the detection area DA with an amplification factor Ga.
  • the amplification circuit 212 converts an electrical signal including a pulse-shaped waveform having a frequency fb (fa ⁇ fb) due to a particle having a particle diameter of 0.3 ⁇ m passing through the detection area DA into an amplification factor Gb (where Ga ⁇ Amplify with Gb).
  • the electric signal after amplification by the amplifier circuit 212 includes one or more pulse-like waveforms whose peak values are within a predetermined range.
  • the amplification circuit 212 may amplify the electric signal with a larger amplification factor as the frequency of the input electric signal is higher at least within a predetermined frequency range. That is, the time required for the particles to pass through the detection area DA is two factors: (i) the size of the detection area DA (optical focus area diameter) and (ii) the moving speed of the particles passing through the detection area DA. Determined by. For example, the size of the detection area DA is rd [mm], the movement speed of the minimum particle that can pass through the detection area DA is v1 [mm / sec], and the movement speed of the maximum particle that can pass through the detection area DA is v2.
  • the predetermined frequency range fw [Hz] is v2 / rd ⁇ fw ⁇ v1 / rd.
  • the moving speed of the particles passing through the detection area DA depends on the particle diameter, and is determined from the flow velocity of the fluid passing through the detection area DA, the drag force of the particles against the fluid, and the like.
  • FIG. 4 is a diagram conceptually showing the amplification processing by the amplifier circuit 212. Specifically, (a) of the figure is a graph showing the intensity of scattered light by particles passing through the detection area DA in time series. (B) of the figure is an amplified electric signal (particle detection signal) corresponding to the scattered light shown in (a) of the figure.
  • the peak of scattered light intensity due to particles increases as the particle size increases. For example, when the particle size is 30 ⁇ m, the peak is 0.3 ⁇ m. Reach tens of thousands of times. For this reason, an electric signal input from the light receiving element 121 having a substantially constant photoelectric conversion efficiency to the amplifier circuit 212 is accompanied by a difference in peak value equivalent to such an intensity ratio.
  • substantially constant not only means completely constant, but also means substantially constant. That is, “substantially” includes an error of about several percent.
  • the amplification circuit 212 amplifies such an electric signal with the amplification factor having the frequency characteristic shown in FIG. 3, so that the peak value as shown in FIG. 4B is within a predetermined range. Convert to electrical signal.
  • the peak value of the pulse waveform (that is, the height of the electric signal after amplification) is within a predetermined range for both coarse particles having a particle diameter of 30 ⁇ m and fine particles having a particle diameter of 0.3 ⁇ m. Can be adjusted.
  • the predetermined range is determined by, for example, the maximum input voltage of the downstream general-purpose MPU 22 or the saturation voltage of an analog element (not shown) constituting the analog signal processing unit 21 downstream of the amplifier circuit 212.
  • the saturation level is Vmax or less.
  • one or more pulse-like waveforms included in the amplified electric signal are waveforms whose peak values are within a predetermined range and whose pulse width depends on the particle diameter. Therefore, the calculation unit 222 calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA based on the pulse width of the pulse waveform included in the amplified electrical signal.
  • the calculation unit 222 acquires the pulse width at the threshold value Vth for each pulse-like waveform.
  • the arithmetic unit 222 uses the counter (not shown) and the comparator (not shown) of the general-purpose MPU 22 to compare the amplified electric signal with the threshold value Vth, and the time when the amplified electric signal is equal to or higher than the threshold value Vth. Is measured to extract the pulse width at the threshold value Vth.
  • the calculation unit 222 refers to predetermined pulse width correlation information indicating the correlation between the pulse width and the particle diameter, for example, and calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA from the extracted pulse width.
  • the pulse width correlation information indicates the correlation between the pulse width and the particle diameter, and is stored in, for example, a memory (not shown) of the general-purpose MPU 22 or incorporated as a code executed by the general-purpose MPU 22. Yes.
  • the calculation unit 222 sets the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA to 0.3 ⁇ m for the pulse waveforms whose extracted pulse widths are T11, T12, and T13 (where T11 ⁇ T12 ⁇ T13). , 2.5 ⁇ m and 30 ⁇ m.
  • the particle detection sensor 1 has a projection element 111 that projects light onto the detection area DA, and a projection that uses particles 2 that pass through the detection area DA at a speed that depends on the particle diameter.
  • a light receiving element 121 that receives the scattered light of the light from the optical element 111 and generates an electric signal including a pulsed waveform corresponding to the particle 2.
  • the particle detection sensor 1 includes an amplifier circuit 212 that amplifies the electric signal with a larger amplification factor as the frequency of the electric signal input from the light receiving element 121 is higher.
  • the particle detection sensor 1 includes a calculation unit 222 that calculates the particle diameter of the particle 2 that has passed through the detection area DA based on the pulse width of the pulse waveform included in the amplified electric signal.
  • the amplification of the electric signal after amplification can be suppressed by performing amplification with a larger amplification factor as the frequency of the electric signal input to the amplifier circuit 212 is higher. That is, it is not necessary to increase the dynamic range of the circuit that processes the electrical signal (in this embodiment, the signal processing unit 20).
  • the calculation unit 222 can calculate a wide particle diameter from fine particles to coarse particles. Therefore, the dynamic range of the particle diameter that can be determined can be widened without increasing the dynamic range of the circuit that processes the electrical signal.
  • the particle detection sensor 1 has a flow velocity generation unit (a heater 15 in the present embodiment) that allows a fluid containing particles to pass through the detection area DA in a direction that prevents movement of the particles 2 due to its own weight. Is provided.
  • the amount (number) of particles passing through the detection area DA can be adjusted.
  • the flow velocity generation unit allows the fluid to pass vertically upward.
  • the time required for the particle to pass through the detection area DA can be largely varied depending on the particle diameter. Therefore, depending on the particle diameter, the pulse width of the pulse waveform included in the amplified electric signal varies greatly. Therefore, the calculation accuracy of the particle diameter based on the pulse width can be increased.
  • the flow velocity generator is the heater 15 provided on the lower side in the vertical direction of the detection area DA.
  • the calculation unit 222 may further calculate the particle diameter using the peak value. Therefore, hereinafter, a particle detection sensor including such a calculation unit 222 will be described as a first modification of the embodiment. Note that the particle detection sensor according to this modification mainly differs from the embodiment in the process of calculating the particle diameter by the calculation unit 222, and the other configurations or processes are the same. For this reason, hereinafter, configurations or processes similar to those in the embodiment will be described in a simplified or omitted manner. Also in the following modifications, the already described configurations or processes will be described in a simplified or omitted manner.
  • the calculation unit 222 calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA based on the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electrical signal. For example, the calculation unit 222 extracts the peak value of the pulse-like waveform by extracting the value at the time when the peak hold or the increase rate of the electrical signal changes from positive to negative.
  • the calculation unit 222 refers to predetermined peak value correlation information indicating the correlation between the peak value and the particle diameter, for example, and calculates the particle diameter of particles that have passed through the detection area DA from the extracted peak value.
  • the peak value correlation information indicates a correlation between the peak value and the particle diameter, and is stored in a memory (not shown) of the general-purpose MPU 22 or, for example, by the general-purpose MPU 22 as in the case of the pulse width correlation information. Embedded as code to be executed.
  • the calculation unit 222 calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA for each of the extracted peak values.
  • the calculation unit 222 combines the particle diameter calculated using the pulse width (hereinafter referred to as the first particle diameter) and the particle diameter calculated using the peak value (hereinafter referred to as the second particle diameter) together with the detection region.
  • the particle diameter of particles that have passed through DA is calculated.
  • the calculation unit 222 calculates any value (average value or median value, etc.) within the particle size range defined by the first particle size and the second particle size, and the particle size of the particles that have passed through the detection area DA. Calculate as
  • the calculation unit 222 further calculates the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA based on the peak value of the pulsed waveform included in the amplified electrical signal. .
  • the calculation unit 222 calculates the particle size based on the pulse width and the peak value, so that the calculation accuracy of the particle size can be increased.
  • the particle diameter can be reduced.
  • the extracted pulse width and the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA are different from the correlation indicated by the pulse width correlation information.
  • an error may occur in the calculation result of the particle diameter using only the extracted pulse width.
  • the calculation error of the particle diameter can be reduced compared to the calculation result of the particle diameter using only the pulse width.
  • Modification 2 In the above-described embodiment and its modification example 1, it has been described on the assumption that only one particle passes through the detection area DA. However, a plurality of particles may pass through the detection area DA. Thus, hereinafter, as a second modification of the embodiment, a particle detection sensor capable of calculating the particle diameter of each particle even when a plurality of particles have passed through the detection area DA will be described.
  • passing through the detection area DA at the same time means not only that the first time point through the last time point passing through the detection area DA is the same, but also the detection area DA is located at any time point. .
  • FIG. 5 is a graph showing an electrical signal after amplification by the amplification circuit 212 in this modification.
  • a waveform W20 shown in the figure is a pulse-like waveform caused by a particle having a particle diameter of 30 ⁇ m and a particle having a particle diameter of 2.5 ⁇ m passing through the detection area DA at the same time.
  • the waveform W20 is a composite waveform of a waveform W21 corresponding to a particle having a particle diameter of 30 ⁇ m and a waveform W22 corresponding to a particle having a particle diameter of 2.5 ⁇ m.
  • Such a waveform W20 has a plurality of peaks unless the peak of the waveform W21 and the peak of the waveform W22 are at the same timing. That is, the waveform W20 takes a plurality of peak values.
  • the calculation unit 222 calculates the detection area DA based on each of the m pulse widths at the same threshold for one pulse-like waveform in which the number of peak values is 2 or more. The particle diameter of each of the m particles that have passed is calculated.
  • the calculation unit 222 acquires the number of peak values for each pulse waveform included in the amplified electrical signal.
  • a pulse-like waveform (waveform W20 in FIG. 5) in which the number of peak values is 2 or more, it is determined that a plurality of particles have passed through the detection area DA at the same time, and the same threshold value (threshold value in FIG. 5).
  • the particle diameter is calculated based on each of the pulse widths (Vth2 in FIG. 5) (pulse widths T21 and T22 in FIG. 5). That is, the particle diameter is calculated on the basis of the pulse width at the threshold that can extract the same number of pulse widths as the number of peak values.
  • the calculation unit 222 calculates two particle sizes of the waveform W20 based on the pulse widths T21 and T22 at the threshold (here, the threshold Vth2) from which two pulse widths can be extracted. Thereby, the calculating part 222 calculates the particle diameter of the particle
  • a plurality of thresholds may be set, and the pulse width correlation information may correspond to each of the plurality of thresholds. That is, the calculation unit 222 refers to the pulse width correlation information corresponding to the smallest threshold value (threshold value Vth4 in FIG. 5) among a plurality of threshold values for a pulse-like waveform having only one peak value.
  • the particle diameter may be calculated based on the extracted pulse width.
  • the calculation unit 222 uses the m pulses at the same threshold for a pulse-like waveform (the waveform W20 in FIG. 5) in which the number of peak values is 2 or more. Based on each of the widths (two pulse widths T21 and T22 at the threshold value Vth2 in FIG. 5), the particle diameters of m particles (two in FIG. 5) that have passed through the detection area DA are calculated.
  • the amplifier circuit 212 performs amplification so that the peak value of the pulse-like waveform included in the amplified electric signal is within a predetermined range.
  • the amplification factor of the amplifier circuit 212 is not limited to this. Therefore, a particle detection sensor according to Modification 3 of the embodiment will be described below.
  • the amplification circuit 212 amplifies the pulse so that the peak value of the pulse-like waveform included in the amplified electric signal becomes smaller as the particle diameter of the particle increases. That is, the amplifier circuit 212 has a frequency characteristic in which the change (that is, the slope) of the amplification factor with respect to the frequency is larger than the frequency characteristic shown in FIG.
  • the amplified electric signal becomes, for example, a signal as shown in FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing an electrical signal after amplification by the amplifier circuit 212 in this modification.
  • a waveform W30 shown in the figure is a pulse-like waveform caused by a particle having a particle diameter of 0.3 ⁇ m and a particle having a particle diameter of 30 ⁇ m passing through the detection area DA at the same time.
  • the waveform W30 is a composite waveform of a waveform W31 corresponding to a particle having a particle diameter of 0.3 ⁇ m and a waveform W32 corresponding to a particle having a particle diameter of 30 ⁇ m.
  • the pulse width changes suddenly in the middle.
  • the pulse-like waveform changes smoothly based on, for example, the distribution (sensitivity) of the scattered light intensity with respect to the particle passage position in the detection area DA.
  • a predetermined waveform is obtained.
  • the pulse-like waveform becomes a waveform that changes rapidly unlike the predetermined waveform.
  • the calculation unit 222 uses the first pulse width at the first threshold and the second pulse width at the second threshold smaller than the first threshold for the pulsed waveform included in the amplified electrical signal. In the case where the relative relationship does not satisfy the predetermined relationship, the particle diameter of each of the two or more particles that have passed through the detection area DA is calculated based on each of the first pulse width and the second pulse width.
  • the arithmetic unit 222 extracts pulse widths at each of a plurality of threshold values (here, four threshold values Vth1 to Vth4) for each pulse-like waveform included in the amplified electric signal. To do.
  • the calculation unit 222 determines whether or not the relative relationship (for example, the ratio of the pulse width) between the two adjacent threshold values satisfies a predetermined relationship (for example, a predetermined value or less).
  • the calculation unit 222 refers to the pulse width correlation information corresponding to the smallest threshold value (threshold value Vth4 in FIG. 6) among the plurality of threshold values, and extracts the extracted pulse width. Based on this, the particle diameter is calculated.
  • the calculation unit 222 refers to the pulse width correlation information corresponding to each of the two threshold values and calculates the particle diameter based on the extracted two pulse widths. To do.
  • the calculation unit 222 may have a relative relationship (ratio T31 / T) between the pulse width T31 (first pulse width) at the threshold Vth2 (first threshold) and the pulse width T32 (second pulse width) at the threshold Vth3 (second threshold).
  • T32 does not satisfy the predetermined relationship (predetermined value ⁇ or less)
  • the particle diameter is calculated as follows. Specifically, with reference to the pulse width correlation information corresponding to the threshold value Vth2, the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA is calculated as 0.3 ⁇ m for the waveform W31 whose extracted pulse width is T31. Further, with reference to the pulse width correlation information corresponding to the threshold value Vth3, the particle diameter of the particles that have passed through the detection area DA is calculated to be 30 ⁇ m for the waveform W32 whose extracted pulse width is T32.
  • the amplification circuit 212 amplifies the peak value of the pulse-like waveform included in the amplified electric signal as the particle diameter of the particle increases.
  • the amplified electric signal includes a pulse-like waveform corresponding to each of the coarse particles and the fine particles. That is, in the electric signal after amplification, a part of the pulse waveform corresponding to the fine particles appears without being hidden by the pulse waveform corresponding to the coarse particles. Therefore, even if the coarse particles and the fine particles pass through the detection area DA at the same time, the particle diameters of the coarse particles and the fine particles can be calculated.
  • the calculation unit 222 uses the first pulse width at the first threshold (the threshold Vth2 in FIG. 6) for the pulse-like waveform (the waveform W30 in FIG. 6) included in the amplified electrical signal.
  • the first pulse width and the second pulse width Based on each of the pulse widths, the particle diameter of each of the two or more particles that have passed through the detection area DA is calculated.
  • the detection area DA includes a spatial area where the light of the light projecting system 11 is projected and a spatial area for guiding the scattered light generated when the light of the light projecting system 11 strikes the particles 2 to the light receiving system 12. It explained that it was an overlapping space region.
  • the shape of the detection area DA is not particularly limited, but is preferably a flat shape from the viewpoint of increasing the calculation accuracy of the particle diameter. Therefore, a configuration including a flat detection area DA will be described as a particle detection sensor according to Modification 4 of the embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the state of the particles 2 in the fluid passing through the detection area DA in the present modification.
  • grains 2 are typically shown like FIG.
  • the detection area DA in this modification has a flat shape with a substantially constant thickness in the passing direction when viewed in one direction perpendicular to the passing direction of the particles.
  • the thickness of the detection area DA is substantially constant when viewed in one horizontal direction (here, viewed in the depth direction of the page). Yes.
  • the thickness of the detection area DA in the depth direction of the paper gradually increases from the end toward the center.
  • the shape of the detection area DA viewed in the vertical direction is not particularly limited, and is, for example, a substantially rectangular shape or a substantially circular shape.
  • Such a detection area DA is realized, for example, by appropriately designing and arranging various optical elements constituting the light projecting system 11 and the light receiving system 12.
  • the pulse width of the pulse-like waveform depends on the passage position of the particles in the detection area DA. Will be different. Specifically, when the particle passes through the central portion of the spherical detection area DA, the pulse width becomes larger than when the particle passes through the end of the detection area DA. This can be a factor that reduces the calculation accuracy of the particle diameter.
  • the detection area DA has a flat shape with a substantially constant thickness in the passing direction when viewed in one direction perpendicular to the passing direction of the particles.
  • the dependence of the pulse width on the passage position of the particle in the detection area DA can be suppressed, the calculation accuracy of the particle diameter can be increased.
  • the thickness of the detection area DA is substantially constant in the direction perpendicular to the fluid passage direction, it is possible to increase the decrease in particle diameter calculation accuracy.
  • the particle detection sensor 1 includes the heater 15 as a flow velocity generation unit that generates a fluid flow in the detection area DA.
  • the particle detection sensor does not have to include a flow velocity generating unit such as the heater 15, and a fluid flow (air flow) is generated in the detection area DA by a flow velocity generating unit such as a fan (small fan) provided outside. It doesn't matter.
  • a particle detection sensor configured as described above will be described as a fifth modification of the embodiment.
  • FIG. 8 is a block diagram showing an example of the configuration of a particle detection sensor 1A according to Modification 5 of the embodiment.
  • an air flow is generated in the detection area DA by the external fan 15A without providing the heater 15 as compared with the particle detection sensor 1 according to the embodiment. To do.
  • the fan 15A is a flow rate generator that allows fluid to pass through the detection area DA in a direction that prevents movement due to its own weight.
  • an air conditioner for example, an air purifier or an air conditioner
  • the air flow generated by the fan 15A is branched into a main flow, which is an air flow for the air conditioner to perform air conditioning, and a tributary introduced into the particle detection sensor 1A.
  • a gas flow is generated in the detection area DA by the air flow introduced into the particle detection sensor 1A.
  • determination can be made without increasing the dynamic range of the circuit (the signal processing unit 20 in the present modification) that processes the electrical signal, as in the above embodiment.
  • the dynamic range of a large particle size can be widened (wide dynamic range).
  • FIG. 9 is an external view of an air cleaner equipped with a particle detection sensor.
  • FIG. 10 is an external view of a smoke detector including a particle detection sensor.
  • FIG. 11 is an external view of a ventilation fan provided with a particle detection sensor.
  • FIG. 12 is an external view of an air conditioner provided with a particle detection sensor.
  • the operation can be switched according to the detection result of fine particles and coarse particles, for example, by providing the particle detection sensor with a wide dynamic range in the particle diameter range that can be determined.
  • the amplification circuit 212 amplifies the electric signal with a larger amplification factor as the frequency of the input electric signal is higher.
  • at least one of the amplification factor (amplification circuit gain) of the amplification circuit 212 and the conversion efficiency (light reception element gain) of the light receiving element 121 has a frequency characteristic in which the gain increases as the frequency increases.
  • the particle detection sensor may include the following light receiving element and amplification circuit instead of the light receiving element 121 and amplification circuit 212 described above.
  • the light receiving element receives light scattered from the light projecting element 111 by particles passing through the detection area DA at a speed depending on the particle diameter. And a light receiving element photoelectrically converts with a large conversion efficiency, so that the frequency obtained by the temporal change of the received scattered light is high, and produces
  • the amplifier circuit amplifies the electric signal input from the light receiving element with, for example, a substantially constant amplification factor.
  • the temporal change in scattered light is due to the passage of particles through the detection area DA.
  • the frequency obtained by the temporal change of the scattered light depends on the speed of the particles passing through the detection area DA, and the frequency increases as the speed of the particles increases.
  • calculation unit 222 may calculate the particle diameter, and the number of particles may not be calculated.
  • the flow velocity generation unit is not limited to the vertically upward direction, and the fluid may be passed through the detection area DA in a direction that prevents the movement of the particle 2 due to its own weight. That is, the flow velocity generation unit only needs to generate a force that opposes gravity, and the fluid may be passed upward from the horizontal direction.
  • the general-purpose MPU 22 may adjust the flow velocity of the fluid passing through the detection area DA by controlling the flow velocity control unit.
  • the flow velocity can be appropriately adjusted according to the particle diameter range of the detection target so that the peak value of the pulse waveform included in the amplified electric signal becomes a desired value. Therefore, improvement in the calculation accuracy of the particle diameter is expected.
  • the medium containing particles is gas (air), but may be a medium other than gas (liquid such as water). That is, the particle detection sensor detects particles contained in a fluid that is a gas or a liquid.
  • each component in the general-purpose MPU 22 may be configured by dedicated hardware or may be realized by executing a software program suitable for each component.
  • Each component may be realized by a program execution unit such as a CPU or a processor reading and executing a software program recorded on a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory.
  • the constituent elements (functions) constituting the general-purpose MPU 22 are realized as part of a microprocessor, ROM, RAM, and the like mounted on various devices (for example, an air purifier) including a particle detection sensor. It does not matter.
  • the present invention can be realized not only as such a particle detection sensor but also as a method including steps (processing) performed by the particle detection sensor.
  • these steps may be executed by a computer (computer system).
  • the present invention can be realized as a program for causing a computer to execute the steps included in these methods.
  • the present invention can be realized as a non-transitory computer-readable recording medium such as a CD-ROM on which the program is recorded.
  • each step is executed by executing the program using hardware resources such as a CPU, a memory, and an input / output circuit of a computer. That is, each step is executed by the CPU obtaining data from a memory or an input / output circuit or the like, and outputting the calculation result to the memory or the input / output circuit or the like.
  • hardware resources such as a CPU, a memory, and an input / output circuit of a computer. That is, each step is executed by the CPU obtaining data from a memory or an input / output circuit or the like, and outputting the calculation result to the memory or the input / output circuit or the like.

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Abstract

粒子検出センサ（１）は、検知領域（ＤＡ）に光を投光する投光素子（１１１）と、粒子径に依存する速度で検知領域（ＤＡ）を通過する粒子（２）による投光素子（１１１）からの光の散乱光を受光して、当該粒子（２）に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子（１２１）とを備える。また、粒子検出センサ（１）は、受光素子（１２１）から入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅する増幅回路（２１２）を備える。また、粒子検出センサ（１）は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、検知領域（ＤＡ）を通過した粒子（２）の粒子径を算出する演算部（２２２）を備える。

Description

粒子検出センサ、ダストセンサ、煙感知器、及び、空調装置
　本発明は、粒子検出センサ、ダストセンサ、煙感知器、及び、空調装置に関する。
　光散乱式の粒子検出センサは、投光素子と受光素子とを備える光電式センサであり、測定対象の流体を取り込んで投光素子の光を当該流体に照射し、その散乱光によって流体に含まれる粒子の有無を検出する。このような粒子検出センサは、例えば、大気中に浮遊するホコリ、花粉、煙等の粒子を検出することができる（例えば、特許文献１～４参照）。
特開２０１５－１１４１７６号公報 特開２００６－１３８８３３号公報 特開２００１－０５８１１４号公報 特開２００２－１１６１３５号公報
　このような粒子検出センサを用いてＰＭ２．５相当の微小粒子から花粉相当の粗大粒子（例えば、最大粒子径５０μｍ）までを検出するためには、散乱光強度に対応する電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを非常に大きく設計する必要がある。例えば、粒子径５０μｍの粗大粒子による散乱光強度は、粒子径０．３μｍの微小粒子による散乱光強度のおよそ５万倍となる。このため、微小粒子から粗大粒子まで検出しようとすると、電気信号を処理する回路にも同程度のダイナミックレンジが要求される。しかしながら、これほど大きなダイナミックレンジを有する回路の実現は、回路特性等から非常に困難である。
　そこで、本発明は、電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化（広ダイナミックレンジ化）することができる粒子検出センサ等を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る粒子検出センサは、検知領域に光を投光する投光素子と、粒子径に依存する速度で前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光して、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、前記受光素子から入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅する増幅回路と、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する演算部とを備える。
　また、本発明の他の一態様に係る粒子検出センサは、検知領域に光を投光する投光素子と、粒子径に依存する速度で前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光し、受光した散乱光の時間的な変化により得られる周波数が高いほど大きな変換効率で光電変換し、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、前記受光素子から入力される電気信号を増幅する増幅回路と、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する演算部とを備える。
　また、本発明の一態様に係るダストセンサ及び煙感知器の各々は、上記の粒子検出センサを備える。
　また、本発明の一態様に係る空調装置は、上記の粒子検出センサと、前記検知領域に対して、前記粒子の自重による移動を妨げる向きに前記粒子を含む流体を通過させる流速発生部とを備える。
　本発明に係る粒子検出センサ等によれば、電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化することができる。
図１は、実施の形態に係る粒子検出センサの構成の一例を示すブロック図である。 図２は、検知領域を通過する流体中の粒子の状態を模式的に示す図である。 図３は、増幅回路の増幅率の周波数特性の概要を示すグラフである。 図４は、増幅回路による増幅処理を概念的に示す図である。 図５は、変形例２における増幅回路による増幅後の電気信号を示すグラフである。 図６は、変形例３における増幅回路による増幅後の電気信号を示すグラフである。 図７は、変形例４における検知領域を通過する流体中の粒子の状態を模式的に示す図である。 図８は、変形例５に係る粒子検出センサの構成の一例を示すブロック図である。 図９は、粒子検出センサを備える空気清浄機の外観図である。 図１０は、粒子検出センサを備える煙感知器の外観図である。 図１１は、粒子検出センサを備える換気扇の外観図である。 図１２は、粒子検出センサを備えるエアコンの外観図である。
　以下では、本発明の実施の形態に係る粒子検出センサ等について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する場合がある。
　（実施の形態）
　［１．構成］
　まず、本発明の実施の形態に係る粒子検出センサの全体構成について説明する。
　図１は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の構成の一例を示すブロック図である。なお、同図では、センサ部１０の内部構成が模式的に示されている。
　粒子検出センサ１は、当該粒子検出センサ１の周辺に漂う空気（以下、周辺空気と称する）に含まれる粒子を検出する。
　同図に示すように、粒子検出センサ１は、センサ部１０と信号処理部２０とを備え、センサ部１０の検知領域ＤＡに位置する粒子２からの散乱光に基づいて、粒子検出センサ１に取り込んだ周辺空気に含まれる粒子を検出する。また、粒子検出センサ１は、さらに、粒子検出センサ１が備える各構成に対して電源を供給する電源部３０を備える。この電源部３０は、例えば、粒子検出センサ１の外部から供給された電圧を所望の電圧に変換するレギュレータ等により構成される。
　以下、粒子検出センサ１の各構成について、具体的に説明する。
　［１－１．センサ部］
　センサ部１０は、粒子検出センサ１の測定対象である周辺空気を取り込んで、取り込んだ周辺空気に光を照射し、その散乱光の光強度を示す電気信号（ここでは電流信号）を出力する、光電式センサ（光散乱式の粒子検出センサ）である。つまり、センサ部１０は、取り込んだ周辺空気に含まれる粒子２に応じた時系列の電気信号を出力する。
　具体的には、本実施の形態では、センサ部１０は、投光系１１と受光系１２と筐体１３とヒーター１５とを備え、筐体１３の流入口１８から流出口１９までの粒子流路に設けられた検知領域ＤＡを通過する（検知領域ＤＡに位置する）粒子２からの散乱光に応じた電気信号を出力する。投光系１１、受光系１２及び検知領域ＤＡは、外光が照射されないように、筐体１３に収容されている。
　検知領域ＤＡは、測定対象の気体に含まれる粒子２（エアロゾル）を検知するためのエアロゾル検知領域（エアロゾル測定部）であり、投光系１１の光軸Ｐと受光系１２の光軸Ｑとが交差する交点を含む、例えばφ２ｍｍ程度の領域である。つまり、検知領域ＤＡは、投光系１１の光が投光される空間領域と投光系１１の光が粒子２に当たって発生した散乱光を受光系１２に導くための空間領域とが重なる空間領域である。
　投光系１１は、検知領域ＤＡに光を投光する光学素子からなり、本実施の形態では、投光素子１１１と、投光素子１１１の前方（光投光側）に配置された投光レンズ１１２とを有する。
　投光素子１１１は、検知領域ＤＡに光を投光する、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）や半導体レーザ等の固体発光素子である。投光素子１１１は、例えば、赤外光、青色光、緑色光、赤色光または紫外光等の所定の波長の光を投光し、２波長以上の混合波を投光してもよい。本実施の形態では、粒子２によって散乱された光の強度（散乱光強度）に鑑みて、投光素子１１１として、例えば、４００ｎｍ～１０００ｎｍの波長の光を投光する砲弾型のＬＥＤが用いられる。
　なお、投光素子１１１から投光された光の波長が短いほど、粒子径の小さな粒子２を検出しやすくなる。また、投光素子１１１の投光制御方式は特に限定されるものではなく、投光素子１１１から投光される光は、ＤＣ駆動による連続光またはパルス光等とすることができる。
　投光レンズ１１２は、投光素子１１１の前方かつ投光系１１の光軸Ｐ上に配置され、投光素子１１１から投光された光を検知領域ＤＡに向けて進行させるように構成されている。例えば、投光レンズ１１２は、投光素子１１１から投光された光を検知領域ＤＡに集光する集光レンズであり、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）等の透明樹脂またはガラスによって形成される。つまり、投光素子１１１から投光された光は、投光レンズ１１２を介して検知領域ＤＡに到達する。この際、検知領域ＤＡに粒子２が位置していると、当該粒子２によって投光素子１１１からの光が散乱される。
　受光系１２は、検知領域ＤＡからの光を受光する光学素子からなり、本実施の形態では、受光素子１２１と、受光素子１２１の前方（光入射側）に配置された受光レンズ１２２とを有する。検知領域ＤＡに粒子２が位置する場合、当該粒子２によって散乱された光（散乱光）は、受光系１２によって受光される。
　受光素子１２１は、粒子径に依存する速度で検知領域ＤＡを通過する粒子２による投光素子１１１からの光の散乱光を受光して、当該粒子２に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する。つまり、受光素子１２１は、受光した散乱光の時間的な光強度の変化を示す電気信号を生成する。
　受光素子１２１は、受光した散乱光を電気信号に変換する光電変換素子であり、本実施の形態では、投光素子１１１が投光する光に感度を有するフォトダイオード及びフォトトランジスタの少なくとも一方を含む。つまり、受光素子１２１は、受光した光強度に応じた電気信号（ここでは電流信号）を出力する。なお、受光素子１２１は、例えば、フォトＩＣダイオードまたは光電子増倍管などを含んでもかまわない。
　受光レンズ１２２は、検知領域ＤＡと受光素子１２１との間に配置され、検知領域ＤＡに位置する粒子２による散乱光を受光素子１２１に集光するように構成されている。例えば、受光レンズ１２２は、検知領域ＤＡに位置する粒子２によって散乱された光を受光素子１２１に集束させる集光レンズであり、投光レンズ１１２と同様の材質により形成される。
　筐体１３は、遮光性を有し、粒子２を含む周辺空気が流れる筒状の空間領域である粒子流路が設けられた部材である。例えば、筐体１３は、迷光を減衰させやすいように、少なくとも内面が黒色面である。
　筐体１３は、例えば、ＡＢＳ樹脂などの樹脂材料を用いた射出成形により形成される。このとき、例えば、黒色の顔料または染料を添加した樹脂材料を用いて筐体１３を形成することで、筐体１３の内面を黒色面にして迷光の減衰を図ることができる。あるいは、射出成形後に筐体１３の内面に黒色塗料を塗布することで、筐体１３の内面を黒色面にして迷光の減衰を図ることができる。また、筐体１３の内面にシボ加工などの表面処理を行うことにより、迷光の減衰を図ることができる。
　筐体１３には、上述したように流入口１８及び流出口１９が設けられている。このため、周辺空気は、流入口１８から筐体１３の内部に進入し、粒子流路を通って検知領域ＤＡに導かれ、流出口１９から筐体１３の外部に流出する。
　ヒーター１５は、検知領域ＤＡに対して、粒子２の自重による移動を妨げる向きに流体（ここでは周辺空気）を通過させる流速発生部である。本実施の形態では、ヒーター１５は、当該ヒーター１５周囲の気体を加熱することにより、粒子流路の気体を流して気流を発生させる。つまり、ヒーター１５は、検知領域ＤＡの鉛直方向下側に設けられており、鉛直上向きに粒子を含む流体を通過させる。
　具体的には、ヒーター１５によって周囲の気体が加熱されると、加熱された気体は、膨張して密度が小さくなることにより重力と逆方向の上方向に移動する。つまり、ヒーター１５によって、上方向の気流（上昇気流）が発生する。この気流が粒子流路の気体を流すことにより、粒子流路に気流が生じる。その結果、粒子検出センサ１の周辺空気が流入口１８から筐体１３内部に引き込まれるため、ヒーター１５を設けない場合に比べて、センサ部１０内に多くの粒子２を取り込むことができる。
　［１－２．信号処理部］
　信号処理部２０は、受光素子１２１から出力された電気信号を信号処理することにより、流体中の粒子の粒子径を算出する。図１に示すように、信号処理部２０は、アナログ信号処理を施すアナログ信号処理部２１と、デジタル信号処理を施す汎用ＭＰＵ２２とを備える。
　アナログ信号処理部２１は、アナログ回路により構成され、本実施の形態では、受光素子１２１から出力された電流信号に対して各種のアナログ信号処理を施すことにより、当該電流信号に基づく電圧信号を出力する。ここで、各種のアナログ信号処理とは、例えば、電流（Ｉ）を電圧（Ｖ）に変換するＩ／Ｖ変換、入力された信号の所望の周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタ処理、及び、入力された信号を増幅して出力する増幅処理である。アナログ信号処理部２１は、Ｉ／Ｖ変換を行うＩＶ変換回路２１１と、増幅処理を行う増幅回路２１２とを含む。
　ＩＶ変換回路２１１は、受光素子１２１から出力された電流信号をＩ／Ｖ変換することにより、当該電流信号に応じた電圧信号を生成する。このように電流信号を電圧信号に変換することにより、以降の信号処理の容易化が図られるとともに、ＩＶ変換回路２１１の後段に接続された増幅回路２１２の設計の容易化が図られる。
　増幅回路２１２は、ＩＶ変換回路２１１から出力された電圧信号を、所定の周波数特性にしたがって増幅する。なお、増幅回路２１２の周波数特性については、後述する。
　このように構成されたアナログ信号処理部２１は、受光素子１２１からの出力を示し、かつ、検知領域ＤＡに位置する粒子２に対応するパルス状の波形を含む電気信号である検知信号（センサ出力）を出力する。
　汎用ＭＰＵ２２は、デジタル回路により構成され、アナログ信号処理部２１から出力された検知信号を用いて、検知領域ＤＡにおける流体に含まれる粒子を検出する。汎用ＭＰＵ２２は、図１に示すように、機能ブロックとして、ＡＤ変換部２２１と演算部２２２を有する。
　ＡＤ変換部２２１は、増幅回路２１２で増幅された電圧信号をサンプリング（標本化）及び量子化する。言い換えると、当該ＡＤ変換部２２１は、アナログ信号処理部２１から出力されたアナログの検知信号をＡＤ（Ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ）変換することにより、当該検知信号に対応する時系列のデジタルデータを生成する。つまり、ＡＤ変換部２２１は、受光素子１２１から出力された電流信号に基づく時系列のデジタルデータを生成する。
　本実施の形態では、ＡＤ変換部２２１は、汎用ＭＰＵ２２に予め組み込まれたＡＤ変換モジュールであり、当該汎用ＭＰＵ２２のアナログ入力端子に入力された電圧信号をデジタルデータに変換する。例えば、ＡＤ変換部２２１は、汎用ＭＰＵ２２のアナログ入力端子に入力された０．０～５．０Ｖの範囲の電圧信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングする。その後、ＡＤ変換部２２１は、サンプリングされた電圧信号の電圧を１０ビットのデジタル値に変換することにより、上記の時系列のデジタルデータを生成する。
　演算部２２２は、ＡＤ変換部２２１で生成されたデジタルデータを用いて、検知領域ＤＡにおける流体に含まれる粒子の粒子径及びその個数を算出する。具体的には、演算部２２２は、デジタルデータに含まれるパルスデータのパルス幅を用いて、検知領域ＤＡにおける流体に含まれる粒子の粒子径を算出する。ここで、パルスデータとは、検知信号に含まれるパルス状の波形に対応する時系列のデジタルデータである。つまり、演算部２２２は、増幅回路２１２による増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を算出する。
　例えば、演算部２２２は、予め定められた閾値におけるパルス幅に基づき、粒子径を算出する。また、演算部２２２は、さらに、所定期間（例えば１分間）において、当該閾値を超えたピークの個数をカウントすることにより、所定期間内に検知領域ＤＡを通過した粒子の個数をカウントする。
　なお、粒子検出センサ１による粒子径を算出するメカニズムの詳細については、後述する。
　このような汎用ＭＰＵ２２は、例えば、集積回路であるシステムＬＳＩにより実現され、機能ブロック毎に個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。また、汎用ＭＰＵ２２は、システムＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。また、汎用ＭＰＵ２２は、ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、またはＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
　［２．粒子径算出のメカニズム］
　次に、以上のように構成された粒子検出センサ１による粒子径を算出するメカニズムについて、説明する。
　図２は、検知領域ＤＡを通過する流体中の粒子２の状態を模式的に示す図である。なお、同図では、検知領域ＤＡを通過する流体（本実施の形態ではヒーター１５による上昇気流）についても太い矢印で模式的に示している。また、同図では、重力によって流体中の粒子２にはたらく抗力についても模式的に示し、抗力が大きいほど長い矢印で示している。
　同図に示すように、ヒーター１５による上昇気流によって、種々の大きさを有する粒子２が検知領域ＤＡへと搬送される。このとき、粒子は、粒子径に依存する速度で検知領域ＤＡを通過する。具体的には、粒子径が小さい微小粒子（例えば、粒子径が０．３μｍの粒子）の速度は、粒子径が大きい粗大粒子（例えば、粒子径が３０μｍの粒子）の速度に比べて大きくなる。これは、粒子径の違いによる粒子の自重の違い、すなわち上昇気流に対する自重による抗力の違いによるものである。
　よって、検知領域ＤＡの通過に要する時間は、粒子径が大きい粒子ほど長くなり、粒子径が小さい粒子ほど短くなる。また、検知領域ＤＡに位置する粒子による散乱光の光強度は、粒子径が大きい粒子ほど大きくなり、粒子径が小さい粒子ほど小さくなる。よって、散乱光の光強度は、粒子径に応じて時間的にパルス状に変化することになる。
　これにより、受光素子１２１から増幅回路２１２に入力される電気信号は、次のようなパルス状の波形を含むことになる。すなわち、電気信号は、粒子径が大きい粒子が検知領域ＤＡを通過したとき、パルス幅及び波高値がいずれも大きなパルス状の波形を含む。つまり、このとき、増幅回路２１２に入力される電気信号の周波数は低くなる。一方、電気信号は、粒子径が小さい粒子が検知領域ＤＡを通過したとき、パルス幅及び波高値がいずれも小さなパルス状の波形を含む。つまり、このとき、増幅回路２１２に入力される電気信号の周波数は高くなる。
　ここで、増幅回路２１２は、受光素子１２１から入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅する。具体的には、本実施の形態では、増幅回路２１２は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が所定の範囲内になるように増幅する。
　例えば、増幅回路２１２は、図３に示すような周波数特性を有する。図３は、増幅回路２１２の増幅率（増幅回路ゲイン）の周波数特性の概要を示すグラフである。
　このような周波数特性により、増幅回路２１２は、粒子径３０μｍの粒子が検知領域ＤＡを通過したことによる周波数ｆａのパルス状の波形を含む電気信号を、増幅率Ｇａで増幅する。また、増幅回路２１２は、粒子径０．３μｍの粒子が検知領域ＤＡを通過したことによる周波数ｆｂ（ただしｆａ＜ｆｂ）のパルス状の波形を含む電気信号を、増幅率Ｇｂ（ただし、Ｇａ＜Ｇｂ）で増幅する。
　よって、増幅回路２１２による増幅後の電気信号は、波高値が所定の範囲内となる１以上のパルス状の波形を含むことになる。
　なお、増幅回路２１２は、少なくとも所定の周波数範囲内において、入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅すればよい。つまり、粒子が検知領域ＤＡの通過に要する時間は、（ｉ）検知領域ＤＡの大きさ（光学焦点エリア径）、及び、（ｉｉ）検知領域ＤＡを通過する粒子の移動速度、の２つの因子によって決定される。例えば、検知領域ＤＡの大きさをｒｄ［ｍｍ］、検知領域ＤＡを通過し得る最小の粒子の移動速度をｖ１［ｍｍ／ｓｅｃ］、検知領域ＤＡを通過し得る最大の粒子の移動速度をｖ２［ｍｍ／ｓｅｃ］とすると、所定の周波数範囲ｆｗ［Ｈｚ］は、ｖ２／ｒｄ≦ｆｗ≦ｖ１／ｒｄとなる。ここで、上記（ｉｉ）検知領域ＤＡを通過する粒子の移動速度は、粒子径に依存し、検知領域ＤＡを通過する流体の流速、及び、流体に対する粒子の抗力等から求められる。
　図４は、増幅回路２１２による増幅処理を概念的に示す図である。具体的には、同図の（ａ）は、検知領域ＤＡを通過した粒子による散乱光の強度を時系列に示すグラフである。同図の（ｂ）は、同図の（ａ）に示す散乱光に対応する増幅後の電気信号（粒子検出信号）である。
　図４の（ａ）に示すように、粒子による散乱光強度のピークは、粒子径が大きくなるほど大きくなり、例えば、粒子径が３０μｍの場合には、粒子径が０．３μｍの場合に対して、数万倍に達する。このため、光電変換効率が略一定の受光素子１２１から増幅回路２１２に入力される電気信号は、このような強度比と同等の波高値の差異を伴うことになる。ここで、略一定とは、完全に一定であることを意味するだけでなく、実質的に一定であることも意味する。すなわち、「略」とは、数％程度の誤差を含む。
　増幅回路２１２は、このような電気信号を、図３に示した周波数特性を有する増幅率で増幅することにより、図４の（ｂ）に示すような波高値が所定の範囲内となるような電気信号に変換する。
　これにより、粒子径が３０μｍの粗大粒子及び粒子径が０．３μｍの微小粒子のいずれについても、パルス状の波形の波高値（すなわち、増幅後の電気信号の高さ）を所定の範囲内に調整することができる。
　ここで、所定の範囲とは、例えば、後段の汎用ＭＰＵ２２の最大入力電圧、または、増幅回路２１２より後段のアナログ信号処理部２１を構成するアナログ素子（不図示）の飽和電圧等によって決定される、飽和レベルＶｍａｘ以下となる範囲である。
　図４の（ｂ）に示すように、増幅後の電気信号に含まれる１以上のパルス状の波形は、波高値が所定の範囲内、かつ、パルス幅が粒子径に依存する波形となる。そこで、演算部２２２は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を算出する。
　具体的には、演算部２２２は、各パルス状の波形について、閾値Ｖｔｈにおけるパルス幅を取得する。例えば、演算部２２２は、汎用ＭＰＵ２２のカウンタ（不図示）及びコンパレータ（不図示）を用いて、増幅後の電気信号と閾値Ｖｔｈとを比較し、増幅後の電気信号が閾値Ｖｔｈ以上となる時間を測定することにより、閾値Ｖｔｈにおけるパルス幅を抽出する。
　次いで、演算部２２２は、例えば、パルス幅と粒子径との相関を示す予め定められたパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅から検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を算出する。ここで、パルス幅相関情報は、パルス幅と粒子径との相関関係を示し、例えば、汎用ＭＰＵ２２のメモリ（不図示）に記憶されている、または、汎用ＭＰＵ２２によって実行されるコードとして組み込まれている。
　これにより、演算部２２２は、抽出したパルス幅がＴ１１、Ｔ１２、Ｔ１３（ただし、Ｔ１１＜Ｔ１２＜Ｔ１３）となったパルス波形について、それぞれ、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を０．３μｍ、２．５μｍ、３０μｍと算出する。
　［３．まとめ］
　以上説明したように、本実施の形態に係る粒子検出センサ１は、検知領域ＤＡに光を投光する投光素子１１１と、粒子径に依存する速度で検知領域ＤＡを通過する粒子２による投光素子１１１からの光の散乱光を受光して、当該粒子２に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子１２１とを備える。また、粒子検出センサ１は、受光素子１２１から入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅する増幅回路２１２を備える。また、粒子検出センサ１は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、検知領域ＤＡを通過した粒子２の粒子径を算出する演算部２２２を備える。
　このように、増幅回路２１２が入力される電気信号の周波数が高いほど大きな増幅率で増幅することにより、増幅後の電気信号の飽和を抑制することができる。つまり、電気信号を処理する回路（本実施の形態では信号処理部２０）のダイナミックレンジを大きくする必要がなくなる。また、演算部２２２が増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき粒子径を算出することにより、微小粒子から粗大粒子まで幅広い粒子径を算出することができる。したがって、電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化することができる。
　また、本実施の形態に係る粒子検出センサ１は、検知領域ＤＡに対して、粒子２の自重による移動を妨げる向きに粒子を含む流体を通過させる流速発生部（本実施の形態ではヒーター１５）を備える。
　これにより、例えば、検知領域ＤＡを通過する粒子量（個数）の調整が可能となる。
　また、本実施の形態によれば、流速発生部は、鉛直上向きに流体を通過させる。
　これにより、粒子の検知領域ＤＡの通過に要する時間を、粒子径に依存させて大きく可変することができる。よって、粒子径に依存して、増幅後の電気信号に含まれるパルス波形のパルス幅が大きく変わることになる。したがって、パルス幅に基づく粒子径の算出精度を高めることができる。
　また、本実施の形態によれば、流速発生部は、検知領域ＤＡの鉛直方向下側に設けられたヒーター１５である。
　これにより、流速発生部の構成の簡素化が図られる。
　（変形例１）
　なお、粒子径の算出精度を高めるために、演算部２２２は、さらに波高値を用いて粒子径を算出してもかまわない。そこで、以下、実施の形態の変形例１として、このような演算部２２２を備える粒子検出センサについて説明する。なお、本変形例に係る粒子検出センサは、実施の形態に比べて、演算部２２２による粒子径を算出する処理が主に異なり、他の構成または処理等は同様である。このため、以下では、実施の形態と同様の構成または処理については、簡略化または省略して説明する。また、以降の変形例においても、既に説明した構成または処理については、簡略化または省略して説明する。
　本変形例において、演算部２２２は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値に基づき、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を算出する。例えば、演算部２２２は、ピークホールド、または、電気信号の増加率がプラスからマイナスに転じた時点での値を抽出することにより、パルス状の波形の波高値を抽出する。
　次いで、演算部２２２は、例えば、波高値と粒子径との相関を示す予め定められた波高値相関情報を参照して、抽出した波高値から検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を算出する。ここで、波高値相関情報は、波高値と粒子径との相関関係を示し、例えば、パルス幅相関情報と同様に、汎用ＭＰＵ２２のメモリ（不図示）に記憶されている、または、汎用ＭＰＵ２２によって実行されるコードとして組み込まれている。
　これにより、演算部２２２は、抽出した波高値それぞれについて、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を算出する。
　次いで、演算部２２２は、パルス幅を用いて算出した粒子径（以下、第一粒子径）と、波高値を用いて算出した粒子径（以下、第二粒子径）とを併せて、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を算出する。例えば、演算部２２２は、第一粒子径と第二粒子径とで規定される粒子径範囲内のいずれかの値（平均値または中央値等）を、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径として算出する。
　以上のように、本変形例によれば、演算部２２２は、さらに、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値に基づき、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を算出する。
　このように、演算部２２２がパルス幅及び波高値に基づき粒子径を算出することにより、粒子径の算出精度を高めることができる。
　また、パルス幅だけでなく波高値に基づいて粒子径を算出することにより、例えば、アナログ信号処理部２１を構成するアナログ素子（不図示）の特性上の制約等により、増幅後の電気信号に含まれる複数のパルス状の波形の波高値を同等にできない場合であっても、粒子径の算出誤差を低減することができる。
　具体的には、複数のパルス状の波形の波高値が互いに異なる場合、抽出したパルス幅と検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径とが、パルス幅相関情報が示す相関関係とは異なってしまう場合がある。この場合、抽出したパルス幅のみを用いた粒子径の算出結果については、誤差が生じ得る。これに対して、パルス幅だけでなく波高値に基づいて粒子径を算出することにより、パルス幅のみを用いた粒子径の算出結果に比べて、粒子径の算出誤差を低減することができる。
　（変形例２）
　上記実施の形態及びその変形例１では、検知領域ＤＡを１つの粒子のみが通過することを想定して説明したが、検知領域ＤＡを複数の粒子が通過することもあり得る。そこで、以下、実施の形態の変形例２として、複数の粒子が同時に検知領域ＤＡを通過した場合であっても、各粒子の粒子径を算出することができる粒子検出センサについて説明する。ここで、同時に検知領域ＤＡを通過するとは、検知領域ＤＡを通過する最初の時点から最後の時点までが同じであることに限らず、任意の時点で検知領域ＤＡに共に位置することを意味する。
　図５は、本変形例における増幅回路２１２による増幅後の電気信号を示すグラフである。
　同図に示す波形Ｗ２０は、粒子径が３０μｍの粒子と粒子径が２．５μｍの粒子とが検知領域ＤＡを同時に通過したことによるパルス状の波形である。具体的には、波形Ｗ２０は、粒子径が３０μｍの粒子に対応する波形Ｗ２１と、粒子径が２．５μｍの粒子に対応する波形Ｗ２２との合成波形である。
　このような波形Ｗ２０は、波形Ｗ２１のピークと波形Ｗ２２のピークとが同じタイミングになる場合を除き、複数のピークを有することになる。つまり、波形Ｗ２０は、複数の波高値をとることになる。
　そこで、本変形例において、演算部２２２は、波高値の個数が２以上のｍ個となる１つのパルス状の波形について、同一の閾値におけるｍ個のパルス幅の各々に基づき、検知領域ＤＡを通過したｍ個の粒子の各々の粒子径を算出する。
　具体的には、本変形例において、演算部２２２は、増幅後の電気信号に含まれる各パルス状の波形について、波高値の個数を取得する。次いで、波高値の個数が２以上となったパルス状の波形（図５では波形Ｗ２０）については、複数の粒子が検知領域ＤＡを同時に通過したと判断して、同一の閾値（図５では閾値Ｖｔｈ２）におけるパルス幅（図５ではパルス幅Ｔ２１、Ｔ２２）の各々に基づき粒子径を算出する。つまり、波高値の個数と同数のパルス幅を抽出可能な閾値におけるパルス幅に基づき、粒子径を算出する。
　例えば、演算部２２２は、波形Ｗ２０について、２つのパルス幅を抽出可能な閾値（ここでは閾値Ｖｔｈ２）おけるパルス幅Ｔ２１、Ｔ２２に基づき、２つの粒子径を算出する。これにより、演算部２２２は、波形Ｗ２０のうち、抽出したパルス幅がＴ２１となった波形Ｗ２１について、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を３０μｍと算出する。また、演算部２２２は、波形Ｗ２０のうち、抽出したパルス幅がＴ２２となった波形Ｗ２２について、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を２．５μｍと算出する。
　ここで、図５に示すように閾値は複数（ここでは４つ）設定されていてもよく、パルス幅相関情報は、複数の閾値それぞれに対応していてもよい。つまり、演算部２２２は、波高値の個数が１つのみとなるパルス状の波形については、複数の閾値のうち最も小さい閾値（図５では閾値Ｖｔｈ４）に対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅に基づき、粒子径を算出してもよい。
　以上のように、本変形例によれば、演算部２２２は、波高値の個数が２以上のｍ個となるパルス状の波形（図５では波形Ｗ２０）について、同一の閾値におけるｍ個のパルス幅（図５では閾値Ｖｔｈ２における２つのパルス幅Ｔ２１、Ｔ２２）の各々に基づき、検知領域ＤＡを通過したｍ個（図５では２個）の粒子の各々の粒子径を算出する。
　これにより、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化しつつ、検知領域ＤＡを同時に通過する複数の粒子の各々の粒子径を算出することができる。
　なお、本変形例では、２個の粒子が検知領域ＤＡを同時に通過する場合について説明したが、３個以上の粒子が検知領域ＤＡを同時に通過する場合であっても、同様の処理により、３個以上の粒子の各々の粒子径を算出することができる。
　（変形例３）
　上記実施の形態ならびにその変形例１及び２では、増幅回路２１２は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が所定の範囲内になるように増幅するとした。しかし、増幅回路２１２の増幅率はこれに限らない。そこで、以下、実施の形態の変形例３に係る粒子検出センサについて説明する。
　本変形例において、増幅回路２１２は、粒子の粒子径が大きいほど増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が小さくなるように増幅する。つまり、増幅回路２１２は、図３に示した周波数特性に比べて、周波数に対する増幅率の変化（すなわち傾き）がより大きな周波数特性を有する。
　これにより、増幅後の電気信号は、例えば、図６に示すような信号となる。図６は、本変形例における増幅回路２１２による増幅後の電気信号を示すグラフである。
　同図に示す波形Ｗ３０は、粒子径が０．３μｍの粒子と粒子径が３０μｍの粒子とが検知領域ＤＡを同時に通過したことによるパルス状の波形である。具体的には、波形Ｗ３０は、粒子径が０．３μｍの粒子に対応する波形Ｗ３１と、粒子径が３０μｍの粒子に対応する波形Ｗ３２との合成波形である。
　このような波形Ｗ３０は、パルス幅が途中で急激に変化することになる。具体的には、１つの粒子が検知領域ＤＡを通過した場合、パルス状の波形は、例えば検知領域ＤＡにおける粒子の通過位置に対する散乱光の光強度の分布（感度）に基づいて滑らかに変化する所定の波形となる。これに対して、複数の粒子が検知領域ＤＡを同時に通過した場合、パルス状の波形は、当該所定の波形とは異なり急激に変化する波形となる。
　そこで、本変形例において、演算部２２２は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形について、第一閾値における第一パルス幅と当該第一閾値より小さい第二閾値における第二パルス幅との相対関係が所定の関係を満たさない場合、第一パルス幅及び第二パルス幅の各々に基づき、検知領域ＤＡを通過した２以上の粒子の各々の粒子径を算出する。
　具体的には、本変形例において、演算部２２２は、増幅後の電気信号に含まれる各パルス状の波形について、複数の閾値（ここでは４つの閾値Ｖｔｈ１～Ｖｔｈ４）の各々におけるパルス幅を抽出する。
　次いで、演算部２２２は、隣り合う２つの閾値それぞれにおけるパルス幅の相対関係（例えばパルス幅の比）が所定の関係（例えば所定値以下）を満たすか否かを判定する。
　次いで、演算部２２２は、上記相対関係が上記所定の関係を満たす場合、複数の閾値のうち最も小さい閾値（図６では閾値Ｖｔｈ４）に対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅に基づき、粒子径を算出する。一方、演算部２２２は、上記相対関係が上記所定の関係を満たさない場合、当該２つの閾値それぞれに対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出した２つのパルス幅に基づき、粒子径を算出する。
　例えば、演算部２２２は、閾値Ｖｔｈ２（第一閾値）におけるパルス幅Ｔ３１（第一パルス幅）と閾値Ｖｔｈ３（第二閾値）におけるパルス幅Ｔ３２（第二パルス幅）との相対関係（比Ｔ３１／Ｔ３２）が所定の関係（所定値α以下）を満たさない場合、次のように粒子径を算出する。具体的には、閾値Ｖｔｈ２に対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅がＴ３１となった波形Ｗ３１について、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を０．３μｍと算出する。また、閾値Ｖｔｈ３に対応するパルス幅相関情報を参照して、抽出したパルス幅がＴ３２となった波形Ｗ３２について、検知領域ＤＡを通過した粒子の粒子径を３０μｍと算出する。
　以上のように、本変形例によれば、増幅回路２１２は、粒子の粒子径が大きいほど増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が小さくなるように増幅する。
　これにより、粗大粒子と微小粒子とが検知領域ＤＡを同時に通過した場合であっても、増幅後の電気信号には、粗大粒子及び微小粒子の各々に対応するパルス状の波形が含まれる。つまり、増幅後の電気信号では、粗大粒子に対応するパルス状の波形に隠されることなく、微小粒子に対応するパルス状の波形の一部が出現することになる。したがって、粗大粒子と微小粒子とが検知領域ＤＡを同時に通過した場合であっても、粗大粒子及び微小粒子の各々の粒子径を算出することができる。
　また、本変形例によれば、演算部２２２は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形（図６では波形Ｗ３０）について、第一閾値における第一パルス幅（図６では閾値Ｖｔｈ２におけるパルス幅Ｔ３１）と当該第一閾値より小さい第二閾値における第二パルス幅（図６では閾値Ｖｔｈ３におけるパルス幅Ｔ３２）との相対関係が所定の関係を満たさない場合、第一パルス幅及び第二パルス幅の各々に基づき、検知領域ＤＡを通過した２以上の粒子の各々の粒子径を算出する。
　これにより、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化しつつ、検知領域ＤＡを同時に通過する複数の粒子の各々の粒子径を算出することができる。
　（変形例４）
　上記実施の形態において、検知領域ＤＡは投光系１１の光が投光される空間領域と投光系１１の光が粒子２に当たって発生した散乱光を受光系１２に導くための空間領域とが重なる空間領域であると説明した。この検知領域ＤＡの形状は、特に限定されないが、粒子径の算出精度を高める観点から、扁平形状であることが好ましい。そこで、実施の形態の変形例４に係る粒子検出センサとして、扁平形状の検知領域ＤＡを含む構成について説明する。
　図７は、本変形例における検知領域ＤＡを通過する流体中の粒子２の状態を模式的に示す図である。なお、同図では、図２と同様に、検知領域ＤＡを通過する流体、及び、粒子２にはたらく抗力についても模式的に示している。
　同図に示すように、本変形例における検知領域ＤＡは、粒子の通過方向に垂直な一の方向に見て当該通過方向の厚みが略一定の扁平形状である。本変形例では、流体がヒーター１５による上昇気流であるため、検知領域ＤＡは、水平な一の方向に見て（ここでは紙面奥行き方向に見て）、上下方向の厚みが略一定となっている。例えば、紙面奥行き方向における検知領域ＤＡの厚みは、端部から中央部に向かって次第に厚くなっている。また、検知領域ＤＡを上下方向に見た形状は、特に限定されず、例えば略矩形状または略円形状である。
　このような検知領域ＤＡは、例えば、投光系１１及び受光系１２を構成する種々の光学素子を、適宜設計及び配置することにより実現される。
　ここで、検知領域ＤＡが球状の場合、粒子径が同一の粒子が検知領域ＤＡを通過する場合であっても、検知領域ＤＡの粒子の通過位置に依存して、パルス状の波形のパルス幅が異なってしまう。具体的には、球状の検知領域ＤＡの中央部を粒子が通過した場合は、当該検知領域ＤＡの端部を粒子が通過した場合に比べて、パルス幅が大きくなる。このことは、粒子径の算出精度を低下させる要因となり得る。
　これに対して、本変形例によれば、検知領域ＤＡは、粒子の通過方向に垂直な一の方向に見て当該通過方向の厚みが略一定の扁平形状である。
　これにより、検知領域ＤＡの粒子の通過位置に対するパルス幅の依存度を抑制することができるため、粒子径の算出精度を高めることができる。特に、流体の通過方向に垂直な方向において検知領域ＤＡの厚みが略一定の板状の場合、粒子径の算出精度の低下を高めることができる。
　（変形例５）
　上記実施の形態では、粒子検出センサ１は、検知領域ＤＡにおける流体の流れを発生させる流速発生部として、ヒーター１５を備えるとした。しかし、粒子検出センサはヒーター１５等の流速発生部を備えなくてもよく、外部に設けられたファン（小型扇風機）等の流速発生部によって検知領域ＤＡに流体の流れ（気流）が発生する構成であってもかまわない。そこで、以下、実施の形態の変形例５として、このように構成された粒子検出センサについて説明する。
　図８は、実施の形態の変形例５に係る粒子検出センサ１Ａの構成の一例を示すブロック図である。
　同図に示すように、本変形例に係る粒子検出センサ１Ａでは、実施の形態に係る粒子検出センサ１に比べて、ヒーター１５を備えずに、外部のファン１５Ａによって検知領域ＤＡに気流が発生する。
　ファン１５Ａは、検知領域ＤＡに対して、粒子の自重による移動を妨げる向きに流体を通過させる流速発生部であり、例えば、粒子検出センサ１Ａが搭載される空調装置（例えば、空気清浄機またはエアコン等）に設けられる。ファン１５Ａにより発生された気流は、空調装置が空調を行うための気流である主流と、粒子検出センサ１Ａに導入される支流とに分岐される。このように粒子検出センサ１Ａに導入された気流によって、検知領域ＤＡに気体の流れが発生する。
　このように構成された粒子検出センサ１Ａであっても、上記実施の形態と同様に、電気信号を処理する回路（本変形例では信号処理部２０）のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化（広ダイナミックレンジ化）することができる。
　（変形例６）
　上記実施の形態及び変形例１～５で説明した粒子検出センサは、空気清浄機またはエアコン等の空調装置、ダストセンサあるいは煙感知器といった種々の装置に適用することができる。そこで、以下、実施の形態の変形例６として、粒子検出センサの適用例について説明する。
　図９は、粒子検出センサを備える空気清浄機の外観図である。図１０は、粒子検出センサを備える煙感知器の外観図である。図１１は、粒子検出センサを備える換気扇の外観図である。図１２は、粒子検出センサを備えるエアコンの外観図である。
　これらの装置によれば、判定可能な粒子径範囲が広ダイナミックレンジ化された粒子検出センサを備えることにより、例えば、微小粒子及び粗大粒子の検出結果に応じて動作を切り替えることができる。
　（その他の変形例）
　以上、本発明について実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
　例えば、上記説明では、増幅回路２１２は、入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅するとした。しかし、本発明は、増幅回路２１２の増幅率（増幅回路ゲイン）及び受光素子１２１の変換効率（受光素子ゲイン）の少なくとも一方が、周波数が高いほどゲインが大きくなる周波数特性を有していればよい。つまり、粒子検出センサは、上記説明した受光素子１２１及び増幅回路２１２に代わり、次の受光素子及び増幅回路を備えてもよい。
　具体的には、受光素子は、粒子径に依存する速度で検知領域ＤＡを通過する粒子による投光素子１１１からの光の散乱光を受光する。そして、受光素子は、受光した散乱光の時間的な変化により得られる周波数が高いほど大きな変換効率で光電変換し、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する。また、増幅回路は、当該受光素子から入力される電気信号を、例えば略一定の増幅率で増幅する。
　ここで、散乱光の時間的な変化は、検知領域ＤＡを粒子が通過することによる。このため、散乱光の時間的な変化により得られる周波数は、検知領域ＤＡを通過する粒子の速度に依存し、粒子の速度が大きいほど、当該周波数が高くなる。
　このように構成された粒子検出センサであっても、上記実施の形態に係る粒子検出センサ１と同様に、波高値の飽和を抑制しつつ、粒子径に応じたパルス幅となるパルス状の波形を含むことになる。このため、上記実施の形態と同様に、電気信号を処理する回路のダイナミックレンジを大きくすることなく、判定可能な粒子径のダイナミックレンジを広範囲化することができる。
　また、演算部２２２は、粒子径を算出すればよく、粒子の個数は算出しなくてもかまわない。
　また、流速発生部は、鉛直上向きに限らず、検知領域ＤＡに対して、粒子２の自重による移動を妨げる向きに流体を通過させればよい。つまり、流速発生部は、重力に対抗する力を発生すればよく、水平方向より上向きに流体を通過させればよい。
　また、例えば、汎用ＭＰＵ２２は、流速制御部を制御することにより、検知領域ＤＡを通過する流体の流速を調整してもかまわない。これにより、例えば、増幅後の電気信号に含まれるパルス波形の波高値が所望の値となるように、検出対象の粒子径範囲に応じて流速を適切に調整することができる。よって、粒子径の算出精度の向上が見込まれる。
　また、上記説明において、粒子を含む媒体は、気体（空気）としたが、気体以外の媒体（水等の液体）であってもよい。つまり、粒子検出センサは、気体または液体である流体中に含まれる粒子を検出する。
　また、上記説明において、汎用ＭＰＵ２２内の各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたは半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。
　また、汎用ＭＰＵ２２を構成する構成要素（機能）の一部または全ては、粒子検出センサを備える種々の装置（例えば空気清浄機）に搭載されたマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の一部として実現されていてもかまわない。
　また、本発明は、このような粒子検出センサとして実現することができるだけでなく、粒子検出センサが行うステップ（処理）を含む方法として実現できる。
　例えば、それらのステップは、コンピュータ（コンピュータシステム）によって実行されてもよい。そして、本発明は、それらの方法に含まれるステップを、コンピュータに実行させるためのプログラムとして実現できる。さらに、本発明は、そのプログラムを記録したＣＤ－ＲＯＭ等である非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体として実現できる。
　例えば、本発明がプログラム（ソフトウェア）で実現される場合には、コンピュータのＣＰＵ、メモリおよび入出力回路等のハードウェア資源を利用してプログラムが実行されることによって、各ステップが実行される。つまり、ＣＰＵがデータをメモリまたは入出力回路等から取得して演算したり、演算結果をメモリまたは入出力回路等に出力したりすることによって、各ステップが実行される。
　その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
　　１、１Ａ　粒子検出センサ
　　２　粒子
　　１５　ヒーター（流速発生部）
　　１５Ａ　ファン（流速発生部）
　　２０　信号処理部
　　１１１　投光素子
　　１２１　受光素子
　　２１２　増幅回路
　　２２２　演算部

Claims (14)

  1. 　検知領域に光を投光する投光素子と、
    　粒子径に依存する速度で前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光して、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、
    　前記受光素子から入力される電気信号の周波数が高いほど、当該電気信号を大きな増幅率で増幅する増幅回路と、
    　増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する演算部とを備える
    　粒子検出センサ。
  2. 　検知領域に光を投光する投光素子と、
    　粒子径に依存する速度で前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光し、受光した散乱光の時間的な変化により得られる周波数が高いほど大きな変換効率で光電変換し、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、
    　前記受光素子から入力される電気信号を増幅する増幅回路と、
    　増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のパルス幅に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する演算部とを備える
    　粒子検出センサ。
  3. 　前記演算部は、さらに、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値に基づき、前記検知領域を通過した粒子の粒子径を算出する
    　請求項１または２に記載の粒子検出センサ。
  4. 　前記増幅回路は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が所定の範囲内になるように増幅する
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
  5. 　前記演算部は、前記波高値の個数が２以上のｍ個となるパルス状の波形について、同一の閾値におけるｍ個のパルス幅の各々に基づき、前記検知領域を通過したｍ個の粒子の各々の粒子径を算出する
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
  6. 　前記増幅回路は、粒子の粒子径が大きいほど増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形の波高値が小さくなるように増幅する
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
  7. 　前記演算部は、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形について、第一閾値における第一パルス幅と当該第一閾値より小さい第二閾値における第二パルス幅との相対関係が所定の関係を満たさない場合、前記第一パルス幅及び前記第二パルス幅の各々に基づき、前記検知領域を通過した２以上の粒子の各々の粒子径を算出する
    　請求項６に記載の粒子検出センサ。
  8. 　前記検知領域は、前記粒子の通過方向に垂直な一の方向に見て当該通過方向の厚みが略一定の扁平形状である
    　請求項１～７のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
  9. 　さらに、前記検知領域に対して、前記粒子の自重による移動を妨げる向きに前記粒子を含む流体を通過させる流速発生部を備える
    　請求項１～８のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
  10. 　前記流速発生部は、鉛直上向きに前記流体を通過させる
    　請求項９に記載の粒子検出センサ。
  11. 　前記流速発生部は、前記検知領域の鉛直方向下側に設けられたヒーターである
    　請求項１０に記載の粒子検出センサ。
  12. 　請求項１～１１のいずれか１項に記載の粒子検出センサを備える
    　ダストセンサ。
  13. 　請求項１～１１のいずれか１項に記載の粒子検出センサを備える
    　煙感知器。
  14. 　請求項１～８のいずれか１項に記載の粒子検出センサと、
    　前記検知領域に対して、前記粒子の自重による移動を妨げる向きに前記粒子を含む流体を通過させる流速発生部とを備える
    　空調装置。
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