WO2019176610A1 - 粒子センサ及びそれを備えた電子機器並びに粒子情報検出方法 - Google Patents

粒子センサ及びそれを備えた電子機器並びに粒子情報検出方法 Download PDF

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WO2019176610A1
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receiving element
light
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勇司 広瀬
山村　聡
誠司 宮下
肇 河合
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オムロン株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions

Definitions

  • the present invention relates to a particle sensor, an electronic apparatus including the particle sensor, and a particle information detection method.
  • Such a particle sensor includes a light emitting element and a light receiving element, and is configured to take in a gas containing particles to be measured into the sensor.
  • the gas taken in is irradiated with light from the light emitting element, the scattered light is received by the light receiving element, and the presence or absence and the amount of particles contained in the gas are detected by the scattered light.
  • the particles to be detected are, for example, dust, pollen, smoke, etc. floating in the atmosphere.
  • An example of such a particle sensor is that described in Patent Document 1.
  • the analog signal detected by the light receiving element is amplified and output as a time-series voltage signal including a pulsed waveform.
  • This time-series voltage signal is converted by an AD converter and converted into digital data to calculate the particle concentration and the like.
  • the particle sensor is often attached to an electronic device such as an air purifier and used for operation control of the device rather than being used as a single unit. Therefore, the particle sensor may be affected by noise generated by the attached device itself. That is, there is so-called background noise in which peripheral members of the particle sensor in a device such as an air purifier emit a noise signal, and the measurement signal of the particle sensor is affected by the noise signal.
  • the particle measurement signal is amplified and A / D converted with such background noise, the result may be different from the actual particle amount, and the control of various devices based on the measurement result is not optimal control. There was a case.
  • the background noise is unique to each individual device to which the particle sensor is attached, and cannot be dealt with by performing a certain process on the particle sensor at the time of shipment.
  • some noise may occur in combination with the environment in which the device is installed (used).
  • the particle sensor described in Patent Document 2 performs a process for correcting an error in a measurement waveform when the fan is stopped and when the fan is operating in order to intermittently operate the fan or the like for power saving. The correction which paid attention to the background noise of each individual is not performed.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and even if noise signals are generated due to the use environment or the individual electronic device to be attached, the amount of particles, the number per particle diameter, the concentration of dust, etc. It is an object of the present invention to provide a particle sensor that accurately detects particle information, an electronic device including the particle sensor, and a particle information detection method.
  • a particle sensor of the present invention includes a light emitting element that irradiates light to a detection region, a light receiving element that receives light scattered from the light emitting element by particles in the detection region, and a detection region.
  • An air flow generation unit that generates a gas flow
  • a signal processing unit that detects particle information contained in the gas in the detection region by performing signal processing on a time-series signal indicating an output from the light receiving element.
  • the signal processing unit includes a time series signal indicating an output from the light receiving element in a state where the airflow generation unit is stopped, and performs signal processing to calculate a noise correction value.
  • the particle information is the particle diameter of the particles contained in the gas per unit time and the number of particles per particle diameter, and the measuring means calculates the number of particles per unit volume and the particle diameter per unit time. You may calculate the collected dust density
  • the electronic device of the present invention is characterized by including an output unit that outputs the particle information by the particle sensor.
  • the particle information detection method of the present invention includes a light emitting element that irradiates light to a detection region, a light receiving element that receives light scattered from the light emitting element by particles in the detection region, and a gas flow in the detection region. And a signal processing unit for detecting particle information of particles contained in the gas in the detection region by performing signal processing on a time-series signal indicating an output from the light receiving element.
  • a particle sensor that always detects particle information such as the amount of particles, the number for each particle diameter, the concentration of dust, and the like regardless of the use environment or the individual electronic device to be attached, the electronic device including the particle sensor, and the particle An information detection method can be provided.
  • FIG. 1 is an external perspective view schematically showing a particle sensor 1 of a first embodiment.
  • 4 is a plan view schematically showing a method for detecting particles inside the case portion 20.
  • FIG. It is a block diagram which shows the electric constitution of the particle sensor of 1st Embodiment. It is a flowchart which shows the flow of the dust concentration calculation process of the particle
  • FIG. 5A is a waveform diagram showing digitized noise data and a correction process using the noise data.
  • FIG. 5A shows the noise data Vm, which is a time-series digital signal, and a noise correction value Vn obtained by leveling the noise data Vm.
  • the waveform (b) shows the waveform of the measurement value Vs and the noise correction value Vn at the time of measuring the particle concentration
  • the figure (c) shows the waveform of the corrected measurement value V after the noise correction.
  • the figure (a) is a schematic diagram which shows the mechanism of particle
  • the figure (b) is a wave form diagram which shows the corrected measured value V (t) detected. is there. It is an example of the correspondence table which matched the electric current value, the voltage value, and the particle diameter.
  • the particle sensor of the present invention is attached to a device such as an air purifier and measures the dust concentration in the environment where the device is installed. For example, it measures particle information such as the concentration of particles such as fine dust, pollen, smoke and PM2.5 in the ambient air, specifically the size of the particles, the unit volume, and the number of each particle per unit time. From the results, the concentration of each particle in the air (dust concentration) is calculated.
  • FIG. 1 is an external perspective view schematically showing the particle sensor 1 of the present embodiment.
  • the particle sensor 1 includes an upper surface lid portion 10, a case portion 20, a lower surface lid portion 30, and a blower fan 40 (also simply referred to as “fan”).
  • the upper surface lid portion 10 and the lower surface lid portion 30 are assembled to the upper surface and the lower surface of the case portion 20, respectively, and the blower fan 40 is accommodated in the case portion 20.
  • An air inlet 12 and an air outlet 13 are formed on the top surface 11 of the top cover 10, and a part of the blower fan 40 is exposed from the air outlet 13.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing a method for detecting particles inside the case portion 20.
  • a light emitting element 21, a light projecting lens 22, a light receiving element 23, and a light receiving lens 24 are arranged.
  • the optical axis of the irradiation light L1 irradiated from the light emitting element 21 via the light projecting lens 22 and the optical axis of the incident light L2 received by the light receiving element 23 via the light receiving lens 24 are arranged so as to be substantially orthogonal to each other.
  • a region where the incident light L2 can reach the light receiving element 23 via the light receiving lens 24 and a region where the irradiation light L1 is irradiated are overlapped with each other to be a detection region DA where particles can be detected.
  • a substantially cylindrical outside air flow path 25 is formed directly below the intake port 12 shown in FIG. 1, and outside air taken in from the intake port 12 flows in and is sent to the exhaust port 13 by the blower fan 40. Discharged.
  • the detection area DA is set near the center of the outside air flow path 25.
  • the central axis of the outside air flow path 25 is substantially orthogonal to the optical axis of the irradiation light L1 and the optical axis of the incident light L2.
  • the detection area DA is irradiated with the irradiation light L1 from the light emitting element 21, and the irradiation light L1 is scattered by the particles, and a part of the scattered light enters the light receiving element 23 as the incident light L2.
  • a voltage is generated according to the amount of incident light L2.
  • the larger the diameter of the particle the larger the area where the irradiation light L1 is scattered by the particle, and the light quantity of the scattered light and the incident light L2 also increases, and the value of an electric signal such as a current value or voltage value generated in the light receiving element 23. Also grows.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the particle sensor of the present embodiment.
  • the particle sensor 1 according to the present embodiment includes a sensor unit 50, a signal processing unit 60, and a power supply unit 70. Based on scattered light from particles located in the detection area DA of the sensor unit 50, the dust concentration in the ambient air Measure.
  • the sensor unit 50 is mainly responsible for detecting particles in the particle sensor 1.
  • FIG. 3 the light emitting element 21, the light receiving element 23, and the blower fan 40 are schematically illustrated, and the positional relationship is according to FIGS. 1 and 2.
  • the sensor unit 50 includes a light emitting unit 51 and a light receiving unit 52.
  • the light emitting element 21 of the light emitting unit 51 emits light having a predetermined wavelength toward the detection area DA.
  • the light receiving element 23 of the unit 52 receives the light scattered by the particles and converts the received light into an electrical signal.
  • the diameter of the particle passing through the detection area DA increases, the amount of light scattered by the particle and incident on the light receiving element 23 increases, and the value of the electric signal generated by the light receiving element 23 increases. And based on this converted electric signal, the size (particle diameter) of the particles is measured.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the flow of dust concentration conversion of the particle sensor of the present embodiment.
  • the light scattered by the particles in the detection area DA is received by the light receiving element 23 through the light receiving lens 24.
  • the light receiving element 23 performs O / E conversion on the received light and outputs a signal (for example, a current signal) corresponding to the light intensity (S12).
  • the light receiving unit 52 includes a photo IC diode, a photomultiplier tube, or the like, and performs O / E conversion using these to form a current signal, which is sent to the signal processing unit 60.
  • the I / V conversion unit 61 converts the current signal output from the light receiving unit 52 into a voltage signal, and the amplification unit 62 amplifies the signal to a predetermined band (S13).
  • the A / D conversion unit 63 converts the voltage signal, which is an analog signal amplified by the amplification unit 62, into a digital signal (A / D conversion), thereby generating digital data (S14). Specifically, the A / D conversion unit 63 samples and quantizes a voltage signal that is an output signal from the light receiving unit 52, and generates time-series digital data.
  • the calculation unit 64 performs a dust concentration conversion process for calculating the dust concentration from the number of particles for each particle diameter or the like (S15). Details of the calculation of the dust concentration of this embodiment will be described later.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the noise correction process.
  • the light emitting element 21 of the light emitting unit 51 emits light with the blower fan 40 stopped, and emits light toward the detection area DA.
  • the light receiving unit 52 receives the light in the detection area DA, converts it into an electrical signal such as a current value, and obtains noise data (analog signal) (S21).
  • the state in which the blower fan 40 is stopped is a state in which no airflow is generated in the particle sensor 1, so that almost no outside air flows. Therefore, the particles do not enter the detection area DA.
  • the electric signal (analog signal) detected by the light receiving unit 52 in this state is a noise signal emitted from a peripheral member or the like in the place where the particle sensor 1 is installed.
  • this noise signal indicates so-called background noise. The timing of obtaining noise data used for noise correction and switching to the noise correction processing will be described later.
  • the acquired noise data (analog signal) is converted into a time-series digital signal by the analog signal processing unit 601 in FIG. 3 and output in the same procedure as described in step 13 to step 14 in FIG. (S22).
  • FIG. 6 is a waveform diagram showing digitized noise data and a correction process using the noise data.
  • FIG. 6A shows noise data Vm which is a time-series digital signal and noise obtained by leveling the noise data Vm. The waveform of the correction value Vn is shown.
  • FIG. 5B shows the waveform of the measurement value Vs and the noise correction value Vn at the time of measuring the dust concentration (particle concentration), and FIG. The waveform of the finished measurement value V is shown.
  • the noise data Vm which is a time-series digital signal, has a waveform that changes every moment. Therefore, the values are leveled by a known method to obtain the noise correction value Vn (constant). For example, in this embodiment, the noise data value Vm (t) is obtained every unit time, the average of Vm (t) within a predetermined time is obtained, and the average value is set as the noise correction value Vn.
  • the actual sensor measurement value is corrected using the noise correction value Vn.
  • the blower fan 40 of the particle sensor 1 is driven, the outside air is taken into the particle sensor 1, and the particles are measured by the sensor unit 50 (S24).
  • the analog signal processing unit 601 performs A / D conversion on the measurement value (analog signal) output from the sensor unit 50 (S25).
  • the measured value (digital data) Vs (t) is not directly converted into the dust concentration, but the noise correction value Vn obtained previously is subtracted as shown in the equation (1) to generate noise. Correction is performed (S26).
  • V (t) Vs (t) ⁇ Vn Expression (1)
  • the noise correction value Vn is calculated from the noise data Vm that is a digital signal.
  • the present invention is not limited to this, and is calculated at the analog signal stage before A / D conversion. Also good. Even in the case of calculating from the analog signal of the voltage value, the analog signal of the voltage value is leveled and the noise correction value Vn (constant) per unit time is calculated. In actual measurement, the noise correction value Vn (constant) may be subtracted from the measurement value (analog signal), and the corrected measurement value may be A / D converted. Alternatively, the noise correction value may be subtracted from the signal before amplification, and the corrected measurement value may be subjected to amplification processing and A / D conversion processing to perform dust concentration calculation processing.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a particle detection method.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing the mechanism of particle detection, and
  • FIG. 4B is a waveform diagram showing the corrected measured value V (t) detected.
  • the calculation method of the dust concentration (particle concentration) by the calculation unit 64 is roughly performed according to the following flow.
  • the light (outside air) entering the detection area DA of the outside air flow path 25 is irradiated with light from the light emitting section 51, and the light receiving section 52 receives the light reflected by the particles in the detection area DA.
  • the voltage signal V (t) subjected to the above-described A / D conversion and noise correction processing is output from the signal processing unit 60 by making a predetermined electrical signal.
  • the corrected measurement value V (t) has a different voltage value for each particle, and the particle diameter is calculated from the voltage value. Specifically, the particle diameter is obtained from the pulse height in FIG. 7B, and the number of particles is obtained from the number of pulses per unit time.
  • FIG. 8 is an example of a correspondence table in which current values, voltage values, and particle diameters are associated with each other. As shown in this table, the voltage value increases as the particle diameter increases.
  • the computing unit 64 counts the number of particles of each particle diameter from the corrected measurement value V (t), for example, based on this correspondence table, and calculates particle information such as the number of each particle diameter per unit region and unit time. To do.
  • the corrected measurement value V (t) may be subjected to a smoothing process so as to be suitable for the calculation process.
  • the corrected measurement value V (t) is smoothed using a known integration processing method, moving average method, median filter method, or the like.
  • the measured value V (t) is smoothed by a simple moving average method.
  • the average of the corrected measurement values V (1) to V (m) for each unit time may be taken at a predetermined time m as shown in Expression (2).
  • VM (m) (V (1) + V (2) +... V (m)) / m (Expression (2))
  • the smoothed measurement value VM (t) is calculated every predetermined time m.
  • the formula (2) given here is an example, and the calculation need not be based on the average of the corrected measurement values for each unit time of the predetermined time m, and V (1), V (2)... V (m )
  • the calculation may be performed at each sampling time, or may be performed within an arbitrary time range.
  • the calculation unit 64 plots the smoothed measurement value VM (t), performs a known approximation process such as linear approximation, polynomial approximation, etc. Corresponding to the table, classify according to the particle size, and count the number of particles of each class (each particle size) per unit time.
  • the dust concentration is calculated from the flow rate of the air flowing into the outside air passage 25 per unit time and the number of particles counted previously, and is output as digital data (S28).
  • the dust concentration for each class (particle diameter) PM1.0 x ⁇ g / m 3 PM2.5 y ⁇ g / m 3 You may calculate in the form of PM10 z ⁇ g / m 3 . Or convert it to the number density, PM1.0 x pieces / m 3 PM2.5 y / m 3 PM10 z pieces / m 3 may be adopted.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a signal input / output flow in the particle sensor 1.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram showing switching with the electric circuit on the noise data acquisition side.
  • FIG. 11 is a partial view of the particle sensor circuit diagram.
  • the particle sensor 1 when measuring the dust concentration, the particle sensor 1 amplifies the output signal (Pout) from the sensor unit 50 by the amplifier (AMP) 62, inputs it to the CPU 602, and calculates the dust concentration by the calculation unit 64 of the CPU 602. calculate.
  • the circuit is switched as follows.
  • the blower fan 40 of the particle sensor 1 in the present embodiment is controlled by PWM control. Therefore, when the fan is stopped or stopped, the CPU 602 outputs a stop PWM signal.
  • the acquisition of the noise data Vm is performed when the power is turned on (starting up) in the present embodiment.
  • the present invention is not limited to this, and may be performed at the time of manufacturing an electronic device incorporating a particle sensor.
  • the particle sensor 1 is mounted on the electronic device, the PWM signal is output from the CPU 602, the open collector circuit 81 is selected, and the noise correction value Vn is calculated.
  • the calculated noise correction value Vn is stored in the storage unit 65 in the CPU 602 and is always corrected using the initially stored correction value Vn at the time of measurement.
  • noise data Vm is acquired and noise correction value Vn is obtained when an electronic device equipped with a particle sensor is manufactured or when a blower fan of the particle sensor is stopped, that is, when the particle sensor is not measuring the dust concentration. calculate.

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Abstract

【課題】使用環境や取り付けられる機器個体に起因するノイズ信号が発生しても、粉じん濃度等の粒子情報を精度よく検出する粒子センサを提供する。 【解決手段】検知領域（ＤＡ）へ光を照射する発光素子（２１）と、発光素子（２１）からの光の散乱光を受光する受光素子（２３）と、検知領域（ＤＡ）に気体の流れを発生させる気流発生部（４０）と、受光素子（２３）からの出力を示す時系列の信号を信号処理することにより、検知領域（ＤＡ）の気体中に含まれる粒子情報を検出する信号処理部（６０）とを備え、信号処理部（６０）は、気流発生部（４０）を停止させた状態で、受光素子（２３）からの出力を示す時系列の信号を取得して信号処理し、ノイズ補正値を算出する補正手段と、気流発生部（４０）を駆動させた状態で、受光素子（２３）からの出力を示す時系列の信号を取得し、ノイズ補正値を用いてノイズ補正して粒子情報を検出する測定手段とを備える粒子センサ。

Description

粒子センサ及びそれを備えた電子機器並びに粒子情報検出方法
　本発明は、粒子センサ及びそれを備えた電子機器並びに粒子情報検出方法に関する。
　近年、微粒子等の粒子を検出する粒子センサとして、光センサが提案されている。このような粒子センサは、発光素子と受光素子を備えており、測定対象の粒子を含む気体をセンサ内部に取り込む構成となっている。つまり、取り込んだ気体に対して発光素子からの光を照射し、その散乱光を受光素子に受光させ、散乱光によって気体に含まれる粒子の有無やその量を検出するようになっている。検出対象の粒子は、例えば、大気中に浮遊する埃、花粉、煙等である。このような粒子センサとして、例えば特許文献１に記載のものがあげられる。
　また、特許文献２に記載されているように、受光素子によって検出されたアナログ信号は、増幅されて、パルス状の波形を含む時系列の電圧信号として出力される。そして、この時系列の電圧信号をＡＤ変換部で変換し、デジタルデータにして粒子濃度等を算出する仕組みとなっている。
　粒子センサは、それ単体として使われるよりも、空気清浄器等の電子機器に取り付けられて、機器の運転制御に用いられることが多い。したがって、粒子センサは、取り付けられる機器自体が発するノイズの影響を受ける場合がある。すなわち、空気清浄器等の機器内の、粒子センサの周辺部材がノイズ信号を発し、粒子センサの計測信号がこのノイズ信号の影響を受けるという、いわゆるバックグランドノイズがある。
　このようなバックグランドノイズを伴った状態で粒子測定信号を増幅しＡＤ変換すると、実際の粒子量と異なる結果となる場合もあり、この測定結果に基づいた各種機器の制御が最適な制御とならない場合もあった。
　そして、バックグランドノイズは、粒子センサが取り付けられる機器個体に応じて、それぞれ固有のものであり、出荷時に粒子センサに一定の処理を行って対応できるものではない。また、その機器が設置される（使用される）環境と相まって何らかのノイズが発生する場合もある。
　特許文献２に記載の粒子センサは、省電力のためにファン等を間欠運転する上で、ファン停止時とファン運転時の測定波形の誤差を補正するための処理を行っているが、取り付け機器個体それぞれのバックグランドノイズに着目した補正は行っていない。
特開２０１７－１６６９３５号公報 特開２０１７－１４２１４２号公報
　そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、使用環境や取り付けられる電子機器個体に起因するノイズ信号が発生しても、粒子量、粒子径毎の個数、粉じん濃度等の粒子情報を精度よく検出する粒子センサ、及びそれを備えた電子機器並びに粒子情報検出方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の粒子センサは、検知領域へ光を照射する発光素子と、前記検知領域における粒子による前記発光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、検知領域に気体の流れを発生させる気流発生部と、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を信号処理することにより、前記検知領域の気体中に含まれる粒子情報を検出する信号処理部とを備えた粒子センサであって、前記信号処理部は、前記気流発生部を停止させた状態で、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を取得して信号処理し、ノイズ補正値を算出する補正手段と、前記気流発生部を駆動させた状態で、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を取得し、前記ノイズ補正値を用いてノイズ補正して前記粒子情報を検出する測定手段とを備えることを特徴とする。
　前記粒子情報は、単位時間当たりの気体中に含まれる粒子の粒子径及び前記粒子径毎の粒子の個数であり、前記測定手段は、単位体積及び単位時間あたりの前記粒子径毎の粒子個数をまとめた粉じん濃度を算出するものであってもよい。
　また、本発明の電子機器は、前記粒子センサによる前記粒子情報を出力する出力部を備えたことを特徴とする。
　また、本発明の粒子情報検出方法は、検知領域へ光を照射する発光素子と、前記検知領域における粒子による前記発光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、検知領域に気体の流れを発生させる気流発生部と、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を信号処理することにより、前記検知領域の気体中に含まれる粒子の粒子情報を検出する信号処理部とを備えた粒子センサを用いて、粒子情報を測定する方法であって、前記気流発生部を停止し、前記信号処理部が前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を取得して信号処理し、ノイズ補正値を算出する補正工程と、前記補正工程にて、ノイズ補正値を算出した後、前記気流発生部を駆動し、前記信号処理部が、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を取得し、前記ノイズ補正値を用いてノイズ補正して前記粒子情報を検出する測定工程とを備えることを特徴とする。
　本発明では、使用環境や取り付けられる電子機器個体の違いに関係なく、常に粒子量、粒子径毎の個数、粉じん濃度等の粒子情報を精度よく検出する粒子センサ及びそれを備えた電子機器並びに粒子情報検出方法を提供できる。
第１実施形態の粒子センサ１を模式的に示す外観斜視図である。 ケース部２０の内部における粒子の検出方法を模式的に示す平面図である。 第１実施形態の粒子センサの電気的構成を示すブロック図である。 第１実施形態の粒子センサの粉じん濃度算出処理の流れを示すフローチャートである。 ノイズ補正処理を示すフローチャートである。 デジタル化されたノイズデータ及びノイズデータによる補正処理を示す波形図であり、同図（ａ）は、時系列のデジタル信号であるノイズデータＶｍと、ノイズデータＶｍを平準化したノイズ補正値Ｖｎの波形を示し、同図（ｂ）は、粒子濃度測定時の測定値Ｖｓとノイズ補正値Ｖｎの波形を示し、同図（ｃ）は、ノイズ補正した後の補正済測定値Ｖの波形を示す。 粒子検出方法を示す模式図であり、同図（ａ）は、粒子検出の仕組みを示す模式図であり、同図（ｂ）は検出された補正済測定値Ｖ（ｔ）を示す波形図である。 電流値、電圧値と粒子径とを対応付けた対応表の一例である。 粒子センサにおける信号入出力の流れを示すブロック図である。 粒子センサにおけるノイズデータ取得側の電気回路との切り替えを示す概念図である。 粒子センサ回路図の部分図である。
　（第１実施形態）
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。
　本発明の粒子センサは、空気清浄器等の機器に取り付けられ、機器の設置された環境の粉じん濃度を測定する。例えば、周辺空気に含まれる微小な埃、花粉、煙、ＰＭ２．５等の粒子の濃度、具体的には粒子の大きさや、単位体積、単位時間当たりの各粒子の個数といった粒子情報を測定し、それらの結果から空気中の各粒子の濃度（粉じん濃度）を算出する。
　図１は、本実施形態の粒子センサ１を模式的に示す外観斜視図である。粒子センサ１は、上面蓋部１０と、ケース部２０と、下面蓋部３０と、送風ファン４０（単に「ファン」とも言う）を備えている。図１に示すように、ケース部２０の上面と下面にはそれぞれ上面蓋部１０と下面蓋部３０が組み付けられており、送風ファン４０がケース部２０に収容されている。また、上面蓋部１０の天面１１には、吸気口１２と排気口１３が形成されており、排気口１３から送風ファン４０の一部が露出している。
　図２は、ケース部２０の内部における粒子の検出方法を模式的に示す平面図である。ケース部２０内には、発光素子２１と、投光レンズ２２と、受光素子２３と、受光レンズ２４が配置されている。発光素子２１から投光レンズ２２を介して照射される照射光Ｌ１の光軸と、受光素子２３が受光レンズ２４を介して受光する入射光Ｌ２の光軸とは、互いに略直交するように配置されている。受光レンズ２４を介して受光素子２３まで入射光Ｌ２が到達できる領域と、照射光Ｌ１が照射される領域との重なっている領域が、粒子を検知できる検知領域ＤＡとなる。
　図１に示した吸気口１２の直下には略円筒形状の外気流路２５が構成されており、吸気口１２から取り込まれた外気が流入し、送風ファン４０により排気口１３へと送られて排出される。検知領域ＤＡは、外気流路２５の略中心近傍に設定されている。また、外気流路２５の中心軸は、照射光Ｌ１の光軸及び入射光Ｌ２の光軸と略直交している。
　粒子センサ１では送風ファン４０が動作すると、吸気口１２から外気が外気流路２５に流入し、外気に含まれている粒子が検知領域ＤＡを通過する。検知領域ＤＡには発光素子２１から照射光Ｌ１が照射されており、粒子によって照射光Ｌ１が散乱されて散乱光の一部が入射光Ｌ２として受光素子２３に入射する。受光素子２３では、入射光Ｌ２の光量に応じて電圧が生じる。このとき、粒子の径が大きいほど、照射光Ｌ１が粒子によって散乱される面積が大きく、散乱光と入射光Ｌ２の光量も大きくなり、受光素子２３で生じる電流値や電圧値といった電気信号の値も大きくなる。
　図３は、本実施形態の粒子センサの電気的構成を示すブロック図である。本実施形態の粒子センサ１は、センサ部５０と、信号処理部６０と電源部７０を備え、センサ部５０の検知領域ＤＡに位置する粒子からの散乱光に基づいて、周辺空気中の粉じん濃度を測定する。
　センサ部５０は、主に粒子センサ１における粒子を検出する部分を担う。図３では、発光素子２１、受光素子２３、送風ファン４０は模式的に示すものであり、各位置関係は、図１、図２に従うものである。
　センサ部５０は、発光部５１と受光部５２とを備え、図１、図２で上述したように、発光部５１の発光素子２１が検知領域ＤＡに向けて所定の波長の光を発し、受光部５２の受光素子２３は、粒子によって散乱された光を受光し、この受光した光を電気信号に変換する。このとき、検知領域ＤＡ内を通過する粒子の径が大きいほど、粒子によって散乱されて受光素子２３に入射する光の量が多くなり、受光素子２３で生じる電気信号の値は大きくなる。そして、この変換された電気信号に基づいて、粒子の大きさ（粒子径）を測定する。
　図４は、本実施形態の粒子センサの粉じん濃度変換の流れを示すフローチャートである。
　検知領域ＤＡ内の粒子で散乱された光は、受光レンズ２４を介して、受光素子２３に受光される。受光素子２３は、受光した光をＯ／Ｅ変換して、光強度に応じた信号（例えば、電流信号）を出力する（Ｓ１２）。受光部５２は、フォトＩＣダイオードまたは光電子増倍管等を備えており、これらを用いて、Ｏ／Ｅ変換を行い、電流信号を形成し、信号処理部６０へ送られる。
　信号処理部６０は、Ｉ／Ｖ変換部６１にて、受光部５２から出力された電流信号を電圧信号に変換し、増幅部６２が所定の帯域に増幅する（Ｓ１３）。
　その後、Ａ／Ｄ変換部６３が増幅部６２で増幅されたアナログ信号である電圧信号をデジタル信号に変換する（Ａ／Ｄ変換する）ことで、デジタルデータを生成する（Ｓ１４）。具体的には、Ａ／Ｄ変換部６３は、受光部５２からの出力信号である電圧信号をサンプリング及び量子化し、時系列のデジタルデータを生成する。
　次に、このようにして生成されたデジタルデータを用いて、演算部６４が、粒子径毎の個数等から粉じん濃度を算出する粉じん濃度変換処理を行う（Ｓ１５）。本実施形態の粉じん濃度の算出の詳細については後述する。
　ところで、本実施形態では、信号処理された電圧信号を増幅し、その後Ａ／Ｄ変換して粉じん濃度を算出する上で、入力データから機器個体別のノイズを除去する、すなわち、入力データからノイズ分を補正するノイズ補正処理を施して粉じん濃度を算出する。具体的には次の処理を行う。
　図５は、ノイズ補正処理を示すフローチャートである。まず、本実施形態では、送風ファン４０を停止させた状態で発光部５１の発光素子２１を発光させ、検知領域ＤＡに向けて光を発する。受光部５２は検知領域ＤＡの光を受光し、電流値等の電気信号に変換し、ノイズデータ（アナログ信号）を取得する（Ｓ２１）。ここで、送風ファン４０を停止させた状態というのは、すなわち、粒子センサ１内に気流が発生していない状態であるから、ほぼ外気が流入していない。したがって、検知領域ＤＡに粒子が侵入しない状態である。この状態で受光部５２が検出する電気信号（アナログ信号）は、実質的に粒子センサ１が設置された場所の周辺部材等から発されるノイズ信号であると言える。言い換えると、このノイズ信号はいわゆるバックグランドノイズを示すものである。なお、このノイズ補正用に用いるノイズデータ取得のタイミング及び該ノイズ補正処理への切り替えについては後述する。
　次に取得したノイズデータ（アナログ信号）は、図４のステップ１３からステップ１４での説明と同じ手順で、図３のアナログ信号処理部６０１にて、時系列のデジタル信号に変換されて出力される（Ｓ２２）。
　次に、ステップ２２で取得した時系列のデジタル信号であるノイズデータから、ノイズ補正値Ｖｎを求める処理を行う（Ｓ２３）。
　図６は、デジタル化されたノイズデータ及びノイズデータによる補正処理を示す波形図であり、同図（ａ）は、時系列のデジタル信号であるノイズデータＶｍと、ノイズデータＶｍを平準化したノイズ補正値Ｖｎの波形を示し、同図（ｂ）は、粉じん濃度（粒子濃度）測定時の測定値Ｖｓとノイズ補正値Ｖｎの波形を示し、同図（ｃ）は、ノイズ補正した後の補正済測定値Ｖの波形を示す。
　図６に示すように、時系列のデジタル信号であるノイズデータＶｍは、時々刻々と波形が変化するものである。したがって、公知の手法で値を平準化し、ノイズ補正値Ｖｎ（定数）を求める。例えば、本実施形態では、単位時間毎にノイズデータ値Ｖｍ（ｔ）を求め、所定時間内のＶｍ（ｔ）の平均を求め、その平均値をノイズ補正値Ｖｎとする。
　次に、このノイズ補正値Ｖｎを用いて実際のセンサ測定値を補正していく。図５のフローチャートに戻り、実際の粉じん濃度を測定するため、粒子センサ１の送風ファン４０を駆動し、外気を粒子センサ１内に取り込んでセンサ部５０で粒子を測定する（Ｓ２４）。そして、アナログ信号処理部６０１は、センサ部５０から出力された測定値（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換する（Ｓ２５）。
　次に、本実施形態では、測定値（デジタルデータ）Ｖｓ（ｔ）をそのまま粉じん濃度変換するのではなく、式（１）に示すように、先に求めたノイズ補正値Ｖｎを減算してノイズ補正を行う（Ｓ２６）。
　Ｖ（ｔ）＝Ｖｓ（ｔ）－Ｖｎ　　・・・式（１）
　Ｖ（ｔ）：補正済測定値（デジタルデータ）
　Ｖｓ（ｔ）：測定値（デジタルデータ）
　Ｖｎ：ノイズ補正値（定数）
　図６（ｂ）に示すように、ノイズ補正値ＶｎはＶｓ（ｔ）よりも値が小さいため、ノイズ補正値を減算すると、図６（ｃ）に示すように、Ｖ（ｔ）の電圧値はＶｓ（ｔ）よりもノイズ補正値Ｖｎ分だけ少なくなり、ＳＮ比が向上する。
　なお、本実施形態では、ノイズ補正値Ｖｎは、デジタル信号であるノイズデータＶｍから算出しているが、本発明はこれに限らず、Ａ／Ｄ変換する前にアナログ信号の段階で算出してもよい。電圧値のアナログ信号から算出する場合においても、電圧値のアナログ信号を平準化し、単位時間あたりのノイズ補正値Ｖｎ（定数）を算出する。そして、実際の測定において、測定値（アナログ信号）からノイズ補正値Ｖｎ（定数）を減算し、補正済測定値をＡ／Ｄ変換してもよい。また、増幅前の信号に対してノイズ補正値分を減算処理し、補正済測定値に対して増幅処理、Ａ／Ｄ変換処理を施し、粉じん濃度算出処理を行う形であってもよい。
　次に演算部６４が、粉じん濃度を算出する（Ｓ２７）。図７は、粒子検出方法を示す模式図である。同図（ａ）は、粒子検出の仕組みを示す模式図であり、同図（ｂ）は検出された補正済測定値Ｖ（ｔ）を示す波形図である。演算部６４による粉じん濃度（粒子濃度）の算出方法は大まかには次の流れで行われる。
　上述したように、外気流路２５の検知領域ＤＡに入った空気（外気）に対して、発光部５１より光を照射し、検知領域ＤＡ中の粒子が反射した光を受光部５２が受光して、所定の電気信号にし、信号処理部６０にて、上述のＡ／Ｄ変換、ノイズ補正処理が施された電圧信号Ｖ（ｔ）が出力される。図７（ｂ）に示すように、補正済測定値Ｖ（ｔ）は粒子毎に電圧値が異なり、その電圧値から粒子径を算出する。具体的には、図７（ｂ）におけるパルス高さから粒子径が求められ、単位時間当たりのパルス数から粒子の個数が求められる。
　図８は、電流値、電圧値と粒子径とを対応付けた対応表の一例である。この表に示すように、粒子径が大きくなるほど電圧値は大きくなる。演算部６４は、補正済測定値Ｖ（ｔ）から、例えばこの対応表に基づいて、各粒子径の粒子個数をカウントし、単位領域、単位時間あたりの粒子径毎の個数といった粒子情報を算出する。
　なお、補正済み測定値Ｖ（ｔ）は、算出処理に適するように平滑化処理が施されてもよい。具体的には、公知の積算処理法、移動平均法、メディアンフィルタ法等を用いて、補正済測定値Ｖ（ｔ）を平滑化処理する。ここでは、一例として単純移動平均法で測定値Ｖ（ｔ）を平滑化する。
　例えば、式（２）のように所定時間ｍにおいて、単位時間毎の補正済測定値Ｖ（１）からＶ（ｍ）の平均を取るとしてもよい。
　ＶＭ（ｍ）＝（Ｖ（１）＋Ｖ（２）＋・・・Ｖ（ｍ））／ｍ　・・・式（２）
　このようにして、所定時間ｍ毎に平滑化処理済測定値ＶＭ（ｔ）が算出される。
　ここで挙げた式（２）は一例であり、算出は所定時間ｍの単位時間ごとの補正済み測定値の平均に基づく必要はなく、Ｖ（１）、Ｖ（２）・・・Ｖ（ｍ）それぞれのサンプリング時間での算出であっても、あるいは任意の時間範囲での算出であってもよい。
　そして、演算部６４は粒子径毎の粒子個数を算出する上で、この平滑化処理済測定値ＶＭ（ｔ）をプロットし、線形近似、多項式近似等、公知の近似処理を施して、前記対応表に対応させ、粒子径に合わせたクラス分けをし、単位時間当たりの各クラス（各粒子径）の粒子個数をカウントする。
　そして、単位時間あたりの外気流路２５に流入する空気の流量と、先のカウントした粒子個数から、粉じん濃度を算出し、デジタルデータとして出力する（Ｓ２８）。例えば、粉じん濃度は、クラス（粒子径）毎に、
　ＰＭ１．０　ｘμg／ｍ3
　ＰＭ２．５　ｙμg／ｍ3
　ＰＭ１０　　ｚμg／ｍ3といった形で算出してもよい。または個数濃度に変換して、
　ＰＭ１．０　ｘ個／ｍ3
　ＰＭ２．５　ｙ個／ｍ3
　ＰＭ１０　　ｚ個／ｍ3といった形式としてもよい。
　次に、ノイズデータの取得のための送風ファン４０停止の仕組みについて説明する。図９は、粒子センサ１における信号入出力の流れを示すブロック図である。図１０は、ノイズデータ取得側の電気回路との切り替えを示す概念図である。また、図１１は、粒子センサ回路図の部分図である。
　前述したように、粉じん濃度測定時は、粒子センサ１はセンサ部５０からの出力信号（Ｐｏｕｔ）を増幅器（ＡＭＰ）６２で増幅し、ＣＰＵ６０２に入力して、ＣＰＵ６０２の演算部６４で粉じん濃度を算出する。
　一方、ノイズ補正値を算出する際は、次のように回路が切り替えられる。本実施形態における粒子センサ１の送風ファン４０はＰＷＭ制御で運転制御されている。そこで、ファンを停止させる時や停止している時は、ＣＰＵ６０２より停止用ＰＷＭ信号が出力される。
　この信号が送風ファン４０側の回路に入力されると、ＧＮＤ端子からオープンコレクタ回路８１が選択され、送風ファン４０が駆動されない状態となる。この状態で上述したようにノイズ補正値Ｖｎを算出し、このノイズ補正値Ｖｎが記憶部６５に記憶される。その後、ＣＰＵ６０２の制御部６６からファン駆動用ＰＷＭ信号を出力すると、送風ファン４０側は、クローズドコレクタ回路を選択し、実際の粉じん濃度測定が行われる。
　なお、ノイズデータＶｍの取得は、本実施形態では電源投入時（起動時）に行われる。しかしながら、これに限らず、粒子センサを内蔵する電子機器の製造時にしてもよい。この場合、粒子センサ１が電子機器に搭載された段階でＣＰＵ６０２からＰＷＭ信号を出力し、オープンコレクタ回路８１を選択する形にし、ノイズ補正値Ｖｎを算出する。そして算出されたノイズ補正値ＶｎをＣＰＵ６０２内の記憶部６５に記憶しておき、測定時には、常に、当初記憶された補正値Ｖｎを用いて補正する形となる。
　このようにして、粒子センサを搭載する電子機器製造時もしくは、粒子センサの送風ファン停止時、すなわち、粒子センサが粉じん濃度を測定していない時に、ノイズデータＶｍを取得し、ノイズ補正値Ｖｎを算出する。
　このように、外気に関係なく発生する装置固有、または環境固有のノイズを予め検出し、ノイズに合わせた補正を行うことで、ノイズによる測定誤差をおおむね無くすことができ、粉じん濃度の測定精度を高めることができる。したがって、搭載機器や機器取付環境に依存するノイズ、いわゆるバックグランドノイズの影響をほぼ無くし、粒子径毎の粒子個数や粉じん濃度等の粒子情報を高精度に算出できる。
１…粒子センサ
１０…上面蓋部
１１…天面
１２…吸気口
１３…排気口
２０…ケース部
２１…発光素子
２２…投光レンズ
２３…受光素子
２４…受光レンズ
２５…外気流路
ＤＡ…検知領域
３０…下面蓋部
４０…送風ファン（気流発生部）
５０…センサ部
５１…発光部
５２…受光部
６０…信号処理部
６１…Ｉ／Ｖ変換部
６２…増幅部
６３…Ａ／Ｄ変換部
６４…演算部（補正手段、測定手段）
６５…記憶部
６６…制御部
６０１…アナログ信号処理部
６０２…ＣＰＵ（デジタル信号処理部）
７０…電源部
８１…オープンコレクタ回路

Claims (12)

  1. 　検知領域へ光を照射する発光素子と、
    　前記検知領域における粒子による前記発光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、
    　検知領域に気体の流れを発生させる気流発生部と、
    　前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を信号処理することにより、前記検知領域の気体中に含まれる粒子情報を検出する信号処理部とを備えた粒子センサであって、
    　前記信号処理部は、前記気流発生部を停止させた状態で、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を取得して信号処理し、ノイズ補正値を算出する補正手段と、
    　前記気流発生部を駆動させた状態で、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を取得し、前記ノイズ補正値を用いてノイズ補正して前記粒子情報を検出する測定手段とを備えることを特徴とする粒子センサ。
  2. 　請求項１に記載の粒子センサにおいて、
    　前記測定手段は、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号から前記ノイズ補正値を減算したノイズ補正済信号から前記粒子情報を検出することを特徴とする粒子センサ。
  3. 　請求項１または２に記載の粒子センサにおいて、
    　前記信号処理部が取得する前記受光素子からの出力を示す時系列の信号は、増幅処理され、Ａ／Ｄ変換された信号であることを特徴とする粒子センサ。
  4. 　請求項１から３のいずれか一つに記載の粒子センサにおいて、
    　前記補正手段は、前記取得した時系列の信号の所定時間内の電圧値の平均値をノイズ補正値とし、
    　前記測定手段は、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号である電圧信号から前記ノイズ補正値を減算することを特徴とする粒子センサ。
  5. 　請求項１から４のいずれか一つに記載の粒子センサにおいて、
    　前記粒子情報は、単位時間当たりの気体中に含まれる粒子の粒子径及び前記粒子径毎の粒子の個数であり、
    　前記測定手段は、単位体積及び単位時間あたりの前記粒子径毎の粒子個数をまとめた粉じん濃度を算出することを特徴とする粒子センサ。
  6. 　請求項１から５のいずれか一つに記載の粒子センサにおいて、
    　前記気流発生部はファンを含むことを特徴とする粒子センサ。
  7. 　請求項１から６のいずれか一つに記載の粒子センサを備え、
    　前記粒子センサによる前記粒子情報を出力する出力部を備えたことを特徴とする電子機器。
  8. 　検知領域へ光を照射する発光素子と、
    　前記検知領域における粒子による前記発光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、
    　検知領域に気体の流れを発生させる気流発生部と、
    　前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を信号処理することにより、前記検知領域の気体中に含まれる粒子の粒子情報を検出する信号処理部とを備えた粒子センサを用いて、粒子情報を測定する方法であって、
    　前記気流発生部を停止し、前記信号処理部が前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を取得して信号処理し、ノイズ補正値を算出する補正工程と、
    　前記補正工程にて、ノイズ補正値を算出した後、前記気流発生部を駆動し、前記信号処理部が、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号を取得し、前記ノイズ補正値を用いてノイズ補正して前記粒子情報を検出する測定工程とを備えることを特徴とする粒子情報検出方法。
  9. 　請求項８に記載の粒子情報検出方法において、
    　前記測定工程は、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号から前記ノイズ補正値を減算したノイズ補正済信号から前記粒子情報を検出することを特徴とする粒子情報検出方法。
  10. 　請求項８または９に記載の粒子情報検出方法において、
    　前記受光素子からの出力を示す時系列のアナログ信号を増幅する増幅工程と、
    　前記増幅工程にて増幅された時系列のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換工程とを備え、
    　前記信号処理部が取得する前記時系列の信号は、前記Ａ／Ｄ変換工程で変換されたデジタル信号であることを特徴とする粒子情報検出方法。
  11. 　請求項８から１０のいずれか一つに記載の粒子情報検出方法において、
    　前記補正工程は、前記取得した時系列の信号の所定時間内の電圧値の平均値をノイズ補正値とし、
    　前記測定工程は、前記受光素子からの出力を示す時系列の信号である電圧信号から前記ノイズ補正値を減算することを特徴とする粒子情報検出方法。
  12. 　請求項８から１１のいずれか一つに記載の粒子情報検出方法において、
    　前記粒子情報は、単位時間当たりの気体中に含まれる粒子の粒子径及び前記粒子径毎の粒子の個数であり、
    　前記測定工程は、単位体積及び単位時間あたりの前記粒子径毎の粒子個数をまとめた粉じん濃度を算出することを特徴とする粒子情報検出方法。
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