WO2020054690A1 - 粒子センサおよび電子機器 - Google Patents

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WO2020054690A1
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light
light receiving
particle sensor
unit
wavelength
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山村　聡
勇司 広瀬
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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke

Definitions

  • the present invention relates to a particle sensor and an electronic device.
  • Such a particle sensor includes a light-emitting element and a light-receiving element, and is configured to take in gas containing particles to be measured into the sensor.
  • light from the light emitting element is irradiated to the taken-in gas, and 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 and the like floating in the atmosphere.
  • the scattered light is detected using a light receiving element in which the wavelength of the irradiation light and the wavelength of the spectral sensitivity characteristic are matched.
  • a light emitting element having a peak wavelength in infrared or red is used, a light receiving element having a spectral sensitivity characteristic peak in infrared or red is also used.
  • a particle sensor uses light scattering for detecting particles, and it is effective to use light having a short wavelength to detect smaller-sized particles.
  • the peak of the spectral sensitivity characteristic of the light receiving element is in the green wavelength range. Must be used.
  • JP 2017-166935 A JP, 2017-142142, A
  • a light-receiving element having a spectral sensitivity characteristic peak in a short wavelength range such as green has a problem that it is expensive and has high technical difficulty in manufacturing.
  • the present invention has been made in order to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a particle sensor and an electronic device which can measure a particle diameter of a small particle well.
  • the particle sensor of the present invention is a light emitting unit that emits light toward a detection area, a light emitting lens that condenses the irradiation light on the detection area, and is scattered by particles in the detection area.
  • a light receiving lens for condensing a part of the irradiation light, and a light receiving unit for receiving the light condensed by the light receiving lens as incident light, and a light emission peak wavelength of the irradiation light is a spectral sensitivity of the light receiving unit. The wavelength is shorter than the light receiving peak wavelength in the characteristics.
  • the intensity of light scattered by particles having a small particle diameter is increased by using irradiation light having a short wavelength, and light is received by a light-receiving element that is inexpensive and has high light-receiving sensitivity. Can be measured.
  • the emission peak wavelength has a relative sensitivity ratio of 90% or less in the spectral sensitivity characteristics.
  • the emission peak wavelength is from 250 nm to 600 nm.
  • the light emitting unit includes a light emitting diode that emits green light.
  • an electronic apparatus including the particle sensor according to any one of the above, and an output unit configured to output a detection result of the light receiving unit as a particle concentration.
  • FIG. 1 is an external perspective view schematically illustrating a particle sensor 1 according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing an outline of the particle sensor 1.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing a method for detecting particles inside a case unit 20.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an electrical configuration of the particle sensor 1 according to the first embodiment.
  • 4 is a graph illustrating a light emission peak wavelength of a light emitting element 21a and a spectral sensitivity characteristic of a light receiving element 23a according to the first embodiment.
  • 9 is a graph showing the relationship between the particle diameter and the received light intensity for light that is scattered by particles by Rayleigh scattering and enters the light receiving element 23a.
  • 9 is a graph showing a light emission peak wavelength of a light emitting element 21a and a spectral sensitivity characteristic of a light receiving element 23a in Embodiment 2.
  • FIG. 1 is an external perspective view schematically showing a particle sensor 1 of the present embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing an outline of the particle sensor 1.
  • the particle sensor 1 includes the upper cover 10, the case 20, the lower cover 30, and the blower fan 40. As shown in FIG. 1, an upper cover 10 and a lower cover 30 are respectively attached to the upper and lower surfaces of the case 20, and the blower fan 40 is housed in the case 20. Further, the particle sensor 1 includes a connector section (not shown) for making an electrical connection with the outside, and by connecting a harness to the connector section, power can be supplied from outside and an electric signal can be exchanged with the outside. .
  • the upper cover 10 is a member constituting an upper exterior of the particle sensor 1 and is attached so as to cover an upper portion of the case 20.
  • the material forming the upper cover 10 is not particularly limited, but it is preferable to use a resin from the viewpoint of weight reduction and moldability.
  • An intake port 12 and an exhaust port 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 exhaust port 13.
  • the top surface 11 is a substantially flat surface that constitutes the uppermost surface of the particle sensor 1, and is shown in a substantially rectangular shape in FIG.
  • An intake port 12 and an exhaust port 13 are formed at predetermined positions on the top surface 11.
  • the intake port 12 is an opening for taking in outside air into the inside of the particle sensor 1, and is formed on the top surface 11 immediately above the flow path 25 in the case.
  • the exhaust port 13 is an opening for discharging outside air that has passed through the inside of the particle sensor 1, and is formed immediately above the blower fan 40.
  • the case section 20 is a housing section that houses and holds each section of the particle sensor 1.
  • the material forming the case portion 20 is not particularly limited, but it is preferable to use a resin from the viewpoint of weight reduction and moldability.
  • a light emitting unit 21 and a light receiving unit 23 are housed inside the case unit 20, and an in-case flow path 25 is formed immediately below the intake port 12. Further, a space for accommodating the blower fan 40 is formed immediately below the exhaust port 13.
  • a structure such as a partition is provided inside the case portion 20, and a space for accommodating and holding other members, a light trapping structure, a flow path for outside air, and the like are integrally formed of resin. The details of the internal structure of the case section 20 will be described later.
  • the lower cover 30 is a member constituting a lower exterior of the particle sensor 1, and is attached so as to cover a lower part of the case 20.
  • the material constituting the lower cover 30 is not limited, but a shield case obtained by bending a metal plate member is used to shield electromagnetic waves to electronic components and electronic circuits housed in the case 20. Is preferred.
  • an anti-reflection portion inside the lower cover 30.
  • a material that absorbs light emitted from the light emitting portion 21 may be provided inside the lower cover portion 30.
  • a method of applying black paint or attaching a black tape may be used.
  • the blower fan 40 is a blower that rotates and blows the air when supplied with electric power, and is controlled in rotation in accordance with a control signal to adjust the amount of the blown air.
  • the side of the blower fan 40 that sends out the gas is exposed to the exhaust port 13, and the side that sucks the gas is arranged toward the case 20 and the lower cover 30. .
  • the light emitting unit 21 and the light receiving unit 23 are housed inside the case unit 20, and the flow path 25 in the case is formed immediately below the intake port 12.
  • the particle sensor 1 light is emitted from the light emitting unit 21 in the direction of the flow path 25 in the case, and a part of light scattered by particles contained in the outside air passing through the flow path 25 in the case is detected by the light receiving unit 23. Then, the particles are detected.
  • the details of the detection of particles by the light emitting unit 21 and the light receiving unit 23 will be described later.
  • the light emitting unit 21 is a member that emits light of a predetermined wavelength toward the detection area in accordance with the power and the control signal.
  • the light projecting lens 22 is a light receiving unit 23 which is an optical member for condensing the light emitted by the light emitting unit 21 as irradiation light on the detection area, and outputs a current value or a voltage value when light of a predetermined wavelength enters. It is a member that does.
  • the light receiving lens 24 is an optical member that collects light from the direction of the detection region and makes the light incident on the light receiving unit 23.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing a method for detecting particles inside the case section 20.
  • a light emitting element 21a included in the light emitting section 21, a light projecting lens 22, a light receiving element 23a included in the light receiving section 23, and a light receiving lens 24 are arranged.
  • the optical axis of the irradiation light L1 emitted from the light emitting element 21a via the light projecting lens 22 and the optical axis of the incident light L2 received by the light receiving element 23a via the light receiving lens 24 are arranged so as to be substantially orthogonal to each other. Have been.
  • the vicinity of the in-case flow path 25 is partially enlarged.
  • a region where the region where the incident light L2 can reach the light receiving element 23a via the light receiving lens 24 and the region where the irradiation light L1 is irradiated overlaps is a detection region DA where particles can be detected.
  • the light emitting element 21a is a light source that emits light having a predetermined wavelength according to electric power, and examples thereof include an LED (Light Emitting Diode) element and a semiconductor laser.
  • the wavelength at which the light emitting element 21a emits light is the light receiving band range of the light receiving element 23a, and includes, for example, green light, blue light, near ultraviolet light, and the like.
  • the wavelength of the irradiation light L1 is shorter than that of the infrared light or the red light, so that smaller particles can be detected.
  • a green semiconductor laser or a laser that converts infrared light into green light with a SHG (Second Harmonic Generation) element can be used for the light emitting element 21a, but a green LED is preferable because it is inexpensive and easy to miniaturize.
  • the light receiving element 23a receives light having a predetermined wavelength and converts an optical signal into an electric signal.
  • Examples of the light receiving element 23a include a photodiode and a phototransistor having a spectral sensitivity characteristic having a peak wavelength of infrared or red. The details of the light emitting element 21a and the light receiving element 23a will be described later.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an electrical configuration of the particle sensor 1 of the present embodiment.
  • the particle sensor 1 of the present embodiment includes a sensor unit 100 and a signal processing unit 200, and measures the particle concentration of surrounding air particles based on scattered light from particles located in the detection area DA of the sensor unit 100.
  • the sensor unit 100 includes a light emitting element 21a of the light emitting unit 21 and a light receiving element 23a of the light receiving unit 23, and includes a light projecting lens 22 and a light receiving lens 24.
  • the signal processing unit 200 includes an I / V conversion unit 201, an amplification unit 202, an A / D conversion unit 203, a calculation unit 204, a storage unit 205, and a control unit 206.
  • the I / V conversion unit 201 is a circuit unit that is electrically connected to the light receiving unit 23 and converts a current signal generated in the light receiving element 23a into a voltage value.
  • the amplification unit 202 is a circuit unit that is electrically connected to the I / V conversion unit 201 and amplifies the voltage value converted by the I / V conversion unit 201.
  • the A / D conversion unit 203 is a circuit unit that is electrically connected to the amplification unit 202 and converts a voltage value that is an analog signal output from the amplification unit 202 into a digital signal.
  • the calculation unit 204 is an information processing device that calculates the digital signal converted by the A / D conversion unit 203 using a predetermined calculation method.
  • the storage unit 205 is a device that stores a program for the arithmetic unit 204 to perform arithmetic processing and an arithmetic result of the arithmetic unit 204.
  • the control unit 206 controls the driving of the light emitting unit 21 and the blower fan 40 according to the calculation result of the calculation unit 204 and a control signal from the outside.
  • the particle sensor 1 when the blower fan 40 operates, the outside air flows into the in-case channel 25 from the intake port 12, and the particles contained in the outside air pass through the detection area DA.
  • the irradiation light L1 is emitted from the light emitting element 21a to the detection area DA of the sensor unit 100, and the irradiation light L1 is scattered by the particles, and a part of the scattered light enters the light receiving element 23a as incident light L2.
  • an electric signal is generated (for example, a current) according to the amount of the incident light L2.
  • the diameter of the particle is larger, the area where the irradiation light L1 is scattered by the particle is larger, the amount of the scattered light and the incident light L2 is larger, and the current value generated in the light receiving element 23a is also larger.
  • the current signal output from the light receiving unit 23 is converted into a voltage signal, and the amplification unit 202 amplifies the current signal to a predetermined band.
  • the A / D converter 203 generates digital data by converting a voltage signal, which is an analog signal amplified by the amplifier 202, into a digital signal. Specifically, the A / D conversion unit 203 samples and quantizes the voltage signal that is the output signal from the light receiving unit 23, and generates time-series digital data.
  • the calculation unit 204 calculates the particle diameter and the particle concentration using the digital data converted by the A / D conversion unit 203. Specifically, the digital data is smoothed using a known integration method, a moving average method, a median filter method, or the like, and then subjected to a known approximation process such as linear approximation or polynomial approximation to obtain a particle diameter and a particle concentration. To digital data. The calculation result of the calculation unit 204 is output to the outside of the particle sensor 1 via a harness connected to the connector unit as a particle concentration.
  • FIG. 5 is a graph showing the emission peak wavelength of the light emitting element 21a and the spectral sensitivity characteristics of the light receiving element 23a in the first embodiment.
  • the horizontal axis in the graph indicates the wavelength
  • the vertical axis in the graph indicates the relative sensitivity ratio when the maximum light receiving peak wavelength of the light receiving element 23a is 100%.
  • the curve shown by the solid line in the graph indicates the spectral sensitivity characteristic of the light receiving element 23a, and the light receiving peak wavelength is about 855 nm, and the sensitivity ratio is 20% between 400 nm and 1000 nm.
  • the sensitivity ratio is about 90% at the wavelength of about 625 nm, and about 65% at the wavelength of about 525 nm.
  • the irradiation light L1 from the light emitting element 21a may use a green wavelength of about 525 nm
  • the light receiving element 23a may use an infrared light having a light receiving peak wavelength of about 855 nm in the spectral sensitivity characteristic. It can be seen that the light scattered by the particles can be detected.
  • the light receiving sensitivity itself at the light receiving peak wavelength is lowered.
  • the manufacturing cost is increased.
  • the emission peak wavelength of the irradiation light L1 is shorter than the light reception peak wavelength in the spectral sensitivity characteristics of the light receiving element 23a.
  • the light emitting element 21a has a peak wavelength at a wavelength shorter than the green light
  • the light receiving element 23a has an infrared or red light receiving peak wavelength in the spectral sensitivity characteristic.
  • the scattered light from the particles can be favorably detected using the inexpensive and highly sensitive infrared or red light receiving element 23a.
  • the emission peak wavelength of the light emitting element 21a is preferably from 250 nm to 600 nm, more preferably from 300 nm to 550 nm.
  • the relative sensitivity ratio of the light-emitting element 21a in the spectral sensitivity characteristic of the light-receiving element 23a is 90% or less. Since the emission peak wavelength of the irradiation light L1 is shorter than the light reception peak wavelength in the spectral sensitivity characteristics of the light receiving element 23a, the intensity of scattering high due to particles increases, and even if the relative sensitivity ratio is 90% or less, the light receiving element 23a does not. The S / N ratio is improved in the light detection of.
  • the emission peak wavelength of the light emitting element 21a satisfies these ranges, even if a light receiving element 23a having a light receiving peak wavelength in the spectral sensitivity characteristic in infrared or red is used, the light scattered well can be obtained. Can be detected.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the particle diameter and the received light intensity for light that is scattered by particles by Rayleigh scattering and enters the light receiving element 23a.
  • the graph shown in FIG. 6 is an example showing the relationship when the light emitting element 21a and the light receiving element 23a are used in the particle sensor 1 according to the above-described embodiment, and the light projecting lens 22 and the light receiving lens 24 are used as the optical system. is there.
  • the horizontal axis in the graph indicates the particle diameter ( ⁇ m), and the vertical axis in the graph indicates the light receiving intensity (W / mm 2 ) of the light incident on the light receiving element 23a.
  • the calculation results of Rayleigh scattering of light having different wavelengths are shown, red light is shown by a two-dot chain line, green light is shown by a solid line, blue light is shown by a broken line, and ultraviolet light is shown by a one-dot chain line.
  • red light is shown by a two-dot chain line
  • green light is shown by a solid line
  • blue light is shown by a broken line
  • ultraviolet light is shown by a one-dot chain line.
  • the light receiving sensitivity of light of each wavelength decreases as the particle diameter decreases. In the case of the same particle diameter, the shorter the wavelength, the higher the received light intensity, and the received light intensity decreases in the order of ultraviolet light, blue light, green light, and red light.
  • the light receiving intensity of the light reaching the light receiving element 23a is substantially the same between the case of detecting 0.3 ⁇ m particles with red light and the case of detecting 0.23 ⁇ m particles with green light. .
  • the light receiving intensity of light reaching the light receiving element 23a is about 10 ⁇ 12 for red light and about 10 ⁇ 11 for green light. If the light receiving intensity of the light that reaches the light receiving element 23a is low, the difference between the dark current of the noise component generated when the light does not enter the light receiving element 23a and the detection current that occurs in the song in which the light has entered becomes small.
  • the SN ratio of the element 23a deteriorates. Therefore, by using light having a shorter wavelength as the irradiation light L1, the scattering intensity due to the particles can be increased as compared with the red light, and the SN ratio of the light receiving element 23a can be improved.
  • the relative sensitivity ratio decreases as the wavelength becomes shorter.
  • scattering by particles is a state in which Rayleigh scattering and Mie scattering are mixed as described above. Therefore, it is preferable to determine the wavelength of the light emitting element 21a in consideration of not only the intensity of scattered light due to Rayleigh scattering shown in FIG. 6 but also the intensity of scattered light due to Mie scattering and the spectral sensitivity characteristics of the light receiving element 23a.
  • the relative sensitivity ratio of the light receiving element 23a is in a range of 90% or less, it is preferable to increase the luminous intensity of the irradiation light L1 from the light emitting element 21a to compensate for signal detection by the light receiving element 23a.
  • FIG. 7 is a graph illustrating the emission peak wavelength of the light emitting element 21a and the spectral sensitivity characteristics of the light receiving element 23a according to the second embodiment.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that a light receiving element 23a having a red light reception peak wavelength is used.
  • the horizontal axis represents the wavelength
  • the vertical axis represents the relative sensitivity ratio when the maximum light receiving peak wavelength of the light receiving element 23a is 1.0.
  • the curve shown by the solid line in the graph shows the spectral sensitivity characteristics of the light receiving element 23a, and the light receiving peak wavelength is about 650 nm, and the sensitivity ratio is 0.3 between 400 nm and 900 nm. Further, as indicated by the broken line in the graph, the sensitivity ratio is about 0.96 at a wavelength of about 625 nm, and about 0.73 at a wavelength of about 525 nm.
  • the irradiation light L1 from the light emitting element 21a uses a green wavelength of about 525 nm
  • the light receiving element 23a is an infrared ray having a light receiving peak wavelength of about 855 nm in spectral sensitivity characteristics. It can be seen that the light scattered by the particles can be detected even when the light is used.
  • the emission peak wavelength of the irradiation light L1 is shorter than the light reception peak wavelength in the spectral sensitivity characteristics of the light receiving element 23a, the SN ratio of the detection signal of the light receiving element 23a is reduced. It is possible to improve the particle size even with small particles.

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Abstract

【課題】小さい粒子でも良好に粒子径を測定できる粒子センサおよび電子機器を提供する。 【解決手段】検知領域（ＤＡ）に向けて照射光（Ｌ１）を発する発光部（２１）と、照射光（Ｌ１）を検知領域（ＤＡ）に集光する投光レンズ（２２）と、検知領域（ＤＡ）で粒子によって散乱された照射光（Ｌ１）の一部を集光する受光レンズ（２４）と、受光レンズ（２４）で集光された光を入射光として受光する受光部（２３）を備え、照射光（Ｌ１）の発光ピーク波長は、受光部（２３）の分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長である粒子センサ。

Description

粒子センサおよび電子機器
　本発明は、粒子センサおよび電子機器に関する。
　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（例えば、特許文献１，２等を参照）。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。
　これらの従来技術では、検知領域に照射された発光素子からの照射光を良好に検出するため、照射光の波長と分光感度特性の波長が適合した受光素子を用いて散乱光を検出している。例えば、発光素子として赤外や赤色にピーク波長を有するものを用いた場合には、受光素子も赤外や赤色に分光感度特性のピークを有するものを用いている。
　また、粒子センサでは粒子の検出に光の散乱を利用しており、よりサイズの小さな粒子を検出するためには、波長が短い光を用いることが有効であることも知られている。赤色よりも短い波長の光として、例えば緑色光を発光素子から照射した場合に、粒子によって散乱された光を検出するためには、受光素子の分光感度特性のピークが緑色の波長範囲にあるものを用いる必要がある。
特開２０１７－１６６９３５号公報 特開２０１７－１４２１４２号公報
　しかし、緑色のような短波長範囲に分光感度特性のピークを有する受光素子は高価であり、かつ作製の技術的難易度が高いという問題があった。
　本発明はかかる問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、小さい粒子でも良好に粒子径を測定できる粒子センサおよび電子機器を提供することにある。
　上記課題を解決するため本発明の粒子センサは、検知領域に向けて照射光を発する発光部と、前記照射光を前記検知領域に集光する投光レンズと、前記検知領域で粒子によって散乱された前記照射光の一部を集光する受光レンズと、前記受光レンズで集光された光を入射光として受光する受光部を備え、前記照射光の発光ピーク波長は、前記受光部の分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長であることを特徴とする。
　これにより、短波長の照射光を用いて粒子径の小さな粒子で散乱される光の強度を高め、安価で受光感度の高い受光素子により光を受光することで、小さい粒子でも良好に粒子径を測定できる。
　また、本発明の一実施態様では、前記発光ピーク波長は、前記分光感度特性における相対感度比が９０％以下である。
　また、本発明の一実施態様では、前記発光ピーク波長は、２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。
　また、本発明の一実施態様では、前記発光部は、緑色を発光する発光ダイオードを備える。
　また、上記課題を解決するため本発明の、電子機器は、上記何れか一つに記載の粒子センサを備え、前記受光部での検出結果を粒子濃度として出力する出力部を備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、小さい粒子でも良好に粒子径を測定できる粒子センサおよび電子機器を提供することができる。
実施形態１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の概要を示す分解斜視図である。 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。 実施形態１の粒子センサ１の電気的構成を示すブロック図である。 実施形態１における発光素子２１ａの発光ピーク波長と、受光素子２３ａの分光感度特性について示すグラフである。 レイリー散乱で粒子に散乱されて受光素子２３ａに入射する光について、粒子径と受光強度の関係を示したグラフである。 実施形態２における発光素子２１ａの発光ピーク波長と、受光素子２３ａの分光感度特性について示すグラフである。
　＜実施形態１＞
　以下、本発明の実施形態１について、図面を参照して説明する。図面等の説明において上下や左右の表現を用いる場合、図中での上下や左右を示すものであり、粒子センサ１の使用時における上下や左右を限定するものではない。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。図２は、粒子センサ１の概要を示す分解斜視図である。
　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、粒子センサ１は外部との電気的接続を行うコネクタ部を備え（図示省略）、コネクタ部にハーネスを接続することで外部から電力の供給や外部との電気信号の授受をすることができる。
　上面蓋部１０は、粒子センサ１の上部外装を構成する部材であり、ケース部２０の上部を覆って取り付けられる。上面蓋部１０を構成する材料は特に限定されないが、軽量化と成形性の観点から樹脂を用いることが好ましい。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。また、上面蓋部１０のケース部２０と対向する面には、各エリアを区切る壁部や空間が形成されている。
　天面１１は、粒子センサ１の最上面を構成する略平坦な面であり、図１では略矩形状のものを示している。天面１１の所定位置には吸気口１２と排気口１３が形成されている。吸気口１２は、粒子センサ１の内部に外気を取り入れるための開口であり、天面１１のうち、ケース内流路２５の直上に形成されている。排気口１３は、粒子センサ１の内部を通過した外気を排出する開口部であり、送風ファン４０の直上に形成されている。
　ケース部２０は、粒子センサ１の各部を収容し保持する筐体部分である。ケース部２０を構成する材料は特に限定されないが、軽量化と成形性の観点から樹脂を用いることが好ましい。ケース部２０の内部には発光部２１と受光部２３が収容されるとともに、吸気口１２の直下にはケース内流路２５が構成されている。また、排気口１３の直下領域には送風ファン４０を収容するスペースが形成されている。また、ケース部２０の内部には隔壁等の構造物が設けられており、他の部材を収容して保持する空間や光トラップ構造、外気の流路などが樹脂で一体成形されている。ケース部２０の内部構造についての詳細は、後述する。
　下面蓋部３０は、粒子センサ１の下部外装を構成する部材であり、ケース部２０の下部を覆って取り付けられる。下面蓋部３０を構成する材料は限定されないが、ケース部２０内に収容された電子部品や電子回路への電磁波を遮蔽するためには、金属製の板状部材を折り曲げたシールドケースを用いることが好ましい。
　また、下面蓋部３０の内側には、反射防止部を形成しておくことが好ましい。反射防止部としては、発光部２１から出射される光を吸収する材料を下面蓋部３０の内側に設ければよく、例えば黒色の塗装を施すことや、黒色のテープを貼り付けるなどの手法を用いることができる。下面蓋部３０の内側に反射防止部を設けることで、発光部２１から照射さえた光が下面蓋部３０側に入り込んできても、反射防止部で良好に光を減衰させて迷光を防止することができる。
　送風ファン４０は、電力の供給を受けて回転し送風する送風装置であり、制御信号に応じて回転制御されて送風量を調整する。図１，２に示した例では、送風ファン４０の気体を送り出す側は排気口１３に露出しており、気体を吸引する側はケース部２０および下面蓋部３０方向に向けて配置されている。
　図２に示したように、ケース部２０の内部には発光部２１と受光部２３が収容されており、吸気口１２の直下にはケース内流路２５が形成されている。粒子センサ１では、発光部２１からケース内流路２５方向に光を照射し、ケース内流路２５内を通過する外気に含まれる粒子によって散乱した光の一部を受光部２３で検知することで、粒子を検知する。発光部２１と受光部２３による粒子の検出については詳細を後述する。
　発光部２１は、電力と制御信号に応じて所定波長の光を検知領域に向けて発光する部材である。投光レンズ２２は、発光部２１が発光した光を照射光として検知領域に集光するために光学部材である受光部２３は、所定波長の光が入射することで電流値または電圧値を出力する部材である。受光レンズ２４は、検知領域方向からの光を集光して受光部２３に入射させる光学部材である。
　図３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、発光部２１に含まれる発光素子２１ａと、投光レンズ２２と、受光部２３に含まれる受光素子２３ａと、受光レンズ２４が配置されている。発光素子２１ａ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２３ａ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。図３中では、ケース内流路２５周辺を部分的に拡大して示している。受光レンズ２４を介して受光素子２３ａ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。
　発光素子２１ａは、電力に応じて所定波長の光を発光する光源であり、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）素子や半導体レーザが挙げられる。発光素子２１ａが発光する波長は受光素子２３ａの受光帯域範囲であり、例えば緑色光や青色光、近紫外光などが挙げられる。発光素子２１ａとして緑色ＬＥＤを用いると、赤外光や赤色光よりも照射光Ｌ１の波長が短いため、より小さい粒子を検知することが可能となる。発光素子２１ａに緑色半導体レーザや、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子で赤外光を緑色光に変換するレーザを用いることもできるが、緑色ＬＥＤのほうが安価であり小型化も容易であるため好ましい。
　受光素子２３ａは、所定波長の光を受光して光信号を電気信号に変換するものであり、例えば分光感度特性のピーク波長が赤外や赤色であるフォトダイオードやフォトトランジスタ等が挙げられる。発光素子２１ａおよび受光素子２３ａについては詳細を後述する。
　図４は、本実施形態の粒子センサ１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１００と、信号処理部２００を備え、センサ部１００の検知領域ＤＡに位置する粒子からの散乱光に基づいて、周辺空気粒子の粒子濃度を測定する。センサ部１００は、発光部２１の発光素子２１ａと、受光部２３の受光素子２３ａとを備え、投光レンズ２２および受光レンズ２４を備えている。信号処理部２００は、Ｉ／Ｖ変換部２０１、増幅部２０２、Ａ／Ｄ変換部２０３、演算部２０４、記憶部２０５、制御部２０６を備えている。
　Ｉ／Ｖ変換部２０１は、受光部２３に電気的に接続され、受光素子２３ａで生じた電流信号を電圧値に変換する回路部である。増幅部２０２は、Ｉ／Ｖ変換部２０１に電気的に接続され、Ｉ／Ｖ変換部２０１で変換された電圧値を増幅する回路部である。Ａ／Ｄ変換部２０３は、増幅部２０２に電気的に接続され、増幅部２０２から出力されたアナログ信号である電圧値をデジタル信号に変換する回路部である。演算部２０４は、Ａ／Ｄ変換部２０３で変換されたデジタル信号を所定の演算手法によって演算する情報処理装置である。記憶部２０５は、演算部２０４が演算処理を行うためのプログラムや、演算部２０４の演算結果を記憶しておく装置である。制御部２０６は、演算部２０４の演算結果や外部からの制御信号に応じて発光部２１や送風ファン４０の駆動制御を行う。
　粒子センサ１では送風ファン４０が動作すると、吸気口１２から外気がケース内流路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。センサ部１００の検知領域ＤＡには発光素子２１ａ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２３ａに入射する。受光素子２３ａでは、入射光Ｌ２の光量に応じて電気信号が生じる（例えば電流）。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２３ａで生じる電流値も大きくなる。
　Ｉ／Ｖ変換部２０１では、受光部２３から出力された電流信号を電圧信号に変換し、増幅部２０２が所定の帯域に増幅する。Ａ／Ｄ変換部２０３は、増幅部２０２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ことで、デジタルデータを生成する。具体的には、Ａ／Ｄ変換部２０３は、受光部２３からの出力信号である電圧信号をサンプリングおよび量子化し、時系列のデジタルデータを生成する。
　演算部２０４は、Ａ／Ｄ変換部２０３が変換したデジタルデータを用いて粒子径と粒子濃度を算出する。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、デジタルデータを平滑化処理し、線形近似、多項式近似等、公知の近似処理を施して粒子径と粒子濃度のデジタルデータに変換する。演算部２０４での演算結果は粒子濃度として、コネクタ部に接続されたハーネスを介して粒子センサ１の外部に出力される。
　図５は、実施形態１における発光素子２１ａの発光ピーク波長と、受光素子２３ａの分光感度特性について示すグラフである。グラフ中の横軸は波長を示し、グラフ中の縦軸は受光素子２３ａの受光感度が最大の受光ピーク波長を１００％としたときの相対感度比を示している。グラフ中に実線で示した曲線は、受光素子２３ａの分光感度特性を示しており、受光ピーク波長は約８５５ｎｍであり、波長４００ｎｍと１０００ｎｍで２０％の感度比となっている。また、グラフ中に破線で示したように、約６２５ｎｍの波長では約９０％の感度比であり、約５２５ｎｍの波長では約６５％の感度比である。
　図５に示したように、発光素子２１ａからの照射光Ｌ１として緑色である波長約５２５ｎｍを用い、受光素子２３ａとして分光感度特性における受光ピーク波長が約８５５ｎｍの赤外であるものを用いても、粒子によって散乱された光を検出できることがわかる。一方で、緑色に受光ピーク波長を有するものを受光素子２３ａとして用いたとしても、受光ピーク波長における受光感度そのものが低くなってしまう。また受光素子２３ａとして、緑色に受光ピーク波長を有しながらも受光感度の高いものを用いると、製造コストの上昇を招いてしまう。
　そこで本発明では、照射光Ｌ１の発光ピーク波長は、受光素子２３ａの分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長とする。具体的には、発光素子２１ａは緑色光よりも短波長にピーク波長を有するものを用い、受光素子２３ａは赤外または赤色に分光感度特性における受光ピーク波長を有するものを用いる。これにより、安価で高感度な赤外または赤色の受光素子２３ａを用い、良好に粒子からの散乱光を検出することができる。
　より具体的には、発光素子２１ａの発光ピーク波長は、２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である。また、発光素子２１ａの発光ピーク波長は、受光素子２３ａの分光感度特性における相対感度比が９０％以下である。照射光Ｌ１の発光ピーク波長は、受光素子２３ａの分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長なので、粒子による散乱高強度が大きくなり、相対感度比が９０％以下であっても受光素子２３ａでの光検出においてＳ／Ｎ比が向上する。よって、発光素子２１ａの発光ピーク波長がこれらの範囲を満たしていると、受光素子２３ａとして赤外または赤色に分光感度特性における受光ピーク波長を有するものを用いても、良好に散乱された光を検出することができる。
　次に、受光素子の受光ピーク波長よりも短波長の領域に発光ピーク波長を有する発光素子２１ａを用いても、良好に散乱光を検出できる理由について説明する。まず、光の散乱とは光と原子の作用で生じるものであり、原子内の電子が光の交流電場に同期して応答振動し、電気双極子放射によって同じ周波数の新たな光を放出するものである。
　このような散乱としては、光の波長に比べて十分に小さい粒子によるレイリー散乱と、光の波長程度の粒子によるレイリー散乱が知られている。レイリー散乱では、粒子サイズが光の波長より十分に小さいため単一の散乱とみなせて、散乱された光の強度は波長の４乗に反比例することが知られている。またミー散乱では、粒子に含まれる多数の原子が散乱源となるため、散乱源の集合体として光を放出し、散乱された光の強度は波長の２乗に比例することが知られている。現実には、粒子サイズによって明確にレイリー散乱とミー散乱を切り分けることができるわけではなく、粒子サイズが１μｍ未満程度に小さい領域では、レイリー散乱とミー散乱が複合して現れるため、レイリー散乱とミー散乱の両方の波長依存性を考慮しなくてはいけない。
　図６は、レイリー散乱で粒子に散乱されて受光素子２３ａに入射する光について、粒子径と受光強度の関係を示したグラフである。図６に示したグラフは、上述した本実施形態における粒子センサ１で発光素子２１ａと受光素子２３ａを用い、光学系として投光レンズ２２および受光レンズ２４を用いた場合での関係を示す一例である。グラフ中の横軸は粒子径（μｍ）を示しており、グラフ中の縦軸は受光素子２３ａに入射する光の受光強度（Ｗ／ｍｍ2）を示している。またグラフ中には波長の異なる光のレイリー散乱の計算結果を示しており、赤色光は二点鎖線で示し、緑色光は実線で示し、青色光は破線で示し、紫外光は一点鎖線で示している。図６に示したように、各波長の光において、粒子径が小さくなるほど受光感度は低下する。また、同じ粒子径の場合には、波長の短いほうが受光強度は大きく、紫外光、青色光、緑色光、赤色光の順に受光強度が低下する。
　具体的には、例えば赤色光で０．３μｍの粒子を検出する場合と、緑色光で０．２３μｍの粒子を検出する場合とで、受光素子２３ａに到達する光の受光強度が同程度である。また、０．２２μｍの粒子を検出する場合、受光素子２３ａに到達する光の受光強度は、赤色光では１０-12程度であり、緑色光では１０-11程度である。受光素子２３ａに到達する光の受光強度が低いと、受光素子２３ａに光が入射しない状態で生じるノイズ成分の暗電流と、光が入射した状謡で生じる検出電流との差が小さくなり、受光素子２３ａのＳＮ比が悪化する。したがって、より波長の短い光を照射光Ｌ１として用いることで、赤色光と比較して粒子による散乱強度を高くし、受光素子２３ａのＳＮ比を改善することができる。
　また、図５に示したように、赤外や赤色に受光ピーク波長を有する受光素子２３ａでは、短波長になるほど相対感度比が低下する。また、粒子による散乱は上述したようにレイリー散乱とミー散乱が混合した状態である。したがって、図６に示したレイリー散乱による散乱光の強度だけではなく、ミー散乱による散乱光の強度や受光素子２３ａの分光感度特性を考慮して発光素子２１ａの波長を決めることが好ましい。
　また、受光素子２３ａでの相対感度比が９０％以下の範囲を用いるため、発光素子２１ａからの照射光Ｌ１の光度を大きくして、受光素子２３ａでの信号検出を補うことが好ましい。
　＜実施形態２＞
　以下、本発明の実施形態２について、図面を参照して説明する。図７は、実施形態２における発光素子２１ａの発光ピーク波長と、受光素子２３ａの分光感度特性について示すグラフである。本実施形態では、受光素子２３ａとして受光ピーク波長が赤色光のものを用いる点が実施形態１と異なっている。
　図７中で横軸は波長を示し、縦軸は受光素子２３ａの受光感度が最大の受光ピーク波長を１．０としたときの相対感度比を示している。グラフ中に実線で示した曲線は、受光素子２３ａの分光感度特性を示しており、受光ピーク波長は約６５０ｎｍであり、波長４００ｎｍと９００ｎｍで０．３の感度比となっている。また、グラフ中に破線で示したように、約６２５ｎｍの波長では約０．９６の感度比であり、約５２５ｎｍの波長では約０．７３の感度比である。
　本実施形態でも、図７に示したように、発光素子２１ａからの照射光Ｌ１として緑色である波長約５２５ｎｍを用い、受光素子２３ａとして分光感度特性における受光ピーク波長が約８５５ｎｍの赤外であるものを用いても、粒子によって散乱された光を検出できることがわかる。
　したがって、本実施形態の粒子センサおよび電子機器でも、照射光Ｌ１の発光ピーク波長が受光素子２３ａの分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長であるため、受光素子２３ａの検出信号におけるＳＮ比を改善し、小さい粒子でも良好に粒子径を測定することができる。
　なお、今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
１…粒子センサ
Ｌ１…照射光
Ｌ２…入射光
１０…上面蓋部
１１…天面
１２…吸気口
１３…排気口
２０…ケース部
２１…発光部
２１ａ…発光素子
２２…投光レンズ
２３…受光部
２３ａ…受光素子
２４…受光レンズ
２５…ケース内流路
３０…下面蓋部
４０…送風ファン
１００…センサ部
２００…信号処理部
２０１…Ｉ／Ｖ変換部
２０２…増幅部
２０３…Ａ／Ｄ変換部
２０４…演算部
２０５…記憶部
２０６…制御部

Claims (5)

  1. 　検知領域に向けて照射光を発する発光部と、
    　前記照射光を前記検知領域に集光する投光レンズと、
    　前記検知領域で粒子によって散乱された前記照射光の一部を集光する受光レンズと、
    　前記受光レンズで集光された光を入射光として受光する受光部を備え、
    　前記照射光の発光ピーク波長は、前記受光部の分光感度特性における受光ピーク波長よりも短波長であ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であって、
    　前記発光ピーク波長は、前記分光感度特性における相対感度比が９０％以下であ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であって、
    　前記発光ピーク波長は、２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする粒子センサ。粒子センサ。
  4. 　請求項１から３の何れか一つに記載の粒子センサであって、
    　前記発光部は、緑色を発光する発光ダイオードを備えることを特徴とする粒子センサ。
  5. 　請求項１から４の何れか一つに記載の粒子センサを備え、
    　前記受光部での検出結果を粒子濃度として出力する出力部を備えたことを特徴とする電子機器。
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