(57)【要約】【課題】１系統の受光光学系によって受光した浮遊粒子からの散乱光に基づいて、浮遊粒子の大きさを示すサイズ信号と浮遊粒子の形状を示す形状信号とを取得することができる粒子検出器を得る。【解決手段】直線偏光光Ｌが照射された浮遊粒子Ｐｆから放射される散乱光Ｌａの特性に基づいて花粉を検出する粒子検出器１０において、該散乱光を該散乱光受光部に集光する単一の光学系を含む散乱光受光部１２０を含み、該散乱光受光部１２０は、該偏光光と該散乱光との間での偏光方向の変化の度合いを検出する偏光受光部と、該散乱光の強度を検出する通常受光部とを有し、該偏光受光部の受光領域及び該通常受光部の受光領域上には、該光学系により該散乱光Ｌａを集光して得られる集光スポットが形成されるように構成されている。【選択図】図１
2014182008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の浮遊粒子に偏光光を照射する偏光光照射部と、該浮遊粒子からの散乱光を受光する散乱光受光部とを有し、該受光した散乱光の特性に基づいて花粉を検出する粒子検出器であって、
該散乱光を集光する単一の光学系を含み、
該散乱光受光部は、
該偏光光と該散乱光との間での偏光方向の変化の度合いを検出する第１の光検出部と、該散乱光の強度を検出する第２の光検出部とを有し、該第１の光検出部の受光領域及び該第２の光検出部の受光領域上には、該光学系により該散乱光を集光して得られる集光スポットが形成されるように構成されている、粒子検出器。
【請求項２】
前記偏光光は直線偏光光であり、
前記第１の光検出部は、前記散乱光における、該直線偏光光の偏光方向と同じ偏光方向の成分の光の強度を検出するよう構成されている、請求項１に記載の粒子検出器。
【請求項３】
前記第１の光検出部は、半導体チップを構成する半導体基板上に形成された第１の光電変換素子を含み、該第１の光電変換素子は、該直線偏光光の偏光方向と同じ偏光方向の光のみを透過する偏光機能を有し、前記浮遊粒子からの散乱光における、該直線偏光光の偏光方向と同じ偏光方向の光を光電変換して、前記浮遊粒子の形状を示す形状信号を出力するよう構成されており、
前記第２の光検出部は、該半導体基板上に形成された第２の光電変換素子を含み、該浮遊粒子からの散乱光を該第２の光電変換素子により光電変換して、該散乱光の強度を示す強度信号を出力するよう構成されている、請求項２に記載の粒子検出器。
【請求項４】
前記形状信号を出力する第１の光電変換素子と、前記強度信号を出力する第２の光電変換素子とは、前記半導体チップ上で交互に配置されている、請求項３に記載の粒子検出器。
【請求項５】
前記偏光機能を有する第１の光電変換素子は、該第１の光電変換素子を構成する半導体領域上にストライプ状の光反射層を形成した構造となっている、請求項３または請求項４に記載の粒子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子検出器に関し、特に、花粉症の原因となる大気中に浮遊する花粉粒子の検出に用いられる粒子検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、大気中に浮遊する花粉の飛散量の測定は、ガラス板を大気中に晒して、これに付着する花粉を染色処理し、熟達者が顕微鏡を用いて目視で花粉の数を計数する方法によって行われている。
【０００３】
ところが、この方法では、染色という手間のかかる前処理に多くの時間を要する上に、目視計数を行う者には高度の熟練が要求される。また、ガラス板を一定時間の間、大気中に晒さなければならないため、リアルタイムで花粉の飛散量を検出することができず、さらに、測定すべき場所で測定結果を得ることができない。
【０００４】
そこで、花粉の飛散量を測定場所にてリアルタイムで検出する装置として粒子検出器が既に開発されている。
【０００５】
図９は、従来の粒子検出器を説明する図であり、この粒子検出器の基本構成を示している。
【０００６】
この粒子検出器２００は、所定方向に偏光した直線偏光光Ｌを浮遊粒子に照射する偏光光源部２１０と、浮遊粒子Ｐｆによる散乱光Ｌａを受光して浮遊粒子Ｐｆの形状（散乱光の偏光解消度）を表す形状信号（出力信号）Ｓ２ａを出力する偏光解消度測定部２２０ａと、浮遊粒子Ｐｆによる散乱光Ｌｂを受光して浮遊粒子Ｐｆの粒子径（散乱光の強度）を表すサイズ信号（出力信号）Ｓ２ｂを出力する散乱光強度測定部２２０ｂと、浮遊粒子Ｐｆの形状を表す形状信号Ｓ２ａと浮遊粒子Ｐｆの粒子径を表すサイズ信号Ｓ２ｂとに基づいて、粒子径が所定範囲内にありかつ偏光解消度が所定値より大きい浮遊粒子を花粉粒子として検出する判別部２３０とを有している。
【０００７】
ここで、偏光光源部２１０は、直線偏光光Ｌを出力するレーザダイオード２１１と、このレーザダイオード２１１を駆動信号Ｓ１により駆動する駆動部２００ａと、このレーザダイオード２１１から出力された直線偏光光Ｌを集光する発光側集光レンズ２１２とを有しており、この集光レンズ２１２の焦点位置Ｆｐｓにある浮遊粒子Ｐｆに直線偏光光Ｌが照射されると、浮遊粒子Ｐｆでミー散乱が発生するようになっている。散乱光Ｌａ及びＬｂは、浮遊粒子Ｐｆへの入射光（直線偏光光）Ｌの入射により生じたミー散乱によるものであり、散乱光Ｌａは、入射光Ｌの進行方向（０度）に対して３０度〜６０度の範囲内の散乱角θａで散乱した光であり、散乱光Ｌｂは、入射光Ｌの進行方向に対して−３０度〜−６０度の範囲内の散乱角θｂで散乱した光である。
【０００８】
偏光解消度測定部２２０ａは、発光側集光レンズ２１２の焦点位置Ｆｐｓで直線偏光光Ｌが照射された浮遊粒子Ｐｆからの一方の散乱光Ｌａを集光する受光側集光レンズ２２１ａと、この受光側集光レンズ２２１ａの焦点位置に配置された受光素子２２３ａと、この受光素子２２３ａと発光側集光レンズ２２１ａとの間に配置され、レーザダイオード２１１から出力された直線偏光光Ｌと同じ偏光方向の成分のみを透過する偏光素子（偏光フィルタ）２２２ａとを有し、散乱光Ｌａにおける直線偏光光Ｌと同じ偏光方向の成分の強度に応じた出力信号Ｓ２ａを浮遊粒子Ｐｆの形状を表す形状信号として出力するように構成されている。
【０００９】
散乱光強度測定部２２０ｂは、発光側集光レンズ２１２の焦点位置Ｆｐｓで直線偏光光Ｌが照射された浮遊粒子Ｐｆからの他方の散乱光Ｌｂを集光する受光側集光レンズ２２１ｂと、この受光側集光レンズ２２１ｂの焦点位置に配置された受光素子２２３ｂとを有し、散乱光Ｌｂの強度に応じた出力信号Ｓ２ｂを、浮遊粒子Ｐｆのサイズ（大きさ）を表すサイズ信号として出力するように構成されている。
【００１０】
このような粒子検出器２００では、上記偏光光源部２１０、偏光解消度測定部２２０ａ、散乱光強度測定部２２０ｂ及び判定部２３０は筐体（図示せず）内に設けられており、筐体の周囲の外気を、発光側焦点レンズ２１２の焦点位置Ｆｐｓを通過するように筐体内に導入し、以下の原理に基づいて、大気中に浮遊する花粉粒子を検出することができる。
【００１１】
つまり、このような粒子検出器２００では、第１に、散乱光強度、つまりレーザダイオード２１１からの出力光が照射された浮遊粒子からミー散乱により発生する散乱光の強度は、この浮遊粒子の粒子径が大きいほど高くなることを利用し、浮遊粒子Ｐｆによる散乱光Ｌｂを受光する散乱光強度測定部２２０ｂの出力信号Ｓ２ｂに基づいて、花粉と同程度の粒子径を有する浮遊粒子を検出している。
【００１２】
第２に、大気中の花粉粒子による散乱光の偏光解消作用、つまりレーザダイオード２１１からの出力光である直線偏光光Ｌの強度に対して、この直線偏光光が照射された浮遊粒子からミー散乱により発生する散乱光の、該直線偏光光と同じ偏光方向に成分が低下する作用（偏光解消作用）が、花粉粒子と同程度の粒子径を有する他の浮遊粒子による散乱光の偏光解消作用に比べて著しく大きいことを利用し、レーザダイオード２１１から出力された直線偏光光Ｌと同じ偏光方向の成分のみを透過する偏光フィルタ２２２ａを通して浮遊粒子Ｐｆによる散乱光Ｌａを受光する偏光解消度測定部２２０ａの出力信号Ｓ２ａに基づいて、花粉とそれ以外の浮遊粒子とを判別している。
【００１３】
次に動作について説明する。
【００１４】
まず、ファンあるいはヒータなどにより、筐体の周囲の雰囲気を筐体内の発光側焦点レンズ２１２の焦点位置Ｆｐｓに導入する気体流を発生させ、レーザダイオード２１１から出力される直線偏光光Ｌを、焦点位置Ｆｐｓを通過する浮遊粒子Ｐｆに照射する。
【００１５】
浮遊粒子Ｐｆにレーザダイオード２１１からの直線偏光光Ｌが照射されると、浮遊粒子Ｐｆからは、直線偏光光を一旦吸収した後に散乱光を出射するミー散乱により、直線偏光光Ｌの進行方向に対して３０度〜６０度の範囲内の散乱角θａで散乱光Ｌａが散乱し、入射光Ｌの進行方向に対して−３０度〜−６０度の範囲内の散乱角θｂで散乱光Ｌｂが散乱する。
【００１６】
このとき、散乱光Ｌａは、受光側焦点レンズ２２１ａで集光されて偏光素子２２２ａに入射する。この偏光素子２２２ａでは、散乱光Ｌａにおける、直線偏光光Ｌの偏光方向と等しい偏光方向の成分のみが通過し、受光素子２２３ａは、偏光素子２２２ａを通過した散乱光の成分を受光し、その光強度に応じた出力信号Ｓ２ａを、浮遊素子の形状を示す形状信号として判定部２３０に出力する。
【００１７】
一方、入射光Ｌの進行方向に対して−３０度〜−６０度の範囲内の散乱角θｂで散乱した散乱光Ｌｂは、受光側集光レンズ２２１ｂで集光されて受光素子２２３ｂに入射する。この受光素子２２３ｂでは、受光した散乱光Ｌｂの光強度に応じた出力信号Ｓ２ｂを、浮遊素子の大きさを示すサイズ信号として判定部２３０に出力する。
【００１８】
この判定部２３０では、図１０に示すように、サイズ信号Ｓ２ｂに関して、花粉の平均的な粒子径に基づいて花粉程度の大きさを有する浮遊粒子を検知するための信号レベルＡ（ＰＤ２）の範囲Ｒｓｅが設定されている。また、サイズ信号Ｓ２ｂに対する形状信号Ｓ２ａの比率（Ａ（ＰＤ１）／Ａ（ＰＤ２））に関して、花粉と同程度の粒子径を有する検出対象の浮遊粒子が花粉であると判定するための範囲Ｒｓｐが設定されている。このため、この判定部２３０では、上記サイズ信号Ｓ２ｂ及び形状信号Ｓ２ａに基づいて、上記焦点位置（検出位置）Ｆｐｓを通過した浮遊粒子Ｐｆが、例えば大きな花粉Ｆｐａ１であることが判定される。ここで、比率（Ａ（ＰＤ１）／Ａ（ＰＤ２））の逆数は、レーザダイオード２１１からの直線偏光光Ｌが偏光フィルタを通過することでどの程度変化したかを示す偏光解消度に相当する。また、粒子Ｆｐａ２は小さな花粉、粒子Ｆｐａ３は、大きな花粉と同じ程度の大きさの土埃、粒子Ｆｐａ４は、小さな花粉と同じ程度の大きさの土埃である。
【００１９】
なお、特許文献１には、図９に示す従来の粒子検出器と同様な花粉検出器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平５−２４０７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、上記従来の粒子検出器２００では、浮遊粒子Ｐｆからの散乱光ＬａおよびＬｂを受光する受光光学系として、この散乱光Ｌａを偏光素子２２２ａを介して受光するための偏光光学系（偏光解消度測定部２２０ａの光学系）と、浮遊粒子Ｐｆからの散乱光Ｌｂをその偏光方向を変化させずに受光するための非偏光光学系（散乱光強度測定部２２０ｂの光学系）の２系統の受光光学系が必要であり、装置が大型化し、コストアップの原因となるという問題点があった。
【００２２】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、１系統の受光光学系によって受光した浮遊粒子からの散乱光に基づいて、浮遊粒子の大きさを示すサイズ信号と浮遊粒子の形状を示す形状信号とを取得することができ、これにより花粉飛散量の測定を、測定したい場所にてリアルタイムで行うことができ、しかも低コスト化が可能な小型でコンパクトな構造の粒子検出器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明に係る粒子検出器は、空気中の浮遊粒子に偏光光を照射する偏光光照射部と、該浮遊粒子からの散乱光を受光する散乱光受光部とを有し、該受光した散乱光の特性に基づいて花粉を検出する粒子検出器であって、該散乱光を集光する単一の光学系を含み、該散乱光受光部は、該偏光光と該散乱光との間での偏光方向の変化の度合いを検出する第１の光検出部と、該散乱光の強度を検出する第２の光検出部とを有し、該第１の光検出部の受光領域及び該第２の光検出部の受光領域上には、該光学系により該散乱光を集光して得られる集光スポットが形成されるように構成されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２４】
本発明は、上記粒子検出器において、前記偏光光は直線偏光光であり、前記第１の光検出部は、前記散乱光における、該直線偏光光の偏光方向と同じ偏光方向の成分の光の強度を検出するよう構成されていることが好ましい。
【００２５】
本発明は、上記粒子検出器において、前記第１の光検出部は、半導体チップを構成する半導体基板上に形成された第１の光電変換素子を含み、該第１の光電変換素子は、該直線偏光光の偏光方向と同じ偏光方向の光のみを透過する偏光機能を有し、前記浮遊粒子からの散乱光における、該直線偏光光の偏光方向と同じ偏光方向の光を光電変換して、前記浮遊粒子の形状を示す形状信号を出力するよう構成されており、前記第２の光検出部は、該半導体基板上に形成された第２の光電変換素子を含み、該浮遊粒子からの散乱光を該第２の光電変換素子により光電変換して、該散乱光の強度を示す強度信号を出力するよう構成されていることが好ましい。
【００２６】
本発明は、上記粒子検出器において、前記形状信号を出力する第１の光電変換素子と、前記強度信号を出力する第２の光電変換素子とは、前記半導体チップ上で交互に配置されていることが好ましい。
【００２７】
本発明は、上記粒子検出器において、前記偏光機能を有する第１の光電変換素子は、該第１の光電変換素子を構成する半導体領域上にストライプ状の光反射層を形成した構造となっていることが好ましい。
【００２８】
本発明は、上記粒子検出器において、前記光電変換素子は、ＰＩＮフォトダイオードであることが好ましい。
【００２９】
本発明は、上記粒子検出器において、前記半導体チップは、前記第１の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子に加えて、これらの光電変換素子から出力される前記形状信号及び前記強度信号を処理するアナログ信号処理回路を有することが好ましい。
【００３０】
本発明は、上記粒子検出器において、前記アナログ信号処理回路は、前記強度信号が示す前記浮遊粒子の粒子径が所定範囲内にあり、かつ前記形状信号が示す前記偏光方向の変化の度合いが所定値より大きい浮遊粒子を花粉粒子と判別する判別部を有することが好ましい。
【００３１】
本発明は、上記粒子検出器において、前記半導体チップは、前記判定部での判定結果をデジタル信号として出力するデジタル信号処理回路を含むことが好ましい。
【００３２】
本発明は、上記粒子検出器において、前記偏光光照射部は、前記偏光光として直線偏光光を出力するレーザダイオードを含むことが好ましい。
【００３３】
本発明は、上記粒子検出器において、前記偏光光照射部は、発光ダイオードと、該発光ダイオードから出力された出力光を偏光する偏光素子とを含み、該偏光素子を透過した直線偏光光を前記浮遊粒子に照射するものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００３４】
以上のように、本発明によれば、１系統の受光光学系によって受光した浮遊粒子からの散乱光に基づいて、浮遊粒子の大きさを示すサイズ信号と浮遊粒子の形状を示す形状信号とを取得することができ、これにより花粉飛散量の測定を、測定したい場所にてリアルタイムで行うことができ、しかも低コスト化が可能な小型でコンパクトな構造の粒子検出器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の実施形態１による粒子検出器を説明する図であり、図１（ａ）は、この粒子検出器の外観を示し、図１（ｂ）は、この粒子検出器の内部構造を示している。
【図２】図２は、本発明の実施形態１による粒子検出器を説明する平面図であり、この粒子検出器に用いる粒子検出ＩＣチップの構成を示している。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による粒子検出器を説明する断面図であり、図３（ａ）は、図２におけるＡ−Ａ’線部分の断面構造を模式的に示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＸ部分を拡大して示している。
【図４】図４は、本発明の実施形態１による粒子検出器の基本構成及び動作原理を説明する図であり、図４（ａ）は、図１（ｂ）における偏光光照射部及び散乱光受光部における光学系を模式的に示し、図４（ｂ）は、花粉判定の方法を示している。
【図５】図５は、本発明の実施形態１による粒子検出器の動作原理を説明する図であり、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、偏光素子のスリットの方向と、偏光素子を透過する直線偏光光の偏光方向との関係を示している。
【図６】図６は、本発明の実施形態１による粒子検出器の判定対象となる浮遊粒子を説明する図であり、図６（ａ）は、顕微鏡写真によるスギ花粉の形状を模式的に示し、図６（ｂ）は、顕微鏡写真による土埃の形状を模式的に示している。
【図７】図７は、本発明の実施形態１による粒子検出器の動作を説明する図であり、検出用レーザ光の散乱状態と、形状信号及びサイズ信号の出力レベルとを、浮遊粒子の検出位置に浮遊粒子が存在しない場合（図７（ａ））、浮遊粒子の検出位置に花粉より小さい浮遊粒子が存在する場合（図７（ｂ））、浮遊粒子の検出位置に花粉以外の浮遊粒子が存在する場合（図７（ｃ））、浮遊粒子の検出位置に花粉が存在する場合（図７（ｄ））について示している。
【図８】図８は、本発明の実施形態１の変形例による粒子検出器を説明する図であり、図８（ａ）は、この粒子検出器の外観を示し、図８（ｂ）は、この粒子検出器の内部構造を示している。
【図９】図９は、従来の粒子検出器を説明する図であり、この粒子検出器の基本構成を示している。
【図１０】図１０は、従来の粒子検出器の動作原理を説明する図であり、花粉を他の浮遊粒子と区別して検出する方法を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による粒子検出器を説明する図であり、図１（ａ）は、この粒子検出器の外観を示し、図１（ｂ）は、この粒子検出器の内部構造を示している。
【００３８】
この実施形態１の粒子検出器１０は、金属製ケースあるいはプラスチック製ケースなどの筐体１０ａと、この筐体１０ａ内に設けられ、所定方向に偏光した入射光Ｌを浮遊粒子Ｐｆに照射する偏光光照射部１１０と、浮遊粒子Ｐｆによる散乱光Ｌａを受光する散乱光受光部１２０とを備えている。ここで、偏光光照射部１１０及び散乱光受光部１２０は、筐体１０ａの上部両隅部に対向するように設けられており、偏光光照射部１１０の照射光学系の光軸Ａｘ１と、散乱光受光部１２０の受光光学系の光軸Ａｘ２とが浮遊粒子の検出位置Ｆｐｓにて交差するように位置決めされている。具体的には、受光光学系の光軸Ａｘ２は、照射光学系の光軸Ａｘ１（つまり、入射光Ｌの進行方向）に対して３０度〜６０度の角度をなすように設定されている。
【００３９】
また、この筐体１０ａは、その周囲の外気がこの筐体内１０ａに取り込まれると、その外気が、検出位置Ｆｐｓを中心とする外気吐出領域１０ｃを通過するように構成されており、この筐体１０ａの側面には、取り込んだ外気を排出するための外気排出口１０ｂが形成されている。さらに、この筐体１０ａ内には、筐体１０ａの内壁面や偏光光照射部１１０及び散乱光受光部１２０の外壁面で反射した光が散乱光受光部１２０に入り込まないように、複数の遮蔽板１１ａ〜１１ｄが、照射光学系及び受光光学系の光路を遮らないように設けられている。
【００４０】
偏光光照射部１１０は、所定方向に直線偏光された入射光（直線偏光光）Ｌを浮遊粒子の検出位置Ｆｐｓに集光する照射光学系を形成するユニットとして構成されており、例えば直方体形状のケース部材１１０ａと、このケース部材１１０ａの内壁面に取り付けられたレーザダイオード１１１と、ケース部材１１０ａ内に取り付けられ、レーザダイオード１１１を駆動する駆動部１１１ａと、ケース部材１１０ａ内に取り付けられ、レーザダイオード１１１から出射された光を集光する照射側集光レンズ１１２とを有している。この照射側集光レンズ１１２は、レーザ光Ｌを、その焦点位置Ｆｐｓにて測定対象となる粒子径（３０μｍ〜数十μｍ）と同程度の大きさの集光スポットが形成されるように集光する構成となっている。この照射側集光レンズ１１２の焦点位置Ｆｐｓは、測定対象となる粒子である空気中に浮遊する浮遊粒子にレーザ光を照射する位置である。
【００４１】
また、散乱光受光部１２０も、レーザ光が照射された浮遊粒子からの散乱光を受光する受光光学系を形成するユニットとして構成されており、例えば直方体形状のケース部材１２０ａと、このケース部材１２０ａの内壁面に取り付けられた粒子検出ＩＣチップ１００と、ケース部材１２０ａの側壁に受光チップ１００と対向するように取り付けられ、浮遊粒子からの散乱光Ｌａを集光する受光側集光レンズ１２１とを有している。この受光側集光レンズ１２１は、散乱光Ｌａを集光してその焦点位置にて、直径が３００μｍ程度の大きさの集光スポットＢｓｐを形成するものである。
【００４２】
図２は、この実施形態１の粒子検出器に用いる粒子検出ＩＣチップの構成を示す平面図であり、図３（ａ）は、図２におけるＡ−Ａ’線部分の断面構造を模式的に示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＸ部の構造を拡大して示している。さらに、図４は、本発明の実施形態１による粒子検出器の基本構成及び動作原理を説明する図であり、図４（ａ）は、図１（ｂ）における偏光光照射部及び散乱光受光部における光学系を模式的に示し、図４（ｂ）は、花粉判定の方法を示している。
【００４３】
この粒子検出ＩＣチップ１００は、半導体基板（例えば、シリコン基板）１０１に形成されたＰ型半導体領域１０２と、このＰ型半導体領域１０２上に形成されたＮ型半導体領域１３０及び１４０とを有している。ここで、Ｐ型半導体領域１０２は半導体基板１０１に対するＰ型不純物の拡散により得られた拡散領域であり、Ｎ型半導体領域１３０及び１４０は、Ｐ型半導体領域１０２に対するＮ型不純物の拡散により得られたＮ型拡散領域である。Ｎ型半導体領域１３０及びＰ型半導体領域１０２は、受光素子Ｐ２ａとしてＰＩＮフォトダイオードを構成しており、Ｎ型半導体領域１４０及びＰ型半導体領域１０２は、受光素子Ｐ１ａとしてＰＩＮフォトダイオードを構成している。また、受光素子Ｐ２ｂ及びＰ１ｂも、受光素子Ｐ２ａ及びＰ１ａと同様に半導体基板１０１の表面領域にＰＩＮフォトダイオードとして形成されている。
【００４４】
また、粒子検出ＩＣチップ１００は、半導体基板１０１上に形成され、信号処理部Ｒｃを構成する回路素子を有している。
【００４５】
ここで、各受光素子を構成するＮ型半導体領域１３０及び１４０は平面形状として正方形形状を有しており、受光素子Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ａ、Ｐ２ｂは、２行２列の行列状に配列されており、略正方形形状の受光領域Ｒｐｄを形成している。この受光領域Ｒｐｄの対角線の長さは、受光側集光レンズ１２１により集光された散乱光の集光スポットＢｓｐの直径と同程度である。また、受光素子Ｐ１ａおよびＰ１ｂは、浮遊粒子Ｐｆからの散乱光Ｌａを偏光素子を介して受光するよう構成したＰＩＮフォトダイオード（偏光ＰＩＮフォトダイオード）であり、受光素子Ｐ２ａおよびＰ２ｂは、浮遊粒子Ｐｆからの散乱光Ｌを直接受光するＰＩＮフォトダイオード（通常フォトダイオード）であり、図２に示すように、これらのフォトダイオードは、行方向あるいは列方向に偏光ＰＩＮフォトダイオード同士、及び通常ＰＩＮフォトダイオード同士が隣り合うことがないように交互に配置されている。
【００４６】
また、Ｐ型半導体領域１０２の表面には、図３に示すように、第１の絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）１０３が形成されている。Ｐ型半導体領域１０２内のＮ型半導体領域１３０及び１４０上には、第１の絶縁膜１０３に形成したコンタクトホールを介して電極１３１及び１４１が形成され、また、Ｐ型半導体領域１０２の、これらのＮ型半導体領域１３０及び１４０に隣接する部分には、第１の絶縁膜１０３に形成したコンタクトホールを介して電極１３２及び１４２が形成されている。これらの電極は、第１の絶縁膜１０３上に形成した第１のメタル層（例えばアルミ層）のパターニングにより形成したものである。
【００４７】
また、第１の絶縁膜１０３上には、これらの電極を覆うように、第２の絶縁膜１０５が形成され、この第２の絶縁膜１０５上には、第２のメタル層（例えばアルミ層）１０６が形成されている。この第２のメタル層１０６には、受光素子（通常ＰＩＮフォトダイオード）Ｐ２ａ及びＰ２ｂのＮ型半導体領域１３０上に位置するように開口部（第２の光検出部の受光領域）１０６ａが形成されており、受光素子（偏光ＰＩＮフォトダイオード）Ｐ１ａ及びＰ１ｂのＮ型半導体領域１４０上に位置するようにワイヤーグリッド偏光部（第１の光検出部の受光領域）１０６ｂが形成されている。第２のメタル層１０６の開口部１０６ａおよびワイヤーグリッド偏光部１０６ｂは、それぞれ第２のメタル層１０６のパターニングにより形成されたものである。
【００４８】
ここで、ワイヤーグリッド偏光部１０６ｂの形成には、０．１８μｍプロセスが活用されており、ワイヤーグリッド偏光部１０６ｂは、第２のメタル層（例えばアルミ層）１０６の、偏光ＰＩＮフォトダイオードＰ１ａ及びＰ１ｂのＮ型半導体領域１４０上に位置する部分に複数の帯状開口１０６ｂ１を形成することにより得られたものであり、隣接する帯状遮光部（以下、ワイヤー部ともいう。）１０６ｂ２の間隔Ｄｇは、図３（ｂ）に示すように、例えば２３０ｎｍとしている。但し、レーザダイオード１１１からの入射光が、波長９６０ｎｍの光（近赤外光）である場合は、ワイヤー部１０６ｂ２の間隔Ｄｇは、４８０ｎｍ〜１９２ｎｍ程度が好ましく、ワイヤー部１０６ｂ２の高さＨｇは、１５０ｎｍ程度が好ましい。つまり、ワイヤーグリッド偏光部１０６ｂでは、ワイヤー部１０６ｂ２は、入射光の波長の１／２〜１／５の間隔でストライプ状に配置するのが望ましい。ワイヤー部１０６ｂ２の幅は、０．１８μｍプロセスを用いた場合、２００ｎｍ程度まで細くすることができ、さらには、加工精度の高いプロセスを用いた場合には、５０ｎｍ程度まで細くすることも可能である。ワイヤー部を細くすることで、透過する偏光方向の光とそれ以外のとの分離性能を高めることができ、さらには、入射光（レーザダイオードの出射光）として用いる光の周波数の範囲を広くすることができ、また受光領域に入射する光の量を増大することができる。
【００４９】
また、ワイヤー部を構成する材料はアルミに限らず、電子が自由に動ける銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などであってもよい。この場合、ワイヤーグリッド偏光部１０６ｂのみ、第２のメタル層（アルミ層）とは材料の異なる別のメタル層で形成してもよい。
【００５０】
以下、ワイヤーグリッド偏光部（つまり偏光素子）の機能について簡単に説明する。
【００５１】
図５（ａ）及び図５（ｂ）はそれぞれ、偏光素子の光透過スリット（帯状開口）の方向と、この偏光素子を透過する直線偏光光の偏光方向との関係を示している。
【００５２】
なお、以下の説明では、粒子検出ＩＣチップにおけるワイヤーグリッド偏光部１０６ｂを偏光素子Ｅｐとして説明する。
【００５３】
例えば、偏光方向が垂直方向Ｄｖである直線偏光光Ｌｖが、光透過スリットＥｐ１（帯状開口１０６ｂ１）の長手方向が垂直方向である偏光素子Ｅｐ（ワイヤグリッド偏光部１０６ｂ２）に入射した場合（図５（ａ））には、直線偏光光Ｌｖは偏光素子Ｅｐで反射されることとなり、この偏光素子Ｅｐを透過しない。これは、ストライプ状反射部Ｅｐ２（ワイヤー部１０６ｂ２）内の電子ｅが入射光（つまり、入射された電磁波）によって運動し、伝搬してくる電磁波（入射光）を打ち消すように電磁波を放射するためである。
【００５４】
一方、偏光方向が水平方向Ｄｈである直線偏光光Ｌｈが、光透過スリットＥｐ１（帯状開口１０６ｂ１）の長手方向が垂直方向である偏光素子Ｅｐ（ワイヤグリッド偏光部１０６ｂ）に入射した場合（図５（ｂ））には、直線偏光光Ｌｈは偏光素子Ｅｐで反射されることなく、この偏光素子Ｅｐを透過する。
【００５５】
なお、この粒子検出ＩＣチップ１００では、受光素子（通常ＰＩＮフォトダイオード）Ｐ２ａおよびＰ２ｂは、散乱光から浮遊粒子の大きさを示すサイズ信号を出力する１つの通常受光部（第２の光検出部）ＰＤ２を構成しており、受光素子（偏光ＰＩＮフォトダイオード）Ｐ１ａおよびＰ１ｂは、散乱光を偏光部を介して受けて、浮遊粒子の形状（球体形状か否か）を示す形状信号を出力するもう１つの偏光受光部（第１の光検出部）ＰＤ１を構成している。
【００５６】
また、粒子検出ＩＣチップ１００は、信号処理部Ｒｃとしてアナログ回路（ＡＦＥ回路）を有しており、このアナログ回路は、通常受光部ＰＤ２からのサイズ信号Ｓ２ｂ及び偏光受光部ＰＤ１からの形状信号Ｓ２ａを増幅してそれぞれ閾値と比較し、比較結果に基づいて浮遊粒子が花粉であるか否かを判定する判別部１１８を有している。また、信号処理部Ｒｃは、この判定部１１８から出力された個々の浮遊粒子に対する判定結果をデジタル信号Ｓｄに変換して出力するデジタル回路（図示せず）を有している。従って、このデジタル信号Ｓｄに基づいて、外部のコンピュータ（ＰＣ）５０により判定結果を集計する処理が行われて空気中の花粉飛散量が求められる。
【００５７】
図６は、本実施形態１の粒子検出器による判定対象となる浮遊粒子を説明する図であり、図６（ａ）は、顕微鏡写真によるスギ花粉の形状を模式的に示し、図６（ｂ）は、顕微鏡写真による土埃の形状を模式的に示している。
【００５８】
花粉Ｐａの形状は、図６（ａ）に示すように略球形であるのに対し、大気中の土埃Ｐｂの形状は、図６（ｂ）に示すように非球形であり、花粉のような決まった形状（略球形）を持たない。
【００５９】
このように花粉Ｐａは、その形状が略球形であるので、花粉粒子と同程度の粒子径を有している他の浮遊粒子に比べて、花粉粒子からの散乱光の偏光方向が、レーザダイオードから出射される光（レーザ光）の偏光方向に対して大きく変化したものとなるという特性を有している。ここでは、この特性は、散乱光の強度に対する、散乱光における浮遊粒子に入射するレーザ光（入射光）の偏光方向と同一の偏光方向の光の成分の強度の比、つまり、通常受光部ＰＤ２の出力（Ａ（ＰＤ２））に対する偏光受光部ＰＤ１の出力（Ａ（ＰＤ１））の比（Ａ（ＰＤ１）／Ａ（ＰＤ２））によって表される。
【００６０】
この出力比（Ａ（ＰＤ１）／Ａ（ＰＤ２））が小さいことは、、入射光とそのミー散乱による散乱光との間での偏光方向の変化（偏光解消度）が大きいことであり、図４（ｂ）に示すように、浮遊粒子の形状が球形（花粉の形状）であることを示す。
【００６１】
一方、この出力比（Ａ（ＰＤ１）／Ａ（ＰＤ２））が大きいことは、入射光とそのミー散乱による散乱光との間での偏光方向の変化（偏光解消度）が小さいことを示し、図４（ｂ）に示すように、浮遊粒子の形状が非球形（花粉以外の粒子の形状）であることを示す。
【００６２】
また、図４（ｂ）には、花粉粒子の粒子径の範囲（３０μｍ〜数十μｍ）に対応する散乱光の強度（散乱強度）、つまり、通常受光部ＰＤ２の出力（Ａ（ＰＤ２））の範囲が示されている。
【００６３】
次に、動作について説明する。
【００６４】
例えば、本実施形態１の粒子検出器１０を百葉箱（図示せず）に入れて空気中の花粉の飛散量を測定する場合について、この粒子検出器の動作を説明する。
【００６５】
なお、百葉箱は、常に一定の流量で外気が百葉箱内に導入される構成となっており、粒子検出器１０は、その筐体内に百葉箱内の気流によって外気が導入されるように百葉箱内に設置する。
【００６６】
まず、偏光光照射部１１０では、駆動部１１１ａがレーザダイオード１１１を駆動信号Ｓ１により駆動すると、レーザダイオード１１１は直線偏光光Ｌを出射する。この直線偏光光Ｌは、照射側集光レンズ１１２により集光されて、焦点位置Ｆｐｓに位置する浮遊粒子Ｐｆに照射される。
【００６７】
浮遊粒子Ｐｆにレーザダイオード１１１からの直線偏光光Ｌが照射されると、浮遊粒子Ｐｆからは、直線偏光光を一旦吸収した後に散乱光を出射するミー散乱により、直線偏光光Ｌの進行方向に対して３０度〜６０度の範囲内の散乱角θａで散乱光Ｌａが散乱し、入射光Ｌの進行方向に対して−３０度〜−６０度の範囲内の散乱角θｂで散乱光Ｌｂが散乱する（図４参照）。なお、図１では、散乱光Ｌｂは図示していない。散乱光Ｌａの散乱角θａは、レーザ光の波長と、レーザ光が照射される粒子の大きさによって決まる。例えば、粒子径が３０μｍ程度の浮遊粒子に光を照射してミー散乱を起す場合、レーザ光の波長を６４０ｎｍ（赤色の光）にすると、上記の散乱角の範囲（入射光の進行方向に対して３０度〜６０度及び−３０度〜−６０度の範囲）で散乱光は浮遊粒子から放射されることとなる。
【００６８】
このとき、散乱光Ｌａは、散乱光受光部１２０の受光光学系により散乱光受光部１２０の粒子検出ＩＣチップ１００の受光領域Ｒｐｄに導入される。つまり、この散乱光Ｌａは、受光側集光レンズ１２１により集光されて、粒子検出ＩＣチップ１００の受光領域Ｒｐｄ上に集光スポットＢｓｐ（図２）を形成する。
【００６９】
これにより、粒子検出ＩＣチップ１００の受光素子Ｐ２ａ及びＰ２ｂでは散乱光Ｌａが直接受光されて光電変換が行われ、これらの受光素子の光電変換信号が、受光素子Ｐ２ａ及びＰ２ｂからなる通常受光部ＰＤ２の出力信号である浮遊粒子のサイズ信号Ｓ２ｂとして信号処理部Ｒｃに出力される。
【００７０】
つまり、通常受光部ＰＤ２の出力信号Ｓ２ｂは、レーザダイオード１１１からの入射光が照射された浮遊粒子からの散乱光の強度を示すものであり、散乱光の強度は浮遊粒子の粒子径が大きいほど大きいので、信号処理部Ｒｃでは、花粉の粒子径に対応する出力信号の閾値の範囲と、通常受光部ＰＤ２の出力信号Ｓ２ｂとを比較することで、入射光が照射された浮遊粒子が、花粉と同じ程度の粒子径を有する粒子であるか否かを判別することができる。
【００７１】
また、粒子検出ＩＣチップ１００の受光素子Ｐ１ａ及びＰ１ｂでは、散乱光Ｌａがワイヤーグリッド部（偏光素子）１０６ｂを介して受光されて光電変換が行われる。ここでは、このワイヤーグリッド部（偏光素子）１０６は、偏光光照射部１１０のレーザダイオード１１１から出力される直線偏光光の偏光方向と同じ偏光方向の成分のみを透過させるように構成されているので、これらの受光素子Ｐ１ａ及びＰ１ｂの光電変換信号が、受光素子Ｐ１ａ及びＰ１ｂからなる偏光受光部ＰＤ１の出力信号である浮遊粒子の形状信号Ｓ２ａとして信号処理部Ｒｃに出力される。
【００７２】
つまり、偏光受光部ＰＤ１の出力信号Ｓ２ａは、レーザダイオード１１１から出力される直線偏光光の偏光方向がミー散乱によりどの程度変化したかを示しており、この偏光方向の変化の度合いが、予め決められた閾値以上であれば、花粉と同じ程度の粒子径を有する浮遊粒子が略球形形状を有するものである、つまり花粉であると判別することができる。
【００７３】
以下、具体的に浮遊粒子の種類を判定する方法について説明する。
【００７４】
図７は、本発明の実施形態１による粒子検出器の動作を説明する図であり、検出用レーザ光の散乱状態と、形状信号及びサイズ信号の出力レベルとを、浮遊粒子の検出位置に浮遊粒子が存在しない場合（図７（ａ））、浮遊粒子の検出位置に花粉より小さい浮遊粒子が存在する場合（図７（ｂ））、浮遊粒子の検出位置に花粉以外の浮遊粒子が存在する場合（図７（ｃ））、浮遊粒子の検出位置に花粉が存在する場合（図７（ｄ））について示している。
【００７５】
例えば、浮遊粒子の検出位置に浮遊粒子が存在しない場合（図７（ａ））、出射レーザ光Ｌは、浮遊粒子の検出位置Ｆｐｓを通過してそのまま直進するので、散乱光受光部１２０の光学系（受光光学系）に散乱光は入射しない。このため、通常受光部ＰＤ２の出力信号Ｓ２ｂ及び偏光受光部ＰＤ１の出力信号Ｓ２ａの出力レベルは０レベルである。
【００７６】
また、浮遊粒子の検出位置Ｆｐｓに花粉より小さい浮遊粒子Ｐｆが存在する場合（図７（ｂ））、浮遊粒子の検出位置Ｆｐｓでは、浮遊粒子Ｐｆから全方向に散乱光が放射される。このため、通常受光部ＰＤ２の出力信号Ｓ２ｂ及び偏光受光部ＰＤ１の出力信号Ｓ２ａの出力レベルはともに低レベルである。
【００７７】
また、浮遊粒子の検出位置Ｆｐｓに、花粉以外の、花粉と同程度の粒子径を有する浮遊粒子が存在する場合（図７（ｃ））、浮遊粒子の粒子径が大きいので、通常受光部ＰＤ２の出力信号Ｓ２ｂのレベルは高くなる。また、花粉以外の浮遊粒子の形状は非球形であるため、この浮遊粒子からの散乱光の偏光方向は、直線偏光された出射レーザ光の偏光方向に対してほとんど変化していない。従って、偏光受光部ＰＤ１の出力信号Ｓ２ａの出力レベルも高いレベルとなる。
【００７８】
さらに、浮遊粒子の検出位置Ｆｐｓに花粉が存在する場合（図７（ｄ））、浮遊粒子Ｐｆの粒子径が大きいので、通常受光部ＰＤ２の出力信号Ｓ２ｂのレベルは高くなる。また、浮遊粒子からの散乱光の偏光方向は、花粉の形状が球形であるため、直線偏光された出射レーザ光の偏光方向に対して大きく変化している。従って、偏光受光部ＰＤ１の出力信号Ｓ２ａの出力レベルは低レベルとなる。従って、通常受光部ＰＤ２の出力信号Ｓ２ｂと偏光受光部ＰＤ１の出力信号Ｓ２ａとから、浮遊粒子は、散乱強度が大きく、出力比（Ａ（ＰＤ１）／Ａ（ＰＤ２））が小さいものであることが分かり、その結果、浮遊粒子は、図４（ｂ）に示すように花粉であると判別できる。
【００７９】
このように本実施形態１の粒子検出器では、直線偏光光Ｌが照射された浮遊粒子Ｐｆから放射される散乱光Ｌａの特性に基づいて花粉を検出する粒子検出器１０において、該散乱光を該散乱光受光部に集光する単一の光学系を含む散乱光受光部１２０を有し、該散乱光受光部１２０は、該偏光光と該散乱光との間での偏光方向の変化の度合いを検出する偏光受光部（第１の光検出部）ＰＤ１と、該散乱光の強度を検出する通常受光部（第２の光検出部）ＰＤ２とを有し、偏光受光部ＰＤ１の受光領域及び通常受光部ＰＤ２の受光領域上には、該光学系により該散乱光を集光して得られる集光スポットＢｓｐが形成されるように構成されているので、１系統の受光光学系によって受光した浮遊粒子Ｐｆからの散乱光Ｌａに基づいて、浮遊粒子の大きさを示すサイズ信号Ｓ２ｂと浮遊粒子の形状を示す形状信号Ｓ２ａとを取得することができ、これにより花粉飛散量の測定を、測定したい場所にてリアルタイムで行うことができ、しかも低コスト化が可能な小型でコンパクトな構造の粒子検出器１０を得ることができる。
【００８０】
なお、本実施形態１では、偏光光照射部１１０ではレーザダイオードを用いて直線偏光光を発生するようにしているが、直線偏光光を発生する構成は実施形態１のものに限定されるものではない。
【００８１】
図８は、本発明の実施形態１の変形例による粒子検出器を説明する図である。
【００８２】
この実施形態１の変形例による粒子検出器２０は、実施形態１の粒子検出器における偏光光照射部１１０に代えて、発光ダイオード１５１と、発光ダイオード１５１からの出射光を直線偏光する偏光素子１５３と、偏光素子１５３で直線偏光された照射光を集光する集光レンズ１１２と、これらの間に配置された絞り部材１５４とを備えた偏光光照射部１５０を用いている。
【００８３】
このような構成の実施形態１の変形例による粒子検出器２０では、実施形態１の効果に加えて、偏光素子の特性に合わせて直線偏光だけでなく楕円偏光などの偏光光を生成することができ、また、レーザダイオードに比べて、出射光の指向性の悪い安価な発光素子を用いた場合に、絞り部材により出射光が出射側集光レンズにのみ入射するようにすることができる。
【００８４】
なお、本実施形態１では、最大の偏光解消度が得られるように、側方偏光測定部２８を入射光軸に直交する方向の散乱光を測定するように設定したが、他の任意の角度に設定することも可能である。
【００８５】
また、本実施形態１では、粒子検出器の周辺の外気を粒子検出器の筐体内に導入するための構成としては、上昇気流を生成するためのヒータであっても、あるいは任意の方向に流れる気流を生成するファンなどを用いることができる。
【００８６】
さらに、この粒子検出器を空気清浄機や冷暖房機器に取り付けた場合は、粒子検出器に気流を発生する機構を設けるのではなく、これらの機器が生成する気流を利用して、粒子検出器の外気をその筐体内に導入するようにしてもよい。また、上記実施形態１の粒子検出器を、空気清浄機、冷暖房機器などの家電製品に搭載した場合は、花粉の飛散状況に応じてこれらの機器の運転モードを制御することもできる。
【００８７】
また、粒子検出器に流入させる気流の通路にフィルタを設け、花粉の粒子径より大きな粒子を除去するようにしてもよい。この場合、フィルタにより、判定の対象となる浮遊粒子の粒子径が予め制限されるので、浮遊粒子の粒子径の測定精度をより高めることができる。
【００８８】
また、上記実施形態１では、入射光は直線偏光光である場合について説明したが、花粉に入射する入射光と、花粉から放射される散乱光との間で、花粉でのミー散乱による偏光状態の変化を検出できるものであればよく、入射光は直線偏光光に限定されるものではなく、実施形態１の変形例で説明したように楕円偏光光などを用いることも可能である。
【００８９】
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、粒子検出器の分野において、１系統の受光光学系によって受光した浮遊粒子からの散乱光に基づいて、浮遊粒子の大きさを示すサイズ信号と浮遊粒子の形状を示す形状信号とを取得することができ、これにより花粉飛散量の測定を、測定したい場所にてリアルタイムで行うことができ、しかも低コスト化が可能な小型でコンパクトな構造の粒子検出器を得ることができる。
【符号の説明】
【００９１】
１０、２０  粒子検出器
１０ａ  筐体
１０ｂ  外気排出口
１０ｃ  外気吐出領域
１１ａ〜１１ｄ  遮蔽板
１００  粒子検出ＩＣチップ
１０１  半導体基板（シリコン基板）
１０２  Ｐ型半導体領域
１０３  第１の絶縁膜
１０５  第２の絶縁膜
１０６  第２のメタル層（例えばアルミ層）
１０６ａ  開口部（第２の光検出部の受光領域）
１０６ｂ  ワイヤーグリッド偏光部（第１の光検出部の受光領域）
１０６ｂ１  帯状開口
１０６ｂ２  帯状遮光部（ワイヤー部）
１１０ａ  ケース部材
１１１  レーザダイオード
１１２  照射側集光レンズ
１１０、１５０  偏光光照射部
１２０  散乱光受光部
１２１  受光側集光レンズ
１３０、１４０  Ｎ型半導体領域
１３１、１３２、１４１、１４２  電極
１５１  発光ダイオード
１５３  偏光素子
１５４  絞り部材
Ａｘ１  照射光学系の光軸
Ａｘ２  受光光学系の光軸
ｅ  電子
Ｅｐ  偏光素子
Ｆｐｓ  浮遊粒子の検出位置
Ｌ  入射光
Ｌａ  散乱光
Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ  受光素子（偏光ＰＩＮフォトダイオード）
Ｐ２ａ、Ｐ２ｂ  受光素子（通常ＰＩＮフォトダイオード）
Ｐａ  花粉
Ｐｂ  土埃
ＰＤ１  偏光受光部（第１の光検出部）
ＰＤ２  通常受光部（第２の光検出部）
Ｐｆ  浮遊粒子
Ｒｃ  信号処理部
Ｒｐｄ  受光領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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