(57)【要約】  粒子検出センサ（１）は、対象流体に含まれる粒子を検出する粒子検出センサであって、検出領域（ＤＡ）に向けて光（Ｌ１）を出射する投光部（２０）と、投光部（２０）が出射する光に対して受光感度を有し、検出領域（ＤＡ）を通過する粒子による光（Ｌ１）の散乱光（Ｌ２）を光電変換することで電気信号を生成して出力する受光部（３０）と、電気信号に基づいて、第１粒子が含まれる第１粒径区分の第１質量濃度と、第１粒子及び当該第１粒子より大きい第２粒子が含まれる第２粒径区分の第２質量濃度とを算出する信号処理回路（５０）と、第１粒子の粒子数に基づいて第２粒子の粒子数を推定し、推定した粒子数に基づいて第２質量濃度の補正を行う補正回路（６０）とを備える。
2019167485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象流体に含まれる粒子を検出する粒子検出センサであって、
検出領域に向けて光を出射する投光部と、
前記投光部が出射する光に対して受光感度を有し、前記検出領域を通過する粒子による前記光の散乱光を光電変換することで電気信号を生成して出力する受光部と、
前記電気信号に基づいて、第１粒子が含まれる第１粒径区分の第１質量濃度と、前記第１粒子及び当該第１粒子より大きい第２粒子が含まれる第２粒径区分の第２質量濃度とを算出する信号処理回路と、
前記第１粒子の粒子数に基づいて前記第２粒子の粒子数を推定し、推定した粒子数に基づいて前記第２質量濃度の補正を行う補正回路とを備える
粒子検出センサ。
【請求項２】
前記第１粒子の粒子数は、前記第１粒径区分が分割された複数のサブ区分のうち、最大粒径のサブ区分に含まれる粒子数であり、
前記補正回路は、前記第１粒子の粒子数の含有率に基づいて前記第２粒子の粒子数を推定する
請求項１に記載の粒子検出センサ。
【請求項３】
前記信号処理回路は、
前記電気信号のうち第１期間分の第１信号に基づいて、前記第１質量濃度を算出し、
前記電気信号のうち前記第１期間とは異なる第２期間分の第２信号に基づいて、前記第２質量濃度を算出する
請求項１又は２に記載の粒子検出センサ。
【請求項４】
前記補正回路は、前記補正として、推定した粒子数に基づいて、前記第２信号に基づいて算出した第２質量濃度を補正する
請求項３に記載の粒子検出センサ。
【請求項５】
前記補正回路は、前記補正として、推定した粒子数に基づいて前記第２期間の長さを変更する
請求項３に記載の粒子検出センサ。
【請求項６】
前記信号処理回路は、前記第２信号に基づいて前記第２質量濃度を算出する処理を所定回数繰り返し、得られた所定回数分の質量濃度を平均化することで、前記第２質量濃度を算出し、
前記補正回路は、前記補正として、前記所定回数を変更する
請求項３に記載の粒子検出センサ。
【請求項７】
さらに、前記検出領域に向けて前記対象流体を誘導する誘導装置を備え、
前記補正回路は、前記補正として、前記第２期間内に前記誘導装置によって誘導される前記対象流体の誘導量を変更する
請求項３に記載の粒子検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、投光素子と受光素子とを備え、空気中に浮遊する粒子を検出し、検出した粒子の粒径を算出する光電式の粒子検出センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２１０１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光電式の粒子検出センサでは、粒径と粒子の個数とから粒径区分毎の質量濃度を算出することができる。このとき、質量濃度を十分な精度で算出するためには、一定数以上の粒子数を取得しなければならない。しかしながら、一般的には、粒子径が大きくなるにつれて、大気中に浮遊する粒子の数が少なくなる。このため、大きい粒径区分の質量濃度の計測精度が悪化するという問題がある。【０００５】
そこで、本発明は、複数の粒径区分の質量濃度を精度良く計測することができる粒子検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、対象流体に含まれる粒子を検出する粒子検出センサであって、検出領域に向けて光を出射する投光部と、前記投光部が出射する光に対して受光感度を有し、前記検出領域を通過する粒子による前記光の散乱光を光電変換することで電気信号を生成して出力する受光部と、前記電気信号に基づいて、第１粒子が含まれる第１粒径区分の第１質量濃度と、前記第１粒子及び当該第１粒子より大きい第２粒子が含まれる第２粒径区分の第２質量濃度とを算出する信号処理回路と、前記第１粒子の粒子数に基づいて前記第２粒子の粒子数を推定し、推定した粒子数に基づいて前記第２質量濃度の補正を行う補正回路とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る粒子検出センサによれば、複数の粒径区分の質量濃度を精度良く計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態に係る粒子検出センサの斜視図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る粒子検出センサの断面図である。
【図３】図３は、実施の形態に係る粒子検出センサの動作を説明するための拡大断面図である。
【図４】図４は、実施の形態に係る粒子検出センサの信号処理回路の一例を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態に係る粒子検出センサの受光素子から出力される電気信号であって、微小粒子の粒子数を計測する期間の信号を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態に係る粒子検出センサの受光素子から出力される電気信号であって、粗大粒子の粒子数を計測する期間の信号を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態に係る粒子検出センサによって検出された粒子のヒストグラムである。
【図８】図８は、ＰＭ２．５及びＰＭ１０の各々の粒径に対する濃度分布を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態に係る粒子検出センサの動作の第１例として、粗大粒子の粒子数の計測期間の調整例を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態に係る粒子検出センサの動作の第２例として、質量濃度の演算の際の平均化のサイクル数の調整例を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態に係る粒子検出センサの動作の第３例として、対象流体の誘導量の調整例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下では、本発明の実施の形態に係る粒子検出センサについて、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、ステップ、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、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。
【００１０】
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。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００１１】
（実施の形態）
［構成］
まず、実施の形態に係る粒子検出センサ１について、図１〜図３を用いて説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の斜視図である。図２は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の断面図である。具体的には、図２は、粒子検出センサ１の筐体１０のＺ軸方向における略中央におけるＸＹ面に平行な断面を示している。図３は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の動作を説明するための拡大断面図である。具体的には、図３は、図２に示す断面において、検出領域ＤＡを含む部分を拡大して示している。
【００１３】
なお、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、略扁平な直方体形状を有する筐体１０の２つの辺に沿った方向である。Ｚ軸方向は、筐体１０の厚み方向に相当する。
【００１４】
粒子検出センサ１は、対象流体に含まれる複数の粒子Ｐを検出する光電式の粒子検出センサである。本実施の形態では、対象流体は、例えば空気（大気）などの気体である。粒子Ｐは、気体中を浮遊するマイクロメートルオーダーの微粒子、すなわち、粒子状物質（エアロゾル）である。具体的には、粒子Ｐは、ＰＭ２．５、浮遊粒子状物質（ＳＰＭ：Suspended Particulate Matter）、ＰＭ１０などである。
【００１５】
図１に示されるように、粒子検出センサ１は、筐体１０を備える。図２に示されるように、粒子検出センサ１は、投光部２０と、受光部３０と、誘導装置４０と、信号処理回路５０と、補正回路６０とを備える。
【００１６】
なお、図２に示す断面には、信号処理回路５０及び補正回路６０が現れていないので、図２では、信号処理回路５０及び補正回路６０を模式的に表している。信号処理回路５０及び補正回路６０は、例えば、筐体１０の外側面であって、流入口１１及び流出口１２が設けられた面とは反対側の面などに取り付けられている。
【００１７】
筐体１０は、投光部２０及び受光部３０を収納し、内部に検出領域ＤＡを有する。筐体１０は、複数の粒子Ｐを含む気体の流路を形成している。検出領域ＤＡは、気体の流路上に位置している。
【００１８】
具体的には、筐体１０は、図１に示されるように、内部に気体を流入させる流入口１１と、流入した気体を外部に流出させる流出口１２とを有する。図２の太破線の矢印で示すように、筐体１０の内部を、流入口１１から流出口１２まで至る経路が、気体の流路に相当する。図２には、気体の流路がＬ字状に形成されている例を示しているが、気体の流路は、流入口１１と流出口１２とを結ぶ直線状に形成されていてもよい。
【００１９】
筐体１０は、例えば、遮光性を有し、受光部３０及び検出領域ＤＡに、ノイズの原因となる外光が入射するのを抑制する。筐体１０は、例えば黒色の樹脂材料を用いた射出成形により形成されている。具体的には、筐体１０は、射出成形により形成された複数の部品が組み合わされて構成されている。当該複数の部品によって、投光部２０及び受光部３０が挟まれて筐体１０内の所定位置に固定されている。
【００２０】
筐体１０の内部には、迷光を多重反射させることにより減衰させる光トラップ構造が設けられていてもよい。迷光は、投光部２０から出射された光Ｌ１（図３を参照）のうち、検出領域ＤＡを通過中の粒子Ｐによって散乱されなかった光、すなわち、散乱光Ｌ２（図３を参照）以外の光である。光トラップ構造は、流入口１１又は流出口１２から内部に入射した外光も減衰させることができる。
【００２１】
投光部２０は、検出領域ＤＡに向けて光Ｌ１を出射する。図２及び図３に示されるように、投光部２０は、投光素子２１と、レンズ２２とを備える。
【００２２】
投光素子２１は、例えば固体発光素子であり、具体的には半導体レーザなどのレーザ素子である。あるいは、投光素子２１は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）又は有機ＥＬ（Electroluminescence）素子などでもよい。
【００２３】
投光素子２１が出射する光Ｌ１は、赤外光、紫外光、青色光、緑色光又は赤色光などの所定の波長にピークを有する光である。光Ｌ１のピークにおける半値幅は、例えば５０ｎｍ以下などの狭帯域でもよい。また、光Ｌ１は、ＤＣ駆動による連続光又はパルス光であるが、これらに限られない。
【００２４】
レンズ２２は、投光素子２１と検出領域ＤＡとの間に配置されている。レンズ２２は、例えば集光レンズであり、投光素子２１から出射された光Ｌ１を効率良く検出領域ＤＡに集光させる。
【００２５】
受光部３０は、投光部２０が出射する光に対して受光感度を有し、検出領域ＤＡを通過する粒子Ｐによる光Ｌ１の散乱光Ｌ２を光電変換することで電気信号を生成して出力する。図２及び図３に示されるように、受光部３０は、受光素子３１と、レンズ３２とを備える。
【００２６】
受光素子３１は、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ、又は光電子増倍管などの、受光した光を電気信号に変換する光電変換素子である。受光素子３１は、受光した光の受光強度に応じた電気信号を出力する。受光素子３１は、投光素子２１が出射する光Ｌ１の波長帯域に感度を有する。
【００２７】
受光素子３１は、図２に示されるように、投光素子２１が出射した光Ｌ１の直接光が入射しない位置に配置されている。具体的には、受光素子３１は、投光素子２１の光軸と重ならない位置に配置されている。なお、投光素子２１の光軸は、投光素子２１が出射する光Ｌ１のうち、強度が最も強い光の経路に相当する。具体的には、投光素子２１の光軸は、投光素子２１と検出領域ＤＡとを結ぶ直線に相当する。本実施の形態では、受光素子３１は、受光素子３１の光軸が検出領域ＤＡで投光素子２１の光軸と交差するように配置されている。
【００２８】
レンズ３２は、受光素子３１と検出領域ＤＡとの間に配置されている。レンズ３２は、検出領域ＤＡにおいて粒子Ｐによって散乱された散乱光Ｌ２を効率良く受光素子３１に集光させる。
【００２９】
誘導装置４０は、検出領域ＤＡに向けて対象流体を誘導する装置である。具体的には、誘導装置４０は、検出領域ＤＡを通過する気流を生成する送風機構である。誘導装置４０は、例えば、ヒータなどの発熱素子であり、発熱による上昇気流を生成する。なお、上昇気流を効率良く利用するため、本実施の形態では、図１及び図２に示すＹ軸の正方向が鉛直上方、Ｙ軸の負方向が鉛直下方になるように、粒子検出センサ１を立てて使用される。
【００３０】
誘導装置４０は、小型のファンなどでもよい。誘導装置４０は、筐体１０の内部に配置されているが、筐体１０の外側に配置されていてもよい。
【００３１】
信号処理回路５０は、受光部３０から出力される電気信号に基づいて、粒径区分毎に質量濃度を算出する。具体的には、信号処理回路５０は、電気信号に基づいて、第１粒子が含まれる第１粒径区分の第１質量濃度と、第１粒子及び当該第１粒子より大きい第２粒子が含まれる第２粒径区分の第２質量濃度とを算出する。
【００３２】
第１粒子は、具体的には微小粒子であり、粒径が例えば２．５μｍ以下の粒子である。本実施の形態では、第１粒径区分は、例えばＰＭ２．５などの小粒径区分であり、第１質量濃度は、ＰＭ２．５の質量濃度である。
【００３３】
第２粒子は、具体的には、微小粒子よりも粒径が大きい粗大粒子であり、粒径が例えば１０μｍ以下の粒子である。本実施の形態では、第２粒径区分は、例えばＰＭ１０などの大粒径区分であり、第２質量濃度は、ＰＭ１０の質量濃度である。なお、第２粒径区分は、ＳＰＭであってもよく、第２質量濃度は、ＳＰＭの質量濃度であってもよい。
【００３４】
信号処理回路５０は、受光部３０から出力される電気信号のピーク値の大きさに基づいて、粒子数及び粒径を計測し、計測結果に基づいて粒径区分毎の質量濃度を算出する。具体的には、信号処理回路５０は、電気信号のピーク値と、粒径に対応するように予め定められた１以上の閾値とを比較することで、検出された粒子の粒径を推定する。
【００３５】
本実施の形態では、信号処理回路５０は、電気信号のうち第１期間分の第１信号に基づいて、ＰＭ２．５の質量濃度を算出し、電気信号のうち第２期間分の第２信号に基づいて、ＰＭ１０の質量濃度を算出する。第１期間は、例えば、ＰＭ２．５に含まれる微小粒子の粒子数（以下、ＰＭ２．５粒子数と記載する）の計測期間である。第２期間は、第１期間とは異なる期間であり、例えばＰＭ１０に含まれる粗大粒子の粒子数（以下、ＰＭ１０粒子数と記載する）の計測期間である。
【００３６】
つまり、本実施の形態に係る粒子検出センサ１では、ＰＭ２．５粒子数の計測とＰＭ１０粒子数の計測とが時分割で行われる。具体的には、信号処理回路５０は、受光部３０から出力される電気信号を所定の期間毎に区切って演算することで、粒径区分毎の粒子数の計測を行う。
【００３７】
このとき、信号処理回路５０は、受光素子３１から出力される電気信号の増幅率（ゲイン）を、計測対象の粒径区分に応じて異ならせる。具体的には、図４に示されるように、信号処理回路５０は、２つの増幅器５１及び５２と、スイッチ５３とを備える。
【００３８】
図４は、本実施の形態に係る信号処理回路５０の構成を示す図である。図４に示されるように、信号処理回路５０は、さらに、３つの抵抗５４〜５６と、演算回路５７とを備える。信号処理回路５０は、２つの増幅器５１の多段構成を有する。
【００３９】
増幅器５１及び５２はそれぞれ、例えばオペアンプである。増幅器５１の正入力端子と負入力端子との間に受光素子３１が接続されている。増幅器５１の出力端子は、抵抗５４を介して負入力端子に接続されている。増幅器５１の出力端子は、さらに、増幅器５２の正入力端子に接続されている。
【００４０】
増幅器５２の負入力端子は、抵抗５５を介して接地されている。増幅器５２の出力端子は、抵抗５６を介して負入力端子に接続されている。増幅器５２の出力端子は、演算回路５７に接続されている。
【００４１】
スイッチ５３は、抵抗５６に対して並列に、すなわち、増幅器５２の出力端子と負入力端子との間に設けられている。スイッチ５３を導通（オン）させることにより、増幅器５２の出力端子と負入力端子とが短絡されるので、増幅器５２による増幅が行われない。スイッチ５３がオンされた場合には、増幅器５１のみによる増幅が行われる。このように、スイッチ５３のオン／オフによって、電気信号の増幅率を異ならせることができる。
【００４２】
具体的には、信号処理回路５０は、ＰＭ２．５粒子数を計測する第１期間では、スイッチ５３をオフにすることで、増幅率を大きくする。例えば、受光素子３１から出力される光電流の大きさをＩ、増幅器５２の出力信号の電圧をＶｏｕｔとした場合、スイッチ５３がオフされたときのＶｏｕｔは、以下の式（１）で表される。
【００４３】
（１）  Ｖｏｕｔ＝Ｚ１×（１＋Ｚ３／Ｚ２）×Ｉ
【００４４】
なお、Ｚ１〜Ｚ３はそれぞれ、抵抗５４〜５６の抵抗値である。増幅率は、Ｚ１×（１＋Ｚ３／Ｚ２）で表される。
【００４５】
ＰＭ２．５粒子数を計測する場合、投光素子２１からの光を反射する粒子が微小粒子であるため、当該粒子による散乱光Ｌ２が弱くなる。このため、受光素子３１から出力される光電流が小さくなる。したがって、スイッチ５３をオフし、増幅率を大きくすることで、出力信号の電圧を大きくすることができる。これにより、ピーク値と閾値との比較を容易にし、粒径の推定を精度良く行うことができる。
【００４６】
また、信号処理回路５０は、ＰＭ１０粒子数を計測する第２期間では、スイッチ５３をオンすることで、増幅率を小さくする。スイッチ５３がオンされたときのＶｏｕｔは、以下の式（２）で表される。
【００４７】
（２）  Ｖｏｕｔ＝Ｚ１×Ｉ
【００４８】
ＰＭ１０粒子数を計測する場合、投光素子２１からの光を反射する粒子が粗大粒子であるため、微小粒子に比べて散乱光Ｌ２が強くなる。このため、受光素子３１から出力される光電流も大きくなる。したがって、スイッチ５３をオンし、増幅率を小さくしてもよい。
【００４９】
このように、計測対象の粒子の大きさに応じて増幅率を異ならせることで、計測対象の粒子の大きさによらず、Ｖｏｕｔが取りうる範囲を同等にすることができる。これにより、後段の演算回路５７でのピーク値と閾値との比較を容易に行わせることができる。
【００５０】
本実施の形態では、演算回路５７は、ＰＭ２．５粒子数の計測を行う第１期間分の電気信号に表れるピークの極大値（以下、ピーク値と記載する）に基づいて粒子の粒径を推定し、複数のサブ区分のいずれかに分類する。ＰＭ２．５のサブ区分は、ＰＭ２．５に相当する粒径区分が１以上の閾値によって分割された複数のサブ区分である。
【００５１】
図５は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の受光素子３１から出力される電気信号であって、ＰＭ２．５粒子数を計測する第１期間の第１信号を示す図である。図５において、横軸は時間を表しており、縦軸は電気信号の信号強度を表している。本実施の形態では、受光素子３１から出力される電気信号が電圧Ｖｏｕｔに変換されているので、縦軸は、電圧値に相当する。
【００５２】
例えば、図５に示されるように、ＰＭ２．５は、４つの閾値１〜４によって４つのサブ区分に分割されている。具体的には、ＰＭ２．５は、例えば、１．０μｍ以上の第１サブ区分、１．０μｍより小さく０．５μｍ以上の第２サブ区分、０．５μｍより小さく０．３μｍ以上の第３サブ区分、及び、０．３μｍより小さい第４サブ区分が含まれる。なお、閾値４は、ノイズ成分を除去するための閾値である。
【００５３】
図５には、５つのピークＳ１〜Ｓ５が現れた例を示している。ピークＳ１〜Ｓ５はそれぞれ、検出領域ＤＡを通過した粒子による散乱光Ｌ２を受光素子３１が受光することで現れた電気信号の変化に相当する。演算回路５７は、ピークＳ１〜Ｓ５の各々のピーク値と閾値とを比較することにより、粒子をＰＭ２．５の第１サブ区分〜第４サブ区分のいずれかに分類する。
【００５４】
例えば、ピークＳ１のピーク値は、閾値２より小さく閾値３以上であるので、ピークＳ１に相当する粒子は、第３サブ区分に分類される。同様に、ピークＳ２のピーク値は、閾値３より小さく閾値４以上であるので、ピークＳ２に相当する粒子は、第４サブ区分に分類される。ピークＳ３のピーク値は、閾値１より小さく閾値２以上であるので、ピークＳ３に相当する粒子は、第２サブ区分に分類される。ピークＳ４及びＳ５の各々のピーク値は、閾値１以上であるので、ピークＳ４及びＳ５の各々に相当する粒子は、第１サブ区分に分類される。
【００５５】
ＰＭ１０についても同様である。具体的には、演算回路５７は、ＰＭ１０粒子数の計測を行う第２期間分の電気信号に現れるピークの極大値（ピーク値）に基づいて粒子の粒径を推定し、複数のサブ区分のいずれかに分類する。ＰＭ１０のサブ区分は、ＰＭ１０に相当する粒径区分が１以上の閾値によって分割された複数のサブ区分である。
【００５６】
図６は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の受光素子３１から出力される電気信号であって、ＰＭ１０粒子数を計測する第２期間の第２信号を示す図である。図６において、横軸は時間を表しており、縦軸は電気信号の信号強度を表している。本実施の形態では、受光素子３１から出力される電気信号が電圧Ｖｏｕｔに変換されているので、縦軸は、電圧値に相当する。
【００５７】
例えば、図６に示されるように、ＰＭ１０は、４つの閾値Ａ〜Ｄによって４つのサブ区分に分割されている。具体的には、ＰＭ１０は、例えば、１０μｍより小さく５μｍ以上の第１サブ区分、５μｍより小さく２．５μｍ以上の第２サブ区分、２．５μｍより小さく１．０μｍ以上の第３サブ区分、及び、１．０μｍより小さい第４サブ区分が含まれる。
【００５８】
図６には、５つのピークＳａ〜Ｓｅが現れた例を示している。ピークＳａ〜Ｓｅはそれぞれ、検出領域ＤＡを通過した粒子による散乱光Ｌ２を受光素子３１が受光することで現れた電気信号の変化に相当する。演算回路５７は、ピークＳａ〜Ｓｅの各々のピーク値と閾値とを比較することにより、粒子をＰＭ１０の第１サブ区分〜第４サブ区分のいずれかに分類する。具体的な処理は、ＰＭ２．５の場合と同様である。
【００５９】
なお、ＰＭ２．５及びＰＭ１０の少なくとも一方のサブ区分の個数は、４個に限らず、２個又は３個でもよく、５個でもよい。あるいは、サブ区分の個数は１個でもよい。すなわち、ＰＭ２．５及びＰＭ１０の少なくとも一方は、複数のサブ区分に分割されなくてもよい。
【００６０】
なお、本実施の形態に係る粒子検出センサ１では、実際には、検出領域ＤＡの中心以外の部分を通過する粒子も多数含まれる。例えば、検出領域ＤＡの端を大きな粒子が通過した場合、当該粒子による散乱光の受光素子３１による受光強度が小さくなる。このため、大きな粒子であるにも関わらず、当該粒子のサイズが「小さい」と誤判定される可能性がある。
【００６１】
本実施の形態に係る演算回路５７は、当該誤判定を抑制するため、例えば、図７に示すような、信号強度（電圧値）と、粒子のサイズ毎の粒子の頻度とを対応付けたヒストグラムをメモリに保持している。図７は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１によって検出された粒子のヒストグラムである。図７において、横軸は信号強度、縦軸は粒子のサイズ毎の粒子の頻度である。
【００６２】
図７に示されるように、信号強度が大きい場合には、そのほとんどは、粒径が大きい粒子である。一方で、信号強度が小さい場合には、粒径が小さい粒子だけでなく、検出領域ＤＡの中心以外の部分を通過する粒径が大きい粒子及び中くらいの粒子も含まれる。演算回路５７は、電気信号のピーク強度に基づいて、図７に示すヒストグラムを参照することで、当該ピークに対応する粒子Ｐのサイズを推定する。
【００６３】
演算回路５７は、一定の動作期間中に検出された粒子Ｐの個数をサブ区分毎にカウントする。演算回路５７は、サブ区分毎に、予め定められた平均質量と、カウントした個数との積を算出し、算出したサブ区分毎の積を加算することで、ＰＭ２．５の質量濃度及びＰＭ１０の質量濃度をそれぞれ算出する。
【００６４】
演算回路５７は、例えば比較器などを含む１以上の電子部品で実現される。例えば、演算回路５７は、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）などで実現されてもよい。演算回路５７が行う処理は、ハードウェアで実現されてもよく、プロセッサによって実行されるソフトウェアで実現されてもよい。
【００６５】
補正回路６０は、第１粒径区分に含まれる第１粒子の粒子数に基づいて第２粒径区分に含まれる第２粒子の粒子数を推定し、推定した粒子数に基づいて第２粒径区分の質量濃度の補正を行う。具体的には、補正回路６０は、ＰＭ２．５に含まれる微小粒子の粒子数に基づいて、ＰＭ１０に含まれる粗大粒子の粒子数を推定する。補正回路６０は、推定した粗大粒子の粒子数に基づいてＰＭ１０の質量濃度の補正を行う。
【００６６】
本実施の形態では、微小粒子の粒子数は、ＰＭ２．５が分割された複数のサブ区分のうち、最大粒径のサブ区分に含まれる粒子数である。例えば、図５に示される例における微小粒子の粒子数は、粒径が１．０μｍ以上である第４サブ区分に含まれる粒子の粒子数である。
【００６７】
補正回路６０は、第４サブ区分に含まれる粒子の粒子数の含有率に基づいて、粗大粒子の粒子数を推定する。含有率は、ＰＭ２．５に相当する全粒子数に対する、第４サブ区分に含まれる粒子の粒子数の割合に相当する。
【００６８】
本実施の形態では、補正回路６０は、大きく分けて２つの補正を行う。２つの補正は、信号処理回路５０によって算出されたＰＭ１０の質量濃度を補正する第１の補正と、ＰＭ１０粒子数の計測方法を調整する第２の補正とである。各補正処理の詳細については、後で説明する。
【００６９】
補正回路６０は、例えば１以上の電子部品で実現される。例えば、補正回路６０は、ＭＰＵなどで実現されてもよい。補正回路６０が行う動作は、ハードウェアで実現されてもよく、プロセッサによって実行されるソフトウェアで実現されてもよい。
【００７０】
［補正処理］
以下では、補正回路６０が行う補正処理について説明する。
【００７１】
まず、ＰＭ１０の質量濃度を補正する第１の補正について、図８を用いて説明する。図８は、ＰＭ２．５及びＰＭ１０の各々の粒径に対する濃度分布を示す図である。図８において、横軸は粒径［μｍ］を表しており、縦軸は質量濃度を示している。
【００７２】
図８で示されるように、ＰＭ２．５の濃度分布とＰＭ１０の濃度分布とには、重複する部分（網掛け部分）が存在している。重複部分は、例えば、ＰＭ２．５の第４サブ区分に相当する部分である。
【００７３】
ＰＭ２．５の濃度分布とＰＭ１０の濃度分布とには、相関関係がある。このため、重複部分に相当する第４サブ区分に含まれる微小粒子の粒子数の含有率に基づいて、ＰＭ１０に含まれる粗大粒子の粒子数の推定が可能になる。例えば、補正回路６０は、含有率と粗大粒子の粒子数との対応関係を示す対応情報を記憶するメモリを有する。補正回路６０は、当該メモリから対応情報を読み出し、読み出した対応情報を参照することで、微小粒子の粒子数の含有率に基づいて粗大粒子の推定を行う。
【００７４】
補正回路６０は、推定した粗大粒子の粒子数に基づいて、演算回路５７によって算出されたＰＭ１０の質量濃度を補正する。例えば、補正回路６０は、推定した粒子数に基づく質量濃度と、ＰＭ１０粒子数の計測結果（すなわち、実測数）に基づいて算出された質量濃度とに所定値以上の差分が生じた場合、補正回路６０は、推定結果と実測結果とを平均化することで、ＰＭ１０の質量濃度の補正値として出力する。なお、補正値は、推定結果と実測結果との平均でなくてもよく、例えば推定結果を強く重み付けした重み付け加算値であってもよい。
【００７５】
また、推定した粗大粒子の粒子数と質量濃度の補正値とを対応付けた対応情報がメモリに記憶されていてもよい。補正回路６０は、当該対応情報をメモリから読み出し、読み出した対応情報を参照することで、推定した粒子数から質量濃度の補正値を決定して出力してもよい。なお、対応情報は、例えば、ＰＭ１０の質量濃度が判明している環境下でＰＭ２．５粒子数に基づく推定値を得ることで、予め生成しておくことができる。
【００７６】
次に、粒子数の計測方法に対する第２の補正の詳細について説明する。
【００７７】
＜計測期間の補正（第１例）＞
まず、粒子数の計測処理に対する補正の第１例について、図９を用いて説明する。
【００７８】
図９は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の補正の第１例として、粗大粒子の粒子数の計測期間の調整例を示す図である。補正回路６０は、推定した粗大粒子の粒子数に基づいて、ＰＭ１０粒子数の計測期間である第２期間の長さを変更する。
【００７９】
本実施の形態に係る粒子検出センサ１では、図９に示されるように、微小粒子の粒子数の計測と、粗大粒子の粒子数の計測と、ＰＭ２．５の質量濃度の算出と、ＰＭ１０の質量濃度の算出とがこの順で行われる。微小粒子の粒子数の計測が、ＰＭ２．５の質量濃度の算出のための第１期間に相当する。粗大粒子の粒子数の計測が、ＰＭ１０の質量濃度の算出のための第２期間に相当する。
【００８０】
本実施の形態では、図９に示されるように、補正回路６０は、推定された粒子数が少ない場合、推定された粒子数が多い場合よりも、第２期間を長くする。これにより、検出される粗大粒子の数（検出数）を一定数以上確保しやすくなるので、粗大粒子の粒子数を精度良く計測することができ、ＰＭ１０の質量濃度を精度良く算出することができる。
【００８１】
なお、推定された粒子数が多い場合は、第２期間を長くしなくても、一定数以上の粗大粒子の検出数を確保することができる。したがって、粗大粒子の粒子数を精度良く計測することができ、ＰＭ１０の質量濃度を精度良く算出することができる。また、粒子数の計測から質量濃度の算出までに要する時間を短くすることができる。
【００８２】
＜平均化のサイクル数の補正（第２例）＞
次に、粒子数の計測処理に対する補正の第２例について、図１０を用いて説明する。
【００８３】
図１０は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の補正の第２例として、質量濃度の演算の際の平均化のサイクル数の調整例を示す図である。補正回路６０は、推定した粗大粒子の粒子数に基づいて、ＰＭ１０の質量濃度の演算の際の平均化のサイクル数を変更する。
【００８４】
本実施の形態に係る粒子検出センサ１では、図１０に示されるように、微小粒子の粒子数の計測と、粗大粒子の粒子数の計測と、ＰＭ２．５の質量濃度の算出と、ＰＭ１０の質量濃度の算出とを１サイクルとして、当該サイクルが複数回繰り返される。１サイクル毎に算出される質量濃度を、複数回分で平均化することで、質量濃度が算出される。
【００８５】
具体的には、演算回路５７は、粗大粒子の計測期間に得られた電気信号（第２信号）に基づいてＰＭ１０の質量濃度を算出する処理を所定回数繰り返し、得られた所定回数分の質量濃度を平均化することで、ＰＭ１０の質量濃度を算出する。補正回路６０は、平均化の回数であるサイクル数を変更する。
【００８６】
本実施の形態では、図１０に示されるように、補正回路６０は、推定された粒子数が少ない場合、推定された粒子数が多い場合よりも、サイクル数を多くする。例えば、図１０には、推定された粒子数が多い場合は、サイクル数が３回であるのに対して、推定された粒子数が少ない場合は、サイクル数が６回である例を示している。なお、サイクル数の具体的な数値例は、これらに限らない。
【００８７】
これにより、平均化の仮定で、検出される粗大粒子の数（検出数）を一定数以上確保しやすくなるので、粗大粒子の粒子数を精度良く計測することができ、ＰＭ１０の質量濃度を精度良く算出することができる。
【００８８】
なお、演算回路５７は、ＰＭ２．５の質量濃度の場合も同様である。このとき、平均化のサイクル数は、ＰＭ２．５の場合とＰＭ１０の場合とで同じであってもよく、異なっていてもよい。例えば、ＰＭ２．５の場合のサイクル数は、推定された粒子数によらず、常に一定であってもよい。
【００８９】
＜誘導量の補正（第３例）＞
次に、粒子数の計測処理に対する補正の第３例について、図１１を用いて説明する。
【００９０】
図１１は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の補正の第３例として、対象流体の誘導量の調整例を示す図である。補正回路６０は、粗大粒子の計測期間である第２期間内に誘導装置４０によって誘導される対象流体の誘導量を変更する。
【００９１】
本実施の形態では、誘導装置４０は、気体を筐体１０の内部に取り入れるための送風機構である。このため、補正回路６０は、誘導量として吸気量を変更する。例えば、誘導装置４０が抵抗素子であり、発熱による上昇気流を利用する場合、補正回路６０は、抵抗素子に流す電流を調整することで、発熱量を調整する。例えば、補正回路６０は、電流を多く流し、発熱量を増やすことで、上昇気流が強くなり、吸気量を多くすることができる。
【００９２】
図１１に示されるように、補正回路６０は、推定された粒子数が少ない場合、推定された粒子数が多い場合よりも、吸気量を増加させる。これにより、１回の計測で取り入れられる気体の量が増加するので、気体に含まれる粒子数も増加させることができる。したがって、一定数以上の粗大粒子の検出数を確保することができる。よって、粗大粒子の粒子数を精度良く計測することができ、ＰＭ１０の質量濃度を精度良く算出することができる。
【００９３】
ＰＭ１０粒子数の計測方法の第２の補正では、上述した第１例〜第３例の全てが行われてもよく、１つのみが行われてもよい。また、ＰＭ１０粒子数の計測方法の第２の補正と、ＰＭ１０の質量濃度の第１の補正との両方が行われてもよく、いずれか一方のみが行われてもよい。
【００９４】
［効果など］
以上のように、本実施の形態に係る粒子検出センサ１は、対象流体に含まれる粒子を検出する粒子検出センサであって、検出領域ＤＡに向けて光を出射する投光部２０と、投光部２０が出射する光Ｌ１に対して受光感度を有し、検出領域ＤＡを通過する粒子による光の散乱光Ｌ２を光電変換することで電気信号を生成して出力する受光部３０とを備える。粒子検出センサ１は、さらに、電気信号に基づいて、微小粒子が含まれる第１粒径区分の第１質量濃度（例えば、ＰＭ２．５の質量濃度）と、微小粒子及び当該微小粒子より大きい粗大粒子が含まれる第２粒径区分の第２質量濃度（例えば、ＰＭ１０の質量濃度）とを算出する信号処理回路５０と、微小粒子の粒子数に基づいて粗大粒子の粒子数を推定し、推定した粒子数に基づいて第２質量濃度の補正を行う補正回路６０とを備える。
【００９５】
これにより、一定数以上の粒子数が容易に計測でき、精度良く計測された微小粒子の粒子数に基づいて粗大粒子の粒子数を推定するので、粗大粒子の粒子数の推定精度も高くなる。本実施の形態によれば、推定結果に基づいてＰＭ１０の質量濃度を補正するので、ＰＭ１０の質量濃度の計測精度も高められる。したがって、ＰＭ２．５だけでなく、ＰＭ１０の質量濃度も精度良く計測することができる。このように、本実施の形態に係る粒子検出センサ１によれば、複数の粒径区分の質量濃度を精度良く計測することができる。
【００９６】
また、例えば、微小粒子の粒子数は、第１粒径区分が分割された複数のサブ区分のうち、最大粒径のサブ区分に含まれる粒子数である。補正回路６０は、微小粒子の粒子数の含有率に基づいて粗大粒子の粒子数を推定する。
【００９７】
これにより、ＰＭ２．５の最大粒径のサブ区分の粒子数の含有率と、ＰＭ１０に含まれる粗大粒子の粒子数とには相関関係があるので、当該相関関係に基づいて、粗大粒子の粒子数を精度良く推定することができる。粗大粒子の粒子数の推定精度が高くなるので、ＰＭ１０の質量濃度の計測精度も高められる。したがって、ＰＭ２．５だけでなく、ＰＭ１０の質量濃度も精度良く計測することができる。
【００９８】
また、例えば、信号処理回路５０は、電気信号のうち第１期間分の第１信号に基づいてＰＭ２．５の質量濃度を算出し、電気信号のうち第１期間とは異なる第２期間分の第２信号に基づいてＰＭ１０の質量濃度を算出する。
【００９９】
これにより、ＰＭ２．５の質量濃度とＰＭ１０の質量濃度とを時系列で算出することができる。ＰＭ１０の質量濃度の実測値が得られるので、補正の精度が高められる。したがって、ＰＭ２．５だけでなく、ＰＭ１０の質量濃度も精度良く計測することができる。
【０１００】
また、例えば、補正回路６０は、補正として、推定した粒子数に基づいて、第２信号に基づいて算出したＰＭ１０の質量濃度を補正する。
【０１０１】
これにより、ＰＭ１０の質量濃度の演算結果を補正するので、ＰＭ１０の質量濃度を精度良く計測することができる。
【０１０２】
また、例えば、補正回路６０は、補正として、推定した粒子数に基づいて粗大粒子の計測期間の長さを変更する。
【０１０３】
これにより、粗大粒子の計測に要する時間を長くすることができるので、粗大粒子の粒子数を一定数以上確保しやすくなる。したがって、ＰＭ２．５だけでなく、ＰＭ１０の質量濃度も精度良く計測することができる。
【０１０４】
また、例えば、信号処理回路５０は、第２信号に基づいてＰＭ１０の質量濃度を算出する処理を所定回数繰り返し、得られた所定回数分の質量濃度を平均化することで、ＰＭ１０の質量濃度を算出する。補正回路６０は、補正として、上記繰り返しの回数（すなわち、サイクル数）を変更する。
【０１０５】
これにより、ＰＭ１０の質量濃度の算出の際の平均化サイクルを長くすることができるので、粗大粒子の粒子数を一定数以上確保しやすくなる。したがって、ＰＭ２．５だけでなく、ＰＭ１０の質量濃度も精度良く計測することができる。
【０１０６】
また、例えば、粒子検出センサ１は、さらに、検出領域ＤＡに向けて対象流体を誘導する誘導装置４０を備える。補正回路６０は、補正として、第２期間内に誘導装置４０によって誘導される対象流体の誘導量を変更する。
【０１０７】
これにより、粗大粒子の粒子数の計測時に誘導される気体の量が多くなるので、粗大粒子の粒子数を一定数以上確保しやすくなる。したがって、ＰＭ２．５だけでなく、ＰＭ１０の質量濃度も精度良く計測することができる。
【０１０８】
（その他）
以上、本発明に係る粒子検出センサについて、上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
【０１０９】
例えば、上記の実施の形態では、対象流体が気体である場合を説明したが、これに限らない。対象流体は、水などの液体でもよい。粒子検出センサ１は、水などの液体中に含まれる粒子を検出し、質量濃度を算出する。このとき、粒子検出センサ１は、筐体１０の外側面に取り付けられた信号処理回路５０が液体に接触するのを防ぐ防水機構を有する。防水機構は、例えば、信号処理回路５０を覆うように設けられた金属製のシールド部材である。当該シールド部材は、例えば溶接などにより筐体１０に隙間なく固定される。
【０１１０】
また、例えば、粒子検出センサ１では、ＰＭ１０粒子数の計測が行われなくてもよい。具体的には、信号処理回路５０は、微小粒子の計測と、ＰＭ２．５の質量濃度の演算と、ＰＭ１０の質量濃度の演算とをこの順に行ってもよい。ＰＭ１０の質量濃度の演算では、ＰＭ２．５に含まれる微小粒子の粒子数の含有率に基づいて推定された粗大粒子の粒子数を用いて、ＰＭ１０の質量濃度を算出してもよい。
【０１１１】
また、例えば、補正回路６０は、ＰＭ２．５の最大粒径のサブ区分ではなく、ＰＭ２．５に含まれる微小粒子の全粒子数に基づいて、粗大粒子の粒子数を推定してもよい。
【０１１２】
また、例えば、粒子検出センサ１は、誘導装置４０を備えなくてもよい。例えば、粒子検出センサ１は、一定方向に気流が流れている場所に、流入口１１が気流の上流側、流出口１２が下流側に位置するように配置されてもよい。
【０１１３】
また、例えば、上記の実施の形態では、投光部２０及び受光部３０の各々がレンズを備える例について示したが、これに限らない。例えば、投光部２０及び受光部３０の少なくとも一方は、レンズの代わりに、ミラー（反射体）を備えてもよい。
【０１１４】
なお、粒子検出センサ１は、例えば、エアコン、空気清浄機、換気扇などの各種家電機器などに搭載される。各種家電機器は、粒子検出センサ１によって検出された粒子の質量濃度に応じて、その動作を制御してもよい。例えば、空気清浄機は、粒子の質量濃度が所定の閾値より大きい場合に、運転強度（具体的には、空気の浄化力）を強くしてもよい。
【０１１５】
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や、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及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。
【符号の説明】
【０１１６】
１  粒子検出センサ
２０  投光部
３０  受光部
４０  誘導装置
５０  信号処理回路
６０  補正回路
ＤＡ  検出領域
Ｌ１  光
Ｌ２  散乱光
【図１】
2019167485.tif 000003
【図２】
2019167485.tif 000004
【図３】
2019167485.tif 000005
【図４】
2019167485.tif 000006
【図５】
2019167485.tif 000007
【図６】
2019167485.tif 000008
【図７】
2019167485.tif 000009
【図８】
2019167485.tif 000010
【図９】
2019167485.tif 000011
【図１０】
2019167485.tif 000012
【図１１】
2019167485.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月25日(2020.8.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図４は、本実施の形態に係る信号処理回路５０の構成を示す図である。図４に示されるように、信号処理回路５０は、さらに、３つの抵抗５４〜５６と、演算回路５７とを備える。信号処理回路５０は、２つの増幅器５１及び５２の多段構成を有する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
本実施の形態では、微小粒子の粒子数は、ＰＭ２．５が分割された複数のサブ区分のうち、最大粒径のサブ区分に含まれる粒子数である。例えば、図５に示される例における微小粒子の粒子数は、粒径が１．０μｍ以上である第１サブ区分に含まれる粒子の粒子数である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
補正回路６０は、第１サブ区分に含まれる粒子の粒子数の含有率に基づいて、粗大粒子の粒子数を推定する。含有率は、ＰＭ２．５に相当する全粒子数に対する、第１サブ区分に含まれる粒子の粒子数の割合に相当する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
図８で示されるように、ＰＭ２．５の濃度分布とＰＭ１０の濃度分布とには、重複する部分（網掛け部分）が存在している。重複部分は、例えば、ＰＭ２．５の第１サブ区分に相当する部分である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
ＰＭ２．５の濃度分布とＰＭ１０の濃度分布とには、相関関係がある。このため、重複部分に相当する第１サブ区分に含まれる微小粒子の粒子数の含有率に基づいて、ＰＭ１０に含まれる粗大粒子の粒子数の推定が可能になる。例えば、補正回路６０は、含有率と粗大粒子の粒子数との対応関係を示す対応情報を記憶するメモリを有する。補正回路６０は、当該メモリから対応情報を読み出し、読み出した対応情報を参照することで、微小粒子の粒子数の含有率に基づいて粗大粒子の推定を行う。
【国際調査報告】
2019167485.tif 000014
2019167485.tif 000015
2019167485.tif 000016
2019167485.tif 000017