(57)【要約】【課題】短時間で出力を安定させることのできる微粒子検出センサを提供する。【解決手段】微粒子検出センサ１００は、発光素子１１０、集光レンズ１２０、受光素子１３０および制御部１４０を具備して構成されており、発光素子１１０から出力される光ビームＬを検出領域Ｒに照射し、光ビームＬが検出領域Ｒ内の微粒子Ｐに当たって生じる散乱光Ｌ’を受光素子１３０で検出する。発光素子１１０は、光出射面１１０ａにおいて複数の発光点１１０ｂを有するマルチビーム光源とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子からの出力光を検出領域に照射し、該検出領域内の微粒子に当たって生じる散乱光を受光素子で検出する微粒子検出センサであって、
前記発光素子は、光出射面において複数の発光点を有するマルチビーム光源であることを特徴とする微粒子検出センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の微粒子検出センサであって、
前記発光素子の各発光点からの前記出力光はパルス光であることを特徴とする微粒子検出センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の微粒子検出センサであって、
前記発光素子は、ＶＣＳＥＬであることを特徴とする微粒子検出センサ。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の微粒子検出センサであって、
前記発光素子から出射される出力光を前記検出領域に向けて集光させる光学系を有していることを特徴とする微粒子検出センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の微粒子検出センサであって、
前記光学系は、前記出力光を集光させる集光レンズと、前記集光レンズを透過した前記出力光をより細長く調整する調整レンズとからなることを特徴とする微粒子検出センサ。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１項に記載の微粒子検出センサであって、
前記発光素子では、前記複数の発光点は同心円状に配置されていることを特徴とする微粒子検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の埃やタバコの煙などの微粒子を検出する微粒子検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子検出センサは、発光素子からの出力光（照射ビーム）を検出領域に照射し、該検出領域内の微粒子に当たって生じる散乱光を受光素子で検出することで微粒子の有無を検出できるものである。詳細には、散乱光の量（輝度）や検出頻度によって、微粒子の密度（汚れ具合）や微粒子の種類を検出することができる。
【０００３】
従来の微粒子検出センサの多くは、照射ビームに捉えられた粒子径や粒子数を計数するパーティクルカウント方式を採用している。照射ビームを出力する発光素子（ＬＥＤなど）の点灯方式としては、常時発光方式や、パルス点灯方式がある。発光素子の経年劣化を抑制する観点からは、発光素子の短時間発光を繰り返し行うパルス点灯方式が好ましい。このようなパルス点灯方式を用いた微粒子検出センサは、例えば特許文献１，２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２２４０３４号公報
【特許文献２】特開２００４−２９４０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の微粒子検出センサでは、発光素子がいずれも単光源（単一ビーム）であるため、実際に検出できるエリアは狭く、微粒子がそのエリアを通過しないと検出されないことから、短時間で出力を安定することができなかった。
【０００６】
さらには、発光素子の点灯方式を常時発光方式とする場合、微粒子がエリアを通過すればいつでも検出できるので、他の方式に比べて短時間で出力を安定化できるが、消費電力が大きくなったり、発光素子の経年劣化が促進されるといった問題がある。また、パルス点灯方式では、発光タイミングが合わなければ、エリアを通過する微粒子を検出できないという問題がある。
【０００７】
すなわち、発光素子にパルス点灯方式を用いる場合、散乱光を受光素子で検出する（すなわち、微粒子を検出する）ことのできる期間は発光素子の発光期間に対応する。また、パーティクルカウント方式において、一回のパルス発光に対応する検出データで粒子数を計数すると、その検出結果には大きなバラつきが生じる。そのため、微粒子検出センサにおける出力を安定させるには（検出精度を確保するには）、多数回のパルス発光分に対応する検出データが必要となる。したがって、従来の微粒子検出センサでは、その出力を安定させるまでに、光源に多数回のパルス発光を行わせるための比較的長い時間が必要となるといった課題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、短時間で出力を安定させることのできる微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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、発光素子からの出力光を検出領域に照射し、該検出領域内の微粒子に当たって生じる散乱光を受光素子で検出する微粒子検出センサであって、前記発光素子は、光出射面において複数の発光点を有するマルチビーム光源であることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、発光素子をマルチビーム光源とすることで、複数の出力光を検出領域に張り巡らせることができ、微粒子検出のカウント頻度が増え、これにより検出確率が上がり、従来構成（シングルビーム構成）に比べて短時間で出力を安定させることができる。
【００１１】
また、上記微粒子検出センサは、前記発光素子の各発光点からの前記出力光はパルス光である構成とすることができる。
【００１２】
上記の構成によれば、発光素子を常時発光させる場合に比べ、省電力化および発光素子の長寿命化の効果が得られる。また、従来のパルス点灯駆動では、出力の安定に時間がかかるといった課題があったが、本発明は短時間で出力を安定させる効果が得られるものであるため、パルス点灯駆動への適用が有効である。
【００１３】
また、上記微粒子検出センサでは、前記発光素子は、ＶＣＳＥＬである構成とすることができる。
【００１４】
上記の構成によれば、発光素子から出力光を小さなビームスポットに絞ることができ、これにより、十分に絞られた出力光の全体が微粒子に当たる頻度が高くなる。このため、ビームスポットに対する微粒子の位置によって、受光素子から出力される検出信号が変動しにくくなり、微粒子検出センサの出力がより安定する。
【００１５】
また、上記微粒子検出センサは、前記発光素子から出射される出力光を前記検出領域に向けて集光させる光学系を有している構成とすることができる。
【００１６】
さらに、上記微粒子検出センサでは、前記光学系は、前記出力光を集光させる集光レンズと、前記集光レンズを透過した前記出力光をより細長く調整する調整レンズとからなる構成とすることができる。
【００１７】
上記の構成によれば、光学系を集光レンズと調整レンズとから構成することで、発光素子からの出力光を細長く、すなわち検出領域を横切る出力光を細長く絞ることができるため、集光点ではなくても微粒子を検出できるようになり、検出確率がさらに上がり、さらに短時間で出力を安定させることができる。
【００１８】
また、上記微粒子検出センサでは、前記発光素子における前記複数の発光点は同心円状に配置されている構成とすることができる。
【００１９】
上記の構成によれば、複数の発光点の配置間隔がより均等になり、検出領域において微粒子の通るルートによってビームスポットを通る確率が変わりにくくなる。これにより、微粒子検出センサの出力がより安定する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の微粒子検出センサは、発光素子をマルチビーム光源とすることで、従来構成（シングルビーム構成）に比べて短時間で出力を安定させることができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態１に係る微粒子検出センサの基本構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態１の微粒子検出センサにおける発光素子の発光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図３】発光素子をＬＥＤ光源とした微粒子検出センサにおける検出信号の一例を示す波形図である。
【図４】実施の形態２に係る微粒子検出センサの基本構成を示す概略図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、発光素子の光出射面における発光点の配置例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
〔実施の形態１〕
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。図１は、本実施の形態１に係る微粒子検出センサ１００の基本構成を示す概略図である。微粒子検出センサ１００は、発光素子１１０、集光レンズ１２０、受光素子１３０および制御部１４０を具備して構成されている。
【００２３】
発光素子１１０は、光出射面１１０ａにおいて複数の発光点１１０ｂを有するマルチビーム光源である。発光素子１１０には、好ましくはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）が使用される。
【００２４】
集光レンズ１２０は、発光素子１１０の各発光点１１０ｂから出射される光ビーム（出力光）Ｌを、検出領域Ｒに向けて集光させるレンズである。発光素子１１０では、検出領域Ｒは、光ビームＬの集光点付近の領域となる。尚、微粒子検出センサ１００は、筐体の一部に微粒子の通過孔（図示せず）を有しており、この通過孔に微粒子を取り込むことで、短時間に高精度の検出を行えるように構成されている。すなわち、微粒子検出センサ１００では、通過孔の内部に検出領域Ｒが存在する。尚、通過孔に微粒子を導く方法は、周知技術・公知技術を適用すれば良いことは言うまでもない。例えば、送風/吸引方式や、温度差による気流発生方式の何れを採用しても良い。また、微粒子が自然と通過孔に導かれるような微粒子検出センサの設置環境であれば、送風/吸引方式や気流発生方式などの採用が特に必要ないことも言うまでもない。
【００２５】
集光レンズ１２０によって集光された光ビームＬは、検出領域Ｒ内に存在する微粒子Ｐに照射されると散乱（正反射または乱反射）し、これにより散乱光Ｌ’が発生する。受光素子１３０は、散乱光Ｌ’を受光し検出する。すなわち、受光素子１３０は、受光した散乱光Ｌ’の光量に応じた電気信号を出力する。
【００２６】
制御部１４０は、発光素子１１０を発光駆動させるための駆動信号を出力したり、受光素子１３０が出力した電気信号に基づいて微粒子の密度（汚れ具合）や微粒子の種類などを検出したりする。
【００２７】
本実施の形態１に係る微粒子検出センサ１００では、発光素子１１０が有する複数の発光点１１０ｂを同時に発光させることで、集光された複数の光ビームＬを検出領域Ｒに張り巡らせることができる。すなわち、発光素子１１０の発光期間中に複数の光ビームＬが同時に発生することで、微粒子検出のカウント頻度が増え、これにより検出確率が上がり、短時間で微粒子検出センサ１００の出力を安定させることができる。例えば、発光素子１１０が有する発光点１１０ｂの数をｍ個とすれば、従来構成（シングルビーム構成）に比べて出力安定にかかる時間を１／ｍにすることができる。
【００２８】
また、発光素子１１０における複数の発光点１１０ｂの発光タイミングについては、上述のような同時発光に限定されるものではなく、複数の発光点１１０ｂを位相をずらして発光させることも可能である。
【００２９】
図２は、微粒子検出センサ１００における発光素子１１０の発光タイミングの位相をずらした場合の例を示すタイミングチャートである。ここで、発光素子１１０はパルス発光するｍ個の発光点１１０ｂを有しており、各発光点１１０ｂのパルス発光間隔は最短で時間Ｔであるとする。
【００３０】
図２に示すように、ｍ個の発光点１１０ｂのそれぞれから出射される光ビームＬ１〜Ｌｍは、発光タイミングがＴ／ｍずつずらされている。すなわち、一つの発光点１１０ｂから出射されるシングルビームにおいて時間Ｔの間の発光パルス数は１回であるが、発光素子１１０全体から出射されるマルチビームでは時間Ｔの間の発光パルス数はｍ回となる。
【００３１】
上述したように、発光素子１１０にパルス点灯方式を用いる場合、受光素子１３０が散乱光Ｌ’を検出できる期間は発光素子１１０の発光期間に対応する。また、パーティクルカウント方式において、微粒子検出センサ１００における出力を安定させるには（検出精度を確保するには）、多数回のパルス発光分に対応する検出データが必要となる。
【００３２】
ここで、微粒子検出センサ１００における出力を安定させるためにｎ回のパルス発光が必要であるとすれば、従来のシングルビームを用いた微粒子検出センサでは、出力を安定させるまでにｎ×Ｔの時間が必要となる。これに対し、本実施の形態１に係る微粒子検出センサ１００では、時間Ｔの間の発光パルス数がｍ回であるため、出力を安定させるまでに必要となる時間は（ｎ×Ｔ）／ｍであり、従来構成（シングルビーム構成）に比べて出力安定にかかる時間を１／ｍにすることができる。
【００３３】
微粒子検出センサ１００において、発光素子１１０にＶＣＳＥＬの使用が好適であるのは、マルチビーム光源を小面積の素子として実現でき、かつ生産性も高いためである。また、ＶＣＳＥＬは、発光点が小さくビームスポットが絞りやすいため、ビーム分離が容易といった利点もある。例えば、一般的な光源であるＬＥＤ（Light Emitting Diode）は、発光点が大きく集光点でのビームスポットが十分に絞れないため、複数の微粒子が光ビームを横切る場合に、それらを分離することができずに１つの粒子として検知してしまう。
【００３４】
また、ＬＥＤ光源は、ビームスポットにおいて光ビームが十分に絞れないために、微粒子への光ビームの当たり具合によって出力変動が大きくなる。具体的には、光量の大きい光ビーム中心に微粒子が当たった時には散乱光の光量も大きくなるが、光量の小さい光ビーム周辺に微粒子が当たった時は散乱光の光量も小さくなる。このため、発光素子にＬＥＤ光源を用いた従来の微粒子検出センサでは、図３に示すように、散乱光を検出して得られる検出信号（受光素子から出力される電気信号）をサンプリングし、そのサンプリング信号が所定の閾値を超えた部分の累積を積算して、その積算情報をカウントしている。しかしながら、ビームスポットに対する微粒子の位置によってサンプリング信号がカウントされる領域の幅が変動するため、出力変動が大きくなるといった問題がある。
【００３５】
これに対し、発光素子１１０にＶＣＳＥＬを用いた場合には、十分に絞られた光ビームの全体が微粒子に当たる頻度が高くなる。このため、ビームスポットに対する微粒子の位置によって、受光素子１３０から出力される検出信号が変動することも少なくなる。また、発光素子１１０にＶＣＳＥＬを用いた場合には、制御部１４０は、検出信号をサンプリングし、そのサンプリング信号が所定の閾値を超えた部分をカウントする。この検出方法では、光ビームＬのパルス幅をＬＥＤ光源を用いる場合よりも狭くすることで、サンプリング信号のカウントも安定したものとなるため、微粒子検出センサ１００の出力がより安定する。
【００３６】
〔実施の形態２〕
実施の形態１で示した微粒子検出センサ１００は、発光素子１１０から出射される光ビームＬを検出領域Ｒに向けて集光させる光学系として、一つの集光レンズ１２０を備えた構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、光ビームＬを検出領域Ｒに向けて集光させる光学系は、複数のレンズを組み合わせるものであってもよい。
【００３７】
図４は、本実施の形態２に係る微粒子検出センサ１０１の基本構成を示す概略図である。微粒子検出センサ１０１は、図１に示す微粒子検出センサ１００とほぼ類似した構成であるが、発光素子１１０から出射される光ビームＬを検出領域Ｒに向けて集光させる光学系として、集光レンズ１２０以外に調整レンズ１２１を追加した点が異なっている。調整レンズ１２１は、ビーム分離領域が大きくとれるように、具体的には凹レンズが用いられる。
【００３８】
微粒子検出センサ１００および１０１において、検出領域Ｒは、光ビームＬの集光点とその前後の一部の領域のみに設定される。これは、光ビームＬの集光点から離れた領域では光ビームＬが十分に絞られていないため、そのような領域で埃等の微粒子に光ビームＬが照射されても、これによって発生する散乱光Ｌ’の光量が少なすぎて受光素子１３０で検出することができないためである。
【００３９】
また、微粒子検出センサ１０１は、微粒子検出センサ１００と同様に、筐体の一部に微粒子の通過孔（図示せず）を有しており、この通過孔に微粒子を取り込み、通過孔の内部に検出領域Ｒが存在する構成とされている。
【００４０】
微粒子検出センサ１０１では、集光レンズ１２０以外に調整レンズ１２１を追加したことで、集光レンズ１２０を透過した光ビームＬをより細長く絞ることができる。すなわち、集光レンズ１２０と調整レンズ１２１とを有する光学系では、検出領域Ｒを横切る光ビームＬを細長く絞ることができ、光ビームＬの集光点ではなくても微粒子を検出できるようになり、検出確率がさらに上がり、更に短時間で出力を安定させることができる。
【００４１】
〔実施の形態３〕
微粒子検出センサ１００および１０１において、発光素子１１０はマルチビーム光源である。本実施の形態３では、発光素子１１０の光出射面１１０ａにおける発光点１１０ｂの配置について図５（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００４２】
本発明において、発光素子１１０における発光点１１０ｂの配置は、基本的には特に限定されるものでなく、例えば図５（ａ）に示すような２次元のマトリクス配置とすることができる。一方で、発光点１１０ｂの配置を工夫することで、微粒子検出センサ１００および１０１の出力をより安定させることもできる。
【００４３】
図５（ｂ），（ｃ）は、微粒子検出センサ１００および１０１の出力をより安定させるための発光点１１０ｂの配置を示している。図５（ｂ）に示す構成では、発光素子１１０の光出射面１１０ａにおいて、発光点１１０ｂは同心円状に配置されている。図５（ｃ）に示す構成では、発光素子１１０の光出射面１１０ａにおいて、近接する発光点１１０ｂ同士が正三角形の頂点となるように配置されている。
【００４４】
図５（ｂ），（ｃ）に示す配置では、図５（ａ）に示すマトリクス配置に比べ、複数の発光点１１０ｂの配置間隔がより均等になるため、検出領域Ｒにおいて微粒子の通るルートによってビームスポットを通る確率が変わりにくくなる。これにより、微粒子検出センサ１００および１０１の出力がより安定する。尚、発光点１１０ｂの最適配置は、図５（ｂ）に示す同心円状配置である。
【００４５】
尚、上述した微粒子検出センサ１００および１０１は、基本的には発光素子１１０をパルス点灯させるものであることが好ましい。これは、従来のパルス点灯駆動では、出力の安定に時間がかかり、本発明はこの課題解決に有効であるためである。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、発光素子１１０を常時発光させるものにも本発明は適用可能である。
【００４６】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４７】
１００，１０１    微粒子検出センサ
１１０    発光素子
１１０ａ    光出射面
１１０ｂ    発光点
１２０    集光レンズ
１２１    調整レンズ
１３０    受光素子
１４０    制御部
Ｌ    光ビーム（出力光）
Ｒ    検出領域
Ｐ    微粒子
Ｌ’    散乱光
【図１】
2019082336.tif 000003
【図２】
2019082336.tif 000004
【図３】
2019082336.tif 000005
【図４】
2019082336.tif 000006
【図５】
2019082336.tif 000007