(57)【要約】【課題】微粒子の粒径等を高精度で測定できる粒子測定装置を提供する。【解決手段】粒子測定装置１００は、投光素子１１１と受光素子１１２とを備え、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１１１の光の散乱光を受光素子１１２で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出する粒子検出センサ１１０を含む粒子測定装置であって、当該粒子検出センサ１１０の感度に応じた補正係数を記憶している記憶部１４０と、受光素子１１２から出力された電流を電圧に変換することにより電圧信号を生成するＩＶ変換部１２１と、電圧信号を所定の帯域で増幅する増幅部１２２と、増幅された電圧信号をサンプリング及び量子化するＡＤ変換部１６１と、ＡＤ変換部１６１でサンプリング及び量子化された電圧信号である時系列のデジタルデータ及び補正係数を用いて、粒子の粒径を演算する演算部１６２とを備える。【選択図】図１
2015210188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光素子と受光素子とを備え、検知領域における粒子による前記投光素子の光の散乱光を前記受光素子で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出する粒子検出センサを含む粒子測定装置であって、
当該粒子検出センサの感度に応じた補正係数を記憶している記憶部と、
前記受光素子から出力された電流を電圧に変換することにより電圧信号を生成するＩＶ変換部と、
前記電圧信号を所定の帯域で増幅する増幅部と、
増幅された前記電圧信号をサンプリング及び量子化するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部でサンプリング及び量子化された前記電圧信号である時系列のデジタルデータ及び前記補正係数を用いて、前記粒子の粒径を演算する演算部とを備える
粒子測定装置。
【請求項２】
前記補正係数は、前記検知領域に所定の粒径を有する標準粒子が導入された場合に前記受光素子から出力された電流に基づいて算出された値である
請求項１に記載の粒子測定装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記粒子の粒径を演算するための閾値を前記補正係数によって補正し、補正後の前記閾値を用いて前記粒子の粒径を演算する
請求項１又は２に記載の粒子測定装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記デジタルデータを前記補正係数によって補正し、補正後の前記デジタルデータを用いて前記粒子の粒径を演算する
請求項１又は２に記載の粒子測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投光素子と受光素子とを備え、検知領域における粒子による投光素子の光の散乱光を受光素子で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出する粒子検出センサを含む粒子測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光散乱式粒子測定装置は、投光素子と受光素子とで構成された光電式粒子検出センサを有する粒子測定装置であり、測定対象の気体を取り込んで投光素子の光を当該気体に照射し、その散乱光によって気体に含まれる粒子の有無及び粒径等を検出するものである。例えば、大気中に浮遊するホコリ・花粉・煙等の粒子を検出することができる。
【０００３】
この種の光散乱式粒子検出センサとして、迷光の発生を低減するために、投光素子又は受光素子と対向する位置に光トラップが設けられたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２４８６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような粒子検出センサは、個体ごとに特性が異なる場合がある。このような場合、同一の気体が導入された場合であっても、特性のバラつきによって、複数の粒子検出センサの検出結果にバラつきが生じる虞がある。つまり、このような粒子検出センサを用いて粒子の粒径を精度良く測定することは困難である。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、気体に含まれる粒子の粒径を精度良く測定できる粒子測定装置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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る粒子測定装置は、投光素子と受光素子とを備え、検知領域における粒子による前記投光素子の光の散乱光を前記受光素子で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出する粒子検出センサを含む粒子測定装置であって、当該粒子検出センサの感度に応じた補正係数を記憶している記憶部と、前記受光素子から出力された電流を電圧に変換することにより電圧信号を生成するＩＶ変換部と、前記電圧信号を所定の帯域で増幅する増幅部と、増幅された前記電圧信号をサンプリング及び量子化するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部でサンプリング及び量子化された前記電圧信号である時系列のデジタルデータ及び前記補正係数を用いて、前記粒子の粒径を演算する演算部とを備える。
【０００８】
また、前記補正係数は、前記検知領域に所定の粒径を有する標準粒子が導入された場合に前記受光素子から出力された電流に基づいて算出された値であってもよい。
【０００９】
また、前記演算部は、前記粒子の粒径を演算するための閾値を前記補正係数によって補正し、補正後の前記閾値を用いて前記粒子の粒径を演算してもよい。
【００１０】
また、前記演算部は、前記デジタルデータを前記補正係数によって補正し、補正後の前記デジタルデータを用いて前記粒子の粒径を演算してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、気体に含まれる粒子の粒径を精度良く測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態に係る粒子測定装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、大気中に粒子が存在しない場合における粒子検出センサの動作を説明するための断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、大気中に粒径の小さい粒子が存在する場合における粒子検出センサの動作を説明するための断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、大気中に粒径の大きい粒子が存在する場合における粒子検出センサの動作を説明するための断面図である。
【図３】図３は、受光素子で検出される光強度を示すグラフである。
【図４】図４は、製造工程における、記憶部への補正係数の初期設定処理（書き込み処理）について説明するためのブロック図である。
【図５】図５は、製造工程において書き込み部により実行される補正係数の初期設定処理を示すフローチャートである。
【図６】図６は、書き込み部によって算出された補正係数について説明するためのグラフである。
【図７】図７は、演算部により実行される粒径の算出処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、本発明の実施の形態に係る粒子測定装置について、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、いずれも本発明の好ましい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、本発明の最上位概念を示す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。
【００１４】
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。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。
【００１５】
（実施の形態）
［１．粒子測定装置の全体構成］
まず、本発明の実施の形態に係る粒子測定装置の全体構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る粒子測定装置の構成の一例を示すブロック図である。
【００１６】
同図に示すように、粒子測定装置１００は、粒子検出センサ１１０、アナログ信号処理部１２０、及び、電源部１３０を含むセンサモジュール１５０と、汎用ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１６０とを備え、大気に含まれる粒子の粒径を測定する。
【００１７】
以下、粒子測定装置１００の各構成について、具体的に説明する。
【００１８】
［１−１．粒子検出センサの構成］
粒子検出センサ１１０は、投光素子１１１と受光素子１１２とを備える光電式センサであり、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１１１からの光の散乱光を受光素子１１２で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出するものである。本実施の形態における粒子検出センサ１１０は、さらに、反射面を有する反射体１１４と、大気を加熱する加熱部１１５とを有する。
【００１９】
投光素子１１１は、所定の波長の光を発する光源（発光部）であり、例えば、ＬＥＤや半導体レーザ等の固体発光素子である。投光素子１１１としては、赤外光、青色光、緑色光、赤色光又は紫外光を発する発光素子を用いることができる。
【００２０】
なお、投光素子１１１の発光波長が短いほど、粒径の小さな粒子を検出しやすくなる。また、投光素子１１１の発光制御方式は特に限定されるものではなく、投光素子１１１から出射する光は、ＤＣ駆動による連続光又はパルス光等とすることができる。また、投光素子１１１の出力の大きさは、時間的に変化していてもよい。
【００２１】
受光素子１１２は、光を受ける受光部であり、例えば、フォトダイオード、フォトＩＣダイオード、フォトトランジスタ、又は、光電子倍増管等、光を受けて電気信号に変換する素子（光検出器）である。具体的には、受光素子１１２は、電気信号として電流信号を生成する。つまり、受光素子１１２は、受光した光強度に応じた電流信号を出力する。
【００２２】
これら投光素子１１１及び受光素子１１２は、電源部１３０から供給された電源によって動作する。
【００２３】
図１に示すように、投光素子１１１及び受光素子１１２は、筐体１１３内に配置される。筐体１１３は、投光素子１１１及び受光素子１１２を保持するように構成されている。本実施の形態において、投光素子１１１及び受光素子１１２は、それぞれの光軸を交差させる形で筐体１１３内に配置されている。
【００２４】
筐体１１３には、粒子を含む大気（気体）が流れる筒状の空間領域である粒子流路が設けられている。
【００２５】
検知領域ＤＡは、測定対象の気体に含まれる粒子（エアロゾル）を検知するための領域であるエアロゾル検知領域（エアロゾル測定部）であり、投光素子１１１の光が投光される空間領域と投光素子１１１の光が粒子に当たって発生した散乱光を受光素子１１２に導くための空間領域とが重なる空間領域である。また、検知領域ＤＡは、粒子流路内に存在するように設定されており、測定対象の気体は、粒子流路を通って検知領域ＤＡに導かれる。
【００２６】
なお、本実施の形態において、粒子流路の流路方向（測定対象の気体が流れる方向）は、図１の紙面上下方向としているが、図１の紙面垂直方向としてもよい。つまり、本実施の形態では、粒子流路の流路軸は、投光素子１１１及び受光素子１１２の各光軸が通る平面上に存在するように設定しているが、当該平面と直交するように設定されていてもよい。
【００２７】
反射体１１４（反射板）は、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１１１の光の散乱光を反射して当該散乱光を受光素子１１２に導く反射部材である。本実施の形態において、反射体１１４は、粒子の散乱光を反射して受光素子１１２に集光させている。より具体的には、反射体１１４は、粒子の散乱光を受光素子１１２に向けて反射している。
【００２８】
反射体１１４としては、ベース部材の表面そのものが反射面となるようにベース部材そのものを金属等の反射材料で構成してもよいし、樹脂や金属のベース部材の表面に反射面となる反射膜を形成してもよい。
【００２９】
反射膜としては、アルミニウム、金、銀や銅等の金属反射膜、鏡面反射膜、又は、誘電体多層膜等を用いることができる。反射膜としては、吸収率が小さく、高い反射率を有するものがよい。また、反射膜として、蒸着等で形成したアルミニウム膜の表面に当該アルミニウム膜よりも薄い薄膜を積層したものを用いてもよい。アルミニウム膜に積層する薄膜としては、例えば、ＭｇＦ膜、ＳｉＯ２膜、ＳｉＯ膜、ＡｌＮ膜、アルミナ膜、又は、増反射膜等が用いられる。このように、アルミニウム膜にこれらの薄膜を積層することによって、アルミニウム膜の劣化（腐食等）を抑制したり光増幅による光学特性を向上させたりすることができる。
【００３０】
加熱部１１５は、粒子を含む大気を検知領域ＤＡに導入するために大気を加熱するものであり、粒子流路内に流れる気体の流れを促進させるための気流を発生させる気流発生装置として機能する。具体的には、加熱部１１５は、低コストのヒータ抵抗等であり、本実施の形態では、粒子流路内に配置されている。つまり、加熱部１１５は、粒子流路内の大気を加熱する。
【００３１】
例えば、加熱部１１５がヒータ抵抗である場合、ヒータ抵抗に電圧を印加すると、ヒータ抵抗が加熱される。これにより、ヒータ抵抗の周囲の大気は、加熱されて密度が小さくなり、重力と逆方向の上方向に移動する。つまり、加熱部１１５によって粒子流路内の大気を加熱すると、上方向の気流（上昇気流）を発生させることができる。
【００３２】
このように、加熱部１１５によって粒子流路内の大気を加熱することによって、筐体１１３（粒子流路）内に測定対象の気体（大気）を容易に引き込むことができるので、加熱部１１５を設けない場合と比べて、粒子検出センサ１１０内に多くの粒子を取り込むことができる。したがって、粒子流路に含まれる検知領域ＤＡにおける単位体積あたりの粒子の量を大きくすることができるので、感度を高くすることができる。
【００３３】
また、加熱部１１５は、上昇気流を発生させるので、図１に示すように、粒子流路の下方部分に設置するとよい。なお、加熱部１１５が動作していない状態でも、大気は粒子流路内を通過することができる。つまり、加熱部１１５が動作していない場合でも、大気中に含まれる粒子を検出することは可能である。
【００３４】
［１−２．粒子検出センサの動作］
次に、本実施の形態における粒子検出センサ１１０の動作について、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ及び図３を用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、それぞれ、大気中に粒子が存在しない場合、大気中に粒径の小さい粒子が存在する場合及び大気中に粒径の大きい粒子が存在する場合における粒子検出センサ１１０の動作を説明するための断面図である。図３は、図２Ａ〜図２Ｃに示す状態において受光素子１１２で検出される光強度を示すグラフである。
【００３５】
加熱部１１５を動作させて粒子流路に気流を発生させると、大気導入孔から粒子検出センサ１１０内に大気が引き込まれ、当該大気は、粒子流路を経由して検知領域ＤＡに導かれる。
【００３６】
この場合、図２Ａに示すように、粒子検出センサ１１０内に導入された大気に粒子（エアロゾル）が存在しない場合、つまり、検知領域ＤＡに粒子が流入しない場合は、投光素子１１１から出射した光は検知領域ＤＡを通過してそのまま直進するので、粒子による散乱光が発生しない。したがって、この場合、基本的には受光素子１１２の反応がないので、粒子検出センサ１１０内に導入された大気中に粒子が存在しないことが分かる。
【００３７】
なお、この場合、検知領域ＤＡを通過して直進した光が筐体１１３の中で反射して迷光となって受光素子１１２に入射する場合がある。しかしながら、この場合、受光素子１１２で検出される光強度は、検知領域ＤＡに粒子が存在する場合と比べて小さい。したがって、粒子検出センサ１１０内に導入された大気中に粒子が存在しないことが分かる。
【００３８】
また、図２Ｂに示すように、粒子検出センサ１１０内に導入した大気に粒径の小さい粒子（エアロゾル）Ｐ１が存在する場合、つまり、検知領域ＤＡに粒径の小さい粒子Ｐ１が流入した場合は、投光素子１１１の光は検知領域ＤＡに存在する粒子Ｐ１に当たって散乱し、当該散乱光は直接又は反射体１１４で反射して受光素子１１２に入射する。
【００３９】
具体的には、この場合、図３中の「粒径：小」で示すような光強度を持つ散乱光が受光素子１１２に入射する。ここで、上述したように、受光素子１１２は、受光した光強度に応じた電流信号を出力する。よって、この場合、受光素子１１２から出力される電流信号は比較的小さくなる。これにより、粒子検出センサ１１０内に導入した大気中には粒径の小さい粒子が存在することが分かる。
【００４０】
また、図２Ｃに示すように、粒子検出センサ１１０内に導入した大気に粒径の大きい粒子（エアロゾル）Ｐ２が存在する場合、つまり、検知領域ＤＡに粒径の大きい粒子Ｐ２が流入した場合も、投光素子１１１の光は検知領域ＤＡに存在する粒子Ｐ２に当たって散乱し、当該散乱光は直接又は反射体１１４で反射して受光素子１１２に入射する。
【００４１】
具体的には、この場合、図３中の「粒径：大」で示すような光強度を持つ散乱光が受光素子１１２に入射する。よって、この場合、受光素子１１２から出力される電流信号は比較的大きくなる。これにより、粒子検出センサ１１０内に導入した大気中には粒径の大きい粒子Ｐ２が存在することが分かる。
【００４２】
このように、粒子検出センサ１１０は、当該粒子検出センサ１１０内に導入された大気に粒子が含まれるか否か（粒子の有無）を検知することができる。つまり、大気中の粒子を検出することができる。また、当該大気に粒子が含まれる場合、当該粒子の粒径に応じた電流信号を出力する。
【００４３】
［１−３．アナログ信号処理部の構成］
アナログ信号処理部１２０は、粒子検出センサ１１０から出力された電流信号に対して各種の信号処理を施すことにより、当該電流信号に基づくアナログ電圧信号を出力する。ここで、各種の信号処理とは、例えば、電流（Ｉ）を電圧（Ｖ）に変換するＩ／Ｖ変換、入力された信号の所望の周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタ処理、及び、入力された信号を増幅して出力する増幅処理である。
【００４４】
なお、アナログ信号処理部１２０は、ここに例示した各処理に限らず、さらに他の信号処理（例えば、ハイパスフィルタ処理、ローパスフィルタ処理、及び、減衰処理等）を行うものであってもよい。
【００４５】
このアナログ信号処理部１２０は、図１に示すように、ＩＶ変換部１２１と、増幅部１２２とを含む。
【００４６】
［１−３−１．ＩＶ変換部］
ＩＶ変換部１２１は、受光素子１１２から出力された電流を電圧に変換（ＩＶ変換）する。つまり、ＩＶ変換部１２１は、粒子検出センサ１１０から出力された電流信号を電圧信号に変換する。このように電圧信号に変換することにより、ＩＶ変換部１２１の後段に接続された増幅部１２２の設計が容易になる。
【００４７】
［１−３−２．増幅部］
増幅部１２２は、ＩＶ変換部１２１で変換された電圧信号の所定の帯域を増幅する。具体的には、当該電圧信号に含まれる周波数成分のうち所定の帯域の周波数成分を、他の帯域の周波数成分よりも高い増幅率で増幅する。ここで、所定の帯域とは、例えば、粒子検出センサ１１０の粒子流路内に流れる大気の流速ｖ１に対応する周波数ｆ１を中心周波数、帯域幅をｆｂｗとする帯域である。なお、ｆｂｗは所定の周波数であってもよいし、電圧信号のノイズフロアに応じて適宜設定される周波数であってもよい。言い換えれば、増幅部１２２は、ＩＶ変換部１２１で変換された電圧信号を増幅し、粒子に対応したパルス波形を含む電圧信号に変換する。
【００４８】
この増幅部１２２は、例えば、図１に示すように、ＩＶ変換部１２１から出力された電圧信号に含まれる周波数成分のうち所定の帯域の周波数成分を通過するバンドパスフィルタ１２２ａと、バンドパスフィルタ１２２ａを通過した周波数成分からなる信号を増幅する増幅器１２２ｂとを含む。なお、バンドパスフィルタ１２２ａ及び増幅器１２２ｂの接続順はこれに限らず、増幅器１２２ｂがバンドパスフィルタ１２２ａよりも前段に設けられていてもよい。
【００４９】
このような構成により、アナログ信号処理部１２０は、粒子検出センサ１１０から出力された電流信号に基づく電圧信号を出力する。
【００５０】
［１−４．電源部］
電源部１３０は、センサモジュール１５０が備える構成のうち、当該電源部１３０以外の各構成（粒子検出センサ１１０、及び、アナログ信号処理部１２０）に対して、電源を供給する。この電源部１３０は、例えば、センサモジュール１５０の外部から供給された電圧を所望の電圧に変換するレギュレータ等により構成される。
【００５１】
［１−５．記憶部］
記憶部１４０は、粒子検出センサ１１０の感度に応じた補正係数を記憶している、例えばメモリである。具体的には、当該記憶部１４０が搭載されたセンサモジュール１５０に搭載されている粒子検出センサ１１０の感度に応じた補正係数を記憶している。
【００５２】
ここで、補正係数は、例えば、検知領域ＤＡに所定の粒径を有する標準粒子が導入された場合に受光素子１１２から出力された電流に基づいて算出された値である。この補正係数は、粒子測定装置１００の製造工程において書き込まれることにより生成されている。言い換えると、補正係数は、粒子測定装置１００の製造工程において初期設定されている。なお、製造工程における補正係数の初期設定処理については、後述する。
【００５３】
［２．汎用ＭＰＵの構成］
汎用ＭＰＵ１６０は、アナログ信号処理部１２０から出力されたアナログ電圧信号を用いて、粒子検出センサ１１０の粒子流路内に流れる大気に含まれる粒子の粒径を算出する。この汎用ＭＰＵ１６０は、例えば、集積回路であるシステムＬＳＩにより実現され、以下で説明する構成毎に個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。
【００５４】
また、汎用ＭＰＵ１６０は、システムＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
【００５５】
このような汎用ＭＰＵ１６０は、図１に示すように、ＡＤ変換部１６１を有し、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータを用いて、粒子検出センサ１１０の粒子流路内に流れる大気に含まれる粒子についての種々の分析を行うことができる。この種々の分析とは、例えば、当該粒子の粒径の算出、又は、当該粒子の同定等である。
【００５６】
また、本実施の形態において、汎用ＭＰＵ１６０は、さらに、図１に示すように演算部１６２を有する。以下、汎用ＭＰＵ１６０の各構成について説明する。
【００５７】
［２−１．ＡＤ変換部］
ＡＤ変換部１６１は、増幅部１２２で増幅された電圧信号をサンプリング（標本化）及び量子化する。言い換えると、当該ＡＤ変換部１６１は、アナログ信号処理部１２０から出力されたアナログの電圧信号をＡＤ（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ）変換することにより、当該電圧信号に対応する時系列のデジタルデータを生成する。つまり、ＡＤ変換部１６１は、粒子検出センサ１１０から出力された電流信号に基づく時系列のデジタルデータを生成する。
【００５８】
具体的には、このＡＤ変換部１６１は、汎用ＭＰＵ１６０に予め組み込まれたＡＤ変換モジュールであり、当該汎用ＭＰＵ１６０のアナログ入力端子に入力された電圧信号をデジタルデータに変換する。例えば、ＡＤ変換部１６１は、汎用ＭＰＵ１６０においてアナログ入力用に設定された端子に入力された０．０〜５．０Ｖの範囲の電圧信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングし、サンプリングされた電圧信号の電圧を１０ビットのデジタル値に変換することにより、デジタルデータを生成する。
【００５９】
なお、汎用ＭＰＵ１６０のアナログ入力端子に入力される電圧の範囲は、上記例に限らず、例えば、当該入力される電圧の最大値は、汎用ＭＰＵ１６０の外部から指定される電圧（例えば３．３Ｖ）であってもよい。また、ＡＤ変換部１６１で生成されるデジタルデータのビット数は、上記例に限らず、例えば８ビットであっても１２ビットであってもよい。
【００６０】
［２−２．演算部］
演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータを用いて、粒子検出センサ１１０の粒子流路内に流れる気体に含まれる粒子の粒径を算出する。
【００６１】
ここで、演算部１６２は、演算部１６２による粒子の粒径の算出処理の概要について説明する。
【００６２】
上述したように、粒子検出センサ１１０から出力される電流信号は、粒子検出センサ１１０の粒子流路内に流れる気体に含まれる粒子の粒径に応じた信号である。よって、ＡＤ変換部１６１から演算部１６２に入力されるデジタルデータも粒子の粒径に応じた大きさとなる。具体的には、電流信号は、当該粒子の粒径が大きいほど、大きくなるので、デジタルデータも、当該粒子の粒径が大きいほど、大きくなる。
【００６３】
しかしながら、粒子検出センサ１１０は、個体ごとに特性が異なる場合がある。このような場合、同一の気体が各粒子検出センサ１１０の粒子流路内に導入された場合であっても、特性のバラつきによって、各粒子検出センサ１１０から出力される電流信号にバラつきが生じる虞がある。このような電流信号のバラつきは、すなわち、複数の粒子検出センサ１１０の感度のバラつきに相当する。
【００６４】
そこで、本実施の形態では、演算部１６２による粒径の算出処理において、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータ及び記憶部１４０に記憶されている補正係数を用いて、粒子の粒径を算出（演算）する。
【００６５】
これにより、本実施の形態に係る粒子測定装置１００は、粒子検出センサ１１０の感度による影響を低減して、粒径を算出できる。つまり、当該大気に含まれる粒子の粒径を精度良く算出できる。
【００６６】
具体的には、本実施の形態において、演算部１６２は、粒子の粒径を演算するための閾値を補正係数によって補正し、補正後の閾値を用いて粒子の粒径を算出する。なお、演算部１６２による粒径の算出処理の詳細については、後述する。
【００６７】
［３．粒径の高精度測定］
以下、本実施の形態に係る粒子測定装置１００が、大気に含まれる粒子の粒径を高精度に測定できることを、補正係数の初期設定処理及び粒径の算出処理について述べながら詳細に説明する。
【００６８】
［３−１．補正係数の初期設定処理］
まず、記憶部１４０への補正係数の初期設定処理について、図４〜図６を用いて説明する。上述したように、この補正係数は、例えば、粒子測定装置１００の製造工程において書き込まれている。
【００６９】
図４は、本実施の形態に係る粒子測定装置１００の製造工程における、記憶部１４０への補正係数の初期設定処理（書き込み処理）について説明するためのブロック図である。
【００７０】
同図に示すように、製造工程において、記憶部１４０への補正係数の書き込みは、当該記憶部１４０が搭載されたセンサモジュール１５０に接続された書き込み部５００によって実行される。
【００７１】
書き込み部５００は、検知領域ＤＡに所定の粒径を有する標準粒子が導入された場合に受光素子１１２から出力された電流に基づいて、粒子検出センサ１１０の感度に応じた補正係数を算出された値である補正する。また、さらに、書き込み部５００は、算出した補正係数を、記憶部１４０に書き込む。
【００７２】
以下、書き込み部５００による補正係数の初期設定処理について、図５及び図６を用いて説明する。図５は、製造工程において書き込み部５００により実行される補正係数の初期設定処理を示すフローチャートである。図６は、書き込み部５００によって算出された補正係数について説明するためのグラフである。
【００７３】
まず、書き込み部５００は、粒子検出センサ１１０の粒子検出センサ１１０の粒子流路内に、所定の粒径を有する標準粒子を導入する（Ｓ１１）。つまり、検知領域ＤＡに、当該標準粒子を導入する。なお、標準粒子の導入は書き込み部５００によって実行されなくてもよく、標準粒子を含む気体で満たされたチャンバ内に粒子検出センサ１１０を配置することによって実現されてもよい。
【００７４】
次に、書き込み部５００は、標準粒子が導入された状態において粒子検出センサ１１０から出力された電流に基づくピーク値を取得する（Ｓ１２）。具体的には、書き込み部５００は、センサモジュール１５０から出力された電圧のピーク値を取得する。
【００７５】
例えば、書き込み部５００は、センサモジュール１５０から出力された電圧信号が図６の第１取得波形で示されるような場合、当該第１取得波形のピーク値Ｐ１を取得する。同様に、当該電圧波形が図６の第２取得波形で示されるような場合、当該第２取得波形のピーク値Ｐ２を取得する。
【００７６】
次に、書き込み部５００は、取得したピーク値に基づいて補正係数を算出する（Ｓ１３）し、算出した補正係数を記憶部１４０に書き込む（Ｓ１４）。
【００７７】
ここで、補正係数算出処理（Ｓ１３）において、書き込み部５００は、具体的には、取得したピーク値と予め定められた理想的なピーク値ＰＩとを用いて補正係数ｆｋを算出する。
【００７８】
例えば、書き込み部５００は、理想的なピーク値ＰＩをセンサモジュール１５０から出力された電圧信号のピーク値で除した値を補正係数ｆｋとして算出する。
【００７９】
つまり、書き込み部５００は、センサモジュール１５０から出力された電圧信号が図６の第１取得波形の場合、すなわち、ピーク値取得処理（上記のＳ１２）で取得されたピーク値がＰ１の場合、ＰＩ／Ｐ１を補正係数ｆｋとして算出する。これにより、センサモジュール１５０から出力された電圧信号が比較的小さい場合には、補正係数ｆｋとして１より大きい値が算出される。
【００８０】
同様に、例えば、書き込み部５００は、センサモジュール１５０から出力された電圧信号が図６の第２取得波形の場合、すなわち、ピーク値取得処理（上記のＳ１２）で取得されたピーク値がＰ２の場合、ＰＩ／Ｐ２を補正係数ｆｋとして算出する。これにより、センサモジュール１５０から出力された電圧信号が比較的大きい場合には、補正係数ｆｋとして１より小さい値が算出される。
【００８１】
ここで、上述したように、センサモジュール１５０から出力される電圧信号は粒子検出センサ１１０から出力される電流に対応し、当該電流は粒子検出センサ１１０の感度に相当する。よって、理想的なピーク値ＰＩ及び実際のピーク値は、当該粒子検出センサ１１０の感度の基準となる基準感度及び当該粒子検出センサ１１０の実際の感度に相当する。
【００８２】
したがって、書き込み部５００は、センサモジュール１５０から出力された電圧信号が比較的小さい場合、つまり感度が低い場合には、１より大きい値を補正係数ｆｋとして算出する。一方、センサモジュール１５０から出力された電圧信号が比較的大きい場合、つまり感度が高い場合には、１より小さい値を補正係数ｆｋとして算出する。このような粒子検出センサ１１０の感度に応じた補正係数ｆｋを算出することにより、後述する粒径の算出処理において、粒子検出センサ１１０の感度による影響を低減して粒径を算出することができる。
【００８３】
このように、書き込み部５００は、基準感度に対する粒子検出センサ１１０の感度に応じた補正係数ｆｋを記憶部１４０に書き込む。
【００８４】
ここで、「理想的なピーク値」とは、例えば、粒子検出センサ１１０の検知領域ＤＡに標準粒子を導入した場合に当該粒子検出センサ１１０を含むセンサモジュール１５０から出力される理想波形のピーク値である。例えば、理想波形が図６で示すような波形の場合、理想的なピーク値はＰＩである。
【００８５】
なお、理想的なピーク値は、理想波形によって定められた値に限らず、例えば、粒子検出センサ１１０を含むセンサモジュール１５０の設計値によって定められてもよい。また、例えば、複数のセンサモジュール１５０の各々の粒子検出センサ１１０の検知領域ＤＡに標準粒子を導入した場合に、当該複数のセンサモジュール１５０から出力される電圧信号のピーク値の平均値又は中央値等であってもよい。
【００８６】
以上説明したような初期設定処理により、記憶部１４０には、基準感度に対する粒子検出センサ１１０の感度に応じた補正係数ｆｋが書き込まれる。
【００８７】
したがって、演算部１６２による粒径の算出処理において、このように算出された補正係数ｆｋを用いて粒子の粒径を算出することにより、粒子検出センサ１１０の感度による影響を低減して、粒径を算出できる。つまり、当該大気に含まれる粒子の粒径を精度良く算出できる。
【００８８】
［３−２．粒径の算出処理］
次に、演算部１６２による粒径の算出処理（演算処理）について、図７を用いて説明する。上述したように、粒子測定装置１００の演算部１６２は、当該粒子測定装置１００の製造工程において記憶部１４０に書き込まれた補正係数を用いて粒子の粒径を演算する。図７は、演算部１６２により実行される粒径の算出処理を示すフローチャートである。
【００８９】
まず、演算部１６２は、記憶部１４０から補正係数ｆｋを読み出す（Ｓ２１）。
【００９０】
その後、演算部１６２は、粒子の粒径を演算するための閾値を補正係数ｆｋによって補正し（Ｓ２２）、補正後の閾値を用いて粒径を算出（演算）する（Ｓ２３）。
【００９１】
例えば、演算部１６２は、１０段階の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ１０を用いて粒径を算出する場合、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータのピーク値が１０段階の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ１０によって区切られる範囲のいずれに位置するかを求めることにより粒径を算出する。
【００９２】
ここで、ＡＤ変換部１６１で生成されるデジタルデータは、粒子検出センサ１１０の感度に依存した値である。つまり、同一粒径の粒子が導入された場合であっても、粒子検出センサ１１０の感度が高い場合にはデジタルデータの値は比較的大きな値となり、一方、粒子検出センサ１１０の感度が低い場合にはデジタルデータの値は比較的小さな値となる。
【００９３】
したがって、粒子検出センサ１１０の感度に因らず同一の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ１０を用いて粒子の粒径を算出した場合、次のような問題が生じる虞がある。
【００９４】
具体的には、粒子検出センサ１１０の感度が低い場合、演算部１６２で算出された粒径は実際の粒径よりも小さく算出される虞がある。一方、粒子検出センサ１１０の感度が高い場合、演算部１６２で算出された粒径は実際の粒径よりも大きく算出される虞がある。
【００９５】
このように、演算部１６２が閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ１０を補正せずに粒径を算出した場合、粒径を精度良く算出することが困難になる虞がある。
【００９６】
これに対して、本実施の形態では、演算部１６２は、補正処理（Ｓ２２）において、記憶部１４０に記憶されている補正係数ｆｋを用いて閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ１０を補正する。その後、粒径算出処理（Ｓ２３）において、補正後の閾値Ｖｔｈ１’〜Ｖｔｈ１０’を用いて粒子の粒径を算出する。例えば、演算部１６２は、記憶部１４０に記憶されている補正係数ｆｋに補正前の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ１０を乗算した値を補正後の閾値Ｖｔｈ１’〜Ｖｔｈ１０’として粒径を算出する。
【００９７】
これにより、演算部１６２は、粒子検出センサ１１０の感度による影響を低減して、粒径を算出できる。つまり、粒子の粒径を精度良く算出できる。すなわち、以上説明したような粒径の算出処理により、本実施の形態に係る粒子測定装置１００は、粒子検出センサ１１０の粒子流路内に流れる気体に含まれる粒子の粒径を精度良く算出できる。
【００９８】
さらに、演算部１６２は、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ１０を補正するだけの簡易な処理で当該粒子の粒径を精度良く算出できる。よって、汎用ＭＰＵ１６０として高性能なデバイスを用いることなく、当該粒子の粒径を精度良く算出できる。
【００９９】
［４．まとめ］
以上説明したように、本実施に係る粒子測定装置１００は、粒子検出センサ１１０の感度に応じた補正係数ｆｋを記憶している記憶部１４０と、受光素子１１２から出力された電流を電圧に変換することにより電圧信号を生成するＩＶ変換部１２１と、電圧信号を増幅する増幅部１２２と、増幅された電圧信号をサンプリング及び量子化するＡＤ変換部１６１と、ＡＤ変換部１６１でサンプリング及び量子化された電圧信号である時系列のデジタルデータ及び補正係数ｆｋを用いて、粒子の粒径を演算する演算部１６２とを備える。
【０１００】
これにより、演算部１６２は、粒子検出センサ１１０の感度による影響を低減して、粒径を算出できる。よって、本実施の形態に係る粒子測定装置１００は、粒子検出センサ１１０の粒子流路内に流れる気体に含まれる粒子の粒径を精度良く算出できる。
【０１０１】
また、本実施の形態において、補正係数ｆｋは、検知領域に所定の粒径を有する標準粒子が導入された場合に受光素子１１２から出力された電流に基づいて算出された値である。
【０１０２】
また、本実施の形態において、演算部１６２は、粒子の粒径を演算するための閾値を補正係数ｆｋによって補正し、補正後の閾値を用いて粒子の粒径を演算する。
【０１０３】
このように、本実施の形態では、閾値を補正するだけの簡易な処理で、粒子検出センサ１１０の粒子流路内に流れる気体に含まれる粒子の粒径を精度良く算出できる。
【０１０４】
また、演算部１６２は、上述した粒径算出処理（Ｓ２３）、すなわち、デジタルデータのピーク値を検出する演算（ピークサーチ）を、常時行っていてもよいし、所定の条件を満たしている場合のみに行っていてもよい。
【０１０５】
例えば、演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータが補正後の閾値Ｖｔｈ１’〜Ｖｔｈ１０’のうち最低の閾値（例えば、Ｖｔｈ１’）より大きい場合に、ピークサーチを行ってもよい。言い換えると、演算部１６２は、当該デジタルデータが補正後の最低の閾値Ｖｔｈ１’を超えた場合に、ピークサーチを開始してもよい。
【０１０６】
このように、演算部１６２は、所定の条件を満たしている場合のみにピークサーチを行うことにより、常時ピークサーチを行う場合と比較して、演算量（処理量）を低減することができる。つまり、汎用ＭＰＵ１６０として高性能なデバイスを用いることなく、粒子の粒径を算出することができる。
【０１０７】
ここで、補正後の最低の閾値Ｖｔｈ１’は、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号のノイズフロアに対応するデジタル値より大きい値であってもよい。
【０１０８】
これにより、演算部１６２がノイズのピークを算出することにより生じる各種の誤検知を低減できる。なお、各種の誤検知とは、例えば、粒子の粒径の誤検知、及び、粒子の個数の誤検知等である。
【０１０９】
なお、ピークサーチを開始するタイミングは、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータが補正後の最低の閾値Ｖｔｈ１’を超えたタイミングに限らず、補正前の最低の閾値Ｖｔｈ１を超えたタイミングであってもよい。
【０１１０】
（変形例）
次に、上記実施の形態の変形例について、上記実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【０１１１】
上記実施の形態では、演算部１６２は、粒子の粒径を演算するための閾値を補正係数によって補正し、補正後の閾値を用いて粒子の粒径を演算した。これに対し、本変形例では、演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータを補正係数によって補正し、補正後のデジタルデータを用いて粒子の粒径を演算する。
【０１１２】
以下、本変形例における演算部１６２による粒径の算出処理（演算処理）について、説明する。当該算出処理は、図７を用いて説明した上記実施の形態における粒径の算出処理とほぼ同じであるが、補正処理（Ｓ２２）及び粒径算出処理（Ｓ２３）における処理が異なる。
【０１１３】
具体的には、本変形例における演算部１６２は、補正処理（Ｓ２２）において、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータを補正する。
【０１１４】
ここで、上述したように、ＡＤ変換部１６１で生成されるデジタルデータは、粒子検出センサ１１０の感度に依存した値である。つまり、同一粒径の粒子が導入された場合であっても、粒子検出センサ１１０の感度が高い場合にはデジタルデータの値は比較的大きな値となり、一方、粒子検出センサ１１０の感度が低い場合にはデジタルデータの値は比較的小さな値となる。
【０１１５】
具体的には、上述したように、粒子検出センサ１１０の感度が低い場合、演算部１６２で算出された粒径は実際の粒径よりも小さく算出される虞がある。一方、粒子検出センサ１１０の感度が高い場合、演算部１６２で算出された粒径は実際の粒径よりも大きく算出される虞がある。
【０１１６】
したがって、本変形例における演算部１６２がデジタルデータを補正せずに粒径を算出した場合、粒径を精度良く算出することが困難になる虞がある。
【０１１７】
これに対し、本変形例において、演算部１６２は、デジタルデータを補正し、補正後のデジタルデータを用いて粒子の粒径を算出する。例えば、当該演算部１６２は、記憶部１４０に記憶されている補正係数ｆｋに補正前のデジタルデータを乗算したデータを補正後のデジタルデータとして粒径を算出する。
【０１１８】
つまり、本変形例における演算部１６２は、粒子測定装置１００に搭載された粒子検出センサ１１０の感度が低い場合には、デジタルデータを大きくするように補正する。一方、粒子測定装置１００に搭載された粒子検出センサ１１０の感度が高い場合には、デジタルデータを小さくするように補正する。
【０１１９】
これにより、本変形例における演算部１６２は、上記実施の形態と同様の効果を奏する。すなわち、粒子検出センサ１１０の感度による影響を低減して、粒径を算出できる。つまり、粒子の粒径を精度良く算出できる。
【０１２０】
ここで、粒子検出センサ１１０の感度による影響を低減して粒子の粒径を精度良く算出する構成として、当該粒子検出センサ１１０の感度に応じて、増幅部１２２の増幅率を変化させる構成が考えられる。このような構成としては、例えば、増幅器１２２ｂの回路定数を可変抵抗等で調整可能に設計し、粒子検出センサ１１０の感度に応じて当該回路定数を調整する構成が考えられる。
【０１２１】
しかしながら、増幅器１２２ｂ等のアナログ回路の回路定数を調整した場合、調整前と調整後とで回路定数の温度係数が異なる虞がある。つまり、粒子検出センサ１１０の感度に応じて、アナログ回路の回路定数の温度依存性が異なる虞がある。
【０１２２】
これに対して、本変形例では、粒子検出センサ１１０の感度に応じてデジタルデータを補正する。よって、粒子検出センサ１１０の感度によらず、アナログ回路の回路定数の温度依存性を実質的に同一にすることができる。
【０１２３】
また、さらに、増幅器１２２ｂ等のアナログ回路の回路定数を調整する場合には、粒子測定装置の長期信頼性が低くなる虞がある。この理由は、アナログ回路は、当該アナログ回路を構成する回路素子の振動又は吸湿等により長期性能ドリフトが大きいことによる。
【０１２４】
これに対して、本変形例では、粒子検出センサ１１０の感度に応じてデジタルデータを補正する。よって、アナログ回路の長期性能ドリフトを抑制することができるので、長期信頼性を確保できる。
【０１２５】
また、演算部１６２は、上述した粒径算出処理（Ｓ２３）、すなわち、デジタルデータのピーク値を検出する演算（ピークサーチ）を、常時行っていてもよいし、所定の条件を満たしている場合のみに行っていてもよい。
【０１２６】
例えば、演算部１６２は、補正後のデジタルデータが、粒径を算出するための複数の閾値（例えば、１０段階の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ１０）のうち最低の閾値（例えば、Ｖｔｈ１）より大きい場合に、ピークサーチを行ってもよい。言い換えると、演算部１６２は、当該デジタルデータが最低の閾値を超えた場合に、ピークサーチを開始してもよい。
【０１２７】
このように、演算部１６２は、所定の条件を満たしている場合のみにピークサーチを行うことにより、常時ピークサーチを行う場合と比較して、演算量（処理量）を低減することができる。つまり、汎用ＭＰＵ１６０として高性能なデバイスを用いることなく、粒子の粒径を算出することができる。
【０１２８】
ここで、最低の閾値Ｖｔｈ１は、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号のノイズフロアに対応するデジタル値を補正係数ｆｋで補正した値より大きい値であってもよい。
【０１２９】
これにより、演算部１６２がノイズのピークを算出することにより生じる各種の誤検知を低減できる。なお、各種の誤検知とは、例えば、粒子の粒径の誤検知、及び、粒子の個数の誤検知等である。
【０１３０】
なお、ピークサーチを開始するタイミングは、補正後のデジタルデータが最低の閾値Ｖｔｈ１を超えたタイミングに限らず、補正前のデジタルデータが最低の閾値Ｖｔｈ１を超えたタイミングであってもよい。
【０１３１】
（その他変形例等）
以上、本発明に粒子測定装置ついて、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
【０１３２】
また、上記説明において、粒子を含む媒体は、大気（空気）としたが、大気以外の媒体（水等の液体）であってもよい。
【０１３３】
また、粒子検出センサ１１０の構成は、上記説明に示す構成に限らず、少なくとも、投光素子１１１と受光素子１１２とを備え、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子の光の散乱光を受光素子で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出すればよい。このような構成であっても、当該粒子検出センサを備える粒子測定装置は、気体に含まれる粒子の粒径を精度良く測定できる。
【０１３４】
また、増幅部の構成は、上記説明に示す構成に限らず、少なくともＩＶ変換部１２１から出力された電圧信号を所定の帯域で増幅すればよい。つまり、増幅部はバンドパスフィルタ１２２ａを含まなくてもよく、ハイパスフィルタ又はローパスフィルタ等を含んでもよい。また、増幅器１２２ｂは１段であっても複数段であってもよい。
【０１３５】
また、上記説明において、汎用ＭＰＵ内の各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたは半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。
【０１３６】
また、演算部は、上記説明に限らず、少なくともデジタルデータ及び補正係数を用いて、粒子の粒径を算出（演算）すればよい。例えば、演算部はデジタルデータのピーク値を求め、求めたピーク値、及び、記憶部１４０に記憶されている補正係数ｆｋを用いてピーク値を補正し、補正したピーク値を用いて粒子の粒径を算出してもよい。
【０１３７】
また、補正係数は、上記説明のように製造工程における書き込みにより生成されたものに限らず、例えば、粒子検出センサ１１０を起動してから所定時間経過する毎に生成されたものであってもよい。このように、粒子検出センサ１１０の起動後に生成された補正係数を用いることにより、粒子測定装置１００は、当該粒子検出センサ１１０を構成する部品の劣化等による粒径算出の精度の劣化を抑制できる。
【０１３８】
また、上記説明では、記憶部１４０に記憶されている補正係数は、検知領域ＤＡに標準粒子が導入された場合に受光素子１１２から出力された電流に基づいて算出された値に基づくとしたが、これに限らない。当該補正係数は、少なくとも当該記憶部１４０が搭載されたセンサモジュールに搭載されている粒子検出センサ１１０の感度に応じていればよく、例えば、複数の粒子検出センサの平均感度に対する当該粒子検出センサ１１０の感度に対応していてもよい。
【０１３９】
その他、実施の形態及び変形例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実施の形態及び変形例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。
【０１４０】
例えば、上述した実施の形態及び変形例に係る粒子測定装置を備える各種装置（煙感知器、空気清浄機、又は、換気扇等）も、本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【０１４１】
１００    粒子測定装置
１１０    粒子検出センサ
１１１    投光素子
１１２    受光素子
１２１    ＩＶ変換部
１２２    増幅部
１４０    記憶部
１６１    ＡＤ変換部
１６２    演算部
【図１】
2015210188.tif 000003
【図２Ａ】
2015210188.tif 000004
【図２Ｂ】
2015210188.tif 000005
【図２Ｃ】
2015210188.tif 000006
【図３】
2015210188.tif 000007
【図４】
2015210188.tif 000008
【図５】
2015210188.tif 000009
【図６】
2015210188.tif 000010
【図７】
2015210188.tif 000011