(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、粒子を含む大気を流す粒子流路３３と、粒子流路３３内の粒子による投光素子１１１の光の散乱光を受光する受光素子１１２と、電流が流れることで大気の一部を加熱して粒子流路３３に気流を発生させる加熱部１１５と、外気温を計測する温度センサ１８０と、温度センサ１８０により計測された外気温に基づいて、加熱部１１５に流す電流を調整する電流調整部１７０と、受光素子１１２から出力された電流を電圧信号に変換するＩＶ変換部１２１と、当該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増幅部１２２と、当該パルス波形を含む電圧信号に基づ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
2015210184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光素子と、
粒子を含む大気を流す粒子流路と、
前記粒子流路内の前記粒子による前記投光素子の光の散乱光を受光する受光素子と、
電流が流れることで大気の一部を加熱して前記粒子流路に気流を発生させる加熱部と、
外気温を計測する温度センサと、
前記温度センサにより計測された外気温に基づいて、前記加熱部に流す電流を調整する電流調整部と、
前記受光素子から出力された電流を電圧信号に変換するＩＶ変換部と、
前記電圧信号を増幅し、当該電圧信号を前記粒子に対応したパルス波形を含む電圧信号に変換する増幅部と、
前記パルス波形を含む電圧信号に基づいて、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】
前記電流調整部は、前記温度センサにより計測された外気温が基準温度より高い場合、前記加熱部に流す電流を所定値よりも大きくし、前記外気温が前記基準温度より低い場合、前記加熱部に流す電流を前記所定値よりも小さくする
請求項１に記載の粒子測定装置。
【請求項３】
前記電流調整部は、前記温度センサにより計測された外気温と前記加熱部の温度との温度差が一定となるよう、前記加熱部に流す電流を調整する
請求項１または２に記載の粒子測定装置。
【請求項４】
前記加熱部は、抵抗素子である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子測定装置。
【請求項５】
さらに、
前記パルス波形を含む電圧信号をサンプリング及び量子化するＡＤ変換部を備え、
前記演算部は、前記ＡＤ変換部によりサンプリング及び量子化された前記電圧信号に基づいて、前記粒子の粒径を演算する
請求項１〜４のいずれか１項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、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を備え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】
近年、より粒径の小さい微粒子を検出するために粒子検出センサのさらなる高感度化が要望されており、例えば、ファンやヒータ抵抗によって気流を発生させて粒子検出センサ内に沢山の粒子を取り込むことで高感度化することが考えられている。
【０００６】
しかしながら、単にファンやヒータ抵抗を設けただけでは気流の流速を一定に保つことができず、粒径などの測定精度にばらつきが発生する。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る粒子測定装置の一態様は、投光素子と、粒子を含む大気を流す粒子流路と、前記粒子流路内の前記粒子による前記投光素子の光の散乱光を受光する受光素子と、電流が流れることで大気の一部を加熱して前記粒子流路に気流を発生させる加熱部と、外気温を計測する温度センサと、前記温度センサにより計測された外気温に基づいて、前記加熱部に流す電流を調整する電流調整部と、前記受光素子から出力された電流を電圧信号に変換するＩＶ変換部と、前記電圧信号を増幅し、当該電圧信号を前記粒子に対応したパルス波形を含む電圧信号に変換する増幅部と、前記パルス波形を含む電圧信号に基づいて、前記粒子の粒径を演算する演算部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る粒子測定装置の一態様において、前記電流調整部は、前記温度センサにより計測された外気温が基準温度より高い場合、前記加熱部に流す電流を所定値よりも大きくし、前記外気温が前記基準温度より低い場合、前記加熱部に流す電流を前記所定値よりも小さくしてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る粒子測定装置の一態様において、前記電流調整部は、前記温度センサにより計測された外気温と前記加熱部の温度との温度差が一定となるよう、前記加熱部に流す電流を調整してもよい。
【００１１】
また、本発明に係る粒子測定装置の一態様において、前記加熱部は、抵抗素子であってもよい。
【００１２】
また、本発明に係る粒子測定装置の一態様において、さらに、前記パルス波形を含む電圧信号をサンプリング及び量子化するＡＤ変換部を備え、前記演算部は、前記ＡＤ変換部によりサンプリング及び量子化された前記電圧信号に基づいて、前記粒子の粒径を演算してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、微粒子の粒径等を高精度で測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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】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】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】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】受光素子で検出される光強度の時間依存性を示すグラフである。
【図４】アナログデータを用いた粒径測定方法の一例を説明する図である。
【図５】比較例に係る粒子測定装置の課題を説明する図である。
【図６】実施の形態に係る粒子測定装置における粒子流路の流速制御を説明する動作フローチャートである。
【図７】温度差と気流速度との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、電源部１３０、電流調整部１７０、及び温度センサ１８０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。
【００２０】
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。
【００２１】
［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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。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。
【００２７】
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３３が設けられている。
【００２８】
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３３内に存在するように配置されており、測定対象の気体は、粒子流路３３を通って検知領域ＤＡに導かれる。
【００２９】
なお、本実施の形態において、粒子流路３３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３３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配置されているが、当該平面と直交するように配置されていてもよい。
【００３０】
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。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態では、反射体１１４は、受光領域３２に設けられている。具体的には、反射体１１４は、受光領域３２における筐体１１３の内面に沿って設けられた集光ミラーであり、反射面である内面が曲面となっている。図１に示すように、反射体１１４の内面は、回転楕円体の回転面の一部である。つまり、反射体１１４は、内面（反射面）の形状が回転楕円面の一部の形状をなす楕円ミラーであり、反射体１１４の内面の断面形状は楕円の一部である。
【００３２】
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が金属等の反射材料で形成されてもよいし、樹脂や金属のベース部材の表面に反射面となる反射膜が形成されてもよい。
【００３３】
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。
【００３４】
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、例えば、ヒータ抵抗等の抵抗素子であり、本実施の形態では、粒子流路の入口付近に配置されている。
【００３５】
例えば、加熱部１１５がヒータ抵抗である場合、電流調整部１７０からヒータ抵抗に電流が供給されると、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によって粒子流路の入口付近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。なお、ヒータ抵抗の温度は、電流調整部１７０から供給される電流が大きいほど高くなる。また、上昇気流の速度は、加熱部１１５が設置された粒子流路の入口付近である下端部と粒子流路の出口付近である上端部との温度差が大きいほど速くなる。これより、例えば、粒子検出センサ１１０の外部の温度が一定の場合、電流調整部１７０から供給される電流が大きいほど上昇気流の速度は大きくなる。
【００３６】
このように、加熱部１１５によって粒子流路付近の大気の一部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。これにより、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。
【００３７】
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３３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。
【００３８】
［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。
【００３９】
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の動作を説明するための断面図である。また、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のパルス波形を示すグラフである。
【００４０】
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３５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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
［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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
［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。
【００５２】
［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３３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調整された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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
［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、アナログ信号処理部１２０、電流調整部１７０及び温度センサ１８０）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を含む。
【００５６】
［１−５．温度センサ］
温度センサ１８０は、外気温を計測するセンサであり、例えば、筐体１１３の外面部または粒子流路３３の上端部である大気排出口に設置され、計測データを電流調整部１７０へ出力する。
【００５７】
［１−６．電流調整部］
電流調整部１７０は、温度センサ１８０により計測された外気温に基づいて、加熱部１１５に流す電流を調整する。より具体的には、電流調整部１７０は、温度センサ１８０により計測された外気温と加熱部１１５の温度との温度差が一定となるよう、加熱部１１５に流す電流を調整する。電流調整部１７０の電流調整動作の詳細については後述する。
【００５８】
［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。
【００５９】
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。
【００６０】
このような汎用ＭＰＵ１６０は、図１に示すように、ＡＤ変換部１６１と演算部１６２とを有する。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。
【００６１】
なお、本実施の形態に係る粒子測定装置１００において、ＡＤ変換部１６１は必須の構成要素ではなく、演算部１６２は、増幅部１２２から出力されたアナログデータを用いて粒子の粒径等を算出してもよい。以下、汎用ＭＰＵ１６０の各構成について説明する。
【００６２】
［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。
【００６３】
具体的には、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信号に変換する。例えば、ＡＤ変換部１６１は、汎用ＭＰＵ１６０においてアナログ入力用に配置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。
【００６４】
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値のビット数は、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。
【００６５】
［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３３内に流れる大気に含まれる粒子の粒径を算出する。
【００６６】
ここで、演算部１６２による粒子の粒径の算出処理について説明する。
【００６７】
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３３内に流れる大気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。
【００６８】
したがって、演算部１６２は、時系列のデジタルデータのピークを検出し、検出したピークの値を用いて当該粒子の粒径を算出する。つまり、演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１による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を用いて、当該デジタルデータのピーク値を求め、求めたピーク値を用いて粒子の粒径を演算する。
【００６９】
また、粒子検出センサ１１０から出力される電流信号のピークの１つ１つ、つまり、粒子による散乱光の光強度のピーク１つ１つは、粒子の１つ１つに対応する。よって、演算部１６２は、粒子検出センサ１１０内に導入された大気の中の粒子の個数（量）も算出することができる。
【００７０】
また、演算部１６２は、上述したデジタルデータのピークを検出する演算（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。
【００７１】
例えば、演算部１６２は、粒子の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）を有し、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータが当該複数の閾値のうち最低の閾値（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。
【００７２】
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。
【００７３】
ここで、粒子の粒径を算出するための複数の閾値のうち最低の閾値は、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。
【００７４】
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。
【００７５】
また、本実施の形態に係る粒子測定装置１００において、ＡＤ変換部１６１がない構成の場合、演算部１６２は、増幅部１２２から出力されたアナログデータを用いて粒子の粒径を演算することが可能である。
【００７６】
図４は、アナログデータを用いた粒径測定方法の一例を説明する図である。この場合、汎用ＭＰＵは、例えば、コンパレータを有する。コンパレータは、アナログ信号処理部１２０から出力された電圧信号と所定の閾値電圧Ｖｔｈとを比較し、電圧信号の電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以下の場合にハイレベル電圧を出力する。一方、コンパレータは、電圧信号の電圧が閾値電圧Ｖｔｈより大きい場合にローレベル電圧を出力する。
【００７７】
例えば、図２Ｂに示すような粒径の小さな粒子Ｐ１が検知領域ＤＡにある場合、電圧信号は図４の（ａ）の「粒径：小」で示すようなグラフになる。また、図２Ｃに示すような粒径の大きな粒子Ｐ２が検知領域ＤＡにある場合、電圧信号は図４の（ａ）の「粒径：大」で示すようなグラフになる。このとき、コンパレータの出力がローレベル電圧となっている期間は、粒径の小さな粒子Ｐ１が検知領域ＤＡにある場合（期間Ｐａ）より粒径の大きな粒子Ｐ２が検知領域ＤＡにある場合（期間Ｐｂ）のほうが長くなる。
【００７８】
よって、コンパレータの出力がローレベル電圧となっている期間は、検知領域ＤＡに位置する粒子の粒径が大きくなるほど長くなる。
【００７９】
したがって、アナログデータから上記期間を算出することにより、検知領域ＤＡに存在する粒子の粒径を推定できる。つまり、演算部１６２は、増幅部１２２で変換された電圧信号に対応した信号のパルス幅を求めることにより、粒子の粒径を演算する。
【００８０】
［３．粒径の高精度測定］
ここでは、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説明する。まず、比較例に係る粒子測定装置の課題について説明する。
【００８１】
図５は、比較例に係る粒子測定装置の課題を説明する図である。より具体的には、図５の（ａ）には、気体の流速が小さい（気体が遅い）場合の粒子検出センサ１１０の状態が模式的に示されている。また、図５の（ｂ）には、気体の流速が大きい（気体が速い）場合の粒子検出センサ１１０の状態が模式的に示されている。また、図５の（ｃ）には、（ａ）及び（ｂ）に示した状態において、アナログ信号処理部１２０から出力された電圧信号が示されている。なお、図５の（ａ）及び（ｂ）では、同じ粒径を有する粒子による散乱光の状態が示されている。
【００８２】
同図の（ａ）に示すように、粒子検出センサ１１０内に導入した気体の流速が小さい場合、粒子Ｐ３からの散乱光が受光素子１１２で受光される期間が長くなる。
【００８３】
これに対して、同図の（ｂ）に示すように、粒子検出センサ１１０内に導入した気体の流速が小さい場合、粒子Ｐ３からの散乱光が受光素子１１２で受光される期間が短くなる。
【００８４】
したがって、検知領域ＤＡに存在する粒子の粒径が実質的に同じ場合であっても、流速が互いに異なる場合には、アナログ信号処理部１２０から出力される電圧信号の波形が互いに異なる虞がある。
【００８５】
具体的には、同図の（ｃ）に示すように、粒子検出センサ１１０内に導入した気体の流速が小さい場合の電圧信号は、当該流速が大きい場合の電圧信号と比較して、ピーク電圧が同じ、かつ、長時間に亘って出現する波形となる。言い換えると、当該流速が小さい場合の電圧信号は、当該流速が大きい場合の電圧信号と比較して、ピーク電圧が同じ、かつ、半値幅が大きい波形となる。
【００８６】
図５の（ｃ）に示された電圧信号が、アナログ信号処理部から汎用ＭＰＵへ出力された場合、汎用ＭＰＵは、同じ粒径を有する粒子であっても気流速度の相違により、電圧信号の電圧が閾値電圧Ｖｔｈより大きい期間が変動する。この結果、気流速度の相違により、粒径の算出値にばらつきが生じてしまい、粒径測定の精度が低下するという課題が発生する。
【００８７】
上記課題は、汎用ＭＰＵがアナログ電圧信号を処理する場合に限られず、アナログ電圧信号がＡＤ変換されたデジタル電圧信号を処理する場合であっても発生する虞がある。例えば、ＡＤ変換されたデジタル電圧信号からピーク値を算出する場合、ＡＤ変換器の精度及びビット数によっては、誤差を含むピーク値をパルス幅で校正することが想定される。
【００８８】
これに対して、本実施の形態に係る粒子測定装置１００では、（１）温度センサ１８０が外気温を計測し、（２）電流調整部１７０が温度センサ１８０により計測された外気温に基づいて、加熱部１１５に流す電流を調整し、（３）加熱部１１５に調整電流が流れることで大気の一部を加熱して粒子流路３３に一定速度の気流を発生させる。より具体的には、粒子測定装置１００は、以下のように粒子流路３３の気流速度を調整する。
【００８９】
図６は、実施の形態に係る粒子測定装置における粒子流路の流速制御を説明する動作フローチャートである。
【００９０】
まず、温度センサ１８０は、外気温を計測する（Ｓ１０）。
【００９１】
次に、電流調整部１７０は、温度センサ１８０で計測された外気温の計測データを取得し、取得された外気温Ｔａと基準温度Ｔｒとを比較する（Ｓ２０）。
【００９２】
ステップＳ２０において、外気温Ｔａが基準温度Ｔｒよりも高い場合（Ｓ２０でＹ）、電流調整部１７０は、加熱部１１５へ供給する電流値を所定値よりも増加させる（Ｓ３０）。ここで、所定値とは、例えば、電流調整部１７０が加熱部１１５へ現在供給している電流値である。
【００９３】
また、外気温Ｔａが基準温度Ｔｒよりも高くない場合（Ｓ２０でＮ）、かつ、外気温Ｔａが基準温度Ｔｒよりも低い場合（Ｓ４０でＹ）、電流調整部１７０は、加熱部１１５へ供給する電流値を所定値よりも減少させる（Ｓ５０）。
【００９４】
上述したステップＳ１０〜Ｓ５０を、連続的あるいは定期的に実行することにより、外気温の変動があっても、外気温と加熱部１１５の温度との温度差を一定に保つことが可能となる。
【００９５】
粒子流路３３内の気流速度は、上記温度差により変化する。粒子測定装置１００の上記構成及び動作によれば、温度センサ１８０の出力により、電流調整部１７０が加熱部１１５に供給する電流を調整し、上記温度差を一定に保つことが可能となる。つまり、外気温の変動があっても気流速度を一定に保つことが可能となる。これにより、センサモジュール１５０から出力される電圧信号が、外部環境により変動することを抑制できるので、微粒子の粒径等を高精度で測定することが可能となる。
【００９６】
なお、上述した気流速度の制御において、上記温度差と気流速度とは一意に決まらない場合が想定される。
【００９７】
図７は、温度差と気流速度との関係を表すグラフである。同図において、横軸は加熱部１１５の温度と外気温との温度差ΔＴを示し、縦軸は粒子流路３３内の気流速度を示している。同図のグラフは、温度差ΔＴが大きいほど気流速度は大きくなることを表しているが、さらに、外気温により気流速度の温度差依存性が変動することも表している。例えば、温暖地（外気温Ａ）と寒冷地（外気温Ｂ）とでは、適用すべき気流速度の温度差依存性が異なる。よって、電流調整部１７０は、想定される外気温に応じて、参照すべき気流速度の温度差依存性データを複数保持していることが好ましい。これにより、微粒子の粒径等を、より高精度で測定することが可能となる。
【００９８】
［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、投光素子１１１と、粒子流路３３と、受光素子１１２と、電流が流れることで大気の一部を加熱して粒子流路３３に気流を発生させる加熱部１１５と、外気温を計測する温度センサ１８０と、外気温に基づいて加熱部１１５に流す電流を調整する電流調整部１７０と、受光素子１１２から出力された電流を電圧信号に変換するＩＶ変換部１２１と、当該電圧信号を増幅し、粒子に対応したパルス波形を含む電圧信号に変換する増幅部１２２と、当該パルス波形を含む電圧信号に基づいて、粒子の粒径を演算する演算部１６２とを備える。
【００９９】
これによれば、温度センサ１８０の出力により電流調整部１７０が加熱部１１５に供給する電流を調整し、外気温と加熱部１１５の温度との温度差を一定に保つことが可能となる。よって、センサモジュール１５０から出力される電圧信号が、外部環境により変動することを抑制でき、演算部１６２は、当該パルス波形を含む電圧信号に基づいて、微粒子の粒径等を高精度で測定することが可能となる。
【０１００】
また、電流調整部１７０は、温度センサ１８０により計測された外気温が基準温度より高い場合、加熱部１１５に流す電流を所定値よりも大きくし、外気温が基準温度より低い場合、加熱部１１５に流す電流を所定値よりも小さくしてもよい。つまり、電流調整部１７０は、温度センサ１８０により計測された外気温と加熱部１１５の温度との温度差が一定となるよう、加熱部１１５に流す電流を調整してもよい。
【０１０１】
これにより、外気温の変動があっても、外気温と加熱部１１５の温度との温度差を一定に保つことが可能となる。
【０１０２】
また、加熱部１１５は、抵抗素子であってもよい。
【０１０３】
これにより、粒子流路３３付近の大気の一部を加熱することが可能となる。よって、小型かつ簡素化された構造により、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。
【０１０４】
また、さらに、当該パルス波形を含む電圧信号をサンプリング及び量子化するＡＤ変換部１６１を備え、演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１によりサンプリング及び量子化された電圧信号に基づいて、粒子の粒径を演算してもよい。
【０１０５】
これにより、パルス波形を含む電圧信号を高精度にデジタル変換することが可能となる。
【０１０６】
なお、演算部１６２は、上記パルス波形を含む電圧信号をアナログデータとして取得した場合であっても、上述した電流調整部１７０及び温度センサ１８０により、当該電圧信号が外部環境により変動することを抑制できるので、当該パルス波形を含む電圧信号のパルス幅を求めることにより、微粒子の粒径等を高精度で測定することが可能となる。
【０１０７】
（その他変形例等）
以上、本発明に係る粒子測定装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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、投光素子と受光素子とを備え、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。
【０１１０】
例えば、上記実施の形態において、反射体は、回転楕円体又は回転放物線の一部としたが、これに限るものではなく、円錐曲線の回転体の一部とすることができる。この場合、円錐曲線としては、円よりも、楕円、放物線及び双曲線の中から選ぶとよい。つまり、反射体は、球体よりも、回転楕円体や回転放物線、回転双曲線の一部にするとよい。反射体が球体である場合、積分球のように拡散反射を利用すると、散乱光が何回も反射（多重反射）して減衰して、受光素子１１２に光があまり入らなくなる。例えば、回転楕円体の場合と比べて、球体の場合は、１／１００程度しか受光しなくなる。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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】
【０１１４】
３３    粒子流路
１００    粒子測定装置
１１１    投光素子
１１２    受光素子
１１５    加熱部
１２１    ＩＶ変換部
１２２    増幅部
１６１    ＡＤ変換部
１６２    演算部
１７０    電流調整部
１８０    温度センサ
【図１】
2015210184.tif 000003
【図２Ａ】
2015210184.tif 000004
【図２Ｂ】
2015210184.tif 000005
【図２Ｃ】
2015210184.tif 000006
【図３】
2015210184.tif 000007
【図４】
2015210184.tif 000008
【図５】
2015210184.tif 000009
【図６】
2015210184.tif 000010
【図７】
2015210184.tif 000011