(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾル内の粒子質量を測定するための質量センサであって、
センサ要素と、
前記センサ要素に堆積した粒子の質量を検出するための検出器と、
感知動作を実行するための感知サイクルの間に前記検出器を動作させるためのコントローラと、
を有し、前記感知サイクルの間に前記センサ要素に粒子が堆積し、前記センサ要素の寿命は、連続する複数の感知サイクルの間に堆積する総質量に依存し、前記コントローラは、前記感知サイクルの間に、堆積した粒子により引き起こされる予め設定された質量の変化が引き起こされるように、前記感知サイクルの継続時間を設定するよう構成された、質量センサ。
【請求項２】
前記コントローラは更に、前記感知サイクルの継続時間から、サンプリングされたエアロゾルの体積を導出し、これにより単位体積当たりの粒子濃度を導出するよう構成された、請求項１に記載の質量センサ。
【請求項３】
前記検出器は、前記センサ要素を共鳴へと駆動し、前記センサ要素の共鳴周波数を検出するための、トランスデューサ要素を有し、前記共鳴周波数は、前記センサ要素に堆積した粒子の質量に依存する、請求項１又は２に記載の質量センサ。
【請求項４】
前記コントローラは更に、
初期共鳴周波数を測定し、
予め設定された質量の変化に対応する共鳴周波数のシフトを算出し、
前記共鳴周波数を監視して前記感知サイクルの継続時間を設定する
ように構成された、請求項３に記載の質量センサ。
【請求項５】
前記センサ要素は例えば、微小電気機械システムセンサを有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項６】
前記センサ要素は、両持ち共鳴梁又は片持ち共鳴梁を有する、請求項５に記載の質量センサ。
【請求項７】
前記感知サイクルの間に監視されるエアロゾルを前記センサ要素に向けて駆動するように動作するためのサンプル取り入れ装置を更に有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項８】
粒子質量が監視されるべき粒子サイズの範囲を選択するための粒子フィルタ構成を更に有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の質量センサ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の質量センサを有する、空気処置装置。
【請求項１０】
エアロゾル内の粒子質量を測定する方法であって、
感知サイクルの間にセンサ要素に堆積した粒子の質量を検出することによって、感知動作を実行するステップと、
堆積した粒子により引き起こされる予め設定された質量の変化が引き起こされるように、前記感知サイクルの継続時間を設定するステップであって、前記センサ要素の寿命が、連続する複数の感知サイクルの間に堆積する総質量に依存する前記ステップと、
を有する方法。
【請求項１１】
前記感知サイクルの継続時間から、サンプリングされたエアロゾルの体積を導出するステップと、
単位体積当たりの粒子濃度を導出するステップと、
を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記検出するステップは、
前記感知サイクルの間に、前記センサ要素を共鳴へと駆動するステップと、
前記センサ要素に堆積した粒子の質量に依存する、前記センサ要素の共鳴周波数を検出するステップと、
を有する、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記感知サイクルの開始時に初期共鳴周波数を測定するステップと、
設定された質量の変化に対応する共鳴周波数のシフトを取得するステップと、
前記共鳴周波数のシフトが生じるまで前記共鳴周波数を監視し、前記感知サイクルの継続時間を設定するステップと、
を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記感知サイクルの間に監視されるエアロゾルを前記センサ要素に向けて駆動するようサンプル取り入れ装置を制御するステップを更に有する、請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
粒子質量が監視されるべき粒子サイズの範囲を選択するための粒子フィルタリングを実行するステップを更に有する、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾル内の粒子質量の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
空中の粒子汚染、特に２．５μｍの直径範囲より小さなサイズの粒子物質（「ＰＭ２．５」と呼ばれる）は、工業化の速度が規制要件の境界に及ぶ中国のような国々にとって、大きな問題である。
【０００３】
増大する消費者の権限の結果、居住空間の空気の品質についての情報に対する要求が増大している。特に中国では、過度のＰＭ２．５による汚染が、最近１０年間で一般的な問題となった。この問題はまた、様々な中国の都市における継続的な測定により、立証されている。斯かるデータは公に利用可能であり、同時に携帯電話のアプリケーションによって又はウェブを通じて同時に閲覧されることができる。
【０００４】
当該データの利用可能性、並びに継続的な国内の及び国際的なメディアの注視は、当該問題についての消費者の強い関心を引き起こしている。
【０００５】
公的な屋外空気品質基準は、単位体積当たりの質量濃度として、粒子状物質の濃度を定義している（例えばμｇ／ｍ３）。中国本土におけるＰＭ２．５の平均汚染濃度は、衛星データの模式的に算出されており、中国の大部分が、世界保健機関の限度である１０μｇ／ｍ３を超えており、幾つかの地域では、１００μｇ／ｍ３のＰＭ２．５濃度に達し、該濃度を超えてさえもいる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
標準化された基準測定方法は、例えばテーパ状共鳴装置、衝突体、又は重みフィルタ及び篩を用いた、空気サンプリング体積当たりの、堆積した又は捕捉された粒子の質量の測定に基づくものである。
【０００７】
しかしながら、これらのシステムは、測定の手動部分（例えばフィルタ及び篩の重み付け）を取り扱うためのプロファッショナル用の動作ガイドライン、及び／又は、蓄積した質量を洗浄するため、種々のシステムの構成要素を保守するため、及び再校正のための定期的な保守を必要とする。更に、これらシステムは一般に卓上での使用には寸法が大きく、消費者向け用途には適していない。
【０００８】
エアロゾル汚染監視のための、共鳴ベースの質量監視が提案されている。例えば、個人の暴露監視のためのピコグラムレベルの質量分解能を持つ微小シリコンカンチレバー装置の使用が提案されている。大きな粒子を除去するためにフィルタが用いられ、該カンチレバーにナノ粒子を堆積させるために静電サンプラが備えられても良い。例えば、国際特許出願公開WO2013/064157は、空気流ストリーム中のエアロゾルナノ粒子を測定するように設計された、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）ベースの共鳴粒子測定装置を開示している。
【０００９】
しかしながら、共鳴粒子測定装置は、寿命の終わりが正確に推定できず、そのためユーザが過度に早く又は過度に遅くセンサを交換し得るという問題点を持つ。
【００１０】
米国特許出願公開US2003/0123059A1は、ガスのサンプルにおけるエアロゾル粒子の不揮発成分を決定するための方法及び装置を開示している。具体的には、質量センサに応じて、微量天秤のための最大質量負荷が予め設定され、最大質量負荷が堆積されると加熱による再生成が実行される。しかしながら、各感知サイクルにおけるセンサ要素における質量変化が、好適に制御されない。
【００１１】
それ故、各感知サイクルにおける質量変化の好適な制御が可能であり、好適には高い汚染物質濃度の場合にも感知サイクルにおける質量変化が小さい、センサが用いられる環境にかかわらず略一定の寿命を持ち得る、質量センサに対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、請求項により定義される。
【００１３】
本発明の一実施例によれば、エアロゾル内の粒子質量を測定するための質量センサであって、
センサ要素と、
前記センサ要素に堆積した粒子の質量を検出するための検出器と、
感知サイクルの間に前記検出器を動作させるためのコントローラと、
を有し、前記感知サイクルの間に前記センサ要素に粒子が堆積し、前記コントローラは、前記感知サイクルの間に、堆積した粒子により引き起こされる予め設定された質量の変化が引き起こされるように、前記感知サイクルの継続時間を設定するよう構成された、質量センサが提供される。
【００１４】
前記センサにおける粒子の堆積は好適には、該感知サイクルの時間に制限される。該エアロゾルは、混入した粒子を伴う空気又はその他のいずれかのガスであっても良い。
【００１５】
当該センサ構成は、該センサ要素に予め設定された（追加的な）質量の粒子が堆積するまで感知が実行されるように制御される。
【００１６】
斯くして、低濃度の粒子については、感知時間が長くなり、高濃度の粒子については、感知時間が短くなる。洗浄又は保守の手段がない場合には、該センサの寿命は、堆積した総質量に依存する。その結果、各感知動作が、一定量の堆積粒子質量（即ち予め設定された質量の変化）をもたらすため、寿命が基本的に一定となる。このことは、寿命がより正確に予測され得ることを意味する。このことはまた、重い粒子濃度がある場合に感知する固定された継続時間に基づく場合に引き起こされ得る質量変化に比べて、各感知サイクルについての質量変化が低減され得ることを意味する。
【００１７】
勿論、非常に低い濃度の場合には、該感知サイクルは、該予め設定された質量変化が引き起こされる前に終了さえし得る。従って、この場合には、該予め設定された質量変化は、閾値を超える粒子濃度についてのものである。この場合には、センサ出力は、粒子質量濃度が、特定の閾値を下回ることを示唆し得る。斯かるサイクルについての一定の質量からの逸脱は、非常に小さな粒子の堆積質量しかない場合の感知サイクルにのみ関連するものであるため、寿命の予測に対しては大きな逸脱を加えない。
【００１８】
前記コントローラは更に、前記感知サイクルの継続時間から、サンプリングされたエアロゾルの体積を導出し、これにより単位体積当たりの粒子濃度を導出するよう構成されても良い。
【００１９】
このことは、感知された体積の質量濃度への変換を可能とする。
【００２０】
一実装例においては、前記検出器は、前記センサ要素を共鳴へと駆動し、前記センサ要素の共鳴周波数を検出するための、トランスデューサ要素を有し、前記共鳴周波数は、前記センサ要素に堆積した粒子の質量に依存する。
【００２１】
当該実装は、共鳴質量センサを利用する。このことは、例えば消費者向け装置のために低コストで実装されることができ、また携帯型／モバイル型の使用を可能とするための小さな寸法で実装されることができる。
【００２２】
前記コントローラはこのとき更に、
初期共鳴周波数を測定し、
予め設定された質量の変化に対応する共鳴周波数のシフトを算出し、
前記共鳴周波数を監視して前記感知サイクルの継続時間を設定する
ように構成されても良い。
【００２３】
このようにして、該センサは基本的に、各感知サイクルにおいて再校正される。
【００２４】
例えばピコグラム乃至ミリグラムのような、十分な質量分解能を提供する、いずれの共鳴ベースのセンサが用いられても良い。前記センサ要素は例えば、ＭＥＭＳセンサを有しても良い。このことは、低コストで小型のセンサが製造されることを可能とする。ＭＥＭＳセンサ要素は、両持ち共鳴梁又は片持ち共鳴梁として形成されても良い。
【００２５】
全ての実施例について、例えば空気清浄器のような、前記センサが配置された機器によって駆動される空気流によって、サンプル取り入れがもたらされても良い。代替としては、感知サイクルの間に、監視されるエアロゾルを感知要素に向けて駆動するよう動作するための、専用のサンプル取り入れ装置が備えられても良い。該センサはこのとき、感知動作の間にのみ粒子状エアロゾルにさらされることとなり、寿命が延ばされる。
【００２６】
前記サンプル取り入れ装置は、前記センサ要素における粒子のより効率の良い堆積を容易化する、静電吸引構成により支持されていても良いファン又はポンプであっても良い。更なる代替例は、重力ベースの粒子の堆積若しくは熱泳動堆積、又は自然対流を有する。
【００２７】
エアロゾル粒子質量が監視される粒子サイズの範囲を定義するため、粒子フィルタ構成又は空気力学的分離器（例えば衝突体、仮想的衝突体等）が用いられても良い。このことは、質量濃度が、関心のある粒子サイズの範囲についてのみ測定され得ることを意味する。
【００２８】
本発明の一実施例はまた、エアロゾル内の粒子質量を測定する方法であって、
感知サイクルの間にセンサ要素に堆積した粒子の質量を検出するステップと、
堆積した粒子により引き起こされる予め設定された質量の変化が引き起こされるように、前記感知サイクルの継続時間を設定するステップと、
を有する方法を提供する。
【００２９】
当該方法は、特定の質量の粒子が該センサ要素に堆積するまで、該センサを動作させる。以上に説明されたように、当該方法は、寿命が略一定とされ、従ってより正確に予測され得ることを意味する。
【００３０】
本発明はまた、本発明の質量センサを有する、空気処置装置を提供する。
【００３１】
本発明の実施例は、添付図面を参照しながら、以下に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】共鳴センサの質量が共鳴周波数に影響を与える、ばね質量系により説明される、共鳴ベースの質量検出の基本的態様を示す。
【図２】固定された時間に亘ってエアロゾルをサンプリングする従来の手法を示す。
【図３】固定された質量累積の間にエアロゾルをサンプリングする本発明の実施例の手法を示す。
【図４】本発明の方法の実施例を示す。
【図５】本発明のセンサの実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明は、エアロゾル内の粒子質量を測定するための質量センサを提供する。感知サイクルの継続時間が、堆積した粒子に起因する質量の予め設定された変化が引き起こされるように設定される。洗浄がない場合、該センサの寿命は、堆積した総質量に依存する。その結果、各感知動作が、一定量の堆積した粒子の質量をもたらすため、この手法によって寿命が基本的に一定となる。このことは、寿命がより正確に予測されることができることを意味する。
【００３４】
国際特許出願公開WO2013/064157に記載されたＭＥＭＳベースのセンサに加えて、集められたサンプルの質量を決定するための他の手法は、累積した質量の熱容量を測定すること、又は例えばベータ線減衰モニタにより用いられるような、呼び掛け信号の減衰を測定することを含む。
【００３５】
これら感知手法はいずれも、累積した質量が特定のレベルを超えたときに到達される感知限界があるという問題を持つ。例えば、測定サイクルの間の累積質量は、累積質量全体の一部となり、システムが最終的に分解能限界に達することとなる。
【００３６】
例えば、共鳴に基づいて動作する質量センサは、加えられた質量が初期の共鳴器質量に比べて小さい範囲内で動作する。しかしながら、該センサの寿命の間の継続的な質量累積は、不可避である。この問題は、少なくとも消費者の用途に関しては、累積した質量の力学的及び／又は化学的な洗浄が可能ではない、ＭＥＭＳスケールの装置については、より明白である。
【００３７】
それ故、ＭＥＭＳ質量センサの寿命は、初期の質量及び測定サイクル毎のおおよその質量堆積を考慮することにより、粗く推定され得る。
【００３８】
質量の堆積の速度は装置が使用される環境に依存するという問題が生じ、該問題は累積する質量を測定するあらゆるセンサに当てはまる。このことは、装置の寿命、及び／又は予防的な保守のタイミングを予測することを困難にする。本発明の実施例による方法及びセンサは、上述した問題に対処するため開発される。
【００３９】
本発明は以下、共鳴質量センサを参照しながら、詳細に説明される。しかしながら、本発明により利益を得る他の質量感知手法が用いられても良い。
【００４０】
共鳴装置を用いた直接の質量測定は、既知の手法である。該手法は、図１に示されるように、共鳴周波数（ｆ０）と共鳴装置の質量との間の関係に基づく。
【００４１】
図１において、共鳴装置質量１０は、質量ｍ及びばね定数ｋを伴って、模式的に表現されている。グラフは、周波数（ｘ軸）の関数として、共鳴振動の振幅（ｙ軸）を示す。プロット１２は、基本共鳴装置質量に関する。付加的な質量１４が加えられると（Δｍ）、振動曲線は、周波数シフトΔｆを伴って、プロット１６へと周波数をシフトダウンさせる。
【００４２】
共鳴振動を支配する式は、以下のとおりである。
【数１】
0006454733.tif 000002
【数２】
0006454733.tif 000003
【数３】
0006454733.tif 000004
【００４３】
式１は、基本共鳴周波数と共鳴装置特性との間の関係を示す。式２は、質量の変化により引き起こされる周波数の変化を示す。式３は、検出され得る最小の質量（Δｍｍｉｎ）を示す。該最小値は、共鳴装置の力学的な品質係数Ｑに依存する。
【００４４】
文献において、エアロゾル汚染監視のための共鳴ベースの質量感知の幾つかの例が存在する。例えば、個人の暴露監視のためのピコグラムレベルの質量分解能を持つ、微小シリコンカンチレバー装置の使用が提案されている。大きな粒子を除去するためにフィルタが用いられ、該カンチレバーにナノ粒子を堆積させるために静電サンプラが備えられても良い。
【００４５】
例えば、国際特許出願公開WO2013/064157は、空気流ストリーム中のエアロゾルナノ粒子を測定するように設計された、ＭＥＭＳベースの共鳴粒子測定装置を開示している。
【００４６】
大まかに言えば、質量センサは、追加される質量が初期の共鳴装置質量に比べて小さい範囲内で動作する。しかしながら、該センサの寿命の間の継続的な質量累積は、不可避である。この問題は、少なくとも消費者の用途に関しては、累積した質量の力学的及び／又は化学的な洗浄が可能ではない、ＭＥＭＳスケールの装置については、より明白である。それ故、ＭＥＭＳ質量センサの寿命は、初期の質量及び測定サイクル毎のおおよその質量堆積を考慮することにより、粗く推定され得る。
【００４７】
シリコンＭＥＭＳカンチレバーについての例として、手短な算出が以下に示される。
大きさ：幅１００μｍ、長さ１０００μｍ、厚さ１０μｍ
体積：１０６μｍ３
質量：２６５０ｎｇ（シリコン密度２．６５ｇ／ｃｍ３）
【００４８】
１０μｇ／ｍ３の最低粒子濃度検出限界（年平均濃度についての世界保健機関の限界）及び１リットルのサンプル空気の体積（１ｌ／分の空気取り入れで１分間のサンプリング）について、共鳴装置における１０ｎｇの質量の堆積が、適切な推定である。濃度が増大すると、比例して質量堆積は増大する。このことは、以下にまとめられるように、幾つかの測定サイクルが、濃度範囲に依存する共鳴装置の元の質量を二倍にすることに帰着する。
【表１】
0006454733.tif 000005
【００４９】
ＰＭ２．５は、数百μｇ／ｍ３に達し得る（例えば２０１３年１月１３日には北京において７００μｇ／ｍ３）ため、短い寿命に帰着し得、消費者レベルの用途における斯かるシステムの利用には適さない。
【００５０】
センサシステムは、動作寿命の間の平均粒子濃度を考慮することによって設計され得る。しかしながら、濃度の大きな変動が常に、早過ぎる且つ予測できない動作寿命の終わりのリスクをもたらす。
【００５１】
質量センサシステムを用いるための従来の方法は、予め定義されたサンプル体積についての累積した質量の濃度の測定に基づくものである。該測定は、最初にセンサの共鳴周波数を比較し、測定サイクルの最後に、周波数シフトを質量変化（Δｍ）に相関させることにより実行される。
【００５２】
このことは、例えば所与の期間の間センサに空気を流すことによる、予め定義されたサンプル取り入れ時間を必要とする。
【００５３】
図２は、従来のセンサ読み取り手法を示し、時間の関数として累積質量を示す。
【００５４】
プロット２０は、１０μｇ／ｍ３の低濃度に関し、プロット２２は、５０μｇ／ｍ３の中濃度に関し、プロット２４は、１００μｇ／ｍ３の高濃度に関する。
【００５５】
図から分かるように、所与のサンプリング時間（例えば図示される６０秒及び１２０秒）について、累積される質量は濃度に依存する。
【００５６】
斯くして、共鳴周波数の変化を検出することにより動作する質量センサの寿命は、粒子状物質の濃度に強く依存する。汚染レベルの変動が、寿命についての予測不可能性をもたらし、それ故消費者用途のためのこれらセンサの利用可能性を制限する。
【００５７】
図３は、本発明の実施例による感知手法を説明するために用いられる。ここでもまた、プロット２０は、１０μｇ／ｍ３の低濃度に関し、プロット２２は、５０μｇ／ｍ３の中濃度に関し、プロット２４は、１００μｇ／ｍ３の高濃度に関する。これらプロットは、該手法をより明確に示すため、図２とは異なる傾きで示されている。
【００５８】
該センサは、感知サイクルの間に、堆積した粒子により引き起こされる予め設定された変化が引き起こされるように、感知サイクルの継続時間を設定するよう制御される。１０ｎｇ及び２０ｎｇの累積質量についての２つの例が、図３に示されている。
【００５９】
当該センサ動作手法は、質量センサの特定の寿命を確実にする。固定された質量累積値が該センサについて定義され、動作は可変のサンプリング時間を持つ。このようにして、センサシステムは、高い濃度については短いサンプリング時間だけ動作し、低い濃度については長いサンプリング時間だけ動作する。このとき濃度は、予め定義された質量累積に到達するまでの総サンプリング体積により算出される。
【００６０】
最大サンプリング時間は、非常に低い濃度についても、特定の時点でサンプリングが停止するよう設定されても良い。この場合には、センサ出力が、濃度が絶対値を与える閾値よりも低いことを示すこととなる。斯くして、閾値を超える粒子濃度については、一定の質量サンプリングが適用され、当該閾値より低い場合には、最大サンプリング時間が適用される。該濃度は例えば、特定の用途について検出される必要がある最低濃度であっても良く、最大サンプリング時間が、これに応じて選択されることとなる。斯くして、当該閾値より低い濃度の実際のレベルは、重要ではなくなる。低い濃度についての固定された継続時間のサンプリング時間の範囲の追加は、一定の質量測定にのみ基づく設計された寿命を超えた、該センサの寿命の延長に帰着する。
【００６１】
図３から分かるように、特定の質量累積を達成するために必要とされるサンプリング時間は、空気中の汚染レベルと反比例する。このことは、短い予測不可能な寿命をもたらす、共鳴装置における過剰な質量累積を防止する。本例においては１０ｎｇ又は２０ｎｇと予め定義された質量が示されたが、これら値は勿論、特定の共鳴装置の設計に依存して選択されても良い。
【００６２】
図４は、空気中の粒子状物質の濃度がどのように算出されるかを示す。
【００６３】
ステップ３０において、（時刻ｔ０において）初期共鳴周波数（ｆ０）が算出される。
【００６４】
ステップ３２において、予め定義された質量累積（Δｍ）に起因する共鳴周波数シフト（Δｆ）が得られる。このことは、共鳴周波数におけるシフトの目標値（Δｆｔａｒｇｅｔ）を定義する。
【００６５】
該目標値は、算出に基づいて得られても良いし、又はルックアップテーブルがアドレス指定されても良い。
【００６６】
ステップ３４において、例えば空気の取り入れを開始することにより（例えばファンを用いて、既知の空気流量で）、サイクルが開始される。ステップ３６において、共鳴周波数が継続的に監視され、共鳴周波数の変化Δｆが監視される。
【００６７】
ステップ３８において、前に算出された共鳴周波数シフト（Δｆｔａｒｇｅｔ）が到達されたと決定された場合、サンプリングが終了する。サンプリング時間、即ちｔ０からの時間が、ステップ４０において出力される。
【００６８】
ステップ４２において、サンプリング体積Ｖが算出される（Ｖ＝空気流量×サンプリング時間）。
【００６９】
ステップ４４において、粒子濃度（Ｃ＝質量／Ｖ）が、例えばμｇ／ｍ３の単位で算出される。
【００７０】
当該手法は、空気中の濃度にかかわらず、センサの寿命についての特定の数の測定サイクルをもたらす。このようにして、消費者の用途に要求される予測可能な寿命を持つ質量センサが、粒子濃度の直接の測定のために設計されることができる。
【００７１】
該センサの詳細な設計は、用途の条件に依存し、予測される検出の限界、予測される寿命、駆動及び検出回路の能力（例えば動作周波数範囲）に応じて選択されるべきである。
【００７２】
一般的に、図５に示されるように、該センサシステムは、粒子事前分類ユニット、取り入れサンプリング装置５０（例えばフィルタ積層及びファン又はその他の構成）、ＭＥＭＳ共鳴装置５２（以下に説明される）、センサ及びその他のシステム構成要素を駆動し読み出すための電子回路５４、並びにデータ処理及び記憶のためのコントローラ５６を有する。センサユニットへの空気流は、例えばファン及び／又は熱対流を用いて取り扱われても良い。
【００７３】
サンプル取り入れ及び調整ユニット５０は、目標粒子サイズ範囲を考慮に入れるよう設計される。特定の粒子状物質範囲（例えばＰＭ１、ＰＭ２．５、ＰＭ１０）が、例えばメッシュ／フィルタの組み合わせ又は慣性／空気力学的分離のような、適切な粒子サイズ事前分類方法を用いることにより目標設定されても良い。サービス寿命に亘って一定的に十分なサンプル空気体積を提供することは、斯かるシステムを設計するための重要なパラメータである。繊維状フィルタ、メッシュ、慣性又は空気力学的分離ユニットのような粒子フィルタが、粒子選択のために用いられても良い。
【００７４】
粒子の堆積は、接地された又は逆にバイアスされた共鳴装置における荷電粒子の静電的又は熱泳動的沈殿により制御され得る。共鳴装置と対向面との間に温度差を生成することを有する熱泳動的沈殿が、代わりに利用されても良い。その代わりに、堆積はランダム的な粒子の動きに基づくものであっても良い。
【００７５】
該システムが当該重要なパラメータに準拠するものとなるよう設計するため、サンプリングされた空気の体積を供給するためのファン又はポンプが利用されても良い。
【００７６】
選択は、最小検出可能質量、「綺麗な空気」における平均粒子濃度（ベースラインレベル）、サンプリングサブシステムにおける粒子フィルタを通過する粒子の割合、及び最終的な最小粒子濃度検出の要件に依存する。
【００７７】
質量センサ要素５２として、ＭＥＭＳ共鳴装置が用いられても良い。該共鳴装置は、要求される検出の限界を提供するための所望の共鳴周波数を実現するため適切な寸法を持つよう設計され製造されても良い。
【００７８】
とり得る共鳴装置の構造の例は、カンチレバー構造（一方がクランプされ他方が自由である）、及び両持ち型又は膜型の共鳴装置である。
【００７９】
カンチレバーの設計は、静電的な粒子の収集の場合にカンチレバーの端部において十分な電場密度を提供するため、特に関心の高いものである。カンチレバー構造は、単純な長方形の形状であっても良いし、三角形の形状（大きなクランプ面積のため）であっても良いし、又はクランプされた端部において小さな面積を維持しつつ表面積を増大させるためのハンマーヘッド状の形状であっても良い。
【００８０】
これらのパラメータはいずれも該システムの共鳴挙動に影響を与え、基本的な共鳴設計原理が用いられ得る。
【００８１】
共鳴周波数を駆動及び読み出すための回路５４もまた、共鳴装置の力学的な品質係数（Ｑ値）、トランスデューサの選択（例えば圧電的、熱的、圧電抵抗的、光学的、容量的、等）に依存する。最小検出可能質量についての要件に依存して、該システムの質量分解能を増大させるため、Ｑ値補償機構が実装されても良い。電子ドメインにおける共鳴周波数の検出は、作動方法に適したものとなるよう選択される。斯かる共鳴装置のための回路設計の基本は、文献において知られている。
【００８２】
例えば、圧電作動及び感知の場合においては、共鳴装置の電気インピーダンスを組み込んだ振動回路が利用される。静電型／容量型作動及び感知の場合には、電圧制御された振動回路が利用される。
【００８３】
データ処理及び取り扱いのためのコントローラ５６は、データサンプリングレート、算出のための処理負荷、及びデータ処理アルゴリズムの実装のような、利用要件に依存して選択及び設計されても良い。
【００８４】
該質量センサは、特定のサイズ範囲の粒子の濃度を示す出力を提供する。当該情報は、空気処置装置を制御するために用いられても良い。例えば、高いレベルの汚染を示す高記録の質量は、高容量モードの動作に導き（空気清浄装置については高いファン速度設定を選択することにより）、低記録の質量は、低容量モードの動作に導いても良い。このようにして、エネルギーの節約が得られ、また空気処置装置の寿命が延ばされ得る。屋外からの空気取り入れを用いることにより空間の空気特性お制御する空気処置装置の場合には、質量センサの測定値は、例えば屋外の空気汚染がシステム要件を超えているか否かに依存して、屋外からの空気取り入れを調整するために用いられても良い。
【００８５】
本発明は、可変の継続時間の感知サイクルを提供する。しかしながら、各感知サイクルは、一定の期間で実行されても良い。例えば、感知がＸ分毎に実行されても良く、ここでＸは監視されている環境において汚染レベルが変化すると予測される速度、及び制御されるシステム（空気清浄器のような）が応答する必要がある速度に依存する。例えば、汚染レベルは１乃至３０分毎に記録されても良く、個々の感知サイクルが、所望のサンプリング間隔に対して十分な粒度を提供する最大継続時間を持っても良く、例えば１分のサンプリング間隔について１乃至１０秒、又は３０分のサンプリング間隔について１乃至１０分であっても良い。
【００８６】
サンプリング間隔は、環境における「ユーザ」の存在に依存しても良く、例えば空気処置ユニットがユーザの不在のため継続的に動作していない場合には、更に延長されても良い。
【００８７】
コントローラはこのとき、Ｘ分毎にセンサ読み出し動作を命令する。所与の値Ｘについて、機械的なセンサの全体的な寿命は、基本的に一定となる。
【００８８】
しかしながら、センサ測定の頻度は、ユーザによって設定されても良いし、又はセンサの特定の用途に依存しても良く、例えば、質量センサの測定値の変化に応答してどれだけ迅速に変化が為されることが望まれるかに依存しても良い。
【００８９】
該センサの測定値は、例えばディスプレイ画面を用いて、出力としてユーザに提供されても良い。ユーザは次いでこれに応じて情報を処理及び該情報に応答しても良く、該質量センサはスタンドアロン型のセンサ装置であっても良い。代替としては、該センサの測定値は、検出された汚染のレベルに応答して自動的に反応する、より大きなシステム内の内部制御パラメータとして機能しても良い。当該より大きなシステムは、空気清浄器、又はその他の空気品質制御システムであっても良い。
【００９０】
個々の測定サイクルが、汚染レベルに応じた可変の継続時間のものであるという事実は、ユーザに知覚されない。可変の継続時間は単に、種々のセンサ測定が、異なるセンサ動作の期間を必要とすることを意味する。その利点は、該センサの全体的な寿命が、より正確に特定され得る点である。
【００９１】
本発明は、共鳴質量センサに関連して以上に説明され、斯かるセンサは、消費者向け装置に低コストで実装され得るため特に関心の高いものである。しかしながら、予測できない寿命という問題は、感知サイクルの間に累積する質量の解析に依存するいずれの質量センサについても生じるものである。累積した質量が増大するにつれて、感知サイクルの間の質量の相対変化は小さくなり、従って限界が到達されるまで分解能が時間経過に伴って減少する。同様に、センサ設計による蓄積され得る質量の量に対する絶対的な限界も存在し得る。
【００９２】
第１の代替手法は、累積した質量の熱容量を測定することである。該手法も比較的単純な方法であるが、未知であり得るエアロゾルの熱的特性に精度が依存する。
【００９３】
第２の代替手法は、放射減衰を測定することである。該手法は例えばベータ線減衰モニタにおいて知られている。該測定は正確であるが、当該手法は放射源を必要とし、消費者向け装置には現実的ではない。従って当該手法は、プロフェッショナル向けの測定システムに、より適したものであり得る。しかしながら、消費者向け装置における使用に対する潜在性を提供するＭＥＭＳスケールのＸ線発生器が、文献に登場し始めている。
【００９４】
第３の代替手法は、累積した質量の光学的な監視を用いることである。
【００９５】
本発明は、空気清浄器、スタンドアロン型粒子センサユニット、個人暴露監視装置、車内用粒子測定センサ、屋外用粒子センサ（スタンドアロン型のセンサユニットとして、又は例えば都市管理のための街灯柱用のセンサとして）、換気ユニット、ビルディング環境管理システムの種々の部分、及び一般的に種々のタイプの質量センサに適用可能である。呼吸補助及び薬物送達用途における医療用途もある。
【００９６】
以上の例はＰＭ２．５粒子の検出に基づくものであるが、本発明はＰＭ１０、ＰＭ１粒子又はその他の分類の超微粒子にも適用されることができる。
【００９７】
以上の例は、ＭＥＭＳ共鳴装置に基づくものである。しかしながら、該手法は、例えば膜装置（容量型微小超音波トランスデューサと同様の）、又は水晶振動子微量天秤（ＱＣＭ）のような、他の微小共鳴装置に基づくものであっても良い。該共鳴装置は、バルク音響波（ＢＡＷ）共鳴装置であっても良いし、又は表面音響波（ＳＡＷ）共鳴装置であっても良い。
【００９８】
本システムは、コントローラを利用する。該コントローラのために利用され得る構成要素は、限定するものではないが、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む。
【００９９】
種々の実装例において、プロセッサ又はコントローラは、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭのような揮発性及び不揮発性コンピュータメモリのような１つ以上の記憶媒体と関連しても良い。該記憶媒体は、１つ以上のプロセッサ及び／又はコントローラ上で実行されたときに、必要とされる機能を実行する１つ以上のプログラムによりエンコードされていても良い。種々の記憶媒体が、プロセッサ若しくはコントローラ内に固定されていても良いし、又は輸送可能であっても良く、該媒体に保存された１つ以上のプログラムが、プロセッサ又はコントローラにロードされることができる。
【０１００】
図面、説明及び添付される請求項を読むことにより、請求される本発明を実施化する当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され実行され得る。請求項において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。請求項におけるいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【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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