(57)【要約】【課題】粒子数の計測精度が高く、且つ小型な粒子検出測定装置を提供する。【解決手段】粒子のキャパシタンスを検出するセンサー表面に凹凸構造が形成されたセンサー素子１００を有する粒子検出センサー２０と、測定目的物粒子のキャパシタンスデータを格納するメモリと、前記粒子検出センサーにより検出されたキャパシタンスを、前記メモリに格納された測定目的物粒子のキャパシタンスデータと照合し、前記粒子検出センサーにより検出されたキャパシタンスが測定目的物粒子のキャパシタンスと一致するときに一致シグナルを発信するデータ照合部と、前記一致した回数を計測する計測部とを備えた粒子検出測定装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子のキャパシタンスを検出して粒子を検知する粒子検出センサーにおいて、
粒子が接触する前記センサーの表面に凹凸構造が形成されていることを特徴とする粒子検出センサー。
【請求項２】
請求項１記載の粒子検出センサーにおいて、
前記表面の凹凸構造が、平坦な表面と複数の凹部から構成されていることを特徴とする粒子検出センサー。
【請求項３】
請求項２記載の粒子検出センサーにおいて、
前記凹部が、互いに等間隔に配列されていることを特徴とする粒子検出センサー。
【請求項４】
請求項２または３記載の粒子検出センサーにおいて、
前記凹部の平面形状が、四角形であることを特徴とする粒子検出センサー。
【請求項５】
請求項１記載の粒子検出センサーにおいて、
前記表面の凹凸構造が、平坦な表面と複数の突出部から構成されていることを特徴とする粒子検出センサー。
【請求項６】
請求項５記載の粒子検出センサーにおいて、
前記突出部が、互いに等間隔に配列されていることを特徴とする粒子検出センサー。
【請求項７】
請求項５または６記載の粒子検出センサーにおいて、
前記突出部の前記平坦な表面に直交する断面形状が、台形であることを特徴とする粒子検出センサー。
【請求項８】
請求項５または６記載の粒子検出センサーにおいて、
前記突出部の前記平坦な表面に直交する断面形状が、半円形であることを特徴とする粒子検出センサー。
【請求項９】
請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載のセンサーにおいて、
前記粒子が花粉、砂塵、金属微粒子など空気中に含まれる粒子であることを特徴とする粒子検出センサー。
【請求項１０】
請求項１に記載の粒子検出センサーと、
測定目的物粒子のキャパシタンスデータを格納するメモリと、
前記粒子検出センサーにより検出されたキャパシタンスを、前記メモリに格納された測定目的物粒子のキャパシタンスデータと照合し、前記粒子検出センサーにより検出されたキャパシタンスが測定目的物粒子のキャパシタンスと一致するときに一致シグナルを発信するデータ照合部と、
を備えた粒子検出測定装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の粒子検出センサーと、
測定目的物粒子のキャパシタンスデータを格納するメモリと、
前記粒子検出センサーにより検出されたキャパシタンスを、前記メモリに格納された測定目的物粒子のキャパシタンスデータと照合し、前記センサーにより検出されたキャパシタンスが測定目的物粒子のキャパシタンスと一致するときに、一致シグナルを発信するデータ照合部と、
前記一致シグナルの発信回数をカウントする計測部と、
を備えた粒子検出測定装置。
【請求項１２】
上流から下流に空気を流通させる流管であって、重力方向に直交する水平流路部と重力方向に平行な垂直流路部と、両者の中間にあって両者を連接する折れ曲がり部とを有する流管と、
前記流管の水平流路部側の端部に配置された空気取り込み部と、
前記流管の垂直流路部の下端に配置され、前記空気取り込み部より取り込まれる空気を下流側に吸引する空気吸引部と、
前記流管内を流れる空気が当たるように、前記折れ曲がり部に角度をもって配置された請求項１、２、３、４、５、６、７または８に記載の粒子検出センサーと、
を備えた粒子検出測定装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の粒子検出測定装置において、
前記粒子検出測定装置が、更に測定目的物粒子のキャパシタンスデータを格納するメモリと、
前記粒子検出センサーにより検出されたキャパシタンスを前記メモリに格納されている測定目的物粒子のキャパシタンスデータと照合し、前記センサーにより検出されたキャパシタンスが測定目的物粒子のキャパシタンスと一致するときに一致シグナルを発信するデータ照合部と、
を備えた粒子検出測定装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の粒子検出測定装置において、
前記粒子検出測定装置が、更に前記一致シグナルの発信回数をカウントする計測部を備えた粒子検出測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粒子を検出する装置に関し、詳しくは気体中に存在する粒子のキャパシタンスの差を利用して粒子を分離検出、計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、杉やヒノキ等の花粉に対して、アレルギー症状を引き起こす所謂花粉症患者が増加している。花粉の飛散量は天気、風向等によって大きく影響を受けるので、正確且つ迅速に花粉の飛散量を測定し、花粉情報として大衆に公表することが望ましい。
【０００３】
従来、花粉飛散量の測定は、大気中にガラス基板を放置し、その上に堆積された花粉を染色し、顕微鏡観察により確認する、所謂ダーラム法が用いられていた。
【０００４】
しかしながら、上記方法では測定時間が非常に長くなるため、リアルタイムな花粉情報を提供することはできないという問題を有していた。
【０００５】
このような中、空気を吸入することにより空気中に浮遊する粒子を採取し、光散乱法により花粉数を計測する方法や、空気を吸入する速度を変化させることにより約３０μｍの杉花粉粒子を分離した後に花粉数を計測する方法が提案されている（特許文献１〜４参照。）。
【０００６】
また、粒子固有のキャパシタンスの差を利用して、花粉等の有機物粒子と無機絶縁物粒子や金属粒子とを分離して測定する方法が提案されている（非特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−４３２９９号公報（第２−４頁）
【特許文献２】
特開平１０−３１８９０８号公報（第２−４頁）
【特許文献３】
特開２００１−８２０３８号公報（第２−４頁）
【特許文献４】
特開２００１−１８３２８４号公報（第２−４頁）
【非特許文献１】
Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ９２巻（第７４−７９頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１〜３の技術は、光散乱法を用いて粒子数を計測するが、この方法では発光素子、受光素子などとともに、比較的空間体積の広い測定部を必要とするため、装置が大型になるという課題を有している。
【００１０】
また、上記特許文献４の技術は、花粉と他の粒子を分離するために第一流路と第二流路とを必要とするため、この技術も装置が大型になるという課題を有している。
【００１１】
こららに対して、上記非特許文献１の技術は、粒子のキャパシタンスの違いによって粒子を検出するので、センサーサイズが小さくてもよく、それゆえ装置の小型化をはかれるという利点がある。しかし、この技術においては、検出目的物である粒子が微小であるため、空気中から取り込まれた粒子が検出部位であるセンサーに当たった際にバウンドして再び同じセンサーに当たったり、或いは別のセンサーに当たるといった現象（バウンド現象）が起き、実際の粒子数よりも多くカウントされるという課題がある。
【００１２】
本発明は上記に鑑みなされたものであって、正確且つ迅速に粒子を検出・計測できる小型な粒子検出センサーおよび粒子検出測定装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、粒子のキャパシタンスを利用して粒子を検出する粒子検出センサーにおいて、粒子が接触する前記センサーの表面に凹凸構造が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
センサー表面に凹凸構造が形成された上記構成であると、センサー表面に接触する粒子の摩擦抵抗が大きくなるので、測定対象物である粒子がセンサー表面に衝突した際に、粒子の持つ運動エネルギーが摩擦抵抗によって吸収される。この結果、測定対象物である粒子がセンサー表面でバウンドするという現象が抑制されるので、粒子のバウンドに起因する測定精度の低下や測定値のバラツキを低減させることができる。更に本発明が測定対象とする花粉や砂塵等の粒子は表面に凹凸があるので、センサー表面の凹凸構造と相まって、センサー表面における摩擦が一層大きくなるため、特にこれらの粒子を測定する場合において、本発明の効果が顕著に発揮される。
【００１５】
また、本発明センサーは粒子固有のキャパシタンスを利用して粒子を検出する方式を採用するが、この方式であると一つのセンサー素子の大きさが３０ミクロン角程度であればキャパシタンスを確実に検知することができので、このセンサーを用いることにより、粒子数をも測定できる粒子検出測定装置の一層の小型化を実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。なお、本発明は下記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することができることは勿論である。
【００１７】
まず、図１に基づいて、実施の形態に係る電池の全体像を説明する。図１（ａ）は本発明によるセンサーを模式的に示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ’線断面を模式的に示す図である。
【００１８】
図１のセンサー素子１００は、基板１と、基板上に設けられた一対の電極２と、基板１及び一対の電極２上に設けられた保護膜３とを備えており、保護膜３の外表面が粒子と接触し、キャパシタンスを検出する領域となる。この保護膜３の表面には、凹凸構造が形成されている。
【００１９】
このセンサー素子１００の保護膜３の表面に粒子が接触すると、粒子のもつキャパシタンスによってセンサーのキャパシタンスが変化するが、粒径がほぼ同じである場合、花粉のような有機物と、砂塵のような無機物とでは、キャパシタンスが大きく異なるため、センサーのキャパシタンスの変化量も当然に異なる。このキャパシタンス変化量の差を利用することにより粒子の存在と種類を検出する。
【００２０】
前記凹凸構造は、例えば図１（ａ）に示すような平坦な表面（凸部）と平面四角形状の凹部を有する構造や、図２に示すような台形状の突出部（凸部）と平坦な表面（凹部）を有する構造、或いは図３に示すような球面形状（円形断面形状）の突出部（凸部）と平坦な表面（凹部）を有する構造、或いは図４に示すよう粗面構造等が例示できる。ただし、これらは凹凸構造の例示であり、これらの構造に限定しようとするものではない。
【００２１】
以下、実施例により本発明の内容を具体的に説明する。
【００２２】
（実施例１）
５０ｍｍ角のガラス基板１を２−プロパノールを用いて超音波洗浄し、乾燥した後、ネガ系レジスト膜を積層し、電極及び取り出し配線パターンがパターニングされたフォトマスクを介して紫外線照射を行う。その後現像を行い、ＲＦスパッタ法により厚み１ｍｍのアルミニウム膜を積層し、アセトンによりレジスト膜を除去して、図１の太い破線で囲まれた長辺２０ミクロン×短辺１０ミクロンの一対の電極２と、破線で囲まれた配線パターン９とを、基板の中央に１列に１０個形成した。次いでこの基板の全面に紫外線硬化樹脂膜（厚み２ミクロン）を積層した後、２ミクロン角の正方形遮光部が１ミクロン間隔で配列されたフォトマスクを用い上記樹脂膜に紫外線を照射し、現像、ベークすることにより、２ミクロン角の正方形凹部（凹部の深さが０．５〜１．０ミクロン）が１ミクロン間隔で形成された保護膜３を作製した。
【００２３】
このようにして、電極２と配線パターン９と正方形凹部を有する保護膜３とを有するセンサー素子１００（図１）を作製することができるが、この実施例では、この方法を適用してセンサー素子１００が一列に１０個並んだ粒子検出センサー２０を作製した。そして、この粒子検出センサー２０を図５に示す折れ曲がり部ｂに組み込み、実施例１の粒子検出測定装置１０を完成させた。
【００２４】
次に、図５に基づいて粒子検出測定装置１０について説明する。粒子検出測定装置１０は、空気取り込み部である容器４と、流管６と、粒子検出センサー２０と、粒子の大きさや種類を判定する粒子判定装置８と、流管６内の空気を吸引する吸引装置７（空気吸引部）とで構成されている。上記流管６は、重力方向に直交する水平流路部ａと重力方向に平行な垂直流路部ｃと、両者に連接する折れ曲がり部ｂとを有し、水平流路部ａの端部（流管６の一方端）には容器４が配置され、垂直流路部ｃの端部（流管６の他方端）には吸引装置７が配置されている。
【００２５】
この実施例における流管６は、直径２ｍｍの円筒状の管であり、折れ曲がり部ｂは直角に折れ曲がっており、粒子検出センサー２０は、この折れ曲がり部ｂに空気の流れ方向に対して４５度の角度で設置され、しかも列状に形成されたセンサー列が重力方向に対し直交する向きとなるように設置されている。更に粒子検出センサー２０には、粒子判定装置８が接続されている。
【００２６】
粒子判定装置８は、測定目的物粒子のキャパシタンスを記憶しているメモリと、粒子検出センサー２０により検出されたキャパシタンスを前記メモリに格納されている測定目的物粒子のキャパシタンスと照合して、粒子検出センサー２０の検出したキャパシタンスが測定目的物粒子のキャパシタンスと一致するときに一致シグナルを発信するデータ照合部と、前記シグナル回数をカウントする計測部と、を備えている。
【００２７】
なお、前記粒子検出センサー２０の基板１は、無用な部分を切断し除去した状態で流管６に取り付けられており、容器４には、測定試験用の粒子として粒径が約３０ミクロンの杉花粉粒子５が入れてある。
【００２８】
（実施例２）
保護膜を作製する工程において、２ミクロン角の露光用開口が１ミクロン間隔で形成されたフォトマスクを用いたこと以外は、上記実施例１と同様にして、センサー素子１００の断面形状が図２に示すような台形状の突出部を有する粒子検出センサーを作製し、これを用いて実施例２に係る粒子検出測定装置を作製した。なお、センサー素子１００の台形状突出部の高さは０．５〜１．０ミクロンであった。
【００２９】
（実施例３）
保護膜を作製する工程において、平坦な表面を持つ厚み５０ミクロンの保護膜を形成し、この表面にサンドペーパーを当て粗面としたこと以外は、上記実施例１と同様にして実施例３に係る粒子検出測定装置を作製した。この装置におけるセンサー素子１００の断面形状は図４に示すように粗面となっており、粗面荒さＲｍａｘ（最大突出部と、最深凹部との高さの差）は５０ミクロンであった。
【００３０】
（比較例１）
平坦な表面の保護膜を有するセンサーを用いたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１に係る粒子検出測定装置を作製した。
【００３１】
（粒子数計測試験）
上記のように作製した実施例１〜３、比較例１の粒子検出測定装置について、吸引装置７を駆動し容器４内の花粉粒子５を吸引速度１０ｍ／秒（約０．００２ｍ３／分）で８時間吸引し、粒子検出センサー２０が検出した粒子数を粒子判定装置８で計測した。また、吸引装置７の上部（上流側）にワセリンの塗布されたスライドグラス（図示せず）を設置し、粒子検出センサー２０から落下してくる花粉粒子をワセリン面に捕集して、ダーラム法により花粉数を測定した。測定試験はそれぞれについて２０回行った。
【００３２】
上記試験においてダーラム法による測定結果と、実施例１〜３、比較例１の測定結果との比（測定量／ダーラム法による測定量）を下記表１に示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１から、表面に凹凸構造を設けた実施例１〜３は、ダーラム法により測定した数値を１としたとき、０．９６であった。これに対し、凹凸構造が設けられていない表面平坦な比較例１では、ダーラム法により測定した数値を１としたとき、１．５０と高い数値であった。
【００３５】
この結果より、センサー表面に凹凸構造を有しない装置ではダーラム法よりも計測値が大きくなるが、センサー表面に凹凸構造を有する実施例に係る装置によると高い精度の計測が可能であることが判る。
【００３６】
この結果は、次のように考えられる。センサー表面（保護膜）に凹凸構造を設けた実施例１〜３は、花粉粒子がセンサー表面に衝突したとき、粒子と凹凸表面による摩擦が生じ、運動エネルギーが消費される。このため、接触した粒子はセンサー表面でバウンドすることなく吸引方向である装置の重力方向へと引き込まれることになり、粒子とセンサー表面との再衝突が起こらない。他方、表面が平坦である比較例１では、粒子とセンサー表面との摩擦がほとんど生じないため、センサー表面で粒子がバウンドし、再び水平方向の吸引気流に乗ってセンサーへの再衝突を引き起こす。この結果、比較例１での計測数値は、ダーラム法で計測した数値よりも大きくなったものと考えられる。
【００３７】
なお、杉花粉以外の粒子を本発明に係る装置を用いて計測した場合においても、ダーラム法による計測結果とほぼ一致することが確認されている。
【００３８】
また、上記実施例１〜３では、測定装置に粒子の入った容器を接続してこの中にある粒子を吸引することによって、粒子を検出、計測したが、容器を取り外して該部分を空気取り込み部として、その中に外気（飛散している粒子を含む空気）を吸引することによって、空気中の粒子を検出、計測することができることは勿論であり、通常はこのような使用態様で使用される。
【００３９】
また、空気中の特定の粒子（例えば杉花粉）を検出、計測するための装置においては、前記特定の粒子よりも大きい粒径の粒子の混入を防止するためにフィルターを空気取り込み口に設けると、さらに計測誤差を小さくすることができる。
【００４０】
〔その他の事項〕
上記実施例では折れ曲がり部ｂが直角に折れ曲がっていたが、当該部分は直角でなくともよい。例えば円弧状、角を落とした形状などであってもよい。また、上記実施例では、折れ曲がり部ｂに空気の流れに対して４５度の角度で粒子検出センサーを設置したが、流管の折れ曲がり部の角度や、センサーの配置角度はこれに限定されることはない。通常は流れに対して粒子検出センサーを３０〜６０度の角度に設置し、好ましくは４０〜５０度とし、より好ましくは４５度に設置する。
【００４１】
なお、センサーに粒子が接触した後、粒子が直ちに空気吸引部側に移動せずにセンサー上に留まると、該センサーと他の粒子との衝突を妨げてしまい、正確な粒子数を測定することができないとともに、一つの粒子を複数回カウントすることにもなる。このことから、粒子検出測定装置は以下の三つの要件を満たすことが必要である。
（１）粒子がセンサーに確実に衝突する。
（２）粒子がセンサーに衝突した後、センサー表面でバウンドしてセンサーに再衝突する現象が起きない。
（３）粒子がセンサーに衝突した後、粒子がセンサー表面から速やかに除かれる。
【００４２】
上記実施例では、流管６として円筒形の管を用いたが、流管６の形状は円筒形に限定されない。
【００４３】
また、上記実施例では、流管の水平流路部ａを重力方向に対して垂直に配置し、垂直流路部ｃを重力方向に平行に配置したが、このように配置すると重力の作用により、流動空気中に含まれる花粉粒子等の測定目的物粒子を粒子検出センサー面にバウンドの少ない条件（衝突角度、乱流状態、重力方向などの諸条件が衝突後に粒子が速やかにセンサー表面から去るのに好都合な条件）で確実に衝突させることができるので、測定精度が向上する。ただし、本発明の粒子検出測定装置はこれに限定されるものではない。例えば、流管の水平流路部ａは重力方向に対して±４５度を超え１３５度未満とし、好ましくは６０度〜１２０度、より好ましくは８０度〜１００度とする。また、垂直流路部垂直ｃは、重力方向に対して±３０度、好ましくは±１０度とする。
【００４４】
また、上記実施例では、粒子判定装置にシグナル回数をカウントする計測部を備えさせたが、目的とする種類の粒子が存在するか否かを検出できればよい場合には、当該計測部を設けなくともよい。
【００４５】
また、上記実施例１、２では凹部の深さ、突出部の高さを０．５〜１ミクロンに設定したが、この数値範囲に限定されるものではない。ただし、０．１ミクロン未満にすると、粒子と表面との摩擦抵抗が過小になるため、十分な効果が得られない。また、測定目的対象物をあらかじめ決めた場合には（例えば杉花粉検出用）、その粒子の大きさによって最適な大きさ（センサー表面と粒子との摩擦抵抗が最も大きくなる凸部と凹部の高さの差）を設定することができる。例えば、杉花粉検出用の場合、０．１〜５．０ミクロンであると検出誤差の小さい粒子検出測定装置が得られる。
【００４６】
また、上記実施例では、一対の電極からなるセンサー素子１００を横方向に１列、１０個並べた粒子検出センサー２０を作製したが、この数、形状に限定されることはない。例えばセンサー素子１００の電極形状として２つの櫛形電極を交互に入れ込ませた形状でもよい。また、図６（ａ）に示すように測定装置８の機能を備える回路部３０をセンサーが形成された基板１に設けることによって、さらに粒子検出測定装置の大きさを小さくすることができる。また、検出面積を拡大するためには、例えば図６（ｂ）に示すようにセンサー素子１００をマトリクス状に多数配列した粒子検出センサー２０とすればよい。
【００４７】
また、上記実施例では、基板材料としてガラスを用いたが、プラスチックやシリコン基板を用いることもできる。ただし、シリコン基板を用いる場合、電極と基板とを絶縁するために、無機絶縁膜、絶縁樹脂膜等を形成して絶縁を行う必要がある。
【００４８】
また、上記実施例では、保護膜を紫外線硬化樹脂を用いて作製したが、これ以外の公知の方法によって保護膜を作製してもよい。また保護膜の厚みも上記実施例の数値に限定されるものではない。
【００４９】
また、上記実施例では、電極材料としてアルミニウムを用いたが、これに代えて銀、金、白金、チタン、銅、タンタル、インジウムチタン酸化物等の公知の電極材料を用いることができる。
【００５０】
また、上記実施例では、杉花粉を測定したが、本発明装置はヒノキ花粉、砂塵、車の排気ガス中の微粒子成分など、様々な粒子を検出、測定することができる。また、粒子固有のキャパシタンスによって粒子を検出、計測する装置であるので、測定目的物粒子が１種類に限定されるものではない。例えば、複数の粒子のキャパシタンスデータを格納するメモリと、それぞれの粒子に対応した複数の計測部とを備えることによって、キャパシタンスの異なる２種以上の粒子を同時に検出、計測することもできるし、粒子の種類を検出することもできる。
【００５１】
なお、本発明装置によると全自動で粒子検出をなし得るので、本発明装置を花粉等の発生源近くに設置し、かつ電気通信回線で接続して計測データをアップデートできるようにしておくことにより、正確なアレルゲン発生情報をリアルタイムで公衆に伝達するといった使用態様が可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
上記の結果から明らかなように、キャパシタンスを検出するセンサー表面に凹凸構造を設け、粒子とセンサー表面との摩擦力を大きくするという手段を採用した本発明によると、粒子数の計測精度を格段に高めることができ、しかも粒子検出測定装置の小型化を図ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、実施例１に係るセンサー素子の概平面略図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ’線断面概略図である。
【図２】本発明に係るセンサー素子の他の形態を示す断面概略図である。
【図３】本発明に係るセンサー素子の他の形態を示す断面概略図である。
【図４】本発明に係るセンサー素子の他の形態を示す断面概略図である。
【図５】実施例１に係る粒子検出測定装置の概略部分断面図である。
【図６】本発明に係る粒子検出センサーの他の形態を示す概略平面図である。
【図７】比較例１に係るセンサー素子の断面概略図である。
【符号の説明】
１  基板
２  電極
３  保護膜
４  容器
５  花粉
６  流管
７  吸引部（吸引装置）
８  粒子判定装置
９  配線パターン
１０  粒子検出測定装置
２０  粒子検出センサー
３０  回路部
１００  センサー素子
【図１】
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【図２】
2005010083.tif 000005
【図３】
2005010083.tif 000006
【図４】
2005010083.tif 000007
【図５】
2005010083.tif 000008
【図６】
2005010083.tif 000009
【図７】
2005010083.tif 000010