(57)【要約】【課題】長期信頼性を確保することができる粒子測定装置などを提供する。【解決手段】粒子測定装置１は、検知領域ＤＡに光を投光する投光素子１１１と、検知領域ＤＡに位置する粒子２によって散乱された光の散乱光を受光する受光素子１１２とを有する粒子検出センサ１１０と、受光素子１１２からの出力を示す電圧信号をサンプリング及び量子化することにより、デジタル化された電圧信号であるデジタルデータを生成するＡＤ変換部１６１と、電圧信号が粒子２に応じた信号成分を含む第１期間におけるデジタルデータから、電圧信号が信号成分を含まない第２期間におけるデジタルデータを減算するオフセット処理を経た後に、粒径を演算する演算部１６２とを備える。【選択図】図１
2016109629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体中に含まれる粒子の粒径を測定する粒子測定装置であって、
検知領域に光を投光する投光素子と、前記検知領域に位置する前記粒子によって散乱された光の散乱光を受光する受光素子とを有する粒子検出センサと、
前記受光素子からの出力を示すセンサ信号をサンプリング及び量子化することにより、デジタル化された前記センサ信号であるデジタルデータを生成するＡＤ変換部と、
前記センサ信号が前記粒子に応じた信号成分を含む第１期間における前記デジタルデータから、前記センサ信号が前記信号成分を含まない第２期間における前記デジタルデータを減算するオフセット処理を経た後に、前記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】
前記粒子測定装置は、さらに、前記受光素子からの出力信号の信号経路に配置されたスイッチを有し、当該出力信号をアナログ信号処理することにより前記センサ信号を生成して前記ＡＤ変換部に出力するアナログ信号処理部を備え、
前記演算部は、前記オフセット処理において、前記スイッチがオンしていることにより前記センサ信号が前記信号成分を含む前記第１期間における前記デジタルデータから、前記スイッチがオフしていることにより前記センサ信号が前記信号成分を含まない前記第２期間における前記デジタルデータを減算する
請求項１に記載の粒子測定装置。
【請求項３】
前記アナログ信号処理部は、前記受光素子からの出力信号を電流信号から電圧信号に変換する抵抗素子を有するＩＶ変換部を有し、
前記スイッチは、前記受光素子からの出力信号の信号経路のうち前記受光素子と前記抵抗素子との間に配置されている
請求項２に記載の粒子測定装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記オフセット処理において、前記投光素子が投光していることにより前記センサ信号が前記信号成分を含む前記第１期間における前記デジタルデータから、前記投光素子が消光していることにより前記センサ信号が前記信号成分を含まない前記第２期間における前記デジタルデータを減算する
請求項１に記載の粒子測定装置。
【請求項５】
前記演算部は、前記オフセット処理において、前記粒子測定装置が起動してから所定期間経過していることにより前記センサ信号が前記信号成分を含む前記第１期間における前記デジタルデータから、前記粒子測定装置が起動してから当該所定期間経過していないことにより前記センサ信号が前記信号成分を含まない前記第２期間における前記デジタルデータを減算する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子測定装置。
【請求項６】
前記粒子測定装置は、さらに、前記気体の一部を加熱することにより、前記検知領域に気流を発生させる加熱部を備え、
前記演算部は、前記オフセット処理において、前記加熱部による加熱温度が所定の安定温度に到達していることにより前記センサ信号が前記信号成分を含む前記第１期間における前記デジタルデータから、前記加熱温度が前記安定温度に到達していないことにより前記センサ信号が前記信号成分を含まない前記第２期間における前記デジタルデータを減算する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子測定装置。
【請求項７】
前記演算部は、所定のタイミングで繰り返される前記第２期間毎に前記第２期間におけるデジタルデータを更新し、前記オフセット処理において、前記第１期間における前記デジタルデータから更新後の前記第２期間における前記デジタルデータを減算する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子測定装置を備える空気清浄機。
【請求項９】
検知領域に光を投光する投光素子、及び、前記検知領域に位置する粒子によって散乱された光の散乱光を受光する受光素子を有する粒子検出センサと、前記受光素子からの出力を示すセンサ信号をサンプリング及び量子化することにより、デジタル化された前記センサ信号であるデジタルデータを生成するＡＤ変換部とを用いて、気体中に含まれる前記粒子の粒径を測定する粒子測定方法であって、
前記センサ信号が前記粒子に応じた信号成分を含まない状態で、前記デジタルデータを取得する基準取得ステップと、
前記センサ信号が前記信号成分を含む状態で、前記デジタルデータを取得する信号取得ステップと、
前記信号取得ステップで取得された前記デジタルデータから前記基準取得ステップで取得された前記デジタルデータを減算するオフセット処理を経た後に、前記粒径を演算する粒径演算ステップとを含む
粒子測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体中に含まれる粒子を測定する粒子測定装置、当該粒子測定装置を備える空気清浄機、及び、粒子測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光散乱式粒子検出センサは、投光素子と受光素子とを備える光電式センサであり、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を含む粒子測定装置として、当該光散乱式粒子検出センサからの検知信号を用いて、大気中の単位体積当たりの粒子の量（濃度）を検出するものが知られている（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２００１−０８７６１３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、このような粒子測定装置では、当該粒子測定装置に含まれるアナログ素子における温度特性が長期使用によって変化したり、いわゆる経年劣化が生じたりする等により、長期性能ドリフトが生じる場合がある。この場合、例えば、粒子の粒径の高精度測定が困難になる等、粒子測定装置の長期信頼性の確保が困難になる。
【０００６】
そこで、本発明は、長期信頼性を確保することができる粒子測定装置など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、本発明の一態様に係る粒子測定装置は、気体中に含まれる粒子の粒径を測定する粒子測定装置であって、検知領域に光を投光する投光素子と、前記検知領域に位置する前記粒子によって散乱された光の散乱光を受光する受光素子とを有する粒子検出センサと、前記受光素子からの出力を示すセンサ信号をサンプリング及び量子化することにより、デジタル化された前記センサ信号であるデジタルデータを生成するＡＤ変換部と、前記センサ信号が前記粒子に応じた信号成分を含む第１期間における前記デジタルデータから、前記センサ信号が前記信号成分を含まない第２期間における前記デジタルデータを減算するオフセット処理を経た後に、前記粒径を演算する演算部とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、長期信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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２】実施の形態におけるアナログ信号処理部の回路図である。
【図３】実施の形態における演算部のブロック図である。
【図４】実施の形態において、受光素子から出力される電流信号の一例を示す波形図である。
【図５Ａ】実施の形態において生成されたデジタルデータの一例を示す波形図である。
【図５Ｂ】実施の形態において生成されたデジタルデータの一例を示す波形図である。
【図５Ｃ】実施の形態において生成されたデジタルデータの一例を示す波形図である。
【図６】実施の形態に係る粒径演算処理を示すフローチャートである。
【図７】図６に示す基準電圧取得処理（Ｓ１０）の詳細を示すフローチャートである。
【図８】実施の形態に係る粒子測定装置における各信号を示す図である。
【図９】実施の形態の変形例１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１０】実施の形態の変形例１におけるアナログ信号処理部の回路図である。
【図１１】実施の形態の変形例２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１２】実施の形態の変形例２における投光素子の回路図である。
【図１３】実施の形態の変形例３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１４】実施の形態の変形例３に係る演算部の構成の一例を示すブロック図である。
【図１５】実施の形態の変形例３に係る粒子測定装置における各信号を示す図である。
【図１６】実施の形態の変形例４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１７】実施の形態の変形例４に係る演算部の構成の一例を示すブロック図である。
【図１８】実施の形態の変形例４に係る粒子測定装置における各信号及び加熱部の温度を示す図である。
【図１９】空気清浄機の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では、本発明の実施の形態に係る粒子測定装置などについて、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、並びに、ステップ及びステップの順序などは、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。
【００１１】
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、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
【００１２】
（実施の形態）
［１．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１の構成の一例を示すブロック図である。
【００１３】
同図に示すように、粒子測定装置１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１０と、汎用ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１６０とを備え、大気（気体）に含まれる粒子の粒径を測定する。
【００１４】
以下、粒子測定装置１の各構成について、具体的に説明する。
【００１５】
［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２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２を検出するものである。これらの投光素子１１１、受光素子１１２及び検知領域ＤＡは、外光が照射されないように、筐体１１３の内部に配置され、投光素子１１１及び受光素子１１２は当該筐体１１３によって保持されている。また、本実施の形態における粒子検出センサ１１０は、さらに、大気を加熱する加熱部１１５を有する。
【００１６】
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（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）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。この場合、投光素子１１１は、２波長以上の混合波を発するように構成されてもよい。本実施の形態では、粒子２による光の散乱強度に鑑みて、投光素子１１１として、例えば、４００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長の光を出力する砲弾型のＬＥＤを用いる。
【００１７】
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２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。
【００１８】
投光素子１１１から出射された光は、例えば、投光素子１１１の前方に配置された投光レンズを介して検知領域ＤＡを通過する。この際、検知領域ＤＡを粒子２が通過していると、当該粒子２によって投光素子１１１からの光が散乱される。
【００１９】
受光素子１１２は、検知領域ＤＡにおける粒子２による投光素子１１１からの光の散乱光を受光する受光部であり、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。
【００２０】
粒子２による散乱光は、例えば、検知領域ＤＡと当該受光素子１１２との間に配置された受光レンズによって、受光素子１１２に集光される。
【００２１】
筐体１１３は、遮光性を有し、粒子２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た部材である。例えば、筐体１１３は、迷光を吸収させるように、少なくとも内面が黒色である。具体的には、筐体１１３の内面は、光の吸収率が高く、かつ、光を鏡面反射する。なお、筐体１１３の内面における反射は、鏡面反射でなくてもよく、光の一部が散乱反射されてもよい。
【００２２】
ここで、迷光は、粒子２による散乱光以外の光であり、具体的には、投光素子１１１が出射した光のうち検知領域ＤＡにおいて粒子２に散乱されることなく、筐体１１３内を進行する光等である。また、迷光には、粒子流路によって筐体１１３の内部に進入した外光も含まれる。
【００２３】
筐体１１３は、例えば、ＡＢＳ樹脂などの樹脂材料を用いた射出成形により形成される。このとき、例えば、黒色の顔料又は染料を添加した樹脂材料を用いることで、筐体１１３の内面を黒色面にすることができる。あるいは、射出成形後に内面に黒色塗料を塗布することで、筐体１１３の内面を黒色面にすることができる。また、筐体１１３の内面にシボ加工などの表面処理を行うことによって、迷光を吸収させてもよい。
【００２４】
検知領域ＤＡは、測定対象の気体に含まれる粒子２（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２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、粒子流路の入口１０１から筐体１１３の内部に進入し、粒子流路を通って検知領域ＤＡに導かれ、粒子流路の出口１０２から筐体１１３の外部に流出される。
【００２５】
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。
【００２６】
加熱部１１５は、粒子２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。
【００２７】
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。
【００２８】
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２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２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。
【００２９】
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２を検出することは可能である。
【００３０】
［１−２．信号処理部の構成］
次に、粒子検出センサ１１０から出力される電流信号を信号処理して、粒子２の粒径を演算する信号処理部（アナログ信号処理部１２０及び汎用ＭＰＵ１６０）の構成について、説明する。この信号処理部は、アナログ信号である上記電流信号を電圧信号に変換してアナログ手段（回路）で信号処理を行うアナログ信号処理部１２０と、当該アナログ信号処理部１２０で信号処理された電圧信号をデジタル化することで生成されたデジタルデータを用いて粒子２の粒径を演算する汎用ＭＰＵ１６０とを備える。以下、信号処理部の各構成について、詳細に説明する。
【００３１】
［１−２−１．アナログ信号処理部］
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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１２２と、増幅部１２３とを含む。また、本実施の形態において、アナログ信号処理部１２０は、さらに、スイッチ１２１を含む。以下、図２を参照しながら、アナログ信号処理部１２０の各構成について、詳細に説明する。
【００３４】
図２は、本実施の形態におけるアナログ信号処理部１２０の回路図である。なお、同図では増幅部１２３として初段の増幅器のみが図示されているが、当該増幅器の後段にさらに増幅器が配置されていてもかまわないし、増幅器と独立したバンドパスフィルタが配置されていてもかまわない。
【００３５】
［１−２−１−１．スイッチ］
スイッチ１２１は、粒子検出センサ１１０の受光素子１１２からの出力信号（電流信号）の信号経路に配置され、後述する制御部１６３から出力される制御信号に応じてオン及びオフする、例えばトランジスタである。本実施の形態では、図２に示すように、スイッチ１２１は、受光素子１１２から出力からの出力信号の信号経路のうち、受光素子１１２と後述するＩＶ変換部１２２の抵抗素子Ｒ１１との間に配置され、例えば、制御信号がハイの場合にオンし、ローの場合にオフする。
【００３６】
［１−２−１−２．ＩＶ変換部］
ＩＶ変換部１２２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１２２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、以降の信号処理を容易にするとともに、ＩＶ変換部１２２の後段に接続された増幅部１２３の設計が容易になる。
【００３７】
具体的には、図２に示すように、ＩＶ変換部１２２は、受光素子１１２からの出力信号を電流信号から電圧信号に変換する抵抗素子Ｒ１１を有する。この抵抗素子Ｒ１１に受光素子１１２から出力された電流が流れることにより、当該電流に対応する電圧が抵抗素子Ｒ１１の両端に生じる。これにより、受光素子１１２からの電流信号が電圧信号に変換されて、増幅部１２３へ入力される。
【００３８】
［１−２−１−３．増幅部］
増幅部１２３は、ＩＶ変換部１２２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１２３は、ＩＶ変換部１２２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。
【００３９】
ここで、粒子２に対応したパルス波形とは、検知領域ＤＡを通過する粒子２の速度、及び、当該粒子２の粒径等に対応した正弦波、または、それに類似の波形である。このパルス波形は概ね、各々が粒子２の１つ１つに対応する。ただし、例えば、大粒径の粒子２と小粒径の粒子２とが同じタイミングで検知領域ＤＡを通過する場合等には、その限りではない。
【００４０】
この増幅部１２３は、例えば、図１に示すように、ＩＶ変換部１２２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と、バンドパスフィルタを通過した周波数成分からなる信号を増幅する増幅器とを含む。なお、バンドパスフィルタ及び増幅器の接続順はこれに限らず、増幅器がバンドパスフィルタよりも前段に設けられていてもよい。
【００４１】
具体的には、図２に示すように、増幅部１２３は、オペアンプＯＰ２１と、当該オペアンプＯＰ２１の入力側に直列に配置された容量素子Ｃ２１及び並列に配置された抵抗素子Ｒ２１と、当該オペアンプＯＰ２１のフィードバックループに直列に配置された容量素子Ｃ２２及び抵抗素子Ｒ２２と、当該フィードバックループに並列に配置された抵抗素子Ｒ２３とを有する。この増幅部１２３は、各抵抗素子Ｒ２１〜Ｒ２３の抵抗値と各容量素子Ｃ２１及びＣ２２の容量値とで決定される所定の帯域及び増幅利得で、ＩＶ変換部１２２から入力された電圧信号を増幅して出力する。
【００４２】
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（センサ信号）を出力する。
【００４３】
［１−３．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。
【００４４】
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。
【００４５】
このような汎用ＭＰＵ１６０は、図１に示すように、ＡＤ変換部１６１及び演算部１６２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。また、本実施の形態において、汎用ＭＰＵ１６０は、さらに、制御部１６３を含む。以下、汎用ＭＰＵ１６０の各構成について、詳細に説明する。
【００４６】
［１−３−１．ＡＤ変換部］
ＡＤ変換部１６１は、増幅部１２３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。
【００４７】
すなわち、ＡＤ変換部１６１は、受光素子１１２からの出力を示す電圧信号（センサ信号）をサンプリング及び量子化することにより、デジタル化された当該電圧信号であるデジタルデータを生成する。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
［１−３−２．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大気に含まれる粒子２の粒径を算出する。具体的には、演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号（センサ信号）が粒子２に応じたパルス波形（信号成分）を含む第１期間におけるデジタルデータから、当該電圧信号が当該パルス波形を含まない第２期間におけるデジタルデータを減算するオフセット処理を経た後に、粒径を演算する。
【００５１】
本実施の形態において、演算部１６２は、オフセット処理において、スイッチ１２１がオンしていることによりＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号が粒子２に応じたパルス波形を含む第１期間におけるデジタルデータから、スイッチ１２１がオフしていることにより当該電圧信号が当該パルス波形を含まない第２期間におけるデジタルデータを減算する。
【００５２】
つまり、本実施の形態において、第１期間はスイッチ１２１がオンしている期間であり、第２期間は当該スイッチ１２１がオフしている期間である。
【００５３】
以下、図３を参照しながら、演算部１６２の各構成について、詳細に説明する。
【００５４】
図３は、本実施の形態における演算部１６２のブロック図である。同図に示すように、演算部１６２は、切替部２１２と、保持部２１３と、減算部２１４と、粒径推定部２１５とを備える。
【００５５】
切替部２１２は、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータを、制御部１６３から出力された制御信号に応じて、保持部２１３に出力して保持させる、又は、減算部２１４に出力する。具体的には、切替部２１２は、制御信号がスイッチ１２１のオンを示している場合（例えば、制御信号がハイの場合）、当該デジタルデータを減算部２１４に出力する。一方、制御信号がスイッチ１２１のオフを示している場合（例えば、制御信号がローの場合）、当該デジタルデータを保持部２１３に出力して保持させる。
【００５６】
保持部２１３は、切替部２１２から出力されたデジタルデータを保持する、例えばメモリである。
【００５７】
減算部２１４は、切替部２１２から出力されたデジタルデータから保持部２１３に保持されたデジタルデータを減算して、減算結果を粒径推定部２１５に出力する。ここで、切替部２１２から入力されるデジタルデータ、及び、保持部２１３に保持されたデジタルデータはいずれも、時系列のデジタル値である。減算部２１４は、例えば、保持部２１３に保持されたデジタルデータのデジタル値を平均化した平均値を、切替部２１２から入力されるデジタルデータの各サンプルのデジタル値から減算し、各サンプルについて減算結果のデジタル値を粒径推定部２１５に出力する。このように、本実施の形態では、デジタル信号処理で減算を行う。
【００５８】
ここで、アナログ信号処理で減算を行う場合、減算回路の構成としては、オペアンプ等を用いる構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、減算回路自体の長期性能ドリフトにより、長期的な観点では減算結果が変動する虞がある。また、アナログ回路構成が複雑化する虞もある。このため、デジタル信号処理で減算を行うことにより、長期に亘って正確な減算処理を確保できるとともに、アナログ回路構成を簡素化及び低コスト化できる。
【００５９】
粒径推定部２１５は、減算部２１４から出力された減算結果のデジタル値である時系列のデジタルデータを用いて、粒子２の粒径を推定（演算）する。
【００６０】
［１−３−３．制御部］
制御部１６３は、スイッチ１２１のオン及びオフを示す制御信号を生成し、スイッチ１２１及び演算部１６２に出力する。本実施の形態では、制御部１６３は、スイッチ１２１のオンとオフとを所定の時間間隔で交互に切り替える。
【００６１】
［１−４．電源部］
電源部１３０は、センサモジュール１０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１０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。
【００６２】
以上、本実施の形態に係る粒子測定装置１の構成について、説明した。
【００６３】
［２．動作］
次に、粒子測定装置１の動作について、説明する。
【００６４】
［２−１．粒子検出センサの動作］
まず、粒子検出センサ１１０による粒子２の検出動作について説明する。
【００６５】
加熱部１１５により空気が加熱されると、筐体１１３内の粒子流路に上昇気流が生じる。これに伴い、大気中の粒子は、粒子流路の入口１０１から筐体１１３の内部に進入し、粒子の検知領域ＤＡを通過して、粒子流路の出口１０２から筐体１１３の外部に流出される。
【００６６】
投光素子１１１から出射された光は、検知領域ＤＡの粒子２が存在する場合、当該粒子２によって散乱される。
【００６７】
その後、粒子２から散乱された散乱光（散乱光の一部）が、受光素子１１２により受光されると、当該受光素子１１２から受光量（受光した散乱光の光強度）に応じた電流信号が出力される。
【００６８】
図４は、受光素子１１２から出力される電流信号の一例を示す波形図である。
【００６９】
同図に示す波形には、４つの粒子の散乱光の強度を示す波形が含まれている。より具体的には、当該波形には、ピーク値（「波高値」とも言う）Ｉ１を有する波形Ｗ１と、波高値Ｉ２を有する波形Ｗ２と、波高値Ｉ３を有する波形Ｗ３と、波高値Ｉ４を有する波形Ｗ４とが含まれる。これらの波形Ｗ１〜Ｗ４には、ノイズによる波形ＷＮが重畳されている。
【００７０】
ここで、検知領域ＤＡに位置する粒子２の粒径が大きいほど、当該粒子２による散乱光の光強度は大きくなる。よって、受光素子１１２から出力される電流信号は、粒子２の粒径が大きいほどピーク値が大きくなる信号である。
【００７１】
また、散乱光の光強度のピーク１つ１つは、気流が粒子流路を流れることによって共に移動する粒子２の１つ１つに対応する。よって、受光素子１１２から出力される電流信号のピーク値の１つ１つは、対応する粒子２の粒径に応じた値である。
【００７２】
このような動作により、粒子検出センサ１１０は、気体に含まれる粒子２を検出することができる。
【００７３】
［２−２．信号処理部の動作］
次に、信号処理部（アナログ信号処理部１２０及び汎用ＭＰＵ１６０）による信号処理について、説明する。なお、ここでは、スイッチ１２１はオンしているものとして説明する。
【００７４】
まず、ＩＶ変換部１２２は、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。つまり、受光素子１１２から出力された電流信号は電圧信号へと変換される。
【００７５】
次に、増幅部１２３は、当該電圧信号を所定の帯域で増幅する。
【００７６】
その後、ＡＤ変換部１６１は、増幅部１２３で増幅されたアナログ信号である電圧信号をデジタル変換（ＡＤ変換）することにより、デジタルデータを生成する。つまり、ＡＤ変換部１６１は、サンプリング及び量子化することにより、粒子２に対応したパルス波形を含む時系列のデジタルデータを生成する。
【００７７】
最後に、演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１によって生成されたデジタルデータを用いて後述する粒径演算処理を実行することにより、粒子２の粒径を演算する。
【００７８】
［２−３．粒径演算処理（粒子測定方法）］
以下、演算部１６２による粒径演算処理（粒子測定方法）について、説明する。
【００７９】
［２−３−１．長期性能ドリフトによる影響］
ここで、粒子測定装置１では、当該粒子測定装置１に含まれるアナログ素子における温度特性及び経年劣化等により、長期性能ドリフトが生じる場合がある。この長期性能ドリフトは、時定数の大きい（例えば、７年）変動であるため、短期的な観点では、粒径測定等に及ぼす影響は少ない。しかしながら、長期的な観点では、粒径の測定が困難になる等、信頼性の確保に大きな影響を及ぼす。
【００８０】
図５Ａ〜図５Ｃはそれぞれ、ＡＤ変換部１６１によって生成されたデジタルデータの一例を示す波形図である。これらのデジタルデータには、粒子２の各々に対応したパルス波形Ｗ１〜Ｗ４が含まれる。具体的には、図５Ａは粒子測定装置１の長期性能ドリフトが生じていない場合を示し、図５Ｂは図５Ａよりも当該長期性能ドリフトが進んだ場合を示し、図５Ｃは図５Ｂよりもさらに当該長期性能ドリフトが進んだ場合を示す。
【００８１】
なお、これらの図は、いずれも同じ条件で、粒子検出センサ１１０の検知領域ＤＡを４つの粒子２が通過した場合のデジタルデータを示す。また、これらの図に示すデジタルデータは、例えば、１０ビットの時系列のデジタルデータである。なお、デジタルデータの波形はステップ状の波形であるが、これらの図では、当該ステップの幅が非常に小さいものとして、見た目上曲線で図示している。また、これらの図では、説明の便宜上、デジタルデータの各サンプルのデジタル値を電圧に換算して図示している。
【００８２】
これらの図に示すように、粒子測定装置１は、長期性能ドリフトが進むにつれて、デジタルデータの基準電圧（オフセット電圧）Ｖｏｆｆｓｅｔ１、Ｖｏｆｆｓｅｔ２及びＶｏｆｆｓｅｔ３が変動する。具体的には、Ｖｏｆｆｓｅｔ１（＝０）＜Ｖｏｆｆｓｅｔ２（＝０＋α１）＜Ｖｏｆｆｓｅｔ３（＝０＋α２）となる。
【００８３】
ここで、デジタルデータの基準電圧とは、当該デジタルデータの直流成分の電圧（直流オフセット電圧）であり、粒子２に対応したパルス波形とは無関係に生じる電圧である。つまり、デジタルデータの基準電圧は、検知領域ＤＡに粒子２が存在しない場合であっても常時生じる電圧である。
【００８４】
基準電圧の変動は、上述した温度特性及び経年劣化等によるアナログ素子の長期性能ドリフトに起因し、特に、当該長期性能ドリフトによるアナログ信号処理部１２０のオフセット電圧の変動に起因する。
【００８５】
また、基準電圧の変動に伴って、パルス波形Ｗ１〜Ｗ４も変動する。つまり、パルス波形Ｗ１〜Ｗ４のピークの値は、基準電圧の変動と共に変動する。これにより、同一の粒径に対応するパルス波形Ｗ１であっても、ピークの値がＶ１１＜Ｖ２１＜Ｖ３１となる。同様に、他の同一粒径に対応するパルス波形Ｗｋ（ただし、ｋ＝２、３、４）についても、ピークの値がＶ１ｋ＜Ｖ２ｋ＜Ｖ３ｋとなる。
【００８６】
このように、長期性能ドリフトの影響により、同一の粒径であっても異なるピークの値となる。したがって、ピーク値を用いて粒径を求めた場合、粒径の推定精度が劣化するという問題がある。
【００８７】
［２−３−２．長期性能ドリフトによる影響を抑制した粒径演算処理］
そこで、本実施の形態に係る演算部１６２は、長期性能ドリフトによる影響を抑制するために、以下のように粒径演算処理を実行する。すなわち、演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号（センサ信号）が粒子２に応じたパルス波形（信号成分）を含む第１期間におけるデジタルデータから、当該電圧信号が当該パルス波形を含まない第２期間におけるデジタルデータを減算するオフセット処理を経た後に、粒径を演算する。
【００８８】
以下、演算部１６２による粒径演算処理（粒子測定方法）について、図６〜図８を用いて詳細に説明する。図６は、本実施の形態に係る粒径演算処理を示すフローチャートである。図７は、図６に示す基準電圧取得処理（Ｓ１０）の詳細を示すフローチャートである。図８は、本実施の形態に係る粒子測定装置１における各信号を示す図である。具体的には、図８には、制御部１６３から出力される制御信号、ＩＶ変換部１２２に入力される電流信号、及び、ＡＤ変換部１６１に入力される電圧信号の波形が示されている。
【００８９】
図６に示すように、まず、演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号（センサ信号）が粒子２に応じたパルス波形を含まない状態で、デジタルデータを取得する（Ｓ１０：基準取得ステップ）。これにより、演算部１６２は、長期性能ドリフトに影響される基準電圧を示すデジタル値を取得する。
【００９０】
具体的には、図７及び図８に示すように、時刻Ｔ１１において制御信号がローになることにより、スイッチ１２１がオフする（Ｓ１１）。これにより、時刻Ｔ１１以降、ＩＶ変換部１２２に入力される電流信号は、図中の破線で示す粒子２に応じたパルス波形を含まない信号となる。よって、ＡＤ変換部１６１に入力される電圧信号は、粒子２に応じたパルス波形を含まずに、アナログ信号処理部１２０のオフセット電圧を含む信号となる。
【００９１】
そして、切替部２１２は、時刻Ｔ１１以降、制御信号がローになったことにより、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータを保持部２１３に出力して保持させる（Ｓ１２）。
【００９２】
その後、時刻Ｔ１２において制御信号がハイになることにより、スイッチ１２１がオンする（Ｓ１３）。これにより、時刻Ｔ１２以降、ＩＶ変換部１２２に入力される電流信号は、検知領域ＤＡに位置する粒子２に応じたパルス波形を含む信号となる。よって、ＡＤ変換部１６１に入力される電圧信号は、粒子２に応じたパルス波形、及び、アナログ信号処理部１２０のオフセット電圧のいずれも含む信号となる。
【００９３】
このような基準電圧取得処理（Ｓ１０）によって、保持部２１３には、時刻Ｔ１１〜Ｔ１２においてＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号がデジタル化されたデジタルデータであって、粒子２に応じたパルス波形を含まずに、アナログ信号処理部１２０のオフセット電圧を含むデジタルデータが保持される。
【００９４】
基準電圧取得処理（Ｓ１０）の後、演算部１６２は、ＡＤ変換部１６１に入力される電圧信号が粒子２に応じたパルス波形を含む状態でデジタルデータを取得する（Ｓ２０：信号取得ステップ）。これは、時刻Ｔ１２においてスイッチ１２１がオンしたことにより、時刻Ｔ１２以降、ＡＤ変換部１６１に入力される電圧信号が、粒子２に応じたパルス波形、及び、アナログ信号処理部１２０のオフセット電圧を含む信号となるためである。
【００９５】
具体的には、時刻Ｔ１２以降、制御信号がハイとなっていることにより、切替部２１２は、ＡＤ変換部１６１で生成されたデジタルデータを減算部２１４に出力する。
【００９６】
そして、演算部１６２は、信号取得処理（Ｓ２０）で取得されたデジタルデータから基準電圧取得処理（Ｓ１０）で取得されたデジタルデータを減算するオフセット処理を経た後に、粒子２の粒径を演算する（Ｓ３０：粒径演算ステップ）。
【００９７】
具体的には、減算部２１４は、オフセット処理において、切替部２１２から出力されたデジタルデータから保持部２１３に保持されたデジタルデータを減算して、減算結果を粒径推定部２１５に出力する。そして、上記オフセット処理の後に、粒径推定部２１５は、減算部２１４から出力された減算結果を用いて、粒子２の粒径を推定（演算）する。
【００９８】
ここで、切替部２１２から出力されたデジタルデータは、粒子２に応じたパルス波形、及び、アナログ信号処理部１２０のオフセット電圧を含む。一方、保持部２１３に保持されたデジタルデータは、粒子２に応じたパルス波形を含まずに、アナログ信号処理部１２０のオフセット電圧を含む。
【００９９】
したがって、減算部２１４による減算結果は、粒子２に応じたパルス波形を含み、アナログ信号処理部１２０のオフセット電圧を含まないデジタルデータとなる。よって、粒径推定部２１５は、アナログ信号処理部１２０のオフセット電圧の変動による推定精度の低下を抑制して、粒径を推定することができる。つまり、粒径の推定精度の長期信頼性を確保できる。
【０１００】
具体的には、粒径推定部２１５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、粒径推定部２１５は、減算部２１４から出力された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。
【０１０１】
以上説明したような粒径演算処理により、演算部１６２は、長期性能ドリフトが進んだ場合であっても、粒子２の粒径を精度良く測定することができる。
【０１０２】
つまり、図５Ａ〜図５Ｃに示す例では、同一の粒径に対応するパルス波形Ｗ１について、Ｖ１１＝Ｖ２１−α１＝Ｖ３１−α２が成り立つ。同様に、他の同一粒径に対応するパルス波形Ｗｋ（ただし、ｋ＝２、３、４）についても、Ｖ１ｋ＝Ｖ２ｋ−α１＝Ｖ３ｋ−α２が成り立つ。したがって、長期性能ドリフトによる基準電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１、Ｖｏｆｆｓｅｔ２及びＶｏｆｆｓｅｔ３の変動による影響を抑制して、粒径を推定することができる。
【０１０３】
ここで、ピークの値の検出方法は任意であり、例えば、判定対象のサンプルのデジタル値と比較して、以降の所定数のサンプルにおいて、連続してデジタル値が低下した場合に、判定対象のサンプルのデジタル値をピークの値として検出してもよい。また、判定対象のサンプルのデジタル値と比較して、直後のサンプルのデジタル値が所定値以上低下している場合に判定対象のサンプルのデジタル値をピークの値として検出してもかまわない。また、判定対象のサンプルのデジタル値が前後のサンプルのデジタル値よりも大きい場合に、判定対象のサンプルと比較されるサンプルの数は、１以上であればよく、複数であってもかまわない。
【０１０４】
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、粒径推定部２１５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。
【０１０５】
また、粒径推定部２１５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。
【０１０６】
例えば、粒径推定部２１５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、減算部２１４から出力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、粒径推定部２１５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。
【０１０７】
このように、粒径推定部２１５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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
これにより、粒径推定部２１５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。
【０１１０】
なお、粒径推定部２１５は、デジタルデータのピークを非同期で検出してもよい。つまり、粒径推定部２１５によるデジタルデータのピークの検出は、所定時間間隔に限らず、任意の時間間隔であってもよい。これにより、互いに異なる粒径の複数の粒子が連続して検知領域ＤＡに導入された場合であっても、これら複数の粒子各々の粒径を算出することができる。
【０１１１】
これにより、デジタルデータに含まれるパルス波形のピークの出現する位相が変化するおそれがある。しかしながら、デジタルデータのピークを非同期で検出することにより、ピークの出現する位相が変化した場合であっても、各ピークを検出できる。よって、精度良くピークを検出できるので、各粒子の粒径を精度良く算出することができる。
【０１１２】
また、本実施の形態では、演算部１６２は、デジタルデータの基準電圧を定期的に取得する。これにより、粒径の推定精度の長期信頼性を一層確保できる。
【０１１３】
すなわち、図８に示すように、制御信号は、ハイとローとが所定の時間間隔で交互に切り替わる。つまり、制御部１６３は、スイッチ１２１のオンとオフとを所定の時間間隔で交互に切り替える。
【０１１４】
言い換えると、演算部１６２は、所定のタイミングで繰り返される期間であってＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号（センサ信号）が粒子２に応じたパルス波形を含まない第２期間（図８に示す例では、時刻Ｔ１１〜Ｔ１２及び時刻Ｔ１３〜Ｔ１４等）毎に、当該期間におけるデジタルデータを更新する。そして、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号（センサ信号）が粒子２に応じたパルス波形を含む第１期間（図８に示す例では、時刻Ｔ１２〜Ｔ１３及び時刻Ｔ１４〜Ｔ１５等）におけるデジタルデータから更新後のデジタルデータを減算するオフセット処理を経た後に、粒径を演算する。
【０１１５】
例えば、演算部１６２は、第２期間毎に保持部２１３に保持されるデジタルデータを更新し、当該第２期間の後の第１期間では、ＡＤ変換部１６１から入力されるデジタルデータから保持部２１３に保持されるデジタルデータを減算するオフセット処理を実行する。
【０１１６】
［３．効果等］
以上のように、本発明の実施の形態に係る粒子測定装置１は、検知領域ＤＡに光を投光する投光素子１１１と、検知領域ＤＡに位置する粒子２によって散乱された光の散乱光を受光する受光素子１１２とを有する粒子検出センサ１１０と、受光素子１１２からの出力を示すセンサ信号（本実施の形態では、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号）をサンプリング及び量子化することにより、デジタル化されたセンサ信号であるデジタルデータを生成するＡＤ変換部１６１と、センサ信号が粒子２に応じたパルス波形（信号成分）を含む第１期間におけるデジタルデータから、センサ信号がパルス波形を含まない第２期間におけるデジタルデータを減算するオフセット処理を経た後に、粒径を演算する演算部１６２とを備える。
【０１１７】
これにより、演算部１６２における減算結果は、粒子２に応じたパルス波形を含み、センサ信号の基準電圧を含まないデジタルデータとなる。よって、センサ信号の基準電圧の変動による推定精度の低下を抑制して、粒径を推定することができるので、粒径の推定精度の長期信頼性を確保できる。
【０１１８】
また、粒子測定装置１は、さらに、受光素子１１２からの出力信号（本実施の形態では電流信号）の信号経路に配置されたスイッチ１２１を有し、当該出力信号をアナログ信号処理することによりセンサ信号を生成してＡＤ変換部１６１に出力するアナログ信号処理部１２０を備え、演算部１６２は、オフセット処理において、スイッチ１２１がオンしていることによりセンサ信号がパルス波形を含む第１期間におけるデジタルデータから、スイッチ１２１がオフしていることによりセンサ信号がパルス波形を含まない第２期間におけるデジタルデータを減算する。
【０１１９】
ここで、センサ信号の基準電圧の変動は、温度特性及び経年劣化等によるアナログ素子の長期性能ドリフトに起因し、特に、当該長期性能ドリフトによるアナログ信号処理部１２０のオフセット電圧の変動に起因するものである。よって、受光素子１１２からの出力信号の信号経路に配置されたスイッチ１２１をオフすることにより、アナログ信号処理部１２０のオフセット電圧の変動を正確に計測することができるため、粒径の推定精度の長期信頼性を一層確保できる。
【０１２０】
具体的には、アナログ信号処理部１２０は、受光素子１１２からの出力信号を電流信号から電圧信号に変換する抵抗素子Ｒ１１を有するＩＶ変換部１２２を有し、スイッチ１２１は、受光素子１１２からの出力信号の信号経路のうち受光素子１１２と抵抗素子Ｒ１１との間に配置されている。
【０１２１】
これにより、抵抗素子１１のインピーダンスによるセンサ信号の基準電圧の変動による推定精度の低下を抑制して、粒径を推定することができる。
【０１２２】
また、演算部１６２は、所定のタイミングで繰り返される期間であってセンサ信号が粒子２に応じたパルス波形を含まない第２期間毎に、当該第２期間におけるデジタルデータを更新し、オフセット処理において、当該センサ信号が当該パルス波形を含まない第１期間におけるデジタルデータから更新後のデジタルデータを減算する。
【０１２３】
これにより、センサ信号の基準電圧のデジタルデータを定期的に更新して、粒子２に応じたパルス波形を含むデジタルデータから減算するので、粒径の推定精度の長期信頼性を一層確保できる。
【０１２４】
（変形例１）
次に、本発明の実施の形態の変形例１について説明する。上記実施の形態では、スイッチ１２１は、受光素子１１２からの出力信号の信号経路のうち、受光素子１１２と後述するＩＶ変換部１２２の抵抗素子Ｒ１１との間に配置されるとした。しかし、スイッチ１２１は、受光素子１１２からの出力信号の信号経路に配置されていればよく、本変形例では、ＩＶ変換部１２２によって変換された電圧信号の経路に配置されている。
【０１２５】
図９は、本変形例に係る粒子測定装置１Ａの構成の一例を示すブロック図である。同図に示す粒子測定装置１Ａは、後述するアナログ信号処理部１２０Ａを含むセンサモジュール１０Ａを備える。図１０は、本変形例におけるアナログ信号処理部１２０Ａの回路図である。なお、図１０では図２と同様、増幅部１２３として初段の増幅器のみが図示されているが、当該増幅器の後段にさらに増幅器が配置されていてもかまわないし、増幅器と独立したバンドパスフィルタが配置されていてもかまわない。
【０１２６】
これらの図に示すように、スイッチ１２１は、ＩＶ変換部１２２と増幅部１２３との間に配置されている。
【０１２７】
このように構成された粒子測定装置１Ａであっても、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【０１２８】
（変形例２）
次に、本発明の実施の形態の変形例２について説明する。上記実施の形態と比較して、本変形例では、演算部１６２は、オフセット処理において、投光素子が投光していることにより粒子２に応じたパルス波形を含むデジタルデータから、投光素子が消光していることにより当該パルス波形を含まないデジタルデータを減算する点が異なる。
【０１２９】
図１１は、本変形例に係る粒子測定装置１Ｂの構成の一例を示すブロック図である。同図に示す粒子測定装置１Ｂは、後述するアナログ信号処理部１２０Ｂを含むセンサモジュール１０Ｂを備える。
【０１３０】
同図に示すように、本変形例におけるアナログ信号処理部１２０Ｂは、上記実施の形態におけるアナログ信号処理部１２０と比較して、スイッチ１２１を有さない。また、本変形例における汎用ＭＰＵ１６０Ｂが備える制御部１６３Ｂは、上記実施の形態における制御部１６３と比較して、制御信号を投光素子１１１Ｂへ出力する。
【０１３１】
図１２は、本変形例における投光素子１１１Ｂの回路図である。
【０１３２】
同図に示すように、本変形例における投光素子１１１Ｂは、発光ダイオード１５１と、当該発光ダイオード１５１と直列接続された抵抗素子Ｒ１０３及びスイッチ１５２とを含む。
【０１３３】
スイッチ１５２は、制御部１６３から出力される制御信号に応じてオン及びオフする、例えばトランジスタであり、例えば、制御信号がハイの場合にオンし、ローの場合にオフする。
【０１３４】
これにより、発光ダイオード１５１は、制御信号に応じて発光及び消光する。つまり、本変形例における投光素子１１１Ｂは、制御部１６３Ｂによって投光及び消光が制御される。
【０１３５】
ここで、投光素子１１１Ｂが投光している場合、受光素子１１２から出力された電流信号には粒子２に応じたパルス波形が含まれる。一方、投光素子１１１Ｂが消光している場合、粒子２によって散乱される光がないため受光素子１１２が受光する光強度が実質的にゼロとなる。よって、受光素子１１２から出力された電流信号には粒子２に応じたパルス波形が含まれない。
【０１３６】
すなわち、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号（センサ信号）は、投光素子１１１Ｂが投光している場合、粒子２に応じたパルス波形、及び、基準電圧を含み、投光素子１１１Ｂが消光している場合、粒子２に応じたパルス波形を含まずに、基準電圧を含む。
【０１３７】
そこで、本変形例に係る粒子測定装置１Ｂでは、演算部１６２は、オフセット処理において、投光素子１１１Ｂが投光していることによりＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号が粒子２に応じたパルス波形（信号成分）を含む第１期間におけるデジタルデータから、投光素子１１１Ｂが消光していることによりＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号が当該信号成分を含まない第２期間におけるデジタルデータを減算する。そして、このようなオフセット処理を経た後に、粒径を演算する。
【０１３８】
このように構成された粒子測定装置１Ｂであっても、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【０１３９】
ここで、実施の形態で説明した、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号の基準電圧の変動は、アナログ信号処理部１２０Ｂのオフセット電圧の変動に起因するだけでなく、受光素子１１２において発生する暗電流の経時変化（例えば、増加）によっても引き起こされる。
【０１４０】
そこで、本変形例では、投光素子１１１Ｂが投光している期間におけるデジタルデータから、投光素子１１１Ｂが消光している期間におけるデジタルデータを減算することにより、受光素子１１２において発生する暗電流の経時変化に起因する推定精度の低下を抑制して、粒径を推定することができる。よって、粒径の推定精度の長期信頼性を一層確保できる。
【０１４１】
（変形例３）
次に、本発明の実施の形態の変形例３について説明する。上記実施の形態と比較して、本変形例では、演算部は、オフセット処理において、粒子測定装置が起動してから所定期間経過していることにより、粒子２に応じたパルス波形を含むデジタルデータから、当該所定期間経過していないことにより当該パルス波形を含まないデジタルデータを減算する点が異なる。
【０１４２】
図１３は、本変形例に係る粒子測定装置１Ｃの構成の一例を示すブロック図である。同図に示す粒子測定装置１Ｃは、図１１に示したセンサモジュール１０Ｂと比較して投光素子１１１が発光制御されないセンサモジュール１０Ｃを備える。図１４は、本変形例に係る演算部１６２Ｃの構成の一例を示すブロック図である。
【０１４３】
これらの図に示すように、本変形例における汎用ＭＰＵ１６０Ｃは、上記実施の形態及び変形例１、２における汎用ＭＰＵと比較して、制御部１６３を備えず、演算部に代わり演算部１６２Ｃを備える。演算部１６２Ｃは、上記実施の形態における演算部１６２と比較して、さらに起動判定部２１１Ｃを備える。
【０１４４】
起動判定部２１１Ｃは、例えば、電源部１３０から汎用ＭＰＵ１６０Ｃに供給される電源電圧の上昇によって粒子測定装置１Ｃの起動を検出し、検出してから所定期間経過すると、所定期間が経過したことを示す制御信号を切替部２１２に出力する。例えば、起動判定部２１１Ｃは、粒子測定装置１Ｃが起動してから所定期間経過していない場合、当該制御信号をローにする。一方、粒子測定装置１Ｃが起動してから所定期間経過している場合、当該制御信号をハイにする。なお、粒子測定装置１Ｃが起動していない場合は、汎用ＭＰＵ１６０Ｃに供給される電源電圧がないため、制御信号はローとなっている。
【０１４５】
これにより、切替部２１２は、粒子測定装置１Ｃが起動してから所定期間経過していない場合のデジタルデータを保持部２１３に出力して保持させ、所定時間経過後のデジタルデータを減算部２１４に出力する。
【０１４６】
図１５は、本変形例に係る粒子測定装置１Ｃにおける各信号を示す図である。具体的には、同図には、粒子測定装置１Ｃの電源電圧、ＩＶ変換部１２２に入力される電流信号、及び、ＡＤ変換部１６１に入力される電圧信号の波形が示されている。
【０１４７】
同図の例では、起動判定部２１１Ｃは、粒子測定装置１Ｃが起動した時刻Ｔ３１から所定期間経過した時刻Ｔ３２において、切替部２１２へ出力する制御信号をローからハイへ切り替える。
【０１４８】
ここで、粒子測定装置１Ｃは、当該粒子測定装置１の起動直後である時刻Ｔ３１〜Ｔ３２において、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困難である。よって、時刻Ｔ３１〜Ｔ３２では、受光素子１１２から出力された電流信号に粒子２に応じたパルス波形が含まれにくく、時刻Ｔ３２以降において、当該電流信号に当該パルス波形が含まれやすくなる。
【０１４９】
すなわち、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号（センサ信号）は、粒子測定装置１Ｃが起動してから所定期間経過した場合、粒子２に応じたパルス波形、及び、基準電圧を含み、当該所定期間が経過していない場合、粒子２に応じたパルス波形を含まずに基準電圧を含む。
【０１５０】
そこで、本変形例に係る粒子測定装置１Ｃでは、演算部１６２Ｃは、オフセット処理において、粒子測定装置１Ｃが起動してから所定期間（図１５の例では時刻Ｔ３１から時刻Ｔ３２までの期間）経過していることによりＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号が粒子２に応じたパルス波形（信号成分）を含む第１期間におけるデジタルデータから、粒子測定装置１Ｃが起動してから当該所定期間経過していないことによりＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号が当該パルス波形を含まない第２期間におけるデジタルデータを減算する。そして、このようなオフセット処理を経た後に、粒径を演算する。
【０１５１】
このように構成された粒子測定装置１Ｃであっても、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【０１５２】
また、本変形によれば、演算部１６２Ｃは、オフセット処理において、粒子測定装置１Ｃが起動してから所定期間内のデジタルデータを減算する。つまり、粒子測定装置１Ｃの起動直後のデジタルデータを用いてオフセット処理を実行することができる。よって、粒子測定装置１Ｃの設置状況及び使用環境等による特性変化による推定精度の低下を抑制することができる。
【０１５３】
さらに、粒子２に応じたパルス波形を含まない電圧信号を、粒子測定装置１Ｃの起動直後に測定すればよいため、粒子測定装置１Ｃが起動してから所定期間経過した後の信号処理の速度低下を引き起こしにくくなる。
【０１５４】
（変形例４）
次に、本発明の実施の形態の変形例４について説明する。上記実施の形態と比較して、本変形例では、演算部は、オフセット処理において、加熱部１１５による加熱温度が所定の安定温度に到達していることにより粒子２に応じたパルス波形を含むデジタルデータから、当該加熱温度が当該安定温度に到達していないことにより当該パルス波形を含まないデジタルデータを減算する点が異なる。
【０１５５】
図１６は、本変形例に係る粒子測定装置１Ｄの構成の一例を示すブロック図である。図１７は、本変形例に係る演算部１６２Ｄの構成の一例を示すブロック図である。
【０１５６】
これらの図に示すように、本変形例における汎用ＭＰＵ１６０Ｄは、上記実施の形態における汎用ＭＰＵ１６０と比較して、制御部１６３を備えず、演算部１６２に代わり演算部１６２Ｄを備える。演算部１６２Ｄは、上記実施の形態における演算部１６２と比較して、さらに温度判定部２１１Ｄを備える。
【０１５７】
温度判定部２１１Ｄは、例えば、加熱部１１５の温度を計測し、計測した温度が所定の安定温度に到達すると、安定温度に到達したことを示す制御信号を切替部２１２に出力する。例えば、温度判定部２１１Ｄは、加熱部１１５の温度が安定温度に到達していない場合、当該制御信号をローにする。一方、加熱部１１５の温度が安定温度に到達している場合、当該制御信号をハイにする。なお、粒子測定装置１Ｄが起動していない場合は、汎用ＭＰＵ１６０Ｄに供給される電源電圧がないため、制御信号はローとなっている。
【０１５８】
これにより、切替部２１２は、加熱部１１５の温度が安定温度に到達していない場合のデジタルデータを保持部２１３に出力して保持させ、安定温度に到達している場合のデジタルデータを減算部２１４に出力する。
【０１５９】
図１８は、本変形例に係る粒子測定装置１Ｄにおける各信号及び加熱部１１５の温度を示す図である。具体的には、同図には、粒子測定装置１Ｄの電源電圧、加熱部１１５の温度、ＩＶ変換部１２２に入力される電流信号、及び、ＡＤ変換部１６１に入力される電圧信号の波形が示されている。
【０１６０】
同図の例では、温度判定部２１１Ｄは、加熱部１１５の温度が安定温度に到達した時刻Ｔ４２において、切替部２１２へ出力する制御信号をローからハイへ切り替える。なお、安定温度とは、粒子流路内に測定対象の気体（大気）を所望の流速で引き込むことができる温度であればよく、加熱部の温度が一定でなくてもかまわない。
【０１６１】
ここで、粒子測定装置１Ｄは、加熱部１１５の温度が安定温度に到達していない時刻Ｔ４１〜Ｔ４２において、粒子流路内に測定対象の気体（大気）を所望の流速で引き込むことが困難である。つまり、時刻Ｔ４１〜Ｔ４２では、検出対象の粒子２が検知領域ＤＡを通過しにくい。よって、時刻Ｔ４１〜Ｔ４２では、受光素子１１２から出力された電流信号に粒子２に応じたパルス波形が含まれにくく、時刻Ｔ４２以降において、当該電流信号に当該パルス波形が含まれやすくなる。
【０１６２】
すなわち、ＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号（センサ信号）は、加熱部１１５の温度が安定温度に到達している場合、粒子２に応じたパルス波形、及び、基準電圧を含み、当該温度が当該安定温度に到達していない場合、粒子２に応じたパルス波形を含まずに基準電圧を含む。
【０１６３】
そこで、本変形例に係る粒子測定装置１Ｄでは、演算部１６２Ｄは、オフセット処理において、加熱部１１５による加熱温度が所定の安定温度に到達していることによりＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号が粒子２に応じたパルス波形（信号成分）を含む第１期間におけるデジタルデータから、当該加熱温度が当該安定温度に到達していないことによりＡＤ変換部１６１に入力された電圧信号が当該パルス波形を含まない第２期間におけるデジタルデータを減算する。そして、このようなオフセット処理を経た後に、粒径を演算する。
【０１６４】
このように構成された粒子測定装置１Ｄであっても、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【０１６５】
（その他の変形例）
以上、本発明に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。
【０１６６】
例えば、粒子測定装置は、ＩＶ変換部１２２及び増幅部１２３のうち少なくとも１つを備えていなくてもよく、例えば、粒子測定装置が増幅部１２３を備えず、演算部１６２がＩＶ変換部１２２から出力された電圧信号を用いて粒子２の粒径を演算してもよい。
【０１６７】
また、上記説明では、受光素子１１２からの出力を示すセンサ信号としてＡＤ変換部１６１に入力される電圧信号（増幅部１２３から出力された電圧信号）を例に説明した。しかし、当該センサ信号はＩＶ変換部１２２から出力された電圧信号であってもかまわないし、受光素子１１２から出力された電流信号であってもかまわない。
【０１６８】
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。
【０１６９】
また、粒子検出センサの構成は、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ればよ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測定できる。
【０１７０】
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１２２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、増幅器は１段であっても複数段であってもよい。
【０１７１】
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。
【０１７２】
また、本発明は、上記実施の形態及び変形例で説明した粒子測定装置として実現できるだけでなく、例えば、図１９に示す当該粒子測定装置を備える空気清浄機として実現されてもかまわない。この場合、上記説明した汎用ＭＰＵ１６０を構成する構成要素（機能）の一部又は全ては、空気清浄機に搭載されたマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の一部として実現されていてもかまわない。
【０１７３】
また、本発明は、このような粒子測定装置として実現することができるだけでなく、粒子測定装置が行う特徴的な処理をステップとする粒子測定方法としても実現することができる。
【０１７４】
また、本発明は、粒子測定方法に含まれる特徴的な処理をコンピュータに実行させるプログラムとして実現したり、当該プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）  Ｄｉｓｃ）、半導体メモリとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
【０１７５】
その他、各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、本開示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開示に含まれる。
【符号の説明】
【０１７６】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  粒子測定装置
２  粒子
１１０  粒子検出センサ
１１１、１１１Ｂ  投光素子
１１２  受光素子
１２１  スイッチ
１２２  ＩＶ変換部
１２３  増幅部
１６１  ＡＤ変換部
１６２、１６２Ｃ、１６２Ｄ  演算部
ＤＡ  検知領域
【図１】
2016109629.tif 000003
【図２】
2016109629.tif 000004
【図３】
2016109629.tif 000005
【図４】
2016109629.tif 000006
【図５Ａ】
2016109629.tif 000007
【図５Ｂ】
2016109629.tif 000008
【図５Ｃ】
2016109629.tif 000009
【図６】
2016109629.tif 000010
【図７】
2016109629.tif 000011
【図８】
2016109629.tif 000012
【図９】
2016109629.tif 000013
【図１０】
2016109629.tif 000014
【図１１】
2016109629.tif 000015
【図１２】
2016109629.tif 000016
【図１３】
2016109629.tif 000017
【図１４】
2016109629.tif 000018
【図１５】
2016109629.tif 000019
【図１６】
2016109629.tif 000020
【図１７】
2016109629.tif 000021
【図１８】
2016109629.tif 000022
【図１９】
2016109629.tif 000023