(57)【要約】【課題】検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる。【解決手段】粒子検出センサ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を通過する粒子２による投光素子１１１からの光の散乱光を受光して、当該粒子２に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子１２１とを備える。また、粒子検出センサ１は、電気信号を増幅し、増幅後の電気信号を用いて粒子２を検出する信号処理部２０とを備える。この信号処理部２０は、検知領域ＤＡにおける流体の流れが第一速度ｖ１の場合、電気信号を第一増幅率Ｇ１で増幅し、当該流体の流れが第一速度ｖ１と異なる第二速度ｖ２の場合、電気信号を第一増幅率Ｇ１と異なる第二増幅率Ｇ２で増幅する。【選択図】図９
2017134038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に含まれる粒子を検出する粒子検出センサであって、
検知領域に光を投光する投光素子と、
前記検知領域を通過する前記粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光して、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、
前記電気信号を増幅し、増幅後の電気信号を用いて前記粒子を検出する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記検知領域における前記流体の流れが第一速度の場合、前記電気信号を第一増幅率で増幅し、当該流体の流れが前記第一速度と異なる第二速度の場合、前記電気信号を前記第一増幅率と異なる第二増幅率で増幅する
粒子検出センサ。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記第二速度が前記第一速度より大きい場合に、前記第一増幅率よりも小さい前記第二増幅率で前記電気信号を増幅する
請求項１に記載の粒子検出センサ。
【請求項３】
前記パルス状の波形の周波数は、前記流体の流れが速くなるほど高くなり、
前記信号処理部は、周波数依存性を有する増幅率で前記電気信号を増幅する増幅回路を有する
請求項１または２に記載の粒子検出センサ。
【請求項４】
前記増幅回路は、周波数が高いほど小さい増幅率で前記電気信号を増幅する
請求項３に記載の粒子検出センサ。
【請求項５】
前記信号処理部は、
前記電気信号を前記第一増幅率で増幅する第一増幅回路と、
前記電気信号を前記第二増幅率で増幅する第二増幅回路とを含む
請求項１または２に記載の粒子検出センサ。
【請求項６】
前記散乱光の周波数は、前記流体の流れが速くなるほど高くなり、
前記受光素子は、受光した散乱光を、周波数依存性を有する変換効率で変換することにより、前記電気信号を生成する
請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
【請求項７】
前記受光素子は、周波数が高いほど小さい変換効率で変換する
請求項６に記載の粒子検出センサ。
【請求項８】
前記信号処理部は、
増幅後の前記電気信号に含まれる複数のパルス状の波形それぞれの波高値を用いて、波高閾値により区分けされた複数の波高値区分の各々に属する粒子数を計測し、
計測した前記複数の波高値区分の各々に属する粒子数を用いて、前記第一速度及び前記波高閾値に対応付けられた第一粒径閾値と前記第二速度及び前記波高閾値に対応付けられた第二粒径閾値とを含む複数の粒径閾値により区分けされた複数の粒径区分の各々に属する粒子数を取得する
請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
【請求項９】
さらに、前記検知領域における前記流体の流れを発生させる流速発生部を備える
請求項１〜８のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。
【請求項１０】
前記流速発生部は、前記検知領域の下方に設けられたヒーターである
請求項９に記載の粒子検出センサ。
【請求項１１】
前記ヒーターは、通電する電流量を切り替えることにより、前記流体の流れを前記第一速度と前記第二速度とで切り替える
請求項１０に記載の粒子検出センサ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の粒子検出センサを備える
ダストセンサ。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の粒子検出センサを備える
煙感知器。
【請求項１４】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の粒子検出センサと、
前記検知領域における前記流体の流れを発生させる流速発生部とを備える
空調装置。
【請求項１５】
検知領域に光を投光する投光素子と、前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光して当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子とを有する粒子検出センサを用いて、流体中に含まれる粒子を検出する粒子検出方法であって、
前記検知領域における前記流体の流れが第一速度の場合、前記電気信号を第一増幅率で増幅し、当該流体の流れが前記第一速度と異なる第二速度の場合、前記電気信号を前記第一増幅率と異なる第二増幅率で増幅するステップと、
増幅後の電気信号を用いて前記粒子を検出するステップとを含む
粒子検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中に含まれる粒子を検出する粒子検出センサ、ダストセンサ、煙感知器、空調装置、及び、粒子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光散乱式の粒子検出センサは、投光素子と受光素子とを備える光電式センサであり、測定対象の流体を取り込んで投光素子の光を当該流体に照射し、その散乱光によって流体に含まれる粒子の有無を検出する。このような粒子検出センサは、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】
この種の粒子検出センサを含む装置として、当該装置に取り込まれた流体を、粗大粒子を通過させる主流路と微小粒子を通過させる分岐支流路とに分離する構成が知られている（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２０１５−１１４１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような構成では、非常に大きなダイナミックレンジを有する処理回路を設けることにより、粗大粒子及び微小粒子のいずれも検出することができ得る。ただし、粗大粒子による散乱光の強度は微小粒子による散乱光の強度に比べて非常に大きい。例えば、粒径が５０μｍの粗大粒子は、粒径が０．３μｍの微小粒子に比べて、散乱光の強度がおよそ５万倍となる。したがって、粗大粒子及び微小粒子のいずれも検出するためには、これらの散乱光の強度比と同程度のダイナミックレンジを有する処理回路を設けることが必要となる。しかしながら、このような処理回路の実現は、アナログ素子の特性等の観点から極めて困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる粒子検出センサ等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検出センサは、流体中に含まれる粒子を検出する粒子検出センサであって、検知領域に光を投光する投光素子と、前記検知領域を通過する前記粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光して、当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子と、前記電気信号を増幅し、増幅後の電気信号を用いて前記粒子を検出する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記検知領域における前記流体の流れが第一速度の場合、前記電気信号を第一増幅率で増幅し、当該流体の流れが前記第一速度と異なる第二速度の場合、前記電気信号を前記第一増幅率と異なる第二増幅率で増幅する。
【０００８】
また、本発明の一態様に係るダストセンサ及び煙感知器の各々は、上記の粒子検出センサを備える。
【０００９】
また、本発明の一態様に係る空調装置は、上記の粒子検出センサと、上記の流速発生部とを備える。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る粒子検出方法は、検知領域に光を投光する投光素子と、前記検知領域を通過する粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光して当該粒子に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子とを有する粒子検出センサを用いて、流体中に含まれる粒子を検出する粒子検出方法であって、前記検知領域における前記流体の流れが第一速度の場合、前記電気信号を第一増幅率で増幅し、当該流体の流れが前記第一速度と異なる第二速度の場合、前記電気信号を前記第一増幅率と異なる第二増幅率で増幅するステップと、増幅後の電気信号を用いて前記粒子を検出するステップとを含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る粒子検出センサ等によれば、検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る粒子検出センサの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】散乱光強度を時系列で示すグラフである。
【図３】粒子の粒径に対するパルス状の波形のピーク強度を示すグラフである。
【図４】受光素子ゲイン及び増幅回路ゲインの周波数特性の概要を示すグラフである。
【図５Ａ】流速倍率に対する受光素子ゲインを示すグラフである。
【図５Ｂ】流速倍率に対する増幅回路ゲインを示すグラフである。
【図６】流速倍率に対する粒子検出センサ全体の変換効率を示すグラフである。
【図７】粒子検出センサの動作を示すタイミングチャートである。
【図８Ａ】ＰＭ２．５モードにおける粒子検出センサの動作を示すフローチャートである。
【図８Ｂ】花粉モードにおける粒子検出センサの動作を示すフローチャートである。
【図９】粒径に対する増幅後の電気信号の波高値を示すグラフである。
【図１０Ａ】ＰＭ２．５モードにおける増幅後の電気信号を示す波形図である。
【図１０Ｂ】花粉モードにおける増幅後の電気信号を示す波形図である。
【図１１】粒径区分ごとの対応する粒径及び粒子数を示す表である。
【図１２】実施の形態の変形例１に係る粒子検出センサの構成の一例を示すブロック図である。
【図１３】実施の形態の変形例２に係る粒子検出センサの構成の一例を示すブロック図である。
【図１４】粒子検出センサを備える空気清浄機の外観図である。
【図１５】粒子検出センサを備える煙感知器の外観図である。
【図１６】粒子検出センサを備える換気扇の外観図である。
【図１７】粒子検出センサを備えるエアコンの外観図である。
【図１８】受光素子ゲイン及び増幅回路ゲインの周波数特性の概要の他の例を示すグラフである。
【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検出センサ等について、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。
【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、重複する説明は省略または簡略化する場合がある。
【００１５】
（実施の形態）
［１．構成］
まず、本発明の実施の形態に係る粒子検出センサの全体構成について説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る粒子検出センサ１の構成の一例を示すブロック図である。
【００１７】
粒子検出センサ１は、当該粒子検出センサ１の周辺に漂う空気（以下、周辺空気と称する）に含まれる粒子を検出する。周辺空気には、例えば、粒径が５μｍ以下の微小粒子、及び、粒径が２０μｍ以上の粗大粒子が含まれる。粒子検出センサ１は、ＰＭ２．５等に相当する微小粒子を検出対象とするＰＭ２．５モードと、花粉等に相当する粗大粒子を検出対象とする花粉モードとを切り替えて動作する。
【００１８】
同図に示すように、粒子検出センサ１は、センサ部１０と信号処理部２０とを備え、センサ部１０の検知領域ＤＡに位置する粒子２からの散乱光に基づいて、粒子検出センサ１に取り込んだ周辺空気に含まれる粒子を検出する。また、粒子検出センサ１は、さらに、粒子検出センサ１が備える各構成に対して電源を供給する電源部３０を備える。この電源部３０は、例えば、粒子検出センサ１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。
【００１９】
以下、粒子検出センサ１の各構成について、具体的に説明する。
【００２０】
［１−１．センサ部］
センサ部１０は、粒子検出センサ１の測定対象である周辺空気を取り込んで、取り込んだ周辺空気に光を照射し、その散乱光の光強度を示す電気信号（ここでは電流信号）を出力する、光電式センサ（光散乱式の粒子検出センサ）である。つまり、センサ部１０は、取り込んだ周辺空気に含まれる粒子２に応じた時系列の電気信号を出力する。
【００２１】
具体的には、本実施の形態では、センサ部１０は、投光系１１と受光系１２と筐体１３とヒーター１５とを備え、筐体１３の流入口１８から流出口１９までの粒子流路に設けられた検知領域ＤＡを通過する（検知領域ＤＡに位置する）粒子２からの散乱光に応じた電気信号を出力する。投光系１１、受光系１２及び検知領域ＤＡは、外光が照射されないように、筐体１３に収容されている。
【００２２】
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）を検知するためのエアロゾル検知領域（エアロゾル測定部）であり、投光系１１の光軸Ｐと受光系１２の光軸Ｑとが交差する交点を含む、例えばφ２ｍｍ程度の領域である。つまり、検知領域ＤＡは、投光系１１の光が投光される空間領域と投光系１１の光が粒子２に当たって発生した散乱光を受光系１２に導くための空間領域とが重なる空間領域である。
【００２３】
投光系１１は、検知領域ＤＡに光を投光する光学素子からなり、本実施の形態では、投光素子１１１と、投光素子１１１の前方（光投光側）に配置された投光レンズ１１２とを有する。
【００２４】
投光素子１１１は、検知領域ＤＡに光を投光する、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は、例えば、赤外光、青色光、緑色光、赤色光または紫外光等の所定の波長の光を投光し、２波長以上の混合波を投光してもよい。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の波長の光を投光する砲弾型のＬＥＤが用いられる。
【００２５】
なお、投光素子１１１から投光された光の波長が短いほど、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の投光制御方式は特に限定されるものではなく、投光素子１１１から投光される光は、ＤＣ駆動による連続光またはパルス光等とすることができる。また、投光素子１１１から投光される光の光強度は、時間的に変化していてもよい。
【００２６】
投光レンズ１１２は、投光素子１１１の前方かつ投光系１１の光軸Ｐ上に配置され、投光素子１１１から投光された光を検知領域ＤＡに向けて進行させるように構成されている。例えば、投光レンズ１１２は、投光素子１１１から投光された光を検知領域ＤＡに集光する集光レンズであり、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）等の透明樹脂またはガラスによって形成される。つまり、投光素子１１１から投光された光は、投光レンズ１１２を介して検知領域ＤＡに到達する。この際、検知領域ＤＡに粒子２が位置していると、当該粒子２によって投光素子１１１からの光が散乱される。
【００２７】
図２は、散乱光の強度（散乱光強度）を時系列で示すグラフである。
【００２８】
同図に示す波形に含まれるパルス状の波形は、検知領域ＤＡを通過する粒子２による散乱光に対応する。つまり、パルス状の波形のピーク強度は、検知領域ＤＡを通過する粒子２に対応する。
【００２９】
図３は、粒子２の粒径に対するパルス状の波形のピーク強度を示すグラフである。なお、同図では、散乱光の強度として、検知領域ＤＡを粒子２が通過していない場合の散乱光の強度を基準値０とした場合の強度が示されている。
【００３０】
散乱光は、検知領域ＤＡを通過する粒子２の粒径が大きいほど多く発生する。このため、同図に示すように、粒子２の粒径が大きいほど、パルス状の波形のピーク強度も大きくなる。例えば、粒径が３０μｍの粗大粒子は、粒径が２μｍの微小粒子に比べて、パルス状の波形のピーク強度がおよそ４００倍となる。
【００３１】
ここで、パルス状の波形とは、検知領域ＤＡを通過する周辺空気の流速及び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。このパルス状の波形の周波数は、（ｉ）検知領域ＤＡの大きさ（光学焦点エリア径）、及び、（ｉｉ）検知領域ＤＡを通過する粒子２の速度（すなわち流速）の２つの因子によって決定される。このため、パルス状の波形の周波数は、検知領域ＤＡを通過する流体（ここでは周辺空気）の流速に対応し、流速が大きいほど高くなる。つまり、散乱光の周波数は、流速が大きいほど高くなる。
【００３２】
受光系１２は、検知領域ＤＡからの光を受光する光学素子からなり、本実施の形態では、受光素子１２１と、受光素子１２１の前方（光入射側）に配置された受光レンズ１２２とを有する。検知領域ＤＡに粒子２が位置する場合、当該粒子２によって散乱された光（散乱光）は、受光系１２によって受光される。
【００３３】
受光素子１２１は、検知領域ＤＡを通過する粒子２による投光素子１１１からの光の散乱光を受光して、当該粒子２に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する。本実施の形態では、受光素子１２１は、受光した散乱光を、周波数依存性を有する変換効率で変換することにより、当該電気信号を生成する。なお、受光素子１２１の変換効率については、後述する。
【００３４】
受光素子１２１は、受光した散乱光を電気信号に変換する光電変換素子であり、本実施の形態では、投光素子１１１が投光する光に感度を有するフォトダイオード及びフォトトランジスタの少なくとも一方を含む。つまり、受光素子１２１は、受光した光強度に応じた電気信号（ここでは電流信号）を出力する。なお、受光素子１２１は、例えば、フォトＩＣダイオードまたは光電子増倍管などを含んでもかまわない。
【００３５】
受光レンズ１２２は、検知領域ＤＡと受光素子１２１との間に配置され、検知領域ＤＡに位置する粒子２による散乱光を受光素子１２１に集光するように構成されている。例えば、受光レンズ１２２は、検知領域ＤＡに位置する粒子２によって散乱された光を受光素子１２１に集束させる集光レンズであり、投光レンズ１１２と同様の材質により形成される。
【００３６】
筐体１３は、遮光性を有し、粒子２を含む周辺空気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１３は、迷光を減衰させやすいように、少なくとも内面が黒色面である。具体的には、筐体１３の内面は、光の減衰率が高く、かつ、光を鏡面反射する。なお、筐体１３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。
【００３７】
ここで、迷光とは、粒子２によって散乱された光以外の光であり、具体的には、投光素子１１１が投光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１３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１３の内部に進入した外光も含まれる。
【００３８】
筐体１３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、黒色の顔料または染料を添加した樹脂材料を用いて筐体１３を形成することで、筐体１３の内面を黒色面にして迷光の減衰を図ることができる。あるいは、射出成形後に筐体１３の内面に黒色塗料を塗布することで、筐体１３の内面を黒色面にして迷光の減衰を図ることができる。また、筐体１３の内面にシボ加工などの表面処理を行うことにより、迷光の減衰を図ることができる。
【００３９】
筐体１３には、上述したように流入口１８及び流出口１９が設けられている。このため、周辺空気は、流入口１８から筐体１３の内部に進入し、粒子流路を通って検知領域ＤＡに導かれ、流出口１９から筐体１３の外部に流出する。
【００４０】
なお、本実施の形態において、粒子流路の流路方向（粒子流路を気体が流れる方向）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、投光系１１及び受光系１２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。
【００４１】
ヒーター１５は、検知領域ＤＡにおける流体（ここでは周辺空気）の流れを発生させる流速発生部である。本実施の形態では、ヒーター１５は、当該ヒーター１５周囲の気体を加熱することにより、粒子流路の気体を流して気流を発生させる。具体的には、ヒーター１５によって周囲の気体が加熱されると、加熱された気体は、膨張して密度が小さくなることにより重力と逆方向の上方向に移動する。つまり、ヒーター１５によって、上方向の気流（上昇気流）が発生する。この気流が粒子流路の気体を流すことにより、粒子流路に気流が生じる。その結果、粒子検出センサ１の周辺空気が流入口１８から筐体１３内部に引き込まれるため、ヒーター１５を設けない場合に比べて、センサ部１０内に多くの粒子２を取り込むことができる。
【００４２】
ヒーター１５は、通電する電流量を切り替えることにより、検知領域ＤＡにおける流体の流れを第一速度ｖ１と第二速度ｖ２とで切り替える。第二速度ｖ２は、第一速度ｖ１と異なる速度であり、本実施の形態では、第一速度ｖ１（例えば０．０６９ｍ／ｓ）より大きく、具体的には、第一速度ｖ１のおよそ３０倍の速度（例えば２．１２ｍ／ｓ）である。
【００４３】
具体的には、ヒーター１５は、後述する流速制御部２２４によって制御され、流速制御部２２４から入力される電流量を示す制御信号にしたがって通電する。これにより、ヒーター１５は、ＰＭ２．５モードにおいて第一速度ｖ１で検知領域ＤＡにおける流体に気流を発生させ、花粉モードにおいて第二速度ｖ２で当該気流を発生させる。
【００４４】
ヒーター１５は、上昇気流を発生させることから、本実施の形態では、図１に示すように検知領域ＤＡの下方に設けられている。
【００４５】
このように構成されたセンサ部１０は、ヒーター１５の加熱によって、筐体１３内の粒子流路に第一速度ｖ１または第二速度ｖ２の上昇気流を生じさせる。これに伴い、周辺空気中の粒子は、粒子流路の流入口１８から筐体１３の内部に進入し、粒子の検知領域ＤＡを第一速度ｖ１または第二速度ｖ２で通過して、粒子流路の流出口１９から筐体１３の外部に流出される。この際、検知領域ＤＡを通過する粒子２が投光系１１から投光された光を散乱することにより、受光素子１２１が当該粒子２に対応するパルス状の波形を含む電気信号（ここでは電流信号）を出力する。
【００４６】
つまり、受光素子１２１は、粒子２の粒径が大きいほどピークが大きく、流速が大きいほど周波数が高くなるパルス状の波形を含む電気信号を出力する。
【００４７】
［１−２．信号処理部］
信号処理部２０は、受光素子１２１から出力された電気信号を増幅し、増幅後の電気信号を用いて粒子を検出する。具体的には、信号処理部２０は、検知領域ＤＡにおける流体の流れが第一速度ｖ１の場合（ＰＭ２．５モードの場合）、電気信号を第一増幅率Ｇ１で増幅する。一方、信号処理部２０は、検知領域ＤＡにおける流体の流れが第一速度ｖ１と異なる第二速度ｖ２の場合（花粉モードの場合）、電気信号を第一増幅率Ｇ１と異なる第二増幅率Ｇ２で増幅する。
【００４８】
具体的には、信号処理部２０は、第二速度ｖ２が第一速度ｖ１より大きい場合、第一増幅率Ｇ１より小さい第二増幅率Ｇ２で電気信号を増幅する。ここで、本実施の形態では、上述したように、第二速度ｖ２は第一速度ｖ１より大きい。このため、信号処理部２０は、花粉モードの場合に、第一増幅率Ｇ１より小さい第二増幅率Ｇ２で電気信号を増幅する。
【００４９】
信号処理部２０は、受光素子１２１から出力された電気信号に対して増幅処理等のアナログ信号処理を施し、さらに、アナログ信号処理後の信号に対してデジタル信号処理を施すことにより、流体中の粒子についての種々の分析を行う。この種々の分析とは、例えば、流体中の粒子の質量濃度または粒径の取得、あるいは、当該粒子の同定等である。
【００５０】
図１に示すように、信号処理部２０は、アナログ信号処理を施すアナログ信号処理部２１と、デジタル信号処理を施す汎用ＭＰＵ２２とを備える。
【００５１】
アナログ信号処理部２１は、アナログ回路により構成され、本実施の形態では、受光素子１２１から出力された電流信号に対して各種のアナログ信号処理を施すことにより、当該電流信号に基づく電圧信号を出力する。ここで、各種のアナログ信号処理とは、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。アナログ信号処理部２１は、Ｉ／Ｖ変換を行うＩＶ変換回路２１１と、増幅処理を行う増幅回路２１２とを含む。
【００５２】
なお、アナログ信号処理部２１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）を行う構成であってもよい。
【００５３】
ＩＶ変換回路２１１は、受光素子１２１から出力された電流信号をＩ／Ｖ変換することにより、当該電流信号に応じた電圧信号を生成する。このように電流信号を電圧信号に変換することにより、以降の信号処理の容易化が図られるとともに、ＩＶ変換回路２１１の後段に接続された増幅回路２１２の設計の容易化が図られる。
【００５４】
増幅回路２１２は、周波数依存性を有する増幅率で電気信号（ここでは電圧信号）を増幅する。例えば、増幅回路２１２は、ＩＶ変換回路２１１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させ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素子とを有する。なお、増幅回路２１２の増幅率については、後述する。
【００５５】
このように構成されたアナログ信号処理部２１は、受光素子１２１からの出力を示し、かつ、検知領域ＤＡに位置する粒子２に対応するパルス状の波形を含む電気信号を出力する。
【００５６】
汎用ＭＰＵ２２は、デジタル回路により構成され、アナログ信号処理部２１から出力された電気信号を用いて、検知領域ＤＡにおける流体に含まれる粒子を検出する。この汎用ＭＰＵ２２は、例えば、集積回路であるシステムＬＳＩにより実現され、以下で説明する機能ブロック毎に個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。
【００５７】
また、汎用ＭＰＵ２２は、システムＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。また、汎用ＭＰＵ２２は、ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、または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。
【００５８】
汎用ＭＰＵ２２は、図１に示すように、機能ブロックとして、ＡＤ変換部２２１と演算部２２２と流速制御部２２４とを有する。
【００５９】
ＡＤ変換部２２１は、増幅回路２１２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２２１は、アナログ信号処理部２１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２２１は、受光素子１２１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。
【００６０】
本実施の形態では、ＡＤ変換部２２１は、汎用ＭＰＵ２２に予め組み込まれたＡＤ変換モジュールであり、当該汎用ＭＰＵ２２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２２１は、汎用ＭＰＵ２２のアナログ入力端子に入力された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する。その後、ＡＤ変換部２２１は、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、上記の時系列のデジタルデータを生成する。
【００６１】
演算部２２２は、ＡＤ変換部２２１で生成されたデジタルデータを用いて、検知領域ＤＡにおける流体に含まれる粒子を検出する。本実施の形態では、演算部２２２は、流速制御部２２４から入力される粒子検出センサ１のモードを示す信号に応じて処理を切り替える。なお、粒子検出センサ１のモードを示す信号は流速制御部２２４から入力されなくてもよく、例えば、流速制御部２２４とは別のモード切替部（不図示）等から入力されてもかまわない。
【００６２】
流速制御部２２４は、ヒーター１５を制御することにより、検知領域ＤＡにおける流体の流れを第一速度ｖ１と第二速度ｖ２とで切り替えさせる。本実施の形態では、流速制御部２２４は、ヒーター１５に対して通電させる電流量を示す制御信号を出力する。具体的には、流速制御部２２４は、ＰＭ２．５モードにおいて、所定の第一電流量を示す制御信号を出力することにより、ヒーター１５に第一速度ｖ１で流体の流れを発生させる。また、流速制御部２２４は、花粉モードにおいて、当該第一電流量より大きい所定の第二電流量を示す制御信号を出力することにより、ヒーター１５に第二速度ｖ２で流体の流れを発生させる。
【００６３】
このように構成された信号処理部２０は、ＰＭ２．５モードの場合には第一増幅率Ｇ１で電気信号を増幅することにより微小粒子を検出することが可能となり、花粉モードの場合には第二増幅率Ｇ２で電気信号を増幅することにより粗大粒子を検出することが可能となる。つまり、検知領域ＤＡにおける流体の流れに応じて増幅率が切り替わることにより、検出対象となる粒径範囲が切り替えられる。
【００６４】
［１−３．受光素子ゲイン、受光素子ゲイン、回路ゲイン］
本実施の形態に係る粒子検出センサ１では、ＰＭ２．５モードと花粉モードとで信号処理部２０の増幅率を切り替えるために、増幅回路２１２が周波数依存性を有する増幅率で電気信号を増幅する。また、本実施の形態では、受光素子１２１も、周波数依存性を有する変換効率で、受光した散乱光を電気信号に変換する。
【００６５】
そこで、以下、受光素子１２１の変換効率及び増幅回路２１２の増幅率について説明する。また、以下において、第一速度ｖ１を基準に流速倍率という表現を用いている。例えば、流速倍率１とは第一速度ｖ１と等倍の流速を意味し、流速倍率３０とは第一速度ｖ１の３０倍の流速（すなわち第二速度ｖ２）を意味する。
【００６６】
図４は、受光素子１２１の変換効率（受光素子ゲイン）、及び、増幅回路２１２の増幅率（増幅回路ゲイン）の周波数特性の概要を示すグラフである。なお、同図では、受光素子ゲインの周波数特性と増幅回路ゲインの周波数特性とを同一として示しているが、これらは互いに異なっていてもかまわない。このことは、以降の周波数特性を示すグラフにおいても同様である。
【００６７】
同図に示すように、受光素子１２１及び増幅回路２１２の各々は、周波数が高くなるほどゲインが小さくなるような周波数特性を有する。
【００６８】
具体的には、受光素子１２１は、流速倍率１の場合の散乱光の周波数に比べて、受光した散乱光の周波数が高いほど小さい変換効率で電気信号に変換する。言い換えると、受光素子１２１で受光された散乱光は、パルス状の波形の周波数が高いほど、小さい変換効率で電気信号に変換される。
【００６９】
また、増幅回路２１２は、流速倍率１の場合の電気信号の周波数に比べて、周波数が高いほど小さい増幅率で電気信号を増幅する。言い換えると、受光素子１２１から出力された電気信号は、当該電気信号に含まれるパルス状の波形の周波数が高いほど、小さい増幅率で増幅される。
【００７０】
したがって、流速倍率に対する受光素子１２１の変換効率及び増幅回路２１２の増幅率は、図５Ａ及び図５Ｂのように示される。図５Ａは、流速倍率に対する受光素子１２１の変換効率（受光素子ゲイン）を示すグラフである。図５Ｂは、流速倍率に対する増幅回路２１２の増幅率（増幅回路ゲイン）を示すグラフである。
【００７１】
図５Ａに示すように、受光素子１２１は、流速倍率１の場合（ＰＭ２．５モードの場合）、受光した散乱光を第一変換効率Ｈ１で電気信号に変換する。一方、受光素子１２１は、流速倍率３０の場合（花粉モードの場合）、受光した散乱光を第一変換効率Ｈ１より小さい第二変換効率Ｈ２で電気信号に変換する。
【００７２】
また、図５Ｂに示すように、増幅回路２１２は、流速倍率１の場合（ＰＭ２．５モードの場合）、入力された電気信号を第一増幅率Ｇ１で増幅する。一方、増幅回路２１２は、流速倍率３０の場合（花粉モードの場合）、入力された電気信号を第一増幅率Ｇ１より小さい第二増幅率Ｇ２で増幅する。
【００７３】
このように、本実施の形態では、流速倍率を大きくすることにより、変換効率を切り替えるための制御を行うことなく、受光素子１２１の変換効率が小さくなる。また、流速倍率を大きくすることにより、増幅率を切り替えるための制御を行うことなく、増幅回路２１２の増幅率が小さくなる。
【００７４】
したがって、粒子検出センサ１全体の変換効率（すなわち、受光素子１２１の変換効率Ｈと増幅回路２１２の増幅率Ｇとを合成した回路ゲイン）は、図６のように示される。
【００７５】
図６は、流速倍率に対する粒子検出センサ１全体の変換効率を示すグラフである。すなわち、同図には、流速倍率に対する、散乱光から増幅後の電気信号への変換効率が示されている。
【００７６】
同図に示すように、本実施の形態に係る粒子検出センサ１は、流速倍率１の場合（ＰＭ２．５モードの場合）、粒子２で散乱された散乱光をＨ１×Ｇ１のゲインで電気信号に変換する。一方、粒子検出センサ１は、流速倍率３０の場合（花粉モードの場合）、粒子２で散乱された散乱光をＨ２×Ｇ２（例えば、Ｈ１×Ｇ１の１／４５０倍）のゲインで電気信号に変換する。つまり、本実施の形態では、流速倍率が切り替えられることにより、回路ゲインが切り替えられる。具体的には、流速倍率が大きくなることにより、回路ゲインが極めて小さくなる。
【００７７】
［２．動作］
次に、粒子検出センサ１の動作（粒子検出方法）について説明する。
【００７８】
図７は、粒子検出センサ１の動作を示すタイミングチャートである。
【００７９】
同図に示すように、粒子検出センサ１では、検知領域ＤＡにおける流体の流れが第一速度ｖ１となるＰＭ２．５モードと第二速度ｖ２となる花粉モードとが、所定の期間毎に切り替えられる。
【００８０】
なお、粒子検出センサ１におけるＰＭ２．５モードと花粉モードとの切り替えタイミングはこれに限定されず、例えば、ユーザ操作によって切り替えられてもかまわないし、所定の条件を満たした場合に切り替えられてもかまわない。例えば、所定の条件とは、花粉モードにおいて粒子が一定期間（例えば３０秒間）検出されない場合等である。また、ＰＭ２．５モードの期間と花粉モードの期間とは同一でなくてもよく、例えば、ＰＭ２．５モードの期間が５５分間、花粉モードの期間が５分間であってもかまわない。
【００８１】
図８Ａ及び図８Ｂは、粒子検出センサ１の動作を示すフローチャートである。具体的には、図８Ａは、ＰＭ２．５モードにおける粒子検出センサ１の動作を示すフローチャートである。図８Ｂは、花粉モードにおける粒子検出センサ１の動作を示すフローチャートである。
【００８２】
図８Ａに示すように、ＰＭ２．５モードでは、ヒーター１５が検知領域ＤＡにおける流体の流れを第一速度ｖ１にすることにより、粒子検出センサ１の周辺空気が筐体１３内の粒子流路に引き込まれて検知領域ＤＡに第一速度ｖ１で粒子が導入される（Ｓ１１）。つまり、粒子２が第一速度ｖ１で検知領域ＤＡを通過する。
【００８３】
次に、信号処理部２０が、当該電気信号を第一増幅率Ｇ１で増幅する（Ｓ１２）。具体的には、受光素子１２１が第一変換効率Ｈ１で散乱光を電気信号に変換し、変換された電気信号を増幅回路２１２が第一増幅率Ｇ１で増幅する。
【００８４】
そして、信号処理部２０が、増幅後の電気信号を用いて粒子を検出する（Ｓ１３）。なお、この検出処理（Ｓ１３）の詳細については、後述する。
【００８５】
一方、図８Ｂに示すように、花粉モードでは、ヒーター１５が検知領域ＤＡにおける流体の流れを第二速度ｖ２にすることにより、粒子検出センサ１の周辺空気が筐体１３内の粒子流路に引き込まれて検知領域ＤＡに第二速度ｖ２で粒子が導入される（Ｓ２１）。つまり、粒子２が第二速度ｖ２で検知領域ＤＡを通過する。
【００８６】
次に、信号処理部２０が、当該電気信号を第二増幅率Ｇ２で増幅する（Ｓ２２）。具体的には、受光素子１２１が、第二変換効率Ｈ２で散乱光を電気信号に変換し、変換された電気信号を増幅回路２１２が第二増幅率Ｇ２で増幅する。
【００８７】
そして、信号処理部２０が、増幅後の電気信号を用いて粒子を検出する（Ｓ２３）。なお、この検出処理（Ｓ２３）の詳細については、後述する。
【００８８】
このように動作する本実施の形態に係る粒子検出センサ１では、花粉モードの場合に、増幅処理後（図８ＢのＳ２１の後）の電気信号が飽和しにくくなる。このことの理解を容易にするために、本実施の形態の比較例に係る粒子検出センサについて説明する。
【００８９】
比較例に係る粒子検出センサは、本実施の形態に係る粒子検出センサ１とほぼ同様であるが、検知領域ＤＡの流速が切り替えられずに、常に第一速度ｖ１となっている。
【００９０】
図９は、粒径に対する増幅後の電気信号の波高値を示すグラフである。
【００９１】
同図に示すように、比較例では、粒径の増大によって散乱光が増大すると（ここでは２μｍ以上の場合）、増幅後の電気信号が飽和領域に到達してしまう。つまり、比較例では、花粉等の粗大粒子が導入された場合、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のピークが制限されてしまう。この要因は、例えば、アナログ信号処理部を構成するアナログ素子の飽和等である。よって、この場合、当該パルス状の波形のピーク値が粒径に依存しなくなるため、粗大粒子を検出することが困難となる。
【００９２】
これに対して、本実施の形態では、検知領域ＤＡの流体の流速倍率が大きい場合（花粉モードの場合）に、回路ゲインが極めて小さくなる。このため、同図に示すように、流体の流速倍率が大きい場合、粗大粒子によって大きな強度の散乱光が生じても、増幅後の電気信号が飽和領域に到達しにくくなる。つまり、本実施の形態では、粗大粒子が導入された場合であっても、増幅後の電気信号に含まれるパルス状の波形のピークが制限されにくくなる。よって、当該パルス状の波形のピーク値が粒径に依存するため、粗大粒子を検出することができる。
【００９３】
また、例えば、検知領域ＤＡの流体の流速が常に第二速度ｖ２の場合、微小粒子に対応するパルス状の波形のピークが非常に小さくなってしまい、微小粒子を検出できないという別の課題が生じ得る。
【００９４】
これに対して、本実施の形態では、流体の流速倍率が小さい場合（ＰＭ２．５モードの場合）に、回路ゲインが低下しない。このため、微小粒子に対応するパルス状の波形のピークの低下を抑制し、微小粒子を検出することができる。
【００９５】
このように、本実施の形態では、流体の流速倍率が切り替わることにより検出対象の粒径範囲を切り替えることができる。これにより、粗大粒子及び微小粒子のいずれも検出することができ、検出可能な粒径範囲の広ダイナミックレンジ化が図られる。
【００９６】
次に、検出処理（図８ＡのＳ１３、図８ＢのＳ２３）の詳細について説明する。
【００９７】
図１０Ａは、ＰＭ２．５モードにおける増幅後の電気信号を示す波形図である。図１０Ｂは、花粉モードにおける増幅後の電気信号を示す波形図である。
【００９８】
信号処理部２０は、これらの図に示すような増幅後の電気信号に含まれる複数のパルス状の波形それぞれの波高値を用いて、波高閾値により区分けされた複数の波高値区分の各々に属する粒子数を計測する。本実施の形態では、信号処理部２０は、所定期間毎（例えば６秒毎）に当該期間の粒子数を計測する。なお、信号処理部２０が粒子数を計測する期間はこれに限らない。
【００９９】
例えば、信号処理部２０では、ＡＤ変換部２２１によって電気信号がＡＤ変換されることにより生成された時系列のデジタルデータを用いて、演算部２２２が波高値を抽出する。そして、演算部２２２は、抽出した波高値の各々について、複数の波高値区分のうちのいずれの波高値区分に属するかを判定することにより、波高値区分各々に属する波高値の個数（すなわち粒子数）を計数する。
【０１００】
波高閾値は、波高値区分の境界を規定し、本実施の形態では、２つの波高閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２によって２つの波高値区分ＢＳ１、ＢＳ２が区分けされている。なお、複数の閾値の個数及び間隔は特に限定されないが、例えば、粒子検出センサ１の測定対象の粒径分布に応じて適宜設定されてもかまわない。
【０１０１】
例えば、信号処理部２０は、図１０Ａに示す電気信号について、波高値区分ＢＳ１に属する粒子数を４個計測し、波高値区分ＢＳ２に属する粒子数を１個計測する。また、例えば、信号処理部２０は、図１０Ｂに示す電気信号について、波高値区分ＢＳ１に属する粒子数を３個計測し、波高値区分ＢＳ２に属する粒子数を２個計測する。
【０１０２】
つづいて、信号処理部２０は、計測した複数の波高値区分ＢＳ１、ＢＳ２の各々に属する粒子数を用いて、複数の粒径閾値により区分けされた複数の粒径区分の各々に属する粒子数を取得する。
【０１０３】
図１１は、粒径区分ごとの対応する粒径及び粒子数を示す表である。
【０１０４】
同図に示すように、本実施の形態では、４つの粒径区分ＢＰ１〜ＢＰ４の各々に属する粒子数が取得される。これら４つの粒径区分ＢＰ１〜ＢＰ４は、次のように規定される。
【０１０５】
上述した波高閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２は、ＰＭ２．５モードの場合と花粉モードの場合とで互いに異なる粒径に対応する。これは、図９から分かるように、ＰＭ２．５モードの場合と花粉モードの場合とで、同一の波高値が互いに異なる粒径に対応することによる。本実施の形態では、波高閾値Ｖｔｈ１は、ＰＭ２．５モードでは粒径１μｍに対応し、花粉モードでは粒径２０μｍに対応する。また、波高閾値Ｖｔｈ２は、ＰＭ２．５モードでは粒径２μｍに対応し、花粉モードでは粒径３０μｍに対応する。
【０１０６】
言い換えると、複数の粒径閾値は、第一速度ｖ１及び波高閾値に対応付けられた第一粒径閾値と、第二速度ｖ２及び波高閾値に対応付けられた第二粒径閾値とを含む。すなわち、本実施の形態では、第一粒径閾値は、ＰＭ２．５モードの場合の波高閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２に順に対応付けられた粒径閾値１μｍ、２μｍである。また、本実施の形態では、第二粒径閾値は、花粉モードの場合の波高閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２に順に対応付けられた粒径閾値２０μｍ、３０μｍである。
【０１０７】
したがって、本実施の形態では、４つの粒径閾値１μｍ、２μｍ、２０μｍ、３０μｍにより区分けされた４つの粒径区分ＢＰ１〜ＢＰ４が規定される。
【０１０８】
例えば、信号処理部２０では、流速制御部２２４からのモードを示す信号を用いて、演算部２２２が粒径区分毎の粒子数を算出する。具体的には、演算部２２２は、流速制御部２２４からの信号がＰＭ２．５モードを示す場合、波高値区分ＢＳ１について計測された粒子数を粒径区分ＢＰ１に属する粒子数として取得し、波高値区分ＢＳ２について計測された粒子数を粒径区分ＢＰ２に属する粒子数として取得する。一方、演算部２２２は、流速制御部２２４からの信号が花粉モードを示す場合、波高値区分ＢＳ１について計測された粒子数を粒径区分ＢＰ３に属する粒子数として取得し、波高値区分ＢＳ２について計測された粒子数を粒径区分ＢＰ４に属する粒子数として取得する。
【０１０９】
このような処理により、信号処理部２０は、ＰＭ２．５等に相当する微小粒子及び花粉等に相当する粗大粒子のいずれについても、粒子を検出することができる。
【０１１０】
なお、信号処理部２０は、例えばＰＭ２．５モードにおいて、粒子数を計測する所定期間毎に流体中の粒子の質量濃度を算出してもかまわない。質量濃度を算出する手法については、特に限定されないが、例えば、任意の粒径区分に属する粒子数と、当該粒径区分に属する粒子の基準質量とから算出することができる。
【０１１１】
［３．まとめ］
以上説明したように、本実施の形態に係る粒子検出センサ１は、流体中（本実施の形態では空気中）に含まれる粒子を検出する粒子検出センサである。粒子検出センサ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を通過する粒子２による投光素子１１１からの光の散乱光を受光して、当該粒子２に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子１２１とを備える。また、粒子検出センサ１は、電気信号を増幅し、増幅後の電気信号を用いて粒子２を検出する信号処理部２０とを備える。この信号処理部２０は、検知領域ＤＡにおける流体の流れが第一速度ｖ１の場合、電気信号を第一増幅率Ｇ１で増幅し、当該流体の流れが第一速度ｖ１と異なる第二速度ｖ２の場合、電気信号を第一増幅率Ｇ１と異なる第二増幅率Ｇ２で増幅する。
【０１１２】
このように検知領域ＤＡにおける流体の流れに応じて増幅率が切り替わることにより、検出対象となる粒径範囲を切り替えることができる。つまり、流体の流れが第一速度ｖ１の場合に検出可能な第一粒径範囲（図９では、０．３μｍ〜２．５μｍ）と第二速度ｖ２の場合に検出可能な第二粒径範囲（図９では、２．５μｍ〜５０μｍ）とを併せた広い粒径範囲にわたって、粒子を検出することができる。したがって、検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる。
【０１１３】
また、本実施の形態によれば、信号処理部２０は、第二速度ｖ２が第一速度ｖ１より大きい場合に、第一増幅率Ｇ１よりも小さい第二増幅率Ｇ２で電気信号を増幅する。
【０１１４】
このように第二速度ｖ２が第一速度ｖ１より大きい場合、検知領域ＤＡを通過する粒子２の個数が増大する。このため、微小粒子に比べて浮遊数が少ない粗大粒子が検知領域ＤＡを通過しやすくなる。そこで、この場合、第一増幅率Ｇ１よりも小さい第二増幅率Ｇ２で電気信号を増幅することにより、増幅後の電気信号の飽和を抑制して粗大粒子を検出することができる。したがって、粗大粒子を容易に検出することができる。
【０１１５】
また、本実施の形態によれば、パルス状の波形の周波数は、流体の流れが速くなるほど高くなる。また、信号処理部２０は、周波数依存性を有する増幅率で電気信号を増幅する増幅回路２１２を有する。
【０１１６】
これにより、流体の流れが切り替わることにより、増幅回路２１２の特性によって信号処理部２０の増幅率が切り替えられる。つまり、流体の流れに応じて信号処理部２０の増幅率を切り替える制御を行うことなく、信号処理部２０の増幅率が自動的に切り替わる。したがって、粒子検出センサ１の動作を簡素化しつつ、検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる。
【０１１７】
具体的には、本実施の形態によれば、増幅回路２１２は、周波数が高いほど小さい増幅率で電気信号を増幅する。
【０１１８】
ここで、流体の流れが速くなるほど、より粒径の大きな粒子が検知領域ＤＡを通過しやすくなる。そこで、周波数が高いほど（すなわち流体の流れが速くなるほど）、小さい増幅率で電気信号を増幅することにより、増幅後の電気信号の飽和を抑制することができる。このため、より大きな粗大粒子を検出することができる。
【０１１９】
また、本実施の形態によれば、散乱光の周波数は、流体の流れが速くなるほど高くなる。また、受光素子１２１は、受光した散乱光を、周波数依存性を有する変換効率で変換することにより、電気信号を生成する。
【０１２０】
このように受光素子１２１の変換効率が周波数依存性を有することにより、流体の流れに応じて受光素子１２１の変換効率が自動的に切り替わる。したがって、流体の流れが切り替えられた場合、受光素子１２１の変換効率が略一定の場合に比べて、散乱光から増幅後の電気信号への変換効率を大きく切り替えることができる。つまり、検出対象となる粒径範囲を大きく切り替えることができる。したがって、検出可能な粒径範囲をさらに広ダイナミックレンジ化することができる。
【０１２１】
具体的には、本実施の形態によれば、受光素子１２１は、周波数が高いほど小さい変換効率で変換する。
【０１２２】
ここで、流体の流れが速くなるほど、より粒径の大きな粒子が検知領域ＤＡを通過しやすくなる。そこで、周波数が高いほど（すなわち流体の流れが速くなるほど）、小さい変換効率で散乱光を電気信号に変換することにより、信号処理部２０による増幅後の電気信号の飽和を抑制することができる。このため、より大きな粗大粒子を検出することができる。
【０１２３】
また、本実施の形態によれば、信号処理部２０は、増幅後の電気信号に含まれる複数のパルス状の波形それぞれの波高値を用いて、波高閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２により区分けされた複数の波高値区分ＢＳ１、ＢＳ２の各々に属する粒子数を計測する。さらに、信号処理部２０は、計測した複数の波高値区分ＢＳ１、ＢＳ２の各々に属する粒子数を用いて、第一速度ｖ１及び波高閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２に対応付けられた第一粒径閾値と第二速度ｖ２及び波高閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２に対応付けられた第二粒径閾値とを含む複数の粒径閾値により区分けされた複数の粒径区分ＢＰ１〜ＢＰ４の各々に属する粒子数を取得する。
【０１２４】
また、本実施の形態によれば、粒子検出センサ１は、さらに、検知領域ＤＡにおける流体の流れを発生させる流速発生部を備える。
【０１２５】
これにより、検知領域ＤＡにおける流体の流れの調整が容易になる。
【０１２６】
具体的には、本実施の形態によれば、流速発生部は、検知領域ＤＡの下方に設けられたヒーター１５である。
【０１２７】
このように、流速発生部がヒーター１５であることにより、流速発生部の構成の簡素化が図られる。また、ヒーター１５は上昇気流を発生するため、検知領域ＤＡの下方に設けられることにより、検知領域ＤＡにおける流体の流れを効果的に切り替えることができる。
【０１２８】
ここで、本実施の形態によれば、ヒーター１５は、通電する電流量を切り替えることにより、流体の流れを第一速度ｖ１と第二速度ｖ２とで切り替える。
【０１２９】
このように電流量を切り替えることで流体の流れを切り替えるため、簡素な構成で流体の流れを切り替えることができる。
【０１３０】
また、本実施の形態に係る粒子検出方法は、粒子検出センサ１を用いて、流体中に含まれる粒子２を検出する粒子検出方法である。ここで、粒子検出センサ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を通過する粒子による投光素子１１１からの光の散乱光を受光して当該粒子２に対応するパルス状の波形を含む電気信号を生成する受光素子１２１とを有する。粒子検出方法は、検知領域ＤＡにおける流体の流れが第一速度ｖ１の場合、電気信号を第一増幅率Ｇ１で増幅し、当該流体の流れが第一速度ｖ１と異なる第二速度ｖ２の場合、電気信号を第一増幅率Ｇ１と異なる第二増幅率Ｇ２で増幅するステップ（図８ＡのＳ１２及び図８ＢのＳ２２）と、増幅後の電気信号を用いて粒子を検出するステップ（図８ＡのＳ１３及び図８ＢのＳ２３）とを含む。
【０１３１】
このように、粒子検出方法は、検知領域ＤＡにおける流体の流れに応じて増幅率が切り替わることにより、検出対象となる粒径範囲を切り替えることができる。つまり、流体の流れが第一速度ｖ１の場合に検出可能な第一粒径範囲と第二速度ｖ２の場合に検出可能な第二粒径範囲とを併せた広い粒径範囲にわたって、粒子を検出することができる。したがって、検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる。
【０１３２】
（変形例１）
上記実施の形態では、信号処理部２０は、周波数依存性を有する増幅率で電気信号を増幅する増幅回路２１２を有することにより、ＰＭ２．５モードの場合と花粉モードの場合とで増幅率を異ならせるとした。しかし、信号処理部がＰＭ２．５モードの場合と花粉モードの場合とで増幅率を異ならせる構成はこれに限らず、例えば、互いに異なる増幅率の複数の増幅回路を並列に設けた構成であってもかまわない。そこで、以下、実施の形態の変形例１として、このように構成された粒子検出センサについて説明する。
【０１３３】
図１２は、実施の形態の変形例１に係る粒子検出センサ１Ａの構成の一例を示すブロック図である。
【０１３４】
同図に示すように、本変形例において、信号処理部２０Ａは、電気信号を第一増幅率Ｇ１で増幅する第一増幅回路２１２Ａと、電気信号を第二増幅率Ｇ２で増幅する第二増幅回路２１２Ｂとを含む。
【０１３５】
第一増幅回路２１２Ａ及び第二増幅回路２１２Ｂは、実施の形態における増幅回路２１２に比べて、増幅率の周波数依存性が小さく、広帯域にわたって略一定の増幅率を有する。例えば、第一増幅回路２１２Ａの増幅率は、流速倍率が１の場合の周波数及び流速倍率が３０の場合の周波数のいずれにおいても第一増幅率Ｇ１である。一方、第二増幅回路２１２Ｂの増幅率は、流速倍率が１の場合の周波数及び流速倍率が３０の場合の周波数のいずれにおいても第二増幅率Ｇ２である。
【０１３６】
第一増幅回路２１２Ａ及び第二増幅回路２１２Ｂは、粒子検出センサ１Ａのモードにおいて、いずれか一方が選択的に電気信号を増幅する。具体的には、粒子検出センサ１ＡがＰＭ２．５モードの場合、第一増幅回路２１２Ａが電気信号を増幅し、粒子検出センサ１Ａが花粉モードの場合、第二増幅回路２１２Ｂが電気信号を増幅する。
【０１３７】
このように構成された粒子検出センサ１Ａであっても、上記実施の形態と同様に、検知領域ＤＡにおける流体の流れに応じて増幅率が切り替わることにより、検出対象となる粒径範囲を切り替えることができる。したがって、検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる。
【０１３８】
また、本変形例では、信号処理部２０Ａが、電気信号を第一増幅率Ｇ１で増幅する第一増幅回路２１２Ａと、電気信号を第二増幅率Ｇ２で増幅する第二増幅回路２１２Ｂとを含む。
【０１３９】
これにより、第一速度ｖ１と第二速度ｖ２との差分が小さい場合であっても、第一増幅率Ｇ１と第二増幅率Ｇ２との差分を大きく確保することができるため、検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる。
【０１４０】
（変形例２）
上記実施の形態では、粒子検出センサ１は、検知領域ＤＡにおける流体の流れを発生させる流速発生部として、ヒーター１５を備えるとした。しかし、粒子検出センサはヒーター１５等の流速発生部を備えなくてもよく、外部に設けられたファン（小型扇風機）等の流速発生部によって検知領域ＤＡに流体の流れ（気流）が発生する構成であってもかまわない。そこで、以下、実施の形態の変形例２として、このように構成された粒子検出センサについて説明する。
【０１４１】
図１３は、実施の形態の変形例２に係る粒子検出センサ１Ｂの構成の一例を示すブロック図である。
【０１４２】
同図に示すように、本変形例に係る粒子検出センサ１Ｂでは、実施の形態に係る粒子検出センサ１に比べて、ヒーター１５を備えずに、外部のファン１５Ｂによって検知領域ＤＡに気流が発生する。
【０１４３】
ファン１５Ｂは、例えば、粒子検出センサ１Ｂが搭載される空調装置（例えば、空気清浄機またはエアコン等）に設けられる。ファン１５Ｂにより発生された気流は、空調装置が空調を行うための気流である主流と、粒子検出センサ１Ｂに導入される支流とに分岐される。このように粒子検出センサ１Ｂに導入された気流によって、検知領域ＤＡに気体の流れが発生する。
【０１４４】
ファン１５Ｂは、例えば、流速制御部２２４からの粒子検出センサ１のモードを示す信号に応じて、発生する気流の速度を切り替える。具体的には、流速制御部２２４からＰＭ２．５モードを示す信号が出力された場合、検知領域ＤＡにおける気流の流れが第一速度ｖ１となるように気流を発生する。一方、流速制御部２２４から花粉モードを示す信号が出力された場合、検知領域ＤＡにおける気流の流れが第二速度ｖ２となるように気流を発生する。
【０１４５】
このように構成された粒子検出センサ１Ｂであっても、上記実施の形態と同様に、検知領域ＤＡにおける流体の流れに応じて増幅率が切り替わることにより、検出対象となる粒径範囲を切り替えることができる。したがって、検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる。
【０１４６】
（変形例３）
上記実施の形態及び変形例１、２で説明した粒子検出センサは、種々の装置に適用することができる。そこで、以下、実施の形態の変形例３として、粒子検出センサの適用例について説明する。
【０１４７】
図１４は、粒子検出センサを備える空気清浄機の外観図である。図１５は、粒子検出センサを備える煙感知器の外観図である。図１６は、粒子検出センサを備える換気扇の外観図である。図１７は、粒子検出センサを備えるエアコンの外観図である。
【０１４８】
これらの装置によれば、検出可能な粒径範囲が広ダイナミックレンジ化された粒子検出センサを備えることにより、例えば、微小粒子と粗大粒子とでより多く検出された粒子に応じて動作を切り替えることができる。
【０１４９】
（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。
【０１５０】
例えば、上記説明では、信号処理部は、検知領域ＤＡにおける流体の流れが第一速度ｖ１の場合に電気信号を第一増幅率Ｇ１で増幅し、当該流体の流れが第二速度ｖ２の場合に電気信号を第二増幅率Ｇ２で増幅するとした。しかし、信号処理部は、３以上の流体の流れ（流速）に応じて、３以上の互いに異なる増幅率を切り替えて電気信号を増幅してもかまわない。これにより、検出可能な粒径範囲をさらに広ダイナミックレンジ化することができる。
【０１５１】
また、上記説明では、第二速度ｖ２は第一速度ｖ１より大きいとした。しかし、受光素子１２１及び増幅回路が、例えば図１８に示す周波数特性を有していれば、第二速度ｖ２は、第一速度ｖ１と異なっていればよく、第一速度ｖ１より小さくてもかまわない。つまり、検知領域ＤＡにおける流体の流れは、ＰＭ２．５モードの場合よりも花粉モードの場合に遅くてもかまわない。
【０１５２】
図１８は、受光素子１２１の変換効率（受光素子ゲイン）、及び、増幅回路の増幅率（増幅回路ゲイン）の周波数特性の他の例の概要を示すグラフである。同図に示すように、受光素子１２１及び増幅回路の各々は、流速倍率１に対応する周波数において最もゲインが高くなるような周波数特性を有する。
【０１５３】
このような構成の場合、上記実施の形態に比べて、粗大粒子の検出に多少時間を要するものの、検知領域ＤＡにおける流体の流れに応じて増幅率が切り替わることにより、検出対象となる粒径範囲を切り替えることができる。したがって、上記実施の形態と同様に、検出可能な粒径範囲を広ダイナミックレンジ化することができる。
【０１５４】
なお、受光素子１２１及び増幅回路の各々は、図１８に示す例に限らず、例えば、周波数が低くなるほどゲインが小さくなるような周波数特性を有してもかまわない。
【０１５５】
また、上記説明では、受光素子１２１は、受光した散乱光を、周波数依存性を有する変換効率で電気信号に変換するとした。しかし、受光素子１２１の変換効率は、第一速度ｖ１の場合に対応する周波数から第二速度ｖ２の場合に対応する周波数までの広帯域にわたって略一定であってもかまわない。
【０１５６】
また、上記説明では、信号処理部は、複数の粒径区分の各々に属する粒子数を取得するとした。しかし、信号処理部は、粒子数を取得しなくてもよく、例えば、複数の粒径区分の各々に属する粒子の有無を検出してもかまわない。
【０１５７】
また、上記実施の形態及びその変形例１、２では、粒子検出センサはヒーター１５を備えるとした。しかし、粒子検出センサは、ヒーター１５に代わり、ファン等の流速発生部を備えてもかまわない。
【０１５８】
また、上記実施の形態及びその変形例１、２では、ヒーター１５は検知領域ＤＡの下方に設けられるとした。しかし、ヒーター１５を設ける位置は、これに限らず、ヒーター１５によって検知領域ＤＡに気流が発生可能な位置であればよい。例えば、ヒーター１５は、粒子流路内、または、粒子流路の任意に位置の上方または下方に設けられていてもかまわない。
【０１５９】
また、上記実施の形態及びその変形例１、２では、ヒーター１５は、通電する電流量を切り替えることにより、検知領域ＤＡにおける流体の流れを第一速度ｖ１と第二速度ｖ２とで切り替えるとした。しかし、第一速度ｖ１と第二速度ｖ２とを切り替える手法はこれに限らず、例えば、ヒーター１５のオン及びオフを切り替えることにより、第一速度ｖ１と第二速度ｖ２とを切り替えてもかまわない。
【０１６０】
また、上記説明では、第二速度ｖ２は、第一速度ｖ１のおよそ３０倍であるとしたが、これに限らない。例えば、第二速度ｖ２をより大きくすることにより、検出可能な粒径範囲のさらなる広ダイナミックレンジ化が図られる。ただし、第二速度ｖ２が大きすぎると、第一速度ｖ１の場合でも第二速度ｖ２の場合でも検出できない粒径範囲が生じ得る。したがって、第二速度ｖ２は、こられの事項を考慮した速度であることが好ましい。
【０１６１】
また、例えば、粒子検出センサは、ＡＤ変換部２２１を備えず、演算部２２２が増幅回路による増幅後のアナログ電圧信号を用いて粒子２を検出してもよい。ただし、以下の観点から、粒子検出センサはＡＤ変換部２２１を備えることが好ましい。
【０１６２】
すなわち、粒子検出センサがＡＤ変換部２２１を備えない場合、アナログ電圧信号のピークを検出する構成としては、例えば、ピークホールド回路、及び、複数の閾値と比較するための複数のコンパレータ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、ピークホールド回路内のコンデンサの充放電に時間を要することにより、電圧信号のピークを高速に検出することが困難である。さらに、アナログ回路構成として、複数のコンパレータを備えることが必要である。
【０１６３】
これに対して、粒子検出センサがＡＤ変換部２２１を備える場合、上記ピークホールド回路を用いる場合よりも電圧信号のピークを高速に検出することができる。よって、粒子の検出漏れを抑制することができる。さらに、アナログ回路構成として複数のコンパレータを備える必要がないので、アナログ回路構成の簡素化及び低コスト化が図られる。
【０１６４】
また、上記説明において、粒子を含む媒体は、気体（空気）としたが、気体以外の媒体（水等の液体）であってもよい。つまり、粒子検出センサは、気体または液体である流体中に含まれる粒子を検出する。
【０１６５】
また、上記説明において、汎用ＭＰＵ２２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。
【０１６６】
また、汎用ＭＰＵ２２を構成する構成要素（機能）の一部または全ては、粒子検出センサを備える種々の装置（例えば空気清浄機）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。
【０１６７】
また、本発明は、このような粒子検出センサとして実現することができるだけでなく、粒子検出センサが行うステップ（処理）を含む方法として実現できる。
【０１６８】
例えば、それらのステップは、コンピュータ（コンピュータシステム）によって実行されてもよい。そして、本発明は、それらの方法に含まれるステップを、コンピュータに実行させるためのプログラムとして実現できる。さらに、本発明は、そのプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等である非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体として実現できる。
【０１６９】
例えば、本発明がプログラム（ソフトウェア）で実現される場合には、コンピュータのＣＰＵ、メモリおよび入出力回路等のハードウェア資源を利用してプログラムが実行されることによって、各ステップが実行される。つまり、ＣＰＵがデータをメモリまたは入出力回路等から取得して演算したり、演算結果をメモリまたは入出力回路等に出力したりすることによって、各ステップが実行される。
【０１７０】
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、または、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およ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】
【０１７１】
１、１Ａ、１Ｂ  粒子検出センサ
２  粒子
１５  ヒーター（流速発生部）
１５Ｂ  ファン（流速発生部）
２０、２０Ａ  信号処理部
１１１  投光素子
１２１  受光素子
２１２  増幅回路
２１２Ａ  第一増幅回路
２１２Ｂ  第二増幅回路
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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