JP2016006391A - 粒子検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電電極での放電を安定させて粒子の捕集効率を向上する。
【解決手段】導入口およびこの導入口に対向する排出口を有する筐体と、排出口から筐体内の空気を排気する排気手段と、筐体の内部に位置して導入口側から排出口側に向けて延在する捕集筒１９０と、筐体１９０内に位置し、導入口から筐体内に導入された空気中に含まれる粒子を帯電させる放電部と、放電部により帯電された粒子を静電気力により捕集部材に付着させて捕集する捕集部と、捕集部により捕集された粒子に含まれる生物由来の粒子の量を検出する粒子検出手段とを備える。放電部は、捕集筒の一部を貫通して捕集筒の内側に先端部が位置する針状電極１４０を含む。捕集筒１９０は、捕集筒１９０の内周面に設けられ、針状電極１４０の先端部と間隔を置いて位置する電気的に接地された導電体１９１を含む。
【選択図】図２５

Description

本発明は、粒子検出装置に関し、特に、生物由来の粒子を検出する粒子検出装置に関する。

大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置を開示した先行文献として、特開２００３−３３７０８６号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された、大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置は、捕集容器と、捕集容器内に大気を吸引するポンプと、捕集容器内に配置され、単極イオンを発生して捕集容器内の浮遊粒子状物質を帯電させる放電電極と、放電電極に対して電位差が与えられることにより捕集容器内で帯電した浮遊粒子状物質を引き寄せて捕集する集塵電極とを備える。この集塵電極は、表面に凹部が形成された透明部材と、少なくともその凹部の底面にコーティングされた透明電極膜とによって構成されている。

特開２００３−３３７０８６号公報

捕集容器が帯電している場合、放電電極にて安定した放電ができず、粒子の捕集効率が低下する。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、放電電極での放電を安定させて粒子の捕集効率を向上できる、粒子検出装置を提供することを目的とする。

本発明に基づく粒子検出装置は、生物由来の粒子を検出する粒子検出装置であって、導入口およびこの導入口に対向する排出口を有する筐体と、排出口から筐体内の空気を排気する排気手段と、筐体の内部に位置して導入口側から排出口側に向けて延在する捕集筒と、筐体内に位置し、導入口から筐体内に導入された空気中に含まれる粒子を帯電させる放電部と、放電部により帯電された粒子を静電気力により捕集部材に付着させて捕集する捕集部と、捕集部により捕集された粒子に含まれる生物由来の粒子の量を検出する粒子検出手段とを備える。放電部は、捕集筒の一部を貫通して捕集筒の内側に先端部が位置する針状電極を含む。捕集筒は、捕集筒の内周面に設けられ、針状電極の先端部と間隔を置いて位置する電気的に接地された導電体を含む。

本発明の一形態においては、導電体は、捕集筒の延在方向において、針状電極より導入口側に位置している。

本発明の一形態においては、導電体は、捕集筒の径方向において、捕集筒の上記一部に対して反対側に位置している。

本発明の一形態においては、針状電極の先端部は、捕集筒の径方向に延在している。
本発明の一形態においては、粒子検出手段は、筐体内に位置し、捕集部材に付着した粒子に向けて励起光を照射する照射部と、筐体内に位置し、励起光を照射された粒子から発せられる蛍光を検出する蛍光検出部と、捕集部材に接触するように位置し、捕集部材に付着した粒子を加熱する加熱部と、励起光を照射された粒子から検出された蛍光量が加熱部の加熱によって変化した量から生物由来の粒子の量を算出する算出手段とを含む。

本発明によれば、放電電極での放電を安定させて粒子の捕集効率を向上できる。

加熱前および加熱後における生物由来の粒子の蛍光強度を示すグラフである。 加熱前および加熱後における粉塵の蛍光強度を示すグラフである。 捕集工程を説明するための模式図である。 加熱前の蛍光測定工程を説明するための模式図である。 加熱工程を説明するための模式図である。 加熱後の蛍光測定工程を説明するための模式図である。 加熱による蛍光量の増加量と生物由来の粒子の濃度との相関関係を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る粒子検出装置の外観を示す斜視図である。 図８の粒子検出装置を別の方向から見た斜視図である。 図９の粒子検出装置からファンを取り外した状態を示す斜視図である。 図８の粒子検出装置の構成を示す分解斜視図である。 図１１の粒子検出装置を矢印ＸＩＩ方向から見た部分斜視図である。 捕集部および加熱部の構成を示す分解斜視図である。 捕集部および加熱部の外観を示す下面図である。 捕集基板とヒータとの接続状態を示す一部平面図である。 図１５の捕集基板およびヒータを矢印ＸＶＩ方向から見た図である。 粒子検出装置の各構成の取り付け状態を示す分解斜視図である。 図１７の粒子検出装置を矢印ＸＶＩＩＩ方向から見た図である。 捕集部と移動機構とが接続された状態を示す斜視図である。 捕集基板が第１位置に位置している状態を捕集基板の下方から見た断面図である。 捕集基板が第２位置に位置している状態を捕集基板の下方から見た断面図である。 捕集基板が第３位置に位置している状態を捕集基板の下方から見た断面図である。 捕集基板が第４位置に位置している状態を捕集基板の下方から見た断面図である。 本発明の実施形態１に係る粒子検出装置の動作の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態１に係る粒子検出装置において捕集基板を捕集位置である第１位置に配置した状態を示す断面図である。 実験例１において、捕集基板の表面の電位を測定した実験装置の構成を示すブロック図である。 高湿条件において検出した、比較例２に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。 高湿条件において検出した、実施例２に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。 低湿条件において検出した、比較例２に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。 低湿条件において検出した、実施例２に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。 高湿条件において検出した、比較例３に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。 高湿条件において検出した、実施例３に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。 低湿条件において検出した、比較例３に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。 低湿条件において検出した、実施例３に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。

まず、本発明の粒子検出装置において生物由来の粒子を検出する方法について説明する。なお、生物由来の粒子とは、微生物、カビなどの菌および花粉を含む生物に由来する粒子であり、鉱物および石油精製品などの粉塵は含まれない。

空気中を浮遊している粒子には、鉱物および石油精製品などの粉塵と生物由来の粒子とが混在している。この混在粒子に含まれる生物由来の粒子量を測定するために、混在粒子に紫外光または青色光を照射すると、生物由来の粒子は蛍光を発する。しかしながら、混在粒子には、生物由来の粒子以外にも同様に蛍光を発する化学繊維の埃など(以下、粉塵ともいう)が含まれている。そのため、混在粒子から発せられる蛍光を検出するのみでは、生物由来の粒子量を測定することができない。

そこで、本発明者らは、生物由来の粒子は加熱されると蛍光強度(蛍光量)が変化し、化学繊維などの埃は加熱されても蛍光強度が変化しないことを利用して、生物由来の粒子量を測定する粒子検出方法を開発した。

図１は、加熱前および加熱後における生物由来の粒子の蛍光強度を示すグラフである。図２は、加熱前および加熱後における粉塵の蛍光強度を示すグラフである。図１，２においては、縦軸に蛍光強度、横軸に蛍光した光の波長を示している。

図１に示すように、生物由来の粒子は、広い波長範囲において加熱後の蛍光量が加熱前の蛍光量に比較して著しく増加している。一方、図２に示すように、粉塵は、加熱後の蛍光量と加熱前の蛍光量が略同一である。

よって、混在粒子の加熱前の蛍光量と加熱後の蛍光量とを測定して、加熱前の蛍光量と加熱後の蛍光量との差分を求めることにより、混在粒子に含まれる生物由来の粒子の量を算出することができる。

以下、粒子検出方法の各工程について説明する。粒子検出方法は、混在粒子の捕集工程、加熱前の混在粒子の蛍光測定工程、混在粒子の加熱工程、加熱後の混在粒子の蛍光測定工程、および、生物由来の粒子の量を算出する工程を含む。

図３は、捕集工程を説明するための模式図である。図４は、加熱前の蛍光測定工程を説明するための模式図である。図５は、加熱工程を説明するための模式図である。図６は、加熱後の蛍光測定工程を説明するための模式図である。図７は、加熱による蛍光量の増加量と生物由来の粒子の濃度との相関関係を示すグラフである。図７においては、縦軸に加熱による蛍光量の増加量、横軸に生物由来の粒子の濃度を示している。

図３に示すように、捕集工程において、空気中を浮遊している混在粒子を捕集基板５１０上に捕集する。本工程においては、捕集基板５１０を針状電極５３０に対向配置する。捕集基板５１０および針状電極５３０に直流電源５４０を接続し、捕集基板５１０および針状電極５３０間に電位差を生じさせる。たとえば、針状電極５３０に直流電源５４０の正極を接続し、捕集基板５１０に直流電源５４０の負極を接続する。

捕集基板５１０の下方に位置するファン５００を駆動させることにより、外部の空気を針状電極５３０の周囲を通過して捕集基板５１０に向かうように導入する。空気中を浮遊する混在粒子６００は、針状電極５３０の周囲において正の電荷に帯電する。捕集基板５１０は、帯電した混在粒子６００とは反対の電荷を有している。そのため、帯電した混在粒子６００は、静電気力によって捕集基板５１０の表面に付着して捕集される。捕集基板５１０に捕集された混在粒子６００は、生物由来の粒子６００Ａと、化学繊維の埃などの粉塵６００Ｂとを含んでいる。

図４に示すように、加熱前の蛍光測定工程において、半導体レーザなどの発光素子５５０から捕集基板５１０上に捕集された混在粒子６００に向けて励起光を照射する。励起光を照射された混在粒子６００から発せられる蛍光をレンズ５６０で集光して受光素子５６５にて受光する。

図５に示すように、加熱工程において、捕集基板５１０の下面に取り付けられたヒータ５２０により捕集基板５１０を加熱することにより、捕集基板５１０に捕集された混在粒子６００を加熱する。加熱後、捕集基板５１０を空冷する。

図６に示すように、加熱後の蛍光測定工程において、発光素子５５０から捕集基板５１０上に捕集された混在粒子６００に向けて励起光を照射する。励起光を照射された混在粒子６００から発せられる蛍光をレンズ５６０で集光して受光素子５６５にて受光する。

図７に示すように、蛍光量の増加量ΔＦと生物由来の粒子濃度Ｎとの関係に基づき、加熱後の蛍光測定工程において測定された蛍光量から加熱前の蛍光測定工程において測定された蛍光量を引いた差分ΔＦ１から、生物由来の粒子の濃度(個／ｍ³)を算出する。なお、増加量ΔＦと生物由来の粒子濃度Ｎとの相関関係は、予め実験を行なうことにより求められたものである。

以下、上記の粒子検出方法を用いて生物由来の粒子を検出する本発明の実施形態１に係る粒子検出装置について説明する。なお、以下の実施形態において参照する図面においては、同一またはそれに相当する部材に同じ番号を付してその説明を繰り返さない。また、説明の便宜上、上、下の表現を用いるが、これは参照した図面に基づくものであって発明の構成を限定するものではない。

(実施形態１)
図８は、本発明の実施形態１に係る粒子検出装置の外観を示す斜視図である。図９は、図８の粒子検出装置を別の方向から見た斜視図である。図１０は、図９の粒子検出装置からファンを取り外した状態を示す斜視図である。図１１は、図８の粒子検出装置の構成を示す分解斜視図である。図１２は、図１１の粒子検出装置を矢印ＸＩＩ方向から見た部分斜視図である。

図８〜１２に示すように、本発明の実施形態１に係る粒子検出装置１００は、筐体１１０と、排気手段と、放電部と、捕集部と、照射部１３０と、蛍光検出部１６０と、加熱部と、算出手段と、移動機構と、清掃部とを備える。なお、照射部１３０と蛍光検出部１６０と加熱部と算出手段とは、粒子検出手段に含まれる。粒子検出手段は、後述するように捕集部により捕集された粒子に含まれる生物由来の粒子の量を検出する。

筐体１１０は、導入口１１１ａを有する蓋部１１１、および、導入口１１１ａに対向する排出口１１２ａを有し、蓋部１１１と組み合わされて箱状となる本体部１１２を含む。筐体１１０は、蓋部１１１上に固定されたリジッド基板２００をさらに含む。リジッド基板２００には、接地電極２１０が設けられている。接地電極２１０は、配線１９２によって後述する導電体と電気的に接続されている。配線１９２は、銅箔またはアルミ箔などの導電部材から形成されている。

筐体１１０は、略直方体形状を有し、放電部、捕集部、照射部、蛍光検出部、加熱部、移動機構および清掃部を収容する。本体部１１２は、排出口１１２ａとは反対側に開口を有する。蓋部１１１は、本体部１１２の開口を塞ぐ平板形状を有する。たとえば、筐体１１０は、６０ｍｍ×５０ｍｍ(蓋部１１１の縦、横)×３０ｍｍ(高さ)の大きさを有する。

蓋部１１１には、捕集筒１９０が互いに直交するように接続されている。筐体１１０において捕集筒１９０は、導入口１１１ａと連続するように本体部１１２に向けて円筒状に延びている。捕集筒１９０は、後述する針状電極１４０の先端部を取り囲むように設けられている。捕集筒１９０は、針状電極１４０に対して位置決めされた捕集基板１７０に向けて混在粒子を含む空気を案内する。筐体１１０および捕集筒１９０は、エポキシ樹脂などの電気絶縁性を有する材料から構成されている。

捕集筒１９０は、捕集筒１９０の内周面に設けられ、針状電極１４０の先端部と間隔を置いて位置する電気的に接地された導電体１９１を含む。導電体１９１は、半田により配線１９２と接続されている。本実施形態においては、導電体１９１は、シート状の形状を有し、捕集筒１９０の内周面に貼り付けられている。ただし、導電体１９１の形態は上記に限られず、たとえば、捕集筒１９０の内周側に凹部が形成されており、この凹部内に板状の導電体が嵌め込まれていてもよい。この場合、導電体の表面と捕集筒１９０の内周面とが連続していてもよいし、導電体の表面が捕集筒１９０の内周面に対して凹んでいてもよい。

本実施形態においては、導電体１９１は、捕集筒１９０の径方向において、後述するように針状電極１４０が貫通する捕集筒１９０の一部に対して反対側に位置している。ただし、導電体１９１の配置は、上記に限られず、捕集筒１９０の内周面を構成するように、針状電極１４０の先端部と間隔を置いて位置していればよい。

導電体１９１は、捕集筒１９０の延在方向において、針状電極１４０より導入口１１１ａ側に位置している。すなわち、導電体１９１は、後述するように導入口１１１ａから筐体１１０内に導入される空気の流れに対して、針状電極１４０の風上側に位置している。導電体１９１は、針状電極１４０を延長した仮想延長線とは重ならない。

本実施形態においては、導電体１９１は、銅からなるが、導電体１９１の材料は銅に限られず、アルミニウムなどの電気伝導率の高い材料であればよい。

排気手段であるファン１２０は、排出口１１２ａから筐体１１０内の空気を排気する。ファン１２０は、正転方向および反転方向に回転駆動可能である。ファン１２０が正転方向に駆動されることにより、筐体１１０の内部の空気がファン１２０を通じて筐体１１０の外部に排出される。ファン１２０が反転方向に駆動されることにより、筐体１１０の外部の空気がファン１２０を通じて筐体１１０の内部に導入される。ファン１２０は、本体部１１２の排出口１１２ａの位置に取り付けられている。

放電部は、筐体１１０内に位置し、ファン１２０の排気により導入口１１１ａから筐体１１０内に導入された空気中に含まれる混在粒子を帯電させる。放電部は、電源部としての高圧直流電源１４１と、放電電極としての針状電極１４０とを有する。針状電極１４０は、高圧直流電源１４１から延出し、捕集筒１９０の一部を貫通して捕集筒１９０の内部に達している。本実施形態においては、捕集筒１９０の延在方向の中央付近において捕集筒１９０の外側から内側に針状電極１４０が貫通している。針状電極１４０の先端部は、捕集筒１９０の径方向に延在している。

高圧直流電源１４１の正極は針状電極１４０と接続されている。なお、高圧直流電源１４１の正極ではなく負極が針状電極１４０と接続されていてもよい。高圧直流電源１４１および後述するヒータ１８０に捕集基板１７０が電気的に接続されることにより、捕集基板１７０と針状電極１４０との間に電位差が生じている。

照射部１３０は、筐体１１０内に位置し、捕集基板１７０に付着した混在粒子に向けて励起光を照射する。照射部１３０は、光源としての発光素子１３１と、素子フレーム１３２と、レンズフレーム１３３と、集光レンズ１３４と、レンズ押さえ１３５とを含む。

発光素子１３１としては、半導体レーザまたはＬＥＤ(Light Emitting Diode)素子などが用いられる。発光素子１３１から発せられる光は、生物由来の粒子を励起して蛍光を発せさせるものであれば、紫外または可視いずれの領域の波長を有してもよい。

蛍光検出部１６０は、筐体１１０内に位置し、励起光を照射された混在粒子から発せられる蛍光を検出する。蛍光検出部１６０は、ノイズシールド１６１と、増幅回路１６２と、受光素子１６３と、受光フレーム１６４と、フレネルレンズ１６５と、レンズ押さえ１６６とを含む。受光素子１６３としては、フォトダイオードまたはイメージセンサなどが用いられる。

移動機構は、捕集基板１７０を移動させる。移動機構は、モータホルダ１７５と、回転駆動部としての回転モータ１７４と、モータ押さえ１７３を含む。回転モータ１７４は、捕集部の回転ベース１７２と接続される。

清掃部は、蛍光検出を終えた混在粒子を捕集基板１７０から除去する。清掃部は、ブラシ１５０、ブラシ押さえ１５１およびブラシ固定部１５２を含む。ブラシ１５０は、ブラシ押さえ１５１とブラシ固定部１５２とにより挟まれて一端を固定されている。清掃部は、高圧直流電源１４１の下面に固定されている。

ブラシ１５０は、繊維集合体から形成されている。ブラシ１５０は、導電性を有する繊維集合体から形成されている。ブラシ１５０は、たとえば、カーボンファイバから形成されている。ブラシ１５０を形成する繊維集合体の線径は、φ０．０５ｍｍ以上φ０．２ｍｍ以下であることが好ましい。導電性を有するブラシ１５０を用いることにより、帯電した混在粒子の電荷を除去することができる。

図１３は、捕集部および加熱部の構成を示す分解斜視図である。図１４は、捕集部および加熱部の外観を示す下面図である。図１５は、捕集基板とヒータとの接続状態を示す一部平面図である。図１６は、図１５の捕集基板およびヒータを矢印ＸＶＩ方向から見た図である。

捕集部は、捕集部材である捕集基板１７０を有し、帯電された混合粒子を静電気力により捕集基板１７０に付着させて捕集する。捕集基板１７０は、ガラス板から形成されている。ガラス板の表面には、導電性の透明被膜が形成されている。

捕集基板１７０は、ガラスに限定されず、セラミックまたは金属などから形成されてもよい。被膜は、透明被膜に限定されず、たとえば、金属被膜が形成されてもよい。また、捕集基板１７０が金属から形成される場合、その表面に被膜を形成する必要はない。

捕集基板１７０は、基板ホルダ１７１上に固定される。基板ホルダ１７１は、移動機構と接続される回転ベース１７２と繋がっている。回転ベース１７２から、アーム部１７６が膨出している。基板ホルダ１７１、回転ベース１７２およびアーム部１７６は、樹脂材料により一体で形成されている。捕集部は、基板ホルダ１７１、回転ベース１７２およびアーム部１７６を含む。

捕集部は、後述する回転モータ１７４の出力軸１７４ａと係合される被係合部である係合穴１７２ａを回転ベース１７２に有している。また、捕集部は、係合穴１７２ａを回転中心として径方向に離れた位置に捕集基板１７０を有している。

図１３，１４に示すように、アーム部１７６は、回転ベース１７２の係合穴１７２ａを回転中心として半径方向に延伸している。アーム部１７６は、軸部１７２ｂの軸周りにおいて基板ホルダ１７１と周方向にずれた位置に設けられている。アーム部１７６は、先端に薄いアーム先端部１７６ａを有している。

加熱部であるヒータ１８０は、捕集基板１７０に接触するように位置し、捕集基板１７０に付着した混在粒子を加熱する。本実施形態においては、ヒータ１８０は、捕集基板１７０の下面に取り付けられている。

ヒータ１８０は、ヒータ１８０への電力供給用配線であり直流電流が流れる高電位側配線１８１および低電位側配線１８２、ならびに、ヒータ１８０に内蔵された温度センサの信号線１８３を含む。高電位側配線１８１、低電位側配線１８２および信号線１８３は、捕集基板１７０の回動に追従可能な平板状配線であるフレキシブルプリント配線基板１８４の一端に接続されている。

フレキシブルプリント配線基板１８４の他端は、筐体１１０の外部に引き出されて、温度センサの信号を受信する制御部および直流電源に接続されている。フレキシブルプリント配線基板１８４の表面は、係合穴１７２ａを回転中心とした径方向を含む平面に対して直交している。

この構成により、図１４中の矢印１０に示すように回転ベース１７２が回転した際に、フレキシブルプリント配線基板１８４がその回転に追従して移動および変形するため、高電位側配線１８１、低電位側配線１８２および信号線１８３に負荷がかかることを抑制できる。

図１５，１６に示すように、捕集基板１７０は、高電位側配線１８１および低電位側配線１８２のいずれか一方に電気的に接続される。本実施形態においては、捕集基板１７０を負の電荷に帯電させるために、捕集基板１７０は低電位側配線１８２に接続されている。なお、高圧直流電源１４１の負極が針状電極１４０と接続されている場合は、捕集基板１７０を正の電荷に帯電させるために、捕集基板１７０は高電位側配線１８１に接続される。

捕集基板１７０とヒータ１８０とは、導電性接着剤１８５により接着されている。捕集基板１７０が、ヒータ１８０の低電位側配線１８２と導電性接着剤１８５を介して電気的に接続されることにより負の電荷に帯電し、正の電荷に帯電された混在粒子との間に静電気力が生ずる。

ただし、捕集基板１７０は、接地電位に固定されていてもよい。この場合、高電位側配線１８１または低電位側配線１８２が接地電位に固定され、捕集基板１７０が接地電位に固定された高電位側配線１８１または低電位側配線１８２に接続される。この場合も、捕集基板１７０に帯電した混在粒子を付着させて捕集することができる。また、この場合、高電位側配線１８１および低電位側配線１８２に交流電流が流されてもよい。

導電性接着剤１８５としては、たとえば、一液型エポキシ樹脂接着剤に貴金属粉末を加えて製造されたエポキシ樹脂系接着剤などを用いることができる。本実施形態においては、導電性接着剤１８５を用いて捕集基板１７０と低電位側配線１８２とを電気的に接続したが、たとえば、半田などを用いて接続してもよい。

また、本実施形態においては、捕集基板１７０と低電位側配線１８２とを接続したが、たとえば、ヒータ１８０の表面に低電位側配線１８２と接続された電極が設けられ、この電極と捕集基板１７０とが導電性接着剤１８５により電気的に接続されてもよい。

上記のように、静電気力を発生させるための配線と、捕集部材を加熱するための配線とを兼用することにより、配線数を削減できる。その結果、捕集基板１７０の周囲の配線の引き回しが容易になり、配線の混線および断線の発生を抑制できる。

以下、各構成の取り付け状態について説明する。図１７は、粒子検出装置の各構成の取り付け状態を示す分解斜視図である。図１８は、図１７の粒子検出装置を矢印ＸＶＩＩＩ方向から見た図である。

図１７，１８に示すように、放電部、照射部１３０、蛍光検出部１６０および清掃部は、蓋部１１１に取り付けられている。本実施形態においては、移動機構も、蓋部１１１に取り付けられている。ただし、移動機構は、本体部１１２に取り付けられていてもよい。回転モータ１７４の下部に、回転モータ１７４の駆動力を伝達する係合部である出力軸１７４ａが突出している。

捕集部は、本体部１１２に取り付けられる。加熱部であるヒータ１８０は捕集基板１７０の下面に取り付けられているため、捕集部と共に本体部１１２に取り付けられている。

図１９は、捕集部と移動機構とが接続された状態を示す斜視図である。図１９においては、筐体１１０を図示していない。回転ベース１７２の係合穴１７２ａと回転モータ１７４の出力軸１７４ａとを係合させることにより、図１９に示すように、捕集部と移動機構とを接続させる。回転モータ１７４の駆動に伴って、回転ベース１７２は、係合穴１７２ａを中心に回転(正転、反転)する。

以下、平面視における粒子検出装置の構成部品の配置、および、捕集基板１７０の位置について説明する。

図２０は、捕集基板が第１位置に位置している状態を捕集基板の下方から見た断面図である。図２１は、捕集基板が第２位置に位置している状態を捕集基板の下方から見た断面図である。図２２は、捕集基板が第３位置に位置している状態を捕集基板の下方から見た断面図である。図２３は、捕集基板が第４位置に位置している状態を捕集基板の下方から見た断面図である。

図２０〜２３に示すように、本実施形態においては、放電部、蛍光検出部および清掃部が、回転ベース１７２の軸部１７２ｂを中心にその周方向に並んで配置されている。具体的には、反時計回りに順に、蛍光検出部、放電部および清掃部が配置されている。照射部１３０は、蛍光検出部に隣接して配置されている。

第１位置は、放電部により混在粒子を帯電させつつ捕集基板１７０に帯電した粒子を付着させる際の捕集基板１７０の位置である。第２位置は、捕集基板１７０に付着した混在粒子に照射部１３０により励起光を照射しつつ蛍光検出部により蛍光を検出する際の捕集基板１７０の位置である。

第３位置は、清掃部により捕集基板１７０上の混在粒子の除去を開始する際の捕集基板１７０の位置である。第４位置は、清掃部による捕集基板１７０上の混在粒子の除去が終了した際の捕集基板１７０の位置である。第１位置から第４位置までの軸部１７２ｂを中心にした旋回範囲は、約１８０°以内である。

捕集基板１７０は、回転モータ１７４が駆動することにより回動して第１位置および第２位置の間を移動する。また、捕集基板１７０は、回転モータ１７４が駆動することにより回動して第２位置および第３位置の間を移動する。さらに、捕集基板１７０は、回転モータ１７４が駆動することにより回動して第３位置および第４位置の間を移動する。

図２０〜２３に示すように、本体部１１２において、互いに直交して隣接している内壁に、近接センサ１１２ｂおよび近接センサ１１２ｃがそれぞれ配置されている。近接センサ１１２ｂおよび近接センサ１１２ｃの各々は、本体部１１２の内壁から本体部１１２の内側に向けて延びる１対の端子部を有している。

捕集部は、軸部１７２ｂを回転中心軸として回転した際に、この一対の端子部同士の間をアーム先端部１７６ａが通過するように、本体部１１２に取り付けられている。近接センサ１１２ｂおよび近接センサ１１２ｃは、アーム先端部１７６ａの近接を検知することによって捕集基板１７０の位置を検出するセンサである。

以下、本実施形態における粒子検出装置１００の動作について説明する。図２４は、本実施形態に係る粒子検出装置の動作の流れを示すフローチャートである。なお、以下の説明においては、図２０から図２３中において、軸部１７２ｂを中心として時計周りの回転を正転方向といい、反時計周りの回転を反転方向という。

図２０，２４に示すように、まず、捕集基板１７０を捕集位置である第１位置に配置する。その状態で捕集工程として、ファン１２０を正転方向に駆動させて、導入口１１１ａから筐体１１０の内部に空気を導入するとともに、高圧直流電源１４１およびヒータ１８０に捕集基板１７０を電気的に接続することによって針状電極１４０と捕集基板１７０との間に電位差を発生させ、空気中を浮遊している混在粒子を帯電させて捕集基板１７０の表面に付着させて捕集する(Ｓ１０１)。

本実施形態においては、放電電極として針状電極１４０を用いているため、帯電した混在粒子を、針状電極１４０の先端部に対面する捕集基板１７０の表面であって、照射部１３０の照射領域に対応した極めて狭い領域に付着させることができる。これにより、後工程の蛍光測定工程において、捕集された混在粒子から発せられる蛍光を効率的に検出することができる。

図２１，２４に示すように、次に、回転モータ１７４を駆動させて回転ベース１７２を正転方向に回転させ、捕集基板１７０を蛍光検出位置である第２位置に移動させる(Ｓ１０２)。

その後、加熱前の混在粒子の蛍光測定工程として、照射部１３０によって、捕集基板１７０に付着させて捕集した混在粒子に向けて励起光を照射しつつ、蛍光検出部によって、励起光を照射された混在粒子から発せられる蛍光を受光する。これにより、捕集基板１７０に付着させて捕集した混在粒子の加熱前の蛍光量を測定する(Ｓ１０３)。

図２０，２４に示すように、次に、回転モータ１７４を駆動させて回転ベース１７２を反転方向に回転させ、捕集基板１７０を第２位置から第１位置に移動させる(Ｓ１０４)。

次に、加熱工程として、ヒータ１８０に通電して捕集基板１７０を加熱することにより、捕集基板１７０に付着させて捕集した混在粒子を加熱する(Ｓ１０５)。

その後、ヒータ１８０への通電を停止して、捕集基板１７０を冷却する(Ｓ１０６)。この際、ファン１２０を反転方向に駆動させることによって、空気を排出口１１２ａから筐体１１０の内部に導入し、捕集基板１７０の冷却を促進させてもよい。

図２１，２４に示すように、次に、回転モータ１７４を駆動させて回転ベース１７２を正転方向に回転させ、捕集基板１７０を第１位置から第２位置に移動させる(Ｓ１０７)。

その後、加熱後の混在粒子の蛍光測定工程として、照射部１３０によって、捕集基板１７０に付着させて捕集した混在粒子に向けて励起光を照射しつつ、蛍光検出部によって、励起光を照射された混在粒子から発せられる蛍光を受光する。これにより、捕集基板１７０に付着させて捕集した混在粒子の加熱後の蛍光量を測定する(Ｓ１０８)。

図２２，２４に示すように、次に清掃工程として、回転モータ１７４を駆動させて回転ベース１７２を反転方向に回転させ、捕集基板１７０を第２位置から第３位置に移動させる。さらに回転ベース１７２を反転方向に回転させることによって、捕集基板１７０を第３位置から第４位置に移動させる。捕集基板１７０が第３位置から第４位置に移動する間、捕集基板１７０の表面はブラシ１５０の先端と摺動する。これにより、捕集基板１７０から混在粒子を除去する(Ｓ１０９)。

清掃工程時に、ファン１２０を正転方向に駆動させて、捕集基板１７０から除去された混在粒子を排出口１１２ａから筐体１１０の外部に排出する。この際、捕集基板１７０が、第１位置から第３位置に近づくに従って、捕集基板１７０と捕集筒１９０とが重なる範囲が小さくなるため、捕集筒１９０の開口面積が大きくなる。これにより、混在粒子を効率的に筐体１１０の外部に排出することができる。一方、捕集工程時は、捕集基板１７０に遮蔽されて捕集筒１９０の開口面積が小さくなるため、空気の導入ロスを減らすことができる。

本実施形態では、清掃部を静止させたまま捕集基板１７０の移動によって清掃工程を実施するため、清掃部の移動機構を別途設ける必要がない。このため、粒子検出装置１００を小型にして製造コストを低減できる。

図２０，２４に示すように、回転モータ１７４を駆動させて回転ベース１７２を正転方向に回転させ、捕集基板１７０を第４位置から第１位置に移動させる(Ｓ１１０)。以上のＳ１０１〜Ｓ１１０の工程を繰り返すことによって、生物由来の粒子の検出を連続的に実施することができる。

生物由来の粒子の検出は、蛍光検出部に接続されたＣＰＵ(中央演算処理装置)などの算出手段により、加熱前の蛍光測定工程において測定された蛍光量と、加熱後の蛍光測定工程において測定された蛍光量との差から、混在粒子に含まれる生物由来の粒子の量を算出することにより行なう。本実施形態においては、算出手段はリジッド基板２００に搭載されているが、算出手段は、筐体１１０の内側において蓋部１１１に取り付けられていてもよいし、筐体１１０の外部に配置されていてもよい。

上記のように、捕集基板１７０をヒータ１８０の低電位側配線１８２に電気的に接続して、帯電した混在粒子との間に静電気力を生じさせることにより、複雑な配線の引き回しを行なうことなく捕集基板１７０上に混在粒子を付着させて捕集することができる。

その結果、捕集基板１７０の回動によって配線が混線または断線することを抑制できる。また、フレキシブルプリント配線基板１８４を用いることにより、回転ベース１７２の回転にフレキシブルプリント配線基板１８４が追従して移動および変形するため、捕集部および加熱部に接続される配線に負荷がかかることを抑制できる。このように、配線への負荷を軽減することにより、粒子検出装置１００の耐久性を向上することができる。

本実施形態においては、捕集位置(第１位置)、蛍光検出位置(第２位置)および清掃位置(第３〜４位置)が円周上に並んで配置されており、捕集基板１７０は、正転方向および反転方向に回転することによって、これらの各位置間を移動する。この構成により、粒子検出装置１００の小型にすることができる。

また、本実施形態においては、捕集基板１７０に捕集された混在粒子を加熱する加熱工程を、捕集基板１７０に粒子を付着させて捕集する捕集工程と同じ位置(第１位置)で実施することにより、粒子検出装置１００の小型にすることができる。

なお、本実施形態においては、回転モータ１７４の係合部を出力軸１７４ａ、回転ベース１７２の被係合部を係合穴１７２ａで構成したが、回転モータ１７４の係合部を係合穴、回転ベース１７２の被係合部を入力軸で構成してもよい。

本実施形態における粒子検出装置１００は、生物由来の粒子を検出するための装置単体として用いられてもよいし、空気清浄機、エアーコンディショナ、加湿器、除湿機、掃除機、冷蔵庫またはテレビなどの家電製品に組み込まれてもよい。

以下、本実施形態に係る粒子検出装置１００における導電体１９１の作用について説明する。図２５は、本実施形態に係る粒子検出装置において捕集基板を捕集位置である第１位置に配置した状態を示す断面図である。図２５に示すように、捕集工程においては、矢印１０で示す方向に空気を導入しつつ、針状電極１４０と捕集基板１７０との間に電位差を発生させて、空気中を浮遊している混在粒子を帯電させる。

仮に、針状電極１４０が連続して放電することによって捕集筒１９０が針状電極１４０と同じ極性の電位に帯電している場合、針状電極１４０の先端部の周辺における電位差が小さくなって、針状電極１４０における放電が不安定になる。その結果、混在粒子の帯電が不十分になって混在粒子の捕集効率が低下する。

そこで、本実施形態に係る粒子検出装置１００においては、捕集筒１９０の内周面に、電気的に接地された導電体１９１を設けている。これにより、捕集筒１９０が帯電することを抑制することができる。その結果、針状電極１４０における放電を安定させて、混在粒子の捕集効率を向上できる。

上記のように、導電体１９１は、捕集筒１９０の延在方向において、針状電極１４０より導入口１１１ａ側に位置している。すなわち、導電体１９１は、導入口１１１ａから筐体１１０内に導入される空気の流れに対して、針状電極１４０の風上側に位置している。これにより、針状電極１４０における放電によって発生したイオンが導電体１９１と接触することにより消滅することを抑制できる。その結果、混在粒子を十分に帯電させて混在粒子の捕集効率を向上できる。

上記のように、導電体１９１は、捕集筒１９０の径方向において、針状電極１４０が貫通する捕集筒１９０の一部に対して反対側に位置している。これにより、針状電極１４０と導電体１９１との間の距離を確保し、針状電極１４０と導電体１９１との間で放電が発生して導電体１９１が損傷することを抑制できる。

以下、導電体１９１を設けた実施例に係る粒子検出装置と、導電体１９１を設けていない比較例に係る粒子検出装置とにおいて、針状電極１４０を連続して放電させた際の放電の安定性を比較した実験例について説明する。

(実験例１)
図２６は、実験例１において、捕集基板の表面の電位を測定した実験装置の構成を示すブロック図である。図２６に示すように、実験例１においては、針状電極１４０は高圧直流電源の負極に接続され、捕集基板１７０は下面が接地されている。実施例１においては、導電体１９１は、配線１９２によって、リジッド基板の接地電極２１０に接続されている。

実施例１においては、高圧プローブ７００の一方の端子７１０は捕集基板１７０の表面に接触し、高圧プローブ７００の他方の端子７２０は接地電極２１０に接触している。比較例１においては、高圧プローブ７００の一方の端子７１０は捕集基板１７０の表面に接触し、高圧プローブ７００の他方の端子７２０は捕集筒１９０の内周面に接触している。高圧プローブ７００は、一方の端子７１０と他方の端子７２０との間の電位差を測定することにより捕集基板の表面の帯電電圧の検出し、検出結果を出力端子７３０から記憶部７４０に出力する。

図２６に示す実験装置の構成においては、針状電極１４０の放電によって発生したマイナスイオンが矢印１０で示す方向に流れる空気によって運ばれて捕集基板１７０の表面に到達する。その結果、捕集基板１７０の表面は負の極性を有するように帯電する。高圧プローブ７００は、捕集基板１７０の表面の帯電電圧を検出する。

本実施形態に係る粒子検出装置１００においては、筐体１１０内に導入する空気の湿度の影響によって針状電極１４０における放電が不安定になることを抑制できる。以下、実験例１と同一の試験装置を用いて、導電体１９１を設けた実施例に係る粒子検出装置と、導電体１９１を設けていない比較例に係る粒子検出装置とにおいて、針状電極１４０を連続して放電させた際の放電に対する筐体１１０内に導入する空気の湿度の影響を比較した実験例について説明する。

(実験例２)
本実験においては、筐体１１０内に導入する空気の湿度を、４０％〜５０％である高湿条件および２０％程度の低湿条件のいずれかの条件に設定して、針状電極にて連続して放電させた際の実施例および比較例の捕集基板の表面の帯電電圧を検出する実験を行なった。実験は、導電体１９１を設けた実施例２，３に係る粒子検出装置、および、導電体１９１を設けていない比較例２，３に係る粒子検出装置の合計４つの粒子検出装置を用いて行なった。

図２７は、高湿条件において検出した、比較例２に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。図２８は、高湿条件において検出した、実施例２に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。図２９は、低湿条件において検出した、比較例２に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。図３０は、低湿条件において検出した、実施例２に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。

図３１は、高湿条件において検出した、比較例３に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。図３２は、高湿条件において検出した、実施例３に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。図３３は、低湿条件において検出した、比較例３に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。図３４は、低湿条件において検出した、実施例３に係る粒子検出装置の捕集基板の表面の帯電電圧の経時変化を示すグラフである。図２７〜３４においては、縦軸に捕集基板の表面の帯電電圧、横軸に経過時間を示している。

図２７，２８，３１，３２に示すように、高湿条件における、比較例２，３に係る粒子検出装置の捕集基板１７０の表面の帯電電圧においては、１回目の放電後の電圧降下が大きかった。また、比較例３に係る粒子検出装置の捕集基板１７０の表面の帯電電圧は、放電回数が増える毎に上昇した。一方、高湿条件における、実施例２，３に係る粒子検出装置の捕集基板１７０の表面の帯電電圧は、安定していた。

図２９，３０，３３，３４に示すように、低湿条件における、比較例２，３に係る粒子検出装置の捕集基板１７０の表面の帯電電圧においては、５回目の放電後の電圧変動が大きかった。また、比較例３に係る粒子検出装置の捕集基板１７０の表面の帯電電圧は、放電回数が５回目以降、４回目までに比較して上昇した。一方、高湿条件における、実施例２，３に係る粒子検出装置の捕集基板１７０の表面の帯電電圧は、比較例２，３に係る粒子検出装置の捕集基板１７０の表面の帯電電圧に比べて安定していた。

図２７〜３４に示すように、捕集基板１７０の表面の帯電電圧は、高湿条件の方が低湿条件に比べて安定することが確認された。捕集基板１７０の表面の帯電電圧は、比較例２，３に係る粒子検出装置に比べて、実施例２，３に係る粒子検出装置の方が変動が小さいことが確認できた。よって、導電体１９１を設けることにより、針状電極１４０の放電を安定させて混在粒子を十分に帯電させることができ、ひいては混在粒子の捕集効率を向上できることが確認できた。

以下、本発明の実施形態２に係る粒子検出装置について説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、実施形態１に係る粒子検出装置１００と異なる点についてのみ説明し、実施形態１に係る粒子検出装置１００と同様の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態２)
本発明の実施形態２に係る粒子検出装置における捕集基板１７０は、金属から形成されている。捕集基板１７０の表面には、被膜は形成されていない。よって、捕集基板１７０の表面に被膜を形成する工程を削減することができる。

以下、本発明の実施形態３に係る粒子検出装置について説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、実施形態１に係る粒子検出装置１００と異なる点についてのみ説明し、実施形態１に係る粒子検出装置１００と同様の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態３)
本発明の実施形態３に係る粒子検出装置における捕集基板１７０は、セラミックから形成されている。捕集基板１７０の表面には、金属被膜が形成されている。

以下、本発明の実施形態４に係る粒子検出装置について説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、実施形態１に係る粒子検出装置１００と異なる点についてのみ説明し、実施形態１に係る粒子検出装置１００と同様の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態４)
本発明の実施形態４に係る粒子検出装置における捕集基板１７０は、接地電位に固定されている。具体的には、高電位側配線１８１または低電位側配線１８２が接地電位に固定され、捕集基板１７０が接地電位に固定された高電位側配線１８１または低電位側配線１８２に接続される。本実施形態においても、捕集基板１７０に帯電した混在粒子を付着させて捕集することができる。高電位側配線１８１および低電位側配線１８２に交流電流が流されてもよい。

以下、本発明の実施形態５に係る粒子検出装置について説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、実施形態１に係る粒子検出装置１００と異なる点についてのみ説明し、実施形態１に係る粒子検出装置１００と同様の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態５)
本発明の実施形態５に係る粒子検出装置においては、ヒータ１８０の表面に低電位側配線１８２と接続された電極が設けられ、この電極と捕集基板１７０とが導電性接着剤１８５により電気的に接続されている。

以下、本発明の実施形態６に係る粒子検出装置について説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、実施形態１に係る粒子検出装置１００と異なる点についてのみ説明し、実施形態１に係る粒子検出装置１００と同様の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態６)
本発明の実施形態６に係る粒子検出装置においては、捕集筒１９０の内周側に凹部が形成されており、この凹部内に板状の導電体１９１が嵌め込まれている。導電体１９１の表面と捕集筒１９０の内周面とは連続していてもよいし、導電体１９１の表面が捕集筒１９０の内周面に対して凹んでいてもよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 粒子検出装置、１１０ 筐体、１１１ 蓋部、１１１ａ 導入口、１１２ 本体部、１１２ａ 排出口、１１２ｂ，１１２ｃ 近接センサ、１２０，５００ ファン、１３０ 照射部、１３１，５５０ 発光素子、１３２ 素子フレーム、１３３ レンズフレーム、１３４ 集光レンズ、１３５，１６６ レンズ押さえ、１４０，５３０ 針状電極、１４１ 高圧直流電源、１５０ ブラシ、１５１ ブラシ押さえ、１５２ ブラシ固定部、１６０ 蛍光検出部、１６１ ノイズシールド、１６２ 増幅回路、１６３，５６５ 受光素子、１６４ 受光フレーム、１６５ フレネルレンズ、１７０，５１０ 捕集基板、１７１ 基板ホルダ、１７２ 回転ベース、１７２ａ 係合穴、１７２ｂ 軸部、１７３ モータ押さえ、１７４ 回転モータ、１７４ａ 出力軸、１７５ モータホルダ、１７６ アーム部、１７６ａ アーム先端部、１８０，５２０ ヒータ、１８１ 高電位側配線、１８２ 低電位側配線、１８３ 信号線、１８４ フレキシブルプリント配線基板、１８５ 導電性接着剤、１９０ 捕集筒、２００ リジッド基板、２１０ 接地電極、５４０ 直流電源、５６０ レンズ、６００ 混在粒子、６００Ａ 生物由来の粒子、６００Ｂ 粉塵、７００ 高圧プローブ、７１０，７２０ 端子、７３０ 出力端子、７４０ 記憶部。

Claims (5)

1. 生物由来の粒子を検出する粒子検出装置であって、
   導入口および該導入口に対向する排出口を有する筐体と、
   前記排出口から前記筐体内の空気を排気する排気手段と、
   前記筐体の内部に位置して導入口側から排出口側に向けて延在する捕集筒と、
   前記筐体内に位置し、前記導入口から前記筐体内に導入された空気中に含まれる粒子を帯電させる放電部と、
   前記放電部により帯電された粒子を静電気力により捕集部材に付着させて捕集する捕集部と、
   前記捕集部により捕集された粒子に含まれる生物由来の粒子の量を検出する粒子検出手段とを備え、
   前記放電部は、前記捕集筒の一部を貫通して前記捕集筒の内側に先端部が位置する針状電極を含み、
   前記捕集筒は、前記捕集筒の内周面に設けられ、前記針状電極の前記先端部と間隔を置いて位置する電気的に接地された導電体を含む、粒子検出装置。
2. 前記導電体は、前記捕集筒の延在方向において、前記針状電極より導入口側に位置している、請求項１に記載の粒子検出装置。
3. 前記導電体は、前記捕集筒の径方向において、前記捕集筒の前記一部に対して反対側に位置している、請求項１または２に記載の粒子検出装置。
4. 前記針状電極の前記先端部は、前記捕集筒の径方向に延在している、請求項１から３のいずれか１項に記載の粒子検出装置。
5. 前記粒子検出手段は、
   前記筐体内に位置し、前記捕集部材に付着した粒子に向けて励起光を照射する照射部と、
   前記筐体内に位置し、前記励起光を照射された粒子から発せられる蛍光を検出する蛍光検出部と、
   前記捕集部材に接触するように位置し、前記捕集部材に付着した粒子を加熱する加熱部と、
   前記励起光を照射された粒子から検出された蛍光量が前記加熱部の加熱によって変化した量から生物由来の粒子の量を算出する算出手段とを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の粒子検出装置。

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