JP7046897B2 - 微粒子検出センサおよび微粒子検出装置 - Google Patents

微粒子検出センサおよび微粒子検出装置 Download PDF

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Description

本発明は、例えば空気中の埃やタバコの煙などの微粒子を検出する微粒子検出センサに関する。
微粒子検出センサは、発光素子からの出力光（照射ビーム）を受光素子の受光視野範囲（検出領域）に照射し、該受光視野範囲内の微粒子に当たって生じる散乱光を受光素子で検出することで微粒子の有無を検出するものである。詳細には、散乱光の量（輝度）や検出頻度によって、微粒子の密度（汚れ具合）や微粒子の種類を検出することができる。
従来の微粒子検出センサの方式には、大きく分けて平均濃度方式とパーティクルカウント方式との２種類がある。平均濃度方式は、発光素子をパルス点灯し、点灯した時間内に受光素子の受光視野範囲内の微粒子に当たって生じる散乱光の量を検出して微粒子の量を検出する方式である。一方、パーティクルカウント方式は、発光素子を常時点灯し、集光された出力光のビーム内を微粒子が通過することで生じる散乱光の強度、頻度を検出し、微粒子の種類、濃度を検出する方式である。
平均濃度方式を用いた微粒子検出センサは、例えば特許文献１に開示されている。また、パーティクルカウント方式を用いた微粒子検出センサは、例えば特許文献２に開示されている。
このような微粒子検出センサにおいては、受光素子の受光視野範囲内の微粒子に出力光が当たって生じる散乱光を検出する必要がある故、発光素子からの出力光を受光素子の受光視野範囲に照射する必要がある。そのため、従来の微粒子検出センサでは、例えば特許文献３に開示されているように、発光素子からの出力光を受光素子の受光視野範囲に導くために、発光素子とは別にハウジングが設けられる。
特許第３５７４３５４号公報 特開２０１６－２２４０３４号公報 特開２０１８－１２８９０５号公報
近年、微粒子検出センサの普及に伴い様々な箇所の微粒子濃度を検出したいとの要望から、微粒子検出センサの小型化が求められている。しかしながら、従来のハウジングを設ける構成は、微粒子検出センサの小型化、薄型化には不利であった。また、微粒子検出センサを製造する上で、ハウジングの部材が別途必要であり、取り付けの工数が発生するなど低価格化には好ましくなかった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、微粒子検出センサの小型、薄型化が可能であり、かつ安価に製造することができる微粒子検出センサを提供することを目的とする。
（１）本発明の一実施形態は、出力光を出力する発光素子と、受光視野範囲内の微粒子に前記出力光が照射されることにより生じる散乱光を検出する受光素子と、前記発光素子および前記受光素子を封止する透光樹脂と、前記透光樹脂に設けられ、前記発光素子から出射される前記出力光を前記受光視野範囲へ向けて反射する反射面と、を備え、前記受光視野範囲へ照射される、前記反射面で反射された後の前記出力光のビーム径が、前記反射面の形成幅以下であり、前記反射面は、前記出力光のビーム径を絞って該出力光を前記受光視野範囲へ向けて反射し、かつ、前記反射面は、強度分布がガウス分布形状である前記出力光から、強度分布の１／ｅ２の強度幅に対する半値の強度幅の比が、ガウス分布の比よりも大きいビームを形成する微粒子検出センサ。
（２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、前記受光視野範囲の視野方向と前記反射面で反射された前記出力光の光軸方向とが、略９０度の角度をなす微粒子検出センサ。
（３）また、本発明のある実施形態は、上記（１）または（２）の構成に加え、前記出力光が赤外光であり、前記受光素子が赤外波長領域に感度を有し、前記透光樹脂が可視光を透過せず、前記赤外光を透過する樹脂である微粒子検出センサ。
（４）また、本発明のある実施形態は、上記（１）～（３）の構成に加え、前記発光素子が、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）である微粒子検出センサ。（５）また、本発明のある実施形態は、上記（１）～（４）の構成に加え、前記反射面に、金属薄膜が蒸着されている微粒子検出センサ。
（６）また、本発明のある実施形態は、上記（１）～（５）の構成に加え、前記受光視野範囲内の前記透光樹脂に受光レンズが設けられる微粒子検出センサ。
（７）また、本発明のある実施形態は、上記（１）～（６）の構成に加え、前記発光素子と前記受光素子とは、互いに分離された前記透光樹脂により封止される微粒子検出センサ。
（８）また、本発明のある実施形態は、上記（１）～（６）の構成に加え、前記発光素子と前記受光素子とは、単一の前記透光樹脂によって一体的に封止されている微粒子検出センサ。
（９）また、本発明のある実施形態は、上記（１）～（８）の構成に加え、前記受光視野範囲を除く部分に遮光樹脂が設けられる微粒子検出センサ。
（１０）また、本発明のある実施形態は、上記（１）～（８）の構成に加え、前記受光視野範囲を除く部分に金属シールドが設けられる微粒子検出センサ。
（１１）また、本発明のある実施形態は、上記（１）～（１０）の微粒子検出センサと、前記微粒子検出センサが配設される筐体と、を備え、前記微粒子を取り込むためのファンが前記筐体内に設けられる微粒子検出装置。
本発明によれば、小型化、薄型化が可能であり、かつ安価に製造することができる微粒子検出センサを実現できる。
実施形態１に係る微粒子検出センサの基本構成の断面を示す概略図である。 図１に示される微粒子検出センサの基本構成の上面を示す概略図である。 図１に示される微粒子検出センサの基本構成の概略を示す斜視図である。 図１に示される微粒子検出センサの回路構成例を示す図である。 図４に示される微粒子検出センサの平均濃度方式の動作例を示す図である。 図４に示される微粒子検出センサのパーティクルカウント方式の動作例を示す図である。 出力光のビーム強度分布が一般的なガウス分布の場合の動作例を示す図である。 出力光のビーム強度分布をフラット化した場合の動作例を示す図である。 上記微粒子検出センサの変形例１の基本構成の断面を示す概略図である。 上記微粒子検出センサの変形例２の基本構成の断面を示す概略図である。 上記微粒子検出センサの変形例３の基本構成の断面を示す概略図である。 上記微粒子検出センサの変形例４の基本構成の断面を示す概略図である。 出力光が１つの場合の動作例を示す図である。 出力光が２つの場合の動作例を示す図である。 上記微粒子検出センサの変形例５の基本構成の断面を示す概略図である。 上記微粒子検出センサの変形例６の基本構成の断面を示す概略図である。 上記微粒子検出センサの変形例７の基本構成の断面を示す概略図である。 上記微粒子検出センサの変形例８の基本構成の断面を示す概略図である。 実施形態５に係る微粒子検出装置の基本構成の断面を示す斜視図である。 図１９に示される微粒子検出装置の断面図である。 図１９に示される微粒子検出装置の変形例を示す概略図である。 図２１に示される微粒子検出装置の断面図である。
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（微粒子検出センサ１の構成例）
図１は本実施形態に係る微粒子検出センサ１の基本構成の断面を示す概略図である。図２は図１に示す微粒子検出センサ１の基本構成の上面を示す概略図である。図３は図１に示す微粒子検出センサ１の基本構成の概略を示す斜視図である。
微粒子検出センサ１は、発光素子３と受光素子６とが同一基板２上にダイボンドされ、ワイヤボンドで電気的に接続されている。受光素子６と発光素子３とは、単一の透光樹脂５で封止されている。また、発光素子３から出力光８が出射される方向に、該出力光８を反射し、かつ受光素子６の受光視野範囲（検出領域）１０へ向けて出力光８を反射する反射面７が透光樹脂５の端面に設けられている。
反射面７は、透光樹脂５の端面が成形されたものであり、ビーム絞り位置１２で出力光８を集光するために、図３に示すように方向に亘り曲面を有することが好ましい。図１に示すように発光素子３の出力光８は、反射面７で反射されると共に、受光素子６の受光視野範囲１０内でビーム径が絞られる。そこに微粒子１１が通過すると、微粒子１１からの散乱光１３が受光素子６に入射し、散乱光１３に応じた検出信号が微粒子検出センサ１から出力される。なお、微粒子検出センサ１の動作については後述する。
本構成にすることにより、従来のようにハウジングやレンズを別途設けることなく、発光素子３からの出力光８を受光視野範囲１０へ導くことができる。また、発光素子３と受光素子６との透光樹脂５による樹脂封止と同時に光学的な構造を設けることが可能になる。
したがって、従来の微粒子検出センサに必要であったハウジングが不要となるため、微粒子検出センサ１を小型化、薄型化することができる。加えて、ハウジングの取り付けが不要となるため、材料を低減することが可能となり、それらを組み込む工数を無くすことができる。そのため、より安価な微粒子検出センサ１が実現可能になる。
本構成例においては、発光素子３からの出力光８が反射面７で反射されて、受光素子６の受光視野範囲１０にビーム径を絞った出力光８が照射されるが、この時、受光視野範囲１０に照射される出力光８の幅が反射面７の形成幅を越えないことが好ましい。これにより出力光８が微粒子検出センサ１より上（すなわち、透光樹脂５の上面より上）の空間で微粒子１１を検出する必要がなくなる。そのため、より薄型化された微粒子検出センサ１の実現が可能になる。
また、出力光８を受光素子６の受光視野範囲１０内でかつ受光素子６の受光面に近づけることができるため受光素子６に入射する散乱光１３の強度を大きくすることが可能になる。そのため、より安定した信号の検出ができる微粒子検出センサ１を実現できる。
また、本構成例においては、受光素子６の受光視野範囲１０の視野方向と反射面７で反射された出力光８の光軸方向とが略９０度となる配置とすることにより、受光素子６の受光視野範囲１０内で散乱光１３が好適に発生する。そのため、散乱光１３を導光するためのハウジングを設けない場合であっても散乱光１３を好適に検出することができ、より安価な微粒子検出センサ１の実現が可能になる。
また、受光素子６から見て発光素子３が受光視野範囲１０外にあるので、発光素子３からの出力光８が受光素子６に直接入射することを防ぐことができる。そのため、受光素子６に直接出力光８が入射することにより発生するショットノイズを無くすことができる。これによりＳ／Ｎ比が向上しより安定した微粒子１１の検出が可能になる。
また、発光素子３の波長が可視領域の場合、透光樹脂５を透明にすることが好ましいが、この場合、受光素子６の受光視野範囲１０内に室内照明や太陽光の可視領域の外乱光が入力すると誤検出の可能性がある。そのため、発光素子３の波長を赤外領域にし、かつ透光樹脂５を、可視光を透過せずに赤外光を透過する樹脂で形成することにより室内照明や太陽光の可視領域の外乱光の受光素子６への入射を減衰することができる。これにより、外乱光に影響を受けない、出力の安定した微粒子検出センサ１を実現できる。
（微粒子検出センサ１の基本的な動作）
次に、微粒子検出センサ１の回路構成、平均濃度方式の微粒子検出センサ１の動作、およびパーティクルカウント方式の微粒子検出センサ１の動作について説明する。
図４は、微粒子検出センサ１の回路構成の例である。発光素子３は発光素子駆動回路２７に接続されており、発光素子駆動回路２７が発生する電流により発光素子３が発光する。発光素子３の出力光８は、受光素子６の検出視野領域に導かれる。そこに微粒子１１が存在するとその散乱光１３が受光素子６に入射する。
受光素子６に入射した散乱光１３は信号電流２３となり、受光素子６に接続された電流電圧変換回路２５によって電圧に変換され、以降接続された増幅回路部２６、結合容量２８、増幅回路部２６によって増幅され演算処理部２９に入力される。
演算処理部２９においては、電圧に変換された散乱光１３は、Ａ／Ｄ変換回路３０によってＡ／Ｄ変換され、演算処理回路３２によって演算処理された後、シリアル出力回路３１でシリアル信号化され、微粒子検出センサ１の出力として出力される。
（平均濃度方式の微粒子検出センサ１の動作）
図５は平均濃度方式の微粒子検出センサ１の動作の概略を示す図である。図５の上段は発光素子３の駆動電流の時間的変化である。下段は増幅回路部の出力電圧の例である。
図５の上段に示すように、平均濃度方式では、発光素子３はパルス駆動される。受光素子６には発光素子３が発光した時間のみ微粒子１１からの散乱光１３が入射され、増幅回路部２６内で増幅され図５の下段のような波形になる。
増幅回路部２６の出力電圧は散乱光１３に比例する。すなわち微粒子１１の濃度に比例して出力電圧が増減する。増幅回路部２６の出力電圧は、演算処理部２９のＡ／Ｄ変換回路３０にて発光素子３の駆動タイミングに同期したタイミングでＡ／Ｄ変換を行い、演算処理された後シリアル信号として出力される。
平均濃度方式では、発光素子３が発光したタイミングで微粒子１１の散乱光１３を受光する。この際、微粒子１１の空間上の存在率が低い場合には発光のタイミングによっては粒子数の増減が発生し、出力電圧の増減の発生により、出力が不安定になる可能性がある。これを低減するためには、より多くの微粒子１１の散乱光１３を受光できるよう発光素子３の出力光８を、受光素子６の受光視野範囲１０内で広く照射することが好ましい。
（パーティクルカウント方式の微粒子検出センサ１の動作）
図６はパーティクルカウント方式の微粒子検出センサ１の動作の概略を示す図である。図６の上段は発光素子３の駆動電流の時間的変化である。下段は増幅回路部２６の出力電圧の例である。
図６の上段に示すように、パーティクルカウント方式では、発光素子３は常時点灯される。受光素子６には発光素子３の出力光８のビーム上を微粒子１１が通過すると散乱光１３が入射され、増幅回路部２６内で増幅され図６の下段のような波形になる。
増幅回路部２６の出力電圧は、後段に接続されたＡ／Ｄ変換回路３０によって定期的にＡ／Ｄ変換されており、あらかじめ設定したスレッシュ電圧を超える信号が来た際に、微粒子１１の通過があったと判定し、演算処理部２９で単位時間当たりの個数をカウントして、カウントあるいは濃度として出力する。また、増幅回路部２６の出力電圧のピークの大きさ（波高値）によって通過した微粒子１１の大きさを検出することも可能である。
図６に示すとおり、大きな粒子が通過した際には出力電圧のピークが大きくなり、小さな粒子が通過した際には小さくなる。この情報から、粒子サイズ別の濃度がわかるためより精度の高い濃度が検出できる。
パーティクルカウント方式では、発光素子３の出力光８を通過する一個の微粒子１１の散乱光１３を検出する。この散乱光１３をより大きくして安定して検出できるように、また発光素子３の出力光８のビーム内に複数の微粒子１１が通過した際に発生するミスカウントを低減するために、発光素子３の出力光８を、受光素子６の受光視野範囲１０内で、より小さくビームを絞ることが好ましい。これにより体積当たりの強度が増加するので、複数の微粒子１１の同時検出を防ぐことができる。
本構成例においては出力光８を反射してビーム光を形成する際にビームの強度分布をパーティクルカウント方式に最適化することが可能になる。具体的には一般的なガウス分布のように裾野が広がった形状の強度分布から、中心付近に強度が一定の領域（ビーム強度がフラットな領域）があり裾野が狭い形状を有する強度分布のビームを形成する手段を有する（以下ビーム強度分布フラット化手段）。
本手段は反射面７の形状を光学的に最適化することにより実現可能である。以下ビームの強度分布がフラットな場合の効果について、図７および図８に基づいて説明する。
図７は発光素子３のビームの強度分布が一般的なガウス分布の場合の動作例を示す。図８は本構成例のビーム強度分布フラット化機能により発光素子３から作成したビームの場合の動作例を示す。
図７および図８の（ａ）はビームの強度分布を示し、（ｂ）はビームに微粒子Ａ、Ｂ、Ｃが通過する様子を示し、（ｃ）は上記微粒子が通過することにより増幅回路の出力に発生する出力電圧波形を示す。
図７の（ａ）は一般的なガウス分布形状をした強度分布の例である。ピークを中心に左右に弱い強度の分布の裾野が広がった形状である。半値幅と１/ｅ２の強度の幅を比較すると１/ｅ２の強度の幅の方が大きい。いいかえれば、半値幅/１/ｅ２の強度の幅の比が小さい。
図７の（ｂ）に示すように微粒子Ａ、Ｂ、Ｃが順に通過する際には、図７の（ｃ）に示す信号が増幅回路部の出力に発生する。
微粒子Ａ、Ｂ、Ｃが一般的な強度分布のビームを通過した際には、同じサイズの微粒子が通過しているにも関わらず、その通過位置によって信号の大小が生じる。例えば、図７の（ｃ）に示すスレッシュ電圧を設定した場合には微粒子Ｂの通過はカウントされないことになる。ビームの強度分布に偏りがある場合には上記のような課題があった。
図８の（ａ）は本構成例の強度分布フラット化のビームの強度分布の例である。ピーク付近には強度が一定の領域があり、裾野が狭い形状である。半値幅と１/ｅ２の強度の幅の差は近づいており、半値幅/１/ｅ２の強度の幅の比をガウス分布の場合より大きくしたことを特徴とする。
図８の（ｃ）に出力波形を示す。図７の一般的な強度分布のビームの場合と比較すると出力信号の強度はそろっており、微粒子Ｂの通過のカウントが欠落するようなことはない。
本構成によるビーム強度分布フラット化手段を設けることによってビームの強度分布によって生じる不安定化を防ぐことができる。これにより安定な検出が可能な微粒子検出センサ１を提供できる。
（変形例１および２）
上記実施形態では、主に前記パーティクルカウント方式に好適な構成例を示した。すなわち、発光素子３の出力光８を受光素子６の受光視野範囲１０内でできるだけ小さくなるようにビーム径を絞る構成例を示した。一方、平均濃度方式に好適な構成にするには、発光素子３の出力光８を受光素子６の受光視野範囲１０内に広く照射できるように反射面７の形状を変更することにより、容易に好適化することが可能である。
図９には、発光素子３の出力光８を受光素子６の受光視野範囲１０に広く照射するように、反射面７で出力光８ａを平行光にした場合の微粒子検出センサ１ａ（変形例１）の構成例を示す。また、図１０には、発光素子３の出力光８をさらに広く照射するために、反射面７で出力光８ｂを受光素子６の検出範囲を越えない範囲で緩やかに広げた場合の微粒子検出センサ１ｂ（変形例２）の構成例を示す。
本変形例のように、反射面７で出力光８ａを平行光にして反射する構成、または、反射面７で出力光８ｂを受光素子６の検出範囲を越えない範囲で緩やかに広げて反射する構成とするにより、平均濃度方式にも好適な微粒子検出センサ１ａまたは１ｂを容易に実現できる。
（変形例３）
また、発光素子３には、例としてＬＥＤ（light emitting diode）やＶＣＳＥＬが挙げられる。上記実施形態で説明したとおり、パーティクルカウント方式に好適化するには、発光素子３から出力された出力光８のビーム径をより小さく絞り、かつ強度を上げる必要がある。
図１１に発光素子３ａがＶＣＳＥＬの場合の微粒子検出センサ１ｃの構成例の概念図を示す。ＶＣＳＥＬの場合、より出射角を小さく絞ることができる。そのため、反射面７で出力光８ｃのビーム径を絞る必要はなく反射面７をトロイダル面といった複雑な構成にする必要がなくなり、容易に形成可能な平面の反射面７ａを透光樹脂５に設けるだけでよい。したがって、微粒子検出センサ１ｃの成形が容易となる。
このように、ＶＣＳＥＬはＬＥＤと比較して一般的に発光出力が大きいのに加え、出射角度が小さいのでよりビーム径を小さく絞ることができる。そのため、単位体積当たりの出力強度をＬＥＤと比較して大きくすることができるので、発光素子３ａをＶＣＳＥＬにすることが好ましい。これにより、微粒子１１の散乱光１３の強度を上げることができ、出力が安定した微粒子検出センサ１ｃを実現できる。
（変形例４）
図１２に発光素子３ｂがＶＣＳＥＬの場合でかつ発光素子３ｂの発光点が複数の場合の構成例の概念図を示す。前述のとおり、ＶＣＳＥＬは出射角を小さくすることができるので反射面７ａを平面にすることができる。反射面７ａが平面の場合、複数の発光点がある発光素子３ｂを用いることで、受光視野範囲１０へ複数の出力光８ｄのビームを容易に照射することが可能になる。
受光視野範囲１０へ照射される出力光８ｄのビームを複数化することにより、信号の出力カウントを増やすことができるため、より安定した検出が可能な微粒子検出センサ１ｄを実現できる。
以下、出力光８ｄのビーム（以下、単にビームと称する場合がある）を複数化した場合の効果について説明する。図１３および図１４にビームが１つの場合とビームが２つの場合の動作を例示する。各図の（ａ）はビームを微粒子１１が通過する様子を示し、（ｂ）はそれぞれの場合の増幅回路部２６の出力の信号を示す。
図１３の（ｂ）と図１４の（ｂ）とを比較すると、ビームを複数化することにより、増幅回路部２６の出力信号を増加することが分かる。これにより、安定した検出が可能な微粒子検出センサ１ｄを実現できる。
（変形例５）
上記実施形態における反射面７に関し、金属の薄膜を蒸着し、蒸着面１５を設けることにより、反射率を上げることが可能である。これにより、微粒子１１の散乱光１３の強度を上げることができ、出力が安定した微粒子検出センサ１ｅを実現できる。
図１５に微粒子検出センサ１ｅの基本構成の断面を示す概略図を示す。微粒子検出センサ１ｅは、微粒子１１からの散乱光１３を受光する受光素子６の受光視野範囲１０上の透光樹脂５に受光レンズ１４を設けた構成である。
受光レンズ１４を設けることにより微粒子１１の散乱光１３を効率よく集光することができる。そのため、信号強度が増加するので、出力が安定した微粒子検出センサ１ｅを実現できる。また、受光素子６とは別に独立した受光レンズを設ける必要がないため、より小型化、薄型化が可能な微粒子検出センサ１ｅを実現できる。さらに、製造時に受光レンズを組み込むことが不要となるので、微粒子検出センサ１ｅをより安価に製造できる。
（変形例６）
受光素子６と発光素子３とを透光樹脂５で封止する際、透光樹脂５を分離して、発光素子３と受光素子６とを封止してもよい。
図１６に互いに分離された透光樹脂５ａおよび透光樹脂５ｂを備える微粒子検出センサ１ｆの基本構成の断面の概略図を示す。図１６に示すように、微粒子検出センサ１ｆでは、透光樹脂５内を反射して、発光素子３から受光素子６へ入射する迷光１６（図１５参照）を低減することが可能になる。これにより、散乱光１３以外に起因する電流の発生を低減することができ、迷光１６が入射することにより受光素子６に発生するショットノイズを低減することができる。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができるので、より安定した検出が可能な微粒子検出センサ１ｆを実現できる。
（変形例７）
上記変形例６において、さらに受光素子６を封止した透光樹脂５ｂの周囲に、受光素子６の受光視野範囲１０を遮らない範囲で遮光樹脂１８を設けてもよい。
図１７に遮光樹脂１８を設けた微粒子検出センサ１ｇの基本構成の断面の概略図を示す。図１７に示すように、遮光樹脂１８を設けることにより、発光素子３からの迷光１６をさらに低減することができ、迷光１６により受光素子６に発生するショットノイズをさらに低減することが可能になる。これにより、より安定した検出が可能な微粒子検出センサ１ｇを実現できる。
（変形例８）
上記変形例６において、さらに受光素子６を封止した透光樹脂５ｂの周囲に受光素子６の受光視野範囲１０を遮らない範囲で金属シールド１９を設けてもよい。
図１８に金属シールド１９を設けた微粒子検出センサ１ｈの基本構成の断面の概略図を示す。図１８に示すように、金属シールド１９を設けることにより、発光素子３からの迷光１６をさらに低減することに加え、外部から受光素子６および該受光素子６が接続された基板２に入射する電磁ノイズなどの外来ノイズを低減することができる。これにより、より安定した検出が可能な微粒子検出センサ１ｈを実現できる。
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
本実施形態では、上記実施形態で説明した微粒子検出センサ１を搭載した機器５０の一態様について説明する。本実施形態に係る機器５０においては、前述の微粒子検出センサ１を搭載したことに加え、さらに微粒子１１を外部から取込むファンを内部に設ける構成とすることが好ましい。機器５０においても本構成にすることによって小型化、薄型化可能で、安定して検出ができるが可能である。
（機器５０の構成例）
図１９に本実施形態発明を搭載した機器５０の例の概略図を示す。また、図２０には図１９の概略図のＡ－Ａ‘の断面を示す。
機器５０の筐体５１には吸気穴５２および排気穴５３が設けられている。筐体５１には、微粒子検出センサ１が搭載され、排気穴５３付近にファン５５が設けられる。また、筐体５１には、配置スペース５６が設けられている。この配置スペース５６には、空気清浄装置、イオン発生装置など、機器５０の用途に応じた各種装置が配置される。
機器５０は、ファン５５の回転によって吸気穴５２から微粒子１１を吸い込み、排気穴５３から微粒子１１を排出する。吸気穴５２からの微粒子１１が通過する箇所に、受光素子６の受光視野範囲１０が配置されるように微粒子検出センサ１が搭載される。本構成によりファン５５によって吸気穴５２から吸い込まれた微粒子１１を微粒子検出センサ１により検出することができる。
微粒子検出センサ１において、発光素子３の出力光８のビーム径の幅を反射面７の形成幅以下にすることで、微粒子１１の検出位置を低くできる。そのため、薄型化された機器５０においても微粒子１１を検出することができる。また、微粒子検出センサ１に出力光８を導光のためのハウジングを設ける必要がないので、小型の機器５０を実現することができる。
このように、本構成によれば、小型、薄型の機器５０においても微粒子１１の検出が可能になる。なお、本構成において、ファン５５の位置は限定されるものではない。吸気穴５２から微粒子１１を吸い込める構成であればその位置は問わない。また、微粒子検出センサ１の位置についても、受光素子６の受光視野範囲１０を微粒子１１が通過する位置であればその位置は問わない。また、本構成において、吸気穴５２から吸い込む例を示しているが、ファン５５の向きを逆にすることにより微粒子１１の流れを逆にすることも可能である。すなわち、排気穴５３から吸い込み、吸気穴５２から吐き出す構成である。微粒子１１が受光素子６の受光視野範囲１０を通過する構成であれば、微粒子１１の流れの向きは問わない。
（変形例）
微粒子検出センサ１とファン５５とを、配置スペース５６を省略したより小型の筐体５１ａに搭載することで、微粒子検出装置５０ａを構成することも可能である。図２１に微粒子検出センサ１とファン５５と搭載した微粒子検出装置５０ａの概略図を示す。また、図２２に微粒子検出装置５０ａのＡ－Ａ‘の断面を示す。
筐体５１ａには吸気穴５２および排気穴５３が設けられている。筐体５１ａの内部にはファン５５が設けられており、ファン５５の回転によって吸気穴５２から微粒子１１を吸い込み、排気穴５３から微粒子１１を排出する。
微粒子検出装置５０ａにおいても、吸気穴５２からの微粒子１１が通過する位置に微粒子検出センサ１が設けられている。この構成によりファン５５によって吸気穴５２から吸い込まれた微粒子１１を微粒子検出センサ１により検出することができる。
本変形例によれば、小型、薄型化し、かつファン５５により外部の微粒子１１を取り込める微粒子検出装置５０ａを実現可能である。このように、微粒子検出センサ１であれば容易に微粒子検出装置５０ａに搭載することができ、かつ小型化、薄型化された微粒子検出装置５０ａにおいて微粒子１１の検出が可能になる。
なお、微粒子検出装置５０ａにおいても、前述のとおり、微粒子検出センサ１、ファン５５の位置、および微粒子１１の向きは問わない。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る微粒子検出センサは、出力光を出力する発光素子と、受光視野範囲内の微粒子に前記出力光が照射されることにより生じる散乱光を検出する受光素子と、前記発光素子および前記受光素子を封止する透光樹脂と、前記透光樹脂に設けられ、前記発光素子から出射される前記出力光を前記受光視野範囲へ向けて反射する反射面と、を備える。
上記の構成によれば、透光樹脂に反射面が設けられているため、ハウジングやレンズを別途設けることなく発光素子からの出力光を受光視野範囲へ導くことができる。したがって、小型化、薄型化が可能であり、かつ安価に製造することができる微粒子検出センサを実現できる。
本発明の態様２に係る微粒子検出センサは、上記の態様１において、前記受光視野範囲へ照射される前記出力光のビーム径が、前記反射面の形成幅以下である。
上記の構成によれば、受光視野範囲へ照射される出力光のビーム径の拡がりを抑制することができるため、微粒子検出センサをより薄型化することができる。
本発明の態様３に係る微粒子検出センサは、上記の態様２において、前記反射面は、前記出力光のビーム径を絞って該出力光を前記受光視野範囲へ向けて反射する。
上記の構成によれば、出力光の絞り位置を受光素子の受光面に好適に近づけることが可能となり、受光素子に入射する微粒子の散乱光の強度を大きくすることができる。したがって、より安定した微粒子の検出が可能になる。
本発明の態様４に係る微粒子検出センサは、上記の態様１において、前記受光視野範囲の視野方向と前記反射面で反射された前記出力光の光軸方向とが、略９０度の角度をなす。
上記の構成によれば、ハウジングを用いない場合であっても、受光素子により散乱光を好適に受光することが可能になる。また、発光素子からの出力光が直接受光素子に入射する迷光を防げることが可能になるため、迷光により発生するショットノイズをなくすことができる。これにより、Ｓ／Ｎ比（signal noise比）が向上しより安定した微粒子の検出が可能になる。
本発明の態様５に係る微粒子検出センサは、上記の態様１において、前記反射面で反射された前記出力光の強度分布の半値の強度幅と１／ｅ２の強度幅との比が、ガウス分布の比よりも大きい。
上記の構成によれば、反射面で形成する出力光の強度分布が、ガウス分布のような裾野が広がった形状ではなく、中心付近にビーム強度が一定の領域がある裾野が狭い分布となる。これにより、例えば出力光のビーム絞り位置を通過する微粒子の位置によって発生する受光素子の信号強度の揺らぎを低減することができるため、安定した微粒子の検出が可能になる。
本発明の態様６に係る微粒子検出センサは、上記の態様１～５において、前記出力光が赤外光であり、前記受光素子が赤外波長領域に感度を有し、前記透光樹脂が可視光を透過せず、前記赤外光を透過する樹脂である。
上記の構成によれば、室内光および太陽光などの外乱光の影響を除くことができるため、より安定した微粒子の検出が可能になる。
本発明の態様７に係る微粒子検出センサは、上記の態様１～６において、前記発光素子が、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）である。
上記の構成によれば、発光素子からの出力光を小さなビーム径に絞ることができる。これにより微粒子の散乱光の強度が上がるため、より安定した検出が可能となり、微粒子検出センサの出力を安定させることができる。
本発明の態様８に係る微粒子検出センサは、上記の態様７において、前記反射面が平面である。
上記の構成によれば、発光素子がＶＣＳＥＬであることにより出力光の指向角を小さく抑えることができるため、トロイダル面といった複雑な反射面を形成する必要がなくなる。これにより、簡単に形成しやすい平面の反射面を設けることが可能となり、微粒子検出センサの製造が容易となる。
本発明の態様９に係る微粒子検出センサは、上記の態様８において、前記発光素子は、前記出力光を出力する発光点を複数有する。
上記の構成によれば、反射面が平面であるため、複数の発光点を有する発光素子を設けることにより、複数の出力光のビームを受光素子の受光視野範囲に好適に照射することができる。これにより出力光内を通過する微粒子の頻度が増加するため、より安定した微粒子の検出が可能になる。
本発明の態様１０に係る微粒子検出センサは、上記の態様１～５において、前記反射面に、金属薄膜が蒸着されている。
上記の構成によれば、反射面の反射率が上がり、受光視野範囲に照射される出力光の強度を高めることができる。これにより微粒子の散乱強度が大きくなり、より安定した検出が可能になる。
本発明の態様１１に係る微粒子検出センサは、上記の態様１～５において、前記受光視野範囲内の前記透光樹脂に受光レンズが設けられる。
上記の構成によれば、別途レンズを設けることなく散乱光の集光率が向上し、散乱光の強度を上げることができるので安価に、小型化を維持しながら安定した検出が可能になる。
本発明の態様１２に係る微粒子検出センサは、上記の態様１～５において、前記発光素子と前記受光素子とは、互いに分離された前記透光樹脂により封止される。
上記の構成によれば、受光素子の微粒子の検出に寄与しない、発光素子から受光素子へ入射する迷光を低減することができるため、迷光により発生するショットノイズを低減することが可能になる。これにより受光素子の検出がより安定するため、微粒子検出センサの出力を安定させることができる。
本発明の態様１３に係る微粒子検出センサは、上記の態様１２において、前記受光視野範囲を除く部分に遮光樹脂が設けられる。
上記の構成によれば、受光素子の微粒子の検出に寄与しない発光素子から受光素子へ入射する迷光をさらに低減することができる。そのため、より微粒子検出センサの出力を安定させることができる。
本発明の態様１４に係る微粒子検出センサは、上記の態様１～５において、前記受光視野範囲を除く部分に金属シールドが設けられる。
上記の構成によれば、受光素子の微粒子の検出に寄与しない発光素子から受光素子へ入射する迷光を低減できるとともに、外部からの電磁ノイズの流入を防ぐことができる。そのため、外的要因による異常な検出を防ぎ、より微粒子検出センサの出力を安定させることができる。
本発明の態様１５に係る微粒子検出装置は、上記の態様１～５の微粒子検出センサと、前記微粒子検出センサが配設される筐体と、を備え、前記微粒子を取り込むためのファンが前記筐体内に設けられる。
上記の構成によれば、小型化、薄型化が可能であり、かつ安価に製造することができる微粒子検出装置を実現できる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１、１ａ～ｈ 微粒子検出センサ
２ 基板
３、３ａ、３ｂ 発光素子
５、５ａ、５ｂ 透光樹脂
６ 受光素子
７、７ａ 反射面
８、８ａ、８ｂ 出力光
１０ 受光視野範囲
１１ 微粒子
１３ 散乱光
１４ 受光レンズ
１５ 蒸着面
１６ 迷光
１８ 遮光樹脂
１９ 金属シールド
２３ 信号電流
２５ 電流電圧変換回路
２６ 増幅回路部
２７ 発光素子駆動回路
２８ 結合容量
２９ 演算処理部
３０ Ａ／Ｄ変換回路
３１ シリアル出力回路
３２ 演算処理回路
５０ 機器
５０ａ 微粒子検出装置
５１ 筐体
５２ 吸気穴
５３ 排気穴
５５ ファン

Claims (11)

  1. 出力光を出力する発光素子と、
    受光視野範囲内の微粒子に前記出力光が照射されることにより生じる散乱光を検出する受光素子と、
    前記発光素子および前記受光素子を封止する透光樹脂と、
    前記透光樹脂に設けられ、前記発光素子から出射される前記出力光を前記受光視野範囲へ向けて反射する反射面と、
    を備え、
    前記受光視野範囲へ照射される、前記反射面で反射された後の前記出力光のビーム径が、前記反射面の形成幅以下であり、
    前記反射面は、前記出力光のビーム径を絞って該出力光を前記受光視野範囲へ向けて反射し、かつ、前記反射面は、強度分布がガウス分布形状である前記出力光から、強度分布の１／ｅ２の強度幅に対する半値の強度幅の比が、ガウス分布の比よりも大きいビームを形成することを特徴とする微粒子検出センサ。
  2. 請求項１に記載の微粒子検出センサであって、
    前記受光視野範囲の視野方向と前記反射面で反射された前記出力光の光軸方向とが、略９０度の角度をなすことを特徴とする微粒子検出センサ。
  3. 請求項１または２に記載の微粒子検出センサであって、
    前記出力光が赤外光であり、
    前記受光素子が赤外波長領域に感度を有し、
    前記透光樹脂が可視光を透過せず、前記赤外光を透過する樹脂であることを特徴とする微粒子検出センサ。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の微粒子検出センサであって、
    前記発光素子が、ＶＣＳＥＬであることを特徴とする微粒子検出センサ。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の微粒子検出センサであって、
    前記反射面に、金属薄膜が蒸着されていることを特徴とする微粒子検出センサ。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の微粒子検出センサであって、
    前記受光視野範囲内の前記透光樹脂に受光レンズが設けられることを特徴とする微粒子検出センサ。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の微粒子検出センサであって、
    前記発光素子と前記受光素子とは、互いに分離された前記透光樹脂により封止されることを特徴とする微粒子検出センサ。
  8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の微粒子検出センサであって、
    前記発光素子と前記受光素子とは、単一の前記透光樹脂によって一体的に封止されていることを特徴とする微粒子検出センサ。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の微粒子検出センサであって、
    前記受光視野範囲を除く部分に遮光樹脂が設けられることを特徴とする微粒子検出センサ。
  10. 請求項１から８のいずれか１項に記載の微粒子検出センサであって、
    前記受光視野範囲を除く部分に金属シールドが設けられることを特徴とする微粒子検出センサ。
  11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の微粒子検出センサと、
    前記微粒子検出センサが配設される筐体と、を備え、
    前記微粒子を取り込むためのファンが前記筐体内に設けられることを特徴とする微粒子検出装置。
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