JPH0886739A - 粒子検出装置とこれを用いた空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 所望粒子径の粒子を検出する安価な粒子検出
装置とこれを用いた空調装置を提供することを目的とす
る。 【構成】 レーザ光を出力する半導体レーザ１と、半導
体レーザ１から出力されるレーザ光を粒子に照射するた
めの平行光に変換するコリメータレンズ２と、変換され
たレーザ光が所定粒子径を有する粒子により回折されて
なる光のうち、回折光強度分布において所定の副極大又
はその近傍にある部分の光を取り出せるリング状受光面
５ａを有する光検出器５と、を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所望粒子径の粒子、例
えば花粉を検出する粒子検出装置とこれを用いた空調装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、杉、ヒノキ等の植物の花粉に起因
する花粉症をはじめとして、空気中の花粉や塵などの粒
子によるアレルギー症に悩む人の数は増加の傾向にあ
り、大きな社会問題となっている。

【０００３】このアレルギー症の人にとっては、症状が
出るのを防止するため、環境雰囲気中のその症状を引き
起こす特定の花粉や塵などの粒子濃度を知ることが重要
である。

【０００４】この雰囲気中の塵や花粉を検出する方法と
して、発光ダイオード（ＬＥＤ）から出力される光を照
射し、空気中の塵や花粉の粒子による散乱光を受光素子
で検出して粒子を特定することなく空気中の粒子を検出
する方法が知られている。

【０００５】また、特開昭６２−１００６３７号（Ｇ０
１Ｎ １５／０２）や特開平２−２０３２４６号（Ｇ０
１Ｎ １５／０２）には、フラウンホーファー回折を利
用した粒子群の粒度分布を測定する方法が開示されてい
る。この方法は、粒子群にレーザ光を照射し回折された
光をレンズで集光することにより得られるリング状の回
折像における半径方向の光強度分布（フラウンホーファ
ー回折光強度分布）と、粒子群の粒度分布と、の相関関
係を用いている。

【０００６】上記公報では、回折光強度分布を得るため
に、同心円状に配置された幾つものフォトダイオードか
らなるリングデテクタや半径方向に向かって受光面積が
大きい複数のフォトダイオードからなる扇状デテクタが
記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記散
乱光を検出する方法では、特定の粒子、即ち所望粒子径
の粒子、例えば花粉のみを検出できないといった問題が
あった。

【０００８】また、上記フラウンホーファー回折を利用
した方法では、所望粒子径の粒子濃度を検出することは
できるが、この方法では、電気的に独立した複数のフォ
トダイオードからなるデテクタを用いる必要があり、装
置が高価になるといった問題があった。

【０００９】従って、本発明は上述の問題点を鑑みなさ
れたものであり、所望粒子径の粒子を検出できる安価な
粒子検出装置とこれを用いた空調装置を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の粒子検出装置
は、粒子に平行光をなすレーザ光を照射するための光源
手段と、該レーザ光の照射による所望粒子径の粒子から
の回折光を選択的に受光するように配置されたリング状
受光面を有する光検出器と、からなることを特徴とす
る。

【００１１】また、本発明の粒子検出装置は、導入され
た外部空気に含まれる粒子に平行光をなすレーザ光を照
射するための光源手段と、該レーザ光の照射による所望
粒子径の粒子からの回折光を選択的に受光するように配
置されたリング状受光面を有する光検出器と、からなる
ことを特徴とする。

【００１２】特に、上記光検出器は、リング状受光面を
１つのみ有することを特徴とする。

【００１３】特に、上記光検出器は、互いに離間した複
数のリング状受光面を同心円状に有し且つ該複数の受光
面は電気的に共通であることを特徴とする。

【００１４】特に、上記リング状受光面は、所定粒子径
の粒子によりフラウンホーファ回折されフラウンホーフ
ァ回折光強度分布を有する光のうち、該分布において副
極大又はその近傍にある光を受光することを特徴とす
る。

【００１５】更に、上記所望粒子径の粒子は、花粉であ
ることを特徴とする。

【００１６】また、本発明の空調装置は、上記粒子検出
装置を備えたことを特徴とする。

【００１７】

【作用】本発明は、平行光をなすレーザ光を照射して生
じた回折光、所謂フラウンホーファー回折光が粒子径に
応じたフラウンホーファー回折光強度分布を有し、しか
も略球形である粒子のフラウンホーファー回折光強度分
布が主極大ピークの回りに略同心円状に複数の副極大ピ
ークを有し、この複数の副極大ピーク位置が粒子径によ
って異なるといった現象を利用する。

【００１８】即ち、本発明は上述の現象を利用するた
め、所望粒子径の粒子からの回折光を選択的に受光する
ように光検出器のリング状受光面を配置するだけでよい
ので、所望粒子径の粒子、例えば杉やヤシヤブジなどの
花粉を検出できる光検出器は電気的に独立した複数のフ
ォトダイオード構成とする必要がなく、構造が簡単であ
る。この結果、光検出器が安価に製造できる。因みに、
略球形でない粒子のフラウンホーファー回折光強度分布
は、略同心円状にならないので、斯る回折光はリング状
受光面に効率よく入射しない。

【００１９】特に、上記光検出器がリング状受光面を１
つのみ有する場合、製造が著しく容易となるので、非常
に安価に製造できる。

【００２０】また、上記光検出器が、互いに離間した複
数のリング状受光面を同心円状に有し且つ該複数の受光
面は電気的に共通である場合、複数の受光面は互いに離
間し且つ電気的に共通に接続されているので、容易に製
造が可能である。加えて、この場合、所望粒子径の粒子
に係る回折光を他の粒子に係る回折光より多く受光でき
るので、所望粒子径の粒子を感度よく検出できる。

【００２１】特に、上記リング状受光面が上記所望粒子
径のうちの所定粒子径の粒子によりフラウンホーファ回
折されフラウンホーファ回折光強度分布を有する光のう
ち、該分布において副極大又はその近傍にある光を受光
する場合、他の粒子径の粒子に係る回折光に比べて所望
粒子径の粒子に係る回折光を高率で受光可能であるの
で、所望粒子径の粒子を高い選択性を有して検出でき
る。

【００２２】

【実施例】本発明の一実施例に係る粒子検出装置を図面
を用いて説明する。図１は本実施例装置の概略構成図、
図２はその装置の断面図、図３はその装置に用いられる
光検出器の受光面側上面図である。

【００２３】図１及び図２中、１はレーザ光を出力する
半導体レーザ（光源手段）、２は半導体レーザ１の前方
に位置し、上記レーザ光を平行光（平行レーザ光）に変
換するコリメータレンズ（光源手段）、３は図示しない
吸気ポンプに連結され、内部に一定流量、例えば３リッ
トル／分の外部空気が図中矢印方向に流れる表面黒塗り
の金属製又は樹脂製フローセルである。

【００２４】このセル３には、コリメータレンズ２にて
変換された平行レーザ光が入射する入射開口３ａと、該
平行レーザ光が上記外部空気に含まれる花粉等の略球形
粒子によって回折され、粒子径に応じたフラウンホーフ
ァー回折強度分布を有する回折光が出射する上記入射開
口３ａに対向した位置に設けられた出射開口３ｂと、が
設けられている。これら入射開口３ａ、出射開口３ｂに
は、セル３中に迷光が入射するのを防止するためにそれ
ぞれ円筒状、円錐状の遮蔽部材３ｃ、３ｄが設けられて
いる。また、セル３は、吸引した花粉等の略球形粒子に
平行レーザを効率よく照射するためと、吸引した外部空
気が入射開口３ａ及び出射開口３ｂから漏れ出るのを防
止するために、入射開口３ａ及び出射開口３ｂの設けら
れた狭い部分（照射部：φ３ｍｍ）と、その両側を円錐
状に拡がる形状から構成されている。尚、斯る狭い部分
の吸引した外部空気の線速度は７ｍ／秒である。

【００２５】４はセル３に導入される外部空気の中に含
まれるある粒子径以上（本実施例では１００μｍ以上）
の粒子を除去するフィルターである。

【００２６】５は出射開口３ｂの前方に配置された図３
に示すように直径Ｌ、幅Ｗのリング状受光面５ａを有す
る光検出器で、出射開口３ｂから出射された光を受光
し、その受光量に応じた電気信号に変換する。この光検
出器は、例えばＮ⁺型半導体基板の表面部にリング状に
Ｎ^-型拡散層を選択形成し、更にこのＮ^-型拡散層の表面
部にリング状にＰ⁺型拡散層を選択形成してなるＰＩＮ
型フォトダイオードや通常のＰＩＮ型フォトダイオード
の表面にリング状の開口を有するアルマイト加工された
表面黒色のアルミ等からなるマスク層を被着形成したも
のなど種々のものが利用できる。

【００２７】上記光検出器５は、上記リングの中心が前
記入射平行レーザ光の中心光軸に位置し、該光軸と受光
面５ａが直交すると共に、所定粒子径を有する略球形粒
子によりフラウンホーファー回折されてなるフラウンホ
ーファー回折光強度分布を有する光のうち、該回折光強
度分布において所定の副極大にある部分の光又はその近
傍の光が受光面５ａに入射するように配置されている。
即ち所望粒子径を有する略球形粒子の光を選択的（主
に）受光面５ａに入射するように配置されている。

【００２８】６は光検出器５にて得られた電気信号から
所定積算流量（単位体積）中の所望粒子径を有する略球
形粒子の個数の信号に変換する信号検出回路、７は信号
検出回路８で出力される信号に応じて空気中の所望粒子
径を有する略球形粒子の濃度を表示する表示部、８は半
導体レーザを駆動するための発振回路、９は容器であっ
て、その内壁は迷光が乱反射しないように黒塗りされて
いる。

【００２９】以下、本実施例装置の原理について説明す
る。

【００３０】粒子に平行光をなすコヒーレント光（レー
ザ光）が照射され生じる回折光は、所謂フラウンホーフ
ァー回折光と呼ばれる。

【００３１】粒子が球形粒子である場合、図４（ａ）に
示すフラウンホーファー回折パターン、図４（ｂ）に示
す回折光強度分布を有する。

【００３２】即ち、球形粒子によるフラウンホーファー
回折光強度分布には、主極大１２の周りに極小を介して
同心円状に第１の副極大１３、第２の副極大１４、第３
の副極大１５、・・・が存在し、これら副極大は粒子径
が異なれば、異なる回折角度に生じる。尚、このフラウ
ンホーファ回折光強度分布は略球形粒子でも略同様であ
る。

【００３３】他方、粒子が略球形でない場合には、同心
円状の強度分布を示さない。従って、本実施例装置で
は、回折光を光検出器５のリング状受光面５ａにて検出
するので、略球形でない粒子による回折光を殆ど検出す
ることがない。しかも、上記受光面５ａは所定粒子径の
略球形粒子の副極大またはその近傍の部分の光を受光す
るように、即ち、所望粒子径の略球形粒子に係る光のみ
を主に（選択的に）受光し、これ以外の略球形粒子に係
る光を殆ど受光しない構成、配置とするので、所望粒子
径の略球形粒子を感度よく検出できる。

【００３４】以下、一例として、環境雰囲気中の花粉症
を引き起こす杉、ヒノキの花粉を検出する場合について
説明する。これら杉花粉、ヒノキ花粉とも略球形であ
り、粒子径はそれぞれ２５〜３５μｍ、２０〜３０μｍ
程度である。

【００３５】図５は、粒子径が１０μｍ、３０μｍ、５
０μｍの粒子によるフラウンホーファ回折光強度分布と
回折角度の関係を示す図、図６は図５の破線で囲む範囲
の１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ
の粒子によるフラウンホーファ回折光強度分布と回折角
度の関係を示す図である。

【００３６】図５及び図６から、粒子径によってその副
極大の位置が異なることが判り、回折角度を選択するこ
とにより所望粒子径の略球形粒子を検出可能なことが判
る。特に、図６から、杉、ヒノキ花粉を検出するための
受光面５ａは、同図中の領域Ｘで示す部分の光を受光す
るように構成されればよいことが判る。即ち、この領域
Ｘは、所定粒子径が３０μｍに係る副極大にある光を始
め、所望粒子径が２０〜４０μｍ程度に係る光を受光で
き、且つこの領域Ｘは、粒子径が２０〜４０μｍ程度に
ない略球形粒子に係る強度分布の極小近傍又は微弱部分
に対応する。

【００３７】しかも、空気中に存在する塵などの粒子は
殆ど略球形でないので、斯る光検出器５を用いた粒子検
出装置は、粒子径が２０〜４０μｍ程度の粒子、即ち杉
花粉、ヒノキ花粉を精度よく検出できる。

【００３８】具体的には、上記装置は、杉花粉、ヒノキ
花粉を検出するために、上記レーザ光の波長が７９０ｎ
ｍ、上記受光面５ａと照射部の距離Ｔが４ｃｍ、受光面
５ａの直径Ｌが１４ｍｍ、幅Ｗが０．２ｍｍと設定され
る。尚、本実施例の半導体レーザ１は、後方側に出力さ
れるモニター用レーザ光を図示しない受光手段で検出
し、該検出信号を用いたＡＰＣ（自動出力制御）駆動回
路にて駆動され、上記前方側に出力されるレーザ光を一
定にするように制御される。

【００３９】以下、斯る装置の動作を示す。

【００４０】まず、最初に吸気ポンプを動作しない状態
で、半導体レーザ１及び光検出器５を動作させ、この時
の光検出器５にて得られたバックグランドノイズに係る
信号を信号検出回路６にて保存する。

【００４１】この状態で、上記吸気ポンプを動作してフ
ローセル３内にフィルタ４で１００μｍ以上の粒子を除
去した外部空気を上記一定流量で流し、光検出器５で電
気信号を得る。その後、信号検出回路６にて、この電気
信号からバックグランドノイズに係る信号を減算した信
号のうち、所定水準以上の信号を取り出し、所定積算流
量内における所定水準以上の信号を加算することによ
り、所望粒子径の花粉の個数を積算する。この積算個数
に係る信号が表示部７に送られて表示部７に空気中の所
望粒子径の花粉の濃度が表示される。

【００４２】次に、斯る装置を組み込んだ空調装置の一
種である空気清浄機を図面を用いて説明する。図７はこ
の空気清浄機を模式的に示す概略斜視図、図８はこの空
気清浄機の構成を模式的に示す構造断面図である。この
清浄機では、内部に組み込まれた粒子検出装置に空気清
浄機の吸気機構を用いて外部空気が導入され、また清浄
機の表示部が表示部９を兼ねる。

【００４３】図中、２１は空気清浄機本体、２２、２３
はこの本体２１前面に設けられた第１、第２の吸気口、
２４は第１の吸気口２２の後方に設けれた空気中の花粉
や塵を集塵する集塵フィルター、２５は第２の吸気口２
３の後方に設けられた上記粒子検出装置である。

【００４４】２６は、第１、第２の吸気口２２、２３の
後方に配置された吸気手段としての吸気ファン、２７は
本体２１の上面側に設けられた排気口である。

【００４５】２８は上記粒子検出装置２５及び前記吸気
ファン２６を制御する制御手段、２９は本体２１上面に
設けられた操作部、３０は上記粒子検出装置２５で得ら
れた粒子濃度を表示する表示部である。尚、図８では制
御手段２８は省く。

【００４６】この構成において、操作部２９にてスイッ
チをオン状態にすると制御手段２８が作動し、前記粒子
検出装置２５が動作すると共に吸気ファン２６が適宜動
作する。この結果、前記第１、第２の吸気口２２、２３
から外部空気が適宜吸い込れ、上記粒子検出装置２５の
フローセル３内に外部空気が適宜導入されると共に、集
塵フィルター２４にて花粉や塵が捕捉される。この空気
清浄機では、吸気ファン２６の回転数の情報信号が粒子
検出装置２５の信号処理回路６に送られ、該回転数から
所定積算流量が算出されて、該所定積算流量内での所望
粒子径の粒子の濃度が上記信号検出回路６にて算出され
て、表示部３０に表示される。

【００４７】上記実施例では、光検出器５のリング状受
光面５ａは、回折角の大きい、即ち主極大から離れた副
極大の光を入射するようにした方が、直進光及び主極大
にある光の影響を受けないので、光検出器５の感度が上
がり、また主極大から極端に離れた副極大の強度は小さ
いので、光検出器５の感度が下がる。

【００４８】従って、上述では所定粒子径が３０μｍに
係る第１〜第７副極大にある光を受光するように設定し
ても可能であるが、好ましいのは第５〜第７副極大、最
も好ましいのは上述の第６副極大である。杉やヒノキの
花粉を検出するためには、所定粒子径が２０μｍ〜４０
μｍに係る副極大にある光を受光するようにしてもよ
く、所定粒子径が２０μｍの場合は、その粒子径に係る
第１〜第６副極大にある光を受光するのが好ましく、所
定粒子径が４０μｍの場合は、その粒子径に係る第１〜
第１０副極大にある光を受光するのが好ましい。

【００４９】また、上述では、リング状受光面５ａは所
定の副極大にある光を受光するようにしたが、その副極
大の近傍の光を受光するようにして所望粒子径の粒子の
みが主に受光するようにしてもよい。

【００５０】また、図９に示すように、少なくとも異な
る２つの副極大又はその近傍にある部分の光を受光する
ように複数のリング状受光面を同心円状に配置して、所
望粒子径の粒子の検出感度を高めるようにしてもよい。
一例としては、第１、第２のリング状受光面５ａ、５ｂ
はそれぞれＬ₁＝１４ｍｍ、Ｗ₁＝０．２ｍｍ、Ｌ₂＝１
５．８ｍｍ、Ｗ₂＝０．２ｍｍであり、他の条件は上述
と同じである。

【００５１】斯る場合、光検出器の複数の受光面５ａ、
５ｂで受光した受光量に応じたそれぞれの信号を独立に
検出する必要がないので、光検出器の製造が容易であ
る。このようなこの光検出器は、例えばＮ⁺型半導体基
板の表面部に互いに離間した複数のリング状にＮ^-型拡
散層を選択形成し、更に各Ｎ^-型拡散層の表面部にリン
グ状にＰ⁺型拡散層を選択形成してなるＰＩＮ型フォト
ダイオードや通常のＰＩＮ型フォトダイオードの表面に
複数のリング状の開口を有する上述の表面黒色アルミ等
からなるマスク層を被着形成したものなど種々のものが
利用できる。

【００５２】また、上述では、粒子検出装置を空気清浄
機に組み込んだが、空気清浄機の他の空調装置に組み込
んでもよい。

【００５３】また、本発明に係るリング状とは、上述し
たように完全なリングを形成しないものも含み、また本
発明に係る平行光とは、略平行光であるものも含む。

【００５４】また、本発明に係るレーザ光とは、シング
ルモードのレーザ光、マルチモードのレーザ光、自励発
振してなるレーザ光でもよい。

【００５５】また、照射する光の波長を変える場合、回
折角度が変わるので、光検出器の位置などを適宜変更す
る必要がある。

【００５６】更に、半導体レーザの代わりにガスレーザ
等を用いる場合には、コリメータレンズを用いなくとも
よい。

【００５７】

【発明の効果】本発明は、所望粒子径の粒子からの回折
光を選択的に受光するように光検出器のリング状受光面
を配置するだけでよいので、所望粒子径の粒子、例えば
杉やヤシヤブジなどの花粉を検出できる光検出器は電気
的に独立した複数のフォトダイオード構成とする必要が
なく、構造が簡単である。この結果、光検出器が安価に
製造できる。しかも、光検出器に回折光を集光させる対
物レンズなども不要であるので、光学系が簡単である。

【００５８】特に、上記光検出器がリング状受光面を１
つのみ有する場合、製造が著しく容易となるので、非常
に安価に製造できる。

【００５９】また、上記光検出器が、互いに離間したリ
ング状受光面を複数同心円状に有し且つ上記複数の受光
面は電気的に共通である場合、複数の受光面は互いに離
間し且つ電気的に共通に接続されているので、容易に製
造が可能である。加えて、この場合、所望粒子径の粒子
に係る回折光を他の粒子に係る回折光より多く受光でき
るので、所望粒子径の粒子を感度よく検出できる。

【００６０】特に、上記リング状受光面が所定粒子径の
粒子によりフラウンホーファ回折されフラウンホーファ
回折光強度分布を有する光のうち、該分布において副極
大又はその近傍にある光を受光する場合、他の粒子径の
粒子に係る回折光に比べて所望粒子径の粒子に係る回折
光を高率で受光可能であるので、所望粒子径の粒子を高
い選択性を有して検出できる。

【００６１】また、本発明の空調装置は斯る粒子検出装
置を用いるので、安価で且つ装置の大型化も抑制でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る粒子検出装置の模式概
略構成図である。

【図２】上記実施例の粒子検出装置の模式断面図であ
る。

【図３】上記実施例で用いた光検出器の模式上面図であ
る。

【図４】フラウンホファー回折パターンとその強度分布
を示す図である。

【図５】粒子径が１０、３０、５０μｍの粒子に係るフ
ラウンホファー回折光強度分布を示す図である。

【図６】粒子径が１０、２０、３０、４０、５０μｍの
粒子に係るフラウンホファー回折光強度分布を示す図で
ある。

【図７】上記粒子検出装置を組み込んだ空気清浄機の概
略斜視図である。

【図８】上記空気清浄機の模式断面図である。

【図９】他の光検出器の模式上面図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ（光源手段） ２ コリメータレンズ（光源手段） ５ 光検出器（光検出手段） ５ａ リング状受光面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴田 賢一 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 黒木 和彦 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子に平行光をなすレーザ光を照射する
   ための光源手段と、該レーザ光の照射による所望粒子径
   の粒子からの回折光を選択的に受光するように配置され
   たリング状受光面を有する光検出器と、からなることを
   特徴とする粒子検出装置。
2. 【請求項２】 導入された外部空気に含まれる粒子に平
   行光をなすレーザ光を照射するための光源手段と、該レ
   ーザ光の照射による所望粒子径の粒子からの回折光を選
   択的に受光するように配置されたリング状受光面を有す
   る光検出器と、からなることを特徴とする粒子検出装
   置。
3. 【請求項３】 上記光検出器は、リング状受光面を１つ
   のみ有することを特徴とする請求項１又は２記載の粒子
   検出装置。
4. 【請求項４】 上記光検出器は、互いに離間した複数の
   リング状受光面を同心円状に有し且つ該複数の受光面は
   電気的に共通であることを特徴とする請求項１又は２記
   載の粒子検出装置。
5. 【請求項５】 上記リング状受光面は、所定粒子径の粒
   子によりフラウンホーファ回折されフラウンホーファ回
   折光強度分布を有する光のうち、該分布において副極大
   又はその近傍にある光を受光することを特徴とする請求
   項１、２、３又は４記載の粒子検出装置。
6. 【請求項６】 上記所望粒子径の粒子は、花粉であるこ
   とを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の粒子
   検出装置。
7. 【請求項７】 請求項１、２、３、４、５又は６記載の
   粒子検出装置を備えたことを特徴とする空調装置。