JPH09113436A - 粒子検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 互いに異なる所望の粒子径の粒子を簡単な受
光手段で検出できる粒子検出方法を提供することを目的
とする。 【解決手段】 粒子に光を照射して生じた回折光を少な
くとも２つに分割し、該各分割した光を同心円で囲まれ
る領域に光取出部５ａ、６ａが設けられた遮蔽部材から
なる各光取出手段５、６を介して、該各分割した光に対
応した各受光手段９、１０で受光することにより、互い
に異なる所望粒子径の粒子を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、花粉等の粒子を検
出する粒子検出方法に関する。

【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、リング状の光強度分布を受
光するために、同心円状に配置された複数のフォトダイ
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、特殊な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、簡単な受光手段を用いて、複数の所望
粒子径の粒子を検出可能とする粒子検出方法を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の粒子検出方法
は、粒子に光を照射して生じた回折光を少なくとも２つ
に分割し、該各分割した光を同心円で囲まれる領域に光
取出部が設けられた遮蔽部材からなる各光取出手段を介
することにより、それぞれ異なる所望粒子径を有する粒
子による回折光を選択的に取り出し、該各回折光を各受
光手段で受光することにより、互いに異なる所望粒子径
の粒子を検出可能としたことを特徴とする。

【００１１】特に、上記粒子に照射する光はレーザ光で
あることを特徴とし、このレーザ光は略平行光であるの
がよい。レーザ光はコヒーレント性が高く、粒子により
良好なフラウンホーファー回折像が得られる。そして、
このフラウンホーファー回折像は、前方散乱側で粒子径
に応じた同心円状の強度分布を示す。

【００１２】従って、粒子に光を照射する為の光源と、
少なくとも１つの受光手段は対向し、回折光を少なくと
も２つに分割する分割手段は、この光源と受光手段の間
に位置し、回折光を略直角に分岐させるのが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態に係る粒子
検出方法を図面を用いて説明する。図１は本形態に用い
る装置の概略構成図、図２はこの装置に用いられる遮蔽
部材の上面図である。

【００１４】図１中、１はレーザ光を出力する半導体レ
ーザ（光源）、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、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。なお、このセル３には、導入される外部空
気の中に含まれる特定粒子径以上（本実施形態では１０
０μｍ以上）の粒子を除去する図示しないフィルターを
介して外部空気が送り込まれる 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。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。

【００１５】４は出射開口３ｂの前方に配置されたハー
フミラー（分割手段）であり、この分割手段４は出射開
口３ｂから出射した前記回折光の一部を透過すると共
に、該回折光の他部を略直角方向に分離する。

【００１６】５は分割手段４の前方に配置された、即ち
光源１からの出射光軸上に配置された図２に示すように
同心円で囲まれる領域に開口（光取出部）５ａを有する
０．１ｍｍ厚の遮蔽部材（光取出手段）で、本実施形態
の遮蔽部材５は直径Ｌ₁、幅Ｗ₁の略リング状の開口を有
する。

【００１７】この遮蔽部材５は、上記同心円の中心が前
記出射光軸に位置し、該光軸と開口５ａ面が直交すると
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
分布を有した光のうち、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を開口５ａから取り出せるよう
に配置されている。即ち遮蔽部材５は、ハーフミラー４
を透過した光のうち、所望粒子径を有する略球形粒子の
回折光のみを主に開口５ａから取り出せるように配置さ
れている。

【００１８】６は分割手段４の側方に配置された、即ち
光源１からの出射光軸に略直交して配置された図３と同
様の同心円で囲まれる領域に開口（光取出部）６ａを有
する０．１ｍｍ厚の遮蔽部材（光取出手段）で、本実施
例の遮蔽部材６は直径Ｌ₂、幅Ｗ₂の略リング状の開口を
有する。

【００１９】この遮蔽部材６は、上記同心円の中心がハ
ーフミラー４にて屈折された出射光軸に位置し、該光軸
と開口６ａ面が直交すると共に、他の所定粒子径を有す
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した光のうち、
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
を開口６ａから取り出せるように配置されている。即ち
遮蔽部材６は、ハーフミラー４にて反射された光のう
ち、他の所望粒子径を有する略球形粒子の光のみを主に
開口６ａから取り出せるように配置されている。

【００２０】７は遮蔽部材５の開口５ａの前方に配置さ
れた集光手段としての集光レンズ（集光手段）であり、
８は遮蔽部材６の開口６ａの前方に配置された集光手段
としての集光レンズである。

【００２１】９は集光手段７で集光された開口５ａから
出射された所望粒子径を有する略球形粒子の回折光を受
光し、その受光量に応じた電気信号に変換するフォトダ
イオード等からなる受光手段であり、１０は集光手段８
で集光された開口６ａから出射された他の所望粒子径を
有する略球形粒子の回折光を受光し、その受光量に応じ
た電気信号に変換するフォトダイオード等からなる受光
手段である。

【００２２】尚、本装置は図示しないが、受光手段９、
１０にて得られた各電気信号を各基準信号と比較するこ
とにより、所定積算流量（単位体積）中における各所望
粒子径の略球形粒子の個数信号に変換する信号検出回路
を有し、該信号検出回路に出力される信号に応じて空気
中の各所望粒子径を有する略球形粒子の濃度を表示する
表示部を有する。

【００２３】以下、本装置の原理について説明する。

【００２４】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。

【００２５】粒子が球形粒子である場合、図３（ａ）に
示すフラウンホーファー回折パターン、図３（ｂ）に示
す回折光強度分布を有する。

【００２６】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１１の周りに極小を介して
同心円状に第１の副極大１２、第２の副極大１３、第３
の副極大１４、・・・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。

【００２７】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。

【００２８】従って、本実施例装置では、回折光を略リ
ング状の開口５ａ、６ａを有する遮蔽部材５、６を介し
て検出するので、略球形でない粒子による回折光を殆ど
検出することがなく、且つ遮蔽部材５、６はそれぞれ直
進入射光及び回折角の小さい光が受光手段９、１０に入
射するのを防止する。しかも、上記遮蔽部材５、６は、
その開口５ａ、６ａがそれぞれの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主に透過するよ
うに、即ち、所望粒子径の略球形粒子に係る光のみを主
に透過し、これ以外の略球形粒子に係る光を殆ど透過し
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。

【００２９】以下、一例として、環境雰囲気中の花粉症
を引き起こす杉、ヒノキの花粉を受光手段９で、稲の花
粉を受光手段１０で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
れぞれ約３０μｍ、約２５μｍ程度であり、稲の花粉は
約５０μｍ程度である。

【００３０】図４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である。

【００３１】この図４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
他、杉、ヒノキ花粉を検出するための遮蔽部材５の開口
５ａは、例えば同図中のＡで示す部分の光が通過するよ
うに構成されればよく、稲の花粉を検出するための遮蔽
部材６の開口６ａは、例えば同図中のＢで示す部分の光
が通過するように構成されればよいことが判る。

【００３２】この様に設定する場合、Ａの方がＢより光
強度は小さいので、ハーフミラー４は反射率より透過率
が高くなる様にするのが好ましい。

【００３３】具体的には、上記装置は、杉花粉、ヒノキ
花粉と、稲花粉を検出するために、上記レーザ光の波長
が７９０ｎｍ、上記遮蔽部材５、６と照射部の距離が４
ｃｍ、遮蔽部材５の開口５ａの直径Ｌ₁が１４．２ｍ
ｍ、幅Ｗ₁が０．２ｍｍ、遮蔽部材６の開口６ａの直径
Ｌ₂が１０．９ｍｍ、幅Ｗ₂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。

【００３４】以下、斯る装置の動作を示す。

【００３５】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及び受光手段９、１０を動作させ、
この時の受光手段９、１０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にて保存する。

【００３６】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、受光手段９、１０
で電気信号を得る。その後、信号検出回路にて、この各
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、杉花粉とヒノキ花粉の合計の積算個数、稲花粉の
積算個数が出力される。この各積算個数に係る信号が表
示部に送られて表示部に空気中の杉花粉とヒノキ花粉の
合計濃度、稲花粉の濃度が表示される。

【００３７】上述では、受光手段９、１０を同時に駆動
させているが、目的に応じて一方のみを駆動するように
しても勿論よい。

【００３８】また上述では、各遮蔽部材は、所定の副極
大にある光を透過するようにしたが、その副極大の近傍
の光を透過するようにして所望粒子径の粒子のみが主に
透過するようにしてもよい。

【００３９】また、図５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取り出せ
るようにして、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。

【００４０】なお、上記装置では、散乱中心位置と各遮
蔽手段５、６の距離を同じにして、各遮蔽手段５、６の
開口５ａ、６ａの直径を変えたが、開口５ａ、６ａの直
径を同じくして、散乱中心位置と各遮蔽手段５、６の距
離を変えてもよい。

【００４１】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。

【００４２】また、本発明に係るコヒーレント光とは、
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。

【００４３】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、光取出手段の光取出部の位置など
を適宜変更する必要がある。

【００４４】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。

【００４５】勿論、上記粒子検出装置を空気清浄機等の
空調装置に組み込んでもよい。

【００４６】

【発明の効果】本発明の粒子検出方法は、粒子に光を照
射して生じた回折光を少なくとも２つに分割し、該各分
割した光を同心円で囲まれる領域に光取出部が設けられ
た遮蔽部材からなる各光取出手段を介することにより、
それぞれ異なる所望粒子径を有する粒子による回折光を
選択的に取り出し、該各回折光を各受光手段で受光する
ことにより、互いに異なる所望粒子径の粒子を検出可能
であるので、互いに異なる所望粒子径の粒子を簡単な受
光手段で検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る粒子検出装置の模式
概略構成図である。

【図２】上記実施形態で用いた遮蔽部材の上面図であ
る。

【図３】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４】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５】他の遮蔽部材の上面図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ（光源） ２ コリメータレンズ（変換手段） ４ ハーフミラー（分割手段） ５、６ 遮蔽部材（光取出手段） ５ａ、６ａ 開口（光透過部） ７、８ 集光手段 ９、１０ 受光手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子に光を照射して生じた回折光を少な
   くとも２つに分割し、該各分割した光を同心円で囲まれ
   る領域に光取出部が設けられた遮蔽部材からなる各光取
   出手段を介することにより、それぞれ異なる所望粒子径
   を有する粒子による回折光を選択的に取り出し、該各回
   折光を各受光手段で受光することにより、互いに異なる
   所望粒子径の粒子を検出可能としたことを特徴とする粒
   子検出方法。
2. 【請求項２】 上記粒子に照射する光はレーザ光である
   ことを特徴とする請求項１記載の粒子検出方法。