JP2011095022A

JP2011095022A - 粒子センサ

Info

Publication number: JP2011095022A
Application number: JP2009247289A
Authority: JP
Inventors: Masataka Kumeta; 賢孝粂田; Kazuyoshi Miyazawa; 和義宮澤
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-05-12

Abstract

【課題】粒子濃度の大小に関係なく、安価な装置で微細粒子の粒径を識別することができる粒子センサを提供する。
【解決手段】発光部Ａと、該発光部から照射したＬＥＤ光に基づく測定エリアＢにおける粒子の散乱光に応じて、受光出力信号を発生する第１受光部Ｓ１と第２受光部Ｓ２とを備え、第１受光部Ｓ１は発光部からのＬＥＤ光の照射方向の前方に位置する測定エリアＢの後方に、第２受光部Ｓ２は発光部からのＬＥＤ光の照射方向の前方に位置する測定エリアＢよりも前方に配置され、第１受光部と第２受光部による受光出力信号の比を算出する手段１と、前記受光出力信号の比から前記粒子の粒径を算出する手段２，３とを備えた。
【選択図】図９

Description

本発明は、微細粒子を検知する粒子センサに係り、特に粒子のサイズが識別可能な粒子センサに関する。

従来から、大気中や液中に浮遊する粒子に光を照射し、照射光が粒子に当たって周囲に散乱する光（散乱光）の強度を受光素子で電圧に変換して出力することにより、その出力値から浮遊粒子を検知したり、大きさを識別する粒子センサが広く知られている。これら従来の粒子センサとしては、例えば一般家庭用のダストを検知し作動する空気クリーナのダスト検知装置（特許文献１）や、花粉症の原因となる空気中に浮遊する花粉粒子の検出に用いられる花粉センサ（特許文献２）等が知られている。また、クリーンルームの無菌無塵環境を管理するパーティクルカウンタ、粉体などの粒径を測定する粒度分布測定装置などにも上記原理に基づく粒子センサが用いられている。

しかしながら、浮遊粒子の粒径を測定する従来の粒子センサは、検出した散乱光強度から１粒子の粒径を計測しようとするものである。この手法では測定エリア内に一定以上の複数個の粒子が同時に通過する粒子濃度が大の場合、計数損失が発生してしまうことになる。これによって計数オーバーとなり、正確な検知ではなくなるという問題がある。この原因としては、粒子相互の多重散乱が起こることが挙げられる。正確に粒子の大きさを判別しようとするために、フィルタや複雑な装置を用いるなど、多様な手段が用いられてきている。このように粒子濃度が高い場合の測定には、従来から知られた手法は計数損失をおこしやすく、大変な手間がかかるという問題が有る。

特開平５−１２６７１７号公報特開２００５−２８３１５２号公報

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、粒子濃度の大小（濃淡）に関係なく、計数損失を発生することのない安価な装置で簡易に微細粒子の粒径を識別することができる粒子センサを提供することを目的とする。

本発明の粒子センサは、発光部と、該発光部から照射したＬＥＤ光に基づく測定エリアにおける粒子の散乱光に応じて、受光出力信号を発生する第１受光部と第２受光部とを備え、第１受光部は発光部からのＬＥＤ光の照射方向の前方に位置する測定エリアの後方に、第２受光部は発光部からのＬＥＤ光の照射方向の前方に位置する測定エリアよりも前方に配置され、第１受光部と第２受光部による受光出力信号の比を算出する手段と、前記受光出力信号の比から前記粒子の粒径を算出する手段とを備えたことを特徴とする。

第１受光部と第２受光部の出力電圧比から、ＬＥＤ光の照射方向の前方に位置する測定エリアから、後方に向かって散乱する後方散乱光と前方に散乱する前方散乱光との比を検知する。この値から、粒子濃度に関わらず、計数損失を生じずに、粒子の粒径（大きさ）を識別することが可能であり、安価な装置で粒子径の識別が可能となる。また、第１受光部と第２受光部は、ＬＥＤ発光部からのＬＥＤ光の照射方向に対し、測定エリアの中心から４５°と１３５°の角度の方向に配置することが好ましく、これにより上記出力電圧比を効率的に且つ安定に取得することができる。また、識別対象の粒径は０．５〜５μｍ程度であることが好ましく、特に１μｍ以下の微細粒子の粒径識別に青色光を用いることが好ましい。

本発明の基礎となる実験装置の構成例を示す平面図である。濃度大／中／小の粒径０．５μｍの粒子群に赤外光を照射し、各受光部チャンネルの受光割合を表したグラフである。濃度大／中／小の粒径５μｍの粒子群に赤外光を照射し、各受光部チャンネルの受光割合を表したグラフである。横軸に受光部チャンネル１−１９を取り、０．５、５、３０μｍの３種類の粒子群に青色光を照射した場合の各受光部チャンネルの出力電圧を示すグラフである。（ａ）は３０μｍの粒子群に、（ｂ）は５μｍの粒子群に、（ｃ）は０．５μｍの粒子群に、それぞれ、赤外光、緑色光、青色光を照射した場合の各チャンネルの出力電圧を示すグラフである。チャンネル６〜８について、それぞれのチャンネルの感度を示すグラフである。チャンネル１とチャンネル７との出力電圧および電圧比の関係を示すグラフである。０．５μｍの粒子群および５μｍの粒子群に、赤外光、緑色光、青色光を照射した場合のチャンネル１とチャンネル７との出力電圧比を示すグラフである。本発明の一実施例の粒子センサの構成例を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図９を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

本件発明者は、図１に示すように、ＬＥＤ発光部ＡとそこからＬＥＤ光が照射する方向ｘの前方に位置する測定エリアＢと、その測定エリアＢの中心点である中心Ｃを円の中心として１５°間隔で測定エリアＢ周囲に１９ヶ所の受光部であるチャンネル１−１９を配置した装置を準備した。測定エリアＢに配置したサンプル粒子群にＬＥＤ光を照射し、チャンネル１−１９にてほぼ全周囲の散乱光強度を測定した。サンプル粒子群は透明な粘着テープに特定サイズの多数の粒子を貼付し、中心Ｃ付近に固定したものである。

具体的には、各種同一粒径の多数の粒子を濃度を異ならせた（濃度大／中／小）環境で、ＬＥＤ光の種類（波長）を変えて、赤外光、緑色光、青色光について測定し、各チャンネル１−１９の受光量を計測した。この実験例では、一例として、濃度大は粒子密度３３６個／０．３０ｍｍ^２であり、濃度中は粒子密度２９６個／０．３０ｍｍ^２であり、濃度小は粒子密度１９２個／０．３０ｍｍ^２である。

図２は濃度大／中／小の粒径０．５μｍの粒子群に赤外光を照射し、図３は濃度大／中／小の粒径５μｍの粒子群に赤外光を照射し、それぞれチャンネル１−１９による総電圧値を１００とし、各チャンネルの受光割合を表したグラフである。なお、チャンネル８−１１については、この後に記載する理由により、この受光割合の計測対象から外している。

これらのグラフから、ＬＥＤ光の照射方向ｘに対してＬＥＤ発光部Ａと測定エリアＢの中心Ｃからの角度が４５°から９０°であるチャンネル１からチャンネル４において受光割合が低下し、角度が１０５°から１５０°であるチャンネル５からチャンネル８において受光割合が増加することを示している。これら図２と図３のグラフから、受光割合は粒子濃度の大小に無関係であるが、各チャンネル１−１９において略一定値であること、粒径により大幅に変動することが分かる。この２つの現象は、図２と図３に示したＬＥＤ光が赤外光に限るものではなく、ここには図示しないがＬＥＤ光の種類（波長）に関わらず、共通に見られるものであることを、本件発明者は実験により確認することができた。

図４は、横軸に受光部の各チャンネル、縦軸に各チャンネルの出力電圧を取ったグラフである。発光部に青色ＬＥＤを用い、粒子の粒径は０．５、５、３０μｍの３種類であり、それぞれ濃度大である。青色光のような波長の短いＬＥＤを用いた時の後方散乱光（ＬＥＤ照射光が粒子に当たり、中心Ｃ付近から照射方向の後方に散乱する光）が大きくなり、それは径の小さな粒子で顕著になる結果が得られた。チャンネル１の出力電圧は粒径が小さくなるにつれて、顕著に大きくなっていることが分かる。

図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ横軸に受光部１−８チャンネル、縦軸に各チャンネルの出力電圧を取ったグラフである。粒径は（ａ）３０μｍ、（ｂ）５μｍ、（ｃ）０．５μｍであり、それぞれ濃度大であり、ＬＥＤ光は赤外光、緑色光、青色光の３種類についてデータを取得した。粒径が小さくなるにつれて後方散乱光（中心Ｃから後方に散乱する光、すなわち、チャンネル１−３の出力電圧）が増大し、前方散乱光（中心Ｃから前方に散乱する光、すなわち、チャンネル５−８の出力電圧）が減少する傾向があることが分かる。粒径が小さくなるほどに出力電力は大きくなり、波長の短い青色では殊にその傾向が強く出ている。特に、この関係は粒径（ｂ）５μｍ−（ｃ）０．５μｍにおいて顕著である。粒子の濃度に関係はないことは、これまでに述べたとおりである。

また、ＬＥＤ光の種類としては、波長の短い青色光（約４３０ｎｍ）で、上記傾向が最も顕著となり、次いで緑色光（約５２５ｎｍ）、最後に赤外光（約８５０ｎｍ）の波長の短い順番となることが分かる。なお、チャンネル９−１１は粒子に光を遮られる位置であるとともに、ＬＥＤ照射光が直接入射する影響が最も大きい位置であることから、散乱光のデータ取得には適していないと判断し、データ取得を省略している。また、チャンネル８についても、前方散乱光に加え発光部ＬＥＤの照射光の影響が加わり、その取得データが不安定になると考えられる。

従って、後方散乱光を受けるチャンネル１−３においては、チャンネル１が、前方散乱光を受けるチャンネル５−８においては、チャンネル７が、上記傾向を最も安定に且つ顕著に検知可能である。また、同じ環境で異なる波長のＬＥＤを用いて出力電圧を測定した場合、ＬＥＤの種類で出力電圧の値が異なることがわかる。

チャンネル１に対し、チャンネル５〜８の４チャンネルのうち、どのチャンネルが最も受光に適しているかを調べたのが図６である。この図での発光部ＬＥＤは青色であり、図の縦軸の「感度」を以下のように定義している。
計測対象粒子の粒径がＤである時のチャンネルＸの出力電圧をVcX（D）とし、チャンネル１の出力電圧をVc1（D）とすると、
感度=（Vc1（0.5μm）/VcX（0.5μm））/（Vc1（5μm）/VcX（5μm））
但し、チャンネルXは５〜８である。

この値が大きいと０．５ｍ〜５μｍの粒径の識別が容易になる。図６からチャンネル7が最良であることがわかる。チャンネル8の感度が負になっているのは、粒径が小さい場合や波長の短いＬＥＤを発光部として使用した場合は、前方散乱光が少なくなり出力電圧が負になることがあるためである。これらからＬＥＤ光の種類としては、０．５μｍ程度の微少粒径の検出には青色ＬＥＤが有効であることが分かる。これにより、チャンネル７が最もチャンネル１との組合せに望ましい。

図７は、チャンネル７とチャンネル１の出力電圧の関係を示すグラフである。ＬＥＤは青色光で、粒径は×印が０．５μｍで、△印が５μｍである。２種類の粒径における３ヶ所の測定データは濃度の違いを表しているが、濃度大で、粒径０．５μｍにおいて、チャンネル１／チャンネル７の電圧比は３．４０であり、これに対して、粒径５μｍにおいて、チャンネル１／チャンネル７の電圧比は０．３５である。

このことは、粒径０．５μｍにおいては、粒径５μｍに対して、後方散乱光（チャンネル１の出力電圧）が多く、前方散乱光（チャンネル７の出力電圧）が少ないことを意味する。よって、後方散乱光と前方散乱光の出力電圧比から粒径の識別が可能である。

そして、図７に示すように、濃度大、中、小において、チャンネル１およびチャンネル７の出力電圧絶対値は異なるが、その比である電圧比は変わらず、ほぼ一定の傾きとなる。よって、出力電圧比（Ｃｈ１／Ｃｈ７）を計算することで、濃度には無関係に、計数損失の影響を受けずに粒径の識別が可能である。

図８は、ＬＥＤの種類とチャンネル１／チャンネル７の電圧比の関係を示すグラフである。すなわち、赤外光、緑色光、青色光について、粒径０．５μｍと粒径５μｍのチャンネル１／チャンネル７のそれぞれの電圧比を示したものである。従って、ＬＥＤの種類とチャンネル１／チャンネル７の電圧比の関係から、この図８のグラフをデータテーブルとして参照することで、粒径の識別が可能となる。

図９は、本発明の一実施例の粒子センサの要部を示す。例えば円筒状の容器Ｄ内に空気等の流体が紙面に対して垂直方向に流れ、この容器Ｄの中央部分を測定エリアＢとし、該測定エリアＢに浮遊する粒子Ｐの粒径を識別対象とする。

この粒子センサは、ＬＥＤ発光素子からなる発光部Ａと、該発光部Ａから照射したＬＥＤ光に基づく測定エリアＢにおける粒子の散乱光に応じて、受光出力信号を発生するＰＤ（フォトダイオード）からなる第１受光部Ｓ１と第２受光部Ｓ２とを備える。第１受光部Ｓ１は後方散乱光（ＬＥＤ光が浮遊粒子を照射して後方に散乱する光）を検知できる位置にあり、測定エリアＢからＬＥＤ光の照射方向に対して後方に（ｙ線より発光部Ａ側に）配置し、第２受光部Ｓ２は前方散乱光（ＬＥＤ光が浮遊粒子を照射して前方に散乱する光）を検知できる位置で、測定エリアＢよりもＬＥＤ光の照射方向の前方に（ｙ線よりも図中で右側に）配置する。

このため、第１受光部Ｓ１は後方散乱光による出力電圧を生じ、第２受光部Ｓ２は前方散乱光による出力電圧を生じる。ここで、第１受光部Ｓ１と第２受光部Ｓ２は、発光部ＡからのＬＥＤ光の照射方向（ｘ方向）に対し、測定エリアＢの中心Ｃから４５°と１３５°の角度の方向に配置することが好ましい。

その理由は、測定エリアＢの中心Ｃから４５°の方向に第１受光部Ｓ１を配置することで、後方散乱光が大きくなる場所でこれを出力することができるからであり、測定エリアＢの中心Ｃから１３５°の方向に第２受光部Ｓ２を配置することで、前方散乱光が大きくなり、散乱光全体と良い比例関係があり、安定にデータを取得できる場所だからである。これらは実験結果から明らかに見て取ることができる。

そして、本発明の粒子センサは、このようにして配置位置を特定された第１受光部Ｓ１と第２受光部Ｓ２による受光出力信号の比を計算する手段１を備える。すなわち、２個の受光部Ｓ１，Ｓ２における後方散乱光と前方散乱光の出力値が用いられ、下記受光出力信号の比Ｌを得る。そして、受光出力信号の比（後方／前方散乱光の比率）からデータテーブル２を参照し、測定エリアＢの粒子Ｐの粒径を識別する手段３を備える。
Ｌ（電圧比）＝Ｖｓ１（Ｓ１出力値（後方散乱光））／Ｖｓ２（Ｓ２出力値（前方散乱光））

発光部Ａに用いるＬＥＤに関して、図８を参照すると、粒径５μｍでの電圧比はＬＥＤの種類では殆ど変わらない。しかし、粒径０．５μｍのように微細な粒子だと、図８に示すように、青色光のように波長の短いＬＥＤで電圧比が大きくなり、その識別が容易となり、好ましい。

粒径が０．５〜５μｍである粒子群の電圧比は、図８のグラフに示す電圧比の間に入ってくるものと考えられる。そのため波長の短いＬＥＤの方が粒径の識別が有利になると考えられ、チャンネル１／チャンネル７の出力電圧比から、図８に示すデータテーブルを参照することで、０．５〜５μｍの粒径の識別が可能となる。

従って、受光部Ｓ１と受光部Ｓ２の出力電圧比から、濃度に関わらず、計数損失を生じずに、大気または液中の浮遊粒子の粒径（大きさ）を識別することが可能であり、安価な装置で粒子径の識別が可能となる。また、計測可能な粒子サイズは約０．５〜５μｍ程度（煙など）が好適であるが、例えば、花粉の粒径約３０μｍ、ハウスダストの粒径約５μｍ以上に対して、１μｍ以下のナノサイズの微細粒子の粒径検知に特に好適と考えられる。

なお、上記実施例において、円筒形の容器を用いる例について説明したが、その他の形状でも勿論よい。また、大気または液中の浮遊粒子の粒径識別の例について説明したが、実験例で説明したようにサンプル粒子を透明テープに貼り付けて行っても良い。

また、第１受光部Ｓ１と第２受光部Ｓ２は、発光部ＡからのＬＥＤ光の照射方向（ｘ方向）に対し、測定エリアＢの中心Ｃから４５°と１３５°の角度の方向に配置する例について説明したが、Ｓ１とＳ２の対角にあるチャンネル１３とチャンネル１９でも同様の効果が得られる。また、チャンネル７とチャンネル１９の組合せも可能である。上述したように、後方散乱光と前方散乱光とによる出力電圧を効率的に且つ安定に生じる場所に配置すれば良いことは勿論である。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明は、粒子濃度の大小に関わらず、計数損失を生じずに、多数の粒子の粒径（大きさ）を識別することが可能であり、安価な装置で約０．５〜５μｍ程度の微細粒径の識別が可能となる。従って、微細粒子の粒径識別に好適に利用可能である。

Claims

発光部と、該発光部から照射したＬＥＤ光に基づく測定エリアにおける粒子の散乱光に応じて、受光出力信号を発生する第１受光部と第２受光部とを備え、
第１受光部は発光部からのＬＥＤ光の照射方向の前方に位置する測定エリアの後方に、第２受光部は発光部からのＬＥＤ光の照射方向の前方に位置する測定エリアよりも前方に配置され、
第１受光部と第２受光部による受光出力信号の比を算出する手段と、前記受光出力信号の比から前記粒子の粒径を算出する手段とを備えた、粒子センサ。
第１受光部と第２受光部は、ＬＥＤ発光部からのＬＥＤ光の照射方向に対し、測定エリアの中心から４５°と１３５°の角度の方向に配置している、請求項１に記載の粒子センサ。
前記ＬＥＤ発光部に、青色光を用いた、請求項１に記載の粒子センサ。
前記粒子の粒径は、０．５〜５μｍ程度である、請求項１に記載の粒子センサ。