特許 6620983 粒子検出センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6620983

(24)【登録日】2019年11月29日

(45)【発行日】2019年12月18日

(54)【発明の名称】粒子検出センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/53 20060101AFI20191209BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/53 Z

   G01N21/53 B

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-257505(P2015-257505)

(22)【出願日】2015年12月28日

(65)【公開番号】特開2017-120239(P2017-120239A)

(43)【公開日】2017年7月6日

【審査請求日】2018年9月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(74)【代理人】

【識別番号】100137235

【弁理士】

【氏名又は名称】寺谷 英作

(74)【代理人】

【識別番号】100131417

【弁理士】

【氏名又は名称】道坂 伸一

(72)【発明者】

【氏名】松浪 弘貴

(72)【発明者】

【氏名】林 真太郎

(72)【発明者】

【氏名】北岡 信一

【審査官】 中澤 真吾

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１８３３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０４−１１５０５１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００９−１１６９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００３４０７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００５０７３７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／０１

２１／１７−２１／６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検知領域に光を投光する投光素子と、
前記検知領域における粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、
前記受光素子を支持する第１支持部材と、
前記投光素子を支持し、前記第１支持部材とは線膨張係数が異なる第２支持部材とを備え、
前記第１支持部材は、前記受光素子が配置される第１配置部と、前記第２支持部材が配置される第２配置部とを有し、
前記第１支持部材の線膨張係数は、第２支持部材の線膨張係数よりも大きく、
前記投光素子から光が出ていない状態において、前記第１配置部と前記投光素子の光軸との距離は、前記第２配置部と前記投光素子の光軸との距離よりも小さく、かつ、前記第２配置部と前記投光素子の光軸との距離は、前記第２配置部と前記受光素子の光軸との距離よりも大きい、
粒子検出センサ。

【請求項2】

検知領域に光を投光する投光素子と、
前記検知領域における粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、
前記受光素子を支持する第１支持部材と、
前記投光素子を支持し、前記第１支持部材とは線膨張係数が異なる第２支持部材とを備え、
前記第１支持部材は、前記受光素子が配置される第１配置部と、前記第２支持部材が配置される第２配置部とを有し、
前記第１支持部材の線膨張係数は、第２支持部材の線膨張係数よりも小さく、
前記投光素子から光が出ていない状態において、前記第１配置部と前記投光素子の光軸との距離は、前記第２配置部と前記投光素子の光軸との距離よりも小さく、かつ、前記第２配置部と前記投光素子の光軸との距離は、前記第２配置部と前記受光素子の光軸との距離よりも小さい、
粒子検出センサ。

【請求項3】

前記第１支持部材と前記第２支持部材とは複数箇所で直接又は間接的に接続されている
請求項１又は２に記載の粒子検出センサ。

【請求項4】

さらに、前記投光素子から出射する光を前記検知領域に集光する投光レンズを備え、
前記投光レンズは、前記第２支持部材とは異なる部材に支持されている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。

【請求項5】

前記投光レンズは、前記第１支持部材に支持されている
請求項４に記載の粒子検出センサ。

【請求項6】

前記投光素子から出射する光の任意断面の光強度分布は、ガウシアン分布である
請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子検出センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粒子検出センサに関する。

【背景技術】

【0002】

粒子検出センサとして、大気中に浮遊する粒子を当該粒子の散乱光によって検知する光散乱式粒子検出センサが知られている。

【0003】

光散乱式粒子検出センサは、投光素子と受光素子とを備える光電式センサであり、取り込んだ測定対象の気体に投光素子の光を照射することで生じる粒子の散乱光から気体に含まれる粒子を検出する（例えば特許文献１参照）。これにより、例えば、大気中に浮遊するホコリ・花粉・煙・ＰＭ２．５（微小粒子状物質）等の粒子を検出することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１−２４８６２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

粒子検出センサでは、投光素子として半導体レーザ等の半導体発光素子が用いられる。半導体発光素子は、発光によって半導体発光素子自身から熱が発生し、これにより半導体発光素子の温度が上昇して光出力が低下する。つまり、半導体発光素子は、自身が発する熱によって光出力が低下する。

【0006】

このため、投光素子として半導体発光素子を用いた粒子検出センサでは、投光素子の発光に伴って経時的に検出精度が低下し、検出精度がばらつくという課題がある。

【0007】

この場合、投光素子の温度による光出力の変化を打ち消すようなゲインを持たせた回路を搭載することによって、投光素子の温度による光出力の変化を補正することも考えられる。しかしながら、回路による補正はコスト高になる。

【0008】

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、低コストで投光素子の温度による光出力の変化に伴う検出精度のばらつきを抑制できる粒子検出センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明に係る粒子検出センサの一態様は、検知領域に光を投光する投光素子と、前記検知領域における粒子による前記投光素子からの光の散乱光を受光する受光素子と、前記受光素子を支持する第１支持部材と、前記投光素子を支持し、前記第１支持部材とは線膨張係数が異なる第２支持部材とを備え、前記第１支持部材は、前記受光素子が配置される第１配置部と、前記第２支持部材が配置される第２配置部とを有し、前記第１配置部と前記第２配置部とは、前記投光素子の光軸又は前記受光素子の光軸からの距離が異なる位置に設けられている。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、低コストで投光素子の温度による光出力の変化に伴う検出精度のばらつきを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態に係る粒子検出センサの外観斜視図である。

【図2】第１筐体部を外した状態での実施の形態に係る粒子検出センサの斜視図である。

【図3】実施の形態に係る粒子検出センサの断面図（ＹＺ平面における断面図）である。

【図4】実施の形態に係る粒子検出センサの断面図（図２のＩＶ−ＩＶ線に沿ったＸＹ平面における断面図）である。

【図5】実施の形態に係る粒子検出センサの断面図（図２のＶ−Ｖ線に沿ったＸＹ平面における断面図）である。

【図6】実施の形態に係る粒子検出センサにおける投光素子のビームプロファイルの一例を示す図である。

【図7】半導体発光素子についての温度と光出力変化との関係を示す図である。

【図8】実施の形態に係る粒子検出センサの動作原理を説明するための図（実施の形態に係る粒子検出センサを簡略模式図）である。

【図9】実施の形態に係る粒子検出センサの動作原理を説明するための図（低温時と高温時における投光素子の光出強度分布図）である。

【図10】変形例１に係る粒子検出センサの動作原理を説明するための図（変形例１に係る粒子検出センサを簡略模式図）である。

【図11】変形例２に係る粒子検出センサの動作原理を説明するための図（変形例２に係る粒子検出センサを簡略模式図）である。

【図12】変形例３に係る粒子検出センサの動作原理を説明するための図（変形例３に係る粒子検出センサを簡略模式図）である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

【0013】

なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

【0014】

また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表しており、Ｚ軸方向を鉛直方向とし、Ｚ軸に垂直な方向（ＸＹ平面に平行な方向）を水平方向としている。

【0015】

（実施の形態）
実施の形態に係る粒子検出センサ１について、図１〜図５を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る粒子検出センサ１の外観斜視図である。図２は、第１筐体部８１を外した状態での同粒子検出センサ１の斜視図である。図３〜図５は、同粒子検出センサ１の断面図であり、図３はＹＺ平面における断面図、図４は図２のＩＶ−ＩＶ線に沿ったＸＹ平面における断面図、図５は図２のＶ−Ｖ線に沿ったＸＹ平面における断面図である。なお、図３では、投光素子１０から出射した光の光線の軌跡を示している。

【0016】

図３及び図４に示すように、粒子検出センサ１は、投光素子１０と受光素子２０とを備える光電式センサであって、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１０からの光の散乱光を受光素子２０で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出する。粒子検出センサ１の検出対象の粒子は、例えば、２μｍ以下の微小なホコリ（塵埃）、花粉、煙、ＰＭ２．５等の微粒子であり、粒子検出センサ１は、粒子の有無、粒子の個数、粒子の大きさ、粒子の濃度等を検出することができる。

【0017】

図２〜図４に示すように、粒子検出センサ１は、投光素子１０と、受光素子２０と、第１反射体３０と、加熱装置４０と、投光レンズ５０と、光減衰部６０と、第２反射体７０とを備える。

【0018】

図１〜図４に示すように、粒子検出センサ１は、筐体８０を備えており、投光素子１０、受光素子２０、第１反射体３０、加熱装置４０、投光レンズ５０、光減衰部６０及び第２反射体７０は、筐体８０内に配置されている。なお、図３に示すように、投光素子１０及び受光素子２０は、それぞれの光軸が検知領域ＤＡで交差するように筐体８０内に配置されている。

【0019】

検知領域ＤＡは、測定対象の気体に含まれる粒子（エアロゾル）を検知するためのエアロゾル検知領域である。また、検知領域ＤＡは、気体に含まれる粒子による散乱光が発生する光散乱部である。つまり、検知領域ＤＡでは、気体に含まれる粒子に投光素子１０から出射した光が反射して散乱光が発生する。本実施の形態において、検知領域ＤＡは、平面視において、投光素子１０の光軸Ｊ１と受光素子２０の光軸Ｊ２とが交差する交点を含む領域となっており、第１反射体３０内の粒子が通過する流路内に設定されている。検知領域ＤＡは、例えばφ２ｍｍである。図１及び図３に示すように、測定対象の気体は、筐体８０に設けられた流入口８０ａから流入し、検知領域ＤＡに誘導された後、流出口８０ｂから流出する。

【0020】

投光素子１０は、検知領域ＤＡに光を投光する。投光素子１０は、所定の波長の光を発する光源であり、例えば、赤外光、青色光、緑色光、赤色光又は紫外光を発する発光素子である。投光素子１０としては、ＬＥＤ又はＬＤ（半導体レーザ）等の半導体発光素子を用いることができる。安価で高出力の投光素子１０としては、赤色光を発する赤色ＬＤを用いるとよい。また、投光素子１０は、２波長以上の混合波を発するように構成されていてもよい。本実施の形態において、投光素子１０の光軸Ｊ１は、例えば検知領域ＤＡを通るように設定されている。

【0021】

一例として、投光素子１０は、図６に示される光強度分布の光を出射する。図６は、投光素子１０のビームプロファイルの一例を示している。図６に示すように、投光素子１０から出射する光の任意断面の光強度分布は、ガウシアン分布となっている。なお、投光素子１０の光強度分布は、少なくとも一部の光強度が変化していれば、図６に示すものに限るものではない。

【0022】

なお、投光素子１０の発光波長が短いほど、粒径の小さな粒子が検出しやすくなる。また、投光素子１０の発光制御方式は特に限定されるものではなく、投光素子１０から出射する光は、ＤＣ駆動による連続光又はパルス光等とすることができる。また、投光素子１０の出力の大きさは、時間的に変化していてもよい。

【0023】

受光素子２０は、検知領域ＤＡにおける気体中の粒子による投光素子１０からの光の散乱光を受光する受光部である。つまり、受光素子２０は、投光素子１０からの光が検知領域ＤＡに存在する粒子によって反射して散乱された光を受光する。受光素子２０は、受光した光を電気信号に変換する素子であり、例えば、フォトダイオード、フォトＩＣダイオード、フォトトランジスタ、又は、高電子倍増管等である。

【0024】

第１反射体３０は、検知領域ＤＡにおける粒子による投光素子１０の光の散乱光を反射して受光素子２０に導く反射部材である。本実施の形態において、第１反射体３０は、検知領域ＤＡにおける粒子の散乱光を反射して受光素子２０に集光させて導く集光ミラーである。

【0025】

図３に示すように、具体的には、第１反射体３０は、内面（反射面）の形状が回転楕円体（回転楕円面）の一部をなす楕円ミラーであり、第１反射体３０の内面の断面形状は楕円の一部となっている。この場合、第１反射体３０の内面をなす回転楕円体を構成する楕円における２つの焦点は、一方の焦点（第１の焦点）が検知領域ＤＡ内に存在し、かつ、他方の焦点（第２の焦点）が受光素子２０の近傍（例えば受光素子２０の中心）に存在しているとよい。

【0026】

これにより、検知領域ＤＡに存在する粒子によって発生する散乱光を、少ない反射回数（１回又は数回）で受光素子２０に入射させることができる。つまり、多重反射による光の減衰を回避できる。この結果、受光素子２０における受光効率を高めることができるので、粒子の検出効率を向上させることができる。なお、第１反射体３０の内面形状をなす回転楕円体を構成する楕円は、例えば、長径が２０ｍｍ〜１００ｍｍ、短径が１０ｍｍ〜５０ｍｍである。

【0027】

第１反射体３０の内面は、反射面であり、例えば、散乱光が発生しにくい面であって、かつ、吸収率が小さくて反射率が高い面（鏡面等）であるとよい。これにより、第１反射体３０に入射する光の多くを受光素子２０に導くことができる。第１反射体３０としては、内面そのものが反射面となるようにベース部材そのものを金属等で構成してもよいし、樹脂や金属のベース部材の内面に反射面となる反射膜を形成してもよい。反射膜としては、アルミニウム、金、銀又は銅等の金属反射膜、鏡面反射膜、又は、誘電体多層膜等を用いることができる。より具体的には、反射膜としては、銀メッキ又はアルミ蒸着膜を用いることができる。このような反射膜を形成することによって、第１反射体３０の内面の反射率を向上させることができる。

【0028】

第１反射体３０には、投光素子１０の光を第１反射体３０の内部に導入するための光導入孔３１と、第１反射体３０から出て行く光が通過する光排出孔３２とが設けられている。光導入孔３１は、第１反射体３０の外部から内部に光を入れるための貫通孔であり、光排出孔３２は、第１反射体３０の内部から外部に光を出すための貫通孔である。光導入孔３１及び光排出孔３２は、円形開口を有する円筒状の貫通孔であるが、光導入孔３１及び光排出孔３２の形状は、これに限るものではない。

【0029】

光導入孔３１及び光排出孔３２は、投光素子１０の光軸Ｊ１上に設けられている。つまり、光導入孔３１及び光排出孔３２は、検知領域ＤＡを介して対向する位置に設けられている。したがって、投光素子１０から出射して光導入孔３１から第１反射体３０に導入された光のうち検知領域ＤＡで粒子に当たらなかった光は、第１反射体３０を直線状に通過して光排出孔３２を通って第１反射体３０の外部に出て行く。

【0030】

また、第１反射体３０には、流入口８０ａから筐体８０内に流入した粒子を第１反射体３０の内部に導入するための粒子導入孔３３と、第１反射体３０の内部の粒子を第１反射体３０の外部に排出するための粒子排出孔３４とが設けられている。つまり、粒子導入孔３３及び粒子排出孔３４は、筐体８０内に流入した粒子（気体）の流路となっている。

【0031】

粒子導入孔３３及び粒子排出孔３４は、検知領域ＤＡを介して対向する位置に設けられている。具体的には、粒子導入孔３３及び粒子排出孔３４は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って設けられている。粒子導入孔３３及び粒子排出孔３４は、円形開口を有する円筒状の貫通孔であるが、粒子導入孔３３及び粒子排出孔３４の形状は、これに限るものではない。

【0032】

加熱装置４０は、気体（大気）を加熱するヒータであり、例えばヒータ抵抗である。加熱装置４０でよって気体を加熱することで、筐体８０内に鉛直方向に上昇気流（Ｚ軸正方向への気体の流れ）を発生させることができる。これにより、粒子を含む気体を流入口８０ａから筐体８０内に容易に引き込んで検知領域ＤＡに誘導することができる。

【0033】

図３及び図４に示すように、投光レンズ５０は、投光素子１０の前方に配置されており、投光素子１０から出射する光（投光ビーム）を検知領域ＤＡに向けて進行させるように構成されている。投光素子１０から出射する光は、投光レンズ５０を介して検知領域ＤＡに到達する。投光レンズ５０は、例えば、投光素子１０から３ｍｍ〜５ｍｍの位置に配置されており、投光レンズ５０の集光点は投光素子１０から１６ｍｍ程度の位置である。

【0034】

投光レンズ５０は、例えば投光素子１０ら出射する光を検知領域ＤＡに集束（集光）させる集束レンズである。つまり、投光レンズ（集束レンズ）５０の集光点は、検知領域ＤＡ内に存在しており、本実施の形態では、第１反射体３０を構成する楕円の焦点に一致している。投光レンズ５０は、例えばアクリル（ＰＭＭＡ）又はポリカーボネート（ＰＣ）等の透明樹脂材料からなる樹脂レンズ又はガラス材料からなるガラスレンズであり、厚みが３ｍｍ程度で、直径が１０ｍｍ程度である。

【0035】

図３に示すように、光減衰部６０は、光を減衰させるための光減衰構造（光トラップ構造）を有する。光減衰部６０は、例えば、光減衰部６０に進入した不要光（迷光）を多重反射させることで減衰させる不要光減衰部である。本実施の形態において、光減衰部６０は、光排出孔３２を介して第１反射体３０から出て行く光を減衰させる。これにより、第１反射体３０から光減衰部６０に入った光を光減衰部６０で減衰させて第１反射体３０に戻らないようにすることができる。なお、光減衰部６０の形状は、筐体８０（第１支持部材８１ａ）の樹脂成形による内部構造によって構成されている。

【0036】

本実施の形態において、光減衰部６０は、検知領域ＤＡを介して投光素子１０と対向する位置に設けられている。具体的に、光減衰部６０は、第１反射体３０に隣接する閉空間の光学室であり、第１反射体３０に設けられた光排出孔３２によって第１反射体３０と空間的に繋がっている。

【0037】

光減衰部６０には、第２反射体７０が設けられている。第２反射体７０は、光排出孔３２から排出した光を反射して光減衰部６０の奥に導く反射部材である。本実施の形態において、第２反射体７０は、光排出孔３２を介して第１反射体３０から排出された光を反射して光減衰部６０の奥に集光させる集光ミラーであり例えば、光排出孔３２から排出された光を線状に集光させるシリンドリカルミラーである。第２反射体７０を設けることによって、投光素子１０から出射した光のうち光減衰部６０に入射した迷光（不要光）を光減衰部６０の奥に再集光させることができるので、光減衰部６０に入射した光が第１反射体３０に戻ることを抑制することができる。

【0038】

筐体８０は、投光素子１０、受光素子２０、第１反射体３０、加熱装置４０及び投光レンズ５０等を収容するケースである。具体的には、筐体８０は、投光素子１０、受光素子２０、第１反射体３０、加熱装置４０及び投光レンズ５０等を保持するように構成されている。筐体８０は、例えば扁平直方体の箱状のケースである。

【0039】

図１及び図３に示すように、筐体８０には、流入口８０ａと流出口８０ｂとが設けられている。粒子を含む気体は、流入口８０ａから筐体８０の内部に流入し、検知領域ＤＡを通って流出口８０ｂから筐体８０の外部に流出する。流入口８０ａは、筐体８０内に大気を導入するための大気導入孔である。流出口８０ｂは、筐体８０から気体を排出するための大気排出孔である。なお、流入口８０ａの開口面積を流出口８０ｂの開口面積よりも大きくすることによって、効率良く筐体８０内に大気を導入して排気することができる。

【0040】

図１に示すように、筐体８０は、第１筐体部８１と第２筐体部８２とによって構成されている。また、図２及び図３に示すように、第１筐体部８１は、さらに、第１支持部材８１ａと第２支持部材８１ｂとによって構成されている。

【0041】

第１支持部材８１ａは、少なくとも受光素子２０を支持している。本実施の形態において、第１支持部材８１ａは、受光素子２０、第１反射体３０、加熱装置４０及び投光レンズ５０を支持している。つまり、投光レンズ５０は、第２支持部材８１ｂとは異なる部材、具体的には、第１支持部材８１ａに支持されている。また、第２支持部材８１ｂは、投光素子１０を支持している。

【0042】

第１支持部材８１ａと第２支持部材８１ｂとは線膨張係数が異なっている。本実施の形態において、第１支持部材８１ａの線膨張係数は、第２支持部材８１ｂの線膨張係数よりも大きい。具体的には、第１支持部材８１ａは樹脂材料によって構成され、第２支持部材８１ｂは金属材料によって構成されている。例えば、第１支持部材８１ａは黒色のＡＢＳ樹脂によって構成され、第２支持部材８１ｂはアルミニウムによって構成されている。また、第２筐体部８２は、第１支持部材８１ａと同じ樹脂材料によって構成されている。具体的には、第２筐体部８２は、黒色のＡＢＳ樹脂によって構成されている。なお、第１筐体部８１（第１支持部材８１ａ及び第２支持部材８１ｂ）と第２筐体部８２の材料は、これらの材料に限るものではない。

【0043】

図４及び図５に示すように、第１支持部材８１ａは、受光素子２０が配置される第１配置部８１ａ１と、第２支持部材８１ｂが配置される第２配置部８１ａ２とを有する。例えば、第１配置部８１ａ１は受光素子２０が載置される載置面であり、第２配置部８１ａ２は第２支持部材８１ｂが載置される載置面である。第１配置部８１ａ１と第２配置部８１ａ２とは、投光素子１０の光軸Ｊ１からの距離が異なる位置に設けられている。本実施の形態では、投光素子１０から光が出ていない状態（非発光時）において、第１配置部８１ａ１と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離が第２配置部８１ａ２と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離よりも小さくなるように設定されている。

【0044】

また、第１支持部材８１ａと第２支持部材８１ｂとは複数箇所で接続されている。第１支持部材８１ａと第２支持部材８１ｂとは、互いに対向する面が面接触した状態で２本のねじ９１及び９２によって固定されている。

【0045】

以上のように構成される粒子検出センサ１では、例えば以下のようにして、粒子検出センサ１（筐体８０）内に流入した気体（大気）に含まれる粒子を検出することができる。

【0046】

この場合、流入口８０ａから筐体８０内に流入した気体は、検知領域ＤＡに導かれる。このとき、気体に粒子（エアロゾル）が含まれていると、投光素子１０から出射した光は、検知領域ＤＡに存在する粒子で反射する。これにより、粒子から散乱光が発生する。発生した粒子の散乱光の一部は、第１反射体３０で反射されて受光素子２０に導かれる。受光素子２０に入射した光は電気信号に変換されて出力される。この電気信号によって、粒子検出センサ１内に流入した気体中に粒子が存在することが分かる。

【0047】

また、受光素子２０で受光した信号の大きさ、つまり、粒子による散乱光の光強度の大きさによって、粒子の大きさ（粒径）を判別することができる。したがって、大気中に含まれる粒子が、ホコリであるか、花粉であるか、煙であるか、ＰＭ２．５（微小粒子状物質）であるかを判別することができる。

【0048】

さらに、受光素子２０で検出される信号の出力の１つ１つ、つまり、粒子による散乱光の光強度のピーク１つ１つは、粒子の１つ１つに対応するので、粒子検出センサ１内に流入された気体中の粒子の個数（量）や濃度を算出することもできる。

【0049】

一方、粒子検出センサ１内に流入された大気に粒子が含まれていない場合、検知領域ＤＡには粒子が存在しないので、投光素子１０から出射した光は検知領域ＤＡを通過してそのまま直進するので、粒子による散乱光が発生しない。したがって、この場合、基本的には受光素子２０の反応がないので、粒子検出センサ１内に流入された気体中に粒子が存在しないと判断される。

【0050】

次に、本実施の形態における粒子検出センサ１の光学的な動作について、図７〜図９を用いて説明する。図７は、半導体発光素子についての温度と光出力変化との関係を示す図である。図８は、実施の形態に係る粒子検出センサ１の動作原理を説明するための図であり、図１〜図５に示す粒子検出センサ１を簡略化して模式的に示している。図９は、粒子検出センサ１の動作原理を説明するための図であり、低温時と高温時における投光素子１０の光出強度分布を示している。

【0051】

図７に示すように、ＬＤ（半導体レーザ）又はＬＥＤ等の半導体発光素子は、発光によって半導体発光素子自身から熱が発生し、これにより半導体発光素子の温度が上昇して光出力が低下するという温度特性を有する。

【0052】

このため、投光素子として半導体発光素子を用いた粒子検出センサでは、粒子検出センサの使用に伴って投光素子の光出力が低下する。このため、投光素子の温度による光出力の変化を補正しなければ、投光素子の発光に伴って経時的に検出精度が低下し、検出精度がばらつく。

【0053】

そこで、本実施の形態における粒子検出センサ１では、第１支持部材８１ａ及び第２支持部材８１ｂの線膨張係数の大小関係と、投光素子１０の光軸Ｊ１及び受光素子２０の光軸Ｊ２の位置とを予め調整して設定しておくことで、投光素子１０の温度による光出力の変化を補正している。

【0054】

具体的には、本実施の形態における粒子検出センサ１では、第１支持部材８１ａと第２支持部材８１ｂとの線膨張係数を異ならせるとともに、低温時（投光素子１０から光が出ていない状態等）において、投光素子１０の光軸Ｊ１から第１配置部８１ａ１までの距離と投光素子１０の光軸Ｊ１から第２配置部８１ａ２までの距離とが異なるように第１支持部材８１ａを構成している。

【0055】

本実施の形態では、第１支持部材８１ａの線膨張係数を第２支持部材８１ｂの線膨張係数よりも大きくし、図８（ａ）に示すように、投光素子１０の非発光時である低温時において、第１配置部８１ａ１と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離が第２配置部８１ａ２と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離よりも小さくなるように第１支持部材８１ａを構成している。この場合、低温時において、投光素子１０の光軸Ｊ１と受光素子２０の光軸Ｊ２とは光学的に一致させていない。

【0056】

これにより、図８（ｂ）に示すように、高温時（粒子検出センサ１を動作させる等して投光素子１０が発光している状態等）においては、上記線膨張係数の関係によって第１支持部材８１ａが第２支持部材８１ｂよりも熱膨張量が大きくなるので、第１配置部８１ａ１上の受光素子２０の光軸Ｊ２と第２配置部８１ａ２上の投光素子１０の光軸Ｊ１とが近づくことになる。これにより、投光素子１０の光軸Ｊ１と受光素子２０の光軸Ｊ２とが光学的に一致する。つまり、投光素子１０の光軸Ｊ１と受光素子２０の光軸Ｊ２とが投光レンズ５０を介して連続することになる。

【0057】

このとき、低温時には投光素子１０の光軸Ｊ１と受光素子２０の光軸Ｊ２とが光学的に一致していないので、図９に示すように、低温時における受光素子２０の光入力は、低温時の投光素子１０の光出力を示す光強度分布における点Ｐ１の光強度での粒子の散乱光によるものとなる。つまり、低温時において、受光素子２０は、投光素子１０から出射する光に対して、ピーク強度ではなくピーク強度よりも低い光強度の光によって生じる粒子の散乱光を受光する。

【0058】

一方、高温時には、図９に示すように、投光素子１０の温度特性によって投光素子１０の光出力は低下することになるが、上記のように、受光素子２０の光軸Ｊ２と投光素子１０の光軸Ｊ１とが近づくことになるので、受光素子２０は、投光素子１０から出射する光のピーク強度に近い強度（点Ｐ２）の光出力によって生じる散乱光を受光する。言い換えると、高温時において受光素子２０の光軸Ｊ２と投光素子１０の光軸Ｊ１とが近づいて光学的に一致するように設定されている。

【0059】

この結果、図９に示すように、低温時及び高温時のいずれにおいても、受光素子２０は、投光素子１０から出射する光に対して、ほぼ同じ光強度の光によって生じる粒子の散乱光を受光することになる。

【0060】

このように、本実施の形態における粒子検出センサ１では、低温時においてあえて投光素子１０のピーク強度の光を用いずに粒子を検出している。これにより、低温時ではピーク強度の光による粒子の散乱光を用いていないので検出精度を多少犠牲することになるが、低温時と高温時とでほぼ同じ光強度の光による粒子の散乱光を用いているので、低温時の検出精度と高温時の検出精度との差をなくすことができる。つまり、低温時と高温時との検出精度の変化を小さくすることができる。

【0061】

以上、本実施の形態における粒子検出センサ１によれば、第１支持部材８１ａ及び第２支持部材８１ｂの線膨張係数の大小関係と、投光素子１０の光軸Ｊ１及び受光素子２０の光軸Ｊ２の位置とを予め調整して設定しておくことで、温度センサを使用することなく投光素子１０の温度による光出力の変化を補正している。したがって、低コストで投光素子１０の温度による光出力の変化に伴う検出精度のばらつきを抑制することができる。つまり、検出精度に対する投光素子１０の温度依存性をなくし、検出精度を一定に維持することができる粒子検出センサを実現することができる。

【0062】

なお、本実施の形態における粒子検出センサ１では、投光レンズ５０を用いたが、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示すように、投光レンズ５０は用いなくて、投光素子１０の温度による光出力の変化を補正することができる。

【0063】

この場合、図８（ａ）と同様に、第１支持部材８１ａの線膨張係数を第２支持部材８１ｂの線膨張係数よりも大きくし、図１０（ａ）に示すように、低温時において、第１配置部８１ａ１と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離が第２配置部８１ａ２と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離よりも小さくなるように第１支持部材８１ａを構成しているが、投光レンズ５０を用いていないので、図１０（ｂ）に示すように、高温時においては、投光レンズ５０を用いることなく投光素子１０の光軸Ｊ１と受光素子２０の光軸Ｊ２とが光学的に一致するように、第１支持部材８１ａ及び第２支持部材８１ｂが構成されている。

【0064】

これにより、上記同様に、低温時及び高温時のいずれにおいても、受光素子２０は、投光素子１０から出射する光に対して、ほぼ同じ光強度の光によって生じる粒子の散乱光を受光する。したがって、温度センサを使用することなく投光素子１０の温度による光出力の変化を補正できるので、低コストで投光素子１０の温度による光出力の変化に伴う検出精度のばらつきを抑制することができる。

【0065】

また、本実施の形態における粒子検出センサ１のように、第１支持部材８１ａと第２支持部材８１ｂとは複数箇所で接続されているとよい。例えば、本実施の形態における粒子検出センサ１のように、第１支持部材８１ａと第２支持部材８１ｂとをねじ９１及び９２よって接続することができる。この場合の粒子検出センサは、図１１の（ａ）及び（ｂ）に示すように模式的に表すことができる。

【0066】

このように、第１支持部材８１ａと第２支持部材８１ｂとを複数箇所で接続することによって、図１１（ｂ）に示すように、高温時において第２支持部材８１ｂをたわませることができる。この結果、投光素子１０の光軸Ｊ１の角度を変化させることができるので、第２支持部材８１ｂの熱膨張量又は位置の変化が微小であったとしても投光素子１０の光軸Ｊ１と受光素子２０の光軸Ｊ２とのずれを大きくすることができる。したがって、第２支持部材８１ｂの構造が小さくても、投光素子１０の温度による光出力の変化を効果的に補正することができる。

【0067】

なお、第１支持部材８１ａと第２支持部材８１ｂとは直接接続されていてもよいし間接的に接続されていてもよい。また、図１１の（ａ）及び（ｂ）に示される粒子検出センサでは、投光レンズ５０を用いていないが、投光レンズ５０を用いて調整されていてもよい。

【0068】

また、本実施の形態における粒子検出センサ１において、投光レンズ５０は、第２支持部材８１ｂとは異なる部材に支持されている。具体的には、投光レンズ５０は、第１支持部材８１ａに支持されている。

【0069】

これにより、投光素子１０と投光レンズ５０の焦点との位置を変化させることができる。この結果、投光素子１０の光軸Ｊ１の角度を変化させることができるので、上記同様に、第２支持部材８１ｂの熱膨張量又は位置の変化が微小であったとしても投光素子１０の光軸Ｊ１と受光素子２０の光軸Ｊ２とのずれを大きくすることができる。したがって、第２支持部材８１ｂの構造が小さくても、投光素子１０の温度による光出力の変化を効果的に補正することができる。

【0070】

（変形例）
以上、本発明に係る粒子検出センサについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

【0071】

例えば、上記実施の形態では、第１支持部材８１ａの線膨張係数を第２支持部材８１ｂの線膨張係数よりも大きくし、低温時において第１配置部８１ａ１と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離が第２配置部８１ａ２と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離よりも小さくなるように第１支持部材８１ａを構成したが、これに限るものではない。

【0072】

具体的には、第１支持部材８１ａの線膨張係数を第２支持部材８１ｂの線膨張係数よりも小さくし、図１２（ａ）に示すように、低温時において第１配置部８１ａ１と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離が第２配置部８１ａ２と投光素子１０の光軸Ｊ１との距離よりも小さくなるように第１支持部材８１ａを構成してもよい。

【0073】

これにより、図１２（ｂ）に示すように、高温時においては、上記線膨張係数の関係によって第２支持部材８１ｂが第１支持部材８１ａよりも熱膨張量が大きくなるので、第２配置部８１ａ２上の投光素子１０の光軸Ｊ１と第１配置部８１ａ１上の受光素子２０の光軸Ｊ２とが近づくことになる。これにより、投光素子１０の光軸Ｊ１と受光素子２０の光軸Ｊ２とが光学的に一致する。

【0074】

この結果、図９で説明した動作原理と同じ動作原理によって、低温時及び高温時のいずれにおいても、受光素子２０は、投光素子１０から出射する光に対して、ほぼ同じ光強度の光によって生じる粒子の散乱光を受光することになる。これにより、図１２の（ａ）及び（ｂ）に示す形態についても、温度センサを使用することなく投光素子１０の温度による光出力の変化を補正することができる。したがって、低コストで投光素子１０の温度による光出力の変化に伴う検出精度のばらつきを抑制することができる。

【0075】

また、上記実施の形態では、投光素子１０の光軸Ｊ１を基準にして、低温時における投光素子１０の光軸Ｊ１から第１配置部８１ａ１までの距離と投光素子１０の光軸Ｊ１から第２配置部８１ａ２までの距離が異なるように第１支持部材８１ａを構成したが、これに限るものではない。

【0076】

具体的には、受光素子２０の光軸Ｊ２を基準にして、低温時における受光素子２０の光軸Ｊ２から第１配置部８１ａ１までの距離と受光素子２０の光軸Ｊ２から第２配置部８１ａ２までの距離が異なるように第１支持部材８１ａを構成してもよい。この場合も上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0077】

また、上記実施の形態における粒子検出センサは、ダストセンサに搭載することができる。例えば、当該ダストセンサは、内蔵する粒子検出センサによってホコリの粒子を検知した場合、ホコリを検知したことを音や光によって報知したり表示部に表示したりする。

【0078】

また、上記実施の形態における粒子検出センサは、煙感知器に搭載することができる。例えば、煙感知器は、内蔵する粒子検出センサによって煙の粒子を検知した場合、煙を検知したことを音や光によって報知したり表示部に表示したりする。

【0079】

また、上記実施の形態における粒子検出センサ又は上記ダストセンサは、空気清浄機、換気扇又はエアコン等に搭載することができる。この場合、例えば、当該空気清浄機、換気扇又はエアコンは、内蔵する粒子検出センサによってホコリの粒子を検知した場合、単にホコリを検知したことを表示部に表示してもよいし、ファンを起動したりファンの回転速度を変更したり等のファンの制御を行ったりしてもよい。

【0080】

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

【符号の説明】

【0081】

１ 粒子検出センサ
１０ 投光素子
２０ 受光素子
５０ 投光レンズ
８１ａ 第１支持部材
８１ａ１ 第１配置部
８１ａ２ 第２配置部
８１ｂ 第２支持部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】