浮遊粒子状物質測定装置及び浮遊粒子状物質測定方法
【課題】浮遊粒子状物質測定装置及び浮遊粒子状物質測定方法において、浮遊粒子状物質の粒径分布を簡便に測定できるようにすること。
【解決手段】大気中で放電を生じさせる放電針３と、大気に含まれる浮遊粒子状物質Pが流通する第１のメッシュ電極４と、第１のメッシュ電極４と比較して放電針３から離れて設けられ、浮遊粒子状物質Pが流通する第２のメッシュ電極５と、第２のメッシュ電極５と比較して放電針３から離れて設けられ、浮遊粒子状物質Pが付着するQCMセンサ６と、放電針３と第１のメッシュ電極４との間、第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５との間、及び第２のメッシュ電極５とQCMセンサ６との間の各々に電位差を与える電圧発生部１１と、QCMセンサ６の共振周波数の変化に基づいて浮遊粒子状物質Pの粒径分布を測定する測定部１２ａとを有する浮遊粒子状物質測定装置による。
【解決手段】大気中で放電を生じさせる放電針３と、大気に含まれる浮遊粒子状物質Pが流通する第１のメッシュ電極４と、第１のメッシュ電極４と比較して放電針３から離れて設けられ、浮遊粒子状物質Pが流通する第２のメッシュ電極５と、第２のメッシュ電極５と比較して放電針３から離れて設けられ、浮遊粒子状物質Pが付着するQCMセンサ６と、放電針３と第１のメッシュ電極４との間、第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５との間、及び第２のメッシュ電極５とQCMセンサ６との間の各々に電位差を与える電圧発生部１１と、QCMセンサ６の共振周波数の変化に基づいて浮遊粒子状物質Pの粒径分布を測定する測定部１２ａとを有する浮遊粒子状物質測定装置による。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊粒子状物質測定装置及び浮遊粒子状物質測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中には人間の健康に影響を及ぼす様々な浮遊粒子状物質（SPM: Suspended Particulate Matter）が存在する。
【０００３】
浮遊粒子状物質には、自然界に由来するものと、工場やディーゼルエンジンの排ガスに含まれる人工的なものとがあるが、前者と後者とでは粒径分布が異なる。よって、大気中の浮遊粒子状物質をモニタリングしてその粒径分布を測定すれば、浮遊粒子状物質が自然界に由来するものなのか或いは人工的なものなのかを判別でき、大気環境を知るための判断材料を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５７８７３号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／０５７２５６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
浮遊粒子状物質測定装置及び浮遊粒子状物質測定方法において、浮遊粒子状物質の粒径分布を簡便に測定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下の開示によれば、大気中で放電を生じさせる放電針と、前記放電針の先端から間隔をおいて設けられ、前記大気に含まれる浮遊粒子状物質が流通する第１のメッシュ電極と、前記第１のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記浮遊粒子状物質が流通する第２のメッシュ電極と、前記第２のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記第２のメッシュ電極を流通した前記浮遊粒子状物質が付着するQCMセンサと、前記放電針と前記第１のメッシュ電極との間、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間、及び前記第２のメッシュ電極と前記QCMセンサとの間の各々に電位差を与える電圧発生部と、前記浮遊粒子状物質の付着に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定する測定部とを有する浮遊粒子状物質測定装置が提供される。
【０００７】
また、その開示の他の観点によれば、大気中の一部領域において、該大気に含まれる浮遊粒子状物質を帯電させるステップと、前記一部領域と、該一部領域から間隔をおいて設けられたQCMセンサとの間に電位差を付与することにより、帯電した前記浮遊粒子状物質を静電力により前記QCMセンサに引き付けるステップと、前記電位差を付与してからの経過時間を前記浮遊粒子状物質の粒径に対応付けると共に、前記経過時間に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化をモニタすることにより、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定するステップとを有する浮遊粒子状物質測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
以下の開示によれば、浮遊粒子状物質がその粒径によってQCMセンサに到達する時間が異なることを利用することで、電位差を付与してからの経過時間に基づいてその粒径の分布を簡単に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の構成図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る発振回路の回路図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の動作原理について説明するための模式図（その１）である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の動作原理について説明するための模式図（その２）である。
【図５】図５は、第１実施形態に係る共振周波数の時間微分の一例を示すグラフである。
【図６】図６は、第１実施形態において得られた浮遊粒子状物質の粒径分布を模式的に示すグラフである。
【図７】図７は、浮遊粒子状物質の実際の粒径分布の一例を示す図である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る浮遊粒子状物質測定方法のフローチャートである。
【図９】図９は、第２実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の構成図である。
【００１１】
この浮遊粒子状物質測定装置１は、放電針３と、第１のメッシュ電極４と、第２のメッシュ電極５と、QCM(Quartz Crystal Microbalance)センサ６とを有する。
【００１２】
このうち、放電針３は、タングステン等の金属を材料とするものであって、コロナ放電を生じさせるための先鋭な先端３ａを有する。
【００１３】
一方、第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５は、ステンレス等の金属を材料とするものであり、大気中の浮遊粒子状物質が流通するのに十分な一辺の長さが０．５mm程度の正方形のメッシュ開口を複数有する。
【００１４】
第１のメッシュ電極４の位置は特に限定されない。但し、放電針３の先端３ａと第１のメッシュ電極４との間においてコロナ放電が生じる程度の十分な大きさの電位勾配が生じるように、先端３ａから２cm〜３cm程度の間隔D1をおいて第１のメッシュ電極４を設けるのが好ましい。
【００１５】
また、第２のメッシュ電極５は、第１のメッシュ電極４と平行に配されると共に、第１のメッシュ電極５と比較して放電針３から離れて設けられる。その第２のメッシュ電極５と第１のメッシュ電極４との間隔D2は、例えば約１cm程度である。
【００１６】
一方、QCMセンサ６は、水晶振動子６ｃとその両主面の各々に形成された第１の電極６ａ及び第２の電極６ｂとを有し、第１の電極６ａが第２のメッシュ電極５に対向した状態で固定される。
【００１７】
その第１の電極６ａと第２のメッシュ電極５との間隔D3は、例えば約１０cm程度とされる。
【００１８】
また、この浮遊粒子状物質測定装置１は金属製の円筒状の筐体２を有しており、その筐体の中心軸Cに前述の放電針３、第１のメッシュ電極４、第２のメッシュ電極５、及びQCMセンサ６が設けられる。
【００１９】
筐体２の各開口端２ａ、２ｂは開放されており、一方の開口端２ａから筐体２内に大気Aが取り込まれ、他方の開口端２ｂから大気Aが排出される。そのような大気Aの流入を促すべく、他方の開口端２ｂにはファン７が設けられる。
【００２０】
ファン７の回転軸は円筒状の筐体２の中心軸Cと一致しており、筐体２内の大気Aを開口端２ｂから外部に放出する方向にファン７は回転する。
【００２１】
更に、この浮遊粒子状物質測定装置１は、電圧発生部１１と、制御部１２と、発振回路１３と、周波数カウンタ１４と、ファン制御回路１５とを備える。
【００２２】
このうち、電圧発生部１１は第１〜第４の電圧V1〜V4を生成し、これらの電圧の各々を前述の放電針３、第１のメッシュ電極４、第２のメッシュ電極５、及びQCMセンサ６の第１の電極６ａに印加する。
【００２３】
また、発振回路１３は、QCMセンサ６を基本波モードで共振させるための回路である。なお、QCMセンサ６に所定の大きさの第４の電圧V4を印加できるようにするため、QCMセンサ６と接続される発振回路１３は電気的にフローティングの状態とするのが好ましい。
【００２４】
図２は、発振回路１３の回路図である。
【００２５】
図２に示すように、発振回路１３は、インバータ１８と、第１及び第２の抵抗R1、R2と、第１及び第２のキャパシタC1、C2とを備える。
【００２６】
このような回路においては、インバータ１８がQCMセンサ６と協働して並列共振回路を形成しており、第１及び第２のキャパシタC1、C2の容量値を適宜設定することで、QCMセンサ６を発振させることができる。
【００２７】
なお、QCMセンサ６を流れる水晶電流の大きさは第１の抵抗R1によって調節される。そして、インバータ２８には電源電圧Vddが印加されており、第２の抵抗R2がインバータ１８の帰還抵抗として機能する。
【００２８】
再び図１を参照する。
【００２９】
周波数カウンタ１４は、発振回路１３を介してQCMセンサ６の共振周波数fを測定し、その測定結果を制御部１２に出力する。
【００３０】
制御部１２は、パーソナルコンピュータ等の計算機であって、CPU等の測定部１２ａと、ハードディスク等の記憶部１２ｂとを有する。
【００３１】
また、ファン制御回路１５は、制御部１２の制御下でファン７を回転させたり、その回転を停止させたりする。
【００３２】
次に、この浮遊粒子状物質測定装置１の動作原理について説明する。
【００３３】
図３及び図４は、浮遊粒子状物質測定装置１の動作原理について説明するための模式図である。
【００３４】
本実施形態では、以下のように第１〜第３段階を行うことにより、大気中に含まれる浮遊粒子状物質の粒径分布を測定する。
【００３５】
まず、第１段階では、図３（ａ）に示すように、第１〜第４の電圧V1〜V4を全て接地電位にした状態で、ファン７（図１参照）を回転させる。これにより大気中の浮遊粒子状物質Pが、第１のメッシュ電極４を流通して、第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５とで画定される一部領域Rに取り込まれる。
【００３６】
その後、ファン７の回転を停止する。
【００３７】
次の第２段階では、図３（ｂ）に示すように、放電針３と第１のメッシュ電極４との間にパルス状の高電圧を印加して先端３ａの近傍にパルス状のコロナ放電を発生させる。これにより、大気中において負イオンと正イオンとが生成される。
【００３８】
このとき、第２の電圧V2と第１の電圧V1との電位差（V2−V1）はコロナ放電が発生し得る１０００V程度とされる。また、第３の電圧V3と第２の電圧V2との電位差（V3−V2）を約２００V、第３の電圧V3と第４の電圧V4との電位差（V4−V3）を約１０００Vとすることにより、第１〜第４の電圧V1〜V4の各々の大小関係をV1＜V2＜V3＞V4とする。
【００３９】
電圧の大小関係をこのようにすると、コロナ放電によって帯電した大気イオンのうち、負に帯電したものが、第１〜第４の電圧V1〜V4のうち最も高い第３の電圧V3が印加されている第２のメッシュ電極５に引き付けられるようになる。その結果、前述の一部領域Rに負に帯電した大気イオンが収集されるので、当該一部領域Rにおいてその大気イオンと浮遊粒子状物質Pとが衝突し、電荷の付与によって浮遊粒子状物質Pを帯電させることができる。
【００４０】
更に、一部領域Rの輪郭のうち放電針３に近い部分を第１のメッシュ電極４で画定したので、コロナ放電が一部領域Rに侵入するのを第１のメッシュ電極４で阻止できる。そのため、一部領域Rに取り込まれた浮遊粒子状物質Pがコロナ放電によって破壊されることがなく、筐体２内に取り込んだ当初と同一の粒径に浮遊粒子状物質Pの粒径を維持することができる。
【００４１】
なお、上記のコロナ放電に代え、放電針３の周囲にグロー放電を生じさせてもよい。
【００４２】
次いで、図４（ａ）に示すように、第１〜第４の電圧V1〜V4の全てを一旦接地電位にする。なお、本ステップは、次の第３段階に移る際にオーバーシュートやリンギングが発生するのを防止するために行われるものであり、場合によっては省略してもよい。
【００４３】
その後に、図４（ｂ）の第３段階に移り、第１〜第４の電圧V1〜V4の大小関係をV1＝V2＜V3＜V4とする。各電圧は特に限定されないが、第１の電圧V1と第２の電圧V2は接地電位とする。また、第３の電圧V3と第２の電圧V2との電位差（V3−V2）を約２００Vとし、第４の電圧V4と第３の電圧V3との電位差（V4−V3）を約１０００Vとする。
【００４４】
電圧の大小関係をこのようにすると、負に帯電した浮遊粒子状物質Pは、第１〜第４の電圧V1〜V4のうち最も高い第４の電圧V4が印加されているQCMセンサ６に静電力で引き付けられ、そのQCMセンサ６の表面に浮遊粒子状物質Pが付着する。
【００４５】
ここで、浮遊粒子状物質Pには様々な粒径のものが存在するが、一部領域RからQCMセンサ６に到達するまでの時間は浮遊粒子状物質Pの粒径によって異なる。これは次のStokesの式から理解できる。
【００４６】
浮遊粒子状物質Pが大気中を移動するときに大気から受ける抵抗力Fは、Stokesの式によって次の式（１）のように表される。
【００４７】
【数１】
なお、式（１）において、ηは大気の粘度、rは浮遊粒子状物質Pの半径、vは粒子の速度である。
【００４８】
また、電界中に置かれた浮遊粒子状物質Pに働く静電引力feは次の式（２）で表される。
【００４９】
【数２】
なお、qは浮遊粒子状物質Pの電荷であり、Eは電界強度である。
【００５０】
浮遊粒子状物質Pが第２のメッシュ電極５からQCMセンサ６に向かう途中においては、浮遊粒子状物質Pの速度が一定で抵抗力Fと静電引力feとが釣り合っているとみなせるので、次の式（３）が得られる。
【００５１】
【数３】
これをrについて解くと、次の式（４）が得られる。
【００５２】
【数４】
そして、浮遊粒子状物質Pの直径（粒径）Rは、式（４）の両辺を２倍して次の式（５）のように表される。
【００５３】
【数５】
ここで、図１に示したように、第２のメッシュ電極５とQCMセンサ６との間隔はD3である。よって、第２のメッシュ電極５を出た浮遊粒子状物質PがQCMセンサ６に到達するまでの時間をtとすると、v＝D3/t、E＝（V4−V3）／D3となるから、式（５）から次の式（６）が得られる。
【００５４】
【数６】
式（６）より、時間tから浮遊粒子状物質Pの粒径Rを求めることができる。
【００５５】
一方、QCMセンサ６は、第１の電極６ａに浮遊粒子状物質Pが付着すると、その共振周波数fが変化する。第１の電極６ａに付着した浮遊粒子状物質Pの質量をMとすると、その共振周波数fの変化量Δfは、Saurbreyの式によって次の式（７）のように表されることが知られている。
【００５６】
【数７】
但し、fqは水晶振動子６ｃの基本共振周波数、ρqは水晶振動子６ｃの密度、Nは水晶振動子６ｃのカットに依存する定数、Sは第１の電極６ａの表面積である。
【００５７】
前述のように浮遊粒子状物質PがQCMセンサ６に到達する時間tは浮遊粒子状物質Pの粒径Rによって異なり、粒径Rが小さい浮遊粒子状物質Pから順にQCMセンサ６に到達する。
【００５８】
このような到達時間の時間差は、QCMセンサ６の共振周波数fの変化量Δfに反映される。
【００５９】
図５は、共振周波数の時間微分の一例を示すグラフである。
【００６０】
このグラフの横軸は時間を示し、縦軸は共振周波数fの微分係数の符号を逆にした値を示す。
【００６１】
図５に示すように、第３段階に入ってQCMセンサ６に浮遊粒子状物質Pが到達し始めるとグラフが増加し始める。これは、浮遊粒子状物質Pの付着によって第１の電極６ａの質量が増加して、式（７）に従って共振周波数fが変化したためである。
【００６２】
また、その第３段階においては、粒径Rが比較的小さい浮遊粒子状物質Pの集団に遅れて、粒径Rが比較的大きい浮遊粒子状物質Pの集団がQCMセンサ６に到達するようになるため、グラフには二つのピークが現れる。
【００６３】
そして、式（６）に示したように、浮遊粒子状物質Pの粒径Rと時間tとは対応付けられるので、式（６）により図５のグラフの横軸の時間を粒径に変換すれば浮遊粒子状物質Pの粒径分布を得ることができる。
【００６４】
図６は、このようにして得られた浮遊粒子状物質Pの粒径分布を模式的に示すグラフである。なお、このグラフの縦軸は図５と同様に−df/dtであり、これは式（７）よりQCMセンサ６に付着する浮遊粒子状物質Pの単位時間あたりの質量の変化量に相当し、大気中に含まれる浮遊粒子状物質Pの量の目安となる。
【００６５】
浮遊粒子状物質Pの粒径分布は、浮遊粒子状物質Pの起源によって異なることが知られている。
【００６６】
図７は、浮遊粒子状物質Pの実際の粒径分布の一例を示す図である。
【００６７】
図７に示すように、実際の粒径分布においては、浮遊粒子状物質Pの起源に応じて複数のピークが現れる。例えば、粒径が１μm以上の粗大粒子は土壌や海塩等のように自然に由来するものが多く、粒径が１μm以下の微小粒子はディーゼルエンジン等の人工的なものに由来することが多いことが知られている。
【００６８】
よって、本実施形態のように浮遊粒子状物質Pの粒径分布を測定すれば、その浮遊粒子状物質Pの起源を知ることができ、大気環境を知るための判断材料を得ることができる。
【００６９】
また、図１に示したように、浮遊粒子状物質測定装置１は、QCMセンサ６を利用した極めてシンプルな構造であるため、安価に作製することができる。
【００７０】
更に、浮遊粒子状物質Pの粒径分布を測定するにあたっても、QCMセンサ６の共振周波数fの時間変動を計測すればよく、簡便に粒径分布を測定することができる。
【００７１】
なお、粒径分布のS/N比が小さい場合には、前述の図３（ａ）〜図４（ｂ）の工程を１セットとし、これを複数セット行うことで粒径分布のS/N比を向上させればよい。
【００７２】
更に、既知の粒径の微粒子を用いて予め実験を行うことにより式（６）の各係数を校正し、粒径分布の測定精度を向上させてもよい。
【００７３】
次に、前述の動作原理を利用した浮遊粒子状物質測定方法について説明する。
【００７４】
図８は、本実施形態に係る浮遊粒子状物質測定方法のフローチャートである。
【００７５】
まず、最初のステップS1では、制御部１２（図１参照）の制御下でファン７の回転を開始する。
【００７６】
なお、この段階では、第１〜第４の電圧V1〜V4は全て接地電位とする。
【００７７】
そして、ステップS2に移り、制御部１２の制御下で、ファン７の回転を開始してから所定時間T1だけ待つ。所定時間T1は、筐体２内の大気が外気と交換するのに必要な時間であって、例えば５秒〜１０秒程度である。
【００７８】
所定時間T1が経過したら、ステップS3に移って制御部１２の制御下でファン７の回転を停止する。
【００７９】
ここまでのステップにより、図３（ａ）の第１段階が終了する。
【００８０】
次に、ステップS4に移り、制御部１２の制御下において第１〜第４の電圧V1〜V4の大小関係をV1＜V2＜V3＞V4とする。これにより、図３（ｂ）に示した第２段階が行われ、放電針３の先端３ａにおいてパルス状のコロナ放電を発生させる。なお、第２段階における第１〜第４の電圧V1〜V4の電圧値は図３（ｂ）で説明したのと同じなので、ここでは省略する。
【００８１】
続いて、ステップS5に移り、制御部１２の制御下で、第２段階を開始してから所定時間T2だけ待つ。所定時間T2は、コロナ放電によって生成された負イオンが一部領域R（図３（ｂ）参照）に移動し、当該領域R内における浮遊粒子状物質Pと衝突するのに要する時間であって、例えば１秒〜２秒程度である。
【００８２】
そして、所定時間T2が経過したらステップS6に移る。本ステップでは、制御部１２の制御下において第１〜第４の電圧V1〜V4の全てを一旦接地電位とする。
【００８３】
その後、ステップS7に移り、第１〜第４の電圧V1〜V4を接地電位としてから所定時間T3だけ待つ。所定時間T3は、第１〜第４の電圧V1〜V4を第３段階で使用する値に切り替える際のオーバーシュートやリンギングを抑制するためのものであって、１０ミリ秒〜１００ミリ秒程度のごく短い時間でよい。
【００８４】
そして、所定時間T3が経過したらステップS8に移り、制御部１２の制御下において第１〜第４の電圧V1〜V4の大小関係をV1＝V2＜V3＜V4とし、図４（ｂ）に示した第３段階に入る。なお、第３段階における第１〜第４の電圧V1〜V4の電圧値は図４（ｂ）で説明したのと同じなので、ここでは省略する。
【００８５】
また、これと共に、制御部１２が内蔵する不図示の時間カウンタを制御部１２自身がリセットし、粒径分布の測定開始の基準となる経過時間tを0とする。
【００８６】
続いて、ステップS9に移り、周波数カウンタ１４から出力されるQCMセンサ６の発振周波数fの測定値を制御部１２が所定の時間間隔で取り込み、経過時間tと共にその共振周波数fを記憶部１２ｂに記憶する。
【００８７】
なお、発振周波数fを取り込む上記の時間間隔は、例えば１００ミリ秒程度である。
【００８８】
そして、ステップS10に移り、現在の経過時間tが、ユーザが測定を希望する浮遊粒子状物質Pの最大粒径を測定するのに十分経過しているか否かを制御部１２が判断する。その経過時間tは、式（６）に最大粒径Rを代入し、式（６）をtについて解くことで得られる。
【００８９】
ここで、十分でない（NO）と判断した場合には再びステップS9からやり直す。
【００９０】
一方、十分である（YES）と判断した場合には、ステップS11に移る。
【００９１】
ステップS11では、測定部１２ａが、ステップS9で取得した共振周波数fを各経過時間tについて微分して共振周波数fの変化をモニタすると共に、式（６）に従って時間tを浮遊粒子状物質Pの粒径Rに対応付けることで、図６に示したような粒径分布を測定する。
【００９２】
次に、ステップS12に移り、ステップS11で作成された粒径分布が十分な品質であるか否かをユーザが判断する。この判断基準は特に限定されないが、本実施形態では、ユーザの経験により、粒径分布が現実を反映する程度に十分に滑らかかどうかによりこの判断を行う。
【００９３】
ここで、粒径分布の品質は十分でない（NO）と判断された場合には、再びステップS1に戻り、粒径分布を再作成する。
【００９４】
一方、粒径分布の品質は十分である（YES）と判断された場合には、浮遊粒子状物質測定方法の基本ステップを終了する。
【００９５】
上記した本実施形態によれば、式（６）に基づいて時間tから浮遊粒子状物質Pの粒径Rを求めることで当該粒径Rの分布を簡便に知ることができるので、身近な大気環境を測定することにより環境改善に資することができるようになる。
【００９６】
（第２実施形態）
図９は、本実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の構成図である。
【００９７】
なお、図９において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００９８】
図９に示すように、本実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置３０は、筐体２の側面に導入ダクト３１と排気ダクト３２を設ける。そして、その排気ダクト３２内にファン７を設け、ファン７の回転軸の延長線７ｘを、第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５との間において円筒状の筐体２の中心軸Cと直交させる。
【００９９】
また、筐体２の開口端２ａ、２ｂは封止板３５によって閉じられている。
【０１００】
なお、この浮遊粒子状物質測定装置３０を用いた浮遊粒子状物質測定方法は、第１実施形態と同じなので、以下ではその説明を省略する。
【０１０１】
この浮遊粒子状物質測定装置３０では、制御部１２の制御下でファン７を回転させることにより、浮遊粒子状物質Pを含んだ大気Aが導入ダクト３１から筐体２内に導入される。
【０１０２】
その浮遊粒子状物質Pは、ファン７の回転によって生じた気流に乗って延長線７ｘに沿って進むため、延長線７ｘに直交する軸Cに沿って放電針３に近づく危険が少なくなり、実質的には第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５との間に留まる。
【０１０３】
よって、放電針３の近傍に発生するコロナ放電によって浮遊粒子状物質Pが破壊される危険性を低減し、外気に含まれていたときと同一の粒径を保ったまま筐体２内に浮遊粒子状物質Pを導入し、その粒径分布を精度良く測定することが可能となる。
【０１０４】
更に、このように放電針３から浮遊粒子状物質Pが離れることにより、放電針３の表面に浮遊粒子状物質Pが付着して当該表面が劣化するのを防止することもできる。
【０１０５】
以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態は上記に限定されない。例えば、上記では図３〜図４のように浮遊粒子状物質Pを負に帯電させたが、第１〜第４の電圧V1〜V4の不等号の向きを上記とは逆にして浮遊粒子状物質Pを正に帯電させてもよい。浮遊粒子状物質Pを正と負のどちらに帯電させるかは、浮遊粒子状物質Pがどちらの極性に帯電し易いかに応じて適宜判断すればよい。
【０１０６】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１０７】
（付記１） 大気中で放電を生じさせる放電針と、
前記放電針の先端から間隔をおいて設けられ、前記大気に含まれる浮遊粒子状物質が流通する第１のメッシュ電極と、
前記第１のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記浮遊粒子状物質が流通する第２のメッシュ電極と、
前記第２のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記第２のメッシュ電極を流通した前記浮遊粒子状物質が付着するQCMセンサと、
前記放電針と前記第１のメッシュ電極との間、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間、及び前記第２のメッシュ電極と前記QCMセンサとの間の各々に電位差を与える電圧発生部と、
前記浮遊粒子状物質の付着に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定する測定部と、
を有することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
【０１０８】
（付記２） 前記電圧発生部は、
前記放電針に第１の電圧を与え、前記第１のメッシュ電極に第２の電圧を与え、前記第２のメッシュ電極に第３の電圧を与え、前記QCMセンサに第４の電圧を与えると共に、
前記第１の電圧、前記第２の電圧、前記第３の電圧、及び前記第４の電圧の全てを同一にする第１のステップと、
前記第２の電圧を前記第１の電圧よりも高くし、前記第３の電圧を前記第２の電圧よりも高くし、かつ、前記第４の電圧を前記第３の電圧よりも低くする第２のステップと、
前記第２の電圧を前記第１の電圧と同一にし、前記第３の電圧を前記第２の電圧よりも高くし、かつ、前記第４の電圧を前記第３の電圧よりも高くする第３のステップとをこの順に行い、
前記測定部は、前記第３のステップにおける前記共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊粒子状物質の前記粒径分布を測定することを特徴とする付記１に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１０９】
（付記３） 前記測定部は、前記粒径分布の前記測定を開始した時刻からの経過時間に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定することを特徴とする付記１又は付記２に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１０】
（付記４） 前記測定部は、前記共振周波数を前記経過時間で微分して得られたグラフを前記粒径分布とすることを特徴とする付記３に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１１】
（付記５） 前記放電針、前記第１のメッシュ電極、前記第２のメッシュ電極、及び前記QCMセンサを収容する筐体と、
前記筐体の内部に大気を取り込むファンとを更に有することを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１２】
（付記６） 前記放電針、前記第１のメッシュ電極、前記第２のメッシュ電極、及び前記QCMセンサが同一の軸上に設けられ、
前記ファンの回転軸の延長線が、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間において前記軸と直交することを特徴とする付記５に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１３】
（付記７） 前記QCMセンサは、水晶振動子と、該水晶振動子の両主面の各々に形成された第１の電極及び第２の電極とを備え、
前記第１の電極が前記第２のメッシュ電極と対向して設けられ、前記第１の電極と前記第２のメッシュ電極との間に前記電位差が与えられることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれかに記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１４】
（付記８） 前記放電針と前記第１のメッシュ電極との前記電位差は、前記放電針の前記先端において放電が発生し得る値であることを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１５】
（付記９） 大気中の一部領域において、該大気に含まれる浮遊粒子状物質を帯電させるステップと、
前記一部領域と、該一部領域から間隔をおいて設けられたQCMセンサとの間に電位差を付与することにより、帯電した前記浮遊粒子状物質を静電力により前記QCMセンサに引き付けるステップと、
前記電位差を付与してからの経過時間を前記浮遊粒子状物質の粒径に対応付けると共に、前記経過時間に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化をモニタすることにより、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定するステップと、
を有すること浮遊粒子状物質測定方法。
【０１１６】
（付記１０） 前記浮遊粒子状物質を帯電させるステップは、互いに対向する第１のメッシュ電極と第２のメッシュ電極によって前記一部領域を画定すると共に、前記第１のメッシュ電極から間隔をおいて放電針を設けて、該放電針と前記第１のメッシュ電極との間で放電を発生させることにより行われ、
帯電した前記浮遊粒子状物質を静電力により前記QCMセンサに引き付けるステップは、前記第２のメッシュ電極と前記QCMセンサとの間に前記電位差を付与することにより行われることを特徴とする付記７に記載の浮遊粒子状物質測定方法。
【符号の説明】
【０１１７】
１、３０…浮遊粒子状物質測定装置、２…筐体、２ａ、２ｂ…開口端、３…放電針、３ａ…先端、４…第１のメッシュ電極、５…第２のメッシュ電極、６…QCMセンサ、６ａ…第１の電極、６ｂ…第２の電極、６ｃ…水晶振動子、７…ファン、１１…電圧発生部、１２…制御部、１３…発振回路、１４…周波数カウンタ、１５…ファン制御回路、１８…インバータ、３１…導入ダクト、３２…排気ダクト。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊粒子状物質測定装置及び浮遊粒子状物質測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中には人間の健康に影響を及ぼす様々な浮遊粒子状物質（SPM: Suspended Particulate Matter）が存在する。
【０００３】
浮遊粒子状物質には、自然界に由来するものと、工場やディーゼルエンジンの排ガスに含まれる人工的なものとがあるが、前者と後者とでは粒径分布が異なる。よって、大気中の浮遊粒子状物質をモニタリングしてその粒径分布を測定すれば、浮遊粒子状物質が自然界に由来するものなのか或いは人工的なものなのかを判別でき、大気環境を知るための判断材料を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５７８７３号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／０５７２５６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
浮遊粒子状物質測定装置及び浮遊粒子状物質測定方法において、浮遊粒子状物質の粒径分布を簡便に測定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下の開示によれば、大気中で放電を生じさせる放電針と、前記放電針の先端から間隔をおいて設けられ、前記大気に含まれる浮遊粒子状物質が流通する第１のメッシュ電極と、前記第１のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記浮遊粒子状物質が流通する第２のメッシュ電極と、前記第２のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記第２のメッシュ電極を流通した前記浮遊粒子状物質が付着するQCMセンサと、前記放電針と前記第１のメッシュ電極との間、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間、及び前記第２のメッシュ電極と前記QCMセンサとの間の各々に電位差を与える電圧発生部と、前記浮遊粒子状物質の付着に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定する測定部とを有する浮遊粒子状物質測定装置が提供される。
【０００７】
また、その開示の他の観点によれば、大気中の一部領域において、該大気に含まれる浮遊粒子状物質を帯電させるステップと、前記一部領域と、該一部領域から間隔をおいて設けられたQCMセンサとの間に電位差を付与することにより、帯電した前記浮遊粒子状物質を静電力により前記QCMセンサに引き付けるステップと、前記電位差を付与してからの経過時間を前記浮遊粒子状物質の粒径に対応付けると共に、前記経過時間に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化をモニタすることにより、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定するステップとを有する浮遊粒子状物質測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
以下の開示によれば、浮遊粒子状物質がその粒径によってQCMセンサに到達する時間が異なることを利用することで、電位差を付与してからの経過時間に基づいてその粒径の分布を簡単に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の構成図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る発振回路の回路図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の動作原理について説明するための模式図（その１）である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の動作原理について説明するための模式図（その２）である。
【図５】図５は、第１実施形態に係る共振周波数の時間微分の一例を示すグラフである。
【図６】図６は、第１実施形態において得られた浮遊粒子状物質の粒径分布を模式的に示すグラフである。
【図７】図７は、浮遊粒子状物質の実際の粒径分布の一例を示す図である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る浮遊粒子状物質測定方法のフローチャートである。
【図９】図９は、第２実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の構成図である。
【００１１】
この浮遊粒子状物質測定装置１は、放電針３と、第１のメッシュ電極４と、第２のメッシュ電極５と、QCM(Quartz Crystal Microbalance)センサ６とを有する。
【００１２】
このうち、放電針３は、タングステン等の金属を材料とするものであって、コロナ放電を生じさせるための先鋭な先端３ａを有する。
【００１３】
一方、第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５は、ステンレス等の金属を材料とするものであり、大気中の浮遊粒子状物質が流通するのに十分な一辺の長さが０．５mm程度の正方形のメッシュ開口を複数有する。
【００１４】
第１のメッシュ電極４の位置は特に限定されない。但し、放電針３の先端３ａと第１のメッシュ電極４との間においてコロナ放電が生じる程度の十分な大きさの電位勾配が生じるように、先端３ａから２cm〜３cm程度の間隔D1をおいて第１のメッシュ電極４を設けるのが好ましい。
【００１５】
また、第２のメッシュ電極５は、第１のメッシュ電極４と平行に配されると共に、第１のメッシュ電極５と比較して放電針３から離れて設けられる。その第２のメッシュ電極５と第１のメッシュ電極４との間隔D2は、例えば約１cm程度である。
【００１６】
一方、QCMセンサ６は、水晶振動子６ｃとその両主面の各々に形成された第１の電極６ａ及び第２の電極６ｂとを有し、第１の電極６ａが第２のメッシュ電極５に対向した状態で固定される。
【００１７】
その第１の電極６ａと第２のメッシュ電極５との間隔D3は、例えば約１０cm程度とされる。
【００１８】
また、この浮遊粒子状物質測定装置１は金属製の円筒状の筐体２を有しており、その筐体の中心軸Cに前述の放電針３、第１のメッシュ電極４、第２のメッシュ電極５、及びQCMセンサ６が設けられる。
【００１９】
筐体２の各開口端２ａ、２ｂは開放されており、一方の開口端２ａから筐体２内に大気Aが取り込まれ、他方の開口端２ｂから大気Aが排出される。そのような大気Aの流入を促すべく、他方の開口端２ｂにはファン７が設けられる。
【００２０】
ファン７の回転軸は円筒状の筐体２の中心軸Cと一致しており、筐体２内の大気Aを開口端２ｂから外部に放出する方向にファン７は回転する。
【００２１】
更に、この浮遊粒子状物質測定装置１は、電圧発生部１１と、制御部１２と、発振回路１３と、周波数カウンタ１４と、ファン制御回路１５とを備える。
【００２２】
このうち、電圧発生部１１は第１〜第４の電圧V1〜V4を生成し、これらの電圧の各々を前述の放電針３、第１のメッシュ電極４、第２のメッシュ電極５、及びQCMセンサ６の第１の電極６ａに印加する。
【００２３】
また、発振回路１３は、QCMセンサ６を基本波モードで共振させるための回路である。なお、QCMセンサ６に所定の大きさの第４の電圧V4を印加できるようにするため、QCMセンサ６と接続される発振回路１３は電気的にフローティングの状態とするのが好ましい。
【００２４】
図２は、発振回路１３の回路図である。
【００２５】
図２に示すように、発振回路１３は、インバータ１８と、第１及び第２の抵抗R1、R2と、第１及び第２のキャパシタC1、C2とを備える。
【００２６】
このような回路においては、インバータ１８がQCMセンサ６と協働して並列共振回路を形成しており、第１及び第２のキャパシタC1、C2の容量値を適宜設定することで、QCMセンサ６を発振させることができる。
【００２７】
なお、QCMセンサ６を流れる水晶電流の大きさは第１の抵抗R1によって調節される。そして、インバータ２８には電源電圧Vddが印加されており、第２の抵抗R2がインバータ１８の帰還抵抗として機能する。
【００２８】
再び図１を参照する。
【００２９】
周波数カウンタ１４は、発振回路１３を介してQCMセンサ６の共振周波数fを測定し、その測定結果を制御部１２に出力する。
【００３０】
制御部１２は、パーソナルコンピュータ等の計算機であって、CPU等の測定部１２ａと、ハードディスク等の記憶部１２ｂとを有する。
【００３１】
また、ファン制御回路１５は、制御部１２の制御下でファン７を回転させたり、その回転を停止させたりする。
【００３２】
次に、この浮遊粒子状物質測定装置１の動作原理について説明する。
【００３３】
図３及び図４は、浮遊粒子状物質測定装置１の動作原理について説明するための模式図である。
【００３４】
本実施形態では、以下のように第１〜第３段階を行うことにより、大気中に含まれる浮遊粒子状物質の粒径分布を測定する。
【００３５】
まず、第１段階では、図３（ａ）に示すように、第１〜第４の電圧V1〜V4を全て接地電位にした状態で、ファン７（図１参照）を回転させる。これにより大気中の浮遊粒子状物質Pが、第１のメッシュ電極４を流通して、第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５とで画定される一部領域Rに取り込まれる。
【００３６】
その後、ファン７の回転を停止する。
【００３７】
次の第２段階では、図３（ｂ）に示すように、放電針３と第１のメッシュ電極４との間にパルス状の高電圧を印加して先端３ａの近傍にパルス状のコロナ放電を発生させる。これにより、大気中において負イオンと正イオンとが生成される。
【００３８】
このとき、第２の電圧V2と第１の電圧V1との電位差（V2−V1）はコロナ放電が発生し得る１０００V程度とされる。また、第３の電圧V3と第２の電圧V2との電位差（V3−V2）を約２００V、第３の電圧V3と第４の電圧V4との電位差（V4−V3）を約１０００Vとすることにより、第１〜第４の電圧V1〜V4の各々の大小関係をV1＜V2＜V3＞V4とする。
【００３９】
電圧の大小関係をこのようにすると、コロナ放電によって帯電した大気イオンのうち、負に帯電したものが、第１〜第４の電圧V1〜V4のうち最も高い第３の電圧V3が印加されている第２のメッシュ電極５に引き付けられるようになる。その結果、前述の一部領域Rに負に帯電した大気イオンが収集されるので、当該一部領域Rにおいてその大気イオンと浮遊粒子状物質Pとが衝突し、電荷の付与によって浮遊粒子状物質Pを帯電させることができる。
【００４０】
更に、一部領域Rの輪郭のうち放電針３に近い部分を第１のメッシュ電極４で画定したので、コロナ放電が一部領域Rに侵入するのを第１のメッシュ電極４で阻止できる。そのため、一部領域Rに取り込まれた浮遊粒子状物質Pがコロナ放電によって破壊されることがなく、筐体２内に取り込んだ当初と同一の粒径に浮遊粒子状物質Pの粒径を維持することができる。
【００４１】
なお、上記のコロナ放電に代え、放電針３の周囲にグロー放電を生じさせてもよい。
【００４２】
次いで、図４（ａ）に示すように、第１〜第４の電圧V1〜V4の全てを一旦接地電位にする。なお、本ステップは、次の第３段階に移る際にオーバーシュートやリンギングが発生するのを防止するために行われるものであり、場合によっては省略してもよい。
【００４３】
その後に、図４（ｂ）の第３段階に移り、第１〜第４の電圧V1〜V4の大小関係をV1＝V2＜V3＜V4とする。各電圧は特に限定されないが、第１の電圧V1と第２の電圧V2は接地電位とする。また、第３の電圧V3と第２の電圧V2との電位差（V3−V2）を約２００Vとし、第４の電圧V4と第３の電圧V3との電位差（V4−V3）を約１０００Vとする。
【００４４】
電圧の大小関係をこのようにすると、負に帯電した浮遊粒子状物質Pは、第１〜第４の電圧V1〜V4のうち最も高い第４の電圧V4が印加されているQCMセンサ６に静電力で引き付けられ、そのQCMセンサ６の表面に浮遊粒子状物質Pが付着する。
【００４５】
ここで、浮遊粒子状物質Pには様々な粒径のものが存在するが、一部領域RからQCMセンサ６に到達するまでの時間は浮遊粒子状物質Pの粒径によって異なる。これは次のStokesの式から理解できる。
【００４６】
浮遊粒子状物質Pが大気中を移動するときに大気から受ける抵抗力Fは、Stokesの式によって次の式（１）のように表される。
【００４７】
【数１】
なお、式（１）において、ηは大気の粘度、rは浮遊粒子状物質Pの半径、vは粒子の速度である。
【００４８】
また、電界中に置かれた浮遊粒子状物質Pに働く静電引力feは次の式（２）で表される。
【００４９】
【数２】
なお、qは浮遊粒子状物質Pの電荷であり、Eは電界強度である。
【００５０】
浮遊粒子状物質Pが第２のメッシュ電極５からQCMセンサ６に向かう途中においては、浮遊粒子状物質Pの速度が一定で抵抗力Fと静電引力feとが釣り合っているとみなせるので、次の式（３）が得られる。
【００５１】
【数３】
これをrについて解くと、次の式（４）が得られる。
【００５２】
【数４】
そして、浮遊粒子状物質Pの直径（粒径）Rは、式（４）の両辺を２倍して次の式（５）のように表される。
【００５３】
【数５】
ここで、図１に示したように、第２のメッシュ電極５とQCMセンサ６との間隔はD3である。よって、第２のメッシュ電極５を出た浮遊粒子状物質PがQCMセンサ６に到達するまでの時間をtとすると、v＝D3/t、E＝（V4−V3）／D3となるから、式（５）から次の式（６）が得られる。
【００５４】
【数６】
式（６）より、時間tから浮遊粒子状物質Pの粒径Rを求めることができる。
【００５５】
一方、QCMセンサ６は、第１の電極６ａに浮遊粒子状物質Pが付着すると、その共振周波数fが変化する。第１の電極６ａに付着した浮遊粒子状物質Pの質量をMとすると、その共振周波数fの変化量Δfは、Saurbreyの式によって次の式（７）のように表されることが知られている。
【００５６】
【数７】
但し、fqは水晶振動子６ｃの基本共振周波数、ρqは水晶振動子６ｃの密度、Nは水晶振動子６ｃのカットに依存する定数、Sは第１の電極６ａの表面積である。
【００５７】
前述のように浮遊粒子状物質PがQCMセンサ６に到達する時間tは浮遊粒子状物質Pの粒径Rによって異なり、粒径Rが小さい浮遊粒子状物質Pから順にQCMセンサ６に到達する。
【００５８】
このような到達時間の時間差は、QCMセンサ６の共振周波数fの変化量Δfに反映される。
【００５９】
図５は、共振周波数の時間微分の一例を示すグラフである。
【００６０】
このグラフの横軸は時間を示し、縦軸は共振周波数fの微分係数の符号を逆にした値を示す。
【００６１】
図５に示すように、第３段階に入ってQCMセンサ６に浮遊粒子状物質Pが到達し始めるとグラフが増加し始める。これは、浮遊粒子状物質Pの付着によって第１の電極６ａの質量が増加して、式（７）に従って共振周波数fが変化したためである。
【００６２】
また、その第３段階においては、粒径Rが比較的小さい浮遊粒子状物質Pの集団に遅れて、粒径Rが比較的大きい浮遊粒子状物質Pの集団がQCMセンサ６に到達するようになるため、グラフには二つのピークが現れる。
【００６３】
そして、式（６）に示したように、浮遊粒子状物質Pの粒径Rと時間tとは対応付けられるので、式（６）により図５のグラフの横軸の時間を粒径に変換すれば浮遊粒子状物質Pの粒径分布を得ることができる。
【００６４】
図６は、このようにして得られた浮遊粒子状物質Pの粒径分布を模式的に示すグラフである。なお、このグラフの縦軸は図５と同様に−df/dtであり、これは式（７）よりQCMセンサ６に付着する浮遊粒子状物質Pの単位時間あたりの質量の変化量に相当し、大気中に含まれる浮遊粒子状物質Pの量の目安となる。
【００６５】
浮遊粒子状物質Pの粒径分布は、浮遊粒子状物質Pの起源によって異なることが知られている。
【００６６】
図７は、浮遊粒子状物質Pの実際の粒径分布の一例を示す図である。
【００６７】
図７に示すように、実際の粒径分布においては、浮遊粒子状物質Pの起源に応じて複数のピークが現れる。例えば、粒径が１μm以上の粗大粒子は土壌や海塩等のように自然に由来するものが多く、粒径が１μm以下の微小粒子はディーゼルエンジン等の人工的なものに由来することが多いことが知られている。
【００６８】
よって、本実施形態のように浮遊粒子状物質Pの粒径分布を測定すれば、その浮遊粒子状物質Pの起源を知ることができ、大気環境を知るための判断材料を得ることができる。
【００６９】
また、図１に示したように、浮遊粒子状物質測定装置１は、QCMセンサ６を利用した極めてシンプルな構造であるため、安価に作製することができる。
【００７０】
更に、浮遊粒子状物質Pの粒径分布を測定するにあたっても、QCMセンサ６の共振周波数fの時間変動を計測すればよく、簡便に粒径分布を測定することができる。
【００７１】
なお、粒径分布のS/N比が小さい場合には、前述の図３（ａ）〜図４（ｂ）の工程を１セットとし、これを複数セット行うことで粒径分布のS/N比を向上させればよい。
【００７２】
更に、既知の粒径の微粒子を用いて予め実験を行うことにより式（６）の各係数を校正し、粒径分布の測定精度を向上させてもよい。
【００７３】
次に、前述の動作原理を利用した浮遊粒子状物質測定方法について説明する。
【００７４】
図８は、本実施形態に係る浮遊粒子状物質測定方法のフローチャートである。
【００７５】
まず、最初のステップS1では、制御部１２（図１参照）の制御下でファン７の回転を開始する。
【００７６】
なお、この段階では、第１〜第４の電圧V1〜V4は全て接地電位とする。
【００７７】
そして、ステップS2に移り、制御部１２の制御下で、ファン７の回転を開始してから所定時間T1だけ待つ。所定時間T1は、筐体２内の大気が外気と交換するのに必要な時間であって、例えば５秒〜１０秒程度である。
【００７８】
所定時間T1が経過したら、ステップS3に移って制御部１２の制御下でファン７の回転を停止する。
【００７９】
ここまでのステップにより、図３（ａ）の第１段階が終了する。
【００８０】
次に、ステップS4に移り、制御部１２の制御下において第１〜第４の電圧V1〜V4の大小関係をV1＜V2＜V3＞V4とする。これにより、図３（ｂ）に示した第２段階が行われ、放電針３の先端３ａにおいてパルス状のコロナ放電を発生させる。なお、第２段階における第１〜第４の電圧V1〜V4の電圧値は図３（ｂ）で説明したのと同じなので、ここでは省略する。
【００８１】
続いて、ステップS5に移り、制御部１２の制御下で、第２段階を開始してから所定時間T2だけ待つ。所定時間T2は、コロナ放電によって生成された負イオンが一部領域R（図３（ｂ）参照）に移動し、当該領域R内における浮遊粒子状物質Pと衝突するのに要する時間であって、例えば１秒〜２秒程度である。
【００８２】
そして、所定時間T2が経過したらステップS6に移る。本ステップでは、制御部１２の制御下において第１〜第４の電圧V1〜V4の全てを一旦接地電位とする。
【００８３】
その後、ステップS7に移り、第１〜第４の電圧V1〜V4を接地電位としてから所定時間T3だけ待つ。所定時間T3は、第１〜第４の電圧V1〜V4を第３段階で使用する値に切り替える際のオーバーシュートやリンギングを抑制するためのものであって、１０ミリ秒〜１００ミリ秒程度のごく短い時間でよい。
【００８４】
そして、所定時間T3が経過したらステップS8に移り、制御部１２の制御下において第１〜第４の電圧V1〜V4の大小関係をV1＝V2＜V3＜V4とし、図４（ｂ）に示した第３段階に入る。なお、第３段階における第１〜第４の電圧V1〜V4の電圧値は図４（ｂ）で説明したのと同じなので、ここでは省略する。
【００８５】
また、これと共に、制御部１２が内蔵する不図示の時間カウンタを制御部１２自身がリセットし、粒径分布の測定開始の基準となる経過時間tを0とする。
【００８６】
続いて、ステップS9に移り、周波数カウンタ１４から出力されるQCMセンサ６の発振周波数fの測定値を制御部１２が所定の時間間隔で取り込み、経過時間tと共にその共振周波数fを記憶部１２ｂに記憶する。
【００８７】
なお、発振周波数fを取り込む上記の時間間隔は、例えば１００ミリ秒程度である。
【００８８】
そして、ステップS10に移り、現在の経過時間tが、ユーザが測定を希望する浮遊粒子状物質Pの最大粒径を測定するのに十分経過しているか否かを制御部１２が判断する。その経過時間tは、式（６）に最大粒径Rを代入し、式（６）をtについて解くことで得られる。
【００８９】
ここで、十分でない（NO）と判断した場合には再びステップS9からやり直す。
【００９０】
一方、十分である（YES）と判断した場合には、ステップS11に移る。
【００９１】
ステップS11では、測定部１２ａが、ステップS9で取得した共振周波数fを各経過時間tについて微分して共振周波数fの変化をモニタすると共に、式（６）に従って時間tを浮遊粒子状物質Pの粒径Rに対応付けることで、図６に示したような粒径分布を測定する。
【００９２】
次に、ステップS12に移り、ステップS11で作成された粒径分布が十分な品質であるか否かをユーザが判断する。この判断基準は特に限定されないが、本実施形態では、ユーザの経験により、粒径分布が現実を反映する程度に十分に滑らかかどうかによりこの判断を行う。
【００９３】
ここで、粒径分布の品質は十分でない（NO）と判断された場合には、再びステップS1に戻り、粒径分布を再作成する。
【００９４】
一方、粒径分布の品質は十分である（YES）と判断された場合には、浮遊粒子状物質測定方法の基本ステップを終了する。
【００９５】
上記した本実施形態によれば、式（６）に基づいて時間tから浮遊粒子状物質Pの粒径Rを求めることで当該粒径Rの分布を簡便に知ることができるので、身近な大気環境を測定することにより環境改善に資することができるようになる。
【００９６】
（第２実施形態）
図９は、本実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の構成図である。
【００９７】
なお、図９において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００９８】
図９に示すように、本実施形態に係る浮遊粒子状物質測定装置３０は、筐体２の側面に導入ダクト３１と排気ダクト３２を設ける。そして、その排気ダクト３２内にファン７を設け、ファン７の回転軸の延長線７ｘを、第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５との間において円筒状の筐体２の中心軸Cと直交させる。
【００９９】
また、筐体２の開口端２ａ、２ｂは封止板３５によって閉じられている。
【０１００】
なお、この浮遊粒子状物質測定装置３０を用いた浮遊粒子状物質測定方法は、第１実施形態と同じなので、以下ではその説明を省略する。
【０１０１】
この浮遊粒子状物質測定装置３０では、制御部１２の制御下でファン７を回転させることにより、浮遊粒子状物質Pを含んだ大気Aが導入ダクト３１から筐体２内に導入される。
【０１０２】
その浮遊粒子状物質Pは、ファン７の回転によって生じた気流に乗って延長線７ｘに沿って進むため、延長線７ｘに直交する軸Cに沿って放電針３に近づく危険が少なくなり、実質的には第１のメッシュ電極４と第２のメッシュ電極５との間に留まる。
【０１０３】
よって、放電針３の近傍に発生するコロナ放電によって浮遊粒子状物質Pが破壊される危険性を低減し、外気に含まれていたときと同一の粒径を保ったまま筐体２内に浮遊粒子状物質Pを導入し、その粒径分布を精度良く測定することが可能となる。
【０１０４】
更に、このように放電針３から浮遊粒子状物質Pが離れることにより、放電針３の表面に浮遊粒子状物質Pが付着して当該表面が劣化するのを防止することもできる。
【０１０５】
以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態は上記に限定されない。例えば、上記では図３〜図４のように浮遊粒子状物質Pを負に帯電させたが、第１〜第４の電圧V1〜V4の不等号の向きを上記とは逆にして浮遊粒子状物質Pを正に帯電させてもよい。浮遊粒子状物質Pを正と負のどちらに帯電させるかは、浮遊粒子状物質Pがどちらの極性に帯電し易いかに応じて適宜判断すればよい。
【０１０６】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１０７】
（付記１） 大気中で放電を生じさせる放電針と、
前記放電針の先端から間隔をおいて設けられ、前記大気に含まれる浮遊粒子状物質が流通する第１のメッシュ電極と、
前記第１のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記浮遊粒子状物質が流通する第２のメッシュ電極と、
前記第２のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記第２のメッシュ電極を流通した前記浮遊粒子状物質が付着するQCMセンサと、
前記放電針と前記第１のメッシュ電極との間、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間、及び前記第２のメッシュ電極と前記QCMセンサとの間の各々に電位差を与える電圧発生部と、
前記浮遊粒子状物質の付着に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定する測定部と、
を有することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
【０１０８】
（付記２） 前記電圧発生部は、
前記放電針に第１の電圧を与え、前記第１のメッシュ電極に第２の電圧を与え、前記第２のメッシュ電極に第３の電圧を与え、前記QCMセンサに第４の電圧を与えると共に、
前記第１の電圧、前記第２の電圧、前記第３の電圧、及び前記第４の電圧の全てを同一にする第１のステップと、
前記第２の電圧を前記第１の電圧よりも高くし、前記第３の電圧を前記第２の電圧よりも高くし、かつ、前記第４の電圧を前記第３の電圧よりも低くする第２のステップと、
前記第２の電圧を前記第１の電圧と同一にし、前記第３の電圧を前記第２の電圧よりも高くし、かつ、前記第４の電圧を前記第３の電圧よりも高くする第３のステップとをこの順に行い、
前記測定部は、前記第３のステップにおける前記共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊粒子状物質の前記粒径分布を測定することを特徴とする付記１に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１０９】
（付記３） 前記測定部は、前記粒径分布の前記測定を開始した時刻からの経過時間に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定することを特徴とする付記１又は付記２に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１０】
（付記４） 前記測定部は、前記共振周波数を前記経過時間で微分して得られたグラフを前記粒径分布とすることを特徴とする付記３に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１１】
（付記５） 前記放電針、前記第１のメッシュ電極、前記第２のメッシュ電極、及び前記QCMセンサを収容する筐体と、
前記筐体の内部に大気を取り込むファンとを更に有することを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１２】
（付記６） 前記放電針、前記第１のメッシュ電極、前記第２のメッシュ電極、及び前記QCMセンサが同一の軸上に設けられ、
前記ファンの回転軸の延長線が、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間において前記軸と直交することを特徴とする付記５に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１３】
（付記７） 前記QCMセンサは、水晶振動子と、該水晶振動子の両主面の各々に形成された第１の電極及び第２の電極とを備え、
前記第１の電極が前記第２のメッシュ電極と対向して設けられ、前記第１の電極と前記第２のメッシュ電極との間に前記電位差が与えられることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれかに記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１４】
（付記８） 前記放電針と前記第１のメッシュ電極との前記電位差は、前記放電針の前記先端において放電が発生し得る値であることを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【０１１５】
（付記９） 大気中の一部領域において、該大気に含まれる浮遊粒子状物質を帯電させるステップと、
前記一部領域と、該一部領域から間隔をおいて設けられたQCMセンサとの間に電位差を付与することにより、帯電した前記浮遊粒子状物質を静電力により前記QCMセンサに引き付けるステップと、
前記電位差を付与してからの経過時間を前記浮遊粒子状物質の粒径に対応付けると共に、前記経過時間に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化をモニタすることにより、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定するステップと、
を有すること浮遊粒子状物質測定方法。
【０１１６】
（付記１０） 前記浮遊粒子状物質を帯電させるステップは、互いに対向する第１のメッシュ電極と第２のメッシュ電極によって前記一部領域を画定すると共に、前記第１のメッシュ電極から間隔をおいて放電針を設けて、該放電針と前記第１のメッシュ電極との間で放電を発生させることにより行われ、
帯電した前記浮遊粒子状物質を静電力により前記QCMセンサに引き付けるステップは、前記第２のメッシュ電極と前記QCMセンサとの間に前記電位差を付与することにより行われることを特徴とする付記７に記載の浮遊粒子状物質測定方法。
【符号の説明】
【０１１７】
１、３０…浮遊粒子状物質測定装置、２…筐体、２ａ、２ｂ…開口端、３…放電針、３ａ…先端、４…第１のメッシュ電極、５…第２のメッシュ電極、６…QCMセンサ、６ａ…第１の電極、６ｂ…第２の電極、６ｃ…水晶振動子、７…ファン、１１…電圧発生部、１２…制御部、１３…発振回路、１４…周波数カウンタ、１５…ファン制御回路、１８…インバータ、３１…導入ダクト、３２…排気ダクト。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中で放電を生じさせる放電針と、
前記放電針の先端から間隔をおいて設けられ、前記大気に含まれる浮遊粒子状物質が流通する第１のメッシュ電極と、
前記第１のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記浮遊粒子状物質が流通する第２のメッシュ電極と、
前記第２のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記第２のメッシュ電極を流通した前記浮遊粒子状物質が付着するQCM(Quartz Crystal Microbalance)センサと、
前記放電針と前記第１のメッシュ電極との間、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間、及び前記第２のメッシュ電極と前記QCMセンサとの間の各々に電位差を与える電圧発生部と、
前記浮遊粒子状物質の付着に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定する測定部と、
を有することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項２】
前記測定部は、前記粒径分布の前記測定を開始した時刻からの経過時間に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定することを特徴とする請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項３】
前記放電針、前記第１のメッシュ電極、前記第２のメッシュ電極、及び前記QCMセンサを収容する筐体と、
前記筐体の内部に大気を取り込むファンとを更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項４】
前記放電針、前記第１のメッシュ電極、前記第２のメッシュ電極、及び前記QCMセンサが同一の軸上に設けられ、
前記ファンの回転軸の延長線が、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間において前記軸と直交することを特徴とする請求項３に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項５】
大気中の一部領域において、該大気に含まれる浮遊粒子状物質を帯電させるステップと、
前記一部領域と、該一部領域から間隔をおいて設けられたQCMセンサとの間に電位差を付与することにより、帯電した前記浮遊粒子状物質を静電力により前記QCMセンサに引き付けるステップと、
前記電位差を付与してからの経過時間を前記浮遊粒子状物質の粒径に対応付けると共に、前記経過時間に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化をモニタすることにより、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定するステップと、
を有すること浮遊粒子状物質測定方法。
【請求項１】
大気中で放電を生じさせる放電針と、
前記放電針の先端から間隔をおいて設けられ、前記大気に含まれる浮遊粒子状物質が流通する第１のメッシュ電極と、
前記第１のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記浮遊粒子状物質が流通する第２のメッシュ電極と、
前記第２のメッシュ電極と前記放電針との間隔よりも広い間隔をおいて前記放電針から離れて設けられ、前記第２のメッシュ電極を流通した前記浮遊粒子状物質が付着するQCM(Quartz Crystal Microbalance)センサと、
前記放電針と前記第１のメッシュ電極との間、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間、及び前記第２のメッシュ電極と前記QCMセンサとの間の各々に電位差を与える電圧発生部と、
前記浮遊粒子状物質の付着に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定する測定部と、
を有することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項２】
前記測定部は、前記粒径分布の前記測定を開始した時刻からの経過時間に基づいて、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定することを特徴とする請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項３】
前記放電針、前記第１のメッシュ電極、前記第２のメッシュ電極、及び前記QCMセンサを収容する筐体と、
前記筐体の内部に大気を取り込むファンとを更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項４】
前記放電針、前記第１のメッシュ電極、前記第２のメッシュ電極、及び前記QCMセンサが同一の軸上に設けられ、
前記ファンの回転軸の延長線が、前記第１のメッシュ電極と前記第２のメッシュ電極との間において前記軸と直交することを特徴とする請求項３に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項５】
大気中の一部領域において、該大気に含まれる浮遊粒子状物質を帯電させるステップと、
前記一部領域と、該一部領域から間隔をおいて設けられたQCMセンサとの間に電位差を付与することにより、帯電した前記浮遊粒子状物質を静電力により前記QCMセンサに引き付けるステップと、
前記電位差を付与してからの経過時間を前記浮遊粒子状物質の粒径に対応付けると共に、前記経過時間に伴う前記QCMセンサの共振周波数の変化をモニタすることにより、前記浮遊粒子状物質の粒径分布を測定するステップと、
を有すること浮遊粒子状物質測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−９６７２２（Ｐ２０１３−９６７２２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６９８４（Ｐ２０１１−２３６９８４）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]