JP4816524B2 - Fire detector - Google Patents
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Description
本発明は、火災感知器に関するものである。 The present invention relates to a fire detector.
従来から、火災時などに発生する煙を感知する火災感知器として、散乱光式煙感知器(たとえば特許文献1参照)や、減光式煙感知器(たとえば特許文献2参照)が知られている。ここにおいて、散乱光式煙感知器は、発光ダイオード素子よりなる投光素子から監視空間に照射された光の煙粒子による散乱光をフォトダイオードよりなる受光素子で受光するように構成されたものであり、監視空間に煙粒子が存在すれば散乱光が生じることによって受光素子での受光量が増大するから、受光素子での受光量の増加量に基づいて煙粒子の存否を検知できる。一方、減光式煙感知器は、投光素子から照射された光を受光素子により直接受光するように構成されたものであり、投光素子と受光素子との間の監視空間に煙粒子が存在すれば受光素子の受光量が減少するから、受光素子での受光量の減光量に基づいて煙粒子の存否を検知できる。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a fire detector that detects smoke generated in the event of a fire, a scattered light type smoke detector (see, for example, Patent Document 1) and a dimming smoke detector (see, for example, Patent Document 2) are known. Yes. Here, the scattered light type smoke detector is configured to receive light scattered by smoke particles of light irradiated to the monitoring space from a light projecting element made of a light emitting diode element by a light receiving element made of a photodiode. In addition, if smoke particles are present in the monitoring space, the amount of light received by the light receiving element is increased due to the generation of scattered light. Therefore, the presence or absence of smoke particles can be detected based on the amount of increase in the amount of light received by the light receiving element. On the other hand, the dimming smoke detector is configured so that light emitted from the light projecting element is directly received by the light receiving element, and smoke particles are present in the monitoring space between the light projecting element and the light receiving element. If it is present, the amount of light received by the light receiving element is reduced, and therefore the presence or absence of smoke particles can be detected based on the amount of light received by the light receiving element.
ところで、散乱光式煙感知器は、迷光対策としてラビリンス体を設ける必要があるので、空気の流れが少ない場合には、火災発生時に監視空間へ煙粒子が侵入するまでの時間が長くなり、応答性に問題があった。また、減光式煙感知器においては、火災が発生していないにもかかわらずバックグランド光の影響で発報してしまう(非火災報が発生してしまう)ことがあるという問題があった。また、分離型の減光式煙感知器は、投光素子と受光素子との光軸を高精度に軸合わせする必要があり、施工に手間がかかるという問題があった。
上述した光電式の火災感知器の問題点を解決するために、本願出願人は、超音波を用いて煙の存否を検知する火災感知器を提案している。 In order to solve the problems of the photoelectric fire detector described above, the applicant of the present application has proposed a fire detector that detects the presence or absence of smoke using ultrasonic waves.
この火災感知器は、図18に示すように、超音波を送波可能な監視音源部1と、監視音源部1を制御する制御部と監視音源部1から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子3と、監視受波素子3の出力に基づいて火災の有無を判別する信号処理部とを備える。信号処理部は、監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量に基づいて監視音源部1と監視受波素子3との間の監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段と、推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段とを有する。すなわち、監視空間に煙粒子が入り込むと監視音源部1からの超音波は監視受波素子3に到達するまでに音圧が低下し、監視受波素子3の出力の減衰量は監視空間の煙濃度に略比例して増加するので、この減衰量に基づき煙濃度を推定することで、火災の有無を判断することができる。
As shown in FIG. 18, the fire detector includes a monitoring
この超音波式の火災感知器では、光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて火災発生時に監視空間へ煙粒子が拡散しやすくなるから、散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、また、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。 This ultrasonic fire detector can eliminate the influence of background light, which is a problem with photoelectric fire detectors, and eliminates the need for a labyrinth that is required for scattered light smoke detectors. Smoke particles easily diffuse into the monitoring space in the event of a fire, improving responsiveness compared to scattered light smoke detectors and reducing non-fire reports compared to dimming smoke detectors. .
しかし、上述した超音波式の火災感知器においては、火災感知器の周囲環境の変化(たとえば、温度、湿度、大気圧などの変化)に応じて、監視音源部1から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子3の感度が変化したりすることにより、監視空間の煙濃度にかかわらず監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量が変動し、非火災報や失報を生じる可能性がある。
However, in the ultrasonic fire detector described above, the ultrasonic wave transmitted from the monitoring
また、監視音源部1や監視受波素子3の経時変化(たとえば、経年劣化)に応じて、監視音源部1から送波される超音波の音圧が変化したり、監視受波素子3の感度が変化したりすることによっても、監視空間の煙濃度にかかわらず監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量が変動して、非火災報や失報を生じる可能性がある。
In addition, the sound pressure of the ultrasonic wave transmitted from the monitoring
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、監視空間における超音波の減衰量に基づいて火災の有無を判別する構成において、非火災報や失報を低減可能な火災感知器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above reasons, and in a configuration for determining the presence or absence of a fire based on the amount of attenuation of ultrasonic waves in a monitoring space, a fire detector capable of reducing non-fire reports and missed reports is provided. The purpose is to provide.
請求項1の発明では、外部空間に連通し外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間に対して超音波を送波可能な監視音源部と、煙粒子を含む浮遊粒子の侵入が遮断された参照空間に対して超音波を送波可能な参照音源部と、監視音源部および参照音源部を制御する制御部と、監視音源部から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子と、参照音源部から送波された超音波の音圧を検出する参照受波素子と、監視受波素子および参照受波素子の出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部とを備え、信号処理部は、監視受波素子の出力の基準値からの減衰量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段と、煙濃度推定手段にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段と、参照受波素子の出力の初期値からの変化率に基づいて監視受波素子の出力を補正する出力補正手段とを有することを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, a monitoring sound source unit capable of transmitting ultrasonic waves to a monitoring space that communicates with an external space and allows airborne particles including smoke particles to enter from the external space, and an intrusion of airborne particles including smoke particles Detects the sound pressure of the ultrasonic wave transmitted from the monitoring sound source unit, the reference sound source unit capable of transmitting ultrasonic waves to the reference space where the sound is blocked, the control unit that controls the monitoring sound source unit and the reference sound source unit Monitoring receiving element, a reference receiving element for detecting the sound pressure of the ultrasonic wave transmitted from the reference sound source unit, and a signal for determining the presence or absence of a fire based on the outputs of the monitoring receiving element and the reference receiving element A processing unit, and the signal processing unit is estimated by a smoke concentration estimation unit that estimates a smoke concentration of the monitoring space based on an attenuation amount from a reference value of an output of the monitoring receiving element, and a smoke concentration estimation unit. Smoke type judgment that judges whether there is a fire by comparing the smoke concentration with a predetermined threshold And having an output correction means for correcting the output of the monitoring wave receiving element based on stage and rate of change from the initial value of the output of the reference wave receiving devices.
この構成によれば、外部空間に連通し外部空間から煙粒子を含む浮遊粒子が侵入可能な監視空間に対して超音波を送波可能な監視音源部と、煙粒子を含む浮遊粒子の侵入が遮断された参照空間に対して超音波を送波可能な参照音源部と、監視音源部から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子と、参照音源部から送波された超音波の音圧を検出する参照受波素子とを備え、信号処理部が、参照受波素子の出力の初期値からの変化率に基づいて監視受波素子の出力を補正する出力補正手段を有するので、火災感知器の周囲環境の変化あるいは監視音源部や監視受波素子の経時変化に応じて、監視音源部から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子の感度が変化したりすることがあっても、これらの変化に起因した監視受波素子の出力変動の影響は出力補正手段での補正によって除去することができ、非火災報や失報を低減することができる。 According to this configuration, the monitoring sound source unit capable of transmitting ultrasonic waves to the monitoring space that communicates with the external space and allows the floating particles including smoke particles to enter from the external space, and the invasion of floating particles including the smoke particles A reference sound source unit capable of transmitting an ultrasonic wave to the blocked reference space, a monitoring receiving element for detecting the sound pressure of the ultrasonic wave transmitted from the monitoring sound source unit, and a wave transmitted from the reference sound source unit An output correction means for correcting the output of the monitoring receiving element based on the rate of change from the initial value of the output of the reference receiving element. Therefore, even if the sound pressure of the ultrasonic wave transmitted from the monitoring sound source section changes or the smoke concentration is constant, according to changes in the surrounding environment of the fire detector or changes over time of the monitoring sound source section or monitoring receiving element The attenuation rate of the ultrasonic wave when propagating through the medium air changes or is received by monitoring Even if the sensitivity of the child may change, the influence of the output fluctuation of the monitoring receiving element due to these changes can be removed by correction by the output correction means, and non-fire and misreports can be avoided. Can be reduced.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記監視音源部が周波数の異なる複数種の超音波を送波可能であって、前記信号処理部が、前記監視空間に存在する浮遊粒子の種別および煙濃度に応じた前記監視音源部の出力周波数と前記監視受波素子の出力の基準値からの減衰量との関係データを記憶した記憶手段と、前記監視音源部から送波された各周波数の超音波ごとの前記監視受波素子の出力と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段とを有し、前記煙濃度推定手段が、粒子種別推定手段にて推定された粒子が煙粒子のときに特定周波数の超音波に対する前記監視受波素子の出力の基準値からの減衰量に基づいて前記監視空間の煙濃度を推定することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the monitoring sound source unit can transmit a plurality of types of ultrasonic waves having different frequencies, and the signal processing unit is configured to detect suspended particles existing in the monitoring space. Storage means for storing relational data between the output frequency of the monitoring sound source unit corresponding to the type and smoke density and the attenuation amount from the reference value of the output of the monitoring receiving element, and each of the waves transmitted from the monitoring sound source unit Particle type estimation means for estimating the type of particles floating in the monitoring space using the output of the monitoring receiving element for each ultrasonic wave of the frequency and the relational data stored in the storage means, The smoke concentration estimation means is configured to determine whether or not the monitoring space is based on an attenuation amount from a reference value of an output of the monitoring receiving element with respect to an ultrasonic wave of a specific frequency when the particles estimated by the particle type estimation means are smoke particles. Characterized by estimating smoke density To.
この構成によれば、信号処理部では、粒子種別推定手段において、監視音源部から送波された各周波数の超音波ごとの監視受波素子の出力と記憶手段に記憶されている関係データとを用いて監視空間に浮遊している粒子の種別を推定し、粒子種別推定手段にて推定された粒子が煙粒子のときに、煙濃度推定手段において、特定周波数の超音波に対する監視受波素子の出力の基準値からの減衰量に基づいて監視空間の煙濃度を推定するので、粒子種別識別手段において監視空間に浮遊している粒子の種別を推定することで、たとえば煙粒子と湯気とを識別可能となるから、散乱光式煙感知器および減光式煙感知器に比べて湯気に起因した非火災報を低減することが可能となり、台所や浴室での使用にも適する。 According to this configuration, in the signal processing unit, in the particle type estimation unit, the output of the monitoring receiving element for each ultrasonic wave of each frequency transmitted from the monitoring sound source unit and the relational data stored in the storage unit The type of particles floating in the monitoring space is estimated, and when the particles estimated by the particle type estimation means are smoke particles, the smoke concentration estimation means Since the smoke concentration in the monitoring space is estimated based on the attenuation from the output reference value, the particle type identification means discriminates, for example, smoke particles and steam by estimating the type of particles floating in the monitoring space. Therefore, it is possible to reduce non-fire reports due to steam as compared with the scattered light smoke detector and the dimming smoke detector, and it is also suitable for use in the kitchen or bathroom.
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記記憶手段は、前記関係データとして前記監視音源部の出力周波数と前記監視受波素子の出力の基準値からの減衰量を基準値で除した減衰率との関係データを記憶していることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the storage unit divides, as the relation data, an attenuation amount from an output frequency of the monitoring sound source unit and a reference value of the output of the monitoring receiving element by a reference value. It stores the relationship data with the attenuation rate.
この発明によれば、前記監視音源部の出力周波数に応じて前記監視受波素子の出力の基準値が変動する場合でも、前記監視音源部の出力周波数と基準値の変動の影響が除去された減衰率との関係データを用いることにより、基準値の変動の影響を受けずに前記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定することができる。 According to this invention, even when the reference value of the output of the monitoring receiving element fluctuates according to the output frequency of the monitoring sound source unit, the influence of the fluctuation of the output frequency of the monitoring sound source unit and the reference value is eliminated. By using the relationship data with the attenuation rate, it is possible to estimate the type of particles floating in the monitoring space without being affected by the fluctuation of the reference value.
請求項4の発明は、請求項2または請求項3の発明において、前記監視音源部が前記複数種の超音波を送波可能な単一の音波発生素子からなり、前記制御部が音波発生素子から複数種の超音波が順次送波されるように前記監視音源部を制御することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the invention of the second or third aspect, the monitoring sound source unit is composed of a single sound wave generating element capable of transmitting the plurality of types of ultrasonic waves, and the control unit is a sound wave generating element. The monitoring sound source unit is controlled so that a plurality of types of ultrasonic waves are sequentially transmitted.
この構成によれば、監視音源部が各種の超音波を送波可能な音波発生素子を複数個備える場合に比べて、監視音源部の小型化、低コスト化が可能となる。 According to this configuration, the monitoring sound source unit can be reduced in size and cost compared to a case where the monitoring sound source unit includes a plurality of sound wave generating elements capable of transmitting various ultrasonic waves.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかの発明において、前記監視音源部および前記参照音源部が、発熱体部への通電に伴う発熱体部の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものであることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the monitoring sound source section and the reference sound source section are heated to the air due to a temperature change of the heat generating section accompanying energization to the heat generating section. It is characterized in that an ultrasonic wave is generated by giving an impact.
この構成によれば、監視音源部および参照音源部は平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、監視音源部および参照音源部から残響の少ない単パルス状の超音波を送波させることも可能となる。 According to this configuration, the monitoring sound source unit and the reference sound source unit have flat frequency characteristics, and the frequency of the generated ultrasonic wave can be changed over a wide range. It is also possible to transmit single-pulse ultrasonic waves with little reverberation from the monitoring sound source unit and the reference sound source unit.
請求項6の発明は、請求項5の発明において、前記監視音源部および前記参照音源部が、ベース基板の一表面側に前記発熱体部が形成されるとともに、ベース基板の前記一表面側で前記発熱体部とベース基板との間に設けられて前記発熱体部とベース基板とを熱絶縁する多孔質層からなる熱絶縁層を有してなることを特徴とする。
The invention according to
この構成によれば、熱絶縁層が多孔質層からなるので、熱絶縁層が非多孔質層からなる場合に比べて、熱絶縁層の断熱性が向上して発熱体部への入力電圧に対する超音波の音圧の比が高くなり、低消費電力化を図ることができる。 According to this configuration, since the heat insulating layer is made of a porous layer, the heat insulating property of the heat insulating layer is improved compared to the case where the heat insulating layer is made of a non-porous layer. The ratio of the sound pressure of the ultrasonic wave becomes high, and low power consumption can be achieved.
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれかの発明において、前記監視音源部から送波され前記監視受波素子で受波される超音波の伝搬経路上には、筒状に形成され前記監視音源部からの超音波を内部空間に通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める筒体が設けられていることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects of the present invention, a cylindrical shape is formed on a propagation path of an ultrasonic wave transmitted from the monitoring sound source unit and received by the monitoring receiving element. And a cylindrical body that narrows a diffusion range of the ultrasonic wave by passing the ultrasonic wave from the monitoring sound source unit through the internal space.
この構成によれば、筒状に形成され監視音源部からの超音波を内部空間に通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める筒体が監視音源部から送波され監視受波素子で受波される超音波の伝搬経路上に設けられているので、監視音源部からの超音波は筒体内を通ることで拡散が抑制され、超音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。したがって、煙濃度の変化量に対する監視受波素子の出力の変化量が比較的大きくなり、SN比が向上する。 According to this configuration, the cylindrical body that is formed in a cylindrical shape and that narrows the diffusion range of the ultrasonic wave by passing the ultrasonic wave from the monitoring sound source unit through the internal space is transmitted from the monitoring sound source unit and received by the monitoring receiving element. Since the ultrasonic wave from the monitoring sound source unit passes through the cylinder, diffusion is suppressed, and a decrease in sound pressure due to the diffusion of the ultrasonic wave can be suppressed. Therefore, the change amount of the output of the monitoring receiving element with respect to the change amount of the smoke density becomes relatively large, and the SN ratio is improved.
請求項8の発明は、請求項7の発明において、前記筒体が長手方向に沿う仕切壁によって内部空間が前記監視空間と前記参照空間とに分割されており、前記監視空間側に前記監視空間と前記外部空間とを連通し煙粒子を含む浮遊粒子を通過させる大きさの連通孔を有し、前記監視受波素子と前記参照受波素子とが、前記筒体の長手方向の一端面において前記監視空間と前記参照空間とのそれぞれに配置され、前記監視音源部と前記参照音源部とが、前記筒体の長手方向の他端面に前記監視空間と前記参照空間とに跨る形で配置された単一の音波発生素子からなることを特徴とする。
The invention according to
この構成によれば、監視音源部と参照音源部とが単一の音波発生素子からなるので、監視音源部と参照音源部とは同様に経時変化することとなり、監視音源部の経時変化に応じて監視音源部から送波される超音波の音圧が変化しても、この変化に起因した監視受波素子の出力変動の影響は出力補正手段での補正によって確実に除去することができ、非火災報や失報を低減することができる。 According to this configuration, since the monitoring sound source unit and the reference sound source unit are composed of a single sound wave generating element, the monitoring sound source unit and the reference sound source unit change over time in the same manner. Even if the sound pressure of the ultrasonic wave transmitted from the monitoring sound source unit changes, the influence of the output fluctuation of the monitoring receiving element caused by this change can be reliably removed by correction by the output correction means, Non-fire reports and missed reports can be reduced.
請求項9の発明は、請求項1ないし請求項8のいずれかの発明において、前記参照空間が煙粒子を含む浮遊粒子を遮断する遮断壁によって包囲されており、遮断壁が前記浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔を有し、当該微細孔によって前記参照空間と前記外部空間とを連通させていることを特徴とする。
The invention of claim 9 is the invention of any one of
この構成によれば、煙粒子を含む浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔によって参照空間と外部空間とが連通されているので、参照空間への浮遊粒子の侵入を遮断しながらも、火災感知器の周囲環境のたとえば湿度や大気圧などの変化が微細孔を通して参照空間にも反映され、これらの変化に起因した監視受波素子の出力変動の影響を出力補正手段での補正によって除去することができ、非火災報や失報を低減することができる。 According to this configuration, since the reference space and the external space are communicated with each other through a microscopic hole of a size that does not allow airborne particles including smoke particles to pass through, fire detection is performed while blocking the invasion of airborne particles into the reference space. Changes in the ambient environment of the vessel, such as humidity and atmospheric pressure, are also reflected in the reference space through the micropores, and the effects of output fluctuations in the monitoring receiver due to these changes are removed by correction with the output correction means Can reduce non-fire reports and misreports.
本発明は、出力補正手段において、参照受波素子の出力の初期値からの変化率に基づいて監視受波素子の出力を補正するので、火災感知器の周囲環境の変化あるいは監視音源部や監視受波素子の経時変化に応じて、監視音源部から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子の感度が変化したりすることがあっても、これらの変化に起因した監視受波素子の出力変動の影響は出力補正手段での補正によって除去することができ、非火災報や失報を低減することができるという効果がある。 In the present invention, the output correction means corrects the output of the monitoring receiving element based on the rate of change from the initial value of the output of the reference receiving element. The sound pressure of the ultrasonic wave transmitted from the monitoring sound source section changes according to the change over time of the wave receiving element, and the attenuation rate of the ultrasonic wave when propagating through the medium air changes even if the smoke concentration is constant. Even if the sensitivity of the monitoring receiver element may change, the influence of the output fluctuation of the monitoring receiver element due to these changes can be eliminated by correction by the output correction means, and non-fire There is an effect that it is possible to reduce reports and missed reports.
(実施形態1)
本実施形態の火災感知器は、図1に示すように、超音波を送波可能な監視音源部1と、超音波を送波可能な参照音源部10と、監視音源部1および参照音源部10を制御する制御部2と、監視音源部1から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子3と、参照音源部10から送波された超音波の音圧を検出する参照受波素子30と、監視受波素子3および参照受波素子30の出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部4とを備えている。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the fire detector according to the present embodiment includes a monitoring
ここにおいて、監視音源部1と監視受波素子3とは、図2に示すように円盤状のプリント基板からなる回路基板5の一表面側において互いに離間して対向配置され、同様に参照音源部10と参照受波素子30とが、回路基板5の一表面側において互いに離間して対向配置されており、同回路基板5に制御部2および信号処理部4が設けられている。また、回路基板5の上記一表面には、監視音源部1や参照音源部10から送波された超音波の反射を防止する吸音層(図示せず)が設けられているので、監視音源部1や参照音源部10から送波された超音波が回路基板5で反射して監視受波素子3あるいは参照受波素子30に入射するのを防止することができて、反射波の干渉を防止することができ、特に、監視音源部1や参照音源部10から送波させる超音波として連続波を用いる場合に有効である。なお、監視受波素子3の周辺には、監視音源部1以外で発生した超音波が監視受波素子3に入射するのを阻止する遮音板からなる遮音壁6(図18参照)を設けてもよい。
Here, as shown in FIG. 2, the monitoring
また、監視音源部1と監視受波素子3との間には、火災の有無を監視するために火災感知器の周囲の外部空間(外気)に通じた監視空間Sp1が形成され、参照音源部10と参照受波素子30との間には、少なくとも煙粒子を含む浮遊粒子を遮断する遮断壁7で包囲されることにより浮遊粒子の侵入が遮断された参照空間Sp2が形成される。つまり、監視音源部1は監視空間Sp1に対して超音波を送波し、参照音源部10は参照空間Sp2に対して超音波を送波することになる。
In addition, a monitoring space Sp1 leading to an external space (outside air) around the fire detector is formed between the monitoring
本実施形態では、監視音源部1と参照音源部10とのそれぞれに、後述のように空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生させる音波発生素子を用いることで、圧電素子に比べて残響時間が短い超音波を送波するようにし、且つ、監視受波素子3と参照受波素子30とのそれぞれに共振特性のQ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。以下では監視音源部1および監視受波素子3の構成について説明するが、参照音源部10においては監視音源部1、参照音源部30においては監視受波素子3とそれぞれ同様の構成を採用しているものとする。
In this embodiment, each of the monitoring
監視音源部1は、図3に示すように、単結晶のp形のシリコン基板からなるベース基板11の一表面(図3における上面)側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層(断熱層)12が形成され、熱絶縁層12の表面側に発熱体部として金属薄膜からなる発熱体層13が形成され、ベース基板11の上記一表面側に発熱体層13と電気的に接続された一対のパッド14,14が形成されている。なお、ベース基板11の平面形状は矩形状であって、熱絶縁層12、発熱体層13それぞれの平面形状も矩形状に形成してある。また、ベース基板11の上記一表面側において熱絶縁層12が形成されていない部分の表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜(図示せず)が形成されている。
As shown in FIG. 3, the monitoring
上述の監視音源部1では、発熱体層13の両端のパッド14,14間に通電して発熱体層13に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層13に接触している空気(媒質)に急激な温度変化(熱衝撃)が生じる(つまり、発熱体層13に接触している空気に熱衝撃が与えられる)。したがって、発熱体層13に接触している空気は、発熱体層13の温度上昇時には膨張し発熱体層13の温度下降時には収縮するから、発熱体層13への通電を適宜に制御することによって空気中を伝搬する超音波を発生させることができる。要するに、監視音源部1を構成する音波発生素子は、発熱体層13への通電に伴う発熱体層13の急激な温度変化を媒質の膨張収縮に変換することにより媒質を伝搬する超音波を発生するので、圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する場合に比べて、残響の少ない単パルス状の超音波を送波させることができる。
In the monitoring
上述の監視音源部1は、ベース基板11としてp形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層12を多孔度が略60〜略70%の多孔質シリコン層からなる多孔質層により構成しているので、ベース基板11として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層12となる多孔質シリコン層を形成することができる(ここで、陽極酸化処理により形成された多孔質シリコン層は、結晶粒径がナノメータオーダの微結晶シリコンからなるナノ結晶シリコンを多数含んでいる)。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層12の熱伝導率および熱容量をベース基板11の熱伝導率および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層12の熱伝導率と熱容量との積をベース基板11の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層13の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層13と空気との間で効率的な熱交換が起こり、且つ、ベース基板11が熱絶縁層12からの熱を効率よく受け取って熱絶縁層12の熱を逃がすことができて発熱体層13からの熱が熱絶縁層12に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が148W/(m・K)、熱容量が1.63×106J/(m3・K)の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が60%の多孔質シリコン層は、熱伝導率が1W/(m・K)、熱容量が0.7×106J/(m3・K)であることが知られている。本実施形態では、熱絶縁層12を多孔度が略70%の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層12の熱伝導率が0.12W/(m・K)、熱容量が0.5×106J/(m3・K)となっている。
In the monitoring
発熱体層13は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層13の材料はタングステンに限らず、たとえば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の監視音源部1では、ベース基板11の厚さを300〜700μm、熱絶縁層12の厚さを1〜10μm、発熱体層13の厚さを20〜100nm、各パッド14の厚さを0.5μmとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板11の材料としてSiを採用しているが、ベース基板11の材料はSiに限らず、たとえば、Ge、SiC、GaP、GaAs、InPなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよく、いずれの場合にも、ベース基板11の一部を多孔質化することで形成した多孔質層を熱絶縁層12とすることができる。
The
上述のように監視音源部1は、一対のパッド14,14を介した発熱体層13への通電に伴う発熱体層13の温度変化に伴って超音波を発生するものであり、発熱体層13へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形をたとえば周波数がf1の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層13で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数f1の2倍の周波数f2となり、駆動入力波形f1の略2倍の周波数の超音波を発生させることができる。すなわち、上述の監視音源部1は、圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する場合に比べて、平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、上述の監視音源部1では、たとえば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として一対のパッド14,14間へ与えることによって、残響の少ない略1周期の単パルス状の超音波を発生させることができる。このような単パルス状の超音波を用いることにより、反射による干渉が起こりにくくなるので、上記吸音層を不要にすることもできる。また、監視音源部1は、熱絶縁層12が多孔質層により構成されているので、熱絶縁層12が非多孔質層(たとえば、SiO2膜など)からなる場合に比べて、熱絶縁層12の断熱性が向上して超音波発生効率が高くなり、低消費電力化を図れる。
As described above, the monitoring
監視音源部1および参照音源部10を制御する制御部2は、図示していないが、監視音源部1および参照音源部10にそれぞれ駆動入力波形を与えて監視音源部1および参照音源部10を駆動する駆動回路と、当該駆動回路を制御するマイクロコンピュータからなる制御回路とで構成されている。
Although not shown, the
また、上述の監視受波素子3を構成する静電容量型のマイクロホンは、図4に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔31aを設けることで形成された矩形枠状のフレーム31と、フレーム31の一表面側においてフレーム31の対向する2つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部32とを備えている。ここにおいて、フレーム31の一表面側には熱酸化膜35と熱酸化膜35を覆うシリコン酸化膜36とシリコン酸化膜36を覆うシリコン窒化膜37とが形成されており、受圧部32の一端部がシリコン窒化膜37を介してフレーム31に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜37に対向している。また、シリコン窒化膜37における受圧部32の他端部との対向面に金属薄膜(たとえば、クロム膜など)からなる固定電極33aが形成され、受圧部32の他端部におけるシリコン窒化膜37との対向面とは反対側に金属薄膜(たとえば、クロム膜など)からなる可動電極33bが形成されている。なお、フレーム31の他表面にはシリコン窒化膜38が形成されている。また、受圧部32は、上記各シリコン窒化膜37,38とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。
Further, as shown in FIG. 4, the capacitance type microphone constituting the
図4に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる監視受波素子3では、固定電極33aと可動電極33bとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部32が疎密波の圧力を受けることにより固定電極33aと可動電極33bとの間の距離が変化し、固定電極33aと可動電極33bとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極33aおよび可動電極33bに設けたパッド(図示せず)間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。
In the monitoring
ところで、信号処理部4は、監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量に基づいて監視音源部1と監視受波素子3との間の監視空間Sp1の煙濃度を推定する煙濃度推定手段41と、煙濃度推定手段41にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段42と、監視音源部1が超音波を送波してから当該超音波が監視受波素子3に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求める音速検出手段43と、音速検出手段43で求めた音速に基づいて上記監視空間Sp1の温度を推定する温度推定手段44と、温度推定手段44で推定された温度と規定温度とを比較して火災の有無を判断する熱式判断手段45と、参照受波素子30の出力の初期値からの変化率に基づいて監視受波素子3の出力を補正する出力補正手段40とを有している。信号処理部4は、マイクロコンピュータにより構成されており、上記各手段40〜45は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。また、信号処理部4は、監視受波素子3および参照受波素子30の各出力信号をアナログ−ディジタル変換するA/D変換器などが設けられている。
By the way, the
煙濃度推定手段41は、監視音源部1からの超音波の音圧を検出する監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量に基づいて煙濃度を推定するものであるが、監視音源部1から送波される超音波の周波数が一定であれば、上記減衰量は上記監視空間Sp1の煙濃度に略比例して増加するので、あらかじめ測定した煙濃度と減衰量との関係データに基づいて煙濃度と減衰量との関係式を求めて記憶しておけば、上記関係式を用いて減衰量から煙濃度を推定することができる。また、煙式判断手段42は、煙濃度推定手段41にて推定された煙濃度が上記閾値未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記閾値以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部2へ出力する。ここで、制御部2は、煙式判断手段42からの火災感知信号を受信すると、監視音源部1から可聴域の音波からなる警報音が発生するように監視音源部1への駆動入力波形を制御する。したがって、監視音源部1から警報音を発生させることができるので、警報音を出力するスピーカなどを別途に設ける必要がなく、火災感知器全体の小型化および低コスト化が可能となる。
The smoke density estimating means 41 estimates the smoke density based on the attenuation amount from the reference value of the output of the
また、音速検出手段43は、監視音源部1と監視受波素子3との間の距離と上記時間差とを用いて音速を求める。また、温度推定手段44は、周知の大気中の音速と絶対温度との関係式を利用して音速から上記監視空間Sp1の温度を推定する。熱式判断手段45は、温度推定手段44にて推定された温度が上記規定温度未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記規定温度以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部2へ出力する。ここで、制御部2は、熱式判断手段45からの火災感知信号を受信した場合にも、監視音源部1から可聴域の音波からなる警報音が発生するように監視音源部1への駆動入力波形を制御する。なお、音速検出手段43は、煙濃度を推定するために監視音源部1から送波させる超音波とは別に、所定周波数の超音波を定期的に送波させ当該超音波が監視受波素子3に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求めるようにしてもよいし、煙濃度を推定するために監視音源部1から送波させる超音波を用いて音速を求めるようにしてもよい。参照音源部10から超音波を送波させ当該超音波が参照受波素子30に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求めるようにしてもよい。
Moreover, the sound speed detection means 43 calculates | requires sound speed using the distance between the monitoring
ところで、上述した構成の火災感知器においては、周囲環境の変化(たとえば、温度、湿度、大気圧などの変化)、あるいは監視音源部1や監視受波素子3の経時変化(たとえば、経年劣化)に応じて、監視音源部1から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子3の感度が変化したりすることが原因で、監視空間Sp1の煙濃度にかかわらず監視受波素子3の出力が変化することがある。そこで、本実施形態では、出力補正手段40において、参照受波素子30の出力の初期値からの変化率に基づいて監視受波素子3の出力を補正することにより、監視受波素子3におけるこの種の出力変化の煙濃度推定手段41への影響を除去している。
By the way, in the fire detector having the above-described configuration, changes in the surrounding environment (for example, changes in temperature, humidity, atmospheric pressure, etc.), or changes with time in the monitoring
具体的に説明すると、出力補正手段40は、参照音源部10から参照空間Sp2に送波された超音波の音圧を検出する参照受波素子30の出力(以下、「参照値」という)を受け、当該参照値の初期値からの変化率に基づく補正係数を保持し、この補正係数を使用して補正した監視受波素子3の出力を後段の煙濃度推定手段41に出力する。ここで、参照値の初期値は、たとえば周囲環境(たとえば、温度、湿度、大気圧)が所定の状態に設定され、且つ経時変化が生じていないとき(たとえば、出荷前)に検出された参照値であって、あらかじめ出力補正手段40に保持される。また、このように検出した参照値を初期値とするのではなく、設計段階で同等の初期値を設定(プログラム上で設定)するようにしてもよい。ここで、制御部2および信号処理部4は、監視音源部1を駆動して監視空間Sp1の煙濃度を検出する前に毎回、参照音源部10を駆動して参照値を計測し補正係数を算出するように構成されており、したがって、補正係数は監視空間Sp1における煙濃度の検出の度に更新される。
Specifically, the output correction means 40 outputs the output (hereinafter referred to as “reference value”) of the
本実施形態では、一例として監視音源部1と参照音源部10とを同一の条件(たとえば、送波させる超音波の音圧、周波数)で駆動するとともに、監視受波素子3と参照受波素子30とを同一の条件(たとえば、直流バイアス電圧)で使用し、さらに監視音源部1および監視受波素子3の位置関係と参照音源部10および参照受波素子30の位置関係とを同一に設定することにより、監視空間Sp1に浮遊粒子の侵入がなく監視空間Sp1と参照空間Sp2とが同様の状態(たとえば、温度、湿度、大気圧)であるときに、監視受波素子3の出力と参照受波素子30の出力とが略同一になるようにしてある。この場合、参照値の初期値と監視受波素子3の出力の基準値とは略同値となる。ここにおいて、制御部2は監視音源部1と参照音源部10とを同時に駆動する必要はないものの、超音波の送波時間の累計が監視音源部1と参照音源部10とで同一となるようにそれぞれを制御する。
In the present embodiment, as an example, the monitoring
参照空間Sp2においては、煙粒子を含む浮遊粒子を遮断する遮断壁7で包囲されていることで浮遊粒子の侵入が遮断されているので、参照空間Sp2の温度に関しては外部空間(外気)および監視空間Sp1と同じになるものの、参照空間Sp2に煙粒子や湯気などが侵入することはなく煙粒子や湯気などによって参照値が初期値から減衰することはない。さらに本実施形態の参照空間Sp2は、浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔(図示せず)が多数形成されているフィルタ(たとえば多孔質セラミックフィルタ)を遮断壁7に有することで、微細孔を通して参照空間Sp2と外部空間とを連通させている。そのため、参照空間Sp2においては、温度以外に湿度や大気圧に関しても外部空間および監視空間Sp1と同じになる。
In the reference space Sp2, since the intrusion of the floating particles is blocked by being surrounded by the blocking
これにより、参照受波素子30の出力である参照値の初期値からの変化率は、周囲環境(たとえば、温度、湿度、大気圧)の変化、あるいは参照音源部10や参照受波素子30の経時変化(監視音源部1や監視受波素子3の経時変化と同じ)に応じて決まることとなり、この変化率に基づく補正係数を用いて監視受波素子3の出力を補正すれば、周囲環境の変化や経時変化の影響を除いた監視受波素子3の出力が得られる。したがって、煙濃度推定手段41で用いられる補正後の監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量においては、周囲環境の変化や経時変化の影響は除かれており、監視空間Sp1の煙濃度のみを反映する。なお、音速検出手段43は監視受波素子3の出力変化による影響を受けないので、音速検出手段43に対しては補正前の監視受波素子3の出力を入力するようにしているが、補正後の監視受波素子3の出力を音速検出手段43に入力するようにしてもよい。
Thereby, the rate of change from the initial value of the reference value, which is the output of the
以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図5のフローチャートを参照して説明する。まず、たとえば火災感知器の出荷前において参照音源部10を駆動して参照値の初期値を取得し、当該初期値を出力補正手段40に保持させる(ステップS1)。そして、火災感知器の設置後において、監視音源部1を駆動する前に参照音源部10を駆動して参照値を計測し、この参照値の初期値からの変化率に基づいて補正係数を算出する(ステップS2)。その後、監視音源部1を駆動して監視受波素子3からの出力を取得し、この出力を出力補正手段40において上記補正係数を使用して補正することにより、監視受波素子3からの出力から周囲環境の変化や経時変化の影響を除去する(ステップS3)。そして、補正後の監視受波素子3の出力を用いて、煙濃度推定手段41で監視空間Sp1の煙濃度を推定し、煙式判断手段42で火災の有無を判断する(ステップS4)。ステップS4が終了すれば、補正係数を算出するステップS2に戻り、上述したステップS2〜S4の動作を定期的に繰り返す。
Below, the operation example of the fire detector of this embodiment is demonstrated with reference to the flowchart of FIG. First, for example, before the shipment of the fire detector, the reference
なお、本実施形態では、煙式判断手段42や熱式判断手段45から出力される火災感知器信号を制御部2へ出力するようにしているが、制御部2に限らず、たとえば、外部の通報装置へ出力するようにしてもよい。
In this embodiment, the fire detector signal output from the
また、本実施形態では、監視音源部1と参照音源部10とを同一構成とするとともに、監視受波素子3と参照受波素子30とを同一構成とし、監視音源部1と参照音源部10とを同一条件で駆動するとともに、監視受波素子3と参照受波素子30とを同一条件で使用する例を示したが、監視音源部1と参照音源部10、監視受波素子3と参照受波素子30とをそれぞれ別構成とし、監視音源部1と参照音源部10とを別条件で駆動するとともに、監視受波素子3と参照受波素子30とを別条件で使用するようにしてもよい。さらに、たとえば図6に示すように、監視音源部1と監視受波素子3との位置関係が、参照音源部10と参照受波素子30の位置関係と互いに異なるようにしてもよい(図6の例では監視音源部1と監視受波素子3との間の距離を参照音源部10と参照受波素子30との間の距離よりも大きく設定してある)。
In the present embodiment, the monitoring
さらにまた、本実施形態の火災感知器は、監視空間Sp1の煙濃度を検出する度に参照値を計測することにより補正係数を算出して補正係数を更新するように構成されているが、監視空間Sp1の煙濃度を複数回検出するごとに補正係数の算出を1回行う構成であってもよく、たとえば補正係数が変動することの少ない環境においては、補正係数の算出(つまり更新)の頻度を少なくすることによって低消費電力化を図ることも可能である。 Furthermore, the fire detector of the present embodiment is configured to calculate the correction coefficient and update the correction coefficient by measuring the reference value every time the smoke density in the monitoring space Sp1 is detected. The configuration may be such that the correction coefficient is calculated once every time the smoke concentration in the space Sp1 is detected a plurality of times. For example, in an environment in which the correction coefficient hardly fluctuates, the correction coefficient is calculated (that is, updated). It is also possible to reduce power consumption by reducing the amount of power consumption.
以上説明した本実施形態の火災感知器では、煙濃度推定手段41において、監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量に基づいて監視音源部1と監視受波素子3との間の監視空間Sp1の煙濃度を推定し、煙式判断手段42において、煙濃度推定手段41にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断するので、散乱光式煙感知器や減光式煙感知器のような光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて火災発生時に監視空間Sp1へ煙粒子が拡散しやすくなるから、散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、さらに、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。
In the fire detector according to the present embodiment described above, the smoke density estimating means 41 determines the amount of noise between the monitoring
また、本実施形態では、監視空間Sp1に対して超音波を送波可能な監視音源部1と、監視音源部1から送波された超音波の音圧を検出する監視受波素子3とに加えて、浮遊粒子の侵入が遮断された参照空間Sp2に対して超音波を送波可能な参照音源部10と、参照音源部10から送波された超音波の音圧を検出する参照受波素子30とを備え、出力補正手段40において、参照受波素子30の出力である参照値の初期値からの変化率に基づいて監視受波素子3の出力を補正するので、火災感知器の周囲環境の変化あるいは監視音源部1や監視受波素子3の経時変化に応じて、監視音源部1から送波される超音波の音圧が変化したり、煙濃度が一定でも媒質である空気を伝搬する際の超音波の減衰率が変化したり、監視受波素子3の感度が変化したりすることがあっても、これらの変化に起因した監視受波素子3の出力変動の影響は出力補正手段40での補正によって除去することができ、非火災報や失報を低減することができる。
In the present embodiment, the monitoring
さらに、本実施形態の火災感知器では、音速検出手段43において、監視音源部1が超音波を送波してから超音波が監視受波素子3に受波されるまでの時間差に基づいて音速を求め、温度推定手段44において、音速検出手段43で求めた音速に基づいて上記監視空間Sp1の温度を推定し、熱式判断手段45において、温度推定手段44で推定された温度と規定温度とを比較して火災の有無を判断するので、別途に温度検出素子を用いることなく火災発生時の温度上昇によっても火災を感知することが可能となり、火災をより確実に感知することが可能になる。
Furthermore, in the fire detector according to the present embodiment, the sound velocity detection means 43 determines the sound velocity based on the time difference from when the monitoring
(実施形態2)
本実施形態の火災感知器は、基本構成が実施形態1と略同じであり、図7に示すように筒状に形成された筒体81,82を監視音源部1と監視受波素子3との間、および参照音源部10と参照受波素子30との間にそれぞれ配設した点が実施形態1の火災感知器と相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 2)
The basic structure of the fire detector of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 7, the
各筒体81,82は、図7に示すように直管状の角筒であって、長手方向の一端面(図7における左端面)が監視音源部1および参照音源部10の各々で閉塞されるとともに、他端面(図7における右端面)が監視受波素子3および参照受波素子30の各々で閉塞されることにより、内部空間を通して監視音源部1および参照音源部10の各々からの超音波を伝搬させる。すなわち、監視音源部1と監視受波素子3との間に設けた筒体81の内部空間は監視空間Sp1となり、参照音源部10と参照受波素子30との間に設けた筒体82の内部空間は参照空間Sp2となる。監視空間Sp1を形成する筒体81には、煙粒子を含む浮遊粒子が通過する大きさの連通孔81aが複数貫設されており、連通孔81aによって監視空間Sp1と外部空間とを連通している。一方、参照空間Sp2を形成する筒体82は遮断壁7を兼ねており、浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔(図示せず)が多数形成されているフィルタ(たとえば多孔質セラミックフィルタ)を少なくとも一部に有している。これら筒体81,82を設けたことにより、監視音源部1と参照音源部10とのそれぞれから送波される超音波は、筒体81,82の内部空間を通ることで拡散が抑制され、したがって超音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。
As shown in FIG. 7, each
また、両筒体81,82の長さ寸法、開口形状を同一とすれば、監視空間Sp1と参照空間Sp2との形状が略同一となる。そのため、実施形態1で説明したように監視音源部1と参照音源部10とを同一構成とするとともに、監視受波素子3と参照受波素子30とを同一構成とし、監視音源部1と参照音源部10とを同一条件で駆動するとともに、監視受波素子3と参照受波素子30とを同一条件で使用した場合、監視空間Sp1に浮遊粒子の侵入がなく監視空間Sp1と参照空間Sp2とが同様の状態(たとえば、温度、湿度、大気圧)であるときの監視受波素子3の出力と参照受波素子30の出力との一致度が高くなる。その結果、出力補正手段40における監視受波素子3の出力の補正の精度が向上し、煙濃度推定手段41での煙濃度の推定精度が向上する。ここにおいて、たとえば監視受波素子3と参照受波素子30とのそれぞれに周囲環境の変化や経時変化によりMsensという量(0≦Msens≦1)の感度低下が生じたと仮定した場合に、参照値をPref、Prefの初期値をPref0、監視受波素子3の出力をPmes、Pmesの基準値をPmes0、出力補正手段40で補正後のPmesをPmes’、Pmes’のPmes0からの減衰量をΔPmesとすれば、
Pref=(1−Msens)×Pref0
の式から補正係数(1−Msens)を算出することができ、この補正係数を用いて、
Pmes’=Pmes×(1/(1−Msens))
よりPmes’を算出し、
ΔPmes=Pmes0−Pmes’
からΔPmesを求めることができる。
Further, if the length dimensions and the opening shapes of both the
Pref = (1−Msens) × Pref0
The correction coefficient (1-Msens) can be calculated from the equation of
Pmes ′ = Pmes × (1 / (1-Msens))
Pmes' is calculated from
ΔPmes = Pmes0−Pmes ′
ΔPmes can be obtained from
なお、本実施形態では、回路基板5の一表面側において筒体81と筒体82とを互いに離間して平行に並設した例を示したが、筒体81と筒体82とは互いに接触していてもよく、たとえば図8に示すように回路基板5の一表面側において両筒体82,82を回路基板5の厚み方向に重ねて配置するようにしてもよい。
In the present embodiment, an example is shown in which the
また、図9に示すように、監視音源部1と監視受波素子3との間にのみ筒体81を設けるようにしてもよい。図9の例では、筒体81は監視音源部1と監視受波素子3との間隔よりも短く形成されており、長手方向の各端面を監視音源部1と監視受波素子3とからそれぞれ離して配置することにより長手方向の両端面が開口している。この場合でも、監視音源部1からの超音波については筒体81内を通ることで拡散が抑制されるので、超音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。この例では、監視音源部1あるいは監視受波素子3と筒体81との間が監視空間Sp1となるので連通孔81aは不要である。
Further, as shown in FIG. 9, a
以上説明した本実施形態の火災感知器では、監視音源部1と監視受波素子3との間の超音波の伝搬経路に筒体81を設けたことによって、監視音源部1から送波される超音波は、筒体81の内部空間を通ることで拡散が抑制され、監視音源部1と監視受波素子3との間における超音波の拡散による音圧の低下を抑制することができるので、監視空間Sp1中に煙粒子がない状態において監視受波素子3で受波される超音波の音圧を高く維持でき、煙濃度の変化量に対する監視受波素子3の出力の変化量が比較的大きくなり、その結果、SN比が向上するという効果がある。
In the fire detector according to the present embodiment described above, the
その他の構成および機能は実施形態1と同様である。 Other configurations and functions are the same as those of the first embodiment.
(実施形態3)
本実施形態の火災感知器は、基本構成が実施形態2と略同じであり、筒体の構成、監視音源部1および参照音源部10の構成が実施形態2の火災感知器と相違する。なお、実施形態2と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 3)
The basic structure of the fire detector of the present embodiment is substantially the same as that of the second embodiment, and the configuration of the cylinder, the configuration of the monitoring
本実施形態では筒体8として、図10に示すように長手方向に沿う仕切壁8bによって内部空間が監視空間Sp1と参照空間Sp2とに2等分されたものを採用している。この筒体8は、監視空間Sp1側に監視空間Sp1と外部空間とを連通し煙粒子を含む浮遊粒子を通過させる大きさの連通孔8aを有し、監視受波素子3と参照受波素子30とが、長手方向の一端面(図10(a)の右端面)において監視空間Sp1と参照空間Sp2とのそれぞれに配置されている。筒体8のうち参照空間Sp2を形成する部分は遮断壁7を兼ねており、浮遊粒子を通過させない大きさの微細孔(図示せず)が多数形成されているフィルタ(たとえば多孔質セラミックフィルタ)を少なくとも一部に有している。ここで、監視音源部1と参照音源部10とは、筒体8の長手方向の他端面(図10(a)の左端面)に監視空間Sp1と参照空間Sp2とに跨る形で配置された単一の音波発生素子1aからなる。なお、図10(b)では監視受波素子3および参照受波素子30の図示を省略している。
In the present embodiment, as the
以下に、本実施形態の具体例を挙げる。筒体8は10mm角の正方形状の開口面を有する角筒状であって、内部空間が2等分されることにより、監視空間Sp1と参照空間Sp2とはそれぞれ5mm×10mmの開口面を有する。ここで、音波発生素子1aのうち媒質としての空気に振動を与える発熱体層13の表面(送波面)は10mm角の正方形状としてある。音波発生素子1aは、監視空間Sp1と参照空間Sp2とに均等に超音波が送波されるように発熱体層13の表面を監視空間Sp1と参照空間Sp2とに均等に配分する形で配置される。この場合、参照値の初期値と監視受波素子3の出力の基準値とは同値となる。ここで、経時変化前の基準となる参照値の初期値を出力補正手段40に保持しておけば、参照値と参照値の初期値との比および参照値と監視受波素子3の出力との比から、周囲環境の変化や経時変化の影響を除去した監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量を算出することが可能となる。なお、監視空間Sp1と参照空間Sp2とに対して音波発生素子1aが均等に配分されていない場合や監視空間Sp1と参照空間Sp2とで形状が異なる場合には、参照値の初期値と監視受波素子3の出力の基準値との比率を用いて補正係数を算出すればよい。また、音波発生素子1aは、単一のベース基板11の一表面に、監視空間Sp1側と参照空間Sp2側とでそれぞれ熱絶縁層12と発熱体層13と一対のパッド14,14とが形成されているものであってもよい。
Specific examples of this embodiment will be given below. The
上述した構成によれば、監視音源部1と参照音源部10とが単一の音波発生素子1aからなるので、監視音源部1と参照音源部10とは同様に経時変化することとなり、監視音源部1の経時変化に応じて監視音源部1から監視空間Sp1に送波される超音波の音圧が変化しても、同様の音圧変化が参照音源部10から参照空間Sp2に送波される超音波にも生じることとなる。したがって、監視音源部1から送波される超音波の音圧変化に起因した監視受波素子3の出力変動の影響は出力補正手段40での補正によって確実に除去することができ、非火災報や失報を低減することができる。
According to the above-described configuration, since the monitoring
その他の構成および機能は実施形態2と同様である。 Other configurations and functions are the same as those of the second embodiment.
(実施形態4)
本実施形態の火災感知器は、基本構成が実施形態1と略同じであり、図11に示すように制御部2および信号処理部4の構成が相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 4)
The fire detector of the present embodiment has a basic configuration substantially the same as that of the first embodiment, and the configurations of the
ところで、本願発明者らは、監視音源部1と監視受波素子3との間の監視空間Sp1の浮遊粒子の種別に応じて図12に示すように監視音源部1の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係が異なるという知見を得た。ここで、監視空間Sp1に浮遊粒子が存在しない状態で監視受波素子3にて受波される音圧(以下、基準音圧という)をI0、減光式煙濃度計(減光式煙感知器)での評価でx%/mとなる濃度の浮遊粒子が監視空間Sp1に存在する状態で監視受波素子3にて受波される音圧をIxとしたときに、(I0−Ix)/I0で表される値を音圧の減衰率と定義し、特にx=1のときの減衰率を単位減衰率と定義する。ここにおいて、基準音圧I0と音圧Ixとは、監視空間Sp1における浮遊粒子の有無を除いては同一の条件で検出されるものとする。図12中の「イ」は浮遊粒子が黒煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す近似曲線(黒丸が測定データ)、「ロ」は浮遊粒子が白煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す近似曲線(黒四角が測定データ)、「ハ」は浮遊粒子が湯気の粒子である場合の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す近似曲線(黒三角が測定データ)であり、ここに示す単位減衰率は、監視音源部1と監視受波素子3との間の距離を30cmに設定したときの各出力周波数ごとのデータである。また、図12における右端の各データは、出力周波数が82kHzのときのデータであり、出力周波数が82kHzのときのデータを1として各出力周波数の単位減衰率を規格化した結果を図13に示す。要するに、図13は、横軸が出力周波数、縦軸が相対的単位減衰率となっている。また、白煙の煙粒子のサイズは800nm程度、黒煙の煙粒子のサイズは200nm程度、湯気の粒子のサイズは数μm〜20μm程度である。
By the way, the inventors of the present application show the output frequency and sound pressure of the monitoring
上述の知見に基づいて、本実施形態では、制御部2が、監視音源部1から周波数の異なる複数種の超音波が順次送波されるように監視音源部1を制御するようにし、信号処理部4は、少なくとも監視受波素子3の基準出力(基準音圧に対する監視受波素子3の出力)、上記監視空間Sp1に存在する浮遊粒子の種別および浮遊粒子濃度に応じた監視音源部1の出力周波数と監視受波素子3の出力の相対的単位減衰率との関係データ(上述の図13より抽出されるデータ)、煙粒子に関して特定周波数(たとえば、82kHz)における単位減衰率(上述の図12より抽出されるデータ)を記憶した記憶手段48と、監視音源部1から送波された各周波数の超音波ごとの監視受波素子3の出力と記憶手段48に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間Sp1に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段46と、粒子種別推定手段46にて推定された粒子が煙粒子のときに特定周波数(たとえば、82kHz)の超音波に対する監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量に基づいて上記監視空間Sp1の煙濃度を推定する煙濃度推定手段47と、煙濃度推定手段47にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する煙式判断手段42とを有するようにしてある。さらに信号処理部4は、実施形態1で説明したように参照受波素子30の出力(参照値)の初期値からの変化率に基づいて監視受波素子3の出力を補正する出力補正手段40を有しており、これにより、上記粒子種別推定手段46と上記煙濃度推定手段47とにおいては、出力補正手段40での補正後(つまり、周囲環境の変化や経時変化の影響を除いた)監視受波素子3の出力がそれぞれ用いられることとなる。
Based on the above knowledge, in the present embodiment, the
以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図14のフローチャートを参照して説明する。まず、監視音源部1から複数種の超音波を順次送波させ各超音波に対する監視受波素子3の出力を信号処理部4で計測する(ステップS11)。粒子種別推定手段46は、各出力周波数ごとに監視受波素子3の出力と記憶手段48に記憶されている基準出力とから音圧の減衰率を求め(ステップS12)、出力周波数が82kHzでの音圧の減衰率に対する20kHzでの音圧の減衰率の比を算出する(ステップS13)。記憶手段48には、監視音源部1の出力周波数と監視受波素子3の出力の相対的単位減衰率との上記関係データとして、出力周波数が82kHzでの相対的単位減衰率に対する20kHzでの相対的単位減衰率の比(図13の場合、白煙が0、黒煙が0.2、湯気が0.5となる)が記憶されており、粒子種別推定手段46は、算出した減衰率の比を記憶手段48に記憶されている関係データと比較し、関係データの中で減衰率の比が最も近い種別の粒子を監視空間Sp1に浮遊している粒子と推定する(ステップS14)。ここで、推定された粒子が煙粒子であれば煙濃度推定手段47での処理に移行する(ステップS15)。ここにおいて、白煙の場合には図15に示すように減光式煙濃度計で計測される煙濃度と音圧の減衰率との関係は直線で示すことのできるデータであり、他の粒子においても同様であるから、煙濃度推定手段47は、推定された粒子種別について特定周波数(たとえば、82kHz)の超音波に対する監視受波素子3の出力の減衰率の記憶手段48に記憶されている単位減衰率に対する比を算出し、その比の値がyの場合に監視空間Sp1の煙濃度が減光式煙濃度計での評価における煙濃度y%/mに相当すると推定する(ステップS16)。煙式判断手段42は、ステップS16で推定された煙濃度と所定の閾値(たとえば、減光式煙濃度計での評価で10%/mとなる煙濃度)とを比較し、推定された煙濃度が上記閾値未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記閾値以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部2へ出力する。
Below, the operation example of the fire detector of this embodiment is demonstrated with reference to the flowchart of FIG. First, a plurality of types of ultrasonic waves are sequentially transmitted from the monitoring
上述の例では、粒子種別推定手段46は出力周波数が82kHzのときの減衰率と20kHzのときの減衰率とを用いているが、これらの出力周波数の組み合わせに限定するものではなく、異なる組み合わせの出力周波数を用いてもよい。さらに、より多くの出力周波数に対する減衰率を用いてもよく、その場合は粒子種別の推定の確度を向上させることができる。また、本実施形態では、煙濃度推定手段47が特定周波数として1周波数を対象としているが、特定周波数として複数の周波数を対象とし、各特定周波数ごとに推定した煙濃度の平均値を求めるようにしてもよく、この場合、煙濃度の推定の確度が向上する。なお、信号処理部4は、マイクロコンピュータにより構成されており、出力補正手段40、粒子種別推定手段46、煙濃度推定手段47、煙式判断手段42は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。また、信号処理部4は、監視受波素子3および参照受波素子30の各出力信号をアナログ−ディジタル変換するA/D変換器などが設けられている。
In the above example, the particle type estimation means 46 uses the attenuation rate when the output frequency is 82 kHz and the attenuation rate when the output frequency is 20 kHz. However, the present invention is not limited to the combination of these output frequencies, and different combinations are possible. An output frequency may be used. Furthermore, attenuation rates for more output frequencies may be used, and in that case, the accuracy of estimation of the particle type can be improved. In this embodiment, the smoke density estimation means 47 targets one frequency as the specific frequency, but targets a plurality of frequencies as the specific frequency, and obtains an average value of the smoke density estimated for each specific frequency. In this case, the accuracy of smoke density estimation is improved. The
ここで、監視音源部1としては実施形態1にて説明した音波発生素子を1つ用いており、上述の制御部2は、監視音源部1へ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、監視音源部1から周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させる。ここにおいて、制御部2は、監視音源部1から送波させる超音波の周波数を所定の周波数範囲(たとえば、20kHz〜82kHz)の下限周波数(たとえば、20kHz)から上限周波数(たとえば、82kHz)まで変化させる。なお、本実施形態では、監視音源部1から周波数の異なる4種類の超音波が順次送波されるように制御部2が監視音源部1を制御するように構成してあるが、監視音源部1から送波させる超音波の周波数は4種類に限らず複数種類であればよく、たとえば、2種類とすれば、3種類以上の超音波を順次送波させる場合に比べて、制御部2および信号処理部4の負担を軽減できるとともに制御部2および信号処理部4の簡略化を図れる。本実施形態では、上述のように監視音源部1として実施形態1にて説明した音波発生素子を用いることで、順次送波する超音波をそれぞれ周波数の異なる超音波とすることができるので、監視音源部1として共振周波数の異なる複数の圧電素子を用いて各圧電素子から連続波の超音波を送波させる場合に比べて低コスト化を図れる。
Here, the monitoring
また、本実施形態では、制御部2および信号処理部4は、監視音源部1から各種の超音波を送波させる前に毎回、参照音源部10からも監視音源部1と同じ周波数の超音波を送波させて参照値を計測し補正係数を算出するように構成されている。そこで、参照音源部10としても実施形態1にて説明した音波発生素子を1つ用いており、制御部2は、参照音源部10へ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、参照音源部10から周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させる。ここにおいて、制御部2は、参照音源部10から送波させる超音波の周波数を、監視音源部1から送波させる超音波の周波数範囲(たとえば、20kHz〜82kHz)の下限周波数(たとえば、20kHz)から上限周波数(たとえば、82kHz)まで変化させる。本実施形態では、上述のように参照音源部10として実施形態1にて説明した音波発生素子を用いることで、監視音源部1と同様に、参照音源部10として共振周波数の異なる複数の圧電素子を用いて各圧電素子から連続波の超音波を送波させる場合に比べて低コスト化を図れる。
In the present embodiment, the
なお、本実施形態では、監視音源部1の出力周波数と監視受波素子3の出力の相対的単位減衰率との関係データを記憶手段48に記憶した例を示したが、そもそも監視空間Sp1に存在する浮遊粒子の種別に応じて監視音源部1の出力周波数ごとに変化するのは監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量(I0−Ix)であるから、記憶手段48に記憶する上記関係データは、監視音源部1の出力周波数と監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量との関係を示すデータであればよく、上述の相対的単位減衰率に代えて、たとえば、監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量や、監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量を基準値(I0)で除しただけの減衰率、あるいは単位減衰率を採用した関係データを記憶手段48に記憶するようにしてもよい。
In the present embodiment, the example in which the relation data between the output frequency of the monitoring
以上説明した本実施形態の火災感知器では、粒子種別推定手段46において、監視音源部1から送波された各周波数の超音波ごとの監視受波素子3の出力と記憶手段48に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間Sp1に浮遊している粒子の種別を推定し、粒子種別推定手段46にて推定された粒子が煙粒子のときに、煙濃度推定手段47において、特定周波数の超音波に対する監視受波素子3の出力の基準値からの減衰量に基づいて上記監視空間Sp1の煙濃度を推定し、煙式判断手段42において、煙濃度推定手段47にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断するので、散乱光式煙感知器や減光式煙感知器のような光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、また、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。しかも、粒子種別推定手段46において上記監視空間Sp1に浮遊している粒子の種別を推定することで煙粒子と湯気とを識別可能となるから、散乱光式煙感知器および減光式煙感知器に比べて湯気に起因した非火災報を低減することが可能となり、台所や浴室での使用にも適する。また、粒子種別推定手段46において白煙の煙粒子と黒煙の煙粒子とを識別可能となるから、火災の性状の識別に役立てることも可能となる。また、火災感知器を設置している室内の掃除や天井裏の電気工事などの際に浮遊する粉塵と煙粒子との識別も可能になるから、粉塵などに起因した非火災報を低減することも可能となる。
In the fire detector of the present embodiment described above, the particle
ところで、本実施形態では監視音源部1および参照音源部10をそれぞれ単一の音波発生素子により構成し、制御部2が監視音源部1および参照音源部10の各々へ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、監視音源部1および参照音源部10の各々から周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させるようにしているが、図16に示すように互いに出力周波数の異なる複数の音波発生素子1a,10aで監視音源部1および参照音源部10をそれぞれ構成してもよい。この場合には、各音波発生素子1a,10aとして圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する素子を用い、各音波発生素子1a,10aをそれぞれの共振周波数で駆動することにより、監視音源部1および参照音源部10の各々から送波される超音波の音圧を高めてSN比の向上に寄与することができる。また、各音波発生素子1a,10aを順次駆動して複数種の超音波を順次送波させるだけでなく、複数の音波発生素子1a,10aを一斉に駆動して複数種の超音波を同時に送波させることも可能になる。
By the way, in this embodiment, the monitoring
また、図16に示すように各音波発生素子1a,10aに対してそれぞれ個別の監視受波素子3および参照受波素子30を設けるようにしてもよく、この場合には、監視受波素子3および参照受波素子30のそれぞれに共振特性のQ値が比較的大きな圧電素子などを用い、各監視受波素子3および各参照受波素子30をそれぞれの共振周波数の超音波の受波に用いることにより、監視受波素子3および参照受波素子30の感度を向上させることができる。このように監視音源部1および参照音源部10の各々を複数の音波発生素子1a,10aで構成するとともに、各音波発生素子1a,10aに対してそれぞれ個別の監視受波素子3および参照受波素子30を設ける場合、監視音源部1を構成する音波発生素子1aと監視受波素子3、および参照音源部10を構成する音波発生素子10aと参照受波素子30とはそれぞれ、たとえば図17に示すように回路基板5の一表面側において互いに離間して対向配置される。さらに、複数の音波発生素子1a,10aを一斉に駆動して複数種の超音波を同時に送波させれば、複数種の超音波の音圧の減衰量を同時に検出することができ、監視空間Sp1の短期的な経時変化(たとえば浮遊粒子の濃度変化)の影響を受けることなく複数種の超音波について音圧の減衰量を検出して、浮遊粒子の種別や煙濃度を精度よく推定することができる。また、監視音源部1を構成する音波発生素子1aを監視受波素子3に兼用するとともに、参照音源部10を構成する音波発生素子10aを参照受波素子30に兼用することも考えられ、この場合、各音波発生素子1a,10aから送波される超音波をそれぞれ当該音波発生素子に向けて反射する反射面が必要であるものの、素子数の低減による低コスト化を図ることができる。
Further, as shown in FIG. 16, an individual
さらにまた、本実施形態では監視音源部1から各種の超音波を送波する前に毎回、参照音源部10から超音波を送波させて参照値を計測し補正係数を算出する例を示したが、監視音源部1から複数種の超音波を送波するごとに補正係数の算出を1回行う構成であってもよく、たとえば補正係数が変動することの少ない環境においては、補正係数の算出(つまり更新)の頻度を少なくすることによって低消費電力化を図ることも可能である。この場合、参照音源部10から複数種の超音波を送波させる必要はなく、特定周波数(たとえば、82kHz)の超音波に対する参照値の初期値からの変化量に基づいて補正係数を算出するようにすればよい。
Furthermore, in this embodiment, before transmitting various ultrasonic waves from the monitoring
なお、その他の構成および機能は実施形態1と同様であり、たとえば本実施形態の火災感知器においても、図1に示した実施形態1と同様、信号処理部4に、音速検出手段43、温度推定手段44、熱式判断手段45を設けてもよい。
Other configurations and functions are the same as those in the first embodiment. For example, also in the fire detector of the present embodiment, the sound
また、上記各実施形態において、制御部2が、監視音源部1から防虫効果のある周波数の超音波を送波させるようにすれば、上記監視空間Sp1に虫が侵入するのを防止することができ、虫に起因した非火災報を低減できる。ここで、制御部2は、煙濃度を推定するために監視音源部1から送波させる周波数の超音波とは別に、防虫効果のある周波数の超音波を定期的に送波させるようにしてもよいし、煙濃度を推定するために監視音源部1から送波する超音波の周波数を防虫効果のある周波数に設定するようにしてもよい。また、監視音源部1や参照音源部10は上述の図3に示した構成の音波発生素子に限らず、たとえば、アルミニウム製の薄板を発熱体部として当該発熱体部への通電に伴う発熱体部の急激な温度変化による熱衝撃によって音波を発生させるものでもよい。
Moreover, in each said embodiment, if the
1 監視音源部
1a 音波発生素子
2 制御部
3 監視受波素子
4 信号処理部
7 遮断壁
8 筒体
8a 連通孔
8b 仕切壁
10 参照音源部
10a 音波発生素子
11 ベース基板
12 熱絶縁層
13 発熱体層(発熱体部)
30 参照受波素子
40 出力補正手段
41 煙濃度推定手段
42 煙式判断手段
46 粒子種別推定手段
47 煙濃度推定手段
48 記憶手段
81,82 筒体
81a 連通孔
Sp1 監視空間
Sp2 参照空間
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