JP2001520390A - 高感度粒子検出 - Google Patents

高感度粒子検出

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JP2001520390A JP2000516331A JP2000516331A JP2001520390A JP 2001520390 A JP2001520390 A JP 2001520390A JP 2000516331 A JP2000516331 A JP 2000516331A JP 2000516331 A JP2000516331 A JP 2000516331A JP 2001520390 A JP2001520390 A JP 2001520390A
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Abstract

(57)【要約】 放射（３）から放出され、粒子の存在によって散乱する青色光線を集束及び検出することによって煙粒子を検出する煙検出装置を開示する。放出された放射（７）は容積（９）内に進入し、煙粒子が存在すればこれによって散乱させられる。散乱された放射は楕円綿ミラー（１３）によって集束され、シリコン・フォトダイオード（１５）へ焦点化される。ミラー（１３）によって集束される光線は４５°よりも実質的に小さい角度、好ましくは約１０°〜３５°の角度で散乱した光線である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、一般的には高感度粒子検出に係る。以下に詳述する本発明の態様は
、例示のみによる煙粒子の検出を目的とする実施例である。 本発明により、散乱容積を通る所定通路に沿って放射を放出する放射放出手段
と、粒子の存在により前記散乱容積から前方へ所定の散乱角度で散乱された放射
を受け取って検出する放射検出手段とを備える、粒度１ミクロン以下の粒子を検
出する粒子検出装置であって、前記角度は前記所定通路に対して４５°より小で
あり、前記放射の波長は約４００ｎｍ〜約５００ｎｍである粒子検出装置が提供
される。
【０００２】 本発明により、散乱容積を通る所定通路に沿って放射を放出するステップと、
粒子の存在により前記散乱域から前方へ所定の散乱角度で散乱された放射を受け
取って検出する放射検出ステップとを備え、粒度１ミクロン以下の粒子を検出す
る粒子検出方法であって、前記角度は前記所定通路に対して４５°より小であり
、前記放射の波長は約４００ｎｍ〜約５００ｎｍである粒子検出方法も提供され
る。 本発明の高感度粒子検出装置及び方法を、添付図面に示す実施例に基づいて以
下に説明する。
【０００３】 以下に説明する装置及び方法は、光散乱技術を利用して空中の煙を検出するこ
とを目的とするものであるが、同じ装置及び方法を利用して煙以外の粒子をも検
出することができる。本発明の装置及び方法は、０．２％／メートルという低い
煙密度の煙粒子の存在を検出することを目的とする。この装置の主要な用途はい
わゆるボヤの検出である。
【０００４】 装置１（図１）は通路５に沿って放射を放出する放射源３を含む。放射７はビ
ーム・ダンパー１１に向かって容積９を通過する。容積９内（詳しくは後述する
所定の前向き散乱角範囲内）における煙粒子の存在に起因する散乱された放射を
集束し、これをシリコン・フォトダイオード１５へ焦点化する楕円面ミラー１３
を設ける。
【０００５】 散乱された放射を集束する手段は楕円面ミラーでなくてもよく、適当な集束手
段でよい。また、検出手段も必ずしもシリコン・フォトダイオード１５でなくて
もよく、適当な検出手段を使用すればよい。
【０００６】 使用に際しては、放射源３から散乱容積９を通過する通路５に沿って放射７を
放出する。散乱容積９中に煙粒子が存在すると、放射７は所定の角度範囲で散乱
する。４５°以下の前向き散乱角度、特に約１０°〜３５°の散乱角度で散乱す
る放射を集束するように楕円面ミラー１３を配置する。楕円面ミラー１３は、入
射放射方向と直交するすべての平面において散乱容積から前記角度で散乱する光
線をシリコン・フォトダイオード１５上に焦点化する。このように構成すること
で、フォトダイオード１５への入射放射量が最大となる。シリコン・フォトダイ
オード１５により生成される信号を利用することによって、適当なアラーム・シ
ステム及び／または消火システムをトリガーすることができる。
【０００７】 散乱しない放射はすべて実質的にビーム・ダンパー１１に入射し、トラップさ
れ、シリコン・フォトダイオード１５は対応する信号を出力しない。 放射源３は約４００ｎｍ〜約５００ｎｍという比較的短い波長の、即ち、青色
可視光線を放出する；好ましくは、放射源３として波長４７０ｎｍの放射を放出
するＬＥＤを使用する。この比較的短い波長を比較的小さい前向き散乱角度と併
用すると、少なくとも煙粒子に対する粒子検出感度が高くなることがわかる。こ
のことを、図２〜４に沿ってさらに詳細に説明する。
【０００８】 図２の曲線Ａは遮光の％／メートルとして表わされる煙による曇り度に対応す
る検出器１５の出力を示す。曲線Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥは、散乱角度は同じであるが
異なる（長い）放射波長での対応する検出器の出力を示す。曲線Ｂは放射がスペ
クトルの緑色帯に位置する場合の検出器の出力を示す。曲線Ｃは放射がスペクト
ルの赤色帯に位置する場合の検出器の出力を示す。曲線Ｄは放射がスペクトルの
赤外帯に位置し、波長が８８０ｎｍ程度である場合における検出器の出力を示す
。最後に、曲線Ｅは放射がスペクトルの赤外帯に位置し、波長が９５０ｎｍ程度
である場合における検出器の出力を示す。いずれの場合にも、前向き散乱角度範
囲は同じである（約１０°〜３５°）。図示の試験煙は綿を燻らせることによっ
て発生させた。
【０００９】 図２から明らかなように、波長約４７０ｎｍの青色可視光線を放出する放射源
を使用することによって、検出器の出力を、従って、感度を増大することができ
る。図２は、０．２％／メートルという低い煙密度においてもフォトダイオード
１５から検出可能な信号が出力されることを示している。他の波長の放射（曲線
Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥ）では検出器出力が著しく低い。
【００１０】 比較的短い波長の光線は、典型的な艶消し黒色面からの反射率が低いという点
でも有利である。従って、検出装置を適当に設計することにより、バックグラウ
ンド散乱光信号に起因するフォトダイオード１５からの出力（主として装置内面
からの、煙に起因しない反射光信号）を極めて小さく、比較的長い波長の光線を
使用する場合よりも遥かに小さくすることができる。
【００１１】 図３は、それぞれ波長の異なる光線を使用し、煙に典型的な粒度分布に基づい
て算出された、前向き散乱角度に対する散乱ゲインを示すグラフである。散乱ゲ
インは個々の粒子への入射光の一部としての、単位立体角への散乱光量である。
曲線Ａは青色可視光線に、曲線Ｂは緑色可視光線に、曲線Ｃは赤色可視光線に、
曲線Ｄは８８０ｎｍ程度の赤外線に、曲線Ｅは９５０ｎｍの赤外線にそれぞれ対
応する。図３から明らかなように、青色可視光線（曲線Ａ）を使用すると、約１
５５°までの散乱角度において、他の波長を有する放射（曲線Ｂ〜Ｅ）よりも遥
かに大きい散乱ゲインが得られるが、散乱角度が４５°以下なら、さらに大きい
散乱ゲインが得られる。
【００１２】 従って、図２及び３における曲線Ａは、青色可視光線（４００〜５００ｎｍの
放射）の使用と、小さい散乱角度（約１０°〜３５°）の使用とを組み合せるこ
とによって、感度が著しく向上することを示唆している。 煙検出装置は、凝縮水ミストやダストのような比較的大きい煙霧質粒子の存在
に反応して誤警報を発するおそれがある。図４は、使用される粒子が凝縮水ミス
トに典型的な粒度分布を有する粒子であり、２通りの波長：即ち、４５０ｎｍの
青色可視光線（曲線Ａ）及び９５０ｎｍの赤外線（曲線Ｅ）だけに関して計算さ
れたことを除いて図３と同様のグラフである。図４の曲線Ａ及びＥから明らかな
ように、少なくとも約１５°〜３０°の散乱角度範囲においては、いずれの波長
でも、散乱ゲインは殆ど同じである。従って、図３及び４を比較すれば明らかな
ように、煙粒子に反応するフォトダイオードの出力と、”妨害”煙霧質、例えば
、凝縮水ミスト粒子に反応するフォトダイオードの出力との比（Ｓ／Ｎ比）は、
青色光線を使用する方が他の波長の光線を使用する場合よりも高い。
【００１３】 図５は図３及び４の比較によって説明した原理を利用した、図１とは異なる実
施態様を示す。尚、図５において、図１と対応する各部には同様の参照符号を付
してある。図５では、図１の放射源３を放射源３Ａによって補足している。放射
源３は前に説明したように４００〜５００ｎｍの青色光線を放出する。放射源３
Ａは約８８０ｎｍの赤外線を放出し、（放射源３と同様に）ＬＥＤの形で実施す
ることができる。両放射源から放出される放射はビーム・スプリッター１７を通
過した後、容積９を通過する。
【００１４】 図１の場合と同様に、容積９における曇らせ粒子の存在によって（適当な角度
で）前方へ散乱した放射は楕円面ミラー１３によって集光され、検出器１５に焦
点化される。図１の場合と同様に、検出器１５はシリコン・フォトダイオードで
ある。このような検出器は青色光線だけではなく、約８８０ｎｍの赤外線をも検
出する。制御系１９，２０は、検出器１５が受光する散乱青色光線及び散乱赤外
線にそれぞれ対応するライン２１及び２３を上に別々の信号を出力することを可
能にする。制御系１９，２０の実施形態は任意である。例えば、放射源３及び３
Ａを交互にパルス動作させ、これと同期させてライン２１、２３間で検出器出力
をスイッチすることができる。あるいは、放射源３、３Ａを異なる周波数で別々
に作動させ、別々の狭帯域またはロックイン増幅器を使用することによって検出
器からの出力に応答する一方、ライン２１，２３にそれぞれ給電することもでき
る。ライン２１、２３を介して伝送される検出器１５の出力はコンパレーター装
置２５によって処理される。
【００１５】 図６及び７は図５の構成の動作を示す。 図６及び７において、水平軸は時間を表わし、左側垂直軸は曇り度％／メート
ルとして表わされる可視光の曇りを表わし、右側垂直軸は図５に示した検出器１
５の出力を表わす。左右垂直軸の目盛は対数目盛である。
【００１６】 図６は煙（この場合は綿を燻らせることによって発生させた灰色の煙）によっ
て曇り現象を起こさせて得た結果を示す。１００ｓの時点で５秒間煙を放出し、
次いで２００〜３００ｓの間で１００秒間煙を放出した。図７の場合、煙以外の
煙霧質、ここではヘヤスプレー・エアゾールによって曇り現象を発生させた。具
体的には、１００ｓの時点で１秒間スプレーを放出し、２００ｓの時点で１０秒
間スプレーを放出した。
【００１７】 図６において、曲線Ｉは曇り度を示す。曲線IIは放射源３から放出される青色
光線に応答する検出器１５の出力を示す。曲線III は放射源３Ａから放出される
赤外線に応答する検出器１５の出力を示す。図６から明らかなように、散乱赤外
線（曲線III ）に応答する検出器出力は散乱青色光線（曲線II）に応答する検出
器出力よりも遥かに小さい。曲線IVは放出された光線が青色光線（曲線II）であ
る場合の検出器出力と、放出された光線が赤外線（曲線III ）である場合の検出
器出力の比を示す。この比は１よりも遥かに大きい。
【００１８】 図７において、曲線Ｉ，II，III 及びIVの内容は図６の場合と同じである。曲
線IVによって示される比は１よりも遥かに小さい。 従って、装置２３は検出器１５の出力と検出器１５Ａの出力との比を測定する
ように構成されている。この比が１以上なら、煙による曇りが指示される。比が
１以下なら、煙による曇りは指示されない。 図５の実施例に使用される赤外線は８８０ｎｍの赤外線でなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明装置の一実施例を示す簡略図である。
【図２】 図１に示した装置の動作及び長所を説明するためのグラフである。
【図３】 図１に示した装置の動作及び長所を説明するためのグラフである。
【図４】 図１に示した装置の動作及び長所を説明するためのグラフである。
【図５】 図１の態様とは異なる態様の装置を示す図１と同様の簡略図である。
【図６】 図５に示した装置の作用及び長所を説明するためのグラフである。
【図７】 図５に示した装置の作用及び長所を説明するためのグラフである。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月１７日（２０００．４．１７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００１】 本発明は、散乱容積を通る所定通路に沿って、一方が約４００ｎｍ〜約５００
ｎｍである２通りの波長で放射を放出する放射放出手段と、前記所定通路に対し
て４５°より小の所定の前方散乱角度の粒子の存在により前記散乱容積から散乱
された放射を受け取り検出する放射検出手段を備え、粒度１ミクロン以下の粒子
を検出する粒子検出装置に関する。 本発明はまた、散乱容積を通る所定通路に沿って、一方が約４００ｎｍ〜５０
０ｎｍである２通りの波長で放射を放出するステップと、前記所定光路に対して
４５°より小の所定の前方散乱角度の粒子の存在により前記散乱域から散乱され
た放射を受け取り検出する放射検出ステップとを備え、粒度１ミクロン以下の粒
子を検出する粒子検出方法に関する。 このような検出装置及び方法は、例えば、GOODMAN D.S.: "METHOD FOR LOCALI
SING LIGHT-SCATTERED PARTICLES"; IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN vol.2
7, no.5, October 1984, p.3164 XP 002066860, 及びWO−A-８９ ０９３９２に
開示されている。 本発明の目的は検出すべきタイプ以外の粒子から確実に弁別できるように、こ
のような検出装置及び検出方法の感度を向上させることにある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】 したがって、本発明によれば、上記検出装置は、他方の波長の放射が赤外線で
あり、受け取られて検出された約４００ｎｍ〜約５００ｎｍの放射と、受け取ら
れて検出された赤外線とにそれぞれ対応する検出手段からの出力を比較する出力
手段を設けることにより、比較の結果、粒子が所定タイプの粒子であることが示
されれば前記出力手段がアラーム信号を出力するが、さもなければアラーム信号
を出力しないことを特徴とする。同様に、本発明によれば、最初に記載した方法
は、他方の波長が赤外線波長であり、受け取られて検出された約４００ｎｍ〜約
５００ｎｍの放射と、受け取られて検出された赤外線とにそれぞれ対応する２つ
の出力を比較することにより、比較の結果、粒子が所定タイプの粒子であること
が示されればアラーム信号を出力するが、さもなければアラーム信号を出力しな
いことを特徴とする。 本発明を実現する高感度粒子検出装置、及び本発明による方法を、例示のみに
よって、添付図面に沿って以下に説明する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】 図５に示す本発明装置の一実施例を示す簡略図である。
【図２】 図１に示した装置の動作及び長所を説明するためのグラフである。
【図３】 図１に示した装置の動作及び長所を説明するためのグラフである。
【図４】 図１に示した装置の動作及び長所を説明するためのグラフである。
【図５】 本発明装置の一実施例を示す簡略図である。
【図６】 図５に示した装置の作用を説明するためのグラフである。
【図７】 図５に示した装置の作用を説明するためのグラフである。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 散乱容積を通る所定通路に沿って放射を放出する放射放出手
    段（３）と、粒子の存在により前記散乱容積（９）から前方へ所定の角度で散乱
    された放射を受け取って検出する放射検出手段（１５）とを備える、粒度１ミク
    ロン以下の粒子を検出する粒子検出装置において、前記角度が放射の前記所定通
    路に対して４５°より小であり、放射の波長が約４００ｎｍ〜約５００ｎｍであ
    ることを特徴とする粒子検出装置。
  2. 【請求項２】 前記粒子は煙粒子であることを特徴とする請求項１に記載の
    検出装置。
  3. 【請求項３】 前記検出手段（３）はフォトダイオードであることを特徴と
    する請求項１または２に記載の検出装置。
  4. 【請求項４】 前記所定通路に沿って前記散乱容積（９）を通過する赤外線
    を放出する第２の放射放出手段（３Ａ）と、粒子の存在により、前記散乱容積（
    ９）から前方へ前記所定の散乱角度で散乱する赤外線を受け取って検出する第２
    の放射検出手段（１５Ａ）と、両検出手段（１５，１５Ａ）の出力を比較して、
    比較結果が、所定タイプの粒子であることを示す場合はアラーム信号を出力する
    が、それ以外の結果を示す場合はアラーム信号を出力しないように構成された出
    力手段（２３）とにより特徴付けられる請求項１に記載の検出装置。
  5. 【請求項５】 前記出力手段（２３）は両検出手段（１５，１５Ａ）の出力
    比を測定することを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
  6. 【請求項６】 前記所定タイプの粒子は煙粒子であることを特徴とする請求
    項４または５に記載の検出装置。
  7. 【請求項７】 前記発光手段（３，３Ａ）はＬＥＤであることを特徴とする
    請求項１から６のいずれか一項に記載の検出装置。
  8. 【請求項８】 前記所定の散乱角度は約１０°〜３５°の範囲内にあること
    を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の検出装置。
  9. 【請求項９】 前記散乱された放射を集束し、これを検出手段（１５，１５
    Ａ）に焦点化する集束／焦点化手段（１３）により特徴付けられる請求項１から
    ８のいずれか一項に記載の検出装置。
  10. 【請求項１０】 前記集束／焦点化手段は楕円綿ミラー（１３）であること
    を特徴とする請求項９に記載の検出装置。
  11. 【請求項１１】 前記放射放出手段（３，３Ａ）から、前記散乱容積（９）
    以上に遠い位置で前記所定通路上に配置されたビーム・ダンプ手段（１１）によ
    り特徴付けられる請求項１から１０のいずれか一項に記載の検出装置。
  12. 【請求項１２】 散乱容積（９）を通る所定通路に沿って放射を放出するス
    テップと、粒子の存在により前記散乱容積（９）から前方へ所定の散乱角度で散
    乱された放射を受け取って検出するステップとを備える、粒度１ミクロン以下の
    粒子を検出する粒子検出方法であって、前記角度が放射の前記所定通路に対して
    ４５°より小であり、放射の波長が約４００ｎｍ〜約５００ｎｍであることを特
    徴とする粒子検出方法。
  13. 【請求項１３】 前記粒子は煙粒子であることを特徴とする請求項１２に記
    載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記散乱容積（９）を通る前記所定通路に沿って赤外線を
    放出し、粒子の存在によって前記散乱容積（９）から前方へ前記所定の散乱角度
    で散乱する赤外線を受け取って検出するステップと、検出された約４００ｎｍ〜
    約５００ｎｍの放射と、検出された赤外線とにそれぞれ対応する出力を比較する
    ステップとにより特徴付けられ、比較結果が所定タイプの粒子を示す場合はアラ
    ーム信号を出力するが、それ以外の粒子タイプを示す場合はアラーム信号を出力
    しないことを特徴とする請求項１２項に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記比較するステップは両出力の比を測定するステップで
    あることを特徴とする請求項１４に記載の検出装置。
  16. 【請求項１６】 前記所定タイプの粒子は煙粒子であることを特徴とする請
    求項１４または１５に記載の検出装置。
  17. 【請求項１７】 前記所定の散乱角度は約１０°〜３５°であることを特徴
    とする請求項１３から１６のいずれか一項に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記散乱された放射を集束及び焦点化するステップにより
    特徴付けられる請求項１２から１７のいずれか一項に記載の方法。
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