JP2005284704A

JP2005284704A - 炎感知器

Info

Publication number: JP2005284704A
Application number: JP2004097498A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Yamagishi; 貴俊山岸; Kazuhisa Nakano; 主久中野
Original assignee: Nohmi Bosai Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】光学波長フィルタの構成の簡素化を図り、コストの低減化を可能にした炎検知器を提供する。
【解決手段】ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過可能な分光透過特性を有する保護部材１２と、保護部材１２を介してＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過させる光学波長フィルタ１３と、光学波長フィルタ１３を透過した赤外線を受光して電気信号に変換して出力する受光素子１４ａを内蔵したセンサ部１４とを備えた炎感知器１０において、光学波長フィルタ１３は、ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過させるとともに、保護部材１２における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は炎感知器に関し、特にその光学波長フィルタの構成に関する。

従来、２波長式炎感知器として、例えば概ね４．４〜４．５μｍ付近の波長帯域を中心波長とする狭帯域の放射線のみを高い透過率で透過する光学式の狭帯域バンドパスフィルタ（第１の光学波長フィルタ）とその透過光を受光する第１の受光素子を備えたセンサ部Ａと、概ね５．０μｍ付近の波長帯域を中心波長とする狭帯域の放射線のみを高い透過率で透過する光学式の狭帯域バンドパスフィルタ（第２の光学波長フィルタ）とその透過光を受光する第２の受光素子を備えたセンサ部Ｂとを備え、これらセンサ部Ａ、Ｂの前面には、サファイアガラス等の赤外線透光性の部材により形成された共通の透過性窓が設けられているものがある（例えば特許文献１）。
特開２００１−３５６０４７号公報（段落［００６０］〜［００６７］）

従来の２波長式炎感知器の第１及び第２の光学波長フィルタは、その基材の前面及び裏面にバンドパスフィルタ及びサイドバンドカットフィルタをそれぞれ蒸着することにより、それ自体のみで、所定の狭帯域の分光透過特性を得るようにしている。そのため、その製品価格が高価であり、その結果、炎感知器のコストアップを招くという問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、上記の透過性窓の分光透過特性も考慮して光学波長フィルタを構成することにより、光学波長フィルタの構成の簡素化を図り、コストの低減化を可能にした炎検知器を提供することを目的とする。

本発明に係る炎感知器は、ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過可能な分光透過特性を有する保護部材と、該保護部材を介して前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる第１の光学波長フィルタと、該第１の光学波長フィルタを透過した赤外線を受光して電気信号に変換して出力する第１の受光素子とを備えた炎感知器において、前記第１の光学波長フィルタは、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過させるとともに、前記保護部材における分光透過特性の遮断領域を透過させる分光透過特性を有するものである。

本発明に係る炎感知器の第１の光学波長フィルタは、第１の基材と、該第１の基材の前面側に蒸着されてＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有する第１のバンドパスフィルタと、該第１の基材の裏面側に蒸着されて前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線のみを透過させる分光透過特性を有する第１のサイドバンドカットフィルタとを有するものである。

本発明に係る炎感知器は、前記保護部材を介してＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線を透過させる第２の光学波長フィルタと、該第２の光学波長フィルタを透過した赤外線を受光して電気信号に変換して出力する第２の受光素子とを更に備え、前記第２の光学波長フィルタは、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線を透過させるとともに、前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有するものである。

本発明に係る炎感知器の第２の光学波長フィルタは、第２の基材と、該第２の基材の前面側に蒸着されてＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有する第２のバンドパスフィルタと、該第２の基材の裏面側に蒸着されて前記ＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線のみを透過させる分光透過特性を有する第２のサイドバンドカットフィルタとを有するものである。

本発明に係る炎感知器において、前記保護部材はサファイアガラスからなり、第１及び第２の光学波長フィルタはシリコン基材を含むものである。

本発明に係る炎感知器の第１の光学波長フィルタは、ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線の分光透過特性として、感知器正面方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量と、感知器斜め方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量とがほぼ一致するように、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線の分光透過特性が設定されたものである。

本発明においては、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線のみを透過させるために第１の光学波長フィルタを用いているが、例えばシリコンなどの安価な材質を選択した場合には、その透過特性から干渉膜の膜数を増やさなければならないが、保護部材の分光透過特性を積極的に考慮して設計することにより、干渉膜の膜数を増やすことなく理想的な特性を得ることができる。このため、光学波長フィルタの構成の簡素化が図られ、コストの低減化が可能になっている。このことは第２の光学波長フィルタにおいても同様である。また、感知器正面方向からＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量と、感知器斜め方向からＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量とがほぼ一致するように、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線の分光透過特性を設定することにより、視野角の広い炎感知器が得られる。

実施形態１．
図１（ａ）（ｂ）は本発明の実施形態１に係る炎感知器、特にセンサ部の構成を示す断面図及びその光学波長フィルタの拡大図である。炎感知器１０は、ケース１１に取付けられた板状の保護部材１２、光学波長フィルタ１３、及び光検出素子（例えば焦電センサ）１４を内蔵したセンサ部１５から構成されている。光学波長フィルタ１３は狭帯域バンドパスフィルタであり、シリコン基板１３ａを基材として、その前面側にバンドパスフィルタ１３ｂが、その裏面側にサイドバンドカットフィルタ１３ｃがそれぞれ蒸着されて形成されている。また、保護部材１２には例えばサファイヤガラスが用いられており、この保護部材１２は、後述のように、概ね７μｍ付近以下の波長帯域の赤外線を良好に透過するハイカット特性を有する。なお、光学波長フィルタ１３は本発明の第１の光学波長フィルタに相当し、光検出素子１４は本発明の第１の受光素子に相当するものである。また、シリコン基板１３ａは本発明の第１の基材に、バンドパスフィルタ１３ｂは本発明の第１のバンドパスフィルタに、サイドバンドカットフィルタ１３ｃは本発明の第１のサイドバンドカットフィルタにそれぞれ相当する。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は保護部材１２の分光透過率、光学波長フィルタ１３の分光透過率及び合成された分光透過率をそれぞれ示した特性図である。保護部材１２は、図２（ａ）に示されるように、概ね７μｍ付近以下の波長帯域の赤外線を良好に透過するハイカット特性を有している。光学波長フィルタ１３は、図２（ｂ）の実線に示されるように、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される波長帯域及び保護部材１２の遮断領域である７μｍ付近以上の波長帯域の赤外線を透過させる分光透過特性を有している。保護部材１２の分光透過特性と光学波長フィルタ１３の分光透過特性とを合成することにより、図２（ｃ）の実線に示されるように、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される波長帯域の赤外線のみを透過させることになり、光学波長フィルタ１３は全体として狭帯域のバンドパスフィルタとして機能する。光学波長フィルタ１３は、保護部材１２の分光透過特性の遮断領域については重ねて遮断する必要がないので、サイドバンドカットフィルタ１３ｃの機能を低減させることができ、その結果、干渉膜の膜数を少なくすることが可能になっている。この点の更に説明するために、従来の炎感知器の特性を図３に基づいて説明する。

図３は従来の炎感知器の特性を示したものであり、同図（ａ）（ｂ）（ｃ）はシリコン基板の分光透過率、シリコン基板の分光透過率とバンドパスフィルタの分光透過率とを合成したときの分光透過率、及びシリコン基板の分光透過率とバンドパスフィルタの分光透過率とサイドバンドカットフィルタの分光透過率とを合成したときの分光透過率（光学波長フィルタの分光透過率）をそれぞれ示したものである。このバンドパスフィルタは、本実施形態のバンドパスフィルタ１３ｂと同様に、ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線及び保護部材１２における分光透過特性の遮断領域の赤外線を含む波長帯域の赤外線を透過させる分光透過特性を有する。しかし、このサイドバンドカットフィルタは、本実施形態のサイドバンドカットフィルタ１３ｃがＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線及び保護部材１２における分光透過特性の遮断領域の赤外線のみを透過させる分光透過特性を有するのに対して、ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線のみを透過させる分光透過特性を有する。そのため、従来の炎感知器は、保護部材１２の分光透過特性を考慮せずに、概ね７μｍ付近以上の波長帯域の赤外線もカットしていたので、サイドバンドカットフィルタの干渉膜の膜数が図２の例に比べて必然的に増加することになる。

このことから分かるように、本実施形態のサイドバンドカットフィルタ１３ｃは干渉膜の膜数が従来のものに比べて少なくすることができる。その結果、光学波長フィルタ１３の構成が簡素化でき、コストの低減化が可能になっている。また、上記のように、本実施形態の基材はシリコンから構成されているので、光学波長フィルタ１３をケース１１と導通させることによりシールド効果も得られ、高信頼性の炎感知器が得られる。

なお、本実施形態１に係る炎感知器１０は、ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過可能な分光透過特性を有する保護部材と、該保護部材を介して前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過させる第１の光学波長フィルタと、該第１の光学波長フィルタを透過した赤外線を受光して電気信号に変換して出力する第１の受光素子とを備えた炎感知器において、前記第１の光学波長フィルタは、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過させるとともに、前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有するものである。
また、第１の光学波長フィルタは、第１の基材と、該第１の基材の前面側に蒸着されてＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有する第１のバンドパスフィルタと、前記第１の基材の裏面側に蒸着されて前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線のみを透過させる分光透過特性を有する第１のサイドバンドカットフィルタとを有するものである。

実施形態２．
図４は本発明の実施形態２に係る炎感知器の構成を示す断面図であり、ここは２個のセンサが内蔵された２波長式炎感知器のセンサ部の構成が示されている。この炎感知器２０は２個のセンサＡ３０，Ｂ４０を内蔵しており、センサＡ３０は炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、概ね４．４〜４．５μｍ付近の波長帯域を中心波長とする狭帯域の赤外線を検出し、センサ部Ｂ４０は概ね５．０μｍ付近の波長帯域を中心波長とする狭帯域の赤外線を検出する。

センサ部Ａ３０は、受光素子３１が形成された基板３２と、該基板３２を基部３３上に支持するための基板搭載部３４と、基板搭載部３４側の背面側から端子３５が外部へ突出して延在する基部３３と、受光素子３１の前方に狭帯域バンドパスフィルタである光学波長フィルタ３６を備えたカバー部材３７とからなるパッケージ化された構成を有している。また、センサＢ４０は、受光素子４１が形成された基板４２と、該基板４２を基部４３上に支持するための基板搭載部４４と、基板搭載部４４側の背面側から端子４５が外部へ突出して延在する基部４３と、受光素子４１の前方に狭帯域バンドパスフィルタである光学波長フィルタ４６を備えたカバー部材４７とからなるパッケージ化された構成を有している。そして、これらのセンサ部Ａ３０及びセンサ部Ｂ４０は、本体カバー４８内に設けられた共通の取り付け部材４９上に、互いに近接して所定の配列で配置され、これらのセンサ部Ａ３０及びセンサ部Ｂ４０の前面には、たとえば、サファイアガラス等の赤外線透光性の保護部材５０が設けられている。そして、センサ部Ａ３０の光学波長フィルタ３６の特性としては、上記のように、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される概ね４．４〜４．５μｍ付近の波長帯域を中心波長とする赤外線のみを高い透過率で透過する特性する特性を有している。センサ部Ｂ４０の光学波長フィルタ４６の分光透過特性としては、センサＡ３０の光学波長フィルタ３６の中心透過波長帯域に隣接していればよく、上記の５μｍ付近だけではなく、短波長側例えば３．８μｍ付近でもよい。上記の５μｍ付近で設定した場合の分光透過特性を図２（ｂ）（ｃ）において破線で示す。

なお、図４において、受光素子３１は本発明の第１の受光素子に、光学波長フィルタ３６は本発明の第１の光学波長フィルタに相当し、また、受光素子４１は本発明の第２の受光素子に、光学波長フィルタ４６は本発明の第２の光学波長フィルタに相当する。第１の光学波長フィルタ３６と第２の光学波長フィルタ４６の基本構成は同一である。即ち、第２の光学波長フィルタ４６は図１（ｂ）と同様な構成からなり、同図のシリコン基板１３ａは本発明の第２の基材に、バンドパスフィルタ１３ｂは本発明の第２のバンドパスフィルタに、サイドバンドカットフィルタ１３ｃは本発明の第２のサイドバンドカットフィルタに相当する。

図５は図４の炎感知器２０を用いた炎感知器の回路構成図である。センサＡ３０の出力及びセンサＢ４０の出力はそれぞれ増幅器５１，５２で増幅されて判定処理部５３に入力し、判定処理部５３は、センサＡ３０の出力及びセンサＢ４０の出力に基づいて炎が発生しているどうかを判断する。炎が発生している状態においては、センサＡ３０の出力（増幅器５１の出力）の積分値が所定値に以上なっており、且つセンサＢ４０の出力（増幅器５２の出力）の積分値が所定値よりも小さい状態となるが、他の外的な要因があると、センサＡ３０の出力の積分値及びセンサＢ４０の出力の積分値が両方とも所定値以上になることがある。このような状態を判断から排除するために、判定処理部５３は、センサＡ３０の出力の積分値が所定値以上であって、且つセンサＡ３０の出力の積分値とセンサＢ４０の出力の積分値との比が所定以上であることをもって、炎が発生していると判断する。なお、この判断方法においては、例えばセンサＡ３０の出力が所定値以上であることを検出した場合に、増幅器５１，５２の出力を周波数分析し、火炎特有のゆらぎ（ちらつき）周波数の特徴が得られる場合に炎有りと判断したり、上記の積分値のレベル比較との組み合わせ等の種々の手法を適用することができる。

なお、本実施形態２に係る炎感知器２０は、実施形態１に係る炎感知器１０に加えて、前記保護部材を介してＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線を透過させる第２の光学波長フィルタと、該第２の光学波長フィルタを透過した赤外線を受光して電気信号に変換して出力する第２の受光素子とを更に備え、前記第２の光学波長フィルタは、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線を透過させるとともに、前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有するものである。
また、第２の光学波長フィルタは、第２の基材と、該第２の基材の前面側に蒸着されてＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有する第２のバンドパスフィルタと、前記第２の基材の裏面側に蒸着されて前記ＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線のみを透過させる分光透過特性を有する第２のサイドバンドカットフィルタとを有するものである。

実施形態３．
本発明の実施形態３に係る炎感知器は、その光学波長フィルタに対して赤外線が正面方向から入射した場合と斜め方向から入射した場合とで、光学波長フィルタの透過波長帯域の中心波長、帯域幅、透過率がそれぞれ変化することを考慮することにより、視野角の広い炎感知器を実現したものである。

図６は本発明の実施形態３に係る炎感知器における光学波長フィルタの分光透過率の特性を示したものである。同図に示されるように、炎の二酸化炭素（ＣＯ₂）共鳴スペクトルの中心波長（例えば４．４μｍ）と、斜め方向（正面方向を０度としたとき、例えば５０度に設定）から赤外線が入射した場合の光学波長フィルタの分光透過特性の中心波長とを一致させるとともに、正面方向から赤外線が入射した場合の光学波長フィルタの分光透特性の中心波長をそれより若干長波長側にずらした位置（例えば４．５２μｍ）に設定する。これにより、炎の二酸化炭素共鳴スペクトルに対する光学波長フィルタの分光透過率のたたみ込み積分値について、正面方向に対する斜め方向の比率を１又は１以上とする。このようにすることにより、感知器正面方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量と、感知器斜め方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量とがほぼ一致することになり、斜め方向に対する感度が高くなるため、炎感知器の視野角特性を広げることが可能になっている。特に、光学波長フィルタの蒸着膜の通過帯材料として、ＺｎＳ、ゲルマニウムを含むものは、フィルタの角度シフト量が小さく、均一な感度特性を実現することができる。

なお、本実施形態３に係る炎感知器は、実施形態１、２に係る炎感知器１０、２０に加えて、前記第１の光学波長フィルタは、そのＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線の分光透過特性として、感知器正面方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量と、感知器斜め方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量とがほぼ一致するように、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線の分光透過特性を設定したものである。
このとき、前記第２の光学波長フィルタは、そのＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線の分光透過特性として、感知器正面方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線が入射した場合の透過光量と、感知器斜め方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線が入射した場合の透過光量とがほぼ一致するように、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線の分光透過特性を設定すると、図５において、センサＡ３０の出力の積分値とセンサＢ４０の出力の積分値との比が所定以上であることをもって、炎が発生していると判断する場合に、赤外線の入射方向にかかわらず、正確な前記比を算出可能である。

本発明の実施形態１に係る炎感知器の構成を示す断面図及びその光学波長フィルタの拡大図である。図１の保護部材の分光透過率、光学波長フィルタの分光透過率及び合成されたの分光透過率である。従来の炎感知器の特性図である。２個のセンサを内蔵した炎感知器の構成構成を示した断面図である。図４の炎感知器を用いた炎感知器の回路構成図である。本発明の実施形態２に係る炎感知器における光学波長フィルタの分光透過率の特性図である。

符号の説明

１０炎感知器、１１ケース、１２保護部材、１３光学波長フィルタ、１３ａシリコン基板、１３ｂバンドパスフィルタ、１３ｂバンドパスフィルタ、１３ｃサイドバンドカットフィルタ、１４光検出素子、２０炎感知器、３１受光素子、３２基板、３３３基部、３４基板搭載部、３５端子、３６光学波長フィルタ、３７カバー部材、４１受光素子、４２基板、４３基部、４４基板搭載部、４５端子、４６光学波長フィルタ、４７カバー部材、４８本体カバー、４９部材、５０保護部材。

Claims

ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過可能な分光透過特性を有する保護部材と、該保護部材を介して前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過させる第１の光学波長フィルタと、該第１の光学波長フィルタを透過した赤外線を受光して電気信号に変換して出力する第１の受光素子とを備えた炎感知器において、
前記第１の光学波長フィルタは、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線を透過させるとともに、前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有することを特徴とする炎感知器。
第１の光学波長フィルタは、第１の基材と、該第１の基材の前面側に蒸着されてＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有する第１のバンドパスフィルタと、前記第１の基材の裏面側に蒸着されて前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線のみを透過させる分光透過特性を有する第１のサイドバンドカットフィルタとを有することを特徴とする請求項１記載の炎感知器。
前記保護部材を介してＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線を透過させる第２の光学波長フィルタと、該第２の光学波長フィルタを透過した赤外線を受光して電気信号に変換して出力する第２の受光素子とを更に備え、前記第２の光学波長フィルタは、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線を透過させるとともに、前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有することを特徴とする請求項１又は２記載の炎感知器。
前記第２の光学波長フィルタは、第２の基材と、該第２の基材の前面側に蒸着されてＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線を透過させる分光透過特性を有する第２のバンドパスフィルタと、該第２の基材の裏面側に蒸着されて前記ＣＯ₂共鳴放射帯域に隣接した帯域の赤外線及び前記保護部材における分光透過特性の遮断領域の赤外線のみを透過させる分光透過特性を有する第２のサイドバンドカットフィルタとを有することを特徴とする請求項３記載の炎感知器。
前記保護部材はサファイアガラスであり、前記第１及び第２の光学波長フィルタはシリコン基材を含むことを特徴とする請求項４記載の炎感知器。
前記第１の光学波長フィルタは、そのＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線の分光透過特性として、感知器正面方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量と、感知器斜め方向から前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線が入射した場合の透過光量とがほぼ一致するように、前記ＣＯ₂共鳴放射帯域の赤外線の分光透過特性を設定したことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の炎感知器。