JP2008262530A - 火災感知器 - Google Patents

Abstract

【課題】音源部と受波素子との間の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、ＳＮ比を向上させた火災感知器を提供する。
【解決手段】超音波を送波可能な音源部１と、音源部１を制御する制御部と、音源部１から送波された超音波の音圧を検出する受波素子３と、受波素子３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る。信号処理部は、受波素子３の出力の基準値からの減衰量に基づいて音源部１と受波素子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、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を有する。音源部１と受波素子３との間には、筒状に形成され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６が配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、火災感知器に関するものである。

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。

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。
特開２００１−３４８６２号公報 特開昭６１−３３５９５号公報

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（図２参照）。

この火災感知器は、超音波を送波可能な音源部１と、音源部１を制御する制御部２と音源部１から送波された超音波の音圧を検出する受波素子３と、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４とを備える。信号処理部４は、受波素子３の出力の基準値からの減衰量に基づいて音源部１と受波素子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４１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４２とを有する。すなわち、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。

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。

ところで、上述した超音波式の火災感知器においては、煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量（つまり受波素子３での受波音圧の変化量）を極力大きくするために、音源部１への供給電力を音源部１が損傷しない範囲内で大きくし音源部１から送波される超音波の音圧を大きくすること等が考えられる。

しかし、音源部１から送波される超音波の音圧を大きくしても、音源部１と受波素子３との間で超音波が拡散することによって、監視空間中の煙粒子の存否に関係なく受波素子３で受波される超音波の音圧は低下する。その結果、煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量は比較的小さくなり、ＳＮ比が小さくなるという問題がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、音源部と受波素子との間の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、ＳＮ比を向上させた火災感知器を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、超音波を送波可能な音源部と、音源部を制御する制御部と、音源部から送波された超音波の音圧を検出する受波素子と、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、受波素子の出力の基準値からの減衰量に基づいて音源部と受波素子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、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を有し、少なくとも一部が互いに対向するように配置された内表面を具備し音源部からの超音波を対向する内表面間の空間に通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材が、音源部から送波され受波素子で受波される超音波の伝搬経路上に配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、少なくとも一部が互いに対向するように配置された内表面を具備し音源部からの超音波を対向する内表面間の空間に通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材が、音源部から送波され受波素子で受波される超音波の伝搬経路上に配設されているので、音源部からの超音波は対向する内表面間の空間を通ることで拡散が抑制されることにより、音源部と受波素子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。したがって、監視空間中に煙粒子がない状態において受波素子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比が向上するという利点がある。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記拡散防止部材が、筒状に形成され長手方向に沿う内側面を前記内表面とする筒体からなることを特徴とする。

この構成によれば、音源部からの超音波は内表面により四方が囲まれた筒体の内部空間を通ることとなるので、たとえば一方向にのみ対向する一対の平面を内表面として具備する拡散防止部材を用いる場合に比べて、音源部と受波素子との間における超音波の拡散を確実に抑制することができ、したがって、超音波の拡散による音圧の低下をより抑制することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記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音源部の出力周波数と前記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、前記音源部から送波された各周波数の超音波ごとの前記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。

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、音源部から送波された各周波数の超音波ごとの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。

請求項４の発明は、請求項３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音源部の出力周波数と前記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。

この発明によれば、前記音源部の出力周波数に応じて前記受波素子の出力の基準値が変動する場合でも、前記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。

請求項５の発明は、請求項３または請求項４の発明において、前記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音源部を制御することを特徴とする。

この構成によれば、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、音源部の小型化、低コスト化が可能となる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明において、前記音源部が、空気に振動を与える送波面が、前記拡散防止部材における超音波が入射する入射側端面と対向して配置され、且つ前記内表面の互いに対向する方向において内表面間の距離以上の幅寸法を有することを特徴とする。

この構成によれば、音源部の送波面から送波される超音波は拡散防止部材の内表面間の空間を当該内表面に沿って進行するので、当該内表面で超音波が反射することによる超音波の干渉が生じることはなく、干渉に起因した音圧の低下を回避することができる。たとえば拡散防止部材が直管状の筒体であるときに、音源部の送波面から送波される超音波は筒体内を平面波として進行するので、筒体の長手方向に沿う側面で超音波が反射することによる超音波の干渉が生じることはなく、筒体内での干渉に起因した音圧の低下を回避することができる。

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。

この構成によれば、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、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。

請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記音源部が、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。

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。

請求項９の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記制御部が、前記音源部から送波され前記受波素子で受波される超音波の伝搬距離に基づく共振周波数の超音波を、少なくとも前記音源部から前記受波素子に超音波が伝搬するのに要する伝搬時間よりも長い送波時間に亘って連続的に前記音源部から送波させるように前記音源部を制御することを特徴とする。

この構成によれば、拡散防止部材の内表面間の空間において共振が発生し音源部から送波された超音波の音圧が増大するので、煙濃度の変化量に対する受波素子の出力の変化量が大きくなり、ＳＮ比が向上する。また、共振により音源部あるいは受波素子で反射した超音波においては、実効的な送波距離が反射の回数に応じて延長され、煙濃度の変化量に対する受波素子の出力の変化量がより一層大きくなる。

請求項１０の発明は、請求項３ないし請求項５のいずれかの発明において、前記制御部が、前記音源部から送波され前記受波素子で受波される超音波の伝搬距離に基づく共振周波数であって互いに周波数の異なる複数種の超音波を、それぞれ少なくとも前記音源部から前記受波素子に超音波が伝搬するのに要する伝搬時間よりも長い送波時間に亘って連続的に前記音源部から送波させるように前記音源部を制御することを特徴とする。

この構成によれば、拡散防止部材の内表面間の空間において共振が発生し音源部から送波された超音波の音圧が増大するので、煙濃度の変化量に対する受波素子の出力の変化量が大きくなり、ＳＮ比が向上する。また、共振により音源部あるいは受波素子で反射した超音波においては、実効的な送波距離が反射の回数に応じて延長され、煙濃度の変化量に対する受波素子の出力の変化量がより一層大きくなる。

請求項１１の発明は、請求項９または請求項１０の発明において、前記拡散防止部材において前記音源部からの超音波を通す内表面間の空間が、前記超音波の伝搬方向の両端面が超音波を反射する反射面によって閉じられており、一方の反射面に前記音源部が配置され、いずれかの反射面に前記受波素子が配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、拡散防止部材において音源部からの超音波を通す内表面間の空間は両端面が閉じた音響管を共振させた場合と同様に超音波の伝搬方向の両端で超音波による圧力変化が最大になるので、受波素子は超音波による圧力変化が最大となる部位で超音波の音圧を検出することとなる。すなわち、煙濃度の変化量に対する受波素子の出力の変化量を極力大きくすることができる。

請求項１２の発明は、請求項９または請求項１０の発明において、前記拡散防止部材において前記音源部からの超音波を通す内表面間の空間が、前記超音波の伝搬方向の両端面が超音波を反射する反射面によって閉じられており、一方の反射面に前記音源部が配置され、前記伝搬方向に沿う前記内表面のうち前記音源部からの超音波による圧力変化が最大となる位置に前記受波素子が配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、受波素子は拡散防止部材の内表面のうち音源部からの超音波による圧力変化が最大となる位置に配置されているので、煙濃度の変化量に対する受波素子の出力の変化量を極力大きくすることができる。また、両端面を反射面で閉じた空間で共振を発生させた場合、反射面で超音波が反射することにより共振し、特に、波長の短い超音波では、反射面に微小な凹凸があるだけでも反射面で反射する際に音圧が低下することになるが、請求項１２の構成によれば、超音波の伝搬方向に沿う内表面に受波素子が設けられているので、反射面に受波素子が設けられる場合に比べて、反射面を凹凸の少ない平坦な面とすることができ、結果的に、反射面での超音波の反射を受波素子で阻害することなく共振による音圧の増加が可能となる。

請求項１３の発明は、請求項１２の発明において、前記制御部が、前記反射面間の距離を自然数で除した長さの波長の超音波が前記音源部から送波されるように前記音源部を制御し、前記受波素子は、両反射面の中間位置に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、反射面間の距離を自然数で除した長さの波長の超音波が音源部から送波されるので、両反射面の中間位置においては前記超音波による圧力変化が常に最大となる。したがって、上述した波長の条件を満たしていれば超音波の周波数が異なる場合でも、両反射面の中間位置に配置された受波素子のみで、前記超音波による圧力変化が最大となる位置での音圧の検出が可能となり、複数箇所に受波素子を配置する場合に比べて低コスト化が可能となる。

請求項１４の発明は、請求項９ないし請求項１３のいずれかの発明において、前記制御部が、温度変化による音速の変化に応じて前記音源部から送波する超音波の周波数を補正する周波数補正手段を有することを特徴とする。

この構成によれば、超音波の伝搬距離に基づく共振周波数が温度変化による音速の変化に起因して変動することがあっても、音源部から送波される超音波の周波数は周波数補正手段により変動後の共振周波数に補正されるので、確実に共振が発生し当該超音波の音圧が増大することになる。

請求項１５の発明は、請求項１４の発明において、前記周波数補正手段が、前記音源部が超音波を送波してから当該超音波が前記受波素子に受波されるまでの時間差に基づいて求まる音速を用いて周波数を補正することを特徴とする。

この構成によれば、周波数補正手段において、音源部が超音波を送波してから当該超音波が受波素子に受波されるまでの時間差に基づいて求まる音速を用いて周波数を補正するので、音速を求める手段を別途設ける場合に比べて構成を簡単にすることができる。

本発明は、音源部と受波素子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、監視空間中に煙粒子がない状態において受波素子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比が向上するという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の火災感知器は、図２に示すように、超音波を送波可能な音源部１と、音源部１を制御する制御部２と、音源部１から送波された超音波の音圧を検出する受波素子３と、受波素子３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。ここにおいて、音源部１と受波素子３とは、図１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ており、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。音源部１と受波素子３との間には筒状に形成された後述の筒体６が配設されている。また、回路基板５の上記一表面には、音源部１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、音源部１から送波された超音波が回路基板５で反射して受波素子３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、音源部１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。

本実施形態では、音源部１として、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、受波素子３として共振特性の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。

ここにおいて、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。

上述の音源部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、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。

上述の音源部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１．６３×１０^６Ｊ／（ｍ^３・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０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・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０．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。

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。

上述のように音源部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、上述の音源部１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、上述の音源部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、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、ＳｉＯ_２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。

音源部１を制御する制御部２は、図示していないが、音源部１に駆動入力波形を与えて音源部１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。

また、上述の受波素子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。

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。

ところで、信号処理部４は、受波素子３の出力の基準値からの減衰量に基づいて音源部１と受波素子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、音源部１が超音波を送波してから当該超音波が受波素子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４１〜４５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、受波素子３の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。

煙濃度推定手段４１は、音源部１からの超音波の音圧を検出する受波素子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、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、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音源部１への駆動入力波形を制御する。したがって、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。

また、音速検出手段４３は、音源部１と受波素子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の温度を推定する。また、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、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音源部１への駆動入力波形を制御する。

ところで、本実施形態において音源部１と受波素子３との間に設けられた前記筒体６は、音源部１からの超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材として機能するものであって、内部空間を通して音源部１からの超音波を伝搬させるように超音波の伝搬経路の少なくとも一部に音源部１と受波素子３との対向する方向に沿って配置されている。具体的には、筒体６は長手方向の両端面が開放された直管状の角筒であって、図１に示すように長手方向の一端面（図１における右端面）を音源部１に近接させて配置されることにより当該一端面が音源部１で閉じられ、他端面（図１における左端面）を受波素子３に対して所定の間隔を空けて対向させるように配置される。この筒体６を設けたことにより、音源部１から送波される超音波は、筒体６の長手方向に沿った内側面（内表面）で四方が囲まれた筒体６の内部空間を通ることで拡散が抑制され、したがって音源部１と受波素子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。

しかも、本実施形態の火災感知器では、図５（ａ）に示すように音源部１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）が、筒体６における超音波が入射する入射側端面（つまり、音源部１側の端面）に対向して配置され、且つ入射側端面と同一以上の大きさに形成されている。一例として、筒体６の入射側端面である開口面が１０ｍｍ角の正方形状のとき、発熱体層１３の表面を１０ｍｍ角の正方形状とする。この構成によれば、発熱体層１３の急激な温度変化が筒体６の入射側端面の全域に一様に伝わることになるので、音源部１から送波される超音波は筒体６内を平面波として進行する。したがって、超音波は筒体６の長手方向に沿う側面での反射波による干渉を生じることはなく、筒体６内での干渉による超音波の音圧低下を回避することができる。

なお、図５（ｂ）に示すように音源部１を複数の音波発生素子１ａで構成しこれらの音波発生素子１ａを同期させて同時に駆動する場合には、これら複数の音波発生素子１ａを並べて形成される音源部１の送波面を、筒体６の入射側端面に対向させ、且つ入射側端面と同一以上の大きさとすれば、上述した図５（ａ）の例と同じ効果を得ることができる。たとえば、筒体６の入射側端面である開口面が１０ｍｍ角の正方形状のとき、それぞれ発熱体層１３の表面が５ｍｍ角の正方形状である４つの音波発生素子１ａを並べて１０ｍｍ角の正方形状の送波面を形成すればよい。

また、本実施形態では図１に示す構成の筒体６を例示しているが、筒体６の構成は図１のものに限らず、たとえば、図６に示すように音源部１を筒体６で覆った構成や、図７に示すように筒体６の一端面を音源部１に対して所定の間隔を空けて対向させる構成などを採用してもよい。音源部１の中心軸と受波素子３の中心軸とが同一軸上にない場合、つまり音源部１の中心軸に対して受波素子３が傾いて配置されている場合には、図８に示すように音源部１と受波素子３との間の超音波の伝搬経路の一部に当該伝搬経路に沿って曲げられた筒体６を配置するようにしてもよい。さらに、図９に示すように音源部１と受波素子３との間隔と同じ長さの筒体６を用いて音源部１と受波素子３とで筒体６の長手方向の両端面を閉じた構成とすることも考えられる。ただし、両端面を閉じた構成では筒体６内が監視空間となるので、たとえば筒体６の長手方向に沿う側面には内部に煙等を案内する孔（図示せず）が形成される。図１０に示すように長手方向に直交する断面が、超音波が出て行く端面（受波素子３に対向する端面）側ほど大きくなる音響ホーンを筒体６として用いてもよい。ここに、各筒体６は角筒に限らず丸筒であってもよい。

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。

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、受波素子３の出力の基準値からの減衰量に基づいて音源部１と受波素子３との間の監視空間の煙濃度を推定し、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。

また、本実施形態では、音源部１と受波素子３との間の超音波の伝搬経路の少なくとも一部に筒体６を設けたことにより、音源部１から送波される超音波は、筒体６の内部空間を通ることで拡散が抑制され、音源部１と受波素子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、監視空間中に煙粒子がない状態において受波素子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。さらにまた、発熱体層１３の表面が、筒体６の入射側端面に対向して配置され、且つ入射側端面と同一以上の大きさに形成されていることで、筒体６内での干渉による超音波の音圧の低下も回避することができる。

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、音源部１が超音波を送波してから当該超音波が受波素子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。

（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、制御部２の構成および筒体６の構成が実施形態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。

本実施形態では、図９に示すように音源部１と受波素子３との間隔と同じ長さの筒体６を用い、音源部１と受波素子３とで筒体６の長手方向の両端面を閉じた構成を採用している。このとき、音源部１および受波素子３において筒体６の内部空間に臨む各面は、超音波を反射する反射面としても機能する。この構成により、筒体６は長手方向の両端面が閉じられた周知の音響管と同様に、固有の共振周波数を有する。つまり、筒体６の長手方向の寸法をＬとするときに、Ｌ＝（ｎ／２）×λの関係（ただし、ｎは自然数）を満たす波長λに対応する周波数ｆ（波の伝搬速度をｃとしてｆ＝ｃ／λで表される）が筒体６の共振周波数となる。したがって、Ｌ＝（ｎ／２）×λの関係を満たす超音波の連続波が長手方向の端面から筒体６内に入射すると、当該超音波の少なくとも一部が筒体６の長手方向の両端面で反射を繰り返すことにより、反射波と音源部１からの直接波とが重なって共振し、筒体６の内部において図１１に示すように時間経過に応じて前記超音波の音圧が増大する。そこで、本実施形態は制御部２において、筒体６に固有の前記共振周波数の超音波を音源部１から送波させるように音源部１を制御することにより、筒体６内で共振を生じさせ音源部１からの超音波の音圧を増大させるようにしてある。この場合、筒体６内で共振を生じさせるために、単パルス状の超音波ではなく、Ｌ／λを超える複数周期（以下、ｍ周期という）の超音波を音源部１から送波させる必要があるので、制御部２は、ｍ（＞Ｌ／λ）周期の超音波の連続波を音源部１から送波させるように音源部１を制御する。言い換えると、音源部１から超音波を連続して送波させる送波時間ｔ_ｐ（つまりｔ_ｐ＝ｍ×λ／ｃ）が、筒体６の長手方向の両端間を超音波が伝搬するのに要する伝搬時間ｔ_ｓ（つまりｔ_ｓ＝Ｌ／ｃ）よりも大きくなる（つまりｔ_ｐ＞ｔ_ｓ）ように制御部２で音源部１を制御する。受波素子３は、筒体６内で共振が発生して超音波の音圧が飽和したタイミング（図１１中の「Ｓ」のタイミング）で超音波の音圧を検出する。通常、音源部１からの超音波の送波が終了した時点で超音波の音圧が飽和するので、一例として音源部１からの超音波の送波を終了するのと同時に受波素子３において超音波の音圧を検出することが考えられる。

本実施形態の音源部１と受波素子３と筒体６とは、図１２に示すように、筒体６の長手方向の一端面（図１２における左端面）に音源部１が位置し、筒体６の長手方向の他端面（図１２における右端面）に受波素子３が位置する位置関係になっている。ここで、長手方向の両端面が閉じた音響管においては周知のように長手方向の両端で超音波による圧力変化が最大になるので、上述の位置関係により、受波素子３は超音波による圧力変化が最大となる部位で超音波の音圧を検出することができる。言い換えると、超音波の音圧の腹（つまり空気の移動速度の節）となる部位で受波素子３が超音波の音圧を検出することができる（図１２中の「Ａ」と「Ｂ」との縦方向の間隔が圧力変化の大きさを表す）。その結果、煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量を極力大きくすることができる。なお、図１３に示すように、筒体６の長手方向の一端面（図１３における左端面）に音源部１および受波素子３を並べて配置し、筒体６の長手方向の他端面（図１３における右端面）を閉じた形状とした場合でも、受波素子３は超音波による圧力変化が最大となる部位で超音波の音圧を検出することができる。

また、図１２や図１３の構成に限らず、図１４（ａ）に示すように長手方向の両端面が反射面で閉じられた筒体６における長手方向の一端面に音源部１を配置し、長手方向に沿う側面のうち音源部１からの超音波による圧力変化が最大となる位置に受波素子３を配置しても、受波素子３は超音波による圧力変化が最大となる部位で超音波の音圧を検出することができる。すなわち、長手方向の両端面が閉じた音響管においては長手方向の両端だけでなく、長手方向に沿って一端面からλ／２（λは超音波の波長）ごとに超音波による圧力変化が最大となる箇所があり、この箇所に受波素子３を配置することにより長手方向のいずれかの端面に受波素子３を配置した場合と同様に、煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量を極力大きくすることができる。

図１４（ｂ）は、筒体６の側面のうち音源部１からの超音波による圧力変化が最大となる位置に受波素子３を配置した一例であって、具体的には、制御部２が、筒体６の内部空間における長さ寸法Ｌを自然数ｎで除した長さの波長λ（つまりλ＝Ｌ／ｎ）の超音波を音源部１から送波させるように音源部１を制御することを前提として、筒体６の長手方向の中央部（つまり、両反射面の中間位置）に受波素子３を配置している。要するに、上記波長λ（＝Ｌ／ｎ）の超音波が音源部１から送波されると、筒体６の長手方向の中央部は長手方向の一端面から必然的にλ／２のｎ倍だけ離れた位置となり超音波による圧力変化が常に最大となるので、筒体６の長手方向の中央部に配置された受波素子３は超音波による圧力変化が最大となる位置で音圧を検出することができる。この構成では、上述した波長λ（＝Ｌ／ｎ）の条件を満たしていれば超音波の周波数が異なる場合でも、筒体６の長手方向の中央部に配置された受波素子３のみで、前記超音波による圧力変化が最大となる位置での音圧の検出が可能となり、超音波の周波数ごとに異なる位置に受波素子３を配置する場合に比べて、筒体６の設計が容易になる。

ここにおいて、両端面が閉じた音響管を共振させた場合、長手方向の各端面で超音波が反射することにより共振し、特に、波長の短い超音波では、端面に微小な凹凸があるだけでも端面で反射する際に干渉による音圧低下につながるが、図１４のように筒体６の長手方向に沿う側面に受波素子３を配置した構成によれば、筒体６の端面に受波素子３が設けられる場合に比べて、筒体６の端面を凹凸の少ない平坦な面とすることができ、結果的に、筒体６の端面での超音波の反射を受波素子３で阻害することなく共振による音圧の増加が可能になる。なお、図１２ないし図１４の構成でも、図９の構成と同様に筒体６内が監視空間となるので、たとえば筒体６の長手方向に沿う側面には内部に煙等を案内する孔（図示せず）が形成される。

ところで、超音波の伝搬速度である音速ｃは媒質の絶対温度に応じて変化するので、筒体６の共振周波数は常に一定ではなく、媒質の温度変化による音速変化に起因して変動する。そのため、音源部１から送波させる超音波の周波数を筒体６の共振周波数と正確に合わせるためには、音源部１から送波させる超音波の周波数を温度変化による音速変化に応じて補正する必要がある。そこで、本実施形態では、温度変化による音速の変化に応じて音源部１から送波させる超音波の周波数を補正する周波数補正手段（図示せず）を制御部２に有している。したがって、音速の変化に起因して筒体６の共振周波数が変動することがあっても、音源部１から送波される超音波の周波数は周波数補正手段により変動後の筒体６の共振周波数に補正されるので、筒体６内において確実に共振を発生させることができる。また、この周波数補正手段は、実施形態１で説明した音速検出手段４３において、音源部１が超音波を送波してから当該超音波が受波素子３に受波されるまでの時間差に基づいて求められた音速を用いて、音源部１から送波させる超音波の周波数を補正しており、結果的に、音速を求める手段を別途設ける場合に比べて構成を簡単にすることができる。

以下に、本実施形態の具体例を挙げる。音速ｃが３４０ｍ／ｓ、筒体６の長手方向の寸法Ｌが３４ｍｍのとき、Ｌ＝（ｎ／２）×λの関係を満たすには、音源部１から送波させる超音波の周波数ｆ（＝ｃ／λ）をたとえば１００ｋＨｚ（ｎ＝２０）や、５０ｋＨｚ（ｎ＝１０）とすればよい。すなわち、１００ｋＨｚや５０ｋＨｚは筒体６の共振周波数であり、これらの周波数の超音波を音源部１から送波させることにより、図１１に示すように時間経過に応じて前記超音波の音圧が共振によって増大する。ここで、上述したようにｍ（＞Ｌ／λ）周期の超音波の連続波を音源部１から送波させるように音源部１を制御する必要があるので、制御部２はたとえば１００ｋＨｚの場合には１００周期、５０ｋＨｚの場合には５０周期程度の超音波を音源部１から連続的に送波させるように音源部１を制御する。この構成では、筒体６内で共振が発生して超音波の音圧が飽和したタイミング（図１１中の「Ｓ」のタイミング）で受波素子３が検出する超音波の音圧は、筒体６のない構成で単パルス状の超音波を送受波した場合の数十倍の音圧となる。

また、本実施形態では筒体６の長手方向の両端面を閉じた構成を例示しているが、この構成に限らず、たとえば実施形態１で説明した図１のように筒体６の長手方向の一端面のみを閉じた（他端面が開口した）構成を採用してもよい。図１の構成では、筒体６は長手方向の一端面が閉じられた周知の音響管と同様に、固有の共振周波数を有する。つまり、筒体６の長手方向の寸法をＬとするときに、Ｌ＝（１／４＋ｎ／２）×λの関係（ただし、ｎ＝０，１，２，３，…）を満たす波長λに対応する周波数ｆ（＝ｃ／λ）が筒体６の共振周波数となる。したがって、Ｌ＝（１／４＋ｎ／２）×λの関係を満たす超音波の連続波が長手方向の端面から筒体６内に入射すると、当該超音波の少なくとも一部が筒体６の長手方向の両端面で反射を繰り返すことにより、反射波と音源部１からの直接波とが重なって共振し、筒体６の内部において図１１に示すように時間経過に応じて前記超音波の音圧が増大する。そこで、図１の構成を採用する場合でも、制御部２において、筒体６に固有の前記共振周波数の超音波が音源部１から送波されるように音源部１を制御すれば、筒体６内で共振を生じさせ音源部１からの超音波の音圧を増大させることができる。この場合、筒体６内で共振を生じさせるために、制御部２は、単パルス状の超音波ではなく、ｍ（＞Ｌ／λ）周期の超音波の連続波を音源部１から送波させるように音源部１を制御する。言い換えると、音源部１から超音波を連続して送波させる送波時間ｔ_ｐ（＝ｍ×λ／ｃ）が、筒体６の長手方向の両端間を超音波が伝搬するのに要する伝搬時間ｔ_ｓ（＝Ｌ／ｃ）よりも大きくなる（つまりｔ_ｐ＞ｔ_ｓ）ように制御部２で音源部１を制御する。なお、図１のように一方の端面を開口端とする場合、周知のように開口端よりも僅かΔＬだけ外側に、超音波の音圧の節（つまり空気の移動速度の腹）が生じるので、共振周波数を求める際に用いる長さＬを上記ΔＬだけ補正（開口端の補正）すれば、より正確な共振周波数を求めることができる。

以上説明した本実施形態の火災感知器では、筒体６に固有の共振周波数であってｍ（＞Ｌ／λ）周期の超音波の連続波を音源部１から送波させることにより、筒体６内で共振を生じさせ音源部１からの超音波の音圧を増大させているので、音源部１と受波素子３との間における音圧の低下をより一層抑制することができ、煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量が大きくなってＳＮ比が一層向上する。しかも、共振により筒体６の長手方向の端面で反射を繰り返す超音波においては、実効的な送波距離が反射の回数に応じて延長され、実質、超音波は筒体６の長手方向の寸法Ｌの数倍の送波距離を経て受波素子３に到達する。このことも煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量の増大に寄与しており、非共振の単パルス状の超音波が受波素子３で受波される場合に比較して超音波の減衰量は数倍に増大する。

なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

ところで、筒体６は、たとえば長手方向の全長に亘ってスリットが形成されることで一側方に開放されているものなど完全な筒状でないものであっても、共振の効果はやや薄れるものの、一般的には上記実施形態と同様に固有の共振周波数を有するので、上記実施形態において用いる筒体６は完全な筒状でなくてもよい。すなわち、完全な筒状でない筒体６を用いても、筒体６内で共振を生じさせて音源部１からの超音波の音圧を増大させ、煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量の向上を図ることが可能である。

（実施形態３）
本実施形態の火災感知器は、音源部１からの超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材として、筒体６に代えて図１５に示す一対の拡散防止板６’を用いた点が実施形態１または実施形態２の火災感知器と相違する。

各拡散防止板６’はそれぞれ平面視矩形状の平板からなり、一対の拡散防止板６’は一表面同士を対向させるように略平行に配設される。ここで、一対の拡散防止板６’は、音源部１からの超音波を互いに対向する前記一表面（内表面）間の空間に通すことで当該超音波の拡散範囲を狭めるものであって、対向する前記一表面間の空間を通して音源部１からの超音波を伝搬させるように、超音波の伝搬経路の少なくとも一部に音源部１と受波素子３との対向する方向に前記一表面の長手方向を一致させる形で配置される。具体的には、図１５に示すように、音源部１と受波素子３とは一直線上に対向する形で配置されており、一対の拡散防止板６’は前記一表面の間に音源部１と受波素子３とを挟みこむように配設される。ここで、一対の拡散防止板６’の対向する前記一表面の間が監視空間となり、音源部１は当該監視空間の長手方向の一端部に配設され、受波素子３は監視空間の長手方向の他端部に配設される。このように拡散防止板６’を設けたことにより、音源部１から送波される超音波は、拡散防止板６’の前記一表面（内表面）で図１５の上下が囲まれた監視空間を通ることで拡散が抑制され、したがって音源部１と受波素子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。

この構成によれば、監視空間の幅方向の両端面が開放されているので、実施形態１のように音源部１からの超音波が内表面により四方が囲まれた筒体６の内部空間を通る構成に比べると、超音波の拡散が抑制される効果は低くなるものの、監視空間内に煙等が案内され易くなる。

なお、本実施形態では互いに対向する一対の拡散防止板６’を拡散防止部材として用いる例を示したが、この例に限らず、少なくとも一部が互いに対向するように配置された内表面を具備し音源部１からの超音波を対向する内表面間の空間に通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材が、音源部１から送波され受波素子３で受波される超音波の伝搬経路上に配設されている構成であればよい。

その他の構成および機能は実施形態１または実施形態２と同様である。

（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１〜３と略同じであり、図１６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１〜３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。

ところで、本願発明者らは、音源部１と受波素子３との間の監視空間の浮遊粒子の種別に応じて図１７に示すように音源部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、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で受波素子３にて受波される音圧（以下、基準音圧という）をＩ_０、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に存在する状態で受波素子３にて受波される音圧をＩ_ｘとしたときに、（Ｉ_０−Ｉ_ｘ）／Ｉ_０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Ｉ_０と音圧Ｉ_ｘとは、監視空間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１７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、音源部１と受波素子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１７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１８に示す。要するに、図１８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。

上述の知見に基づいて、本実施形態では、制御部２が、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、少なくとも受波素子３の基準出力（基準音圧に対する受波素子３の出力）、上記監視空間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音源部１の出力周波数と受波素子３の出力の相対的単位減衰率との関係データ（上述の図１８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１７より抽出されるデータ）を記憶した記憶手段４８と、音源部１から送波された各周波数の超音波ごとの受波素子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。

以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図１９のフローチャートを参照して説明する。まず、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、音源部１の出力周波数と受波素子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１８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２０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。

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、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、受波素子３の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。

本実施形態では、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１つ用いており、上述の制御部２は、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、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、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、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が音源部１を制御するように構成してあるが、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、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。

また、本実施形態においては、実施形態２と同様に図９に示すように音源部１と受波素子３との間隔と同じ長さの筒体６を用い、音源部１と受波素子３とで筒体６の長手方向の両端面を閉じた構成を採用するとともに、制御部２が、筒体６に固有の共振周波数であってｍ（＞Ｌ／λ）周期の超音波が音源部１から送波されるように音源部１を制御することにより、筒体６内で共振を生じさせ音源部１からの超音波の音圧を増大させるようにしてある。要するに、制御部２は、いずれも筒体６に固有の共振周波数から選択され互いに周波数の異なる複数種（たとえば４種）の超音波を音源部１から送波させるように音源部１を制御する。

ここにおいて、実施形態２で説明した図１４の例のように長手方向の両端面が閉じた筒体６における長手方向の一端面に音源部１を配置し、長手方向に沿う側面のうち音源部１からの超音波による圧力変化が最大となる位置に受波素子３を配置する場合には、音源部１から送波される超音波の周波数ごとに筒体６の一端面からλ／２（λは超音波の波長）のｎ倍だけ離れた各箇所にそれぞれ受波素子３を配置するようにしてもよいが、望ましくは音源部１から送波させる超音波を波長λ＝Ｌ／ｎの超音波に限定し、図１４（ｂ）のように筒体６の長手方向の中央部にのみ受波素子３を配置し、この受波素子３で複数種の周波数の超音波を検出するようにすればよい。これにより超音波の周波数ごとに異なる各位置にそれぞれ受波素子３を配置する場合に比べて、受波素子３の必要数が減り低コスト化が可能となる。

なお、本実施形態では、音源部１の出力周波数と受波素子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、そもそも監視空間に存在する浮遊粒子の種別に応じて音源部１の出力周波数ごとに変化するのは受波素子３の出力の基準値からの減衰量（Ｉ_０−Ｉ_ｘ）であるから、記憶手段４８に記憶する上記関係データは、音源部１の出力周波数と受波素子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、受波素子３の出力の基準値からの減衰量や、受波素子３の出力の基準値からの減衰量を基準値（Ｉ_０）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。

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、音源部１から送波された各周波数の超音波ごとの受波素子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。

ところで、本実施形態では音源部１を単一の音波発生素子により構成し、制御部２が音源部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、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ようにしているが、互いに出力周波数の異なる複数の音波発生素子で音源部１を構成してもよい。この場合には、各音波発生素子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、各音波発生素子をそれぞれの共振周波数で駆動することにより、音源部１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。

また、各種の超音波に対してそれぞれ個別の受波素子３を設けるようにしてもよく、この場合には、各受波素子３として共振特性のＱ値が比較的大きな圧電素子などを用い、各受波素子３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、受波素子３の感度を向上させることができる。さらに、複数の音波発生素子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、監視空間の経時的変化（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、音源部１を構成する音波発生素子を受波素子３に兼用することも考えられ、この場合、音波発生素子から送波される超音波を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。

なお、その他の構成および機能は実施形態１〜３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２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。

ところで、上記各実施形態では、音源部１と制御部２と受波素子３と信号処理部４とを１枚の回路基板５に設けて図示しない器体内に収納してあるが、音源部１と制御部２とを備えた音源側ユニットと、受波素子３と信号処理部４とを備えた受波側ユニットとを別体として互いに対向配置する分離型の火災報知機を構成するようにしてもよい。この場合、筒体６は音源側ユニットと受波側ユニットとの少なくとも一方に設けられるか、あるいは音源側ユニットおよび受波側ユニットとは別に設けられる。また、音源部１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。

さらにまた、信号処理部４は、定期的に、所定周波数（たとえば、上述の特定周波数と同じ８２ｋＨｚ）の超音波に対する受波素子３の出力に基づいて、音源部１の出力変動や受波素子３の感度変動がキャンセルされるように制御部２による音源部１の制御条件と受波素子３の出力の信号処理条件との少なくとも一方を変更するようにすれば、音源部１の出力変動や受波素子３の感度変動を定期的にキャンセルすることが可能となり、長期的な信頼性が高くなる。

また、上記各実施形態において、制御部２が、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。

本発明の実施形態１の要部を示し、（ａ）は概略下面図、（ｂ）は概略側面図である。 同上の構成を示すブロック図である。 同上に用いる音波発生素子を示す概略断面図である。 同上に用いる受波素子を示し、（ａ）は一部破断した概略斜面図、（ｂ）は概略断面図である。 （ａ）は同上の要部を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）の他の例を示す概略側面図である。 同上の他の例を示す概略側面図である。 同上のさらに他の例を示す概略下面図である。 同上のさらに他の例を示す概略下面図である。 同上のさらに他の例を示す概略側面図である。 同上のさらに他の例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態２の共振による音圧変化を示す説明図である。 同上の要部を示す概略側面図である。 同上の他の例を示す概略側面図である。 （ａ）は同上のさらに他の例を示す概略側面図、（ｂ）は（ａ）の他の例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態３の構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態４の構成を示すブロック図である。 同上の音源部の出力周波数と音圧の単位減衰率との関係を示す説明図である。 同上の音源部の出力周波数と相対的単位減衰率との関係を示す説明図である。 同上の動作例を示すフローチャートである。 同上の煙濃度と特定周波数の超音波の減衰率との関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 音源部
１ａ 音波発生素子
２ 制御部
３ 受波素子
４ 信号処理部
６ 筒体（拡散防止部材）
６’ 拡散防止板（拡散防止部材）
１１ ベース基板
１２ 熱絶縁層
１３ 発熱体層（発熱体部）
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

Claims (15)

1. 超音波を送波可能な音源部と、音源部を制御する制御部と、音源部から送波された超音波の音圧を検出する受波素子と、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、受波素子の出力の基準値からの減衰量に基づいて音源部と受波素子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、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を有し、少なくとも一部が互いに対向するように配置された内表面を具備し音源部からの超音波を対向する内表面間の空間に通すことで当該超音波の拡散範囲を狭める拡散防止部材が、音源部から送波され受波素子で受波される超音波の伝搬経路上に配設されていることを特徴とする火災感知器。
2. 前記拡散防止部材は、筒状に形成され長手方向に沿う内側面を前記内表面とする筒体からなることを特徴とする請求項１記載の火災感知器。
3. 前記音源部は周波数の異なる複数種の超音波を送波可能であって、前記信号処理部は、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音源部の出力周波数と前記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、前記音源部から送波された各周波数の超音波ごとの前記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は、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請求項１または請求項２に記載の火災感知器。
4. 前記記憶手段は、前記関係データとして前記音源部の出力周波数と前記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請求項３記載の火災感知器。
5. 前記音源部は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、前記制御部は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音源部を制御することを特徴とする請求項３または請求項４記載の火災感知器。
6. 前記音源部は、空気に振動を与える送波面が、前記拡散防止部材における超音波が入射する入射側端面と対向して配置され、且つ前記内表面の互いに対向する方向において内表面間の距離以上の幅寸法を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の火災感知器。
7. 前記音源部は、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請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の火災感知器。
8. 前記音源部は、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請求項７記載の火災感知器。
9. 前記制御部は、前記音源部から送波され前記受波素子で受波される超音波の伝搬距離に基づく共振周波数の超音波を、少なくとも前記音源部から前記受波素子に超音波が伝搬するのに要する伝搬時間よりも長い送波時間に亘って連続的に前記音源部から送波させるように前記音源部を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の火災感知器。
10. 前記制御部は、前記音源部から送波され前記受波素子で受波される超音波の伝搬距離に基づく共振周波数であって互いに周波数の異なる複数種の超音波を、それぞれ少なくとも前記音源部から前記受波素子に超音波が伝搬するのに要する伝搬時間よりも長い送波時間に亘って連続的に前記音源部から送波させるように前記音源部を制御することを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の火災感知器。
11. 前記拡散防止部材において前記音源部からの超音波を通す内表面間の空間は、前記超音波の伝搬方向の両端面が超音波を反射する反射面によって閉じられており、一方の反射面に前記音源部が配置され、いずれかの反射面に前記受波素子が配置されていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の火災感知器。
12. 前記拡散防止部材において前記音源部からの超音波を通す内表面間の空間は、前記超音波の伝搬方向の両端面が超音波を反射する反射面によって閉じられており、一方の反射面に前記音源部が配置され、前記伝搬方向に沿う前記内表面のうち前記音源部からの超音波による圧力変化が最大となる位置に前記受波素子が配置されていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の火災感知器。
13. 前記制御部は、前記反射面間の距離を自然数で除した長さの波長の超音波が前記音源部から送波されるように前記音源部を制御し、前記受波素子は、両反射面の中間位置に配置されていることを特徴とする請求項１２記載の火災感知器。
14. 前記制御部は、温度変化による音速の変化に応じて前記音源部から送波する超音波の周波数を補正する周波数補正手段を有することを特徴とする請求項９ないし請求項１３のいずれか１項に記載の火災感知器。
15. 前記周波数補正手段は、前記音源部が超音波を送波してから当該超音波が前記受波素子に受波されるまでの時間差に基づいて求まる音速を用いて周波数を補正することを特徴とする請求項１４記載の火災感知器。

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