JP3193670B2 - 煙感知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、監視区域から吸引
した空気中に浮遊する煙粒子をレーザ光を用いて光学的
に検出して火災を判断する煙感知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、コンピュータルームや半導体製造
施設等にあっては、監視区域から吸引した空気中に浮遊
する煙粒子を含む空中浮遊粒子（エアロゾル）の粒子数
をレーザ光を用いて光学的に検出し、単位時間当たりの
粒子数から例えば０．０５％〜０．２０％／ｍといった
微弱な煙濃度を検出し、検出した煙濃度が所定値を越え
た極く初期の段階で火災と判断する超高感度の煙感知装
置が使用されている。

【０００３】このような超高感度の煙感知装置にあって
は、定期的又は必要に応じて煙濃度の検出感度を確認す
るための感度試験を必要とする。従来の感度試験は、例
えば０．０５％／ｍ〜０．２０％／ｍといった範囲の予
め濃度の判明している試験用の煙を準備し、試験用の煙
を検知配管等から実際に装置に吸引させて検煙部を通過
させることで感度試験を行っている。

【０００４】この試験用の煙としては、例えば煙粒子と
同等な０．３μｍ〜０．５μｍをもったポリスチレンラ
テックス粒子を擬似的な煙粒子に使用して感度試験を行
うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の感度試験にあっては、ポリスチレンラテック
ス粒子等を使用して試験用の煙を予め準備しなればなら
なず、感度試験に手間と時間がかかり、簡単に感度試験
を行うことができないという問題があった。また試験用
の煙を使用した感度試験にあっては、特定の煙濃度とな
る一点の感度試験はできても、例えば煙濃度を段階的に
変化させるような感度試験は困難であり、感度試験の信
頼性が十分に得られない問題があった。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、試験用の煙を使用せずに、検煙領域
に対し煙粒子の１つ１つを通過させたことに相当する擬
似的な感度試験が簡単且つ正確にできるようにした煙感
知装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は、次のようにうに構成する。即ち、本発明は、
監視区域から吸引した空気中に浮遊する煙粒子を光学的
に検出して火災を判断する煙感知装置であり、レーザダ
イオードから出射されたレーザ光を吸入空気が通過する
検煙領域に照射する投光部と、検煙領域を通過する煙粒
子による散乱光を受光素子で受光して受光パルス信号を
出力する受光部と、受光部からの受光パルス信号に基づ
いて煙濃度を検出する煙濃度検出部を備える。

【０００８】これに加え本発明にあっては、受光素子の
光軸上の対向位置に試験用発光素子を配置した試験発光
部と、試験用発光素子をパルス的に発光駆動して検煙領
域を煙粒子が通過した際の散乱光に相当する試験パルス
光を受光素子に入射させ、この試験パルス光による受光
部からの受光パルス信号に基づいて煙濃度検出部の検出
感度を試験する感度試験部とを設けたことを特徴とす
る。

【０００９】このように検煙領域を通過する煙粒子の１
つ１つの対応した散乱光に相当する試験パルス光を発光
して受光素子に直接入射させることで、予め煙濃度に対
する単位時間当たりの煙粒子の通過数の関係を求めてお
けば、任意の煙濃度に対応した感度試験が簡単且つ高精
度にできる。ここで本発明の感度試験部は、例えば検煙
部を通過する煙粒子の通過速度に応じて試験パルス光の
パルス幅を設定するパルス幅設定部、煙粒子の通過速度
と試験しようとする煙濃度に基づいて単位時間当たりの
試験パルスの発光回数を設定する発光回数設定部、及び
パルス幅と発光回数の各設定値に基づいて試験用発光素
子を発光駆動する試験パルス発生部を備える。

【００１０】またパルス幅設定部は、煙粒子の通過速度
と試験パルス光のパルス幅との対応関係を予め設定した
テーブル情報を備え、発光回数設定部は、煙粒子の通過
速度と試験しようとする煙濃度に対する単位時間当たり
の試験パルスの発光回数の対応関係を予め設定したテー
ブル情報を備える。即ち、試験パルス光のパルス幅は、
通過する煙粒子の通過速度に応じて決まる。また試験パ
ルス光の単位時間当たりの発光回数は、煙粒子の通過速
度が一定であれば、煙濃度に応じた単位時間当たりの煙
粒子の通過数により決まる。更に、単位時間当たりの煙
粒子の通過数は、煙粒子の通過速度により変化すること
から、一般的には、試験パルス光の単位時間当たりの発
光回数は、煙粒子の通過速度と煙濃度に応じた単位時間
当たりの煙粒子の通過数により決まることになる。

【００１１】更に、本発明の煙感知装置に使用する発光
部は、レーザダイオードの出射面の光源像を結像レンズ
により検煙領域に結像し、受光部は、受光素子を検煙領
域の光源像の結像位置を通って所定方向に設定された光
軸上に配置して煙粒子の散乱光を受光する。このような
検煙領域に微小なスポットを形成する結像光学系を使用
することで、検煙領域となる結像位置を１μｍ前後の秒
なスポット領域とし、粒子径が０．３〜１．０μ程度の
範囲にある煙粒子を１つ単位で正確に検出できるように
し、この結果、試験パルス光を煙粒子１つ１つに対応し
て散乱光に相当する試験パルス光を擬似的に発光させる
感度試験ができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の煙感知装置の全体
的な装置構成である。図１において、煙感知装置１はコ
ンピュータルームや半導体製造設備を設置したクリーン
ルーム等の清浄空間に設置されており、煙感知装置１に
対し警戒区域に設置した検知配管２を接続している。検
知配管２は例えばＴ字型の配管であり、複数の吸込穴３
を備えている。

【００１３】煙感知装置１に設けた検煙部４のインレッ
トに対しては検知配管２が接続され、アウトレット側は
吸引装置７を備えたチャンバに開口されている。監視状
態において、吸引装置７はモータ駆動により所定流量の
空気を吸引しており、このため警戒区域に設置した検知
配管２の吸込穴３より吸い込まれた空気が検煙部４を通
って吸引装置７により排出されている。

【００１４】検煙部４には発光素子としてレーザダイオ
ード（ＬＤ）５と受光素子としてフォトダイオード６が
設けられ、フォトダイオード６としては例えばＰＩＮフ
ォトダイオードが使用される。レーザダイオード５から
のレーザ光が吸引した空気中の煙粒子を含む空中浮遊粒
子（エアロゾル）に照射されると散乱光が発生し、この
散乱光をフォトダイオード６で検出して受光パルス信号
として信号処理部８に出力する。

【００１５】信号処理部８はフォトダイオード６からの
煙粒子ごとに得られる散乱光の受光パルス信号を処理し
て、例えば単位時間当たりの粒子数をカウントし、この
単位時間当たりの散乱光のカウント値と煙濃度との間に
は予め対応関係が分かっていることから、例えば散乱光
のカウント値を煙濃度に変換し、予め定めた所定の煙濃
度以上となったときに火災と判断して火災検出信号を外
部に出力する。

【００１６】更に、信号処理部８で散乱光のカウント値
から検出している煙濃度は例えば０．０５％／ｍ〜０．
２０％／ｍといった極めて微弱な煙濃度であり、極く初
期の段階で火災と判断する超高感度の煙濃度検出ができ
る。図２は図１の検煙部４に設けた本発明による散乱光
式の煙粒子検出構造であり、感度試験のための機能を備
えている。図２において、レーザダイオード５はレーザ
ダイオードチップ５ａを備え、電界が所定方向に定まっ
た単偏向発振のレーザ光を出射する。レーザダイオード
５から出射されたレーザ光は、拡散波として投光光軸１
１方向に離れるにつれて広がる。

【００１７】レーザダイオード５に続いては結像レンズ
９が配置されており、レーザダイオード５からのレーザ
光を集光して、気流１３が通過する結像位置１０にレー
ザダイオードチップ５ａの出射面の光源像を結像してい
る。結像レンズ９によるレーザダイオード５の光源像の
結像位置１０に対しては、投光光軸１１に対し例えば直
交する方向に受光光軸１２をもってフォトダイオード６
を設置している。この実施形態において、フォトダイオ
ード６は、結像位置１０を過ぎて拡散するレーザ光の光
軸断面方向の光強度分布を表わす楕円パターン（ファー
・フィールド・パターン）１６に矢印で示す電界Ｅの方
向と平行な受光光軸１２上にフォトダイオード６を配置
している。更に、結像位置１０を通るフォトダイオード
６の光軸１２の反対側の対向する位置には、試験用発光
素子としてテスト用ＬＥＤ１５が設けられている。

【００１８】図２の散乱光式の煙粒子検出構造にあって
は、図１のように吸引装置７の吸引による監視空間から
の吸入空気が気流１３として結像位置１０を通過してい
る。レーザダイオード５からのレーザ光は結像レンズ９
で集光され、結像位置１０に微小スポットとしてのレー
ザダイオード５の光源像を結像している。この光源像
は、レーザダイオードチップ５ａの出射面に形成される
ニア・フィールド・パターンの像であり、１μｍ前後の
微小なスポット領域となる。このため結像位置１０のス
ポット部分を、気流１３に含まれる煙粒子が１つずつ通
過する。結像位置１０のビームスポットの中を煙粒子が
１つ通過すると散乱光が生じ、この散乱光はレーザ光の
電界Ｅの方向と平行に配置した受光素子６により最も効
率よく受光され、受光パルス信号が得られる。

【００１９】一方、本発明の煙感知装置１の感度試験を
行う際には、レーザダイオード５の発光駆動を停止し、
また吸引装置７による空気の吸入を停止した状態でテス
ト用ＬＥＤ１５に対し試験パルス信号を印加してパルス
的に発光駆動させ、結像位置１０を煙粒子１つ１つが通
過したと同等な散乱光に相当する試験パルス光を受光素
子６に入射させる。

【００２０】この煙粒子が通過した際の散乱光に相当す
る試験パルス光の強さと発光時間は、吸引装置７の吸引
流量に比例する煙粒子の通過速度ｖと、感度試験を行う
煙濃度に対応する単位時間当たりの煙粒子の数で決ま
る。即ち、煙粒子の通過速度ｖによってテスト用ＬＥＤ
１５で発行する発行パルス光の発行時間（パルス幅）が
決まり、通過速度ｖと煙濃度で決まる単位時間当たりの
煙粒子の通過数により単位時間当たりの発光回数が決ま
る。

【００２１】図３は図１の信号処理部８のブロック図で
ある。信号処理部には制御部１８が設けられ、制御部１
８としては例えばＭＰＵによるプログラム制御で実現で
きる。制御部１８には煙濃度検出部１９としての機能が
設けられ、定常監視状態で発光駆動回路２０を作動して
レーザダイオード５を発光駆動している。同時にフォト
ダイオード６からの受光パルス信号を受光回路２１で処
理した後に入力して、単位時間当たりの受光パルス信号
の数即ち煙粒子の数をカウントし、これを予め定めた変
換テーブルを使用して、必要があれば煙濃度に変換し、
更に必要に応じて予め定めた所定の煙濃度と比較して、
これを超えたときに火災と判断して火災検出信号を外部
に出力する。

【００２２】また受光パルス数のカウント値を煙濃度に
変換せずに、そのまま所定のカウント値と比較して火災
を判断することもできる。また、火災を判断せずに単位
時間当たりのカウント値もしくはカウント値から変換し
た煙濃度の検出情報を外部に出力するようにしてもよ
い。更に本発明にあっては、制御部１８に感度試験部２
２が設けられる。感度試験部２２は、制御部１８に対し
感度試験モードの設定が行われると、試験パルス信号を
試験駆動回路２３に出力してテスト用ＬＥＤ１５の試験
発光駆動を行う。このテスト用ＬＥＤ１５からの試験パ
ルス光は、フォトダイオード６で受光されて受光パルス
信号となり、受光回路２１を介して煙濃度検出部１９に
入力され、単位時間当たりの受光パルスのカウント値を
例えば変換テーブルにより煙濃度に変換する。

【００２３】この変換結果を感度試験部２２に取り込
み、最初に設定した試験用の煙濃度と実際に煙濃度検出
部１９で検出された検出煙濃度とを比較し、両者が一致
することで所定の検出感度が得られることを確認でき
る。また感度試験部２２に設定した試験煙濃度に対し、
煙濃度検出部１９で試験発光に基づいて得られた検出煙
濃度に誤差があった場合には、フォトダイオード６、受
光回路２１及び煙濃度検出部１９の機能が正常でないこ
とから、必要な調整や補正などの処理を行う。

【００２４】例えば受光回路２１における受光パルス信
号の増幅度が低い場合には、試験パルス光に対し受光パ
ルスが欠落して受光パルスのカウント値が低めとなるこ
とから、受光回路２１における増幅器の利得を十分な受
光レベルが得られるように調整すればよい。またフォト
ダイオード６及び受光回路２１を最適状態に調整して
も、煙濃度検出部１９で検出される煙濃度が感度試験部
２２に設定した設定煙濃度と異なる場合には、設定煙濃
度と検出煙濃度の関係から補正係数を求め、この補正係
数を煙濃度検出部１９に記憶させておくことで、実際の
監視状態にあっては、検出された煙濃度に感度試験の際
に求められた補正係数を用いて補正した煙濃度を求める
ことができる。

【００２５】図４は図３の感度試験部２２の機能ブロッ
ク図である。図４の感度試験部２２は、パルス幅設定部
２４、発光回数設定部２５及び試験パルス発生部３２で
構成される。パルス幅設定部２４は、テスト用ＬＥＤ１
５に供給する試験パルス信号のパルス幅Ｔｗを設定す
る。この試験パルスのパルス幅Ｔｗは、図２の検煙部と
なる結像位置１０を通過する煙粒子の通過速度ｖに応じ
ており、通過速度ｖは図１に設けている吸引装置７によ
る気流の吸引流量により決まっている。

【００２６】具体的には、吸引装置７の吸引流量が固定
であれば、固定的に煙粒子の通過速度ｖを決めておけば
よい。また吸引装置７の吸引流量が複数段階に可変でき
る場合には、各段階の吸引流量に応じた煙粒子の通過速
度ｖ１，ｖ２，・・・ｖｎのそれぞれについて、対応す
る試験パルスのパルス幅Ｔｗを定めておけばよい。この
パルス幅設定部２４は、具体的には、そのときの煙粒子
の通過速度ｖを設定するレジスタ２６、レジスタ２６に
設定した煙粒子の通過速度ｖをインデックスとして予め
定めた試験パルスのパルス幅Ｔｗに変換するパルス幅変
換テーブル２７、パルス幅変換テーブル２７の参照結果
を格納するレジスタ２６で構成される。

【００２７】図５（Ａ）はパルス幅変換テーブル２７の
一例であり、粒子通過速度が例えば１．０ｍ／ｓと２．
０ｍ／ｓの２段階に設定変更できる場合を例にとってい
る。粒子速度が例えば１．０ｍ／ｓの場合の発光パルス
幅は例えば６０μｓであり、これに対し粒子通過速度が
２倍の２．０ｍ／ｓとなったときには発光パルス幅は半
分の３０μｍとなっている。

【００２８】再び図４を参照するに、発光回数設定部２
５は煙粒子の通過速度ｖと感度試験を行おうとする設定
煙濃度に基づいて、単位時間当たりの煙粒子通過数に一
致する試験パルスの発光回数を設定する。この発光回数
設定部２５は、粒子通過速度ｖと感度試験しようとする
設定煙濃度を格納するレジスタ２９、レジスタ２９の煙
粒子の通過速度ｖと感度試験を行う設定煙濃度をインデ
ックスとして試験発光回数を読み出す試験発光回数変換
テーブル３０、更に試験発光回数変換テーブル３０で求
めた試験発光回数を保持するレジスタ３１で構成され
る。

【００２９】図５（Ｂ），（Ｃ）は図４の試験発光回数
変換テーブル３０の一例であり、図５（Ｂ）は粒子通過
速度ｖ＝１．０ｍ／ｓのときの煙濃度０．０５，０．１
０，０．１５，０．２０［％／ｍ］をインデックスとし
た単位時間当たりのカウント数［個／ｓ］であり、この
カウント数はそのまま試験発光パルスの試験発光回数を
表わす。

【００３０】図５（Ｃ）は粒子通過速度ｖ＝２．０ｍ／
ｓの場合の試験発光回数変換テーブル３０であり、図５
（Ｂ）と同じ４段階の煙濃度０．０５，０．１０，０．
１５，０．２０［％／ｍ］について、この場合は粒子通
過速度ｖが２倍になっていることから、単位時間当たり
のカウント数も２倍の５０，１００，１５０，２００と
なっている。

【００３１】再び図４を参照するに、試験パルス発生部
３２はパルス幅設定部２４により設定されたパルス幅を
持ち、且つ発光回数設定部２５により設定された単位時
間当たりの発光回数に基づいた試験パルスを発生し、図
３の試験発光駆動回路２３によりテスト用ＬＥＤ１５を
発光駆動して試験パルス光を出力させる。このときの試
験パルス光の強さは、試験駆動回路２３から出力する試
験パルス信号の出力レベルにより検煙部を煙粒子が１個
通過したときの散乱光の受光レベルとなるように調整さ
れている。

【００３２】もちろん、試験駆動回路２３による電気的
なレベル調整以外に、図２のようにテスト用ＬＥＤ１５
からの試験発光パルスを直接受光素子６に入射せず、テ
スト用ＬＥＤ１５の前にスリットを設けることで試験発
光パルスの光量を煙粒子による散乱光相当量に調整して
もよい。図６は本発明の煙感知装置における感度試験の
タイミングチャートであり、図６（Ａ）が試験パルス、
図６（Ｂ）が試験パルスの受光信号、更に図６（Ｃ）が
受光信号を波形成形して得られた受光パルス信号であ
る。まず図６（Ａ）の試験パルスは、図４の感度試験部
２２の機能ブロックから明らかなように、１つの試験パ
ルスのパルス幅Ｔｗが煙粒子の通過速度ｖに応じてパル
ス幅設定部２４により例えばパルス幅変換テーブル２７
を使用して求められ、試験パルス発生部３２に設定され
ている。

【００３３】また単位時間Ｔ当たりの発光回数ｎは、そ
のときの感度試験のための設定煙濃度と煙粒子の通過速
度ｖにより図４の試験発光回数変換テーブル３０から求
められ、試験パルス発生部３２に設定されている。この
状態で感度試験を行うと、図６（Ａ）のようにパルス幅
Ｔｗで単位時間Ｔ当たりｎ回となる試験パルスがテスト
用ＬＥＤ１５に供給されて試験パルス光の発光駆動が行
われる。

【００３４】このため、図６（Ｂ）のようにフォトダイ
オード６からは試験パルス光に対応した受光信号が得ら
れ、これを受光回路２１で増幅した後にパルス信号に波
形成形することで、図６（Ｃ）の受光パルス信号が得ら
れる。このときフォトダイオード６及び受光回路２１側
に問題がなければ、試験パルスに１対１に対応した受光
パルス信号が得られる。

【００３５】この受光パルス信号は図３の煙濃度検出部
１９に入力され、単位時間Ｔ当たりのパルス数ｎがカウ
ントされ、カウント数ｎに対応した煙濃度を変換テーブ
ルから求め、試験時に設定した設定煙濃度と検出煙濃度
とが一致すれば、正常な検出感度にあることが分かる。
また感度試験にあっては、例えば図５（Ｂ）（Ｃ）に示
したように、感度試験のための設定煙濃度を０．０５〜
０．２０［％／ｍ］のように４段階に切り替えながら、
そのときの実際のカウント数に基づいた検出煙濃度を求
め、検出感度が正しく得られているかどうか確認でき
る。もちろん、段階的ではなく連続的に煙濃度を変えな
がらカウント値を求め、更に煙濃度に変換して設定煙濃
度との関係をチェックしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、散乱光式の受光素子の光軸上の対向位置に試験用発
光素子を配置し、この試験用発光素子をパルス的に発光
駆動して検煙領域を煙粒子が通過した際の散乱光に相当
する試験パルス光を発光して煙濃度の検出感度を試験す
ることができ、試験用の煙を使用しないことから感度試
験が簡単にでき、また煙粒子１つ１つの通過に対応した
試験発光パルスによる感度試験であることから、感度試
験そのものが高精度にできる。更に試験用の煙を使用し
た一点での感度調整ではなく、試験する設定煙濃度を段
階的もしくは連続的に変えながら試験パルス発光による
疑似的な散乱光の受光による検出煙濃度が得られ、簡単
に信頼性の高い感度試験が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による煙感知装置の全体構成の説明図

【図２】感度試験機能を備えた本発明による散乱光式の
煙粒子検出構造の説明図

【図３】図１の信号処理装置のブロック図

【図４】図３の感度試験部の機能ブロック図

【図５】図４のテーブル情報の説明図

【図６】本発明による感度試験のタイミングチャート

【符号の説明】

１：煙感知装置 ２：検知配管 ３：吸込穴 ４：検煙部 ５：レーザダイオード ５ａ：レーザダイオードチップ ６：フォトダイオード（受光素子） ７：吸引装置 ８：信号処理部 ９：結像レンズ １０：結像位置（検煙領域） １５：テスト用ＬＥＤ（試験用発光素子） １８：制御部 １９：煙濃度検出部 ２０：発光駆動回路 ２１：受光回路 ２２：感度試験部 ２３：試験駆動回路 ２４：パルス幅設定部 ２５：発光回数設定部 ２７：パルス幅変換テーブル ３０：試験発光回数変換テーブル ３２：試験パルス発生部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−16952（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−171686（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−202970（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−151680（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G08B 17/107 G01N 21/53

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】監視区域から吸引した空気中に浮遊する煙
   粒子を光学的に検出して火災を判断する煙感知装置に於
   いて、 レーザダイオードから出射されたレーザ光を吸入空気が
   通過する検煙領域に照射する投光部と、 前記検煙領域を通過する煙粒子による散乱光を受光素子
   で受光して受光パルス信号を出力する受光部と、 前記受光部からの受光パルス信号に基づいて煙濃度を検
   出する煙濃度検出部と、 前記受光素子の光軸上の対向位置に試験用発光素子を配
   置した試験発光部と、 前記試験用発光素子をパルス的に発光駆動して前記検煙
   領域を煙粒子が通過した際の散乱光に相当する試験パル
   ス光を前記受光素子に入射させ、該試験パルス光による
   前記受光部からの受光パルス信号に基づいて前記煙濃度
   検出部の検出感度を試験する感度試験部と、を備えたこ
   とを特徴とする煙感知装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の煙感知装置に於いて、前記
   感度試験部は、 前記検煙部を通過する煙粒子の通過速度に応じて、試験
   パルス光のパルス幅を設定するパルス幅設定部と、 前記煙粒子の通過速度と試験しようとする煙濃度に基づ
   いて、単位時間当たりの試験パルスの発光回数を設定す
   る発光回数設定部と、 前記パルス幅と発光回数の各設定値に基づいて前記試験
   用発光素子を発光駆動する試験パルス発生部と、を備え
   たことを特徴とする煙感知装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の煙感知装置に於いて、 前記パルス幅設定部は、煙粒子の通過速度と試験パルス
   光のパルス幅との対応関係を予め設定したテーブル情報
   を備え、 前記発光回数設定部は、煙粒子の通過速度と試験しよう
   とする煙濃度に対する単位時間当たりの試験パルスの発
   光回数の対応関係を予め設定したテーブル情報を備えた
   ことを特徴とする煙感知装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の煙感知装置に於いて、 前記発光部は、レーザダイオードの出射面の光源像を結
   像レンズにより前記検煙領域に結像し、 前記受光部は、前記受光素子を前記検煙領域の前記光源
   像の結像位置を通って所定方向に設定された光軸上に配
   置して煙粒子の散乱光を受光することを特徴とする煙感
   知装置。