JP4950842B2 - Airborne particle measurement system - Google Patents
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Description
本発明は、監視空間に存在する浮遊粒子の種別および濃度を測定する浮遊粒子測定システムに関するものである。 The present invention relates to a suspended particle measurement system that measures the type and concentration of suspended particles present in a monitoring space.
従来から、たとえば煙濃度を測定することによる火災の発生の有無の判断や、半導体の製造プロセスで使用されるクリーンルームの状態の管理などを目的として、監視空間に存在する浮遊粒子(煙粒子、粉塵、湯気など)の種別および濃度を測定する浮遊粒子測定システムが提案されている。 Conventionally, suspended particles (smoke particles, dust, etc.) that exist in the monitoring space are used for the purpose of determining the presence or absence of a fire by measuring the smoke concentration, for example, and managing the state of the clean room used in the semiconductor manufacturing process. Suspended particle measuring systems that measure the type and concentration of steam, steam, etc.) have been proposed.
この種の浮遊粒子測定システムとしては、レーザ光の浮遊粒子による散乱光を用いて浮遊粒子の種別(大きさ)や濃度(個数)を測定するものが知られている(たとえば特許文献1、特許文献2参照)。ここにおいて、特許文献1に記載の浮遊粒子測定システムは、レーザ光を分波器により2分した一方のレーザ光を浮遊粒子に照射して散乱光を生じさせ、他方のレーザ光を周波数偏移させた後に前記散乱光と合成し、当該合成光を光検出器で受光してビート信号を検出、処理する光ヘテロダイン法を用いて浮遊粒子の大きさおよび個数を計測する。一方、特許文献2に記載の浮遊粒子測定システムは、レーザ発振器から発せられたレーザ光を複数の鏡面を備えたポリゴンミラーにより走査させ、走査光の浮遊粒子による散乱光を矩形の開口部を有するマスクを介してCCDカメラにより検出し、検出された散乱光に基づき浮遊粒子の量を測定する。
As this kind of suspended particle measurement system, a system that measures the type (size) and concentration (number) of suspended particles using scattered light of suspended particles of laser light is known (for example,
ところで、上述したようにレーザ光の浮遊粒子による散乱光を用いる浮遊粒子測定システムは、レーザ光源と光検出器(あるいはCCDカメラ)の他にレーザ光を分波する分波器やレーザ光を走査させるポリゴンミラーなどの光学部材が必要となり、システムが大掛かりで大型且つ高価なものになるという問題がある。
上述した散乱光を用いる浮遊粒子測定システムの問題点を解決するために、本願出願人は、音波(たとえば超音波)を用いて浮遊粒子の濃度を測定する浮遊粒子測定システムを提案している。 In order to solve the problems of the suspended particle measurement system using scattered light, the applicant of the present application has proposed a suspended particle measurement system that measures the concentration of suspended particles using sound waves (for example, ultrasonic waves).
この浮遊粒子測定システムは、図15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の出力に基づいて音源部1と受波素子3との間の監視空間に存在する浮遊粒子の濃度を測定する信号処理部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監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段42を有する。すなわち、監視空間に粒子が入り込むと音源部1からの超音波は受波素子3に到達するまでに音圧が低下し、受波素子3の出力の減衰量は監視空間の浮遊粒子の濃度に略比例して増加するので、この減衰量に基づき浮遊粒子の濃度を推定することができる。
As shown in FIG. 15, the suspended particle measurement system includes a
ところで、本願出願人は、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16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に存在する状態で受波素子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16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16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17に示す。要するに、図17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 applicant of the present application determines the output frequency of the
上述の知見に基づいて、本願出願人は、音源部1から周波数の異なる複数種の超音波が送波されるようにし、信号処理部4に、少なくとも受波素子3の出力の基準値(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17より抽出されるデータ)、各浮遊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16より抽出されるデータ)を記憶した記憶手段44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44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41とを付加し、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浮遊粒子の濃度を濃度推定手段42に推定させることを提案している。
Based on the above-described knowledge, the applicant of the present application causes a plurality of types of ultrasonic waves having different frequencies to be transmitted from the
この超音波式の浮遊粒子測定システムでは、散乱光を用いる浮遊粒子測定システムに必要な光学部材が不要であるから、システムを簡略化でき小型且つ安価なものとすることが可能になる。 In this ultrasonic suspended particle measuring system, the optical member necessary for the suspended particle measuring system using scattered light is unnecessary, so that the system can be simplified and can be made small and inexpensive.
しかしながら、上述のように浮遊粒子の種別を推定可能とするためには、音源部1から周波数の異なる複数種の超音波を送波させることが必要であり、これにより以下の問題を生じる。すなわち、音源部1から複数種の超音波を送波させるためには、各種の超音波を送波する音源部1を複数個用いるか、あるいは制御部によって1個の音源部1から複数種の超音波を順次送波させる必要がある。前者の場合、音源部1を1個とする構成に比べて音源部1に掛かるコストが高くなり、また浮遊粒子測定システムの大型化にもつながるという問題がある。一方、後者の場合、音源部1から超音波を送波する度に音源部1を異なる駆動周波数で駆動する必要があるため、音源部1から1種類の超音波を送波させる場合に比べて制御部の構成が複雑化して、コスト高につながるという問題がある。また、いずれの場合においても、複数種の超音波が個別に送波されるため、個々の超音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなる可能性があり、さらに、超音波を複数回送波する必要があるため、超音波の送波に伴う消費電力が大きくなる。
However, in order to be able to estimate the type of suspended particles as described above, it is necessary to transmit a plurality of types of ultrasonic waves having different frequencies from the
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浮遊粒子の種別および濃度を測定する構成において、音源部から複数種の音波を送波させる必要のない浮遊粒子測定システム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 measuring the type and concentration of suspended particles based on the attenuation amount of ultrasonic waves in a monitoring space, a plurality of types of sound waves are transmitted from a sound source unit. An object of the present invention is to provide a suspended particle measurement system that is not necessary.
請求項1の発明では、複数の周波数成分を含む音波を送波する音源部と、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音源部と受波素子との間の監視空間に存在する浮遊粒子の種別および濃度を測定する信号処理部とを備え、信号処理部は、受波素子で検出された音波から各周波数成分の強度を抽出する周波数成分抽出手段と、音源部と受波素子との間の監視空間に存在する浮遊粒子の種別および濃度に応じた各周波数成分の周波数と強度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、周波数成分抽出手段で抽出された各周波数成分の強度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する粒子種別推定手段と、特定の周波数成分の強度の基準値からの減衰量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段とを有することを特徴とする。
In the invention of
この構成によれば、信号処理部が、受波素子で検出された音波から各周波数成分の強度を抽出する周波数成分抽出手段を有し、粒子種別推定手段において、周波数成分抽出手段で抽出された各周波数成分の強度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するので、監視空間に浮遊している粒子の種別を推定可能としながらも、音源部から複数種の音波を送波させる必要はない。すなわち、音源部からは複数の周波数成分を含む1種類の音波が送波されればよく、音源部から複数種の音波を送波させる場合に比べて、音源部や制御部に掛かるコストを低く抑えることができ、また、音源部から1回に送波された音波から複数の周波数成分の強度を抽出するようにすれば、個々の音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなったり、音波の送波に伴う消費電力が大きくなったりすることを回避できる。 According to this configuration, the signal processing unit has the frequency component extraction unit that extracts the intensity of each frequency component from the sound wave detected by the receiving element, and is extracted by the frequency component extraction unit in the particle type estimation unit. Since the type of particles floating in the monitoring space is estimated using the intensity of each frequency component and the relational data stored in the storage means, the type of particles floating in the monitoring space can be estimated There is no need to transmit a plurality of types of sound waves from the sound source unit. That is, it is only necessary that one type of sound wave including a plurality of frequency components is transmitted from the sound source unit, and the cost required for the sound source unit and the control unit is lower than when a plurality of types of sound waves are transmitted from the sound source unit. If the intensity of a plurality of frequency components is extracted from the sound wave transmitted at once from the sound source unit, the transmission sound pressure varies when each sound wave is transmitted. It is possible to avoid the estimation accuracy of the type and concentration of particles from being lowered and the power consumption accompanying the transmission of sound waves from being increased.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記記憶手段が、前記関係データとして各周波数成分の周波数と強度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 second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the storage means includes, as the relational data, relation data between the frequency of each frequency component and an attenuation rate obtained by dividing the attenuation from the reference value of the intensity by the reference value. It is memorized.
この発明によれば、各周波数成分の周波数に応じて当該周波数成分の強度の基準値が変動する場合でも、各周波数成分の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 the present invention, even when the reference value of the intensity of the frequency component varies according to the frequency of each frequency component, the relationship data between the frequency of each frequency component and the attenuation rate from which the influence of the variation of the reference value is removed By using, 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、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音波を発生するものであることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the sound source unit generates a sound wave by applying a thermal shock to the air due to a temperature change of the heat generating unit accompanying energization of the heat generating unit. It is characterized by being.
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音波を送波させることも可能となる。 According to this configuration, the sound source unit has a flat frequency characteristic, and the frequency of the sound wave to be generated can be changed over a wide range. It is also possible to transmit a single-pulse sound wave with little reverberation from the sound source unit.
請求項4の発明は、請求項3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。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the sound source section includes the heating element portion formed on the one surface side of the base substrate, and the heating element portion and the base on the one surface side of the base substrate. It is characterized by having a thermal insulation layer comprising a porous layer provided between the substrate and thermally insulating the heating element and the base substrate.
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 sound wave becomes high, and the power consumption can be reduced.
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、前記音源部が送波する前記複数の周波数成分を含む音波が、単パルス状の音波であることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the sound wave including the plurality of frequency components transmitted by the sound source unit is a single-pulse sound wave. .
この構成によれば、周波数成分間の強度差が少なく、且つ比較的広範囲の周波数に亘ってパワーが分布した形のパワースペクトルを持つ単パルス状の音波を音源部から送波するので、周波数成分抽出手段においては、強度差が少なく、且つ比較的広範囲の周波数成分の強度を抽出することできる。 According to this configuration, since the intensity difference between frequency components is small and a single-pulse sound wave having a power spectrum in which power is distributed over a relatively wide range of frequencies is transmitted from the sound source unit, the frequency component In the extracting means, the intensity difference is small and the intensity of a relatively wide range of frequency components can be extracted.
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、前記周波数成分抽出手段が、各周波数成分の信号をそれぞれ通過させるフィルタ手段を有し、前記受波素子の出力を前記フィルタ手段に通すことで各周波数成分の強度を抽出することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects of the present invention, the frequency component extraction means includes filter means for passing signals of the respective frequency components, and outputs the output of the receiving element. The intensity of each frequency component is extracted by passing through the filter means.
この構成によれば、たとえば受波素子の出力の時系列データについて高速フーリエ変換を行い、その結果から各周波数成分の強度を抽出する構成に比べて、信号処理の負荷を低減することができる。 According to this configuration, for example, it is possible to reduce the load of signal processing as compared with a configuration in which fast Fourier transform is performed on time-series data output from the receiving element and the intensity of each frequency component is extracted from the result.
請求項7の発明は、請求項6の発明において、前記フィルタ手段が各周波数成分ごとに個別に設けられており、前記周波数成分抽出手段が、前記受波素子の出力を各フィルタ手段に分配する分配手段を有することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the present invention, the filter means is individually provided for each frequency component, and the frequency component extracting means distributes the output of the receiving element to the filter means. It has a distribution means.
この構成によれば、音源部から1回に送波された音波について複数の周波数成分の強度を抽出することができるので、個々の音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなったり、音波の送波に伴う消費電力が大きくなったりすることを回避できる。 According to this configuration, the intensity of a plurality of frequency components can be extracted from the sound wave transmitted at one time from the sound source unit. It is possible to avoid the estimation accuracy of the type and concentration of the sound source from being lowered and the power consumption accompanying the transmission of the sound wave from being increased.
請求項8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、前記周波数成分抽出手段が、高速フーリエ変換により各周波数成分の強度を抽出することを特徴とする。
The invention of
この構成によれば、多数の周波数成分の強度を抽出可能となり、したがって、多数の周波数成分の強度に基づいて浮遊粒子の種別の推定を行うことにより、粒子種別推定の確度の向上を図ることができる。また、音源部から1回に送波された音波について複数の周波数成分の強度を抽出することができるので、個々の音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなったり、音波の送波に伴う消費電力が大きくなったりすることを回避できる。 According to this configuration, it is possible to extract the intensities of a large number of frequency components. Therefore, the accuracy of particle type estimation can be improved by estimating the type of suspended particles based on the intensities of the numerous frequency components. it can. In addition, since the intensity of a plurality of frequency components can be extracted from the sound wave transmitted at one time from the sound source unit, the type and concentration of suspended particles can be caused by variations in the transmitted sound pressure when each sound wave is transmitted. Thus, it is possible to avoid the estimation accuracy of the signal from being lowered and the power consumption accompanying the transmission of the sound wave from increasing.
請求項9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、前記周波数成分抽出手段が、前記音源部から同時に送波され前記監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して前記受波素子にそれぞれ伝播された複数の音波の各々から、各周波数成分の強度をそれぞれ抽出することを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to sixth aspects, the frequency component extracting means transmits the reception through a propagation path having a different path length in the monitoring space that is simultaneously transmitted from the sound source unit. It is characterized in that the intensity of each frequency component is extracted from each of a plurality of sound waves respectively propagated to the wave element.
この構成によれば、音源部から1回に送波された音波について複数の周波数成分の強度を抽出することができるので、個々の音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなったり、音波の送波に伴う消費電力が大きくなったりすることを回避できる。 According to this configuration, the intensity of a plurality of frequency components can be extracted from the sound wave transmitted at one time from the sound source unit. It is possible to avoid the estimation accuracy of the type and concentration of the sound source from being lowered and the power consumption accompanying the transmission of the sound wave from being increased.
本発明は、周波数成分抽出手段で抽出された各周波数成分の強度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するので、監視空間に浮遊している粒子の種別を推定可能としながらも、音源部から複数種の音波を送波させる必要はないという効果がある。 Since the present invention estimates the type of particles floating in the monitoring space using the intensity of each frequency component extracted by the frequency component extracting means and the relational data stored in the storage means, While it is possible to estimate the type of particles being performed, there is an effect that it is not necessary to transmit a plurality of types of sound waves from the sound source unit.
以下の各実施形態では、本発明の浮遊粒子測定システムの一例として、火災の発生の有無を判断する目的で監視空間の煙粒子の濃度を測定するものを例示するが、この例に限らず、本発明の浮遊粒子測定システムは、監視空間の種々の浮遊粒子(煙粒子、粉塵、湯気など)の種別および濃度の測定に用いることができる。 In the following embodiments, as an example of the suspended particle measurement system of the present invention, an example of measuring the concentration of smoke particles in the monitoring space for the purpose of determining whether or not a fire has occurred, is not limited to this example. The suspended particle measurement system of the present invention can be used to measure the type and concentration of various suspended particles (smoke particles, dust, steam, etc.) in a monitoring space.
(実施形態1)
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、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の出力に基づいて音源部1と受波素子3との間の監視空間に存在する浮遊粒子の種別および濃度を測定する信号処理部4とを備えている。なお、ここでは超音波を送受波する音源部1および受波素子3を採用しているが、音源部1および受波素子3は、超音波に限らず音波を送受波するものであればよい。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 2, the suspended particle measurement system of the present embodiment includes a
ここにおいて、音源部1と受波素子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。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る。
Here, as shown in FIG. 2, the
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。
In the present embodiment, a sound wave generating element that generates an ultrasonic wave by applying a thermal shock to air as described later is used as the
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。
Here, as shown in FIG. 3, the
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播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播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 above-described
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1.63×106J/(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
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。
The
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、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
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。
Although not shown, the
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。
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
ここにおいて、本実施形態の浮遊粒子測定システムは、「発明が解決しようとする課題」の欄で図15を用いて説明した浮遊粒子測定システムと基本構成が共通であって、図1に示すように、信号処理部4には、音源部1と受波素子3との間の監視空間に存在する浮遊粒子の種別を推定する粒子種別推定手段41と、監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段42と、粒子種別推定手段41および濃度推定手段42で使用するデータを記憶した記憶手段44とを具備している。
Here, the suspended particle measuring system of the present embodiment has the same basic configuration as the suspended particle measuring system described with reference to FIG. 15 in the column “Problems to be Solved by the Invention”, as shown in FIG. In addition, the
すなわち、本実施形態では、音源部1が複数の周波数成分を含む超音波を送波する構成を採用するとともに、受波素子3で検出された超音波から各周波数成分の強度を検出する周波数成分抽出手段40を信号処理部4に付加してある。音源部1から送波される超音波の具体的例および周波数成分抽出手段40の構成例については後述する。さらに、粒子種別推定手段41は、周波数成分抽出手段40で抽出された各周波数成分の強度と記憶手段44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するものとし、且つ、信号処理部4で測定される浮遊粒子の濃度を火災の有無の判断に用いるため、濃度推定手段42は、粒子種別推定手段41にて推定された粒子が煙粒子のときに、特定の周波数成分(たとえば、82kHz)の強度の基準値からの減衰量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定するものとする。
That is, in this embodiment, the
また、記憶手段44には、少なくとも受波素子3の出力から周波数成分抽出手段40によって抽出される各周波数成分の強度の基準値(監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で受波素子3にて受波される基準音圧に対する受波素子3の出力から抽出される各周波数成分の強度)、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各周波数成分の周波数と同周波数成分の強度の相対的単位減衰率との関係データ(図17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(図16より抽出されるデータ)を記憶している。
Further, the storage means 44 stores at least the reference value of the intensity of each frequency component extracted from the output of the
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、上記各手段40〜44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には、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変換器なども設けられている。
The
以下に、本実施形態の浮遊粒子測定システムの動作例を図5のフローチャートを参照して説明する。まず、音源部1から複数の周波数成分を含んだ超音波を送波させ、当該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)。周波数成分抽出手段40は受波素子3の出力から各周波数成分の強度を抽出し、粒子種別推定手段41は、周波数成分抽出手段40で抽出された各周波数成分の強度と記憶手段44に記憶されている基準値とから、各周波数成分について強度の減衰率を求め(ステップS12)、中心周波数が82kHzの周波数成分の減衰率に対する中心周波数が20kHzの周波数成分の減衰率の比を算出する(ステップS13)。記憶手段44には、各周波数成分の周波数と同周波数成分の強度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17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41は、算出した減衰率の比を記憶手段44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濃度推定手段42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6に示すように減光式煙濃度計で計測される浮遊粒子の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、濃度推定手段42は、推定された粒子種別について特定の周波数成分(たとえば、82kHz)の減衰率の記憶手段44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浮遊粒子の濃度y〔%/m〕に相当すると推定する(ステップS16)。ステップS16で推定された浮遊粒子の濃度と所定の閾値(たとえば、減光式煙濃度計での評価で10%/mとなる浮遊粒子の濃度)とを比較し、推定された浮遊粒子の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」と判断する。
Hereinafter, an operation example of the suspended particle measurement system of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, an ultrasonic wave including a plurality of frequency components is transmitted from the
上述の例では、粒子種別推定手段41は中心周波数が82kHzの周波数成分の減衰率と中心周波数が20kHzの周波数成分の減衰率とを用いているが、これらの周波数成分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周波数成分を用いてもよい。さらに、より多くの周波数成分の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、濃度推定手段42が特定の周波数成分として1周波数成分を対象としているが、特定の周波数成分として複数の周波数成分を対象とし、各周波数成分ごとに推定した浮遊粒子の濃度の平均値を求めるようにしてもよく、この場合、浮遊粒子の濃度の推定の確度が向上する。
In the above example, the particle type estimation means 41 uses the attenuation rate of the frequency component with the center frequency of 82 kHz and the attenuation rate of the frequency component with the center frequency of 20 kHz, but the combination is not limited to these frequency components. Alternatively, different combinations of frequency components may be used. Furthermore, the attenuation rate of more frequency components may be used, and in that case, the accuracy of estimation of the particle type can be improved. In the present embodiment, the
ところで、本実施形態では、音源部1から複数の周波数成分を含んだ超音波を送波させるために、制御部2は音源部1に対して正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として与えている。これにより、音源部1からは図7(a)に示すような略1周期の単パルス(インパルス)状の超音波が送波されることとなる。この種の単パルス状の超音波のパワースペクトルは、図7(b)に示すようにパルス幅に応じた周波数f0を中心周波数として広範囲の周波数に亘って強度(エネルギ)が分布した形となる。要するに、本実施形態のように単パルス状の超音波を音源部1から送波させることによって、音源部1からは複数の周波数成分を含んだ超音波が送波されることとなる。したがって、周波数成分抽出手段40は、たとえば図7(b)にB1〜B3で示す各周波数帯域について周波数成分の強度を抽出することができる。
By the way, in this embodiment, in order to transmit an ultrasonic wave including a plurality of frequency components from the
これに対して、ある程度の波数(たとえば3周期程度)を持つバースト波のパワースペクトルは、周期に応じた周波数f0にピークを持ち、その他の周波数帯域においては強度が低くなる。そのため、本実施形態のように単パルス状の超音波を用いる場合に比べて、周波数成分抽出手段40において抽出可能な周波数成分は、強度差が大きく、且つ周波数範囲が狭くなる。なお、音源部1からの超音波が図8(a)のようにある周波数f0の連続波になると、超音波のパワースペクトルは、図8(b)に示すように前記周波数f0に鋭いピークを持ち、その他の周波数帯域においては強度が大幅に低下する形になるので、周波数成分抽出手段40において各周波数成分の強度を抽出できなくなる。
On the other hand, the power spectrum of a burst wave having a certain number of waves (for example, about 3 cycles) has a peak at a frequency f0 corresponding to the cycle, and the intensity is low in other frequency bands. Therefore, compared with the case where single pulse ultrasonic waves are used as in the present embodiment, the frequency components that can be extracted by the frequency component extraction means 40 have a large intensity difference and a narrow frequency range. When the ultrasonic wave from the
一方、受波素子3においては、共振特性のQ値が圧電素子に比べて十分に小さい静電容量型のマイクロホンを用いているため、音源部1からの超音波に含まれる複数の周波数成分について感度に大きなばらつきはない。ただし、図9(b)に示すように受波素子3の共振周波数fcよりも高い周波数帯域では感度が低下するので、図9(a)に示すように周波数成分抽出手段40で周波数成分の強度が抽出される周波数帯域B1〜B3よりも高い周波数を共振周波数とする受波素子3を用いることが望ましい。なお、パワースペクトルを示す図7(b)、図8(b)、図9並びに以下の説明で用いる図10、図11では、横軸を周波数、縦軸を強度(パワー)とする。
On the other hand, since the receiving
次に、周波数成分抽出手段40の構成について説明する。
Next, the configuration of the frequency
一例として、音源部1からは図10(a)に示すように周期が3.33μs(つまり、300kHz相当)の単パルス状の超音波が送波され、これにより、受波素子3で受波される超音波のパワースペクトルが図10(b)に示すように300kHzにピークを持つ形になったものと仮定する。この場合において、図11における周波数帯域B1〜B3の各周波数成分の強度を抽出するため、図12に示すように、150〜250kHz(周波数帯域B1)の信号を通過させる第1のフィルタ手段(たとえば、バンドパスフィルタ)45aと、250〜350kHz(周波数帯域B2)の信号を通過させる第2のフィルタ手段45bと、350〜450kHz(周波数帯域B3)の信号を通過させる第3のフィルタ手段45cとを周波数成分抽出手段40に設け、第1〜第3の各フィルタ手段45a〜45cの出力を各周波数成分の強度として取り出すようにする。
As an example, the
ここで、周波数成分抽出手段40は、受波素子3の出力を増幅するアンプAmpと、アンプAmpで増幅された受波素子3の出力を各フィルタ手段45a〜45cに略均等に分配する分配手段46とを有しており、受波素子3の出力が各フィルタ手段45a〜45cを通して後段の粒子種別推定手段41に出力されるようにしてある。これにより、周波数成分抽出手段40においては、音源部1から1回に送波された超音波から複数の周波数成分の強度を抽出することができる。ここで、フィルタ手段45a〜45cはプログラムによって実現してもよいが、ハードウェアで実現すれば信号処理の負荷を低減することができ、信号処理の高速化を図ることができる。
Here, the frequency component extraction means 40 is an amplifier Amp that amplifies the output of the
なお、本実施形態では、各周波数成分の周波数と強度の相対的単位減衰率との関係データを記憶手段44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周波数成分の周波数ごとに変化するのは周波数成分の強度の基準値からの減衰量(I0−Ix)であるから、記憶手段44に記憶する上記関係データは、各周波数成分の周波数と同周波数成分の強度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、周波数成分の強度の基準値からの減衰量や、周波数成分の強度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44に記憶するようにしてもよい。
In the present embodiment, the example in which the relationship data between the frequency of each frequency component and the relative unit attenuation rate of the intensity is stored in the
以上説明した本実施形態の浮遊粒子測定システムによれば、周波数成分抽出手段40が、受波素子3で検出された超音波から各周波数成分の強度を抽出し、粒子種別推定手段41においては、周波数成分抽出手段40で抽出された各周波数成分の強度と記憶手段44に記憶されている関係データとを用いて監視空間に存在する浮遊粒子の種別を推定するので、浮遊粒子の種別を推定可能としながらも、音源部1から複数種の超音波を送波させる必要はない。
According to the suspended particle measurement system of the present embodiment described above, the frequency
すなわち、煙濃度を測定することにより火災の発生の有無の判断を行う場合に、粒子種別推定手段41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、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、浮遊粒子測定システム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。なお、粒子種別推定手段41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。 That is, when determining whether or not a fire has occurred by measuring the smoke concentration, the particle type estimation means 41 discriminates between smoke particles and steam by estimating the type of particles floating in the monitoring space. This makes it possible to reduce non-fire reports due to steam and is suitable for use in kitchens and bathrooms. In addition, it is possible to distinguish between dust and smoke particles floating when cleaning the room where the suspended particle measurement system is installed or when electrical work is performed on the back of the ceiling, thus reducing non-fire reports caused by dust. It is also possible. Since the particle type estimation means 41 can distinguish between white smoke particles and black smoke particles, it can also be used for identifying fire properties.
しかも、音源部1からは複数の周波数成分を含む1種類の超音波(ここでは、単パルス状の超音波)が送波されればよく、音源部1から複数種の超音波を送波させる場合に比べて、音源部1や制御部2に掛かるコストを低く抑えることができる。また、周波数成分抽出手段40は音源部1から1回に送波された超音波から複数の周波数成分の強度を抽出するので、個々の超音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなったり、超音波の送波に伴う消費電力が大きくなったりすることを回避できるという利点もある。
In addition, it is only necessary to transmit one type of ultrasonic wave (in this case, a single pulsed ultrasonic wave) including a plurality of frequency components from the
ところで、周波数成分抽出手段40は、上述したようにフィルタ手段45a〜45cによって各周波数成分の強度を抽出するものに限らず、たとえば受波素子3の出力の時系列データについて高速フーリエ変換(FFT)を行い、その結果から各周波数成分の強度を抽出するものであってもよい。この場合、多数の周波数成分の強度を抽出することが容易となり、多数の周波数成分の強度に基づいて浮遊粒子の種別の推定を行うことにより、粒子種別の推定の確度の向上を図ることができる。また、分配手段46を用いることなく、音源部1から1回に送波された超音波について複数の周波数成分の強度を抽出することができるという利点もある。ただし、この場合、フィルタ手段45a〜45cによって各周波数成分の強度を抽出する構成に比べて、信号処理の負荷が大きくなる。
Incidentally, the frequency
また、音源部1からは複数の周波数成分を含んだ超音波が送波されればよく、上述したような単パルス状の超音波に限らず、波数の少ないバースト波状の超音波、あるいは周波数の異なる複数の超音波を重畳させて成る超音波を音源部1から送波させるようにしてもよい。
The
(実施形態2)
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、基本構成が実施形態1と略同じであり、周波数成分抽出手段40の構成が実施形態1の浮遊粒子測定システムと相違する。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 suspended particle measurement system of the present embodiment has substantially the same basic configuration as that of the first embodiment, and the configuration of the frequency component extraction means 40 is different from that of the suspended particle measurement system of the first embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to
本実施形態では、音源部1と受波素子3との間に経路長の異なる複数の伝播経路を形成し、音源部1から送波された超音波を複数の伝播経路に分岐し、各伝播経路を通して受波素子3で受波されるように構成する。ここで、周波数成分抽出手段40は、音源部1から同時に送波され経路長の異なる伝播経路を通して受波素子3にそれぞれ伝播された複数の超音波の各々から、各周波数成分の強度をそれぞれ抽出する。
In the present embodiment, a plurality of propagation paths having different path lengths are formed between the
本実施形態の一例として、図13(a)に示すように内部空間に形成された超音波の伝播経路の経路長が異なる複数種類の筒体6a,6bを、音源部1と受波素子3との間に並列に介在させる構成が考えられる。すなわち、図13(a)のように音源部1と受波素子3との間に、直管状であって管長さL1の筒体6aと、湾曲した形であって管長さL2(>L1)の筒体6bとを、音源部1および受波素子3の対向する方向に直交する面内で並ぶように配設し、音源部1からの超音波が両筒体6a,6bに分岐されて各筒体6a,6bの内部空間を通るようにする。しかして、音源部1から送波される超音波は、両筒体6a,6bの入り口(図13(a)では左端面)で第1および第2の超音波Sw1,Sw2に分岐され、第1の超音波Sw1が管長さL1の筒体6aの内部空間(経路長L1の伝播経路)を通って受波素子3に伝播されるとともに、第2の超音波Sw2が管長さL2の筒体6bの内部空間(経路長L2の伝播経路)を通って受波素子3に伝播されることになる。その後、周波数成分抽出手段40で超音波Sw1,Sw2の各々から、各周波数成分の強度がそれぞれ抽出される。
As an example of the present embodiment, as shown in FIG. 13A, a plurality of types of
ここにおいて、各超音波Sw1,Sw2が受波素子3に到達するタイミングには、図13(b)に示すように伝播経路の経路長L1,L2の差に応じた時間差Tdが生じる。この時間差Tdは、経路長L1,L2の差を音速で除することにより求められる。受波素子3において各超音波Sw1,Sw2を区別するためには、受波素子3で各超音波Sw1,Sw2をそれぞれ受波する期間を前記時間差Td内に収める必要がある。
Here, at the timing when each of the ultrasonic waves Sw1 and Sw2 arrives at the
つまり、たとえば音速が340m/sで、音源部1から送波される超音波の周波数が100kHzである場合、超音波は周期10μs、波長3.4mmとなるので、経路長L1,L2の差を68mmにすると、超音波の波数が20波を超えれば超音波同士の重なりが生じ、受波素子3で各超音波Sw1,Sw2を区別できなくなる。そこで、経路長L1,L2の差と音源部1から1回に送波する超音波の波数とを調整することにより、超音波同士の重なりが生じないようにする。浮遊粒子測定システムを小型化するために経路長L1,L2の差を小さくする場合などには、実施形態1で説明したように、発熱体層13への通電に伴う発熱体層13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構成であって、残響の少ない単パルス状の超音波を送波可能な音源部1を採用することが有用である。
That is, for example, the sound velocity at 340m / s, when the frequency of the ultrasonic wave transmitted from the
さらに、図13(a)の構成によれば、音源部1と受波素子3との間に筒体6a,6b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6a,6b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、監視空間中に浮遊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、浮遊粒子の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。
Furthermore, according to the configuration of FIG. 13A, since the
なお、図13の例では、筒体6a,6bの各開口端面に音源部1および受波素子3がそれぞれ突き合わされるように配置されており、各筒体6a,6bの内部が監視空間となるので、たとえば筒体6a,6bの長手方向に沿う側面には内部に煙粒子等の浮遊粒子を案内する孔(図示せず)が形成される。
In the example of FIG. 13, the
また、本実施形態の他の例として、一方の筒体6aを省略して、音源部1から受波素子3に直接伝わる超音波を第1の超音波Sw1とする構成や、音源部1と受波素子3とが並ぶ方向に沿った反射面を音源部1および受波素子3の側方に形成し、音源部1から受波素子3に直接伝わる超音波を第1の超音波Sw1とするとともに、音源部1から送波された後に反射面で反射されて受波素子3に伝わる超音波を第2の超音波Sw2とする構成も考えられる。
As another example of the present embodiment, one
あるいは、音源部1と受波素子3との間に経路長の異なる複数の伝播経路を形成するために、図14に示すように第1および第2の反射面7a,7bを、音源部1から送波された超音波の進行方向(図14の左右方向)において互いに対向するように配置してもよい。各反射面7a,7bはそれぞれ超音波を反射するものであって、受波素子3は第1の反射面7a上に、音源部1は第2の反射面7b上にそれぞれ配設される。ここで、周波数成分抽出手段40は、音源部1から受波素子3に伝播されるまでに反射面7a,7bで反射された回数の異なる複数の超音波の各々から、各周波数成分の強度をそれぞれ抽出する。
Alternatively, in order to form a plurality of propagation paths having different path lengths between the
すなわち、図14のように音源部1から受波素子3に直接伝わる超音波を第1の超音波Sw1とするとともに、音源部1から送波された後に第1の反射面7aで反射され、さらに第2の反射面7bで反射されることによって受波素子3に伝わる超音波を第2の超音波Sw2とする。しかして、反射面7a,7bでの反射回数が0回の第1の超音波Sw1と、反射面7a,7bでの反射回数が2回の第2の超音波Sw2とでは、伝播経路の経路長が異なることとなり、周波数成分抽出手段40ではこれらの超音波Sw1,Sw2の各々から各周波数成分の強度が算出される。ここにおいて、受波素子3で各超音波Sw1,Sw2を区別可能とするため、各超音波Sw1,Sw2の経路長の差と音源部1から1回に送波する超音波の波数とを調整することにより超音波同士の重なりが生じないようにする点は、図13の例と同様である。
That is, the ultrasonic wave directly transmitted from the
ところで、図14の例では、各反射面7a,7bが反射波を他方の反射面7a,7b上に集音する形に湾曲した凹型の曲面からなる。さらに、音源部1と受波素子3とは各反射面7a,7b上において、他方の反射面7a,7bに平面波として入射し反射された超音波が焦点を結ぶ位置に配置されている。
By the way, in the example of FIG. 14, each
要するに、第2の反射面7b上に配置された音源部1から放射状に広がりながら受波素子3側の第1の反射面7aに到達した超音波は、第1の反射面7aで反射されることによって音源部1側の第2の反射面7bに対する平行波となり、その後、第2の反射面7bで反射されることによって第1の反射面7a上の受波素子3の位置で焦点を結ぶこととなる。そのため、反射面7a,7bでの反射を繰り返しても超音波は拡散しにくく、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。その結果、浮遊粒子の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、SN比が向上する。
In short, the ultrasonic waves that reach the first reflecting
以上説明した本実施形態の浮遊粒子測定システムでは、周波数成分抽出手段40は音源部1から同時に送波された超音波から複数の周波数成分の強度を抽出するので、個々の超音波の送波時に送波音圧のばらつきが生じることで浮遊粒子の種別や濃度の推定確度が低くなったり、超音波の送波に伴う消費電力が大きくなったりすることを回避できる。また、周波数成分抽出手段40は、異なるタイミングで受波素子3に到達した超音波Sw1,Sw2の各々から各周波数成分の強度を順次抽出するので、受波素子3の出力を複数のフィルタ手段45a〜45cに同時に通す必要はなく、分配手段46を省略することができる。
In the suspended particle measurement system according to the present embodiment described above, the frequency
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。 Other configurations and functions are the same as those in the first embodiment.
ところで、上記各実施形態の浮遊粒子測定システムは、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を備えるものであってもよい。すなわち、図13の例では音源部1と受波素子3との間に設けられた筒体6a,6bが拡散防止部材として機能しているが、筒体6a,6b以外の拡散防止部材を適用してもよい。たとえば、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一対の拡散防止板を用いることができる。
By the way, the suspended particle measuring system of each of the above embodiments may include a diffusion preventing member that narrows the diffusion range of the ultrasonic wave from the
各拡散防止板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、一対の拡散防止板は、音源部1からの超音波を互いに対向する前記一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、前記一表面の間に音源部1と受波素子3とを挟みこむ形で配設される。このように拡散防止板を設けたことにより、音源部1から送波される超音波は、拡散防止板の前記一表面で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。
Each diffusion prevention plate is a flat plate having a rectangular shape in plan view, and the pair of diffusion prevention plates are arranged substantially in parallel so that one surface faces each other. Here, the pair of diffusion prevention plates narrows the diffusion range of the ultrasonic wave by passing the ultrasonic wave from the
また、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浮遊粒子測定システムを構成するようにしてもよい。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。
In each of the above embodiments, the
さらにまた、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、虫に起因した浮遊粒子の誤測定を低減できる。ここで、制御部2は、浮遊粒子の種別および濃度を推定するために音源部1から送波させる超音波とは別に、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、浮遊粒子の種別および濃度を推定するために音源部1から送波する超音波に防虫効果のある周波数成分を含むようにしてもよい。
Furthermore, in each of the above embodiments, if the
1 音源部
2 制御部
3 受波素子
4 信号処理部
11 ベース基板
12 熱絶縁層
13 発熱体層(発熱体部)
40 周波数成分抽出手段
41 粒子種別推定手段
42 濃度推定手段
44 記憶手段
45a〜45c フィルタ手段
46 分配手段
DESCRIPTION OF
40 Frequency component extraction means 41 Particle type estimation means 42 Concentration estimation means 44 Storage means 45a to 45c Filter means 46 Distribution means
Claims (9)
The frequency component extracting means transmits the intensity of each frequency component from each of a plurality of sound waves transmitted simultaneously from the sound source unit and propagated to the receiving element through propagation paths having different path lengths in the monitoring space. The suspended particle measuring system according to any one of claims 1 to 6, wherein the suspended particle measuring system is extracted.
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