JP5837047B2 - 光学式煙検知器 - Google Patents

Description

本発明は、光学式煙検知器に関する。

光学式煙アラームは通常、定常電流源から駆動される赤外発光ＬＥＤを使用する。煙から反射する光から赤外受信部によって生成される信号のレベルは、煙のアラーム閾値に達したかどうかを決定するために所定の基準値と比較される。

本発明は、改良された光学式煙検知器を提供することを目的とする。

従って、本発明は、光源と、光受信部と、検知器の動作を制御する制御回路と、を具備する光学式煙検知器であって、前記制御回路は、前記光源に未調整の電圧を印加して発光させ、前記光源によって放出される光をモニタするために前記光源を通る電流をモニタし、前記光受信部によって受信された前記光をモニタするために前記光受信部によって受信した前記光によって生成される前記電流をモニタし、前記モニタされた電流の比率を表す比率信号を生成し、前記比率信号を基準値と比較するとともにそれに基づいて煙検知信号を生成するように構成されることを特徴とする光学式煙検知器を提供する。

未調整の電源（unregulated supply）を使用するとともに、前記光源と光受信部とを通る電流をモニタし、その後一定の光出力のための調整された電源に基づくものとは異なって二つの割り当て量（ration）を決定するとともに、受信した光と事前設定されたエンティティ（entity）とを比較することによって、前記検知回路を大いに簡素化でき、部品が排除され、特に調整された電圧供給の必要性を除外する。

好ましくは、光源は、ＬＥＤであるとともに、好ましくは、前記光源を通る光は、前記ＬＥＤの比例範囲内である。ある構成では、光源は、未調整であるとともに、前記光源を通る電流は、２００ｍＡから６００ｍＡの範囲内である。

好ましくは、前記光源は、ハイサイド半導体装置によって駆動されるとともに、前記制御回路は、事前選択された時間間隔で事前選択された期間の間、前記ハイサイド半導体装置をＯＮに切り替えるように構成される。

前記事前選択された期間は、一般的に１００μｓであるとともに、前記事前選択された時間間隔は、一般的に１０秒である。

好ましくは、前記光源は、発光ダイオードであるとともに、好都合には、前記光は、赤外光である。

本発明は、光源と光受信部とを具備する光学式煙検知器を動作する方法であって、前記方法は、前記光源を発光させるための未調整の電圧によって前記光源を活性化するステップと、前記光源によって放出される光をモニタするために前記光源を通る電流をモニタするステップと、前記光受信部によって受信された光をモニタするために前記光受信部を通る電流をモニタするステップと、前記受信された光と放出された光との比率を示す割り当て量を供給するためにモニタされた電流の比率を決定するステップと、前記比率と基準値とを比較するステップと、それに基づいて煙検知信号を生成するステップと、を具備する方法も提供する。

好ましくは、前記光源を通る電流は、ＬＥＤの比例範囲内である。ある構成では、前記光源は、未調整であるとともに、前記光源を通る電流は、２００ｍＡから６００ｍＡの範囲内である。

有利には、前記光源は、事前選択された時間間隔で事前選択された期間の間、活性化する。

好ましくは、前記光源は、ハイサイド半導体装置によって駆動されるとともに、前記方法は、事前選択された時間間隔で事前選択された期間の間、前記ハイサイド半導体装置をＯＮに切り替えるステップを具備する。

一般的に、前記選択された期間は、１００μｓであるとともに、前記事前選択された時間間隔は、１０秒である。

有利には、前記光源は、発光ダイオードであるとともに、前記光は、赤外光である。

例として、添付図面を参照にして、本発明は、以下にさらに説明される。

図１は、本発明による好ましい形態のアラームの下部から視た斜視図である。 図２は、図１に関するアラームの側面図である。 図３は、図１に関するアラームのための制御回路の一部の回路図である。 図４ａは、制御回路の動作を図示するグラフである。 図４ｂは、制御回路の動作を図示するグラフである。

図面を参照すると、光学式煙アラーム１１０の好ましい形態は、ベース１１４とカバー１１６とを持つハウジング１１２を持つことが示されている。前記ベースは、前記アラームを適切な手段によって部屋の天井などの表面に取り付けられることを可能にする。前記ベースは、天井または中間取付板に当接するための通常は平面底部壁１１８と、側部壁１２０を持つ。後者は、煙等を侵入させるための円周に沿って配置された複数の開口部１２２を持つ。前記カバー１１６は、通常は前記カバーの内側を形成する側部壁１２４と底部壁１２６をもつ「カップ」または「皿型」をしている。前記底部壁は、通常は前記ベース１１４に向かって対向する内面（図示せず）を持つ。

前記アラームは、好ましくは前記内面１２７と前記ベース１１４との間のハウジング内に設けられ、光学センサ１３１と、制御回路１３０とを持ち、前記制御回路は前記検知器の動作を制御する。前記アラームは、前記センサから受信した信号に応答して前記制御回路によってトリガしたときに可聴警報を鳴らすための音響器１３２（図３）も含む。代替方法としてまたは付加的に、音響器はアラームから離れた位置であってもよく、かつ無線あるいは他のワイヤレス信号伝送によって駆動してもよい。

図３を参照すると、ハイサイド駆動ゲート１５２が前記光センサ１３１の光源１５４に流れる電流を切り替えるために使用される制御回路１３０の発光ダイオードが示されている。図示された実施形態において、前記ハイサイド駆動ゲートは、トランジスタであるが、他の適切な半導体装置を使用してもよい。前記光源は、好ましくは発光ダイオード（ＬＥＤ）であるとともに、前記放出された光は、好ましくは赤外（ＩＲ）光である。従来の方法は、一般的に電流を調整するロウサイド駆動トランジスタ（例えば、ＮＰＮトランジスタ）を使用する。しかしながら、これは、調整を確実に行うためにより高い最少供給電圧を必要とする。図３の好ましい実施形態では、前記トランジスタ１５２は、前記ＬＥＤ１５４を駆動するために十分に切り替わるとともに、電流は調整されない。

電流制限手段は、前記光源１５４を通る前記電流を制限するために使用される。 図示された実施形態によると、前記電流制限手段は、抵抗１５６、１５８を具備する電圧分割抵抗チェーンによって形成される。前記トランジスタ１５２のエミッタは、一般的に＋3Ｖの電圧供給ライン１６２に接続されるとともに、リザーバキャパシタ（reservoir capacitor）１６０は、前記エミッタと前記供給ラインの間に接続される。前記キャパシタは、前記トランジスタがＯＦＦ状態の間に充電されるとともに、好ましくはバッテリから過剰な電流を受け取ることなく、前記トランジスタ１５２が前記ＬＥＤ１５４へ高電流パルスを供給するためにＯＮに切り替わるとき、前記トランジスタ１５２およびＬＥＤ１５４を通して放電される。前記エミッタおよびキャパシタ１６０を前記電力供給ラインに接続する前記抵抗１６４は、前記トランジスタがＯＦＦ状態の間前記キャパシタの再充電を可能にする。

前記光源１５４を通る電流の値は、抵抗１５８の電圧を測定することによって決定される。これは、前記マイクロプロセッサ１３６の入力ターミナルとへ印加される。前記抵抗１５６、１５８は、電圧分割器として機能するとともに、前記マイクロプロセッサ１３６のために前記電圧を許容レベルまで低下させ、前記マイクロプロセッサ１３６へ入力する電圧が特定の範囲を超えないことを確実にする。

前記制御回路１３０は、前記光学センサ１３１の前記光受信部１７２によって前記受信された光をモニタするためのセンシング回路１７０も持つ。前記光受信部は、前記回路１７０の演算増幅器１７４の一入力（反転入力（inverting input））へ接続される受信ダイオードの形態をとる。前記演算増幅器の他の入力は、前記電圧分割器の形態の抵抗１７８、１８０によって形成される電圧基準レベルに接続される。一方、電圧分割器の出力は、さらに第２の演算増幅器１７６によって増幅されるとともに前記マイクロプロセッサ１３６の入力へ印加される。

前記抵抗１７８、１８０およびキャパシタンス１８２は、前記センシング回路１７０のためにバイアス電圧を供給する。演算増幅器の電圧のすべては、この電圧によって電源投入するために安定化され、そのため電源投入のための安定化時間（キャパシタに充電を行うために必要な時間）は、非常に短い。前記回路は、バッテリによって起動するとき、前記回路は、一般的に電流ドレインを最小化可能なほど短い時間で起動する。

通常、前記制御回路１３０がスリープモードでは、煙が存在するか存在しないかをチェックするために事前設定された時間間隔で動作する。前記制御回路が動作モードに切り替えるとき、前記トランジスタ１５２の前記ベースへターンオンパルス（この実施形態では立下りパルス）を印加し、前記トランジスタを起動し、前記ＬＥＤ１５４を通じて部分的に前記キャパシタ１６０を放電する。前記ＬＥＤを通る電流は、前記マイクロプロセッサ１３６によってモニタされる抵抗１５８の電圧降下を生み出す。一般的に、トランジスタ１５２は、１０秒毎に約１００μｓの間、起動される。

前記ＬＥＤ１５４が発光するために活性化されるとき、前記受信ダイオード１７２は、前記受信したＩＲ放射に比例した電流を供給する。これは、前記増幅器１７４の出力の信号を供給するために増幅される。この信号は、さらに増幅器１７６によって増幅される。一定レベルのＩＲ放射は、内部表面から前記ＬＥＤ１５４および前記受信ダイオード１７２の周りに作られた前記センサ１３１の前記煙センサチャンバへの反射により常に受信される。煙が前記チャンバへ入ったとき、より多くの放射が前記煙から反射されるとともに、前記受信ダイオード１７２の放射入射（radiation incident）量は増加する。したがって、前記増幅器１７６の出力信号は、他の動作条件が変化しなければ増加する。

ここで図４ａを参照すると、これは清浄な空気の前記センシング回路１７０の応答を示している。前記ＩＲ発光ダイオード１５４を通る電流は、前記直列抵抗１５８を間接的に使用することで測定できる。供給電圧の変化による前記ダイオードを通るこの電流の前記変化、およびそれゆえに前記ＬＥＤ１５４の光出力の前記変化は、曲線１５０に示される。入射光による前記受信ダイオード１７２によって生成される前記電流の変化と、前記センシング回路１７０によって測定される前記電流の変化も曲線１５２に示される。

非常に低い電源電圧であるため、前記発光ダイオード１５４を通る電流を駆動するのに十分な電圧がない。このダイオードの前記閾値電圧に届いたとき、前記電流は増加する。十分に広い範囲の発光ダイオードの電流において、前記ダイオードの電流（たとえば放たれた光）と前記入射放射に応じた前記受信ダイオード１７２によって生成された電流との間の比率は、相対的に一定である。発光ダイオードの電流の典型的な有効範囲は、２００ｍＡから６００ｍＡであるとともに、部品と供給電圧との値は、前記トランジスタ１５２がパルスオン（pulsed ON）になるときに前記ＬＥＤを通る電流が常にこの範囲内にあることを確実にするために選択される。

煙が前記光学センサチャンバ１３１に入る場合、前記受信ダイオード１７２の反射入射光の量は増加するとともに、それゆえにダイオード１７２を通る前記電流は増加する。図４ｂは、前記チャンバが部分的または十分に煙で満たされたときのダイオードの応答を示している。前記曲線１５４に示される前記（発光中の）ＬＥＤ電流は、影響を受けていない。しかしながら、前記受信ダイオード１７２によって生成される電流は、曲線１５６に示されるように、曲線１５２に示される値を超え、増加する。

前記ＬＥＤ１５４を通る電流レベルおよび前記受信ダイオード１７２内で生成された対応する電流は、前記受信光と前記放たれた光との前記比率によって表される比率信号を生成する前記マイクロプロセッサ１３６によってモニタされる。その後、前記マイクロプロセッサは、この比率信号と基準値とを比較し、もし比率信号が前記事前選択された基準値を超えていた場合、アラーム信号をトリガする。

前記ＩＲＬＥＤ１５４と検知ダイオード１７２との応答は、事実上、広い動作範囲にわたり比例している。したがって、特定レベルの入射光に関して、これら２つの比率信号は、一定である。この計算された比率は、煙の危険値に達したかどうかを決定するための較正された基準値と比較される。

煙レベルが増加するにつれて前記比率は増加し、かつ「清浄な空気」の状態のとき、前記比率は、広範囲にわたって放たれた光と、すなわちＬＥＤ１５４の電流に依存しないものである。

前記電流比は、したがって（設計制限内の）供給電圧に依存しないとともに、この比率内での増加は煙密度の増加を示す。

上記および図示したアラームは定常電流源を使用しない。代わりに、前記光源を駆動するための未調整の供給電源を使用する。前記ＬＥＤ電流は、測定されるとともに、その後、前記受信信号対ＬＥＤ電流比は基準値と比較される。

その結果、低い電圧負荷が前記ＬＥＤを駆動するために必要になる（リニアレギュレータは必要とされない）とともに、それに従い、ステップ-アップ回路（step-up circuit）を使用することなく、３Ｖ電池のような、低電圧の電源が使用できる。

精度もまた改善される。従来の回路の場合、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuits））は、正常に定常電流を供給するために、個々のトランジスタ/エミッタの抵抗の組み合わせを駆動する調整された出力電圧を提供する。この電流は、温度によって著しく変化する。

前記制御回路１３０は、さらに従来のアラーム回路よりも少ない部品を使用し、結果として信頼性を高めるとともにコストを低下させる。

１１０ 光学式煙アラーム
１１２ ハウジング
１１４ ベース
１１６ カバー
１１８ 平面底部壁
１２０ 側部壁
１２２ 開口部
１２４ 側部壁
１２６ 底部壁
１２７ 内面
１３０ 制御回路
１３１ 光学センサ
１３２ 音響器
１３６ マイクロプロセッサ
１５２ ハイサイド駆動ゲート
１５４ 光源
１５６、１５８ 抵抗
１６０ リザーバキャパシタ
１６２ 電圧供給ライン
１７０ センシング回路
１７２ 光受信部
１７４ 演算増幅器
１７６ 増幅器
１７８、１８０ 抵抗

Claims (17)

1. 発光ダイオードと、
   光受信部と、
   検知器の動作を制御する制御回路と、
   を具備する光学式煙検知器であって、
   前記制御回路は、
   一定の光出力のために電圧を調整することなく、前記発光ダイオードに前記電圧を印加して発光させ、
   前記発光ダイオードによって放出される光をモニタするために前記発光ダイオードを通る電流をモニタし、
   前記光受信部によって受信された前記光をモニタするために前記光受信部によって受信した光によって生成される前記電流をモニタし、
   前記モニタされた２つの電流の比率を表す比率信号を生成し、
   前記比率信号を基準値と比較するとともにそれに基づいて煙検知信号を生成する
   ように構成され、
   前記発光ダイオードは、ハイサイド半導体装置によって駆動されることを特徴とする光学式煙検知器。
2. 前記発光ダイオードを通る電流は、前記発光ダイオードの比例範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の検知器。
3. 前記発光ダイオードを通る電流は、２００ｍＡから６００ｍＡの範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の検知器。
4. 前記発光ダイオードを通る電流は、２００ｍＡから６００ｍＡの範囲であるとともに、前記モニタされた電流の比率は、入射光のレベルによって与えられるため実質的に一定であり、且つしたがって電源電圧に依存しないことを特徴とする請求項１に記載の検知器。
5. 前記制御回路は、事前選択された時間間隔で事前選択された期間の間、前記ハイサイド半導体装置をＯＮに切り替えるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の検知器。
6. 前記事前選択された期間は、１００μｓであることを特徴とする請求項５に記載の検知器。
7. 前記事前選択された時間間隔は、１０秒であることを特徴とする請求項５または６に記載の検知器。
8. 前記光は、赤外光であることを特徴とする請求項１に記載の検知器。
9. 発光ダイオードと光受信部とを具備する光学式煙検知器を動作する方法であって、前記方法は、
   一定の光出力のために電圧を調整することなく、前記発光ダイオードを発光させるための前記電圧によって前記発光ダイオードを活性化するステップと、
   前記発光ダイオードによって放出される光をモニタするために前記発光ダイオードを通る電流をモニタするステップと、
   前記光受信部によって受信された光をモニタするために前記光受信部を通る電流をモニタするステップと、
   前記受信された光と放出された光との比率を示す割り当て量を供給するためにモニタされた２つの電流の比率を決定するステップと、
   前記比率と基準値とを比較するステップと、
   それに基づいて煙検知信号を生成するステップと、
   を具備し、
   前記発光ダイオードは、ハイサイド半導体装置によって駆動される方法。
10. 前記発光ダイオードを通る電流は、前記発光ダイオードの比例範囲内であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記発光ダイオードを通る電流は、２００ｍＡから６００ｍＡの範囲内であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記発光ダイオードを通る電流は、２００ｍＡから６００ｍＡの範囲であるとともに、前記モニタされた電流の比率は、入射光のレベルによって与えられるため実質一定であり、且つしたがって電源電圧に依存しないことを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記発光ダイオードは、事前選択された時間間隔で事前選択された期間の間、活性化される請求項９に記載の方法。
14. 前記方法は、事前選択された時間間隔で事前選択された期間の間、ハイサイド半導体装置をＯＮに切り替えるステップを具備する請求項１３に記載の方法。
15. 前記事前選択された期間は１００μｓであることを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記事前選択された時間間隔は１０秒であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
17. 前記光は赤外光であることを特徴とする請求項９に記載の方法。