JP6706024B2

JP6706024B2 - 煙感知器

Info

Publication number: JP6706024B2
Application number: JP2019112914A
Authority: JP
Inventors: 哲也長島
Original assignee: Hochiki Corp
Current assignee: Hochiki Corp
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: JP2019175501A

Description

本発明は、煙による散乱光を検出することにより火災を感知する煙感知器に関する。

従来、散乱光式の煙感知器は、例えば図８に示すように、感知器本体１００に略円筒形の検煙部１０２を設け、検煙部１０２の内部となる検煙空間に発光部１０４と受光部１０６をそれぞれの光軸が中央で交差するように配置し、検煙部１０２の周囲には、複数のラビリンス壁１０８を環状に配置したラビリンス構造を設けている。

ラビリンス構造は、受光部１０６に対する外部からのノイズ光の侵入と発光部１０４からの光ビームのラビリンス壁１０８による内部反射光の入射を防いでおり、このためにはラビリンス壁１０８を林立させ、ラビリンス壁１０８の間を狭くするように配置する必要がある。

特開２００１−１２６１６５号公報特開２００６−０９９７８８号公報特開平６−０７６１８２号公報実開昭５７−１６９５５号公報

しかしながら、従来のラビリンス構造を設けた煙感知器は、ラビリンス構造によって検煙部に対する煙の流入性が損なわれ、ラビリンス構造を設けていない場合より煙の流入が遅くならざるを得ない。また、ラビリンス構造を設けていることで、検煙部の構造が複雑となり、コストアップの要因ともなっている。

本発明は、ラビリンス構造を設けることなく発光部からの光による内部反射を抑制して良好な煙流入性を実現可能とする煙感知器を提供することを目的とする。

［発光素子と偏光フィルタを用いた煙感知器］
（煙感知器）
本発明は、煙感知器に於いて、
検煙部を設けた感知器本体と、
検煙部に配置され、発光素子の光ビームを偏光ビームに変換して出射する発光部と、
検煙部に、偏光ビームが直接入射しないように配置され、偏光ビームの煙による散乱光を入射する受光素子を備えた受光部と、を有し、
検煙部には、外部からの光及び偏光ビームによる内部反射光の受光部への入射を防ぐラビリンス構造を設けずに、受光素子の受光視野を限定して外部からの光の当該受光素子への入射を防ぐ構造を設け、
偏光ビームが照射される検煙部の照射部位を照射平面とし、
照射平面に照射する偏光ビームの偏光方向は、入射面に対して平行となるように設定し、更に、偏光ビームの照射平面に対する入射角を反射率の低い所定角度となるようにしたことを特徴とする。

（発光部と受光部を垂直回りに配置した散乱光式検煙構造）
検煙部は上下面を閉鎖し周囲に開口して煙を流入する検煙空間を備え、
検煙空間の上下面の一方の面側から面に向けて斜めに偏光ビームを照射し、
検煙空間の上下面の他方の面に照射する偏光ビームの偏光方向を入射面に対して平行となるようにし、更に、偏光ビームの上下面の他方の面に対する入射角を反射率の低い所定角度となるようにする。

（発光部と受光部を水平回りに配置した散乱光式検煙構造）
検煙部は上下面を閉鎖し周囲に開口して煙を流入する検煙空間を備え、
検煙空間の水平回りに発光部及び受光部を配置し、
照射平面は、発光部からの偏光ビームが照射される検煙部の周囲の照射部位とし、
照射平面に照射する偏光ビームの偏光方向を入射面に対して平行となるようにし、更に、偏光ビームの照射平面に対する入射角を反射率の低い所定角度となるようにする。

（防虫網による照射平面の形成）
照射平面を、検煙空間の周囲に配置する防虫網により形成する。

（反射壁面の形成）
照射平面を、偏光ビームが照射される検煙空間の周辺位置に起立した反射壁面により形成する。

（ブリュスター角）
偏光ビームの照射平面に対する入射角を、反射率が零となる所定のブリュスター角とする。

［レーザーダイオードを用いた煙感知器］
（煙感知器）
本発明の他の形態にあっては、煙感知器に於いて、
検煙部を設けた感知器本体と、
検煙部に配置され、偏光したレーザービームを出射するレーザーダイオードを備えた発光部と、
検煙部に、レーザービームが直接入射しないように配置され、レーザービームの煙による散乱光を入射する受光素子を備えた受光部と、を有し、
検煙部には、外部からの光及びレーザービームによる内部反射光の受光部への入射を防ぐラビリンス構造を設けずに、受光素子の受光視野を限定して外部からの光の当該受光素子への入射を防ぐ構造を設け、
レーザービームが照射される検煙部の照射部位を照射平面とし、
照射平面に照射するレーザービームの偏光方向は、入射面に対して平行となるように設定し、更に、レーザービームの照射平面に対する入射角を反射率の低い所定角度となるようにしたことを特徴とする。

本発明の煙感知器によれば、発光部に設けたＬＥＤ等の発光素子からの光ビームを、前方に配置した偏光フィルタを通すことで偏光ビームに変換し、偏光ビームが照射される感知器内の照射部位を平面とし、この平面に照射する偏光ビームの偏光方向を入射面に対して平行となるようにさせる（水平偏光入射）と共に、入射角を反射率の低い所定角度としたことで、発光部からの偏光ビームによる反射光を大幅に低減し、特に、入射角を反射率が零となるブリュスター角とすることで、内部反射を略完全に無くし、煙がない状態での受光部に対する入射光を抑制し、受光出力のＳ／Ｎ比を改善可能とする。

また、発光部からの光による内部反射を大幅に低減するか、略零とすることで、検煙部に設けるラビリンス構造を不要とすることが可能となり、検煙部に対する煙の流入性を改善して火災による煙の検出感度を向上可能とする。

また、ラビリンス構造を廃止することにより、感知器の構造を簡単にし、コスタダウンを可能とする。

また、発光部の発光素子と偏光フィルタに代えてレーザーダイオードを設け、偏光性を伴うレーザービームを照射することで、同様の効果が得られる。

検煙部の垂直方向で光軸を交差する散乱光式検煙構造を備えた煙感知器の実施形態を示した説明図媒質に入射する光の反射を示した説明図媒質面に対する偏光ビームの垂直偏光入射と水平偏光入射を示した説明図図１の発光部による偏光ビームの底面への水平偏光入射を取り出して示した説明図検煙部の水平方向で光軸を交差する散乱光式検煙構造を備えた煙感知器の実施形態を示した説明図図５の実施形態で使用する平網構造の防虫網を、ワイヤ網を使用した防虫網と対比して示した説明図検煙部の水平回りに光軸を交差する散乱光式検煙構造を備えた煙感知器の他の実施形態を示した説明図ラビリンス構造を備えた従来の煙感知器を示した説明図

［水平方向で光軸を交差した煙感知器の実施形態］
（煙感知器の構造）
図１は検煙部の垂直方向で光軸を交差する散乱光式検煙構造を備えた煙感知器の実施形態を示した説明図であり、図１（Ａ）に断面を示し、図１（Ｂ）に検煙部を下側から見た平面を示す。また、図１（Ａ）は図１（Ｂ）のＸ−Ｐ−Ｘ断面となる。

図１に示すように、煙感知器１０は、感知器本体１２と外カバー１４で構成している。感知器本体１２には検煙部１８を設け、検煙部１８の上部の回路収納部１７に回路基板１５を収納している。

検煙部１８は周囲に開口し上下を閉鎖した略円筒形であり、内部に検煙空間２０を形成している。検煙空間２０の上部側には発光部２２と受光部２４を、それぞれの光軸３４，３５が検煙空間２０内の検煙点Ｐで交差するように、斜め下向きに配置している。

発光部２２にはＬＥＤなどの発光素子２６を設けると共に、発光素子２６の前方に偏光フィルタ（偏光子）２８を配置し、発光素子２６からの光ビーム（無偏光ビーム）を所定の偏光方向となる偏光ビーム（直線偏光ビーム）に変換して検煙空間２０の下側に位置する底面３２に向けて照射している。

受光部２４はフォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子３０を備え、発光部２２からの偏光ビームが直接入射しない部位に配置し、検煙空間２０に流入した煙による偏光ビームの散乱光を入射して散乱光量を検出するようにしている。

外カバー１４は内部に感知器本体１２を収納しており、検煙部１８の外周に相対したカバー部分に、検煙空間２０の外側を取り囲むように、煙を取り込む煙流入孔１６を設けている。また、煙流入孔１６の内側には防虫網４６を環状に配置している。

このような散乱光式の検煙構造において、本実施形態にあっては、発光部２２からの偏光ビームが照射される検煙部１８の照射部位を照射平面となる底面（照射面）３２とし、入射する偏光ビームの偏光面が入射面に対して水平となる水平偏光（Ｐ偏光）となるように偏光フィルタ２８の光軸回りの偏光方向を設定し、更に、偏光ビームの照射平面となる底面３２に対する入射角αを反射率の低い所定角度となるように発光部２２を斜め下向きに配置し、底面３２での反射光を抑制している。

ここで、発光部２２からの偏光ビームが水平偏波として入射する入射角αは、望ましくは、反射率が零となる所定のブリュスター角としている。なお、ブリュスター角（偏光角）とは、屈折率の異なる物質の界面においてｐ偏光の反射率が零となる入射角である。

このように発光部２２からの偏光ビームによる底面３２の反射光を抑制することで、検煙部１８の周囲に、図８に示したように設けているラビリンス構造を不要としている。

（偏光ビームの反射）
図２は媒質に入射する光の反射を示した説明図であり、図２（Ａ）に入射光に対する屈折光と反射光の関係を示し、図２（Ｂ）に水平偏光（ｐ偏光）と垂直偏光（ｓ偏光）の入射角αに対する振幅反射率の特性グラフを示している。

図２（Ａ）に示すように、屈折率ｎ１の媒質１（ここでは空気）から、屈折率ｎ２の媒
質中に入射する光線を考える。スネルの法則により入射角αと屈折光の角度βとの関係は
ｎ１／ｎ２＝ｓｉｎβ／ｓｉｎα
となる。

光線が入射角αで屈折率ｎ２の媒質に入射するとき、入射面での反射率は偏光面により定まり、水平偏光の振幅反射率をＲｐ、垂直偏光の振幅反射率をＲｓとすると、次式で与えられる。
Ｒｐ＝ｔａｎ（α-β）／ｔａｎ（α＋β）
Ｒｓ＝−ｓｉｎ（α-β）／ｓｉｎ（α＋β）
図２（Ｂ）のグラフは、入射角αに対する水平偏光の振幅反射率Ｒｐと垂直偏光の振幅反射率Ｒｓの変化を示しており、入射角αが大きくなるに従い反射率が大きくなることが示されている。

ここで、水平偏光の振幅反射率Ｒｐを見ると、振幅反射率Ｒｐは入射角αの増加に伴って減少し、ブリュスター角（偏光角）として知られた例えば５５°になると振幅反射率Ｒｐは零となり、その後、急激に増加している。

また、垂直偏光の振幅反射率Ｒｓを見ると、入射角αの増加に伴って振幅反射率Ｒｓも増加し、４０°を超えると振幅反射率Ｒｓは急激に増加している。

図３は照射平面に対する偏光ビームの入射を示した説明図であり、図３（Ａ）は水平偏光の入射を示し、図３（Ｂ）は垂直偏光の入射を示す。

図３（Ａ）に示すように、照射平面４０に光軸３４で入射する偏光ビーム（直線偏光ビーム）３８は、振幅方向に偏光面４２を持っており、水平偏光の場合、入射面４１に対し偏光ビーム３８の偏光面４２が水平になるように入射している。この水平偏光について、入射角αを変えることで、図２（Ｂ）に示した振幅反射率Ｒｐの特性が得られ、入射角αをブリュスター角となる５５°に設定すると、反射率は零となる。

これに対し垂直偏光の場合は、図３（Ｂ）に示すように、入射面４１に対し偏光ビーム３８の偏光面４２が垂直になるように入射している。この垂直偏光について、入射角αを変えることで、図２（Ｂ）に示した振幅反射率Ｒｓの特性が得られる。

そこで、図１の実施形態にあっては、図３（Ａ）に示した水平偏光の入射を適用して内部反射による反射光量を抑制する。

（内部反射を抑制する構成）
図４は図１の発光部による偏光ビームの底面への水平偏光の入射を取り出して示した説明図である。

図４に示すように、図３（Ａ）に示した水平偏光の入射による反射光の抑制を実現するため、発光部２２に設けた発光素子２６の前方に偏光フィルタ２８を設け、間欠発光する発光素子２６からの無偏光ビーム（ランダム偏光ビーム）を偏光ビーム（直線偏光ビーム）３８に変換して検煙空間に照射する。

また、偏光ビーム３８の照射部位を、図３（Ａ）の照射平面４０に相当する検煙部１８の底面３２とし、更に、底面３２に対する偏光ビーム３８の入射角α、即ち発光部２２の光軸３４と中心垂線３６のなす角度αを、煙感知器１０の材質である合成樹脂に対応した所定のブリュスター角、例えば５５°となるように、検煙部１８に発光部２２を配置し、理想的には内部反射の光量を零に近づける。

その結果、図１の煙感知器１０は、検煙部１８にラビリンス構造を設ける必要はなくなり、防虫網４６は外カバー１４に設けた煙流入孔１６の内側に配置すればよい。

また、外部から浸入する外乱光の影響については、受光部２４に設けた受光素子３０の受光視野を限定し、外カバー１４の煙流入孔１６からの外乱光が入射しないようにすることで、問題のないレベルとすることができる。さらに、回路基板１５に実装している受光素子３０からの受光信号を処理する電気回路に、定常的な外乱光による直流成分をカットするフィルタを設けることで、外乱光の影響を排除することができる。

［水平方向で光軸を交差した煙感知器の実施形態］
（煙感知器の構造）
図５は検煙部の水平方向で光軸を交差する散乱光式検煙構造を備えた煙感知器の実施形態を示した説明図であり、図５（Ａ）に断面を示し、図５（Ｂ）に検煙部を下側から見た平面を示す。また、図５（Ａ）は図５（Ｂ）のＸ−Ｐ−Ｘ断面となる。

図５に示すように、煙感知器１０は、感知器本体１２と外カバー１４で構成し、感知器本体１２には検煙部１８を設け、検煙部１８の上部の回路収納部に回路基板１５を収納している。

検煙部１８は周囲に開口し上下を閉鎖した略円筒形であり、内部に検煙空間２０を形成している。検煙空間２０の水平回りとなる所定位置には発光部２２と受光部２４を、それぞれの光軸３４，３５が検煙空間２０内の検煙点Ｐで交差するように、水平回りに配置している。

発光部２２にはＬＥＤなどの発光素子２６を設け、発光素子２６の前方に偏光フィルタ２８を配置し、発光部２２からの光ビームを所定の偏光方向となる偏光ビームに変換して検煙空間２０の側方に向けて照射している。

外カバー１４は内部に感知器本体１２を収納しており、検煙部１８の外周に相対したカバー部分に、検煙空間２０の外側を取り囲むように、煙を取り込む煙流入孔１６を設けている。

発光部２２からの偏光ビームが照射される部位は、反射光を抑制するために、図３（Ａ）に示した照射平面４０とする必要があり、本実施形態では、例えば矩形に形成した防虫網４８を検煙部１８に配置し、発光部２２からの光軸３４がＱ点で通る防虫網４８の平網面に向けて照射する偏光ビームの偏光方向を入射面に対して水平となるように偏光フィルタ２８を設定している。なお、防虫網４８は、光軸３４が通るＱ点を中心としたビーム照射範囲で平網面となる形状であれば良く、矩形に限定されない。

ここで、本実施形態で使用する防虫網４８は、図６（Ａ）に示す樹脂や金属のワイヤを編みあわせた防虫網４６ではなく、図６（Ｂ）に示すように、金属板等の平板にパンチングやエッチングにより穴あけ加工した平網を使用する。

また、発光部２２からの防虫網４８の平網面に対する偏光ビーム３８の入射角α、即ち発光部２２の光軸３４と平網面の光軸３４が通るＱ点からの垂線３６とのなす角度αを、
防虫網４８の材質に対応した所定のブリュスター角となるように配置し、理想的には内部反射の光量を零に近づける。

その結果、図５の煙感知器１０は、検煙部１８にラビリンス構造を設ける必要はない。また、外部から浸入する外乱光の影響については、受光部２４に設けた受光素子３０の受光視野を限定し、外カバー１４の煙流入孔１６からの外乱光が入射しないようにする。さらに、回路基板１５に実装している受光素子３０からの受光信号を処理する電気回路に、定常的な外乱光による直流成分をカットするフィルタを設けることで、外乱光の影響を排除する。

なお、煙感知器１０のデザインやスペースの関係で、平網面をもつ防虫網４８を設けることが困難な場合には、図６（Ｂ）に示した平網を環状に形成して検煙部１８の周囲を囲んで配置しても良い。この場合、環状の防虫網に対する偏光ビームの入射角は、入射角０°を中心に例えばプラスマイナス数度の範囲に分布するが、図２（Ｂ）の振幅反射率Ｒｐの特性から反射率は０．２以下となり、反射光を抑制する効果は十分に得られる。

［反射壁を設けた煙感知器の実施形態］
図７は検煙部の水平方向に光軸を交差する散乱光式検煙構造を備えた煙感知器の他の実施形態を示した説明図であり、図７（Ａ）に断面を示し、図７（Ｂ）に検煙部を下側から見た平面を示す。また、図７（Ａ）は図７（Ｂ）のＸ−Ｐ−Ｘ断面となる。

図７に示すように、本実施形態の煙感知器１０は、発光部２２からの偏光ビームが照射される部位に反射壁５０を起立し、発光部２２からの偏光ビームの偏光面に対し反射壁５０の平坦な壁面に向けて照射する偏光ビームの偏光方向を入射面に対して水平となるように偏光フィルタ２８を設定している。

また、発光部２２からの反射壁５０の平坦な反射面に対する偏光ビーム３８の入射角α、即ち発光部２２の光軸３４と反射壁５０の光軸３４が通るＱ点からの垂線３６とのなす角度αを、煙感知器１０の材質である合成樹脂に対応した所定のブリュスター角、例えば５５°となるように反射壁５０を配置し、内部反射の光量を零に近づける。

また、検煙部１８を囲む外カバー１４の煙流入孔１６の内側となる位置には、図６（Ａ）に示した樹脂や金属のワイヤを編み合せた防虫網４６（図６（Ｂ）の防虫網４８でも良い）を環状に配置している。それ以外の構造は図５の実施形態と同じになることから、同一符号を付して説明は省略する。

本実施形態は、図５の実施形態のように、検煙部１８に平網面をもつ矩形の防虫網４８を設けることが困難な場合に好適であり、発光部２２からの偏光ビームをブリュスター角となる入射角により反射壁５０に入射させることで、理想的には内部反射の光量を零に近づけることを可能とし、検煙部１８にラビリンス構造を設ける必要はない。

［発光部にレーザーダイオードを用いた実施形態］
図１、図５及び図７に示した煙感知器の実施形態について、発光部２２に設けている発光素子２６と偏光フィルタ２８に代えて、レーザーダイオードを設ける。レーザーダイオードは、周知のように、偏光性の強いレーザービームを出射する。

発光部２２に設けたレーザーダイオードからのレーザービーム（偏光ビーム）は、図１、図５及び図７のそれぞれにおける照射平面となる底面３２、防虫網４８の平網面、反射壁５０に入射させる。

この場合、レーザービームの偏光面に対し、図１、図５及び図７のそれぞれにおける底面３２、防虫網４８の平網面、反射壁５０の照射平面に照射するレーザービームの偏光方向を入射面に対して水平となるようにレーザーダイオードを設定し、更に、それぞれの照射平面に対するレーザービームの入射角αをブリュスター角とする。

この結果、レーザービームの内部反射による光量を理想的には零に近づけることを可能とし、検煙部１８にラビリンス構造を設ける必要はない。

［本発明の変形例］
上記の実施形態は、発光部と受光部を検煙部の垂直方向及び水平方向に配置した散乱光式検煙構造を例にとっているが、垂直方向及び水平方向以外の適宜の立体角により発光部と受光部を配置した散乱光式検煙構造についても同様に適用できる。

また、上記の実施形態は、偏光ビーム又はレーザービームの照射平面に対する入射角をブリュスター角として反射率を零に近づけているが、煙感知器のデザインやスペース等の関係から可能な限りブリュスター角に近い入射角とした場合も含む。この入射角の範囲は、図２（Ｂ）で振幅反射率Ｒｐが例えば０．２を超えない範囲とする。

また、本発明は上記の実施形態に限定されず、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。

１０：煙感知器
１２：感知器本体
１４：外カバー
１５：回路基板
１６：煙流入孔
１８：検煙部
２０：検煙空間
２２：発光部
２４：受光部
２６：発光素子
２８：偏光フィルタ
３０：受光素子
３２：底面
３４，３５：光軸
３８：偏光ビーム
４０：照射平面
４２：偏光面
４６，４８：防虫網
５０：反射壁

Claims

検煙部を設けた感知器本体と、
前記検煙部に配置され、発光素子の光ビームを偏光ビームに変換して出射する発光部と、
前記検煙部に、前記偏光ビームが直接入射しないように配置され、前記偏光ビームの煙による散乱光を入射する受光素子を備えた受光部と、を有し、
前記検煙部には、外部からの光及び前記偏光ビームによる内部反射光の前記受光部への入射を防ぐラビリンス構造を設けずに、前記受光素子の受光視野を限定して前記外部からの光の当該受光素子への入射を防ぐ構造を設け、
前記偏光ビームが照射される前記検煙部の照射部位を照射平面とし、
前記照射平面に照射する前記偏光ビームの偏光方向は、入射面に対して平行となるように設定し、更に、前記偏光ビームの前記照射平面に対する入射角を反射率の低い所定角度となるようにしたことを特徴とする煙感知器。
請求項１記載の煙感知器に於いて、
前記検煙部は上下面を閉鎖し周囲に開口して煙を流入する検煙空間を備え、
前記検煙空間の上下面の一方の面側から他方の面に向けて斜めに前記偏光ビームを照射し、
前記検煙空間の上下面の他方の面に照射する前記偏光ビームの偏光方向を入射面に対して平行となるようにし、更に、前記偏光ビームの前記上下面の他方の面に対する入射角を反射率の低い所定角度となるようにしたことを特徴とする煙感知器。
請求項１記載の煙感知器に於いて、
前記検煙部は上下面を閉鎖し周囲に開口して煙を流入する検煙空間を備え、
前記検煙空間の水平回りに前記発光部及び前記受光部を配置し、
前記照射平面は、前記発光部からの前記偏光ビームが照射される前記検煙部の周囲の照射部位とし、
前記照射平面に照射する偏光ビームの偏光方向を入射面に対して平行となるようにし、更に、前記偏光ビームの前記照射平面に対する入射角を反射率の低い所定角度となるようにしたことを特徴とする煙感知器。
請求項３記載の煙感知器に於いて、前記照射平面を、前記検煙空間の周囲に配置する防虫網により形成したことを特徴とする煙感知器。
請求項３記載の煙感知器に於いて、前記偏光ビームが照射される前記検煙空間の周辺位置に、反射壁面を形成したことを特徴とする煙感知器。
請求項１乃至５の何れかに記載の煙感知器に於いて、前記偏光ビームの前記照射平面に対する入射角を、反射率が零となる所定のブリュスター角としたことを特徴とする煙感知器。
検煙部を設けた感知器本体と、
前記検煙部に配置され、偏光したレーザービームを出射するレーザーダイオードを備えた発光部と、
前記検煙部に、前記レーザービームが直接入射しないように配置され、前記レーザービームの煙による散乱光を入射する受光素子を備えた受光部と、を有し、
前記検煙部には、外部からの光及び前記レーザービームによる内部反射光の前記受光部への入射を防ぐラビリンス構造を設けずに、前記受光素子の受光視野を限定して前記外部からの光の当該受光素子への入射を防ぐ構造を設け、
前記レーザービームが照射される前記検煙部の照射部位を照射平面とし、
前記照射平面に照射する偏光ビームの偏光方向は、入射面に対して平行となるように設定し、更に、前記レーザービームの前記照射平面に対する入射角を反射率の低い所定角度となるようにしたことを特徴とする煙感知器。