JP7133396B2

JP7133396B2 - 光電式煙感知器

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Publication number: JP7133396B2
Application number: JP2018158806A
Authority: JP
Inventors: 哲也長島
Original assignee: Hochiki Corp
Current assignee: Hochiki Corp
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2038-08-28
Also published as: JP2020035029A; JP2022165428A; JP7397934B2; JP2023181526A

Description

本発明は、受光素子に対する散乱特性が異なるように２波長の光を発して火災による煙の種類を識別して検知する光電式煙感知器に関する。

従来の光電式煙感知器は、火災による煙に限らず、調理の煙やバスルームの湯気等により非火災報を発してしまうことがある。

このような火災以外の原因による非火災報を防止するため、２種類の波長の光を検煙空間に照射し、煙による散乱光について異なる波長の光強度の比を求めて煙の種類を判定し、煙識別の確度を高めて非火災報防止を確実なものとする光電式煙感知器が提案されている（特許文献１）。

特許文献１の光電式煙感知器にあっては、異なる波長の光を発する２つの発光素子につき受光素子に対する散乱角を異ならせることで煙の種類による散乱特性の相違を作り出し、同時に２つの発光素子から発する光の波長を異ならせることで波長に起因した散乱特性の相違を作り出し、この散乱角の相違と波長の相違の相乗効果によって煙の種類による散乱光の光強度に顕著な差を持たせることで煙の識別確度を高め、調理の湯気やタバコの煙による非火災報を防止し、更に火災による煙についても黒煙火災と白煙火災といった燃焼物の種類を確実に識別することを可能にしている。

特開２００４－３２５２１１号公報特開平６－１０９６３１号公報特開平７－１２７２４号公報

しかしながら、このような従来の光電式煙感知器にあっては、２つの発光素子を交互に発光させなれければならないため、検煙部内に流入した煙の揺らぎがあった場合、時間的に異なる煙濃度を測定することとなり、測定の同時性が損なわれて検知精度の低下を招く問題がある。

また、感知器の寿命を決定する部品である発光素子が２つとなるため、その分、故障の確率が大きくなり、製品寿命の低下の懸念があった。

本発明は、異なる波長の光の散乱特性の相違による散乱光を受光して煙の種類を識別する検煙部構造につき、測定の同時性を確保して検知精度を向上すると共に、部品数を削減して構造を簡略化し、信頼性を向上可能とする光電式煙感知器を提供することを目的とする。

（光電式煙感知器）
本発明は、光電式煙感知器に於いて、
検煙空間に向け、第１波長の光と第１波長とは異なる第２波長の光を同時に発する発光素子と、
発光素子から発せられる光を直接受光しない位置に設けられ、第１波長の光に感度をもつ第１受光素子と、
発光素子から発せられる光を直接受光しない他の位置に設けられ、第２波長の光に感度をもつ第２受光素子と、
を備え、
発光素子は、青色ＬＥＤと蛍光体を組み合わせて成る白色ＬＥＤであり、第１波長の中心波長が略７００ｎｍ、前記第２波長の中心波長が略４５０ｎｍであることを特徴とする。

（散乱角の設定）
発光素子と第１受光素子の光軸の交差で構成される第１散乱角に対し、発光素子と第２受光素子の光軸の交差で構成される第２散乱角を大きく構成する。

（散乱角の例）
発光素子と第１受光素子の光軸の交差で構成される第１散乱角を２０°～７０°の範囲に定めることで発光素子と第１受光素子の光軸が１１０°～１６０°の範囲の所定角度で交差するように配置され、
発光素子と第２受光素子の光軸の交差で構成される第２散乱角を１１０°～１５０°の範囲に定めることで、発光素子と第２受光素子の光軸が３０°～７０°の範囲で交差するように配置される。

（煙種類の識別）
第１受光素子で受光された発光素子から発せられた第１波長の光による煙の散乱光量の受光出力と、第２受光素子で受光された発光素子から発せられた第２波長の光による煙の散乱光量の受光出力とを比較することにより、煙の種類を識別し、煙の種類に応じた判断基準により火災判断を行う。

（基本的な効果）
本発明は、光電式煙感知器に於いて、検煙空間に向け、第１波長の光と第１波長とは異なる第２波長の光を同時に発する発光素子と、発光素子から発せられる光を直接受光しない位置に設けられ、第１波長の光に感度をもつ第１受光素子と、発光素子から発せられる光を直接受光しない他の位置に設けられ、第２波長の光に感度をもつ第１受光素子とを備え、発光素子は、青色ＬＥＤと蛍光体を組み合わせて成る白色ＬＥＤであり、第１波長の中心波長が略７００ｎｍ、前記第２波長の中心波長が略４５０ｎｍであるため、発光素子から検煙空間に第１波長と第２波長の光が照射されて第１受光素子と第２受光素子が同時に散乱光を受光できるため、第１波長と第２波長の光による測定タイミングのずれが生じず、検煙空間に流入した煙濃度が短時間に揺らいでも影響を受けることがなく、煙の種類を識別する精度を高めることができる。

また、感知器の寿命を決める部品である発光素子が１つとなるため、故障確率が小さくなり、信頼性を高めることができる。

（散乱角の相違による効果）
また、発光素子と第１受光素子の光軸の交差で構成される第１散乱角を２０°～７０°の範囲に定めることで、発光素子と第１受光素子の光軸が１１０°～１６０°の範囲の所定角度で交差するように配置され、発光素子と第２受光素子の光軸の交差で構成される第２散乱角を１１０°～１５０°の範囲に定めることで、発光素子と第２受光素子の光軸が３０°～７０°の範囲で交差するように配置されたため、煙の種類による散乱特性の相違を作り出し、散乱角の相違によって煙の種類による散乱光の光強度に顕著な差を持たせることができる。

（煙種類の識別による効果）
また、第１受光素子で受光された発光素子から発せられた第１波長の光による煙の散乱光量の受光出力と、第２受光素子で受光された発光素子から発せられた第２波長の光による煙の散乱光量の受光出力とを比較することにより、煙の種類を識別し、煙の種類に応じた判断基準により火災判断を行うようにしたため、煙の種類による散乱特性の相違を作り出し、同時に発光素子から発する光の波長を異ならせることで波長に起因した散乱特性の相違を作り出し、この散乱角の相違と波長の相違の相乗効果によって煙の種類による散乱光の光強度に顕著な差を持たせることで煙の識別確度を高め、調理の湯気やタバコの煙による非火災報を防止し、更に火災による煙についても白煙火災（燻焼火災）と黒煙火災（燃焼火災）といった燃焼物の種類を確実に識別することができる。

本発明による光電式煙感知器の回路構成を示したブロック図検煙部構造の実施形態を示した説明図綿灯芯とケロシンを燃焼した場合の煙に対する図２の検煙部構造により検出された第１受光素子と第２受光素子の受光出力とその比率を示した説明図第１受光素子と第２受光素子の受光出力に応じて煙の種類及を識別する比率閾値を変更する設定テーブルを示した説明図第１受光素子と第２受光素子の受光出力に応じて煙の種類及び非火災要因を識別する比率閾値の設定テーブルを示した説明図図２の検煙部構造を用いた図１の回路ブロックによる火災感知制御の実施形態を示したフローチャート

［光電式煙感知器の回路構成］
図１は本発明による光電式煙感知器の回路構成を示したブロック図である。図１に示すように、本実施形態の光電式煙感知器１０は、ＣＰＵ、メモリ及び各種の入出力ポートを備えたコンピュータ回路で構成される制御部１２、Ｓ端子とＳＣ端子に接続された伝送線１１ａ，１１ｂを介して火災受信機との間で信号を送受信する伝送部１４、伝送線１１ａ，１１ｂを介して供給された電源電圧を所定の安定化電圧に変換して出力する電源部１５、発光駆動部１６、検煙部１８、増幅回路部２６，２８で構成される。

検煙部１８には第１波長λ１と第２波長λ２を含む光を同時に発する発光素子２０が設けられる。発光素子２０から発せられる第１波長λ１の光は中心波長を６００ｎｍ以上に定められ、また第２波長λ２の光は中心波長を５００ｎｍ以下に定めており、本実施形態にあっては、第１波長λ１を例えば７００ｎｍに定め、第２波長λ２を例えば４５０ｎｍに定めている。

本実施形態にあっては、発光素子２０として白色ＬＥＤ（白色発光ダイオード）を使用している。白色ＬＥＤは、例えば、青色ＬＥＤと蛍光体を組み合わせており、青色ＬＥＤの光を蛍光体に通して白色を発光させ、この発光色には、第１波長λ１＝７００ｎｍの光と、第２波長λ２＝４５０ｎｍの光が含まれており、検煙部１８内に、第１波長λ１と第２波長λ２の光を同時に照射することができる。

また、本実施形態の発光素子２０としては、２色ＬＥＤ（２色発光ダイオード）を使用することもできる。２色ＬＥＤは、第１波長λ１＝７００ｎｍの光を発する第１発光チップと、第２波長λ２＝４５０ｎｍの光を発する第２発光チップを備え、両者を同時に駆動することにより、第１波長λ１と第２波長λ２の光を検煙部１８内に同時に照射することができる。

第１受光素子２２には第１波長λ１に感度をもつフォトダイオ―ド（ＰＤ）が使用され、第２受光素子２４を第２波長λ２に感度をもつフォトダイオ―ド（ＰＤ）が使用される。

また、第１受光素子２２及び第２受光素子２４としては、可視光波長帯域に感度をもつ広帯域フォトダイオードに、第１波長λ１と第２波長λ２のそれぞれの波長帯域のみを受光するフィルタ層をＰＤモールディング（透明カバー部材）に設けても良いし、広帯域フォトダイオードの前方に、第１波長λ１と第２波長λ２のそれぞれの波長帯域を透過するフィルタを配置しても良い。

増幅回路部２６は第１受光素子２２で受光された第１波長λ１の煙散乱光の受光信号を増幅し、制御部１２に受光出力Ａ１を与える。また、増幅回路部２８は第２受光素子２４で受光された煙散乱光の受光信号を増幅し、制御部１２に受光出力Ａ２を与える。

［検煙部の実施形態］
図２は図１における検煙部の構造の実施形態を示した説明図である。図２に示すように、外部からの煙が流入する検煙部１８内には発光素子２０、第１受光素子２２及び第２受光素子２４が配置されている。

例えば白色ＬＥＤを用いた発光素子２０は、第１波長λ１及び第２波長λ２を含む光を光軸２０ａの方向に照射し、前述したように、第１波長λ１の光は７００ｎｍに設定し、また、第２波長λ２の光は４５０ｎｍに設定している。

発光素子２０の光軸２０ａと第１受光素子２２の光軸２２ａの交差で構成される第１散乱角θ１を２０°～７０°の範囲に定め、発光素子２０の光軸２０ａと第１受光素子２２の光軸２２ａが１１０°～１６０°の範囲の所定角度で交差するように配置している。

また、発光素子２０の光軸２０ａと第２受光素子２４の光軸２４ａの交差で構成される第２散乱角θ２を１１０°～１５０°の範囲に定め、発光素子２０と第２受光素子２４の光軸２４ａが３０°～７０°の範囲の所定角度で交差するように配置している。

本実施形態では、第１散乱角θ１は３０°に定めていることから、発光素子２０の光軸２０ａと第１受光素子２２の光軸２２ａは例えば１５０°の交差角で交差するように配置され、また、第２散乱角θ２は１２０°に定めていることから、発光素子２０の光軸２０ａと第２受光素子２４の光軸２４ａは例えば６０°の交差角で交差するように配置される。

第１受光素子２２は発光素子２０から発せられる第１波長λ１＝７００ｎｍの光に感度をもつことから、発光素子２０が第１波長λ１の光を発すると、検煙部１８に流入した煙による散乱角θ１＝３０°の散乱光が第１受光素子２２で受光され、受光出力Ａ１が得られる。ここで、受光出力Ａ１は、第１波長λ１と第１散乱角θ１により検出された煙濃度検出出力ということができる。

また、第２受光素子２４は発光素子２０から発せられる第２波長λ２＝４５０ｎｍの光に感度をもつことから、発光素子２０が第１波長λ１の光と同時に第２波長λ２の光を発すると、検煙部１８に流入した煙による第２散乱角θ２＝１２０°の散乱光が第２受光素子２４で受光され、受光出力Ａ２が同時に得られる。ここで、受光出力Ａ２は、第２波長λ２と第２散乱角θ２により検出された煙濃度検出出力ということができる。

［制御部による煙の識別］
図１に示した制御部１２は、発光駆動部１６に指示して発光素子２０を所定周期で間欠駆動することにより、第１波長λ１と第２波長λ２を含む白色光を発し、第１波長λ１による第１散乱角θ１＝３０°の後方散乱光が第１受光素子２２で受光され、これに対応して増幅回路部２８から出力される受光出力Ａ１を検出してメモリに記憶する。

同時に、第２波長λ２による第２散乱角θ２＝１２０°の後方散乱光が第２受光素子２４で受光されることから、制御部１２は、第２受光素子２４の受光に対応して増幅回路部２６から出力される受光出力Ａ２を検出してメモリに記憶する。

続いて、制御部１２は、第１受光素子２２に対応した受光出力Ａ１と第２受光素子２４に対応した受光出力Ａ２とを比較することにより、煙の種類を識別し、煙の種類に応じた判断基準により火災判断を行う。

［受光出力の比率による煙種類の判断］
図３は綿灯芯とケロシンを燃焼した場合の煙に対する図２の検煙部構造により検出された受光出力とその比率を示した説明図である。

図３に示すように、受光出力Ａ１は、第１波長λ１＝７００ｎｍ、第１散乱角θ１＝３０°の散乱光の受光出力となり、また、受光出力Ａ２は、第２波長λ２＝４５０ｎｍ、第２散乱角θ２＝１２０°の散乱光の受光出力となる。

このような綿灯芯とケロシンの燃焼で測定された受光出力Ａ１，Ａ２の比率Ｒ＝Ａ１／Ａ２を取ると、綿灯芯の場合はＲ＝８．０となり、ケロシンの場合はＲ＝２．３となり、綿灯芯とケロシンでは両者の比率Ｒに顕著な差異が表れ、比率Ｒに基づく煙の種類の識別が可能となる。

このため制御部１２は、比率閾値Ｒｔｈ１として例えばＲｔｈ１＝５を設定し、Ｒ＞５の場合は燻焼による白煙が発生していると判断し、Ｒ＜５の場合には燃焼による黒煙が発生していると判断し、判断した煙の種類を示す情報を含む火災信号を受信機に送信して火災警報を出力させる制御を行う。

［比率閾値の変更］
図３に示した煙の種類を識別するための比率閾値Ｒｔｈ１は、図２に示す検煙部１８に設けた第１受光素子２２及び第２受光素子２４に対する散乱角θ１，θ２と発光素子２０から発する第１波長λ１及び第２波長λ２により、適宜変更することができる。

また、図３にあっては、比率閾値Ｒｔｈを一定としたが、受光出力Ａ１，Ａ２の大きさに応じて煙識別のレベルを変化させても良い。

図４は第１受光素子と第２受光素子の受光出力に応じて煙の種類を識別する比率閾値を変更する設定テーブルを示した説明図である。図４に示すように、比率閾値の設定テーブルは、第１波長λ１＝７００ｎｍ、第１散乱角θ１＝３０°による第１受光素子２２に対応した受光出力Ａ１と、第２波長λ２＝４５０ｎｍ、第２散乱角θ２＝１２０°による第２受光素子２４に対応した受光出力Ａ２の２次元テーブルであり、例えば受光出力Ａ１が大きくなるに従い比率閾値Ｒｔｈ１を５．０→５．２→５．５と変化させて煙の種類を判断する。

これは極端に煙濃度が大きくなった場合、２次散乱の影響により図３で設定した比率閾値Ｒｔｈ１＝５から外れることが考えられるため、それを補完するために比率閾値Ｒｔｈ１を変更して、高い精度で煙の種類を判断可能とする。

［非火災要因の識別］
図５は第１受光素子と第２受光素子の受光出力に応じて煙の種類及び非火災要因を識別する比率閾値の設定テーブルを示した説明図である。

図５に示すように、比率閾値の設定テーブルは、第１受光素子２２に対応した受光出力Ａ１と第２受光素子２４に対応した受光出力Ａ２の２次元テーブルであり、図４の煙の種類を識別する比率閾値Ｒｔｈ１＝５～５．５に加え、非火災要因となる湯気を識別するための比率閾値Ｒｔｈ２＝１２を設定している。

例えば、バスルーム等からの湯気が光電式煙感知器１０に流入した場合、従来の煙感知器はこれを火災による煙と誤診し火災警報を発してしまうが、本実施形態においては、例えば受光出力Ａ１に応じて比率閾値Ｒｔｈ２＝１２を選択し、Ｒ＜１２であれば火災煙であることを識別し、Ｒ＞１２であれば湯気等の非火災要因であることを識別する。これにより湯気等の非火災要因が判別された場合には、湯気を示す非火災情報を含む状態信号を受信機に送信することで、火災警報ではなく注意警報を受信機から出力させることができる。

［感知器制御の実施形態］
図６は図２の検煙部構造を用いた図１の回路ブロックによる火災感知制御の実施形態を示したフローチャートであり、制御部１２による制御動作となる。

図６に示すように、制御部１２は、ステップＳ１で発光駆動部１６に指示して白色ＬＥＤを用いた発光素子２０を所定周期で間欠的に発光駆動して第１波長λ１及び第２波長λ２を含む白色光を検煙部１８内に照射し、ステップＳ２で第１受光素子２２により受光された第１波長λ１の散乱光に対応した受光出力Ａ１を検出してステップＳ３でメモリに記憶し、続いて、ステップＳ４で第２受光素子２４により受光された第２波長λ２の散乱光に対応した受光出力Ａ２を検出してステップＳ５でメモリに記憶する。

続いて、制御部１２は、ステップＳ６で受光出力Ａ１，Ａ２の比率Ｒ＝Ａ１／Ａ２を算出し、ステップＳ７で比率Ｒを例えば閾値Ｒｔｈ１＝５と比較し、比率Ｒが閾値Ｒｔｈ１＝５以上であれば、ステップＳ８で非火災要因を識別する閾値Ｒｔｈ２＝１２と比較するが、閾値Ｒｔｈ２未満であることからステップＳ９に進み、白煙による燻焼火災と判断し、ステップＳ１０で受光出力Ａ１が注意警報を必要とする煙濃度に対応した閾値Ａｔｈ１以上であることを判別するとステップＳ１１に進み、白煙識別情報を含む火災信号を受信機に送信し、白煙による燻焼火災であることを示す火災警報を出力させる。

一方、制御部１２は、ステップＳ９で比率Ｒが閾値Ｒｔｈ１＝５未満であれば、ステップＳ１２に進んで黒煙による燃焼火災と判断し、ステップＳ１３で受光出力Ａ２が注意警報を必要とする煙濃度に対応した閾値Ａｔｈ２以上であることを判別するとステップＳ１４に進み、黒煙識別情報を含む火災信号を受信機に送信し、黒煙による燃焼火災であることを示す火災警報を出力させる。

また、制御部１２は、比率ＲがステップＳ７で閾値Ｒｔｈ１＝５以上で且つステップＳ８で閾値Ｒｔｈ２＝１２以上と判別された場合にはステップＳ１５に進んで湯気等による非火災要因と判断し、ステップＳ１６で受光出力Ａ１が注意警報を必要とする煙濃度に対応した閾値Ａｔｈ１以上であることを判別するとステップＳ１７に進み、非火災要因の識別情報を含む火災信号を受信機に送信し、湯気等の非火災要因による非火災発報であることを示す注意警報等を出力させる。

なお、図６の制御にあっては、白色ＬＥＤを発光駆動する毎に、受光出力Ａ１，Ａ２の比率を算出して白煙か黒煙かを判別しているが、受光出力が例えば注意警報を必要とする煙濃度に対応した閾値Ａｔｈ１以上の場合に比率Ｒの算出による煙の識別を行っても良い。これにより通常監視状態での受光出力Ａ１，Ａ２の検出記憶による比率計算を行って行わないことで、制御部１２の処理負荷を低減し、光電式煙感知器１０の消費電流を低減することができる。

［本発明の変形例］
上記の実施形態は、発光素子として白色ＬＥＤ又は２色ＬＥＤを設けているが、第１波長λ１を発するＬＥＤと、第２波長λ２を発するＬＥＤを並べて配置し、同時に発光駆動するようにしても良い。

また、本発明は、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：光電式煙感知器
１１ａ，１１ｂ：伝送線
１２：制御部
１４：伝送部
１５：電源部
１６：発光駆動部
１８：検煙部
２０：発光素子
２０ａ，２２ａ，２４ａ：光軸
２２：第１受光素子
２４：第２受光素子
２６，２８：増幅回路部

Claims

検煙空間に向け、第１波長の光と前記第１波長とは異なる第２波長の光を同時に発する発光素子と、
前記発光素子から発せられる光を直接受光しない位置に設けられ、前記第１波長の光に感度をもつ第１受光素子と、
前記発光素子から発せられる光を直接受光しない他の位置に設けられ、前記第２波長の光に感度をもつ第２受光素子と、
を備え、
前記発光素子は、青色ＬＥＤと蛍光体を組み合わせて成る白色ＬＥＤであり、前記第１波長の中心波長が略７００ｎｍ、前記第２波長の中心波長が略４５０ｎｍであることを特徴とする光電式煙感知器。
請求項１記載の光電式煙感知器に於いて、
前記発光素子と前記第１受光素子の光軸の交差で構成される第１散乱角に対し、前記発光素子と前記第２受光素子の光軸の交差で構成される第２散乱角を大きく構成したことを特徴とする光電式煙感知器。
請求項１記載の光電式煙感知器に於いて、
前記発光素子と前記第１受光素子の光軸の交差で構成される第１散乱角を２０°～７０°の範囲に定めることで前記発光素子と前記第１受光素子の光軸が１１０°～１６０°の範囲の所定角度で交差するように配置され、
前記発光素子と前記第２受光素子の光軸の交差で構成される第２散乱角を１１０°～１５０°の範囲に定めることで、前記発光素子と前記第２受光素子の光軸が３０°～７０°の範囲で交差するように配置されたことを特徴とする光電式煙感知器。
請求項１乃至３の何れかに記載の光電式煙感知器に於いて、
前記第１受光素子で受光された前記発光素子から発せられた前記第１波長の光による煙の散乱光量の受光出力と、前記第２受光素子で受光された前記発光素子から発せられた前記第２波長の光による煙の散乱光量の受光出力とを比較することにより、煙の種類を識別し、煙の種類に応じた判断基準により火災判断を行うことを特徴とする光電式煙感知器。